基于电阻抗检测的微流控分选技术研究

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颗粒或细胞的检测与分选在许多生物医学研究中具有重要价值,将生物颗粒分离成同质种群的技术在近年来得到了深入的研究。然而,当前的许多颗粒分选方式需要首先对目标对象进行标记,这增加了实验的复杂度,还有可能影响生物对象的活性。微流控电阻抗检测技术因其具有无标记、实时和高通量等优点,在微小颗粒检测中发展成为了一种非常有前途的方法。而目前基于电阻抗检测的分选技术研究中,缺少对触发分选时刻颗粒在管道中所处位置的详细分析,导致检测与分选动作之间没有实现良好的匹配。本文将电阻抗检测技术和压电分选技术结合,通过对电阻抗数据的实时获取和处理,使检测与分选动作达到了良好的匹配,并实现了对不同大小的聚苯乙烯小球的无标记检测与高纯度分选。这种基于电阻抗检测的微流控分选技术,可用于细胞的无标记分选,在单细胞检测与单细胞组学研究中有着广阔的应用前景。本文的主要工作有:(1)微流控电阻抗检测技术的原理研究及信号特征分析。研究了电阻抗检测技术的工作原理并建立了相应的等效电路模型,利用了有限元方法对颗粒的电阻抗检测过程进行了模拟,为后续的实验奠定了理论基础。对于10 μm和7 μm的混合聚苯乙烯小球的电阻抗检测实验,通过对信号特征的分析,可以将颗粒的峰值幅度作为区分两种颗粒的可靠指标;而HeLa细胞由于在大小、形态上的差异性,其信号的峰值幅度相比小球有着更大的变异系数。(2)电阻抗数据实时获取与处理的研究。为了将电阻抗检测与下游的压电分选实现良好的配合,使用MATLAB编写的定制程序对电阻抗数据进行了实时的获取和分析,通过对系统运行过程中各类时间的合理计算,准确的预测了触发分选时刻颗粒在管道中所处的位置,这对于后续的分选至关重要,并对颗粒位置预测存在的误差进行了分析。(3)基于电阻抗检测的颗粒分选技术的研究。提出了一种基于电阻抗检测的压电分选方案,研究了微流控芯片的结构组成和制作工艺流程,芯片主要包含微流体管道和电极两个部分,以此为基础搭建了基于电阻抗检测的颗粒分选实验平台。研究表明,经过电阻抗检测预测颗粒位置得到的触发区域都在合适的压电分选区域中,证实了将电阻抗检测与压电分选结合实现颗粒分选的可行性。针对10 μm与7μm的混合聚苯乙烯小球溶液的分选,10μm颗粒的分选纯度为94.9%,通量为1.6 Hz。
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