基于阻抗法的微流控细胞计数系统设计与研究

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细胞计数在临床诊断、生物分子检测、环境检测与气候变化等领域都拥有着不可替代的作用。但现今应用最多的细胞计数方式依旧是显微镜计数、图像法计数和基于荧光技术的流式细胞仪,而这些计数装置大多体积较大、价格昂贵、前处理时间长,并且需要对目标样本进行标记处理,极大地耗费了计数时间和增加计数成本。基于微流控的阻抗法流式细胞计数仪由于其便携性、非侵入性和无标签的特点使得其在替代传统细胞计数上有着广阔的前景,但由于细胞在传感区域阻抗信号的位置依赖问题也极大的限制了其进一步的发展。本文利用阻抗法细胞计数原理,结合液体电极概念,设计研发了一款基于阻抗法的微流控细胞计数芯片和相关信号检测处理系统。首先,根据设计需求确定细胞计数芯片结构,并对计数与聚焦模块进行理论分析。而针对介电泳聚焦模块,本文基于现有介电泳聚焦研究现状,提出一种新的基于片状电极的介电泳聚焦结构。此外,利用COMSOL仿真分析由液体电极对形成的介电泳聚焦结构内流场与电场的分布情况,并结合相关文献资料确定液体电极结构设计规则和结构尺寸:封闭流道底部金属电极位置与流道高度相同为30μm,液体电极宽度、主流道宽度和液体电极间绝缘块宽度为50μm。然后,设计介电泳聚焦芯片结构,确定芯片结构尺寸,并根据介电泳聚焦结构建立仿真模型,仿真分析在该模型条件下粒子聚焦情况。根据粒子聚焦轨迹确定粒子聚焦效果度量参数为聚焦出口处粒子聚焦宽度d和无量纲参数Φ,其中Φ为聚焦宽度d与倒数第三对液体电极出口处粒子聚焦宽度d0的比值。通过有限元仿真软件仿真分析液体电极对数、电压幅值和样本流速三因素对介电泳聚焦效果的影响,由仿真结果可知:液体电极对数和电压幅值对介电泳聚焦有正影响,随着值的增加粒子聚焦宽度逐渐减小,聚焦效果不断提高;而样本流速对介电泳聚焦有相反效果,随着样本流速的增大粒子聚焦宽度增大,聚焦效果降低。接着,结合仿真结果设计介电泳聚焦实验并进行实验研究。利用高速摄影仪拍摄介电泳聚焦区域出口处粒子运动轨迹,使用Image J软件对粒子运动轨迹进行叠加,确定粒子聚焦宽度并计算介电泳聚焦效果度量参数值。对各影响因素进行单因素实验研究发现:粒子聚焦趋势与仿真结果相吻合,验证了仿真模型的准确性和本文设计聚焦芯片结构的实用性。为进一步确定各实验因素对聚焦效果影响的重要程度,对各因素设计了正交实验,正交实验结果表明,影响介电泳聚焦效果的各因素由主到次依次为液体电极对数、电压幅值和样本流速。确定最佳的聚焦参数为:液体电极对数为100对、电压幅值为20 Vpp、样本流速为6μL/min。最后,确定阻抗法计数芯片结构,并构建阻抗信号仿真模型,仿真分析在该电极结构条件下细胞或粒子经过检测区域时所引起的电信号变化情况。然后以仿真结果选择相关信号检测电子元器件,并设计信号检测与处理系统,而后以该计数系统进行计数实验。利用标准样液进行计数实验,确定该计数系统信号检测信噪比,实验获得检测时间内通过检测区域粒子个数与标准样液浓度的线性关系曲线(相关性系数达到0.99以上)。此外,使用酵母细胞溶液进行计数实验,将实验结果与血球计数板计数结果进行对比,测试得计数结果的相对偏差值为3.56%,说明了该计数系统计数结果的有效性。
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