基于微结构过滤和介电泳效应的细胞分选微流控芯片及分选方法研究

论文摘要

细胞分选在分析化学和生物医药领域有着非常重要的应用。在众多的分选方法中,微流控分选方法以其响应速度快、样品需求少等优点成为研究热门。微流控细胞分选法可分为被动分选法和主动分选法。被动分选法对待分选细胞的性质无要求,且无需预标记,对芯片结构设计及加工要求较高,且容易出现过滤结构被堵塞等问题。主动分选法分选效率高,但对待分选的细胞通常有特殊要求,且大多需要对样品进行预标记等处理,严重影响细胞活性。结合被动分选法和主动分选法的优点,本文提出一种基于微结构过滤法和介电电泳效应的新型细胞分选方法。该方法在一定程度上克服了单一分选方法的弊端,有望解决微结构过滤法普遍存在的堵塞问题。具体实现方式是在微过滤结构区域集成微电极,通过调节过滤结构几何参数和加载的交流信号参数,诱导形成可以驱动细胞往低场强区域运动的负向介电电泳效应,进而避免待分选细胞在过滤孔区域的堵塞。本文通过仿真分析了不同形状的过滤微柱所诱导形成的电场强度梯度分布,设计并制备了由ITO微电极及PDMS微结构通道组成的微流控芯片。在负压驱动下,先是在35 Vp~p/10 KHz的交流信号条件下成功实现了37μm、16.3μm、9.7μm三种尺度微粒的分选,在100 Vp~p/10 KHz的交流信号条件下完成对雨生红球藻细胞的分选富集。基于初步研究结果,论文对分选芯片进行优化,增加微粒收集结构;并进一步探讨电极间距、过滤级倾斜角度对微粒或细胞收集效率的影响,获得优化的微流控芯片结构参数。基于优化结构(第一级电极间距500μm,过滤级倾斜60°),制备了相应微流控芯片,对三种尺寸的微粒进行分选收集,37μm微粒在收集区的占比达到85%,对16.3μm微粒的收集效率达到89%,9.7μm微粒的收集效率达到90%;对藻细胞也有较好的收集效果,在第一级收集到细胞尺寸较大、活性较好的雨生红球藻,第二级收集到少量尺寸较大但活性不好的雨生红球藻和部分片球藻,并完成对雨生红球藻的分选收集。实验结果初步证实了本论文所设计微流控芯片及分选方法对非生物样品和生物样品都具有较好的分选收集效果,并且在一定程度上解决微柱过滤方法中的堵塞问题,提高了分选通量。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 微流控芯片上分选方法研究现状
•     1.2.1 主动式分选方法研究现状
•     1.2.2 被动式分选方法研究现状
•   1.3 我们的设想及论文主要研究内容
• 2 芯片设计及加工
•   2.1 细胞分选理论分析
•     2.1.1 等效偶极矩模型
•     2.1.2 介电电泳效应粒子受力分析
•   2.2 芯片方案设计及仿真分析
•     2.2.1 芯片设计
•     2.2.2 微柱附近电场强度梯度仿真
•   2.3 芯片制备
•     2.3.1 芯片加工材料的选择
•     2.3.2 芯片加工
• 3 芯片上多级化初步分选实验研究
•   3.1 主要的实验仪器与试剂
•   3.2 实验流程
•   3.3 微粒分选实验结果与分析
•     3.3.1 激励信号频率影响及优化
•     3.3.2 激励信号幅值的影响
•     3.3.3 微粒分选实验结果与分析
•   3.4 藻细胞分选实验结果与分析
•   3.5 本章小结
• 4 多级化分选芯片结构优化及细胞收集实验研究
•   4.1 芯片优化思路及设计方案
•   4.2 芯片结构优化
•     4.2.1 电极间距影响分析
•     4.2.2 倾斜角度影响分析
•   4.3 微粒收集实验研究
•     4.3.1 实验步骤
•     4.3.2 实验结果
•   4.4 藻类细胞收集实验
•   4.5 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 不足与展望
• 参考文献
• 附录
•   A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
•   B. 作者在攻读学位期间取得的专利目录
•   C. 学位论文数据集
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 尹丹芬

导师: 胡宁

关键词: 微结构过滤,介电电泳,细胞分选

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 重庆大学

分类号: Q25

DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.002077

总页数: 75

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