论文总字数：22813字

摘 要

本文主要利用HFSS软件模拟仿真，利用共面波导模型，研究探讨在GHz频率下，相关静态细胞模型的电学特性及其其微波特性进行模拟仿真。

通过建立一段特征阻抗为50欧的共面波导（CPW），然后在信号线和地线沟槽之间插入相关的细胞模型，利用HFSS软件进行模拟仿真，并与没有插入细胞时进行对比。通过对细胞电导率，相对介电常数的变化探讨，从软件的插入损耗，和回波损耗进行对比，得出研究结果结论。同时在共面波导上面研究了细胞分裂的过程，并提出了对于用共面波导检测细胞分裂的可能性。另外通过模拟仿真小球在共面波导上的不同位置，提出了一种在共面波导上检测细胞位置的可能性。经过实验仿真，以及相应的数据分析，我们可以发现：随着细胞数目的增加，插入损耗逐渐增加即输出端口的能量相对于输入端口其中过程的损耗量越来越大。随着细胞个数的增加，模型的回波损耗也渐渐降低。随着细胞电导率的增加，插入损耗逐渐降低；随着细胞质电导率的增加，模型的回波损耗也渐渐增加。不管细胞质相对介电常数怎么变化，在该细胞模型中回波损耗和插入损耗均变化很小，近似可以忽略不计。这为未来利用共面波导装置对细胞的数目，细胞的位置提供自动化检测提出了一种新的试验方法，希望同行学者们能进行更加深入的研究探讨。

关键字：共面波导、细胞特性

A STUDY ON CELL CHARACTERISTICS FROM 0.1 GHz to 10 GHz FREQUENCY

Abstract

In this paper, based on the HFSS software simulation, the electrical characteristics and the microwave characteristics of the relevant static cell model are simulated by using the coplanar waveguide model, which is based on the GHz frequency.

Through the establishment of a characteristic impedance is 50 ohms coplanar waveguide (CPW), and insert the relevant cell models between the signal wire and the ground wire groove, using HFSS software simulation, and with no insert cells were compared.Through the change of cell conductivity and relative dielectric constant, the insertion loss and return loss of the software were compared, and the conclusion was drawn. At the same time, the process of cell division is studied on the coplanar waveguide, and the possibility of using the coplanar waveguide to detect the cell division is proposed. In addition, by simulating the different position of the ball on the coplanar waveguide, the possibility of detecting the cell position on the coplanar waveguide is presented. Through simulation experiment, and the corresponding data analysis, we can found that: with the increase in the number of cells, the insertion loss is gradually increased, the output port of the energy with respect to the input port is the process which the amount of the loss of more and more. With the increase of the number of cells, the return loss of the model is gradually reduced. The insertion loss decreased with the increase of cell conductivity, and the return loss of the model was gradually increased with the increase of the conductivity of the cytoplasm. The return loss and insertion loss of the cell model are very small, and the approximation is negligible, regardless of the change of the relative dielectric constant. This will provide a new test method for the future use of coplanar waveguide devices to the number of cells, the location of cells to provide automated testing, hope that peer scholars can make more in-depth study.

Keywords：CPW、CELL CHARACTERISTICS

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪 论 - 1 -

1.1本研究课题的意义 - 1 -

1.2 细胞电学特性的表现 - 1 -

1.3 细胞电学特性国内外研究现状 - 2 -

(1)目前国外细胞的电学特性的研究发展情况 - 2 -

(2) 目前国内细胞的电学特性的研究发展情况 - 3 -

1.4 目前细胞电学特性的研究方法 - 3 -

1.5 研究的主要内容和创新之处 - 4 -

第二章 一种基于共面波导的细胞电学特性的研究方法及内容 - 5 -

2.1共面波导传输线的基本理论 - 5 -

2.1.1传输线的简介，共面波导的发展以及共面波导的特征和性质 - 5 -

2.1.2共面波导等效电路模型 - 6 -

2.2基于共面波导传输线的细胞电学特性的研究方法 - 10 -

第三章 三维结构模拟 - 12 -

3.1 电磁仿真软件的选择和HFSS软件的介绍 - 12 -

3.2 三维结构的模拟 - 13 -

第四章 结论及未来展望 - 25 -

致谢 - 26 -

参考文献 - 27 -

第一章 绪 论

1.1本研究课题的意义

细胞作为生命的最小单元，对细胞的研究对于整个人类对于整个社会有着非常重要的影响，即使是类别不属于细胞结构的病毒仍然在结构上具有相似性。在复杂电磁环境下，在不同的频率影响下对于细胞的正常活动仍然是有一定影响的。细胞是一个非常精密的结构，最简单的由细胞膜细胞质和细胞核构成。稍微复杂点就还有许许多多的细胞器如线粒体，叶绿体，液泡，中心体，核糖体，还有细胞壁，甚至鞭毛等等。细胞而且具有一系列正常的生理活动分裂，分化，代谢，死亡等等。所以如果要人工拼凑一个正常活性的细胞是一件十分困难的事情，尤其对于像我这样仅仅是一名本科生，时间经历学识都有限，但是凭着对于生命的好奇，对于细胞的兴趣，但是科技的进步，时代的发展并不是一蹴而就的事情，需要人类一代一代的好奇心，才能逐渐使人们能够认识真理并且利用真理并使之服务并造福于人类。生存一直是人类从出生到死亡所需要面对的问题。随着第一台显微镜的发明，人们虽然能够观测到最小的细胞目前。细胞也渐渐吸引了许许多多科研工作者的兴趣。但是目前大多数对于细胞的研究都没有在比较高的频率下。最高也只是几十兆到一百兆之间。该课题可以说是具有开创性的一种探讨，虽然能进行具体实验进行观测。但是在没有具体实验条件的情况，作为一名东大学子我们也需要立足现有条件，或许能得出什么激动人心的结果，让我们拭目以待。

1.2 细胞电学特性的表现

细胞是一个生命单元，作为一个有机整体。如果看成一个没有生命的物体，在物理上我们可以把它分解为4层，分别是细胞膜，细胞质，细胞核核膜和核仁。每一层在不同的频率下都有他们自己的电学特性。细胞膜在生物中起着保护细胞的作用，同时又能控制物质进出，和传递信息。在控制物质进出时以及他们的控制信号，虽然并不都是依靠电信号，比如说像兴奋传导那样，神经元细胞那样，在没有受到刺激时内负外正，在收到刺激时，因为膜上的离子通道的导通导致细胞膜附近离子产生进出，电位变化是内正外负，所以在一个部位产生电位的反转。以致在膜内外可以同时形成电流所以产生了兴奋的传导。以上所描述的细胞自身对离子的控制产生信号，并控制信号的传输。但是可以看出的是细胞电学特性基本是集中在细胞膜附近的表现，具体而言是细胞膜膜外外界的离子浓度，和细胞膜膜内的细胞质中所含的离子浓度。但是细胞成百上千，形态各异，而且种类各不相同，有比较细长的，有比较致密的，也有分布比较输送的。这也是一袭列分化和细胞选择的结果。所以如果想要分析弄清楚各种各样的细胞特性就需要我们对于不同的细胞进行一些列测试，只有经过大量的测试我们才能得到一系列的结果，于是就需要大量的精力物力财力，虽然不得不承认生物学科，近三四百年来取得了长足的进步，但我们其实对于细胞的研究更多的是凭借实验，不像其他技术设计，我们也许不用经历繁琐的实体实验，仅仅通过对于软件的建模我们就可以得到相关的电学特性以及他们的参数。目前所有研究细胞的电学特性都是采用阻抗仪器，或者细胞电压钳对单个细胞进行测量，即使测出了单个细胞那也只是代表某一种，或者某一类，或者是某一个细胞，他们所测得微弱电流电压但是其实结论的正确与否需要时代的检验。随着人类计算能力的增强，有些东西我们虽然看不见但是我们能够猜测，能够估算，或者说能够推理。所以还有部分同行是利用软件进行建模分析，然而这部分同行基本不是生物这个方向的，都是跨学科，或者是交叉学科。因为电子行业虽然起步比生物略晚但是却得到了跨越式发展，电子学科就像一个母亲在她的哺育下出现了，一个又一个分支学科，所以也就有了细胞的电学特性这一说法，不然一般的生物学家哪会顾及细胞的电学特性。都是进行一系列生物运用观测。但是换个角度看问题，虽然问题并不是迎刃而解，但是看问题显得更加全面，对问题理解的更加深刻一点。查看前人的文献，大部分前辈们都是研究细胞通过微电流电压计经过放大测量细胞的微弱电压，电流或者利用阻抗仪测量电阻，或者通过自制的装置测量分析细胞的相对介电常数和电导率。或者其他电学特性，大部分都是在低频部分，本文主要是在GHz的水平下讨论细胞的微波特性，主要是考虑细胞的插入损耗，和回波损耗。

1.3 细胞电学特性国内外研究现状

随着细胞的火热，生物和电子结合的更加火热，细胞电学特性渐渐成了一个新的名词，也成为一个重要研究方向，目前来说，生物电子方面无数科研学者正如火如荼地进行着研究，就细胞的电学特性而言，有着各种各样的研究结果，以致经过大量的临床实验探索，不仅提供了大量的理论创新，同时对于研究器材的精度的提升都起到了相当推动的作用，比如说从光学显微镜到电子显微镜等等，其应用也相当广泛，在食品药物疾病基因等方面都取得了长足的进步，更好地服务着人类社会，下面然我们共同回顾下细胞电学特性国内外的研究发展历程。

(1)目前国外细胞的电学特性的研究发展情况

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