论文总字数：25564字

摘 要

本研究在使用集成电阻抗谱微流控芯片测量微粒的实验结果基础上，建立了该芯片电阻抗谱检测微粒及细胞的三维模型，并利用有限元方法对该集成微流控电阻抗谱芯片的性能及测量特性进行了仿真研究。

微流控芯片上两条平行通道内微流体流速差产生的压强能将微粒推入陷阱中，然后陷阱两侧的电极通过交流电测得微粒的电阻抗，之后在电极间施加交流电压产生介电泳力将微粒推出陷阱。在先前的实验中，我们对半径不同的三种单分散聚苯乙烯微粒及其不同的组合进行阻抗测量，发现相对导纳与微粒组合的高度具有良好的线性关系。通过相应的建模仿真，我们将仿真数据与实验结果进行对比，验证了该模型模拟结果的有效性和可靠性。在该模型的基础上，通过改变模型几何结构，发现在特定参数下，相对导纳与高度的线性关系失效，却与微粒的体积有良好的线性关系。我们通过改变测量物的形状，进一步验证了这两种线性关系的正确性。最后，利用一个普遍的模型，计算了类细胞形状物体的相对导纳，通过改变非对称被测物的方向取向，发现不同的取向对其相对导纳有一定影响，使其偏离预测的线性拟合直线。本文利用模型描述了电阻抗谱单细胞检测与微流控芯片结构、被测物形态的关系，对实际应用具有指导意义。

关键词： 微流控 电阻抗谱 单细胞检测 有限元仿真

Research on 3D Modelling of Single-Cell Measurement Using Microfluidic Electrical Impedance Spectroscopy

Abstract

In this study based on microfluidic chips in our laboratory and the data obtained in the previous experiment, the establishment of a three-dimensional model of the chip impedance detection section was accomplished, and the functional simulation was done using the finite element method.

In the Experiments on three different radii of polystyrene beads impedance measurements, the fact was found that the relative admittance has a good linear relationship with the height of the beads and their combination. Through simulation, we obtain the calculated data, compare them with experimental data, and then verify the validity and creditability of the model and simulation results. Based on this model, to change the model geometry, we found, in specific parameters, linear relation of relative admittance to the height failed, but to establish a good linear relationship with the bead volume. Then we measure things by changing the particle shape, and further validated conclusions in both linear relation. Finally, using new structures, we calculated relative admittance cell-shape like object of different orientation directions, and found different orientations have an impact on the relative admittance deviating from the forecast regression line. This article describing electrical impedance variation caused by the measured object shape and chip structure through modelling, has guidance effect on practical applications.

目录

摘 要 2

Abstract 3

第一章 绪论 5

1.1 引言 5

1.1.1 微流控技术 5

1.1.2 电阻抗谱技术 6

1.1.3 单细胞分析 7

1.1.4 有限元仿真 8

1.2 微流控电阻抗谱单细胞检测芯片 9

1.2.1 微流控芯片设计 9

1.2.2 单细胞捕获 10

1.2.3 电阻抗谱检测 11

1.3 本文的研究目的、内容及方法 11

1.3.1 研究目的 11

1.3.2 研究内容及方法 12

第二章 微粒电阻抗谱检测实验及其三维建模 12

2.1 微流控电阻抗谱微粒检测 12

2.1.1 微流控器件原型 12

2.1.2 微粒的电阻抗谱测量结果 13

2.2 微流控电阻抗谱器件的三维建模 16

2.2.1 器件模型及参数 16

2.2.2 仿真结果 17

2.3 器件几何结构对微粒电阻抗谱测量结果的影响 19

2.3.1 陷阱宽度小于微粒直径的模拟结果 19

2.3.2 陷阱宽度大于微粒直径的模拟结果 20

第三章 单细胞电阻抗谱检测的三维建模 23

3.1 细胞形态变化对电阻抗谱测量结果的影响 23

3.1.1 细胞被捕获的模拟结果 23

3.1.2 细胞无法被捕获的模拟结果 24

3.2 非对称细胞方向取向变化对电阻抗谱测量结果的影响 26

3.2.1 出芽酵母模型的模拟结果 26

3.2.2 血红细胞模型的模拟结果 27

第四章 结论与展望 29

4.1 结论 29

4.2 展望 29

参考文献 30

致谢 31

第一章 绪论

1.1 引言

基于微流控技术的单细胞分析是目前国际上细胞生物学技术研究领域的热点。电阻抗谱技术在过去10年中逐渐发展成为一个具有广泛应用前景、非侵入式、无需荧光标记、多参数测量的细胞检测技术。随着微纳加工技术的飞速发展和不断成熟，电阻抗谱技术实现了在生物微芯片、微流控芯片上的集成，从而实现了单细胞的测量，成为单细胞分析的新技术。由于该技术在单细胞分析领域的应用属于新兴技术，目前仍存在大量的科学问题需要进一步探索和研究。例如，微流控器件几何结构对单细胞测量精度的影响；在使用该技术对单细胞进行长时间检测时，细胞的生物物理特性对检测信号的作用机制，等等。本文涉及微流控技术、电阻抗谱技术、单细胞分析、建模仿真四个方面的内容，为了对研究工作及论文内容有较为全面的认识，因此先要对以上这四部分做简单介绍，为主要内容提供必要的知识背景和技术支持。

1.1.1 微流控技术

流体是物质的重要存在形式,其流动是自然界中最基本的现象之一｡在以微米几何尺寸构筑的空间内流动的物质通常称为微流体,微流控即是对以层流或低雷诺数为主要特征的微流体的操控技术｡微流控芯片(Microfluidics)就是利用微加工技术将对微流体操控的能力集成到一个几平方厘米甚至更小面积的芯片上,在微米尺度下完成样品制备､反应､分离､检测等生物､化学､医学分析过程中的基本操作,并通过各个功能单元的相互协作完成自动分析全过程,因此微流控芯片又被称为芯片实验室｡微流控技术以芯片为操作平台, 以微管道网络为结构特征,以微尺度流体为运输媒介,以分析化学为理论基础,以微机电(MEMS)加工技术为制造依托,以生命科学为应用对象,实现化学分析､药物筛选､细胞培养等多种功能,是继微全分析系统(μTAS)之后的生化微纳芯片的发展重点｡

将标准的实验室设备从尺寸度量单位为1厘米缩小1000倍到100微米甚至更小有诸多优势，其中，最显而易见的是极大的减少了样品、试剂的用量。一维尺寸缩小10³倍，体积就会缩小10⁹倍，因此微流控芯片不用原来的1 mL甚至是 1 L样品，而仅仅只是需要操控1 nL或者是更少的1 pL的样品，便可以进行实验研究。不仅如此，如此少量的样本使得分析、检测更加快速、精确、有效，尤其是在难以获得大量样品的时候，更是如此，既降低了成本又提高了效率。此外，尺寸的缩小，使得将整个实验系统制成简单便携的生化分析设备成为了可能，而且利用微加工技术进行批量制造也能够极大降低微流控芯片的成本，扩大微流控芯片的应用范围和影响力。

目前,由微通道形成网络,以可控流体贯穿整个系统,用以实现常规化学或生物等实验室的各种功能是微流控芯片的主流形式｡利用多种功能单元在微小的可控平台上灵活有序的组合以及规模化集成是微流控技术的基本特征和主要优势｡微流控芯片的目标是把整个生化实验室的功能,包括采样､稀释､反应､分离､检测等集成在微芯片上,并且希望能够多次使用,降低使用成本｡由于它在生物､化学､医学等众多领域展现出的巨大潜力,已经逐步发展成为一个集生物､化学､医学､流体､电子､材料､机械等多学科交叉的崭新研究领域｡

微流控芯片作为一种正在蓬勃发展的新兴技术，只有短暂的发展历史。Manz等在上世纪90年代初，在芯片上实现电泳分离，显示出了它作为分析化学工具的潜力；然而，在整个90年代，微流控芯片更多地只是被认为是一种分析化学平台，并往往和“微全分析系统”概念混用。2000年，Whitesides小组发表的论文中介绍了利用PDMS（聚二甲基硅氧烷）进行软刻蚀的方法，为微流控芯片的制造提供了新的材料和工艺；2002年，Quake小组发表了以微阀、微泵控制为微流控芯片主要结构特征的文章，展现了利用微流控芯片对流体进行自由操控的能力。2001年，Lab on a Chip（芯片实验室）杂志创刊，它很快成为本领域的一种主流刊物，引领世界范围内微流控芯片研究的深入开展。2006年，Nature杂志发表了一期题为“Lab on a Chip”的专辑，从多个角度阐述了微流控技术的研究历史、当前进展和未来前景，刊内指出 “Lab on Chip可能成为这一世纪的技术”。

现阶段，从特征尺寸上来看，微流控芯片正在向纳（米）流控芯片发展；而从应用领域上来看，在微流控芯片基础上建立的片上材料实验室和片上细胞实验室也是微流控芯片应用的热点。微流控芯片材料实验室的以通道和液滴构建微反应器。在微米尺度下，液滴操控灵活、形状可变、大小均一，兼具良好的热质传导能力，在高性能微粒材料合成领域显示出了巨大的潜力。微流控芯片细胞实验室则已成为新一代细胞研究的主流技术。微米尺度的微流控芯片上的微管道与细胞尺寸相当，且在相对封闭的三维空间内的细胞培养、分选、裂解等微流控芯片细胞实验室操作单元已经构建，微流控芯片的优势已经在细胞研究中得到充分的发挥，并且已经能够在微流控芯片上对细胞进行非光学手段成像[1]。在此外，数字液滴的出现拉近了微流控芯片与电子芯片的距离，两种芯片功能共同集成于一个芯片上，即由大规模集成电路控制的功能型集成微流控芯片会在可以预见的未来成为现实。微流控芯片有望成为21世纪的一种主流技术和主要产业，对人类未来的生活方式和生存质量产生影响，这种影响甚至可能是革命性的。

1.1.2 电阻抗谱技术

电阻抗（electrical impedance）是电路中电阻、电感、电容对交变电流的阻碍作用的统称。换言之，它是衡量流动于施加电压电路中的交变电流所遇到的阻碍。定量来说，电阻抗是交变电路中，电压与电流的复数比值。电阻抗将直流电路中的电阻概念加以拓展延伸至交流电路领域，以复数的形式同时描述幅值与相位两方面的属性，幅值表示交变电压电流峰值之比，也即电阻抗的模值，相位表示电压电流峰值的相位差，也即电阻抗的角度。当通过电路的电流是直流电时，电阻与阻抗相等，电阻可以视为相位为零的阻抗。在交流电路中引入电阻抗的概念是必要的，因为除了直流电路中的一般电阻，两个额外的重要机制需要得到迫切考虑:在导体中电流产生的磁场因自感效应引起的感应电压（电感）和导体间的电压引起的存储电荷（电容）。由这两个效应引起的电阻抗共同称作为电抗，是复数电阻抗的虚数部分，而一般意义的电阻是复数电阻抗的实数部分。电阻抗这一术语最初由Oliver Heaviside于1886年七月提出，Arthur Kennelly在1893年第一次以复数形式表示阻抗。电阻抗的标志一般用大写字母Z表示，并可以用 |Z|，∠θ的形式分别写出其幅值和相位，完整的把它描述出来。采用标准国际单位制，阻抗的单位是欧姆（Ω），与电阻的单位相同。电阻抗的倒数是电导纳，即电流与电压的频域比值。一般来说，笛卡尔坐标系下的复数表示通常对于电路分析更具优势。

电阻抗谱技术是在电阻抗的基础上发展而来的，然而与电阻抗不同的是，电阻抗谱技术并不是应用于一般电路中，而是在具有更加多样的物理化学环境的回路中。而且，阻抗谱的意义是利用阻抗的不同来区分不同的材料、现象、细胞等，或者将不同的材料、现象、细胞等按照阻抗的不同类似光谱一样，按照某种参数坐标将其在图中区分出来。近些年，电阻抗谱技术在电化学、材料科学、生物科学中起到愈加重要的作用。在如此众多的应用领域中，电阻抗谱技术都是描述系统电特性的有效方法。这里的“电特性”特指电导率和电容率。电导率是来衡量系统传导电流的能力，即电阻抗概念中的电阻；电容率（或称作介电常数）是来衡量系统在施加电场中存储电荷的能力，即电阻抗概念中的容抗。高电导率的系统同时允许直流电和交流电通过，高电容率的系统仅允许交流电通过而阻止直流电通过。

每个生物系统都具有的这些电特性在医学生物学的研究应用中引起了研究者们的极大兴趣，因为不同的器官、组织乃至细胞等都在不同频率的激励下有不同的电导率与电容率，这就可以利用电特性作为特征量来提取其他生物特征。在细胞测量应用领域，电阻抗谱技术是一种非侵入式，无标记的分析方法，能够提供细胞对电场环境反应的信息。电阻抗谱技术用于测量生物细胞的无源电特性已经有许多年了，既有对悬浮液中的大量细胞的测量，又有对基板上的细胞的测量。因此，单从细胞的电阻抗测量及其电阻抗谱分析技术方面而言，电阻抗谱技术已经是一种相对成熟而且有广泛应用的技术[5,6]，而且在各种各样的生物探测器的研发中都有可供参考的实际例子[2,3]。在电阻抗谱测量中，通常都是通过施加某一频率的激励信号并得到其对应的响应信号，由此计算得到系统的电特性参数。一般情况下，施加的激励信号是交变电压小信号，得到的是电流响应，而这两者的复数比值即是电阻抗，其幅值和相位，亦或是实部和虚部的意义都与前文中电阻抗的说明相同。然而，值得注意的是，所测得的电阻抗往往不是直接反映被测物的电特性，而是整个系统的电特性，因此，还要需对照测量系统本身的电特性，由此推算出被测物的电特性，然后提取出被测物的其它特征参数，进而加以区分各类所要研究的对象。

1.1.3 单细胞分析

对我们来说细胞这个概念并不陌生，但事实上细胞并没有统一的定义，比较普遍的提法是：细胞是生物体基本的结构和功能单位，除病毒之外的所有已知生物均由细胞所组成。在细胞生物学领域，以往对细胞的研究大多都是以大量细胞为基础的，无论是探索细菌的新陈代谢，追踪干细胞的分化，亦或是探究肿瘤细胞中的基因表达。但是，这种对聚集的大量细胞进行研究的方法，往往掩盖了细胞之间的本质属性的区别。单细胞分析正是因为研究者们看到了这种大量细胞分析的缺陷与不足，并预想到了单细胞分析的巨大优势和发展潜力，而提出并发展起来的。

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