论文总字数：27893字

摘 要

秀丽线虫是生物遗传学领域广泛使用的一种模式生物，它具有体积小、身体透明和培养周期短等诸多优势。它的生命周期包括胚胎阶段、4个幼虫阶段和成虫阶段，在每一个阶段都有不同的形态学特征。在研究中通常要大量使用同期化的秀丽线虫，因此需要一种高精度高通量的线虫分选方法。目前研究室中线虫分选的方法主要为手工挑选、使用微流控芯片挑选和使用商用分选仪器，手工挑选耗时耗力而商用分选仪器价格昂贵，因此本文提出了一种可用于微流控芯片的基于电阻抗传感的线虫检测方法并使用COMOSL Multiphysics®有限元仿真软件对其进行了建模仿真。本文介绍了电阻抗谱的概念及应用领域，接着描述了模型的参数设置及实现过程，之后的仿真结果分沟道模型和线虫模型两部分，前者阐释并分析了了模型参量对线虫检测过程的影响，后者则阐释并分析了线虫的形态及流动差异对线虫检测过程的影响，由此得到当前最为适合的参数设置方案。本文证明了电阻抗传感特性可以被用于线虫检测，而这个方案也有应用于高通量线虫分选系统的潜力。

关键词：秀丽线虫，电阻抗谱，有限元分析

ABSTRACT

Caenorhabditis elegans (C. elegans) is a widely used model organism in biogenetics field with many advantages such as small size, transparent body and short life cycle. The life cycle of C. elegans includes embryonic stage, four larval stages(L1-L4) and adult stage. In each stage C. elegans has different morphological features. Due to the demand of large quantity of synchronized C. elegans in research, high-precision and high-throughput ways of worm sorting are required. Manual picking, sorting by microfluidic chip and using commercial sorting instrument are the main way for laboratory research. Manual picking is time-consuming and labor-intensive, while commercial sorting instrument is not affordable for most laboratory, thus, a way of C. elegans sorting based on the Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) which can be equipped on the microfluidic chips is reported in this paper. There follows a modeling and simulation in COMOSL Multiphysics® which is a finite element analysis software. The first part of this paper is the introduction of EIS, which include the concept and the working field. The second part described the process of setting parameters in model. The last part includes the simulation results of channel model and worm model, the former explained and analyzed the influence of model parameters towards worm detection and sorting, and the latter explained and analyzed the influence of worm shape and state towards worm detection and come out a suitable design for worm channel. It is proved that EIS can be used in worm detecting, and it has the potential to be used for high-throughput worm sorting system.

KEY WORDS: C. elegans, Electrochemical Impedance Spectroscopy, finite element analysis,

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文主要工作及结构 3

第二章 电化学阻抗谱 5

2.1 电化学阻抗谱的概念及其复数表示 5

2.2 电化学阻抗谱的应用 6

第三章 模拟方法与参数 8

3.1 有限元分析 8

3.1.1 有限元法的基本思想 8

3.1.2 有限元法的运用步骤 8

3.1.3 有限元分析软件 9

3.2 模型的几何构建 10

3.2.1 沟道的模型 10

3.2.2 线虫的模型 10

3.3 仿真条件的设置 12

3.3.1 材料的选择 12

3.3.2 初始条件及边界条件的设定 12

3.3.3 网格剖分的设定 13

3.4 分析类型 14

第四章 结果与分析 15

4.1 线虫与电阻抗变化的关系 15

4.1.1 不同生命阶段线虫流过产生的电阻抗变化 15

4.1.2 不同位置线虫流过产生的电阻抗变化 16

4.1.3 不同扭曲形态线虫流过产生的电阻抗变化 20

4.2 沟道对线虫电阻抗变化的影响 23

4.2.1 不同沟道尺寸对电阻抗变化的影响 23

4.2.2 不同电极间距对电阻抗变化的影响 25

4.3 高频时线虫内部结构的检测 27

4.3.1 线虫在高频下的特性 27

4.3.2 高频的特性的应用 29

第五章 总结与展望 31

5.1 总结 31

5.2 展望 31

致谢 32

参考文献 33

绪论

研究背景及意义

秀丽隐杆线虫（C.elegans）是一种特征明确的模式生物，它不仅具有体积小、通体透明、能快速生长、易于培养和处理等多种优点，而且它的基因组紧凑，神经回路被完全了解，是唯一一个身体中所有细胞能够被逐个研究并归类的生物^[1]。因此秀丽隐杆线虫已被广泛应用于发育生物学、衰老和神经生物学的遗传问题等方面的研究中。实验上的优点以及秀丽线虫与其他动物在进化时间（代谢、细胞器结构与功能、基因调控、蛋白质生物学等）上的相似性使得秀丽线虫成为研究一般后生动物生物学的绝好的对象。秀丽线虫至少38%的蛋白编码基因已经预测了人类基因组中的同源基因（Shaye和GrimWald 2011），60-80%的人类基因在线虫基因组中有同源基因（Kaletta和Hengartner，2006），40%的基因与人类疾病相关的基因具有明确的同源基因^[2]。

秀丽隐杆线虫生命周期短，由胚胎、幼虫和成虫阶段组成。由卵孵化出来后，秀丽隐杆线虫进入包括四个幼虫阶段（L1，L2，L3和L4）的发育期，最后进入成年期。在25℃时这一过程通常只需要3天^[3]。每个幼虫阶段以蜕皮来区分不同的发育阶段。在每个发育阶段，秀丽隐杆线虫具有不同的尺寸，形态和行为。刚孵化出的幼虫长度约为0.25毫米，成虫的长度约为1毫米。它们的小尺寸意味着需要通过解剖显微镜或者复合显微镜来观察。虽然体型小巧但是秀丽线虫具有相对完整的生理结构，包括咽、咽肠结、肠、生殖腺、受精囊、生殖孔和肛门，同时秀丽线虫也具备基本的生理活动，比如运动、觅食、生殖和排泄^[4]。

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