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基于微电子机械系统(MEMS)的微流体芯片具有样品用量少,分析速度快、集成度高等特点,在临床医学、基因分析、环境科学等领域显示了广阔的应用前景。通过分析肿瘤转移及凋亡的传统检测手段和综述介电泳与阻抗谱技术的研究现状,本论文开展了集成介电泳操纵与阻抗谱识别的三维生物传感器的研究。该传感器包括两种类型:①具有三维网格状电极阵列的电极复用的传感器；②以螺旋-城墙状电极为介电泳电极且以多电极对为阻抗测试电极的传感器。
分别建立细胞的力学和电学两种模型,展开了细胞在芯片中的力学分析和阻抗谱的讨论。通过分析从正常细胞癌变成为恶性肿瘤细胞再诱导成为凋亡细胞的过程中,细胞体积、细胞膜面积和平整度以及部分离子(如K+、Ca2+、Na+等)在跨膜运输中的转运的变化,研究了在这一生物医学变化中的细胞电学参数的变化。结合单个细胞的电学模型,分析了细胞阻抗中各部分的变化趋势,并最终得到对于同种细胞,有｜Zmorm｜>｜Zcanc｜>｜Zapop｜。此外,在准静电场条件下,通过对细胞的受力分析,忽略了绕流阻力、布朗运动、电渗流等微小扰动,给出了微粒仅受介电泳力和有效重力的最简模态。
介绍了芯片制作的相关工艺和芯片测试的生物实验准备,并针对三维芯片制作中的关键点展开讨论。对氧化铟锡(ITO)电极制作中的氧气流量和退火参数进行分组实验,得到了厚度为2250(A)、方阻为220Ω/□的ITO透明电极。同时,在介绍了两种三维传感器的工艺流程后,重点进行了网格状传感器中SU8隔层的实验讨论,调整SU8曝光时间为70s,得到具有底大口小的梯形圆柱状小阱,提高了作用在微粒上的边缘电场强度。
设计和制作了二维介电泳芯片,开展了芯片的仿真分析和实验研究。首先,对多种结构的二维介电泳芯片的非均匀电场分布进行仿真,总结了“介电泳笼”的形成规律,并由此发现了电极的“枝杖模态”。其次,分别以去离子水悬浮的不同直径的乳胶微粒和电导率为335μS/cm的等渗溶液悬浮的红细胞为研究对象,开展了不同电极结构芯片的介电泳操纵的研究,验证了介电泳与其影响因素的关系。
设计和制作了两种三维生物传感器,并分别展开了传感器性能的分析和讨论。首先,设计和制作了三维网格状的生物传感器。该传感器的介电泳操纵和阻抗测试为同一电极,通过介电泳将微粒捕捉到阵列状的SU8小阱中,再通过信号切换,利用边缘电场,测出阱中微粒的阻抗谱。在阻抗谱测量中,固定容积的微粒阻抗谱同时包含了微粒形状和介电特性的信息,具有较高的分辨率。其次,设计和制作了上层螺旋-城墙状电极用于介电泳操纵且下层多电极对用于阻抗谱测量的生物传感器。位于城墙电极间隙中的一对阻抗电极测量小微粒的阻抗谱,而位于中心的多电极对主要测量大微粒阻抗值。其阻抗测量机理与网格状传感器机理一致。开展了分析检测实验,以半径比约为1:2的乳胶微粒模拟与其有相似半径比的正常细胞和肿瘤细胞,以正常白细胞与其凋亡细胞模拟肿瘤细胞与其凋亡细胞。实验结果表明,芯片可对血液循环系统中微转移的肿瘤细胞或白血病细胞进行介电泳分离与阻抗谱识别,并可对凋亡诱导前后的白血病细胞进行阻抗谱识别。两种传感器均有良好的重复性,阻抗谱测试分辨率高。