Method and Application Research of Optically-Induced Electrokinetics for Micro/Nano Manipulation

Abstract

微纳米科技的发展，极大的促进了人类科技文明的进步。微纳米科技发展，很大程度上取决于微纳尺度操控技术的进步，微纳尺度的操控水平已成为微纳科技发展的重要标志。与宏观尺度不同，微纳尺度的操控面临更大的难度和更多的挑战。因此，研究可实现微纳尺度操控的新的理论方法，成为近年来的研究热点。本论文针对微纳米材料与生物领域面临的需求与挑战，围绕光诱导电液动力学所涉及的科学问题与实现技术，重点开展了基于光诱导电液动力学的微纳操控方法与应用研究。本文的主要研究工作如下：(1) 光诱导电液动力学理论方法研究。研究构建了光电子镊实验系统，建立了光电子镊芯片等效电路模型；在此基础上，运用有限元仿真方法，研究分析了光诱导空间非均匀电场、作用于微纳物体的光诱导介电泳力、交流电渗流、交流电热流的空间分布态，给出了光诱导电液动力学方法的各参量作用与操控范围。(2) 光诱导介电泳力控制理论研究。基于理论分析和实验，重点研究了入射光谱与外加交流电压波形对作用于微纳物体的光诱导介电泳力的影响，建立了光谱与外加交流电压波形与光诱导介电泳力的输入输出关系；理论分析与实验研究表明：(a) 光诱导介电泳力与入射光谱之间满足玻尔兹曼分布；(b) 光诱导介电泳力的大小与外加交流电压波形相关。因此，通过调整光谱与外加电压参数，可建立光诱导电液动力学操控机制。(3) 基于光诱导电液动力学的微纳米材料操控方法研究。在上述研究基础上，以聚苯乙烯微球为对象，系统开展了光诱导介电泳力操控条件研究，建立了尺寸、溶液电导率与交越频率之间关系，给出了可实现多种尺寸聚苯乙烯微球操控与分离的尺寸与溶液电导率条件；完成了基于改变溶液电导率的1 μm与10 μm聚苯乙烯微球的有效分离实验；完成了基于不同方向及不同强度光诱导介电泳力的500 nm、1 μm与10 μm三种尺寸聚苯乙烯微球的同时操控与分离实验。研究了纳米尺度物体的光诱导电液动力学频谱特性；实现了基于交流电渗流作用的50 nm碳纳米颗粒操控实验；完成了基于光诱导介电泳力与交流电渗流共同作用的100 nm金纳米颗粒的图形化装配实验；这为纳米尺度物体操控提供了有意义的理论依据与实现方法。(4) 基于光诱导电液动力学的细胞筛选研究。基于双层核壳结构的极化模型，研究了Raji细胞与血红细胞的光诱导介电泳力作用，分析了这两类细胞的尺寸、形态、电特性因素不同导致的介电泳力差异性，给出了可实现两类细胞分离的确定性条件；并通过五种不同浓度比的Raji细胞与血红细胞分离实验，验证了研究结果的合理性与正确性。(5) 基于光诱导介电泳力的生物细胞物性测量研究。开展了光诱导介电泳力作用下的Raji细胞平移特性实验研究，并依据细胞的极化机制，得出了Raji细胞膜电容检测方法；开展了Raji细胞在光诱导电场中的自旋转行为实验研究，结合计算机视觉检测方法，得出了Raji细胞的自旋转频谱特性；基于有限元仿真研究，证明了光诱导电场的非均匀性与非旋转性，推论出非均匀电场可引起细胞的自旋转行为。本论文的研究工作丰富了光诱导电液动力学理论，证明了光诱导电液动力学技术在微纳米材料操控、分离、装配方面的优势。同时，本文的研究工作也证明了光诱导电液动力学技术是一种能实现细胞的无损、免标记与快速筛选以及研究细胞物性特征的技术