油滴介电泳及其在生物传感器方面的应用研究

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介电泳技术是一种操控微小粒子的有效方法,它能够对微米级的介电颗粒和不带电的生物组织如细胞、蛋白质、DNA等进行收集和分离;同时介电泳技术还可以控制纳米粒子进行有序组装,在生物工程研究以及医学方面的应用具有广阔的前景。本文主要针对介电泳的国内外研究现状,将介电泳这一技术创新性地应用到乳状液油滴的捕获和收集实验中,并讨论了在不同条件下油滴的运动情况和收集行为。选择不同油相的油滴(甲苯、正己烷、三甲基硅油),并考察不同电压值大小,频率的改变以及油相/水相电导率的改变对收集实验的影响,对油滴在星形电极和叉指电极上的介电泳行为进行了全面系统的实验观察,并结合仿真结果对其相关的原理进行了细致分析,给出了油滴介电泳力公式和行波介电泳运动速度公式。并将囊泡的电旋转实验现象与生物传感器有效结合起来,通过囊泡旋转速度的变化用以检测溶液中亲和素的浓度变化。首先,我们从电动学基本原理出发,结合双电层以及牛顿流体学等相关知识,对不同类型粒子在电极上的介电泳运动行为进行了理论公式的推导和修正。通过Comsol、Matlab等软件进行模拟仿真,对PS小球、油滴、囊泡在不同电场环境中的运动进行了模拟仿真。通过实验观察,我们得出PS小球、油滴在星形电极和非对称叉指电极上均会发生正负介电泳现象。在低频范围内,粒子主要受到正介电泳力,向电极的边缘聚集;而在高频范围内,粒子主要受到负介电泳力,远离电极向电场弱的位置聚集。在叉指电极上,不仅可以观察到粒子的正负介电泳收集实验,在特定的电压和频率范围内,也可以观察到粒子在交变电场中发生行波介电泳运动。当分别在星形电极的四个电极端施加正弦交变电流时,我们实时观察了囊泡的电旋转实验,对其电旋转速度及其影响因素进行了全面的探讨,给出最佳电旋转的实验条件。最后,结合囊泡电旋转的实验结果。我们将生物素修饰在磷脂双分子层的表面,利用生物素-亲和素系统发生相互作用,从而改变囊泡的质量以及表面双电层的等电点,因此其旋转角速度也会发生变化,由囊泡电旋转角速度的变化,可以间接检测出溶液中亲和素的溶度。我们的创新点在于,对油滴和囊泡的介电泳进行了系统的仿真分析和实验观察,验证了仿真结果和实验数据的正确性,同时对于油滴介电泳来讲,鲜有文献报道,而且油滴的条件比较容易控制,因此便于进行系统性的理论研究。而通过囊泡电旋转的角速度变化来检测溶液中的亲和素还未见报道。通过仿真模拟和实验分析,我们基本完成了上述工作,但还有一些细节有待提高,如对更多有机溶剂油滴进行试验观察,提高所制备的生物传感器检测灵敏度等。
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