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摘要光电镊芯片(Optoelectronic tweezers chip，OET)是近年非常热门，且具有应用前景的微/纳粒子控制技术，它结合了光学和电动力学的粒子操控方法，具有使用灵活，工艺简单和制造廉价的优点。在光电镊芯片表面施加一定强度的偏置电压，并且通过微米尺寸的诱导光斑照射到光电镊芯片表面，能够在光电镊芯片中产生足够强度的光诱导介电泳力实现对细胞、蛋白质、DNA、病毒和碳纳米管的控制、分离、输运和富集。这些微粒处理过程将十分有助于生命科学、药品分析、临床诊断、细胞工程学以及微电子学的研究和发展。<br>　　然而，涉及光电镊芯片的理论研究只有较少的学者涉足，所以对粒子控制的机理研究有待进一步完善和总结。计算机数值模拟在建模和计算分析方面具有较大的优势，可以帮助科研人员前期分析芯片制造中的相关问题，同时也为细胞和微粒控制提供必要的理论支持。粒子受光诱导介电泳力运动与光电芯片中的光电场分布密切相关，通过分析光电镊芯片中的粒子运动特征，对高效的完成粒子控制、对细胞生命科学的探索都具有重要的指导意义。<br>　　本论文采用计算机数值模拟的方法，研究光电镊芯片中的电场分布，探讨微光斑尺寸对非均匀电场分布的影响;研究细胞受光诱导介电泳力的运动轨迹、细胞多层组织结构受激励频率影响的Clausius-Mossotti因子数值、细胞的高阶介电泳力求解、碳纳米管的三种运动特征;研究细胞成链机理、光电镊芯片的特殊结构用途，并将本文研究结果与参考文献中的实验结果相互对比验证本文方法的合理性。本论文主要研究内容和成果如下:<br>　　(1)本文采用有限元COMSOL软件构建了光电镊芯片的粒子运动模型，该模型主要包括光场、电场和力场求解。粒子受到的微观作用力有光诱导介电泳力、流体阻力、浮力和布朗运动力。以2μm～15μm半径的粒子为目标，计算芯片在有光或无光条件下的粒子运动轨迹，该数值模型仿真结果与实验观测基本相符。另外通过对倾斜端面光纤在溶液中的光路传播进行研究，本文也采用粒子运动模型从理论上证实折射光斑可以有效富集粒子的新思想。通过提出倾斜光纤集成于光电芯片的设计思路，可以缩小控制装置的体积，有效提高微型控制系统灵活性和便携性。<br>　　(2)通过对光诱导介电泳力的高阶项、细胞多层膜壁的变化和碳纳米管运动特征进行分析和总结，得出当电场的扭曲程度与粒子尺寸十分接近时，经典Pohl公式计算的粒子介电泳力会有较大的误差。为了更加完善粒子受光诱导介电泳力理论，本文采用等效极矩法和Maxwell应力张量法分别计算光电芯片中的粒子介电泳力。运算结果发现高阶极矩的等效极矩法与Maxwell方法数值吻合情况良好。细胞是由多层功能器官合成的复杂微粒，它的CM因子数值不能仅从均匀细胞膜的电介质进行简单计算。本文依靠介电泳多层膜理论，得到细胞膜、细胞质和细胞核膜厚度在103Hz～109Hz频率变化的Re[K(ω)]曲线，并且从理论上证实同种类型细胞在光电镊芯片中分离的可行性，如癌症和良性细胞。同时本文论述碳纳米管粒子涉及的三类介电泳力运动特征，分别是自转、吸引和迁移。根据碳纳米管的常微分方程求解，得到不同碳纳米管长宽比、重量分数和激励频率的碳纳米管三种运动的时间顺序。<br>　　(3)采用任意拉格朗日-欧拉单元法和蒙特卡洛算法仿真和分析粒子在光电场中的成链机理和结构形态。本文首先以任意拉格朗日-欧拉单元方法构建细胞运动模型，光诱导介电泳力采用最为精确的麦克斯韦应力张量法进行仿真。模拟结果指出两个电中性粒子在均匀电场中成链足因为产生了局部介电泳力迫使它们相互吸引所致。虽然任意拉格朗日-欧拉单元法方法能够精确预测粒子的运动，但是网格数量较大导致运行时间过长，及不适合大量粒子的运动问题求解。所以本文借鉴蒙特卡洛算法，将其应用在光电镊芯片的大量粒子运动分析中。蒙特卡洛算法以系统能量和概率事件出发，研究的粒子能量包括介电泳能、相互吸引能、排斥能和重力势能。当系统的能量趋于稳定时，粒子分布与对应文献提供的分子动力学仿真相符。<br>　　(4)为了获取光电镊芯片悬浮粒子的位置信息，本文以显微镜采集到的细胞图像为研究对象进行了图像处理算法的分析。通过MATLAB编程设计一套GUI人机交互界面，进行了图像增强、噪声消除、图像形态和Hough变换的基础理论研究。本软件除了将显微镜采集到的图像进行细胞定位，并能后台链接COMSOL有限元软件。根据相关参数值计算出光电芯片内部的光场、电场和流场，为光诱导介电泳力的微粒控制实验提供丰富的理论数据。<br>　　通过本文的研究，为细胞和微粒在光电镊芯片中的运动行为提供一定理论指导。数值模型得到了比较精确的粒子运动和关系图，对深化光诱导介电泳力的控制研究，对实现多种同类和异类粒子的分离，以及对扩展芯片的应用领域都具有重要的意义。