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基于微流控芯片的循环肿瘤细胞检测方法研究

基于微流控芯片的循环肿瘤细胞检测方法研究

作者：李新冉河北工业大学

学位级别：硕士

癌症是人类生命健康最具威胁的疾病,对循环肿瘤细胞的检测已经成为了当前的研究热点。随着微流控技术的逐步成熟,微流控芯片在生命科学方面已经取得了巨大进步。当前的循环肿瘤细胞检测方法普遍存在设备高昂、检测效果不良、需要对细胞... 详细信息

癌症是人类生命健康最具威胁的疾病,对循环肿瘤细胞的检测已经成为了当前的研究热点。随着微流控技术的逐步成熟,微流控芯片在生命科学方面已经取得了巨大进步。当前的循环肿瘤细胞检测方法普遍存在设备高昂、检测效果不良、需要对细胞进行特异性标记等缺点。因此,利用微流控芯片实现循环肿瘤细胞的检测具有重要的理论价值和实际意义。本文首先理论分析了细胞的介电性质及库尔特原理,通过对直流和交流库尔特原理的分析得出了细胞引起阻抗变化的公式。其次,从理论上分析光纤激光在微通道内对细胞的作用机制,通过瑞利散射、米氏散射和广义洛伦兹米氏理论推导出细胞所受激光驱动力的公式;通过理论分析微流体内细胞受到的作用力,得出在微流体内光纤激光对细胞的驱动效果公式。然后利用COMSOL Multiphysics软件对电极芯片中的粒子运动状态及电极表面电势进行了数值仿真;此外,对光纤芯片中细胞受到光纤激光力的作用进行了仿真,通过数值模拟粒子的运动轨迹分析了影响细胞分选的因素。根据仿真结果设计了两种芯片:一是用于循环肿瘤细胞检测的电极芯片;二是用于循环肿瘤细胞分选的光纤芯片。同时,分别搭建了用于循环肿瘤细胞检测和分选的实验系统。最后,使用20μm直径的聚苯乙烯微球代替循环肿瘤细胞进行实验。细胞检测实验中,在相同的进样速度下与阻抗仪检测结果进行对比,电极芯片能够有效地实现循环肿瘤细胞的检测。细胞分选实验中,使用960nm,300mW的泵浦光源在开放环境中利用光纤对酵母菌细胞进行侧向驱动,在光纤芯片中对酵母菌细胞和20μm直径的聚苯乙烯微球进行实验可使不同大小的细胞发生不同距离的侧向位移,实现循环肿瘤细胞的分选。本文在微流控芯片的基础上,应用库尔特原理和光纤激光等检测分选的方法,实现了循环肿瘤细胞低成本、无接触、无污染的检测,并具有良好的检测效果、较高的可行性,在未来生物医学对细胞的检测中奠定了一定的基础。

关键词：微流控芯片细胞检测细胞分选细胞介电性激光驱动

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利用光压差分技术筛选细胞的影响参数

光学精密工程 2017年第8期25卷 2029-2037页

作者：程景萌杨丽周围李新冉张思祥河北工业大学机械工程学院天津300130

本文采用有限体积法建立了交叉型细胞分离模型,提出了一种基于光压差分的细胞筛选仿真方法,分析微流体中细胞筛选的影响因素。基于层流、流体流动粒子追踪、波动光学理论,利用有限元分析法建立了一种交叉型光学颗粒分离模型,研究了利用... 详细信息

本文采用有限体积法建立了交叉型细胞分离模型,提出了一种基于光压差分的细胞筛选仿真方法,分析微流体中细胞筛选的影响因素。基于层流、流体流动粒子追踪、波动光学理论,利用有限元分析法建立了一种交叉型光学颗粒分离模型,研究了利用光压差分技术分离细胞的各种影响因素,其中包括微粒直径,激光功率、温度、光纤直径,分析了微粒在流体中因光辐射压力作用下的偏移距离。实验结果表明:在微流体中,激光功率、细胞直径、温度(20℃)和偏移距离大体上成正比关系,光纤直径和细胞直径在大小相当的情况下光辐射压力能够达到最大值,当激光通过光纤作用于直径分别为3,8和20μm的微粒时,光纤直径为7μm或8μm时光辐射压力最大,所以选用直径为8μm的单模光纤作为一个重要的实验光学器件。所得结论为深入研究细胞筛选影响因素的数值仿真精度提供了参考与借鉴。

关键词：细胞分离光纤光辐射压力光压差分数值仿真

组合羟肟酸下方解石和萤石中浮选氟碳铈矿的分离机理

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中国有色金属学报 2024年第2期34卷 611-624页

作者：孙文豪蒋昊徐艳玲李新冉刘娇娇滕鑫中南大学资源加工与生物工程学院长沙410083

苯甲羟肟酸(BHA)和辛基羟肟酸(OHA)以及二者组合羟肟酸(BHA+OHA)下,对氟碳铈矿、方解石、萤石三种矿物进行了浮选研究。通过红外光谱分析、总有机碳和紫外光谱吸附量测试和XPS分析研究了羟肟酸类在矿物表面的作用机理。结果表明:在pH=9.... 详细信息

苯甲羟肟酸(BHA)和辛基羟肟酸(OHA)以及二者组合羟肟酸(BHA+OHA)下,对氟碳铈矿、方解石、萤石三种矿物进行了浮选研究。通过红外光谱分析、总有机碳和紫外光谱吸附量测试和XPS分析研究了羟肟酸类在矿物表面的作用机理。结果表明:在pH=9.5、组合捕收剂(n(BHA)∶n(OHA)=2∶1)浓度为3×10^(-4) mol/L和盐化水玻璃3×10^(-3) mol/L条件下,氟碳铈矿、方解石和萤石的回收率分别为89.8%、18.5%和13.7%,人工混合矿REO品位由28.90%提升至55.41%,氟碳铈矿的回收率为80.41%,与方解石和萤石实现较好分离;组合捕收剂(BHA+OHA)在三种矿物表面发生共吸附,且组合捕收剂中每种药剂的吸附率大于相同浓度的单一药剂;盐化水玻璃阻碍捕收剂在方解石、萤石表面的吸附对捕收剂在氟碳铈矿表面吸附无影响,可以达到抑制方解石和萤石的目的,实现氟碳铈矿的选择性浮选。

关键词：氟碳铈矿方解石萤石组合羟肟酸盐化水玻璃选择性浮选

红土镍矿硫酸浸出液中和除铁过程Ni^(2+)和Mg^(2+)损失机理及强化分离研究

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过程工程学报 2023年第11期23卷 1558-1567页

作者：蒋昊滕鑫罗骏莽昌烨李新冉孙文豪中南大学资源加工与生物工程学院湖南长沙410083 中南大学化学化工学院湖南长沙410083

中和沉淀工艺常用于去除红土镍矿酸浸液中的铁、铝、铬等杂质,这一过程中常伴随镍、镁等金属离子的损失。本工作研究了红土镍矿硫酸浸出液中和除铁过程中Ni^(2+)和Mg^(2+)的损失,提出了有价金属离子的损失机制。研究表明,固定模拟浸出液... 详细信息

中和沉淀工艺常用于去除红土镍矿酸浸液中的铁、铝、铬等杂质,这一过程中常伴随镍、镁等金属离子的损失。本工作研究了红土镍矿硫酸浸出液中和除铁过程中Ni^(2+)和Mg^(2+)的损失,提出了有价金属离子的损失机制。研究表明,固定模拟浸出液Ni^(2+)和Mg^(2+)浓度条件,随模拟浸出液中Fe^(3+)浓度增大,中和沉淀过程中Ni^(2+)和Mg^(2+)的损失率分别在9.13%~23.23%和9.79%~15.68%左右;固定模拟浸出液Fe^(3+)浓度条件,随着模拟浸出液中Ni^(2+)和Mg^(2+)浓度的提高,二者的损失率逐渐降低。根据溶液化学计算与实验证实,中和沉淀过程中SO_(4)^(2-)与Fe(OH)_(3)胶体形成一元和二元配合物,其中一元配合物中SO_(4)^(2-)的孤对电子与Ni^(2+)或Mg^(2+)成键而发生吸附,从而导致溶液中Ni^(2+)和Mg^(2+)与SO_(4)^(2-)被Fe(OH)_(3)胶体共吸附而损失。在中和沉淀过程中分别加入十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、聚乙二醇(PEG)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)等表面活性剂后均能有效限制SO_(4)^(2-)与Ni^(2+)或Mg^(2+)的结合,强化Fe^(3+)的选择性沉淀。当三种表面活性剂的浓度均为2×10^(-5)mol/L时,Ni^(2+)在中和沉铁过程的保留率可达95%左右,Mg^(2+)可达100%。

关键词：红土镍矿中和沉淀 Fe(OH)_(3)胶体离子损失表面活性剂

塑料在高压静电分选机中荷电机制及电极参数的计算模拟

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中国矿业大学学报 2024年第2期53卷 399-408页

作者：蒋昊刘娇娇王宾徐艳玲李新冉孙文豪滕鑫中南大学资源加工与生物工程学院湖南长沙410083

为了探究塑料在高压静电分选机中荷电性与电极参数的关系,通过高斯定理和拉普拉斯方程,研究了塑料的主要荷电机制,利用COMSOL Multiphysics中的AC/DC静电模块,结合麦克斯韦方程组,研究了塑料在辊式高压静电分选机中不同参数下的电场强... 详细信息

为了探究塑料在高压静电分选机中荷电性与电极参数的关系,通过高斯定理和拉普拉斯方程,研究了塑料的主要荷电机制,利用COMSOL Multiphysics中的AC/DC静电模块,结合麦克斯韦方程组,研究了塑料在辊式高压静电分选机中不同参数下的电场强度变化规律,利用MATLAB绘图分析.结果表明:塑料荷电以场致荷电为主,荷电量与颗粒半径、电场强度、塑料相对介电常数成正比;电晕电极配置中,接地辊筒表面电场强度与电压、电晕电极个数成正比,与极距成反比;静电极配置中,电场强度与静电极半径成正比,电场强度作用范围与静电极布置角、静电极形状有关.本文可对塑料高压静电分选的电极参数选用提供参考.

关键词：塑料 COMSOL Multiphysics MATLAB 场致荷电静电极电晕电极

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用于光镊分选基于电力聚焦的微通道单细胞流

微纳电子技术 2018年第8期55卷 583-587页

作者：张英杰张思祥李新冉河北工业大学机械工程学院

以电渗透流原理为理论基础,建立二维十字通道几何模型,推导出电力聚焦流理论模型。在3个入口流速一定的前提下,中心聚焦流的宽度与入口处的电压比呈一定关系,成功地预测了聚焦流的宽度。随后以COMSOL Multiphysics 5.3为仿真软件,设置... 详细信息

以电渗透流原理为理论基础,建立二维十字通道几何模型,推导出电力聚焦流理论模型。在3个入口流速一定的前提下,中心聚焦流的宽度与入口处的电压比呈一定关系,成功地预测了聚焦流的宽度。随后以COMSOL Multiphysics 5.3为仿真软件,设置层流、电流和粒子追踪3个物理场,进行了单细胞流仿真。以此为基础,加工出以聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料为主体的芯片,并搭载电力聚焦实验平台,进行了验证。仿真和实验数据都验证了在3个入口流速一定的前提下,通过调节电压比可以有效控制中心聚焦流宽度及细胞运动速度,形成基本均匀一致的细胞流,为后续细胞光镊分选奠定了理论和实验基础。

关键词：电渗透流电力聚焦微通道细胞流聚二甲基硅氧烷(PDMS)

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微流体内基于水力聚焦的单细胞流形成的仿真

微纳电子技术 2017年第3期54卷 168-172,180页

作者：程景萌张思祥李新冉杨丽王媛媛姜云峰周围河北工业大学现代测控技术研究所天津300130

基于COMSOL Multiphysics5.2仿真模型,数值模拟了在宽100μm的微通道中以水力聚焦形式形成单列细胞流,并在聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为主体材料的微流控芯片实验中得到验证。在COMSOL仿真软件中建立层流、粒子追踪模块物理场,通过建立二... 详细信息

基于COMSOL Multiphysics5.2仿真模型,数值模拟了在宽100μm的微通道中以水力聚焦形式形成单列细胞流,并在聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为主体材料的微流控芯片实验中得到验证。在COMSOL仿真软件中建立层流、粒子追踪模块物理场,通过建立二维模型对十字通道状态下的两种微粒进行水力聚焦仿真,并在设计加工芯片基础上搭建水力聚焦实验系统。发现无论是在仿真软件还是实际的实验系统中,通过调节鞘液通道和主通道的层流速度比例可以有效控制中心层流宽度;并且不同的粒子在相同的流体中所受到的阻力只与细胞的直径和流速有关,与其他参数无关。

关键词：水力聚焦微流控芯片聚二甲基硅氧烷(PDMS) COMSOL Multiphysics仿真微通道

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半开放式乘用车铁路运输路径优化问题研究

工程管理科技前沿 2023年第5期42卷 19-26页

作者：安鹏跃牛东晓成润坤许晓敏李新冉刘达华北电力大学经济与管理学院北京102206

随着经济水平不断提高,乘用车消费需求快速增长。铁路运输距离长、批量大、可靠性高,逐渐成为乘用车的主要运输方式。但对乘用车铁路运输策略制定及路径选择经验匮乏,乘用车铁路运输仍存在路径长、成本高的问题。本文拟构建基于改进遗... 详细信息

随着经济水平不断提高,乘用车消费需求快速增长。铁路运输距离长、批量大、可靠性高,逐渐成为乘用车的主要运输方式。但对乘用车铁路运输策略制定及路径选择经验匮乏,乘用车铁路运输仍存在路径长、成本高的问题。本文拟构建基于改进遗传算法的半开放式乘用车铁路运输路径优化模型,以缩短运输总路径,降低运输成本。基于半开放式运输规划策略,建立以运输路径最短为目标的路径优化模型,引入贪算法优化遗传算法初始解,随后采用自适应搜索策略和精英保留策略提升算法的搜索灵活性及效率,逼近全局最优解。算例分析表明,改进遗传算法的半开放式运输模型,极大地优化了初始解空间,有效缩短了运输路径,可为乘用车铁路运输路径优化提供参考。

关键词：铁路运输路径优化自适应遗传算法乘用车运输贪婪算法

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便携式恶臭检测系统的线性度与稳定性分析

现代化工 2017年第10期37卷 201-204页

作者：张思祥赵业佳李俊成周琪李帅甫李新冉王培贤周围河北工业大学现代测控技术研究所天津300130

为了检测环境中恶臭气体的体积分数并且有效减小气相色谱装置的体积,利用MEMS加工工艺,制造了一款芯片式色谱柱。在此基础上设计了1套用于恶臭气体分析的系统,可以有效地实现恶臭气体的分离与检测。对系统的线性度进行了研究,并以异丁... 详细信息

为了检测环境中恶臭气体的体积分数并且有效减小气相色谱装置的体积,利用MEMS加工工艺,制造了一款芯片式色谱柱。在此基础上设计了1套用于恶臭气体分析的系统,可以有效地实现恶臭气体的分离与检测。对系统的线性度进行了研究,并以异丁烯气体为例,通过多次重复性实验,得到整个系统的线性度,其相关系数为0.998 0,误差平方和为72.95。此外,还与现有的商品化气相色谱仪进行对比,其性能优于现有仪器的标准。

关键词：芯片式色谱柱恶臭气体线性度响应值