集成拓扑超透镜成像阵列的细胞离心沉降分选微流控芯片机理研究

Microfluidic chip, integrated with cell sorting and imaging functions, is one of the most advantageous tools in the area of cell analysis. The microfluidic chip, driven by centrifuge, can effectively avoid and overcome the integration and fabrication problems caused by the other forms of external actuations such as electric and magnetic manners, and it can greatly enhance the controllability of cell movement in microfluidics. However, the cell-deformation caused by the cell-microfluid interaction in centrifugal field can result in the failure of the rigidness-assumption for biological particles, and it is difficult to integrate the existing cell-imaging methods into the centrifugal microfluidic chip and make the corresponding cell-imaging module rotate together with the chip. Therefore, to sort the cells in centrifugal microfluidic chip, this research proposes to implicitly describe the particle-microfluid coupling interface by the level set method, devoting to solving the problems on convergent instability of the existing particle-microfluid coupling methods, revealing the mechanism of the deformable particle-microfluid interaction in the centrifugal field, further designing and fabricating the microfluidic structures to accurately control the centrifugal sedimentation-trajectories of cells with different sizes; to image the cells in centrifugal microfluidic chip, this research proposes to utilize the topology optimization method to inversely design the metalenses, devoting to solving the problems on manufacturability and integratability of the existing ultra-thin photonic focusing metalenses, deriving the integratable metalens array with gradient numerical apertures, sequentially exciting the fluorescence signals in different cross sections of the imaged cell by controlling the fluorescence dyed cell to translate on the top of the metalens array and pass the metalens array row by row, with achieving the three-dimensional cell-imaging during the rotation of the centrifugal microfluidic chip. This research is significant for the on-chip cell analysis technologies.

具有细胞分选和成像功能的微流控芯片是极具优势的细胞分析技术载体。采用离心方式驱动的微流控芯片，有效的避免了电磁场等外场驱动所导致的集成和加工问题，显著的提高了微流体对细胞运动的控制能力。但细胞受离心场内微流体作用而发生的柔性形变会导致颗粒刚性假设的失效，且已有细胞成像方法难以集成并随动于旋转的离心芯片。因此，本研究采用水平集法描述离心场内柔性颗粒与微流体的耦合界面，解决已有耦合方法存在的收敛不稳定性问题，揭示二者耦合作用的动力学机理，并设计加工微流控结构以控制不同大小细胞的离心沉降轨迹，实现芯片的细胞分选功能；采用拓扑优化方法，解决已有超薄聚焦透镜纳米结构存在的工艺性和集成性问题，获得并集成具有梯度数值孔径的超透镜阵列，从而通过控制荧光染色细胞平动于超透镜阵列之上，使阵列的各行超透镜依次激发不同细胞截面内的荧光信号，实现随动于芯片的三维立体细胞成像功能。这对芯片级生物细胞分析具有重要意义。

具有细胞分析和成像功能的微流控芯片是极具优势的细胞分析技术载体。采用离心方式驱动的微流控芯片，有效的避免了电磁场等外场驱动所导致的集成和加工问题，显著的提高了微流体对细胞运动的控制能力。但细胞受离心场内微流体作用而发生的柔性形变会导致颗粒刚性假设的失效，且已有细胞成像方法难以集成并随动于旋转的离心芯片。因此，本项目从离心力场内液滴碰撞机理研究出发，为合理的评价液体的混合效果，提出计算液体混合的界面伸长率和液体重心偏移量作为评价指标，探索了液滴运动如拉伸、碰撞、旋转、分离，对提高离心芯片内液体混合的影响；通过分析颗粒所受的惯性体力、拖曳力、升力，其中升力包括压强差导致的升力和速度差异导致的升力，得出了颗粒和液体相对速度和颗粒尺寸及离心加速度之间的定量关系，实现了基于包括周向、径向分布的不同沉降位置的颗粒分选；验证了机械精密加工、激光切割工艺、软光刻工艺三种芯片加工工艺，并通过软光刻工艺制备离心式微流控芯片、以及芯片内的颗粒离心沉降分选实验确定了功能结构；同时，针对芯片内微流控结构壁面上液体残留严重影响微流体定量精度的问题，基于所构建的流体力学拓扑优化方法，通过施加电子束光刻和双光子光刻工艺约束，提出了获取周期性固液界面纹理微结构的严格数学模型，并系统的研究了邦德数等因素对纹理拓扑、功能性和工艺性的影响；原创地提出了流形上的拓扑优化方法，从而将拓扑优化的结构设计空间扩展到了二维流形上，这对实现增材制造工艺约束下微纳功能结构的创新设计具有重要意义；针对频域拓扑优化模型伴随分析存在的敏度不完备问题，本项目提出了通过分解复变量为实部变量和虚部变量，将频域波动方程裂解为实部变量和虚部变量的耦合方程组，进而在实部变量和虚部变量共同的无散度实函数空间上进行连续伴随分析；针对已有超构透镜纳米结构几何数据量大和纳米结构高宽比大导致的工艺可靠性不足的难题，以透明电子束光刻胶为材料，获得了功能性和工艺性良好、数值孔径达0.8的超构透镜，达到了优于600纳米的成像分辨率指标；本项目的相关研究成果出版专著1部，发表SCI论文19篇，申请发明专利5项，培养硕士研究生1名，协助培养博士研究生1名。