光诱导介电泳作为一项新兴的微操纵技术,因其操作功能的光控实时可重构性、单粒子操控的灵活性与定位精度以及多粒子大规模并行处理能力有望成为微操纵领域极具潜力并具有重大应用前景的新一代微操纵技术。为此,本论文以面向生物工程的微操纵为应用背景,在全面回顾目前几类典型生物微操纵技术(尤其是介电泳微操纵技术)发展现状与存在问题的基础上,研究了光诱导介电泳微操纵机理,探讨了光诱导介电泳驱动的多物理场耦合模型,完成了光诱导介电泳芯片的结构设计、加工及封装测试,并通过整合新型光模式虚拟电极灰度直写系统及显微视觉伺服控制系统,构建了同时具备人机交互操作及显微视觉伺服控制两类操控模式,能够对微纳米生物粒子进行聚集、捕获、输运、定位、排布或分选等功能性操作的通用型、智能化微操作平台.本论文的关键性研究内容及创新性研究成果主要集中在以下几个方面:　　 1、在光诱导介电泳微操纵基础理论方面:首次发现并系统验证了在光诱导介电泳微操纵过程中不仅存在因电场幅值及相位非均匀度所引起的两类光诱导介电泳力,而且还存在由光致旋转电场而产生的光诱导电旋转现象。目前,尚未有对由光致相位非均匀度而产生的第二类光诱导介电泳力及光诱导电旋转现象的公开文献报道。本论文基于分压转移率RVAS对光诱导介电泳芯片的光电特性进行分析优化,并分别从等效电路、有限元模型及物理实验等三个方面,深入理解并首次系统验证了在光诱导介电泳微操纵过程中因光电导效应不仅存在因亮暗分压(电场幅值非均匀分布)而产生的第一类光诱导介电泳力,而且还存在由亮暗相位差(电场相位非均匀分布)而产生的第二类光诱导介电泳力,并存在因光致旋转电场而产生的光诱导电旋转现象,解决了目前光诱导介电泳力计算中因采用仅考虑光致分压效应的简化点电偶极矩模型而造成实际光诱导介电泳力被严重低估的困局,并通过相应过程的有限元精确数值模拟及酵母菌细胞的光控电旋转实验严格确认了光诱导电旋转现象的真实存在,得出了光诱导电旋转转向与微粒相对于光电极边缘的位置有关且对应旋转速率与二者相对距离成反比的一般规律。研究发现,在三电极式光诱导电旋转结构中对应扭矩分布极不均匀且相应位置的横向光诱导介电泳力不利于目标微粒的定轴旋转测量。为此,提出了具有对称相位角分布的双层四电极式光诱导电旋转设计方案,为后续光诱导介电泳芯片实现生物粒子微操纵与介电频谱测量一体化提供了必要的理论准备及技术支撑。　　 2、在光诱导介电泳微操纵机理方面:首次在传统介电泳理论的基础上,将势能形貌调制理念引入光诱导介电泳微操纵领域,建立了包含光信息在内的—体化光诱导介电泳势能形貌调制数学模型。通过对基于高斯点扩展函数的光模式虚拟电极成像、光生载流子浓度及其电导率分布、光诱导介电泳电场计算以及光诱导介电泳势能形貌调制等分系统数学模型的研究,首次建立了面向光诱导介电泳势能形貌调制过程的完整数学模型,为后续光模式虚拟电极的精确数字化设计及光诱导介电泳势能陷阱的关键参数化控制(光电极光强分布、芯片结构以及激励电信号等)提供了必要的理论模型。　　 3、在光诱导介电泳系统建模、参数优化及多物理场耦合数值模拟方面:建立了涉及光诱导介电泳、互介电泳、光致交流电渗以及光诱导交流电致热效应等多种交流动电现象在内的多物理场耦合计算模型.在分析等效多极矩模型有效性及粒子有限尺寸效应的基础上,以阱域范围、刚度、稳定性以及逃逸速度等为评价指标,分别针对正介电泳模式下的圆形光电极与负介电泳模式下的圆环光电极尺寸参数、芯片结构及电信号等对于其捕获效率及稳定性的影响进行分析；基于麦克斯韦应力张量(MST)直接数值模拟,精确分析了互介电泳效应对于光诱导介电泳微操纵过程中粒子间动力学行为的影响；并综合电场、温度场、流场以及位移场等多物理场耦合效应影响,分析了光致交流电渗流及光诱导交流电致热流等光致交流液动效应对全光诱导介电泳(包括互介电泳效应)驱动的粒子捕获、定位及粒子间聚集或排斥等动力学行为的影响.研究结果表明:(1)在正介电泳模式下粒子半径与圆形光电极尺寸相当时可在捕获刚度及稳定性方面获得最佳,而在负介电泳模式下可控制内环半径以保证其捕获的轴向稳定性,且光电极内径一般取拟捕获粒子半径的1.5倍可获得最佳捕获性能；(2)粒子间距离越近,粒子间互介电泳效应相对于粒子与电场之间的传统介电泳效应影响越明显,且通过控制粒子间中心连线相对于电场方向的角度可出现先排斥后吸引的特殊现象；(3)光致交流电渗具有频率相关及尺寸选择性,有助于实现相应微、纳米粒子的高效浓缩、捕获或排布；(4)在一定条件下,光诱导交流电致热效应与光致交流电渗具有类似流型,但二者不同源且后者一般仅出现在生理盐水等高电导率溶液中。　　 4、在光诱导介电泳芯片材科选择及制备工艺研究优化等方面:建立了光诱导介电泳芯片对应光导层材料选择的评判标准并制定了符合可抛弃式芯片设计要求的芯片制备及封装测试工艺流程。根据光诱导介电泳芯片在工作波长方面的要求,系统研究了可见光区内常见光敏材料的光谱响应特性,并在其光电导特性(暗态电导率与亮、暗电导比)、工艺成熟度、加工成本、生物相容性、电化学稳定性等指标的基础上,确定α-Si:H是符合上述标准的最佳之选,并通过VHF-PECVD技术成功地在透明导电玻璃基材料上实现了复合光电导薄膜的沉积。　　 5、在光诱导介电泳微操纵系统的显微视觉伺服控制方面:设计并构建了集显微视觉采集、处理及光电极定义与实时重构等功能模块于—体的显微视觉伺服控制系统。显微视觉伺服控制对于提高微操作系统的自动化程度和操作稳定性至关重要。为此,本论文基于面向任务的系统设计思想,设计了一套适合于光诱导介电泳微操作环境的显微视觉系统体系架构,完成了精缩投影-显微成像系统的建模,并根据平面单应原理进行了系统标定与误差校正；针对两类不同目标任务,分别采用结合过程定义、路径规划及运动预测等高级功能的模板匹配算法与均值转移算法以实现复杂背景环境下的多目标快速检测、识别、追踪以及亚像素级别的目标精确定位:将已获取的微操作空间目标信息实时传递至及光电极设计与控制模块实现了基于显微视觉伺服控制的多粒子并行操纵。　　 6、在光诱导介电泳微操纵系统平台功能实现方面:在实现显微观察与光电极精缩投影系统完美光学耦合的基础上,针对不同类型目标初步进行了典型性功能微操控实验.在完成光诱导介电泳芯片设计、加工及封装测试,基于数字微镜阵列(DMD)的光模式虚拟电极灰度直写系统搭建,以及显微视觉伺服控制系统功能开发的基础上,以λ=635nm的半导体激光作为DMD的照明光源,并根据CFI60无限远光学显微系统的共轭特性,设计了一种单物镜式共轭耦合方案,顺利实现了系统平台的软、硬件协同并初步进行了粒子的捕获、分离、旋转、输运、定位、排布等系列功能性微操作实验。