專利名稱：微納生物粒子的多模式集成化介電表征裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種運(yùn)用集成在單個(gè)芯片上的光模式虛擬電極陣列和物理實(shí)體電 極陣列對(duì)微納生物粒子進(jìn)行介電表征的裝置及方法，涉及微流控芯片領(lǐng)域，特別 是微流控生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)的大型醫(yī)療檢測(cè)儀器相比，微流控生醫(yī)芯片由于所需樣品少、能源消 耗低、體積小、以及具有多種單元技術(shù)在微小平臺(tái)上靈活組合、規(guī)模集成的特征 和優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是"家庭化"即時(shí)檢測(cè)理念付諸實(shí)施的理想平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)重大疾 病的快速、準(zhǔn)確、低成本的檢測(cè)和早期診斷提供了可能。微流控生醫(yī)芯片又稱為
微全分析系統(tǒng)(Micro-Total-Analysis -System, -, TAS)，成為目前生命科學(xué)領(lǐng)域一
個(gè)重要的研究方向。通過(guò)基于介電泳技術(shù)的介電表征方法對(duì)樣品中的微納生物粒 子進(jìn)行分析和診斷是微流控生醫(yī)芯片領(lǐng)域一項(xiàng)新的使能技術(shù)。
微納生物粒子的介電特性與其結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成密切相關(guān)，可以作為標(biāo)定微 納生物粒子特定類型的"指紋"。獲取粒子介電特性的過(guò)程稱為介電表征。電旋 轉(zhuǎn)是一項(xiàng)發(fā)展迅速的技術(shù)，它利用若干個(gè)不同相位的交變電壓信號(hào)在電旋轉(zhuǎn)芯片 上形成旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，微小粒子便能在旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)。生物粒子因其介 電性質(zhì)的不同，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)響應(yīng)也不同。因此，利用這一特點(diǎn)便能對(duì)生物粒子 實(shí)現(xiàn)介電表征，這使得將微量病變細(xì)胞從大量正常細(xì)胞中識(shí)別出來(lái)成為可能?；?于電旋轉(zhuǎn)介電泳(electrorotation dielectrophoresis, ROT-DEP)技術(shù)獲取生物微粒 的介電特性方法，由于具有非破壞性、實(shí)施簡(jiǎn)單、滿足非接觸操作需求，且表征 芯片具有體積小集成度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前實(shí)現(xiàn)生物微粒表征診斷的一項(xiàng)重要
的使能技術(shù)，正成為重大疾病診斷的一種重要方法。另外，常規(guī)介電泳 (conventional dielectrophoresis ， cDEP)禾口《亍、波介電#1 (travelling-wavedielectrophoresis, twDEP )這兩種生物微粒的介電泳現(xiàn)象偶爾也被用于定性的判 斷生物粒子的介電特性，但應(yīng)用的廣泛程度遠(yuǎn)不及電旋轉(zhuǎn)介電泳?？傮w來(lái)說(shuō)，目 前在介電表征芯片的研究領(lǐng)域存在下列問(wèn)題
一、在測(cè)試生物微粒介電特性的全面性方面所能獲得的生物粒子的介電
特性信息很有限，只能測(cè)出粒子的Claushis-Mossott復(fù)數(shù)因子的虛部頻率特性， 未能全面獲取生物微粒介電特性。比如，已經(jīng)商業(yè)化的電旋轉(zhuǎn)芯片就只能獲取表 征粒子介電特性的克勞修斯-莫索提因子的虛部信息，在很多情況下，甚至只是 定性的分析。很多研究者能夠根據(jù)不同粒子的介電特性的差異，將其分離開(kāi)來(lái)以 實(shí)現(xiàn)不同粒子的區(qū)分或識(shí)別。正負(fù)介電泳方法是分離兩種粒子的最典型的方法， 即一種粒子受正介電泳力作用，另一種粒子受負(fù)介電泳力作用，導(dǎo)致兩種粒子的 運(yùn)動(dòng)方向相反，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分離，亦即實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)粒子的區(qū)分和識(shí)別，但這種方法 通常只能用來(lái)區(qū)分兩種粒子，而樣品中通常含的粒子種類多于兩種。場(chǎng)流分離法 是一種運(yùn)用流體驅(qū)動(dòng)懸浮于不同的高度的微粒進(jìn)而將多種微粒區(qū)分開(kāi)來(lái)的方法， 但實(shí)際上這種分離方法是有限制的，不同的微粒也有可能懸浮于相同的高度，此 時(shí)就不能將這些具有某些相似性質(zhì)的微粒區(qū)分開(kāi)來(lái)。存在以上問(wèn)題的根本原因 是這些方法在實(shí)現(xiàn)原理上僅考慮了粒子的其中一部分介電特性，比如僅考慮粒 子的Clausius-Mossotti因子(或有效極化率)的實(shí)部或虛部之一，即獲取的介電 表征信息不足，因而對(duì)粒子的表征是有局限性的而且這種局限性對(duì)于一些結(jié)構(gòu)組 成復(fù)雜或未知的生物粒子來(lái)說(shuō)就表現(xiàn)的更為明顯；
二、 在制作介電表征芯片的經(jīng)濟(jì)性方面目前的電旋轉(zhuǎn)介電泳測(cè)試芯片，大 部分只是產(chǎn)生電旋轉(zhuǎn)介電泳的簡(jiǎn)單電極結(jié)構(gòu)，忽略了樣品前處理功能，而一些集 成了樣品進(jìn)樣、分離等前處理功能的芯片，由于需要實(shí)現(xiàn)對(duì)生物粒子的復(fù)雜操縱， 因而需設(shè)計(jì)和制造相對(duì)應(yīng)的復(fù)雜電極結(jié)構(gòu)，制造工藝復(fù)雜，制作成本很高，不適 合制作用于醫(yī)學(xué)診斷的大量可拋棄式的一次性檢測(cè)芯片。
三、 在芯片裝置的功能集成方面目前的芯片雖在個(gè)別功能上已有相當(dāng)?shù)陌l(fā) 展，但整合方面卻發(fā)展緩慢。由于前處理操作通常需要根據(jù)具體需要制作不同的 物理實(shí)體電極陣列，而這些電極陣列不但缺乏柔性，而且制作成本居高不下，難 以推廣使用。目前行波介電泳的作用主要是用于將粒子作長(zhǎng)距離的輸運(yùn)，事實(shí)上， 粒子的行波介電泳(twEDP)速度也體現(xiàn)了粒子的介電特性信息而且在很多情況 下與粒子提升介電泳(Levitation-DEP， LDEP)以及電旋轉(zhuǎn)介電泳(ROT-DEP)所
反映的粒子特性信息是互補(bǔ)的，而目前將LDEP和twDEP和ROT-DEP集成到單個(gè) 測(cè)試芯片中的研究甚少，處于起始階段，目前的測(cè)試芯片還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)綜合應(yīng)用多 種模式的介電泳探索和分析粒子的介電特性。另一方面，在生物微粒介電特性測(cè) 試過(guò)程中，由于運(yùn)用物理實(shí)體電極陣列產(chǎn)生的介電泳力很難實(shí)現(xiàn)對(duì)生物微粒的柔 性化的復(fù)雜操縱，難以將粒子牽引至最佳的測(cè)試區(qū)域。而基于光電效應(yīng)原理的光 模式可重構(gòu)的虛擬電極，能夠作為測(cè)試芯片上的柔性輔助操控工具，這種操控粒 子運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為光誘導(dǎo)介電泳現(xiàn)象，其原理簡(jiǎn)述如下光電導(dǎo)材料在無(wú)光照情 形下?lián)碛休^高電阻，而接受光照時(shí)，明區(qū)光生載流子濃度迅速提高而使其局部電 導(dǎo)率迅速提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，造成明暗區(qū)流層分壓的不同，在空間形成非均勻電場(chǎng) 并產(chǎn)生了 "光誘導(dǎo)介電泳"現(xiàn)象。但是，目前的光誘導(dǎo)介電泳芯片雖然在對(duì)粒子 的捕獲和運(yùn)動(dòng)路徑引導(dǎo)方面極具優(yōu)勢(shì)，但卻不能實(shí)現(xiàn)行波和電旋轉(zhuǎn)介電泳模式測(cè) 試粒子的介電特性，無(wú)法滿足多模式介電泳測(cè)試的需求。因此，如果將光模式虛 擬電極與物理實(shí)體電極陣列集成于單個(gè)芯片上，并充分發(fā)揮二者具有互補(bǔ)性的優(yōu) 勢(shì)，就能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)生物微粒介電特性的多模式介電泳測(cè)試。
綜上，如果設(shè)計(jì)一種既能夠全面準(zhǔn)確的獲取生物粒子的介電表征信息，又能 夠?qū)崿F(xiàn)高柔性、低成本的前處理操控的微流控醫(yī)學(xué)檢測(cè)芯片，就能夠解決上述問(wèn) 題，并實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的跨越式發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種微納生物粒子的多模式集成化介電表 征裝置及操作方法，將光模式虛擬電極和物理實(shí)體電極陣列集成于單個(gè)芯片之 上，以實(shí)現(xiàn)兩種電極的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，并且在芯片上完成粒子在提升介電泳、行波介 電泳和電旋轉(zhuǎn)介電泳作用下的介電譜，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度、低成本的粒子的介電表 征，以解決目前獲取生物粒子的介電特性信息有限、整合前處理的微流控芯片成 本過(guò)高，難以對(duì)介電性質(zhì)相近的微納生物粒子進(jìn)行識(shí)別及表征的缺陷。
技術(shù)方案本發(fā)明提出采用由能夠產(chǎn)生多模式介電泳的物理實(shí)體電極陣列 和基于光電效應(yīng)的光模式虛擬電極陣列組成的多模式復(fù)合介電泳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全 面、準(zhǔn)確和低成本的獲取生物粒子的介電特性，并且結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、機(jī)器 視覺(jué)及圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集樣品進(jìn)樣輸運(yùn)、精確捕獲定位和路徑引導(dǎo)及多模式 介電泳測(cè)試于一體的集成化介電表征裝置。
為達(dá)到上述技術(shù)目的，本發(fā)明提出基于多模式復(fù)合介電泳技術(shù)的微納生物粒 子介電表征裝置包括介電表征芯片、微動(dòng)工作臺(tái)、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置、機(jī)器視覺(jué) 裝置、虛擬電極投射器、主控系統(tǒng)。介電表征芯片放置于微動(dòng)工作臺(tái)上，可以隨 微動(dòng)工作臺(tái)在水平方向上實(shí)現(xiàn)微小的移動(dòng)。介電表征芯片的上方是機(jī)器視覺(jué)裝 置，用于采集芯片中的粒子運(yùn)動(dòng)的視頻圖像，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，機(jī)器視覺(jué) 裝置中含有微動(dòng)升降臺(tái)，用于自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，介電表征芯片的下方是虛擬 電極投射器；虛擬電極投射器包括激光器、激光器支架、空間光調(diào)制器、縮微透 鏡筒，其內(nèi)部光學(xué)器件集成度高，虛擬電極投射器的出射光線方向與介電表征芯 片的上下表面垂直，避免了改變光線傳播方向的麻煩，而且縮短了光線的傳播距 離，也減小了能量損失;激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置為介電表征芯片提供合適的信號(hào)模式， 是介電表征芯片中的微系統(tǒng)能量的主要來(lái)源，激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置包括正弦信號(hào)源 和移相電路模塊，移相電路模塊用于改變正弦信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)的相位，輸出多 路不同相位的信號(hào)；主控系統(tǒng)用于對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時(shí)對(duì)激勵(lì) 信號(hào)產(chǎn)生裝置、虛擬電極投射器、微動(dòng)工作臺(tái)和微動(dòng)升降臺(tái)發(fā)出指令信號(hào)，主控 系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)和一套生物粒子介電表征系統(tǒng)軟件。
介電表征芯片包括進(jìn)樣口、透明絕緣蓋片、上層透明導(dǎo)電薄膜、微流體腔、 中間間隔層、螺旋實(shí)體電極陣列、虛擬電極形成層(包括絕緣層、光電導(dǎo)層、 透明導(dǎo)電層)、透明絕緣基底、用于批量推進(jìn)粒子的柵欄式虛擬電極陣列、用于 形成虛擬流道的塊狀虛擬電極、用于路徑引導(dǎo)的光圈虛擬電極以及N個(gè)信號(hào)輸入 端。螺旋實(shí)體電極陣列由N (N》3)根螺旋電極組成，中心有N個(gè)成圓周對(duì)稱分 布的電極端形成電旋轉(zhuǎn)腔，并在外圍形成N個(gè)信號(hào)輸入端,N個(gè)信號(hào)輸入端所輸 入的正弦信號(hào)的相位依次相差(360/N)度，相鄰兩根電極中心線的距離是相等 的，用于形成特定的電場(chǎng)分布，為測(cè)量生物粒子的介電運(yùn)動(dòng)響應(yīng)提供條件；絕緣 層用于實(shí)現(xiàn)光電導(dǎo)層和螺旋實(shí)體電極陣列的電氣絕緣，以及防止低頻高壓下的水 解現(xiàn)象；光電導(dǎo)層具有光電導(dǎo)的特性，即當(dāng)被光照亮的區(qū)域其內(nèi)部載流子數(shù)量劇 增，近乎導(dǎo)體，而沒(méi)有被光照亮的區(qū)域其內(nèi)部載流子數(shù)量很少，近乎絕緣體。
機(jī)器視覺(jué)裝置用于釆集芯片中的粒子運(yùn)動(dòng)的視頻圖像并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸 出，包括觀測(cè)物鏡、基于電荷耦合元件(CCD)的視頻攝像頭、高精度微動(dòng)升 降臺(tái)、視頻采集卡(video capture board)。其中，觀測(cè)物鏡安裝在視頻攝像頭下 方，且視頻攝像頭固定在高精度微動(dòng)升降臺(tái)上。具有不同的放大倍數(shù)和數(shù)值孔徑的觀測(cè)物鏡可以通過(guò)物鏡轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以滿足不同情況的需要。
激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置包括正弦信號(hào)源、移相電路模塊。正弦信號(hào)源能在計(jì)算機(jī) 控制下產(chǎn)生一定頻率范圍內(nèi)的正弦信號(hào)，移相電路模塊的輸入端連接正弦信號(hào) 源，輸出端有(N+2)個(gè)端子，輸出(N+2)路信號(hào)，其中有N路正弦信號(hào)幅值相 等，相位之間依次相差(360/N)度且這N路信號(hào)具有共同的參考地電位，這N 路信號(hào)與介電表征芯片中的螺旋實(shí)體電極陣列的N個(gè)信號(hào)輸入端相連接。另外兩 個(gè)端子輸出存在一定電壓差的兩個(gè)正弦信號(hào)，或者一個(gè)端子接地另一個(gè)端子輸出 正弦信號(hào)，這兩個(gè)端子分別與介電表征芯片的上下基板的透明導(dǎo)電薄膜相連接。
虛擬電極投射器包括激光器、激光器支架、空間光調(diào)制器、縮微透鏡筒。激 光器安裝于激光器支架上，空間光調(diào)制器中含有DMD (Digital Micromirror Device)驅(qū)動(dòng)版，激光以一定的入射角度入射到DMD芯片上，這個(gè)入射角度可 以通過(guò)將激光器繞激光器支架轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)改變。縮微透鏡筒是一組將空間光調(diào)制器輸 出的光圖案縮小的透鏡單元，縮微透鏡筒的軸線與DMD芯片表面所在的平面垂 直，同時(shí)與介電表征芯片的上下表面所在的平面垂直。
主控系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)和一套生物粒子介電表征測(cè)試系統(tǒng)軟件。主控系統(tǒng)一方 面通過(guò)向激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置發(fā)送指令信號(hào)使激勵(lì)信號(hào)的頻率在一定范圍內(nèi)持續(xù) 變化，另一方面向虛擬電極投射器發(fā)送指令，使其向介電表征芯片投射虛擬電極 圖案以用于測(cè)試過(guò)程中的粒子操控，同時(shí)實(shí)時(shí)的采集粒子在介電表征芯片中的運(yùn) 動(dòng)的視頻圖像并對(duì)其進(jìn)行分析處理，最后分別得出粒子在提升介電泳、行波介電 泳和電旋轉(zhuǎn)介電泳作用下的介電譜。
本發(fā)明提出的微納生物粒子的多模式集成化介電表征的方法如下:樣品中的 微納生物粒子通過(guò)進(jìn)樣口被注射到介電表征芯片中，在光模式虛擬電極的作用 下，經(jīng)過(guò)批量推進(jìn)進(jìn)入虛擬流道，然后在光圈虛擬電極的捕獲和路徑引導(dǎo)下移動(dòng) 到螺旋實(shí)體電極陣列上方，接著，粒子開(kāi)始在螺旋實(shí)體電極陣列形成的電場(chǎng)作用 下分別產(chǎn)生提升介電泳、行波介電泳和電旋轉(zhuǎn)介電泳。主控系統(tǒng)通過(guò)向激勵(lì)信號(hào) 產(chǎn)生裝置發(fā)送指令信號(hào)使激勵(lì)信號(hào)的頻率在一定范圍內(nèi)持續(xù)變化，同時(shí)實(shí)時(shí)的采 集粒子在介電表征芯片中的運(yùn)動(dòng)的視頻圖像以及利用自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)檢測(cè)目標(biāo)粒 子的懸浮高度，進(jìn)而通過(guò)相應(yīng)的分析處理軟件得出粒子在提升介電泳、行波介電 泳和電旋轉(zhuǎn)介電泳作用下的介電譜，即得到粒子的懸浮高度、直線行進(jìn)速度、自 旋角速度隨螺旋實(shí)體電極陣列的激勵(lì)信號(hào)的頻率的變化曲線。通過(guò)比較各個(gè)生物
粒子的上述介電譜，找出差異，并進(jìn)行歸類即可實(shí)現(xiàn)這些性質(zhì)相近的不同生物粒 子的高精度的介電表征。
上述的運(yùn)用微納生物粒子的多模式集成化介電表征裝置對(duì)生物粒子進(jìn)行介 電表征的方法的具體步驟如下
步驟h將一群具有相近性質(zhì)的生物粒子的樣本通過(guò)進(jìn)樣口注射到介電表征 芯片中，在主控系統(tǒng)的控制下，使微動(dòng)工作臺(tái)和高精度微動(dòng)升降臺(tái)回到初始位置， 并啟動(dòng)機(jī)器視覺(jué)裝置和虛擬電極投射器,此時(shí)應(yīng)保證虛擬電極投射器的出射光以 及觀測(cè)物鏡正對(duì)介電表征芯片的前處理區(qū)域，否則，應(yīng)重新設(shè)定微動(dòng)工作臺(tái)的初 始坐標(biāo)，直到滿足上述要求為止；
步驟2:啟動(dòng)激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置，但僅開(kāi)通用于連接芯片上下基板中的透明 導(dǎo)電薄膜層的兩路信號(hào)，虛擬電極投射器在芯片的虛擬電極形成層上投射出柵欄 式虛擬電極陣列以及用于形成虛擬流道的塊狀虛擬電極，使粒子被批量輸運(yùn)到虛 擬流道，當(dāng)粒子逐個(gè)有序的從虛擬流道出來(lái)后，在光圈虛擬電極捕獲和路徑引導(dǎo) 下移動(dòng)到螺旋實(shí)體電極陣列外緣，并在光圈定位虛擬電極的作用下按照?qǐng)A周分布 依次排開(kāi)，此時(shí)基于粒子的特征和各個(gè)粒子所處的位置對(duì)各個(gè)粒子進(jìn)行編碼，并 記錄此時(shí)各個(gè)粒子的位置坐標(biāo)作為介電表征測(cè)試前的初始位置坐標(biāo)；
步驟3:開(kāi)通螺旋實(shí)體電極陣列的激勵(lì)信號(hào)并進(jìn)行試調(diào)節(jié)，此時(shí)若目標(biāo)粒子 向螺旋電極外圍運(yùn)動(dòng)，則將螺旋實(shí)體電極陣列的N(N》3)路激勵(lì)信號(hào)的相序反 向，以便總是使目標(biāo)粒子均向螺旋電極中心區(qū)域行進(jìn)，若總是有部分粒子向螺旋 電極外圍運(yùn)動(dòng)，則利用光圈虛擬電極將這部分粒子運(yùn)送到后面的收集區(qū)進(jìn)行單獨(dú) 排布；另一方面，主控系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)高精度微動(dòng)升降臺(tái)的高度，使觀測(cè)物鏡聚焦 于螺旋實(shí)體電極表面，并記錄此時(shí)的觀測(cè)物鏡高度坐標(biāo)值；
步驟4:當(dāng)目標(biāo)粒子開(kāi)始從螺旋電極陣列外圍向中心運(yùn)動(dòng)，且未到達(dá)電旋轉(zhuǎn) 腔之前，目標(biāo)粒子在螺旋電極陣列上方同時(shí)進(jìn)行粒子的提升介電泳和行波介電泳 的測(cè)試:主控系統(tǒng)通過(guò)向激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置發(fā)送指令信號(hào)使激勵(lì)信號(hào)的頻率每隔 一段時(shí)間就跳變到一個(gè)新的頻率點(diǎn)，此時(shí)， 一方面實(shí)時(shí)的采集粒子在每一個(gè)信號(hào) 頻率點(diǎn)的水平運(yùn)動(dòng)的視頻圖像并通過(guò)圖像分析得出粒子的水平運(yùn)動(dòng)速度隨信號(hào) 頻率的變化曲線;另一方面在每一個(gè)信號(hào)頻率點(diǎn)通過(guò)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)使得觀測(cè)物鏡
聚焦于目標(biāo)粒子表面，并記錄下此時(shí)的觀測(cè)物鏡高度坐標(biāo)值并計(jì)算此高度坐標(biāo)值 與歩驟3中記錄的觀測(cè)物鏡聚焦于螺旋實(shí)體電極表面時(shí)的高度坐標(biāo)值的差值，此
差值即為目標(biāo)粒子的懸浮高度，于是可以得到目標(biāo)粒子的懸浮高度隨信號(hào)頻率的 變化曲線；
步驟5:當(dāng)完成了目標(biāo)粒子的提升介電泳和行波介電泳的介電表征測(cè)試之 后，即運(yùn)用光圈虛擬電極將粒子捕獲，并將這些粒子移動(dòng)到電旋轉(zhuǎn)腔中，然后這 些目標(biāo)粒子在光圈的平面定位作用下分別發(fā)生原地自旋運(yùn)動(dòng)。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)裝置 將目標(biāo)粒子的自旋運(yùn)動(dòng)的視頻圖像記錄下來(lái)，并分析得出各個(gè)目標(biāo)粒子的自旋角 速度隨信號(hào)頻率的變化曲線；
步驟6:利用光圈虛擬電極將測(cè)試完畢的各個(gè)粒子輸運(yùn)到粒子收集區(qū)并按 照編碼順序用光圈虛擬電極將這些粒子排列定位，并同時(shí)集中采集這些粒子的圖 像己備后續(xù)分析之用，然后再重復(fù)步驟2至步驟6，進(jìn)行下一批粒子的測(cè)試，直 至滿足測(cè)試粒子的數(shù)量要求；
步驟7:對(duì)測(cè)得的各個(gè)生物粒子的上述三種介電譜進(jìn)行比較評(píng)估，找出各個(gè) 粒子的特性差異，并進(jìn)行歸類即可實(shí)現(xiàn)生物粒子的高精確度的介電表征。
有益效果本發(fā)明提供的多模式集成化介電表征裝置及方法以介電表征芯 片為核心，將螺旋實(shí)體電極陣列與光模式虛擬電極陣列集成于單個(gè)芯片上，通過(guò) 主控系統(tǒng)控制虛擬電極投射器和激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置，實(shí)現(xiàn)運(yùn)用光模式虛擬電極實(shí) 時(shí)且靈活的進(jìn)行前處理和粒子位置的精確調(diào)控，并通過(guò)機(jī)器視覺(jué)裝置對(duì)粒子運(yùn)動(dòng) 的視頻進(jìn)行分析處理，進(jìn)而測(cè)出粒子在螺旋電極陣列上方的提升介電泳、行波介 電泳和電旋轉(zhuǎn)介電泳的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨螺旋電極陣列的激勵(lì)信號(hào)的頻率的變化曲線。 本發(fā)明通過(guò)測(cè)試生物微粒的三種模式介電泳響應(yīng)來(lái)全面獲取粒子的介電表征信 息，且同時(shí)融合光模式虛擬電極對(duì)螺旋電極陣列上方的粒子進(jìn)行測(cè)試過(guò)程中的輔 助操控，克服了目前國(guó)內(nèi)外同類研究中獲取生物微粒介電特性信息不足、精度較 低和集成度弱的缺陷，能夠辨識(shí)介電特性差異很小的不同粒子，分辨能力更強(qiáng)。 在此基礎(chǔ)上建立疾病診斷測(cè)試裝置，通過(guò)撿測(cè)不同生物粒子的介電特性差異對(duì)其 進(jìn)行精確識(shí)別(比如從大量正常細(xì)胞中將少量病變初期的細(xì)胞識(shí)別出來(lái))，進(jìn)而 實(shí)現(xiàn)重大疾病的早期、高精確度的診斷。


圖1為本發(fā)明微納生物粒子的多模式集成化介電表征裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的介電表征芯片結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明實(shí)施例的介電表征芯片的俯視圖(揭去上基板)；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例的粒子介電響應(yīng)測(cè)試前的目標(biāo)粒子的初始位置分布示
意圖(局部視圖)。
以上的圖中有
介電表征芯片100、機(jī)器視覺(jué)裝置200、主控系統(tǒng)300、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置 400、虛擬電極投射器500、微動(dòng)工作臺(tái)600;進(jìn)樣口 110 ,透明絕緣蓋片120， 上層銦錫氧化物薄膜130，微流體腔140，中間間隔層150，螺旋實(shí)體電極陣列160， 由絕緣層171、光電導(dǎo)層172和透明導(dǎo)電層173組成的虛擬電極形成層170，透 明絕緣基底180 ，柵欄式虛擬電極陣列191，塊狀虛擬電極192，光圈虛擬電極 193，方形光圈虛擬電極194，第一信號(hào)輸入端1601、第二信號(hào)輸入端1602、第 三信號(hào)輸入端1603、第四信號(hào)輸入端1604;觀測(cè)物鏡210、基于電荷耦合元件 的視頻攝像頭220、高精度微動(dòng)升降臺(tái)230、視頻采集卡240;計(jì)算機(jī)310和一 套生物粒子介電表征系統(tǒng)軟件320;正弦信號(hào)源410、移相電路模塊420;空間 光調(diào)制器510、縮微透鏡筒520、激光器530和激光器支架540。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供的微納生物粒子的多模式集成化介電表征裝置的實(shí)施例參見(jiàn)圖 1、圖2、圖3和圖4。本實(shí)施例中的微納生物粒子的多模式集成化介電表征裝置 包括介電表征芯片100、機(jī)器視覺(jué)裝置200、主控系統(tǒng)300、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置 400、虛擬電極投射器500以及微動(dòng)工作臺(tái)600。介電表征芯片100放置于微動(dòng) 工作臺(tái)600上且可以隨微動(dòng)工作臺(tái)600在水平方向上實(shí)現(xiàn)微小的移動(dòng)，移動(dòng)精度 在1-5微米。介電表征芯片100的上方是機(jī)器視覺(jué)裝置200，用于采集芯片中的 粒子運(yùn)動(dòng)的視頻圖像，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出到主控系統(tǒng)300,介電表征芯片100 的下方是虛擬電極投射器500。虛擬電極投射器500包括空間光調(diào)制器510、縮 微透鏡筒520、激光器530和激光器支架540，虛擬電極投射器的出射光線方向 與介電表征芯片100的上下表面均垂直，且出射光圖案的變換受主控系統(tǒng)300 的控制；激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置400為介電表征芯片100提供合適的信號(hào)模式，是介 電表征芯片100中的微系統(tǒng)的能量的主要來(lái)源，激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置400包括正弦 信號(hào)源410和移相電路模塊420，移相電路模塊420用于改變正弦信號(hào)源發(fā)出的 信號(hào)的相位，輸出多路不同相位的信號(hào)；主控系統(tǒng)300用于對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時(shí)對(duì)激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置400和虛擬電極投射器500發(fā)出指令信號(hào)， 主控系統(tǒng)300包括計(jì)算機(jī)310和一套生物粒子介電表征測(cè)試系統(tǒng)軟件320。
本實(shí)施例中，介電表征芯片IOO，如圖2所示，包括進(jìn)樣口 110 、透明絕緣 蓋片120、上層透明導(dǎo)電薄膜130、微流體腔140、中間間隔層150、螺旋實(shí)體電 極陣列160、虛擬電極形成層170(包括絕緣層171、光電導(dǎo)層172、透明導(dǎo)電層 173)、透明絕緣基底180、用于批量推進(jìn)粒子的柵欄式虛擬電極陣列191 (參見(jiàn) 圖3)、用于形成虛擬流道的塊狀虛擬電極192、用于路徑引導(dǎo)的光圈虛擬電極 193、第一信號(hào)輸入端1601、第二信號(hào)輸入端1602、第三信號(hào)輸入端1603、第 四信號(hào)輸入端1604。本實(shí)施例中，螺旋實(shí)體電極陣列160由4根螺旋電極成， 中心有4個(gè)成圓周對(duì)稱分布的電極端形成電旋轉(zhuǎn)腔，并在外圍形成4個(gè)信號(hào)輸入 端(1601、 1602、 1603、 1604)(參見(jiàn)圖3)， 4個(gè)信號(hào)連接端所輸入的正弦信號(hào) 的相位依次相差(360/N)度，相鄰兩根電極中心線的距離是相等的，用于形成特 定的電場(chǎng)分布，為測(cè)量生物粒子的介電運(yùn)動(dòng)響應(yīng)提供條件；螺旋實(shí)體電極陣列 160的材料可以選擇透明的氧化銦錫薄膜，以便于觀測(cè)，當(dāng)螺旋電極陣列比較稀 疏且不影響觀察的前提下可以選用金屬；絕緣層171的材料可選擇氮化硅，用于 實(shí)現(xiàn)光電導(dǎo)層172和螺旋實(shí)體電極陣列的電氣絕緣，以及防止低頻高壓下的水解 現(xiàn)象;光電導(dǎo)層172具有光電導(dǎo)的特性，即當(dāng)被光照亮?xí)r其內(nèi)部載流子數(shù)量劇增， 近乎導(dǎo)體，而沒(méi)有被光照亮?xí)r其內(nèi)部載流子數(shù)量很少，近乎絕緣體；光電導(dǎo)層 172的材料可以選擇氫化非晶硅或者摻雜的硫化鎘(CdS)或者參雜的硒化鎘(CdSe) 或者是硫化鎘和硒化鎘的組合。
本實(shí)施例中，機(jī)器視覺(jué)裝置200用于采集芯片中的粒子運(yùn)動(dòng)的視頻圖像并轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號(hào)輸出，包括觀測(cè)物鏡210、基于電荷耦合元件(CCD)的視頻攝像頭 220、高精度微動(dòng)升降臺(tái)230、視頻采集卡240 (參見(jiàn)圖1)。其中，觀測(cè)物鏡210 安裝在視頻攝像頭220下方，且視頻攝像頭固定在高精度微動(dòng)升降臺(tái)230上。
本實(shí)施例中，激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置400包括正弦信號(hào)源410、移相電路模塊420 (參見(jiàn)圖1)。正弦信號(hào)源410能在主控系統(tǒng)300控制下產(chǎn)生一定頻率范圍內(nèi)的 正弦信號(hào)，移相電路模塊420的輸入端連接正弦信號(hào)源，輸出端有(N+2)個(gè)端 子，輸出(N + 2)路信號(hào)，其中有N路正弦信號(hào)幅值相等，相位之間依次相差 (360/N)度且這N路信號(hào)具有共同的參考地電位。另外兩個(gè)端子輸出具有一定 電位差的正弦信號(hào)，或者其中一個(gè)端子接地另一個(gè)端子輸出正弦信號(hào)。
本實(shí)施例中，虛擬電極投射器500包括空間光調(diào)制器510、縮微透鏡筒520、 激光器530和激光器支架540 (參見(jiàn)圖1)。激光器530安裝于激光器支架540 上，空間光調(diào)制器510中含有DMD (Digital Micromirror Device)驅(qū)動(dòng)版，激 光器530通過(guò)自帶的擴(kuò)束器，發(fā)射出激光束，并以一定的入射角度入射到數(shù)字微 鏡(DMD)芯片上，這個(gè)入射角度可以通過(guò)將激光器530繞激光器支架540轉(zhuǎn)動(dòng) 來(lái)改變?？s微透鏡筒520是一組將空間光調(diào)制器510輸出的光圖案縮小的透鏡單 元，縮微透鏡筒的軸線與DMD芯片表面所在的平面垂直，同時(shí)與介電表征芯片的 上下表面所在的平面垂直。
本實(shí)施例中，主控系統(tǒng)300包括計(jì)算機(jī)310和一套生物粒子介電表征系統(tǒng)軟
件320(參見(jiàn)圖1)。主控系統(tǒng)300 —方面通過(guò)向激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置400發(fā)送指令
信號(hào)使激勵(lì)信號(hào)的頻率在一定范圍內(nèi)持續(xù)變化，另一方面向虛擬電極投射器500
發(fā)送指令，使其向介電表征芯片100投射虛擬電極圖案用于測(cè)試過(guò)程中的粒子操
控，同時(shí)實(shí)時(shí)的采集粒子在介電表征芯片中的運(yùn)動(dòng)視頻圖像并對(duì)其進(jìn)行分析處
理，最后分別得出粒子在提升介電泳、行波介電泳和電旋轉(zhuǎn)介電泳作用下的介電 禪
l曰o
本實(shí)施例中，運(yùn)用微納生物粒子的多模式集成化介電表征裝置對(duì)粒子進(jìn)行介
電表征的方法的具體步驟如下
步驟l:將目標(biāo)粒子的樣本通過(guò)進(jìn)樣口注射到介電表征芯片100中，在主控
系統(tǒng)300的控制下，使微動(dòng)工作臺(tái)600和高精度微動(dòng)升降臺(tái)230回到初始位置， 并啟動(dòng)機(jī)器視覺(jué)裝置200和虛擬電極投射器500,此時(shí)應(yīng)保證虛擬電極投射器的 出射光以及觀測(cè)物鏡210正對(duì)介電表征芯片100的前處理區(qū)，否則，應(yīng)重新設(shè)定 微動(dòng)工作臺(tái)600的初始坐標(biāo)，直到滿足上述要求為止。
步驟2:激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置400啟動(dòng)，但僅開(kāi)通421和426兩路信號(hào)，虛擬 電極投射器500在芯片的虛擬電極形成層172上投射出柵欄式虛擬電極陣列191 以及用于形成虛擬流道的塊狀虛擬電極192，使粒子被批量輸運(yùn)到虛擬流道，當(dāng) 粒子在柵欄式虛擬電極陣列191的推進(jìn)下逐個(gè)有序的從虛擬流道出來(lái)后，在光圈 虛擬電極193的捕獲和路徑引導(dǎo)下移動(dòng)到螺旋實(shí)體電極陣列160外緣，并在光圈 定位虛擬電極197的作用下按照?qǐng)A周分布依次排開(kāi)，(參見(jiàn)圖4)，此時(shí)基于各粒 子的特征和位置對(duì)各個(gè)粒子進(jìn)行編碼，并記錄此時(shí)各個(gè)粒子的坐標(biāo)位置作為介電 表征測(cè)試前的初始位置坐標(biāo)；
步驟3:螺旋實(shí)體電極陣列160的4路激勵(lì)信號(hào)422、 423、 424、 425開(kāi)通， 此時(shí)若所有目標(biāo)粒子都向螺旋實(shí)體電極外圍運(yùn)動(dòng)，則將螺旋實(shí)體電極陣列160 的4路激勵(lì)信號(hào)422、 423、 424、 425的相序反向進(jìn)而使目標(biāo)粒子均向螺旋電極 中心區(qū)域行進(jìn)，若總是有部分粒子向螺旋電極外圍運(yùn)動(dòng)，則利用光圈虛擬電極將 這部分粒子運(yùn)送到后面的收集區(qū)進(jìn)行單獨(dú)排布，這些粒子很可能是混入的雜質(zhì)； 另一方面，主控系統(tǒng)300通過(guò)調(diào)節(jié)高精度微動(dòng)升降臺(tái)230的高度，使觀測(cè)物鏡 210聚焦于螺旋實(shí)體電極表面，并記錄此時(shí)的觀測(cè)物鏡高度坐標(biāo)值；
步驟4:當(dāng)目標(biāo)粒子開(kāi)始從螺旋電極陣列160外圍向中心運(yùn)動(dòng)，且未到達(dá)電 旋轉(zhuǎn)腔198之前，在螺旋電極陣列上方同時(shí)進(jìn)行提升介電泳和行波介電泳的測(cè) 試:主控系統(tǒng)300通過(guò)向激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置400發(fā)送指令信號(hào)使激勵(lì)信號(hào)的頻率
每隔一段時(shí)間就跳變到一個(gè)新的頻率點(diǎn)，此時(shí)， 一方面實(shí)時(shí)的采集粒子在每一個(gè) 信號(hào)頻率點(diǎn)的水平運(yùn)動(dòng)的視頻圖像并通過(guò)圖像分析得出粒子的水平運(yùn)動(dòng)速度隨
信號(hào)頻率的變化曲線；另一方面在每一個(gè)信號(hào)頻率點(diǎn)通過(guò)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)使得觀測(cè) 物鏡210聚焦于目標(biāo)粒子表面，并記錄下此時(shí)的觀測(cè)物鏡高度坐標(biāo)值并計(jì)算此高 度坐標(biāo)值與步驟3中記錄的觀測(cè)物鏡210聚焦于螺旋實(shí)體電極160表面時(shí)的高度 坐標(biāo)值的差值，此差值即為目標(biāo)粒子的懸浮高度，于是可以得到目標(biāo)粒子的懸浮 高度隨信號(hào)頻率的變化曲線；
步驟5:當(dāng)完成了目標(biāo)粒子的提升介電泳和行波介電泳的介電表征測(cè)試之 后，即運(yùn)用光圈虛擬電極將粒子捕獲，并將這些粒子移動(dòng)到電旋轉(zhuǎn)腔198中，然 后這些目標(biāo)粒子在光圈的平面定位作用下發(fā)生原地自旋運(yùn)動(dòng),而且所有粒子集中 在占電旋轉(zhuǎn)腔總面積的三分之一的中心圓形區(qū)域，此時(shí)，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)裝置200 將目標(biāo)粒子在測(cè)量頻率范圍內(nèi)的自旋運(yùn)動(dòng)的視頻圖像記錄下來(lái)，并分析得出目標(biāo) 粒子的自旋角速度隨信號(hào)頻率的變化曲線。
步驟6:利用光圈虛擬電極將測(cè)試完畢的各個(gè)粒子輸運(yùn)到粒子收集區(qū)并按 照編碼順序用方形光圈虛擬電極194將這些粒子排列，并同時(shí)集中采集這些粒子 的圖像已備后續(xù)分析之用，然后再重復(fù)步驟2至步驟6,進(jìn)行下一批粒子的測(cè)試， 直至滿足測(cè)試粒子的數(shù)量要求；
步驟7:通過(guò)比較測(cè)得的各個(gè)生物粒子的上述三種介電譜，找出各個(gè)粒子介 電譜的差異，并進(jìn)行歸類即可實(shí)現(xiàn)這些性質(zhì)相近的生物粒子的高精確度的介電表 征。
權(quán)利要求
1.一種微納生物粒子的多模式集成化介電表征裝置，其特征在于該微納生物粒子的多模式集成化介電表征裝置包括介電表征芯片(100)、機(jī)器視覺(jué)裝置(200)、主控系統(tǒng)(300)、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置(400)、虛擬電極投射器(500)以及微動(dòng)工作臺(tái)(600)；介電表征芯片(100)放置于微動(dòng)工作臺(tái)(600)上而且可以隨微動(dòng)工作臺(tái)(600)在水平方向上移動(dòng)，在介電表征芯片(100)的上方設(shè)有機(jī)器視覺(jué)裝置(200)，用于采集介電表征芯片(100)上的粒子運(yùn)動(dòng)的視頻圖像并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，機(jī)器視覺(jué)裝置(200)的輸出端連接主控系統(tǒng)(300)，將視頻信號(hào)傳送給主控系統(tǒng)(300)進(jìn)行分析處理；介電表征芯片(100)的下方是虛擬電極投射器(500)用于向介電表征芯片(100)投射縮微光圖案，虛擬電極投射器(500)的出射光線方向與介電表征芯片(100)的表面垂直；主控系統(tǒng)(300)包括計(jì)算機(jī)(310)和一套生物粒子介電表征測(cè)試系統(tǒng)軟件(320)，用于對(duì)機(jī)器視覺(jué)裝置(200)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時(shí)對(duì)激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置(400)、虛擬電極投射器(500)、微動(dòng)升降臺(tái)(230)和微動(dòng)工作臺(tái)(600)發(fā)出指令信號(hào)；激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置(400)的控制信號(hào)輸入端與主控系統(tǒng)(300)的控制信號(hào)輸出端連接，激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置(400)的輸出端與介電表征芯片(100)的信號(hào)輸入端相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的微納生物粒子的多模式集成化介電表征裝置,其特征 在于介電表征芯片(100)中，自下至上依次為透明絕緣基底(180)、透明導(dǎo)電層 (173)、光電導(dǎo)層(172)、絕緣層(171)、中間間隔層(150)、上層透明導(dǎo)電薄膜(130)、 透明絕緣蓋片(120)，其中中間間隔層(150)設(shè)在絕緣層(ni)與上層透明導(dǎo)電薄膜(130)之間的四周，絕緣層(171)、中間間隔層(150)、上層透明導(dǎo)電薄膜(130)圍 成的空間是微流體腔(140)，在微流體腔(140)中的絕緣層(171)上，設(shè)有螺旋實(shí)體 電極陣列(160)、柵欄式虛擬電極陣列(191)、塊狀虛擬電極(192)、光圈虛擬電極 (193)，進(jìn)樣口(110)穿過(guò)透明絕緣蓋片(120)、上層透明導(dǎo)電薄膜(130)將微流體 腔(140)與外部連通，在中間間隔層(150)外的絕緣層(171)上設(shè)有第一信號(hào)輸入端 (1601)、第二信號(hào)輸入端(1602)、第三信號(hào)輸入端(1603)、第四信號(hào)輸入端(1604)。
3.如權(quán)利要求2所述的微納生物粒子的多模式集成化介電表征裝置，其特征在于，所述的螺旋實(shí)體電極陣列(160)由N根螺旋電極組成，N》3，中心有N個(gè)成 圓周對(duì)稱分布的電極端形成電旋轉(zhuǎn)腔，并在外圍形成N個(gè)信號(hào)輸入端，N個(gè)信號(hào)輸 入端所輸入的正弦信號(hào)的相位依次相差360/N度，相鄰兩根電極中心線的距離是 相等的。
4. 如權(quán)利要求2所述的微納生物粒子的多模式集成化介電表征裝置，其特征 在于，所述的螺旋實(shí)體電極陣列(160)的材料是透明導(dǎo)電薄膜或是不透明的導(dǎo)電 物質(zhì)；所述的絕緣層(171)位于光電導(dǎo)層(172)和螺旋實(shí)體電極陣列(160)之 間；所述的光電導(dǎo)層(172)具有光電導(dǎo)的特性，光電導(dǎo)層(172)的材料為氫化 非晶硅或者摻雜的硫化鎘或者參雜的硒化鎘或者是硫化鎘和硒化鎘的組合。
5. 如權(quán)利要求1所述的微納生物粒子的多模式集成化介電表征裝置，其特征 在于所述的機(jī)器視覺(jué)裝置(200)用于采集芯片中的粒子運(yùn)動(dòng)的視頻圖像并轉(zhuǎn)換 為數(shù)字信號(hào)輸出，包括安裝在視頻攝像頭(220)下方的觀測(cè)物鏡(210)、固定在微 動(dòng)升降臺(tái)(230)下方的視頻攝像頭(220)、可以上下移動(dòng)的微動(dòng)升降臺(tái)(230)和 視頻采集卡(240)。
6. 如權(quán)利要求1所述的微納生物粒子的多模式集成化介電表征裝置，其特征 在于所述的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置(400)包括正弦信號(hào)源(410)、移相電路模塊(420); 正弦信號(hào)源(410)用于在主控系統(tǒng)(300)控制下產(chǎn)生多種頻率的正弦信號(hào)；移 相電路模塊(420)用于改變正弦信號(hào)源輸出的信號(hào)的相位，輸出多路不同相位的信 號(hào)，移相電路模塊(420)的輸入端連接正弦信號(hào)源(410)，輸出端有N+2個(gè)端 子，輸出N+2路信號(hào)，其中有N路正弦信號(hào)幅值相等，相位之間依次相差360/N 度且這N路信號(hào)具有共同的參考地電位，其余的2個(gè)端子輸出存在電壓差的兩個(gè) 正弦信號(hào)或者一個(gè)端子接地另一個(gè)端子輸出正弦信號(hào)。
7. 如權(quán)利要求1所述的微納生物粒子的多模式集成化介電表征裝置，其特征 在于所述的虛擬電極投射器(500)包括空間光調(diào)制器(510)、縮微透鏡筒(520)、 激光器(530)和激光器支架(540);空間光調(diào)制器(510)中含有數(shù)字微鏡芯片 驅(qū)動(dòng)版；自帶擴(kuò)束器的激光器(530)安裝于激光器支架(540)上且可以繞激光 器支架(540)轉(zhuǎn)動(dòng)，用于改變出射激光束入射到數(shù)字微鏡芯片上的入射角度；縮 微透鏡筒(520)是一組將空間光調(diào)制器(510)輸出的光圖案縮小的透鏡單元， 縮微透鏡筒的軸線與數(shù)字微鏡芯片表面所在的平面垂直，同時(shí)與介電表征芯片(100)的上下表面所在的平面垂直。
8. —種應(yīng)用于如權(quán)利要求1所述的微納生物粒子的多模式集成化介電表征裝置的介電表征方法，其特征在于該介電表征方法為步驟l:將目標(biāo)粒子的樣本通過(guò)進(jìn)樣口注射到介電表征芯片中，在主控系統(tǒng)(300)的控制下，使微動(dòng)工作臺(tái)(600)和微動(dòng)升降臺(tái)(230)回到初始位置，并啟 動(dòng)機(jī)器視覺(jué)裝置(200)和虛擬電極投射器(500)，使得虛擬電極投射器(500) 的出射光線以及觀測(cè)物鏡(210)正對(duì)介電表征芯片的前處理區(qū)域，否則，應(yīng)重新設(shè) 定微動(dòng)工作臺(tái)的初始坐標(biāo)，直到滿足上述要求為止；步驟2:開(kāi)通激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置(400)中的用于連接芯片上下基板中的透明 導(dǎo)電薄膜層的兩路信號(hào)，同時(shí)使虛擬電極投射器(500)在芯片的虛擬電極形成層 (170)上投射出柵欄式虛擬電極陣列(191)以及用于形成虛擬流道的塊狀虛擬電極 (192)，使粒子被批量輸運(yùn)到虛擬流道，當(dāng)粒子在柵欄式虛擬電極陣列(191)的 推進(jìn)下逐個(gè)有序的從虛擬流道出來(lái)后，在光圈虛擬電極(193)的捕獲和路徑引導(dǎo)下 移動(dòng)到螺旋實(shí)體電極陣列G60)外緣，并在光圈定位虛擬電極(197)的作用下 按照?qǐng)A周分布依次排開(kāi)，此時(shí)基于粒子的特征和各個(gè)粒子所處的位置對(duì)各個(gè)粒子 進(jìn)行編碼，并記錄下各粒子此時(shí)的位置坐標(biāo)作為介電表征測(cè)試前的初始位置坐標(biāo)；步驟3:開(kāi)通螺旋實(shí)體電極陣列(160)的激勵(lì)信號(hào)并進(jìn)行試調(diào)節(jié)，此時(shí)若 目標(biāo)粒子向螺旋電極外圍運(yùn)動(dòng)，則將螺旋實(shí)體電極陣列(160)的N路激勵(lì)信號(hào)的相 序反向，進(jìn)而使目標(biāo)粒子均向螺旋電極中心區(qū)域行進(jìn)，若總是有部分粒子向螺旋 電極外圍運(yùn)動(dòng)，則利用光圈虛擬電極(194)將這部分粒子運(yùn)送到后面的收集區(qū)進(jìn) 行單獨(dú)排布；另一方面，主控系統(tǒng)(300)通過(guò)調(diào)節(jié)微動(dòng)升降臺(tái)(230)的高度，使 觀測(cè)物鏡聚焦于螺旋實(shí)體電極(160)平面，并記錄此時(shí)的觀測(cè)物鏡(210)高度 坐標(biāo)值；步驟4:當(dāng)目標(biāo)粒子開(kāi)始從螺旋實(shí)體電極陣列(160)外圍向中心運(yùn)動(dòng)且未到 達(dá)電旋轉(zhuǎn)腔(198)之前，在螺旋電極陣列(160)上方同時(shí)進(jìn)行粒子的提升介電 泳和行波介電泳的測(cè)試主控系統(tǒng)(300)通過(guò)向激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置(400)發(fā)送 指令信號(hào)使激勵(lì)信號(hào)的頻率每隔一段時(shí)間就跳變到一個(gè)新的頻率點(diǎn)，此時(shí)， 一方 面實(shí)時(shí)的采集粒子在每一個(gè)信號(hào)頻率點(diǎn)的水平運(yùn)動(dòng)的視頻圖像并通過(guò)圖像分析得 出粒子的水平運(yùn)動(dòng)速度隨信號(hào)頻率的變化曲線；另一方面在每一個(gè)信號(hào)頻率點(diǎn)通過(guò)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)使得觀測(cè)物鏡(210)聚焦于目標(biāo)粒子表面，并記錄下此時(shí)的觀測(cè) 物鏡高度坐標(biāo)值并計(jì)算此高度坐標(biāo)值與步驟3中記錄的觀測(cè)物鏡(210)聚焦于螺 旋實(shí)體電極(160)表面時(shí)的高度坐標(biāo)值的差值，此差值即為目標(biāo)粒子的懸浮高度， 于是可以得到目標(biāo)粒子的懸浮高度隨信號(hào)頻率的變化曲線；步驟5:當(dāng)完成了目標(biāo)粒子的提升介電泳和行波介電泳的介電表征測(cè)試之后， 即運(yùn)用光圈虛擬電極(193)將粒子捕獲，并將這些粒子移動(dòng)到電旋轉(zhuǎn)腔(198) 中，然后這些目標(biāo)粒子在光圈虛擬電極(193)的平面定位作用下分別發(fā)生原地自旋 運(yùn)動(dòng)；通過(guò)機(jī)器視覺(jué)裝置(200)將目標(biāo)粒子在測(cè)量頻率范圍內(nèi)的自旋運(yùn)動(dòng)的視頻 圖像記錄下來(lái)，并分析得出各個(gè)目標(biāo)粒子的自旋角速度隨信號(hào)頻率的變化曲線；步驟6:利用光圈虛擬電極將測(cè)試完畢的各個(gè)粒子輸運(yùn)到粒子收集區(qū)并按照 編碼順序用光圈排列虛擬電極(194)將這些粒子排列定位，并同時(shí)集中采集這些 粒子的圖像已備后續(xù)分析之用，然后再重復(fù)步驟2至步驟6，進(jìn)行下一批粒子的測(cè) 試，直至滿足測(cè)試粒子的數(shù)量要求；步驟7:對(duì)所測(cè)得的各個(gè)生物粒子的上述三種介電譜進(jìn)行比較評(píng)估，進(jìn)而得 出各粒子的特性差異，并進(jìn)行歸類進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微納生物粒子的高精確度的介電表征。
9.如權(quán)利要求8所述的多模式集成化介電表征裝置的介電表征方法，其特征 在于主控系統(tǒng)(300)在向激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置(400)發(fā)送指令信號(hào)改變其激勵(lì)信號(hào) 模式的同時(shí)，也向虛擬電極投射器(500)發(fā)送指令使其向介電表征芯片(100)投射 虛擬電極圖案，與此同時(shí)也實(shí)時(shí)處理粒子在介電表征芯片中的運(yùn)動(dòng)的視頻圖像數(shù) 據(jù)并控制微動(dòng)工作臺(tái)(600)和微動(dòng)升降臺(tái)(230)。
全文摘要
微納生物粒子的多模式集成化介電表征裝置包括介電表征芯片(100)、機(jī)器視覺(jué)裝置(200)、主控系統(tǒng)(300)、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置(400)、虛擬電極投射器(500)以及微動(dòng)工作臺(tái)(600)；介電表征芯片(100)放置于微動(dòng)工作臺(tái)(600)上且在豎直方向上處于機(jī)器視覺(jué)裝置(200)和虛擬電極投射器(500)之間；機(jī)器視覺(jué)裝置(200)中含有受主控系統(tǒng)(300)控制的升降臺(tái)(230)；主控系統(tǒng)(300)從機(jī)器視覺(jué)裝置(200)獲得數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置(400)和虛擬電極投射器(500)發(fā)出指令信號(hào)；本發(fā)明集成了光模式虛擬電極和螺旋實(shí)體電極陣列，通過(guò)實(shí)時(shí)采集粒子的運(yùn)動(dòng)圖像及通過(guò)自動(dòng)對(duì)焦檢測(cè)粒子懸浮高度，能夠全面、精確的測(cè)得三種介電泳模式下的介電譜，能夠?qū)崿F(xiàn)重大疾病的低成本、高精度、高效率的介電表征診斷。
文檔編號(hào)G01N27/447GK101344518SQ20081002145
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月15日
發(fā)明者倪中華, 紅 易, 朱曉璐 申請(qǐng)人:東南大學(xué)