專利名稱：利用光電鑷對微納米生物粒子進(jìn)行介電表征的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種運(yùn)用光電微流控器件對微納米生物粒子進(jìn)行表征和鑒別的方 法，涉及微流控領(lǐng)域,特別是微流控生物醫(yī)學(xué)芯片領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微納米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程稱為介電表征。電 旋轉(zhuǎn)介電泳(electrorotation dielectrophoresis, ROT-DEP)就是其中一項(xiàng)用于生物 粒子介電表征的技術(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，微小粒子便能在旋轉(zhuǎn)電場的作用下發(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)別出來成為可能。 基于電旋轉(zhuǎn)介電泳技術(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)和行波 介電泳(travelling-wave dielectrophoresis, 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，但需要制作較復(fù)雜的微電極， 應(yīng)用的廣泛程度不及電旋轉(zhuǎn)介電泳。總體來說，目前在介電表征芯片的研究領(lǐng) 域存在下列問題 一、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 泳測試芯片，大部分只有產(chǎn)生電旋轉(zhuǎn)介電泳的簡單電極結(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 生物粒子的復(fù)雜操縱，因而需設(shè)計(jì)和制造相對應(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芯 片。二、在生物粒子的介電表征的功能實(shí)現(xiàn)方式方面目前的芯片實(shí)現(xiàn)介電表征多依賴于具有特定形狀的微電極陣列，而這些電極陣列缺乏柔性，導(dǎo)致在不 同的情況下需制作不同的微電極陣列，大大增加了制作和操作的難度及繁瑣成 度，難以推廣使用。近年來,運(yùn)用光電微流控器件對微納米生物粒子進(jìn)行操縱成為一種新的微 觀粒子操縱技術(shù)。這種基于光電效應(yīng)的柔性操控工具的原理如下這種光電微 流控器件為三層漢堡結(jié)構(gòu)，含有樣本粒子的液體位于鍍有ITO (indium-tin oxide) 薄膜的玻璃(上層)和光電導(dǎo)層(下層)之間，其中光電導(dǎo)層沉積在下層的ITO 玻璃之上。電導(dǎo)材料在無光照情形下?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，造成明暗區(qū)流層 分壓的不同，在空間形成非均勻電場并產(chǎn)生了 "光誘導(dǎo)介電泳"現(xiàn)象。于是， 如果用一個(gè)光圈將粒子圈住，那么粒子受光誘導(dǎo)介電泳力的作用被捕獲于光圈 之內(nèi)，粒子就會(huì)隨光圈的移動(dòng)而移動(dòng)，這種利用光圖案操縱粒子的方法稱為光 電鑷方法。但這種方法只能用于操縱，無法對不同的粒子進(jìn)行表征，因?yàn)椴煌?種類的粒子都能跟隨同一速度的光圈以相同速度移動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象上沒有任何 差異。這就無法對不同的粒子進(jìn)行表征。因此，如果能夠提供一種新方法，使得能夠利用光電鑷這種操縱工具來實(shí) 現(xiàn)生物粒子的表征，那么就能夠解決一般介電表征芯片成本高和柔性差的問題， 同時(shí)也能挖掘出光電鑷新的應(yīng)用價(jià)值。鑒于此，本發(fā)明提出一種利用光電鑷對生物微粒進(jìn)行表征的方法利用光 電鑷對生物粒子驅(qū)動(dòng)過程中的失步現(xiàn)象(即光圖案移動(dòng)速度過快導(dǎo)致粒子無法 跟上)，測出生物粒子在一定激勵(lì)信號(hào)頻率范圍內(nèi)的最大同步速度，即可實(shí)現(xiàn)粒 子的介電表征。發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種利用光電鑷對微納米生物粒子進(jìn)行介 電表征的方法，以解決一般的生物粒子介電表征芯片制作成本高、微電極結(jié)構(gòu) 復(fù)雜的缺陷，同時(shí)也能夠大大拓展光電鑷的應(yīng)用領(lǐng)域。技術(shù)方案本發(fā)明提出運(yùn)用粒子在被光電鑷驅(qū)動(dòng)過程中的失步現(xiàn)象(即在 光圖案驅(qū)動(dòng)粒子運(yùn)動(dòng)的過程中，光圖案移動(dòng)速度過快導(dǎo)致粒子無法跟上)，測出 生物粒子在一定激勵(lì)信號(hào)頻率范圍內(nèi)的的最大同步速度，即可實(shí)現(xiàn)粒子的介電表征。目前生物粒子的介電表征多是通過測量粒子的克勞修斯一莫索提 (Clausius-Mossotti)復(fù)數(shù)因子的虛部譜來實(shí)現(xiàn)的，這主要是為了利用電旋轉(zhuǎn)芯 片。而事實(shí)上，在相當(dāng)多的情況下，測量克勞修斯一莫索提復(fù)數(shù)因子的實(shí)部譜 也能達(dá)到對粒子進(jìn)行表征，進(jìn)而達(dá)到鑒別和區(qū)分的目的。本發(fā)明正是基于此， 利用光電鑷所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力與克勞修斯一莫索提復(fù)數(shù)因子的實(shí)部的相關(guān)性，通 過測量粒子的克勞修斯一莫索提復(fù)數(shù)因子的實(shí)部譜來實(shí)現(xiàn)生物粒子的介電表 征。微納米生物粒子在光電鑷操縱作用下的失步現(xiàn)象在微操縱過程中是要絕對 避免的，但恰恰此現(xiàn)象卻使得對粒子的介電表征成為可能。具體來說，當(dāng)待測 粒子被光電鑷正常驅(qū)動(dòng)時(shí)，粒子將緊跟著光圖案的軌跡；但當(dāng)光圖案的移動(dòng)速 度增大到一定程度之后，粒子將跟不上光圖案的運(yùn)動(dòng)。換言之，粒子在跟隨光 圖案運(yùn)動(dòng)時(shí)存在一個(gè)最大同步速度。處于最大同步速度的粒子所受的介電泳力 是最大的，又因?yàn)榻殡娪玖φ扔陔妶鰪?qiáng)度平方的梯度，所以處于最大同步速 度的粒子所處的位置的電場強(qiáng)度平方的梯度最大，換言之，粒子將在電場強(qiáng)度 平方的梯度最大的位置達(dá)到最大同步速度。此外，粒子的最大同步速度與粒子 的Clausius-Mossotti因子或有效極化率(反映了粒子的介電特性)密切相關(guān)，而 粒子的Clausius-Mossotti因子的頻率依賴性決定了粒子的最大同步速度具有頻 率依賴特性。因此，通過測量粒子的最大同步速度的頻率特性，并結(jié)合粒子的 最大同步速度、電場強(qiáng)度平方的梯度的最大值以及粒子的Clausius-Mossotti因子 三者之間的定量關(guān)系，即可得出粒子的Clausius-Mossotti因子的頻率特性曲線， 進(jìn)而可以解析出粒子的介電參數(shù)，實(shí)現(xiàn)生物粒子的介電表征。這種新方法不涉 及任何的物理實(shí)體微電極的制作，并且充分利用了光電鑷的靈活性優(yōu)勢，因此 這種方法不但大大降低了生物粒子介電表征的成本，而且性能十分優(yōu)越。具體利用光電鑷對微納米生物粒子進(jìn)行介電表征的方法是在利用光圖案 驅(qū)動(dòng)微納米生物粒子的同時(shí)，通過逐步改變光圖案的移動(dòng)速度使粒子達(dá)到與光 圖案同步的最大速度，即粒子即將跟不上光圖案移動(dòng)的臨界速度，并結(jié)合激勵(lì) 信號(hào)的頻率調(diào)節(jié)，測出生物粒子在激勵(lì)信號(hào)的一定頻率范圍內(nèi)的最大同步速度 曲線，進(jìn)而完成粒子的介電表征。該介電表征方法的具體步驟為步驟1:將含有目標(biāo)粒子的樣品溶液通過各個(gè)進(jìn)樣口注射到介電表征芯片 的各個(gè)微流體腔中；步驟2:在芯片上的每個(gè)微流體腔中投射虛擬電極圖案；步驟3:將正弦激勵(lì)信號(hào)的電壓加于所使用芯片的上層導(dǎo)電膜和下層導(dǎo)電層 之間，使電場穿過微流體腔，并設(shè)定初始頻率；步驟4:在芯片上的每個(gè)微流體腔中,不斷改變虛擬電極圖案的移動(dòng)速度， 使粒子被虛擬電極圖案推著或拖著沿直線行進(jìn)，直到粒子達(dá)到最大同步速度， 并記錄下粒子運(yùn)動(dòng)過程中的最大同步速度；步驟5:改變激勵(lì)信號(hào)的頻率，使激勵(lì)信號(hào)的頻率跳變到一個(gè)新的頻率點(diǎn)， 然后重復(fù)步驟4;步驟6:繪制出目標(biāo)粒子在測量頻率范圍內(nèi)的最大同步速度隨激勵(lì)信號(hào)頻率 的變化譜線。所述的虛擬電極圖案的移動(dòng)速度的改變方式是從零開始逐步增大，或是二 分法改變速度；即若粒子在初始速度下不失步，則選取初始速度值和最大可能 速度值的平均值作為下一個(gè)試驗(yàn)速度值，反之若粒子在初始速度下失步，則選 取初始速度值和零之間的平均值作為下一個(gè)試驗(yàn)速度值，依次類推，不斷以二 分法增大或減小光圖案的移動(dòng)速度，直至找到粒子隨光圖案移動(dòng)的最大同步速 度。有益效果本發(fā)明提供的利用光電鑷對微納米生物粒子進(jìn)行介電表征的方 法通過逐步增大光圖案的移動(dòng)速度使粒子達(dá)到失步前的最大同步速度，并結(jié)合 激勵(lì)信號(hào)的頻率體調(diào)節(jié)，測出生物粒子在激勵(lì)信號(hào)的一定頻率范圍內(nèi)的最大同 步速度，進(jìn)而完成粒子的介電表征。這種方法充分利用了光電鑷的靈活性優(yōu)勢， 同時(shí)避免了在芯片上制作復(fù)雜的物理實(shí)體電極陣列，并將粒子操縱和測試集于 一體，并且僅需一路正弦激勵(lì)信號(hào)(目前的電旋轉(zhuǎn)測試芯片需要3路以上的正弦信號(hào))。因此，本發(fā)明提供的介電表征方法在成本、功能、性能方面均優(yōu)于當(dāng) 前的微納米粒子的介電表征方法，為生物醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域的跨越式發(fā)展提供了十 分必要的手段，將在疾病診斷和治療、分子生物學(xué)、公共衛(wèi)生檢疫、司法鑒定、 食品衛(wèi)生監(jiān)督等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。


圖l為本發(fā)明實(shí)施例所使用的介電表征芯片結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中利用光電鑷對生物粒子進(jìn)行介電表征的光圖案排布示意圖(芯片被揭去上基板后的俯視圖)。 以上的圖中有第一進(jìn)樣口 1101、第二進(jìn)樣口 1102、第三進(jìn)樣口 1103 ,透明絕緣蓋片120， 上層透明的銦錫氧化物薄膜130，第一微流體腔1401、第二微流體腔1402、第三 微流體腔1403,中間間隔層150,透明絕緣基片160,由氮化硅層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，矩形虛擬電極1801，圓形虛 擬電極1802，光圈虛擬電極190，矩形框虛擬電極200。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供的利用光電鑷對生物粒子進(jìn)行介電表征的方法的實(shí)施例參見圖 l和圖2。本方法所能夠使用的芯片結(jié)構(gòu)、材料以及光圖案的樣式并不局限于本 實(shí)施例。本實(shí)施例中所使用的介電表征芯片包括第一進(jìn)樣口 1101、第二進(jìn)樣口 1102、 第三進(jìn)樣口 1103,透明絕緣蓋片120，上層透明的銦錫氧化物薄膜130，第一微 流體腔1401、第二微流體腔i402、第三微流體腔1403，中間間隔層150，透明 絕緣基片160,由氮化硅層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。氮化硅層171可以防止水解，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，而沒有被光照亮?xí)r其內(nèi)部載流子數(shù)量 很少，其明電導(dǎo)與暗電導(dǎo)之比至少可達(dá)10000以上；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)施例中所使用的芯片有三個(gè)微流體腔的目的是同時(shí)對 三種不同的樣品粒子進(jìn)行表征，三個(gè)微流體腔將三種樣品分隔開以防止相互污 染。另外，可以在分別在三個(gè)微流體腔中根據(jù)相應(yīng)粒子的形態(tài)特點(diǎn)投射不同形 狀的光圖案，以利于各種不同粒子的介電表征。本實(shí)施例中，利用光電鑷對生物粒子進(jìn)行介電表征的方法的具體步驟如下步驟1:將三種目標(biāo)粒子的樣品溶液通過三個(gè)進(jìn)樣口分別注射到介電表征 芯片的第一微流體腔1401、第二微流體腔1402、第三微流體腔1403中；步驟2:如圖2所示，在微流體腔1401中投射矩形虛擬電極1801和圓形虛擬電極1802;在微流體腔1402中投射光圈虛擬電極190;在微流體腔1403 中投射矩形框虛擬電極200;步驟3:將正弦激勵(lì)信號(hào)的電壓加于上層銦錫氧化物薄膜130和透明導(dǎo)電 層173之間，并設(shè)定初始頻率；步驟4:在微流體腔1401中，使矩形虛擬電極1801固定不動(dòng)，按照圖2中 的箭頭方向移動(dòng)圓形虛擬電極1802，并從零開始逐漸增大移動(dòng)速度，位于兩個(gè) 矩形虛擬電極1801之間的粒子被圓形虛擬電極1802推著或拖著沿直線行進(jìn)， 記錄下粒子運(yùn)動(dòng)過程中的最大同步速度在微流體腔1402中，按照圖2中的箭 頭方向移動(dòng)光圈虛擬電極190，并從零開始逐漸增大移動(dòng)速度，位于光圈內(nèi)的粒 子被光圈虛擬電極190牽引而運(yùn)動(dòng)，記錄下粒子運(yùn)動(dòng)過程中的最大同步速度； 在微流體腔1403中，按照圖2中的箭頭方向移動(dòng)矩形框虛擬電極200,并從零開 始逐漸增大移動(dòng)速度，位于矩形框內(nèi)的粒子被矩形框虛擬電極200牽引而運(yùn)動(dòng)， 記錄下粒子運(yùn)動(dòng)過程中的最大同步速度；步驟5:改變激勵(lì)信號(hào)的頻率，使激勵(lì)信號(hào)的頻率跳變到一個(gè)新的頻率點(diǎn)， 然后重復(fù)步驟4;步驟6:繪制出目標(biāo)生物粒子在測量頻率范圍內(nèi)的最大同步速度隨激勵(lì)信號(hào) 頻率的變化譜線。
權(quán)利要求
1.一種利用光電鑷對微納米生物粒子進(jìn)行介電表征的方法，其特征在于在利用光圖案驅(qū)動(dòng)微納米生物粒子的同時(shí)，通過逐步改變光圖案的移動(dòng)速度使粒子達(dá)到與光圖案同步的最大速度，即粒子即將跟不上光圖案移動(dòng)的臨界速度，并結(jié)合激勵(lì)信號(hào)的頻率調(diào)節(jié)，測出生物粒子在激勵(lì)信號(hào)的一定頻率范圍內(nèi)的最大同步速度曲線，進(jìn)而完成粒子的介電表征。
2. 如權(quán)利要求1所述的利用光電鑷對微納米生物粒子進(jìn)行介電表征的方法， 其特征在于該介電表征方法的具體步驟為步驟1:將含有目標(biāo)粒子的樣品溶液通過各個(gè)進(jìn)樣口 (UO)注射到介電表征芯 片的各個(gè)微流體腔(140)中；步驟2:在芯片上的每個(gè)微流體腔(140)中投射虛擬電極圖案(180);步驟3:將正弦激勵(lì)信號(hào)的電壓加于所使用芯片的上層導(dǎo)電膜(130)和下層導(dǎo) 電層(173)之間,使電場穿過微流體腔(140)，并設(shè)定初始頻率；步驟4:在芯片上的每個(gè)微流體腔(140)中，不斷改變虛擬電極圖案(180)的移 動(dòng)速度，使粒子被虛擬電極圖案(180)推著或拖著沿直線行進(jìn)，直到粒子達(dá)到最大 同步速度，并記錄下粒子運(yùn)動(dòng)過程中的最大同步速度；步驟5:改變激勵(lì)信號(hào)的頻率，使激勵(lì)信號(hào)的頻率跳變到一個(gè)新的頻率點(diǎn)，然 后重復(fù)步驟4;步驟6:繪制出目標(biāo)粒子在測量頻率范圍內(nèi)的最大同步速度隨激勵(lì)信號(hào)頻率的 變化譜線。
3. 如權(quán)利要求2所述的利用光電鑷對微納米生物粒子進(jìn)行介電表征的方法， 其特征在于，所述的虛擬電極圖案(180)的移動(dòng)速度的改變方式是從零開始逐步增 大，或是二分法改變速度；即若粒子在初始速度下不失步，則選取初始速度值和 最大可能速度值的平均值作為下一個(gè)試驗(yàn)速度值，反之若粒子在初始速度下失步， 則選取初始速度值和零之間的平均值作為下一個(gè)試驗(yàn)速度值，依次類推，不斷以 二分法增大或減小光圖案的移動(dòng)速度，直至找到粒子隨光圖案移動(dòng)的最大同步速 度。
全文摘要
利用光電鑷對微納米生物粒子進(jìn)行介電表征的方法是通過逐步改變光圖案的移動(dòng)速度使粒子達(dá)到失步前的最大同步速度，并結(jié)合激勵(lì)信號(hào)的頻率調(diào)節(jié)，測出生物粒子在激勵(lì)信號(hào)的一定頻率范圍內(nèi)的最大同步速度曲線，進(jìn)而完成粒子的介電表征。本發(fā)明提供的這種介電表征方法充分利用了光電鑷的靈活性優(yōu)勢，同時(shí)避免了在芯片上制作復(fù)雜的物理實(shí)體電極陣列，在成本、功能、性能方面均優(yōu)于目前的微納米粒子的介電表征方法，為生物醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域的跨越式發(fā)展提供了十分重要的手段。
文檔編號(hào)G01N27/00GK101403742SQ20081019508
公開日2009年4月8日 申請日期2008年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月29日
發(fā)明者倪中華, 紅 易, 朱曉璐 申請人:東南大學(xué)