專利名稱：微納生物粒子介電表征裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種運(yùn)用集成在單個芯片上的光模式虛擬電極陣列和物理實(shí) 體電極陣列對微納生物粒子進(jìn)行介電表征的裝置，涉及微流控芯片領(lǐng)域,特別是 微流控生物醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)的大型醫(yī)療檢測儀器相比，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)在微小平臺上靈活組合、規(guī)模集成的特征 和優(yōu)勢，被認(rèn)為是"家庭化"即時檢測理念付諸實(shí)施的理想平臺，為實(shí)現(xiàn)重大疾 病的快速、準(zhǔn)確、低成本的檢測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 個重要的研究方向。通過基于介電泳技術(shù)的介電表征方法對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程稱為介電表征。電旋 轉(zhuǎn)是一項發(fā)展迅速的技術(shù)，它利用若干個不同相位的交變電壓信號在電旋轉(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)胞中識別出來成為可能?；?于電旋轉(zhuǎn)介電泳(electrorotationdielectrophoresis,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，但應(yīng)用的廣泛程度遠(yuǎn)不及電旋轉(zhuǎn)介電泳?？傮w來說，目 前在介電表征芯片的研究領(lǐng)域存在下列問題一、在測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，只能測出粒子的Clausius-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，將其分離開來以 實(shí)現(xiàn)不同粒子的區(qū)分或識別。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)分和識別，但這種方法 通常只能用來區(qū)分兩種粒子，而樣品中通常含的粒子種類多于兩種。場流分離法 是一種運(yùn)用流體驅(qū)動懸浮于不同的高度的微粒進(jìn)而將多種微粒區(qū)分開來的方法， 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 時就不能將這些具有某些相似性質(zhì)的微粒區(qū)分開來。存在以上問題的根本原因
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Claushis-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，因而對粒子的表征是有局限性的而且這種局限性對于一些結(jié)構(gòu)組 成復(fù)雜或未知的生物粒子來說就表現(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)介電泳測試芯片，大
部分只是產(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。
三、 在芯片裝置的功能集成方面目前的芯片雖在個別功能上己有相當(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 測試芯片中的研究甚少，處于起始階段，目前的測試芯片還沒有實(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 試過程中，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，能夠作為測試芯片上的柔性輔助操控工具,這種操控粒 子運(yùn)動的現(xiàn)象稱為光誘導(dǎo)介電泳現(xiàn)象，其原理簡述如下光電導(dǎo)材料在無光照情 形下?lián)碛休^高電阻，而接受光照時，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。但是，目前的光誘導(dǎo)介電泳芯片雖然在對粒子 的捕獲和運(yùn)動路徑引導(dǎo)方面極具優(yōu)勢，但卻不能實(shí)現(xiàn)行波和電旋轉(zhuǎn)介電泳模式測 試粒子的介電特性，無法滿足多模式介電泳測試的需求。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芯片上，并充分發(fā)揮二者具有互補(bǔ)性的優(yōu) 勢，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試。
綜上，如果設(shè)計一種既能夠全面準(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)檢測芯片，就能夠解決上述問 題，并實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域的跨越式發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本實(shí)用新型的目的是提供一種微納生物粒子介電表征裝置，將 光模式虛擬電極和物理實(shí)體電極陣列集成于單個芯片之上，以實(shí)現(xiàn)兩種電極的優(yōu) 勢互補(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高，難以對介電性質(zhì) 相近的微納生物粒子進(jìn)行識別及表征的缺陷。
技術(shù)方案本實(shí)用新型提出采用由能夠產(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)合計算機(jī)控制技術(shù)、機(jī) 器視覺及圖像處理技術(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，本實(shí)用新型提出基于多模式復(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、微動工作臺、激勵信號產(chǎn)生裝置、機(jī)器 視覺裝置、虛擬電極投射器、主控系統(tǒng)。介電表征芯片放置于微動工作臺上，可 以隨微動工作臺在水平方向上實(shí)現(xiàn)微小的移動。介電表征芯片的上方是機(jī)器視覺 裝置，用于采集芯片中的粒子運(yùn)動的視頻圖像，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出，機(jī)器視 覺裝置中含有微動升降臺，用于自動對焦系統(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；激勵信號產(chǎn)生裝置為介電表征芯片提供合適的信號模 式，是介電表征芯片中的微系統(tǒng)能量的主要來源，激勵信號產(chǎn)生裝置包括正弦信 號源和移相電路模塊，移相電路模塊用于改變正弦信號源發(fā)出的信號的相位，輸 出多路不同相位的信號；主控系統(tǒng)用于對采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時對 激勵信號產(chǎn)生裝置、虛擬電極投射器、微動工作臺和微動升降臺發(fā)出指令信號， 主控系統(tǒng)包括計算機(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個信號輸入 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個成圓周對稱分 布的電極端形成電旋轉(zhuǎn)腔，并在外圍形成N個信號輸入端,N個信號輸入端所輸 入的正弦信號的相位依次相差(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分布，為測量生物粒子的介電運(yùn)動響應(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)器視覺裝置用于采集芯片中的粒子運(yùn)動的視頻圖像并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸 出，包括觀測物鏡、基于電荷耦合元件(CCD)的視頻攝像頭、高精度微動升 降臺、視頻采集卡(video capture board)。其中，觀測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升降臺上。具有不同的放大倍數(shù)和數(shù)值孔徑 的觀測物鏡可以通過物鏡轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以滿足不同情況的需要。
激勵信號產(chǎn)生裝置包括正弦信號源、移相電路模塊。正弦信號源能在計算機(jī) 控制下產(chǎn)生一定頻率范圍內(nèi)的正弦信號，移相電路模塊的輸入端連接正弦信號 源，輸出端有(N+2)個端子，輸出(N+2)路信號，其中有N路正弦信號幅值相 等，相位之間依次相差(360/N)度且這N路信號具有共同的參考地電位，這N 路信號與介電表征芯片中的螺旋實(shí)體電極陣列的N個信號輸入端相連接。另外兩 個端子輸出存在一定電壓差的兩個正弦信號，或者一個端子接地另一個端子輸出 正弦信號，這兩個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)動版，激光以一定的入射角度入射到DMD芯片上，這個入射角度可 以通過將激光器繞激光器支架轉(zhuǎn)動來改變?？s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)包括計算機(jī)和一套生物粒子介電表征測試系統(tǒng)軟件。主控系統(tǒng)一方 面通過向激勵信號產(chǎn)生裝置發(fā)送指令信號使激勵信號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 圖案以用于測試過程中的粒子操控，同時實(shí)時的采集粒子在介電表征芯片中的運(yùn) 動的視頻圖像并對其進(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。
本實(shí)用新型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 動到螺旋實(shí)體電極陣列上方，接著，粒子開始在螺旋實(shí)體電極陣列形成的電場作 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)通過向激勵信 號產(chǎn)生裝置發(fā)送指令信號使激勵信號的頻率在一定范圍內(nèi)持續(xù)變化，同時實(shí)時的 采集粒子在介電表征芯片中的運(yùn)動的視頻圖像以及利用自動對焦系統(tǒng)檢測目標(biāo) 粒子的懸浮高度，進(jìn)而通過相應(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、 自旋角速度隨螺旋買體電極陣列的激勵信號的頻率的變化曲線。通過比較各個生 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。
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芯片上，通過 主控系統(tǒng)控制虛擬電極投射器和激勵信號產(chǎn)生裝置，實(shí)現(xiàn)運(yùn)用光模式虛擬電極實(shí) 時且靈活的進(jìn)行前處理和粒子位置的精確調(diào)控，并通過機(jī)器視覺裝置對粒子運(yùn)動 的視頻進(jìn)行分析處理，進(jìn)而測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)動響應(yīng)隨螺旋電極陣列的激勵信號的頻率的變化曲線。 本發(fā)明通過測試生物微粒的三種模式介電泳響應(yīng)來全面獲取粒子的介電表征信 息，且同時融合光模式虛擬電極對螺旋電極陣列上方的粒子進(jìn)行測試過程中的輔 助操控，克服了目前國內(nèi)外同類研究中獲取生物微粒介電特性信息不足、精度較
8低和集成度弱的缺陷，能夠辨識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)上建立疾病診斷測試裝置，通過檢測不同生物粒子的介電特性差異對其 進(jìn)行精確識別(比如從大量正常細(xì)胞中將少量病變初期的細(xì)胞識別出來)，進(jìn)而 實(shí)現(xiàn)重大疾病的早期、高精確度的診斷。


圖l為本實(shí)用新型微納生物粒子介電表征裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的介電表征芯片結(jié)構(gòu)示意圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的介電表征芯片的俯視圖(揭去上基板)；
圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的粒子介電響應(yīng)測試前的目標(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)器視覺裝置200、主控系統(tǒng)300、激勵信號產(chǎn)生裝置 400、虛擬電極投射器500、微動工作臺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，第一信號輸入端1601、第二信號輸入端1602、第 三信號輸入端1603、第四信號輸入端1604;觀測物鏡210、基于電荷耦合元件 的視頻攝像頭220、高精度微動升降臺230、視頻采集卡240;計算機(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)施方式
本實(shí)用新型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)器視覺裝置200、主控系統(tǒng)300、激勵信號產(chǎn) 生裝置400、虛擬電極投射器500以及微動工作臺600。介電表征芯片100放置 于微動工作臺600上且可以隨微動工作臺600在水平方向上實(shí)現(xiàn)微小的移動，移 動精度在1-5微米。介電表征芯片100的上方是機(jī)器視覺裝置200，用于釆集芯 片中的粒子運(yùn)動的視頻圖像，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出到主控系統(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；激勵信號產(chǎn)生裝置400為介電表征芯片100提供合適的信號模式， 是介電表征芯片100中的微系統(tǒng)的能量的主要來源，激勵信號產(chǎn)生裝置400包括 正弦信號源410和移相電路模塊420，移相電路模塊420用于改變正弦信號源發(fā) 出的信號的相位，輸出多路不同相位的信號；主控系統(tǒng)300用于對采集得到的數(shù) 據(jù)進(jìn)行分析處理，同時對激勵信號產(chǎn)生裝置400和虛擬電極投射器500發(fā)出指令 信號，主控系統(tǒng)300包括計算機(jī)310和一套生物粒子介電表征測試系統(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 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、第一信號輸入端1601、第二信號輸入端1602、第三信號輸入端1603、第 四信號輸入端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個成圓周對稱分布的電極端形成電旋轉(zhuǎn)腔，并在外圍形成4個信號輸入 端(1601、 1602、 1603、 1604)(參見圖3)， 4個信號連接端所輸入的正弦信號 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 定的電場分布，為測量生物粒子的介電運(yùn)動響應(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，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)器視覺裝置200用于采集芯片中的粒子運(yùn)動的視頻圖像并轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號輸出，包括觀測物鏡210、基于電荷耦合元件(CCD)的視頻攝像頭 220、高精度微動升降臺230、視頻采集卡240 (參見圖1)。其中，觀測物鏡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升降臺230上。
本實(shí)施例中，激勵信號產(chǎn)生裝置400包括正弦信號源410、移相電路模塊420 (參見圖1)。正弦信號源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，移相電路模塊420的輸入端連接正弦信號源，輸出端有(N+2)個端 子，輸出(N + 2)路信號，其中有N路正弦信號幅值相等，相位之間依次相差 (360/N)度且這N路信號具有共同的參考地電位。另外兩個端子輸出具有一定 電位差的正弦信號，或者其中一個端子接地另一個端子輸出正弦信號。
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)動版，激 光器530通過自帶的擴(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，這個入射角度可以通過將激光器530繞激光器支架540轉(zhuǎn)動 來改變?？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包括計算機(jī)310和一套生物粒子介電表征系統(tǒng)軟 件320(參見圖1)。主控系統(tǒng)300 —方面通過向激勵信號產(chǎn)生裝置400發(fā)送指令 信號使激勵信號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試過程中的粒子操 控，同時實(shí)時的采集粒子在介電表征芯片中的運(yùn)動視頻圖像并對其進(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。
權(quán)利要求1. 一種微納生物粒子介電表征裝置，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)器視覺裝置(200)、主控系統(tǒng)(300)、激勵信號產(chǎn)生裝置(400)、虛擬電極投射器(500)以及微動工作臺(600)；介電表征芯片(100)放置于微動工作臺(600)上而且可以隨微動工作臺(600)在水平方向上移動，在介電表征芯片(100)的上方設(shè)有機(jī)器視覺裝置(200)，用于采集介電表征芯片(100)上的粒子運(yùn)動的視頻圖像并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出，機(jī)器視覺裝置(200)的輸出端連接主控系統(tǒng)(300)，將視頻信號傳送給主控系統(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)包括計算機(jī)(310)和一套生物粒子介電表征測試系統(tǒng)軟件(320)，用于對機(jī)器視覺裝置(200)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時對激勵信號產(chǎn)生裝置(400)、虛擬電極投射器(500)、微動升降臺(230)和微動工作臺(600)發(fā)出指令信號；激勵信號產(chǎn)生裝置(400)的控制信號輸入端與主控系統(tǒng)(300)的控制信號輸出端連接，激勵信號產(chǎn)生裝置(400)的輸出端與介電表征芯片(100)的信號輸入端相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的微納生物粒子介電表征裝置，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(171)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)有第一信號輸入端(1601 )、 第二信號輸入端(1602)、第三信號輸入端(1603)、第四信號輸入端(1604)。
3.如權(quán)利要求2所述的微納生物粒子介電表征裝置，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個成圓周對稱分布的 電極端形成電旋轉(zhuǎn)腔，并在外圍形成N個信號輸入端，N個信號輸入端所輸入的正 弦信號的相位依次相差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)器視覺裝置(200)用于采集芯片中的粒子運(yùn)動的視頻圖像并轉(zhuǎn)換 為數(shù)字信號輸出，包括安裝在視頻攝像頭(220)下方的觀測物鏡(210)、固定在微 動升降臺(230)下方的視頻攝像頭(220)、可以上下移動的微動升降臺(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介電表征裝置，其特征在于所述的激 勵信號產(chǎn)生裝置(400)包括正弦信號源(410)、移相電路模塊(420);正弦信號 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；移相電路模 塊(420)用于改變正弦信號源輸出的信號的相位，輸出多路不同相位的信號，移相 電路模塊(420)的輸入端連接正弦信號源(410)，輸出端有N+2個端子，輸出N +2路信號，其中有N路正弦信號幅值相等，相位之間依次相差360/N度且這N 路信號具有共同的參考地電位，其余的2個端子輸出存在電壓差的兩個正弦信號 或者一個端子接地另一個端子輸出正弦信號。
7. 如權(quán)利要求1所述的微納生物粒子介電表征裝置，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，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，同時與介電表征芯片(100)的上下表面所 在的平面垂直。
專利摘要微納生物粒子介電表征裝置包括介電表征芯片(100)、機(jī)器視覺裝置(200)、主控系統(tǒng)(300)、激勵信號產(chǎn)生裝置(400)、虛擬電極投射器(500)以及微動工作臺(600)；介電表征芯片(100)放置于微動工作臺(600)上且在豎直方向上處于機(jī)器視覺裝置(200)和虛擬電極投射器(500)之間；機(jī)器視覺裝置(200)中含有受主控系統(tǒng)(300)的控制的升降臺(230)；主控系統(tǒng)(300)從機(jī)器視覺裝置(200)獲得數(shù)據(jù)，同時對激勵信號產(chǎn)生裝置(400)和虛擬電極投射器(500)發(fā)出指令信號；本實(shí)用新型集成了光模式虛擬電極和螺旋實(shí)體電極陣列，通過實(shí)時采集粒子的運(yùn)動圖像及通過自動對焦檢測粒子懸浮高度，能夠全面、精確的測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G01N21/00GK201247242SQ20082003899
公開日2009年5月27日 申請日期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 申請人:東南大學(xué)