CN101231257B - 一种生物微粒介电特性测试芯片及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种生物微粒介电特性测试芯片及测试方法能够实现对活性生物微粒的介电特性的多模式测试与操纵以解决现有技术中对生物微粒的介电特性的信息获取不足、准确性低以及不能在测试芯片上完成样本预处理的缺陷。其方法是运用交流电场中的常规介电泳、行波介电泳、电旋转介电泳等多种介电泳模式及这些模式的组合对生物微粒的介电特性进行测试，通过改变正弦激励信号的频率和幅值来诱导生物微粒产生各种介电泳行为，进而综合考虑悬浮高度、水平径向速度、电旋转角速等来反求出粒子的介电参数，同时亦可利用这些介电泳行为，通过调节激励信号的频率和幅值来操纵生物微粒，以完成样本的预处理，而无需外部的微泵、微阀和过滤器械，避免了微泵或微阀等被细小物质堵塞的隐患。

Description

一种生物微粒介电特性测试芯片及测试方法

技术领域

本发明涉及微纳米级生物微粒的介电特性测试器件和方法以及微纳米粒子的操纵技术。

背景技术

在生化分析中，经常需要检测和分析生物微粒的特性，进而探索其内部结构及化学组成，以满足医学研究、卫生防疫等方面的需要。传统的生化分析方法通常是添加生化试剂与生物微粒发生化学反应，并严密精确的控制反应过程，这不仅破坏了生物微粒的微环境，不适合活性生物微粒分析，而且相关设备体积庞大且价格昂贵，对测试环境和人员要求高，尤其是在疾病检测方面，不适合个人化、家用化。另外，在传统的医学领域的生化分析中，通常是对细胞群体进行统计分析，很容易忽略少量异常细胞，这对各种癌症的早期诊断很不利。生物微粒(包括细胞、细菌、真菌、病毒、DNA分子和蛋白质等)的介电特性与其结构和化学组成密切相关，可以作为标定这些生物微粒类型的“指纹”，因此获取生物微粒的介电特性就可以实现生物微粒的表征，进而获取粒子内部结构和化学组成等方面的信息。介电参数定量反映了生物微粒的介电特性，可以作为介电特性的量化指标。

以细胞为例，由脂质体和蛋白质为主体构成的细胞膜具有近乎绝缘的介电性质，细胞中的电导主要是由水和离子移动所引起，在外交流电场作用下，电荷移至并储存在细胞和溶液的相界面，破坏了原有的双电层而形成新的电荷的非均匀分布，即界面极化。这种电荷不对称构造类似于电容器，其细胞膜的电容和电导分别用C＝εA/d和G＝σA/d表示(ε、σ、A和d分别为膜的绝对介电常数、电导率、膜的面积和厚度)。细胞的介电常数和电导率对于频率变化的响应，即介电弛豫行为可用其介电常数的复数形式表示：ε^*＝ε-jσ/ω，式中ε、ω、σ分别为介电常数、信号角频率、电导率。有关细胞膜的介电性质以及细胞构造等信息可用直接测定的方法，或者通过解析介电弛豫谱的间接的方法获得。内部电极法和间隙法可以通过直接测量来研究较大生物细胞，但对于小生物微粒(几十微米以下)直接测定却无法做到；悬液阻抗技术(Suspension Impedance Technique，SIT)可以测微小粒子，且具有测量装置简单、频率范围宽等实验上的优点，以及解析方法成熟等理论上的完善性，但是它只能获得细胞群体的平均电性质，且细胞体积分数＞40％为适，不适合于细胞构造和电性质不同的混合体系；微小吸量管法(Micropipet Method)也可直接测量体积很小的细胞的细胞膜的介电性质，但比传统的研究生物细胞的内部电极法更需要娴熟的操作技术和经验上的积累，因此难度更大。

以介电泳技术为基础的相关测量方法则能够克服以上缺点。介电泳方法是一种非破坏性技术，实施简单，满足大量并行的、非接触操作需求，而且可以实时的检测和研究细胞等生物微粒在其他化学物质作用下的性质的变化情况。介电泳技术已成为目前生物微粒操纵的一项重要使能技术。

根据交流动电学理论，在交流电场中，悬浮在介质液体中的生物微粒的偶极矩与非均匀电场的相互作用产生力的作用，这种力即称为介电泳力。粒子在此力作用下运动便产生介电泳现象。介电泳力的完整表达式为：

$<F_{\mathrm{DEP}}>=\frac{1}{4}\mathrm{vRe}\&lsqb;\widetilde{\mathrm{\&alpha;}}\&rsqb;\&dtri;({|\&dtri;{\mathrm{\&phi;}}_R|}^2+{|\&dtri;{\mathrm{\&phi;}}_I|}^2)-\frac{1}{2}\mathrm{vIm}\&lsqb;\widetilde{\mathrm{\&alpha;}}\&rsqb;\&dtri;\&times;({\&dtri;\mathrm{\&phi;}}_R\&times;{\&dtri;\mathrm{\&phi;}}_I)---\left(1\right)$

式(1)中，v是粒子的体积；Re[]和Im[]分别表示实部和虚部；φ_R和φ_I分别是电位相量的实部和虚部；_是微分算子；

为有效极化率， $\widetilde{\mathrm{\&alpha;}}={3\mathrm{\&epsiv;}}_m({\widetilde{\mathrm{\&epsiv;}}}_p-{\widetilde{\mathrm{\&epsiv;}}}_m)/({\widetilde{\mathrm{\&epsiv;}}}_p+{2\widetilde{\mathrm{\&epsiv;}}}_m),$ 其中，

为粒子的复介电常数，

为悬浮液介质的复介电常数， $\widetilde{\mathrm{\&epsiv;}}=\mathrm{\&epsiv;}-\mathrm{j\&sigma;}/\mathrm{\&omega;},$ (ε和σ分别是绝对介电常数和电导率)，因此

是信号频率ω的函数。根据(1)式，介电泳力的完整表达式由两项相加而成，第一项为传统介电泳力(F_cDEP)，第二项为行波介电泳力(F_twDEP)。将_(|_φ_R|²+|_φ_I|²)记为常规介电泳(cDEP)因子，其大小记为f_cDEP，F_cDEP的大小正比于f_cDEP，将_×(_φ_R×_φ_I)记为行波介电泳(twDEP)因子，其大小记为f_twDEP，则F_twDEP的大小正比于f_twDEP。通过对cDEP因子和twDEP因子的数值模拟便可以获得电场对介电泳力的影响情况，进而可以获得特定粒子在电场中的受力和运动情况。根据对AC电场的相量形式的描述及有效偶极矩理论，得介电泳一阶转矩的时间平均值表达式为：

${\mathrm{\&Gamma;}}_{\mathrm{ROT}}=-\mathrm{vIm}\&lsqb;\widetilde{\mathrm{\&alpha;}}\&rsqb;({\&dtri;\mathrm{\&phi;}}_R\&times;{\&dtri;\mathrm{\&phi;}}_I)---\left(2\right)$

式中汛φ_R□φ_I记为ROT因子，其他符号同上。粒子经历行波介电泳时，除了受行波介电泳力同时还受Stokes粘滞阻力，粒子的稳定速度为

$V=-\frac{R^2}{9\mathrm{\&eta;}}\mathrm{Im}\&lsqb;\widetilde{\mathrm{\&alpha;}}\&rsqb;\&dtri;\&times;({\&dtri;\mathrm{\&phi;}}_R\&times;{\&dtri;\mathrm{\&phi;}}_I)---\left(3\right)$

式中，η是悬浮液的动力粘度；V是粒子行进速度；R为粒子半径，其他符号同上。式(3)为生物微粒行波介电泳运动方程。生物微粒经历电旋转介电泳时，粒子在ROT转动力矩作用下旋转，当ROT转矩和与粘滞阻力矩N相平衡时，粒子角速度Ω为：

$\mathrm{\&Omega;}=-\frac{1}{6\mathrm{\&eta;}}\mathrm{Im}\&lsqb;\widetilde{\mathrm{\&alpha;}}\&rsqb;({\&dtri;\mathrm{\&phi;}}_R\&times;{\&dtri;\mathrm{\&phi;}}_I)---\left(4\right)$

式中Ω是粒子的自旋角速度，其他符号同上。式(4)为生物微粒的旋转介电泳运动方程。

粒子经历介电泳时的运动响应的频率特性和粒子本身的尺寸、粒子和悬浮液的介电参数以及电场的特征参量有关，因此利用这几项因素之间的关系便可获得粒子的介电特性参数。粒子的有效极化率的实部和虚部几乎反映和描述了粒子所有的介电特性。目前，尽管国内外的研究者在运用介电泳技术探索粒子的介电特性方面已经取得了一定的成果，但多数研究者的测试器件的所能完成的测试模式单一，并且每次只能测出粒子的有效极化率的实部或虚部中的一个，这在一定程度上阻碍了对生物微粒的内部结构和介电模型改进方面的深层次的探讨；其次，测试器件上缺乏必要的前处理单元，需采用流体驱动，导致操作繁琐而且易出故障；另外，在测试的实施过程中对粒子的受力和运动情况的分析粗略(如忽略AC电场的相位随空间位置变化的情况；忽略电旋转测试中粒子的横向迁移运动等)，导致测量的准确性和可靠性等方面还存在问题。总的说来，目前的测试芯片及测试方法获得的生物微粒的介电特性方面的信息量很有限，准确性低并且操作繁琐。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种生物微粒介电特性测试芯片及测试方法，能够实现对活性生物微粒的介电特性的多模式测试与操纵以解决现有技术中对生物微粒(尤其是结构或组成特殊的微粒)的介电特性的信息获取不足、准确性低以及不能在测试芯片上完成样本预处理的缺陷。

技术方案：本发明提供了一种生物微粒介电特性测试芯片及测试方法，将常规介电泳(cDEP)、行波介电泳(twDEP)以及电旋转介电泳(ROT)三种模式整合运用到测试中，形成多模式介电泳的测试，能够获得粒子介电特性的更多信息，进而能够实现多种结构复杂或未知的生物微粒的各种特性参数的测量。本发明提供的测试方法综合性更强并且更加准确和完善。

为达到上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的介电泳生物微粒介电特性测试芯片主要包括具有多项式曲线边界的电旋转微电极组、螺旋形微电极组、芯片的引出端子和芯片的基底。本发明提供的介电泳生物微粒介电特性测试芯片集成了电旋转微电极组(包括周向等距排布的若干个电极，数量大于或等于三)和螺旋形微电极组(包括若干根条状电极，数量大于或等于三)，电旋转微电极组位于螺旋形微电极组的中心区域，两种电极组中电极的个数相同，并且两种电极组中电极一一对应的连接起来。

电旋转电极组所围成的小空腔的边界曲线段为二次多项式曲线段，亦称为双曲线段。这种的形状的电极腔能够产生更为均匀的电场，并能产生较大的中心转矩，而且设计及制造成本一般低于三次或更高次多项式电极。

螺旋形微电极组的条状电极的边缘曲线为一组阿基米德螺旋线，这些螺旋线在中心区域的起始位置呈圆周等距排列，且螺旋条状电极的宽度是一定的。本芯片上螺旋条状电极的圈数根据所需的操纵面积来确定。电极组所占据的区域就是芯片的工作区域，可以完成对生物微粒的测试和操纵。

芯片基底可选用玻璃、硅或其他绝缘材料制作，电极采用良导体材料(比如金属)制作，可以由多层构成。电极的厚度远小于电极的宽度。

本发明提供的介电泳生物微粒介电特性测试方法，运用交流电场中的常规介电泳(cDEP)、行波介电泳(twDEP)、电旋转介电泳(ROT)等多种介电泳模式及这些模式的组合对生物微粒的介电特性进行测试，通过改变正弦激励信号的频率和幅值来诱导生物微粒产生各种介电泳行为(包括悬浮、水平径向运动、电旋转等)，进而综合考虑悬浮高度、水平径向速度、电旋转角速等来反求出粒子的介电参数，同时亦可利用这些介电泳行为，通过调节激励信号的频率和幅值来操纵生物微粒，以完成样本的预处理(聚集、分散、捕获、输运等)，而无需外部的微泵、微阀和过滤器械，避免了微泵或微阀等被细小物质堵塞的隐患。本发明提供的芯片所需电压小(可以将激励信号的有效值控制在5V下)，芯片结构尺寸小(～cm²)，功耗很小。

本发明提供的介电泳生物微粒介电特性测试方法，包括三种模式，具体特征如下：

1)介电泳悬浮测试模式经过数值模拟得出：对于介质液体中的粒子，通常借助常规介电泳力F_cDEP使其在竖直方向上克服粒子的沉淀力而保持悬浮，当粒子的平衡位置在螺旋电极组平面上方的高度h大于h₀时(h₀大约与螺旋电极宽度相等)时，cDEP因子的大小f_cDEP随高度h增加呈指数规律减小( $f_{\mathrm{cDEP}}={10}^{k_{1}h+k_2}$ )，综合上述关系，推导出：

$h=\frac{1}{k_1}{\log }_{10}\frac{4({\mathrm{\&rho;}}_m-{\mathrm{\&rho;}}_p)}{\mathrm{Re}\&lsqb;\widetilde{\mathrm{\&alpha;}}\&rsqb;}-\frac{k_2}{k_1}---\left(5\right)$

式(5)中ρ_p和ρ_m分别是粒子和悬浮液的密度，k₁，k₂是f_cDEP的指数曲线拟合系数(须根据具体的实施例求出)。将式(5)称作生物微粒介电泳悬浮方程。由此得出：粒子的悬浮高度与粒子和悬浮液的密度差、粒子有效极化率的实部相关。因为

是信号频率的函数，故悬浮高度h也是ω的函数。利用此定量关系，通过测试粒子悬浮高度随激励信号频率的变化曲线，便可获得粒子的有效极化率的实部的信息，进而获得其介电参数。

2)行波介电泳测试模式  在螺旋电极平面上方，经数值模拟得：twDEP因子的大小f_cDEP随高度h增加呈指数规律减小，即 $f_{\mathrm{twDEP}}={10}^{k_{3}h+k_4}$ (6)

联立式(3)、(5)、(6)得到：

$V_r=-\frac{R^2}{9\mathrm{\&eta;}}\mathrm{Im}\&lsqb;\widetilde{\mathrm{\&alpha;}}\&rsqb;\&lsqb;\frac{4({\mathrm{\&rho;}}_m-{\mathrm{\&rho;}}_p)}{\mathrm{Re}\&lsqb;\widetilde{\mathrm{\&alpha;}}\&rsqb;}{\&rsqb;}^{\frac{k_3}{k_1}}{10}^{\frac{k_1{k}_4-k_2{k}_3}{k_1}---\left(7\right)}$

式(7)中V_r是粒子在平行于电极表面的平面内沿螺旋电极径向的行进速度；和

分别是粒子有效极化率的实部和虚部；ρ_p和ρ_m分别是粒子和悬浮液的密度；k₁，k₂，k₃，k₄是cDEP因子和twDEP因子的指数曲线拟合系数。将式(7)称作生物微粒沿螺旋电极径向的水平运动方程。由此得出：仅检测出粒子沿螺旋电极组的径向速度V_r随激励信号频率的变化曲线即可同时获得

和

的信息，能够全面的获取粒子的介电特性。另外同时测出V_r和h，还能够避免繁琐的求解介电参数的计算并且增强测试结果的可靠性。

3)电旋转介电泳测试模式  电旋转测试在电极腔内进行。尽管粒子在螺旋电极上方也会发生旋转，但粒子同时也在前进，这种滚动不便观察，因此不宜在螺旋电极上方测量粒子的旋转速度。在测试前，介质的介电参数(ε_m、σ_m)和粘度η以及电场强度都是已知或可通过数值模拟求出的；测试时改变激励信号频率ω就能够改变待测粒子的自旋角速度Ω，由此便可得到粒子转速随信号频率变化的曲线。根据式(4)，运用数值方法求解出粒子有效极化率的虚部。然而，经数值模拟知，电极腔内各点的ROT因子都是不同的，ROT因子在电极腔各处的不同反映了转矩随位置变化而变化的情况。在电极腔利用电旋转测量时，不同位置的转速因转矩不同而可能相差很大，数据不具可比性。本发明仅将电旋转腔的一部分作为有效的研究区域，这个区域内的转矩相对来说是个常量。这使系统的复杂度大大降低，稳定性提升。

一般情况下，具有多层结构的生物微粒的介电谱(即粒子的介电泳行为随信号频率的变化曲线)通常出现多峰值的现象，每一个峰值都揭示了有用的信息。因此通过上述三种模式便可以获得粒子的有效极化率的实部和虚部的信息。根据每种模式测出的介电谱，联立前述的三种数学关系式，便可解出相关介电参数的最佳数值解，使总体误差最小。这样综合考虑各种模式的测试结果会达到更好的效果，使结果的可靠性增加。另外，还可以根据具体微粒的特性选择合适的测试模式，不同测试模式得出的结果也可以互相参照和对比，使用的灵活性大大增加。

有益效果：本发明提供的一种集成了电旋转微电极组和螺旋形微电极组的新型介电泳测试芯片，实现了利用多种介电泳模式(常规介电泳、行波介电泳、电旋转介电泳)对生物微粒的介电特性的测量，而且通过测量粒子沿螺旋形电极径向的速度即可同时获得粒子有效极化率的实部和虚部的信息，另外，通过选择性捕获单个粒子及粒子群的输运，样本的前处理在本芯片上即可完成，无需外部的泵和过滤器械以避免出现堵塞。与同类测试生物粒子介电特性的设备或器件相比，本发明提供的这种测试芯片能够实现微剂量、低电压、低成本的非接触式测试，同时能够测出生物微粒的多种介电泳行为(悬浮高度、径向速度、旋转角速度)进而获取粒子介电特性的更多信息以更好地研究一些结构复杂且与现有介电模型差异较大的粒子，克服了同类器件仅用一种模式进行测试以及对复杂生物微粒的介电特性的解析困难的局限性；本发明提供的这种芯片的引脚数量少于一般的行波电极组及组合电极组的引脚数目，因此制造和适用更便捷且可靠性高；同样电压下，本发明提供的测试芯片上的螺旋形电极组比传统介电泳势阱型的电极组的操纵面积大的多。

附图说明

图1为本发明提供的生物微粒介电特性测试芯片结构示意图；

图2为本发明提供的生物微粒介电特性测试芯片电极组中心区域放大图；

图3为本发明提供的生物微粒介电特性测试芯片的电极截面剖视图(参照图2)；

图4是本发明提供的生物微粒介电特性测试芯片上电极组中心区域的电场强度矢量方向的瞬时分布图(四个电极上的电位的相位分别为30度、120度、210度和300度)；

图5是本发明提供的生物微粒介电特性测试芯片上的电极腔中转矩大小的等值线图，尺寸单位为毫米。

以上的图中包括：芯片的基底10、螺旋形微电极组20、电旋转电极组30、芯片的引出端子40。

具体实施方式

本发明提供的生物微粒测试芯片的实施例如图1所示，包括螺旋形微电极组20和电旋转微电极组30。螺旋线微电极组20和电旋转微电极组30之间的连接部分参见图2。因为螺旋形电极组具有周期重复性，因此图2中只绘制了整个螺旋电极组的一部分，实际使用时可根据具体要求设计所需螺旋的圈数。螺旋线微电极组20的边缘曲线设计为一组阿基米德螺旋线。本实施例中，取电极组中电极的个数为4(若取其他个数也能实现测试)，这四根阿基米德螺旋线的方程为：

ρ₁＝a(θ+θ₀)

ρ₂＝a(θ+θ₀+π/2)-(w₁+w₂)(8)

ρ₃＝a(θ+θ₀+π)-2(w₁+w₂)

ρ₄＝a(θ+θ₀+3π/2)-3(w₁+w₂)

四条线对应的编号分别对应21、22、23、24四条螺旋电极的外边缘曲线。当θ从0增至2nπ时，本芯片上螺旋电极的边缘螺旋线即可形成n圈。螺旋电极的初始角度θ₀的值与坐标系与连接点的位置有关，改变θ₀的值即可改变电极腔的大小；w₁为电极的宽度；w₂为电极间沟道宽度，电极厚度为t(t＜＜w₁)。一般w₁和w₂可取几微米到几十微米，而a的值则可由电极宽度和间距求解出。w₁和w₂可以相等，也可以不等(但不宜相差几倍)，一般情况下均能完成测试。本实施例中，取w₁＝w₂＝25μm，a＝100/π.

电旋转微电极组中的4个电极横截面的宽度较大，图3中的31即为电旋转电极的横截面。其电旋转微电极组30的边界曲线围成了电极腔，本实施例选取二次多项式曲线作为边界曲线形状，这对电旋转测试的精度具有重要意义。以二次多项式为边界曲线的四极式电旋转电极组(也可称为二次多项式电极组)对待测粒子的转矩相对较大，同时能形成较大范围的均匀电场区域，性能最优。此电极边界曲线的方程为：

|x²-y²|＝K²(9)

二次多项式电极组在电旋转测试方面有很多优点，比如，粒子运动范围小，便于观测；检测操作简单(仅需对一定时间段内的旋转圈数计数)等。制作一般是通过溅射法在玻璃上沉积金属层，再通过标准的光刻工艺制作出电极图案的方法完成的。本实施例中取K＝200μm，电极由两层结构组成：通过溅射沉积在硅基底上的铬层和铬层上的金层。

本发明提供的介电泳生物微粒介电特性测试的测试方法包括电场参量的数值求解及测试的实际操作步骤两部分。

(1)电场参量的数值求解  本测试芯片是在四路同频率的相位依次相差90度的正弦信号的激励下工作，图2中的21、22、22、24四个条形螺旋电极上的激励电压依次为u₁＝U₀cos(ωt)；u₂＝U₀cos(ωt+90°)；u₃＝U₀cos(ωt+180°)；u₄＝U₀cos(ωt+270°)。本实施例中，取U₀＝5V.对于AC动电学问题，Maxwell电磁学方程可以简化为准静态形式，在介电常数为ε，电导率为σ的均匀的线性介质中，电位相量满足_²φ_R＝0且_²φ_I＝0即电位的实部和虚部均满足Laplace方程。运用有限元方法求解Laplace方程，再结合上述推导进行数值计算，便可以对生物微粒的受力和运动情况进行模拟，进而可以求解出电场参量(cDEP因子、twDEP因子和ROT因子等)的数值分布情况。根据对cDEP因子和twDEP因子在电极平面上方的分布情况的数值计算结果，对于螺旋电极上方高度大于20μm以上的区域，cDEP因子的方向均向下，且同一高度的各处所受的介电泳悬浮力F_cDEP相同；twDEP因子的方向均水平，且同一高度的各处所受的行波介电泳F_twDEP相同。粒子在高度大于20微米的区域中，行波介电泳力在竖直方向的分力几乎为0，根据粒子悬浮时受重力、浮力和介电泳力处于平衡状态，得到

$4({\mathrm{\&rho;}}_p-{\mathrm{\&rho;}}_m)g=\mathrm{Re}\&lsqb;\widetilde{\mathrm{\&alpha;}}\&rsqb;\&dtri;{\left|\tilde{E}\right|}^2\&CenterDot;a_z---\left(10\right)$

式(10)中，ρ_p和ρ_m分别是粒子和悬浮液的密度；g是重力加速度的大小；a_z是竖直向上的单位向量。在距电极表面的高度h＞20μm的区域有

$f_{\mathrm{cDEP}}={10}^{k_{1}h+k_2}---\left(11\right)$

$f_{\mathrm{twDEP}}={10}^{k_{3}h+k_4}---\left(12\right)$

式(11)和(12)中h为高度，根据数值模拟的结果，运用最小二乘法，得出

k₁＝-0.0315，k₂＝-2.5427，k₃＝-0.0095，k₄＝-3.6506

本芯片上的电极组的中心区域为电极腔，且电极腔的边界曲线为二次多项式曲线。电极腔内各点的ROT因子都是不同的，这也反映了转矩随位置变化而变化的情况。图5是ROT因子在x-y平面上的分布情况，从图5中看出，ROT因子由中心向周围逐渐减小，在图中的四条闭合的等值线上，ROT因子的值由内向外分别比中心点值减小1％、5％、10％和50％。在进行电旋转测量时，不同位置的转速因转矩不同而可能相差很大，数据不具可比性。本发明仅将电旋转腔的一部分作为有效的研究区域，这个区域内的转矩相对来说是个常量。这使系统的复杂度大大降低，稳定性提升。实际上，在电极腔中也同时存在常规介电泳力(F_cDEP)和行波介电泳力(F_twDEP)，F_cDEp使粒子向微电极结构中心集中或由中心向外围扩散，离中心越远，F_cDEP越大；F_twDEP使粒子在电极腔内绕微电极结构中心公转，粒子的起始位置离电极越近，公转速度越大。根据数值模拟的结果，在

和相同的情况下，相同位置的F_cDEP比F_twDEP大4倍以上。为确保粒子所受转矩变化小于5％且所受介电泳力尽可能小，并便于实际操作，本实施例以中心在电极腔几何中心，边长为电极腔中心到电极顶尖的距离(200μm)的近似方形区域内作为电旋转测试的观察区域，如图5所示。

(2)测试的具体操作步骤本发明提供的介电泳生物微粒介电特性测试的具体操作步骤，其特征在于，

步骤1：根据整个测试系统中的生物微粒及悬浮介质的已知物理量的数值或取值范围，以及通过仿真求解得出的数据，预估粒子具有显著运动速度的频段；

步骤2：将芯片的四个端子(40)分别连接四路相位依次相差90度的具有相同频率的正弦电压信号(电压幅值一般小于5V，特殊情况根据需要加大)，芯片上的电极组区域会产生非均匀电场，并且电旋转测试的观察区域内各点的场强矢量都是处于旋转状态；

步骤3：用微量进样器将含有待测生物微粒的液体样本滴在芯片的测试区，即电极组区域(20和30所处的区域)，并且通过调节信号频率及幅值使粒子产生介电泳运动，进行预处理(例如，使之分散开或使一部分粒子沉降)；

步骤4：通过显微镜上的CCD及图像记录设备将粒子在上述预估的频段中的沿螺旋电极径向的水平运动速度随激励信号频率的变化曲线记录下来。测试过程中根据具体情况可适当扩宽测试频段。一般测试粒子的水平径向速度即可得到粒子极化率的实部和虚部随频率的变化曲线，通常每10倍频程取4～8测试点；

步骤5：测试生物微粒在螺旋电极上方的悬浮高度随信号频率的变化曲线。粒子的悬浮高度可以通过显微镜先聚焦到电极表面，再聚焦到粒子，然后计算两次调焦手轮的读数之差的方法进行计算；

步骤6：测试生物微粒的电旋转角速度随频率的变化曲线。通过调节频率(几十kHz至几百MHz)将生物微粒运送至电极腔中心区域，此处粒子所受的介电泳力很小。通过对一段时间内的粒子旋转圈数进行计数得到待测粒子的自旋角速度。电旋转测量可得到粒子有效极化率的虚部随频率的变化规律；

步骤7：根据测试得到的粒子沿螺旋线径向的水平运动速度、悬浮高度和电旋转角速度随激励信号频率的变化曲线，结合仿真得出的有关电场的参数，通过求解生物微粒介电泳运动方程及介电泳悬浮方程，求得生物微粒介电参数的最佳数值解。

Claims (7)

1.一种生物微粒介电特性测试芯片，其特征在于，该测试芯片包括电旋转微电极组(30)、螺旋形微电极组(20)、芯片的引出端子(40)和芯片的基底(10)；电旋转微电极组(30)具有多项式曲线边界，且位于螺旋形微电极组(20)的中心区域，螺旋形微电极组(20)的边缘曲线为一组阿基米德螺旋线，螺旋条状电极的宽度是相等的，两种电极组中电极的个数相同，并且两种电极组中电极一一对应的连接起来，螺旋形微电极组(20)的外端接芯片的引出端子(40)。

2.如权利要求1所述的生物微粒介电特性测试芯片，其特征在于，螺旋条状电极(20)汇聚至电极组中心区域时，通过圆角过渡，与电旋转微电极组(30)连为一体，电旋转微电极组(30)的二次多项式边界曲线围成了电极腔。

3.一种利用如权利要求1所述生物微粒介电特性的测试芯片的测试方法，其特征在于，

步骤1：根据测试芯片电极组的尺寸、施加的交流信号的幅值和频率、生物微粒几何尺寸及悬浮介质的密度已知物理量的数值或取值范围，通过对电场的数值模拟，运用生物微粒的介电泳运动方程以及介电泳悬浮方程，预估粒子具有显著运动速度的频段；

步骤2：将芯片的若干个端子分别连接具有相等的相位差的具有相同频率和幅值的正弦电压信号，芯片上的电极组区域会产生非均匀电场，并且电旋转腔中心区域内各点的场强矢量都是处于旋转状态；

步骤3：用微量进样器将含有待测生物微粒的液体样本滴在芯片的测试区即电极组所在的区域，并且通过调节信号频率及幅值使粒子产生介电泳运动，使之分散开或使一部分粒子沉降；

步骤4：测量生物微粒沿螺旋形电极组的径向的水平运动速度随信号频率的变化曲线，通过显微镜上的CCD摄像机及图像记录设备将粒子在上述预估的频段中的径向的水平运动速度随激励信号频率的变化曲线记录下来，测试过程中根据具体情况可适当扩宽测试频段；

步骤5：测量待测生物微粒在螺旋电极上方的悬浮高度随信号频率的变化曲线，粒子的悬浮高度可以通过显微镜先聚焦到电极表面，再聚焦到粒子，然后计算两次调焦手轮的读数之差的方法进行计算；

步骤6：测试生物微粒的电旋转角速度随频率的变化曲线：通过调节频率将生物微粒运送至电极腔中心区域，通过对一段时间内的粒子旋转圈数进行计数得到待测粒子的自旋角速度，电旋转测量可得到粒子有效极化率的虚部随频率的变化规律；

步骤7：根据测试得到的粒子水平径向速度、悬浮高度和电旋转角速度随激励信号频率的变化曲线，结合数值模拟得出的电场参数，通过求解生物微粒介电泳运动方程及介电泳悬浮方程，求得生物微粒介电参数的最佳数值解。

4.如权利要求3所述的生物微粒介电特性测试芯片的测试方法，其特征在于，通过调节信号频率及幅值使粒子产生介电泳运动，使之分散开或使一部分粒子沉降，包括悬浮、水平径向运动、电旋转；在同一个微结构上即可测量粒子的多种介电泳行为随频率变化的曲线。

5.如权利要求3所述的生物微粒介电特性测试芯片的测试方法，其特征在于，测量出待测微粒在螺旋电极组上方的悬浮高度随信号频率的变化曲线，再根据生物微粒介电泳悬浮方程就能够求解出有极化率的实部，生物微粒介电泳悬浮方程如下：

$h=\frac{1}{k_1}{\log }_{10}\frac{4({\mathrm{\&rho;}}_m-{\mathrm{\&rho;}}_p)}{\mathrm{Re}\left[\widetilde{\mathrm{\&alpha;}}\right]}-\frac{k_2}{k_1},$

式中h是粒子的悬浮高度；

是粒子有效极化率的实部，且是信号频率的函数；ρ_p和ρ_m分别是粒子和悬浮液的密度；k₁，k₂是由芯片结构尺寸和激励电压信号的幅值所决定的常数，满足式

f_cDEP为常规介电泳因子的大小。

6.如权利要求3所述的生物微粒介电特性测试芯片的测试方法，其特征在于，测量出生物微粒沿螺旋形电极组的径向的水平运动速度随信号频率的变化曲线，根据生物微粒沿螺旋电极径向的水平运动方程就能够同时获得微粒的有效极化率的实部和虚部的信息，生物微粒沿螺旋电极径向的水平运动方程如下：

$V_r=-\frac{R^2}{9\mathrm{\&eta;}}\mathrm{Im}\left[\widetilde{\mathrm{\&alpha;}}\right]{\left[\frac{4({\mathrm{\&rho;}}_m-{\mathrm{\&rho;}}_p)}{\mathrm{Re}\left[\widetilde{\mathrm{\&alpha;}}\right]}\right]}^{\frac{k_3}{k_1}}{10}^{\frac{k_1{k}_4-k_2{k}_3}{k_1}},$

式中V_r是粒子的速度；

和

分别是粒子有效极化率的实部和虚部，均为信号频率的函数；ρ_p和ρ_m分别是粒子和悬浮液的密度；k₁，k₂，k₃和k₄是由芯片结构尺寸和激励电压信号的幅值所决定的常数，满足式

和f_cDEP为常规介电泳因子的大小，f_twDEP是行波介电泳因子的大小，h是粒子距离电极表面的高度，η是悬浮液的动力粘度。

7.如权利要求3所述的生物微粒介电特性测试芯片的测试方法，其特征在于，测试生物微粒的电旋转角速度随频率的变化曲线时，仅观测电极腔中心区域边长为电极腔中心到电极顶尖的距离的近似方形区域内粒子的旋转角速度，以尽量避免粒子的水平移动给测试带来到误差，根据生物微粒在电极腔内的旋转运动方程就能够获得微粒的有效极化率的虚部的信息。

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