CN101344518B - 微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置及方法 - Google Patents

Abstract

微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置包括介电表征芯片(100)、机器视觉装置(200)、主控系统(300)、激励信号产生装置(400)、虚拟电极投射器(500)以及微动工作台(600)；介电表征芯片(100)放置于微动工作台(600)上且在竖直方向上处于机器视觉装置(200)和虚拟电极投射器(500)之间；机器视觉装置(200)中含有受主控系统(300)的控制的升降台(230)；主控系统(300)从机器视觉装置(200)获得数据，同时对激励信号产生装置(400)和虚拟电极投射器(500)发出指令信号；本发明集成了光模式虚拟电极和螺旋实体电极阵列，通过实时采集粒子的运动图像及通过自动对焦检测粒子悬浮高度，能够全面、精确的测得三种介电泳模式下的介电谱，能够实现重大疾病的低成本、高精度、高效率的介电表征诊断。

Description

微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置及方法

技术领域

本发明是一种运用集成在单个芯片上的光模式虚拟电极阵列和物理实体电极阵列对微纳生物粒子进行介电表征的装置及方法，涉及微流控芯片领域，特别是微流控生物医学检测领域。

背景技术

与传统的大型医疗检测仪器相比，微流控生医芯片由于所需样品少、能源消耗低、体积小、以及具有多种单元技术在微小平台上灵活组合、规模集成的特征和优势，被认为是“家庭化”即时检测理念付诸实施的理想平台，为实现重大疾病的快速、准确、低成本的检测和早期诊断提供了可能。微流控生医芯片又称为微全分析系统(Micro-Total-Analysis-System，-μTAS)，成为目前生命科学领域一个重要的研究方向。通过基于介电泳技术的介电表征方法对样品中的微纳生物粒子进行分析和诊断是微流控生医芯片领域一项新的使能技术。

微纳生物粒子的介电特性与其结构和化学组成密切相关，可以作为标定微纳生物粒子特定类型的“指纹”。获取粒子介电特性的过程称为介电表征。电旋转是一项发展迅速的技术，它利用若干个不同相位的交变电压信号在电旋转芯片上形成旋转电场，微小粒子便能在旋转电场的作用下发生旋转。生物粒子因其介电性质的不同，所产生的旋转响应也不同。因此，利用这一特点便能对生物粒子实现介电表征，这使得将微量病变细胞从大量正常细胞中识别出来成为可能。基于电旋转介电泳(electrorotation dielectrophoresis，ROT-DEP)技术获取生物微粒的介电特性方法，由于具有非破坏性、实施简单、满足非接触操作需求，且表征芯片具有体积小集成度高等优点，已成为目前实现生物微粒表征诊断的一项重要的使能技术，正成为重大疾病诊断的一种重要方法。另外，常规介电泳(conventional dielectrophoresis，cDEP)和行波介电泳(travelling-wavedielectrophoresis，twDEP)这两种生物微粒的介电泳现象偶尔也被用于定性的判断生物粒子的介电特性，但应用的广泛程度远不及电旋转介电泳。总体来说，目前在介电表征芯片的研究领域存在下列问题：

一、在测试生物微粒介电特性的全面性方面：所能获得的生物粒子的介电特性信息很有限，只能测出粒子的Clausius-Mossotti复数因子的虚部频率特性，未能全面获取生物微粒介电特性。比如，已经商业化的电旋转芯片就只能获取表征粒子介电特性的克劳修斯-莫索提因子的虚部信息，在很多情况下，甚至只是定性的分析。很多研究者能够根据不同粒子的介电特性的差异，将其分离开来以实现不同粒子的区分或识别。正负介电泳方法是分离两种粒子的最典型的方法，即一种粒子受正介电泳力作用，另一种粒子受负介电泳力作用，导致两种粒子的运动方向相反，进而实现分离，亦即实现了目标粒子的区分和识别，但这种方法通常只能用来区分两种粒子，而样品中通常含的粒子种类多于两种。场流分离法是一种运用流体驱动悬浮于不同的高度的微粒进而将多种微粒区分开来的方法，但实际上这种分离方法是有限制的，不同的微粒也有可能悬浮于相同的高度，此时就不能将这些具有某些相似性质的微粒区分开来。存在以上问题的根本原因是：这些方法在实现原理上仅考虑了粒子的其中一部分介电特性，比如仅考虑粒子的Clausius-Mossotti因子(或有效极化率)的实部或虚部之一，即获取的介电表征信息不足，因而对粒子的表征是有局限性的而且这种局限性对于一些结构组成复杂或未知的生物粒子来说就表现的更为明显；

二、在制作介电表征芯片的经济性方面：目前的电旋转介电泳测试芯片，大部分只是产生电旋转介电泳的简单电极结构，忽略了样品前处理功能，而一些集成了样品进样、分离等前处理功能的芯片，由于需要实现对生物粒子的复杂操纵，因而需设计和制造相对应的复杂电极结构，制造工艺复杂，制作成本很高，不适合制作用于医学诊断的大量可抛弃式的一次性检测芯片。

三、在芯片装置的功能集成方面：目前的芯片虽在个别功能上已有相当的发展，但整合方面却发展缓慢。由于前处理操作通常需要根据具体需要制作不同的物理实体电极阵列，而这些电极阵列不但缺乏柔性，而且制作成本居高不下，难以推广使用。目前行波介电泳的作用主要是用于将粒子作长距离的输运，事实上，粒子的行波介电泳(twEDP)速度也体现了粒子的介电特性信息而且在很多情况下与粒子提升介电泳(Levitation-DEP，LDEP)以及电旋转介电泳(ROT-DEP)所反映的粒子特性信息是互补的，而目前将LDEP和twDEP和ROT-DEP集成到单个测试芯片中的研究甚少，处于起始阶段，目前的测试芯片还没有实现综合应用多种模式的介电泳探索和分析粒子的介电特性。另一方面，在生物微粒介电特性测试过程中，由于运用物理实体电极阵列产生的介电泳力很难实现对生物微粒的柔性化的复杂操纵，难以将粒子牵引至最佳的测试区域。而基于光电效应原理的光模式可重构的虚拟电极，能够作为测试芯片上的柔性辅助操控工具，这种操控粒子运动的现象称为光诱导介电泳现象，其原理简述如下：光电导材料在无光照情形下拥有较高电阻，而接受光照时，明区光生载流子浓度迅速提高而使其局部电导率迅速提高几个数量级，造成明暗区流层分压的不同，在空间形成非均匀电场并产生了“光诱导介电泳”现象。但是，目前的光诱导介电泳芯片虽然在对粒子的捕获和运动路径引导方面极具优势，但却不能实现行波和电旋转介电泳模式测试粒子的介电特性，无法满足多模式介电泳测试的需求。因此，如果将光模式虚拟电极与物理实体电极阵列集成于单个芯片上，并充分发挥二者具有互补性的优势，就能够准确的实现生物微粒介电特性的多模式介电泳测试。

综上，如果设计一种既能够全面准确的获取生物粒子的介电表征信息，又能够实现高柔性、低成本的前处理操控的微流控医学检测芯片，就能够解决上述问题，并实现生物医学检测领域的跨越式发展。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置及操作方法，将光模式虚拟电极和物理实体电极阵列集成于单个芯片之上，以实现两种电极的优势互补，并且在芯片上完成粒子在提升介电泳、行波介电泳和电旋转介电泳作用下的介电谱，进而实现高精度、低成本的粒子的介电表征，以解决目前获取生物粒子的介电特性信息有限、整合前处理的微流控芯片成本过高，难以对介电性质相近的微纳生物粒子进行识别及表征的缺陷。

技术方案：本发明提出采用由能够产生多模式介电泳的物理实体电极阵列和基于光电效应的光模式虚拟电极阵列组成的多模式复合介电泳技术，实现全面、准确和低成本的获取生物粒子的介电特性，并且结合计算机控制技术、机器视觉及图像处理技术，实现集样品进样输运、精确捕获定位和路径引导及多模式介电泳测试于一体的集成化介电表征装置。

为达到上述技术目的，本发明提出基于多模式复合介电泳技术的微纳生物粒子介电表征装置包括介电表征芯片、微动工作台、激励信号产生装置、机器视觉装置、虚拟电极投射器、主控系统。介电表征芯片放置于微动工作台上，可以随微动工作台在水平方向上实现微小的移动。介电表征芯片的上方是机器视觉装置，用于采集芯片中的粒子运动的视频图像，并转换为数字信号输出，机器视觉装置中含有微动升降台，用于自动对焦系统的实现，介电表征芯片的下方是虚拟电极投射器；虚拟电极投射器包括激光器、激光器支架、空间光调制器、缩微透镜筒，其内部光学器件集成度高，虚拟电极投射器的出射光线方向与介电表征芯片的上下表面垂直，避免了改变光线传播方向的麻烦，而且缩短了光线的传播距离，也减小了能量损失；激励信号产生装置为介电表征芯片提供合适的信号模式，是介电表征芯片中的微系统能量的主要来源，激励信号产生装置包括正弦信号源和移相电路模块，移相电路模块用于改变正弦信号源发出的信号的相位，输出多路不同相位的信号；主控系统用于对采集得到的数据进行分析处理，同时对激励信号产生装置、虚拟电极投射器、微动工作台和微动升降台发出指令信号，主控系统包括计算机和一套生物粒子介电表征系统软件。

介电表征芯片包括进样口、透明绝缘盖片、上层透明导电薄膜、微流体腔、中间间隔层、螺旋实体电极阵列、虚拟电极形成层(包括绝缘层、光电导层、透明导电层)、透明绝缘基底、用于批量推进粒子的栅栏式虚拟电极阵列、用于形成虚拟流道的块状虚拟电极、用于路径引导的光圈虚拟电极以及N个信号输入端。螺旋实体电极阵列由N(N≥3)根螺旋电极组成，中心有N个成圆周对称分布的电极端形成电旋转腔，并在外围形成N个信号输入端，N个信号输入端所输入的正弦信号的相位依次相差(360/N)度，相邻两根电极中心线的距离是相等的，用于形成特定的电场分布，为测量生物粒子的介电运动响应提供条件；绝缘层用于实现光电导层和螺旋实体电极阵列的电气绝缘，以及防止低频高压下的水解现象；光电导层具有光电导的特性，即当被光照亮的区域其内部载流子数量剧增，近乎导体，而没有被光照亮的区域其内部载流子数量很少，近乎绝缘体。

机器视觉装置用于采集芯片中的粒子运动的视频图像并转换为数字信号输出，包括观测物镜、基于电荷耦合元件(CCD)的视频摄像头、高精度微动升降台、视频采集卡(video capture board)。其中，观测物镜安装在视频摄像头下方，且视频摄像头固定在高精度微动升降台上。具有不同的放大倍数和数值孔径的观测物镜可以通过物镜转换器进行转换，以满足不同情况的需要。

激励信号产生装置包括正弦信号源、移相电路模块。正弦信号源能在计算机控制下产生一定频率范围内的正弦信号，移相电路模块的输入端连接正弦信号源，输出端有(N+2)个端子，输出(N+2)路信号，其中有N路正弦信号幅值相等，相位之间依次相差(360/N)度且这N路信号具有共同的参考地电位，这N路信号与介电表征芯片中的螺旋实体电极阵列的N个信号输入端相连接。另外两个端子输出存在一定电压差的两个正弦信号，或者一个端子接地另一个端子输出正弦信号，这两个端子分别与介电表征芯片的上下基板的透明导电薄膜相连接。

虚拟电极投射器包括激光器、激光器支架、空间光调制器、缩微透镜筒。激光器安装于激光器支架上，空间光调制器中含有DMD(Digital MicromirrorDevice)驱动版，激光以一定的入射角度入射到DMD芯片上，这个入射角度可以通过将激光器绕激光器支架转动来改变。缩微透镜筒是一组将空间光调制器输出的光图案缩小的透镜单元，缩微透镜筒的轴线与DMD芯片表面所在的平面垂直，同时与介电表征芯片的上下表面所在的平面垂直。

主控系统包括计算机和一套生物粒子介电表征测试系统软件。主控系统一方面通过向激励信号产生装置发送指令信号使激励信号的频率在一定范围内持续变化，另一方面向虚拟电极投射器发送指令，使其向介电表征芯片投射虚拟电极图案以用于测试过程中的粒子操控，同时实时的采集粒子在介电表征芯片中的运动的视频图像并对其进行分析处理，最后分别得出粒子在提升介电泳、行波介电泳和电旋转介电泳作用下的介电谱。

本发明提出的微纳生物粒子的多模式集成化介电表征的方法如下：样品中的微纳生物粒子通过进样口被注射到介电表征芯片中，在光模式虚拟电极的作用下，经过批量推进进入虚拟流道，然后在光圈虚拟电极的捕获和路径引导下移动到螺旋实体电极阵列上方，接着，粒子开始在螺旋实体电极阵列形成的电场作用下分别产生提升介电泳、行波介电泳和电旋转介电泳。主控系统通过向激励信号产生装置发送指令信号使激励信号的频率在一定范围内持续变化，同时实时的采集粒子在介电表征芯片中的运动的视频图像以及利用自动对焦系统检测目标粒子的悬浮高度，进而通过相应的分析处理软件得出粒子在提升介电泳、行波介电泳和电旋转介电泳作用下的介电谱，即得到粒子的悬浮高度、直线行进速度、自旋角速度随螺旋实体电极阵列的激励信号的频率的变化曲线。通过比较各个生物粒子的上述介电谱，找出差异，并进行归类即可实现这些性质相近的不同生物粒子的高精度的介电表征。

上述的运用微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置对生物粒子进行介电表征的方法的具体步骤如下：

步骤1：将一群具有相近性质的生物粒子的样本通过进样口注射到介电表征芯片中，在主控系统的控制下，使微动工作台和高精度微动升降台回到初始位置，并启动机器视觉装置和虚拟电极投射器，此时应保证虚拟电极投射器的出射光以及观测物镜正对介电表征芯片的前处理区域，否则，应重新设定微动工作台的初始坐标，直到满足上述要求为止；

步骤2：启动激励信号产生装置，但仅开通用于连接芯片上下基板中的透明导电薄膜层的两路信号，虚拟电极投射器在芯片的虚拟电极形成层上投射出栅栏式虚拟电极阵列以及用于形成虚拟流道的块状虚拟电极，使粒子被批量输运到虚拟流道，当粒子逐个有序的从虚拟流道出来后，在光圈虚拟电极捕获和路径引导下移动到螺旋实体电极阵列外缘，并在光圈定位虚拟电极的作用下按照圆周分布依次排开，此时基于粒子的特征和各个粒子所处的位置对各个粒子进行编码，并记录此时各个粒子的位置坐标作为介电表征测试前的初始位置坐标；

步骤3：开通螺旋实体电极阵列的激励信号并进行试调节，此时若目标粒子向螺旋电极外围运动，则将螺旋实体电极阵列的N(N≥3)路激励信号的相序反向，以便总是使目标粒子均向螺旋电极中心区域行进，若总是有部分粒子向螺旋电极外围运动，则利用光圈虚拟电极将这部分粒子运送到后面的收集区进行单独排布；另一方面，主控系统通过调节高精度微动升降台的高度，使观测物镜聚焦于螺旋实体电极表面，并记录此时的观测物镜高度坐标值；

步骤4：当目标粒子开始从螺旋电极阵列外围向中心运动，且未到达电旋转腔之前，目标粒子在螺旋电极阵列上方同时进行粒子的提升介电泳和行波介电泳的测试：主控系统通过向激励信号产生装置发送指令信号使激励信号的频率每隔一段时间就跳变到一个新的频率点，此时，一方面实时的采集粒子在每一个信号频率点的水平运动的视频图像并通过图像分析得出粒子的水平运动速度随信号频率的变化曲线；另一方面在每一个信号频率点通过自动对焦系统使得观测物镜聚焦于目标粒子表面，并记录下此时的观测物镜高度坐标值并计算此高度坐标值与步骤3中记录的观测物镜聚焦于螺旋实体电极表面时的高度坐标值的差值，此差值即为目标粒子的悬浮高度，于是可以得到目标粒子的悬浮高度随信号频率的变化曲线；

步骤5：当完成了目标粒子的提升介电泳和行波介电泳的介电表征测试之后，即运用光圈虚拟电极将粒子捕获，并将这些粒子移动到电旋转腔中，然后这些目标粒子在光圈的平面定位作用下分别发生原地自旋运动。通过机器视觉装置将目标粒子的自旋运动的视频图像记录下来，并分析得出各个目标粒子的自旋角速度随信号频率的变化曲线；

步骤6：利用光圈虚拟电极将测试完毕的各个粒子输运到粒子收集区并按照编码顺序用光圈虚拟电极将这些粒子排列定位，并同时集中采集这些粒子的图像已备后续分析之用，然后再重复步骤2至步骤6，进行下一批粒子的测试，直至满足测试粒子的数量要求；

步骤7：对测得的各个生物粒子的上述三种介电谱进行比较评估，找出各个粒子的特性差异，并进行归类即可实现生物粒子的高精确度的介电表征。

有益效果：本发明提供的多模式集成化介电表征装置及方法以介电表征芯片为核心，将螺旋实体电极阵列与光模式虚拟电极阵列集成于单个芯片上，通过主控系统控制虚拟电极投射器和激励信号产生装置，实现运用光模式虚拟电极实时且灵活的进行前处理和粒子位置的精确调控，并通过机器视觉装置对粒子运动的视频进行分析处理，进而测出粒子在螺旋电极阵列上方的提升介电泳、行波介电泳和电旋转介电泳的运动响应随螺旋电极阵列的激励信号的频率的变化曲线。本发明通过测试生物微粒的三种模式介电泳响应来全面获取粒子的介电表征信息，且同时融合光模式虚拟电极对螺旋电极阵列上方的粒子进行测试过程中的辅助操控，克服了目前国内外同类研究中获取生物微粒介电特性信息不足、精度较低和集成度弱的缺陷，能够辨识介电特性差异很小的不同粒子，分辨能力更强。在此基础上建立疾病诊断测试装置，通过检测不同生物粒子的介电特性差异对其进行精确识别(比如从大量正常细胞中将少量病变初期的细胞识别出来)，进而实现重大疾病的早期、高精确度的诊断。

附图说明

图1为本发明微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置结构示意图。

图2为本发明实施例的介电表征芯片结构示意图；

图3为本发明实施例的介电表征芯片的俯视图(揭去上基板)；

图4为本发明实施例的粒子介电响应测试前的目标粒子的初始位置分布示意图(局部视图)。

以上的图中有：

介电表征芯片100、机器视觉装置200、主控系统300、激励信号产生装置400、虚拟电极投射器500、微动工作台600；进样口110，透明绝缘盖片120，上层铟锡氧化物薄膜130，微流体腔140，中间间隔层150，螺旋实体电极阵列160，由绝缘层171、光电导层172和透明导电层173组成的虚拟电极形成层170，透明绝缘基底180，栅栏式虚拟电极阵列191，块状虚拟电极192，光圈虚拟电极193，方形光圈虚拟电极194，第一信号输入端1601、第二信号输入端1602、第三信号输入端1603、第四信号输入端1604；观测物镜210、基于电荷耦合元件的视频摄像头220、高精度微动升降台230、视频采集卡240；计算机310和一套生物粒子介电表征系统软件320；正弦信号源410、移相电路模块420；空间光调制器510、缩微透镜筒520、激光器530和激光器支架540。

具体实施方式

本发明提供的微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置的实施例参见图1、图2、图3和图4。本实施例中的微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置包括介电表征芯片100、机器视觉装置200、主控系统300、激励信号产生装置400、虚拟电极投射器500以及微动工作台600。介电表征芯片100放置于微动工作台600上且可以随微动工作台600在水平方向上实现微小的移动，移动精度在1-5微米。介电表征芯片100的上方是机器视觉装置200，用于采集芯片中的粒子运动的视频图像，并转换为数字信号输出到主控系统300，介电表征芯片100的下方是虚拟电极投射器500。虚拟电极投射器500包括空间光调制器510、缩微透镜筒520、激光器530和激光器支架540，虚拟电极投射器的出射光线方向与介电表征芯片100的上下表面均垂直，且出射光图案的变换受主控系统300的控制；激励信号产生装置400为介电表征芯片100提供合适的信号模式，是介电表征芯片100中的微系统的能量的主要来源，激励信号产生装置400包括正弦信号源410和移相电路模块420，移相电路模块420用于改变正弦信号源发出的信号的相位，输出多路不同相位的信号；主控系统300用于对采集得到的数据进行分析处理，同时对激励信号产生装置400和虚拟电极投射器500发出指令信号，主控系统300包括计算机310和一套生物粒子介电表征测试系统软件320。

本实施例中，介电表征芯片100，如图2所示，包括进样口110、透明绝缘盖片120、上层透明导电薄膜130、微流体腔140、中间间隔层150、螺旋实体电极阵列160、虚拟电极形成层170(包括绝缘层171、光电导层172、透明导电层173)、透明绝缘基底180、用于批量推进粒子的栅栏式虚拟电极阵列191(参见图3)、用于形成虚拟流道的块状虚拟电极192、用于路径引导的光圈虚拟电极193、第一信号输入端1601、第二信号输入端1602、第三信号输入端1603、第四信号输入端1604。本实施例中，螺旋实体电极阵列160由4根螺旋电极成，中心有4个成圆周对称分布的电极端形成电旋转腔，并在外围形成4个信号输入端(1601、1602、1603、1604)(参见图3)，4个信号连接端所输入的正弦信号的相位依次相差(360/N)度，相邻两根电极中心线的距离是相等的，用于形成特定的电场分布，为测量生物粒子的介电运动响应提供条件；螺旋实体电极阵列160的材料可以选择透明的氧化铟锡薄膜，以便于观测，当螺旋电极阵列比较稀疏且不影响观察的前提下可以选用金属；绝缘层171的材料可选择氮化硅，用于实现光电导层172和螺旋实体电极阵列的电气绝缘，以及防止低频高压下的水解现象；光电导层172具有光电导的特性，即当被光照亮时其内部载流子数量剧增，近乎导体，而没有被光照亮时其内部载流子数量很少，近乎绝缘体；光电导层172的材料可以选择氢化非晶硅或者掺杂的硫化镉(CdS)或者参杂的硒化镉(CdSe)或者是硫化镉和硒化镉的组合。

本实施例中，机器视觉装置200用于采集芯片中的粒子运动的视频图像并转换为数字信号输出，包括观测物镜210、基于电荷耦合元件(CCD)的视频摄像头220、高精度微动升降台230、视频采集卡240(参见图1)。其中，观测物镜210安装在视频摄像头220下方，且视频摄像头固定在高精度微动升降台230上。

本实施例中，激励信号产生装置400包括正弦信号源410、移相电路模块420(参见图1)。正弦信号源410能在主控系统300控制下产生一定频率范围内的正弦信号，移相电路模块420的输入端连接正弦信号源，输出端有(N+2)个端子，输出(N+2)路信号，其中有N路正弦信号幅值相等，相位之间依次相差(360/N)度且这N路信号具有共同的参考地电位。另外两个端子输出具有一定电位差的正弦信号，或者其中一个端子接地另一个端子输出正弦信号。

本实施例中，虚拟电极投射器500包括空间光调制器510、缩微透镜筒520、激光器530和激光器支架540(参见图1)。激光器530安装于激光器支架540上，空间光调制器510中含有DMD(Digital Micromirror Device)驱动版，激光器530通过自带的扩束器，发射出激光束，并以一定的入射角度入射到数字微镜(DMD)芯片上，这个入射角度可以通过将激光器530绕激光器支架540转动来改变。缩微透镜筒520是一组将空间光调制器510输出的光图案缩小的透镜单元，缩微透镜筒的轴线与DMD芯片表面所在的平面垂直，同时与介电表征芯片的上下表面所在的平面垂直。

本实施例中，主控系统300包括计算机310和一套生物粒子介电表征系统软件320(参见图1)。主控系统300一方面通过向激励信号产生装置400发送指令信号使激励信号的频率在一定范围内持续变化，另一方面向虚拟电极投射器500发送指令，使其向介电表征芯片100投射虚拟电极图案用于测试过程中的粒子操控，同时实时的采集粒子在介电表征芯片中的运动视频图像并对其进行分析处理，最后分别得出粒子在提升介电泳、行波介电泳和电旋转介电泳作用下的介电谱。

本实施例中，运用微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置对粒子进行介电表征的方法的具体步骤如下：

步骤1：将目标粒子的样本通过进样口注射到介电表征芯片100中，在主控系统300的控制下，使微动工作台600和高精度微动升降台230回到初始位置，并启动机器视觉装置200和虚拟电极投射器500，此时应保证虚拟电极投射器的出射光以及观测物镜210正对介电表征芯片100的前处理区，否则，应重新设定微动工作台600的初始坐标，直到满足上述要求为止。

步骤2：激励信号产生装置400启动，但仅开通421和426两路信号，虚拟电极投射器500在芯片的虚拟电极形成层172上投射出栅栏式虚拟电极阵列191以及用于形成虚拟流道的块状虚拟电极192，使粒子被批量输运到虚拟流道，当粒子在栅栏式虚拟电极阵列191的推进下逐个有序的从虚拟流道出来后，在光圈虚拟电极193的捕获和路径引导下移动到螺旋实体电极阵列160外缘，并在光圈定位虚拟电极197的作用下按照圆周分布依次排开，(参见图4)，此时基于各粒子的特征和位置对各个粒子进行编码，并记录此时各个粒子的坐标位置作为介电表征测试前的初始位置坐标；

步骤3:螺旋实体电极阵列160的4路激励信号422、423、424、425开通，此时若所有目标粒子都向螺旋实体电极外围运动，则将螺旋实体电极阵列160的4路激励信号422、423、424、425的相序反向进而使目标粒子均向螺旋电极中心区域行进，若总是有部分粒子向螺旋电极外围运动，则利用光圈虚拟电极将这部分粒子运送到后面的收集区进行单独排布，这些粒子很可能是混入的杂质；另一方面，主控系统300通过调节高精度微动升降台230的高度，使观测物镜210聚焦于螺旋实体电极表面，并记录此时的观测物镜高度坐标值；

步骤4:当目标粒子开始从螺旋电极阵列160外围向中心运动，且未到达电旋转腔198之前，在螺旋电极阵列上方同时进行提升介电泳和行波介电泳的测试：主控系统300通过向激励信号产生装置400发送指令信号使激励信号的频率每隔一段时间就跳变到一个新的频率点，此时，一方面实时的采集粒子在每一个信号频率点的水平运动的视频图像并通过图像分析得出粒子的水平运动速度随信号频率的变化曲线；另一方面在每一个信号频率点通过自动对焦系统使得观测物镜210聚焦于目标粒子表面，并记录下此时的观测物镜高度坐标值并计算此高度坐标值与步骤3中记录的观测物镜210聚焦于螺旋实体电极160表面时的高度坐标值的差值，此差值即为目标粒子的悬浮高度，于是可以得到目标粒子的悬浮高度随信号频率的变化曲线；

步骤5：当完成了目标粒子的提升介电泳和行波介电泳的介电表征测试之后，即运用光圈虚拟电极将粒子捕获，并将这些粒子移动到电旋转腔198中，然后这些目标粒子在光圈的平面定位作用下发生原地自旋运动，而且所有粒子集中在占电旋转腔总面积的三分之一的中心圆形区域，此时，通过机器视觉装置200将目标粒子在测量频率范围内的自旋运动的视频图像记录下来，并分析得出目标粒子的自旋角速度随信号频率的变化曲线。

步骤6：利用光圈虚拟电极将测试完毕的各个粒子输运到粒子收集区并按照编码顺序用方形光圈虚拟电极194将这些粒子排列，并同时集中采集这些粒子的图像已备后续分析之用，然后再重复步骤2至步骤6，进行下一批粒子的测试，直至满足测试粒子的数量要求；

步骤7：通过比较测得的各个生物粒子的上述三种介电谱，找出各个粒子介电谱的差异，并进行归类即可实现这些性质相近的生物粒子的高精确度的介电表征。

Claims (9)

1.一种微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置，其特征在于：该微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置包括介电表征芯片(100)、机器视觉装置(200)、主控系统(300)、激励信号产生装置(400)、虚拟电极投射器(500)以及微动工作台(600)；介电表征芯片(100)放置于微动工作台(600)上而且可以随微动工作台(600)在水平方向上移动，在介电表征芯片(100)的上方设有机器视觉装置(200)，用于采集介电表征芯片(100)上的粒子运动的视频图像并转换为数字信号输出，机器视觉装置(200)的输出端连接主控系统(300)，将视频信号传送给主控系统(300)进行分析处理；介电表征芯片(100)的下方是虚拟电极投射器(500)用于向介电表征芯片(100)投射缩微光图案，虚拟电极投射器(500)的出射光线方向与介电表征芯片(100)的表面垂直；主控系统(300)包括计算机(310)和一套生物粒子介电表征测试系统软件(320)，用于对机器视觉装置(200)采集到的数据进行分析处理，同时对激励信号产生装置(400)、虚拟电极投射器(500)、微动升降台(230)和微动工作台(600)发出指令信号；激励信号产生装置(400)的控制信号输入端与主控系统(300)的控制信号输出端连接，激励信号产生装置(400)的输出端与介电表征芯片(100)的信号输入端相连接。

2.如权利要求1所述的微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置，其特征在于：介电表征芯片(100)中，自下至上依次为透明绝缘基底(180)、透明导电层(173)、光电导层(172)、绝缘层(171)、中间间隔层(150)、上层透明导电薄膜(130)、透明绝缘盖片(120)，其中中间间隔层(150)设在绝缘层(171)与上层透明导电薄膜(130)之间的四周，绝缘层(171)、中间间隔层(150)、上层透明导电薄膜(130)围成的空间是微流体腔(140)，在微流体腔(140)中的绝缘层(171)上，设有螺旋实体电极阵列(160)、栅栏式虚拟电极阵列(191)、块状虚拟电极(192)、光圈虚拟电极(193)，进样口(110)穿过透明绝缘盖片(120)、上层透明导电薄膜(130)将微流体腔(140)与外部连通，在中间间隔层(150)外的绝缘层(171)上设有第一信号输入端(1601)、第二信号输入端(1602)、第三信号输入端(1603)、第四信号输入端(1604)。

3.如权利要求2所述的微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置，其特征在于，所述的螺旋实体电极阵列(160)由N根螺旋电极组成，N≥3，中心有N个成圆周对称分布的电极端形成电旋转腔，并在外围形成N个信号输入端，N个信号输入端所输入的正弦信号的相位依次相差360/N度，相邻两根电极中心线的距离是相等的。

4.如权利要求2所述的微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置，其特征在于，所述的螺旋实体电极阵列(160)的材料是透明导电薄膜或是不透明的导电物质；所述的绝缘层(171)位于光电导层(172)和螺旋实体电极阵列(160)之间；所述的光电导层(172)具有光电导的特性，光电导层(172)的材料为氢化非晶硅或者是硫化镉和硒化镉的组合。

5.如权利要求1所述的微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置，其特征在于：所述的机器视觉装置(200)用于采集芯片中的粒子运动的视频图像并转换为数字信号输出，包括安装在视频摄像头(220)下方的观测物镜(210)、固定在微动升降台(230)下方的视频摄像头(220)、可以上下移动的微动升降台(230)和视频采集卡(240)。

6.如权利要求1所述的微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置，其特征在于：所述的激励信号产生装置(400)包括正弦信号源(410)、移相电路模块(420)；正弦信号源(410)用于在主控系统(300)控制下产生多种频率的正弦信号；移相电路模块(420)用于改变正弦信号源输出的信号的相位，输出多路不同相位的信号，移相电路模块(420)的输入端连接正弦信号源(410)，输出端有N+2个端子，输出N+2路信号，其中有N路正弦信号幅值相等，相位之间依次相差360/N度且这N路信号具有共同的参考地电位，其余的2个端子输出存在电压差的两个正弦信号或者一个端子接地另一个端子输出正弦信号。

7.如权利要求1所述的微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置，其特征在于：所述的虚拟电极投射器(500)包括空间光调制器(510)、缩微透镜筒(520)、激光器(530)和激光器支架(540)；空间光调制器(510)中含有数字微镜芯片驱动版；自带扩束器的激光器(530)安装于激光器支架(540)上且可以绕激光器支架(540)转动，用于改变出射激光束入射到数字微镜芯片上的入射角度；缩微透镜筒(520)是一组将空间光调制器(510)输出的光图案缩小的透镜单元，缩微透镜筒的轴线与数字微镜芯片表面所在的平面垂直，同时与介电表征芯片(100)的上下表面所在的平面垂直。

8.一种应用于如权利要求1所述的微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置的介电表征方法，其特征在于该介电表征方法为：

步骤1：将目标粒子的样本通过进样口注射到介电表征芯片中，在主控系统(300)的控制下，使微动工作台(600)和微动升降台(230)回到初始位置，并启动机器视觉装置(200)和虚拟电极投射器(500)，使得虚拟电极投射器(500)的出射光线以及观测物镜(210)正对介电表征芯片的前处理区域，否则，应重新设定微动工作台的初始坐标，直到满足上述要求为止；

步骤2：开通激励信号产生装置(400)中的用于连接芯片上下基板中的透明导电薄膜层的两路信号，同时使虚拟电极投射器(500)在芯片的虚拟电极形成层(170)上投射出栅栏式虚拟电极阵列(191)以及用于形成虚拟流道的块状虚拟电极(192)，使粒子被批量输运到虚拟流道，当粒子在栅栏式虚拟电极阵列(191)的推进下逐个有序的从虚拟流道出来后，在光圈虚拟电极(193)的捕获和路径引导下移动到螺旋实体电极阵列(160)外缘，并在光圈定位虚拟电极(197)的作用下按照圆周分布依次排开，此时基于粒子的特征和各个粒子所处的位置对各个粒子进行编码，并记录下各粒子此时的位置坐标作为介电表征测试前的初始位置坐标；

步骤3：开通螺旋实体电极阵列(160)的激励信号并进行试调节，此时若目标粒子向螺旋电极外围运动，则将螺旋实体电极阵列(160)的N路激励信号的相序反向，进而使目标粒子均向螺旋电极中心区域行进，若总是有部分粒子向螺旋电极外围运动，则利用光圈虚拟电极(194)将这部分粒子运送到后面的收集区进行单独排布；另一方面，主控系统(300)通过调节微动升降台(230)的高度，使观测物镜聚焦于螺旋实体电极(160)平面，并记录此时的观测物镜(210)高度坐标值；

步骤4：当目标粒子开始从螺旋实体电极阵列(160)外围向中心运动且未到达电旋转腔(198)之前，在螺旋电极阵列(160)上方同时进行粒子的抬升介电泳和行波介电泳的测试：主控系统(300)通过向激励信号产生装置(400)发送指令信号使激励信号的频率每隔一段时间就跳变到一个新的频率点，此时，一方面实时的采集粒子在每一个信号频率点的水平运动的视频图像并通过图像分析得出粒子的水平运动速度随信号频率的变化曲线，即行波介电泳谱；另一方面在每一个信号频率点通过自动对焦系统使得观测物镜(210)聚焦于目标粒子表面，并记录下此时的观测物镜高度坐标值并计算此高度坐标值与步骤3中记录的观测物镜(210)聚焦于螺旋实体电极(160)表面时的高度坐标值的差值，此差值即为目标粒子的悬浮高度，于是可以得到目标粒子的悬浮高度随信号频率的变化曲线，即抬升介电泳谱；

步骤5：当完成了目标粒子的抬升介电泳和行波介电泳的介电表征测试之后，即运用光圈虚拟电极(193)将粒子捕获，并将这些粒子移动到电旋转腔(198)中，然后这些目标粒子在光圈虚拟电极(193)的平面定位作用下分别发生原地自旋运动；通过机器视觉装置(200)将目标粒子在测量频率范围内的自旋运动的视频图像记录下来，并分析得出各个目标粒子的自旋角速度随信号频率的变化曲线，即电旋转介电泳谱；

步骤6：利用光圈虚拟电极将测试完毕的各个粒子输运到粒子收集区并按照编码顺序用光圈排列虚拟电极(194)将这些粒子排列定位，并同时集中采集这些粒子的图像已备后续分析之用，然后再重复步骤2至步骤6，进行下一批粒子的测试，直至满足测试粒子的数量要求；

步骤7：对所测得的各个生物粒子的上述三种介电泳谱进行比较评估，进而得出各粒子的特性差异，并进行归类进而实现微纳生物粒子的高精确度的介电表征。

9.如权利要求8所述的多模式集成化介电表征装置的介电表征方法，其特征在于：主控系统(300)在向激励信号产生装置(400)发送指令信号改变其激励信号模式的同时，也向虚拟电极投射器(500)发送指令使其向介电表征芯片(100)投射虚拟电极图案，与此同时也实时处理粒子在介电表征芯片中的运动的视频图像数据并控制微动工作台(600)和微动升降台(230)。

Images