CN109821582B - 一种粒子捕获结构、粒子捕获芯片及粒子捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种粒子捕获结构、粒子捕获芯片及粒子捕获方法，涉及数字微流控技术领域，能够解决粒子捕获结构由于需要外加光学系统而造成结构复杂、成本增加的问题。所述粒子捕获结构包括下基板，下基板上设置有多个发光单元、以及覆盖多个发光单元的第一导电层，第一导电层上设置有光电导层；光电导层在受到光线照射时，其受光照区的电导率增大；上基板，上基板与下基板对合，上基板远离下基板的表面设置有注液口和出液口，上基板靠近下基板的表面设置有凹槽，注液口和出液口均与凹槽连通，凹槽的槽底设置有第二导电层；注液口、凹槽和出液口形成待测液体流道，待测液体流道在下基板上的投影覆盖多个发光单元。本发明用于微粒捕获和运输。

Description

一种粒子捕获结构、粒子捕获芯片及粒子捕获方法

技术领域

本发明涉及数字微流控技术领域，尤其涉及一种粒子捕获结构、粒子捕获芯片及粒子捕获方法。

背景技术

微流控(Micro-fluidics)技术是一种精确控制和操控微尺度流体的技术，可以把生化分析过程中的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。微流控技术具有样品消耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体积小和便于携带等优点，在生物、化学、医学等领域有着巨大应用潜力。介电电泳技术(Dielectrophoresis，DEP)是微流控技术中的一种它可以快速高效地实现细胞、蛋白等微小生物粒子(以下简称微粒)的捕获和聚集。当微粒被置于交流非匀强电场中时，由于微粒和其周围媒介电极化率的不同，会使微粒受到某一方向的净力，从而产生特定方向的运动，进而实现微粒在特定位置的聚集和捕获。

相较于光镊等微流控捕获手段，光诱导介电电泳既能保持对单个微粒的精准捕获，又能实现对微粒的大面积操纵。现有光诱导介电电泳芯片通常采用三层汉堡结构，上层为ITO玻璃，中间层为待测液流体层，下层为光电导层+ITO玻璃。然而，现有的光诱导介电电泳芯片在工作时，需要外加的光学系统来提供光源，以照射光电导层，从而形成非匀强电场，这样使得整个粒子捕获结构复杂，增加了检测系统成本。

发明内容

本发明的实施例提供一种粒子捕获结构、粒子捕获芯片及粒子捕获方法，能够解决现有的粒子捕获结构由于需要外加光学系统而造成结构复杂、成本增加的问题。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供一种粒子捕获结构，包括：下基板，所述下基板上设置有多个发光单元、以及覆盖多个所述发光单元的第一导电层，所述第一导电层上设置有光电导层；所述发光单元发射的光线可透过所述第一导电层照射在所述光电导层上，所述光电导层在受到光线照射时，其受光照区的电导率增大；上基板，所述上基板与所述下基板对合，所述上基板远离所述下基板的表面设置有注液口和出液口，所述上基板靠近所述下基板的表面设置有凹槽，所述注液口和所述出液口均与所述凹槽连通，所述凹槽的槽底设置有第二导电层；所述注液口、所述凹槽和所述出液口形成待测液体流道，所述待测液体流道在所述下基板上的投影覆盖多个所述发光单元。

可选的，相邻两个所述发光单元之间设置有黑矩阵，所述黑矩阵用于限定所述发光单元的照射区域。

可选的，所述待测液体流道包括靠近所述注液口的进口段、靠近所述出液口的出口段、以及连接在所述进口段和所述出口段之间的中间段；所述进口段和所述出口段在所述下基板上的投影均为三角形，所述中间段在所述下基板上的投影为矩形。

可选的，所述中间段在所述下基板上的投影覆盖多个所述发光单元。

可选的，多个所述发光单元等间隔阵列排布。

可选的，所述发光单元包括OLED发光器件。

可选的，所述第一导电层和所述第二导电层的制作材料包括氧化铟锡。

可选的，所述光电导层的制作材料包括无定形硅。

另一方面，本发明实施例提供一种粒子捕获芯片，包括上述任意一种所述的粒子捕获结构。

再一方面，本发明实施例提供一种粒子捕获方法，所述粒子捕获方法应用于上述任一种所述的粒子捕获芯片；所述粒子捕获方法包括：将待测液体从所述注液口注入到所述待测液体流道内；控制所述下基板上的第一导电层接通交流电信号，以使所述上基板上的第二导电层与所述下基板上的第一导电层之间形成电压差；控制预设位置处的发光单元发光。

本发明实施例提供的粒子捕获结构、粒子捕获芯片及粒子捕获方法，所述粒子捕获结构包括：下基板，下基板上设置有多个发光单元、以及覆盖多个发光单元的第一导电层，第一导电层上设置有光电导层；发光单元发射的光线可透过第一导电层照射在光电导层上，光电导层在受到光线照射时，其受光照区的电导率增大；上基板，上基板与下基板对合，上基板远离下基板的表面设置有注液口和出液口，上基板靠近下基板的表面设置有凹槽，注液口和出液口均与凹槽连通，凹槽的槽底设置有第二导电层；注液口、凹槽和出液口形成待测液体流道，待测液体流道在下基板上的投影覆盖多个发光单元。相较于现有技术，本发明实施例中通过控制发光单元发光，光线会使光电导层上的受光照区的光生载流子增加，电导率升高，这样第一导电层和第二导电层产生的垂直电场会发生非均匀变化，使得位于流道内的待测液体中的粒子受到介电电泳力作用而富集到受光照区，从而实现粒子的捕获和移动。由于发光单元集成到了该粒子捕获结构内部，无需外部复杂的光学系统，因而整个结构较为简单、且成本较低，这样大大扩展了粒子捕获结构的应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为相关技术提供的粒子捕获结构的结构示意图；

图2为相关技术提供的粒子捕获结构的等效电路图；

图3为相关技术提供的粒子捕获结构的工作状态示意图一；

图4为相关技术提供的粒子捕获结构的工作状态示意图二；

图5为本发明实施例提供的粒子捕获结构示意图一；

图6为本发明实施例提供的粒子捕获结构示意图二；

图7为本发明实施例提供的粒子捕获结构示意图三；

图8为本发明实施例提供的粒子捕获结构工作状态示意图一；

图9为本发明实施例提供的粒子捕获结构工作状态示意图二；

图10为本发明实施例提供的粒子捕获结构工作状态示意图三；

图11为本发明实施例提供的粒子捕获方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

介电电泳技术(DEP)是一种可以快速高效地实现细胞、蛋白等微小生物粒子的捕获和聚集的技术。介电电泳技术中使微粒运动的力被叫做介电电泳力，其表达式如下：

式中

为复介电常数(其中，ε、σ和ω分别为介电常数、电导率以及角频率)，下角标p和m分别表示微粒和周围媒介，a为微粒的半径，E为电场强度，r为电极间的距离。

被称为CM因子(Clausius-Mossotti factor，介电极化因子)，它决定了介电电泳力的方向，当

为正介电泳，粒子向电场强度强的区域运动；当

为负介电泳，粒子向电场强度弱的区域运动。由此通过选用特定溶液和交流电场角频率，可以实现对特定粒子的捕获和释放。

在相关技术中，光诱导介电电泳粒子捕获结构一般如图1所示，包括上层ITO导电玻璃01和下层ITO导电玻璃04、设置在下层ITO导电玻璃04上的光电导层03，以及设置在上层ITO导电玻璃01和光电导层03之间的待测液体流体层02；其等效电路图如图2所示，光电导层03可以等效为电容与电阻并联，上下ITO之间阻抗可以表示为：

光电导层03的材料可以选用a-Si，其光、暗电导比值可达10^5数量级。光照区(亮区)光电导层吸收光子能量，生成大量光生载流子，载流子浓度增加使导电性提高，相应阻抗降低，而非光照区(暗区)光电导层的阻抗较高。具体的，

亮态区阻抗：

暗态区阻抗：

其中，角标d、l分别表示暗态和亮态，w表示待检测液。根据分压原理可知，在光电导层03与待测液体流体层02界面形成不同的分压，即V_d≠V_l，由于亮态区的电压V_l与暗态区的电压V_d不同，因而亮态区的电场强度与暗态区的电场强度不同，从而形成光控制下的非均匀电场。光照条件由图3的没有光照(即处于暗态)向图4的某处受到光照(即某处处于亮态)转变时，粒子置于该非均匀电场中，由于正介电泳作用，粒子会向电场强度强的区域富集，从而实现待测粒子的捕获。

本发明实施例提供一种粒子捕获结构，如图5至图10所示，包括：下基板11，下基板11上设置有多个发光单元12、以及覆盖多个发光单元12的第一导电层13，第一导电层13上设置有光电导层14；发光单元12发射的光线可透过第一导电层13照射在光电导层14上，光电导层14在受到光线照射时，其受光照区的电导率增大；上基板15，上基板15与下基板11对合，上基板15远离下基板11的表面设置有注液口16和出液口17，上基板15靠近下基板11的表面设置有凹槽，注液口16和出液口17均与该凹槽连通，该凹槽的槽底设置有第二导电层18；注液口16、凹槽和出液口17形成待测液体流道19，待测液体流道19在下基板11上的投影覆盖多个发光单元12。

本发明实施例所捕获的粒子可以为细胞、蛋白等微小生物粒子，也可以是其它微小颗粒，本发明实施例对此不做限定。粒子的尺寸可以在1μm～25μm之间。

本发明实施例对于发光单元12的设置数量、排布方式等均不作限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行设定。在实际应用中，参考图5所示，为了便于对发光单元12的设置和控制，多个发光单元12可以等间隔阵列排布。本发明实施例对于发光单元12的具体结构亦不做限定，示例的，发光单元12可以采用LCD结构，也可以采用OLED结构；当发光单元12采用OLED结构，即发光单元12包括OLED发光器件时，其结构可以参考图7所示，包括依次设置在下基板11上的有源层121、栅极绝缘层122、栅极123、第一绝缘层124、阴极125、发光层126、阳极127和第二绝缘层128。

参考图7至图10所示，发光单元12上覆盖有第一导电层13，第一导电层13上设置有光电导层14，由于发光单元12发射的光线需透过第一导电层13照射在光电导层14上，因而第一导电层13是透光的。本发明实施例对于第一导电层13和光电导层14的具体制作材料、设置厚度等均不做限定，在实际应用中，第一导电层13可以选用氧化铟锡(ITO)材料制作；光电导层14可以选用无定形硅(a-Si)材料来制作，其厚度可以设置为1μm。

参考图6和图7所示，上基板15靠近下基板11的表面设置有凹槽，该凹槽的槽底设置有第二导电层18；第二导电层18和第一导电层13是用于通电后形成均匀电场的。本发明实施例对于第二导电层18的具体制作材料亦不做限定，在实际应用中，第二导电层18可以选用氧化铟锡(ITO)材料制作。

这样一来，相较于现有技术，本发明实施例中通过控制发光单元发光，光线会使光电导层上的受光照区的光生载流子增加，电导率升高，这样第一导电层和第二导电层产生的垂直电场会发生非均匀变化，使得位于流道内的待测液体中的粒子受到介电电泳力作用而富集到受光照区，从而实现粒子的捕获和移动。由于发光单元集成到了该粒子捕获结构内部，无需外部复杂的光学系统，因而整个结构较为简单、且成本较低，这样大大扩展了粒子捕获结构的应用范围。

参考图5至图7所示，上基板15可以采用玻璃材质，通过刻蚀工艺形成待测液体流道19。待测液体流道19内可以通过CVD工艺沉积ITO材料形成第二导电层18。下基板11也可以选用玻璃材质，下基板11表面采用半导体工艺制备有机发光二极管(OLED)阵列，发光二极管由TFT控制开启和关闭。上基板15和下基板11可通过生物胶贴合或激光键合的方式实现对合。

为了避免相邻两个发光单元12产生光串扰，参考图7至图10所示，相邻两个发光单元12之间可以设置黑矩阵20，黑矩阵20用于限定发光单元12的照射区域。

参考图5和图6所示，待测液体流道19包括靠近注液口16的进口段、靠近出液口17的出口段、以及连接在该进口段和该出口段之间的中间段；所述进口段和所述出口段在下基板11上的投影均为三角形，所述中间段在下基板11上的投影为矩形。将待测液体流道19设置为两边为三角形，中间为矩形的形状，这样有利于待测液体的流动。在实际应用中，可以设置待测液体流道19的中间段在下基板11上的投影覆盖多个发光单元12。

本发明另一实施例提供一种粒子捕获方法，如图6、图7和图11所示，所述粒子捕获方法应用于上述任一种所述的粒子捕获芯片；所述粒子捕获方法包括：

步骤111、将待测液体从注液口16注入到待测液体流道19内。

步骤112、控制下基板11上的第一导电层13接通交流电信号，以使上基板15上的第二导电层18与下基板11上的第一导电层13之间形成电压差。

在实际应用中，第一导电层13接通交流电信号，第二导电层18可以接地或接通一个电压值小于该交流电信号电压的稳定电压信号，以使第二导电层18与第一导电层13之间形成电压差，这样第二导电层18与第一导电层13之间可以产生一个垂直均匀电场。

步骤113、控制预设位置处的发光单元12发光。

其中，预设位置处的发光单元12为需要粒子聚集的位置处的发光单元12，在实际应用中，可以是任意位置处的发光单元12。

在步骤112中第二导电层18与第一导电层13之间形成垂直均匀电场后，控制预设位置处的发光单元12发光，这样光电导层14上与预设位置对应的区域由于受到光照而发生光生载流子增加，电导率升高的现象，而未受光照的区域的电导率不变，这样受到光照的区域对应的电场强度增强，未受光照的区域的电场强度不变，因而形成了非均匀电场，此时流道内的待测液体中的粒子受到正介电电泳力作用而富集到受光照区，从而实现粒子的捕获。

由于待测液体中的粒子受到正介电电泳力作用会向受光照区聚集，因而若需要将捕获的粒子进行运输移动时，只需控制移动路径上的发光单元12依次点亮即可。

下面以酵母菌为例，活性酵母菌在500KHz时，CM因子实部为正值，即受正介电泳作用，其捕获和移动的具体实施过程为：

如图6至图8所示，将待测液体通过注液口16注入待测液体流道19内，上基板15上的第二导电层18接地，下基板11上的第一导电层13接500KHz交流电信号，此时在待测液体流道19内产生均匀垂直电场。溶液中的酵母菌细胞发生极化但受力平衡，不会发生移动，参考图8所示，预设位置A、B、C均处于暗态。

酵母菌的捕获：如图9所示，控制预设位置B处TFT打开，预设位置B处发光单元12(OLED)通电发光，此时预设位置A和C均处于暗态，预设位置B处于亮态；预设位置B处光电导层14(a-Si)载流子增加，电导率升高，电场强度增大，酵母菌受正介电泳力，向预设位置B处的光电导层14运动，并被固定，从而实现了酵母菌细胞的捕捉，当预设位置B处的TFT关闭时，酵母菌细胞会被释放。

酵母菌的运输：如图10所示，当实现了酵母菌在B处的捕捉后，关闭B处的TFT，然后再开启C处的TFT，此时预设位置A和B均处于暗态，预设位置C处于亮态，C处的OLED发光，酵母菌受正介电泳力，向预设位置C处的光电导层14运动，以此类推，实现酵母菌细胞向特定位置运输的目的。

本发明再一实施例提供一种粒子捕获芯片，包括上述任意一种所述的粒子捕获结构。所述粒子捕获芯片还可能包括驱动结构，该驱动结构可以驱动第一导电层和第二导电层形成垂直电场，并且驱动发光单元发光。

本发明实施例中通过控制发光单元发光，光线会使光电导层上的受光照区的光生载流子增加，电导率升高，这样第一导电层和第二导电层产生的垂直电场会发生非均匀变化，使得位于流道内的待测液体中的粒子受到介电电泳力作用而富集到受光照区，从而实现粒子的捕获和移动。由于发光单元集成到了该粒子捕获结构内部，无需外部复杂的光学系统，因而整个结构较为简单、且成本较低，这样大大扩展了粒子捕获结构的应用范围。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种粒子捕获结构，其特征在于，包括：

下基板，所述下基板上设置有多个发光单元、以及覆盖多个所述发光单元的第一导电层，所述第一导电层上设置有光电导层；多个所述发光单元等间隔阵列排布，所述发光单元发射的光线可透过所述第一导电层照射在所述光电导层上，所述光电导层在受到光线照射时，其受光照区的电导率增大；

上基板，所述上基板与所述下基板对合，所述上基板远离所述下基板的表面设置有注液口和出液口，所述上基板靠近所述下基板的表面设置有凹槽，所述注液口和所述出液口均与所述凹槽连通，所述凹槽的槽底设置有第二导电层；所述注液口、所述凹槽和所述出液口形成待测液体流道，所述待测液体流道在所述下基板上的投影覆盖多个所述发光单元。

2.根据权利要求1所述的粒子捕获结构，其特征在于，相邻两个所述发光单元之间设置有黑矩阵，所述黑矩阵用于限定所述发光单元的照射区域。

3.根据权利要求1所述的粒子捕获结构，其特征在于，所述待测液体流道包括靠近所述注液口的进口段、靠近所述出液口的出口段、以及连接在所述进口段和所述出口段之间的中间段；所述进口段和所述出口段在所述下基板上的投影均为三角形，所述中间段在所述下基板上的投影为矩形。

4.根据权利要求3所述的粒子捕获结构，其特征在于，所述中间段在所述下基板上的投影覆盖多个所述发光单元。

5.根据权利要求1所述的粒子捕获结构，其特征在于，所述发光单元包括OLED发光器件。

6.根据权利要求1所述的粒子捕获结构，其特征在于，所述第一导电层和所述第二导电层的制作材料包括氧化铟锡。

7.根据权利要求1所述的粒子捕获结构，其特征在于，所述光电导层的制作材料包括无定形硅。

8.一种粒子捕获芯片，其特征在于，包括权利要求1至7中任意一项所述的粒子捕获结构。

9.一种粒子捕获方法，其特征在于，所述粒子捕获方法应用于权利要求8所述的粒子捕获芯片；

所述粒子捕获方法包括：

将待测液体从所述注液口注入到所述待测液体流道内；

控制所述下基板上的第一导电层接通交流电信号，以使所述上基板上的第二导电层与所述下基板上的第一导电层之间形成电压差；

控制预设位置处的发光单元发光。

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