CN201188104Y - 高通量测试芯片 - Google Patents

Abstract

高通量测试芯片，在芯片基底(01)上设有导电层(02)，在导电层(02)上设有带有过孔的绝缘层(03)，在带有过孔的绝缘层(03)的边沿上设有间隔层(04)，在芯片中间间隔层(04)内的带有过孔的绝缘层(03)上设有微电极组(10)，在芯片中间间隔层(04)上设有芯片盖片(05)，进样口(06)设在芯片盖片(05)的中部；测试方法为运用光电导材料构成多相行波微电极阵列，同时运用虚拟电极直写装置在芯片电极组平面上投射预定的光图案阵列，在细胞初始聚集区的两侧形成虚拟电极阵列，使得多个细胞分别按照各自的光模式路径水平行进，以实现高通量并行测试，然后通过改变信号频率，通过图像采集装置记录下各频率点的细胞运动情况，最后运用图像处理方法得出每个细胞在一定频率范围内的介电谱。

Description

高通量测试芯片

技术领域

本实用新型涉及单细胞介电响应的并行测试技术以及微纳米粒子的操控，属于测试芯片技术领域。

背景技术

根据Maxwell-Wagner界面极化理论可知，细胞在外加交流电场条件下将会被动的产生极化，引起细胞的介电弛豫现象。细胞的介电常数ε和电导率σ可以根据介电弛豫的特征和细胞频域被动特性(或称介电谱)解析得出。对细胞频域被动特性的研究已成为细胞电生理学和细胞生物物理学的研究热点内容之一。测定细胞的频域内的介电响应谱可实现对细胞的表征。

目前获取细胞介电特性或介电谱的方法有内部电极法、间隙法、交流阻抗法、电旋转测量方法、微小吸量管法等，其中电旋转介电泳测量法能够获得细胞的Clausius-Mossotti因子(CM因子)的虚部的频率特性，此方法作为一种非破坏性技术，以其电极结构简单，便于小型化和集成，易于实现自动控制等优势获得广泛应用并已实现商品化。但是目前的电旋转测试芯片及其测试方法并不理想，首先，电旋转测量的是细胞的旋转角速度，对于光学外观均匀一致或具有圆周对称特征的细胞而言，运用机器视觉技术自动检测的难度加大；其次，为了能够同时测试多个样本，电旋转芯片上通常具有多个电旋转电极组，形成电极组阵列，并且电极组之间需要保留一定的间距以免样本之间混杂，这就造成待测细胞排布松散，故在有限的测试空间内能够测试的样本数量有限，不利于实现高通量的测试；第三，电旋转腔中不同位置的细胞的自旋速度不具有直接可比性，而且受到底面摩擦力的干扰，测量精度低，稳定性差，不适合单细胞的高通量并行测试，细胞的进样和分离也比较困难。电旋转测量虽然可以借助于光镊来固定单细胞使其定轴旋转，但光镊需要强汇聚激光束不适合细胞的长时间捕获，易于造成细胞损伤，且激光束会造成细胞周围流体局部升温，形成对流，进而影响细胞的电旋转测量精度；此外，光镊移动范围很小，不适合单细胞的大规模并行捕获与操控，无法同时实现细胞进样、测试。而且光镊的引进使得整个测试系统的成本急剧上升，不易于推广使用。

行波介电泳作为电旋转介电泳的变体，相当于将圆周分布的电旋转电极展成直线，故通过检测细胞的直线运动速度同样能够获得细胞的CM因子的虚部，而且直线运动速度的检测比自旋角速度容易的多，可靠性和稳定性将会提升，对细胞的光学外观的依赖程度大大降低，适用的细胞种类将更广泛；另外，行波电极阵列可以排列的很紧密，形成更强的电场强度，将会使细胞(尤其是体积特别微小的细胞)的介电表征更加明显。从上述角度来讲，行波介电泳用于细胞介电谱测试的潜力很大。然而，尽管行波介电泳有上述优点，但是行波介电泳的响应效果通常是细胞群体的运动，细胞和细胞之间的位置关系是随机的且不可控，仍然难以实现单细胞介电谱的高通量并行测试。即使引进光镊来辅助测试，仍然存在与上述电旋转测试同样的问题。

因此，在继承上述行波介电泳的优点的基础上，如何在较大范围内灵活控制各细胞之间的位置关系，进而使各个细胞产生各自独立的介电响应是实现单细胞介电谱的高通量并行测试的关键问题。

鉴于此，本发明提出一种单细胞行波介电谱的高通量测试芯片及测试方法，在继承行波介电泳响应便于机器视觉检测，及其电极组结构紧凑的优点基础上，将传统的行波微电极和基于光电导原理的光模式虚拟电极集成于单基板驱动的芯片之上，通过向芯片电极组平面投射合适的光图案，在大范围内控制各细胞之间的位置关系，并使各个细胞产生各自独立的介电响应，以解决电旋转测试技术对具有圆周对称光学外观的细胞的自动检测困难，每次测试样本数量少，以及光镊移动范围小不能实现大范围并行测试的问题。

发明内容

技术问题：本实用新型的目的是提供一种单细胞行波介电谱的高通量测试芯片，能够使各个待测单细胞产生各自独立的介电响应，进而实现高通量的并行测试，以解决目前的细胞介电响应测试技术对具有圆周对称光学外观的细胞的自动检测困难，每次测试样本数量少，以及光镊移动范围小而不能实现大范围并行测试的问题。

技术方案：本实用新型提供了一种高通量测试芯片，运用三层结构的微电极构成行波电极组，将物理电极与光模式虚拟电极集成于单个芯片，以实现二者的互补性，进而完成单细胞的行波介电响应谱的测量。

为达到上述技术目的，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型提供的单细胞行波介电谱的高通量测试芯片包括微电极组、芯片基底、导电层、带有过孔的绝缘层、芯片中间间隔层、芯片盖片和进样口；在芯片基底上设有导电层，在导电层上设有带有过孔的绝缘层，在带有过孔的绝缘层的边沿上设有间隔层，在芯片中间间隔层内的带有过孔的绝缘层上设有微电极组，在芯片中间间隔层上设有芯片盖片，进样口设在芯片盖片的中部。所述的芯片基底、绝缘层、芯片中间间隔层和芯片盖片的材料为绝缘材料。所述的绝缘材料包含玻璃、或硅、或高分子聚合物或它们的组合在内的生物相容性好的绝缘材料。微电极组由多根平行的细长条电极组成，并形成周期排布的行波电极，且所有产生相同电位的电极连接到同一个端子，电极直接连至导电层或通过绝缘层的过孔连接到导电层。导电层是透明的导电材料时，导电层覆盖整个测试区。微电极组中的每个微电极分为本征光电导层、n+型光电导层、透明导电薄膜层三层；光电导层的材料包括氢化非晶硅的具有光电导特性的材料；透明导电薄膜层的材料包括氧化铟锡的具有高透光率的导电材料。芯片基底和芯片盖片须是良好的透明绝缘材料，以利于光图案的透射以及细胞运动的观测。

所述的条形光图案在芯片电极组平面上形成的虚拟电阵列包含等距阵列、不等距阵列或是两者的组合的虚拟电极阵列。

运用光电导材料构成的行波微电极组产生行波电场，同时运用虚拟电极直写装置(从计算机获取图像信号并生成微小图案的装置)在芯片电极组平面上投射预定的光图案。依据光电导效应，光电导薄膜材料在不照光的情况下具有极高的电阻值，而在接受外界光源时其导电性能大大增强，因此，当光图像投射到光电导层上时，原来近似绝缘的介质几乎变为导体，即形成了虚拟电极阵列，使得各个细胞之间的相对位置关系可控，进而使得各细胞分别按照各自的光模式路径水平行进，以实现高通量并行测试，然后通过改变信号发生装置的频率，通过图像采集装置记录下各频率点的所有待测细胞的运动情况，最后运用图像处理方法得出各细胞的运动速度，进而得到各个细胞在一定频率范围内的介电谱。在测试过程中，虚拟电极阵列的形状是由投射的光图案决定的，因此具有很高的柔性，并且可以实时重构，可以根据具体情况灵活调整虚拟电极阵列的形状、大小和位置。

有益效果：本实用新型提出高通量测试芯片，在继承行波介电泳响应便于机器视觉检测及其电极组结构紧凑的优点的基础上，将光模式虚拟电极和传统的物理微电极集成于单基板驱动的芯片之上，能够实现单细胞介电谱的高通量并行测试要求。与电旋转测试芯片以及光镊辅助的电旋转测试方法相比，本实用新型通过构建光模式虚拟电极阵列来实现多个细胞的并行测试，克服了光镊移动范围小不能实现大规模并行操控的缺陷；本实用新型提供的测试芯片的基板为多层结构，便于各微电极的连接，芯片引脚少，与外部装置连接方便；本发明提供的测试芯片对细胞发生正负介电泳的情况均适用，而且能够完成进样、测试前的位置微调等前处理过程。此外，本实用新型提供的测试芯片为单基板驱动，比一些需要双基板供电的器件来说，更容易与其它微流体器件集成。

附图说明

图1为本实用新型提供的高通量测试芯片的结构示意图(仅绘制少数几个微电极并放大以作示意)；

图2为本实用新型提供的高通量测试芯片的俯视图(电极组结构具有周期排布特性，这里仅绘制若干个周期以作示意)；

图3为本实用新型提供的高通量测试芯片加载光模式虚拟电极阵列后的示意图，图中的虚线框围成的区域为光照区域。

具体实施方式

本实用新型提供的高通量测试芯片的实施例如图1和图2所示，包括微电极组10、芯片基底01、导电层02、带有过孔的绝缘层03、芯片中间间隔层04、芯片盖片05和进样口06。微电极组10分为三层：本征光电导层11、n+型光电导层12以及透明导电薄膜层13。本征光电导层11的材料可选择本征态氢化非晶硅；n+型光电导层12的材料可选择n+型氢化非晶硅；透明导电薄膜层13的材料可选用氧化铟锡透明薄膜材料；电极的宽度一般应为电极厚度的10倍以上，且电极排列应尽量紧密。芯片基底01、芯片中间间隔层04的材料可为聚二甲基硅氧烷或SU-8光刻胶。导电层02在芯片外围形成第一电极引出端子021、第二电极引出端子022、第三电极引出端子023、第四电极引出端子024；绝缘层03上带有过孔，其目的是将那些不与第二电极引出端子022和第四电极引出端子024连接的电极通过过孔连接到下面的导电层02，进而与第一电极引出端子021和第三电极引出端子023连接；对于绝缘层03和位于其下面的导电层02，如果是不透明的材料，则应尽量成窄长条形(参见图2)以免遮住光线影响观察，但如果是透明性好的材料，就可以覆盖较大的区域，甚至是整个测试区。本实施例中，芯片共有3相输入信号，电极引出端子中有两个端子的输入信号相同(即并联使用)，主要是为了减小细长导电层引起的压降。进样口06位于芯片盖片的中央区域，以便于不同的细胞由芯片的中心区域向相反的方向运动。

本实用新型提供的高通量测试方法的实施例参见图3，运用光电导材料组成细长条形微电极阵列产生行波电场，同时运用虚拟电极直写装置在芯片电极组平面上投射预定的光图案阵列，进而控制各个细胞之间的相对位置关系，并使得各个细胞分别按照各自的光模式路径水平行进，以实现高通量并行测试，然后通过改变信号频率，通过图像采集装置记录下各频率点的所有待测细胞的运动情况，最后运用图像处理方法得出细胞的直线运动速度，进而得到每个细胞在一定频率范围内的介电谱。其中，虚拟电极直写装置从计算机获取图像信号经过数字微镜器件(DMD)驱动板生成光图案并经过透镜光路单元形成微小光图案进而投射到芯片上的微小区域；图像采集装置包括显微镜、CCD摄像机以及图像采集转换单元，其输出端与计算机连接。

本实用新型提供的高通量测试方法的实施例的具体步骤如下：

步骤1：将芯片的四个端子分别连接到具有相同频率的正弦电压信号源端。其中端子022输入初相位为0度的信号；端子021和023输入初相位为120度的信号，这两个端子连接同一信号端的目的是减小细长导电层的长距离的压降效应；端子024输入初相位为240度的信号。芯片上的电极组区域会产生行波电场，能够诱导细胞沿垂直于电极的方向行进；

步骤2：用进样器将含有待测细胞的液体样本从进样口06滴入芯片内部，此时，大量细胞集聚于电极组中心的小范围区域，即细胞初始聚集区32(参见图3)。在细胞初始聚集区32投射光图案，使此区域完全被照亮，并开启波形发生器输出小幅值的信号，通过调节频率，使细胞群产生小范围运动，并进行试调节使细胞分散开来。

步骤3：从芯片基底下方向微电极组投射宽度约为细胞直径的多个细长条形光图案31(参见图3)，且光图案31分别位于细胞初始聚集区32的两侧。只有处于光照区域内部的细胞才会发生水平运动，单细胞会沿着细长条形光照区形成的路径行进；测试时根据需测量的细胞数量设定细长条光图案的数量，形成多个平行细长条光图案，以实现多个细胞的并行测量。

步骤4：在几十KHz至几百MHz的范围内调节波形发生器的频率，同时通过显微镜上的CCD及图像记录设备将所有细胞在上述频段中水平运动图像记录下来，经过图像处理及速度检测算法得出各个细胞的运动速度随激励信号频率的变化曲线，通常每10倍频程取4～8测试点；

步骤5：如果实际已完成测试的细胞数量已能够满足测试需求，则测试过程结束；否则，须将步骤3中所述的细胞初始聚集区32两侧的细长条光图案阵列向中心平移，以使余下的待测细胞处于细长条光图案中，然后重复步骤4，直至满足测试细胞的数量需求。

Claims (6)

1.一种高通量测试芯片，其特征在于，该测试芯片包括微电极组(10)、芯片基底(01)、导电层(02)、带有过孔的绝缘层(03)、芯片中间间隔层(04)、芯片盖片(05)和进样口(06)；在芯片基底(01)上设有导电层(02)，在导电层(02)上设有带有过孔的绝缘层(03)，在带有过孔的绝缘层(03)的边沿上设有间隔层(04)，在芯片中间间隔层(04)内的带有过孔的绝缘层(03)上设有微电极组(10)，在芯片中间间隔层(04)上设有芯片盖片(05)，进样口(06)设在芯片盖片(05)的中部。

2.如权利要求1所述的高通量测试芯片，其特征在于，所述的芯片基底(01)、绝缘层(03)、芯片中间间隔层(04)和芯片盖片(05)的材料为绝缘材料。

3.如权利要求2所述的高通量测试芯片，其特征在于，所述的绝缘材料包含玻璃、或硅、或高分子聚合物或它们的组合在内的生物相容性好的绝缘材料。

4.如权利要求1所述的高通量测试芯片，其特征在于，微电极组(10)由多根平行的细长条电极组成，并形成周期排布的行波电极，且所有产生相同电位的电极连接到同一个端子，电极直接连至导电层(02)或通过绝缘层(03)的过孔连接到导电层(02)。

5.如权利要求1所述的高通量测试芯片，其特征在于，导电层(02)是透明的导电材料时，导电层(02)覆盖整个测试区。

6.如权利要求1所述的高通量测试芯片，其特征在于，微电极组(10)中的每个微电极分为本征光电导层(11)、n+型光电导层(12)、透明导电薄膜层(13)三层；光电导层(11)的材料包括氢化非晶硅的具有光电导特性的材料；透明导电薄膜层(13)的材料包括氧化铟锡的具有高透光率的导电材料。

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