专利名称：基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转芯片及操作方法
技术领域：
本发明是一种运用光模式虚拟电极实现对微纳粒子的电旋转运动进行监测 的芯片及方法，涉及微流体芯片领域，特别是微纳米粒子的电旋转技术。
背景技术：
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，利用这一特点便能灵 敏地鉴定和监测生物粒子。目前的电旋转芯片以其体积小，结构简单，易于制造 等优点，正逐渐应用于生物粒子的鉴定、介电特性分析等场合。此类芯片是基于MEMS工艺，在基底上沉积金属微电极，在外部激励信号激 励下产生旋转电场实现微小粒子的电旋转。在此类芯片中，周向均匀排布的微电 极围成的空腔的大小是固定的，这就将待测粒子的直径限制在一个较小的范围 内，不能同时适用于多种直径相差较大的粒子(比如直径属于不同数量级的粒 子)，原因如下在同样的激励信号下，若待测粒子很小，而电旋转腔相对很大 (此时电场强度小)，因粒子所受转矩与粒子半径的三次方和电场强度的平方值 成正比，故粒子很可能因所受转矩过小而相对较多的受到其他因素的干扰(如布 朗运动和电热流等)；若粒子很大，而电旋转腔相对较小，以致粒子占据了电旋 转腔的较大面积，即粒子边缘比较靠近电极边缘，这就导致粒子所受的高阶介电 泳力不能忽略，这不仅大大增加了粒子的介电谱分析的难度，还很有可能使粒子 因受常规介电泳力而"粘"在电极边缘以致不能旋转。因此，在科研中常根据具 体应用需要制作不同大小和边界形状的微电极以满足不同的测试需求，但是这就 需要制作多个芯片或是多个电旋转单元，不但成本增高，而且操作繁琐，效率低。 另外，由于电旋转芯片中的固体电极所形成的电极腔的位置也是固定的，所以即 使在单个芯片上制作了多个不同大小的电旋转单元,也很难实现将粒子群中各个不同大小的粒子恰好与相应的电旋转单元"对号入座"，这样不仅增添了诸多不 便，而且导致操作成本大增。因此，如果能够设计一种电极形状和电旋转腔大小可以随意改变，同时能够 实现电旋转腔和粒子相对位置的任意调整的低成本平面电旋转芯片，就能够解决 以上问题。鉴于此，本发明提出基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转芯片及操作方 法，以光模式虚拟电极作为电旋转电极，以实现灵活改变电极形状、电旋转腔的 大小以及调整电旋转腔和粒子相对位置的目的。发明内容技术问题本发明的目的是提供一种基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋 转芯片及操作方法，该芯片的电极形状、电旋转腔大小及位置能够灵活改变，以 解决目前电旋转芯片缺乏柔性,难以实现粒子直径范围跨度大的多种粒子电旋转 测量，以及固体电极不能实现移动，难以实现测试位置的调整的缺陷。技术方案为达到上述技术目的，本发明提基于光模式虚拟电极的微纳粒 子电旋转芯片以透明的绝缘材料为基底，在基底的上表面覆盖一层光电导层，若 干个相互独立的用透明的良导体制成的信号基端位于基底与光电导层之间的边 上。所述的光电导层为氢化非晶硅。所述的透明良导体的材料为氧化铟锡。本发明基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转芯片的操作方法通过向光电 导层投射各种形状、大小的光图案，将光电导层的相应区域照亮，进而使被照亮 的区域由近乎绝缘的状态变为良导体，形成若干个虚拟电极，使得每个虚拟电极 与对应的信号基端接触以实现电气连接，并在目标粒子所处的位置形成电旋转 腔，使得粒子位于电旋转腔的中心区域，然后借助显微镜对分散在各个位置的各 种不同大小的微纳米粒子或粒子群的电旋转运动响应进行监测。所述的投射的各 种光图案既包括静态的光图案，也包括动态变化的光图案。有益效果本发明提出的基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转芯片及操 作方法，将可重构的光模式虚拟电极融入电旋转芯片，为电旋转测量提供了新的 高度柔性化的实现模式，能够实现粒子直径范围跨度大的多种粒子电旋转测量， 而且能够随意将虚拟电极移动到粒子群中的某个粒子所处位置，实现灵活变换测 试目标，以满足不同的使用需求。不仅实现了柔性化和多功能的集成，而且大大降低了成本，尤其适合测试需求多变的应用场合。
图1为本发明实施例的基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转芯片的俯视图；图2为本发明实施例的基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转芯片的结构 示意图；图3为本发明实施例的基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转芯片的操作 过程中改变虚拟电极形状之后的示意图；信号基端l、第一信号基端ll、第二信号基端12、第三信号基端B、第四 信号基端14，光电导层Ol,基底21，第一光图案311、第二光图案312、第三 光图案313、第四光图案314，第一虚拟电极图案4U、第二虚拟电极图案412、 第三虚拟电极图案413、第四虚拟电极图案414。
具体实施方式
基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转芯片，在芯片透明绝缘的基底上沉积 若干个相互独立的信号基端，这些信号基端是透明的良导体且成圆周排布。然后 在沉积了信号基端的基底上面再覆盖一层光电导层，使得信号基端被夹在基底和 光电导层之间。光电导层所覆盖的区域为"虚拟电极生成区"。各个信号基端有 一部分被光电导层覆盖，另一部份裸露，裸露的部分用于与对应的激励信号相连 接。本发明基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转芯片的操作方法，通过向虚拟 电极生成区投射各种形状、大小的光图案，将光电层的相应区域照亮，进而使被 照亮的区域由近乎绝缘的状态变为导体，形成若干个虚拟电极并使得每个虚拟电 极与对应的信号基端接触以实现电气连接，使得电旋转腔的形状、大小以及所处 的位置都可以根据具体需要改变和调整，以取代目前电旋转芯片中的固体电极， 以达到高柔性、适用范围宽的目的。本发明提供的基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转芯片及操作方法的实 施参见图l、图2和图3。本实施例中，基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转 芯片有4个信号基端，且周向均匀排布在基底21上。在信号基端上面沉积光电导层Ol，信号基端被嵌入光电导层Ol内部(参见图2)，光电导层所覆盖的区域 为虚拟电极生成区。信号基端的材料为包括铟锡氧化物在内的透明良导体。这4 个信号基端分别与4路相位依次相差90度的正弦信号连接。实际上，如果信号 基端的数量是3个，则可以在圆周方向每隔120度排布一个信号基端；如果信号 基端的数量为5个，则可以在圆周方向每个72度排布一个信号基端，此时可以 用5路相差为72度的正弦信号激励。本实施例中，光模式虚拟电极是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)在光电导层投射光图案而形成的。参见图1，虚线 围成的不规则四边形区域为投射的光图案。以第一光图案311为例，此四边形区 域的上边缘与信号基端11有重叠区域，由于第一光图案311所在的区域完全光 照亮，所以此区域的光电导材料由近乎绝缘的状态变为良导体，形成了虚拟电极， 且此虚拟电极与信号基端ll连通，相当于是信号基端ll向内部的延伸。同理， 其他三个光图案即第二光图案312、第三光图案313、第四光图案314也依次与 相应的第二信号基端12、第三信号基端13、第四信号基端14接触，进而形成三 个虚拟电极。这4个虚拟电极光图案的最短边围成了电旋转腔。通过协调变换四 个虚拟电极的形状和相对位置关系，不但可以任意变化电旋转腔的大小，还可以 任意调整电旋腔的位置。针对处于任意位置的目标粒子，都可以将电极"搬移" 到粒子所在之处，进而对粒子进行电旋转监测。比如，如果要监测很小的粒子(比 如亚微米级或几百纳米的粒子)，且目标粒子在右下方，就构造如图l所示的虚 拟电极图案，在右下方形成电旋转腔。电旋转腔可以很小，以产生更强的电场， 以实现这些亚微米或几百纳米的粒子的电旋转监测与分析；再如，如果要监测位 于偏左上方的较大的粒子或一个粒子群，此时就需要在偏左上方的位置形成相对 大一些的电旋转腔，而且为了使电旋转腔内的场强更加均匀，需改变电旋转腔的 电极边界形状，形成如图3所示的四个虚拟电极图案，即第一虚拟电极图案411、 第二虚拟电极图案412、第三虚拟电极图案413和第四虚拟电极图案414。虚拟电极的图案全部由操作人员通过软件在计算机上绘制，能够实现复杂的 图形，而且通过编程很容易实现虚拟电极图案随时间的连续动态变化。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縮微光图案进而投射到芯片上的微小区域，其中，数字微镜 器件驱动板由商品化的DLP数码投影仪改造而来。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，以达到监测粒子 电旋转运动的目的。
权利要求
1.一种基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转芯片，其特征在于该电旋转芯片以透明的绝缘材料为基底(21)，在基底(21)的上表面覆盖一层光电导层(01)，若干个相互独立的用透明的良导体制成的信号基端(1)位于基底(21)与光电导层(01)之间的边上。
2. 如权利要求1所述的基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转芯片，其特 征在于所述的光电导层(01)为氢化非晶硅。
3. 如权利要求1所述的基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转芯片，其特 征在于所述的透明良导体的材料为氧化铟锡。
4. 一种如权利要求1所述的基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转芯片 的操作方法，其特征在于通过向光电导层(01)投射各种形状、大小的光图 案，将光电导层(01)的相应区域照亮，进而使被照亮的区域由近乎绝缘的状 态变为良导体，形成若干个虚拟电极(4)，使得每个虚拟电极与对应的信号基端接触以实现电气连接，并在目标粒子所处的位置形成电旋转腔，使得粒子位 于电旋转腔的中心区域，然后借助显微镜对分散在各个位置的各种不同大小的 微纳米粒子或粒子群的电旋转运动响应进行监测。
5. 如权利要求4所述的基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转芯片的操作方法，其特征在于所述的投射的各种光图案既包括静态的光图案，也包括动态变化的光图案。
全文摘要
基于光模式虚拟电极的微纳粒子电旋转芯片及操作方法是一种运用光模式虚拟电极实现对微纳粒子的电旋转运动进行监测的芯片及方法，通过向光电导层(01)投射各种形状、大小的光图案，将光电导层(01)的相应区域照亮，进而使被照亮的区域由近乎绝缘的状态变为良导体，形成若干个虚拟电极(4)，使得每个虚拟电极与对应的信号基端接触以实现电气连接，并在目标粒子所处的位置形成电旋转腔，使得粒子位于电旋转腔的中心区域，然后借助显微镜对分散在各个位置的各种不同大小的微纳米粒子或粒子群的电旋转运动响应进行监测。
文档编号G01N33/48GK101281192SQ200810100790
公开日2008年10月8日 申请日期2008年5月13日 优先权日2008年5月13日
发明者倪中华, 红 易, 朱晓璐 申请人:东南大学