专利名称：一种生物微粒介电特性测试芯片的制作方法
技术领域：
本实用新型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^A/d 和G-aA/d表示(s、 ct、 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:e'-e-7Vr/必，式中e、 co、 a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，伹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。介电泳技术己成为 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, 〉 + Re [c ]V (|V -"卩+ |V -, |2 )- Iv lm [a_ ]▽ x (▽ ^ x ▽ (1)
式(l)中，V是粒子的体积；Re[]和Im[]分别表示实部和虚部；^和-,分别是电位相
量^的实部和虚部；V是微分算子；5为有效极化率，5 = 3s ,(^-。/& + 2t)，其中， ^为粒子的复介电常数，6,为悬浮液介质的复介电常数^=￡- yo/"，(S和CT分别是绝
对介电常数和电导率)，因此5是信号频率C0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(FeD￡/>)，第二项为行波介电泳力 (FwD￡/>)。将7(|^|2+|^,|2)记为常规介电泳(cDEP)因子，其大小记为X^，R^的 大小正比于/^^，将Vx(V么xVA)记为行波介电泳(twDEP)因子，其大小记为/^^,
则F^^的大小正比于/^w。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
<formula>formula see original document page 4</formula> (2)式中ff^ C]A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
F 告Im间Vx(VAxV-,) (3)
式中，Tl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Q为
n = -~J"Im[5](V^ xV-,) (4)
式中Q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，需釆用流体驱动，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
技术问题本实用新型的目的是提供一种生物微粒介电特性测试芯片，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。
技术方案本实用新型提供了一种生物微粒介电特性测试芯片，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，本实用新型采用的技术方案是
本实用新型提供的介电泳生物微粒介电特性测试芯片主要包括电旋转微电极 组、螺旋形微电极组、芯片的引出端子和芯片的基底电旋转微电极组具有多项式 曲线边界，且位于螺旋形微电极组的中心区域，螺旋形微电极组的边缘曲线为一组 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，螺旋形微电极组的外端接芯片的引出 端子。螺旋条状电极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 连为一体，电旋转微电极组的二次多项式边界曲线围成了电极腔。
本实用新型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。
有益效果本实用新型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(悬浮髙度、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。
图1为本实用新型提供的生物微粒介电特性测试芯片结构示意图； 图2为本实用新型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为本实用新型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是本实用新型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是本实用新型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IO、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
本实用新型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
A, + Po)
/72=a("《+ ;r/2)-(w,+w2) (5) A 二a("《+;r)-2(w, +w2) p4 = 。(0 +《+ 3;r/2) - 3(w， + 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9 从0增至2nn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6"。的值与坐标系与连接点的位置有关，改变乱的值即可改变电极腔的大小；^为 电极的宽度；^为电极间沟道宽度，电极厚度为"K〈w,)。 一般w和^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。w,和v^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w，w =25拜， a=100/7i.
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
-/|=尺2 (6)
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。
本实施例中取尺=200/^,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。
(l)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卯度的 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^ = "0 COS(加)； & ="0咖(加+ 90。)； W3 = t/。 COS(0/ + 18O。)；
w4=[/。cos((yr + 270')。本实施例中，取(/。-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e,电导率为cr的均匀的线性介质中， 电位相量满足V2^ -O且V乂 =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20pm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&0￡/)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^^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O,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
4G^-Ajg-Re问V间、 (7)
式(7)中，/ p和/^分别是粒子和悬浮液的密度；g是重力加速度的大小；a,是竖直向 上的单位向量。在距电极表面的高度h〉2(Him的区域有
/ =10^ (8)
式(8)和(9)中A为高度，根据数值模拟的结果，运用最小二乘法，得出 & = -0.0315, -2.5427， -0.0095， -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(FeD^ )和行波介电泳力(F D￡/)), Fd^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"^越大； F^^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Re[到和Im[5]相同的情况下，相同位置的F^^比F^^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(20(^m)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实用新型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l:根据整个测试系统中的生物微粒及悬浮介质的己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。
10
权利要求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。
专利摘要一种生物微粒介电特性测试芯片，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)。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。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。
文档编号G01N3/48GK201152862SQ20082003255
公开日2008年11月19日 申请日期2008年2月19日 优先权日2008年2月19日
发明者倪中华, 红 易, 朱晓璐 申请人:东南大学