利用光电镊对微纳米生物粒子进行介电表征的方法技术

利用光电镊对微纳米生物粒子进行介电表征的方法是通过逐步改变光图案的移动速度使粒子达到失步前的最大同步速度，并结合激励信号的频率调节，测出生物粒子在激励信号的一定频率范围内的最大同步速度曲线，进而完成粒子的介电表征。本发明专利技术提供的这种介电表征方法充分利用了光电镊的灵活性优势，同时避免了在芯片上制作复杂的物理实体电极阵列，在成本、功能、性能方面均优于目前的微纳米粒子的介电表征方法，为生物医学检测领域的跨越式发展提供了十分重要的手段。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种运用光电微流控器件对微纳米生物粒子进行表征和鉴别的方 法，涉及微流控领域,特别是微流控生物医学芯片领域。
技术介绍
微纳米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 旋转介电泳(electrorotation dielectrophoresis, ROT-DEP)就是其中一项用于生物 粒子介电表征的技术，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-wave dielectrophoresis, 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，但需要制作较复杂的微电极， 应用的广泛程度不及电旋转介电泳。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，大部分只有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。二、在生物粒子的介电表征的功能实现方式方面目前的芯片实现介电表征多依赖于具有特定形状的微电极阵列，而这些电极阵列缺乏柔性，导致在不 同的情况下需制作不同的微电极阵列，大大增加了制作和操作的难度及繁琐成 度，难以推广使用。近年来,运用光电微流控器件对微纳米生物粒子进行操纵成为一种新的微 观粒子操纵技术。这种基于光电效应的柔性操控工具的原理如下这种光电微 流控器件为三层汉堡结构，含有样本粒子的液体位于镀有ITO (indium-tin oxide) 薄膜的玻璃(上层)和光电导层(下层)之间，其中光电导层沉积在下层的ITO 玻璃之上。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。于是， 如果用一个光圈将粒子圈住，那么粒子受光诱导介电泳力的作用被捕获于光圈 之内，粒子就会随光圈的移动而移动，这种利用光图案操纵粒子的方法称为光 电镊方法。但这种方法只能用于操纵，无法对不同的粒子进行表征，因为不同 种类的粒子都能跟随同一速度的光圈以相同速度移动，在运动现象上没有任何 差异。这就无法对不同的粒子进行表征。因此，如果能够提供一种新方法，使得能够利用光电镊这种操纵工具来实 现生物粒子的表征，那么就能够解决一般介电表征芯片成本高和柔性差的问题， 同时也能挖掘出光电镊新的应用价值。鉴于此，本专利技术提出一种利用光电镊对生物微粒进行表征的方法利用光 电镊对生物粒子驱动过程中的失步现象(即光图案移动速度过快导致粒子无法 跟上)，测出生物粒子在一定激励信号频率范围内的最大同步速度，即可实现粒 子的介电表征。
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的是提供一种利用光电镊对微纳米生物粒子进行介 电表征的方法，以解决一般的生物粒子介电表征芯片制作成本高、微电极结构 复杂的缺陷，同时也能够大大拓展光电镊的应用领域。技术方案本专利技术提出运用粒子在被光电镊驱动过程中的失步现象(即在 光图案驱动粒子运动的过程中，光图案移动速度过快导致粒子无法跟上)，测出 生物粒子在一定激励信号频率范围内的的最大同步速度，即可实现粒子的介电表征。目前生物粒子的介电表征多是通过测量粒子的克劳修斯一莫索提 (Clausius-Mossotti)复数因子的虚部谱来实现的，这主要是为了利用电旋转芯 片。而事实上，在相当多的情况下，测量克劳修斯一莫索提复数因子的实部谱 也能达到对粒子进行表征，进而达到鉴别和区分的目的。本专利技术正是基于此， 利用光电镊所产生的驱动力与克劳修斯一莫索提复数因子的实部的相关性，通 过测量粒子的克劳修斯一莫索提复数因子的实部谱来实现生物粒子的介电表 征。微纳米生物粒子在光电镊操纵作用下的失步现象在微操纵过程中是要绝对 避免的，但恰恰此现象却使得对粒子的介电表征成为可能。具体来说，当待测 粒子被光电镊正常驱动时，粒子将紧跟着光图案的轨迹；但当光图案的移动速 度增大到一定程度之后，粒子将跟不上光图案的运动。换言之，粒子在跟随光 图案运动时存在一个最大同步速度。处于最大同步速度的粒子所受的介电泳力 是最大的，又因为介电泳力正比于电场强度平方的梯度，所以处于最大同步速 度的粒子所处的位置的电场强度平方的梯度最大，换言之，粒子将在电场强度 平方的梯度最大的位置达到最大同步速度。此外，粒子的最大同步速度与粒子 的Clausius-Mossotti因子或有效极化率(反映了粒子的介电特性)密切相关，而 粒子的Clausius-Mossotti因子的频率依赖性决定了粒子的最大同步速度具有频 率依赖特性。因此，通过测量粒子的最大同步速度的频率特性，并结合粒子的 最大同步速度、电场强度平方的梯度的最大值以及粒子的Clausius-Mossotti因子 三者之间的定量关系，即可得出粒子的Clausius-Mossotti因子的频率特性曲线， 进而可以解析出粒子的介电参数，实现生物粒子的介电表征。这种新方法不涉 及任何的物理实体微电极的制作，并且充分利用了光电镊的灵活性优势，因此 这种方法不但大大降低了生物粒子介电表征的成本，而且性能十分优越。具体是在利用光图案 驱动微纳米生物粒子的同时，通过逐步改变光图案的移动速度使粒子达到与光 图案同步的最大速度，即粒子即将跟不上光图案移动的临界速度，并结合激励 信号的频率调节，测出生物粒子在激励信号的一定频率范围内的最大同步速度 曲线，进而完成粒子的介电表征。该介电表征方法的具体步骤为步骤1:将含有目标粒子的样品溶液通过各个进样口注射到介电表征芯片 的各个微流体腔中；步骤2:在芯片上的每个微流体腔中投射虚拟电极图案；步骤3:将正弦激励信号的电压加于所使用芯片的上层导电膜和下层导电层 之间，使电场穿过微流体腔，并设定初始频率；步骤4:在芯片上的每个微流体腔中,不断改变虚拟电极图案的移动速度， 使粒子被虚拟电极图案推着或拖着沿直线行进，直到粒子达到最大同步速度， 并记录下粒子运动过程中的最大同步速度；步骤5:改变激励信号的频率，使激励信号的频率跳变到一个新的频率点， 然后重复步骤4;步骤6:绘制出目标粒子在测量频率范围内的最大同步速度随激励信号频率 的变化谱线。所述的虚拟电极图案的移动速度的改变方式是从零开始逐步增大，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用光电镊对微纳米生物粒子进行介电表征的方法，其特征在于：在利用光图案驱动微纳米生物粒子的同时，通过逐步改变光图案的移动速度使粒子达到与光图案同步的最大速度，即粒子即将跟不上光图案移动的临界速度，并结合激励信号的频率调节，测出生物粒子在激励信号的一定频率范围内的最大同步速度曲线，进而完成粒子的介电表征。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：易红，朱晓璐，倪中华，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]