一种生物微粒介电特性测试芯片制造技术

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。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
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 V (|V -"卩+ |V -, |2 )- Iv lm ▽ x (▽ ^ x ▽ (1)式(l)中，V是粒子的体积；Re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(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。
技术实现思路
技术问题本技术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。技术方案本技术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。本专利技术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，本技术采用的技术方案是本技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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）。

【技术特征摘要】

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