[发明专利]一种生物微粒介电特性测试芯片及测试方法

说明书

技术领域

本发明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＝εA/d和G＝σA/d表示(ε、σ、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：ε^*＝ε-jσ/ω，式中ε、ω、σ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，但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。介电泳技术已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：