[发明专利]微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置及方法

说明书

技术领域

本发明是一种运用集成在单个芯片上的光模式虚拟电极阵列和物理实体电 极阵列对微纳生物粒子进行介电表征的装置及方法，涉及微流控芯片领域，特别 是微流控生物医学检测领域。

背景技术

与传统的大型医疗检测仪器相比，微流控生医芯片由于所需样品少、能源消 耗低、体积小、以及具有多种单元技术在微小平台上灵活组合、规模集成的特征 和优势，被认为是“家庭化”即时检测理念付诸实施的理想平台，为实现重大疾 病的快速、准确、低成本的检测和早期诊断提供了可能。微流控生医芯片又称为 微全分析系统(Micro-Total-Analysis-System，-μTAS)，成为目前生命科学领域一 个重要的研究方向。通过基于介电泳技术的介电表征方法对样品中的微纳生物粒 子进行分析和诊断是微流控生医芯片领域一项新的使能技术。

微纳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(electrorotation dielectrophoresis，ROT-DEP)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，但应用的广泛程度远不及电旋转介电泳。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、在测试生物微粒介电特性的全面性方面：所能获得的生物粒子的介电 特性信息很有限，只能测出粒子的Clausius-Mossotti复数因子的虚部频率特性， 未能全面获取生物微粒介电特性。比如，已经商业化的电旋转芯片就只能获取表 征粒子介电特性的克劳修斯-莫索提因子的虚部信息，在很多情况下，甚至只是 定性的分析。很多研究者能够根据不同粒子的介电特性的差异，将其分离开来以 实现不同粒子的区分或识别。正负介电泳方法是分离两种粒子的最典型的方法， 即一种粒子受正介电泳力作用，另一种粒子受负介电泳力作用，导致两种粒子的 运动方向相反，进而实现分离，亦即实现了目标粒子的区分和识别，但这种方法 通常只能用来区分两种粒子，而样品中通常含的粒子种类多于两种。场流分离法 是一种运用流体驱动悬浮于不同的高度的微粒进而将多种微粒区分开来的方法， 但实际上这种分离方法是有限制的，不同的微粒也有可能悬浮于相同的高度，此 时就不能将这些具有某些相似性质的微粒区分开来。存在以上问题的根本原因 是：这些方法在实现原理上仅考虑了粒子的其中一部分介电特性，比如仅考虑粒 子的Clausius-Mossotti因子(或有效极化率)的实部或虚部之一，即获取的介电 表征信息不足，因而对粒子的表征是有局限性的而且这种局限性对于一些结构组 成复杂或未知的生物粒子来说就表现的更为明显；

二、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 部分只是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。