[实用新型]高通量测试芯片

说明书

技术领域

本实用新型涉及单细胞介电响应的并行测试技术以及微纳米粒子的操控，属于测试芯片技术领域。

背景技术

根据Maxwell-Wagner界面极化理论可知，细胞在外加交流电场条件下将会被动的产生极化，引起细胞的介电弛豫现象。细胞的介电常数ε和电导率σ可以根据介电弛豫的特征和细胞频域被动特性(或称介电谱)解析得出。对细胞频域被动特性的研究已成为细胞电生理学和细胞生物物理学的研究热点内容之一。测定细胞的频域内的介电响应谱可实现对细胞的表征。

目前获取细胞介电特性或介电谱的方法有内部电极法、间隙法、交流阻抗法、电旋转测量方法、微小吸量管法等，其中电旋转介电泳测量法能够获得细胞的Clausius-Mossotti因子(CM因子)的虚部的频率特性，此方法作为一种非破坏性技术，以其电极结构简单，便于小型化和集成，易于实现自动控制等优势获得广泛应用并已实现商品化。但是目前的电旋转测试芯片及其测试方法并不理想，首先，电旋转测量的是细胞的旋转角速度，对于光学外观均匀一致或具有圆周对称特征的细胞而言，运用机器视觉技术自动检测的难度加大；其次，为了能够同时测试多个样本，电旋转芯片上通常具有多个电旋转电极组，形成电极组阵列，并且电极组之间需要保留一定的间距以免样本之间混杂，这就造成待测细胞排布松散，故在有限的测试空间内能够测试的样本数量有限，不利于实现高通量的测试；第三，电旋转腔中不同位置的细胞的自旋速度不具有直接可比性，而且受到底面摩擦力的干扰，测量精度低，稳定性差，不适合单细胞的高通量并行测试，细胞的进样和分离也比较困难。电旋转测量虽然可以借助于光镊来固定单细胞使其定轴旋转，但光镊需要强汇聚激光束不适合细胞的长时间捕获，易于造成细胞损伤，且激光束会造成细胞周围流体局部升温，形成对流，进而影响细胞的电旋转测量精度；此外，光镊移动范围很小，不适合单细胞的大规模并行捕获与操控，无法同时实现细胞进样、测试。而且光镊的引进使得整个测试系统的成本急剧上升，不易于推广使用。

行波介电泳作为电旋转介电泳的变体，相当于将圆周分布的电旋转电极展成直线，故通过检测细胞的直线运动速度同样能够获得细胞的CM因子的虚部，而且直线运动速度的检测比自旋角速度容易的多，可靠性和稳定性将会提升，对细胞的光学外观的依赖程度大大降低，适用的细胞种类将更广泛；另外，行波电极阵列可以排列的很紧密，形成更强的电场强度，将会使细胞(尤其是体积特别微小的细胞)的介电表征更加明显。从上述角度来讲，行波介电泳用于细胞介电谱测试的潜力很大。然而，尽管行波介电泳有上述优点，但是行波介电泳的响应效果通常是细胞群体的运动，细胞和细胞之间的位置关系是随机的且不可控，仍然难以实现单细胞介电谱的高通量并行测试。即使引进光镊来辅助测试，仍然存在与上述电旋转测试同样的问题。

因此，在继承上述行波介电泳的优点的基础上，如何在较大范围内灵活控制各细胞之间的位置关系，进而使各个细胞产生各自独立的介电响应是实现单细胞介电谱的高通量并行测试的关键问题。

鉴于此，本发明提出一种单细胞行波介电谱的高通量测试芯片及测试方法，在继承行波介电泳响应便于机器视觉检测，及其电极组结构紧凑的优点基础上，将传统的行波微电极和基于光电导原理的光模式虚拟电极集成于单基板驱动的芯片之上，通过向芯片电极组平面投射合适的光图案，在大范围内控制各细胞之间的位置关系，并使各个细胞产生各自独立的介电响应，以解决电旋转测试技术对具有圆周对称光学外观的细胞的自动检测困难，每次测试样本数量少，以及光镊移动范围小不能实现大范围并行测试的问题。

发明内容

技术问题：本实用新型的目的是提供一种单细胞行波介电谱的高通量测试芯片，能够使各个待测单细胞产生各自独立的介电响应，进而实现高通量的并行测试，以解决目前的细胞介电响应测试技术对具有圆周对称光学外观的细胞的自动检测困难，每次测试样本数量少，以及光镊移动范围小而不能实现大范围并行测试的问题。

技术方案：本实用新型提供了一种高通量测试芯片，运用三层结构的微电极构成行波电极组，将物理电极与光模式虚拟电极集成于单个芯片，以实现二者的互补性，进而完成单细胞的行波介电响应谱的测量。

为达到上述技术目的，本实用新型采用的技术方案是：