專利名稱：微納米單粒子阻抗譜測(cè)量芯片及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納米單粒子(含細(xì)胞)的表征技術(shù)，特別是微納米粒子的阻抗譜測(cè)
量技術(shù)。
背景技術(shù)：
阻抗譜測(cè)量是通過在被測(cè)樣品的兩端施加交流電壓，然后通過信號(hào)分析儀，得出 樣品中的粒子群體的阻抗隨頻率的變化關(guān)系。阻抗譜測(cè)量是研究細(xì)胞或其他微納米粒子的 電特性的一種重要方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微納粒子群體的表征。電阻抗測(cè)試和分析在藥物篩選、 疾病診斷及治療、食品檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。面向生物樣品的阻抗譜 測(cè)量稱為生物阻抗技術(shù)(bio-impedancetechnology)，其具有快速、電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作 的特點(diǎn)，逐步成為生物醫(yī)學(xué)研究中一個(gè)有效的分析工具。 目前的阻抗譜測(cè)量技術(shù)面向的是粒子群體，對(duì)單個(gè)粒子的控制和測(cè)量無能為力， 無法實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子群體中的特定的某個(gè)單粒子進(jìn)行測(cè)量。而在很多情況下，對(duì)單個(gè)粒子(含 單細(xì)胞)的阻抗譜的研究都很有必要且具有重要意義能夠辨別出同一粒子群體中的少量 粒子獨(dú)特的電性質(zhì)，或者可以細(xì)致的分辨出同一粒子群體中任何兩個(gè)粒子之間的差異，或 者實(shí)現(xiàn)對(duì)特定的某個(gè)單粒子的阻抗特性進(jìn)行研究。 因此，在繼承上述阻抗譜測(cè)量的基本原理的基礎(chǔ)上，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品群體中某個(gè) 特定的單粒子進(jìn)行阻抗測(cè)量是解決上述局限的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供微納米單粒子(含單細(xì)胞)的阻抗譜測(cè)量芯片及 測(cè)量方法，以解決目前的阻抗譜測(cè)量技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品中特定的某個(gè)單粒子的進(jìn)行阻抗 譜測(cè)量的問題。 技術(shù)方案本發(fā)明提供了一種微納米單粒子(含單細(xì)胞)阻抗譜的測(cè)量芯片及測(cè) 量方法，能夠任意的選取同一粒子群體中的某個(gè)單粒子在同一芯片中完成阻抗譜測(cè)量。本 發(fā)明采用的技術(shù)方案是 本發(fā)明提供的單粒子阻抗譜測(cè)量芯片包括上蓋板、上層透明導(dǎo)電薄膜、進(jìn)樣口、間 隔層、單粒子夾持塊、絕緣層、光電導(dǎo)層、下層導(dǎo)電薄膜、下基底和芯片內(nèi)部腔體。上蓋板是 透明絕緣材料，可以選擇玻璃或有機(jī)玻璃制作；間隔層由絕緣材料制作，且位于上層透明導(dǎo) 電薄膜和下層導(dǎo)電薄膜之間，用于支撐芯片內(nèi)部的腔體；芯片下基底上設(shè)有導(dǎo)電薄膜，在下 層導(dǎo)電薄膜上設(shè)有光電導(dǎo)層，在電導(dǎo)層上設(shè)有絕緣層，在絕緣層上設(shè)有單粒子夾持塊，進(jìn)樣 口位于上蓋板的一側(cè)；單粒子夾持塊包括配對(duì)的兩個(gè)子塊，且一對(duì)夾持子塊均為良導(dǎo)體。當(dāng) 需要并行的測(cè)量多個(gè)粒子的阻抗譜時(shí)，可以有多對(duì)夾持子塊，每對(duì)夾持子塊用于一個(gè)粒子 的測(cè)量。光電導(dǎo)層由具有光電導(dǎo)特性的材料制作，下基底為絕緣材料。 在上層透明導(dǎo)電薄膜和下層導(dǎo)電薄膜之間施加用于粒子操控的交流電壓；在每一 對(duì)夾持子塊之間施加用于粒子阻抗測(cè)量的交流電壓。當(dāng)用于粒子操控的交流電壓接通時(shí)，運(yùn)用縮微光圖案直寫裝置生成微小的動(dòng)態(tài)光圖案(光圖案可以實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng))，并將縮微光圖 案從芯片下方或者上方投射至光電導(dǎo)層上，由于光電導(dǎo)層上的明區(qū)和暗區(qū)的電導(dǎo)率不同， 使得腔體中形成非均勻電場(chǎng)，進(jìn)而形成介電泳力。上述的縮微光圖案直寫裝置從計(jì)算機(jī)獲 取圖像信號(hào)經(jīng)過數(shù)字微鏡器件(匿D)驅(qū)動(dòng)板生成動(dòng)態(tài)光圖案并經(jīng)過透鏡光路單元形成微 小光圖案進(jìn)而投射到芯片上的微小區(qū)域。通過對(duì)數(shù)字微鏡的投影控制，可以使光圈圖案將 樣品中的粒子群中的某個(gè)單個(gè)粒子捕獲，并將該粒子輸運(yùn)到夾持塊中間的槽中，使粒子夾 持于一對(duì)夾持子塊之間。當(dāng)這兩個(gè)導(dǎo)電夾持子塊上施加電信號(hào)之后，電流即可通過被測(cè)的 粒子(即夾持住的粒子)，然后通過外部的信號(hào)分析儀對(duì)通過被測(cè)粒子兩端的電信號(hào)進(jìn)行 分析，經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換，得到在一定頻率范圍內(nèi)的被測(cè)粒子的阻抗(或?qū)Ъ{)。單個(gè)粒子的捕 獲和輸運(yùn)過程可以通過顯微圖像采集裝置進(jìn)行觀察和記錄，實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)目標(biāo)粒子的運(yùn)動(dòng)情 況。圖像采集裝置包括顯微鏡、CCD攝像機(jī)以及圖像采集轉(zhuǎn)換單元，其輸出端與計(jì)算機(jī)連接。
本發(fā)明提供的單粒子(含單細(xì)胞)阻抗譜測(cè)量方法為 步驟1 :在上層透明導(dǎo)電薄膜和下層導(dǎo)電薄膜之間施加用于粒子操控的交流電壓 信號(hào)； 步驟2:使用縮微光圖案直寫裝置生成縮微光圈圖案(光圖案以外的區(qū)域是暗 區(qū))，并投射至芯片的光電導(dǎo)層上，然后并將縮微光圈移動(dòng)至粒子群所在的區(qū)域，捕獲目標(biāo) 單粒子； 步驟3 :將捕獲的粒子向夾持塊的方向輸運(yùn)，并使目標(biāo)粒子被夾在一對(duì)夾持子塊 之間的槽內(nèi)。 步驟4:將前述用于粒子操控的電壓信號(hào)關(guān)閉，然后在一對(duì)夾持子塊之間施加用 于阻抗測(cè)量的交流電壓信號(hào)，使電信號(hào)通過被測(cè)的單粒子，在預(yù)定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)信號(hào)源的 頻率，并由信號(hào)分析儀實(shí)時(shí)采集一對(duì)夾持子塊上的正弦電壓信號(hào)的幅值、相位等信息進(jìn)而 通過計(jì)算得出被測(cè)粒子的阻抗值。 有益效果本發(fā)明提出微納米單粒子(含細(xì)胞)阻抗譜測(cè)量芯片及測(cè)量方法，在繼 承傳統(tǒng)阻抗譜測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過將光電導(dǎo)層和配對(duì)的夾持子塊集成于一個(gè)芯片之 中，實(shí)現(xiàn)單個(gè)粒子(包括細(xì)胞)阻抗譜的測(cè)量。本發(fā)明通過動(dòng)態(tài)的縮微光圖案捕獲單個(gè)目 標(biāo)粒子并將目標(biāo)粒子輸運(yùn)至一對(duì)夾持子塊之間，操縱過程具有很高的柔性和可重構(gòu)性，有 利于實(shí)現(xiàn)同一粒子群體中的不同個(gè)體粒子的選擇性測(cè)量。本發(fā)明提供的配對(duì)的夾持子塊結(jié) 構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制造的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供的阻抗譜測(cè)量方法步驟少，操作便捷、快速。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的單粒子阻抗譜測(cè)量芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的單粒子阻抗譜測(cè)量試芯片內(nèi)部的俯視圖。
以上的圖中有 上蓋板01、上層透明導(dǎo)電薄膜02、進(jìn)樣口 03、間隔層04、單粒子夾持塊05、絕緣層 06、光電導(dǎo)層07、下層導(dǎo)電薄膜08、下基底09、芯片內(nèi)部腔體10 ; 第一夾持子塊05 i、第二夾持子塊052、粒子群體聚集區(qū)域11、捕獲光圈12、捕獲 狀態(tài)下的粒子位置131、夾持狀態(tài)下的粒子位置132。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供的單粒子阻抗譜測(cè)量芯片的實(shí)施例參見圖1和圖2，包括上蓋板01、上 層透明導(dǎo)電薄膜02、進(jìn)樣口 03、間隔層04、單粒子夾持塊05、絕緣層06、光電導(dǎo)層07、下層 導(dǎo)電薄膜08、下基底09、芯片內(nèi)部腔體10。上蓋板01是透明材料，可以選擇玻璃或有機(jī)玻 璃制作；透明導(dǎo)電薄膜層02的材料可選用銦錫氧化物薄膜；間隔層04由絕緣材料制作(例 如可以選用SU-8光刻膠)，用于支撐芯片內(nèi)部的腔體10 ;單粒子夾持塊05包括第一夾持子 塊051和第二夾持子塊052 ;夾持子塊(051和052)均為良導(dǎo)體，可以選用金、銀、鋁等材料 制作；絕緣層06可以選用氮化硅材料制作；光電導(dǎo)層07可以選用氫化非晶硅；下層導(dǎo)電薄 膜08可以透明也可以不透明；下基底09可以選擇玻璃或硅片。 本實(shí)施例中，在上層透明導(dǎo)電薄膜02和下層導(dǎo)電薄膜08之間施加第一路交流電 壓(用于粒子操控)；在第一夾持子塊051和第二夾持子塊052之間施加第二路交流電壓 (用于阻抗譜測(cè)量)。 本發(fā)明提供的單粒子阻抗譜測(cè)量方法的實(shí)施例參見圖2。當(dāng)?shù)谝宦方涣麟妷?用 于粒子操控)接通時(shí)，運(yùn)用縮微光圖案直寫裝置生成微小的動(dòng)態(tài)光圖案，并將縮微光圖案 從芯片下方或者上方投射至光電導(dǎo)層07上，由于光電導(dǎo)層07上的明區(qū)和暗區(qū)的電導(dǎo)率不 同，使得腔體中形成非均勻電場(chǎng)，進(jìn)而形成介電泳力。上述的縮微光圖案直寫裝置從計(jì)算機(jī) 獲取圖像信號(hào)經(jīng)過數(shù)字微鏡器件(匿D)驅(qū)動(dòng)板生成動(dòng)態(tài)光圖案并經(jīng)過透鏡光路單元形成 微小光圖案進(jìn)而投射到芯片上的微小區(qū)域。通過對(duì)數(shù)字微鏡的投影控制，可以使用光圈圖 案12在粒子群11中某個(gè)單個(gè)粒子所在的位置131將該粒子捕獲，并將該粒子輸運(yùn)到粒子 的夾持位置132，使粒子夾持于第一夾持子塊051和第二夾持子塊052之間。當(dāng)這兩個(gè)導(dǎo)電 夾持子塊上施加電信號(hào)之后，電流即可通過被測(cè)的粒子(即夾持住的粒子)，然后通過外部 的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀對(duì)通過目標(biāo)粒子的電信號(hào)進(jìn)行分析，經(jīng)其內(nèi)部的信號(hào)轉(zhuǎn)換，得到在一定 頻率范圍內(nèi)的被測(cè)粒子的阻抗(或?qū)Ъ{)。單個(gè)粒子(包括細(xì)胞)的捕獲和輸運(yùn)過程可以 通過顯微圖像采集裝置進(jìn)行觀察和記錄，實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)目標(biāo)粒子的運(yùn)動(dòng)情況。圖像采集裝置 包括顯微鏡、CCD攝像機(jī)以及圖像采集轉(zhuǎn)換單元，其輸出端與計(jì)算機(jī)連接。
本發(fā)明提供的單粒子阻抗譜的測(cè)量方法的實(shí)施例的具體步驟如下
步驟1 :在上層透明導(dǎo)電薄膜02和下層導(dǎo)電薄膜08之間施加用于粒子操控的交 流電壓信號(hào)； 步驟2:使用縮微光圖案直寫裝置生成縮微光圈圖案(光圖案以外的區(qū)域是暗 區(qū))，并投射至芯片的光電導(dǎo)層07上，然后將縮微光圈12移動(dòng)至粒子群所在的區(qū)域11，捕 獲單個(gè)目標(biāo)粒子； 步驟3 :將捕獲的粒子向夾持塊05的方向移動(dòng)，并使目標(biāo)粒子被夾在第一夾持子 塊051和第二夾持子塊052之間的V型槽內(nèi)。 步驟4:將用于粒子操控交流電壓信號(hào)關(guān)閉。然后在第一夾持塊051和第二夾持塊 052上施加用于阻抗測(cè)量的交流電壓信號(hào)，使在預(yù)定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)信號(hào)源的頻率，并通過信 號(hào)分析儀實(shí)時(shí)采集第一夾持塊051和第二加持塊052上的正弦電壓信號(hào)的幅值、相位等信 息進(jìn)而通過計(jì)算得出被測(cè)粒子的阻抗值。
權(quán)利要求
一種微納米單粒子阻抗譜測(cè)量芯片，其特征在于該阻抗譜測(cè)量芯片包括上蓋板(01)、上層透明導(dǎo)電薄膜(02)、進(jìn)樣口(03)、間隔層(04)、單粒子夾持塊(05)、絕緣層(06)、光電導(dǎo)層(07)、下層導(dǎo)電薄膜(08)、下基底(09)、芯片內(nèi)部腔體(10)；上蓋板(01)是透明材料，透明導(dǎo)電薄膜層(02)位于上蓋板(01)的下表面，芯片下基底(09)上設(shè)有導(dǎo)電薄膜(08)，在下層導(dǎo)電薄膜(08)上設(shè)有光電導(dǎo)層(07)，在電導(dǎo)層(07)上設(shè)有絕緣層(06)，在絕緣層(06)上設(shè)有單粒子夾持塊(05)，間隔層(04)位于上層透明導(dǎo)電薄膜(02)和下層導(dǎo)電薄膜(08)之間且位于絕緣層(06)、光電導(dǎo)層(07)兩側(cè)，進(jìn)樣口(03)位于上蓋板(01)上。
2. 如權(quán)利要求1所述的微納米單粒子阻抗譜測(cè)量芯片，其特征在于所述的芯片中的單 粒子夾持塊(05)包括兩個(gè)配對(duì)的第一子夾持塊(051)和第二子夾持塊(052)，且兩個(gè)夾持 塊之間具有槽結(jié)構(gòu)用于將目標(biāo)單粒子夾持住。
3. 如權(quán)利要求2所述的微納米單粒子阻抗譜測(cè)量芯片，其特征在于，所述的單粒子夾 持塊(05)為良導(dǎo)體，單粒子夾持塊(05)可以有一個(gè)或多個(gè)，且所述的目標(biāo)單粒子包括單個(gè) 細(xì)胞和其它微納生物粒子。
4. 一種用于權(quán)利要求1所述的微納米單粒子阻抗譜測(cè)量芯片的測(cè)量方法，其特征在于 該方法包括以下步驟步驟l :在上層透明導(dǎo)電薄膜(02)和下層導(dǎo)電薄膜(08)之間施加用于粒子操控的電 壓信號(hào)；步驟2 :使用縮微光圖案直寫裝置生成縮微光圈圖案(12)，并投射至芯片的光電導(dǎo)層 (07)上，然后將縮微光圈移動(dòng)至粒子群所在的區(qū)域(ll)，捕獲單個(gè)目標(biāo)粒子；步驟3:將捕獲的單粒子向夾持塊(05)的方向輸運(yùn)，并使目標(biāo)粒子被夾在第一子夾持 塊(051)和第二子夾持塊(052)之間的槽內(nèi)；步驟4 :將用于粒子操控的交流電壓信號(hào)關(guān)閉，然后在第一子夾持塊(051)和第二子夾 持塊(052)之間施加用于阻抗測(cè)量的交流電壓信號(hào)，使電信號(hào)通過被測(cè)的單粒子，在預(yù)定 的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)信號(hào)源的頻率，并由信號(hào)分析儀實(shí)時(shí)采集第一子夾持塊(051)和第二子夾持 塊(052)上的正弦電壓信號(hào)的幅值、相位信息進(jìn)而通過計(jì)算得出被測(cè)粒子的阻抗值。
全文摘要
微納米單粒子阻抗譜測(cè)量芯片及測(cè)量方法涉及微納米單粒子(含細(xì)胞)的表征技術(shù)，特別是微納米粒子的阻抗譜測(cè)量技術(shù)。測(cè)量芯片中，上蓋板(01)是透明材料，透明導(dǎo)電薄膜層(02)位于上蓋板(01)的下表面；芯片下基底(09)上設(shè)有導(dǎo)電薄膜(08)，在下層導(dǎo)電薄膜(08)上設(shè)有光電導(dǎo)層(07)，在電導(dǎo)層(07)上設(shè)有絕緣層(06)，在絕緣層(07)上設(shè)有單粒子夾持塊(05)，間隔層(04)位于上層透明導(dǎo)電薄膜(02)和下層導(dǎo)電薄膜(08)之間，進(jìn)樣口(03)位于上蓋板(01)的一側(cè)；單粒子阻抗譜測(cè)量方法為先接通用于粒子操控的電壓信號(hào)，在粒子群所在的區(qū)域(11)利用縮微光圖案(12)將目標(biāo)粒子捕獲并輸運(yùn)至單粒子夾持子塊(051和052)之間的槽中，然后關(guān)閉粒子操控電壓，接通阻抗譜測(cè)量電壓，結(jié)合動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀完成單粒子的阻抗譜測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N27/02GK101710087SQ200910213589
公開日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者倪中華, 易紅, 朱曉璐 申請(qǐng)人:東南大學(xué)