本实用新型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，涉及微流控芯片领域,特别是 微流控生物医学检测领域。

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, -// TAS)，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（electrorotationdielectrophoresis,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)禾口行波介电泳(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-Mossott復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Claushis-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。
三、 在芯片装置的功能集成方面：目前的芯片虽在个别功能上己有相当的发 展，但整合方面却发展缓慢。由于前处理操作通常需要根据具体需要制作不同的 物理实体电极阵列，而这些电极阵列不但缺乏柔性，而且制作成本居高不下，难 以推广使用。目前行波介电泳的作用主要是用于将粒子作长距离的输运，事实上，
粒子的行波介电泳(twEDP)速度也体现了粒子的介电特性信息而且在很多情况 下与粒子提升介电泳（Levitation-DEP， LDEP)以及电旋转介电泳（ROT-DEP)所 反映的粒子特性信息是互补的，而目前将LDEP和twDEP和ROT-DEP集成到单个 测试芯片中的研究甚少，处于起始阶段，目前的测试芯片还没有实现综合应用多 种模式的介电泳探索和分析粒子的介电特性。另一方面，在生物微粒介电特性测 试过程中，由于运用物理实体电极阵列产生的介电泳力很难实现对生物微粒的柔 性化的复杂操纵，难以将粒子牵引至最佳的测试区域。而基于光电效应原理的光模式可重构的虚拟电极，能够作为测试芯片上的柔性辅助操控工具,这种操控粒 子运动的现象称为光诱导介电泳现象，其原理简述如下：光电导材料在无光照情 形下拥有较高电阻，而接受光照时，明区光生载流子浓度迅速提高而使其局部电 导率迅速提高几个数量级，造成明暗区流层分压的不同，在空间形成非均匀电场 并产生了 "光诱导介电泳"现象。但是，目前的光诱导介电泳芯片虽然在对粒子 的捕获和运动路径引导方面极具优势，但却不能实现行波和电旋转介电泳模式测 试粒子的介电特性，无法满足多模式介电泳测试的需求。因此，如果将光模式虚 拟电极与物理实体电极阵列集成于单个芯片上，并充分发挥二者具有互补性的优 势，就能够准确的实现生物微粒介电特性的多模式介电泳测试。
综上，如果设计一种既能够全面准确的获取生物粒子的介电表征信息，又能 够实现高柔性、低成本的前处理操控的微流控医学检测芯片，就能够解决上述问 题，并实现生物医学检测领域的跨越式发展。
发明内容
技术问题：本实用新型的目的是提供一种微纳生物粒子介电表征装置，将 光模式虚拟电极和物理实体电极阵列集成于单个芯片之上，以实现两种电极的优 势互补，并且在芯片上完成粒子在提升介电泳、行波介电泳和电旋转介电泳作用 下的介电谱，进而实现高精度、低成本的粒子的介电表征，以解决目前获取生物 粒子的介电特性信息有限、整合前处理的微流控芯片成本过高，难以对介电性质 相近的微纳生物粒子进行识别及表征的缺陷。
技术方案：本实用新型提出采用由能够产生多模式介电泳的物理实体电极 阵列和基于光电效应的光模式虚拟电极阵列组成的多模式复合介电泳技术，实现 全面、准确和低成本的获取生物粒子的介电特性，并且结合计算机控制技术、机 器视觉及图像处理技术，实现集样品进样输运、精确捕获定位和路径引导及多模 式介电泳测试于一体的集成化介电表征装置。
为达到上述技术目的，本实用新型提出基于多模式复合介电泳技术的微纳生 物粒子介电表征装置包括介电表征芯片、微动工作台、激励信号产生装置、机器 视觉装置、虚拟电极投射器、主控系统。介电表征芯片放置于微动工作台上，可 以随微动工作台在水平方向上实现微小的移动。介电表征芯片的上方是机器视觉 装置，用于采集芯片中的粒子运动的视频图像，并转换为数字信号输出，机器视 觉装置中含有微动升降台，用于自动对焦系统的实现，介电表征芯片的下方是虚 拟电极投射器；虚拟电极投射器包括激光器、激光器支架、空间光调制器、縮微透镜筒，其内部光学器件集成度高，虚拟电极投射器的出射光线方向与介电表征 芯片的上下表面垂直，避免了改变光线传播方向的麻烦，而且縮短了光线的传播 距离，也减小了能量损失；激励信号产生装置为介电表征芯片提供合适的信号模 式，是介电表征芯片中的微系统能量的主要来源，激励信号产生装置包括正弦信 号源和移相电路模块，移相电路模块用于改变正弦信号源发出的信号的相位，输 出多路不同相位的信号；主控系统用于对采集得到的数据进行分析处理，同时对 激励信号产生装置、虚拟电极投射器、微动工作台和微动升降台发出指令信号， 主控系统包括计算机和一套生物粒子介电表征系统软件。
介电表征芯片包括进样口、透明绝缘盖片、上层透明导电薄膜、微流体腔、 中间间隔层、螺旋实体电极阵列、虚拟电极形成层（包括绝缘层、光电导层、 透明导电层）、透明绝缘基底、用于批量推进粒子的栅栏式虚拟电极阵列、用于 形成虚拟流道的块状虚拟电极、用于路径引导的光圈虚拟电极以及N个信号输入 端。螺旋实体电极阵列由N (N》3)根螺旋电极组成，中心有N个成圆周对称分 布的电极端形成电旋转腔，并在外围形成N个信号输入端,N个信号输入端所输 入的正弦信号的相位依次相差(360/N)度，相邻两根电极中心线的距离是相等 的，用于形成特定的电场分布，为测量生物粒子的介电运动响应提供条件；绝缘 层用于实现光电导层和螺旋实体电极阵列的电气绝缘，以及防止低频高压下的水 解现象；光电导层具有光电导的特性，即当被光照亮的区域其内部载流子数量剧 增，近乎导体，而没有被光照亮的区域其内部载流子数量很少，近乎绝缘体。
机器视觉装置用于采集芯片中的粒子运动的视频图像并转换为数字信号输 出，包括观测物镜、基于电荷耦合元件（CCD)的视频摄像头、高精度微动升 降台、视频采集卡（video capture board)。其中，观测物镜安装在视频摄像头下 方，且视频摄像头固定在高精度微动升降台上。具有不同的放大倍数和数值孔径 的观测物镜可以通过物镜转换器进行转换，以满足不同情况的需要。
激励信号产生装置包括正弦信号源、移相电路模块。正弦信号源能在计算机 控制下产生一定频率范围内的正弦信号，移相电路模块的输入端连接正弦信号 源，输出端有（N+2)个端子，输出（N+2)路信号，其中有N路正弦信号幅值相 等，相位之间依次相差（360/N)度且这N路信号具有共同的参考地电位，这N 路信号与介电表征芯片中的螺旋实体电极阵列的N个信号输入端相连接。另外两 个端子输出存在一定电压差的两个正弦信号，或者一个端子接地另一个端子输出 正弦信号，这两个端子分别与介电表征芯片的上下基板的透明导电薄膜相连接。
虚拟电极投射器包括激光器、激光器支架、空间光调制器、縮微透镜筒。激光器安装于激光器支架上，空间光调制器中含有DMD (Digital Micromirror Device)驱动版，激光以一定的入射角度入射到DMD芯片上，这个入射角度可 以通过将激光器绕激光器支架转动来改变。缩微透镜筒是一组将空间光调制器输 出的光图案縮小的透镜单元，縮微透镜筒的轴线与DMD芯片表面所在的平面垂 直，同时与介电表征芯片的上下表面所在的平面垂直。
主控系统包括计算机和一套生物粒子介电表征测试系统软件。主控系统一方 面通过向激励信号产生装置发送指令信号使激励信号的频率在一定范围内持续 变化，另一方面向虚拟电极投射器发送指令，使其向介电表征芯片投射虚拟电极 图案以用于测试过程中的粒子操控，同时实时的采集粒子在介电表征芯片中的运 动的视频图像并对其进行分析处理，最后分别得出粒子在提升介电泳、行波介电 泳和电旋转介电泳作用下的介电谱。
本实用新型提出的微纳生物粒子的多模式集成化介电表征的方法如下:样品 中的微纳生物粒子通过进样口被注射到介电表征芯片中，在光模式虚拟电极的作 用下，经过批量推进进入虚拟流道，然后在光圈虚拟电极的捕获和路径引导下移 动到螺旋实体电极阵列上方，接着，粒子开始在螺旋实体电极阵列形成的电场作 用下分别产生提升介电泳、行波介电泳和电旋转介电泳。主控系统通过向激励信 号产生装置发送指令信号使激励信号的频率在一定范围内持续变化，同时实时的 采集粒子在介电表征芯片中的运动的视频图像以及利用自动对焦系统检测目标 粒子的悬浮高度，进而通过相应的分析处理软件得出粒子在提升介电泳、行波介 电泳和电旋转介电泳作用下的介电谱，即得到粒子的悬浮高度、直线行进速度、 自旋角速度随螺旋买体电极阵列的激励信号的频率的变化曲线。通过比较各个生 物粒子的上述介电谱，找出差异，并进行归类即可实现这些性质相近的不同生物 粒子的高精度的介电表征。
有益效果：本发明提供的多模式集成化介电表征装置及方法以介电表征芯 片为核心，将螺旋实体电极阵列与光模式虚拟电极阵列集成于单个芯片上，通过 主控系统控制虚拟电极投射器和激励信号产生装置，实现运用光模式虚拟电极实 时且灵活的进行前处理和粒子位置的精确调控，并通过机器视觉装置对粒子运动 的视频进行分析处理，进而测出粒子在螺旋电极阵列上方的提升介电泳、行波介 电泳和电旋转介电泳的运动响应随螺旋电极阵列的激励信号的频率的变化曲线。 本发明通过测试生物微粒的三种模式介电泳响应来全面获取粒子的介电表征信 息，且同时融合光模式虚拟电极对螺旋电极阵列上方的粒子进行测试过程中的辅 助操控，克服了目前国内外同类研究中获取生物微粒介电特性信息不足、精度较
8低和集成度弱的缺陷，能够辨识介电特性差异很小的不同粒子，分辨能力更强。 在此基础上建立疾病诊断测试装置，通过检测不同生物粒子的介电特性差异对其 进行精确识别（比如从大量正常细胞中将少量病变初期的细胞识别出来），进而 实现重大疾病的早期、高精确度的诊断。
附图说明
图l为本实用新型微纳生物粒子介电表征装置结构示意图。
图2为本实用新型实施例的介电表征芯片结构示意图；
图3为本实用新型实施例的介电表征芯片的俯视图（揭去上基板）；
图4为本实用新型实施例的粒子介电响应测试前的目标粒子的初始位置分
布示意图（局部视图）。
以上的图中有：
介电表征芯片100、机器视觉装置200、主控系统300、激励信号产生装置 400、虚拟电极投射器500、微动工作台600;进样口 110 ,透明绝缘盖片120， 上层铟锡氧化物薄膜130,微流体腔140，中间间隔层150,螺旋实体电极阵列160， 由绝缘层171、光电导层172和透明导电层173组成的虚拟电极形成层170，透 明绝缘基底180 ，栅栏式虚拟电极阵列191，块状虚拟电极192，光圈虚拟电极 193，方形光圈虚拟电极194，第一信号输入端1601、第二信号输入端1602、第 三信号输入端1603、第四信号输入端1604;观测物镜210、基于电荷耦合元件 的视频摄像头220、高精度微动升降台230、视频采集卡240;计算机310和一 套生物粒子介电表征系统软件320;正弦信号源410、移相电路模块420;空间 光调制器510、縮微透镜筒520、激光器530和激光器支架540。

本实用新型提供的微纳生物粒子的多模式集成化介电表征装置的实施例参 见图1、图2、图3和图4。本实施例中的微纳生物粒子的多模式集成化介电表 征装置包括介电表征芯片100、机器视觉装置200、主控系统300、激励信号产 生装置400、虚拟电极投射器500以及微动工作台600。介电表征芯片100放置 于微动工作台600上且可以随微动工作台600在水平方向上实现微小的移动，移 动精度在1-5微米。介电表征芯片100的上方是机器视觉装置200，用于釆集芯 片中的粒子运动的视频图像，并转换为数字信号输出到主控系统300，介电表征 芯片100的下方是虚拟电极投射器500。虚拟电极投射器500包括空间光调制器510、縮微透镜筒520、激光器530和激光器支架540，虚拟电极投射器的出射光 线方向与介电表征芯片100的上下表面均垂直，且出射光图案的变换受主控系统 300的控制；激励信号产生装置400为介电表征芯片100提供合适的信号模式， 是介电表征芯片100中的微系统的能量的主要来源，激励信号产生装置400包括 正弦信号源410和移相电路模块420，移相电路模块420用于改变正弦信号源发 出的信号的相位，输出多路不同相位的信号；主控系统300用于对采集得到的数 据进行分析处理，同时对激励信号产生装置400和虚拟电极投射器500发出指令 信号，主控系统300包括计算机310和一套生物粒子介电表征测试系统软件320。
本实施例中，介电表征芯片IOO，如图2所示，包括进样口 110 、透明绝缘 盖片120、上层透明导电薄膜130、微流体腔140、中间间隔层150、螺旋实体电 极阵列160、虚拟电极形成层170(包括绝缘层171、光电导层172、透明导电层 173)、透明绝缘基底180、用于批量推进粒子的栅栏式虚拟电极阵列191 (参见 图3)、用于形成虚拟流道的块状虚拟电极192、用于路径引导的光圈虚拟电极 193、第一信号输入端1601、第二信号输入端1602、第三信号输入端1603、第 四信号输入端1604。本实施例中，螺旋实体电极阵列160由4根螺旋电极成， 中心有4个成圆周对称分布的电极端形成电旋转腔，并在外围形成4个信号输入 端（1601、 1602、 1603、 1604)(参见图3)， 4个信号连接端所输入的正弦信号 的相位依次相差(360/N)度，相邻两根电极中心线的距离是相等的，用于形成特 定的电场分布，为测量生物粒子的介电运动响应提供条件；螺旋实体电极阵列 160的材料可以选择透明的氧化铟锡薄膜，以便于观测，当螺旋电极阵列比较稀 疏且不影响观察的前提下可以选用金属；绝缘层171的材料可选择氮化硅，用于 实现光电导层172和螺旋实体电极阵列的电气绝缘，以及防止低频高压下的水解 现象;光电导层172具有光电导的特性，即当被光照亮时其内部载流子数量剧增， 近乎导体，而没有被光照亮时其内部载流子数量很少，近乎绝缘体；光电导层 172的材料可以选择氢化非晶硅或者掺杂的硫化镉(CdS)或者参杂的硒化镉(CdSe) 或者是硫化镉和硒化镉的组合。
本实施例中，机器视觉装置200用于采集芯片中的粒子运动的视频图像并转 换为数字信号输出，包括观测物镜210、基于电荷耦合元件(CCD)的视频摄像头 220、高精度微动升降台230、视频采集卡240 (参见图1)。其中，观测物镜210 安装在视频摄像头220下方，且视频摄像头固定在高精度微动升降台230上。
本实施例中，激励信号产生装置400包括正弦信号源410、移相电路模块420 (参见图1)。正弦信号源410能在主控系统300控制下产生一定频率范围内的正弦信号，移相电路模块420的输入端连接正弦信号源，输出端有（N+2)个端 子，输出（N + 2)路信号，其中有N路正弦信号幅值相等，相位之间依次相差 (360/N)度且这N路信号具有共同的参考地电位。另外两个端子输出具有一定 电位差的正弦信号，或者其中一个端子接地另一个端子输出正弦信号。
本实施例中，虚拟电极投射器500包括空间光调制器510、縮微透镜筒520、 激光器530和激光器支架540 (参见图1)。激光器530安装于激光器支架540 上，空间光调制器510中含有DMD (Digital Micromirror Device)驱动版，激 光器530通过自带的扩束器，发射出激光束，并以一定的入射角度入射到数字微 镜(DMD)芯片上，这个入射角度可以通过将激光器530绕激光器支架540转动 来改变。缩微透镜筒520是一组将空间光调制器510输出的光图案縮小的透镜单 元，縮微透镜筒的轴线与DMD芯片表面所在的平面垂直，同时与介电表征芯片的 上下表面所在的平面垂直。
本实施例中，主控系统300包括计算机310和一套生物粒子介电表征系统软 件320(参见图1)。主控系统300 —方面通过向激励信号产生装置400发送指令 信号使激励信号的频率在一定范围内持续变化，另一方面向虚拟电极投射器500 发送指令，使其向介电表征芯片100投射虚拟电极图案用于测试过程中的粒子操 控，同时实时的采集粒子在介电表征芯片中的运动视频图像并对其进行分析处 理，最后分别得出粒子在提升介电泳、行波介电泳和电旋转介电泳作用下的介电 谱。