技术领域
[0001] 本
发明涉及
生物芯片领域，特别涉及一种可施加电场的移频超分辨显微芯片。
背景技术
[0002] 生物体内细胞的行为受诸多影响因素的调控。除了化学梯度和物理
力之外，生物活动还通过一系列生物电学因素(通过离子通道和位于细胞膜处的
泵的内生电
信号)协调创建和修复体内结构。生物电场不仅在生物体形态发生和生长等生理过程中具有重要作用，而且参与了
机体重要的病理过程，如创伤愈合、组织再生和
肿瘤侵蚀等。为了研究细胞在电场作用下的响应规律可以采用外源
电刺激，即人为的通过恒压、恒流电源或
波形发生器，向细胞中引入电荷，使其产生动作电位变化。外源电刺激可以提供适当的生理环境来模仿内源性电场，以研究电场调控细胞跨膜电位以及调节细胞生长、分化和细胞功能(如形态、伸长、迁移和基因表达)的规律。目前电刺激芯片的观察
分辨率有限，无法研究在电场调控状态下的亚细胞结构变化，这大大限制了生物学的电场调控研究。为了突破衍射极限，光学超分辨方法是一种有效的研究工具。
[0003] 目前已有的经典超分辨显微方法如SIM、STED、STORM等都基于大型的光学系统，面临着操作复杂，设备昂贵笨重的缺点。光学超分辨显微芯片可以通过微纳加工将精密光路集成到光学
波导芯片上，提高了超分辨方法的可靠性和轻便性，并且批量化生产芯片可以大大降低超分辨显微的成本。移频超分辨技术是一种可以实现大视场、快速成像的超分辨方法。移频超分辨方法与芯片技术结合具有很大的应用前景。
[0004] 如公开号CN109374578A提供的一种移频超分辨显微芯片，利用了多边形波导不同方向倏逝场的干涉条纹照明
荧光标记样品。利用莫尔条纹将样品的高频信息转移到低频信息由显微系统采集，再通过
算法将最终的高频部分转移到原先
位置进行
频谱拼接，恢复出样品的细节信息。超分辨显微芯片具备集成度高、使用简便的优点，适合低成本批量化生产，但是这种超分辨芯片缺乏电学调控能力，限制了其在生物细胞研究中的作用。
[0005] 在生物芯片领域，目前还缺乏一种可以同时实现对生物细胞进行超分辨显微和电场调控的芯片。
发明内容
[0006] 本发明设计一种基于移频原理的光电集成超分辨显微芯片，利用此芯片，可以对细胞实现电学刺激调控，同时对细胞进行大视场、快速的超分辨显微成像研究，对研究细胞分子学、生物医学有着重要的意义，在进行智能便携式生物医学研究和临床检测方面具有重要而广泛的应用前景。
[0007] 本发明采用的技术方案如下：
[0008] 一种可施加电场的移频超分辨显微芯片，包括：
[0009] 波导，所述波导的中部为成像区域，用于引入激发光并产生倏逝场干涉条纹激发位于成像区域的荧光颗粒，进行显微成像；
[0010]
电极，由波导边缘向所述成像区域延伸，用于引入电场刺激所述成像区域内的样品。
[0011] 本
申请利用波导输入激发光，利用产生倏逝场的干涉条纹照明荧
光标记样品，激发荧光颗粒并采集，通过移频进行显微成像；同时，可以结合电极，观察细胞电学刺激调控。
[0012] 本申请中的波导应采用可见光范围损耗较小的导光材料；作为优选的，所述波导的材料为SiO2、SiN、TiO2、GaP或Al2O3。
[0013] 上述的波导可以为长方形其他正多边形，长方形波导两端引入激发光可以实现一维超分辨；正多边形的每条边均引入激发光，可以实现二维超分辨。
[0014] 作为优选的，所述的波导为多边形，所述波导各边的入射激发光产生的倏逝场重叠区域处于中部的成像区域，每条边均具有延伸至所述成像区域的电极。
[0015] 电极为波导边的中点与最近的有效成像区域的
顶点连线。电极通过外部的引线连接至
电压/
电流控制器或者波形发生器上，可以选择施加不同的电平和波形来刺激细胞。
[0016] 选用电极应考虑到材料的其他物理化学性质，以及加工成本；同时，进一步的，所述电极的材料需具备
导电性和
生物相容性，为导电
聚合物、
石墨烯、
碳纳米管、ITO、TiN、铂或金等。其中，导电聚合物包括Ppy、PEDOT和聚苯胺等。
[0017] 作为优选的，所述的电极为长条形，且垂直于波导的激发边。
[0018] 本申请中，导电材料(即电极)分布区域为长条形矩形，为了减小电极区域对传输倏逝场的影响，导电电极的长边与波导的激发边垂直分布。
[0019] 作为优选的，还包括铺在波导下方的衬底，所述电极位于波导表面或位于波导与衬底之间。
[0020] 本申请中，所述的电极成对分布，且相对于成像区域的中心对称；电极的
水平分布是中心对称的，在纵向截面的分布，可以位于波导材料的表面，也可以位于波导材料与衬底之间。但是需要保证导光层的上下两层材料是低折射率材料，必要条件下需要在导光层与电极材料之间增
镀一层低折射率波导材料。即作为优选的，所述的波导与衬底间设有低折射率层，电极位于低折射率层下方，所述低折射率层的折射率低于波导。
[0021] 作为优选的，所述的衬底为Si衬底。
[0022] 本发明具有的有益效果是：既可以进行超分辨显微又可以对观察生物样品进行电学刺激调控，可进行批量化制备，系统轻便，使用方便。
附图说明
[0023] 图1为电极分布设计示意图；
[0024] 图2是一维波导俯视图；
[0025] 图3是一种一维芯片的截面设计，电极分布在光波导上表面；
[0026] 图4是另一种一维芯片的截面设计，电极分布在波导下面，在光波导传输层与电极之间有一层低折射率光波导；
[0027] 图5是一维电极电场分布仿真图；
[0028] 图6是芯片实际使用示意图，中间成像区域放置有细胞样品。
[0029] 其中101是电极，102是光波导，103是成像区域；201是激发光，202是电极，203是成像区域，204是荧光颗粒，205是高折射光波导材料，206是衬底材料，207是低折射光波导材料。
具体实施方式
[0030] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体
实施例的限制。
[0031] 如图1所示的二维移频成像超分辨显微芯片，以一个十边形波导为例，包括电极101和多边形的光波导102，光波导102中间的白色区域是有效成像区域103，即十边形波导的照明光重叠区域。电极为黑色长条形，为波导边的中点与最近的有效成像区域的顶点连线。电极通过外部的引线连接至电压/电流控制器或者波形发生器上，可以选择施加不同的电平和波形来刺激细胞。
[0032] 如图2阐述一维超分辨波导及电极设计的俯视图，采用矩形的光波导。成像区域203位于波导中间区域，电极202对称分布于成像区外波导的两端。激发光201由波导的两端耦合进入波导，在波导的表面产生倏逝场干涉条纹，激发位于波导成像区表面的荧光颗粒
204，最后通过移频效应恢复出一维超分辨图。
[0033] 如图3和图4阐述一维超分辨波导及电极设计的侧面图，设置有衬底材料206，采用矩形的波导。其导电材料(电极202)既可以位于成像波导的表面，如图3所示，也可以位于成像波导的底部，如图4所示，图中低折射率波导材料207指的是材料光学折射率低于倏逝场传输材料(高折射光波导材料205，即波导)，可选的有SiO2或者其低折射率掺杂材料。图3所示的设计中，金属(电极202)位于波导的表面，会对倏逝场的传输产生一定的影响，因而为了尽可能减小其影响，需要尽可能将电极的宽度减小，同时也要保证其导电性即
电阻不至于过大。图4的设计中避免了金属对于传输倏逝场的影响，因而
对电极宽度没有限制，但由于需要先增镀和
刻蚀导电材料，再进行后续的
镀膜，增加了加工的难度。在实际情况中需要考虑成本和实现的可能性，根据具体的使用条件选择合适的方案。
[0034] 如图5阐述一维电极施加电压产生的电场示意图。
[0035] 图6阐述芯片的使用方法和细胞样品的分布。实际成像样品需要贴在芯片表面一百纳米以内，对于细胞研究可以培养细胞贴壁生长在中间成像区域。
[0036] 假设用金作为电极材料，该芯片的制备流程如下：
[0037] (1)制备光波导多边形区域；
[0038] (2)镀上一层
光刻胶，掩膜版曝光，显影；
[0039] (3)镀金膜，其厚度小于光刻胶的厚度；
[0040] (4)清洗掉剩余的光刻胶。
[0041] 以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
