微纳米单粒子阻抗谱测量芯片及测量方法

摘要

微纳米单粒子阻抗谱测量芯片及测量方法涉及微纳米单粒子(含细胞)的表征技术，特别是微纳米粒子的阻抗谱测量技术。测量芯片中，上盖板(01)是透明材料，透明导电薄膜层(02)位于上盖板(01)的下表面；芯片下基底(09)上设有导电薄膜(08)，在下层导电薄膜(08)上设有光电导层(07)，在电导层(07)上设有绝缘层(06)，在绝缘层(07)上设有单粒子夹持块(05)，间隔层(04)位于上层透明导电薄膜(02)和下层导电薄膜(08)之间，进样口(03)位于上盖板(01)的一侧；单粒子阻抗谱测量方法为先接通用于粒子操控的电压信号，在粒子群所在的区域(11)利用缩微光图案(12)将目标粒子捕获并输运至单粒子夹持子块(051和052)之间的槽中，然后关闭粒子操控电压，接通阻抗谱测量电压，结合动态信号分析仪完成单粒子的阻抗谱测量。

说明书

技术领域

本发明涉及微纳米单粒子(含细胞)的表征技术，特别是微纳米粒子的阻抗谱测量技术。

背景技术

阻抗谱测量是通过在被测样品的两端施加交流电压，然后通过信号分析仪，得出样品中的粒子群体的阻抗随频率的变化关系。阻抗谱测量是研究细胞或其他微纳米粒子的电特性的一种重要方法，能够实现对微纳粒子群体的表征。电阻抗测试和分析在药物筛选、疾病诊断及治疗、食品检验、环境监测等领域都得到了广泛的应用。面向生物样品的阻抗谱测量称为生物阻抗技术(bio-impedancetechnology)，其具有快速、电极结构简单、易操作的特点，逐步成为生物医学研究中一个有效的分析工具。

目前的阻抗谱测量技术面向的是粒子群体，对单个粒子的控制和测量无能为力，无法实现对粒子群体中的特定的某个单粒子进行测量。而在很多情况下，对单个粒子(含单细胞)的阻抗谱的研究都很有必要且具有重要意义：能够辨别出同一粒子群体中的少量粒子独特的电性质，或者可以细致的分辨出同一粒子群体中任何两个粒子之间的差异，或者实现对特定的某个单粒子的阻抗特性进行研究。

因此，在继承上述阻抗谱测量的基本原理的基础上，如何实现对样品群体中某个特定的单粒子进行阻抗测量是解决上述局限的关键问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供微纳米单粒子(含单细胞)的阻抗谱测量芯片及测量方法，以解决目前的阻抗谱测量技术难以实现对样品中特定的某个单粒子的进行阻抗谱测量的问题。

技术方案：本发明提供了一种微纳米单粒子(含单细胞)阻抗谱的测量芯片及测量方法，能够任意的选取同一粒子群体中的某个单粒子在同一芯片中完成阻抗谱测量。本发明采用的技术方案是：

本发明提供的单粒子阻抗谱测量芯片包括上盖板、上层透明导电薄膜、进样口、间隔层、单粒子夹持块、绝缘层、光电导层、下层导电薄膜、下基底和芯片内部腔体。上盖板是透明绝缘材料，可以选择玻璃或有机玻璃制作；间隔层由绝缘材料制作，且位于上层透明导电薄膜和下层导电薄膜之间，用于支撑芯片内部的腔体；芯片下基底上设有导电薄膜，在下层导电薄膜上设有光电导层，在电导层上设有绝缘层，在绝缘层上设有单粒子夹持块，进样口位于上盖板的一侧；单粒子夹持块包括配对的两个子块，且一对夹持子块均为良导体。当需要并行的测量多个粒子的阻抗谱时，可以有多对夹持子块，每对夹持子块用于一个粒子的测量。光电导层由具有光电导特性的材料制作，下基底为绝缘材料。

在上层透明导电薄膜和下层导电薄膜之间施加用于粒子操控的交流电压；在每一对夹持子块之间施加用于粒子阻抗测量的交流电压。当用于粒子操控的交流电压接通时，运用缩微光图案直写装置生成微小的动态光图案(光图案可以实时运动)，并将缩微光图案从芯片下方或者上方投射至光电导层上，由于光电导层上的明区和暗区的电导率不同，使得腔体中形成非均匀电场，进而形成介电泳力。上述的缩微光图案直写装置从计算机获取图像信号经过数字微镜器件(DMD)驱动板生成动态光图案并经过透镜光路单元形成微小光图案进而投射到芯片上的微小区域。通过对数字微镜的投影控制，可以使光圈图案将样品中的粒子群中的某个单个粒子捕获，并将该粒子输运到夹持块中间的槽中，使粒子夹持于一对夹持子块之间。当这两个导电夹持子块上施加电信号之后，电流即可通过被测的粒子(即夹持住的粒子)，然后通过外部的信号分析仪对通过被测粒子两端的电信号进行分析，经过信号转换，得到在一定频率范围内的被测粒子的阻抗(或导纳)。单个粒子的捕获和输运过程可以通过显微图像采集装置进行观察和记录，实时的监测目标粒子的运动情况。图像采集装置包括显微镜、CCD摄像机以及图像采集转换单元，其输出端与计算机连接。

本发明提供的单粒子(含单细胞)阻抗谱测量方法为：

步骤1：在上层透明导电薄膜和下层导电薄膜之间施加用于粒子操控的交流电压信号；

步骤2：使用缩微光图案直写装置生成缩微光圈图案(光图案以外的区域是暗区)，并投射至芯片的光电导层上，然后并将缩微光圈移动至粒子群所在的区域，捕获目标单粒子；

步骤3：将捕获的粒子向夹持块的方向输运，并使目标粒子被夹在一对夹持子块之间的槽内。

步骤4：将前述用于粒子操控的电压信号关闭，然后在一对夹持子块之间施加用于阻抗测量的交流电压信号，使电信号通过被测的单粒子，在预定的范围内调节信号源的频率，并由信号分析仪实时采集一对夹持子块上的正弦电压信号的幅值、相位等信息进而通过计算得出被测粒子的阻抗值。

有益效果：本发明提出微纳米单粒子(含细胞)阻抗谱测量芯片及测量方法，在继承传统阻抗谱测量的优点的基础上，通过将光电导层和配对的夹持子块集成于一个芯片之中，实现单个粒子(包括细胞)阻抗谱的测量。本发明通过动态的缩微光图案捕获单个目标粒子并将目标粒子输运至一对夹持子块之间，操纵过程具有很高的柔性和可重构性，有利于实现同一粒子群体中的不同个体粒子的选择性测量。本发明提供的配对的夹持子块结构具有结构简单、便于制造的优点。本发明提供的阻抗谱测量方法步骤少，操作便捷、快速。

附图说明

图1为本发明实施例中的单粒子阻抗谱测量芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例中的单粒子阻抗谱测量试芯片内部的俯视图。

以上的图中有：

上盖板01、上层透明导电薄膜02、进样口03、间隔层04、单粒子夹持块05、绝缘层06、光电导层07、下层导电薄膜08、下基底09、芯片内部腔体10；

第一夹持子块05 1、第二夹持子块052、粒子群体聚集区域11、捕获光圈12、捕获状态下的粒子位置131、夹持状态下的粒子位置132。

具体实施方式

本发明提供的单粒子阻抗谱测量芯片的实施例参见图1和图2，包括上盖板01、上层透明导电薄膜02、进样口03、间隔层04、单粒子夹持块05、绝缘层06、光电导层07、下层导电薄膜08、下基底09、芯片内部腔体10。上盖板01是透明材料，可以选择玻璃或有机玻璃制作；透明导电薄膜层02的材料可选用铟锡氧化物薄膜；间隔层04由绝缘材料制作(例如可以选用SU-8光刻胶)，用于支撑芯片内部的腔体10；单粒子夹持块05包括第一夹持子块051和第二夹持子块052；夹持子块(051和052)均为良导体，可以选用金、银、铝等材料制作；绝缘层06可以选用氮化硅材料制作；光电导层07可以选用氢化非晶硅；下层导电薄膜08可以透明也可以不透明；下基底09可以选择玻璃或硅片。

本实施例中，在上层透明导电薄膜02和下层导电薄膜08之间施加第一路交流电压(用于粒子操控)；在第一夹持子块051和第二夹持子块052之间施加第二路交流电压(用于阻抗谱测量)。

本发明提供的单粒子阻抗谱测量方法的实施例参见图2。当第一路交流电压(用于粒子操控)接通时，运用缩微光图案直写装置生成微小的动态光图案，并将缩微光图案从芯片下方或者上方投射至光电导层07上，由于光电导层07上的明区和暗区的电导率不同，使得腔体中形成非均匀电场，进而形成介电泳力。上述的缩微光图案直写装置从计算机获取图像信号经过数字微镜器件(DMD)驱动板生成动态光图案并经过透镜光路单元形成微小光图案进而投射到芯片上的微小区域。通过对数字微镜的投影控制，可以使用光圈图案12在粒子群11中某个单个粒子所在的位置131将该粒子捕获，并将该粒子输运到粒子的夹持位置132，使粒子夹持于第一夹持子块051和第二夹持子块052之间。当这两个导电夹持子块上施加电信号之后，电流即可通过被测的粒子(即夹持住的粒子)，然后通过外部的动态信号分析仪对通过目标粒子的电信号进行分析，经其内部的信号转换，得到在一定频率范围内的被测粒子的阻抗(或导纳)。单个粒子(包括细胞)的捕获和输运过程可以通过显微图像采集装置进行观察和记录，实时的监测目标粒子的运动情况。图像采集装置包括显微镜、CCD摄像机以及图像采集转换单元，其输出端与计算机连接。

本发明提供的单粒子阻抗谱的测量方法的实施例的具体步骤如下：

步骤1：在上层透明导电薄膜02和下层导电薄膜08之间施加用于粒子操控的交流电压信号；

步骤2：使用缩微光图案直写装置生成缩微光圈图案(光图案以外的区域是暗区)，并投射至芯片的光电导层07上，然后将缩微光圈12移动至粒子群所在的区域11，捕获单个目标粒子；

步骤3：将捕获的粒子向夹持块05的方向移动，并使目标粒子被夹在第一夹持子块051和第二夹持子块052之间的V型槽内。

步骤4：将用于粒子操控交流电压信号关闭。然后在第一夹持块051和第二夹持块052上施加用于阻抗测量的交流电压信号，使在预定的范围内调节信号源的频率，并通过信号分析仪实时采集第一夹持块051和第二加持块052上的正弦电压信号的幅值、相位等信息进而通过计算得出被测粒子的阻抗值。