CN101430942B - 一种具有微粒抬升装置的光钳装置 - Google Patents

Abstract

本发明披露一种具有抬升装置的光钳装置。微粒抬升装置包括基板与多个电极，这些电极设置于基板的流道底侧。当带有悬浮粒子的介电电泳动溶液被导引流经流道上的电极处，并施加电压于这些电极时，前述粒子会受到负介电电泳动力驱动而向上抬升至流道的特定深度。此时光学钳夹可选择性地聚焦于流道的特定深度处。

Description

一种具有微粒抬升装置的光钳装置

技术领域

本发明涉及一种具有微粒抬升装置的光钳装置，特别涉及一种运用介电电泳动技术的微粒抬升装置与应用其的光钳装置。

背景技术

过去在微机电***(micro electro mechanical system，MEMS)、纳米(nano)技术或生物医学(biomedical)领域中，很少能够针对微小粒子，例如纳米分子、蛋白质、细胞或病毒等，进行单一粒子的处理。目前，由于材料与制程技术的发达，使许多运用于控制微小粒子的微流***逐渐发展起来。这些微流***大多运用于粒子的侦测、分离或筛选。然而，这些微流***的制程大多非常复杂，且有时所处理的粒子尺寸过小，使微流***在实地操作时仍存在着相当大的问题。

光学钳夹(optical tweezers)的技术在操控微米等级的粒子上有很大的帮助。一般是使用单束激光光聚焦，并利用光子动量的变化去操控粒子。由于光的非机械破坏性特质，使光学钳夹的技术被广泛的应用在微机电***、纳米技术或生物医药等领域中。然而，光学钳夹虽然可以通过激光束的聚焦以操控其焦平面上的粒子，但是在操作时并不能保证送入的粒子都位于焦平面上。如此一来，光学钳夹便无法有效地执行其操控粒子的功能。

发明内容

本发明涉及一种具有微粒抬升装置的光钳装置，其广泛应用于微机电、纳米技术或生物科技等领域，以针对微小粒子进行检测、抬升或分类等处理。

本发明提出一种微粒抬升装置，此装置包括基板与多个电极。这些电极被设置于基板的流道底侧。当带有悬浮粒子的介电电泳动溶液被导引流经流道上的电极处，并施加电压于这些电极时，前述粒子会受到负介电电泳动力驱动而向上抬升至流道的特定深度。

本发明还提出一种光钳装置，此装置包括光学钳夹与微粒抬升装置。微粒抬升装置包括基板与多个电极。这些电极被设置于基板的流道底侧。当带有悬浮粒子的介电电泳动溶液被导引流经流道上的电极处，并施加电压于这些电极时，前述粒子会受到负介电电泳动力驱动而向上抬升至流道的特定深度。光学钳夹便可选择性地聚焦于该流道的特定深度处。

为使本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所示附图，作详细说明如下：

附图说明

图1A为依照本发明实施例一的微粒抬升装置的示意图。

图1B为图1A的电极的立体图。

图2A为图1部分电极配置于基板的示意图。

图2B为图2A电极产生的电场在Z方向上的梯度图。

图3A为图1流道导入溶液的剖示图。

图3B为图3A驱动电压与粒子抬升高度的关系图。

图4为依照本发明实施例一的光钳装置的示意图。

图5A为依照本发明实施例二的微粒抬升装置的示意图。

图5B为图5A单一电极的示意图。

图6是图5A中A-A’剖面线所模拟的电场分布图。

图7和图8示出了本发明一实施例中的微粒抬升装置300的实际试验结果。

具体实施方式

实施例一

请参照图1A-1B，图1A为依照本发明实施例一的微粒抬升装置的示意图，图1B为图1A的电极的立体图。如图1A所示，微粒抬升装置100包括基板110与多个电极。这些电极被设置于基板110的流道115底侧。当带有悬浮粒子的介电电泳动溶液被导引流经流道115上的电极，并施加电压于这些电极时，前述粒子会受到负介电电泳动力(dielectrophoresis，DEP)驱动而向上抬升至流道115的特定深度。

基板110上的电极可区分为二组电性相反的电极，由此当施加电压到这些电极时，可产生电场的作用。如图1 A所示，基板110上设置有多个第一电极E1与多个第二电极E2，当施加电压时，使第一电极E1的电性与第二电极E2的电性相反。优选地，这些第一电极E1与第二电极E2交错设置于流道上。如图1B所示，前述各个电极的形状例如是角锥状结构。

介电电泳动溶液例如是由箭头A1处进入导引到流道115上，并由箭头A2处导出流道115。介电电泳动溶液中带有许多粒子，为了得到负介电电泳动力驱动的效果，使介电电泳动溶液的导电系数实质上大于粒子的导电系数。如此一来，当电场产生时，介电电泳动溶液的极化程度会大于粒子的极化程度，使粒子朝电场弱的地方移动。以下附图说明本实施例如何通过负介电电泳动力抬升粒子。

请参照图2A-2B，图2A为图1部分电极配置于基板的示意图，图2B为图2A电极产生的电场在Z方向上的梯度图。如图2A所示，各个电极的直径d大约为10微米(μm)，而两相邻电极的间距S大约为50μm。各个第一电极E1与第二电极E2外接到一交流电源，此交流电源的驱动电压频率约为1百万赫兹(MHz)。如图2B所示(正规化后的结果)，在前述参数设计下，仅单看Z方向的电场分布，第一电极E1与第二电极E2在流道115中产生的电场大小是随着与基板110底侧距离加大而减少(以流道115底侧为Z＝0的位置)。换句话说，与流道115底侧距离越大的地方，电极E1、E2所产生的电场强度越弱。

请再参照图3A-3B，图3A为图1流道导入溶液的剖示图，图3B为图3A驱动电压与粒子抬升高度的关系图。本实施例的粒子P直径大小约为10μm，其是乳胶材质的粒子，而介电电泳动溶液L则为去离子水(de-ionized water)溶液，二者的其它特性请见表1。

表1

	介电常数	导电系数
			去离子水	80	1.3E-4
粒子	7	1.0E-12

由于去离子水溶液的导电系数远大于乳胶粒子的导电系数，当电极E1、E2通电并产生电场时，去离子水溶液的极化程度会大于乳胶粒子的极化程度。因此，即对粒子P产生负介电电泳动力FDEP，使粒子P朝向电场弱的地方移动。如图3A所示，由于距基板110底侧越远的电场强度越弱，粒子P便会在移动的过程中逐渐向上抬升。另外，如图3B所示，若是电极E1、E2的驱动电压越大，其所产生的电场强度也会越大，使得粒子P所抬升的高度越大。由前述的特性，当粒子P进入流道115后，使用者可以通过调整驱动电压的大小，以进一步控制粒子P抬升的高度。

虽然在此已限定了粒子P的大小为10μm，然而在实际的运用上，本实施例的微粒抬升装置100并不受限于粒子体积的大小。负介电电泳动力实际上是与粒子大小、溶液的介电常数、电场强度等因子有关。而在粒子抬升的过程中，负介电电泳动力也必须克服粒子本身的重力。由于负介电电泳动力以及粒子的重力都与粒子体积相关(也就是在等式中可消去相同的因子，例如粒子的直径)，因此并不会因为粒子的尺寸而影响抬升的效果。也就是说，就算在溶液中带有许多大小不同的粒子，在相同驱动电压下，都可以在流道115中将所有粒子抬升到相同的高度。

再者，虽然本实施例一是以去离子水溶液与乳胶粒子作试验与说明，但是实际上本实施例的微粒抬升装置100也可运用于其它种类粒子的抬升或筛选。只要根据粒子的特性以搭配合适的溶液即可。

如此一来，本实施例的微粒抬升装置100不仅可以大幅运用在不同种类与大小的粒子上。且只要调整驱动电压大小，就可以改变粒子在流道中的深度，在后续处理时更为方便。举例来说，本实施例的微粒抬升装置100应用于光钳装置时，由于可以自由地操控粒子上升的高度，因而可有效解决因激光光聚焦位置错误而无法顺利控制粒子的问题。另外，若是再搭配检测的步骤，也可以针对特定粒子做筛选的处理，以下对其进行附图说明。

请参照图4，其为依照本发明实施例一的光钳装置的示意图。如图4所示，光钳装置200包括光学钳夹210、检测单元230、控制单元250与微粒抬升装置100。控制单元250电性连接到光学钳夹210的激光光源215、检测单元230与微粒抬升装置100的驱动电源270。检测单元230用以提供检测粒子的机制，其是影像感测装置、光电感测装置、电气感测装置、磁性感测装置或前述各感测装置的组合。检测单元230可针对装置中的粒子特性，进行不同项目的特性识别。例如影像感测装置的粒子图像识别、光电感测装置的粒子折射/散射比对、电气感测装置的粒子导电/介电性比对、磁性感测装置的粒子磁效应(磁通量)比对等。

至于微粒抬升装置100，如前所述，其控制各电极的驱动电压，以调整粒子P的抬升高度。且微粒抬升装置100搭配光学钳夹210设计，使粒子P经抬升后，会恰好位于激光光的聚焦处。由此，便可有效地解决粒子P无法定位在光学钳夹210的聚焦处的问题。

带有粒子P的介电电泳动溶液L例如是从微粒储存槽(未示出)经微帮浦(未示出)导入流道中(箭头A1处)。首先粒子P会通过检测区I，由检测单元230检测每个经过的粒子。当然，粒子P经检测单元230检测后，其后续处理方式可依照此光钳装置200的用途去加以设定。举例来说，若是要将具有特定性质的粒子P由微粒储存槽中筛选出来，当粒子P经检测后，检测单元230会传送信号至控制单元250，由控制单元250判断粒子P是否是所要分离出来的粒子。若是，控制单元250会进一步启动微粒抬升装置100的抬升机制。控制单元250是根据粒子P的检测数据去开启驱动电源(交流电)270，以施加适当的驱动电压于各电极上，进而产生相应的不均匀电场。当粒子P进入微粒抬升装置100时，便会受到负介电电泳动力的作用而向上移动。当然，当粒子P抬升到特定高度时，光学钳夹210便可将粒子P箝制住再作进一步的处理。如此一来，只有要被筛选出来的粒子才会进入抬升机制，其余的粒子都会经由流道出口排出(箭头A2处)。

另一种分类方式是直接利用光学钳夹210的光学导引线作粒子分类的操作。同样以图4作说明，当粒子P由微粒储存槽进入光钳装置200后，每当检测单元230检测到粒子P进入后，便会传递信号给控制单元250。控制单元250接收到信号后，随即启动抬升机制。如前所述，微粒抬升装置100的抬升机制并不会受到粒子大小影响，因此可有效地将所有粒子抬升到一定的高度(光学钳夹210的聚焦平面处)，再由光学钳夹210执行粒子分类的步骤。目前，光学钳夹210的技术已可以让激光光在聚焦平面上形成多个光学导引线，这些光学导引线针对具有不同特性的粒子作设计。举例来说，例如尺寸较大的粒子会产生较大的导引偏折效应，如此即可通过是否产生偏折，而达到微粒分类的目的。

另外，本实施例所使用的光学钳夹技术中，可通过计算机或类似计算处理单元，对光路中的光学绕射组件进行调整，以产生符合需求的光学导引机制。因此可将前述的检测机制所得的结果、粒子抬升机制的运作与光学钳夹的光路设计共同汇总于同一处理单元(例如位于控制单元250中)。如此即可针对实际处理的检测体进行优选的设计，以提高实际上运作时的效果。

实施例二

请参照图5A-5B，图5A为依照本发明实施例二的微粒抬升装置的示意图，图5B为图5A单一电极的示意图。如图5A所示，微粒抬升装置300的基板310上设置有多个电极，这些电极包括电性相反的第一电极E1与第二电极E2。其中，所有的第一电极E1相连接，而第二电极E2也相连接，由此，当驱动时，可以使所有的第一电极E1或第二电极E2具有相同的电性与电压大小。第一电极E1与第二电极E2交错设置，使施加电压于电极E1、E2后，在基板310上可产生不均匀电场。

如图5B所示，电极E1、E2由板件构成，且每个电极的两个尖端相连接而使电极近似于蝴蝶状。在本实施例的试验中，所采用的电极的宽度W约为140μm，而电极两尖端的间距G约为20μm，并使驱动电压的范围介于0-10伏特，而驱动频率约为1-100赫兹。在前述的参数设计下，所得到的电场分布请参照图6，图6所示的电场分布是图5A中A-A’剖面线所模拟的结果。在本实施例中是将直径约为10μm的乳胶粒子与去离子水溶液混和，至于粒子与去离子水的其它特性则见于表1。

如图6所示，当X方向(X、Y方向的定义请见图5B)上的距离逐渐加大，则电场强度越弱。当电场强度下降到最低点，则会再逐渐加大。对照图5A或5B时，当电极E1、E2上施以电压时，在基板310中央处的电场强度最小(对应电极尖端连接处)。微粒抬升装置300的实际试验结果请见图7-8。此试验是将粒子由基板310上的三个不同位置处释放到流道中(由箭头A1处进入流道，并由箭头A2处离开)，图7-8中不同位置的粒子分别以蓝色、绿色、红色粒子代表，且基板310上以不同颜色显示的区块是代表不同的电场强度。由表1可知，由于乳胶粒子的导电系数远小于去离子水溶液的导电系数，因此粒子的极化程度小，在电场中会受到负介电电泳动力作用而朝电场强度弱的地方移动。这些可以从图7-8的步骤1-10观察到，粒子虽然是由三个不同位置处释放，但随着去离子水溶液流动的过程中，粒子会逐渐移动到基板310的中央处(电场强度最弱的地方)。

在前述作用下，微粒抬升装置300除了对流道中的粒子产生类似于“捕捉”(trapping)的效果，还可以让粒子以排序的方式呈现，如此一来，更有利于后续粒子的处理。举例来说，本实施例的微粒抬升装置300也可以搭配检测单元作粒子的特性检测。当粒子以排序的方式前进时，可避免多个粒子同时经过检测单元时造成的误判。另外，当粒子以排序的方式前进时，会更有利于粒子的计数处理。

实施例一与二的微粒抬升机制与光钳装置相关技术，可广泛的应用于微机电、纳米技术或生物科技等领域。举例来说，用于生物血液或体液内部的组成分类：例如血液中不同细胞的分类与计数，或过滤液体中所含的杂质、颗粒等。

本发明上述实施例所披露的微粒抬升装置与应用其的光钳装置，是在基板的流道底侧设置电极，以于施加电压后产生不均匀电场。由于粒子与溶液的极化程度不同，粒子会受到负介电电泳动力的作用，使粒子在悬浮流动的过程中向上抬升。光钳装置的光学钳夹便可在流道中的特定位置捕捉粒子，以进一步针对粒子作后续的处理。此外，通过适当地设计电极的形状与配置方式，可使粒子在流道中呈现近似于排序的效果，也有利于粒子的后续处理。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例披露如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变动与修饰。因此，本发明的保护范围当视后所附的权利要求书所界定的范围为准。

主要组件符号说明

100、300：微粒抬升装置    200：光钳装置

110、310：基板   115：流道

210：光学钳夹    215：激光光源

230：检测单元    250：控制单元

270：驱动电源    E1：第一电极

E2：第二电极     L：介电电泳动溶液

P：粒子          I：检测区

Claims (8)

1.一种光钳装置，包括：

光学钳夹；以及

微粒抬升装置，包括：

基板，具有流道，带有多个悬浮粒子的介电电泳动溶液被导至所述流道上；以及

多个电极，设置于所述基板上，并位于所述流道的底侧，所述电极包括多个第一电极与多个第二电极，所述第一电极与所述第二电极的电性相反，当施加电压于所述电极时，所述基板上产生电场，使所述粒子随所述介电电泳动溶液流经所述电极时，受到负介电电泳动力驱动而向上抬升至所述流道的特定深度，而所述光学钳夹选择性地聚焦于所述流道的所述特定深度。

2.根据权利要求1所述的光钳装置，其中所述粒子的导电系数实质上小于所述介电电泳动溶液的导电系数。

3.根据权利要求1所述的光钳装置，其中当调整所述电极的电压时，所述粒子受到的负介电电泳动力随之改变，使所述粒子在所述流道中的深度改变。

4.根据权利要求1所述的光钳装置，其中所述各电极为角锥状结构。

5.根据权利要求1所述的光钳装置，其中所述第一电极与所述第二电极交错设置。

6.根据权利要求1所述的光钳装置，其中所述光学钳夹激光聚焦处实质上位于所述流道的所述特定深度处。

7.根据权利要求1所述的光钳装置，还包括：

检测单元，用以检测所述粒子的特性，使所述微粒抬升装置由此控制所述电极的驱动电压，以调整所述粒子的抬升高度。

8.根据权利要求7所述的光钳装置，其中所述检测单元是影像感测装置、光电感测装置、电气感测装置、磁性感测装置或前述各感测装置的组合。

Images