Измерительная ячейка для диэлектрофоретических исследований

Полезная модель относится к устройствам для определения физических характеристик микрочастиц методом диэлектрофореза, в частности поляризуемости микрочастиц, и может быть использована в метрологии, биофизике и аэробиологии.
5
Известен биологический микрочип для измерения параметров микрочастиц методом диэлектрофореза, в частности вирусов для их идентификации. Биологический микрочип включает оптически прозрачную пластину-матрицу со съемным покровным стеклом, на которой сформирована одна или несколько ячеек, ограниченных по крайней мере тремя и более электродами, установленными с зазором относительно друг друга и соединенными с источником переменного напряжения, обеспечивающим последовательно на частотах отрицательного и положительного диэлектрофореза формирование между электродами неоднородного переменного электрического поля со средней напряженностью Е>10 В/м (пат. РФ №2477310, МПК G01N 27/453, опубл. 10.03.2013 г.).
Недостатками указанного устройства является:
наличие множества электродов, которое для измерения величины поляризуемости не требуется;
большая собственная паразитная электрическая емкость, которая сокращает частотный диапазон применения измерительной ячейки и величины поляризуемости.
Известна камера для комплексного анализа параметров живых клеток, содержащая разъемный корпус, выдвижную платформу с расположенными на ней электродами и установленным на них отстоящим от платформы покровным стеклом (пат. РФ №2357251, МПК G01N 33/487, опубл. 27.05.2009 г.). Устройство предусматривает создания в одной камере условий как для микроэлектрофореза, так и для диэлектрофореза.
Недостатками указанного устройства является выполнение электродов с большим радиусом закругления, а в качестве материала электродов использован графит. В результате возможно наличие переходного сопротивления электрического контакта между электродом и контактными площадками разъема со стороны генератора напряжения.
4
6
Наиболее близким аналогом (прототипом) является ячейка для измерения физических параметров микрочастиц, в частности поляризуемости, методом диэлектрофореза, образованная между двумя оптически прозрачными пластинами и содержащая два металлических хромированных прямоугольных электрода, расположенных с зазором относительно друг друга, достаточным для формирования в измерительном объеме средней напряженности неоднородного переменного электрического поля в пределах от 10 до 10 В/м (пат. РФ №2296327, МПК G01N 27/00, опубл. 27.03.2007 г.). Зазор между двумя электродами в экспериментальной конструкции ячейки устанавливают в пределах 50-100 мкм, а толщина указанных электродов составляет 0,2-2 мкм.
Однако, в выше указанных конструкциях измерительных ячеек (аналогах и прототипе) не учитывается образование индуцированного объемного заряда совокупности микрочастиц, которые искажают структуру электрического поля между электродами в измерительном объеме. В результате, индуцированный объемный заряд способен влиять на процесс поляризации отдельной микрочастицы, ее реакцию в широком амплитудно-частотном диапазоне в ответ на воздействие со стороны неоднородного переменного электрического поля (НПЭП). Таким образом, такой подход без сомнений является общим недостатком всех выше указанных конструкций.
Кроме того, недостатком ячейки-прототипа является узкая щель между электродами, малая ширина прямоугольных электродов. В результате частицы располагаются в измерительной камере близко относительно друг друга; реакция микрочастицы в ответ на воздействие со стороны внешнего электрического поля зависит от характеристик соседней близко расположенной к ней микрочастицы и ее местоположения; невозможно наблюдать одновременно более 30 частиц с радиусом r 2-4 мкм, которые не оказывают влияние на поляризацию друг друга, получать их представительную выборку, осуществить статистическую обработку с вероятностью 0,95, например, по величине радиуса, скорости поступательного движения, поляризуемости.
Малая ширина прямоугольных электродов, приводит к сокращению области поля со стабильными пространственными характеристиками неоднородного переменного электрического поля. В результате возрастает суммарная относительная погрешность градиента напряженности электрического поля между электродами в плоскости X-Y, а также общая погрешность всех измеряемых характеристик микрочастиц.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности измерения физических характеристик микрочастиц, в частности поляризуемости, методом диэлектрофореза за счет минимизации искажения структуры электрического поля между электродами, а также снижения относительной погрешности измерения указанного параметра частиц микронного размера в измерительном объеме.
4
6
Указанный технический результат достигается тем, что в ячейке для измерения физических характеристик микрочастиц методом диэлектрофореза, образованной между двумя оптически прозрачными пластинами и содержащая два металлических прямоугольных электрода, расположенных с зазором относительно друг друга, достаточным для формирования в измерительном объеме средней напряженности неоднородного переменного электрического поля в пределах от 10 до 10 В/м, согласно полезной модели, поверхность контактных площадок электродов ячейки на участке подключения к электрическому разъему генератора переменного электрического напряжения покрыты золотом, ширина (В) прямоугольных электродов в зазоре между двумя электродами имеет размер не менее 3-5 мм, зазор (D) между электродами в области измерительного объема (А) ячейки составляет 120-180 мкм, а высота (Н) электродов в области измерительного объема ячейки составляет не более 0,2 мкм.
Покрытие контактных площадок электродов измерительной ячейки в области подключения к электрическому разъему золотом обеспечивает устранение влияния переходного сопротивления на участке электрод - электрический разъем со стороны генератора напряжения. При этом стабилизируется амплитуда напряжения непосредственно на электродах и напряженность электрического поля в измерительной камере. Увеличение зазора между электродами до 120-180 мкм и ширины электродов не менее 3-5 мм обеспечивает увеличение объема измерительной камеры, а процесс измерения физических характеристик, в частности величины поляризуемости микрочастиц, осуществляется в центральной области между электродами.
В результате уменьшается отношение индуцированного объемного заряда одной измеряемой микрочастицы к общему всей измерительной ячейки, а также уменьшается степень влияния между индуцированными объемными зарядами измеряемых микрочастиц между собой.
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для измерения физических характеристик микрочастиц методом диэлектрофореза. На фиг. 2 изображена схема ячейки, размещенная на предметном столе микроскопа. На фиг. 3 представлена конструкция измерительной ячейки в изометрии. На фиг. 4 представлена измерительная ячейка, вид сверху. На фиг. 5 приведена область поля измерительного объема между электродами со стабильными пространственными характеристиками неоднородного переменного электрического поля и эквипотенциальные линии напряженности электрического поля между электродами в измерительной ячейке.
4
6
Устройство для измерения физических характеристик микрочастиц методом диэлектрофореза включает разборную оптически прозрачную измерительную ячейку 1 (фиг. 2, 3), например между двумя стеклянными пластинами, в которой расположены металлические электроды 2 и 3, соединенные с источником электропитания 4, а также измерительный блок. Источник электропитания 4 представляет собой генератор переменного электрического напряжения, а измерительный блок (фиг. 1) содержит микроскоп 5, оптически связанный с измерительной кюветой 1 и систему анализа изображения для измерения скорости движения микрочастиц, содержащую видеокамеру 6, оптически связанную с микроскопом 5, и компьютер 7, соединенный с видеокамерой 6. Компьютер 7 содержит специализированную программу обработки изображений. Измерительная кювета 1 размещена на подвижном столе микроскопа 5 (фиг. 2). Причем электроды 2 и 3 в измерительной ячейке 1 установлены с зазором (D), достаточным для формирования в нем средней напряженности электрического поля в пределах от 10 до 10 В/м.
Поверхность контактных площадок 8 и 9 соответственно электродов 2 и 3 ячейки 1 на участке подключения к электрическому разъему источника 4 электропитания (генератора переменного электрического напряжения) покрыты золотом. Ширина (В) прямоугольных электродов 2 и 3 в зоне измерительного объема имеет размер не менее 3-5 мм. Зазор (D) между электродами 2 и 3 в области измерительного объема (А) ячейки 1 составляет 120-180 мкм, а высота (Н) электродов в области измерительного объема ячейки 1 составляет не более 0,2 мкм (фиг. 3-5).
Конструкция устройства дополнительно предусматривает наличие осциллографа (на чертежах не показан), подключенного к электродам 2 и 3 измерительной ячейки 1 для контроля электрических параметров, а также соединенный с цифровой видеокамерой 6 монитор компьютера.
4
6
Устройство работает следующим образом. Измерительную ячейку 1 устанавливают на подвижный стол микроскопа 5 и фиксируют на нем указанную ячейку 1. В измерительную ячейку 1 вносят пробу суспензии микрочастиц, например, латекса с известной степенью разведения. На электроды 2 и 3 измерительной ячейки 1 подают напряжение (не более 10 Вольт) от источника 4 (генератора) переменного напряжения, между которыми формируют среднюю напряженность электрического поля в пределах от 10 до 10 В/м. С помощью видеокамеры 6 регистрируют динамику движения отдельных микрочастиц в измерительной кювете 1. С видеокамеры 6 видеосигнал динамики движения микрочастиц подают на компьютер 7, имеющий специализированную программу обработки изображений, где обрабатываются данные и вычисляются характеристики микрочастиц, в частности их поляризуемости.
Теоретическое обоснование возможности повышения точности измерений поляризуемости микрочастиц. Повышение точности измерения коэффициента поляризуемости клеток осуществлялся путем анализа уравнения (1) с целью минимизации величины относительной погрешности
ср
где: η - [Па⋅с];
кл
ν - скорость поступательной движения клетки в измерительной камере;
кл
r - радиус клетки, м;
o
-12
ε - диэлектрическая постоянная 8,85⋅10, Ф/м;
2
3
- модуль вектора градиента квадрата напряженности электрического поля среды, скалярная величина, В/м.
В векторной алгебре операция деления на вектор отсутствует, поэтому множитель  в знаменателе уравнения (1) приводится к скалярной величине. Модуль произвольного вектора в трехмерном евклидовом пространстве есть скаляр, пропорциональный его длине:
x
y
z
где ∇, ∇, ∇ - компоненты векторного оператора.
Искомая относительная погрешность измерений поляризуемости , как скалярная величина, находится через частное дифференцирование функции (1) по всем переменным. Она не превышает суммы отдельных взятых по модулю относительных погрешностей: вязкости суспензии клеток , радиуса клетки , скорости ее движения  и градиента квадрата напряженности плоского электрического поля  в месте ее нахождения.
здесь  - абсолютная погрешность измерений радиуса клетки.
Наибольшую долю ~40% в нее вносят измерения связанные с характеристиками электрического поля и расстояние между электродами. Для снижения относительной погрешности измерения величины поляризуемости следует уменьшать каждое слагаемое, входящее в его состав (2). Например,
-  уменьшение относительной погрешности измерений переменного напряжения на электродах, достигается снижением абсолютной погрешности  путем применением вольтметра с более низкой абсолютной погрешностью, увеличением U напряжения на электродах, устранением переходных потерь (переходного сопротивления) напряжения на участке электрод - разъем со стороны генератора, увеличением L расстояния между электродами (см. выражение 3). Аналогично, уменьшение  - абсолютной погрешности измерения расстояния между электродами измерительной ячейки. В совокупности, это приведет к снижению величины относительной погрешности поляризуемости. Применение заявляемой ячейки для диэлектрофореза в экспериментальных исследованиях позволяет достичь погрешности измерения относительной поляризуемости частицы микронного размера не более 12,6% (см. таблица).
Таким образом, заявляемое устройство для измерения физических характеристик, в частности поляризуемости микрочастиц, методом диэлектрофореза позволяет сформировать область поля в измерительной ячейке со стабильными пространственными характеристиками неоднородного переменного электрического поля, а также минимизировать влияние переходного сопротивления на участке электрод измерительной ячейки - электрический разъем со стороны источника 4 (генератора напряжения), а также индуцированных объемных зарядов клеток друг на друга, что позволяет повысить точность измеряемой поляризуемости.