CN101076717A - 用于粒子分离和量化的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用时变的力场来分离和量化粒子的方法和设备。力场可以是针对介电电泳(正或负)、电泳或电流体动力运动的。

Description

用于粒子分离和量化的方法和设备

技术领域

本发明涉及分离具有不同物理属性的粒子、和/或测量粒子数量或尺寸的方法和设备。本发明主要应用于生物样本的分析和分离。

背景技术

G.Medoro的专利申请PCT/WO 00/69565描述了一种使用介电电泳电势的封闭笼(closed cage)来操作和定位粒子的设备和方法。此外，PCT/WO 00/69565讲授了分离方法。第一种方法是基于对不同细胞种群的负(NDEP)和正(PDEP)的介电电泳(DEP)的差动作用，如果粒子都遭受NEDP或PDEP，则不可能区分粒子。而其他分离方法要求使用来自于设备中集成的传感器的信息，当没有这种传感器时，无法实施分离方法。

已知许多其他分离方法，但都要求使用液体流动，因为这要求产生控制良好的流体，所以在许多应用中这是不希望的特性。在Electrophoresis 2002，23，2569-2582M.P.Hughes、Electrophoresis2002，23，1973-1983P.R.C.Gascoyne，j.Vykoukal以及相关文献参考中给出了对这些方法的评论，主要关注于介电电泳的使用。

特别地，授予Becker等的专利US 5,888,370中讲授了使用介电电泳来确定液流的速度图(speed-profile)中的粒子高度，之后执行粒子的分离。

其他基于介电电泳的分离方法不要求使用液流，但是它们使用所谓的行波(TWD)。这些方法基于在经适当相移的射频(例如，0、90、180、270度)上的正弦电压电极阵列中的应用。结果产生以一速度(VTW)在空间中传播的电场，该速度(VTW)等于电极之间的距离，以单个正弦电压的周期来划分相同的相位。在粒子上感应的极化与产生极化的电场之间的相移引起粒子以小于VTW的幅度量级的速度、与极化非同步地平移。因此，在分离之后，不可能保持对粒子位置的精确控制，而这种精确控制在许多应用中是需要的，例如，希望通过将粒子放置在传感器上来确定所分离粒子的数量。

本发明废除了已知技术的局限，即使粒子遭受相同的力(例如，NDEP)，本发明也可以分离粒子，本发明不需要液流，并可以在分离或测量期间和之后，保持对粒子位置的控制。

发明内容

本发明涉及使用时变的非均匀力场来分离粒子的方法和设备。力场可以是针对介电电泳(正或负)、电泳或电水利运动的，其特征在于针对粒子的稳定平衡点集合。

当受到力场作用时，粒子的物理属性确定粒子的移动速度。第一目标是隔离受到力场影响最多的粒子，换言之，最快的粒子。第二目标是隔离受到力场影响较少的粒子，换言之，稍慢的粒子。第三目标是沿一个方向分离受到力场影响最多的粒子，并沿相反方向分离受到影响较少的粒子。另一目标是间接地量化一种类型的粒子群，以确定该粒子群的响应速度或单个粒子的尺寸。

在所述方法的一个方案中，使场的稳定平衡点以一定速度在空间中平移，所述速度基本上与样本中最快粒子的平移速度相当，从而只有最快粒子通过改变位置而跟随场的稳定平衡点，而最慢粒子不受影响。

根据本发明，这些平衡点的平移也可以以变化的速度进行，当这按照与具有空间周期性的场有关的周期规律发生时，是特别有用的。在所述方法的一个方案中，具有空间周期性的力场的平衡点沿第一方向高速平移一段时间，以引起等于场的空间周期的移动，并沿与第一方向相反的第二方向低速平移一段时间，以消除场的整体移动，从而引起最慢粒子沿第二方向平移，而最快粒子没有移动。

在所述方法的另一方案中，场的平衡点沿第一方向高速平移一段时间，以引起与场的空间周期减去对应于产生该场的电极的周期的量相等的移动，从而引起最快粒子沿第一方向平移、以及最慢粒子沿相反方向平移。

在所述方法的另一方案中，受到重力作用的粒子经受所施加的力的影响的不同衰减，从而引起移动速度的变化，由此确定粒子的分离。

在所述方法的另一方案中，通过介电电泳的力将粒子分群，并利用粒子对场的平移的不同响应速度，间接地确定群中粒子的数量或粒子的尺寸。

本发明的另一方案是可以有利地实施前述方法中的一些的设备，所述设备只包括被施加了不同时变电势的两个电极阵列。

以下，术语“粒子”将用于指示：微米或纳米的、自然或人工的实体，例如细胞、亚细胞成分、病毒、脂质体、类脂质体(niosome)、微珠(microbead)和纳珠(nanobead)；或者甚至更小的实体，例如宏分子、蛋白质、DNA、RNA等；以及悬浮介质中的不溶合液滴，例如水中的油或油中的水。

附图说明

图1示出了用电极阵列产生力场的原理。

图2示出了聚苯乙烯(polystyrene)的微珠的平移速度的一些实验数据和仿真。

图3示出了使用以恒定速度传播的场进行分离的原理。

图4示出了使用以逐渐增大的速度传播的场进行分离的原理。

图5示出了通过周期性场的周期性平移来分离最快粒子。

图6示出了通过不同场配置的周期性场的周期性平移来分离最快粒子。

图7示出了通过周期性场的周期性平移来分离最慢粒子。

图8示出了通过周期性场的周期性平移来沿相反方向分离最快粒子和最慢粒子。

图9示出了沿相反方向分离的实验结果。

图10示出了使用强度逐渐减小的平移场进行分离。

图11示出了粒子群的速度与构成该群的粒子数目之间的关系图。

图12示出了由相同均质材料形成的粒子的速度与粒子直径之间的关系图。

图13示出了确定成群(或单个)粒子的临界速度以确定粒子数目(或直径)的原理。

图14示出了仅使用两个稳定平衡点集合来进行分离的原理。

图15示出了执行仅使用两个稳定平衡点集合的分离方法的设备。

具体实施方式

本发明的目的是创造一种根据粒子的物理属性或量化、或者对其尺寸的确定来分离粒子的方法和设备。所述方法是基于使用非均匀力场(F)的。例如，该场可以是负(NDEP)或正(PDEP)介电电泳(DEP)场、电泳场(EF)或电流体动力(electrohydrodynamic)运动(EHD)场。

力场的产生

图1示出了根据现有技术、使用在至少一个基片(SUB，SUB2)上制成的电极阵列(EL)产生力场的一些方法。盖子(cover)(LID)本身也可以是电极，它包围着微室，在使用时，微室中填充具有特定粘度的液体。在DEP的情况下，所施加的电压是相位(+)和反相位(-)形式的周期性电压(优选的是正弦)。可理解，反相位的电压是相移了180度的电压。该场产生同时作用于较快粒子(FP)和较慢粒子(SP)的力(F)，两种粒子被吸引朝向平衡点(PEQ)。根据所施加电压的配置，可以识别与稳定平衡点(PEQ)的位置相对应的坐标(DEPC)、以及与不稳定平衡点相对应的坐标(WS)(即不同稳定平衡点的吸引域的边界)。这些线理想地形成一种分水岭，该分水岭确定粒子易于向哪个稳定平衡点移动。在负DEP(NDEP)的情况下，如果盖子(LID)是导电电极，则可以制成封闭力笼。平衡点(PED)通常在液体中相比于电极的特定高度处，所以当处于稳定状态时，粒子(SP，FP)是悬浮的。在正DEP(PDEP)的情况下，平衡点(PEQ)通常与其上形成有电极的表面相对应，当处于稳定状态时，粒子(SP，FP)与该表面接触。对于PDEP，因为PDEP的平衡点与电场的最大强度相对应，所以盖子中不必具有附加电极。

在可以限定电极的周期性(EPIT)的情况下，该场可以具有空间周期性(CPIT)，该空间周期性(CPIT)是电极的周期性(EPIT)的倍数。

分离属性

当力场(F)的稳定平衡点移动了一个步幅(EPIT)，从而改变施加到电极(EL)上的电压(+，-)配置时，粒子朝着新的平衡点会聚，进行会聚的时间大致取决于粘滞摩擦力与场(F)的力之比。图2示出了根据施加到电极上的正弦电压的峰峰幅度，在力场平衡点移动EPIT步幅(在特定情况下，等于25μm)之后，直径分别为3μm和10μm、受到NDEP作用的聚苯乙烯微珠完成等于半个EPIT步幅的移动所必需的时间的一些实验数据和仿真。对于相同的粒子材料，场(F)的力与体积(即，半径的立方)成比例，而粘滞力与半径成比例，所以具有更大半径的粒子(FP)将比半径更小的粒子(SP)移动地更快。根据本发明，如下所述地利用这种效应来分离粒子、量化粒子群或确定这种粒子的尺寸。对于本领域普通技术人员，显然速度差别也可能发生在直径相同(相同的粘滞摩擦力)的粒子上，在这种粒子上，力场(F)的作用强度不同。在这种情况下，受到力场(F)作用强度更大的粒子(FP)比受到力场(F)作用强度更小的粒子(SP)移动地更快。

此外，显然本方法也可以有效地应用于场以相同的力作用在所有粒子上、但粘滞摩擦由于粒子材料或形状不同等而不同的情况下。

分离原理利用由场(F)产生的、空间非均匀且受到控制而移动的力与均匀作用的力之间的平衡。如上所述，这种力可以是粘滞摩擦，但是，例如也可以是重力。例如，场(F)以相同力作用，而具有相同粘滞摩擦(例如具有相同直径)的两个粒子可能具有不同质量。在这种情况下，使设备倾斜，从而重力具有沿力场(F)的移动方向的非零分量，这将使粒子具有不同速度，从而无论如何也可以应用本方法。一般而言，粒子之间的一种不同物理属性足以可以进行分离。例如，作为区分粒子依据的物理属性可以是直径、形状、形成粒子的材料、成分材料的相对比例和排列、或甚至是表面属性。在其他情况下，物理属性可以包括电荷。很明显，物理属性也可以是前述属性的组合。例如，在不限制本发明目的的前提下，可以提及如下离子的分离：

·相同类型但具有不同尺寸的细胞；

·相同类型但具有不同机能属性的细胞；

形态异常的精子细胞与正常精子细胞；

·相同尺寸但具有不同细胞质组成的细胞；

·凋亡细胞与活体细胞；

·感染病毒或胞内寄生物的细胞与未感染细胞；

感染AIDS的细胞与未感染细胞；

感染疟疾的细胞与未感染细胞；

感染衣原体的细胞与未感染细胞；

·配有抗体的细胞与未配有的细胞；

·不同类型的细胞：

红细胞与淋巴细胞；

红细胞与红细胞骨髓细胞；

精子细胞与阴道上皮细胞；

·不同尺寸但具有相同含量(content)的脂质体；

·不同尺寸的微珠；

3μm和10μm的聚苯乙烯珠；

6μm和15μm的珠；

·相同尺寸但具有不同表面机能性(functionality)的微珠：

以氨络物群机能化的3μm珠与非机能化的珠；

·相同尺寸但具有不同表面电荷的微珠；

·带正电荷的微珠与中性微珠；

·细胞与病毒；

·不同类型的病毒；

·不同分子量的DNA片断；

·具有不同的质荷比的蛋白质。

用非周期速度(单波)进行分离的方法

图3示出了根据本发明的方法的第一方案，第一方案使用恒速平移的场来执行分离。初始，所有粒子被吸引到与唯一平衡点相对应的相同位置(DEPC)。场以平均速度V_F、并以等于重复步幅(EPIT)的离散距离而平移，平均速度V_F定义为重复步幅(EPIT)与场前进与EPIT相等的距离所经过的时间t_f之间的比，即V_F＝EPIT/t_f。只有能够以等于或大于V_F的速度而移动的粒子(FP)可以持续地跟随该平移。较慢的粒子(SP)无法跟上，结果落在后面。由此，它们留在场的吸引点的后面很远，以致受到的吸引越来越小，从而大致停止在出发(departure)点附近。可选地，可以从在例如出发坐标NDEPC处创建的新平衡点收集这些慢粒子。可选地，可以采用更低的平移速度(更长的t_f)来进一步分离，以将在出发点重新收集的粒子分离为不同速度的种群。

与上述类似，可以采用随时间增大的吸引点的平移速度来进行分离。在这种情况下，例如图4中所示，粒子初始跟随吸引点的坐标(DEPC)，直到平移速度超过粒子的响应于场的速度极限。在这种情况下，也可以创建新的吸引点(NDEPC)，以收集留在后面的粒子。

显然，本方法也可以应用在初始力场没有单个平衡点而具有多个点的时候。

使用力场在空间中的连续、非连续或分段的移动，相同的分离技术也是可实施的。

用周期性速度进行分离的方法

力场(F)的平移速度也可以是周期性的。当力场具有空间周期性(CPIT)时，这特别有用。为了简单起见，定义数目pitch＝CPIT/EPIT代表以电极数目表达的场的重复周期。以下列出了本方法的以下方案。

快粒子的平移

图5示出了用具有周期性力场的周期(tp)的周期性速度(VF)来分离快粒子的分离。在第一时间段pitch·t_f中，场以恒定的平均速度V_F＝EPIT/t_f平移，从而使场的平移等于一个空间周期(CPIT)。在第二时间段(tw)中，场保持静止，从而使粒子到达新的平衡点，该新的平衡点与慢粒子(SP)的原始开始坐标相对应，并与快粒子(FP)的、平移程度与场的平移(CPIT)相同的新位置对应。在这种情况下，区分的临界速度是： $v_{\mathrm{ws}}=\frac{\mathrm{CPIT}/2}{(\mathrm{pitch}-1)\·t_f}=\frac{\mathrm{CPIT}}{\mathrm{CPIT}-\mathrm{EPIT}}\·V_F/2.$ 在时间方面，常规的临界时间可以定义为 $t_{\mathrm{ws}}=\frac{\mathrm{EPIT}}{v_{\mathrm{ws}}}=2\frac{\mathrm{CPIT}-\mathrm{EPIT}}{\mathrm{CPIT}}{t}_f.$ 花费比这个时间更长的时间来完成一步幅的粒子将返回到漂移位置。实际上，沿X轴的力通常不是恒定的。因此，当存在与粘滞摩擦的平衡时获得的极限速度在WS与DEPC之间不恒定。因此，上述公式是指示性的，必须对其进行经验校正或通过数值仿真来确定，以获得更加精确的值。等待时间(tw)是指场保持静止，以使慢粒子(SP)稳定在原始位置、快粒子(FP)稳定在新位置处的时间，等待时间(tw)指示性地至少等于t_w＝α_w(pitch-2)·t_f，其中考虑到稳定速度典型地低于平移期间的速度，因子α_w≥1。确实，在平移期间，在大部分时间粒子都在力更加强的场区，因此粒子移动得更快。

因此，总周期是t_p＝[pitch+α_F·(pitch-2)]·t_f。能够根据总周期，定义分离的平均速度v_sep＝CPIT/t_p＝V_F/[pitch+α_F·(pitch-2)]，快粒子(FP)以该平均速度在周期中移动，即，v≥v_ws的粒子。图6示出了在不同的场配置中如上所述地分离最快粒子的分离。

慢粒子的平移

图7示出了通过以周期性(tp)速度(VF)的平移、在周期性力场中对较慢的粒子进行分离。本方法的第一部分整体上与沿第一方向分离快粒子的前述方法相似，在此之上还添加了第二部分，在第二部分中，使快粒子(FP)和慢粒子(SP)沿与第一方向相反的第二方向平移，从而获得较慢的粒子(SP)沿第二方向的净平移，而最快粒子没有移动。即使在这种情况下，平移的粒子是具有较低速度v≤v_ws的粒子，并且完成步幅的时间更长t＞v_ws，临界速度v_ws和临界时间t_ws也保持针对前述情况而定义的临界速度和临界时间。时间t_b定义了第二速度极限。太慢的粒子(v＜v_ws2＝EPIT/t_b)无法完全跟随沿第二方向的移动。因此它们失去了与场移动的同步性，基本上保持静止，或者沿难以预测的方向很少地移动。循环的总周期是t_p＝pitch·(t_f+t_b)+t_w。根据该总周期，获得分离的平均速度v_sep＝CPIT/t_p＝CPIT/[pitch·(t_f+t_b)+t_w]，所选粒子(SP)以该平均速度在周期中移动，即，v＜v_ws的粒子。

慢粒子和快粒子沿相反方向的平移

图8示出了在周期性场中通过周期性平移将最快粒子和最慢粒子沿相反方向进行分离。

在第一时间段(pitch-1)·t_f中，场以等于V_F＝EPIT/t_f的空间周期EPIT中的恒定平均速度、沿第一方向平移，从而场的总平移等于(pitch-1)·EPIT。在第二时间段(tw)中，场保持不动，从而使粒子到达新的平衡点，该新的平衡点相对于场的原始位置和平移方向而改变坐标，对于较慢粒子(SP)，该坐标是-EPIT，而对于最快粒子(FP)，该坐标是CPIT-EPIT。

在这种情况下，区分的临界速度是 $v_{\mathrm{ws}}=\frac{\mathrm{CPIT}-2\·\mathrm{EPIT}}{2}\·\frac{1}{(\mathrm{pitch}-2)\·t_f}=V_F/2.$ 常规的临界时间是t_ws＝EPIT/v_ws＝2·t_f。花费比该时间更长时间来完成步幅的粒子将返回到慢粒子(SP)的类别中，而花费更短时间的粒子划分到快粒子(FP)的类别中。

其中场保持不动以允许慢粒子到达新的平衡点的第二时间段必须大于t_w＝α_w(pitch-1)·t_f，如上所述，其中考虑到从坐标WS开始到达新的平衡点的稳定时间典型地大于从平衡点到WS所需的时间，因子α_w≥1。在这种情况下，t_w的实际值确定了另一极限。过度缓慢而无法在这段时间内返回到-EPIT处的平衡点的粒子失去了同步性。

因为上述平移应该进行与pitch相等的次数，以完成等于场周期的平移，所以分离的循环周期可以定义为

t_p＝pitch·[(pitch-1)·t_f+t_w]＝pitch·[(1+α_w)(pitch-1)·t_f]

在该周期中，慢粒子平移了DXSP＝-pitch·EPIT，快粒子平移了DXFP＝pitch·(pitch-1)·EPIT。快粒子(FP)的分离速度是 $v_{\mathrm{sepFP}}=\frac{\mathrm{EPIT}}{(1+{\mathrm{\α}}_w)\·t_f},$ 慢粒子(SP)的分离速度是 $v_{\mathrm{sepSP}}=\frac{\mathrm{EPIT}}{(1+{\mathrm{\α}}_w)(\mathrm{pitch}-1)\·t_f},$

图9示出了在具有45μm宽的伸长电极和5μm的间隙(EPIT＝50μm)的设备上，将在介电电泳的活动笼中由NDEP捕获的、水溶液中的10μm(SP)和25μm(FP)的聚苯乙烯微珠沿相反方向分离的实验结果。导电透明盖子形成高130μm的微室。施加的电压频率为1MHz，幅度为4.7Vpp。与具有相位(-)的电极相对应，与盖子一样，制作力笼(DEPC)(pitch＝3)。图8的每幅图中的照片表示场平移的第一反复的初始条件(STEP 1)和后面两个步骤(STEP2，STEP3)。

对于本领域普通技术人员，显然根据本发明，其他方法可以实现为上述方法的组合。例如快粒子的周期性平移，其中，在该周期中场平移了该场空间周期的倍数。或者以快粒子的周期性速度重复分离序列，但是力场的速度(V_F)减小，从而将初始种群中的粒子分离为一系列群中，其中由速度区间将每个群特征化。

此外，显然，在NDEP情况下的上述方法也很容易推广到笼的尺寸是单个电极的倍数(例如，笼由具有盖子的在相位(-)的两个相邻电极产生，并由在相反相位(+)上的电极包围，而不是由单个电极包围)的情况。

最后，显然上述与力场(F)的平移相关的情况可以容易地推广到其他类型的移动，例如旋转，这对于相对于点(而不是轴)对称的电极阵列非常有用。然而，为了简单起见，在以下继续的描述中将参考平移。

使用非均匀电压进行分离的方法

此外，可以改变在平移期间施加到电极上的电压强度。这一般包括场的强度变化，尽管如此，力线(force line)保持相同配置。例如，可以使场(F)恒速平移，以分离快粒子，而在此期间减小场的强度，从而只有更易响应的粒子(FP)跟随场，而那些相对于粘滞摩擦力受到场的影响较少的粒子(SP)留在后面，失去了其步幅。图10中给出了一个示例。

使用非均匀电极阵列进行分离的方法

在上述示例中考虑了具有相等宽度和空间周期性EPIT的规则电极阵列。根据本发明方法的另一方案涵盖了电极阵列不规则的情况。例如，可以使用尺寸固定但电极之间的距离可变的电极，或者尺寸可变但电极之间的距离相同的电极，或者宽度尺寸和电极之间的距离都可变的电极。

在这些情况下，除了改变力场的平衡点位置之外，力场的强度也在平移期间改变，并且一般而言，场的形状也改变，即力线不仅平移，还发生形变。

与前述方法的描述类似，可以将基本上跟随场的平移的粒子与那些无法跟上的粒子相分离，或者可以利用场的非均质性，通过将粒子都推向相同方向、直到场变形到不再能够输送两种粒子中的仅仅一种，来分离不同直径的粒子。此外，显然相同的分离方法可以应用于分离多于两个类型的粒子的普遍情况。

仅使用两种场配置进行分离的方法

在上述示例中考虑了力的配置在空间中的演替：允许粒子沿特定方向移动并因此将其分离所必需的力的配置的最小数目是两个。的确，如14所示，可以用适当的电极分布和施加的电压(V1，V2)来仅使两个力(F1，F2)的分布以稳定平衡点集合(GSEP1，GSEP2)为特征，使得所述集合(GSEP1，GSEP2)之一的任何第一平衡点(SEP1，SEP2)明确地包括在另一集合(GSEP2，GSEP1)的单个第二平衡点(SEP2，SEP 1)的吸引域内部，并且所述第二点本身不包含在所述第一点(SEP1，SEP2)的吸引域中；这样，当从一种力的配置到达下一配置时，粒子沿特定方向移动；但是，当返回到先前的力的配置时，粒子不反向移动，而是沿相同方向继续移动。通过以适当速度交替两种力的配置，可以移动更易响应的粒子(FP)，而使不易响应的粒子(SP)静止或留在后面。这种方法要求场的空间非均质性和空间非重复性；例如，可以使用如下详细描述的本发明的设备来满足上述要求。

根据本方法，通过以基本上与第一类型粒子(FP)在新平衡点处的稳定时间的倒数相当、但比至少第二类型粒子(SP)的稳定时间的倒数更大的频率来改变力场的配置，以获得仅仅所述第一类型粒子(FP)的净移动，从而可以分离至少两种类型的粒子(FP，SP)。根据本方法，也可以分离至少两种尺寸(BP，LP)的粒子。实际上，当粒子(BP)比稳定平衡点的吸引域大得多时，该粒子(BP)受到多于一个平衡点的吸引，因为力的合成不足以推动粒子(BP)向任一平衡点移动，所以粒子不移动。因此，为了执行小粒子(LP)的分离，可以：产生力场的空间第一分布(F1)，以针对所述粒子(BP，LP)的第一平衡点集合(GSEP1)为特征；以及产生至少力场的空间第二分布(F2)，以针对所述粒子(BP，LP)的第二平衡点集合(GSEP2)为特征；其中所述两种力的分布(F1，F2)使得所述集合(GSEP1，GSEP2)之一的任何第一平衡点(SEP1，SEP2)明确地包括在另一集合(GSEP2，GSEP1)的单个第二平衡点(SEP2，SEP1)的吸引域内部，并且所述第二点本身不包含在所述第一点(SEP1，SEP2)的吸引域中；并且每个第一平衡点(SEP1，SEP2)的吸引域的尺寸大于或小于包含它的所述单个第二平衡点(SEP2，SEP1)的吸引域的尺寸；然后，以与两种类型粒子(BP，LP)的稳定时间的倒数相当的频率来交替改变所述力场的分布(F1，F2)，从而使所述粒子(BP，LP)从一个新平衡点移动到下一个平衡点，直到粒子的尺寸与吸引域的尺寸相当。如果吸引域的尺寸逐渐减小，实际上大粒子(BP)将早于小粒子(LP)而停止，从而得到小粒子(LP)的总的净移动大于大粒子(BP)的总的净移动。

通过间接测量平移速度来量化粒子群的方法

在上述方法中，优点在于受到力场影响的粒子密度基本上不会使单个粒子的平移速度由于粒子的相互作用的受到影响。实际上，如图11所示，当成群在一起时，即使小粒子也表现得像较大的粒子，近似地具有与单个粒子的体积之和等效的体积。

根据本发明的另一方法，图13示出了利用这种效应来识别形成分析样本的粒子数量(N)。

从粒子速度已知、但粒子浓度未知的均质样本开始，来确定粒子群的位置。

然后，以已知速度(Vfh)在两个位置之间移动稳定平衡点，验证该群是否以平衡(rest)位置的对应移动来响应于这种改变。如果不是这样，则粒子群的临界速度显然低于稳定平衡点的速度(Vfh)。在等待时间段(tw)之后，为了允许粒子稳定在它们的初始点，以更低的速度(Vf1)重复场的移动，直到粒子能够跟随平衡位置的移动，这指示了粒子的临界速度更高。重复这种测量，以识别高于临界速度的至少一种场移动速度，一种低于临界速度的场移动速度，确定粒子群的临界速度必须包括在其内部的区间，该区间与特定范围的粒子数量相对应。这样，知道了临界速度v_ws落入的范围，可以通过使用体积与速度之间理想地呈线性的比率来计算该群中粒子的总体积(以与该范围宽度相关的特定近似)。如果这种比率不是线性的，则可以通过实验来确定比率，产生测量的参数对象的预特征化(pre-characterization)，即样本中粒子的数量。可以采用多种方式查找临界速度，例如，可以采用折半查找或线性查找。

根据已知技术，可以用光学类型的集成或外部传感器、impedentiometric来测量位置。

如果这些传感器的灵敏度不适合检测电极上存在的粒子的初始数量，根据本发明，应该增加该数量，使多个笼的含量集中，以允许检测和利用线性关系或预特征化，确定测量的数量。

通过间接测量平移速度来确定粒子尺寸的方法

上述用于量化粒子的方法可以相似方式应用于确定粒子尺寸的问题上。为此，研究无相互作用的粒子群或彼此之间存在可忽略的相互作用的粒子群。在这种情况下，如图12所示，为了获得单个粒子的尺寸，使用粒子速度(Vparticle)与粒子直径(Dparticle)之间的关系。

粒子分离设备

本发明的主题也是一种用于形成粒子的选择性移动必需的适当场配置的设备；在这种设备的典型实现方式之一中，该设备具有两个电极阵列(EL1，EL2)，如果有必要，还有一个盖子(LID)；还包括用于向所述第一电极阵列(EL1)施加电势(V1)、并向所述至少第二电极阵列(EL2)施加至少第二电势(V2)的装置，因为该装置基本上是已知类型，所以未示出；所述电极和用于向所述电极施加电势的所述装置操作性地相关联，从而在电极(EL1，EL2)上施加适当的激励(V1，V2)，以形成至少两种不同的力的空间分布(F1，F2)，每一种以稳定平衡点(SEP1，SEP2)集合为特征。这些稳定平衡点的特征在于每一个明确地仅仅包括在力的另一配置的稳定平衡点的吸引域之一中。这样，本发明的设备可以捕获粒子并使它们在方向上移动，移动速度取决于两种力的配置交替的速度和粒子的响应性。例如，可以通过利用宽度增大或减小、并且电极间距离恒定的电极(图14)、或使用电极间距离增大或减小、并且宽度恒定的电极，来形成这些力的分布。另一实现方式可以基于使用尺寸恒定、电极间距离恒定、但电极与盖子间的距离增大或减少的电极(图15)。显然，上述实现方式的组合也是可能的。

Claims (22)

1.一种对至少第一(FP)和第二(SP)类型的粒子进行分离的方法，包括步骤：

i.产生力场(F)，所述力场(F)以针对所述粒子(FP，SP)的至少一个稳定平衡点(SEP)为特征；

ii.使所述至少一个稳定平衡点(SEP)在空间中进行至少一种移动；

所述方法的特征在于，稳定平衡点(SEP)的所述至少一种移动发生在至少一个时间区间中，移动速度(VF)基本上与所述至少一种第一类型(FP)的粒子的移动速度(VFP)相当，并且基本上与所述至少一种第二类型(SP)的粒子的移动速度(VSP)不同。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述力场(F)包括如下力中的至少一个：

i.正介电电泳(PDEP)，

ii.负介电电泳(NDEP)，

iii.电泳(EF)，

iv.电流体动力(EHD)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述移动速度(VFP，VSP)基本上以不同的方式，受到以下力中的至少一个的影响：

i.粘滞摩擦(NI)，

ii.重力(G)。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，由在第一基片(SUB)上形成的、基本上是平面的至少一个电极阵列(EL)产生所述力场(F)。

5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在至少一个空间区域中，所述力场(F)具有带有空间周期性(CPIT)的多个稳定平衡点(SEP)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述至少一个稳定平衡点(SEP)在空间中的移动是以周期性速度发生的。

7.根据权利要求6所述的方法，包括步骤：

i.在与等于一个空间周期(CPIT)的所述场(F)的一个移动相对应的时间段中，沿方向(X)以与所述一个第一类型(FP)粒子的移动速度(VFP)相当的移动速度(VF)移动所述场(F)；

ii.使场停止一时间段(TW)；

从而获得仅仅所述第一类型(FP)粒子沿所述方法(X)的净移动。

8.据权利要求6所述的方法，包括步骤：

i.在与等于一个空间周期(CPIT)的所述场(F)的一个移动相对应的时间段中，沿第一方向(X)以与所述一个第一类型(FP)粒子的移动速度(VFP)相当的移动速度(VF)移动所述场(F)；

ii.使所述场(F)停止一时间段(TW)；

iii.在与等于一个空间周期(CPIT)的所述场(F)的一个移动相对应的时间段中，沿与所述方向(X)相反的方向，以与所述一个第二类型(SP)粒子的移动速度(VSP)相当的第二速度(VS)移动所述场(F)；

从而获得仅仅所述第二类型(SP)粒子沿与所述方向(X)相反的方向的净移动。

9.据权利要求6所述的方法，包括步骤：

i.在与等于一个空间周期(CPIT)减去对应于电极周期(EPIT)的量的所述场(F)的一个移动相对应的时间段中，沿第一方向(X)以与所述一个第一类型(FP)粒子的移动速度(VFP)相当的移动速度(VF)移动所述场(F)；

ii.使所述场(F)停止一时间段(TW)；

iii.重复前述步骤i)和ii)，重复次数与所述场(F)的一个空间周期(CPIT)除以电极的空间周期(EPIT)相等；

从而获得所述第一类型(FP)粒子沿所述第一方向(X)的净移动、以及所述第二类型(SP)粒子沿与所述方向(X)相反的方向的净移动。

10.一种分离至少两种类型(FP，SP)粒子的方法，包括步骤：

i.产生力场空间中的第一分布(F1)，以针对所述粒子(FP，SP)的第一平衡点(SEP1)集合(GSEP1)为特征；

ii.产生至少力场空间中的第二分布(F2)，以针对所述粒子(FP，SP)的第二平衡点(SEP2)集合(GSEP2)为特征；

其中所述力的两种分布(F1，F2)使得所述集合(GSEP1，GSEP2)之一的任何第一平衡点(SEP1，SEP2)明确地包括在另一集合(GSEP2，GSEP1)的单个第二平衡点(SEP2，SEP1)的吸引域内部，并且所述第二点本身不包含在所述第一点(SEP1，SEP2)的吸引域中；

iii.通过以基本上与第一类型(FP)粒子在新平衡点处的稳定时间的倒数相当、但比至少第二类型(SP)粒子的稳定时间的倒数更大的频率来改变力场的配置，以交替改变所述力场的分布(F1，F2)；

从而获得仅仅所述第一类型(FP)粒子的净移动。

11.一种分离至少两种尺寸(BP，LP)的粒子的方法，包括步骤：

i.产生力场空间中的第一分布(F1)，以针对所述粒子(BP，LP)的第一平衡点集合(GSEP1)为特征；

ii.产生至少力场空间中的第二分布(F2)，以针对所述粒子(BP，LP)的第二平衡点集合(GSEP2)为特征；

其中所述力的两种分布(F1，F2)使得所述集合(GSEP1，GSEP2)之一的任何第一平衡点(SEP1，SEP2)明确地包括在另一集合(GSEP2，GSEP1)的单个第二平衡点(SEP2，SEP1)的吸引域内部，并且所述第二点本身不包含在所述第一点(SEP1，SEP2)的吸引域中；并且每个第一平衡点(SEP1，SEP2)的吸引域的尺寸大于或小于包含它的所述单个第二平衡点(SEP2，SEP1)的吸引域的尺寸；

iii.以与两种类型粒子(BP，LP)的稳定时间的倒数相当的频率来交替改变所述力场的分布(F1，F2)，从而使所述粒子(BP，LP)从一个新平衡点移动到下一个平衡点，直到粒子的尺寸与吸引域的尺寸相当；

从而得到大于大粒子(BP)的总净移动的小粒子(LP)的总净移动。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述稳定平衡点集合(GSEP1，GSEP2)由以恒定的空间重复步幅分布的、至少一个非均质电极(EL)集合产生。

13.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述稳定平衡点集合(GSEP1，GSEP2)由以非恒定的空间重复步幅分布的、至少一个均质电极(EL)集合产生。

14.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述稳定平衡点(SEP1，SEP2)集合由以非恒定的空间重复步幅分布的、至少一个非均质电极(EL)集合产生。

15.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述稳定平衡点(SEP1，SEP2)集合由被提供幅度非恒定的电压、以恒定的空间重复步幅分布的、至少一个均质电极(EL)集合产生。

16.根据权利要求12、13、14或15所述的方法，其特征在于，所述稳定平衡点(SEP1，SEP2)集合由所述电极阵列(EL)、以及面对所述电极阵列(EL)且与所述电极阵列(EL)形成角度的至少一个电极(LID)产生。

17.一种用于粒子(P)量化的方法，包括步骤：

i.产生在空间中不均匀的力场(F)，所述力场(F)作用于粒子群(N)，并以至少一个稳定平衡点(SEP)为特征，从而所述至少一个稳定平衡点(SEP)的移动导致基本上与粒子数目(N)成比例的粒子移动速度(Vp)；

ii.使所述至少一个稳定平衡点(SEP)以与第一数量的粒子(Nl)集合的最大移动速度相对应的第一速度(Vfl)进行空间中的第一移动，其特征在于所述稳定平衡点(SEP)的所述第一移动导致基本上与所述至少一个稳定平衡点的所述第一移动速度(Vfl)相当的粒子移动的第一速度(Vpl)；

iii.使所述至少一个稳定平衡点(SEP)以与第二数量的粒子(Nh)集合的最大移动速度相对应的第二速度(Vfh)进行空间中的至少第二移动，其特征在于所述稳定平衡点(SEP)的所述第二移动导致基本上低于所述至少一个稳定平衡点的所述第二移动速度(Vfh)的粒子移动的第二速度(Vph)；

从而所述粒子(P)的最大移动速度在所述至少一个稳定平衡点的所述第一移动速度(Vfl)与所述第二移动速度(Vfh)之间，使得粒子数目(N)在粒子的所述第一数量(Nl)与所述第二数量(Nh)之间。

18.一种用于量化粒子(P)尺寸(D)的方法，包括步骤：

i.产生在空间中不均匀的力场(F)，所述力场(F)作用于粒子群(N)，使得每个粒子上的力基本上不受到其他粒子的存在的影响，所述力场(F)以至少一个稳定平衡点(SEP)为特征，从而所述力场(F)的移动导致与粒子尺寸(D)成比例的粒子移动速度；

ii.使所述至少一个稳定平衡点(SEP)以与第一尺寸(Dl)的粒子的最大移动速度相对应的第一速度(Vfl)进行至少一个空间中的移动，其特征在于所述至少一个稳定平衡点(SEP)的所述移动导致基本上与稳定平衡点的所述第一移动速度(Vfl)相当的粒子移动的第一速度(Vpl)；

iii.使所述至少一个稳定平衡点(SEP)以与第二尺寸(Dh)的粒子的最大移动速度相对应的第二速度(Vfh)进行空间中的至少第二移动，其特征在于所述第二移动导致基本上低于稳定平衡点的所述第二移动速度(Vfh)的粒子移动的第二速度(Vph)；

从而所述粒子(P)的最大移动速度在稳定平衡点的所述第一移动速度(Vfl)与所述第二移动速度(Vfh)之间，使得所述粒子的尺寸(D)在粒子的所述第一尺寸(Dl)与所述第二尺寸(Dh)之间。

19.一种用于分离至少两种类型粒子(FP，SP)的设备，包括：

i.多个由至少一个电极形成的阵列，包括第一电极阵列(EL1)和至少第二电极阵列(EL2)；

ii.用于向所述第一电极阵列(EL1)施加电势(V1)、并向所述至少第二电极阵列(EL2)施加至少第二电势(V2)的装置；

其特征在于，所述电极与用于向所述电极施加电势的所述装置操作性地相关联，从而能够产生针对粒子(FP，SP)的至少两个不同的稳定平衡点(SEP1，SEP2)集合，并且属于所述第二集合(GSEP2)的每个稳定平衡点(SEP2)的位置仅包括在所述第一集合(GSEP1)的稳定平衡点(SEP1)之一的吸引域(CAGE)中，属于所述第一集合(GSEP1)的每个稳定平衡点(SEP1)的位置仅包括在所述第二集合(GSEP2)的稳定平衡点(SEP2)之一的吸引域(CAGE)中，属于所述集合(GSEP1，GSEP2)的每个稳定平衡点的吸引域的尺寸大于或小于包含它的吸引域的尺寸。

20.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述阵列(EL1，EL2)包括以非恒定的空间重复步幅而分布的电极。

21.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述阵列(EL1，EL2)包括在基片(SUB)上以恒定的空间重复步幅而分布的电极、以及面对所述基片(SUB)并与所述基片(SUB)形成角度的盖子。

22.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述数目的阵列的所述电极以恒定的空间重复步幅而分布，以及向所述电极施加电势的所述装置要产生幅度增大或减小的电势。

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