CN102866193B - 基于介电泳来操控液体中的粒子的器件及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于介电泳来操控液体中的粒子的器件及方法。根据本发明，所述器件包括设置在第一基底上的第一电极结构层及第二电极结构层、设置在第二基底的第三电极结构层；其中，第一电极结构层中的第一窄电极组所包含的各第一窄电极的宽度和间距的范围在0.1微米至100微米之间；第一电极结构层中的第一子电极组包含的各第一子电极的宽度范围在100微米至20毫米之间、间距范围在1微米至2毫米之间；且第二电极结构层中的至少部分电极与至少部分第一窄电极在空间上的交叠区域与非交叠区域相间。本发明利用电润湿、及介电泳等效应，可直接进行液滴的操作以及对悬浮于液滴中的粒子进行控制。

Description

基于介电泳来操控液体中的粒子的器件及方法

技术领域

本发明涉及微流器件领域，特别是涉及一种基于介电泳来操控液体中的粒子的器件及方法。

背景技术

近年来，微流器件（又称之为芯片实验室（Lab-on-a-Chip）及微全分析系统（Micro TotalAnalysis Systems））由于具有样品用量少、检测速度快、实验成本低、易于自动化、检测重复率高、和数据质量好等优势，，得到了各个行业的关注。

传统的液体操作所需的样品量大、步骤多且繁琐，而以介质上的电润湿（Electrowetting-on-dielectric）为基础的数字化微流器件不仅可以对液体以独立液滴为控制单位来进行操作，由此来大大增加对多个样品进行平行处理以及并行检测的能力；而且，通过对器件所包含的电极的控制，还可以对极其微量的液体进行自动化操作，例如液滴的移动、合并、拆分、孵育（incubation）、混合、反应、废液收集等。由于数字化微流器件上没有（也不需要）可动部件，因而大大提高了器件及操控的稳定性和可靠性。

本申请的发明人在专利号WO 2008/147568的文献中提出一种多层控制电极的结构的微流器件，不仅使得通用型的微流器件成为可能，而且在制作低成本、高质量的微流器件方面，也是一个飞跃；此外，这也大大简化了微流控制操作。然而，该专利文献（WO 2008/147568）主要涉及对液滴的操作，而未涉及对液滴中所含粒子的控制，而对液体中粒子的控制对于样品制备及生化分析都十分重要。

介电泳指的是中性粒子在非均匀电场作用下受力的一种效应。当一个悬浮于液体介质中的粒子在非均匀电场的作用下，它可能会受力向电场较强的区域移动（正介电泳），也可能会向电场较弱的区域移动（负介电泳）。与电泳不同，受介电泳力作用的粒子不一定需要带电，而且介电泳力对电场极性不敏感。直流电和交流电都可以用来产生介电泳效应。所有粒子在非均匀电场的作用下都会有一定的介电泳效应，介电泳力的强度跟粒子的大小和形状、粒子及介质的电学性质、以及电场的频率都有关。由于操作方便，电场的频率经常被用于对液体中不同粒子进行控制的调节参数。

人们对利用非均匀电场控制介电物质的运动的理论及应用已了解甚久，早在100多年前，Pellat就实验证明了非均匀电场对液态介电质的流体静力平衡的影响。Pohl最早用“dielectrophoresis”（介电泳）来描述介电粒子在非均匀电场中的受力情况。在著作“Dielectrophoresis the Behavior of Neutral Matter in Nonuniform Electric Fields,CambridgeUniversity Press,Cambridge 1978”中，H.A.Pohl对介电泳理论做了具体的描述：

在不受理论的限制下，这里是对一个半径为r的均相（homogeneous）球形的粒子的对时间平均的介电泳力的计算公式：

$<F_{\mathrm{DEP}}>={2\mathrm{\&pi;r}}^3{\mathrm{\&epsiv;}}_m\mathrm{Re}\left\{f_{\mathrm{CM}}\right\}\&dtri;{\left|E_{\mathrm{rms}}\right|}^2$ ---方程1

这里ε_m是悬浮有粒子的介质的绝对介电常数，E_rms是局域电场（假设随时间以正弦变化）的均方根（root-mean-square）值，（del operator）是向量微分算子，表示电场强度的梯度，Re{f_CM}指的是Clausius-Mossotti因子的实数部分，Clausius-Mossotti因子定义为：

$f_{\mathrm{CM}}=\frac{{{\mathrm{\&epsiv;}}^{*}}_p-{{\mathrm{\&epsiv;}}^{*}}_m}{{{\mathrm{\&epsiv;}}^{*}}_p+2{{\mathrm{\&epsiv;}}^{*}}_m}$ ---方程2

这里ε*_p和ε*_m  分别代表了粒子及介质的复介电常数。下面是复介电常数的定义：

${\mathrm{\&epsiv;}}^{*}=\mathrm{\&epsiv;}+\frac{\mathrm{\&sigma;}}{j}w$ ---方程3

这里ε是实介电常数,σ是电导率,w是电场的频率，j是虚数单位（负1的平方根）。在方程2中，Clausius-Mossotti因子f_CM包含了所有的介电泳力和电场频率的关系。当电场频率很高时（远大于零，）,方程2可近似为：

$f_{\mathrm{CM}}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_p-{\mathrm{\&epsiv;}}_m}{{\mathrm{\&epsiv;}}_p+2{\mathrm{\&epsiv;}}_m}$ ---方程4

而当电场频率很小时（接近于零，）,方程2可近似为：

$f_{\mathrm{CM}}=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_p-{\mathrm{\&sigma;}}_m}{{\mathrm{\&sigma;}}_p+2\mathrm{\&sigma;}}$ ---方程5

这说明了在高频电场下，实介电常数是决定Clausius-Mossotti因子f_CM的主要因素；在低频电场下，导电率则是决定Clausius-Mossotti因子f_CM的主要因素。

由此可见，有两个方式可以用来设计介电泳效应。第一，选择（跟待操作粒子相比）具有较大导电率但较小实介电常数的介质（σ_m>σ_p和ε_m＜ε_p），在这种情况下，粒子在低频时呈负介电效应，在高频时呈正介电效应，而在当中的某个频率（叫做交叉频率），粒子的介电效应为零。第二，选择（跟其中粒子相比）具有较小导电率但较大实介电常数的介质（σ_m<σ_p和ε_m＞ε_p），在这种情况下，粒子在低频时呈正介电效应，在高频时呈负介电效应，而在当中的某个频率（叫做交叉频率），粒子的介电效应为零。

在常用的从100赫兹至100兆赫兹的频率范围内，通常的用于悬浮粒子的均匀的液态电解质的导电率和实介电常数基本上为常数，既随电场频率的变化很小；但相应粒子的导电率和实介电常数在此频率范围随电场频率的变化却通常有很大。在一定的频率范围内，Re{f_CM}（Clausius-Mossotti因子f_CM的实数部分）可以由正变到负、或由负变到正，就是说，粒子在这段频率范围内可以呈现正介电泳效应，也可以呈现负介电泳效应。通过适当的选择液态电解质的导电率和实介电常数，以及电场频率，介电泳效应可用于对液态电解质中悬浮的粒子进行分离。

这里需要说明的是方程1只考虑了粒子中（在电场作用下）电偶极子形成，而未考虑更高阶极化的影响。当电场梯度很大时，高阶极化的影响会越来越重要，对粒子的作用力也会相应的增大。如前面所描述的，根据粒子及其所悬浮于的介质的实介电常数和电导率随频率的变化，粒子所受到的介电泳力在某一个具体的频率下可能是正的也可能是负的。控制电极的几何尺寸及结构设置对如何有效控制液态介质中粒子有具体的影响。从方程1还可以看出，介电泳力和粒子的体积成正比。就是说，在其他因素相同的情况小，大的粒子在介电泳力作用下的（在液态介质中的）移动速度比小的要快。

介电泳的一个很重要的应用就是将液态介质中粒子的进行分离，其实现手段就是根据某种粒子的介电性质随频率的变化和其他种的粒子有所不同。施加在某种粒子上的介电泳力的大小和方向与粒子和悬浮介质的实介电常数和电导率、以及电场的频率和强度都直接相关。粒子介电性质的不同会导致介电泳力的大小和方向的不同，这便是我们用以对不同粒子进行分离的依据。

例如，根据介质极化率的不同，细胞的介电泳效应可能是负的也可能是正的。通过对电场频率的调节，我们可以控制细胞在介电泳作用下的运动方向。例如，红细胞在较低频率的电场作用下，呈负介电泳效应，而在较高的电场频率下，会呈正介电泳效应（见文献Electrophoresis 2008,29,2272-2279）。

介电泳的一大优势是可以用来对很多不同大小的粒子（例如细胞、病毒、DNA、蛋白质、纳米颗粒、甚至是单个分子）同时进行操作，（介电泳对中性及带电的粒子都可以进行操作）。介电泳已被用于分离细胞(见专利WO 98/04355)、测定细胞活性(见专利WO 94/22583)，控制DNA(见专利WO 2008/094980)、病毒(见文献Biophysical Journal,Vol77,p516-525)、及纳米颗粒(见文献J.Phys.D:Appl.Phys.30(1997)L41–L84.)等。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种可以实现对液体中的粒子进行操作和检测的微流器件及操控方法。

为达上述目的及其他目的，本发明提供的基于介电泳来操控液体中的粒子的微流器件，至少包括：

第一基底及第二基底；

设置于所述第一基底的第一电极结构层及设于所述第一电极结构层表面的第二电极结构层、设置于所述第二基底的第三电极结构层，且第一基底上的电极结构层与第二基底上的电极结构层相对设置，以便两者之间具有容置液体的空间；

其中，所述第一电极结构层至少包括第一窄电极组、第一子电极组、及使所述第一电极结构层中的各电极与所述第二电极结构层的各电极电隔离的第一介电层，所述第一窄电极组包含的各第一窄电极的宽度和间距的范围在0.1微米至100微米之间；第一子电极组包含的各第一子电极的宽度范围在100微米至20毫米之间、间距范围在1微米至2毫米之间；所述第二电极结构层中的至少部分电极与至少部分第一窄电极在空间上的交叠区域与非交叠区域相间。

本发明提供的基于介电泳来操控液体中的粒子的方法，包括步骤：

a、在前述微流器件的同一窄电极组的至少部分窄电极、及第三电极结构层中的至少一电极上施加第一预定频率的交流电压，其中，部分窄电极上所施加的交流电压的相位与其他窄电极上所施加的交流电压的相位不同但与第三电极结构层中的电极上所加电压相位相同，以便在窄电极与第三电极结构层中的电极之间产生介电壳体，来圈困待测液滴中可能包含的一种粒子。

优选地，所述方法还包括步骤：

b.至少一次调整各窄电极上电压的相位，使介电壳体的位置发生改变，使被圈困在介电壳体中的粒子也发生相应位移。

由上可见，本发明提出了利用与专利WO 2008/147568所提出的多层控制电极的结构类似的数字化微流器件来对液滴及其中的粒子进行操控的方法。在不受理论限制的基础上，主要利用介电泳来对液体介质中的粒子进行操控实现对液体介质中的粒子进行重新分布或分离。和本发明人在此之前的专利（WO 2008/147568,WO 2009/003184,and PCT/CN2012/070594）结合起来，本发明的数字化微流器件的功能更加完善，可以实现很多液体样品的操作，例如液滴产生、移动、合并、混合、分离、位置及大小测量、孵化、和热处理等，而为了方便于更进一步的分析处理，液体样品中的单个粒子也可以被重新分布或分离。本发明使得使用数字化微流系统在复杂液体样品（如血液、血清、血浆、汗液、唾液、尿液等）中分离和鉴定生物标志物（如抗体或其他蛋白质、DNA或RNA等）、病毒、细菌和细胞等成为可能。

附图说明

图1A和图1B为本发明的数字化微流器件的两个相互呈90度的截面示意图；

图1C为嵌在图1A和图1B中器件的第一基底表面上的双层电极结构层的驱动电极阵列的俯视平面图；

图1D为嵌在图1A和图1B中器件的第二基底中的电极的俯视平面图；

图2A为基于本发明的微流器件的窄电极组所形成的两维的介电泳势壳体的示意图；

图2B至图2D为随着本发明的微流器件的窄电极组中电极上的电压的改变，介电泳势壳体从左至右移动的示意图；

图3A至图3D本发明的微流器件所形成的三维介电泳势壳体及该三维介电泳势壳体的移动示意图；

图4A至图4L为基于本发明的微流器件来使液滴中的粒子基于介电泳效应而重新分布的流程图；

图5A至图5E为通过电润湿将图4L所示的液滴分为子液滴的流程图；

图6A至图6E为从整体上呈现通过电润湿将图4L所示的液滴分为子液滴的过程示意图；

图7展示了一个在本发明的数字化微流器件上实现非均相免疫检测的流程图，其中的分离步骤是在器件上实现的；

图8是一个在本发明的数字化微流器件上实现从全血样品中提取DNA，并在器件上对其进行实时PCR反应的流程图。其中所有的步骤，包括样品制备、样品操作（如加热、混合及移动），以及信号测量等，全部在器件上实现；

图9展示了一个利用本发明的数字化微流器件来研究细胞生理学的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1A至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

以下先对一些术语予以说明：

在本发明中，术语“粒子”被用来指微米或纳米量级的实体，这些实体可以是天然的，也可以是人工制作的，例如细胞、亚细胞成分、病毒、脂质体（liposome）、纳米球、和微米球，或更小的如生物大分子、蛋白质、DNA、及RNA等实体，它也可指与悬浮介质不相融合的液珠，它还可指液体中的小气泡等。“粒子”的（线性）大小可以从几纳米到几百微米。

在本发明中，术语“介电泳势（dielectrophoretic potential）”指的是一个三维的标量函数（scalar function），其梯度等于介电泳力。术语“等势面（equal-potential surface）”指的是一个三维空间的表面，这个表面上所有的点的介电泳势都相等，而介电泳力在此表面上的任何一点都与表面垂直。术语“电势壳体（potential cage）”指的是由等势面包含的有一定大小的、其中含有一个介电泳势局域最小值的空间。术语“粒子被圈套在电势壳体内（particle trappedinside apotential cage）”指的是一个粒子由于介电泳力而被吸引并圈套在一个电势壳体内。在平衡状态，如果一个粒子只受到介电泳力的作用，它将会位于一个介电泳势的局域最小的位置，如果它还受到其他力的作用，它会位于一个离介电泳势局域最小值有一定距离的位置，这个距离由各个力的综合作用来决定。

术语“电润湿（electrowetting）”用来指液体与固体表面接触角随所加电场而变化的效应。应当指出，当所加电压或电场为交流时，“电润湿”效应和“介电泳”效应同时存在，当电压或电场的频率增大时，“介电泳”效应的相对比重也会相应的增强。本发明中不对“电润湿”效应和“介电泳”效应进行严格区分。

术语“操作（manipulation）”可以包含以下步骤的一个或多个组合：

1．选择（selection）-对包含多种粒子的样品中的某一种粒子进行分离（isolation）。

2．重新排序（reordering）-对粒子的空间位置进行重新安排。

3．合并（union）-将两个或更多粒子在空间上移到相近或相同的位置（有时某个粒子可以包含另一个粒子）。

4．分离（separation）-将本来相互接触、分开一定距离、或在介质中均匀分布的粒子分离开来。

5．捕获（trapping）或聚焦（focusing）–将粒子移动到一个指定的位置，并在某一段时间里将这些粒子控制在那个位置。

作为本发明的一个具体实现方式，介电泳利用非均匀电场对粒子产生的力，将粒子（一个、几个、或几组）移动到稳定的平衡位置（介电势壳体）。这里的介电泳可以是正的，也可以是负的。

出于本公开的目的，术语“微流（microfluidic）”指的是可以对至少在一个维度（dimension）的尺度为几至几百微米的液体进行操作的器件或系统。

出于本公开的目的，术语“液滴（droplet）”指的是和其他部分由空气或其他气体、其他（通常指相互不融合的）液体、或固体表面（例如数字化微流器件的内表面）等分离开来的一定量的液体（一种或几种的混合）。“液滴”的体积范围很大–一般从几飞升（femtoliter，毫微微升）到几百微升（microliters）。“液滴”可以有任意的形状，如球形、半球形、扁状的圆形、不规则形等。

本发明提出了对样品溶液中的待分析物进行检测的器件及方法。熟悉此领域的人都知道，非限制的样品溶液的例子有体液（包括，但不受限于，血液、血清、血浆、唾液、尿液等）；试样纯化液（purified samples）（例如净化的DNA、RNA、蛋白质等）；环境样品（包括，但不受限于，水、空气、与农业有关的样品等）；生物战剂样本（biological warfare agent sample）等。其中体液可以是任何生物体的体液，但本发明对哺乳动物尤其是人的体液更有兴趣。

出于本公开的目的，术语“分析物（analyte）”指的是分析或测试中的待测物质或化学成分。“分析物”可以是有机或无机物质。它可以指生物分子（如蛋白质、脂质、细胞因子、激素、碳水化合物等），病毒（如疱疹病毒、逆转录病毒、腺病毒、慢病毒），完整细胞（包括原核和真核细胞）、环境污染物（包括毒素、杀虫剂等）、药物分子（如抗生素、治效药物和药物滥用、及毒品），细胞核，孢子，等等。

出于本公开的目的，术语“试剂（reagent）”指的是用于与样品材料反应、稀释样品材料、使样品材料媒合、悬浮样品材料、乳化样品材料、包封样品材料、与样品材料相互作用、或添加到样品材料中的任何材料。

出于本公开的目的，术语“生物标志物（biomarker）”指的是可用于对于疾病状态、生物体的生理状态、及机体对某种疗法的反应等进行标志的物质。非限制的，生物标志物可以是血液中（但不限于）某种蛋白质（其浓度反映生物体是否有某种疾病，及该疾病的的严重程度），DNA序列，引入生物体的用于检查该生物体的某器官功能或某些健康指标的可跟踪测量的物质。

出于本公开的目的，“扩增（amplification）”指的是可以增加待测分析物的数量或浓度的过程。非限制的例子包括聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction或PCR）及其变种（如定量竞争PCR、免疫PCR、逆转录PCR等），链置换扩增（Strand Displacement Amplification或SDA），基于核酸序列的扩增（Nucleic Acid Sequence Based amplification或NASBA），环介导等温扩增（Loop-mediated isothermal amplification或LAMP），解链酶扩增（Helicase-dependent amplification或HAD），等。

出于本公开的目的，术语“层（layer）”和“膜（film）”可以互换使用用来指主体的结构，该结构通常但不必须是平面或基本上平面的，而且通常沉积、形成、涂覆或其他方式放置在另一结构上。

出于本公开的目的，“电极选择单元（electronic selector）”指的是能够设置输出电信号或将其改变到不同电压（或电流）水平的任何电子器件，具有或不具有中间电子器件均可。作为非限制性示例，微处理器与某些驱动器芯片一起可以用来在不同时间将不同的电极设置于不同的电势。

出于本公开的目的，术语“接地（ground）”（如用于“接地电极”或“接地电压”）指的是相应的电极的电压是零或足够接近于零。所有其他电压值，尽管幅度通常小于300伏，应当足够高，以使得能够充分观察到电泳、介电泳、及电润湿效应。

应当指出，当布置覆盖的电介质层时，同一层中相邻电极之间的空间通常填充有该介电材料。这些空间也可以空着，或填充有诸如空气、氮气、氦气和氩气等气体。同一层中的所有电极和不同层处的电极优选的进行电隔离。

出于本公开的目的，术语“连通（communicate）”（例如，第一组件与第二组件“连通”或第一组件“连通至”第二组件）是指在两个或更多组件或元件之间的结构、功能、机械、电、光、或流体关系或其任意组合。如此，一个组件被说成与第二组件连通的事实并不意图排除在第一或第二组件之间存在额外的组件和/或额外的组件可操作地关联或接合于第一或第二组件的可能性。

出于本公开的目的，可以理解，当任何形式（如液滴或连续体，可能是在运动或静止的）的液体被描述为在电极、阵列、矩阵或表面“上”、“处”或“之上”时，该液体可能与电极/阵列/矩阵/表面直接接触，或可能与插入液体和电极/阵列/矩阵/表面之间的一个或多个层或膜相接触。

出于本公开的目的，可以理解，当诸如层、区域或基底的给定组件被称为置于或形成在另一组件“上”、“中”、或“处”时，该给定组件可以直接位于该另一组件上，或备选地，也可以存在中间组件（例如，一个或更多个缓冲层、夹层、电极或接触）。还可用理解，术语“置于...上”和“形成在...上”可以互换使用用来描述给定组件如何相对于另一组件进行定位或安置。因此，术语“置于...上”和“形成在...上”并不意在对材料传输、沉积或制造的特定方法引入任何限制。

出于本公开的目的，术语“探测（detection）”和“测量（measurement）”可以互换使用用来获取物理量（例如，位置、带电量、温度、浓度、pH值、亮度、荧光等）的过程。在通常情况下，至少一个传感器（或探测器）会被用来获取物理量并将其转换成人或仪器可以识别的信号或信息。待测物体和传感器之间可以有其他元器件，比如光学测量中使用的透镜、反光镜、滤光片等，和电学测量中的电阻、电容、三极管等。而且，为了使得测量成为可能或容易些，测量中常会用到其他的辅助装置或器件。例如，诸如激光或激光二极管等光源被用来将粒子从电子基态激发到电子激发态，激发态粒子回到基态时有时会发射的荧光，而测量这里的荧光强度就可以用来测量液体样品中某种粒子的浓度。传感器在光学方面有CCD，光电二极管、光电倍增管等，在电学方面有运算放大器、模数转换器、热电偶、热敏电阻等。

测量可以对多个样品的多个参量同时或按一定的顺序进行。例如，在用光电二极管测量液滴中某种粒子荧光的同时，其液滴的位置也可以由电容测量来同时获得。传感器或探测器通常会跟电脑（computer）连接起来，电脑上通常装有相应的软件对所测量的信号进行分析，并通常将其转化成人或其他仪器可以读懂的信息。例如，利用对液体中某粒子荧光强度的测量和分析可以用来推断该粒子的浓度。

出于本公开的目的，术语“延长电极”的长度至少是其宽度的3倍；优选地，长度至少是其宽度的5倍；更为优选地，长度至少是其宽度的10倍。

作为非限制性示例，光学测量包括激光诱导的荧光测量（laser induced fluorescencemeasurement）、红外光谱（infrared spectroscopy）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）、化学发光测量（chemiluminescence measurement）、表面等离子共振测量（surface plasmon resonancemeasurement）、吸收光谱（absorption spectroscopy）等；电学测量包括电流分析法（amperometry）、伏安测量法（voltammetry）、光电化学测量法（photoelectrochemistry）、库仑分析法（coulometry）、电容测量法（capacitance measurement）、以及交流阻抗测量法（and AC impedance measurement），等。

以下是对本发明中的微流器件及操控方法的具体描述，为了方便于说明，相应的附图（图1A至图10）会在需要的时候提到。应该说明的是，这些例子的目的是为了帮助说明，而不是为了限制发明的意愿和精神。

图1A和图1B为与本发明的用于控制液滴及液滴中的粒子的数字化微流器件100的两个相互呈90度的截面示意图。在这个实例中，液滴D位于通常标识为102的下层板和通常标识为104的上层板之间。优选地，上层板104与下层板102之间的间距小于1毫米；更为优选地，小于0.3毫米。本实施例及后续各实施例中使用的术语“上”和“下”仅用于区分这下层板102和上层板104，而不作为下层板102和上层板104相对于地平面的方向的限制。下层板102上设置有第一电极结构层及第二电极结构层，上层板104上设置有第三电极结构层。其中，设置在第一基底101上的第一电极结构层包括长条形的第一子电极E1、第一窄电极E1D及介电层103A；设置在介电层103A上的第二电极结构层包括第二子电极E2第二窄电极E2D及介电层103B。设置在第二基底105上的第三电极结构层包括电极L及介电层107。

优选地，所述第一电极结构层及第二电极结构层所包含的电极均采用延长电极。

其中，各第一窄电极E1D的宽度和间距的范围在0.1微米至100微米之间；各第一子电极E1的宽度范围在100微米至20毫米之间、间距范围在1微米至2毫米之间。

优选地，各第一窄电极E1D的宽度范围和相邻第一窄电极E1D的间距范围在1微米至50微米之间，各第一子电极E1的宽度范围在200微米至5毫米之间、相邻第一子电极E1的间距范围在5微米至500微米之间；更为优选地，各第一窄电极E1D的宽度范围和相邻第一窄电极的间距范围在1微米至50微米之间，各第一子电极E1的宽度范围在200微米至2毫米之间、相邻第一子电极E1的间距范围在5微米至100微米之间。

其中，所述第二电极结构层中所包含的各电极的宽度范围和相邻电极的间距范围均在0.1微米至20毫米之间。

优选地，各第二窄电极E2D的宽度范围和相邻第二窄电极E2D的间距范围在0.1微米至100微米之间，各第二子电极E2的宽度范围和相邻第二子电极E2的间距范围在100微米至20毫米之间；更为优选地，各第二窄电极E2D的宽度范围和相邻第二窄电极E2D的间距在1微米至50微米之间，各第二子电极E2的宽度范围和相邻第二子电极E2的间距范围在200微米至10毫米之间；更进一步优选地，各第二窄电极E2D的宽度范围和相邻第二窄电极E2D的间距范围在1微米至50微米之间，各第二子电极E2的宽度范围和相邻第二子电极E2的间距范围在200微米至2毫米之间。

其中，窄电极E1D（或E2D）可以用来产生电润湿效应以对位于其上的液滴进行控制，也可以用来产生介电泳效应而对液滴中的粒子进行操作。当然，子电极E1及E2的主要用途是用来产生电润湿效应以对位于其上的液滴进行控制。应当理解，在构建受益于本发明的器件时，电极E1、E2、E1D、或E2D通常是一起形成二维电极阵列或网格的大量控制电极的一部分。

图1C为嵌在图1A和图1B中器件的底板（标识为102）表面上的双层电极结构层的电极阵列的俯视平面图。为参考起见，液滴D也显示在这里。其中，第一电极结构层的各电极（包括第一窄电极E1D及第一子电极E1）与第二电极结构层的各电极（包括第二窄电极E2D及第二子电极E2）相互垂直，从而第二电极结构层中的电极与各第一窄电极E1D在空间上的交叠区域与非交叠区域相间。为了容易识别，图1C中的电极的尺度与图1A和图1B中的电极（尤其是第一窄电极E1D和第二窄电极E2D）并不成正比。图1D为嵌在图1A和图1B中器件的上层板104中的电极的俯视平面图。图1D中的驱动电极和图1C中的驱动电极的尺度成正比。图1D中的电极L2和图1C中的驱动电极E2D在空间是交叠的。当希望在L2和E2D之间的空间产生电湿润效应时，L2能单独或与L1和L3一起接地。为了在同一空间产生介电泳效应，L2也能与控制电极E1D（或E2D）连接到随时间改变而具有特定相差的AC电源上。为参考起见，液滴D也显示在这里。

除了放置电极的区域不可以导电以外，用于制作基底或盖板的材料并不重要。材料应当有一定的硬度，这样基底或盖板的基本形状及上下间距可以基本保持不变。第一基底与第二基底可以由（但不局限于）石英、玻璃、或聚合物（如聚碳酸酯（polycarbonate）或环烯共聚物（cyclic olefin copolymer）等制作而成。

尽管液滴中的粒子一定会受到影响，但子电极E1及E2的主要用途是用来产生电润湿效应以对位于其上的液滴进行控制。窄电极E1D及E2D的用途有两个主要方面，第一，当同一电极结构层中的至少部分窄电极及上层板中的相应电极分别连接在交流电源，而且它们的电压相位差为一定的值时，介电泳效应会起重要作用，这可以用来对悬浮于液滴中的粒子进行操作。这里应当指出，尽管不是完全必要，为了能产生有效的介电泳效应，各电极所加电压的频率基本相同。（此时，也会有电润湿效应。）第二，当窄电极E1D（或E2D）连接在相同的直流或低频交流电压源（或不同的但电压幅度和相位相近的低频交流电源）时，而且上层板上的相应电极接地，则总体效果是产生电润湿效应，以便对相应的液滴进行操作。

子电极E1及E2的数量在1至10000之间，但是优选的是从2到1000个，更优选的是从2到200个。窄电极E1D及E2D的数量在1至10000之间，但是优选的是从1到1000个，更优选的是从1到500个。上层板104中的电极L的数量在1至10000之间，优选地，在2至1000之间，更为优选地，在2至200之间，相邻电极L的间距范围在0.1微米至20毫米之间，优选地，在1微米至2毫米之间。

控制电极E1、E1D、E2及E2D可以通过传统的导电引线和直流或交流电源连接。每个电源可以独立控制，也可以利用转换开关而用一个电源来控制多个电极。典型的电压幅度通常小于300伏。用于产生电润湿效应的交流电压的频率通常小于1万赫兹。当希望产生介电泳效应时，同一电极结构层中的窄电极（第一窄电极E1D或第二窄电极E2D）及上层板中的相应电极分别可以通过传统的导电引线和交流电源连接，交流电的频率通常在1赫兹至1千兆赫兹之间，但是优选的是从100赫兹到1百兆赫兹，更优选的是从1千赫兹到10兆赫兹。

制作电极的可以是任何的导电材料，例如铜、铬、铟锑氧化物（ITO）等。为了画图和显示方便，图1A至图1D中的电极形状被画成长方形，不过，它们可以是很多其他任何形状而仍具有电润湿或介电泳效应。事实上，E2D（或E1D）中电极的形状、宽度、及间距可以基于器件的不同位置而不同，从而可以在器件上不同的位置对不同大小及形状的粒子更有效的进行操作。

用于制作介电层103A、103B、及107的材料包括但不限于：铁氟龙（Teflon）、Cytop,聚氯代对二甲苯（Parylene C）、氮化硅、氧化硅等。介电层103B及107优选地为疏水性，这可以通过在103B及107层上涂一层铁氟龙、Cytop、或其他疏水物质。

需要指出的是，尽管本发明中描述的电润湿和介电泳效应是由两层电极来实现，但是类似的效应可以利用更多层的电极来实现。作为非限制性示例，通过将相邻电极之间的水平间距基本保持一致，第一电极结构层中的各电极E1及E1D可以分离到两层中，该两层电极由介电薄层隔开，同时最终的电润湿和介电泳效应仍基本上相似。

控制电极阵列E1、E1D、E2及E2D嵌入或形成在适当的第一基底101上。介电层103A涂覆在各电极E1、E1D上，以将各电极E1、E1D电隔离，同时也将各电极E1、E1D（属于第一电极结构层）与各电极E2、E2D（属于第二电极结构层）电隔离。另一疏水绝缘薄层103B覆盖控制电极E2及E2D，并由此将各电极E2及E2D电隔离。上层板104中包括嵌入在适当的第二基底105中或形成在其上的控制电极。优选地，疏水绝缘薄层107也覆盖电极L1、L2、L3，并由此将其电隔离。

标准的IC或LCD生产工艺可以用于制作与生物分析相容的数字化微流器件。例如，用于制作薄层的技术有（但不局限于）淀积（deposition），例如等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）、溅射（sputtering）、或旋涂（spinning coating）等；用于去除薄层的技术有（但不局限于）蚀刻（etching），如湿法腐蚀（wet etching）、等离子蚀刻（plasma etching）等；薄膜布图布线技术（patterning technique）有（但不局限于）紫外光刻（UV lithography）、电子束光刻（electron beam lithography）等。

微流器件100作为一种数字化微流器件，其还可以包括其他微流体组件和/或微电子组件。例如，器件还可以包括电阻式加热（resistiveheating）区域、微通道（microchannels）、微泵（micropumps）、压力传感器（pressure sensors）、光波导（opticalwaveguides）、和/或与金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor，或MOS）电路连接的生物传感（biosensing）或化学传感（chemosensing）元件。

作为一种优选，微流器件100还包括电极选择单元。该电极选择单元分别与处于第一基底的第一电极结构层、第二电极结构层及第二基底的第三电极结构层中的可选址电极相连接，用于由可选址电极中选择待施加电压的电极，来施加相应电压。

作为又一种优选方式，器件100还可包括至少一个温度控制元件以控制自身部分区域的温度等。温度控制元件，如半导体制冷器（Peltier），可以设置在器件100所属的集成芯片外，其与微流器件100所属的芯片的至少一个区域接触；或集成在100所属的集成芯片上，如直接制作在器件外表面上的薄膜电阻加热器；此外，器件100也可既包括设置在自身所属的集成芯片外的温度控制元件，还可包括集成在自身所属的集成芯片上的温度控制元件。所述温度控制元件可以将其接触的区域的温度稳定的控制在0摄氏度到大约100摄氏度。

此外，微流器件100还包括与容置液体的空间连通的液体入口、液体出口等。

图2A至图2E描绘了介电势壳体形成和操作。其中，L是上层板104中的电极。各电极ED为微流器件100的第一基底上的窄电极（即下层板102中的窄电极E1D或E2D）。介电势壳体上的虚线代表了一系列的由这些电极产生的电势的等势点或等（电场）强度点。由虚线圈起来的“n”表示其相应的介电势壳体为负介电势壳体。任何受到足够大介电泳力的粒子，比如图2A至图2E中的虚线圈中的“n”，都会被吸引至并圈困（trap）在介电势壳体里。一个介电势壳体可以圈困一个或更多的粒子，这可以让粒子在液体介质中悬浮起来或随着介电势壳体的移动而被移动（或两个动作同时进行）。通常，介电势壳体可以抵抗重力（gravity）或布朗运动（Brownian motion）等的影响，而将粒子控制在介电势壳体内。

图2B至图2D描绘了一个负介电势壳体在改变电极ED上的电压布局下的移动情况。通过对单个可控的电极ED上电压的控制，负介电势壳体的位置可以被移动，其结果就是被圈困在介电势壳体里的粒子随介电势壳体的移动而移动。由此，如果介电泳条件合适（即所加电场的强度和频率合适），则只有一种粒子会在电场的作用下而移动，而其他粒子所受的相应的介电泳力可以忽略（因而不动），如此，不同的粒子便可以被分开。应当指出，本实施例及后续各实施例中，相位标记为“+”及“-”的交流电压并不代表正电压或负电压，其含义为：若两个电极的电压相位同时被标为“+”或同时被标为“-”，则表明该两个电极的电压是同相位的，即相位差为0度；如果两个电极的电压相位一个是“+”，另一个为“-”，则表明该两个电极的电压是反相位，即相位相差180度。应当指出，实际两个电极之间的电压相差数值在-180度到180度之间。其实，为了对粒子做更稳定的控制，相邻电极的电压相位差通常保持在小于180度。

图3A至图3E描绘了液体中的粒子在介电泳的作用下的移动过程。300显示了可以用来产生介电泳力并以此来移动其中粒子的器件100的一部分。为了演示起见，各窄电极ED构成了一个长条形的间隔均匀的电极组。通过对电极ED及上层板中的电极L上加交流电压，介电势壳体会在各窄电极ED和电极L当中的空间产生。

由于下层板中的各窄电极ED是长条形，介电势壳体的形状也是长条形的。通过将电极ED上的电压布局向右移动，三维介电势壳体C1、C2、及C3向右移动。从图3A到图3B，介电势壳体C1、C2、和C3分别被向右移动了一个电极间距单位。因而，所有被困在这些介电势壳体里的粒子也都被向右移动了一个电极间距单位。从图3B到图3C，介电势壳体C1、C2、和C3及其中的粒子又分别被向右移动了一个电极间距单位。在图3C中，介电势壳体C1被移到了最右边的驱动电极，而介电势壳体C4则刚刚形成。从图3C到图3D，介电势壳体C2、C3、和C4及其中的粒子分别被向右移动了一个电极间距单位，而原来在介电势壳体C1中的粒子则保留在原位，也就是最右边的电极处。图3A中和图3D中的电场分布情况相同，通过对图3A中至图3C中电极控制的重复，所有待测量的粒子都可以由介电泳效应而移动到最右边的电极处。

图4A至图4L描述了一个利用数字化微流器件100来将液滴中的粒子重新分布的过程。在图4A中，在微流器件100下层板中的各第一窄电极E1D上施加同相位的电压，下层板中的各第二窄电极E2及上层板中的各电极L上都不加电压（或电压很小），无需限制与理论，此时由于电极E1D产生的电润湿效应，在空间上处于电极E2之上的液滴D（两者的位置关系可参见图1A至1C）沿着各电极E1D方向扩散。然而，由于电极E1D与电极E2在空间上的交叠区域与非交叠区域相间，则处于电极E1D之上的电极E2对各电极E1D所产生的电场的屏蔽效应，会阻止处于电极E2之上的液滴D的继续扩散，从而使得液滴D被拉成了（近似为）长方形（该形状与对应的非交叠区域的形状近似）。由于液滴D已由自然状态下的扁圆形改变为方形，随后再基于介电泳效应来对该方形液滴D中的粒子进行操控就会更为有效。

由上可见，由于液滴在自然状态下通常呈扁圆形，扁圆形液滴中的不同粒子基于介电泳效应在该扁圆形液滴中分离的效果将难以突显，不便于检测及对液滴中粒子的后续处理。故为了更为有效地实现介电泳效应，现有常通过上层板表面与下层板表面的凹槽或内壁来控制液滴的形状及尺寸，以使液滴呈方形或其他所期望的形状等。然而，本发明的微流器件中，由于下层板的第一基底上设置有第一窄电极组，在第一窄电极组上又设置了第二电极结构层，且第二电极结构层中的至少部分电极与至少部分第一窄电极在空间上的交叠区域与非交叠区域相间，故基于电湿润效应及非交叠区域，就可方便有效地控制液滴的形状及尺寸，从而使得基于介电泳效应对液滴中的粒子进行操控就更为有效。

图4B是图4A的放大图，这里只画出了与液滴最相关的部分电极E1D。图4C至图4K逐步显示了E1D上的电压分布变化–通过将电压分布重复的向右移动，标志为种类1的粒子在每一步都被向右移动一个（E1D电极间距）单位，而最后都被移到了与液滴在空间交叠的最右边的电极E1D处。这里应当指出，在图4B至4K中，上层板中的电极所连接的电压与相位标有“-”的第一窄电极电压相位相同，各电极上所施加的电压的频率需要满足以下条件：即在各第一窄电极E1D及上层板中的电极上施加该频率的交流电压后，所形成的介电壳体只能圈困住种类1的粒子，而不足以圈困住液滴中的其他种类的粒子。

以前述图4B至4K相同或相似的方式，在各第一窄电极及上层板中的电极上施加另一种频率的交流电压，则种类2的粒子也可以被单独选择出来而进行操作。图4L显示了标志为种类2的粒子在类似的介电泳的作用下都被移到了与液滴在空间交叠的最左边的电极E1D处。图4L显示了种类1和种类2的粒子被重新分布了。液滴最右边的粒子1的浓度，以及液滴最左边的粒子2的浓度，都比它们在被重新分布前大大提高了。这使得对它们的测量简单了很多，而相应的检测灵敏度也大大提高了。

图5A至图5E描述了将图4L显示的已被重新分布的种类1和种类2的粒子进一步分离到两个不同的子液滴中的流程图。这里应当指出，在种类1和种类2的粒子的重新分布完成后，应当在粒子（1和2）扩散明显发生之前，完成图5A至图5E所显示的步骤。在图5A中，V1组所包含的各电极E1D及E1上都加上直流或低频交流电压，此时，液滴的形状近似为长方形。在图5B和5C中，V3组所包含的各电极接地或很小电压，而V2和V4组所包含的各电极的电压值较高，从而让液滴因为电润湿效应而开始分裂。图5D显示了最初的液滴D被分成了两个子液滴D1和D2。此时，大部分的种类1的粒子都包含在子液滴D1中，而大部分的种类2的粒子都包含在子液滴D2中。

为了更有效的利用介电泳效应，同一组的（用以产生介电泳效应）电极在器件上的不同位置可以有不同的宽度和间距，从而可以对不同大小、形状、和种类的粒子都有效的进行操作。

图6A至图6E分别和图5A至图5E对应，只是前者为整体性示意图；后者为局部示意图。

除了改变电场的频率以外，其他的参数也可以调节，例如介质溶液的电导率、和/或实介电常数、和/或pH值。

在这里应当指出，除了介电泳力以外，处于介质溶液中的粒子还会受到浮力的作用。在设计粒子操作（如圈困粒子）的实验时，这个因数应当考虑在内。

当粒子在溶液中的运动时还会受到粘滞力的作用，如方程1所示，介电泳力和粒子的体积成正比，但粘滞力却和粒子的表面积成正比。在不受理论的约束下，综合效应就是在溶液中，在介电泳力的作用下，体积大的粒子比体积小的粒子移动速度要快。在对粒子进行重新分布时，为了实验的准确性，对于较慢移动速度的粒子需要加入一定的等待时间。

另外或可替换的，其他的力也可以用来增强粒子的移动效果。这些力（非限制的）包括流体动力（hydrodynamic）、超声波（ultrasonic）、电泳（electrophoretic）、和光学力（opticalforce）等。

通过合适的电极阵列及其他参数，很多不同的粒子，包括生物或分生物的，都可以使用本发明提出的方法来进行控制。例如，电极的形状、宽度、及间距，器件上下基板的间距，电场的频率等，都可以改变，从而多不同的生物粒子如DNA、蛋白质、朊病毒（prion）、病毒、细胞等，或化学活化（chemically activated）的粒子如涂层乳胶珠（coated latex beads）。

本发明的应用领域包括利用介电泳效应来对液体或其他流体中悬浮的粒子进行标识，这在很多地方都是需要的，比如液化食品监测、生物流体检测如全血、血浆、或其他体液（如唾液和尿液等）、或其他化工生产过程中的流体采样的调查等。这里可以提供对粒子的存在、活性和均匀性等特性的快速测量。

本发明还可以用来对液体样品中多种粒子的分析。例如，在一定的电导率和pH指范围内，通过利用介电泳效应对尿液中的革兰氏阳性细菌（Gram-positive）和革兰氏阴性细菌（Gram-negative）相对成分的测量，可以判断主要传染性的微生物的存在情况等。

由于其高亲和性和特异性，免疫分析是用于定量检测的灵敏且常用手段，其分析物多种多样，如病毒、肽（peptides）、多核苷酸（polynucleotides）、蛋白质（如抗体、毒素、细胞因子等）及其他小分子。在临床实验室里，免疫分析仍被用来检测心脏病标志物、肿瘤标志物、激素、药物、传染源（infectious agent）、及免疫反应（immune response）等；而且新的检测物也不断的被加进来。在不同的免疫分析格式中，非均相免疫分析（heterogeneousimmunoassay）具有更高的灵敏度，因而也是最常用的。异相免疫分析有三个典型的步骤：第一，捕获-产生有标记的抗原抗体复合物的反应；第二，分离-将结合的抗原抗体复合物和游离抗原分开的过程；第三，检测-测量从结合的抗原抗体复合物发出的信号。

在常见的异相免疫分析中，抗原抗体复合物通常会被固定在固体的表面（酶标板或微磁珠），然后未结合分子被冲洗掉。利用本发明，参与结合和未结合分子可以用介电泳在数字化微流器件上实现，这样就不需要使用固体表面来固定待分析物。这可以降低整个系统的复杂程度和实验花费。

甲胎蛋白（Alpha-fetoprotein或AFP）是一个分子重量约为7万道尔顿（daltons）的糖蛋白类（glycoprotein），它通常是在胎儿发育期和新生儿初期由肝脏和卵黄囊（yolksac）产生，胃肠道（gastrointestinal tract）也会产生少量的AFP。婴儿出生后，血清甲胎蛋白的浓度快速下降；两岁后的婴儿体中只有痕量的甲胎蛋白存在。

有几种恶性疾病会造成血清甲胎蛋白的浓度升高到不正常水平，最明显的恶性疾病有非精原细胞睾丸癌（nonseminomatous testicular cancer）和原发性肝癌（primary hepatocellularcarcinoma）。在非精原细胞睾丸癌中，甲胎蛋白浓度的增高和病况的分期有直接的关系。在诊断出有精原细胞原细胞瘤（seminoma）的病人，观察到血清甲胎蛋白的浓度升高。血清甲胎蛋白浓度的增高量也可以用于对非癌症病例进行检测，例如（新生儿高胆红素血症neonatalhyperbilirubinemia）、共济失调性毛细血管扩张（ataxia telangiectasia）、遗传性高酪胺酸血症（hereditary tyrosinemia）、急性病毒性肝炎（acute viral hepatitis）、慢性活动性肝炎（chronicactive hepatitis）、及肝硬化（cirrhosis）等。

图7是一个利用本发明的数字化微流器件来对病人血清中的甲胎蛋白的浓度进行荧光（也可以是化学发光、吸收光谱等）免疫分析的例子。在第S701步骤，通过液体入口在数字化微流器件放入病人血清样品和检测试剂，其中检测试剂里面含有第一捕获抗体（primary captureantibody）、封闭蛋白（blocking protein）、含有用于检测特定抗原的报告分子的二级抗体（reporter secondary antibody）；报告分子（reporter molecule）是一种可以产生信号的分子，例如荧光分子、化学发光分子、酶、量子点（quantum dot）、生物素（biotin）等。在第S702步骤，参照前述图5A至5E所示实施例中将液滴基于电湿润效应分为两个子液滴的方式，基于血清样品和检测试剂的位置，在微流器件的相应电极施加直流或低频交流电压，使血清样品和检测试剂各自基于电湿润效应分别产生一个样品液滴和一个检测试剂液滴、再在相应电极上施加直流或低频交流电压，使样品液滴和/或检测试剂液滴移动，使两液滴靠拢合并、混合并孵育。在第S703步骤，在捕获抗体-抗原-抗体复合物（capture antibody-antigen-reporterantibody complex）形成后，在相应电极上施加直流或低频交流电压，使合并了的液滴在器件中移至在空间上能与第一窄电极交叠的位置处，以便可以进行介电泳操作。在第S704步骤，参照前述图4A所示的相同或相似方式在相应各第一窄电极上施加同相位电压，使合并后的液滴呈方形，随后再参照图4B至4K所示的实施例相同或相似的方式在相应各第一窄电极及器件的上层板的电极上施加一种频率的交流电压，使所产生的介电泳壳体能圈困并移动液滴中的复合物；随后在相应各第一窄电极及器件的上层板的电极上施加另一频率的交流电压，使液滴中未参与复合的分子被圈困并移动，从而利用介电泳效应将复合物和其他未参与复合的分子在合并了的液滴中予以分离。在第S705步骤，对复合物聚集的位置进行光学信号（荧光、化学发光、或吸收光等）测量。在第S706步骤，将测量后的液滴通过液体出口移至器件中的废液收集处。

如果需要，在第S704步骤之后，参照前述图5A至5E所示的实施例相同或相似的方式，将液滴一分为二，从而将液滴中的复合物和未参与复合的分子分别放置在两个不同的液滴中。然后，可以对只含有复合物的液滴进行光学信号（荧光、化学发光、或吸收光等）的测量。

需要说明的是，本领域技术人员已知悉，在器件的相应电极上施加电压来使液滴或样品移动，故在此不再详述。

图7是示范了在数字化微流器件对甲胎蛋白进行免疫分析的例子，类似的方法可以用来测量很多其他的分析物，诸如细菌、病毒、细胞等。

利用本发明的数字化微流器件可以实现对液体中粒子操作，通过对器件中电极的控制，所需要的粒子分离就可以实现，因此就不需要用诸如多孔板（well-plates）或微珠（microbeads）等来固定抗原抗体复合物了。这带来的好处很大-可靠的测量、更经济的检测、易使用的系统等等。

至今，微流器件上所分析的样品在放入器件之前都需要预处理，即样品制备（samplepreparation）。对于大多数的分析手段来说，样品制备都是重要的一个环节，因为该分析手段可能对于原位状态的待分析物不敏感，也可能分析结果易受其他与待分析物并存的其他物质的干扰。传统意义上的样品制备通常是指在分析前对待分析物进行浓缩、溶剂交换（theexchange of solvent）、去除干扰物质等。在生化分析中，样品制备通常是一个耗时耗力并需要很多步骤的过程，例如从原始样品（如全血、唾液、尿液、汗液、脑脊液、粪便等）收集所需要的DNA、RNA、或蛋白质等。

总体说来，样品制备可以分为两大步：第一，细胞或组织裂解（cell or tissue lysis）-裂解细胞但不使其中的敏感大分子变形或降解（denature or degrade），如DNA或蛋白质；第二，提取或分离（extraction or separation）-将待测物从裂解后的细胞里提取。在微流系统中，细胞分解方法有以下几大类：

a.机械法–利用对细胞直接接触的机械力来挤碎细胞。

b.加热法–利用高温来破坏细胞膜。

c.化学法–利用化学缓冲剂或酶来打开细胞。

d.电学法–利用低强度电场在细胞膜产生多孔，或利用较强电场分解细胞。

在不受理论的约束下，利用本发明，细胞裂解可以在数字化微流器件上利用加热法、化学法、电学法等较容易的实现。而利用介电泳，提取或分离也可以在器件上实现。就是说，本发明使得数字化微流器件成为一种真正意义上的集成器件–可以进行样品制备、检测、和分析。

图8是一个利用本发明的数字化微流器件来从全血（whole blood）中提取DNA样品并对其进行检测分析的例子。在第S801步骤，在数字化微流器件上放入病人的血液样品和用来对特定DNA进行实时PCR测量的试剂（如DNA引物、DNA聚合酶、dNTP等）。在第S802步骤，在器件相应电极上施加电压使血液样品基于电湿润分离出一个或多个样品液滴，并通过在相应电极上施加电压来移动样品液滴至器件上可以加热的位置。在第S803步骤，在器件上通过温度控制元件将样品液滴的温度升至100摄氏度并在此温度保持一小段时间（比如30秒），以实现对样品液滴中细胞的热分解。在第S804步骤，通过在相应电极上施加电压来将样品液滴移至在空间上与第一窄电极有交叠的位置处，并通过在各第一窄电极及上层板中的电极施加电压对样品液滴进行介电泳操作，以将待测的DNA分离出来。在第S805步骤，通过在在相应电极上施加电压来产生电湿润效应，从而将样品液滴一分为二，使得待测的DNA主要在其中的一个子液滴中（DNA液滴）。在第S806步骤，在器件相应电极上施加电压使试剂基于电湿润产生一个或多个试剂液滴，并通过在相应电极上施加电压来移动试剂液滴，使试剂液滴与DNA液滴合并。在第S807步骤，在器件上对合并混合后的液滴进行实时PCR测量。在第S808步骤，将测量后的液滴移至器件中的废液收集处。

图8显示的只是许许多多个只要在本发明中数字化微流器件上放入未处理样品和相应的试剂就可以进行检测分析的例子之一。这里的数字化微流器件具有各种各样的功能，例如从未处理样品中提取待测物质、对待分析物进行测量、以及实验分析等。非限制的例子包括对全血进行血液化学检验（blood chemistry），如血气（blood gases）、葡萄糖（glucose）、电解质类（electrolytes）、尿素（urea）等；对尿液中阴道毛滴虫（Trichomonas vaginalis）的测量来诊断膀胱癌；对汗液中电解质（sweat electrolytes）的测量仪诊断囊肿性纤维化（cysticfibrosis）、对唾液中相应的白细胞间介素（interleukin）IL-1B和IL-8等的测量来判断口腔鳞状细胞癌（oral squamous cell carcinoma）等。

很多种细胞和生物大分子的生理机能（physiology）都跟其所处环境密切相关，例如电导率、粘滞性、紧张性（tonicity）、pH值等。作为一种灵敏的手段，介电泳可以用来探测细胞生理机能的微小变化。例如，介电泳交叉频率（cross-over frequency）测量法就可以人体红细胞受毒素（toxicants）的影响，这里的毒素包括百草枯（paraquat）、氧化苯乙烯（styrene oxide）、N-亚硝基-N-甲基脲（N-nitroso-N-methylurea）、及嘌呤霉素（puromycin）（BiochimBiophyActa,Vol 1564,P 449,2002）。

图9是一个利用本发明的数字化微流器件对细胞在某一频率范围内的介电行为（dielectricbehavior）的测量从而来研究该细胞生理机能的例子。在第S901步骤，在数字化微流器件上放入含有待测细胞的不同的液体样品，这些液体样品可以含有相同种细胞，以可以含不同种细胞。在第S902步骤，在器件相应电极上施加电压使各液体样品分别基于电湿润效应分离出上样品液滴，并通过在相应电极上施加电压来将各样品液滴分别移至器件上与第一窄电极或第二窄电极在空间上有交叠的位置处。在第S903步骤，通过在相应各窄电极及上层板中的电极上施加电压来对多个样品液滴同时进行介电泳操作,并用光学（或电学）方法来测量细胞的移动方向和速度。在第S904步骤，将测量后的液滴移至器件中的废液收集处。在第S905步骤，利用从S903步得到的数据，分析细胞介电行为随电场频率的关系。在第S906步骤，利用数据分析的结果，提供有关细胞生理机能信息。

可以看出，本发明提出了在生化分析和即时检验（point-of-care testing）等很多领域都非常有用方法，包括样品制备的自动化（例如细胞分离、细胞溶解（cell lysis）、分子提取和纯化、浓缩、与试剂的混合、或者扩增等）、测量和分析。从上面的一些例子可以看出其中的一些优势。

除了继承了数字化微流的一些优势以外，本发明引入了更多的优势，例如：

a.可直接基于电湿润效应及下层板中的两层电极间的交叠分布来控制液滴的形状，而无需再在上下层板表面设置控制液滴形状的凹槽或内壁，有效降低了器件制备的复杂度。

b.有主要用于介电泳的窄电极及配合窄电极进行电湿润操作的子电极，方便使用者的使用。

c.器件功能更加完整，尤其是样品制备也可以在器件上完成，而不需要在放入器件前用其他方法进行，因此，可用原材料直接进行测量。

d.因为悬浮在液体中的粒子可以在液滴内被重新分布或浓缩，测量的灵敏度可以因此而相应的提高。

e.由于通过对器件上的电极控制就可以对液滴里的粒子进行分离，通常用于粒子分离的磁珠及外界磁铁装置也就不需要了。这可以简化器件的使用、降低器件的使用成本。

f.在器件上对液滴里的粒子进行重新分布或分离的功能使得检测的灵活性和多重性（multiplicity）得到提高。

g.生化分析的很多步骤都可以在器件上集成化和自动化，例如取样、样品制备、液体移动、混合、稀释、浓缩、分离、孵育、反应、测量、废液收集等。

h.可以对多个待分析物同时进行检测。

i.可以同时进行不同类别的分析检测。

j.利用器件上的电泳或介电泳过程，样品和试剂之间的混合过程可以加快。

k.实验定标和检测分析可以同时进行。用于定标的液滴和检测的液滴可以同时产生和运作，而实验定标的过程不需要先将实验先停下。

这里应当指出，为了降低焦耳热（Joule heating）的副作用，可以对本发明的数字化微流器件（整个或局部）可以进行温度控制。

尽管这里没有详细描述，应当指出，在使用介电泳效应时，电极上所加电压的幅度也是可以调节的（除频率外），这也是为了更有效地进行粒子操作而经常使用的。

从以上的讨论可以看出，本发明提供了一个真正意义上即时检验（point-of-care testing）的微流器件及操控方法。利用本发明，细胞溶解（cell lysis）及分析物的提取/分离都是器件功能的一部分。本发明的数字化微流器件具有颇为完整的功能：包括样品制备、测量、分析、和诊断等。通过和互联网及云计算结合，本发明可以为医疗系统（healthcare system）提供一个好的基础，包括病情诊断、网上医疗知识支持、远程医生病人互动等。

这里应当指出，上述示例和上述提及的优势不是穷举性的。本发明的灵活性本质可以用于很多应用，并且与诸如基于单层电极的数字化微流或基于管道的微流的其他技术相比，的确有很多优势。

在本申请中提及的所有书面专利和出版物通过应用而在此并入全部内容。

尽管说明并描述了本发明的优越实施方式，但是应当理解，在不脱离本发明精神和范围的前提下，可以对本发明做出很多改变。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (29)

1.一种基于介电泳来操控液体中的粒子的微流器件，其特征在于，至少包括：

第一基底及第二基底；

设置于所述第一基底的第一电极结构层及设于所述第一电极结构层表面的第二电极结构层、设置于所述第二基底的第三电极结构层，且第一基底上的电极结构层与第二基底上的电极结构层相对设置，以便两者之间具有容置液体的空间；

其中，所述第一电极结构层至少包括第一窄电极组、第一子电极组、及使所述第一电极结构层中的各电极与所述第二电极结构层的各电极电隔离的第一介电层，所述第一窄电极组包含的各第一窄电极的宽度和间距的范围在0.1微米至100微米之间；第一子电极组包含的各第一子电极的宽度范围在100微米至20毫米之间、间距范围在1微米至2毫米之间；其中，所述第一子电极和所述第一窄电极用于产生电润湿效应来控制所述空间内的液滴，所述第一窄电极还用于产生介电泳效应来操控所述液滴中的粒子，所述第二电极结构层中的至少部分电极与至少部分第一窄电极在空间上的交叠区域与非交叠区域相间。

2.根据权利要求1所述的微流器件，其特征在于：各第一窄电极的宽度范围和相邻第一窄电极的间距范围在1微米至50微米之间，各第一子电极的宽度范围在200微米至5毫米之间、相邻第一子电极的间距范围在5微米至500微米之间。

3.根据权利要求2所述的微流器件，其特征在于：各第一窄电极的宽度范围和相邻第一窄电极的间距范围在1微米至50微米之间，各第一子电极的宽度范围在200微米至2毫米之间、相邻第一子电极的间距范围在5微米至100微米之间。

4.根据权利要求1所述的微流器件，其特征在于：各第一窄电极的宽度并非全部相同。

5.根据权利要求1所述的微流器件，其特征在于：相邻第一窄电极间的间距并非全部相同。

6.根据权利要求1所述的微流器件，其特征在于：所述第二电极结构层中所包含的各电极与第一电极结构层的各电极相互垂直。

7.根据权利要求1所述的微流器件，其特征在于：所述第二电极结构层中所包含的各电极的宽度范围和相邻电极的间距范围均在0.1微米至20毫米之间。

8.根据权利要求7所述的微流器件，其特征在于：所述第二电极结构层包括第二窄电极组及第二子电极组，其中，第二窄电极组包含的各第二窄电极的宽度范围和相邻第二窄电极的间距范围在0.1微米至100微米之间，第二子电极组包含的各第二子电极的宽度范围和相邻第二子电极的间距范围在100微米至20毫米之间。

9.根据权利要求8所述的微流器件，其特征在于：各第二窄电极的宽度范围和相邻第二窄电极的间距在1微米至50微米之间，各第二子电极的宽度范围和相邻第二子电极的间距范围在200微米至10毫米之间。

10.根据权利要求9所述的微流器件，其特征在于：各第二窄电极的宽度范围和相邻第二窄电极的间距范围在1微米至50微米之间，各第二子电极的宽度范围和相邻第二子电极的间距范围在200微米至2毫米之间。

11.根据权利要求1所述的微流器件，其特征在于：所述第一电极结构层及第二电极结构层所包含的电极包括延长电极。

12.根据权利要求1所述的微流器件，其特征在于：在所述第一基底设置有由第一电极结构层和第二电极结构层层叠成的3层或3层以上的多层电极结构层。

13.根据权利要求1所述的微流器件，其特征在于还包括：电极选择单元，分别与处于所述第一基底及第二基底的各电极结构层中的可选址电极相连接，用于由可选址电极中选择待施加电压的电极。

14.根据权利要求1所述的微流器件，其特征在于还包括：与容置液体的空间连通的液体入口。

15.根据权利要求1所述的微流器件，其特征在于还包括：与容置液体的空间连通的液体出口。

16.根据权利要求1所述的微流器件，其特征在于还包括：包括至少一个温度控制元件以控制器件至少部分区域的温度。

17.根据权利要求1所述的微流器件，其特征在于：在所述第一基底及第二基底上，处于表面的电极结构层所包含的介电层中至少部分区域具有疏水性。

18.根据权利要求1所述的微流器件，其特征在于：第一基底上处于表面的电极结构层的表面与第二基底上处于表面的电极结构层的表面之间的间距小于1毫米。

19.根据权利要求17所述的微流器件，其特征在于：第一基底上处于表面的电极结构层的表面与第二基底上处于表面的电极结构层的表面之间的间距小于0.3毫米。

20.一种基于介电泳来操控液体中的粒子的方法，其特征在于包括步骤：

a.在权利要求1至19任一项所述的微流器件的同一窄电极组的至少部分窄电极、及第三电极结构层中的至少一个电极上施加第一预定频率的交流电压，其中，部分窄电极上所施加的交流电压的相位与其他窄电极上所施加的交流电压的相位不同但与第三电极结构层中的电极上所加电压相位相同，以便在窄电极与第三电极结构层中的电极之间产生介电壳体，来圈困待测液滴中可能包含的一种粒子。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于还包括步骤：

b.至少一次调整各窄电极上电压的相位，使介电壳体的位置发生改变，使被圈困在介电壳体中的粒子也发生相应位移。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于还包括步骤：

c1、以至少一种其他频率的电压来重复步骤a及步骤b，以圈困并移动待测液滴中可能包含的其他种粒子。

23.根据权利要求21或22所述的方法，其特征在于，在步骤b之后还包括步骤：

c2、基于待测液滴所处的位置，在所述微流器件的相应电极上施加直流或低频交流电压，使待测液滴基于电湿润效应分离为至少两个子液滴。

24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，在步骤a之前还包括步骤：

在所述微流器件的相应的各第一窄电极上施加直流或低频电压，使待测液滴基于电湿润效应、及所述微流器件的第二电极结构层中与各第一窄电极在空间上有交叠的电极对电场的屏蔽，呈现与对应的非交叠区域的形状近似的形状。

25.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，在步骤a之前还包括步骤：

在所述微流器件的相应电极上施加直流或低频电压，使待测液滴被驱动至所期望的位置。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于：所期望的位置包括：所述微流器件上可加热区域、所述微流器件的第一窄电极处以及微流器件的液滴出口处。

27.根据权利要求20至22任一项所述的方法，其特征在于：步骤a及步骤b中施加在电极上的电压频率在1赫兹至1千兆赫兹之间。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于：施加在电极上的电压频率在100赫兹至1百兆赫兹之间。

29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于：施加在电极上的电压频率在1千赫兹至10兆赫兹之间。