CN1319761A - 高通量电旋转检测的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及含有电旋转单元阵列的高通量电旋转芯片及这些芯片进行高通量检测的方法。为了制作高通量电旋转芯片,在基底或支撑物上加工出多个电旋转单元,每个电旋转单元在施加合适的电信号后能产生旋转电场。电旋转芯片的实施例是由多个通过两个导电层实现的四个电极组成的电旋转单元所形成的行列结构。电极形状可以是蝴蝶形、线形、内凹圆弧形或外凸圆弧形。有一个或多个孔的薄片与高通量电旋转芯片结合形成有一个或多个反应池的反应腔。将微粒导入反应池中并对其进行电旋转测量。高通量电旋转芯片和反应腔可以用于基于细胞的从化合物库中筛选先导候选药物分子以及高通量的微粒电性质测定和未知溶液分子组成的高通量检测。

Description

高通量电旋转检测的装置和方法
本发明涉及电旋转及生物物理领域。具体地，实施例包括微加工的电旋转芯片，这类芯片可以产生一个旋转电场并评价生物或非生物微粒的旋转行为，以及用于分析这类微粒旋转性质的装置以及相应的方法。
现代生物技术和制药业采用不同的分析技术去确定和鉴别分子、细胞和生物微粒的性质。例如，研究者经常采用基于微珠体的多重检验方法分析“未知”溶液中靶分子的类型并将其浓缩(见Fulton R.J.等，ClinicalChemistry,43:1749-1756,(1997))。靶分子包括抗体、抗原、寡聚核苷酸、受体、多肽、酶底物等并能被指示分子(如荧光分子)标记。典型地，在这类检验方法中应用了多种不同类型的微珠体。根据不同的物理或化学特性如颜色、大小、荧光分子类型和荧光强度等可以将不同类的微珠体区分开来。不同类型微粒表面含有不同类型的分子，即每一类微珠体都是表面活化的或包覆有某一类分子。包覆在微珠体表面的分子可以是抗体、抗原、寡聚核苷酸、受体、多肽、酶底物等等。理想状况下，包覆在微珠体表面的每一个分子都能与“未知”溶液中的一类靶分子相互作用。
接着，多种表面包覆的微珠体与“未知”溶液混合并培养，让“未知”溶液中的靶分子与微珠体表面固定的分子相互反应。在培养之前，所有靶分子都预先用特定类型的指示分子(如荧光分子)标记。在培养之后，对不同类型的微珠体上结合的指示器进行检测。例如通过流式细胞仪分析单个微珠体上的荧光级别并确定所检测微珠体的类型。因为标记靶分子和固定分子之间的“一对一”关系是可以实现的，所以可以依次鉴定并浓缩在“未知”溶液中的靶分子。正因为有这类鉴定方法，开发一种利用这类鉴定方法进行分析的高通量系统成为必须。
制药业开发出的现代化的方法还包括分析靶分子和感兴趣分子、细胞、微粒之间的相互作用。例如，经常采用基于细胞的技术从化合物库中筛选新药。典型的筛选步骤采用具有靶分子的细胞搜寻与靶分子能相互反应的候选药物。含有靶分子的细胞被导入到不同的反应池内并与来自于化合物库的不同化合物相接触。在细胞与这些化合物共同培养特定的时间后对化合物与靶分子之间的相互作用进行评估。检测相互作用的方法有很多种，经常采用基于荧光的检测系统。另外一种相似的鉴定方法是用于分析特定类型细胞对不同化合物量以及不同反应时间的反应。这类鉴定方法同样可以用基于荧光的检测系统来检测，而且实验系统是可以得到定量的结果。同样，很需要有可利用这类鉴定方法进行药物开发的高通量系统。
本发明是利用电旋转分析分子、细胞和微粒的行为或鉴定分子、细胞和微粒的类型。电旋转分析将这些分子、细胞和微粒混合后置于一个能导致这些物质旋转的电场中，同时观察分子、细胞或微粒的行为。“电旋转”是指物质在一个电场中旋转。当一个物体受一旋转电场影响时，该物体就被极化并且诱导出的极化作用与施加的旋转电场相互作用，产生一个旋转偶极矩以驱动物体旋转。旋转的行为(如旋转速度和方向)依赖于旋转电场的频率和旋转物体的电性质。旋转行为可以用一个与旋转电场的频率相关的函数来表示。通过测定，物体特有的电性质(如电导率和电容率)就可以被推导出。
许多基于电旋转的技术被开发用于区分微粒类型和分析微粒性质。例如，美国专利4,626,506号揭示了一种用于区分悬浮液中能分泌细胞物质(如蛋白、激素等)和不能分泌这些物质的细胞的方法。美国专利4,634,669号揭示了一种用于区分两类不同微粒的方法，该方法是通过对微粒施加不同频率的旋转电场，通过观察微粒的不同旋转方向达到区分微粒的目的。美国专利4,801,543号揭示了一种通过将微粒置于两个相互叠加的具有相反旋转方向的同步电场之中来区分不同类型的微粒。还有国际专利WO93/16383号揭示了一种检测靶分子的方法，该方法让微粒和靶样品形成复合体，通过观察原始微粒和复合体的不同旋转特性来实现检测。
以下是对电旋转的更多的讨论及应用例子，如Amold &Zimmermann,Z.Naturforsch.,37c:908-915,(1982)；Fuhr等，Stud.Biophys.108:149-164,(1985)；Gimsa等，Physical characterization of biological cells,Schutt W,Klinkmann H and Laprecht I and Wilson T editors,Gesundheit,Berlin,pp 295-323,(1991a)；Huang等，Phys.Med.Biol.,37:1499-1517,(1992)；Huang等，Biochim.Biophys.Acta 1282:76-84,(1996)；Wang等，Biochim.Biophys.Acta.1193:185-194,(1994)；Becker FF及Wang,Bioelectrochem.Bioenerg.36:115-125,(1998)；及Huang Y等，Biochim.Biophys.Acta 1417:51-62(1999)。
本发明涉及电旋转芯片的制作和使用以及用于分析多种不同类型微粒的高通量装置。较好地，本发明的实施例在一个电旋转芯片上对不同类型的微粒旋转行为进行高通量的分析，并能快速确定多种不同微粒的电性质。这些实施例还可以用于高通量分析分子-分子、分子-微粒、微粒-微粒之间的相互作用。例如，本发明可以用于基于细胞的，从化合物库中高通量地筛选出药物蛋白分子。
附图中：
图1(A)是高通量电旋转检测芯片的示意图。
图1(B)是一个具有6个电极的电旋转单元。
图1(C)是一个具有3个电极的电旋转单元。
图1(D)是一个具有4个电极的电旋转单元。
图2是一个对应于多个电旋转单元的具有一个单一孔的板。
图3是一个具有多个孔的板，板上的每个孔依次对应一个电旋转单元。
图4是一个包括电旋转反应腔、光学成像装置和图像分析/处理设备的电旋转检测系统结构示意图。
图5是一个高通量电旋转芯片实施例的示意图，每个电旋转单元具有四个蝴蝶形的电极。
图6是具有外凸弧形电极的高通量电旋转检测芯片示意图。
图7是具有内凹弧形电极的高通量电旋转检测芯片示意图。
图8是具有直线形电极的高通量电旋转检测芯片示意图。
图9显示高通量电旋转检测芯片的相邻电旋转单元的电极是电连通的。
图10显示高通量电旋转检测芯片的相邻电旋转单元之间有共享的电极，而且相邻电旋转单元的电场旋转方向相反。
图11显示高通量电旋转检测芯片的相邻电旋转单元的电极是电连通的，并且相邻电旋转单元的电场旋转方向相反。
图12(A)显示高通量电旋转检测芯片的每一路输入信号都与每一个电旋转单元中的一个电极电连通的，并且每个电旋转单元内均匀分布的三个线形电极之间是电绝缘的。
图12(B)显示高通量电旋转检测芯片的每一路输入信号都与每一个电旋转单元中的一个电极是电连通的，并且每个电旋转单元内均匀分布的五个线形电极之间是电绝缘的。
图12(C)显示高通量电旋转检测芯片的每一路输入信号都与每一个电旋转单元中的一个电极是电连通的，并且每个电旋转单元内均匀分布的六个线形电极是电绝缘的。
图13(A)是利用电子开关实现对电旋转单元单个选通的示意图。
图13(B)是双极型结型晶体管电子开关示意图。
图13(C)是金属氧化物半导体场效应管电子开关示意图。
图14是一典型高通量电旋转检测的流程图。
图15是利用高通量电旋转检测进行合理的药物筛选方案的流程图。
图16是利用高通量电旋转检测确定生物样品中靶分子的类型和浓度的流程图。
本发明的一部分内容是关于制作和使用可在相同电旋转芯片上对多种不同类型的微粒进行高通量电旋转分析的装置。因为具体的电旋转芯片实例包括多个电旋转单元，因此可以在相同和相似的实验条件下对多个样品进行分析。与此相反的，如果多个样品被导入到不同的电旋转芯片上，那么芯片与芯片之间的实验条件就不可能一样，这样所得到的实验结果就不可信。本发明所述的几种实施例可以为每个电旋转分析提供完全相同的实验条件，这是由于各电旋转芯片的实施例在一个芯片上都包含多个电旋转单元。
通过对电极施加相位偏移信号产生旋转电场。为了制造简单，电旋转单元可以采用行列排布。而电极的形状、位置以及信号的强度、频率和波形是决定电场特性的因素。
不同的电极形状可以产生不同的电场。电极的形状可以是蝴蝶形、矩形或弓形。一般情况下，虽然电极的数目和间距可以不同，但是至少需要有三个电极均匀地分布在电旋转单元中心的周围。
电场还可能被周围的电旋转单元影响。因此，在一些实施例中，通过让每一个输入信号同时为多个相连通电极提供信号来减小这种串扰。在其它一些实施例中，通过改变相邻电旋转单元内的旋转电场方向来减小这类串扰。
在本发明中所介绍的一些电旋转芯片的实施例中，其支撑物(如芯片)上分布有多个电旋转单元，这样就可以在一次检测中分析多个同类或不同类的微粒、细胞和分子的电特性。通常，此处所描述的电旋转芯片包括一个支撑物或基底及其上的多个电旋转单元。这里所述的“支撑物”是指一个大分子的结构。适宜的支撑物是由非致密的或致密的材料制成。常用的支撑物材料是玻璃、硅、塑料和陶瓷。
相位偏移信号由信号发生器产生，该信号发生器可以集成在芯片上也可以在芯片外。可以采用数字或模拟的信号发生器来产生波信号，再利用相位偏移滤波器来产生相位偏移信号。当然也可以直接用一个信号发生器产生多个相位偏移信号。
相位的偏移量应该一致，这样具有N个电极的电旋转单元的电信号相位偏移值为360/N度。相位偏移值也可以增加，这样总的度数应为360度的整数倍(如720,1080,1440度)。也可以采用不均匀的相位偏移来产生旋转电场。
一般采用周期性的波如正弦波、方波、锯齿波等等，当然也可以采用非周期性的波。
在一些实施例中，可能希望只激发整个电旋转单元阵列中的一个或某几个，这样就需要应用如双极型结型晶体管(BJT)或金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)之类的开关来选择性地激发某些电旋转单元。
实施例中的电旋转芯片可以在一个阵列芯片上分析多个不同类型微粒的电性质。例如通过样品分配头将多个样品分发到单个电旋转反应池中，诱导出旋转电场后对每个电旋转单元内的微粒旋转情况进行监测，对电旋转单元的检测可一个一个进行或同时检测多个单元。如果使用具有大观测范围的电荷耦合器件(CCD)，那么就可以同时监测多个电旋转单元内的微粒电旋转反应。利用本发明所介绍的实施例可以分析多种具有不同形状和尺寸的微粒，这些微粒包括但不局限于生物分子、生物复合体、免疫复合体、脂质体、原生质体、血小板、病毒、细胞和微珠体。通过使用这些实施例，专业人士可以快速地分析多个微粒的电性质性质并同时监测这些微粒对改变周围环境刺激的响应。
除了用于监测同类或异类微粒群体的电性质外，本发明所述的实施例还可用于快速鉴定具有相似电性质的微粒。在本发明中，“微粒”是指可以以任意形状溶解或悬浮在流体中的物质。微粒可以是生物的也可以是非生物的，包括但不局限于细胞、细菌、病毒、DNA分子、蛋白、微珠体(如金属的、塑料的、玻璃的、聚苯乙烯的珠体或具有复杂成分的珠体)和纳珠体(nanobead)。本发明的一个实施例还分析了能/不能与支撑物相连接的具有一个配基(如抗体、多肽或化学物品)的细胞/细胞复合体。当具有相似电性质的微粒被鉴定后，依据电性质将其分组归类。接着，对具有相似电性质的微粒进行进一步的分析并区分能主动产生细胞物质如蛋白、糖类和脂类的细胞。鉴定的过程更适于区分不同类细胞群体(如只有一些细胞能产生细胞物质)。为了便于分析，可以将一种与细胞结合后能改变细胞电性质的标记物(如抗体、珠体、载体或其他配基)与能主动产生细胞物质的细胞结合。例如，一种能与感兴趣的膜蛋白直接结合的抗体可以用于快速标记能产生这类膜蛋白的细胞，这样，通过监测细胞与标记物接触前后电性质的改变情况就可以快速检测出这类能结合抗体的细胞。
在其他一些实施例中，此处所述的电旋转芯片可用于分析与测试化合物或试剂接触过的微粒(如细胞)的电性质。也就是说，用于鉴定一种试剂是否调节了细胞的电性质的方法也是本发明中的一个实施例。基本的技术步骤总结如下：当一个被测化合物与一个细胞相互作用后，它们之间的相互作用会刺激产生一系列的生化反应。这些反应将导致细胞的电性质发生改变，通过此处所述的方法即可进行快速的监测和分析。另一方面，如果试剂与细胞没有发生相互作用，那么细胞的电性质就会保持不变，如同细胞没有与这类化合物相接触一样。因此通过分析多个细胞在与试剂(如来自于化学或多肽库的化合物)接触前后的电性质，可以快速地筛选出多种化合物与细胞相互作用的能力。更好的是在细胞与试剂接触前，用于反应的这些细胞可以与未与试剂接触的对照细胞群体进行比较。这样，通过确认试剂与细胞接触后能改变细胞的电性质就可以达到对试剂进行鉴定地目的。
在其它的实施例中，提供了用于确定生物样品中分子的类型和浓度的方法。其中的一种方法是利用具有多个电旋转单元的电旋转芯片分析分子与表面涂覆检测试剂(如染料、抗体或能特定结合于感兴趣分子的配基)的微粒接触后其电性质的变化。通过将检测试剂与微粒相结合形成表面涂覆的微粒，将这些微粒放置于电旋转单元中，每个电旋转单元内至少有一个涂覆的微粒。含有感兴趣分子地生物样品与涂覆的微粒接触后，对电旋转单元施加电信号。随后对涂覆微粒进行电旋转测量。通过比较与生物样品接触过的涂覆微粒以及未与生物样品接触过的涂覆微粒的电旋转性质可以确定生物样品中感兴趣的分子的类型和/或其浓度。如同专业人士所希望的，可以通过比较与生物样品接触过的涂覆微粒与对照的涂覆微粒一感兴趣分子复合体的电旋转性质来确定生物样品中感兴趣分子的类型和/或其浓度。下面部分将对具体电旋转芯片的加工做详细地描述。
一些电旋转芯片的实施例是采用两层电极结构，这种结构具有连线简单，加工容易和易于实现高通量的优点。依据不同的应用可采用不同结构的检测反应池。反应池含有多个孔，每个孔依次对应一个旋转场中心。芯片的基底材料应是致密的和非致密的(如非致密陶瓷或非致密硅)，这样就可以在反应池与周围环境之间交换确定类型的分子(如让O2和CO2穿过芯片)。在高通量检测过程中还包括适当的流体、电和机械控制。为了监视和测定微粒的旋转行为，还要使用与显微镜结合在一起的自动光学检测系统和图象处理装置。
实施例还包括微加工得到的电旋转芯片及用于高通量电旋转检测的相关系统。电旋转芯片上有多个微电极，这些微电极的排布方式是每几个电极可以形成一个电旋转单元，通过施加相位偏移电信号，可以在电旋转单元的中心形成一个旋转电场。在一个电旋转芯片上有多个电旋转单元形成所谓的“电旋转单元阵列”。每个电旋转单元都是可单独选通的，这样，单元内的旋转电场可以开关并调节电场频率、场强和旋转方向。另外，所有或一部分电旋转单元可以用相同或相似的方法激发。在芯片表面多个电旋转单元中产生的旋转电场可用于诱导多种不同微粒的旋转。通过适当的检测方法(如通过细胞自动成像和成像处理来确定旋转速度)可以确定微粒旋转行为的频率特性并进一步分析推导微粒的电性质。
为了在每个电旋转单元中心产生一个旋转电场，需要有三个和更多的电极被具有不同相位的电信号同时激发。图1(D)显示了一个由四个电极均匀对称组成的电旋转单元。当这些电极受0,90,180和270度相位偏移值的电信号激发后，在这些电极所围成的中心区域内将产生一个旋转电场。
另一个电旋转单元由三个相同的电极均匀分布在电旋转单元中心区域的边上，如图1(C)。当这些电极被具有0,120和240度的相位偏移值的电信号激发后，在这些电极所围成的中心区域内将产生一个旋转电场。
通常，电旋转单元包括N个相同的电极并且分布在旋转电场的周围。最好的情况是电极均匀并对称地分布。
当相位偏移值为0,360/N,360*2/N,360*3/N,….360*(N-1)/N的信号施加在这些电极上，在电极单元的中心就形成一个旋转电场。这里N是个整数并且大于等于3。当然，依次施加在电极上的电信号相位偏移值也可以是0,360*k/N,360*k*2/N,360*k*3/N,……及360*k*(N-1)/N，这里N和k都是整数且N≥3,1≤k≤N/2。
例如，当N=4,k=1，即电旋转单元由四个电极组成，那么，施加在这些电极上电信号的相位偏移值为0,90,180和270度(图1(D))。
电旋转单元中心区域电极之间的电场空间分布依赖于N和k的大小以及电极的形状和尺寸、所施加电信号的幅值和频率。
优选的实施例包括在中心区域边均匀分布的相同的电极，这些电极被具有固定相位差和振幅的信号驱动。当然，该实例中的一些参数是可变的，如电极的形状和尺寸可以不同，电极也可以不均匀分布，中心区域可以不对称或均一等等。这些变化再加上施加不同幅值和相位差的电信号可以产生所需的旋转电场。
那些精于电场理论分析和数值模拟的人可以基于N、k的值，电极的结构和尺寸以及所施加信号的幅值和频率来分析、模拟并优化旋转电场。
电极是一个具有三维结构导电材料做成的。它们通常是溅射在基底上的薄膜结构(小于几个微米)，当然，如果需要也可以将电极的厚度加工得更大一些。电极的形状可以是线性，内凹形或外凸形，也可以使用其他的几何形状。
电极是在电旋转芯片上通过加工得到的具有一定几何形状的导电体。该导电体是通过沉积、蒸发、电镀、溅射等工艺制作的金属结构或者是通过选择性地掺杂在一个半导体层中形成的导电体。
根据不同的应用，电旋转芯片可以用致密或非致密性材料作基底。致密的基底材料包括但不局限于玻璃、硅、塑料和陶瓷。当在反应池和周围环境之间需要可控制地交换一些特定分子(如气体分子O2或CO2等)时需要使用非致密性材料作为基底材料。
根据不同的基底材料和不同的电极结构要求，在电旋转芯片上可通过标准的一层或多层光刻来制作所需的微电极。当然也可采用其他的微加工技术。例如在陶瓷上通过厚膜印刷技术制作电极。不同的微加工技术有其相应的优缺点，可根据所用材料及所需解决的加工问题来选择。那些微加工方面的专业人士可以根据微电极及电旋转芯片的设计要求选择合适的加工方案。
电旋转单元可以排布成规则的重复的图案(如矩形阵列)或不规则或随机的图案。一个例子就是在微电子行业常用的将电旋转单元排成行列结构。行列之间可以是互相垂直的，也可以是偏置一定的角度(如80度)。
一个电旋转单元的适宜大小是介于微米到几厘米之间。也就是说，电旋转单元的最长轴长度可以小于1微米，小于5微米，小于10微米，小于20微米，小于50微米，小于75微米，小于100微米，小于150微米，小于200微米，小于250微米，小于500微米，小于750微米，小于1毫米，小于2毫米，小于3毫米，小于4毫米，小于5毫米，小于6毫米，小于7毫米，小于8毫米，小于9毫米，小于10毫米，小于15毫米，小于20毫米，小于30毫米，小于50毫米。典型的情况是电旋转单元包括三个或更多的电极，这些电极分布在旋转电场产生的中心区域周围。
单个电旋转单元可以被单独选通，即在任意时刻电旋转芯片上可以只有一个电旋转单元被选通产生一个局部的旋转电场或者是有多个电旋转单元被选通产生多个局部旋转电场。选通电旋转单元指对电旋转单元的电极施加适当的电信号。
根据电旋转芯片的结构，可以通过不同的方法实现对电旋转单元的选通。在一种结构中，每个电旋转单元中的电极都单独与外部独立的电信号源相连，这样每个电旋转单元可以被单独选通。
另外也可以使用电子开关来实现对单个电旋转单元的选通。一个电极是否被激活由控制该电极的电子开关的通断状态来决定。当然同时也需要控制这些开关的电信号存在。电子选通技术在现代微电子学中是很普通的，如在电子存储芯片中就大量应用。那些微电子学方面的技术人员可以很容易地为这里所述的电旋转芯片设计合适的选通方法。
当决定电旋转单元的分组与布局时，须考虑使用开关引起的相位偏移。在一个实施例中对所有的信号源使用相同的开关，则其相位偏移是相同的。当然也可以在模拟电路中使用电阻一电容网络来补偿这些相位偏移。另外一种解决方法就是对信号发生器进行调节。那些电子学方面的专业人士可以设计并采用正确的电路以得到所需的特殊信号。
在另一类芯片结构中，所有的电旋转单元都并行地与电信号源相连，可同时激活或同时断开(见图5)。在另一类芯片结构中，电旋转单元被分成几组，每组内的电旋转单元并行地与信号源相连。在这种结构中，同一组内的电旋转单元将同时被激活或断开。
实施例中包含的反应池可以具有不同的形状和大小。反应池是指一个能容纳反应用微粒且具有一个旋转电场的三维空间。一个简单的反应池结构如下：底部有一个电旋转芯片，中间是一个带有中空孔的板与电旋转芯片粘在一起。板上的孔形状可以多种多样，但是在对应芯片上电旋转中心处必须是开放的。
图2显示了一个孔覆盖芯片上的所有电旋转单元。当板与芯片结合后，板上的孔对应形成反应池。待检测的样品(如含有多种不同类型微粒的液态溶液)被导入到反应孔中。这些一个孔的反应池可用于同时检测被导入的混合在一起的多种不同类型的微粒。
图3是另一种板上含有多个孔的反应池结构图。每一个孔依次对应于芯片上的每一个电旋转单元的中心。芯片上的电旋转单元数目与板上的孔数目是相同的。依照这种方法当板与芯片结合在一起后，孔与电旋转单元是一一对应的，即每个孔都对应形成反应腔中的一个反应池。
用于构建反应池的板可以由多种材料制成，如玻璃、硅、陶瓷、特氟隆薄片或其他塑料薄片、多聚材料如PDMS(Poly-dimethylailoxane)、PMMA(polymethylmetacrylate)和PC(polycarbonate)等等。
例如，可以使用玻璃板并且板上的孔可以根据孔的尺寸和玻璃的厚度采用钻或光刻等工艺加工成合适的大小。通常，孔的适宜大小是介于几十微米到几厘米。通过阳极键合的方法可以让玻璃板和硅基底的电旋转芯片结合在一起。另一个例子是使用厚度在几十微米到几毫米的薄膜板。在薄膜板上可以通过切割或微加工出不同形状的孔。
另一个例子是使用多聚材料做板与电旋转芯片结合形成检测用反应池。通过一些加工工艺可以在多聚材料上加工出所需的孔。
下列是一些可以采用的微加工工艺如激光刻蚀(见Simpson PC,RoachD,Woolley AT,Thorsen T,Johnston R,Sensabaugh GF,Mathies RA,Proc.Natl.Acad.Sci.,USA,95:2256-2261,1998)，铸模(见Integrated capillaryelectrophoresis for chemical analysis,Becker H及Manz A,Sensors Update,Vol.3，编辑：Baltes H,Gopel W及Hesse J,VCH Weinheim,pp 208-238,1998)，硅橡胶铸造(见Manz A及Becker H，编辑，Microsystem technologyin Chemistry and Life Science,Topics in Current Chemistry,194,SpringHeidelberg,1998)，模压(见Kopp MU,Crabtree HJ及Manz A,Currentopinion in Chem.Biol.,1:410-419,1997),herein expressly incorporated byreference in its entirety；铸造(见Microfluidic networks for chemical patterningof substrates:design and application to bioassays,Delamarche E,Bemard A,Schmid H,Bietsch A,Michel B及Biebuyck H,J.Am.Chem.Soc.,120:500-508,1998；及Integrated capillary electrophoresis on flexible siliconemicrodevices:analysis of DNA restriction fragments and detection of singleDNA molecules on microchips,Effenhauser CS,Bruin GJM,Paulus A及EhrtM,Anal.Chem.,69:3451:3457,1997)，在本段落中列出的上述文献将经由参考文献方式而被结合到本专利申请文本中去。
下面更详细的描述实施例中电旋转芯片的使用方法。
在电旋转检测中，检测用反应池可以是开放的。微粒悬浮液或溶液被导入到反应池中，在反应池开放的情况下对微粒的电旋转性质进行测量。
另外，在导入微粒悬浮液后，也可以用一个盖板将反应池密封起来，形成一个封闭的反应池。而且，所用的盖板应该是可透光的，以便于对微粒的电旋转反应进行监视和测量。另外，反应池也可以先密封，微粒悬浮液通过电旋转芯片上或盖板上的微管道进入反应池。如果采用多个反应池结构，那么就需要设计适当的微管道体系和流体控制系统用于导引微粒悬浮液到各个不同的反应池内。
用于激发电极使其产生旋转电场的相位序列信号是由信号发生器产生的。信号发生器可以在电旋转芯片上，也可以位于芯片外与芯片相连。该电信号可以是正弦波、方波和其他周期性波。虽然正弦波是首选的，但其他的波形也是可以使用的。设计和构造这类信号发生器的方法有很多。一种方法是在模拟振荡电路中利用能产生相位偏移的电阻-电容系统来产生相位偏移信号；或者，在数字电路中通过合适的时钟控制来产生相位序列信号。那些精通电子学的专业人士可以设计并制造合适的电子线路以提供所需的特殊电子信号。
电信号的频率一般在几赫兹到几百兆赫兹。依据不同的待检微粒，也有可能采用频率超过这个范围的信号。在电性质检测的一些特殊应用中可能使用较窄的频率段，例如，在典型的哺乳类动物细胞特性(如细胞膜的组成和结构)的检测中所用的电信号频率范围在10千赫到10兆赫。
为了产生足够强的旋转电场，电信号的幅值介于100毫伏(均方根值)到20伏(均方根值)之间。因为旋转电场的强度依旋转电场单元尺寸的不同而不同，所以所用电信号的幅值可能超过这个范围。例如，电旋转单元小于10个微米或大于几个毫米所需的电信号幅值就要大于或小于这个范围。
通过不同的方法可以确定或测量微粒的电旋转行为。典型的方法是采用具有不同放大倍率(10到10000倍)的显微镜来观察微粒的旋转。
手动测量微粒的旋转速率是可行的，但是非常费力费时。在高通量检测中应采用自动成像系统实现对微粒旋转反应的快速测量。
在一个实施例中，成像系统包括一个光学显微镜，照相机，图像采集器(用于将微粒旋转图像记录成数字图像的设备)和图像处理/分析器。那些图像处理和信号处理的专业人士可以设计合适的方法和软件，通过微粒旋转的数据可计算出细胞旋转速率。Giovanni等人开发并报道了一种细胞电旋转的自动检测装置(Automatic electrorotation:dielectric characterizationof living cells by real-time motion estimation.,De Gasperis等，Meas.Sci.Technol.9:518-529,1998)。上述文献将经由参考文献方式而被结合到本专利申请文本中去。
很多电旋转原理可以根据已测得的微粒电旋转行为来推导出微粒的电参数。下面是一些关于应用的电旋转原理的参考文献，这些方法和应用对这里所述的实施例都是适用的(见Fuhr等，Stud.Biophys.108:149-164(1985),Gimsa等，Physical characterization of biological cells,Schutt W,Klinkmann H及Laprecht I及Wilson T编辑，Gesundheit,Berlin,pp295-323,1991,Huang Y等，Phys.Med.Biol.,37:1499-1517(1992),Wang等，Biochim.Biophys.Acta.1193:185-194(1994),Gascoyne等，Bioelectrochem.Bioenerg.36:115-125(1998),Yang等，Biophys.J.,76:3307-3314(1999)，上述文献将经由参考文献方式而被结合到本专利申请文本中去)。在例1中还提供一些可以用于解释此处所描述实施例所产生的结果的数学公式和电旋转原理。
下面介绍一些本发明中所述电旋转芯片在生物领域的应用。
本发明中的实施例包括用于高通量分析不同生物微粒和复合体电旋转性质的方法。因此，多个微粒(如可以或不能与抗体、配基或其它分子相接的细胞)的电性质可以快速地通过此处所述的电旋转芯片来确定。一种方法是将多个细胞加到上面所述的电旋转芯片上的电旋转单元中，即在每个电旋转单元中至少有一个微粒；下一步，通过施加电信号在每个电旋转单元中产生一个旋转电场并诱导微粒旋转。虽然微粒的电旋转行为可以在一个频率下测量，但是，对微粒电旋转行为的测量一般都希望覆盖整个典型频率范围的多个频率点。因为本发明中的电旋转芯片的多个电旋转单元都可以单独选通，所以，利用该芯片可以实现对许多不同微粒的高通量检测。
很多不同类型的微粒和生物事件可以通过此处所述的实施例来分析。例如，可以用这些实施例来确定微粒(包括但不局限于生物分子、生物复合体、免疫复合体、脂质体、原生质、血小板、病毒和细胞等)的电性质。利用实施例分析微粒的适宜大小(如微粒长轴的长度)是介于0.05微米到100微米。也就是说，微粒长轴的长度可以小于或等于0.1微米，1微米，5微米，7微米，10微米，12微米，15微米，20微米，25微米，35微米，40微米，45微米，50微米，55微米，60微米，65微米，70微米，75微米，80微米，85微米，90微米，100微米，200微米和300微米。
根据使用的特殊的电旋转检测方法，被检测的微粒放置或悬浮在水溶液或非水溶液中，或者直接在空气或真空中。根据微粒和溶液的电性质(电导率和电容率)选择合适的微粒悬浮液使微粒和悬浮液之间的电性质差最大，以便于得到最强的电旋转响应。如果分析的是活细胞，那么悬浮液应该是能保证细胞存活的，必要的话，应保证细胞的正常生长。保证细胞生长并不仅仅是指需要特殊的生长介质，还需要保证所需的气体分子能溶于该介质。为适应这些需要，电旋转芯片支撑物应该由可通气体的材料如非致密陶瓷和非致密硅(硅片可以在某些区域进行选择性刻蚀)构成，这些材料可以保证检测腔中的介质可以与周围环境进行气体分子的交换。
在一些实施例中，微粒电性质的分析是通过直接对微粒本身的电旋转进行测量。在其他一些实施例中，对微粒电性质的分析是间接得到的，即通过监测与感兴趣微粒结合在一起的微珠体的电旋转行为来得到微粒的电性质。在某些例子中，特别是对一些小微粒的分析中，应该采用间接的方法以增大检测的灵敏度。通常在间接方法中要使用更易分析的标记物如染料、抗体、珠体、载体或其它配基。在一些例子中，电旋转测量是针对标记物的，当这些标记物与微粒相结合后，可以使对微粒的分析更加容易。
一种间接的方法是利用经抗体修饰的珠体。为了制备这类抗体修饰的珠体，将珠体和树脂(如直径6微米的聚苯乙烯微颗粒，浓度约为1×108/500μl)悬浮在一个适当的缓冲液中(如磷酸盐缓冲液)并与等体积的抗体溶液(如近似浓度为100μl/ml)混合。珠体和抗体的混合液放置于4℃的摇床中并过夜，然后加入500μl的封闭蛋白(如1.0％BSA)和500μl的封闭RNA(如tRNA)用于封闭珠体上的非特异性结合点，封闭反应也需在4℃下反应近2个小时。这样所制备的抗体修饰的珠体结合有最大量的抗体并可与微粒反应。
下一步，抗体修饰的珠体与相对于抗体是抗原的微粒接触形成珠体/抗体/微粒复合体，将该复合体加到此处所述的电旋转芯片上的电旋转单元中。施加电信号并测量与微粒相连接的珠体的电旋转行为。作为对照，同时测量未与微粒相接触的经抗体修饰的珠体的电旋转行为。最好是在与微粒接触前测量相同微粒的电旋转行为。通过比较珠体与微粒接触前后电旋转行为的测量结果，专业人士可以间接地确定包括多肽和核酸在内的多种微粒的电性质(可参考专利WO 93/16383，此处所述文献将经由参考文献方式而被结合到本专利申请文本中去)。
较好地，某些实施例有能力测定具有不同类型、形状和大小的多个微粒的电特性(见例8和9)。更典型的生物样品是如含有不同种类的微粒群体。本发明所描述的实施例根据微粒的不同电性质可以通过分类和分组达到鉴定不同类生物样品中的同类微粒群体的目的。因此，生物样品被等量地分配到每个电旋转单元中并且对每个电旋转单元进行单独的电旋转测量。通过对数据进行汇总处理，具有相似电性质的微粒就被区分开并归类。也就是说，具有相同电性质的微粒被鉴定出来。
对于某些应用如区分能产生细胞物质和不能产生细胞物质的细胞是很必须的。能主动产生细胞物质(如糖类、脂类或多肽)的细胞和不能主动产生细胞物质的细胞具有明显不同的电性质。本发明中的一个实施例可以用于快速筛选出能产生细胞物质的细胞。例如，细胞转染(例如在非常低的效率下)能表达出膜蛋白如表皮生长因子受体(EGF受体)。某些群体的细胞能承受转染且不表达膜蛋白，而其他一些就会表达。因此在转染后就获得了不同类型的细胞群体。上面所述的技术可以用于鉴定在不同类转染子群体中的同类细胞群体。
而且，相对于表皮生长因子受体的抗体可以生产或从商业渠道(如Sigma公司)处获得。通过上面所述的技术可以将这些抗体与微珠体相结合或通过羟基、羧基或氨基与载体上的反应集团形成共价连接。很多用于将抗体固定到珠体上的试剂盒可从商业渠道获得(如Pierce Chemical)。固定的抗体可与不同种类的细胞群体反应，将细胞/抗体/珠体混合液加到实施例中电旋转芯片的各个电旋转单元中并施加电信号，对珠体接触细胞前后的电旋转状态进行测量，与细胞表达出的表皮生长因子成功结合的珠体的电性质发生了明显的改变，由此能产生细胞物质的同类细胞群体就被鉴定出来。当然对细胞表达的膜蛋白也可以直接进行电旋转测定，在某些例子中，依靠大量的蛋白表达，也可以测定能主动产生细胞物质的细胞与不产生细胞物质的细胞之间的电性质的差别。例如能表达有关离子传输蛋白的细胞与不能表达该传输蛋白细胞之间的电性质有显著的不同，通过本发明中的实施例可以直接进行测量。
除了用于分析不同类型微粒的电性质外，此处所述的实施例还可以用于检测细胞和分子(如抗体、多肽、化学试剂或其他细胞)之间是否发生反应或相互作用。例如一个或多个细胞在与感兴趣的分子(这里“结合体”指分子确定可以与微粒结合，而“候选结合体”指该分子并不确定能与微粒相结合)相接触的电性质被测定。当然，“对照样品”的不同电性质也同时被分析。下一步，一个或多个细胞与结合体相接触，经过足够时间的相互作用，利用此处所述的实施例对这些细胞进行电旋转行为分析。而且，用于分析对照样品和实际样品的参数是一致的。因此在对照样品和实际样品之间可以进行比较分析，这样，结合体对一个或多个细胞的作用就可以被确定出来。如上所述，间接的测量方法也可以使用。
最好在单个细胞与结合体接触前测定其的电旋转行为并做统计分析。统计分析可以是对单个细胞在不同频率下的旋转速度的简单平均。同样，在单个细胞与候选结合体共同培养后，测量其电旋转行为并做统计分析。比较细胞在与不同候选结合体共同培养前后的统计数据以确定细胞的电旋转性质是否发生明显的改变。
通过一种方法，如用高通量电旋转检测从化合物库中筛选能调节细胞电性质的结合体(见例10)。悬浮在适当介质中的细胞被导入导具有多个反应池的电性质检测芯片上，每个反应池内所加的细胞数量是近似相同的(如介于10到500个)。来自于化合物库中的化合物(“候选结合体”)被依次加到这些反应池中。如果化合物是溶解在溶剂中，应该使用少量但浓度高的化合物溶液。接着让细胞和化合物共同培养足够长的时间使其充分反应。最好是测量细胞与化合物共同培养前后的电旋转行为，而且，还可以使用未与化合物接触的细胞做对照。测量每个细胞的电旋转行为并推导出群体参数以确定细胞与化合物共同培养前后其参数是否发生明显的改变。例如，如果化合物与细胞发生相互作用，将产生一个生化反应并改变细胞的生物特性，进一步将产生一个可检测的统计意义上的显著的电性质变化。细胞的这类电性质变化可以通过电旋转方法测定，而且能引起这类变化的化合物就被鉴定为先导药物分子。另一方面，如果一个化合物与细胞不发生相互作用，细胞的电旋转行为就不会发生变化。
在一个简单的例子中，典型频率处细胞的电旋转行为被测定。“典型频率”是指在这一频率下细胞的电旋转行为强烈地依赖于细胞的性质。典型频率也可以是使与候选结合体接触前的细胞不旋转或微弱旋转时的频率。因此，如果细胞与候选结合体一起培养后，在这个频率下展示出很强的旋转行为，那么就可以确定细胞与结合体发生了相互作用。也就是说，如果细胞与候选结合体的相互作用导致了细胞电旋转行为的改变，那么该候选结合体就是真正的结合体。另一方面，如果在这频率下与候选结合体共同培养过的单细胞其平均旋转速率近似于零，那么可以得出如下结论，即细胞的电性质性质没有发生变化并且候选结合体与细胞间也没有相互作用。
另一个用于确定细胞与不同类型的检测分子共同培养后是否有统计意义上的显著变化的方法是通过比较细胞的介电参数。因此，对单细胞电旋转反应的测定是通过比较在测试频率范围内实验所得旋转速率与理论速率来得到的。通过构建的细胞模型以及模型中采用的介电参数可以计算出理论上细胞旋转速率一所加电场频率之间的关系曲线。理论曲线遵循确定的数学公式(例如以解析公式或数值关系表示)，该公式有一个或多个参数可用于调节曲线的形状。因此，该匹配过程对每个测量细胞将产生一个或多个模型中的参数(见例1，方程(7))。这些推导得到的参数通过统计法进行进一步分析可得到群体参数，比较这些群体参数可以确定细胞与候选结合体共同培养后是否发生统计意义上的显著变化。
另一类实施例是用于定量分析多个细胞与一个结合体(如化合物、多肽、抗体或其他配基)之间的相互作用。本发明的实施例有多种用途，如用于确定生物样品中某种分子的类型或浓度；或者用于优化出作用于细胞的最优分子浓度。在进一步应用中，通过评估为得到最强的电旋转反应所需的结合体数量可以优化出加到一个细胞上的最优分子浓度。
通过直接使用上述的步骤或通过对其进行稍微修改可以实现下列的检测方法。例如施加于一个细胞的化合物最优量可通过下列检测方法确定。不同浓度的结合体被加入到一个高通量电旋转反应腔上的各个不同的反应池中并与细胞共同培养。通过滴定法往电旋转反应腔上加结合体溶液可以保证每个电旋转单元内加入不同量的结合体。经过足够时间的培养后，在不同反应池内的细胞电旋转行为被测定，同时可以确定获得最强反应的结合体的浓度。
为了确定生物样品中分子的浓度和特性，也可以使用间接电旋转分析方法(见例11)。该方法将表面激活的微粒与检测试剂(如染料、抗原、抗体、多肽、酶、核酸或其他配基)相结合，而微粒表面的检测试剂能与生物样品中感兴趣的分子相互作用。可以同时使用结合在不同微粒上的多个互不相干的检测试剂分别与其对应的不同靶分子相互反应，这样就可以在一次检测中同时测定多个目标微粒。
进一步将表面涂覆的微粒导入具有多个反应池的反应腔中。在与生物样品接触之前先测定微粒的电旋转行为，然后将生物样品依次加入到各个反应池，经过足够时间的培养后测定微粒的电旋转行为。将前后两次测定结果进行比较看微粒的电旋转行为是否发生变化并算出变化量的大小。细胞的电旋转反应发生变化将用于确定含有分子的生物样品是否与涂覆的微粒发生相互作用。进一步，电旋转的变化量还与溶液中与之对应的分子浓度有直接的关系。因此，通过分析表面涂覆微粒电旋转行为的变化可以测定生物样品中的分子组成和浓度。下面的例子将具体描述本发明中实施例所用的一些电旋转原理及这些实施例的具体应用。
                        例1
下面介绍一些电旋转理论以及应用这些理论区分微粒电旋转性质的细微差别。在笛卡儿坐标系的x-y平面内的旋转电场可描述如下： E → = E x cos ( ωt ) α x → + E y sin ( ωt ) α y → - - - - ( 1 )
其中
Figure A0012408600262
和 分别是x方向和y方向的单位矢量。Ex和Ey是x方向和y方向的场强。对于一个理想的旋转电场，场分量满足下面等式Ex=Ey。施加在介质中微粒的旋转扭矩为： Π → = - 4 π r 3 ϵ m Im ( f CM ) E x E y ( a x → × a y → ) - - - - ( 2 )
式中εm是介质的介电容率，r是微粒半径，Im(fCM)是微粒介电极化因子fCM的虚部。介电极化因子fCM为： f CM = ( ϵ p * - ϵ m * ) / ( ϵ p * + 2 ϵ m * ) - - - - ( 3 )
式中εp *和εm *是微粒和介质的复合介电容率。复合介电容率与施加的电场频率f、导电率σ和介电率ε的关系如下： ϵ * = ϵ - j σ / ( 2 πf ) - - - - ( 4 )
式中电导率和电容率是与频率相关的参数。不同的微粒有不同的频率相关的电导率和电容率。在一个典型的电旋转分析中，如微粒悬浮在液体中(如生物细胞和聚苯乙烯珠体在水溶液中)，在扭矩(如方程2所示)和粘滞拖动的平衡下微粒旋转速度为： R rot = - ϵ m Im ( f CM ) E x E y 2 η - - - - ( 5 )
式中η是介质的动态粘滞系数。因此，微粒的电旋转速度Rrot与微粒的介电极化因子fCM有关。
上述的测量也适用于确定微粒的介电性质(如电导率和介电容率)。根据被分析微粒的结构和组成，微粒的电性质可以用不同的介电模型来分析。例如多数的细胞可以模拟成带壳的球体。对于一个单壳模型，壳和它内部的球体依次对应于细胞膜和细胞内容物。该带壳球体的复合电容率为： ϵ cell * = ϵ mem * ( r r - d ) 3 + 2 ( ϵ int * - ϵ mem * ϵ int * + 2 ϵ mem * ) ( r r - d ) 3 - ϵ int * - ϵ mem * ϵ int * + 2 ϵ mem * - - - - ( 6 )
式中εcell *,εmem *和εint *分别是细胞、膜和细胞内容物的复合介电容率。参数r和d代表细胞的半径和膜的厚度。
当对细胞施加电旋转分析，细胞的介电参数(εmem *和εint *)可通过细胞的旋转频率确定。典型地，通过调整细胞的介电参数使理论电旋转谱线(Rrot_theory(fi))与实验曲线(Rrot_theory(fi))相符来得到细胞的介电参数： min parameters | ( R rot _ exp ( f i ) - R rot _ theory ( f i ) | - - - - ( 7 )
式中fi指实验的频率点。有很多文献介绍了通过电旋转理论和使用电旋转技术去推导得到细胞的介电参数(和其他微粒的介电参数)，我们列出一些与本应用有关的文献作为参考(Interpretation of electrorotation ofprotoplasts I:the theoretical consideration,Fuhr G,Gimsa J,Glaser R,Stud.Biophys.108:149-164,1985；Theory and application of the rotation ofbiological cells in rotating electric field,Gimsa J,Glaser R及Fuhr G,Physical characterization of biological cells,Schutt W,Klinkmann H andLaprecht I及Wilson T编辑，Gesundheit,Berlin,pp 295-323,1991；Differences in the AC electrodynamics of viable and non-viable yeast cellsdetermined through combined dielectrophoresis and ROT studies,Huang Y,Holzel R,Pethig R and Wang X-B Phys.Med.Biol.,37:1499-1517,1992；Changes in friend murine erythroleukaemia cell membranes during induceddifferentiation determined by ROT,Wang X-B,Huang Y, Gascoyne PRC,Holzel R,及Pethig R,Biochim.Biophys.Acta.1193:185-194,1994；Numerical analysis of the influence of experimental conditions on the accuracyof dielectric parameters derived from ROT measurements,Gascoyne PRC,Becker FF及Wang X-B,Bioelectrochem.Bioenerg.36:115-125,1998；Dielectric properties of human leukocyte subpopulations determined byelectrorotation as a cell separation criterion,Yang J,Huang Y,Wang X,WangX-B,Becker FF及Gascoyne PRC,Biophys.J.,76:3307-3314,1999)。在本段落中列出的上述文献将经由参考文献方式而被结合到本专利申请文本中去。
当得到单个测量微粒的介电参数后，通过进一步使用统计方法可得到每个微粒的群体参数(如确定参数的平均值和标准偏差)，这些群体参数可以作进一步分析如比较群体间的区别。
上面所述的电旋转理论可以适用于多个不同电旋转设计。下面是电旋转单元的不同实施例。
                          例2
图1(A)是高通量电旋转芯片10的示意图。芯片包括多个电旋转单元20，每个电旋转单元20包括多个电极30。当施加适当的电信号40后，电旋转单元20将在与电旋转芯片10平行的平面上产生一个绕芯片垂直轴旋转的电场50。
图1(B)显示包括三个围绕电旋转单元中心均匀分布的狭窄的矩形电极30的电旋转单元。当对电极施加相位值为0,120和240度的电信号后，在这些电极所围绕的中心区域将产生一个旋转的电场。
图1(C)显示包括六个围绕电旋转单元中心均匀分布的狭窄的矩形电极30的电旋转单元。当对电极施加相位值为0,60,120,180,240和300度的电信号后，在这些电极所围绕的中心区域将产生一个旋转的电场。
图1(D)显示包括四个围绕电旋转单元中心均匀分布的狭窄的矩形电极30的电旋转单元。当对电极施加相位值为0,90,180和270度的电信号后，在这些电极所围绕的中心区域将产生一个旋转的电场。
芯片可以在致密材料(如玻璃、硅、陶瓷、塑料)或非致密材料(如多孔硅、多孔陶瓷等)上加工成方形、圆形或其它形状。使用非致密的芯片材料可以让多种不同类型的气体分子通过芯片。芯片的大小介于1毫米到500毫米，根据电旋转检测对象的大小和形状，不同电旋转单元的大小可介于10微米到10毫米。
一般芯片至少包括一个反应腔，如下面例子所示。
                           例3
图2显示一个高通量电旋转反应腔的实施例。反应腔包括一个一个电旋转芯片10和一个与之相接的板60。为了表示的更清楚，芯片10和板60在图2中分开单独表示。图中在板60上只有一个开孔70，这样，当板60与芯片结合后，板上的孔正好覆盖在芯片上的电旋转单元上形成一个反应池。被检测的微粒导入到反应池中并在不同的旋转电场中心分析。
                           例4
图3是高通量电旋转反应腔的另一种实施例的示意图。反应腔包括一个电旋转芯片10和结合在芯片上的板80。为了表示的更清楚，芯片10和板80在图3中分开单独表示。图中在板80上有多个开孔90，这样，当板80与芯片结合后，板上的每个孔依次对应芯片上的一个电旋转单元并形成一个反应池。被检测的微粒分别导入到各个不同的反应池中，一种微粒对应一个反应池并在其中进行电旋转分析。
用于构建反应腔的板可以由不同类型的材料制成，如玻璃、硅、陶瓷、特氟隆薄片或其它塑料薄板、聚合物如PDMS(poly-dimethylailoxane)和PMMA(polymethylmetacrylate)、PC(polycarbonate)等。根据不同的用途，可以采用致密的或非致密的材料，也可采用刚性的或弹性的材料。以玻璃为例，根据玻璃的厚度和孔的大小可以采用不同的加工工艺如光刻或钻孔在玻璃板上加工出适当大小的孔。一般孔的尺寸为几十微米到几个厘米。通过阳极键合技术可以将玻璃与硅基地的电旋转芯片结合在一起。另外的例子是使用几十微米到几个毫米的特氟隆薄片，可通过切割或微加工等工艺在薄片上加工出不同形状的孔。多聚材料也同样可以加工出合适的孔并与电旋转芯片结合形成反应腔。
根据芯片材料和多聚物的不同，由多聚物制成的薄板可以通过不同的方法与电旋转芯片结合。例如，由PDMS制成的薄板与芯片的封装只需将薄板放置在芯片上就可形成密封的反应腔。
虽然上面描述的是上盖板与电旋转芯片的结合，盖板与电旋转芯片也可以由同一块基地材料加工而成。例如，先通过微加工处理后在基地材料上加工出多个电旋转单元内的微电极，接着采用基于光刻的方法对电旋转单元的中心区域刻蚀出小反应池(如10到20微米)。通过对电极施加电信号产生旋转电场，放置于反应池中的微粒就暴露在电场中并受其影响。
如下面的例子所述可以将电旋转反应腔集成到高通量电旋转检测系统中。
                           例5
图4高通量电旋转检测系统的一个实施例的示意图。该系统包括一个电旋转反应腔100，并且当施加适当的电信号后，在芯片上可以产生多个旋转电场。反应腔100放置于显微镜载物台115上，光学显微镜110与照相机120连接在一起用于获得微粒125在旋转电场中旋转的电子图像。照相机获得的电子图像信号被计算机130采集并处理以确定微粒的旋转行为(如速率和方向)。对微粒旋转响应进行分析可以得到微粒的电参数并获得不同的检测结果。
电旋转单元的结构对微粒的旋转响应也有影响。下面是具有蝴蝶形电极的实施例。
                           例6
图5是一个高通量电旋转芯片的实施例的示意图。在基底145上的一个电旋转单元由四个蝴蝶形电极140组成。不同单元内的电极通过水平导线150和垂直导线160相连通。图中互相连通的电极和导线用同一种阴影图案表示。水平导线150通过一个主垂直导线158在电旋转单元外相连通；相似的，垂直导线160也通过一个主水平导线168在电旋转单元外相连通。所有电旋转单元内的相应电极连接在一起。每个电旋转单元包括四个电极，因此有四个主电极导线(两个垂直导线158和两个水平导线168)依次与分布在芯片周围区域的四个电极焊盘相连通。因此，只需要四个电极焊盘170就可以连通外部信号发生器和所有的电旋转单元。信号发生器可以产生如具有相位偏移值0,90,180和270度的四路正弦信号。这四路信号依次输送给电旋转单元内的四个电极。在水平和/或垂直导线之间可以加介电绝缘层，这样，导线输运不同的电信号就不会互相接通。必须采用多层光刻技术(即需要多个掩模板)来加工这类芯片，这样，水平导线和垂直导线就会分布在基底的不同层上。例如，对于一个硅基底，垂直导线可以通过在硅基上注磷来得到所需的导电率，接着在垂直导线上构建一层介电层，然后在介电层上溅射金属膜(如金、铝)后经过光刻得到电极和水平导线。通过这种方法，图5中的电旋转单元可以通过使用两个导电层来实现。在绝缘层上使用“导电通道”实现两个导电层的电连接。加工这类“通道”的步骤包括在所需位置刻穿绝缘层形成“洞”，然后在洞里电镀形成通道。那些精于微加工的专业人士可以确定并选择合适的工艺和步骤进行加工。电旋转单元的大小介于1微米到1厘米，适宜的大小是介于20微米到2毫米。所需电旋转单元的大小由待分析的微粒的大小和几何形状确定。
电极可以有不同的形状和结构，如下面所述。
                        例7
图6,7和8显示了其它三个电极结构的实施例，这些电极的形状为内凹圆弧形、外凸圆弧形和线形。电旋转单元的大小介于1微米到1厘米，比较适宜的大小是20微米到2毫米。除了电极形状的不同外，这些检测芯片与图5中的芯片相似，可以用多层光刻方法加工。图6,7和8中所示的两个相对的电极间距介于1微米到5毫米。
图6,7和8中所示的检测芯片具有高通量检测的能力，而且加工方便，芯片上电极与外部信号发生器的电连接也很简单。由电旋转单元的大小和密度决定了高通量分析的容量。必须使用多层光刻技术来加工这种具有两个导电层结构的电极。因为在每个单元中的相关元素是相互电连通的，所以只需要四个电极焊盘来激活这些电旋转单元。
图9是一种电极排布示意图，即来自于相邻电旋转单元302和312的相邻电极300和310是电连通的。将相邻电极进行电连通简化了加工步骤，因为相邻电极300和310之间是电连通的，所以可以施加同一种信号，这样就降低了相邻电旋转单元的相互影响。
图10是一种电极排布示意图，即相邻电旋转单元322和326共享一个电极320。这种电极排布方式使得电旋转单元322内产生的电场324的旋转方向与相邻电旋转单元326内的旋转电场328的方向相反。因为旋转电场324的旋转方向与电场328相反，但是在电旋转单元322和326相邻地边缘其电场的方向是平行的，这样也可以减少相邻单元地交叉影响。而且，相邻电旋转单元322和326共享一个电极320也可以简化芯片的加工。
图11是一种电极排布示意图，即相邻电旋转单元332和342的相邻电极330和340是电连通的。这种排布方式导致了电旋转单元332中的电场334的旋转方向与相邻电旋转单元342中的电场344的旋转方向相反。因为电场334的旋转方向与电场344的旋转方向相反，电场334和344在相邻电旋转单元332和342的相邻处旋转方向相平行，这样能减少相邻电旋转单元之间的交叉影响。这种让电极330与340之间电连通的排布方式简化了加工过程。
当电场的旋转方向不同时，成像系统必须对微粒旋转的变化做相应的补偿。一种方法是测量在具有相反转动方向的电场中的微粒时，将图像做水平或垂直翻转后再测量。在确定微粒运动时也同样可以做相应的补偿。
图12(A),12(B)和12(C)显示了具有三个、五个和六个线形电极的电旋转单元。在基底上同一层中的电极和导线用相同的阴影表示。
通过两层布线技术可以实现每个实施例的布线要求。例如，在图12(A)中第一层包括垂直的导线160，第二层包括电极210，水平导线150和主导线158和168以及电极连接点220。在图12(B)中第一层包括垂直导线160，第二层包括电极240，水平导线150和主导线158,168和178以及电极连接点220。在图12(C)中第一层包括垂直导线160，第二层包括电极250，水平导线150和主导线158,168,178和188以及电极连接点220。在两个导电层之间有一个绝缘层用于隔离这两个导电层。
所有的电旋转单元可以平行的连接并同时激发，或者，电旋转单元可以单独选通和部分选通。在这种情况下，需要用电子开关来控制信号发生器对电极提供信号以达到选通的目的。
有多种方法可以实现单元可选通。例如，利用电子开关来连接外部电信号和芯片上的电极，通过另外一路电信号来控制开关的开/关状态。另外，也可以使用机械开关来手动控制电极的通/断电。在两种方法中都可以实现对的不同组合的电旋转单元进行激活。
图13(A)利用电子开关实现选通单个电旋转单元的示意图。电旋转单元中的电极200通过一个开关260与电信号相连通。可以使用一个电子开关如图13(B)中的双极型晶体管270或图13(C)中的金属氧化物半导体场效应管280。因此，对晶体管的基极290或MOSFET的门295施加电势以确定电子开关的通断情况。当对这些电子开关施加适当的控制信号可以控制开关的通断，由此决定了电极与电信号是否接通。同一个电旋转单元内的电极开关由同一个电信号控制，所以电信号可以同时与电极接通。这样可以控制每个电旋转单元内旋转电场的通断。
利用制作电旋转单元的工艺可以容易的制作这些晶体管。使用同一个基底可以将晶体管与电旋转单元的导线集成在一起。
其它的电子开关也可以使用。例如在电子存储芯片中所用的用于选通单个存储单元的电子开关。这些开关也可以通过微加工技术在电旋转单元的同一个基底上加工出来。开关也可以由一对耦合发射的双极型晶体管组成。
电旋转芯片的基底材料可以是硅、玻璃、氧化硅、陶瓷或塑料。基底材料可以是致密的或非致密的。相似地，绝缘层的材料可以包括但并不局限于氧化硅、氧化铝、氮化硅、塑料、玻璃、光刻胶和陶瓷。导电层的材料可以是铝、金、锡、铜、铂、钯、碳、半导体材料或这些材料的组合物。同样的，其他形状的电极也是可以采用的。可以采用不同的微加工方法来制作电旋转芯片。加工步骤包括电子束蒸发、溅射、真空蒸发、电镀和光刻。
那些微加工方面的专业人士可以选择合适的加工工艺和材料来制作电旋转芯片。
例如，薄膜印刷技术可以用于在陶瓷基底上加工电旋转芯片。这种印刷方法的分辨率约为10微米，并且不仅能印刷导电材料，还可以制作电绝缘层。因此，具有多个导电层的电旋转芯片可以被加工出来。陶瓷基底芯片的优点在于鲁棒、耐用和相对的低成本。
标准的光刻技术可用于硅基或玻璃基底的电旋转芯片的加工。这种方法有一些区别。我们以在玻璃基底上刻蚀金属膜微电极为例。通过溅射或蒸发的方法在基底上预先涂覆一层金属薄层(如小于1微米)，具有所需图案的掩模版可以由不同的标准掩模版加工方法如电子束刻蚀或激光刻蚀加工而成。一般在掩模版上有薄膜材料可以阻挡特殊波段的光，掩模版上一些区域的薄膜被去掉以形成所需的图案。
通过下面的方法将掩模版上的图案转移到芯片的玻璃基底上。金属涂覆的基底涂有一层光刻胶，将掩模版直接盖在基底上后在特定光源下曝光，曝光后，基底上的光刻胶在适当的显影液中显影，被光线照到的区域就被显影出来(和未被照到的区域被显影出来，根据所用光刻胶的不同而不同)。在刻蚀液中对基底上的金属膜进行刻蚀，使得没有光刻胶保护的区域其金属膜被刻蚀掉而有光刻胶保护的区域金属膜被保留下来。这样掩模版上的图案就转移到玻璃基底上的金属层上。对上面的步骤作修改就可以制作不同类型的薄膜结构(如介电层)。表面接触印刷法也可以用于在不同基底材料如塑料、陶瓷和硅上加工高通量电旋转检测芯片。
下面的例子是高通量电旋转检测的步骤。
                            例8
这个例子提供一个使用电旋转检测芯片实施例的一个通用方法。图14是一个流程表。在开始，制作一个高通量电旋转检测芯片和检测用反应腔。根据不同的使用目的确定芯片和反应腔的形状。例如，一个反应腔内只有一个反应池的芯片可以用于分析在一个悬浮液中有同类或异类的多种不同类型的微粒群体。对于多种不同类型微粒悬浮在不同的溶液中可以用带有多个反应池的反应腔来检测。
构建好装置后，将微粒导入到检测反应腔中的反应池。对于具有一个检测反应池的反应腔，将含有不同类型的微粒悬浮液导入到反应池中。对于含有多个反应池的反应腔及在多种检测溶液内有多种类型微粒的情况，一种类型的微粒被导入到一个反应池中。可以采用多种导入方法(如反应池可以同时或依次导入)。单样品分配头也可以用于一次分配一种类型的微粒。另外，多样品分配头可用于同时分配多种类型的微粒。对于大多数实施例来说，商业化的样品分配头都是可以使用的。当然也可以构造一个具有独特用途或适于检测平台使用的样品分配头。通常样品被分配的适宜体积是介于一纳升到几百微升，在某些实施例中分配的体积也可以超过1毫升，也就是说，样品分配的体积可以是1纳升，5纳升，10纳升，50纳升，100纳升，200纳升，300纳升，400纳升，500纳升，600纳升，700纳升，800纳升，900纳升，1微升，10微升，100微升，200微升，300微升，400微升，500微升，600微升，700微升，800微升，900微升，在某些例子中将为1毫升或更多。
当样品被导入后，具有不同频率和幅值的电信号就施加在电旋转单元的电极上。在每个频率测量不同类型微粒的电旋转行为(如旋转速率和方向)。对于多种不同类型微粒混合在一起的情况，当一种微粒被测量时，不仅是它的旋转行为被测量，而且通过微粒类型和它们电旋转响应之间的相互关系也可以确定微粒的类型。如果每个反应池内的微粒属于同一种，就测量选定微粒的旋转响应。如果采用统计分析，那么每种被分析的微粒数目必须大于5，最好在10到100之间。通过使用合适的算法可以同时确定多个微粒的旋转速率。
当微粒的电旋转测量完成后，通过分析和模拟方法可以推导出与测量结果对应的微粒电特性。对于不同的微粒采用不同的分析方法来得到其电参数。例如，哺乳动物细胞可以用带壳的球体模型来代替。球体上的各层依次对应细胞膜、细胞质和核膜。推导出的参数可以反映细胞膜的电导率和电容率，或者核膜的电导率和电容率，或者细胞质和细胞核内物质的电导率和介电容率。不同的用途关注细胞不同部位的电性质。在一些例子中，细胞膜的电性质是细胞生理状态的一个敏感标识物，因此可以得出细胞膜电容或电导值。那些专业人士可以建立最适于被检测细胞类型的模型。进一步的内容可参看下列参考文献(Interpretation of electrorotation ofprotoplasts I:the theoretical consideration,Fuhr G,Gimsa J,Glaser R,Stud.Biophys.108:149-164,1985；Theory and application of the rotation ofbiological cells in rotating electric field,Gimsa J,Glaser R及Fuhr G inPhysical characterization of biological cells,Schutt W,Klinkmann H和LaprechtI及WilsonT编辑，Gesundheit,Berlin,pp 295-323,1991；Differencesin the AC electrodynamics of viable and non-viable yeast cells determinedthrough combined dielectrophoresis and ROT studies,Huang Y,Holzel R,Pethig R及Wang X-B,Phys.Med.Biol.,37:1499-1517,1992和Numericalanalysis of the influence of experimental conditions on the accuracy of dielectricparameters derived from ROT measurements,Gascoyne PRC,Becker FF及Wang X-B,Bioelectrochem.Bioenerg.36:115-125,1998，这里的文献将由参考文献的形式结合到本发明中)。
非生物微粒也可以用这种模型来分析。具有均一组成的微珠体的模型包括表面和体积的介电性质。典型的，微粒体积的介电参数是已知的，检测关注微粒的表面性质如表面电导率和电容率。电旋转检测可以自动进行并且介电参数可以被导出并显示成数字格式。下面的例子提供了用于分析酵母细胞的电旋转性质的装置和方法。
制作适于分析真核细胞的电旋转芯片来确定酵母中不同类群体的电旋转性质。含有电旋转单元的电旋转芯片如图5所示。每个单元的典型大小(相对电极间的距离)是80,160和320微米。两个电旋转芯片上的导电层是在硅基上制作磷和铝膜得到。将eppendorf管的顶部(直径约5毫米，高约1毫米)切下并粘在电旋转芯片上形成反应腔。往反应腔中加入一定量的细胞悬浮样品，然后用盖玻片密封反应腔。利用耦合有CCD的显微镜和监视器观测并测定细胞的旋转行为。
利用电旋转芯片检测酵母细胞悬浮液样品。利用标准的细胞培养方法培养酵母细胞。先采集酵母细胞然后在将细胞悬浮在8.5％的蔗糖缓冲液中(电导率调节为介于100μS/cm到1000μS/cm)。当细胞群体受1KHz到10MHz的旋转电场作用时，可以观察到有个子群体细胞在这个频率范围内旋转而其它细胞转动很小或不转。利用显微镜对这两个细胞群体进行分析，第一个群体的细胞呈明亮状并可旋转而第二个群体的细胞为暗颜色且旋转很小或不转。两个群体细胞的旋转频谱被测定并推导出细胞的电性质。下面的例子描述了使用这些带有多个电旋转反应池的电旋转装置进行药物设计。
                            例10
该例是利用高通量电旋转检测从化合物库中筛选出与感兴趣微粒能相互作用的化合物(见图15)。该检测方案是设计出用于鉴定能与细胞内/上的靶分子反应的分子，即能改变细胞生物状态的分子。通常靶分子与生化反应途径(如疾病治疗)有关，药物与靶分子的相互作用将影响这些生化反应途径，这样，通过电旋转检测可以知道细胞的性质被调节了。能引起这类细胞电性质变化的化合物被鉴定为候选药物。
对于这样的应用，具有合适数量的电旋转单元和合适尺寸的电旋转检测反应池的电旋转检测芯片被加工出来。例如，芯片的尺寸为5cm×5cm，中心4cm×4cm的区域内含有1600个大小为1mm×1mm的电旋转单元。同时也需要在芯片上构建与电旋转单元数目相同的反应池。
芯片加工好以后就可以进行高通量分析。将哺乳动物细胞导入到电旋转反应池中，每个反应池内被导入一小体积(如100-200微升)的含有相同数量细胞的悬浮液。细胞悬浮液的导入有多种方法，最好采用自动或半自动的分配头。细胞悬浮液需仔细选择以确保在整个过程中细胞能存活并正常生长。
下一步，测量细胞(如筛选未与来自于化合物库中的化合物接触的细胞)的电旋转行为。将未与化合物接触过的细胞导入到反应池中，对电旋转单元施加适当的电信号产生旋转电场作用于细胞。通过测量在不同频率的旋转电场作用下细胞的旋转速率和方向确定细胞的电旋转行为。对频率的选择应该是可以反映被分析的电性质。因为在每个反应池中的细胞都很相似，所以只需测量一个或几个反应池的细胞的旋转反应并用适当的介电模型进行分析。
一旦对照或基准测量完成后，来自与化合物库的化合物就被导入到反应池中。最好不同的样品在反应池中都有一个浓度梯度，也就是说，通过滴定法加入化合物，每种化合物都对应一批反应池，在这一批反应池中具有相同的化合物，但其浓度不一样。通过这种方法可以快速确定多个不同化合物在不同浓度下的效果。对反应池添加化合物有多种不同的方法，最好是采用自动或半自动的分配头，这样可以同时分发一个或多个样品。
化合物与细胞接触后需提供足够长的时间让细胞和化合物充分的相互作用。培养时间的长短与化合物库中的化合物和对应的靶有关。一段足够长的时间可以是5分钟到24小时，在大多数的检测中，化合物和细胞相互作用约20分钟。在培养期间细胞的活性和正常的生长需要保持，如果长时间与化合物接触会影响细胞的活性的话，应该减少培养时间。在一些实施例中，芯片放置处环境的成分(如媒介、气体和湿度)需要加以控制以增强细胞的活性。例如可以使用加热板、显微镜工作台和抗温度波动的缓冲液。这里应该采用非致密的材料制作芯片以保证多孔的芯片材料便于反应池和外界环境进行气体分子交换。
经过足够时间的培养，用电旋转检测每个反应池内的细胞。在不同频率下测量细胞的电旋转行为并使用自动成像装置和图像处理算法。依据所用的库决定分析每个化合物所需的细胞数量，当然必须有足够数量的细胞(如大于5个，最好介于10到50)，这样统计分析才比较可信。在一些实施例中，细胞与测试化合物结合后其电性质与未与化合物接触的细胞的电性质有差别，由此可以检测出化合物和细胞之间是否发生相互作用。
下一步，分析电旋转数据确定化合物是否与细胞或靶分子发生相互作用。一旦电旋转参数或电参数的统计分析结果被确定，就可以比较细胞在与化合物接触前后的参数，也就是说，通过比较对照组(细胞与化合物接触以前)和实验组(细胞与化合物相互作用后)电旋转测量的统计数据，如果由明显地差别，则表明细胞和化合物之间有相互作用。因为电旋转单元是一个阵列，例如反应池和化合物的数量是记录的且定位的，并可快速确定能调节细胞电旋转行为的化合物的类型和浓度。如果没有检测到明显的变化，那么就认为化合物对细胞没有作用。下面的例子描述了利用此处所述的电旋转装置和方法鉴定溶液中目标细胞的类型和浓度。
                           例11
这个例子是关于如何使用高通量电旋转检测来确定生物样品中靶分子或靶微粒的类型和浓度(见图16)。生物样品可能含有多种不同类型的分子或微粒(如蛋白、抗体、抗原、细胞裂解液中的DNA或RNA分子，体液样品中的细菌或癌细胞)，每一种分子都可成为靶微粒。多个不同类型的靶分子或微粒可以利用下面所述的方法检测。为了完成这个检测，需要有一个涂覆有检测分子(如抗体、染料或配基之类的检测试剂)的检测微粒(如微颗粒)可以与溶液中的靶分子特定的相互作用。在同一个检测实验中可以使用多种与不同靶分子相互作用的检测试剂，每种试剂涂覆一种检测微粒，形成独特的检测微粒。
在与生物样品接触之前，涂覆有检测试剂的检测微粒被导入到反应腔内的反应池中进行基准测量。电旋转芯片拥有一个或多个反应池可适于这种独特的应用，下一步，在预先确定好的频率范围和信号幅值下测量带有检测试剂的检测微粒的电性质。对电旋转单元施加适当的电信号以获得所需的频率范围和信号幅值。测量带有检测试剂的检测微粒的电旋转行为并通过所得的电旋转响应得到相应的电参数。对电参数进行统计分析以得到平均值。
一旦获得了基准测量，就往反应池内加入适当的生物样品(如100-200微升)。对不同的样品需要作必要的浓缩或稀释。在带有检测试剂的检测微粒与生物样品共同培养足够长的时间后，对检测微粒进行电旋转性质的测量和分析，如上面所述。如果在一次检测中使用多种检测试剂，必须调查涂覆过的检测微粒和观察到的电旋转行为之间的关系。
下一步，比较测量所得的带有检测试剂的检测微粒与生物样品接触前后的电参数并进行统计分析。根据每种涂覆过的检测微粒的统计数据上的变化大小可以确定生物样品中靶微粒的类型和浓度。那些精于电旋转和化学反应动力学的人可以容易的得到与溶液中分子的浓度，微粒上检测分子的表面浓度，溶液总分子与微粒上检测分子的平衡结合数以及微粒电性质的变化量相关的方程和原理。
虽然本发明包含很多实施例，但是必须明确可以在不背离发明精神的情况下对具体实例进行修改。因此，本发明的覆盖范围由发明权利要求书确定。所有提到的文献都以参考文献的形式结合到本专利申请文本中。

Claims (43)

1．一种电旋转芯片包括：
一个基底
分布在基底上的多个电旋转单元，每个电旋转单元包括位于基底上的多个电极，当对这些电极施加多个相位偏移的电信号时可以产生一个旋转电场。
2．根据权利要求1中所述的电旋转芯片，其中所述的基底可以由致密的或非致密的材料制成。
3．根据权利要求2中所述的电旋转芯片，其中所述的致密材料或非致密材料可以是玻璃、硅、塑料或陶瓷。
4．根据权利要求1中所述的电旋转芯片，其中所述的电旋转单元成行列分布。
5．根据权利要求1中所述的电旋转芯片，其中所述的多个电极的排布方式是使相邻的两个电旋转单元所产生的旋转电场具有相反的方向。
6．根据权利要求1中所述的电旋转芯片，其中所述的多个电极的排布方式是使第一个电旋转单元中的一个电极与相邻的第二个电旋转单元中与其最靠近的电极相连通。
7．根据权利要求1中所述的电旋转芯片，其中所述的多个电极的排布方式是使第一个电旋转单元中的一个电极同时也是相邻的第二个电旋转单元中的一个电极。
8．根据权利要求1中所述的电旋转芯片，还包括至少一个可产生相位偏移的电信号的信号发生器，该至少一个信号发生器与各电旋转单元相连通。
9．根据权利要求8中所述的电旋转芯片，其中所述的信号发生器可产生周期性的波形。
10．根据权利要求8中所述的电旋转芯片，其中所述的相位偏移信号是通过多个模拟滤波器偏移一个信号的相位而产生的。
11．根据权利要求1中所述的电旋转芯片，其中每个电旋转单元中电极的数目是N并且相位偏移信号的相位偏移值为0,360/N,360*2/N,360*3/N,….360*(N-1)/N。
12．根据权利要求1中所述的电旋转芯片，还包括多个开关，用于接通时对电极施加所述的相位偏移信号。
13．根据权利要求12中所述的电旋转芯片，其中所述的开关可以是双极物结型晶体管或金属氧化物半导体场效应管。
14．根据权利要求1中所述的电旋转芯片，其中所述的电极形状可以是蝴蝶形、矩形或弧形。
15．根据权利要求1中所述的电旋转芯片，其中所述的电旋转单元至少包括均匀分布在旋转电场中心周围的三个电极。
16．根据权利要求1中所述的电旋转芯片，其中所述的电旋转单元包括均匀分布在旋转电场中心周围的四个电极。
17．根据权利要求1中所述的电旋转芯片，还包括与电旋转芯片相接的一块板，这块板应至少具有一个孔。
18．根据权利要求17中所述的电旋转芯片，其中所述的板具有多个孔，每个孔与一个电旋转单元相对应并仅为其提供通道。
19．一种电旋转装置，包括：
多个信号输入点，每个信号输入点所接收的电信号与其它信号输入点所接收的信号之间有一个相位偏移，各信号输入点与多个电极之间是电连通的，所述各电极被组合成多个电旋转单元，每个电旋转单元包括至少一个与信号输入点相连的电极，当对电旋转单元内的各电极施加相位偏移的信号后可以在电旋转单元内产生旋转电场。
20．根据权利要求19中所述的电旋转装置，其中所述的多个与一个信号输入点电连通的电极彼此之间是电连通的。
21．根据权利要求19中所述的电旋转装置，其中所述的多个电极的排布方式是使相邻的电旋转单元产生的旋转电场方向是相同或相反的。
22．根据权利要求19中所述的电旋转装置，其中所述的电旋转单元是分布在一个基底上的。
23．根据权利要求22中所述的电旋转装置，其中与一个信号输入点之间电连通的电极与和其它信号输入点连通的电极之间是电绝缘的。
24．根据权利要求19中所述的电旋转装置，其中所述的多个电极之间以及电极与信号输入点之间是通过导线连接的，而这些导线之间是电绝缘的，并且在基底上是分布在至少两层上。
25．根据权利要求19中所述的电旋转装置，其中所述的电极分布得使第一个电旋转单元内的一个电极同时也是相邻的第二个电旋转单元内的一个电极。
26．根据权利要求19中所述的电旋转装置，其中所述的来自所述信号发生器的相位偏移的信号可以选择性地施加在电旋转单元上。
27．根据权利要求19中所述的电旋转装置，还包括分布在信号发生器和电极之间的开关，当这些开关接通后，相位偏移的信号才能施加在电旋转单元的电极上。
28．根据权利要求27中所述的电旋转装置，其中所述的开关可以是双极型结型晶体管或金属氧化物半导体场效应管。
29．根据权利要求19中所述的电旋转装置，其中所述的信号发生器可以产生多个相位偏移的信号施加在信号输入点上。
30．根据权利要求19中所述的电旋转装置，其中所述的多个相位偏移的信号之间的相位差是360°/N，其中N是电旋转单元内电极的数量。
31．一种用于确定微粒电性质的方法，包括：
提供一个电旋转芯片，该芯片包括设于一基底上的多个电旋转单元；
在每个电旋转单元中至少放置一个微粒；
诱导电旋转单元产生旋转电场；
测量所述至少一个微粒的旋转行为并确定该至少一个微粒的电性质。
32．根据权利要求31中所述的方法，其中所述的微粒可以是生物分子、生物复合体、免疫复合体、脂质体、原生质体、血小板、病毒或细胞。
33．根据权利要求31中所述的方法，其中所述的微粒的旋转在多于一个的频率上测量。
34．根据权利要求31中所述的方法，其中所述的多个微粒的电性质被测定。
35．根据权利要求31中所述的方法，其中所述的多个微粒是异类群体。
36．根据权利要求31中所述的方法，还包括鉴定具有相似电性质的多个微粒。
37．用于鉴定能改变细胞电旋转性质的试剂的方法，包括：
提供一个电旋转芯片，该芯片包括设于一基底上的多个电旋转单元；
在所述电旋转单元内至少放置一个细胞；
将所述细胞与一候选分子接触；
在电旋转单元内诱导出旋转电场；
测量所述细胞的旋转行为；
比较细胞与候选分子接触前后或比较未与候选分子接触的对照细胞与与候选分子接触的实验细胞之间的电旋转性质的变化；
如果细胞在接触候选分子后其电旋转性质与细胞与候选分子接触前或未与候选分子接触的对照细胞的电旋转性质相比有所不同，那么，可确定该候选分子为一种改变所述细胞的电旋转性质的试剂。
38．根据权利要求37中所述的方法，其中所述的旋转测量是在多个频率上进行的。
39．根据权利要求37中所述的方法，其中多个细胞的电性质被测量。
40．根据权利要求39中所述的方法，其中多个细胞是不同类群体的。
41．根据权利要求40中所述的方法，还包括鉴定具有相似电性质的细胞。
42．一种用于确定生物样品中分子的种类和浓度的方法，包括：
提供一个电旋转芯片，该芯片包括设于一基底上的多个电旋转单元；
以可与待确定分子结合的检测试剂涂覆一些微粒；
在所述多个电旋转单元中至少放置一个涂覆过的微粒；
使所述涂覆过的微粒与所述生物样品接触；
对电旋转单元施加电信号；
测量涂覆微粒的旋转行为；
通过比较与生物样品接触过和没接触过的涂覆微粒的电旋转行为确定生物样品中分子的类型和浓度。
43．根据权利要求42中所述的方法，其中所述的检测试剂可以是染料、抗体和配基。
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