CN1346053A - 用于微粒操纵与微粒导向的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

给出了一种作为微粒开关,可以输运或是重新定向悬液中的微粒。开关包括至少三个结构分支,并且分支在一个公共的连接处交会。微粒受到分支作用于其上的力而沿着分支输运。微粒可以从分支的末端被输运出或进微粒开关。微粒可以在分支之间被输运。根据微粒的性质,输运的机制可以是行波介电电泳,也可以是行波电泳。

Description

用于微粒操纵与微粒导向的装置及其使用方法

本发明涉及对微粒的操纵，特别地是利用电场对小微粒(如细胞、微型珠体)的操纵。

对微粒(特别是对生物材料)的操纵可以为生物医学领域的研究带来便利。其中对单个癌细胞进行操纵的技术相当重要，它能使研究者在精心控制的环境中研究单个癌细胞或一组癌细胞与被选择的药物之间的相互作用。有许多种不同的力可以用以操纵微粒，包括光学力、超声力、机械力和水动力。例如人们已经成功的利用流式细胞仪来对细胞进行分类和鉴定。另一个例子就是在生物学和生物医学实验室中，离心技术被广泛使用，以处理生物样品。

目前在生物学和生物医学应用领域中的趋势是生物分析设备和器件的自动化与微型化。基于生物芯片的微流体技术的研究开发受到了特别的关注。生物芯片是指一块固体基片，在其表面上可进行生物/生化/化学反应和处理过程。基片是一片可以为不同形状，如矩形、圆形、椭圆形或其它形状的薄片。可以在基片上集成或制作出不同的结构(如管道、槽、电极元件等)以进行生物/生化/化学反应或处理。生物芯片和微流体领域研究者的一个重要目标就是开发出完全自动化、集成化的设备，以实现一系列的生物/生化反应和步骤。最佳情况是，这种集成器件能处理天然的、原初的生物样品(如血液、尿液)以分离靶微粒或生物微粒(如血液中的癌细胞、孕妇血液中的胎儿成核细胞、尿液中的某种细菌)；分离后的靶微粒可以经过进一步处理得到细胞组分(如靶细胞经胞解释放出生物分子，如DNA、mRNA、蛋白质分子等)；然后感兴趣的细胞组分再被分离、处理(如对分离出的DNA分子中的目标序列通过聚合酶链式反应，即PCR进行扩增)；最后，对反应产物进行一定形式的检测/测量/定量(如对PCR扩增的DNA片段进行杂交反应，用荧光法检测杂交结果)。很明显，在生物芯片上处理和操纵微粒混合物中不同种类的微粒(包括细胞和细胞组分)的方法对开发基于生物芯片的器件而言有着非常重要的意义。

目前有关在芯片上对微粒或生物微粒进行操纵的方法已经有了一定的进展。电子杂交技术已经被开发出来，即在电子芯片上操纵、输运带电荷的DNA分子(见“Rapid Determination of Single BaseMismatch Mutations in DNA Hybrids by Direct Electric Field Control”，Sosnowski，R.，et al.，Proc.Natl.Acad.Sci.，Volume 94，pages 1119-1123，1997；“Electric Field Directed Nucleic Acid Hybridization onMicrochips”，Edman，C.，Nucl.Acids Res.，25：pages 4907-4914，1998)；还有电泵和电分离技术，即利用基于电渗和电泳的动力学效应来输运、操纵、分离生物分子或其它微粒(“Micromachining aminiaturized capillary electrophoresis-based chemical analysis system ona chip”，Harrison，D.J.et al，Science，Volume 261，pages：895-896，1993；“High-speed separation of antisense ofligonucleotides on amicromachined capillary electrophoresis device”，Effenhauser，C.S.etal.，Anal.Chem.Volume 66，pages：2949-2953，1994)；另外还可以利用介电电泳技术对微粒进行操纵来解决细胞分离问题(“Dielectrophoretic manipulation of particles，”X-B.Wang et al.，IEEE/IAS Trans.，vol.33，pages 660-669，1997)。尽管已有上述报导，但目前利用介电电泳原理在生物芯片上处理微粒的2维和3维操纵技术就灵活性、方便程度、适应性、有效性而言还非常有限。总体而言，目前处理微粒的操纵技术应用有限，且只能用于特定的实例。利用这些技术进行微粒分离的效率还需进一步改进。而且，在芯片上对微粒进行输运、分离、富集和混合的能力还非常有限。

在进一步说明本发明之前，我们先介绍一下介电电泳力的原理。作用在一个微粒上的介电电泳力来源于微粒所处的不均匀的交变电场。特别地，介电电泳力来自于微粒上由交变电场感生出的极化电荷与不均匀交变电场之间的相互作用。在外加电场作用下微粒上感生出极化电荷，电偶极矩的大小和方向与微粒及其所悬浮介质的介电特性之间的差异有关。

介电电泳力可以是行波介电电泳(twDEP)力，也可以是常规介电电泳(cDEP)力。行波介电电泳力是指在行波电场作用下微粒上产生的力。行波电场由相位值不均匀分布的交变电场分量决定。常规介电电泳力是指在幅值不均匀分布的交流电场作用下微粒上产生的力。下面将更加详细地说明行波介电电泳力、常规介电电泳力的来源。目前已有不少文章研究利用行波介电电泳力和常规介电电泳力来操纵具有介电性质的微粒的方法及其相应的理论，包括“Electrokinetic behavior of colloidal particles in travelling electric fields：studies using yeast cells，”Y.Huang et al.，J.Phys.D：Appl.Phys.，vol.26，pages 1528-1535，1993；“A unified theory of dielectrophoresis andtravelling-wave dielectrophoresis，”X-B.Wang et al.，J.Phys.D：Appl.Phys.，vol.27，pages 1571-1574，1994；“Dielectrophoretic Manipulationof Cells Using Spiral Electrodes，”X-B.Wang et al.，Biophys.J.，vol.72，pages 1887-1899，1997，“Dielectrophoretic manipulation of particles，”X-B.Wang et al.，IEEE/IAS Trans.，vol.33，pages 660-669，1997；“Positioning and manipulation of cells and microparticles usingminiaturized electric field traps and travelling waves，”by G.Fuhr et al.，in Sensors and Materials，vol.7，pages 131-146，1995；and “Non-uniform spatial distributions of both the magnitude and phase of ACelectric fields determine dielectrophoretic forces，”Wang et al.，BiochimBiophys Acta，vol.1243，pages 185-194，1995.

具单谐波成分的电场可在时域上表示为 $\stackrel{\→}{E}\left(t\right)=\underset{\mathrm{\α}=x;y;z}{\mathrm{\Σ}}{E}_{\mathrm{\α}0}\cos (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}}){\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{\α}},---\left(1\right)$

其中

是笛卡尔坐标系中的单位向量，E_α0、_α分别是三个电场分量的幅值和相位。当一个微粒(如细胞)受到不均匀电场(注意位置不同，E_α0、_α也不同)作用时，由于电场和微粒上感生电偶极矩的相互作用，微粒就受到一个净介电电泳力的作用。Wang et al.(“A unified theory of dielectrophoresis and travelling-wavedielectrophoresis”J.Phys.D：Appl.Phys.，vol.27，pages 1571-1574，1994)给出介电电泳力的表达式为： ${\stackrel{\→}{F}}_{\mathrm{DEP}}=2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_m{r}^3(\mathrm{Re}\left(f_{\mathrm{CM}}\right)\▿E_{\mathrm{rms}}^2+\mathrm{Im}\left(f_{\mathrm{CM}}\right)(E_{x0}^2\▿{\mathrm{\φ}}_x+E_{y0}^2\▿{\mathrm{\φ}}_y+E_{z0}^2\▿{\mathrm{\φ}}_z)),---\left(2\right)$

其中r是微粒半径，ε_m是微粒悬浮介质的介电常数，E_rms是电场均方根值，因子f_CM＝(ε_p ^*-ε_m ^*)/(ε_p ^*+2ε_m ^*)是介电极化因子(所谓Clausius-Mossotti因子)。复式介电常数定义为ε_x ^*＝ε_x-jσ_x/(2πf)。介电极化因子与外加电场的频率f、电导率σ_x、微粒介电常数(记为p)、微粒悬浮介质的介电常数(记为m)有关。

从公式(2)可以看出，介电电泳力一般由两个分量构成：即常规介电电泳(cDEP)力和行波介电电泳(tw DEP)力。常规介电电泳力和与场强梯度(E_rms ²)相互作用的电场感生极化的同步(in-phase)分量有关，该感生极化由项Re(f_CM)，即因子f_CM的实部来表示，它是常规介电电泳的极化因子。行波介电电泳力与和电场相位梯度(_x，_y _z)发生交互作用的电场感生极化的异步(out-of-phase)分量有关，该感生极化由项Im(f_CM)，即因子f_CM的虚部来表示，它是行波介电电泳的极化因子。值得指出的是，若一个电场其场强分量的相位是不均匀分布的，则该电场是一个行波电场。电场沿着随位置不同而相位值递减的方向延伸。理想行进电场(见下文)的相位分布沿电场行进方向是位置的线状函数。这样，常规介电电泳力是指因交流电场场强不均匀分布而在微粒上产生的力。尽管常规介电电泳力有时在文献中也被简称为介电电泳力，但在这里避免使用这样的简化术语。常规介电电泳力和行波介电电泳力的术语出现在大量文章中，例如：“A unified theory of dielectrophoresis andtravelling-wave dielectrophoresis，”Wang et al.，J.Phys.D：Appl.Phys.，vol.27，pages 1571-1574，1994；“Non-uniform spatialdistributions of both the magnitude and phase of AC electric fieldsdetermine dielectrophoretic forces，”Wang et al.，Biochim Biophys Acta，vol.1243，pages 185-194，1995；“Dielectrophoretic manipulation ofparticles，”X-B.Wang et al.，IEEE/IAS Trans.，vol.33，pages 660-669，1997；“Dielectrophoretic manipulation of cells with spiral electrodes”.X-B.Wang et al.，Biophysical J.，vol.72，pages 1887-1899，1997.半径为r、受交变电场不均匀分布场强作用的微粒所受的常规介电电泳力

为 ${\stackrel{\→}{F}}_{\mathrm{cDEP}}=2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_m{r}^3{\mathrm{\χ}}_{\mathrm{DEP}}\▿E_{\mathrm{rms}}^2---\left(3\right)$

其中E_rms是场强的均方根值，ε_m是介质的介电常数。表示常规介电电泳力的公式(3)与上述的介电电泳力的一般表达式一致。因子χ_cDEP是微粒的常规介电电泳极化因子，可以表示为： ${\mathrm{\χ}}_{\mathrm{cDEP}}=\mathrm{Re}\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_p^{*}-{\mathrm{\ϵ}}_m^{*}}{{\mathrm{\ϵ}}_p^{*}+2{\mathrm{\ϵ}}_m^{*}}\right)---\left(4\right)$

这里Re指复数的实部，符号ε_x ^*＝ε_x-jσ_x/(2πf)是复式介电常数。参数ε_p、σ_p分别是微粒的有效介电常数和电导率(可能与外加频率有关)。例如，典型的生物细胞将具有与频率相关的电导率和介电常数(至少部分上是由于细胞质膜极化引发的)。关于细胞介电性质的描述可以见相应的文章。例如，下列的文章都是关于哺乳动物不同种类细胞介电性质的：“Membrane changes associated with thetemperature-sensitive P85^gag-mos-dependent transformation of rat kidneycells as determined from dielectrophoresis and electrorotation”，HuangY.，et al，Biochim.Biophys．Acta Volume 1282，pages 76-84 1996；“Separation Of human breast cancer cells from blood by differentialdielectric affinity”，Becker FF.，et al.，Proc.Nat.Academ.Sci.(USA)Volume：29，pages 860-864，1995.

以上描述常规介电电泳力的公式还可表示为 ${\stackrel{\→}{F}}_{\mathrm{cDEP}}=2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_m{r}^3{\mathrm{\χ}}_{\mathrm{cDEP}}{V}^2(\▿p)---\left(5\right)$

其中p＝p(x，y，z)是电极上单位电压激励(电压V＝1V)的电场值平方的分布，V是外加电压。

当一个微粒的常规介电电泳极化因子为正(χ_cDEP＞0)时，微粒受常规介电电泳力作用向强场区域运动，这称为正向常规介电电泳。导致微粒作正向的常规介电电泳运动的常规介电电泳力称为正向常规介电电泳力。当一个微粒的常规介电电泳极化因子为负(χ_cDEP＜0)时，微粒受常规介电电泳力作用远离强场区域向弱场区域运动，这称为负向的常规介电电泳。导致微粒作负向的常规介电电泳运动的常规介电电泳力称为负向的常规介电电泳力。

对一个半径为r，受行波电场 $E_{\mathrm{twDEP}}=E\cos \left(2\mathrm{\π}(\mathrm{ft}-z/{\mathrm{\λ}}_0)\right){\stackrel{\→}{a}}_x$ (即E场的x分量沿z方向行进，x分量的相位值沿z向是位置的线状函数)作用的微粒来说，作用在其上的理想行波电场的行波介电电泳力F_twDEP为 $F_{\mathrm{TWDEP}}=-\frac{4{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\ϵ}}_m}{\mathrm{\λ}}{r}^3{\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{TWD}}{E}^2\·{\stackrel{\→}{a}}_z---\left(6\right)$

其中E是场强大小，ε_m是介质的介电常数，

ζ_twDEP是微粒的行波介电电泳极化因子： ${\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{twDEP}}=\mathrm{Im}\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_p^{*}-{\mathrm{\ϵ}}_m^{*}}{{\mathrm{\ϵ}}_p^{*}+2{\mathrm{\ϵ}}_m^{*}}\right)---\left(7\right)$

其中Im指相应复数的虚部，符号ε_x ^*＝ε_x-jσ_x/(2πf)是复式介电常数，参数ε_p、σ_p分别是微粒的有效介电常数和电导率(可能与外加频率相关)。

这样根据行波介电电泳极化因子的正负，介电电泳力的行波分量将沿着或逆着行波场的传播方向作用于微粒上。如果在工作频率下微粒的行波介电电泳极化因子是正的(ζ_TWD＞0)，则作用在微粒上的行波介电电泳力将与电场行进方向相反。如果在工作频率下微粒的行波介电电泳极化因子是负的(ζ_TWD＜0)，则作用在微粒上的行波介电电泳力将与电场行进方向相同。对微粒(包括生物细胞在内)的行波介电电泳操纵而言，作用在直径10微米的微粒上的行波介电电泳力的数量级在0.01至10000pN之间。

一般地，一个行波电场同时诱导产生行波介电电泳力(F_twDEP)和常规介电电泳力(F_DEP)。一个微粒到底如何被移动或操纵取决于这两种力(F_cDEP and F_twDEP)的相对比值。于是，对微粒或微粒混合物的操纵就依赖于电场分布、外加频率、行波介电电泳和常规介电电泳极化因子的大小。因此，微粒例如生物细胞所受的常规介电电泳和行波介电电泳力就依赖于它们的介电性质，也就于它们的介电常数和电导率相关。具不同介电特性的微粒在同样的电场作用下所受的常规介电电泳和行波介电电泳力也不同。可以在电极或微电极上施加适当的交流信号来产生行波电场。通过在基底上制作电极和微电极，以形成芯片、微芯片或是微粒操纵芯片。有许多这方面的文章，如“Electrokinetic behavior of colloidal particles in travelling electricfields：studies using yeast cells，”Y.Huang et al.，J.Phys.D：Appl.Phys.，vol.26，pages 1528-1535，1993；“Non-uniform spatial distributions ofboth the magnitude and phase of AC electric fields determinedielectrophoretic forces，”Wang et al.，Biochim Biophys Acta，vol.1243，pages 185-194，1995”；“Dielectrophoretic manipulation of cells withspiral electrodes”，X-B.Wang et al.，Biophysical J.，vol.72，pages 1887-1899，1997；“Positioning and manipulation of cells and microparticlesusing miniaturized electric field traps and travelling waves”，G.Fuhr etal.，Sensors and Materials，vol.7，pages 131-146，1995；“Large-areatraveling-wave dielectrophoretic particle separator”，Morgan et al.，J.Micromech.Microeng.Volume 7，pages65-70，1997.

为了产生行波电场，应至少施加三个不同步的电信号。一种方案是在线形或是平行的电极上施加4个相位正交的信号(0，90，180，270度)，参见PCT application WO 97/34689，“Apparatus withelectrode arrays for carrying out chemical，physical，or physico-chemicalreaction，”by R.Pethig et al.，或参见US patent 5,653,859，“Methodsof analysis/separation”，to Parton et al.；US patent 5,993,631，“Methods of analysis/separation”to Parton et al.；“Electrokineticbehavior of colloidal particles in travelling electric fields：studies usingyeast cells，”Y.Huang et al.，J.Phys.D：Appl.Phys.，vol.26，pages1528-1535，1993；or as described in the article“Non-uniform spatialdistributions of both the magnitude and phase of AC electric fieldsdetermine dielectrophoretic forces，”Wang et al.，Biochim Biophys Acta，vol.1243，pages 185-194，1995”；or as described in the article“Large-area traveling-wave dielectrophoretic particle separator”，Morgan et al.，J.Micromech.Microeng.Volume 7，pages 65-70，1997.然而，这些器件不能很好地同时操纵一种以上的微粒，而且在输运、引导单种或是多种微粒方面灵活性也较差。另一个产生行波电场的例子见PCTapplication WO97/34689，它由两组线形、平行的电极阵列组合起来构成。但是对于从混合物中分离微粒以及输运、操纵单种或多种微粒而言，这种器件的能力仍然有限。

本发明的目的之一是克服这些局限，并克服一般意义上在芯片上操纵微粒(包括生物微粒，如细胞、细胞器)的局限。本发明的另一目的是提供一种特别适合于从微粒混合物中选择性处理、操纵微粒的器件。本发明还给出一种能富集、混合不同种微粒的器件，一种能方便、灵活地操纵、控制单种或多种微粒的器件。本发明还给出使用上述器件来实现操纵不同微粒的方法。

本发明的实体例子包括一个产生行波电场的装置，该装置包括至少三个电路连接上相互独立的分支，每个分支包含一组电极，当在电极上施加不同相位的电信号，可以在各个分支中产生行波电场，各个分支在一个公共的连接处交会。

本发明的实体例子还包括一个产生行波电场的装置，该装置包括至少三组电极，当在电极上施加不同相位的电信号时，每个电极组可以在其限定的区域内产生行波电场。每组电极对在电路连接上是相互独立的，并在一个公共的连接处交会。

本发明的实体例子还包括一种操纵微粒的装置，该装置包括至少三组电路连接上相互独立的电极，当电极上施加不同相位的电信号后，可以在电极所在的分支中产生相应的电场，使得分支中的微粒受到行波介电电泳力的作用。各个分支在一个公共的连接处交会，以使得微粒在行波介电电泳力的作用下，能够从一个分支输运到另一个分支。这里所述的至少三个电极组可以就是三个电极组，并且电极组之间夹角为120度；也可以是四个电极组，四个电极组之间夹角为90度。该装置进一步应该包括连接微粒源与一组上述的电极组的输入管道以及连接输出池与另一组上述的电极组的输出管道。在该装置中，所述的至少三个电极组都被安排在一个固体基底上。其基底的材料可以是硅、玻璃、陶瓷和塑料等材料。该装置，进一步还应该包括：一块基底，其上排布有上述的电极组；一个顶盖，至少含有一个端口以便于通过输入管道；一个位于所述基底和顶盖之间的衬底，衬底带有开口，以便于在开口中对通过输入管道引入的微粒进行操纵。

在上述装置中，进一步包括至少一个电信号发生器。这个信号发生器可以对上述电极组中的电极施加交流电压信号，电信号的相位可以加以选择以沿着上述分支的方向，分别产生行波电场。该电信号发生器所施加的四路电信号的相位分别为0、90、180、270度。装置还包括从上述电极引出的连接到焊盘的导线，焊盘都至少与一个信号发生器相连。其中任何一个给定的电极组中的每一个电极都应该连接到不同的焊盘上。也可以在其中任何一个给定的电极组中，相邻的电极连接到不同的焊盘上，而每个焊盘上可以不止连接一个电极。同时施加在相邻电极上的电信号是具有不同相位的。

在上述装置中，进一步可以包括一个线状的、电路连接上相互独立的电极组，这个电极组可以产生行波电场，位置设计在上述的其中一个电极组的附近。

在本发明中，待操纵的微粒可以包括生物物质，这些生物物质至少是细胞、细胞器、细胞聚集体、生物分子包被的微珠体、实体分子和结合体组成的复合体中的一种。待操纵的微粒也可以包括非生物的物质。

在上述装置中，包括至少一个靠近公共连接处的电极具有指向公共连接处的弯曲的构型，其中的电极具有尖角状的构型，或者电极组中电极的构型是同心的圆弧，越靠近公共连接处的电极的尺寸越小。

本发明中一种用以微粒操纵的装置包括：第一电极组，当在电极组中的电极上施加不同相位的电信号时，分支中的微粒将受到行波介电电泳力的作用，以沿着各自的分支运动；第二电极组，当在电极组中的电极上施加一定的电信号，可以使得分支中的微粒受到力的作用，而被限定在分支的中心区域。第一电极组制作在第一基底上，而第二电极组制作在第二基底上，这两个基底被衬底部分隔开。

本发明中另一个用于操纵微粒的装置包括至少三个分支，其中每一个分支包括：第一电极组，当在电极组中的电极上施加不同相位的电信号时，分支中的微粒将受到行波介电电泳力的作用，以沿着各自的分支运动；第二电极组，当在电极组中的电极上施加一定的电信号，可以使得分支中的微粒受到力的作用，而被限定在分支的中心区域。装置的至少三个分支在一个公共连接处相交，能够使产生的行波介电电泳力作用于微粒，使微粒从一个分支输运到另一个分支。这里提及的第二电极组可以对分支中的微粒施加常规介电电泳力，并且在方向上和第一电极组基本垂直。

本发明中一个用于微粒操纵的装置包括相互连接的单元阵列。其中的每一个单元包括：至少三个电路连接上相互独立的电极组，当在电极组中的电极上施加不同相位的电信号时，分支中的微粒将受到行波介电电泳力的作用，以沿着各自的分支运动。各个分支在一个公共的连接处交会，以使得微粒在行波介电电泳力的作用下，能够从一个分支输运到另一个分支。

本发明还提供一种输运微粒的方法，该方法包括：提供一组相互分立的电极；在第一个电极上施加一种极性的电压信号，以吸引具有和所施加信号相反极性电荷的微粒；在第二个电极上施加同种极性的电压信号，同时减小施加在第一个电极上电压信号的幅值，以使得带电微粒从第一个电极上被吸附到第二个电极上，以实现将微粒输运到第二个电极这一过程；重复以上步骤，以一步步的在电极上输运微粒。

上述方法中所提及的相互分立的电极组包括至少三个电极组，可以对分支中的带电微粒施加一定的力，以使得带电微粒沿着各自的分支运动。各个电极组在电路连接上相互独立的，各个分支在一个公共的连接处交会，以使得带电微粒能够从一个分支输运到另一个分支。

在上述方法中提及的减小第一个电极上的电压信号的幅值的操作也包括翻转这个电压信号的极性。同时输运的操纵过程包括将和第一个电极上所施加电压信号极性相反的电压信号施加到其它所有(除了第二个电极)电极上。

本发明中的另一种微粒分类的方法包括：得到本发明中所提及的装置；将至少含有两种微粒的样品导入装置；施加行波介电电泳力在公共连接处中的微粒上，以使得至少一种微粒从公共连接处沿着一个方向输运，而至少另一种微粒从公共连接处沿着另一个方向输运。此处行波介电电泳力由施加在电极组上的电压信号产生。

上述方法进一步包括首先鉴别出至少一种微粒，然后再把微粒引入公共连接处，根据鉴别出的微粒的类型，施加合适的电信号以分离微粒。这里所提及的鉴别微粒的步骤包括检测微粒的荧光。

本发明中一种混合不同微粒的方法包括：在本发明所述的装置中的一个分支引入至少一种微粒；在装置中的另一个分支引入至少另外一种微粒；这两种微粒被输运到公共连接处混合。

本发明中一种富集微粒的方法包括：在本发明所述的装置中的至少一个分支和另一个分支中引入一种微粒；微粒被输运到公共连接处并富集。同时在装置的至少三个分支中引入微粒；并输运至少三个分支中的微粒到提到的公共连接处而使得微粒在公共连接处得到富集。

本发明中一种分配微粒的方法包括：把微粒引入本发明所述的装置的公共连接处；把微粒从公共连接处分配到至少两个分支中去，包括将微粒从公共连接处分配到三个分支中去。

本发明中一种分离两种微粒的方法，其两种微粒被分布在本发明所述装置上，分离步骤包括：对第一种微粒施加常规介电电泳力以使其保持静止；对第二种微粒施加行波介电电泳力以使其运动，从而与第一种微粒相分离。使第一种微粒受到电极的吸引，被介电电泳力维持在原位置，使第二种微粒在一个分支的末端被收集。在分离过程为在相应的电极上施加不同频率的电信号，不同频率的电信号与两种微粒的相互作用不同，从而使得第一种微粒在原位置保持静止，而第二种被输运，从而得以分离。这里，两种微粒是以微粒悬液的方式引入装置的。本方法进一步应包括从第一种和第二种微粒混合液中分离第三种微粒。

本发明中一种从第二种微粒中分离第一种微粒的方法包括：向本发明所述装置中连续通入含有上述两种微粒的微粒悬液；对第一种微粒施加常规介电电泳力，以使得第一种微粒被电极吸引，从而被常规介电电泳力维持在原位置；而同时第二种微粒随着流体流动，从而与第一种微粒分离；停止液体的通入；在电极上施加合适频率的电信号，以使得第一种微粒由于受到行波介电电泳力而得以输运。

本发明中一种从第一种微粒中分离第二种微粒的方法包括：向本发明所述装置中连续通入含有上述两种微粒的微粒悬液；在线状电极上施加合适的电压信号，从而使得第一种和第二种微粒受到常规介电电泳力，以使得第一种和第二种微粒被线状电极的电极吸引，从而被常规介电电泳力维持在原位置；停止液体的通入；在至少三个分支的电极组上施加合适频率和相位的电信号，以使得第一种微粒由于受到行波介电电泳力而被输运到某一个分支的末端，而第二种微粒被输运到另一个分支的末端。

图1A是有三个相连分支的微粒开关的实体例子的装置图。

图1B是有四个相连分支的微粒开关的实体例子的装置图。

图2是微粒操纵芯片中制作在基底上的微粒开关各部分的装置图。

图3A和3B是两个微粒开关的实体例子的电极组示意图。

图4是微粒开关的另一个实体例子的电极组示意图。

图5A、5B、5C、6A、6B、6C、7A、7B、7C、8A、8B、8C、9A、9B、9C、11A、11B、11C和12A、12B、12C显示了如何对微粒开关中的电极施加不同相位的交流电压信号，以使得微粒按照预先设定的方式运输。在每一个图例中，图A示意了施加在各个电极上的相对的相位值，图B和C示意了具有负的或正的行波介电电泳极化因子的微粒在分支中的运输状况。

图13A和13B分别给出了哺乳动物细胞的常规介电电泳极化因子和行波介电电泳极化因子的特征频率的相关性。

图14A和14B示意了一种通过微粒开关产生的电场使得不同种类的微粒相互分离的方法。

图15A、B和C示意了另一种通过微粒开关产生的电场使得不同种类的微粒相互分离的方法。

图16A、B和C示意了再另一种通过微粒开关产生的电场使得不同种类的微粒相互分离的方法。

图17A和17B示意了装置如何使用其它的微粒鉴定方法用微粒开关进行工作。

图18A和18B示意了单个的微粒开关如何有机的结合形成开关阵列。

图19A和19B是两个用以制作微粒操纵芯片的光刻掩模图。图19C和图19D是微粒操纵芯片中微粒开关的照片。

图20A、20B和20C示意了导向电极的结构和如何把导向电极与微粒开关中的分支中的电极相结合进行微粒操纵。

图21示意了包含四个分支的微粒开关与导向电极的结合方式。

图22A、22B和22C示意了使用直流电压使带电微粒从一个电极运输到另一个电极的过程。

图23A显示了通过使用在图22A、22B和22C中描述的方法在一个包含三个分支的微粒开关中对带电微粒进行输运的原理图。图23B是施加在用以输运微粒和改变微粒运动方向的微粒开关中电极上的电压信号图。

图24A和图24B示意了一种利用微粒开关产生的电场将带正电荷和不带电荷的微粒相分离的方法。

除非另有定义，这里所用的全部科技术语与本发明所属领域内普通技术人员所理解的含义相同。

这里所说的“微粒或小型微粒”指任何微粒状的物质、或可溶性物质、或是直径或特征尺寸在纳米到厘米范围内物质的任何组合。微粒或小型微粒的特征尺寸定义为微粒或小型微粒最长轴和最小轴尺寸的平均值。在本发明中微粒和小型微粒的名称可以混用。微粒可以是固体(如玻璃珠、乳胶粒、塑料粒、磁珠)，液体(如液滴)或气体(如气泡)。微粒包括溶解后的微粒(如分子、蛋白质、抗体、抗原、脂质、DNA、RNA、分子复合体)、悬浮微粒(如玻璃珠、乳胶粒、聚苯乙烯粒)。微粒可以是有机的(如哺乳动物细胞、细菌、病毒或其它微生物)，也可以是无机的(如金属微粒)。微粒可以有不同的形状(如球状、椭球状、立方体、饼形、针形，或其它规则、不规则形状)、不同的大小(从纳米级金粒，到微米级细胞，再到毫米级或厘米级微粒聚集体)。微粒可以是，但不仅仅限于，DNA、RNA、染色体、蛋白质分子(如：抗体)、细胞、胶粒(如聚苯乙烯粒，磁珠)、分子—微粒复合体(如蛋白质分子与包被有抗体的磁珠相结合的复合体)。

一种微粒是由实体分子及其结合物构成的复合体，参见US patentapplication“METHODS FOR MANIPULATING MOIETIES INMICROFLUIDIC SYSTEMS”(by Wang et al.，filed on August 10，2000)(该专利正在受理过程中)。“实体分子”可以是任何需要操纵的物质。通常情况下，实体分子的大小不超过1厘米，可通过本方法操纵的实体分子的例子有，但不仅仅限于，细胞、细胞器(如染色体、线粒体、细胞核等等)、病毒、分子(如蛋白质、DNA、RNA、抗体、抗原、酶、激素、多糖等等)或这些物质的聚集体或是复合体。“结合物”指任何以足够的亲和力、特异性与待操纵的实体分子附着的物质。结合物的例子包括，但不仅仅限于，细胞、细胞器、病毒、聚集体、复合体，或分子的聚集体、复合体。结合物—实体分子复合体包括微粒—微粒复合体、微粒—分子复合体(如通过细胞表面的抗原或蛋白质分子与固定在磁珠表面的抗体分子之间的相互作用形成的细胞—磁珠复合体；将DNA分子固定在磁珠表面形成的DNA分子—磁珠复合体；或通过在聚苯乙烯粒表面包被蛋白质分子形成的蛋白质分子—聚苯乙烯粒复合体)。US patent application“METHODS FOR MANIPULATING MOIETIES IN MICROFLUIDICSYSTEMS”(by Wang et a1.，filed on August 10，2000)(该专利正在受理过程中)中的方法可以用以本发明，操纵实体分子和(或)结合物—实体分子复合体。

在这里，“芯片”是指一块固体基片，在其上可以进行特定的处理，如物理、化学、生物、生物物理、生物化学等处理。在基片上可进行物理/生物物理/生物/生物化学/化学反应或处理，来集成、制作不同类型的2维、3维结构/微结构，如槽、反应池、电极元件。芯片可以是不同形状，如矩形(例如厚约1mm的显微镜用载玻片)、圆形(如厚度不超过1mm的直径4英寸的硅片)、椭圆形或其它不规则形状的薄片。本方法对所用芯片的表面积大小的要求并不苛刻，比如从1mm²到0.25m²都可以。最好所用的芯片的表面积从4mm²到25cm2左右，特征尺寸(对矩形芯片，特征尺寸是指芯片的长度或是宽度；对圆形芯片，特征尺寸是指其直径)大约从1mm至5cm。芯片表面可以是平的，也可以是不平的。具有不平的表面的芯片在表面上应包括槽、反应池等结构。

这里所说的“生物芯片”是指在其上可以进行化学、生物、生物物理或生物化学反应的一类芯片。

这里所说的“电极”是指一种由导电材料制成的一种结构单元，其上施加了有效值恒定的交变电压或有效值近似于恒定的交变电压。有效值近似于恒定的交变电压是指当电信号加到电极元件时，电极元件上的电压降非常小，可以在电极元件附近的区域产生足够强的电场来诱导常规介电电泳和行波介电电泳力以操纵微粒。通常，电极材料包括金属薄膜(如金、铂、钛、铬等)和半导体材料例如掺杂硅(例如掺入磷、砷、锑、铝、镓、铟)，或其它电导率较高的材料(如金属导线)。就本发明而言，导电材料指电导率远大于待操纵微粒所悬浮的介质电导率的物质。

这里所说的“操纵”是指移动或处理微粒，使微粒在介质中作一维、二维、三维方向上的运动。对微粒的操纵包括，但不仅仅限于，运输、吸附、捕获、排斥、富集、分离、鉴别、使微粒悬浮等等，还包括对微粒运动方向的改变。

图1A展示了本发明的微粒操纵装置的一个首选的实体例子101。这个装置含有一个微粒开关103，它包括三个相互连接的分支103a、103b和103c。如图所示，三个分支103a、103b和103c在微粒开关103的中心处相互连接。关于分支的实体例子将在下文说明。如带箭头的虚线所示，微粒可以沿着不同的分支朝不同的方向运输，这取决于微粒的介电性质和它们在装置101的电场中被操纵的方式。此外，根据对微粒的操纵方式，各个分支(103a、103b和103c)的分支末端位置105a、105b和105c既可以作为微粒开关103的微粒输入端，也可以作为微粒输出端。例如，可以通过分支103a的末端105a作为微粒开关103的微粒输入端，根据微粒本身的性质以及它们在装置101的电场中被操纵的方式，微粒可以通过分支，从分支末端位置105b和105c中的一个或两个离开微粒开关103。这里讨论的被操纵的微粒包括生物或非生物材料的。最好，微粒包含细胞、细胞器、细胞聚集体和包被生物分子的磁珠这些生物材料。关于微粒的详细描述上面已经给出。本专利中的微粒操纵的器件、装置和方法的应用广泛，例如用于生物医学/药理学研究、医学诊断和新药研究等等。实际上，它们可以用于涉及有关微粒(例如生物细胞、细菌、病毒、DNA、RNA、蛋白分子、塑料珠、磁珠等)和分子的几乎所有化学和生物化学的研究领域。

图1B展示了本发明的微粒操纵装置的另一个首选的实体例子106。这个装置含有一个微粒开关107，它包括四个相互连接的分支107a、107b、107c和107d。如图所示，四个分支107a、107b、107c和107d在微粒开关107的中心处相互连接。关于分支的实体例子将在下文说明。如带箭头的虚线所示，微粒可以沿着不同的分支朝不同的方向运输，这取决于微粒的介电性质和它们在装置106的电场中被操纵的方式。此外，根据对微粒的操纵方式，各个分支(107a、107b、107c和107d)的分支末端位置108a、108b、108c和108d既可以作为微粒开关107的微粒输入端，也可以作为微粒输出端。例如，可以通过分支107a的末端108a作为微粒开关107的微粒输入端，根据微粒本身的性质以及它们在电场中被操纵的方式，微粒可以通过分支，从分支末端位置108b、108c和108d中的一个、两个或全部离开微粒开关107。

图2是产生行波电场以操纵微粒的装置128的剖面图，解释了装置128是如何构建的。装置128包括基底115和在基底上的三组电极(114)110a、110b和110c，这些共同构成了一个微粒开关110。这三个电极组110a、110b和110c对应着图1中的三个分支103a、103b和103c。这个实体例子中的三个电极组相互夹角为120度，而在其他的应用场合中也可以用其他的夹角。

基底115可以由硅、玻璃、陶瓷、塑料或其它的固体材料制成。固体材料可以是多孔的，也可以是致密的。基底的边长可以是0.5-20cm或更长。电极114可以是沉积在基底115上的金属薄膜(例如金、铂)。电极114可以用一层或多层掩模的光刻方法在基底115制造出来，或者使用在微刻蚀和微制造领域(可参考，Rai-Choudhury P.(Editor)，Handbook of Microlithography，Micromachining andMicrofabrication，Volume 2：Micromachining and microfabrication.SPIEOptical Engineering Press，Bellingham，Washington，USA(1997))中众所周知的微制造或微加工方法。微制造过程包括许多基本的步骤，例如，光刻掩模生成、金属沉积、绝缘体沉积、光刻胶沉积、用掩模和显影剂在光刻胶层、金属层或绝缘层上光刻形成图案或结构。电极可以用金属材料制造，如铝、金、银、锡、铜、铂、钯和石墨，也可以由半导体材料如多孔掺杂硅或其它有足够高的电导率的材料制成。制造电极的基底材料可以是硅、塑料、玻璃、陶瓷，或其他固体材料。固体材料可以是多孔或致密的。熟悉微加工和微制造领域的人可以选择或决定用于特定电极结构制造的加工工艺和材料。

电极114可以是任意厚度，只要电极的阻抗足够小以使得施加在电极上的电压在电极表面几乎不变。电极114厚度最好在0.001-10微米之间，最适宜的尺寸在0.1-1.0微米之间。每个电极114的宽度和长度随意。最好，每一个电极是1-100微米宽和5-10000微米长。最适宜的电极长度在20-2000微米之间。电极114相邻电极之间的间隔最好与电极的宽度相同或相近。或者，电极114的相邻电极之间的间隔在0.2-500微米之间。电极114分别由各自的导线118连接到焊盘122上，在基底115上的所有的导线118和连接焊盘122可以使用与制造电极114相同的规程或方法。连接焊盘112顺次与向电极114提供电压信号的信号发生器(至少一个)相连。施加在电极114的相邻电极上的交流电压的相位差可以是90度，例如在不同的电极上分别施加相位为0、90、180和270度的电信号。尽管在图2中，对于每一个分支(110a、110b、110c)只有四个电极114，然而这仅仅是示意，对于不同的应用，分支可以有三个或三个以上的电极114，并且可以分布在5微米至10厘米的距离上。最好一个分支的长度在20微米至200微米之间。另外，也可以用其他的相位设置，例如施加在相邻的电极114上的电压可以在相位上相差120度。本例中，施加在电极上的相位差为0、120和240度。通常，施加在相邻电极间电信号的相位差依赖于电极数目N(施加在该N个电极上的电信号相位差之和为360度)且为360/N度，这里N是个大于2的数。例如，N＝3，相邻电极间的相位差为120度；N＝4，相邻电极间的相位差为90度；N＝5，相邻电极间的相位差为72度。同时，交流信号的频率可以是任意值以产生适当的行波电场以输运特定的微粒。在一些实体例子中，施加在不同分支内的电极上的交流信号的相位、频率和/或幅值可以不同以便于获得所需的微粒运动。

微粒开关110中的电极114、导线118和连接焊盘122可以制造在基底115上。我们将基底和其上制造的电极单元称为微粒操纵芯片或微粒开关芯片。

微粒开关110中的电极114(和将电极与连接焊盘122相连的导线118)除了可以使用上面说明的微加工和微制造方法之外，还可以使用别的方法。电极可以是合适直径(例如，80微米)的简单的电导线，根据图2中的示意合理的排列并且捆绑在基底表面预先制造的通道中。这些和图2中所示的电极组具有相同参数的通道可以使用刻蚀或其它方法在基底上制作。这些通道允许电导线埋入基底下，使得在导线上的最高点相平或稍稍高于(例如＜5微米)基底表面。导线118可以使用相似的方法制造。

回到图2，位于基底115上的是一个衬底单元126，在上面有一个开口130。衬底单元126可以选择不同的厚度，只要厚度大于待操纵颗粒的最大尺寸即可，并且符合特定的微粒操纵需要。衬底单元126的厚度可以在10微米至5毫米之间。最好，衬底在20至500微米厚。衬底单元126可以用任意的、薄的、不导电材料制成，如高分子膜、塑料膜或聚四氟乙烯膜。衬底单元与基底115结合在一起。根据不同的应用需要，开口130可以选择不同的尺寸，只要开口能够覆盖微粒开关110上电极的整个区域。例如，开口130可以是几个毫米宽。衬底单元126可以通过切割的方法制作出所需形状的开口130，或用其它的方法制作。例如，一个O型橡胶圈可以作为衬底。带有开口的衬底也可以使用塑料浇注的方法制造。位于衬底单元126之上并与之结合的是顶盖134，上面有三个端口104a、104b和104c。三个端口104a、104b和104c可以用作装置的出口或入口，待操纵的微粒就由此进入或离开装置。例如端口104a可以用作入口，同时104b和104c用作出口。本例中，输入端口104a与一段输入管138a相连，悬浮在液体中的微粒(例如，微粒悬浮液)可以通过它以合适的方式引入装置。微粒悬浮液可以收藏于微粒源144，它与输入管138a相连。微粒和液体可以通过出口104b和104c中的一个或两个排出装置128，出口104b和104c分别与输出管138b和138c相连，这样微粒和液体可以进入一个或多个输出容器146。

为了清楚起见，基底115、衬底126和顶盖134分别表示在图2中。实际上，这些单元按示意的顺序结合在一起并形成一个完整的封闭的用于微粒操纵的装置128(不包括输出口和输入口)。对于图16A、图17A和图20B示意的装置也是一样。

虽然在图2中的装置128包括三个单元，基底115、衬底126和顶盖134，但对于构造一个基于微粒开关的装置也许不是必须的。例如，衬底和顶盖可以是整合的。根据所需开口的形状，开口130可以通过在顶盖134的一个表面刻蚀或用微加工的方法到一定深度(例如与需要的衬底厚度相同)制成。当然，开口130也可以通过其它方法制作。图2所示的装置128中的许多部分是可以改动的。其中最关键的部分是微粒开关110和在微粒开关110的一个封闭区域操纵微粒的方法。对于图16A、图17A和图20B所示的装置也是一样。

尽管对于图2所示的装置128有三个输入或输出口，然而输入和输出口的个数是可以改变，只要满足装置必须包括最少三个独立的分支以形成一个微粒开关(例如由电极114组成的110a、110b和110c这三个独立的电极组形成的一个微粒开关110，每一个电极组作为不同的分支进行操纵)。例如，可以使用四个相互旋转90度的电路结构上独立的分支。在这里，“电路结构上独立的电极组”是指这些电极组在电路连接上是分立的，并且被独立的连接到外部的信号发生器上。但是应注意到，当这些“电路结构上独立的电极组”用以产生电场时，这些“电路结构上独立的电极组”中的电极可以连接到同一个外部的信号发生器上。

如图2微粒开关110的每一个分支或电极组110a、110b和110c使用行波介电电泳力来操纵和移动微粒。任何一个分支的电极114分别施加不同相位的电信号，以在分支中引入行波电场，从而在分支中用以移动微粒的电极上或附近产生行波介电电泳力。换句话说，由电极114构成的三个电极组110a、110b和110c沿着各自的电极产生行波电场，并且这三个电极组是相互独立的，通过一个共同连接处150相互连接。电极114构成的三个电极组作用在公共连接处的微粒上的力，可以使得微粒从一个分支转入另一个分支。朝向共同连接处150的电极114最好弯曲成一定的角度以减少电极组110a、110b和110c之间的死区(此处电场力较弱，微粒操纵效率不高)，如图2所示。

当微粒处于行波介电电场中，只要微粒具有与介质相异的介电性质，可以感生出非零的极化电荷，微粒就将受到行波介电电泳力。在装置128中的微粒通常不仅仅只受上文提及的行波介电电泳力的作用，而且还受到可以将微粒拉近或推离电极114的常规介电电泳力的作用。微粒的运动状况由这些力的相对大小决定。微粒可以被正向常规介电电泳力吸附到电极114上，或者由于受负向常规介电电泳力从电极表面悬浮起来，在行波介电电泳力的作用下沿着行波电场传播的方向移动。在一些实体例子中，微粒不受或是几乎不受常规介电电泳力。在另一些实体例子中，微粒受到正向常规介电电泳力，使得它们被吸附在电极上。微粒在电极组110a、110b和110c产生的行波场中的动力学响应与微粒在由螺旋电极或其他类型的线状电极阵列产生的电场中的动力学响应相似。(参见“Dielectrophoretic Manipulation of Cells Using Spiral Electrodes”，X-B.Wang et al.，Biophys.J.，vol.72，pages 1887-1899，1997；“Dielectrophoretic manipulation of particles，”X-B.Wang et al.，IEEE/IAS Trans.，vol.33，pages 660-669，1997；“Positioning andmanipulation of cells and microparticles using miniaturized electric fieldtraps and travelling waves”，G.Fuhr et al.，Sensors and Materials，vol.7，pages 131-146，1995；“Microfiuidic cell separation based on generalizeddielectrophoresis field flow fractionation”，De Gasperis et al.，“Biomedical Microdevices，vol.2(1)，pages 41-49，1999.)

图2中的装置128显示电极组110a、110b和110c中的每一个电极114都与一个不同的连接焊盘122连接。其他的连接方式也是可以的，如图3所示，对于每一个电极组110d、110e和110f，可以将几个电极114连接到一个连接焊盘122上，但是相邻的电极必须连接到不同的连接焊盘上。图3显示，当在电极组上施加相位分别为0、90、180和270度的电信号时，分支中每隔三个电极连接到一个相同的连接焊盘上。当一个分支中包含多个电极时，使用图3所示的电路连接方式比较合适，即一个连接焊盘122上连有多个电极114。在这些例子中，如果电极114和导线118是使用不同的微加工和微制造方法设计制造在基底115上，那么，基底115中将有多个导电层来实现所需的电路连接。而沉积在电极层之间的介电绝缘层可以进行合适的绝缘。如果使用光刻技术，要使用多个掩模来用于制造这样的多个导电层。这些技术在微刻蚀和微加工领域中很常见(见，例如，Rai-Choudhury P.(Editor)，Handbook of Microlithography，Micromachining and Microfabrication，Volume 2：Micromachining andmicrofabrication.SPIE Optical Engineering Press，Bellingham，Washington，USA(1997))，这样的多导电层配置与文献中叙述的其他的多导体层结构相似，如文献“Positioning and manipulation of cellsand microparticles using miniaturized electric field traps and travellingwaves”，G.Fuhr et al.，Sensors and Materials，vol.7，pages 131-146，1995；or in “Large-area traveling-wave dielectrophoretic particleseparator”，Morgan et al.，J.Micromech.Microeng.Volume 7，pages 65-70.1997”。

图3B的电路配置与图3A所示大体一致，区别在于分支中电极的取向。图3B中电极组110g、110h和110i中的电极制成“∧”的形状，中间的突出端指向分支的共同连接处，这样，图3B中的共同连接处150的空间比图2和图3A中的共同连接处150的空间要小。这种设计减小了电极114之间的死区空间，并且在共同连接处150及附近形成的连续电场使得微粒在分支之间转换变得容易。图3B和图3A另一个区别是，图3B的分支(110g，110h和110i)中的电极114通过导线119交替的连接到基底115两边的焊盘123上。如果要使用光刻的方法制造微粒开关，图3A所示的微粒开关的制作需要进行多层掩模光刻，而图3B所示的微粒开关的制作只需要进行一层掩模光刻。

图4给出了另一个微粒开关的实体例子中的电极参数。开关中的三个电极组分支152a，152b和152c相互之间夹角为120度，各个分支中的电极153是弧形的，随着离共同连接处距离的不同，尺寸也不同。如图3A相似，分支中每隔三个电极就有一个电极通过导线156连接到一个共同的焊盘155上。如果要使用光刻的方法制造图4所示的微粒开关152，则需要进行多层掩模光刻。每个分支含有四个焊盘，分别施加相对相位为0，90，180和270度的电信号，以在分支内产生行波电场。微粒可以在分支中沿着与电极曲率垂直的方向运动。例如，当在电极上施加合适的电信号，可以使分支(152a，152b和152c)中的微粒向分支的共同连接处运动。微粒在各个分支的行波(152a，152b和152c)电场中的动力学响应和微粒在由螺旋电极产生的电场中的响应相似(见“Dielectrophoretic manipulation ofcells with spiral electrodes”，X-B.Wang et al.，Biophysical J.，vol.72，pages 1887-1899，1997)。当微粒从分支被输运到分支的共同连接处158，可以再被输运到相应的分支中。

图5A、B、C；6A、B、C；7A、B、C；8A、B、C；9A、B、C；11A、B、C和12A、B、C简要说明了在微粒开关110中所施加的不同相位的电压是如何用于控制微粒运动的。这些图中，图A给出了施加在电极组的各个电极114上的电压的相对相位值。图B显示了在ζ_TWD＞0的条件下，一种给定微粒是如何通过微粒开关110的，而图C显示了在ζ_TWD＜0的情况下，同一种给定的微粒是如何通过微粒开关110的。这些图表明了微粒通过微粒开关110的方向可以通过选择合适的施加在电极114上的相位(“相位序列”)来加以控制，并且ζ_TWD的正负的变化会使得微粒向相反的方向移动。例如，在通过两个或三个(或更多)分支后，微粒可以富集在共同连接处150，或者微粒被加到共同连接处后，可以从共同连接处经过各个相应的分支，再从一个、两个、三个或多个分支的末端排出微粒开关。对于一个三分支的微粒开关，从任意两个分支进入微粒开关的微粒可以共同进入另一个分支，或是反之，从一个分支中引入的微粒可以分配到另两个分支中去。本专利所涉及的微粒开关的一个重要特点是，施加在电极上的电信号的电压幅度、相位顺序和电场的频率可以在微粒操纵过程中改变。这大大提高了芯片对微粒操纵的灵活性。这样，仅仅通过简单的改变施加在电极上的电信号，微粒开关芯片就可以在三个分支中实现对微粒的任意的形式的操纵。操纵过程是可逆的，在一个分支中，按某种相位顺序对电极施加电信号，可以使得微粒沿着一定的方向运动，而使用另一种相位顺序可以使得微粒向相反的方向运动。

由任意一个电极组110a、110b、110c(或110d、110e、110f；或110g、110h、110i)中的电极114作用在微粒开关110的相应分支中的微粒上的行波介电电泳力由施加在电极上的交流电压的频率和微粒的性质决定。例如，在一个给定的频率f₁下，给定分支中的微粒向共同连接处150移动，而在另一个频率f₂下，微粒则离开共同连接处150。这种情况下，通过选择在不同分支中的电极上施加的电信号的频率，可以使得微粒从一个分支运动到另一个分支。这种在行波电场中微粒行为的频率依赖性与微粒的行波介电电泳极化因子ζ_twDEP的频率依赖性相关，而ζ_twDEP是微粒介电性质的函数。图13A和13B给出了在一个典型的哺乳动物细胞中，行波介电电泳极化因子ζ_twDEP—频率的关系图和常规介电电泳极化因子χ_cDEP—频率的关系图。如图13A所示，在频率f₁下，细胞表现的行波介电电泳极化因子是负值(ζ_twDEP＜0)，而在频率f₂下，细胞表现出的行波介电电泳极化因子是正值(ζ_twDEP＞0)。一个细胞进入微粒开关的给定分支后，当受到频率为f₁的行波电场的作用，细胞将沿着某一个方向移动，而将沿同一方向的行波电场的频率改为f₂时，细胞将沿着相反的方向移动。相似的，如图13B所示，在频率f₃下，细胞表现出的常规介电电泳极化因子是正值(χ_cDEP＞0)，而在频率f₄下，细胞表现出的常规介电电泳极化因子是负值(χ_cDEP＜0)。这样，当受到频率为f₃的非均一幅值分布电场的作用，细胞将向的强电场区域运动，即吸附在电极上，当受到频率为f₄的非均一幅值分布电场的作用，细胞将向弱电场区域运动，即从电极上被推离。

常规介电电泳极化因子χ_cDEP和行波介电电泳极化因子ζ_twDEP的频率依赖性是因微粒介电性质的频率依赖性而起。对于哺乳动物细胞，细胞的介电性质受到细胞尺寸、膜厚度、细胞膜的介电性质和细胞内部的介电性质等因素的影响。一般来说，一个活细胞有一个导电性较差的细胞膜(膜电导率很小，小于10^-4S/m)，它包围了导电性中等的细胞内物质(内部电导率较高，大于0.1S/m)。这样在低频情况下，施加的电场主要加在细胞膜上，这样细胞膜的介电性质就决定了整个细胞的介电性质。这时通常细胞的常规介电电泳因子是负值(χ_cDEP＜0)，表现出负向的常规介电电泳行为。随着频率的增加，电场逐渐穿透细胞膜作用于细胞内部物质。这样，细胞的常规介电电泳因子χ_cDEP逐渐从负值变为正值。一般在这样的频率范围内，外加电场使细胞受到的作用力倾向于使细胞的行波介电电泳因子ζ_twDEP表现为正值(ζ_twDEP＞0)。当频率进一步增加，细胞内含物的性质(即开始时有效电导率，之后时有效通透率)决定了细胞的反应。开始，细胞的常规介电电泳极化因子χ_cDEP大于零，然后随着频率的升高，χ_cDEP逐渐减小。在这个频率范围内，行波介电电泳极化因子ζ_twDEP＜0。细胞的常规介电电泳极化因子和行波介电电泳极化因子的准确频率范围决定于细胞的介电性质以及细胞所处的水溶液的电导率。

近年来，人们进行了一系列利用电旋转技术测量和鉴定细胞介电性质的研究。根据细胞旋转的测量的频谱，人们可以分析细胞的介电性质并且分析/模拟常规介电电泳极化因子和行波介电电泳极化因子与频率之间的关系。那些擅长利用电旋转进行细胞介电特性研究的专家以及擅长对细胞和微粒进行介电电泳操作的专家，可以通过选择适当的方法和条件来测量细胞电旋转的频谱，然后选择适当的模型对频谱进行分析以得出细胞的介电性质(即介电电泳参数)，还可以得到常规介电电泳极化因子和行波介电电泳极化因子与频率的关系。下列文章提供了对细胞的介电电泳性质进行分析的理论、方法、材料以及条件。以便于得到常规介电电泳极化因子和行波介电电泳极化因子，并且得出在一个非均匀电场中对细胞进行操作的条件。“Dielectric properties of human leukocyte subpopulationdetermined by electrorotation as a separation criteria”，Yang，J.et al.，Biophys.J.76：3307-3314，1999；“Dielectrophoretic manipulation ofcells using spiral electrodes”，X-B.Wang et al.，Biophys.J.，vol.72，pages 1887-1899，1997；“Changes in Friend Murine erythroleukaemiacell membranes during induced differentiation determined  byelectrorotation”，Wang X-B.，et al.，Biochim Biophys Acta，Volume：1193，pages：330-344，1994；“Separation of human breast cancer cellsfrom blood by differential dielectric affinity”，Becker FF.，et al.，Proc.Nat.Academ.Sci.(USA)Volume：29，pages 860-864，1995；“Electrorotational studies of the cytoplasmic dielectric properties ofFriend Murine erythroleukemia cells”，Huang Y.，et al.，Phys.Med.Biol.，Volume 40，pages 1789-1806，1995；“Membrane changesassociated with the temperature-sensitive P85^gag-mos-dependenttransformation of rat kidney cells as determined from dielectrophoresisand electrorotation”，Huang Y.，et al，Biochim.Biophys.ActaVolume 1282，76-84(1996)；“Dielectrophoretic separation of cancercells from blood”，Gascoyne PRC，et al.，IEEE/IAS Trans.，Volume：33pages 670-678，1997.

利用电旋转技术以及其它介电电泳波谱方法(例如细胞悬浮液的介电电泳电阻法)，也可以得到非生物材料微粒的介电电泳性质。得到了微粒的介电电泳性质，就可以对常规介电电泳极化因子和行波介电电泳极化因子进行分析和模拟。

微粒在一个非均匀电场中的与频率有关的介电电泳行为，可以用以对微粒混和液进行选择性微粒操纵。具有不同结构、组成以及大小的微粒具有不同的介电电泳性质，则这些微粒的常规介电电泳极化因子和行波介电电泳极化因子和频率之间的关系也不同。例如，实验显示，不同种类以及具有不同生理特性的细胞具有不同的介电电泳性质，可以通过常规介电电泳和行波介电电泳技术把它们分离(例子请参阅“Changes in Friend Murine erythroleukaemia cellmembranes during induced differentiation determined  byelectrorotation”，Wang X-B.，et al.，Biochim Biophys Acta，Volume：1193，pages：330-344，1994；“Membrane changes associated with thetemperature-sensitive P85^gag-mos-dependent transformation of rat kidneycells as determined from dielectrophoresis and electrorotation”，HuangY.，et al，Biochim.Biophys.Acta Volume 1282，pages 76-84 1996；“Separation of human breast cancer cells from blood by differentialdielectric affinity”，Becker FF.，et al.，Proc.Nat.Academ.Sci.(USA)Volume：29，pages 860-864，1995；“Cell separation by dielectrophoreticfield-flow-fractionation”，WangX-B.，et al.，Anal.Chem.Volume：72(4)，pages：832-839，2000；“Purging breast cancer cells fromhematopoitic cells by dielectrophoretic field-flow-fractionation”，Huang Y.et al.，J.Hematotherapy and Stem Cell Research Volume 8，pages 481-490，1999)。

这个发明根据微粒的介电性质的频率依赖性，以及微粒在行波电场中的行为的差异可以在微粒开关中将一种细胞和另外一种细胞相分离。见图14A，B。图14A显示，含有两种微粒160和164(图中分别用白圈和黑圈表示)的溶液被导入到器件128中(如图2所示)，在微粒开关110的各个分支中两种微粒被任意混和。当在电极114上施加频率是f₁的电压时，微粒160在行波介电力的作用下进入一个特定的分支，而微粒164受到指向电极的或是被向电极的常规介电电泳力的作用，所以保持静止。虽然微粒164也受到行波介电电泳力的作用，但是常规介电电泳力决定了微粒164的状态，即是被电极吸引还是被电极推离。当电场频率为f₁时，微粒164几乎不受或者受到很小的行波介电电泳力(除了常规介电电泳力)，因此当微粒160在操纵下运动时，微粒164保持静止或运动幅度很小。图14B显示微粒160被输运，在微粒开关110分支110b的末端被收集。改变施加在电极114上的电压的相位顺序可以使得微粒160在其余分支如110a或110c的末端富集，也可以在微粒开关110的公共连接处150富集。在这个例子中，微粒开关110的作用是一个微粒分离器，微粒160被有效地富集到一个分支的末端，然后可以通过一个输出管道引出器件。

图14所示的方法也可以用以从含有多于两种微粒的微粒混合物中分离出一种微粒。为了使该方法工作，要求在微粒操纵过程中，待分离的颗粒可以在操纵频率f₁下能够被行波介电电泳力输运，同时，其它微粒应受到较强的正向常规介电电泳力或是较弱的行波介电电泳力，使得微粒要么被吸引到电极上去，要么仍然保持在原来的位置。这种方法是通过批处理的模式进行的：微粒混和物被导入到器件中，然后用微粒开关110进行操纵。在微粒操纵过程中，除非由于微粒的运动而引起的液体的运动，微粒悬浮液保持静止或者基本静止。如果微粒悬浮液有运动，那么这种运动要小到不影响目标颗粒160的收集，以及微粒164不致于在这样的流体力作用下发生运动。

另一种利用微粒开关进行微粒分离的方法如图15A、B、C所示。该器件可以根据图2所示原理进行构建。在这个例子中，含有微粒160、164的溶液连续地导入到仪器中，同时微粒开关在频率f₁下工作。图15A显示含有微粒160、164的混和液被连续地导入器件一瞬间的状况。当混和液通过器件时，微粒164由于受到较强的正向常规介电电泳力而被收集到电极114上，不随流动的液体而运动。同时，电极114施加在微粒160的吸引力很小，因此微粒160随着流动的液体而离开器件。随着越来越多的混和液流经器件，越来越多的微粒164由于受到正向的常规介电电泳力而被收集在电极114上。经过一定的时间，停止微粒混合液的导入，如图15B所示，大量的微粒164被收集在电极114上。然后把电信号的频率调为f₂，如图15C所示，微粒164可以输运到一个分支，并且在微粒开关中该分支的末端被收集。在这一步，除了由于微粒的运动所引起的液体的运动以外，微粒悬浮液应该保持静止或者基本静止。这样，可以把微粒收集到微粒开关110的特定位置。微粒164可以被输运和收集到微粒开关110的分支公共连接处150，也可以被输运到微粒开关110的一个，两个或者三个分支的末端并收集。为了实现这样的操纵，必须选择适当的频率和电信号的相位顺序。电信号的相位顺序由微粒164的收集位置以及微粒164在频率f₂时的行波介电电泳极化因子ζ_TWD决定。

图15A、15B、15C中所示的方法包括两步。第一步，含有多种微粒的混合液连续的流经微粒开关器件。在这个过程中，施加在电极上频率是f₁的电信号导致微粒164被吸附和收集在电极114上，而其它微粒160却随着液体流出器件。第二步，液体停止流动，把施加在电极上电压的频率调到f₂，使得微粒164被输运和收集到微粒开关的特定位置。施加电压的相位顺序以及微粒的介电性质决定了微粒的收集方式和收集的位置。如图15的方法也适用于从多于两种微粒的混合液中分离出特定的微粒。

另一种使用微粒开关的微粒分离方法如图16A、16B、16C、16D所示。如图16B构建的仪器158与图2所示的仪器类似。但是图2和图16A有几处不同。首先，如图16B所示，一个附加的，可以产生行波电场，具有独立的电路连接的线状电极组116制作在微粒开关110的分支电极组110a附近。电极组116通过导线117与焊盘123连接，焊盘至少和一个信号发生器相连接，并且这个信号发生器与连接在电极组110a上的信号发生器是相互独立的。这样，施加在电极组116上的电压信号和施加在电极组110a上的电压信号是不同的。其次，衬底126的开口132和图2中的开口130不同。图16B中的开口132由132a和132b两部分组成。132a和电极组116相对应，132b与微粒开关110相对应。第三，图16A中的顶盖134和图2不同。经过改进，顶盖上有多个入口(104a)和多个出口(104a、104b、104c)与器件158相连接。最好，顶盖上特定位置的入口和出口与衬底126以及微粒开关110有结构关系。例如，104a，104d位于衬底开口132的两端。104b和104c分别与分支110b和110c的末端位置相对应。入口104a与一个入口管道138a相连接，微粒混合液就由此进入。微粒悬浮液处于微粒源144中，它可以与入口管道138a相连接。微粒和液体可以从104b、104c和104d中的一个、两个或者三个出口流出器件。他们分别与相应的出口管道138b、138c、138d相连接。然后流入一个或是多个出口收集池146中。这些出口的作用将在下面详细介绍。

使用图16A中的器件158进行微粒分离的过程分为以下几步：首先，把不含微粒的溶液引入到器件158中。其次，将含有微粒160、164的溶液连续通入器件中。通入的溶液将通过入口104a进入器件，从出口104d流出。几乎没有微粒运动到微粒开关110的区域。只在电极组116上施加频率为f₁的电压信号，则微粒160和164被吸引到电极116上。随着时间的推移，越来越多的微粒160和164被吸附到电极116上。经过一定时间，停止液体的导入。如图16B所示，相当数量的微粒160和164被吸附到电极116上。最后，在电极组116和110a上施加频率为f₂的电压信号。这样，微粒160和164就被输运过电极组116，然后到达微粒开关110的第一个分支110a。同时，在分支110b、110c上分别施加适当相位顺序的不同频率f₃、f₄的电压信号。这些频率和相位顺序的电场信号与微粒160、164相互作用，因此由电极114产生的行波介电电泳力将分别把微粒164、160分别输运到分支110b、110c。通过这种方式，这种微粒开关器件可以把不同种类的微粒160、164分开，并且在微粒开关110的不同位置分别收集。

对于如图16A-16D的方法，可以作出多种修改。利用与上述不同的方法，可以把不同种类的微粒导入到微粒开关110的第一个分支110a。例如，可以使用一次上样而不是连续通入的方法把微粒引入到电极组116上。或者，分支110a可以和另一个具有为电极组110a富集微粒功能的电极组相连接。不同种类的微粒必须能被输运到分支110a的分支末端位置。根据图16C和16D，可以把不同的微粒导入到不同的分支上。

这种方法可以用来从多于两种微粒的混合液中分离特定的微粒。其中一种这样的分离方法如下所示。首先，利用上文提及的方法把微粒导入到电极组116上，导入后微粒的分布与图16B相似。其次，在电极组116、110a、110b、110c上施加特定频率和特定相位顺序的电压信号，把一种特定微粒输运到分支110b、110c中的一个分支(例如110b)。当特定种类的微粒被输运并富集到分支110b、110c中一个分支(例如110b)的末端，改变施加在电极组116、110a、110b、110c上的电压信号的频率和相位顺序，这样就可以把第二种微粒收集到另一个分支的末端(例如110c)。被富集的微粒可以用不同的方法输运出它所在的区域。例如利用另一个线状电极组来输运。然后，再次改变施加在电极组116、110a、110b、110c上的电压信号的频率和相位顺序，这样就可以把第三种微粒输运并富集到一个分支的末端。以上步骤可以重复多次，这样就可以把多种不同的微粒进行有效的输运和富集。在这个例子中，微粒分离的模式是“一次分离一种微粒”，但是利用如图16C-16D所示的微粒开关，可以把同时分离、收集两种或者两种以上的微粒。

另一种利用图16A、16B、16C和16D所示装置的方法是将不同种类的微粒在共同连接处150混合。可以通过这样的方式实现，首先把不同种类的微粒导入到微粒开关的三个分支110a、110b、110c。然后在电极组上施加不同频率和相位顺序的电压信号，可以把不同种类的微粒输运到微粒开关110的中心区域150。

上述用来分离不同种类微粒的方法以及图16A、16B、16C和16D所述的方法是基于以下原理：不同频率的电压信号对不同细胞的作用是不同的。这样，除了选择不同的电压相位顺序，我们又多了一重选择，即选择适当的工作频率。通过选择不同的电压相位顺序和适当的工作频率，本发明中所述的微粒开关可以用以进行多种微粒操纵。特别是，当使用本发明所示的微粒开关和方法，可以动态的灵活的对微粒进行操纵。在一个由三个分支构成的微粒开关对同种类型的微粒(例如细胞)进行操纵的方式可以为：微粒可以从一个或者两个分支被运送到第三个分支；也可以从一个分支被分配到其余两个分支中；也可以富集到三个分支之间的中心区域；也可以被从中心区域分配到三个分支。在这些例子中，同种类型的微粒受到相似的电场的作用，被操纵的方式也相似。这种操纵步骤也适用于多种类型的微粒。如果这些不同类型的微粒具有相似的介电性质，或具有相近的行波介电电泳极化因子，并且器件施加的电压频率大小相近，那么在操纵过程中，它们表现为一种类型的微粒。

如果微粒具有不同的介电性质，那么就有必要从微粒混合物中分离出特定种类的微粒。可以从含有多种微粒的混合物中分离、输运并富集出单种类型的微粒。分离方法如图14A和14B、图15A、15B和15C、图16A、16B、16C和16D所示。在这里，含有多种微粒的混合物是指需要进行分离和选择性操纵的任何类型的微粒混合物。例如，这种混合物可以是一个需要从中分离出特定种类细胞的细胞混合物。例如，含有癌细胞的血液或者其它体液，含有胎儿细胞的母体血液，含有细菌的血液或者其它体液，含有靶细胞的环境样品。这些体液在该发明中的器件进行处理之前可能需要预处理，例如用某种缓冲液稀释。靶细胞可以用某些分子或微粒标记，或者与配体相连，配体可以是分子或微粒。例如细胞混合液可以是患者体内的骨髓样品，其中的具有CD43活性的干细胞是待分离或待选择性操纵的靶细胞。具有CD43活性的干细胞可以先用抗CD43抗体包被的磁珠进行标记，以形成细胞磁珠复合体。细胞磁珠复合体的形成可以增强靶细胞，即具有CD43活性的干细胞与其他细胞之间的介电电泳性质的差异，为靶细胞的选择性操纵和分离提供了便利。在另外的细胞分离的应用中，也可以将非靶细胞与它们的配体连接或耦合形成配体细胞复合体，而靶细胞不进行修饰。

图14A、14B，图15A、15B、15C和图16A、16B、16C、16D所描述的方法及本文提及的其它方法可以扩展其应用范围，即微粒从共同连接处移动进(或出)一个分支后，对微粒进行鉴别，比如进行生物化学的分析。例如，可以使用荧光监视技术，让待鉴别的微粒接受适当的光激发，检测微粒发出的荧光可以鉴别其类型。这样，经过本发明的微粒开关操纵的微粒可以用荧光监视技术鉴别。此外，微粒还可以根据所产生荧光的水平，或者是还没有在微粒开关中输运时即可确定的性质进行分类。例如可以用图17A中所示的器件166对微粒进行处理。除了某些差异，图17A中的器件166与图2基本类似。一个差异是衬底126。这里开口135与图2中的开口130形状不同。开孔由四个相连的通道135a、135b、135c和135d构成。通道135a、135b、135c分别对应于制作在基底115上的微粒开关110中的分支110a、110b和110c。管道135d是135a的线状延伸，如图17A所示。图17A与图2的第二个差异在于由多个入口(104a)和出口(104b、104c、104d)构成的顶盖134。更适宜地，端口104a、104b、104c和104d位于顶盖134上，与衬底126上的管道135a、135b、135c和135d的锥形末端一一对应。端口104a、104b、104c和104d与对应管道系统(未显示)相连，这些管道又与微粒源或收集池(未显示)相连。

根据所激发的荧光的水平(或其他特性)设备166可以对微粒进行分类或分离。在这种情况下，待分类的微粒有相同或相似的介电特性，只能通过荧光量(或其他特性)进行区分。如图17B所示，在进入第一个分支110a之前，单个的微粒可以通过荧光检测方法(或其他检测方法)识别。荧光检测(或其它检测方法)可以利用合适的装置进行。例如，可以使用带自动图像捕获和成像能力的荧光显微方法。根据荧光检测的结果，可以在微粒开关110的第一个分支110a及下游分支110b、110c的电极上施加适当的电信号，以按需要引导微粒进入分支110b或110c。在一个实体例子中，具有比初始设定值高的荧光水平的微粒173a将输运或引导到分支110b，而具有和初始设定值一致或更低水平的微粒将输运或引导到分支110c。这种分离过程可以连续进行，即微粒连续地输运到识别区域以检测荧光水平，再连续地输运到器件166中，再根据所激发荧光的水平分类。例如，含有待分类、分离的微粒的溶液连续从入口104a注入器件166中，然后通过设备166从端口104d流出，此时104b和104c关闭(即没有溶液通过端口104b和104c流进或流出器件166)。注意施加在分支110a、110b和110c上电极以输运或引导单个微粒的电信号由微粒所激发的荧光水平决定。最好微粒能够一次一个进行分类。例如，只有当前一个微粒已经被输运进分支110b和110c其中之一的末端时，下一个微粒才进入微粒开关。这样的话，介质中的微粒的浓度需要进行合理的选择。这种结合荧光监测的微粒开关技术等同于基于微粒荧光水平的流体细胞计数器分离法。如上文提及，当与其它能够测量/检测某种微粒性质的微粒检测方法相结合后，本发明中的微粒开关可以根据这些性质可以作为微粒分离器或分类器。

由电极114构成的电极组110a、110b、110c(或者电极组110d、110e、110f；或者电极组110g、110h、110i；或者精于此技的人设计的其它电极组)可以相互结合，形成更大的结构，如图18A和18B所示。图18A显示了由三个电极结构170A、170B、170C组成的微粒操纵器件168，每个电极结构类似于图2中由电极组110a、110b、110c组合形成的电极结构。仪器168还包括类似于图16A-16D中的电极组116的线状电极组172。为了清楚起见，图18A没有画出衬底、顶盖、输入或输出口、输入或输出管道、或与器件168相连用于不同操纵的微粒源。尽管没有给出图示，仪器168需要与上述的部分或全部部件集成为一个完整工作器件(如图2和图16)。图18B显示了在微粒操纵器件168中的电极114上施加合适的相位和频率的电压信号，微粒可以沿着确定的线路输运。如上文所讨论的，选择不同的频率和相位可以使微粒沿着不同的路线输运。这样器件168可以操纵介电特性相近的一种或多种微粒。例如，器件可以用于生化分析中的微粒(如生物分子包被的珠体)的输运。在这样的分析过程中，希望能够将特定种类的微粒在指定时间内输运到器件的某处。这可以通过在电极上施加合适频率和相位的电压信号以在微粒上感应出合适的行波介电电泳力来实现。在指定时间后，可以将这些富集的微粒再输运或操纵到另外的位置。这可以通过在电极上施加与富集时不同的合适频率和相位的电压信号以在微粒上感应出合适的行波介电电泳力来实现。

可以使用如上所述及图14A、14B，15A、15B、15C，和16A、16B、16C、16D中所示的方法操纵多种类型的微粒。例如图16A-D中所示的分离方法可以对不同性质的微粒进行分类。图18A-B中的器件为分离提供了额外的分辨能力。例如，根据图18A，从电极组172输运到电极结构170B的第一个分支170B-a上的微粒在合适的电信号作用下首先由电极结构170B分离。从电极结构170B的第二(170B-b)和第三(170B-c)分支分离的微粒将由电极结构170A和170C进一步分离。施加到电极结构170A和170C上的电信号的频率和相位应仔细加以选择，以使得输运到电极结构170A和170C的第一分支(170A-a和170C-a)中的微粒在电极结构170A和170C的第二(170A-b和170C-b)和第三分支(170A-c和170C-c)能进一步的分离。

图18A-B中器件的一个重要特点是是施加到每个电极结构170A、170B、170C和172上的电信号是相互独立的。这样，器件可以使用多种不同的方式操纵和处理微粒。这些不同方式可以仅仅通过改变实验中施加在电极结构上的电信号以实现。这样操纵微粒的方式可以通过能控制施加到电极结构上的电信号的程序来实现。例如，上段所描述的多种微粒的分离过程是，微粒从电极结构170B的第一分支170B-a分类并输运到电极结构170A、170C的第二分支(170A-b、170C-b)和第三分支(170A-c、170C-c)。通过简单地改变施加到电极上电信号的相位顺序，微粒也可以从电极结构170C的第二分支(170C-b)输运并初步分离到电极结构170C的第一分支(170C-a)和第三分支(170C-c)。分离到电极结构170C的第一分支(170C-a)上的微粒可在电极结构170B上，然后是电极结构170A上得到进一步的操纵。

这里器件中的电极114可以使用光刻等微加工技术制作。图19A、19B分别显示了微粒开关芯片176和178的掩模图。显示这两个微粒开关芯片中的微粒开关182和184的详细照片在图19C和19D中给出。这些芯片的详细信息将在下文中“微粒开关的实例以及它们在微粒操纵中的应用”部分给出。掩模图176和178可以用来制作相应的器件以完成本发明中的一些实体例子。图2中的电极114可以用一层掩模版利用光刻技术制成，器件中只有一个电极层。图3A、3B、4、16A-D、18A-B中的电极则要用多层掩模版利用光刻技术制成，器件中具有两个或更多电极层。在两个电极层之间沉积了一层介电绝缘层以实现所需的绝缘要求。这里所描述的多电极层排布与文献中描述别的多导电层结构相似，如“Positioning andmanipulation of cells and microparticles using miniaturized electric fieldtraps and travelling waves”，G.Fuhr et al.，Sensors and Materials，vol.7，pages 131-146，1995；or in“Large-area traveling-wave dielectrophoreticparticle separator”，Morgan et al.，J.Micromech.Microeng.Volume 7，pages 65-70，1997”。这样，可以使用一层或多层掩模版在基底上加工出电极，对那些熟悉光刻和微加工工艺的人也可以使用不同的加工规程在基底上加工出电极。

微加工规程包括许多基本步骤，如掩模的生成、沉积金属层、沉积绝缘层、甩胶、在光刻胶层上光刻掩模图案，在金属层或绝缘层上制作结构。电极可以使用金属材料制成，如铝、金、银、锡、铜、铂、钯和碳，或者半导体材料，如掺磷的硅或其它只要能够导电的材料。电极的基底可以是硅、塑料、玻璃、陶瓷或别的固体材料。固体材料可以是非致密的或致密的。熟悉微加工和微机械制造的人可以选择合适的加工工艺和材料制作电极结构。

为了使这里所描述的器件能够正常运作，被操纵的微粒必须限制于电极组上方的区域并沿着电极组移动(如图2中的微粒在分支110a上方转运)。为了实现这个目的，使用了如图20A-C中所示的附加的电极。附加电极包括三个电极对，188a和188b，190a和190b，192a和192b。这些电极对188a和188b，190a和190b，192a和192b和电极组112a，112b，112c中的电极114几本垂直。这些电极188a和188b，190a和190b，192a和192b可以使用与加工如图2、图14A-B、图15A-C、图16A-D、图17A-B、图18A-B中所示的电极结构相类似的的方法和材料加工在基底200上。这样基底200及图2中相应的基底115所使用的材料可以是硅、玻璃、陶瓷、塑料或其他固体。基底材料可以是多孔的或致密的。和图2所示的电极114相似，电极对188a和188b，190a和190b，192a和192b中的电极可以是任意厚度，只要电极的阻抗足够小以使得施加在电极上的电压在电极表面几乎不变。电极对188a和188b，190a和190b，192a和192b中电极的厚度最好在0.001-10微米之间，最适宜的尺寸在0.1-1.0微米之间。这些电极的宽度可以在5-10000微米之间，最适宜的宽度是10-200微米之间。电极对188a和188b，190a和190b，192a和192b中的电极至少和相对应的微粒开关中的分支的长度一致(如图2中的分支110a，图20B中的112a、112b、112c)。电极对之间的距离至少要于其下方和它集成的微粒开关的分支中的电极的宽度(如图2中电极114的宽度)一致。

可以使用多种加工技术如光刻法对电极组188a和188b，190a和190b，192a和192b进行加工。因为这些电极的用途是在由这些电极对构成的通道中引导和限制微粒，所以称它们为“导向电极”。如图20B，导向电极基底200、微粒开关基底115和在这两者之间的衬底126通常集成为一个器件208。导向电极的基底200作为器件208的顶盖，导向电极朝向衬底126(即导向电极位于基底200与连接管相反的表面)，微粒开关基底115作为设备208的底盘。输入输出端口(104a，104b，104c)在顶盖(如导向电极对所在的基底)上，分别与管道138a、138b和138c相连，通向外部微粒源及收集池(未显示)。导向电极(如188a和188b)和微粒开关的电极分支(如112a)须适当组合，如图20C所示。电极对188a、188b、190a、190b、192a和192b基本垂直于电极组112a、112b和112c中的电极114。112a、112b和112c中的电极114由各自的导线118与焊盘122相连，焊盘122顺次与信号发生器相连，如图20B。类似地，每个电极对188a、188b，190a、190b，192a、192b通过导线196和焊盘198(如图20A)与信号发生器(未显示)相连。

导向电极基底和微粒操纵基底之间的距离(即图20B中所示的衬底126的厚度)必须仔细选择，这样导向电极对才能产生足够的常规介电电泳力作用于操纵器件基底上(如图20B中的基底115)的微粒。如果衬底太厚，导向电极对由于不均一电场产生的常规介电电泳力比较小以至于不能对微粒起作用。衬底也不能太薄，必须至少大于待操纵微粒的尺寸。通过选择施加在导向电极对118a和118b、190a和190b、192a和192b上的电信号，可以使得微粒由于受负向常规介电电泳力而被限制在由这些导向电极对形成的通道中运动。

图21给出了一个包括四个分支的微粒开关113的微粒操纵装置的俯视图。除了具有四个分支部分，这个装置和图20A、图20B和图20C的装置相似。分支部分包括分立的电极组113a、113b、113c和113d以及相对应的导向电极对216a和216b、218a和218b、220a和220b、222a和222b。导向电极对制作在一种基底材料上(图上没有标出)，而微粒开关113中电极组制作在另一种基底材料119上。从图21可以清楚的看到，电极组中的电极113a、113b、113c和113d分别由导线226连接到顺次和一个或是多个信号发生器(图上没有标出)连接的焊盘224上，这样信号发生器可以向这些电极提供电压信号。导向电极对中的电极216a和216b、218a和218b、220a和220b、222a和222b分别通过导线228与焊盘232连接。每个导向电极对(216a和216b、218a和218b、220a和220b、222a和222b)依次和相应的信号发生器236连接，以得到各自相对应的电压信号。

图20A、20B和20C(以及图21)中的实体例子中都包括能产生行波介电电泳力以引导微粒(如：在微粒悬液中)和通过分支运输微粒(在图2中已经讨论过)的电极组112a、112b、112c(还有图21中的113a、113b、113c和113d)。导向电极对188a和188b、190a和190b、192a和192b(216a和216b、218a和218b、220a和220b、222a和222b)可以有多种使用方式，即可以通过常规介电电泳力使微粒从电极区域聚集到各个分支的中心区域或是使微粒远离这一区域。这样，从微粒源(在图20A、图20B和图21没有显示)引出的微粒可以有效的被引导通过这一装置，避免了微粒移向产生行波介电电泳力的电极组外缘而产生的微粒的损失。图20A、20B和20C(以及图21)中的实体例子可以被推广到阵列的形式，和图18A和18B所描述的相似，构成微粒开关的电极根据具体情况可以做成各种形状和尺寸。

这一发明的另一实例涉及到一种对直流电场中运动的带电微粒进行运输和转换的方法，这样的电场可以使用这个发明中提到的装置产生。图22A、22B和22C描述了带正电的微粒通过线状、平行的电极组的过程。一组电极240a、240b、240c、240d和240e(原则上，可以使用任意一组编号的电极)相互分开，电极组可以制作在基底材料240上。包含带电微粒244的微粒悬浮液被加入由电极240a、240b、240c、240d和240e组成的电极组附近。通过对电极240a、240b、240c、240d和240e施加一定的电压，可以使得微粒244被吸引到其中一个电极上。例如，如果微粒244如图22A所示带正电荷，那么可以在一个电极(如电极240b)上施加负的电压信号，这样该电极带负电荷，可以吸引微粒244；同时，别的电极(如240a、240c、240d和240e)上施加正的电压信号，以使这些电极带有正电荷，排斥微粒244，使得微粒244聚集到带负电荷的电极240b附近。一旦带正电荷的微粒244被吸附到电极240b上，通过一边减小电极240b上施加的电信号的幅值，一边在另一个临近的电极(如电极240c)上施加负的电压信号，可以把微粒转移到临近的电极上(如图22B)。当施加在电极240b上的电信号降低到一定的值，或/和施加在电极240c的电信号增强到一定的程度，微粒244就会从电极240b上转移到临近的电极240c上。如图22B中所示，将微粒从电极240b上转移到电极240c上的最简单的方法就是翻转电极240b上施加电信号的极性(转为正信号)，同时对电极240c施加负的电压信号，而对其余电极240a、240d和240e继续施加正的电压信号。如图22c所示，可以通过这样的方式把带电微粒从一个电极转移到另一个电极，最好每次都是从一个电极转移到另一个临近的电极上。这样，和行波介电电泳相似，通过对电极组施加一定的电信号，可以实现对带电微粒的移动。

图22A、图22B和图22C中描述的微粒运动是由于处于直流电场中的带电微粒受到介电电泳力造成的。在这种方法中，由于施加的电势信号可以有效的从一个电极变换到另一个电极上，正如“电势信号的行波”一样，所以带电微粒的运动过程被定义为行波介电电泳。为了把一种带正电的微粒定向移动(如图22A-22C)，就需要沿着微粒运动的方向把负的电势信号依次施加到电极组上。相反，如果要把一种带负电的微粒定向移动，就需要沿着微粒运动的方向把正的电势信号依次施加到电极组上。这种方法的关键在于带电微粒在电极组上的运动和施加在电极组上的电势信号是同步的。每一次将相应的电势信号变换到下一个电极上的时候，都会使带电微粒转移到下一个电极上。即，这种基于行波介电电泳的微粒运输的方法只能对带电微粒适用。

图23A是一个包括三个分支用以运输和变换带电微粒240的装置295的原理图，使用的方法和图22A、图22B和图22C中描述的一致。装置中可以使用任意多个分支，而且可以根据图18A和图18B中所描述的设备构建更大些的阵列。图23A中的三组电极254(250a、250b、250c)通过共同连接处258连接在一起。这三组电极250a、250b、250c中的单个电极254都通过不同的导线270接到焊盘278上。这样，这三组电极相互独立，可以分别与至少一个信号发生器(图中没有给出)连接。为了应用图23A中所描述的操纵带电微粒的器件，需要构建和图2(或是图16-21)中所描述的相似的装置。为了实现对带电微粒的操纵和运输，需要对电极组施加合适的电信号。

图23B给出了一个实例，通过在电极上施加图23A所示的随时间变化的电势信号，以实现对带电微粒的操纵。所施加的信号序列编为1、2、3、4，1’、2’、3’、4’，1”、2”、3”、4”。图23A中的每一个焊盘278也编上号，并与相应的序列信号相连。这样的信号可以使得带正电的微粒从电极组250a经过电极组250b，转移到电极组250c上。施加在电极254上的电势信号要能够使带电微粒限制在分支中运动，或是能够通过分支接合部258在分支之间转移带电微粒。在分支之间转移带电微粒的关键在于，通过分支接合部258相对的电极上施加的电势信号要基本同步。例如，为了将带负电的微粒从分支250a转移到分支250b，当带电微粒转移到分支中的电极250a-x时，下一步应该把施加在这个电极上正电势信号转到分支250b的电极250b-y上。

在电极上施加不同的电信号可以实现对带电微粒的不同操纵和运输。例如，这个设备可以用于操纵和变换带负电的微粒。这样，用这种设备就可以分离带负电的和不带电的微粒或是用于区别带正电和带负电的微粒。例如，下列步骤可以用于分离不带电荷和带正电荷的微粒。图24A中标出了两种微粒，即微粒244和微粒294(带正电荷的微粒244用白圈表示，并标上正号，而不带电荷的微粒用黑圈表示)。带有这两种微粒的溶液被引入含有如图24A所示的带电微粒操纵芯片295的器件中。这个装置使用带电微粒操纵芯片295，并按照图2的设置构建。图24A显示，当微粒混合液刚刚加入器件时，两种微粒244和294在微粒开关250的分支中随机分布。当按照图23A和23B，在芯片295的电极254上施加一定的电信号后，带正电荷的微粒244向分支250c输运，而不带电荷的微粒294保持静止，仍然留在微粒开关250中(如图24B)。在这里，微粒开关250的功能是一个微粒分离器，带正电荷的微粒244被有效的富集在某个分支的末端，并可以通过引出管道在器件外对其进行收集。

图24A和图24B所示的分离带正电荷微粒和不带电荷微粒的方法可以扩展到分离带负电荷微粒和不带电荷微粒以及带正电荷微粒和带负电荷微粒的应用中去。

关于行波介电电泳效应，必须考虑到以下的一些问题。第一，直流电场易于在电极表面产生不希望出现的电化学效应，使用相对较小的电势信号可以有助于避免在转移微粒的溶液中发生不希望出现的电解效应，如水解；第二，由于电极化效应，交流电压信号在电极-溶液界面会发生衰减，这样只有小幅值的交流电压信号真正施加到溶液中相邻的电极上以产生转移带电微粒的交流电场。当选择施加到电极上电信号的幅值时，必须考虑到这一效应。

此外，最好在电极表面覆盖一薄层绝缘体或是一薄层生物相容性物质。在行波介电电泳微粒开关中，可以在电极表面或是电极所在的基底材料表面上覆盖一薄层多孔或是致密的材料。这一薄层物质可以防止微粒粘附在电极的表面。例如，电极表面覆盖的疏水层可以防止带有亲水表面的微粒的吸附。其它种类的功能型覆盖层，例如亲水层，也可以根据需要应用。另外，这些覆盖层中也可以引入功能型分子，这些分子可以结合或固定待操纵的靶微粒。

微粒开关的实例以及它们在微粒操纵中的应用

通过单层光刻技术可以在玻璃基底(1mm厚)上制作出两种类型的微粒开关。基底上电极的设计方案和图2中所描述的相似。每一个微粒开关中包含三个由电极组组成的分支，其中每个分支由八个电极(而不是如图2中所示每个分支仅仅有四个电极)组成。每个分支中的八个电极分别连接到相应的焊盘(位于正方形芯片的两边上)上，如图19A、19B、19C和19D所示，图19A和19B分别是两类制作微粒开关的掩模图，图19C和19D是制成后微粒开关的照片。例如在图19A和19C中，顶部分支中的电极1、3、5、7被连接到位于芯片右侧的焊盘上，而顶部分支中的电极2、4、6、8被连接到位于芯片左侧的焊盘上。单个电极和焊盘之间这样的连接方式和图3B中所示的一致。在图19A和19B中元件用黑色表示，如黑色的导线和焊盘，分别对应于相应的电极。而图19C和19D中，则用白色代表相应的电路元件。如图19C所示的第一类微粒开关，每个分支在靠近微粒开关的共同连接处的两个电极的形状是弯曲的，方向指向共同连接处，另外六个电极是线状平行的。至于如图19D所示的第二类微粒开关，每个分支中的八个电极的形状都是夹角为120度的折线形，方向指向共同连接处。图中位于顶部的两个较大的电极(图19A中的176c和图19B中的178c)的作用是，将受其它效应(如流体力)作用进入微粒开关的微粒限制在开关中。电极的宽度和电极之间的间距的设计值是30微米，制作后电极的宽度为25微米，电极间距为35微米。电极通过掩模版用光刻方法制造在基底上。电极的制作方法是在钛种子层(约25纳米)上镀上一层金(约200纳米)。金属层(金和钛)是通过蒸发或溅射的方法沉积在基底(如玻璃)上的。我们把做有微粒开关电极组的基底称为微粒开关芯片。微粒开关是边长约2.5厘米的方形结构。

微粒开关中的所有导线都连接到焊盘的边缘。由信号发生器产生的4相位电信号通过焊盘施加到相应的电极上。为了能在试验中方便的改变施加在电极上的电信号的相位顺序，在电路中应使用四刀双掷开关。

和图20A中所示相似的导向电极同样也制作在玻璃基底上。和微粒开关中的电极相似，导向电极的制作也是在钛种子层(约25纳米)上镀上一层金(约200纳米)，使用单层掩模光刻技术。每个导向电极(如电极188a)约500微米长50微米宽。我们把做有导向电极的玻璃基底称为导向电极芯片。

和图20B中器件的结构相似，可以将导向电极芯片和微粒开关芯片集成做成一个完整的器件。其中，位于底部的微粒开关芯片上电极的设计选用图19B和图19D中所示的折线形构型；衬底仅仅使用两根直径约80微米的导线；再将导向电极芯片作为顶盖。导向电极芯片和微粒开关芯片仅仅由两根导线隔开，芯片的两边粘合，而另两边敞开，以便于微粒悬浮液的引入。

这是一个使用微粒开关器件对稀释的人血进行微粒操纵的例子。首先，用质量百分比为8.5％的蔗糖等渗缓冲液按1∶100的比例稀释血液原液。通过一个开口将稀释后的血液加入器件。血细胞，主要是血红细胞，初始时随机的分布在微粒开关的电极组中。然后，通过焊盘向各个分支中的电极施加频率在10KHz至100KHz之间，电压峰峰值在3V至6V之间的4相位电信号。信号相位顺序如图5A-12A所示。在这样的频率范围内，血红细胞的行波介电电泳极化因子为正值(ζ_twDEP＞0)，在行波介电电泳力的作用下，血红细胞将沿着与行波电场相反的方向运动，或是沿着电信号相位增加的方向运动。当将如图7A所示的电相位顺序施加在电极上时，位于各个分支的血红细胞将从分支的共同连接处被输运到分支外的区域。当将如图10A所示的电相位顺序施加在电极上时，位于各个分支的血红细胞将集中到分支间的共同连接处。当将如图5A，8A和11A所示的电相位顺序施加在电极上时，在其中一个分支(这个分支中，施加在电极上的电信号的相位越靠近共同连接处越高)的血红细胞将向共同连接处运动，而另外两个分支中的血红细胞将沿着分支的方向向远离共同连接处运动。当将如图6A，9A和12A所示的电相位顺序施加在电极上时，在其中一个分支(这个分支中，施加在电极上的电信号的相位越靠近共同连接处越高)的血红细胞将沿着分支的方向向远离共同连接处运动，而另外两个分支中的血红细胞将向共同连接处运动。

在这些试验中，导向电极所施加的电信号的电压峰峰值为2-10V，频率为5至20KHz。

以上描述了本发明的多个实体例子。虽然本发明是通过上述实体例子加以描述的，但是上述的描述仅仅起解释和说明本发明的作用，并不意味着本发明仅仅包括上述的部分。对于领会了本发明的核心和精髓(在权利要求部分有详细的说明)的专业人士可以对上述本发明的实体例子进行一定程度的修改，以进一步扩展本发明的应用。

Claims (53)

1、一种用于产生行波电场的装置，包括：

至少三个电路连接上相互独立的分支，每个分支包含一组电极，当在所述各分支的电极上施加不同相位的电信号时，可在各个分支中产生行波电场，其中各分支在一个公共的连接处交会。

2、一种用于产生行波电场的装置，包括：

至少三个电极组，当在电极上施加不同相位的电信号时，各电极组可在其限定的区域内产生行波电场，其中所述各电极组在电路连接上是相互独立的，并在一个公共的连接处交会。

3、一种用于操纵微粒的装置，包括：

至少三个在电路连接上相互独立的电极组构成至少三各分支，其中

当对在所述各组的电极上施加不同相位的电信号后，所述各电极组可在各自分支中的微粒上产生行波介电电泳力，用来沿各分支移动微粒；

所述各分支在一个公共的连接处交会，以使得行波介电电泳力可将微粒从一个分支输运到另一个分支。

4、根据权利要求3所述的装置，其中所述至少三个电极组就是三个电极组。

5、根据权利要求4所述的装置，其中所述的三个电极组取向为相互之间夹角为120度。

6、根据权利要求3所述的装置，其中所述的至少三个电极组是四个电极组。

7、根据权利要求6所述的装置，其中所述的四个电极组取向为相互之间夹角为90度。

8、根据权利要求3所述的装置，其中所述的各电极组至少含有三个电极。

9、根据权利要求3所述的装置，还包括与一微粒源和至少一组上述的电极组液体连通的输入管道。

10、根据权利要求9所述的装置，还包括与另一组上述的电极组液体连通的输出管道，该输出管道与一输出池液体连通。

11、根据权利要求3所述的装置，其中所述的至少三个电极组都被安排在一个固体基底上。

12、根据权利要求11所述的装置，其中所述的基底的材料可以从硅、玻璃、陶瓷和塑料等材料中选择。

13、根据权利要求11所述的装置，还包括：

一块基底，其上排布有上述的电极组；

一个顶盖，至少含有一个端口以使所述输入管道从中通过；

一个位于所述基底和顶盖之间的衬垫，衬垫具有一开口，待被操纵的微粒通过所述的输入管道被引入到那里。

14、根据权利要求3所述的装置，还包括至少一个电信号发生器，这个信号发生器可以对所述电极组中的各电极施加交流电压信号，其中所述施加到所述各电极组中的电极上的电压的相位选择为使沿着上述分支分别产生行波电场。

15、根据权利要求14所述的装置，其中所施加的电信号的相位分别为0、90、180、270度。

16、根据权利要求14所述的装置，还包括从上述电极引出的连接到焊盘的导线，焊盘都至少与一个信号发生器相连。

17、根据权利要求16所述的装置，其中任何一个给定的电极组中的各电极都应该连接到不同的焊盘上。

18、根据权利要求16所述的装置，在其中任何一个给定的电极组中，相邻的电极连接到不同的焊盘上，而一个以上的电极连接到所述焊盘的至少一个上。

19、根据权利要求14所述的装置，施加在相邻电极上的电信号是不同相的。

20、根据权利要求3所述的装置，还包括一个电路连接上独立的线状的电极组，其位于所述电极组之一的附近，这个线状电极组可以产生行波电场。

21、根据权利要求3所述的装置，待操纵的微粒包括生物物质。

22、根据权利要求21所述的装置，其中所述的生物物质至少是细胞、细胞器、细胞聚集体、生物分子包被的微珠体、及实体分子和结合体组成的复合物中的一种。

23、根据权利要求3所述的装置，待操纵的微粒也可以包括非生物的物质。

24、根据权利要求3所述的装置，包括至少一个靠近该公共连接处的电极具有指向公共连接处的弯曲的构型。

25、根据权利要求3所述的装置，其中的电极具有尖角状的构型。

26、根据权利要求3所述的装置，其中电极组中电极的构型是同心的圆弧，越靠近公共连接处的电极的尺寸越小。

27、一种用于操纵微粒的装置，包括：

第一电极组，当在该电极组中的电极上施加不同相位的电信号时能在其中的微粒上产生行波介电电泳力，以沿着一分支移动微粒；以及

第二电极组，当在该电极组中的电极上施加一定的电信号时，可以产生一个使得所述微粒趋向所述分支的中心区域的力。

28、根据权利要求27所述的装置，所述的第一电极组制作在第一基底上，而所述的第二电极组制作在第二基底上，这两个基底被衬垫部分隔开。

29、根据权利要求27所述的装置，还至少包括三个第一电极组和至少三个第二电极组，每个第一电极组都和一个第二电极组一一对应，至少三个分支在一个公共连接处交会，以使得微粒在行波介电电泳力的作用下，能够从一个分支被输运到另一个分支。

30、根据权利要求27所述的装置，其中所述的第二电极组可以对分支中的微粒施加常规介电电泳力。

31、根据权利要求30所述的装置，其中所述的第二电极组在方向上和第一电极组基本垂直。

32、一种用于操纵微粒的装置，包括相互连接的单元阵列，其中各单元包括：

至少三个电路连接上相互独立的电极组构成至少三个分支，当在各电极组中的电极上施加不同相位的电信号时，各电极组能在微粒上产生行波介电电泳力，以沿着各自的分支移动微粒，各个分支在一个公共的连接处交会，以使得微粒在行波介电电泳力的作用下，能够从一个分支输运到另一个分支。

33、一种输运微粒的方法，包括：

提供多个相互分立的电极；

在第一个电极上施加第一极性的电压信号，以吸引具有和所施加信号相反极性电荷的微粒；

在第二个电极上施加第一极性的电压信号，同时减小施加在第一个电极上电压信号的幅值，以使得带电微粒从第一个电极上被吸附到第二个电极上，以实现将微粒输运到第二个电极这一过程；

对其他电极重复所述输运步骤，以逐步地输运微粒。

34、根据权利要求33中的方法，所述的多个电极包括：

至少三个电极组构成三个分支，各电极组可以对带电微粒产生力，以沿着各自的分支移动带电微粒，各个电极组在电路连接上相互独立的，各个分支在一个公共的连接处交会，以使得带电微粒能够从一个分支被输运到另一个分支。

35、根据权利要求33所述的方法，所述的减小第一电极上的电压信号的幅值的操作也包括反转第一电极的极性。

36、根据权利要求35所述的方法，所述的输运包括将和第一个电极上所施加电压信号极性相反的电压信号施加到除了第二电极外的所有电极上。

37、一种微粒分类的方法，方法包括：

得到权利要求3中所述的装置；

将至少含有两种微粒的样品导入装置；

在权利要求3所述的公共连接处产生行波介电电泳力，以使得至少一种微粒从沿着第一方向输运，而至少另一种微粒从所述的公共连接处沿着第二方向输运。

38、根据权利要求37所述的方法，行波介电电泳力通过向各电极组施加电压信号产生。

39、根据权利要求37所述的方法，还包括首先鉴别出至少一种微粒，然后再把微粒引入所述的公共连接处，根据该鉴别步骤的结果向各组电极施加电压信号。

40、根据权利要求39所述的方法，所述的鉴别微粒的步骤包括检测微粒的荧光。

41、一种混合不同微粒的方法，包括：

向根据权利要求3的装置的第一分支引入至少第一种微粒；

向根据权利要求3的装置的第二分支引入至少第二种微粒；以及

将至少这两种微粒输运到所述的公共连接处混合。

42、一种富集微粒的方法，包括：

向根据权利要求3的装置的至少第一和第二分支引入微粒；

将微粒输运到所述的公共连接处被富集。

43、根据权利要求42所述的方法，包括：

将微粒引入到装置的至少三个分支；

将至少三个分支中的微粒输运到所述的公共连接处被富集。

44、一种分配微粒的方法，包括：

把微粒引入根据权利要求3的装置的公共连接处；

把微粒从公共连接处分配到至少两个分支中去。

45、根据权利要求44的方法，包括将微粒从结合处分配到三个分支中去。

46、一种分离第一种微粒和第二种微粒的方法，其中该第一和第二种微粒被分布在根据权利要求3的装置上，该方法包括：

对第一种微粒施加常规介电电泳力以使其保持静止；

对第二种微粒施加行波介电电泳力以使其运动，从而与第一种微粒相分离。

47、根据权利要求46的方法，包括使第一种微粒受到电极的吸引，被介电电泳力维持在原位置。

48、根据权利要求46的方法，包括使第二种微粒在一个分支的末端被收集。

49、根据权利要求46的方法，所述的分离过程为在相应的电极上施加不同频率的电信号，不同频率的电信号与两种微粒的相互作用不同，从而使得第一种微粒在原位置保持静止，而第二种被输运，从而得以分离。

50、根据权利要求46的方法，两种微粒是以微粒悬液的方式引入装置的。

51、根据权利要求46的方法，还包括从第一种和第二种微粒混合液中分离第三种微粒。

52、一种从第二种微粒中分离第一种微粒的方法，包括：

向根据权利要求3的装置中连续通入含有上述两种微粒的微粒悬液；

对第一种微粒施加常规介电电泳力，以使得第一种微粒被电极吸引，从而被常规介电电泳力维持在原位置；而同时第二种微粒随着流体流动，从而与第一种微粒分离；

停止液体的通入；

在电极上施加合适频率的电信号，以使得第一种微粒由于受到行波介电电泳力而得以输运。

53、一种从第一种微粒中分离第二种微粒的方法，包括：

向根据权利要求20的装置中连续通入含有上述两种微粒的微粒悬液；

在所述线状电极上施加合适的电压信号，从而使得第一种和第二种微粒受到常规介电电泳力，以使得第一种和第二种微粒被线性电极的电极吸引，从而被常规介电电泳力维持在原位置；

停止液体的通入；

在所述至少三个电极组上施加合适频率和相位的电信号，以使得第一种微粒由于受到行波介电电泳力而被输运到某一个分支的末端，而第二种微粒被输运到另一个分支的末端。

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