CN1361720A - 通过双向电泳控制粒子的方法和仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及形成双向电泳电势笼及其精确位移的仪器和方法,适用于粒子的控制和检测。该仪器包括位于一平板基体上的可选择寻址的第一电极阵列和与之相对的只包括一个电极的第二阵列。这两个阵列决定了装有粒子悬浮液的微型容器的上、下边界。通过对电极施加同相和反相的周期性信号,可以形成一个或多个独立的电势笼,使粒子根据信号的频率以及粒子和悬浮液的介电性质而被电势笼吸引或排斥。通过对电极阵列施以适当的电压信号,电势笼可以捕获一个或多个粒子,从而使它们稳定地漂浮和(或)移动。在优选实施例中,一个电极阵列集成在半导体基体上,粒子的位移可以通过内置式传感器控制,从而实现对要分析的样品的复杂操作,如分离、选择和粒子的精确计数。

Description

通过双向电泳控制粒子的方法和仪器

技术领域

本发明揭示的仪器和方法用于借助双向电泳力对细胞、聚苯乙烯粒子、气泡和细胞器等粒子进行控制和检测。

背景技术

双向电泳(DEP)涉及如下的物理现象：中性粒子置于不均匀的不随时间变化(DC)或随时间变化(AC)的电场时，会受到一个指向场强递增(pDEP)或场强递减(nDEP)位置的净力。如果上述双向电泳力的强度与重力相当，就形成一种平衡，可使小粒子浮起。双向电泳力的强度和方向极大程度上取决于粒子的导电和不导电性以及粒子悬浮其中的介质。而这些性质由于交流电场频率的作用而变化。

双向电泳理论的描述由H.A.Pohl在剑桥大学出版社的《双向电泳》一书中发表(剑桥，1978年)。有关特定兴趣的例子的理论阐述在《生物化学和生物物理学报》1234卷(1995年)185-194页和《物理学杂志》D：《应用物理学》27卷(1994年)1571-1574页均有报道。

双向电泳对于生物物质(细胞、细菌、病毒DNA等)和无机物粒子的作用的研究最近提出，利用双向电泳力来分离微生物混合物中的组分，根据物理性质的不同进行特性的鉴定以及粒子的一般控制。为达到上述目的，有人建议利用与粒子大小相同规模的系统，从而降低电场分布所需的势能。

美国专利公开号5888370、美国专利公开号4305797、美国专利公开号5454472、美国专利公开号4326934、美国专利公开号5489506、美国专利公开号5589047、美国专利公开号5814200介绍了分离样品中粒子的不同方法，依据是这些粒子所属的物质种类的导电和不导电性能的差别。上述专利披露的所有仪器的共同的主要缺点在于，系统内流体的流动需要机械和流体动力学微系统。而且上述专利中的每个仪器都有粒子与系统表面的接触和磨擦，这减弱了其流动性和完整性。

美国专利公开号5344535介绍了一个测定微生物特性的系统。该专利披露的仪器和提出的方法的缺点是，提供的是大量物体的数据，缺少针对单一粒子进行分析的优点。另外，披露的系统不能避免粒子与仪器表面的接触。

美国专利公开号4956065介绍了一个使单一粒子漂浮并分析其物理性质的仪器。不过，该仪器需要一个反馈控制系统，因为它利用的是pDEP。而且该系统不适合小型化，因为它的三维拓朴结构与占主流的微电子制造技术不兼容。

T.Schnelle、R.Hagedorn、G.Fuhr、S.Fiedler和T.Muller在《生物化学和生物物理学报》1157卷(1993年)127-140页发表的论文，描述了为控制粒子而创造三维电势笼的研究和试验。不过，他们提出的结构很难制成细胞大小(在笼中捕获单个细胞所需的)。事实上，这些系统的主要难题是在微米尺度进行两个结构的垂直调节。

发明内容

本发明涉及通过可编程控制的电子仪器，来实现悬浮液中的中性粒子的稳定漂浮和独立运动，并测量其精确位移的方法。

上面提到的“粒子”可包括：细胞、细胞簇、细胞器、细菌、病毒、核酸等生物以及矿物质、晶体、合成粒子和气泡等无机物质。“双向电泳电势”指的是一个三维梯状函数，其梯度与双向电泳力相等。“等势面”指的是三维空间中的一个面，其上的每一个点双向电泳电势相等，双向电泳力总是与上述的等势面垂直。“电势笼”指的是空间中一个由等势面封闭成的部分，而且其局部的双向电泳电势最小。“电势笼中捕获的粒子”指的是受到双向电泳力的作用，并位于上述笼中的粒子。在平衡状态下，如果粒子只受到双向电泳力的作用，那么它就会位于上述双向电泳电势最小的相应的位置，否则，由于力的平衡作用，它的位置就会离上述电势最小点有一个位移。

本发明优选的但不是唯一的实施方式包括两个相对的主要模件；第一个模件包括一组导电电极，其形状可以是多种多样的，通常排列在一个绝缘的基体上，这些电极可以涂上绝缘层，以防止它们与悬浮液中的带电体接触。如果该模件通过集成电路制造技术制成，它可以包括：用于电极编程的存储元件、可组态信号发生器如：各种频率和相位的正弦或矩形波、脉冲等，用于检测粒子存在与否的可集成传感器，输入输出电路等。第二个模件包括一个大电极，它是由导电的可以是透明的物质制成，并涂上绝缘层。应该认识到的是，如果愿意，这个大电极也可以分成若干个电极。在第一个模件(下方的)和第二个模件(上方的)之间插入一个隔板，从而形成一个容器用来盛待分析或控制的样品。同样的隔板也可用来做仪器内的隔壁，以便形成多个容器，当然，分隔板也可以与第一个或第二个模件或者两者集成在一起。最后，可向仪器中添加显微镜、摄像机等监视系统，以及液体或半液体物质流入和流出仪器所需的流体系统。

上述仪器的结构设计使人们只通过向电极施加同相和反相的周期性信号就可在微型容器中形成一个或多个独立的电势笼，通过改变信号的频率和波幅，其电势强度会发生变化。电势笼可以捕获一个或多个粒子，从而使它们稳定地飘浮或在微型容器中运动，或者两种情况同时出现。由于这一特征，粒子与容器边缘和电极的任何接触和磨擦都可以避免。电势笼的高度和相对位移可以通过适当的信号选择单独确定，而且不需要任何机械调节。这样，该仪器就成为一个完全可用程序控制的电子仪器。

电势笼沿微型容器位移的理论很象电荷耦合器件运用的原理。例如：如果第一个模件中的一个电极与上方的模件同相，并且被与反相信号相连接的电极包围，那么就会在它的上方形成一个电势笼。然后，只要给予邻近的一个电极同相信号(与程序设计的运动方向一致)，电势笼就会在两电极之间移动，其中心将位于这两电极之间，这样粒子就移动了电极间距的一半。一旦这个瞬变状态结束，第一个电极(相位开始时粒子所处的位置)的相位就会改变，这使得电势笼缩小，并向同相电极上方移动，位移为离前面的电极一个电极间距的距离。通过沿着其它轴重复上述操作，任何电势笼都可以沿着电极阵列所在平面运动。

根据本发明制成的仪器可以克服根据以前的技术得到的仪器的缺点，使人们可以通过建立电场的空间分布来引入封闭的双向电泳电势笼。本发明所述的的仪器不需要对两个主要模件作精确调节，这样使简便程度和生产成本都得到优化，因为它克服了以前的技术中仪器成本和允许的最小的电势笼尺寸的局限(随着电极尺寸的缩小，调节就变得越来越重要)。因此两个模件调节不当，不会损害系统的功用。如果打算在应用中手工开启和(或)关闭仪器，就要求仪器可以反复、灵活地运用，这时两个模件不需精确调节这一特点就显得更加重要，仪器就可以通过低成本、低标准的微电子制造技术制成。而且本发明所述的仪器使得捕获的粒子很容易发生与粒子尺寸相比较大范围的位移。

另外，以前利用流体力学或“移动场”使粒子位移的任何技术系统，都没有在使粒子远离仪器表面的同时实现粒子的精确定位。但是，很显然，如果三维电势笼定位于一个固定高度而且可以沿仪器的其它方向移动的话，就可以达到上述效果。本发明的其它优点在于，它可以通过调节施加的电压来控制电势笼的高度。

由于所披露的发明可以灵活编程，可以建立虚拟路径，这样就不需要特定用途的仪器，而且可以扩大潜在用途和用户。而且由于该仪器能够集成光学和(或)电容感应能力，使其不再需要该领域通常采用的笨重的检测仪器，如显微镜和摄像机。当然它仍需要对微型容器内部进行监视。利用反馈控制技术对集成的传感器信息进行处理，就可以使复杂的操作完全自动地进行，例如待测试粒子的物理性质的测定。

最后，封闭电势笼方法可以防止粒子由于热梯度引起的流体流动、剧烈的布朗运动(均衡地来自各个方向)或阿基米德平衡力而失去控制。实际上，在上述所有情况下，任何提供不封闭电势面的仪器都被证明效果不好，因为它无法抵消向上的力。

与以前技术中的仪器相比，本发明中仪器的一些独特的特征可以概括如下：

1、有形成封闭电势笼的能力，而且不需要模件间的调节，利用它可以借助双向电泳力将单一或成组的粒子任意地捕获到笼中，并置于稳定的悬浮液中，与电极或容器边缘没有任何磨擦。

2、由于可电子编程控制的电信号的作用，可以使电势笼沿微型容器任意运动。

3、可以根据用途要求和操作需要缩小电势笼的尺寸，这使得仪器可通过微电子技术制造，并装上内置式传感器、调节器和信号发生器。

附图说明

图1是用于样品控制的仪器的一部分的三维示意图，模件的结构由基体(包括电极)和盖子组成；

图2是与图1相同结构的详细剖面图；

图3是电极排列的一种实施例；

图4是电极排列的另一种实施例；

图5是扩充的仪器示意图，强调第三个模件的存在；

图6所示的三维表面，其上每一点的均方根(RMS)电场强度相同；

图7是与图6相同的图示，只是施加的信号不同；

图8是电势笼运动原理示意图，突出的是基本步骤及其计时；

图9是假设电极长度达到整个仪器的长度，在与电极正交的垂直截面上电场强度均方根的二维图示；

图10与图9相同，只是施加的电压不同；

图11是图9穿过双向电泳电势最小点(电极表面上方4.3微米处)的水平截面的电场强度RMS的梯度的绝对值图示；

图12是当对上方电极施以不同电压时，图9中穿过双向电泳电势最小点的垂直截面上电场强度RMS梯度的绝对值图示；

图13是图10中穿过双向电泳电势最小点的水平截面电场强度RMS梯度的绝对值图示；

图14是图10中穿过双向电泳电势最小点的垂直截面电场强度RMS梯度的绝对值图示；

图15是第一基体的简化框图；

图16是阵列中一个单元的框图；

图17是可与仪器相接的测量仪示意图；

图18是沿一般截面的nDEP电势示意图，将电势笼尺寸与粒子大小加以比较；

图19是一种特殊的电极排列示意图，这种排列可以优化电极编程电路所需的面积；

图20是一种特殊的电极排列示意图，这种排列在仪器专门用于粒子计数时，可以优化电极电路所需的面积；

图21是一种集成光学传感器的实施例的示意图；

图22是一种集成电容传感器的实施例的示意图；

图23是一种集成电容传感器的实施例的示意图。

具体实施方式

通过下面的实施例的说明，可以更清楚地了解本发明的特点和优点。应该明白的是，这里举的例子是为了说明某种特殊的应用形式，并非要限定本发明的精髓。

双向电泳势能

一个浸在液体中，坐标值为(x，y，z)并受到空间分布不均匀的交流或直流电场作用的不导电球体，受到双向电泳力F(t)作用，F(t)的时间平均值用下式表示：<F(t)>＝2πε₀ε_mr³{Re[f_CM](E_RMS)²+Im[f_CM](E² _X0φ_x+E² _y0φ_y+E² _z0φ_z}    (1)

式中ε₀是真空介电常数，r是粒子半径，E_RMS是电场的均方根值，E_xo、E_yo、E_zo是电场沿X、Y、Z轴的分量，而φ_x、y、z是电场分量的相位，f_CM则是著名的克劳修斯一莫索特因子，其定义为： $f_{\mathrm{CM}}=\frac{{{\mathrm{\&epsiv;}}_p}^{*}-{\mathrm{\&epsiv;m}}^{*}}{{{\mathrm{\&epsiv;}}_p}^{*}-2{\mathrm{\&epsiv;m}}^{*}}$

式中ε_p ^*、ε_m ^*分别代表粒子和悬浮液的相对复合介电常数，其定义为ε_m，p ^*＝ε_m，p-iσ/(ε₀ ^ω)，式中ε是相对介电常数，σ是电导率，ω是角频率，而i是-1的平方根。电场相位一定时，等式(1)可简化为：<F(t)>＝2πε₀ε_mr³Re[f_CM](E_RMS)²    (2)

式中Re[f_CM]＜0时为nDEP，Re[f_CM]＞0时为pDEP。在ω值较高时，ε_m，ε_p接近ε_m ^*，ε_p ^*，只要粒子的ε_m＜ε_p，就形成pDEP，而ε_m＞ε_p时形成nDEP。因为ε_m，p ^*＝ε_m，p ^*(ω)，所以f_CM＝f_CM ^(ω)，因此在频率一定时，对于不同种类的粒子Re[f_CM]的符号可能不同。选择一个角频率ω，使两种不同的粒子分别受到nDEP和pDEP的作用，这种方法在已知的技术中通常被用来实现粒子选择的目的。

由于等式(2)描述的力是守恒的，因此可以将双向电泳电势能定义为：

<w>＝-2πε₀ε_mr³Re[f_CM](E_RMS)²

式中<F(t)>＝-<w>

如果向电极施加的电压信号以及形成电场的电压信号是周期性的，很容易就可看出：

<w>＝-α2πε₀ε_mr³Re[f_CM]E²    (3)

式中α是一个常数，它取决于施加到电极上的电压信号的波形，而E是电场强度(例如，方波信号的α＝1而正弦信号的

因此E²的最小值也是负双向电泳电势的最小值(因为对nDEP来说，R_e[f_CM]＜0)和正双向电泳电势的最大值(因为对pDEP来说，R_e[f_CM]＞0)。在下文中，“双向电泳电势”将被用作“负双向电泳电势”的同义词。另外，由于E²是E的单调函数，E的最小或最大值与双向电泳电势函数<W>的最小或最大值相对应。这一点非常有用，因为双向电泳电势最小或最大点的位置可以通过不随时间变化的电场模拟找到，正如下面附的数据所示。上述概念概括起来，可以很容易看出：任何双向电泳电势笼(包含nDEP势能局部最小值)都是由至少一个假想的封闭面构成，笼中每一个点的电场强度为恒定值。

如果均匀的球形粒子受到重力作用： $F_g=\frac{4}{3}\mathrm{\&pi;}{R}^3\mathrm{\&Delta;\&rho;g}$ 式中△ρ是粒子与介质的质量密度差，而g是重力加速度(9.807m/s²)，粒子也受到负双向电泳作用(nDEP)，根据下式可形成稳定的悬浮液：

<F(t)>＞F_g    (4)

因为相对介电常数不可能大于1(例如，如果粒子是水中的空气气泡，那么ε_p＝1，ε_m≈81)，那么，可以根据式(4)估计出要抵消作用于粒子的重力所需的E²rms最小值为 ，这可以用标准微电子技术和(或)微机制技术实现。而且相当于水两倍重的粒子(△ρ≌1000kg/m³)可以悬浮在水中，前提条件是介质的相对介电常数至少比粒子的相对介电常数大2.2÷20.3倍才能达到E² _rms的标准值。

仪器的一般结构

本仪器的最好表现形式包括两个主要模件。第一个模件A1(图1)包括一阵列M1可选择寻址的电极LIJ(图1和图2)，这些电极装在半导体基体C上的绝缘基体O1上(图1和图2)。第二个模件A2由一个大电极M2组成，该电极装在基体O2上(图1和图2)，并与上述阵列M1相对。在两个模件之间形成了一个小室(图1和图2中的L)，其中的悬浮液中含有粒子(图1中的BIO)。在小室中装悬浮液的方法将在后面描述。第一个模件A1是根据已知的微电子技术由硅制成，或是由玻璃、二氧化硅、塑料或陶瓷等其它合适的基体材料制成。电极的尺寸可大可小，最好在亚微米(约0.1微米)到几毫米(mm)之间，对于利用微型平版印刷技术制成的仪器电极最好在5-100微米，对于利用微型机制技术和(或)印刷电路板(PCB)技术制成的仪器，电极最好在100微米至5毫米之间。设计的仪器可以包括少到十几个电极，或是多到数以千计、数以百万计的电极。两个模件之间的距离DL的大小可视具体情况而变化，但最好与电极的尺寸DE接近(图2)。

电极表面可以覆盖一层绝缘层(图2中的R1)，以防止电极与液体介质相互作用发生电解，因为液体介质可能含有浓度很高的正、负离子。如果电极由不与液体介质发生化学作用的材料组成，或者给电极通电的信号的频率足够高使电解作用可忽略不计，那么电极上就可以不用绝缘层。最后，有的电路可以安装在每个电极的下面，这种电路的目的后面会更详细地解释。

阵列电极可以有各种形状，依想达到的效果而定。为了举例方便，图1所示的是方电极阵列M1，而图2所示的是电极的截面，为的是强调这些电极的宽度及其相对位移(DE和DO)。

在另外一个具体实施例中，电极是六角形的(如图3所示)，这使得形成一个电势笼所需的电极的数目从9个减少到7个(从下文可看出)，并使电势笼可能的运动方向DIR增多(从4个增至6个)。

第二个主要模件A2包括单独一个导电的大电极(图1和图2中的M2)，它与第一个模件A1相对，它也是盛有粒子悬浮液的容器L的上边缘。该电极可以覆盖一层绝缘层(图1和图2中的R2)以防止电解，也可以有机械支撑(图1和图2中的O2)。最好的情况是：该电极是单个的平板导电玻璃，这样便于对微型容器的监视。

隔板A3用来将两个模件(图5中的A1和A2，其中A1包括R1、O1、M1和C，而A2包括R2、O2、M2)隔开一定的距离(图2中的DL)。隔板也可用来装待处理或分析的样品。

通过对不同的电极施以适当的随时间变化的信号，在一个或多个电极上就会形成包含一个或多个粒子BIO的电势笼S1(图1和图6)。电势笼位于电极阵列所在平面的上方的某个高度，其高度值取决于所用的信号、电极的尺寸DE与电极间距DO的比值以及两个模件之间的距离DL。通过改变施加信号的电极组合，一个或多个电势笼可以沿着与电极阵列平行的方向在微型容器L内运动。

从模拟结果看出，在DL的值一定的情况下，DE与DO的尺寸的比值越大，以双向电泳力强度表示的电势笼的性能越好。

形成电势笼的方法

为了在单个电极上形成电势笼，要对相应的电极组施加一种电压信号。图4所示的阵列M1中的一套电极L1至L12是为了数据模拟时参考。定义

为方波信号，其周期为T，式中ω＝2π/T，将如下的电压信号施加给电极：

V_La＝V_e·V_sq(ωt，φ)    a∈{1-6，8-12}

V_L7＝V_e·V_sq(ωt，φ+π)

V_M2＝V_c·V_sq(ωt，φ+π)

式中V_La，a∈{1-12}是施加于电极L1至L12的信号，V_M2是施加于M2的电压信号，而Ve和Vc为常数。运用上述的电压形式，电场的相位是恒定的，所以可适用等式(2)。这样，电场强度的数值模拟就可用来验证双向电泳电势笼的形成。

图6所示的是与图4中相同的一套电极接收上述电压信号进行数值模拟的结果，其中DE＝5微米，DO＝1微米，DL＝10微米，Ve＝2.5伏，Vc＝0伏。选择水作为模件A1和A2之间的液体介质，其

。R2可忽略不计，而R1＝1微米。图6所示的三维环境包含一个封闭的面，其上每一个点的特征是具有恒定的400V/cm的电场强度(图6中的S1)。根据等式(3)，这可以证明双向电泳的等势面同样是封闭的，因此在L7上形成一个电势笼。这样，在L7上形成一个双向电泳电势的最小值只需要两种信号，它们频率相同而相位相反。从模拟还可看出，Vc∈[-2.5，2.5]V的值增加，电势笼的双向电泳力随之增大，而电势笼相对于电极阵列所在的平面的高度降低。在优选实施例中，采用的是方形电极，形成单一的双向电泳电势笼所用的电极阵列中电极的最小数目为9个(图4中的L2-L4，L6-L8和L10-L12)。另一方面，如果采用六角形的电极阵列(如图3所示)，那么，形成单一的双向电泳电势笼所需的电极阵列中电极最少为7个，如电极E1-E7。

为了在两电极面的中点形成电势笼，要对相应的电极组施加不同类型的电压信号。图7所示的是当对电极施以如下信号时获得的结果：

V_La＝V_e·V_sq(ωt，φ)    a∈{1-5，8-12}

V_L6＝V_L7＝V_e·V_sq(ωt，φ+π)

V_M2＝V_c·V_sq(ωt，φ+π)，

式中其它所有参数如前所述。图7中的S2也是一个封闭面，其上每一点的电场强度为恒定值：400V/cm，而其中心位于电极L6和L7上方的中点。

最后这种电压信号可以与前面的电压信号一起，用来使电势笼向特定的方向移动。更具体地说，通过反复改变分别施以同相和反相信号的电极组，尤其是通过变换和改变特定方向的两种电压类型，可以使电势笼沿着该方向移动。例如，图8所示的三个图中，电势笼L7上方的位置移动到L6上方的另一位置：第一个图的时间为T1，第二个为T2，第三个为T3。每个图中都标明了电极L5、L6、L7、L8的相位，表达出笼子的运动原理。随着时间的增加，相位为φ+π的电极沿着X轴递减方向分两步变化：在时间T2时，电极L6与L7相同的相位为φ+π的信号相连，然后在时间为T3时，L7的相位反向。

显然，相位转变的时间间隔应根据系统的特征进行认真选择：电场强度、流体介质的粘度，粒子的大小等等。为此可采用内置式传感器检测各方向是否存在一个或多个粒子，从而根据传感器数据调节时间间隔。

为了说明本发明使封闭的双向电泳电势笼移动的能力，图9和图10描绘了沿该仪器的一个截面电场分布的二维模拟情况。当施于电极P1、P2和P3和顶端电极M2的电压为：

V_pa＝V_e·V_sq(ωt，φ)    a∈{1，3}

V_p2＝V_e·V_sq(ωt，φ+π)

V_M2＝V_c·V_sq(ωt，φ+π)，

式中V_e＝2.5V，V_c＝0时，得到的电场分布如图9所示，其中较黑的区域S3电场强度越低，而较亮的区域电场强度较大。

图11所示的是取自图9中的通过电势笼中心的水平截面(电极阵列平面之上4.3微米)的水平电场强度梯度的绝对值图(以log值表示)。这种图非常有用，因为图示的数值与双向电泳力正相关，从中可以判断出双向电泳电势最小(双向电泳力等于0)的位置。图12与图11类似，但取的是图9中包括电势笼中心的垂直截面，Vc值从+2.5V到-0.5V不等。

为了在P2和P3中点的上方区域形成双向电泳电势笼，应施加如下的电压：

V_p1＝V_e·V_sq(ωt，φ)

V_p2＝V_p3＝V_e·V_sq(ωt，φ+π)

V_M2＝V_c·V_sq(ωt，φ+π)，

式中V_e＝2.5V，V_c＝1.5V。结果如图10中所示，其中S4是电势笼所在的区域。

图13所示的是图10中包括电势笼中心的水平截面的水平电场强度梯度的绝对值，其中V_c＝1.5V，电势笼中心的高度距离电极阵列平面4.3微米。图13中两个梯度为零的值的出现是由于电极P1上有一个最大值以及P2和P3中点上方区域有一个最小值。受到这样的双向电泳力场作用的特定粒子可以在上述最小值处找到稳定的平衡点，而在上述最大值处出现不稳定的平衡。图14与图13类似，但选取的是图10中通过电势笼中心的垂直截面，其中Vc＝1.5V。

总之，如本发明所示，双向电泳电势笼的形成可以通过为数很少的两种频率相同、相位相反的电压信号来实现。另外，要使这样的电势笼沿着与电极阵列平面平行的指定路径移动，只需方便地选择电极组，在不同的时间段对其施加上述两种信号即可。电极电压的波形可以来自内置的振荡器，也可以来自外部的信号发生器。

优选实施例：半导体基体上的集成

第一个模件A1的最佳形式的示意图如图15所示。一个硅基体上嵌入一个由微单元EIJ组成的阵列M3，它们通过许多沿垂直线YJ和水平线XI的电通信路径，由适当的寻址电路DX和DY确定各自的位置。该模件通过界面电路IO与外部信号XYN相连，IO又通过CX和CY与可寻址电路DX和DY交换信息，并且通过一组接头CS控制波形的产生和传感器读数电路DS，该电路的目的是将信号传递给微单元EIJ，并通过接头FS从微单元中的传感器收集信号。该仪器通过许多流体通路FM与外部设备IS相连，以便对包含粒子的悬浮液介质进行控制。可以通过电通路XYN与该仪器SS相接，例如计算机，外部波形发生器、分析仪等(图17中的WS)，而且可以借助流体动力通路，如微型泵IS，还可借助光学路径OC，如：显微镜、摄像机等(MS)。

在优选实施例中，每一个微单元EIJ(图16)至少包括一个有电信号作用的电极LIJ，一个用于电极信号管理的电路MIJ(图16)和一个用于检测每个单元上是否存在粒子的传感器SIJ。每一个这样的单元都可以通过本地接头C1、C2、C3与同一元件的其它单元交换信息。而且用于电极信号管理的电路(图16中的MIJ)可以通过总线XI和YJ与外部电路相连。电路MIJ可包括适用于选择和存储电极LIJ上信号发送情况的开关和存储单元。如前一部分所述，两种类型的电压信号足以形成双向电泳电势笼并使其移动，因此，一种电子存储方式对于确定电极是否要与同相或反相信号相连就足够了。为了优化可利用的空间，可以选择LIJ、SIJ和MIJ的各种不同的排列方式，例如，根据微电子技术的规则LIJ可以完全与MIJ重叠，并部分地盖住SIJ，或者简单地放在SIJ的旁边。

本发明区别于以前技术的双向电泳仪的独特特征在于，它可以在同一基体上集成用于生物粒子控制的调节器和用于粒子检测的传感器。集成传感器有代表性的但不是唯一的一些例子如图21、22和23所示。

图21是运用光学传感器检测生物粒子BIO是否存在的感应装置示意图。如果仪器的盖子A1由透明的导电材料制成，就可以在电极LIJ上开一个窗口W1。W1的大小在双向电泳电势的修正时可忽略不计，但要大到能让充足的射线射到基体上。根据已知技术在LIJ下面有一个以持续或存储模式工作的光接合器CPH接入基体C。生物元素BIO存在与否决定着到达光二极管的光能的量，使汇集起来穿过CPH的电荷量发生变化。这种变化通过一个传统的电荷放大器CHA来检测，CHA由一个放大器OPA、一个反馈电容器CR和一个基准电压源VRE组成。在开关SW2断开后，接通开关SW1就与该电何放大器连接起来，这样就使积累的电荷汇集到CR上。根据已知的技术，设计光二极管和电荷放大器是为了测出信号与噪音的比值，以便检测生物粒子存在与否。例如，参照前面模拟的尺寸和结构，并假设利用0.7微米的互补金属氧化物半导体技术，我们可以考虑在电极下的基体上装一个1×2微米的光二极管。根据已知技术分析信号与噪音的比值，在信号集成时间大于3微秒时，可以得出粒子的透光度与液体介质的透光度相差10％。

在另外一个实施例中，采用的是电容感应，如图22所示。电压信号SIG施加到盖子A1上，使A1和LIJ之间的电场ELE发生变化。与光学感应的粒子相似，相应电容的变化可以由电荷放大器CHA检测。

图23是电容感应的另一种仪器的示意图，所用的两个电极FR1和FR2与元件LIJ共平面，通过给FR1一个电压信号SIG来决定方向指向FR2的边缘电场ELE的变化。生物元素BIO在这个区域位置的变化受到这个电场的影响，这使得FR1和FR2之间的电容值发生变化。与前面的感应示意图相似，这种变化靠电荷放大器CHA检测。如果临近位置的元件LIJ用在了FR1和FR2的位置，那么这两个电极就可忽略不计。应该认识到，为了提高仪器的选择性，可以在同一仪器中采用上述多种感应原理。例如，对于透光度相同但介电常数不同，或者介电常数相同但透光度不同的粒子，可考虑综合运用电容和光学传感器。

本发明的一个显著的特征是，可以分离大小在微米和亚微米范围的单个微生物，并且可以对大量微生物进行分离，事实上可以分离的微生物的大小，随着标准微电子制造技术的进步而缩小，与本技术独特的最小特征尺寸的缩小一致。的确，如果双向电泳电势笼的尺寸足够小，那其中捕获的特定尺寸的粒子就不会超过一个。为了更好地理解本仪器的这个特征，我们可以考虑一下本方法中形成的穿过电势笼中心的水平截面上双向电泳电势P的分布(图18)，图18是其典型表现，其中两个局部峰值代表了电势笼沿X轴方向的边界。如果相对距离DP是是待分离的粒子半径R的两倍，那么临近的粒子只有一个能在笼中找到位置，因此如果笼子已经被一个粒子占据，其它待选粒子就会受到一个向外的净力，这样过剩的粒子要么进入临近的笼中，要么进入旁边为盛溢出粒子而设计的容器中。应该注意的是，如果要对样品中的所有粒子进行上述操作，粒子的密度应小于电势笼的密度。

电势笼的尺寸只受到每一电极电路所占面积的限制，后者又取决于所采用的技术。为了克服这种局限，可采用不同的电极排列方式，如下文所述，可采用不同的电极拓展结构，这种结构不太灵活，但电势笼尺寸更加优化，其目的是用于对灵敏度要求更高的情况，例如，亚微米微生物的控制和计数。对于需要电势笼小于电极电路面积的情况，可采用其它的实施方式，使面积得到更好的优化。

例如，为了将电路可占的面积提高25％，可以用相同的电极排列，将包括4个LL的元件组中的一个电极LN(图19)与固定的电压信号相连(例如与同相信号相连)。从现在起，我们将LN型的电极叫做“不可编程的电极”，因为它们不能在不同的电压信号间变换，而是只采用一种固定信号。上述实施例的缺点，是将电势笼的运动只限制在给定的路径DR。另一方面电极排列方式显示了节省电路面积的优点，因为在不可编程的电极LN中不用MIJ和SIJ单元。

另外一个可采用的实施方式进一步利用了牺牲仪器的灵活性而使电势笼尺寸缩小的方法，如图20所示。在本例中，运动的方向降低到一维，沿指定路径DR的方向，为检测粒子存在与否和粒子种类而设计的单元SI(图20)，被排列在纵列SC中，与允许的运动方向正交。利用适当的信号，可以沿纵向有规律地形成电势笼，并使电势笼沿着指定的路径DR运动，穿过纵列SC到达容器CB，CB是为了盛粒子而设计的，粒子的数量(可能还有种类)已经检测。由于沿指定的垂直路径方向没有运动，不可编程的电极LN只是用来为单元电路节省面积，这样，单元电路和传感器可利用的面积得到优化，因为两个电极中只有一个需要编程，而且只有单元SI需要与传感器集成。这个可选择的实施方式，与优选实施方式相比，主要缺点在于检测样品中的粒子所需的时间更长，因为它依赖于粒子在到达传感器之前必须穿过的纵向单元的数目。另一方向，可选择的后面一个实施方式，电势笼的尺寸更小，因此可以计量更小的粒子。

根据本发明，另一个估计小于电势笼尺寸的粒子的数目的方法是利用输出与电势笼装的粒子数目成正比的传感器。采用这个方法，电势笼的尺寸不需达到最小，即使笼中包含多个粒子，粒子的总数也可通过将每个笼中的粒子数加起来估计出。这种方法的主要缺点是，传感器的输出值只取决于粒子的数目，与粒子类型无关，因此无法检测出粒子的类型。

一旦根据用户要求，采用掌握该技术一般技能的人都熟悉的方式和仪器如微型泵注入等以完全自动或手动模式将样品加入到仪器中，就可以在一定频率下工作，使一种或多种微生物受到负双向电泳的作用，这样就可以将上述的生物物质捕获到双向电泳电势笼中，并使它们沿着仪器移动较长或较短的距离。本发明所提出的仪器的全新特征是使粒子悬浮在液体中移动，而不是使液体本身流动，这样，就不必采取复杂而又昂贵的流体步骤，使选择的物体在适当的位置或容器中积聚，并避免了粒子受到磨擦和碰撞的影响。在以上谈到的操作模式中，内置的传感器可以监测到粒子的存在，从而在反馈回路中对仪器及其功能进行调控。

该仪器可完成的一个重要操作是根据粒子群或单个粒子的物理性质的不同来判断样品中散粒与已溶解的物质的性质，这可以通过利用指定电势笼的特性来实现，电势笼的迁移率和强度取决于分析的生物物质的物理性质和结构，如，大小，重量，极性和导电率，这些性质随着物质种类的不同而各异。

由于本仪器导致电势笼中捕获的一个或多个粒子独立运动，这一独特特征使得仪器很容易编程以完成若干项任务，例如，利用其物理、介电、导电性质可以将一种微生物从多种物质的混合物中分离出来。本发明提出的仪器的另外一个可能的用途是，通过先将两种以上微生物捕获在不同的笼中，然后使其向仪器中的同一位置移动，使它们发生碰撞。为了举例说明本发明中仪器的广泛用途，下文披露了控制粒子的各种不同方法，尽管其前提还是这里所举的例子，并不是要限制本发明的精髓。

可以预见，本发明的替代或相同的结构都可以采用，而不受上述一般发明的限制。最后，预计根据用户或仪器用途的要求，仪器的材料和尺寸都可以有变化。

根据双向电泳力的不同分离不同种类粒子的方法

假定仪器中的样品包括至少两种类型粒子的混合物，这些粒子在特定频率下，分别受到负双向电泳和正双向电泳的作用。在该频率下给电极施加周期性信号，就可以形成电势笼，第一种粒子被电势笼吸引进去，而第二种粒子受到电势笼的排斥。因此通过电势笼向仪器的一个隔离区域移动，只有第一种粒子发生位移。例如，这个隔离区域可以是仪器中一个独立的容器，利用它第一种粒子可以进一步得到收集、计数、与其它粒子结合等。应注意在这种情况下一个笼子可以容纳多个粒子。

通过电势笼捕获单个粒子、进行类型检测、移动来分离不同种类型粒子的方法

假定仪器中的样品包括至少两种类型粒子的混合物。再假定笼子的尺寸只允许一个笼子只捕获一个粒子，而且形成电势笼的每一个位置都有一个能检测笼中捕获的粒子(如果有的话)的类型的传感器。例如，这个传感器可以是电容型或光学传感器。在双向电泳电势笼形成之后，每个笼子中的粒子就可以被识别，而且捕获一种粒子的所有笼子就会向仪器的一个隔离区域运动，这样只有那种类型的粒子会在该区域出现。该区域可以是仪器中一个独立的容器，利用它粒子可以进一步得到收集、计数、彼此结合或与其它粒子结合等。这里及后面所用的词“类型”应被看作是指可以用传感器识别的特征。换言之，两个由相同物质构成而大小不同的粒子，如果仪器中内置的传感器可以将二者加以识别，就认为它们属于不同类型。而两个由不同物质构成但使内置传感器输出结果相同的粒子，可被认为是属于同种类型。

通过电势笼捕获单个粒子、移动、类型检测、再移动来分离不同类型粒子的方法

这个方法与前一种相似，不同的是笼子最初形成的位置不需要传感器。同时，首先需要通过笼子的移动使粒子朝着某些位置移动，在这些位置可以用传感器检测粒子的类型，然后再使粒子位移，不同种类的粒子移向仪器的不同区域。例如，这些区域可以是仪器中独立的容器，在那里粒子可进一步得到收集、计数、彼此结合或与其它粒子结合等。

通过电势笼捕获同种类型的粒子并测定其数目来对粒子进行计数的方法

假定仪器中的样品包括一种粒子，而且电势笼形成的每一个位置都有一个可检测笼中捕获的粒子数目的传感器。如果传感器的输出响应与相关笼中捕获粒子的数目成正比，就可以进行粒子的计数。样品中的粒子总数通过每个笼中检测到的粒子数目加和就可很容易地得到。

通过电势笼捕获单个粒子并进行类型检测来对不同种类型的粒子进行计数的方法

假定仪器中的样品包含一种或多种粒子。再假定笼子的尺寸使得每个笼中只能捕获一个粒子，而且笼子形成的每个位置都有一个可以检测到笼中捕获的粒子(如果有的话)的存在和类型的传感器，这样，通过形成电势笼，检测每个笼中粒子的类型(如果有的话)并将捕获了同种粒子的笼子的数目分别加和，就可以很简单地完成一种粒子的计数。

通过电势笼捕获单个粒子、移动和类型检测来进行不同类型粒子计数的方法

这个方法与前一种相似，所不同的是，电势笼最初形成的位置不需要传感器，这样，首先要通过笼子的移动使粒子朝着某些位置移动，在这些位置可以用传感器检测粒子的类型。然后在这些感应位置笼子中存在的任何粒子的类型都可以得到检测。如果剩下的其它笼子中的物质还没有得到检测，处于感应位置的笼子就会移开，以使那些未得到检测的笼子移到相同的感应位置，最后这个操作会一直重复，直到所有笼子中的物质都检测完毕。因此，通过将捕获同种粒子的笼子的数目分别相加，就可完成每种类型粒子的计数。

Claims (33)

1、控制浸在流体中的一个或多个粒子的仪器，其特征在于，其包括：

第一基体；

多个电极，包括所述第一基体上形成的第一电极阵列和至少包括一个电极的第二电极阵列，所述第二电极阵列与所述第一电极阵列相对并隔开一段距离，所述的粒子和流体置于所述第一和第二电极阵列之间的区域；

将第一个电输入信号施加于所述多个电极的第一组电极以及至少另外一个电输入信号施加于所述多个电极的至少另外一组电极的装置。

所述第一个电输入信号和至少另一个电输入信号形成一个电场，在流体中形成至少一个假想的封闭面，其上的电场强度恒定。

2、根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述的第二电极阵列在第二基体上。

3、根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述的第一基体包括能检测一个或多个所述粒子存在的感应装置。

4、根据权利要求2所述的仪器，其特征在于，所述的第一基体和/或第二基体包括能检测一个或多个所述粒子存在的感应装置。

5、根据权利要求3或4所述的仪器，其特征在于，所述的感应装置包括用于检测所述第一和第二电极阵列之间的区域中的至少一部分的电特征变化的电场检测装置。

6、根据权利要求5所述的仪器，其特征在于，所述的电场检测装置包括用于检测所述第二电极阵列中至少一个电极和所述第一电极阵列中至少一个电极之间形成的电场变化的所述第二电极阵列中至少一个电极和所述第一电极阵列中的至少一个电极。

7、根据权利要求5所述的仪器，其特征在于，所述的电场检测装置包括第一电极阵列中的一个电极和所述第一电极阵列中的至少另一个电极，用于检测所述第一电极和至少另外一个电极之间形成的电场的变化。

8、根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述的第二电极阵列基本上是透明的。

9、根据权利要求3或8所述的仪器，其特征在于，所述的感应装置包括光能测量仪，用于检测所述第一和第二电极阵列之间的区域中至少一部分的光学特性的变化。

10根据前面任何一项权利要求所述的仪器，其特征在于，还包括用于改变所述第一个电输入信号和/或至少另外一个电输入信号的装置，其用于：

使所述至少一个假想的封闭面扩大或缩小；

使所述封闭面移动，和/或

形成所述封闭面或使之消失。

11、根据前面任何一项权利要求所述的仪器，其特征在于，还包括改变所述多个电极的第一组和/或至少另外一组电极的装置，其用于：

使所述至少一个假想的封闭面扩大或缩小，和/或

形成所述封闭面或使之消失。

12、根据前面任何一项权利要求所述的仪器，其特征在于，还包括使流体流入和/或流出所述第一电极阵列和第二电极阵列之间区域的装置。

13、根据前面任何一项权利要求所述的仪器，其特征在于，还包括一个置于所述第一基体和第二电极阵列之间的隔板，所述隔板至少有一个开口，所述隔板在所述第一基体与第二电极阵列之间至少形成一个腔室。

14、根据权利要求1-12中的任何一项所述的仪器，其特征在于，还包括一个与所述第一基体集成的隔板，所述的隔板至少有一个开口，所述隔板在所述第一基体与第二电极阵列之间至少形成一个腔室。

15、根据权利要求2或4所述的仪器，其特征在于，还包括一个与所述第一基体和/或第二基体集成的隔板，所述的隔板至少有一个开口，所述隔板在所述第一基体与第二电极阵列之间形成至少一个腔室。

16、根据前述任何一项权利要求所述的仪器，其特征在于，所述的多个电极中至少一个电极与包括如下部分的电路装置相连：

寻址输入装置；

数据输入/输出装置；

基准输入装置；

至少一个存储元件；

根据所述的寻址输入装置和数据输入/输出装置编程的所述至少一个存储元件中存储的值，将所述基准输入装置得到的电输入信号施加给电极。

17、根据权利要求16所述的仪器，其特征在于，所述的电路装置还包括感应装置。

18、根据前面权利要求中的任何一项所述的仪器，其特征在于，所述第一电极阵列中至少一个电极是矩形的。

19、根据前面权利要求中的任何一项所述的仪器，其特征在于，所述第一电极阵列中至少一个电极是六角形的。

20、根据前面权利要求中的任何一项所述的仪器，其特征在于，所述第二电极阵列包括一个独立的电极。

21、根据前面权利要求中的任何一项所述的仪器，其特征在于，所述的第一基体是一个单片半导体基体。

22、控制流体中一个或多个粒子的方法，其特征在于，对多个电极的第一组电极施加一个电输入信号，并且向至少另外一组电极施加至少另一个电输入信号，从而在所述流体中形成一个电场，其中至少一个假想的封闭面上的电场强度恒定，根据所述粒子或流体的电性质，所述粒子或者被所述至少一个假想的封闭面围成的区域吸引，或者受到该区域排斥。

23、控制流体中一个或多个粒子的方法，其特征在于，包括如下步骤：

向多个电极的第一组电极施加第一个电输入信号并向至少另一组电极施加至少另一组电输入信号，从而形成一个电场，使在所述流体中至少一个假想的封闭面上的场强恒定，从而使所述粒子受到所述的至少一个封闭面围成的区域吸引；

所述至少一个假想的封闭面位移，从而吸引所述的粒子向所述至少一个假想的封闭面围成的另一区域移动。

24、根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述的至少一个假想封闭面的位移通过改变多个电极的至少所述一组电极和/或另一组电极来实现。

25、根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述的至少一个假想封闭面的位移通过改变所述第一个电输入信号和/或至少另一个电输入信号来实现。

26、分离流体中不同类型粒子的方法，其特征在于，包括如下步骤：

向多个电极的第一组电极施加第一个电输入信号，并向至少另一组电极施加至少另一个电输入信号，从而形成一个电场，使所述流体中至少一个假想的封闭面上的场强恒定，从而使至少第一种类型的粒子被所述至少一个假想的封闭面围成的区域所吸引，而不同类型的粒子被所述区域排斥；

所述至少一个假想封闭面发生位移，从而使只有所述至少第一种类型的粒子移向所述的至少一个假想的封闭面所围成的区域。

27、分离流体中不同类型粒子的方法，其特征在于，包括如下步骤：

向多个电极的第一组电极施加第一个电输入信号，并向至少另一组电极施加至少另一个电输入信号，从而形成一个电场，使所述流体中许多假想的封闭面上的场强恒定，从而使所述不同类型的粒子被所述假想的封闭面围成的区域所吸引并捕获，每一个所述区域只能捕获一个粒子；

检测所述区域捕获的每个粒子的类型；

使第一组所述假想的封闭面向第一个区域移动，所述的第一组封闭面由捕获了第一类粒子的假想封闭面组成，这样就可使所述第一类粒子向所述第一个区域移动。

28、分离流体中不同类型粒子的方法，其特征在于，包括如下步骤：

向多个电极的第一组电极施加第一个电输入信号，并向至少另一组电极施加至少另一个电输入信号，从而形成一个电场，使所述流体中许多假想的封闭面上场强恒定，从而使所述的不同类型的粒子被所述假想的封闭面围成的区域吸引；所述每个假想封闭面只能捕获一个粒子；

使所述的假想封闭面依次移向至少一个敏感位置，从而使捕获的粒子移向所述的至少一个敏感位置，并在每个所述的至少一个敏感位置检测每个粒子的类型；

由捕获了第一种粒子的假想封闭面组成的第一组假想封闭面向第一个区域移动，从而将所述的第一种粒子移向所述的第一个区域，并且由捕获了不同类型粒子的假想封闭面组成的第二组假想封闭面向第二个区域移动，从而将不同类型的粒子移向所述的第二个区域。

29、对流体中至少一种粒子进行计数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

向多个电极的第一组电极施加第一个电输入信号，并向至少另一组电极施加至少另一个电输入信号，从而形成一个电场，使所述流体中许多假想的封闭面上的场强恒定，从而只会使所述至少一种类型的粒子被所述的至少一个假想的封闭面围成的区域吸引；

检测所述每个区域的粒子的数目。

30、对流体中至少一种粒子进行计数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

向多个电极的第一组电极施加第一个电输入信号，并向至少另一组电极施加至少另一个电输入信号，从而形成一个电场，使所述流体中至少一个假想的封闭面上场强恒定，从而使所述粒子被所述的至少一个假想封闭面围成的区域吸引，所述的每个区域只能捕获一个粒子；

在所述区域检测每个粒子的存在及其类型；

将同种类型的粒子的数目分别相加。

31、对流体中至少一种粒子进行计数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

向多个电极的第一组电极施加第一个电输入信号，并向至少另一组电极施加至少另一个电输入信号，从而形成一个电场，使所述流体中的许多假想的封闭面上的场强恒定，从而使所述粒子被所述假想封闭面围成的区域吸引，所述每个区域只能捕获一个粒子；

使所述的假想封闭面依次移向至少一个敏感位置，从而使捕获的粒子移向所述的至少一个敏感位置，在每个所述的至少一个敏感位置检测每个粒子的存在和类型；

将同种类型的粒子的数目分别相加。

32、根据权利要求26、27、28、31中的任何一项所述的方法，其特征在于，所述的假想封闭面的位移通过改变所述第一组电极和/或至少另一组电极来实现。

33、根据权利要求27、28、29、30、31中的任何一项所述的方法，其特征在于，其中的检测通过测量所述流体的至少一部分的电和/或光特性的变化来完成。

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