專利名稱：用于微粒操縱與微粒導(dǎo)向的裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對微粒的操縱，特別地是利用電場對小微粒(如細(xì)胞、微型珠體)的操縱。
對微粒(特別是對生物材料)的操縱可以為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究帶來便利。其中對單個(gè)癌細(xì)胞進(jìn)行操縱的技術(shù)相當(dāng)重要，它能使研究者在精心控制的環(huán)境中研究單個(gè)癌細(xì)胞或一組癌細(xì)胞與被選擇的藥物之間的相互作用。有許多種不同的力可以用以操縱微粒，包括光學(xué)力、超聲力、機(jī)械力和水動(dòng)力。例如人們已經(jīng)成功的利用流式細(xì)胞儀來對細(xì)胞進(jìn)行分類和鑒定。另一個(gè)例子就是在生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，離心技術(shù)被廣泛使用，以處理生物樣品。
目前在生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中的趨勢是生物分析設(shè)備和器件的自動(dòng)化與微型化?；谏镄酒奈⒘黧w技術(shù)的研究開發(fā)受到了特別的關(guān)注。生物芯片是指一塊固體基片，在其表面上可進(jìn)行生物/生化/化學(xué)反應(yīng)和處理過程?；且黄梢詾椴煌螤?，如矩形、圓形、橢圓形或其它形狀的薄片?？梢栽诨霞苫蛑谱鞒霾煌慕Y(jié)構(gòu)(如管道、槽、電極元件等)以進(jìn)行生物/生化/化學(xué)反應(yīng)或處理。生物芯片和微流體領(lǐng)域研究者的一個(gè)重要目標(biāo)就是開發(fā)出完全自動(dòng)化、集成化的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)一系列的生物/生化反應(yīng)和步驟。最佳情況是，這種集成器件能處理天然的、原初的生物樣品(如血液、尿液)以分離靶微粒或生物微粒(如血液中的癌細(xì)胞、孕婦血液中的胎兒成核細(xì)胞、尿液中的某種細(xì)菌)；分離后的靶微?？梢越?jīng)過進(jìn)一步處理得到細(xì)胞組分(如靶細(xì)胞經(jīng)胞解釋放出生物分子，如DNA、mRNA、蛋白質(zhì)分子等)；然后感興趣的細(xì)胞組分再被分離、處理(如對分離出的DNA分子中的目標(biāo)序列通過聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，即PCR進(jìn)行擴(kuò)增)；最后，對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行一定形式的檢測/測量/定量(如對PCR擴(kuò)增的DNA片段進(jìn)行雜交反應(yīng)，用熒光法檢測雜交結(jié)果)。很明顯，在生物芯片上處理和操縱微?；旌衔镏胁煌N類的微粒(包括細(xì)胞和細(xì)胞組分)的方法對開發(fā)基于生物芯片的器件而言有著非常重要的意義。
目前有關(guān)在芯片上對微粒或生物微粒進(jìn)行操縱的方法已經(jīng)有了一定的進(jìn)展。電子雜交技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)出來，即在電子芯片上操縱、輸運(yùn)帶電荷的DNA分子(見“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.，25pages 4907-4914，1998)；還有電泵和電分離技術(shù)，即利用基于電滲和電泳的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)來輸運(yùn)、操縱、分離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，pages895-896，1993；“High-speed separation of antisense ofligonucleotides on amicromachined capillary electrophoresis device”，Effenhauser，C.S.etal.，Anal.Chem.Volume 66，pages2949-2953，1994)；另外還可以利用介電電泳技術(shù)對微粒進(jìn)行操縱來解決細(xì)胞分離問題(“Dielectrophoretic manipulation of particles，”X-B.Wang et al.，IEEE/IAS Trans.，vol.33，pages 660-669，1997)。盡管已有上述報(bào)導(dǎo)，但目前利用介電電泳原理在生物芯片上處理微粒的2維和3維操縱技術(shù)就靈活性、方便程度、適應(yīng)性、有效性而言還非常有限?？傮w而言，目前處理微粒的操縱技術(shù)應(yīng)用有限，且只能用于特定的實(shí)例。利用這些技術(shù)進(jìn)行微粒分離的效率還需進(jìn)一步改進(jìn)。而且，在芯片上對微粒進(jìn)行輸運(yùn)、分離、富集和混合的能力還非常有限。
在進(jìn)一步說明本發(fā)明之前，我們先介紹一下介電電泳力的原理。作用在一個(gè)微粒上的介電電泳力來源于微粒所處的不均勻的交變電場。特別地，介電電泳力來自于微粒上由交變電場感生出的極化電荷與不均勻交變電場之間的相互作用。在外加電場作用下微粒上感生出極化電荷，電偶極矩的大小和方向與微粒及其所懸浮介質(zhì)的介電特性之間的差異有關(guān)。
介電電泳力可以是行波介電電泳(twDEP)力，也可以是常規(guī)介電電泳(cDEP)力。行波介電電泳力是指在行波電場作用下微粒上產(chǎn)生的力。行波電場由相位值不均勻分布的交變電場分量決定。常規(guī)介電電泳力是指在幅值不均勻分布的交流電場作用下微粒上產(chǎn)生的力。下面將更加詳細(xì)地說明行波介電電泳力、常規(guī)介電電泳力的來源。目前已有不少文章研究利用行波介電電泳力和常規(guī)介電電泳力來操縱具有介電性質(zhì)的微粒的方法及其相應(yīng)的理論，包括“Electrokinetic behavior of colloidal particles in travelling electric fieldsstudies using yeast cells，”Y.Huang et al.，J.Phys.DAppl.Phys.，vol.26，pages 1528-1535，1993；“A unified theory of dielectrophoresis andtravelling-wave dielectrophoresis，”X-B.Wang et al.，J.Phys.DAppl.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.
具單諧波成分的電場可在時(shí)域上表示為E→(t)=Σα=x;y;zEα0cos(2πft+φα)a→α,---(1)]]>其中 是笛卡爾坐標(biāo)系中的單位向量，Eα0、α分別是三個(gè)電場分量的幅值和相位。當(dāng)一個(gè)微粒(如細(xì)胞)受到不均勻電場(注意位置不同，Eα0、α也不同)作用時(shí)，由于電場和微粒上感生電偶極矩的相互作用，微粒就受到一個(gè)凈介電電泳力的作用。Wang et al.(“A unified theory of dielectrophoresis and travelling-wavedielectrophoresis”J.Phys.DAppl.Phys.，vol.27，pages 1571-1574，1994)給出介電電泳力的表達(dá)式為F→DEP=2πϵmr3(Re(fCM)▿Erms2+Im(fCM)(Ex02▿φx+Ey02▿φy+Ez02▿φz)),---(2)]]>其中r是微粒半徑，εm是微粒懸浮介質(zhì)的介電常數(shù)，Erms是電場均方根值，因子fCM＝(εp*-εm*)/(εp*+2εm*)是介電極化因子(所謂Clausius-Mossotti因子)。復(fù)式介電常數(shù)定義為εx*＝εx-jσx/(2πf)。介電極化因子與外加電場的頻率f、電導(dǎo)率σx、微粒介電常數(shù)(記為p)、微粒懸浮介質(zhì)的介電常數(shù)(記為m)有關(guān)。
從公式(2)可以看出，介電電泳力一般由兩個(gè)分量構(gòu)成即常規(guī)介電電泳(cDEP)力和行波介電電泳(tw DEP)力。常規(guī)介電電泳力和與場強(qiáng)梯度(Erms2)相互作用的電場感生極化的同步(in-phase)分量有關(guān)，該感生極化由項(xiàng)Re(fCM)，即因子fCM的實(shí)部來表示，它是常規(guī)介電電泳的極化因子。行波介電電泳力與和電場相位梯度(x，yz)發(fā)生交互作用的電場感生極化的異步(out-of-phase)分量有關(guān)，該感生極化由項(xiàng)Im(fCM)，即因子fCM的虛部來表示，它是行波介電電泳的極化因子。值得指出的是，若一個(gè)電場其場強(qiáng)分量的相位是不均勻分布的，則該電場是一個(gè)行波電場。電場沿著隨位置不同而相位值遞減的方向延伸。理想行進(jìn)電場(見下文)的相位分布沿電場行進(jìn)方向是位置的線狀函數(shù)。這樣，常規(guī)介電電泳力是指因交流電場場強(qiáng)不均勻分布而在微粒上產(chǎn)生的力。盡管常規(guī)介電電泳力有時(shí)在文獻(xiàn)中也被簡稱為介電電泳力，但在這里避免使用這樣的簡化術(shù)語。常規(guī)介電電泳力和行波介電電泳力的術(shù)語出現(xiàn)在大量文章中，例如“A unified theory of dielectrophoresis andtravelling-wave dielectrophoresis，”Wang et al.，J.Phys.DAppl.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.半徑為r、受交變電場不均勻分布場強(qiáng)作用的微粒所受的常規(guī)介電電泳力 為F→cDEP=2πϵmr3χDEP▿Erms2---(3)]]>其中Erms是場強(qiáng)的均方根值，εm是介質(zhì)的介電常數(shù)。表示常規(guī)介電電泳力的公式(3)與上述的介電電泳力的一般表達(dá)式一致。因子χcDEP是微粒的常規(guī)介電電泳極化因子，可以表示為χcDEP=Re(ϵp*-ϵm*ϵp*+2ϵm*)---(4)]]>這里Re指復(fù)數(shù)的實(shí)部，符號εx*＝εx-jσx/(2πf)是復(fù)式介電常數(shù)。參數(shù)εp、σp分別是微粒的有效介電常數(shù)和電導(dǎo)率(可能與外加頻率有關(guān))。例如，典型的生物細(xì)胞將具有與頻率相關(guān)的電導(dǎo)率和介電常數(shù)(至少部分上是由于細(xì)胞質(zhì)膜極化引發(fā)的)。關(guān)于細(xì)胞介電性質(zhì)的描述可以見相應(yīng)的文章。例如，下列的文章都是關(guān)于哺乳動(dòng)物不同種類細(xì)胞介電性質(zhì)的“Membrane changes associated with thetemperature-sensitive P85gag-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)Volume29，pages 860-864，1995.
以上描述常規(guī)介電電泳力的公式還可表示為F→cDEP=2πϵmr3χcDEPV2(▿p)---(5)]]>其中p＝p(x，y，z)是電極上單位電壓激勵(lì)(電壓V＝1V)的電場值平方的分布，V是外加電壓。
當(dāng)一個(gè)微粒的常規(guī)介電電泳極化因子為正(χcDEP＞0)時(shí)，微粒受常規(guī)介電電泳力作用向強(qiáng)場區(qū)域運(yùn)動(dòng)，這稱為正向常規(guī)介電電泳。導(dǎo)致微粒作正向的常規(guī)介電電泳運(yùn)動(dòng)的常規(guī)介電電泳力稱為正向常規(guī)介電電泳力。當(dāng)一個(gè)微粒的常規(guī)介電電泳極化因子為負(fù)(χcDEP＜0)時(shí)，微粒受常規(guī)介電電泳力作用遠(yuǎn)離強(qiáng)場區(qū)域向弱場區(qū)域運(yùn)動(dòng)，這稱為負(fù)向的常規(guī)介電電泳。導(dǎo)致微粒作負(fù)向的常規(guī)介電電泳運(yùn)動(dòng)的常規(guī)介電電泳力稱為負(fù)向的常規(guī)介電電泳力。
對一個(gè)半徑為r，受行波電場EtwDEP=Ecos(2π(ft-z/λ0))a→x]]>(即E場的x分量沿z方向行進(jìn)，x分量的相位值沿z向是位置的線狀函數(shù))作用的微粒來說，作用在其上的理想行波電場的行波介電電泳力FtwDEP為FTWDEP=-4π2ϵmλr3ζTWDE2·a→z---(6)]]>其中E是場強(qiáng)大小，εm是介質(zhì)的介電常數(shù)， ζtwDEP是微粒的行波介電電泳極化因子ζtwDEP=Im(ϵp*-ϵm*ϵp*+2ϵm*)---(7)]]>其中Im指相應(yīng)復(fù)數(shù)的虛部，符號εx*＝εx-jσx/(2πf)是復(fù)式介電常數(shù)，參數(shù)εp、σp分別是微粒的有效介電常數(shù)和電導(dǎo)率(可能與外加頻率相關(guān))。
這樣根據(jù)行波介電電泳極化因子的正負(fù)，介電電泳力的行波分量將沿著或逆著行波場的傳播方向作用于微粒上。如果在工作頻率下微粒的行波介電電泳極化因子是正的(ζTWD＞0)，則作用在微粒上的行波介電電泳力將與電場行進(jìn)方向相反。如果在工作頻率下微粒的行波介電電泳極化因子是負(fù)的(ζTWD＜0)，則作用在微粒上的行波介電電泳力將與電場行進(jìn)方向相同。對微粒(包括生物細(xì)胞在內(nèi))的行波介電電泳操縱而言，作用在直徑10微米的微粒上的行波介電電泳力的數(shù)量級在0.01至10000pN之間。
一般地，一個(gè)行波電場同時(shí)誘導(dǎo)產(chǎn)生行波介電電泳力(FtwDEP)和常規(guī)介電電泳力(FDEP)。一個(gè)微粒到底如何被移動(dòng)或操縱取決于這兩種力(FcDEPand FtwDEP)的相對比值。于是，對微?；蛭⒘；旌衔锏牟倏v就依賴于電場分布、外加頻率、行波介電電泳和常規(guī)介電電泳極化因子的大小。因此，微粒例如生物細(xì)胞所受的常規(guī)介電電泳和行波介電電泳力就依賴于它們的介電性質(zhì)，也就于它們的介電常數(shù)和電導(dǎo)率相關(guān)。具不同介電特性的微粒在同樣的電場作用下所受的常規(guī)介電電泳和行波介電電泳力也不同?？梢栽陔姌O或微電極上施加適當(dāng)?shù)慕涣餍盘杹懋a(chǎn)生行波電場。通過在基底上制作電極和微電極，以形成芯片、微芯片或是微粒操縱芯片。有許多這方面的文章，如“Electrokinetic behavior of colloidal particles in travelling electricfieldsstudies using yeast cells，”Y.Huang et al.，J.Phys.DAppl.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.
為了產(chǎn)生行波電場，應(yīng)至少施加三個(gè)不同步的電信號。一種方案是在線形或是平行的電極上施加4個(gè)相位正交的信號(0，90，180，270度)，參見PCT application WO 97/34689，“Apparatus withelectrode arrays for carrying out chemical，physical，or physico-chemicalreaction，”by R.Pethig et al.，或參見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 fieldsstudies usingyeast cells，”Y.Huang et al.，J.Phys.DAppl.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，這些器件不能很好地同時(shí)操縱一種以上的微粒，而且在輸運(yùn)、引導(dǎo)單種或是多種微粒方面靈活性也較差。另一個(gè)產(chǎn)生行波電場的例子見PCTapplication WO97/34689，它由兩組線形、平行的電極陣列組合起來構(gòu)成。但是對于從混合物中分離微粒以及輸運(yùn)、操縱單種或多種微粒而言，這種器件的能力仍然有限。
本發(fā)明的目的之一是克服這些局限，并克服一般意義上在芯片上操縱微粒(包括生物微粒，如細(xì)胞、細(xì)胞器)的局限。本發(fā)明的另一目的是提供一種特別適合于從微?；旌衔镏羞x擇性處理、操縱微粒的器件。本發(fā)明還給出一種能富集、混合不同種微粒的器件，一種能方便、靈活地操縱、控制單種或多種微粒的器件。本發(fā)明還給出使用上述器件來實(shí)現(xiàn)操縱不同微粒的方法。
本發(fā)明的實(shí)體例子包括一個(gè)產(chǎn)生行波電場的裝置，該裝置包括至少三個(gè)電路連接上相互獨(dú)立的分支，每個(gè)分支包含一組電極，當(dāng)在電極上施加不同相位的電信號，可以在各個(gè)分支中產(chǎn)生行波電場，各個(gè)分支在一個(gè)公共的連接處交會(huì)。
本發(fā)明的實(shí)體例子還包括一個(gè)產(chǎn)生行波電場的裝置，該裝置包括至少三組電極，當(dāng)在電極上施加不同相位的電信號時(shí)，每個(gè)電極組可以在其限定的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生行波電場。每組電極對在電路連接上是相互獨(dú)立的，并在一個(gè)公共的連接處交會(huì)。
本發(fā)明的實(shí)體例子還包括一種操縱微粒的裝置，該裝置包括至少三組電路連接上相互獨(dú)立的電極，當(dāng)電極上施加不同相位的電信號后，可以在電極所在的分支中產(chǎn)生相應(yīng)的電場，使得分支中的微粒受到行波介電電泳力的作用。各個(gè)分支在一個(gè)公共的連接處交會(huì)，以使得微粒在行波介電電泳力的作用下，能夠從一個(gè)分支輸運(yùn)到另一個(gè)分支。這里所述的至少三個(gè)電極組可以就是三個(gè)電極組，并且電極組之間夾角為120度；也可以是四個(gè)電極組，四個(gè)電極組之間夾角為90度。該裝置進(jìn)一步應(yīng)該包括連接微粒源與一組上述的電極組的輸入管道以及連接輸出池與另一組上述的電極組的輸出管道。在該裝置中，所述的至少三個(gè)電極組都被安排在一個(gè)固體基底上。其基底的材料可以是硅、玻璃、陶瓷和塑料等材料。該裝置，進(jìn)一步還應(yīng)該包括一塊基底，其上排布有上述的電極組；一個(gè)頂蓋，至少含有一個(gè)端口以便于通過輸入管道；一個(gè)位于所述基底和頂蓋之間的襯底，襯底帶有開口，以便于在開口中對通過輸入管道引入的微粒進(jìn)行操縱。
在上述裝置中，進(jìn)一步包括至少一個(gè)電信號發(fā)生器。這個(gè)信號發(fā)生器可以對上述電極組中的電極施加交流電壓信號，電信號的相位可以加以選擇以沿著上述分支的方向，分別產(chǎn)生行波電場。該電信號發(fā)生器所施加的四路電信號的相位分別為0、90、180、270度。裝置還包括從上述電極引出的連接到焊盤的導(dǎo)線，焊盤都至少與一個(gè)信號發(fā)生器相連。其中任何一個(gè)給定的電極組中的每一個(gè)電極都應(yīng)該連接到不同的焊盤上。也可以在其中任何一個(gè)給定的電極組中，相鄰的電極連接到不同的焊盤上，而每個(gè)焊盤上可以不止連接一個(gè)電極。同時(shí)施加在相鄰電極上的電信號是具有不同相位的。
在上述裝置中，進(jìn)一步可以包括一個(gè)線狀的、電路連接上相互獨(dú)立的電極組，這個(gè)電極組可以產(chǎn)生行波電場，位置設(shè)計(jì)在上述的其中一個(gè)電極組的附近。
在本發(fā)明中，待操縱的微?？梢园ㄉ镂镔|(zhì)，這些生物物質(zhì)至少是細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞聚集體、生物分子包被的微珠體、實(shí)體分子和結(jié)合體組成的復(fù)合體中的一種。待操縱的微粒也可以包括非生物的物質(zhì)。
在上述裝置中，包括至少一個(gè)靠近公共連接處的電極具有指向公共連接處的彎曲的構(gòu)型，其中的電極具有尖角狀的構(gòu)型，或者電極組中電極的構(gòu)型是同心的圓弧，越靠近公共連接處的電極的尺寸越小。
本發(fā)明中一種用以微粒操縱的裝置包括第一電極組，當(dāng)在電極組中的電極上施加不同相位的電信號時(shí)，分支中的微粒將受到行波介電電泳力的作用，以沿著各自的分支運(yùn)動(dòng)；第二電極組，當(dāng)在電極組中的電極上施加一定的電信號，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區(qū)域。第一電極組制作在第一基底上，而第二電極組制作在第二基底上，這兩個(gè)基底被襯底部分隔開。
本發(fā)明中另一個(gè)用于操縱微粒的裝置包括至少三個(gè)分支，其中每一個(gè)分支包括第一電極組，當(dāng)在電極組中的電極上施加不同相位的電信號時(shí)，分支中的微粒將受到行波介電電泳力的作用，以沿著各自的分支運(yùn)動(dòng)；第二電極組，當(dāng)在電極組中的電極上施加一定的電信號，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區(qū)域。裝置的至少三個(gè)分支在一個(gè)公共連接處相交，能夠使產(chǎn)生的行波介電電泳力作用于微粒，使微粒從一個(gè)分支輸運(yùn)到另一個(gè)分支。這里提及的第二電極組可以對分支中的微粒施加常規(guī)介電電泳力，并且在方向上和第一電極組基本垂直。
本發(fā)明中一個(gè)用于微粒操縱的裝置包括相互連接的單元陣列。其中的每一個(gè)單元包括至少三個(gè)電路連接上相互獨(dú)立的電極組，當(dāng)在電極組中的電極上施加不同相位的電信號時(shí)，分支中的微粒將受到行波介電電泳力的作用，以沿著各自的分支運(yùn)動(dòng)。各個(gè)分支在一個(gè)公共的連接處交會(huì)，以使得微粒在行波介電電泳力的作用下，能夠從一個(gè)分支輸運(yùn)到另一個(gè)分支。
本發(fā)明還提供一種輸運(yùn)微粒的方法，該方法包括提供一組相互分立的電極；在第一個(gè)電極上施加一種極性的電壓信號，以吸引具有和所施加信號相反極性電荷的微粒；在第二個(gè)電極上施加同種極性的電壓信號，同時(shí)減小施加在第一個(gè)電極上電壓信號的幅值，以使得帶電微粒從第一個(gè)電極上被吸附到第二個(gè)電極上，以實(shí)現(xiàn)將微粒輸運(yùn)到第二個(gè)電極這一過程；重復(fù)以上步驟，以一步步的在電極上輸運(yùn)微粒。
上述方法中所提及的相互分立的電極組包括至少三個(gè)電極組，可以對分支中的帶電微粒施加一定的力，以使得帶電微粒沿著各自的分支運(yùn)動(dòng)。各個(gè)電極組在電路連接上相互獨(dú)立的，各個(gè)分支在一個(gè)公共的連接處交會(huì)，以使得帶電微粒能夠從一個(gè)分支輸運(yùn)到另一個(gè)分支。
在上述方法中提及的減小第一個(gè)電極上的電壓信號的幅值的操作也包括翻轉(zhuǎn)這個(gè)電壓信號的極性。同時(shí)輸運(yùn)的操縱過程包括將和第一個(gè)電極上所施加電壓信號極性相反的電壓信號施加到其它所有(除了第二個(gè)電極)電極上。
本發(fā)明中的另一種微粒分類的方法包括得到本發(fā)明中所提及的裝置；將至少含有兩種微粒的樣品導(dǎo)入裝置；施加行波介電電泳力在公共連接處中的微粒上，以使得至少一種微粒從公共連接處沿著一個(gè)方向輸運(yùn)，而至少另一種微粒從公共連接處沿著另一個(gè)方向輸運(yùn)。此處行波介電電泳力由施加在電極組上的電壓信號產(chǎn)生。
上述方法進(jìn)一步包括首先鑒別出至少一種微粒，然后再把微粒引入公共連接處，根據(jù)鑒別出的微粒的類型，施加合適的電信號以分離微粒。這里所提及的鑒別微粒的步驟包括檢測微粒的熒光。
本發(fā)明中一種混合不同微粒的方法包括在本發(fā)明所述的裝置中的一個(gè)分支引入至少一種微粒；在裝置中的另一個(gè)分支引入至少另外一種微粒；這兩種微粒被輸運(yùn)到公共連接處混合。
本發(fā)明中一種富集微粒的方法包括在本發(fā)明所述的裝置中的至少一個(gè)分支和另一個(gè)分支中引入一種微粒；微粒被輸運(yùn)到公共連接處并富集。同時(shí)在裝置的至少三個(gè)分支中引入微粒；并輸運(yùn)至少三個(gè)分支中的微粒到提到的公共連接處而使得微粒在公共連接處得到富集。
本發(fā)明中一種分配微粒的方法包括把微粒引入本發(fā)明所述的裝置的公共連接處；把微粒從公共連接處分配到至少兩個(gè)分支中去，包括將微粒從公共連接處分配到三個(gè)分支中去。
本發(fā)明中一種分離兩種微粒的方法，其兩種微粒被分布在本發(fā)明所述裝置上，分離步驟包括對第一種微粒施加常規(guī)介電電泳力以使其保持靜止；對第二種微粒施加行波介電電泳力以使其運(yùn)動(dòng)，從而與第一種微粒相分離。使第一種微粒受到電極的吸引，被介電電泳力維持在原位置，使第二種微粒在一個(gè)分支的末端被收集。在分離過程為在相應(yīng)的電極上施加不同頻率的電信號，不同頻率的電信號與兩種微粒的相互作用不同，從而使得第一種微粒在原位置保持靜止，而第二種被輸運(yùn)，從而得以分離。這里，兩種微粒是以微粒懸液的方式引入裝置的。本方法進(jìn)一步應(yīng)包括從第一種和第二種微?；旌弦褐蟹蛛x第三種微粒。
本發(fā)明中一種從第二種微粒中分離第一種微粒的方法包括向本發(fā)明所述裝置中連續(xù)通入含有上述兩種微粒的微粒懸液；對第一種微粒施加常規(guī)介電電泳力，以使得第一種微粒被電極吸引，從而被常規(guī)介電電泳力維持在原位置；而同時(shí)第二種微粒隨著流體流動(dòng)，從而與第一種微粒分離；停止液體的通入；在電極上施加合適頻率的電信號，以使得第一種微粒由于受到行波介電電泳力而得以輸運(yùn)。
本發(fā)明中一種從第一種微粒中分離第二種微粒的方法包括向本發(fā)明所述裝置中連續(xù)通入含有上述兩種微粒的微粒懸液；在線狀電極上施加合適的電壓信號，從而使得第一種和第二種微粒受到常規(guī)介電電泳力，以使得第一種和第二種微粒被線狀電極的電極吸引，從而被常規(guī)介電電泳力維持在原位置；停止液體的通入；在至少三個(gè)分支的電極組上施加合適頻率和相位的電信號，以使得第一種微粒由于受到行波介電電泳力而被輸運(yùn)到某一個(gè)分支的末端，而第二種微粒被輸運(yùn)到另一個(gè)分支的末端。


圖1A是有三個(gè)相連分支的微粒開關(guān)的實(shí)體例子的裝置圖。
圖1B是有四個(gè)相連分支的微粒開關(guān)的實(shí)體例子的裝置圖。
圖2是微粒操縱芯片中制作在基底上的微粒開關(guān)各部分的裝置圖。
圖3A和3B是兩個(gè)微粒開關(guān)的實(shí)體例子的電極組示意圖。
圖4是微粒開關(guān)的另一個(gè)實(shí)體例子的電極組示意圖。
圖5A、5B、5C、6A、6B、6C、7A、7B、7C、8A、8B、8C、9A、9B、9C、11A、11B、11C和12A、12B、12C顯示了如何對微粒開關(guān)中的電極施加不同相位的交流電壓信號，以使得微粒按照預(yù)先設(shè)定的方式運(yùn)輸。在每一個(gè)圖例中，圖A示意了施加在各個(gè)電極上的相對的相位值，圖B和C示意了具有負(fù)的或正的行波介電電泳極化因子的微粒在分支中的運(yùn)輸狀況。
圖13A和13B分別給出了哺乳動(dòng)物細(xì)胞的常規(guī)介電電泳極化因子和行波介電電泳極化因子的特征頻率的相關(guān)性。
圖14A和14B示意了一種通過微粒開關(guān)產(chǎn)生的電場使得不同種類的微粒相互分離的方法。
圖15A、B和C示意了另一種通過微粒開關(guān)產(chǎn)生的電場使得不同種類的微粒相互分離的方法。
圖16A、B和C示意了再另一種通過微粒開關(guān)產(chǎn)生的電場使得不同種類的微粒相互分離的方法。
圖17A和17B示意了裝置如何使用其它的微粒鑒定方法用微粒開關(guān)進(jìn)行工作。
圖18A和18B示意了單個(gè)的微粒開關(guān)如何有機(jī)的結(jié)合形成開關(guān)陣列。
圖19A和19B是兩個(gè)用以制作微粒操縱芯片的光刻掩模圖。圖19C和圖19D是微粒操縱芯片中微粒開關(guān)的照片。
圖20A、20B和20C示意了導(dǎo)向電極的結(jié)構(gòu)和如何把導(dǎo)向電極與微粒開關(guān)中的分支中的電極相結(jié)合進(jìn)行微粒操縱。
圖21示意了包含四個(gè)分支的微粒開關(guān)與導(dǎo)向電極的結(jié)合方式。
圖22A、22B和22C示意了使用直流電壓使帶電微粒從一個(gè)電極運(yùn)輸?shù)搅硪粋€(gè)電極的過程。
圖23A顯示了通過使用在圖22A、22B和22C中描述的方法在一個(gè)包含三個(gè)分支的微粒開關(guān)中對帶電微粒進(jìn)行輸運(yùn)的原理圖。圖23B是施加在用以輸運(yùn)微粒和改變微粒運(yùn)動(dòng)方向的微粒開關(guān)中電極上的電壓信號圖。
圖24A和圖24B示意了一種利用微粒開關(guān)產(chǎn)生的電場將帶正電荷和不帶電荷的微粒相分離的方法。
除非另有定義，這里所用的全部科技術(shù)語與本發(fā)明所屬領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員所理解的含義相同。
這里所說的“微?；蛐⌒臀⒘！敝溉魏挝⒘畹奈镔|(zhì)、或可溶性物質(zhì)、或是直徑或特征尺寸在納米到厘米范圍內(nèi)物質(zhì)的任何組合。微?；蛐⌒臀⒘５奶卣鞒叽缍x為微粒或小型微粒最長軸和最小軸尺寸的平均值。在本發(fā)明中微粒和小型微粒的名稱可以混用。微?？梢允枪腆w(如玻璃珠、乳膠粒、塑料粒、磁珠)，液體(如液滴)或氣體(如氣泡)。微粒包括溶解后的微粒(如分子、蛋白質(zhì)、抗體、抗原、脂質(zhì)、DNA、RNA、分子復(fù)合體)、懸浮微粒(如玻璃珠、乳膠粒、聚苯乙烯粒)。微?？梢允怯袡C(jī)的(如哺乳動(dòng)物細(xì)胞、細(xì)菌、病毒或其它微生物)，也可以是無機(jī)的(如金屬微粒)。微?？梢杂胁煌男螤?如球狀、橢球狀、立方體、餅形、針形，或其它規(guī)則、不規(guī)則形狀)、不同的大小(從納米級金粒，到微米級細(xì)胞，再到毫米級或厘米級微粒聚集體)。微?？梢允牵粌H僅限于，DNA、RNA、染色體、蛋白質(zhì)分子(如抗體)、細(xì)胞、膠粒(如聚苯乙烯粒，磁珠)、分子—微粒復(fù)合體(如蛋白質(zhì)分子與包被有抗體的磁珠相結(jié)合的復(fù)合體)。
一種微粒是由實(shí)體分子及其結(jié)合物構(gòu)成的復(fù)合體，參見US patentapplication“METHODS FOR MANIPULATING MOIETIES INMICROFLUIDIC SYSTEMS”(by Wang et al.，filed on August 10，2000)(該專利正在受理過程中)?！皩?shí)體分子”可以是任何需要操縱的物質(zhì)。通常情況下，實(shí)體分子的大小不超過1厘米，可通過本方法操縱的實(shí)體分子的例子有，但不僅僅限于，細(xì)胞、細(xì)胞器(如染色體、線粒體、細(xì)胞核等等)、病毒、分子(如蛋白質(zhì)、DNA、RNA、抗體、抗原、酶、激素、多糖等等)或這些物質(zhì)的聚集體或是復(fù)合體?！敖Y(jié)合物”指任何以足夠的親和力、特異性與待操縱的實(shí)體分子附著的物質(zhì)。結(jié)合物的例子包括，但不僅僅限于，細(xì)胞、細(xì)胞器、病毒、聚集體、復(fù)合體，或分子的聚集體、復(fù)合體。結(jié)合物—實(shí)體分子復(fù)合體包括微?！⒘?fù)合體、微?！肿訌?fù)合體(如通過細(xì)胞表面的抗原或蛋白質(zhì)分子與固定在磁珠表面的抗體分子之間的相互作用形成的細(xì)胞—磁珠復(fù)合體；將DNA分子固定在磁珠表面形成的DNA分子—磁珠復(fù)合體；或通過在聚苯乙烯粒表面包被蛋白質(zhì)分子形成的蛋白質(zhì)分子—聚苯乙烯粒復(fù)合體)。US patent application“METHODS FOR MANIPULATING MOIETIES IN MICROFLUIDICSYSTEMS”(by Wang et a1.，filed on August 10，2000)(該專利正在受理過程中)中的方法可以用以本發(fā)明，操縱實(shí)體分子和(或)結(jié)合物—實(shí)體分子復(fù)合體。
在這里，“芯片”是指一塊固體基片，在其上可以進(jìn)行特定的處理，如物理、化學(xué)、生物、生物物理、生物化學(xué)等處理。在基片上可進(jìn)行物理/生物物理/生物/生物化學(xué)/化學(xué)反應(yīng)或處理，來集成、制作不同類型的2維、3維結(jié)構(gòu)/微結(jié)構(gòu)，如槽、反應(yīng)池、電極元件。芯片可以是不同形狀，如矩形(例如厚約1mm的顯微鏡用載玻片)、圓形(如厚度不超過1mm的直徑4英寸的硅片)、橢圓形或其它不規(guī)則形狀的薄片。本方法對所用芯片的表面積大小的要求并不苛刻，比如從1mm2到0.25m2都可以。最好所用的芯片的表面積從4mm2到25cm2左右，特征尺寸(對矩形芯片，特征尺寸是指芯片的長度或是寬度；對圓形芯片，特征尺寸是指其直徑)大約從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應(yīng)包括槽、反應(yīng)池等結(jié)構(gòu)。
這里所說的“生物芯片”是指在其上可以進(jìn)行化學(xué)、生物、生物物理或生物化學(xué)反應(yīng)的一類芯片。
這里所說的“電極”是指一種由導(dǎo)電材料制成的一種結(jié)構(gòu)單元，其上施加了有效值恒定的交變電壓或有效值近似于恒定的交變電壓。有效值近似于恒定的交變電壓是指當(dāng)電信號加到電極元件時(shí)，電極元件上的電壓降非常小，可以在電極元件附近的區(qū)域產(chǎn)生足夠強(qiáng)的電場來誘導(dǎo)常規(guī)介電電泳和行波介電電泳力以操縱微粒。通常，電極材料包括金屬薄膜(如金、鉑、鈦、鉻等)和半導(dǎo)體材料例如摻雜硅(例如摻入磷、砷、銻、鋁、鎵、銦)，或其它電導(dǎo)率較高的材料(如金屬導(dǎo)線)。就本發(fā)明而言，導(dǎo)電材料指電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于待操縱微粒所懸浮的介質(zhì)電導(dǎo)率的物質(zhì)。
這里所說的“操縱”是指移動(dòng)或處理微粒，使微粒在介質(zhì)中作一維、二維、三維方向上的運(yùn)動(dòng)。對微粒的操縱包括，但不僅僅限于，運(yùn)輸、吸附、捕獲、排斥、富集、分離、鑒別、使微粒懸浮等等，還包括對微粒運(yùn)動(dòng)方向的改變。
圖1A展示了本發(fā)明的微粒操縱裝置的一個(gè)首選的實(shí)體例子101。這個(gè)裝置含有一個(gè)微粒開關(guān)103，它包括三個(gè)相互連接的分支103a、103b和103c。如圖所示，三個(gè)分支103a、103b和103c在微粒開關(guān)103的中心處相互連接。關(guān)于分支的實(shí)體例子將在下文說明。如帶箭頭的虛線所示，微?？梢匝刂煌姆种С煌姆较蜻\(yùn)輸，這取決于微粒的介電性質(zhì)和它們在裝置101的電場中被操縱的方式。此外，根據(jù)對微粒的操縱方式，各個(gè)分支(103a、103b和103c)的分支末端位置105a、105b和105c既可以作為微粒開關(guān)103的微粒輸入端，也可以作為微粒輸出端。例如，可以通過分支103a的末端105a作為微粒開關(guān)103的微粒輸入端，根據(jù)微粒本身的性質(zhì)以及它們在裝置101的電場中被操縱的方式，微?？梢酝ㄟ^分支，從分支末端位置105b和105c中的一個(gè)或兩個(gè)離開微粒開關(guān)103。這里討論的被操縱的微粒包括生物或非生物材料的。最好，微粒包含細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞聚集體和包被生物分子的磁珠這些生物材料。關(guān)于微粒的詳細(xì)描述上面已經(jīng)給出。本專利中的微粒操縱的器件、裝置和方法的應(yīng)用廣泛，例如用于生物醫(yī)學(xué)/藥理學(xué)研究、醫(yī)學(xué)診斷和新藥研究等等。實(shí)際上，它們可以用于涉及有關(guān)微粒(例如生物細(xì)胞、細(xì)菌、病毒、DNA、RNA、蛋白分子、塑料珠、磁珠等)和分子的幾乎所有化學(xué)和生物化學(xué)的研究領(lǐng)域。
圖1B展示了本發(fā)明的微粒操縱裝置的另一個(gè)首選的實(shí)體例子106。這個(gè)裝置含有一個(gè)微粒開關(guān)107，它包括四個(gè)相互連接的分支107a、107b、107c和107d。如圖所示，四個(gè)分支107a、107b、107c和107d在微粒開關(guān)107的中心處相互連接。關(guān)于分支的實(shí)體例子將在下文說明。如帶箭頭的虛線所示，微?？梢匝刂煌姆种С煌姆较蜻\(yùn)輸，這取決于微粒的介電性質(zhì)和它們在裝置106的電場中被操縱的方式。此外，根據(jù)對微粒的操縱方式，各個(gè)分支(107a、107b、107c和107d)的分支末端位置108a、108b、108c和108d既可以作為微粒開關(guān)107的微粒輸入端，也可以作為微粒輸出端。例如，可以通過分支107a的末端108a作為微粒開關(guān)107的微粒輸入端，根據(jù)微粒本身的性質(zhì)以及它們在電場中被操縱的方式，微?？梢酝ㄟ^分支，從分支末端位置108b、108c和108d中的一個(gè)、兩個(gè)或全部離開微粒開關(guān)107。
圖2是產(chǎn)生行波電場以操縱微粒的裝置128的剖面圖，解釋了裝置128是如何構(gòu)建的。裝置128包括基底115和在基底上的三組電極(114)110a、110b和110c，這些共同構(gòu)成了一個(gè)微粒開關(guān)110。這三個(gè)電極組110a、110b和110c對應(yīng)著圖1中的三個(gè)分支103a、103b和103c。這個(gè)實(shí)體例子中的三個(gè)電極組相互夾角為120度，而在其他的應(yīng)用場合中也可以用其他的夾角。
基底115可以由硅、玻璃、陶瓷、塑料或其它的固體材料制成。固體材料可以是多孔的，也可以是致密的。基底的邊長可以是0.5-20cm或更長。電極114可以是沉積在基底115上的金屬薄膜(例如金、鉑)。電極114可以用一層或多層掩模的光刻方法在基底115制造出來，或者使用在微刻蝕和微制造領(lǐng)域(可參考，Rai-Choudhury P.(Editor)，Handbook of Microlithography，Micromachining andMicrofabrication，Volume 2Micromachining and microfabrication.SPIEOptical Engineering Press，Bellingham，Washington，USA(1997))中眾所周知的微制造或微加工方法。微制造過程包括許多基本的步驟，例如，光刻掩模生成、金屬沉積、絕緣體沉積、光刻膠沉積、用掩模和顯影劑在光刻膠層、金屬層或絕緣層上光刻形成圖案或結(jié)構(gòu)。電極可以用金屬材料制造，如鋁、金、銀、錫、銅、鉑、鈀和石墨，也可以由半導(dǎo)體材料如多孔摻雜硅或其它有足夠高的電導(dǎo)率的材料制成。制造電極的基底材料可以是硅、塑料、玻璃、陶瓷，或其他固體材料。固體材料可以是多孔或致密的。熟悉微加工和微制造領(lǐng)域的人可以選擇或決定用于特定電極結(jié)構(gòu)制造的加工工藝和材料。
電極114可以是任意厚度，只要電極的阻抗足夠小以使得施加在電極上的電壓在電極表面幾乎不變。電極114厚度最好在0.001-10微米之間，最適宜的尺寸在0.1-1.0微米之間。每個(gè)電極114的寬度和長度隨意。最好，每一個(gè)電極是1-100微米寬和5-10000微米長。最適宜的電極長度在20-2000微米之間。電極114相鄰電極之間的間隔最好與電極的寬度相同或相近?；蛘?，電極114的相鄰電極之間的間隔在0.2-500微米之間。電極114分別由各自的導(dǎo)線118連接到焊盤122上，在基底115上的所有的導(dǎo)線118和連接焊盤122可以使用與制造電極114相同的規(guī)程或方法。連接焊盤112順次與向電極114提供電壓信號的信號發(fā)生器(至少一個(gè))相連。施加在電極114的相鄰電極上的交流電壓的相位差可以是90度，例如在不同的電極上分別施加相位為0、90、180和270度的電信號。盡管在圖2中，對于每一個(gè)分支(110a、110b、110c)只有四個(gè)電極114，然而這僅僅是示意，對于不同的應(yīng)用，分支可以有三個(gè)或三個(gè)以上的電極114，并且可以分布在5微米至10厘米的距離上。最好一個(gè)分支的長度在20微米至200微米之間。另外，也可以用其他的相位設(shè)置，例如施加在相鄰的電極114上的電壓可以在相位上相差120度。本例中，施加在電極上的相位差為0、120和240度。通常，施加在相鄰電極間電信號的相位差依賴于電極數(shù)目N(施加在該N個(gè)電極上的電信號相位差之和為360度)且為360/N度，這里N是個(gè)大于2的數(shù)。例如，N＝3，相鄰電極間的相位差為120度；N＝4，相鄰電極間的相位差為90度；N＝5，相鄰電極間的相位差為72度。同時(shí)，交流信號的頻率可以是任意值以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男胁妶鲆暂斶\(yùn)特定的微粒。在一些實(shí)體例子中，施加在不同分支內(nèi)的電極上的交流信號的相位、頻率和/或幅值可以不同以便于獲得所需的微粒運(yùn)動(dòng)。
微粒開關(guān)110中的電極114、導(dǎo)線118和連接焊盤122可以制造在基底115上。我們將基底和其上制造的電極單元稱為微粒操縱芯片或微粒開關(guān)芯片。
微粒開關(guān)110中的電極114(和將電極與連接焊盤122相連的導(dǎo)線118)除了可以使用上面說明的微加工和微制造方法之外，還可以使用別的方法。電極可以是合適直徑(例如，80微米)的簡單的電導(dǎo)線，根據(jù)圖2中的示意合理的排列并且捆綁在基底表面預(yù)先制造的通道中。這些和圖2中所示的電極組具有相同參數(shù)的通道可以使用刻蝕或其它方法在基底上制作。這些通道允許電導(dǎo)線埋入基底下，使得在導(dǎo)線上的最高點(diǎn)相平或稍稍高于(例如＜5微米)基底表面。導(dǎo)線118可以使用相似的方法制造。
回到圖2，位于基底115上的是一個(gè)襯底單元126，在上面有一個(gè)開口130。襯底單元126可以選擇不同的厚度，只要厚度大于待操縱顆粒的最大尺寸即可，并且符合特定的微粒操縱需要。襯底單元126的厚度可以在10微米至5毫米之間。最好，襯底在20至500微米厚。襯底單元126可以用任意的、薄的、不導(dǎo)電材料制成，如高分子膜、塑料膜或聚四氟乙烯膜。襯底單元與基底115結(jié)合在一起。根據(jù)不同的應(yīng)用需要，開口130可以選擇不同的尺寸，只要開口能夠覆蓋微粒開關(guān)110上電極的整個(gè)區(qū)域。例如，開口130可以是幾個(gè)毫米寬。襯底單元126可以通過切割的方法制作出所需形狀的開口130，或用其它的方法制作。例如，一個(gè)O型橡膠圈可以作為襯底。帶有開口的襯底也可以使用塑料澆注的方法制造。位于襯底單元126之上并與之結(jié)合的是頂蓋134，上面有三個(gè)端口104a、104b和104c。三個(gè)端口104a、104b和104c可以用作裝置的出口或入口，待操縱的微粒就由此進(jìn)入或離開裝置。例如端口104a可以用作入口，同時(shí)104b和104c用作出口。本例中，輸入端口104a與一段輸入管138a相連，懸浮在液體中的微粒(例如，微粒懸浮液)可以通過它以合適的方式引入裝置。微粒懸浮液可以收藏于微粒源144，它與輸入管138a相連。微粒和液體可以通過出口104b和104c中的一個(gè)或兩個(gè)排出裝置128，出口104b和104c分別與輸出管138b和138c相連，這樣微粒和液體可以進(jìn)入一個(gè)或多個(gè)輸出容器146。
為了清楚起見，基底115、襯底126和頂蓋134分別表示在圖2中。實(shí)際上，這些單元按示意的順序結(jié)合在一起并形成一個(gè)完整的封閉的用于微粒操縱的裝置128(不包括輸出口和輸入口)。對于圖16A、圖17A和圖20B示意的裝置也是一樣。
雖然在圖2中的裝置128包括三個(gè)單元，基底115、襯底126和頂蓋134，但對于構(gòu)造一個(gè)基于微粒開關(guān)的裝置也許不是必須的。例如，襯底和頂蓋可以是整合的。根據(jù)所需開口的形狀，開口130可以通過在頂蓋134的一個(gè)表面刻蝕或用微加工的方法到一定深度(例如與需要的襯底厚度相同)制成。當(dāng)然，開口130也可以通過其它方法制作。圖2所示的裝置128中的許多部分是可以改動(dòng)的。其中最關(guān)鍵的部分是微粒開關(guān)110和在微粒開關(guān)110的一個(gè)封閉區(qū)域操縱微粒的方法。對于圖16A、圖17A和圖20B所示的裝置也是一樣。
盡管對于圖2所示的裝置128有三個(gè)輸入或輸出口，然而輸入和輸出口的個(gè)數(shù)是可以改變，只要滿足裝置必須包括最少三個(gè)獨(dú)立的分支以形成一個(gè)微粒開關(guān)(例如由電極114組成的110a、110b和110c這三個(gè)獨(dú)立的電極組形成的一個(gè)微粒開關(guān)110，每一個(gè)電極組作為不同的分支進(jìn)行操縱)。例如，可以使用四個(gè)相互旋轉(zhuǎn)90度的電路結(jié)構(gòu)上獨(dú)立的分支。在這里，“電路結(jié)構(gòu)上獨(dú)立的電極組”是指這些電極組在電路連接上是分立的，并且被獨(dú)立的連接到外部的信號發(fā)生器上。但是應(yīng)注意到，當(dāng)這些“電路結(jié)構(gòu)上獨(dú)立的電極組”用以產(chǎn)生電場時(shí)，這些“電路結(jié)構(gòu)上獨(dú)立的電極組”中的電極可以連接到同一個(gè)外部的信號發(fā)生器上。
如圖2微粒開關(guān)110的每一個(gè)分支或電極組110a、110b和110c使用行波介電電泳力來操縱和移動(dòng)微粒。任何一個(gè)分支的電極114分別施加不同相位的電信號，以在分支中引入行波電場，從而在分支中用以移動(dòng)微粒的電極上或附近產(chǎn)生行波介電電泳力。換句話說，由電極114構(gòu)成的三個(gè)電極組110a、110b和110c沿著各自的電極產(chǎn)生行波電場，并且這三個(gè)電極組是相互獨(dú)立的，通過一個(gè)共同連接處150相互連接。電極114構(gòu)成的三個(gè)電極組作用在公共連接處的微粒上的力，可以使得微粒從一個(gè)分支轉(zhuǎn)入另一個(gè)分支。朝向共同連接處150的電極114最好彎曲成一定的角度以減少電極組110a、110b和110c之間的死區(qū)(此處電場力較弱，微粒操縱效率不高)，如圖2所示。
當(dāng)微粒處于行波介電電場中，只要微粒具有與介質(zhì)相異的介電性質(zhì)，可以感生出非零的極化電荷，微粒就將受到行波介電電泳力。在裝置128中的微粒通常不僅僅只受上文提及的行波介電電泳力的作用，而且還受到可以將微粒拉近或推離電極114的常規(guī)介電電泳力的作用。微粒的運(yùn)動(dòng)狀況由這些力的相對大小決定。微?？梢员徽虺Ｒ?guī)介電電泳力吸附到電極114上，或者由于受負(fù)向常規(guī)介電電泳力從電極表面懸浮起來，在行波介電電泳力的作用下沿著行波電場傳播的方向移動(dòng)。在一些實(shí)體例子中，微粒不受或是幾乎不受常規(guī)介電電泳力。在另一些實(shí)體例子中，微粒受到正向常規(guī)介電電泳力，使得它們被吸附在電極上。微粒在電極組110a、110b和110c產(chǎn)生的行波場中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與微粒在由螺旋電極或其他類型的線狀電極陣列產(chǎn)生的電場中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)相似。(參見“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.)圖2中的裝置128顯示電極組110a、110b和110c中的每一個(gè)電極114都與一個(gè)不同的連接焊盤122連接。其他的連接方式也是可以的，如圖3所示，對于每一個(gè)電極組110d、110e和110f，可以將幾個(gè)電極114連接到一個(gè)連接焊盤122上，但是相鄰的電極必須連接到不同的連接焊盤上。圖3顯示，當(dāng)在電極組上施加相位分別為0、90、180和270度的電信號時(shí)，分支中每隔三個(gè)電極連接到一個(gè)相同的連接焊盤上。當(dāng)一個(gè)分支中包含多個(gè)電極時(shí)，使用圖3所示的電路連接方式比較合適，即一個(gè)連接焊盤122上連有多個(gè)電極114。在這些例子中，如果電極114和導(dǎo)線118是使用不同的微加工和微制造方法設(shè)計(jì)制造在基底115上，那么，基底115中將有多個(gè)導(dǎo)電層來實(shí)現(xiàn)所需的電路連接。而沉積在電極層之間的介電絕緣層可以進(jìn)行合適的絕緣。如果使用光刻技術(shù)，要使用多個(gè)掩模來用于制造這樣的多個(gè)導(dǎo)電層。這些技術(shù)在微刻蝕和微加工領(lǐng)域中很常見(見，例如，Rai-Choudhury P.(Editor)，Handbook of Microlithography，Micromachining and Microfabrication，Volume 2Micromachining andmicrofabrication.SPIE Optical Engineering Press，Bellingham，Washington，USA(1997))，這樣的多導(dǎo)電層配置與文獻(xiàn)中敘述的其他的多導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)相似，如文獻(xiàn)“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”。
圖3B的電路配置與圖3A所示大體一致，區(qū)別在于分支中電極的取向。圖3B中電極組110g、110h和110i中的電極制成“∧”的形狀，中間的突出端指向分支的共同連接處，這樣，圖3B中的共同連接處150的空間比圖2和圖3A中的共同連接處150的空間要小。這種設(shè)計(jì)減小了電極114之間的死區(qū)空間，并且在共同連接處150及附近形成的連續(xù)電場使得微粒在分支之間轉(zhuǎn)換變得容易。圖3B和圖3A另一個(gè)區(qū)別是，圖3B的分支(110g，110h和110i)中的電極114通過導(dǎo)線119交替的連接到基底115兩邊的焊盤123上。如果要使用光刻的方法制造微粒開關(guān)，圖3A所示的微粒開關(guān)的制作需要進(jìn)行多層掩模光刻，而圖3B所示的微粒開關(guān)的制作只需要進(jìn)行一層掩模光刻。
圖4給出了另一個(gè)微粒開關(guān)的實(shí)體例子中的電極參數(shù)。開關(guān)中的三個(gè)電極組分支152a，152b和152c相互之間夾角為120度，各個(gè)分支中的電極153是弧形的，隨著離共同連接處距離的不同，尺寸也不同。如圖3A相似，分支中每隔三個(gè)電極就有一個(gè)電極通過導(dǎo)線156連接到一個(gè)共同的焊盤155上。如果要使用光刻的方法制造圖4所示的微粒開關(guān)152，則需要進(jìn)行多層掩模光刻。每個(gè)分支含有四個(gè)焊盤，分別施加相對相位為0，90，180和270度的電信號，以在分支內(nèi)產(chǎn)生行波電場。微?？梢栽诜种е醒刂c電極曲率垂直的方向運(yùn)動(dòng)。例如，當(dāng)在電極上施加合適的電信號，可以使分支(152a，152b和152c)中的微粒向分支的共同連接處運(yùn)動(dòng)。微粒在各個(gè)分支的行波(152a，152b和152c)電場中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和微粒在由螺旋電極產(chǎn)生的電場中的響應(yīng)相似(見“Dielectrophoretic manipulation ofcells with spiral electrodes”，X-B.Wang et al.，Biophysical J.，vol.72，pages 1887-1899，1997)。當(dāng)微粒從分支被輸運(yùn)到分支的共同連接處158，可以再被輸運(yùn)到相應(yīng)的分支中。
圖5A、B、C；6A、B、C；7A、B、C；8A、B、C；9A、B、C；11A、B、C和12A、B、C簡要說明了在微粒開關(guān)110中所施加的不同相位的電壓是如何用于控制微粒運(yùn)動(dòng)的。這些圖中，圖A給出了施加在電極組的各個(gè)電極114上的電壓的相對相位值。圖B顯示了在ζTWD＞0的條件下，一種給定微粒是如何通過微粒開關(guān)110的，而圖C顯示了在ζTWD＜0的情況下，同一種給定的微粒是如何通過微粒開關(guān)110的。這些圖表明了微粒通過微粒開關(guān)110的方向可以通過選擇合適的施加在電極114上的相位(“相位序列”)來加以控制，并且ζTWD的正負(fù)的變化會(huì)使得微粒向相反的方向移動(dòng)。例如，在通過兩個(gè)或三個(gè)(或更多)分支后，微粒可以富集在共同連接處150，或者微粒被加到共同連接處后，可以從共同連接處經(jīng)過各個(gè)相應(yīng)的分支，再從一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或多個(gè)分支的末端排出微粒開關(guān)。對于一個(gè)三分支的微粒開關(guān)，從任意兩個(gè)分支進(jìn)入微粒開關(guān)的微?？梢怨餐M(jìn)入另一個(gè)分支，或是反之，從一個(gè)分支中引入的微?？梢苑峙涞搅韮蓚€(gè)分支中去。本專利所涉及的微粒開關(guān)的一個(gè)重要特點(diǎn)是，施加在電極上的電信號的電壓幅度、相位順序和電場的頻率可以在微粒操縱過程中改變。這大大提高了芯片對微粒操縱的靈活性。這樣，僅僅通過簡單的改變施加在電極上的電信號，微粒開關(guān)芯片就可以在三個(gè)分支中實(shí)現(xiàn)對微粒的任意的形式的操縱。操縱過程是可逆的，在一個(gè)分支中，按某種相位順序?qū)﹄姌O施加電信號，可以使得微粒沿著一定的方向運(yùn)動(dòng)，而使用另一種相位順序可以使得微粒向相反的方向運(yùn)動(dòng)。
由任意一個(gè)電極組110a、110b、110c(或110d、110e、110f；或110g、110h、110i)中的電極114作用在微粒開關(guān)110的相應(yīng)分支中的微粒上的行波介電電泳力由施加在電極上的交流電壓的頻率和微粒的性質(zhì)決定。例如，在一個(gè)給定的頻率f1下，給定分支中的微粒向共同連接處150移動(dòng)，而在另一個(gè)頻率f2下，微粒則離開共同連接處150。這種情況下，通過選擇在不同分支中的電極上施加的電信號的頻率，可以使得微粒從一個(gè)分支運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)分支。這種在行波電場中微粒行為的頻率依賴性與微粒的行波介電電泳極化因子ζtwDEP的頻率依賴性相關(guān)，而ζtwDEP是微粒介電性質(zhì)的函數(shù)。圖13A和13B給出了在一個(gè)典型的哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，行波介電電泳極化因子ζtwDEP—頻率的關(guān)系圖和常規(guī)介電電泳極化因子χcDEP—頻率的關(guān)系圖。如圖13A所示，在頻率f1下，細(xì)胞表現(xiàn)的行波介電電泳極化因子是負(fù)值(ζtwDEP＜0)，而在頻率f2下，細(xì)胞表現(xiàn)出的行波介電電泳極化因子是正值(ζtwDEP＞0)。一個(gè)細(xì)胞進(jìn)入微粒開關(guān)的給定分支后，當(dāng)受到頻率為f1的行波電場的作用，細(xì)胞將沿著某一個(gè)方向移動(dòng)，而將沿同一方向的行波電場的頻率改為f2時(shí)，細(xì)胞將沿著相反的方向移動(dòng)。相似的，如圖13B所示，在頻率f3下，細(xì)胞表現(xiàn)出的常規(guī)介電電泳極化因子是正值(χcDEP＞0)，而在頻率f4下，細(xì)胞表現(xiàn)出的常規(guī)介電電泳極化因子是負(fù)值(χcDEP＜0)。這樣，當(dāng)受到頻率為f3的非均一幅值分布電場的作用，細(xì)胞將向的強(qiáng)電場區(qū)域運(yùn)動(dòng)，即吸附在電極上，當(dāng)受到頻率為f4的非均一幅值分布電場的作用，細(xì)胞將向弱電場區(qū)域運(yùn)動(dòng)，即從電極上被推離。
常規(guī)介電電泳極化因子χcDEP和行波介電電泳極化因子ζtwDEP的頻率依賴性是因微粒介電性質(zhì)的頻率依賴性而起。對于哺乳動(dòng)物細(xì)胞，細(xì)胞的介電性質(zhì)受到細(xì)胞尺寸、膜厚度、細(xì)胞膜的介電性質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)部的介電性質(zhì)等因素的影響。一般來說，一個(gè)活細(xì)胞有一個(gè)導(dǎo)電性較差的細(xì)胞膜(膜電導(dǎo)率很小，小于10-4S/m)，它包圍了導(dǎo)電性中等的細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)(內(nèi)部電導(dǎo)率較高，大于0.1S/m)。這樣在低頻情況下，施加的電場主要加在細(xì)胞膜上，這樣細(xì)胞膜的介電性質(zhì)就決定了整個(gè)細(xì)胞的介電性質(zhì)。這時(shí)通常細(xì)胞的常規(guī)介電電泳因子是負(fù)值(χcDEP＜0)，表現(xiàn)出負(fù)向的常規(guī)介電電泳行為。隨著頻率的增加，電場逐漸穿透細(xì)胞膜作用于細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)。這樣，細(xì)胞的常規(guī)介電電泳因子χcDEP逐漸從負(fù)值變?yōu)檎怠Ｒ话阍谶@樣的頻率范圍內(nèi)，外加電場使細(xì)胞受到的作用力傾向于使細(xì)胞的行波介電電泳因子ζtwDEP表現(xiàn)為正值(ζtwDEP＞0)。當(dāng)頻率進(jìn)一步增加，細(xì)胞內(nèi)含物的性質(zhì)(即開始時(shí)有效電導(dǎo)率，之后時(shí)有效通透率)決定了細(xì)胞的反應(yīng)。開始，細(xì)胞的常規(guī)介電電泳極化因子χcDEP大于零，然后隨著頻率的升高，χcDEP逐漸減小。在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，行波介電電泳極化因子ζtwDEP＜0。細(xì)胞的常規(guī)介電電泳極化因子和行波介電電泳極化因子的準(zhǔn)確頻率范圍決定于細(xì)胞的介電性質(zhì)以及細(xì)胞所處的水溶液的電導(dǎo)率。
近年來，人們進(jìn)行了一系列利用電旋轉(zhuǎn)技術(shù)測量和鑒定細(xì)胞介電性質(zhì)的研究。根據(jù)細(xì)胞旋轉(zhuǎn)的測量的頻譜，人們可以分析細(xì)胞的介電性質(zhì)并且分析/模擬常規(guī)介電電泳極化因子和行波介電電泳極化因子與頻率之間的關(guān)系。那些擅長利用電旋轉(zhuǎn)進(jìn)行細(xì)胞介電特性研究的專家以及擅長對細(xì)胞和微粒進(jìn)行介電電泳操作的專家，可以通過選擇適當(dāng)?shù)姆椒ê蜅l件來測量細(xì)胞電旋轉(zhuǎn)的頻譜，然后選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛯︻l譜進(jìn)行分析以得出細(xì)胞的介電性質(zhì)(即介電電泳參數(shù))，還可以得到常規(guī)介電電泳極化因子和行波介電電泳極化因子與頻率的關(guān)系。下列文章提供了對細(xì)胞的介電電泳性質(zhì)進(jìn)行分析的理論、方法、材料以及條件。以便于得到常規(guī)介電電泳極化因子和行波介電電泳極化因子，并且得出在一個(gè)非均勻電場中對細(xì)胞進(jìn)行操作的條件?！癉ielectric properties of human leukocyte subpopulationdetermined by electrorotation as a separation criteria”，Yang，J.et al.，Biophys.J.763307-3314，1999；“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，Volume1193，pages330-344，1994；“Separation of human breast cancer cellsfrom blood by differential dielectric affinity”，Becker FF.，et al.，Proc.Nat.Academ.Sci.(USA)Volume29，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 P85gag-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.，Volume33pages 670-678，1997.
利用電旋轉(zhuǎn)技術(shù)以及其它介電電泳波譜方法(例如細(xì)胞懸浮液的介電電泳電阻法)，也可以得到非生物材料微粒的介電電泳性質(zhì)。得到了微粒的介電電泳性質(zhì)，就可以對常規(guī)介電電泳極化因子和行波介電電泳極化因子進(jìn)行分析和模擬。
微粒在一個(gè)非均勻電場中的與頻率有關(guān)的介電電泳行為，可以用以對微粒混和液進(jìn)行選擇性微粒操縱。具有不同結(jié)構(gòu)、組成以及大小的微粒具有不同的介電電泳性質(zhì)，則這些微粒的常規(guī)介電電泳極化因子和行波介電電泳極化因子和頻率之間的關(guān)系也不同。例如，實(shí)驗(yàn)顯示，不同種類以及具有不同生理特性的細(xì)胞具有不同的介電電泳性質(zhì)，可以通過常規(guī)介電電泳和行波介電電泳技術(shù)把它們分離(例子請參閱“Changes in Friend Murine erythroleukaemia cellmembranes during induced differentiation determined byelectrorotation”，Wang X-B.，et al.，Biochim Biophys Acta，Volume1193，pages330-344，1994；“Membrane changes associated with thetemperature-sensitive P85gag-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)Volume29，pages 860-864，1995；“Cell separation by dielectrophoreticfield-flow-fractionation”，WangX-B.，et al.，Anal.Chem.Volume72(4)，pages832-839，2000；“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)。
這個(gè)發(fā)明根據(jù)微粒的介電性質(zhì)的頻率依賴性，以及微粒在行波電場中的行為的差異可以在微粒開關(guān)中將一種細(xì)胞和另外一種細(xì)胞相分離。見圖14A，B。圖14A顯示，含有兩種微粒160和164(圖中分別用白圈和黑圈表示)的溶液被導(dǎo)入到器件128中(如圖2所示)，在微粒開關(guān)110的各個(gè)分支中兩種微粒被任意混和。當(dāng)在電極114上施加頻率是f1的電壓時(shí)，微粒160在行波介電力的作用下進(jìn)入一個(gè)特定的分支，而微粒164受到指向電極的或是被向電極的常規(guī)介電電泳力的作用，所以保持靜止。雖然微粒164也受到行波介電電泳力的作用，但是常規(guī)介電電泳力決定了微粒164的狀態(tài)，即是被電極吸引還是被電極推離。當(dāng)電場頻率為f1時(shí)，微粒164幾乎不受或者受到很小的行波介電電泳力(除了常規(guī)介電電泳力)，因此當(dāng)微粒160在操縱下運(yùn)動(dòng)時(shí)，微粒164保持靜止或運(yùn)動(dòng)幅度很小。圖14B顯示微粒160被輸運(yùn)，在微粒開關(guān)110分支110b的末端被收集。改變施加在電極114上的電壓的相位順序可以使得微粒160在其余分支如110a或110c的末端富集，也可以在微粒開關(guān)110的公共連接處150富集。在這個(gè)例子中，微粒開關(guān)110的作用是一個(gè)微粒分離器，微粒160被有效地富集到一個(gè)分支的末端，然后可以通過一個(gè)輸出管道引出器件。
圖14所示的方法也可以用以從含有多于兩種微粒的微?；旌衔镏蟹蛛x出一種微粒。為了使該方法工作，要求在微粒操縱過程中，待分離的顆粒可以在操縱頻率f1下能夠被行波介電電泳力輸運(yùn)，同時(shí)，其它微粒應(yīng)受到較強(qiáng)的正向常規(guī)介電電泳力或是較弱的行波介電電泳力，使得微粒要么被吸引到電極上去，要么仍然保持在原來的位置。這種方法是通過批處理的模式進(jìn)行的微粒混和物被導(dǎo)入到器件中，然后用微粒開關(guān)110進(jìn)行操縱。在微粒操縱過程中，除非由于微粒的運(yùn)動(dòng)而引起的液體的運(yùn)動(dòng)，微粒懸浮液保持靜止或者基本靜止。如果微粒懸浮液有運(yùn)動(dòng)，那么這種運(yùn)動(dòng)要小到不影響目標(biāo)顆粒160的收集，以及微粒164不致于在這樣的流體力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)。
另一種利用微粒開關(guān)進(jìn)行微粒分離的方法如圖15A、B、C所示。該器件可以根據(jù)圖2所示原理進(jìn)行構(gòu)建。在這個(gè)例子中，含有微粒160、164的溶液連續(xù)地導(dǎo)入到儀器中，同時(shí)微粒開關(guān)在頻率f1下工作。圖15A顯示含有微粒160、164的混和液被連續(xù)地導(dǎo)入器件一瞬間的狀況。當(dāng)混和液通過器件時(shí)，微粒164由于受到較強(qiáng)的正向常規(guī)介電電泳力而被收集到電極114上，不隨流動(dòng)的液體而運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，電極114施加在微粒160的吸引力很小，因此微粒160隨著流動(dòng)的液體而離開器件。隨著越來越多的混和液流經(jīng)器件，越來越多的微粒164由于受到正向的常規(guī)介電電泳力而被收集在電極114上。經(jīng)過一定的時(shí)間，停止微粒混合液的導(dǎo)入，如圖15B所示，大量的微粒164被收集在電極114上。然后把電信號的頻率調(diào)為f2，如圖15C所示，微粒164可以輸運(yùn)到一個(gè)分支，并且在微粒開關(guān)中該分支的末端被收集。在這一步，除了由于微粒的運(yùn)動(dòng)所引起的液體的運(yùn)動(dòng)以外，微粒懸浮液應(yīng)該保持靜止或者基本靜止。這樣，可以把微粒收集到微粒開關(guān)110的特定位置。微粒164可以被輸運(yùn)和收集到微粒開關(guān)110的分支公共連接處150，也可以被輸運(yùn)到微粒開關(guān)110的一個(gè)，兩個(gè)或者三個(gè)分支的末端并收集。為了實(shí)現(xiàn)這樣的操縱，必須選擇適當(dāng)?shù)念l率和電信號的相位順序。電信號的相位順序由微粒164的收集位置以及微粒164在頻率f2時(shí)的行波介電電泳極化因子ζTWD決定。
圖15A、15B、15C中所示的方法包括兩步。第一步，含有多種微粒的混合液連續(xù)的流經(jīng)微粒開關(guān)器件。在這個(gè)過程中，施加在電極上頻率是f1的電信號導(dǎo)致微粒164被吸附和收集在電極114上，而其它微粒160卻隨著液體流出器件。第二步，液體停止流動(dòng)，把施加在電極上電壓的頻率調(diào)到f2，使得微粒164被輸運(yùn)和收集到微粒開關(guān)的特定位置。施加電壓的相位順序以及微粒的介電性質(zhì)決定了微粒的收集方式和收集的位置。如圖15的方法也適用于從多于兩種微粒的混合液中分離出特定的微粒。
另一種使用微粒開關(guān)的微粒分離方法如圖16A、16B、16C、16D所示。如圖16B構(gòu)建的儀器158與圖2所示的儀器類似。但是圖2和圖16A有幾處不同。首先，如圖16B所示，一個(gè)附加的，可以產(chǎn)生行波電場，具有獨(dú)立的電路連接的線狀電極組116制作在微粒開關(guān)110的分支電極組110a附近。電極組116通過導(dǎo)線117與焊盤123連接，焊盤至少和一個(gè)信號發(fā)生器相連接，并且這個(gè)信號發(fā)生器與連接在電極組110a上的信號發(fā)生器是相互獨(dú)立的。這樣，施加在電極組116上的電壓信號和施加在電極組110a上的電壓信號是不同的。其次，襯底126的開口132和圖2中的開口130不同。圖16B中的開口132由132a和132b兩部分組成。132a和電極組116相對應(yīng)，132b與微粒開關(guān)110相對應(yīng)。第三，圖16A中的頂蓋134和圖2不同。經(jīng)過改進(jìn)，頂蓋上有多個(gè)入口(104a)和多個(gè)出口(104a、104b、104c)與器件158相連接。最好，頂蓋上特定位置的入口和出口與襯底126以及微粒開關(guān)110有結(jié)構(gòu)關(guān)系。例如，104a，104d位于襯底開口132的兩端。104b和104c分別與分支110b和110c的末端位置相對應(yīng)。入口104a與一個(gè)入口管道138a相連接，微粒混合液就由此進(jìn)入。微粒懸浮液處于微粒源144中，它可以與入口管道138a相連接。微粒和液體可以從104b、104c和104d中的一個(gè)、兩個(gè)或者三個(gè)出口流出器件。他們分別與相應(yīng)的出口管道138b、138c、138d相連接。然后流入一個(gè)或是多個(gè)出口收集池146中。這些出口的作用將在下面詳細(xì)介紹。
使用圖16A中的器件158進(jìn)行微粒分離的過程分為以下幾步首先，把不含微粒的溶液引入到器件158中。其次，將含有微粒160、164的溶液連續(xù)通入器件中。通入的溶液將通過入口104a進(jìn)入器件，從出口104d流出。幾乎沒有微粒運(yùn)動(dòng)到微粒開關(guān)110的區(qū)域。只在電極組116上施加頻率為f1的電壓信號，則微粒160和164被吸引到電極116上。隨著時(shí)間的推移，越來越多的微粒160和164被吸附到電極116上。經(jīng)過一定時(shí)間，停止液體的導(dǎo)入。如圖16B所示，相當(dāng)數(shù)量的微粒160和164被吸附到電極116上。最后，在電極組116和110a上施加頻率為f2的電壓信號。這樣，微粒160和164就被輸運(yùn)過電極組116，然后到達(dá)微粒開關(guān)110的第一個(gè)分支110a。同時(shí)，在分支110b、110c上分別施加適當(dāng)相位順序的不同頻率f3、f4的電壓信號。這些頻率和相位順序的電場信號與微粒160、164相互作用，因此由電極114產(chǎn)生的行波介電電泳力將分別把微粒164、160分別輸運(yùn)到分支110b、110c。通過這種方式，這種微粒開關(guān)器件可以把不同種類的微粒160、164分開，并且在微粒開關(guān)110的不同位置分別收集。
對于如圖16A-16D的方法，可以作出多種修改。利用與上述不同的方法，可以把不同種類的微粒導(dǎo)入到微粒開關(guān)110的第一個(gè)分支110a。例如，可以使用一次上樣而不是連續(xù)通入的方法把微粒引入到電極組116上?；蛘撸种?10a可以和另一個(gè)具有為電極組110a富集微粒功能的電極組相連接。不同種類的微粒必須能被輸運(yùn)到分支110a的分支末端位置。根據(jù)圖16C和16D，可以把不同的微粒導(dǎo)入到不同的分支上。
這種方法可以用來從多于兩種微粒的混合液中分離特定的微粒。其中一種這樣的分離方法如下所示。首先，利用上文提及的方法把微粒導(dǎo)入到電極組116上，導(dǎo)入后微粒的分布與圖16B相似。其次，在電極組116、110a、110b、110c上施加特定頻率和特定相位順序的電壓信號，把一種特定微粒輸運(yùn)到分支110b、110c中的一個(gè)分支(例如110b)。當(dāng)特定種類的微粒被輸運(yùn)并富集到分支110b、110c中一個(gè)分支(例如110b)的末端，改變施加在電極組116、110a、110b、110c上的電壓信號的頻率和相位順序，這樣就可以把第二種微粒收集到另一個(gè)分支的末端(例如110c)。被富集的微?？梢杂貌煌姆椒ㄝ斶\(yùn)出它所在的區(qū)域。例如利用另一個(gè)線狀電極組來輸運(yùn)。然后，再次改變施加在電極組116、110a、110b、110c上的電壓信號的頻率和相位順序，這樣就可以把第三種微粒輸運(yùn)并富集到一個(gè)分支的末端。以上步驟可以重復(fù)多次，這樣就可以把多種不同的微粒進(jìn)行有效的輸運(yùn)和富集。在這個(gè)例子中，微粒分離的模式是“一次分離一種微?！?，但是利用如圖16C-16D所示的微粒開關(guān)，可以把同時(shí)分離、收集兩種或者兩種以上的微粒。
另一種利用圖16A、16B、16C和16D所示裝置的方法是將不同種類的微粒在共同連接處150混合?？梢酝ㄟ^這樣的方式實(shí)現(xiàn)，首先把不同種類的微粒導(dǎo)入到微粒開關(guān)的三個(gè)分支110a、110b、110c。然后在電極組上施加不同頻率和相位順序的電壓信號，可以把不同種類的微粒輸運(yùn)到微粒開關(guān)110的中心區(qū)域150。
上述用來分離不同種類微粒的方法以及圖16A、16B、16C和16D所述的方法是基于以下原理不同頻率的電壓信號對不同細(xì)胞的作用是不同的。這樣，除了選擇不同的電壓相位順序，我們又多了一重選擇，即選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率。通過選擇不同的電壓相位順序和適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率，本發(fā)明中所述的微粒開關(guān)可以用以進(jìn)行多種微粒操縱。特別是，當(dāng)使用本發(fā)明所示的微粒開關(guān)和方法，可以動(dòng)態(tài)的靈活的對微粒進(jìn)行操縱。在一個(gè)由三個(gè)分支構(gòu)成的微粒開關(guān)對同種類型的微粒(例如細(xì)胞)進(jìn)行操縱的方式可以為微?？梢詮囊粋€(gè)或者兩個(gè)分支被運(yùn)送到第三個(gè)分支；也可以從一個(gè)分支被分配到其余兩個(gè)分支中；也可以富集到三個(gè)分支之間的中心區(qū)域；也可以被從中心區(qū)域分配到三個(gè)分支。在這些例子中，同種類型的微粒受到相似的電場的作用，被操縱的方式也相似。這種操縱步驟也適用于多種類型的微粒。如果這些不同類型的微粒具有相似的介電性質(zhì)，或具有相近的行波介電電泳極化因子，并且器件施加的電壓頻率大小相近，那么在操縱過程中，它們表現(xiàn)為一種類型的微粒。
如果微粒具有不同的介電性質(zhì)，那么就有必要從微?；旌衔镏蟹蛛x出特定種類的微粒。可以從含有多種微粒的混合物中分離、輸運(yùn)并富集出單種類型的微粒。分離方法如圖14A和14B、圖15A、15B和15C、圖16A、16B、16C和16D所示。在這里，含有多種微粒的混合物是指需要進(jìn)行分離和選擇性操縱的任何類型的微粒混合物。例如，這種混合物可以是一個(gè)需要從中分離出特定種類細(xì)胞的細(xì)胞混合物。例如，含有癌細(xì)胞的血液或者其它體液，含有胎兒細(xì)胞的母體血液，含有細(xì)菌的血液或者其它體液，含有靶細(xì)胞的環(huán)境樣品。這些體液在該發(fā)明中的器件進(jìn)行處理之前可能需要預(yù)處理，例如用某種緩沖液稀釋。靶細(xì)胞可以用某些分子或微粒標(biāo)記，或者與配體相連，配體可以是分子或微粒。例如細(xì)胞混合液可以是患者體內(nèi)的骨髓樣品，其中的具有CD43活性的干細(xì)胞是待分離或待選擇性操縱的靶細(xì)胞。具有CD43活性的干細(xì)胞可以先用抗CD43抗體包被的磁珠進(jìn)行標(biāo)記，以形成細(xì)胞磁珠復(fù)合體。細(xì)胞磁珠復(fù)合體的形成可以增強(qiáng)靶細(xì)胞，即具有CD43活性的干細(xì)胞與其他細(xì)胞之間的介電電泳性質(zhì)的差異，為靶細(xì)胞的選擇性操縱和分離提供了便利。在另外的細(xì)胞分離的應(yīng)用中，也可以將非靶細(xì)胞與它們的配體連接或耦合形成配體細(xì)胞復(fù)合體，而靶細(xì)胞不進(jìn)行修飾。
圖14A、14B，圖15A、15B、15C和圖16A、16B、16C、16D所描述的方法及本文提及的其它方法可以擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，即微粒從共同連接處移動(dòng)進(jìn)(或出)一個(gè)分支后，對微粒進(jìn)行鑒別，比如進(jìn)行生物化學(xué)的分析。例如，可以使用熒光監(jiān)視技術(shù)，讓待鑒別的微粒接受適當(dāng)?shù)墓饧ぐl(fā)，檢測微粒發(fā)出的熒光可以鑒別其類型。這樣，經(jīng)過本發(fā)明的微粒開關(guān)操縱的微粒可以用熒光監(jiān)視技術(shù)鑒別。此外，微粒還可以根據(jù)所產(chǎn)生熒光的水平，或者是還沒有在微粒開關(guān)中輸運(yùn)時(shí)即可確定的性質(zhì)進(jìn)行分類。例如可以用圖17A中所示的器件166對微粒進(jìn)行處理。除了某些差異，圖17A中的器件166與圖2基本類似。一個(gè)差異是襯底126。這里開口135與圖2中的開口130形狀不同。開孔由四個(gè)相連的通道135a、135b、135c和135d構(gòu)成。通道135a、135b、135c分別對應(yīng)于制作在基底115上的微粒開關(guān)110中的分支110a、110b和110c。管道135d是135a的線狀延伸，如圖17A所示。圖17A與圖2的第二個(gè)差異在于由多個(gè)入口(104a)和出口(104b、104c、104d)構(gòu)成的頂蓋134。更適宜地，端口104a、104b、104c和104d位于頂蓋134上，與襯底126上的管道135a、135b、135c和135d的錐形末端一一對應(yīng)。端口104a、104b、104c和104d與對應(yīng)管道系統(tǒng)(未顯示)相連，這些管道又與微粒源或收集池(未顯示)相連。
根據(jù)所激發(fā)的熒光的水平(或其他特性)設(shè)備166可以對微粒進(jìn)行分類或分離。在這種情況下，待分類的微粒有相同或相似的介電特性，只能通過熒光量(或其他特性)進(jìn)行區(qū)分。如圖17B所示，在進(jìn)入第一個(gè)分支110a之前，單個(gè)的微?？梢酝ㄟ^熒光檢測方法(或其他檢測方法)識(shí)別。熒光檢測(或其它檢測方法)可以利用合適的裝置進(jìn)行。例如，可以使用帶自動(dòng)圖像捕獲和成像能力的熒光顯微方法。根據(jù)熒光檢測的結(jié)果，可以在微粒開關(guān)110的第一個(gè)分支110a及下游分支110b、110c的電極上施加適當(dāng)?shù)碾娦盘?，以按需要引?dǎo)微粒進(jìn)入分支110b或110c。在一個(gè)實(shí)體例子中，具有比初始設(shè)定值高的熒光水平的微粒173a將輸運(yùn)或引導(dǎo)到分支110b，而具有和初始設(shè)定值一致或更低水平的微粒將輸運(yùn)或引導(dǎo)到分支110c。這種分離過程可以連續(xù)進(jìn)行，即微粒連續(xù)地輸運(yùn)到識(shí)別區(qū)域以檢測熒光水平，再連續(xù)地輸運(yùn)到器件166中，再根據(jù)所激發(fā)熒光的水平分類。例如，含有待分類、分離的微粒的溶液連續(xù)從入口104a注入器件166中，然后通過設(shè)備166從端口104d流出，此時(shí)104b和104c關(guān)閉(即沒有溶液通過端口104b和104c流進(jìn)或流出器件166)。注意施加在分支110a、110b和110c上電極以輸運(yùn)或引導(dǎo)單個(gè)微粒的電信號由微粒所激發(fā)的熒光水平?jīng)Q定。最好微粒能夠一次一個(gè)進(jìn)行分類。例如，只有當(dāng)前一個(gè)微粒已經(jīng)被輸運(yùn)進(jìn)分支110b和110c其中之一的末端時(shí)，下一個(gè)微粒才進(jìn)入微粒開關(guān)。這樣的話，介質(zhì)中的微粒的濃度需要進(jìn)行合理的選擇。這種結(jié)合熒光監(jiān)測的微粒開關(guān)技術(shù)等同于基于微粒熒光水平的流體細(xì)胞計(jì)數(shù)器分離法。如上文提及，當(dāng)與其它能夠測量/檢測某種微粒性質(zhì)的微粒檢測方法相結(jié)合后，本發(fā)明中的微粒開關(guān)可以根據(jù)這些性質(zhì)可以作為微粒分離器或分類器。
由電極114構(gòu)成的電極組110a、110b、110c(或者電極組110d、110e、110f；或者電極組110g、110h、110i；或者精于此技的人設(shè)計(jì)的其它電極組)可以相互結(jié)合，形成更大的結(jié)構(gòu)，如圖18A和18B所示。圖18A顯示了由三個(gè)電極結(jié)構(gòu)170A、170B、170C組成的微粒操縱器件168，每個(gè)電極結(jié)構(gòu)類似于圖2中由電極組110a、110b、110c組合形成的電極結(jié)構(gòu)。儀器168還包括類似于圖16A-16D中的電極組116的線狀電極組172。為了清楚起見，圖18A沒有畫出襯底、頂蓋、輸入或輸出口、輸入或輸出管道、或與器件168相連用于不同操縱的微粒源。盡管沒有給出圖示，儀器168需要與上述的部分或全部部件集成為一個(gè)完整工作器件(如圖2和圖16)。圖18B顯示了在微粒操縱器件168中的電極114上施加合適的相位和頻率的電壓信號，微粒可以沿著確定的線路輸運(yùn)。如上文所討論的，選擇不同的頻率和相位可以使微粒沿著不同的路線輸運(yùn)。這樣器件168可以操縱介電特性相近的一種或多種微粒。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體)的輸運(yùn)。在這樣的分析過程中，希望能夠?qū)⑻囟ǚN類的微粒在指定時(shí)間內(nèi)輸運(yùn)到器件的某處。這可以通過在電極上施加合適頻率和相位的電壓信號以在微粒上感應(yīng)出合適的行波介電電泳力來實(shí)現(xiàn)。在指定時(shí)間后，可以將這些富集的微粒再輸運(yùn)或操縱到另外的位置。這可以通過在電極上施加與富集時(shí)不同的合適頻率和相位的電壓信號以在微粒上感應(yīng)出合適的行波介電電泳力來實(shí)現(xiàn)。
可以使用如上所述及圖14A、14B，15A、15B、15C，和16A、16B、16C、16D中所示的方法操縱多種類型的微粒。例如圖16A-D中所示的分離方法可以對不同性質(zhì)的微粒進(jìn)行分類。圖18A-B中的器件為分離提供了額外的分辨能力。例如，根據(jù)圖18A，從電極組172輸運(yùn)到電極結(jié)構(gòu)170B的第一個(gè)分支170B-a上的微粒在合適的電信號作用下首先由電極結(jié)構(gòu)170B分離。從電極結(jié)構(gòu)170B的第二(170B-b)和第三(170B-c)分支分離的微粒將由電極結(jié)構(gòu)170A和170C進(jìn)一步分離。施加到電極結(jié)構(gòu)170A和170C上的電信號的頻率和相位應(yīng)仔細(xì)加以選擇，以使得輸運(yùn)到電極結(jié)構(gòu)170A和170C的第一分支(170A-a和170C-a)中的微粒在電極結(jié)構(gòu)170A和170C的第二(170A-b和170C-b)和第三分支(170A-c和170C-c)能進(jìn)一步的分離。
圖18A-B中器件的一個(gè)重要特點(diǎn)是是施加到每個(gè)電極結(jié)構(gòu)170A、170B、170C和172上的電信號是相互獨(dú)立的。這樣，器件可以使用多種不同的方式操縱和處理微粒。這些不同方式可以僅僅通過改變實(shí)驗(yàn)中施加在電極結(jié)構(gòu)上的電信號以實(shí)現(xiàn)。這樣操縱微粒的方式可以通過能控制施加到電極結(jié)構(gòu)上的電信號的程序來實(shí)現(xiàn)。例如，上段所描述的多種微粒的分離過程是，微粒從電極結(jié)構(gòu)170B的第一分支170B-a分類并輸運(yùn)到電極結(jié)構(gòu)170A、170C的第二分支(170A-b、170C-b)和第三分支(170A-c、170C-c)。通過簡單地改變施加到電極上電信號的相位順序，微粒也可以從電極結(jié)構(gòu)170C的第二分支(170C-b)輸運(yùn)并初步分離到電極結(jié)構(gòu)170C的第一分支(170C-a)和第三分支(170C-c)。分離到電極結(jié)構(gòu)170C的第一分支(170C-a)上的微?？稍陔姌O結(jié)構(gòu)170B上，然后是電極結(jié)構(gòu)170A上得到進(jìn)一步的操縱。
這里器件中的電極114可以使用光刻等微加工技術(shù)制作。圖19A、19B分別顯示了微粒開關(guān)芯片176和178的掩模圖。顯示這兩個(gè)微粒開關(guān)芯片中的微粒開關(guān)182和184的詳細(xì)照片在圖19C和19D中給出。這些芯片的詳細(xì)信息將在下文中“微粒開關(guān)的實(shí)例以及它們在微粒操縱中的應(yīng)用”部分給出。掩模圖176和178可以用來制作相應(yīng)的器件以完成本發(fā)明中的一些實(shí)體例子。圖2中的電極114可以用一層掩模版利用光刻技術(shù)制成，器件中只有一個(gè)電極層。圖3A、3B、4、16A-D、18A-B中的電極則要用多層掩模版利用光刻技術(shù)制成，器件中具有兩個(gè)或更多電極層。在兩個(gè)電極層之間沉積了一層介電絕緣層以實(shí)現(xiàn)所需的絕緣要求。這里所描述的多電極層排布與文獻(xiàn)中描述別的多導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)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”。這樣，可以使用一層或多層掩模版在基底上加工出電極，對那些熟悉光刻和微加工工藝的人也可以使用不同的加工規(guī)程在基底上加工出電極。
微加工規(guī)程包括許多基本步驟，如掩模的生成、沉積金屬層、沉積絕緣層、甩膠、在光刻膠層上光刻掩模圖案，在金屬層或絕緣層上制作結(jié)構(gòu)。電極可以使用金屬材料制成，如鋁、金、銀、錫、銅、鉑、鈀和碳，或者半導(dǎo)體材料，如摻磷的硅或其它只要能夠?qū)щ姷牟牧?。電極的基底可以是硅、塑料、玻璃、陶瓷或別的固體材料。固體材料可以是非致密的或致密的。熟悉微加工和微機(jī)械制造的人可以選擇合適的加工工藝和材料制作電極結(jié)構(gòu)。
為了使這里所描述的器件能夠正常運(yùn)作，被操縱的微粒必須限制于電極組上方的區(qū)域并沿著電極組移動(dòng)(如圖2中的微粒在分支110a上方轉(zhuǎn)運(yùn))。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，使用了如圖20A-C中所示的附加的電極。附加電極包括三個(gè)電極對，188a和188b，190a和190b，192a和192b。這些電極對188a和188b，190a和190b，192a和192b和電極組112a，112b，112c中的電極114幾本垂直。這些電極188a和188b，190a和190b，192a和192b可以使用與加工如圖2、圖14A-B、圖15A-C、圖16A-D、圖17A-B、圖18A-B中所示的電極結(jié)構(gòu)相類似的的方法和材料加工在基底200上。這樣基底200及圖2中相應(yīng)的基底115所使用的材料可以是硅、玻璃、陶瓷、塑料或其他固體?；撞牧峡梢允嵌嗫椎幕蛑旅艿?。和圖2所示的電極114相似，電極對188a和188b，190a和190b，192a和192b中的電極可以是任意厚度，只要電極的阻抗足夠小以使得施加在電極上的電壓在電極表面幾乎不變。電極對188a和188b，190a和190b，192a和192b中電極的厚度最好在0.001-10微米之間，最適宜的尺寸在0.1-1.0微米之間。這些電極的寬度可以在5-10000微米之間，最適宜的寬度是10-200微米之間。電極對188a和188b，190a和190b，192a和192b中的電極至少和相對應(yīng)的微粒開關(guān)中的分支的長度一致(如圖2中的分支110a，圖20B中的112a、112b、112c)。電極對之間的距離至少要于其下方和它集成的微粒開關(guān)的分支中的電極的寬度(如圖2中電極114的寬度)一致。
可以使用多種加工技術(shù)如光刻法對電極組188a和188b，190a和190b，192a和192b進(jìn)行加工。因?yàn)檫@些電極的用途是在由這些電極對構(gòu)成的通道中引導(dǎo)和限制微粒，所以稱它們?yōu)椤皩?dǎo)向電極”。如圖20B，導(dǎo)向電極基底200、微粒開關(guān)基底115和在這兩者之間的襯底126通常集成為一個(gè)器件208。導(dǎo)向電極的基底200作為器件208的頂蓋，導(dǎo)向電極朝向襯底126(即導(dǎo)向電極位于基底200與連接管相反的表面)，微粒開關(guān)基底115作為設(shè)備208的底盤。輸入輸出端口(104a，104b，104c)在頂蓋(如導(dǎo)向電極對所在的基底)上，分別與管道138a、138b和138c相連，通向外部微粒源及收集池(未顯示)。導(dǎo)向電極(如188a和188b)和微粒開關(guān)的電極分支(如112a)須適當(dāng)組合，如圖20C所示。電極對188a、188b、190a、190b、192a和192b基本垂直于電極組112a、112b和112c中的電極114。112a、112b和112c中的電極114由各自的導(dǎo)線118與焊盤122相連，焊盤122順次與信號發(fā)生器相連，如圖20B。類似地，每個(gè)電極對188a、188b，190a、190b，192a、192b通過導(dǎo)線196和焊盤198(如圖20A)與信號發(fā)生器(未顯示)相連。
導(dǎo)向電極基底和微粒操縱基底之間的距離(即圖20B中所示的襯底126的厚度)必須仔細(xì)選擇，這樣導(dǎo)向電極對才能產(chǎn)生足夠的常規(guī)介電電泳力作用于操縱器件基底上(如圖20B中的基底115)的微粒。如果襯底太厚，導(dǎo)向電極對由于不均一電場產(chǎn)生的常規(guī)介電電泳力比較小以至于不能對微粒起作用。襯底也不能太薄，必須至少大于待操縱微粒的尺寸。通過選擇施加在導(dǎo)向電極對118a和118b、190a和190b、192a和192b上的電信號，可以使得微粒由于受負(fù)向常規(guī)介電電泳力而被限制在由這些導(dǎo)向電極對形成的通道中運(yùn)動(dòng)。
圖21給出了一個(gè)包括四個(gè)分支的微粒開關(guān)113的微粒操縱裝置的俯視圖。除了具有四個(gè)分支部分，這個(gè)裝置和圖20A、圖20B和圖20C的裝置相似。分支部分包括分立的電極組113a、113b、113c和113d以及相對應(yīng)的導(dǎo)向電極對216a和216b、218a和218b、220a和220b、222a和222b。導(dǎo)向電極對制作在一種基底材料上(圖上沒有標(biāo)出)，而微粒開關(guān)113中電極組制作在另一種基底材料119上。從圖21可以清楚的看到，電極組中的電極113a、113b、113c和113d分別由導(dǎo)線226連接到順次和一個(gè)或是多個(gè)信號發(fā)生器(圖上沒有標(biāo)出)連接的焊盤224上，這樣信號發(fā)生器可以向這些電極提供電壓信號。導(dǎo)向電極對中的電極216a和216b、218a和218b、220a和220b、222a和222b分別通過導(dǎo)線228與焊盤232連接。每個(gè)導(dǎo)向電極對(216a和216b、218a和218b、220a和220b、222a和222b)依次和相應(yīng)的信號發(fā)生器236連接，以得到各自相對應(yīng)的電壓信號。
圖20A、20B和20C(以及圖21)中的實(shí)體例子中都包括能產(chǎn)生行波介電電泳力以引導(dǎo)微粒(如在微粒懸液中)和通過分支運(yùn)輸微粒(在圖2中已經(jīng)討論過)的電極組112a、112b、112c(還有圖21中的113a、113b、113c和113d)。導(dǎo)向電極對188a和188b、190a和190b、192a和192b(216a和216b、218a和218b、220a和220b、222a和222b)可以有多種使用方式，即可以通過常規(guī)介電電泳力使微粒從電極區(qū)域聚集到各個(gè)分支的中心區(qū)域或是使微粒遠(yuǎn)離這一區(qū)域。這樣，從微粒源(在圖20A、圖20B和圖21沒有顯示)引出的微?？梢杂行У谋灰龑?dǎo)通過這一裝置，避免了微粒移向產(chǎn)生行波介電電泳力的電極組外緣而產(chǎn)生的微粒的損失。圖20A、20B和20C(以及圖21)中的實(shí)體例子可以被推廣到陣列的形式，和圖18A和18B所描述的相似，構(gòu)成微粒開關(guān)的電極根據(jù)具體情況可以做成各種形狀和尺寸。
這一發(fā)明的另一實(shí)例涉及到一種對直流電場中運(yùn)動(dòng)的帶電微粒進(jìn)行運(yùn)輸和轉(zhuǎn)換的方法，這樣的電場可以使用這個(gè)發(fā)明中提到的裝置產(chǎn)生。圖22A、22B和22C描述了帶正電的微粒通過線狀、平行的電極組的過程。一組電極240a、240b、240c、240d和240e(原則上，可以使用任意一組編號的電極)相互分開，電極組可以制作在基底材料240上。包含帶電微粒244的微粒懸浮液被加入由電極240a、240b、240c、240d和240e組成的電極組附近。通過對電極240a、240b、240c、240d和240e施加一定的電壓，可以使得微粒244被吸引到其中一個(gè)電極上。例如，如果微粒244如圖22A所示帶正電荷，那么可以在一個(gè)電極(如電極240b)上施加負(fù)的電壓信號，這樣該電極帶負(fù)電荷，可以吸引微粒244；同時(shí)，別的電極(如240a、240c、240d和240e)上施加正的電壓信號，以使這些電極帶有正電荷，排斥微粒244，使得微粒244聚集到帶負(fù)電荷的電極240b附近。一旦帶正電荷的微粒244被吸附到電極240b上，通過一邊減小電極240b上施加的電信號的幅值，一邊在另一個(gè)臨近的電極(如電極240c)上施加負(fù)的電壓信號，可以把微粒轉(zhuǎn)移到臨近的電極上(如圖22B)。當(dāng)施加在電極240b上的電信號降低到一定的值，或/和施加在電極240c的電信號增強(qiáng)到一定的程度，微粒244就會(huì)從電極240b上轉(zhuǎn)移到臨近的電極240c上。如圖22B中所示，將微粒從電極240b上轉(zhuǎn)移到電極240c上的最簡單的方法就是翻轉(zhuǎn)電極240b上施加電信號的極性(轉(zhuǎn)為正信號)，同時(shí)對電極240c施加負(fù)的電壓信號，而對其余電極240a、240d和240e繼續(xù)施加正的電壓信號。如圖22c所示，可以通過這樣的方式把帶電微粒從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極，最好每次都是從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)臨近的電極上。這樣，和行波介電電泳相似，通過對電極組施加一定的電信號，可以實(shí)現(xiàn)對帶電微粒的移動(dòng)。
圖22A、圖22B和圖22C中描述的微粒運(yùn)動(dòng)是由于處于直流電場中的帶電微粒受到介電電泳力造成的。在這種方法中，由于施加的電勢信號可以有效的從一個(gè)電極變換到另一個(gè)電極上，正如“電勢信號的行波”一樣，所以帶電微粒的運(yùn)動(dòng)過程被定義為行波介電電泳。為了把一種帶正電的微粒定向移動(dòng)(如圖22A-22C)，就需要沿著微粒運(yùn)動(dòng)的方向把負(fù)的電勢信號依次施加到電極組上。相反，如果要把一種帶負(fù)電的微粒定向移動(dòng)，就需要沿著微粒運(yùn)動(dòng)的方向把正的電勢信號依次施加到電極組上。這種方法的關(guān)鍵在于帶電微粒在電極組上的運(yùn)動(dòng)和施加在電極組上的電勢信號是同步的。每一次將相應(yīng)的電勢信號變換到下一個(gè)電極上的時(shí)候，都會(huì)使帶電微粒轉(zhuǎn)移到下一個(gè)電極上。即，這種基于行波介電電泳的微粒運(yùn)輸?shù)姆椒ㄖ荒軐щ娢⒘＿m用。
圖23A是一個(gè)包括三個(gè)分支用以運(yùn)輸和變換帶電微粒240的裝置295的原理圖，使用的方法和圖22A、圖22B和圖22C中描述的一致。裝置中可以使用任意多個(gè)分支，而且可以根據(jù)圖18A和圖18B中所描述的設(shè)備構(gòu)建更大些的陣列。圖23A中的三組電極254(250a、250b、250c)通過共同連接處258連接在一起。這三組電極250a、250b、250c中的單個(gè)電極254都通過不同的導(dǎo)線270接到焊盤278上。這樣，這三組電極相互獨(dú)立，可以分別與至少一個(gè)信號發(fā)生器(圖中沒有給出)連接。為了應(yīng)用圖23A中所描述的操縱帶電微粒的器件，需要構(gòu)建和圖2(或是圖16-21)中所描述的相似的裝置。為了實(shí)現(xiàn)對帶電微粒的操縱和運(yùn)輸，需要對電極組施加合適的電信號。
圖23B給出了一個(gè)實(shí)例，通過在電極上施加圖23A所示的隨時(shí)間變化的電勢信號，以實(shí)現(xiàn)對帶電微粒的操縱。所施加的信號序列編為1、2、3、4，1’、2’、3’、4’，1”、2”、3”、4”。圖23A中的每一個(gè)焊盤278也編上號，并與相應(yīng)的序列信號相連。這樣的信號可以使得帶正電的微粒從電極組250a經(jīng)過電極組250b，轉(zhuǎn)移到電極組250c上。施加在電極254上的電勢信號要能夠使帶電微粒限制在分支中運(yùn)動(dòng)，或是能夠通過分支接合部258在分支之間轉(zhuǎn)移帶電微粒。在分支之間轉(zhuǎn)移帶電微粒的關(guān)鍵在于，通過分支接合部258相對的電極上施加的電勢信號要基本同步。例如，為了將帶負(fù)電的微粒從分支250a轉(zhuǎn)移到分支250b，當(dāng)帶電微粒轉(zhuǎn)移到分支中的電極250a-x時(shí)，下一步應(yīng)該把施加在這個(gè)電極上正電勢信號轉(zhuǎn)到分支250b的電極250b-y上。
在電極上施加不同的電信號可以實(shí)現(xiàn)對帶電微粒的不同操縱和運(yùn)輸。例如，這個(gè)設(shè)備可以用于操縱和變換帶負(fù)電的微粒。這樣，用這種設(shè)備就可以分離帶負(fù)電的和不帶電的微?；蚴怯糜趨^(qū)別帶正電和帶負(fù)電的微粒。例如，下列步驟可以用于分離不帶電荷和帶正電荷的微粒。圖24A中標(biāo)出了兩種微粒，即微粒244和微粒294(帶正電荷的微粒244用白圈表示，并標(biāo)上正號，而不帶電荷的微粒用黑圈表示)。帶有這兩種微粒的溶液被引入含有如圖24A所示的帶電微粒操縱芯片295的器件中。這個(gè)裝置使用帶電微粒操縱芯片295，并按照圖2的設(shè)置構(gòu)建。圖24A顯示，當(dāng)微?；旌弦簞倓偧尤肫骷r(shí)，兩種微粒244和294在微粒開關(guān)250的分支中隨機(jī)分布。當(dāng)按照圖23A和23B，在芯片295的電極254上施加一定的電信號后，帶正電荷的微粒244向分支250c輸運(yùn)，而不帶電荷的微粒294保持靜止，仍然留在微粒開關(guān)250中(如圖24B)。在這里，微粒開關(guān)250的功能是一個(gè)微粒分離器，帶正電荷的微粒244被有效的富集在某個(gè)分支的末端，并可以通過引出管道在器件外對其進(jìn)行收集。
圖24A和圖24B所示的分離帶正電荷微粒和不帶電荷微粒的方法可以擴(kuò)展到分離帶負(fù)電荷微粒和不帶電荷微粒以及帶正電荷微粒和帶負(fù)電荷微粒的應(yīng)用中去。
關(guān)于行波介電電泳效應(yīng)，必須考慮到以下的一些問題。第一，直流電場易于在電極表面產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的電化學(xué)效應(yīng)，使用相對較小的電勢信號可以有助于避免在轉(zhuǎn)移微粒的溶液中發(fā)生不希望出現(xiàn)的電解效應(yīng)，如水解；第二，由于電極化效應(yīng)，交流電壓信號在電極-溶液界面會(huì)發(fā)生衰減，這樣只有小幅值的交流電壓信號真正施加到溶液中相鄰的電極上以產(chǎn)生轉(zhuǎn)移帶電微粒的交流電場。當(dāng)選擇施加到電極上電信號的幅值時(shí)，必須考慮到這一效應(yīng)。
此外，最好在電極表面覆蓋一薄層絕緣體或是一薄層生物相容性物質(zhì)。在行波介電電泳微粒開關(guān)中，可以在電極表面或是電極所在的基底材料表面上覆蓋一薄層多孔或是致密的材料。這一薄層物質(zhì)可以防止微粒粘附在電極的表面。例如，電極表面覆蓋的疏水層可以防止帶有親水表面的微粒的吸附。其它種類的功能型覆蓋層，例如親水層，也可以根據(jù)需要應(yīng)用。另外，這些覆蓋層中也可以引入功能型分子，這些分子可以結(jié)合或固定待操縱的靶微粒。
微粒開關(guān)的實(shí)例以及它們在微粒操縱中的應(yīng)用通過單層光刻技術(shù)可以在玻璃基底(1mm厚)上制作出兩種類型的微粒開關(guān)?；咨想姌O的設(shè)計(jì)方案和圖2中所描述的相似。每一個(gè)微粒開關(guān)中包含三個(gè)由電極組組成的分支，其中每個(gè)分支由八個(gè)電極(而不是如圖2中所示每個(gè)分支僅僅有四個(gè)電極)組成。每個(gè)分支中的八個(gè)電極分別連接到相應(yīng)的焊盤(位于正方形芯片的兩邊上)上，如圖19A、19B、19C和19D所示，圖19A和19B分別是兩類制作微粒開關(guān)的掩模圖，圖19C和19D是制成后微粒開關(guān)的照片。例如在圖19A和19C中，頂部分支中的電極1、3、5、7被連接到位于芯片右側(cè)的焊盤上，而頂部分支中的電極2、4、6、8被連接到位于芯片左側(cè)的焊盤上。單個(gè)電極和焊盤之間這樣的連接方式和圖3B中所示的一致。在圖19A和19B中元件用黑色表示，如黑色的導(dǎo)線和焊盤，分別對應(yīng)于相應(yīng)的電極。而圖19C和19D中，則用白色代表相應(yīng)的電路元件。如圖19C所示的第一類微粒開關(guān)，每個(gè)分支在靠近微粒開關(guān)的共同連接處的兩個(gè)電極的形狀是彎曲的，方向指向共同連接處，另外六個(gè)電極是線狀平行的。至于如圖19D所示的第二類微粒開關(guān)，每個(gè)分支中的八個(gè)電極的形狀都是夾角為120度的折線形，方向指向共同連接處。圖中位于頂部的兩個(gè)較大的電極(圖19A中的176c和圖19B中的178c)的作用是，將受其它效應(yīng)(如流體力)作用進(jìn)入微粒開關(guān)的微粒限制在開關(guān)中。電極的寬度和電極之間的間距的設(shè)計(jì)值是30微米，制作后電極的寬度為25微米，電極間距為35微米。電極通過掩模版用光刻方法制造在基底上。電極的制作方法是在鈦種子層(約25納米)上鍍上一層金(約200納米)。金屬層(金和鈦)是通過蒸發(fā)或?yàn)R射的方法沉積在基底(如玻璃)上的。我們把做有微粒開關(guān)電極組的基底稱為微粒開關(guān)芯片。微粒開關(guān)是邊長約2.5厘米的方形結(jié)構(gòu)。
微粒開關(guān)中的所有導(dǎo)線都連接到焊盤的邊緣。由信號發(fā)生器產(chǎn)生的4相位電信號通過焊盤施加到相應(yīng)的電極上。為了能在試驗(yàn)中方便的改變施加在電極上的電信號的相位順序，在電路中應(yīng)使用四刀雙擲開關(guān)。
和圖20A中所示相似的導(dǎo)向電極同樣也制作在玻璃基底上。和微粒開關(guān)中的電極相似，導(dǎo)向電極的制作也是在鈦種子層(約25納米)上鍍上一層金(約200納米)，使用單層掩模光刻技術(shù)。每個(gè)導(dǎo)向電極(如電極188a)約500微米長50微米寬。我們把做有導(dǎo)向電極的玻璃基底稱為導(dǎo)向電極芯片。
和圖20B中器件的結(jié)構(gòu)相似，可以將導(dǎo)向電極芯片和微粒開關(guān)芯片集成做成一個(gè)完整的器件。其中，位于底部的微粒開關(guān)芯片上電極的設(shè)計(jì)選用圖19B和圖19D中所示的折線形構(gòu)型；襯底僅僅使用兩根直徑約80微米的導(dǎo)線；再將導(dǎo)向電極芯片作為頂蓋。導(dǎo)向電極芯片和微粒開關(guān)芯片僅僅由兩根導(dǎo)線隔開，芯片的兩邊粘合，而另兩邊敞開，以便于微粒懸浮液的引入。
這是一個(gè)使用微粒開關(guān)器件對稀釋的人血進(jìn)行微粒操縱的例子。首先，用質(zhì)量百分比為8.5％的蔗糖等滲緩沖液按1∶100的比例稀釋血液原液。通過一個(gè)開口將稀釋后的血液加入器件。血細(xì)胞，主要是血紅細(xì)胞，初始時(shí)隨機(jī)的分布在微粒開關(guān)的電極組中。然后，通過焊盤向各個(gè)分支中的電極施加頻率在10KHz至100KHz之間，電壓峰峰值在3V至6V之間的4相位電信號。信號相位順序如圖5A-12A所示。在這樣的頻率范圍內(nèi)，血紅細(xì)胞的行波介電電泳極化因子為正值(ζtwDEP＞0)，在行波介電電泳力的作用下，血紅細(xì)胞將沿著與行波電場相反的方向運(yùn)動(dòng)，或是沿著電信號相位增加的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)將如圖7A所示的電相位順序施加在電極上時(shí)，位于各個(gè)分支的血紅細(xì)胞將從分支的共同連接處被輸運(yùn)到分支外的區(qū)域。當(dāng)將如圖10A所示的電相位順序施加在電極上時(shí)，位于各個(gè)分支的血紅細(xì)胞將集中到分支間的共同連接處。當(dāng)將如圖5A，8A和11A所示的電相位順序施加在電極上時(shí)，在其中一個(gè)分支(這個(gè)分支中，施加在電極上的電信號的相位越靠近共同連接處越高)的血紅細(xì)胞將向共同連接處運(yùn)動(dòng)，而另外兩個(gè)分支中的血紅細(xì)胞將沿著分支的方向向遠(yuǎn)離共同連接處運(yùn)動(dòng)。當(dāng)將如圖6A，9A和12A所示的電相位順序施加在電極上時(shí)，在其中一個(gè)分支(這個(gè)分支中，施加在電極上的電信號的相位越靠近共同連接處越高)的血紅細(xì)胞將沿著分支的方向向遠(yuǎn)離共同連接處運(yùn)動(dòng)，而另外兩個(gè)分支中的血紅細(xì)胞將向共同連接處運(yùn)動(dòng)。
在這些試驗(yàn)中，導(dǎo)向電極所施加的電信號的電壓峰峰值為2-10V，頻率為5至20KHz。
以上描述了本發(fā)明的多個(gè)實(shí)體例子。雖然本發(fā)明是通過上述實(shí)體例子加以描述的，但是上述的描述僅僅起解釋和說明本發(fā)明的作用，并不意味著本發(fā)明僅僅包括上述的部分。對于領(lǐng)會(huì)了本發(fā)明的核心和精髓(在權(quán)利要求部分有詳細(xì)的說明)的專業(yè)人士可以對上述本發(fā)明的實(shí)體例子進(jìn)行一定程度的修改，以進(jìn)一步擴(kuò)展本發(fā)明的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生行波電場的裝置，包括至少三個(gè)電路連接上相互獨(dú)立的分支，每個(gè)分支包含一組電極，當(dāng)在所述各分支的電極上施加不同相位的電信號時(shí)，可在各個(gè)分支中產(chǎn)生行波電場，其中各分支在一個(gè)公共的連接處交會(huì)。
2.一種用于產(chǎn)生行波電場的裝置，包括至少三個(gè)電極組，當(dāng)在電極上施加不同相位的電信號時(shí)，各電極組可在其限定的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生行波電場，其中所述各電極組在電路連接上是相互獨(dú)立的，并在一個(gè)公共的連接處交會(huì)。
3.一種用于操縱微粒的裝置，包括至少三個(gè)在電路連接上相互獨(dú)立的電極組構(gòu)成至少三各分支，其中當(dāng)對在所述各組的電極上施加不同相位的電信號后，所述各電極組可在各自分支中的微粒上產(chǎn)生行波介電電泳力，用來沿各分支移動(dòng)微粒；所述各分支在一個(gè)公共的連接處交會(huì)，以使得行波介電電泳力可將微粒從一個(gè)分支輸運(yùn)到另一個(gè)分支。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述至少三個(gè)電極組就是三個(gè)電極組。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述的三個(gè)電極組取向?yàn)橄嗷ブg夾角為120度。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述的至少三個(gè)電極組是四個(gè)電極組。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述的四個(gè)電極組取向?yàn)橄嗷ブg夾角為90度。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述的各電極組至少含有三個(gè)電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，還包括與一微粒源和至少一組上述的電極組液體連通的輸入管道。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，還包括與另一組上述的電極組液體連通的輸出管道，該輸出管道與一輸出池液體連通。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述的至少三個(gè)電極組都被安排在一個(gè)固體基底上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述的基底的材料可以從硅、玻璃、陶瓷和塑料等材料中選擇。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，還包括一塊基底，其上排布有上述的電極組；一個(gè)頂蓋，至少含有一個(gè)端口以使所述輸入管道從中通過；一個(gè)位于所述基底和頂蓋之間的襯墊，襯墊具有一開口，待被操縱的微粒通過所述的輸入管道被引入到那里。
14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，還包括至少一個(gè)電信號發(fā)生器，這個(gè)信號發(fā)生器可以對所述電極組中的各電極施加交流電壓信號，其中所述施加到所述各電極組中的電極上的電壓的相位選擇為使沿著上述分支分別產(chǎn)生行波電場。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中所施加的電信號的相位分別為0、90、180、270度。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，還包括從上述電極引出的連接到焊盤的導(dǎo)線，焊盤都至少與一個(gè)信號發(fā)生器相連。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中任何一個(gè)給定的電極組中的各電極都應(yīng)該連接到不同的焊盤上。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，在其中任何一個(gè)給定的電極組中，相鄰的電極連接到不同的焊盤上，而一個(gè)以上的電極連接到所述焊盤的至少一個(gè)上。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，施加在相鄰電極上的電信號是不同相的。
20.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，還包括一個(gè)電路連接上獨(dú)立的線狀的電極組，其位于所述電極組之一的附近，這個(gè)線狀電極組可以產(chǎn)生行波電場。
21.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，待操縱的微粒包括生物物質(zhì)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中所述的生物物質(zhì)至少是細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞聚集體、生物分子包被的微珠體、及實(shí)體分子和結(jié)合體組成的復(fù)合物中的一種。
23.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，待操縱的微粒也可以包括非生物的物質(zhì)。
24.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，包括至少一個(gè)靠近該公共連接處的電極具有指向公共連接處的彎曲的構(gòu)型。
25.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中的電極具有尖角狀的構(gòu)型。
26.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中電極組中電極的構(gòu)型是同心的圓弧，越靠近公共連接處的電極的尺寸越小。
27.一種用于操縱微粒的裝置，包括第一電極組，當(dāng)在該電極組中的電極上施加不同相位的電信號時(shí)能在其中的微粒上產(chǎn)生行波介電電泳力，以沿著一分支移動(dòng)微粒；以及第二電極組，當(dāng)在該電極組中的電極上施加一定的電信號時(shí)，可以產(chǎn)生一個(gè)使得所述微粒趨向所述分支的中心區(qū)域的力。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，所述的第一電極組制作在第一基底上，而所述的第二電極組制作在第二基底上，這兩個(gè)基底被襯墊部分隔開。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，還至少包括三個(gè)第一電極組和至少三個(gè)第二電極組，每個(gè)第一電極組都和一個(gè)第二電極組一一對應(yīng)，至少三個(gè)分支在一個(gè)公共連接處交會(huì)，以使得微粒在行波介電電泳力的作用下，能夠從一個(gè)分支被輸運(yùn)到另一個(gè)分支。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述的第二電極組可以對分支中的微粒施加常規(guī)介電電泳力。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置，其中所述的第二電極組在方向上和第一電極組基本垂直。
32.一種用于操縱微粒的裝置，包括相互連接的單元陣列，其中各單元包括至少三個(gè)電路連接上相互獨(dú)立的電極組構(gòu)成至少三個(gè)分支，當(dāng)在各電極組中的電極上施加不同相位的電信號時(shí)，各電極組能在微粒上產(chǎn)生行波介電電泳力，以沿著各自的分支移動(dòng)微粒，各個(gè)分支在一個(gè)公共的連接處交會(huì)，以使得微粒在行波介電電泳力的作用下，能夠從一個(gè)分支輸運(yùn)到另一個(gè)分支。
33.一種輸運(yùn)微粒的方法，包括提供多個(gè)相互分立的電極；在第一個(gè)電極上施加第一極性的電壓信號，以吸引具有和所施加信號相反極性電荷的微粒；在第二個(gè)電極上施加第一極性的電壓信號，同時(shí)減小施加在第一個(gè)電極上電壓信號的幅值，以使得帶電微粒從第一個(gè)電極上被吸附到第二個(gè)電極上，以實(shí)現(xiàn)將微粒輸運(yùn)到第二個(gè)電極這一過程；對其他電極重復(fù)所述輸運(yùn)步驟，以逐步地輸運(yùn)微粒。
34.根據(jù)權(quán)利要求33中的方法，所述的多個(gè)電極包括至少三個(gè)電極組構(gòu)成三個(gè)分支，各電極組可以對帶電微粒產(chǎn)生力，以沿著各自的分支移動(dòng)帶電微粒，各個(gè)電極組在電路連接上相互獨(dú)立的，各個(gè)分支在一個(gè)公共的連接處交會(huì)，以使得帶電微粒能夠從一個(gè)分支被輸運(yùn)到另一個(gè)分支。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，所述的減小第一電極上的電壓信號的幅值的操作也包括反轉(zhuǎn)第一電極的極性。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，所述的輸運(yùn)包括將和第一個(gè)電極上所施加電壓信號極性相反的電壓信號施加到除了第二電極外的所有電極上。
37.一種微粒分類的方法，方法包括得到權(quán)利要求3中所述的裝置；將至少含有兩種微粒的樣品導(dǎo)入裝置；在權(quán)利要求3所述的公共連接處產(chǎn)生行波介電電泳力，以使得至少一種微粒從沿著第一方向輸運(yùn)，而至少另一種微粒從所述的公共連接處沿著第二方向輸運(yùn)。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，行波介電電泳力通過向各電極組施加電壓信號產(chǎn)生。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，還包括首先鑒別出至少一種微粒，然后再把微粒引入所述的公共連接處，根據(jù)該鑒別步驟的結(jié)果向各組電極施加電壓信號。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，所述的鑒別微粒的步驟包括檢測微粒的熒光。
41.一種混合不同微粒的方法，包括向根據(jù)權(quán)利要求3的裝置的第一分支引入至少第一種微粒；向根據(jù)權(quán)利要求3的裝置的第二分支引入至少第二種微粒；以及將至少這兩種微粒輸運(yùn)到所述的公共連接處混合。
42.一種富集微粒的方法，包括向根據(jù)權(quán)利要求3的裝置的至少第一和第二分支引入微粒；將微粒輸運(yùn)到所述的公共連接處被富集。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，包括將微粒引入到裝置的至少三個(gè)分支；將至少三個(gè)分支中的微粒輸運(yùn)到所述的公共連接處被富集。
44.一種分配微粒的方法，包括把微粒引入根據(jù)權(quán)利要求3的裝置的公共連接處；把微粒從公共連接處分配到至少兩個(gè)分支中去。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的方法，包括將微粒從結(jié)合處分配到三個(gè)分支中去。
46.一種分離第一種微粒和第二種微粒的方法，其中該第一和第二種微粒被分布在根據(jù)權(quán)利要求3的裝置上，該方法包括對第一種微粒施加常規(guī)介電電泳力以使其保持靜止；對第二種微粒施加行波介電電泳力以使其運(yùn)動(dòng)，從而與第一種微粒相分離。
47.根據(jù)權(quán)利要求46的方法，包括使第一種微粒受到電極的吸引，被介電電泳力維持在原位置。
48.根據(jù)權(quán)利要求46的方法，包括使第二種微粒在一個(gè)分支的末端被收集。
49.根據(jù)權(quán)利要求46的方法，所述的分離過程為在相應(yīng)的電極上施加不同頻率的電信號，不同頻率的電信號與兩種微粒的相互作用不同，從而使得第一種微粒在原位置保持靜止，而第二種被輸運(yùn)，從而得以分離。
50.根據(jù)權(quán)利要求46的方法，兩種微粒是以微粒懸液的方式引入裝置的。
51.根據(jù)權(quán)利要求46的方法，還包括從第一種和第二種微?；旌弦褐蟹蛛x第三種微粒。
52.一種從第二種微粒中分離第一種微粒的方法，包括向根據(jù)權(quán)利要求3的裝置中連續(xù)通入含有上述兩種微粒的微粒懸液；對第一種微粒施加常規(guī)介電電泳力，以使得第一種微粒被電極吸引，從而被常規(guī)介電電泳力維持在原位置；而同時(shí)第二種微粒隨著流體流動(dòng)，從而與第一種微粒分離；停止液體的通入；在電極上施加合適頻率的電信號，以使得第一種微粒由于受到行波介電電泳力而得以輸運(yùn)。
53.一種從第一種微粒中分離第二種微粒的方法，包括向根據(jù)權(quán)利要求20的裝置中連續(xù)通入含有上述兩種微粒的微粒懸液；在所述線狀電極上施加合適的電壓信號，從而使得第一種和第二種微粒受到常規(guī)介電電泳力，以使得第一種和第二種微粒被線性電極的電極吸引，從而被常規(guī)介電電泳力維持在原位置；停止液體的通入；在所述至少三個(gè)電極組上施加合適頻率和相位的電信號，以使得第一種微粒由于受到行波介電電泳力而被輸運(yùn)到某一個(gè)分支的末端，而第二種微粒被輸運(yùn)到另一個(gè)分支的末端。
全文摘要
給出了一種作為微粒開關(guān),可以輸運(yùn)或是重新定向懸液中的微粒。開關(guān)包括至少三個(gè)結(jié)構(gòu)分支,并且分支在一個(gè)公共的連接處交會(huì)。微粒受到分支作用于其上的力而沿著分支輸運(yùn)。微粒可以從分支的末端被輸運(yùn)出或進(jìn)微粒開關(guān)。微粒可以在分支之間被輸運(yùn)。根據(jù)微粒的性質(zhì),輸運(yùn)的機(jī)制可以是行波介電電泳,也可以是行波電泳。
文檔編號H02N11/00GK1346053SQ0012904
公開日2002年4月24日 申請日期2000年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月27日
發(fā)明者王小波, 楊衛(wèi)平, 許俊泉, 程京, 吳鐳 申請人:清華大學(xué), 騰隆科技公司