專利名稱：用于粒子分離和量化的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分離具有不同物理屬性的粒子、和/或測量粒子數(shù)量或尺寸的方法和設(shè)備。本發(fā)明主要應(yīng)用于生物樣本的分析和分離。
背景技術(shù)：
G.Medoro的專利申請PCT/WO 00/69565描述了一種使用介電電泳電勢的封閉籠(closed cage)來操作和定位粒子的設(shè)備和方法。此外，PCT/WO 00/69565講授了分離方法。第一種方法是基于對不同細(xì)胞種群的負(fù)(NDEP)和正(PDEP)的介電電泳(DEP)的差動作用，如果粒子都遭受NEDP或PDEP，則不可能區(qū)分粒子。而其他分離方法要求使用來自于設(shè)備中集成的傳感器的信息，當(dāng)沒有這種傳感器時，無法實施分離方法。
已知許多其他分離方法，但都要求使用液體流動，因為這要求產(chǎn)生控制良好的流體，所以在許多應(yīng)用中這是不希望的特性。在Electrophoresis 2002，23，2569-2582M.P.Hughes、Electrophoresis2002，23，1973-1983P.R.C.Gascoyne，j.Vykoukal以及相關(guān)文獻(xiàn)參考中給出了對這些方法的評論，主要關(guān)注于介電電泳的使用。
特別地，授予Becker等的專利US 5,888,370中講授了使用介電電泳來確定液流的速度圖(speed-profile)中的粒子高度，之后執(zhí)行粒子的分離。
其他基于介電電泳的分離方法不要求使用液流，但是它們使用所謂的行波(TWD)。這些方法基于在經(jīng)適當(dāng)相移的射頻(例如，0、90、180、270度)上的正弦電壓電極陣列中的應(yīng)用。結(jié)果產(chǎn)生以一速度(VTW)在空間中傳播的電場，該速度(VTW)等于電極之間的距離，以單個正弦電壓的周期來劃分相同的相位。在粒子上感應(yīng)的極化與產(chǎn)生極化的電場之間的相移引起粒子以小于VTW的幅度量級的速度、與極化非同步地平移。因此，在分離之后，不可能保持對粒子位置的精確控制，而這種精確控制在許多應(yīng)用中是需要的，例如，希望通過將粒子放置在傳感器上來確定所分離粒子的數(shù)量。
本發(fā)明廢除了已知技術(shù)的局限，即使粒子遭受相同的力(例如，NDEP)，本發(fā)明也可以分離粒子，本發(fā)明不需要液流，并可以在分離或測量期間和之后，保持對粒子位置的控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及使用時變的非均勻力場來分離粒子的方法和設(shè)備。力場可以是針對介電電泳(正或負(fù))、電泳或電水利運動的，其特征在于針對粒子的穩(wěn)定平衡點集合。
當(dāng)受到力場作用時，粒子的物理屬性確定粒子的移動速度。第一目標(biāo)是隔離受到力場影響最多的粒子，換言之，最快的粒子。第二目標(biāo)是隔離受到力場影響較少的粒子，換言之，稍慢的粒子。第三目標(biāo)是沿一個方向分離受到力場影響最多的粒子，并沿相反方向分離受到影響較少的粒子。另一目標(biāo)是間接地量化一種類型的粒子群，以確定該粒子群的響應(yīng)速度或單個粒子的尺寸。
在所述方法的一個方案中，使場的穩(wěn)定平衡點以一定速度在空間中平移，所述速度基本上與樣本中最快粒子的平移速度相當(dāng)，從而只有最快粒子通過改變位置而跟隨場的穩(wěn)定平衡點，而最慢粒子不受影響。
根據(jù)本發(fā)明，這些平衡點的平移也可以以變化的速度進(jìn)行，當(dāng)這按照與具有空間周期性的場有關(guān)的周期規(guī)律發(fā)生時，是特別有用的。在所述方法的一個方案中，具有空間周期性的力場的平衡點沿第一方向高速平移一段時間，以引起等于場的空間周期的移動，并沿與第一方向相反的第二方向低速平移一段時間，以消除場的整體移動，從而引起最慢粒子沿第二方向平移，而最快粒子沒有移動。
在所述方法的另一方案中，場的平衡點沿第一方向高速平移一段時間，以引起與場的空間周期減去對應(yīng)于產(chǎn)生該場的電極的周期的量相等的移動，從而引起最快粒子沿第一方向平移、以及最慢粒子沿相反方向平移。
在所述方法的另一方案中，受到重力作用的粒子經(jīng)受所施加的力的影響的不同衰減，從而引起移動速度的變化，由此確定粒子的分離。
在所述方法的另一方案中，通過介電電泳的力將粒子分群，并利用粒子對場的平移的不同響應(yīng)速度，間接地確定群中粒子的數(shù)量或粒子的尺寸。
本發(fā)明的另一方案是可以有利地實施前述方法中的一些的設(shè)備，所述設(shè)備只包括被施加了不同時變電勢的兩個電極陣列。
以下，術(shù)語“粒子”將用于指示微米或納米的、自然或人工的實體，例如細(xì)胞、亞細(xì)胞成分、病毒、脂質(zhì)體、類脂質(zhì)體(niosome)、微珠(microbead)和納珠(nanobead)；或者甚至更小的實體，例如宏分子、蛋白質(zhì)、DNA、RNA等；以及懸浮介質(zhì)中的不溶合液滴，例如水中的油或油中的水。


圖1示出了用電極陣列產(chǎn)生力場的原理。
圖2示出了聚苯乙烯(polystyrene)的微珠的平移速度的一些實驗數(shù)據(jù)和仿真。
圖3示出了使用以恒定速度傳播的場進(jìn)行分離的原理。
圖4示出了使用以逐漸增大的速度傳播的場進(jìn)行分離的原理。
圖5示出了通過周期性場的周期性平移來分離最快粒子。
圖6示出了通過不同場配置的周期性場的周期性平移來分離最快粒子。
圖7示出了通過周期性場的周期性平移來分離最慢粒子。
圖8示出了通過周期性場的周期性平移來沿相反方向分離最快粒子和最慢粒子。
圖9示出了沿相反方向分離的實驗結(jié)果。
圖10示出了使用強度逐漸減小的平移場進(jìn)行分離。
圖11示出了粒子群的速度與構(gòu)成該群的粒子數(shù)目之間的關(guān)系圖。
圖12示出了由相同均質(zhì)材料形成的粒子的速度與粒子直徑之間的關(guān)系圖。
圖13示出了確定成群(或單個)粒子的臨界速度以確定粒子數(shù)目(或直徑)的原理。
圖14示出了僅使用兩個穩(wěn)定平衡點集合來進(jìn)行分離的原理。
圖15示出了執(zhí)行僅使用兩個穩(wěn)定平衡點集合的分離方法的設(shè)備。
具體實施例方式
本發(fā)明的目的是創(chuàng)造一種根據(jù)粒子的物理屬性或量化、或者對其尺寸的確定來分離粒子的方法和設(shè)備。所述方法是基于使用非均勻力場(F)的。例如，該場可以是負(fù)(NDEP)或正(PDEP)介電電泳(DEP)場、電泳場(EF)或電流體動力(electrohydrodynamic)運動(EHD)場。
力場的產(chǎn)生圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)、使用在至少一個基片(SUB，SUB2)上制成的電極陣列(EL)產(chǎn)生力場的一些方法。蓋子(cover)(LID)本身也可以是電極，它包圍著微室，在使用時，微室中填充具有特定粘度的液體。在DEP的情況下，所施加的電壓是相位(+)和反相位(-)形式的周期性電壓(優(yōu)選的是正弦)?？衫斫猓聪辔坏碾妷菏窍嘁屏?80度的電壓。該場產(chǎn)生同時作用于較快粒子(FP)和較慢粒子(SP)的力(F)，兩種粒子被吸引朝向平衡點(PEQ)。根據(jù)所施加電壓的配置，可以識別與穩(wěn)定平衡點(PEQ)的位置相對應(yīng)的坐標(biāo)(DEPC)、以及與不穩(wěn)定平衡點相對應(yīng)的坐標(biāo)(WS)(即不同穩(wěn)定平衡點的吸引域的邊界)。這些線理想地形成一種分水嶺，該分水嶺確定粒子易于向哪個穩(wěn)定平衡點移動。在負(fù)DEP(NDEP)的情況下，如果蓋子(LID)是導(dǎo)電電極，則可以制成封閉力籠。平衡點(PED)通常在液體中相比于電極的特定高度處，所以當(dāng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，粒子(SP，F(xiàn)P)是懸浮的。在正DEP(PDEP)的情況下，平衡點(PEQ)通常與其上形成有電極的表面相對應(yīng)，當(dāng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，粒子(SP，F(xiàn)P)與該表面接觸。對于PDEP，因為PDEP的平衡點與電場的最大強度相對應(yīng)，所以蓋子中不必具有附加電極。
在可以限定電極的周期性(EPIT)的情況下，該場可以具有空間周期性(CPIT)，該空間周期性(CPIT)是電極的周期性(EPIT)的倍數(shù)。
分離屬性當(dāng)力場(F)的穩(wěn)定平衡點移動了一個步幅(EPIT)，從而改變施加到電極(EL)上的電壓(+，-)配置時，粒子朝著新的平衡點會聚，進(jìn)行會聚的時間大致取決于粘滯摩擦力與場(F)的力之比。圖2示出了根據(jù)施加到電極上的正弦電壓的峰峰幅度，在力場平衡點移動EPIT步幅(在特定情況下，等于25μm)之后，直徑分別為3μm和10μm、受到NDEP作用的聚苯乙烯微珠完成等于半個EPIT步幅的移動所必需的時間的一些實驗數(shù)據(jù)和仿真。對于相同的粒子材料，場(F)的力與體積(即，半徑的立方)成比例，而粘滯力與半徑成比例，所以具有更大半徑的粒子(FP)將比半徑更小的粒子(SP)移動地更快。根據(jù)本發(fā)明，如下所述地利用這種效應(yīng)來分離粒子、量化粒子群或確定這種粒子的尺寸。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，顯然速度差別也可能發(fā)生在直徑相同(相同的粘滯摩擦力)的粒子上，在這種粒子上，力場(F)的作用強度不同。在這種情況下，受到力場(F)作用強度更大的粒子(FP)比受到力場(F)作用強度更小的粒子(SP)移動地更快。
此外，顯然本方法也可以有效地應(yīng)用于場以相同的力作用在所有粒子上、但粘滯摩擦由于粒子材料或形狀不同等而不同的情況下。
分離原理利用由場(F)產(chǎn)生的、空間非均勻且受到控制而移動的力與均勻作用的力之間的平衡。如上所述，這種力可以是粘滯摩擦，但是，例如也可以是重力。例如，場(F)以相同力作用，而具有相同粘滯摩擦(例如具有相同直徑)的兩個粒子可能具有不同質(zhì)量。在這種情況下，使設(shè)備傾斜，從而重力具有沿力場(F)的移動方向的非零分量，這將使粒子具有不同速度，從而無論如何也可以應(yīng)用本方法。一般而言，粒子之間的一種不同物理屬性足以可以進(jìn)行分離。例如，作為區(qū)分粒子依據(jù)的物理屬性可以是直徑、形狀、形成粒子的材料、成分材料的相對比例和排列、或甚至是表面屬性。在其他情況下，物理屬性可以包括電荷。很明顯，物理屬性也可以是前述屬性的組合。例如，在不限制本發(fā)明目的的前提下，可以提及如下離子的分離·相同類型但具有不同尺寸的細(xì)胞；·相同類型但具有不同機能屬性的細(xì)胞；形態(tài)異常的精子細(xì)胞與正常精子細(xì)胞；·相同尺寸但具有不同細(xì)胞質(zhì)組成的細(xì)胞；·凋亡細(xì)胞與活體細(xì)胞；·感染病毒或胞內(nèi)寄生物的細(xì)胞與未感染細(xì)胞；感染AIDS的細(xì)胞與未感染細(xì)胞；感染瘧疾的細(xì)胞與未感染細(xì)胞；感染衣原體的細(xì)胞與未感染細(xì)胞；·配有抗體的細(xì)胞與未配有的細(xì)胞；·不同類型的細(xì)胞紅細(xì)胞與淋巴細(xì)胞；紅細(xì)胞與紅細(xì)胞骨髓細(xì)胞；精子細(xì)胞與陰道上皮細(xì)胞；·不同尺寸但具有相同含量(content)的脂質(zhì)體；·不同尺寸的微珠；3μm和10μm的聚苯乙烯珠；6μm和15μm的珠；·相同尺寸但具有不同表面機能性(functionality)的微珠以氨絡(luò)物群機能化的3μm珠與非機能化的珠；·相同尺寸但具有不同表面電荷的微珠；·帶正電荷的微珠與中性微珠；·細(xì)胞與病毒；·不同類型的病毒；·不同分子量的DNA片斷；·具有不同的質(zhì)荷比的蛋白質(zhì)。
用非周期速度(單波)進(jìn)行分離的方法圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的第一方案，第一方案使用恒速平移的場來執(zhí)行分離。初始，所有粒子被吸引到與唯一平衡點相對應(yīng)的相同位置(DEPC)。場以平均速度VF、并以等于重復(fù)步幅(EPIT)的離散距離而平移，平均速度VF定義為重復(fù)步幅(EPIT)與場前進(jìn)與EPIT相等的距離所經(jīng)過的時間tf之間的比，即VF＝EPIT/tf。只有能夠以等于或大于VF的速度而移動的粒子(FP)可以持續(xù)地跟隨該平移。較慢的粒子(SP)無法跟上，結(jié)果落在后面。由此，它們留在場的吸引點的后面很遠(yuǎn)，以致受到的吸引越來越小，從而大致停止在出發(fā)(departure)點附近?？蛇x地，可以從在例如出發(fā)坐標(biāo)NDEPC處創(chuàng)建的新平衡點收集這些慢粒子?？蛇x地，可以采用更低的平移速度(更長的tf)來進(jìn)一步分離，以將在出發(fā)點重新收集的粒子分離為不同速度的種群。
與上述類似，可以采用隨時間增大的吸引點的平移速度來進(jìn)行分離。在這種情況下，例如圖4中所示，粒子初始跟隨吸引點的坐標(biāo)(DEPC)，直到平移速度超過粒子的響應(yīng)于場的速度極限。在這種情況下，也可以創(chuàng)建新的吸引點(NDEPC)，以收集留在后面的粒子。
顯然，本方法也可以應(yīng)用在初始力場沒有單個平衡點而具有多個點的時候。
使用力場在空間中的連續(xù)、非連續(xù)或分段的移動，相同的分離技術(shù)也是可實施的。
用周期性速度進(jìn)行分離的方法力場(F)的平移速度也可以是周期性的。當(dāng)力場具有空間周期性(CPIT)時，這特別有用。為了簡單起見，定義數(shù)目pitch＝CPIT/EPIT代表以電極數(shù)目表達(dá)的場的重復(fù)周期。以下列出了本方法的以下方案。
快粒子的平移圖5示出了用具有周期性力場的周期(tp)的周期性速度(VF)來分離快粒子的分離。在第一時間段pitch·tf中，場以恒定的平均速度VF＝EPIT/tf平移，從而使場的平移等于一個空間周期(CPIT)。在第二時間段(tw)中，場保持靜止，從而使粒子到達(dá)新的平衡點，該新的平衡點與慢粒子(SP)的原始開始坐標(biāo)相對應(yīng)，并與快粒子(FP)的、平移程度與場的平移(CPIT)相同的新位置對應(yīng)。在這種情況下，區(qū)分的臨界速度是vws=CPIT/2(pitch-1)·tf=CPITCPIT-EPIT·VF/2.]]>在時間方面，常規(guī)的臨界時間可以定義為tws=EPITvws=2CPIT-EPITCPITtf.]]>花費比這個時間更長的時間來完成一步幅的粒子將返回到漂移位置。實際上，沿X軸的力通常不是恒定的。因此，當(dāng)存在與粘滯摩擦的平衡時獲得的極限速度在WS與DEPC之間不恒定。因此，上述公式是指示性的，必須對其進(jìn)行經(jīng)驗校正或通過數(shù)值仿真來確定，以獲得更加精確的值。等待時間(tw)是指場保持靜止，以使慢粒子(SP)穩(wěn)定在原始位置、快粒子(FP)穩(wěn)定在新位置處的時間，等待時間(tw)指示性地至少等于tw＝αw(pitch-2)·tf，其中考慮到穩(wěn)定速度典型地低于平移期間的速度，因子αw≥1。確實，在平移期間，在大部分時間粒子都在力更加強的場區(qū)，因此粒子移動得更快。
因此，總周期是tp＝[pitch+αF·(pitch-2)]·tf。能夠根據(jù)總周期，定義分離的平均速度vsep＝CPIT/tp＝VF/[pitch+αF·(pitch-2)]，快粒子(FP)以該平均速度在周期中移動，即，v≥vws的粒子。圖6示出了在不同的場配置中如上所述地分離最快粒子的分離。
慢粒子的平移圖7示出了通過以周期性(tp)速度(VF)的平移、在周期性力場中對較慢的粒子進(jìn)行分離。本方法的第一部分整體上與沿第一方向分離快粒子的前述方法相似，在此之上還添加了第二部分，在第二部分中，使快粒子(FP)和慢粒子(SP)沿與第一方向相反的第二方向平移，從而獲得較慢的粒子(SP)沿第二方向的凈平移，而最快粒子沒有移動。即使在這種情況下，平移的粒子是具有較低速度v≤vws的粒子，并且完成步幅的時間更長t＞vws，臨界速度vws和臨界時間tws也保持針對前述情況而定義的臨界速度和臨界時間。時間tb定義了第二速度極限。太慢的粒子(v＜vws2＝EPIT/tb)無法完全跟隨沿第二方向的移動。因此它們失去了與場移動的同步性，基本上保持靜止，或者沿難以預(yù)測的方向很少地移動。循環(huán)的總周期是tp＝pitch·(tf+tb)+tw。根據(jù)該總周期，獲得分離的平均速度vsep＝CPIT/tp＝CPIT/[pitch·(tf+tb)+tw]，所選粒子(SP)以該平均速度在周期中移動，即，v＜vws的粒子。
慢粒子和快粒子沿相反方向的平移圖8示出了在周期性場中通過周期性平移將最快粒子和最慢粒子沿相反方向進(jìn)行分離。
在第一時間段(pitch-1)·tf中，場以等于VF＝EPIT/tf的空間周期EPIT中的恒定平均速度、沿第一方向平移，從而場的總平移等于(pitch-1)·EPIT。在第二時間段(tw)中，場保持不動，從而使粒子到達(dá)新的平衡點，該新的平衡點相對于場的原始位置和平移方向而改變坐標(biāo)，對于較慢粒子(SP)，該坐標(biāo)是-EPIT，而對于最快粒子(FP)，該坐標(biāo)是CPIT-EPIT。
在這種情況下，區(qū)分的臨界速度是vws=CPIT-2·EPIT2·1(pitch-2)·tf=VF/2.]]>常規(guī)的臨界時間是tws＝EPIT/vws＝2·tf。花費比該時間更長時間來完成步幅的粒子將返回到慢粒子(SP)的類別中，而花費更短時間的粒子劃分到快粒子(FP)的類別中。
其中場保持不動以允許慢粒子到達(dá)新的平衡點的第二時間段必須大于tw＝αw(pitch-1)·tf，如上所述，其中考慮到從坐標(biāo)WS開始到達(dá)新的平衡點的穩(wěn)定時間典型地大于從平衡點到WS所需的時間，因子αw≥1。在這種情況下，tw的實際值確定了另一極限。過度緩慢而無法在這段時間內(nèi)返回到-EPIT處的平衡點的粒子失去了同步性。
因為上述平移應(yīng)該進(jìn)行與pitch相等的次數(shù)，以完成等于場周期的平移，所以分離的循環(huán)周期可以定義為tp＝pitch·[(pitch-1)·tf+tw]＝pitch·[(1+αw)(pitch-1)·tf]在該周期中，慢粒子平移了DXSP＝-pitch·EPIT，快粒子平移了DXFP＝pitch·(pitch-1)·EPIT?？炝Ｗ?FP)的分離速度是vsepFP=EPIT(1+αw)·tf,]]>慢粒子(SP)的分離速度是vsepSP=EPIT(1+αw)(pitch-1)·tf,]]>圖9示出了在具有45μm寬的伸長電極和5μm的間隙(EPIT＝50μm)的設(shè)備上，將在介電電泳的活動籠中由NDEP捕獲的、水溶液中的10μm(SP)和25μm(FP)的聚苯乙烯微珠沿相反方向分離的實驗結(jié)果。導(dǎo)電透明蓋子形成高130μm的微室。施加的電壓頻率為1MHz，幅度為4.7Vpp。與具有相位(-)的電極相對應(yīng)，與蓋子一樣，制作力籠(DEPC)(pitch＝3)。圖8的每幅圖中的照片表示場平移的第一反復(fù)的初始條件(STEP 1)和后面兩個步驟(STEP2，STEP3)。
對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，顯然根據(jù)本發(fā)明，其他方法可以實現(xiàn)為上述方法的組合。例如快粒子的周期性平移，其中，在該周期中場平移了該場空間周期的倍數(shù)?；蛘咭钥炝Ｗ拥闹芷谛运俣戎貜?fù)分離序列，但是力場的速度(VF)減小，從而將初始種群中的粒子分離為一系列群中，其中由速度區(qū)間將每個群特征化。
此外，顯然，在NDEP情況下的上述方法也很容易推廣到籠的尺寸是單個電極的倍數(shù)(例如，籠由具有蓋子的在相位(-)的兩個相鄰電極產(chǎn)生，并由在相反相位(+)上的電極包圍，而不是由單個電極包圍)的情況。
最后，顯然上述與力場(F)的平移相關(guān)的情況可以容易地推廣到其他類型的移動，例如旋轉(zhuǎn)，這對于相對于點(而不是軸)對稱的電極陣列非常有用。然而，為了簡單起見，在以下繼續(xù)的描述中將參考平移。
使用非均勻電壓進(jìn)行分離的方法此外，可以改變在平移期間施加到電極上的電壓強度。這一般包括場的強度變化，盡管如此，力線(force line)保持相同配置。例如，可以使場(F)恒速平移，以分離快粒子，而在此期間減小場的強度，從而只有更易響應(yīng)的粒子(FP)跟隨場，而那些相對于粘滯摩擦力受到場的影響較少的粒子(SP)留在后面，失去了其步幅。圖10中給出了一個示例。
使用非均勻電極陣列進(jìn)行分離的方法在上述示例中考慮了具有相等寬度和空間周期性EPIT的規(guī)則電極陣列。根據(jù)本發(fā)明方法的另一方案涵蓋了電極陣列不規(guī)則的情況。例如，可以使用尺寸固定但電極之間的距離可變的電極，或者尺寸可變但電極之間的距離相同的電極，或者寬度尺寸和電極之間的距離都可變的電極。
在這些情況下，除了改變力場的平衡點位置之外，力場的強度也在平移期間改變，并且一般而言，場的形狀也改變，即力線不僅平移，還發(fā)生形變。
與前述方法的描述類似，可以將基本上跟隨場的平移的粒子與那些無法跟上的粒子相分離，或者可以利用場的非均質(zhì)性，通過將粒子都推向相同方向、直到場變形到不再能夠輸送兩種粒子中的僅僅一種，來分離不同直徑的粒子。此外，顯然相同的分離方法可以應(yīng)用于分離多于兩個類型的粒子的普遍情況。
僅使用兩種場配置進(jìn)行分離的方法在上述示例中考慮了力的配置在空間中的演替允許粒子沿特定方向移動并因此將其分離所必需的力的配置的最小數(shù)目是兩個。的確，如14所示，可以用適當(dāng)?shù)碾姌O分布和施加的電壓(V1，V2)來僅使兩個力(F1，F(xiàn)2)的分布以穩(wěn)定平衡點集合(GSEP1，GSEP2)為特征，使得所述集合(GSEP1，GSEP2)之一的任何第一平衡點(SEP1，SEP2)明確地包括在另一集合(GSEP2，GSEP1)的單個第二平衡點(SEP2，SEP 1)的吸引域內(nèi)部，并且所述第二點本身不包含在所述第一點(SEP1，SEP2)的吸引域中；這樣，當(dāng)從一種力的配置到達(dá)下一配置時，粒子沿特定方向移動；但是，當(dāng)返回到先前的力的配置時，粒子不反向移動，而是沿相同方向繼續(xù)移動。通過以適當(dāng)速度交替兩種力的配置，可以移動更易響應(yīng)的粒子(FP)，而使不易響應(yīng)的粒子(SP)靜止或留在后面。這種方法要求場的空間非均質(zhì)性和空間非重復(fù)性；例如，可以使用如下詳細(xì)描述的本發(fā)明的設(shè)備來滿足上述要求。
根據(jù)本方法，通過以基本上與第一類型粒子(FP)在新平衡點處的穩(wěn)定時間的倒數(shù)相當(dāng)、但比至少第二類型粒子(SP)的穩(wěn)定時間的倒數(shù)更大的頻率來改變力場的配置，以獲得僅僅所述第一類型粒子(FP)的凈移動，從而可以分離至少兩種類型的粒子(FP，SP)。根據(jù)本方法，也可以分離至少兩種尺寸(BP，LP)的粒子。實際上，當(dāng)粒子(BP)比穩(wěn)定平衡點的吸引域大得多時，該粒子(BP)受到多于一個平衡點的吸引，因為力的合成不足以推動粒子(BP)向任一平衡點移動，所以粒子不移動。因此，為了執(zhí)行小粒子(LP)的分離，可以產(chǎn)生力場的空間第一分布(F1)，以針對所述粒子(BP，LP)的第一平衡點集合(GSEP1)為特征；以及產(chǎn)生至少力場的空間第二分布(F2)，以針對所述粒子(BP，LP)的第二平衡點集合(GSEP2)為特征；其中所述兩種力的分布(F1，F(xiàn)2)使得所述集合(GSEP1，GSEP2)之一的任何第一平衡點(SEP1，SEP2)明確地包括在另一集合(GSEP2，GSEP1)的單個第二平衡點(SEP2，SEP1)的吸引域內(nèi)部，并且所述第二點本身不包含在所述第一點(SEP1，SEP2)的吸引域中；并且每個第一平衡點(SEP1，SEP2)的吸引域的尺寸大于或小于包含它的所述單個第二平衡點(SEP2，SEP1)的吸引域的尺寸；然后，以與兩種類型粒子(BP，LP)的穩(wěn)定時間的倒數(shù)相當(dāng)?shù)念l率來交替改變所述力場的分布(F1，F(xiàn)2)，從而使所述粒子(BP，LP)從一個新平衡點移動到下一個平衡點，直到粒子的尺寸與吸引域的尺寸相當(dāng)。如果吸引域的尺寸逐漸減小，實際上大粒子(BP)將早于小粒子(LP)而停止，從而得到小粒子(LP)的總的凈移動大于大粒子(BP)的總的凈移動。
通過間接測量平移速度來量化粒子群的方法在上述方法中，優(yōu)點在于受到力場影響的粒子密度基本上不會使單個粒子的平移速度由于粒子的相互作用的受到影響。實際上，如圖11所示，當(dāng)成群在一起時，即使小粒子也表現(xiàn)得像較大的粒子，近似地具有與單個粒子的體積之和等效的體積。
根據(jù)本發(fā)明的另一方法，圖13示出了利用這種效應(yīng)來識別形成分析樣本的粒子數(shù)量(N)。
從粒子速度已知、但粒子濃度未知的均質(zhì)樣本開始，來確定粒子群的位置。
然后，以已知速度(Vfh)在兩個位置之間移動穩(wěn)定平衡點，驗證該群是否以平衡(rest)位置的對應(yīng)移動來響應(yīng)于這種改變。如果不是這樣，則粒子群的臨界速度顯然低于穩(wěn)定平衡點的速度(Vfh)。在等待時間段(tw)之后，為了允許粒子穩(wěn)定在它們的初始點，以更低的速度(Vf1)重復(fù)場的移動，直到粒子能夠跟隨平衡位置的移動，這指示了粒子的臨界速度更高。重復(fù)這種測量，以識別高于臨界速度的至少一種場移動速度，一種低于臨界速度的場移動速度，確定粒子群的臨界速度必須包括在其內(nèi)部的區(qū)間，該區(qū)間與特定范圍的粒子數(shù)量相對應(yīng)。這樣，知道了臨界速度vws落入的范圍，可以通過使用體積與速度之間理想地呈線性的比率來計算該群中粒子的總體積(以與該范圍寬度相關(guān)的特定近似)。如果這種比率不是線性的，則可以通過實驗來確定比率，產(chǎn)生測量的參數(shù)對象的預(yù)特征化(pre-characterization)，即樣本中粒子的數(shù)量?？梢圆捎枚喾N方式查找臨界速度，例如，可以采用折半查找或線性查找。
根據(jù)已知技術(shù)，可以用光學(xué)類型的集成或外部傳感器、impedentiometric來測量位置。
如果這些傳感器的靈敏度不適合檢測電極上存在的粒子的初始數(shù)量，根據(jù)本發(fā)明，應(yīng)該增加該數(shù)量，使多個籠的含量集中，以允許檢測和利用線性關(guān)系或預(yù)特征化，確定測量的數(shù)量。
通過間接測量平移速度來確定粒子尺寸的方法上述用于量化粒子的方法可以相似方式應(yīng)用于確定粒子尺寸的問題上。為此，研究無相互作用的粒子群或彼此之間存在可忽略的相互作用的粒子群。在這種情況下，如圖12所示，為了獲得單個粒子的尺寸，使用粒子速度(Vparticle)與粒子直徑(Dparticle)之間的關(guān)系。
粒子分離設(shè)備本發(fā)明的主題也是一種用于形成粒子的選擇性移動必需的適當(dāng)場配置的設(shè)備；在這種設(shè)備的典型實現(xiàn)方式之一中，該設(shè)備具有兩個電極陣列(EL1，EL2)，如果有必要，還有一個蓋子(LID)；還包括用于向所述第一電極陣列(EL1)施加電勢(V1)、并向所述至少第二電極陣列(EL2)施加至少第二電勢(V2)的裝置，因為該裝置基本上是已知類型，所以未示出；所述電極和用于向所述電極施加電勢的所述裝置操作性地相關(guān)聯(lián)，從而在電極(EL1，EL2)上施加適當(dāng)?shù)募?V1，V2)，以形成至少兩種不同的力的空間分布(F1，F(xiàn)2)，每一種以穩(wěn)定平衡點(SEP1，SEP2)集合為特征。這些穩(wěn)定平衡點的特征在于每一個明確地僅僅包括在力的另一配置的穩(wěn)定平衡點的吸引域之一中。這樣，本發(fā)明的設(shè)備可以捕獲粒子并使它們在方向上移動，移動速度取決于兩種力的配置交替的速度和粒子的響應(yīng)性。例如，可以通過利用寬度增大或減小、并且電極間距離恒定的電極(圖14)、或使用電極間距離增大或減小、并且寬度恒定的電極，來形成這些力的分布。另一實現(xiàn)方式可以基于使用尺寸恒定、電極間距離恒定、但電極與蓋子間的距離增大或減少的電極(圖15)。顯然，上述實現(xiàn)方式的組合也是可能的。
權(quán)利要求
1.一種對至少第一(FP)和第二(SP)類型的粒子進(jìn)行分離的方法，包括步驟i.產(chǎn)生力場(F)，所述力場(F)以針對所述粒子(FP，SP)的至少一個穩(wěn)定平衡點(SEP)為特征；ii.使所述至少一個穩(wěn)定平衡點(SEP)在空間中進(jìn)行至少一種移動；所述方法的特征在于，穩(wěn)定平衡點(SEP)的所述至少一種移動發(fā)生在至少一個時間區(qū)間中，移動速度(VF)基本上與所述至少一種第一類型(FP)的粒子的移動速度(VFP)相當(dāng)，并且基本上與所述至少一種第二類型(SP)的粒子的移動速度(VSP)不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述力場(F)包括如下力中的至少一個i.正介電電泳(PDEP)，ii.負(fù)介電電泳(NDEP)，iii.電泳(EF)，iv.電流體動力(EHD)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述移動速度(VFP，VSP)基本上以不同的方式，受到以下力中的至少一個的影響i.粘滯摩擦(NI)，ii.重力(G)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，由在第一基片(SUB)上形成的、基本上是平面的至少一個電極陣列(EL)產(chǎn)生所述力場(F)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在至少一個空間區(qū)域中，所述力場(F)具有帶有空間周期性(CPIT)的多個穩(wěn)定平衡點(SEP)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述至少一個穩(wěn)定平衡點(SEP)在空間中的移動是以周期性速度發(fā)生的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，包括步驟i.在與等于一個空間周期(CPIT)的所述場(F)的一個移動相對應(yīng)的時間段中，沿方向(X)以與所述一個第一類型(FP)粒子的移動速度(VFP)相當(dāng)?shù)囊苿铀俣?VF)移動所述場(F)；ii.使場停止一時間段(TW)；從而獲得僅僅所述第一類型(FP)粒子沿所述方法(X)的凈移動。
8.據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，包括步驟i.在與等于一個空間周期(CPIT)的所述場(F)的一個移動相對應(yīng)的時間段中，沿第一方向(X)以與所述一個第一類型(FP)粒子的移動速度(VFP)相當(dāng)?shù)囊苿铀俣?VF)移動所述場(F)；ii.使所述場(F)停止一時間段(TW)；iii.在與等于一個空間周期(CPIT)的所述場(F)的一個移動相對應(yīng)的時間段中，沿與所述方向(X)相反的方向，以與所述一個第二類型(SP)粒子的移動速度(VSP)相當(dāng)?shù)牡诙俣?VS)移動所述場(F)；從而獲得僅僅所述第二類型(SP)粒子沿與所述方向(X)相反的方向的凈移動。
9.據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，包括步驟i.在與等于一個空間周期(CPIT)減去對應(yīng)于電極周期(EPIT)的量的所述場(F)的一個移動相對應(yīng)的時間段中，沿第一方向(X)以與所述一個第一類型(FP)粒子的移動速度(VFP)相當(dāng)?shù)囊苿铀俣?VF)移動所述場(F)；ii.使所述場(F)停止一時間段(TW)；iii.重復(fù)前述步驟i)和ii)，重復(fù)次數(shù)與所述場(F)的一個空間周期(CPIT)除以電極的空間周期(EPIT)相等；從而獲得所述第一類型(FP)粒子沿所述第一方向(X)的凈移動、以及所述第二類型(SP)粒子沿與所述方向(X)相反的方向的凈移動。
10.一種分離至少兩種類型(FP，SP)粒子的方法，包括步驟i.產(chǎn)生力場空間中的第一分布(F1)，以針對所述粒子(FP，SP)的第一平衡點(SEP1)集合(GSEP1)為特征；ii.產(chǎn)生至少力場空間中的第二分布(F2)，以針對所述粒子(FP，SP)的第二平衡點(SEP2)集合(GSEP2)為特征；其中所述力的兩種分布(F1，F(xiàn)2)使得所述集合(GSEP1，GSEP2)之一的任何第一平衡點(SEP1，SEP2)明確地包括在另一集合(GSEP2，GSEP1)的單個第二平衡點(SEP2，SEP1)的吸引域內(nèi)部，并且所述第二點本身不包含在所述第一點(SEP1，SEP2)的吸引域中；iii.通過以基本上與第一類型(FP)粒子在新平衡點處的穩(wěn)定時間的倒數(shù)相當(dāng)、但比至少第二類型(SP)粒子的穩(wěn)定時間的倒數(shù)更大的頻率來改變力場的配置，以交替改變所述力場的分布(F1，F(xiàn)2)；從而獲得僅僅所述第一類型(FP)粒子的凈移動。
11.一種分離至少兩種尺寸(BP，LP)的粒子的方法，包括步驟i.產(chǎn)生力場空間中的第一分布(F1)，以針對所述粒子(BP，LP)的第一平衡點集合(GSEP1)為特征；ii.產(chǎn)生至少力場空間中的第二分布(F2)，以針對所述粒子(BP，LP)的第二平衡點集合(GSEP2)為特征；其中所述力的兩種分布(F1，F(xiàn)2)使得所述集合(GSEP1，GSEP2)之一的任何第一平衡點(SEP1，SEP2)明確地包括在另一集合(GSEP2，GSEP1)的單個第二平衡點(SEP2，SEP1)的吸引域內(nèi)部，并且所述第二點本身不包含在所述第一點(SEP1，SEP2)的吸引域中；并且每個第一平衡點(SEP1，SEP2)的吸引域的尺寸大于或小于包含它的所述單個第二平衡點(SEP2，SEP1)的吸引域的尺寸；iii.以與兩種類型粒子(BP，LP)的穩(wěn)定時間的倒數(shù)相當(dāng)?shù)念l率來交替改變所述力場的分布(F1，F(xiàn)2)，從而使所述粒子(BP，LP)從一個新平衡點移動到下一個平衡點，直到粒子的尺寸與吸引域的尺寸相當(dāng)；從而得到大于大粒子(BP)的總凈移動的小粒子(LP)的總凈移動。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述穩(wěn)定平衡點集合(GSEP1，GSEP2)由以恒定的空間重復(fù)步幅分布的、至少一個非均質(zhì)電極(EL)集合產(chǎn)生。
13.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述穩(wěn)定平衡點集合(GSEP1，GSEP2)由以非恒定的空間重復(fù)步幅分布的、至少一個均質(zhì)電極(EL)集合產(chǎn)生。
14.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述穩(wěn)定平衡點(SEP1，SEP2)集合由以非恒定的空間重復(fù)步幅分布的、至少一個非均質(zhì)電極(EL)集合產(chǎn)生。
15.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述穩(wěn)定平衡點(SEP1，SEP2)集合由被提供幅度非恒定的電壓、以恒定的空間重復(fù)步幅分布的、至少一個均質(zhì)電極(EL)集合產(chǎn)生。
16.根據(jù)權(quán)利要求12、13、14或15所述的方法，其特征在于，所述穩(wěn)定平衡點(SEP1，SEP2)集合由所述電極陣列(EL)、以及面對所述電極陣列(EL)且與所述電極陣列(EL)形成角度的至少一個電極(LID)產(chǎn)生。
17.一種用于粒子(P)量化的方法，包括步驟i.產(chǎn)生在空間中不均勻的力場(F)，所述力場(F)作用于粒子群(N)，并以至少一個穩(wěn)定平衡點(SEP)為特征，從而所述至少一個穩(wěn)定平衡點(SEP)的移動導(dǎo)致基本上與粒子數(shù)目(N)成比例的粒子移動速度(Vp)；ii.使所述至少一個穩(wěn)定平衡點(SEP)以與第一數(shù)量的粒子(Nl)集合的最大移動速度相對應(yīng)的第一速度(Vfl)進(jìn)行空間中的第一移動，其特征在于所述穩(wěn)定平衡點(SEP)的所述第一移動導(dǎo)致基本上與所述至少一個穩(wěn)定平衡點的所述第一移動速度(Vfl)相當(dāng)?shù)牧Ｗ右苿拥牡谝凰俣?Vpl)；iii.使所述至少一個穩(wěn)定平衡點(SEP)以與第二數(shù)量的粒子(Nh)集合的最大移動速度相對應(yīng)的第二速度(Vfh)進(jìn)行空間中的至少第二移動，其特征在于所述穩(wěn)定平衡點(SEP)的所述第二移動導(dǎo)致基本上低于所述至少一個穩(wěn)定平衡點的所述第二移動速度(Vfh)的粒子移動的第二速度(Vph)；從而所述粒子(P)的最大移動速度在所述至少一個穩(wěn)定平衡點的所述第一移動速度(Vfl)與所述第二移動速度(Vfh)之間，使得粒子數(shù)目(N)在粒子的所述第一數(shù)量(Nl)與所述第二數(shù)量(Nh)之間。
18.一種用于量化粒子(P)尺寸(D)的方法，包括步驟i.產(chǎn)生在空間中不均勻的力場(F)，所述力場(F)作用于粒子群(N)，使得每個粒子上的力基本上不受到其他粒子的存在的影響，所述力場(F)以至少一個穩(wěn)定平衡點(SEP)為特征，從而所述力場(F)的移動導(dǎo)致與粒子尺寸(D)成比例的粒子移動速度；ii.使所述至少一個穩(wěn)定平衡點(SEP)以與第一尺寸(Dl)的粒子的最大移動速度相對應(yīng)的第一速度(Vfl)進(jìn)行至少一個空間中的移動，其特征在于所述至少一個穩(wěn)定平衡點(SEP)的所述移動導(dǎo)致基本上與穩(wěn)定平衡點的所述第一移動速度(Vfl)相當(dāng)?shù)牧Ｗ右苿拥牡谝凰俣?Vpl)；iii.使所述至少一個穩(wěn)定平衡點(SEP)以與第二尺寸(Dh)的粒子的最大移動速度相對應(yīng)的第二速度(Vfh)進(jìn)行空間中的至少第二移動，其特征在于所述第二移動導(dǎo)致基本上低于穩(wěn)定平衡點的所述第二移動速度(Vfh)的粒子移動的第二速度(Vph)；從而所述粒子(P)的最大移動速度在穩(wěn)定平衡點的所述第一移動速度(Vfl)與所述第二移動速度(Vfh)之間，使得所述粒子的尺寸(D)在粒子的所述第一尺寸(Dl)與所述第二尺寸(Dh)之間。
19.一種用于分離至少兩種類型粒子(FP，SP)的設(shè)備，包括i.多個由至少一個電極形成的陣列，包括第一電極陣列(EL1)和至少第二電極陣列(EL2)；ii.用于向所述第一電極陣列(EL1)施加電勢(V1)、并向所述至少第二電極陣列(EL2)施加至少第二電勢(V2)的裝置；其特征在于，所述電極與用于向所述電極施加電勢的所述裝置操作性地相關(guān)聯(lián)，從而能夠產(chǎn)生針對粒子(FP，SP)的至少兩個不同的穩(wěn)定平衡點(SEP1，SEP2)集合，并且屬于所述第二集合(GSEP2)的每個穩(wěn)定平衡點(SEP2)的位置僅包括在所述第一集合(GSEP1)的穩(wěn)定平衡點(SEP1)之一的吸引域(CAGE)中，屬于所述第一集合(GSEP1)的每個穩(wěn)定平衡點(SEP1)的位置僅包括在所述第二集合(GSEP2)的穩(wěn)定平衡點(SEP2)之一的吸引域(CAGE)中，屬于所述集合(GSEP1，GSEP2)的每個穩(wěn)定平衡點的吸引域的尺寸大于或小于包含它的吸引域的尺寸。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述陣列(EL1，EL2)包括以非恒定的空間重復(fù)步幅而分布的電極。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述陣列(EL1，EL2)包括在基片(SUB)上以恒定的空間重復(fù)步幅而分布的電極、以及面對所述基片(SUB)并與所述基片(SUB)形成角度的蓋子。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述數(shù)目的陣列的所述電極以恒定的空間重復(fù)步幅而分布，以及向所述電極施加電勢的所述裝置要產(chǎn)生幅度增大或減小的電勢。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用時變的力場來分離和量化粒子的方法和設(shè)備。力場可以是針對介電電泳(正或負(fù))、電泳或電流體動力運動的。
文檔編號G01N15/02GK101076717SQ200580029441
公開日2007年11月21日 申請日期2005年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月7日
發(fā)明者尼科洛·馬納雷西, 詹內(nèi)伊·梅多羅 申請人:硅生物系統(tǒng)股份公司