操纵和／或检测粒子的方法和装置制造方法及图纸

通过时变力场操纵和／或控制粒子位置的方法和装置。该力场可为介电电泳（正的或负的）、电泳、电流体或介质上电润湿，其特征在于粒子的一系列稳定平衡点。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及操纵和/或检测粒子的方法和装置。该专利技术主要应用于 在单独单元上实施生物协议。
技术介绍
G. Medoro名下的专利No. PCT/WO 00/69565描述了一种采用封 闭介电电泳(dielectr叩horetic)电位笼用于操纵粒子的装置和方法。 所描述的方法教导了如何在两维空间内独立于所有其他粒子控制每个 粒子的位置。用于俘获悬浮粒子的力是负介电电泳。对操纵操作的单 独控制是通过对与集成到同一衬底中的电极阵列中的每个元件相关联 的存储元件和电路进行编程来执行的。由于每个陷阱的维度受到在与 单独电极相对应的空间中集成编程所必需的电子器件这种需要的限 制，因此具有重大局限。在G. Medoro et al.， 3, 317-325 (2003) IEEE Sensors Journal中进一步描述了基于平行延伸电极的单元操纵装置， 其控制不需要使用集成在衬底自身中的晶体管。延伸电极的形状和空 间分布使得能够产生圆柱形陷阱，通过其可以俘获粒子群。由于不能 独立操纵单独粒子，具有重大局限。如T. Schnelle et al,, Biochim. Biophys. Acta 1157, 127-140 (1993) 中所述，其他基于介电电泳的粒子操纵方法不能独立控制多个粒子。 这在需要研究多个粒子之间的相互作用的应用中具有重大局限。基于介电电泳的其他方法要求单元和衬底之间直接接触，因为它 们使用正介电电泳(PDEP)力。具体地，在J. Suehiro, J. Phys. D: Appl. Phys., 31, 3298 - 3305 (1998)中描述了一种方法，设想产生陷阱，其能 够通过正介电电泳(PDEP)力将粒子吸引到衬底上。粒子因此附着到 衬底上，通过合适的负介电电泳(NDEP)力分布，粒子可以从衬底脱离或被推到新的区域。除了对单元造成无法弥补的损害的风险，还 有一些重要局限，例如不能采用具有高电导率的生理溶液，或者不能 釆用聚苯乙烯微粒进行操作，因为在两种情况下，都不存在激活正介 电电泳力的必要条件。同样的，Becker等人名下的专利No. US 6,294，063描述了一种方 法和装置，用于通过可编程力分布，操纵大量固态、液态或气态生物 材料。同样在这种情况下，与反应面的接触是该方法和装置操作不可 或缺的必要条件。但是最大的局限是，如果需要采用无源衬底(从而 不太昂贵)，需要相应于电极数目(nXm)的多个控制信号(nXm)。为 了增加大约成百上千的电极的数目，需要使用有源衬底，正如P.R.C. Gascoyne et al.， Lab Chip, 2004, 4, 299-309中所解释的，有源衬底包括 用于单独寻址nXm个电极并局部产生控制信号的晶体管。以这种方 式，芯片的输入信号数目可保持在可接受范围内。另外一种公知的用于操纵液态粒子(微滴)的方法是介质上电润 湿 (EWOD )， 女口 T. B. Jones, Journal of Micromechanics and Microengineering, 15 (2005) 1184-1187中所述。在这种情况下，形成在 衬底上的电极所施加的电场使得气相包围的微滴沿着激励电极的序列 所控制的方向推进。可以通过包括盖子(这也为电介质覆盖)(如 Pamula等名下的专利申请No. US 2004/0058450A1所教导的)，或者 通过简单的包括在衬底顶部与微滴建立电接触的被称作"链"的导线， (J. Berthier et al., NSTI Nanotech 2005， www.nsti.org, vol. 1, 2005)，来 获得基于这一原理的装置。与以上关于使用介电电泳所讨论的方式相 似，为了在完整二维阵列上通过EWOD操纵粒子，公知技术中记载的实施例或者采用使用相应于阵列电极数目的输入信号，或者采用具有 晶体管的有源衬底。操纵粒子的另 一 种力是粘滞摩擦力，由电流体 (electro-hydrohynamic， EHD)流产生，例如电热(ETF)流动或者 交流电渗透。在N. G. Green, A, Ramos and H. Morgan, J. Phys. D: Appl. Phys. 33 (2000)中，EHD流用于对粒子进行移位。例如，专利No. PCT WO 2004/071668 Al描述了一种设备，用于使用上述电流体流，将粒子集中在电极上。还存在用于在二维空间单独操纵粒子的其他公知方法。然而，这 些方法涉及到使用所谓的光学或光电子镊子，即，可编程外部光源。 结果是系统笨重且昂贵，这在许多应用中是不合要求的特征。具体地，A. T. Ohta et al., Tech. Dig. of the Solid-State Sensor, Actuator and Microsystems. Workshop, 216-219, (2004)描述了所述技术的可能实现。本专利技术克服了现有技术的局限，它使得能够在二维空间独立操纵 多个粒子，有无接触取决于所使用的力。根据本专利技术的方法的实施不 需要使用集成在衬底中的电子电路或者存储元件。根据本专利技术的方法 或装置的不同实施例，使得能够在任意尺寸的nXm 二维阵列中操纵 粒子，控制信号的数目约为n+m，或者n，或者甚至少于10个控制信 号，根据不同折衷，减少粒子移动的并行性和灵活性，并因此减少执 行一系列位移的步骤数目(与执行时间明显相关的参数)。尽管可使用不具有晶体管的衬底来执行本专利技术的方法，然而，可 以通过使用有源衬底而受益，从而与现有技术相比，减少构成本专利技术 装置的阵列中各个元件的总尺寸，或者减少外部控制信号的总数目。除了可以操纵单元外，本专利技术教导了如何通过在相同衬底上集成 所述操作，或者依据所采用的技术对形成在不同衬底上的传感器和致 动器进行接口，来联合操纵和检测。
技术实现思路
本专利技术涉及一种通过时变不均匀力场操纵粒子(广义上的，如下 文所述)和/或检测粒子的方法和装置。该力场可以是正介电电泳或负 介电电泳、电泳或任何电流体运动，其特征在于粒子(液态、固态或 气态)的一组稳定平衡点。相同方法适用于操纵微滴(液态粒子)，使 用作用是为国际科学界公知的名为"介质上电润湿"(EWOD)的效应。 本专利技术的目的在于对样品中存在的每个粒子的位置进行控制，目的是 将所述粒子与其他粒子独立地从初始位置转移到属于该装置微室内给 定空间中的最终位置集合的任一元件。在本方法的第一实施例中，元件同质阵列中的每个平衡点可以包含粒子或粒子群。每个所述平衡点可以无差别连接到任一相邻平衡点， 使得俘获粒子可以共享其吸引域。该控制通过对属于同行或同列的所 有元件所共享的信号进行排他地作用来进行，所述信号用于分配产生 力必须的电压。根据本专利技术，每一路径可分解为一系列由相邻吸引域 合并组成的基本步骤，从而允许每个粒子从初始位置引导到最终终点。形成本专利技术主题的还有该方法的一些实际实施，对于nXm尺寸的阵 列，采用由n+m+2个控制信号和n+2m+2个控制信号组成的装置。在方法的第二实施例中，该控制通过对用于控制与阵列每个元件 相关联的偏差器的数字信号进行排他地作用来进行，通过所述信号分 配产生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过电极组（ＢＬＯＣＫ＿ｉ，ｊ）的至少二维阵列来操纵粒子（ＢＥＡＤ）的方法，包括步骤：ｉ．产生力场的第一配置（Ｆ＿ｉ），其呈现所述粒子（ＢＥＡＤ）的至少一个第一稳定平衡点（ＣＡＧＥ＿ｉ，ｊ）和至少一个第二稳定平衡点（ＣＡＧＥ＿ｉ，ｊ＋１），所述点分别位于所述阵列的第一组（ＢＬＯＣＫ＿ｉ，ｊ）和紧邻第一组的第二组（ＢＬＯＣＫ＿ｉ，ｊ＋１），且至少一个粒子（ＢＥＡＤ）被俘获在所述第一稳定平衡点（ＣＡＧＥ＿ｉ，ｊ）；ｉｉ．产生力场的至少一个第二配置（Ｆ＿ｉｉ），从而粒子（ＢＥＡＤ）被推入所述至少一个第二稳定平衡点ＣＡＧＥ＿ｉ，ｊ＋１）的吸引域；以及ｉｉｉ．再次产生力场的所述第一配置（Ｆ＿ｉ），从而所述粒子（ＢＥＡＤ）被吸引向第二稳定平衡点（ＣＡＧＥ＿ｉ，ｊ＋１）；所述方法的特征在于，力场的所述第一配置（Ｆ＿ｉ）和所述第二配置（Ｆ＿ｉｉ）通过施加到阵列第一组（ＢＬＯＣＫ＿ｉ，ｊ）的电极的第一电压（Ｖｒｏｗ＿ｉ［ｐ］和Ｖｃｏｌ＿ｊ［ｑ］）和施加到阵列第二组（ＢＬＯＣＫ＿ｉ，ｊ＋１）的电极的第二电压（Ｖｒｏｗ＿ｉ［ｐ］和Ｖｃｏｌ＿ｊ＋１［ｑ］）的至少两个不同配置产生。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹内伊梅多罗，尼科洛马纳雷西，
申请(专利权)人：硅生物系统股份公司，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]