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通过双向电泳控制粒子的方法和仪器

基本信息

  • 申请号 CN00810494.8 
  • 公开号 CN1239236C 
  • 申请日 2000/05/13 
  • 公开日 2006/02/01 
  • 申请人 硅生物系统公司  
  • 优先权日期  
  • 发明人 几亚内·麦多罗  
  • 主分类号  
  • 申请人地址 意大利博洛尼亚 
  • 分类号  
  • 专利代理机构 中科专利商标代理有限责任公司 
  • 当前专利状态 发明专利权部分无效宣告的公告 
  • 代理人 刘晓峰 
  • 有效性 期限届满 
  • 法律状态 【期限届满】
  •  

权利要求书

1、一种用于控制浸在流体中的粒子的仪器,其包括: 第一基体; 一组电极,包括在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,所述粒子和流体置于所述第一和第二电极阵列之间的 区域; 形成电场的装置,所述电场在流体中的至少一个假想的封闭面上具 有恒定的场强; 其特征在于,所述用于形成电场的装置包括向所述第一电极阵列的 电极中的第一小组电极施加具有一定频率和第一种相位的第一个周期性 信号,并向所述第一电极阵列的电极中的至少另一小组电极和第二电极 阵列施加具有所述频率和与所述第一种相位相反的第二种相位的至少另 一个周期性信号的装置; 并且所述第二阵列中的电极与所述第一电极阵列中的多个电极相 对。
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。
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 是透明的。
9、根据权利要求3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根据权利要求1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、根据权利要求1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组成的装置,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、根据权利要求1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。
13、根据权利要求1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。
14、根据权利要求1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。
15、根据权利要求14所述的仪器,其特征在于,所述的电路装置还 包括感应装置。
16、根据权利要求1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。
17、根据权利要求1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。
18、根据权利要求1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。
19、根据权利要求1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。
20、一种控制流体中粒子的方法,流体置于属一组电极的第一和第 二电极阵列之间的区域,所述的第二电极阵列包括至少一个电极,所述 第二电极阵列中的电极与所述第一电极阵列中的许多电极相对并隔开一 段距离,其特征在于,该方法包括: 向所述第一电极阵列的电极中的第一小组电极施加具有一定频率和 第一种相位的第一种周期性信号,并向所述第一电极阵列的电极中的至 少另一小组电极和第二电极阵列施加具有所述频率和与第一种相位相反 的第二种相位的至少第二种周期性信号,从而形成一个电场,使流体中 至少一个假想的封闭面上场强恒定,从而根据所述粒子或流体的电性质, 所述粒子被至少一个假想面围成的区域吸引或排斥。
21、根据权利要求20所述的方法,其特征在于,所述施加第一个和 第二个周期性信号,使至少一个粒子被所述区域的一部分吸引的步骤, 还包括如下步骤: 向所述电极组中的所述小组电极施加不同的周期性信号,所述不同 的周期性信号至少有一种具有所述的频率和所述第一种相位,而且所述 不同的周期性信号中至少另一种具有所述的频率和所述第二种相位,因 此,使所述至少一个假想面发生位移,并吸引至少一个粒子向至少一个 假想的封闭面围成的第二个区域移动。
22、根据权利要求20所述的方法,其特征在于,所述施加第一个和 第二个周期性输入信号,至少一个粒子被所述区域的一部分所吸引的步 骤,还包括如下步骤: 改变所述电极组的所述第一小组电极和/或至少另一小组电极的组 成,从而使所述至少一个假想的封闭面位移并吸引至少一个粒子向所述 至少一个假想的封闭面围成的所述区域的第二个部分移动。
23、根据权利要求21所述的方法,其特征在于,所述施加不同周期 性信号的步骤还包括改变所述小组电极的组成,并向所述电极组中已改 变的小组电极施加第一个和第二个周期性信号。
24、一种分离流体中不同类型粒子的方法,流体位于属一组电极的 第一和第二电极阵列之间的区域,所述第二电极阵列与第一电极阵列相 对,并隔开一段距离,其特征在于,该方法包括: 向第一电极阵列的电极中的第一小组电极施加具有一定频率和第一 种相位的第一种周期性信号,并向所述第一电极阵列的电极中的至少另 一小组电极和第二电极阵列施加具有所述频率和与第一种相位相反的第 二种相位的至少第二种周期性信号,从而形成一个电场,使流体中至少 一个假想的封闭面上场强恒定,从而使第一类粒子受到所述至少一个假 想封闭面围成的区域中一个部分的吸引,而不同类型粒子被所述至少一 个假想封闭面围成的区域中的一部分所排斥;以及 改变所述电极组的第一小组电极和/或至少另一小组电极的组成,从 而只有所述第一种类型的粒子朝所述至少一个假想封闭面围成的区域中 的第二部分移动。
25、一种控制流体中不同类型粒子的方法,流体置于属一组电极的 第一和第二电极阵列之间的区域,所述的第二电极阵列包括至少一个电 极,所述第二电极阵列中的电极与所述第一电极阵列相对并隔开一段距 离,其特征在于,该方法包括: 向第一电极阵列的电极中的第一小组电极施加具有一定频率和第一 种相位的第一种周期性信号,并向所述第一电极阵列的电极中的至少另 一小组电极和第二电极阵列施加具有所述频率和与第一种相位相反的第 二种相位的至少第二种周期性信号,从而形成一个电场,使流体中许多 假想的封闭面上场强恒定,从而使所述粒子被所述假想封闭面围成的所 述区域的不同部分所吸引并捕获,每个所述部分只能捕获一个粒子; 检测所述部分捕获的每个粒子的类型。
26、根据权利要求25所述的方法,其特征在于,分离流体中不同类 型粒子,还包括以下步骤: 改变所述电极组的所述第一小组电极和/或至少另一小组电极的组 成,使得所述假想封闭面的第一小组向第一个区域移动,所述假想封闭 面的第一小组由捕获了第一类粒子的假想封闭面组成,从而使所述第一 类粒子向所述第一个区域移动。
27、根据权利要求26所述的方法,其特征在于,还包括:在检测所 述部分捕获的每个粒子类型之前,使所述假想封闭面依次向至少一个感 应位置位移这一步骤,以便使捕获的粒子移向感应位置。
28、一种对浸在流体中的粒子进行计数的方法,流体置于属一组电 极的第一和第二电极阵列之间的区域,所述的第二电极阵列包括至少一 个电极,所述第二电极阵列中的电极与所述第一电极阵列相对并隔开一 段距离,其特征在于,该方法包括: 向第一电极阵列的电极中的第一小组电极施加具有一定频率和第一 种相位的第一种周期性信号,并向所述第一电极阵列的电极中的至少另 一小组电极和第二电极阵列施加具有所述频率和与第一种相位相反的第 二种相位的至少第二种周期性信号,从而形成一个电场,使流体中至少 一个假想的封闭面上场强恒定,从而只有一种类型的粒子被所述至少一 个假想封闭面所围成的部分区域所吸引; 检测所述每个部分粒子的数目。
29、根据权利要求25所述的方法,其特征在于,还包括如下步骤: 将同种类型的粒子的数目分别相加。
30、根据权利要求25所述的方法,其特征在于,为了对浸在流体中 至少一类粒子进行计数,还包括如下步骤: 在所述部分捕获的每一个粒子的类型检测之前,通过依次改变所述 电极组的一小组电极和/或至少另一小组电极的组成,使所述假想封闭面 依次移向至少一个感应位置,从而使捕获的粒子移向所述的感应位置; 并将同种类型的粒子的数目分别相加。
31、根据权利要求25-30中的任何一项所述的方法,其特征在于, 所述的检测步骤包括测量所述流体中的至少一部分的电或光学特性的变 化。
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说明书

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。
根据本发明的一个方面,提供一种用于控制浸在流体中的粒子的仪 器,其包括:第一基体;一组电极,包括在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,所述粒子和流体置于所述第一和 第二电极阵列之间的区域;形成电场的装置,所述电场在流体中的至少 一个假想的封闭面上具有恒定的场强;所述用于形成电场的装置包括向 所述第一电极阵列的电极中的第一小组电极施加具有一定频率和第一种 相位的第一个周期性信号,并向所述第一电极阵列的电极中的至少另一 小组电极和第二电极阵列施加具有所述频率和与所述第一种相位相反的 第二种相位的至少另一个周期性信号的装置;并且所述第二阵列中的电 极与所述第一电极阵列中的多个电极相对。
根据本发明的又一方面,提供一种控制流体中粒子的方法,流体置 于属一组电极的第一和第二电极阵列之间的区域,所述的第二电极阵列 包括至少一个电极,所述第二电极阵列中的电极与所述第一电极阵列中 的许多电极相对并隔开一段距离,该方法包括:向所述第一电极阵列的 电极中的第一小组电极施加具有一定频率和第一种相位的第一种周期性 信号,并向所述第一电极阵列的电极中的至少另一小组电极和第二电极 阵列施加具有所述频率和与第一种相位相反的第二种相位的至少第二种 周期性信号,从而形成一个电场,使流体中至少一个假想的封闭面上场 强恒定,从而根据所述粒子或流体的电性质,所述粒子被至少一个假想 面围成的区域吸引或排斥。
根据本发明的再一方面,提供一种分离流体中不同类型粒子的方法, 流体位于属一组电极的第一和第二电极阵列之间的区域,所述第二电极 阵列与第一电极阵列相对,并隔开一段距离,该方法包括:向第一电极 阵列的电极中的第一小组电极施加具有一定频率和第一种相位的第一种 周期性信号,并向所述第一电极阵列的电极中的至少另一小组电极和第 二电极阵列施加具有所述频率和与第一种相位相反的第二种相位的至少 第二种周期性信号,从而形成一个电场,使流体中至少一个假想的封闭 面上场强恒定,从而使第一类粒子受到所述至少一个假想封闭面围成的 区域中一个部分的吸引,而不同类型粒子被所述至少一个假想封闭面围 成的区域中的一部分所排斥;以及改变所述电极组的第一小组电极和/或 至少另一小组电极的组成,从而只有所述第一种类型的粒子朝所述至少 一个假想封闭面围成的区域中的第二部分移动。
根据本发明的又一方面,提供一种控制流体中不同类型粒子的方法, 流体置于属一组电极的第一和第二电极阵列之间的区域,所述的第二电 极阵列包括至少一个电极,所述第二电极阵列中的电极与所述第一电极 阵列相对并隔开一段距离,该方法包括:向第一电极阵列的电极中的第 一小组电极施加具有一定频率和第一种相位的第一种周期性信号,并向 所述第一电极阵列的电极中的至少另一小组电极和第二电极阵列施加具 有所述频率和与第一种相位相反的第二种相位的至少第二种周期性信 号,从而形成一个电场,使流体中许多假想的封闭面上场强恒定,从而 使所述粒子被所述假想封闭面围成的所述区域的不同部分所吸引并捕 获,每个所述部分只能捕获一个粒子;检测所述部分捕获的每个粒子的 类型。
根据本发明的再一方面,提供一种对浸在流体中的粒子进行计数的 方法,流体置于属一组电极的第一和第二电极阵列之间的区域,所述的 第二电极阵列包括至少一个电极,所述第二电极阵列中的电极与所述第 一电极阵列相对并隔开一段距离,该方法包括:向第一电极阵列的电极 中的第一小组电极施加具有一定频率和第一种相位的第一种周期性信 号,并向所述第一电极阵列的电极中的至少另一小组电极和第二电极阵 列施加具有所述频率和与第一种相位相反的第二种相位的至少第二种周 期性信号,从而形成一个电场,使流体中至少一个假想的封闭面上场强 恒定,从而只有一种类型的粒子被所述至少一个假想封闭面所围成的部 分区域所吸引;检测所述每个部分粒子的数目。
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 在两电极之间扩展,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)>=2πε0εmr3{Re[fCM](ERMS)2+Im[fCM](E2x0φx+E2y0y+E2z0z}     (1) 式中ε0是真空介电常数,r是粒子半径,ERMS是电场的均方根值, Ex0、Ey0、Ez0是电场沿X、Y、Z轴的分量,而φx、y、z是电场分量的相位, fCM则是著名的克劳修斯一莫索特因子,其定义为: f CM = ϵ p * - ϵ m * ϵ p * - 2 ϵ m * ]]>式中εp*、εm*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 - / ( ϵ 0 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)>=2πε0εmr3Re[fCM](ERMS)2                    (2) 式中Re[fCM]<0时为nDEP,Re[fCM]>0时为pDEP。
在ω值较高时, εm,εp接近εm*,εp*,只要粒子的εm<εp,就形成pDEP,而εm>εp形成nDEP。
因为 ϵ m , p * = ϵ m , p * ( ω ) , ]]>所以fCM=fCM(ω),因此在频率一定时, 对于不同种类的粒子Re[fCM]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>=-2πε0εmr3Re[fCM](ERMS)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>=-α2πε0εmr3Re[fCM]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,Re[fCM]<0) 和正双向电泳电势的最大值(因为对pDEP来说,Re[fCM]>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 = 4 3 π R 3 Δρg ]]>式中Δρ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)>>Fg               (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εp=1,εm≈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1.835·103(v/cm)2/μm,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(Δ 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E2rms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成,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: VLa=Ve·Vsq(mt,)             a∈{1-6,8-12} VL7=Ve·Vsq(ωt,+π) VM2=Vc·Vsq(ωt,+π) 式中VLa,a∈{1-12}是施加于电极L1至L12的信号,VM2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 ϵ m 81 . ]]>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: VLa=Ve·Vsq(ωt,)                a∈{1-5,8-12} VL6=VL7=Ve·Vsq(ωt,+π) VM2=Vc·Vsq(ωt,+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和盖电极M2的电压为: Vpa=Ve·Vsq(ωt,)                 a∈{1,3} Vp2=Ve·Vsq(ωt,+π) VM2=Vc·Vsq(ωt,+π), 式中Ve=2.5V,Vc=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: Vp1=Ve·Vsq(ωt,) Vp2=Vp3=Ve·Vsq(ωt,+π) VM2=Vc·Vsq(ωt,+π), 式中Ve=2.5V,Vc=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Vc=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施加到大电极M2上,使M2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。
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