技术领域
[0001] 本
发明涉及操纵和/或检测粒子的方法和装置。该发明主要应用于在单独单元上实施
生物协议。
背景技术
[0002] 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(dielectrophoretic)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)IEEESensors 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。
[0003] 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。
[0004] 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，或者不能采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。
[0005] 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(n×m)的多个控制
信号(n×m)。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n×m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。
[0006] 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)，如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。
[0007] 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.PCTWO2004/071668A1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。
[0008] 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。
[0009] 本发明克服了
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。根据本发明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。根据本发明的方法或装置的不同实施例，使得能够在任意尺寸的n×m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)。
[0010] 尽管可使用不具有晶体管的衬底来执行本发明的方法，然而，可以通过使用有源衬底而受益，从而与现有技术相比，减少构成本发明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。
[0011] 除了可以操纵单元外，本发明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。
发明内容
[0012] 本发明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。本发明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。
[0013] 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。根据本发明，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。形成本发明主题的还有该方法的一些实际实施，对于n×m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。
[0014] 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力必须的电压。本发明的目的还有一装置，由用于对在n×m阵列中产生力必须的两个电压的分配进行控制的n+m个数字信号组成。
[0015] 在该方法的另一实施例中，元件非同质阵列中的每个平衡点可专用于包含粒子或粒子群(可以称所述元件为“停留单元”)，或者用于在预先设定的方向转移粒子(可以称所述元件为“通道”或“传送带”)。根据本发明，每个路径可分解为一系列由对于预先设定转移区域的进入或退出组成的基本步骤，从而允许每个粒子从初始位置引导到最终终点。
[0016] 在该方法的另一实施例中，以组的形式限制平衡点，以同步方式沿特定通道移动。组之间的交换点使得粒子可以从一个组转到另一组，即，改变通道。尽管有这些额外限制，该方法在任一情况下使得可以执行单个粒子的操纵，而且，在一系列步骤后，转移单一粒子，而使得所有其他粒子的位置不变。
[0017] 此外，本发明目标是一装置，其有利地使得上述方法中的一些可用，它由电极阵列组成，向电极施加时变电势，晶体管或存储元件可有可无。
[0018] 本发明的目的还在于一组装置，通过阻抗计和/或
光学传感器，识别和/或量化和/或表征粒子。传感器和致动器的组合尤其适用于复杂操作的自动化，且证明在任何情况下，有利地将待区分的粒子准确
定位在对于传感器具有较大灵敏度的区域中(传感器可以集成，但也可以在外部)，从而显著的改进测量的灵敏度。
[0019] 发明描述
[0020] 接下来，术语“粒子”用于指示微米级或
纳米级实体，或者自然的或者人工的，例如细胞、亚细胞成分、病毒、脂质体、非离子
表面活性剂(niosome)、微球体和纳米球体，或者甚至更小的实体，例如大分子、
蛋白质、DNA、RNA等，以及不溶于悬浮媒质的液滴，例如
水中的油，或者油中的水，或者甚至是气体中的液滴(例如水在空气中)或者液体中的气泡(例如空气在水中)。
附图说明
[0021] 附图1示出了通过电极阵列产生力场的原理。
[0022] 附图2示出了由于可
寻址电极的激励产生的效果的组合。
[0023] 附图3示出了用于产生介电电泳笼的可寻址元件阵列。
[0024] 附图4示出了不具有晶体管具有可寻址嵌套电极的装置截面图。
[0025] 附图5示出了一种不具有晶体管的装置，用于实施操纵方法，基于仅与两个寻址电极相关联的作用的组合。
[0026] 附图6示出了对于仅具有两个可寻址电极的装置
原型的实施所必须的三个掩模的部分以及原型的图像。
[0027] 附图7示出了在不具有晶体管、仅具有两个可寻址电极的装置中单步向右移动粒子的一系列基本步骤，以及实验结果。
[0028] 附图8示出了在不具有晶体管、仅具有两个可寻址电极的装置中粒子单步向下位移的一系列基本步骤。
[0029] 附图9示出了在不具有晶体管、仅具有两个可寻址电极的装置中沿一般路径操纵粒子的实验结果。
[0030] 附图10示出了在仅具有两个可寻址电极的装置中执行向右或向下操纵步骤的一系列电压
相位。
[0031] 附图11示出了一种不具有晶体管的装置，用于实施操纵方法，基于与四个可寻址电极的激励相关联的效果的组合。
[0032] 附图12示出了在不具有晶体管、具有四个可寻址电极的装置中粒子单步向右、向下、向右和向左位移的一系列基本步骤。
[0033] 附图13示出了一种不具有晶体管的装置，用于实施操纵方法，基于与三个可寻址电极的激励相关联的效果的组合。
[0034] 附图14示出了在不具有晶体管、具有三个可寻址电极的装置中粒子单步向右位移的一系列基本步骤。
[0035] 附图15示出了在不具有晶体管、具有三个可寻址电极的装置中粒子单步向下位移的一系列基本步骤。
[0036] 附图16示出了在三个可寻址电极的情况下执行向右或向下操纵步骤的一系列电压相位。
[0037] 附图17示出了对于实现具有三个可寻址电极的装置原型必须的三个掩模的一部分以及原型图像。
[0038] 附图18示出了一种装置，用于实现操纵方法，不具有存储元件，仅具有一个可寻址电极。
[0039] 附图19示出了在不具有存储元件编程、仅具有一个可寻址电极的情况下，粒子单步向右位移的一系列基本步骤。
[0040] 附图20示出了可寻址元件阵列，用于使得粒子停留在介电电泳笼和通道内，用于将所述粒子从一元件转移到阵列中的另一元件。
[0041] 附图21示出了可寻址元件阵列，用于使得粒子以较少数目停留在介电电泳笼和通道内，用于将所述粒子从一元件转移到阵列中的另一元件。
[0042] 附图22示出了选择性地将粒子从第一微室转移到第二微室的方法的可能使用。
[0043] 附图23示出了第一装置，用于实现操纵方法，没有晶体管，具有通道和停留单元。
[0044] 附图24示出了第二装置，用于实现操纵方法，没有晶体管，具有通道和停留单元。
[0045] 附图25示出了用于执行具有通道和停留单元的装置的操作的基本步骤的一系列电压相位。
[0046] 附图26示出了利用以圆形封闭的两个通道的粒子操纵方法的实现。
[0047] 附图27示出了在方形电极阵列的情况下，两通道之间粒子交换必须的一系列步骤。
[0048] 附图28示出了在六边形电极阵列的情况下，两通道之间粒子交换必须的一系列步骤。
[0049] 附图29示出了一种粒子操纵装置，基于9个控制信号，具有通道不具有晶体管。
[0050] 附图30示出了一种粒子操纵装置，基于7个控制信号，具有通道不具有晶体管。
[0051] 附图31示出了一种粒子操纵装置，具有单独的通道和室，不具有晶体管。
[0052] 附图32示出了一种粒子操纵装置，具有通道、完全可编程矩阵阵列和单独室，不具有晶体管。
[0053] 附图33示出了附图32中粒子操纵装置的垂直通道和水平通道之间传送粒子的交换点。
[0054] 附图34示出了附图32中粒子操纵装置的特定组和元件的垂直通道和水平通道之间交换粒子必须的一系列步骤。
[0055] 附图35示出了在附图32中粒子操纵装置中，特定组和元件的垂直传送带和水平传送带之间的交换期间，对于属于同一组的不同元件的垂直传送带的操作。
[0056] 附图36示出了附图32中粒子操纵装置紧挨着完全可编程矩阵阵列的部分。
[0057] 附图37示出了粒子从完全可编程矩阵阵列到闲置通道传送必须的一系列步骤。
[0058] 附图38示出了粒子从完全可编程矩阵阵列到辅助通道传送的交换点。
[0059] 附图39示出了粒子从辅助通道到闲置长通道传送的交换点。
[0060] 附图40示出了粒子从完全可编程矩阵阵列到出口通道传送的交换点。
[0061] 附图41示出附图32中粒子操纵装置的出口通道。
[0062] 附图42示出了围绕组成附图32中粒子操纵装置的芯片的有源区域的环的圆周伸展。
[0063] 附图43示出了粒子操纵装置，不具有晶体管，具有阻抗计传感器。
[0064] 附图44示出了用于操纵和检测和/或识别粒子的装置，由栅格电极和光学传感器阵列形成。
[0065] 附图45示出了通过栅格电极和外部光学传感器形成的原型装置所获得的操纵和检测实验结果。
[0066] 附图46示出了一装置，通过接触光学传感器和
透射光，操纵和检测和/或识别粒子。
[0067] 附图47示出了一装置，通过采用显微透镜以增加测量灵敏度的接触光学传感器和透射光，用于操纵和检测和/或识别粒子。
[0068] 附图48示出一装置，用于采用光学传感器，操纵和检测和/或识别粒子，其中通过时序测量部分阵列执行测量。
[0069] 附图49示出了在四维逻辑组织停留单元(传送带)的情况下，对于
选定停留单元(传送带)和非选定停留单元(传送带)，用于执行停留单元(或传送带)和传送带之间的交换的一系列步骤。
具体实施方式
[0070] 本发明的目的是实现一种方法和装置，用于操纵和/或检测粒子。具体地，“操纵”意味着如下操作之一和/或它们的组合：
[0071] 1.选择，包括从包含多个粒子的样品中分离出给定粒子；
[0072] 2.再排序，包括以不同于开始的顺序排列粒子；
[0073] 3.合并，包括选择两个或多个粒子，使它们彼此靠近直到使它们彼此紧靠，目的是使它们接触，或者使它们合并，或者彼此包含；
[0074] 4.分离，包括将最初与其他粒子接触的粒子分离。
[0075] 本方法基于使用非均匀力场(F)，通过它吸引单个粒子或粒子群到稳定平衡位置(CAGE)上。所述场例如可以是介电电泳场(DEP)，或者负介电电泳(NDEP)或者正介电电泳(PDEP)场，电泳场(EF)或者电流体(EHD)运动场，或者介质上电润湿(EWOD)。
[0076] 检测可涉及下列方面之一或者它们的组合：
[0077] 1.计数单个粒子或者量化；
[0078] 2.识别和/或表征；
[0079] 3.定位。
[0080] 就此而言，主要利用阻抗变化的测量和/或光强/吸光率变化的测量。
[0081] 力的产生
[0082] 根据现有技术，存在不同方法，通过形成在衬底上的电极(EL)阵列，来产生用于移位粒子的力。典型的采用盖子(LID)，它又可以是电极，这限定了微室，在该微室内粒子(BEAD)典型处于液体悬浮。附图1示出了各种力的一些方案。就DEP而言，施加的电压是由符号加“+”表示的同相周期电压(Vphip)和由符号减“-”表示的反相周期电压(Vphin)。“反相周期电压”指的是
相位差180°。该场产生作用于粒子的力，将粒子吸引到平衡点(CAGE)。就负DEP(NDEP)而言，根据公知技术(附图1a)，如果盖子(LID)是导电电极，则可以获得封闭力笼。在这种情况下，如果相邻电极连接到相反相位Vphip(+)，且如果盖子(LID)连接到相位Vphin(-)，在每个连接到Vphin(-)的电极获得平衡点(CAGE)。所述平衡点(CAGE)通常设置在液体中距电极一定距离处，从而粒子(BEAD)处于稳态条件时悬浮。在正DEP(PDEP)情况下，平衡点(CAGE)通常位于
电极形成的表面(附图1b)，粒子(BEAD)处于稳态条件时与之接触。对于PDEP，不需要在盖子中有另外电极，因为PDEP的平衡点对应于电场最大值。为了操纵不溶于悬浮介质且比它重(例如水在油中)的液态微滴形成的粒子，可有利的采用(附图1c)负介电电泳(NDEPDR)，它通过将具有电极(EL)的衬底(SUB)覆盖介电层(D)和疏水层(HPB)而获得。电极阵列可用于电泳，吸引带电粒子到具有相反极性的电极。对于EHD运动，电极配置产生推动粒子朝向流动最小点的流。对于(EWOD)(附图1d)，通常采用包含覆盖有电介质的电极的盖子(LID)，且在希望吸引粒子(典型的，空气中的液滴)的点，电极阵列被与盖子相位相反的信号激励。而不能存在粒子的电极保持浮置。对于EWOD，当操纵空气中的微滴时，在电极阵列顶部，还可以使用多条导线(附图1e)作为盖子的替代。
[0083] 为了描述方法和装置，出于简化的考虑，接下来仅考虑采用封闭笼，使用NEDP作为驱动力，作为例子，而不是限制本发明的范围(因此必须采用盖子作为电极)。对于本领域普通技术人员显然的是，可以将下文描述的方法和装置进行归纳，以用于不同的驱动力和不同类型的粒子。
[0084] 通过行和列激发的力的作用的逻辑组合，产生对粒子移动的控制
[0085] 为了产生负介电电泳力的稳定平衡点，根据现有技术，采用由与盖子(LID)同相的信号(Vphin)供电的第一电极(EL)，和一个或多个完全围绕第一电极、由反相信号(Vphip)供电的电极(L1)，是足够的。这种结构(附图2a所示)，对于电场产生了最小值，对应于负介电电泳力的稳定平衡点(CAGE)。如果反转施加到第一电极阵列(L1)的信号的相位，将失去所述平衡点，如附图2b所示。如果使用第二电极阵列(L2)，使得属于第二阵列(L2)的每个电极包围属于第一阵列(L1)的一个电极，那么，如果反转施加到第一电极阵列(L1)和第二电极(L2)阵列的信号的相位，平衡点失去，如附图2f所示，在所有其他情况下，笼具有依赖于所施加电压的尺寸和形状。具体地，在附图2c和附图2d中，具有两个相同的笼，而在附图2e中，具有更大尺寸的笼，但是中心在同一位置。因此，如果考虑多个
块(BLOCK_i，j)，每个由电极(EL)和包围它的一个或多个电极阵列(L1，L2)组成，那么可以发现，根据施加到两个一般相邻块的电极L1和L2的电压设置，可能出现下列情况：
[0086] ·每个块具有单独的稳定平衡点，其力场配置可以用F_i表示；
[0087] ·两个块共享一个稳定平衡点，其力场配置可以用F_ii表示；
[0088] 这一性质可以用于实现根据本发明的一些粒子操纵方法，与现有技术相比具有许多重要优点，在接下来阐述。
[0089] 在不包括晶体管的同质阵列上操纵粒子的方法
[0090] 附图3说明了根据本发明的方法的实施例。一般电极组(BLOCK_i，j)的同质阵列提供了吸引笼阵列，吸引笼由稳定平衡点(CAGE_i，j)限定，每个点可俘获单个粒子(BEAD)或粒子群。阵列(BLOCK_i，j)的每个元件(或块)电连接到两组电压(Vrow_i[p]，Vcol_j[q]，p＝l...u，q＝l...v)，它们分别按行和列分布在阵列内，且电连接到共享相同行或列的块。行信号的总数目由u确定，同时列信号的总数目由v确定。
[0091] 可以将两个块BLOCK_i，j和BLOCK_h，k之间的距离一致定义为距离d＝|i-h |+|j-k |，或者对块指数计算的曼哈顿-规范。可以将距离为1的块定义为“相邻块”。
[0092] 同样的信号Vrow_i[p]，Vcol_j[q]用于产生笼以及控制笼的位置。事实上通过这些信号来分布激活介电电泳力场必须的电压，具有下列性质：
[0093] 1.总是存在施加到阵列信号的电势配置，从而每个吸引笼封闭且彼此不同。
[0094] 2.对于每对相邻块，总是存在要施加到该对的输入信号的电势配置，从而可以唯一、排他地连接这一对块的吸引域。
[0095] 3.对于每对相邻块，总是存在一系列要施加到该对的输入信号的电势，从而，如果两吸引笼中仅有一个满了，可以将俘获的粒子从一个位置转移到相邻一个。
[0096] 4.对于每对相邻块，总是存在一系列要施加到该对的输入信号的电势，从而，如果两吸引笼都满了，可以将粒子都转移到相同位置。
[0097] 待使用的电压一般但不唯一是平均值为零的周期波(或者
正弦波或者方波)，选自具有不同相位的一组电压。作为非限制的例子，可以仅采用两个相位，彼此相差180°。
[0098] 显然，通过两个两个连接相邻块的吸引中心，可以将粒子从一般初始位置移动到任一最终位置，或者将选自样品中所有粒子的两个或多个粒子引到同一位置，而不影响经历移动的粒子的路径外的粒子。
[0099] 同样的方法可用于在某些限制下同时操纵多个粒子的一般情况下。作为非限制的例子，对于仅同时操纵在位于两个一般块内的两个不同笼中所俘获的两个粒子，给出限制：。
[0100] 1.如果第一块和第二块不在相同行或列或者不在相邻行和列，两块内所俘获的粒子可独立于方向和指向(sense)同时操纵，假如在对应或相邻于第一块的行和第二块的列或者第一块的列和第二块的行的块中没有俘获粒子的话；
[0101] 2.如果两个块在相同列，但是距离至少为三行，它们可独立于指向在垂直方向同时操纵；
[0102] 3.如果两个块在相同列，但是距离至少为两行，它们可在水平方向同时操纵，假如指向相同的话；
[0103] 4.如果两个块在相同行，但是距离至少为三列，它们可独立于指向在水平方向同时操纵；
[0104] 5.如果两个块在相同行，但是距离至少为两列，它们可在垂直方向同时操纵，假如指向相同的话。
[0105] 显然，根据本发明，关于针对每对粒子上面所列的限制，也可同时操纵多于两个粒子。
[0106] 然而，应该指出的是，尽管可以独立操纵满足上述限制的两个或多个粒子，它们的同时运动对于阵列其他笼有
副作用。例如，通过以所需方式同时操纵块BLOCK_i，j处的第一粒子和块BLOCK_h，k处的第二粒子，必须的运动也施加在BLOCK_h，j和BLOCK_i，k的粒子上。为了克服这一问题，可以根据应用以不同方式作用，通过各种排序
算法和串行位移，且依赖于所有粒子位置的知识或其他。
[0107] 作为示例，给予这样的情况特殊关注：从更大异质群体回收多个粒子。在这种情况，注入样品，具有在阵列上随机设置的粒子。例如，所述粒子可在
显微镜选择，且，一旦那些关注粒子的位置确定，提出的问题是将它们送入
门(例如，与第二回收微室连通)，从那它们可以流出芯片。在这种情况下，一种不需要知道所有粒子的位置而仅仅需要知道待选粒子的位置、简单且有效的解决方案如下(假设门设置在右手侧且在微室底部)：
[0108] 1.在每个待选粒子位置右侧相邻列(选定列)，产生垂直虚拟通道(选路列)，使它们没有移位到再右侧列(倾卸或废弃列)的可能粒子。
[0109] 2.在回收微室门处产生水平虚拟通道(选路行)，使其无粒子，如对列所采取的。
[0110] 3.将与每个粒子相邻的选路列上待回收的所有粒子移位。
[0111] 4.距离选路行最远的待回收粒子的列指数插入逻辑集shifting-cols。
[0112] 5.距离选路行最远的待回收粒子的行指数被定义为shifting-row指数。
[0113] 6.属于集合shifting-cols和行shifting-row的列中的笼向下向选路行移位一步。
[0114] 7.递增指数shifting-row。
[0115] 8.如果新的行shifting-row包括待回收的粒子，新粒子的列指数插入集合shifting-cols。
[0116] 9.如果新的行shifting-row具有低于相应于选路行的指数，过程返回步骤6。
[0117] 或者，可替换的，步骤3后过程如下：
[0118] 4′.从距离选路行最远的行开始，逐步向下(即，向选路行)同
时移位所有选路列的笼，不考虑它们是否包含粒子。以这种方式，所有粒子可以在整个阵列扫描(相应于等于行数目的多个步骤)结束时转移到选路行。
[0119] 此时，所有待选定的粒子处于已知列位置，在选路行。
[0120] 10.整个选路行转换到右侧，直到所有粒子通过与回收微室连通的门。
[0121] 11.使回收微室中的粒子流出该芯片。
[0122] 在待回收粒子的列之间的距离不总是大于2的情况下，或者在程序开始时在选路行存在待回收粒子的情况下，由于预操作，所述方法需要略微复杂。为了简化，省略了对所述操作的描述，因为这对于本领域普通技术人员是显然的。统计来说，如果待回收粒子数目相比列的数目可忽略不计，那么执行这些预操作的需要更加不太可能。
[0123] 应该注意的是，一般来说，通过如上所述并行进行操作，用于回收粒子所要采取的步骤数不显著大于具有完全可编程电极阵列的必须步骤数。
[0124] 在不包括晶体管的同质阵列上操纵粒子的装置
[0125] 本发明的目的还在于根据前面描述的方法，获得对于单个粒子操纵必须的场配置的装置。作为非限制的例子，提供可能的实施例，都基于使用不具有晶体管和存储元件的衬底。
[0126] 具有n+m+2个控制信号的粒子操纵装置
[0127] 附图4和5分别是根据本发明装置的第一实施例的截面图和顶视图。电极组(BLOCK_i，j)的同质阵列形成n×m大小的阵列。每个块(BLOCK_i，j)由
中心电极(EL_i，j)和两个同心电极(ring_i，j_1，ring_i，j_2)组成，所述中心电极连接到整个阵列公共的信号(Vcore)，所述同心电极连接到分别以行和列分布在阵列中的两个不同电压(Vrow_i，Vcol_j)，如附图5所示。另一信号(Vlid)连接到盖子(LID)，盖子由单一电极(ITO)组成(仅在附图4示出)。因此该装置要求全部n+m+1+1个信号，用于控制n×m个吸引笼，每个吸引笼可俘获单一粒子(BEAD)或粒子群。显然，相对于组成n×m阵列的块的数目，方阵列(n＝m)使得控制信号的数目最小。
[0128] 通过从外部施加同相的周期电压(Vphip)到所有信号Vrow_i和Vcol_j，以及施加反相的周期电压(Vphin)到公共信号Vcore和连接到盖子(LID)的信号Vlid，吸引笼(CAGE_i，j)在每个块(BLOCK_i，j)中被激活，每个块与阵列中所有其他块分离且不同。通过施加到控制信号的合适电压序列，在一般块(BLOCK_i，j)中俘获的粒子(BEAD)可移向任一相邻笼。作为示例而非限制本发明的范围，附图7示出了步骤序列(a，b，c，d，e)，用于将粒子从一般块(BLOCK_i，j)移到右侧相邻块(BLOCK_i，j+1)；向构成所述操作的各步骤中所涉及的信号施加的电压在附图10中示出(序列move_x)，同时每一步后瞬态粒子的位置在附图7中示出((b，c′，d′，e′，a″)。附图7中所示的(bp，cp′，dp′，ep′，ap″)是与通过原型装置获得的配置(b，c′，d′，e′，a″)相对应的实验图序列。
[0129] 同样的，附图8示出了粒子在垂直方向从一般块(BLOCK_i，j)向下移到相邻块(BLOCK_i+1，j)的序列。向构成所述操作的各步骤中所涉及的信号施加的电压在附图10中示出(序列move_y)，同时每一步后的稳态粒子位置在附图8中示出(b，c′，d′，e′，a″)。在特定情况，可以使用缩减序列，由附图1和附图8中所示序列中选出的步骤的子集组成。可选的，对于每个可能方向，可以使用由与附图7和附图8中作为非限制例子描述的步骤不同的步骤所组成的序列。
[0130] 显然，从阵列中一般位置开始且在阵列中任一其他位置结束的任何路径可分解为一系列附图7和8所示的基本步骤和相反方向的类似步骤。所述概念的实际例子在附图9中示出，其示出了一系列基本步骤，将聚苯乙烯微球体沿着一般路径从初始位置(BLOCK_i，j)移到终点(BLOCK_i+1，j+4)。
[0131] 根据本发明装置的实施可通过使用根据现有技术的不同技术获得。附图6a-c示出的不限制本发明范围的例子是通过根据现有技术的
光刻技术对于装置的可能实施例必须的掩模，附图6d中示出的是原型图像。三个掩模和两个金属层足以实施。两相邻块中心之间的最小距离(PITCH)是表面
镀金属间距的5倍。在该装置中，间距(PITCH)为100μm；这意味着制造所需的技术必须能够制造最小间距是20μm的电极。为了制造电极，可以使用贵金属(金，铂等)，或者导电
氧化物，这在所述氧化物是透明的(氧化铟
锡-ITO)情况下尤其有用。为了制造衬底，可以使用绝缘体(玻璃，聚
碳酸酯等)，或者
半导体(
硅等)，在该情况下，需要
钝化氧化物用于将衬底与第一金属层电绝缘。为了制造盖子(LID)，可使用绝缘衬底，如果其具有电极的话，电极也可以由金属制成，或导电氧化物制成，这在所述导电氧化物部分或全部透明的情况下尤其有用。同样的，以格栅形式使用非透明金属可得到半透明。
[0132] 对本领域普通技术人员显然的是，不同于本专利作为示例描述的其他几何形状也可用于制造根据本发明的装置。作为非限制的例子，可以列举圆形、六边形、矩形等的电极。同样的，显然不同于本专利所述的其他材料可用于制造根据本发明的装置。作为非限制例子，可以列举例如
铝、
钛、钽、金等材料。
[0133] 具有4n+4m+2个控制信号的粒子操纵装置
[0134] 附图11是根据本发明的装置的不同实施例的顶视图。在该情况下，四个信号用于每行且四个信号用于每列，加上对所有块公共的全局信号Vcore(这里通过列分配)以及信号Vlid。每个块的外部和内部环形电极分为两个，分别是垂直的和水平的。可替换的，连接到每个块的电极的是四行信号中的仅仅两个和四列信号中的仅仅两个。行信号和列信号通常都连接到Vphip，且产生场配置(F_i)，对于每个块具有吸引笼(CAGE_i，j)。通过经行和列将从控制信号中适当选出的七个信号连接到Vphin，可以产生第二配置(F_ii)，其连接两相邻块的吸引笼。因此，如附图12所示，仅通过施加场配置(F_ii)然后再次施加初始场配置(F_i)，可以将粒子(BEAD)移到右侧(R)、左侧(L)、下(D)或上(U)，而不用改变其他可能俘获在相邻笼内的粒子的位置。
[0135] 与具有n+m个相位的实施例相比，此实施例具有如下优势：对于每个基本移位，仅需要两个场配置；以及具有如下缺点：需要四倍数目的控制信号。
[0136] 具有n+2m+2个控制信号的粒子操纵装置
[0137] 附图13是根据本发明装置的又一实施例的顶视图。块(BLOCK_i，j)的同质阵列形成n×m阵列。每个块(BLOCK_i，j)包括：连接到整个阵列公共的信号(Vcore)的中心电极(EL_i，j)；连接到阵列中根据列(Venable_j)分布的信号的L形电极(elle_j)；以及两个电极，一个为垂直段(wallx_i)的形式，另一个为水平段的形式(wally_i)，连接到阵列中根据行分布的两个不同信号(Vrow_i[x]，Vrow_i[y])，且放射状设置在电极elle_j外部(相对于中心电极)。另一信号(Vlid)连接到单一电极(ITO)组成的盖子(LID)。因此装置需要共n+2m+1+1个信号用于控制n×m个吸引笼，每个笼能够俘获单一粒子(BEAD)或粒子群。可以表明对于组成阵列(n×m)的块的数目，n＝2m的矩形阵列使得控制信号的数目最小。
[0138] 通过从外部施加同相的周期电压(Vphip)给所有信号Vrow_i[x]，Vrow_i[y]和Venable_j，以及施加反相的周期电压(Vphin)给公共信号Vcore和连接到盖子(LID)的信号Vlid，激活了分离且不同于阵列中其他块的每个块(BLOCK_i，j)内的吸引笼(CAGE_i，j)。通过施加到控制信号的适当电压序列，俘获在每个一般块(BLOCK_i，j)内的粒子(BEAD)可移到任一相邻笼。作为不限制本发明范围的例子，附图14示出了步骤序列(a，b，c，d)，用于将粒子从一般块(BLOCK_i，j)向右移到相邻块(BLOCK_i，j+1)；向所述操作中各步骤所涉及的信号施加的电压在附图16中示出(序列move_x)，同时每个步骤后瞬态的粒子位置在附图14b′、c′示出。同样的，附图15示出了步骤序列(a，b，c，d)，用于将粒子从一般块(BLOCK_i，j)向下移到相邻块(BLOCK_i+1，j)。向构成所述操作的各步骤中所涉及的信号施加的电压在附图16中示出(move_y)，同时每个步骤后稳态下的粒子位置在附图15b′、c′中示出。在特定情况下，可以使用缩减序列，由附图14和附图15中所示序列中选出的步骤的子集组成。可选的，对于每个可能方向，可以使用由与附图14和附图15中作为非限制例子示出的步骤不同的步骤组成的序列。
[0139] 显然，从阵列中的一般位置开始且在阵列的任一其他位置结束的任何路径可以分解为一系列附图14和附图15所示的基本步骤，以及相反方向的类似步骤。
[0140] 根据本发明装置的实施可通过采用根据现有技术的不同技术获得。作为不限制本发明范围的例子，在附图17(a-c)示出了通过根据现有技术的光刻技术对于装置的可能实施必须的掩模，且附图17d所示的是原型图像。对于实现，三个掩模和两个金属层是足够的。根据本发明装置的实施可通过采用根据现有技术的不同技术获得。间距(PITCH)，即装置中两相邻块中心之间的距离，是100μm。对于电极，可使用贵金属(金、铂等)，或导电氧化物，这在所述氧化物为透明的情况(氧化铟锡-ITO)下尤其有用。对于衬底，可使用绝缘体(玻璃、聚碳酸酯等)，或者半导体(硅等)，在该情况下需要钝化氧化物用于使衬底与第一金属层电绝缘。
[0141] 在不具有存储元件的同质阵列上操纵粒子的方法
[0142] 根据本发明的方法的又一实施例使用吸引笼(CAGE_i，j)阵列，其中每个块(BLOCK_i，j)电连接到分别以行和列分布在阵列中的两组信号(Vrow_i[p]，Vcol_j[q])。这些信号中的一些用于分配产生笼(CAGE)必须的电压(Vphin，Vphip)，同时其他是数字信号，用于控制施加到电极的相位。在这种情况下，静态平衡点(CAGE_i，j)的位置由电子电路操纵，该电子电路对于每个块确定吸引笼是独立还是连接到相邻笼。
[0143] 在不具有存储元件的同质阵列上操纵粒子的装置
[0144] 本发明的目的还在于一种装置，用于产生根据前述方法对单个粒子进行操纵所必须的场配置。作为例子，示出了基于使用
有源矩阵的可能实施例，然而，其中每个块不具有存储元件，与现有技术不同。
[0145] 附图18是根据本发明装置的可能实施例的顶视图。块(BLOCK_i，j)的同质阵列形成大小为为n×m的吸引笼阵列。每个块(BLOCK_i，j)由连接到整个阵列公共信号(Vphin)的中心电极(EL_i，j)和连接到复用器输出的电极(ring_i，j)组成，复用器在输入处接收两个不同信号(Vphin，Vphip)，且其输出依赖于行数字控制信号(row_i)和列数字控制信号(col_j)根据下列逻辑值表的逻辑组合：
[0146]
[0147] 又一信号(Vlid)连接到盖子(LID)(未示出)，盖子由单一电极(ITO)组成。因此，该装置总体上需要两个
模拟信号(Vphin和Vphip)以及n+m个数字信号，用于控制n ×m个吸引笼，每个吸引笼可以俘获单一粒子(BEAD)或者粒子群。显然，针对组成阵列(n×m)的块的数目，方阵列(n＝m)使控制信号的数目最小。
[0148] 通过施加逻辑值0给所有信号row_i和col_j，以及相对于连接到盖子(LID)的信号Vlid施加反相的周期电压(Vphin)，吸引笼(CAGE_i，j)在每个块(BLOCK_i，j)中被激活，各块与阵列中所有其他块分离且不同。每个一般块(BLOCK_i，j)中俘获的粒子(BEAD)可通过施加到控制信号的逻辑值的适当序列，移到任何相邻笼。作为不限制本发明范围的例子，附图19示出了步骤序列(a，b，c)，用于将粒子从一般块(BLOCK_i，j)向右移到相邻块(BLOCK_i，j+1)；施加到信号行i、列j和列j+1的逻辑值序列如下：
[0149]
[0150] 每个步骤后瞬态粒子位置在附图19b′、c′、a′中示出。
[0151] 显然，该方法可在任何方向以类似方式应用。另外，从阵列一般位置开始且在阵列任何其他位置结束的任何路径可以分解为一系列由仅仅一个位置移位组成的基本步骤。根据本发明装置的实施可通过使用根据现有技术的不同微电子电路制造技术获得。
[0152] 利用通道和停留单元的粒子操纵方法
[0153] 根据本发明方法的又一实施例在附图20中示意性示出。该方法使用：一系列稳定平衡点，所述稳定平衡点对于作用在粒子上的力(F)是静态的，位于块(BLOCK_i，j)内，其功能是稳定俘获粒子；以及一系列稳定平衡点，在水平方向(HRCH1-HRCHM)或垂直方向(VRCH1-VRCHN)沿通道移动。这些块(BLOCK_i，j)中的每个可设置为俘获粒子或将粒子推入沿通道移动的一个稳定平衡点的吸引域内。这可采用根据本发明描述的一个方法获得，例如将块的稳定平衡点连接到通道的一个稳定平衡点。显然，样品中的每个粒子因此可以停留在块内，或者可以采用一个或多个通道沿最方便的方向从一个块移到任何其他块。事实上，粒子可以移动进入通道，且同样的，粒子可离开这些通道进入新的块，或者改变运动方向，通过新的通道。对本领域普通技术人员显然的是，采用根据本发明的方法，每个粒子可以从一个块转到任何其他块。该技术的优点在于：减少专用于控制整个阵列的信号的总数目，正如在接下来描述的装置中所示。同样的，附图21示出了具有缩减数目的水平通道的方法第二实施例。显然，在这种情况下，采用单一水平通道(HRCH1)，每个粒子同样可以从一个块转移到任何其他块。该技术使得可以进一步减少所需信号的数目且增加用于提供笼的有用表面。作为不限制本发明范围的例子，附图22示出了本方法的可能应用。位于微室(CHW)内的是块(BLOCK_i，j)阵列，其功能是先前描述的功能。该微室将阵列分为两部分：一部分(MCH)用于容纳要处理的样品，另一部分(RCH)用于容纳处理过的样品。例如，该方案可用于仅选择保留在第一微室(MCH)内的一个粒子并将它从第二微室(RCH)回收。每个块(BLOCK_i，j)功能连接到垂直通道(VRCHJ)，垂直通道的运动方向和指向在整个阵列内是连贯的，且终止于单一水平通道(HRCH1)，选择水平通道的运动方向和指向从而转移的粒子可从第一微室(MCH)转移到第二微室(RCH)然后通过最终通道(VRCHR)累积在单一区域。从最初保持在第一微室内的n×m中选择粒子，例如，可通过将粒子转移到相应通道和转移到最初没有粒子的第二微室(RCH)来进行，选定的粒子可以从第二微室提取。
[0154] 具有通道和停留单元而不具有晶体管的粒子操纵装置
[0155] 本发明的目的还在于一种装置，用于产生根据前面所述方法基于停留块和通道的使用对粒子进行操纵所必须的场配置。作为非限定例子，示出了基于无源衬底的使用的可能实施例，其中每个块没有任何存储元件或晶体管。
[0156] 附图23是根据本发明装置的第一实施例的顶视图。块(BLOCK_i，j)的同质阵列形成吸引笼阵列，吸引笼能够稳定俘获粒子。每个块(BLOCK_i，j)包括：中心电极，连接到对于相同列(或者甚至整个阵列)的块公共的控制信号(Vcage_j)；一组电极，连接到对整个阵列公共的信号(Vpj)，且对应于Vphip；连接到对相同列的所有块公共的控制信号(Vcol_j)的电极；以及，最后，连接到对相同行的所有块公共的控制信号(Vrow_i)的电极。通过对施加到信号Vcage_j、Vcol_j和Vrow_i的相位进行作用，俘获粒子的力的稳定平衡点可从块(BLOCK_i，j)移向通道(VRCHJ)或者从通道移向块，每个通道由连接到整个通道公共信号(V1_j、V2_j和V3_j)的电极阵列组成。通过对施加到这些信号的相位进行作用，可以按要求产生并沿整个通道移位力F的稳定平衡点。同样的，该装置可具有在水平方向定位的可用的一个或多个通道(HRCH)，由整个通道公共的三个信号(Vh_1，Vh_2，Vh_3)控制，其操作完全类似于在垂直方向定位的通道(VRCHJ)。附图25示出了向构成如下序列的各步骤中所涉及的信号施加的电压：该序列用于从块退出(CHACCIJ)，用于沿垂直通道转移一个位置(CONVEYV)，用于进入水平通道(HCHACC)，且用于沿水平通道运行(CONVEYH)。显然，为了反转沿水平通道或垂直通道行进的指向，针对附图25反转相位序列是足够的。
[0157] 附图24示出了根据本发明具有通道和停留单元的粒子操纵装置的又一实施例的顶视图。操作完全类似于前述实施例，但是可以获得每单位表面更大
密度的吸引笼，因为对于每列块(BLOCK_i，j)，电势为Vpj的n个电极被电势为Vpj的单一梳状电极代替。
[0158] 对于n×m个块的阵列，其中独立水平和垂直通道的数目分别等于g和f，具有通道和停留单元的装置的不具有晶体管的实施方式所用的控制信号的数目是2n+m+3(g+f)+2。如果信号Vcage_j在所有列共享，信号的数目降为n+m+3(f+g)+2。典型的(正如例子中所示)，f＝m，但是也可以在两列笼之间共享相同的垂直通道，在该种情况f＝m/2。可按照要求选择水平通道的数目。水平通道的数目越大，灵活性越大，但是笼使用面积越小，需要的控制信号数目越大。
[0159] 实际上，在上述例子中，停留单元在二维空间(行，列)逻辑组织，当以适当序列激活每一维度(行，列)的信号时，每个停留单元可进入垂直通道。根据本发明，还可以通过高于2的维数逻辑组织上述停留单元，在控制信号数目与从停留单元向通道转移笼所必须的表面之间取得不同折衷。事实上，专用于从停留单元向通道转移的表面与逻辑维数(这一区域被认为是浪费的)成比例。优点是停留单元数目对应于每个维度的控制信号数目的乘积。作为例子，10,000个停留单元在二维的情况下需要100行和100列，即200个控制信号，或者在三维的情况下需要22*3＝66个控制信号，或者在四维组织的情况下需要10*4＝40个控制信号。不管逻辑组织如何，停留单元的空间排列显然可保持两维。
[0160] 笼从停留单元到通道的转移一般通过对控制信号以适当序列激活来进行。选择该序列，以仅仅将相应于要求位置的笼从停留单元推到通道，而停留单元中的所有其他笼在通道的方向至多进几步，但是随后反转位移指向而不完成转移，且最后退回到原始位置。附图49示出了电极激活可能序列的例子，在四维(d1，d2，d3，d4)逻辑组织情况下，以将粒子(BEAD)从停留单元(CAGE)带到传送带(conv)。每个信号“di”的下划线表示此事实：该单元对应于选定维度。因此，信号di对于负相位(激活，由阴影指示)和正相位(空)均可编程。信号cage在这种情况下可编程，且不同信号cage的数目必须对应于第一维度d1的寻址信号(D1)的数目。以这种方式，粒子(BEAD)从开始笼的移动是可重复的和确定性的，正如附图49所示。具有D维度的可寻址停留单元的数目等于每个维度寻址信号数目的乘积，例如，D1×D2×...DD，同时必要控制信号的数目达到2×D1+D2+...+DD。
[0161] 根据本发明装置的实施可通过采用根据现有技术的不同技术获得。作为例子，可采用光刻技术。对于最小化通道
电阻，三金属层是理想的，因为在这种情况下，对于行和列线，在一层和另一层之间不需要具有任何过渡(避免了路线和相关电阻)。然而，在路径也用于行和列信号的情况下，两层镀金属就足够了。水平和垂直间距(PITCH)，即装置中两水平或垂直相邻块中心之间的距离，分别等于相邻表面金属之间间距的5倍或2倍。为了得到电极，可采用贵金属(金、铂等)或导电氧化物，这在所述氧化物为透明(氧化铟锡-ITO)的情况下尤其有用。为了制造衬底，可使用绝缘体(玻璃、聚碳酸酯等)，或者半导体(硅等)。为了制造盖子(LID)，可采用具有电极的绝缘衬底，也可通过金属或导电氧化物获得，这在所述导电氧化物部分或完全透明的情况下尤其有用。对于本领域普通技术人员显然的是，不同于本专利作为例子描述的其他几何形状可用于制造根据本发明的装置。
[0162] 一般来说，在使用EWOD力时，具有规则电极(即，非环形等的电极)阵列的装置是优选的。
[0163] 具有通道和停留单元且具有晶体管和/或存储元件的粒子操纵装置[0164] 作为非限制例子，示出了又一可能实施例，基于有源衬底的使用，其中使用晶体管和/或存储元件。
[0165] 具有通道调节电路的粒子操纵装置
[0166] 用于向水平定位通道(HRCH)的电极供电的每个信号(Vh_1、Vh_2、Vh_3)，以及用于向垂直定位通道(VRCHJ)的电极供电的每个信号(V1_j、V2_j、V3_j)可通过形成复用器的电子电路连接到整个装置公共的信号(Vphin，Vphip)。所述复用器可通过数字信号或单独可寻址存储元件来编程。实现该方案的电路实施例可根据本领域普通技术人员公知的任何方法获得。该技术使得可以减少用于驱动和/或编程整个装置必须的信号的总数目。
[0167] 具有停留单元调节电路的粒子操纵装置
[0168] 同样地，用于向停留单元的电极供电的每个信号(Vcage_j、Vcol_j、Vrow_i)可通过形成复用器的电子电路连接到整个装置公共的信号(Vphin，Vphip)。所述复用器可通过数字信号或单独可寻址存储元件来编程。实现该方案的电路实施例可根据本领域普通技术人员公知的任何方法获得。该技术使得可以减少用于驱动和/或编程整个装置必须的信号的总数目。
[0169] 利用通道的粒子操纵方法
[0170] 在根据本发明方法的又一实施例中，以组限制平衡点，以同步方式沿称作“通道”的预设路径移动。组之间的交换点使得粒子可从一个组转到另一个组，即，交换通道。尽管有这些额外限制，该方法使得在任何情况能够单个操纵粒子，且在一系列步骤后，单个粒子移位，而保持所有其他粒子的位置未变更。
[0171] 该方法工作原理的例子在附图26中示出。封闭为圆形的两个通道就足够了。在第一通道(C_STORE)，由NS个相位S1…SNS驱动，重复NIS次，可引入粒子，甚至可以以随机的顺序引入。通过将一个或多个粒子转移到第二通道(C_TMP)上，由NT个相位T1…TNT驱动，重复NIT次，可以对第一通道上的粒子重新排序。用于每个通道的相位的最小数目是3。因此，利用6个相位，可以控制粒子的任意分布。两通道之间的交换可通过附图27a-e所示的一系列步骤获得，其示出了第一通道(CON_1)上吸引笼(CAGE)内的粒子(BEAD)，同时通过改变电极(EL)的编程，它被转移到与另一通道的交换点[附图27c]。通过当笼位于第二通道[CON_2]的交换点时移走(附图27d)第一通道的笼，粒子转移到第二通道。附图28示出了六边形电极阵列情况下的类似序列。该实施例尤其适用于使用EWOD力。然而，使用为了本发明目的描述的方法之一，可以获得在使用更复杂电极结构情况下通道之间的交换。
[0172] 在根据本发明方法的又一实施例中，仅仅采用单一通道使得所有粒子转移，以使得给定粒子重新定位到给定位置上。显然，所述方法适用于多个通道的一般情况，然而，没有考虑通道之间的交换。在这种情况，通道不彼此受限是有用的。
[0173] 具有通道而不具有晶体管的粒子操纵装置
[0174] 具有9个控制信号的粒子操纵装置
[0175] 附图29示出了具有通道而不使用晶体管的粒子操纵装置的优选实施例。NCV个垂直环形通道VC_1.VC_NCV每个通过3个相位V1、V2、V3，形成NI个笼(CAGES)。所述相位在3电极组的每个反复I_1…I_NI处重复连接。所述相位对所有通道是公共的。三个相位H1、H2和H3驱动的第二水平环形通道(HCONV)包括与垂直传送带的NCV个交换点，交换点在相位V1+H1是激活的，从而可以同时从垂直通道向水平通道转移NCV个笼的容纳物。所述垂直和水平通道在第一微室(MCH)获得。由相位R1、R2和R3驱动的第三通道(RCONV)在第二微室(RCH)获得，第二微室通过膜片(CHW)与第一微室分离。所述第三通道包括在相位H2+R2期间激活的交换点。
[0176] 例如，本装置尤其适用于隔离单个粒子，例如液体中悬浮的细胞。多个粒子可注入第一微室(MCH)。不带粒子的液体注入第二微室(RCH)。关注的一个或多个粒子可被选定且从第一微室(MCH)的垂直通道转移到水平通道，且从这转移到第二微室的第三通道。从这粒子可流出和单独回收。
[0177] 具有7个控制信号的粒子操纵装置
[0178] 对于单个粒子隔离，装置的实施例可通过如下方式进一步简化：通过限制第三通道(RCONV)以与垂直通道同步的方式移动，从而共享其相位V1、V2和V3，正如附图30所示。然而，在这种情况，应加上相位(THR)以控制从水平传送带(HCONV)到第三传送带(RCONV)的转移。相位的总数目因此减小到7。尽管该装置有仅使用通道的限制，应注意的是，将单个粒子从第一微室(MCH)的点引入第二微室(RCH)的点的步骤数目大致上近似等于使所有粒子独立移动的装置的步骤数目。
[0179] 具有单独通道和室的粒子操纵装置
[0180] 附图31示出了不同类型的粒子管理装置的优选实施例。在该情况，每个垂直通道在单独微室获得且由单独信号控制。例如，在不同垂直室可注入不同粒子。因此可以以有序方式，将不同类型粒子转移到水平通道(HCONV)，或者可以使一种粒子与来自第二微室的第二类型粒子互相作用。
[0181] 具有通道且具有晶体管和/或存储元件的粒子操纵装置
[0182] 用于向通道(C_STOR，C_TEMP，VC_i，HCONV，RCONV)电极供电的每个信号可通过形成复用器的电子电路连接到整个装置公共的信号(Vphin，Vphip)。所述复用器可通过数字信号或单独可寻址存储元件来编程。实现该方案的电路实施例可根据本领域普通技术人员公知的任何方法获得。该技术使得可以减少用于驱动和/或编程整个装置必须的信号总数目。
[0183] 具有通道和完全可编程阵列的粒子操纵装置
[0184] 在本发明的又一实施例中，根据类似于已经描述的附图29、30、31中的装置中所使用的技术实现的附图23的装置的技术，用于获得附图32所示的复杂装置，其使得可以优化粒子操纵的可能性和次数，同时限制必须的控制信号数目。根据附图32中所示，根据本发明的该装置由聚合材料制成的膜片(CHW)分隔为两个微室(MCH，RCH)。
[0185] 第一微室(MCH)基本包括：
[0186] a.多个第一垂直环形通道和多个第二垂直环形通道(也可定义为“传送带”)(即，形成封闭环路，虽然拉长了)VC1_1…VC1_NCV和VC2_1…VC2_NCV，每个通道形成NI个笼(CAGES)，这利用三个相位V1、V2和V3，这三个相位在三电极组的每个反复I_1…I_NI处重复连接。
[0187] b.第一水平环形通道和第二水平环形通道HCONV_UP、HCONV_DOWN(甚至仅仅是线性通道，即，以直线而不是环形排列电极，以形成部分阵列)，由四个相位H1、H2、H3和H4驱动，包括与垂直通道(传送带)的NCV个交换点，交换点在相位V2+H3激活，从而可以将一个或多个笼内的容纳物同时从垂直通道转移到第一水平通道；
[0188] c.第三环形水平(或仅为线性)通道HCONV_AUX，由四个相位AUX1、AUX2、AUX3和AUX4驱动，其包括与传送带或上水平通道HCONV_UP的NCAUX1个交换点，以及与传送带或下水平通道HCONV_DOWN的相同数目的NCAUX2个交换点，交换点位于彼此对应的位置；
[0189] d.电极的完全可编程矩阵阵列，例如5×5电极的方形阵列，每个电极通过专用相位单独操纵，或如现有技术再次使用完全有源型电极，每个电极具有可编程存储元件和晶体管，从而使用中形成单独可编程吸引笼的矩阵阵列；
[0190] e.第一环形垂直倾卸通道VCW_UP和第二环形垂直倾卸通道VCW_DOWN，由三个相位以基本上类似于已经描述的对于垂直通道VC1_i和VC2_j的方式驱动，其具有将不需要的粒子从阵列清除的功能；
[0191] f.长环形垂直倾卸通道VCW_LONG，具有近似垂直通道VC1_i和VC2_j两倍的尺寸，其也是由三个相位以基本上类似于已经描述的对于垂直通道VC1_i和VC2_j的方式驱动，设置在微室MCH与阵列相对一侧的部分。
[0192] 第二微室(RCH)基本上由出口通道RCONV组成，出口通道由四个相位R1、R2、R3和R4驱动，用于通过聚合材料制成的膜片CHW(构成两微室之间连通的通道)的中断，将离
开关注阵列的粒子转移到第二微室。此外，还具有水平反馈通道HCONV_FB，由四个相位FB1、FB2、FB3和FB4驱动，基本上位于辅助水平通道确定的相同直线上，通过水平反馈通道，可以使粒子再次通过上述膜片CHW中的通道由出口通道RCONV返回，从而由微室RCH进入阵列。
[0193] 在本发明的具体实施例中，垂直环形通道有400个，设置成20组20个元件。由于第一微室MCH基本上由水平通道分成两个半室，顶部半室和底部半室，垂直通道在顶部一半有200个且在底部一半有200个。该结构因此完全对称。
[0194] 每个单独通道利用三相位协议能够移位粒子且使其旋转。利用(可控的)NCV个交换点之一，即对于上部垂直通道是直接位于水平通道HCONV_UP之上的交换点，对于下部垂直通道是直接位于水平通道HCONV_DOWN之下的交换点，可以在任何情况从通道选取关注粒子。每个交换点由一
对电极限定，分别称作“元件”和“组”(附图32)。由于组电极和元件电极为20个，可寻址交换数目为400，等于垂直通道的数目。特殊相位信号对于组内的每个通道是相同的，从而特殊相位信号的行为和组电极信号的行为对于组内的每个传送带是相同的。这不适用于元件电极。以这种方式，总是可以将关注粒子从垂直传送带转移到水平传送带，以将其转移到远到可编程阵列，可能到出口点，而没有携带其他粒子到水平传送带。方向的改变，即，从垂直通道到水平通道的转移，可以通过特殊相位(附图33)引导的电极来进行。通常，所述电极位于与相位2的信号相同的相位，但是在关注粒子的情况下，当相位2的所有其他信号为负(即，激活)时，特殊信号也变成负(附图34)，从而使得单元通过接触点转移，如果元件电极和组电极激活的话。当元件信号不在负相位(对于交换中不涉及的所有其他19个通道也是如此)，操作为附图35所示。以这种方式，粒子可向上和向下连接到传送带。而且，当要求在同一垂直通道内
修改粒子顺序时，附图35所示的操作是有用的，因为它使得在垂直通道外部的组电极处临时放置粒子成为可能，且然后使粒子回到垂直通道。
[0195] 以类似于前面对具有通道和停留单元而不具有晶体管的装置描述中所述的方式，在具有晶体管和可编程阵列的装置的情况下，也可以采用不是2维(如前所述)而是D维传送带的逻辑组织。作为例子，可以再次参考前面描述的附图49，作为粒子(BEAD)从垂直通道(cage)端部转移到水平传送带(conv)的表示。对于本领域普通技术人员清楚的是，如何可以对操作序列进行归纳，用于仅对于选定通道，即，仅对于选定了每一维的所有D(＝4，在例子中)个交换信号的通道，执行从垂直通道到水平通道的交换，。
[0196] 对于水平通道(HCONV_UP，HCONV_DOWN)，关注粒子可转移到完全可编程矩阵阵列，其中可以执行复杂操作，例如粒子群的划分。例如，在注入的样品中每笼的平均单元密度等于或大于一时，这尤其有用。在这种情况下，笼内有单一粒子的可能性下降，因此关注单元很可能形成群的一部分。存在完全可编程矩阵阵列使得可以将形成群的一部分的单元分离在不同笼中。
[0197] 在优选实施例中，矩阵阵列为5×5完全可编程电极的正方形，如附图36所示，该图示出其与水平传送带和辅助传送带的相互作用。
[0198] 通过矩阵阵列，可以选定和保留关注粒子，同时，在分离在不同笼中之后，其他粒子可在转移到倾卸通道后移走。阵列和倾卸通道之间的交换点作用类似于其他交换点，但不具有两元件和组电极(附图37)。
[0199] 辅助通道HCONV_AUX可用作对两水平通道HCONV_UP和HCONV_DOWN的支持，例如在由于粒子阻塞等引起的任何故障情况下。在装置的优选实施例中，三个水平通道之间提供12个交换点，如附图38所示有双交换点。
[0200] 辅助通道也可用于清除不需要的粒子，尤其是在装置开始步骤期间。附图39示出了辅助通道的左手端，在那可以将粒子通过单个交换点转移到长倾卸通道。
[0201] 向上倾卸通道VCW_UP和向下倾卸通道VCW_DOWN位于矩阵阵列的出口(附图40)。出口通道RCONV为4相通道，其将关注单元转移出微室MCH，移入微室RCH。为了有更高可能数目的笼，朝向出口点的通道以之字形(附图41)全程延伸通过微室RCH。当粒子位于出口通道，它们可以通过水平反馈通道HCONV_FB返回阵列。水平反馈通道以对称方式分割出口通道，实际上确定顶部出口半通道和底部出口半通道。应该注意的是，所述半通道与操作观点完全无关，因此可以仅使用其中一个。
[0202] 装置的有源区域为环(附图42)包围，环由正相位的两个同心电极环组成，之后有正相位电极与伪电极(例如浮置电极)交替的环，之后又有正相位的两个电极环。伪电极对准传送带的列。
[0203] 应该注意的是，刚刚描述的本发明的实施例有利地使得可以组合编程和管理的简单性(用于控制向下通道的相位数目)与精确性(执行阵列内关注粒子的复杂操纵的可能性，具有与构成阵列的每个单独笼独立地介入的可能性)。
[0204] 识别和计数粒子的装置
[0205] 对于根据本发明的每种粒子操纵方法(具有同质阵列以及具有停留单元和通道，或者甚至仅仅具有通道)，可加上用于粒子检测的部分以区分、识别、鉴定或计数单元/粒子。该区分或识别可根据现有技术以不同方式获得：
[0206] 1.区分/识别不同粒子/单元，所述粒子/单元对外加力F具有相同反应特性，但是不同地影响传感器读取；例如，具有不同透明度的粒子对光电
二极管光强度的读取影响不同。
[0207] 2.区分/识别粒子/单元，所述粒子/单元对外加力F具有不同反应，但是对传感器有相同的作用；例如，不同尺寸的单元可具有不同的位移速率，因此可以通过监视从一块(BLOCK_i，j)转到相邻块(BLOCK_i，j+1)所用的时间来识别它们。
[0208] 3.区分/识别粒子/单元，所述粒子/单元对外加力F有不同反应特性，且在任何情况对于传感器有不同特性。
[0209] 识别可与单元计数方法组合，该单元计数方法通过组合用来将每个单元(或单元群)定位在与传感器阵列元件相对应的点处的力(F)的作用与利用所述传感器识别每个单元(或单元群)的存在的能力而获得。以这种方式，除了识别，还可以计数每种类型的粒子。
[0210] 在根据本发明的粒子操纵装置的每个实施例中(具有同质阵列以及具有停留单元和通道或具有通道)，因此可以增加用于检测粒子的部分。
[0211] 可以有不同实施例，从而该检测通过阻抗计或光学传感器进行。尤其感兴趣的是，即使不具有有源衬底，即不具有晶体管情况下检测粒子的可能性。
[0212] 不具有晶体管具有阻抗计传感器的粒子操纵装置
[0213] 因此可以监测由粒子存在对电场施加的微扰，该电场在电极阵列两相邻元件之间产生，为了区分、量化和/或限定粒子的存在。在同质阵列的情况下，可以测量一个(或多个)粒子的存在，且可能地，通过通常用于传送行信号和列信号的通道之间的阻抗测量，测量它的(它们的)特征。
[0214] 参考附图5，可以理解，例如，Vrow_i和Vcol_j之间的阻抗如何显著地受可能俘获在笼CAGE_i，j中的粒子的存在或不存在和粒子类型的影响，且轻微地受周围笼中粒子的可能存在影响。
[0215] 在具有通道和停留单元的装置的情况下，可进行类似测量。参考附图23，可以理解，例如Vrow_i和Vcol_j之间的阻抗如何显著地受可能俘获在块(BLOCK_i，j)的笼中的粒子的存在或不存在和类型的影响，且轻微地受周围笼中粒子的可能存在影响。
[0216] 当然，可以加入专门用于检测的行和列通道，因此不需要复用驱动和检测。
[0217] 附图43示出根据本发明的读取方案，用于检测行信号(Ri)和列信号(Cj)的一般线之间的单个交叉点(Zcage_ij)的阻抗，而不受相邻行(Zrow)和列(Zcol)之间的耦合的影响，不然的话这种耦合将导致不可能实施检测，由于它们的值相对于Zcage_ij通常是显著的。该读取方案可通过电子系统获得，该电子系统具有在微制造芯片外部的元件，因此与不具有晶体管的衬底的使用相兼容，但是在晶体管可用的情况下也可集成在芯片上。
[0218] 具有零平均值的输入刺激(Vin)选择性地施加到行(Ri)，仅激活它的复用器MRi。其他行复用器MR1…MRi-1，MRi+1…MRm将其他行接地。仅仅与要测量的交叉点阻抗的坐标相对应的一列(Cj)被复用到跨导
放大器的虚拟地(Vvgnd)，该放大器的输出(Vout)反比于未知阻抗：
[0219] Vout＝-Vin*Zr/Zcage_ij
[0220] 因此在已知Vin和Zr时所述
输出电压(Vout)可用于得出Zcage_ij。一般来说，通过处理模拟或数字类型信号的块(PROC)，可以处理输出Vout，可能地与输入Vin一起处理，以产生一个或多个额外(模拟或数字)输出(OUT)，表征阻抗的测量从而表示在测量点处粒子存在与否或者类型。
[0221] 作为例子，列举这种情况：输入(Vin)是已知
频率的正弦曲线。在该情况，通过处理放大器的输出(Vout)以及Vin，根据公知技术可以容易的获得Zcage_ij的准确测量。例如，滤波技术如
锁定放大器滤波可用于处理信号的块(PROC)。
[0222] 再次作为例子，列举施加由多个不同频率正弦曲线的和形成的输入电压(Vin)的可能性。由于作用的
叠加，通过在处理块(PROC)采用模拟或数字
滤波器，分离输出电压(Vout)的谱分量，可以同时在组成输入(Vin)的所有频率处检测由行和列复用器(MRi)(MCj)寻址的笼的阻抗(Zcage_ij)。
[0223] 为了
加速读取操作，可以通过在每列复制放大器和处理块，并行读取所有列。在这种情况下，不需要使用任何列复用器(MCj)。
[0224] 具有阻抗计传感器的粒子检测方法和装置
[0225] 根据本发明，还提供与作为致动器的芯片的使用无关的检测装置。在该情况下，一般可以增加检测点的空间
分辨率(有这样的限制：获得等于顶部镀金属间距的分辨率)，获得实现单独单元分辨率的样品的阻抗计图像。
[0226] 为了估计粗糙度、湿度或其他对美容应用或
皮肤病研究有用的参数，单元群形成的组织形态的研究尤其有用。在该情况下，阻抗测量并不必须使用力，且可在二维空间内以规则方式排列的相邻电极之间，通过将组织设置成接触电极阵列所在的衬底来进行。
[0227] 本发明的目的是一种装置，其通过电极块的阵列实现该技术，每个电极块由至少一个连接到行信号的电极和至少一个连接到列信号的电极组成，从而所述电极之间阻抗可通过测量行和列之间的阻抗来估计。位于每行和每列交点相邻的可能粒子可以这种方式通过测量行和列之间的阻抗而被检测。
[0228] 作为决不限制本发明范围的例子，提供所述装置的一种可能实现方式，该装置尤其适用于当行形成在衬底(SUB)上而列形成在面对第一衬底且距第一衬底一定距离的盖子(LID)上的情况或相反情况。以该方式，事实上，可以提供等于装置整个长度的平行矩形电极，水平设置在衬底(SUB)上以获得行信号，且设置在盖子(LID)上以获得列信号。以这种方式，通过计算每行和列之间的阻抗来进行测量，以确定两信号交点的行电极和列电极之间的粒子的存在。可获得最终装置，衬底(SUB)上仅具有一层镀金属且盖子(LID)上仅具有一层镀金属。
[0229] 不具有晶体管而具有光学传感器和透明电极的粒子操纵装置
[0230] 检测粒子的又一可能由在装置下使用的光学传感器组成，与透明电极(例如氧化铟锡-ITO)的使用相结合。在该情况，当从上方照明装置时，通过装置下的外部检测阵列上的入射光
能量的变化，来检测粒子。如附图44所示，下面的检测系统可由光学传感器(
像素)阵列组成，光学传感器例如
光电二极管或CCD，其中传感器阵列的相邻元件之间的距离为两相邻块(BLOCK_i，j)之间距离的1/N倍，N＝1整数。该技术的主要特征在于，可以将要检测的粒子对准传感器元件(像素)，改进测量灵敏度并获得粒子和传感器元件之间的一一对应。这一技术事实上保证每个粒子可以仅仅且唯一地位于阵列传感器的仅仅一个元件的传感区域。
[0231] 可替换的，可以使用外部传感器阵列，距离致动装置一定距离设置，其中从上面反射的光或从下面透射的光由一列透镜转移和聚焦向传感器，然而，传感器元件(像素)光学对准阵列块。
[0232] 不具有晶体管而具有光学传感器和非透明电极的粒子操纵装置
[0233] 检测粒子的又一种可能由装置下的光学传感器(OPTISENS)的使用组成，与非透明电极的使用相结合。在该情况下，在衬底附近，在未覆盖电极金属的区域，可以获得电势孔(CAGE)。附图44所示具体例子是形成本发明目标的装置的简单实施例，其中电极(EL)阵列由仅仅一个电极以方格栅(其他几何形状明显也可以，例如矩形、圆形、六边形或三
角形)的形式组成。在该情况下，得到块(BLOCK_i，j)，由未覆盖有电极金属的区域组成(附图44a)，其中具有稳定平衡点(CAGE_i，j)。以该方式，如果衬底透明，可以在装置下(附图44b)采用传感器(OPTISENS)，传感器由用于检测每个稳定平衡点中俘获粒子的存在的感光元件(像素)阵列组成。就此而言，优选地，传感器阵列元件(像素)光学对准稳定平衡点(CAGE_i，j)阵列，其中传感器阵列相邻元件之间的距离为两相邻块(BLOCK_i，j)之间距离的1/N倍，其中N＝1整数。该装置尤其适用于计数液体样本中包含的粒子。在该情况下，实施例限制于粒子(BEAD)与传感器阵列元件(像素)对准。
[0234] 附图45中所述，完全是决不限制本发明范围的例子，是通过原型得到的实验结果，该原型通过具有电极的透明玻璃衬底获得，包括：具有正弦信号(Vphip)的金属格栅；盖子，其底面导电且透明(具有反相信号Vphin)；外部传感器，其检测借助于显微镜透镜通过装置底部收集的光；和光源，从上面照射装置。在该情况下，传感器的多个像素与稳定平衡点(CAGE_i，j)阵列的每个元件光学相关。在使用外部传感器的情况下，如前面所述，衬底(SUB)不必是透明的，因为可以通过利用反射光照射装置，使用从上面收集的图像。
[0235] 参考附图46的底部，来自传感器每个像素的信号(LINT)通过
硬件/
软件比较器转换成数字信号，比较器将来自传感器的信号与适当固定
阈值(LLINE)比较，从而逻辑值LDIG＝0(黑)相应于单元(BLOCK_i，j)内没有任何粒子，而逻辑值LDIG＝1(白)相应于单元(BLOCK_i，j)内有粒子。附图45a所示的是装置的放大图像，其中块(BLOCK_i，j)和俘获在稳定平衡点(CAGE_i，j)的微球(BEAD)清晰可见，同时附图45b示出了对应于装置相同部分的处理信号。在所示例子中，处理包括灰度级反转，之后进行模糊和阈值处理。由结果图像可容易的得到自动计数。类似结果可采用接触传感器获得，其从下面收集光，如附图46所示，或者集成在衬底内。使用接触传感器的优点在于不需要使用显微镜透镜。结果是减少尺寸从而便携的装置。
[0236] 对本领域普通技术人员显然的是，传感器集成存在许多其他可能，如果可以使用具有晶体管的有源衬底，其可以用于将光学阵列和阻抗计传感器耦合到吸引笼，一般来说更简单。
[0237] 为了改进使用光学传感器的性能，可以使用显微镜(MICROLENSE)，例如，可以设置于盖子(LID)的顶部，用于将光传送到俘获粒子。附图47所示是该想法的一个例子，其中示意性示出显微镜的使用如何改进测量灵敏度(收集光，否则光终止在感光区域之外)且增加与粒子存在与不存在相关的不同信号水平之间的对比(将所有光线传送到粒子所在的笼的力中心)。此外，对本领域普通技术人员显然的是，可组合透镜、抛物柱面
反射器、棱镜、反射镜、
过滤器或偏光器的作用，用于装置的照射。
[0238] 作为使用光学传感器(像素)二维阵列的替换，可以使用(附图48)具有光学对准稳定平衡点(CAGE_i，j)阵列一行(或一列)的传感器元件(像素)的一维阵列(SENSHEAD)，其中传感器阵列相邻元件之间的距离是同行(或列)两相邻块(BLOCK_i，j)之间距离的1/N倍，N＝1整数。为了获取整个阵列上粒子存在/不存在的信息，按时间顺序对阵列的每行(或列)进行获取，每次获取后，将传感器(像素)阵列相对于块阵列在平行于列(或行)的方向(HEADIR)移动一间距(PITCH)，或相反移动。
[0239] 附图48所示为完全不限制本发明范围的例子，是该想法的一个可能实施例。在该情况下，是装置移动，而传感器(SENSHEAD)、聚光镜(CONDENSOR)、精密光学元件、可能的过滤片(FILTER)和光源(LSOURCE)保持固定。
[0240] 最后，可以采用单一感光元件以时序执行整个阵列的扫描。在该情况，在每次检测后，传感器(SENSHEAD)在平行于行的方向进行距离等于行的元件之间的间距的移位。接下来，在每行端部，传感器在平行于列的方向进行距离等于列的元件之间的间距的移位。然后扫描下一行，以相同方式处理直到完成整个阵列。
[0241] 最后，显然的，前面描述的获取方法和/或装置可应用于形成本发明主题的所有方法和/或装置，这尤其适用于传感器的使用与粒子或单元操纵组合的情况。
