用于生物分子检测的纳米毛细管装置、流体网络结构和其制造方法制造方法及图纸

一种装置包括至少一个纳米级毛细管和用于施加电压的器件，所述器件适于在施加所述电压时在至少所述毛细管中形成电场，使得当施加所述电压时，放置于形成的电场内的带电分子或粒子能被电控制。一种流体网络结构包括至少一个纳米级毛细管。本发明专利技术还描述了使用和制造流体网络结构的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生物分子检测的纳米毛细管装置、流体网络结构和其 制造方法
本公开涉及一种装置、一种流体网络结构和一种制造所述结构的方法。
技术介绍
在本领域中已知在微米和高纳米范围操纵带电和不带电物体的位置和运动的若 干方法。这些方法常常具有分离单个较小大小物体使得其随后能被研究的目的。 举例而言，光镊（opticaltweezer)可以用于这个目的。光镊能通过经由高度聚 焦的激光束施加极其小的力来操纵电介质粒子。通常利用这种镊子来研究蛋白质和酶。 所用的另一技术是双向电泳，由此，当不带电的电介质粒子经受不均匀电场时，在 不带电的电介质粒子上施加力。由于力强度在很大程度上取决于介质和粒子的电性质、粒 子的形状和大小、以及电场的频率，包括纳米粒子的粒子能以很大的选择性被操纵。 上文所描述的方法不能按比例缩小到低纳米范围，即，它们不能用于分子大小的 物体。这种不足是由于相应方法的固有性质造成。特别地，可控制地移动并且在更广泛意 义上操纵物体所需的力与物体体积成比例。因此，为了能采用上述技术中的任何技术以便 用受控制的方式将具有5纳米直径的分子诸如胰岛素分子移动特定距离将会需要比移动1 微米物体诸如典型细菌大200万倍的力。 因此，寻找研究个别分子的方式的科学家需要转向其它操纵技术来用于分离标准 大小的单个分子。考虑到这点，有些方法可用，由此单个分子可以被固定到专用表面上或者 固定到凝胶的孔隙中。然而，这些方法执行起来都不令人满意。更具体而言，由于表面本身 的化学性质等使得表面固定是不可预测的，而利用凝胶进行的固定在分子捕获方面并不足 够可靠。 因此，本专利技术的目的在于排除与当前技术相关联的缺陷中的至少某些缺陷。 此外，一旦已分离了个别分子，常常需要能以受控制的方式进一步操纵它，例如以 使之与相同类型的其它分子聚集在一起。 而且，为了效率起见，分离所希望的分子的过程优选地并行地执行并且导致大量 的个别地/单独地分离的分子。不仅对于分离过程，而且对于上文所提到的示例性聚集过 程而言，获得高度的并行化是重要的。 本专利技术的另一目的在于满足这些要求。
技术实现思路
通过包括根据独立权利要求的装置、流体网络结构和制造所述流体网络结构的方 法的专利技术构思、和通过根据从属权利要求的实施例而实现了上文所提到的目的。在本上下 文中，术语流体应被理解为可以由流体流的相互作用而操作。通过提供上述构思，获得了用 于控制在低纳米范围的单个带电分子或粒子，诸如离子的位置和运动的可靠、高度可缩放 的方案。 本专利技术的第一方面提供一种装置，其包括至少一个纳米级毛细管和用于施加电压 的器件，诸如电极，其中所述器件适于当施加所述电压时至少在所述毛细管中形成电场。当 施加所述电压时，可以电控制所形成的电场内放置的带电分子或粒子。此处，术语电控制带 电分子或粒子广义地被解释为带电实体、分子、粒子、纳米粒子、纳米丝或纳米结构，其位置 和运动通过电力来调节。为了方便起见，贯穿本申请，术语电压用于说明施加电场，独立于 电容或电阻负荷而施加。这些术语应理解为可控制地形成带电实体所在的溶液或介质中的 电位差。 本专利技术的第二方面提供一种流体网络结构，其包括至少一个纳米级毛细管，其中 所述毛细管定位于流体通道网络上并且所述网络定位于基板上。 本专利技术的第三方面提供一种制造流体网络结构的方法，流体网络结构包括在流体 通道网络上的至少一个纳米级毛细管，其中所述方法包括以下步骤：提供基板；随后在所 述基板上生长至少一个坚直的、基本上一维的纳米结构；以及，此后图案化流体通道网络。 该方法还包括以下步骤：淀积至少一个材料层，由此形成由材料层和基板界定的封闭一体 式单元；以及，随后移除所述封闭一体式单元的内部的至少部分以便形成所述毛细管和所 述流体通道网络。 通过使用所述器件施加合适电压，形成电梯梯度。这种电位梯度导向至纳米级毛 细管并且其也延伸到毛细管内。这样获得的电位梯度能引导单个带电分子，诸如带负电的 DNA分子经过到毛细管内，因此造成分子的捕集。一旦处于毛细管中，DNA分子可以被固持 于其中。更具体而言，在毛细管最上部段中的电压值略微小于在毛细管底部处的电压值。以 此方式，在毛细管中的电位梯度从毛细管的最上部段导向至其底部。然后电压差有效地将 DNA分子固持在毛细管内，S卩，电压差防止它从毛细管离开。相同的一般原理甚至可以用于 使固持的分子在毛细管内移位。在相同的情形下，分子可以从毛细管释放，例如，通过使电 位梯度的方向反向。由此获得了对单个带电分子的位置和运动的前所未有的控制度。取决 于带电分子的具体位置，能使其进出毛细管。以相同方式，其也能被阻挡不能进出毛细管。 为了甚至更好地控制诸如DNA分子这样的带电粒子的位置和运动，可以将纳米级 毛细管集成到流体网络结构内，流体网络结构不限制地实施为一体式单元，即，其被整体地 制成。当作为流体网络结构的部分时，纳米级毛细管被定位于流体通道网络上，流体通道网 络被定位于基板上。可以以多种方式实现在纳米级毛细管与网络结构之间的相互作用，例 如通过允许在毛细管与下面的通道网络之间的流体连通使得捕获的分子可以经由通道网 络以高度受控制的方式远离网络结构而被运输。 此外，由于整个流体网络结构定位于基板上并且在所有基本方面独立于基板性 质，则可能将整个结构转移到另一基板，其性质可以针对具体应用进行定制。 而且，所考虑的通常在标准硅基板上生长的专利技术构思可以与常规硅基半导体技术 兼容，因此易于以低成本可缩放到较大直径晶片。 当结合附图来阅读下文的详细描述时，实施例的另外的优点和特征将变得显然。 【附图说明】 图1示出了根据本专利技术的一实施例的纳米级毛细管的透视图。 图2a是根据本专利技术的一实施例的纳米级毛细管和用于施加电压的器件的示意截 面图并且图2b为由所述器件当根据图2a布置时所形成的电位梯度的示意截面图。 图2c至图2f为示出了根据本专利技术的实施例的用于施加电压的器件和纳米级毛细 管的不同捕获配置的示意截面图。 图3a至图3c示出了根据本专利技术的一实施例制造所述纳米级毛细管的方法。 图4高度示意性地示出了本专利技术的流体网络结构的示例性部分。 图5示意性地示出了基于本专利技术的纳米毛细管的纳米注射器的一实施例。 在图6a至图6d中示意性地示出了用以实施图5的纳米注射器的不同方式。 图6e和图6f示意性地示出了具有（图6f)用于检测和操纵分子的集成电极和不 具有（图6e)集成电极的单个纳米注射器/纳米陷阱。 图6g为示出了采用纳米注射器/纳米陷阱/纳米毛细管构思的组织图。 图6h至图6j为病毒和细菌检测/诊断平台的实施例的示意图，示出了 ：（6h)经由 流体网络特定地用于某些样本的捕获/加载引物，（6i)在毛细管内捕获/混合样品DNA; 以及（6j)在样品中样本的纳米PCR和检测(嵌入染料)。 图6k为个体鉴定方法的示意图：待分析的捕获目标DNA，添加对于不同短串联重 复（STR)序列而言特异/特定的引物，以及进行纳米PCR(无需凝胶电泳)。 图61和图6m为单细胞药物筛选方法的实施例的示意图：（61)透本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，其包括至少一个纳米级毛细管和用于施加电压的器件，所述器件适于当施加所述电压时至少在所述毛细管中形成电场，使得当施加所述电压时，置于所形成的电场内的带电分子或粒子能受电控制。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.16 US 61/624533;2012.06.15 US 61/660310;201. 一种装置，其包括至少一个纳米级毛细管和用于施加电压的器件，所述器件适于当 施加所述电压时至少在所述毛细管中形成电场，使得当施加所述电压时，置于所形成的电 场内的带电分子或粒子能受电控制。2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述带电分子或粒子定位于溶液中并且 所述带电分子或粒子的所述电控制包括其在所述毛细管内捕获、固持、释放和移位中的至 少一种。3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，捕获、固持、释放和移位中的任一个由所 施加电压的水平决定。4. 根据权利要求2至3中任一项所述的装置，其特征在于，捕获、固持、释放和移位中的 任一个由所施加电压的频率决定。5. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述用于施加电压的器件包 括至少两个电极。6. 根据权利要求2至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述捕获可以调谐为仅捕获 预定量的电荷。7. -种流体网络结构，其包括至少一个纳米级毛细管，所述毛细管定位于流体通道网 络上，所述网络定位于基板上。8. 根据权利要求7所述的流体网络结构，其特征在于，所述网络在基本上水平方向上 延伸并且所述毛细管在基本上坚直方向上延伸。9. 根据权利要求7或8所述的流体网络结构，其特征在于，所述基板包括电和/或流体 通路和/或电路。10. 根据权利要求7至9中任一项所述的流体网络结构，其特征在于，所述流体网络结 构为一体式单元。11. 根据权利要求10所述的流体网络结构，其特征在于，所述单元主要由一种材料制 成。12. 根据权利要求11所述的流体网络，其特征在于，所述材料为电介质，诸如A1A。13. 根据权利要求7至12中任一项所述的流体网络结构，其特征在于，所述流体网络结 构可以从所述基板转移。14. 一种制造流体网络结构的方法，所述流体网络结构包括在流体通道网络上的至少 一个纳米级毛细管，所述方法包括以下步骤： 提供基板， 在所述基板上生长至少一个坚直的、基本上一维的纳米结构， 图案化流体通道网络， 淀积至少一个材料层，由此形成由材料层和基板所界定的封闭一体式单元， 移除所述封闭一体式单元的内部的至少部分以便形成所述毛细管和所述流体通道网 络。15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述淀积层主要由一种材料构成。16. 根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤：提供用于施 加电压的器件使得电场至少形成于所述毛细管中。17. 根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤：将 电和/或流体通路和/或电路并入于所述基板中。18. -种纳米注射器，其包括中空纳米丝。19. 一种生物材料陷阱，其包括中空纳米丝。20. 根据权利要求18至19中任一项所述的装置，其特征在于，所述中空纳米丝包含邻 近于所述纳米丝的栅电极。21. 根据权利要求18至20中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置用于细胞操纵 或DNA捕获、制备和/或测序。22. 根据权利要求18或20中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置用于细胞操纵 以用于药物筛选、系统生物学、细胞重编程、个体化用药或组织工程学。23. -种用于进行下列中至少一项的流体方法：使用电场来在纳米毛细管中保持、俘 获分子或将分子从纳米毛细管释放出来。24. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，其还包括：执行溶解和/或聚合酶链式 反应（PCR)。25. -种用于进行下列中至少一项的流体装置：使用电场来在纳米毛细管中保持、俘 获分子或将分子从纳米毛细管释放出来。26. 根据权利要求25所述的装置，其特征在于，其还包括：邻近于所述纳米毛细管的加 热器。27. 根据权利要求25所述的装置，其特征在于，其还包括：在所述纳米毛细管外侧的对 电极和邻近于所述纳米毛细管的至少一个电极。28. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，纳米级毛细管包括非导电侧壁，用于施 加电场的器件包括至少一个导电环绕式电极，其中所述非导电侧壁和所述环绕式电极沿着 所述毛细管轴线形成非导电/导电异质结。29. 根据权利要求28所述的装置，其特征在于，至少一个导电电极位于所述纳米级毛 细管外部。30. 根据权利要求28或29所述的装置，其特征在于，所述至少一个纳米级毛细管无缝 地连接到至少一个纳米级腔室。31. 根据权利要求28至30中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个纳米级毛 细管和/或至少一个纳米级腔室无缝地连接到纳米通道网络。32. 根据权利要求28至31中任一项所述的装置，其特征在于，向所述至少一个导电环 绕式电极施加电位差造成电...

【专利技术属性】
技术研发人员：J奥尔松，M比约尔克，
申请(专利权)人：昆南诺股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE