多平面微电极阵列装置及其制造和使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供微电极阵列装置及其制造和使用方法，目的是为了分离和分析流体溶液中包含的微米粒子和纳米粒子。在各个方面中，本发明专利技术被设计成利用电动力学和某些力的分离以便影响和控制流体溶液中的小粒子，从而允许对这些粒子进行进一步分析。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多平面微电极阵列装置及其制造和使用方法相关申请本申请要求2016年12月19日提交的美国专利申请号15/383,343的优先权，其内容通过引用并入本文。
本申请一般涉及利用平台装置内的电动力学来影响和控制流体中的粒子运动的装置领域。具体地，本申请允许基于粒子的固有性质对粒子进行定量或回收。
技术介绍
在过去二十年中，分子诊断领域的实验设计以惊人的速度发展。历史上需要数周或数月才能完成的分析现在可以在一天内完成，导致大大节省了时间和成本二者。除了这些惊人的优势之外，该技术还在另一个重要参数中取得了进展，这是量级(scale)之一。通过对电化学、热力学和物理学的更好理解，技术人员现在已经实现了分离和观察纳米级以及更小量级的粒子的能力。通常，在分析之前必须充分制备给定的生物样品，这种制备是繁重的，并且在最坏的场景(casescenario)下会无意地影响待分析样品的完整性。例如，对包含生物组分(比如血液、组织或细胞)的临床样品的许多诊断测定需要通过破坏或裂解细胞以释放包括目标蛋白质和核酸的分子，然后纯化这些蛋白质和/或核酸来从原始样品中分离目标粒子。只有在完成这些处理步骤之后才能开始分析目标分子。众所周知的是，在处理过程中可以将某些力施加到溶液中的样品，以便将这种样品分离成其组成部分。一种力被称为介电泳(DEP)，并且一旦实验量级在微米级或纳米级范围内进行，或者如果在样品中使用细胞，该种力是特别有用的。当可极化粒子悬浮或经受非均匀电场时出现DEP(Kirby，BJ，Micro-andNanoscaleFluidMechanics：TransportinMicrofluidicDevices，CambridgeUnivPress(2010))。在存在非均匀电场的情况下，所有粒子都展现一定的DEP活性，这种DEP力的强度与几个因素高度相关，因素包括粒子的大小、形状和电性质、电场的频率和正在检查样品粒子的溶液等。使溶液中的粒子经受电场，其中电场设定在特定的频率，允许对溶液中的粒子进行特定的和选择性处理，从而允许从粒子获得非常精确的测量。利用DEP力来分离和检查微米级的粒子的现有技术装置是众所周知的。这种装置包括使用具有镀覆在载玻片表面上的暴露电极的载玻片，包含用于分析的粒子的微升量流体流动穿过该载玻片。这些粒子的范围从细胞或蛋白质到核酸，这些粒子能够通过使用具有比电导率的分离缓冲液和具有适当振幅和频率的外部电流(AC信号)，基于每个粒子各自的介电特性使用DEP力进行分离。然而，这些现有技术的装置存在各种问题，包括粒子与玻璃表面的暴露部分的粘合以及有时电极本身的粘合。另外，这种现有技术装置的表面和电极非常小，导致甚至最小粒子的聚集体干扰流体流动，和阻塞洗涤循环之间的某些处理步骤的可能性。上述现有技术装置基于试图测量微升量的微芯片阵列。存在采用高压DC脉冲以便分离和分析蛋白质和核酸的宏观装置。虽然这种装置通常克服了芯片上微观阵列的阻塞限制，但是宏观装置具有它们自己的一系列独特缺点。例如，一些商业宏观装置使用裂解条件，该条件限制允许穿过细胞膜中产生的通孔的核酸的分子量。另外，释放的核酸通常由于它与裂解室表面的非特异性结合而损失。此外，大多数宏观装置需要使用位于溶液和电极之间的膜或水凝胶，导致对这种装置的进一步限制。现有技术中的大多数先进装置试图利用相对于微流体的电动力学领域中发现的各种现象。电动力学描述了作为施加电场的频率和振幅的函数的DEP、电热流(ETF)、电渗透流(EOF)和作用于流体中发现的粒子的其他力的组合。在现有技术中甚至最复杂的装置中发现的一个限制是DEP/ETF/EOF力彼此耦合的要求。其他限制包括基于双引线系统的电极阵列的受限几何配置，不能克服高盐度系统(比如生物流体)中发现的频率和振幅限制以及当盐度水平降低至去离子水的水平时流体的不良处理。在电导率大于1mS/cm的流体中存在使用电动力学捕获粒子的频率(小于30kHz)和振幅(小于20Vpp)的限制。频率限制减少了溶液中可能的混合量。结果，DEP耗尽区中存在的粒子的可用浓度随时间呈指数下降。DEP耗尽区是粒子受DEP力影响的地方。浓度的这种指数下降对利用电动力学进行粒子分离、定量和回收的装置的捕获效率产生负面影响。振幅限制降低了潜在的DEP捕获力，因为在低频率下电极破坏是由电解(在电极位置处的pH的强烈变化)引起的并且破坏电极，从而消除了它们起作用的能力。pH的强烈变化也可以通过改变它们的天然状态或破坏它们来引起能够捕获的粒子的变化。还需要振幅限制来平衡DEP力抵消(counteract)由ETF和EOF产生的流动力的能力。随着电压(V)的增加，DEP力作为V2的函数而增加，而流动力作为V4或V5的函数而增加，这取决于流体的电导率(Loire等，Atheoreticalandexperimentalstudyofacelectrothermalflows，J.Phys.D：Appl.Phys.，45：185301(2012)；Hong等，NumericalsimulationofACelectrothermalmicropumpusingafullycoupledmodel，MicrofluidNanofluid，13：411-420(2012))。由于焦耳加热的大量减少，在由电热流产生的电导率低于1mS/cm的流体中可能存在混合量的限制。这也限制了DEP耗尽区中粒子的可用浓度。增加电场的振幅有助于增加DEP耗尽区的有效大小，但是这由于电解的产生而具有限制。本领域对于能够将样品处理降至纳米级水平，同时解决上述限制的宏观装置仍然存在需要。
技术实现思路
本专利技术提供了一种新型的微电极阵列装置，其通过将DEP与ETF和EOF力去耦合(decouple)来解决频率和振幅限制的方式构造。在可选的实施方式中，本专利技术提供一种微电极阵列装置，该装置改变围绕至少一个电极的电场相对于至少一个相邻电极的梯度，其中电极布置使用三个或更多个单独的输入信号来配置以在任何给定时间独立地操作至少三种不同的极性配置。在优选的实施方式中，存在传递到电极布置的至少三个单独的输入信号，产生施加到每个电极的至少三种不同的电荷配置。在一个方面，本专利技术提供了一种微电极阵列装置，该装置包括基板，该基板进一步包括以几何图案布置的多个电极，多个电极使用选自光刻、气相淀积、溅射、丝网印刷、三维(3D)打印和电镀的方式沉积。优选地，基板由玻璃、硅或非导电聚合物中的至少一种组成。在另一方面，多个电极由金属或非金属导电材料制成。优选地，本专利技术的电极的厚度为约10nm至约10μm。在另一方面，电极配置为能够实现绝缘电场和非绝缘电场。可选地，电极布置由绝缘电极和非绝缘电极组成。最优选地，电极配置在几何上布置成便于DEP力与源自ET和EO流的那些力的去耦合。可选地，电极的形状可以是圆形的，其中相邻电极之间的取向角在约0到约90度的范围内。本专利技术的方法和装置的另一个可选实施方式包括能够操作高达约3安培(3A)为电极配置供电的微电极阵列装置。最低限度地，单个电极配置为容纳高达约0.1A或100毫安(100mA)。在另一方面，本专利技术提供了一种微电极阵列装置，该装置包括至少三个独立电极，其中每个电极可以携带正(+本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微电极阵列装置，其包括：(a)外壳；(b)包括至少一个通道的至少一个盒，其中流体可以穿过至少一个入口并通过至少一个出口离开；和(c)介电基板，其中所述介电基板进一步包括以几何图案布置的多个电极，并且沉积在至少一个盒内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.19 US 15/383,3431.一种微电极阵列装置，其包括：(a)外壳；(b)包括至少一个通道的至少一个盒，其中流体可以穿过至少一个入口并通过至少一个出口离开；和(c)介电基板，其中所述介电基板进一步包括以几何图案布置的多个电极，并且沉积在至少一个盒内。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述外壳包含多于一个盒。3.根据权利要求1所述的装置，其中所述微电极阵列由电极布置组成，其中所述电极布置使用三个或更多个单独的输入信号配置以在任何给定的时间独立地操作至少三个不同的极性配置。4.根据权利要求1所述的装置，其中布置所述至少一个通道以容纳经过所述微电极阵列的流体。5.根据权利要求1所述的装置，其中使用选自光刻、气相淀积、溅射、丝网印刷、三维(3D)打印和电镀中的手段将所述多个电极沉积在所述介电基板内。6.根据权利要求1所述的装置，其中所述介电基板由玻璃、硅和非导电聚合物中的至少一种组成。7.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个电极中的每一个由金属或非金属导电材料制成。8.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个电极具有从约10nm至约10μm的厚度。9.根据权利要求1所述的装置，其中所述电极配置为提供绝缘电场和非绝缘电场。10.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个电极在几何上配置为促进介电泳力与源自电热流和电渗流的力的去耦合。11.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个电极中的每个的形状基本上为圆形，其中相邻电极之间的取向角为约0度至约90度。12.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个电极内的每一单个电极可以携带正电荷(+)、负电荷(-)或中性电荷。13.根据权利要求12所述的装置，其中所述每一单个电极可以相对于所述阵列中的最接近电...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·J·夏洛特，
申请(专利权)人：夏洛特生物科学公司，D·J·夏洛特，
类型：发明
国别省市：美国,US