通过双向电泳控制粒子的方法和仪器技术

本发明专利技术涉及形成双向电泳电势笼及其精确位移的仪器和方法，适用于粒子的控制和检测。该仪器包括位于一平板基体上的可选择寻址的第一电极阵列和与之相对的只包括一个电极的第二阵列。这两个阵列决定了装有粒子悬浮液的微型容器的上、下边界。通过对电极施加同相和反相的周期性信号，可以形成一个或多个独立的电势笼，使粒子根据信号的频率以及粒子和悬浮液的介电性质而被电势笼吸引或排斥。通过对电极阵列施以适当的电压信号，电势笼可以捕获一个或多个粒子，从而使它们稳定地漂浮和（或）移动。在优选实施例中，一个电极阵列集成在半导体基体上，粒子的位移可以通过内置式传感器控制，从而实现对要分析的样品的复杂操作，如分离、选择和粒子的精确计数。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。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。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。本专利技术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移动，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。根据本专利技术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。本专利技术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。而且本专利技术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。本专利技术的其它优点在于，它可以通过调节施加的电压来控制电势笼的高度。由于所披露的专利技术可以灵活编程，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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
控制浸在流体中的一个或多个粒子的仪器，其特征在于，其包括： 第一基体； 多个电极，包括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，所述的粒子和流体置于所述第一和第二电极阵列之间的区域； 将第一个电输入信号施加于所述多个电极的第一组电极以及至少另外一个电输入信号施加于所述多个电极的至少另外一组电极的装置。 所述第一个电输入信号和至少另一个电输入信号形成一个电场，在流体中形成至少一个假想的封闭面，其上的电场强度恒定。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：几亚内麦多罗，
申请(专利权)人：硅生物系统公司，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]