本文中提供的概念是“基于奇点的构造”电极设计和方法能以电极之间的低电势差在离子物质中产生局部高电场。本文描述的基于奇点的构造包括：阳极电极；阴极电极；以及置于阳极电极和阴极电极之间的绝缘体。基于奇点的电极设计概念涉及其中阳极和阴极彼此相邻、基本共面地放置且由绝缘体分开的电极。基本共面的阳极/绝缘体/阴极构造限制感兴趣的体积的一个表面，并且局部地产生期望的电场，即，在阳极和阴极之间的界面附近。在理想的构造中，阳极和阴极之间的界面尺寸趋向于零，且变为奇点。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请参照本申请根据35U. S. C. § 119(e)要求2010年6月3日提交的美国临时专利申请No. 61/351，235和2011年4月I日提交的美国临时专利申请No. 61/470，975的优先权，其公开内容通过引用整体结合于此。
技术介绍
电穿孔是由于电场引起的细胞膜脂双层的透化。尽管未完全理解导致电穿孔的物理机制，但相信电穿孔引发电场显著增加细胞膜处的电势差，导致形成瞬间或永久的孔。孔形成的范围主要取决于脉冲电场的强度和持续时间，导致膜透化可逆或不可逆，作为电穿孔引发电场的强度和时间参数的函数。可逆电穿孔通常用于将诸如蛋白质、DNA和药品之 类大分子的传送到细胞，而不可逆电穿孔的破坏特性使其适用于巴氏杀菌或消毒。可逆电穿孔所需的典型电场强度的范围从约100V/cm至450V/cm。在不可逆电穿孔中，所需的电场范围可从200V/cm至高达60000V/cm。如图I所示，典型的电穿孔设备具有粗略地彼此相对的电极(E)。在典型的电穿孔方法中，目标细胞被置于电极之间，将脉冲电压或电流或交流电压或电流施加在电极上以便在电极之间的体积中弓I发所需的电穿孔电场。产生的相关电穿孔电场粗略地正比于电穿孔电极之间的电势差并且反比于电极(E)之间的距离(d)。在这种典型的电穿孔电极构造中，电极之间的距离受到待电穿孔的细胞的尺寸的数量级或待电穿孔的体积的尺寸限制。当需要高电场时，诸如不可逆电穿孔，传统的设计原理导致需要电穿孔电极两端的高电势差。电极之间的大电势差具有缺点。它们包括需要能够产生这些大电势差并以精确模式传送的电源。这些设备可能制造昂贵并且浪费能源。此外，大电场所需的电势差通常大到足以导致水电解，致使电极耗尽和气泡形成或放电，这些都会不利地影响电穿孔过程。期望开发一种电极构造，该电极构造能够以电极之间的低电势差传送高电场。
技术实现思路
本文介绍一种新的电极设计原理，该原理能以电极之间的低电势差实现高电场。中心思想是在奇点产生高电场。因此，产生奇点的电极构造能以电极之间的低电势差产生闻电场。本文中提供的概念是“基于奇点的构造”电极设计和方法能以电极之间的低电势差在离子物质中产生局部高电场。本文描述的基于奇点的构造包括阳极电极；阴极电极；以及置于阳极电极和阴极电极之间的绝缘体。基于奇点的电极设计概念涉及其中阳极和阴极彼此相邻、基本共面地放置且由绝缘体分开的电极。基本共面的阳极/绝缘体/阴极构造限制感兴趣的体积的一个表面，并且局部地产生期望的电场，即，在阳极和阴极之间的界面附近。在理想的构造中，阳极和阴极之间的界面尺寸趋向于零，且变为奇点。使用基于奇点的电极构造的一种可能的方法的示例包括用于电穿孔的设备(I)提供包括一系列的共面阳极电极和阴极电极的通道，其中相邻的阳极电极和阴极电极由绝缘体分离；(2)使电解液流过微电穿孔通道；(3)使细胞流过微电穿孔通道；以及(4)在相邻的阳极电极和阴极电极之间施加电势差。使用基于奇点的电极构造的其它电穿孔构造是可能的。对利用基于奇点的电极的局部高电场的其它应用也是可能的。附图简述包含在本文中的附图构成本说明书的一部分。附图与说明书一起还用于解释所介绍的系统和方法的原理，并使本领域的技术人员能够利用所介绍的系统和方法。在附图中，类似的附图标记表示相同或功能相似的元件。图I是典型的电穿孔电极构造的示意图。图2A是具有由小绝缘体分离的相邻电极的微电穿孔构造的电场流线的示意图。图2B是根据本文介绍的一个实施例的电极构造的示意图。 图3是根据本文介绍的一个实施例的电极构造的制备的示意图。图4 (a)是微电穿孔通道构造的示意图。图4 (b)示出在不存在细胞的情况下的模型域。图4 (C)示出在存在细胞的情况下的模型域。图5示出在微电穿孔通道中生成的径向改变的电场。图6示出在具有较小高度的微电穿孔通道中存在多大的电场量值。图7示出对于小A值，大的无量纲电场轮廓更加聚焦，并且跨越微电穿孔通道的整个高度。图8示出在存在细胞的情况下，无量纲电场轮廓如何因绝缘细胞膜而被压缩。图9示出当细胞半径增加时，细胞如何经历指数增大的无量纲电场量值。附图说明图10示出模型域中的温度分布。图11示出在模型域中流动电解液速率箭头。图12示出对于电极之间O. IV电势流过O. 6 μ m高微电穿孔通道的肠毒素大肠杆菌(ETEC，一种类型的大肠杆菌)细胞。图13示出对于电极之间O. IV电势流过4. 2 μ m高微电穿孔通道的酵母细胞。图14示出对于减少的无量纲绝缘体长度，作为距绝缘长度的中心线的表面的高度(Y)的函数的电场。图15示出在大肠杆菌流过通道中的100纳米绝缘体时在大肠杆菌上形成的电场。图16示出在酵母细胞流过通道中的100纳米绝缘体时在酵母细胞上形成的电场。图17是示出二次电流分布模型参数的表。图18示出对于各相对绝缘体厚度(I)和域纵横比(A)在X=O. 5, Y=I处无量纲电场(NDE)的量值。图19示出在二次电流分布模型中沿绝缘体正上方的中心线的电场量值。图20示出对奇点引发的微电穿孔构造的功率输入如何取决于施加的电压和水电导率。图21示出直流电穿孔设备。图22示出二次电流分布模型域的示意图。图23示出沿y中心线的电场量值。图24示出作为负载电压的函数的功率密度。具体实施例方式本文介绍的是基于奇点的电极构造，其能够在电解液中产生局部高强度电场。在本专利技术的背景下，奇点是其中在感兴趣的域中或周围且与该感兴趣的域接触的电势分布中存在不连续性的点。在设计极限下，这种不连续性具有零几何尺寸。图I与图2A、2B之间的比较分别示出先前的电极设计概念(图I)和当前的概念(图2A和2B)之间的差别。图I示出设计成在电解液的体积中产生电场的典型构造。在典型的构造中，感兴趣的体积被限制在电极之间。电场与电极之间的电压差成正比，并且与电极之间的距离成反比。有可能通过减小电极之间的距离和/或通过增加电极之间的电势差来增加感兴趣的体积中的电场。原则上，在极限条件下，当电极之间的距离接近零时，可由电极之间的有限电势差产生无限电场。然而，由于感兴趣的体积在电极之间，所以电极之间的距离为零的构造没有效用。在图2A和2B中示出的新的设计概念建议两个电极基本上置于同一平面，限定感兴趣的电解液体积的表面。阳极和阴极通过绝缘间隙分离。在该构造中，在电解液与阳极/绝缘体/阴极之间的界面处的局部电场也是绝缘体的尺寸及阳极与阴极之间的电势差的 函数。然而，在该构造中，感兴趣的体积限制在电极的外表面上，而不是限制在电极之间。因此，在理想的构造中当绝缘体尺寸极限接近零时，电极之间的界面变为奇点，并且在电解液中，电极之间的无穷小的最后电势差将在奇点处产生无限高的电场。这种构造因此有助于利用小的电势差在感兴趣的体积中生成非常高的电场。图2A通过示出从两电极之间的奇点起源的恒定电场线说明这种设计的效用。图2A示出受基于奇点的电极影响的体积是真实且可预测的，因此该电极设计可用于以感兴趣的体积中的低电势差产生高电场。微米和纳米技术的进步可用于产生基于奇点的构造。图3示出这种设计。该设计基于电绝缘表面，诸如玻璃。诸如金或钼之类的导体通过气相沉积而沉积在玻璃表面上。所沉积的层的厚度的范围从几纳米至数微米。在所沉积的金属中生成至玻璃表面的切口产生电极之本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：B·鲁宾斯基，G·D·特罗斯扎克，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：
国别省市：
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