相關申請的交叉引用

本申請要求2014年8月15日提交的ussn62/038,150和2015年6月18日提交的ussn62/181,627的權益和優(yōu)先權，兩者的全文出于所有目的以引用的方式并入本文。

政府資助聲明

本發(fā)明是在政府的支持下根據(jù)國家科學基金會(nationalsciencefoundation)授予的資助號1232279進行的。政府享有本發(fā)明的某些權利。

背景技術：

光電鑷子(oet)已被開發(fā)用于單細胞和顆粒的并行操縱用于各種生物應用(chiou等人(2005)nature436(7049):370-372.)。例如光電鑷子(oet)已被開發(fā)用于單細胞和顆粒的動態(tài)操縱(chiou等人(2005)nature,436(7049):370-372)。oet可以用于捕獲和操縱半導體和金屬納米線(jamshidi等人(2008)naturephotonics,2(2):86-89)、微/納米珠(ota等人92013)nanoletts.,13(6):2766-2770；glaesener等人(2012)opticsletts.,37(18):3744-3746；zarowna-dabrowska等人(2011)opticsexpress,19(3):2720-2728)、dna(jamshidi等人(2009)nanoletts.,9(8):2921-2925)，和生物細胞(jeorrett等人(2014)opticsexpress22(2):1372-1380；shah等人(2009)labonachip,9(12):1732-1739)。

在典型的oet設置中，在低電導率介質(～0.01s/m)中在1mm²的區(qū)域上可以形成大量(例如，超過15,000個)可單獨尋址的光阱。然而，oet的效用由于其與生理緩沖液的不相容性和低操縱通量而遇到瓶頸。先前，已提出了基于垂直光電晶體管的oet(hsu等人(2010)labonachip,10(2):165-172)來解決緩沖液不相容性問題。然而，低通量對于所有光學操縱技術(包括但不限于oet)來說仍然是主要問題。這個基本限制來自視場(fov)與光學分辨率之間的折衷。大fov通常意味著使用具有低數(shù)值孔徑(n.a.)的透鏡。然而，此類低數(shù)值孔徑透鏡不能提供所需的光學圖像清晰度以形成產(chǎn)生足夠的捕獲力的光強度梯度。這對于光學鑷子中的直接光學力和oet中的光誘導dep力兩者來說確實如此。因此，即使使用高功率光束，單細胞或顆粒的大面積光學操縱幾乎是不可能的。

技術實現(xiàn)要素：

本文設想的各種實施方案可包括但不限于以下中的一個或多個：

實施方案1：一種自鎖式光電鑷子裝置，其包括：第一襯底，其包括第一電極和可以光學導通和截止的多個環(huán)狀和/或非圓形光電晶體管，其中所述光電晶體管和第一襯底被配置成在向所述裝置施加電壓時在環(huán)狀或非圓形光電晶體管處產(chǎn)生負介電泳(dep)力；并且當用光照射所述光電晶體管時，關閉在環(huán)狀或豆形(例如，蕓豆形)光電晶體管處的dep；以及包括第二電極的表面，其中所述表面被設置成限定位于所述第一襯底與所述表面之間的室或通道，并且所述室或通道被配置成接收并且，或者保持含有細胞或顆粒的流體。

實施方案2：如實施方案1所述的裝置，其中所述光電晶體管是環(huán)狀的。

實施方案3：如實施方案1所述的裝置，其中所述非圓形光電晶體管是豆形的(例如蕓豆形)。

實施方案4：如實施方案1-3所述的裝置，其中所述光電晶體管產(chǎn)生垂直于設備的平面的電場。

實施方案5：如實施方案1-4所述的裝置，其中所述光電晶體管的所述環(huán)狀或非圓形部分是p摻雜的。

實施方案6：如實施方案1-5所述的裝置，其中所述襯底是包括環(huán)狀或豆形部分的摻雜p型襯底，其中所述環(huán)狀或豆形部分的所述中心和所述環(huán)狀或非圓形部分外側的區(qū)域是n摻雜的。

實施方案7：如實施方案6所述的裝置，其中所述摻雜p型襯底是摻雜p型iii-v族或p型iv族材料。

實施方案8：如實施方案6所述的裝置，其中所述摻雜p型襯底是摻雜p型硅。

實施方案9：如實施方案6所述的裝置，其中所述n摻雜區(qū)域涂覆有薄膜導體。

實施方案10：如實施方案9所述的裝置，其中所述薄膜導體中的一個或多個包括選自由au、ti、al、cr、ni、ta、pd和pt組成的組的材料。

實施方案11：如實施方案1所述的裝置，其中所述光電晶體管的所述環(huán)狀或非圓形部分是n摻雜的。

實施方案12：如實施方案1和6所述的裝置，其中所述襯底是包括環(huán)狀或非圓形部分的摻雜n型襯底，其中所述環(huán)狀或非圓形部分的所述中心和所述環(huán)狀或非圓形部分外側的所述區(qū)域是p摻雜的。

實施方案13：如實施方案12所述的裝置，其中所述摻雜n型襯底是摻雜n型iii-v族或n型iv族材料。

實施方案14：如實施方案12所述的裝置，其中所述摻雜n型襯底是摻雜n型硅。

實施方案15：如實施方案12所述的裝置，其中所述p摻雜區(qū)域涂覆有薄膜導體。

實施方案16：如實施方案15所述的裝置，其中所述薄膜導體中的一個或多個包括選自由au、ti、al、cr、ni、ta、pd和pt組成的組的材料。

實施方案17：如實施方案1-15所述的裝置，其中所述襯底的頂表面涂覆有絕緣體，所述絕緣體具有在所述環(huán)狀或非圓形形狀的所述中心處到所述導體膜的開口。

實施方案18：如實施方案17所述的裝置，其中所述絕緣體包括選自由su-8或其他光致抗蝕劑、pdms、二氧化硅、al2o3和氮化硅組成的組的材料。

實施方案19：如實施方案17-18所述的裝置，其中所述絕緣層被配置成在黑暗狀態(tài)下提供約50％的部分電壓泄漏。

實施方案20：如實施方案17-19所述的裝置，其中所述絕緣體包括al2o3。

實施方案21：如實施方案20所述的裝置，其中包括所述絕緣體的al2o3層的厚度為約30nm。

實施方案22：如實施方案1-21所述的裝置，其中所述襯底的尺寸范圍為從約1mm²、或約5mm²、或約10mm²、或約50mm²、或約1cm²直至約500cm²、或直至約200cm²、或直至約100cm²或直至約50cm²。

實施方案23：如實施方案1-22所述的裝置，其中環(huán)狀物的直徑或非圓形形狀的長軸的范圍從亞微米尺寸(例如，用于捕獲分子)到數(shù)百微米以捕獲大的物體(例如，細胞的聚集)。

實施方案24：如實施方案1-23所述的裝置，其中環(huán)狀物的直徑或非圓形形狀的長軸的范圍為從約10、或約20nm、或約50nm、或約100nm、或約200nm、或約500nm直至約500μm、或直至約250μm、或直至約200μm、或直至約100μm、或直至約150μm、或直至約100μm、或直至約80μm、或直至約60μm、或直至約50μm、或直至約30μm、或直至約20μm。

實施方案25：如實施方案24所述的裝置，其中環(huán)狀物的所述直徑或非圓形形狀的所述長軸為約10μm至約20μm。

實施方案26：如實施方案24所述的裝置，其中環(huán)狀物的直徑或非圓形形狀的長軸為約15μm。

實施方案27：如實施方案1-26所述的裝置，其中形成環(huán)狀物或非圓形形狀的所述環(huán)的所述厚度在約0.5μm直至約10μm范圍內(nèi)。

實施方案28：如實施方案1-26所述的裝置，其中形成環(huán)狀物或非圓形形狀的所述環(huán)的所述厚度在約2μm直至約8μm范圍內(nèi)。

實施方案29：如實施方案1-26所述的裝置，其中形成環(huán)狀物或非圓形形狀的所述環(huán)的所述厚度為約5μm。

實施方案30：如實施方案1-29所述的裝置，其中所述室或通道含有生理緩沖液。

實施方案31：如實施方案1-29所述的裝置，其中所述室或通道含有等滲緩沖液。

實施方案32：如實施方案1-31所述的裝置，其中所述室或通道含有顆粒。

實施方案33：如實施方案1-31所述的裝置，其中所述室或通道含有細胞。

實施方案34：如實施方案1-31所述的裝置，其中所述室或通道含有原核細胞。

實施方案35：如實施方案34所述的裝置，其中所述室或通道含有細菌細胞。

實施方案36：如實施方案1-31所述的裝置，其中所述室或通道含有真核細胞。

實施方案37：如實施方案36所述的裝置，其中所述室或通道含有昆蟲細胞、哺乳動物細胞或禽類細胞。

實施方案38：如實施方案1-31所述的裝置，其中所述室或通道含有卵或胚胎。

實施方案39：一種捕獲細胞或顆粒的方法，所述方法包括：將細胞或顆粒引入根據(jù)實施方案1-28所述的裝置的室中；以及在所述第一電極與所述第二電極之間施加電壓到所述第一電極，以便在包括所述襯底的環(huán)狀晶體管處捕獲所述細胞或顆粒。

實施方案40：如實施方案39所述的方法，其還包括照射一個或多個光電晶體管以釋放捕獲的顆?；蚣毎?/p>

實施方案41：如實施方案39-40所述的方法，其中所述電壓是ac電壓。

實施方案42：如實施方案41所述的方法，其中所述電壓范圍為約0.5v至約100vpp。

實施方案43：如實施方案41-42所述的方法，其中所述電壓的頻率范圍為約1khz至約50mhz。

實施方案44：如實施方案39-43所述的方法，其中所述室或通道含有生理緩沖液。

實施方案45：如實施方案39-43所述的方法，其中所述室或通道含有等滲緩沖液。

實施方案46：如實施方案39-45所述的方法，其中所述室或通道含有顆粒或顆粒簇。

實施方案47：如實施方案39-45所述的方法，其中所述室或通道含有細胞或細胞簇。

實施方案48：如實施方案47所述的方法，其中所述室或通道含有原核細胞。

實施方案49：如實施方案48所述的方法，其中所述室或通道含有細菌細胞。

實施方案50：如實施方案47所述的方法，其中所述室或通道含有真核細胞。

實施方案51：如實施方案50所述的裝置，其中所述室或通道含有昆蟲細胞、哺乳動物細胞或禽類細胞。

實施方案52：如實施方案39-45所述的方法，其中所述室或通道含有卵或胚胎。

附圖簡述

圖1，圖面a-d，示意性示出slot的操作。(a)樣品裝載。微粒散布在裝置表面上。(b)自鎖。一旦施加ac電壓，微粒被鎖定到環(huán)形電極的中心。(c)選擇性釋放。光束用于單顆粒釋放。(d)最終圖案。釋放單個靶向顆粒。

圖2示出通過繪制電場的平方的等值面以及在具有和不具有光照明的環(huán)電極處的dep力的方向來展示slot操作原理的模擬。

圖3a和3b示出一個示例性slot平臺的頂視圖和側視圖。

圖4，圖面(a)電壓關閉并且光斷開。兩個顆粒通過微流體通道流入。圖4，圖面(b)電壓接通并且光斷開。兩個顆粒是自鎖的。圖4，圖面(c)電壓接通并且光開啟。顆粒2被踢出捕獲位點。圖4，圖面(d)電壓接通并且光斷開。顆粒2被移除，同時顆粒1停留在相同的位置。

圖5示出slot的一個示例性實施方案的操作參數(shù)。模擬自鎖和釋放效應。

圖6示出在dc電源(488nm激光，10v)下的一個實施方案的光電特性。

圖7示出自鎖過程的測試。

圖8示出pbs中熒光標記的細胞的單細胞鎖定和釋放。

圖9示意性示出自鎖式光電鑷子(slot)平臺的一個實施方案。所述平臺利用環(huán)形的側向光電晶體管的陣列作為光學傳感器來觸發(fā)dep力。涂覆高k介電層(例如30nmal2o3)以確保在黑暗狀態(tài)中的部分電壓泄漏，從而實現(xiàn)單細胞自鎖功能。光學照明關閉鎖定功能并釋放受照細胞。

圖10示出顯示slot平臺上的光照射像素和暗像素處的電場分布和dep力方向(箭頭)的數(shù)值模擬的結果。在黑暗狀態(tài)下，負dep力將使細胞鎖定到電極中心。在明亮狀態(tài)下，鎖定的細胞被推出電極中心。

圖11示出顯示slot平臺上的環(huán)形晶體管的暗和光電流的i-v曲線測量的結果。已觀察到三個數(shù)量級光電流增加以實現(xiàn)在常規(guī)細胞培養(yǎng)基(～1s/m)中的操作。橙色的參考線表示細胞培養(yǎng)基的電導率。相應地，它比明亮狀態(tài)低10倍，比黑暗狀態(tài)高10倍。

圖12，圖面(a)-(d)，示出在slot平臺上操縱10μm微粒。圖面(a)：微粒在整個fov上的自鎖。大約120,000個顆粒在1cm²芯片上自鎖。圖面(b)和(d)：單獨操縱顆粒。圖面(c)：形成5×3顆粒陣列。

圖13示出在slot平臺上的常規(guī)細胞培養(yǎng)基(dmem)中的單細胞操縱。右：單個靶細胞從位置1移動到位置6。左：單個靶細胞從位置1移動到位置2的細節(jié)。

圖14顯示不同絕緣層對slot操作的影響的比較。針對絕緣層和液體電導率的九種不同組合來計算部分電壓泄漏?；谒鲇嬎?，我們得出結論，就同時實現(xiàn)自鎖和釋放功能而言，30nmal2o3應優(yōu)于在1s/m高導電介質內(nèi)的另外兩個絕緣層。

圖15，圖面(a)-(c)，示出slot的非圓形光電晶體管。圖面(a)：制造工藝與slot相同。然而，在非圓形slot的一個實施方案中，p區(qū)域(藍色區(qū)域)已被設計為“豆”形(例如，蕓豆形)而不是圓形。綠色區(qū)域表示用于電極-液體接觸的高k電介質涂層上的開口面積。圖面(b)：模擬非圓形slot。圖面(c)：顆粒沿著圓周逐步遷移(2mhz，0.1s/m，5vpp)。

具體描述

在各種實施方案中，提供了一種自鎖式光電鑷子(slot)。本文所述的自鎖式光電鑷子(slot)平臺克服了用于大面積單細胞和微粒操縱的模糊光學圖案問題。本文所述的slot平臺提供了在大面積上在生理緩沖液或其他緩沖液(例如像，通常用于dep技術中的等滲緩沖液)中進行單細胞或微粒的方便和有效的操縱。slot可以尤其用于分選稀有細胞或顆粒，用于體外受精，用于組織工程，以及用于需要操縱單細胞或顆粒的各種其他環(huán)境中。

據(jù)信，所有現(xiàn)有的oet平臺均需要光束的投射以形成正或負的dep陷阱。這意味著細胞和顆粒在沒有光束存在的情況下不能被捕獲。為了使用光束捕獲細胞，需要滿足兩個標準。第一，光強度需要足夠強，使得其可以產(chǎn)生虛擬電極并且觸發(fā)足夠的電場來捕獲細胞。第二，通常忽略的因素，但對于大面積單細胞操縱至關重要，是投射的光圖案的清晰度。模糊光圖案，即使足夠強以打開虛擬電極，也不能產(chǎn)生足夠大的dep力用于細胞操縱，這是因為dep力與電場強度的梯度成線性比例。具有緩慢變化的強度分布的模糊光圖案不產(chǎn)生導致足以有效捕獲和操縱細胞的dep力的足夠大電場梯度。

投射的光圖案的清晰度(或分辨率)由光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑(n.a.)來確定。為了保持良好的清晰度以用于有效的oet操縱，在大多數(shù)oet平臺中通常使用10倍物鏡。然而，10倍物鏡僅具有1～2mm²的視場(fov)。使用具有較低n.a.的凸透鏡來增加操縱面積是可能的，但這極大犧牲了如我們在全息oet，～1cm²中說明的操縱力(hsu等人(2010)labchip,19(2):165-172)。因此，據(jù)信幾乎不可能進一步擴展oet上的單細胞操縱面積。高光學分辨率圖案與大視場操縱之間的折衷是基本的物理障礙。

本文所述的自鎖式光電鑷子提供了一種新的光學操縱方法和平臺，其可以繞過這種基本障礙，以便在取決于晶片尺寸和可以提供的電力的極大面積(可能數(shù)百cm²)上使用光束提供高分辨率單細胞操縱功能。

在各種實施方案中，slot系統(tǒng)包括一個或多個“頂部”電極、底部光電晶體管和其間的流體通道或室(例如，微流體通道)。圖1示意性示出slot平臺的操作原理。首先，如圖1(a)所示，將顆?；蚣毎氲巾敳侩姌O與光電晶體管襯底之間的通道或室中(例如通過微流體通道流入)。頂部和底部電極連線到外部電壓源(例如，函數(shù)發(fā)生器)。一旦施加ac電壓，介電泳(dep)陷阱(負陷阱和顆粒被鎖定在弱電場區(qū)域中)將形成并將單獨的顆粒或細胞(或者顆?；蚣毎?鎖定到其相鄰環(huán)(環(huán)狀)光電晶體管，如圖1(b)所示?？梢赃M行光學觀察(例如，熒光、暗場、相襯和其他)以鑒定感興趣的顆粒或細胞。然后，光束照射目標光電晶體管控制的電極以增加局部光電流，從而暫時去激活所述負dep陷阱，如圖1(c)所示。最后，目標顆?；蚣毎梢詮乃鼈兊逆i定位點釋放并通過流體流運走以用于下游收集和分析，如圖1(d)所示?？商娲?，可以保留目標顆?；蚣毎糜谶M一步檢查和/或操縱。

在設計過程中使用計算機模擬來驗證概念。使用comsol來模擬slot的工作原理，如圖2所示。如果施加ac電壓，則在環(huán)狀光電晶體管處形成負dep陷阱。選擇ac頻率使得所施加的電壓的一部分可以在大電極區(qū)域處通過su-8絕緣體泄漏。這是顆?；蚣毎梢栽诤诎禒顟B(tài)下如何鎖定在環(huán)形光電晶體管中。當光束照射連接大電極與浮島電極的光電晶體管時，其打開浮動電極，以在島電極區(qū)域中產(chǎn)生比被絕緣體覆蓋的大電極區(qū)域更強的電場。這通過負dep力排斥鎖定的顆粒。

如上所述，slot中的自鎖功能可以通過在黑暗狀態(tài)下的背景中的部分電壓泄漏來實現(xiàn)。這種泄漏電壓取決于幾個參數(shù)，包括絕緣層的厚度、其介電常數(shù)、操作ac頻率和介質電導率。為了理解這些關系，使用簡單的塊元素模型來計算在九個不同條件下跨液體層和絕緣層的電壓降的比率。在理想的slot操作條件下，絕緣層應允許大約50％的部分電壓泄漏，使得可以在黑暗狀態(tài)下提供足夠強的自鎖力，同時保持足夠的電場強度梯度以在明亮狀態(tài)下排斥捕獲的細胞。圖14表示1μmsu-8、30nmsio2和30nmal2o3的絕緣層在黑暗狀態(tài)下的泄漏電壓降的計算結果，其中它們中的每一個在具有0.01s/m、0.1s/m和1s/m的電導率的介質中。在高導電介質(1μmsu-8+1s/m)中使用厚介電層的一種極端情況下，由于跨絕緣層的大部分電壓降而不存在自鎖功能。在較不導電介質(30nmal2o3+0.01s/m)中使用高k和薄電介質的另一種極端情況下，黑暗階段中的自鎖功能是強的，但在明亮狀態(tài)下不允許釋放功能，這是因為介質中接近100％的泄露電壓降消除了在排斥捕獲的細胞所需的明亮狀態(tài)下產(chǎn)生電場強度梯度的空間。因此，絕緣層厚度和材料的優(yōu)化以及與操作介質的匹配對于slot操作是重要的，并且高k電介質(例如，30nmal2o3)特別好地適用于在導電溶液(例如，生理緩沖溶液)中操作。

在制造期間可以精確地控制絕緣(介電層)的組成和厚度。例如，可以使用原子層沉積(ald)方法容易地精確地沉積高k電介質。

圖3a和3b示出slot平臺的某些實施方案的頂視圖和側視圖。所示的裝置在p型硅襯底上制造。通過光刻形成環(huán)形圖案電極。在大電極與島電極之間，進行n型離子注入以產(chǎn)生npn光電晶體管。在襯底上的p型區(qū)域中圖案化10nm鈦(ti)薄膜上的100nm金(au)用于電接觸。還可以制造具有p型離子注入的n型襯底以產(chǎn)生pnp型光電晶體管來控制浮島電極。光電檢測器結構不限于光電晶體管。諸如光電導體和金屬-半導體-金屬(msm)的其他結構原則上也可以工作。最終的su-8圖案化用于在浮島電極區(qū)域中形成用于流體接觸的開口。還可以使用諸如pdms、二氧化硅、al2o3、氮化硅或其他的其他電介質材料來代替用于部分電絕緣的su-8。另一個slot平臺的架構如圖9所示。

slot的原型已成功制造和測試。在概念驗證裝置中，我們使用懸浮在常規(guī)生理緩沖液中或懸浮在具有0.1s/m電導率的等滲緩沖液中的微粒(直徑10μm)和細胞來進行實驗。原則上，slot還在其他含水介質中起作用，其中電導率從di水變化到5s/m，具有適當設計的裝置參數(shù)。

圖4說明slot的自鎖功能和選擇性釋放功能。

slot的獨特特征是在黑暗狀態(tài)下的自鎖功能。當一組顆粒或細胞被引入到slot平臺上時，它們在沒有光束照射的情況下通過負dep力單獨地鎖定在環(huán)形(環(huán)狀)光電晶體管控制的電極中。當光束照射一個或多個環(huán)狀光電晶體管時，其關閉那些光電晶體管中的dep陷阱以釋放捕獲的微?；蚣毎?。由于顆?；蚣毎诤诎禒顟B(tài)下是自鎖定的，因此大量環(huán)形光電晶體管和相關聯(lián)的電極可以在大面積(例如，跨幾十甚至幾百cm²)上部署，以捕獲數(shù)百萬個顆?；蚣毎恍枰性垂馐?/p>

具有有限視場(fov)但是高光學分辨率的光學照明系統(tǒng)可以掃描整個晶片以順序地選擇性地釋放捕獲的細胞或顆粒，類似于在現(xiàn)代光刻中使用的步進機概念?？商娲?，可以照射某些區(qū)域(例如，使用掩模)以釋放襯底的選定區(qū)域中的許多細胞或顆粒。因此，slot的操作區(qū)域不受用于成像的物鏡的fov和光學圖案投射的限制。為了比較，在常規(guī)oet操作中，在沒有光照射的區(qū)域中的微粒將通過流體流被沖洗掉。

此外，通過將照明系統(tǒng)與檢測系統(tǒng)耦合，可以選擇性地釋放或選擇性保留特定的細胞或顆粒(例如，具有特定顏色或形態(tài)的細胞或顆粒，或用特定的例如熒光標記物標記的細胞或顆粒)。以這種方式，本文所述的slot系統(tǒng)可以用作有效的分選機(例如，細胞分選機)。

盡管上面關于環(huán)狀(圓形)光電晶體管描述slot，但光電晶體管不必限于這種形狀。在各種實施方案中，設想非圓形光電晶體管。此類光電晶體管尤其可以包括其他規(guī)則多邊形、橢圓形光電晶體管和不規(guī)則光電晶體管，包括但不限于腎形光電晶體管。使用圓形光電晶體管配置，細胞或微粒將僅經(jīng)歷對稱的dep力，這意味著釋放方向將僅取決于背景流的方向。非圓形光電晶體管設計(參見例如圖15中的腎形狀)可以用于產(chǎn)生不對稱電場，從而導致定向dep力。非圓形設計的優(yōu)點是，即使沒有外部流體泵送系統(tǒng)，系統(tǒng)也可以操作。使用單獨的非圓形光電晶體管作為建構基元，大量電極的組合可以非常強大。例如，我們已表明，使用良好控制的激光束，單顆?？梢匝刂我忸A先設計的路徑(直線、環(huán)路等)遷移。

非圓形光電晶體管的制造與slot中的環(huán)狀光電晶體管相同。區(qū)別在于設計過程，其中p區(qū)域的形狀將是非圓形的，而p區(qū)域的寬度保持相同。

實施例1

用于在大面積上進行微粒操縱的自鎖式光電鑷子

本實施例描述了一種新型自鎖式光電鑷子(slot)平臺的設計和制造，其克服了用于大面積單細胞和微粒操縱的模糊光學圖案問題。通過布置可以光學導通和截止的環(huán)形(環(huán)狀)光電晶體管的陣列來實現(xiàn)slot。單細胞和微粒在沒有光照明的黑暗狀態(tài)下自鎖到這些環(huán)狀光電晶體管中。當光束照射環(huán)形電極時，其關閉所述電極中的dep陷阱以釋放捕獲的微粒。由于細胞和微粒在黑暗狀態(tài)下自鎖定，因此可以在橫跨數(shù)十或甚至數(shù)百cm²的大面積上部署大量環(huán)狀光電晶體管，以捕獲數(shù)百萬單細胞。具有有限視場(fov)的光學照明系統(tǒng)可以掃描整個晶片以選擇性地釋放捕獲的細胞，類似于在現(xiàn)代光刻中使用的步進機概念。因此，slot的操作區(qū)域不局限于用于成像的物鏡的fov和光學圖案投射。此外，slot還是基于單晶硅光電晶體管的平臺。它提供了在常規(guī)生理緩沖液中進行單細胞操縱的可能(hsu等人(2010)labchip,10(2):165-172)。

裝置操作和原理

圖1示意性示出slot平臺的一個實施方案的操作，所述slot平臺的示例性配置在圖3a和3b中示出。如圖所示，slot系統(tǒng)包括頂表面，其包括電極、底部光電晶體管和其間的流體通道或室(例如，微流體通道)。例如通過微流體通道流入將顆?；蚣毎氲狡脚_上。

頂部和底部電極(參見例如圖3b)電連接到電壓源(例如，函數(shù)發(fā)生器)。一旦將電壓(例如，ac電壓)施加到電極，則形成dep陷阱并將單獨的顆粒(或細胞)鎖定到其相鄰的光電晶體管環(huán)電極。接下來，可以進行光學觀察(例如，熒光、暗場、相襯和其他)或其他觀察，以鑒定感興趣的顆?；蚣毎?。然后，光束照射增加局部光電導率的目標光電晶體管，并暫時去激活相應的dep陷阱。最后，目標單顆?；蚣毎?或者顆粒簇或細胞簇)從鎖定位點釋放并例如通過連續(xù)流運走以用于下游收集和分析?？商娲?，可以保留目標顆粒或細胞(或者顆粒簇或細胞簇)用于分析或進一步處理，并且可以釋放不需要的顆?；蚣毎?或者顆粒簇或細胞簇)。

在某些實施方案中，光束可以被引導到單獨的光電晶體管位點以釋放在單個dep陷阱中捕獲的部分。在某些實施方案中，光束可以例如使用掩模被引導到多個光電晶體管位點，以釋放在多個dep陷阱處捕獲的部分。

裝置制造和模擬

圖3a和3b示出示例性slot平臺的頂視圖和側視圖。所示的裝置在p型硅襯底(例如，在高度摻雜的p型襯底)上制造。通過光刻形成環(huán)形圖案，然后用作n型離子注入的掩模。然后將10nm鈦(ti)薄膜上的100nm金(au)蒸發(fā)到襯底上，隨后進行su-8圖案化以形成用于與流體電極接觸的開口。我們使用comsol來模擬slot的操作原理，如圖2所示。如果僅施加ac電壓，則在環(huán)電極處形成負dep陷阱。選擇ac頻率使得所施加的電壓的一部分在大電極區(qū)域處通過su-8絕緣體泄漏。當光束照射連接大電極與浮島電極的光電晶體管時，其打開浮動電極以在島電極中產(chǎn)生強電場，所述島電極通過負dep力排斥捕獲的顆粒。

應認識到，所示的構造是說明性的而非限制性的。應認識到，例如所述裝置可以被配置為具有相反的摻雜，以形成環(huán)狀n-p-n光電晶體管。另外，尺寸可以，例如，如本文所描述和要求的那樣變化。

在一個概念驗證裝置中，我們用懸浮在電導率為0.1s/m的等滲緩沖液中的微粒(直徑10μm)來進行實驗。在圖4中，我們說明單顆粒在slot上的自鎖和選擇性釋放。slot可以被放大以便能夠在大面積上操作。

本文提供的數(shù)據(jù)說明一種用于在大面積上自鎖和選擇性釋放單微粒和單細胞(或者顆粒簇或細胞簇)的新型slot平臺。在一個示例性實施方案中，slot是基于單晶光電晶體管的oet系統(tǒng)，其具有在常規(guī)生理緩沖液中進行單細胞操縱的潛力。然而，slot不一定需要在單晶硅上制造。slot的顆粒操縱概念可以在基于非晶或多晶硅的環(huán)狀光電晶體管結構上實現(xiàn)。還可以使用其他半導體材料，諸如iii-v族材料。

示例性但非限制性實施方案的操作參數(shù)

制造高靈敏度slot：

接合點寬度：2μm；

離子注入：1e15cm^-2200kev，4e15cm^-215kev(表面)；

退火：1000℃，1小時

電極：在ti(10nm)上的au(100nm)

絕緣層：2μm。

模擬自鎖和釋放(參見，例如圖5)；

大面積上的自動單細胞捕獲；

大面積上的選擇性單細胞釋放；

10vpp(電壓)，10mhz(頻率)，20μm(裝置間距)，1s/m(介質電導率)。

光電特性測試(參見，例如圖6)。

dc電源下的1000倍光電導率增加；

電導率：關閉狀態(tài)(0.005s/m)<<pbs介質(1s/m)<打開狀態(tài)(2s/m)；

大面積自鎖效應的測試(參見，例如圖7)。

10vpp(電壓)，10mhz(頻率)，20μm(裝置間距)，1s/m(介質電導率)

常規(guī)pbs緩沖液中的單細胞自鎖和釋放(參見，例如圖8)

觀察到的單細胞自鎖效應；

觀察到的選擇性熒光標記的單細胞釋放；

10vpp(電壓)，10mhz(頻率)，20μm(裝置間距)，1s/m(介質電導率，pbs)。

前述實施方案旨在是示例性的而非限制性的。本領域技術人員將認識到變化。例如，構成裝置的環(huán)狀區(qū)域的尺寸可以取決于應用。為了捕獲尺寸～10μm的細胞(或顆粒)，如本文所示的直徑為約15μm的環(huán)狀物是合適的。為了捕獲較大的細胞、細胞簇、細胞的其他集合，卵等較大尺寸的環(huán)將是足夠的。為了捕獲較小的顆?；蚣毦?例如，約1-2μm)，小尺寸的環(huán)就足夠了。因此，在某些實施方案中，設想范圍為約1μm、或約2μm、或約5μm、或約10μm、或約15μm直至約200μm、或直至約150μm、或直至約100μm、或直至約50μm、或直至約40μm、或直至約30μm的環(huán)狀物直徑。在某些實施方案中，環(huán)狀物直徑范圍為約5μm至約50μm。

形成環(huán)狀晶體管的摻雜環(huán)的寬度將控制晶體管特性。在某些實施方案中，環(huán)狀物厚度范圍為約0.5μm直至約10μm。較薄的環(huán)狀環(huán)可以提供較高的光增益，其允許使用較低的光強度來打開電極。但折衷是其可以操作的小電壓振幅，因為光電晶體管可以在沒有光照射的高電壓下導通。如果使用更大的寬度，則光增益可以更低，但另一方面，我們可以在高電壓下操作裝置以在細胞上產(chǎn)生更大的捕獲力。

實施例2

在大面積上使用自鎖式光電鑷子在細胞培養(yǎng)基中的單細胞操縱

本實施例描述了用于在大面積上在細胞培養(yǎng)基中進行單細胞操縱的新型自鎖式光電鑷子(slot)(參見，例如圖9)。slot克服了常規(guī)光電鑷子(oet)對于高通量單細胞操縱的兩個主要技術障礙。在一個示例性但非限制性的實施方案中，通過布置可以光學導通和截止的基于橫向光電晶體管的環(huán)形電極的陣列來制造slot。橫向的環(huán)形光電晶體管設計使得能夠在高電導率介質(1s/m)中進行操縱并克服在大面積(>1cm²)中的單細胞操縱的基本模糊光學圖案問題。

操作原理。

由外部函數(shù)發(fā)生器供電的dep陷阱圍繞環(huán)形電極而形成，其中單細胞在黑暗狀態(tài)下自鎖定而不需要光照射。當光束照射環(huán)電極時，dep陷阱被關閉以釋放受照單細胞。這種操作機制可以容易地擴大到超大面積，甚至跨越整個晶片以并行捕獲數(shù)百萬單細胞。slot的操作概念類似于現(xiàn)代微細加工中使用的步進機。光學照明系統(tǒng)可以掃描整個晶片以釋放感興趣的細胞，而其他的fov外部細胞保持自鎖定。

模擬和制造

slot具有兩種操作狀態(tài)：黑暗狀態(tài)和明亮狀態(tài)。在黑暗狀態(tài)下，僅施加ac電壓。在明亮狀態(tài)下，施加ac電壓和照明光束兩者。為了理解slot在黑暗狀態(tài)和明亮狀態(tài)下如何工作，進行數(shù)值模擬是有用的。圖10示出在光照射像素和周圍暗像素下的數(shù)值模擬電場強度分布和dep力。施加高頻率(10mhz)ac偏壓以通過al2o3絕緣層(30nm)產(chǎn)生部分電壓泄漏從而在黑暗狀態(tài)中形成負dep單細胞陷阱。dep力在黑暗狀態(tài)下指向電極中心，從而鎖定單細胞。相反地，在明亮狀態(tài)下，dep力指向電極中心，從而釋放單細胞。這是能夠實現(xiàn)自鎖和選擇性釋放的根本原因。自鎖和光釋放功能的解耦承諾將slot擴展到超大面積。

在一個示例性實施方案中，所述裝置在p型高度摻雜的單晶硅襯底上制造。環(huán)形圖案由光刻產(chǎn)生并用作n型離子注入掩模。將10nm(ti)金屬薄膜上的100nm(au)蒸發(fā)到襯底，隨后進行剝離工藝。最后，我們形成30nmal2o3薄膜的圖案，其具有用于電極緩沖液接觸的5μm圓形開口的陣列。值得注意的是，al2o3薄膜的選擇是由于其在實現(xiàn)自鎖和釋放功能中起重要作用。所述膜應該是薄的并且具有高介電常數(shù)，使得來自ac電壓的電場可以在黑暗狀態(tài)下通過薄膜部分地泄漏，以實現(xiàn)自鎖功能。生物相容性雙面膠帶通過商業(yè)切紙機圖案化并用作可以通過其引入細胞樣品的微流體通道。通道寬度大致為200μm。與傳統(tǒng)的垂直光電晶體管設計不同，我們提出并實現(xiàn)了一種橫向光電晶體管設計，其僅需要一次離子注入并且沒有溝槽隔離。離子注入的摻雜濃度和厚度已被優(yōu)化。與垂直設計相比，橫向設計的最大優(yōu)點是dep捕獲不再依賴于光照射，使得捕獲區(qū)域可以擴展到整個晶片級。橫向設計的另一個益處是光子和電子路徑是分開的，這樣我們具有獨立調(diào)整光吸收和裝置結構的自由。

裝置特征

我們將激光掃描系統(tǒng)與熒光顯微鏡進一步集成以進行裝置特征和操作條件的校準。通過一組labview控制的掃描鏡將532nm10mw綠色激光引導并聚焦到裝置表面上。使用線性偏振器來調(diào)節(jié)激光功率，使得光強度在0.5w/cm²與5w/cm²之間。

將與實際裝置一起制造的圓形測試結構用于如圖11所示的電學特征。在1w/cm²照明強度下記錄i-v曲線。由于單晶硅中的高光電晶體管增益和載流子遷移率，在10v峰-峰電壓下在明亮狀態(tài)下觀察到比在黑暗狀態(tài)下高三個數(shù)量級的光電流。還繪制了指示細胞培養(yǎng)基的電導率的參考線(橙色)，其顯示與細胞培養(yǎng)基的電阻相比，光電晶體管在黑暗狀態(tài)下的電阻至少大10倍，而光電晶體管在明亮狀態(tài)下的電阻小10倍。

實驗結果

我們說明了slot在1×1cm²區(qū)域上在細胞培養(yǎng)基(dmem)中的各種操縱功能，如圖12所示。這里我們示出大面積自鎖、個體運動和陣列形成。在圖12，圖面a中，展示在超大面積上的自鎖?？偟难b置工作面積超過1cm²。然而，由于顯微鏡的fov的限制，我們一次僅能觀察到相對較小的面積。

基于上述討論，自鎖功能完全獨立于觀察，使得只要提供足夠的電功率，有效自鎖區(qū)域可以延伸到甚至整個晶片級。在圖12，圖面b中和圖12，圖面d中，單細胞操縱通過投射的激光束來實現(xiàn)。多個顆粒順序地被釋放。在圖12，圖面c中，形成5×3的微粒陣列。

在1cm²slot平臺上捕獲大約120,000個顆粒，并且它們中的每一個可以被順序研究和光學釋放。應注意的一個實驗細節(jié)是，為了實現(xiàn)超大面積自鎖和釋放，單獨的通用函數(shù)發(fā)生器可能不再適合，這是因為裝置消耗的功率可能容易地超出規(guī)格，特別是在高導電性細胞培養(yǎng)基中。這里我們使用能夠放大12mhzac輸入的大功率放大器。

常規(guī)細胞培養(yǎng)基中的單細胞操縱對于許多真實的生物醫(yī)學應用是關鍵的。然而，大多數(shù)基于oet的技術僅能在低電導率介質(通?！?.01s/m)中工作。不能在除常規(guī)生理緩沖液(通?！?s/m)以外的培養(yǎng)基中預期諸如增殖和生長的正常細胞行為。將5μl樣品溶液(懸浮在dmem中的ramos)引入到具有設置為8mhz和10vpp的外部函數(shù)發(fā)生器的slot裝置。我們證明，在物鏡視場內(nèi)的光束選擇性地釋放感興趣的單細胞。

在圖13中，我們顯示感興趣的靶細胞如何順序地從位置1移動到位置6，而非靶細胞保持鎖定。最初，兩個細胞通過dep陷阱自鎖。然后我們將激光束移動到靶細胞所在的位置。這導致受照光電晶體管處的光電流顯著增加。因此，關閉dep陷阱，捕獲的細胞通過背景微流體流而被釋放。從陷阱釋放細胞需要少于0.5s。典型的背景流速為50μm/s。這些參數(shù)隨不同的實驗條件而變化。

slot的操作類似于在現(xiàn)代光刻中廣泛使用的“步進機”概念。我們將固定或可編程的光圖案投射到slot襯底。感興趣的細胞可以逐個釋放或批量分批釋放。由于每個電極的位置已被預先設計，因此可以在沒有實時觀察的情況下執(zhí)行釋放功能，這表明slot甚至超過物鏡的視場來操縱細胞的能力。

總結

我們報告了一種用于在大面積上在細胞培養(yǎng)基中進行單細胞操縱的新型自鎖式光電鑷子(slot)。slot解決了常規(guī)光電鑷子(oet)對于在大面積上在常規(guī)生理緩沖液中進行單細胞操縱的兩個主要技術障礙。通過其獨特的橫向環(huán)形光電晶體管設計，已在高電導率介質操縱(>1s/m)中實現(xiàn)了高通量(超過120,000個顆粒)操縱。自鎖概念是將傳統(tǒng)oet的操縱面積擴展到1cm²或甚至更大的關鍵。slot的潛在應用包括組織工程、藥物篩選(nilsson等人(2009)analyticachimicaacta,649(2):141-157)、細胞與細胞間的通信、稀有細胞分選和體外受精(valley等人(2010)plosone,5(4):e10160)。

應了解，本文所述的實施例和實施方案僅用于說明性目的并且根據(jù)其產(chǎn)生的各種修改或變化將為本領域技術人員所想到并且欲包括于本申請的精神和權限以及隨附權利要求的范圍內(nèi)。本文所引用的所有公布、專利和專利申請針對所有目的以引用的方式整體并入本文。