專利名稱：粒子在孔內(nèi)流動的控制的制作方法
粒子在孔內(nèi)流動的控制
背景技術(shù)：
本發(fā)明大體涉及用于檢測、測量或控制粒子和/或輻射物的粒子敏感或輻射物敏感的系統(tǒng)，并涉及操縱粒子流穿過小孔，以便于例如實現(xiàn)精確測量粒子流的、和/或詳細控制材料的反應(yīng)、轉(zhuǎn)移和凝聚?？刂萍{米級粒子的傳輸和確定這種粒子的特性的能力在分子生物學(xué)、生物化學(xué)、生物技術(shù)、遺傳學(xué)、醫(yī)學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域是有用的。DuBlois 和 Wesley 在 JOURNAL OF VIROLOGY，1977 年 8 月，第 227-233 頁的“Sizesand Concentrations of Several Type C Oncornaviruses and Bacteriophage T2 by theResistive-Pulse Technique”中描述了一種納米粒子計數(shù)器，即，一種適于測量納米級粒子的Coulter計數(shù)器。該計數(shù)器具有電泳測量，在橫跨孔的電壓和壓力差的作用下穿過孔的特定尺寸的粒子的數(shù)量的能力。然而，所描述的裝置缺少了有選擇地改變跨孔的電壓和 壓力以便于控制粒子的速度和移動并由此增加儀器的靈敏度或允許對單個粒子的移動進行控制的能力。US 6004443教導(dǎo)了一種用于通過檢測樣本分散來在毛細管中的自由液體電泳期間控制分離柱內(nèi)的樣本分散以及通過在壓力誘導(dǎo)液體與電滲透液體之間建立不平衡來校正分散的方法。該毛細管電泳的改進方法允許精確控制毛細管中的粒子，其具有的優(yōu)點在于，在毛細管中中間物被最佳地分離。然而，粒子的分離不是從一個池到另一個池，而且不建議使粒子從一個池擴散到另一個池。而且，通過這種方法不能實現(xiàn)對粒子在一個池中的凝聚或反應(yīng)的控制。US 7279883公開了一種利用微制造技術(shù)制作的新型微型Coulter計數(shù)器。該計數(shù)器包含微米或納米液體系統(tǒng)來迫使粒子穿過裝置的管道，以使得裝置的阻抗會根據(jù)粒子的性質(zhì)改變并能夠測量粒子。該制造技術(shù)允許在樣本上同時采用多個尺寸的管道，由此允許在一個溶液中檢測多個不同的粒子。然而，該裝置不允許對誘導(dǎo)的或電滲透的粒子流的精確控制，并因此受限于它對粒子檢測的應(yīng)用。US 7077939公開了一種利用電泳和跨過嵌入在薄膜的單個納米管的壓力的聯(lián)合來對粒子進行控制和檢測的方法。然而，該方法不允許為了精確控制粒子的速度和移動而實時調(diào)整壓力和電流。而且，采用碳納米管作為孔來電檢測粒子影響了測量結(jié)果。碳納米管從其本質(zhì)上而言具有高的導(dǎo)電率，且正因為如此，決定了它形成的孔的電特性。因此，當(dāng)粒子穿過孔時，孔的電特性的微小變化被碳納米管的存在而掩蓋。US 4331862教導(dǎo)了一種利用以不同流速的不同大小和濃度的粒子來校準血液粒子計數(shù)器的方法。然而，該校準方法不包括控制電位和孔大小的變量。因此，該方法被限制為只能適用于流速、粒子大小以及粒子濃度是唯一可被改變的變量的處理的應(yīng)用。PCT/EP2005/053366公開了一種可調(diào)整的彈性孔，為了檢測、測量和控制粒子和/或電磁輻射的目的，其可被調(diào)整。所公開的裝置最典型地通過刺穿預(yù)先切割成十字幾何圖形的彈性材料薄板制成。本發(fā)明的目的為，通過聯(lián)合橫跨孔的電位差和壓力差以便于形成對納米級粒子在微米及納米液體應(yīng)用中的運動的精確控制，來克服現(xiàn)有系統(tǒng)的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種控制粒子在兩個池之間的孔內(nèi)流動的方法，該方法包括使粒子懸浮在孔內(nèi)的液體中；施加跨孔的電位差以使得在液體中的較高電位區(qū)域和較低電位區(qū)域之間易于電泳傳輸粒子；施加跨孔的壓力差以使得穿過孔從高壓池向低壓池易于傳遞帶有粒子的液體；在穿過該孔之前和/或之中和/或之后監(jiān)測粒子；以及調(diào)節(jié)跨孔的電位差和/或壓力差以便于獲得對粒子在孔內(nèi)移動的精確控制。電泳法為用于在液體介質(zhì)中獲得從較高勢場向較低勢場的懸浮粒子流的已知技術(shù)。然而，本發(fā)明將這種技術(shù)與壓力差的應(yīng)用相結(jié)合來影響液體穿過孔從高壓池向低壓池的傳輸，以便于獲得對粒子移動的精確控制。本發(fā)明利用了現(xiàn)代電子技術(shù)的能力來對壓力差和電位進行準確測量和精確控制，以及對電流的精確測定以便測量、控制和操縱粒子穿過孔的運動。通過改變壓力差和電位，來控制和測量流過孔的粒子的數(shù)目，以便將精確的粒子數(shù)量傳遞到反應(yīng)，以及以便在溶液中分離粒子，是可能的。在本發(fā)明的最佳實施例中，跨孔的電位差和/或壓力差在粒子穿過孔移動期間被 調(diào)節(jié)，以便控制粒子的速度，以至于可精確測量粒子大小、速度、粒子電荷、Zeta電位和/或濃度。在本發(fā)明的一個實施例中，跨孔的電位差和/或壓力差被調(diào)節(jié)以便控制穿過孔的精確的所期望數(shù)量的粒子至池的其中一個的傳遞。這使得粒子流以一種方式控制使得粒子以受控的方式從一個池移動到另一個池。這種技術(shù)可用于將精確的所期望數(shù)量的粒子傳遞到池，以及對粒子在液體介質(zhì)中的擴散和粒子在池中的凝聚進行控制。在本發(fā)明的一個實施例中，粒子的速度、電荷和/或Zeta電位依據(jù)跨孔施加的電位差和/或壓力差來確定。在本發(fā)明的一個實施例中，粒子的粒子大小依據(jù)跨孔施加的電位差和/或壓力差來確定。在本發(fā)明的一個實施例中，液體中的粒子濃度依據(jù)跨孔施加的電位差和/或壓力
差來確定。在本發(fā)明的一個實施例中，液體中的粒子濃度通過對在特定時期穿過孔的粒子的數(shù)量進行監(jiān)測來確定。在本發(fā)明的一個實施例中，液體中的粒子濃度，通過對(i)在不同壓力條件下穿過孔的粒子的數(shù)量，以及(ii)在不同壓力條件下穿過孔的已知粒子濃度的液體中的粒子數(shù)量進行監(jiān)測來確定。在本發(fā)明的一個實施例中，液體中的粒子濃度被預(yù)先校準，且根據(jù)跨孔施加的電位差和/或壓力差對預(yù)先校準的粒子的影響來確定孔的大小。在本發(fā)明的一個實施例中，液體中的粒子具有不同的類型，且至少一種類型的粒子的身份根據(jù)在粒子流過孔時的跨孔施加的電位差和/或壓力差的影響來確定。這使得當(dāng)不同粒子流過孔時可被識別。在本發(fā)明的一個實施例中，液體中的粒子具有不同的電荷，且根據(jù)跨孔施加的電位差和/或壓力差對粒子的不同影響，來使不同電荷的粒子相互分離開。
在本發(fā)明的一個實施例中，第一極性的電位差被跨孔施加，以使得在液體中易于以一個方向電泳傳輸粒子，以及第二極性的電位差被跨孔施加，以使得在液體中易于以與所述一個方向相反的方向電泳傳輸粒子，且所述第一和第二極性的電位差的這種施加是可變的，以使得易于控制和/或監(jiān)測粒子穿過孔的移動。在本發(fā)明的一個實施例中，通過提供指示至少一個粒子關(guān)于時間的位置的輸出的監(jiān)測探頭來監(jiān)測粒子，監(jiān)測探頭優(yōu)選利用熒光顯微法、納米粒子追蹤分析法、其它基于成像的顯微法、光散射相位分析法、以及近紅外化學(xué)成像法中的一個。在本發(fā)明的一個實施例中，粒子的凝聚度依據(jù)跨孔施加的電位差和/或壓力差來確定。在本發(fā)明的一個實施例中，依據(jù)跨孔的電位差和/或壓力差將預(yù)定數(shù)量的粒子傳遞給反應(yīng)。 在本發(fā)明的一個實施例中，通過提供指示所檢測的粒子的輸出的監(jiān)測探頭來監(jiān)測粒子，監(jiān)測探頭優(yōu)選利用熒光光譜法、質(zhì)譜法、X射線光譜法、原子吸收光譜法、紅外光譜法、近紅外光譜法、拉曼光譜法、靜態(tài)激光散射法、動態(tài)光散射法、光散射相位分析法、納米粒子追蹤分析法、以及表面等離子共振法中的一個。在本發(fā)明的一個實施例中，當(dāng)粒子被監(jiān)測時，液體的粘度是變化的。而且，本發(fā)明可被設(shè)置成，建立孔大小與跨孔壓力差的聯(lián)合，這將導(dǎo)致傳遞精確量的用于微米和納米液體應(yīng)用的體積流量。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于對粒子在孔中的流動進行控制的電泳系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括高壓池、低壓池、在高壓池和低壓池之間延伸并限定從高壓池向低壓池延伸的孔的壁、用于施加跨孔的電位差以使得在較高勢場區(qū)域和較低勢場區(qū)域之間易于電泳傳輸懸浮在孔內(nèi)液體中的粒子的電極裝置、用于施加跨孔的壓力差以使得穿過孔從高壓池向低壓池易于傳遞帶有粒子的液體的加壓裝置、以及用于調(diào)節(jié)跨孔的電位差和/或壓力差以便于獲得對孔內(nèi)粒子移動的精確控制的調(diào)節(jié)裝置。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種控制孔內(nèi)粒子流動的方法，該方法包括使粒子懸浮在孔內(nèi)的液體中；跨孔施加電位差以使得易于在液體中在個較高電位區(qū)域與較低電位區(qū)域之間電泳傳輸粒子；以及調(diào)節(jié)孔內(nèi)液體的溫度以便于獲得對粒子在孔內(nèi)移動的精確控制。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種控制粒子在孔內(nèi)流動的方法，該方法包括使粒子懸浮在孔內(nèi)的液體中；跨孔施加電位差以使得在液體中在較高電位區(qū)域與較低電位區(qū)域之間易于電泳傳輸粒子來產(chǎn)生輸出電流，以及調(diào)節(jié)電流以便于獲得對粒子在孔內(nèi)的移動的精確控制。


為了更徹底地理解本發(fā)明，將通過示例的方式參考附圖，其中圖I概略地闡釋了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電泳系統(tǒng)。圖2為電流——時間的圖表，其示出了利用這種電泳系統(tǒng)獲得的代表性的測量結(jié)果的軌跡；圖3為電流——時間的圖表，其闡釋了系統(tǒng)放大電流-時間測量結(jié)果的能力；
圖4概略地闡釋了在本發(fā)明的一個可能應(yīng)用中利用電泳系統(tǒng)的三個階段A、B和C，其示出了粒子流動操縱和分離的原理；圖5概略地闡釋了在本發(fā)明的另一個可能應(yīng)用中利用電泳系統(tǒng)的兩個階段A和B，其示出了該系統(tǒng)如何可被用于控制穿過孔的移動；圖6概略地闡釋了電泳系統(tǒng)在本發(fā)明的另一個可能應(yīng)用中的利用，其示出了該系統(tǒng)操縱凝聚的能力；圖7概略地闡釋了電泳系統(tǒng)在本發(fā)明的另一個可能應(yīng)用中的利用，其示出了該系統(tǒng)測量和控制反應(yīng)的能力；圖8為壓力差(P1-P2)-時間以及電流-時間的圖表，其示出了對于不同濃度的壓力軌跡和電流軌跡，闡釋了本發(fā)明測定溶液中粒子的濃度的能力；以及圖9闡釋了使用壓力來計算粒子濃度，其利用了校準的已知濃度的粒子。
具體實施例方式圖I概略地闡釋了構(gòu)成本發(fā)明的一個可能實施例的電泳系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括限定在上部高壓池14與下部低壓池15之間延伸并包含液體17的孔10的基板壁11。密封件16被設(shè)置在上部池14與基板壁11之間以及設(shè)置在基板壁11與下部池15之間，以確保液體17不會從池14和15逸出。除了液體17之外，上部池14包含懸浮在溶液中的粒子18、以及上部電極12和上部壓力端口 16。下部池15包含懸浮在溶液中的粒子18、下部電極13、下部壓力端口 29和隔膜19。隔膜19不是必需的，但是是將液體17與壓力端口 29附近的氣體分離的最佳實施方式。其它液-氣分離的方法對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是已知的，且可被用于替換這種設(shè)置?；宓牟牧峡砂?，但不限于諸如鈦、銅、硅、鋁、鋼、或其組合的金屬；諸如聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、橡膠、熱塑性塑料或其組合的聚合物；且可包括具有附加的用于期望的表面特性的適當(dāng)涂層的所有所述的材料，這一點本身是已知的?？?0可通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的可應(yīng)用到基板材料的多個方法來制造。這些制造方法包括，但不限于磨蝕、熔融、蝕刻、沖壓、鉆削、刺穿、鑄造、化學(xué)蒸汽沉積、旋轉(zhuǎn)鑄模等等。上部壓力端口 16經(jīng)由導(dǎo)管連接到上部的壓力調(diào)節(jié)器20，其控制上部池14內(nèi)的壓力。提供給調(diào)節(jié)器20的壓力可從真空罐到大氣或到加壓箱，或到它們的組合，以使得調(diào)節(jié)器20可將上部池14中的壓力調(diào)節(jié)到任何期望的水平。壓力表27監(jiān)測上部池14中的壓力。調(diào)節(jié)器20可被設(shè)置成在真空罐下限到壓力箱上限內(nèi)傳遞使用者期望的任何壓力。在本發(fā)明的一個實施例中，調(diào)節(jié)器20為機械調(diào)節(jié)器，其可被手動設(shè)置到一定真空度、或一定壓力，或者可被打開到通風(fēng)孔。調(diào)節(jié)器20于是將在調(diào)節(jié)器20的誤差界限內(nèi)使上部池14中的壓力控制到該設(shè)置的壓力，這一點對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是已知的。在本發(fā)明的另一個實施例中，調(diào)節(jié)器20為電子的，且通過計算機22內(nèi)的軟件程序經(jīng)由通信線路25來控制。在該實施例中，使用者可選擇或設(shè)置上部池14中的壓力。計算機22可基于該設(shè)置的壓力與壓力表27的測量結(jié)果之間的差值來產(chǎn)生控制信號，這一點對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。該控制信號可經(jīng)由通信線路25發(fā)送給調(diào)節(jié)器20，且調(diào)節(jié)器20相應(yīng)地調(diào)整以便將上部池14中的壓力改變到期望的壓力。下部壓力端口 29經(jīng)由導(dǎo)管一與上部壓力端口 16連接到上部壓力調(diào)節(jié)器20同樣的方式連接到下部壓力調(diào)節(jié)器21。和上部池壓力控制的情形一樣，下部壓力控制調(diào)節(jié)器21可被手動設(shè)置到期望的壓力，或可經(jīng)由來自于計算機22的通信線路26電子地控制。調(diào)節(jié)器21也可被連接到一定真空度、一定壓力、或被通風(fēng)到大氣。下部池15中的壓力由壓力表28監(jiān)測。在本發(fā)明的一個實施方式中，電極12的電位由計算機22經(jīng)由通信線路24控制。在本發(fā)明的另一個實施方式中，電極12的電位被手動控制。不管那個實施方式，通過通信線路24流到電極12的電流的數(shù)量由計算機24監(jiān)測和記錄。以類似的方式，電極13的電位或者手動設(shè)置、或者通過計算機22經(jīng)由通信線路23控制、或者接地。在本發(fā)明的一個實施方式，計算機22監(jiān)測和記錄通信線路23中的電流。如在WO 2006/063872A1中所描述的，當(dāng)在電極12和13之間施加電位差時，在 電極12與13之間將有電流流動。相同的電流將流過通信線路23和24。當(dāng)粒子18穿過孔10時，孔10的電特性將被改變，且這將改變電極12與電極13之間的以及由此穿過通信線路23和24的電流流動，這一點對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的以及正如在WO 2006/063872A1中進一步所描述的。該電流中的變化被稱作事件且取決于WO2006/063872A1中所描述的多個變量，包括孔10的大小、電極12與13間的電位差、粒子18的大小以及穿過孔10的粒子18的速度。圖2的圖表示出了對于給定的如上所述的一組變量在粒子穿過孔時的典型電流-時間曲線100。如果所有的變量保持恒定，當(dāng)粒子穿過孔10時事件101，102和103期間的電流軌跡在形狀、持續(xù)時間104以及幅值105上將一致。然而，改變上述的某些變量將改變事件期間的軌跡形狀。例如，以及將會對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的，如果跨電極12和13間的電位差被改變，軌跡的幅值105將增加或減少。在本發(fā)明的一個實施例中，粒子18通過施加如上所述的跨電極12和13間的電壓差借助電泳來穿過孔10移動。粒子18的發(fā)生移動的方向?qū)⑷Q于電極12和13之間的電位差的極性。在本發(fā)明的另一個實施例中，借助上述的方式通過在上部池14與下部池15之間施加壓力差，液體17被迫使穿過孔10。液體17穿過孔10流動的方向?qū)閺木哂休^高相對壓力的上部池14到具有較低相對壓力的下部池15的方向。當(dāng)液體17流過孔10時，它將以液體流動的方向穿過孔10傳輸粒子18。在本發(fā)明的另一個實施例中，借助施加壓力的粒子18的傳輸被用于計算粒子的濃度。在本發(fā)明的一個實施例中，粒子18穿過孔10的流動由跨池14和15的壓力差以及跨電極12和13的電位差的聯(lián)合來控制。在本發(fā)明的一個實施例中，粒子18穿過孔10的速度通過控制跨池14和15的壓力差和跨電極12和13的電位差來控制。而且，在本發(fā)明的一個實施例中，通過控制跨池14和15的壓力差和跨電極12和13的電位差來精確控制粒子18穿過孔10的移動。對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，對于給定的數(shù)據(jù)采集裝置，采集的精度由對給定事件所記錄的數(shù)據(jù)點的數(shù)量來確定。在本發(fā)明的一個實施例中，數(shù)據(jù)采集裝置將每秒記錄100，000個數(shù)據(jù)點或者將以IOOkHz的速率記錄。因此，如果粒子18用O. 001秒穿過孔10，那么數(shù)據(jù)采集裝置將記錄所述事件的1，000個點。如果粒子18的速度下降使得它用O. 01秒穿過孔10，那么同樣的數(shù)據(jù)采集裝置將記錄所述事件的10，000個點，由此提高記錄的精度。對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，通過相對于數(shù)據(jù)采集裝置的極限提高測量結(jié)果的幅值，可取得較高精度的測量結(jié)果。模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器為將電位或電流從模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號以使得它可被計算機記錄的普適裝置。A/D轉(zhuǎn)換器具有O——5V，0——10V, -5——5V，-10——10V, O——5mA, O——IOmA等等的典型模擬輸入范圍。該輸入范圍代表裝置的轉(zhuǎn)換精度。例如，典型的16位A/D轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換輸入信號到65536位的范圍。因此，對于輸入范圍為O——5V的16位裝置將能以5/65536或76. 3微伏每位進行記錄。因此，如果輸入信號的幅值例如為O. 25V，那么A/D轉(zhuǎn)換器將傳遞O. 25/0. 0000763或3276位給記錄裝置。為了獲得較高精度的O. 25幅值的測量結(jié)果，信號調(diào)節(jié)領(lǐng)域的習(xí)慣做法是放 大信號。例如，如果O. 25V的模擬信號被放大到2. 5V，那么A/D轉(zhuǎn)換器將傳遞32765位給記錄裝置，由此將測量結(jié)果的精度提高十倍。圖3闡釋了增加跨電極12和13的電位和改變壓力差以減慢粒子流動的聯(lián)合將具有的電流-時間軌跡100的可能效果。當(dāng)兩個相似的粒子18被強迫以不同的速度及不同的電位穿過孔10時，具有較低電位(AVl)及較高速度的粒子在穿過孔10時將形成具有幅值108和持續(xù)時間107的事件軌跡106。被強迫以較低速度和較高電位(AV2)穿過孔10的相同粒子18，將形成具有壁幅值108顯著高的幅值110和比持續(xù)時間107顯著長的持續(xù)時間111的事件軌跡109。當(dāng)粒子穿過孔10時,首先通過對于給定的事件采集更多的數(shù)據(jù)點，其次通過如本段所述的對信號進行放大，能提高測量粒子18的精度。因此會理解，本發(fā)明的重要可選特性為使用者提供了，改變跨孔的壓力差和電位差能力，以至于提高穿過孔10的粒子的測量結(jié)果的精度。還會理解，本發(fā)明的重要可選特性為使用者提供了，對于具體測量結(jié)果物理放大的能力。還會理解，本發(fā)明的重要可選特性為使用者提供了，基于事件軌跡中的較小差異測量相似粒子中的較小物理變化的能力。由于系統(tǒng)能夠獲取高精度的軌跡，使用者將能夠區(qū)分類似粒子間的較小差異。還會理解，本發(fā)明的重要可選特性，為使用者提供了區(qū)分不同大小和電荷的粒子的能力。裝置的測量結(jié)果的精度將允許使用者區(qū)分不同粒子的軌跡。還會理解，本發(fā)明的重要可選特性為使用者提供了將特定電位和壓力梯度下的事件軌跡與相同大小的孔10相關(guān)聯(lián)的能力。當(dāng)系統(tǒng)的可控參數(shù)保持恒定時，事件軌跡100可被校準到具體粒子，并由此有助于粒子簽名的定義。本發(fā)明的另一個重要可選特性為使用者提供了描繪孔10的孔洞大小的能力。參考圖3，當(dāng)以恒定壓力和電位梯度迫使相同濃度中的相同粒子18穿過孔10時，可改變事件軌跡106的幅值109和持續(xù)時間108的唯一參數(shù)為孔10的大小。因此，對于特定溶液中的特定粒子和特定粒子濃度，以及對于特定孔洞大小的特定壓力梯度和特定電位梯度，校準事件的特定幅值和持續(xù)時間是可能的。本發(fā)明的另一個重要可選特性為使用者提供了分離具有不同電荷的粒子的能力。參考圖4，粒子40和41為懸浮在液體17中的具有不同電荷的兩個不同類型的粒子。施加到上部池14的壓力Pl高于施加到下部池15的壓力P2，并因此，迫使液體17穿過孔10從上部池14流到下部池15。該流動為池間壓力差(P1-P2)的函數(shù)。當(dāng)液體17流過孔10時，傳輸以懸浮形式的粒子40和41 (圖4A)。如上所述，根據(jù)粒子的電荷，跨電極12和13施加電位30，將提高或降低粒子穿過孔10的流動。因此，存在電位30，以使得具有特定電荷的一個粒子40由于液體17的流動會穿過孔10,而具有另一特定電荷的另一個粒子41由于電泳會保持靜止(圖4B)。還存在電荷30，對于該電荷，具有特定電荷的一個粒子40將以一個方向流過孔10，而具有不同電荷的另一粒子41將以另一個方向流過孔10 (圖4C)。當(dāng)具有不同電荷的粒子40和41以不同方向流過孔10時，它們將在溶液中分離。如果壓差被選擇為零，粒子的電荷和Zeta電位可從相關(guān)脈沖持續(xù)時間中提取，這一點對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。只有在電泳占主導(dǎo)地位時，計算是才是直接簡單的，因此，傳輸時間可直接與電泳遷移率相關(guān)聯(lián)。改變電壓，以使得通過電泳的驅(qū)動力均分，并幾乎使粒子停止穿過孔移動，是提取粒子電荷的另一可能方式。本發(fā)明的另一應(yīng)用為控制粒子從一個池向另一個池的移動。圖5展示了運作中的 系統(tǒng)，其中，在池14和15之間的液體17中的粒子18的濃度中存在差異。在圖5A中，壓力差P1-P2為零，自然擴散將引起粒子50穿過孔10從較高粒子濃度區(qū)域52移動到較低粒子濃度區(qū)域51。在圖5B中，壓力差P1-P2為正的，以使得強迫液體17穿過孔10。從較高濃度區(qū)域51移動到較低濃度區(qū)域52的液體17攜帶有粒子50，53和54，由此提高了區(qū)域間粒子的移動速率。參考圖5B，通過跨電極12和13施加適當(dāng)?shù)碾娢?0以使得提高粒子50，53和54穿過孔10的速度、甚至進一步提高移動的速率，可進一步提高擴散的速率。相反地，當(dāng)跨電極12和13的電位30的極性被反向時，凈效應(yīng)將為降低了粒子穿過孔10的速度，由此降低了粒子在區(qū)域51與52之間移動的速率。而且，如果壓力差P1-P2為負，取決于跨電極12和13的電位30，液體17將從區(qū)域52流動到區(qū)域51，并可導(dǎo)致相反的粒子移動。這一點將對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，對跨電極12和13的壓力差P1-P2和電位30的聯(lián)合的準確控制，使得使用者能夠控制較高濃度區(qū)域與較低濃度其與之間的粒子移動的速率。通過使電壓反相以及測量事件的頻率，可監(jiān)測/量化擴散。如果粒子小且快速，它們將比較大的粒子更快地從孔區(qū)域擴散開，并因此，反向電壓處的事件頻率按擴散常數(shù)和粒子大小的比例改變。本發(fā)明的另一個應(yīng)用為使得使用者能夠控制粒子的凝聚。如上所述，本發(fā)明具有對穿過孔10的粒子的移動進行準確控制和測量的能力。參考圖6，如果在粒子60互相接觸時易于聚合61，本發(fā)明將使得使用者能夠準確控制可獲得用于凝聚的粒子61的數(shù)量，并由此能夠控制聚合物61。通過使電壓反向和穿過孔10從底部池向頂部池驅(qū)動聚合物，可分析聚合物。應(yīng)注意到,頂部池中的粒子與底部池中的粒子不需要為相同。如果頂部池和底部池中的粒子不相同，那么當(dāng)粒子60從底部池移動到底部池時可形成混合的聚合物。本發(fā)明的另一個應(yīng)用為使得所測得的多個粒子能夠傳遞給反應(yīng)。參考圖7，如上所述，通過跨電極12和13的壓力差(P1-P2)和電位30的聯(lián)合控制粒子18在液體17中穿過孔10的移動。通過這種方式，粒子18被傳遞到已經(jīng)含有粒子71的池15。當(dāng)粒子71與粒子18接觸時，反應(yīng)發(fā)生以至于形成粒子72。每個粒子72是兩個粒子18與一個粒子71之間的特定反應(yīng)的結(jié)果。對本領(lǐng)域技術(shù)人員為已知的是，形成粒子72的反應(yīng)的速率可通過粒子18傳遞到包含粒子71的液體17的速率來控制。會理解，通過這種方式，通過將所測得的大量一種類型的粒子傳遞到包含另一種類型的粒子的溶液來控制反應(yīng)是可能的。壓力和/或電壓的反向可被用于使粒子能夠被分析和/或使它們的大小和/或電荷能被提取。本發(fā)明的另一個應(yīng)用為能夠?qū)崟r觀測粒子及粒子的形成。參考圖7，測量探頭74被穿過池15的壁插入以使得能夠?qū)崟r觀測粒子。可被這種探頭74實施的測量包括，但不限于熒光光譜法、質(zhì)譜法、X射線光譜法、原子吸收光譜法、紅外光譜法、近紅外光譜法、拉曼光譜法、靜態(tài)激光散射法、動態(tài)光散射法、光散射相位分析法、納米粒子追蹤分析法、以及表面等離子共振法。不管采用何種的測量技術(shù)，關(guān)于反應(yīng)的信息通過測量探頭74傳遞給測量裝置75，其解釋測量結(jié)果并存儲與測量結(jié)果有關(guān)的數(shù)據(jù)。例如，在特定條件下，粒子72將接納另一個粒子18并變成粒子73，通過探頭74施加的檢測及測量技術(shù)將能夠檢測該信息并將其報告給使用者。由此，提供描繪粒子隨時間的變化的測量數(shù)據(jù)是可能的。通過探頭74借助所 述裝置觀測和測量液體17內(nèi)的粒子71，72和73的布朗運動也是可能的。在本發(fā)明的一個可能應(yīng)用中，圖7中的粒子18可為以測得的數(shù)量傳遞到血液中的一組病毒71的抗體。探頭74于是將能測量抗體對病毒71的效用。如上所述，本發(fā)明的一個實施例具有測定隨著時間的推移穿過孔的粒子的數(shù)量的能力。這使得使用者能夠通過測量在一定時期穿過孔的粒子的數(shù)量來測定溶液中粒子的濃度。如果溶液的流速是已知的，溶液中的粒子的濃度可通過將在特定時期流過孔的粒子的數(shù)量除以流過孔的液體的體積來計算。在溶液的流速未知時，可利用已知濃度的校準粒子來計算粒子的濃度。在本發(fā)明的另一個應(yīng)用中，為使用者提供了在特定時期傳遞流過孔的測得量的溶液的能力。參考圖1，經(jīng)過一定時期流過孔10的粒子18的數(shù)量，或者粒子流動的速率，由以下參數(shù)確定I)池14和15間的壓力差P1-P2。2)跨電極12和13的電位差。3)液體17中的粒子18的濃度。4)溶液中粒子18的類型或極性。5)孔10的孔洞大小。參考圖8，它遵循的并且對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的在于，如果所列出的參數(shù)在系統(tǒng)中保持恒定，電流數(shù)據(jù)軌跡應(yīng)檢測到在特定時期相同數(shù)量的粒子穿過孔10的事件84。圖8示出了溶液中已知濃度粒子的典型的壓力差80-時間和電流軌跡81-時間曲線。當(dāng)壓力差80斜升到穩(wěn)定狀態(tài)時，電流軌跡81中的事件變得有周期性且穩(wěn)定。因此，經(jīng)過示出的時間窗83，如果粒子的濃度是已知的，溶液的流速可通過對流過孔10的粒子的數(shù)目(軌跡81中的事件數(shù)目)計數(shù)來計算。溶液中粒子的濃度除以粒子的數(shù)目來確定相對于壓力差80的在時間窗83期間的流量。流速通過流量除以時間窗83的周期來確定。如果相同的壓力曲線被應(yīng)用到相同溶液中的未知濃度，系統(tǒng)將能夠通過對電流軌跡82中的事件數(shù)目計數(shù)來確定該濃度。由于流速已被軌跡81校準，新的濃度可通過事件數(shù)目除以流速來確定。
以類似的方式，對于諸如圖8中的壓力差80的壓力脈沖的整個持續(xù)時間，計算從一個池傳輸?shù)搅硪粋€池的液體的總量也是可能的。通過對在壓力脈沖的整個持續(xù)時間期間流過孔的已知濃度的粒子的數(shù)目進行計數(shù)，可確定所傳輸?shù)囊后w的量。如果隨后相同的壓力脈沖被施加到相同溶液中的新的、未知的粒子濃度，那個溶液的粒子濃度可通過對那個濃度的事件或粒子的數(shù)目進行計數(shù)來確定。進一步，使使用者能夠確定粒子不同于用于校準系統(tǒng)的粒子的溶液中的粒子濃度是可能的。當(dāng)采用不同的粒子時，電流軌跡中的事件的持續(xù)時間和幅值將與用于校準的不同。然而，每次粒子流過孔10，就產(chǎn)生一個事件，并因此不管事件的量級如何，粒子的出現(xiàn)將被這樣的事件所記錄。因此，已經(jīng)穿過孔的粒子的數(shù)目可被確定，且粒子濃度也可被計算。上述的方法通常僅僅可在這樣的條件下應(yīng)用由壓力引起的粒子的移動速率顯著高于由電泳引起的移動速率。然而，在由電泳引起的移動頻率比由壓力引起的移動速率顯著時，為由電泳引起的移動頻率引入校正因子和根據(jù)是可能的。使得使用者能夠確定粒子不同于用于校準系統(tǒng)的粒子的溶液中的粒子濃度也是 可能的。在這種情況下，該方法基于，對至少兩個不同的壓力，一個優(yōu)選為P = 0，測量校準粒子跨孔的移動速率。隨后，對未知濃度的粒子樣本重復(fù)相同的測量。移動速率與壓力的關(guān)系于是可被繪制成線性關(guān)系。于是可根據(jù)線性關(guān)系的斜率計算未知的濃度。由于擬合線的斜率與粒子的相關(guān)濃度成比例，這是可能的。圖9示出了闡釋該方法的示例。計算未知樣本的濃度的該方法考慮了由電泳引起的移動速率和由壓力引起的移動速率兩者，因此比前述的方法更普遍。本發(fā)明的另一個應(yīng)用，允許描述孔10(圖I)的孔洞大小。如上所述，在具有特定壓力差(P1-P2)及跨電極12和13的電位30的特定溶液17中的特定類型的粒子18對于給定的孔大小將在限定的時間周期83內(nèi)引起特定數(shù)量的事件84。如果孔的大小增加，穿過孔10的流速將增加，并因此導(dǎo)致在系統(tǒng)中更多的事件84被觀測到。因此，通過在特定工作條件下，將特定事件的頻率與特定孔的孔洞大小相關(guān)聯(lián)，未知的孔大小可通過在預(yù)設(shè)條件下的事件的數(shù)目來確定。盡管本發(fā)明已經(jīng)根據(jù)如上所述的最佳實施方式進行了描述，應(yīng)理解，這些實施例僅僅是示例性的，以及權(quán)利要求不局限于這些實施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能基于考慮作為落入附屬的權(quán)利要求范圍內(nèi)的公開內(nèi)容，進行修改和替換。本說明書所公開或闡釋的每個特征可被包含到本發(fā)明，而不管是單獨還是以與本文所公開或闡釋的任意其它特征的任意適當(dāng)組合的形式。例如，任一權(quán)利要求的特征可與任何其它權(quán)利要求的特征相結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種對粒子在兩個池之間的孔中或穿過該孔的流動進行控制的方法，該方法包括使粒子懸浮在孔內(nèi)的液體中；施加跨孔的電位差，使得在液體中的較高電位區(qū)域與較低電位區(qū)域之間易于電泳傳輸粒子以便產(chǎn)生輸出電流；施加跨孔的壓力差以使得易于穿過孔從高壓池向低壓池傳遞帶有粒子的液體；通過測量輸出電流而在穿過該孔之前和/或之中和/或之后監(jiān)測粒子；以及調(diào)節(jié)跨孔的電位差和/或壓力差以便于獲得對移動的控制，以及便于獲得對孔內(nèi)粒子的測量的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中所述跨孔的電位差和/或壓力差在粒子穿過孔移動期間被調(diào)節(jié)，以便控制粒子的速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的方法，其中所述跨孔的電位差和/或壓力差被調(diào)節(jié)，以便控制穿過孔的精確的所期望數(shù)量的粒子至池的其中一個的傳遞。
4.根據(jù)權(quán)利要求I、2或3的方法，其中，所述粒子的速度依據(jù)跨孔施加的電位差和/或壓力差來確定。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中，所述粒子的電荷和/或Zeta電位依據(jù)跨孔施加的電位差和/或壓力差來確定。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中，所述粒子的粒子大小依據(jù)跨孔施加的電位差和/或壓力差來確定。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中，所述液體中的粒子濃度依據(jù)跨孔施加的電位差和/或壓力差來確定。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，液體中的所述粒子的濃度通過對在特定時期穿過孔的粒子的數(shù)量進行監(jiān)測來確定。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的方法，其中，液體中的所述粒子的濃度通過對(i)在不同壓力條件下穿過孔的粒子的數(shù)量，以及(ii)在不同壓力條件下穿過孔的已知粒子濃度的液體中的粒子的數(shù)量進行監(jiān)測來確定。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中，液體中的所述粒子被預(yù)先校準，且根據(jù)跨孔施加的電位差和/或壓力差對預(yù)先校準的粒子的影響來確定孔的大小。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中，液體中的所述粒子具有不同的類型，且至少一種類型的粒子的身份根據(jù)在粒子流過孔時的跨孔施加的電位差和/或壓力差的影響來確定。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中，液體中的粒子具有不同的電荷，且根據(jù)跨孔施加的電位差和/或壓力差對粒子的不同影響，來使不同電荷的粒子相互分離開。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中，第一極性的電位差被跨孔施加，以使得在液體中易于以一個方向電泳傳輸粒子，以及第二極性的電位差被跨孔施加，以使得在液體中易于以與所述一個方向相反的方向電泳傳輸粒子，且所述第一和第二極性的電位差的這種施加是可變的，以使得易于控制和/或監(jiān)測粒子穿過孔的移動。
14.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中，通過提供指示至少一個粒子關(guān)于時間的位置的輸出的監(jiān)測探頭來監(jiān)測粒子，監(jiān)測探頭優(yōu)選利用熒光顯微法、納米粒子追蹤分析法、其它基于成像的顯微法、光散射相位分析法、以及近紅外化學(xué)成像法中的一個。
15.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中，粒子的凝聚度依據(jù)跨孔施加的電位差和/或壓力差來確定。
16.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中，依據(jù)跨孔的電位差和/或壓力差將預(yù)定數(shù)量的粒子傳遞給反應(yīng)。
17.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中，通過提供指示所檢測的粒子的輸出的監(jiān)測探頭來監(jiān)測粒子，監(jiān)測探頭優(yōu)選利用熒光光譜法、質(zhì)譜法、X射線光譜法、原子吸收光譜法、紅外光譜法、近紅外光譜法、拉曼光譜法、靜態(tài)激光散射法、動態(tài)光散射法、光散射相位分析法、納米粒子追蹤分析法、以及表面等離子共振法中的一個。
18.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的方法，其中，當(dāng)粒子被監(jiān)測時，液體的粘度是變化的。
19.一種用于對粒子在孔中或穿過孔的流動進行控制的電泳系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括高壓池、低壓池、在高壓池和低壓池之間延伸并限定從高壓池向低壓池延伸的孔的壁、用于施加跨孔的電位差以使得在較高電位區(qū)域和較低電位區(qū)域之間易于電泳傳輸懸浮在孔內(nèi)液體中的粒子以產(chǎn)生輸出電流的電極裝置、用于施加跨孔的壓力差以使得穿過孔從高壓池向低壓池易于傳遞帶有粒子的液體的加壓裝置、用于測量輸出電流的裝置、以及用于調(diào)節(jié)跨孔的電位差和/或壓力差以便于獲得對移動的控制及以便于獲得對孔內(nèi)粒子測量的控制的調(diào)節(jié)裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的系統(tǒng)，進一步包括用于監(jiān)測跨孔的壓力差的壓力檢測裝置。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20的系統(tǒng)，進一步包括用于監(jiān)測跨孔的電位差的電位檢測裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求19、20或21的系統(tǒng)，進一步包括用于對孔內(nèi)的粒子進行計數(shù)的計數(shù)裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求19-22中任一項的系統(tǒng)，進一步包括用于監(jiān)測孔內(nèi)粒子的檢測裝置。
24.根據(jù)權(quán)利要求19-23中任一項的系統(tǒng)，進一步包括監(jiān)測探頭，用于檢測孔內(nèi)的粒子，并提供指示至少一個粒子關(guān)于時間的位置的輸出，監(jiān)測探頭優(yōu)選利用動態(tài)光散射法、激光多普勒測速法、光散射相位分析法、近紅外光譜法、以及近紅外化學(xué)成像法中的一個。
25.根據(jù)權(quán)利要求19-24中任一項的系統(tǒng)，其進一步包括，用于監(jiān)測流過孔的液體的流量監(jiān)測裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求19-25中任一項的系統(tǒng)，其中調(diào)節(jié)裝置適于向液體施加高頻率的壓力脈沖。
27.根據(jù)權(quán)利要求19-26中任一項的系統(tǒng)，其中調(diào)節(jié)裝置適于使跨孔的電位差的極性反向。
28.根據(jù)權(quán)利要求1-18中任一項的方法，其包括，調(diào)節(jié)孔內(nèi)液體的溫度，以便于獲得對孔內(nèi)粒子的移動和測量的控制。
29.根據(jù)權(quán)利要求19-27中任一項的系統(tǒng)，其中，用于測量輸出電流的裝置包括數(shù)據(jù)采集裝置。
全文摘要
控制粒子(18)在兩個池(14)與(15)之間的孔(10)內(nèi)的流動，是通過以下完成的使粒子(18)懸浮在孔(10)內(nèi)的液體(17)中；跨過孔(10)施加電位差，使得在液體(17)中的高位場區(qū)域與低位區(qū)域之間易于電泳傳送粒子(18)；跨過孔(10)施加壓力差，使得帶有粒子(18)的液體(17)容易穿過孔(10)從高壓池(14)傳遞到低壓池(15)；以及調(diào)節(jié)跨過孔(10)的電位差和/或壓力差以便于獲得對粒子(18)在孔(10)內(nèi)的移動的精確控制。這允許對速度及位移的精確控制，以及對溶劑中粒子的測量傳遞的精確控制，該測量傳遞借助對跨孔的電位差和壓差的準確控制使得粒子穿過孔從一個池到另一個池。
文檔編號G01N27/447GK102812353SQ201180007534
公開日2012年12月5日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月27日
發(fā)明者約翰·亞德里納·凡德伏恩 申請人:艾曾科學(xué)有限公司