用于施加连续电场的装置和方法

用于施加连续电场的装置和方法
【专利摘要】一种装置包括：适合于产生具有离散电场分布的电场的电场施加组件、导电体积和电接口区域，电接口区域设置在导电体积和电场施加组件之间，以使得在与导电体积间隔开的位置处通过电场施加组件将离散电场施加到材料，其中电接口区域至少包括离子导电材料，离子导电材料布置成与导电体积相邻并接触导电体积；从而通过电接口区域平滑化由电场施加组件施加的离散电场，以使得在导电体积内建立的电场分布基本连续。
【专利说明】用于施加连续电场的装置和方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及用于施加电场的装置和方法及其制造方法。本发明具体适合于使施加到微流体装置或“芯片实验室”型装置(LOC)的电场的形状平滑。
【背景技术】
[0002]微流体装置(例如L0C)具有广泛的应用。越来越多的这些应用涉及对象(例如生物分子)的测序(sequencing)和分选(sorting)和细胞的分选。通常，使用电泳执行生物分子的测序和分选、和细胞的分选。电泳技术是众所周知的并且经常用于根据对象的电学和流体力学特性将对象(有时称作“分析物”)分离。其他分离技术包括使用如EP1455949中所述的离心分光计。
[0003]在常规电泳中，施加恒定均匀的电场以使对象移动通过流体或另一筛分基质(sieving matrix)。在这些对象移动通过这种材料时,对象受到取决于对象的形状和尺寸(例如流体动力)和/或对象对该材料的亲和性(例如化学吸引/排斥力)的力、并且受到取决于对象的电荷的由于施加的电场产生的电动力。由于每种对象类型受到不同的力，对象根据它们各自的特性以不同的终极速度移动并且因此这些对象分成“区带”。
[0004]近年来，本发明的发明人之一已经提出用于对象分离的场移动分析的概念，其中施加的电场不是恒定的，而是具有时间相依场梯度。W02006/070176中记载了使用这种概念的电泳装置的示例，该专利申请的全部内容在此通过引用结合于本文。与常规技术相比，场移动分析在分析和处理能力方面提供巨大潜力，提供更快并且更灵敏达几个数量级的分离。
[0005]场移动装置通常采用电极网络以为在微流体环境中分离和处理分析物和其他材料而施加适当的时间相依电场梯度。例如，微流体环境可以包括在玻璃装置中或玻璃装置上的平面分离通道，其横截面尺寸达到0.1至几百毫米并且长度至少500 μ m。
[0006]可以在US-A-6277258和US-A-2002/0070113中找到不同电泳装置的其他示例。
[0007]在已知微流体装置(包括场移动装置)中，电场通常通过内部电极被直接施加到通道。这种布置促进通过在通道内部中的导电分离缓冲物中产生电流来产生高电场。但是，这种构造经常导致沿着通道在每个电极的位点(locus)处对电场形状造成显著畸变。相应地，通道中的场不会如例如在实施场移动技术时所期望的那样遵循从高到低的平滑过渡，而是由一系列阶梯组成。分离的分子非常接近地(接触)行进至电极，“感觉到”场畸变并从而降低分离的分辨率。在期望将成形(即非均匀)电场施加到通道的其他应用中也遭遇类似问题。
[0008]为解决这个问题，已经提出增加沿着通道周期性定位的电极的数量。但是，实践中，这种构造出于两个原因而没有完全减少电场畸变。第一个原因是，不可能沿着通道放置无限数量的独立可寻址电极。第二个原因是，因为电极具有有限尺寸，所以与电极紧邻的空间中的电压是恒定的(为约等于电极的电压的值)。因此，产生的电场是零。这会引起在整体电场中的显著畸变。[0009]常规分离技术(包括已知场移动技术)的另一问题是，某些分析物会被损失，而不是按预期行进通过电极，对象会朝着直接接触通道的电极行进并从分离处理被有效地去除。此外，由于电极和通道中的(通常为含水)液体之间的接触引起的电解所产生的气体会进入通道，其中这些气体会破坏电场和分析。
[0010]因此，需要解决上述问题的技术。

【发明内容】

[0011]根据本发明的第一方面，一种装置包括:
[0012]电场施加组件，电场施加组件适合于产生具有离散电场分布的电场；
[0013]导电体积；和
[0014]电接口区域，电接口区域设置在导电体积和电场施加组件之间，电接口区域布置成使得在与导电体积间隔开的位置处通过电场施加组件将离散电场施加到电接口区域；
[0015]其中，电接口区域至少包括离子导电材料，所述离子导电材料布置成与导电体积相邻并接触导电体积；
[0016]从而通过电接口区域平滑化由电场施加组件施加的离散电场，以使得在导电体积内建立的电场分布基本连续。
[0017]根据本发明的第二方面，一种将电场施加到导电体积的方法包括如下步骤:
[0018]提供电场施加组件，电场施加组件适合于产生具有离散电场分布的电场；
[0019]提供导电体积；和
[0020]提供电接口区域，电接口区域在导电体积和电场施加组件之间，其中，电接口区域至少包括离子导电材料，离子导电材料布置成与导电体积相邻并接触导电体积；
[0021]在与导电体积间隔开的位置处将离散电场施加到电接口区域；
[0022]从而通过电接口区域平滑化施加的离散电场，以使得在导电体积内建立的电场分布基本连续。
[0023]应当领会，术语“导电体积”这里用于描述具有体积的任意导体，在至少在导电体积的一部分中期望有基本连续的电场。应当理解，导电体积的特性会根据本发明的应用类型改变。例如，导电体积可以是通道(例如在电泳或其他分离装置中使用的分离通道)，或者可以包括多个这样的通道。在其他应用中，导电体积可以代表诸如在疏水纸基体中提供的亲水区域或在多孔疏水基体中提供的多孔区域的区域。一般地，导电体积可以代表任意体积，其中在分析过程中流体或感兴趣的对象可以被容纳在该体积中(和/或可以移动通过该体积)，不论该体积是否通过通道或其他物理实体被物理约束。例如，在导电体积包括一个或多个通道的情况下，每个通道可以被物理限界或可以不被物理限界:导电体积可以例如包含在“自由流动”电泳装置或“平板凝胶”技术中由分析物占据的一个或多个路径(路径可以被认为是“想象的”或“虚拟”通道)。下文描述的实施例主要涉及用于分离对象的物理限定通道形式的导电体积，尽管可以理解这不是要加以限制。
[0024]本发明因此通过将从电场施加组件(例如电极阵列)获得的离散电场转变成导电体积中的基本连续场，来使施加的电场平滑化。“离散”电场是具有非均匀场分布的电场，例如包括间隙或大小陡升或陡降，例如在“阶梯分布”形状的场中可以观察到的电场。例如，离散电场可以由多个点电压源引起，每个点电压源与下一点电压源沿着导电体积的周边(例如对于通道来说，是沿着通道的路径)间隔开。通过“基本连续的”电场，这表示比离散电场更平滑的电场。例如，在上述示例中，平滑化的电场的值优选地在一个点电压源的位置和下一点电压源的位置之间的间隔中逐渐地改变，从与由第一点源建立的电场相对应的值到与由第二点源建立的电场相对应的值。更具体地，基本连续的场可以平滑地插入施加的离散值之间。但是，根据施加的平滑化程度，连续场可能没有达到完全线性梯度或曲线的程度，而是仍然会包括一定程度的不连续性(虽然这种不连续性的程度小于离散场的不连续性)。
[0025]通过在导电体积和电场施加组件之间提供电接口区域实现场成形，电场施加组件具有适合的电和几何特性，从而电场施加组件与导电体积通过电接口区域间隔开。具体地，至少部分地借助于离子导电材料内的离子电流传输来执行场平滑化，离子导电材料形成一部分(或全部)电接口区域，并布置成与导电体积相邻且接触导电体积。这种布置的巨大优势在于任意电解发生在电接口区域内或在电极(或其他电压源)处，而不是在导电体积内。以此方式，不存在对导电体积自身内部环境的破坏。
[0026]应当注意，电接口区域不需要沿着导电体积的整个周边设置，而是可以仅沿着导电体积的一部分延伸。例如，在导电体积是通道的情况下，电接口区域不需要沿着通道的整个长度设置，而是可以仅沿着通道的一部分延伸。
[0027]通过“与导电体积相邻并接触导电体积”，这意味着离子导电材料设置成直接电接触导电体积，在离子导电材料和导电体积之间没有任何其他的材料类型。电接口区域可以由单一成分(离子导电材料)组成，或者在电场施加组件和导电体积之间串联地(并且彼此电接触地)布置多于一种成分。在一个示例中，如下文更详细所述，电接口区域可以包括与导电体积相邻的离子导电材料以及非离子导电材料(例如电阻材料)，非离子导电材料设置在电场施加组件和离子导电材料之间。但是，在其他有利的实施例中，电接口区域由离子导电材料组成。换言之，电接口区域完全由离子导电材料形成。例如，直接接触导电体积的上述(单一)离子导电材料可以在导电体积和电场施加组件之间连续地延伸。可替换地，多于一种离子导电成分或离子导电成分和非离子导电成分的混合物可以被串联地部署在导电体积和电场施加组件之间，以形成电接口区域。
[0028]术语“离子导电”表示材料通过离子运动来导电。也可以有或者没有电子或空穴通过材料的运动。除了电接口区域接触导电体积的部分之外，导电体积优选地也离子导电，而不是主要电气导电。例如，导电体积可以是填充有离子导体(例如含水缓冲液)的通道，如下文更详细所述。
[0029]期望的是，组成电接口区域的一种或多种成分(特别是离子导电材料)的导电性/电阻率应当构造成“匹配”导电体积的导电性/电阻率。通过“匹配”，不需要电接口区域的每种成分都具有与导电体积相等或至少类似的离子导电性，尽管这是优选的。需要的是相对导电性/电阻率经平衡，以避免电流优先地由电接口区域或由导电体积传导。如果电接口区域的导电性太高或太低，在导电体积中场形状不会按照预期形成。这是因为，如果流体和离子导电材料的相对导电性显著不同，则根据欧姆定律，由施加的电压引起的所有电流将仅通过电接口区域或者仅通过导电体积。这将显著地改变场的平滑效果，导致场的过度平滑化或平滑化不足。具体地，如果电接口区域的相对导电性太低，则在导电体积中获得的电场会衰减，即表现得远低于在电极处施加的期望场，这是因为功率将在电接口区域中损失很大。[0030]为实现匹配，不需要形成电接口区域的(多种)成分和导电体积的电阻率/导电性一致，实际上这极为难以实现。但是，在优选构造中，导电性/电阻率是相同数量级。在具体的优选实施例中，组成电接口区域的(多种)成分的导电性/电阻率与导电体积的导电性/电阻率(反之亦然)的比率在1:100至1:1之间，优选在1:50至1:1之间，更优选地在1:10至1:1之间。有利地，接触导电体积的离子导电材料对于(例如由在电极处的电解产生的)气体是不渗透的，从而防止气体到达导电体积。可替换地，几何形状可以布置成将任意气泡引导远离导电体积。离子导电材料优选地防止导电体积内部的任何待分离分析物到达电极。例如，材料中的任意孔优选为太小而无法使对象从中通过。这有助于将对象限制在导电体积内并避免样品损失。
[0031 ] 在某些优选示例中，电接口区域具有薄的“膜状”或“薄层状”几何形状，从而电接口区域的宽度(即，电场施加组件和导电体积之间的距离)至少大于沿与所述距离和导电体积都垂直的方向(例如沿着通道的长轴)的电接口区域的厚度。更优选地，导电体积和电场施加组件之间的距离是电接口区域的厚度的至少两倍，优选为电接口区域的厚度的至少5倍，更优选地为至少5倍，更加优选地为至少10倍，最优选地为至少100倍。
[0032]优选的膜状几何形状有效地将电极之间获得的电压平均化。这沿着导电体积的周边“展开”每个点电压(沿任意其他方向具有相对小的电压离差)，从而主要地沿着导电体积的周边使得来自电场施加组件的离散施加场平滑化。通过保持材料较薄，电压可以布置成沿材料的厚度方向基本恒定，从而避免在导电体积中建立横向电场。但是，这可以可替换地通过布置电场施加组件来施加离散电场实现，离散电场沿着电接口区域的厚度方向不改变(例如通过使用电极，该电极沿着其全部厚度接触材料)。
[0033]与对电场平滑化一起，同时，电接口区域保持导电体积内部的微流体环境与电极分开，从而不会破坏分离或操作过程。
[0034]优选地，导电体积设置在基体中或基体上，电接口区域基本填充基体中或基体上的腔。基体自身可以方便地使用选择的微细加工技术来制造。
[0035]优选地，导电体积的高度约等于或大于沿相同方向的接口区域的厚度。具体地，导电体积的高度比材料的厚度优选地大I至5倍之间，优选大1.5至3倍之间，更优选地为大近似2倍。发明人发现这种比例能够借助于作用在流体形式的电接口区域材料上的毛细力，制造通道形式的导电体积，如下文所述。
[0036]在优选实施例中，施加离散电场的位置和导电体积之间的距离在0.1至8mm之间，优选在0.5至2.5mm之间。优选地，电接口区域的厚度在0.1至100 μ m之间，优选在20至40 μ m之间。优选地，导电体积的深度(高度)在0.1至500 μ m,优选在10至100 μ m之间。
[0037]在某些情况下，期望基体中的腔具有至少一个柱状物，以提供支撑并防止基体的顶部件坍塌。还可以部署柱状物来改变接口的电特性，如下文所述。此外，柱状物提供附加表面面积，以帮助将(多种)材料保持在电接口区域中。
[0038]在优选实施例中，导电体积是通道，通道可以沿着任意期望的路径。例如，通道可以是直线的或者可以是闭环形式。闭环构造比开环设计(例如直线通道)具有若干优势。首先，闭环通道避免边缘效应，从而在通道的任一端处在通道内部获得的电场偏离期望的水平。例如，在线性通道中，通道中间的部分将通常在沿着通道的部分的任一侧被提供有施加的电压源，该部分中获得的电压是两个电压的平均值。但是，接近通道的端部的部分不会“看到”设置在两侧上的电压源，而仅是设置在朝向通道的另一端部的一侧上。这意味着，存在非对称平均化，这引起靠近通道端部的部分内部的场畸变。第二，当向开环通道施加时移电场时，会出现场变化非常小并且电流方向保持基本不变的区域。这会在电场接口区域中所包含的离子导电材料中导致严重的局部离子消耗。结果，会损失通道中的期望场形状，这是由于离子消耗的效果易于抵消施加的场。相反，在闭合通道中，例如圆形布置，传播的电磁“波”(即，成形的非均匀电场分布)可以构造成围绕环路行进。这围绕环路“扫过”离子导电材料中的离子，连续地补充任意离子裸露区域，并且从相应的过度集中区域带走离子，以使得通道中的场保持平滑和稳定。第三，当使用开环通道时，装置的有效操作长度由通道的物理长度决定。在闭合系统中，不存在主通道的开始部或结束部，所以装置具有基本无限的操作长度。
[0039]优选地，电场施加组件包括与电接口区域电接触的多个电极，电场施加组件还包括控制器，控制器适合于向每个电极施加电压以获得期望的场分布。
[0040]电极优选地沿符合导电体积的周边的方向彼此间隔开。例如，在导电体积是通道的情况下，优选的是电极沿符合通道路径的方向间隔开。
[0041]在优选实施例中，多个电极沿导电体积的一侧布置。有利地，电场施加组件还可以包括多个第二电极，多个第二电极沿导电体积的与多个第一电极相对的一侧布置，从而在导电体积的相对两侧上形成电极对，其中电压可以被施加到一对中的每个电极。在某些优选实施例中，基本相同的电压被施加到每对中的两个电极。但是，在其他情况下，不同的电压可以被施加到一对中的每个电极，例如以抵消由于导电体积的曲率引起的速度差效应(如在W02006/070176中所述)，或者横向操作体积内的场。
[0042]装置还可以包括电场测量组件，电场测量组件适合于测量导电体积内(和/或沿着电接口材料)的电场；其中控制器有利地适合于基于测量的电场改变施加的离散电场。因此，除了施加离散电场的“写”电极之外，可以使用“读”电极来测量和控制施加的场。“读”电极可以直接接触导电体积或者可以通过电接口区域的一部分(可以是或不是位于导电体积和电场施加组件之间的电接口区域)测量建立的电场。例如，电场测量组件可以优选地包括与电接口区域电接触的多个电极，电场测量组件的多个电极优选地布置在导电体积的与电场施加组件相对的一侧上。在替换有利实施例中，装置可以使用相同的(多个)电极作为(多个)写或读电极，根据需要在两种模式之间切换。例如，控制器可以适合于按照规则间隔停止向每个电极提供电源短时间段，并且相反在恢复电源供应之前即时地读取局部场。
[0043]基体可以设置有与腔(和填充腔的接口区域)并且与基体的表面连接的孔(也称作阱或阱节点)，以在使用中容纳电极。孔可以填充有离子导电流体(例如含水缓冲液、触变凝胶或粘胶)，并且布置成使得电极伸入离子导电流体中。有利地，这种构造提供用于电解的气体产物的逸出点。此外，使基体设置有用离子导体填充的孔将允许有足够的离子储存尺寸，以缓解电接口区域中包括的离子导电材料中的离子消耗。作为对上述伸入的电极的替换形式，导电电极(例如由金属膜形成)可以沉积在基体上，导向装置上的一个或多个连接器，以与电场控制系统形成一体。这些电极将与接口材料接触，可以提供排气口以供电解气体溢出。
[0044]有利地，电场施加组件还包括布置成将每个电极电连接到电接口区域的连接臂，例如流体臂。例如，上述阱可以通过这种连接臂连接到填充有电接口区域的腔。在电场施加组件中使用流体臂，增加设计的灵活性。例如，孔可以在基体的顶部件中被钻出，并且具有发现对应用方便的任意构造，同时流体臂作为将电压施加到电接口区域的导体。通过谨慎地设计每个臂的尺寸(并因此设计臂所提供的电阻)，提供给材料的电压水平可以受到控制。每个连接臂优选地将电极中的单个电极连接到电接口区域。
[0045]在导电体积是通道的情况下，基体中的孔可以沿着符合导电体积的周边的单线周期性间隔开。但是，这不是必要的，每个孔可以定位成与导电体积相距不同的距离。在一个示例中，孔可以相对于导电体积的周边交错排列，以使得可以沿着导电体积的周边设置的孔的数量最大化。可以通过在孔和材料之间的电场施加组件的流体臂的设计来抵消孔的不同位置(并因此使用中孔容纳的电极)。但是，在其他示例中，在沿着导电体积的周边建立产生电场所需要的电压变化时使用可以变化的距离。
[0046]如果导电体积是开环形式(例如具有至少两个不同“端部”的通道，无论是否进行物理限定)，则电场施加组件可以构造成抵消场边缘效应。例如，对于线性通道的情况，可以布置两个附加电极，以在通道的每个端部处提供额外的电压。优选地，这些电极被插入在通道上的阱节点中，其中阱节点还可以用作通道的入口和/或出口。
[0047]如上所述，电接口区域可以包括多于一种成分，在一个优选实施例中，除了离子导电材料之外，还包括非离子导电材料，以使得离子导电材料位于非离子导电材料和导电体积之间，通过电场施加组件将离散电场施加到非离子导电材料。例如，非离子导电材料可以放置在离子导电材料和电极之间。非离子导电材料主要借助于电子(和/或空穴)运动来导电，并且可以例如是电阻聚合物或者半导体(例如硅)。
[0048]在这些实施例中，优选地，非离子导电材料的导电性/电阻率和离子导电材料的导电性/电阻率“匹配”。如上文针对导电体积和电接口区域的相对导电性/电阻率所述，当前文本中的术语“匹配”并不意味着导电性/电阻率必须相等，尽管导电性/电阻率至少相似是优选的。通过“匹配”电接口区域的两种(或更多种)成分的导电性/电阻率，导电性/电阻率两者与施加的场参数一起被考虑进去，以使得非离子导电材料和离子导电材料两者都对离散电场的平滑化作出贡献。另一方面，如果两种材料的相对导电性显著不同，则根据欧姆定律，由施加的电压引起的所有电流将仅通过离子导电材料或仅通过非离子导电材料。这将显著地改变场的平滑效果，导致场的过度平滑化或平滑化不足，并可能导致场屏蔽效应。因此，在优选构造中，各成分的导电性/电阻率是相同数量级。在具体的优选实施例中，两种材料的导电性/电阻率的比率在1:100至1:1之间，优选在1:50至1:1之间，更优选地在1:10至1:1之间。
[0049]这些考虑同样适用于包括串联的两种或更多种离子导电成分、或者离子导电成分和非离子导电成分的混合物的电接口区域，在这种情况下，每种成分的导电性/电阻率优选为“匹配”。
[0050]包括非离子导电材料作为电接口区域一部分的构造提供若干优势。具体地，这些构造提供与电场施加组件连接的灵活性。例如，电极可以连接到“干燥”固体材料(例如硅)，而不是如上所述被伸入到流体填充阱中。这可以导致更紧密结合和密封的装置。另一方面，这些构造的缺点在于，离子导电材料(通常包含流体)和“干燥的”非离子导电材料的组合需要流体/固体界面，该流体/固体界面易于引起电解和放出气泡。因此，这些构造会需要位于该界面处的孔或阱，作为气泡的排出口。[0051]离子导电材料可以包括例如聚合物。有利地，聚合物易于以液体形式被引入根据本发明的装置中，然后例如使用化学引发剂或通过热或光引发被原位聚合。
[0052]优选地，离子导电材料是多孔材料。“多孔”材料是流体可以流过的材料，例如流过材料的孔、通道或腔。泡沫体、海绵或任意其他类型的基质状或多孔状材料是多孔材料的示例。例如，离子导电多孔材料可以包括多孔玻璃或多孔陶瓷材料。
[0053]可替代的是，离子导电材料可以是水凝胶。水凝胶是能够吸收水溶液但不会溶解于水中的一类聚合物材料。水凝胶具有很多属性，这些属性使得水凝胶极适合于在目前公开的场成形接口中使用。具体地，水凝胶是多孔的，通常孔的尺寸在低nm范围中，这意味着水凝胶对于水分子和小离子是可渗透的，但是对于大分析物(包括生物分子，例如蛋白质或DNA)是不渗透的。此外，水凝胶通常对于气泡是不渗透的，从而防止在电极处由电解形成的气体到达导电体积。
[0054]在优选实施例中，电接口区域的电阻率在电场接口区域的整个体积内恒定。电接口区域的电均匀性一般是有利的，以便于实现各向同性场平滑化效果。可替换地，在其他实施例中，电阻率可以至少沿一个方向变化，例如沿与导电体积的周边垂直的方向或者沿通道的细长方向。这能够例如在使用单一电场施加组件的同时将不同大小的场施加到多个同心圆形通道，每个圆形通道通过电场接口区域的一部分被间隔开。
[0055]通过沿一个或多个方向改变区域材料的成分，例如通过使用不同电特性的多个电接口成分，可以实现改变电接口区域的电阻率。但是，这种改变实践中很难。可替换地，通过在腔中引入柱状物并且沿着一个或多个方向改变柱状物的尺寸或柱状物的密度，可以更容易地改变电阻率。这具有的效果是，减少导电材料并因此增大电接口区域的电阻率(或者如果柱状物的密度降低则降低电阻率)。用于改变电接口区域的电阻率的另一示例方法是改变腔的深度。
[0056]电接口区域的导电性和相对厚度优选地使得电流不会过量，以避免在施加电极的区域处焦耳加热和过度电解。
[0057]在优选实施例中，基体是电阻或绝缘。期望基体对于可见光、红外线(IR)或紫外线(UV)辐射中的任意一项或多项是透明的，以允许通过基体对电接口区域材料进行光图案化和光聚合作用，或者使得装置适合与光学检测技术一起使用。但是，在其他情况下，基体不需要光学透明。
[0058]有利地，根据本发明的装置可以允许在导电体积中同时分析。例如，体积可以包括多个通道，每个通道与下一个通道通过电接口区域的区域横向间隔开，其中电场施加组件构造成将离散电场施加到电接口材料的一个部分，从而通过电接口区域平滑化离散电场，以使得在多个通道中的每一个中建立基本连续的电场。在优选构造中，在每个通道中建立的基本连续的电场都基本相同，尽管如上所述这不是必需的。作为替换形式，多个通道可以被堆叠在导电体积内，呈一个通道位于另一通道的顶部上，每个层包括由绝缘体层分开的通道，电接口材料与每个通道层的一侧或两侧接触。在另一示例中，接口材料层和导电体积(通道)层可以被堆叠成，一者位于另一者的顶部上，两者由绝缘层分分开。用于将样品引入导电体积内的分离通道的入口通道可以被嵌入在绝缘层中。
[0059]根据本发明的装置可以是例如微流体装置或用于分离对象的分离装置，其中导电体积是分离通道。例如，装置可以是用于分离对象的分离装置，分离装置包括:根据本发明的装置，其中导电体积是分离通道，分离通道在使用中容纳待分离对象，从而通道中的基本连续的电场引起产生作用在每个对象上的电动力；和平衡源，平衡源构造成引起产生与每个对象上的电动力相反的力；从而在电场和平衡源的组合影响下，分离通道中的对象被分离成区带。由平衡源引起的一个或多个“平衡”力可以简单地是由于对象通过静态流体或凝胶的流体动力阻力引起的力，或者导电体积可以填充有色谱柱或胶粒，以使得(多个)平衡力可以由于尺寸排出和/或亲和性分离过程而产生。平衡力还可以由于流体动力或电渗泵送流体通过导电体积而产生。
[0060]在优选实施例中，装置是电泳装置，其中，平衡源是与待分离对象一起容纳在通道中的流体，装置还包括控制器，控制器适合于改变施加的离散电场，以相对于分离通道调节电场分布，从而在由于通道内建立的电场引起的电动力和由于流体弓I起的流体动力的组合影响下，分离通道中的对象被分离成区带。因此，在这种情况下，平衡力是流体动力。
[0061]根据本发明的第三方面，一种制造装置的方法包括如下步骤:
[0062]提供电场施加组件，电场施加组件适合于产生具有离散电场分布的电场；
[0063]提供导电体积；和
[0064]提供电接口区域，电接口区域在导电体积和电场施加组件之间，其中，电接口区域至少包括离子导电材料，离子导电材料布置成与导电体积相邻并接触导电体积，
[0065]从而在使用中，在与导电体积间隔开的位置处将离散电场施加到电接口区域；
[0066]以致于在使用中，通过电接口区域平滑化施加的离散电场，以使得在导电体积内建立的电场分布基本连续。
[0067]有利地，导电体积可以使用选择的精细机械加工技术被蚀刻到基体的表面中。可替换地，导电体积可以通过将两个或更多个板安装在一起而提供，至少一个板被蚀刻或以其他方式机械加工从而形成包含导电体积(例如内部通道)的基体。
[0068]有利地，腔可以使用类似的精细机械加工技术在基体中形成。腔然后可以被填充预聚物(例如单体)或液体形式的材料(例如液体预聚物)，该预聚物或液体形式的材料随后会被聚合或固化以形成电接口区域的至少一种成分。通常，这是电接口区域的离子导电成分。优选地，材料在插入/注入腔之前(和在固化/聚合之前)是含水的。这使材料一旦在腔内部，则减小材料在体积中很大变化(特别是膨胀)的可能性，如果材料在固化之后是含水的则可能会产生很大变化。这会导致基体裂开和/或导电体积的体积减小。
[0069]在优选实施例中，使用光引发剂或热引发剂实现聚合作用。光引发剂是使得聚合物对光(通常是UV辐射)敏感的催化剂成分。通过自由基驱动聚合过程，通过光引发剂暴露于适当波长的辐射来产生自由基。光引发剂通常在暴露于光子(通常是UV)时产生自由基，但是还可以通过可见光或甚至电子束来激发。因此，通过例如具有UV光的辐射来控制材料的聚合。还可以使用不需要热或光引发机制来聚合电接口区域的材料的适合引发剂。一个示例是丙烯酰胺的APS/TEMED引发。
[0070]这产生对材料进行光图案化以在材料中限定通道的可能性。例如，掩模可以放置在装置的将形成导电体积的区域上。在暴露于光引发辐射之后，材料的未掩蔽区域被固化，同时掩蔽的导电体积保持为流体。导电体积内的材料然后可以例如通过冲刷被移除以形成期望的体积。在特别优选的示例中，冲刷步骤可以使用导电体积将在使用中容纳的流体(例如缓冲液或筛分凝胶)进行，从而导电体积立即准备好供使用。[0071]类似地，热引发剂可以用于通过升高温度来控制聚合作用。热引发剂是在被加热时断裂以形成自由基的分子。加热可以是例如通过使用微波辐射或激光进行全局(例如加热整个装置)或局部加热。因此，可以实现电接口区域的类似图案化。在电接口区域聚合之后，装置可以浸泡在缓冲液中，使得装置的离子含量在装置使用之前达到平衡。
[0072]可替换地，可以通过使用作用在液体形式的电接口区域上(例如预聚物聚合之前作用在预聚物上)的毛细力来获得导电体积。可以使用具有适合尺寸的腔获得导电体积(例如通道)，其中通道的深度大于接口区域的厚度，优选为接口区域厚度的两倍。本发明的发明人发现能够填充腔并同时防止填充通道。但是，如上所述，根据流体接口区域材料的粘度和制成基体的具体材料的表面能(以及其他参数)，腔/通道的其他尺寸也能够实现这个效果。例如，通道的深度优选在腔厚度的I至5倍之间，更优选地在1.5至3倍之间。一旦利用预聚物适当地填充腔，预聚物可以如上所述被聚合。
[0073]在利用预聚物填充腔之前，腔表面可以例如通过硅烷化被处理，以增强电接口区域材料对基体的粘结力。还可以通过对腔不同区域的选择性硅烷化来对材料进行图案化，使得某些区域疏水而某些区域亲水。如有需要，硅烷化剂可以可替换地或附加地被增加到预聚物混合物。
[0074]在另一示例中，可以在腔和导电体积之间形成物理停止机制，以防止材料进入导电体积。例如，尺寸减小的区域足以停止流体材料的行进。
[0075]优选地，导电体积以适合的方式进行处理，以使得在导电体积内部存在的感兴趣对象或分析物进行分析期间，防止这些对象或分析物粘着到导电体积的内壁或内表面。例如，导电体积的内表面可以被硅烷化或涂覆适合的材料，例如聚合物。
【专利附图】

【附图说明】
[0076]现在将参照下列附图描述根据本发明的用于使电场的形状平滑的装置和方法、以及该装置的制造方法的示例:
[0077]图1是根据本发明的装置的第一实施例的示意性示图；
[0078]图2示意性示出图1中所示的装置的一部分。
[0079]图3是通过电接口区域对电场分布进行平滑化的示意性示图；
[0080]图4A是与由电场施加组件沿着通道施加的示例性离散(“不平滑”)电场分布相对应的电压分布的曲线；
[0081]图4B是与图4A相对应的离散电场的曲线；
[0082]图4C是当电接口区域用于平滑化离散电场分布时、与在通道形式的导电体积内获得的示例性连续电场分布相对应的电压分布的曲线；
[0083]图4D是与图4C相对应的电场的曲线；
[0084]图5A、图5B和图5C分别示出根据本发明的装置的其他实施例的横截面图；
[0085]图6A和图6B示出由毛细力形成通道；
[0086]图7A至图7C示出用于提供基体内部的电接口区域和通道的技术；
[0087]图8A至图SC示出制造根据本发明的装置的另一示例性方法；
[0088]图9是第一实施例的平面图，第一实施例具有线性通道形式的导电体积，并且电接口区域沿着通道的两侧定位；[0089]图10是第二实施例的示意性示图，第二实施例具有线性通道形式的导电体积，并且电接口区域仅沿着通道的一侧定位；
[0090]图11是第三实施例的示意性示图，第三实施例具有由离子导电材料和非离子导电材料组成的电接口区域；
[0091]图12是示出沿着线性通道形式的导电体积的示例性电场分布的曲线；
[0092]图13是第三实施例的示意性示图，第三实施例具有圆形通道形式的导电体积；
[0093]图14是示出沿着圆形通道形式的导电体积的示例性电场分布的曲线；
[0094]图15是具有圆形通道和不连续接口区域的装置的示意性示图；
[0095]图16A是第四实施例的示意性示图，第四实施例具有圆形通道和电极的非对称构造;
[0096]图16B是第四实施例的一部分的示意性示图，其中感兴趣的分析物被分离成“区带”;
[0097]图17A和图17B是分别具有线性和圆形通道以及电极的替换构造的其他实施例的示意性示图，读电极位于写电极之间；
[0098]图18示意性示出实施例的示例性交错构造；
[0099]图19A和图19B分别示出根据本发明的装置的一部分的另一实施例的俯视图和横截面图；和
[0100]图20、图21和图22示出装置的其他实施例。
【具体实施方式】
[0101]应当理解，根据本文描述的示例性实施例的装置和方法具有广泛应用，并且可以用在需要平滑电场的应用的任意装置中，例如微流体装置或例如L0C。潜在应用包括用于分离对象的类似电泳的技术或其他分离技术(例如EP1455949中所述的离心分光法)。可替换应用包括用于例如在疏水纸基材中、在“自由流动”电泳装置中、在平板凝结中或在电色谱法中提供的亲水区域中分离对象的微流体装置，
[0102]下文描述的示例性实施例的重点将在于用于在通道中分离对象的电泳应用，特别是TO2006/070176中描述的类型的电场移动技术，但是应当理解这不是要加以限制。
[0103]待分离“对象”可以包括例如聚合物，例如蛋白质、DNA分子、RNA分子或其他类型的生物分子(例如生物细胞)。还能想到无机对象，例如色素、染料、尘粒等。至少某些对象具有有效电荷，以使得这些对象在存在施加的电场的情况下受到力。电荷可以是对象固有的(例如，对于离子的情况)或者可以由于液体中对象的双电层而产生(例如ζ电势)。
[0104]图1示出根据本发明的第一实施例的装置1，装置I包括通道形式的导电体积2，该通道可以例如在毛细管中或在微流体芯片上实施。导电体积2在下文中将表示为通道2，但是应当理解这不是要加以限制。类似地，导电体积的相关周边被看作是沿着通道2的长度延伸的通道的侧边，尽管这也不是要加以限制。
[0105]装置I还包括场成形电接口区域3，在本实施例中，电接口区域由离子导电材料3形成于通道2旁边并且与通道2电接触。在本示例中，因为电接口区域3仅由一种成分(离子导电材料)组成，所以区域3将被可互换地称为“电接口材料3”。该术语在下文中将参考除下文描述的第三实施例之外的全部内容使用。但是，应当理解这不是加以限制，因为电接口区域3可以包括附加离子或非离子导电材料形式的其他成分，如下文在图11所示的示例性第三实施例中更详细描述。
[0106]装置I还包括电场施加组件4和控制器6，电场施加组件4下面称为“写”电极5a并且可以包括例如间隔的电极的阵列(例如，一排)以沿着通道2将电场施加到材料3。在优选示例中，电极沿着通道2周期性间隔开，但这不是必需的。
[0107]可以可选地提供包括例如“读”电极5b的阵列的电场测量组件，以测量施加的电场。在本示例中，“读”电极从电接口材料3的第二部分测量电场，该第二部分在通道的与“读”电极相对的一侧上。但是，可能是其他布置，如下文将说明。
[0108]控制器6可以包括电源单元6b和处理器6a，电源单元6b用于在写电极5a上产生各自的电压，处理器6a接收来自读电极5b的反馈电压并且响应于接收的反馈来调节产生的电压。控制器可以例如按照W02006/070176中描述的方式操作，以根据期望场分布产生电压，电压然后随时间变化。可替换地，可以施加任意期望形状的非移动(即，时间恒定(time-constant))场。场分布的示例将在下文给出。
[0109]如下文更详细所述，通道2将采取任意形状，包括如图1所示的直线型或弯曲的。在某些实施例中，通道可以形成闭合环路。在装置I是用于分离对象的电泳装置时，通道2可以包含流体，流体特别可以是精选的缓冲液(buffer)，例如通常是导电含水的缓冲液或凝胶。流体的pH影响由待分离对象呈现的视在电荷(apparent electrical charge),因此可以根据将在通道2中分离的分析物的性质来选择，以提供优化分离条件。对于DNA或变形SDS处理的蛋白质的情况，缓冲液的pH通常在7.5至9范围内。但是，其他pH范围可能更适合于其他类型的分析物，例如，天然蛋白质和代谢物可能需要不同的PH条件以实现优化分离。导电体积的PH不必在整个装置中恒定，并且如果需要，可以在装置的不同区域中安排不同的PH值。待分离对象在通道2中悬浮在流体内。还可以提供检测器以检测通道内发生的事件。例如，可以利用W02006/070176记载的任意检测器类型。
[0110]如下文更详细描述的，电接口材料3是离子导电(即，通过离子运动传导电流)，并且可以包括例如选择的聚合物(例如水凝胶)或者多孔材料(例如多孔玻璃、多孔陶瓷、电解质填充的泡沫体或海绵)。应当注意，材料3可以自身为离子导电和/或可以在材料3内包含离子导电物质，例如含水缓冲液。可以使用的适合缓冲液是Tris-Borate-EDTA (三羟甲基氨基甲烷-硼酸-EDTA) (TBE)，浓度优选在0.1X至IOX范围内(通常，IOX TBE从供应商获得，然后根据需要稀释:例如，为制成IX TBE，应当利用去离子水实施1:10稀释)。为根据TBE的成分制成IOx浓缩的TBE储备溶液(stock solution)，通常的步骤是:称取54g三羟甲基氨基甲烷(Tris base)(化学式量=121.14)和27.5g硼酸(FW (化学式量)=61.83)，并将这两者溶解在约900mL去离子水中；添加20mL的0.5M EDTA (pH8.0)并将溶液调配成IL的最终体积)。应当理解，TBE是示例，也可以使用其他适合的缓冲液系统。
[0111]电接口材料3优选具有中等或高电阻率，以避免在应用电极的区域中焦耳加热和过度电解。但是，优选的是，电接口材料的电阻率可与导电体积2的电阻率相当，以实现适当程度的平滑化，如下文更详细描述。
[0112]在本示例中，电接口材料3位于由电阻材料(例如玻璃或塑料)制成的基体7的腔7a中。腔7a优选设计成使得腔7a可以完全用电接口材料3填充。在图1所示的装置I中，基体7设置成一个一体式部件，通道2例如通过在制造基体的过程中进行模制而被设置在基体7内位于腔7a的中间。在下文详细描述的其他实施例中，可以通过将两个或更多个基体部件结合而形成通道2。在其他示例中，通道可以形成于基体的外表面上。腔7a也可以在内部或外部。
[0113]在其他示例中，电接口材料可以在不容纳于腔内的情况下被应用于装置。例如，材料可以在适当位置处附连到装置的表面，以至少接触通道的边缘。
[0114]在电接口材料位于基体内部的情况下，电极阵列5a、5b可以通过孔8连接到腔7a上的多个接触点，孔也被称为阱或阱节点。图1中所示的孔是圆形，但是应当理解孔可以采取任何形状，包括椭圆形或矩形。每个孔8提供从基体表面到腔7a的上侧或外侧内壁的通道，以使得位于孔8中的电极与电接口材料3直接电接触。在其他示例中，如下所述，通过具有流体填充连接臂的电场施加组件实现电极5a、5b与电接口材料3之间的间接电接触。每个孔8还可以用作容纳离子导电溶液(例如，含水缓冲液)的阱，以补充电接口材料3。优选地，由阱提供的储藏规模足以缓解电接口材料中的离子消耗。例如，每个阱的大小可以设定为容纳约Imm3体积。
[0115]在某些构造中，排气口(未示出)可以定位在孔8的顶部上，以使得电解气体能够被排出并同时覆盖阱以防止溢出。优选地，排气口由微孔材料制成以排斥孔8内侧的含水电解质。这对于包装的盒状装置是有利的，防止预填充的内含物(即，孔8内部的电解质)漏出。在某些实施例中，电解质可以构造成在装置设置之后刺破排气口。
[0116]腔7a具有在孔8和通道2的最近侧之间的宽度(W)，该宽度由写电极5a的间隔和电场平滑化的期望程度决定。例如，孔8可以沿着通道2设置在相距通常从100 μ m到几_处。宽度(《)越大，实现的平滑化程度越高。但是，如果写电极的间隔较小，则相对低的平滑化程度(并因此较小的宽度(《))就足够了。优选地，沿y方向的宽度(《)至少相当于并且优选地为大于材料3沿z方向的厚度(t)。S卩，材料具有“膜”状构造。
[0117]在典型示例中，腔7a沿y方向的宽度(W)在0.1至0.5mm之间，而电极之间沿着通道在X方向上的间隔约3mm，腔7a沿着通道在x方向上的长度(I)是几厘米(例如12cm)，腔7a沿z方向的厚度(t)在I至100 μ m之间。在某些情况下，期望腔7a的厚度(t)较小或者最多等于通道2的深度(d)，以使得通道中的分析物和电场接口材料之间的相互作用最小。例如，对于深度为I至100 μ m且宽度为20至200 μ m的通道2，腔7a优选厚度(t)为I至100 μ m并且宽度(w)为I至5_。在替换实施例中，为实现在y-ζ平面中提高场均匀性，优选的是接口材料3例如在所有侧面上(包括上和下侧面)围绕通道2。参照根据本发明的制造装置的不同方法，下文将提供其他示例性尺寸。
[0118]应当注意，在不使用腔来容纳电接口材料的实施方式中，上述示例性腔尺寸可等同地应用于其自身的电接口材料。
[0119]除了用于连接电极的孔8之外，可以提供用作入口和/或出口 9a、9b的多个阱节点，以在通道2中嵌入和/或取出流体和/或分析物。如图1所示，在线性通道2的情况下，两个附加的阱节点9a、9b用于插入形成电场施加组件4的一部分的附加写电极(未示出)，附加写电极提供额外的电压以抵消(counter)电场边缘效应，如下文进一步描述。这些阱节点还可以用作入口和/或出口。
[0120]如上所述，电极5a、5b可以(例如通过孔8)直接连接到腔7a中的电接口材料3上的不同点，或者如图2所示通过连接臂10 (也称作“流体”臂10)间接连接。无论哪种方式，电场施加组件4向电场接口材料提供一系列离散电压点，导致产生离散电场分布。“臂”10可以是材料3的延续部分，或者可替换地，“臂”10可以仅填充有流体。无论哪种情况，每个流体臂10优选地将单个点电压(例如，仅一个电极)连接到电接口材料3。
[0121]这种流体臂提供额外的灵活度，因为它们的尺寸可以受到控制以进一步调节提供给电接口材料3的电压。例如，通过增大臂的深度或横向宽度，该臂提供的电阻被减小并且视在电压增大。相反，通过增大臂10的长度(沿着在孔8和材料3之间的方向)，电阻增大。这可以按照多种方式利用。例如，如果孔8不是定位成全部与通道相距相同的距离(可能是例如在“交错”实施例中的情况，下文提供该实施例的示例)，则流体臂10的尺寸可以设定为抵消电接口材料3 “看到”的电场上的不同电极位置的效果，例如通过将连接较近电极的那些臂10设计成比连接较远电极的那些臂10窄。以此方式，每个臂10将向每个电极提供基本相同的电阻，以使得在每个点处施加到材料3的电压将减小基本相等的量，从而不会影响场的形状。
[0122]可替换地，流体臂10在塑造施加到材料3的电场的形状中起到积极的作用。例如，如果流体臂10的尺寸设定成提供不同水平的电阻，则相同的电压将被施加到每个电极，同时使材料具有不同电压的点(并因此提供非零电场)。实践中，可以采用两种方式的一定组
口 O
[0123]因此，伸进孔8中的写电极5a为控制器6所设定的接合点提供必需的电压。在这个示例中，每个相对的孔8容纳读电极5b，以测量由写电极5a施加的电压。此外，读电极可以通过流体臂10连接，对它们尺寸的考虑同样适用。示出的布置是“非对称”设计的示例，其中一行写电极5a设置在通道2的一侧上，与一行读电极5b相对，并且其中通道2平行于并且位于两个电极行5a、5b之间。
[0124]在优选示例中，两个相对的电极行之间的总宽度可以从I至6mm的范围，并且通常约2.2mm。因此，电接口材料3通常的示例性宽度(w)是1mm，电接口材料3设置在200 μ m宽的通道2的每侧上。但是，实践中，电接口材料3可以窄到200 μ m宽或者更小，通道自身也可以比上述更窄。如果需要具有小于一微米或甚至纳米级尺寸的较小装置，则对电接口材料3的宽度没有严格的下边界限制就很重要。应当理解，这些是示例性尺寸，总宽度可以改变，例如在下文将详细描述的多通道设计情况中总宽度会更大。
[0125]图3是装置I的一部分的示意图，示出电接口材料3的设置成靠近并电接触通道2的区域。图3中所示的等高线示意性示出电接口材料3内部的恒定电压的线。注意在本示例中，纯粹为了举例说明，将相同的电压施加到每个示出的电极，但是实践中，将提供不同的电压以导致产生沿通道2长度的电场。由每个电极5a施加的电压在电极5a (或流体臂10)接触电接口材料3的点和通道2之间离子传导，等电位线的曲率随着它们的半径增大而减小。最终，如果材料尺寸足够大，则等电位线在靠近通道2处变得基本平直，这具有使施加的电压平滑化的效果。在提供给材料3的电压沿着通道的长度(S卩，沿X方向)变化的情况下，在施加点源的位置处或附近，将建立离散电场。但是，朝着通道2和在通道2处，材料3的平滑化效果表示在通道2内部获得基本连续的电场。
[0126]图4A是示出示例性电压V的图表，电压V可以沿着符合通道的路径的方向(在这种情况下，沿着X轴)(例如通过电极5a)提供给材料3。可以看出，本质上存在点电压源，点电压源的大小布置成沿着通道增大。在本示例中，电压构造成与Xn成比例地增大，其中n=2，尽管可以采用适合本申请的任意其他电压变化。图4A中示出的点电压引起产生如图4B所示的沿着通道获得的离散电场E。可以看出，电场的大小阶梯状增大，每个阶梯表示场中的不连续性。
[0127]图4C是示出示例性电压V的曲线，可以在与通道2相邻处或通道2内部沿着通道方向(X)测量电压V。可以看出，电压分布现在是基本连续的。图4C的电压分布引起产生如图4D所示的沿着通道获得的基本连续(“平滑”)的电场E。图4D中示出的具体连续电场E是线性的(例如，与X成比例)，尽管可以领会根据施加到电极的具体电压分布，连续电场可以是任意基本连续函数。
[0128]实践中，平滑化的电场仍然可以包含一定程度的不连续性。例如，如果在上述示例中应用相同的参数，但是材料3的宽度显著减小，则平滑化将不完全，并因此在通道中建立的电场将是修正的阶梯函数，而不是直线。但是，这仍然比原始的离散施加的场更连续。
[0129]如上所述，电接口材料3选择为具有适合的离子传输特性，以允许在电极5a和通道2之间进行电连接。相反地，如果材料主要通过电子(或空穴)的运动来主要地导电，则材料将充当电极，并且在材料的表面支持电化学反应，并且在过程中由电解产生气泡。这些气泡将严重地破坏在通道2中获得的电场并引起破坏装置I的操作。这通过使用离子导电材料3来避免。优选地，电接口材料3具有适当的快速离子迁移率，以使得在使用过程中离子消耗不会变得过度。
[0130]接口材料3的导电性和相对尺寸应当使得在使用中，电流流动不过度，以避免在电极阱节点处焦耳加热和过渡电解。
[0131 ] 如上所述，接口材料3的离子导电性应当优选地使得该导电性与填充的通道2 (通常为缓冲液或凝胶)的导电性相当。如果接口材料3的导电性太高或太低，则在通道2中不会形成符合预期的电场形状。这是因为，如果通道2内部的流体和电接口材料3的相对导电性显著不同，则欧姆定律预测所有的电流将主要地通过电接口材料3或者主要地通过通道2，从而改变场的平滑效果(S卩，过度平滑化或平滑化不足)。此外，如果材料3的导电性太低，则在通道2中获得的电场会衰减，即远低于在电极5a处施加的期望场，这是因为功率将在电接口材料3中损失很大。因此，优选的是将通道2和电场接口材料3的相对电阻率考虑在内以在通道2中实现期望的场。在优选构造中，相对电阻率是相同数量级。在具体的优选情况下，通道2和材料3的导电性/电阻率相差的因子不超过100，优选为不超过50，最优选地为不超过10。
[0132]但是，在实践这会很难，因为在装置是电泳装置的情况下，体积内的流体的导电性/电阻率的范围有限。这是因为流体必须(在PH值和浓度方面)具有适当的成分以产生适合的分离条件。如此，流体的导电性受约束，并且与电接口材料的优选导电性(如上所述，该优选导电性理想地为保持中等偏低)相比通常相对较高。因此，将通道2中的流体和材料3的导电性布置成非常接近可能并不可行，尽管优选为将任意差别保持尽可能小。施加的电场的大小和/或形状可以被调整以将产生的结果考虑在内。
[0133]电接口材料3的电阻率可以在其整个体积内为恒定的，这对于采用均匀的电接口材料3的目的来说是优选的。这将引起产生在材料中各向同性的场平滑化。可替换地，在其他实施例中，期望电场接口材料的电阻率至少沿一个方向变化。例如，材料3的电阻率/导电性可以沿着通道的长度(在本示例中为沿X方向)变化，以引起附加的场成形效果。在其他示例中，电阻率/导电性可以沿与通道路径垂直的方向(这里为I方向)变化，下文将提供这样的示例。
[0134]可以通过在腔2中引入柱状物(未示出)并且沿一个方向改变这些柱状物的直径或者密度，来改变电接口材料的电阻率。这具有的效果是，减少导电材料并因此增大电场接口材料3的电阻率(或者如果柱状物的密度降低则降低电阻率)。可替换地，材料自身的成分可以改变。例如，对于水凝胶的情况(下文描述)，水凝胶的孔和/或离子通道的密度可以经设计，以在不同区域之间变化。作为另一替换形式，电接口材料的厚度可以沿着电接口材料的宽度变化。
[0135]还期望电接口材料3对于由电极孔8中的电解产生的气泡来说是不可渗透的，以避免这些气泡破坏离子在材料内的运输并因此使电场畸变。还期望电接口材料3对于通道2中包含的任意分析物来说是可不渗透的。
[0136]此外，电接口材料3应当足够稳固、化学和热稳定且惰性。同样重要的是，材料3在电场中稳定并且不会显著地物理扭曲或改变材料的电或物理特性。还期望电接口材料3适当地粘附到基体7内部的腔7a，并且不会允许明显地将通道2内部的任意分析物粘到电接口材料3的表面。
[0137]可以经设计满足上述所有标准的具体适合的材料是水凝胶。水凝胶是能够吸收水溶液但不会溶解于水中的一类聚合物材料。水凝胶形成孔或通道的网络，孔或通道可以容纳流体并且流体中的离子可以穿过孔或通道。这种特性源自于，通过物理和/或化学交联将聚合物链的三维网络保持在一起，其中这些大分子之间的间隔将被水填充。根据聚合物的特性以及用于形成水凝胶的网络的特性和密度，这样的结构能够容纳不同数量的水。通常，孔和/或通道具有小尺寸，以使得材料可以被称为纳米多孔。在使用水凝胶作为电接口材料的情况下，优选的是通道和/或孔内携带的流体(借助于离子转运)传导电荷通过材料。固有的水凝胶自身优选地为基本电绝缘。因此水凝胶具有很多吸引人的属性，这些属性使得水凝胶极为适合于用作电场接口，以平滑化电场的形状。但是应当领会，可以使用满足规定标准的任意类型的离子导电材料。
[0138]有两种一般类别的水凝胶。物理凝结或假凝胶由通过静电力、氢键、疏水作用或链缠结连接的聚合物链组成。这些水凝胶通过非永久的力或键被保持在一起，因此这些水凝胶通常会在加热时转变回聚合物溶液。另一方面化学水凝胶(也称为真或永久水凝胶)通过链之间的共价键被保持在一起。任一种水凝胶类型可以用在本文公开的装置中。
[0139]优选地，电接口材料3与制成基体7的材料相容。基体7通常例如由玻璃、熔融石英、石英或塑料(例如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)或环烯烃共聚物(C0C))、或者由弹性体(例如聚二甲基硅氧烷(PDMS))制成。
[0140]此外，当选择电接口材料3时，必须考虑材料是否易于结合到装置I中。液体聚合物(例如未固化的水凝胶)材料可以通过入口 9a、9b (例如通过注射)被引入到基体7的腔7a中，并使用例如光引发(例如通过UV辐射)或通过热的手段被原位聚合，以形成电接口材料3。这将在下文中更详细描述。
[0141]基体7自身可以使用选择的微细加工工艺来制造，现在将说明微细加工工艺的一些示例。理想地，用于制造基体7的材料对用于后续光图案化和光聚合作用的紫外线辐射是透明的。这还有利于检测通道内的事件。基体还可以为此目的对可见光透明。[0142]如图1和图2所示，例如通过机械加工或模制，通道2和腔7a可以在单一基体件内形成。可替换地，如图5A至图5C所示，可以用于形成通道2和腔7a的凹槽被设置在分开的板71、72上，分开的板71、72然后被附连在一起以形成基体7。板71、72中的一者或两者可以包括电极连接点，一个部件(通常是顶板71)具有例如利用适当的设备钻出、射出、铸造或模制的孔8。制造的板71、72然后通常使用热压、等离子腔、炉、超声、溶剂、适合的粘合剂或通过文献中描述的任意其他常规结合方法被结合在一起以形成封闭系统。
[0143]通道2可以通过蚀刻、机械加工、热压成型、注射成型、铸造、烧蚀或其他方式形成被基体表面划定物理界限的导槽来制造，但是从下文可以看出，这不是必要的。在一种情况下，如图8A所示，通道2可以在基体7的顶部件72中形成，达到通常约20-40 μ m的深度。在基体的底部件71中形成的腔7a另为约20-40 μ m厚。如图5A所示，一旦两个板被附连到一起，这将使得总通道深度为40-80 μ m,因为这包括腔的厚度。
[0144]在另一示例中，如图SB所示，通道2和腔7a两者都可以在一个板72的表面上形成，被附连到第二板，第二板可以具有或不具有另外的凹槽。
[0145]图5C和图SC示出的示例中，没有形成物理引导通道来限定通道2，而是通道2最终被完全容纳在同一腔7a内，腔7a在使用中保持电接口材料。通道2的侧面由电接口材料自身限定。
[0146]如果基体材料是塑料，则通道2和腔7a可以在每个基材板71、72中通过适当的精密机械加工工具或计算机数控(CNC)机器被微机械加工而成、使用模具/工具和热压机被压印而成、使用另一液体聚合物材料被光图案化而成、通过功率足够大的激光器被选择性熔化和蒸发而成、或者通过文献中记载的任意适合方法形成。如果基体材料是玻璃、熔融石英或石英，则通道2和基体7优选地为使用标准氢氟酸蚀刻工艺或深反应离子蚀刻被蚀刻而成。玻璃例如可以被机械加工、激光器或电化学蚀刻、或者喷砂。
[0147]适合于形成该装置的另一可替换地制造方法是3D打印。存在能够以非常高的分辨率形成小型化结构的成套系统。本文描述的装置可以利用这样的系统制造，例如使用光图案化聚合物，可选地包括直接沉积和结合接口材料(例如水凝胶)。
[0148]基体中形成的腔可以经处理以防止在分析过程中通道2内部感兴趣的分析物粘着到导电体积的内壁或内表面。例如，导电体积的内壁或表面可以涂覆有适合的材料，例如聚合物。将填充电接口材料3的腔的表面可以被硅烷化以改进将材料3对基体的粘附，或者涂覆有任意其他适合的粘附增强体系。涂覆或硅烷化可以选择性的以实现材料的图案化。
[0149]孔8可以通过激光器或砂、或通过文献中的任意适合技术被被机械钻出或烧蚀而成。通常，基体部件71、72然后被正确地对准并结合。
[0150]电接口材料可以以多种方式被插入。在某些情况下，电接口材料可以被设置成固态已固化形式。在这种情况下，例如在两个板71、72被结合在一起之前，材料可以被简单地放置在腔7a内。此外，在没有腔的示例中，这可能是优选的选项——例如材料可以在腔旁边被粘结到基体的表面。
[0151]但是，在优选示例中，电接口材料以流体形式(例如预聚物)被引导至装置。这发现产生基体和材料之间的更好结合，在界面处没有留下或留下很少的分析物或气体能够通过的间隙。如果材料被布置在装置的外表面上，或者在板71、72被结合在一起之前被引导至板71、72中的一者或另一者，则材料可以通过任意便利方法(包括印刷、涂覆或旋涂等)被涂覆在表面上或者腔中。如果材料将被引导至已经制成的内腔中，则注射方法是优选的。例如,如下文所述,材料可以被注射通过任意孔8。
[0152]用于以流体形式引导材料3的一种特别优选的技术是利用毛细力，毛细力由于腔7a尺寸小而作用在电接口材料3上。如果设置在基体中的腔7a (和任意引导通道)具有适合的尺寸，在引导时，电接口材料3填充在腔7a中，而组成通道2的区域(位于腔7a上方和内部)基本没有接口材料，如图5A所示。为使毛细效应有效，发明人发现设置在腔上方的引导通道2的深度优选地为约等于腔7a的厚度。因此，在通过毛细作用填充电接口腔的情况下对于物理机械加工或蚀刻的通道2来说，这将导致通道2的总深度约为腔7a厚度的两倍(并因此约为填充腔的电接口材料3的厚度的两倍)。
[0153]图4A和图4B示意性示出通过毛细作用形成通道2的方式。图6A所示的毛细力F。作用在腔7a内部的液体形式的电接口材料3的表面上，腔7a代表液体材料3的“容器”。在毛细力F。的影响下，液体材料3到达通道2的区域，然后停止流动。例如，根据涉及的表面和液体的相对亲和性，如图6所示，液体材料可以在腔7a中在设置于腔上方的通道2的任一侧上形成(凹或凸)弯液面，尽管并不总是如此。
[0154]毛细力Fc使得液体材料填充腔7a，在通道2的任一侧上，沿着朝向通道2的方向抽吸液体材料3。如图6B所示，毛细力F。作用在材料3上，直到液体材料3到达通道2为止，这时毛细力由于“容器”表面(容器这时包括通道2)的尺寸增大而停止作用在液体材料3的表面上。电接口材料3然后可以例如通过使预聚物聚合而被固化。这例如可以通过光照射、热手段或室温化学反应实现。
[0155]在电场施加组件将包括连接臂10的情况下，臂的尺寸可以部分地基于针对腔的毛细填充的上述相同原则决定。例如，如果想要使臂10填充有除电接口材料3之外的流体，则臂的尺寸可以构造成使得毛细作用不会将流体材料3抽吸到臂10中。例如，臂10的深度或横向宽度可以选择为相对于腔的尺寸足够大，以防止电接口材料3进入流体臂10。另一方面，如果想要使连接臂10成为电接口材料3的延续部分，则臂10的深度或横向宽度可以降低，以使得毛细力会迫使电接口材料进入臂10。
[0156]在另一示例中，例如利用包括液体预聚物的接口材料3的可光图案化性，可以在保持通道2的同时形成电接口材料。在这样的一种情况下，图5B所示的基体板71、72对光(例如UV辐射)透明。在制造它们之后，基体部件被制造、结合并填充液体预聚物。图7A中示意性示出通道2和填充有液体预聚物的腔7a。电接口材料3然后使用光掩模由液体预聚物制成，光掩模选择性地掩盖基体上方的区域。
[0157]图5B示出通道2上方的光掩模M，其中掩模M对通过激光或类似光源沿与基体垂直的方向施加到基体的UV辐射基本不透明。应当领会，可以使用具有适合能量(波长)的任意光源来发起液体预聚物中的聚合作用，掩模M仅需要对选择的具体波长不透明。在聚合作用之后，例如通过使流体(即，液体或气体)流过通道2来冲出未固化的材料，任意未聚合的材料(即，存在于掩模下的材料)可以被从基体去除。可替换地，可以应用低压或真空来取出未固化的材料。图7C示出通过移除位于光掩模下方的未聚合材料而形成得到的通道2。实践中，冲刷可能不会移除所有的材料，接口材料的区域会保持在通道中，如图5B所示。但是，这不是问题。
[0158]在基体中没有初始形成引导通道并且整个腔2填充有预固化材料的情况下，相同的光图案化原则可以用于产生通道2。如图5C所示，通道2的壁然后由材料3自身来限定。应当领会，对于通过以此方式对电接口材料3进行光图案化而获得的通道2来说，通道2的深度可以约等于腔7a的厚度，这是由于不需要在基体中物理提供或蚀刻引导通道(B卩，通道2仅是电接口材料3中位于由掩模M遮蔽的区域下的空间)。
[0159]在其他示例中，聚合的接口材料3可以被化学或机械地进行蚀刻、烧蚀或机械加工，以从通道区域去除聚合的接口材料3。
[0160]制造、结合并且在腔7a内包括电接口材料3的基体7通常称为芯片。
[0161]根据应用，一旦形成芯片，通道2可以填充适合于将在芯片上执行的工艺类型的任意材料，通常为流体。(应当注意，如果装置用于某些应用，例如如果装置不是电泳装置，则流体可以省略。)通道2可以通过基体7的顶部件71中的入口 9a被填充。例如，填充通道2的流体可以设计成对具有不同荷质比的分析物提供不同的阻力，或者仅根据被插入通道2中的筛分材料(通常称为分离凝胶或筛分基质)提供不同的尺寸。这可以是任意流体(例如水/缓冲液)、或任意分离凝胶系统(例如，聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或羟乙基纤维素(HEC))。可替换地，导电体积可以被填充胶粒，或者塞满整体多孔聚合物、色谱凝胶(例如环糊精)或粒子床，以利用尺寸排出和/或亲和性分离过程。
[0162]芯片然后可以与白色和红色电极阵列5a、5b交互，电极阵列5a、5b将芯片连接到控制器6。控制器6包括处理器6a，处理器6a包括软件控制的电子器件以根据分析中的需要提供电场形状。例如，控制器6可以以沿着通道2的适合的时变场梯度形式提供场移动。当通过电接口材料3施加移动电场时，被限制在通道2中的任何分析物会由于在通道2中获得的电场而受到电动力，该电场具有平滑连续的形状。
[0163]如果提供电场测量组件，例如上述“读”电极阵列，则控制器6可以使用测量的电场执行反馈，以调节施加的电压，从而实现期望的电场。
[0164]根据本发明的实施例的装置可以是用于分离对象的分离装置，其中通道2容纳待分离对象。在通道2中获得的基本连续电场产生作用在每个对象上的电动力。可以使用如下文举例说明的平衡源(balancing source),以引起与电动力相反的力作用在每个对象上，以使得分离通道中的对象在电场和平衡源的组合影响下进行分离。
[0165]例如，装置可以是电泳装置，其中平衡源是与待分离对象一起容纳在通道中的流体。对于电泳装置的情况，在电动力和由于通道2中的流体引起的流动动力的组合影响下，具有适合尺寸的通道内部的分析物可以分离成“区带”，区带的宽度和分离依赖于施加的场的条件。装置还可以扩展为例如使用质谱分析法或其他分析方法为在集中于区带中之后进行下游分析而选择性地移除和/或分选分析物，以确定每个区带的成分。可以用于这个目的的布置的示例在图15B中示出，下文将进一步描述。
[0166]应当领会，根据本发明的装置不限于上述应用，上述应用仅仅是示例性的。
[0167]如果提供检测器用于检测通道内的事件，则处理器6b也可以构造成分析收集的数据。例如，控制器6可以例如从芯片被放置成接近或成为一体的显微镜、光谱仪(例如执行拉曼光谱学)、光电二极管阵列、电荷耦合器件(CCD)、光电倍增管(PMT)或类似的波长选择装置，来分析可视数据(通常是来自荧光标记的生物分子分析物的光)。这也可以是来自非可视的电磁辐射分析方法的数据。其他的非电磁监测方法(例如，导电性的局部变化、辐射和折射率变化)也可以用于检测通道2内部的分析物。这更全面地在W02006/070176中描述。
[0168]如上所述，图1的实施例是所谓的“非对称”实施方式，图9示出其示意性平面图以用于其他说明。在本示例中，写电极5a的行与读电极5b的行相对，通道2位于这两者之间，其中通道2与两行5a、5b平行并且由电接口材料3分开。电极5a、5b通过连接臂10连接到电接口材料3。
[0169]但是，如已经指出的，提供读电极(或任意形式的电场测量装置)是可选的，图10是第二实施例的示意性示图，第二实施例没有包括读电极。在这种构造中，电接口材料3仅存在于通道的一侧上，并且位于通道2和写电极5a的阵列之间。如果期望监测建立的电场，这可以通过写电极5a实现。例如，对于较短间隔(例如，每IOOms中一微秒，尽管实践中循环周期可以依赖于在时移电泳系统中电场的速度)，对写电极5a的电压供应可以关断，替代地，相同的电极用于获得对沿着通道2的每个位置处电压的测量结果。假设测量间隔足够短，则这对通道2内部分析物的运动没有实质影响。
[0170]图11是第三实施例中电接口区域3和导电体积2的示意性示图，其中电接口区域3包括离子导电材料3a和非离子导电材料3b。应当注意，图11没有绘制出装置的其他部件，例如基体，但是这些其他部件可以按照上文针对前述实施例讨论的类似方式提供。离子导电材料3a可以是如上文针对前两个实施例中的“电接口材料”描述的任意适合材料，例如水凝胶。非离子导电材料3b (例如导电材料)可以是电阻聚合物、半导体或者甚至是金属材料。应当领会，可以使用任意非离子导电材料。离子导电材料3a位于非离子导电材料3b和通道2之间。在本实施例中，写电极5a直接接触非离子导电材料3b。
[0171]优选地，非离子导电材料3b的导电性/电阻率和离子导电材料3a的导电性/电阻率“匹配”。通过“匹配”，这表示两个导电性与施加的场的形状和大小一起考虑，以使得非离子导电材料3b和离子导电材料3a两者都对平滑化由电极5a施加到非离子导电材料的离散电场作出贡献。在优选构造中，导电性/电阻率具有相同的数量级。两种材料的导电性/电阻率的比率优选在100:1和1:1之间。
[0172]在图11所示的实施例中，电极5a可以连接到材料3b，而不是如上文针对前两个实施例所述的伸进流体阱中。有利地，这使得装置更紧密结合和密封。但是，(电接触的)离子导电材料3a和非离子导电材料3b之间的接口部通常是流体/固体，这有助于引起电解和放出气泡。孔、阱或轨道(未示出)可以在这种接口部处设置在基体中，以作为气泡的排出口。有利地，定位成与通道2相邻的离子导电材料3a对来自电解的气体来说是不渗透的，从而防止气泡到达通道2。
[0173]图9、图10和图11中所示的装置例如具有单一线性通道2，通道2具有开始部和结束部。采用这种“开环”构造存在多个缺点。首先，端部引起场边缘效应，其中在装置的任一端处在通道2内部获得的电场偏离期望的水平。图12中示出这种效应的示例。期望的电场具有如虚线所示的线性分布，而通道2中获得的实际电场偏离该线，如实线曲线所示。这是由于随着接近电场施加组件的端部而非对称场平均化。在接近通道端部处在实线曲线中观察到的场扁平化表示装置的很大部分不能用于分析。
[0174]第二，当利用开环系统执行场移动操作时，会出现场变化非常小并且电流方向保持基本未改变的区域，持续显著长的时间段。这会在电场接口材料3中导致严重的局部离子消耗。结果，会损失通道2中的期望场形状，这是由于离子消耗的效果易于抵消施加的场。在严重的情况下，这会导致非线性电泳效应和形成电渗流漩涡，这在分析物分离过程中极为不利。第三，当使用开环系统时，开环系统的有效操作长度由开环系统的通道2的物理长度决定。
[0175]在第三实施例中，通过使用闭环构造(例如如图13示意性示出的圆形通道2)可以克服上述列出的缺点。圆形通道2通过电接口材料3连接到一组写电极5a和(可选的)一组读电极5b。通道2的周长可以是例如100-200mm之间，通常为120mm。
[0176]写电极5a沿着与圆形通道2同心的圆圈周期性间隔开，该圆圈的半径大于通道2的圆形路径的半径。类似地，读电极5b在与通道2同心的圆圈中周期性地布置，该圆圈的半径小于通道2的半径。但是应当领会，写电极5a的位置可以与读电极5b的位置交换，反之亦然。此外，电极连接点(由电极孔8和连接臂10形成)可以在作为写电极5a的连接点和作为读电极5b的连接点之间切换。此外，电极的外环可以由读电极和写电极的混合构成，内环也是如此，它们可以沿着通道改变功能(这也适用于直通道设计)。
[0177]与上述装置I类似，感兴趣的分析物可以作为插塞或者以其他方式通过布置在通常的交叉注射系统中的一个入口 9 (也可以用作出口)被注射到图13所示的圆形通道2中。可替换地，由于样品的初始物理尺寸不相干，感兴趣的分析物可以与分离缓冲液或凝胶预先混合，使得图13所示的交叉注射系统9成为可选的。
[0178]如图14所示，上述类型的场边缘效应在闭环系统(如图13的圆形装置)中不会发生。在这种情况下，与用于线性通道2的图12所示的畸变相比，，“边缘”处的场畸变非常小。(在闭合通道的情况下，“边缘”表示在场“倒转”(即，沿相反方向行进)以成环的情况下有用电场的边界，这在W02006/07176中描述)。这是因为电场被施加到装置的整个环，因此不存在非对称的场平均化。
[0179]此外，在场移 动系统(例如W02006/07176中所述的系统)中，传播的EM波绕环路行进。这围绕环路扫过电接口材料3中的离子，连续地补充材料的任意离子裸露区域，以使得通道2中的场保持平滑和稳定。闭环系统的另一优点是不存在通道2的开始部和结束部，所以装置具有基本无限的操作长度。除完全线性或完全闭环的通道之外，应当领会通道2的线性或弯曲部段的任意组合可以用在根据本发明的装置中。
[0180]图15是另一闭环设计的其他示意性示图，其中电接口材料3被中断并且没有形成围绕通道2的连续区域。尽管电接口材料3被中断，沿着通道2和电接口材料3形式的电连接路Si1U2……in仍然将作为材料的“闭环”，对施加的电场执行需要的平滑化功能。应当领会，在本实施例中，电接口材料3仅设置在通道2的一侧上。
[0181]图16A示出另一闭环设计变化形式，其中在通道2的任一侧上的电接口材料3具有不同的宽度，写电极5a和读电极5b相对于通道2偏移而不是直接彼此相对。图16A的装置还具有不同布置的入口 9a和出口 9b。电接口材料3仅需要在写电极5a—侧上，可以借助于直接连接到通道2的纳米或微通道来读取电压。可替换地，写电极5a也可以相对于通道2位于内圈上，读电极5b在外圈上，或者这些电极可以以任意图案交替。接口材料3可以相应地定位，以使得接口材料3 (仅)设置在写电极和通道之间，或者可以布置在通道的两侧上以适应各种电极布置。在另一可替换设计中，还可以借助于控制器6通过将写电极阵列5a切换到读阵列持续较短时间段(通常为几毫秒)来读取电场。
[0182]在本示例中，开口 9a作为样品的入口，而开口 9b用作废弃物的出口。这在图16B的放大示图中更清楚地示出。一旦对象被分离成分析物区带A，则通过在开口 9b内激活适合的电场来吸引并从主通道2移除有问题的区带，可以通过出口 9b从分析中移除选择的区带。以此方式移除的区带可以被导入阱阵列以进行存储，以使得每个阱将容纳一种分析物或者具有非常类似的质荷比(q/m)的一系列分析物。这种阱的阵列将形成MALDI型板的基础(阱将容纳基质材料并且在激光解吸之前被干燥)，或者它们将被抽出以供后续使用或辅助分析。类似地，通过使区带穿过连接口 20移动到辅助通道，区带可以被选择以用于其他应用或分析。这可以采取第二电泳通道形式，第二电泳通道可能具有不同的q/m范围“窗口”或者具有不同的分辨率。可替换地，可以采用不同的分析技术，例如质谱分析法(例如喷雾电离)。在另一示例中，可以使用两个或更多个装置的“级联”，对选择的区带在第二(并且可能是后续)场移动电泳装置中进行进一步分析，第二场移动电泳装置布置成接收从第一装置输出的样品。如有需要，不同场移动参数可针对每个装置进行选择以例如利用给定的窄迁移范围来分析具体的成分。在完全一体化的装置中，分析物可以被直接输送到芯片的另一部分以在生物化学处理中使用，例如DNA可以受到放大和/或修改并且被注射到细胞中，或者蛋白质可以被引导至细胞以评价该蛋白质的作用。
[0183]图17A和图17B分别示出用于线性和闭环系统的可替换“对称”设计。每个设计由两组位于通道2任一侧上的写电极5a组成,一行读电极5b位于通道一侧上。在本不例中，电极5a、5b直接安装到电接口材料3，即没有使用连接臂。读电极5b可以实际上直接接触通道2本身(B卩，不通过材料3)。
[0184]在截至目前描述的实施例中，电极施加或读取电压的连接点已经沿着与通道相距恒定间隔的适当的线分布成行。但是，如上文提到的，这不是必要的，并且如有需要，可以采用流体臂作为电场施加组件的一部分以增加系统的灵活性。在一个示例中，容纳电极的连接点(孔8)可以相对于通道2交错分布，如图18示意性所示。这种构造有助于使孔8沿着通道的间隔最大化，意味着沿着通道的点电压的间隔可以减小。这继而意味着相对于其他情况，初始的离散电场更平滑，从而减小材料3需要的进一步场平滑化的量，并因此允许减小材料3的宽度。在本示例性图案中，连接点可以在与通道2相距的不同距离dl、d2之间交替，以向每个电极提供相同水平的电阻。
[0185]图19A和图19B分别不意性不出另一芯片构造的俯视图和正视图，该芯片构造包括多个通道2。通道2是线性的，并且通常布置成彼此平行并且通过电接口材料3彼此间隔开。另一典型构造将包括多个同心闭环通道2。但是应当领会，可以是多个线性或弯曲通道2的任意组合。每个通道2可以具有用于容纳电极的连接点(孔8)，以向每个通道2分开提供电场。但是，如图18所示，优选的是为写电极和可选的读电极提供一组连接点。电接口材料布置在每个通道之间，以使得电接口材料向每个通道提供平滑形式的施加的电场。优选地，在每个通道中建立的场将基本相同，这通常将是电接口材料的导电性/电阻率在所有区域中均匀的情况。
[0186]但是，如果期望在每个通道中建立不同强度的电场，则这可以通过例如沿y方向(横穿通道)改变电接口材料的导电性/电阻率而实现。通过一个电场施加组件4施加离散电场然后将会引起在每个通道中产生具有期望大小的平滑电场。如上所述，材料的导电性/电阻率的变化可以通过对材料自身进行工程设计或通过在腔中加入特征(或柱状物)或改变腔的深度(厚度)而实现。[0187]如果电接口材料的导电性/电阻率仅沿着横穿通道的方向变化，则在每个通道内建立的电场将具有类似的形状。但是，如果导电性/电阻率沿着通道的方向(这里是X方向)(附加地或可替换地)变化，则由同一施加的离散电场在每个通道中可以实现不同的场分布形状。
[0188]包括多个通道2的装置可以通过与上述相同的技术来制造。具体地，对液体聚合物进行光图案化以形成电接口材料3特别适合于这些装置。但是，还已经发现，如果内部腔的尺寸被适当地选择，则通过毛细作用进行填充也可以实现期望的结果，其中电接口材料3填充每个腔区域，同时使通道2保持基本为空的。
[0189]如上所述，应当领会根据本文描述的示例性实施例的装置和方法具有广泛的应用，并且可以用在具有需要施加平滑电场的导电体积的任意装置中。这些技术对于期望有成形(非均匀)电场的情况特别有用。上述示例性实施例集中于用于在分离通道2中分离对象的电泳应用，但是应当领会这不是要加以限制。
[0190]在可替换实施例中，导电体积可以例如是在疏水纸基体上制成的亲水纸区域。电接口材料3可以沿着亲水性区域的两侧设置，写电极可以例如被丝网印刷在纸上，以使得写电极与电场接口材料3重叠，但是不与亲水性区域重叠。电接口材料3可以例如被旋涂、模制或简单地喷撒在纸上并根据需要进行光图案化。待分离对象然后可以引入到亲水性纸区域中以在施加电场后被分离。
[0191]在其他示例中，导电体积2可以采用任意体积形式，其中流体和/或感兴趣的对象在分析期间可以被容纳在该体积中(和/或可以移动通过该体积)。导电体积2不需要自身例如在“自由流动”电泳装置中物理限定流体和/或分析物的路径。“自由流动”电泳装置通常包括通过腔室泵送的电解质以使得存在通过装置的流体动力流动。感兴趣的分析物与电解质一起被泵送。带状电极可以沿着腔室放置，与流动的方向对齐并且沿垂直方向间隔开。电场可以与流动方向垂直地移动，以使得分析物集中到分离流，分离流可以在装置的底部被隔离到不同的通道中。
[0192]图20a和图20b中示出根据本发明的“自由流动”电泳装置的示例。细长写电极5a可以形成于多孔疏水性基体(未示出)上。提供多孔疏水层以使得来自电解的气体逸出，但是这不是必要的。
[0193]电极5a可以被竖直定向，伸入到竖直定向的阱中，以使得流体或缓冲液被保留在阱中。有利地，由电解产生的气泡可以向上移动，并且离开阱。电接口材料层3然后可以被沉积在电极的顶部上，然后利用柱状物阵列(未示出)进行图案化。另一电接口材料层3可以增加到顶部，并且导电体积2形成为由柱状物间隔开的两个电接口材料层3之间的图案化腔。在上电接口材料层3的顶部上，可以提供更多的竖直电极，作为读电极5b。
[0194]待分离对象然后可以在装置的顶部被引入到导电体积2中，并连续地被泵送通过腔，如箭头F所示。电场可以与流动F垂直地从腔的一侧移动到另一侧，导致沿着分开的路径在腔内部移动的对象被高度集中地分离。如图20 (b)的横截面图所示，样品可以初始包括两种不同类型的对象A和B。如标记为A和B的箭头示意性所示，每种对象将由于施加的场而经历不同的横向运动。分开的对象可以被收集在设置于导电体积2底部的分开的通道中。有利地，即使当导电体积2不是闭环时，这些装置也可以连续地操作，对于大量样品的分离(例如用于制备化学)非常有用。[0195]可替换地，电极5a可以被水平定向。在这种构造中，代替在装置的“一侧”上提供水平阱(这将具有不希望的效果，即，使阱中的流体流出)，提供通道状“长阱”，该长阱填充有缓冲液并且沿着通道具有几个小孔，小孔作为气泡的排出口。
[0196]在另一示例中，导电体积可以包括“平板凝胶”，平板凝胶是用于筛分基质的基本平坦区域的通用术语，平板凝胶形成于例如载片或芯片的表面上。这种部件通常用于DNA和蛋白质分析中。
[0197]在图21中示出将上述原则应用于平板凝胶型布置的实施例。这里，平行的线性读电极5b放置成与电接口材料5b的第一区域接触，在电接口材料5b的顶部上沉积平板凝胶形式的分离凝胶层2。电极可以被竖直或水平定向，伸入到上述“长阱”中。电接口材料3的第二区域沉积在平板凝胶2的顶部上，另一组平行线性电极放置成与上电接口材料3接触以形成写电极5a。当然，每组电极的作用可以交换，以使得下面的组用作场产生器，而上面的组用作场测量电极。
[0198]在使用中，包含样品的(多种)分析物在系统的一端处被引入到平板凝胶，根据需要施加电场以将样品集中并分离成该样品的构成成分。在分离过程中，样品与线性电极垂直地(沿X方向)移动。
[0199]为清楚起见，图22示出平板凝胶2，移除其他装置部件，以便于能看到分离的结果。应注意，平板凝胶被描绘成与图21所示的取向不同。这里，线性电极的位置由标记为5的虚线示出。根据施加到平板凝胶的三种样品的开始位置，分析物已经沿着三个分离“通道”C1X2X3分离成区带A。在每个虚拟“通道”之间不需要物理屏障，尽管如有需要可以包括物理屏障。
【权利要求】
1.一种装置，所述装置包括: 电场施加组件，所述电场施加组件适合于产生具有离散电场分布的电场； 导电体积；和 电接口区域，所述电接口区域设置在所述导电体积和所述电场施加组件之间，所述电接口区域布置成使得在与所述导电体积间隔开的位置处通过所述电场施加组件将离散电场施加到所述电接口区域； 其中，所述电接口区域至少包括离子导电材料，所述离子导电材料布置成与所述导电体积相邻并接触所述导电体积； 从而通过所述电接口区域平滑化由所述电场施加组件施加的所述离散电场，以使得在所述导电体积内建立的所述电场分布基本连续。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，施加所述电场的所述位置与所述导电体积之间的距离至少是所述电接口区域在与所述距离和所述导电体积两者都垂直的方向上的厚度，优选地为至少两倍，更优选地为至少5倍，更加优选地为至少10倍，最优选地为至少100倍。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述导电体积设置在基体中或所述基体上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述电接口区域基本填充设置在所述基体中的腔。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述导电体积的高度约等于或大于沿相同方向的所述接口区域的厚度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述导电体积的高度比沿相同方向的所述接口区域的厚度大I至5倍之间，优选大I至3倍之间，更优选地为大近似2倍。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，施加所述电场的位置和所述导电体积之间的距离在0.1至0.8mm之间，优选在0.5至2.5mm之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述电接口区域的厚度在0.1至100 μ m之间，优选在20至40 μ m之间。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述导电体积的高度在0.1至500 μ m，优选在10至100 μ m之间。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的装置，其中，所述腔设置有在所述腔的相对的壁之间延伸的至少一个柱状物。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述导电体积是通道。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述通道是毛细管。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其中，所述通道是直线的。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其中，所述通道是闭环形式，优选为圆形。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述电场施加组件包括与所述电接口区域电接触的多个电极。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述电场施加组件包括控制器，所述控制器适合于根据期望的场分布向每个电极施加电压。
17.根据权利要求15或16所述的装置，其中，所述电极沿符合所述导电体积的周边的方向间隔开。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的装置，其中，所述多个电极沿所述导电体积的一侧布置。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的装置，其中，所述电场施加组件还包括多个第二电极，所述多个第二电极沿所述导电体积的与所述多个第一电极相对的一侧布置，从而在所述导电体积的相对两侧上形成电极对。
20.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括电场测量组件，所述电场测量组件适合于测量所述导电体积内的电场，其中所述控制器适合于基于测量的电场改变施加的离散电场。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述电场测量组件包括与所述电接口区域电接触的多个电极，所述电场测量组件的多个电极优选地布置在所述导电体积的与所述电场施加组件相对的一侧上。
22.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述电场测量组件包括直接接触所述导电体积的多个电极。
23.根据权利要求3至22中任一项所述的装置，其中，所述基体设置有至少一个阱，所述阱连接所述腔并且连接所述基体的表面，所述阱用于在使用中容纳电极。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述至少一个阱通过适合于在使用中容纳导电流体的所述电场施加组件的连接臂流体连接到所述腔。
25.根据权利要求23或24所述的装置，所述装置包括沿符合所述导电体积的周边的方向间隔开的多个阱。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的装置，还包括: 沿着符合所述导电体积的周边的方向设置的多个第一阱，其中所述多个第一阱中的每一个定位在与所述导电体积相距第一距离处，和 沿着符合所述导电体积的路径的方向设置的多个第二阱，其中所述多个第二阱中的每一个定位在与所述导电体积相距第二距离处， 从而所述多个第一阱中的阱相对于所述多个第二阱中的阱沿与所述导电体积的周边垂直的方向交错布置。
27.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，如果所述导电体积是开环形式的通道，则所述电场施加组件还包括位于所述通道的每个端部处的两个电极，以抵消所述通道中的电场边缘效应。
28.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述电接口区域由所述离子导电材料组成。
29.根据权利要求1至27中任一项所述的装置，其中，所述电接口区域包括所述离子导电材料和非离子导电材料，以使得所述离子导电材料位于所述非离子导电材料和所述导电体积之间，通过所述电场施加组件将所述离散电场施加到所述非离子导电材料。
30.根据权利要求29所述的装置，其中，所述非离子导电材料的导电性和所述离子导电材料的导电性匹配，以使得所述非离子导电材料和所述离子导电材料两者都对所述离散电场的平滑化作出贡献。
31.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述离子导电材料是电绝缘的。
32.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述离子导电材料是聚合物。
33.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述离子导电材料是多孔材料，以使得流体可以通过材料。
34.根据权利要求33所述的装置，其中，所述离子导电材料是水凝胶。
35.根据权利要求33所述的装置，其中，所述离子导电材料是多孔玻璃或多孔陶瓷材料。
36.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述导电体积填充有离子导体，所述离子导体的导电性与所述离子导电材料的导电性为相同数量级，优选为等于所述离子导电材料的导电性。
37.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述电场接口区域的电阻率遍及所述电场接口区域的整个体积恒定。
38.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述电场接口区域的电阻率能够沿一个方向变化。
39.根据权利要求2至38中任一项所述的装置，其中，所述基体是电阻的。
40.根据权利要求2至39中任一项所述的装置，其中，所述基体对于可见光、红外线(IR)或紫外线(UV)辐射中的任意一项或多项是透明的。
41.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述导电体积包括多个通道，每个通道与下一个通道通过所述电接口区域的一部分横向间隔开，其中所述电场施加组件构造成将所述离散电场施加到所述电接口区域的一个部分，从而通过所述电接口区域平滑化所述离散电场，以使得在每个通道中建立基本连续的电场。
42.根据权利要求41所述的装置，其中，在每个通道中建立的所述基本连续的电场都基本相同。
43.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置是微流体装置。
44.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置是用于分离对象的装置，其中所述导电体积是分离通道。
45.一种用于分离对象的分离装置，所述分离装置包括: 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述导电体积是分离通道，所述分离通道在使用中容纳待分离对象，从而所述通道中的基本连续的电场产生作用在每个对象上的电动力；和 平衡源，所述平衡源构造成产生与每个对象上的所述电动力相反的力； 从而在电场和所述平衡源的组合影响下，所述分离通道中的对象被分离成区带。
46.一种根据权利要求45所述的用于分离对象的电泳装置，其中，所述平衡源是与所述待分离对象一起容纳在所述分离通道中的流体，所述装置还包括控制器，所述控制器适合于改变施加的离散电场，以相对于所述分离通道调节电场分布，从而在由于所述通道内建立的电场引起的电动力和由于所述流体引起的流体动力的组合影响下，导致所述分离通道中的对象被分离成区带。
47.一种将电场施加到导电体积的方法，所述方法包括如下步骤: 提供电场施加组件，所述电场施加组件适合于产生具有离散电场分布的电场； 提供导电体积；和提供电接口区域，所述电接口区域在所述导电体积和所述电场施加组件之间，其中，所述电接口区域至少包括离子导电材料，所述离子导电材料布置成与所述导电体积相邻并接触所述导电体积； 在与所述导电体积间隔开的位置处将离散电场施加到所述电接口区域； 从而通过所述电接口区域平滑化施加的离散电场，以使得在所述导电体积内建立的所述电场分布基本连续。
48.使用根据权利要求1至44中任一项所述的装置的根据权利要求47所述的方法。
49.一种分离对象的方法，所述方法包括根据权利要求47或48将电场施加到通道，其中所述导电体积是分离通道，所述分离通道在使用中容纳待分离的对象，从而电动力作用在每个对象上；所述方法包括: 将与所述电动力相反的平衡力施加在每个对象上； 从而在所述电场和平衡源的组合影响下，导致所述分离通道中的对象被分离成区带。
50.根据权利要求49所述的分离对象的方法，其中，所述方法是电泳方法，所述平衡力是由于和所述待分离的对象一起容纳在所述分离通道中的流体引起的流体动力，所述方法还包括: 改变施加的电场，以调节相对于所述分离通道的场分布，从而在由于所述电场引起的电动力和由于所述流体引起的流体动力的组合影响下，使得所述对象分离成区带。
51.一种制造装置的方法，所述方法包括如下步骤: 提供电场施加组件，所述电场施加组件适合于产生具有离散电场分布的电场； 提供导电体积；和 提供电接口区域，所述电接口区域在所述导电体积和所述电场施加组件之间，其中，所述电接口区域至少包括离子导电材料，所述离子导电材料布置成与所述导电体积相邻并接触所述导电体积， 从而在使用中，在与所述导电体积间隔开的位置处将离散电场施加到所述电接口区域； 以致于在使用中，通过所述电接口区域平滑化施加的离散电场，以使得在所述导电体积内建立的所述电场分布基本连续。
52.根据权利要求51所述的制造装置的方法，其中，所述导电体积形成于基体中或所述基体上。
53.根据权利要求52所述的制造装置的方法，其中，提供所述导电体积包括蚀刻到所述基体的表面中。
54.根据权利要求51所述的制造装置的方法，其中，提供所述导电体积包括将所述基体安装在蚀刻的板上。
55.根据权利要求52至54中任一项所述的制造装置的方法，其中，提供所述电接口区域的步骤包括在所述基体中形成腔，用液体形式的电接口区域材料填充所述腔，并且由所述腔内部的液体材料形成所述电接口区域。
56.根据权利要求55所述的制造装置的方法，其中，液体形式的材料是液体预聚物，其中形成所述电接口区域包括使所述液体预聚物聚合。
57.根据权利要求56所述的制造装置的方法，其中，使所述液体预聚物聚合包括使用光引发剂对所述预聚物进行光图案化。
58.根据权利要求55至57中任一项所述的制造装置的方法，其中，所述电接口区域材料在填充所述腔之前是含水的。
59.根据权利要求55至58中任一项所述的制造装置的方法，其中，所述导电体积的高度大于所述腔的高度，以使得通过作用在填充所述腔的液体形式的所述电接口区域材料上的毛细力的作用，形成所述导电体积。
60.根据权利要求51至59中任一项所述的制造装置的方法，其中，提供所述导电体积包括对所述导电体积的内表面进行处理，以使得在使用中防止分析物粘着到所述导电体积的所述内表面。
61.根据权利要求60所述的制造装置的方法，其中，处理所述内表面包括所述导电体积的硅烷化或所述内表面的聚合物涂覆。
62.根据权利要求55至61中任一项所述的制造装置的方法，还包括，在填充所述腔之前处理所述腔的步骤，以增强所述电接口区域和所述腔之间的粘结力。
63.根据权利要求62所述的制造装置的方法，其中，处理所述腔包括所述腔的硅烷化。
64.根据权利要求63所述的制造装置的方法，其中，处理所述腔包括所述腔的选择性硅烷化。
65.根据权利要求51至64中任一项所述的制造装置的方法，其中所述装置是根据权利要求I至44中任一项所述的装置。
【文档编号】G01N27/447GK103620398SQ201280022037
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年5月4日 优先权日:2011年5月6日
【发明者】D·赛德瑞斯, A·伊勒斯, R·杰克逊 申请人:基因徽型器件有限公司