专利名称：电磁式分子镊夹阵列的制作方法
技术领域：
本发明是一种电磁式分子镊夹阵列，特别是一种可以提升对生物分子操控效率的电磁式镊夹阵列。
背景技术：
基于研究技术的日渐进步，研究人员对于生物体内各种分子的运作机制也有了更多的方法和管道可以加以探究，也因而更缩短了许多研究所需的时程。近年来，跨领域整合的研究更为普遍，生物学、生物医学、光电学、机电学等 各个原本看似不相关的领域，经由协调整合而达到相辅相成的效果，不但提升了研究的速度，也拓展出另ー种方向的研究视野。在先前的专利文献中曾通过利用磁力操纵磁性粒子来实现对设置在该粒子表面的生物分子或细胞施力，或者利用光诱导介电电泳的原理来分离粒子而实现施力于细胞或生物分子上。前述文献皆仅能抓取及移动少数的粒子，因而能够检测的细胞数量或生物分子的数量有限，且对于抓取到的目标物(也就是细胞或生物分子)所能进行的操控也十分有限。
发明内容
为解决上述问题，本案发明人致力于研发具有更高效率，更精确，更高稳定性，更容易进行操作及控制的生物分子镊夹。本发明的ー范畴在于提供一种电磁式生物分子镊夹阵列，其包括有一基板和至少一磁性球体。该基板上会产生一磁场和一电场，该磁场是以单一蛇般曲折形(serpentine)或相互平行的多条导线布设于该基板上后，通以一直流电而产生。该电场是由正极电极和负极电极交错平行排列于基板上后，施以ー交流电而形成。导体和电极在基板上是以相互交错的阵列加以排列。该磁性球体是一由聚合物包覆一具有超顺磁特性的纳米粒子，且磁性球体表面更设置有ー标的分子。此磁性球体会受到磁场的影响产生一向下的吸力而移向基板表面(暨磁泳效应)，并受到电场及低于生物液体的介电常数的影响产生一向上的斥力而离开基板表面(暨负向介电电泳效应)。通过调整电磁和电场的强度，可以精确的对磁性球体相对于基板表面的位置进行调控。因此，该电磁式镊夹可以精确地将磁性球体上的标的分子移近基板上的受器分子或者固定在基板上方的一微流管道中的细胞表面上的受器分子，使它们相互结合后；之后更可以通过调节电场或者磁场的強度，使得磁性球体从基板或细胞表面移开，并对标的分子和受器分子间的键合产生一作用力。通过观察记录磁性球体相对于基板或细胞表面的位置，可以推算分子的精确受力，并搜集获得分子在不同受カ情况下的相关信息。本发明可以将附着有单个分子的磁性球体阵列设置于同一晶片基板上，从而实现对多个磁性球体的同时操控，因此该电磁式分子镊夹能够在很短的时间里获得大量分子在各种不同受カ下的反应信息。此外，本案有别于前案而可以结合两股相反的作用力(磁场吸力和电场斥力)，因此可以对磁性球体产生容易控制的净力，而且因为可以独立控制电场作用力和磁场作用力而使得净カ具有高动能范围和高精度的优点。综上所述，本发明的方法突破了现分子镊夹的缺点，即无法对生物分子进行精确及太过繁杂的操控或是达到对单个分子进行并行检测的效果，因而具有为高通量分子筛选(molecular screening)提供精准而高效平台的潜力。
图I是本发明一实施例的上视示意图。图2是图I中沿A-A线的剖示图。 图3是本发明的电磁式分子镊夹的操作原理。图4是说明利用倒立式显微镜观察单一磁性球体受到磁场和电场操控后在基板上的移动状況。图5是说明利用倒立式显微镜观察多个磁性球体受到磁场和电场操控后在基板上的移动状況。附图标记说明1_基板;1ト导线;111-导线段；112_导体；12-电极列；121_正极电极；122-负极电极列；123_正电压输入端；124_负电压输入端；2-磁性球体。
具体实施例方式以下仅以实施例详细说明本发明。请參见图I至图2所示，图I是本发明一实施例的上视示意图，图2是图I中沿A-A线的剖示图。本电磁式分子镊夹是包括有至少一基板I和多个磁性球体2，基板I上设置有ー导线11和多个电极列12，该导线11是以蛇般曲折(serpentine)的形式设置于基板I上，并连接于两组电流输出端，以在基板I上形成多个相邻且平行排列的导线段111，各导线段111上设置有多个以一等距排列的导体112，本实施例中，导体112是三角形，但实际使用吋，导体并不应限定为三角形，而可以其他形状代替，例如，菱形、长方形、四边形、圆形等。这些不同的形状以等距排列而成的导线均可以产生三维(3D)空间上的磁场梯度，保证磁性球体2受到磁场梯度的影响而被控制在两个导体112之间，因为那里是基板上磁场密度及梯度最大的地方。为了降低焦耳热效应，也可用相互平行的多条独立导线以减小线阻。制作相互平行的多条导线的エ艺与単一蛇般曲折(serpentine)形导线类似。多个电极列12至少包括一正极电极列121和ー负极电极列122,正极电极列121是连接于一正电压输入端123,以提供一正电，负极电极列122是连接于ー负电压输入端124,以提供一负电,正极电极列121和负极电极列122是分别由对向延伸设置于导线段111之间，且为相互平行交错设置的形式，因此，在图2中显示为”正极电极列121-导线段111-负极电极列122”的交错排列形式。此电极列12是用于产生ー交流电场，并对磁性球体2产生一向上的斥力。
各该电极列121、122是包括有多个电极125，本实施例中，各电极125是呈长方形柱状，并交错设置于导电段111上的导体112之间。其他形状如三角形、四边形、圆形柱状等只要能产生三维(3D)空间上的电场梯度的也适用。本实施例中，导线段和电极列是相互垂直，然导线和电极列并不限于相互垂直的设置，而可以形成他种型态的阵列交错排列。该磁性球体2是由聚合物基质包覆在一具有超顺磁(superparamagnetic)特性的纳米粒子外所形成。其他不同类型的磁性球体只要能设置ー标的生物分子的都适用。请參见图3所示，图3是本发明的电磁式分子镊夹的操作原理。当对本发明电磁式分子镊夹中的导线11和电极列12进行通电时，导线11会产生不均匀磁场以对磁性球体2产生ー吸力，而电极列12则会产生不均匀电场而对磁性球体2产生ー斥力，由此控制吸力和斥力的強弱便可以操控磁性球体2与基板I的相对距离，或是将磁性球体2由基板I上一位置位移至另ー特定位置，该特定位置上更可设置有ー受器分子以与磁性球体上的标的
分子键合，互为相反作用的吸力和斥力便可作为该分子键合(molecular bond)的镊夹而对其施加精确的净力。举例来说，当磁性球体2的基质表面设置有一抗原，基板I表面设置有一抗体吋，可以利用调整电流强弱将磁性球体2引导至基板I表面设置有抗体的位置，从而使抗原和抗体发生键合作用，此时，若是将调整电流将电磁吸力降低，或是将电场斥力増加，以产生向上的净カ，磁性球体便会被向上拉动，同时也会对抗原和抗体之间的生物键产生一作用力。请參见图4所示，是说明利用倒立式显微镜观察单一磁性球体受到磁场和电场操控，在基板上的移动状況。当电场电压(e. g. I. 5Vpp)和磁场电流(e. g. 15mA)保持稳定状态时，磁性球体2受到磁场和电场的综合作用而被控制在基板上的两个导体112之间并与基板表面保持很微小的距离(如图4中(A))，当电场保持稳定时，调整通过导体112的电流(e.g.由15毫mA增加至20mA时)，磁性球体2便产生一向上漂浮的动作(图4中(B))。如果将此漂浮动作的结果与图4中(C)中漂浮的前记录的图像进行比对，便可确认磁性球体2的上漂距离为约3微米(ii m)。图5是同时对多个磁性球体进行操控的結果。由图中可看出，在維持稳定电场电压下(e. g. I. 5Vpp),增加电磁电流(e. g.由15mA增加至16mA)可以使得多个磁性球体同时向上飘移约0. 5微米(ii m)。由前述实施例可以知道，本发明的电磁式分子镊夹是直接通过可量化的电压和电流来调整磁泳力和介电电泳力的強度，以进一歩达成控制磁性球体相对于基板位置的效果。由于现代电子设备可实现非常高精度的电压及电流改变，直接导致本发明的电磁式分子镊夹对磁性球体在基板上可实现非常高精度(e.g.亚纳米级)的上漂及下沉。同时，前述实施例是利用显微镜对于磁性球体的移动进行观察，然实际使用时并不应以此为限，其他对磁性球体的位置具有更高解析度的例如光绕射(interferometry)技术等，亦可以搭配本发明的电磁式分子镊夹，以更精确的侦测磁性球体位移。
权利要求
1.一种电磁式分子镊夹阵列，其特征在于，其包括有 至少ー磁性球体该磁性球体是一由聚合物包覆且具有超顺磁特性的纳米粒子；和 一基板，包括有 至少ー导线，以蛇般曲折的形式设置于该基板上，或以在该基板上形成多个相邻且平行排列的导线段，该导线是产生一磁场，并对该磁性球体产生一向下的吸力 '及 多个电极列，是用于产生ー电场，并对该磁性球体产生一向上的斥力，其至少包括有 一正极电极列是连接于一正电压输入端以提供一正电，且延伸设置于各该导线段之间；及 ー负极电极列是连接于ー负电压输入端以提供ー负电，且相对于该正极电极列而延伸设置于各该导线段之间。
2.根据权利要求I所述的电磁式分子镊夹阵列，其特征在于，该磁性球体表面设置有ー标的分子，该基板表面设置有ー受器分子。
3.根据权利要求I所述的电磁式分子镊夹阵列，其特征在于，该磁性球体表面设置有ー标的分子，该基板上则设置有一微流管道，该微流管道内设置有至少一具有受器分子的细胞。
4.根据权利要求I所述的电磁式分子镊夹阵列，其特征在于，该磁性球体于该基板上的位置是利用一显微镜或一光绕射技术加以观察。
5.根据权利要求2所述的电磁式分子镊夹阵列，其特征在干，该导线段上设置有多个以一等距排列的导体。
6.根据权利要求4所述的电磁式分子镊夹阵列，其特征在干，该电极列上设置有多个电极。
7.根据权利要求5所述的电磁式分子镊夹阵列，其特征在于，该导体和该电极是交错排列以形成ー阵列。
8.根据权利要求4所述的电磁式分子镊夹阵列，其特征在于，该导体是三角形、菱形、长方形、四边形或圆形。
9.根据权利要求5所述的电磁式分子镊夹阵列，其特征在于，该电极是长方形、三角形、四边形或圆形柱状，并交错设置于该导体之间。
全文摘要
本发明是一种电磁式分子镊夹阵列，其是利用在一基板上产生一磁场和一电场的方式，以磁场吸力和电场斥力来同时控制多个磁性球体在基板上的位置。此电磁式分子镊夹阵列包括有至少一导线和多个电极列，多个电极列更包括有正电极列和负电极列，导线、正电极列和负电极列是相互交错平行排列。通过微调磁场和电场强度可以对于磁性球体在基板上的位置达到精确且利于控制的效果，且通过取得磁性球体位移变化的结果，得以推算出链接在球体与基板或其他载体之间的分子受到的作用力。
文档编号G01N1/28GK102954904SQ20121030041
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月22日 优先权日2011年8月22日
发明者彭争春, 彼得J.贺司克史, 陈伟, 塔德苏徹可, 李卓颖 申请人:彭争春, 彼得J.贺司克史, 陈伟, 塔德 苏徹可, 李卓颖