УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЛОЖЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И СПОСОБ
DEVICE AND METHOD FOR APPLYING CONTINUOUS ELECTRIC FIELD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству для приложения электрического поля, способу его использования, а также способу его изготовления. Настоящее изобретение в частности подходит для сглаживания формы электрических полей, приложенных к микрофлюидным устройствам или устройствам типа "лаборатория на чипе" (LOC).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Микрофлюидные устройства, такие как устройства типа LOC получили широкое распространение. Растущее количество случаев применения таких устройств относится к упорядочиванию и классификации объектов, таких как биомолекулы, и классификации клеток. Традиционно упорядочивание и классификацию биомолекул, а также классификацию клеток выполняют с использованием электрофореза. Известными являются электрофоретические способы, которые часто используют для разделения объектов (иногда называемых "анализируемые вещества") согласно их электрическим и гидродинамическим свойствам. Другие способы разделения включают использование центрифужных спектрометров, как описано в EP 1455949.
При традиционном электрофорезе постоянное и унифицированное электрическое поле используют для перемещения объектов через текучую среду или другую фильтрующую матрицу. При перемещении объектов через указанный материал на них действует сила (например гидродинамическая сила), которая зависит от формы и размера объектов и/или от их сродства с указанным материалом (например, химическая сила притяжения/отталкивания), и электрическая сила, сгенерированная приложенным полем, которая зависит от их заряда. В результате действия различных сил, приложенных к объектам разных типов, указанные объекты перемещаются с различными конечными скоростями в зависимости от их индивидуальных характеристик и, таким образом, разделяются на "полосы".
В последние годы одним из Заявителей настоящего изобретения была предложена концепция исследования со сдвигом поля для разделения объектов, согласно которой, вместо постоянного приложенного электрического поля используют поле с напряженностью, меняющейся в зависимости от времени. Примеры электрофоретических устройств, в которых использована данная концепцию, описаны в патентной заявке WO 2006/070176, содержание которой полностью включено по ссылке в настоящую заявку. По сравнению с традиционными способами предложенное исследование со сдвигом поля имеет огромный потенциал с точки зрения аналитических и обрабатывающих функций, обеспечивая разделение, скорость и точность которого повышены на несколько порядков.
В устройствах со сдвигом поля обычно используют сеть электродов для приложения электрического поля, имеющего подходящий градиент с временной зависимостью, для разделения и упорядочивания анализируемых веществ и других материалов, размещенных в микрофлюидной среде. Например, микрофлюидная среда может заполнять сформированный в стеклянном устройстве или на нем плоский разделительный канал, имеющий поперечное сечение порядка от 0,1 мкм до нескольких сотен мкм и длину по меньшей мере 500 мкм.
Дополнительные примеры различных электрофоретических устройств описаны в документах US-A-6277258 и US-A-2002/0070113.
В известных микрофлюидных устройствах, включая устройства со сдвигом поля, электрическое поле обычно приложено непосредственно к каналу посредством внутренних электродов. Такая конструкция облегчает генерацию электрических полей с высокой напряженностью путем генерации электрического тока в проводящем разделительном буфере внутри канала. Однако указанная конструкция часто страдает значительными искажениями формы электрического поля в области расположения каждого электрода вдоль канала. Соответственно, изменение напряженности поля в канале не является гладким переходом от высоких значений к низким значениям, как, например, требуется при осуществлении способа со сдвигом поля, но вместо этого состоит из последовательности ступенек. Разделяющиеся молекулы проходят в непосредственной близости к электродам (имеют контакт с ними) и реагируют на искажения поля, ухудшая таким образом точность разделения. Подобные проблемы также возникают и в других случаях применения, в которых необходимым является приложение профилированного (т.е., неоднородного) электрического поля к каналу.
Для устранения указанной проблемы предлагается увеличить число электродов, периодически расположенных вдоль канала. Однако на практике такая конструкция полностью не устраняет искажения электрического поля по двум причинам. Первая причина состоит в том, что невозможным является расположение бесконечного числа независимо управляемых электродов вдоль канала. Вторая причина состоит в том, что поскольку электроды имеют конечные размеры, напряженность поля в пространстве рядом с электродами является постоянной (имеет значение, приблизительно равное напряжению на электроде). Соответственно, результирующая напряженность электрического поля оказывается нулевой. Это может вызвать значительное искажение общего электрического поля.
Другой недостаток, присущий известным способам разделения, в которых используется сдвиг поля, состоит в том, что некоторые анализируемые вещества могут быть потеряны, поскольку вместо запланированного перемещения мимо электродов, указанные объекты могут совершать перемещение по направлению к электродам и контактировать непосредственно с каналом, в результате чего эти объекты могут быть фактически удалены из процесса разделения. Кроме того, газы, образованные в результате электролиза, вызванного контактом между электродами и текучей средой, размещенной в канале (обычно, водной средой), проникают в канал и искривляют электрическое поле и, следовательно, искажают анализ.
Таким образом, имеется потребность в способе, который устраняет вышеуказанные проблемы.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложено устройство, содержащее:
блок для приложения электрического поля, выполненный с возможностью генерирования электрического поля, имеющего профиль дискретного электрического поля; проводящий объем; и
электрическую граничную область, образованную между проводящим объемом и блоком для приложения электрического поля и расположенную таким образом, что дискретное электрическое поле приложено к электрической граничной области посредством блока для приложения электрического поля в месте, отделенном от проводящего объема;
причем электрическая граничная область содержит по меньшей мере один ионно-проводящий материал, расположенный вплотную к проводящему объему и контактирующий с ним;
таким образом, что дискретное электрическое поле, приложенное блоком для приложения электрического поля, сглажено электрической граничной областью, так что профиль электрического поля, возбужденного в проводящем объеме, по существу выполнен непрерывным.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен способ приложения электрического поля к проводящему объему, содержащий этапы, на которых:
берут блок для приложения электрического поля, выполненный с возможностью генерирования электрического поля, имеющего профиль дискретного электрического поля,
берут проводящий объем,
образуют электрическую граничную область между проводящим объемом и блоком для приложения электрического поля, причем указанная электрическая граничная область содержит по меньшей мере ионно-проводящий материал, расположенный вплотную к проводящему объему и контактирующий с ним, и
прикладывают дискретное электрическое поле к электрической граничной области в месте, отделенном от проводящего объема,
таким образом, что приложенное дискретное электрическое поле сглаживается электрической граничной областью, так что профиль электрического поля, возбужденного в проводящем объеме, по существу выполнен непрерывным.
Следует понимать, что термин "проводящий объем" используется в данном случае для описания любого проводника, который имеет объем и в котором, по меньшей мере в частях указанного проводящего объема необходимо возбудить по существу непрерывное электрическое поле. Понятно, что природа проводящего объема может изменяться в зависимости от конкретного случая применения настоящего изобретения. Например, проводящий объем может быть каналом, таким как разделительный канал, используемый при электрофорезе, или другие разделительные устройства, или может быть содержать множество таких каналов. Согласно другим вариантам реализации проводящий объем может представлять собой область, такую как гидрофильная область, образованная на гидрофобной бумажной подложке, или пористая область, сформированная в пористой гидрофобной подложке. В целом, проводящий объем может представлять собой любой объем, в котором текучие среды или представляющие интерес объекты могут быть размещены (и/или через который могут перемещаться) во время исследования независимо от того, выполнен он или не выполнен в виде физически ограниченного канала или другой физической сущности. Например, если проводящий объем содержит по меньшей мере один канал или большее количество каналов, каждый из них может быть или не может быть физически ограниченным: проводящий объем, например, может заключать в себе по меньшей мере один или большее количество путей (которые могут рассматриваться как "воображаемые" или "действительные" каналы), вдоль которых перемещаются анализируемые вещества в электрофоретических устройствах со "свободным потоком" или в способах на основе "блочного геля". Варианты реализации, описанные ниже, прежде всего относятся к проводящим объемам в форме физически ограниченных каналов, предназначенных для разделения объектов, но следует понимать, что данное условие не является ограничением для настоящего изобретения.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает сглаживание приложенного электрического поля путем преобразования дискретного электрического поля, полученного посредством блока для приложения электрического поля (например массива электродов), по существу в непрерывное поле, возбужденное в проводящем объеме. "Дискретное" электрическое поле представляет собой поле, которое имеет прерывистый профиль, например содержащий промежутки или резкие перепады или изменения напряженности, такие, которые могут наблюдаться в поле, имеющем "ступенчатый профиль". Например, дискретное электрическое поле может являться результатом действия множества источников точечного напряжения, которые расположены на некотором расстоянии друг от друга вдоль периферийной области проводящего объема (например, в случае канала вдоль его пути). "По существу непрерывное" электрическое поле означает электрическое поле, которое является более гладким, чем дискретное электрическое поле. Например, в вышеуказанном случае величина напряженности сглаженного электрического поля предпочтительно постепенно изменяется в интервале между местом расположения одного источника точечного напряжения и местом расположения следующего источника от значения напряженности, соответствующего первому точечному источнику, к значению, соответствующему второму точечному источнику. В целом, по существу непрерывное поле может быть гладко интерполировано между дискретными значениями напряженности приложенного поля. Однако в зависимости от степени сглаживания приложенного поля напряженность непрерывного поля может отклоняться до некоторой степени от точного линейного градиента или нелинейного градиента и, к тому же, может быть содержать некоторые неоднородности (пусть даже и с уменьшенной величиной, неоднородности дискретного поля).
Профилирование поля достигается путем формирования электрической граничной области между проводящим объемом и блоком для приложения электрического поля, которая имеет подходящие электрические и геометрические свойства, в результате чего блок для приложения электрического поля отделен от проводящего объема электрической граничной областью. В частности, сглаживание поля осуществляется по меньшей мере частично за счет ионного тока, протекающего внутри ионно-проводящего материала, формирующего часть электрической граничной области (или всю граничную область) и расположенного вплотную к проводящему объему и контактирующего с указанным проводящим объемом. Такое расположение имеет существенное преимущество, состоящее в том, что реакция электролиза происходит внутри электрической граничной области или в электродах (или другом источнике напряжения), но не в проводящем объеме. Таким образом, отсутствуют разрывы в среде непосредственно внутри проводящего объема.
Следует отметить, что электрическая граничная область не обязательно должна быть сформирована вдоль всей периферийной области проводящего объема, но может проходить только вдоль части проводящего объема. Например, если проводящий объем представляет собой канал, электрическая граничная область не обязательно должна быть сформирована вдоль всей длины канала, но может проходить только вдоль части канала.
Выражение "расположенный вплотную к проводящему объемом и контактирующий с ним" означает, что ионно-проводящий материал имеет прямой электрический контакт с проводящим объемом без какого-либо материала другого типа между ними. Электрическая граничная область может быть образована одиночным компонентом (ионно-проводящим материалом) или большим количеством компонентов, расположенных последовательно (и имеющих электрический контакт друг с другом) между блоком для приложения электрического поля и проводящим объемом. Согласно одному варианту реализации, как описано более подробно ниже, электрическая граничная область может содержать ионно-проводящий материал, размещенный рядом с проводящим объемом, и неионно-проводящий материал, например, электрически резистивный материал, причем указанный неионно-проводящий материал расположен между блоком для приложения электрического поля и ионно-проводящим материалом. Однако согласно другим предпочтительным вариантам реализации электрическая граничная область содержит ионно-проводящий материал. Иными словами, электрическая граничная область полностью сформирована ионно-проводящим материалом. Например, вышеуказанный (одиночный) ионно-проводящий материал, контактирующий непосредственно с проводящим объемом, может проходить непрерывно между проводящим объемом и блоком для приложения электрического поля. Согласно другому варианту реализации по меньшей мере два ионно-проводящих компонента или смесь ионно-проводящего и неионно-проводящего компонентов могут быть расположены последовательно между проводящим объемом и блоком для приложения электрического поля для формирования электрической граничной области.
Термин "ионно-проводящий материал" означает, что указанный материал проводит электричество за счет перемещения ионов. В указанном материале также может или не может происходить перемещение электронов или дырок. В дополнение к части электрической граничной области, контактирующей с проводящим объемом, предпочтительно сам проводящий объем также выполнен ионно-проводящим и не в первую очередь выполнен электрически проводящим. Например, проводящий объем может представлять собой канал, наполненный ионным проводником, таким как водный буфер, как описано более подробно далее.
Желательным является, чтобы проводимость/удельное сопротивление по меньшей мере одного или большего количества компонентов, формирующих электрическую граничную область, (и в частности компонентов на основе ионно-проводящего материала), была "согласована" с проводимостью/удельным сопротивлением проводящего объема. Термин "согласована" означает, что не обязательно данный или каждый компонент электрической граничной области должен иметь ионную проводимость, равную или по меньшей мере подобную ионной проводимости проводящего объема, но в то же время это является предпочтительным. Необходимо, чтобы относительные проводимости/удельные сопротивления были уравновешенными для предотвращения электрического тока, протекающего преимущественно через электрическую граничную область или проводящий объем. Если проводимость электрической граничной области является слишком высокой или слишком низкой, в проводящем объеме не может быть сформировано поле, имеющее необходимую форму. Причина заключается в том, что если относительные проводимости текучей среды и ионно-проводящего материала существенно отличаются друг от друга, то в соответствии с законом Ома весь ток, являющийся результатом приложенных напряжений, может протекать только через электрическую граничную область или только через проводящий объем. Это может в значительной степени исказить эффект сглаживания поля и привести к чрезмерному сглаживанию или недостаточному сглаживанию поля. В частности, если относительная проводимость электрической граничной области является слишком низкой, электрическое поле, возбужденное в проводящем объеме, может быть ослаблено, т.е., напряженность поля окажется намного ниже запланированной напряженности, сформированной у электродов, поскольку мощность по существу теряется в электрической граничной области.
Для достижения согласования не обязательно, чтобы удельные сопротивления/проводимости компонента или компонентов, формирующих электрическую граничную область, и проводящего объема были идентичными, причем в действительности это является чрезвычайно труднодостижимым. Однако согласно предпочтительным вариантам реализации проводимости/удельные сопротивления представляют собой величины одного порядка. Согласно наиболее предпочтительным вариантам реализации отношение удельного сопротивления/проводимости компонента или компонентов, формирующих электрическую граничную область, к удельному сопротивлению/проводимости компонента или компонентов проводящего объема (или наоборот) находится в диапазоне между 1:100 и 1:1, предпочтительно между 1:50 и 1:1, более предпочтительно между 1:10 и 1:1. Предпочтительно ионно-проводящий материал, контактирующий с проводящим объемом, выполнен непроницаемым для газов (образованных, например, в результате реакции электролиза в области расположения электродов) и таким образом препятствует проникновению указанных газов в проводящий объем. Согласно другому варианту реализации для перемещения пузырьков газа в направлении от проводящего объема могут быть использованы геометрические конструктивные элементы. Ионно-проводящий материал предпочтительно предотвращает любой контакт анализируемых веществ, которые должны быть разделены в проводящем объеме, с электродами. Например, поры в материале предпочтительно являются достаточно небольшими для предотвращения прохождения объектов через них. Это условие способствует удерживанию объектов внутри проводящего объема и препятствует потерям образца.
Согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации электрическая граничная область имеет тонкую, подобную мембране или пленке геометрическую форму, в результате чего ее ширина (т.е., расстояние между блоком для приложения электрического поля и проводящим объемом) по меньшей мере больше, чем ее толщина в направлении, перпендикулярном как указанному расстоянию, так и проводящему объему (например, продольной оси канала). Более предпочтительно расстояние между проводящим объемом и блоком для приложения электрического поля превышает толщину электрической граничной области по меньшей мере в два раза, предпочтительнее по меньшей мере в 5 раз, более предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, наиболее предпочтительно по меньшей мере в 100 раз.
Предпочтительная подобная мембране геометрическая форма эффективно усредняет напряжения между электродами. Она "рассредоточивает" каждое точечное напряжение вдоль периферийной области проводящего объема (с относительно небольшой дисперсией напряжения в любом другом направлении) и таким образом обеспечивает возможность сглаживания дискретного приложенного поля, возбужденного блоком для приложения электрического поля, прежде всего вдоль периферийной области проводящего объема. Благодаря небольшой толщине материала напряжение может быть распределено по существу равномерно в направлении толщины материале без возбуждения поперечных электрических полей в проводящем объеме. Однако согласно другому варианту реализации это может быть достигнуто путем выполнения блока для приложения электрического поля с возможностью приложения дискретного электрического поля, которое не изменяется в направлении толщины электрической граничной области (например, посредством электродов, которые контактируют с материалом по всей его толщине).
Вместе со сглаживанием электрического поля электрическая граничная область в то же время удерживает микрофлюидную среду в проводящем объеме отдельно от электродов для предотвращения нарушений процесса разделения или управления.
Предпочтительно проводящий объем сформирован в подложке или на подложке, и электрическая граничная область по существу заполняет полость, сформированную в подложке или на подложке. Сама подложка может быть легко изготовлена с использование выбранных способов микрообработки.
Предпочтительно высота проводящего объема приблизительно равна или больше, чем толщина граничной области в том же самом направлении. В частности, высота проводящего объема в 1-5 раз больше, чем толщина граничной области в том же самом направлении, предпочтительно в 1-3 больше, предпочтительнее приблизительно в 2 раза больше. Было выяснено, что указанные пропорции обеспечивают возможность формирования проводящего объема в виде канала посредством капиллярных сил, действующих на электрический материал граничной области, выполненный в форме текучей среды, как описано ниже.
Согласно предпочтительным вариантам реализации расстояние между местом приложения дискретного электрического поля и проводящим объемом составляет между 0,1 мм и 8 мм, предпочтительно между 0,5 мм и 2,5 мм. Предпочтительно толщина электрической граничной области находится между 0,1 мкм и 100 мкм, предпочтительно между 20 мкм и 40 мкм. Предпочтительно глубина (высота) проводящего объема находится между 0,1 мкм и 500 мкм, предпочтительно между 10 мкм и 100 мкм.
При некоторых обстоятельствах предпочтительно полость в подложке снабжена по меньшей мере одним штифтом для опоры и предотвращения сжатия верхней части подложки. Штифты также могут быть использованы для изменения электрических параметров поверхности раздела, как описано ниже. Кроме того, штифты обеспечивают дополнительную площадь поверхности, способствующую удерживанию материала или материалов в электрической граничной области.
Согласно предпочтительным вариантам реализации проводящий объем представляет собой канал, который может проходить по любому необходимому пути. Например, канал может быть линейным или может быть выполнен в форме замкнутого контура. Конструкция с замкнутым контуром обеспечивает некоторые преимущества по сравнению с конструкциями с незамкнутым контуром, такими как линейный канал. Во-первых, в каналах с замкнутым контуром устранены краевые эффекты, в результате которых напряженность электрического поля, возбужденного в линейном канале с обоих концов канала, отклоняется от необходимых уровней. Например, в линейном канале секции, расположенные в середине канала, обычно могут быть снабжены источниками приложенных напряжений с любой стороны секции вдоль канала, и таким образом напряжение, полученное в секции, является средним значением указанных двух напряжений. Однако секция, расположенная в конце канала, не "видит" источники напряжения, расположенные с обеих сторон, и "видит" только те источники, которые расположены на стороне другого конца канала. Это означает, что имеется асимметричное усреднение, которое вызывает искажение поля в секции, расположенной в конце канала. Во-вторых, при приложении электрических полей со сдвигом по времени к каналам с незамкнутым контуром могут возникнуть области, в которых поле изменяется совсем в небольшой степени, и направление электрического тока по существу не изменяется. Это может привести к тяжелому локальному ионному истощению в ионно-проводящем материале, размещенном в электрической граничной области. В результате, необходимая форма поля в канале может искажена, поскольку влияние ионного истощения имеет тенденцию к противодействию приложенному полю. Напротив, в канале с замкнутым контуром, таком как круговая конструкция, распространяющаяся электрическая "волна" (т.е., имеющий заданную форму, неоднородный профиль электрического поля) может быть сгенерирована с возможностью перемещения вокруг указанного контура. Такая волна "раскачивает" ионы в ионно-проводящем материале вокруг контура и таким образом непрерывно пополняет ионами любые деионизированные области и, соответственно, уносит ионы из насыщенных ионами областей, так что поле в канале остается сглаженным и устойчивым. В-третьих, в случае использования канала с незамкнутым контуром эффективная рабочая длина устройства определяется физической длиной канала. В системах с замкнутым контуром основной канал не имеет начала или конца, и таким образом устройство по существу имеет бесконечную рабочую длину.
Предпочтительно блок для приложения электрического поля содержит множество электродов, находящихся в электрическом контакте с электрической граничной областью, и блок для приложения электрического поля дополнительно содержит контроллер, выполненный с обеспечением возможности приложения напряжения к каждому электроду для возбуждения поля, имеющего необходимый профиль.
Электроды предпочтительно отделены друг от друга вдоль направления, соответствующего периферийной области проводящего объема. Например, если проводящий объем представляет собой канал, то предпочтительно электроды отделены друг от друга вдоль направления, соответствующего пути в канале.
Согласно предпочтительным вариантам реализации множество электродов расположены вдоль одной стороны проводящего объема. Предпочтительно блок для приложения электрического поля дополнительно содержит второе множество электродов, расположенных вдоль противолежащей стороны проводящего объема относительно первого множества электродов, и таким образом сформированы пары электродов, расположенных с противолежащих сторон проводящего объема, в результате чего напряжение может быть применено к каждому электроду из пары. Согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации по существу одинаковое напряжение приложено к обоим электродам в каждой паре. Однако в других случаях к каждому электроду в паре может быть приложены различные напряжения, например, для противодействия влиянию разности скоростей из-за кривизны проводящего объема (как описано в WO 2006/070176), или для управления полем, возбужденным внутри объема, в боковом направлении.
Устройство дополнительно содержит измеряющий блок для измерения электрического поля, выполненный с возможностью измерения напряженности электрического поля, возбужденного в проводящем объеме, (и/или вдоль электрического граничного материала); причем контроллер выполнен с возможностью изменения приложенного дискретного электрического поля на основании измеренной напряженности электрического поля. Соответственно, кроме "записывающих" электродов, прикладывающих дискретное электрическое поле, для измерения приложенного поля и управления указанным полем могут быть использованы "считывающие" электроды. "Считывающие" электроды могут контактировать непосредственно с проводящим объемом или могут измерять возбужденное электрическое поле посредством части электрической граничной области (которая может быть или не может быть электрической граничной областью, расположенной между проводящим объемом и блоком для приложения электрического поля). Например, измеряющий блок для измерения электрического поля содержит множество электродов, находящихся в электрическом контакте с электрической граничной областью, причем указанное множество электродов измеряющего блока для измерения электрического поля предпочтительно расположены на противолежащей стороне проводящего объема относительно блока для приложения электрического поля. Согласно дополнительным предпочтительным вариантам реализации устройство может использовать один и тот же электрод или электроды в качестве записывающих или считывающих электрода или электродов с переключением в случае необходимости между указанными двумя режимами. Например, контроллер может быть выполнен с возможностью прекращения подачи напряжения к каждому электроду в течение короткого периода с регулярными интервалами, а вместо этого мгновенно считывать локальную напряженность поля перед возобновлением подачи напряжения.
Подложка может быть снабжена отверстиями (также называемыми лунками или луночными блоками), соединенными с полостью (и граничной областью, заполняющей указанную полость) и с поверхностью подложки, для размещения в них электродов во время использования. Отверстия могут быть заполнены ионно-проводящей текучей средой, такой как водный буфер, тиксотропный гель или вязкий гель, и расположены таким образом, что электроды погружаются в ионно-проводящую текучую среду. Предпочтительно указанная конструкция имеет точки выхода для газовых продуктов электролиза. Кроме того, оснащение подложки отверстиями, наполненными ионным проводником, обеспечивает ионный резервуар достаточного размера для смягчения ионного истощения в ионно-проводящем материале, размещенном в электрической граничной области. В качестве альтернативы погруженным электродам, таким как описанные выше, на подложке могут быть осаждены проводящие электроды (например, выполненные из металлической пленки), в результате по меньшей мере один соединитель или соединители могут быть сформированы на предложенном устройстве для его интегрирования с системой управления электрическим полем. Указанные электроды могут контактировать с граничным материалом, а для выпуска электролизных газов могут быть выполнены вентиляционные отверстия.
Предпочтительно блок для приложения электрического поля дополнительно содержит соединительные плечи, такие как флюидные плечи, расположенные с возможностью электрического соединения каждого электрода с электрической граничной областью. Например, вышеуказанные лунки могут быть соединены с полостью, наполненной электрической граничной областью, посредством указанных соединительных плеч. Использование флюидных плеч в блоке для приложения электрического поля способствует повышению гибкости конструкции. Например, отверстия могут быть просверлены в верхней части подложки и могут иметь любую конструкцию, подходящую для применения, в то время как флюидные плечи действуют в качестве проводников для приложения напряжений к электрической граничной области. Путем тщательного проектирования размеров каждого плеча (и, следовательно, электрического сопротивления, которое оно имеет) обеспечивается возможность управления уровнем напряжения, приложенного к материалу. Каждое соединительное плечо предпочтительно соединяет один из электродов с электрической граничной областью.
Если проводящий объем представляет собой канал, то отверстия в подложке могут быть периодически отделены друг от друга вдоль одиночной линии, которая следует за периферийной областью проводящего объема. Однако это не является существенным, и каждое отверстие может быть расположено на различном расстоянии от проводящего объема. Согласно одному варианту реализации отверстия могут быть расположены в шахматном порядке относительно периферийной области проводящего объема для максимизации количества отверстий, которые могут быть размещены вдоль периферийной области проводящего объема. Разница в расположении отверстий (и, следовательно, электродов, которые они содержат при использовании) может быть компенсирована конструкцией флюидных плеч блока для приложения электрического поля, проходящих между отверстием и материалом. Однако, согласно другим вариантам реализации изменяющиеся расстояния могут быть использованы для задания изменения напряжений, которое является необходимым для возбуждения электрического поля вдоль периферийной области проводящего объема.
Если проводящий объем представляет собой канал в форме незамкнутого контура (например, канал, имеющий по меньшей мере два различных "конца", физических или нефизических), блок для приложения электрического поля может быть выполнен с возможностью противодействия краевым эффектам поля. Например, в случае линейного канала могут быть использованы два дополнительных электрода для подачи дополнительного напряжения в каждом конце канала. Предпочтительно указанные электроды вставлены в луночные блоки в канале, в результате чего указанные луночные блоки также могут быть служить в качестве входных и/или выходных отверстий в канале.
Как указано выше, электрическая граничная область может содержать больше одного компонента и согласно одному варианту реализации содержит ионно-проводящий материал и неионно-проводящий материал таким образом, что ионно-проводящий материал расположен между неионно-проводящим материалом и проводящим объемом, и дискретное электрическое поле приложено блоком для приложения электрического поля к неионно-проводящему материалу. Например, неионно-проводящий материал может быть размещен между ионно-проводящим материалом и электродами. Неионно-проводящий материал обеспечивает проводимость прежде всего за счет перемещения электронов (и/или дырок) и может быть, например, резистивным полимером или полупроводником, таким как кремний.
Согласно данным вариантам реализации предпочтительно проводимость неионно-проводящего материала и проводимость ионно-проводящего материала являются согласованными таким образом, что неионно-проводящий материал и ионно-проводящий материал способствуют сглаживанию дискретного электрического поля. Как описано выше в связи с относительными проводимостями/удельными сопротивлениями проводящего объема и электрической граничной области, в настоящем контексте термин "согласованный" не означает, что указанные проводимости/удельные сопротивления должны быть равными, не смотря на то, что предпочтительно они по меньшей мере должны быть подобными. При "согласовании" проводимости/удельные сопротивления двух (или большего количества) компонентов электрической граничной области учитываются наряду с параметрами приложенного поля таким образом, что неионно-проводящий материал и ионно-проводящий материал оба способствуют сглаживанию дискретного электрического поля. Если, с другой стороны, относительные проводимости указанных двух материалов заметно отличаются друг от друга, то в соответствии с законом Ома весь ток, являющийся результатом приложенных напряжений, может проходить только через ионно-проводящий материал или только через неионно-проводящий материал. Таким образом, может быть значительно изменен эффект сглаживания поля, что приводит к чрезмерному или недостаточному сглаживанию поля и может вызвать эффект экранирования поля. Таким образом, согласно предпочтительным вариантам реализации величины проводимостей/удельных сопротивлений компонентов имеют одинаковый порядок. Согласно наиболее предпочтительным вариантам реализации отношение проводимостей/удельных сопротивлений указанных двух материалов находится в диапазоне между 1:100 и 1:1, предпочтительно между 1:50 и 1:1, более предпочтительно между 1:10 и 1:1.
Те же рассуждения справедливы к электрической граничной области, содержащей два или большее количество последовательных ионно-проводящих компонентов или смесь ионно-проводящих и неионно-проводящих компонентов, если проводимости/удельные сопротивления каждого компонента предпочтительно являются "согласованными".
Конструкции, содержащие неионно-проводящий материал в качестве части электрической граничной области, имеют некоторые преимущества. В частности, они обеспечивают гибкость при соединении с блоком для приложения электрического поля. Например, электроды могут быть соединены с "сухим" твердым материалом (например, кремнием) вместо погружения в наполненные текучей средой лунки, как описано выше. Это может облегчить создание более компактного и герметичного устройства. С другой стороны, недостаток таких конструкций состоит в том, что комбинация ионно-проводящего материала (обычно содержащего текучую среду) и "сухого" неионно-проводящего материала требует наличия области раздела между текучей средой и твердой средой, которая имеет тенденцию к развитию реакции электролиза и появлению пузырьков газа. Соответственно, в таких конструкциях необходимо, чтобы поры или лунки, расположенные в указанной области раздела, действовали в качестве выпускных отверстий для пузырьков газа.
Ионно-проводящий материал, например, может содержать полимер. Предпочтительно полимеры могут быть легко введены в устройство согласно настоящему изобретению в жидкой форме и затем полимеризованы на месте с использованием химического инициатора, или, например, посредством термоинициирования или фотоинициирования.
Предпочтительно ионно-проводящий материал представляет собой пористый материал. "Пористый" материал представляет собой материал, через который может протекать текучая среда, например, через поры, каналы или полости в указанном материале. Примерами пористых материалов являются пена, губка или любой другой материал матричного или ячеистого типа. Например, ионно-проводящий материал представляет собой пористое стекло или пористый керамический материал.
Согласно другому варианту реализации ионно-проводящий материал представляет собой гидрогель. Гидрогели относятся к классу полимерных материалов, которые могут абсорбировать водные растворы, но сами не растворяются в воде. Гидрогели отличаются различными свойствами, благодаря которым они являются наиболее подходящими для использования в недавно открытой области формирования поверхностей раздела. В частности, они являются пористыми, причем размеры их пор обычно находятся по меньшей мере в нанометровом диапазоне. Это означает, что они являются проницаемыми для молекул воды и малых ионов, но непроницаемыми для больших молекул анализируемых веществ, включая биомолекулы, такие как протеины или ДНК. Кроме того, гидрогели обычно являются непроницаемыми для пузырьков газа и таким образом предотвращают проникновение газовых продуктов реакции электролиза, возникающей в области электродов, в проводящий объем.
Согласно предпочтительному варианту реализации удельное сопротивление граничной области электрического поля является постоянным по всему объему граничной области электрического поля. Электрическая гомогенность электрической граничной области в целом является предпочтительной для достижения сглаживающего эффекта изотропного поля. Согласно другим вариантам реализации удельное сопротивление граничной области электрического поля изменяется в одном направлении, например, в направлении, перпендикулярном периферийной области проводящего объема или вдоль направления канала. Это может обеспечивать возможность, например, приложения полей различной силы к множеству концентрических круговых каналов, отделенных друг от друга частью граничной области электрического поля, с использованием при этом одиночного блока для приложения электрического поля.
Изменение удельного сопротивления электрической граничной области может быть достигнуто изменением состава материала области по меньшей мере в одном или большем количестве направлений, например, с использованием множественных электрических граничных компонентов с различными электрическими параметрами. Однако на практике такое изменение может быть затруднительным. Согласно другому варианту реализации изменение удельного сопротивления может быть облегчено установкой штифтов в полости и изменением их размера или их плотности по меньшей мере в одном или большем количестве направлений. Такая конструкция создает эффект удаления проводящего материала и, таким образом, увеличения удельного сопротивления электрической граничной области (или его уменьшения, если плотность штифтов является уменьшенной). Согласно другому варианту реализации способ изменения удельного сопротивления электрической граничной области состоит в изменении глубины полости.
Предпочтительно электрическая граничная область имеет проводимость и относительную толщину, при которых электрический ток не является чрезмерным для предотвращения омического нагрева и чрезмерного электролиза в областях размещения электродов.
Согласно предпочтительным вариантам реализации подложка выполнена электрически резистивной или изолирующей. Предпочтительно подложка выполнена прозрачной для любого одного или большего количества из видимого, инфракрасного или ультрафиолетового излучения, для обеспечения возможности обработки электрического материала граничной области способом фотолитографии и фотополимеризации через подложку, или для создания устройства, подходящего для использования с оптическими технологиями обнаружения. Однако согласно другим вариантам реализации подложка не выполнена оптически прозрачной.
Предпочтительно устройство согласно настоящему изобретению обеспечивает возможность одновременного исследования в проводящем объеме. Например, проводящий объем содержит множество каналов, причем каждый канал отделен в боковом направлении от следующего канала частью электрической граничной области, при этом блок для приложения электрического поля выполнен с возможностью приложения дискретного электрического поля к одной части электрической граничной области, в результате чего дискретное электрическое поле сглажено электрической граничной областью таким образом, что в каждом из каналов возбуждено по существу непрерывное электрическое поле. Согласно предпочтительному варианту реализации по существу непрерывное электрическое поле, возбужденное в каждом канале, является по существу одинаковым, несмотря на то, что, как указано выше, это не является существенным. Согласно другому варианту реализации множественные каналы могут быть сложены один поверх другого внутри проводящего объема, причем каждый слой содержит канал, отделенный слоем изолятора, при этом электрический граничный материал контактирует с одной или обеими сторонами каждого из содержащих канал слоев. Согласно другому варианту реализации слои граничного материала и слои, содержащие проводящий объем (канал), могут быть сложены один поверх другого и разделены изоляционными слоями. Входные каналы для ввода образцов в разделительные каналы внутри проводящего объема могут быть встроенными в изоляционные слои.
Устройство согласно настоящему изобретению может быть, например, микрофлюидным устройством и/или разделительным устройством для разделения объектов, причем проводящий объем представляет собой разделительный канал. Например, устройство может быть разделительным устройством для разделения объектов, которое содержит:
устройство согласно настоящему изобретению, в котором проводящий объем представляет собой разделительный канал, который при использовании содержит объекты, которые должны быть разделены, в результате чего возбужденное в канале по существу непрерывное электрическое поле генерирует электрическую силу, действующую на каждый объект; и
уравновешивающий источник, выполненный с возможностью генерировать силу, противодействующую электрической силе на каждом объекте;
в результате чего объекты в разделительном канале принуждены к разделению на полосы под комбинированным действием электрического поля и уравновешивающего источника. "Уравновешивающая" сила или сила, являющаяся результатом действия уравновешивающего источника, может быть силой или силами, вызванными гидродинамическим сопротивлением объекта, проходящего сквозь статическую текучую среду или гель, или проводящий объем может быть заполнен хроматографическим гелем или мицеллами, так что уравновешивающая сила или силы могут возникать в результате процессов фильтрации по размеру и/или хроматографического разделения по сродству. Уравновешивающая сила также может возникать в результате гидродинамической или электрическо-осмотической перекачки текучей среды через проводящий объем.
Согласно предпочтительному варианту реализации устройство представляет собой электрофоретическое устройство, в котором уравновешивающий источник представляет собой текучую среду, размещенную в разделительном канале вместе с объектами, которые должны быть разделены, причем указанное устройство дополнительно содержит контроллер, выполненный с обеспечением возможности изменения приложенного дискретного электрического поля для регулирования профиля электрического поля относительно разделительного канала, в результате чего объекты в разделительном канале принуждены к разделению на полосы под комбинированными действием электрической силы, сгенерированной электрическим полем, возбужденным в канале, и гидродинамическую силы, сгенерированной текучей средой. Таким образом, в данном случае уравновешивающая сила представляет собой гидродинамическую силу.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения способ изготовления устройства включает этапы, согласно которым:
берут блок для приложения электрического поля, выполненный с возможностью генерирования электрического поля, имеющего профиль дискретного электрического поля,
берут проводящий объем,
образуют электрическую граничную область между проводящим объемом и блоком для приложения электрического поля, причем указанная электрическая граничная область содержит по меньшей мере ионно-проводящий материал, расположенный вплотную к проводящему объему и контактирующий с ним, и
прикладывают дискретное электрическое поле к электрической граничной области в месте, отделенном от проводящего объема,
так что приложенное дискретное электрическое поле сглажено электрической граничной областью таким образом, что электрическое поле, возбужденное в проводящем объеме, имеет по существу непрерывный профиль.
Предпочтительно проводящий объем формируют травлением поверхности подложки с использованием выбранных способов микромеханической обработки. Согласно другому варианту реализации проводящий объем формируют соединением вместе двух или большего количества пластин, по меньшей мере одна из которых обработана травлением или иным способом для формирования подложки, содержащей проводящий объем (например, внутренний канал).
Предпочтительно в подложке может быть сформирована полость с использованием подобных способов микромеханической обработки. Затем указанная полость может быть заполнена форполимером, таким как мономер или материал в жидкой форме, например жидкий форполимер, который впоследствии может быть полимеризован или отвержден для формирования по меньшей мере одного компонента электрической граничной области. Как правило, указанный компонент представляет собой ионно-проводящий компонент электрической граничной области. Предпочтительно электрический материал граничной области гидратируют перед размещением/введением в полость (и перед отверждением/полимеризацией). Такой порядок операций уменьшает возможность существенного изменения объема материала (в частности, его разбухания) после размещения в полости, которое может произойти, если материал был гидратирован после отверждения. Это может привести к растрескиванию подложки и/или уменьшению проводящего объема.
Согласно предпочтительным вариантам реализации полимеризацию осуществляют с использованием фотоинициатора или термического инициатора. Фотоинициатор представляет собой каталитический ингредиент, который делает полимер чувствительным к свету, обычно ультрафиолетовому облучению. Процесс полимеризации инициирован свободными радикалами, которые образуются фотоинициатором при облучении светом с соответствующей длиной волны. Фотоинициаторы обычно вырабатывают свободные радикалы под действием фотонов, обычно ультрафиолетовых, но также могут быть активированы видимым светом или даже электронным лучом. Таким образом, полимеризацией материала можно управлять облучением, например, ультрафиолетового света. Также может быть использован подходящий инициатор, который не требует термоинициирования или фотоинициирования для полимеризации материала электрической граничной области. Например, инициирование полимеризации акриламида персульфатом аммония/тетраметилэтилендиамином.
Это приводит к возможности фотолитографической обработки материала для формирования в нем канала. Например, фотошаблон может быть размещен поверх области устройства, в которой должен быть сформирован проводящий объем. При обработке фотоинициализирующим облучением открытые области материала отверждаются, в то время как маскированный проводящий объем остается текучей средой. Затем материал внутри проводящего объема удаляют, например, промыванием, для формирования необходимого объема. Согласно наиболее предпочтительным вариантам реализации этап промывания выполняют с использованием текучей среды, которую проводящий объем должен содержать при использовании, например, буферного или фильтрующего геля, в результате чего проводящий объем готов для использования.
Подобным образом, для управления полимеризацией путем увеличения температуры может быть использован термический инициатор. Термическими инициаторами являются молекулы, которые распадаются при нагреве и образуют свободные радикалы. Нагрев может быть глобальным (например, нагревом всего устройства) или локальным, например, с использованием микроволнового излучения или лазеров. Таким образом, может быть достигнута обработка электрической граничной области, подобная литографической обработке. После полимеризации электрического граничного материала устройство может быть наполнено буфером для обеспечения возможности уравновешивания его ионного содержания перед использованием указанного устройства.
Согласно другому варианту реализации проводящий объем может быть получен с использованием капиллярных сил, действующих на электрический материал граничной области в жидкой форме, например, на форполимер перед его полимеризацией. Проводящий объем (например, канал) может быть получен с использованием полости подходящих размеров, причем глубина канала больше, чем толщина граничной области, предпочтительно примерно в два раза больше толщины граничной области. Было выяснено, что такое соотношение обеспечивает возможность заполнения полости без заполнения канала. Однако, как указано выше, другие размеры полости/канала также могут способствовать достижению указанного эффекта, в зависимости от вязкости флюидного материала граничной области и поверхностной энергии конкретного материала, из которого выполнена подложка (помимо прочих параметров). Например, глубина канала предпочтительно в 1-5 раз больше, более предпочтительно в 1,5-3 раза больше, чем толщина полости. После соответствующего заполнения полости форполимером, указанный форполимер полимеризуют, как описано выше.
Перед заполнением полости форполимером поверхности полости обрабатывают, например, силанизированием для улучшения адгезии электрического материала граничной области при соединении с подложкой. Также материал может быть селективно обработан силанизированием различных областей полости, в результате чего некоторые области становятся гидрофобными, а некоторые области становятся гидрофильными. Согласно другому варианту реализации или в дополнение к данному силанизирующий препарат в случае необходимости может быть добавлен к смеси форполимера.
Согласно другому варианту реализации между полостью и проводящим объемом может быть сформирован физический барьер для предотвращения попадания материала в проводящий объем. Например, область уменьшенного размера может быть достаточной для прекращения продвижения флюидного материала.
Предпочтительно проводящий объем обрабатывают подходящим способом, так что во время анализа объектов или представляющих интерес анализируемых веществ, присутствующих в проводящем объеме, предотвращено их прилипание к внутренним стенкам или внутренней поверхности проводящего объема. Например, внутренняя поверхность проводящего объема может быть силанизирована или покрыта подходящим материалом, таким как полимер.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры устройств и способов для сглаживания формы электрического поля, а также способов изготовления устройства согласно настоящему изобретению будут описаны ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
На фиг. 1 схематически показан первый вариант реализации устройства согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 схематично показана часть устройства, показанного на фиг. 1.
На фиг. 3 схематически показано сглаживание профиля электрического поля посредством электрической граничной области.
На фиг. 4А показан график распределения напряжения, соответствующего примеру профиля дискретного ("несглаженного") электрического поля, возбужденного блоком для приложения электрического поля вдоль канала.
На фиг. 4В показан график дискретного электрического поля, соответствующего показанному на фиг. 4А.
На фиг. 4С показан график распределения напряжения, соответствующего примеру профиля непрерывного электрического поля, полученного в проводящем объеме, имеющем форму канала, при использовании электрической граничной области для сглаживания профиля дискретного электрического поля.
На фиг. 4D показан график электрического поля, соответствующего показанному на фиг. 4С.
На фиг. 5А, 5В и 5С соответственно показаны разрезы дополнительных вариантов реализации устройств согласно настоящему изобретению.
На фиг. 6А и 6В показано формирование канала за счет капиллярных сил.
На фиг. 7А-7С показан способ формирования электрической граничной области и канала в подложке.
На фиг. 8А-8С показаны дополнительные примеры способов изготовления устройств согласно настоящему изобретению.
На фиг. 9 показан вид сверху первого варианта реализации с проводящим объемом в форме линейного канала и электрической граничной областью, расположенной вдоль обеих сторон канала.
На фиг. 10 схематически показан второй вариант реализации с проводящим объемом в форме линейного канала и электрической граничной областью, расположенной только вдоль одной стороны канала.
На фиг. 11 схематически показан третий вариант реализации с электрической граничной областью, состоящей из ионно-проводящего материала и неионно-проводящего материала.
На фиг. 12 показан график примера профиля электрического поля вдоль проводящего объема в форме линейного канала.
На фиг. 13 схематически показан третий вариант реализации с проводящим объемом в форме кругового канала.
На фиг. 14 показан график примера профиля электрического поля вдоль кругового канала.
На фиг. 15 схематически показано устройство, содержащее круговой канал и прерывистую граничную область.
На фиг. 16А схематически показан четвертый вариант реализации устройства, содержащего круговой канал и асимметричную конструкцию электродов.
На фиг. 16В схематически показана часть четвертого варианта реализации устройства, согласно которому представляющие интерес анализируемые вещества разделяются на "полосы".
На фиг. 17А и 17В схематически показан дополнительные варианты реализации устройств, содержащих линейные и круговые каналы соответственно и перемежающиеся конструкции электродов и считывающих электродов, расположенных между записывающими электродами.
На фиг. 18 схематично показан пример шахматного расположения электродов.
На фиг. 19А и 19В соответственно показаны вид сверху и разрез другого варианта реализации части устройства согласно настоящему изобретению.
На фиг. 20А, 20В, 21 и 22 показаны дополнительные варианты реализации устройств.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следует понимать, что устройства и способы в соответствии с описанными в настоящей заявке вариантами реализации могут иметь широкое применение и могут использоваться в любом устройстве, в котором требуется использование сглаженного электрического поля, таком как, например, микрофлюидные устройства или LOC (лаборатория на чипе). Потенциальные области применения включают основанные на электрофорезе технологии, используемые для разделения объектов, или другие способы разделения, такие как центробежная спектрометрия, как описано в документе ЕР 1455949. Дополнительные области применения включают микрофлюидные устройства для разделения объектов в гидрофильных областях, расположенных, например, на гидрофобных бумажных подложках, в устройствах электрофореза со свободным потоком, в блочных гелях, или в электрохроматографии.
Примеры вариантов реализации, описанные ниже, сосредоточены на случаях применения электрофореза для разделения объектов в каналах, в частности в способах, использующих сдвиг посредством электрического поля, описанный в WO 2006/070176, но подразумеваться, что применение настоящего изобретения не ограничивается указанной областью.
Объекты для разделения включают, например, полимеры, такие как протеины, молекулы ДНК, молекулы РНК или биомолекулы других типов, такие как биологические клетки. Неорганические объекты, такие как макрочастицы, например красители, пигменты, пылевые частицы и т.п., также могут быть использованы в качестве объектов разделения. По меньшей мере некоторые из объектов имеют эффективный электрический заряд и, таким образом, испытывают действие силы, приложенной электрическим полем. Заряд может быть присущим указанному объекту (например, иону) или может появляться в результате электрического двойного слоя объекта в текучей среде (например электрокинетический потенциал).
На фиг. 1 показано устройство 1 согласно первому варианту реализации настоящего изобретения, содержащее проводящий объем 2 в форме канала, который, например, может быть осуществлен в капиллярной трубке или на микрофлюидном чипе. Проводящий объем 2 далее обозначен как канал 2, но подразумевается, что указанная форма проводящего объема не является ограничением настоящего изобретения. Подобным образом, соответствующая периферийная область проводящего объема представляет собой сторону канала, проходящую вдоль канала 2, причем указанная сторона также не является ограничением настоящего изобретения.
Устройство 1 дополнительно содержит поле, образующее электрическую граничную область 3, которая согласно данному варианту реализации состоит из ионно-проводящего материала 3, расположенного вдоль канала 2 и находящегося в электрическом контакте с каналом 2. Согласно данному варианту реализации, поскольку электрическая граничная область 3 содержит только один компонент (ионно-проводящий материал), указанная область 3 далее обозначена в качестве синонима как "электрический граничный материал 3". Данный термин далее используется для всех вариантов реализации, за исключением третьего, описанного ниже. Однако следует понимать, что указанный термин не является ограничением, поскольку электрическая граничная область 3 может содержать другие компоненты в форме дополнительных ионных или неионных проводящих материалов, как описано более подробно ниже в отношении третьего варианта реализации, показанного на фиг. 11.
Устройство 1 дополнительно содержит блок 4 для приложения электрического поля, который, например, может содержать массив разделенных электродов (например ряд электродов) для прикладывания электрического поля к материалу 3 вдоль канала 2 и контроллер 6, причем указанные электроды ниже обозначены как "записывающие" электроды 5а. Согласно предпочтительным вариантам реализации электроды периодически расположены вдоль канала 2, но это не является существенным.
Для измерения приложенного электрического поля дополнительно может быть использован измеряющий блок для измерения электрического поля, содержащий, например, массив "считывающих" электродов 5b. Согласно данному варианту реализации "считывающие" электроды измеряют электрическое поле во второй части электрического граничного материала 3, который находится на противолежащей стороне канала относительно "считывающих" электродов. Однако могут быть использованы другие конструкции, как будет описано ниже.
Контроллер 6 может содержать блок питания 6b для генерирования отдельных напряжений в записывающих электродах 5а и процессор 6а, который принимает напряжения обратной связи от считывающих электродов 5b и регулирует генерируемые напряжения в ответ на принятую обратную связь. Контроллер, например, может управлять способом, описанным в WO 2006/070176, генерирования напряжений согласно необходимому профилю поля, который изменяется со временем. Согласно другому варианту реализации может быть приложено несдвигающееся (т.е., не изменяющееся с временем) поле любой заданной формы. Примеры профилей поля приведены ниже.
Как описано более подробно ниже, канал 2 может иметь любую форму, включая прямолинейную, как показано на фиг. 1, или криволинейную. Согласно некоторым вариантам реализации канал может иметь форму замкнутой петли. Если устройство 1 представляет собой электрофоретическое устройство для разделения объектов, то канал 2 может содержать текучую среду, которая предпочтительно может быть буфером, обычно проводящим, например, водным или гелевым буфером. РН фактор текучей среды влияет на наблюдаемый электрический заряд, демонстрируемый объектами, которые должны быть разделены и, следовательно, могут быть выбраны в зависимости от природы анализируемых веществ, которые должны быть разделены в канале 2, для достижения оптимального разделения. В случае ДНК или, например, денатурированных протеинов, обработанных додецилсульфатом натрия, pH фактор буфера обычно находится в диапазоне 7,5-9. Однако другие диапазоны pH фактора могут быть больше подходящими для других типов анализируемого вещества, например, для неизмененных белков и метаболитов могут потребоваться другие уровни pH фактора для достижения оптимального разделения. pH фактор проводящего объема не обязательно должен быть постоянным вдоль всего устройства, и в случае необходимости в различных участках устройства могут быть заданы различные уровни pH фактора. Объекты, которые должны быть разделены, являются взвешенными в текучей среде в канале 2. Также может быть предусмотрен детектор для обнаружения событий, происходящих в канале. Например, мог быть использован детектор любого типа, из описанных в WO 2006/070176.
Как описано более подробно ниже, электрический граничный материал 3 выполнен ионно-проводящим (т.е., пропускает электрический ток за счет перемещения ионов) и предпочтительно может содержать полимер, такой, например, как гидрогель, или пористый материал, такой как пористое стекло, пористая керамика, пена или губка, пропитанная электролитом. Следует отметить, что сам материал 3 может быть ионно-проводящим и/или может содержать внутри себя имеющее ионную проводимость вещество, например водный буфер. Подходящий для использования буфер представляет собой трис-боратный буфер (ТВЕ) предпочтительно с концентрацией в диапазоне от 0,1X до 10Х (обычно ТВЕ поставляется с концентрацией 10Х, который затем разбавляют до необходимой концентрации; например, для получения ТВЕ с концентрацией IX необходимо исходный ТВЕ разбавить деминерализованной водой в пропорции 1:10. Обычная процедура получения из указанных компонентов маточного раствора ТВЕ с концентрацией 10х состоит в следующем: отмеряют 54 г трис-основания (молекулярный вес по формуле=121,14) и 27,5 г борной кислоты (молекулярный вес по формуле=61,83) и затем растворяют оба компонента приблизительно в 900 мл деминерализованной воды; добавляют 20 мл этилен-диамин-тетрауксусной кислоты (ЭДТК) с концентрацией 0,5 М (pH фактор 8.0) и доводят раствор до конечного объема 1 л). Следует понимать, что ТВЕ используется только в качестве примера, и также могут использоваться другие подходящие буферные системы.
Электрический граничный материал 3 предпочтительно имеет умеренное или высокое удельное сопротивление для снижения электрического нагрева и чрезмерного электролиза в областях, в которых расположены электроды. Однако предпочтительно удельное сопротивление электрического граничного материала сопоставимо с удельным сопротивлением проводящего объема 2 для достижения соответствующей степени выравнивания, как описано более подробно ниже.
Согласно данному варианту реализации электрический граничный материал 3 расположен в полости 7а подложки 7, выполненной из электрически изолирующего материала, такого как стекло или пластик. Полость 7а предпочтительно спроектирована таким образом, что может быть полностью заполнена электрическим граничным материалом 3. В устройстве 1, показанном на фиг. 1, подложка 7 изготовлена в форме одной интегральной части, причем канал 2 сформирован в подложке 7 в середине полости 7а, например, литьем во время изготовления подложки. Согласно другим вариантам реализации, подробно описанным ниже, канал 2 может быть сформирован соединением двух или большего количества частей подложки. Согласно другим вариантам реализации указанный канал может быть сформирован на наружной поверхности подложки. Полость 7а также может быть выполнена внутри или снаружи.
Согласно другим вариантам реализации электрический граничный материал может быть использован в указанном устройстве без размещения внутри полости. Например, материал может быть соединен с поверхностью устройства в подходящем месте для входа в контакт по меньшей мере с краем канала.
3
Если электрический граничный материал расположен внутри подложки, электродные массивы 5а, 5b могут быть соединены с несколькими контактными точками на полости 7а посредством переходных отверстий 8, также называемых лунками или луночными блоками. Отверстия, показанные на фиг. 1, являются круглыми, но следует понимать, что отверстия могут иметь любую форму, включая эллиптическую или прямоугольную. Каждое отверстие 8 обеспечивает доступ с поверхности подложки к верхней или наружной стороне внутренней стенки полости 7а таким образом, что электрод, размещенный в отверстии 8, может установить прямой электрический контакт с электрическим граничным материалом 3. Согласно другим вариантам реализации непрямой электрический контакт между электродами 5а, 5b и электрическим граничным материалом 3 достигается посредством блока для приложения электрического поля, оснащенного заполненным текучей средой соединением, как описано ниже. Каждое отверстие 8 также может действовать в качестве лунки, содержащей ионный проводящий раствор (например водный буфер), для добавления электрического граничного материала 3. Предпочтительно размер резервуара, образованного лунками, является достаточным для компенсации ионного обеднения в электрическом граничном материале. Например, каждая лунка может иметь размеры, обеспечивающие объем приблизительно 1 мм.
Согласно некоторым вариантам реализации поверх отверстий 8 может быть расположено вентиляционное средство (не показано) для удаления электролизных газов, закрывающее лунки для предотвращения утечки указанных газов. Предпочтительно указанное вентиляционное средство выполнено из отталкивающего водный электролит микропористого материала, расположенного в отверстиях 8. Предпочтительно устройство 1 согласно настоящему изобретению выполнено в форме запечатанного картриджа для предотвращения просачивания содержания (т.е., электролита в отверстиях 8). Согласно некоторым вариантам реализации электроды могут быть выполнены с возможностью прокалывания вентиляционного средства при их установке на указанное устройство.
Полость 7а имеет ширину (w), измеренную между отверстиями 8 и ближайшей стороной канала 2, которая задает разделяющее расстояние между записывающими электродами 5а и необходимую степень выравнивания электрического поля. Например, отверстия 8 могут быть расположены вдоль канала 2 с интервалом обычно в пределах от 100 мкм до нескольких миллиметров. Чем больше ширина (w), тем большая степень выравнивания может быть достигнута. Однако, если разделяющее расстояние между записывающими электродами является небольшим, может оказаться достаточной относительно низкая степень выравнивания (и, следовательно, уменьшенная ширина (w). Предпочтительно ширина (w) в направлении Y по меньшей мере равна толщине (t) материала 3 в направлении Z и предпочтительно намного больше указанной толщины. Таким образом, материал имеет подобную мембране конфигурацию.
Согласно одному варианту реализации ширина (w) полости 7а в направлении Y составляет между 0,1 мм и 5 мм, в то время как разделяющее расстояние между электродами вдоль канала в направлении X составляет приблизительно 3 мм, длина (I) полости 7а вдоль канала в направлении X составляет несколько сантиметров (например, 12 см), и толщина (t) полости 7а в направлении Z составляет между 1 мкм и 100 мкм. В некоторых случаях предпочтительно толщина (t) полости 7а является небольшой или по большей мере равной глубине (d) канала 2, так что взаимодействие между анализируемыми веществами в указанном канале и граничным материалом электрического поля является минимальным. Например, для канала 2, который имеет глубину 10-100 мкм и ширину 20-200 мкм, толщина (t) полости 7а предпочтительно составляет 1-100 мкм, а ее ширина (w) составляет 1-5 мм. Согласно другим вариантам реализации предпочтительно граничный материал 3 окружает канал 2, например, со всех сторон (включая верхнюю и нижнюю), для достижения улучшенной однородности поля в плоскости Y-Z. Другие примеры размеров будут приведены ниже при описании различных способов изготовления устройств согласно настоящему изобретению.
Следует отметить, что в вариантах реализации, в которых не используется полость для размещения электрического граничного материала, вышеуказанные размеры полости могут быть в равной мере применены непосредственно к электрическому граничному материалу.
В дополнение к отверстиям 8 для соединения электродов луночные блоки, которые служат в качестве входных отверстий и/или выходных отверстий 9а, 9b, могут быть использованы для введения в канал 2 и/или извлечения из канала 2 текучей среды и/или анализируемых веществ. В случае линейного канала 2, как показано на фиг. 1, два дополнительных луночных блока 9а, 9b используются для установки дополнительных записывающих электродов (не показаны), являющихся частью блока для приложения электрического поля 4, которые обеспечивают дополнительные напряжения для устранения краевых эффектов электрического поля, как подробно описано ниже. Эти луночные блоки также могут служить в качестве входных отверстий и/или выходных отверстий.
Как указано выше, электроды 5а, 5b могут быть непосредственно соединены (например, посредством отверстий 8) с различными точками на электрическом граничном материале 3 в полости 7а, или косвенно посредством соединительных плеч 10, также называемых "флюидными" плечами 10, как показано на фиг. 2. В любом случае блок для приложения электрического поля прикладывает дискретную последовательность точек напряжения к граничному материалу электрического поля и таким образом формирует дискретный профиль электрического поля. "Плечи" 10 могут быть продолжениями материала 3 или согласно другому варианту реализации могут быть только наполнены текучей средой. В любом случае каждое флюидное плечо 10 предпочтительно подает одноточечное напряжение (например, посредством только одного электрода) в электрический граничный материал 3.
Флюидные плечи такого типа обеспечивают дополнительную степень гибкости, поскольку их размерами можно управлять для дополнительного регулирования напряжения, поданного в электрический граничный материал 3. Например, при увеличении глубины или боковой ширины плеча его электрическое сопротивление уменьшается, и наблюдаемое напряжение увеличивается. Напротив, при увеличении длины плеча 10 (в направлении между отверстием 8 и материалом 3) сопротивление увеличивается. Это может быть использовано различными способами. Например, если не все отверстия 8 расположены на одинаковом расстоянии от канала (как это наблюдается, например, в "ступенчатых" устройствах согласно другим вариантам реализации, пример которых приведен ниже), флюидные плечи 10 могут иметь размер, устраняющий влияние различия в расположении электродов на электрическое поле, которое действует на электрический граничный материал 3, например, путем проектирования указанных плеч 10, соединяющих ближайшие электроды, с уменьшенной шириной по сравнению с плечами 10, соединяющими удаленные электроды. Таким образом, каждое плечо 10 по существу представляет собой то же самое сопротивление для каждого электрода, так что напряжение, приложенное к материалу 3 в каждой точке, по существу уменьшается на одну и ту же величину и таким образом не искажает форму поля.
Согласно другому варианту реализации, флюидные плечи 10 могут играть активную роль в профилировании электрического поля, приложенного к материалу 3. Например, если флюидные плечи 10 имеют размер, обеспечивающий различные уровни сопротивления, не смотря на то, что на каждый электрод может быть подано одинаковое напряжение, в точках к материалу будут приложены различные напряжения (и, следовательно, электрическое поле будет отличаться от нулевого). Практически, может быть использована некоторая комбинация указанных этих двух подходов.
Записывающий электрод 5а, погруженный в отверстие 8, таким образом обеспечивает в указанной интерфейсной точке необходимое напряжение, заданное контроллером 6. Согласно данному варианту реализации каждое противолежащее отверстие 8 содержит считывающий электрод 5b для измерения напряжений, приложенных записывающими электродами 5а. К тому же, считывающие электроды могут быть соединены посредством флюидных плеч 10, и описанные выше условия могут быть применены к выбору их размеров. Описанная конструкция представляет собой пример "асимметричной" структуры, в которой ряд записывающих электродов 5а расположен на одной стороне канала 2, противоположно ряду считывающих электродов 5b, причем канал 2 выполнен параллельным и проходит между двух рядов электродов 5а, 5b.
Согласно предпочтительным вариантам реализации полная ширина между двумя противолежащими рядами электродов может составлять от 1 мм до 6 мм и обычно примерно 2,2 мм. Соответственно, типичная ширина (w) электрического граничного материала 3 составляет 1 мм, причем указанный электрический граничный материал 3 размещен с каждой стороны канала 2 шириной 200 мкм. Однако практически электрический граничный материал 3 может иметь ширину 200 мкм или меньше, и сам канал также может быть более узким, чем указанный выше. Тот факт, что ширина электрического граничного материала 3 не имеет строгой нижней границы, является важным, если необходимо использовать небольшие устройства, имеющие размер меньше одного микрона или даже порядка нанометров. Следует понимать, что указанные размеры являются примерами, и полная ширина может быть изменена в большую сторону, например в случае конструкций с несколькими каналами, которые описаны подробно ниже.
На фиг. 3 схематически показана часть устройства 1, показывающая область электрического граничного материала 3, расположенная рядом с каналом 2 и имеющая электрический контакт с этим каналом. Контуры, показанные на фиг. 3, схематично отображают линии постоянного напряжения в электрическом граничном материале 3. Следует отметить, что согласно данному варианту реализации исключительно в качестве иллюстрации одно и то же напряжение приложено к каждому из показанных на чертеже электродов, Однако на практике используются различные напряжения для возбуждения электрического поля вдоль канала 2. Напряжение, приложенное каждым электродом 5а, благодаря ионной проводимости передается между точками, в которых электроды 5а (или флюидные плечи 10) контактируют с электрическим граничным материалом 3 и каналом 2 с эквипотенциальными линиями, кривизна которых уменьшается при увеличении их радиуса. В конечном счете, если размеры материала являются достаточно большими, эквипотенциальные линии становятся по существу прямыми в области коло канала 2, который оказывает выравнивающее влияние на приложенное напряжение. Если напряжения, приложенные к материалу 3, изменяются вдоль канала (т.е., в направлении X), в области, в которой имеются точечные источники, и рядом с указанной областью, будет сформировано дискретное электрическое поле. Однако в направлении канала 2 и рядом с ним выравнивающее влияние материала 3 означает, что в канале 2 достигнуто по существу непрерывное электрическое поле.
n
На фиг. 4А показан график, показывающий примеры напряжений V, который могут быть приложены к материалу 3 (например посредством электродов 5а) вдоль направления, соответствующего пути в канале (в данном случае вдоль оси X). На графике видно, что они по существу представляют собой точечные источники напряжения, величина которого растет в направлении вдоль канала. Согласно данному варианту реализации напряжение увеличивается пропорционально коэффициенту x, где n=2, не смотря на то, что любая другая формула изменения напряжения может быть принята в качестве подходящей для использования. Точечные напряжения, показанные на фиг. 4А, возбуждают дискретное электрическое поле Е вдоль канала, как показано на фиг. 4В. На графике видно, что величина напряженности электрического поля увеличивается пошагово с каждым этапом, представляющим собой неоднородность поля.
На фиг. 4С показан график, показывающий примеры напряжений V, которые могут быть измерены вдоль направления (x) рядом с каналом 2 или в канале 2. На графике видно, что распределение напряжения по существу является непрерывным. Распределенное напряжение, показанное на фиг. 4С, возбуждает по существу непрерывное ("сглаженное") электрическое поле E вдоль канала, как показано на фиг. 4D. Конкретное непрерывное электрическое поле E, показанное на фиг. 4D, является линейным (т.е., прямо пропорциональным x), но следует понимать, что это может быть любая по существу непрерывная функция в зависимости от конкретного распределенного напряжения, поданного на электроды.
На практике выровненное электрическое поле все-таки может содержать некоторую степень неоднородности. Например, если указанные параметры применить в примере, описанном выше, но ширину материала 3 в значительной степени уменьшить, то выравнивание не будет таким же полным, и, следовательно, электрическое поле, возбужденное в канале, может быть представлено модифицированной ступенчатой функцией, а не прямой линией. Однако такое поле тем не менее является более непрерывным, чем исходное дискретное приложенное поле.
Как указано выше, электрический граничный материал 3 выбирают с возможностью обеспечения подходящих характеристик переноса ионов, обеспечивающего возможность электрического соединения между электродами 5а и каналом 2. Если, напротив, материал в первую очередь выполнен электропроводящим за счет перемещения электронов (или "дырок"), то он действует в качестве электрода и поддерживает электрохимические реакции на своей поверхности, в процессе которых образуются пузырьки газа в качестве результата электролиза. Эти пузырьки существенно деформируют электрическое поле в канале 2 и, следовательно, нарушают работу устройства 1. По этому электропроводную среду создают с помощью ионно-проводящего материала 3. Предпочтительно электрический граничный материал 3 отличается соответствующей высокой подвижностью ионов, так что ионное истощение не становится чрезмерным во время использования устройства.
Проводимость и относительные размеры граничного материала 3 должны быть выбраны таким образом, чтобы при использовании электрический ток не был чрезмерным для предотвращения омического нагрева и чрезмерного электролиза в луночных блоках электродов.
Как указано выше, ионная проводимость граничного материала 3 предпочтительно должна быть соизмерима с ионной проводимостью наполненного (обычно буфером или гелем) канала 2. Если проводимость граничного материала 3 слишком высока или слишком низка, необходимая форма электрического поля в канале 2 может не сформироваться. Если относительные проводимости текучей среды в канале 2 и электрического граничного материала 3 значительно различаются, то согласно закону Ома весь ток в основном проходит через электрический граничный материал 3 или в основном через канал 2, и таким образом ухудшается сглаживающий эффект, действующий на электрическое поле, (т.е., наблюдается чрезмерное сглаживание или недостаточное сглаживание). Кроме того, если проводимость материал 3 является слишком низкой, электрическое поле, сформированное в канале 2, может быть ослабленным, т.е. может оказаться значительно слабее запланированного электрического поля, приложенного в электродах 5а, поскольку электроэнергия по существу теряется в электрическом граничном материале 3. Соответственно, предпочтительно должны быть учтены относительное удельное сопротивление канала 2 и граничного материала электрического поля 3 для формирования необходимого электрического поля в канале 2. В предпочтительной конфигурации указанные относительные удельные сопротивления имеет один и тот же порядок. В частности, в предпочтительных случаях проводимости/удельные сопротивления канала 2 и материала 3 отличается не больше, чем на два порядка (в 100 раз), предпочтительно не больше, чем в 50 раз, наиболее предпочтительно не больше, чем на один порядок (в 10 раз).
Однако на практике достижение указанных соотношений может быть затруднительным, поскольку если устройство выполнено электрофоретическим, то проводимость/удельное сопротивление текучей среды в его объеме находятся в ограниченном в диапазоне. Причина заключается в том, что текучая среда должна иметь подходящий состав (т.е., pH фактор и концентрацию) для возбуждения состояния, подходящего для разделения. Также, проводимость текучей среды является ограниченной и обычно является относительно высокой по сравнению с предпочтительными проводимостями электрического граничного материала (которые в оптимальном случае сохраняются умеренно низкими, как указано выше). Таким образом, на практике не предоставляется возможным достичь того, чтобы проводимости текучей среды в канале 2 и материала 3 были очень близки, хотя любое различие предпочтительно может быть сведено к возможному минимуму. Величина и/или форма приложенного электрического поля могут быть отрегулированы с учетом результирующего влияния.
Удельное сопротивление электрического граничного материала 3 может быть постоянным по всему его объему, и предпочтительным является использование гомогенного электрического граничного материала 3. Это позволяет возбудить в материале изотропно сглаженное поле. Согласно другим вариантам реализации предпочтительным является, чтобы удельное сопротивление электрического граничного материала изменялось по меньшей мере в одном направлении. Например, удельное сопротивление/проводимость материала 3 может изменяться вдоль канала (в направлении X согласно данному варианту реализации) для введения дополнительных формирующих поле эффектов. Согласно другим вариантам реализации удельное сопротивление/проводимость может изменяться в направлении, перпендикулярном оси канала (в данном случае в направлении Y), пример указанного изменения будет описан ниже.
Удельное сопротивление электрического граничного материала может быть изменено путем использования столбиков (не показаны), установленных в полости канала 2 и изменением их диаметра или их плотности в одном направлении. Эта мера создает эффект удаления проводящего материала и, таким образом, способствует увеличению удельного сопротивления граничного материала 3 (или снижению указанного удельного сопротивления, если плотность столбиков является уменьшенной). Согласно другому варианту реализации может быть изменен состав самого материала. Например, в случае гидрогеля (как описано ниже) плотность его пор и/или ионных каналов может быть спроектирована с возможностью изменения от области к области. Согласно другому варианту реализации толщина электрического граничного материала может изменяться по всей его ширине.
Также желательно, чтобы электрический граничный материал 3 был непроницаем для газовых пузырьков, образующихся при электролизе в отверстиях электрода 8, для предотвращения помехи со стороны указанных пузырьков перемещению ионов в материале и, таким образом, деформирования электрического поля. Также предпочтительно электрический граничный материал 3 выполнен непроницаемым для любых анализируемых веществ, размещенных в канале 2.
Кроме того, электрический граничный материал 3 должен быть достаточно прочным, химически и термически устойчивым и инертным. Также важно, чтобы материал 3 сохранял устойчивость в электрическом поле без физического деформирования или изменения своих электрических характеристик или физических свойства. Также предпочтительным является, чтобы электрический граничный материал 3 был достаточно прочно соединен с полостью 7а в подложке 7 и не допускал возможности заметного прилипания любых анализируемых веществ в канале 2 к его поверхности.
В частности, подходящий материал, отвечающий всем вышеуказанным критериям, представляет собой гидрогель. Гидрогели относятся к классу полимерных материалов, которые могут абсорбировать водные растворы, но не растворяются в воде. Гидрогель формирует сеть из пор или каналов, которые могут содержать текучую среду и сквозь которые могут проходить ионы, содержащиеся в текучей среде. Это свойство гидрогелей представляет собой результат того факта, что полимерные цепочки скреплены между собой трехмерными сетями физических и/или химических поперечных связей, причем пространство между указанными макромолекулами заполнены водой. В зависимости от свойств полимеров, а также от природы и плотности сети, используемой для формирования гидрогелей, такие структуры могут удерживать различное количество воды. Как правило, указанные поры и/или каналы имеют такие малые размеры, что материал может быть назван нанопористым. Предпочтительно гидрогель используется в качестве электрического граничного материала, внутри которого сквозь каналы/поры протекает текучая среда и переносит электрический заряд (за счет перемещения ионов) через указанный материал. По своей природе гидрогель предпочтительно по существу представляет собой электрический изолятор. Следовательно, гидрогели имеют много привлекательных свойств, благодаря которым они почти идеально подходят для использования в качестве граничной среды в электрическом поле для сглаживания формы электрического поля. Однако следует отметить, что вместо гидрогелей может быть использован ионно-проводящий материал любого типа, который отвечает вышеуказанным критериям.
Известны два общих класса гидрогелей. Физические гели или псевдогели, которые состоят из полимерных цепочек, соединенных силами электростатического поля, водородными связями, гидрофобными взаимодействиями или переплетениями цепей. Такие гидрогели удерживаются вместе непостоянными силами или связями, и, таким образом, они обычно при нагреве могут преобразовываться обратно в растворы полимера. С другой стороны, химические гидрогели, также известные как истинные или постоянные гидрогели, скреплены посредством ковалентных связей между цепочками. В устройстве согласно настоящему изобретению может быть использован гидрогель любого типа.
Предпочтительно, электрический граничный материал 3 совместим с материалом, из которого выполнена подложка 7. Подложка 7 обычно изготовлена, например, из стекла, кварцевого стекла, кварца или пластиков, таких как полиметилметакрилат (РММА) или циклический сополимер олефина (СОС), или из эластомера, такого как полидиметилсилоксан (PDMS).
Кроме того, при выборе электрического граничного материала 3 необходимо уделить внимание тому, насколько легко данный материал может введен в устройство 1. Жидкий полимерный материал (например, исходный гидрогель) может быть введен в полость 7а подложки 7 через входные отверстия 9а, 9b (например, под давлением) и полимеризован на месте с использованием, например, фотоинициирования (например, ультрафиолетовым облучением) или термических средств, для формирования электрического граничного материала 3, как описано более подробно ниже.
Непосредственно подложка 7 может быть изготовлена с использованием выбранных процедур микрообработки, некоторые примеры которых описаны ниже. В идеальном случае материал, используемый для изготовления подложки 7, выполнен прозрачным для ультрафиолетового излучения и подходит для последующей фотолитографии и фотополимеризации. Прозрачный материал также удобен для отслеживания событий в канале. Подложка с этой целью также может быть прозрачной для видимого света.
Канал 2 и полость 7а могут быть сформированы внутри одиночной части подложки, как показано на фиг. 1 и 2, например, путем механической обработки или литья. Согласно другому варианту реализации выемки, формирующие канал 2 и полость 7а, могут быть выполнены на отдельных пластинах 71, 72, которые затем соединяют вместе для формирования подложки 7, как показано на фиг. 5А-5С. Любая из пластин 71, 72 или обе указанные пластины могут содержать точки соединения с электродом, и одна часть (в целом верхняя пластина 71) имеет отверстия 8, просверленные, пробитые, отлитые или выполненные, например, с использованием соответствующего оборудования. Затем изготовленные пластины 71, 72 соединяют вместе обычно с использованием пресса для горячего прессования, плазменной камеры, нагревательной печи, ультразвука, растворителей, подходящих адгезивов или любым другим известным способом соединения, описанным в литературе, для формирования замкнутой системы.
Канал 2 может быть выполнен травлением, механической обработкой, горячим тиснением, литьем под давлением, литьем в форму, абляцией или другим способом формирования направляющего канала, который физически ограничен поверхностями подложки, однако, как показано ниже, это не является существенным. Согласно одному варианту реализации, показанному на фиг. 8А, канал 2 может быть сформирован в верхней части 72 подложки 7 и обычно может иметь глубину приблизительно 20-40 мкм. Полость 7а, сформированная в нижней части 71 подложки, имеет толщину 20-40 мкм. После соединения друг с другом указанные две пластины образуют канал, имеющий полную глубину 40-80 мкм, также включая толщину полости, как показано на фиг. 5А.
Согласно другому варианту реализации канал 2 и полость 7а могут быть сформированы на поверхности одной пластины 72, как показано на фиг. 8В, которая может быть соединена с второй пластиной, которая может быть снабжена или не снабжена дополнительными выемками.
На фиг.5С и 8С показан вариант реализации, в котором не формируется физический направляющий канал для создания канала 2, но вместо этого канал 2 в конечном счете полностью выполнен внутри указанной полости 7а, в которой во время использования размещен электрический граничный материал. Стороны канала 2 заданы непосредственно электрическим граничным материалом.
Если материал подложки представляет собой пластик, то канал 2 и полость 7а могут быть выполнены путем микромашинной обработки в каждой пластине 71, 72 подложки соответственно с использованием точного обрабатывающего инструмента или станка с числовым управлением (CNC), штампованием с использованием пресс-формы/инструмента и горячим тиснением, фотолитографией с использованием другого жидкого полимерного материала, выборочным плавлением и испарением с использованием достаточно мощного лазера или любым известным подходящим способом. Если материал подложки представляет собой стекло, кварцевое стекло или кварц, то канал 2 и полость 7а предпочтительно вытравливают с использованием стандартной процедуры травления фтористоводородной кислотой или глубокого реактивного ионного травления. Стекло, например, может быть обработано лазером или электрохимическим травлением, или пескоструйным способом.
Другой дополнительный способ изготовления, подходящий для формирования устройства, представляет собой трехмерное печатание. Известны функционально законченные системы, способные формировать миниатюризированные структуры с высоким разрешением. Описанные в настоящей заявке устройства могут быть изготовлены с применением такой системы, например, с использованием фотолитографических полимеров, дополнительно включая прямое осаждение и введение граничного материала (например гидрогеля).
Полости, сформированные в подложке, могут быть обработаны для предотвращения прилипания представляющих интерес анализируемых веществ, присутствующих в канале 2, во время исследования к внутренним стенкам или внутренней поверхности проводящего объема. Например, внутренние стенки или поверхность проводящего объема могут быть покрыты подходящим материалом, таким как полимер. Поверхность полости, которая должна быть заполнена электрическим граничным материалом 3, может быть силанизирована для улучшения адгезии материал 3 с подложкой, или покрыта любой другой подходящей обеспечивающей адгезию системой. Применение покрытия или силанизирование могут быть селективными для обеспечения возможности литографической обработки материала.
Отверстия 8 могут просверлены механическим способом или выполнены путем абляции лазером или песком, или любым известным подходящим способом. После этого части 71, 72 подложки обычно точно центрируют и соединяют вместе.
Электрический граничный материал может быть введен различными способами. В некоторых случаях электрический граничный материал может быть введен в твердой, уже обработанной форме. В этом случае материал может быть просто размещен в полости 7а, например, перед соединением указанных двух пластин 71, 72 вместе. Также, согласно различным вариантам реализации, в которых полость отсутствует, может быть предпочтительным, например, адгезивное соединение материала с поверхностью подложки рядом с полостью.
Однако согласно предпочтительным вариантам реализации в устройство вводят электрический граничный материал в форме текучей среды (например, форполимер). Как выяснилось, указанный способ позволяет обеспечить улучшенную связь между подложкой и материалом с минимальным количеством зазоров или вообще без зазоров в поверхности раздела, через которые могут просачиваться наружу анализируемое вещество или газы. Если материал должен быть расположен на наружной поверхности устройства или нанесен на одну или другую из пластин 71, 72 до их соединения вместе, указанный материал может быть нанесен на поверхность или введен в полость любым удобным способом, включая печатание, рассеяние, ротационное отложение и т.п. Если материал должен быть введен в уже сформированную внутреннюю полость, то предпочтительными являются способы введения впрыскиванием. Например, материал может быть введен через любое из отверстий 8, описанных выше.
Один наиболее предпочтительный способ введения материала 3 в форме текучей среды состоит в использовании капиллярных сил, действующих на электрический граничный материал 3 благодаря малым размерам полости 7а. Если полость 7а, а также любой другой направляющий канал, сформированные в подложке, имеют подходящие размеры, при введении электрическим граничным материалом 3 заполняют полость 7а, причем область канала 2 (расположенную в верхней части полости 7а) оставляют по существу свободной от граничного материала, как показано на фиг. 5А. Было выяснено, что для усиления капиллярного эффекта глубина направляющего канала 2, сформированного выше полости, предпочтительно равна приблизительно толщине полости 7а. Соответственно, в случае выполненного механическим способом или вытравленного канала 2 с капиллярным заполнением электрической граничной полости полная глубина канала 2 приблизительно составляет двойную толщину полости 7а (и, таким образом, примерно двойную толщину электрического граничного материала 3, заполняющего полость).
c
c
На фиг. 6А и 6В схематично показан способ формирования канала 2 за счет капиллярного эффекта. Капиллярные силы F, показанные на фиг. 6А, действуют на поверхность жидкого электрического граничного материала 3, размещенного внутри полости 7а, которая представляет собой "контейнер" для жидкого материала 3. Под действием капиллярных сил F жидкий материал 3 достигает области канала 2 и затем останавливает свое течение. Например, в зависимости от относительной гидрофильности поверхностей и характеристик используемых жидкостей, указанный жидкий материал, находящийся в полости 7а, может принять форму вогнутого или выпуклого мениска в любую сторону части канала 2, проходящей выше полости, как показано на фиг. 6, но это наблюдается не всегда.
c
c
Капиллярные силы F вызывают заполнение жидким материалом полости 7а, вытягивая указанный жидкий материал 3 в направлении к каналу 2 вдоль любой из сторон канала 2. Как показано на фиг. 6В, капиллярные силы F действуют на материал 3 до тех пор, пока жидкий материал 3 не достигнет канала 2, где капиллярные силы прекращают свое действие на поверхность жидкого материала 3 из-за увеличенного размера внутренней поверхности "контейнера" (который теперь также включает канал 2). Затем электрический граничный материал 3 может быть отвержден, например, путем полимеризации форполимера. Это может быть достигнуто, например, световым облучением, термическими средствами или химической реакцией при комнатной температуре.
Если блок для приложения электрического поля должен содержать соединительные плечи 10, размеры указанных плеч могут быть определены частично на основании принципов, описанных выше для капиллярного заполнения полости. Например, если предполагается, что плечи 10 должны быть заполнены текучей средой вместо электрического граничного материала 3, размеры плеч могут быть выбраны таким образом, чтобы капиллярные силы не вытягивали материал 3 текучей среды в плечи 10. Например, глубина или боковая ширина плеч 10 могут быть выбраны достаточно большими относительно размеров полости таким образом, что электрический граничный материал 3 не может проходить во флюидные плечи 10 под действием капиллярных сил. С другой стороны, если предполагается, что плечи 10 должны быть продолжением электрического граничного материала 3, глубина или боковая ширина плеч 10 могут быть уменьшены, так что капиллярные силы принуждают электрический граничный материал проходить в плечи 10.
Согласно другому варианту реализации электрический граничный материал может быть сформирован непосредственно в канале 2 с использованием способности граничного материала 3, содержащего, например, жидкий форполимер, к формированию фотолитографическим способом. Согласно одному варианту реализации пластины 71, 72 подложки, показанные на фиг. 5В, являются прозрачными, например, для ультрафиолетового излучения. Изготовленные части подложки соединяют вместе и наполняют жидким форполимером. Канал 2 и полость 7а, заполненные жидким форполимером, схематично показаны на фиг. 7А. Затем из жидкого форполимера создают электрический граничный материал 3 с использованием фотошаблона, которая выборочно маскирует области, расположенные выше подложки.
На фиг. 7В показан фотошаблон М, расположенный над каналом 2, причем фотошаблон М по существу выполнен непрозрачным для ультрафиолетового излучения, примененного к подложке, в направлении, перпендикулярном подложке, с использованием лазера или подобного ему источника света. Следует понимать, что может быть использован любой источник света с соответствующей энергией (длиной волны), достаточной для инициирования полимеризации в жидком форполимере, и фотошаблон М должен быть непрозрачным только для света с конкретной выбранной длиной волны. После полимеризации остатки неполимеризованного материала (т.е., материала под фотошаблоном) могут быть удалены из подложки, например, потоком текучей среды (т.е., жидкости или газа), протекающей через канал 2 для смывания необработанного материала. Согласно другому варианту реализации для удаления необработанного материала могут быть применены пониженное давление или вакуум. На фиг. 7С показан результирующий канал 2, сформированный путем удаления неполимеризованного материала, расположенного под фотошаблоном. На практике при промывке удаляется не весь материал, и область граничного материала может оставаться в канале, как показано на фиг. 5В. Однако это не существенно для работы устройства.
Те же принципы фотолитографической обработки могут быть использованы для создания канала 2, в котором направляющий канал первоначально не формируется в подложке, и вся полость 2 заполнена исходным материалом. Как показано на фиг. 5С, стенки канала 2 образованы непосредственно материалом 3. Следует понимать, что в случае канала 2, сформированного в результате указанной фотолитографической обработки электрического граничного материала 3, глубина канала 2 может быть приблизительно равна толщине полости 7а, поскольку не требуется наличие направляющего канала, выполненного в подложке путем механической обработки или травления, (т.е., канал 2 просто представляет собой пространство в электрическом граничном материале 3 под областью, которая была закрыта фотошаблоном М).
Согласно другим вариантам реализации полимеризованный граничный материал 3 может быть сформирован химическим или механическим травлением, путем аблирования или механической обработки для его удаления из области канала.
Подложка 7, которая изготовлена, связана и содержит электрический граничный материал 3 внутри полости 7а, обычно называется чипом.
В зависимости от случая применения, после формирования чипа канал 2 может быть заполнен любым материалом, обычно текучей средой, соответствующей типу процедуры, которая должна быть выполнена на чипе. (Следует отметить, что текучая среда может не использоваться, если устройство предназначено для некоторых конкретных случаев применения, например, если устройство не выполнено электрофоретическим). Канал 2 может быть заполнен через входные отверстия 9а, выполненные в верхней части 71 подложки 7. Например, текучая среда, заполняющая канал 2, может быть предназначена для придания различных сопротивлений анализируемым веществам, имеющим различное отношение заряда к массе или только различные размеры, в зависимости от фильтрующего материала, который введен в канал 2 (обычно известный как разделяющий гель или фильтрующая матрица). Это может быть любая жидкость, такая как вода/буфер, или любая система разделяющего геля, такая как полиакриламид, поливинилпирролидон (PVP) или оксиэтилцеллюлоза (НЕС). Согласно другому варианту реализации проводящий объем может быть заполнен мицеллами или пористым полимерным монолитом, хроматографическим гелем (например, циклодекстринами) или слоем частиц, обеспечивающих возможность использования преимущества процессов фильтрации по размеру и/или разделения по сродству.
Затем чип может быть связан с массивами записывающих и считывающих электродов 5а, 5b, которые соединяют чип с контроллером 6. Контроллер 6 содержит процессор 6а, который содержит электронику, управляемую программой, для обеспечения формы электрического поля, которая требуется для анализа. Например, контроллер 6 может обеспечивать сдвигающееся поле в форме подходящего зависимого от времени градиента напряженности поля вдоль канала 2. При приложении указанного сдвигающегося электрического поля к электрическому граничному материалу 3 на анализируемые вещества, размещенные в канале 2, действует электрическая сила, созданная электрическим полем, возбужденным в канале 2, которое имеет плавную непрерывную форму.
В случае использования измеряющего блока для измерения напряженности электрического поля, такого как массив "считывающих" электродов, описанный выше, контроллер 6 может осуществлять обратную связь с использованием измеренной напряженности электрического поля для регулирования приложенных напряжений таким образом, что может быть достигнуто необходимое электрическое поле.
Устройства согласно настоящему изобретению могут быть разделительными устройствами для разделения объектов, причем объекты, которые должны быть разделены, размещены в канале 2. По существу непрерывное электрическое поле, возбужденное в канале 2, генерирует электрическую силу, действующую на каждый объект. Уравновешивающий источник, как описано ниже, может быть использован для возбуждения силы, противодействующей электрической силе, действующей на каждый объект, так что происходит разделение указанных объектов, размещенных в канале под комбинированным действием электрического поля и уравновешивающего источника.
Например, устройство может быть электрофоретическим устройством, причем уравновешивающий источник представляет собой текучую среду, размещенную в канале вместе с объектами, которые должны быть разделены. В случае электрофоретического устройства под комбинированным действием электрической силы и гидродинамической силы текучей среды в канале 2 анализируемые вещества в канале подходящих размеров могут быть разделены на "полосы", ширина и шаг которых зависят от условий приложенного поля. Устройство также может быть удлиненным для выборочного удаления и/или сортирования сконцентрированных в полосы анализируемых веществ для последующего исследования, например, с использованием масс-спектрометрии или другого аналитического способа определения состава каждой полосы. Пример конструкции, показанной на фиг. 16В, которая может быть использована с этой целью, дополнительно описан ниже.
Следует понимать, что устройства согласно настоящему изобретению не ограничиваются вышеуказанным случаями применения, которые являются только примерами.
Если для обнаружения событий внутри канала используется детектор, процессор 6b также может быть выполнен с возможностью анализирования собранных данных. Например, контроллер 6 может анализировать визуальные данные (обычно свет от флуоресцентно маркированных биомолекулярных анализируемых веществ), например, полученные от микроскопа, спектрометра (например, для выполнения рамановской спектроскопии), массива фотодиодов, устройства с зарядовой связью (CCD), фотоумножительной трубки (РМТ) или селективного устройства с подобной длиной волны, рядом с которым размещен или в которое встроен чип.  Это также могут быть данные, полученные не визуальными способами исследования электромагнитного излучения. Другие неэлектромагнитные способы обнаружения, такие как локализованные изменения проводимости, излучения и изменения показателя преломления также могут быть использованы для обнаружения анализируемых веществ в канале 2. Это подробно описано в WO 2006/070176.
Как указано выше, устройство согласно одному варианту реализации настоящего изобретения, показанное на фиг. 1, представляет собой так называемый "асимметричное" устройство, и на фиг. 9 схематически показан вид сверху того же самого устройства, приведенный для подробного объяснения. Согласно данному варианту реализации ряд записывающих электродов 5а расположен напротив ряда считывающих электродов 5b с каналом 2, расположенным между ними, причем канал 2 проходит параллельно указанным двум рядам электродов 5а, 5b и отделен от них электрическим граничным материалом 3. Электроды 5а, 5b соединены с электрическим граничным материалом 3 посредством соединительных плеч 10.
Однако, как указано выше, считывающие электроды (или устройство для измерения электрического поля в любой форме) являются дополнительными, и на фиг. 10 схематически показан второй вариант реализации без считывающих электродов. В данной конструкции электрический граничный материал 3 присутствует только на одной стороне канала, т.е., между каналом 2 и массивом записывающих электродов 5а. В случае необходимости отслеживание установленного электрического поля может быть достигнуто посредством записывающих электродов 5а. Например, на короткие интервалы (например, одну микросекунду каждые 100 миллисекунд, не смотря на то, что на практике цикл может зависеть от скорости сдвига электрического поля в системе электрофореза с временным сдвигом) подача напряжения к записывающим электродам 5а может быть прекращена, и вместо этого те же электроды могут быть использованы для измерения напряжений в каждом месте вдоль канала 2. Если интервал измерения является достаточно коротким, он не оказывает существенного влияния на перемещение анализируемых веществ в канале 2.
На фиг. 11 схематически показана электрическая граничная область 3 и проводящий объем 2 согласно третьему варианту реализации, причем электрическая граничная область 3 содержит ионно-проводящий материал 3а и неионно-проводящий материал 3b. Следует отметить, что на фиг. 11 не показаны другие компоненты устройства, такие как подложка, но они могут быть изготовлены и использованы тем же способом, что и описанные выше в связи с предыдущими вариантами реализации. Ионно-проводящий материал 3а может быть любым подходящим материалом, как описано выше со ссылкой на "электрический граничный материал" для первых двух вариантов реализации, например, гидрогелем. Неионно-проводящий материал 3b, например, электрический проводящий материал может быть резистивным полимером, полупроводником или даже металлическим материалом. Следует понимать, что может быть использован любой неионно-проводящий материал.
Ионно-проводящий материал 3a расположен между неионно-проводящим материалом 3b и каналом 2. Согласно данному варианту реализации записывающие электроды 5а контактируют непосредственно с неионно-проводящим материалом 3b.
Предпочтительно проводимость/удельное сопротивление неионно-проводящего материала 3b и проводимость/удельное сопротивление ионно-проводящего материала 3a являются "согласованными". Под "согласованностью" следует понимать тот факт, что обе проводимости принимаются во внимание наряду с формой и величиной приложенного поля таким образом, что неионно-проводящий материал 3b и ионно-проводящий материал 3a способствуют сглаживанию дискретного электрического поля, приложенного электродами 5а к неионно-проводящему материалу. Согласно предпочтительным вариантам реализации проводимости/удельные сопротивления имеют одинаковый порядок величины. Отношение проводимостей/удельных сопротивлений указанных двух материалов предпочтительно находится между 100:1 и 1:1.
Согласно варианту реализации, показанному на фиг. 11, электроды 5а вместо погружения в лунки с текучей средой, как описано выше со ссылкой на первые два варианта реализации, могут быть соединены с материалом 3b. Предпочтительно, это обеспечивает возможность создать более прочную и герметичную конструкцию устройства. Однако область раздела между ионно-проводящим материалом 3а и неионно-проводящим материалом 3b (которые имеют электрический контакт друг с другом) обычно представляет собой текучую/твердую среду, которая имеет тенденцию к возбуждению электролиза и образованию газовых пузырьков. В подложке в указанной поверхности раздела могут быть выполнены поры, лунки или дорожки (не показаны) для использования в качестве выпускных отверстий для пузырьков газа. Предпочтительно ионно-проводящий материал За, расположенный рядом с каналом 2, выполнен непроницаемым для электролизных газов и таким образом препятствует их проникновению в канал 2.
Устройства, показанные на фиг. 9, 10 и 11, например, содержат одиночный линейный канал 2, который имеет начало и конец. Указанная конструкция с "незамкнутым контуром" имеет несколько недостатков. Во-первых, концы создают полевые краевые эффекты, при которых электрическое поле в канале 2 в области обоих концов устройства отклоняется от необходимого уровня. Пример такого эффекта показан на фиг. 12. Необходимое электрическое поле должно иметь линейный профиль, как указано штрих-пунктирной линией, в то время как фактическое электрическое поле, сформированное в канале 2, отклоняется от этой линии, как показано кривой сплошной линией. Причина этого эффекта состоит в асимметрии усреднения поля при приближении к концу блока для приложения электрического поля. Уполаживание поля, наблюдаемое в кривой сплошной линии, рядом с концами канала, означает, что значительная часть устройства не может быть использована для анализа.
Во-вторых, при осуществлении операций сдвига поля в системе с незамкнутым контуром могут возникать области, в которых поле изменяется весьма незначительно, и направление электрического тока остается по существу неизменным в течение длительных промежутков времени. Это может привести к тяжелому локальному ионному истощению в электрическом граничном материале 3. В результате, необходимая форма поля в канале 2 может быть искажена, поскольку влияние ионного истощения имеет тенденцию к противодействию приложенному полю. В серьезных случаях это может привести к нелинейным электрофоретическим эффектам и формированию вихревых электроосмотических потоков, которые являются крайне вредными для процесса разделения анализируемого вещества. В-третьих, в случае использования открытой системы эффективная рабочая длина указанной системы задана физической длиной ее канала 2.
Согласно третьему варианту реализации указанные выше недостатки могут быть преодолены путем использования конструкции с замкнутым контуром, например с круговым каналом 2, как показано на фиг. 13. Круговой канал 2 соединен с набором записывающих электродов 5а и (дополнительно) набором считывающих электродов 5b посредством электрического граничного материала 3. Окружность канала 2 может составлять, например, 100-200 мм, обычно 120 мм.
Записывающие электроды 5а периодически размещены вдоль окружности, концентрической с круговым каналом 2, причем радиус указанной окружности больше, чем радиус кругового пути канала 2. Подобным образом, считывающие электроды 5b периодически размещены вдоль окружности, концентрической с каналом 2, имеющей радиус меньше, чем радиус канала 2. Однако следует понимать, что записывающие электроды 5а можно поменять местами со считывающими электродами 5b, и наоборот. Кроме того, точка соединения электрода (сформированная отверстием 8 для электрода и соединительным плечом 10) может быть переключена между функционированием в качестве соединительной точки для записывающего электрода 5а и соединительной точки для считывающего электрода 5b. Также, наружное кольцо электродов может быть сформировано из комбинации считывающих и записывающих электродов, как и внутреннее; например, электроды могут чередоваться по функциям вдоль канала (это также относится и к линейным конструкциям канала).
Подобно устройству 1, описанному выше, представляющие интерес анализируемые вещества могут быть введены в круглый канал 2, показанный на фиг. 13, в качестве пробки или иным способом через одно из входных отверстий 9 (которые также могут служить в качестве выходных отверстий), расположенных в типичной поперечной системе ввода проб. Согласно другому варианту реализации представляющие интерес анализируемые вещества могут быть заранее смешаны с разделяющим буфером или гелем, поскольку первоначальный физический размер образца неприменим в поперечной системе входных отверстий 9, показанных на фиг. 13 в качестве дополнительных.
Как показано на фиг. 14, краевые эффекты поля, описанные выше, не наблюдаются в системе замкнутого контура, такой как устройство с круговой конструкцией, как показано на фиг. 13. В данном случае искажение поля на "краях" намного меньше по сравнению с искажениями, показанными на фиг. 12, для линейного канала 2. "Край" в случае канала с замкнутым контуром означает границу пригодного для использования электрического поля, за которой поле "реверсируется" (т.е., его градиент ориентирован в противоположном направлении) для замыкания контура, как описано в WO 2006/07176. Указанный эффект имеет место, поскольку электрическое поле приложено вокруг полного контура устройства, и, следовательно, отсутствует асимметрия усреднения поля.
Кроме того, в системах со сдвигом поля, таких как, описанная в WO 2006/070176, электромагнитная волна распространяется вдоль контура. Она раскачивает ионы в электрическом граничном материале 3 вокруг петли, непрерывно пополняя ионами деионизированные области материала, так что поле в канале 2 остается гладким и устойчивым. Дополнительное преимущество систем с замкнутым контуром состоит в том, что канал 2 не имеет начала или конца, и таким образом устройство имеет по существу бесконечную рабочую длину. Помимо исключительно линейных каналов или каналов исключительно с замкнутым контуром, следует понимать, что в устройствах согласно настоящему изобретению может быть использована любая комбинация прямолинейных или криволинейных секций канала 2.
i
2
n
На фиг. 15 схематически показан другой вариант конструкции с замкнутым контуром, причем электрический граничный материал 3 имеет разрывы и не образует непрерывную область вокруг канала 2. Даже при том, что электрический граничный материал 3 имеет разрывы, путь i, i, …, i электрического соединения сформирован вдоль канала 2, и электрический граничный материал 3 действует в качестве "замкнутого контура" материала, выполняя необходимую функцию сглаживания приложенного электрического поля. Следует отметить, что согласно данному варианту реализации электрический граничный материал 3 размещен только на одной стороне канала 2.
На фиг. 16А показывает дополнительный вариант конструкции с замкнутым контуром, в котором электрический граничный материал 3 имеет различные ширины с любой стороны канала 2, а считывающие и записывающие электроды 5а, 5b смещены относительно канала 2 вместо расположения непосредственно напротив друг друга. Устройство, показанное на фиг. 16А, также имеет различное расположение входных и выходных отверстий 9а и 9b. Электрический граничный материал 3 расположен только на стороне записывающих электродов 5а, и напряжения могут быть считаны посредством наноканалов или микроканалов, непосредственно соединенных с каналом 2. Согласно другому варианту реализации записывающие электроды 5а также могут быть расположены вдоль внутренних окружностей, а считывающие электроды 5b могут быть расположены вдоль наружной окружности относительно канала 2, или указанные электроды могут чередоваться в любом порядке. Граничный материал 3 может быть расположен соответствующим образом, т.е., расположен только между записывающими электродами и каналом, или указанный материал может быть расположен с обеих сторон канала для размещения в нем электродов, имеющих различные конструкции. Согласно другому варианту реализации электрическое поле также может быть считано при переключении записывающих электродов 5а посредством контроллера 6 в режим считывания на короткий промежуток времени, обычно несколько миллисекунд.
Согласно данному варианту реализации порт 9а действует в качестве входного отверстия для образца, в то время как порт 9b действует в качестве выходного отверстия для отходов. Более ясно это показано на увеличенном виде на фиг. 16В. После разделения объектов на полосы анализируемого вещества А выбранные полосы могут быть удалены из исследования через выходной порт 9b путем активизации подходящего электрического поля внутри порта 9b для притягивания интересующей полосы и ее удаления из основного канала 2. Полосы, удаленные таким образом, могут быть направлены к массиву лунок для хранения, так что каждая лунка может содержать одно анализируемое вещество или диапазон анализируемых веществ с одинаковым соотношением заряда к массе (q/m). Такие массивы лунок могут быть сформированы на основе пластин типа MALDI (для лазерной ионизации и десорбции из матрицы), причем указанные лунки содержат матричный материал, который высушиваются перед лазерной десорбцией или может быть извлечен для последующего использования или вторичного исследования. Подобным образом, указанные полосы могут быть выбраны для дополнительного использования или исследования путем их перемещения во вторичный канал через соединительный порт 20. Указанный порт может иметь форму второго электрофоретического канала, который может иметь "окно" с другим диапазоном соотношений заряда к массе (q/m) или другим разрешением. Согласно другому варианту реализации могут быть использованы различные способы исследования, такие как масс-спектрометрия (например, ионизация электрораспылением). Согласно другому варианту реализации может быть использован "каскад" по меньшей мере из двух или большего количества устройств для дополнительного исследования выбранных полос во втором (и, возможно, последующих) электрофоретических устройствах со сдвигом поля, выполненных с возможностью приема образцов из первого устройства. В случае необходимости для каждого устройства могут быть выбраны различные параметры сдвига поля, например, для разделения конкретных компонентов с данным узким диапазоном подвижности. В полностью интегрированном устройстве анализируемые вещества могут быть введены непосредственно в другую секцию чипа для использования в биохимическом процессе. Например, ДНК может быть усилена и/или модифицирована и введена в клетку, или протеин может быть введен клетку для оценки его влияния.
На фиг. 17А и 17В соответственно показаны дополнительные "симметричные" конструкции линейной системы и системы с замкнутым контуром. Каждая конструкция содержит два набора записывающих электродов 5а, расположенных с обеих сторон канала 2, и набора считывающих электродов 5b, расположенных с одной стороны канала. Согласно данному варианту реализации электроды 5а, 5b соединены непосредственно с электрическим граничным материалом 3, т.е., без использования соединительных плеч. Считывающие электроды 5b могут фактически контактировать непосредственно с каналом 2 (т.е., без материала 3).
Согласно вариантам реализации, описанным выше, соединительные точки, в которых электроды прикладывают или считывают напряжения, расположены в рядах вдоль соответствующих линий с постоянным расстоянием до канала. Однако, как указано выше, это не является существенным, и в случае необходимости флюидные плечи могут быть использованы в качестве части блока для приложения электрического поля для повышения гибкости системы. Согласно одному варианту реализации соединительные точки (отверстия 8) для приема электродов могут быть расположены в шахматном порядке относительно канала 2, как показано на фиг. 18. Такая конструкция позволяет расширить пространство для отверстий 8 вдоль канала, т.е., разделяющее расстояние между точечными напряжениями вдоль канала может быть уменьшено. Это, в свою очередь, означает, что первоначальное дискретное электрическое поле является более гладким, чем оно могло быть в другом случае, в результате чего может быть уменьшена степень дополнительного сглаживания поля материала 3, и, следовательно, может быть уменьшена его ширина. В этом примере конструкции расположение соединительных точек может чередоваться между различными расстояниями d1, d2 до канала 2 для обеспечения одинакового уровня электрического сопротивления для каждого электрода.
На фиг. 19А и 19В схематично показаны виды сверху и спереди соответственно дополнительной конструкции чипа, которая содержит несколько каналов 2. Каналы 2 являются линейными и обычно расположены параллельно друг другу и разделены электрическим граничным материалом 3. Другая типичная конструкция может содержать несколько концентрических каналов 2 с замкнутым контуром. Однако следует отметить, что может быть использована любая комбинация множественных прямолинейных или криволинейных каналов 2. Каждый канал 2 может быть оснащен соединительными точками (отверстиями 8) для размещения в них электродов для приложения электрического поля индивидуально к каждому каналу 2. Однако, как показано на фиг. 18, предпочтительно использование одиночного набора соединительных точек для записывающих электродов и дополнительно для считывающих электродов. Электрический граничный материал расположен между каждой парой каналов таким образом, что представляет сглаженный вариант реализации приложенного электрического поля для каждого канала. Предпочтительно поле, возбужденное в каждом канале, по существу является одинаковым, и обычно проводимость/удельное сопротивление электрического граничного материала являются однородными во всех областях.
Однако в случае необходимости возбуждение электрических полей различной напряженности в каждом канале может быть достигнуто путем изменения проводимости/удельного сопротивления электрического граничного материала, например, в направлении Y (т.е., вдоль каналов). Затем приложение дискретного электрического поля одним блоком для приложения электрического поля 4 может возбудить сглаженное электрическое поле с необходимой напряженностью в каждом канале. Как описано выше, изменение проводимости/удельного сопротивления материала может быть достигнуто путем проектирования непосредственно самого материала или встраивания в полость конструктивных элементов, таких как штифты, или изменение глубины (толщины) полости.
Если проводимость/удельное сопротивление электрического граничного материала изменяется только в направлении поперек каналов, электрическое поле, возбужденное в каждом канале, будет иметь одинаковую форму. Однако, если проводимость/удельное сопротивление изменяется (дополнительно или согласно другому варианту реализации) в направлении вдоль каналов (в данном случае в направлении X), в каждом канале могут быть достигнуты различные формы профиля поля при одном и том же приложенном дискретном электрическом поле.
Устройства, содержащие несколько каналов 2, могут быть изготовлены способами, описанными выше. В частности, фотолитография жидких полимеров для формирования электрического граничного материала 3 особенно подходит для указанных устройств. Однако также было выяснено, что если размеры внутренней полости выбраны соответствующим образом, заполнение под действием капиллярных сил также может способствовать достижению необходимого результата при использовании жидкого граничного материала 3 для заполнения каждой области в полости, в то время как каналы 2 по существу остаются пустыми.
Как описано выше, следует понимать, что устройства и способы согласно настоящему изобретению, описанные в настоящей заявке, могут иметь широкое распространение и могут быть использованы в любом устройстве, имеющем проводящий объем, который требует приложения гладкого электрического поля. Предложенные способы, в частности, пригодны для использования в любых случаях применения, в которых необходимо получить профилированное (неоднородное) электрическое поле. В примерных вариантах реализации, описанных выше, основное внимание сосредоточено на электрофоретических случаях применения для разделения объектов в разделительных каналах 2, но следует понимать, что данная область техники не является ограничением для настоящего изобретения.
Согласно другим вариантам реализации проводящий объем может быть, например, гидрофильной бумажной областью, сформированной на гидрофобной бумажной подложке. Электрический граничный материал 3 может быть размещен вдоль сторон гидрофильной области, и записывающие электроды, например, могут быть нанесены способом трафаретной печати на бумагу с возможностью перекрытия с граничным материалом 3 электрического поля, но не с гидрофильной областью. Электрический граничный материал 3, например, может быть выполнен в форме нанесенного центрифугированием покрытия, литьевым формованием или в случае необходимости просто разлит на бумаге и обработан фотолитографическим способом. Затем объекты, которые должны быть разделены, могут быть введены в гидрофильную бумажную область, которая будет разделена после приложения электрического поля.
Согласно другим вариантам реализации проводящий объем 2 может принять форму любого объема, в котором могут быть размещены текучие среды и/или представляющие интерес объекты (и/или может переместить через) во время исследования. Нет необходимости в том, чтобы непосредственно проводящий объем 2 физически ограничивал путь текучей среды и/или анализируемого вещества, например, в электрофоретическом устройстве со "свободным потоком". В электрофоретических устройствах со свободным потоком обычно электролит прокачивают через камеру, так что возникает гидродинамический поток через устройство. Представляющие интерес анализируемые вещества прокачиваются вместе с электролитом. Ленточные электроды, размещенные вдоль камеры, могут быть выровнены с направлением потока и разделены в перпендикулярном направлении. Электрическое поле может сдвигаться в направлении, перпендикулярном направлению потока, так что анализируемые вещества сосредотачиваются в отдельные потоки, которые могут быть изолированы в нижней части устройства и направлены в различные каналы.
Пример электрофоретического устройства со свободным потоком согласно настоящему изобретению показано на фиг. 20а и 20b. Удлиненные записывающие электроды 5а могут быть сформированы на пористой гидрофобной подложке (не показана). Пористый гидрофобный слой используется для обеспечения возможности выхода газа, выработанного в результате реакции электролиза, однако это не является существенным.
Электроды 5а могут быть ориентированы вертикально, погружены в вертикально ориентированные лунки, так что текучая среда или буфер остаются в лунках. Предпочтительно, пузырьки газа, образованные в результате реакции электролиза, могут перемещаться вверх и выходит через лунку. Затем слой электрического граничного материала 3 может быть осажден поверх электродов и затем структурирован с использованием массива штифтов (не показаны). Сверху может быть добавлен другой слой электрического граничного материала 3, и проводящий объем 2 может быть сформирован как структурированная полость между двумя слоями электрического граничного материала 3, разделенными штифтами. Поверх верхнего слоя электрического граничного материала 3 могут быть размещены дополнительные вертикальные электроды, используемые в качестве Затем объекты, которые должны быть разделены, могут быть введены в проводящий объем 2 в верхней части устройства и непрерывно прокачиваться через полость в направлении стрелки F. Электрическое поле может быть сдвинуто от одной стороны полости к другой стороне в направлении, перпендикулярном потоку F, в результате чего происходит чрезвычайно сосредоточенное разделение объектов, перемещающихся в полости вдоль отдельных путей. Как показано в разрезе на фиг. 20В, образец первоначально может содержать объекты двух различных типов А и В. Каждый объект совершает различные боковые перемещения под действием сил приложенного поля, как показано стрелками А и В. Разделенные объекты могут быть собраны в отдельные каналы, сформированные в нижней части проводящего объема 2. Предпочтительно даже в случаях, в которых проводящий объем 2 не представляет собой замкнутый контур, такие устройства могут работать непрерывно и таким образом являются чрезвычайно пригодными для использования при разделении больших количеств образцов, например, для получения подготовительного химического состава.
Согласно другому варианту реализации электроды 5а могут быть ориентированы горизонтально. В такой конструкции вместо горизонтальных лунок, сформированных на "боковой стороне" устройства (в результате чего имеет место нежелательный эффект вытекания текучей среды из лунок), сформирована подобная каналу "удлиненная лунка", наполненная буфером и имеющая несколько небольших отверстий, выполненных вдоль канала, которые служат выходом для пузырьков газа.
Согласно другому варианту реализации проводящий объем может содержать "блочный гель", который обычно используется по существу для плоской области фильтрующей матрицы, сформированной, например, на поверхности предметного стекла или чипа. Компоненты этого типа обычно используются в исследовании протеина и ДНК.
Вариант реализации, в котором вышеуказанные принципы применены к конструкции типа блочного геля, показаны на фиг. 21. В данном случае параллельные линейные считывающие электроды 5b контактируют с первой областью электрического граничного материала 3, поверх которого осажден слой разделяющего геля 2 в форме пластины блочного геля. Электроды могут быть ориентированы вертикально или горизонтально и погружены в "удлиненные лунки", как описано выше. Вторая область электрического граничного материала 3 осаждена поверх блочного геля 2, и другой набор параллельных линейных электродов приведен в контакт с верхним электрическим граничным материалом 3 для формирования записывающих электродов 5а. Разумеется, функция каждого набора электродов может быть изменена таким образом, что нижний набор может служить в качестве генератора поля, а верхний набор в качестве измеряющих электродов для измерения напряженности электрического поля.
При использовании образец, содержащий анализируемое вещество или вещества вводят в блочный гель в одном конце системы и прикладывают электрическое поле, как описано выше, для сосредоточения и разделения образца на составляющие компоненты. Во время процесса разделения образец перемещают в направлении, перпендикулярном линейным электродам, (в направлении X).
1
2
3
На фиг. 22 показан блочный гель 2 с удаленными для наглядности другими компонентами устройства, так что результаты разделения могут отчетливо видны. Следует отметить, что блочный гель показан в другой ориентации, отличающейся от показанной на фиг. 21. В данном случае положения линейных электродов указаны штриховыми линиями 5. Анализируемое вещество разделено на полосы вдоль трех отдельных "каналов" C, С, С в соответствии с начальной позицией указанных трех образцов, введенных в блочный гель. Нет необходимости в использовании физической защитной перегородки между каждым из фактических "каналов", хотя в случае необходимости указанная перегородка может быть использована.