專利名稱：高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電旋轉(zhuǎn)及生物物理領(lǐng)域。具體地，實(shí)施例包括微加工的電旋轉(zhuǎn)芯片，這類芯片可以產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)并評(píng)價(jià)生物或非生物微粒的旋轉(zhuǎn)行為，以及用于分析這類微粒旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的裝置以及相應(yīng)的方法。
現(xiàn)代生物技術(shù)和制藥業(yè)采用不同的分析技術(shù)去確定和鑒別分子、細(xì)胞和生物微粒的性質(zhì)。例如，研究者經(jīng)常采用基于微珠體的多重檢驗(yàn)方法分析“未知”溶液中靶分子的類型并將其濃縮(見Fulton R.J.等，ClinicalChemistry,43:1749-1756,(1997))。靶分子包括抗體、抗原、寡聚核苷酸、受體、多肽、酶底物等并能被指示分子(如熒光分子)標(biāo)記。典型地，在這類檢驗(yàn)方法中應(yīng)用了多種不同類型的微珠體。根據(jù)不同的物理或化學(xué)特性如顏色、大小、熒光分子類型和熒光強(qiáng)度等可以將不同類的微珠體區(qū)分開來。不同類型微粒表面含有不同類型的分子，即每一類微珠體都是表面活化的或包覆有某一類分子。包覆在微珠體表面的分子可以是抗體、抗原、寡聚核苷酸、受體、多肽、酶底物等等。理想狀況下，包覆在微珠體表面的每一個(gè)分子都能與“未知”溶液中的一類靶分子相互作用。
接著，多種表面包覆的微珠體與“未知”溶液混合并培養(yǎng)，讓“未知”溶液中的靶分子與微珠體表面固定的分子相互反應(yīng)。在培養(yǎng)之前，所有靶分子都預(yù)先用特定類型的指示分子(如熒光分子)標(biāo)記。在培養(yǎng)之后，對(duì)不同類型的微珠體上結(jié)合的指示器進(jìn)行檢測(cè)。例如通過流式細(xì)胞儀分析單個(gè)微珠體上的熒光級(jí)別并確定所檢測(cè)微珠體的類型。因?yàn)闃?biāo)記靶分子和固定分子之間的“一對(duì)一”關(guān)系是可以實(shí)現(xiàn)的，所以可以依次鑒定并濃縮在“未知”溶液中的靶分子。正因?yàn)橛羞@類鑒定方法，開發(fā)一種利用這類鑒定方法進(jìn)行分析的高通量系統(tǒng)成為必須。
制藥業(yè)開發(fā)出的現(xiàn)代化的方法還包括分析靶分子和感興趣分子、細(xì)胞、微粒之間的相互作用。例如，經(jīng)常采用基于細(xì)胞的技術(shù)從化合物庫(kù)中篩選新藥。典型的篩選步驟采用具有靶分子的細(xì)胞搜尋與靶分子能相互反應(yīng)的候選藥物。含有靶分子的細(xì)胞被導(dǎo)入到不同的反應(yīng)池內(nèi)并與來自于化合物庫(kù)的不同化合物相接觸。在細(xì)胞與這些化合物共同培養(yǎng)特定的時(shí)間后對(duì)化合物與靶分子之間的相互作用進(jìn)行評(píng)估。檢測(cè)相互作用的方法有很多種，經(jīng)常采用基于熒光的檢測(cè)系統(tǒng)。另外一種相似的鑒定方法是用于分析特定類型細(xì)胞對(duì)不同化合物量以及不同反應(yīng)時(shí)間的反應(yīng)。這類鑒定方法同樣可以用基于熒光的檢測(cè)系統(tǒng)來檢測(cè)，而且實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是可以得到定量的結(jié)果。同樣，很需要有可利用這類鑒定方法進(jìn)行藥物開發(fā)的高通量系統(tǒng)。
本發(fā)明是利用電旋轉(zhuǎn)分析分子、細(xì)胞和微粒的行為或鑒定分子、細(xì)胞和微粒的類型。電旋轉(zhuǎn)分析將這些分子、細(xì)胞和微?；旌虾笾糜谝粋€(gè)能導(dǎo)致這些物質(zhì)旋轉(zhuǎn)的電場(chǎng)中，同時(shí)觀察分子、細(xì)胞或微粒的行為?！半娦D(zhuǎn)”是指物質(zhì)在一個(gè)電場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)。當(dāng)一個(gè)物體受一旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)影響時(shí)，該物體就被極化并且誘導(dǎo)出的極化作用與施加的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)偶極矩以驅(qū)動(dòng)物體旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的行為(如旋轉(zhuǎn)速度和方向)依賴于旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的頻率和旋轉(zhuǎn)物體的電性質(zhì)。旋轉(zhuǎn)行為可以用一個(gè)與旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的頻率相關(guān)的函數(shù)來表示。通過測(cè)定，物體特有的電性質(zhì)(如電導(dǎo)率和電容率)就可以被推導(dǎo)出。
許多基于電旋轉(zhuǎn)的技術(shù)被開發(fā)用于區(qū)分微粒類型和分析微粒性質(zhì)。例如，美國(guó)專利4,626,506號(hào)揭示了一種用于區(qū)分懸浮液中能分泌細(xì)胞物質(zhì)(如蛋白、激素等)和不能分泌這些物質(zhì)的細(xì)胞的方法。美國(guó)專利4,634,669號(hào)揭示了一種用于區(qū)分兩類不同微粒的方法，該方法是通過對(duì)微粒施加不同頻率的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，通過觀察微粒的不同旋轉(zhuǎn)方向達(dá)到區(qū)分微粒的目的。美國(guó)專利4,801,543號(hào)揭示了一種通過將微粒置于兩個(gè)相互疊加的具有相反旋轉(zhuǎn)方向的同步電場(chǎng)之中來區(qū)分不同類型的微粒。還有國(guó)際專利WO93/16383號(hào)揭示了一種檢測(cè)靶分子的方法，該方法讓微粒和靶樣品形成復(fù)合體，通過觀察原始微粒和復(fù)合體的不同旋轉(zhuǎn)特性來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。
以下是對(duì)電旋轉(zhuǎn)的更多的討論及應(yīng)用例子，如Amold &Zimmermann,Z.Naturforsch.,37c:908-915,(1982)；Fuhr等，Stud.Biophys.108:149-164,(1985)；Gimsa等，Physical characterization of biological cells,Schutt W,Klinkmann H and Laprecht I and Wilson T editors,Gesundheit,Berlin,pp 295-323,(1991a)；Huang等，Phys.Med.Biol.,37:1499-1517,(1992)；Huang等，Biochim.Biophys.Acta 1282:76-84,(1996)；Wang等，Biochim.Biophys.Acta.1193:185-194,(1994)；Becker FF及Wang,Bioelectrochem.Bioenerg.36:115-125,(1998)；及Huang Y等，Biochim.Biophys.Acta 1417:51-62(1999)。
本發(fā)明涉及電旋轉(zhuǎn)芯片的制作和使用以及用于分析多種不同類型微粒的高通量裝置。較好地，本發(fā)明的實(shí)施例在一個(gè)電旋轉(zhuǎn)芯片上對(duì)不同類型的微粒旋轉(zhuǎn)行為進(jìn)行高通量的分析，并能快速確定多種不同微粒的電性質(zhì)。這些實(shí)施例還可以用于高通量分析分子-分子、分子-微粒、微粒-微粒之間的相互作用。例如，本發(fā)明可以用于基于細(xì)胞的，從化合物庫(kù)中高通量地篩選出藥物蛋白分子。
附圖中

圖1(A)是高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)芯片的示意圖。
圖1(B)是一個(gè)具有6個(gè)電極的電旋轉(zhuǎn)單元。
圖1(C)是一個(gè)具有3個(gè)電極的電旋轉(zhuǎn)單元。
圖1(D)是一個(gè)具有4個(gè)電極的電旋轉(zhuǎn)單元。
圖2是一個(gè)對(duì)應(yīng)于多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元的具有一個(gè)單一孔的板。
圖3是一個(gè)具有多個(gè)孔的板，板上的每個(gè)孔依次對(duì)應(yīng)一個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元。
圖4是一個(gè)包括電旋轉(zhuǎn)反應(yīng)腔、光學(xué)成像裝置和圖像分析/處理設(shè)備的電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是一個(gè)高通量電旋轉(zhuǎn)芯片實(shí)施例的示意圖，每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元具有四個(gè)蝴蝶形的電極。
圖6是具有外凸弧形電極的高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)芯片示意圖。
圖7是具有內(nèi)凹弧形電極的高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)芯片示意圖。
圖8是具有直線形電極的高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)芯片示意圖。
圖9顯示高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)芯片的相鄰電旋轉(zhuǎn)單元的電極是電連通的。
圖10顯示高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)芯片的相鄰電旋轉(zhuǎn)單元之間有共享的電極，而且相鄰電旋轉(zhuǎn)單元的電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向相反。
圖11顯示高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)芯片的相鄰電旋轉(zhuǎn)單元的電極是電連通的，并且相鄰電旋轉(zhuǎn)單元的電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向相反。
圖12(A)顯示高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)芯片的每一路輸入信號(hào)都與每一個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中的一個(gè)電極電連通的，并且每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)均勻分布的三個(gè)線形電極之間是電絕緣的。
圖12(B)顯示高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)芯片的每一路輸入信號(hào)都與每一個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中的一個(gè)電極是電連通的，并且每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)均勻分布的五個(gè)線形電極之間是電絕緣的。
圖12(C)顯示高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)芯片的每一路輸入信號(hào)都與每一個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中的一個(gè)電極是電連通的，并且每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)均勻分布的六個(gè)線形電極是電絕緣的。
圖13(A)是利用電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)電旋轉(zhuǎn)單元單個(gè)選通的示意圖。
圖13(B)是雙極型結(jié)型晶體管電子開關(guān)示意圖。
圖13(C)是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管電子開關(guān)示意圖。
圖14是一典型高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)的流程圖。
圖15是利用高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)進(jìn)行合理的藥物篩選方案的流程圖。
圖16是利用高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)確定生物樣品中靶分子的類型和濃度的流程圖。
本發(fā)明的一部分內(nèi)容是關(guān)于制作和使用可在相同電旋轉(zhuǎn)芯片上對(duì)多種不同類型的微粒進(jìn)行高通量電旋轉(zhuǎn)分析的裝置。因?yàn)榫唧w的電旋轉(zhuǎn)芯片實(shí)例包括多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元，因此可以在相同和相似的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行分析。與此相反的，如果多個(gè)樣品被導(dǎo)入到不同的電旋轉(zhuǎn)芯片上，那么芯片與芯片之間的實(shí)驗(yàn)條件就不可能一樣，這樣所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果就不可信。本發(fā)明所述的幾種實(shí)施例可以為每個(gè)電旋轉(zhuǎn)分析提供完全相同的實(shí)驗(yàn)條件，這是由于各電旋轉(zhuǎn)芯片的實(shí)施例在一個(gè)芯片上都包含多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元。
通過對(duì)電極施加相位偏移信號(hào)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。為了制造簡(jiǎn)單，電旋轉(zhuǎn)單元可以采用行列排布。而電極的形狀、位置以及信號(hào)的強(qiáng)度、頻率和波形是決定電場(chǎng)特性的因素。
不同的電極形狀可以產(chǎn)生不同的電場(chǎng)。電極的形狀可以是蝴蝶形、矩形或弓形。一般情況下，雖然電極的數(shù)目和間距可以不同，但是至少需要有三個(gè)電極均勻地分布在電旋轉(zhuǎn)單元中心的周圍。
電場(chǎng)還可能被周圍的電旋轉(zhuǎn)單元影響。因此，在一些實(shí)施例中，通過讓每一個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)為多個(gè)相連通電極提供信號(hào)來減小這種串?dāng)_。在其它一些實(shí)施例中，通過改變相鄰電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)方向來減小這類串?dāng)_。
在本發(fā)明中所介紹的一些電旋轉(zhuǎn)芯片的實(shí)施例中，其支撐物(如芯片)上分布有多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元，這樣就可以在一次檢測(cè)中分析多個(gè)同類或不同類的微粒、細(xì)胞和分子的電特性。通常，此處所描述的電旋轉(zhuǎn)芯片包括一個(gè)支撐物或基底及其上的多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元。這里所述的“支撐物”是指一個(gè)大分子的結(jié)構(gòu)。適宜的支撐物是由非致密的或致密的材料制成。常用的支撐物材料是玻璃、硅、塑料和陶瓷。
相位偏移信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，該信號(hào)發(fā)生器可以集成在芯片上也可以在芯片外?？梢圆捎脭?shù)字或模擬的信號(hào)發(fā)生器來產(chǎn)生波信號(hào)，再利用相位偏移濾波器來產(chǎn)生相位偏移信號(hào)。當(dāng)然也可以直接用一個(gè)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生多個(gè)相位偏移信號(hào)。
相位的偏移量應(yīng)該一致，這樣具有N個(gè)電極的電旋轉(zhuǎn)單元的電信號(hào)相位偏移值為360/N度。相位偏移值也可以增加，這樣總的度數(shù)應(yīng)為360度的整數(shù)倍(如720,1080,1440度)。也可以采用不均勻的相位偏移來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。
一般采用周期性的波如正弦波、方波、鋸齒波等等，當(dāng)然也可以采用非周期性的波。
在一些實(shí)施例中，可能希望只激發(fā)整個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元陣列中的一個(gè)或某幾個(gè)，這樣就需要應(yīng)用如雙極型結(jié)型晶體管(BJT)或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)之類的開關(guān)來選擇性地激發(fā)某些電旋轉(zhuǎn)單元。
實(shí)施例中的電旋轉(zhuǎn)芯片可以在一個(gè)陣列芯片上分析多個(gè)不同類型微粒的電性質(zhì)。例如通過樣品分配頭將多個(gè)樣品分發(fā)到單個(gè)電旋轉(zhuǎn)反應(yīng)池中，誘導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)后對(duì)每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)的微粒旋轉(zhuǎn)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)電旋轉(zhuǎn)單元的檢測(cè)可一個(gè)一個(gè)進(jìn)行或同時(shí)檢測(cè)多個(gè)單元。如果使用具有大觀測(cè)范圍的電荷耦合器件(CCD)，那么就可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)的微粒電旋轉(zhuǎn)反應(yīng)。利用本發(fā)明所介紹的實(shí)施例可以分析多種具有不同形狀和尺寸的微粒，這些微粒包括但不局限于生物分子、生物復(fù)合體、免疫復(fù)合體、脂質(zhì)體、原生質(zhì)體、血小板、病毒、細(xì)胞和微珠體。通過使用這些實(shí)施例，專業(yè)人士可以快速地分析多個(gè)微粒的電性質(zhì)性質(zhì)并同時(shí)監(jiān)測(cè)這些微粒對(duì)改變周圍環(huán)境刺激的響應(yīng)。
除了用于監(jiān)測(cè)同類或異類微粒群體的電性質(zhì)外，本發(fā)明所述的實(shí)施例還可用于快速鑒定具有相似電性質(zhì)的微粒。在本發(fā)明中，“微?！笔侵缚梢砸匀我庑螤钊芙饣驊腋≡诹黧w中的物質(zhì)。微粒可以是生物的也可以是非生物的，包括但不局限于細(xì)胞、細(xì)菌、病毒、DNA分子、蛋白、微珠體(如金屬的、塑料的、玻璃的、聚苯乙烯的珠體或具有復(fù)雜成分的珠體)和納珠體(nanobead)。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例還分析了能/不能與支撐物相連接的具有一個(gè)配基(如抗體、多肽或化學(xué)物品)的細(xì)胞/細(xì)胞復(fù)合體。當(dāng)具有相似電性質(zhì)的微粒被鑒定后，依據(jù)電性質(zhì)將其分組歸類。接著，對(duì)具有相似電性質(zhì)的微粒進(jìn)行進(jìn)一步的分析并區(qū)分能主動(dòng)產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)如蛋白、糖類和脂類的細(xì)胞。鑒定的過程更適于區(qū)分不同類細(xì)胞群體(如只有一些細(xì)胞能產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì))。為了便于分析，可以將一種與細(xì)胞結(jié)合后能改變細(xì)胞電性質(zhì)的標(biāo)記物(如抗體、珠體、載體或其他配基)與能主動(dòng)產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)的細(xì)胞結(jié)合。例如，一種能與感興趣的膜蛋白直接結(jié)合的抗體可以用于快速標(biāo)記能產(chǎn)生這類膜蛋白的細(xì)胞，這樣，通過監(jiān)測(cè)細(xì)胞與標(biāo)記物接觸前后電性質(zhì)的改變情況就可以快速檢測(cè)出這類能結(jié)合抗體的細(xì)胞。
在其他一些實(shí)施例中，此處所述的電旋轉(zhuǎn)芯片可用于分析與測(cè)試化合物或試劑接觸過的微粒(如細(xì)胞)的電性質(zhì)。也就是說，用于鑒定一種試劑是否調(diào)節(jié)了細(xì)胞的電性質(zhì)的方法也是本發(fā)明中的一個(gè)實(shí)施例?；镜募夹g(shù)步驟總結(jié)如下當(dāng)一個(gè)被測(cè)化合物與一個(gè)細(xì)胞相互作用后，它們之間的相互作用會(huì)刺激產(chǎn)生一系列的生化反應(yīng)。這些反應(yīng)將導(dǎo)致細(xì)胞的電性質(zhì)發(fā)生改變，通過此處所述的方法即可進(jìn)行快速的監(jiān)測(cè)和分析。另一方面，如果試劑與細(xì)胞沒有發(fā)生相互作用，那么細(xì)胞的電性質(zhì)就會(huì)保持不變，如同細(xì)胞沒有與這類化合物相接觸一樣。因此通過分析多個(gè)細(xì)胞在與試劑(如來自于化學(xué)或多肽庫(kù)的化合物)接觸前后的電性質(zhì)，可以快速地篩選出多種化合物與細(xì)胞相互作用的能力。更好的是在細(xì)胞與試劑接觸前，用于反應(yīng)的這些細(xì)胞可以與未與試劑接觸的對(duì)照細(xì)胞群體進(jìn)行比較。這樣，通過確認(rèn)試劑與細(xì)胞接觸后能改變細(xì)胞的電性質(zhì)就可以達(dá)到對(duì)試劑進(jìn)行鑒定地目的。
在其它的實(shí)施例中，提供了用于確定生物樣品中分子的類型和濃度的方法。其中的一種方法是利用具有多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元的電旋轉(zhuǎn)芯片分析分子與表面涂覆檢測(cè)試劑(如染料、抗體或能特定結(jié)合于感興趣分子的配基)的微粒接觸后其電性質(zhì)的變化。通過將檢測(cè)試劑與微粒相結(jié)合形成表面涂覆的微粒，將這些微粒放置于電旋轉(zhuǎn)單元中，每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)至少有一個(gè)涂覆的微粒。含有感興趣分子地生物樣品與涂覆的微粒接觸后，對(duì)電旋轉(zhuǎn)單元施加電信號(hào)。隨后對(duì)涂覆微粒進(jìn)行電旋轉(zhuǎn)測(cè)量。通過比較與生物樣品接觸過的涂覆微粒以及未與生物樣品接觸過的涂覆微粒的電旋轉(zhuǎn)性質(zhì)可以確定生物樣品中感興趣的分子的類型和/或其濃度。如同專業(yè)人士所希望的，可以通過比較與生物樣品接觸過的涂覆微粒與對(duì)照的涂覆微粒一感興趣分子復(fù)合體的電旋轉(zhuǎn)性質(zhì)來確定生物樣品中感興趣分子的類型和/或其濃度。下面部分將對(duì)具體電旋轉(zhuǎn)芯片的加工做詳細(xì)地描述。
一些電旋轉(zhuǎn)芯片的實(shí)施例是采用兩層電極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有連線簡(jiǎn)單，加工容易和易于實(shí)現(xiàn)高通量的優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)不同的應(yīng)用可采用不同結(jié)構(gòu)的檢測(cè)反應(yīng)池。反應(yīng)池含有多個(gè)孔，每個(gè)孔依次對(duì)應(yīng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)中心。芯片的基底材料應(yīng)是致密的和非致密的(如非致密陶瓷或非致密硅)，這樣就可以在反應(yīng)池與周圍環(huán)境之間交換確定類型的分子(如讓O2和CO2穿過芯片)。在高通量檢測(cè)過程中還包括適當(dāng)?shù)牧黧w、電和機(jī)械控制。為了監(jiān)視和測(cè)定微粒的旋轉(zhuǎn)行為，還要使用與顯微鏡結(jié)合在一起的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)和圖象處理裝置。
實(shí)施例還包括微加工得到的電旋轉(zhuǎn)芯片及用于高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)的相關(guān)系統(tǒng)。電旋轉(zhuǎn)芯片上有多個(gè)微電極，這些微電極的排布方式是每幾個(gè)電極可以形成一個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元，通過施加相位偏移電信號(hào)，可以在電旋轉(zhuǎn)單元的中心形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。在一個(gè)電旋轉(zhuǎn)芯片上有多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元形成所謂的“電旋轉(zhuǎn)單元陣列”。每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元都是可單獨(dú)選通的，這樣，單元內(nèi)的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)可以開關(guān)并調(diào)節(jié)電場(chǎng)頻率、場(chǎng)強(qiáng)和旋轉(zhuǎn)方向。另外，所有或一部分電旋轉(zhuǎn)單元可以用相同或相似的方法激發(fā)。在芯片表面多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)可用于誘導(dǎo)多種不同微粒的旋轉(zhuǎn)。通過適當(dāng)?shù)臋z測(cè)方法(如通過細(xì)胞自動(dòng)成像和成像處理來確定旋轉(zhuǎn)速度)可以確定微粒旋轉(zhuǎn)行為的頻率特性并進(jìn)一步分析推導(dǎo)微粒的電性質(zhì)。
為了在每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中心產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，需要有三個(gè)和更多的電極被具有不同相位的電信號(hào)同時(shí)激發(fā)。圖1(D)顯示了一個(gè)由四個(gè)電極均勻?qū)ΨQ組成的電旋轉(zhuǎn)單元。當(dāng)這些電極受0,90,180和270度相位偏移值的電信號(hào)激發(fā)后，在這些電極所圍成的中心區(qū)域內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。
另一個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元由三個(gè)相同的電極均勻分布在電旋轉(zhuǎn)單元中心區(qū)域的邊上，如圖1(C)。當(dāng)這些電極被具有0,120和240度的相位偏移值的電信號(hào)激發(fā)后，在這些電極所圍成的中心區(qū)域內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。
通常，電旋轉(zhuǎn)單元包括N個(gè)相同的電極并且分布在旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的周圍。最好的情況是電極均勻并對(duì)稱地分布。
當(dāng)相位偏移值為0,360/N,360*2/N,360*3/N,….360*(N-1)/N的信號(hào)施加在這些電極上，在電極單元的中心就形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。這里N是個(gè)整數(shù)并且大于等于3。當(dāng)然，依次施加在電極上的電信號(hào)相位偏移值也可以是0,360*k/N,360*k*2/N,360*k*3/N,……及360*k*(N-1)/N，這里N和k都是整數(shù)且N≥3,1≤k≤N/2。
例如，當(dāng)N=4,k=1，即電旋轉(zhuǎn)單元由四個(gè)電極組成，那么，施加在這些電極上電信號(hào)的相位偏移值為0,90,180和270度(圖1(D))。
電旋轉(zhuǎn)單元中心區(qū)域電極之間的電場(chǎng)空間分布依賴于N和k的大小以及電極的形狀和尺寸、所施加電信號(hào)的幅值和頻率。
優(yōu)選的實(shí)施例包括在中心區(qū)域邊均勻分布的相同的電極，這些電極被具有固定相位差和振幅的信號(hào)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)然，該實(shí)例中的一些參數(shù)是可變的，如電極的形狀和尺寸可以不同，電極也可以不均勻分布，中心區(qū)域可以不對(duì)稱或均一等等。這些變化再加上施加不同幅值和相位差的電信號(hào)可以產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。
那些精于電場(chǎng)理論分析和數(shù)值模擬的人可以基于N、k的值，電極的結(jié)構(gòu)和尺寸以及所施加信號(hào)的幅值和頻率來分析、模擬并優(yōu)化旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。
電極是一個(gè)具有三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)電材料做成的。它們通常是濺射在基底上的薄膜結(jié)構(gòu)(小于幾個(gè)微米)，當(dāng)然，如果需要也可以將電極的厚度加工得更大一些。電極的形狀可以是線性，內(nèi)凹形或外凸形，也可以使用其他的幾何形狀。
電極是在電旋轉(zhuǎn)芯片上通過加工得到的具有一定幾何形狀的導(dǎo)電體。該導(dǎo)電體是通過沉積、蒸發(fā)、電鍍、濺射等工藝制作的金屬結(jié)構(gòu)或者是通過選擇性地?fù)诫s在一個(gè)半導(dǎo)體層中形成的導(dǎo)電體。
根據(jù)不同的應(yīng)用，電旋轉(zhuǎn)芯片可以用致密或非致密性材料作基底。致密的基底材料包括但不局限于玻璃、硅、塑料和陶瓷。當(dāng)在反應(yīng)池和周圍環(huán)境之間需要可控制地交換一些特定分子(如氣體分子O2或CO2等)時(shí)需要使用非致密性材料作為基底材料。
根據(jù)不同的基底材料和不同的電極結(jié)構(gòu)要求，在電旋轉(zhuǎn)芯片上可通過標(biāo)準(zhǔn)的一層或多層光刻來制作所需的微電極。當(dāng)然也可采用其他的微加工技術(shù)。例如在陶瓷上通過厚膜印刷技術(shù)制作電極。不同的微加工技術(shù)有其相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)所用材料及所需解決的加工問題來選擇。那些微加工方面的專業(yè)人士可以根據(jù)微電極及電旋轉(zhuǎn)芯片的設(shè)計(jì)要求選擇合適的加工方案。
電旋轉(zhuǎn)單元可以排布成規(guī)則的重復(fù)的圖案(如矩形陣列)或不規(guī)則或隨機(jī)的圖案。一個(gè)例子就是在微電子行業(yè)常用的將電旋轉(zhuǎn)單元排成行列結(jié)構(gòu)。行列之間可以是互相垂直的，也可以是偏置一定的角度(如80度)。
一個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元的適宜大小是介于微米到幾厘米之間。也就是說，電旋轉(zhuǎn)單元的最長(zhǎng)軸長(zhǎng)度可以小于1微米，小于5微米，小于10微米，小于20微米，小于50微米，小于75微米，小于100微米，小于150微米，小于200微米，小于250微米，小于500微米，小于750微米，小于1毫米，小于2毫米，小于3毫米，小于4毫米，小于5毫米，小于6毫米，小于7毫米，小于8毫米，小于9毫米，小于10毫米，小于15毫米，小于20毫米，小于30毫米，小于50毫米。典型的情況是電旋轉(zhuǎn)單元包括三個(gè)或更多的電極，這些電極分布在旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)產(chǎn)生的中心區(qū)域周圍。
單個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元可以被單獨(dú)選通，即在任意時(shí)刻電旋轉(zhuǎn)芯片上可以只有一個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元被選通產(chǎn)生一個(gè)局部的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)或者是有多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元被選通產(chǎn)生多個(gè)局部旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。選通電旋轉(zhuǎn)單元指對(duì)電旋轉(zhuǎn)單元的電極施加適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)。
根據(jù)電旋轉(zhuǎn)芯片的結(jié)構(gòu)，可以通過不同的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電旋轉(zhuǎn)單元的選通。在一種結(jié)構(gòu)中，每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中的電極都單獨(dú)與外部獨(dú)立的電信號(hào)源相連，這樣每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元可以被單獨(dú)選通。
另外也可以使用電子開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元的選通。一個(gè)電極是否被激活由控制該電極的電子開關(guān)的通斷狀態(tài)來決定。當(dāng)然同時(shí)也需要控制這些開關(guān)的電信號(hào)存在。電子選通技術(shù)在現(xiàn)代微電子學(xué)中是很普通的，如在電子存儲(chǔ)芯片中就大量應(yīng)用。那些微電子學(xué)方面的技術(shù)人員可以很容易地為這里所述的電旋轉(zhuǎn)芯片設(shè)計(jì)合適的選通方法。
當(dāng)決定電旋轉(zhuǎn)單元的分組與布局時(shí)，須考慮使用開關(guān)引起的相位偏移。在一個(gè)實(shí)施例中對(duì)所有的信號(hào)源使用相同的開關(guān)，則其相位偏移是相同的。當(dāng)然也可以在模擬電路中使用電阻一電容網(wǎng)絡(luò)來補(bǔ)償這些相位偏移。另外一種解決方法就是對(duì)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行調(diào)節(jié)。那些電子學(xué)方面的專業(yè)人士可以設(shè)計(jì)并采用正確的電路以得到所需的特殊信號(hào)。
在另一類芯片結(jié)構(gòu)中，所有的電旋轉(zhuǎn)單元都并行地與電信號(hào)源相連，可同時(shí)激活或同時(shí)斷開(見圖5)。在另一類芯片結(jié)構(gòu)中，電旋轉(zhuǎn)單元被分成幾組，每組內(nèi)的電旋轉(zhuǎn)單元并行地與信號(hào)源相連。在這種結(jié)構(gòu)中，同一組內(nèi)的電旋轉(zhuǎn)單元將同時(shí)被激活或斷開。
實(shí)施例中包含的反應(yīng)池可以具有不同的形狀和大小。反應(yīng)池是指一個(gè)能容納反應(yīng)用微粒且具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的三維空間。一個(gè)簡(jiǎn)單的反應(yīng)池結(jié)構(gòu)如下底部有一個(gè)電旋轉(zhuǎn)芯片，中間是一個(gè)帶有中空孔的板與電旋轉(zhuǎn)芯片粘在一起。板上的孔形狀可以多種多樣，但是在對(duì)應(yīng)芯片上電旋轉(zhuǎn)中心處必須是開放的。
圖2顯示了一個(gè)孔覆蓋芯片上的所有電旋轉(zhuǎn)單元。當(dāng)板與芯片結(jié)合后，板上的孔對(duì)應(yīng)形成反應(yīng)池。待檢測(cè)的樣品(如含有多種不同類型微粒的液態(tài)溶液)被導(dǎo)入到反應(yīng)孔中。這些一個(gè)孔的反應(yīng)池可用于同時(shí)檢測(cè)被導(dǎo)入的混合在一起的多種不同類型的微粒。
圖3是另一種板上含有多個(gè)孔的反應(yīng)池結(jié)構(gòu)圖。每一個(gè)孔依次對(duì)應(yīng)于芯片上的每一個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元的中心。芯片上的電旋轉(zhuǎn)單元數(shù)目與板上的孔數(shù)目是相同的。依照這種方法當(dāng)板與芯片結(jié)合在一起后，孔與電旋轉(zhuǎn)單元是一一對(duì)應(yīng)的，即每個(gè)孔都對(duì)應(yīng)形成反應(yīng)腔中的一個(gè)反應(yīng)池。
用于構(gòu)建反應(yīng)池的板可以由多種材料制成，如玻璃、硅、陶瓷、特氟隆薄片或其他塑料薄片、多聚材料如PDMS(Poly-dimethylailoxane)、PMMA(polymethylmetacrylate)和PC(polycarbonate)等等。
例如，可以使用玻璃板并且板上的孔可以根據(jù)孔的尺寸和玻璃的厚度采用鉆或光刻等工藝加工成合適的大小。通常，孔的適宜大小是介于幾十微米到幾厘米。通過陽(yáng)極鍵合的方法可以讓玻璃板和硅基底的電旋轉(zhuǎn)芯片結(jié)合在一起。另一個(gè)例子是使用厚度在幾十微米到幾毫米的薄膜板。在薄膜板上可以通過切割或微加工出不同形狀的孔。
另一個(gè)例子是使用多聚材料做板與電旋轉(zhuǎn)芯片結(jié)合形成檢測(cè)用反應(yīng)池。通過一些加工工藝可以在多聚材料上加工出所需的孔。
下列是一些可以采用的微加工工藝如激光刻蝕(見Simpson PC,RoachD,Woolley AT,Thorsen T,Johnston R,Sensabaugh GF,Mathies RA,Proc.Natl.Acad.Sci.,USA,95:2256-2261,1998)，鑄模(見Integrated capillaryelectrophoresis for chemical analysis,Becker H及Manz A,Sensors Update,Vol.3，編輯Baltes H,Gopel W及Hesse J,VCH Weinheim,pp 208-238,1998)，硅橡膠鑄造(見Manz A及Becker H，編輯，Microsystem technologyin Chemistry and Life Science,Topics in Current Chemistry,194,SpringHeidelberg,1998)，模壓(見Kopp MU,Crabtree HJ及Manz A,Currentopinion in Chem.Biol.,1:410-419,1997),herein expressly incorporated byreference in its entirety；鑄造(見Microfluidic networks for chemical patterningof substrates:design and application to bioassays,Delamarche E,Bemard A,Schmid H,Bietsch A,Michel B及Biebuyck H,J.Am.Chem.Soc.,120:500-508,1998；及Integrated capillary electrophoresis on flexible siliconemicrodevices:analysis of DNA restriction fragments and detection of singleDNA molecules on microchips,Effenhauser CS,Bruin GJM,Paulus A及EhrtM,Anal.Chem.,69:3451:3457,1997)，在本段落中列出的上述文獻(xiàn)將經(jīng)由參考文獻(xiàn)方式而被結(jié)合到本專利申請(qǐng)文本中去。
下面更詳細(xì)的描述實(shí)施例中電旋轉(zhuǎn)芯片的使用方法。
在電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)中，檢測(cè)用反應(yīng)池可以是開放的。微粒懸浮液或溶液被導(dǎo)入到反應(yīng)池中，在反應(yīng)池開放的情況下對(duì)微粒的電旋轉(zhuǎn)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。
另外，在導(dǎo)入微粒懸浮液后，也可以用一個(gè)蓋板將反應(yīng)池密封起來，形成一個(gè)封閉的反應(yīng)池。而且，所用的蓋板應(yīng)該是可透光的，以便于對(duì)微粒的電旋轉(zhuǎn)反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)視和測(cè)量。另外，反應(yīng)池也可以先密封，微粒懸浮液通過電旋轉(zhuǎn)芯片上或蓋板上的微管道進(jìn)入反應(yīng)池。如果采用多個(gè)反應(yīng)池結(jié)構(gòu)，那么就需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)奈⒐艿荔w系和流體控制系統(tǒng)用于導(dǎo)引微粒懸浮液到各個(gè)不同的反應(yīng)池內(nèi)。
用于激發(fā)電極使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的相位序列信號(hào)是由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的。信號(hào)發(fā)生器可以在電旋轉(zhuǎn)芯片上，也可以位于芯片外與芯片相連。該電信號(hào)可以是正弦波、方波和其他周期性波。雖然正弦波是首選的，但其他的波形也是可以使用的。設(shè)計(jì)和構(gòu)造這類信號(hào)發(fā)生器的方法有很多。一種方法是在模擬振蕩電路中利用能產(chǎn)生相位偏移的電阻-電容系統(tǒng)來產(chǎn)生相位偏移信號(hào)；或者，在數(shù)字電路中通過合適的時(shí)鐘控制來產(chǎn)生相位序列信號(hào)。那些精通電子學(xué)的專業(yè)人士可以設(shè)計(jì)并制造合適的電子線路以提供所需的特殊電子信號(hào)。
電信號(hào)的頻率一般在幾赫茲到幾百兆赫茲。依據(jù)不同的待檢微粒，也有可能采用頻率超過這個(gè)范圍的信號(hào)。在電性質(zhì)檢測(cè)的一些特殊應(yīng)用中可能使用較窄的頻率段，例如，在典型的哺乳類動(dòng)物細(xì)胞特性(如細(xì)胞膜的組成和結(jié)構(gòu))的檢測(cè)中所用的電信號(hào)頻率范圍在10千赫到10兆赫。
為了產(chǎn)生足夠強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，電信號(hào)的幅值介于100毫伏(均方根值)到20伏(均方根值)之間。因?yàn)樾D(zhuǎn)電場(chǎng)的強(qiáng)度依旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)單元尺寸的不同而不同，所以所用電信號(hào)的幅值可能超過這個(gè)范圍。例如，電旋轉(zhuǎn)單元小于10個(gè)微米或大于幾個(gè)毫米所需的電信號(hào)幅值就要大于或小于這個(gè)范圍。
通過不同的方法可以確定或測(cè)量微粒的電旋轉(zhuǎn)行為。典型的方法是采用具有不同放大倍率(10到10000倍)的顯微鏡來觀察微粒的旋轉(zhuǎn)。
手動(dòng)測(cè)量微粒的旋轉(zhuǎn)速率是可行的，但是非常費(fèi)力費(fèi)時(shí)。在高通量檢測(cè)中應(yīng)采用自動(dòng)成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒旋轉(zhuǎn)反應(yīng)的快速測(cè)量。
在一個(gè)實(shí)施例中，成像系統(tǒng)包括一個(gè)光學(xué)顯微鏡，照相機(jī)，圖像采集器(用于將微粒旋轉(zhuǎn)圖像記錄成數(shù)字圖像的設(shè)備)和圖像處理/分析器。那些圖像處理和信號(hào)處理的專業(yè)人士可以設(shè)計(jì)合適的方法和軟件，通過微粒旋轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)可計(jì)算出細(xì)胞旋轉(zhuǎn)速率。Giovanni等人開發(fā)并報(bào)道了一種細(xì)胞電旋轉(zhuǎn)的自動(dòng)檢測(cè)裝置(Automatic electrorotation:dielectric characterizationof living cells by real-time motion estimation.,De Gasperis等，Meas.Sci.Technol.9:518-529,1998)。上述文獻(xiàn)將經(jīng)由參考文獻(xiàn)方式而被結(jié)合到本專利申請(qǐng)文本中去。
很多電旋轉(zhuǎn)原理可以根據(jù)已測(cè)得的微粒電旋轉(zhuǎn)行為來推導(dǎo)出微粒的電參數(shù)。下面是一些關(guān)于應(yīng)用的電旋轉(zhuǎn)原理的參考文獻(xiàn)，這些方法和應(yīng)用對(duì)這里所述的實(shí)施例都是適用的(見Fuhr等，Stud.Biophys.108:149-164(1985),Gimsa等，Physical characterization of biological cells,Schutt W,Klinkmann H及Laprecht I及Wilson T編輯，Gesundheit,Berlin,pp295-323,1991,Huang Y等，Phys.Med.Biol.,37:1499-1517(1992),Wang等，Biochim.Biophys.Acta.1193:185-194(1994),Gascoyne等，Bioelectrochem.Bioenerg.36:115-125(1998),Yang等，Biophys.J.,76:3307-3314(1999)，上述文獻(xiàn)將經(jīng)由參考文獻(xiàn)方式而被結(jié)合到本專利申請(qǐng)文本中去)。在例1中還提供一些可以用于解釋此處所描述實(shí)施例所產(chǎn)生的結(jié)果的數(shù)學(xué)公式和電旋轉(zhuǎn)原理。
下面介紹一些本發(fā)明中所述電旋轉(zhuǎn)芯片在生物領(lǐng)域的應(yīng)用。
本發(fā)明中的實(shí)施例包括用于高通量分析不同生物微粒和復(fù)合體電旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的方法。因此，多個(gè)微粒(如可以或不能與抗體、配基或其它分子相接的細(xì)胞)的電性質(zhì)可以快速地通過此處所述的電旋轉(zhuǎn)芯片來確定。一種方法是將多個(gè)細(xì)胞加到上面所述的電旋轉(zhuǎn)芯片上的電旋轉(zhuǎn)單元中，即在每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中至少有一個(gè)微粒；下一步，通過施加電信號(hào)在每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)并誘導(dǎo)微粒旋轉(zhuǎn)。雖然微粒的電旋轉(zhuǎn)行為可以在一個(gè)頻率下測(cè)量，但是，對(duì)微粒電旋轉(zhuǎn)行為的測(cè)量一般都希望覆蓋整個(gè)典型頻率范圍的多個(gè)頻率點(diǎn)。因?yàn)楸景l(fā)明中的電旋轉(zhuǎn)芯片的多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元都可以單獨(dú)選通，所以，利用該芯片可以實(shí)現(xiàn)對(duì)許多不同微粒的高通量檢測(cè)。
很多不同類型的微粒和生物事件可以通過此處所述的實(shí)施例來分析。例如，可以用這些實(shí)施例來確定微粒(包括但不局限于生物分子、生物復(fù)合體、免疫復(fù)合體、脂質(zhì)體、原生質(zhì)、血小板、病毒和細(xì)胞等)的電性質(zhì)。利用實(shí)施例分析微粒的適宜大小(如微粒長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度)是介于0.05微米到100微米。也就是說，微粒長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度可以小于或等于0.1微米，1微米，5微米，7微米，10微米，12微米，15微米，20微米，25微米，35微米，40微米，45微米，50微米，55微米，60微米，65微米，70微米，75微米，80微米，85微米，90微米，100微米，200微米和300微米。
根據(jù)使用的特殊的電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)方法，被檢測(cè)的微粒放置或懸浮在水溶液或非水溶液中，或者直接在空氣或真空中。根據(jù)微粒和溶液的電性質(zhì)(電導(dǎo)率和電容率)選擇合適的微粒懸浮液使微粒和懸浮液之間的電性質(zhì)差最大，以便于得到最強(qiáng)的電旋轉(zhuǎn)響應(yīng)。如果分析的是活細(xì)胞，那么懸浮液應(yīng)該是能保證細(xì)胞存活的，必要的話，應(yīng)保證細(xì)胞的正常生長(zhǎng)。保證細(xì)胞生長(zhǎng)并不僅僅是指需要特殊的生長(zhǎng)介質(zhì)，還需要保證所需的氣體分子能溶于該介質(zhì)。為適應(yīng)這些需要，電旋轉(zhuǎn)芯片支撐物應(yīng)該由可通氣體的材料如非致密陶瓷和非致密硅(硅片可以在某些區(qū)域進(jìn)行選擇性刻蝕)構(gòu)成，這些材料可以保證檢測(cè)腔中的介質(zhì)可以與周圍環(huán)境進(jìn)行氣體分子的交換。
在一些實(shí)施例中，微粒電性質(zhì)的分析是通過直接對(duì)微粒本身的電旋轉(zhuǎn)進(jìn)行測(cè)量。在其他一些實(shí)施例中，對(duì)微粒電性質(zhì)的分析是間接得到的，即通過監(jiān)測(cè)與感興趣微粒結(jié)合在一起的微珠體的電旋轉(zhuǎn)行為來得到微粒的電性質(zhì)。在某些例子中，特別是對(duì)一些小微粒的分析中，應(yīng)該采用間接的方法以增大檢測(cè)的靈敏度。通常在間接方法中要使用更易分析的標(biāo)記物如染料、抗體、珠體、載體或其它配基。在一些例子中，電旋轉(zhuǎn)測(cè)量是針對(duì)標(biāo)記物的，當(dāng)這些標(biāo)記物與微粒相結(jié)合后，可以使對(duì)微粒的分析更加容易。
一種間接的方法是利用經(jīng)抗體修飾的珠體。為了制備這類抗體修飾的珠體，將珠體和樹脂(如直徑6微米的聚苯乙烯微顆粒，濃度約為1×108/500μl)懸浮在一個(gè)適當(dāng)?shù)木彌_液中(如磷酸鹽緩沖液)并與等體積的抗體溶液(如近似濃度為100μl/ml)混合。珠體和抗體的混合液放置于4℃的搖床中并過夜，然后加入500μl的封閉蛋白(如1.0％BSA)和500μl的封閉RNA(如tRNA)用于封閉珠體上的非特異性結(jié)合點(diǎn)，封閉反應(yīng)也需在4℃下反應(yīng)近2個(gè)小時(shí)。這樣所制備的抗體修飾的珠體結(jié)合有最大量的抗體并可與微粒反應(yīng)。
下一步，抗體修飾的珠體與相對(duì)于抗體是抗原的微粒接觸形成珠體/抗體/微粒復(fù)合體，將該復(fù)合體加到此處所述的電旋轉(zhuǎn)芯片上的電旋轉(zhuǎn)單元中。施加電信號(hào)并測(cè)量與微粒相連接的珠體的電旋轉(zhuǎn)行為。作為對(duì)照，同時(shí)測(cè)量未與微粒相接觸的經(jīng)抗體修飾的珠體的電旋轉(zhuǎn)行為。最好是在與微粒接觸前測(cè)量相同微粒的電旋轉(zhuǎn)行為。通過比較珠體與微粒接觸前后電旋轉(zhuǎn)行為的測(cè)量結(jié)果，專業(yè)人士可以間接地確定包括多肽和核酸在內(nèi)的多種微粒的電性質(zhì)(可參考專利WO 93/16383，此處所述文獻(xiàn)將經(jīng)由參考文獻(xiàn)方式而被結(jié)合到本專利申請(qǐng)文本中去)。
較好地，某些實(shí)施例有能力測(cè)定具有不同類型、形狀和大小的多個(gè)微粒的電特性(見例8和9)。更典型的生物樣品是如含有不同種類的微粒群體。本發(fā)明所描述的實(shí)施例根據(jù)微粒的不同電性質(zhì)可以通過分類和分組達(dá)到鑒定不同類生物樣品中的同類微粒群體的目的。因此，生物樣品被等量地分配到每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中并且對(duì)每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元進(jìn)行單獨(dú)的電旋轉(zhuǎn)測(cè)量。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理，具有相似電性質(zhì)的微粒就被區(qū)分開并歸類。也就是說，具有相同電性質(zhì)的微粒被鑒定出來。
對(duì)于某些應(yīng)用如區(qū)分能產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)和不能產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)的細(xì)胞是很必須的。能主動(dòng)產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)(如糖類、脂類或多肽)的細(xì)胞和不能主動(dòng)產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)的細(xì)胞具有明顯不同的電性質(zhì)。本發(fā)明中的一個(gè)實(shí)施例可以用于快速篩選出能產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)的細(xì)胞。例如，細(xì)胞轉(zhuǎn)染(例如在非常低的效率下)能表達(dá)出膜蛋白如表皮生長(zhǎng)因子受體(EGF受體)。某些群體的細(xì)胞能承受轉(zhuǎn)染且不表達(dá)膜蛋白，而其他一些就會(huì)表達(dá)。因此在轉(zhuǎn)染后就獲得了不同類型的細(xì)胞群體。上面所述的技術(shù)可以用于鑒定在不同類轉(zhuǎn)染子群體中的同類細(xì)胞群體。
而且，相對(duì)于表皮生長(zhǎng)因子受體的抗體可以生產(chǎn)或從商業(yè)渠道(如Sigma公司)處獲得。通過上面所述的技術(shù)可以將這些抗體與微珠體相結(jié)合或通過羥基、羧基或氨基與載體上的反應(yīng)集團(tuán)形成共價(jià)連接。很多用于將抗體固定到珠體上的試劑盒可從商業(yè)渠道獲得(如Pierce Chemical)。固定的抗體可與不同種類的細(xì)胞群體反應(yīng)，將細(xì)胞/抗體/珠體混合液加到實(shí)施例中電旋轉(zhuǎn)芯片的各個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中并施加電信號(hào)，對(duì)珠體接觸細(xì)胞前后的電旋轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，與細(xì)胞表達(dá)出的表皮生長(zhǎng)因子成功結(jié)合的珠體的電性質(zhì)發(fā)生了明顯的改變，由此能產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)的同類細(xì)胞群體就被鑒定出來。當(dāng)然對(duì)細(xì)胞表達(dá)的膜蛋白也可以直接進(jìn)行電旋轉(zhuǎn)測(cè)定，在某些例子中，依靠大量的蛋白表達(dá)，也可以測(cè)定能主動(dòng)產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)的細(xì)胞與不產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)的細(xì)胞之間的電性質(zhì)的差別。例如能表達(dá)有關(guān)離子傳輸?shù)鞍椎募?xì)胞與不能表達(dá)該傳輸?shù)鞍准?xì)胞之間的電性質(zhì)有顯著的不同，通過本發(fā)明中的實(shí)施例可以直接進(jìn)行測(cè)量。
除了用于分析不同類型微粒的電性質(zhì)外，此處所述的實(shí)施例還可以用于檢測(cè)細(xì)胞和分子(如抗體、多肽、化學(xué)試劑或其他細(xì)胞)之間是否發(fā)生反應(yīng)或相互作用。例如一個(gè)或多個(gè)細(xì)胞在與感興趣的分子(這里“結(jié)合體”指分子確定可以與微粒結(jié)合，而“候選結(jié)合體”指該分子并不確定能與微粒相結(jié)合)相接觸的電性質(zhì)被測(cè)定。當(dāng)然，“對(duì)照樣品”的不同電性質(zhì)也同時(shí)被分析。下一步，一個(gè)或多個(gè)細(xì)胞與結(jié)合體相接觸，經(jīng)過足夠時(shí)間的相互作用，利用此處所述的實(shí)施例對(duì)這些細(xì)胞進(jìn)行電旋轉(zhuǎn)行為分析。而且，用于分析對(duì)照樣品和實(shí)際樣品的參數(shù)是一致的。因此在對(duì)照樣品和實(shí)際樣品之間可以進(jìn)行比較分析，這樣，結(jié)合體對(duì)一個(gè)或多個(gè)細(xì)胞的作用就可以被確定出來。如上所述，間接的測(cè)量方法也可以使用。
最好在單個(gè)細(xì)胞與結(jié)合體接觸前測(cè)定其的電旋轉(zhuǎn)行為并做統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)分析可以是對(duì)單個(gè)細(xì)胞在不同頻率下的旋轉(zhuǎn)速度的簡(jiǎn)單平均。同樣，在單個(gè)細(xì)胞與候選結(jié)合體共同培養(yǎng)后，測(cè)量其電旋轉(zhuǎn)行為并做統(tǒng)計(jì)分析。比較細(xì)胞在與不同候選結(jié)合體共同培養(yǎng)前后的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以確定細(xì)胞的電旋轉(zhuǎn)性質(zhì)是否發(fā)生明顯的改變。
通過一種方法，如用高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)從化合物庫(kù)中篩選能調(diào)節(jié)細(xì)胞電性質(zhì)的結(jié)合體(見例10)。懸浮在適當(dāng)介質(zhì)中的細(xì)胞被導(dǎo)入導(dǎo)具有多個(gè)反應(yīng)池的電性質(zhì)檢測(cè)芯片上，每個(gè)反應(yīng)池內(nèi)所加的細(xì)胞數(shù)量是近似相同的(如介于10到500個(gè))。來自于化合物庫(kù)中的化合物(“候選結(jié)合體”)被依次加到這些反應(yīng)池中。如果化合物是溶解在溶劑中，應(yīng)該使用少量但濃度高的化合物溶液。接著讓細(xì)胞和化合物共同培養(yǎng)足夠長(zhǎng)的時(shí)間使其充分反應(yīng)。最好是測(cè)量細(xì)胞與化合物共同培養(yǎng)前后的電旋轉(zhuǎn)行為，而且，還可以使用未與化合物接觸的細(xì)胞做對(duì)照。測(cè)量每個(gè)細(xì)胞的電旋轉(zhuǎn)行為并推導(dǎo)出群體參數(shù)以確定細(xì)胞與化合物共同培養(yǎng)前后其參數(shù)是否發(fā)生明顯的改變。例如，如果化合物與細(xì)胞發(fā)生相互作用，將產(chǎn)生一個(gè)生化反應(yīng)并改變細(xì)胞的生物特性，進(jìn)一步將產(chǎn)生一個(gè)可檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)意義上的顯著的電性質(zhì)變化。細(xì)胞的這類電性質(zhì)變化可以通過電旋轉(zhuǎn)方法測(cè)定，而且能引起這類變化的化合物就被鑒定為先導(dǎo)藥物分子。另一方面，如果一個(gè)化合物與細(xì)胞不發(fā)生相互作用，細(xì)胞的電旋轉(zhuǎn)行為就不會(huì)發(fā)生變化。
在一個(gè)簡(jiǎn)單的例子中，典型頻率處細(xì)胞的電旋轉(zhuǎn)行為被測(cè)定?！暗湫皖l率”是指在這一頻率下細(xì)胞的電旋轉(zhuǎn)行為強(qiáng)烈地依賴于細(xì)胞的性質(zhì)。典型頻率也可以是使與候選結(jié)合體接觸前的細(xì)胞不旋轉(zhuǎn)或微弱旋轉(zhuǎn)時(shí)的頻率。因此，如果細(xì)胞與候選結(jié)合體一起培養(yǎng)后，在這個(gè)頻率下展示出很強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)行為，那么就可以確定細(xì)胞與結(jié)合體發(fā)生了相互作用。也就是說，如果細(xì)胞與候選結(jié)合體的相互作用導(dǎo)致了細(xì)胞電旋轉(zhuǎn)行為的改變，那么該候選結(jié)合體就是真正的結(jié)合體。另一方面，如果在這頻率下與候選結(jié)合體共同培養(yǎng)過的單細(xì)胞其平均旋轉(zhuǎn)速率近似于零，那么可以得出如下結(jié)論，即細(xì)胞的電性質(zhì)性質(zhì)沒有發(fā)生變化并且候選結(jié)合體與細(xì)胞間也沒有相互作用。
另一個(gè)用于確定細(xì)胞與不同類型的檢測(cè)分子共同培養(yǎng)后是否有統(tǒng)計(jì)意義上的顯著變化的方法是通過比較細(xì)胞的介電參數(shù)。因此，對(duì)單細(xì)胞電旋轉(zhuǎn)反應(yīng)的測(cè)定是通過比較在測(cè)試頻率范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)所得旋轉(zhuǎn)速率與理論速率來得到的。通過構(gòu)建的細(xì)胞模型以及模型中采用的介電參數(shù)可以計(jì)算出理論上細(xì)胞旋轉(zhuǎn)速率一所加電場(chǎng)頻率之間的關(guān)系曲線。理論曲線遵循確定的數(shù)學(xué)公式(例如以解析公式或數(shù)值關(guān)系表示)，該公式有一個(gè)或多個(gè)參數(shù)可用于調(diào)節(jié)曲線的形狀。因此，該匹配過程對(duì)每個(gè)測(cè)量細(xì)胞將產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)模型中的參數(shù)(見例1，方程(7))。這些推導(dǎo)得到的參數(shù)通過統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行進(jìn)一步分析可得到群體參數(shù)，比較這些群體參數(shù)可以確定細(xì)胞與候選結(jié)合體共同培養(yǎng)后是否發(fā)生統(tǒng)計(jì)意義上的顯著變化。
另一類實(shí)施例是用于定量分析多個(gè)細(xì)胞與一個(gè)結(jié)合體(如化合物、多肽、抗體或其他配基)之間的相互作用。本發(fā)明的實(shí)施例有多種用途，如用于確定生物樣品中某種分子的類型或濃度；或者用于優(yōu)化出作用于細(xì)胞的最優(yōu)分子濃度。在進(jìn)一步應(yīng)用中，通過評(píng)估為得到最強(qiáng)的電旋轉(zhuǎn)反應(yīng)所需的結(jié)合體數(shù)量可以優(yōu)化出加到一個(gè)細(xì)胞上的最優(yōu)分子濃度。
通過直接使用上述的步驟或通過對(duì)其進(jìn)行稍微修改可以實(shí)現(xiàn)下列的檢測(cè)方法。例如施加于一個(gè)細(xì)胞的化合物最優(yōu)量可通過下列檢測(cè)方法確定。不同濃度的結(jié)合體被加入到一個(gè)高通量電旋轉(zhuǎn)反應(yīng)腔上的各個(gè)不同的反應(yīng)池中并與細(xì)胞共同培養(yǎng)。通過滴定法往電旋轉(zhuǎn)反應(yīng)腔上加結(jié)合體溶液可以保證每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)加入不同量的結(jié)合體。經(jīng)過足夠時(shí)間的培養(yǎng)后，在不同反應(yīng)池內(nèi)的細(xì)胞電旋轉(zhuǎn)行為被測(cè)定，同時(shí)可以確定獲得最強(qiáng)反應(yīng)的結(jié)合體的濃度。
為了確定生物樣品中分子的濃度和特性，也可以使用間接電旋轉(zhuǎn)分析方法(見例11)。該方法將表面激活的微粒與檢測(cè)試劑(如染料、抗原、抗體、多肽、酶、核酸或其他配基)相結(jié)合，而微粒表面的檢測(cè)試劑能與生物樣品中感興趣的分子相互作用?？梢酝瑫r(shí)使用結(jié)合在不同微粒上的多個(gè)互不相干的檢測(cè)試劑分別與其對(duì)應(yīng)的不同靶分子相互反應(yīng)，這樣就可以在一次檢測(cè)中同時(shí)測(cè)定多個(gè)目標(biāo)微粒。
進(jìn)一步將表面涂覆的微粒導(dǎo)入具有多個(gè)反應(yīng)池的反應(yīng)腔中。在與生物樣品接觸之前先測(cè)定微粒的電旋轉(zhuǎn)行為，然后將生物樣品依次加入到各個(gè)反應(yīng)池，經(jīng)過足夠時(shí)間的培養(yǎng)后測(cè)定微粒的電旋轉(zhuǎn)行為。將前后兩次測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比較看微粒的電旋轉(zhuǎn)行為是否發(fā)生變化并算出變化量的大小。細(xì)胞的電旋轉(zhuǎn)反應(yīng)發(fā)生變化將用于確定含有分子的生物樣品是否與涂覆的微粒發(fā)生相互作用。進(jìn)一步，電旋轉(zhuǎn)的變化量還與溶液中與之對(duì)應(yīng)的分子濃度有直接的關(guān)系。因此，通過分析表面涂覆微粒電旋轉(zhuǎn)行為的變化可以測(cè)定生物樣品中的分子組成和濃度。下面的例子將具體描述本發(fā)明中實(shí)施例所用的一些電旋轉(zhuǎn)原理及這些實(shí)施例的具體應(yīng)用。
例1下面介紹一些電旋轉(zhuǎn)理論以及應(yīng)用這些理論區(qū)分微粒電旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的細(xì)微差別。在笛卡兒坐標(biāo)系的x-y平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)可描述如下E→=Excos(ωt)αx→+Eysin(ωt)αy→----(1)]]>其中 和 分別是x方向和y方向的單位矢量。Ex和Ey是x方向和y方向的場(chǎng)強(qiáng)。對(duì)于一個(gè)理想的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，場(chǎng)分量滿足下面等式Ex=Ey。施加在介質(zhì)中微粒的旋轉(zhuǎn)扭矩為Π→=-4πr3ϵmIm(fCM)ExEy(ax→×ay→)----(2)]]>
式中εm是介質(zhì)的介電容率，r是微粒半徑，Im(fCM)是微粒介電極化因子fCM的虛部。介電極化因子fCM為fCM=(ϵp*-ϵm*)/(ϵp*+2ϵm*)----(3)]]>式中εp*和εm*是微粒和介質(zhì)的復(fù)合介電容率。復(fù)合介電容率與施加的電場(chǎng)頻率f、導(dǎo)電率σ和介電率ε的關(guān)系如下ϵ*=ϵ-jσ/(2πf)----(4)]]>式中電導(dǎo)率和電容率是與頻率相關(guān)的參數(shù)。不同的微粒有不同的頻率相關(guān)的電導(dǎo)率和電容率。在一個(gè)典型的電旋轉(zhuǎn)分析中，如微粒懸浮在液體中(如生物細(xì)胞和聚苯乙烯珠體在水溶液中)，在扭矩(如方程2所示)和粘滯拖動(dòng)的平衡下微粒旋轉(zhuǎn)速度為Rrot=-ϵmIm(fCM)ExEy2η----(5)]]>式中η是介質(zhì)的動(dòng)態(tài)粘滯系數(shù)。因此，微粒的電旋轉(zhuǎn)速度Rrot與微粒的介電極化因子fCM有關(guān)。
上述的測(cè)量也適用于確定微粒的介電性質(zhì)(如電導(dǎo)率和介電容率)。根據(jù)被分析微粒的結(jié)構(gòu)和組成，微粒的電性質(zhì)可以用不同的介電模型來分析。例如多數(shù)的細(xì)胞可以模擬成帶殼的球體。對(duì)于一個(gè)單殼模型，殼和它內(nèi)部的球體依次對(duì)應(yīng)于細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)容物。該帶殼球體的復(fù)合電容率為ϵcell*=ϵmem*(rr-d)3+2(ϵint*-ϵmem*ϵint*+2ϵmem*)(rr-d)3-ϵint*-ϵmem*ϵint*+2ϵmem*----(6)]]>式中εcell*,εmem*和εint*分別是細(xì)胞、膜和細(xì)胞內(nèi)容物的復(fù)合介電容率。參數(shù)r和d代表細(xì)胞的半徑和膜的厚度。
當(dāng)對(duì)細(xì)胞施加電旋轉(zhuǎn)分析，細(xì)胞的介電參數(shù)(εmem*和εint*)可通過細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)頻率確定。典型地，通過調(diào)整細(xì)胞的介電參數(shù)使理論電旋轉(zhuǎn)譜線(Rrot_theory(fi))與實(shí)驗(yàn)曲線(Rrot_theory(fi))相符來得到細(xì)胞的介電參數(shù)minparameters|(Rrot_exp(fi)-Rrot_theory(fi)|----(7)]]>式中fi指實(shí)驗(yàn)的頻率點(diǎn)。有很多文獻(xiàn)介紹了通過電旋轉(zhuǎn)理論和使用電旋轉(zhuǎn)技術(shù)去推導(dǎo)得到細(xì)胞的介電參數(shù)(和其他微粒的介電參數(shù))，我們列出一些與本應(yīng)用有關(guān)的文獻(xiàn)作為參考(Interpretation of electrorotation ofprotoplasts I:the theoretical consideration,Fuhr G,Gimsa J,Glaser R,Stud.Biophys.108:149-164,1985；Theory and application of the rotation ofbiological cells in rotating electric field,Gimsa J,Glaser R及Fuhr G,Physical characterization of biological cells,Schutt W,Klinkmann H andLaprecht I及Wilson T編輯，Gesundheit,Berlin,pp 295-323,1991；Differences in the AC electrodynamics of viable and non-viable yeast cellsdetermined through combined dielectrophoresis and ROT studies,Huang Y,Holzel R,Pethig R and Wang X-B Phys.Med.Biol.,37:1499-1517,1992；Changes in friend murine erythroleukaemia cell membranes during induceddifferentiation determined by ROT,Wang X-B,Huang Y, Gascoyne PRC,Holzel R,及Pethig R,Biochim.Biophys.Acta.1193:185-194,1994；Numerical analysis of the influence of experimental conditions on the accuracyof dielectric parameters derived from ROT measurements,Gascoyne PRC,Becker FF及Wang X-B,Bioelectrochem.Bioenerg.36:115-125,1998；Dielectric properties of human leukocyte subpopulations determined byelectrorotation as a cell separation criterion,Yang J,Huang Y,Wang X,WangX-B,Becker FF及Gascoyne PRC,Biophys.J.,76:3307-3314,1999)。在本段落中列出的上述文獻(xiàn)將經(jīng)由參考文獻(xiàn)方式而被結(jié)合到本專利申請(qǐng)文本中去。
當(dāng)?shù)玫絾蝹€(gè)測(cè)量微粒的介電參數(shù)后，通過進(jìn)一步使用統(tǒng)計(jì)方法可得到每個(gè)微粒的群體參數(shù)(如確定參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差)，這些群體參數(shù)可以作進(jìn)一步分析如比較群體間的區(qū)別。
上面所述的電旋轉(zhuǎn)理論可以適用于多個(gè)不同電旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)。下面是電旋轉(zhuǎn)單元的不同實(shí)施例。
例2圖1(A)是高通量電旋轉(zhuǎn)芯片10的示意圖。芯片包括多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元20，每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元20包括多個(gè)電極30。當(dāng)施加適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)40后，電旋轉(zhuǎn)單元20將在與電旋轉(zhuǎn)芯片10平行的平面上產(chǎn)生一個(gè)繞芯片垂直軸旋轉(zhuǎn)的電場(chǎng)50。
圖1(B)顯示包括三個(gè)圍繞電旋轉(zhuǎn)單元中心均勻分布的狹窄的矩形電極30的電旋轉(zhuǎn)單元。當(dāng)對(duì)電極施加相位值為0,120和240度的電信號(hào)后，在這些電極所圍繞的中心區(qū)域?qū)a(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電場(chǎng)。
圖1(C)顯示包括六個(gè)圍繞電旋轉(zhuǎn)單元中心均勻分布的狹窄的矩形電極30的電旋轉(zhuǎn)單元。當(dāng)對(duì)電極施加相位值為0,60,120,180,240和300度的電信號(hào)后，在這些電極所圍繞的中心區(qū)域?qū)a(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電場(chǎng)。
圖1(D)顯示包括四個(gè)圍繞電旋轉(zhuǎn)單元中心均勻分布的狹窄的矩形電極30的電旋轉(zhuǎn)單元。當(dāng)對(duì)電極施加相位值為0,90,180和270度的電信號(hào)后，在這些電極所圍繞的中心區(qū)域?qū)a(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電場(chǎng)。
芯片可以在致密材料(如玻璃、硅、陶瓷、塑料)或非致密材料(如多孔硅、多孔陶瓷等)上加工成方形、圓形或其它形狀。使用非致密的芯片材料可以讓多種不同類型的氣體分子通過芯片。芯片的大小介于1毫米到500毫米，根據(jù)電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)對(duì)象的大小和形狀，不同電旋轉(zhuǎn)單元的大小可介于10微米到10毫米。
一般芯片至少包括一個(gè)反應(yīng)腔，如下面例子所示。
例3圖2顯示一個(gè)高通量電旋轉(zhuǎn)反應(yīng)腔的實(shí)施例。反應(yīng)腔包括一個(gè)一個(gè)電旋轉(zhuǎn)芯片10和一個(gè)與之相接的板60。為了表示的更清楚，芯片10和板60在圖2中分開單獨(dú)表示。圖中在板60上只有一個(gè)開孔70，這樣，當(dāng)板60與芯片結(jié)合后，板上的孔正好覆蓋在芯片上的電旋轉(zhuǎn)單元上形成一個(gè)反應(yīng)池。被檢測(cè)的微粒導(dǎo)入到反應(yīng)池中并在不同的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)中心分析。
例4圖3是高通量電旋轉(zhuǎn)反應(yīng)腔的另一種實(shí)施例的示意圖。反應(yīng)腔包括一個(gè)電旋轉(zhuǎn)芯片10和結(jié)合在芯片上的板80。為了表示的更清楚，芯片10和板80在圖3中分開單獨(dú)表示。圖中在板80上有多個(gè)開孔90，這樣，當(dāng)板80與芯片結(jié)合后，板上的每個(gè)孔依次對(duì)應(yīng)芯片上的一個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元并形成一個(gè)反應(yīng)池。被檢測(cè)的微粒分別導(dǎo)入到各個(gè)不同的反應(yīng)池中，一種微粒對(duì)應(yīng)一個(gè)反應(yīng)池并在其中進(jìn)行電旋轉(zhuǎn)分析。
用于構(gòu)建反應(yīng)腔的板可以由不同類型的材料制成，如玻璃、硅、陶瓷、特氟隆薄片或其它塑料薄板、聚合物如PDMS(poly-dimethylailoxane)和PMMA(polymethylmetacrylate)、PC(polycarbonate)等。根據(jù)不同的用途，可以采用致密的或非致密的材料，也可采用剛性的或彈性的材料。以玻璃為例，根據(jù)玻璃的厚度和孔的大小可以采用不同的加工工藝如光刻或鉆孔在玻璃板上加工出適當(dāng)大小的孔。一般孔的尺寸為幾十微米到幾個(gè)厘米。通過陽(yáng)極鍵合技術(shù)可以將玻璃與硅基地的電旋轉(zhuǎn)芯片結(jié)合在一起。另外的例子是使用幾十微米到幾個(gè)毫米的特氟隆薄片，可通過切割或微加工等工藝在薄片上加工出不同形狀的孔。多聚材料也同樣可以加工出合適的孔并與電旋轉(zhuǎn)芯片結(jié)合形成反應(yīng)腔。
根據(jù)芯片材料和多聚物的不同，由多聚物制成的薄板可以通過不同的方法與電旋轉(zhuǎn)芯片結(jié)合。例如，由PDMS制成的薄板與芯片的封裝只需將薄板放置在芯片上就可形成密封的反應(yīng)腔。
雖然上面描述的是上蓋板與電旋轉(zhuǎn)芯片的結(jié)合，蓋板與電旋轉(zhuǎn)芯片也可以由同一塊基地材料加工而成。例如，先通過微加工處理后在基地材料上加工出多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)的微電極，接著采用基于光刻的方法對(duì)電旋轉(zhuǎn)單元的中心區(qū)域刻蝕出小反應(yīng)池(如10到20微米)。通過對(duì)電極施加電信號(hào)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，放置于反應(yīng)池中的微粒就暴露在電場(chǎng)中并受其影響。
如下面的例子所述可以將電旋轉(zhuǎn)反應(yīng)腔集成到高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)系統(tǒng)中。
例5圖4高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。該系統(tǒng)包括一個(gè)電旋轉(zhuǎn)反應(yīng)腔100，并且當(dāng)施加適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)后，在芯片上可以產(chǎn)生多個(gè)旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。反應(yīng)腔100放置于顯微鏡載物臺(tái)115上，光學(xué)顯微鏡110與照相機(jī)120連接在一起用于獲得微粒125在旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)的電子圖像。照相機(jī)獲得的電子圖像信號(hào)被計(jì)算機(jī)130采集并處理以確定微粒的旋轉(zhuǎn)行為(如速率和方向)。對(duì)微粒旋轉(zhuǎn)響應(yīng)進(jìn)行分析可以得到微粒的電參數(shù)并獲得不同的檢測(cè)結(jié)果。
電旋轉(zhuǎn)單元的結(jié)構(gòu)對(duì)微粒的旋轉(zhuǎn)響應(yīng)也有影響。下面是具有蝴蝶形電極的實(shí)施例。
例6圖5是一個(gè)高通量電旋轉(zhuǎn)芯片的實(shí)施例的示意圖。在基底145上的一個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元由四個(gè)蝴蝶形電極140組成。不同單元內(nèi)的電極通過水平導(dǎo)線150和垂直導(dǎo)線160相連通。圖中互相連通的電極和導(dǎo)線用同一種陰影圖案表示。水平導(dǎo)線150通過一個(gè)主垂直導(dǎo)線158在電旋轉(zhuǎn)單元外相連通；相似的，垂直導(dǎo)線160也通過一個(gè)主水平導(dǎo)線168在電旋轉(zhuǎn)單元外相連通。所有電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)的相應(yīng)電極連接在一起。每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元包括四個(gè)電極，因此有四個(gè)主電極導(dǎo)線(兩個(gè)垂直導(dǎo)線158和兩個(gè)水平導(dǎo)線168)依次與分布在芯片周圍區(qū)域的四個(gè)電極焊盤相連通。因此，只需要四個(gè)電極焊盤170就可以連通外部信號(hào)發(fā)生器和所有的電旋轉(zhuǎn)單元。信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生如具有相位偏移值0,90,180和270度的四路正弦信號(hào)。這四路信號(hào)依次輸送給電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)的四個(gè)電極。在水平和/或垂直導(dǎo)線之間可以加介電絕緣層，這樣，導(dǎo)線輸運(yùn)不同的電信號(hào)就不會(huì)互相接通。必須采用多層光刻技術(shù)(即需要多個(gè)掩模板)來加工這類芯片，這樣，水平導(dǎo)線和垂直導(dǎo)線就會(huì)分布在基底的不同層上。例如，對(duì)于一個(gè)硅基底，垂直導(dǎo)線可以通過在硅基上注磷來得到所需的導(dǎo)電率，接著在垂直導(dǎo)線上構(gòu)建一層介電層，然后在介電層上濺射金屬膜(如金、鋁)后經(jīng)過光刻得到電極和水平導(dǎo)線。通過這種方法，圖5中的電旋轉(zhuǎn)單元可以通過使用兩個(gè)導(dǎo)電層來實(shí)現(xiàn)。在絕緣層上使用“導(dǎo)電通道”實(shí)現(xiàn)兩個(gè)導(dǎo)電層的電連接。加工這類“通道”的步驟包括在所需位置刻穿絕緣層形成“洞”，然后在洞里電鍍形成通道。那些精于微加工的專業(yè)人士可以確定并選擇合適的工藝和步驟進(jìn)行加工。電旋轉(zhuǎn)單元的大小介于1微米到1厘米，適宜的大小是介于20微米到2毫米。所需電旋轉(zhuǎn)單元的大小由待分析的微粒的大小和幾何形狀確定。
電極可以有不同的形狀和結(jié)構(gòu)，如下面所述。
例7圖6,7和8顯示了其它三個(gè)電極結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，這些電極的形狀為內(nèi)凹圓弧形、外凸圓弧形和線形。電旋轉(zhuǎn)單元的大小介于1微米到1厘米，比較適宜的大小是20微米到2毫米。除了電極形狀的不同外，這些檢測(cè)芯片與圖5中的芯片相似，可以用多層光刻方法加工。圖6,7和8中所示的兩個(gè)相對(duì)的電極間距介于1微米到5毫米。
圖6,7和8中所示的檢測(cè)芯片具有高通量檢測(cè)的能力，而且加工方便，芯片上電極與外部信號(hào)發(fā)生器的電連接也很簡(jiǎn)單。由電旋轉(zhuǎn)單元的大小和密度決定了高通量分析的容量。必須使用多層光刻技術(shù)來加工這種具有兩個(gè)導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)的電極。因?yàn)樵诿總€(gè)單元中的相關(guān)元素是相互電連通的，所以只需要四個(gè)電極焊盤來激活這些電旋轉(zhuǎn)單元。
圖9是一種電極排布示意圖，即來自于相鄰電旋轉(zhuǎn)單元302和312的相鄰電極300和310是電連通的。將相鄰電極進(jìn)行電連通簡(jiǎn)化了加工步驟，因?yàn)橄噜忞姌O300和310之間是電連通的，所以可以施加同一種信號(hào)，這樣就降低了相鄰電旋轉(zhuǎn)單元的相互影響。
圖10是一種電極排布示意圖，即相鄰電旋轉(zhuǎn)單元322和326共享一個(gè)電極320。這種電極排布方式使得電旋轉(zhuǎn)單元322內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)324的旋轉(zhuǎn)方向與相鄰電旋轉(zhuǎn)單元326內(nèi)的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)328的方向相反。因?yàn)樾D(zhuǎn)電場(chǎng)324的旋轉(zhuǎn)方向與電場(chǎng)328相反，但是在電旋轉(zhuǎn)單元322和326相鄰地邊緣其電場(chǎng)的方向是平行的，這樣也可以減少相鄰單元地交叉影響。而且，相鄰電旋轉(zhuǎn)單元322和326共享一個(gè)電極320也可以簡(jiǎn)化芯片的加工。
圖11是一種電極排布示意圖，即相鄰電旋轉(zhuǎn)單元332和342的相鄰電極330和340是電連通的。這種排布方式導(dǎo)致了電旋轉(zhuǎn)單元332中的電場(chǎng)334的旋轉(zhuǎn)方向與相鄰電旋轉(zhuǎn)單元342中的電場(chǎng)344的旋轉(zhuǎn)方向相反。因?yàn)殡妶?chǎng)334的旋轉(zhuǎn)方向與電場(chǎng)344的旋轉(zhuǎn)方向相反，電場(chǎng)334和344在相鄰電旋轉(zhuǎn)單元332和342的相鄰處旋轉(zhuǎn)方向相平行，這樣能減少相鄰電旋轉(zhuǎn)單元之間的交叉影響。這種讓電極330與340之間電連通的排布方式簡(jiǎn)化了加工過程。
當(dāng)電場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向不同時(shí)，成像系統(tǒng)必須對(duì)微粒旋轉(zhuǎn)的變化做相應(yīng)的補(bǔ)償。一種方法是測(cè)量在具有相反轉(zhuǎn)動(dòng)方向的電場(chǎng)中的微粒時(shí)，將圖像做水平或垂直翻轉(zhuǎn)后再測(cè)量。在確定微粒運(yùn)動(dòng)時(shí)也同樣可以做相應(yīng)的補(bǔ)償。
圖12(A),12(B)和12(C)顯示了具有三個(gè)、五個(gè)和六個(gè)線形電極的電旋轉(zhuǎn)單元。在基底上同一層中的電極和導(dǎo)線用相同的陰影表示。
通過兩層布線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)實(shí)施例的布線要求。例如，在圖12(A)中第一層包括垂直的導(dǎo)線160，第二層包括電極210，水平導(dǎo)線150和主導(dǎo)線158和168以及電極連接點(diǎn)220。在圖12(B)中第一層包括垂直導(dǎo)線160，第二層包括電極240，水平導(dǎo)線150和主導(dǎo)線158,168和178以及電極連接點(diǎn)220。在圖12(C)中第一層包括垂直導(dǎo)線160，第二層包括電極250，水平導(dǎo)線150和主導(dǎo)線158,168,178和188以及電極連接點(diǎn)220。在兩個(gè)導(dǎo)電層之間有一個(gè)絕緣層用于隔離這兩個(gè)導(dǎo)電層。
所有的電旋轉(zhuǎn)單元可以平行的連接并同時(shí)激發(fā)，或者，電旋轉(zhuǎn)單元可以單獨(dú)選通和部分選通。在這種情況下，需要用電子開關(guān)來控制信號(hào)發(fā)生器對(duì)電極提供信號(hào)以達(dá)到選通的目的。
有多種方法可以實(shí)現(xiàn)單元可選通。例如，利用電子開關(guān)來連接外部電信號(hào)和芯片上的電極，通過另外一路電信號(hào)來控制開關(guān)的開/關(guān)狀態(tài)。另外，也可以使用機(jī)械開關(guān)來手動(dòng)控制電極的通/斷電。在兩種方法中都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)的不同組合的電旋轉(zhuǎn)單元進(jìn)行激活。
圖13(A)利用電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)選通單個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元的示意圖。電旋轉(zhuǎn)單元中的電極200通過一個(gè)開關(guān)260與電信號(hào)相連通?？梢允褂靡粋€(gè)電子開關(guān)如圖13(B)中的雙極型晶體管270或圖13(C)中的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管280。因此，對(duì)晶體管的基極290或MOSFET的門295施加電勢(shì)以確定電子開關(guān)的通斷情況。當(dāng)對(duì)這些電子開關(guān)施加適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)可以控制開關(guān)的通斷，由此決定了電極與電信號(hào)是否接通。同一個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)的電極開關(guān)由同一個(gè)電信號(hào)控制，所以電信號(hào)可以同時(shí)與電極接通。這樣可以控制每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的通斷。
利用制作電旋轉(zhuǎn)單元的工藝可以容易的制作這些晶體管。使用同一個(gè)基底可以將晶體管與電旋轉(zhuǎn)單元的導(dǎo)線集成在一起。
其它的電子開關(guān)也可以使用。例如在電子存儲(chǔ)芯片中所用的用于選通單個(gè)存儲(chǔ)單元的電子開關(guān)。這些開關(guān)也可以通過微加工技術(shù)在電旋轉(zhuǎn)單元的同一個(gè)基底上加工出來。開關(guān)也可以由一對(duì)耦合發(fā)射的雙極型晶體管組成。
電旋轉(zhuǎn)芯片的基底材料可以是硅、玻璃、氧化硅、陶瓷或塑料?；撞牧峡梢允侵旅艿幕蚍侵旅艿摹Ｏ嗨频?，絕緣層的材料可以包括但并不局限于氧化硅、氧化鋁、氮化硅、塑料、玻璃、光刻膠和陶瓷。導(dǎo)電層的材料可以是鋁、金、錫、銅、鉑、鈀、碳、半導(dǎo)體材料或這些材料的組合物。同樣的，其他形狀的電極也是可以采用的?？梢圆捎貌煌奈⒓庸し椒▉碇谱麟娦D(zhuǎn)芯片。加工步驟包括電子束蒸發(fā)、濺射、真空蒸發(fā)、電鍍和光刻。
那些微加工方面的專業(yè)人士可以選擇合適的加工工藝和材料來制作電旋轉(zhuǎn)芯片。
例如，薄膜印刷技術(shù)可以用于在陶瓷基底上加工電旋轉(zhuǎn)芯片。這種印刷方法的分辨率約為10微米，并且不僅能印刷導(dǎo)電材料，還可以制作電絕緣層。因此，具有多個(gè)導(dǎo)電層的電旋轉(zhuǎn)芯片可以被加工出來。陶瓷基底芯片的優(yōu)點(diǎn)在于魯棒、耐用和相對(duì)的低成本。
標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)可用于硅基或玻璃基底的電旋轉(zhuǎn)芯片的加工。這種方法有一些區(qū)別。我們以在玻璃基底上刻蝕金屬膜微電極為例。通過濺射或蒸發(fā)的方法在基底上預(yù)先涂覆一層金屬薄層(如小于1微米)，具有所需圖案的掩模版可以由不同的標(biāo)準(zhǔn)掩模版加工方法如電子束刻蝕或激光刻蝕加工而成。一般在掩模版上有薄膜材料可以阻擋特殊波段的光，掩模版上一些區(qū)域的薄膜被去掉以形成所需的圖案。
通過下面的方法將掩模版上的圖案轉(zhuǎn)移到芯片的玻璃基底上。金屬涂覆的基底涂有一層光刻膠，將掩模版直接蓋在基底上后在特定光源下曝光，曝光后，基底上的光刻膠在適當(dāng)?shù)娘@影液中顯影，被光線照到的區(qū)域就被顯影出來(和未被照到的區(qū)域被顯影出來，根據(jù)所用光刻膠的不同而不同)。在刻蝕液中對(duì)基底上的金屬膜進(jìn)行刻蝕，使得沒有光刻膠保護(hù)的區(qū)域其金屬膜被刻蝕掉而有光刻膠保護(hù)的區(qū)域金屬膜被保留下來。這樣掩模版上的圖案就轉(zhuǎn)移到玻璃基底上的金屬層上。對(duì)上面的步驟作修改就可以制作不同類型的薄膜結(jié)構(gòu)(如介電層)。表面接觸印刷法也可以用于在不同基底材料如塑料、陶瓷和硅上加工高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)芯片。
下面的例子是高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)的步驟。
例8這個(gè)例子提供一個(gè)使用電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)芯片實(shí)施例的一個(gè)通用方法。圖14是一個(gè)流程表。在開始，制作一個(gè)高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)芯片和檢測(cè)用反應(yīng)腔。根據(jù)不同的使用目的確定芯片和反應(yīng)腔的形狀。例如，一個(gè)反應(yīng)腔內(nèi)只有一個(gè)反應(yīng)池的芯片可以用于分析在一個(gè)懸浮液中有同類或異類的多種不同類型的微粒群體。對(duì)于多種不同類型微粒懸浮在不同的溶液中可以用帶有多個(gè)反應(yīng)池的反應(yīng)腔來檢測(cè)。
構(gòu)建好裝置后，將微粒導(dǎo)入到檢測(cè)反應(yīng)腔中的反應(yīng)池。對(duì)于具有一個(gè)檢測(cè)反應(yīng)池的反應(yīng)腔，將含有不同類型的微粒懸浮液導(dǎo)入到反應(yīng)池中。對(duì)于含有多個(gè)反應(yīng)池的反應(yīng)腔及在多種檢測(cè)溶液內(nèi)有多種類型微粒的情況，一種類型的微粒被導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)池中?？梢圆捎枚喾N導(dǎo)入方法(如反應(yīng)池可以同時(shí)或依次導(dǎo)入)。單樣品分配頭也可以用于一次分配一種類型的微粒。另外，多樣品分配頭可用于同時(shí)分配多種類型的微粒。對(duì)于大多數(shù)實(shí)施例來說，商業(yè)化的樣品分配頭都是可以使用的。當(dāng)然也可以構(gòu)造一個(gè)具有獨(dú)特用途或適于檢測(cè)平臺(tái)使用的樣品分配頭。通常樣品被分配的適宜體積是介于一納升到幾百微升，在某些實(shí)施例中分配的體積也可以超過1毫升，也就是說，樣品分配的體積可以是1納升，5納升，10納升，50納升，100納升，200納升，300納升，400納升，500納升，600納升，700納升，800納升，900納升，1微升，10微升，100微升，200微升，300微升，400微升，500微升，600微升，700微升，800微升，900微升，在某些例子中將為1毫升或更多。
當(dāng)樣品被導(dǎo)入后，具有不同頻率和幅值的電信號(hào)就施加在電旋轉(zhuǎn)單元的電極上。在每個(gè)頻率測(cè)量不同類型微粒的電旋轉(zhuǎn)行為(如旋轉(zhuǎn)速率和方向)。對(duì)于多種不同類型微?；旌显谝黄鸬那闆r，當(dāng)一種微粒被測(cè)量時(shí)，不僅是它的旋轉(zhuǎn)行為被測(cè)量，而且通過微粒類型和它們電旋轉(zhuǎn)響應(yīng)之間的相互關(guān)系也可以確定微粒的類型。如果每個(gè)反應(yīng)池內(nèi)的微粒屬于同一種，就測(cè)量選定微粒的旋轉(zhuǎn)響應(yīng)。如果采用統(tǒng)計(jì)分析，那么每種被分析的微粒數(shù)目必須大于5，最好在10到100之間。通過使用合適的算法可以同時(shí)確定多個(gè)微粒的旋轉(zhuǎn)速率。
當(dāng)微粒的電旋轉(zhuǎn)測(cè)量完成后，通過分析和模擬方法可以推導(dǎo)出與測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)的微粒電特性。對(duì)于不同的微粒采用不同的分析方法來得到其電參數(shù)。例如，哺乳動(dòng)物細(xì)胞可以用帶殼的球體模型來代替。球體上的各層依次對(duì)應(yīng)細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和核膜。推導(dǎo)出的參數(shù)可以反映細(xì)胞膜的電導(dǎo)率和電容率，或者核膜的電導(dǎo)率和電容率，或者細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核內(nèi)物質(zhì)的電導(dǎo)率和介電容率。不同的用途關(guān)注細(xì)胞不同部位的電性質(zhì)。在一些例子中，細(xì)胞膜的電性質(zhì)是細(xì)胞生理狀態(tài)的一個(gè)敏感標(biāo)識(shí)物，因此可以得出細(xì)胞膜電容或電導(dǎo)值。那些專業(yè)人士可以建立最適于被檢測(cè)細(xì)胞類型的模型。進(jìn)一步的內(nèi)容可參看下列參考文獻(xiàn)(Interpretation of electrorotation ofprotoplasts I:the theoretical consideration,Fuhr G,Gimsa J,Glaser R,Stud.Biophys.108:149-164,1985；Theory and application of the rotation ofbiological cells in rotating electric field,Gimsa J,Glaser R及Fuhr G inPhysical characterization of biological cells,Schutt W,Klinkmann H和LaprechtI及WilsonT編輯，Gesundheit,Berlin,pp 295-323,1991；Differencesin the AC electrodynamics of viable and non-viable yeast cells determinedthrough combined dielectrophoresis and ROT studies,Huang Y,Holzel R,Pethig R及Wang X-B,Phys.Med.Biol.,37:1499-1517,1992和Numericalanalysis of the influence of experimental conditions on the accuracy of dielectricparameters derived from ROT measurements,Gascoyne PRC,Becker FF及Wang X-B,Bioelectrochem.Bioenerg.36:115-125,1998，這里的文獻(xiàn)將由參考文獻(xiàn)的形式結(jié)合到本發(fā)明中)。
非生物微粒也可以用這種模型來分析。具有均一組成的微珠體的模型包括表面和體積的介電性質(zhì)。典型的，微粒體積的介電參數(shù)是已知的，檢測(cè)關(guān)注微粒的表面性質(zhì)如表面電導(dǎo)率和電容率。電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)可以自動(dòng)進(jìn)行并且介電參數(shù)可以被導(dǎo)出并顯示成數(shù)字格式。下面的例子提供了用于分析酵母細(xì)胞的電旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的裝置和方法。
制作適于分析真核細(xì)胞的電旋轉(zhuǎn)芯片來確定酵母中不同類群體的電旋轉(zhuǎn)性質(zhì)。含有電旋轉(zhuǎn)單元的電旋轉(zhuǎn)芯片如圖5所示。每個(gè)單元的典型大小(相對(duì)電極間的距離)是80,160和320微米。兩個(gè)電旋轉(zhuǎn)芯片上的導(dǎo)電層是在硅基上制作磷和鋁膜得到。將eppendorf管的頂部(直徑約5毫米，高約1毫米)切下并粘在電旋轉(zhuǎn)芯片上形成反應(yīng)腔。往反應(yīng)腔中加入一定量的細(xì)胞懸浮樣品，然后用蓋玻片密封反應(yīng)腔。利用耦合有CCD的顯微鏡和監(jiān)視器觀測(cè)并測(cè)定細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)行為。
利用電旋轉(zhuǎn)芯片檢測(cè)酵母細(xì)胞懸浮液樣品。利用標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)胞培養(yǎng)方法培養(yǎng)酵母細(xì)胞。先采集酵母細(xì)胞然后在將細(xì)胞懸浮在8.5％的蔗糖緩沖液中(電導(dǎo)率調(diào)節(jié)為介于100μS/cm到1000μS/cm)。當(dāng)細(xì)胞群體受1KHz到10MHz的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)作用時(shí)，可以觀察到有個(gè)子群體細(xì)胞在這個(gè)頻率范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)而其它細(xì)胞轉(zhuǎn)動(dòng)很小或不轉(zhuǎn)。利用顯微鏡對(duì)這兩個(gè)細(xì)胞群體進(jìn)行分析，第一個(gè)群體的細(xì)胞呈明亮狀并可旋轉(zhuǎn)而第二個(gè)群體的細(xì)胞為暗顏色且旋轉(zhuǎn)很小或不轉(zhuǎn)。兩個(gè)群體細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)頻譜被測(cè)定并推導(dǎo)出細(xì)胞的電性質(zhì)。下面的例子描述了使用這些帶有多個(gè)電旋轉(zhuǎn)反應(yīng)池的電旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)。
例10該例是利用高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)從化合物庫(kù)中篩選出與感興趣微粒能相互作用的化合物(見圖15)。該檢測(cè)方案是設(shè)計(jì)出用于鑒定能與細(xì)胞內(nèi)/上的靶分子反應(yīng)的分子，即能改變細(xì)胞生物狀態(tài)的分子。通常靶分子與生化反應(yīng)途徑(如疾病治療)有關(guān)，藥物與靶分子的相互作用將影響這些生化反應(yīng)途徑，這樣，通過電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)可以知道細(xì)胞的性質(zhì)被調(diào)節(jié)了。能引起這類細(xì)胞電性質(zhì)變化的化合物被鑒定為候選藥物。
對(duì)于這樣的應(yīng)用，具有合適數(shù)量的電旋轉(zhuǎn)單元和合適尺寸的電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)反應(yīng)池的電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)芯片被加工出來。例如，芯片的尺寸為5cm×5cm，中心4cm×4cm的區(qū)域內(nèi)含有1600個(gè)大小為1mm×1mm的電旋轉(zhuǎn)單元。同時(shí)也需要在芯片上構(gòu)建與電旋轉(zhuǎn)單元數(shù)目相同的反應(yīng)池。
芯片加工好以后就可以進(jìn)行高通量分析。將哺乳動(dòng)物細(xì)胞導(dǎo)入到電旋轉(zhuǎn)反應(yīng)池中，每個(gè)反應(yīng)池內(nèi)被導(dǎo)入一小體積(如100-200微升)的含有相同數(shù)量細(xì)胞的懸浮液。細(xì)胞懸浮液的導(dǎo)入有多種方法，最好采用自動(dòng)或半自動(dòng)的分配頭。細(xì)胞懸浮液需仔細(xì)選擇以確保在整個(gè)過程中細(xì)胞能存活并正常生長(zhǎng)。
下一步，測(cè)量細(xì)胞(如篩選未與來自于化合物庫(kù)中的化合物接觸的細(xì)胞)的電旋轉(zhuǎn)行為。將未與化合物接觸過的細(xì)胞導(dǎo)入到反應(yīng)池中，對(duì)電旋轉(zhuǎn)單元施加適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)作用于細(xì)胞。通過測(cè)量在不同頻率的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)作用下細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)速率和方向確定細(xì)胞的電旋轉(zhuǎn)行為。對(duì)頻率的選擇應(yīng)該是可以反映被分析的電性質(zhì)。因?yàn)樵诿總€(gè)反應(yīng)池中的細(xì)胞都很相似，所以只需測(cè)量一個(gè)或幾個(gè)反應(yīng)池的細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)反應(yīng)并用適當(dāng)?shù)慕殡娔Ｐ瓦M(jìn)行分析。
一旦對(duì)照或基準(zhǔn)測(cè)量完成后，來自與化合物庫(kù)的化合物就被導(dǎo)入到反應(yīng)池中。最好不同的樣品在反應(yīng)池中都有一個(gè)濃度梯度，也就是說，通過滴定法加入化合物，每種化合物都對(duì)應(yīng)一批反應(yīng)池，在這一批反應(yīng)池中具有相同的化合物，但其濃度不一樣。通過這種方法可以快速確定多個(gè)不同化合物在不同濃度下的效果。對(duì)反應(yīng)池添加化合物有多種不同的方法，最好是采用自動(dòng)或半自動(dòng)的分配頭，這樣可以同時(shí)分發(fā)一個(gè)或多個(gè)樣品。
化合物與細(xì)胞接觸后需提供足夠長(zhǎng)的時(shí)間讓細(xì)胞和化合物充分的相互作用。培養(yǎng)時(shí)間的長(zhǎng)短與化合物庫(kù)中的化合物和對(duì)應(yīng)的靶有關(guān)。一段足夠長(zhǎng)的時(shí)間可以是5分鐘到24小時(shí)，在大多數(shù)的檢測(cè)中，化合物和細(xì)胞相互作用約20分鐘。在培養(yǎng)期間細(xì)胞的活性和正常的生長(zhǎng)需要保持，如果長(zhǎng)時(shí)間與化合物接觸會(huì)影響細(xì)胞的活性的話，應(yīng)該減少培養(yǎng)時(shí)間。在一些實(shí)施例中，芯片放置處環(huán)境的成分(如媒介、氣體和濕度)需要加以控制以增強(qiáng)細(xì)胞的活性。例如可以使用加熱板、顯微鏡工作臺(tái)和抗溫度波動(dòng)的緩沖液。這里應(yīng)該采用非致密的材料制作芯片以保證多孔的芯片材料便于反應(yīng)池和外界環(huán)境進(jìn)行氣體分子交換。
經(jīng)過足夠時(shí)間的培養(yǎng)，用電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)每個(gè)反應(yīng)池內(nèi)的細(xì)胞。在不同頻率下測(cè)量細(xì)胞的電旋轉(zhuǎn)行為并使用自動(dòng)成像裝置和圖像處理算法。依據(jù)所用的庫(kù)決定分析每個(gè)化合物所需的細(xì)胞數(shù)量，當(dāng)然必須有足夠數(shù)量的細(xì)胞(如大于5個(gè)，最好介于10到50)，這樣統(tǒng)計(jì)分析才比較可信。在一些實(shí)施例中，細(xì)胞與測(cè)試化合物結(jié)合后其電性質(zhì)與未與化合物接觸的細(xì)胞的電性質(zhì)有差別，由此可以檢測(cè)出化合物和細(xì)胞之間是否發(fā)生相互作用。
下一步，分析電旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)確定化合物是否與細(xì)胞或靶分子發(fā)生相互作用。一旦電旋轉(zhuǎn)參數(shù)或電參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果被確定，就可以比較細(xì)胞在與化合物接觸前后的參數(shù)，也就是說，通過比較對(duì)照組(細(xì)胞與化合物接觸以前)和實(shí)驗(yàn)組(細(xì)胞與化合物相互作用后)電旋轉(zhuǎn)測(cè)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如果由明顯地差別，則表明細(xì)胞和化合物之間有相互作用。因?yàn)殡娦D(zhuǎn)單元是一個(gè)陣列，例如反應(yīng)池和化合物的數(shù)量是記錄的且定位的，并可快速確定能調(diào)節(jié)細(xì)胞電旋轉(zhuǎn)行為的化合物的類型和濃度。如果沒有檢測(cè)到明顯的變化，那么就認(rèn)為化合物對(duì)細(xì)胞沒有作用。下面的例子描述了利用此處所述的電旋轉(zhuǎn)裝置和方法鑒定溶液中目標(biāo)細(xì)胞的類型和濃度。
例11這個(gè)例子是關(guān)于如何使用高通量電旋轉(zhuǎn)檢測(cè)來確定生物樣品中靶分子或靶微粒的類型和濃度(見圖16)。生物樣品可能含有多種不同類型的分子或微粒(如蛋白、抗體、抗原、細(xì)胞裂解液中的DNA或RNA分子，體液樣品中的細(xì)菌或癌細(xì)胞)，每一種分子都可成為靶微粒。多個(gè)不同類型的靶分子或微粒可以利用下面所述的方法檢測(cè)。為了完成這個(gè)檢測(cè)，需要有一個(gè)涂覆有檢測(cè)分子(如抗體、染料或配基之類的檢測(cè)試劑)的檢測(cè)微粒(如微顆粒)可以與溶液中的靶分子特定的相互作用。在同一個(gè)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中可以使用多種與不同靶分子相互作用的檢測(cè)試劑，每種試劑涂覆一種檢測(cè)微粒，形成獨(dú)特的檢測(cè)微粒。
在與生物樣品接觸之前，涂覆有檢測(cè)試劑的檢測(cè)微粒被導(dǎo)入到反應(yīng)腔內(nèi)的反應(yīng)池中進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)量。電旋轉(zhuǎn)芯片擁有一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)池可適于這種獨(dú)特的應(yīng)用，下一步，在預(yù)先確定好的頻率范圍和信號(hào)幅值下測(cè)量帶有檢測(cè)試劑的檢測(cè)微粒的電性質(zhì)。對(duì)電旋轉(zhuǎn)單元施加適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)以獲得所需的頻率范圍和信號(hào)幅值。測(cè)量帶有檢測(cè)試劑的檢測(cè)微粒的電旋轉(zhuǎn)行為并通過所得的電旋轉(zhuǎn)響應(yīng)得到相應(yīng)的電參數(shù)。對(duì)電參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以得到平均值。
一旦獲得了基準(zhǔn)測(cè)量，就往反應(yīng)池內(nèi)加入適當(dāng)?shù)纳飿悠?如100-200微升)。對(duì)不同的樣品需要作必要的濃縮或稀釋。在帶有檢測(cè)試劑的檢測(cè)微粒與生物樣品共同培養(yǎng)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，對(duì)檢測(cè)微粒進(jìn)行電旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的測(cè)量和分析，如上面所述。如果在一次檢測(cè)中使用多種檢測(cè)試劑，必須調(diào)查涂覆過的檢測(cè)微粒和觀察到的電旋轉(zhuǎn)行為之間的關(guān)系。
下一步，比較測(cè)量所得的帶有檢測(cè)試劑的檢測(cè)微粒與生物樣品接觸前后的電參數(shù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)每種涂覆過的檢測(cè)微粒的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上的變化大小可以確定生物樣品中靶微粒的類型和濃度。那些精于電旋轉(zhuǎn)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的人可以容易的得到與溶液中分子的濃度，微粒上檢測(cè)分子的表面濃度，溶液總分子與微粒上檢測(cè)分子的平衡結(jié)合數(shù)以及微粒電性質(zhì)的變化量相關(guān)的方程和原理。
雖然本發(fā)明包含很多實(shí)施例，但是必須明確可以在不背離發(fā)明精神的情況下對(duì)具體實(shí)例進(jìn)行修改。因此，本發(fā)明的覆蓋范圍由發(fā)明權(quán)利要求書確定。所有提到的文獻(xiàn)都以參考文獻(xiàn)的形式結(jié)合到本專利申請(qǐng)文本中。
權(quán)利要求
1．一種電旋轉(zhuǎn)芯片包括一個(gè)基底分布在基底上的多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元，每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元包括位于基底上的多個(gè)電極，當(dāng)對(duì)這些電極施加多個(gè)相位偏移的電信號(hào)時(shí)可以產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，其中所述的基底可以由致密的或非致密的材料制成。
3．根據(jù)權(quán)利要求2中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，其中所述的致密材料或非致密材料可以是玻璃、硅、塑料或陶瓷。
4．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，其中所述的電旋轉(zhuǎn)單元成行列分布。
5．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，其中所述的多個(gè)電極的排布方式是使相鄰的兩個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)具有相反的方向。
6．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，其中所述的多個(gè)電極的排布方式是使第一個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中的一個(gè)電極與相鄰的第二個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中與其最靠近的電極相連通。
7．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，其中所述的多個(gè)電極的排布方式是使第一個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中的一個(gè)電極同時(shí)也是相鄰的第二個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中的一個(gè)電極。
8．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，還包括至少一個(gè)可產(chǎn)生相位偏移的電信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器，該至少一個(gè)信號(hào)發(fā)生器與各電旋轉(zhuǎn)單元相連通。
9．根據(jù)權(quán)利要求8中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，其中所述的信號(hào)發(fā)生器可產(chǎn)生周期性的波形。
10．根據(jù)權(quán)利要求8中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，其中所述的相位偏移信號(hào)是通過多個(gè)模擬濾波器偏移一個(gè)信號(hào)的相位而產(chǎn)生的。
11．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，其中每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中電極的數(shù)目是N并且相位偏移信號(hào)的相位偏移值為0,360/N,360*2/N,360*3/N,….360*(N-1)/N。
12．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，還包括多個(gè)開關(guān)，用于接通時(shí)對(duì)電極施加所述的相位偏移信號(hào)。
13．根據(jù)權(quán)利要求12中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，其中所述的開關(guān)可以是雙極物結(jié)型晶體管或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管。
14．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，其中所述的電極形狀可以是蝴蝶形、矩形或弧形。
15．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，其中所述的電旋轉(zhuǎn)單元至少包括均勻分布在旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)中心周圍的三個(gè)電極。
16．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，其中所述的電旋轉(zhuǎn)單元包括均勻分布在旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)中心周圍的四個(gè)電極。
17．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，還包括與電旋轉(zhuǎn)芯片相接的一塊板，這塊板應(yīng)至少具有一個(gè)孔。
18．根據(jù)權(quán)利要求17中所述的電旋轉(zhuǎn)芯片，其中所述的板具有多個(gè)孔，每個(gè)孔與一個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元相對(duì)應(yīng)并僅為其提供通道。
19．一種電旋轉(zhuǎn)裝置，包括多個(gè)信號(hào)輸入點(diǎn)，每個(gè)信號(hào)輸入點(diǎn)所接收的電信號(hào)與其它信號(hào)輸入點(diǎn)所接收的信號(hào)之間有一個(gè)相位偏移，各信號(hào)輸入點(diǎn)與多個(gè)電極之間是電連通的，所述各電極被組合成多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元，每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元包括至少一個(gè)與信號(hào)輸入點(diǎn)相連的電極，當(dāng)對(duì)電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)的各電極施加相位偏移的信號(hào)后可以在電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。
20．根據(jù)權(quán)利要求19中所述的電旋轉(zhuǎn)裝置，其中所述的多個(gè)與一個(gè)信號(hào)輸入點(diǎn)電連通的電極彼此之間是電連通的。
21．根據(jù)權(quán)利要求19中所述的電旋轉(zhuǎn)裝置，其中所述的多個(gè)電極的排布方式是使相鄰的電旋轉(zhuǎn)單元產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)方向是相同或相反的。
22．根據(jù)權(quán)利要求19中所述的電旋轉(zhuǎn)裝置，其中所述的電旋轉(zhuǎn)單元是分布在一個(gè)基底上的。
23．根據(jù)權(quán)利要求22中所述的電旋轉(zhuǎn)裝置，其中與一個(gè)信號(hào)輸入點(diǎn)之間電連通的電極與和其它信號(hào)輸入點(diǎn)連通的電極之間是電絕緣的。
24．根據(jù)權(quán)利要求19中所述的電旋轉(zhuǎn)裝置，其中所述的多個(gè)電極之間以及電極與信號(hào)輸入點(diǎn)之間是通過導(dǎo)線連接的，而這些導(dǎo)線之間是電絕緣的，并且在基底上是分布在至少兩層上。
25．根據(jù)權(quán)利要求19中所述的電旋轉(zhuǎn)裝置，其中所述的電極分布得使第一個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)的一個(gè)電極同時(shí)也是相鄰的第二個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)的一個(gè)電極。
26．根據(jù)權(quán)利要求19中所述的電旋轉(zhuǎn)裝置，其中所述的來自所述信號(hào)發(fā)生器的相位偏移的信號(hào)可以選擇性地施加在電旋轉(zhuǎn)單元上。
27．根據(jù)權(quán)利要求19中所述的電旋轉(zhuǎn)裝置，還包括分布在信號(hào)發(fā)生器和電極之間的開關(guān)，當(dāng)這些開關(guān)接通后，相位偏移的信號(hào)才能施加在電旋轉(zhuǎn)單元的電極上。
28．根據(jù)權(quán)利要求27中所述的電旋轉(zhuǎn)裝置，其中所述的開關(guān)可以是雙極型結(jié)型晶體管或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管。
29．根據(jù)權(quán)利要求19中所述的電旋轉(zhuǎn)裝置，其中所述的信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生多個(gè)相位偏移的信號(hào)施加在信號(hào)輸入點(diǎn)上。
30．根據(jù)權(quán)利要求19中所述的電旋轉(zhuǎn)裝置，其中所述的多個(gè)相位偏移的信號(hào)之間的相位差是360°/N，其中N是電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)電極的數(shù)量。
31．一種用于確定微粒電性質(zhì)的方法，包括提供一個(gè)電旋轉(zhuǎn)芯片，該芯片包括設(shè)于一基底上的多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元；在每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中至少放置一個(gè)微粒；誘導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)單元產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)；測(cè)量所述至少一個(gè)微粒的旋轉(zhuǎn)行為并確定該至少一個(gè)微粒的電性質(zhì)。
32．根據(jù)權(quán)利要求31中所述的方法，其中所述的微?？梢允巧锓肿?、生物復(fù)合體、免疫復(fù)合體、脂質(zhì)體、原生質(zhì)體、血小板、病毒或細(xì)胞。
33．根據(jù)權(quán)利要求31中所述的方法，其中所述的微粒的旋轉(zhuǎn)在多于一個(gè)的頻率上測(cè)量。
34．根據(jù)權(quán)利要求31中所述的方法，其中所述的多個(gè)微粒的電性質(zhì)被測(cè)定。
35．根據(jù)權(quán)利要求31中所述的方法，其中所述的多個(gè)微粒是異類群體。
36．根據(jù)權(quán)利要求31中所述的方法，還包括鑒定具有相似電性質(zhì)的多個(gè)微粒。
37．用于鑒定能改變細(xì)胞電旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的試劑的方法，包括提供一個(gè)電旋轉(zhuǎn)芯片，該芯片包括設(shè)于一基底上的多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元；在所述電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)至少放置一個(gè)細(xì)胞；將所述細(xì)胞與一候選分子接觸；在電旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)誘導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)；測(cè)量所述細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)行為；比較細(xì)胞與候選分子接觸前后或比較未與候選分子接觸的對(duì)照細(xì)胞與與候選分子接觸的實(shí)驗(yàn)細(xì)胞之間的電旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的變化；如果細(xì)胞在接觸候選分子后其電旋轉(zhuǎn)性質(zhì)與細(xì)胞與候選分子接觸前或未與候選分子接觸的對(duì)照細(xì)胞的電旋轉(zhuǎn)性質(zhì)相比有所不同，那么，可確定該候選分子為一種改變所述細(xì)胞的電旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的試劑。
38．根據(jù)權(quán)利要求37中所述的方法，其中所述的旋轉(zhuǎn)測(cè)量是在多個(gè)頻率上進(jìn)行的。
39．根據(jù)權(quán)利要求37中所述的方法，其中多個(gè)細(xì)胞的電性質(zhì)被測(cè)量。
40．根據(jù)權(quán)利要求39中所述的方法，其中多個(gè)細(xì)胞是不同類群體的。
41．根據(jù)權(quán)利要求40中所述的方法，還包括鑒定具有相似電性質(zhì)的細(xì)胞。
42．一種用于確定生物樣品中分子的種類和濃度的方法，包括提供一個(gè)電旋轉(zhuǎn)芯片，該芯片包括設(shè)于一基底上的多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元；以可與待確定分子結(jié)合的檢測(cè)試劑涂覆一些微粒；在所述多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元中至少放置一個(gè)涂覆過的微粒；使所述涂覆過的微粒與所述生物樣品接觸；對(duì)電旋轉(zhuǎn)單元施加電信號(hào)；測(cè)量涂覆微粒的旋轉(zhuǎn)行為；通過比較與生物樣品接觸過和沒接觸過的涂覆微粒的電旋轉(zhuǎn)行為確定生物樣品中分子的類型和濃度。
43．根據(jù)權(quán)利要求42中所述的方法，其中所述的檢測(cè)試劑可以是染料、抗體和配基。
全文摘要
本發(fā)明涉及含有電旋轉(zhuǎn)單元陣列的高通量電旋轉(zhuǎn)芯片及這些芯片進(jìn)行高通量檢測(cè)的方法。為了制作高通量電旋轉(zhuǎn)芯片,在基底或支撐物上加工出多個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元,每個(gè)電旋轉(zhuǎn)單元在施加合適的電信號(hào)后能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。電旋轉(zhuǎn)芯片的實(shí)施例是由多個(gè)通過兩個(gè)導(dǎo)電層實(shí)現(xiàn)的四個(gè)電極組成的電旋轉(zhuǎn)單元所形成的行列結(jié)構(gòu)。電極形狀可以是蝴蝶形、線形、內(nèi)凹圓弧形或外凸圓弧形。有一個(gè)或多個(gè)孔的薄片與高通量電旋轉(zhuǎn)芯片結(jié)合形成有一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)池的反應(yīng)腔。將微粒導(dǎo)入反應(yīng)池中并對(duì)其進(jìn)行電旋轉(zhuǎn)測(cè)量。高通量電旋轉(zhuǎn)芯片和反應(yīng)腔可以用于基于細(xì)胞的從化合物庫(kù)中篩選先導(dǎo)候選藥物分子以及高通量的微粒電性質(zhì)測(cè)定和未知溶液分子組成的高通量檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N33/487GK1319761SQ0012408
公開日2001年10月31日 申請(qǐng)日期2000年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月15日
發(fā)明者程京, 許俊泉, 朱小山, 劉理天, 王小波, 吳鐳 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 騰隆科技公司