CN101573156A - 包含至少一种热电材料的细胞裂解或电穿孔设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包含至少一种热电材料的细胞裂解或电穿孔设备。

Description

包含至少一种热电材料的细胞裂解或电穿孔设备

本发明涉及用于生物细胞裂解或电穿孔的设备领域。

破裂细胞膜的过程称为裂解(或溶解)。可通过各种化学、机械或电学方法进行裂解，所有这些方法都能导致细胞膜的破裂。

细胞膜主要由两层磷脂分子组成。这些双向分子具有亲水和疏水末端。亲水末端指向膜的内和外表面，而疏水末端则朝向内部表面。在不同的细胞类型之间，该膜可被破裂的容易程度变化很大。对于某些细胞，简单的盐溶液就可足以导致该膜破坏。但是，对于其他细胞，需要机械裂解步骤，其中细胞用例如硅石和/或陶瓷珠碾磨以释放内含物。

在最坚固的细胞例如革兰氏阳性细胞、酵母细胞或真菌细胞中，机械裂解通常是不够的，因此需要酶裂解。在这种情况下，特别制备的酶破坏细胞膜。这些酶能裂解几乎所有类型的细胞，但其生产固有地费用浩大并且如果不在制备后迅速使用的话是不稳定的。

近来，电裂解已引起注意。其使用脉冲电场以破裂细胞膜。但是，如果电场不足以破裂所述膜，则所述膜可变得更加多孔并允许否则将会被阻挡的其他分子(即药物或其他DNA(在转染的情况下))进入。这种由电场所致的多孔性可逆增加称为电穿孔，并且在该过程后细胞必须是存活的。

因此，本发明的一个目的是提供一种设备，其能至少部分克服上述缺陷并提供具有较小副作用的可靠的细胞裂解或电穿孔的可能性。

通过根据本发明权利要求1的设备实现了该目的。因此，提供了包含热电材料的细胞裂解或电穿孔设备。

令人惊奇地已经发现通过这样的材料，可产生电场，其对于本发明中的各种应用以仅具有很小副作用或根本就不具有副作用的可靠方式裂解细胞。

通过利用这种设备，对于本发明中的各种应用可实现至少一个或多个下列优点。

-裂解过程中存在的电流可大大降低，从而大大限制了副作用例如破坏或降解细胞中的物质。

-与现有技术设备的目前可行的电压相比，本发明允许在更低的电压下进行电裂解。

-本发明进一步允许在目前太坚固以致不能通过电场被裂解/穿孔的细胞或生物粒子上进行电裂解。

-该设备可以以在每次裂解之前或之后不必添加进一步的部件或物质(例如酶)的这样的方式来设计，从而使高通量策略得以成为可能。

-由于大多数热电材料相对便宜并且可容易地集成到大面积电子(LAE)平台中，并且无需外部元件，因此可以构建非常高度集成的便宜设备。

在第一方面，本发明提供了用于生物细胞裂解或电穿孔的设备。本领域技术人员将理解，这些细胞可以是但不限于完整细胞、细胞碎片例如膜碎片、细胞器、细菌、病毒、原生动物等等。

在本发明的意义上，术语“热电材料”特别意指和/或包括任何当温度变化时显示自发电极化变化的材料。

根据本发明一个优选的实施方案，热电材料是热电晶体材料。

根据本发明一个优选的实施方案，热电材料至少部分地以一个或多个沉积的层的形式提供。

根据本发明一个优选的实施方案，该设备进一步包含温度改变装置，其优选在至少一种热电材料的附近提供。

根据本发明一个优选的实施方案，至少一种热电材料具有大于≥0.05mC/℃/m²，优选≥0.1mC/℃/m²至≤0.6/℃/m²的电荷变化绝对值。

根据本发明一个优选的实施方案，该设备进一步包含至少一种导电材料，其以增加电场和/或允许电荷转移到热电材料或从热电材料转移的方式成型。如例如从将要讨论的某些实施方案将显而易见的那样，其已经显示出对于本发明中的各种应用是有利的。

根据本发明一个优选的实施方案，所述温度改变装置包含冷却元件，优选珀尔贴(Peltier)元件。对于本发明中的广泛应用，已经显示这可在细胞内导致进一步的“冷冻”效果，其可利于所述裂解。

根据本发明一个优选的实施方案，所述温度改变装置包含用于选择性加热所述至少一种热电材料的部分的结构化电阻加热元件。对本领域技术人员而言显而易见的是该加热元件也可包含珀尔贴元件。

根据本发明一个优选的实施方案，所述温度改变装置包含用于选择性加热所述至少一种热电材料的部分的辐射装置(如激光或微波)。

根据本发明一个优选的实施方案，所述至少一种热电材料选自：

a)钛酸盐或锆钛酸盐，优选具有结构M^II[Zr_xTi_1-x]O₃，0≤x≤1和M^II选自包含Pb、Be、Mg、Ca、Sr、Ba或它们的混合物的组，

b)钽酸盐，优选具有结构M^ITaO₃，M^I选自包含Li、Na、K、Rb、Cs或它们的混合物的组，

c)铌酸盐，优选具有结构M^INbO₃，M^I选自包含Li、Na、K、Rb、Cs或它们的混合物的组，或

d)它们的混合物。

本发明进一步涉及裂解或电穿孔细胞的方法，包括施加通过至少一种热电材料的温度变化所产生的电场的步骤。

本发明进一步涉及热电材料用于细胞裂解或电穿孔的用途。

根据本发明的设备可用于各种系统和/或应用中，它们中的一种或多种如下：

-用于分子诊断的生物传感器，

-生物传感器，其中细胞组分必须被提取，

-生物传感器，其中细胞膜的多孔性必须被改变，

-复杂的生物学混合物例如血液或唾液中蛋白质和核酸的快速灵敏检测，

-用于化学、药学或分子生物学的高通量筛选设备，

-测试设备，例如诸如在犯罪学中用于DNA或蛋白质，用于现场测试(医院中)，用于集中式实验室或科学研究中的诊断，

-用于心脏病学、传染病和肿瘤学、食品以及环境诊断的DNA或蛋白质诊断工具，

-用于组合化学的工具，

-分析设备，

-医用药物递送设备。

前述的元件、以及要求保护的元件以及在描述的实施方式中根据本发明要使用的元件，对于它们的大小、形状、材料选择和技术概念没有任何特别的例外，从而相关领域中已知的选择标准可以没有限制地进行应用。

附图说明

本发明的目标的其他细节、特征、特性和优点在从属权利要求、附图和后面的各个附图以及实施例的描述中公开了，其以示例性的方式显示了根据本发明的设备的几个优选的实施方式。

图1呈现的是显示具有两种热电材料的根据本发明的第一实施方案的设备的非常示意性的截面局部视图；

图2呈现的是显示具有两种热电材料的根据本发明的第二实施方案的设备的非常示意性的截面局部顶视图；

图3呈现的是具有加热装置的稍作改变的图2的设备的非常示意性的顶视图；

图4呈现的是显示具有两种热电材料和两种尖端形式的导电材料的根据本发明的第三实施方案的设备的非常示意性的截面局部视图；

图5呈现的是带有场线的图4的设备；

图6呈现的是显示根据本发明的第四实施方案的设备的非常示意性的截面局部视图；

图7呈现的是显示具有两种热电材料和在所述热电材料之间的隔离物的根据本发明的第五实施方案的设备的非常示意性的截面局部视图；

图8呈现的是沿图9中的线IV-IV观察，显示具有激光加热装置的根据本发明的第六实施方案的设备的非常示意性的局部顶视图；

图9呈现的是沿图8中的线II-II的图8中设备的非常示意性的局部截面视图；

图10呈现的是沿图11中的线V-V观察，显示根据本发明的第七实施方案的设备的非常示意性的局部顶视图；

图11呈现的是沿图10中的线III-III的图10设备的非常示意性的局部截面视图；和

图12呈现的是供根据本发明的设备使用的有源矩阵加热器阵列。

图1呈现的是显示具有位于导电层20之上的两种热电材料10a，10b的根据本发明的第一实施方案的设备1的非常示意性的截面局部视图，该导电层20自身置于加热层30之上。箭头指示了热电材料的晶轴(z-轴)方向和取向。

如果加热层30改变了热电材料10a，10b的温度，相反电荷就会聚集在晶体的+z和-z面，产生如虚线所示的电场。在该实施方案中，导电层20用于短路所述晶体的一面。

单位面积产生的电荷与温度变化和热电晶体的热电特性成正比。但是，随着时间的过去电荷会泄漏掉，从而可实现的电场由温度变化速率以及温度变化大小和热电晶体的特性决定。通过发送电流脉冲经过加热器，可通过热电材料产生高E-场脉冲。为控制所产生的电场，特别地可以控制温度变化。可用于控制其的参数是信号脉冲高度、信号脉冲宽度、脉冲频率。

应当注意(未在图中显示)，可使用具有多个铁电畴(ferroelectricdomains)的一种热电材料替代使用两种或更多种热电材料，其实际上是本发明的一个进一步的实施方案。

但是，应当强调的是对于更简单的布置(未在图中显示)，还可以用简单的(金属)电极替代该图中的一种热电材料，使得实际上可以仅用单一一种热电材料实施本发明，其实际上是本发明的一个进一步的优选实施方案。注意，图1中这样的替换会减少1/2的电场。

所述加热层可以是设备上温控区的一部分，其可包含温度传感器。任选地，所述加热层由可单独并且平行控制的加热的(或温控)片段的阵列组成。

根据本发明的一个进一步的实施方案以及特别是对于其中要避免电流的应用，其可减少电荷(并因此降低电场)以及由于(不期望的)电解，因此，热电材料涂覆有电阻层。

但是，未涂覆的热电材料对于本发明中的各种应用在实践中也已证明它们自己，尤其是如果要求非常短的脉冲的话。

图2呈现的是显示具有两种热电材料10a，10b的根据本发明的第二实施方案的设备1’的非常示意性的局部顶视图。

在所有的附图中，为了清楚和易读性，(实质上)相同的部件和/或材料使用相同的编号。

在图2中-尽管在该图中没有明确画出，但在图3中明确画出-电场将遵从“从左到右”，导致例如位于两种热电材料之间的细胞15裂解或电穿孔。但是，场线可见于图3中。

图3呈现的是类似于图2中设备的设备，其中热电材料形成z-轴平行于基底S的薄层，其使得能在单一图案化步骤中非常有效的制造该设备。此外，已引入几个加热装置31a，31b。

图4呈现的是显示具有两种热电材料和两种尖端形式的导电材料40a，40b的根据本发明的第三实施方案的设备1”的非常示意性的截面局部视图。如从图4和5所显而易见的那样，在该实施方案中，最强的场将存在于导电材料40a，40b的两个尖端之间。这样的布置对于本发明中的各种应用已证明了自己。

图5呈现的是引入场线的图4的设备。

图6呈现的是显示根据本发明的第四实施方案的设备1”’的非常示意性的截面局部视图。在该设备中，两种热电材料中一种的取向是相反的，并且引入一个中心电极50。这会使得场线从热电材料导向该电极，而非从一种热电材料导向另一种热电材料。通过对电极50特别成形，如以尖端的形式成形，可实现高场强。

图7呈现的是显示具有两种热电材料和在热电材料之间的隔离物的根据本发明的第五实施方案的设备1””的非常示意性的截面局部视图。这种简单的夹层结构已显示特别是对于根据本发明的设备的通量(和高通量)设置是有益的。

通常，包含要被裂解或电穿孔的细胞的液体或流体在两种热电材料之间的空腔中输送；隔离物60的尺寸将优选与要被裂解或电穿孔的细胞的种类和液体或流体将停留在两种热电材料之间的空腔中的时间以及流动速度相匹配。

在这两种热电材料之下或之上(未在图中显示)，根据实际应用，可存在加热层和/或首先是一个或多个导电层以及然后是加热层。当然，如上所述，还有可能用电极来代替一种热电材料。

图8呈现的是显示具有激光加热装置的根据本发明的第六实施方案的设备1””’的非常示意性的局部顶视图(沿图9中的线IV-IV观察)。图9呈现的是沿图8中的线II-II的图8设备的非常示意性的局部截面视图。

在该设备中，如将从图9显而易见的那样，在热电材料10的层之上，提供了数层导电材料20(以“尖端”形式，如可在图8中所见的那样)。在热电材料10的层之下，提供了优选地由例如ITO的材料制造的透明导电材料70，和透明基底80。可构造微流动通道以特别地引导细胞通过所述尖端。可选择地，具有交错缺口的(staggered gaps)尖端阵列可用于增加细胞通过尖端的机会。

图8和9的实施方案用于许多应用，其中细胞不应暴露于温度的大的增加。即，当进行电穿孔时，对于某些应用必须的是细胞保持存活并因此附着在细胞膜上的蛋白质应不变性。为避免在裂解或电穿孔过程中加热样品，可通过快速加热热电层10产生强E-场脉冲。这通过用激光束在图8中“A”所示的区域中照射该层进行。由于激光束(图9中用梯形表示)是脉冲的且可强烈聚焦于热电层中，因此几乎不加热样品流体。应当指出对于某些用途，激光束可“从下面”射向热电层，即穿过基底80和透明导电层70。

图8和9的实施方案允许用于本发明中的各种应用，因为使用参数例如脉冲持续时间、脉冲频率或激光强度可以很好地控制热电材料的温度以及所产生的E-场。

根据本发明的另一个实施方案并且未显示于图中，对于各种应用，为利于通过激光束加热，热电层被调节到吸收激光的波长。虽然某些热电晶体如钽酸锂是天然透明的，但是可以用光吸收离子掺杂该材料而不显著改变热电行为。因此，易于产生任意期望程度的不透明性(事实上，可能希望形成浓度梯度，在整个晶体宽度上产生非常均匀的加热或仅非常局部地加热)。

或者，根据本发明的另一个实施方案并且未显示于图中，放置将激光转变为热量的、与热电材料良好热接触的光吸收层。任选地，吸热层(heatsink layer)(如例如基于相变材料存在于可再写DVD盘中)以与加热层和/或热电层处于良好热接触的形式存在，以优化所产生的电场脉冲形状或使得实现更高的E-场脉冲频率。

对于本发明中的各种应用，使用最初为DVD应用所开发的光学技术，可以强烈聚焦(红外或可见)激光并快速加热热电材料的区域。这是本发明的另一个实施方案。

对于本发明中的各种应用，这种强定位具有额外的优点，即样品自身可良好地放置在加热区域之外，并因此将保持不受温度增加或高光强度的影响。对于本发明中的各种应用，已经显示根据图8和9的设置还有利于冷却。

图10呈现的是沿图11中的线V-V观察，显示根据本发明的第七实施方案的设备1””’的非常示意性的局部顶视图。图11呈现的是沿图10中的线III-III的图10设备的非常示意性的局部截面视图。

在根据图10和11的设备中，显示了具有两个相反取向的区域热电材料10a，10b的热电材料层。在热电材料上，放置导电材料20a，20b，其形成一系列的“尖端”(如可在图10中所见的那样)。

在第一导电材料20a，20b之间，放置绝缘材料90。根据另一个实施方案(未在图中显示)，第一导电材料20a，20b也可涂覆有绝缘材料。

带有两个相反取向的区域10a，10b的热电材料置于另外的导电层70(其无需是透明的)和加热层30之上。

一旦加热，如图11中场线所示，在导电材料20a，20b之间产生场。导电材料20a，20b的“锯齿”形状导致尖端之间场的强集中，从而允许进行快速且可靠的细胞裂解或电穿孔。

图12呈现的是用于根据本发明的设备的有源矩阵加热器阵列。

在该实施方案中，有源矩阵100用作配电网将加热器30所需的电信号(通过晶体管110)从中央驱动器发送到加热器元件。该阵列的每一区域可例如包括根据一个或多个前述实施方案的裂解或电穿孔结构。在某些实施方案中，两个加热器(一个位于顶部，另一个位于底部)必须同时激活。这需要或者两个有源矩阵板或者这两个板之间的通孔(vias)，一个是有源的而另一个仅包含加热器。对于某些实施方案，仅需一个加热器阵列，其允许更简单的结构。

传感器可加入阵列中以控制热电单元的性能。所述传感器可以是热传感器或E-场传感器。传感器的信号可传给处理器，其监测热电单元的性能或提供所述单元的温度的反馈控制。在另一个实施方案中，所述反馈控制可集成在像素内(in-pixel)电路中。

优选地，使用通常在LCD和OLED显示技术领域中使用的大面积电子技术来实现这样的阵列。特别地，使用低温多晶硅技术(LTPS)是有利的。

上文详述的实施方式中要素和特征的特定组合仅是示范性的；这些教导与本文中以及通过引用合并的专利/申请中的其他教导的互换和替换也是明确地预期到的。如本领域技术人员将认识到的那样，本领域普通技术人员可以想到在此描述的内容的改变、修改和其他实施方式，而不背离所要求保护的本发明的精神和范围。因此，上述描述仅是举例而不是意图作为限制。本发明的范围由以下的权利要求和它的等同方式来定义。此外，在说明书和权利要求中使用的附图标记不限制所要求保护的本发明的范围。

Claims (10)

1.包含至少一种热电材料的细胞裂解或电穿孔设备。

2.根据权利要求1的设备，其中所述热电材料是热电晶体材料。

3.根据权利要求1或2的设备，其中所述热电材料至少部分地以一个或多个沉积的层的形式提供。

4.根据权利要求1-3任一项的设备，其中所述至少一种热电材料具有大于≥0.05mC/℃/m²的电荷变化绝对值。

5.根据权利要求1-4任一项的设备，其中该设备进一步包含以增加电场的形状存在的导电材料。

6.根据权利要求1-5任一项的设备，其中该设备进一步包含温度改变装置。

7.根据权利要求1-6任一项的设备，其中所述至少一种热电材料选自：

a)钛酸盐或锆钛酸盐，优选具有结构M^II[Zr_xTi_1-x]O₃，0≤x≤1和M^II选自包含Pb、Be、Mg、Ca、Sr、Ba或它们的混合物的组，

b)钽酸盐，优选具有结构M^ITaO₃，M^I选自包含Li、Na、K、Rb、Cs或它们的混合物的组，

c)铌酸盐，优选具有结构M^INbO₃，M^I选自包含Li、Na、K、Rb、Cs或它们的混合物的组，或

d)它们的混合物。

8.裂解或电穿孔生物细胞的方法，包括施加通过至少一种热电材料的温度变化所产生的电场的步骤。

9.热电材料用于生物细胞的裂解或电穿孔的用途。

10.系统，其包含根据权利要求1-7任一项的设备和/或利用权利要求8的方法或权利要求9的用途并且被用于一种或多种下列应用：

-生物传感器，其中细胞组分必须被提取，

-生物传感器，其中细胞膜的多孔性必须被改变，

-用于分子诊断的生物传感器，

-复杂的生物学混合物例如血液或唾液中蛋白质和核酸的快速灵敏检测，

-用于化学、药学或分子生物学的高通量筛选设备，

-测试设备，例如诸如在犯罪学中用于DNA或蛋白质，用于现场测试(医院中)，用于集中式实验室或科学研究中的诊断，

-用于心脏病学、传染病和肿瘤学、食品以及环境诊断的DNA或蛋白质诊断工具，

-用于组合化学的工具，

分析设备。

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