CN102812353B - 粒子在孔内流动的控制 - Google Patents

Abstract

控制粒子(18)在两个池(14)与(15)之间的孔(10)内的流动，是通过以下完成的：使粒子(18)悬浮在孔(10)内的液体(17)中；跨过孔(10)施加电位差，使得在液体(17)中的高位场区域与低位区域之间易于电泳传送粒子(18)；跨过孔(10)施加压力差，使得带有粒子(18)的液体(17)容易穿过孔(10)从高压池(14)传递到低压池(15)；以及调节跨过孔(10)的电位差和/或压力差以便于获得对粒子(18)在孔(10)内的移动的精确控制。这允许对速度及位移的精确控制，以及对溶剂中粒子的测量传递的精确控制，该测量传递借助对跨孔的电位差和压差的准确控制使得粒子穿过孔从一个池到另一个池。

Description

粒子在孔内流动的控制

背景技术

本发明大体涉及用于检测、测量或控制粒子和/或辐射物的粒子敏感或辐射物敏感的系统，并涉及操纵粒子流穿过小孔，以便于例如实现精确测量粒子流的、和/或详细控制材料的反应、转移和凝聚。

控制纳米级粒子的传输和确定这种粒子的特性的能力在分子生物学、生物化学、生物技术、遗传学、医学和纳米技术领域是有用的。

DuBlois和Wesley在JOURNAL OF VIROLOGY，1977年8月，第227-233页的“Sizesand Concentrations of Several Type C Oncomaviruses and Bacteriophage T2 bythe Resistive-Pulse Technique”中描述了一种纳米粒子计数器，即，一种适于测量纳米级粒子的Coulter计数器。该计数器具有电泳测量，在横跨孔的电压和压力差的作用下穿过孔的特定尺寸的粒子的数量的能力。然而，所描述的装置缺少了有选择地改变跨孔的电压和压力以便于控制粒子的速度和移动并由此增加仪器的灵敏度或允许对单个粒子的移动进行控制的能力。

US 6004443教导了一种用于通过检测样本分散来在毛细管中的自由液体电泳期间控制分离柱内的样本分散以及通过在压力诱导液体与电渗透液体之间建立不平衡来校正分散的方法。该毛细管电泳的改进方法允许精确控制毛细管中的粒子，其具有的优点在于，在毛细管中中间物被最佳地分离。然而，粒子的分离不是从一个池到另一个池，而且不建议使粒子从一个池扩散到另一个池。而且，通过这种方法不能实现对粒子在一个池中的凝聚或反应的控制。

US 7279883公开了一种利用微制造技术制作的新型微型Coulter计数器。该计数器包含微米或纳米液体系统来迫使粒子穿过装置的管道，以使得装置的阻抗会根据粒子的性质改变并能够测量粒子。该制造技术允许在样本上同时采用多个尺寸的管道，由此允许在一个溶液中检测多个不同的粒子。然而，该装置不允许对诱导的或电渗透的粒子流的精确控制，并因此受限于它对粒子检测的应用。

US 7077939公开了一种利用电泳和跨过嵌入在薄膜的单个纳米管的压力的联合来对粒子进行控制和检测的方法。然而，该方法不允许为了精确控制粒子的速度和移动而实时调整压力和电流。而且，采用碳纳米管作为孔来电检测粒子影响了测量结果。碳纳米管从其本质上而言具有高的导电率，且正因为如此，决定了它形成的孔的电特性。因此，当粒子穿过孔时，孔的电特性的微小变化被碳纳米管的存在而掩盖。

US 4331862教导了一种利用以不同流速的不同大小和浓度的粒子来校准血液粒子计数器的方法。然而，该校准方法不包括控制电位和孔大小的变量。因此，该方法被限制为只能适用于流速、粒子大小以及粒子浓度是唯一可被改变的变量的处理的应用。

PCT/EP2005/053366公开了一种可调整的弹性孔，为了检测、测量和控制粒子和/或电磁辐射的目的，其可被调整。所公开的装置最典型地通过刺穿预先切割成十字几何图形的弹性材料薄板制成。

本发明的目的为，通过联合横跨孔的电位差和压力差以便于形成对纳米级粒子在微米及纳米液体应用中的运动的精确控制，来克服现有系统的缺点。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种控制粒子在两个池之间的孔内流动的方法，该方法包括：使粒子悬浮在孔内的液体中；施加跨孔的电位差以使得在液体中的较高电位区域和较低电位区域之间易于电泳传输粒子；施加跨孔的压力差以使得穿过孔从高压池向低压池易于传递带有粒子的液体；在穿过该孔之前和/或之中和/或之后监测粒子；以及调节跨孔的电位差和/或压力差以便于获得对粒子在孔内移动的精确控制。电泳法为用于在液体介质中获得从较高势场向较低势场的悬浮粒子流的已知技术。然而，本发明将这种技术与压力差的应用相结合来影响液体穿过孔从高压池向低压池的传输，以便于获得对粒子移动的精确控制。本发明利用了现代电子技术的能力来对压力差和电位进行准确测量和精确控制，以及对电流的精确测定以便测量、控制和操纵粒子穿过孔的运动。通过改变压力差和电位，来控制和测量流过孔的粒子的数目，以便将精确的粒子数量传递到反应，以及以便在溶液中分离粒子，是可能的。

在本发明的最佳实施例中，跨孔的电位差和/或压力差在粒子穿过孔移动期间被调节，以便控制粒子的速度，以至于可精确测量粒子大小、速度、粒子电荷、Zeta电位和/或浓度。

在本发明的一个实施例中，跨孔的电位差和/或压力差被调节以便控制穿过孔的精确的所期望数量的粒子至池的其中一个的传递。这使得粒子流以一种方式控制使得粒子以受控的方式从一个池移动到另一个池。这种技术可用于将精确的所期望数量的粒子传递到池，以及对粒子在液体介质中的扩散和粒子在池中的凝聚进行控制。

在本发明的一个实施例中，粒子的速度、电荷和/或Zeta电位依据跨孔施加的电位差和/或压力差来确定。

在本发明的一个实施例中，粒子的粒子大小依据跨孔施加的电位差和/或压力差来确定。

在本发明的一个实施例中，液体中的粒子浓度依据跨孔施加的电位差和/或压力差来确定。

在本发明的一个实施例中，液体中的粒子浓度通过对在特定时期穿过孔的粒子的数量进行监测来确定。

在本发明的一个实施例中，液体中的粒子浓度，通过对(i)在不同压力条件下穿过孔的粒子的数量，以及(ii)在不同压力条件下穿过孔的已知粒子浓度的液体中的粒子数量进行监测来确定。

在本发明的一个实施例中，液体中的粒子浓度被预先校准，且根据跨孔施加的电位差和/或压力差对预先校准的粒子的影响来确定孔的大小。

在本发明的一个实施例中，液体中的粒子具有不同的类型，且至少一种类型的粒子的身份根据在粒子流过孔时的跨孔施加的电位差和/或压力差的影响来确定。这使得当不同粒子流过孔时可被识别。

在本发明的一个实施例中，液体中的粒子具有不同的电荷，且根据跨孔施加的电位差和/或压力差对粒子的不同影响，来使不同电荷的粒子相互分离开。

在本发明的一个实施例中，第一极性的电位差被跨孔施加，以使得在液体中易于以一个方向电泳传输粒子，以及第二极性的电位差被跨孔施加，以使得在液体中易于以与所述一个方向相反的方向电泳传输粒子，且所述第一和第二极性的电位差的这种施加是可变的，以使得易于控制和/或监测粒子穿过孔的移动。

在本发明的一个实施例中，通过提供指示至少一个粒子关于时间的位置的输出的监测探头来监测粒子，监测探头优选利用荧光显微法、纳米粒子追踪分析法、其它基于成像的显微法、光散射相位分析法、以及近红外化学成像法中的一个。

在本发明的一个实施例中，粒子的凝聚度依据跨孔施加的电位差和/或压力差来确定。

在本发明的一个实施例中，依据跨孔的电位差和/或压力差将预定数量的粒子传递给反应。

在本发明的一个实施例中，通过提供指示所检测的粒子的输出的监测探头来监测粒子，监测探头优选利用荧光光谱法、质谱法、X射线光谱法、原子吸收光谱法、红外光谱法、近红外光谱法、拉曼光谱法、静态激光散射法、动态光散射法、光散射相位分析法、纳米粒子追踪分析法、以及表面等离子共振法中的一个。

在本发明的一个实施例中，当粒子被监测时，液体的粘度是变化的。

而且，本发明可被设置成，建立孔大小与跨孔压力差的联合，这将导致传递精确量的用于微米和纳米液体应用的体积流量。

根据本发明的另一方面，提供一种用于对粒子在孔中的流动进行控制的电泳系统，该系统包括：高压池、低压池、在高压池和低压池之间延伸并限定从高压池向低压池延伸的孔的壁、用于施加跨孔的电位差以使得在较高势场区域和较低势场区域之间易于电泳传输悬浮在孔内液体中的粒子的电极装置、用于施加跨孔的压力差以使得穿过孔从高压池向低压池易于传递带有粒子的液体的加压装置、以及用于调节跨孔的电位差和/或压力差以便于获得对孔内粒子移动的精确控制的调节装置。

根据本发明的另一方面，提供一种控制孔内粒子流动的方法，该方法包括：使粒子悬浮在孔内的液体中；跨孔施加电位差以使得易于在液体中在个较高电位区域与较低电位区域之间电泳传输粒子；以及调节孔内液体的温度以便于获得对粒子在孔内移动的精确控制。

根据本发明的另一方面，提供一种控制粒子在孔内流动的方法，该方法包括：使粒子悬浮在孔内的液体中；跨孔施加电位差以使得在液体中在较高电位区域与较低电位区域之间易于电泳传输粒子来产生输出电流，以及调节电流以便于获得对粒子在孔内的移动的精确控制。

附图说明

为了更彻底地理解本发明，将通过示例的方式参考附图，其中：

图1概略地阐释了根据本发明的一个实施例的电泳系统。

图2为电流——时间的图表，其示出了利用这种电泳系统获得的代表性的测量结果的轨迹；

图3为电流——时间的图表，其阐释了系统放大电流-时间测量结果的能力；

图4概略地阐释了在本发明的一个可能应用中利用电泳系统的三个阶段A、B和C，其示出了粒子流动操纵和分离的原理；

图5概略地阐释了在本发明的另一个可能应用中利用电泳系统的两个阶段A和B，其示出了该系统如何可被用于控制穿过孔的移动；

图6概略地阐释了电泳系统在本发明的另一个可能应用中的利用，其示出了该系统操纵凝聚的能力；

图7概略地阐释了电泳系统在本发明的另一个可能应用中的利用，其示出了该系统测量和控制反应的能力；

图8为压力差(P1-P2)-时间以及电流-时间的图表，其示出了对于不同浓度的压力轨迹和电流轨迹，阐释了本发明测定溶液中粒子的浓度的能力；以及

图9阐释了使用压力来计算粒子浓度，其利用了校准的已知浓度的粒子。

具体实施方式

图1概略地阐释了构成本发明的一个可能实施例的电泳系统。该系统包括限定在上部高压池14与下部低压池15之间延伸并包含液体17的孔10的基板壁11。密封件16被设置在上部池14与基板壁11之间以及设置在基板壁11与下部池15之间，以确保液体17不会从池14和15逸出。除了液体17之外，上部池14包含悬浮在溶液中的粒子18、以及上部电极12和上部压力端口16。下部池15包含悬浮在溶液中的粒子18、下部电极13、下部压力端口29和隔膜19。隔膜19不是必需的，但是是将液体17与压力端口29附近的气体分离的最佳实施方式。其它液-气分离的方法对于本领域技术人员来说是已知的，且可被用于替换这种设置。

基板的材料可包括，但不限于：诸如钛、铜、硅、铝、钢、或其组合的金属；诸如聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、橡胶、热塑性塑料或其组合的聚合物；且可包括具有附加的用于期望的表面特性的适当涂层的所有所述的材料，这一点本身是已知的。孔10可通过本领域技术人员已知的可应用到基板材料的多个方法来制造。这些制造方法包括，但不限于：磨蚀、熔融、蚀刻、冲压、钻削、刺穿、铸造、化学蒸汽沉积、旋转铸模等等。

上部压力端口16经由导管连接到上部的压力调节器20，其控制上部池14内的压力。提供给调节器20的压力可从真空罐到大气或到加压箱，或到它们的组合，以使得调节器20可将上部池14中的压力调节到任何期望的水平。压力表27监测上部池14中的压力。调节器20可被设置成在真空罐下限到压力箱上限内传递使用者期望的任何压力。

在本发明的一个实施例中，调节器20为机械调节器，其可被手动设置到一定真空度、或一定压力，或者可被打开到通风孔。调节器20于是将在调节器20的误差界限内使上部池14中的压力控制到该设置的压力，这一点对本领域技术人员来说是已知的。

在本发明的另一个实施例中，调节器20为电子的，且通过计算机22内的软件程序经由通信线路25来控制。在该实施例中，使用者可选择或设置上部池14中的压力。计算机22可基于该设置的压力与压力表27的测量结果之间的差值来产生控制信号，这一点对本领域技术人员来说是显而易见的。该控制信号可经由通信线路25发送给调节器20，且调节器20相应地调整以便将上部池14中的压力改变到期望的压力。

下部压力端口29经由导管一与上部压力端口16连接到上部压力调节器20同样的方式连接到下部压力调节器21。和上部池压力控制的情形一样，下部压力控制调节器21可被手动设置到期望的压力，或可经由来自于计算机22的通信线路26电子地控制。调节器21也可被连接到一定真空度、一定压力、或被通风到大气。下部池15中的压力由压力表28监测。

在本发明的一个实施方式中，电极12的电位由计算机22经由通信线路24控制。在本发明的另一个实施方式中，电极12的电位被手动控制。

不管那个实施方式，通过通信线路24流到电极12的电流的数量由计算机24监测和记录。

以类似的方式，电极13的电位或者手动设置、或者通过计算机22经由通信线路23控制、或者接地。在本发明的一个实施方式，计算机22监测和记录通信线路23中的电流。

如在WO 2006/063872A1中所描述的，当在电极12和13之间施加电位差时，在电极12与13之间将有电流流动。相同的电流将流过通信线路23和24。当粒子18穿过孔10时，孔10的电特性将被改变，且这将改变电极12与电极13之间的以及由此穿过通信线路23和24的电流流动，这一点对本领域技术人员来说是显而易见的以及正如在WO 2006/063872A1中进一步所描述的。该电流中的变化被称作事件且取决于WO 2006/063872A1中所描述的多个变量，包括孔10的大小、电极12与13间的电位差、粒子18的大小以及穿过孔10的粒子18的速度。

图2的图表示出了对于给定的如上所述的一组变量在粒子穿过孔时的典型电流-时间曲线100。如果所有的变量保持恒定，当粒子穿过孔10时事件101，102和103期间的电流轨迹在形状、持续时间104以及幅值105上将一致。然而，改变上述的某些变量将改变事件期间的轨迹形状。例如，以及将会对本领域技术人员显而易见的，如果跨电极12和13间的电位差被改变，轨迹的幅值105将增加或减少。

在本发明的一个实施例中，粒子18通过施加如上所述的跨电极12和13间的电压差借助电泳来穿过孔10移动。粒子18的发生移动的方向将取决于电极12和13之间的电位差的极性。

在本发明的另一个实施例中，借助上述的方式通过在上部池14与下部池15之间施加压力差，液体17被迫使穿过孔10。液体17穿过孔10流动的方向将为从具有较高相对压力的上部池14到具有较低相对压力的下部池15的方向。当液体17流过孔10时，它将以液体流动的方向穿过孔10传输粒子18。

在本发明的另一个实施例中，借助施加压力的粒子18的传输被用于计算粒子的浓度。

在本发明的一个实施例中，粒子18穿过孔10的流动由跨池14和15的压力差以及跨电极12和13的电位差的联合来控制。

在本发明的一个实施例中，粒子18穿过孔10的速度通过控制跨池14和15的压力差和跨电极12和13的电位差来控制。

而且，在本发明的一个实施例中，通过控制跨池14和15的压力差和跨电极12和13的电位差来精确控制粒子18穿过孔10的移动。

对本领域技术人员而言显而易见的是，对于给定的数据采集装置，采集的精度由对给定事件所记录的数据点的数量来确定。在本发明的一个实施例中，数据采集装置将每秒记录100,000个数据点或者将以100kHz的速率记录。因此，如果粒子18用0.001秒穿过孔10，那么数据采集装置将记录所述事件的1,000个点。如果粒子18的速度下降使得它用0.01秒穿过孔10，那么同样的数据采集装置将记录所述事件的10,000个点，由此提高记录的精度。

对本领域技术人员而言显而易见的是，通过相对于数据采集装置的极限提高测量结果的幅值，可取得较高精度的测量结果。模数(A/D)转换器为将电位或电流从模拟信号转化成数字信号以使得它可被计算机记录的普适装置。A/D转换器具有0——5V，0——10V，-5——5V，-10——10V，0——5mA，0——10mA等等的典型模拟输入范围。该输入范围代表装置的转换精度。例如，典型的16位A/D转换器具有转换输入信号到65536位的范围。因此，对于输入范围为0——5V的16位装置将能以5/65536或76.3微伏每位进行记录。因此，如果输入信号的幅值例如为0.25V，那么A/D转换器将传递0.25/0.0000763或3276位给记录装置。为了获得较高精度的0.25幅值的测量结果，信号调节领域的习惯做法是放大信号。例如，如果0.25V的模拟信号被放大到2.5V，那么A/D转换器将传递32765位给记录装置，由此将测量结果的精度提高十倍。

图3阐释了增加跨电极12和13的电位和改变压力差以减慢粒子流动的联合将具有的电流-时间轨迹100的可能效果。当两个相似的粒子18被强迫以不同的速度及不同的电位穿过孔10时，具有较低电位(ΔV1)及较高速度的粒子在穿过孔10时将形成具有幅值108和持续时间107的事件轨迹106。被强迫以较低速度和较高电位(ΔV2)穿过孔10的相同粒子18，将形成具有壁幅值108显著高的幅值110和比持续时间107显著长的持续时间111的事件轨迹109。当粒子穿过孔10时，首先通过对于给定的事件采集更多的数据点，其次通过如本段所述的对信号进行放大，能提高测量粒子18的精度。

因此会理解，本发明的重要可选特性为使用者提供了，改变跨孔的压力差和电位差能力，以至于提高穿过孔10的粒子的测量结果的精度。

还会理解，本发明的重要可选特性为使用者提供了，对于具体测量结果物理放大的能力。

还会理解，本发明的重要可选特性为使用者提供了，基于事件轨迹中的较小差异测量相似粒子中的较小物理变化的能力。由于系统能够获取高精度的轨迹，使用者将能够区分类似粒子间的较小差异。

还会理解，本发明的重要可选特性，为使用者提供了区分不同大小和电荷的粒子的能力。装置的测量结果的精度将允许使用者区分不同粒子的轨迹。

还会理解，本发明的重要可选特性为使用者提供了将特定电位和压力梯度下的事件轨迹与相同大小的孔10相关联的能力。当系统的可控参数保持恒定时，事件轨迹100可被校准到具体粒子，并由此有助于粒子签名的定义。

本发明的另一个重要可选特性为使用者提供了描绘孔10的孔洞大小的能力。参考图3，当以恒定压力和电位梯度迫使相同浓度中的相同粒子18穿过孔10时，可改变事件轨迹106的幅值109和持续时间108的唯一参数为孔10的大小。因此，对于特定溶液中的特定粒子和特定粒子浓度，以及对于特定孔洞大小的特定压力梯度和特定电位梯度，校准事件的特定幅值和持续时间是可能的。

本发明的另一个重要可选特性为使用者提供了分离具有不同电荷的粒子的能力。参考图4，粒子40和41为悬浮在液体17中的具有不同电荷的两个不同类型的粒子。施加到上部池14的压力P1高于施加到下部池15的压力P2，并因此，迫使液体17穿过孔10从上部池14流到下部池15。该流动为池间压力差(P1-P2)的函数。当液体17流过孔10时，传输以悬浮形式的粒子40和41(图4A)。如上所述，根据粒子的电荷，跨电极12和13施加电位30，将提高或降低粒子穿过孔10的流动。因此，存在电位30，以使得具有特定电荷的一个粒子40由于液体17的流动会穿过孔10，而具有另一特定电荷的另一个粒子41由于电泳会保持静止(图4B)。还存在电荷30，对于该电荷，具有特定电荷的一个粒子40将以一个方向流过孔10，而具有不同电荷的另一粒子41将以另一个方向流过孔10(图4C)。当具有不同电荷的粒子40和41以不同方向流过孔10时，它们将在溶液中分离。

如果压差被选择为零，粒子的电荷和Zeta电位可从相关脉冲持续时间中提取，这一点对本领域技术人员是显而易见的。只有在电泳占主导地位时，计算是才是直接简单的，因此，传输时间可直接与电泳迁移率相关联。改变电压，以使得通过电泳的驱动力均分，并几乎使粒子停止穿过孔移动，是提取粒子电荷的另一可能方式。

本发明的另一应用为控制粒子从一个池向另一个池的移动。图5展示了运作中的系统，其中，在池14和15之间的液体17中的粒子18的浓度中存在差异。在图5A中，压力差P1-P2为零，自然扩散将引起粒子50穿过孔10从较高粒子浓度区域52移动到较低粒子浓度区域51。在图5B中，压力差P1-P2为正的，以使得强迫液体17穿过孔10。从较高浓度区域51移动到较低浓度区域52的液体17携带有粒子50，53和54，由此提高了区域间粒子的移动速率。参考图5B，通过跨电极12和13施加适当的电位30以使得提高粒子50，53和54穿过孔10的速度、甚至进一步提高移动的速率，可进一步提高扩散的速率。相反地，当跨电极12和13的电位30的极性被反向时，净效应将为降低了粒子穿过孔10的速度，由此降低了粒子在区域51与52之间移动的速率。而且，如果压力差P1-P2为负，取决于跨电极12和13的电位30，液体17将从区域52流动到区域51，并可导致相反的粒子移动。这一点将对本领域技术人员是显而易见的，对跨电极12和13的压力差P1-P2和电位30的联合的准确控制，使得使用者能够控制较高浓度区域与较低浓度其与之间的粒子移动的速率。

通过使电压反相以及测量事件的频率，可监测/量化扩散。如果粒子小且快速，它们将比较大的粒子更快地从孔区域扩散开，并因此，反向电压处的事件频率按扩散常数和粒子大小的比例改变。

本发明的另一个应用为使得使用者能够控制粒子的凝聚。如上所述，本发明具有对穿过孔10的粒子的移动进行准确控制和测量的能力。参考图6，如果在粒子60互相接触时易于聚合61，本发明将使得使用者能够准确控制可获得用于凝聚的粒子61的数量，并由此能够控制聚合物61。通过使电压反向和穿过孔10从底部池向顶部池驱动聚合物，可分析聚合物。应注意到，顶部池中的粒子与底部池中的粒子不需要为相同。如果顶部池和底部池中的粒子不相同，那么当粒子60从底部池移动到底部池时可形成混合的聚合物。

本发明的另一个应用为使得所测得的多个粒子能够传递给反应。参考图7，如上所述，通过跨电极12和13的压力差(P1-P2)和电位30的联合控制粒子18在液体17中穿过孔10的移动。通过这种方式，粒子18被传递到已经含有粒子71的池15。当粒子71与粒子18接触时，反应发生以至于形成粒子72。每个粒子72是两个粒子18与一个粒子71之间的特定反应的结果。对本领域技术人员为已知的是，形成粒子72的反应的速率可通过粒子18传递到包含粒子71的液体17的速率来控制。会理解，通过这种方式，通过将所测得的大量一种类型的粒子传递到包含另一种类型的粒子的溶液来控制反应是可能的。

压力和/或电压的反向可被用于使粒子能够被分析和/或使它们的大小和/或电荷能被提取。

本发明的另一个应用为能够实时观测粒子及粒子的形成。参考图7，测量探头74被穿过池15的壁插入以使得能够实时观测粒子。可被这种探头74实施的测量包括，但不限于：荧光光谱法、质谱法、X射线光谱法、原子吸收光谱法、红外光谱法、近红外光谱法、拉曼光谱法、静态激光散射法、动态光散射法、光散射相位分析法、纳米粒子追踪分析法、以及表面等离子共振法。

不管采用何种的测量技术，关于反应的信息通过测量探头74传递给测量装置75，其解释测量结果并存储与测量结果有关的数据。例如，在特定条件下，粒子72将接纳另一个粒子18并变成粒子73，通过探头74施加的检测及测量技术将能够检测该信息并将其报告给使用者。由此，提供描绘粒子随时间的变化的测量数据是可能的。通过探头74借助所述装置观测和测量液体17内的粒子71，72和73的布朗运动也是可能的。

在本发明的一个可能应用中，图7中的粒子18可为以测得的数量传递到血液中的一组病毒71的抗体。探头74于是将能测量抗体对病毒71的效用。

如上所述，本发明的一个实施例具有测定随着时间的推移穿过孔的粒子的数量的能力。这使得使用者能够通过测量在一定时期穿过孔的粒子的数量来测定溶液中粒子的浓度。如果溶液的流速是已知的，溶液中的粒子的浓度可通过将在特定时期流过孔的粒子的数量除以流过孔的液体的体积来计算。在溶液的流速未知时，可利用已知浓度的校准粒子来计算粒子的浓度。

在本发明的另一个应用中，为使用者提供了在特定时期传递流过孔的测得量的溶液的能力。参考图1，经过一定时期流过孔10的粒子18的数量，或者粒子流动的速率，由以下参数确定：

1)池14和15间的压力差P1-P2。

2)跨电极12和13的电位差。

3)液体17中的粒子18的浓度。

4)溶液中粒子18的类型或极性。

5)孔10的孔洞大小。

参考图8，它遵循的并且对于本领域技术人员将是显而易见的在于，如果所列出的参数在系统中保持恒定，电流数据轨迹应检测到在特定时期相同数量的粒子穿过孔10的事件84。图8示出了溶液中已知浓度粒子的典型的压力差80-时间和电流轨迹81-时间曲线。当压力差80斜升到稳定状态时，电流轨迹81中的事件变得有周期性且稳定。因此，经过示出的时间窗83，如果粒子的浓度是已知的，溶液的流速可通过对流过孔10的粒子的数目(轨迹81中的事件数目)计数来计算。溶液中粒子的浓度除以粒子的数目来确定相对于压力差80的在时间窗83期间的流量。流速通过流量除以时间窗83的周期来确定。

如果相同的压力曲线被应用到相同溶液中的未知浓度，系统将能够通过对电流轨迹82中的事件数目计数来确定该浓度。由于流速已被轨迹81校准，新的浓度可通过事件数目除以流速来确定。

以类似的方式，对于诸如图8中的压力差80的压力脉冲的整个持续时间，计算从一个池传输到另一个池的液体的总量也是可能的。通过对在压力脉冲的整个持续时间期间流过孔的已知浓度的粒子的数目进行计数，可确定所传输的液体的量。如果随后相同的压力脉冲被施加到相同溶液中的新的、未知的粒子浓度，那个溶液的粒子浓度可通过对那个浓度的事件或粒子的数目进行计数来确定。

进一步，使使用者能够确定粒子不同于用于校准系统的粒子的溶液中的粒子浓度是可能的。当采用不同的粒子时，电流轨迹中的事件的持续时间和幅值将与用于校准的不同。然而，每次粒子流过孔10，就产生一个事件，并因此不管事件的量级如何，粒子的出现将被这样的事件所记录。因此，已经穿过孔的粒子的数目可被确定，且粒子浓度也可被计算。

上述的方法通常仅仅可在这样的条件下应用：由压力引起的粒子的移动速率显著高于由电泳引起的移动速率。然而，在由电泳引起的移动频率比由压力引起的移动速率显著时，为由电泳引起的移动频率引入校正因子和根据是可能的。

使得使用者能够确定粒子不同于用于校准系统的粒子的溶液中的粒子浓度也是可能的。在这种情况下，该方法基于，对至少两个不同的压力，一个优选为P＝0，测量校准粒子跨孔的移动速率。随后，对未知浓度的粒子样本重复相同的测量。移动速率与压力的关系于是可被绘制成线性关系。于是可根据线性关系的斜率计算未知的浓度。由于拟合线的斜率与粒子的相关浓度成比例，这是可能的。图9示出了阐释该方法的示例。计算未知样本的浓度的该方法考虑了由电泳引起的移动速率和由压力引起的移动速率两者，因此比前述的方法更普遍。

本发明的另一个应用，允许描述孔10(图1)的孔洞大小。如上所述，在具有特定压力差(P1-P2)及跨电极12和13的电位30的特定溶液17中的特定类型的粒子18对于给定的孔大小将在限定的时间周期83内引起特定数量的事件84。如果孔的大小增加，穿过孔10的流速将增加，并因此导致在系统中更多的事件84被观测到。因此，通过在特定工作条件下，将特定事件的频率与特定孔的孔洞大小相关联，未知的孔大小可通过在预设条件下的事件的数目来确定。

尽管本发明已经根据如上所述的最佳实施方式进行了描述，应理解，这些实施例仅仅是示例性的，以及权利要求不局限于这些实施方式。本领域技术人员将能基于考虑作为落入附属的权利要求范围内的公开内容，进行修改和替换。本说明书所公开或阐释的每个特征可被包含到本发明，而不管是单独还是以与本文所公开或阐释的任意其它特征的任意适当组合的形式。例如，任一权利要求的特征可与任何其它权利要求的特征相结合。

Claims (14)

1.一种用于测量样本粒子的浓度或电荷或Zeta电位的方法，该方法包括：

提供高压池、低压池、以及在高压池和低压池之间延伸的壁，该壁具有在该高压池和该低压池之间延伸的孔；

对校准粒子和所述样本粒子进行以下的步骤(i)至(iv)，不论是对所述校准粒子和所述样本粒子单独进行或是同时进行：

(i)使所述校准粒子和/或所述样本粒子悬浮在所述孔内的液体中；

(ii)施加跨所述孔的电位差，以在所述液体中的较高电位区域与较低电位区域之间电泳传输所述校准粒子和/或所述样本粒子，以便产生输出电流；

(iii)施加跨所述孔的压力差，通过所述液体在穿过所述孔由所述高压池向所述低压池的流动以传输所述校准粒子和/或所述样本粒子；

(iv)在所述粒子穿过所述孔之前、之中和之后监测所述输出电流，同时调节跨所述孔的电位差和跨所述孔的压力差的联合，以控制所述粒子穿过所述孔的速度；以及

对来自所述校准粒子的输出电流和来自所述样本粒子的输出电流进行比较，以获得所述样本粒子的浓度或电荷或Zeta电位。

2.根据权利要求1的方法，其中：

所述的调节跨所述孔的电位差和跨所述孔的压力差的联合，包括使得由所述液体流经所述孔所引起的所述校准粒子和/或所述样本粒子的移动速率显著高于由电泳引起的所述校准粒子和/或所述样本粒子的移动速率，从而获得所述样本粒子的所述浓度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中对来自所述校准粒子的输出电流和来自所述样本粒子的输出电流进行比较，包括从所述校准粒子和所述样本粒子的相应所述输出电流获得所述校准粒子和所述样本粒子的相应穿过所述孔的流速；绘制所述校准粒子和所述样本粒子的相应流速与跨所述孔的所述压力差之间的相应线性关系；以及测量所述相应线性关系的相应斜率。

4.根据权利要求1-3中任意一条所述的方法，其中跨所述孔的所述电位差和/或所述压力差被调节，以便控制穿过孔的精确的所期望数量的粒子至所述高压池和低压池的其中一个的传递。

5.根据权利要求1-3中任意一条所述的方法，其中，所述粒子的大小依据跨所述孔施加的所述电位差和所述压力差来确定。

6.根据权利要求1-3中任意一条所述的方法，其中，所述液体中的所述粒子的浓度通过对在特定时期穿过孔的粒子的数量进行监测来确定。

7.根据权利要求1-3中任意一条所述的方法，其中，所述液体中的所述粒子具有不同的电荷，且根据跨所述孔施加的所述电位差和所述压力差对所述粒子的不同影响，来使不同电荷的粒子相互分离开。

8.根据权利要求1-3中任意一条所述的方法，其中，所述粒子的凝聚度依据跨所述孔施加的所述电位差和所述压力差来确定。

9.根据权利要求1-3中任意一条所述的方法，其中，当所述粒子被监测时，所述液体的粘度是变化的。

10.根据权利要求1-3中任意一条所述的方法，还包括调节所述孔内的所述液体的温度，以控制穿过所述孔的所述粒子的速度。

11.一种用于测量样本粒子的浓度或电荷或zeta电位的电泳系统，该系统包括：

高压池；

低压池；

在高压池和低压池之间延伸的壁，该壁具有在所述高压池和所述低压池之间延伸的孔；

用于施加跨所述孔的电位差，以在较高电位区域和较低电位区域之间电泳传输悬浮在所述孔内的液体中的粒子，以产生输出电流的电极装置；

用于跨所述孔施加压力差，以穿过该孔从所述高压池到所述低压池传输带有所述粒子的所述液体的加压装置；

用于调节跨所述孔的电位差和跨所述孔的压力差的联合，以控制所述粒子穿过所述孔的速度的装置；

用于在所述粒子穿过所述孔之前、之中和之后监测所述输出电流的装置；以及

用于对来自校准粒子的输出电流和来自所述样本粒子的输出电流进行比较，以获得所述样本粒子的浓度或电荷或Zeta电位的装置。

12.根据权利要求11所述的系统，进一步包括用于监测流过所述孔的所述液体的流量监测装置。

13.根据权利要求11或12所述的系统，其中所述调节装置适于向所述液体施加高频率的压力脉冲。

14.根据权利要求11或12所述的系统，其中所述调节装置适于使跨所述孔的电位差的极性反向。