CN109477806A - 具有集成光学感测器的电泳晶片 - Google Patents

具有集成光学感测器的电泳晶片 Download PDF

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Abstract

本文公开电泳的方法，其包括：将分析物引入通道(150)；通过在分析物上游的第一电极(111‑1)与分析物下游的第二电极(111‑3)之间建立第一电场来使分析物电泳；通过在分析物上游的第三电极(111‑6)与分析物下游的第四电极(111‑13)之间建立第二电场来使分析物电泳；其中第四电极(111‑13)在第二电极(111‑3)下游。

Description

具有集成光学感测器的电泳晶片
【技术领域】
本公开涉及电泳的设备。
【背景技术】
电泳是用于基于粒子(例如，DNA、RNA和蛋白质以及它们的片段、纳米粒、珠等)的大小和电荷来分离和分析它们的方法。电泳牵涉将粒子放置在电场中。因为粒子带电，它们在电场中漂移。较轻粒子移动较快并且在指定时间量内比较重粒子漂移更远。
电泳可使用凝胶作为抗对流介质或筛分介质，粒子在电场下漂移通过这些介质。凝胶可抑制电场施加所引起的热对流，并且可阻碍粒子通过。凝胶的示例包括琼脂糖和聚丙烯酰胺凝胶。在完成电泳后，凝胶中的粒子可以例如通过对它们染色而可视化。DNA可使用溴化乙锭可视化，其在嵌入DNA时在紫外光下发萤光，而蛋白质可使用银染色或考马斯亮蓝染料而可视化。基于凝胶的可视化，凝胶的不同部分中的粒子可通过物理切割凝胶来分离。
毛细管电泳使用亚毫米直径毛细管(例如，微流体和纳米流体通道)。毛细管电泳可放弃使用凝胶。经受毛细管电泳的粒子通过电渗流在沿毛细管的电场下在毛细管中漂移。粒子由于它们的不同电泳迁移率而分离。
【发明内容】
本文公开这样的设备，其包括：电泳通道；第一多的至少三个电极，其配置成在电泳通道的一部分中而不是在另一部分中建立电场，或在电泳通道的不同部分中建立具有不同强度的电场；光学检测器，其与电泳通道集成、配置成在分析物在电泳期间横穿光学检测器时检测该分析物的信号。
根据实施例，设备进一步包括缓冲液池，其配置成收容或存储缓冲溶液并且流动耦合于电泳通道。
根据实施例，设备进一步包括样品池，其配置成收容或存储包含分析物的溶液并且流动耦合于电泳通道。
根据实施例，设备进一步包括耦合通道，其中样品池通过该耦合通道流动耦合于电泳通道。
根据实施例，设备进一步包括废物池，其通过耦合通道流动耦合于电泳通道。
根据实施例，样品池和耦合通道配置成引导分析物进入电泳通道。
根据实施例，耦合通道在十字交叉处与电泳通道相交并且其中样品池和耦合通道配置成引导分析物进入十字交叉。
根据实施例，设备进一步包括第二多的至少三个电极，其配置成将分析物从样品池沿耦合通道引导。
根据实施例，第一多的电极是独立可控的。
根据实施例，第一多的电极暴露于电泳通道的内部。
根据实施例，光学检测器在第一多的电极的两个相邻电极之间，或其中光学检测器在第一多的电极中的一些的下方，或其中光学检测器在与第一多的电极相对的电泳通道的侧面上。
根据实施例，信号是萤光、光透射或光散射。
根据实施例，光学检测器配置成从电泳通道的一部分检测信号。
根据实施例，光学检测器是CMOS光学检测器。
根据实施例，设备进一步包括流动耦合于电泳通道的出口的多个收集通道并且进一步包括流动耦合于收集通道的多个收集池，其中收集通道和收集池配置成收容电泳通道中的电泳带中包含的分析物的组分。
根据实施例，设备进一步包括第三多的电极，其配置成引导组分进入收集池。
根据实施例，电泳通道包括衬底中的沟槽和封闭该沟槽的盖板。
根据实施例，衬底包括玻璃、聚合物或硅。
根据实施例，盖板包括半导体、玻璃或印刷电路板。
根据实施例，光学检测器在盖板中。
根据实施例，第一多的电极在盖板上。
根据实施例，设备进一步包括控制器，其包括处理器、内存和电力供应，其中该控制器配置成接收来自光学检测器的输出，该输出代表光学检测器从电泳通道检测的信号。
根据实施例，处理器配置成执行内存中存储的指令并且确定电泳通道的电泳带中包含的组分的数量或特性。
根据实施例，处理器配置成执行内存中存储的指令并且确定电泳通道中电泳带的位点。
根据实施例，处理器配置成基于电泳通道中电泳带的特性或位点确定何时使用电力供应使第一和第三多的电极通电以及使它们中的哪个通电。
本文公开电泳的方法，其包括：将分析物引入通道；通过在分析物上游的第一电极与分析物下游的第二电极之间建立第一电场来使分析物电泳；通过在分析物上游的第三电极与分析物下游的第四电极之间建立第二电场来使分析物电泳；其中第四电极在第二电极下游。
根据实施例，第三电极在第一电极下游。
根据实施例，第一与第二电极之间的射流距离小于第三与第四电极之间的射流距离。
根据实施例，通道具有小于1mm2的横截面面积。
【附图说明】
图1A示意示出根据实施例的设备的顶视图。
图1B示出设置收集通道使得它们流动耦合于电泳通道而没有任何分支。
图2示意示出传统的电泳装置中的电泳通道，其中两个电极在电泳通道的上游和下游末端处。
图3A-图3C示意示出具有沿电泳通道的长度设置的13个电极的设备的示例。
图4示意示出电泳方法的流程图。
图5示意示出光学检测器的功能。
图6示意示出设备可具有控制器。
图7A和图7B示意示出使用电极将电泳带选择性地引导到分支的臂中的一个的一种方式。
图8A-图8C示出电泳通道的设置的示例。
图9示意示出电极中的一些可未彼此独立受控。
【具体实施方式】
图1A示意示出根据实施例的设备100的顶视图。该设备100可具有缓冲液池110，其配置成收容或存储缓冲溶液。缓冲液池110流动耦合于电泳通道150使得电泳通道150填充有缓冲溶液。设备100具有样品池120，其配置成收容或存储这样的溶液，其包含将经历电泳的分析物。样品池120流动耦合于电泳通道150，例如通过耦合通道123。设备100可具有废物池130，其通过耦合通道123流动耦合于电泳通道150。来自样品池120的过多分析物可被引导进入废物池130。配置样品池120、废物池130(如它存在的话)和耦合通道123使得分析物可从样品池120引导进入电泳通道150。在图1A中图示的示例中，耦合通道123在与电泳通道150相同的层中并且在十字交叉151处与电泳通道相交；在将分析物从样品池120引导通过耦合通道123时，分析物中的一些在电泳通道150中在十字交叉151处并且可以经历电泳。耦合通道123不一定在与电泳通道150相同的层中。耦合通道123的其他设置是可能的。
设备100可包括至少三个电极124，其配置成沿耦合通道123产生电场。电场可用于将分析物从样品池120沿耦合通道123引导。电极124可暴露于耦合通道123的内部但不一定如此。电极124可设置成跨耦合通道123的宽度延伸，如在图1A中示出的。可使用沿耦合通道123引导分析物的其他方式。例如，分析物可通过泵(例如，耦合于废物池130或样品池120的注射泵)抽取。
根据实施例，设备100包括至少三个电极111，其配置成沿电泳通道150产生电场。电极111可配置成在电泳通道150的一部分中而不是在另一部分中建立电场，或在电泳通道150的不同部分中建立具有不同强度的电场，例如通过独立控制电极111。电泳通道150中的电场可用于使电泳通道150中的分析物(例如十字交叉151中的分析物)沿电泳通道150电泳。电极111可暴露于电泳通道150的内部但不一定如此。电极111可设置成跨电泳通道150的宽度延伸，如在图1A中示出的。相邻电极111可相隔1微米至10毫米的距离，或间隔10毫米至10厘米的距离。电极111不必等间距。
根据实施例，设备100包括在电泳通道150的位点处的光学检测器140。该光学检测器140与电泳通道150集成。光学检测器140关于电极111不一定具有特定空间关系。例如，光学检测器140可在两个相邻电极111之间、在电极111中的一些的下方(即，电极111中的一些夹在光学检测器140与电泳通道150之间)或在与电极111相对的电泳通道150的侧面上。光学检测器140可配置成在电泳期间在分析物横穿光学检测器140时检测分析物的萤光。光学检测器140可配置成在电泳期间在分析物横穿光学检测器140(例如，多角度光散射(MALS)检测器)时检测分析物的光散射。光学检测器140可配置成在电泳期间在分析物横穿光学检测器140时检测通过电泳通道150的光透射。光学检测器140可以是成像检测器，即有光信号的空间分辨率能力的检测器。光学检测器140可配置成从电泳通道150的整体或部分检测信号。光学检测器140可以是CMOS(互补金属氧化物半导体)光学检测器。光学检测器140检测的信号可用于在带横穿光学检测器140时确定电泳带是否、何时包含分析物组分或包含分析物组分的电泳带的性质。光学检测器140检测的信号可用于确定电泳带中包含的组分的数量。
根据实施例，设备100可具有在电泳通道150的出口处流动耦合于电泳通道150的许多收集通道和流动耦合于收集通道163的许多收集池160。收集通道163和收集池160配置成收容电泳通道150中的各种电泳带中包含的组分。设备100配置成引导电泳带通过收集通道163进入收集池160。光学检测器140检测的信号可用于控制特定电泳带中包含的组分被引导进入哪个收集通道163和哪个收集池160。
根据实施例，设备100可具有许多电极161，其配置成沿收集通道163产生电场。电极161可以独立可控。电极161可配置成在收集通道163的一部分中而不是在另一部分中建立电场、引导电泳带中的组分进入选择的收集池160。电极161可暴露于收集通道163的内部但不一定如此。电极161可设置成跨收集通道163的宽度延伸，如在图1A中示出的。设备100可包括在收集通道163的分支处的电极162。电极162和电极161可协同引导电泳带中包含的组分进入分支的臂中的一个。电极162的示例将在下文进一步详细描述。如在图1A中示出的收集通道163具有多个分支但其他设置是可能的。例如，如在图1B中示出的，设置收集通道163使得它们流动耦合于电泳通道150而没有任何分支。
设备100的各种通道(例如耦合通道123、电泳通道150和收集通道163)可通过在例如玻璃、聚合物(例如，聚二甲硅氧烷、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚乙烯、聚苯乙烯、环氧树脂、聚氨酯)和硅等衬底中制成开口沟槽并且然后通过用盖板(例如，半导体衬底、玻璃衬底、印刷电路板)封闭该开口沟槽而形成。开口沟槽可通过适合的技术制成，例如光刻、模塑或印记。
设备100的各种池(例如样品池120和缓冲液池110、废物池130和收集池160)可在与通道相同的衬底中或在不同衬底(例如，在盖板中)中形成。
设备100的各种电极(例如电极124、111和161)可以是在通道的衬底上或在盖板上形成的金属图案。电极可通过例如用聚合物薄层或无机绝缘材料(例如，氧化物和氮化物)覆盖它们而与通道内部隔离。如果电极暴露于通道内部，电极可以是在电泳期间呈惰性的材料。电极的材料的示例是铂。
设备100的光学检测器140可在盖板或不同的衬底上形成。光学检测器140和电极111可在相同衬底中集成。
图2示意示出传统的电泳装置中的电泳通道250，其中两个电极211A和211B在电泳通道250的上游和下游末端处。电泳通道250具有数厘米长度并且从而电极211A和211B相隔数厘米。电极211A和211B用于在电泳通道250的长度上建立电场。为了具有对于电泳足够强的该电场，电极211A与211B之间的电压通常是数百伏或超过一千伏。
根据实施例，在设备100中沿电泳通道150的多个电极111可用于通过建立沿电泳通道150在下游移动的电场而以低得多的电压使分析物电泳。图3A-图3C示意示出具有沿电泳通道150的长度设置的13个电极111(根据需要标记为111-1、111-2、111-3、…111-13)的设备100的示例。在图3A中示意示出的时刻，分析物的四个带399在电极111-1与111-3之间在空间上彼此接近，并且从而仅需要电极111-1与111-3之间的局部电场来使分析物电泳。在电泳进行时，带399分离更多并且沿电泳通道150在下游移动。在图3B中示意示出的时刻，带300在电极111-3与111-7之间，并且从而仅需要电极111-3与111-7之间的局部电场来使分析物电泳。在电泳进一步进行时，带399进一步分离并且沿电泳通道150在下游移动。在图3C中示意示出的时刻，带399在电极111-6与111-13之间，并且从而仅需要电极111-6与111-13之间的局部电场来使分析物电泳。如图3A-图3C示意示出的，电场是局部的(即，未跨电泳通道150的整个长度)并且电场随时间沿电泳通道150移动。与传统的电泳装置相比，图3A-图3C中需要的电压低得多。
图4示意示出电泳的方法的流程图。在过程410中，分析物(例如，包含图3A中的带399中的组分的分析物)被引入通道(例如，图3A中的电泳通道150)。该通道可用缓冲溶液填充。通道可具有小于1mm2的横截面面积。分析物可具有组分的混合物。在过程420中，通过在分析物上游(即，在电泳期间分析物沿通道远离第一电极移动)的第一电极(例如，图3A中的电极111-1)与分析物下游(即，在电泳期间分析物沿通道朝第二电极移动)的第二电极(例如，图3A中的电极111-3)之间建立第一电场来使分析物电泳。在过程430中，通过在分析物上游的第三电极(例如，图3C中的电极111-6)与分析物下游的第四电极(例如，图3C中的电极111-13)之间建立第二电场来使分析物电泳。第四电极在第二电极下游。第三电极可在第一电极下游。备选地，第三电极和第一电极可以是相同电极。第一与第二电极之间的射流距离(即，沿通道的距离)可小于第三与第四电极之间的射流距离。第一电场和第二电场的强度可相同或不同。
图5示意示出光学检测器140的功能。在示出的该示例中，光学检测器140安置在电极111中的两个(111-a和111-b)之间。在电泳通道中电泳期间分析物的组分550横穿光学检测器140时，组分550引起的信号被光学检测器140检测。如果组分550在外部激发光511下发萤光，信号可以是萤光的高峰(即，强度随时间增加然后减小)。信号可以是通过外部光512通过电泳通道150的透射的低谷(即，强度随时间减小然后增加)。信号可以是组分550散射的光的高峰(即，强度随时间增加然后减小)。
设备100可具有控制器600，如图6示意示出的。控制器600可具有处理器610、内存620和电力供应630。控制器600接收来自光学检测器140的输出。该输出代表光学检测器140从电泳通道150检测的信号。处理器610执行内存620中存储的指令并且可确定电泳通道150中的电泳带中包含的组分的数量或特性。处理器610执行内存620中存储的指令并且可确定电泳通道150中的电泳带的位点。特性或位点可用于确定何时使用电力供应630使电极111或161通电以及使哪个通电来收集进入收集通道和选择的收集池内的组分。例如，电泳带的位点可用于确定带将何时到达电泳通道150的末端，并且在带到达电泳通道150的末端的时间使合适的电极161通电来引导带进入收集通道163中的一个。
图7A和图7B示意示出使用电极161将电泳带710选择性地引导到分支的臂中的一个的一个方式。在图7A中示出的时刻，在带710漂移进入分支之前，可在电极161-1与161-2之间建立电场来将带710拉入分支。在电极162与电极161-3之间可存在电场来使带710的运动转向臂中的一个。如在图7B中示出的，在带710到达电极162与电极161-3之间的位点时，在电极162与电极161-3之间建立电场来引导带710进入分支的臂中的一个。
电泳通道150不必是直的。电泳通道150可采用任何适合的形状设置，例如图8A-图8C中示出的那些。
图9示意示出电极111中的一些可未彼此独立受控。例如，在电泳通道150的不同位点处的多个电极111可电连接。该设置可简化到电极111的布线。
尽管本文公开各种方面和实施例，其他方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不意在为限制性的，其真正范围和精神由下列权利要求指示。

Claims (29)

1.一种设备，其包括：
电泳通道；
第一多的至少三个电极，其配置成在所述电泳通道的一部分中而不是在另一部分中建立电场，或在所述电泳通道的不同部分中建立具有不同强度的电场；
光学检测器，其与所述电泳通道集成、配置成在分析物在电泳期间横穿所述光学检测器时检测所述分析物的信号。
2.如权利要求第1项的设备，其进一步包括缓冲液池，所述缓冲液池配置成收容或存储缓冲溶液并且流动耦合于所述电泳通道。
3.如权利要求第1项的设备，其进一步包括样品池，所述样品池配置成收容或存储包含所述分析物的溶液并且流动耦合于所述电泳通道。
4.如权利要求第3项的设备，其进一步包括耦合通道，其中所述样品池通过所述耦合通道流动耦合于所述电泳通道。
5.如权利要求第4项的设备，其进一步包括废物池，所述废物池通过所述耦合通道流动耦合于所述电泳通道。
6.如权利要求第4项的设备，其中所述样品池和所述耦合通道配置成引导所述分析物进入所述电泳通道。
7.如权利要求第6项的设备，其中所述耦合通道在十字交叉处与所述电泳通道相交并且其中所述样品池和所述耦合通道配置成引导所述分析物进入所述十字交叉。
8.如权利要求第4项的设备，其进一步包括第二多的至少三个电极，所述电极配置成从所述样品池沿所述耦合通道引导所述分析物。
9.如权利要求第1项的设备，其中所述第一多的电极是独立可控的。
10.如权利要求第1项的设备，其中所述第一多的电极暴露于所述电泳通道的内部。
11.如权利要求第1项的设备，其中所述光学检测器在所述第一多的电极的两个相邻电极之间，或其中所述光学检测器在所述第一多的电极中的一些的下方，或其中所述光学检测器在与所述第一多的电极相对的电泳通道的侧面上。
12.如权利要求第1项的设备，其中所述信号是萤光、光透射或光散射。
13.如权利要求第1项的设备，其中所述光学检测器配置成从所述电泳通道的一部分检测信号。
14.如权利要求第1项的设备，其中所述光学检测器是CMOS光学检测器。
15.如权利要求第1项的设备，其进一步包括流动耦合于所述电泳通道的出口的多个收集通道并且进一步包括流动耦合于所述收集通道的多个收集池，其中所述收集通道和所述收集池配置成收容所述电泳通道中的电泳带中包含的分析物的组分。
16.如权利要求第15项的设备，其进一步包括第三多的电极，所述电极配置成引导所述组分进入所述收集池。
17.如权利要求第1项的设备，其中所述电泳通道包括所述衬底中的沟槽和封闭所述沟槽的盖板。
18.如权利要求第17项的设备，其中所述衬底包括玻璃、聚合物或硅。
19.如权利要求第17项的设备，其中所述盖板包括半导体、玻璃或印刷电路板。
20.如权利要求第17项的设备，其中所述光学检测器在所述盖板中。
21.如权利要求第17项的设备，其中所述第一多的电极在所述盖板上。
22.如权利要求第1项的设备，其进一步包括控制器，所述控制器包括处理器、内存和电力供应，其中所述控制器配置成接收来自所述光学检测器的输出，所述输出代表所述光学检测器从所述电泳通道检测的信号。
23.如权利要求第23项的设备，其中所述处理器配置成执行所述内存中存储的指令并且确定所述电泳通道的电泳带中包含的组分的数量或特性。
24.如权利要求第23项的设备，其中所述处理器配置成执行所述内存中存储的指令并且确定所述电泳通道中电泳带的位点。
25.如权利要求第23项的设备，其中所述处理器配置成基于所述电泳通道中电泳带的特性或位点确定何时使用电力供应使所述第一和第三多的电极通电以及使它们中的哪个通电。
26.一种电泳的方法，其包括：
将分析物引入通道；
通过在所述分析物上游的第一电极与所述分析物下游的第二电极之间建立第一电场来使所述分析物电泳；
通过在所述分析物上游的第三电极与所述分析物下游的第四电极之间建立第二电场来使所述分析物电泳；
其中所述第四电极在所述第二电极下游。
27.如权利要求第26项的方法，其中所述第三电极在所述第一电极下游。
28.如权利要求第26项的方法，其中所述第一与第二电极之间的射流距离小于所述第三与第四电极之间的射流距离。
29.如权利要求第26项的方法，其中所述通道具有小于1mm2的横截面面积。
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