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FACHGEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Apparatur und
Verfahren zum Testen und Zerbrechen von Mikroteilchen.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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In
vielen biologischen Anwendungen ist es erwünscht, Mikroteilchen zu zerbrechen,
sodass deren Inhalt analysiert werden kann, oder um intakte Mikroteilchen
zu identifizieren oder zu charakterisieren. Zum Beispiel besteht
großes
Interesse an der Entwicklung von kosteneffizienten und schnellen
Verfahren zum Überwachen
des Vorhandenseins und der Konzentration von Bakterienzellen oder
anderen Zellen in militärischen,
medizinischen, landwirtschaftlichen Anwendungen und Anwendungen
bei der Nahrungsmittelherstellung. Bei der Analyse von Zellen ist
es häufig
nötig,
dass sie zerbrochen werden, sodass der Inhalt der Zellen analysiert
werden kann. Bei bestimmten Typen von Mikroteilchen stellt das Zerbrechen
jedoch ein Problem dar.
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Zum
Beispiel können
sich inaktive Bakterienzellen, wenn sie unter Spannung stehen und
ihnen Nährstoffe
entzogen werden, zu untätigen
Endosporen, üblicherweise
als Sporen bezeichnet, differenzieren. Sporen sind für gegenüber Inaktivierung
und Zerbrechen durch verschiedene physikalische Behandlungen, einschließlich mechanischer
Bewegung, Ultraviolett- und Gammastrahlung, Wärme, und chemische Behandlungen äußerst beständig. Die
Notwendigkeit einer sperrigen, komplexen Anlage, wie von Mikrowellen-
oder Ultraschallgeräten, zum
Erzielen des Zerbrechens, fügt
beträchtliche Kosten
hinzu und vermindert die Geschwindigkeit des Nachweisens und Analysierens
derartiger Zellen. Zudem können
die rauen Bedingungen, die gegenwärtig zum Zerbrechen verwendet
werden, den Inhalt der Zellen versehentlich schädigen. Zum Beispiel kann das
Zerbrechen durch die chemische Einwirkung von oberflächenaktiven
Mitteln oder die durch Ultraschall bereitgestellte physikalische
Spannung DNA-, Protein- oder
andere Bestandteile in der Zelle schädigen oder entarten lassen. Ähnliche
Bedenken gelten für
die Analyse von nicht-biologischen Mikroteilchen.
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
diese Probleme, indem eine Apparatur, die nanostrukturierte Oberflächen verwendet,
um das Zerbrechen oder das Testen von Mikroteilchen zu erleichtern,
sowie Verfahren zur Verwendung und Herstellung einer derartigen
Apparatur bereitgestellt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
erfindungsgemäße Apparatur
ist in den unabhängigen
Ansprüchen
1, 4, 5, 6 und 7 bereitgestellt, auf welche der Leser nun verwiesen
wird. Bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Zur
Inangriffnahme der vorstehend erörternden
Mängel
stellt eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Apparatur bereit, die eine erste
und eine zweite mechanische Struktur umfasst. Die erste mechanische
Struktur weist eine erste starre Oberfläche auf. Ein Bereich der ersten
starren Oberfläche
weist eine nanostrukturierte Oberfläche auf. Die zweite mechanische
Struktur weist eine zweite starre Oberfläche auf. Die zweite starre
Oberfläche
liegt der ersten mechanischen Struktur gegenüber und wirkt mit der nanostrukturierten
Oberfläche derart
zusammen, dass ein mikroskopisches Teilchen zwischen der nanostrukturierten
Oberfläche und
der zweiten starren Oberfläche
lokalisierbar ist.
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Ebenfalls
beschrieben ist ein Verwendungsverfahren. Das Verfahren schließt das Platzieren
einer Mehrzahl von mikroskopischen Teilchen in einer Ausführungsform
der vorstehend beschriebenen Apparatur und Ausüben einer Kraft auf die Mehrzahl
von mikroskopischen Teilchen unter Verwendung der nanostrukturierten
Oberfläche
und der zweiten starren Oberfläche
ein.
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Ebenfalls
beschrieben ist ein Verfahren zur Herstellung einer Apparatur. Das
Herstellungsverfahren schließt
das Bilden einer ersten mechanischen Struktur mit einer ersten starren
Oberfläche
und das Bilden einer Nanostruktur in einem Bereich der ersten starren
Oberfläche
ein. Das Herstellungsverfahren schließt auch das Bilden einer zweiten
mechanischen Struktur mit einer zweiten starren Oberfläche ein.
Die zweite mechanische Struktur ist derart positioniert, dass die
zweite starre Oberfläche
der ersten mechanischen Struktur gegenüber liegt und mit der Nanostruktur
derart zusammenwirkt, dass die Oberflächen eine Kraft auf die mikroskopischen
Teilchen, die zwischen der Nanostruktur und der zweiten starren
Oberfläche
lokalisierbar sind, ausüben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird am besten aus der folgenden detaillierten Beschreibung
verständlich,
wenn sie mit den beiliegenden FIGUREN gelesen wird. Verschiedene
Merkmale sind möglicherweise
nicht maßstabsgerecht
gezeichnet und können
zur Klarheit der Erörterung
beliebig vergrößert oder
verkleinert sein. Bezug wird nun auf die folgenden Beschreibungen genommen,
die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verwendet werden,
in welchen:
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1 eine
Querschnittansicht einer beispielhaften Apparatur zum Ausüben einer
Kontaktkraft auf ein Mikroteilchen veranschaulicht;
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2 eine
Querschnittansicht einer zweiten beispielhaften Apparatur zum Anlegen
eines elektrischen Stroms an ein Mikroteilchen veranschaulicht;
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3 eine
Querschnittansicht einer dritten beispielhaften Apparatur zum Anlegen
eines elektrischen Felds an ein Mikroteilchen veranschaulicht;
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4 eine
Querschnittansicht einer vierten beispielhaften Apparatur zum Anlegen
einer akustischen Welle an ein Mikroteilchen veranschaulicht;
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Die 5–6 Querschnittansichten
einer beispielhaften Apparatur bei ausgewählten Stufen in einem Verfahren
zum Zerbrechen eines Mikroteilchens veranschaulichen; und
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Die 7–10 Querschnittansichten
eines beispielhaften Verfahrens zum Herstellen einer Apparatur gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Erfindung würdigt
die vorteilhafte Verwendung von Nanostrukturen zum Erleichtern des
Testens oder Zerbrechens von Mikroteilchen. Nanostrukturierte Oberflächen sind
erwünscht, da
sie einen kleinen Kontaktbereich bereitstellen und daher die Entwicklung
von hohen Spannungen an einer Oberfläche von nanostrukturierten
Mikroteilchen fördern.
Der Begriff nanostrukturierte Oberfläche ist, wie hier verwendet,
als eine Oberfläche
mit einer Anordnung von hervorstehenden Strukturen definiert, wobei
jede Struktur Seitenmaße
im Bereich von etwa 50 Nanometern bis etwa 1000 Nanometern aufweist. Nanostrukturierte
Oberflächen
können
vorteilhafterweise zum Zerbrechen eines Mikroteilchens mit, verglichen
mit herkömmlichen,
reguläre
unstrukturierte Oberflächen
verwendenden Zerbrechnungstechniken, einer minimalen Schädigung seines
Inhalts verwendet werden. Nanostrukturen können auch vorteilhafterweise
zum Erleichtern des Sammelns von Informationen über das Mikroteilchen verwendet
werden. Derartige Informationen können das Messen der elastischen
Eigenschaften von Mikroteilchen, das Bestimmen, ob ein Mikroteilchen
zerbrochen worden ist, oder das Ermitteln der Identität eines
Mikroteilchens einschließen.
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1 veranschaulicht
eine Querschnittansicht eines Abschnitts einer beispielhaften Apparatur 100 zum
Ausüben
einer Kontaktkraft auf ein Mikroteilchen. Die Apparatur 100 umfasst
eine erste mechanische Struktur 105 mit einer ersten starren
Oberfläche 110.
Ein Bereich 115 der ersten starren Oberfläche 110 weist
eine nanostrukturierte Oberfläche 120 auf.
Die Apparatur 100 schließt ferner eine zweite mechanische
Struktur 125 mit einer zweiten starren Oberflächen 130 ein.
Die zweite starre Oberfläche 130 liegt
der ersten mechanischen Struktur 105 gegenüber und
wirkt mit der nanostrukturierten Oberfläche 120 derart zusammen,
dass ein mikroskopisches Teilchen 135 zwischen der nanostrukturierten Oberfläche 120 und
der zweiten starren Oberfläche 130 lokalisierbar
ist.
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Der
Durchschnittsfachmann erkennt, dass es zahlreiche Wege gibt, wie
die nanostrukturierte Oberfläche 120 und
die zweite starre Oberfläche 130 zusammenwirken
können,
um das Mikroteilchen 135 zwischen der zweiten starren Oberfläche 130 und
der nanostrukturierten Oberfläche 120 zu
lokalisieren. In der beispielhaften, in 1 dargestellten
Apparatur 100 ist die zweite starre Oberfläche 130 mit
einem Abstand 137 über
der nanostrukturierten Oberfläche 120 derart
positioniert, dass das mikroskopische Teilchen 135 zwischen
der nanostrukturierten Oberfläche 120 und der
zweiten starren Oberfläche 130 lokalisiert
werden kann. Der Abstand 137 zwischen der nanostrukturierten
Oberfläche 120 und
der zweiten starren Oberfläche 130 kann
derart eingestellt werden, dass das Halten des mikroskopischen Teilchens 135 zwischen
diesen Oberflächen 120, 130 unterstützt wird.
Zum Beispiel beträgt
der Abstand 137 in manchen Fällen weniger als etwa das Zweifache
eines mittleren Durchmessers 139 des Mikroteilchens 135.
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Die
nanostrukturierte Oberfläche 120 kann durch
Trockenätzen
der Oberfläche 110 der
ersten mechanischen Struktur 105 unter Verwendung von dem
Fachmann bekannten Vorgehensweisen hergestellt werden. Die erste
und die zweite mechanische Struktur 105, 125 können ein
erstes bzw. ein zweites Halbleitersubstrat, wie Silicium-Wafer,
umfassen. In manchen Fällen
ist es vorteilhaft, dass die zweite starre Oberfläche 130 auch
eine nanostrukturierte Oberfläche
aufweist.
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1 zeigt
eine bevorzugte nanostrukturierte Oberfläche 120, die Stifte 140 umfasst.
Der Begriff Stift bedeutet, wie hier verwendet, Strukturen mit einer
Vielfalt von Gestalten, einschließlich zylinderförmiger,
quadratischer, dreieckiger, prismatischer, pyramidenförmiger,
rechteckig gestalteter Strukturen oder Kombinationen davon. In manchen
Fällen
kann die nanostrukturierte Oberfläche 120 z. B. Flügel 142, wie
einseitig gerichtete Flügel,
aufweisen, die derart konfiguriert sind, dass sie die Mikroteilchen 135 zerbrechen.
In manchen Fällen
ist es vorteilhaft, die Stifte 140 zu einer eindimensionalen
Anordnung zum Bilden einer Säge
oder zu einer zweidimensionalen Anordnung zum Bilden von rasenförmigen Strukturen anzuordnen.
Zum Beispiel zeigt 1 eine Querschnittansicht einer
nanostrukturierten Oberfläche 120,
die Nanorasen 145 umfasst.
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Das
Mikroteilchen 135 kann biologische Zellen, einschließlich Pflanzen-,
Tier- oder Bakterienzellen umfassen. In manchen Fällen ist
das Mikroteilchen 135 eine Bakterienspore, wie Bacillus
anthracis, subtilis oder thuringiensis. Alternativ dazu kann das
Mikroteilchen 135 ein nicht-biologisches Teilchen, wie
eine Mikrokugel, umfassen. Einige bevorzugte Mikrokugeln umfassen
eine Latexkugel, die in der Kugel Chemikalien enthält. In einigen
Ausführungsformen
der Apparatur 100 kann mehr als Mikroteilchen 135 zwischen
der nanostrukturierten Oberfläche 120 und
der zweiten starren Oberfläche 130 lokalisiert
sein.
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In
der in 1 abgebildeten Ausführungsform sind eine oder beide
der ersten starren Oberfläche 110 und
der zweiten starren Oberfläche 130 in Bezug
zueinander beweglich und können
dadurch derart zusammenwirken, dass durch die nanostrukturierte
Oberfläche 120 eine
Kontaktkraft auf das mikroskopische Teilchen 135 ausgeübt wird.
Bestimmte erwünschte
Ausführungsformen
der nanostrukturierten Oberfläche 120 unterstützen tragen
dazu bei, sicherzustellen, dass die nanostrukturierte Oberfläche 120 das
Mikroteilchen 135 kontaktiert. Vorteilhafte nanostrukturierte
Oberflächen 120 können Stifte 140 einschließen, die
derart konfiguriert sind, dass sie eine Teilung 150 aufweisen,
die kleiner als etwa die Hälfte
eines mittleren Durchmessers 155 des mikroskopischen Teilchens 135 ist.
In manchen Fällen
weist der Stift 140 einen Durchmesser 160 auf,
der weniger als etwa ein Zehntel des mittleren Durchmessers 155 des
Mikroteilchens 135 beträgt.
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Es
ist erwünscht,
dass die erste und die zweite starre Oberfläche 110, 130 im
Wesentlichen ebenflächig
sind, da dies dazu beiträgt,
sicherzustellen, dass die Kontaktkraft ungeachtet der Lokalisierung
des Mikroteilchens 135 zwischen der nanostrukturierten
Oberflächen 120 und
der zweiten starren Oberfläche 130 in
einer gut kontrollierten Weise ausgeübt wird. Zudem unterstützt das
im Wesentlichen zueinander parallele Positionieren der ersten und
der zweiten starren Oberfläche 110, 130 das
Halten des Mikroteilchens 135 zwischen der nanostrukturierten Oberfläche 120 und
der zweiten starren Oberfläche 130,
während
die Kontaktkraft ausgeübt
wird. In anderen Fällen
kann jedoch eine oder können
beide der ersten und der zweiten starren Oberfläche 110, 130 konvexe,
konkave oder andere Gestalten aufweisen.
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Ist
die Kontaktkraft dazu bestimmt, das Mikroteilchen 135 zu
zerbrechen, ist es erwünscht, dass
der Durchmesser 160 des Stifts derart konfiguriert ist,
dass das Lysieren einer Membran oder einer Beschichtung 165 des
Mikroteilchens 135 erleichtert wird. In manchen Fällen beträgt der Durchmesser 160 weniger
als etwa 1 Mikrometer und stärker
bevorzugt weniger als etwa 400 Nanometer. Es ist manchmal erwünscht, dass
die Stifte 140 eine sich verjüngende oder zugespitzte Spitze
aufweisen, da dies es erleichtert, dass eine in hohem Maße lokalisierte
Kraft auf das Mikroteilchen 135 ausgeübt wird, was zu einem effizienten
Zerbrechen seiner Membran oder Beschichtung 165 führt. In
manchen Fällen beträgt der Spitzendurchmesser 170 die
Hälfte
oder ein Zehntel des Stiftdurchmessers 160.
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In
anderen Fällen
ist die Kontaktkraft dazu bestimmt, Informationen über das
Mikroteilchen 135, wie die elastischen Eigenschaften des
Mikroteilchens 135, zu gewinnen. Zum Beispiel ermöglicht das
Ausüben
einer stufenweise zunehmenden Kontaktkraft auf das Mikroteilchen 135 das
Prüfen
der Komprimierbarkeit des Mikroteilchens 135. Eine Messung der
Komprimierbarkeit kann zum Identifizieren des Zustands des Mikroteilchens 135,
z. B. inaktive kontra aktive Bakterienzellen, verwendet werden.
In derartigen Anwendungen kann es zum Vermeiden des Zerbrechens
des Mikroteilchens 135 erwünscht sein, dass der Spitzendurchmesser 170 in
etwa dieselbe Länge
wie der Stiftdurchmesser 160 aufweist.
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Wie
in 1 dargestellt, können sowohl die Stiftteilung 150 als
auch die -höhe 175 über den
gesamten die nanostrukturierte Oberfläche 120 ausmachenden
Bereich 115 gleichförmig
sein. In einigen bevorzugten Ausführungsformen der Apparatur 100 liegt
die Teilung 150 im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 5 Mikrometern.
In manchen Fällen
ist es jedoch vorteilhaft, dass die Teilung 150 über den
gesamten Bereich 115 ungleichförmig ist, da dies das Ausüben einer
Kontaktkraft auf unterschiedlich große Mikroteilchen 135 ermöglicht.
Eine ungleichförmige
Teilung 150 kann auch das Ausüben von verschiedenen Kräften auf
an unterschiedlichen Orten im Bereich 115 positionierte
Mikroteilchen 135 mit derselben Größe erleichtern. Eine ungleichförmige Teilung 150 kann
auch das Halten des Mikroteilchens 135 zwischen der Nanostrukturoberfläche 120 und
der zweiten starren Oberfläche 130 unterstützen. Aus ähnlichen,
vorstehend erörterten
Gründen
kann es vorteilhaft sein, dass die Höhe 175 der Stifte 140 ungleichförmig ist.
In manchen Fällen
liegt die Höhe 175 im Bereich
von etwa 1 Mikrometer bis 7 Mikrometern.
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Wie
in 1 ferner veranschaulicht, umfassen einige Ausführungsformen
der Apparatur 100 ferner ein System 180, das zum
Analysieren von Material, das aus dem Mikroteilchen 135 freigesetzt wird,
wenn es zerbrochen wird, konfiguriert ist. Nicht beschränkende Beispiele
für das
System 180 schließen
Maschinen zum Durchführen
von immunologischen Assays oder Nukleinsäure-Assays, chromatographischer
und spektroskopischer Analyse oder Kombinationen davon ein. In einigen
Ausführungsformen
ist das System 180 über
einen Kanal 182, wie einen Mikrofluidkanal, der aus dem
Mikroteilchen 135 freigesetzte Materialien oder Chemikalien
zum System 180 leitet, an die Apparatur 100 angeschlossen. Es
kann vorteilhaft sein, dass die eine oder beide der ersten starren
Oberfläche 110 oder
der zweiten starren Oberfläche 130 ferner Öffnungen 185 umfasst, um
eine durchlässige
Membran 190 zu bilden. In der in 1 dargestellten
Ausführungsform
umfasst der Bereich 115 der ersten starren Oberfläche 110 die Öffnungen 185.
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Die
Apparatur 100 kann ferner eine Vorrichtung 195,
wie eine Pumpe oder andere hydraulische Maschine, umfassen, die
derart konfiguriert ist, dass sie aus dem Mikroteilchen 135 freigesetztes
Material durch die Öffnungen 185 führt. Zum
Beispiel kann die Vorrichtung 195 den Durchgang durch Spülen von Ergänzungsmaterial über die
durchlässige
Membran 190, einschließlich
einer chemisch reaktiven Substanz, wie eines Detergenzes oder Denaturierungsmittels,
oder einer Flüssigkeit,
wie Wasser, erleichtern.
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2 veranschaulicht
eine Querschnittansicht einer zweiten beispielhaften Apparatur 200 zum Anlegen
eines elektrischen Stroms an ein Mikroteilchen 135. Elemente
der Apparatur 200, die zu der in 1 dargestellten
Apparatur analog sind, erhalten dieselbe Bezugsnummer. Die erste
starre Oberfläche 110 und
die zweite starre Oberfläche 130 der
Apparatur 200 können
zusammenwirken, um eine Kraft, umfassend eine elektromagnetische
Kraft, durch die nanostrukturierte Oberfläche 120 auf das mikroskopische
Teilchen 135 auszuüben.
Zum Beispiel erzeugt das Leiten eines elektrischen Stroms durch
die Stifte 205 und auf die Oberfläche 165 des Mikroteilchens 135 eine
elektromagnetische Kraft auf dem Mikroteilchen 135.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
der Apparatur 200, wie in 2 dargestellt,
umfasst die nanostrukturierte Oberfläche 120 Stifte 205 mit
einem leitenden Kern 210. Der leitende Kern 210 und
die zweite starre Oberfläche 130 sind
an eine Spannungsquelle 215 elektrisch angeschlossen. Wie
in 2 dargestellt, kann eine Mehrzahl von leitenden Kernen 210 über eine
oder mehrere leitende Bahnen 217 in der ersten mechanischen
Struktur 105 elektrisch zusammengeschlossen werden. Der
leitende Kern 210 und die leitende bahn 217 können dotiertes Silicium
umfassen. Der leitende Kern 210 und die zweite starre Oberfläche 130 sind
derart konfiguriert, dass ein elektrischer Strom auf das Mikroteilchen 135 übertragen
wird, wenn die Spannungsquelle 215 ein Spannungspotenzial
zwischen den leitenden Kernen 210 und der zweiten starren
Oberfläche 130 anlegt.
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Die
Stärke
des durch das Mikroteilchen 135 geleiteten Stroms kann
durch Anlegen von unterschiedlichen Spannungen entweder zum Gewinnen von
Informationen über
die Eigenschaften des Mikroteilchens 135 oder zum Zerbrechen
des Mikroteilchens 135 nach Bedarf variiert werden. Niedrige Spannungen
(z. B. weniger als etwa 1 Volt) können zum Erzeugen von ausreichendem
Strom durch den leitenden Kern 210 der Stifte 205 zum
Erzeugen einer extrem hohen, lokalisierten Verlustleistung verwendet
werden. Dies verursacht wiederum eine Wärmeschädigung oder einen elektrischen
Störfall,
der wiederum die Membran oder Beschichtung 165 des Mikroteilchens
zerbrechen kann.
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Noch
niedrigere Spannungen (z. B. weniger als etwa 0,1 Volt) können verwendet
werden, um die elektrischen Eigenschaften des Mikroteilchens 135 zu
messen. Die Identifikation von verschiedenen Zellspezies durch Messen
ihrer elektrischen Eigenschaften, wie ihrer Kapazitanz, Impedanz
oder Leitfähigkeit,
ist dem Durchschnittsfachmann bekannt. Siehe z. B. TC Chang und
AH Huang, Journal of Clinical Microbiology, Oktober 2000, S. 3589–3594, Bd.
38, Nr. 10, hier unter Bezugnahme in ihrer Vollständigkeit eingebracht.
In einigen Ausführungsformen
der Apparatur 200 wird zum Messen der elektrischen Impedanz
ein Strom von dem leitenden Kern 210 durch das Mikroteilchen 135 und
zu der zweiten starren Oberfläche 130 geleitet.
Die elektrische Impedanz des Mikroteilchens 135 kann je
nach seiner Identität, z.
B. eine unterschiedliche elektrische Impedanz für unterschiedliche Bakterientypen,
differieren. Die elektrische Impedanz des Mikroteilchens 135 kann auch,
je nachdem, ob das Mikroteilchen 135 zerbrochen wurde oder
nicht, oder je nach Zustand des Mikroteilchens 135, z.
B. inaktive kontra aktive Bakterienzellen, differieren. Zum Beispiel
kann das Zerbrechen eines Mikroteilchens 135 bewirken,
dass sein Inhalt, z. B. Cytoplasma, in das umgebende Fluid ausläuft, wodurch
die Leitfähigkeit
erhöht
und eine nachweisbare Veränderung
in der elektrischen Impedanz verursacht wird.
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Der
Fachmann ist mit Vorgehensweisen, die zum Anfertigen von Stiften 205 mit
einem leitenden Kern 210, z. B. durch Trockenätzen eines
dotierten Siliciumsubstrats, verwendet werden, vertraut. In manchen
Fällen,
wie in 2 dargestellt, schließen die Stifte 205 ferner
eine Isolierschicht 220 ein, und nur die Spitze 225 des
leitenden Kerns 210 ist nicht isoliert. Eine derartige
Anordnung kann vorteilhafterweise für ein vorgegebenes Spannungspotenzial
einen stärkeren
Strom zu dem Mikroteilchen 135 leiten, als unter Verwendung
eines unisolierten leitenden Kerns 210. Die Vorgehensweisen
zum Herstellen der Isolierschicht 220 sind dem Fachmann
ebenfalls bekannt. Zum Beispiel kann die Isolierschicht 220 Siliciumdioxid
umfassen, das anpassungsfähig
um den leitenden Kern 210 durch ein herkömmliches
Wärmeoxidationsverfahren
gebildet wird, und wird die leitende Spitze 225 durch ein
herkömmliches Ätzverfahren freigelegt.
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3 veranschaulicht
eine Querschnittansicht einer dritten beispielhaften Apparatur 300 zum Anlegen
eines elektrischen Felds an ein Mikroteilchen 135. Elemente
der Apparatur 300, die mit den in den 1 und 2 dargestellten
Apparaturen analog sind, erhalten dieselbe Bezugsnummer. Die erste starre
Oberfläche 110 und
die zweite starre Oberfläche 130 der
Apparatur 300 können
zusammenwirken, um durch die nanostrukturierte Oberfläche 120 eine
Kraft, umfassend eine elektrische Kraft, auf das mikroskopische
Teilchen 135 auszuüben.
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Ähnlich wie
die in 2 dargestellte Apparatur umfassen bevorzugte Ausführungsformen
der Apparatur 300 Stifte 305 mit einem leitenden
Kern 310, der mit einer Isolierschicht 315 bedeckt
ist. Der leitende Kern 310 und die zweite starre Oberfläche 130 sind
an eine Spannungsquelle 215 elektrisch angeschlossen. Der
leitende Kern 310 und die zweite starre Oberfläche 130 sind
derart konfiguriert, dass ein elektrisches Feld an das Mikroteilchen 135 angelegt wird,
wenn die Spannungsquelle 215 eine Spannung zwischen dem
leitenden Kern 310 und der zweiten starren Oberfläche 130 anlegt.
Zum Beispiel kann das Anlegen einer Spannung ein hohes, lokalisiertes elektrisches
Feld an der Spitze 320 des Stifts 305 erzeugen,
das zum Gewinnen von Informationen über die Eigenschaften des Mikroteilchens 135 oder
zum Zerbrechen des Mikroteilchens 135 verwendet werden
kann.
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Der
Fachmann ist mit verschiedenen elektrokinetischen Techniken, wie
Dielektrophorese und Elektrorotation, zum Manipulieren, Auftrennen
oder Zerbrechen von Mikroteilchen
135 vertraut. Siehe z. B.
M. P. Hughes, AC Electrokinetics: Applications for Nanotechnology,
in The Seventh Foresight Conference an Molecular Nanotechnology,
15.–17.
Oktober 1999, Santa Clara, CA; und die
US-Patentschrift Nr. 2003/0186430 .
Wird z. B. ein dielektrisches Mikroteilchen
135, wie eine
Zelle, einem externen elektrischen Feld ausgesetzt, polarisiert
es. Die Größe und Richtung
des induzierten Dipols hängt
von der Feldfrequenz und den dielektrischen Eigenschaften des Mikroteilchens
135 (z.
B. seiner Leitfähigkeit
und Permittivität
ab. Ein inhomogenes Feld verursacht die elektrische Kraft aufgrund
der Wechselwirkung des induzierten Dipols und externen Felds.
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4 veranschaulicht
eine Querschnittansicht einer vierten beispielhaften Apparatur 400 zum Anlegen
einer akustischen Welle an ein Mikroteilchen 135. Elemente
der Apparatur 400, die mit der in 1 dargestellten
Apparatur analog sind, erhalten dieselbe Bezugsnummer. Die erste
starre Oberfläche 110 und
die zweite starre Oberfläche 130 der
Apparatur 400 können
zusammenwirken, um durch die nanostrukturierte Oberfläche 120 eine
Kraft, umfassend eine akustische Welle, auf das mikroskopische Teilchen 135 auszuüben.
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Ähnlich wie
die in 1 dargestellte Apparatur 100 umfassen
bevorzugte Ausführungsformen der
Apparatur 400 Stifte 405. Die Stifte 405 können beliebige
der vorstehend in den 1–3 erörterten
und dargestellten Strukturen oder Gestalten oder Kombinationen davon
aufweisen. Die Apparatur 400 schließt ferner eine Vorrichtung 410 ein,
die zum Erzeugen einer akustischen Welle konfiguriert ist, die zu
mindestens einer der ersten oder der zweiten starren Oberfläche 110, 130 geleitet
wird. In manchen Fällen
umfasst die Vorrichtung 410 ein piezoelektrisches Material
und ist, wie in 4 dargestellt, an die erste
starre Oberfläche 110 neben
dem Bereich 115 der ersten mechanischen Struktur 105,
wo die nanostrukturierte Oberfläche 120 lokalisiert
ist, angeschlossen. In einigen Ausführungsformen der Apparatur 400 ist
das piezoelektrische Material derart konfiguriert, dass eine Ultraschallwelle
an die Stifte 405 angelegt wird.
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Ein
oszillatorisches Potenzial, das auf das piezoelektrische Material
der Vorrichtung 410 angelegt wird, verursacht, dass eine
akustische Kraft von den Stiften 405 auf das Mikroteilchen 135 übertragen wird.
Die akustische Kraft kann zum Zerbrechen oder, alternativ dazu,
Gewinnen von Informationen über
das Mikroteilchen 135 verwendet werden. Bestimmte Wellenlängen der
Ultraschallwelle wirken mit den Stiften 405 zusammen, um
die akustische Kraft durch Induzieren von Diffraktions- und Interferenzwirkungen
auf die Ultraschallwellen abzuändern,
während
sie sich durch die Stifte 405 fortpflanzen. Dies kann wiederum
eine fokussierende Wirkung auf die akustische Kraft an den Spitzen 415 der
Stifte 405 erzeugen. Zum Beispiel kann eine akustische
Welle die Längsachse 420 der
Stifte 405 hinab laufen und an den Spitzen 415 austreten.
Akustische Wellen mit einer Wellenlänge, die mit dem Durchmesser 425 der Stifte 405 vergleichbar
ist, sind im Innern der Stifte 405 enthalten, was zu einer
fokussierteren akustischen Kraft führt, die von den Spitzen 415 ausgeströmt wird.
In manchen Fällen
wird ein größeres Fokussieren
der akustischen Kraft erzielt, indem die Stifte 420 mit
einer halbkugelförmigen
Spitze 430 oder einer konischen Spitze 435 versehen
werden. In manchen Fällen
wird ein zusätzliches
Fokussieren der akustischen Kraft erzielt, indem akustische Wellen
mit einer Wellenlänge,
die mit dem Seitenabstand 440 zwischen den Stiften 405 vergleichbar
ist, versehen werden.
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In
bestimmten Ausführungsformen
der Apparatur 400 sammeln ein oder mehrere Wandler 445 reflektierte
oder refraktierte akustische Wellen zur Analyse. Zum Beispiel kann
durch Messen der akustischen Impedanz das Produkt der Klanggeschwindigkeit
des Mikroteilchens, multipliziert mit der Dichte des Mikroteilchens,
ermitteln, ob das Mikroteilchen 135 zerbrochen wurde oder
nicht. Gleichermaßen kann
die akustische Impedanz des Mikroteilchens 135 zum Ermitteln
seines Zustands, z. B. inaktive kontra aktive Bakterienzellen, oder
seiner Identität,
z. B. einer bestimmten Bakterienzellspezies, verwendet werden.
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Zur
Klarheit wurden verschiedene Aspekte der vorstehenden Apparaturen
getrennt erörtert
und in den 1–4 dargestellt.
Eine Apparatur der vorliegenden Erfindung könnte jedoch alle oder einige
der vorstehend beschriebenen nanostrukturierten Oberflächen, einschließlich Stifte
und andere Komponenten, wie das System 180, die Öffnungen 185, die
Membran 190 und die Vorrichtung 195, die in Zusammenhang
mit 1 erörtert
sind, einschließen. Beispielsweise
kann, fortfahrend in Bezug auf die 1 und 4,
der Bereich 115 Stifte 140, 405 umfassen,
die zum Zerbrechen des Mikroteilchens 135 durch das Ausüben entweder
von einer oder beiden einer Kontraktkraft und einer akustischen
Kraft durch die nanostrukturierte Oberfläche 120 konfiguriert sind.
Apparaturen, die andere Kombinationen von mechanischen Kräften, Kräften von
elektrischem Strom und elektrischem Feld und akustischen Kräften sowie
Lösungsmitteln,
die durch die Öffnungen 185 abgegeben
werden, bereitstellen, dürften
für den Durchschnittsfachmann
offenkundig sein. Gleichermaßen
können
die vorstehend erwähnten
Kombinationen von verschiedenen Kräften nicht nur zum Erzielen
des Zerbrechens des Mikroteilchens 135, sondern auch zum
Analysieren seiner physikalischen Eigenschaften (mechanisch, elektrisch,
usw.), entweder gleichzeitig mit dem Zerbrechungsverfahren oder in
einem getrennten Verfahren, verwendet werden.
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Ebenfalls
beschrieben ist ein Verwendungsverfahren. Die 5–6 veranschaulichen
Querschnittansichten einer beispielhaften Apparatur bei ausgewählten Stufen
in einem Verfahren zum Zerbrechen eines Mikroteilchens. Wendet man
sich zuerst 5 zu, ist die Apparatur 500 nach
dem Platzieren eines Mikroteilchens 505 in der Apparatur 500 veranschaulicht.
Die Apparatur 500 kann beliebige der vorstehend erörterten
und in den 1–4 dargestellten
Ausführungsformen
umfassen. Wie in 5 veranschaulicht, weist eine
erste mechanische Struktur 510 eine erste starre Oberfläche 515 auf, wobei
ein Bereich 520 der ersten starren Oberfläche 515 eine
nanostrukturierte Oberfläche 525 aufweist. Wie
ferner in 5 dargestellt, umfasst in manchen Fällen die
erste mechanische Struktur 510 eine festgelegte Stufe 530 mit
einem Siliciumsubstrat 535 darauf. Der Bereich 520 umfasst
einen Abschnitt des Siliciumsubstrats 535, der unter Bildung
einer Nanostifte 540 umfassenden nanostrukturierten Oberfläche 525 trockengeätzt ist.
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Die
Apparatur 500 schließt
ferner eine zweite mechanische Struktur 545 mit einer zweiten
starren Oberfläche 550 gegenüber der
ersten mechanischen Struktur 510 ein. In der in 5 dargestellten
Ausführungsform
weist die zweite starre Oberfläche 550 auch
eine zweite Stifte 554 umfassende nanostrukturierte Oberfläche 552 auf.
In der besonderen dargestellten Ausführungsform liegen die Stifte 554 der zweiten
nanostrukturierten Oberfläche 552 zu
den Stiften 540 der nanostrukturierten Oberfläche 525 unter
Bildung eines Paars von ineinander gezahnten nanostrukturierten
Oberflächen 525, 552 versetzt, um
das Lysieren von Mikroteilchen 505 zu erleichtern. Die
zweite mechanische Struktur 545 kann auch einen Verschiebetisch 555 mit
einem zweiten Substrat 560 darauf umfassen, wobei das zweite
Substrat 560 die zweite starre Oberfläche 550 umfasst. Der Verschiebetisch 555 kann
eine gefederte Vorrichtung, wie diejenige, die in Objekttischen
oder in Mikromanipulatoren verwendet wird, umfassen, um die präzise Bewegung
der zweiten starren Oberfläche 550 gegenüber der
ersten mechanischen Struktur 510 zu erleichtern.
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Wie
in 5 veranschaulicht, kann die zweite starre Oberfläche 550 mit
der nanostrukturierten Oberfläche 525 derart
zusammenwirken, dass das mikroskopische Teilchen 505 zwischen
der nanostrukturierten Oberfläche 525 und
der zweiten starren Oberfläche 550 lokalisiert
ist. Ein Abstand 565 zwischen der nanostrukturierten Oberfläche 525 und
der zweiten starren Oberfläche 500 kann
derart eingestellt werden, dass er das Lokalisierthalten des mikroskopischen
Teilchens 505 zwischen diesen Oberflächen 525, 550 unter
Verwendung der Apparatur 500 unterstützt. In manchen Fällen beträgt der Abstand 565 weniger
als etwa das Zweifache eines mittleren Durchmessers 570 des
Mikroteilchens 505. Alternativ dazu kann die Gestalt der
nanostrukturierten Oberfläche 525 und
der zweiten starren Oberfläche 550 derart
eingestellt werden, dass sie das Halten des Mikroteilchens 505 zwischen
diesen Oberflächen 525, 550 unterstützt. Wie
in 5 dargestellt, kann sowohl die nanostrukturierte
Oberfläche 525 als
auch die zweite starre Oberfläche 550 eine
ebenflächige Gestalt
aufweisen, und sie können
parallel zueinander liegen. In anderen Fällen weist jedoch die nanostrukturierte
Oberfläche 525 eine
konvexe und die zweite starre Oberfläche 550 eine konkave
Gestalt auf. Wie vorstehend angemerkt, liegen auch andere Kombinationen
von gestalteten Oberflächen
im Umfang der vorliegenden Erfindung.
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In
Bezug nun auf 6, ist die Apparatur 500 nach
dem Ausüben
einer Kraft auf das mikroskopische Teilchen 505 unter Verwendung
der nanostrukturierten Oberfläche 525 und
der zweiten starren Oberfläche 550 veranschaulicht.
Für die
besondere Ausführungsform
des in 6 veranschaulichten Verfahrens ist die Kraft eine
Kontaktkraft, die erzeugt wird, wenn die erste und die zweite starre
Oberfläche 515, 550 aufeinander
zu bewegt werden. Zum Beispiel wird die zweite starre Oberfläche 550 auf
die nantostrukturierte Oberfläche 525 zu
bewegt, um eine Kontaktkraft zu erzeugen, die zum Zerbrechen des
Mikroteilchens 505, z. B. durch Lysieren seiner umgebenden
Membran oder Beschichtung 605, ausreichend ist.
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Es
ist aus der vorstehenden Erörterung
leicht ersichtlich, dass andere Krafttypen auf das Mikroteilchen 505 ausgeübt werden
können.
Die Kraft kann ein elektrisches Feld oder einen elektrischen Strom umfassen,
die/der erzeugt wird, wenn eine Spannung über die nanostrukturierte Oberfläche 525 und
die zweite starre Oberfläche 550 angelegt
wird. Zudem kann die Kraft eine Ultraschallwelle umfassen, wenn eine
akustische Kraft auf eine oder beide der ersten oder zweiten starren
Oberfläche 515, 550 ausgeübt wird.
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Ebenfalls
beschrieben ist ein Verfahren zur Herstellung einer Apparatur. Die 7–10 veranschaulichen
Querschnittansichten eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung
einer Apparatur 700 gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung. Beliebige der vorstehend erörterten
Ausführungsformen
der in 1–6 dargestellten
Apparatur können
in das Herstellungsverfahren eingebracht werden.
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Wendet
man sich nun 7 zu, ist die teilweise konstruierte
Apparatur 700 nach dem Bilden einer ersten mechanischen
Struktur 705 mit einer ersten starren Oberfläche 710 veranschaulicht.
In manchen Fällen
umfasst die erste mechanische Struktur 705 ein Halbleitersubstrat,
wie einen Silicium-Wafer, und schließt in manchen Fällen ein
Oberflächenmaterial,
das eine erhöhte
mechanische Starrheit bietet, z. B. eine SiO2-Schicht,
eine Siliciumnitridschicht oder eine elektroplattierte Metallschicht, ein.
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In
Bezug nun auf 8, ist die teilweise konstruierte
Apparatur 700 nach dem Bilden einer Nanostruktur 805 in
einem Bereich 810 der ersten starren Oberfläche 710 dargestellt.
Wie dargestellt, kann die Nanostruktur 805 eine Oberfläche 815 mit
Stiften 820 umfassen, wobei diese in diesem Falle Nanorasen 825 bilden.
Die Stifte 820 können
unter Verwendung von herkömmlichen
fotolitografischen und Trockenätzvorgehensweisen,
z. B. zum Entfernen von Abschnitten der ersten mechanischen Struktur 705, gebildet
werden. Alternativ dazu kann die Nanostruktur 805 durch
Bemustern der Oberfläche 815 mit
einem Fotoresist, Galvanisieren eines Metalls wie Nickel auf das
Muster und Entfernen des Photoresist gebildet werden. Andere herkömmliche
Verfahren zum Bilden der Nanostruktur 805 dürften dem
Durchschnittsfachmann offenkundig sein.
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9 bildet
die teilweise konstruierte Apparatur 700 nach dem Bilden
einer zweiten mechanischen Struktur 905 mit einer zweiten
starren Oberfläche 910 ab.
In manchen Fällen
umfasst die zweite mechanische Struktur 905 ein zweites
Halbleitersubstrat, wie einen Silicium-Wafer. In manchen Fällen, wie
dargestellt, ist die zweite starre Oberfläche 910 ebenflächig, obwohl
in anderen Fällen
ein Abschnitt der zweiten starren Oberfläche 910 derart gemustert ist,
dass er eine Nanostruktur bildet, die gleich wie oder anders als
die Nanostruktur 805 der ersten starren Oberfläche 710 sein
kann.
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Wie
ferner in 10 veranschaulicht, ist die zweite
mechanische Struktur 905 gegenüber der ersten mechanischen
Struktur 705 positioniert. Die zweite mechanische Struktur 905 wirkt
mit der Nanostruktur 805 derart zusammen, dass ein mikroskopisches Teilchen 1005 zwischen
der Nanostruktur 805 und der zweiten starren Oberfläche 910 lokalisierbar
ist. Zum Beispiel kann das Positionieren das Einstellen eines Abstands 1010 zwischen
der Nanostruktur 805 und der zweiten starren Oberfläche 910 auf
weniger als etwa das Zweifache eines mittleren Durchmessers 1015 des
Mikroteilchens 1005 einschließen.