TW201319565A - 電磁式分子鑷夾陣列及其方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係一種電磁式分子鑷夾陣列及其方法,其係利用在一基板上產生一磁場和一電場的方式,以磁場吸力和電場斥力來同時控制多個磁性球體在基板上的位置。此電磁式分子鑷夾陣列包括有至少一導線和複數電極列,複數電極列更包括有正電極列和負電極列,導線、正電極列和負電極列係相互交錯平行排列。藉由微調磁場和電場強度可以對於磁性球體在基板上的位置達到精確且利於控制的效果,且藉由取得磁性球體位移變化的結果,得以推算出鏈接在球體與基板或其他載體之間的分子受到的作用力。
Description
本發明係一種電磁式分子鑷夾陣列及其方法,特別係一種可以提升對生物分子操控效率的電磁式鑷夾陣列及其方法。
基於研究技術的日漸進步,研究人員對於生物體內各種分子的運作機制也有了更多的方法和管道可以加以探究,也因而更縮短了許多研究所需的時程。
近年來,跨領域整合的研究更為普遍,生物學、生物醫學、光電學、機電學等各個原本看似不相關的領域,經由協調整合而達到相輔相成的效果,不但提升了研究的速度,也拓展出另一種方向的研究視野。
在先前的專利文獻中曾通過利用磁力操縱磁性粒子來實現對設置在該粒子表面的生物分子或細胞施力,或者利用光誘導介電電泳的原理來分離粒子而實現施力於細胞或生物分子上。前述文獻皆僅能抓取及移動少數的粒子,因而能夠檢測的細胞數量或生物分子的數量有限,且對於抓取到的目標物(也就是細胞或生物分子)所能進行的操控也十分有限。
為解決上述問題,本案發明人致力於研發具有更高效率,更精確,更高穩定性,更容易進行操作及控制的生物分子鑷夾。
本發明之一範疇在於提供一種電磁式生物分子鑷夾,
其包括有一基板和至少一磁性球體。
該基板上會產生一磁場和一電場,該磁場係以單一蛇般曲折形(serpentine)或相互平行的多條導線布設於該基板上後,通以一直流電而產生。該電場係由正極電極和負極電極交錯平行排列於基板上後,施以一交流電而形成。導體和電極在基板上係以相互交錯的陣列加以排列。
該磁性球體係一由聚合物包覆一具有超順磁特性的奈米粒子,且磁性球體表面更設置有一標的分子。
此磁性球體會受到磁場的影響產生一向下的吸力而移向基板表面(暨磁泳效應),並受到電場及低於生物液體的介電常數的影響產生一向上的斥力而離開基板表面(暨負向介電電泳效應)。藉由調整電磁和電場的強度,可以精確的對磁性球體相對於基板表面的位置進行調控。因此,該電磁式鑷夾可以精確地將磁性球體上的標的分子移近基板上的受器分子或者固定在基板上方的一微流管道中的細胞表面上的受器分子,使它們相互結合後;之後更可以通過調節電場或者磁場的強度,使得磁性球體從基板或細胞表面移開,並對標的分子和受器分子間的鍵合產生一作用力。
藉由觀察記錄磁性球體相對於基板或細胞表面的位置,可以推算分子的精確受力,並蒐集獲得分子在不同受力情况下的相關訊息。本發明可以將附著有單個分子的磁性球體陣列設置於同一晶片基板上,從而實現對多個磁性球體的同時操控,因此該電磁式分子鑷夾能够在很短的時間裏獲得大量分子在各種不同受力下的反應訊息。
此外,本案有別於前案而可以結合兩股相反的作用力
(磁場吸力和電場斥力),因此可以對磁性球體產生容易控制的淨力,而且因為可以獨立控制電場作用力和磁場作用力而使得淨力具有高動能範圍和高精度的優點。
綜上所述,本發明之方法突破了現分子鑷夾的缺點,即無法對生物分子進行精確及太過繁雜的操控或是達到對單個分子進行並行檢測的效果,因而具有為高通量分子篩選(molecular screening)提供精準而高效平台的潛力。
以下僅以實施例詳細說明本發明。
請參見第1圖至第2圖所示,第1圖係本發明一實施例之上視示意圖,第2圖係第1圖中沿A-A線之剖示圖。
本電磁式分子鑷夾係包括有至少一基板1和複數磁性球體2,基板1上設置有一導線11和複數電極列12,該導線11係以蛇般曲折(serpentine)之形式設置於基板1上,並連接於兩組電流輸出端,以在基板1上形成複數相鄰且平行排列的導線段111,各導線段111上設置有複數以一等距排列的導體112,本實施例中,導體112係三角形,但實際使用時,導體並不應限定為三角形,而可以其他形狀代替,例如,菱形、長方形、四邊形、圓形等。這些不同的形狀以等距排列而成的導線均可以產生三維(3D)空間上的磁場梯度,保證磁性球體2受到磁場梯度的影響而被控制在兩個導體112之間,因為那裏是基板上磁場密度及梯度最大的地方。
為了降低焦耳熱效應,也可用相互平行的多條獨立導線以减小線阻。製作相互平行的多條導線的工藝與單一蛇
般曲折(serpentine)形導線類似。複數電極列12至少包括一正極電極列121和一負極電極列122,正極電極列121係連接於一正電壓輸入端123,以提供一正電,負極電極列122係連接於一負電壓輸入端124,以提供一負電,正極電極列121和負極電極列122係分別由對向延伸設置於導線段111之間,且為相互平行交錯設置之形式,因此,在第2圖中顯示為”正極電極列121-導線段111-負極電極列122”之交錯排列形式。此電極列12係用於產生一交流電場,並對磁性球體2產生一向上之斥力。
各該電極列121、122係包括有複數電極125,本實施例中,各電極125係呈長方形柱狀,並交錯設置於導電段111上的導體112之間。其他形狀如三角形、四邊形、圓形柱狀等只要能產生三維(3D)空間上的電場梯度的也適用。
本實施例中,導線段和電極列係相互垂直,然導線和電極列並不限於相互垂直之設置,而可以形成他種型態的陣列交錯排列。
該磁性球體2是由聚合物基質包覆在一具有超順磁(superparamagnetic)特性的奈米粒子外所形成。其他不同類型的磁性球體只要能設置一標的生物分子的都適用。
請參見第3圖所示,第3圖係本發明之電磁式分子鑷夾之操作原理。當對本發明電磁式分子鑷夾中的導線11和電極列12進行通電時,導線11會產生不均勻磁場以對磁性球體2產生一吸力,而電極列12則會產生不均勻電場而對磁性球體2產生一斥力,藉此控制吸力和斥力的强弱便可以操控磁性球體2與基板1之相對距離,或是將磁性球體2
由基板1上一位置位移至另一特定位置,該特定位置上更可設置有一受器分子以與磁性球體上的標的分子鍵合,互為相反作用的吸力和斥力便可作為該分子鍵合(molecular bond)的鑷夾而對其施加精確的淨力。
舉例來說,當磁性球體2的基質表面設置有一抗原,基板1表面設置有一抗體時,可以利用調整電流强弱將磁性球體2引導至基板1表面設置有抗體之位置,從而使抗原和抗體發生鍵合作用,此時,若是將調整電流將電磁吸力降低,或是將電場斥力增加,以產生向上的淨力,磁性球體便會被向上拉動,同時也會對抗原和抗體之間的生物鍵產生一作用力。
請參見第4圖所示,係說明利用倒立式顯微鏡觀察單一磁性球體受到磁場和電場操控,在基板上的移動狀况。當電場電壓(e.g.1.5Vpp)和磁場電流(e.g.15mA)保持穩定狀態時,磁性球體2受到磁場和電場的綜合作用而被控制在基板上的兩個導體112之間並與基板表面保持很微小的距離(第4圖(A)),當電場保持穩定時,調整通過導體112的電流(e.g.由15毫mA增加至20mA時),磁性球體2便產生一向上漂浮的動作(第4圖(B))。如果將此漂浮動作的結果與第4圖(C)中漂浮之前記錄的圖像進行比對,便可確認磁性球體2的上漂距離為約3微米(μm)。
第5圖係同時對多個磁性球體進行操控的結果。由圖中可看出,在維持穩定電場電壓下(e.g.1.5Vpp),增加電磁電流(e.g.由15mA增加至16mA)可以使得多個磁性球體同時向上飄移約0.5微米(μm)。
由前述實施例可以知道,本發明的電磁式分子鑷夾係直接藉由可量化之電壓和電流來調整磁泳力和介電電泳力的強度,以進一步達成控制磁性球體相對於基板位置的效果。由於現代電子設備可實現非常高精度的電壓及電流改變,直接導致本發明的電磁式分子鑷夾對磁性球體在基板上可實現非常高精度(e.g.亞奈米級)的上漂及下沉。
同時,前述實施例係利用顯微鏡對於磁性球體的移動進行觀察,然實際使用時並不應以此為限,其他對磁性球體的位置具有更高解析度的例如光繞射(interferometry)技術等,亦可以搭配本發明之電磁式分子鑷夾,以更精確的偵測磁性球體位移。
1‧‧‧基板
11‧‧‧導線
111‧‧‧導線段
112‧‧‧導體
12‧‧‧電極列
121‧‧‧正極電極
122‧‧‧負極電極列
123‧‧‧正電壓輸入端
124‧‧‧負電壓輸入端
2‧‧‧磁性球體
第1圖係本發明一實施例之上視示意圖。
第2圖係第1圖中沿A-A線之剖示圖。
第3圖係本發明之電磁式分子鑷夾之操作原理。
第4圖係說明利用倒立式顯微鏡觀察單一磁性球體受到磁場和電場操控後在基板上的移動狀況。
第5圖係說明利用倒立式顯微鏡觀察多個磁性球體受到磁場和電場操控後在基板上的移動狀況。
1‧‧‧基板
11‧‧‧導線
111‧‧‧導線段
112‧‧‧導體
12‧‧‧電極列
121‧‧‧正極電極
123‧‧‧正電壓輸入端
122‧‧‧負極電極列
124‧‧‧負電壓輸入端
2‧‧‧磁性球體
Claims (9)
- 一種電磁性分子鑷夾,其包括有:至少一磁性球體:該磁性球體係一由聚合物包覆且具有超順磁特性的奈米粒子;和一基板,包括有:至少一導線,以蛇般曲折之形式設置於該基板上,或以在該基板上形成複數相鄰且平行排列的導線段,該導線係產生一磁場,並對該磁性球體產生一向下之吸力;及複數電極列,係用於產生一電場,並對該磁性球體產生一向上之斥力,其至少包括有:一正極電極列:係連接於一正電壓輸入端以提供一正電,且延伸設置於各該導線段之間;及一負極電極列:係連接於一負電壓輸入端以提供一負電,且相對於該正極電極列而延伸設置於各該導線段之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的電磁性分子鑷夾,其中該磁性球體表面設置有一標的分子,該基板表面設置有一受器分子。
- 如申請專利範圍第1項所述的電磁性分子鑷夾,其中該磁性球體表面設置有一標的分子,該基板上則設置有一微流管道,該微流管道內設置有至少一具有受器分子的細胞。
- 如申請專利範圍第1項所述的電磁性分子鑷夾,其中該磁性球體於該基板上的位置係利用一顯微鏡或一光繞射技術加以觀察。
- 如申請專利範圍第2項所述的電磁性分子鑷夾,其中 該導線段上設置有複數以一等距排列的導體。
- 如申請專利範圍第4項所述的電磁性分子鑷夾,其中該電極列上設置有複數電極。
- 如申請專利範圍第5項所述的電磁性分子鑷夾,其中該導體和該電極係交錯排列以形成一陣列。
- 如申請專利範圍第4項所述的電磁性分子鑷夾,其中該導體係三角形、菱形、長方形、四邊形或圓形。
- 如申請專利範圍第5項所述的電磁性分子鑷夾,其中該電極係長方形、三角形、四邊形或圓形柱狀,並交錯設置於該導體之間。
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