TW201417889A - 一種分子富集的裝置及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露使用無電極式介電泳(eDEP)以形成分子壩效應，做為生物分子或其它小分子和粒子之快速富集和質量輸送的方法、結構、裝置和系統。此富集流體內粒子(此列蛋白質)的裝置包括一電絕緣的基材，一在基材上形成的電絕緣材料並且構成一通道以攜帶含有粒子之導電流體，一在電絕緣材料上形成的隘口結構以在通道內縮小通道的尺寸和形成具有奈米尺寸的開口，藉一電路以沿著通道兩端施加一交流電場和一直流偏壓，其中奈米尺寸的隘口結構會使施加的電場放大，因粒子受電場影響產生極化效應與導電流體間之介電常數差的關係，而使在隘口開口附近產生一負介電泳力(FNDEP)，以將粒子推離隘口，以隘口的一側來看，負介電泳力因與施加直流偏壓在基材表面所形成之電滲力(FEO)一起對抗因直流偏壓使粒子朝向隘口開口方向移動的電泳力(FEP)，以便負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近開口邊上的區域富集粒子。

Description

一種分子富集的方法及其應用
本發明係關於生物感測器和分析裝置。
生物感測器是一種分析的工具，其能使用生物感測元件和轉換元件來偵測化學品，物質或生物體，並將其轉換成訊號以供加工和/或顯示之用。感測器能使用生物材料做為生物感測元件，如生物分子，包括酵素、抗體、核酸適體、縮氨酸、核酸等、或小分子，如碳水化合物，以及病毒和活細胞。例如，分子感測器能利用特別的化學性質或分子辨識機制來辨認目標劑。感測器能使用轉換元件，經由適當之電、磁、機械、物理化學、光學、電化學、壓電、或其它轉換機制，將分析物偵測到的訊號轉換成不同的訊號。
說明使用無電極式介電泳(eDEP)作為生物分子或其它小分子和粒子之快速富集和質量輸送的技術、系統和裝置。
在一個所揭露的技術方面，在一富集流體內粒子的裝置包括一電絕緣的基材，一在該基材上形成電絕緣材料，構成一通道以攜帶含有粒子之導電流體，一在電絕緣材料上形成的隘口結構，以在通道內縮小通道尺寸，和形成具有奈米尺寸的開口，與一電極電路以沿著通道施加一交流 電場和一直流偏壓，其中隘口結構會使所施加的交流電場放大，以便因粒子受電場影響產生極化效應與導電流體間之介電常數差的關係，而使在隘口附近產生一負介電泳力(FNDEP)，以將粒子推離隘口，以隘口的一側來看，負介電泳力與施加直流偏壓在基材表面所形成之電滲力(FEO)一起對抗因直流偏壓使粒子朝向隘口開口方向移動的電泳力(FEP)，以便負介電泳力(FNDEP)、電滲力(FEO)和電泳力(FEP)共同在一臨近開口邊上的區域富集粒子。
裝置的實施例能選擇包括下述的一個或多個特徵。裝置的電路能包括一個由至少一個通道或基材所提供的一絕緣層外面和沿著隘口結構邊上之通道形成的閘電極，以提供一個用來影響電滲力的表面電荷。裝置能進一步包括一個沿著通道的感測器以偵測一個富集粒子的參數。在一些實施例內，感測器能包括一個光學顯微成像儀以偵測富集粒子的照明強度。在一些實施例內，感測器能包括至少一電感測器、一電化學感測器、一機械感測器或一磁性感測器。裝置能進一步包括一個第一供料通道和一個第二供料通道，且通道寬度是微米級或較大，並由電絕緣的材料所形成以攜帶導電流體，其中間通道是位於第一供料通道和一個第二供料通道之間並且加以連接。裝置能進一步包括沿著第一供料通道和一個第二供料通道的流體儲存槽，和在流體儲存槽內與流體接觸的電極端頭，其中藉由電極端頭在沿著通道施加交流電場和直流偏壓。
在所揭露技術的另一個實施例中，富集一流體內粒子的一種方法包括接收在一個由電絕緣材料形成之通道內含 有粒子的導電流體，且在通道內具有一隘口結構以縮小通道的尺寸和形成具有奈米尺寸的開口，選擇一個沿著通道施加之交流電場的頻率和大小，選擇一個沿著通道施加之直流電訊號的偏壓大小，和沿著通道施加交流電場和直流偏壓以富集開口附近區域的粒子，其中選擇交流電場的頻率，以便粒子受電場影響產生極化效應與導電流體間之介電常數差的關係，而使在隘口開口附近產生一負介電泳力將粒子推離隘口開口，或將粒子富集在隘口開口內而產生一正介電泳力，且其中選擇之直流電訊號非零的偏壓大小控制一個電泳力。
方法的實施例能選擇包括下述的一個或多個特徵。方法能進一步包括選擇電場參數，以便基於第一和第二型粒子之極性和電動性的不同，將第一型粒子由第二型粒子分離出來。方法能進一步包括使用沿著通道的感測器來偵測富集粒子的參數，如其中感測器包括至少一電感測器、一電化學感測器、一機械感測器或一磁性感測器。例如，偵測能包括獲得含有富集粒子之照明強度的一個光學顯微影像的數據。
在所揭露技術的另一個實施例中，一個定性粒子的系統包括一個無電極式介電泳晶片、一個電源和一個定性單元。無電極式介電泳晶片包括一電絕緣的基材並且構成一通道以攜帶含有粒子之導電流體，一電絕緣材料形成的隘口結構以在通道內縮小通道的尺寸和形成具有奈米尺度的開口，電絕緣材料形成的兩條主(供料)通道是具有寬度在微米級或較大的通道，其中間通道是位於兩條主微通道 之間並且加以連接，和沿著兩條主通道的液體儲存槽。電源沿著通道產生一個具有直流偏壓的交流電場，並穿過在液體儲存槽內的電極端頭與流體接觸，其中隘口結構會使施加的交流電場放大，以便粒子受電場影響產生極化效應與導電流體間之介電常數差的關係，而使在隘口開口附近產生一負介電泳力將粒子推離隘口開口中心，且經由施加之直流偏壓在基材表面形成一電滲力亦將粒子推離開口，和因粒子極性而將其往開口方向內推的電泳力，以便介電泳力、電滲力和電泳力共同達到平衡，在一臨近隘口邊上的區域富集粒子。定性單元包括一個沿著通道的感測器以偵測富集粒子的參數，和處理單元以處理偵測的參數作為決定粒子特性的數據。
系統的的實施例能選擇包括下述的一個或多個特徵。在至少一提供的一個絕緣層外面，系統的無電極式介電泳晶片能進一步包括一個由至少一個通道或基材提供的一絕緣層外面和沿著隘口結構邊上之通道形成的閘電極，以提供一個用來影響電滲力的表面電荷。
在所揭露技術的另一個實施例中，分離流體內粒子之類型的一裝置包括一電絕緣的基材，一在基材上形成的電絕緣材料並且構成一通道以攜帶含有兩種或更多種粒子之導電流體，一在電絕緣材料上形成之隘口結構的陣列並且在通道內縮小通道的尺寸，其中陣列的第一個隘口結構形成一第一個開口，其大小比陣列的第二個隘口結構形成的第二開口較小，且大小是在奈米範圍內，藉一電路以沿著通道兩端施加一交流電場和一直流偏壓。第一個隘口結構 會使施加的交流電場放大，以便在粒子受電場影響產生極化效應與導電流體間之介電常數差的關係，而使在第一個開口附近產生一第一個負介電泳力將粒子推離該隘口處開口，且相同第二個隘口結構會使施加的交流電場放大，以便在第二個開口附近產生一比第一個負介電泳力弱的第二個負介電泳力同樣將粒子推離該開口處，其中第一個和第二個負介電泳力結合在施加直流偏壓下形成一會將粒子推離該開口方向之電滲力以對抗會將粒子推向開口方向的電泳力，以便第一個負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近開口邊上的區域富集一種粒子，且第二個負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近第二個開口邊上的區域富集另一種粒子。
在所揭露技術的另一個實施例中，分離流體內粒子之類型的一裝置包括一電絕緣的基材，一在基材上形成的電絕緣材料並且構成一通道以攜帶含有兩種或更多種粒子之導電流體，一在電絕緣材料上形成：(i)一具有奈米尺寸並且能攜帶含有兩種或更多種粒子之導電流體之通道陣列，其中陣列的第一個通道形成一第一個開口，其大小比陣列的第二個通道形成的第二開口較小，和(ii)具有奈米或較大且由電絕緣材料形成以攜帶導電流體的供料通道，其中間通道陣列是位於供料通道之間並且加以連接，且以一電路沿著通道兩端施加一交流電場和一直流偏壓。第一個沿通道施加並放大的交流電場，以便粒子受電場影響產生極化效應與導電流體間之介電常數差的關係在第一個開口附近產生一第一個負介電泳力將粒子推離該開口，且第二個 沿通道施加並放大的交流電場，以便在第二個開口附近產生一比第一個負介電泳力弱的第二個負介電泳力同樣將粒子推離該開口，其中第一個和第二個負介電泳力分別結合在施加直流偏壓下形成一會將粒子推離開口方向之電滲力以對抗會將粒子推向開口方向的電泳力，以便第一個負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近開口邊上的區域富集一種粒子，且第二個負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近第二個開口邊上的區域富集另一種粒子。
在本專利內描述的主要內容，可用特殊的方式實施並提供下述的一個或多個特徵。例如，揭露之技術可在多種應用內實施，包括一般的蛋白質分析、蛋白質結晶、蛋白質沉澱、稀有生物標記物質的發現(如與質譜儀結合)、早期疾病的診斷、小分子(如縮氨酸或碳水化合物)的富集或篩選。例如，揭露之生物感測器裝置的實施能提供一個至少105倍之蛋白質的快速富集(如在20秒內)。範例裝置能包括離開如奈米隘口幾何中心的熱點之分子壩的取代，這可緩和焦耳熱效應。描述的裝置可以大量生產並且用低成本的材料來製造，如包括聚合物或塑膠，並結合其它形式的感測器，包括在同樣裝置平台上的分子過濾和偵測。例如，可將生物感測元件放在離一個奈米隘口結構數微米的地方。
說明使用無電極式介電泳(eDEP)作為生物分子或其它小分子和粒子之快速富集和質量輸送的技術、系統和裝置。
在所揭露技術的另一個實施例中，在一富集流體內粒子的裝置包括一電絕緣的基材，一在該基材上形成電絕緣 材料，構成一通道以攜帶含有粒子之導電流體，一在電絕緣材料上形成的隘口結構，以在通道內縮小通道尺寸，和形成具有奈米尺寸的開口，與一電極電路以沿著通道施加一交流電場和一直流偏壓，其中隘口結構會使所施加的交流電場放大，以便因粒子受電場影響產生極化效應與導電流體間之介電常數差的關係，而使在隘口開口附近產生一負介電泳力(FNDEP)，以將粒子推離隘口，以隘口的一側來看，負介電泳力因與施加直流偏壓在基材表面所形成之電滲力(FEO)一起對抗因直流偏壓使粒子朝向隘口開口方向移動的電泳力(FEP)，以便負介電泳力(FNDEP)、電滲力(FEO)和電泳力(FEP)共同在一臨近開口邊上的區域富集粒子。
裝置的實施例能選擇包括下述的一個或多個特徵。裝置的電路能包括一個由至少一個通道或基材所提供的一絕緣層外面和沿著隘口結構邊上之通道形成的閘電極，以提供一個用來影響電滲力的電荷。裝置能進一步包括一個沿著通道的感測器以偵測一個富集粒子的參數。在一些實施例內，感測器能包括一個光學顯微成像儀以偵測富集粒子的照明強度。在一些實施例內，感測器能包括至少一電感測器、一電化學感測器、一機械感測器或一磁性感測器。裝置能進一步包括一個第一供料通道和一個第二供料通道，且通道寬度是微米級或較大，並由電絕緣的材料所形成以攜帶導電流體，其中間通道是位於第一供料通道和一個第二供料通道之間並且加以連接。裝置能進一步包括沿著第一供料通道和一個第二供料通道的流體儲存槽，和在流體儲存槽內與流體接觸的電極端頭，其中藉由電極端頭 在沿著通道施加交流電場和直流偏壓。
在所揭露技術的另一個實施例中，富集一流體內粒子的一種方法包括接收在一個由電絕緣材料形成之通道內含有粒子的導電流體，且在通道內具有一隘口結構以縮小通道的尺寸和形成具有奈米尺寸的開口，選擇一個沿著通道施加之交流電場的頻率和大小，選擇一個沿著通道施加之直流電訊號的偏壓大小，和沿著通道施加交流電場和直流偏壓以富集開口附近區域的粒子，其中選擇交流電場的頻率決定隘口結構是否放大施加之交流電場，以便粒子受電場影響產生極化效應與導電流體間之介電常數差的關係，而使在隘口開口附近產生一負介電泳力將粒子推離隘口開口，或將粒子富集在隘口開口內而產生一正介電泳力，且其中選擇之直流電訊號非零的偏壓大小控制一個電泳力。
方法的實施例能選擇包括下述的一個或多個特徵。方法能進一步包括選擇電場參數，以便基於第一和第二型粒子之極性和電動性的不同，將第一型粒子由第二型粒子分離出來。方法能進一步包括使用沿著通道的感測器來偵測富集粒子的參數，如其中感測器包括至少一電感測器、一電化學感測器、一機械感測器或一磁性感測器。例如，偵測能包括獲得含有富集粒子之照明強度的一個光學顯微照片的數據。
在所揭露技術的另一個實施例中，一個定性粒子的系統包括一個無電極式介電泳晶片、一個電源和一個定性單元。無電極式介電泳晶片包括一電絕緣的基材並且構成一通道以攜帶含有粒子之導電流體，一電絕緣材料形成的隘 口結構以在通道內縮小通道的尺寸和形成具有奈米尺寸的開口，電絕緣材料形成的兩條主(供料)通道是具有寬度在微米級或較大的通道，其中間通道是位於兩條微通道之間並且加以連接，和沿著兩條微通道的液體儲存槽。電源沿著通道產生一個具有直流偏壓的交流電場，並穿過在液體儲存槽內的電極端頭與流體接觸，其中隘口結構會使施加的交流電場放大，以便粒子受電場影響產生極化效應與導電流體間之介電常數差的關係，而使在隘口開口附近產生一負介電泳力將粒子推離隘口開口，且經由施加之直流偏壓在基材表面形成一電滲力將粒子推離開口和因粒子極性而將其往開口方向內推的電泳力，以便介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近開口邊上的區域富集粒子。定性單元包括一個沿著通道的感測器以偵測富集粒子的參數，和處理單元以處理偵測的參數作為決定粒子特性的數據。
系統的的實施例能選擇包括下述的一個或多個特徵。在至少一提供的一個絕緣層外面，系統的無電極式介電泳晶片能進一步包括一個由至少一個通道或基材提供的一絕緣層外面和沿著隘口結構邊上之通道形成的閘電極，以提供一個用來影響電滲力的電荷。
在所揭露技術的另一個實施例中，分離流體內粒子之類型的一裝置包括一電絕緣的基材，一在基材上形成的電絕緣材料並且構成一通道以攜帶含有兩種或更多種粒子之導電流體，一在電絕緣材料上形成之隘口結構的陣列並且在通道內縮小通道的尺寸，其中陣列的第一個隘口結構形成一第一個開口，其大小比陣列的第二個隘口結構形成的 第二開口較小，且大小是在奈米範圍內，藉一電路以沿著通道兩端施加一交流電場和一直流偏壓。第一個隘口結構會使施加的交流電場放大，以便在粒子受電場影響產生極化效應與導電流體間之介電常數差的關係，而使在第一個開口附近產生一第一個負介電泳力將粒子推離隘口開口，且相同第二個隘口結構會使施加的交流電場放大，以便在第二個開口附近產生一比第一個負介電泳力弱的第二個負介電泳力同樣將粒子推離隘口開口，其中第一個和第二個負介電泳力結合在施加直流偏壓下形成一會將粒子推離開口方向之電滲力以對抗會將粒子推向開口方向的電泳力，以便第一個負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近開口邊上的區域富集一種粒子，且第二個負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近第二個開口邊上的區域富集另一種粒子。
在所揭露技術的另一個實施例中，分離流體內粒子之類型的一裝置包括一電絕緣的基材，一在基材上形成的電絕緣材料並且構成一通道以攜帶含有兩種或更多種粒子之導電流體，一在電絕緣材料上形成：(i)一具有奈米尺寸並且能攜帶含有兩種或更多種粒子之導電流體之通道陣列，其中陣列的第一個通道形成一第一個開口，其大小比陣列的第二個通道形成的第二開口較小，和(ii)具有奈米或較大且由電絕緣材料形成以攜帶導電流體的供料通道，其中間通道陣列是位於供料通道之間並且加以連接，且以一電路沿著通道兩端施加一交流電場和一直流偏壓。第一個沿通道施加並放大的交流電場，以便粒子受電場影響產生極 化效應與導電流體間之介電常數差的關係在第一個開口附近產生一第一個負介電泳力將粒子推離開口，且第二個沿通道施加並放大的交流電場，以便在第二個開口附近產生一比第一個負介電泳力弱的第二個負介電泳力同樣將粒子推離開口，其中第一個和第二個負介電泳力分別結合在施加直流偏壓下形成一會將粒子推離開口方向之電滲力以對抗會將粒子推向開口方向的電泳力，以便第一個負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近開口邊上的區域富集一種粒子，且第二個負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近第二個開口邊上的區域富集另一種粒子。
在本專利內描述的主要內容，可用特殊的方式實施並提供下述的一個或多個特徵。例如，揭露之技術可在多種應用內實施，包括一般的蛋白質分析、蛋白質結晶、蛋白質沉澱、稀有生物標記物質的發現(如與質譜儀結合)、早期疾病的診斷、小分子(如縮氨酸或碳水化合物)的富集或篩選。例如，揭露之生物感測器裝置的實施能提供一個至少105倍之蛋白質的快速富集(如在20秒內)。範例裝置能包括離開如奈米隘口幾何中心的熱點之分子壩的取代，這可緩和焦耳加熱效應。描述的裝置可以大量生產並且用低成本的材料來製造，如包括聚合物或塑膠，並結合其它形式的感測器，包括在同樣裝置平台上的分子過濾和偵測。例如，可將生物感測元件放在離一個奈米隘口結構數微米的地方。
所揭露技術的上述及其他觀念和實施例於圖示，實施方式和申請專利範圍內有更詳細的描述。
在某些生物感測器的靈敏度和性能，表現上質量輸送通常被認為是一個限制因素，包括可偵測粒子的濃度低或粒子團的各種微型化生物感測器，如包括某些分子或分子團的生物或化學粒子。例如，生物感測器的微型化可能會阻礙生物分子傳送到感測器表面，例如，可能是因為在液體內或在流體通道的生物分子擴散長度變長。對於待分析樣品內，包含低濃度之生物分子(如包括蛋白質)的生物感測器而言，由於各種因素，樣品富集通常被認為是高解析度分析的一個需求。然而，化學放大的方法目前可能無法使用在高解析度分析生物分子，使高解析度分析變得困難。這些限制因素會導致實施微米或奈米級生物感測器平台的挑戰，如早期或急性疾病之診斷和生物標記物之發現上，於應用效能的限制。
在生理相關介質上，要由其它高濃度蛋白質背景感測到低數目的生物標記蛋白質，需要有效的方法來對感測器附近的生物標記物進行選擇性的預先濃縮。此種選擇性的預先濃縮能增加目標樣品在感測器感測時的局部濃度。目前雖有各種預先濃縮方法可以提供，但其性能都有限。例如，基於抗體耗竭的化學方法無法達到生物標記蛋白質之預先濃縮的需求，因生物標記物比血液內背景蛋白質低106-1012倍的水準。其它例示包括使用電動方法來做生物分子之選擇性的預先濃縮。此種電動方法之一包括介電泳，其能基於生物分子/粒子與介質之介電常數的頻率反應不 同，選擇性的捕集生物分子和生物粒子。介電泳技術在分類具有不同介電頻率反應之大小類似的生物細胞上非常有效。然而，對於較小的生物標記物，如奈米級蛋白質和單股去氧核醣核酸(ssDNA)的片段而言，目前其應用似無效果。
當粒子處於非均勻的介電場時，施力使懸浮介質內的介電粒子(如極性粒子，包括分子和奈米級粒子)產生移動，即是介電泳的現象。雖然通常粒子在介電場的存在下能顯示介電泳的活性，但是介電泳力的大小取決於介質的類型、特定粒子的某些性質，如電性和形狀和尺寸、和粒子上施加之介電場的頻率。例如，將電場調到特別的頻率能以選擇性的程度來操控粒子，而這能造成介質內粒子的定向、輸送、和/或分離。例如，非均勻電場能在介質內建立較大和較小的電場區來操控粒子。例如，當介質的介電常數比粒子的介電常數大時，粒子在介質內會移到電場梯度較小的區域。反之當粒子的介電常數大於介質的介電常數時，粒子會移到電場梯度較大的區域。
介電泳力(如平移力)可表示如下：FDEP=2 π r3 ε m Re[K(ω)]▽E2 (1)其中r是粒子的半徑、εm是懸浮介質的絕對滲透性介電常數、E是施加電場力的振幅(如在一個交流電場案例之均方根的E)、且Re[K(ω)]代表Clausius-Mossotti(CM)係數的實數部分，可表示如下： K(ω)=(ε p * -ε m * )/(ε p * +2 ε m * ) (2)其中ε m * 和ε p * 分別是介質和粒子的複合介電常數，且(ε * =ε-j σ/ω)，其中σ是導電度、ε是介電常數、且ω是角頻率。CM係數代表在外部驅動場內粒子與懸浮介質之間頻率相關之介電的對比。CM係數決定粒子透過正的介電泳(PDEP)移往(被吸引)流體通道之高電場梯度的區域(如當Re[K(ω)]>0)，或粒子是透過負介電泳(NDEP)離開(被排斥)流體通道之高電場梯度的區域(如當Re[K(ω)]<0)。
由於介電泳力與分子的大小(~r3)成正比，在各種應用中很難以介電泳產生一足夠的介電泳力來富集如蛋白質等的小生物分子(因蛋白質的大小可能是數個奈米，即10’s-100 kDa)。此外，由於蛋白質的低極性，故會顯示一個小的CM係數。為了克服此限制和補集與富集小的生物分子，揭露之技術用式(1)內▽E2(或E‧▽E)項之工程設計，以創造極高的聚焦電場和電場梯度來增加介電泳力。
在此說明使用無電極式介電泳(eDEP)來做為生物分子之快速富集和質量輸送的技術、系統和裝置，如包括蛋白質，或其它小分子和粒子。
所揭露之技術能包括一生物感測器和具有流體通道的驅動器裝置，包括一在基材上形成之電絕緣材料的奈米級結構(如稱為奈米隘口)，可作為分子壩(以及分子陷阱)，並能使用無電極式介電泳來富集通道內含有粒子之導 流體內的蛋白質以提升質量輸送。例如，包括蛋白質富集之粒子的聚集和分離，當粒子包含蛋白質時，可在生理緩衝液的情況下使用所揭露之裝置來實施。例如，因為蛋白質尺寸的大小或極性要比DNA或細胞的尺寸小得多，捕集和/或富集蛋白質需要一個極高的電場梯度。奈米隘口能嵌入裝置的流體通道作為電場聚焦元件，以提升局部電場至比施加之非均勻交流電場和相關電場梯度高出千百倍的大小(如105倍)。所提升的電場和電場梯度能補償蛋白質其它小生物分子的尺寸小和低CM係數問題以克服它們的大擴散係數。例如，可使用奈米隘口而不是使用通道內的電極來產生這些高電場和電場梯度，因此產生沒有電極的介電泳效應，或無電極式介電泳。可在通道內裝設介電奈米隘口來將通道寬度縮小到數十奈米大小的開口(如30 nm的大小)。
在生物感測器和蛋白質捕集與富集驅動器裝置的一個實施例內，在一奈米流體通道(奈米通道)內提供一個或多個奈米隘口並以微流體通道相互連接，如供樣品處理之用。沿著包括奈米隘口的奈米通道使用一個具有直流偏壓的非均勻交流電場來產生一個力，以富集和包含來自奈米隘口位置附近區域流體內的蛋白質。在奈米隘口位置的力包括(1)透過控制一個非均勻交流電場之頻率使得在奈米隘口之高聚焦電場產生的介電泳力，(2)透過施加之直流偏壓沿著通道產生之電場產生的電泳力，和(3)在流體溶液內淨移動電荷上由電場引起之庫侖效應在基材表面產生的電滲力(如因為在一固體表面(如基材)與一電解質溶液(如流 體)之間的化學平衡，導致界面獲得一淨固定電荷，在靠近界面的區域內形成一層移動離子(電雙層或Debye層)，其中Debye層內之淨電荷是由電場引起且由引起的庫侖力來移動)。例如，本實施例來自電泳(EP)的淨輸送與負介電泳和電滲(EO)是相反的，透過一個力平衡情況，FEP=FEO+FNDEP。該力平衡情況的效應能富集蛋白質遠離奈米結構的點，這稱為分子壩。裝置的實施能包括施加交流電場(如交流電場強度>>直流偏壓)以在奈米隘口產生一強的介電泳力，以便在臨近奈米隘口之開口的區域富集和維持生物分子。
在實施例內，在一導電流體內富集粒子的裝置能包括一電絕緣的基材，一在基材上形成的電絕緣材料，並可構成一通道以攜帶含有粒子之導電流體，一在電絕緣材料上形成的隘口結構以在通道內縮小通道的尺寸和形成具有奈米尺寸的開口，與一電路以沿著通道施加一交流電場和一直流偏壓，其中隘口結構會放大施加的交流電場，使粒子(如蛋白質)在特定條件下，在隘口開口附近形成一負介電泳力將粒子推離開口，且因施加之直流偏壓在基材表面形成一電滲力同樣將粒子推離開口，以對抗因直流偏壓產生將粒子推向開口方向內的電泳力，以便負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近開口邊上的區域富集粒子。
第1A圖顯示一能達成流體通道內生物分子(如蛋白質)之分子捕集和分子圍堵之介電泳裝置100實施例的示意圖。第1A圖的裝置100包括一個上面形成各種組件之電絕緣的基材。如圖所示，通道102形成在基材上以攜帶一流 體，且包含通道內的一隘口結構101，在施加電源104(如函數波形產生器)產生的一個電場之前通道攜帶含有分子103的一流體。分子103能包括但不限於蛋白質、核酸(DNA或RNA)、縮氨酸或碳水化合物。在一些實施例內，通道102攜帶含有粒子的流體，包括奈米粒子。在此範例內，隘口結構101是被裝成兩排三角形的針，每一個從通道壁105之反側的基部突出到靠近通道中心的頂端，以在針之間形成一個開口。開口能起一個隘口缺口的作用，如這可為奈米級的大小(如缺口可能是數十奈米寬，且在一些範例是30 nm)。隘口結構101是由一種電絕緣材料形成的，在一些實施例內，這可能是形成通道102之相同的材料，包括但不限於玻璃、矽石、氧化矽、氮化矽、聚倍半矽氧烷(PSQ)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四氟乙烯(Teflon)、聚乙烯、聚醯亞胺、聚丙烯、聚苯乙烯或其它塑膠，或這些材料的一些組合。在裝置100內，沒有外部電場存在，亦沒有流體流動，因此顯示分子103是在通道102內擴散。
在第1A圖內，沿著通道102橫過隘口結構101施加之交流電場能產生一強的電場梯度，若分析物(如分子103)的介電常數大於介質(如流體)的介電常數，則可為正介電泳的操作，若分析物的介電常數小於介質的介電常數，則可為負介電泳的操作。正介電泳建立一個吸引位能以在奈米隘口間作為一個分子陷阱，而負介電泳的排斥位能使分子遠離奈米隘口。然而，在負介電泳情況下當一個直流偏壓施加於帶有負電荷的粒子時，施加的能量使排斥位能傾斜到一個傾斜井內，在局部最小位能下，發生力平衡的情 況(如FEP=FEO+FNDEP)，造成分析物以連續的形式累積，即有效地作為一個分子壩。
第1A圖的示意圖110顯示通道102，這包括在施加一電源114產生之交流電場以產生一種正介電泳效應時，攜帶具有分子103之流體的通道內的隘口結構101。在示意圖110內，由電源114產生之施加電場在隘口結構101變強，以有效地產生一個吸引力來驅動分子103至奈米隘口(如特別朝向隘口缺口)。能量圖119顯示在正介電泳下的情況，流體內的粒子(如分子103)向它們具有最小位能的區域移動，這存在於隘口缺口。正介電泳技術能在隘口結構101之兩側上臨近的區域有效地建立一分子陷阱。
第1A圖的示意圖120顯示通道102，包括在施加一電源124產生之交流電場以產生一種負介電泳效應時，攜帶具有分子103之流體的通道內的隘口結構101。在示意圖120內，由電源114產生之施加電場在隘口結構101變強，以有效地產生一個排斥力來驅動分子103離開奈米隘口。能量圖129顯示在負介電泳下的情況，流體內的粒子顯示在隘口缺口有最大位能，這是由奈米隘口所分散出去。
第1A圖的示意圖130顯示通道102，包括在施加一電源134產生之具有直流偏壓的交流電場以產生一種負介電泳+直流效應時，攜帶具有分子103之流體的通道內的隘口結構101。在示意圖130內，由電源134產生之施加電場在隘口結構101變強，以有效地產生一個排斥力來驅動分子103離開奈米隘口。基於分子103之淨電荷相反極性的方向內，由電源134產生之施加直流偏壓基於電泳效應， 可有效地產生一個吸引力來吸引分子產生移動。此外，電滲力有效地產生一個排斥力來驅動分子103離開奈米隘口。例如，若施加直流偏壓在示意圖130左側顯示之通道進口為負的端頭，並且分子103的淨電荷是負的，則吸引的電泳力會驅動分子103至奈米隘口，這是與排斥的負介電泳力和電滲力相反。或例如，若施加直流偏壓在示意圖130左側顯示之通道進口為正的端頭，並且分子103的淨電荷是正的，則吸引的電泳力會驅動分子103至奈米隘口，這是與排斥的負介電泳力和電滲力相反。能量圖139顯示在結合的負介電泳力和電泳情況下，流體內的粒子在隘口缺口顯示一個最大位能，但是在隘口缺口附近顯示一個最小位能。
第1B圖顯示揭露技術的裝置之流體通道內隘口結構之其它構造的示意圖。第1B圖的示意圖顯示流體通道內，隘口結構的俯視圖，即在一個x-y平面以方向符號來顯示。在一些實施例內，例如，第1B圖的示意圖亦能在一個y-z平面表示流體通道內隘口結構之橫截面的側視圖。
在第1B圖顯示的一個實施例內，示意圖140顯示通道102，包括由兩個平行排列之矩形固體構成的隘口結構141，每一個從通道壁105之反側的基部突出，以形成一個奈米大小的副通道且在矩形固體之間的通道102中心有一開口。在矩形固體之間形成的長與窄的副通道能作為隘口缺口，如這可為奈米級的大小(如缺口可能是數十奈米寬，且在一些範例子是30 nm)。隘口結構141是由一種電絕緣材料形成的。
在第1B圖顯示的另一個實施例內，示意圖150顯示通道102，包括由兩個平行排列之梯形固體構成的隘口結構151，每一個從通道壁105之反側的基部突出，以形成一個奈米大小的次通道，且在梯形固體之間的通道102中心有一開口。在梯形固體之間形成的長與窄的次通道能作為隘口缺口，可為奈米級的大小(如缺口可能是數十奈米寬，且在一些範例子是30 nm)。隘口結構151是由一種電絕緣材料形成的。
第1B圖所顯示的另一個實施例內，示意圖160顯示通道102，包括由一個矩形固體構成的隘口結構161，係從通道壁105的一個壁突出，以形成一個奈米大小的次通道且沿著通道102的(另一個)壁有一開口。由單一矩形固體形成的長與窄的次通道能作為隘口缺口，可為奈米級的大小(如缺口可能是數十奈米寬，且在一些範例子是30 nm)。隘口結構161是由一種電絕緣材料所形成的。
第2A圖至第2G圖顯示一個奈米級無電極式介電泳裝置和含有陣列式奈米隘口結構之奈米通道的影像。
第2A圖顯示一個奈米級無電極式介電泳裝置200之橫截面的示意圖，可作為分子壩來捕集和富集小的分子，如生物分子、和粒子。例如，奈米級無電極式介電泳裝置200包括一電絕緣基材203，一絕緣材料鋪在基材上以形成通道201來攜帶一含有生物分子的導電流體206。通道201能有導向一個奈米通道區的一個微米級通道區，其中奈米通道201的奈米通道區包含一個或多個奈米隘口202。奈米級無電極式介電泳裝置200能包括在通道201端頭的進 口/出口液體儲存槽205，用來控制裝置200內的流體206。裝置200，或在一些範例內裝置200的系統能包括一個提供電位的電源204，其中能沿著通道201施加一個具有直流偏壓的非均勻交流電場。電源204能被連接到通道201之每一個端頭的電極207，能透過進口/出口液體儲存槽205浸入流體206內，以提供交流電場和直流偏壓。例如，電源204可能橫過電極207來施加具有直流偏壓的交流電場，以產生一種負介電泳+直流偏壓效應來供分子壩的應用，例如基於施加之電場的頻率與生物分子和流體之介電常數的情況。例如，對於在一個生理緩衝液(如具有150 mM NaCl和2 mM NaN3之10 mM磷酸鹽緩衝的鹽水，其導電率為1.6 S/m)內包含Streptavidin卵白素蛋白質的流體206而言，能使用電源204施加一個具有1 MHz頻率和1.5 V/cm直流偏壓之214 Vpp/cm的交流電場，以便裝置200能作為通道201內臨近奈米隘口202區域內卵白素蛋白質的分子壩。並且，例如，電源204能為分子捕集的應用建立一個正介電泳效應。例如，對於在一個生理緩衝液內包含卵白素蛋白質的流體206而言，能使用電源204施加一個具有10 kHz頻率之473 Vpp/cm的交流電場，以便在奈米級無電極式介電泳裝置200內建立一個正介電泳效應。
可在通道201之一側負的端頭施加直流偏壓來操作奈米級無電極式介電泳裝置200，以便若分子的淨電荷是負的，則吸引的電泳力驅動一側上的分子至奈米隘口202，這是與排斥的負介電泳力和電滲力相反。例如，在本實施例內的分子能包括蛋白質，這在中性緩衝液(如pH=7)內是 具有負的淨電荷。蛋白質亦能不具電荷或具有正電荷，這取決於其等電點與緩衝液的pH值。此自由度能為分子分離賦予不同的分子捕集和富集。例如，分析混合的分子(如不同類型的蛋白質或生物分子)時，能基於極性和電動性的不同，選擇適當的電場參數，來造成混合分子的分子分離，將在隨後的節內說明其範例。
奈米級無電極式介電泳裝置200能包括感測器209，以便在收集區域內監控或定性捕集和富集生物分子。感測器209能位於分子壩的區域內，例如，包括通道下面(如電絕緣基材203內或下面)，和/或沿著通道201的側壁。在一些範例內，感測器209能為光學感測器，如包括一個光學顯微成像儀。例如，包括光學顯微成像儀能包括一台光學顯微鏡或顯微鏡系統，例如，包括但不限於具有高放大物鏡(如40X)的倒立式螢光顯微鏡和電子倍增電荷耦合裝置(EMCCD)，或拉曼分光顯微鏡系統。在其它範例內，感測器209能包括電或電化學感測器(如電極)、機械感測器、磁感測器、或感測系統。感測器209的形狀能包括但不限於線或管子、矩形或三角形、條帶的陣列或圓或橢圓之點。感測器209的大小能為奈米級或微米級，如能包括奈米線。此外，或例如，奈米級無電極式介電泳裝置200能包括在富集區域內形成的一個閘電極，這能用來調整電雙層(Debye層)以局部控制電滲流，如進一步提升富集。例如，閘電極可能被嵌入一層絕緣材料內，如包括基材，在通道內一個正介電泳額外的電絕緣層，或形成通道的絕緣材料內。可在閘電極上施加一個電位，這能影響通道內(如在富 集區內)表面的電荷密度而能影響電滲力。例如，控制電滲力能允許施加之直流偏壓的改變來調整電滲力，因此提供進一步的控制來富集奈米級無電極式介電泳裝置200內的生物分子。
第2B圖顯示分子壩之富集區域內感測器209構造特色的示意圖，這是使用奈米級無電極式介電泳裝置施加一個具有直流偏壓的交流電場。第2B圖的示意圖顯示流體通道內隘口結構和感測器和/或閘電極的俯視圖，即在一個x-y平面以方向符號來顯示。在一些實施例內，例如，第2B圖的示意圖亦能在一個y-z平面表示流體通道內隘口結構和感測器之橫截面的側視圖。
在第2B圖顯示的另一個實施例內，示意圖210顯示通道102包括隘口結構101，它是被裝成兩排三角形的針，並在通道壁105之間近通道中心形成一個開口。開口能起一個隘口缺口的作用以放大施加的電場。在本範例內，感測器209是裝在隘口缺口的一側，當施加一個具有直流偏壓的交流電場時，在那裡能形成富集區域219，即施加在側面之直流偏壓的端頭極性與通道102流體內生物分子顯示的淨電荷相配。在另一個實施例內，感測器209能裝在隘口缺口的兩側，即這能用在分子捕集的應用內。
在第2B圖內顯示的另一個實施例內，示意圖211顯示通道102，包括由兩個平行排列之矩形固體構成的隘口結構141，在通道壁105之間形成一個奈米大小的次通道，且在靠近通道的中心有一開口。在矩形固體之間形成的長與窄的次通道能作為隘口缺口來放大施加的電場。在本範 例內，感測器209是裝在隘口缺口的一側，當施加一個具有直流偏壓的交流電場時，該處能形成富集區域219，即施加在側面之直流偏壓的端頭極性與通道102流體內生物分子顯示的淨電荷相配。在示意圖211的另一個範例內，感測器209能裝在隘口缺口的兩側，即這能用在分子捕集的應用內。
在第2B圖內顯示的另一個實施例內，示意圖212顯示通道102，包括由兩個平行排列之梯形固體構成的隘口結構151，在通道壁105之間形成一個奈米大小的副通道且在靠近通道的中心有一開口。在梯形固體之間形成的長與窄的次通道能作為隘口缺口，以放大施加的電場。在本實施例內，感測器209是裝在隘口缺口的一側，當施加一個具有直流偏壓的交流電場時，該處能形成富集區域219，即施加在側面之直流偏壓的端頭極性與通道102流體內生物分子顯示的淨電荷相配。在示意圖212的另一個範例內，感測器209能裝在隘口缺口的兩側，即這能用在分子捕集的應用內。
在第2B圖內顯示的另一個實施例內，示意圖213顯示通道102，包括由一個矩形固體構成的隘口結構161，係從通道壁105的一個壁突出，以形成一個奈米大小的副通道且沿著通道102的(另一個)壁有一開口。由單一矩形固體形成的長與窄的副通道能作為隘口缺口以放大施加的電場。在本範例內，感測器209是裝在隘口缺口的一側，當施加一個具有直流偏壓的交流電場時，該處能形成富集區域219，即施加在側面之直流偏壓的端頭極性與通道102 流體內生物分子顯示的淨電荷相配。在示意圖213的另一個範例內，感測器209能裝在隘口缺口的兩側，即這能用在分子捕集的應用內。
在第2B圖內顯示的另一個實施例內，示意圖214顯示通道102，包括形成開口的隘口結構101，這能作為隘口缺口來放大施加的電場。一個閘電極218裝在橫過隘口缺口之通道102下方基材之絕緣層的下面。閘電極218能裝在富集區219的下面，並用來調整電雙層(Debye層)以局部控制電滲流，如進一步提升富集。例如，透過在閘電極218上施加一個電位以改變Debye層以增加電滲力，可將富集區219區域擴大並強化富集程序。
奈米級無電極式介電泳裝置200能有多個進口/出口液體儲存槽205，其中較大的通道跨過通道201，如第2C圖的照片220內所示。照片220顯示一關於一種由非晶系石英做成之14x14 mm2基材裝配之裝置的範例。由於它的高硬度和低的背景螢光，例如，非晶系石英可被選為絕緣的基材。照片220內的裝置包括4個進口/出口液體儲存槽，即在H形通道結構的每一側各有2個進口/出口液體儲存槽。H形通道結構包括多個微米級通道，它們分支到微通道之間“H”之中心的奈米通道內，其中奈米通道包含奈米隘口202。例如，多個液體儲存槽能用來平衡通道內的流體靜壓力，並且防止流體之任何不必要的靜壓力流動。裝置之通道的結構是750 μm寬和3 μm深並且維持在一個相等的位能。例如，可將電極(如4個Au電極)嵌入液體儲存槽內，以施加電源204產生的電場。
第2D圖顯示一個顯示裝置(來自第2C圖)之H形微通道內“H”之中心的光學顯微照片230。顯微照片230顯示裝置之5個奈米通道中的2個，其中奈米流體通道232是連接在兩邊微流體通道231之間。奈米通道是30 μm寬和220 nm深。在5個奈米通道中的每一個嵌有3個奈米隘口202。第2E圖顯示第2D圖內所示之具有30 nm間隙的奈米隘口(以轉90°和傾斜45°來觀看)之掃描式電子顯微鏡(SEM)影像。在第2D圖內的比例尺是30 μm，且在第2E圖內是500 μm。
描述的裝置能經由縮小一絕緣流體通道的橫截面，來聚焦(或提升)一個導電緩衝液內的置換電流。因此，可決定描述之裝置內的電場聚焦係數。例如，若一尺寸為Xmicro x Zmicro(寬度x高度)之微通道快速縮小到Xnano x Znano的奈米通道，且奈米通道進一步Xmicro x Zmicro到寬度為Xc的奈米隘口，則奈米級無電極式介電泳裝置之總電場透鏡功率的設計原則如下述：(Xmicro/Xnano)×(Zmicro/Znano)×(Xnano/Xc)/n (3)其中n為平行之奈米通道的數目(即在第2C圖和2D內顯示的裝置內n=5)，且假設緩衝液的導電率在整個流體通路上仍維持常數。在被描述的裝置內，該條件是有效的，因為本實施例內所用之高導電率緩衝液的Debye屏蔽長度(即<1 nm)比裝置之奈米隘口的寬度和奈米通道的高度小很多。在目前的設計內，微通道的橫截面為750 x 3(寬 度x高度)μm2，和奈米通道的橫截面為30 μm x 220 nm，且奈米隘口的寬度為30 nm，因此總電場聚焦係數為~7 x 104X。本實施例在奈米隘口之介電泳力(~E2)使電場聚焦係數增強~5 x 109倍。
在一些實施例內，奈米級無電極式介電泳裝置200可在裝置200內各種奈米隘口202產生不同電場的電場聚焦係數，來影響不同的粒子，以分離兩種或多種粒子。如式(1)內所述，粒子上的介電泳力是與尺寸、極性、和電場梯度有關。在一個範例內，奈米級無電極式介電泳裝置200可由各種大小(或如，形狀)的奈米隘口連成一串，它們能基於裝置200的操作參數產生不同的電場梯度，因此可沿著整串裝置在不同的奈米隘口，產生不同強度的介電泳力來圍堵和分離不同的粒子。例如，操作參數能包括沿著通道201施加一個具有直流偏壓的非均勻交流電場之電源204所提供之電位頻率和振幅。
第2F圖顯示在一H形之微米至奈米通道結構260內一通道之中心的示意圖，這可作為裝置200的通道201。通道結構260包括兩個通道區261(如可作為微米級通道)，其中較小的通道262(如可作為奈米級通道)是在兩個通道區261之間。在基材203上形成電絕緣材料263並在兩個通道區261之間構成較小的通道262。大小不同之隘口結構265的陣列或串列在通道262內形成大小不同的開口。第2F圖包括一區域269之嵌入的示意圖，這顯示由隘口結構265a、265b、265c、265d串聯的隘口結構265，其中開口的尺寸是朝通道的一個方向降低。例如，隘口結 構265a的開口比265b的開口大，等等，因此隘口結構265a產生的電場梯度比265b小，等等。
例如，對於至少尺寸、極性、或電動性之一不同的一群粒子A和一群粒子B而言，可使用隘口結構265a、265b、265c、和265d將它們由流體內分離，因為基於施加的操作參數，在每一個隘口產生不同強度的介電泳力。例如，若粒子A的尺寸比粒子B大，則需要較小的電場梯度來產生足夠的介電泳力，以便在結構隘口富集粒子A。例如，可在隘口結構265a選擇電場參數以產生足夠的介電泳力(如負介電泳+直流的形式)來富集粒子A。在本範例內，基於選擇的電場參數和較小的粒子B，介電泳力將不足以在隘口結構265a圍堵粒子B。例如，可建構奈米隘口的大小，使選擇的電場參數能在隘口結構265a圍堵粒子A，且能在隘口結構265d(或265c或265b)產生足夠的介電泳力來圍堵粒子B。因此，可使用具有大小或型式不同之奈米隘口的陣列的裝置200，並選擇一組電場參數來圍堵和富集各種型式的粒子。
在另一個實施例內，奈米級無電極式介電泳裝置200可具有在兩個較大通道(如連接裝置200之進口/出口液體儲存槽205的微通道)之間形成的奈米通道的陣列，其中奈米通道的陣列有不同的大小(即通道寬度(Xnano)和/或通道高度(Znano))，這基於裝置200之施加的操作參數產生不同的電場梯度，因此產生不同強度的介電泳力，而能在陣列內不同的通道圍堵和分離不同的粒子。
第2G圖顯示一微米至奈米通道結構270之中心的示 意圖，這可作為裝置200的通道201。通道結構270包括兩個通道區271(如可作為微米級通道)，其中較小通道272a、272b、和272c(如可作為奈米級通道)的陣列是在兩個通道區271之間。在基材203上形成電絕緣材料273，並在兩個通道區271之間構成較小的通道272a、272b、和272c。較小通道272a、272b、和272c之陣列的每一個通道能包含，至少一個與陣列之其它通道不同的尺寸，並沿著通道區271形成大小不同的開口。例如，第2G圖內顯示之通道272a、272b、和272c沿著通道區271朝一個方向形成尺寸降低的開口。例如，通道272a的開口比272b的開口大，等等，因此通道272a產生的電場梯度比272b小，等等。
例如，對於一群粒子A和一群粒子B(即至少尺寸、極性、或電動性之一不同)而言，可使用奈米通道272a、272b、和272c的開口區將其分離，因為可基於施加的操作參數在每一個隘口產生不同強度的介電泳力。例如，若粒子A的尺寸比粒子B大，則需要較小的電場梯度來產生足夠的介電泳力，以便在奈米通道的開口區富集粒子A。例如，可在奈米通道272a的開口區選擇電場參數，以產生足夠的介電泳力(如負介電泳+直流的形式)來富集粒子A。在本範例內，基於選擇的電場參數和較小的粒子B，介電泳力將不足以在奈米通道272a圍堵粒子B。例如，可建構奈米隘口的大小，使選擇的電場參數能在隘口結構265a圍堵粒子A，且能在奈米通道272a(或272c)的開口區產生足夠的介電泳力來圍堵粒子B。因此，可使用具有大小或型式不同 之奈米通道的陣列的裝置200，並選擇一組電場參數來圍堵和富集各種型式的粒子。
在這些實施例內，可在隘口結構265之陣列或串列的每一個隘口結構，或通道272a、272b、和272c之陣列的每一個通道，在富集區內建構一對應的感測器209或閘電極。例如，裝置200的操作能在閘電極上施加一個電位，以影響富集區內的FEO，並進一步控制對應之粒子(如粒子A或粒子B)的富集。
在一些實施例內，奈米級無電極式介電泳裝置200能基於電場參數的控制，對奈米隘口202(如在奈米隘口具有均勻的電場聚焦係數)上的粒子富集做暫時的控制，以分離兩種或多種粒子。例如，裝置200可能使用一種奈米隘口結構的設計，如具有均勻的型式、間隔、尺寸等(如在1A和1B，其它構造中的隘口結構101、141、151、161)，以便基於控制隔離和選擇的暫時因素，在通道201內的奈米隘口202將一群粒子A由流體內的粒子B分離出來。例如，在一個由隘口結構產生之已知的電場梯度中，若粒子A和粒子B至少尺寸、極性、或電動性之一不同，則在奈米隘口202之粒子A的分子壩能發生得比粒子B還快。可選擇電場參數來產生一個施加電場，並且可施加電場一段特施的期間，以便粒子A在粒子B之前在奈米隘口202富集。電場可能暫停或停止，即容分離己富集之粒子A。在粒子A被移除之後，可持續施加電場以在奈米隘口202富集粒子B。
在一些實施例內，可使用具有一種或多種捕獲探查粒 子(如具有捕獲探針或捕獲探查分子的奈米粒子)的裝置200，來分離多種粒子中至少一種粒子(如目標粒子)。例如，捕獲探查粒子可能結合或附在目標粒子上，以提升目標粒子之尺寸(如公式(1)內的r3項，基於附著之奈米粒子的不同大小，而能進一步被改變)，CM係數(如式(1)內的Re[K(ω)]項)，和/或固定隘口的幾何形狀[如公式(1)內的▽(E2)項]的對比。這能提升分離各種粒子之介電泳力的對比。
以一個奈米級無電極式介電泳裝置的實施例，來說明經由分子圍堵效應和分子捕集效應來富集蛋白質。例如，在一些實施例內在高導電生理緩衝液中使用Alexa-488標記卵白素(如52.8 kDa，直徑為5 nm)。實施例的結果顯示描述之裝置能在數秒鐘內快速產生分子壩(如在一些實施例內為20秒)，這可更快速地富集蛋白質至105倍(即增加濃度)。因此，例如，本裝置可提供一種感測平台，來進行快速及靈敏的蛋白質分析和生物標記物的發現，以及沉澱研究和蛋白質結晶及小分子富集或篩選的應用。
在實施內使用的樣品蛋白質包括Alexa-488標記卵白素(Streptavidin)和山羊抗人免疫球蛋白G(Ga-HIgG)(如分別為52.8和150 kDa，來自Molecular Probes,Eugene,OR)。Alexa-488卵白素是圓的且直徑約5 nm與130 μm2/s的擴散係數。Alexa-488 Ga-HIgG的大小為14.5 nm ×8.5 nm×4 nm。Alexa-488分別在波長495和519 nm有最大的激發和發射。用於實施例緩衝液系統包括含有150 mM NaCl和2 mM NaN3、pH7.2、導電率1.6 S/m之10 mM PBS (磷酸鹽緩衝液)，這類似蛋白質在生理環境的情況。實施例內使用的成像和電氣系統包括一台倒立式螢光顯微鏡(IX 71,Olympus,Tokyo,Japan)，裝有40X物鏡(如N.A.0.7)和電熱式冷卻電子倍增電荷耦合裝置(EMCCD)(iXonEM+888,Andor Technology,Belfast,Northern Ireland)，這是用於分子捕集和圍堵程序的螢光成像。使用具有一個高壓寬頻線性放大器(A400DI,FLC Electronics AB,Partille,Sweden)及函數波形產生器(Agilent Technologies,Santa Clara,CA)來施加交流電場，並用示波器加以監控。
實施例包括執行Alexa-488卵白素初始濃度為10 μg/mL之奈米級無電極式介電泳裝置，並實施正介電泳和具有直流偏壓的負介電泳，來比較捕集正介電泳和圍堵(具有直流偏壓的負介電泳)之蛋白質富集的效力。第3A圖至第3D圖顯示此奈米級無電極式介電泳裝置之蛋白質捕集和圍堵功能的數據。第3A圖顯示以毛細管力而沒有施加任何電場(E=0)將蛋白質(如Alexa-488標記卵白素，10 μg/mL)置於晶片內的數據影像310。如圖內所示，沒有施加交流電場時，在奈米隘口內沒有捕集或圍堵。第3A圖分別顯示在奈米隘口以奈米級無電極式介電泳裝置實施正介電泳功能20秒和40秒之後，蛋白質捕集的數據影像320和330，其中以10 KHz沿著通道施加一個473 Vpp/cm交流電場。電場在奈米隘口被放大7×104倍(即~3.3×109 Vpp/m)。在使用本裝置實施正介電泳之後，數據影像320和330內顯示所有3個奈米隘口均顯示卵白素分子的捕集。
當頻率增加到~1 MHz時，經由K(ω)之正負號的改變介電泳的反應可以由正介電泳變到負介電泳。第3A圖分別顯示在奈米隘口以奈米級無電極式介電泳裝置實施負介電泳+直流偏壓功能5秒、10秒和20秒之後，蛋白質捕集的數據影像340、350和360，其中以具有1.5 V/cm直流偏壓的1 MHz沿著通道施加一個214 Vpp/cm交流電場，即是在通道的右側有正的電場。注意在數據影像360內，影像是以25%穿透中性密度(ND)過濾器來記錄，以使強度維持在EMCCD的光強度收集飽和下。例如，在影像340、350和360內，第一個隘口之中心的黑色區域表示負介電泳機制排斥卵白素蛋白質，使其離開奈米隘口的缺口。如影像內所示，除了第一個壩之外，在第二和第三個壩實際上沒有過多的分子有效的累積。
第3B圖顯示一個蛋白質富集之對應螢光強度圖的數據圖370，即在10 μg/mL的初始濃度下，在第3A圖內所述之相同實驗情況下顯示的分子捕集和圍堵。數據圖370包括一條顯示裝置之分子圍堵結果的曲線(負介電泳+直流)，和一條顯示裝置之分子捕集結果的曲線(正介電泳)。數據圖370顯示在蛋白質富集內圍堵效應更有效。例如，與負介電泳實施例的捕集效應比較，在電場打開之後2-3秒內，負介電泳+直流偏壓的實施可以使濃度增加103倍。在實施例內之螢光強度內，圍堵曲線達到一個高點，這表示EMCCD已達到光強度收集飽和，因此在稍後的第3D圖內顯示一個使用ND過濾器之延伸的螢光強度圖。
實施例的結果表示作為分子壩(負介電泳+直流)之 奈米級無電極式介電泳的操作在實際應用上特別有利。例如，在蛋白質富集上負介電泳+直流比正介電泳更為有效；例如，將分子壩移離熱點，即奈米隘口之幾何中心，可以減輕電位的焦耳加熱效應；且可將感測元件放在離奈米隘口數微米的地方，可以傳統的製造方法，如包括光學蝕刻技術，容易地達成此工作。這些實施例的結果表示揭露之技術能解決生物感測器和蛋白質富集功能之結合的技術挑戰。
第3C圖顯示一個各種初始濃度(如10 ng/mL或189 pM、100 ng/mL、和10 μg/mL的卵白素蛋白質)之蛋白質富集曲線的數據圖380，以進一步定性分子圍堵情況下的富集係數，如負介電泳+直流偏壓(相對初始濃度分別為1.5、4.5、和1.5 V/cm的直流偏壓)。以水平線顯示卵白素的濃度尺度，以作為計算富集係數和達到濃度尺度之時間的參考。如數據圖380內所示，10 ng/mL蛋白質在20秒內增至105倍以上，且100 ng/mL和10 μg/mL蛋白質在5秒內被提升104倍以上。
第3C圖之數據圖380內的嵌入圖385顯示Alexa-488標記山羊抗人免疫球蛋白G(即~150 kDa)與Alexa-488卵白素之圍堵效應的比較。在數據影像圖340、350、和360內相同施加電場的情況下，圖385內的曲線顯示5 μg/mL(33 nM)濃度的Ga-HIgG在7.5秒內富集400倍，且Alexa-488卵白素在小於1秒內富集500倍。例如，實施例的結果說明不同蛋白質之分子大小和極性的效應，即表示可基於蛋白質之極性和電動性的不同來分離它們。
第3D圖之圖390顯示以分子圍堵效應對初始濃度10 μg/mL之Alexa-488卵白素的富集。例如，如圖內所示，在2-3秒內濃度提升103倍。圖內以水平線做為10 mg/mL濃度的尺度。強度中斷是由切換中性密度過濾器以防止EMCCD攝影機的光強度收集飽和所引起的。
第3B圖、第3C圖、和第3D圖之數據圖370、380、和390內的數據，分別代表螢光訊號之最高強度的區域(9.6 μm2或24畫素的面積)，且螢光訊號皆已扣掉從基材產生的背景暗光及基材本身的背景螢光訊號。基於實施例的結果，可在實施本奈米級無電極式介電泳裝置的負介電泳+直流功能數秒內，取得比105倍更大的蛋白質富集係數。例如，分子的快速輸送是由於奈米隘口之高度壓縮區，這可能亦受益從微米至奈米通道間之界面幾何差異的設計。例如，卵白素速度從微通道內的~1.5 μm/s(即施加1.5 V/cm的直流偏壓且卵白素的總體遷移率為0.8±0.9 μm-cm/V-s)增至奈米通道內的~100 μm/s而達到70倍的局部富集，且在由微米通道和奈米通道的連接界面至奈米隘口(即~45μm的距離)更進一步增至~10-15 cm/s而達到1000倍的局部富集。例如，使用Boltzmann分佈來估算圍堵程序內有效位能的深度，Umin，105倍的濃度富集相當於Umin~-12 kBT，其中kBT是熱能。
例如，為了證明在本裝置內只有電滲力和電泳力的平衡無法獲得顯著的蛋白質富集，實施一個純直流電場(即達到4.5 V/cm)的案例。純直流電場的範例無法證明任何可辨別之蛋白質富集。例如，純直流電場之實施例的結果顯 示奈米級無電極式介電泳裝置內電滲力比電泳力高得多。例如，為了進一步證明負介電泳力在分子壩內的角色，關掉交流電場(但不是直流偏壓)，且結果顯示高度富集的蛋白質快速擴散開，即是由於分子壩建立的濃度梯度。因此，顯示在使用本裝置的圍堵效應上，負介電泳力對蛋白質是很重要的。此外，例如，這些結果顯示實施例內顯著的富集，不能僅從施加之直流偏壓範圍內電滲力和電泳力的平衡來達成。
實施例包括調查在奈米隘口和周遭的電位焦耳熱效應。例如，電位焦耳熱效應是由於高度聚焦的電場在奈米隘口減輕(即在奈米級無電極式介電泳裝置內25 μA的總電流，或每一個奈米通道5 μA)，即在奈米級無電極式介電泳裝置內至少使用小樣品體積的概念(即在每一個奈米通道內~1 pL)，且在奈米通道內具有220 nm的液體層。例如，經由作為類似整體熱槽功能之基材的散熱是非常有效率的(基於有限元素多重物理的模擬)。然而，在一些範例內，若施加一個超過100-200 V/cm的純直流電場，則在隘口可能發生水的電解反應而產生氣泡。在我們實施例的條件內，蛋白質在陷阱內沒有變性，和捕集的事件是可逆的，並且在裝置內沒有發生與變性有關的富集。此外，如先前第3A圖內所示，本裝置的分子壩是在遠離高度聚焦電場的隘口富集蛋白質。
第4圖顯示奈米級無電極式介電泳裝置之製造的程序圖。本裝置的一個製造程序能包括一個在光罩上定義流體通道的程序410，即實施光學蝕刻和感應耦合電漿離子(ICP) 蝕刻。例如，可將流體通道定義成H形微通道，這可能是750 μm寬和3 μm深。在做隨後的光學蝕刻和ICP蝕刻之前，程序410能選擇包括使用食人魚溶液(H2SO4：H2O2=1：1)來清潔一個4英吋非晶系石英晶圓以除去有機的污染物。在清潔步驟之後，程序410能包括在進行塗佈、曝光、顯影和鉻(Cr)濕蝕刻以定義鉻蝕刻罩，在晶圓沉積一層30 nm厚的鉻層。例如，鉻蝕刻罩可能在稍後用於以ICP蝕刻來做3 μm深的微通道。例如，可能以具有CHF3/CF4/Ar/O2混合蝕刻氣體的ICP，在偏壓/RF功率700/300W下蝕刻微通道3分鐘。製造程序能包括程序420以建立奈米通道，即進行一個第二次光學蝕刻和鉻濕蝕刻。例如，奈米通道可設計成奈米級的狹縫通道(如30 μm寬和220 nm高)。例如，可將晶圓切片，隨後是第二次光學蝕刻程序。然後可用噴砂處理具有微通道的晶片(如被切成14×14 mm2的尺寸)，即稍後除去光阻的保護層，以便建立液體儲存槽的進口/出口孔。例如，可用噴砂機由裝置的背面鑽過不鏽鋼罩，以建立液體進樣的孔，且裝置的正面要有光阻的保護，隨後用丙酮除去且用異丙醇清潔。程序420第二次光學蝕刻程序在H形的微通道之間形成30 μm寬的奈米通道。製造程序能包括程序430以定義奈米隘口，例如，實施電子束微影程序，以及另一個鉻沉積和金屬舉離程序。例如，30 nm奈米隘口可能在奈米通道內形成。製造程序包括程序440以建立奈米通道的深度，例如，實施反應性離子蝕刻(RIE)。例如，奈米通道可能在20 W下用具有CF4/O2混合蝕刻氣體的RIE蝕刻10分鐘，以形成200 nm的深度。 例如，可用表面輪廓儀測量微通道之蝕刻的深度和寬度，可用白光3D表面輪廓儀(如Zygo,Middlefield,CT,USA)和原子力顯微鏡(如Veeco,Plainview,NY)測量奈米通道。如第2E圖內所示，用掃描電子顯微術確認具有各種隘口尺寸的分子陷阱。製造程序能包括程序450以裝配裝置，例如，實施一個在室溫和低壓下的封裝程序。例如，可將具有高楊氏係數(如~800 MPa)的聚倍半矽氧烷(PSQ)薄膜(如~100 nm厚)，以3000 rpm旋轉塗佈到一個基材上(如以食人魚溶液清潔的玻璃片)，並在240℃烘烤30分鐘。聚倍半矽氧烷可在二甲苯內稀釋到1：1.5 v/v的比率並且過濾以去除存在的較大粒子。然後可使含有奈米結構的矽石基材和聚倍半矽氧烷塗佈的玻璃片接觸，如在雙面以高壓氧電漿處理1分鐘之後，由矽醇縮合反應形成永久的鍵結。在鍵結步驟之後，可用環氧樹脂或UV膠黏接石英液體儲存槽。
本裝置之多通道的佈局可用於平行的操作。在本範例內，微型化減輕，但不突顯輸送限度，因此可利用任何感測器的應用來快速富集樣品而獲利。揭露之技術的應用包括捕集(如經由所述的圍堵技術)和富集任何生物分子，包括但不限於蛋白質和單股的核酸。此外，應用亦能包括DNA和RNA分析、一般蛋白質分析、蛋白質結晶、稀有生物標記物的發現如與質譜儀結合)、早期疾病的診斷、小分子(如縮氨酸或碳水化合物)的富集或篩選。實施例證明使用含有奈米隘口無電極式介電泳之有效的分子圍堵效應，這與多工和平行的分析相容，以及高導電緩衝液的使用，因此適 於生物感測器的整合。
揭露之生物感測器裝置的實施能提供一個至少105倍之蛋白質的快速富集(如在20秒內)。範例裝置能包括離開如奈米隘口幾何中心的熱點以分子壩取代，這可緩和焦耳加熱效應。所描述的裝置可以大量生產並且用低成本的材料來製造，如包括聚合物或塑膠，並結合其它形式的感測器，包括在同樣裝置平台上的分子過濾和偵測。例如，可在聚合物上使用熱壓方式或奈米壓印技術大量生產和製造揭露之裝置。
在另一方面，本發明所揭露之技術包括一種在流體內富集分子的方法，如使用此處所述之奈米級無電極式介電泳裝置的實施例。此方法包括一程序以接收在一個由電絕緣材料形成之通道內含有粒子的導電流體，且在通道內具有一隘口結構以縮小通道的尺寸和形成具有奈米尺寸的開口。此方法包括一程序以選擇一個沿著通道施加之交流電場的頻率和大小，其中選擇之電場的頻率可決定裝置的操作模式。例如，施加電場的頻率可能至少是一個因素，以決定隘口結構是否會放大施加之交流電場，以便在開口內產生一正介電泳力來吸引粒子往隘口幾何中心移動，或在隘口附近產生一負介電泳力來將粒子推離開口。本方法包括一個程序以選擇一個沿著通道施加之直流電訊號的偏壓大小。例如，基於施加之直流偏壓的極性，非零值之直流電訊號的偏壓選擇能在通道內建立一個電泳力。例如，若本方法實施裝置的正介電泳操作(如選擇頻率以產生正介電泳力)，則基於選擇之直流偏壓的大小，能使用產生的電 泳力驅動分子到隘口結構之一側的富集區。因此，本方法包括一個程序以沿著通道施加交流電場和直流偏壓，來富集靠近開口之區域內的分子。
本方法可使用一個揭露之奈米級無電極式介電泳裝置來富集生物分子，其各種應用包括一般的蛋白質分析、蛋白質結晶、蛋白質沉澱、稀有生物標記物的發現(如與質譜儀結合)、早期疾病的診斷、小分子(如縮氨酸或碳水化合物)的富集或篩選。在一些範例內，本方法能進一步包括一個程序，以使用一個沿著通道形成的感測器來偵測富集粒子的參數。例如，偵測參數的程序能包括獲得包含富集生物分子之照明強度的光學顯微照片的數據，如在一些實施例內，感測器包括一個光學顯微成像儀。
在另一方面，本發明所揭露之技術包括一個系統以定性分子，如生物分子和粒子。系統能包括無電極式介電泳晶片，如奈米級無電極式介電泳裝置200。例如，無電極式介電泳晶片包括一電絕緣的基材並且構成一通道以攜帶含有生物分子之導電流體，一電絕緣材料形成的隘口結構以在通道內縮小通道的尺寸和形成具有奈米尺寸的開口，電絕緣材料形成的兩條通道和具有寬度是微米級或較大的通道，其中間通道是位於兩條微通道之間並且加以連接，和沿著兩條微通道的液體儲存槽。電源沿著通道產生一個具有直流偏壓的交流電場，並以穿過在液體儲存槽內的電極端頭與流體接觸，其中隘口結構放大施加的交流電場，以便粒子在特定條件下在隘口附近形成一負介電泳力將粒子推離開口，且因施加的直流偏壓在基材表面形成一電滲 力同樣將粒子推離開口以對抗因直流偏壓所產生將粒子推向開口方向內的電泳力，以便負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近開口邊上的地區富集生物分子。系統能包括一個定性單元，這包括一個沿著通道的感測器以偵測富集粒子的參數，和處理單元以處理偵測的參數作為決定生物分子特性的數據。
例如，感測器能位於分子壩的區域內。在一些範例內，感測器能為光學感測器，如包括一個光學顯微成像儀。在其它範例內，感測器能包括電或電化學感測器(如電極)、機械感測器、磁感測器、或感測系統。感測器的形狀能包括但不限於線或管子、矩形或三角形、條帶或圓或橢圓之點。例如，感測器能包括範例內所述之形狀的感測器陣列，如線或管子陣列、矩形或三角形陣列、條帶陣列或圓或橢圓之點陣列。例如，處理單元能包括至少一個處理器(如微處理器)和至少一個記憶體。例如，記憶體能包括處理器可執行碼，當以處理器執行時，處理單元能進行各種操作，例如收到資訊、指令、和/或數據、處理的資訊和數據，並且傳送或提供資訊/數據給另一個實體或使用者。
本專利包含許多特點，這些不應該被解釋為在任何發明或申請專利範圍上的限制，而是可能的特徵的描述僅限於特別的實施例。在本專利內描述的某些特徵鑒於單獨實施例也能在結合在一個單一實施例內實施。反之，鑒於單一實施例描述的各種的特徵也能被分別或在任何合適之多個實施例方面實施。並且，雖然在某些結合過程中，特徵可能在上面描述和甚至照此初始申請專利範圍，來自申請 專利範圍的結合的一個或更多特徵有時候能被從結合刪除，並且申請專利範圍的結合亦可能有變化。
與此類似，操作是在圖內以特別的順序描述，需理解這不應該被要求以特別的順序來進行，或進行全部操作以取得合乎需要的結果。並且，在本專利內描述的實施例方面理解各種系統組件的分離不應該如在全部實施例方面需要的分離。
只有描述少數實施例和範例，且可基於本專利內說明的做其它實施例、富集和變化。
100‧‧‧介電泳裝置
101‧‧‧隘口結構
102‧‧‧通道
103‧‧‧分子
104‧‧‧電源
105‧‧‧通道壁
110‧‧‧示意圖
114‧‧‧電源
119‧‧‧能量圖
120‧‧‧示意圖
124‧‧‧電源
129‧‧‧能量圖
130‧‧‧示意圖
134‧‧‧電源
139‧‧‧能量圖
140‧‧‧示意圖
141‧‧‧隘口結構
150‧‧‧示意圖
151‧‧‧隘口結構
160‧‧‧示意圖
161‧‧‧隘口結構
201‧‧‧通道
202‧‧‧奈米隘口
203‧‧‧基材
204‧‧‧電位
205‧‧‧進口/出口液體儲存槽
206‧‧‧流體
207‧‧‧電極
209‧‧‧感測器
210‧‧‧示意圖
211‧‧‧示意圖
212‧‧‧示意圖
213‧‧‧示意圖
214‧‧‧示意圖
218‧‧‧閘電極
219‧‧‧富集區
220‧‧‧照片
230‧‧‧顯微照片
231‧‧‧微流體通道
232‧‧‧奈米流體通道
240‧‧‧顯微照片
260‧‧‧奈米通道結構
261‧‧‧通道區
262‧‧‧通道
263‧‧‧電絕緣材料
265、265a、265b、265c、265d‧‧‧隘口結構
269‧‧‧區域
270‧‧‧奈米通道結構
271‧‧‧通道區
272a、272b、272c‧‧‧通道
273‧‧‧電絕緣材料
310‧‧‧數據影像
320‧‧‧數據影像
330‧‧‧數據影像
340‧‧‧數據影像
350‧‧‧數據影像
360‧‧‧數據影像
370‧‧‧數據圖
380‧‧‧數據圖
385‧‧‧嵌入圖
390‧‧‧數據圖
410‧‧‧光學蝕刻，Cr濕蝕刻和ICP蝕刻
420‧‧‧第二次光學蝕刻和Cr濕蝕刻
430‧‧‧電子束微影程序，Cr沉積和金屬舉離
440‧‧‧RIE蝕刻和Cr去除
450‧‧‧室溫封裝和液體儲存槽的黏接
第1A圖顯示能達成分子捕集和分子圍堵之介電泳技術實施例的示意圖。
第1B圖顯示在所揭露之技術之裝置的流體通道內隘口結構之其它實施例的示意圖。
第2A圖顯示奈米級無電極式介電泳(eDEP)裝置之實施例的示意圖。
第2B圖顯示無電極式介電泳裝置之各種感測器構造特色的示意圖。
第2C圖顯示一無電極式介電泳裝置的影像。
第2D圖和第2E圖顯示無電極式介電泳裝置之含有陣列式奈米隘口結構之奈米通道的影像。
第2F圖和第2G圖顯示無電極式介電泳裝置之各種通道特色的示意圖。
第3A圖顯示說明無電極式介電泳裝置針對Alexa 488-Streptavidin卵白素蛋白質捕集和圍堵之功能的影像。
第3B圖顯示說明無電極式介電泳裝置之分子捕集和圍堵之功能對Alexa 488-Streptavidin卵白素蛋白質富集的螢光強度比較圖。
第3C圖顯示使用無電極式介電泳裝置之分子圍堵之各種初始濃度的Alexa 488-Streptavidin卵白素蛋白質富集曲線的數據圖。嵌入圖顯示Alexa 488-Streptavidin卵白素和Alexa 488-Ga-HIgG(山羊抗人免疫球蛋白G)蛋白質富集曲線之比較圖。
第3D圖顯示分子圍堵效應之Alexa 488-streptavidin卵白素蛋白質的富集數據圖。
第4圖顯示奈米級無電極式介電泳裝置之製造程序圖。
各種圖內類似的參考符號和標記表示類似的元件。
100‧‧‧介電泳裝置
101‧‧‧隘口結構
102‧‧‧通道
103‧‧‧分子
104‧‧‧電源
105‧‧‧通道壁
110‧‧‧示意圖
114‧‧‧電源
119‧‧‧能量圖
120‧‧‧示意圖
124‧‧‧電源
129‧‧‧能量圖
130‧‧‧示意圖
134‧‧‧電源
139‧‧‧能量圖

Claims (43)

  1. 在一流體內富集粒子的裝置，包含：一電絕緣的基材；一在該基材上所形成的一電絕緣材料並且構成一通道以攜帶含有複數粒子之一導電流體；一在該電絕緣材料上所形成的一隘口結構以在該通道內縮小一通道尺寸和形成具有該奈米尺寸的一開口；以及一電路以沿著該通道施加一交流電場和一直流偏壓；其中該隘口結構放大所施加的交流電場，以便在該開口附近產生一負介電泳力將粒子推離該開口，且在該通道內施加之該直流偏壓在該基材表面形成一電滲力將粒子推離該開口以對抗該直流偏壓在該通道內產生將粒子推向該開口方向的該電泳力，以便該負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近開口邊上的地區富集該粒子。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中電絕緣材料係由玻璃、矽石、氧化矽、氮化矽、聚倍半矽氧烷(PSQ)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及塑膠群組，或任何其他電絕緣材料中所選出。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該複數粒子係由蛋白質、核酸(DNA或RNA)、縮氨酸以及碳水化合物群組中所選出。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之裝置，其中蛋白質包 括一負的淨電荷且臨近區域是在直流偏壓的負電荷側。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包括一個沿著通道的感測器以偵測一個富集粒子的參數。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，其中感測器是一個光學顯微成像儀以偵測富集粒子的照明強度。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，其中感測器包括至少一電感測器、一電化學感測器、一機械感測器或一磁性感測器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該電路包括一個由至少一個通道或基材提供的一絕緣層外面和沿著隘口結構邊上之通道所形成的閘電極，以提供一個用來影響電滲力的電荷。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中奈米隘口開口的大小是在5至500奈米的範圍內。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中通道高度尺寸是在10奈米至1000微米的範圍內。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中通道尺寸包括一個寬度或一個高度。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，更包括沿著一個第一供料通道和一個第二供料通道，且通道寬度是微米級或較大，並由電絕緣的材料所形成以攜帶導電流體，其中間通道是位於第一供料通道和一個第二供料通道之間並且加以連接。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之裝置，更包括沿著 第一供料通道和一個第二供料通道的液體儲存槽，和在液體儲存槽內形成並與流體接觸的電極端頭，其中在沿著通道穿過電極端頭施加交流電場和直流偏壓。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中隘口結構是基於(Xmicro/Xnano)×(Zmicro/Znano)×(Xnano/Xc)/N的電場聚焦係數來放大，其中Xmicro是供料通道的寬度，Xnano是通道的寬度，Zmicro是供料通道的高度，Znano是通道的高度，Xc是隘口結構的寬度，且N是在第一和第二供料通道之間平行排列之通道的數目。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中臨近的區域位於遠離焦耳效應引起的熱點。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中粒子包括一個附著的標記粒子，由於粒子之尺寸或CM係數或在隘口結構電場梯度之反應的變化，以提升粒子受介電泳力的大小。
  17. 在一流體內富集粒子的方法，包含：接收由一電絕緣材料所形成之通道內含有複數個粒子的一導電流體，且在一通道內具有一隘口結構以縮小一通道尺寸和形成具有一奈米尺寸的一開口；選擇一個沿著該通道施加之一交流電場的一頻率和一振幅大小；選擇一個沿著該通道施加之一直流電訊號的一偏 壓大小；和沿著該通道施加交流電場和直流偏壓以富集該開口附近區域的複數個粒子；其中選擇該交流電場的該頻率，以便在該開口附近產生一負介電泳力能將該粒子推離該開口，或在該開口內產生一正介電泳力能將該粒子吸引至該開口內；以及其中所選擇之直流電訊號以非零的偏壓大小控制一個電泳力。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該複數個粒子包括第一型粒子和第二型粒子。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之方法，更包括選擇電場參數，以便基於該第一和該第二型粒子之極性和電動性的不同，將該第一型粒子由該第二型粒子分離出來。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中更包括暫時控制施加之交流電場和直流偏壓的期間，以控制該第一和該第二型粒子的分離。
  21. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該隘口結構是基於(Xmicro/Xnano)×(Zmicro/Znano)×(Xnano/Xc)/N的電場聚焦係數來放大所施加的交流電場以產生負介電泳力，其中Xmicro是供料通道的寬度，Xnano是通道的寬度，Zmicro是供料通道的高度，Znano是通道的高度，Xc是隘口結構的寬度，且N是在第一和第二供料通道之間平行排列之通道的數目。
  22. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中粒子係由蛋白質、核酸(DNA或RNA)、縮氨酸以及碳水化合物群組中所選出。
  23. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該奈米隘口開口的大小是在5至500奈米的範圍內。
  24. 如申請專利範圍第17項所述之方法，更包括使用一個沿著通道的感測器以偵測一個富集粒子的參數。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中偵測包括獲得富集粒子的光學顯微照片和照明強度的數據。
  26. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中感測器係由一光感測器、一電感測器、一電化學感測器、一機械感測器以及一磁性感測器群組中所選出。
  27. 一個定性粒子的系統，包含：一無電極式介電泳晶片，包括：一電絕緣的基材並且構成一通道以攜帶一含有複數個粒子之導電流體；一由電絕緣材料所形成的一隘口結構以在該通道內縮小一通道尺寸和形成具有一奈米尺寸的一開口；由該電絕緣材料所形成的兩條通道，其寬度係具有微米級或較大尺寸，其中該通道是位於兩條微通道之間並且加以連接；以及沿著兩條微通道的複數個液體儲存槽； 一電源沿著該通道產生一個具有直流偏壓的交流電場，並穿過在該複數液體儲存槽內所形成的複數個電極端頭且與該流體接觸，其中該隘口結構放大所施加的交流電場，以便在該開口附近產生一負介電泳力能將該粒子推離該開口，且在沿著通道的方向施加之直流偏壓在基材表面形成一電滲力以將粒子推離該開口和在將粒子推向該開口方向內的電泳力，以便負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近開口邊上的區域富集粒子；以及一定性單元包括一個沿著通道的感測器以偵測富集粒子的參數，和處理單元以處理偵測的參數作為決定粒子特性的數據。
  28. 如申請專利範圍第27項所述之系統，其中該無電極式介電泳晶片更包括一個由至少一個通道或基材提供的一絕緣層外面和沿著該隘口結構邊上之該通道形成的該閘電極，以提供一個用來影響電滲力的電荷。
  29. 一個分離流體內粒子之類型的裝置，包含：一電絕緣的基材；一在基材上所形成的電絕緣材料並且構成一通道以攜帶一含有兩種或更多種粒子之導電流體；一在電絕緣材料上所形成之複數個隘口結構的一陣列並且在該通道內縮小一通道尺寸，其中該陣列的第一個隘口結構形成一第一個開口，其大小尺寸比該陣列的第二個隘口結構形成的第二開口較小，且該大 小尺寸是在奈米範圍內；以及一電路沿著該通道施加一交流電場和一直流偏壓；其中該第一個隘口結構放大所施加的交流電場，以便在該第一個開口附近產生一第一個負介電泳力能將該粒子推離該開口，且該第二個隘口結構放大所施加的交流電場，以便在第二個開口附近產生一比第一個負介電泳力弱的第二個負介電泳力同樣能將該粒子推離該開口，其中該第一個和該第二個負介電泳力結合在沿著通道方向內施加的直流偏壓在基材表面所形成之電滲力以對抗在該通道內所形成一能將該粒子推向開口方向的電泳力，以便該第一個負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近開口邊上的區域富集一種粒子，且第二個負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近第二個開口邊上的區域富集另一種粒子。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之裝置，其中電絕緣材料係由玻璃、矽石、氧化矽、氮化矽、聚倍半矽氧烷(PSQ)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、以及塑膠群組，或任何其他電絕緣材料中所選出。
  31. 如申請專利範圍第29項所述之裝置，其中粒子係由蛋白質、核酸(DNA或RNA)、縮氨酸或以及水化合物群組中所選出。
  32. 如申請專利範圍第29項所述之裝置，更包括一個沿著通道之至少一個隘口結構的感測器以偵測富 集粒子之類型的參數。
  33. 如申請專利範圍第29項所述之裝置，其中電路包括一個由至少一個隘口結構提供的一絕緣層外面和沿著至少一個通道或基材形成的閘電極，以提供一個用來影響電滲力的電荷。
  34. 如申請專利範圍第29項所述之裝置，其中通道尺寸包括一個寬度或一個高度。
  35. 如申請專利範圍第34項所述之裝置，更包括一個第一供料通道和一個第二供料通道，且通道寬度是微米級或較大尺寸，並由電絕緣的材料所形成以攜帶導電流體，其中間通道是位於第一供料通道和一個第二供料通道之間並且加以連接。
  36. 如申請專利範圍第29項所述之裝置，其中臨近的區域位於遠離焦耳效應引起的熱點。
  37. 一個分離流體內粒子之類型的裝置，包含：一電絕緣的基材；一在基材上形成的電絕緣材料並且構成：(i)一具有奈米尺寸並且能攜帶含有兩種或更多種粒子之導電流體之通道陣列，其中該陣列的一第一個通道形成一第一個開口，其大小比該陣列的一第二個通道所形成的一第二開口較小；以及(ii)具有一奈米或較大尺寸且由該電絕緣材料所形成以攜帶該導電流體的複數供料通道，其中該通道陣列是位於該供料通道之間並且加以連接；以及一電路沿著通道施加一交流電場和一直流偏 壓；其中第一個通道放大施加的交流電場，以便在該第一個開口附近產生一第一個負介電泳力能將該粒子推離該開口，且一第二個通道放大所施加的交流電場，以便在該第二個開口附近產生一比第一個負介電泳力弱的第二個負介電泳力同樣能將該粒子推離該開口，其中該第一個和該第二個負介電泳力分別結合在沿著通道施加之直流偏壓在基材表面所形成能將該粒子推離該開口之電滲力以對抗在該通道內所形成能將該粒子推向開口方向內的電泳力，以便第一個負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近開口邊上的區域富集一種粒子，且第二個負介電泳力、電滲力和電泳力共同在一臨近第二個開口邊上的區域富集另一種粒子。
  38. 如申請專利範圍第37項所述之裝置，其中電絕緣材料係由玻璃、矽石、氧化矽、氮化矽、聚倍半矽氧烷(PSQ)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、以及塑膠群組，或任何其他電絕緣材料中所選出。
  39. 如申請專利範圍第37項所述之裝置，其中粒子係由蛋白質、核酸(DNA或RNA)、縮氨酸以及碳水化合物群組中所選出。
  40. 如申請專利範圍第37項所述之裝置，更包括一個位於每一個相關開口之臨近區域的感測器以偵測富集粒子之類型的參數。
  41. 如申請專利範圍第37項所述之裝置，其中電路包 括一個位於每一個相關開口之臨近區域且由至少一個供料通道、通道陣列、或基材形成的閘電極，以提供一個用來影響FEO的電荷。
  42. 如申請專利範圍第37項所述之裝置，其中通道尺寸包括一個寬度或一個高度。
  43. 如申請專利範圍第37項所述之裝置，其中臨近的區域位於遠離焦耳效應引起的熱點。
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