TW202106869A - 以介電泳固定化接近用於介接之腔的粒子 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種用於固定化流體中之粒子之設備及一種用於操作該設備之方法。該設備包含：薄膜，其用於將流體與隔室分離；一或多個電極，其設置接近於該薄膜；相對電極，其中該一或多個電極及該相對電極經組態以跨越該一或多個電極及該相對電極而產生非線性電場。該設備亦包含：電源，其用於跨越該一或多個電極及該相對電極提供交流電(AC)，藉此產生振盪非線性電場，該振盪非線性電場用於固定化懸浮於在該一或多個電極與該相對電極之間流動之該流體中之粒子。在各種實施方案中，該薄膜具有開口，從而允許利用經組態以自該隔室跨越該薄膜而進入之尖銳部件來機械操縱被固定化之該粒子。

Description

以介電泳固定化接近用於介接之腔的粒子
本發明係關於用於在流體及非線性電場環境以及其各種(例如，微流控)應用中局部操縱粒子或生物分子之設備及方法。
介電泳(DEP)係一種電物理現象，其在非線性電場中之電中性但可極化之物質(諸如生物分子或細胞)在電場梯度中經受力時發生。此發生之原因係由於跨越粒子之電場之變化，粒子之一側經受比另一側更大之偶極力。DEP力由以下方程式標稱地給出：
Figure 02_image001
其中r係粒子之半徑，
Figure 02_image003
係流體之電容率，E係電場，且fCM 係克勞修斯-莫索提(Clausius-Mossotti)因子，該克勞修斯-莫索提因子係複合值，該複合值取決於流體與粒子之間的電容率之差且判定DEP力將係正的還是負的。
基於對流體環境中之中性粒子或生物分子進行陷獲及分類之能力，可(舉例而言)針對基於微流體之應用中之單細胞分析而利用DEP。已在流體環境中演示了在標準生化試驗中使用DEP，舉例而言，藉由應用DEP以隔離單細胞來進行阻抗或螢光表徵(或任何非接觸評估技術)。然而，使用DEP來隔離單細胞以用於直接操縱細胞存在額外挑戰，此乃因(舉例而言且不限於)引入用於在流體及非線性電場環境中局部操縱細胞之探測工具。因此，需要一種可採用DEP來隔離單細胞以用於在流體及非線性電場環境中進行直接操縱之新穎系統及技術平台。
根據各種實施例，提供一種經組態以用於固定化粒子之設備。該設備包含：薄膜，其用於將流體與隔室分離；一或多個電極，其設置接近於該薄膜；相對電極，其中該一或多個電極及該相對電極經組態以跨越該一或多個電極及該相對電極而產生非線性電場；及電源，其用於跨越該一或多個電極及該相對電極提供交流電(AC)，藉此產生振盪非線性電場，該振盪非線性電場用於固定化懸浮於在該一或多個電極與該相對電極之間流動之該流體中之粒子。
根據各種實施例，提供一種用於操作用於固定化粒子之設備之方法。該方法包含：提供電源；提供經組態以用於將流體與隔室分離之薄膜；提供設置接近於該薄膜之一或多個電極；提供相對電極，其中該一或多個電極及該相對電極經組態以跨越該一或多個電極及該相對電極而產生非線性電場；經由該電源跨越該一或多個電極及該相對電極供應交流電(AC)，藉此產生振盪非線性電場；及經由由該振盪非線性電場產生之介電泳力固定化懸浮於在該一或多個電極與該相對電極之間流動之該流體中之粒子。
根據各種實施例，提供一種經組態以用於固定化粒子之設備。該設備包含：一或多個電極以及相對電極，其經組態以用於產生非線性電場，該非線性電場用於固定化懸浮於在該一或多個電極與該相對電極之間流動之流體中之粒子；及薄膜，其設置接近該一或多個電極之表面，該一或多個電極之該表面遠離該相對電極，其中該薄膜經組態以用於將該流體與隔室分離，且具有經組態以允許插入設置於該隔室中之尖銳部件之開口。
根據各種實施例，提供一種用於操作用於固定化粒子之設備之方法。該方法包含：提供電源；提供經組態以用於產生非線性電場之一或多個電極以及相對電極，該非線性電場用於固定化懸浮於在該一或多個電極與該相對電極之間流動之流體中之粒子；提供設置接近該一或多個電極之表面之薄膜，該一或多個電極之該表面遠離該相對電極，其中該薄膜經組態以用於將該流體與隔室分離，且具有經組態以允許插入設置於該隔室中之尖銳部件之開口；經由該電源跨越該一或多個電極及該相對電極供應交流電(AC)，藉此產生振盪非線性電場；及經由由該振盪非線性電場產生之介電泳力固定化懸浮於該流體中之粒子。
根據各種實施例，提供一種用於操作用於固定化粒子之設備之方法。該方法包含：提供電源；提供經組態以用於將流體與隔室分離之薄膜；提供設置接近該薄膜之表面之電極對，其中該電極對經組態以跨越該等電極而產生非線性電場；經由該電源跨越該等電極供應交流電(AC)，藉此產生振盪非線性電場；及經由由該振盪非線性電場產生之介電泳力固定化懸浮於在該等電極之間流動之該流體中之粒子。該方法亦包含提供相對電極。該方法亦包含提供設置接近該薄膜之該表面之第三電極。
下文詳細地論述此等及其他態樣及實施方案。前述資訊及以下詳細說明包含各種態樣及實施方案之說明性實例，且提供用於理解所主張態樣及實施方案之性質及特性之概述或框架。圖式提供對各種態樣及實施方案之圖解說明及進一步理解，且併入此說明書中並構成此說明書之一部分。
如本文中所闡述，術語「粒子」係指個別地或一起具有物理性質之物件或物件群組。粒子具有可包含混合物之組合物，該等混合物包含但不限於活細胞、病毒、油滴、脂質體、微胞、反微胞、蛋白質聚集體、聚合物、表面活性劑集合體或其組合。粒子可為個別細胞、病毒、細菌或任何有機體(活的或死的)，或者複數個細胞、病毒、細菌或任何有機體。粒子可在流體中自由漂浮(例如，在流體中懸浮)、可為黏附的、可改變形狀、可融合、可分裂開等。
術語「孔(pore)」係指兩個區之間的開口。術語「有效載荷(payload)」包含任何化學化合物、聚合物、生物巨分子或組合。術語「信號」包含任何電事件，諸如電壓、電流、頻率、相位或持續時間之變化，可包括DC、AC或者頻率分量之疊加。術語「干擾」係指中斷、妨礙或者以其他方式降級或限制信號或信號分量之有效傳輸或讀出之任何電磁擾動。術語「薄膜」係指分離兩個區之任何分割區或實體阻擋層。術語「探詢」係指若干活動，例如，材料取樣、實體探測、感測、有效載荷遞送、相互作用、實體接觸、毛細管芯吸及/或插入。
本發明一般而言係關於用於在流體及非線性電場環境以及其各種(例如，微流控)應用中局部操縱中性粒子或生物分子之設備。特定而言，本發明係關於用於對接近隔室(或腔)之生物物件、單細胞或細胞群組進行基於介電泳(基於DEP)之固定化以用於局部操縱分子或細胞之設備。在各種實施方案中，隔室或腔可填充有水性流體、水性緩衝液、有機溶劑、疏水性流體或氣體中之一者。在各種實施方案中，隔室可將流體容納於該隔室內，該流體與隔室外部之流體不混溶。在各種實施方案中，隔室可容納與水性環境不相容之非水性流體或微電子。
此外，本發明係關於用於經由與基於微機電系統(MEMS)之結構及/或探測工具及/或用於奈米孔電穿孔(NEP)應用之電極之介面而跨越隔室局部操縱個別物件或細胞之設備。基於本文中所揭示之技術之適合應用包含原位生物探詢、細胞工程、單細胞基因體學、生物樣本之電化學及物理探詢(例如，膜片箝或原子力顯微鏡(AFM))、液滴微流控(例如，液滴流體之取樣或顯微注射)以及任何其他適合應用。可應用該技術之適合應用包含探詢離散生物製品，例如，探詢或探測細胞、活細胞、病毒、油滴、脂質體、微胞、反微胞、蛋白質聚集體、聚合物、表面活性劑集合體或其組合等。
本文中所揭示之技術係關於將水性微流體環境與可處於非水性環境中之結構(例如，可處於非導電流體中之電子器件)或可使用疏水性溶劑之程序耦合。所揭示技術可在流體環境中大規模地提供對經隔離粒子之局部操縱，同時揭示了允許自含有敏感MEMS組件或電子器件之隔室進入。此可藉由以下操作而完成：將MEMS程序與微流體程序耦合以允許高通量處理及探詢懸浮粒子(術語粒子(particle或particles)可指「生物物件、物件或細胞」及非生物物件)。特定而言，本文中所闡述之技術係關於壓定及固定化毗鄰於薄膜而流動之流體中之一或多個粒子的高通量基於DEP之粒子固定化(陷獲)設備，該薄膜將流體與含有電子組件(包含MEMS結構)之隔室(經隔離隔室或腔)分離。如本文中所闡述，為提供自腔至流體環境中之進入，可使用穿過薄膜之一或多個薄膜開口(亦在本文中稱為「孔」或「微孔」)。舉例而言，開口可用於提供對懸浮於流體中之一或多個粒子之接達，該一或多個粒子將與隔室中跨越薄膜而駐存之個別MEMS/電結構個別地介接及/或相互作用。如本文中所闡述，薄膜亦可經設計以使用流體動態策略來維持兩種不混溶流體之間的穩定液體/氣體界面或液體-液體界面，該等流體動態策略包含但不限於經由疏水性或親水性塗層之表面圖案化及/或在薄膜之任一側上對兩種流體介質進行壓力控制。亦可經由透過靜電學而調變表面能量來控制此界面以有意地使流體移動至腔中或自該腔移出(藉由對腔進行加壓或減壓，或藉由改變孔之大小或形狀(例如，藉由將中空微針插入至孔中以減小有效毛細管半徑))。
藉由提供用以將DEP介導之粒子固定化技術(例如，陷獲技術)與在單細胞層級(例如，單細胞解析度)上對個別生物分子或細胞之高度局部操縱介接之平台，可(舉例而言)不僅針對單細胞且亦以高通量可靠及可再現方式達成用以提取基因材料及/或將藥物分子遞送至個別細胞中之高度可控制方法。
如本文中所闡述，闡述用於固定化流體中之粒子之設備之各種實施方案。在各種實施方案中，設備包含用於將流體(舉例而言，在微流體通道中)與隔室分離之薄膜。在各種實施方案中，設備亦包含遠離隔室而設置於薄膜上之一或多個電極以及具有與該一或多個電極不同之表面區域之相對電極。在各種實施方案中，一或多個電極以及相對電極(亦在本文中稱為「DEP電極」)經組態以跨越該一或多個電極以及相對電極而產生非線性電場。在各種實施方案中，設備亦包含用於跨越一或多個電極及/或相對電極提供及感測信號之電輸入及輸出源。在各種實施方案中，信號係用於產生振盪非線性電場來固定化粒子之AC電壓，該粒子懸浮於在一或多個電極與相對電極之間流動之流體中。
在設備之各種實施方案中，薄膜具有開口，透過該開口而允許機械操縱被固定化之粒子。在各種實施方案中，機械操縱包含利用經組態以自隔室跨越薄膜而進入之尖銳部件來探測粒子。在各種實施方案中，尖銳部件係MEMS結構或奈米機電系統(NEMS)結構。在各種實施方案中，尖銳部件係針、柱或中空管。
在各種實施方案中，所揭示技術係關於具有經裁適以用於最佳探詢懸浮於流體介質中之離散物件(例如，離散球形物件)之微流控薄膜混合架構之設備。使用該設備，可接近薄膜(包含多孔薄膜)而使用DEP對球形物件進行空間侷限。在各種實施方案中，薄膜中之孔在幾何上及化學上經最佳化/裁適以防止跨越薄膜之流體交換。設備之應用可包含藉由外部探測器而探詢流體環境內之離散生物系統。此外，可經由典型MEMS製作方法而將與本文中所闡述之微流控薄膜混合架構相關之技術整合至較大裝置架構中。舉例而言，可經由MEMS製作方法而製作外部探測器並將其設置於隔室中。
在各種實施方案中，設備包含與孔(例如，開口125、225a至225d等)共置之電極陣列(或者一或多個電極之陣列，例如，一對電極、一組三個電極、一組四個電極等等)，從而允許自腔對經陷獲粒子進行接達。在各種實施方案中，藉由化學處理塗佈該等孔之內部壁而使該等孔係疏水性的。在各種實施方案中，利用一定範圍之材料類別(舉例而言，包含任何小分子、蛋白質、肽、類肽、聚合物或以任何適合組合之以上所列示無機材料)來對薄膜之任一側上之孔之邊緣表面及/或孔內部進行塗佈/化學功能化。本文中包含表面化學成分及其功能性之某些實例。根據各種實施例，孔之內部及/或薄膜之一側之塗層可包含疏水性材料(諸如疏水性有機矽烷，例如氟矽烷)，以便防止水性溶液透過孔而洩漏。根據各種實施例，可使用化學品(例如但不限於，泊洛沙姆(poloxamer)或聚(甲基丙烯酸2-羥乙酯)或者任何適合蛋白質封阻溶液，例如牛血清白蛋白)來塗佈表面以阻止細胞黏附，以便使非特異性細胞黏附遠離陷獲位點(舉例而言，防止其接近開口或孔)。舉例而言，表面塗層之某些實例可包含生物或有機材料(諸如蛋白質、肽、聚合物、具有變化長度之烴鏈)，其任何組合可用於防止細胞黏附以及防止有效載荷/分析物黏附。根據各種實施例，此等表面塗層可用於防止分子有效載荷黏附，尤其係關於設置於尖銳部件或針上之分子有效載荷。根據各種實施例，薄膜之一側上之塗層具有親水性材料(諸如透明質酸、氧化鈦、聚乙二醇等)以便確保高效潤濕彼等表面且防止疏水性材料自開口流出。根據各種實施例，可採用前述方法之任何組合以便在單獨開口、孔或腔中分離疏水性流體與親水性流體。
本文中所揭示之各種實施方案表示用於在流體環境中大量陷獲生物物件及/或細胞以經由若干技術(例如，電化學、阻抗、光學方法，及基於MEMS之細胞操縱)而進行表徵、取樣、有效載荷遞送或改質之獨特能力。如本文中所闡述，可基於應用以及待探詢之生物物件或細胞而最佳化物理及材料性質及參數，例如，孔(或開口)之大小及疏水性、電極之大小、流體介質之導電性以及電極之操作頻率。在本文中所闡述之技術之各種實施方案中，設備可經組態以用於在陷獲/擷取及探測/探詢/操縱之後選擇性釋放細胞。
此外，根據如本文中所闡述之各種實施方案，亦可藉由利用介電泳(DEP)力而最佳化設備。舉例而言，由於根據上文所闡述之DEP方程式，所產生之DEP力與場梯度之平方成比例，因此可跨越一或多個電極以及相對電極而產生高度非線性電場。在各種實施方案中，藉由在具有會經由大小差及/或接近度而形成大的電場梯度之幾何形狀之一或多個電極之間施加交流電(AC)，可產生經侷限高度非線性電場來作用於生物物件或細胞，並將該生物物件或細胞固定化於陷獲區域中。舉例而言，若一或多個電極(例如，一對電極)配置於開口周圍，則DEP力可經調諧以在開口處將物件陷獲於電極之間。另外，若電極中之開口之壁塗佈有疏水性材料，則開口之經塗佈內壁之接觸角可經由以下方程式而與流體之毛細管壓力相關：
Figure 02_image005
其中r 係開口之半徑，γ 係表面張力(針對水及空氣，大約72.75 mN/m)且θ 係接觸角。習用地，高於90之接觸角θ 表示疏水性材料，而低於90之接觸角表示親水性材料。藉由經由(舉例而言)施加疏水性矽烷塗層而將接觸角θ 增加至約130度，在具有約4 µm或5 µm之相對大開口之情況下，針對空氣-水界面之毛細管壓力達到40 kPa至60 kPa。如本文中所闡述，開口之內壁上之疏水性塗層可防止流體自水性側穿過開口流動至可含有MEMS或其他電子組件之空氣填充隔室中。相同原理適用於跨越薄膜之其他類型之流體相分離，取決於薄膜之水性側或非水性側是處於較高壓力還是較低壓力，可分別利用疏水性表面處理或親水性表面處理來圖案化該孔。因此，具有以產生非線性電場之方式配置之一或多個電極以及相對電極之設備可經組態以陷獲、固定化或侷限流體中之生物物件或細胞且藉由駐存於隔室中之MEMS結構經由開口而探測該生物物件或細胞，而不會損害對敏感電子組件之任何流體曝露。在各種實施方案中，設備具有相同或實質上類似大小之一或多個電極以及相對電極，該一或多個電極以及相對電極可經組態以產生高度非線性電場，以便陷獲、固定化或侷限流體中之生物物件或細胞且藉由駐存於隔室中之MEMS結構經由開口而探測該生物物件或細胞，而不會損害對敏感電子組件之任何流體曝露。在各種實施方案中，陷獲位點(例如，開口或孔)中之每一者可包含一電極、兩個電極、三個電極、四個電極等等。在各種實施方案中，額外電極可經組態以用於在存在物件(舉例而言，粒子或細胞)之情況下進行阻抗感測。此外，由於可使用完善之MEMS處理技術以及基於光微影之高度可靠且可再現方法來完成設備之製作，因此製造該設備之方法係可擴展的，且因此允許以臨床相關數量來並行固定化及探詢生物物件或細胞。
圖1A至圖1D展示根據如本文中所揭示之各種實施方案之用於固定化粒子之設備的示意圖。圖1A展示根據各種實施例之實例性設備100之示意性俯視圖。如圖1A中所展示，設備100包含開口125 (亦在本文中稱為「孔」)、複數個電極120及一或多個互連件130。舉例而言，如所圖解說明，複數個電極120可包含形成為陣列或柵格之複數個個別相異電極表面區域。根據各種實施例，雖然將電極120圖解說明為環形或圓形電極，但電極120可為電極對620a、620b、620c、620d、720 (如關於圖6A至圖6D及圖7A至圖7C所展示及闡述)，或設置接近開口125之任何數目個電極集合。因此，如下文關於電極120進一步所闡述之物理、化學、材料參數可適用於如關於圖6A至圖6D及圖7A至圖7C所展示及闡述之電極對620a、620b、620c、620d、720中之任一者。
在各種實施方案中，電極120具有介於約1 nm至約50 µm之間的厚度。在各種實施方案中，電極120具有約10 nm至約5 µm之間、約10 nm至約10 µm之間、約10 nm至約5 µm之間、約100 nm至約4 µm之間、約300 nm至約3 µm之間、約400 nm至約5 µm之間、約500 nm至約5 µm之間(包含其間的任何厚度範圍)的厚度。
在各種實施方案中，電極120包含具有充分電化學穩定性之透明導電材料或經摻雜半導電材料中之至少一者。在各種實施方案中，透明導電材料包含氧化銦錫、石墨烯、經摻雜石墨烯、導電聚合物或薄金屬層。
如圖1A中所展示，在各種實施方案中，複數個電極120 (係指電極120之陣列)中之每一者具有開口125。在各種實施方案中，複數個電極120中之某些電極具有開口125且某些電極120不具有開口125。在各種實施方案中，基於設備100之應用而策略性地配置具有開口125之電極120及不具有開口125之電極120。
在各種實施方案中，開口125具有介於約0.1 nm至約1 mm之間的大小(亦在本文中稱為直徑(若係圓形)或橫向尺寸(若係任何非圓形幾何形狀))。在各種實施方案中，開口125具有介於約1 nm至約100 nm之間、約100 nm至約1 µm之間、1 µm至約10 µm之間、約100 nm至約25 µm之間、約1 µm至約100 µm之間或約1 µm至約50 µm之間(包含其間的任何大小範圍)的大小。
在各種實施方案中，複數個電極120中之電極120在兩個毗鄰電極之間具有自約1 µm至約5 mm、自約1 µm至約1 mm、自約10 µm至約500 µm或自約10 µm至約1 mm (包含其間的任何分離距離範圍)之電極間分離距離。
在各種實施方案中，電極120與一或多個互連件130包含相同材料。在各種實施方案中，一或多個互連件130包含具有充分電化學穩定性之透明導電材料或經摻雜半導電材料中之至少一者。在各種實施方案中，透明導電材料包含氧化銦錫、金屬奈米線網格、石墨烯、經摻雜石墨烯、導電聚合物、薄金屬層、原子層金屬膜或任何其他適合透明導體。
圖1B展示設備100之電極120中之一者之放大示意圖。在各種實施方案中，設備100包含一個電極120。如圖1A及圖1B中所展示，複數個電極120在柵格中或在陣列中經由一或多個互連件130而彼此互連。在各種實施方案中，複數個電極120在可包含任何數目個電極120之群組內彼此互連，且設備100可包含電極120之任何數目個群組。
圖1C展示根據各種實施方案之設備100之剖面圖(正交於圖1B之視圖)。如圖1C中所展示，設備100包含複數個電極120及相對電極140。根據各種實施例，複數個電極120中之每一電極120可為如關於圖6A至圖6D及圖7A至圖7C所展示及闡述之電極對620a、620b、620c、620d、720，或設置接近開口125之任何數目個電極集合。在各種實施方案中，相對電極140係橫跨設備100之一部分、大部分、幾乎整體或整體之平面電極。舉例而言，相對電極140可比複數個電極120中之每一者大。舉例而言，相對電極140可具有比個別電極120中之每一者之表面區域大的表面區域。在各種實施方案中，相對電極140與電極120之間的表面區域比率可為約1:1、1.1:1、2:1、5:1、10:1、50:1、100:1、1百萬:1或其間的任何適合比率。
在各種實施方案中，電極120與相對電極140具有相同或實質上類似大小。在各種實施方案中，電極120與相對電極140設置於同一平面上。
如圖1C中所圖解說明，複數個電極120及相對電極140經組態以接收在複數個電極120與相對電極140之間的通道160中流動之流體(在圖1C中指示為平行箭頭)。在各種實施方案中，在通道160中流動之流體可包含(舉例而言，但不限於)水性流體、水性緩衝液、有機溶劑、疏水性流體或氣體。
在各種實施方案中，流體以介於0 mL/s至10 mL/s之間的流動速率在通道160中流動。在各種實施方案中，流體係靜態的且因此具有最小或不具有流動速率。在各種實施方案中，流體自約0.001 mL/s至約0.1 mL/s、自約0.01 mL/s至約1mL/s或自約0.1 mL/s至約10 mL/s (包含其間的任何流動速率範圍)流動。
圖1D展示設備100之複數個電極120中之一者之放大剖面圖。如圖1D中所展示，設備100包含薄膜110、電極120、互連件130及鈍化層150。在各種實施方案中，薄膜110包含電絕緣材料。在各種實施方案中，薄膜110包含電絕緣材料，包含但不限於氮化矽、氧化矽、金屬氧化物、碳化物(例如，SiCOH)、陶瓷(例如，氧化鋁)及聚合物。在各種實施方案中，薄膜110包含導電材料，諸如金屬或經摻雜半導體材料。在各種實施方案中，薄膜110可為單個層或者具有包含前述材料中之任一者之多層堆疊之複合層。
在各種實施方案中，形成通道160之壁包括通道材料，該通道材料可包含(舉例而言但不限於)可用作流體層之結構材料之矽、玻璃、塑膠或各種彈性體，例如聚(二甲基矽氧烷) (PDMS)。在各種實施方案中，通道160具有自約1 nm至約1 cm、自約100 nm至約100 mm、自約200 nm至約1 mm或自約200 nm至約500 µm (包含其間的任何尺寸)之尺寸。在各種實施方案中，通道160之高度藉由正被探測之粒子大小而設定且為避免堵塞應係粒子之直徑之至少兩倍。
在各種實施方案中，薄膜110具有介於約10 nm至約1 cm之間的厚度。在各種實施方案中，薄膜具有介於約10 nm至約5 mm之間、約10 nm至約1 mm之間、約10 nm至約100 µm之間、約50 nm至約10 µm之間、約50 nm至約5 µm之間、約100 nm至約10 µm之間、約100 nm至約5 µm之間或約100 nm至約2 µm之間(包含其間的任何厚度範圍)之厚度。在各種實施方案中，薄膜110或構成該薄膜之任何材料層可被圖案化。
圖1D亦展示懸浮於在通道160中流動之流體中之粒子165。在各種實施方案中，粒子165可包含各種類型之微粒材料或球形材料，包含但不限於任何生物物件、細胞或非生物物件。在各種實施方案中，粒子165可包含生物有機體、生物結構、細胞、活細胞、病毒、油滴、脂質體、微胞、反微胞、蛋白質聚集體、聚合物、表面活性劑集合體、囊泡、微囊泡、蛋白質、分子、微液滴或非生物微粒物質。
在各種實施方案中，粒子165可具有介於約1 nm至約1 mm之間的大小。在各種實施方案中，粒子165可具有介於約10 nm至約500 µm之間、約50 nm至約200 µm之間、約200 nm至約100 µm之間、約300 nm至約50 µm之間、約100 nm至約200 µm之間、約100 nm至約100 µm之間或約200 nm至約50 µm之間(包含其間的任何大小範圍)的大小。
如圖1D中所展示，根據各種實施方案，薄膜110經組態以隔開流體使其不進入隔室180。圖1D亦展示設備100之開口125。如圖1D中所展示，開口125延伸穿過薄膜110及電極120。在各種實施方案中，開口125延伸穿過薄膜110、電極120及鈍化層150。在各種實施方案中，若裝置之操作需要一種以上流體相(諸如離子緩衝液及空氣或水性溶劑及有機溶劑)，則開口125亦可用作用以跨越薄膜110而隔離兩種流體相之毛細管閥。圖1D之放大剖面圖亦展示靠近薄膜110而設置於隔室180中之尖銳部件185。
在各種實施方案中，尖銳部件185經組態以在開口125內移動，且移動穿過薄膜110、電極120及鈍化層150。根據各種實施方案，開口125允許機械操縱被固定化之粒子165。在各種實施方案中，機械操縱包含利用尖銳部件185來探測、插入、穿透、電穿孔、感測、沈積材料、對材料進行取樣或以其他方式操縱粒子165，該尖銳部件經組態以跨越薄膜110、電極120及/或鈍化層150而進入。在各種實施方案中，藉由尖銳部件185而進行機械操縱。在各種實施方案中，尖銳部件185自隔室180進入，尖銳部件185在移動之前(例如，在沿著縱向軸(例如，垂直地向下)致動尖銳部件185之前)駐存於該隔室處，如圖1D中所展示。在各種實施方案中，尖銳部件185可為針、柱、中空管、奈米針或微針(具有介於約10 nm至約50 µm之間的長度)。在各種實施方案中，經由微機電系統(MEMS)方法或奈米機電系統(NEMS)方法而製造或製作尖銳部件185。根據各種實施例，隔室180包含MEMS結構或NEMS結構，包含尖銳部件185。
在各種實施方案中，尖銳部件185可經組態以跨越薄膜110而作為呈探測器形式之第三電極進行操作。此第三電極探測器可針對感測或致動而以DC或AC信號來加偏壓，舉例而言，針對奈米孔電穿孔(NEP)應用而以脈衝DC信號來加偏壓或出於量測阻抗之目的而以單獨頻率之低功率AC信號來加偏壓。在各種實施方案中，DEP電極自身亦可攜載經選擇以經由下游濾波而容易地與DEP信號隔離之單獨經疊加AC或DC信號。
在各種實施方案中，開口125之壁具有疏水性塗層或親水性塗層。在各種實施方案中，藉由化學處理塗佈開口125之內部壁而使開口125係疏水性的。在各種實施方案中，利用一定範圍之材料類別(舉例而言，包含任何小分子、蛋白質、肽、類肽、聚合物或以任何適合組合之以上所列示無機材料)來對薄膜之任一側上之開口125之邊緣表面及/或開口125之壁(內壁)之內側(亦在本文中稱為「孔內部」)進行塗佈/化學功能化。關於圖2A至圖2D而詳細地提供塗層之各種細節。
根據各種實施例，將疏水性塗層或親水性塗層設置(或沈積)於薄膜110及/或電極120之壁上以防止流體進入隔室中。在各種實施方案中，塗層化學地且共價地附接至相關表面。在各種實施方案中，疏水性塗層可包含多種類別，諸如疊氮化物、有機矽烷或碳氟化合物。在各種實施方案中，親水性塗層可包含一定範圍之材料類別，包含任何小分子、蛋白質、肽、類肽、聚合物或無機材料。在各種實施方案中，開口125之壁具有經圖案化親水性塗層與疏水性塗層之組合。
在各種實施方案中，疏水性塗層具有介於約95°與約165°之間的接觸角。在各種實施方案中，疏水性塗層具有介於約100°與約165°之間、約105°與約165°之間、約110°與約165°之間、約120°與約165°之間、約95°與約150°之間、約95°與約140°之間或約95°與約130°之間(包含其間的任何接觸角範圍)的接觸角。
在各種實施方案中，親水性塗層具有介於約20°與約80°之間的接觸角。在各種實施方案中，親水性塗層具有介於約25°與約80°之間、約30°與約80°之間、約35°與約80°之間、約40°與約80°之間、約20°與約70°之間、約20°與約60°之間或約20°與約50°之間(包含其間的任何接觸角範圍)的接觸角。
根據各種實施方案，電源(未展示)可電連接至複數個電極120及相對電極140以跨越複數個電極120及相對電極140提供交流電(AC)，從而產生用於固定化(或陷獲)懸浮於在複數個電極120與相對電極140之間流動之流體中之粒子165之振盪非線性電場。在各種實施方案中，可施加具有多個電極之平面內電場以感應交替DEP場之局部場最小值。在各種實施方案中，可針對包含阻抗感測、電濕潤或電穿孔之應用而將一或多個AC或DC信號疊加於DEP致動信號上。
在各種實施方案中，以介於約1 mV與約300 V之間的電壓來供應跨越複數個電極120 (電極120 (若係單個電極)或電極對，諸如620a、620b、620c、620d、720)及相對電極140之AC。在各種實施方案中，以如下電壓來供應跨越複數個電極120及相對電極140之AC：介於約5 mV與約50 V之間、約5 mV與約20 V之間、約250 mV與約5 V之間、約500 mV與約50 V之間、約750 mV與約50 V之間、約1 V與約50 V之間、約5 V與約50 V之間、約10 V與約50 V之間、約250 mV與約40 V之間、約250 mV與約30 V之間、約250 mV與約20 V之間、約250 mV與約10 V之間、約250 mV與約8 V之間、約250 mV與約6 V之間、約250 mV與約5 V之間、約500 mV與約5 V之間或約1 V與約5 V之間，包含其間的任何電壓範圍。在各種實施方案中，以如下電壓來供應跨越複數個電極120 (電極120 (若係單個電極))及相對電極140之AC：介於約1 mV與約20 V之間、約1 mV與約10 V之間、約1 mV與約8 V之間、約1 mV與約6 V之間、約1 mV與約5 V之間、約1 mV與約4 V之間、約1 mV與約3 V之間、約1 mV與約2 V之間、約1 mV與約1 V之間、約1 mV與約750 mV之間、約1 mV與約500 mV之間、約1 mV與約250 mV之間、約1 mV與約200 mV之間、約1 mV與約150 mV之間、約1 mV與約100 mV之間、約1 mV與約50 mV之間，包含其間的任何範圍。
在各種實施方案中，以介於約1 Hz與約1 THz之間的振盪頻率來供應跨越複數個電極120 (電極120 (若係單個電極)或電極對，諸如620a、620b、620c、620d、720)及相對電極140之AC。在各種實施方案中，以如下振盪頻率來供應跨越複數個電極120及相對電極140之AC：介於約10 Hz與約100 GHz之間、約10 Hz與約10 GHz之間、約100 Hz與約10 GHz之間、約1 kHz與約1 GHz之間、約10 kHz與約1 GHz之間、約100 kHz與約1 GHz之間、約500 kHz與約1 GHz之間、約1 MHz與約1 GHz之間、約10 MHz與約1 GHz之間、約100 MHz與約1 GHz之間、約10 kHz與約500 MHz之間、約10 kHz與約100 MHz之間、約10 kHz與約50 MHz之間、約10 kHz與約30 MHz之間、約10 kHz與約20 MHz之間、約10 kHz與約10 MHz之間、約100 kHz與約10 MHz之間或約500 kHz與約10 MHz之間或者約1 MHz與約10 MHz之間，包含其間的任何頻率範圍。
在各種實施方案中，跨越複數個電極120 (電極120 (若係單個電極)或電極對，諸如620a、620b、620c、620d、720)及相對電極140而施加直流(DC)。在各種實施方案中，當跨越複數個電極120 (電極120 (若係單個電極)或電極對，諸如620a、620b、620c、620d、720)及相對電極140而施加電流時，可將DC及AC疊加。
在各種實施方案中，複數個電極120及相對電極140可被個別地定址、以群組方式定址或一起電短路(例如，短路)。在各種實施方案中，電極對(諸如620a、620b、620c、620d、720)中之每一電極可被個別地定址、以群組方式定址或一起電短路(例如，短路)。舉例而言，可將AC個別地或以群組方式供應至複數個電極120及相對電極140中之每一者。舉例而言，複數個電極120及相對電極140可針對複數個電極120中之某些電極與相對電極140短路，且針對複數個電極120中之其他電極120與相對電極140不短路。如此，可針對設備100而實施複數個電極120與相對電極140之間的配置之任何組合或組態。
圖2A至圖2D展示根據各種實施例之經組態以用於固定化粒子之設備之示意性圖解說明。圖2A至圖2D圖解說明設備之各種結構組態，其中該等組態圖解說明(舉例而言，但不限於)特定層配置、放置及塗層類型，諸如疏水性塗層或親水性塗層。根據各種實施例，圖2A、圖2B、圖2C及圖2D中所展示之組態係非限制性實例，且因此可採用除該等圖解說明之外的任何所要結構組態來執行粒子之固定化及/或探詢。
圖2A圖解說明根據各種實施例之設備200a之剖面圖。如圖2A中所展示，設備200a包含堆疊於彼此上之薄膜210a、金屬層230a1、鈍化層250a及另一金屬層230a2，且包含開口225a。根據各種實施例，設備200a亦包含設置於薄膜210a之經曝露表面上之塗層270a1及設置於開口225a之壁(內壁)之內側上之塗層270a2。如圖2A中所展示，塗層270a1與塗層270a2係相同塗層。根據各種實施例，塗層270a1與270a2可包含相同圖案或不同圖案。
圖2B圖解說明根據各種實施例之設備200b之剖面圖。如圖2B中所展示，設備200b包含堆疊於彼此上之薄膜210b、金屬層230b1、鈍化層250b及另一金屬層230b2，且包含開口225b。根據各種實施例，設備200b包含設置於薄膜210b之經曝露表面上之塗層270b1及設置於開口225b之壁之內側上之塗層270b2。如圖2B中所展示，塗層270b1與塗層270a2係不同塗層。根據各種實施例，塗層270b1與270b2可包含相同圖案或不同圖案。
圖2C圖解說明根據各種實施例之設備200c之剖面圖。如圖2C中所展示，設備200c包含堆疊於彼此上之薄膜210c、金屬層230c1、鈍化層250c及另一金屬層230c2，且包含開口225c。根據各種實施例，設備200c包含設置於開口225b之壁之內側上之塗層270c，且不包含位於薄膜210c之經曝露表面上之塗層。根據各種實施例，塗層270c可包含圖案。
根據各種實施例，除非另外陳述，否則薄膜210a、210b及210c可與如關於圖1D所闡述之薄膜110相同或實質上類似，且因此將不完全詳細地闡述。在各種實施方案中，薄膜210a、210b及210c可包含電絕緣材料。在各種實施方案中，薄膜210a、210b及210c可包含電絕緣材料，包含但不限於氮化矽、氧化矽、金屬氧化物、碳化物(例如，SiCOH)、陶瓷(諸如，氧化鋁)及聚合物。在各種實施方案中，薄膜210a、210b及210c可包含導電材料，諸如金屬或經摻雜半導體材料。在各種實施方案中，薄膜210a、210b及210c可為單個層或者具有包含前述材料中之任一者之多層堆疊之複合層。
在各種實施方案中，薄膜210a、210b及210c可具有介於約10 nm至約1 cm之間的厚度。在各種實施方案中，薄膜210a、210b及210c可具有介於約10 nm至約5 mm之間、約10 nm至約1 mm之間、約10 nm至約100 µm之間、約50 nm至約10 µm之間、約50 nm至約5 µm之間、約100 nm至約10 µm之間、約100 nm至約5 µm之間或約100 nm至約2 µm之間(包含其間的任何厚度範圍)的厚度。
根據各種實施例，除非另外陳述，否則金屬層230a1、230a2、230b1、230b2、230c1及230c2可與如關於圖1A至圖1D所闡述之電極120及/或互連件130相同或實質上類似，且因此將不完全詳細地闡述。根據各種實施例，金屬層230a1、230b1及230c1可為可包含(舉例而言)電極120或電極620a、620b、620c、620d、720之電極層。根據各種實施例，金屬層230a1、230b1及230c1可為互連層130或730。根據各種實施例，金屬層230a2、230b2及230c2可為互連層130或730，或者電極層，該電極層可經組態以與尖銳部件(例如，185、385a至385d等)一起使用以用於感測(作為感測電極)、作為NEP電極或作為金屬屏蔽電極。
根據各種實施例，除非另外陳述，否則鈍化層250a、250b及250c可與如關於圖1D所闡述之鈍化層150相同或實質上類似，且因此將不完全詳細地闡述。
根據各種實施例，除非另外陳述，否則塗層270a1、270a2、270b1、270b2及270c可與如關於圖1D所闡述之塗層相同或實質上類似，且因此將不完全詳細地闡述。在各種實施方案中，塗層270a1、270a2、270b1、270b2及270c中之每一者可為疏水性塗層或親水性塗層。將疏水性塗層或親水性塗層設置(或沈積)於薄膜210a及210b中之每一者之經曝露表面上，及/或設置(或沈積)於開口225a、225b及225c之壁(內壁)之內側上，以防止流體跨越各別開口225a、225b及225c而進入。在各種實施方案中，塗層270a1、270a2、270b1、270b2及270c化學地且共價地附接至相關表面。在各種實施方案中，疏水性塗層可包含多種類別，諸如疊氮化物、有機矽烷或碳氟化合物。在各種實施方案中，親水性塗層可包含一定範圍之材料類別，包含任何小分子、蛋白質、肽、類肽、聚合物或無機材料。在各種實施方案中，開口225a、225b及225c中之每一者之壁具有經圖案化親水性塗層與疏水性塗層之組合。
在各種實施方案中，塗層270a1、270a2、270b1、270b2及270c中之每一者之疏水性塗層可具有介於約95°與約165°之間的接觸角。在各種實施方案中，疏水性塗層具有介於約100°與約165°之間、約105°與約165°之間、約110°與約165°之間、約120°與約165°之間、約95°與約150°之間、約95°與約140°之間或約95°與約130°之間(包含其間的任何接觸角範圍)的接觸角。
在各種實施方案中，塗層270a1、270a2、270b1、270b2及270c中之每一者之親水性塗層可具有介於約20°與約80°之間的接觸角。在各種實施方案中，親水性塗層具有介於約25°與約80°之間、約30°與約80°之間、約35°與約80°之間、約40°與約80°之間、約20°與約70°之間、約20°與約60°之間或約20°與約50°之間(包含其間的任何接觸角範圍)的接觸角。
圖2D圖解說明根據各種實施例之設備200d之剖面圖。根據各種實施例，設備200d可與設備200a、200b、200c或100中之一者相同或實質上類似。根據各種實施例，設備200d可包含如被展示為包含於設備200a、200b、200c或100中的層中之任一者或該等層之任何組合。
如圖2D中所展示，將設備200d描繪為在一側上具有通道260d且在另一側上具有隔室280d。根據各種實施例，除非另外陳述，否則通道260d可與如關於圖1C及圖1D所闡述之通道160相同或實質上類似，且因此將不完全詳細地闡述。根據各種實施例，除非另外陳述，否則隔室280d可與如關於圖1D所闡述之隔室180相同或實質上類似，且因此將不完全詳細地闡述。如圖2D中所展示，隔室280d形成於材料205d中，該材料包含(舉例而言)電絕緣材料，包含但不限於氮化矽、氧化矽、玻璃、金屬氧化物、碳化物(例如，SiCOH)、陶瓷(諸如，氧化鋁)、聚合物(包含塑膠及各種彈性體，諸如聚(二甲基矽氧烷) (PDMS))或可用作結構材料之任何材料。
如圖2D中所展示，設備包含開口225d。根據各種實施例，開口225d可與開口225a、225b及225c中之一者相同或實質上類似。根據各種實施例，開口225d可包含設置於其上之塗層，除非另外陳述，否則該塗層與位於開口225a、225b及225c之內壁上之塗層相同或實質上類似，且因此將不完全詳細地闡述。
如圖2D中所展示，根據各種實施例，隔室280d亦包含電極層290d及設置於電極層290d中之通孔298d。在各種實施方案中，電極層290d可經組態以致動尖銳部件，諸如如關於圖1D所闡述之尖銳部件185。根據各種實施例，通孔298d可經組態以將流體泵送於隔室280d中或自該隔室泵送出。根據各種實施例，流體可包含(舉例而言，但不限於)水性溶液、含有生物或化學試劑之水性溶液、有機溶劑、礦物油、氟化油、空氣、用於細胞培養之混合氣體(例如，5％ CO2 )、惰性氣體及諸如此類。
根據各種實施例，設備200d可包含設置於開口225d之表面上及/或該開口之內壁之內側上之一或多個塗層。根據各種實施例，位於開口225d之表面上及內側上之塗層可為相同或不同的。根據各種實施例，位於開口225d之表面上之塗層與位於該開口之內側上之塗層可包含相同圖案或不同圖案。
圖3A至圖3D分別展示根據各種實施例之經組態以用於探詢粒子之設備之示意性圖解說明300a、300b、300c及300d。根據各種實施例，圖3A、圖3B、圖3C及圖3D中所展示之組態係非限制性實例，且因此可採用除該等圖解說明之外的任何所要結構組態來執行粒子之固定化及/或探詢。
如圖3A至圖3D中所展示，圖解說明300a、300b、300c及300d包含薄膜310、金屬層330及鈍化層350。根據各種實施例，圖解說明300a、300b、300c及300d包含跨越通道360及隔室380之開口325。如圖3A至圖3D中所展示，圖解說明300a、300b、300c及300d亦包含接近開口325而被陷獲、設置或以其他方式固定化之具有內部分363 (例如，細胞核或內組分)之粒子365。根據各種實施例，粒子365被固定化且準備好進行探測或探詢。
根據各種實施例，除非另外陳述，否則薄膜310可與如關於圖1D、圖2A、圖2B及圖2C所闡述之薄膜110、210a、210b或210c相同或實質上類似，且因此將不完全詳細地闡述。
根據各種實施例，除非另外陳述，否則金屬層330可與如關於圖1A至圖1D、圖2A至圖2C所闡述之電極120及/或互連件130或者金屬層230a1、230a2、230b1、230b2、230c1及230c2中之任一者相同或實質上類似，且因此將不完全詳細地闡述。
根據各種實施例，除非另外陳述，否則鈍化層350可與如關於圖1D、圖2A、圖2B及圖2C所闡述之鈍化層150、250a、250b或250c相同或實質上類似，且因此將不完全詳細地闡述。
根據各種實施例，除非另外陳述，否則開口325可與如關於圖1D、圖2A、圖2B、圖2C及圖2D所闡述之開口125、225a、225b、225c或225d中之一者相同或實質上類似，且因此將不完全詳細地闡述。
根據各種實施例，開口325可包含設置於其上之塗層，除非另外陳述，否則該塗層與位於如關於圖1D、圖2A、圖2B及圖2C所闡述之開口125、225a、225b或225c之內壁上之塗層相同或實質上類似，且因此將不完全詳細地闡述。
根據各種實施例，除非另外陳述，否則通道360可與如關於圖1C、圖1D及圖2D所闡述之通道160或260d相同或實質上類似，且因此將不完全詳細地闡述。
根據各種實施例，除非另外陳述，否則隔室380可與如關於圖1D及圖2D所闡述之隔室180或280d相同或實質上類似，且因此將不完全詳細地闡述。
如圖3A至圖3D中所展示，圖解說明300a、300b、300c及300d中之每一者分別包含尖銳部件385a、385b、385c及385d。圖3A展示具有尖銳尖端之尖銳部件385a。圖3B展示具有中空內部分383b及經塗佈尖端388b之尖銳部件385b。圖3C展示尖銳部件385c，其具有設置於其尖銳尖端上之塗層388c。圖3D展示尖銳部件385d，其具有中空內部分383d及設置於其尖端上之塗層388d。
如圖3A至圖3D中所展示，圖解說明300a、300b、300c及300d各自展示被插入或探測(或探詢)至粒子365之內部分363中之各別尖銳部件385a、385b、385c及385d (在本文中統稱為「尖銳部件385」)。根據各種實施例，尖銳部件385中之每一者經組態以在開口325內移動，且移動穿過薄膜310、金屬層330及鈍化層350。根據各種實施方案，開口325允許機械操縱被固定化之粒子365。在各種實施方案中，機械操縱包含利用尖銳部件385來探測、插入、穿透、電穿孔、感測、沈積材料、對材料進行取樣或以其他方式操縱粒子365，該等尖銳部件經組態以跨越薄膜310、金屬層330及/或鈍化層350而進入。在各種實施方案中，藉由尖銳部件385中之任一者而進行機械操縱。在各種實施方案中，尖銳部件385可為針、柱、中空管、奈米針或微針(具有介於約10 nm至約50 µm之間的長度)中之任一者。在各種實施方案中，內部分383b及383d可具有自約200 nm至約100 µm、自約10 nm至約10 µm或自約1 nm至1 µm之內徑。在各種實施方案中，根據各種實施例，可經由MEMS或NEMS方法而製造或製作尖銳部件385中之每一者。
在各種實施方案中，尖銳部件385中之每一者可經組態以跨越薄膜310而作為呈探測器形式之第三電極進行操作。此第三電極探測器可針對感測或致動而以DC或AC信號來加偏壓，舉例而言，針對奈米孔電穿孔(NEP)應用而以脈衝DC信號來加偏壓或出於量測阻抗之目的而以單獨頻率之低功率AC信號來加偏壓。在各種實施方案中，DEP電極自身亦可攜載經選擇以經由下游濾波而容易地與DEP信號隔離之單獨經疊加AC或DC信號。另外，可藉由利用材料之實體屏蔽或仔細信號控制而實施奈米孔電穿孔(NEP)信號與DEP信號之間的信號解耦方法。
在各種實施方案中，尖銳部件385可自隔室380進入，尖銳部件385中之每一者在其移動之前(例如，在沿著縱向軸(例如，垂直地向下)致動尖銳部件385之前)駐存於該隔室處。關於圖1D而提供額外細節並關於圖4而提供進一步細節。
圖4展示根據各種實施例之經組態以用於對粒子進行位置操縱之設備400之示意性圖解說明。根據各種實施例，設備400可與如關於圖1A至圖1D、圖2A至圖2D所闡述之設備100、200a、200b、200c或200d中之一者相同或實質上類似。如圖4中所展示，設備400包含薄膜410、金屬層430、鈍化層450及開口425。圖4中所展示之圖解說明亦包含相對電極440、通道460及隔室480。如圖4中所展示，圖解說明亦包含接近開口425而被陷獲、設置或以其他方式固定化之具有內部分463 (例如，細胞核或內組分)之粒子465。
根據各種實施例，通道460及隔室480可各自包含流體。根據各種實施例，流體包含水性流體、水性緩衝液、有機溶劑、疏水性流體或氣體中之一者。根據各種實施例，通道460可包含與包含於隔室480中之流體(例如，第二流體)不混溶之流體(例如，第一流體)，或反之亦然。舉例而言，通道460中之流體可為疏水性流體，而隔室480中之流體可為親水性流體，或反之亦然。
根據各種實施例，通道460可經組態以出於運輸細胞或進行生化反應之目的而容納水性溶液(諸如磷酸鹽緩衝鹽水(PBS)或細胞培養基)，且隔室480經組態以含有空氣或惰性氣體，以便將敏感電組件與通道460之水性溶液隔離。
根據各種實施例，出於多種目的(舉例而言，包含保護對腐蝕或電解敏感之電組件、用於進行可使用有機溶劑之化學反應，或對小分子進行取樣)，通道460可經組態以容納水性溶液且隔室480經組態以容納有機溶劑或油，或反之亦然。
根據各種實施例，通道460及隔室480可經組態以在每一室中容納不同水性溶液，舉例而言，將通道460組態成容納攜載細胞懸浮液之溶液且將隔室480組態成容納具有經溶解基因材料之另一溶液以用於經由奈米孔電穿孔(NEP)而遞送至所擷取細胞。
根據各種實施例，隔室480形成於材料405中，該材料包含(舉例而言)電絕緣材料，包含但不限於氮化矽、氧化矽、玻璃、金屬氧化物、碳化物(例如，SiCOH)、陶瓷(諸如，氧化鋁)、聚合物(包含塑膠及各種彈性體，諸如聚(二甲基矽氧烷) (PDMS))或可用作結構材料之任何材料。如圖4中所展示，根據各種實施例，隔室480亦包含電極層490及設置於電極層490中之通孔498。根據各種實施例，通孔498可經組態以將流體泵送於隔室480中或自該隔室泵送出。根據各種實施例，流體可包含(舉例而言，但不限於)水性溶液、含有生物或化學試劑之水性溶液、有機溶劑、礦物油、氟化油、空氣、用於細胞培養之混合氣體(例如，5％ CO2 )、惰性氣體及諸如此類。
如圖4中所展示，隔室480亦包含基板平台495，尖銳部件485貼附於該基板平台上。根據各種實施例，基板平台495經組態以經由任何適合機構(例如，經由靜電力)而抵靠電極層490移動，如本發明之各種實施例中所揭示。舉例而言，基板平台495可經組態以致動向上及向下移動以便移動尖銳部件485，藉此該致動使得尖銳部件485能夠探測、插入或探詢粒子465及/或其內部分463。
圖5A至圖5D係根據各種實施例之經組態以用於對粒子進行位置操縱之設備400之各種示意圖500a、500b、500c及500d。圖5A展示設備400之剖面圖500a且圖5B展示圖5A之視圖之設備400之另一視圖500b。圖5C及圖5D展示貼附至基板平台495之尖銳部件485之基座之放大透視圖500c及放大剖面圖500d。如圖5B、圖5C及圖5D中所展示，尖銳部件485係具有內中空(內部)部分483之中空結構。圖5C及圖5D之圖解說明展示芯吸結構496，該芯吸結構設置於基板平台495內且連接至尖銳部件485之入口486以在內部分483與隔室480之內部之間提供流體連通。根據各種實施例，芯吸結構496與入口486之組合經組態以用於受控制流體連通，該受控制流體連通達成受控制流動，例如但不限於電滲透流動、動電流動、毛細管流動或者任何其他適合流動或芯吸機制。
在各種實施方案中，芯吸機制可用於經由尖銳部件485之中空部分483而將任何有效載荷或有效載荷混合物供應至經陷獲或經固定化粒子465中。根據各種實施例，中空尖銳部件485可經組態以允許經由自駐存於隔室480內之基板平台之流體芯吸路徑(例如，透過其吸收流體之路徑)而進行粒子穿透及電穿孔。根據各種實施例，隔室480可填充有任何適合有效載荷流體、流體混合物或惰性非極性液體。根據各種實施例，可將有效載荷遞送至粒子465之任何區，舉例而言，遞送至細胞之特定部分(諸如細胞核)。
圖6A至圖6D圖解說明根據各種實施例之經組態以用於固定化粒子之設備之各種組態。圖6A、圖6B及圖6D圖解說明用於控制跨越給定電極對之電場之非限制性實例性電極組態。圖6C圖解說明用於控制跨越電極對及環形相對電極之電場之電極組態之非限制性實例。
圖6A係電極組態600a之圖解說明，其展示跨越開口625a而設置之電極對620a之俯視圖。如圖6A中所展示，電極620a中之每一者具有平頭尖端，該平頭尖端自電極620a中之每一者在兩個相對平頭尖端之間產生筆直電場線。圖6A中所展示之佈局經構造以使用跨越靠近開口625a之兩個平頭尖端而產生之電場線來陷獲或固定化接近開口625a之粒子。根據各種實施例，電極620之兩個尖端沿著開口625a而集中電場。根據各種實施例，在電極620a及開口625a外部之表面區域覆蓋有鈍化材料650a，(舉例而言)以限制雜散電場線、限制電極腐蝕或電解或者防止大量流體中之電流流動。
圖6B係電極組態600b之圖解說明，其展示跨越開口625b而設置之電極對620b之俯視圖。如圖6B中所展示，電極620b中之每一者具有尖銳尖端，該尖銳尖端自電極620b中之每一者在兩個相對尖銳尖端之間產生聚焦電場線。圖6B中所展示之佈局經構造以使用跨越靠近開口625b之兩個尖銳尖端而產生之更聚焦電場來陷獲或固定化接近開口625b之粒子。根據各種實施例，在電極620b之兩個尖銳尖端之間產生之電場線係非線性的且聚焦於尖銳尖端處。根據各種實施例，在電極620b及開口625b外部之表面區域覆蓋有鈍化材料650b，(舉例而言)以限制雜散電場線、限制電極腐蝕或電解或者防止大量流體中之電流流動。
圖6C係電極組態600c之圖解說明，其展示類似於圖6A中所展示之電極對之電極對，以及環形電極622c。如圖6C中所展示，電極620c中之每一者連接至埋入式互連件630c，該埋入式互連件藉由一層介電材料650c而與環形電極622c分離，此類似於圖7C中所展示之組態。根據各種實施例，電極對620c經組態以與圖6A及圖6B中所展示之電極620a及620b類似地起作用，亦即，產生在開口625c周圍局部化之集中電場。根據各種實施例，將環形電極622c組態為針對兩個電極620c之共同接地，從而將平面內雜散電場侷限至陷獲位點(亦即，開口625c)周圍之區域。根據各種實施例，電極620c、環形電極622c及開口625c外部之表面區域覆蓋有鈍化材料650c，(舉例而言)以限制雜散電場線、限制電極腐蝕或電解或者防止大量流體中之電流流動。
圖6D係根據各種實施例之電極組態之圖解說明，其展示實例性電極組態600d之剖面圖。如圖6D中所展示，電極組態600d包含設置於薄膜610d上且跨越開口625d之電極對620d及鈍化(介電)材料650d。
圖7A至圖7C展示根據各種實施例之經組態以用於固定化複數個粒子之設備之各種實例性組態的示意性圖解說明。如圖7A至圖7C中所展示，設備包含堆疊於彼此頂部上且設置於薄膜710上之絕緣層750、電極720、互連件730及介電層752。根據各種實施例，絕緣層750包含位於絕緣層750中之窗704，該窗曝露電極720中之每一者之頂部表面部分。
圖7A展示根據各種實施例之設備之實例性電極組態700a之透視圖，該設備具有用於固定化及/或探詢之電極陣列。如圖7A中所展示，組態700a包含跨越複數個開口725中之每一者而設置之複數對電極720。組態700a亦包含經組態以用於將各種電極720互連之複數個互連件730。根據各種實施例，互連件730與電極720設置於同一層中。
圖7B展示根據各種實施例之設備之另一實例性電極組態700b之透視圖，該設備具有用於固定化及/或探詢之電極陣列。如圖7B中所展示，組態700b包含跨越複數個開口725中之每一者而設置之複數對電極720。組態700a亦包含經組態以用於將各種電極720互連之複數個互連件730。根據各種實施例，互連件730與電極720設置於不同層上，如圖7B中所展示。
圖7C展示電極組態700b之剖面圖700c。如圖7C中所展示，沿著設備之線A-A’之剖面展示電極720與互連件730如何介接，該等互連件設置於介電層752內。介電層752設置於電極720下方。根據各種實施例，互連件730嵌入於介電層752中且與電極720垂直地介接。
在各種實施方案中，電極對620a、620b、620c、620d及720中之每一電極可相對於每一電極對中之另一電極以約180度之相移進行異相操作。在各種實施方案中，相移可為360度/電極數目，舉例而言，若係三電極組態，則相移係120度，或者針對用於陷獲或固定化之4電極組態，相移係90度。
圖8係顯示針對用於固定化粒子之設備(未展示)之模擬結果之圖形圖式800。如圖8中所展示，跨越複數個電極820及相對電極840供應AC場。跨越複數個電極820及相對電極840而產生大約數十至數百奈米牛頓(nanonewton) (nN)之DEP力。所產生DEP可(舉例而言)針對多達數公分/秒(cm/s)之流體速度來陷獲或固定化粒子(或細胞)。使用模擬軟體程式來產生圖8中所展示之圖形圖式800中之模擬，以圖解說明跨越複數個電極820及相對電極840的在以1 MHz振盪之經模擬5 V中具有70 kV/m之最大場之電場線824。
圖9係展示針對用於固定化粒子之設備之分析結果之三維圖表900。如圖9中所展示，在水-空氣界面之情形中，依據上文所闡述之毛細管壓力方程式而計算隨接觸角以及開口之半徑而變之毛細管背壓(以帕斯卡(Pascal)為單位)。舉例而言，圖表900中所展示之負值對應於在流體方向上(例如，遠離(舉例而言)裝納MEMS組件之隔室)之壓力。
圖10係根據說明性實施方案之操作用於固定化粒子之設備之實例性方法S100的流程圖。如圖10中所展示，方法S100包含在步驟S110處提供電源。方法S100亦包含在步驟S120處提供經組態以用於將流體與隔室分離之薄膜。方法S100亦包含在步驟S130處提供設置接近於薄膜之一或多個電極。根據各種實施例，一或多個電極設置接近於薄膜之表面(遠離隔室之表面)。根據各種實施例，一或多個電極設置接近於薄膜之表面(接近於隔室之表面)。方法S100亦包含在步驟S140處提供相對電極，其中一或多個電極以及相對電極經組態以跨越一或多個電極以及相對電極而產生非線性電場。
如圖10中所展示，方法S100包含在步驟S150處，經由電源跨越一或多個電極以及相對電極供應交流電(AC)，藉此產生振盪非線性電場。方法S100亦包含在步驟S160處，經由由振盪非線性電場產生之介電泳(DEP)力固定化懸浮於在一或多個電極與相對電極之間流動之流體中之粒子。方法S100視情況包含在步驟S170處，利用經組態以自隔室跨越薄膜而進入之尖銳部件經由薄膜中之開口而探測粒子。在各種實施方案中，尖銳部件包含MEMS結構或NEMS結構。
在各種實施方案中，該方法視情況包含經由開口而操縱被固定化之粒子。在各種實施方案中，該方法視情況包含利用經組態以自隔室跨越薄膜而進入之尖銳部件經由開口而插入粒子。
在方法S100之各種實施方案中，該薄膜包含以下各項中之至少一者：氮化矽、氧化矽、金屬氧化物、碳化物、陶瓷、氧化鋁或聚合物。在方法S100之各種實施方案中，該薄膜具有介於約10 nm至約1 cm之間的厚度。在各種實施方案中，該薄膜具有介於約100 nm至約10 µm之間的厚度。在方法S100之各種實施方案中，該開口具有介於約10 nm至約50 µm之間的大小。在各種實施方案中，該開口具有介於約1 µm至約5 µm之間的大小。
在方法S100之各種實施方案中，該開口之壁具有疏水性塗層或親水性塗層。在方法S100之各種實施方案中，該疏水性塗層具有介於約95°與約165°之間的接觸角。在方法S100之各種實施方案中，該親水性塗層具有介於約20°與約80°之間的接觸角。
在方法S100之各種實施方案中，第一表面小於第二表面。在方法S100之各種實施方案中，該一或多個電極包含形成為陣列之複數個個別相異一或多個電極表面區域。
在方法S100之各種實施方案中，以介於約1 mV與約300 V之間的電壓來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。在各種實施方案中，以介於約1 mV與約20 V之間的電壓來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
在方法S100之各種實施方案中，以介於約10 Hz與約10 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。在各種實施方案中，以介於約1 kHz與約1 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
在方法S100之各種實施方案中，一或多個電極包含透明導電材料或經摻雜半導電材料中之至少一者。在各種實施方案中，該透明導電材料包含氧化銦錫、石墨烯、經摻雜石墨烯、導電聚合物或薄金屬層。
在方法S100之各種實施方案中，該一或多個電極具有介於約1 nm至約50 µm之間的厚度。在各種實施方案中，該一或多個電極具有介於約10 nm至約5 µm之間的厚度。
在方法S100之各種實施方案中，該流體包含以下各項中之一者：水性流體、水性緩衝液、有機溶劑、疏水性流體或氣體。在方法S100之各種實施方案中，該流體係第一流體，該隔室包括與該第一流體不混溶之第二流體。在方法S100之各種實施方案中，該第一流體係疏水性流體且該第二流體係親水性流體，或反之亦然。
在方法S100之各種實施方案中，該粒子具有介於約1 nm至約1 mm之間的大小。在各種實施方案中，該粒子包含以下各項中之一者：生物有機體、生物結構、細胞、活細胞、病毒、油滴、脂質體、微胞、反微胞、蛋白質聚集體、聚合物或表面活性劑集合體。
在各種實施方案中，針對對粒子經固定化以用於探測之位點(可稱為「探測位點」)進行個別定址，可經由阻抗感測而組態回饋控制機制以允許最佳化在自動化工作流程中之細胞擷取。在各種實施方案中，可經由使用經疊加感測頻率之阻抗感測而偵測粒子陷獲事件，藉由對粒子之電容量測(例如，藉由量測細胞膜之電容)而對該經疊加感測頻率進行濾波。可然後藉由濾波器電路而將此頻率與驅動介電泳(DEP)頻率隔離且使此頻率下之量值及相位資訊與經陷獲粒子之預期效應相關。
在各種實施方案中，若偵測到可能指示陷獲一個以上粒子(舉例而言，不期望粒子或細胞類型或者一粒灰塵等)之非預期信號，則可關斷DEP電極，藉此允許流來處理粒子。然後可重新嘗試陷獲程序。在各種實施方案中，可藉由以下操作而執行實時最佳化：將流再循環直至在探測位點處擷取充分百分比之粒子(或細胞)，相應地調整信號電壓及流動速率。在各種實施方案中，程序係類似的，但在透過孔而插入至細胞內部中之MEMS探測器中存在第三電極，從而允許自細胞之內部進行直接阻抗量測。
在各種實施方案中，隔室(例如，腔區)係導電的，從而允許將電信號施加至其內容納之流體內容物。此腔藉由薄膜而與流體流動區分離，該薄膜具有一孔或複數個孔及以與先前實施例相同之方式與每一孔空間覆疊之伴隨DEP電極。可經由透過薄膜孔所傳輸之施加至腔之流體內容物之信號而對包含活細胞及/或囊泡之任何類型之粒子進行陷獲及電穿孔，以便允許對細胞陣列進行經定址電穿孔。此實施例亦可包含位於流體流動區之頂部上之相對電極。另外，可藉由利用材料之實體屏蔽或仔細信號控制而實施奈米孔電穿孔(NEP)信號與DEP信號之間的信號解耦方法。
類似地，在各種實施方案中，NEP腔(先前係MEMS腔)可被組態有流體輸入通道，該流體輸入通道可將任何有效載荷或有效載荷混合物供應至該腔以用於向經DEP陷獲粒子中進行後續NEP遞送。此等流體輸入通道可在來自具有不同有效載荷組合物之多個源之陣列中被多工(例如，組合、重新定向等)或可經組態以供應一種類型之有效載荷組合物。可在晶片上對此等NEP-DEP (探測)位點之單個陣列進行分區以在一個晶片上包含具有經多工組態及/或單個源組態之若干扇區。
在各種實施方案中，中空探測器(例如，尖銳部件)經組態以經由施加至該探測器之信號而允許進行粒子穿透及電穿孔。自MEMS載台之流體芯吸路徑(例如，透過其吸收流體之路徑)允許有效載荷自MEMS腔穿過中空探測器運輸至粒子。在一項此實施方案中，MEMS腔填充有均勻有效載荷流體混合物。在另一此實施方案中，MEMS腔填充有惰性非極性液體且向上穿過中空探測器之內側直至其尖端之流體芯吸路徑填充有極性液體及有效載荷混合物。在操作期間，可在經DEP陷獲粒子內之任何深度處致動及插入此中空探測器，此後將信號施加至該探測器以進行電穿孔及有效載荷遞送。以此方式，可將有效載荷遞送至粒子之任何區且在細胞之情形中，遞送至細胞核。
在各種實施方案中，中空探測器可經組態以接收信號，該信號允許在該中空探測器之內部以較高體積精確度進行有效載荷溶液之可變吸附或解吸附，以便允許在(舉例而言)粒子、細胞或囊泡內之不同區處對流體進行實體體積注入或取樣。
圖11係根據說明性實施方案之操作用於固定化粒子之設備之實例性方法S200的流程圖。如圖11中所展示，方法S200包含在步驟S210處提供電源。方法S200亦包含在步驟S220處提供經組態以產生非線性電場之一或多個電極以及相對電極，該非線性電場用於固定化懸浮於在一或多個電極與相對電極之間流動之流體中之粒子。方法S200亦包含在步驟S230處提供設置接近一或多個電極之表面之薄膜，該一或多個電極之該表面遠離相對電極，其中薄膜經組態以用於將流體與隔室分離，且具有經組態以允許插入設置於隔室中之尖銳部件之開口。
如圖11中所展示，方法S200亦包含在步驟S240處，經由電源跨越一或多個電極以及相對電極供應交流電(AC)，藉此產生振盪非線性電場。方法S200亦包含在步驟S250處，經由由振盪非線性電場產生之介電泳力固定化懸浮於第一流體中之粒子。方法S200視情況包含在步驟S260處，利用經組態以自隔室跨越薄膜而進入之尖銳部件經由薄膜中之開口而探測粒子。在各種實施方案中，尖銳部件包含MEMS結構或NEMS結構。
在各種實施方案中，該方法視情況包含經由開口而操縱被固定化之粒子。在各種實施方案中，該方法視情況包含利用經組態以自隔室跨越薄膜而進入之尖銳部件經由開口而插入粒子。
在方法S200之各種實施方案中，該薄膜包含以下各項中之至少一者：氮化矽、氧化矽、金屬氧化物、碳化物、陶瓷、氧化鋁或聚合物。在方法S200之各種實施方案中，該薄膜具有介於約10 nm至約1 cm之間的厚度。在各種實施方案中，該薄膜具有介於約100 nm至約10 µm之間的厚度。在方法S200之各種實施方案中，該開口具有介於約10 nm至約50 µm之間的大小。在各種實施方案中，該開口具有介於約1 µm至約5 µm之間的大小。
在方法S200之各種實施方案中，該開口之壁具有疏水性塗層或親水性塗層。在各種實施方案中，該疏水性塗層具有介於約95°與約165°之間的接觸角。在方法S100之各種實施方案中，該親水性塗層具有介於約20°與約80°之間的接觸角。
在各種實施方案中，第一表面小於第二表面。在方法S200之各種實施方案中，該一或多個電極包含形成為陣列之複數個個別相異電極表面區域。
在各種實施方案中，以介於約1 mV與約300 V之間的電壓來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。在各種實施方案中，以介於約1 mV與約20 V之間的電壓來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
在各種實施方案中，以介於約10 Hz與約10 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。在各種實施方案中，以介於約1 kHz與約1 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
在各種實施方案中，該一或多個電極包含透明導電材料或經摻雜半導電材料中之至少一者。在各種實施方案中，該透明導電材料包含氧化銦錫、石墨烯、經摻雜石墨烯、導電聚合物或薄金屬層。
在方法S200之各種實施方案中，該一或多個電極具有介於約1 nm至約50 µm之間的厚度。在各種實施方案中，該一或多個電極具有介於約10 nm至約5 µm之間的厚度。
在方法S200之各種實施方案中，該流體包含以下各項中之一者：水性流體、水性緩衝液、有機溶劑、疏水性流體或氣體。在方法S200之各種實施方案中，該流體係第一流體，該隔室包括與該第一流體不混溶之第二流體。在方法S200之各種實施方案中，該第一流體係疏水性流體且該第二流體係親水性流體，或反之亦然。
在各種實施方案中，該粒子具有介於約1 nm至約1 mm之間的大小。在各種實施方案中，該粒子包含以下各項中之一者：生物有機體、生物結構、細胞、活細胞、病毒、油滴、脂質體、微胞、反微胞、蛋白質聚集體、聚合物或表面活性劑集合體。
圖12係根據各種實施例之操作用於固定化粒子之設備之實例性方法S300的流程圖。如圖12中所展示，方法S300包含在步驟S310處提供電源。方法S300亦包含在步驟S320處提供經組態以用於將流體與隔室分離之薄膜。方法S300亦包含在步驟S330處提供設置接近薄膜之表面之電極對，其中電極對經組態以跨越該等電極而產生非線性電場。
如圖12中所展示，方法S300亦包含在步驟S340處，經由電源跨越電極供應交流電(AC)，藉此產生振盪非線性電場。方法S300亦包含在步驟S350處，經由由振盪非線性電場產生之介電泳力固定化懸浮於在電極之間流動之流體中之粒子。方法S300視情況包含在步驟S360處，利用經組態以自隔室跨越薄膜而進入之尖銳部件經由薄膜中之開口而探測粒子。在各種實施方案中，尖銳部件包含MEMS結構或NEMS結構。
在各種實施方案中，該方法視情況包含提供相對電極。在各種實施方案中，該方法視情況包含提供設置接近薄膜之表面之第三電極。在各種實施方案中，第三電極係環形電極。在各種實施方案中，該方法視情況包含經由開口而操縱被固定化之粒子。在各種實施方案中，該方法視情況包含利用經組態以自隔室跨越薄膜而進入之尖銳部件經由開口而插入粒子。
在各種實施方案中，電極中之每一者包括尖銳尖端或平頭尖端。在各種實施方案中，該薄膜包括以下各項中之至少一者：氮化矽、氧化矽、金屬氧化物、碳化物、陶瓷、氧化鋁或聚合物。在各種實施方案中，該薄膜具有介於約10 nm至約1 cm之間的厚度。在各種實施方案中，該薄膜具有介於約100 nm至約10 µm之間的厚度。
在各種實施方案中，該開口具有介於約10 nm至約50 µm之間的大小。在各種實施方案中，該開口具有介於約1 µm至約5 µm之間的大小。
在各種實施方案中，該開口之壁具有疏水性塗層或親水性塗層。在各種實施方案中，該疏水性塗層具有介於約95°與約165°之間的接觸角。在各種實施方案中，該親水性塗層具有介於約20°與約80°之間的接觸角。
在各種實施方案中，第一表面小於第二表面。在各種實施方案中，該薄膜包含形成為陣列之複數個電極對。
在各種實施方案中，以介於約1 mV與約300 V之間的電壓來供應跨越該電極對及該相對電極之該AC。在各種實施方案中，以介於約1 mV與約20 V之間的電壓來供應跨越該電極對及該相對電極之該AC。
在各種實施方案中，以介於約10 Hz與約10 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該電極對及該相對電極之該AC。在各種實施方案中，以介於約1 kHz與約1 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該電極對及該相對電極之該AC。
在各種實施方案中，該電極對中之一個電極包含透明導電材料或經摻雜半導電材料中之至少一者。在各種實施方案中，該透明導電材料包含氧化銦錫、石墨烯、經摻雜石墨烯、導電聚合物或薄金屬層。
在各種實施方案中，該對電極具有介於約1 nm至約50 µm之間的厚度。在各種實施方案中，該對電極具有介於約10 nm至約5 µm之間的厚度。
在各種實施方案中，該流體包含以下各項中之一者：水性流體、水性緩衝液、有機溶劑、疏水性流體或氣體。在方法S300之各種實施方案中，該流體係第一流體，該隔室包括與該第一流體不混溶之第二流體。在方法S300之各種實施方案中，該第一流體係疏水性流體且該第二流體係親水性流體，或反之亦然。實施例陳述
實施例1。一種設備包括：薄膜，其用於將流體與隔室分離；一或多個電極，其設置接近於該薄膜；相對電極，其中該一或多個電極及該相對電極經組態以跨越該一或多個電極及該相對電極而產生非線性電場；及電源，其用於跨越該一或多個電極及該相對電極提供交流電(AC)，藉此產生振盪非線性電場，該振盪非線性電場用於固定化懸浮於在該一或多個電極與該相對電極之間流動之該流體中之粒子。
實施例2。如實施例1之設備，其中該薄膜包括開口。
實施例3。如實施例2之設備，其中該開口允許機械操縱被固定化之該粒子且該機械操縱包含利用經組態以自該隔室跨越該薄膜而進入之尖銳部件來探測該粒子。
實施例4。如任何前述實施例之設備，其中該薄膜包括以下各項中之至少一者：氮化矽、氧化矽、金屬氧化物、碳化物、陶瓷、氧化鋁或聚合物。
實施例5。如任何前述實施例之設備，其中該薄膜具有介於約10 nm至約1 cm之間的厚度。
實施例6。如任何前述實施例之設備，其中該薄膜具有介於約100 nm至約10 µm之間的厚度。
實施例7。如實施例2之設備，其中該開口具有介於約10 nm至約50 µm之間的大小。
實施例8。如任何前述實施例之設備，其中該開口具有介於約1 µm至約5 µm之間的大小。
實施例9。如任何前述實施例之設備，其中該開口之壁具有疏水性塗層或親水性塗層。
實施例10。如實施例9之設備，其中該疏水性塗層具有介於約95°與約165°之間的接觸角。
實施例11。如任何前述實施例之設備，其中該親水性塗層具有介於約20°與約80°之間的接觸角。
實施例12。如任何前述實施例之設備，其中該一或多個電極之表面區域小於該相對電極之表面區域。
實施例13。如任何前述實施例之設備，其中該一或多個電極包括形成為陣列之複數個個別相異電極表面區域。
實施例14。如任何前述實施例之設備，其中以介於約1 mV與約300 V之間的電壓來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
實施例15。如任何前述實施例之設備，其中以介於約1 mV與約20 V之間的電壓來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
實施例16。如任何前述實施例之設備，其中以介於約10 Hz與約10 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
實施例17。如任何前述實施例之設備，其中以介於約1 kHz與約1 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
實施例18。如任何前述實施例之設備，其中該一或多個電極包括透明導電材料或經摻雜半導電材料中之至少一者。
實施例19。如實施例18之設備，其中該透明導電材料包括氧化銦錫、石墨烯、經摻雜石墨烯、導電聚合物或薄金屬層。
實施例20。如任何前述實施例之設備，其中該一或多個電極具有介於約1 nm至約50 µm之間的厚度。
實施例21。如任何前述實施例之設備，其中該一或多個電極具有介於約10 nm至約5 µm之間的厚度。
實施例22。如任何前述實施例之設備，其中該流體包括以下各項中之一者：水性流體、水性緩衝液、有機溶劑、疏水性流體或氣體。
實施例23。如任何前述實施例之設備，其中該粒子具有介於約1 nm至約1 mm之間的大小。
實施例24。如任何前述實施例之設備，其中該粒子包括以下各項中之一者：生物有機體、生物結構、細胞、活細胞、病毒、油滴、脂質體、微胞、反微胞、蛋白質聚集體、聚合物或表面活性劑集合體。
實施例25。如任何前述實施例之設備，其中該隔室包括微機電系統(MEMS)結構或奈米機電系統(NEMS)結構。
實施例26。一種用於操作設備之方法包括：提供電源；提供經組態以用於將流體與隔室分離之薄膜；提供設置接近於該薄膜之一或多個電極；提供相對電極，其中該一或多個電極及該相對電極經組態以跨越該一或多個電極及該相對電極而產生非線性電場；經由該電源跨越該一或多個電極及該相對電極供應交流電(AC)，藉此產生振盪非線性電場；及經由由該振盪非線性電場產生之介電泳力固定化懸浮於在該一或多個電極與該相對電極之間流動之該流體中之粒子。
實施例27。如實施例26之方法，其中該薄膜包括開口。
實施例28。如任何前述實施例之方法，其進一步包括經由該開口而操縱被固定化之該粒子。
實施例29。如任何前述實施例之方法，其進一步包括用經組態以自該隔室跨越該薄膜而進入之尖銳部件經由該開口而探測該粒子。
實施例30。如任何前述實施例之方法，其進一步包括利用經組態以自該隔室跨越該薄膜而進入之尖銳部件經由該開口而插入該粒子。
實施例31。如實施例30之方法，其中該尖銳部件包括微機電系統(MEMS)結構或奈米機電系統(NEMS)結構。
實施例32。如任何前述實施例之方法，其中該薄膜包括以下各項中之至少一者：氮化矽、氧化矽、金屬氧化物、碳化物、陶瓷、氧化鋁或聚合物。
實施例33。如任何前述實施例之方法，其中該薄膜具有介於約10 nm至約1 cm之間的厚度。
實施例34。如任何前述實施例之方法，其中該薄膜具有介於約100 nm至約10 µm之間的厚度。
實施例35。如任何前述實施例之方法，其中該開口具有介於約10 nm至約50 µm之間的大小。
實施例36。如任何前述實施例之方法，其中該開口具有介於約1 µm至約5 µm之間的大小。
實施例37。如任何前述實施例之方法，其中該開口之壁具有疏水性塗層或親水性塗層。
實施例38。如實施例37之方法，其中該疏水性塗層具有介於約95°與約165°之間的接觸角。
實施例39。如任何前述實施例之方法，其中該親水性塗層具有介於約20°與約80°之間的接觸角。
實施例40。如任何前述實施例之方法，其中該一或多個電極之表面區域小於該相對電極之表面區域。
實施例41。如任何前述實施例之方法，其中該一或多個電極包括形成為陣列之複數個個別相異電極表面區域。
實施例42。如任何前述實施例之方法，其中以介於約1 mV與約300 V之間的電壓來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
實施例43。如任何前述實施例之方法，其中以介於約1 mV與約20 V之間的電壓來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
實施例44。如任何前述實施例之方法，其中以介於約10 Hz與約10 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
實施例45。如任何前述實施例之方法，其中以介於約1 kHz與約1 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
實施例46。如任何前述實施例之方法，其中該一或多個電極包括透明導電材料或經摻雜半導電材料中之至少一者。
實施例47。如任何前述實施例之方法，其中該透明導電材料包括氧化銦錫、石墨烯、經摻雜石墨烯、導電聚合物或薄金屬層。
實施例48。如任何前述實施例之方法，其中該一或多個電極具有介於約1 nm至約50 µm之間的厚度。
實施例49。如任何前述實施例之方法，其中該一或多個電極具有介於約10 nm至約5 µm之間的厚度。
實施例50。如任何前述實施例之方法，其中該流體包括以下各項中之一者：水性流體、水性緩衝液、有機溶劑、疏水性流體或氣體。
實施例51。如任何前述實施例之方法，其中該粒子具有介於約1 nm至約1 mm之間的大小。
實施例52。如任何前述實施例之方法，其中該粒子包括以下各項中之一者：生物有機體、生物結構、細胞、活細胞、病毒、油滴、脂質體、微胞、反微胞、蛋白質聚集體、聚合物或表面活性劑集合體。
實施例53。一種設備包括：一或多個電極以及相對電極，其經組態以用於產生非線性電場，該非線性電場用於固定化懸浮於在該一或多個電極與該相對電極之間流動之流體中之粒子；及薄膜，其設置接近該一或多個電極之表面，該一或多個電極之該表面遠離該相對電極，其中該薄膜經組態以用於將該流體與隔室分離，且具有經組態以允許插入設置於該隔室中之尖銳部件之開口。
實施例54。如實施例53之設備，其中該尖銳部件係微機電系統(MEMS)結構或奈米機電系統(NEMS)結構。
實施例55。如任何前述實施例之設備，其中該薄膜包括以下各項中之至少一者：氮化矽、氧化矽、金屬氧化物、碳化物、陶瓷、氧化鋁或聚合物。
實施例56。如任何前述實施例之設備，其中該薄膜具有介於約10 nm至約1 cm之間的厚度。
實施例57。如任何前述實施例之設備，其中該薄膜具有介於約100 nm至約10 µm之間的厚度。
實施例58。如任何前述實施例之設備，其中該開口具有介於約10 nm至約50 µm之間的大小。
實施例59。如任何前述實施例之設備，其中該開口具有介於約1 µm至約5 µm之間的大小。
實施例60。如任何前述實施例之設備，其中該開口之壁具有疏水性塗層或親水性塗層。
實施例61。如實施例60之設備，其中該疏水性塗層具有介於約95°與約165°之間的接觸角。
實施例62。如任何前述實施例之設備，其中該親水性塗層具有介於約20°與約80°之間的接觸角。
實施例63。如任何前述實施例之設備，其中該一或多個電極之表面區域小於該相對電極之表面區域。
實施例64。如任何前述實施例之設備，其中該一或多個電極包括形成為陣列之複數個個別相異電極表面區域。
實施例65。如任何前述實施例之設備，其進一步包括：電源，其用於跨越該一或多個電極及該相對電極供應交流電(AC)。
實施例66。如實施例65之設備，其中以介於約1 mV與約300 V之間的電壓來供應該AC。
實施例67。如任何前述實施例之設備，其中以介於約1 mV與約20 V之間的電壓來供應該AC。
實施例68。如任何前述實施例之設備，其中以介於約10 Hz與約10 GHz之間的振盪頻率來供應該AC。
實施例69。如任何前述實施例之設備，其中以介於約1 kHz與約1 GHz之間的振盪頻率來供應該AC。
實施例70。如任何前述實施例之設備，其中該一或多個電極包括透明導電材料或經摻雜半導電材料中之至少一者。
實施例71。如實施例70之設備，其中該透明導電材料包括氧化銦錫、石墨烯、經摻雜石墨烯、導電聚合物或薄金屬層。
實施例72。如任何前述實施例之設備，其中該一或多個電極具有介於約1 nm至約50 µm之間的厚度。
實施例73。如任何前述實施例之設備，其中該一或多個電極具有介於約10 nm至約5 µm之間的厚度。
實施例74。如任何前述實施例之設備，其中該流體包括以下各項中之一者：水性流體、水性緩衝液、有機溶劑、疏水性流體或氣體。
實施例75。如任何前述實施例之設備，其中該粒子具有介於約1 nm至約1 mm之間的大小。
實施例76。如任何前述實施例之設備，其中該粒子包括以下各項中之一者：生物有機體、生物結構、細胞、活細胞、病毒、油滴、脂質體、微胞、反微胞、蛋白質聚集體、聚合物或表面活性劑集合體。
實施例77。一種用於操作設備之方法包括：提供電源；提供經組態以用於產生非線性電場之一或多個電極以及相對電極，該非線性電場用於固定化懸浮於在該一或多個電極與該相對電極之間流動之流體中之粒子；提供設置接近該一或多個電極之表面之薄膜，該一或多個電極之該表面遠離該相對電極，其中該薄膜經組態以用於將該流體與隔室分離，且具有經組態以允許插入設置於該隔室中之尖銳部件之開口；經由該電源跨越該一或多個電極及該相對電極供應交流電(AC)，藉此產生振盪非線性電場；及經由由該振盪非線性電場產生之介電泳力固定化懸浮於該流體中之粒子。
實施例78。如實施例77之方法，其中該薄膜包括開口。
實施例79。如任何前述實施例之方法，其進一步包括經由該開口而操縱被固定化之該粒子。
實施例80。如任何前述實施例之方法，其進一步包括利用經組態以自該隔室跨越該薄膜而進入之尖銳部件經由該開口而探測該粒子。
實施例81。如任何前述實施例之方法，其進一步包括利用經組態以自該隔室跨越該薄膜而進入之尖銳部件經由該開口而插入該粒子。
實施例82。如實施例81之方法，其中該尖銳部件包括微機電系統(MEMS)結構或奈米機電系統(NEMS)結構。
實施例83。如任何前述實施例之方法，其中該薄膜包括以下各項中之至少一者：氮化矽、氧化矽、金屬氧化物、碳化物、陶瓷、氧化鋁或聚合物。
實施例84。如任何前述實施例之方法，其中該薄膜具有介於約10 nm至約1 cm之間的厚度。
實施例85。如任何前述實施例之方法，其中該薄膜具有介於約100 nm至約10 µm之間的厚度。
實施例86。如任何前述實施例之方法，其中該開口具有介於約10 nm至約50 µm之間的大小。
實施例87。如任何前述實施例之方法，其中該開口具有介於約1 µm至約5 µm之間的大小。
實施例88。如任何前述實施例之方法，其中該開口之壁具有疏水性塗層或親水性塗層。
實施例89。如實施例88之方法，其中該疏水性塗層具有介於約95°與約165°之間的接觸角。
實施例90。如任何前述實施例之方法，其中該親水性塗層具有介於約20°與約80°之間的接觸角。
實施例91。如任何前述實施例之方法，其中該一或多個電極之表面區域小於該相對電極之表面區域。
實施例92。如任何前述實施例之方法，其中該一或多個電極包括形成為陣列之複數個個別相異電極表面區域。
實施例93。如任何前述實施例之方法，其中以介於約1 mV與約300 V之間的電壓來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
實施例94。如任何前述實施例之方法，其中以介於約1 mV與約20 V之間的電壓來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
實施例95。如任何前述實施例之方法，其中以介於約10 Hz與約10 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
實施例96。如任何前述實施例之方法，其中以介於約1 kHz與約1 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
實施例97。如任何前述實施例之方法，其中該一或多個電極包括透明導電材料或經摻雜半導電材料中之至少一者。
實施例98。如實施例97之方法，其中該透明導電材料包括氧化銦錫、石墨烯、經摻雜石墨烯、導電聚合物或薄金屬層。
實施例99。如任何前述實施例之方法，其中該一或多個電極具有介於約1 nm至約50 µm之間的厚度。
實施例100。如任何前述實施例之方法，其中該一或多個電極具有介於約10 nm至約5 µm之間的厚度。
實施例101。如任何前述實施例之方法，其中該流體包括以下各項中之一者：水性流體、水性緩衝液、有機溶劑、疏水性流體或氣體。
實施例102。如實施例101之方法，其中該流體係第一流體，該隔室進一步包括第二流體，其中該第一流體係疏水性流體且該第二流體係親水性流體，或反之亦然。
實施例103。如任何前述實施例之方法，其中該第一流體與該第二流體係不混溶的。
實施例104。如任何前述實施例之方法，其中該粒子具有介於約1 nm至約1 mm之間的大小。
實施例105。如任何前述實施例之方法，其中該粒子包括以下各項中之一者：生物有機體、生物結構、細胞、活細胞、病毒、油滴、脂質體、微胞、反微胞、蛋白質聚集體、聚合物或表面活性劑集合體。
實施例106。如任何前述實施例之設備，其中該流體係第一流體，該隔室包括與該第一流體不混溶之第二流體。
實施例107。如任何前述實施例之方法，其中該第一流體係疏水性流體且該第二流體係親水性流體，或反之亦然。
實施例108。如任何前述實施例之方法，其中該流體係第一流體，該隔室包括與該第一流體不混溶之第二流體。
實施例109。如實施例108之方法，其中該第一流體係疏水性流體且該第二流體係親水性流體，或反之亦然。
實施例110。如任何前述實施例之設備，其中該流體係第一流體，該隔室包括與該第一流體不混溶之第二流體。
實施例111。如實施例110之設備，其中該第一流體係疏水性流體且該第二流體係親水性流體，或反之亦然。
實施例112。一種用於操作設備之方法包括：提供電源；提供經組態以用於將流體與隔室分離之薄膜；提供設置接近該薄膜之表面之電極對，其中該電極對經組態以跨越該等電極而產生非線性電場；經由該電源跨越該等電極供應交流電(AC)，藉此產生振盪非線性電場；及經由由該振盪非線性電場產生之介電泳力固定化懸浮於在該等電極之間流動之該流體中之粒子。
實施例113。如實施例112之方法，其進一步包括提供相對電極，其中該薄膜包括開口。
實施例114。如任何前述實施例之方法，其進一步包括提供設置接近該薄膜之該表面之第三電極。
實施例115。如任何前述實施例之方法，其進一步包括利用經組態以自該隔室跨越該薄膜而進入之尖銳部件經由該開口而探測該粒子。
實施例116。如任何前述實施例之方法，其進一步包括：利用經組態以自該隔室跨越該薄膜而進入之尖銳部件經由該開口而插入該粒子。
實施例117。如任何前述實施例之方法，其中該等電極中之每一者包括尖銳尖端或平頭尖端，或該第三電極係環形電極。
實施例118。如任何前述實施例之方法，其中該尖銳部件包括微機電系統(MEMS)結構或奈米機電系統(NEMS)結構。
實施例119。如任何前述實施例之方法，其中該薄膜包括以下各項中之至少一者：氮化矽、氧化矽、金屬氧化物、碳化物、陶瓷、氧化鋁或聚合物。
實施例120。如任何前述實施例之方法，其中該薄膜具有介於約10 nm至約1 cm之間的厚度。
實施例121。如任何前述實施例之方法，其中該薄膜具有介於約100 nm至約10 µm之間的厚度。
實施例122。如任何前述實施例之方法，其中該開口具有介於約10 nm至約50 µm之間的大小。
實施例123。如任何前述實施例之方法，其中該開口具有介於約1 µm至約5 µm之間的大小。
實施例124。如任何前述實施例之方法，其中該開口之壁具有疏水性塗層或親水性塗層。
實施例125。如任何前述實施例之方法，其中該疏水性塗層具有介於約95°與約165°之間的接觸角。
實施例126。如任何前述實施例之方法，其中該親水性塗層具有介於約20°與約80°之間的接觸角。
實施例127。如任何前述實施例之方法，其中該開口設置於該電極對之間。
實施例128。如任何前述實施例之方法，其中該薄膜包括形成為陣列之複數個電極對以及複數個開口，其中該等開口中之每一者設置於該複數個電極對中之每一者之間。
實施例129。如任何前述實施例之方法，其中以介於約1 mV與約300 V之間的電壓來供應跨越該電極對及該相對電極之該AC。
實施例130。如任何前述實施例之方法，其中以介於約1 mV與約20 V之間的電壓來供應跨越該電極對及該相對電極之該AC。
實施例131。如任何前述實施例之方法，其中以介於約10 Hz與約10 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該電極對及該相對電極之該AC。
實施例132。如任何前述實施例之方法，其中以介於約1 kHz與約1 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該電極對及該相對電極之該AC。
實施例133。如任何前述實施例之方法，其中該電極對中之一個電極包括透明導電材料或經摻雜半導電材料中之至少一者。
實施例134。如實施例133之方法，其中該透明導電材料包括氧化銦錫、石墨烯、經摻雜石墨烯、導電聚合物或薄金屬層。
實施例135。如任何前述實施例之方法，其中該對電極具有介於約1 nm至約50 µm之間的厚度。
實施例136。如任何前述實施例之方法，其中該對電極具有介於約10 nm至約5 µm之間的厚度。
實施例137。如任何前述實施例之方法，其中該流體包括以下各項中之一者：水性流體、水性緩衝液、有機溶劑、疏水性流體或氣體。
實施例138。如任何前述實施例之方法，其中該粒子具有介於約1 nm至約1 mm之間的大小。
實施例139。如任何前述實施例之方法，其中該粒子包括以下各項中之一者：生物有機體、生物結構、細胞、活細胞、病毒、油滴、脂質體、微胞、反微胞、蛋白質聚集體、聚合物或表面活性劑集合體。
實施例140。如任何前述實施例之方法，其中該流體係第一流體，該隔室包括與該第一流體不混溶之第二流體。
實施例141。如實施例140之方法，其中該第一流體係疏水性流體且該第二流體係親水性流體，或反之亦然。
實施例142。如任何前述實施例之設備，其中該電極設置接近於該薄膜之表面，該表面遠離該隔室。
實施例143。如任何前述實施例之設備，其中該電極設置接近於該薄膜之表面，該表面接近於該隔室。
實施例144。如實施例26之方法，其中該電極設置接近於該薄膜之表面，該表面遠離該隔室。
實施例145。如實施例26之方法，其中該電極設置接近於該薄膜之表面，該表面接近於該隔室。
儘管本說明書含有諸多特定實施方案細節，但不應將此等特定實施方案細節視為對任何發明或可主張之範疇之限制，而是應將其視為特定發明之特定實施方案所特有之特徵之說明。亦可將本說明書中在單獨實施方案之內容脈絡中闡述之某些特徵以組合實施於單個實施方案中。相反地，在單個實施方案之內容脈絡中闡述之各種特徵亦可單獨地或以任何適合子組合實施於多個實施方案中。此外，雖然上文可將特徵闡述為以某些組合起作用且甚至最初主張如此，但來自所主張組合之一或多個特徵在某些情形中可自該組合去除，且該所主張組合可針對於子組合或子組合之變化形式。
類似地，儘管在圖式中以特定次序繪示操作，但不應將此理解為需要以所展示之特定次序或以順序次序執行此等操作，或執行所有所圖解說明操作以達成合意結果。在某些情形下，多任務及並行處理可為有利的。此外，上文所闡述之實施方案中之各種系統組件之分離不應被理解為需要在所有實施方案中進行此分離，而應理解為所闡述之程式組件及系統通常可一起整合於單個軟體產品中或封裝至多個軟體產品中。
對「或」之提及可解釋為包含性的，使得使用「或」所闡述之任何術語可指示單個、一個以上及所有所闡述術語中之任一者。標籤「第一」、「第二」、「第三」等等未必意欲指示排序且一般而言僅用於在相似或類似項目或元素之間進行區分。
熟習此項技術者可易於明瞭對本發明中所闡述之實施方案之各種修改，且可將本文中所界定之一般原理應用於其他實施方案而不背離本發明之精神或範疇。因此，申請專利範圍並不意欲限於本文中所展示之實施方案，而是被賦予與本發明、本文中所揭示之原理及新穎特徵相一致之最寬廣範疇。
100:設備 110:薄膜 120:電極 125:開口 130:互連件/互連層 140:相對電極 150:鈍化層 160:通道 165:粒子 180:隔室 185:尖銳部件 200a:設備 200b:設備 200c:設備 200d:設備 205d:材料 210a:薄膜 210b:薄膜 210c:薄膜 225a:開口 225b:開口 225c:開口 225d:開口 230a1:金屬層 230a2:金屬層 230b1:金屬層 230b2:金屬層 230c1:金屬層 230c2:金屬層 250a:鈍化層 250b:鈍化層 250c:鈍化層 260d:通道 270a1:塗層 270a2:塗層 270b1:塗層 270b2:塗層 270c:塗層 280d:隔室 290d:電極層 298d:通孔 300a:圖解說明 300b:圖解說明 300c:圖解說明 300d:圖解說明 310:薄膜 325:開口 330:金屬層 350:鈍化層 360:通道 363:內部分 365:粒子 380:隔室 383b:中空內部分/內部分 383d:中空內部分/內部分 385a:尖銳部件 385b:尖銳部件 385c:尖銳部件 385d:尖銳部件 388b:經塗佈尖端 388c:塗層 388d:塗層 400:設備 405:材料 410:薄膜 425:開口 430:金屬層 440:相對電極 450:鈍化層 460:通道 463:內部分 465:粒子/經陷獲粒子/經固定化粒子 480:隔室 483:內中空部分/內部部分/內部分/中空部分 485:尖銳部件 486:入口 490:電極層 495:基板平台 496:芯吸結構 498:通孔 500a:設備400之剖面圖 500b:設備400之另一視圖 500c:基座之放大透視圖 500d:基座之放大剖面圖 600a:電極組態 600b:電極組態 600c:電極組態 600d:電極組態 610d:薄膜 620a:電極對/電極 620b:電極對/電極 620c:電極對/電極 620d:電極對/電極 622c:環形電極 625a:開口 625b:開口 625c:開口 625d:開口 630c:埋入式互連件 650a:鈍化材料 650b:鈍化材料 650c:介電材料/鈍化材料 650d:介電材料/鈍化材料 700a:電極組態/組態 700b:電極組態/組態 700c:剖面圖 704:窗 710:薄膜 720:電極對/電極 725:開口 730:互連層/互連件 750:絕緣層 752:介電層 800:圖形圖式 820:電極 824:電場線 840:相對電極 900:三維圖表/圖表 S100:方法 S110:步驟 S120:步驟 S130:步驟 S140:步驟 S150:步驟 S160:步驟 S170:步驟 S200:方法 S210:步驟 S220:步驟 S230:步驟 S240:步驟 S250:步驟 S260:步驟 S300:方法 S310:步驟 S320:步驟 S330:步驟 S340:步驟 S350:步驟 S360:步驟 A-A’:線
隨附圖式並不意欲按比例繪製。在各個圖式中，相似元件符號及名稱指示相似元件。為清晰起見，並非每一組件皆可標記於每一圖式中。在各圖式中：
圖1A至圖1D展示根據各種實施例之經組態以用於固定化粒子之設備之示意圖。
圖2A至圖2D展示根據各種實施例之經組態以用於固定化粒子之設備之示意性圖解說明。
圖3A至圖3D展示根據各種實施例之經組態以用於探詢(interrogation)粒子之設備之示意性圖解說明。
圖4展示根據各種實施例之經組態以用於對粒子進行位置操縱之設備之示意性圖解說明。
圖5A至圖5D係根據各種實施例之經組態以用於對粒子進行位置操縱之設備400之各種示意圖。
圖6A至圖6D圖解說明根據各種實施例之經組態以用於固定化粒子之設備之各種組態。
圖7A至圖7C展示根據各種實施例之經組態以用於固定化複數個粒子之設備之各種組態之示意性圖解說明。
圖8係顯示根據各種實施例之針對用於固定化粒子之設備之模擬結果的圖形圖式。
圖9係展示根據各種實施例之針對用於固定化粒子之設備之分析結果的三維圖表。
圖10係根據各種實施例之操作用於固定化粒子之設備之實例性方法的流程圖。
圖11係根據各種實施例之操作用於固定化粒子之設備之實例性方法的流程圖。
圖12係根據各種實施例之操作用於固定化粒子之設備之實例性方法的流程圖。
100:設備
110:薄膜
120:電極
125:開口
130:互連件/互連層
140:相對電極
150:鈍化層
160:通道
165:粒子
180:隔室
185:尖銳部件

Claims (145)

  1. 一種設備，其包括： 薄膜，其用於將流體與隔室分離； 一或多個電極，其設置接近於該薄膜； 相對電極， 其中該一或多個電極及該相對電極經組態以跨越該一或多個電極及該相對電極而產生非線性電場；及 電源，其用於跨越該一或多個電極及該相對電極提供交流電(AC)，藉此產生振盪非線性電場，該振盪非線性電場用於固定化懸浮於在該一或多個電極與該相對電極之間流動之該流體中之粒子。
  2. 如請求項1之設備，其中該薄膜包括開口。
  3. 如請求項2之設備，其中該開口允許機械操縱被固定化之該粒子且該機械操縱包含利用經組態以自該隔室跨越該薄膜而進入之尖銳部件來探測該粒子。
  4. 如請求項1之設備，其中該薄膜包括以下各項中之至少一者：氮化矽、氧化矽、金屬氧化物、碳化物、陶瓷、氧化鋁或聚合物。
  5. 如請求項1之設備，其中該薄膜具有介於約10 nm至約1 cm之間的厚度。
  6. 如請求項1之設備，其中該薄膜具有介於約100 nm至約10 µm之間的厚度。
  7. 如請求項2之設備，其中該開口具有介於約10 nm至約50 µm之間的大小。
  8. 如請求項2之設備，其中該開口具有介於約1 µm至約5 µm之間的大小。
  9. 如請求項2之設備，其中該開口之壁具有疏水性塗層或親水性塗層。
  10. 如請求項9之設備，其中該疏水性塗層具有介於約95°與約165°之間的接觸角。
  11. 如請求項9之設備，其中該親水性塗層具有介於約20°與約80°之間的接觸角。
  12. 如請求項1之設備，其中該一或多個電極之表面區域小於該相對電極之表面區域。
  13. 如請求項1之設備，其中該一或多個電極包括形成為陣列之複數個個別相異電極表面區域。
  14. 如請求項1之設備，其中以介於約1 mV與約300 V之間的電壓來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
  15. 如請求項1之設備，其中以介於約1 mV與約20 V之間的電壓來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
  16. 如請求項1之設備，其中以介於約10 Hz與約10 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
  17. 如請求項1之設備，其中以介於約1 kHz與約1 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
  18. 如請求項1之設備，其中該一或多個電極包括透明導電材料或經摻雜半導電材料中之至少一者。
  19. 如請求項18之設備，其中該透明導電材料包括氧化銦錫、石墨烯、經摻雜石墨烯、導電聚合物或薄金屬層。
  20. 如請求項1之設備，其中該一或多個電極具有介於約1 nm至約50 µm之間的厚度。
  21. 如請求項1之設備，其中該一或多個電極具有介於約10 nm至約5 µm之間的厚度。
  22. 如請求項1之設備，其中該流體包括以下各項中之一者：水性流體、水性緩衝液、有機溶劑、疏水性流體或氣體。
  23. 如請求項1之設備，其中該粒子具有介於約1 nm至約1 mm之間的大小。
  24. 如請求項1之設備，其中該粒子包括以下各項中之一者：生物有機體、生物結構、細胞、活細胞、病毒、油滴、脂質體、微胞、反微胞、蛋白質聚集體、聚合物或表面活性劑集合體。
  25. 如請求項1之設備，其中該隔室包括微機電系統(MEMS)結構或奈米機電系統(NEMS)結構。
  26. 一種用於操作設備之方法，其包括： 提供電源； 提供經組態以用於將流體與隔室分離之薄膜； 提供設置接近於該薄膜之一或多個電極； 提供相對電極， 其中該一或多個電極及該相對電極經組態以跨越該一或多個電極及該相對電極而產生非線性電場； 經由該電源跨越該一或多個電極及該相對電極供應交流電(AC)，藉此產生振盪非線性電場；及 經由由該振盪非線性電場產生之介電泳力固定化懸浮於在該一或多個電極與該相對電極之間流動之該流體中之粒子。
  27. 如請求項26之方法，其中該薄膜包括開口。
  28. 如請求項27之方法，其進一步包括： 經由該開口而操縱被固定化之該粒子。
  29. 如請求項27之方法，其進一步包括： 利用經組態以自該隔室跨越該薄膜而進入之尖銳部件經由該開口而探測該粒子。
  30. 如請求項27之方法，其進一步包括： 利用經組態以自該隔室跨越該薄膜而進入之尖銳部件經由該開口而插入該粒子。
  31. 如請求項30之方法，其中該尖銳部件包括微機電系統(MEMS)結構或奈米機電系統(NEMS)結構。
  32. 如請求項26之方法，其中該薄膜包括以下各項中之至少一者：氮化矽、氧化矽、金屬氧化物、碳化物、陶瓷、氧化鋁或聚合物。
  33. 如請求項26之方法，其中該薄膜具有介於約10 nm至約1 cm之間的厚度。
  34. 如請求項26之方法，其中該薄膜具有介於約100 nm至約10 µm之間的厚度。
  35. 如請求項27之方法，其中該開口具有介於約10 nm至約50 µm之間的大小。
  36. 如請求項27之方法，其中該開口具有介於約1 µm至約5 µm之間的大小。
  37. 如請求項27之方法，其中該開口之壁具有疏水性塗層或親水性塗層。
  38. 如請求項37之方法，其中該疏水性塗層具有介於約95°與約165°之間的接觸角。
  39. 如請求項37之方法，其中該親水性塗層具有介於約20°與約80°之間的接觸角。
  40. 如請求項26之方法，其中該一或多個電極之表面區域小於該相對電極之表面區域。
  41. 如請求項26之方法，其中該一或多個電極包括形成為陣列之複數個個別相異電極表面區域。
  42. 如請求項26之方法，其中以介於約1 mV與約300 V之間的電壓來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
  43. 如請求項26之方法，其中以介於約1 mV與約20 V之間的電壓來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
  44. 如請求項26之方法，其中以介於約10 Hz與約10 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
  45. 如請求項26之方法，其中以介於約1 kHz與約1 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
  46. 如請求項26之方法，其中該一或多個電極包括透明導電材料或經摻雜半導電材料中之至少一者。
  47. 如請求項46之方法，其中該透明導電材料包括氧化銦錫、石墨烯、經摻雜石墨烯、導電聚合物或薄金屬層。
  48. 如請求項26之方法，其中該一或多個電極具有介於約1 nm至約50 µm之間的厚度。
  49. 如請求項26之方法，其中該一或多個電極具有介於約10 nm至約5 µm之間的厚度。
  50. 如請求項26之方法，其中該流體包括以下各項中之一者：水性流體、水性緩衝液、有機溶劑、疏水性流體或氣體。
  51. 如請求項26之方法，其中該粒子具有介於約1 nm至約1 mm之間的大小。
  52. 如請求項26之方法，其中該粒子包括以下各項中之一者：生物有機體、生物結構、細胞、活細胞、病毒、油滴、脂質體、微胞、反微胞、蛋白質聚集體、聚合物或表面活性劑集合體。
  53. 一種設備，其包括： 一或多個電極以及相對電極，其經組態以用於產生非線性電場，該非線性電場用於固定化懸浮於在該一或多個電極與該相對電極之間流動之流體中之粒子；及 薄膜，其設置接近該一或多個電極之表面，該一或多個電極之該表面遠離該相對電極， 其中該薄膜經組態以用於將該流體與隔室分離，且具有經組態以允許插入設置於該隔室中之尖銳部件之開口。
  54. 如請求項53之設備，其中該尖銳部件係微機電系統(MEMS)結構或奈米機電系統(NEMS)結構。
  55. 如請求項53之設備，其中該薄膜包括以下各項中之至少一者：氮化矽、氧化矽、金屬氧化物、碳化物、陶瓷、氧化鋁或聚合物。
  56. 如請求項53之設備，其中該薄膜具有介於約10 nm至約1 cm之間的厚度。
  57. 如請求項53之設備，其中該薄膜具有介於約100 nm至約10 µm之間的厚度。
  58. 如請求項53之設備，其中該開口具有介於約10 nm至約50 µm之間的大小。
  59. 如請求項53之設備，其中該開口具有介於約1 µm至約5 µm之間的大小。
  60. 如請求項53之設備，其中該開口之壁具有疏水性塗層或親水性塗層。
  61. 如請求項60之設備，其中該疏水性塗層具有介於約95°與約165°之間的接觸角。
  62. 如請求項60之設備，其中該親水性塗層具有介於約20°與約80°之間的接觸角。
  63. 如請求項53之設備，其中該一或多個電極之表面區域小於該相對電極之表面區域。
  64. 如請求項53之設備，其中該一或多個電極包括形成為陣列之複數個個別相異電極表面區域。
  65. 如請求項53之設備，其進一步包括： 電源，其用於跨越該一或多個電極及該相對電極供應交流電(AC)。
  66. 如請求項65之設備，其中以介於約1 mV與約300 V之間的電壓來供應該AC。
  67. 如請求項65之設備，其中以介於約1 mV與約20 V之間的電壓來供應該AC。
  68. 如請求項65之設備，其中以介於約10 Hz與約10 GHz之間的振盪頻率來供應該AC。
  69. 如請求項65之設備，其中以介於約1 kHz與約1 GHz之間的振盪頻率來供應該AC。
  70. 如請求項65之設備，其中該一或多個電極包括透明導電材料或經摻雜半導電材料中之至少一者。
  71. 如請求項70之設備，其中該透明導電材料包括氧化銦錫、石墨烯、經摻雜石墨烯、導電聚合物或薄金屬層。
  72. 如請求項53之設備，其中該一或多個電極具有介於約1 nm至約50 µm之間的厚度。
  73. 如請求項53之設備，其中該一或多個電極具有介於約10 nm至約5 µm之間的厚度。
  74. 如請求項53之設備，其中該流體包括以下各項中之一者：水性流體、水性緩衝液、有機溶劑、疏水性流體或氣體。
  75. 如請求項53之設備，其中該粒子具有介於約1 nm至約1 mm之間的大小。
  76. 如請求項53之設備，其中該粒子包括以下各項中之一者：生物有機體、生物結構、細胞、活細胞、病毒、油滴、脂質體、微胞、反微胞、蛋白質聚集體、聚合物或表面活性劑集合體。
  77. 一種用於操作設備之方法，其包括： 提供電源； 提供經組態以用於產生非線性電場之一或多個電極以及相對電極，該非線性電場用於固定化懸浮於在該一或多個電極與該相對電極之間流動之流體中之粒子； 提供設置接近該一或多個電極之表面之薄膜，該一或多個電極之該表面遠離該相對電極， 其中該薄膜經組態以用於將該流體與隔室分離，且具有經組態以允許插入設置於該隔室中之尖銳部件之開口； 經由該電源跨越該一或多個電極及該相對電極供應交流電(AC)，藉此產生振盪非線性電場；及 經由由該振盪非線性電場產生之介電泳力固定化懸浮於該流體中之粒子。
  78. 如請求項77之方法，其中該薄膜包括開口。
  79. 如請求項78之方法，其進一步包括： 經由該開口而操縱被固定化之該粒子。
  80. 如請求項78之方法，其進一步包括： 利用經組態以自該隔室跨越該薄膜而進入之尖銳部件經由該開口而探測該粒子。
  81. 如請求項78之方法，其進一步包括： 利用經組態以自該隔室跨越該薄膜而進入之尖銳部件經由該開口而插入該粒子。
  82. 如請求項81之方法，其中該尖銳部件包括微機電系統(MEMS)結構或奈米機電系統(NEMS)結構。
  83. 如請求項77之方法，其中該薄膜包括以下各項中之至少一者：氮化矽、氧化矽、金屬氧化物、碳化物、陶瓷、氧化鋁或聚合物。
  84. 如請求項77之方法，其中該薄膜具有介於約10 nm至約1 cm之間的厚度。
  85. 如請求項77之方法，其中該薄膜具有介於約100 nm至約10 µm之間的厚度。
  86. 如請求項78之方法，其中該開口具有介於約10 nm至約50 µm之間的大小。
  87. 如請求項78之方法，其中該開口具有介於約1 µm至約5 µm之間的大小。
  88. 如請求項78之方法，其中該開口之壁具有疏水性塗層或親水性塗層。
  89. 如請求項88之方法，其中該疏水性塗層具有介於約95°與約165°之間的接觸角。
  90. 如請求項88之方法，其中該親水性塗層具有介於約20°與約80°之間的接觸角。
  91. 如請求項77之方法，其中該一或多個電極之表面區域小於該相對電極之表面區域。
  92. 如請求項77之方法，其中該一或多個電極包括形成為陣列之複數個個別相異電極表面區域。
  93. 如請求項77之方法，其中以介於約1 mV與約300 V之間的電壓來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
  94. 如請求項77之方法，其中以介於約1 mV與約20 V之間的電壓來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
  95. 如請求項77之方法，其中以介於約10 Hz與約10 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
  96. 如請求項77之方法，其中以介於約1 kHz與約1 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該一或多個電極及該相對電極之該AC。
  97. 如請求項77之方法，其中該一或多個電極包括透明導電材料或經摻雜半導電材料中之至少一者。
  98. 如請求項97之方法，其中該透明導電材料包括氧化銦錫、石墨烯、經摻雜石墨烯、導電聚合物或薄金屬層。
  99. 如請求項77之方法，其中該一或多個電極具有介於約1 nm至約50 µm之間的厚度。
  100. 如請求項77之方法，其中該一或多個電極具有介於約10 nm至約5 µm之間的厚度。
  101. 如請求項77之方法，其中該流體包括以下各項中之一者：水性流體、水性緩衝液、有機溶劑、疏水性流體或氣體。
  102. 如請求項101之方法，其中該流體係第一流體，該隔室進一步包括第二流體，其中該第一流體係疏水性流體且該第二流體係親水性流體，或反之亦然。
  103. 如請求項102之方法，其中該第一流體與該第二流體係不混溶的。
  104. 如請求項77之方法，其中該粒子具有介於約1 nm至約1 mm之間的大小。
  105. 如請求項77之方法，其中該粒子包括以下各項中之一者：生物有機體、生物結構、細胞、活細胞、病毒、油滴、脂質體、微胞、反微胞、蛋白質聚集體、聚合物或表面活性劑集合體。
  106. 如請求項1之設備，其中該流體係第一流體，該隔室包括與該第一流體不混溶之第二流體。
  107. 如請求項106之設備，其中該第一流體係疏水性流體且該第二流體係親水性流體，或反之亦然。
  108. 如請求項26之方法，其中該流體係第一流體，該隔室包括與該第一流體不混溶之第二流體。
  109. 如請求項108之方法，其中該第一流體係疏水性流體且該第二流體係親水性流體，或反之亦然。
  110. 如請求項53之設備，其中該流體係第一流體，該隔室包括與該第一流體不混溶之第二流體。
  111. 如請求項110之設備，其中該第一流體係疏水性流體且該第二流體係親水性流體，或反之亦然。
  112. 一種用於操作設備之方法，其包括： 提供電源； 提供經組態以用於將流體與隔室分離之薄膜； 提供設置接近該薄膜之表面之電極對， 其中該電極對經組態以跨越該等電極而產生非線性電場； 經由該電源跨越該等電極供應交流電(AC)，藉此產生振盪非線性電場；及 經由由該振盪非線性電場產生之介電泳力固定化懸浮於在該等電極之間流動之該流體中之粒子。
  113. 如請求項112之方法，其進一步包括： 提供相對電極，其中該薄膜包括開口。
  114. 如請求項112之方法，其進一步包括： 提供設置接近該薄膜之該表面之第三電極。
  115. 如請求項113之方法，其進一步包括： 利用經組態以自該隔室跨越該薄膜而進入之尖銳部件經由該開口而探測該粒子。
  116. 如請求項113之方法，其進一步包括： 利用經組態以自該隔室跨越該薄膜而進入之尖銳部件經由該開口而插入該粒子。
  117. 如請求項114之方法，其中該等電極中之每一者包括尖銳尖端或平頭尖端，或該第三電極係環形電極。
  118. 如請求項116之方法，其中該尖銳部件包括微機電系統(MEMS)結構或奈米機電系統(NEMS)結構。
  119. 如請求項112之方法，其中該薄膜包括以下各項中之至少一者：氮化矽、氧化矽、金屬氧化物、碳化物、陶瓷、氧化鋁或聚合物。
  120. 如請求項112之方法，其中該薄膜具有介於約10 nm至約1 cm之間的厚度。
  121. 如請求項112之方法，其中該薄膜具有介於約100 nm至約10 µm之間的厚度。
  122. 如請求項113之方法，其中該開口具有介於約10 nm至約50 µm之間的大小。
  123. 如請求項113之方法，其中該開口具有介於約1 µm至約5 µm之間的大小。
  124. 如請求項113之方法，其中該開口之壁具有疏水性塗層或親水性塗層。
  125. 如請求項124之方法，其中該疏水性塗層具有介於約95°與約165°之間的接觸角。
  126. 如請求項124之方法，其中該親水性塗層具有介於約20°與約80°之間的接觸角。
  127. 如請求項113之方法，其中該開口設置於該電極對之間。
  128. 如請求項113之方法，其中該薄膜包括形成為陣列之複數個電極對以及複數個開口，其中該等開口中之每一者設置於該複數個電極對中之每一者之間。
  129. 如請求項113之方法，其中以介於約1 mV與約300 V之間的電壓來供應跨越該電極對及該相對電極之該AC。
  130. 如請求項113之方法，其中以介於約1 mV與約20 V之間的電壓來供應跨越該電極對及該相對電極之該AC。
  131. 如請求項113之方法，其中以介於約10 Hz與約10 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該電極對及該相對電極之該AC。
  132. 如請求項113之方法，其中以介於約1 kHz與約1 GHz之間的振盪頻率來供應跨越該電極對及該相對電極之該AC。
  133. 如請求項112之方法，其中該電極對中之一個電極包括透明導電材料或經摻雜半導電材料中之至少一者。
  134. 如請求項133之方法，其中該透明導電材料包括氧化銦錫、石墨烯、經摻雜石墨烯、導電聚合物或薄金屬層。
  135. 如請求項112之方法，其中該電極對具有介於約1 nm至約50 µm之間的厚度。
  136. 如請求項112之方法，其中該電極對具有介於約10 nm至約5 µm之間的厚度。
  137. 如請求項112之方法，其中該流體包括以下各項中之一者：水性流體、水性緩衝液、有機溶劑、疏水性流體或氣體。
  138. 如請求項112之方法，其中該粒子具有介於約1 nm至約1 mm之間的大小。
  139. 如請求項112之方法，其中該粒子包括以下各項中之一者：生物有機體、生物結構、細胞、活細胞、病毒、油滴、脂質體、微胞、反微胞、蛋白質聚集體、聚合物或表面活性劑集合體。
  140. 如請求項112之方法，其中該流體係第一流體，該隔室包括與該第一流體不混溶之第二流體。
  141. 如請求項140之方法，其中該第一流體係疏水性流體且該第二流體係親水性流體，或反之亦然。
  142. 如請求項1之設備，其中該電極設置接近於該薄膜之表面，該表面遠離該隔室。
  143. 如請求項1之設備，其中該電極設置接近於該薄膜之表面，該表面接近於該隔室。
  144. 如請求項26之方法，其中該電極設置接近於該薄膜之表面，該表面遠離該隔室。
  145. 如請求項26之方法，其中該電極設置接近於該薄膜之表面，該表面接近於該隔室。
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