用于分析样本的设备、装置和方法

专利名称：用于分析样本的设备、装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于分析样本的设备。
此外，本发明涉及用于分析样本的装置。
本发明还涉及分析样本的方法。
背景技术：
生物传感器可以是用于检测分析物的设备，该设备将生物成分与物 理化学检测器部件或物理检测器部件结合起来。
Chiou, PY, Ohto, AT, Wu， MC (2005) "Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical imaging", Nature, Vol. 436, pp. 370- 372公开了一种光学图像驱动的介电电泳技术，该技术允许在 光导电表面上获得电场的高分辨率图案化以便操作单个的粒子。
Dholakia, K (2005) "Optoelectronic tweezers", Nature materials, Vol. 4: pp. 579 - 580公开了一种被投影到光导电层上的低功率光图像可以在大 区域上建立非均匀的电场，并且允许在没有导线和电极的情况下对粒子 进行操作和分类。
WO 2000/14515公开了一种在透明衬底上包4舌多个测试部位的生物 分子分析仪，每个测试部位具有附着于该测试部位的探针分子。可寻址 光源的阵列被定位成与相应的测试部位光学对准。包含样本分子的溶液 被定位成与所述多个测试部位接触。具有多个光电检测器的检测器阵列 被定位成与所述可寻址光源的阵列光学对准， 一个光电检测器相应于一 个光源，并且滤光器置于所述检测器阵列和所述多个测试部位之间，以 便吸收来自光源的光并将来自测试部位的光传送到该检测器阵列。
然而，由于寻址生物传感器所依照的寻址方案复杂，因此常规生物 传感器的成本可能较高。

发明内容
本发明的目的在于提供能以廉价的方式制造的样本分析系统。为了达到以上限定的目的，提供了依照独立权利要求所述的用于分 析样本的设备、用于分析样本的装置和分析样本的方法。
依照本发明的一个示例性实施例，提供了用于分析样本的设备，该 设备包括射束敏感结构，该射束敏感结构适于使得射束敏感结构的一部 分的电特性通过撞击到该射束敏感结构的所述部分上的射束局部地改 变，并且所述设备还包括适于容纳样本的样本容纳单元，其中所述射束 敏感结构和所述样本容纳单元被设置成使得所述射束敏感结构的所述部
本的分析特性。； 、力 、 ， 、 、、^ 、，
依照本发明的另 一个示例性实施例，提供了用于分析样本的装置， 该装置包括具有前述特征的设备以及射束生成单元，该射束生成单元适 于产生撞击到该设备的所述射束敏感结构的所述部分上的射束。
依照本发明的又一个示例性实施例，提供了分析样本的方法，该方
法包括将射束撞击(引导)到射束敏感结构的一部分上，该射束敏感 结构适于使得该射束敏感结构的所述部分的电特性通过所述撞击射束局 部地改变；在样本容纳单元中提供所述样本；以及设置所述射束敏感结 构和所述样本容纳单元，使得所述射束敏感结构的所述部分的电特性的 局部改变局部地改变在该样本容纳单元的相应部分中的样本的分坤斤特 性。
在本申请的上下文中，术语"样本"特别地可以表示任何待分析的固 态、液态或气态物质，或者它们的组合。例如，所述物质可以是液体或 悬浮液，另外尤其是生物物质。这样的物质可以包括蛋白质、多肽、核 酸、脂质(lipid)、碳水化合物或全细胞(full cell)等。
术语"射束敏感结构"特别地可以表示任何材料，特别是层状的材料，
的特性。换言之，当射束碰撞射束敏感结构的一部分时，该被照射的部 分的电行为不同于该射束敏感结构的未被照射的部分的电行为。
术语"电特性"特别地可以表示欧姆电阻(或电导率)、阻抗、电容、 感应率等。特别地，当光照射光电导体时，可以减小所述欧姆电阻。
术语"分析特性，，特别地可以表示与(流体)样本的分析相关的特性， 比如物理特性(例如电荷引起的吸引或排斥，或聚集)、化学特性(例如pH值)、生物特性(例如生物活性)等。
术语"射束"特别地可以表示横向有限的具有特定传播方向的光子束 或粒子束或声波束。这样的射束可以是光束、电子束、声束、超声束。 唯一的要求在于，所述射束应能启动与射束敏感结构的相互作用，该相 互作用在特性上改变了该射束敏感结构的电特性。
术语"射束生成单元"特别地可以表示射束源，比如激光器或X射线
管或超声波声源或电子源。
所述"衬底"可以由任何合适的材料制成，所述材料比如玻璃、塑料 或半导体。依照一个示例性实施例，可能有利的是提供对于射束部分地 或(基本上)完全地透射的衬底。例如，当使用光束时，玻璃衬底可以 是一种合适的选择。因此，术语"衬底"可以用于一般地定义位于感兴趣 的层或感兴趣的部分以下的用于层的元件。此外，所述"衬底"可以是任 何其他在其之上形成层(例如玻璃层或金属层)的基底。依照本发明的 一个示例性实施例，射束可以用于如此照射相应的射束敏感层，使得撞
电特性,一尤其是电导率。、因此:可以使得用:i (例如光束)对^底寻 址成为可能，由此允许省略常规上提供于衬底中的(例如作为集成电路 部件的)昂贵的电寻址部件。所述衬底可能需要^f艮少的接触导线，或者 如果包括了光伏层，则完全不需要导线。因此，所述衬底可以以较少的 努力制造，并且由于可以容易地并且高精度地控制光束(或其他种类的 射束，如电子束)，因而可以非常有效地制定寻址方案。因此，性能和 资源可以从(生物传感器的)衬底转移到外部控制单元，从而允许提供 非必需的部件。因此，可以廉价地制造所述非必需的部件，而多用途部 件(例如外部寻址设备)可以包括较昂贵的部件。 常规地，快速无机光电导体材料可以与(高频)交流电流结合使用， 以便促进中性粒子的介电电泳。与此相反，本发明的示例性实施例实现 了有机光电导体，该有机光电导体可以被设计成在其对于光束的照射的 响应方面緩慢得多。换言之，与传统的无机光电导体相比，当有机光电
太快的情况下，所施加的电压仅在照射期间存在。光源和电压必须在任 何位置上同时存在，以便在所述位置将电压耦合到样本体积中。相对较慢的响应特性允许有机光电导体正确地工作以便寻址生物芯片的若干部 分，甚至用一个光源同时寻址生物芯片上的多个位置。依照本发明的示
地、2至用短的光学光脉冲来改变样本中的电^。、这允许实^L若干应用， 比如带电分子的运输。此外，由于湿处理可以用有机光电导体材料来进 行，因此有机光电导体材料是相对廉价的。另外，对这样的有机光电导
体定界(bound)的电极可以用直流电压驱动，这与交流电压相比可能更
加简单。
因此，可以通过永久的导电线去除驱动粒子，并且可以使得昂贵的 光刻不是必需的。在需要的地方，可以建立临时的"虚拟，，电极结构。由 于可以以小的截面积提供射束，因此可以使得电极结构的尺寸减小成为 可能。这可以允许在微流体设备中在电作用力的影响下操作粒子，例如 DNA、细胞、蛋白质等。在这样的流体设备中，可以通过入口提供样本， 并且可以通过出口将样本排出。在入口和出口之间，可以提供流体结构 (例如在衬底中形成的通道、阀、龙头等)。
筒(cartridge)进行光学寻址。依照本发明的一个示例性实施例，提供了 用于显著降低供分子诊断中使用的生物芯片或片上实验室 (lab-on-a-chip)的价格的方法，该方法包括将寻址芯片的方法与低成本 的样本载体分离开来。样本载体不必包含任何有源电子部件(例如晶体 管)，而是可以包含用于从筒/生物芯片分析仪(例如台式机器或手持设 备)中接收光学信号的装置。样本载体中的光学接收器可以是非结构化 的有机光电导体层的形式，该有机光电导体层的电阻可以通过光调制设 备(例如扫描激光器)的照射局部地降低。依赖于时间的电压图案可以 通过光电导体的照射从筒分析仪光学写入到样本载体中。该电压分布图 可以用于电动地操作(例如运送、混合)带电生物粒子或用于任何需要 空间变化的电压图案的其他装置。
所述射束还可以用于对具有负的电阻温度系数的层进行加热。所述 层的材料可以选自包括氧化锰、氧化镍、氧化钴、氧化铁、氧化铜、氧 化钛、半导体材料和掺杂的半导体材料的组。可能希望片上实验室筒是 用后可弃的，例如以避免样本的交叉污染。存在多个可以以很低的成本获得的生物化学测试。例如，妊娠的检 测可以通过检测尿液中的特定蛋白质来实现。虽然存在其他的可能比这 更昂贵的诊断测试，但是通常来说用后可弃的筒应当尽可能的廉价。尽
管与传统的检验(assay)相比，将部件集成到一个衬底上可以降低成本， 但是由于在衬底上限定结构所需的处理量的原因，仍将保持高的代价。 如果可以减少或者完全避免掩模步骤的数目，那么这将有利地降低用后 可弃物的成本。
依照本发明的 一个示例性实施例，可以将有机光电导体层合并到样 本载体中，以允许检测来自筒分析仪(例如台式机器、手持读取器/设备) 的光学信号。该光学信号可以局部地减小筒中的有机光电导体的电阻， 并且可以导致通过所施加的光图案定义的电压图案。该电压图案可以在 样本(例如流体)隔间/通道中建立电场，其可以用于与生物粒子的运动 相关的各种装置中。
接下来，将解释所述设备的其他示例性实施例。然而，这些实施例 也同样适用于本发明的装置和方法。
所述设备可以包括衬底，其中所述射束敏感结构可以(直接地或中 间具有一个或多个中间层地)形成于该衬底上。例如，所述衬底可以具 有平坦的表面，在该表面上可以沉积或施加射束壽丈感结构(例如光电导 体)的层。这可以允许实现使用标准沉积过程的简单而廉价的配置，所 述标准沉积过程例如化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、濺 射或者在湿处理情况下的旋转/喷涂/印刷。
所述射束敏感结构可以是形成于所述衬底之上的非图案化层。换言 之，该射束敏感结构可以是连续层。这允许在单个沉积过程中沉积射束 敏感结构或射束敏感层，而无需随后执行昂贵的图案化处理，如光刻和 蚀刻。
通过图案化该射束敏感层，可以改善系统的空间分辨率。这样的图案化 可以通过使用单个光刻和蚀刻过程来执行，并且因此可以以合理的努力 来实现。可替换地，所述图案化可以作为用于经过湿处理的层的印刷处 理的结果而被实现。
所述衬底对于所述射束而言可以是透明的。特别地，该衬底可以是光学透明的并且例如由玻璃或塑料制成。当所述衬底是透明的时候，所 述射束可以透过该衬底，而基本上未被减弱或吸收。
所述村底可以是旋转盘。依照这样的配置，该衬底可以是可旋转的， 这可以允许所述射束生成单元(例如以射束的一维阵列的形式)保持空 间固定，并且可以移动该衬底以对其进行扫描。可替换地，可以考虑被 配置成在与盘旋转方向成一定角度的方向上进行扫描的单个射束。然后， 通过旋转所述盘并且通过将光束引导到该可旋转盘上，旋转盘的环可被 选择为具有不同于周围部分的其他电特性。可替换地，通过脉冲地产生 射束，仅盘表面的较小部分将被选择为具有不同于周围部分的其他电特 性。
所述设备可以包括位于所述衬底和所述射束敏感结构之间的导电结 构，其中该导电结构对于射束而言可以是透明的。这样的导电结构可以 允许将电信号(例如供电电压)提供给所述射束敏感结构，例如以影响
样本的带电粒子。 一个这样的透光导电结构的实例为ITO (氧化铟锡)。
姆电阻(R)被撞击到所述射束敏感结构的该部分上的射束局部地改变。 通过改变欧姆电阻或电导率，射束敏感结构和样本室两端的分压可以选 择性地用于操作这样的空间中的带电粒子。这样的粒子可以是DNA分子 或者可以是蛋白质。因此，可以根据由光束限定的扫描方案来使这样的 粒子运动。
特性被射束局部地(也就是说，仅在被照射的部分中)改变，其中该射 束可以是电磁辐射束、光束、电子束或者机械波束。依照一个示例性实 施例，可以使用光束，该光束例如由激光器或发光二极管(LED)生成。 这样做的优点在于，生成了具有足够高的强度的单色和空间有限的射束。 然而，可替换地，还可以将电子束、质子束或任何其他带电粒子束引导 到表面上以便局部地改变电导率。
所述射束敏感结构可以是光电导体，尤其是有机光电导体。术语"光 电导体"特别地可以表示在光辐射的影响下改变其欧姆电阻值或电导率
值的材料。这样的材料的实例是三硝基芴酮或PVK (聚乙烯啼唑基质) 中的二锂酞菁(dilithium phthalocyanine )。然而，也可以4吏用其他材料。所述设备(尤其是所述衬底)可以不包括任何有源电子部件。术语"有 源电子部件"特别地可以表示任何有源地控制电路特征的电子构件(例如 单片集成的电子构件)，比如晶体管、逻辑门等。所述衬底可以不包括 任何这样的电子部件，从而能以低的成本制造该衬底，这使得所述设备 特别适合于用后可弃的系统。这些电子部件的一部分或全部可以从可光 学寻址的设备中转移到可更长时间地使用的外部扫描单元。因此，可以 以经济的方式制造所述系统。
所述设备可以包括电压供应单元(例如电压源)，该电压供应单元
适于在射束敏感结构和对电极(counter electrode )之间施加电压，其中 所述样本容纳单元可以置于射束每文感结构和对电极之间。因此，样本室 可以位于射束敏感结构和对电极之间的间隙中。通过这样的几何配置， 可以在样本室中生成电场，该电场被撞击射束敏感结构的射束选择性地 改变。换言之，当没有射束时，电压降基本上全部发生在射束敏感层上 方。在另一个其中射束正撞击射束敏感结构的配置中，电压降可以基本 上全部发生在样本中，从而通过相应的电场影响样本的带电成分。这可 以允许在样本室中移动、聚集、积聚或排斥这样的带电粒子。因此，所 述设备可以用作某种分子运输设备。
如果施加到所述设备的电压以高频振荡，那么不带电的粒子可以通 过介电电泳来操作。由于相对稳定的电压降可以允许实现例如分子或细 胞运输的应用，因此与将交流电流(AC)或交流电压施加到所述设备相 比，可以优选地将直流电流(DC)或直流电压施加到所述i殳备。
所述设备可以包括将样本容纳单元与射束敏感结构分离开来的生物 相容性涂层。术语"生物相容性"特别地可以表示涂层的材料特性，即涂 层材料不损害作为样本而被分析的生物分子或系统。这样的涂层的实例 为水凝胶，例如聚丙烯酰胺。当有机光电导体层(该有机光电导体层是 射束敏感结构的一个示例性实施例)本身是由生物相容性材料制成的时 候，可以省略这样的涂层。
所述设备可以适用于包括以下功能的组中的至少一个感测(例如 生物的)粒子(即定性地或定量地检测粒子的存在)，执行片上实验室 的应用，执行电泳，执行样本运输(也就是说在设备内使粒子运动)， 执行样本混合(也就是说混合两种或多种成分，例如用于触发化学反应)，细胞溶解(lyse),样本清洗，样本纯化(例如蛋白质纯化)，启动聚合 酶链反应(PCR)或者执行杂化分析(也就是说启动待检测的分子和固 定的捕获分子之间的相互作用)。
接下来，将解释所述装置的其他示例性实施例。然而，这些实施例 也同样适用于所述设备和所述方法。
所述装置可以包括控制单元，该控制单元适于依照预定的样本分析 协议来控制射束生成单元。这样的控制单元可以是例如微处理器或CPU (中央处理单元)，并且可以允许中心地控制对所述设备和/或射束生成 单元的操作。样本分析协议可以例如通过输入接口由用户定义。可替换 地，这样的样本分析协议可以是能以预定方式对样本进行分析的自动过 程。例如，在片上实验室的应用中，控制单元可以中心地控制所有在这 样的片上实验室中待执行的单独的过程。这可以包括混合成分，沿着 衬底运输成分，将成分积聚为衬底的特定部分等。
所述射束生成单元可以适于扫描射束敏感结构。例如，可以使用可 扫描的激光器，其允许在空间有限的射束中产生高的光强。通过扫描所 述射束，射束敏感结构的导电部分也可以空间移动，这允许将任何期望 的空间寻址模式应用到所述样本。
所述射束生成单元可以适于生成具有可变强度的射束。通过改变强 度，也可以改变电导率值。这可以允许改变施加到样本中的带电粒子上 的作用力的幅度和极性。例如，通过改变电压的极性，可以产生吸引力 或排斥力。这可以允许在每个期望的方向上高效地运输分子。
所述射束生成单元可以适于生成具有多个不相邻的射束部分的射 束。换言之，该射束生成单元可以自己生成具有不同部分或代表分离的 子射束模式的光束。这可以允许改进分子运动方案的空间精度。
所述装置可以包括射束图案化构件，该射束图案化构件置于射束生 成单元和射束敏感结构之间，并且适于图案化所述射束。依照这样的配 置，可以使用任何常规的激光束或类似物，其然后被具有透明和不透明 部分的图案化构件图案化。
所述装置可以包括射束聚焦构件，该射束聚焦构件置于射束生成单 元和射束敏感结构之间，并且适于聚焦或平移所述射束。这样的射束聚 焦构件可以是透镜，例如具有变焦透镜的透镜。这样的透4竟可以是液晶透镜，可以是流体透镜，或者可以是固体透镜。
本发明的上述方面和其他的方面根据以下描述的实施例的实例是清 楚明白的，并且参照这些实施例的实例进行解释。


下面将参照实施例的实例更加详细地描述本发明，但是本发明并不 限于这些实例。
图1示出了依照本发明的一个示例性实施例的装置。
图2为依照本发明的一个示例性实施例的用于对生物粒子光学寻址 的光学寻址设备的截面示意图。
图3示出了依照本发明一个示例性实施例的设备和样本的截面示意图。
图4示出了仅存在很少的光的情况下，当把电压施加到图3的电极 时所发生的情况。
图5示出了当把电压施加到图3的电极并且光被照射时所发生的情 况，其导致了带电粒子的运动。
图6至图8示出了一系列图像，这些图像示出在被施加的电场的影 响下DNA的迁移，其中暗带是DNA减少的区域，而亮带是DNA增加 的区域。
图9示意性地示出了作为时间函数的激光强度，其中在此操作期间 激光束的中心是固定的。
图10示出了产生的二维电场分布图，该电场分布图可由图9的过程获得。
图11示出了用以生成径向电场的荫罩的图案。
图12为通过在光电导体上方扫描激光束而使带电粒子运动的示意图。
图13示出了光电导体表面上的电位岛(potential island)的定义。 图14示出了样本的照片，该样本被沿着页面长轴的线性电极阵列图 案化(电极被水凝胶覆盖)。
图15示出了 (a)施加到生物化学样本上的电压，(b)生物化学样
本的位置。图16示出了末端位置与斜坡时间的函数关系。
具体实施例方式
附图中的图示是示意性的。在不同的附图中，用相同的附图标记表
示相似或相同的元件。
以下将参照图1解释依照本发明的一个示例性实施例的分析样本的
装置150。
装置150包括用于分析样本的设备100，该设备将在下文中予以更 详细的描述。此外，提供了形成射束生成单元的激光器或LED 110,用 于生成撞击到设备100的光电导体层101的一部分130上的光束102。
更详细地，设备100包括作为射束敏感结构的光电导体层101，其 适于使得光电导体层101的被照射的部分130的电导率被撞击到光电导 体层101的对应部分130上的光束102局部地改变。
此外，提供了样本容纳单元103,尤其是样本室，用于容纳样本， 例如待分析的生物样本。在当前的方案中，示出了样本的带电粒子113。 带电粒子113可以是DNA分子，如果所述DNA分子与^L固定在涂层或 固定化层108的表面上的捕获分子114是互补的，那么所述DNA分子可 以通过杂化与捕获分子114结合。
从图1可知，射束敏感结构101和样本容纳单元103被设置成使得 光电导体层101的部分130的电导率的局部改变局部地改变了在样本容 纳单元103的相应部分140中的样本的分析。换言之，当激光器110发 射光束102并且此光束102撞击到光电导体层101的部分130上时，与 层101的周围部分相比，局部地降低了在该特定部分130中的欧姆电阻。
当电压供应单元106现在生成待施加到导电层201(该导电层i皮i殳置 在衬底104和光电导体130之间)和对电极107之间的电压时，那么局 部地在与浮皮照射部分130相应的部分140中，此电压的电压降尤其发生 在空间指定的部分140中。更特别地，在光束102中的光电导体101的 表面具有明确限定的电压，但是在此区域以下的体积140不必像图1的 示意图中所绘制的那样是"垂直的"。实际上，在样本区域140中的体积 将更像钟形。因此，产生电吸引力(或电排斥力，这取决于电压的极性 和带电分子113的电荷类型)以吸引分子113积聚到相应的区域140中，
15并由此接近捕获分子114。因此，可促进杂化事件的启动，以加速分析。
更精确地，设备100包括玻璃衬底104,在该玻璃衬底上形成了电极 层201,并且在该电极层上形成了光电导体层101。在该实施例中，光电 导体层101是形成于玻璃衬底104上的非图案化的连续层。由于衬底104 是由玻璃制成的，所以该衬底对于光束102是透明的，从而允许使用光 束102的基本上全部的强度以改变部分130中的电导率。
由于设备100的选定部分130的光学寻址是通过外部电磁辐射源110 限定的，因而可以在不使用任何有源集成电路部件(例如场效应晶体管) 的情况下制造衬底104。这可以允许以低的成本来制造设备100。
电压供应单元106适于在导电层201和对电才及107(该对电极可以由 ITO制成，所述ITO即氧化铟锡，其是一种导电和透光的材料)之间提 供电压(例如60伏特)。样本容纳单元103是在光电导体层101和对电 极107之间的体积。对电极107不一定必须位于包含光电导体101的衬 底的正对面。所述对电极可以位于远端或者甚至和光电导体101 —样集 成在相同的衬底104上(尽管优选地不被光电导体材料覆盖)。
可选地，可以在层101上提供生物相容性涂层108，其将样本容纳单 元103与射束敏感结构101分离开来。这可以允许检测甚至敏感的生物 分子而没有测量或样本劣化的危险。尽管未在图1中示出，但是如果需 要的话，对电极107也可以;故生物相容性涂层覆盖。生物相容性层108 可以是水凝胶材料，通过紫外线的交联或抗生蛋白链菌素-生物素键 (linkage),杂化部位可以容易地结合到该水凝胶材料中。
当激光器110照射设备100的部分130时，并且当电压供应单元106 在电极IOI、 107之间同时施加电压时，样本两端的电压降仅发生在样本 室103的中心部分140中，在该中心部分中，由图1可知，大部分待才企 测的分子113因此被积聚起来。这可以允许促进一方面接近于选定部分 130的捕获分子114与另一方面的分子113之间的特定的相互作用。这可 以允许加速测量。
孔径131被提供，该孔径确保由激光器110生成的光束102在横向 上限于特定的空间扩展。此外，示出了也可由CPU 111控制的透镜112, 该透镜可以具有可调节的焦距。这可以允许依照特定测量的要求精确地 调节系统150的光学特性。此外，所述系统可以适于使得射束可以相对于样本进行扫描。
接下来，将更详细地解释依照本发明的 一个示例性实施例的可光学 寻址的筒200的设计。
所述结构是简单的并在图2中以示意性的截面示出。
首先，透明导体(例如透明导电氧化物，如ITO)的连续层201沉 积在透明(例如玻璃)村底104上。其次，非结构化的光电导体材料101 沉积(例如三硝基药酮或PVK中的二锂酞菁)到ITO上(优选地，所述 光电导体是生物相容的)。在样本载体202 (该样本载体可以与衬底104 整体地形成)的顶部(内)表面上，沉积了第二导电层107。该第二导电 层也可以是透明的，但可替换地，可以使用不透明的导体(例如金属)。 实际上，常常优选的是，使所述电极之一由反射金属制成。如果照射通 过底部衬底，那么在顶部衬底的内侧上的电极应当是金属。这将把未被 吸收的光反射回去并第二次穿过所述光电导体，并且增大了光电导体的 有效灵敏度。反之，如果照射来自顶部，那么在底部衬底上的光电导体 下方的反射电极也将增大该光电导体的有效灵敏度。
在一个简单的实施例中(见下文)，所有的层都是非结构化的，并 且因此不需要光刻。从而样本载体202可以是成本极低的。优选地，光 电导体101被设计成当其被照射时具有比液体(样本)的电阻低得多的 电阻，并且当其未^L照射时具有比液体(样本)的电阻高得多的电阻。 这意p未着当电压V ^L施加在顶部导体107和底部导体201之间时(仅有 两个电气接触就可以是足够的)，所施加的电压V将落在光电导体101 上(未被照射时)或者落在样本上(被照射时)。如果样本包含带电粒 子113，例如DNA或蛋白质(其不在它们的等电点上)，那么样本上的 电压降可以建立电场，才艮据粒子113电荷和电场的才及性，该电场可以聚 集或排斥粒子113。
可以将生物相容性涂层或生物相容性涂层的叠层(未在图2中示出) 施加到光电导体101的顶部上和/或顶部导体107上。生物相容性涂层的 特性(例如厚度、传导率)可以使得该涂层基本上不影响所提出的光学
流体)'丄获得期望的电压降。这可以通过水凝胶、层来满足。
在下文中，将解释依照本发明一个示例性实施例的带电粒子113的.光学寻址。
为了示出可以利用照射光电导体101的构思使带电粒子113运动， 对非生物粒子进行实验，在该实验中，叠层设计与图2中的略有不同。
从图3所示的设备300的截面可知，所研究的系统不具有两个垂直 的电极，而是具有两个水平的电极301、 302。图3中也示出了样本303。
在图4中，施加在两个电极301、 302之间的电压为60 V，但是光电 导体101暴露在很少的光下，因此(基本上)所有的电压都落在光电导 体101上。因此，粒子通过布朗运动散布在整个体积中。
然而，当照射光电导体101时，电压落在样本303上，并且带正电 的粒子向保持在地电位(OV)的电极运动，参见图5。
这说明了光寻址可用于操作带电粒子。
接下来，将解释DNA的由电引起的运动。
用荧光染料标记DNA片段(大肠杆菌(E. coli)),并将所述DNA 片段放置在如图3所示的相同的样本结构中，但该结构没有光电导体层 101。将电压施加到电极上，并且观察DNA粒子113的运动。这可以在 图6至图8中被观察到，其中在每幅图像之间，电压的极性被反转。
在图6至图8中，黑线矩阵是像素结构，而厚的水平亮带和暗带分 别是DN A增加和减少的区域。该结果说明可以通过电场来操作带电生物 粒子(例如PCR溶液中的DNA )。
图6至图8中左上部的暗斑(darkpatch)是样本故障(samplefault)。 图6至图8中的网格结构是由封装层产生的。相关的结构是在图6至图8 中从左到右跨越样本的以直线方式延伸并且在左侧(El)和右侧(E2) 上连接的电极。在所描述的这个实施例中，所述电极是梳状的相互交叉 的电极。有一点在于(这在图6至图8中确实难以看见)，荧光粒子的 强度可能在E1 (图7)和E2 (图8)的线上是最高的。
依照本发明的一个示例性实施例，提供了用于将带电粒子拉向衬底 的方法，该方法包括捕获分子(例如DNA链(DNA strand)、抗体)， 并且因此增大目标分子与捕获分子接触和杂化的机会。这可以简单地通 过将光源(激光光斑)保持在捕获分子所处的恒定位置上来实现。由于 光电导体层的电阻的局部下降，这引起垂直场的出现，并且给定正确的 电压极性，这将导致具有给定电荷的分子被吸引到表面上。通过使电压反向，键合的分子的严格性(stringency)可以通过改变电压或光强来测 试。在这个实施例中，粒子仅感受到垂直场分量，因此不存在水平聚焦 效应。甚至还可以使用被用于激发荧光信号的相同激光束以激活光电导 体，从而使该垂直力下降。如果实现了这点，那么可以有利地使用具有 大的斯托克斯位移(Stokes shift)的荧光标记，并且选择不吸收荧光信号 的光电导体。
依照本发明的 一个示例性实施例，带电粒子的水平聚焦可以通过各 种方法来实现。 一种方法是将具有可变焦距(例如液晶或流体聚焦)的 透镜放置在激光束中。所述透镜应被设置成使得射束在激光器打开时被 聚焦，并且然后激光器被关闭。接着，所述透镜在激光器被再次打开之 前离焦并且重新;陂聚焦。
图9中示出了这样的实施例，并且其不断地重复。它导致在光电导 体表面上的电压的圆形分布以及指向激光束中心的场分布，参见图10。 由于此电场分布的原因，粒子将向中心迁徙，(分子)捕获部位可能位 于该中心处。
依照本发明的 一 个示例性实施例，可以采用均匀光源通过内置荫罩 将粒子水平地聚焦，而不是使激光束离焦。这可能需要图案化样本载体 中的光学阻断层。可以使用光刻来图案化该光学阻断层，或将该光学阻 断层印刷到衬底上。
这样的层的形状可以见诸图11,并且基本上该形状具有如下效果 通过改变孔径1100建立用于光电导体的光剂量的径向变化。不透明的部 分用附图标记1101来表示。由于当向中心移动时，直径也可以变化，因 此不透明的部分不一定必须与孔径1100的数量一致，如图11所示，孔 径1100的数量在径向上是变化的。
该实施例的优点在于，不再需要能够局部地调制光源，并且因此可 以使用侧光或背光(或其他导光的几何结构)。
依照本发明的一个示例性实施例，不使用荫罩，而是可替换地，像 素化光源(例如OLED显示器)可以位于分析仪中以生成光图案，该光 图案将入射到筒中的光电导体上。这可能需要将GRIN透镜放置在显示 器和筒之间，以避免视差。所述光图案可以通过软件重新限定。
依照本发明的 一个示例性实施例，如果激光束的分辨率允许并且可
19以扫描该激光束，那么通过扫描激光以及对激光幅度或驻留时间(dwell time)进行调制，可以简单地写入光分布图以及因此电压分布图，以使 光电导体在聚焦区域的中心处比在边缘处暴露得更多。这也可以产生径 向场以及导致粒子的运动。
在前面的实施例中，已经描述了可以如何聚焦或使带电粒子运动(在 垂直方向上)。然而，可能同样令人感兴趣的是能够使粒子横向地从一 个位置运动到另一个位置。这样的运动已在上文中做了说明，并且在那 种情况下是通过图案化被保持在不同电位上的水平电极实现的。通过将 电压直接施加到样本体积中和/或通过照射光电导体，将建立横向电场， 其导致粒子运输。这两种构思都需要将不同的电位施加到电极，并且因 此需要许多电连接和光刻。然而，当使用扫描激光时，可以避免上述需 要。
在这样的情况下，可以使用图2中示意性示出的样本，即没有结构 化的电极表面。当带电粒子要从位置A运动到位置B时(如图12所示)， 那么应当从A到B扫描激光，并且在激光跟踪路径期间，激光的强度应 当变化。对于来自光电导体的线性响应的情况，那么激光强度(或脉冲 时段)应当线性地变化，以给出从A到B的均匀场分布。由于较长的RC 时间，该场分布通常将在扫描之后保持0.5秒到l秒的时段，并且这对于 运输粒子而言可能是足够的。然而，如果不是这样的情况，那么扫描可 能要重复进行。当在A和B之间运动时，激光强度的梯度也可能为0。 在这种情况下，光电导体必须对光强的变化做出快速的响应，以便允许 粒子跟随激光束。
路径A-B不必是一条直线，它独立于样本载体和系统。该路径仅 由可被软件控制的激光束的路径确定。因此，对于不同的检验，它可被 不同地编程。这也可以通过像素化光源来实现。
在前面的实施例中，带电粒子基本上是被激光束"牵引"的。然而，
电场的作用下运动到这些相关的区域。
例如，考虑图13,可以在样本的区域A和B上扫描激光。当在区域 A的上方时，激光功率可以是全功率，并且因此4吏整个区域A与底部电 极形成等电位。区域A于是为例如15V。在区域B中，激光功率可能是半功率，并且因此区域B在较低的电压上(比如7.5 V)。这些"虛拟电 极"之间的电位差会导致粒子的运动。
实际上，这可能对于电泳(自由溶液或凝胶)是合适的，因为所述 设备不再限制为在槽(bath)的末端处具有两个(物理电极)，在其之间 具有线性电场。根据感兴趣的物种(species)，可以指定任何电场分布。
如果希望得到高分辨率的电压分布图，那么可能有利的是横向地结 构化光电导体，以防止过多的水平传导。这可以包括一个掩模步骤，以 将光电导体划分为隔离岛的阵列。可替换地，可以在光电导体的表面上 限定电极。
由于仅存在两个电压接触这一事实，因此对于其中使用了旋转盘的 盘上实验室(lab on disk)而言，必要的光学寻址也是有吸引力的。可以 对所述盘制作两个滑动接触，并且通过激光，可以限定电压分布图。
图14示出了样本的照片，该样本被沿着页面长轴的线性电极阵列图 案化(电极被水凝胶覆盖)。在电极A (-ve )和B ( +ve )之间已经施加 了直流电压。已经在电极上方放置了含有荧光标记的大肠杆菌DNA的样 本，并且从图中可见，DNA在电极B上方聚集。
以下公开了几种寻址和驱动可光学寻址的微流体设备(例如图1和 图2中所示)的方法，其用于例如供分子诊断中使用的生物芯片或片上 实验室。所述方法使用光(例如扫描激光束或LED)来寻址所述设备， 从而将寻址生物芯片分析仪的方法与低成本样本载体分离开来。样本载 体不包含任何有源电子部件(例如晶体管)，而是包含从筒/生物芯片分 析仪(例如台式机器、手持设备)中接收光学信号的装置。样本载体中 的光学接收器是光电导体层的形式，其电阻可以通过光调制设备的照射 来局部地降低，所述光调制设备例如扫描激光器、具有射束操作的LED、 一系列具有射束适应的LED或者诸如液晶显示器之类的平行光调制器。 通过使用驱动方法，所述方法包括稳定地增大/减小电压斜坡和/或快速地 改变电压的组合，可以通过光电导体的照射来将正确的依赖于时间的电 压图案从筒分析仪光学地写入到样本载体中。优选地，光电导体是有机 光电导体。当照射有机光电导体时，其电导率的相应变化与无机光电导 体相比可以持续明显更长的时间。
在以上描述的依照本发明的设备的实施例中，必须选择所述(有机)光电导体和样本载体的适当的电容和电阻特性以及关联的驱动方法。
这些设备包括与厚得多的生物样本相连的薄有机光电导体层。例如，
具有400]um厚的生物样本(用于小型化PCR室的标准)和lnm的光电 导体。对于这样的层而言，电容比值为1:15,因而当在叠层两端施加电 压时，那么该电压按照电容来划分并且因而落在最低的电容生物样本
自所施加的电压的作用力，、即;吏这不是所预期的。、事实上，通过光图案
的虚拟电极的任何局部定义都受到电容分压的支配。
阻面积乘积是截然不同的。这些电阻和电容(由厚度决定)需要适应应 用。形成依照本发明的设备的优选实施例的这种最优化的准则是
1. 生物样本的电容应当比有机光电导体的电容低得多。
2. 生物样本是低电阻，因此有机光电导体的电阻应当非常高。
3. 有机光电导体的电阻在未受照射时应当比生物样本的电阻更大， 并且在受照射时比生物样本的电阻更低。
这些选择的原因在于
1. 如果生物样本的电容比有机光电导体的电容低得多，那么施加的 电压的急剧增加导致在所述两个层上的电压的电容分割。这导致电压的
大部分落在生物样本上。这允许只要施加了电压脉冲，那么即使不存在 光信号，也会使样本中的生物分子运动。这种类型的驱动方法的应用将 同时使样本中的所有粒子朝所述衬底之一运动，例如使无束縛粒子背离 捕获探针阵列而运动，以便增大所述设备的特异性。可替换地，可能希 望同样在不存在光的情况下通过使用振荡阻断电压重复地使粒子跨越所 述设备向后和向前运动，例如以便首先从所述阵列中的捕获部位的邻近 移除无束縛粒子，但是然后使粒子向后朝该阵列运动以提供附着到另一 捕获探针(例如在所述阵列的不同部分中)的另外的机会。
2. 该系统的非常高的电阻得到极大的RC时间(超过ls)。其结果 是如果比如lms的短光脉冲施加到有机光电导体上，那么在界面处引 起的电荷存在长得多的时间段。因而，所述寻址驻留时间会比使生物样 本中的生物分子运动所需的时间短得多。该寻址时间可能短至O.lms。通 过这种方式，可以仅仅使用例如单个光源(比如扫描激光器)独立地使
22所述设备中的不同位置处的许多粒子运动。
3.这种情况意味着，当施加光脉冲时，有机光电导体两端的电阻下 降比生物样本两端的小得多。由于电压局部地施加到生物样本上，因此 单独的粒子的运动是确定的。如果在所述设备上电压足够緩慢地增大， 那么电压通过所述层的电阻(有机光电导体的暗状态电阻)而被划分并 且电压的大部分(除非受照射)落在有机光电导体上。
由于上面的第一准则的原因，可以在生物样本和有机光电导体两端 施加振荡阻断电压，这导致粒子相对于位于有机光电导体上的捕获部位 阵列重复地前后运动。通过使用电容耦合，无需泛光照射样本。这是有 利的，因为泛光照明会导致附着到生物粒子上的任何光染料漂白。
如果如上所述的振动电压波形以排斥施加到光电导体之下的电极的
生物粒子的极性结束(对于DNA为负电压)，那么来自生物样本的未捕 获的粒子背离捕获探针阵列而运动(如所需要的那样)。这移除了背景信号。
在施加电压之后，接着必须降低到零伏特以便避免生物样本上的太 大的电压降，即不能简单地移除该电压，因为这将导致C耦合并且生物 样本中的无束縛粒子将向后朝所述阵列运动。可以通过选一奪保证按电阻
分压的足够低的梯度(dV/dt)来避免这种情况的发生。
对于前面给出的电容和电阻的值，该梯度不大于0.75V/s。 在图15 (a)和图15 (b)中，实验结果示出了样本(在这种情况下 为小的珠粒子)跨越光学寻址设备的运动与可变斜坡时间(在0和20s 之间变化)的关系(to variable ramp times )。在这个实例中，光电导体 的电阻面积乘积在暗状态下为10MDm2并且在受照射状态下为10kQm2。 生物化学样本的RA乘积(取决于样本的确切性质)为200kQm2。
在图15 (a)中，示出了施加到样本的电压，而图15 (b)示出了跨 越光学寻址设备的测量的位置(通过光学状态下的变化测量)。利用20s 内15V (0.75V/s)的斜坡，保持了粒子的位置(开关之后这些粒子例如 由于布朗运动的原因总是具有少量的位置变化)。
在图16中，示出了粒子的末端位置与斜坡时间的关系。 应当指出的是，措词"包括"不排除其他的元件或特征，并且"一"或 "一个"不排除多个。结合不同实施例所描述的元件也可以加以组合。
还应当指出的是，权利要求中的附图标记不应解释为限定了权利要 求的范围。
权利要求
1. 一种用于分析样本的设备(100)，该设备(100)包括射束敏感结构(101)，其适于使得射束敏感结构(101)的一部分的电特性被撞击到该射束敏感结构(101)的所述部分上的射束(102)局部地改变；样本容纳单元(103)，其适于容纳所述样本；其中所述射束敏感结构(101)和所述样本容纳单元(103)被设置成使得所述射束敏感结构(101)的所述部分的电特性的局部改变局部地改变所述样本容纳单元(103)的相应部分中的样本的分析特性；其中所述射束敏感结构(101)包括光电导体。
2. 权利要求l的设备(100)，其中所述光电导体是有机光电导体。
3. 权利要求1或2的设备(100),包括衬底(104),其中所述射束敏感结构(101 )形成在该衬底(104)上。
4. 权利要求3的设备(100),其中所述射束敏感结构(101)是形成在所述衬底(104)上的非图 案化层。
5. 权利要求3的设备(100),其中所述射束敏感结构(101)是形成在所述衬底(104)上的图案化层。
6. 权利要求4的设备(100),其中所述衬底(104)对于所述射束(102)而言是透明的。
7. 权利要求3的设备(100), 其中所述衬底(104)是旋转盘。
8. 权利要求3的设备(200),包括导电结构(201 ),该导电结构(201 )被提供在所述衬底(104 ) 和所述射束敏感结构(101 )之间。
9. 权利要求8的设备(200),其中所述导电结构(201)对于所述射束(102)而言是透明的。
10. 权利要求8的设备(200), 其中所述导电结构(201)是连续层。
11. 权利要求8的设备(200),其中所述导电结构(201)被结构化，使得所述结构化的导电结构 (201)的不同部件可以与不同的电压连接。
12. 权利要求1或2的设备(100),其中所述射束敏感结构(101)适于使得该射束敏感结构(101 )的 所述部分的欧姆电阻被撞击到该射束敏感结构(101)的所述部分上的 射束(102)局部地改变。
13. 权利要求1或2的设备(100),其中所述射束(102)是包括电磁辐射束、光束、粒子束、电子束 和枳4成波束的组中的 一 个。
14. 权利要求1或2的设备(100), 包括具有负的电阻温度系数的层。
15. 权利要求3的设备(100)， 其中所述衬底(104)不包括任何有源电子部件。
16. 权利要求3的设备(100), 包括集成到所述衬底(104)上的光伏电池。
17. 权利要求8的i殳备(100),包括对电极(107)并且包括电压供应单元(106),该电压供应单 元(106)适于将电压，尤其是直流电压，施加在所述导电结构(201) 和所述对电极(107)之间，其中所述样本容纳单元(103)位于所述射 束每文感结构(101 )和所述对电极(107)之间。
18. 权利要求1或2的设备(100),包括生物相容性涂层(108),该生物相容性涂层(108)被设置用 于将所述样本容纳单元(103)与所述射束敏感结构(101)分离开来。
19. 权利要求1或2的设备(100), 适用作用后可弃的设备。
20. 权利要求1或2的设备(100),适用作包括以下设备的组中的至少一种传感器设备、生物传感器 设备、生物芯片、片上实验室、电泳设备、样本运输设备、样本混合设 备、细胞溶解设备、样本清洗设备、样本纯化设备、聚合酶链反应设备 和杂化分析设备。
21. 权利要求1或2的设备，其中所述光电导体的电容高于所述样本 的电容。
22. 权利要求1或2的设备，其中暗状态下所述光电导体的电阻高于 lMQ/m2。
23. 权利要求1或2的设备，其中所述光电导体的电阻在未被照射时
24. —种分析样本的装置(150)，该装置(150)包括 依照权利要求1或2的设备(100),射束生成单元(110),其适于生成撞击到所述设备(100)的射束 敏感结构(101)的所述部分上的射束(102)。
25. 权利要求24的装置(150),包括控制单元(111 ),该控制单元(111 )适于依照预定的样本分 析协议来控制所述射束生成单元(110)。
26. 权利要求24的装置(150),其中所述射束生成单元(110)适于依照预定的样本分析协议来扫 描所述射束敏感结构(101)。
27. 权利要求24的装置(150),
28. 权利要求24的装置(150),其中所述射束生成单元(110)适于生成具有多个不相邻的射束部 分的射束(102)。
29. 权利要求24的装置(150),包括射束图案化构件，该射束图案化构件位于所述射束生成单元 (110)和所述射束敏感结构(101 )之间，并且适于图案化所述射束(102) 以使其具有多个不相邻的射束部分。
30. 权利要求24的装置(150),包括射束聚焦构件(112)，该射束聚焦构件(112)位于所述射束 生成单元(110)和所述射束敏感结构(101)之间，并且适于聚焦所述 射束(101 )。
31. 权利要求24的装置，包括电压单元(106)，该电压单元(106) 用于应用电压的急剧增加以便允许所述样本中的粒子的同时运动。
32. 权利要求24的装置，包括电压单元(106)，该电压单元(106) 用于施加稳定增大或减小的电压斜坡，使得当未被照射时，电压的大部 分落在所述光电导体的两端。
33. 权利要求32的装置，其中电压斜坡中的增大或减小小于0.75V/s。
34. —种分析样本的方法，该方法包括将射束(102)撞击到射束敏感结构(101 )的一部分上，该射束敏 感结构(101)适于使得所述射束敏感结构(101)的所述部分的电特性 被所述撞击射束(101 )局部地改变；在样本容纳单元(103)中提供所述样本；设置所述射束敏感结构(101 )和所述样本容纳单元(103 ),使得 所述射束敏感结构(101)的所述部分的电特性的局部改变局部地改变 所述样本容纳单元(103)的相应部分中的样本的分析特性；其中所述射束敏感结构(101)包括光电导体。
35. 权利要求34的方法，其中所述光电导体是有机光电导体。
36. 权利要求34或35的方法，包括包含以下步骤的组中的至少一项在所述射束敏感结构(101) 的所述部分的被局部改变的电特性的影响下使所述样本的带电粒子 (113)沿着预定的轨迹运动，以及在所述射束敏感结构(101)的所述 部分的被局部改变的电特性的影响下积聚所述样本的带电粒子(113)。
全文摘要
一种用于分析样本的设备(100)，该设备(100)包括射束敏感结构(101)，其适于使得射束敏感结构(101)的一部分的电特性被撞击到该射束敏感结构(101)的所述部分上的射束(102)局部地改变；样本容纳单元(103)，其适于容纳所述样本；其中所述射束敏感结构(101)和所述样本容纳单元(103)被设置成使得所述射束敏感结构(101)的所述部分的电特性的局部改变局部地改变所述样本容纳单元(103)的相应部分中的样本的分析；其中所述射束敏感结构(101)包括有机光电导体。
文档编号G01N33/543GK101535809SQ200780042686
公开日2009年9月16日 申请日期2007年11月14日 优先权日2006年11月16日
发明者M·F·吉利斯, M·T·约翰逊 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司