[发明专利]对生物样本和其它物体的操纵和/或检测

说明书

技术领域

本发明一般地涉及用于经由电磁场操纵、检测、成像和/或识别粒子或物体的方法和设备。在各种例子中，公开了集成微系统方法和设备，包括通过使用传统的半导体技术(例如，Si，SiGe，CMOS，GaAs，InP)制造的、和被配置成经由电场和/或磁场相互作用来引导、感测、成像和/或识别感兴趣的粒子或物体的电场和/或磁场生成装置。在某些例子中，这样的场生成装置与微流系统合并在一起，进一步使得感兴趣的粒子或物体的运动、感测、成像和/或识别变得容易。

背景技术

在生物和医学科学中，能够沿规定的路径操纵(例如，移动或引导)生物样本(例如，一个或多个细胞)常常是有用的。基于磁场的生物系统的操纵是一种传统上使用的、完成这种任务的方法。在牵涉到磁场的一种传统的实施方案中，具有化学修正表面的小的磁珠(magneticbead)可被耦合到目标生物系统，诸如特定的细胞或微组织。根据给定的磁珠的涂覆的类型以及磁珠的相对大小和目标细胞或微组织，磁珠可被粘附到细胞或微组织的表面(外部耦合)，或被细胞或微组织摄取(内部耦合)。这样的“磁珠粘合”样本然后可以悬浮在主液(host liquid)中，构成“微流体”，在微流体中的悬浮的样本然后可以通过使用外部磁场而操纵。基于这种原理的装置常常被称为“磁镊”，在传统上被使用来收集悬浮在液体中的小的粒子(例如，DNA)供研究用。

因为磁场和磁珠本身典型地是生物可兼容的，所以这个过程是非侵入性的并且通常不损坏样本。然而，传统的磁镊无法提供多个磁珠的分别控制，因为这些装置典型地只产生可以移动的单个场峰值；因此传统上在微流体内仅仅可以控制单个磁珠，或同时控制紧密地在一起的一组磁珠。

与悬浮在液体中的生物样本、粒子或其它物体的运动和操纵有关的另一个领域涉及被称为介电电泳的现象。当非均匀电场在悬浮在液体中的粒子上感应出偶极子时，发生介电电泳。在偶极子上的随后的力将粒子拉到电场的最小值或最大值处。几乎任何粒子，没有任何专门的准备，当被暴露到适当的本地电场时，都可以通过使用介电电泳被收集或移动。这是基于电场的操作超过上述的基于磁场的操作的优点，因为后者要求用磁珠标记生物样本或其它感兴趣的物体。然而，介电电泳的潜在的缺点在于，相对较强的电场在某些环境下可能损坏细胞、粒子或其它感兴趣的物体。

能够在医疗诊断和生命科学中实现各种应用的、与生物样本的运动和操纵有关的又一个领域被称为“微流学”。微流学通过提供支持和维持细胞和组织的生理体内平衡的微尺度生物兼容的环境来针对小的生物样本的抑制和/或流动。微流系统可被配置成用于保持包含感兴趣的细胞/生物样本的液体的相对较简单的腔室或蓄液池(“浴盆”)；可替换地，这样的系统可以具有复杂得多的、包括多个管道或通道的装置，在其中细胞、粒子或其它感兴趣的物体可以流动。通过控制流体在微尺度通道中的流动，少量的样本可以在微流系统内被以想要的路径导引。诸如阀门、过滤器、混合器、和配量器那样的各种微流装置，与在更复杂的微流系统中的微流通道相结合，可使得微尺度上的精巧的生物分析变得容易。由于为批量制造允许进行许多复制的软平版印刷技术，即使某些复杂的传统的微流系统的制造通常也认为是成本经济的。

然而，一旦被制作，传统的微流系统(特别是更复杂的系统)不提供明显的灵活度，并且特别没有足够的可编程性和可控制性。特别地，被使用于诸如细胞分类那样的分析操作的传统的微流系统被制造成具有特定的数目和设置的固定的通道和阀门。阀门的操作控制细胞流动到通道中，由此将它们分类。系统的功能通常是基于在相对较大数目的细胞之间进行区分的统计方法，而不是一次分类一个细胞。因为通道和阀门的设置是在微流系统制造期间确定的，每个系统被设计成用于特定的操作，并且典型地不修改它的基本结构则无法使用于不同的过程。

集成电路(IC)技术是上一个世纪的最重大的使能技术之一。I C技术是基于使用各种各样的半导体材料(例如，硅Si、硅锗SiGe、砷化镓GaAs、磷化铟InP等等)来实施各种各样的电子部件和电路。或许IC技术的最流行的例子之一是用来制造硅集成电路的CMOS(互补型金属氧化物半导体)技术。