專利名稱：電磁式分子鑷夾陣列的制作方法
技術領域：
本發明是一種電磁式分子鑷夾陣列，特別是一種可以提升對生物分子操控效率的電磁式鑷夾陣列。
背景技術：
基于研究技術的日漸進步，研究人員對于生物體內各種分子的運作機制也有了更多的方法和管道可以加以探究，也因而更縮短了許多研究所需的時程。近年來，跨領域整合的研究更為普遍，生物學、生物醫學、光電學、機電學等 各個原本看似不相關的領域，經由協調整合而達到相輔相成的效果，不但提升了研究的速度，也拓展出另ー種方向的研究視野。在先前的專利文獻中曾通過利用磁力操縱磁性粒子來實現對設置在該粒子表面的生物分子或細胞施力，或者利用光誘導介電電泳的原理來分離粒子而實現施力于細胞或生物分子上。前述文獻皆僅能抓取及移動少數的粒子，因而能夠檢測的細胞數量或生物分子的數量有限，且對于抓取到的目標物(也就是細胞或生物分子)所能進行的操控也十分有限。
發明內容
為解決上述問題，本案發明人致力于研發具有更高效率，更精確，更高穩定性，更容易進行操作及控制的生物分子鑷夾。本發明的ー范疇在于提供一種電磁式生物分子鑷夾陣列，其包括有一基板和至少一磁性球體。該基板上會產生一磁場和一電場，該磁場是以單一蛇般曲折形(serpentine)或相互平行的多條導線布設于該基板上后，通以一直流電而產生。該電場是由正極電極和負極電極交錯平行排列于基板上后，施以ー交流電而形成。導體和電極在基板上是以相互交錯的陣列加以排列。該磁性球體是一由聚合物包覆一具有超順磁特性的納米粒子，且磁性球體表面更設置有ー標的分子。此磁性球體會受到磁場的影響產生一向下的吸力而移向基板表面(暨磁泳效應)，并受到電場及低于生物液體的介電常數的影響產生一向上的斥力而離開基板表面(暨負向介電電泳效應)。通過調整電磁和電場的強度，可以精確的對磁性球體相對于基板表面的位置進行調控。因此，該電磁式鑷夾可以精確地將磁性球體上的標的分子移近基板上的受器分子或者固定在基板上方的一微流管道中的細胞表面上的受器分子，使它們相互結合后；之后更可以通過調節電場或者磁場的強度，使得磁性球體從基板或細胞表面移開，并對標的分子和受器分子間的鍵合產生一作用力。通過觀察記錄磁性球體相對于基板或細胞表面的位置，可以推算分子的精確受力，并搜集獲得分子在不同受カ情況下的相關信息。本發明可以將附著有單個分子的磁性球體陣列設置于同一晶片基板上，從而實現對多個磁性球體的同時操控，因此該電磁式分子鑷夾能夠在很短的時間里獲得大量分子在各種不同受カ下的反應信息。此外，本案有別于前案而可以結合兩股相反的作用力(磁場吸力和電場斥力)，因此可以對磁性球體產生容易控制的凈力，而且因為可以獨立控制電場作用力和磁場作用力而使得凈カ具有高動能范圍和高精度的優點。綜上所述，本發明的方法突破了現分子鑷夾的缺點，即無法對生物分子進行精確及太過繁雜的操控或是達到對單個分子進行并行檢測的效果，因而具有為高通量分子篩選(molecular screening)提供精準而高效平臺的潛力。
圖I是本發明一實施例的上視示意圖。圖2是圖I中沿A-A線的剖示圖。 圖3是本發明的電磁式分子鑷夾的操作原理。圖4是說明利用倒立式顯微鏡觀察單一磁性球體受到磁場和電場操控后在基板上的移動狀況。圖5是說明利用倒立式顯微鏡觀察多個磁性球體受到磁場和電場操控后在基板上的移動狀況。附圖標記說明1_基板;1ト導線;111-導線段；112_導體；12-電極列；121_正極電極；122-負極電極列；123_正電壓輸入端；124_負電壓輸入端；2-磁性球體。
具體實施例方式以下僅以實施例詳細說明本發明。請參見圖I至圖2所示，圖I是本發明一實施例的上視示意圖，圖2是圖I中沿A-A線的剖示圖。本電磁式分子鑷夾是包括有至少一基板I和多個磁性球體2，基板I上設置有ー導線11和多個電極列12，該導線11是以蛇般曲折(serpentine)的形式設置于基板I上，并連接于兩組電流輸出端，以在基板I上形成多個相鄰且平行排列的導線段111，各導線段111上設置有多個以一等距排列的導體112，本實施例中，導體112是三角形，但實際使用吋，導體并不應限定為三角形，而可以其他形狀代替，例如，菱形、長方形、四邊形、圓形等。這些不同的形狀以等距排列而成的導線均可以產生三維(3D)空間上的磁場梯度，保證磁性球體2受到磁場梯度的影響而被控制在兩個導體112之間，因為那里是基板上磁場密度及梯度最大的地方。為了降低焦耳熱效應，也可用相互平行的多條獨立導線以減小線阻。制作相互平行的多條導線的エ藝與単一蛇般曲折(serpentine)形導線類似。多個電極列12至少包括一正極電極列121和ー負極電極列122,正極電極列121是連接于一正電壓輸入端123,以提供一正電，負極電極列122是連接于ー負電壓輸入端124,以提供一負電,正極電極列121和負極電極列122是分別由對向延伸設置于導線段111之間，且為相互平行交錯設置的形式，因此，在圖2中顯示為”正極電極列121-導線段111-負極電極列122”的交錯排列形式。此電極列12是用于產生ー交流電場，并對磁性球體2產生一向上的斥力。
各該電極列121、122是包括有多個電極125，本實施例中，各電極125是呈長方形柱狀，并交錯設置于導電段111上的導體112之間。其他形狀如三角形、四邊形、圓形柱狀等只要能產生三維(3D)空間上的電場梯度的也適用。本實施例中，導線段和電極列是相互垂直，然導線和電極列并不限于相互垂直的設置，而可以形成他種型態的陣列交錯排列。該磁性球體2是由聚合物基質包覆在一具有超順磁(superparamagnetic)特性的納米粒子外所形成。其他不同類型的磁性球體只要能設置ー標的生物分子的都適用。請參見圖3所示，圖3是本發明的電磁式分子鑷夾的操作原理。當對本發明電磁式分子鑷夾中的導線11和電極列12進行通電時，導線11會產生不均勻磁場以對磁性球體2產生ー吸力，而電極列12則會產生不均勻電場而對磁性球體2產生ー斥力，由此控制吸力和斥力的強弱便可以操控磁性球體2與基板I的相對距離，或是將磁性球體2由基板I上一位置位移至另ー特定位置，該特定位置上更可設置有ー受器分子以與磁性球體上的標的
分子鍵合，互為相反作用的吸力和斥力便可作為該分子鍵合(molecular bond)的鑷夾而對其施加精確的凈力。舉例來說，當磁性球體2的基質表面設置有一抗原，基板I表面設置有一抗體吋，可以利用調整電流強弱將磁性球體2引導至基板I表面設置有抗體的位置，從而使抗原和抗體發生鍵合作用，此時，若是將調整電流將電磁吸力降低，或是將電場斥力増加，以產生向上的凈カ，磁性球體便會被向上拉動，同時也會對抗原和抗體之間的生物鍵產生一作用力。請參見圖4所示，是說明利用倒立式顯微鏡觀察單一磁性球體受到磁場和電場操控，在基板上的移動狀況。當電場電壓(e. g. I. 5Vpp)和磁場電流(e. g. 15mA)保持穩定狀態時，磁性球體2受到磁場和電場的綜合作用而被控制在基板上的兩個導體112之間并與基板表面保持很微小的距離(如圖4中(A))，當電場保持穩定時，調整通過導體112的電流(e.g.由15毫mA增加至20mA時)，磁性球體2便產生一向上漂浮的動作(圖4中(B))。如果將此漂浮動作的結果與圖4中(C)中漂浮的前記錄的圖像進行比對，便可確認磁性球體2的上漂距離為約3微米(ii m)。圖5是同時對多個磁性球體進行操控的結果。由圖中可看出，在維持穩定電場電壓下(e. g. I. 5Vpp),增加電磁電流(e. g.由15mA增加至16mA)可以使得多個磁性球體同時向上飄移約0. 5微米(ii m)。由前述實施例可以知道，本發明的電磁式分子鑷夾是直接通過可量化的電壓和電流來調整磁泳力和介電電泳力的強度，以進一歩達成控制磁性球體相對于基板位置的效果。由于現代電子設備可實現非常高精度的電壓及電流改變，直接導致本發明的電磁式分子鑷夾對磁性球體在基板上可實現非常高精度(e.g.亞納米級)的上漂及下沉。同時，前述實施例是利用顯微鏡對于磁性球體的移動進行觀察，然實際使用時并不應以此為限，其他對磁性球體的位置具有更高解析度的例如光繞射(interferometry)技術等，亦可以搭配本發明的電磁式分子鑷夾，以更精確的偵測磁性球體位移。
權利要求
1.一種電磁式分子鑷夾陣列，其特征在于，其包括有 至少ー磁性球體該磁性球體是一由聚合物包覆且具有超順磁特性的納米粒子；和 一基板，包括有 至少ー導線，以蛇般曲折的形式設置于該基板上，或以在該基板上形成多個相鄰且平行排列的導線段，該導線是產生一磁場，并對該磁性球體產生一向下的吸力 '及 多個電極列，是用于產生ー電場，并對該磁性球體產生一向上的斥力，其至少包括有 一正極電極列是連接于一正電壓輸入端以提供一正電，且延伸設置于各該導線段之間；及 ー負極電極列是連接于ー負電壓輸入端以提供ー負電，且相對于該正極電極列而延伸設置于各該導線段之間。
2.根據權利要求I所述的電磁式分子鑷夾陣列，其特征在于，該磁性球體表面設置有ー標的分子，該基板表面設置有ー受器分子。
3.根據權利要求I所述的電磁式分子鑷夾陣列，其特征在于，該磁性球體表面設置有ー標的分子，該基板上則設置有一微流管道，該微流管道內設置有至少一具有受器分子的細胞。
4.根據權利要求I所述的電磁式分子鑷夾陣列，其特征在于，該磁性球體于該基板上的位置是利用一顯微鏡或一光繞射技術加以觀察。
5.根據權利要求2所述的電磁式分子鑷夾陣列，其特征在干，該導線段上設置有多個以一等距排列的導體。
6.根據權利要求4所述的電磁式分子鑷夾陣列，其特征在干，該電極列上設置有多個電極。
7.根據權利要求5所述的電磁式分子鑷夾陣列，其特征在于，該導體和該電極是交錯排列以形成ー陣列。
8.根據權利要求4所述的電磁式分子鑷夾陣列，其特征在于，該導體是三角形、菱形、長方形、四邊形或圓形。
9.根據權利要求5所述的電磁式分子鑷夾陣列，其特征在于，該電極是長方形、三角形、四邊形或圓形柱狀，并交錯設置于該導體之間。
全文摘要
本發明是一種電磁式分子鑷夾陣列，其是利用在一基板上產生一磁場和一電場的方式，以磁場吸力和電場斥力來同時控制多個磁性球體在基板上的位置。此電磁式分子鑷夾陣列包括有至少一導線和多個電極列，多個電極列更包括有正電極列和負電極列，導線、正電極列和負電極列是相互交錯平行排列。通過微調磁場和電場強度可以對于磁性球體在基板上的位置達到精確且利于控制的效果，且通過取得磁性球體位移變化的結果，得以推算出鏈接在球體與基板或其他載體之間的分子受到的作用力。
文檔編號G01N1/28GK102954904SQ20121030041
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月22日 優先權日2011年8月22日
發明者彭爭春, 彼得J.賀司克史, 陳偉, 塔德蘇徹可, 李卓穎 申請人:彭爭春, 彼得J.賀司克史, 陳偉, 塔德 蘇徹可, 李卓穎