靠近用于接口的空腔的颗粒的介电泳固定的制作方法

靠近用于接口的空腔的颗粒的介电泳固定


背景技术：

1.介电泳(dep)是当在非线性电场中的电中性但可极化的物质(诸如生物分子或细胞)经受电场梯度中的力时发生的电物理现象。这是因为颗粒的一侧由于跨颗粒的电场的变化而经历比另一侧更大的偶极力。dep力名义上由以下等式给出：
[0002][0003]
其中，r是颗粒的半径，∈
m
是流体的介电常数，e是电场，并且f
cm
是克劳修斯
‑
莫索蒂因子，取决于流体和颗粒之间的介电常数差的复数值，并且其确定dep力是正还是负。
[0004]
基于在流体环境中捕获和分选中性颗粒或生物分子的能力，dep可用于例如基于微流体的应用中的单细胞分析。例如通过应用dep来分离单细胞以用于已经在流体环境中展示的阻抗或荧光表征(或任何非接触评估技术)，在标准生物化学测定中使用dep。然而，由于例如但不限于在流体和非线性电场环境中引入用于细胞的局部操纵的探测工具，使用dep分离单细胞以直接操纵细胞提出了额外的挑战。因此，需要一种新的系统和技术平台，其可以采用dep来分离单细胞以在流体和非线性电场环境中直接操作。


技术实现要素：

[0005]
根据各种实施例，提供了一种被配置用于固定颗粒的装置。该装置包括用于将流体与隔室分离的膜；靠近膜设置的一个或多个电极；反电极，其中，一个或多个电极和反电极被配置为跨一个或多个电极和反电极产生非线性电场；以及电源，电源用于跨一个或多个电极和反电极提供交流电(ac)，从而产生振荡非线性电场，振荡非线性电场用于固定悬浮在流体中的颗粒，流体在一个或多个电极与反电极之间流动。
[0006]
根据各种实施例，提供了一种操作用于固定颗粒的装置的方法。该方法包括：提供电源；提供膜，膜被配置用于将流体与隔室分离；提供靠近膜设置的一个或多个电极；提供反电极，其中，一个或多个电极和反电极被配置为跨一个或多个电极和反电极产生非线性电场；经由电源，供应跨一个或多个电极和反电极的交流电(ac)，从而产生振荡非线性电场；以及经由通过振荡非线性电场产生的介电泳力来固定悬浮在流体中的颗粒，流体在一个或多个电极与反电极之间流动。
[0007]
根据各种实施例，提供了一种被配置用于固定颗粒的装置。该装置包括一个或多个电极和反电极，一个或多个电极和反电极被配置用于产生非线性电场，非线性电场用于固定悬浮在流体中的颗粒，流体在一个或多个电极与反电极之间流动；以及膜，膜靠近一个或多个电极的表面设置，一个或多个电极的表面远离反电极，其中，膜被配置用于将流体与隔室分离，并且具有开口，开口被配置成允许插入被设置在隔室中的尖锐构件。
[0008]
根据各种实施例，提供了一种操作用于固定颗粒的装置的方法。该方法包括提供电源；提供一个或多个电极和反电极，一个或多个电极和反电极被配置用于产生非线性电场，非线性电场用于固定悬浮在流体中的颗粒，流体在一个或多个电极与反电极之间流动；提供膜，膜被设置为靠近一个或多个电极的远离反电极的表面，其中，膜被配置用于将流体与隔室分离，并且具有开口，开口被配置成允许插入被设置在隔室中的尖锐构件；经由电
源，跨一个或多个电极和反电极提供交流电(ac)，从而产生振荡非线性电场；以及经由通过振荡非线性电场产生的介电泳力来固定悬浮在流体中的颗粒。
[0009]
根据各种实施例，提供了一种操作用于固定颗粒的装置的方法。该方法包括提供电源；提供膜，膜被配置用于将流体与隔室分离；提供靠近膜的表面设置的电极对，其中，电极对被配置为跨电极产生非线性电场；经由电源，跨电极提供交流电(ac)，从而产生振荡非线性电场；以及经由通过振荡非线性电场产生的介电泳力来固定悬浮在电极之间流动的流体中的颗粒。该方法还包括提供反电极。该方法还包括提供靠近膜的表面设置的第三电极。
[0010]
下面详细地讨论这些和其它方面和实施方式。前述信息和以下详细描述包括各个方面和实施方式的说明性示例，并且提供了用于理解所要求保护的方面和实施方式的性质和特性的概述或框架。附图提供了对各个方面和实施方式的说明和进一步理解，并且被并入本说明书中并构成本说明书的一部分。
附图说明
[0011]
附图不是按比例绘制的。各个附图中相似的附图标记和名称指示笑死的元件。为了清楚起见，并非每一个部件都会在每一个附图中标记。在附图中：
[0012]
图1a至1d示出了根据各种实施例的被配置用于固定颗粒的装置的示意图。
[0013]
图2a至2d示出了根据各种实施例的被配置用于固定颗粒的装置的示意图示。
[0014]
图3a至3d示出了根据各种实施例的被配置用于探询颗粒的装置的示意图示。
[0015]
图4示出了根据各种实施例的被配置用于颗粒的位置操纵的装置的示意示例。
[0016]
图5a至5d是根据各种实施例的被配置用于颗粒的位置操纵的装置400的各种示意图。
[0017]
图6a至6d示出了根据各种实施例的被配置用于固定颗粒的装置的各种配置。
[0018]
图7a至7c示出了根据各种实施例的被配置用于固定多个颗粒的装置的各种配置的示意示例。
[0019]
图8是根据各种实施例的显示用于固定颗粒的装置的模拟结果的图形图。
[0020]
图9是示出根据各种实施例的用于固定颗粒的装置的分析结果的三维图。
[0021]
图10是根据各种实施例的操作用于固定颗粒的装置的示例性方法的流程图。
[0022]
图11是根据各种实施例的操作用于固定颗粒的装置的示例性方法的流程图。
[0023]
图12是根据各种实施例的操作用于固定颗粒的装置的示例性方法的流程图。
具体实施方式
[0024]
如本文所述，术语“颗粒”是指单独或一起具有物理性质的物体或一组物体。颗粒具有可以包括混合物的组合物，所述混合物包括但不限于活细胞、病毒、油滴、脂质体、胶束(micelles)、反胶束(reverse micelles)、蛋白质聚集体、聚合物、表面活性剂组装或其组合。颗粒可以是活的或死的个体或多个细胞(或多个细胞)、病毒(或多个病毒)、细菌(或多个细菌)或任何生物体。颗粒可以自由漂浮在流体中，例如悬浮在流体中，可以是粘附的，可以改变形状，可以合并，可以分裂等。
[0025]
术语“孔”是指两个区之间的开口。术语“有效负载”包括任何化学化合物、聚合物、生物大分子或组合。术语“信号”包括任何电事件，诸如电压、电流、频率、相位或持续时间的
变化，其可以包括dc、ac或频率分量的叠加。术语“干扰”是指中断、阻碍或以其他方式劣化或限制信号或信号分量的有效传输或读出的任何电磁扰动。术语“膜”是指分离两个区的任何分区或物理屏障。术语“探询”是指诸如例如材料取样、物理探测、感测、有效载荷传递、相互作用、物理接触、毛细管芯吸和/或插入的活动。
[0026]
本公开总体上涉及用于流体和非线性电场环境中局部操纵中性颗粒或生物分子的装置及其各种(例如，微流体)应用。特别地，本公开涉及一种用于在隔室(或空腔)附近基于介电泳(基于dep)固定生物物体、单细胞或细胞组以局部操纵分子或细胞的装置。在各种实施方式中，隔室或腔可以填充有水性流体、水性缓冲液、有机溶剂、疏水流体或气体中的一种。在各种实施方式中，隔室可以在隔室内包含与隔室外部的流体不混溶的流体。在各种实施方式中，隔室可以包含与水性环境不相容的非水性流体或微电子。
[0027]
此外，本公开涉及一种装置，用于经由具有基于微机电系统(mems)的结构和/或探测工具和/或用于纳米孔电穿孔(nep)应用的电极的接口，跨隔室局部操纵单个物体或细胞。基于本文公开的技术的合适应用包括原位生物探询、细胞工程、单细胞基因组学、生物样品的电化学和物理探询(例如，膜片钳或原子力显微镜(afm))、液滴微流体(例如，液滴流体的取样或显微注射)以及任何其他合适的应用。可以应用该技术的合适应用包括探询离散生物制剂，例如探询或探测细胞、活细胞、病毒、油滴、脂质体(liposomes)、胶束(micelles)、反胶束、蛋白质聚集体、聚合物、表面活性剂组装体(assemblies)或其组合等。
[0028]
本文公开的技术涉及将水性微流体环境与可以在非水性环境中的结构，例如可以在非导电流体中的电子器件或可以使用疏水溶剂的工艺耦合。所公开的技术可以大规模地在流体环境中提供隔离颗粒的局部操纵，同时公开了允许从包含敏感mems部件或电子器件的隔室进入。这可以通过将mems工艺与微流体过程耦合来完成，以允许高通量处理和探询悬浮颗粒(术语一个或多个颗粒可以指“生物物体、物体或细胞”和非生物物体)。特别地，本文所述的技术涉及一种高通量的基于dep的颗粒固定(捕获)装置，其将一个或多个颗粒固定并固定在邻近膜流动的流体中，该膜将流体与包含电子部件(包括mems结构)的隔室(隔离的隔室或腔)分离。如本文所述，为了提供从空腔进入流体环境的通路，可以使用通过膜的一个或多个膜开口(在本文中，也称为“孔”或“微孔”)。例如，开口可以被用于提供到悬浮在流体中的一个或多个颗粒的通路，其将与隔室中的跨膜驻留的各个mems/电结构单独地接合和/或相互作用。如本文所述，还可以将膜设计成使用流体动力学策略，在两种不混溶的流体之间保持稳定的液/气界面或液
‑
液界面，该流体动力学策略包括但不限于经由疏水或亲水涂层的表面图案化，和/或在膜的任一侧上的两种流体介质的压力控制。还可以控制该界面，以经由静电调节表面能，通过对腔加压或减压，或通过改变孔的尺寸或形状(例如通过将中空微针插入孔中以减小有效毛细管半径)，有意地将流体移入或移出腔。
[0029]
通过提供将dep介导的颗粒固定技术(例如，捕获技术)与单细胞水平(例如，单细胞分辨率)的单个生物分子或细胞的高度局部操作相连接的平台，可以实现例如提取遗传物质和/或将药物分子递送到单个细胞中的高度可控的方法，不仅对于单细胞，而且以高通量、可靠和可再现的方式。
[0030]
如本文所述，描述了用于固定流体中的颗粒的装置的各种实施方式。在各种实施方式中，该装置包括用于将例如微流体通道中的流体与隔室分离的膜。在各种实施方式中，该装置还包括远离隔室设置在膜上的一个或多个电极和具有与一个或多个电极不同的表
面区域的反电极。在各种实施方式中，一个或多个电极和反电极(在本文中也称为“dep电极”)被配置为跨一个或多个电极和反电极产生非线性电场。在各种实施方式中，该装置还包括用于提供和感测跨一个或多个电极和/或反电极的信号的电输入和输出源。在各种实施方式中，该信号是用于产生振荡非线性电场的ac电压，该振荡非线性电场用于固定悬浮在一个或多个电极和反电极之间流动的流体中的颗粒。
[0031]
在该装置的各种实施方式中，膜具有开口，通过该开口允许机械操纵固定的颗粒。在各种实施方式中，机械操纵包括利用尖锐构件探测颗粒，该尖锐构件被配置成从隔室跨膜进入。在各种实施方式中，尖锐构件是mems结构或纳米机电系统(nems)结构。在各种实施方式中，尖锐构件是针、柱或中空管。
[0032]
在各种实施方式中，所公开的技术涉及一种具有微流体膜混合架构的装置，其被定制用于悬浮在流体介质中的离散物体(例如，离散球状物体)的最佳探询。使用该装置，可以使用靠近膜(包括多孔膜)的dep，在空间上限制球状物体。在各种实施方式中，膜中的孔在几何上和化学上被优化/定制以防止跨膜的流体交换。该装置的应用可以包括通过外部探针探询流体环境内的离散生物系统。此外，与本文所述的微流体膜混合架构相关的技术可以经由典型的mems制造方法集成到更大的设备结构中。例如，外部探针可以经由mems制造方法制作，并设置在隔室中。
[0033]
在各种实施方式中，该装置包括与孔(例如，开口125、225a
‑
d等)共定位的电极阵列(或一个或多个电极的阵列，例如，电极对、一组三个电极、一组四个电极等)，允许从腔体进入捕获的颗粒。在各种实施方式中，通过涂覆孔的内壁的化学处理使孔成为疏水性的。在各种实施方式中，膜的任一侧上的孔的边缘表面和/或孔内部用一系列材料类别涂覆/化学功能化，所述材料类别包括例如任何小分子、蛋白质、肽、类肽、聚合物或以任何合适的组合上文列出的无机材料。本文包括表面化学及其功能性的一些示例。根据各种实施例，孔的内部和/或膜的一侧的涂层可以包括疏水材料，诸如疏水有机硅烷，例如氟硅烷，以便防止水溶液通过孔泄漏。根据各种实施例，可以使用化学品(诸如但不限于泊洛沙姆或聚(甲基丙烯酸2
‑
羟乙酯)或任何合适的蛋白质封闭溶液(诸如牛血清白蛋白))以便防止非特异性细胞粘附远离捕获位点，例如接近开口或孔。表面涂层的一些示例可以包括例如生物或有机材料，诸如蛋白质、肽、聚合物、不同长度的烃链、可以用于防止细胞粘附以及有效负载/分析物粘附的任何组合。根据各种实施方式，这种表面涂层可用于防止分子有效载荷粘附，特别是相对于设置在尖锐构件或针上的分子有效载荷。根据各种实施例，在膜的一侧上涂覆有亲水材料，诸如透明质酸、氧化钛、聚乙二醇等，以便确保这些表面的有效润湿并防止疏水材料从开口流出。根据各种实施例，可以采用上述方法的任何组合，以便在单独的开口、孔或腔中分离疏水流体和亲水流体。
[0034]
本文公开的各种实施方式经由诸如流体环境中的电化学、阻抗、光学方法和基于mems的细胞操作的技术，表示用于表征、取样、有效负载递送或修饰的生物对象和/或细胞的高容量捕获的独特能力。如本文所述，可以基于应用和待探询的生物对象或细胞来优化物理和材料性质和参数，诸如例如孔(或开口)的尺寸和疏水、电极的尺寸、流体介质的电导率和电极的操作频率。在本文描述的技术的各种实施方式中，该装置可以被配置用于在俘获/捕获，以及探测/探询/操纵之后，选择性释放细胞。
[0035]
此外，根据本文所述的各种实施方式，还可以通过利用介电泳(dep)力来优化该装
置。例如，由于产生的dep力与根据上述dep方程的场梯度的平方成比例，因此可以跨一个或多个电极和反电极产生高非线性的电场。在各种实施方式中，通过利用经由尺寸差异和/或接近度产生大电场梯度的几何形状，在一个或多个电极之间施加交流电(ac)，可以产生受限的高非线性电场以作用于生物对象或细胞，并将其固定在俘获区域中。例如，如果一个或多个电极(例如，电极对)布置在开口周围，则可以调整dep力以俘获开口处的电极之间的物体。另外，如果电极中的开口的壁涂覆有疏水材料，则开口的涂覆内壁的接触角可以经由以下等式与流体的毛细管压力相关：
[0036][0037]
其中，r是开口的半径，γ是表面张力(对于水和空气约为72.75mn/m)，以及θ是接触角。通常，高于90的接触角表示疏水材料，而低于90的接触角表示亲水材料。通过施加例如疏水硅烷涂层将接触角θ增加至约130度，空气
‑
水界面的毛细管压力达到40
‑
60kpa，具有约4μm或5μm的相对大的开口。如本文所述，开口内壁上的疏水涂层可以防止流体从水侧流过开口以进入可以包含mems或其他电子部件的充气隔室中。相同的原理适用于跨膜的其他类型的流体相分离，取决于膜的水性侧或非水性侧是处于较高压力还是较低压力，孔可以分别用疏水表面处理或亲水表面处理来图案化。因此，具有以产生非线性电场的方式布置的一个或多个电极和反电极的装置可以被配置为俘获、固定或限制流体中的生物对象或细胞，并且经由开口，通过驻留在隔室中的mems结构探测，而不损害任何流体暴露于敏感电子部件。在各种实施方式中，该装置具有一个或多个电极和反电极，其具有相同或基本相似的尺寸，可以被配置为产生高非线性的电场，以便俘获、固定或限制流体中的生物对象或细胞，并且经由开口，通过驻留在隔室中的mems结构探测生物对象或细胞，而不损害任何流体暴露于敏感电子部件。在各种实施方式中，每一个俘获位点(例如开口或孔)可以包括电极、两个电极、三个电极、四个电极等。在各种实施方式中，附加电极可以被配置用于在存在物体(例如，颗粒或细胞)的情况下进行阻抗感测。此外，由于装置的制造可以使用公认的mems处理技术和基于光刻的高度可靠和可再现的方法来完成，因此制造装置的方法是可扩展的，因此允许以临床相关量平行固定和探询生物对象或细胞。
[0038]
图1a至1d示出了根据本文公开的各种实施方式的用于固定颗粒的装置的示意图。图1a示出了根据各种实施例的示例性装置100的示意性俯视图。如图1a所示，装置100包括开口125(在本文中也称为“孔”)、多个电极120和一个或多个互连件130。例如，如图所示，多个电极120可以包括以阵列或网格形成的多个单独的不同电极表面区域。尽管电极120被示为环形或圆形电极，但是根据各种实施例，电极120可以是如参考图6a至6d和7a至7c所示和所述的电极对620a、620b、620c、620d、720，或者靠近开口125设置的任何数量的电极组。因此，如下面参考电极120进一步描述的物理、化学、材料参数可以适用于如参考图6a至6d和7a至7c所示和所述的电极对620a、620b、620c、620d、720中的任何一个。
[0039]
在各种实施方式中，电极120具有在约1nm至约50μm之间的厚度。在各种实施方式中，电极120具有在约10nm至约5μm、约10nm至约10μm、约10nm至约5μm、约100nm至约4μm、约300nm至约3μm、约400nm至约5μm、约500nm至约5μm之间的厚度，包括其间的任何厚度范围。
[0040]
在各种实施方式中，电极120包括具有足够电化学稳定性的透明导电材料或掺杂半导体材料中的至少一种。在各种实施方式中，透明导电材料包括氧化铟锡、石墨烯、掺杂
石墨烯、导电聚合物或薄金属层。
[0041]
如图1a所示，在各种实施方式中，多个电极120(指电极120的阵列)中的每一个具有开口125。在各种实现方式中，多个电极120中的一些具有开口125，并且一些电极120不具有开口125。在各种实施方式中，具有开口125的电极120和不具有开口125的电极120基于装置100的应用策略性地布置。
[0042]
在各种实施方式中，开口125具有在约0.1nm至约1mm之间的尺寸(如果是圆形的，则在本文中也被称为直径，或者如果是任何非圆形几何形状，则也被称为横向尺寸)。在各种实施方式中，开口125具有在约1nm至约100nm、约100nm至约1μm、约1μm至约10μm、约100nm至约25μm、约1μm至约100μm或约1μm至约50μm之间的尺寸，包括其间的任何尺寸范围。
[0043]
在各种实施方式中，多个电极120中的电极120在两个相邻电极之间具有约1μm至约5mm、约1μm至约1mm、约10μm至约500μm或约10μm至约1mm的电极到电极间隔距离，包含其间的任何间隔距离范围。
[0044]
在各种实施方式中，电极120和一个或多个互连件130包括相同的材料。在各种实施方式中，一个或多个互连件130包括具有足够电化学稳定性的透明导电材料或掺杂半导体材料中的至少一种。在各种实施方式中，透明导电材料包括氧化铟锡、金属纳米线网、石墨烯、掺杂石墨烯、导电聚合物、薄金属层、原子层金属膜或任何其他合适的透明导体。
[0045]
图1b示出了装置100的一个电极120的放大示意图。在各种实施方式中，装置100包括一个电极120。如图1a和1b所示，多个电极120经由网格或阵列中的一个或多个互连件130彼此互连。在各种实施方式中，多个电极120在可以包括任何数量的电极120的组内彼此互连，并且装置100可以包括任何数量的电极120的组。
[0046]
图1c示出了根据各种实施方式的装置100的横截面图(与图1b的视图正交)。如图1c所示，装置100包括多个电极120和反电极140。根据各种实施例，多个电极120中的每一个电极120可以是如参考图6a至6d和7a至7c所示和所述的电极对620a、620b、620c、620d、720，或者靠近开口125设置的任何数量的电极组。在各种实施方式中，反电极140是跨越装置100的一部分、大部分、几乎整个或整个装置的平面电极。例如，反电极140可以大于多个电极120中的每一个。例如，反电极140可以具有大于单个电极120的表面区域的表面区域。在各种实施方式中，反电极140和电极120之间的表面区域的比率可以是约1:1、1.1:1、2:1、5:1、10:1、50:1、100:1、1百万：1或其间的任何合适的比率。
[0047]
在各种实施方式中，电极120和反电极140具有相同或基本相似的尺寸。在各种实施方式中，电极120和反电极140设置在同一平面上。
[0048]
如图1c所示，多个电极120和反电极140被配置为接收在多个电极120和反电极140之间的通道160中流动的流体(在图1c中被示为平行箭头)。在各种实施方式中，在通道160中流动的流体可以包括例如但不限于水性流体、水性缓冲液、有机溶剂、疏水流体或气体。
[0049]
在各种实施方式中，流体以0至10ml/s之间的流速在通道160中流动。在各种实施方式中，流体是静态的，因此具有最小的流速或没有流速。在各种实施方式中，流体从约0.001ml/s至约0.1ml/s、约0.01ml/s至约1ml/s或约0.1ml/s至约10ml/s流动，包括其间的任何流速范围。
[0050]
图1d示出了装置100的多个电极120之一的放大横截面图。如图1d所示，装置100包括膜110、电极120、互连件130和钝化层150。在各种实施方式中，膜110包括电绝缘材料。在
各种实施方式中，膜110包括电绝缘材料，包括但不限于氮化硅、氧化硅、金属氧化物、碳化物(例如sicoh)、陶瓷(例如矾土：alumina)和聚合物。在各种实施方式中，膜110包括导电材料，诸如金属或掺杂半导体材料。在各种实施方式中，膜110可以是单层或具有包括任何上述材料的多层堆叠的复合层。
[0051]
在各种实施方式中，形成通道160的壁包括通道材料，所述通道材料可以包括例如但不限于硅、玻璃、塑料或各种弹性体，诸如例如聚(二甲基硅氧烷)(pdms)，其可以被用作用于流体层的结构材料。在各种实施方式中，通道160具有约1nm至约1cm、约100nm至约100mm、约200nm至约1mm或约200nm至约500μm的尺寸，包括其间的任何尺寸。在各种实施方式中，通道160的高度由被探测的颗粒尺寸设定，并且为了避免堵塞，通道160的高度应该是颗粒直径的至少两倍。
[0052]
在各种实施方式中，膜110具有在约10nm至约1cm之间的厚度。在各种实施方式中，膜具有约10nm至约5mm、约10nm至约1mm、约10nm至约100μm、约50nm至约10μm、约50nm至约5μm、约100nm至约10μm、约100nm至约5μm、或约100nm至约2μm的厚度，包括其间的任何厚度范围。在各种实施方式中，膜110或包括膜的任何材料层可以被图案化。
[0053]
图1d还示出了悬浮在通道160中流动的流体中的颗粒165。在各种实施方式中，颗粒165可以包括各种类型的颗粒材料或球状材料，包括但不限于任何生物对象、细胞或非生物对象。在各种实施方式中，颗粒165可以包括生物有机体、生物结构、细胞、活细胞、病毒、油滴、脂质体、胶束、反胶束、蛋白质聚集体、聚合物、表面活性剂组装体、囊泡、微囊泡、蛋白质、分子、微滴或非生物颗粒物质。
[0054]
在各种实施方式中，颗粒165可以具有在约1nm至约1mm之间的尺寸。在各种实施方式中，颗粒165可以具有在约10nm至约500μm、约50nm至约200μm、约200nm至约100μm、约300nm至约50μm、约100nm至约200μm、约100nm至约100μm或约200nm至约50μm之间的尺寸，包含其间的任何大小范围。
[0055]
如图1d所示，根据各种实施方式，膜110被配置为将流体隔离以免进入隔室180。图1d还示出了装置100的开口125。如图1d所示，开口125贯穿膜110和电极120。在各种实施方式中，开口125贯穿膜110、电极120和钝化层150。在各种实施方式中，如果装置的操作需要多于一个流体相(诸如离子缓冲液和空气或水性和有机溶剂)，则开口125还可以用作毛细管阀以隔离跨膜110的两个流体相。图1d的放大横截面视图还示出了设置在隔室180中靠近膜110的尖锐构件185。
[0056]
在各种实施方式中，尖锐构件185被配置为在开口125内移动，且移过膜110、电极120和钝化层150。根据各种实施方式，开口125允许机械操纵固定的颗粒165。在各种实施方式中，机械操纵包括利用被配置成跨膜110、电极120和/或钝化层150的尖锐构件185，探测、插入、穿透、电穿孔、感测、沉积材料、取样材料或以其他方式操纵颗粒165。在各种实施方式中，机械操纵由尖锐构件185进行。在各种实施方式中，尖锐构件185在移动之前(例如，在沿着纵向轴线(例如，竖直向下)致动尖锐构件185之前)，从尖锐构件185所在的隔室180进入，如图1d所示。在各种实施方式中，尖锐构件185可以是长度在约10nm至约50μm之间的针、柱、中空管、纳米针或微针。在各种实施方式中，尖锐构件185经由微机电系统(mems)方法或纳米机电系统(nems)方法制造或制作。根据各种实施例，隔室180包括mems结构或nems结构，包括尖锐构件185。
[0057]
在各种实施方式中，尖锐构件185可以被配置为以跨膜110的探针形式操作为第三电极。该第三电极探针可以利用用于感测或致动的dc或ac信号(例如利用用于纳米孔电穿孔(nep)应用的脉冲dc信号或利用用于测量阻抗目的的单独频率的低功率ac信号)偏置。在各种实施方式中，dep电极本身还可以承载被选择以经由下游滤波容易地与dep信号隔离的单独的叠加ac或dc信号。
[0058]
在各种实施方式中，开口125的壁具有疏水涂层或亲水涂层。在各种实施方式中，通过涂覆开口125的内壁的化学处理，使开口125是疏水的。在各种实施方式中，在膜的任一侧上的开口125的边缘表面和/或开口125的壁(内壁)的内侧(在本文中也被称为“孔内部”)被利用一系列材料类别(包括例如任何小分子、蛋白质、肽、类肽、聚合物或以上列出的任何合适组合的无机材料)涂覆/化学功能化。参考图2a至2d详细地提供了涂层的各种细节。
[0059]
根据各种实施例，疏水涂层或亲水涂层被设置(或沉积)在膜110和/或电极120的壁上，以防止流体进入隔室。在各种实施方式中，涂层化学地和共价地附接到相关表面。在各种实施方式中，疏水涂层可以包括各种类别，诸如叠氮化物、有机硅烷或碳氟化合物。在各种实施方式中，亲水涂层可以包括一系列材料类别，包括任何小分子、蛋白质、肽、类肽、聚合物或无机材料。在各种实施方式中，开口125的壁具有图案化的亲水和疏水涂层的组合。
[0060]
在各种实施方式中，疏水涂层具有约95
°
和约165
°
的接触角。在各种实施方式中，疏水涂层具有约100
°
和约165
°
、约105
°
和约165
°
、约110
°
和约165
°
、约120
°
和约165
°
、约95
°
和约150
°
、约95
°
和约140
°
、或约95
°
和约130
°
的接触角，包括其间的任何接触角范围。
[0061]
在各种实施方式中，亲水涂层具有约20
°
和约80
°
的接触角。在各种实施方式中，亲水涂层具有约25
°
和约80
°
、约30
°
和约80
°
、约35
°
和约80
°
、约40
°
和约80
°
、约20
°
和约70
°
、约20
°
和约60
°
、或约20
°
和约50
°
的接触角，包括其间的任何接触角范围。
[0062]
根据各种实施方式，电源(未示出)可以电连接到多个电极120和反电极140，以提供跨多个电极120和反电极140的交流电(ac)，从而产生振荡非线性电场，用于固定(或俘获)悬浮在多个电极120和反电极140之间流动的流体中的颗粒165。在各种实施方式中，可以施加具有多个电极的平面内电场以感应用于交替dep场的局部场最小值。在各种实施方式中，一个或多个ac或dc信号可以被叠加在用于包括阻抗感测、电润湿或电穿孔的应用的dep致动信号上。
[0063]
在各种实施方式中，以在约1mv和约300v之间的电压供应跨多个电极120(如果是单个电极则为电极120，或诸如620a、620b、620c、620d、720的电极对)和反电极140的ac。在各种实施方式中，跨多个电极120和反电极140的ac以在约5mv和约50v之间、在约5mv和约20v之间、在约250mv和约5v、约500mv和约50v、约750mv和约50v、约1v和约50v、约5v和约50v、约10v和约50v、约250mv和约40v、约250mv和约30v、约250mv和约20v、约250mv和约10v、约250mv和约8v、约250mv和约6v、约250mv和约5v、约500mv和约5v、或约1v和约5v之间的电压(包括其间的任何电压范围)来供应。在各种实施方式中，跨多个电极120(如果是单个电极，则为电极120)和反电极140的ac以在约1mv和约20v之间、在约1mv和约10v之间、在约1mv和约8v之间、在约1mv和约6v之间、在约1mv和约5v之间、在约1mv和约4v之间、在约1mv和约3v之间、在约1mv和约2v之间、在约1mv和约1v之间、在约1mv和约750mv之间、在约1mv和约500mv之间、在约1mv和约250mv之间、在约1mv和约200mv之间、在约1mv和约150mv之间、在约
1mv和约100mv之间、在约1mv和约50mv之间的电压(包括其间的任何范围)来供应。
[0064]
在各种实施方式中，跨多个电极120(如果是单个电极则为电极120，或诸如620a、620b、620c、620d、720的电极对)和反电极140的ac以在约1hz和约1thz之间的振荡频率来供应。在各种实施方式中，跨多个电极120和反电极140的ac以在约10hz和约100ghz、约10hz和约10ghz、约100hz和约10ghz、约1khz和约1ghz、约10khz和约1ghz、约100khz和约1ghz、约500khz和约1ghz、约1mhz和约1ghz、约10mhz和约1ghz、约100mhz和约1ghz、约10khz和约500mhz、约10khz和约100mhz、约10khz和约50mhz、约10khz和约30mhz、约10khz和约20mhz、约10khz和约10mhz、约100khz和约10mhz、或约500khz和约10mhz、或约1mhz和约10mhz之间的振荡频率(包括其间的任何频率范围)来供应。
[0065]
在各种实施方式中，跨多个电极120(如果是单个电极则为电极120，或诸如620a、620b、620c、620d、720的电极对)和反电极140施加直流电(dc)。在各种实施方式中，当跨多个电极120(如果是单个电极则为电极120，或诸如620a、620b、620c、620d、720的电极对)和反电极140施加电流时，可以叠加dc和ac。
[0066]
在各种实施方式中，可以单独地寻址、成组地寻址或一起电短路(例如，短路)多个电极120和反电极140。在各种实施方式中，该对电极中的每一个电极(诸如620a、620b、620c、620d、720)可以被单独寻址、成组寻址或一起电短路(例如，短路)。例如，可以将ac单独地或成组地提供给多个电极120和反电极140中的每一个。例如，可以针对多个电极120和反电极140中的一些而不是多个电极120和反电极140中的其他电极120，使多个电极120和反电极140短路。因此，可以为装置100实现多个电极120和反电极140之间的布置的任何组合或配置。
[0067]
图2a至2d示出了根据各种实施方式的配置用于固定颗粒的装置的示意图。图2a至2d图示了装置的各种结构配置，其中，这些配置图示了例如但不限于特定的层布置、放置和涂层(诸如疏水或亲水涂层)的类型。图2a、2b、2c和2d中所示的配置是非限制性示例，因此，根据各种实施例，可以采用除了图示之外的任何期望的结构配置来执行颗粒的固定和/或探询。
[0068]
图2a图示了根据各种实施例的装置200a的截面图。如图2a所示，装置200a包括彼此堆叠的膜210a、金属层230a1、钝化层250a和另一金属层230a2，并且包括开口225a。根据各种实施例，装置200a还包括设置在膜210a的暴露表面上的涂层270a1和设置在开口225a的壁(内壁)的内侧上的涂层270a2。如图2a所示，涂层270a1和涂层270a2是相同的涂层。根据各种实施例，涂层270a1和270a2可以包括相同的图案或不同的图案。
[0069]
图2b图示了根据各种实施例的装置200b的截面图。如图2b所示，装置200b包括彼此堆叠的膜210b、金属层230b1、钝化层250b和另一金属层230b2，并且包括开口225b。根据各种实施例，装置200b包括设置在膜210b的暴露表面上的涂层270b1和设置在开口225b的壁的内侧上的涂层270b2。如图2b所示，涂层270b1和涂层270a2是不同的涂层。根据各种实施例，涂层270b1和270b2可以包括相同的图案或不同的图案。
[0070]
图2c示出了根据各种实施例的装置200c的截面图。如图2c所示，装置200c包括彼此堆叠的膜210c、金属层230c1、钝化层250c和另一金属层230c2，并且包括开口225c。根据各种实施例，装置200c包括设置在开口225b的壁的内侧上的涂层270c，并且不包括在膜210c的暴露表面上的涂层。根据各种实施例，涂层270c可以包括图案。
[0071]
根据各种实施例，膜210a、210b和210c可以与关于图1d所述的膜110相同或基本相似，除非另有说明，因此将不再详细描述。在各种实施方式中，膜210a、210b和210c可以包括电绝缘材料。在各种实施方式中，膜210a、210b和210c可以包括电绝缘材料，包括但不限于氮化硅、氧化硅、金属氧化物、碳化物(诸如例如sicoh)、陶瓷(诸如矾土)和聚合物。在各种实施方式中，膜210a、210b和210c可以包括导电材料，诸如金属或掺杂半导体材料。在各种实施方式中，膜210a、210b和210c可以是单层或具有包括任何上述材料的多层堆叠的复合层。
[0072]
在各种实施方式中，膜210a、210b和210c可以具有在约10nm至约1cm之间的厚度。在各种实施方式中，膜210a、210b和210c可以具有在约10nm至约5mm之间、在约10nm至约1mm之间、约10nm至约100μm之间、约50nm至约10μm、约50nm至约5μm、约100nm至约10μm、约100nm至约5μm或约100nm至约2μm(包括其间的任何厚度范围)的厚度。
[0073]
根据各种实施例，除非另有说明，否则金属层230a1、230a2、230b1、230b2、230c1和230c2可以与参考图1a至1d描述的电极120和/或互连件130相同或基本相似，因此将不再详细描述。根据各种实施例，金属层230a1、230b1和230c1可以是电极层，其可以包括例如电极120或电极620a、620b、620c、620d、720)。根据各种实施例，金属层230al、230bl和230cl可以是互连层130或730。根据各种实施例，金属层230a2、230b2和230c2可以是互连层130或730，或者可以被配置为与尖锐构件(例如，185、385a
‑
d等)一起使用的电极层，用于感测(作为感测电极)，作为nep电极或作为金属屏蔽电极。
[0074]
根据各种实施例，除非另有说明，否则钝化层250a、250b和250c可以与如关于图1d所述的钝化层150相同或基本相似，因此将不再详细描述。
[0075]
根据各种实施例，涂层270a1、270a2、270b1、270b2和270c可以与参考图1d所述的涂层相同或基本相似，除非另有说明，因此将不再详细描述。在各种实施方式中，每一个涂层270a1、270a2、270b1、270b2和270c可以是疏水涂层或亲水涂层。疏水涂层或亲水涂层被设置(或沉积)在膜210a和210b中的每一个的暴露表面上，和/或开口225a、225b和225c的壁(内壁)的内侧上，以防止流体跨相应的开口225a、225b和225c进入。在各种实施方式中，涂层270a1、270a2、270b1、270b2和270c化学地和共价地附接到相关表面。在各种实施方式中，疏水涂层可以包括各种类别，诸如叠氮化物、有机硅烷或碳氟化合物。在各种实施方式中，亲水涂层可以包括一系列材料类别，包括任何小分子、蛋白质、肽、类肽、聚合物或无机材料。在各种实施方式中，开口225a、225b和225c中的每一个的壁具有图案化的亲水和疏水涂层的组合。
[0076]
在各种实施方式中，每一个涂层270a1、270a2、270b1、270b2和270c的疏水涂层可以具有在约95
°
和约165
°
之间的接触角。在各种实施方式中，疏水涂层具有在约100
°
和约165
°
、约105
°
和约165
°
、约110
°
和约165
°
、约120
°
和约165
°
、约95
°
和约150
°
、约95
°
和约140
°
、或约95
°
和约130
°
之间(包括其间的任何接触角范围)的接触角。
[0077]
在各种实施方式中，每一个涂层270al、270a2、270b1、270b2和270c的亲水涂层可以具有在约20
°
和约80
°
之间的接触角。在各种实施方式中，亲水涂层具有在约25
°
和约80
°
、约30
°
和约80
°
、约35
°
和约80
°
、约40
°
和约80
°
、约20
°
和约70
°
、约20
°
和约60
°
、或约20
°
和约50
°
之间(包括其间的任何接触角范围)的接触角。
[0078]
图2d图示了根据各种实施例的装置200d的截面图。根据各种实施例，装置200d可
以与装置200a、200b、200c或100中的一个相同或基本相似。根据各种实施例，装置200d可以包括如图所示包括在装置200a、200b、200c或100中的任何层或层的任何组合。
[0079]
如图2d所示，装置200d被描述为在一侧具有通道260d，在另一侧具有隔室280d。根据各种实施例，除非另有说明，否则通道260d可以与参考图1c和1d描述的通道260相同或基本相似，因此将不再详细描述。根据各种实施例，隔室280d可以与参考图1d描述的隔室180相同或基本相似，除非另有说明，因此将不再详细描述。如图2d所示，隔室280d由材料205d形成，材料205d包括例如电绝缘材料，包括但不限于氮化硅、氧化硅、玻璃、金属氧化物、碳化物(诸如例如sicoh)、陶瓷(诸如矾土)、聚合物(包括塑料和各种弹性体，诸如聚(二甲基硅氧烷)(pdms))、或可以被用作结构材料的任何材料。
[0080]
如图2d所示，该装置包括开口225d。根据各种实施例，开口225d可以与开口225a、225b和225c的一个相同或基本相似。根据各种实施例，除非另有说明，否则开口225d可以包括设置在其上的涂层，该涂层与开口225a、225b和225c的内壁上的涂层相同或基本相似，因此将不再详细描述。
[0081]
如图2d所示，根据各种实施例，隔室280d还包括电极层290d和设置在电极层290d中的通孔298d。在各种实施方式中，电极层290d可以被配置成致动尖锐构件，诸如如参考图1d所述的尖锐构件185。根据各种实施例，通孔298d可以被配置为将流体泵入或泵出隔室280d。根据各种实施例，流体可以包括例如但不限于水溶液、含有生物或化学试剂的水溶液、有机溶剂、矿物油、氟化油、空气、用于细胞培养的混合气体(例如5％co2)、惰性气体等。
[0082]
根据各种实施例，装置200d可以包括设置在开口225d的内壁的表面上和/或内侧上的一个或多个涂层。根据各种实施例，开口225d的表面上和内部上的涂层可以相同或不同。根据各种实施例，表面上的涂层和开口225d的内部上的涂层可以包括相同的图案或不同的图案。
[0083]
图3a至3d分别示出了根据各种实施方式的配置用于探询颗粒的装置的示意图示300a、300b、300c和300d。图3a、3b、3c和3d中所示的配置是非限制性示例，因此，根据各种实施例，除了图示之外的任何期望的结构配置可以被用来执行颗粒的固定和/或探询。
[0084]
如图3a至3d所示，图示300a、300b、300c和300d包括膜310、金属层330和钝化层350。根据各种实施例，图示300a、300b、300c和300d包括跨通道360和隔室380的开口325。如图3a至3d所示，图示300a、300b、300c和300d还包括颗粒365，其具有被俘获、设置或以其他方式固定在开口325附近的内部363(例如，细胞核或内部组分)。根据各种实施方式，颗粒365被固定并准备用于探测或探询。
[0085]
根据各种实施例，膜310可以与参考图1d、2a、2b和2c描述的膜110、210a、210b或210c相同或基本相似，除非另有说明，因此将不再详细描述。
[0086]
根据各种实施例，除非另有说明，否则金属层330可以与关于图1a至1d、2a至2c所述的电极120和/或互连件130，或者任何金属层230a1、230a2、230b1、230b2、230c1和230c2相同或基本相似，因此将不再详细描述。
[0087]
根据各种实施例，除非另有说明，否则钝化层350可与参考图1d、2a、2b和2c所述的钝化层150、250a、250b或250c相同或基本相似，因此将不再详细描述。
[0088]
根据各种实施例，除非另有说明，否则开口325可以与参考图1d、2a、2b、2c和2d所述的开口125、225a、225b、225c或225d中的一个相同或基本相似，因此将不再详细描述。
[0089]
根据各种实施例，除非另有说明，否则开口325可以包括设置在其上的涂层，该涂层与参考图1d、2a、2b和2c所述的开口125、225a、225b或225c的内壁上的涂层相同或基本相似，因此将不再详细描述。
[0090]
根据各种实施例，除非另有说明，否则通道360可以与参考图1c、1d和2d描述的通道160或260d相同或基本相似，因此将不再详细描述。
[0091]
根据各种实施例，隔室380可以与参考图1d和2d描述的隔室180或280d相同或基本相似，除非另有说明，因此将不再详细描述。
[0092]
如图3a至3d所示，图示300a、300b、300c和300d中的每一个分别包括尖锐构件385a、385b、385c和385d。图3a示出了具有尖锐尖端的尖锐构件385a。图3b示出了具有中空内部383b和涂覆尖端388b的尖锐构件385b。图3c示出了尖锐构件385c，其具有设置在其尖锐尖端上的涂层388c。图3d示出了尖锐构件385d，其具有中空内部383d和设置在其尖端上的涂层388d。
[0093]
如图3a至3d所示，图示300a、300b、300c和300d分别示出了插入或探测(或探询)到颗粒365的内部部分363中的相应的尖锐构件385a、385b、385c和385d(在本文中统称为“尖锐构件385”)。根据各种实施例，尖锐构件385中的每一个被配置成在开口325内移动，并且移过膜310、金属层330和钝化层350。根据各种实施方式，开口325允许机械操纵固定的颗粒365。在各种实施方式中，机械操纵包括利用被配置为跨膜310、金属层330和/或钝化层350进入的尖锐构件385，探测、插入、穿透、电穿孔、感测、沉积材料、采样材料或以其他方式操纵颗粒365。在各种实施方式中，机械操纵由任何尖锐构件385实施。在各种实施方式中，尖锐构件385可以是长度在约10nm至约50μm之间的针、柱、中空管、纳米针或微针中的任一种。在各种实施方式中，内部部分383b和383d可以具有从约200nm至约100μm、从约10nm至约10μm或从约1nm至1μm的内径。在各种实施方式中，根据各种实施例，尖锐构件385中的每一个可以经由mems或nems方法制造或制作。
[0094]
在各种实施方式中，尖锐构件385的每一个可以被配置为以跨膜310的探针形式操作为第三电极。该第三电极探针可以利用用于感测或致动的dc或ac信号(例如利用用于纳米孔电穿孔(nep)应用的脉冲dc信号或利用用于测量阻抗目的的单独频率的低功率ac信号)偏置。在各种实施方式中，dep电极本身还可以承载被选择以经由下游滤波容易地与dep信号隔离的单独的叠加ac或dc信号。此外，纳米孔电穿孔(nep)信号和dep信号之间的信号解耦的手段可以通过利用材料进行物理屏蔽或谨慎的信号控制来实现。
[0095]
在各种实施方式中，尖锐构件385可以在其移动之前，例如，在尖锐构件385沿着纵向轴线(例如，垂直向上)致动之前，从每一个尖锐构件385所在的隔室380进入。参考图1d提供了附加细节，并且将参考图4提供进一步的细节。
[0096]
图4示出了根据各种实施例的被配置用于颗粒的位置操纵的装置400的示意图示。根据各种实施例，装置400可以与参考图1a至1d、2a至2d描述的装置100、200a、200b、200c或200d中的一个相同或基本相似。如图4所示，装置400包括膜410、金属层430、钝化层150和开口425。图4所示的图示还包括反电极440、通道460和隔室480。如图4所示，该图示还包括具有被俘获、设置或以其他方式固定在开口425附近的内部部分463(例如，细胞核或内部组分)的颗粒465。
[0097]
根据各种实施例，通道460和隔室480可以各自包括流体。根据各种实施例，流体包
括水性流体、水性缓冲液、有机溶剂、疏水流体或气体中的一种。根据各种实施例，通道460可以包括与隔室480中包括的流体(例如，第二流体)不混溶的流体(例如，第一流体)，或者反之亦然。例如，通道460中的流体可以是疏水流体，而隔室480中的流体可以是亲水流体，反之亦然。
[0098]
根据各种实施例，通道460可以被配置为容纳水溶液，诸如磷酸盐缓冲盐水(pbs)或细胞培养基，用于运送细胞或实施生化反应，并且隔室480被配置为容纳空气或惰性气体，以便将敏感的电气组件与通道460的水溶液隔离。
[0099]
根据各种实施例，通道460可以被配置为容纳水溶液，并且隔室480被配置为容纳有机溶剂或油，或者反之亦然，用于各种目的，包括例如保护对腐蚀或电解敏感的电气组件，用于可以使用有机溶剂的化学反应，或者用于对小分子进行采样。
[0100]
根据各种实施方式，通道460和隔室480可以被配置为在每一个室中包含不同的水溶液，例如，将通道460配置为包含携带细胞悬浮液的溶液，并且将隔室480配置为包含具有溶解的遗传物质的另一种溶液，用于经由纳米孔电穿孔(nep)递送到捕获的细胞。
[0101]
根据各种实施例，隔室480由材料405形成，所述材料405包括例如电绝缘材料，包括但不限于氮化硅、氧化硅、玻璃、金属氧化物、碳化物(诸如例如sicoh)、陶瓷(诸如矾土)、聚合物(包括塑料和各种弹性体，诸如聚(二甲基硅氧烷)(pdms))或可用作结构材料的任何材料。如图4所示，根据各种实施例，隔室480还包括电极层490和设置在电极层490中的通孔498。根据各种实施例，通孔498可以被配置为将流体泵入或泵出隔室480。根据各种实施例，流体可以包括例如但不限于水溶液、含有生物或化学试剂的水溶液、有机溶剂、矿物油、氟化油、空气、用于细胞培养的混合气体(例如5％co2)、惰性气体等。
[0102]
如图4所示，隔室480还包括衬底平台495，其上固定有尖锐构件485。根据各种实施例，基板平台495被配置为经由如在本公开的各种实施例中公开的任何合适的机制(例如，经由静电力)相对于电极层490移动。例如，衬底平台495可以被配置为致动以上下移动，以便移动尖锐构件485，由此致动使得尖锐构件485能够探测、插入或探询颗粒465和/或其内部部分463。
[0103]
图5a至5d是根据各种实施例的被配置用于颗粒的位置操纵的装置400的各种示意图。图5a示出了装置400的横截面视图，而图5b示出了装置400相对于图5a的视图的另一视图。图5c和5d示出了固定到衬底平台495的尖锐构件485的基部的放大透视图和放大横截面图。如图5b、5c和5d所示，尖锐构件485是具有内部中空(内部)部分483的中空结构。图5c和5d的图示示出了设置在衬底平台495内并连接到尖锐构件485的入口486的芯吸结构496，以在内部部分483和隔室480的内部之间提供流体连通。根据各种实施例，芯吸结构496和入口486的组合被配置用于实现受控流动的受控流体连通，该受控流动诸如例如但不限于电渗流动力、电动流动力、毛细管流动力或任何其他合适的流动或芯吸机制。
[0104]
在各种实施方式中，芯吸机构可以被用来经由尖锐构件485的中空部分483，提供任何有效负载或有效负载混合物并进入所俘获或固定的颗粒465中。根据各种实施例，中空尖锐构件485可以被配置为允许经由流体芯吸路径(例如，流体被吸收通过的路径)从位于隔室480内的衬底平台进行颗粒穿透和电穿孔。根据各种实施例，隔室480可以填充有任何合适的有效载荷流体、流体混合物或惰性非极性液体。根据各种实施例，有效载荷可以被递送到颗粒465的任何区，例如，被递送到细胞的特定部分，诸如细胞核。
[0105]
图6a至6d图示了根据各种实施方式的被配置用于固定颗粒的装置的各种配置。图6a、6b和6d图示了用于控制跨给定电极对的电场的非限制性示例电极配置。图6c图示了用于控制跨电极对和环形反电极的电场的电极配置的非限制性示例。
[0106]
图6a是电极配置600a的图示，示出了跨开口625a设置的电极对620a的俯视图。如图6a所示，每一个电极620a具有平坦尖端，该平坦尖端在来自每一个电极620a的两个相对的平坦尖端之间产生直线电场线。图6a中所示的布局被构造成使用跨开口625a附近的两个平坦尖端产生的电场线来俘获或固定开口625a附近的颗粒。根据各种实施例，电极620的两个尖端沿着开口625a集中电场。根据各种实施例，电极620a和开口625a外部的表面区域覆盖有钝化材料650a，例如，以限制杂散电场线、限制电极或电解的腐蚀，或防止体相流体中的电流流动。
[0107]
图6b是电极配置600b的图示，示出了跨开口625b设置的电极对620b的俯视图。如图6b所示，每一个电极620b具有尖锐尖端，其在来自每一个电极620b的两个相对的尖锐尖端之间产生聚焦电场线。图6b中所示的布局被构造成使用跨开口625b附近的两个尖锐尖端产生的更聚焦的电场来俘获或固定开口625b附近的颗粒。根据各种实施例，在电极620b的两个尖锐尖端之间产生的电场线是非线性的并且聚焦在尖锐尖端处。根据各种实施例，电极620b和开口625b外部的表面区域覆盖有钝化材料650b，例如，以限制杂散电场线、限制电极或电解的腐蚀，或防止体相流体中的电流流动。
[0108]
图6c是电极配置600c的图示，示出了类似于图6a所示的电极对，以及环形电极622c。如图6a中所示，电极620c中的每一个连接到掩埋互连件630c，其通过电介质材料层650c与环形电极622c分离，类似于图7c中所示的配置。根据各种实施例，该对电极620c被配置为与图6a和6b所示的电极620a和620b类似地起作用，即，产生位于开口625c周围的集中电场。根据各种实施例，环形电极622c被配置为两个电极620c的公共接地，将平面内杂散电场限制到俘获位点周围的区域，即开口625c。根据各种实施例，电极620c、环形电极622c和开口625c外部的表面区域覆盖有钝化材料650c，例如，以限制杂散电场线、限制电极或电解的腐蚀，或防止体相流体中的电流流动。
[0109]
图6d是根据各种实施例的电极配置的图示，示出了示例性电极配置600d的横截面图。如图6d所示，电极配置600d包括设置在膜610d上并跨开口625d的电极对620d和钝化(介电)材料650d。
[0110]
图7a至7c示出了根据各种实施方式的被配置用于固定多个颗粒的装置的各种示例性配置的示意图。如图7a至7c所示，该装置包括堆叠在彼此之上并设置在膜710上的绝缘层750、电极720、互连件730和介电层752。根据各种实施例，绝缘层750包括绝缘层750中的窗口704，窗口704暴露每一个电极720的上表面部分。
[0111]
图7a示出了根据各种实施例的具有用于固定和/或探询的电极阵列的装置的示例性电极配置700a的透视图。如图7a所示，配置700a包括跨多个开口725中的每一个设置的多个电极对720。配置700a还包括被配置用于互连各种电极720的多个互连件730。根据各种实施例，互连件730设置在与电极720相同的层中。
[0112]
图7b示出了根据各种实施例的具有用于固定和/或探询的电极阵列的装置的另一示例性电极配置700b的透视图。如图7b所示，配置700b包括跨多个开口725中的每一个设置的多个电极对720。配置700a还包括被配置用于互连各种电极720的多个互连件730。根据各
种实施例，互连件730设置在与电极720不同的层上，如图7b所示。
[0113]
图7c示出了电极配置700b的横截面图700c。如图7c所示，沿着装置的线a
‑
a'的横截面示出了电极720如何与设置在介电层752内的互连件730对接。介电层752设置在电极720下方。根据各种实施例，互连件730嵌入介电层752中并且与电极720垂直对接。
[0114]
在各种实施方式中，电极对620a、620b、620c、620d和720中的每一电极可以相对于每一电极对中的另一电极，以约180度的相移异相操作。在各种实施方式中，相移可以是360度/电极数量，例如，如果是三电极配置，则相移为120度，或者对于4电极配置，相移为90度，其被用于俘获或固定。
[0115]
图8是显示用于固定颗粒的装置(未示出)的模拟结果的图形图800。如图8所示，跨多个电极820和反电极840提供ac场。跨多个电极820和反电极840产生大约数十到数百纳牛顿(nn)的dep力。所产生的dep可以例如，相对于高达每秒若干厘米(cm/s)的流体速度俘获或固定颗粒(或细胞)。使用模拟软件程序生成图8所示的图形图800中的模拟，以示出跨多个电极820和反电极840，以1mhz振荡的模拟5v中具有70kv/m的最大场的电场线824。
[0116]
图9是显示用于固定颗粒的装置的分析结果的三维图900。如图9所示，在水
‑
空气界面的情况下，由上述毛细管压力方程计算作为接触角和开口半径的函数的毛细管背压(以帕斯卡为单位)。例如，图表900中所示的负值对应于流体方向上的压力，例如，远离例如容纳mems部件的隔室。
[0117]
图10是根据说明性实施方式的操作用于固定颗粒的装置的示例性方法s100的流程图。如图10所示，方法s100包括在步骤s110提供电源。方法s100还包括在步骤s120提供被配置用于将流体与隔室分离的膜。方法s100还包括在步骤s130提供靠近膜设置的一个或多个电极。根据各种实施例，一个或多个电极设置在膜的表面附近，表面位于隔室的远端。根据各种实施例，一个或多个电极靠近膜的表面设置，该表面靠近隔室。方法s100还包括在步骤s140提供反电极，其中，一个或多个电极和反电极被配置为跨一个或多个电极和反电极产生非线性电场。
[0118]
如图10所示，方法s100包括在步骤s150，经由电源，跨一个或多个电极和反电极供应交流电(ac)，从而产生振荡非线性电场。方法s100还包括在步骤s160，经由通过振荡非线性电场产生的介电泳(dep)力来固定悬浮在一个或多个电极与反电极之间流动的流体中的颗粒。方法s100可选地包括在步骤s170，经由膜中的开口，利用被配置为从隔室跨膜进入的尖锐构件探测颗粒。在各种实施方式中，尖锐构件包括mems结构或nems结构。
[0119]
在各种实施方式中，该方法可选地包括经由开口操纵固定的颗粒。在各种实施方式中，该方法可选地包括经由开口，利用被配置成从隔室跨膜进入的尖锐构件插入颗粒。
[0120]
在方法s100的各种实施方式中，膜包括氮化硅、氧化硅、金属氧化物、碳化物、陶瓷、矾土或聚合物中的至少一种。在方法s100的各种实施方式中，膜具有在约10nm至约1cm之间的厚度。在各种实施方式中，膜具有在约100nm至约10μm之间的厚度。在方法s100的各种实施方式中，开口具有在约10nm至约50μm之间的尺寸。在各种实施方式中，开口具有在约1μm至约5μm之间的尺寸。
[0121]
在方法s100的各种实施方式中，开口的壁具有疏水涂层或亲水涂层。在方法s100的各种实施方式中，疏水涂层具有在约95
°
和约165
°
之间的接触角。在方法s100的各种实施方式中，亲水涂层具有在约20
°
和约80
°
之间的接触角。
[0122]
在方法s100的各种实施方式中，第一表面小于第二表面。在方法s100的各种实施方式中，一个或多个电极包括以阵列形成的多个单独的不同的一个或多个电极表面区域。
[0123]
在方法s100的各种实施方式中，以在约1mv和约300v之间的电压提供跨一个或多个电极和反电极的ac。在各种实施方式中，以在约1mv和约20v之间的电压供应跨一个或多个电极和反电极的ac。
[0124]
在方法s100的各种实施方式中，以在约10hz和约10ghz之间的振荡频率供应跨一个或多个电极和反电极的ac。在各种实施方式中，以在约1khz和约1ghz之间的振荡频率供应跨一个或多个电极和反电极的ac。
[0125]
在方法s100的各种实施方式中，一个或多个电极包括透明导电材料或掺杂半导体材料中的至少一种。在各种实施方式中，透明导电材料包括氧化铟锡、石墨烯、掺杂石墨烯、导电聚合物或薄金属层。
[0126]
在方法s100的各种实施方式中，一个或多个电极具有在约1nm至约50μm之间的厚度。在各种实施方式中，一或多个电极具有在约10nm至约5μm之间的厚度。
[0127]
在方法s100的各种实施方式中，流体包括水性流体、水性缓冲液、有机溶剂、疏水流体或气体中的一种。在方法s100的各种实施方式中，流体是第一流体，隔室包括与第一流体不混溶的第二流体。在方法s100的各种实施方式中，第一流体是疏水流体，而第二流体是亲水流体，或者反之亦然。
[0128]
在方法s100的各种实施方式中，颗粒具有在约1nm至约1mm之间的尺寸。在各种实施方式中，颗粒包括生物有机体、生物结构、细胞、活细胞、病毒、油滴、脂质体、胶束、反胶束、蛋白质聚集体、聚合物或表面活性剂组装体中的一种。
[0129]
在各种实施方式中，为了单独寻址固定颗粒以探测的位点(可以被称为“探测位点”)，可以经由阻抗感测配置反馈控制机制，以允许在自动化工作流程中优化细胞捕获。在各种实施方式中，可以使用叠加的感测频率，经由阻抗感测来检测颗粒俘获事件，该叠加的感测频率通过颗粒的电容测量(例如，通过测量细胞膜的电容)来过滤。然后可以通过滤波器电路将该频率与驱动介电泳(dep)频率隔离，并且将该频率下的幅度和相位信息与俘获颗粒的预期效果相关联。
[0130]
在各种实施方式中，如果检测到意外的信号，可能指示捕获多于一个颗粒，例如，不期望的颗粒或细胞类型，或一片灰尘等，则可以关闭dep电极，从而允许流动以处置颗粒。然后可以重新尝试俘获过程。在各种实施方式中，可以通过再循环流动来执行实时优化，直到在探测位点处捕获足够百分比的颗粒(或细胞)，从而相应地调整信号电压和流速。在各种实施方式中，该过程是类似的，但是第三电极存在于mems探针中，该mems探针通过孔插入细胞内部，允许从细胞内部进行直接阻抗测量。
[0131]
在各种实施方式中，隔室(例如，空腔区)是导电的，以允许将电信号施加到包含在其中的流体内容物。该腔通过膜与具有孔或多个孔的流体流动区分离，并且伴随的dep电极以与先前实施例相同的方式与每一个孔在空间上覆盖。任何类型的颗粒(包括活细胞和/或囊泡)可以经由通过膜孔传输的、施加到腔的流体内容物的信号而被俘获和电穿孔，以便允许细胞阵列的寻址电穿孔。该实施例还可以包括在流体流动区的顶部上的反电极。此外，纳米孔电穿孔(nep)信号和dep信号之间的信号解耦的手段可以通过用材料进行物理屏蔽或谨慎的信号控制来实现。
[0132]
类似地，在各种实施方式中，nep腔(以前是mems腔)可以配置有流体输入通道，该流体输入通道可以将任何有效负载或有效负载混合物提供到空腔，用于随后将nep递送到dep俘获的颗粒中。这些流体输入通道可以在来自具有不同有效负载组合物的多个来源的阵列中被复用(例如，组合、重定向等)，或者可以被配置成供应一种类型的有效负载组合物。可以在芯片上对这些nep
‑
dep(探测)位点的单个阵列进行扇区化，以在一个芯片上包括具有复用配置和/或单个源配置的扇区。
[0133]
在各种实施方式中，中空探针(例如，尖锐构件)被配置为允许经由施加到探针的信号进行颗粒穿透和电穿孔。来自mems级的流体芯吸路径(例如，通过其吸收流体的路径)允许有效载荷从mems腔通过中空探针转移到颗粒。在一个这样的实施方式中，mems腔填充有均匀的有效载荷流体混合物。在另一个这样的实施方式中，mems腔填充有惰性非极性液体，并且向上通过中空探针内部到其尖端的流体芯吸路径填充有极性液体和有效载荷混合物。在操作期间，该中空探针可以被致动并插入dep俘获的颗粒内的任何深度，之后将信号施加到探针以进行电穿孔和有效载荷递送。以这种方式，有效负载可以被递送到颗粒的任何区以及在细胞或细胞核的情况下。
[0134]
在各种实施方式中，中空探针可以被配置为接收允许以高体积精度在其内部可变吸附或解吸有效负载溶液的信号，以便允许在例如颗粒、细胞或囊泡内的不同区处的物理体积注入或取样流体。
[0135]
图11是根据说明性实施方式的操作用于固定颗粒的装置的示例性方法s200的流程图。如图11所示，方法s200包括在步骤s210提供电源。方法s200还包括在步骤s220提供一个或多个电极和反电极，其被配置用于产生用于固定悬浮在一个或多个电极和反电极之间流动的流体中的颗粒的非线性电场。方法s200还包括在步骤s230提供靠近一个或多个电极的表面设置的膜，一个或多个电极的表面远离反电极，其中，膜被配置用于将流体与隔室分离，并且具有开口，该开口被配置为允许插入设置在隔室中的尖锐构件。
[0136]
如图11所示，方法s200还包括在步骤s240，经由电源跨一个或多个电极和反电极提供交流电(ac)，从而产生振荡非线性电场。方法s200还包括在步骤s250经由由振荡非线性电场产生的介电泳力来固定悬浮在第一流体中的颗粒。方法s200可选地包括在步骤s260，经由膜中的开口，利用被配置为从隔室跨膜进入的尖锐构件探测颗粒。
[0137]
在各种实施方式中，尖锐构件包括mems结构或nems结构。
[0138]
在各种实施方式中，该方法可选地包括经由开口操纵固定的颗粒。在各种实施方式中，方法可选地包括经由开口，利用被配置成从隔室跨膜进入的尖锐构件插入颗粒。
[0139]
在方法s200的各种实施方式中，膜包括氮化硅、氧化硅、金属氧化物、碳化物、陶瓷、矾土或聚合物中的至少一种。在方法s200的各种实施方式中，膜的厚度在约10nm至约1cm之间。在各种实施方式中，膜具有在约100nm至约10μm之间的厚度。在方法s200的各种实施方式中，开口具有在约10nm至约50μm之间的尺寸。在各种实施方式中，开口具有在约1μm至约5μm之间的尺寸。
[0140]
在方法s200的各种实施方式中，开口的壁具有疏水涂层或亲水涂层。在各种实施方式中，疏水涂层具有在约95
°
和约165
°
之间的接触角。在方法s100的各种实施方式中，亲水涂层具有在约20
°
和约80
°
之间的接触角。
[0141]
在各种实施方式中，第一表面小于第二表面。在方法s200的各种实施方式中，一个
或多个电极包括以阵列形成的多个单独的不同的电极表面区域。
[0142]
在各种实施方式中，以在约1mv和约300v之间的电压供应跨一个或多个电极和反电极的ac。在各种实施方式中，以在约1mv和约20v之间的电压供应跨一个或多个电极和反电极的ac。
[0143]
在各种实施方式中，以在约10hz和约10ghz之间的振荡频率供应跨一个或多个电极和反电极的ac。在各种实施方式中，以在约1khz和约1ghz之间的振荡频率供应跨一个或多个电极和反电极的ac。
[0144]
在各种实施方式中，一个或多个电极包括透明导电材料或掺杂半导体材料中的至少一种。在各种实施方式中，透明导电材料包括氧化铟锡、石墨烯、掺杂石墨烯、导电聚合物或薄金属层。
[0145]
在方法s200的各种实施方式中，一个或多个电极具有在约1nm至约50μm之间的厚度。在各种实施方式中，一或多个电极具有在约10nm至约5μm之间的厚度。
[0146]
在方法s200的各种实施方式中，流体包括水性流体、水性缓冲液、有机溶剂、疏水流体或气体中的一种。在方法s200的各种实施方式中，流体是第一流体，隔室包括与第一流体不混溶的第二流体。在方法s200的各种实施方式中，第一流体是疏水流体，而第二流体是亲水流体，或者反之亦然。
[0147]
在各种实施方式中，颗粒具有在约1nm至约1mm之间的尺寸。在各种实施方式中，颗粒包括生物有机体、生物结构、细胞、活细胞、病毒、油滴、脂质体、胶束、反胶束、蛋白质聚集体、聚合物或表面活性剂组装体中的一种。
[0148]
图12是根据各种实施方式的操作用于固定颗粒的装置的示例性方法s300的流程图。如图12所示，方法s300包括在步骤s310提供电源。方法s300还包括在步骤s320提供被配置用于将流体与隔室分离的膜。方法s300还包括在步骤s330提供靠近膜的表面设置的电极对，其中该电极对被配置为跨电极产生非线性电场。
[0149]
如图12所示，方法s300还包括在步骤s340，经由电源供应跨电极交流电(ac)，从而产生振荡非线性电场。方法s300还包括在步骤s350经由通过振荡非线性电场产生的介电泳力来固定悬浮在电极之间流动的流体中的颗粒。方法s300可选地包括在步骤s360，经由膜中的开口，利用被配置为从隔室跨膜进入的尖锐构件探测颗粒。在各种实施方式中，尖锐构件包括mems结构或nems结构。
[0150]
在各种实施方式中，方法可选地包括提供反电极。在各种实施方式中，该方法可选地包括提供靠近膜的表面设置的第三电极。在各种实施方式中，第三电极是环形电极。在各种实施方式中，该方法可选地包括经由开口操纵固定的颗粒。在各种实施方式中，方法可选地包括经由开口，利用被配置成从隔室跨膜进入的尖锐构件插入颗粒。
[0151]
在各种实施方式中，电极对中的每一个包括尖锐尖端或平坦尖端。在各种实施方式中，膜包括氮化硅、氧化硅、金属氧化物、碳化物、陶瓷、矾土或聚合物中的至少一种。在各种实施方式中，膜具有在约10nm至约1cm之间的厚度。在各种实施方式中，膜具有在约100nm至约10μm之间的厚度。
[0152]
在各种实施方式中，开口具有在约10nm至约50μm之间的尺寸。在各种实施方式中，开口具有在约1μm至约5μm之间的尺寸。
[0153]
在各种实施方式中，开口的壁具有疏水涂层或亲水涂层。在各种实施方式中，疏水
涂层具有在约95
°
和约165
°
之间的接触角。在各种实施方式中，亲水涂层具有在约20
°
和约80
°
之间的接触角。
[0154]
在各种实施方式中，第一表面小于第二表面。在各种实施方式中，膜包括以阵列形成的多个电极对。
[0155]
在各种实施方式中，以在约1mv和约300v之间的电压，供应跨电极对和反电极的ac。在各种实施方式中，以在约1mv至约20v之间的电压供应跨电极对和反电极的ac。
[0156]
在各种实施方式中，以在约10hz和约10ghz之间的振荡频率供应跨电极对和反电极的ac。在各种实施方式中，以在约1khz和约1ghz之间的振荡频率供应跨电极对和反电极的ac。
[0157]
在各种实施方式中，该电极对中的一个电极包括透明导电材料或掺杂半导体材料中的至少一种。在各种实施方式中，透明导电材料包括氧化铟锡、石墨烯、掺杂石墨烯、导电聚合物或薄金属层。
[0158]
在各种实施方式中，电极对具有在约1nm至约50μm之间的厚度。在各种实施方式中，该电极对具有在约10nm至约5μm之间的厚度。
[0159]
在各种实施方式中，流体包括水性流体、水性缓冲液、有机溶剂、疏水流体或气体中的一种。在方法s300的各种实施方式中，流体是第一流体，隔室包括与第一流体不混溶的第二流体。在方法s300的各种实施方式中，第一流体是疏水流体，而第二流体是亲水流体，或者反之亦然。
[0160]
实施例的列举
[0161]
实施例1.一种装置，包括：用于将流体与隔室分离的膜；靠近膜设置的一个或多个电极；反电极，其中，一个或多个电极和反电极被配置为跨一个或多个电极和反电极产生非线性电场；以及电源，电源用于跨一个或多个电极和反电极提供交流电(ac)，从而产生振荡非线性电场，振荡非线性电场用于固定悬浮在流体中的颗粒，流体在一个或多个电极与反电极之间流动。
[0162]
实施例2.根据实施例1所述的装置，其中，膜包括开口。
[0163]
实施例3.根据实施例2所述的装置，其中，开口允许机械操纵被固定的颗粒，并且机械操纵包括用尖锐构件探测颗粒，尖锐构件被配置成从隔室跨膜进入。
[0164]
实施例4.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，膜包括氮化硅、氧化硅、金属氧化物、碳化物、陶瓷、矾土或聚合物中的至少一种。
[0165]
实施例5.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，膜具有在约10nm至约1cm之间的厚度。
[0166]
实施例6.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，膜具有在约100nm至约10μm之间的厚度。
[0167]
实施例7.根据实施例2所述的装置，其中，开口具有在约10nm至约50μm之间的尺寸。
[0168]
实施例8.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，开口具有在约1μm至约5μm之间的尺寸。
[0169]
实施例9.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，开口的壁具有疏水涂层或亲水涂层。
[0170]
实施例10.根据实施例9所述的装置，其中，疏水涂层具有在约95
°
与约165
°
之间的接触角。
[0171]
实施例11.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，亲水涂层具有在约20
°
与约80
°
之间的接触角。
[0172]
实施例12.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，一个或多个电极的表面区域小于反电极的表面区域。
[0173]
实施例13.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，一个或多个电极包括以阵列形成的多个单独的不同电极表面区域。
[0174]
实施例14.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，以在约1mv与约300v之间的电压，供应跨一个或多个电极和反电极的ac。
[0175]
实施例15.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，以在约1mv与约20v之间的电压，供应跨一个或多个电极和反电极的ac。
[0176]
实施例16.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，以在约10hz与约10ghz之间的振荡频率，供应跨一个或多个电极和反电极的ac。
[0177]
实施例17.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，以在约1khz与约1ghz之间的振荡频率，供应跨一个或多个电极和反电极的ac。
[0178]
实施例18.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，一个或多个电极包括透明导电材料或掺杂半导体材料中的至少一种。
[0179]
实施例19.根据实施例18所述的装置，其中，透明导电材料包括氧化铟锡、石墨烯、掺杂石墨烯、导电聚合物或薄金属层。
[0180]
实施例20.根据实施例1所述的装置，其中，一个或多个电极具有在约1nm至约50μm之间的厚度。
[0181]
实施例21.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，一个或多个电极具有在约10nm至约5μm之间的厚度。
[0182]
实施例22.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，流体包括含水流体、含水缓冲液、有机溶剂、疏水流体或气体中的一种。
[0183]
实施例23.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，颗粒具有在约1nm至约1mm之间的尺寸。
[0184]
实施例24.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，颗粒包括生物有机体、生物结构、细胞、活细胞、病毒、油滴、脂质体、胶束、反胶束、蛋白质聚集体、聚合物或表面活性剂组装体中的一种。
[0185]
实施例25.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，隔室包括微机电系统(mems)结构或纳米机电系统(nems)结构。
[0186]
实施例26.一种用于操作装置的方法，包括：提供电源；提供膜，膜被配置用于将流体与隔室分离；提供靠近膜设置的一个或多个电极；提供反电极，其中，一个或多个电极和反电极被配置为跨一个或多个电极和反电极产生非线性电场；经由电源，提供跨一个或多个电极和反电极的交流电(ac)，从而产生振荡非线性电场；以及经由通过振荡非线性电场产生的介电泳力来固定悬浮在流体中的颗粒，流体在一个或多个电极与反电极之间流动。
[0187]
实施例27.根据实施例26所述的方法，其中，膜包括开口。
[0188]
实施例28.根据前述实施例中的任一项所述的方法，进一步包括：经由开口操纵被固定的颗粒。
[0189]
实施例29.根据前述实施例中的任一项所述的方法，进一步包括：经由开口，用尖锐构件探测颗粒，尖锐构件被配置成从隔室跨膜进入。
[0190]
实施例30.根据前述实施例中的任一项所述的方法，进一步包括：经由开口，利用尖锐构件插入颗粒，尖锐构件被配置成从隔室跨膜进入。
[0191]
实施例31.根据实施例30所述的方法，其中，尖锐构件包括微机电系统(mems)结构或纳米机电系统(nems)结构。
[0192]
实施例32.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，膜包括氮化硅、氧化硅、金属氧化物、碳化物、陶瓷、矾土或聚合物中的至少一种。
[0193]
实施例33.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，膜具有在约10nm至约1cm之间的厚度。
[0194]
实施例34.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，膜具有在约100nm至约10μm之间的厚度。
[0195]
实施例35.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，开口具有在约10nm至约50μm之间的尺寸。
[0196]
实施例36.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，开口具有在约1μm至约5μm之间的尺寸。
[0197]
实施例37.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，开口的壁具有疏水涂层或亲水涂层。
[0198]
实施例38.根据实施例37所述的方法，其中，疏水涂层具有在约95
°
与约165
°
之间的接触角。
[0199]
实施例39.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，亲水涂层具有在约20
°
与约80
°
之间的接触角。
[0200]
实施例40.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，一个或多个电极的表面区域小于反电极的表面区域。
[0201]
实施例41.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，一个或多个电极包括以阵列形成的多个单独的不同电极表面区域。
[0202]
实施例42.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，以在约1mv与约300v之间的电压，供应跨一个或多个电极和反电极的ac。
[0203]
实施例43.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，以在约1mv与约20v之间的电压，供应跨一个或多个电极和反电极的ac。
[0204]
实施例44.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，以在约10hz与约10ghz之间的振荡频率，供应跨一个或多个电极和反电极的ac。
[0205]
实施例45.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，以在约1khz与约1ghz之间的振荡频率，供应跨一个或多个电极和反电极的ac。
[0206]
实施例46.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，一个或多个电极包括透明导电材料或掺杂半导体材料中的至少一种。
[0207]
实施例47.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，透明导电材料包括氧化
铟锡、石墨烯、掺杂石墨烯、导电聚合物或薄金属层。
[0208]
实施例48.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，一个或多个电极具有在约1nm至约50μm之间的厚度。
[0209]
实施例49.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，一个或多个电极具有在约10nm至约5μm之间的厚度。
[0210]
实施例50.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，流体包括含水流体、含水缓冲液、有机溶剂、疏水流体或气体中的一种。
[0211]
实施例51.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，颗粒具有在约1nm至约1mm之间的尺寸。
[0212]
实施例52.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，颗粒包括生物有机体、生物结构、细胞、活细胞、病毒、油滴、脂质体、胶束、反胶束、蛋白质聚集体、聚合物或表面活性剂组装体中的一种。
[0213]
实施例53.一种装置，包括：一个或多个电极和反电极，一个或多个电极和反电极被配置用于产生非线性电场，非线性电场用于固定悬浮在流体中的颗粒，流体在一个或多个电极与反电极之间流动；以及膜，膜靠近一个或多个电极的表面设置，一个或多个电极的表面远离反电极，其中，膜被配置用于将流体与隔室分离，并且具有开口，开口被配置成允许插入被设置在隔室中的尖锐构件。
[0214]
实施例54.根据实施例53所述的装置，其中，尖锐构件是微机电系统(mems)结构或纳米机电系统(nems)结构。
[0215]
实施例55.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，膜包括氮化硅、氧化硅、金属氧化物、碳化物、陶瓷、矾土或聚合物中的至少一种。
[0216]
实施例56.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，膜具有在约10nm至约1cm之间的厚度。
[0217]
实施例57.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，膜具有在约100nm至约10μm之间的厚度。
[0218]
实施例58.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，开口具有在约10nm至约50μm之间的尺寸。
[0219]
实施例59.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，开口具有在约1μm至约5μm之间的尺寸。
[0220]
实施例60.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，开口的壁具有疏水涂层或亲水涂层。
[0221]
实施例61.根据实施例60所述的装置，其中，疏水涂层具有在约95
°
与约165
°
之间的接触角。
[0222]
实施例62.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，亲水涂层具有在约20
°
与约80
°
之间的接触角。
[0223]
实施例63.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，一个或多个电极的表面区域小于反电极的表面区域。
[0224]
实施例64.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，一个或多个电极包括以阵列形成的多个单独的不同电极表面区域。
[0225]
实施例65.根据前述实施例中的任一项所述的装置，进一步包括：电源，电源用于跨一个或多个电极和反电极提供交流电(ac)。
[0226]
实施例66.根据实施例65所述的装置，其中，以在约1mv与约300v之间的电压供应ac。
[0227]
实施例67.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，以在约1mv与约20v之间的电压供应ac。
[0228]
实施例68.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，以在约10hz与约10ghz之间的振荡频率供应ac。
[0229]
实施例69.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，以在约1khz与约1ghz之间的振荡频率供应ac。
[0230]
实施例70.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，一个或多个电极包括透明导电材料或掺杂半导体材料中的至少一种。
[0231]
实施例71.根据实施例70所述的装置，其中，透明导电材料包括氧化铟锡、石墨烯、掺杂石墨烯、导电聚合物或薄金属层。
[0232]
实施例72.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，一个或多个电极具有在约1nm至约50μm之间的厚度。
[0233]
实施例73.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，一个或多个电极具有在约10nm至约5μm之间的厚度。
[0234]
实施例74.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，流体包括含水流体、含水缓冲液、有机溶剂、疏水流体或气体中的一种。
[0235]
实施例75.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，颗粒具有在约1nm至约1mm之间的尺寸。
[0236]
实施例76.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，颗粒包括生物有机体、生物结构、细胞、活细胞、病毒、油滴、脂质体、胶束、反胶束、蛋白质聚集体、聚合物或表面活性剂组装体中的一种。
[0237]
实施例77.一种用于操作装置的方法，包括：提供电源；提供一个或多个电极和反电极，一个或多个电极和反电极被配置用于产生非线性电场，非线性电场用于固定悬浮在流体中的颗粒，流体在一个或多个电极与反电极之间流动；提供膜，膜靠近一个或多个电极的表面设置，一个或多个电极的表面远离反电极，其中，膜被配置用于将流体与隔室分离，并且具有开口，开口被配置成允许插入被设置在隔室中的尖锐构件；经由电源，跨一个或多个电极和反电极提供交流电(ac)，从而产生振荡非线性电场；以及经由通过振荡非线性电场产生的介电泳力来固定悬浮在流体中的颗粒。
[0238]
实施例78.根据实施例77所述的方法，其中，膜包括开口。
[0239]
实施例79.根据前述实施例中的任一项所述的方法，进一步包括：经由开口操纵被固定的颗粒。
[0240]
实施例80.根据前述实施例中的任一项所述的方法，进一步包括：经由开口，用尖锐构件探测颗粒，尖锐构件被配置成从隔室跨膜进入。
[0241]
实施例81.根据前述实施例中的任一项所述的方法，进一步包括：经由开口，利用尖锐构件插入颗粒，尖锐构件被配置成从隔室跨膜进入。
[0242]
实施例82.根据实施例81所述的方法，其中，尖锐构件包括微机电系统(mems)结构或纳米机电系统(nems)结构。
[0243]
实施例83.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，膜包括氮化硅、氧化硅、金属氧化物、碳化物、陶瓷、矾土或聚合物中的至少一种。
[0244]
实施例84.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，膜具有在约10nm至约1cm之间的厚度。
[0245]
实施例85.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，膜具有在约100nm至约10μm之间的厚度。
[0246]
实施例86.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，开口具有在约10nm至约50μm之间的尺寸。
[0247]
实施例87.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，开口具有在约1μm至约5μm之间的尺寸。
[0248]
实施例88.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，开口的壁具有疏水涂层或亲水涂层。
[0249]
实施例89.根据实施例88所述的方法，其中，疏水涂层具有在约95
°
与约165
°
之间的接触角。
[0250]
实施例90.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，亲水涂层具有在约20
°
与约80
°
之间的接触角。
[0251]
实施例91.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，一个或多个电极的表面区域小于反电极的表面区域。
[0252]
实施例92.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，一个或多个电极包括以阵列形成的多个单独的不同电极表面区域。
[0253]
实施例93.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，以在约1mv与约300v之间的电压，供应跨一个或多个电极和反电极的ac。
[0254]
实施例94.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，以在约1mv与约20v之间的电压，供应跨一个或多个电极和反电极的ac。
[0255]
实施例95.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，以在约10hz与约10ghz之间的振荡频率，供应跨一个或多个电极和反电极的ac。
[0256]
实施例96.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，以在约1khz与约1ghz之间的振荡频率，供应跨一个或多个电极和反电极的ac。
[0257]
实施例97.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，一个或多个电极包括透明导电材料或掺杂半导体材料中的至少一种。
[0258]
实施例98.根据实施例97所述的方法，其中，透明导电材料包括氧化铟锡、石墨烯、掺杂石墨烯、导电聚合物或薄金属层。
[0259]
实施例99.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，一个或多个电极具有在约1nm至约50μm之间的厚度。
[0260]
实施例100.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，一个或多个电极具有在约10nm至约5μm之间的厚度。
[0261]
实施例101.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，流体包括含水流体、含
水缓冲液、有机溶剂、疏水流体或气体中的一种。
[0262]
实施例102.根据实施例101所述的方法，其中，流体是第一流体，隔室进一步包括第二流体，其中，第一流体是疏水流体，而第二流体是亲水流体，或者反之亦然。
[0263]
实施例103.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，第一流体和第二流体是不混溶的。
[0264]
实施例104.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，颗粒具有在约1nm至约1mm之间的尺寸。
[0265]
实施例105.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，颗粒包括生物有机体、生物结构、细胞、活细胞、病毒、油滴、脂质体、胶束、反胶束、蛋白质聚集体、聚合物或表面活性剂组装体中的一种。
[0266]
实施例106.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，流体是第一流体，隔室包括与第一流体不混溶的第二流体。
[0267]
实施例107.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，第一流体是疏水流体，并且第二流体是亲水流体，或者反之亦然。
[0268]
实施例108.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，流体是第一流体，隔室包括与第一流体不混溶的第二流体。
[0269]
实施例109.根据实施例108所述的方法，其中，第一流体是疏水流体，并且第二流体是亲水流体，或者反之亦然。
[0270]
实施例110.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，流体是第一流体，隔室包括与第一流体不混溶的第二流体。
[0271]
实施例111.根据实施例110所述的装置，其中，第一流体是疏水流体，并且第二流体是亲水流体，或者反之亦然。
[0272]
实施例112.一种用于操作装置的方法，包括：提供电源；提供膜，膜被配置用于将流体与隔室分离；提供靠近膜的表面设置的电极对，其中，电极对被配置为跨电极产生非线性电场；经由电源，跨电极提供交流电(ac)，从而产生振荡非线性电场；以及经由通过振荡非线性电场产生的介电泳力来固定悬浮在电极之间流动的流体中的颗粒。
[0273]
实施例113.根据实施例112所述的方法，进一步包括：提供反电极，其中，膜包括开口。
[0274]
实施例114.根据前述实施例中的任一项所述的方法，进一步包括：提供靠近膜的表面设置的第三电极。
[0275]
实施例115.根据前述实施例中的任一项所述的方法，进一步包括：经由开口，利用尖锐构件探测颗粒，尖锐构件被配置成从隔室跨膜进入。
[0276]
实施例116.根据前述实施例中的任一项所述的方法，进一步包括：经由开口，利用尖锐构件插入颗粒，尖锐构件被配置成从隔室跨膜进入。
[0277]
实施例117.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，电极对中的每一个电极包括尖锐尖端或平坦尖端，或者第三电极是环形电极。
[0278]
实施例118.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，尖锐构件包括微机电系统(mems)结构或纳米机电系统(nems)结构。
[0279]
实施例119.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，膜包括氮化硅、氧化
硅、金属氧化物、碳化物、陶瓷、矾土或聚合物中的至少一种。
[0280]
实施例120.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，膜具有在约10nm至约1cm之间的厚度。
[0281]
实施例121.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，膜具有在约100nm至约10μm之间的厚度。
[0282]
实施例122.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，开口具有在约10nm至约50μm之间的尺寸。
[0283]
实施例123.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，开口具有在约1μm至约5μm之间的尺寸。
[0284]
实施例124.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，开口的壁具有疏水涂层或亲水涂层。
[0285]
实施例125.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，疏水涂层具有在约95
°
与约165
°
之间的接触角。
[0286]
实施例126.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，亲水涂层具有在约20
°
与约80
°
之间的接触角。
[0287]
实施例127.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，开口被设置在电极对之间。
[0288]
实施例128.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，膜包括多个开口和以阵列形成的多个电极对，其中，开口中的每一个开口被设置在多个电极对中的每一个电极对之间。
[0289]
实施例129.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，以在约1mv与约300v之间的电压供应跨电极对和反电极的ac。
[0290]
实施例130.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，以在约1mv与约20v之间的电压供应跨电极对和反电极的ac。
[0291]
实施例131.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，以在约10hz与约10ghz之间的振荡频率供应跨电极对和反电极的ac。
[0292]
实施例132.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，以在约1khz与约1ghz之间的振荡频率供应跨电极对和反电极的ac。
[0293]
实施例133.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，电极对中的一个电极包括透明导电材料或掺杂半导体材料中的至少一种。
[0294]
实施例134.根据实施例133所述的方法，其中，透明导电材料包括氧化铟锡、石墨烯、掺杂石墨烯、导电聚合物或薄金属层。
[0295]
实施例135.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，电极对具有在约1nm至约50μm之间的厚度。
[0296]
实施例136.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，电极对具有在约10nm至约5μm之间的厚度。
[0297]
实施例137.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，流体包括含水流体、含水缓冲液、有机溶剂、疏水流体或气体中的一种。
[0298]
实施例138.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，颗粒具有在约1nm至约
1mm之间的尺寸。
[0299]
实施例139.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，颗粒包括生物有机体、生物结构、细胞、活细胞、病毒、油滴、脂质体、胶束、反胶束、蛋白质聚集体、聚合物或表面活性剂组装体中的一种。
[0300]
实施例140.根据前述实施例中的任一项所述的方法，其中，流体是第一流体，隔室包括与第一流体不混溶的第二流体。
[0301]
实施例141.根据实施例140所述的方法，其中，第一流体是疏水流体，而第二流体是亲水流体，或者反之亦然。
[0302]
实施例142.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，一个或多个电极被设置为靠近膜的表面，表面远离隔室。
[0303]
实施例143.根据前述实施例中的任一项所述的装置，其中，一个或多个电极靠近膜的表面设置，表面靠近隔室。
[0304]
实施例144.根据实施例26所述的方法，其中，一个或多个电极被设置为靠近膜的表面，表面远离隔室。
[0305]
实施例145.根据实施例26所述的方法，其中，一个或多个电极被设置为靠近膜的表面，表面靠近隔室。
[0306]
虽然本说明书包含许多具体的实施细节，但是这些细节不应被解释为对任何发明或可能要求保护的范围的限制，而是作为对特定发明的特定实施方式所特有的特征的描述。在本说明书中在单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实现。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实施方式中实现。此外，尽管特征可以在上面被描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从组合中删除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变化。
[0307]
类似地，虽然在附图中以特定顺序描述了操作，但是这不应该被理解为要求以所示的特定顺序或以顺序执行这些操作，或者执行所有示出的操作，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施方式中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施方式中都需要这种分离，并且应当理解，所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或封装到多个软件产品中。
[0308]
对“或”的引用可以被解释为包含性的，使得使用“或”描述的任何术语可以指示所描述的术语中的单个、多于一个和全部中的任何一个。标签“第一”、“第二”、“第三”等不一定意味着指示顺序，并且通常仅用于区分相似或类似的项目或元件。
[0309]
对于本领域技术人员来说，对本公开中描述的实现方式的各种修改是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他实现方式。因此，权利要求不旨在限于本文所示的实现方式，而是符合与本公开内容、本文公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。