形状分析设备

1.本发明涉及一种用于表征流体样品中一种或多种粒子的设备。


背景技术：

2.新材料的发现和部署需要它们的详细表征。对于用于环境(能源、农业)、医疗保健(纳米药物、疗法)或食品工业(食品、包装)的新兴材料，诸如尺寸、形状、电荷和浓度的细节至关重要。越来越多的证据表明，诸如纳米材料的材料的特性及其应用不仅取决于材料的化学性质，还取决于材料的物理特性和机械特性。制造业内的快速、现场或在线分析是有限制的。目前的现有技术水平使用显微镜(电子或光学)，其成本高，产量低，并且对材料在其自然环境中提供的信息有限。基于溶液的技术包括光散射，其可能会因流动而变得复杂。此外，可能难以处理多模式样品组和混浊溶液。还缺乏以高通量方式量化纳米物体形状特性的技术。
3.电阻脉冲传感器(rps)是过去二十年中的一种新兴技术，它在dna等生物样本中的应用更普遍。rps中的大部分研究和商业活动都集中在dna测序/分析上。用于纳米材料的rps的理论和应用正在兴起并迅速发展，并准备好被开发和应用于新兴纳米材料的制造。
4.分析材料的传统途径是进行反应/合成、提取，然后分析产物。这些工作流程通常被称为批处理反应器。批量合成到连续流动平台上的转化代表了过去十年中不断增加的研究领域。它们降低了生产成本，并减少了批次间产品的差异。然而，对射流反应器内反应的不频繁的取样/监测限制了流动过程的益处。因此，微反应器系统的改进在于在芯片上制造完整的实验室。这些“片上实验室”设备通过对高通量处理的化学产品进行集成连续在线监测，确保均匀混合和射流行为。
5.样品混合物需要进行单独的粒子分类和分析，以便确定各种粒子的尺寸、电荷和浓度。当前的技术具有固定的范围，因此它们只能测量一种类型的材料。需要用于具有单个粒子分辨率的纳米材料的高通量在线传感器，能够处理纳米到微米的粒子。
6.微流体系统的一种新兴制造工艺是增材制造(am)或3d打印。这是一个有利的替代方案，主要是因为它能够从stl(标准镶嵌语言)文件构建3d设计，而无需中间步骤，从而最大限度地减少劳动力、时间和成本。am允许为分析平台设计定制的流动通道并与之对接。
附图说明
7.现在将仅通过示例并参考附图来描述本发明，其中：
8.图1是根据本发明实施例的设备的透视图；
9.图2从上方显示了根据本发明实施例的设备；
10.图3从下方显示了根据本发明实施例的设备；
11.图4显示了根据本发明实施例的无盖子(lid)情况下的设备；
12.图5显示了移除盖子时显示了电极、o形环槽和入口/出口；
13.图6示出了本发明实施例的盖子的透视图；
14.图7示出了本发明实施例的盖子的平面图；
15.图8示出了根据本发明实施例的设备上的盖子的第二种配置；
16.图9示出了根据本发明实施例的第二粒子传感器；
17.图10说明了设备和粒子之间的相互作用机制；
18.图11a)示出了根据本发明实施例的rps设置的示意图；图11b)显示了来自易位事件(translocation event)的信号；
19.图12显示了第一粒子传感器的实施例中电极布置的平面图；
20.图13显示了根据本发明实施例的盖子的cad图，该盖子具有主脊；
21.图14显示了根据本发明的盖子的cad图，该盖子具有从主脊延伸的次脊；
22.图15显示了在0.25mm kcl缓冲液(buffer)中在1伏特处记录的电流与脊高度测量值比较的图；
23.图16显示了从150微米微流体通道中的80微米粒子中测量的脉冲；
24.图17显示了根据本发明实施例的设备的分解图；
25.图18显示了固态纳米孔支架的cad图；
26.图19示意性地显示了包括第一粒子传感器和第二粒子传感器以及相应脉冲的设备的操作；
27.图20a是包括多个第二粒子传感器的设备的示意图；
28.图20b是包括支架的第二粒子传感器的实施例的示意图；
29.图20c是显示与第二粒子传感器相关的流体流动的示意图；
30.图20e-g显示了第二粒子传感器的不同流动设置；
31.图21显示了描述设备使用的工作流程；
32.图22(a)显示了rps设置和信号的示意图。纳米粒子穿过孔并产生时间-电流信号。信号可以根据其幅度δip、跨脉冲的宽度(例如半峰全宽(fwhm))或其形状来表征。
33.图22(bi)是羧基涂覆的氧化铁纳米棒的tem图像。图22(bii)是cpc200聚苯乙烯粒子的sem图像。比例尺为1μm；
34.图23a)显示了纳米棒和纳米球的预测归一化脉冲形状。图23b)显示了纳米球(231)和纳米棒(230)记录的平均归一化电阻脉冲。图23c)显示了纵横比为5(232)、2.8(233)、1.8(234)的纳米棒和纳米球(235)记录的平均归一化脉冲；
35.图24显示了记录的脉冲数据。包含301个数据点的每个脉冲被隔离。脉冲分析由五个模型之一完成。a)脉冲幅度，b)在脉冲高度的0.75、0.5、0.25的分数处的封锁宽度(blockade width)。c)非归一化样条拟合和d-e)归一化脉冲幅度上的样条拟合；
36.图25显示了关键样条线段的可视化，这些样条曲线段识别了如带有bonferroni校正的多重t检验所确定的粒子形状；
37.图26(a)显示了使用数据模型d预测棒体与球体的比率与已知比率的关系图；
38.图27a)当使用醋酸薄膜、平盖和脊盖时的感测区的示意图，b)当粒子通过感测区时预期的电阻脉冲的示意图；
39.图28显示了具有不同盖子设计的第一粒子传感器的示意图，展示了如何经由在盖子表面上提供聚合物层以及经由向盖子施加增加的压力来调节微流体通道的尺寸；
40.图29(a)是对于平坦pdms盖子、电压＝5.64v、0.25mm kcl的测量电流与流速的关
系图。b)没有流动的情况下的电流-电压关系图c)100毫巴压力施加到液体上的电流-电压关系图，d)在电压＝0.5v(100mm)、0.6v(50mm)、8.5v(0.25mm)，100、50和0.25mm kcl(从左到右)时具有100毫巴流动压力的设备的基线电流；
41.图30(a)是来自脊盖设计的电流轨迹的示例，粒子直径为20
×
10-6
m，8.5v。b)粒子直径为20
×
10-6
m，8.5v时的粒子计数与压力关系。c)粒子直径为20
×
10-6
m，8.5v时的粒子计数与浓度关系。d)在相同设备和pdms垫圈被拆卸之前和之后，粒子直径为30
×
10-6
m，5.64v时的脉冲幅度分布。e)使用三种不同的pdms垫圈，粒子直径为20
×
10-6
m，电压＝7.5v时的脉冲幅度分布。f)e中的每个垫圈的平均脉冲形状，平均超过60个粒子。所有示例均在0.25mm kcl上运行；
42.图31(a)显示了粒子直径为30
×
10-6
m，电压＝5.64v，0.25mm kcl，使用两种不同(低-左、高-右)螺钉张力时的封锁分布。b)作为对照，使用醋酸胶带(gen-1)密封设备。粒子直径为30
×
10-6
m，电压＝5.64v，0.25mm kcl。增加螺钉上的张力可以使rps测量更小的粒子。c)粒子直径为20
×
10-6
m，电压＝8.5v，0.25mm kcl，d)粒子直径为10
×
10-6
m，电压＝0.6v，100mm kcl。e)粒子直径为2
×
10-6
m，电压＝1v，100mm kcl；
43.图32显示了从(a)在50mm kcl、0.4v电压下运行的微塑料粒子，b)在0.25mm kcl、7.5v电压下运行的微塑料粒子，c)在50mm kcl、0.7v和d)0.25mm kcl、7v下运行的藻类粒子中获得的信号。在所有图像中，比例尺为x＝10秒，y＝0.5na；
44.图33显示了a)球形藻类(300)到棒形藻类(305)的平均脉冲形状，b)棒形藻类在50mbar(310)、100mbar(312)、125mbar(312)和150mbar(316)压力下的平均脉冲形状；
45.图34示出了根据本发明实施例的方法；
46.图35示出了根据本发明实施例的方法；
47.图36示出了根据本发明实施例的使用分类器的方法；以及
48.图37示出了根据本发明实施例的系统。
具体实施方式
49.根据本发明，提供了一种第一粒子传感器，包括：
50.包括微流体通道的基座，其中，该微流体通道包括沿该微流体通道定位的第一电极和第二电极，其中，该第一粒子传感器被配置为使得当包括至少一种粒子的流体样品沿着该微流体通道经过并流经第一电极和第二电极时，至少一种粒子中的每一个都被记录为脉冲(例如电阻脉冲或导电脉冲)。
51.根据本发明的另一方面，提供了一种第二粒子传感器，包括：
52.容纳膜和电极的支架，其中，膜包括至少一个孔，其中，第二粒子传感器被配置为使得当包括至少一种粒子的流体样品通过膜的至少一个孔时，电极检测到流体样品中的至少一种粒子并记录脉冲(例如脉冲电阻或导电脉冲)。
53.根据本发明的另一方面，提供了一种用于表征流体样品中一种或多种粒子的设备，包括：
54.(i)如本文所述的第一粒子传感器；和/或
55.(ii)至少一个如本文所述的第二粒子传感器，
56.其中，该设备还包括由第一粒子传感器连接的流体入口和流体出口，其中，在使用
中，流体样品通过入口流入，沿着第一粒子传感器的微流体通道，流经第一电极和第二电极，并通过流体出口离开，并且其中，至少一种粒子中的每一个被记录为脉冲(例如电阻脉冲或导电脉冲)。
57.根据本发明的另一方面，提供了一种用于表征流体样品中一种或多种粒子的设备，该设备包括：
58.第一粒子传感器，其包括基座，该基座包括微流体通道，其中，微流体通道包括沿微流体通道定位的第一电极和第二电极，以及第一电极和第二电极之间的检测区域；
59.入口；以及
60.出口，
61.其中，在使用中，包括至少一种粒子的流体样品通过入口流入，沿着第一粒子传感器的微流体通道，流经第一电极和第二电极，并通过流体出口离开，其中所述至少一种粒子对检测区域的通过被记录为脉冲(例如电阻脉冲)。
62.根据本发明的另一方面，提供了一种用于表征流体样品中一种或多种粒子的设备，该设备包括：
63.入口；
64.出口；
65.在入口和出口之间延伸的微流体通道，并为沿其流动的流体提供轴向流动路径；
66.第一粒子传感器，用于检测沿着轴向流动路径移动的粒子的通过；
67.沿着微流体通道定位的第一电极和第二电极；
68.其中，在使用中，沿着微流体通道流动的一种或多种粒子被第一粒子传感器检测，并且所述一种或多种粒子的通过被记录为脉冲(例如电阻脉冲)。
69.第一粒子传感器可以与流动路径对准，或者可以成钝角地、成锐角地或正交地延伸至轴向流动路径。
70.在本发明的又一方面，提供了一种用于表征流体样品中的一种或多种粒子的设备，该设备包括：
71.入口；
72.出口；
73.微流体通道，其在入口和出口之间延伸，并为沿其流动的流体提供轴向流动路径；
74.粒子传感器，用于检测沿轴向流动路径移动的粒子的通过，该粒子传感器以一定角度延伸至微流体通道；
75.第一电极和第二电极，其中，在使用中，沿着微流体通道流动的一种或多种粒子被粒子传感器检测，并且所述一种或多种粒子的通过被记录为脉冲(例如电阻脉冲)。
76.粒子传感器可以包括粒子的流动路径。粒子传感器或流动路径可以成钝角地、成锐角地或正交地延伸至轴向流动路径。在一个实施例中，粒子传感器以直角延伸至微流体通道。
77.通过设备的微流体通道的流体流动可以由施加到流体上的压力(例如通过泵)、由在第一和第二电极之间施加电势差，或者由压力和电势差的组合来驱动。在一些实施例中，流体流动主要由施加到流体上的压力驱动，并且在较小程度上由第一电极和第二电极之间的电势差驱动，反之亦然。
78.在一些实施例中(例如在使用中)，微流体通道被充满电解质溶液。
79.第一粒子传感器包括在第一电极和第二电极之间沿着微流体通道的纵轴和/或轴向流动路径的点处的检测区域。检测区域可以包括通道中的纳米孔或收缩部。流体样品中粒子对检测区域的通过可以被记录为脉冲。
80.在一些实施例中，可以提供第二粒子传感器。第一粒子传感器的基座包括至少一个端口，用于接收另外的传感器，例如第二粒子传感器。在实施例中，可以提供多个第二传感器。
81.在一些实施例中，第一粒子传感器被配置为检测尺寸为1μm至100μm、5μm至100μm、10μm至80μm或20μm到50μm的粒子。在一些实施例中，第一粒子传感器被配置为检测5μm至50μm的粒子。因此，小于1μm的粒子将不会被第一粒子传感器检测到。
82.应当理解，微流体通道的横截面积或其中检测区域的横截面积可以根据被检测粒子的尺寸来选择。因此，在一些实施例中，微流体通道或其中的检测区域具有小于104μm2的横截面积。
83.因此，第一粒子传感器可以能够检测、表征和/或计数生物粒子(诸如细胞(例如细菌细胞、真菌细胞、藻类哺乳动物细胞、人类细胞、血细胞、癌细胞、干细胞)、外来体、囊泡、蛋白质、蛋白质-蛋白质或蛋白质-核酸复合物、核酸、抗体、胶体)、有机粒子(诸如聚合物粒子和药物粒子)、无机粒子(诸如金属粒子、气泡和乳液)。
84.可选地，该设备包括至少一个包括纳米孔的第二粒子传感器。
85.第二粒子传感器还可以包括至少一个电极。第二粒子传感器可以被配置为使得当包括至少一个粒子的流体样品穿过纳米孔时，电极检测流体样品中的至少一个粒子并记录脉冲(例如电阻脉冲或导电脉冲)。
86.在一些实施例中，第二粒子传感器的纳米孔是固态纳米孔。如本领域技术人员所知，固态纳米孔通常包括在膜中形成的孔(例如直径为1至1000nm)。膜可以由任何合适的材料形成。在一些实施例中，膜由选自氮化硅、二氧化硅、玻璃、石墨烯、塑料(例如聚氨酯或聚酯)组成的组中的材料形成。
87.在一些实施例中，纳米孔在纳米移液管中被提供。如本领域所知，纳米移液管是一类纳米孔，其可以被用于检测和分析溶液中的单个分子。可以很容易地制造具有高度可控孔径的纳米移液管，从而使其成为传统固态纳米孔的经济有效的替代品。使用纳米移液管检测和分析单个分子依赖于电阻脉冲传感。为此，纳米移液管被充满电解质，并将尖端浸入电解质中，并在纳米移液管内部的电极和外部的电极之间施加电压，以在尖端生成电场。该场驱动感兴趣的分子通过纳米移液管孔，产生了可检测的脉冲。
88.纳米移液管可以由任何合适的材料形成，诸如金属、聚合物、玻璃、石英、有机材料(例如石墨烯)或无机材料(例如氮化硼)。在一些实施例中，纳米移液管由玻璃或石英制成。
89.可以使用本领域技术人员已知的方法制造纳米移液管。通常，使用机械移液管拉拔器从毛细管(例如石英)中拉出纳米移液管。
90.应当理解，第二粒子传感器的纳米孔的直径可以根据被检测粒子的尺寸来选择。在一些实施例中，第二粒子传感器被配置为检测尺寸为1nm至100μm、5nm至50μm、10nm至20μm、20nm至10μm、30nm至10μm、40nm至5μm、50nm至2μm或100nm至1μm的粒子。
91.因此，在一些实施例中，纳米孔的直径为1nm至100μm、5nm至50μm、10nm至20μm、
20nm至10μm、30nm至10μm、40nm至5μm、50nm至2μm或100nm至1μm。应当理解，纳米孔不一定是圆形的。因此，在本文中，纳米孔的“直径”指的是孔的平均尺寸。还应理解，提及纳米孔的直径是指内径。
92.因此，第二粒子传感器可以能够检测、表征和/或计数粒子，诸如微生物(例如细菌细胞、真菌细胞、藻类)、病毒、核酸(例如dna、rna)、肽、蛋白质、聚合物粒子、无机粒子、金属粒子、气泡和乳液。
93.方便地，第二粒子传感器可以被配置为检测与第一传感器被配置为检测的粒子尺寸不同的粒子。第二粒子传感器可被配置为检测与第一粒子传感器被配置为检测的粒子尺寸范围不同的粒子尺寸范围。第二粒子传感器可以被配置为检测比第一传感器被配置为检测的粒子更小的粒子。因此，第二粒子传感器可包括直径小于第一粒子传感器的收缩部或纳米孔的直径(或最大尺寸)的纳米孔。因此，第二粒子传感器可以能够测量第一粒子传感器不能测量的粒子。由第一粒子传感器和第二粒子传感器分别可检测的粒子尺寸范围可以重叠，也可以不重叠。例如，第一粒子传感器可以被配置为检测落在2μm到100μm范围内的粒子，而第二粒子传感器可以被配置为检测落在1nm到2μm范围内的粒子。例如，流过设备或沿着微流体通道流动的粒子群可以是多分散的和/或具有宽的尺寸分布。第一粒子传感器可以被配置为检测宽的粒子尺寸分布内的第一粒子尺寸子集，其中，第二粒子传感器可以被配置为检测宽的粒子尺寸分布内的第二不同粒子尺寸子集。最佳地，第一粒子传感器可以检测相对较大的第一粒子尺寸子集，而第二粒子传感器可以检测相对较小的第一粒子尺寸子集。第一粒子尺寸子集和第二粒子尺寸子集可以重叠或可以不重叠。
94.应当理解，如本文所用，提及粒子尺寸是指给定粒子的最大横向尺寸。由本发明的传感器和设备可检测到的粒子不一定是球形的，但可以是细长的或不规则的形状。应当理解，本发明允许测定特定粒子的体积。
95.有利的是，使用被配置为检测不同尺寸粒子的第一粒子传感器和第二粒子传感器使得设备作为一个整体能够检测跨越更大尺寸范围的粒子，例如从纳米到微米尺寸的分析物。应当理解，第一传感器和第二传感器可以被独立地配置为检测期望尺寸范围内的粒子。每个传感器的可调谐性意味着该设备可以针对给定的应用进行定制，例如针对所分析的流体类型。
96.在一些实施例中，该设备包括两个或多个第二粒子传感器。例如，该设备可包括三个、四个、五个、六个或更多个第二粒子传感器。
97.在一些实施例中，第二粒子传感器之一被配置为检测与其他第二粒子传感器中的一种或多种可检测的粒子尺寸(或粒子尺寸范围)不同尺寸(即落入不同的尺寸范围)的粒子。在一些实施例中，每个第二粒子传感器被配置为检测不同尺寸或不同粒子尺寸范围的粒子。在一些实施例中，第二粒子传感器之一包括纳米孔，其直径不同于其他第二粒子传感器中的另一个内的纳米孔直径。在一些实施例中，每个第二粒子传感器包括纳米孔，其直径不同于其他第二粒子传感器内的每个纳米孔直径。
98.第二粒子传感器的纳米孔可以相对于微流体通道的纵轴离轴(off-axis)定位。“离轴”应理解为第二粒子传感器偏离微流体通道内流体流动的主方向。例如，第二粒子传感器可以相对于微流体通道成一定角度延伸。在一个实施例中，第二粒子传感器可为粒子提供流动路径。流动路径可以成钝角地、成锐角地或正交地延伸至微流体通道或轴向流动
路径。
99.纳米孔可位于从(主)微流体通道延伸的第二通道内。因此，第二通道提供了额外的流动路径，流体可以沿着该路径流过第二粒子传感器的纳米孔。纳米孔可以与微流体通道内的流体流动间隔开(即使其倒退(set back from))。
100.第二通道可以从微流体通道垂直(即以90
°
角)延伸。在这样的实施例中，纳米孔可以平行于微流体通道的纵轴(即平行于流体流动的主方向)被定位。第二通道(或每个第二通道，在提供多个第二粒子传感器的实施例中)从主微流体通道垂直延伸的布置可以促进制造。
101.可替选地，第二通道可以以非垂直角度，即以大于或小于90
°
的角度从微流体通道延伸。在进一步的实施例中，第二通道可以随着其从微流体通道延伸而弯曲。应当理解，在这样的实施例中，纳米孔可以不平行于微流体通道的纵轴，而是可以相对于其成角度。
102.第二粒子传感器可以被定位在第一粒子传感器的检测区域的上游(即入口和检测区域之间)，或者它可以被定位在检测区域或第一粒子传感器的下游(即检测区域和出口之间)。第二粒子传感器可位于(或可提供)的第二通道可以在第一粒子传感器的检测区域的上游或下游的点处与微流体通道连接。在设备包括两个或更多个第二粒子传感器的实施例中，一个或一些第二粒子传感器可以位于检测区域的上游，而其余的第二粒子传感器可以位于下游。可替选地，所有的第二粒子传感器可以位于检测区域的上游，或者所有的第二粒子传感器可以位于检测区域的下游。
103.在一些实施例中，第二粒子传感器包括容纳纳米孔(即包括膜或纳米移液管的固态纳米孔)和电极的支架。
104.支架中可以具有第二通道，其中纳米孔位于第二通道内部。当第二粒子传感器被连接到第一粒子传感器的基座时，第二通道连接(即与之形成流动路径)微流体通道。例如，支架可以是塞子或螺钉的形式，其被配置为可释放地插入到第一粒子传感器的基座中的端口中，从而在微流体通道和第二通道之间形成流体连接。因此，流体能够从主微流体通道流动并进入第二通道，使得其通过纳米孔。
105.在一些实施例中，纳米孔(例如，纳米移液管或固态纳米孔膜)不延伸穿过第二通道的整个宽度，使得流体能够绕流(flow past)而不是流过(through)纳米孔。第二通道可以延伸穿过支架至其表面，并且可以具有开口端，从而为已经被流动通过纳米孔和/或围绕纳米孔流动的流体提供出口。
106.在一些实施例中，第二粒子传感器还包括管。该管可以与第二通道流体连通。管的至少一部分可以被容纳在支架内。在一些实施例中，管的一部分从支架延伸。在一些实施例中，管提供了设备的另一个流体出口。绕流(和/或流过)纳米移液管的液体可以流入管中，并流出设备。已经发现管的存在有助于设备中的流体流动，并通过能够去除气泡来促进设备的设置。
107.方便地，第二粒子传感器可以可逆地被连接到第一粒子传感器的基座。这使得能够提供一种设备，其中第二粒子传感器(或者一些或者所有第二粒子传感器)是可互换的。因此，可以选择以下第二粒子传感器，其具有用于检测小粒子的最合适的纳米孔尺寸。通过这种方式，设备的灵敏度可以根据所需用途或被分析流体的性质进行调整。当存在第二个粒子传感器时，传感器可以在纳米孔和电极之间(例如在膜和电极之间)被填充有电解质溶
液。
108.在一些实施例中，所述(或每个)第二粒子传感器可以包括或被连接到流量调节器(例如泵)。流量调节器可以被用于控制通过第二传感器的流体流动。在第二粒子传感器不包括或未被连接到流量调节器的实施例中，流过第二传感器的流体将主要或排他地由第二粒子传感器的工作电极和接地电极之间的电势差驱动。
109.如上所述，第一粒子传感器包括第一电极(接地电极)和第二电极(工作电极)。在第一传感器和第二传感器之间施加电势差使得第一粒子传感器能够检测粒子，并且还可能有助于驱动流体流过微流体通道。第一电极和第二电极由此形成第一电极组。
110.第二粒子传感器可以包括至少一个电极。在一些实施例中，第二粒子传感器包括作为工作电极的单个电极。第一粒子传感器的第一电极(接地电极)也可以用作第二粒子传感器的接地电极。因此，在一些实施例中，第二电极组由第一粒子传感器的第一电极(接地电极)和第二粒子传感器的工作电极形成。例如，在设备包括两个传感器(第一个粒子传感器和第二个粒子传感器)的实施例中，设备可以包括三个电极，该三个电极针对每个粒子传感器包括公共接地电极和工作电极。
111.在提供多个第二粒子传感器的实施例中，每个第二粒子传感器可以包括工作电极，并且第一粒子传感器和第二粒子传感器中的每一个可以共享公共接地电极(第一电极)。
112.可替选地，除了工作电极之外，所述(或每个)第二粒子传感器还可以设置有其自己的接地电极。因此，所述或每个第二粒子传感器可以包括电极组。
113.在一些实施例中，该设备包括一个或多个第三传感器。第三传感器可以被配置用于测量流体的参数，诸如氧含量、ph、离子强度、温度或粘度。因此，第三传感器可以包括用于测量所需参数的探针，诸如ph探针、粘度探针、氧探针和离子强度探针或温度计。在一些实施例中，该设备可以包括多个第三传感器。第三传感器中的每一个可以被配置为检测流体的不同参数。
114.在一些实施例中，第三传感器包括容纳探针的支架。类似于第二粒子传感器的支架，第三传感器的支架可以采用塞子或螺钉的形式，其可以被插入到第一粒子传感器基座中的端口中，使得探针能够接触流过微流体通道的流体。
115.因此，在另一方面，本发明提供了一种用于表征流体样品中一种或多种粒子的套件，该套件包括：
[0116]-包括如本文所述的第一粒子传感器的设备；以及
[0117]-至少一个另外传感器，用于连接到第一粒子传感器(例如，用于连接到第一粒子传感器的基座)。如本文所述，另外传感器可以是第二粒子传感器和/或第三传感器。
[0118]
方便地，另外的传感器可以可以被可释放地连接到第一粒子传感器的基座。在一些实施例中，第一粒子传感器的基座包括用于接收另外传感器的至少一个端口。
[0119]
在一些实施例中，第二粒子传感器包括容纳纳米孔和电极的支架，支架中具有第二通道，纳米孔位于其中，并且其中，支架被配置为可释放地插入到第一粒子传感器基座中的端口中。
[0120]
在一些实施例中，该套件包括至少一个第二粒子传感器和至少一个第三传感器。
[0121]
在一些实施例中，该套件包括两个或更多个第二粒子传感器，其中，第二粒子传感
器之一包括纳米孔，其直径不同于其他第二粒子传感器中的另一个内纳米孔的直径。
[0122]
例如，第二粒子传感器之一可以包括具有第一直径的第一纳米孔，并且另一个第二粒子传感器可以包括具有第二直径的第二纳米孔，其中，第一直径不同于第二直径。
[0123]
在一些实施例中，套件包括多个第二粒子传感器，例如2、3、4、5、6或更多第二粒子传感器。在一些实施例中，第二粒子传感器中的每一个包括纳米孔，其直径不同于其他第二粒子传感器中的每一个内的纳米孔的直径。
[0124]
该套件可以包括用于连接到第一粒子传感器(例如，用于连接到第一粒子传感器的基座)的至少一个第三传感器。在一些实施例中，套件包括两个或更多个第三传感器(例如，2、3、4或更多个第三传感器)。
[0125]
因此，本发明方便地提供了一种模块化系统，其中，不同的传感器可以可互换地被连接到包括微流体通道的第一粒子传感器。
[0126]
该设备还可以包括盖子，该盖子被配置为密封该设备的微流体通道。
[0127]
在一些实施例中，盖子还可以在微流体通道内产生收缩，以便调节第一粒子传感器的灵敏度。
[0128]
盖子可以包括主脊，该主脊装配到微流体通道中并被配置为密封微流体通道。在一些实施例中，盖子包括主脊，该主脊被配置为当盖子被放置在基座上时被接收在微流体通道内，从而减小通道的体积。主脊的深度可以小于微流体通道的深度。主脊可以具有与微流体通道的长度基本相同的长度(长度为平行于基底/微流体通道的纵轴而测量的尺寸)。主脊可以具有与微流体通道的宽度基本相同的宽度。
[0129]
可选地，主脊还包括从主脊延伸的次脊。次脊可以用于在微流体通道的一部分内或在通道内的特定点处产生收缩部。次脊可以具有与主脊的宽度基本相同的宽度。
[0130]
可选地，次脊包括导管，当盖子密封微流体通道时，导管允许流体样品流动通过次脊。在一些实施例中，当盖子被放置在基座上时，主脊和次脊一起跨越微流体通道的高度和宽度。在这样的实施例中，次脊包括导管，当盖子密封微流体通道时，该导管允许流体流动通过次脊。
[0131]
在一些实施例中，盖子包括盖子表面上的层(例如聚合物层)，当盖子被放置在基座上时该层与基座接触，以便密封微流体通道。该层(例如聚合物层)因此起到垫圈的作用。
[0132]
该层(例如聚合物层)可以基本上覆盖整个表面或部分表面。例如，在盖子包括主脊和可选的次脊的实施例中，层(例如聚合物层)可以不覆盖主脊和/或次脊。
[0133]
该层(即垫圈)可以由任何合适的可变形(例如可压缩)材料形成。合适的材料包括合成或天然橡胶、硅树脂、软木、纤维素、泡沫、腈和纤维。在一些实施例中，该层是聚合物层。聚合物层可以由可变形聚合物形成，使得聚合物层的形状可以在施加力时被改变。合适的聚合物包括聚二甲基硅氧烷(pdms)。
[0134]
在一些实施例中，盖子用一个或多个螺钉被附接到基座。盖子可以通过多个螺钉(例如2个、3个、4个、5个、6个或更多个螺钉)被附接到基座。
[0135]
在盖子包括聚合物层的一些实施例中，在拧紧将盖子附接到基座的螺钉时，聚合物层可以变形并被迫进入微流体通道，从而减小通道的体积。
[0136]
因此，应当理解，微流体通道的内部体积(即形状和/或尺寸)以及因此的第一传感器的灵敏度可以通过以下方式方便地控制：(i)经由提供主脊和可选的次脊的、盖子的结
构，和/或(ii)提供可压缩到微流体通道中的可变形聚合物层。
[0137]
可选地，设备包括在盖子和基座之间的聚合物层，其中，聚合物层被配置为密封该设备，优选地，其中所述聚合物层是聚二甲基硅氧烷(pdms)。可选地，聚合物层可以被配置为调节设备的灵敏度。
[0138]
在一些实施例中，设备的一个或多个部件是3d打印的。例如，第二传感器的基座、盖子和/或支架可以是3d打印的。在一些实施例中，设备的每个部件都是3d打印的。
[0139]
基座还可以包括凹槽，该凹槽包括o形环，该o形环围绕微流体通道并被配置为防止从微流体通道泄漏。
[0140]
可选地，设备被配置在芯片上，优选地，该芯片用于在线处理。
[0141]
根据本发明，提供了一种表征流体样品中一种或多种粒子的方法，包括本文所述的一个或多个设备，其中，该方法包括：将包括至少一个粒子的流体样品通过流体入口，沿着微流体通道，流经第一电极和第二电极，并离开流体出口；并且其中，在第一电极和第二电极之间施加电势差的情况下，流体样品中存在的至少一个粒子中的每一个被记录为电阻脉冲。
[0142]
优选地，该方法还包括：使用预测性逻辑回归模型来表征电阻脉冲以确定关于粒子尺寸、形状和流速的信息的步骤。
[0143]
该方法可以被用于表征以下一项或多项：
[0144]
(i)体液中的细胞
[0145]
(ii)有机化合物、蛋白质、肽、细胞、细菌、真菌、藻类、病毒、核酸(例如dna)、外来体、胶体、聚合物粒子(例如微塑料)和纳米药物
[0146]
(iii)无机材料，诸如金属粒子。
[0147]
本发明的方法可以被用于一个或多个流体样品的在线传感以进行高通量处理。
[0148]
该设备的基座可以由聚合物和/或树脂组成，并且可以使用能够创建三维形状的模具/制造技术来制造。可用于本发明的三维打印技术对于本领域技术人员来说是众所周知的。可替选地，可以使用任何其他方便的制造工艺来制造该设备，诸如模制或微注射。
[0149]
电阻脉冲传感器(rps)在单个粒子的基础上提供从小分子到纳米材料的详细表征。它们提供了关于粒子尺寸、形状、浓度和电荷的信息，还提供了一些关于粒子形状的信息。重要的是，rps的低成本和高通量(每秒数十到数百个粒子)使其适用于制造工作流程。最近，将该技术应用于物体变形的高通量表征也取得了进展。因此，rps提供了纳米材料的多方面的无损表征。
[0150]
rps实验中的信号可以揭示有关材料形状的信息。电阻脉冲传感还可以与预测性逻辑回归模型(称为rps-lrm)相结合，以在棒状和球状混合物存在于同一溶液中时快速表征纳米材料的尺寸、纵横比、形状和浓度。rps-lrm可以被应用于表征宽尺寸范围内和不同纵横比的纳米粒子，并且当其拥有的纵横比大于2时，可以在纳米球上区分纳米棒。rps-lrm可以快速地测量混合物中溶液中纳米球与纳米棒的比率，不管它们的相对大小和比率如何，即许多大的球形粒子不会干扰较小纳米棒的表征。
[0151]
本文使用高纵横纳米孔来识别溶液中独立纳米粒子的形状。球体和棒体记录的信号有足够的差异，以允许在个体的基础上对它们进行分类。分析速度很快，可在几秒钟内分析数百个粒子。此外，实验观察到的棒体和球体脉冲形状之间的差异对应于预测脉冲形状
的计算模型，这允许了使用与统计方法耦合的大孔rps更广泛地表征纳米粒子形状。校准纳米孔方法的响应使该过程在几个纳米孔和几天内可重复，并允许精确测量溶液中球体和棒体的比率。
[0152]
在rps过程期间，粒子穿过传导离子的通道或孔，并监测离子电流随时间的变化。每次易位期间电流的变化，也被称为“脉冲”，取决于粒子和通道尺寸的比率。即使以高速流动的混浊溶液中，也可以测量关于粒子尺寸、浓度和速度的信息。
[0153]
rps可以由诸如石墨烯、聚合物、氮化硅和玻璃的材料制成。它们的灵敏度可以通过改变通道的尺寸来改变。可以通过调节电势差、孔壁上的电荷、分析物的电泳迁移率、支持电解质浓度和诱导对流来控制通过孔或通道的传输。在保留高计数率的同时保持灵敏度在过去一直是一个挑战，因为脉冲频率与孔径直接相关。
[0154]
本发明人以及发现，通过使用增材制造的流动通道，可以针对不同的应用包括、设计和定制不同的传感器。通过将增材制造的零件与精密离子钻孔纳米孔相结合，多个传感器可以被包括在同一个流动通道中。优选地，其中流动通道具有超过一个传感器。更优选地，有两个或更多个传感器。然而，传感器的数量可以多于一个、多于两个、多于三个、多于四个。可选地，传感器的数量可以大于10个。优选地，其中传感器是纳米孔传感器。传感器的数量和流动通道的尺寸可以根据设备的预期应用和待检测粒子来定制。
[0155]
流动的使用允许在低粒子浓度(例如，1
×
10-3
粒子/ml)下以每秒一个事件的速度快速计数和观察粒子。样品通过流体入口流入/注入传感器中。当样品穿过微流体通道时，它会穿过狭窄的收缩部，并且粒子由一个或多个传感器被表征。
[0156]
纳米粒子或分析物通过这些微流体通道的易位可以通过测量离子电流来监测。每个易位事件都会导致被称为电阻脉冲的通道的电导上的变化，这与分析物的物理性质有关。因此，电阻脉冲传感器是具有单个粒子/分析物分辨率的极具吸引力的感测平台。分析物尺寸、浓度和电荷的信息可以快速、可靠和高灵敏度级别地被测量。可以创建微流体通道尺寸以适合流动通过该通道的粒子尺寸。
[0157]
微流体通道可以通过使用三维打印来形成，并且可以允许检测尺寸为1至100微米、优选地为5至50微米并且可选地为10至25微米的粒子。然而，可以创建任何所需的通道尺寸。微流体通道可以具有多个传感器，以允许表征流体样品中存在的一种或多种粒子的尺寸、形状和浓度。
[0158]
待表征的粒子存在于流体样品中。流体样品是指溶液中的粒子。流体样品可以包括任何导电液体，其包括但不限于诸如血液、尿液、缓冲溶液或含盐溶液(诸如海水)的流体。一种或多种粒子可以选自但不限于有机化合物、蛋白质、dna、细胞、细菌、病毒、外来体、胶体和纳米药物。
[0159]
为了调整本发明的设备的感测范围，而不是必须制造不同尺寸的收缩部，保留标准流动微流体通道，并且该设备还包括盖子，该盖子既密封该设备(并允许容易进入以进行清洁)，但通过将突起插入到通道中、改变收缩部的尺寸以及因此调节灵敏度来调节该设备的灵敏度。通过保持相同的流动通道和改变盖子，可以调整传感器的灵敏度。从盖子插入到流中的突起的形状、尺寸和数量可以有助于测量粒子尺寸和形状，并且可以相应地被改变。
[0160]
盖子提供可重复使用的密封，其允许易于组装/拆卸和清洁。盖子可以包括主脊，主脊可以是可调节的插入物，以提高设备的灵敏度。盖子可以是任何合适的尺寸或形状。主
脊可以是一个或多个脊。主脊可以被制造成与微流体通道的尺寸相对应。主脊还可以包括从其延伸的次脊。次脊可以是任何尺寸，但优选地在尺寸上小于主脊，并且还可以包括允许液体穿过盖子的脊的导管。
[0161]
根据本发明的一个优选方面，提供了一种第一粒子传感器，其包括包括微流体通道的基座，其中，微流体通道包括沿着微流体通道定位的第一电极和第二电极，其中，第一粒子传感器被配置为使得当包括至少一个粒子的流体样品沿着微流体通道通过并经过第一电极和第二电极时，在第一电极和第二电极之间施加电势差的情况下，至少一个粒子中的每一个被记录为电阻脉冲。
[0162]
本发明还可以包括第二粒子传感器，其包括容纳膜和电极的支架，其中，膜包括至少一个孔，其中，第二粒子传感器被配置为使得当包括至少一个粒子的流体样品穿过膜的至少一个孔时，电极检测流体样品中的至少一个粒子并记录电阻脉冲。
[0163]
图1显示了组装设备(1)的优选实施例，其主要部件为盖子(2)和设备基座(3)。组装设备还包括螺纹孔(4)，其允许将第二粒子传感器(5)和电极(6)被拧入设备(1)中。盖子(2)和基座(3)用螺钉(7)和螺母(8)固定在一起。组装设备的俯视图如图2所示。组装设备的仰视图如图3所示。在图1和图3中，外螺纹孔(4a和4b)分别容纳流体入口和流体出口(13)。
[0164]
图4显示了没有盖子(2)时的设备(1)的实施例。该实施例示出了主微流体通道(12)，其中液体流入入口(4a)，沿着微流体通道(12)并从设备(1)的出口(4b)流出。在图4中，微流体通道(12)和流体的流动从入口(4a)向上到达基座单元的表面，然后沿着顶部表面流动。流体的流动遵循这个路径，经过每个电极(6)并流出出口(4b)。
[0165]
为了确保没有液体从设备(1)泄漏，在盖子(2)和基座单元(3)之间，o形环被容纳在凹槽(10)中(如图4所示)，这代表了盖子的第一种配置。凹槽(10)和o形环沿着基本单元表面围绕微流体通道(12)的路径。
[0166]
在第二种盖子配置中，可以使用聚合物层代替o形环作为密封件。聚合物可以是任何合适的聚合物。优选地，聚合物是聚二甲基硅氧烷pdms(16)，并且该层被放置并夹在设备基座(3)和盖子(2)之间，并且通过螺钉(7)和螺母(8)被固定到位。
[0167]
图5是当盖子(2)被移除时微流体通道(12)、电极(6)、o形环槽(10)和入口/出口(13)的俯视图。
[0168]
图6显示了盖子(2)在其第一种配置时的优选实施例。它具有贯穿微流体通道的整个长度的突起(主脊)(14)。当设备(1)如图1中所示被密封时，主脊(14)的深度决定了填充通道(12)所需的液体总体积。图7显示了盖子(2)的顶部图像和底部图像。
[0169]
沿着主脊的是次脊(15)，次脊可以是任何长度，但优选是通道(14)的宽度，并且是设备被密封时通道(14)的高度。在次脊内存在导管(11)，当设备在这种配置中用盖子被密封时，该导管允许流体流过该设备。
[0170]
第一粒子传感器(11)的尺寸决定了传感器的灵敏度。通道(12)、传感器(11)和两个电极(6)记录了来自第一粒子传感器的数据。当粒子通过充满电解质的传感器通道(12)时，在两个电极(6)之间施加电势差的情况下，每个粒子被记录为电阻脉冲。脉冲大小和形状取决于通道和孔尺寸，脉冲揭示了粒子尺寸、形状和流速的信息。
[0171]
第一粒子传感器(11)可以被独立使用，并且不需要第二粒子传感器(5)的存在。溶液中的所有粒子都流过第一粒子传感器(11)。
[0172]
图8显示了盖子(2)在其第二种配置中的优选实施例。在盖子(2)和基座单元(3)之间插入聚合物层，诸如pdms层(16)。盖子可以是平的，或者如前所述具有主脊(14)和次脊(15)。pdms层(16)有两个功能，首先，它提供密封，不会导致泄漏。其次，通道的体积和第一粒子传感器(11)的灵敏度可以通过pdms层(16)改变。在施加由拧紧螺钉引起的压力以及盖子向下施加到pdms上的力时，pdms聚合物可以被迫进入微流体通道。通过对螺钉(7)增加压力(拧紧)来减少微流体通道(12)中的液体体积。随着通道的体积减小，第一粒子传感器(11)的灵敏度增大。螺钉(7)的拧紧会影响第一粒子传感器(11)的灵敏度。螺钉的拧紧对第二粒子传感器(5)没有影响。
[0173]
第二粒子传感器(5)可以在单独的外壳中，该外壳可以被连接到微流体通道(12)的底板。流体样品流经第二粒子传感器(5)的顶部而不通过传感器。
[0174]
图9显示了第二粒子传感器(5)，其包括膜(9)内的小孔。该膜可以由氮化硅、聚氨酯或聚酯膜组成。可以使用3d打印的螺纹(5)将膜固定到位，螺纹(5)还包括螺纹孔(4)中的电极。在电极(6)和膜之间是电解质溶液。微流体通道(12)中的流体流经传感器(5)的顶部。在两个电极(6)之间施加电场。微流体通道(12)中的带电粒子经由电泳和对流(convention)过程沿着电场梯度移动，而中性粒子通过对流移动。粒子从微流体通道(12)穿过被容纳在第二粒子传感器(5)中的膜(9)。当粒子穿过膜中的孔时，电极(6)记录电阻脉冲并表征粒子形状、尺寸和电荷。
[0175]
第二粒子传感器(5)的位置可以是沿着微流体通道(12)的任何地方，但不在次脊(15)下面。可以有超过一个第二粒子传感器(5)。
[0176]
第二粒子传感器(5)可以被独立使用，并且不需要第一粒子传感器(11)的存在。第二粒子传感器(5)不需要流动的溶液，因此微流体通道(12)可以被充满样品，并且可以关闭流动，并且第二粒子传感器(5)将仍然表征可以经由电泳移动通过膜(9)中的孔的粒子，以这种方式，第二粒子传感器(5)可以被用于流动和不存在流动的时候。第一粒子传感器(11)将仅在存在流动的情况下工作。图10显示了流体流动和一个或多个传感器之间的相互作用。
[0177]
参考图11(a)和图12，流体沿着第一粒子传感器内的微流体通道行进，如箭头所示。第一粒子传感器包括提供检测区域的收缩部120。收缩部120位于形成了电极组的第一电极122和第二电极124之间。如图11(b)所示，粒子对检测区域的通过被检测为电流脉冲。
[0178]
图13显示了根据本发明的盖子(2)的示例的图像，盖子(2)包括尺寸为1x2mm(h x w)的主脊(14)，该主脊拉伸了微流体通道(12)的长度。微流体通道(12)和相应的盖子(2)当然可以被制造成任何合适的尺寸。优选地，盖子(2)提供密封。当盖子(2)包括脊时，这允许调节传感器的灵敏度。此外，可以制造脊使得它允许不同传感器之间的互换性，而无需改变核心流动部件。
[0179]
图14显示了包括附加次脊(15)的盖子(2)，该次脊是主脊(14)的延伸。通过增加脊的尺寸，传感器的尺寸减小，这允许表征更小的粒子(如图14所示)。图15中的结果表明可以在微流体通道中检测到粒子(显示了来自150微米通道中的80微米粒子的脉冲)。
[0180]
在保留高计数率的同时保持灵敏度是一项艰巨的挑战，这是因为脉冲频率与孔径直接相关。因此，为了能够测量溶液中较小的粒子，可以减小通道直径。
[0181]
第二粒子传感器(5)可以是由离子钻孔氮化硅膜(9)制成的第二纳米孔。第二粒子
传感器(5)可以平行于流动并在第一粒子传感器之后被定位。在该设备的一个示例中(图1)，流体流过第一粒子传感器(11)，并流经第二粒子传感器(5)。这阻止了在第一粒子传感器(11)中测量出的较大粒子阻塞第二粒子传感器(5)。由于第二粒子传感器(5)与流体平行，因此可以使rps表征任何尺寸的粒子，而无需担心堵塞。第二粒子传感器(5)(以及任意数量的其他传感器)可以被拧入、改变和选择用于用户的样品/应用。
[0182]
为了添加额外的传感器，可以沿这基座添加额外的3d打印螺纹(如图17所示)。该设备还可以包括容纳较小的孔(9)的附加固态纳米孔支架，从而扩大设备(1)的分析范围。
[0183]
第二粒子传感器(5)还可以容纳下部流体单元和工作电极(6)。可以使用位于流动设备底部的螺纹来安装支架，并且可以使用一组o形环来提供密封。支架的cad图像如图17所示。
[0184]
为了能够同时表征各种尺寸的粒子，第二粒子传感器(5)将允许检测和表征低至1nm的粒子或适于对dna进行测序。
[0185]
当设备(1)被用于在高流速反应器内产生高浓度粒子的制造过程中时，为了帮助设备(1)，可以同时使用两个相同的设备(诸如图1或图18中所示的两个相同的设备)。主流/样品被转向，使得通过第二个设备的体积和流速不同于第一个设备。这允许每个设备能够表征同一样品中的不同特性/粒子。
[0186]
图19示意性地示出了设备的操作。在图19a中，尺寸为1nm至2μm的小粒子进入微流体通道。被配置为用于检测较大粒子的第一粒子传感器不检测小粒子。小粒子流过第二粒子传感器的纳米孔，从而产生信号。在图19b中，尺寸为2至100μm的大粒子进入微流体通道。大粒子由第一粒子传感器检测，产生了信号。在图19c中，包括大粒子和小粒子的流体流入微流体通道。大粒子由第一粒子传感器检测，而小粒子由第二粒子传感器检测。
[0187]
图20a显示了包括第一粒子传感器(传感器1)和多个第二粒子传感器(传感器2，
…
传感器n)的设备30。多个第二粒子传感器可以被称为第三、第四、第五等粒子传感器。第一粒子传感器包括微流体通道32，其具有入口34、出口36和在其中提供了检测区域38的收缩部(constriction)。设备30还包括第一接地电极40和第二工作电极42，它们一起形成了第一粒子传感器的第一电极组44。
[0188]
设备30还包括第二粒子传感器46。第二粒子传感器46包括具有接地电极和工作电极的第二电极组。在一些实施例中，第二电极组47的接地电极可以与第一工作电极组共用。也就是说，多个粒子传感器可以包括n 1个电极，其中n是粒子传感器的数量，并且使用共用接地电极。在其他实施例中，至少一些粒子传感器可以包括工作电极集合，其包括接地电极和工作电极。在所示实施例中，第二粒子传感器46包括工作电极48，工作电极48与第一接地电极40形成了第二电极组50。提供了另外的第二粒子传感器52，其包括与第一接地电极40形成了第三电极组56的工作电极54。第二粒子传感器46、52中的每一个都设置有流量调节器55、56。
[0189]
由每个工作电极组输出的电信号可以被称为提供了与相应粒子传感器相关联的脉冲数据通道的通道。脉冲数据指示电极组的电极之间的电流。电流是由通过相应粒子传感器的粒子引起的。因此，每个电流脉冲都表示通过粒子传感器的粒子。由于每个传感器是独立的，因此多个通道的脉冲数据可以至少部分地同时从传感器输出。也就是说，表示电流的脉冲可以在多个通道当中至少部分地是同时的。因此，与根据本发明实施例的粒子传感
器一起使用的装置可以存储脉冲数据以用于后续分析，或者可以包括同时接收和分析脉冲数据的多个装置。
[0190]
图20b显示了根据本发明另外的实施例的第二粒子传感器(60)。第二粒子传感器(60)包括具有外螺纹(64)的主体(62)，用于将第二粒子传感器(60)连接到设备的基座。该主体具有内部通道(66)，纳米移液管(68)位于该通道中。当第二粒子传感器(60)被连接到设备的基座时，内部通道(66)被连接到第一粒子传感器的主微流体通道，从而在它们之间形成流动路径。管(70)也与主体(62)一起被容纳，并与内部通道(66)流体连通。管(70)的一部分伸出主体(62)。管(70)可以用作设备的主要流体出口。
[0191]
例如，在一些实施例中，通过微流体通道的主要流体出口的、以及可选地存在于第二粒子传感器系列中的每个管的流速可以被独立地控制或停止。因此，可以配置该系统，以便允许所有样品流出单个出口，诸如管(70)。
[0192]
图20c显示了流体通过设备的通路。包括大粒子(80)和小粒子(82)的流体样品穿过第一粒子传感器的微流体通道，如箭头a所示。一些流体进入第二粒子传感器(84)。第二粒子传感器(84)包括外壳(88)内的纳米移液管(86)。纳米移液管(86)具有孔(90)，孔(90)被形成尺寸为使得只有小粒子(82)能够穿过孔(90)并被检测。大粒子(80)以箭头b所示的外部流动流围绕纳米移液管行进，并作为废弃物离开设备。
[0193]
较大的粒子被禁止进入第二粒子传感器的纳米孔(90)，使得通过纳米移液管(86)(“内部流动”)的流体流速低于绕过纳米移液管流动(“外部流动”)的流速。这样，第二粒子传感器的纳米孔(90)不断被液体流冲洗，液体流将较大的粒子推离纳米孔，从而防止纳米孔堵塞。液体通过纳米移液管的流速也有助于提高灵敏度。如果通过纳米移液管(86)的流速增加，则可以检测到更多粒子。同样，如果通过纳米移液管(86)的流速停止，则第二粒子传感器将保持不活动，直到流动切换回开为止。
[0194]
图20d-g显示了如何调节通过第二粒子传感器的流体流量。在图20d中，允许来自主微流体通道的流体流入第二传感器，并以箭头f1所示的流速通过纳米移液管。未穿过纳米孔的流体围绕纳米移液管流动，如箭头w1所示。
[0195]
图20e显示了如何使用流量调节器(未示出)增加通过纳米移液管的流速，如箭头f2所示。在这种情况下，围绕纳米移液管而不是通过它的流体流量减少，如箭头w2所示。
[0196]
在图20f中，通过纳米移液管内的流体流动被反向(箭头f3)，从而阻止粒子通过纳米孔的易位。在图20g中，通过第二粒子传感器的所有流动都被停止，使得没有液体通过或围绕纳米移液管行进。
[0197]
工作流程如图21所示。设备(1)也可以在没有流动的情况下被使用，例如，当用户想要将样品/材料注入传感器进行分析时，例如血液、牛奶或纳米材料/纳米药物。测量可以被用于表征材料的物理性质，或材料的性质与样品基质相关，并且粒子的物理性质作为诊断/分析信号。
[0198]
下面描述的分析包可以被实施为计算机程序，该计算机程序被配置为当在处理器上运行时，执行上述步骤的一个或多个。通常，这样的计算机程序可以被配置为当由计算机处理器执行时，至少执行：接收代表对应于粒子的电阻脉冲的数据作为输入，该电阻脉冲由本文所述的粒子传感器获得；将接收到的数据与代表已知形状和尺寸粒子的预存储表征形状和尺寸数据进行比较；基于该比较，确定至少一个粒子的形状和尺寸中的一个或多个；以
及输出所确定的粒子的形状和尺寸中一个或多个。应当理解，本文公开的计算机程序的示例可以以硬件、软件或硬件和软件的组合的形式被实现。任何这样的软件可以以易失性或非易失性存储器的形式被存储，例如，诸如rom之类的存储设备，无论是否可擦除或可重写，或者以存储器的形式被存储，例如，ram、存储芯片、设备或集成电路，或者存储在光或磁可读介质上，例如，cd、dvd、磁盘或磁带。应当理解，存储设备和存储介质是非暂时性机器可读存储器的实施例，其适于存储在被执行时实施本公开的实施例的一个或多个程序。因此，本文公开的示例可以提供包括用于实施本文公开的任何方法的代码的程序，以及存储这种程序的机器可读存储介质。更进一步，本文公开的示例可以经由任何介质(例如通过有线或无线连接传送的通信信号)以电子方式被传送，并且示例适当地包括这些内容。
[0199]
在本发明的另一方面中，提供了一种计算机实施的方法，包括：
[0200]
接收代表对应于粒子的电流脉冲的脉冲数据作为输入；
[0201]
将接收到的脉冲数据与代表已知形状的粒子的预存储的表征形状数据进行比较；
[0202]
基于该比较，确定所述至少一个粒子的形状；以及
[0203]
输出所确定的粒子形状的指示。
[0204]
在一些实施例中，电流脉冲可以从本文定义的粒子传感器或本文定义的设备获得。然而，在其他实施例中，脉冲数据可以从其他类型的电阻脉冲传感器(rps)获得。
[0205]
在一些实施例中，预存储的表征形状数据包括：代表已知形状的粒子的一个或多个样条系数。
[0206]
在一些实施例中，一个或多个样条系数是代表已知形状的粒子的b样条的一个或多个样条系数。
[0207]
在一些实施例中，一个或多个样条系数是代表已知形状的粒子的预定的样条系数组。
[0208]
预存储的表征形状数据可以用于归一化的粒子尺寸，其中，计算机程序被配置为对接收的数据进行归一化。
[0209]
在一些实施例中，预存储的表征形状数据包括电阻脉冲的宽度的指示。
[0210]
在一些实施例中，预存储的表征形状数据包括电阻脉冲的最大深度的指示。
[0211]
代表对应于粒子的电阻脉冲的数据可以包括：对应于穿过传感器的粒子的数据。在一些实施例中，代表对应于粒子的电阻脉冲的数据包括：对应于穿过纳米孔的粒子的数据。
[0212]
在另一方面，提供了一种计算机实施的方法，包括：
[0213]
接收代表对应于已知形状的粒子的电流脉冲的脉冲数据作为输入；
[0214]
根据接收到的指示已知形状的粒子的数据来确定模型。
[0215]
在一些实施例中，电流脉冲可以从本文定义的粒子传感器或本文定义的设备获得。然而，在其他实施例中，脉冲数据可以从其他类型的电阻脉冲传感器(rps)获得。
[0216]
在另一方面，本发明提供了一种表征纳米粒子的计算机实施的方法，包括：
[0217]
当纳米粒子通过微流体通道时，接收指示与微流体通道相关联的第一电极和第二电极之间的离子电流流动的脉冲数据；以及
[0218]
使用脉冲形状模型将脉冲数据分类为对应于多个预定的纳米粒子类型之一。
[0219]
图34示出了根据本发明实施例的方法3400。方法3400是根据本发明实施例的处理
脉冲数据的方法。可以从根据本发明实施例的可以从粒子传感器接收脉冲数据。方法3400可以被用于预处理脉冲数据。预处理的脉冲数据可以与根据本发明的其他实施例的方法一起被使用，诸如下面参考图35所描述的。
[0220]
在框3410中，从粒子传感器接收脉冲数据，诸如至少参考图20a所描述的。可以从一个或多个粒子传感器中的每一个接收脉冲数据，诸如粒子传感器的第一粒子传感器和第二粒子传感器。在一些实施例中，在多个通道中从粒子传感器接收脉冲数据。脉冲数据可以被存储在用于接收脉冲数据的装置(诸如计算机)的存储器中。脉冲数据可以是如图24的上部所示的原始信号脉冲数据的形式。脉冲数据可以是在各个时间点的一系列数据样本的形式。
[0221]
在框3420中，从脉冲数据中提取脉冲。在框24中，从原始脉冲数据中提取一个或多个独立脉冲。根据原始脉冲数据的基线的显著偏差可以识别每个脉冲。每个脉冲可以包括预定数量的数据点或数据样本。
[0222]
在框3430中，每个脉冲被对齐以包括预定数量的数据样本。也就是说，脉冲的预定数量的数据样本被对齐以捕获预定数量的数据样本。在一个实施例中，每个脉冲包括301个数据样本，尽管应当理解可以使用其他数量的数据样本。具体地，可以使用奇数数量的数据样本，使得中间数据样本任一侧的数据样本数量可以相同，即，可以选择数据样本151作为中间数据样本，并且脉冲在任一侧包括150个数据样本。数据样本的数量如图24所示。
[0223]
在框340中，脉冲数据被去趋势。去趋势意味着从每个脉冲的采样脉冲数据中去除任何趋势，诸如原始脉冲数据幅度的增加或减少。
[0224]
在一些实施例中，方法3400包括归一化每个脉冲的幅度。归一化幅度意味着每个脉冲被确定为具有预定的幅度，诸如归一化幅度或深度为1。以这种方式，从脉冲数据中去除每个脉冲的大小。归一化脉冲数据允许将脉冲的形状信息与大小信息分离。通过使用归一化脉冲数据，每个脉冲和相应的粒子可以根据其形状进行分类，如将要解释的。
[0225]
在框3460中，输出脉冲数据。脉冲数据可以通过被存储在数据存储介质(诸如执行方法3400的装置的存储器)中来输出。
[0226]
本发明的实施例包括一种创建用于对粒子进行分类的分类器的方法。可以从根据本发明实施例的粒子传感器接收脉冲数据。然而，该方法可以被用于从其他传感器获得的脉冲数据。方法3500的实施例如图35所示。
[0227]
该方法包括接收脉冲数据的框3510。脉冲数据可以从诸如图34所示的方法以预处理脉冲数据的形式被接收。脉冲数据可以从诸如实施该方法的计算机系统的存储器被接收。
[0228]
在框3520中，脉冲数据被量化。量化意味着确定每个脉冲的一个或多个数量或度量(measure)。可以通过确定每个脉冲的一个或多个统计来量化脉冲数据。如图24所示，数量或统计可以包括以下一个或多个：每个脉冲p1、p2…
pn的脉冲幅度指示δi的指示；每个脉冲的宽度的指示和每个脉冲形状的一个或多个度量。
[0229]
每个脉冲宽度或封锁宽度的指示可以被确定为每个脉冲高度的一个或多个分数，诸如脉冲高度的0.75、0.5、0.25，如图24所示。每个脉冲形状的一个或多个度量可以包括将样条拟合到脉冲数据。在一些实施例中，在拟合样条之前对脉冲数据进行归一化。样条可以是二次样条。在一些实施例中，样条是具有25个固定节和三个固定点(24个系数)的二次样
条。样条系数提供了去噪脉冲形状的数学描述。在拟合样条以归一化脉冲数据的情况下，样条仅指示每个脉冲的形状。
[0230]
在一些实施例中，方法3500包括检查数据的一致性的框3530。为了验证正确操作，获取已知尺寸、形状和成分的预定粒子的脉冲数据。在框3530中，对照期望值检查对应于预定粒子的脉冲的统计。如果统计在预定粒子的一个或多个阈值之外，则方法3500可以停止。否则，该方法处理到框3540。
[0231]
在框3540中，分类器被构造为用以区分具有不同特征的粒子。例如，可以分类器可以被构造为区分不同形状的粒子，例如球体和棒体，尽管可以设想其他种类的粒子形状。在其他示例中，分类器可以被构造为区分不同尺寸和/或材料的粒子。为了构造分类器，获得对应于粒子组的脉冲的脉冲数据，该粒子组对应于需要作为校准脉冲数据进行区分的粒子。例如，可以为球形粒子获得第一组脉冲数据，并且可以为棒形粒子获得第二组脉冲数据。给定脉冲数据组，使用回归方法构造预测分类模型。回归方法可以是惩罚回归方法。在一个实施例中，模型使用脉冲的最大深度，在另一个实施例中，模型使用脉冲宽度，在另一个实施例中，该方法使用用于脉冲数据的样条系数，其也可以包括脉冲的最大深度，在另一个实施例中，模型使用用于归一化脉冲数据的样条系数，其中样条系数可以是b样条的样条系数，并且在另一个实施例中，模型使用来自归一化脉冲数据的固定的样条系数组。固定系数组可以是已经被发现特别有效的系数9、10、16、17、18和19，尽管将意识到可以使用其他系数。以这种方式，分类器被构造成能够基于从粒子传感器输出的它们的脉冲数据来区分不同类别的粒子，诸如不同形状的粒子，这可以是根据本发明的一个实施例。
[0232]
在框3550中，构造的分类器被输出，诸如通过被存储在执行方法3500的计算机系统的存储器中。分类器被存储以供以后用于根据它们相应的脉冲数据对粒子进行分类。
[0233]
图36示出了使用根据本发明实施例的分类器的方法。分类器可以是由图35的方法3500产生的。方法3600是一种根据接收到的脉冲数据表征粒子的方法。方法3600可以由诸如下面参考图37所述的装置来执行。
[0234]
方法3600包括从粒子传感器接收脉冲形状数据的框3610。粒子传感器可以是根据如上所述的本发明实施例的粒子传感器。脉冲形状数据可以作为在执行方法3600的装置的接口处接收到的电信号被传送。如上面参考图20a所述，可以在多个数据信道中之一中接收脉冲形状数据。脉冲形状数据可以包括指示电极组的电极之间的电流的各个时间点处的多个数据点，诸如如上所述的301个数据点。
[0235]
方法3620包括确定粒子形状的框3620。框3620可以包括使用由方法3500提供的脉冲形状分类器将接收到的脉冲数据3625分类为对应于预定的多个纳米粒子类型之一，方法3500被存储在装置的存储器中。在一些实施例中，框3620包括将接收到的脉冲数据3625与代表已知形状的粒子的预存储的表征形状数据进行比较。此外，在一些实施例中，框3620包括基于该比较，确定对应于接收到的脉冲形状数据的至少一个粒子的形状。分类器可以输出对应于预定数量的粒子类别之一的脉冲数据的指示，诸如具有预定形状或预定形状和/或尺寸的粒子。
[0236]
在框3630中，输出确定粒子形状的指示。框3630可以包括将指示存储在执行该方法的装置的存储器中。
[0237]
图37示出了根据本发明实施例的系统3705。系统3705包括控制单元3710和粒子传
感器3720。粒子传感器3720可以是根据本发明的实施例，诸如上文所述。具体地，粒子传感器3720可以包括多个粒子传感器，诸如第一粒子传感器和第二粒子传感器。每个粒子传感器可以在各自的数据通道3725、3726上输出数据，如图37所示，其包括两个数据通道。
[0238]
控制单元3710被布置成接收脉冲数据3725、2726，该脉冲数据指示：当粒子穿过微流体通道时，与微流体通道相关联的工作电极组的第一电极和第二电极之间的电流。
[0239]
控制单元3710包括处理设备3730和存储器3740。处理设备3730被布置成执行可以被存储在存储器3740中的计算机可读指令。处理设备3730被布置成执行由计算机可读指令定义的根据本发明实施例的方法。存储器3740可以被布置成存储在该方法中使用的数据。接收到的脉冲数据可以被存储在存储器3740中。具体地，存储器3740可以存储从粒子传感器3720接收的脉冲数据3725。存储器3740还可以存储在该方法中使用的一个或多个模型3750或分类器。一个或多个分类器3750可以是一个或多个脉冲形状分类器3750，诸如上文所述，用于将脉冲数据3725分类为对应于多个预定的粒子类型之一。控制单元3710可以被布置成执行根据本发明实施例的方法3600，诸如图36所示。
[0240]
分析物的存在导致粒子释放到溶液中。释放的粒子数量与分析物的浓度有关。每种分析物都会引起特定形状或尺寸的纳米粒子的释放。溶液中释放的粒子由提供快速定量的传感器进行识别和计数。
[0241]
材料(例如玻片、纤维素膜等)的表面用dna分子进行功能化。dna 2与固定在粒子上的dna 1是互补的。经由在dna 1和dna 2之间形成双链dna，粒子被固定在表面上。溶液中存在分析物-1的存在导致dna 1和dna 2(其中dna 1或dna 2可能是分析物-1的适体)之间的相互作用的破坏。分析物-1和dna 1/2之间的相互作用导致粒子被释放到溶液中。经由rps传感器计算溶液中的粒子数量。
[0242]
由于表面可以被装载许多不同尺寸或形状的粒子，因此可以同时量化多个分析物。每个粒子经由形成dsdna被保持在表面上。这里dna 1和dna 2是互补的，并且dna 3和dna 4之间没有相互作用。同样地，dna 3和dna 4互补，并且粒子2经由dna 3和dna 4的相互作用被保持在表面上。在分析物1存在的情况下，分析物1和dna 1/2之间存在特定的相互作用，导致粒子1被释放到溶液中。在存在分析物2的情况下，分析物2和dna 3或dna 4之间存在特定的相互作用，导致粒子2被释放到溶液中。本发明的rps传感器可以测量和识别不同粒子的数量。
[0243]
流动的存在，以及表征宽范围的粒子尺寸的能力增强了诊断应用，并且是诊断芯片和rps传感器的独特组合。
[0244]
本说明书(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征，和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤，除了其中至少一些此类特征和/或步骤相互排斥的组合外，可以以任何组合进行组合。
[0245]
除非另有明确说明，否则本说明书(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以被用于相同、等效或类似目的的替代特征代替。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅为等效或类似特征的通用系列的一个示例。
[0246]
本发明不限于任何前述实施例的细节。本发明延伸至本说明书(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或者延伸至如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的一个或任何新颖的组合。权利要求不应被解
释为仅涵盖前述实施例，而是涵盖落入权利要求范围内的任何实施例。
[0247]
在本说明书的整个描述和权利要求中，词语“包括”和“包含”及其变体的意思是“包括但不限于”，并且它们不旨在(并且不)排除其他部分、添加剂、部件、整数或步骤。在本说明书的整个描述和权利要求中，除非上下文另有要求，否则单数包含复数。特别地，在使用不定冠词的情况下，除非上下文另有要求，否则说明书应被理解为考虑复数和单数。
[0248]
本说明书(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征，和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤，除了其中至少一些此类特征和/或步骤相互排斥的组合外，可以以任何组合进行组合。本发明不限于任何前述实施例的细节。本发明延伸至本说明书(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或者延伸至如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的一个或任何新颖的组合。
[0249]
示例1：形状分析
[0250]
材料和方法
[0251]
材料：本研究中使用了三种类型的纳米粒子：羧化聚苯乙烯粒子(直径200nm，表示为cpc200，来自izon science,christchurch,nz)，羧化聚苯乙烯粒子(直径158nm，表示为ps150，购自bangs laboratories,inc,indiana,usa)，购自cmd ltd的纳米棒。氧化铁纳米棒由cmd ltd,cardiff,uk提供。
[0252]
粒子制备：使用pei和paama(聚(乙烯亚胺))(pei)将羧基添加到氧化铁纳米棒中，mw 750000g mol-1
，分析标准，50％wt.，p3143，聚(丙烯酸-共-马来酸)(paama)，mw～3000g mol-1 50％wt.，416053，购自sigmaaldrich,uk。在电阻为18.2mωcm的纯净水中制备试剂。粒子取自储备液(50μl)并悬浮在pei(h2o中1ml，5％)中。将溶液放置在转轮上30分钟。将溶液以10000rpm离心5分钟，并且将pei溶液从粒子中去除并用水替换。对样品进行涡旋和超声处理，直到粒子被完全分散。该洗涤步骤被重复两次，以确保所有过量的pei已被去除。将pei涂覆的粒子悬浮在paama(5％在50mm nacl中)中30分钟，并放置在转轮上。使用相同的方法去除过量的pei。然后将粒子储存在2-4℃的水中。使用来自美国bangs laboratories,us的羧基聚苯乙烯粒子(158nm)和来自izon science,nz的cpc200(200nm)，而没有进行修改。使用50mm氯化钾溶液(kcl，》99％，p/4240/60购自fisher scientific,uk)稀释粒子。
[0253]
方法验证：为了开发模型，我们使用了可比较的体积的粒子，即ps150和羧基涂覆的纳米棒。对于混合物，我们用纯纳米棒和(小的，ps150)纳米球的样品校准模型。然后，我们记录了》500个事件，其中溶液包含纳米棒到(大的cpc200)纳米球的混合物。为了产生混合物，我们首先稀释纳米棒和纳米球粒子溶液，使每个样品具有可比较的粒子计数率，即每单位时间的脉冲数。因此，当等量混合时，纳米棒与纳米球的信号比等于1。我们在这里不假设纳米棒与纳米球的浓度是相等的，只是假设每种类型的粒子的易位数量是可比较的。混合不同体积的储备溶液，然后得到已知的脉冲比率。
[0254]
rps设置：所有测量均使用qnano(izon science,nz)结合可调谐纳米孔(np150s)和数据捕获和分析软件izon control suite v.3.1进行。下部流体槽包含电解质(75μl)。粒子被悬浮在相同的电解质中，并被放置在上部流体槽(40μl)中。在分析之前，对所有样品进行涡旋和超声处理30s。每次样品运行后，将40μl电解质放入上部流体槽中，施加不同的压力数次洗涤系统，以确保没有残留粒子，并且因此样品之间没有交叉污染。由于在整组实
验中需要多个孔，我们尽可能确保它们具有可比较的孔尺寸。为此，我们使用了由制造商提供的相同尺寸的孔。由于聚氨酯材料和制造工艺的原因，预计尺寸会有所不同。为了补偿这一点，我们在110na的5％范围内匹配基线电流，并运行对照样品、空白和校准珠，以允许数据组之间的比较。在缺乏关于pu孔的确切尺寸的信息的情况下，可以使用已知尺寸和体积的粒子校准纳米孔的响应。这里我们使用了平均直径为235nm的聚苯乙烯粒子。由于rps封锁幅度δi
p
信号与粒子体积呈线性关系，因此单点校准就足够了。
[0255]
在pu设置中，存在两种主要的运输方式。首先是电泳。由于所有粒子都具有羧基表面化学性质，因此它们会朝着膜与样品相对的一侧上的阳极行进。第二种是对流，由重力影响下的流体流动引起。这里，孔具有竖直方向，并且样品被放置在膜的顶部。
[0256]
电子显微镜设置：将聚苯乙烯纳米球形纳米粒子和氧化铁纳米棒在去离子水中稀释，并将5μl样品滴到铜板上，并允许在室温下蒸发。
[0257]
数学模型方法：从仪器软件获得的数据，包括整个运行的电阻数据和封锁输出文件，在r3.4.1中使用rstudio接口进行分析。首先，开发了一种可重复提取每个脉冲的方法。这涉及提取包含检测到的封锁事件的1001个时间点，识别封锁最小值，然后提取301个时间点，其中脉冲最小值位于151点处。这导致在脉冲幅度之前和之后有150个数据点。为了解释任何基线漂移和噪声变化，每个脉冲使用前50个和最后50个时间点被去趋势。
[0258]
从每次运行中创建由所有提取的脉冲组成的文件，以及归一化到深度1的提取的脉冲的文件。最后，提取的脉冲和归一化提取的脉冲每个由具有固定节的二次b样条(使用r包cobs)近似，并且系数保存在两个附加数据集中。
[0259]
模型在r基本包(glm)和包glmnet(用于套索惩罚回归)中被构建。两次校准运行被用于单独使用纳米球或纳米棒溶液来训练模型。根据校准数据，运行两种测试溶液，同样只包含纳米棒或只包含纳米球。对每个纳米孔重复该过程，并且总共测试了5个pu纳米孔，并根据它们预测使用r包proc在运行中记录的每个纳米粒子的形状的能力。
[0260]
模拟方法：使用有限元法(fem)预测由纳米球和纳米棒在轴上轨迹上穿过锥形孔引起的脉冲形状。商业软件comsol multiphysics 5.2被用于解决潜在的静电问题，该问题由拉普拉斯方程δφ＝0控制。假设通道壁和粒子的边界条件是绝缘的，这意味着垂直于边界的电场分量必须在表面消失。假设该孔为圆锥形，孔长度为250μm，大孔开口的直径为52μm，小孔开口的直径为666nm。孔长度和大孔开口的值是从sem数据中提取的，而小孔开口的值是使用别处描述的模型从基线电流(施加电压1.46v，溶液的电导率为0.667s/m)中计算的。纳米棒的长度和宽度分别为450nm长和90nm，均从sem数据中提取。选择158nm的纳米球，使其与纳米棒的体积相匹配。对纳米棒和纳米球的模拟沿着孔轴被重复足够数量的点，以便提取作为粒子的中心位置的函数的电流。由于实验中使用的参数的主要传输机制是由施加的压力头产生的流体力学流动，并且可以假设粒子跟随流体流动，因此位置-电流关系可以直接缩放为时间-电流关系。
[0261]
结果和讨论
[0262]
我们已经开发了一种分析纳米粒子的方法，该方法允许我们根据形状对独立粒子进行分类，从而允许我们确定溶液中不同形状粒子的比率。这种方法被称为电阻脉冲感测逻辑回归模型rps-lrm，将电阻脉冲数据与信号处理和形状预测统计算法联系起来，以便在独立粒子穿过孔时根据形状对其进行分类。进行了两组实验。
[0263]
3.1使用rps信号识别粒子形状
[0264]
第一个实验涉及两种类型的纳米粒子，纳米棒(图22bi)，和纳米球(图22bii)。为了开发该方法，我们选择了体积大致相等的材料。虽然努力使纳米棒和纳米球的体积精确匹配，但应该注意的是它们并不相等。有趣的是，注意到rps和s/tem数据之间极好的一致性。这一简单的观测非常重要，因为之前对纳米棒分析的rps研究表明，较小纳米棒的翻滚速率会影响封锁幅度，从而导致高估纳米棒尺寸。这里，我们不排除纳米棒在溶液中翻滚的能力，但当它们穿过纳米孔的感测区时，计算的旋转数被计算为《0.5转/脉冲。因此，它们接近孔的方向可能与它们离开感测区的方向相同。
[0265]
建立计算模型以确定纳米球和纳米棒的理论脉冲形状，作为孔内粒子位置的函数。图23a示出了纳米棒和纳米球在易位纳米孔时的模拟归一化脉冲形状。当粒子接近左手侧的感测区时，观测到纳米棒和纳米球的电流-位置关系存在明显差异。而当粒子存在于右手侧的感测区时，预测的差异较小。注意，虽然我们已经对与纳米孔轴对齐的纳米棒进行了建模(参见实验部分)，但无法预测纳米棒在接近开口时具有优选的方向。为了比较，图23b示出了》500个纳米球形粒子和纳米棒粒子的平均测量脉冲形状。注意，预测脉冲和观测脉冲之间的脉冲锐度差异是由于水平轴和数据点数量之间的差异。然而，就两种粒子的脉冲之间的比较而言，平均测量脉冲显示出与模拟类似的趋势，这表明应该可以通过使用有关脉冲形状的信息来确定检测到哪种类型的粒子。为了进一步说明这项技术的灵敏度，不同纵横比的纳米棒在整个设置中运行。图23c示出了了不同纵横比的》500个粒子的平均测量脉冲形状。在当前的设置中，纵横比低于2的纳米棒与纳米球无法区分。
[0266]
3.2测量混合溶液中纳米棒的比例。
[0267]
然而，rps是一种单个粒子分析技术，能够进行尺寸和浓度分析，并且这也适用于纳米棒。当每个纳米粒子穿过第一粒子传感器或第二粒子传感器时记录一个信号。因此，采用平均数百个脉冲来进行形状分类可能会产生误导。如果样品同时含有纳米球形粒子和纳米棒形粒子，则根据纳米棒与纳米球的比率，平均信号可能会导致材料的错误分类或假阳性。已经表明pu孔可以检测纳米棒和纳米球之间的平均差异，下一步是对移动通过纳米孔的每个脉冲和粒子应用分析和分类过程。对于每个实验，对每种类型的纳米材料进行两次运行。使用下面描述的分析包，从原始数据文件中提取以脉冲最小值为中心的301个时间点的单个脉冲(参见图24)。然后对每个脉冲被对齐和去趋势。301个时间点的选择是为了平衡在脉冲任一端具有稳定基线的期望，以便去趋势和对齐信号，但在大多数情况下避免在同一时间段捕获两个脉冲。然后将脉冲归一化为深度1，以便将尺寸信息与形状信息分离。这有助于说明该技术的多功能性，因为任何尺寸/体积的粒子都可以在未来的应用中进行形状分类。
[0268]
使用具有25个固定节和三个固定点(24个系数)的二次样条获得归一化脉冲的样条系数形式的形状数据。样条系数提供了去噪脉冲形状的数学描述。注意，标准傅里叶去噪方法不适用于此设置，因为脉冲长度与噪声振荡的长度尺度相同。图24显示了这种情况的示意图，但应注意，结的间距并不均匀，如图所示；沿着电流快速变化的区域使用的结比在末端最稳定的区域使用的结更多。
[0269]
图24显示了记录的脉冲数据。包含301个数据点的每个脉冲被隔离。脉冲分析由五个模型之一完成。a)脉冲幅度，b)在脉冲高度的0.75、0.5、0.25的分数处的封锁宽度。c)非
归一化样条拟合以及d-e)归一化脉冲幅度的样条拟合。
[0270]
图25显示了关键样条线段的可视化，这些样条线段识别了通过具有bonferroni校正的多重t检验确定的粒子形状。
[0271]
图26(a)显示了使用数据模型d预测棒体与球体的比率与已知比率的关系图。
[0272]
五种不同类型的逻辑回归模型可以被适用于一次纯棒运行和一次纯球运行的数据(训练数据)。为了确定每个模型在开发分析中的性能，我们根据来自五个孔的数据建立每个模型，并根据来自每个孔的第二对运行数据(测试数据)测试粒子分类。第一个模型a仅使用脉冲的最大深度，该深度已被证明与粒子体积近似成比例。第二个模型b使用别处描述的封锁数据的向量(脉冲宽度)。第三个模型c对提取的信号使用样条系数。这还包括来自模型a的尺寸数据。第四个模型d使用b样条的样条系数来拟合提取的信号，在提取的信号全部归一化为深度1之后。该模型仅检查电阻脉冲的形状，因为尺寸(深度)数据已被移除。使用套索惩罚回归(r中的glmnet包)，模型b、c和d适用于训练数据上的每个孔。这意味着为这些模型选择的变量(即系数非零)对于不同的孔是不同的。最终的模型e基于多重t检验(系数9、10、16、17、18和19)的结果，使用来自归一化信号数据的固定的样条系数组，并使用标准逻辑回归拟合模型。信号处理和建模方法如图24所示。
[0273]
使用沿着每个模型的测试数据的roc曲线的最大灵敏度 特异性来比较模型的性能。这里灵敏度是正确分类的纳米球的百分比，并且特异性是正确分类的纳米棒的百分比，并且因此满分是200。对于每组数据(每种粒子类型两次运行)，有四种选择(两种选择纳米球运行和两种选择纳米棒运行)的训练数据和测试数据。我们将以这四种不同方式建立和测试的模型称为复制。跨越5个纳米孔的这四个复制的模型分数被记录在表1中。值得注意的是，对于所有模型，每个孔必须先进行校准，然后才能表征粒子形状，即，首先让纯纳米棒或纳米球的样品通过每个孔。还应注意，一个孔上的校准不能预测另一个孔上的粒子形状，数据未示出。我们将此归因于孔结构和制造过程的再现性的差异，以及其在实验过程中的稳定性。
[0274]
为了确定归一化样条模型的哪些部分是识别粒子形状的关键，我们对每个孔(每个孔4对)的所有棒体和球体数据对的每个样条系数进行了具有bonferroni校正的多重t检验。图25可视化了关键样条线段，即曲线中形状显示球体和棒体之间显著差异的部分。对于所有孔隙，电流下降(即粒子进入孔时)具有显示粒子形状重要特征的样条(绿色段)。在某些情况下，孔2、3和4，脉冲的第二部分(即穿过孔时被记录的部分)也显示出测量粒子形状的显著能力。这也表明，不同形状的孔可能比锥形孔具有更好的整体区分粒子形状的能力。
[0275]
我们已经证明，涉及非归一化信号的样条系数的模型c比涉及传统上从rps深度和脉冲宽度提取的数据的模型表现得更好。具体地，对于模型a(仅深度数据)，五个孔的训练数据和测试数据的每个组合的总平均得分为144
±
15，其中标准偏差为15，约74％的球形粒子被识别为球体，70％的棒体粒子被识别为棒体。模型b的平均得分为129
±
20。有趣的是，这比仅使用深度的模型平均表现更差，这表明脉冲宽度数据不是捕获形状数据的有效方式，并且额外的宽度数据实际上可能导致模型过度拟合，而不是提高预测性能。高标准偏差也表明了这一点，这表明仪器收集的宽度数据不是形状的可靠度量。
[0276]
表1.测试的每个模型和纳米孔的综合灵敏度和特异性值
[0277][0278][0279]
相比之下，模型c在最佳分类点处的平均得分为149
±
13。因此，我们看到，平均而言，包含脉冲形状产生比单独的深度更好的纳米材料形状的分类模型的分类模型，并且标准偏差也略低，这表明建立模型的方法更可靠。模型c还有一个强大的优势，它去除了材料分析中对粒子尺寸的任何预先了解的需求。
[0280]
值得注意的是，即使通过脉冲归一化去除尺寸信息时，形状信息仍被保留。特别是，模型e的平均得分为141
±
14，对应于大约75％的灵敏度(正确的球体分类)和66％的特异性(正确的棒体分类)。总的来说，在所有情况下，特异性在综合的最大值处低于灵敏度，
我们将其归因于棒体方向的变化产生了更大范围的可能脉冲形状，因此比球体更难用二分法模型来表征。
[0281]
虽然纯样品的粒子形状识别非常强大，但rps-lrm功能的最终演示是将不同比率的球体和棒体混合在一起，并要求模型预测混合物中棒体与球体的比率。尽管其性能稍差(平均133
±
13)，但这里使用模型d代替模型e，以说明在不了解关键样条向量的情况下，任何用户都可以在这里下载r代码并将其应用于rps实验。本实验选择不同尺寸的粒子有两个原因。首先，这允许我们能够使用尺寸来确定每个给定的脉冲是对应于一个棒体还是一个球体，从而使我们能够获得有关粒子形状的基本事实。回想一下，模型d仅使用来自深度归一化脉冲的形状数据，因此我们可以将该模型用于溶液中粒子形状检测的性能与由尺寸给出的基本事实进行比较。因此，我们使用尺寸预测的粒子比率和模型d分类比率应该是可比的。第二个原因是证明使用一种尺寸的球体的模型拟合可以被用于确定不同尺寸球体的形状，从而进一步证明形状可以独立于尺寸进行研究。
[0282]
分析了这些样品。模型d给出了线性响应，也就是说，随着棒体比率的增加，模型识别出增加，具有令人印象深刻的线性关系(r平方值为0.9264)。由于之前报道的特异性和灵敏度不完善，这里的梯度大于1。需要注意的是，溶液中两种粒子的存在不会影响模型预测粒子形状的能力。当测试组和训练组中所有粒子的运行条件相同时，该数据还可以被用于估计当前实验设置可能的最佳灵敏度和特异性。注意，对于测试的特定孔的特定数据，使用模型d，我们得到了灵敏度为72％和特异性为91％的模型。也就是说，91％的球形(大)粒子仅通过其形状数据被识别为球体，并且72％的棒状(小)粒子仅通过其形状数据被识别为棒体(图26b)。
[0283]
示例2：可调谐3d打印微流体电阻脉冲传感器
[0284]
材料和方法
[0285]
化学品和试剂：从izon science ltd.获得cpc2000、2微米羧化聚苯乙烯校准粒子，从izon science ltd.获得被标记为cp10m和cp20m的10微米和20微米羧化聚苯乙烯校准粒子。从sigma-aldrich获得类别号84135的30微米羧化聚苯乙烯粒子，从fisher scientific uk获得的氯化钾，》99％产品样本号：p/4240/60，rs组分获得acc硅酮qsil216，产品样本号：458-765，部件号：qsil 216，从roscoff culture collection获得藻类样品，aurantiochytrium mangrovei(球体)，产品样本号：rcc893和navicula ramosissima(棒体)，产品样本号：rcc5374从vwr获得异丙醇。
[0286]
数据分析：在izon控制套件的数据分析模块内进行数据分析，使用分子设备clampfit 10.7版进行脉冲形状提取，并使用自定义r代码进行脉冲形状分析。
[0287]
设备组装：为了组装该设备，盖子经由位于每个角的六个机器螺钉和设备中间的两个螺钉被固定到基座上。使用螺母将螺钉拧紧并固定到位。hplc配件被附接到每个螺纹中，以便容纳泵的入口、电极和出口。完全组装后，将设备放入定制的法拉第笼中，并将电解质溶液泵入设备中。
[0288]
设备打印：设备的盖子和基座都使用formlabs透明树脂在asiga pico hd27 uv上被打印。文件从cad软件siemens nx11被转换为stl，并使用asiga composer软件准备打印。打印完成后，使用uv灯箱对零件进行清洁和后固化。
[0289]
pdms垫圈：pdms垫圈通过以10:1的比例混合qsil 216的a和b部分形成的。将盖子
放置到培养皿中，使脊朝向底部。将未固化的pdms倒在盖子边缘周围，确保整个盖子被脊覆盖，并且没有留下较大的气穴。然后将pdms在70℃下固化一小时或直至凝固。
[0290]
sem/eds和光学成像：在sem成像之前，使用quorum q150t es金溅射镀膜机将样品在au/pd中镀膜溅射90秒。sem图像是在zeiss 1530vp fegsem上被捕获的。使用oxford instruments x-mas 80mm2检测器捕获eds数据，并使用oxford instruments aztec eds微量分析软件进行处理。使用nixon optiphot2光学显微镜捕获显微镜图像，并且使用带有ds-l1相机控制单元的ds 5m相机捕获图像。
[0291]
电极制造：通过将一段直径为0.25mm、纯度为99.99％的银线(从advent research材料产品样本号：ag5485获得)插入移液管尖端来制造电极。将一小部分导线穿过移液管的窄端，并使用快速环氧树脂将导线粘合到位；然后让电极干燥。
[0292]
样品运行：将样品装载到经由流量控制中心软件控制的dolomite mitos p-泵中。一旦所需压力被输入到软件中，泵就会将样品驱动到设备中。当检测到信号时，记录软件被激活，并在所需时间或直到检测到所需数量的粒子为止，记录每个样品。通过将盖子设置为所需的基线和压力来确定流速。然后将预先称重的eppendorf放置在出口处一分钟，然后移除并重新称重，以确定在该时间段内流过设备的液体的质量和体积。
[0293]
茶样品制备：通过在袋中切开并丢弃内容物来制备茶样品。然后用去离子水洗涤袋子并使其干燥。最后，将一玻璃小瓶去离子水加热至95℃，并将干茶袋放入小瓶中5分钟。5分钟后，将溶液倾注到另一个小瓶中并使其冷却。然后用电解质溶液将样品稀释至所需浓度。
[0294]
茶样品电子显微镜制备：通过使用0.02微米的阳极47mm过滤膜对倾析溶液进行真空过滤来制备样品。然后用15mω的去离子水洗涤膜五次,并在使用碳粘合片将其安装到铝sem短柱上之前使其干燥。脉冲形状分析：通过之前报道的自定义r代码分析脉冲。脉冲被提取、去渲染和对齐，然后使用b样条(使用cobs软件包)进行近似。用于形状/运行区分的逻辑模型是使用三个样条系数在训练数据上被建立的，三个样条系数显示了形状分类的最大预测能力(在使用glmnet软件包的套索惩罚回归下)。然后根据独立测试数据评估分类能力。
[0295]
结果
[0296]
图27a示出了基座单元、盖子、感测区和电极的图像。盖子可以有几种设计；第一种是模拟醋酸薄膜的平坦表面。第二种设计具有从表面向外延伸1mm的脊，并被对齐以延伸到微流体通道中。第三种具有可以改变通道和感应区域的形状的多个脊。该设备被设计成集成到流动系统中，因此具有打印的螺纹来连接泵。
[0297]
pdms层充当密封部件和防止任何泄漏的垫圈。它由螺钉固定到位，并且通道的形状或尺寸(内部体积)可以经由两种机制被控制。第一种是通过改变盖子的形状和结构。盖子可以被制成平坦表面，或者包含被设计为配合在基座单元主通道内的突起。第二种选择是使用pdms层，经由螺钉施加力后，pdms层被压缩到通道中。图28显示了该过程的示意图，对于平盖，pdms覆盖其整个下表面，并且随着螺钉张力的增加，它迫使柔性pdms垫圈进入通道，导致通道的内部体积减小。对于第二种盖子设计，脊在拧紧螺钉时会引起通道体积的最大变化，这与pdms层相反，pdms层不会在脊本身上延伸。
[0298]
当通道被充满导电液体并在两个电极之间施加电势差时，可以通过基线电流i实时监测通道的大小，因为i与传感体积成比例，所以电阻然后可以通过欧姆定律与电流相
关：r＝l/σhw，其中r是电阻，l是通道长度，σ是溶液的电导率，并且h和w分别是通道的高度和宽度。
[0299]
图29a示出了在恒定施加的泵压下平盖设备的流速与基线电流的关系。通过螺钉改变盖子上的压力来控制基线电流。较大的力将pdms层或脊进一步压缩到通道中，并导致较小的基线电流。图29a中的数据显示了基线电流和螺旋张力之间的关系，说明了使用可压缩pdms层来调节通道尺寸。如图28所示，通过在盖子上添加延伸到流体中的脊，感应区域的形状及其内部体积进一步减小。螺钉和pdms压缩层允许进一步调节通道体积。一个极端的版本允许脊完全密封通道，并且像3d打印的阀门一样工作。
[0300]
图29还示出了在对流存在和不存在的情况下，脊盖的施加电压和电流之间的关系。在流体流动的情况下，电流-电压和电流一致性之间的线性关系表明，没有优先电流流动/整流或电极之间的电阻问题。为了测试盖子材料可能对电流产生的任何影响，基座单元用醋酸薄膜被密封以模拟gen-1。图29d还显示了不同离子强度对流期间的示例基线电流轨迹和噪声。在通道用pdms垫圈和盖子被密封后，该设备被用作电阻脉冲传感器。20μm粒子添加到样品池中，并使用一系列流速推动其通过设备。
[0301]
图30a示出了示例电流与时间轨迹，以及脉冲频率和流速之间的关系，图30b。脉冲频率j与流速δp和浓度cs具有线性关系(图30b，c)，如公式j＝csδp所预测的，其中电泳和电渗的贡献在高流速下可忽略不计。流速不会改变信号的大小，但会改变易位时间。
[0302]
在观察到任何泄漏之前，相同的pdms垫圈可以被重复使用3次，每次将部件放置在一起，并且可以调整螺钉上的张力以匹配基线电流。这被解释为产生类似尺寸的通道。图30d示出了来自同一设备和被拆开并重新密封的pdms垫圈的示例数据组。该设备可以保持密封四天而信号质量没有任何恶化，但应注意的是，由于信号中存在一些漂移，每天都需要进行校准以量化分析物。图30e中还显示了设置的再现性示例，其显示了使用具有不同的pdms垫圈的相同基座和盖子单元的20μm粒子的堵塞分布，三种不同组件的平均脉冲形状如图30f所示。需要注意的是，这里脉冲的形状反映了感测区的内部形状。虽然我们假设信号应该是在平移事件期间具有平坦且一致的电流的矩形脉冲，但脉冲形状指示不同的关系。在前面的示例中也看到了类似的效果，并且未来的工作需要对信号的电流和行为进行建模。我们还注意到，每个pdms垫圈的厚度可以不同，但通过拧紧螺钉以匹配基线电流，每次都可以产生一致的感测区。脉冲形状也取决于流速，因为这会影响通道内的时间。
[0303]
通过改变感测区的体积可以使rps的灵敏度被改变。图31a中显示了这种情况的一个示例，其中在拧紧螺钉时，相同尺寸粒子的堵塞大小随着螺钉张力的增加而增加。凭借这种能力，打印的初始通道尺寸为100μm的相同设备可以测量2到30μm的粒子(图31b-e)。这种简单的配置可以在一组可重复使用的部件上实现增强的动态范围。
[0304]
该设备旨在筛选环境和食品样品中的污染。对全球环境的一个新威胁是微塑料，因此第一次测试是受最近的一份出版物启发。埃尔南德斯及其同事发现，某些茶袋在使用过程中会脱落数十亿个塑料微粒。按照他们公布的协议(environ.sci.technol.，2019，53，12300-12310)，我们将袋放入热水中5分钟，并将溶液通过我们的传感器。在几秒钟内，可以观察到粒子移位设备，图32a。使用已知尺寸和浓度的粒子，我们计算出平均尺寸在6.52x103粒子/ml处为21.9μm。我们承认，与之前的研究不同，我们无法计算整个粒子尺寸范围，并且纳米塑料的数量不包括在该值中。对几家生产商的茶袋进行了测试，并且从一个
茶袋中脱落的粒子总数高达6.52x104。粒子的存在在几家茶叶生产商中是一致的，并且经由sem分析证实了这些粒子是碳基的。改变液体的离子强度产生了有趣的效果，图32b。在较低的离子强度下，脉冲方向反转和导电脉冲被显著记录。脉冲的反转可能由两个因素引起，第一个因素是聚合物可能含有更高浓度的离子，使它们相对于周围液体“导电”；水凝胶也有类似的效果。可替选地，在sem中看到的高表面积，联合较低的离子强度和较大的双层，可能会在每个粒子周围形成密集的离子云，在每次易位过程中增加液体的电导率。当将购买的具有光滑表面的相同聚合物放置到设备中时，即使在低离子强度下，也仅记录电阻脉冲。牙膏中发现的多孔二氧化硅粒子也会在较低的离子强度下主要产生导电脉冲。虽然导电脉冲给出了物理性质变化的指示，但缺少合适的校准物，使得使用导电脉冲确定粒子尺寸变得更加困难。对于全自动筛选设备，确认粒子的化学性质可能需要在通道中嵌入额外的传感器，并且这是未来工作的范围。然而，脉冲方向可能给出人造粒子的早期指示。
[0305]
在海洋中，在生物粒子存在的情况下计算塑料是一项挑战。然而，图32中的结果表明，表面相当光滑的细菌和藻类粒子也应该产生电阻脉冲。这一点在图32c和图32d所示的数据中得到了证实。这里呈现了在不同离子强度下收集的藻类粒子的一系列数据。图32表明藻类总是在所有离子强度下产生电阻脉冲。这一有趣的观察可以使科学家能够快速筛选样品中塑料的存在。
[0306]
众所周知，硅藻和藻类根据菌株的不同具有各种形状。因此，粒子形状的描述可能有助于识别。在这里，我们通过设备放置了一种棒形藻类(多枝状舟形藻)和一些球形藻类(红树金鱼藻)。我们之前已经展示了如何从粒子生成的脉冲形状推断粒子的形状。图33显示了两种藻类菌株的平均深度归一化脉冲形状及其相应的校准珠运行。为了量化藻类和校准物产生的脉冲之间的差异，通过样条来近似脉冲，并使用上述建模方法比较样条系数。对于这些模型，使用了刚好在脉冲最小值之前的样条和每个脉冲中第二个峰值附近的样条，因为它们显示了藻类和校准物之间的最大差异。对于每种类型的藻类，模型和设备都根据在同一组件下运行的球体进行校准。当校准物和藻类进行比较时，该模型能够正确识别87％的藻类球体和86％的藻类棒体。这意味着大多数藻类可以根据球体校准物来识别。为了比较，当在同一组件下两次运行校准球体时，模型仅正确识别了66％球体的运行，这接近两次运行的脉冲相同时预期的随机50％正确分类。数据组的一个令人惊讶的结果是识别球形藻类的能力。虽然它们的一般形状应该类似于校准物，但藻类具有柔性表面，其在流体系统中可能会变形。已经针对细胞和外来体探索了生物粒子的变形，并且这里相同的特征可能有助于区分生物粒子和人造粒子。这确定了该设备可以被用于形状分析，并且这可能会通过优化的运行方法和模型来改善。分析得出的第二个意外的且有利的结果是，只要每次都进行校准，该设备能够跨多种用途(例如，天数和组件)进行形状分析；这与当前的商业系统形成了对比，该模型最初是为该商业系统开发的，该商业系统在短得多的使用时间后，就永久地失去了检测形状的能力。用于计算藻类的流速也会影响脉冲形状信息的质量；如图33b所示，来自两个菌株的脉冲形状在较高流速下会聚。
[0307]
本发明可由以下条款定义：
[0308]
1.第一粒子传感器，包括：
[0309]
包括微流体通道的基座，其中，所述微流体通道包括沿着所述微流体通道定位的第一电极和第二电极，其中，所述第一粒子传感器被配置为使得当包括至少一种粒子的流
体样品沿着所述微流体通道通过并流经所述第一电极和第二电极时，在所述第一电极和第二电极之间施加电势差的情况下，所述至少一种粒子中的每一个被记录为电阻脉冲。
[0310]
2.第二粒子传感器，包括：
[0311]
容纳膜和电极的支架，其中，所述膜包括至少一个孔，其中，所述第二粒子传感器被配置为使得当包括至少一种粒子的流体样品通过所述膜的至少一个孔时，所述电极检测所述流体样品中的至少一种粒子并记录电阻脉冲。
[0312]
3.一种用于表征流体样品中一种或多种粒子的设备，包括：
[0313]
(iii)根据条款1的第一粒子传感器；和/或
[0314]
(iv)根据条款2的至少一个第二粒子传感器，
[0315]
其中，所述设备还包括由条款1中的所述第一粒子传感器连接的流体入口和流体出口，其中在使用中，在所述第一电极和第二电极之间施加电势差的情况下，所述流体样品通过所述入口流入，沿着所述第一粒子传感器的所述微流体通道，流经所述第一电极和第二电极，并通过所述流体出口离开，并且其中，所述至少一种粒子中的每一个被记录为电阻脉冲。
[0316]
4.根据条款3所述的设备，其中，所述设备包括至少一个根据条款2所述的第二粒子传感器，其位于微流体通道内。
[0317]
5.根据条款3或条款4所述的设备，其中，所述设备的每个所述部件都是3d打印的。
[0318]
6.根据条款3至5中任一项所述的设备，其中，所述设备还包括盖子，所述盖子被配置为密封所述设备的所述微流体通道并在所述微流体通道内产生收缩，以便调节所述第一粒子传感器的灵敏度。
[0319]
7.根据条款6所述的设备，其中，所述盖子包括主脊，所述主脊装配到所述微流体通道中并被配置为密封所述微流体通道。
[0320]
8.根据条款7所述的设备，其中，所述主脊还包括从所述主脊延伸的次脊，其中，所述次脊包括导管，当所述盖子密封所述微流体通道时，所述导管允许所述流体样品流过所述次脊。
[0321]
9.根据条款3至8中任一项所述的设备，其中，所述基座还包括凹槽，所述凹槽包括o形环，所述o形环围绕所述微流体通道，并被配置为防止从所述微流体通道泄漏。
[0322]
10.根据条款3至9中任一项所述的设备，其中，所述设备包括在所述盖子和所述基座之间的聚合物层，其中，所述聚合物层被配置为密封所述设备，优选地，其中，所述聚合物层为聚二甲基硅氧烷(pdms)。其中所述pdms的厚度也调节所述通道。
[0323]
11.根据条款3至10中任一项所述的设备，其中，所述微流体通道被充满电解质溶液。
[0324]
12.根据条款3至11中任一项所述的设备，其中，所述第二粒子传感器在所述膜和所述电极之间被充满电解质溶液。
[0325]
13.根据条款3至12中任一项所述的设备，其中，所述第二粒子传感器膜(9)选自氮化硅、聚氨酯和聚酯组成的组。
[0326]
14.根据前述条款任一项所述的设备，其中，所述第一粒子传感器被配置为检测尺寸为5μm至100μm的粒子。
[0327]
15.根据条款2至13中任一项所述的设备，其中，所述第二粒子传感器被配置为检
测尺寸为1μm至100μm的粒子。
[0328]
16.根据条款3至15中任一项所述的设备，其中，所述设备被配置在芯片上。
[0329]
17.一种表征流体样品中一种或多种粒子的方法，包括根据条款3至16中任一项所述的设备，其中，所述方法包括将包括使至少一种粒子的流体样品通过所述流体入口，沿着所述微流体通道，流经所述第一电极和第二电极，并从所述流体出口离开；并且其中，在所述第一电极和第二电极之间施加电势差的情况下，存在于所述流体样品中的所述至少一种粒子中的每一个被记录为电阻脉冲。
[0330]
18.根据条款17所述的方法，其中，所述第一粒子传感器可以检测尺寸为5μm至100μm的粒子。
[0331]
19.根据条款17或条款18所述的方法，其中，所述第二粒子传感器可以检测尺寸为1nm至100μm的粒子。
[0332]
20.根据条款17至19中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括使用预测性逻辑回归模型来表征所述电阻脉冲的步骤。
[0333]
21.根据条款17至19中任一项所述的方法，其中，所述方法用于表征以下一项或多项：
[0334]
(i)体液中的细胞
[0335]
(ii)有机化合物、蛋白质、细胞、细菌、病毒、dna、外来体、胶体和纳米药物。
[0336]
22.根据条款17至21中任一项所述的方法，其中，所述方法被用于在线传感一种或多种流体样品以进行高通量处理。
[0337]
23.一种记录在计算机可读存储介质上的计算机程序，其被配置为当由计算机处理器执行时，至少执行：
[0338]
接收代表对应于粒子的电阻脉冲的数据作为输入，所述电阻脉冲由根据条款1至3中任一项的粒子传感器获得；
[0339]
将所述接收到的数据与代表已知形状和尺寸的粒子的预存储的表征形状和尺寸数据进行比较；
[0340]
基于所述比较，确定所述至少一种粒子的所述形状和尺寸中的一个或多个；以及
[0341]
输出所述确定的所述粒子的所述形状和大小中的一个或多个。