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对粒子和电磁 辐射的探测、测量及控制

阅读：563发布：2020-12-27

专利汇可以提供对粒子和电磁辐射的探测、测量及控制专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供了一种探测、测量或控制粒子和/或电磁辐射的方法，包括：提供含有可变形孔隙的可变形材料，所述可变形孔隙为粒子或辐射限定路径；使所述可变形材料发生形变，以便将所述可变形孔隙调节到设定的几何形状和/或尺寸，从而改变由所述可变形孔隙限定的所述路径的至少一个参数；以及使待探测、待测量或待控制的粒子或辐射进入所述可变形孔隙。该方法还包括监测可变形孔隙的几何形状和/或尺寸，并响应监测结果来控制可变形孔隙大小的调节。所需的设备可以利用成本低的材料简单地制作。进一步，可变形孔隙在制作之后，可调节为合适的几何形状，并且调节孔隙几何形状的功能使得可识别大多数尺寸不同的粒子。，下面是对粒子和电磁辐射的探测、测量及控制专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种对粒子敏感的设备，包括：含有可变形孔隙的弹性可变形材料，所述可变形孔隙为粒子提供路径；调节装置，用于使所述弹性可变形材料发生形变以改变由所述可变形孔隙提供的所述路径的至少一个参数；和包括电极的监测装置，用于对由所述可变形孔隙提供的路径的至少一个参数进行监测，以及向所述调节装置提供表示所监测参数的反馈，其中所述弹性可变形材料被提供为块，所述块被打孔以提供所述可变形孔隙。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述调节装置适于改变所述可变形孔隙的几何形状和/或尺寸，以增加和/或减小所述可变形孔隙的直径和/或路径长度。
2
3.如权利要求1或2所述的设备，其中所述可变形孔隙的最小横截面积小于3mm。
4.如权利要求1所述的设备，该设备是用于对粒子进行计数的粒子计数器。
5.如权利要求1所述的设备，该设备是用于对粒子结构进行特性描述的粒子特性描述器。
6.如权利要求1所述的设备，该设备是粒子夹钳，用于通过针对粒子关闭所述可变形孔隙来抓住粒子。
7.如权利要求1所述的设备，该设备是用于控制经由粒子路径的粒子通量的粒子门。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述调节装置被布置为使所述块在平行于所述块的平面的一个或多个方向上产生形变。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述弹性可变形材料被提供为具有两个主表面的块，并且其中所述粒子的路径从所述表面中的一个表面延伸穿过所述块到所述表面中的另一个表面。
10.一种探测、测量或控制粒子的方法，该方法包括：
提供含有可变形孔隙的弹性可变形材料，所述可变形孔隙为粒子限定路径，其中所述弹性可变形材料被提供为块，所述块被打孔以提供所述可变形孔隙；
对由所述可变形孔隙提供的路径的至少一个参数进行监测，并且提供表示所监测参数的反馈；
使所述弹性可变形材料发生形变，以便根据所述反馈将所述可变形孔隙调节到设定的几何形状和/或尺寸，从而改变由所述可变形孔隙限定的所述路径的至少一个参数；以及使待探测、待测量或待控制的粒子进入所述可变形孔隙。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：监测所述可变形孔隙的几何形状和/或尺寸，并响应监测结果以控制对所述可变形孔隙的几何形状和/或尺寸的调节。
12.如权利要求10或11所述的方法，其中所述使粒子进入可变形孔隙的步骤采用布朗运动、扩散、气压、水压、渗透压、电渗、电泳、电场或磁场中的感应、利用重力、利用强核力、利用弱核力或利用放射性衰变。
13.如权利要求10所述的方法，为了对粒子进行计数，其中探测每个进入所述可变形孔隙的粒子，并维持对被探测粒子数目的增量计数。
14.如权利要求10所述的方法，为了对粒子进行特性描述，其中粒子经由所述可变形孔隙所需的时间，和/或粒子检测中的变化，和/或所述弹性可变形材料和/或所述可变形孔隙的被测量参数的变化提供了关于粒子结构的信息。
15.如权利要求10所述的方法，为了夹住粒子，其中通过响应所述可变形孔隙几何形状和/或尺寸的变化，从而针对该粒子关闭可变形孔隙以夹住粒子。
16.如权利要求10所述的方法，为了对粒子进行门控，其中通过调节所述可变形孔隙的几何形状来改变所述粒子的通量。
17.如权利要求10所述的方法，其中根据预定的算法施加一控制信号，所述控制信号代表设置到预定设定点的所述可变形孔隙的被监测参数，以便将所述被监测参数维持为所述预定的设定点，从而控制所述可变形孔隙的调节。
18.如权利要求10所述的方法，其中通过根据一预定算法设置所述可变形孔隙的至少一个参数，来控制对所述可变形孔隙的调节。
19.如权利要求10所述的方法，其中根据经由所述可变形孔隙的粒子通量、经由所述可变形孔隙的溶液中的离子粒子通量、经由所述可变形孔隙的电流通量、经由所述可变形孔隙的隧道电流通量或经由所述可变形孔隙的电磁辐射通量，来控制对所述可变形孔隙的调节。
20.如权利要求10所述的方法，其中所述粒子在连续延伸穿过所述可变形孔隙的离子溶液中，从而使得所述粒子干扰穿过所述可变形孔隙的离子电流的流动，然后通过监测所述离子电流来检测、监测或控制粒子的通过。
21.如权利要求10所述的方法，其中通过施加到所述可变形孔隙两侧电位差，控制所述粒子穿过所述可变形孔隙的的方向和速率。
22.如权利要求10所述的方法，该方法包括：
将可变形孔隙调节到期望的几何形状和/或尺寸；
建立穿过所述可变形孔隙的具有期望大小和极性的离子电流；以及
依靠所监测离子电流的变化，探测经由所述可变形孔隙的粒子的存在。
23.如权利要求10所述的方法，该方法包括：
将所述可变形孔隙调节到期望的初始几何形状和/或尺寸；
建立穿过所述可变形孔隙的设定点离子电流；
当所述可变形孔隙部分或全部被粒子阻塞时，响应所监测的离子电流，调节所述可变形孔隙；和
通过监测所述可变形孔隙几何形状和/或尺寸的变化，探测经由所述可变形孔隙的粒子的存在。
24.如权利要求10所述的方法，该方法用于对粒子进行特性描述，包括：
将所述可变形孔隙调节到期望的几何形状和/或尺寸；
建立穿过所述可变形孔隙的具有期望大小和极性的离子电流；和
依靠所监测离子电流的变化，对经由所述可变形孔隙的粒子进行特性描述。
25.如权利要求10所述的方法，该方法用于对粒子进行特性描述，包括：
将所述可变形孔隙调节到期望的初始几何形状和/或尺寸；
建立穿过所述可变形孔隙的具有期望大小和极性的设定点离子电流；
当所述可变形孔隙部分或全部被粒子阻塞时，调节所述可变形孔隙的几何形状和/或尺寸，以使所监测的离子电流维持为所期望的设定点电流；和
通过监测所述可变形孔隙几何形状和/或尺寸的变化，对经由所述可变形孔隙的粒子进行特性描述。
26.如权利要求10所述的方法，该方法用于夹住粒子，包括：
将可变形孔隙调节到期望的初始几何形状和/或尺寸；
建立穿过所述可变形孔隙的具有期望大小和极性的离子电流；
依靠离子电流的变化，探测经由所述可变形孔隙的粒子的存在；和
调节所述可变形孔隙的几何形状和/或尺寸，和/或调节穿过所述可变形孔隙的离子电流的大小和/或极性，以针对所述粒子关闭所述可变形孔隙，从而夹住粒子。
27.如权利要求10所述的方法，该方法用于夹住粒子，包括：
将所述可变形孔隙调节到期望的初始几何形状和/或尺寸；
建立穿过所述可变形孔隙的具有期望大小和极性的离子电流；
依靠离子电流的变化，探测经由所述可变形孔隙的粒子的存在；
当所述可变形孔隙部分或全部被粒子阻塞时，调节所述可变形孔隙的几何形状和/或尺寸，以使所监测离子电流维持为期望的设定点电流；和
调节所述可变形孔隙的几何形状和/或尺寸，和/或调节穿过所述可变形孔隙的离子电流的大小和/或极性，以针对所述粒子关闭所述可变形孔隙，从而夹住粒子。
28.如权利要求10所述的方法，该方法用于改变粒子的通量，包括：
将所述可变形孔隙调节到期望的初始几何形状和/或尺寸；
建立穿过所述可变形孔隙的具有期望大小和极性的离子电流；
依靠离子电流的变化，探测经由所述可变形孔隙的粒子的存在；以及
调节所述可变形孔隙的几何形状和/或尺寸，和/或调节穿过所述可变形孔隙的离子电流的大小和/或极性，以控制穿过所述可变形孔隙的粒子的通量。
29.如权利要求10所述的方法，该方法用于改变粒子的通量，包括：
将所述可变形孔隙调节到期望的初始几何形状和/或尺寸；
建立穿过所述可变形孔隙的具有期望大小和极性的离子电流；
依靠离子电流的变化，探测经由所述可变形孔隙的粒子的存在；
当所述可变形孔隙部分或全部被粒子阻塞时，调节所述可变形孔隙的几何形状和/或尺寸，将所监测的离子电流维持为期望的设定点电流；以及
调节所述可变形孔隙的几何形状和/或尺寸，和/或调节穿过所述可变形孔隙的离子电流的大小和/或极性，以控制穿过所述可变形孔隙的粒子的通量。

说明书全文

对粒子和电磁辐射的探测、测量及控制

技术领域

[0001] 本发明一般涉及对粒子敏感和对辐射敏感的设备，该设备具有包含可变形孔隙的可变形材料，本发明还涉及探测、测量或控制粒子和/或电磁辐射的方法，以及这种可变形孔隙的制作方法。

背景技术

[0002] 探测和测量粒子的简单方法是利用人类的视觉。但是，人眼的分辨率有限，直径小于大约0.05毫米的粒子对人眼来说是不可见的。具有光学透镜的光学仪器可达到大约200纳米的横向分辨率。光的物理性质将其分辨率限制为大约所使用光的波长的一半。利用聚焦电子束的显微仪器可用于分辨更小的粒子，因此扩展了成像范围，并进一步允许对分子尺度的粒子，甚至是原子的探测或测量。

[0003] 在微生物、血细胞、其它组织的细胞或有机或无机起源(origin)的微观粒子的级别，可以使用光学仪器，但是，利用显微镜方法对此类粒子进行计数存在局限性和缺点，因此需要采用其它的方法。例如，确定微生物数量的优选方法是利用被检测样品(the sample in question)的一系列稀释液，将每一份稀释液涂在固体微生物培养基上，培育该培养基，然后统计由适当地稀释后的样品所形成的群落数目。

[0004] 培养样品的过程将单个微生物从不可见的细胞放大为肉眼可探测到的群落，但是这样的过程存在缺点和局限性。例如，用于培养微生物样品的大量容器和原料必须是无菌的，因此，为重复使用必须经过高压灭菌处理，或丢掉和替换。其它的缺点包括：需要时间延迟将微生物培养到可检测的足够数量，培养微生物需要的空间和能量，以及这样的事实，即对于由疾病导致的致病微生物来说，培养样本需要特别建设的防范设施。

[0005] 对生命的生物化学成分所进行的探测和分析在分子生物学、生物化学、生物技术、遗传学、医学及纳米尺度技术领域也有应用。电子显微方法可用于对分子粒子进行探测和分析，然而，分子粒子的电子显微方法正遭受这样的事实：电子显微方法需要高真空条件，迫切需要样品脱水和专门的样品制备方法；生物粒子在电子束中没有足够的对比度，因此需要金属涂覆，而这使得粒子的细微细节不够清晰；高能量的聚焦电子束会使原子移位且损伤表面。

[0006] 探测和分析分子粒子的方法依赖于分离的方法，最典型的是离心法、电泳法或层析法(参见Alberts等(1994)的“Molecular Biology of the Cell”，Garland publishing，Inc.，NY.)。探测方法通常也必须应用于分子种群，并且需要使用精密的高分辨率的光学仪器。

[0007] 很多科技工艺得益于分子粒子的探测和分析。例如，通常通过产生在长度上相差一个核苷酸的相关分子片段的集群，来在短(100-800)核苷酸片段上实现核酸高分子的核苷酸序列的确定。典型地，这些分子片段系列被利用电泳法或层析法进行分离，并被探测和分析，从而揭示了核酸高分子序列结构。另一个例子是，利用限制性内切酶(restriction endonuclease enzymes)对核酸高分子进行特定序列的切割以产生片断高分子种群，然后这些片断高分子种群被利用电泳或层析法分离为离散带，并被探测和分析，从而揭示了核酸片段的尺寸，以及限制性内切酶切割点的相对位置。类似地，核酸的特定切割片段可以通过一种称作连接反应的工艺，利用连接酶连接在一起，使用电泳或层析法对被连接片断所进行的探测和分析从而验证该工艺。

[0008] 另一个例子是分离和探测利用酶放大手段，例如US 4683202所公开的聚合酶链反应(PCR，polymerase chain reaction)，产生的核酸分子种群，该手段允许将特定的核酸序列放大，从而从开始原料的微小踪迹中探测到特定的核酸序列。

[0009] 然而，利用电泳和层析法分析分子粒子集群还是有缺点和局限性，因为，为了能够被低分辨率的探测方法分辨，必须有相当大数量的分子原料，用于分离方法的筛选原料太昂贵，且分离工艺耗时。因此，需要分子级粒子的快速探测和分析。

[0010] 单个粒子的探测和分析已经利用扫描探针显微镜(SPM，scanningprobemicroscope)获得。扫描探针显微镜包括在US 4343993中公开的扫描隧道显微镜(STM，Scanning tunneling microscope)(参见Binning等“Surface studiesby scanning tunneling microscopy”Phys.Rev.Lett，40，57-61，1982)和US4724318中公开的原子力显微镜(AFM，atomic force microscope)。这些专利的所有内容通过引用合并于此。SPM除了探测粒子外，还能够操纵和控制粒子。SPM使用近场探针，该近场探针被最接近分析样品的探针操作。探针与样品分开的距离设置为使探针的电子云与样品的电子云相互交叠的距离，并通过测量探针与样品的相互作用参数而测量得到。样品上方探针的光栅扫描可画出所述相互作用参数的空间扫描图，以揭示样品表面的图像。图像的分辨率依赖于探针的几何形状，原子级探针可用于揭示原子级细节。

[0011] 在STM中，电子线路检测削尖的金属探针顶点和导电表面之间的量子力学隧道效应。探针通常由坚硬的金属线，例如钨，制作而成，其几何形状为从金属线的直径(通常为1.0-0.1毫米)显著地变细到具有10纳米量级曲率半径的顶点。STM不可避免地局限于对导电样品或者涂覆有导电材料的样品进行成像，所以使得样品的分子级细节变得模糊。 [0012] US 4724318中的AFM是另一种类型的SPM，其克服了只分析导电样品的局限。通过附着在悬臂上的光栅扫描显微探针的机械偏差，来测量探针和样品间的原子级微扰。AFM的图像对比机制依靠显微探针与样品之间的直接物理接触，因此，不需要导电的样品或探针。
现代的AFM通过测量从悬臂表面反射的激光束的偏差来探测悬臂的偏差，而US 4724318中的AFM使用了附在压电元件形式的z型驱动装置(z-drive)上的隧道尖。

[0013] STM已经得到单个核酸高分子(参见Guckenberger等“Scanningtunneling microscopy of insulators and biological specimens based on lateralconductivity of ultrathin water films”Science，266，1538-1540，1991)、核酸亚分子成分、嘌呤(参见Heckl等“Two-dimensional ordering of the purinebase guanine observed by scanning tunneling microscopy”PNAS，88，8003-8005，1991)以及嘧啶基(参见Sowerby等，“Scanning tunnelingmicroscopy of uracil monolayers self-assembled at the solid/liquid interface”J.Electroanal.Chem，433，85-90，1997)的图像。用于对单个分子核酸进行定序的STM成像方法已经被公开(参见Heckl等，“DNA base sequencing”Nonlinear Optics，1，53-59，1992)，US 5106729、US 5270214 以及 US5620854，它们的全部内容通过引用合并于此。然而，SPM的分子特性描述依赖于SPM的分子分辨率探测方法(molecular resolution detection means)，且具有如下缺点：SPM探针寿命短，以及优选的用于吸附核酸的石墨衬底中类似DNA结构的矫作物(artefact)较多(参见Clemmer等，“Graphite：a mimic for DNAand other biomolecules in scanning tunnelling microscopy studies”Science，251，640-642，1991)。

[0014] 可用作粒子分析的另一种仪器是库尔特计数器(Coulter counter)，正如在US2656508中公开的，库尔特计数器包括两个隔离的导电离子流体贮存器，这两个贮存器被包含一个孔隙的电子绝缘屏障彼此分隔开，该孔隙是粒子在两个贮存器之间通过的通道。放置在每个贮存器中的电极，通过在电极间施加电势差，产生通过孔隙的离子电流。 [0015] 孔隙的有效横截面面积限制了经过该孔隙的离子的通量，孔隙的长度通常在孔隙直径的70％-100％之间。利用这种配置，通过采用通常所说的电阻脉冲检测(resistive pulse sensing)原理就可实现粒子的检测(参见Bayley等，“Resistive Pulse Sensing—From Microbes to Molecules”Chem.Rev.，100，2575-2594，2000)。根据这个原理，悬浮在穿过孔隙的离子流体中的粒子转变，会在粒子取代孔隙中的离子时，在孔隙的电导率中引起电阻脉冲信号，所以在粒子占据孔隙的时间段内，测量到的电流密度会减小。研究显示阻抗脉冲信号的幅度与孔隙中粒子占据的体积成比例。当粒子大小所产生的阻抗脉冲信号不能从经过孔隙的离子电流产生的背景噪音中区分出来时，就达到在这些设备中可探测的最小尺寸限制。库尔特型设备局限于探测大小为孔隙直径的2％～60％的粒子，因此，该孔隙不可避免地是为特定的粒子大小制作的。库尔特型设备已经在利用尺寸范围为20微米到
2毫米的孔隙分析～0.4微米到～1.0毫米的粒子中得到商用。

[0016] US 4853618公开了一种库尔特型粒子分析仪器，其中，通过精确地控制插入物自动插入孔隙中来使孔隙有所改变，以减小孔隙的有效横截面积。

[0017] 分子级粒子的库尔特型分析已经通过使用生物学的分子级孔隙而实现。US5795782和US 6015714公开了一种利用α-溶血素孔隙进行快速核酸序列确定和分子特性描述的方法。尽管实现室结果表明很有前景，但是，基于蛋白质孔道(protein pores)的孔隙具有很大的缺点和局限，因为，这类孔隙的形成依靠随机的自组织过程，所以是不可预知且难于制作的，同时，构成这些孔隙的蛋白质和这些孔隙所插入的生物膜都具有很短的功能性寿命。

[0018] 直径为1.5纳米的固态纳米级孔隙已经在氮化硅膜上由聚焦离子束光刻技术(lithography)得到，并且具有明显的DNA检测应用(参见Li等，“Ion-beam Sculpting at Nanometre Length Scales”Nature，412 166-169，2001)。

[0019] 在US 6413792中，固态纳米级孔隙被公开，且声明用于超快核酸排序方法中。US6706203及US 2003/0080042公开一种可调节的纳米孔道、纳米卷和纳米钳，其中，纳米钳包括两块滑动的固态结晶孔隙或陶瓷窗口孔隙，其交叠以产生单个较小的孔隙。然而，这种固态孔隙很难构造，且局限于小的窗口尺寸。

[0020] 发明内容

[0021] 根据本发明的一方面，提供了一种对粒子敏感或对辐射敏感的设备，包括：含有可变形孔隙的弹性可变形材料，所述可变形孔隙为粒子或辐射提供路径；调节装置，用于使所述弹性可变形材料发生形变以改变由所述可变形孔隙提供的所述路径的至少一个参数；和监测装置，用于对由所述可变形孔隙提供的路径的至少一个参数进行监测，以及向所述调节装置提供表示所监测参数的反馈。

[0022] 根据本发明的另一方面，提供了一种探测、测量或控制粒子和/或电磁辐射的方法，该方法包括：提供含有可变形孔隙的弹性可变形材料，所述可变形孔隙为粒子或辐射限定路径；对由所述可变形孔隙提供的路径的至少一个参数进行监测，并且提供表示所监测参数的反馈；使所述弹性可变形材料发生形变，以便根据所述反馈调节所述可变形孔隙，从而改变由所述可变形孔隙限定的所述路径的至少一个参数；以及使待探测、待测量或待控制的粒子或辐射进入所述可变形孔隙。

[0023] 在根据本发明的用于探测和/或测量和/或控制物质通量的设备及方法的操作中，对可变形孔隙调节的控制可以以从下列一组参数中选择的参数为基础来实现，该一组参数包括但不限于：经由可变形孔隙的粒子的通量，经由可变形孔隙的原子粒子的通量；经由可变形孔隙的分子粒子的通量；经由可变形孔隙的离子粒子的通量；经由可变形孔隙的溶液中的离子粒子的通量；经由可变形孔隙的电流的通量；经由可变形孔隙的隧道电流的通量；以及经由可变形孔隙的电磁辐射的通量。制作可变形孔隙所使用的弹性可变形材料的可测量参数包括但不限于：电容、电阻、电导率、不透明度、透明度、长度、宽度、高度、体积、热导率及介电性质。与调节可变形孔隙的致动机构相关的可测量参数包括但不限于：电容、电导率、致动器的位移、致动器位置、步进马达位置、感应系数、马达线圈感应系数、电阻和马达线圈电阻。

[0024] 附图说明

[0025] 为了更加完整地理解本发明，现通过例子参照附图进行说明，其中： [0026] 图1a至图1c为本发明实施例中使用的可变形孔隙的二维横截面的示意图； [0027] 图2a至图2f为本发明实施例中使用的可变形孔隙的三维示意图；

[0028] 图3a至图3b为本发明实施例中将要进行机械变形的可变形孔隙的截面和平面示意图；

[0029] 图4a和图4b为本发明实施例中在两个不同开口位置处的可变形孔隙的截面示意图；

[0030] 图5示意性地图示本发明的优选实施例，其包括一个监测可变形孔隙尺寸的排列；

[0031] 图6为描述图5所示实施例的一种可能的操作模式的流程图；

[0032] 图7为描述图5所示实施例的另一种可能的操作模式的流程图；

[0033] 图8a至8c为应用图5所示实施例的工作步骤的简化示意图；

[0034] 图9为描述图5所示实施例的再一种可能操作模式的流程图；

[0035] 图10为描述图5所示实施例的又一种可能操作模式的流程图；

[0036] 图11为描述图5所示实施例在用于确定DNA核苷酸序列时的另一种可能操作模式的流程图；

[0037] 图12示意性地示出制作图5所示本发明优选实施例中的可变形孔隙的可行方法；

[0038] 图13为描述图12所示可行方法的操作模式的流程图。

[0039] 具体实施方式

[0040] 以下通过举例的方式，参照本发明的实施例，利用聚亚安酯作为弹性可变形材料，进行叙述。然而，在本发明其它实施例中也可以使用其他材料作为弹性可变形材料，包括但不限于：天然的或合成的橡胶；弹性材料；天然聚合体；蛋白质；多肽；多糖；塑料；掺杂的传导塑料；碳氢化合物塑料；碳氟化合塑料；乳胶材料；热塑性的可变形材料；热塑性聚亚安酯(天空醚和酯)可变形材料；包括聚丙烯、聚乙烯、循环石蜡的石蜡基可变形材料；苯乙烯基可变形材料；聚酰胺基可变形材料；聚酯基可变形材料；硝基可变形材料；乙烯氯化物共聚物交叉结合合金(ethylene chloride copolymercross-linked alloys)；硅树脂可变形材料；硅酸盐、硅、掺杂硅、或其它半导体材料；金属或金属合金。可变形孔隙还可以是由通过组合一种或更多种上述材料而得到的合成可变形材料限定。

[0041] 进一步地，可以对可变形孔隙进行更改，包括但不限于：化学更改，或将物质用化学手段或物理手段粘接到可变孔隙的表面，使其疏水、超疏水、亲水，或具有特定的物理化学性质，或光学的、磁的或其它物理性质。相关的物体包括但不限于：化学制品、硅烷、硅树脂。表面更改也可以采取通过表面构图对孔隙的可变形材料进行物理修改的形式，使其疏水、超疏水、亲水，或具有特定的物理化学性质。如果需要的话，可以通过调节可变形材料所悬浮的流体的pH值来改变包括可变性孔隙的可变形材料的表面电荷。

[0042] 本发明较佳实施例包括至少一种可变形孔隙，以及探测和测量以及控制通过可变形孔隙的粒子的手段。为此，本发明的设备包括：包含至少一个可变形孔隙的可变形材料，通过该可变形孔隙有一连续路径从可变形材料的一个位置沿可变形材料延伸到可变形材料的另一位置；调节机构，用于增加和/或减小可变形材料的形变以改变可变形孔隙的几何形状，从而可增加和/或减小可变形孔隙的直径和/或路径长度，和/或改变可变形孔隙的形状；以及反馈机构，用于监测和控制可变形孔隙的尺寸和/或几何形状。 [0043] 可变形孔隙为任一通常的三维几何形状。图1a为一块具有较佳可变形孔隙横截面102的可变形材料101的二维横截面示意图，该可变形孔隙横截面102具有基本规则的圆形几何形状。图1b示意性地示出一块具有较佳可变形孔隙横截面103的可变形材料101的二维横截面，该可变形孔隙横截面103具有基本规则的非圆形(例如方形)几何形状。图1c示意性地示出一块具有较佳可变形孔隙横截面104的可变形材料101的二维横截面，该可变形孔隙横截面104为显著不规则的非圆形。图1a、图1b和图1c举例说明了不同孔隙或同一孔隙的不同位置的横截面。

[0044] 图2a示意性地示出在可变形材料202中制作的可变形孔隙201的优选例子200。用于制作可变形孔隙201的可变形材料块202可以是任何通常的形状。在图2a中示意性地给出了只容纳一个可变形孔隙201的立方体可变形材料202。然而，该图不能以任何方式作为对可变形材料块的可能形状或对在一块可变形材料中可能提供的可变形孔隙的数目的限制，应该理解，可变形材料块具有不同形状的范围(甚至可能不是块的形式)以及可以在该块中提供任意数目的孔隙。在该可变形材料块202中制作至少一个可变形孔隙201，该孔隙从可变形材料的一个面203通过可变形材料延伸到可变形材料的相对面204。在例子200中，可变形孔隙沿可变形孔隙201的轴向是基本均匀的。可变形材料202可以通过沿其边界205、206、207、208、209及210的机械作用而产生形变。可变形材料202的机械形变可以通过一个或多个垂直于可变形材料块202延伸的螺旋测微器(micrometer screw gauges)来实现，例如可通过但不限于以下方式实现：在可变性材料202的边界205、206、
207、208、209及210的一个或多个处，将拉力、或压力、或扭转力、或翘曲力、或挠曲力、或张力施加到可变形材料202。

[0045] 在较佳例子200中，可变形孔隙201制作在任意形状的可变形材料202的体内，该可变形材料体的三个空间维度中的一个或多个可小于10毫米，也可以选择小于100微米、10微米、100纳米、10纳米、或2纳米。

[0046] 较佳地，可变形孔隙201有从小于2毫米到几乎关闭的可调节的直径，也可以选择从小于100微米到几乎关闭的调节直径、从小于10微米到几乎关闭的调节直径、从小于100纳米到几乎关闭的调节直径、从小于10纳米到几乎关闭的调节直径、或从小于2纳米到几乎关闭的调节直径。

[0047] 较佳地，可变形孔隙201还有一个小于10毫米的路径长度，也可以选择小于5毫米的路径长度、小于2毫米的路径长度、小于100微米的路径长度、小于100纳米的路径长度、小于10纳米的路径长度或小于2纳米的路径长度。

[0048] 图2b示意性地示出了在一块可变形材料213中形成的可变形孔隙212的另一个例子211，该可变形孔隙212为非对称形，并且从可变形材料213上表面215上的较大开口214逐渐变细成为相对表面217上的较小开口216。其中，这种穿过可变形孔隙到可变性孔隙另一面的逐渐变细的角度可以从0°(具有如图2a所示例子200中的基本平行的面)至
89.99°(具有不平行的面)。

[0049] 图2c示意性地示出了在一块可变形材料220中形成的可变形孔隙219的另一个例子218，该可变形孔隙219在两个非相对的表面之间，从可变形材料220的一个表面222上的开口221延伸到第二非相对表面224上的开口223。

[0050] 图2d示意性地示出了在一块可变形材料227中形成的可变形孔隙226的另一个例子225，该可变形孔隙226从可变形材料227的一个表面229上的开口228延伸到同一表面229上的开口230。

[0051] 图2e示意性地示出了另一个例子231，其中可变形材料233中可变形孔隙232的路径为旋绕的。

[0052] 图2f示意性地示出了另一个例子234，其中可变形材料236中可变形孔隙235的路径直径为不规则的。

[0053] 应该理解，以上所述的例子不是对范围的限制，并且组合一种或多种以上所述的例子的可变形孔隙的变化也可以应用于本发明的实施例中。

[0054] 图3a和图3b示意性地示出了依据本发明的设备的较佳例子300，其中，包含至少一个可变形孔隙302的可变形材料块301由机械装置303进行机械变形。

[0055] 图3a是设备303的横截面图，图3b设备303的平面图，图3a的横截面是沿图3b的虚线3a-3a得到的。

[0056] 图3a和图3b所示的设备包括具有上表面304和下表面305的可变形材料块301。如图3b的平面图所示，可变形材料块301中央有一可变形孔隙302，并且该可变形材料301为十字形状，该十字形块的相对的边被夹钳306牢牢地抓住。其它可用于抓住可变形材料的手段包括，但不限于：扣子、爪、把手或粘合剂。可变形材料中也可以包含在该材料中制作的附加机构，该附加机构的较佳例子包括，但不限于：接线片、金属圈或吊钩。夹钳306将可变形材料301附在机械致动器307上，该机械致动器安装于机械装置303的机壳308上。
机械装置303的机械致动器307用于改变可变形材料301的形变。

[0057] 由机械装置303产生的可变形材料301的机械形变用于调节可变形孔隙302。该机械装置可适应为产生0毫米到50毫米范围的机械形变，或者产生0毫米到10毫米、0毫米到1毫米、0微米到100微米、0微米到1微米、0纳米到100纳米、或0纳米到1纳米范围的机械形变。根据需要形变的程度不同，调节机构可以选择以下所述的一种或几种，包括，但不限于：机械致动器、电磁致动器、静电致动器、压电致动器、风力致动器、水力致动器、热机致动器、离心致动器、重力致动器以及声学致动器。可变形材料还可以具有在其内部制作的形变致动机构，该装置的优选例子包括，但不限于，温度响应元件或磁元件。 [0058] 图3a的横截面只示出了形变的一个轴，如图中双向箭头310所示。然而，图3b的平面图示出了可通过调节加在十字形可变形材料块相对边的形变，沿着两个互相垂直的轴向产生可变形材料301的形变，如图中双向箭头310所示。应该理解，通过由致动器307的致动作用来调节可变形材料301的形变，因此可以调节可变形孔隙302的几何形状。机械致动器307能够通过工作在几乎对称的操作模式，将形变基本相等地作用于可变形材料301十字几何形状的两个轴，从而各向同性地将形变作用于可变形材料301，因此，可通过均匀地打开或关闭可变形孔隙302，来改变可形孔隙302的尺寸。作为替换地，机械致动器307通过工作在非对称操作模式，将形变不相等地作用于可变形材料301的十字几何形状，从而各向异性地将形变作用于可变形材料301，而改变可变形孔隙302的形状和/或尺寸。 [0059] 基于本发明设备的另一个实施例(未示出)包括一块三角形的可变形材料，该设备将相等或不相等的形变作用于三角形的三个边。基于本发明设备的再一个实施例(未示出)包括一块矩形的可变形材料，该设备将形变相等或不相等地作用于矩形的一个至四个边。基于本发明设备的又一个实施例(未示出)包括一块椭圆形的可变形材料，该设备将形变相等或不相等地作用于椭圆的圆周。基于本发明设备的还一个实施例(未示出)包括一块圆形的可变形材料，该设备将形变相等或不相等地作用于圆的圆周。在一个通常的例子(未示出)中，该可变形材料的形状可为具有n个边的多边形，该设备将形变相等或不相等地作用于多边形的一个或多个直到n个边上。

[0060] 图4a和图4b示意性地示出了根据本发明的、与图3a中的设备300相似的示例性设备400的两个横截面图。如图4a和图4b所示，设备400包含具有上表面404和下表面405的可变形材料401，该可变形材料401在其中央包含可变形孔隙402，且可变形材料401的两个相对的边被机械装置403的夹钳406牢牢地抓住。夹钳406将可变形材料401附在机械致动器407上，该机械致动器407安装于机械装置403的机壳408上。机械致动器407为可变形材料提供可变的形变。如图4a和图4b所示，在图4a所示调节位置的可变形孔隙
402比在图4b所示调节位置的可变形孔隙402窄，在图4b中，由于机械致动器407的动作，可变形孔隙402在双向箭头410指示的方向上被打开。

[0061] 本发明实施例包括用于粒子检测、粒子计数、粒子特性描述、夹住粒子或门控粒子的粒子敏感设备，该设备利用一个可变形孔隙与离子溶液，例如以下作为示例描述的氯化钾电解液，相结合，从而提供：可变形孔隙两侧电位差的准确控制，该可变形孔隙与灵敏的单通道记录测量装置连接；和精确的机电调节机制，用于在一系列电子电路和计算机的控制下，调节可变形材料的形变。

[0062] 用于制备离子溶液所包括的溶液的物质选自但不限于：流体、流体流体、单一成分的流体、材料混合物流体、含水流体、水、盐、无机盐、有机盐、电解液、化学酸、化学碱、化学两性离子、清洁剂、缓冲剂、蛋白质、酒精、有机溶剂以及极化溶剂。

[0063] 多数粒子在电场中表现出天然的电活跃特性(electro-active character)，这一事实使得通过可变形孔隙的粒子的方向和速率能够被施加在可变形孔隙两侧的电位差的大小和极性控制。离子溶液中的电活跃性由每个粒子的总体电荷决定，因此，也可通过电解液的pH值而得到更改。从而，通过将合适的电位差施加到可变孔隙两侧，可使得粒子以规定的速率进入和/或通过和/或反方向通过和/或退出可变形孔隙。

[0064] 在这个例子中，对通过可变形孔隙的离子通量所进行的监测依赖于现有技术，即单通道记录(参见Bayley等“Resistive Pulse Sensing—From Microbesto Molecules”Chem.Rev.，100，2575-2594，2000)。当电位差建立在包含可变形孔隙的可变形材料两侧时，会有稳定的离子电流从可变形材料的一面，通过可变形孔隙流到可变形材料的另一面。该稳定的离子流可利用传统的单通道记录技术测量得到。已经得到，可变形孔隙的最小横截面积的确部分地限制了流经可变形孔隙的离子通量，从而对可变形孔隙的调节导致伴随的对由传统单通道记录技术测量得到的流经可变形孔隙的离子通量的调节。 [0065] 图5示意性地示出了依据本发明的包含一块可变形材料501的示例性设备500，该可变形材料501的中央包含可变形孔隙502，该可变形孔隙502被布置为可通过机械装置503进行机械变形，且该可变形材料有一上表面504和下表面505。可变形材料块501的两个相对的边被夹钳506牢牢抓住，该夹钳506将可形材料501附在机械致动器507上，该机械致动器507安装于机械装置503的机壳508，用于改变可变形材料501的形变。机械装置503产生的可变形材料501的机械形变实现可变形孔隙502的可变调节，如图中双向箭头510所示。该布置包括：监测可变形孔隙502尺寸的机构，该机构包含边界511，用于保持离子流体512的体积，该离子流体的较佳选择是包含氯化钾的水溶液；和置于流体体积中的电极513，该电极的较佳选择是氯化银。电极513也可以选择性地利用铂、黄金、钨或其它导体或半导体物质制成，其通过电连接件514与单通道记录仪515相连，以监测通过可变形孔隙502的离子电流。该单通道记录仪515较佳地通过可编程逻辑器件516与用于控制致动器517以调节可变形孔隙502的尺寸的机构连接。

[0066] 在图5中，离子溶液512中经过可变形孔隙502的离子电流的来源是通过电极513施加于可变形孔隙502两侧的电压源，该电压源由单通道记录仪515通过在可编程逻辑器件516中执行的软件算法(未示出)来设定。单通道记录仪515中的电流放大器利用单通道记录技术，探测通过可变形孔隙 502的离子通量。

[0067] 利用单通道记录技术探测经过孔隙的离子通量的方法是自库尔特计数器发明以来广泛使用的一种成本低且可行的方法。现有的单通道记录仪在探测和记录发生在几微秒至几毫秒之内的单个离子运动时有足够的灵敏度。该单通道记录仪包括：单通道记录装置，能够将可变范围为1000毫伏至-1000毫伏的电压施加在包含孔隙的可变形材料上；非常低噪音的电流放大器和电流注入器；以及模数转换器(ADCs)，其可以连接到利用数据获取软件和电子存储介质(例如计算机磁盘、磁带)的数字电子计算机。符合这些标准的装置可以很容易得到，例如可以从Axon Instruments，Union City，California，USA获得(例如Axopatch 200B systems；pClamp 9.0 software)。

[0068] 如图5所示，用于控制可变形孔隙尺寸的反馈环路由通过利用以上所述的单通道记录仪515、可编程逻辑器件516和致动器控制器机构517构成。

[0069] 致动器控制器机构517利用夹钳506对可变形材料进行机电致动作用，从而使得可变形材料501产生形变，进而控制可变形孔隙502的形变，该夹钳506将可变形材料附在致动器507上，而所述致动器507安装于机械装置503的机壳508上。需要这样的装置，其能够以小于1纳米的横向精度，施加从0～50毫米可变的致动作用，且能够通过数模转换器(DACs)得到电子控制，该数模转换器连接到使用控制和数据获取软件以及电子存储媒介(例如计算机磁盘、磁带)的数字电子计算机。符合上述标准的装置可以很容易得到，例如可从Physik Instrumente，Karlsruhe，Germmany得到(例如，M-168高分辨率步进Mike致动器，P-250.20高分辨率PZT测微计尖端；C600马达控制器和PZT 驱动器；定制软件)。由于调节可变形孔隙形变的调节机构是计算机可控的，因此，形变的程度可通过算法设定。 [0070] 图6为图5所示设备的一种示例性操作模式的流程图。

[0071] 设定模式：通过根据预先设定的算法设置至少一个可变形孔隙的参数而进行操作。对由于至少一个粒子进入和/或通过和/或退出可变形孔隙而导致的至少一个被测量参数中的变化进行记录，并将其用于数据分析 (interpretation)。应该理解，对完全通过可变孔隙的至少一个单粒子的检测为至少一个单粒子提供了单增量计数事件，该单增量计数事件一直重复，直到探测到一段统计上有意义的时间或探测到统计上有意义的粒子数目，并且对该单增量计数时间进行计数以确定单位体积内的粒子数目。对基于时间的数据累加和基于事件的数据累加提供退出条件。图6中，“TIME？”指出的逻辑条件用于判断电流分析时间是否超过预先确定的分析时段。图6中“EVENT？”指出的逻辑条件用于判断已经计数的电流分析计数事件是否超过了预先确定的待探测计数事件的数目。 [0072] 图7为图5所示设备的第二种示例性操作模式的流程图。

[0073] 反应模式：通过根据预定算法施加可变形孔隙的被测量参数的反馈信号来进行操作，所述可变形孔隙被设置到预定的设定点水平(set-point level)，该算法包括至少一个预定的设定点水平，并且在该算法中，可变形孔隙的大小和/或几何形状对所测量参数的反馈信号进行响应，从而维持所述被测量参数的至少一个预先设置的设定点水平。对可变形孔隙的尺寸和/或几何形状的变化、和/或可变形孔隙和/或用于调节可变形孔隙的致动机构的其它可测量参数的变化进行记录，并用于数据分析。

[0074] 应该理解，对完全通过可变孔隙的至少一个单粒子的检测为至少一个单粒子提供了单增量计数事件，该单增量计数事件一直重复，直到探测到一段统计上有意义的时间或探测到统计上有意义的粒子数目，并且对该单增量计数事件进行计数来确定单位体积的粒子数目。对基于时间的数据累加和基于事件的数据累加提供退出条件。图7中，“TIME？”指出的逻辑条件用于判断电流分析时间是否超过预先确定的分析时段。图7中“EVENT？”指出的逻辑条件用于判断已经计数的电流分析计数事件是否超过了预先确定的待探测计数事件的数目。

[0075] 本发明的可变形孔隙包括用于监测可变形材料形变的机构。在本发明设备的一般例子中，用于监测可变形材料形变的机构较佳地包括对由致动器的致动作用的程度进行检测的能力，并较佳地与调节可变形材料形变的装置连接，以构成用于控制可变形材料形变的反馈环路。反馈环路可以选自但不限于：模拟反馈环路、电子反馈环路以及计算机控制的反馈环路。

[0076] 在本发明设备的另一一般例子中，监测可变形材料形变的机构较佳地包括监测可变形材料物理属性的能力，所述物理属性包括但不限于：电容、电阻、电导率、不透明度、透明度、长度、宽度、高度、体积、热导率、介电性质；该机构优选地与调节可变形材料形变的机构连接，以构成控制可变形材料形变的反馈环路。该反馈环路可从选自但不限于：模拟反馈环路、电子反馈环路以及计算机控制的反馈环路。

[0077] 在本发明设备的又一一般例子中，用于监测可变形材料形变的机构较佳地包括监测可变形孔隙几何形状的能力。在本发明的一个具体例子中，用于监测可变形孔隙几何形状的机构包括监测通过可变形孔隙的粒子通量和/或电磁辐射的能力，且优选地与调节可变形孔隙尺寸的机构连接，以构成用于控制可变形孔隙尺寸的反馈环路。该反馈环路可从选自但不限于：模拟反馈环路、电子反馈环路以及计算机控制的反馈环路。 [0078] 将至少一个设定的信号施加到调节机构，使得用于调节可变形孔隙形变的调节机构通过施加至少一种预定类型的形变，来将可变形孔隙设置为至少一个设定的几何形状。施加到调节机构的设定信号较佳地选自但不限于：机械设备、模拟电子电路、数字电子电路和计算机控制电路。

[0079] 在至少一段设定时间内将至少一个设定的信号施加到调节机构，使得用于调节可变形孔隙形变的调节机构通过通过施加至少一种预定类型的形变，来将可变形孔隙在至少一段设定时间内设置为至少一个几何形状。施加到调节机构的设定信号较佳地选自但不限于：机械装置、模拟电子电路、数字电子电路和计算机控制电路。

[0080] 调节精度小于1纳米的用于调节可变形孔隙的调节机构通过计算机控制的反馈环路与单通道记录仪连接，并能够调节可变形孔隙，从而能够控制、探测并记录单个离子的运动。

[0081] 图8a、图8b和图8c示出了与图5所示设备500相似的设备800的简化示意图。 [0082] 在这些图中，可变形孔隙801制作在可变形材料块802中，边界811用于保持离子溶液812，例如氯化钾的水溶液，的体积，离子溶液812中放置例如由氯化银制成的电极805。与图5比较可得到，监测通过可变形孔隙801的离子电流的能力，通过可编程逻辑器件(未示出)与单通道记录装置以及对用于调节可变形孔隙801尺寸的致动器进行控制的机构相关联。这样，计算机控制的反馈环路，使得能够根据可变形孔隙801的电导率对可变形孔隙801进行调节，且使得由特定的算法对可变形孔隙801的形变程度和/或电导率进行设定。应该理解，通过氯化银电极813施加到可变形孔隙801两端的电压可被准确控制在可编程逻辑器件(未示出)的水平，该可编程逻辑器件通过电连接件(未示出)连接到单通道记录装置(未示出)，该单通道记录装置通过电连接件(未示出)进一步连接到氯化银电极813，因此该电压能够响应特定的事件或激励，或根据至少一种预先设定的算法而被设置和/或被改变。

[0083] 设备800尤其适用于探测和/或测量和/或控制通过可变形孔隙的一个或更多粒子820的通量，如图8a所示，所述粒子820可从选自但不限于：无机粒子、有机粒子、磁性粒子、硅石粒子、琼脂糖凝胶粒子、苯乙烯粒子、金属粒子、胶质粒子、与分子共轭的粒子、与生物分子共轭的粒子、与免疫血清素共轭的粒子、与核酸共轭的粒子、生物粒子、生物细胞、血细胞、精子、卵细胞、微生物细胞、菌细胞、真菌细胞、病毒、亚细胞的细胞器官、线粒体、核子、叶绿体、溶酶体、核糖体、原子粒子、离子粒子以及分子粒子。

[0084] 在一个例子中，提供一种工作在反应操作模式中的粒子计数器。根据至少包括一个预定设定点水平的预定算法由氯化银电极813将电压施加到可变形孔隙801，从而将穿过可变形孔隙801的离子电子电流设置到预定的设定点水平。所施加的电压在用于限制电解液812的边界811内建立电场，并且将场强集中于穿过可变形孔隙801。粒子820在电泳作用下进入并堵塞可变形孔隙801，使可变形孔隙801之内氯化钾电解液812的体积减小，从而限制了所测量离子电流的通量。在这种模式下，所测量离子电流的变化的反馈信号导致可变形孔隙801的大小和/或几何形状进行响应，并保持离子电流的设定点水平。当粒子820退出可变形孔隙801，可变形孔隙801中氯化钾电解液812的体积增加，使得所测量离子电流的通量增加。所测量离子电流的变化的反馈信号导致可变形孔隙801的大小和/或几何形状进行响应，并保持离子电流的设定点水平。可变形孔隙801大小和/或几何形状的改变被记录下来，并用于计算确定单位体积内粒子的数量。

[0085] 在另一个例子中，提供一种工作在设定模式的粒子计数器。通过氯化银电极813将电压施加在预先设置到合适尺寸和/或合适几何形状的可变形孔隙801。当粒子820堵塞可变形孔隙801时，减小了可变形孔隙801中氯化钾电解液812的体积，从而使得离子电流信号有所变化，这些变化被直接记录下来，并用于计算单位体积内粒子的数量。 [0086] 设备800在用于探测和/或测量和/或控制通过可变形孔隙的一个或多个粒子821的通量时尤其有用，如图8b所示，粒子821可以选自但不限于：聚合体粒子、核酸和其化学变体、脱氧核糖核酸和其化学变体、核糖核酸和其化学变体、蛋白质聚合体和其化学变体、碳水化合物聚合体和其化学变体。

[0087] 设备800在用于探测和/或测量和/或控制通过可变形孔隙的一个或多个粒子822的通量时尤其有用，如图8c所示，粒子822可以选自但不限于：核酸粒子和其化学变体、脱氧核糖核酸和其化学变体、核糖核酸和其化学变体。

[0088] 在此例中，参照本发明的设备在对生物聚合体进行特性描述中的应用，所述生物聚合体例如脱氧核糖核酸(DNA)和其化学变体、核糖核酸(RNA)和其化学变体，虽然也可以对其它聚合体进行特性描述。

[0089] 本例子尤其适合于对单个聚合体分子进行特性描述，虽然也同样适合于对确定具有相同长度的多杂聚合体(heteropolymer)分子的同质制备(homogeneous preparations)以及分子的非同质混合物(heterogeneous mixtures)进行特性描述，从而对针对聚合体长度分布、聚合体拷贝数和聚合体序列结构而对聚合体混合物进行特性描述。

[0090] 本发明的另一实施例提供了用于确定由DNA限制性消化(DNArestriction digest)产生的DNA的长度分布和拷贝数的方案。DNA长度分布与每一链上单体亚单位(monomeric subunits per strand)的数目以及这些单体亚单位在链的总种群中的分布相关，拷贝数与特定DNA片段的绝对浓度有关。从染色体组得到的纯DNA或克隆DNA能够利用合适的限制性内切酶而消化。例如，100毫微克纯DNA的消化可在20微升缓冲剂中实现，该缓冲剂包括150毫微克NaCl、pH值为7.9的60毫微克Tris-HCl以及5单位BamHI限制性内切酶。在限制性内切酶的消化和热钝化之后，利用绿豆核酸酶(mung-bean nuclease)或克列诺(klenow)DNA聚合酶的消化将黏性末端(cohesive termini)去除，并消除与多片段内聚相关的变长的阻塞事件。通过使可变形孔隙发生形变，将可变形孔隙尺寸调节到合适的横截面积，从而在DNA分析的标准工作条件(例如1摩尔KCl、10毫摩尔pH值为8.0的Tris-HCl、1毫摩尔EDTA，以及120毫伏偏压)下达到预定的离子通量。利用众所周知的线性DNA标准，例如1～48kilobases等，可对可变形孔隙进行预校准。来自限制性消化中的片段尺寸即可通过对用于线性易位事件的单通道记录所作的检测而得到。 [0091] 本发明的另一实施例提供了确定由DNA连接反应(DNA ligationreaction)产生的DNA长度分布和拷贝数的方案。从染色体DNA的限制酶消化获得的线性DNA片段可被连接为质粒运载体(plasmid vector)DNA。通常，50毫微克去磷运载体DNA可在缓冲剂中与150毫微克的插入DNA连接，该缓冲剂包括50毫摩尔pH值为7.8的Tris-HCl、10毫摩尔二硫苏糖醇、1毫摩尔腺苷三磷酸盐、25微克/毫升牛血清蛋白以及10单位T4DNA连接酶。通过使可变形孔隙发生形变，将可变形孔隙尺寸调节到合适的横截面积，从而可在DNA分析的标准工作条件(例如1摩尔KCl、10毫摩尔pH值为8.0的Tris-HCl、1毫摩尔EDTA：120毫伏偏压)下达到预定的离子通量。利用众所周知的线性DNA标准，例如1～48kilobases等，可对可变形孔隙进行预校准。来自限制性消化中的片段尺寸即可通过对用于线性易位事件的单通道记录所进行的检测而得到。环状双链DNA(Circular doublestranded DNA)产生的阻塞事件相当于双链DNA的两个对等(parallel)长度的易位，因此，连接反应的环状化DNA产物可以依靠阻塞电流深度而与前体线性双链DNA以及运载体区分出来。阻塞事件的持续时间可确定产物的尺寸，并将运载子环化与运载子-插入(vector-insert)环化区分出来。

[0092] 在另一例子中提供一种确定由聚合酶链反应(PCR)产生的DNA长度分布和拷贝数的方法。PCR可以在标准条件(例如，50毫摩尔KCl，10毫摩尔pH值为8.3的Tris-HCl，MgCl2(1-2.5毫摩尔)，dNTP′s(2.5毫摩尔)，2.5微摩尔前置引子(forward primer)和反置引子(reverse primer)，100毫微克模板DNA(template DNA)，以及0.25单元Taq DNA聚合酶)下实现。循环中每一步骤(变性，退火、拉伸)的时间和温度都针对单个引物集(individualprimer sets)得到优化。循环范围可从1到10次循环，或从1到40次循环。通过使可变形孔隙发生形变，将可变形孔隙尺寸调节到合适的横截面积，从而在DNA分析的标准工作条件(例如1摩尔KCl、10毫摩尔pH值为8.0的Tris-HCl、1毫摩尔EDTA：120毫伏偏压)下达到预定的离子通量。利用众所周知的线性DNA标准，例如1～48kilobases等，可对可变形孔隙进行预校准。来自限制性消化的片段尺寸即可通过对用于线性易位事件的单通道记录所进行的检测而得到。对PCR反应产物的特性描述可将单链引子(浅阻塞事件)与双链产物区分出来。比校正PCR产物(correct PCR product)小的引子二聚体可利用单通道记录测量结果来区分。因为较低的拷贝数与高丰度PCR产物相关，因此模板DNA的易位很少。由于本发明设备所提供的探测灵敏度只需要小于10个循环来探测产物，因此以上所述的方法比标准PCR技术有很大优势。

[0093] 这种特性描述也可用于确定核酸片段的DNA长度分布和拷贝数，该核酸片段是由以下所述的方法产生，包括但不限于：DNA核酸外切酶消化、逆转录酶聚合酶链反应、含有链终止抵制剂(chain terminating inhibitors)的DNA聚合酶(Sanger测序)、化学消化(Maxam-Gilbert测序)。由于本发明的设备依赖于对单个DNA分子进行的直接高速特性描述，而不是像在质谱法、凝胶电泳法或层析法中那样依赖于聚合体的分离，因此本发明方法的速度和能够进行特性描述的分子片段的尺寸就有很大的优势。进一步地，本发明进行特性描述的方法是直接的，不仅能够用于被克隆的DNA分子，也可以用于直接从活组织中提取的DNA分子，并且具有这样的优点：能够确定变体DNA基(modified DNA bases)的位置，所述变体DNA基例如在真核细胞型中具有重要调节作用的5-甲基胞嘧啶的。

[0094] 在另一个例子中，聚合体特性描述提供了对DNA长度分布、拷贝数及聚合体序列的简单快速的确定。聚合体序列与单体亚单位残基(monomericsubunit residues)的特定序列顺序有关，该特定序列顺序包括聚合体链。聚合体长度分布与每链的单体亚单位数目、这些单体亚单位在链的总种群中的分布相关，拷贝数与特定DNA片段的绝对浓度有关。对于核酸尤其是DNA来说，单体亚单位残基包括一组被称作单核苷酸的四分子基团。更确切地说，该四分子基团被称作脱氧鸟苷单核苷酸(G)、脱氧腺苷单核苷酸(A)、脱氧胸苷单核苷酸(T)以及脱氧胞啶单核苷酸(C)(参见Alberts等(1994)“Molecular Biology of the Cell”，Garland publishing，Inc.，NY.)。

[0095] 在以上所述以及图6所示的设定操作模式中，可变形孔隙能够被调节到如同在US6015714中所公开的那样作为确定DNA分子以及其他聚合体的长度分布和/或单体亚单位序列的手段。在该方法中，易位DNA单体亚单位的分子体积扰乱可变形孔隙的离子通量。
DNA单体亚单位分子体是不同的，在可变形孔隙的固定几何形状中的顺序易位以一种序贯序列(sequencedependent)的方式阻塞了可变形孔隙。伴随易位(co-translocating)离子导致的所测量孔隙离子通量的伴随改变，使得单体亚单位的顺序出现能够被记录下来，较佳的是利用电子手段进行记录，并且该记录被用于对DNA长度分布、拷贝数和/或序列结构的数据分析。

[0096] 在以上所述及图7所示的反应操作模式的另一个例子中，可变形孔隙可被调节到作为确定DNA分子和其它聚合体的长度分布和/或单体亚单位序列的方法。由于易位DNA单体亚单位和伴随易位(co-translocating)离子的顺序出现，导致所测量可变形孔隙离子通量的伴随改变，使得可变形孔隙的几何形状中由反馈驱动的改变能够被记录下来，较佳的是利用电子手段进行记录，并且该记录被用于对DNA长度分布、拷贝数和/或序列结构的数据分析。

[0097] 在另一个确定DNA单体序列的例子中，设定电流操作模式和反应电流操作模式可以交替应用。例如，在反应模式中，通过所测量孔隙中离子通量的伴随改变来对可变形孔隙中的DNA聚合体所进行的探测，可以用来施加合适电子信号改变孔隙的几何形状，使离子通量达到一个新的水平，从而当DNA聚合体经过孔隙时实现夹住DNA聚合体。 [0098] 施加第二合适电子信号，使得孔隙几何形状形变为达到一个新的例子通量水平，以便实现被夹住的DNA聚合体的释放，从而使DNA聚合体通过可变形孔隙。可变形孔隙的形变可用于以一种精确控制和灵敏的模式夹住DNA聚合体，以及释放DNA聚合体。 [0099] 进一步地，通过精确控制施加于可变形孔隙的电位差的值及极性，与孔隙的精确机电致动作用相结合，可以施加设定的信号，以便对经过可变形孔隙的DNA聚合体的分流和夹住进行循环。因此，分流-夹住循环的数目可使得DNA聚合体能够在一个方向或相反的方向渐进(ratchet)地经过可变形孔隙。离子的伴随易位产生可探测的离子通量变化，该变化被记录下来，较佳的由通过电子手段进行，并且用于数据分析。

[0100] 促进经过可变形孔隙的DNA聚合体的渐进的夹住成分(clampingcomponent)的信号，可通过设定可变形孔隙形变的同一机电形变机构施加。可选地，该信号也可通过额外的完全独立的致动器施加，该致动器使用例如机电手段直接使孔隙变形，或使用例如声学手段间接使孔隙变形。

[0101] 孔隙形变和电势差的精确组合信号可以被设置为以单个单体子单元的大小递增，所述电势差促进通过可变性孔隙的DNA聚合体的渐进，所述单体子单元对应于穿过可变性孔隙的0.36-0.70纳米DNA分子的横向易位。

[0102] 图9为描述图8所示本发明设备的另一种示例性操作模式的流程图。 [0103] 图10为描述图8所示本发明设备的又一种示例性操作模式的流程图。 [0104] 在本示例中，参照该设备在对生物聚合体进行特性描述方面的应用，所述生物学聚合体例如：脱氧核糖核酸(DNA)和其化学变体、核糖核酸(RNA)和其化学变体。除此之外，本实施例还可以用于对其它聚合体进行特性描述。

[0105] 本例子尤其适合于对单个聚合体分子进行特性描述，虽然也同样适合于对确定具有相同长度的多杂聚合体(heteropolymer)分子的同质制备(homogeneous preparations)以及分子的非同质混合物(heterogeneousmixtures)进行特性描述，从而对针对聚合体长度分布、聚合体拷贝数和聚合体序列结构而对聚合体混合物进行特性描述。

[0106] 利用对渐进机构的精确控制，对核酸聚合体进行的增加的分流-夹住可被调节到诸如分子体积的特定分子特性，该特性对于4个DNA单体亚单位残基中的每一个均不相同的。

[0107] 利用对渐进机构的精确控制，对脱氧核糖核酸聚合体进行的增加的分流-夹住可被调节到以分子体积为基础对单体亚单位残基进行门控。因此，促进经过可变形孔隙的DNA聚合体渐进的合成信号可被设置为以最小单体亚单位(C)、最小的两个单体亚单位(C、T)、最小的三个单体亚单位(C、T、A)、或所有四个单体亚单位(C、T、A、G)递增。 [0108] 因此，对于DNA聚合体链中的每个单体亚单位，通过逐渐增大的可变形孔隙进行增加的分流直到发生成功渐进事件，这样的循环将以顺序阶梯状的方式产生每个DNA单体亚单位的同一性(identity)。

[0109] 在另一种变化中，施加预定宽度和持续时间的脉冲，并且与灵敏的单通道记录技术相结合，能够验证单个单节显性亚单位的存在，并且允许以所测量的单通道记录中的变化为基础而识别单节显性亚单位，该脉冲足够允许单链核酸聚合体在电压驱动下，每次由四个单核酸单节显性亚单位残基中的仅仅任意一个穿过可变形孔隙而易位。 [0110] 连续地施加具有不同辐度和/或持续时间的所施加脉冲，使得单节显性亚单位残基的子集可被识别，并导致以单节显性亚单位残基序列和长度为基础对核酸聚合体进行进一步的特性描述。应该理解，所述预定脉冲也可以被配置为允许特定的二核苷酸化合物易位通过可变形孔隙的脉冲。应该理解，所述预定脉冲也可以被配置为允许特定的三核苷酸化合物易位通过可变形孔隙。应该理解，所述预定脉冲也可以被配置为允许特定的核苷酸主体易位通过可变形孔隙。

[0111] 图11为描述图5所示设备在用于确定DNA核苷酸序列时的另一种示例性操作模式的流程图。

[0112] 根据本发明以上所述的实施例，应该理解，也可以使用制作可变形孔隙的可变形材料的其它可测量参数，这些参数可以选自但不限于：电容；电阻；电导率；不透明性；透明率；长度；宽度；高度；体积；热导率；介电性质；或与调节至少一个可变形孔隙的致动机构相关的可测量参数，选自但不限于：电容；电阻；电导率；步进位置(stepper position)；马达线圈感应系数(motor coil inductance)；这些参数可以用作监测所述至少一个可变形孔隙尺寸和/或几何形状改变的一种手段。当至少一种阻塞粒子经过孔隙时，这些参数的状态变化可用于对至少一种阻塞粒子进行探测和/或特性描述和/或控制。

[0113] 图12为在可变形材料中制作至少一个可变形孔隙的布置的简化示意图。 [0114] 如以上所述，可变形孔隙被制作在一块可变形材料中。在较佳的例子中，可变形材料为聚亚安酯。但是，可变形材料也可以是从以下所述的一组中选择的其它任一种材料，这些材料包括，但不限于：天然的和合成的橡胶；天然聚合体；蛋白质；多肽；多糖；塑料；掺杂的传导塑料；碳氢化合塑料；碳氟化合塑料；乳胶材料；热塑性的可变形材料；热塑性聚亚安酯(天空醚和酯)可变形材料；包括聚丙烯、聚乙烯、循环石蜡(cyclic olefins)的石蜡基可变形材料；苯乙烯基可变形材料；聚酰胺基可变形材料；聚酯基可变形材料；硝基可变形材料；氯化乙烯共聚物交叉合金(ethylene chloridecopolymer cross-linked alloys)；硅树脂可变形材料；硅酸盐、硅、掺杂硅、或其它半导体材料；金属或金属合金。可变形孔隙还可以是由一种或多种以上所述材料的组合制作的合成可变形材料制成的。 [0115] 进一步地，可变形孔隙的更改可以采取将化学更改用化学方法或物理方法粘结到可变形孔隙表面的形式，以使其疏水、超疏水、亲水、或具有特定的物理化学性质。相关的例子包括但不限于：化学制品、硅烷和硅树脂。表面更改也可以采取通过表面构图对孔隙的可变形材料进行物理更改的形式，以使其疏水、超疏水、亲水、或具有特定的物理化学性质，或光学性质或磁性性质或其它物理性质。

[0116] 制作可变形孔隙的一种方式是通过穿透一块可变形材料，在可变形材料中形成空缺，一条连续的路径通过该空缺从可变形材料的一面，经过可变形材料延伸到可变形材料的相对的面。

[0117] 图12中，设备1200包括一块被机械装置1203进行机械变形的可变形材料1201。可变形材料1201有上表面1204和下表面1205。可变形材料1201的两个相对的边被夹钳
1206牢牢地抓住。夹钳1206将可变形材料1201附着在机械致动器1207上，该机械致动器
1207被安装在机械装置1203的机壳1208上。机械致动器1207对可变形材料的形变进行调节。机械装置1203通过机械作用使可变形材料变形，如图中双向箭头1210所示。该设备包括用于保持离子流体体积的边界1211，较佳的离子流体是氯化钾的水溶液1212，在边界1211中设置有氯化银电极1213。在可变形材料1201上有一经电化学腐蚀、自身带有机电致动器(未示出)的钨金属探针1218，该探针1218能够如双向箭头1219所示那样被定位。探针1218自身也相当于电极1213。电极1213被电连接件1214连接到单通道记录仪
1215，该单通道记录仪1215通过可编程逻辑器件1216连接到用于对致动器1217进行控制的机构，所述致动器1217调节可变形材料1201的尺寸和探针1218位置。

[0118] 在形成可变形孔隙的操作中，首先将探针1218定位在可变形材料1201的表面1204上，然后刺入可变形材料的表面1204，延伸通过可变形材料1201，从可变形材料的另一表面1205穿出。在这一系列操作之后，探针1218部分地或完全从可变形材料1201中拉回，从而在可变形材料1201中制作了至少一个孔隙1202。

[0119] 设备1200包括监测可变形孔隙1202尺寸的机构，其中，探针1218相当于电极1213，氯化银电极1213通过电连接件1214连接到单通道记录仪1217，从而可以监测经过可变形孔隙1202的离子电流。记录仪1217通过可编程逻辑器件1216连接到控制用于控制致动器的机构，所述致动器调节探针1218向可变形材料1201的刺入。

[0120] 对探针1218进行定位的致动器包括但不限于：机械致动器、电磁致动器、静电致动器和压电致动器。探针1218可能经过研磨和抛光工艺、模制工艺、压铸工艺、电化学蚀刻工艺或光刻工艺制备而成。探针1218可能是具有尖锐点的类型，或有限定形状的切割工具，或扫描探针显微镜探针、或扫描隧道显微镜探针、或原子力显微镜探针。探针可能针对可变形材料进行加热或冷却，并能够被前推穿过可变形材料，从而可切割或分割或熔化可变形材料的结构，或者旋转或移动以便于钻出或以其它方式在可变形材料中制作孔隙。 [0121] 可变形材料被探针1218穿入的程度可通过对经过可变形孔隙1202的电子电流或电子隧道电流的测量确定，该电子电流或电子隧道电流是在探针1218和可变形材料1201中与探针进入可变形材料1201的那一面1204相对的另一面1205上的导电媒介离子溶液1212之间的电流。较佳地，调节机构连接到监测可变形孔隙的尺寸的机构，以形成反馈环路，从而控制可变形孔隙的尺寸，该反馈环路包括但不限于：模拟反馈环路、电子反馈环路和计算机控制反馈环路。

[0122] 利用单通道记录技术探测经过孔隙的离子通量的方法是自库尔特计数器发明以来广泛使用的一种成本低且可行的方法。现有的单通道记录仪在探测和记录发生在几微秒至几毫秒之内的单个离子运动时有足够的灵敏度。该单通道记录仪包括：单通道记录装置，能够将可变范围为1000毫伏至-1000毫伏的电压施加在包含孔隙的可变形材料上；非常低噪音的电流放大器和电流注入器；以及模数转换器(ADCs)，其可以连接到利用数据获取软件和电子存储介质(例如计算机磁盘、磁带)的数字电子计算机。符合这些标准的装置可以很容易得到，例如可以从Axon Instruments，Union City，California，USA获得(例如Axopatch 200B systems；pClamp 9.0 software)。

[0123] 在当前的例子中，用于控制可变形孔隙尺寸的反馈环路利用记录仪1215、可编程逻辑器件1216和致动器控制机构1217而建立。用于调节探针1218刺入的调节机构是可以由计算机控制的，因而可以通过算法设定刺入的程度。

[0124] 调节机构包括：将可变形材料1201附着在致动器1207上的夹钳1206，该致动器安装在机壳1208上，用于调节可变形材料1201；另外，探针1208的调节机构(图中未示出)电连接到用于在形成可变形孔隙1202变形之前、之中或之后监测可变形材料1201电导率的机构。

[0125] 图13为示出图12所示的用于在可变性材料块中制造可变形孔隙的设备的示例性操作模式的流程图。

[0126] 可变形材料可能在孔隙形成之前、之中或之后发生形变。

[0127] 可变形材料可通过可变形材料的机械形变而变形，产生机械形变的方法包括但不限于：施加拉力、压力、扭转力、扭曲力或挠曲力，或向可变形材料施加应力。 [0128] 进一步地，可变形材料还可通过可变形材料的加热或冷却而变形。 [0129] 进一步地，可变形材料的刺入可通过同时操作或顺序操作一个或多个探针而实现。

[0130] 进一步地，可以将粒子束或电磁辐射束导向可变形材料的表面，使其刺入可变形材料的表面，延伸通过可变形材料，直到从可变形材料的另一面退出，从而通过刺入可变形材料来在可变形材料中形成可变形孔隙。粒子束可包括但不限于：原子、原子核、电子、离子、分子和放射性衰变产物。电磁辐射束可包括，但不限于：光子、相干光和激光。 [0131] 粒子束或电磁辐射束可包括通过光学、磁力或电磁透镜及物理窗口聚焦得到的粒子束或电磁辐射束，孔隙的尺寸可通过测量经过孔隙的粒子束的通量来监测，该粒子束通量可以通过在可变形材料与粒子束源相对的边上放置合适的粒子计数器得到。转佳地，控制粒子束或电磁辐射束的手段连接到监测可变形孔隙的机构，以形成反馈环路来控制可变形孔隙的尺寸。反馈环路包括但不限于，模拟反馈环路、电子反馈环路和计算机控制反馈环路。

[0132] 作为替换地，可以将至少一种冲击粒子(ballistic particle)导向可变形材料的表面，使其刺入可变形材料表面，延伸经过可变形材料，然后退出可变形材料的相对面，从而通过刺入可变形材料来形成可变形孔隙。

[0133] 进一步地，可变形孔隙可通过对可变形材料的电化学蚀刻而形成或更改。 [0134] 进一步地，可通过利用机械作用将可变形材料折断而在可变形材料中形成可变形孔隙。在一个例子中，可变形材料被冷却为固态的不可变形的材料，然后断裂。 [0135] 进一步地，可以在制造可变形材料期间在可变形材料中形成可变形孔隙，制造可变形材料包括但不限于以下的一个或多个过程，如通过对可变形材料进行聚合、模制、铸型、注模、压模、真空蒸发、电化学沉积、界面成形和压花来制造。

[0136] 通常，当利用孔隙来分析不同类粒子尺寸分布的样品时，在孔隙中可能会产生阻塞物，为了进一步使用孔隙就需要去除阻塞物。通过调节可变形孔隙，为清洁包含阻塞物的可变形孔隙预先做好准备，以便去除阻塞物，是本发明的优点。通过探测阻塞物的存在，然后调节可变形孔隙的尺寸和/或几何形状，再可选地调节经过可变形孔隙的离子电流的大小和极性，从而可去除阻塞物。

[0137] 以上所述本发明的实施例具有很多重要的优点：可利用成本低的材料很容易制作完成，从而降低成本；在制作完成后，可以将可变形孔隙调节到合适的几何形状；调节孔隙几何形状的能力使其可以辨别大量尺寸不同的粒子；通过调节几何形状，可以去除阻塞物，从而缓和了对设备进行频繁且成本较高的拆卸的需要。进一步地，以上所述的实施例还可提供新的操作模式，尤其适合于小型化。其它优点可从通过阅读本说明书而变得显而易见。

[0138] 以上所述的可变形孔隙预期在很多应用中得到应用，包括探测、测量和控制粒子，和/或探测、测量和控制电磁辐射中。

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