Устройство для приложения непрерывного электрического поля и способ

Устройство для приложения непрерывного электрического поля и способ

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству для приложения электрического поля, способу его использования, а также способу его изготовления. Настоящее изобретение в частности подходит для сглаживания формы электрических полей, приложенных к микрофлюидным устройствам или устройствам типа "лаборатория на чипе" (LOC).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Микрофлюидные устройства, такие как устройства типа LOC получили широкое распространение. Растущее количество случаев применения таких устройств относится к упорядочиванию и классификации объектов, таких как биомолекулы, и классификации клеток. Традиционно упорядочивание и классификацию биомолекул, а также классификацию клеток выполняют с использованием электрофореза. Известными являются электрофоретические способы, которые часто используют для разделения объектов (иногда называемых "анализируемые вещества") согласно их электрическим и гидродинамическим свойствам. Другие способы разделения включают использование центрифужных спектрометров, как описано в EP 1455949.

При традиционном электрофорезе постоянное и унифицированное электрическое поле используют для перемещения объектов через текучую среду или другую фильтрующую матрицу. При перемещении объектов через указанный материал на них действует сила (например гидродинамическая сила), которая зависит от формы и размера объектов и/или от их сродства с указанным материалом (например, химическая сила притяжения/отталкивания), и электрическая сила, сгенерированная приложенным полем, которая зависит от их заряда. В результате действия различных сил, приложенных к объектам разных типов, указанные объекты перемещаются с различными конечными скоростями в зависимости от их индивидуальных характеристик и, таким образом, разделяются на "полосы".

В последние годы одним из Заявителей настоящего изобретения была предложена концепция исследования со сдвигом поля для разделения объектов, согласно которой, вместо постоянного приложенного электрического поля используют поле с напряженностью, меняющейся в зависимости от времени. Примеры электрофоретических устройств, в которых использована данная концепцию, описаны в патентной заявке WO 2006/070176, содержание которой полностью включено по ссылке в настоящую заявку. По сравнению с традиционными способами предложенное исследование со сдвигом поля имеет огромный потенциал с точки зрения аналитических и обрабатывающих функций, обеспечивая разделение, скорость и точность которого повышены на несколько порядков.

В устройствах со сдвигом поля обычно используют сеть электродов для приложения электрического поля, имеющего подходящий градиент с временной зависимостью, для разделения и упорядочивания анализируемых веществ и других материалов, размещенных в микрофлюидной среде. Например, микрофлюидная среда может заполнять сформированный в стеклянном устройстве или на нем плоский разделительный канал, имеющий поперечное сечение порядка от 0,1 мкм до нескольких сотен мкм и длину по меньшей мере 500 мкм.

Дополнительные примеры различных электрофоретических устройств описаны в документах US-A-6277258 и US-A-2002/0070113.

В известных микрофлюидных устройствах, включая устройства со сдвигом поля, электрическое поле обычно приложено непосредственно к каналу посредством внутренних электродов. Такая конструкция облегчает генерацию электрических полей с высокой напряженностью путем генерации электрического тока в проводящем разделительном буфере внутри канала. Однако указанная конструкция часто страдает значительными искажениями формы электрического поля в области расположения каждого электрода вдоль канала. Соответственно, изменение напряженности поля в канале не является гладким переходом от высоких значений к низким значениям, как, например, требуется при осуществлении способа со сдвигом поля, но вместо этого состоит из последовательности ступенек. Разделяющиеся молекулы проходят в непосредственной близости к электродам (имеют контакт с ними) и реагируют на искажения поля, ухудшая таким образом точность разделения. Подобные проблемы также возникают и в других случаях применения, в которых необходимым является приложение профилированного (т.е., неоднородного) электрического поля к каналу.

Для устранения указанной проблемы предлагается увеличить число электродов, периодически расположенных вдоль канала. Однако на практике такая конструкция полностью не устраняет искажения электрического поля по двум причинам. Первая причина состоит в том, что невозможным является расположение бесконечного числа независимо управляемых электродов вдоль канала. Вторая причина состоит в том, что поскольку электроды имеют конечные размеры, напряженность поля в пространстве рядом с электродами является постоянной (имеет значение, приблизительно равное напряжению на электроде). Соответственно, результирующая напряженность электрического поля оказывается нулевой. Это может вызвать значительное искажение общего электрического поля.

Другой недостаток, присущий известным способам разделения, в которых используется сдвиг поля, состоит в том, что некоторые анализируемые вещества могут быть потеряны, поскольку вместо запланированного перемещения мимо электродов, указанные объекты могут совершать перемещение по направлению к электродам и контактировать непосредственно с каналом, в результате чего эти объекты могут быть фактически удалены из процесса разделения. Кроме того, газы, образованные в результате электролиза, вызванного контактом между электродами и текучей средой, размещенной в канале (обычно, водной средой), проникают в канал и искривляют электрическое поле и, следовательно, искажают анализ.

Таким образом, имеется потребность в способе, который устраняет вышеуказанные проблемы.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложено устройство, содержащее:

блок для приложения электрического поля, выполненный с возможностью генерирования электрического поля, имеющего профиль дискретного электрического поля; проводящий объем; и

электрическую граничную область, образованную между проводящим объемом и блоком для приложения электрического поля и расположенную таким образом, что дискретное электрическое поле приложено к электрической граничной области посредством блока для приложения электрического поля в месте, отделенном от проводящего объема;

причем электрическая граничная область содержит по меньшей мере один ионно-проводящий материал, расположенный вплотную к проводящему объему и контактирующий с ним;

таким образом, что дискретное электрическое поле, приложенное блоком для приложения электрического поля, сглажено электрической граничной областью, так что профиль электрического поля, возбужденного в проводящем объеме, по существу выполнен непрерывным.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен способ приложения электрического поля к проводящему объему, содержащий этапы, на которых:

берут блок для приложения электрического поля, выполненный с возможностью генерирования электрического поля, имеющего профиль дискретного электрического поля,

берут проводящий объем,

образуют электрическую граничную область между проводящим объемом и блоком для приложения электрического поля, причем указанная электрическая граничная область содержит по меньшей мере ионно-проводящий материал, расположенный вплотную к проводящему объему и контактирующий с ним, и

прикладывают дискретное электрическое поле к электрической граничной области в месте, отделенном от проводящего объема,

таким образом, что приложенное дискретное электрическое поле сглаживается электрической граничной областью, так что профиль электрического поля, возбужденного в проводящем объеме, по существу выполнен непрерывным.

Следует понимать, что термин "проводящий объем" используется в данном случае для описания любого проводника, который имеет объем и в котором, по меньшей мере в частях указанного проводящего объема необходимо возбудить по существу непрерывное электрическое поле. Понятно, что природа проводящего объема может изменяться в зависимости от конкретного случая применения настоящего изобретения. Например, проводящий объем может быть каналом, таким как разделительный канал, используемый при электрофорезе, или другие разделительные устройства, или может быть содержать множество таких каналов. Согласно другим вариантам реализации проводящий объем может представлять собой область, такую как гидрофильная область, образованная на гидрофобной бумажной подложке, или пористая область, сформированная в пористой гидрофобной подложке. В целом, проводящий объем может представлять собой любой объем, в котором текучие среды или представляющие интерес объекты могут быть размещены (и/или через который могут перемещаться) во время исследования независимо от того, выполнен он или не выполнен в виде физически ограниченного канала или другой физической сущности. Например, если проводящий объем содержит по меньшей мере один канал или большее количество каналов, каждый из них может быть или не может быть физически ограниченным: проводящий объем, например, может заключать в себе по меньшей мере один или большее количество путей (которые могут рассматриваться как "воображаемые" или "действительные" каналы), вдоль которых перемещаются анализируемые вещества в электрофоретических устройствах со "свободным потоком" или в способах на основе "блочного геля". Варианты реализации, описанные ниже, прежде всего относятся к проводящим объемам в форме физически ограниченных каналов, предназначенных для разделения объектов, но следует понимать, что данное условие не является ограничением для настоящего изобретения.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает сглаживание приложенного электрического поля путем преобразования дискретного электрического поля, полученного посредством блока для приложения электрического поля (например массива электродов), по существу в непрерывное поле, возбужденное в проводящем объеме. "Дискретное" электрическое поле представляет собой поле, которое имеет прерывистый профиль, например содержащий промежутки или резкие перепады или изменения напряженности, такие, которые могут наблюдаться в поле, имеющем "ступенчатый профиль". Например, дискретное электрическое поле может являться результатом действия множества источников точечного напряжения, которые расположены на некотором расстоянии друг от друга вдоль периферийной области проводящего объема (например, в случае канала вдоль его пути). "По существу непрерывное" электрическое поле означает электрическое поле, которое является более гладким, чем дискретное электрическое поле. Например, в вышеуказанном случае величина напряженности сглаженного электрического поля предпочтительно постепенно изменяется в интервале между местом расположения одного источника точечного напряжения и местом расположения следующего источника от значения напряженности, соответствующего первому точечному источнику, к значению, соответствующему второму точечному источнику. В целом, по существу непрерывное поле может быть гладко интерполировано между дискретными значениями напряженности приложенного поля. Однако в зависимости от степени сглаживания приложенного поля напряженность непрерывного поля может отклоняться до некоторой степени от точного линейного градиента или нелинейного градиента и, к тому же, может быть содержать некоторые неоднородности (пусть даже и с уменьшенной величиной, неоднородности дискретного поля).

Профилирование поля достигается путем формирования электрической граничной области между проводящим объемом и блоком для приложения электрического поля, которая имеет подходящие электрические и геометрические свойства, в результате чего блок для приложения электрического поля отделен от проводящего объема электрической граничной областью. В частности, сглаживание поля осуществляется по меньшей мере частично за счет ионного тока, протекающего внутри ионно-проводящего материала, формирующего часть электрической граничной области (или всю граничную область) и расположенного вплотную к проводящему объему и контактирующего с указанным проводящим объемом. Такое расположение имеет существенное преимущество, состоящее в том, что реакция электролиза происходит внутри электрической граничной области или в электродах (или другом источнике напряжения), но не в проводящем объеме. Таким образом, отсутствуют разрывы в среде непосредственно внутри проводящего объема.

Следует отметить, что электрическая граничная область не обязательно должна быть сформирована вдоль всей периферийной области проводящего объема, но может проходить только вдоль части проводящего объема. Например, если проводящий объем представляет собой канал, электрическая граничная область не обязательно должна быть сформирована вдоль всей длины канала, но может проходить только вдоль части канала.

Выражение "расположенный вплотную к проводящему объемом и контактирующий с ним" означает, что ионно-проводящий материал имеет прямой электрический контакт с проводящим объемом без какого-либо материала другого типа между ними. Электрическая граничная область может быть образована одиночным компонентом (ионно-проводящим материалом) или большим количеством компонентов, расположенных последовательно (и имеющих электрический контакт друг с другом) между блоком для приложения электрического поля и проводящим объемом. Согласно одному варианту реализации, как описано более подробно ниже, электрическая граничная область может содержать ионно-проводящий материал, размещенный рядом с проводящим объемом, и неионно-проводящий материал, например, электрически резистивный материал, причем указанный неионно-проводящий материал расположен между блоком для приложения электрического поля и ионно-проводящим материалом. Однако согласно другим предпочтительным вариантам реализации электрическая граничная область содержит ионно-проводящий материал. Иными словами, электрическая граничная область полностью сформирована ионно-проводящим материалом. Например, вышеуказанный (одиночный) ионно-проводящий материал, контактирующий непосредственно с проводящим объемом, может проходить непрерывно между проводящим объемом и блоком для приложения электрического поля. Согласно другому варианту реализации по меньшей мере два ионно-проводящих компонента или смесь ионно-проводящего и неионно-проводящего компонентов могут быть расположены последовательно между проводящим объемом и блоком для приложения электрического поля для формирования электрической граничной области.

Термин "ионно-проводящий материал" означает, что указанный материал проводит электричество за счет перемещения ионов. В указанном материале также может или не может происходить перемещение электронов или дырок. В дополнение к части электрической граничной области, контактирующей с проводящим объемом, предпочтительно сам проводящий объем также выполнен ионно-проводящим и не в первую очередь выполнен электрически проводящим. Например, проводящий объем может представлять собой канал, наполненный ионным проводником, таким как водный буфер, как описано более подробно далее.

Желательным является, чтобы проводимость/удельное сопротивление по меньшей мере одного или большего количества компонентов, формирующих электрическую граничную область, (и в частности компонентов на основе ионно-проводящего материала), была "согласована" с проводимостью/удельным сопротивлением проводящего объема. Термин "согласована" означает, что не обязательно данный или каждый компонент электрической граничной области должен иметь ионную проводимость, равную или по меньшей мере подобную ионной проводимости проводящего объема, но в то же время это является предпочтительным. Необходимо, чтобы относительные проводимости/удельные сопротивления были уравновешенными для предотвращения электрического тока, протекающего преимущественно через электрическую граничную область или проводящий объем. Если проводимость электрической граничной области является слишком высокой или слишком низкой, в проводящем объеме не может быть сформировано поле, имеющее необходимую форму. Причина заключается в том, что если относительные проводимости текучей среды и ионно-проводящего материала существенно отличаются друг от друга, то в соответствии с законом Ома весь ток, являющийся результатом приложенных напряжений, может протекать только через электрическую граничную область или только через проводящий объем. Это может в значительной степени исказить эффект сглаживания поля и привести к чрезмерному сглаживанию или недостаточному сглаживанию поля. В частности, если относительная проводимость электрической граничной области является слишком низкой, электрическое поле, возбужденное в проводящем объеме, может быть ослаблено, т.е., напряженность поля окажется намного ниже запланированной напряженности, сформированной у электродов, поскольку мощность по существу теряется в электрической граничной области.

Для достижения согласования не обязательно, чтобы удельные сопротивления/проводимости компонента или компонентов, формирующих электрическую граничную область, и проводящего объема были идентичными, причем в действительности это является чрезвычайно труднодостижимым. Однако согласно предпочтительным вариантам реализации проводимости/удельные сопротивления представляют собой величины одного порядка. Согласно наиболее предпочтительным вариантам реализации отношение удельного сопротивления/проводимости компонента или компонентов, формирующих электрическую граничную область, к удельному сопротивлению/проводимости компонента или компонентов проводящего объема (или наоборот) находится в диапазоне между 1:100 и 1:1, предпочтительно между 1:50 и 1:1, более предпочтительно между 1:10 и 1:1. Предпочтительно ионно-проводящий материал, контактирующий с проводящим объемом, выполнен непроницаемым для газов (образованных, например, в результате реакции электролиза в области расположения электродов) и таким образом препятствует проникновению указанных газов в проводящий объем. Согласно другому варианту реализации для перемещения пузырьков газа в направлении от проводящего объема могут быть использованы геометрические конструктивные элементы. Ионно-проводящий материал предпочтительно предотвращает любой контакт анализируемых веществ, которые должны быть разделены в проводящем объеме, с электродами. Например, поры в материале предпочтительно являются достаточно небольшими для предотвращения прохождения объектов через них. Это условие способствует удерживанию объектов внутри проводящего объема и препятствует потерям образца.

Согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации электрическая граничная область имеет тонкую, подобную мембране или пленке геометрическую форму, в результате чего ее ширина (т.е., расстояние между блоком для приложения электрического поля и проводящим объемом) по меньшей мере больше, чем ее толщина в направлении, перпендикулярном как указанному расстоянию, так и проводящему объему (например, продольной оси канала). Более предпочтительно расстояние между проводящим объемом и блоком для приложения электрического поля превышает толщину электрической граничной области по меньшей мере в два раза, предпочтительнее по меньшей мере в 5 раз, более предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, наиболее предпочтительно по меньшей мере в 100 раз.

Предпочтительная подобная мембране геометрическая форма эффективно усредняет напряжения между электродами. Она "рассредоточивает" каждое точечное напряжение вдоль периферийной области проводящего объема (с относительно небольшой дисперсией напряжения в любом другом направлении) и таким образом обеспечивает возможность сглаживания дискретного приложенного поля, возбужденного блоком для приложения электрического поля, прежде всего вдоль периферийной области проводящего объема. Благодаря небольшой толщине материала напряжение может быть распределено по существу равномерно в направлении толщины материале без возбуждения поперечных электрических полей в проводящем объеме. Однако согласно другому варианту реализации это может быть достигнуто путем выполнения блока для приложения электрического поля с возможностью приложения дискретного электрического поля, которое не изменяется в направлении толщины электрической граничной области (например, посредством электродов, которые контактируют с материалом по всей его толщине).

Вместе со сглаживанием электрического поля электрическая граничная область в то же время удерживает микрофлюидную среду в проводящем объеме отдельно от электродов для предотвращения нарушений процесса разделения или управления.

Предпочтительно проводящий объем сформирован в подложке или на подложке, и электрическая граничная область по существу заполняет полость, сформированную в подложке или на подложке. Сама подложка может быть легко изготовлена с использование выбранных способов микрообработки.

Предпочтительно высота проводящего объема приблизительно равна или больше, чем толщина граничной области в том же самом направлении. В частности, высота проводящего объема в 1-5 раз больше, чем толщина граничной области в том же самом направлении, предпочтительно в 1-3 больше, предпочтительнее приблизительно в 2 раза больше. Было выяснено, что указанные пропорции обеспечивают возможность формирования проводящего объема в виде канала посредством капиллярных сил, действующих на электрический материал граничной области, выполненный в форме текучей среды, как описано ниже.

Согласно предпочтительным вариантам реализации расстояние между местом приложения дискретного электрического поля и проводящим объемом составляет между 0,1 мм и 8 мм, предпочтительно между 0,5 мм и 2,5 мм. Предпочтительно толщина электрической граничной области находится между 0,1 мкм и 100 мкм, предпочтительно между 20 мкм и 40 мкм. Предпочтительно глубина (высота) проводящего объема находится между 0,1 мкм и 500 мкм, предпочтительно между 10 мкм и 100 мкм.

При некоторых обстоятельствах предпочтительно полость в подложке снабжена по меньшей мере одним штифтом для опоры и предотвращения сжатия верхней части подложки. Штифты также могут быть использованы для изменения электрических параметров поверхности раздела, как описано ниже. Кроме того, штифты обеспечивают дополнительную площадь поверхности, способствующую удерживанию материала или материалов в электрической граничной области.

Согласно предпочтительным вариантам реализации проводящий объем представляет собой канал, который может проходить по любому необходимому пути. Например, канал может быть линейным или может быть выполнен в форме замкнутого контура. Конструкция с замкнутым контуром обеспечивает некоторые преимущества по сравнению с конструкциями с незамкнутым контуром, такими как линейный канал. Во-первых, в каналах с замкнутым контуром устранены краевые эффекты, в результате которых напряженность электрического поля, возбужденного в линейном канале с обоих концов канала, отклоняется от необходимых уровней. Например, в линейном канале секции, расположенные в середине канала, обычно могут быть снабжены источниками приложенных напряжений с любой стороны секции вдоль канала, и таким образом напряжение, полученное в секции, является средним значением указанных двух напряжений. Однако секция, расположенная в конце канала, не "видит" источники напряжения, расположенные с обеих сторон, и "видит" только те источники, которые расположены на стороне другого конца канала. Это означает, что имеется асимметричное усреднение, которое вызывает искажение поля в секции, расположенной в конце канала. Во-вторых, при приложении электрических полей со сдвигом по времени к каналам с незамкнутым контуром могут возникнуть области, в которых поле изменяется совсем в небольшой степени, и направление электрического тока по существу не изменяется. Это может привести к тяжелому локальному ионному истощению в ионно-проводящем материале, размещенном в электрической граничной области. В результате, необходимая форма поля в канале может искажена, поскольку влияние ионного истощения имеет тенденцию к противодействию приложенному полю. Напротив, в канале с замкнутым контуром, таком как круговая конструкция, распространяющаяся электрическая "волна" (т.е., имеющий заданную форму, неоднородный профиль электрического поля) может быть сгенерирована с возможностью перемещения вокруг указанного контура. Такая волна "раскачивает" ионы в ионно-проводящем материале вокруг контура и таким образом непрерывно пополняет ионами любые деионизированные области и, соответственно, уносит ионы из насыщенных ионами областей, так что поле в канале остается сглаженным и устойчивым. В-третьих, в случае использования канала с незамкнутым контуром эффективная рабочая длина устройства определяется физической длиной канала. В системах с замкнутым контуром основной канал не имеет начала или конца, и таким образом устройство по существу имеет бесконечную рабочую длину.

Предпочтительно блок для приложения электрического поля содержит множество электродов, находящихся в электрическом контакте с электрической граничной областью, и блок для приложения электрического поля дополнительно содержит контроллер, выполненный с обеспечением возможности приложения напряжения к каждому электроду для возбуждения поля, имеющего необходимый профиль.

Электроды предпочтительно отделены друг от друга вдоль направления, соответствующего периферийной области проводящего объема. Например, если проводящий объем представляет собой канал, то предпочтительно электроды отделены друг от друга вдоль направления, соответствующего пути в канале.

Согласно предпочтительным вариантам реализации множество электродов расположены вдоль одной стороны проводящего объема. Предпочтительно блок для приложения электрического поля дополнительно содержит второе множество электродов, расположенных вдоль противолежащей стороны проводящего объема относительно первого множества электродов, и таким образом сформированы пары электродов, расположенных с противолежащих сторон проводящего объема, в результате чего напряжение может быть применено к каждому электроду из пары. Согласно некоторым предпочтительным вариантам реализации по существу одинаковое напряжение приложено к обоим электродам в каждой паре. Однако в других случаях к каждому электроду в паре может быть приложены различные напряжения, например, для противодействия влиянию разности скоростей из-за кривизны проводящего объема (как описано в WO 2006/070176), или для управления полем, возбужденным внутри объема, в боковом направлении.

Устройство дополнительно содержит измеряющий блок для измерения электрического поля, выполненный с возможностью измерения напряженности электрического поля, возбужденного в проводящем объеме, (и/или вдоль электрического граничного материала); причем контроллер выполнен с возможностью изменения приложенного дискретного электрического поля на основании измеренной напряженности электрического поля. Соответственно, кроме "записывающих" электродов, прикладывающих дискретное электрическое поле, для измерения приложенного поля и управления указанным полем могут быть использованы "считывающие" электроды. "Считывающие" электроды могут контактировать непосредственно с проводящим объемом или могут измерять возбужденное электрическое поле посредством части электрической граничной области (которая может быть или не может быть электрической граничной областью, расположенной между проводящим объемом и блоком для приложения электрического поля). Например, измеряющий блок для измерения электрического поля содержит множество электродов, находящихся в электрическом контакте с электрической граничной областью, причем указанное множество электродов измеряющего блока для измерения электрического поля предпочтительно расположены на противолежащей стороне проводящего объема относительно блока для приложения электрического поля. Согласно дополнительным предпочтительным вариантам реализации устройство может использовать один и тот же электрод или электроды в качестве записывающих или считывающих электрода или электродов с переключением в случае необходимости между указанными двумя режимами. Например, контроллер может быть выполнен с возможностью прекращения подачи напряжения к каждому электроду в течение короткого периода с регулярными интервалами, а вместо этого мгновенно считывать локальную напряженность поля перед возобновлением подачи напряжения.

Подложка может быть снабжена отверстиями (также называемыми лунками или луночными блоками), соединенными с полостью (и граничной областью, заполняющей указанную полость) и с поверхностью подложки, для размещения в них электродов во время использования. Отверстия могут быть заполнены ионно-проводящей текучей средой, такой как водный буфер, тиксотропный гель или вязкий гель, и расположены таким образом, что электроды погружаются в ионно-проводящую текучую среду. Предпочтительно указанная конструкция имеет точки выхода для газовых продуктов электролиза. Кроме того, оснащение подложки отверстиями, наполненными ионным проводником, обеспечивает ионный резервуар достаточного размера для смягчения ионного истощения в ионно-проводящем материале, размещенном в электрической граничной области. В качестве альтернативы погруженным электродам, таким как описанные выше, на подложке могут быть осаждены проводящие электроды (например, выполненные из металлической пленки), в результате по меньшей мере один соединитель или соединители могут быть сформированы на предложенном устройстве для его интегрирования с системой управления электрическим полем. Указанные электроды могут контактировать с граничным материалом, а для выпуска электролизных газов могут быть выполнены вентиляционные отверстия.

Предпочтительно блок для приложения электрического поля дополнительно содержит соединительные плечи, такие как флюидные плечи, расположенные с возможностью электрического соединения каждого электрода с электрической граничной областью. Например, вышеуказанные лунки могут быть соединены с полостью, наполненной электрической граничной областью, посредством указанных соединительных плеч. Использование флюидных плеч в блоке для приложения электрического поля способствует повышению гибкости конструкции. Например, отверстия могут быть просверлены в верхней части подложки и могут иметь любую конструкцию, подходящую для применения, в то время как флюидные плечи действуют в качестве проводников для приложения напряжений к электрической граничной области. Путем тщательного проектирования размеров каждого плеча (и, следовательно, электрического сопротивления, которое оно имеет) обеспечивается возможность управления уровнем напряжения, приложенного к материалу. Каждое соединительное плечо предпочтительно соединяет один из электродов с электрической граничной областью.

Если проводящий объем представляет собой канал, то отверстия в подложке могут быть периодически отделены друг от друга вдоль одиночной линии, которая следует за периферийной областью проводящего объема. Однако это не является существенным, и каждое отверстие может быть расположено на различном расстоянии от проводящего объема. Согласно одному варианту реализации отверстия могут быть расположены в шахматном порядке относительно периферийной области проводящего объема для максимизации количества отверстий, которые могут быть размещены вдоль периферийной области проводящего объема. Разница в расположении отверстий (и, следовательно, электродов, которые они содержат при использовании) может быть компенсирована конструкцией флюидных плеч блока для приложения электрического поля, проходящих между отверстием и материалом. Однако, согласно другим вариантам реализации изменяющиеся расстояния могут быть использованы для задания изменения напряжений, которое является необходимым для возбуждения электрического поля вдоль периферийной области проводящего объема.

Если проводящий объем представляет собой канал в форме незамкнутого контура (например, канал, имеющий по меньшей мере два различных "конца", физических или нефизических), блок для приложения электрического поля может быть выполнен с возможностью противодействия краевым эффектам поля. Например, в случае линейного канала могут быть использованы два дополнительных электрода для подачи дополнительного напряжения в каждом конце канала. Предпочтительно указанные электроды вставлены в луночные блоки в канале, в результате чего указанные луночные блоки также могут быть служить в качестве входных и/или выходных отверстий в канале.

Как указано выше, электрическая граничная область может содержать больше одного компонента и согласно одному варианту реализации содержит ионно-проводящий материал и неионно-проводящий материал таким образом, что ионно-проводящий материал расположен между неионно-проводящим материалом и проводящим объемом, и дискретное электрическое поле приложено блоком для приложения электрического поля к неионно-проводящему материалу. Например, неионно-проводящий материал может быть размещен между ионно-проводящим материалом и электродами. Неионно-проводящий материал обеспечивает проводимость прежде всего за счет перемещения электронов (и/или дырок) и может быть, например, резистивным полимером или полупроводником, таким как кремний.

Согласно данным вариантам реализации предпочтительно проводимость неионно-проводящего материала и проводимость ионно-проводящего материала являются согласованными таким образом, что неионно-проводящий материал и ионно-проводящий материал способствуют сглаживанию дискретного электрического поля. Как описано выше в связи с относительными проводимостями/удельными сопротивлениями проводящего объема и электрической граничной области, в настоящем контексте термин "согласованный" не означает, что указанные проводимости/удельные сопротивления должны быть равными, не смотря на то, что предпочтительно они по меньшей мере должны быть подобными. При "согласовании" проводимости/удельные сопротивления двух (или большего количества) компонентов электрической граничной области учитываются наряду с параметрами приложенного поля таким образом, что неионно-проводящий материал и ионно-проводящий материал оба способствуют сглаживанию дискретного электрического поля. Если, с другой стороны, относительные проводимости указанных двух материалов заметно отличаются друг от друга, то в соответствии с законом Ома весь ток, являющийся результатом приложенных напряжений, может проходить только через ионно-проводящий материал или только через неионно-проводящий материал. Таким образом, может быть значительно изменен эффект сглаживания поля, что приводит к чрезмерному или недостаточному сглаживанию поля и может вызвать эффект экранирования поля. Таким образом, согласно предпочтительным вариантам реализации величины проводимостей/удельных сопротивлений компонентов имеют одинаковый порядок. Согласно наиболее предпочтительным вариантам реализации отношение проводимостей/удельных сопротивлений указанных двух материалов находится в диапазоне между 1:100 и 1:1, предпочтительно между 1:50 и 1:1, более предпочтительно между 1:10 и 1:1.

Те же рассуждения справедливы к электрической граничной области, содержащей два или большее количество последовательных ионно-проводящих компонентов или смесь ионно-проводящих и неионно-проводящих компонентов, если проводимости/удельные сопротивления каждого компонента предпочтительно являются "согласованными".

Конструкции, содержащие неионно-проводящий материал в ка