用於產生電場的高阻抗系統及所使用的方法
2023-06-12 21:36:31
專利名稱：：用於產生電場的高阻抗系統及所使用的方法
技術領域：
：本發明實施例涉及一種用於向串聯電容性網絡施加時變、非時變或脈衝電壓電位以建立或者產生均勻或非均勻電場的系統，所述電場又用於許多應用。更特定來說，所述實施例採用具有特定電特性的介電材料，所述介電材料經布置或經配置以形成劃分或者分配在對置的電極之間所施加的電位的串聯電容網絡，從而導致E場在標的材料中(或者跨越所述標的材料)而集中。
背景技術：
：不管有還是沒有磁場組件，無論在一特定應用中被認為是弱還是強，靜態、時變及脈衝電場均在各種行業中用於各種各樣的應用中。在某些現有應用中，且當時變外加電壓用於本發明實施例時，電荷載流子可相對於實驗框架而移動，因此磁場(B場)伴隨電場(E場)，然而，對於本發明實施例來說，僅E場是相關的。E場應用的實例包含但不限於以下電泳凝膠型及毛細管型兩者均採用通過懸浮介質的電流、電阻負載，由此建立用於分離、區分及分級DNA、蛋白質及其它分子的電場。電穿孔(類似於電通透作用)使用通常以各種波形及脈衝速率加脈衝的強電場來導致活細胞膜的介電擊穿，由此影響可逆及不可逆穿孔及或通透以達到轉染、巴式滅菌或殺菌的目的；及電場流分級(FFF、類似於EFFF、n-EFF、CyEFF及其它)為將較大分子及/或較小粒子與標的液體分離、分級及區分，可對流體流採用電場正交。大體來說，可通過在外加電壓既定的情況下增大場強或相反地，通過在場強既定的情況下減小外加電壓來加速或者增強由E場的作用驅動、支持或促進的過程或效應。這是由於電容率、體積電阻率及最大允許場應力等材料特性與這些參數對場強、介電擊穿、場幾何結構、電流及能量消耗等不同電路要素的影響之間的關係而實現的。在E場的影響或直接作用下進行的應用通常由通過電解雙層形成、電極極化及能量消耗而產生的歐姆熱、電化學(感應電荷轉移)、場屏蔽等不合需要的影響而限定。由於工作介質(通常為用於這種應用的液體或凝膠)的歐姆熱及介質/電極界面處不合需要的電化學(感應電荷轉移)，電流是電泳、電穿孔及場流分級裝置中的外加場強的一個限定因素。例如，近二十年來已付出很多努力來將臨床電穿孔過程(主要用於對活生物細胞的轉染)應用於商業等溫巴式滅菌(通常稱作脈衝電場非熱巴式滅菌或PEF)。可逆電穿孔是非致命性的且可通過對外加場強及暴露時間的仔細控制來完成，其中不可逆電穿孔的標誌是細胞死亡、代謝失活或下垂。由於PEF系統的低阻抗性質(其中裸露的導電電極直接耦合到受處理流體)，已將脈衝電壓波形用作減小平均能量、歐姆熱及流體/電極界面處不合需要的電化學的手段。這同樣適用於電泳及電場流分級(EFFF)方法及裝置。雖然場強的增大會改善過程的效率及/或速率，但增大外加電壓來作為增大場強的手段會導致過度的電流及與之相關聯的歐姆熱、不合需要的電化學反應以及上文提及的其它不合需要的反應。在EFFF的情況下，最近已做出努力來使用微機械加工及微電子技術減小流體通道高度，以此來有效地減小所述電極之間的場尺寸且由此增大場強並同時減輕電流。由於增大E場強同樣需要增大外加電壓及/或減小電極之間的距離，因此工作介質(無論是氣體、液體還是固體)的介電擊穿在所有應用中都是額外的限定因素。雖然在傳統的導電電極與受處理介質之間塗布或並置常用的介電^"料允許施加較高的電壓，從而意味著較高的E場強，但其效應被所使用的介電材料兩端的較大電壓降抵銷，因此降低了受處理介質的E場。這可由於電壓下降且因此E場在串聯電容網絡中被劃分或者分配的方式而發生。有利地，可研製一種用於產生可明顯減輕或完全解決先前系統及方法的不合需要的影響的E場的系統。
發明內容因此，本發明的一個實施例包含一種用於產生電場的高阻抗系統，且包括一對包括介電材料的電極，其中每一電極具有至少一個塗布有導電材料的表面；且其中這一介電材料形成將所述導電塗層與受處理標的流體隔離的屏障；流體路徑或空間，其形成於所述電極對之間以使所述導電材料位於不與所述路徑或空間中的流體接觸的電極表面上；施加在所述電極兩端的時變、非時變或脈衝電壓源；及含有所述電極對的外罩，所述外罩經配置以將靜態或動態標的液體維持在所述路徑或空間中。本發明的一個方法實施例包含一種使流體經受電場的方法，所述方法包括在一對電極之間形成流體路徑，其中所述電極包括介電材料且其中每一電極具有至少一個塗布有導電材料的表面，所述導電材料設置在不在所述流體路徑中的電極表面上；將所述電極包覆在外罩內以將靜態或動態標的流體維持在所述路徑中；向所述塗布有導電材料的電極的每一表面施加時變、非時變或脈衝電壓源，由此來形成電場；及導致流體進入所述流體路徑以使所述流體經受電場。用於產生利用高阻抗介電材料的E場的系統及方法，所述高阻抗介電材料總共具有三個必要的材料特性高電容率(e)、高體積電阻率(p)及高最大允許E場應力(cp)及利用在串聯電容網絡中劃分或分配E場的方式的物理幾何結構。根據以下詳細說明、圖式及權利要求書，本發明的其它變化形式、實施例及特徵將更為明顯。圖1圖解說明具有平行幾何結構的本發明的第一介電配置；圖2圖解說明具有圓柱形幾何結構的本發明的第二介電配置；圖3圖解說明經布置以形成串聯電容網絡的三個介電區段；圖4圖解說明圖3的介電幾何結構的等效電路圖；圖5圖解說明塗布在一側上的兩個鈦酸鹽陶瓷片，其中金屬銀薄膜在每一鈦酸鹽陶瓷片上形成一導電電極表面；圖6圖解說明圖5的電極的透視圖，所述電極附加到聚碳酸酯梁支撐且其間有空間以形成流體路徑。圖7是圖6的電極的頂視圖；圖8圖解說明附加到圖6及圖7中圖解說明的布置的另一側的對置梁支撐。圖9圖解說明本發明的高阻抗E場裝置的一個配置；圖10圖解說明圖6及圖7的平行板幾何結構的等效電路圖；圖11及圖12圖解說明根據本發明實施例的一個例示性系統配置；及圖13圖解說明圖11及圖12中圖解說明的配置的等效電路圖。具體實施方式出於促進了解根據本發明實施例原理的目的，現在將參照附圖中所圖解說明的實施例並使用特定語言來描述這些實施例。然而，應了解，本發明範圍並不打算限定於此。所屬
技術領域：
的技術人員及此揭示內容的所有者通常會構想出對本文中圖解說明的發明性特徵的任何改變及進一步修改及對本文中圖解說明的本發明原理的任何額外應用，且其均視為在所請求發明的範圍內。雖然本發明實施例具有許多應用，但本文描述針對生物細胞電穿孔的一個實施例。術語電穿孔在專利及學術文獻中有時稱作電通透，其廣泛地用於表示與在活細胞膜上施加電場的作用相關聯的現象。在細胞生物學、基因工程、藥物治療以及例如巴式滅菌及殺菌的生物技術工藝中，對懸浮在流體電解液中的細胞進行電穿孔是重要的。根據場強、暴露時間及波形形狀，外施電場可導致可逆或不可逆的孔形成以及類脂膜中的其它結構缺點，所述類脂膜包含細菌、真菌、孢子、病毒及哺乳動物(人體)細胞的膜。在可逆電穿孔的情況下，所述現象的標誌是5莫擴散通透性的瞬時增大，其已在數十年來用於對DNA、藥物、染料、蛋白質、縮氨酸及其它分子的轉染。當外施電場引起臨界跨膜電壓(在許多細菌類型中①產1V)時，在足夠長的時期內，孔形成及其它膜缺陷變得不可逆，從而導致細胞死亡及/或永久性的代謝失活，g卩，巴式滅菌或殺菌。用於臨床及實驗室的電穿孔裝置及方法已使用了數十年，且可容易^k購買到來用於小批量體積(通常'屮l到100ml)的轉染、巴式滅菌及殺菌。近二十年來已做出大量工作以使這些臨床及實驗室方法適用於需要以持續高流速代替小批量體積的商業應用。已建議、實施及申請了許多裝置及方法，然而，在所有當前及現有技術中均常見的是使用直接耦合到受處理流體的低阻抗導電電極。此使得這種裝置的等效電路在穩態模式下類似於電阻網絡，並伴隨著電導電流、歐姆熱、界面電荷轉移、雙層形成、電化學反應及過度能量消耗等參數必要條件。這些電阻負載參數導致業內普遍使用傳統電穿孔裝置中所採用的脈衝波形。無論是單極、雙極還是其它形狀，且不管在上升時間還是在衰減時間，均應用脈衝波形(有時稱作PEF)的使用來減輕前文提到的此領域中當前及現有技術中常見的低阻抗電阻性網絡的不合需要的影響。在試圖將這些技術適用到商業巴式滅菌應用的情況下，歐姆熱、不合需要的電化學反應及過度的能量消耗尤其成問題。本發明實施例由發明者杜撰為高阻抗電穿孔(下文中稱作HIE)且可減輕許多不合需要的影響，同時被證明與用於分批及高持續流速應用的現有技術及方法同樣有效或比其更有效。圖1及圖2分別顯示平行介電配置100及圓柱形介電配置150，其可有利於本發明方法實施例的實施。每一配置均顯示介電材料105、155、導電塗層110、160及受測試或受E場影響的材料115、165。對於形成有利於本發明實施例的串聯網絡的電容性元件來說，在對所述網絡中每一材料區段釋放電荷之前保存電荷置換，且與每一材料的電容率成比例地分配電位梯度(電壓降)連同電場。圖3考慮經布置以形成串聯電容網絡125的三個介電區段170、175及180。識別跨越每一介電區段的E場130、135。圖4顯示表示圖3的網絡125的電路圖140。考慮到圖3中描繪的布置，如果區段d170及Q180的電容率明顯地大於d175，則在脈衝的瞬態響應(階梯函數)期間，C,170及C,180兩端的電位及跨越C,170及C,180的E場與區段d175兩端的電位及跨越Q175的E場相比較會是很小的。此關係將可用於場的形成的總電位梯度有效地集中在中間區段中(此實例中的d175)。相同的關係應用於由2、4或多個介電區段幾何結構組成的網絡。因此，跨越受測試或受處理材料的外施場應力比當前及現有技術的方法及裝置中所外加的場應力更高。另外，使用具有高體積電阻率的介電電極可限定電流、歐姆熱及能量消耗，以及電極界面處不合需要的先佔電化學反應。本文發明者經由可信的實驗論證了本發明實施例的有效性。以下說明描述了其中包含所利用的系統及方法的實驗。然而，所屬
技術領域：
的技術人員應了解，本發明範圍並不限定於所利用的實驗系統及/或方法。現在參照圖5，圖中顯示由鉛-鎂-鉛鈦酸鹽陶瓷製成的兩個高阻抗介電電極200。也可使用其它材料，例如高電容率微粒/環氧複合材料或具有類似特性的材料。兩個鈦酸鹽陶瓷片200塗布在一側上且銀金屬薄膜在其上形成導電錶面210。在一個實施例中，所述電極測量為10mm厚X10mm寬X10mm長，且所述介電陶瓷具有以下電材料特性.-電容率5.3e—08[Fm"](相對介電常數er=6,000);體積電阻率-1012[Q-cm];及最大允許場應力9.0e+06[Vm"]。如圖6及圖7中所示，電極200附加到聚碳酸酯梁支撐200且其間有空間以形成流體路徑通道230，所述流體路徑通道測量為1mm深X10mm寬X100mm長，從而形成1000mm3或1ml的流體路徑或空間體積。液體口225準許標的液體流入或流出。由於由電極200之間的場施予的吸引力在系統充電時是強大的，因而提供梁支撐200來作為陶瓷電極200的結構應變緩衝。注意，電極200經布置以形成耦合到受處理測試液體的串聯電容網絡。圖7中所示方向箭頭A描繪所產生的E場的方向。圖8顯示完成不透流體路徑的對置梁支撐250。現在參照圖9，電極200及梁支撐220繼而安裝到外罩260(例如，1-1/4"PVC管)中，所述外罩填充有高電壓介電環氧265。分別附加正及負高電壓電纜導管270、275且同樣附加流體管配件280、285以形成最終的HIE裝置300(本文發明者稱作鹿角形結構)。受處理液體/細菌懸浮液通過連接到所示入口管配件280及出口管配件285的輸送管穿過流體路徑。正及負高電壓線290、295(圖11所示)分別通過正及負電纜導管270、275而饋送且定位成與每一對應電極200的銀導電錶面210直接接觸以形成用於系統充電的電連接。圖10顯示這一平行板幾何結構的等效電路圖310及圖例。圖11及圖12顯示一個完整的系統配置350。出於安全原因，HIE裝置300安裝於高電壓介電隔壁(例如，l/4n聚碳酸酯塑料薄片)上，並用導線連接到120kVDC的電源310。第一600ml流體320供應燒杯320垂直地安裝在HIE裝置300上方以通過重力作用使經接種液體可排到液體入口280並通過H正裝置300。第二600ml燒杯325設置在H正裝置300下方的水平面處，經處理的液體將從液體出口285排到所述燒杯中。圖13顯示電源310及HIE裝置300的等效電路圖360。在操作具有接種有細菌的測試液體的系統之前，以無菌胰酶大豆肉湯填充H正裝置300並測量其電特性。表#1顯示所預測及測量的值表ltableseeoriginaldocumentpage10其中Ct總有效電容，[pF];皮法Rt總串聯電阻，歐姆El跨越受測試液體的電場，[Vm-1];伏特沐Oa外加電壓(DC)，[V];伏特IS串聯電流，安培(未經測量的瞬態位移電流)在lps的脈衝期間，跨越受測試液體的最大E場約為8.5e+07Vm-l，其等於850kV/cm且表示強大的電場。然而，通過HIE裝置300的電流約為4.5e-07安培，其表示在產生強電場的情況下極低的電流(此圖式並不包含瞬態位移電流)。所測量值表示三個(3)單獨測試的平均值。關斷電源，且HIE裝置300在每一測量之間完全放電。在10kV的外加電壓(Oa)下操作用於電穿孔測試的系統350。在此電壓下提供給受處理經接種液體的電場El為7.82e+06Vm-l或約為78kV/cm。對於大腸桿菌的物理尺度而言，此場等於7.82Vpm-l且足以達到通常引用為膜電穿孔的閾值的臨界跨膜電位(例如，Oc^lV)。所述測試期間通過H正裝置300的電導電流(la)約為4.6e-08A(0.046微安)。僅H正裝置300處的平均功率消耗Pavg(其中不包含電纜及電源損失)就約為4.6e-04W(460微瓦)。由於經處理液體的體積為600ml，且用於完成流過過程的總時間約為480秒，因而總能量耗散Ut約為2.2e-01J(221毫焦耳)，估計比能耗Us為1.75e-03kJ/IRlog(1.75焦耳/升的對數下降)。累積暴露時間(tx)為800ms，為針對480秒總過程時間內的流速的平均時間。測試液體中的細菌載量下降了38%(以cfti/ml的形式表示的殺滅比例)或約為-0.21loglO的對數下降。所述殺滅比例是在測試時期期間以相等時間間隔提取的七個截取樣本的平均。雖然-0.21對數下降對於商業巴式滅菌的目的來說並不重要，但其對論述應用於活細胞電穿孔的本發明實施例的有效性的目的來說是重要的。未嘗試檢測或測量可逆電穿孔的範圍(即，膜通透性的瞬時增強)，但在殺滅比例較大的情況下，共存存活比例的電滲透效應是不變的。涵蓋電穿孔裝置、方法及理論的商業、學術及專利文獻的概述揭示了各種外加電壓、場強、波形、脈衝速率、上升/衰減分布曲線、幾何結構及流體流動方案。所有的當前及現有技術均釆用直接耦合到受處理液體的低阻抗導電電極，從而在穩態條件下使等效電路主要呈現為電阻性負載(所有電阻網絡中均存在電容及電感元件，然而，這些電路元件與此測驗無關)。對於臨床、實驗室及商業系統來說也是如此。然而，本發明實施例包括串聯電容網絡。下表給出用於操作所觀測電穿孔裝置及系統的關鍵電參數概述(某些值的範圍是廣泛的，但仍有指導性)表2tableseeoriginaldocumentpage11tableseeoriginaldocumentpage12其中-Oa外加電壓，[kV];千伏E,場強，[Vm—']及[kVcm-'];伏特/米，及千伏/釐米tp脈衝寬度，[^S];微秒fp脈衝頻率，[HZ];赫茲(每秒的脈衝數，而不是每秒的周期數)Us比能量，[kJ/IR^];千焦/升/對數下降從所述研究中收集的數據涵蓋各種各樣的可逆(瞬時通透)及不可逆(死亡)電穿孔效應兩者、若干不同細菌類型，且包含具有同軸(圓柱形)及平行流體路徑幾何結構的系統，以及分批型和連續流動方案兩者。然而，極少引用所述裝置或方法影響所達到的殺滅比例所需的比能量Us(表#2中的最後一列)。發明者實施的觀測(通常需要所研究報告以外的計算)揭示能量消耗相對於殺滅比例的值顯示為相當高。相反，為本論證而製造的HIE電穿孔裝置300耗用了約1.75e-03kJ/IR,。g的比能量(Us)，比所報告的最低比能量(Us)低了約4個數量級，且比所報告的最高比能量(Us)少了6個數量級。由於本發明實施例的高阻抗，每升每對數下降的此低能量消耗另外完全地解決了此領域中的當前及現有技術所呈現的流體/電極電化學及歐姆熱的問題。所屬
技術領域：
的技術人員應了解，儘管在所述本論證中使用非時變DC電壓(方波脈衝)來對HIE裝置300充電(為其供能)，但也可使用時變(AC)外加電壓。此外，雖然為串聯電容幾何結構採用平行板幾何結構，但其它幾何結構也同樣可適用，例如同軸(圓柱形串聯電容)幾何結構。除了將高阻抗場的產生應用於生物細胞的電穿孔以外，本發明發明者還已發現施加聲能與電穿孔之間的一致作用。可經由任何需要的手段施加所述聲能。例如，可通過以下來施加聲能1)通過附裝到H正裝置300的壓電傳感器的作用，所述壓電傳感器以如下方式及配置被附裝與外加電場脈衝或多個脈衝同時、在其之間連續地及/或在其之後將聲能傳遞給路徑230或空間中的流體；或，2)通過介電電極200自身的壓電響應的作用，其中經選擇用作屏障材料的材料具有適當的介電特性且也可以是壓電材料。在這種情況下，在施加外加電位的同時(既在空間上也在時間上)將聲能傳遞給受處理或受測試的流體。在此情況下，所述聲能具有與外加場相同的脈衝持續時間及脈衝時間間隔。施加聲能的這兩種途徑均可用於單個系統中也是可能的。也就是說，由壓電材料形成的介電電極用於將電場及聲能同時地傳遞給受處理流體，且第二專用電聲或機械聲傳感器經定位及配置以與外加電場同時地、在其之間連續地及/或在其之後將聲能傳遞給受處理流體。在對生物細胞進行電穿孔期間或緊隨其後向所述生物細胞施加脈衝縱向聲波波前呈現對細胞膜的周期性輻射壓力。由於電穿孔導致通過細胞膜形成開孔，因而輻射壓力的作用呈現為垂直於細胞膜極性軸的力且導致細胞變形。在細胞有質量慣性且上清液有粘度的情況下，所述細胞在輻射力的影響下在極點處變平。當細胞膜在極點(極性軸與輻射力向量平行)處變平時，所述輻射向量與所述膜與極性軸呈徑向的部分之間的入射角逐漸降低，也就是說，變得更垂直於所述力向量，由此促進了變平的過程。此變平過程繼續，直到輻射力由反慣性克服且粘滯力起作用且細胞開始移動。然而，在變平時期期間，下面兩件事中的一者或兩者相對於細胞的幾何結構而發生1)細胞的內部體積減小或2)膜區域增大(通過伸展)。由標準平面波縱向聲輻射壓力所導致的力是一種穩態現象，因而所述變平作用僅發生一次，在此之後細胞的形狀開始恢復，且然後整個細胞開始隨所述波前移動。然而，如果對聲能加脈衝，假如以比細胞的機械形狀恢復鬆弛時間更低的頻率來提供脈衝速率，則所述變平/恢復作用以所述脈衝速率進行。因為所述變形周期性地增大或減小細胞的內部體積，所以結果是"泵送"作用。所述泵送作用導致細胞質流體被泵送出細胞，且細胞外流體(上清液)被泵送到細胞中。所述作用可用於促進或加速細胞癱瘓，從而導致死亡及/或生物體代謝失活，由此在電場強度及場暴露期既定的情況下改善了效率及/或殺滅比例。雖然己參照幾個實施例詳細描述了本發明，但存在另外的變化及修改形式且仍屬於下文權利要求書中所描述及界定的本發明範圍及精神內。權利要求1、一種用於產生電場的高阻抗系統，其包括一對包括介電材料的電極，其中每一電極具有至少一個塗布有導電材料的表面；且其中所述介電材料形成將所述導電塗層與受處理標的流體隔離的屏障；流體路徑或空間區域，其形成於所述電極對之間以使所述導電材料位於不與所述路徑或空間中的所述標的流體接觸的電極表面上；施加在所述電極兩端的時變、非時變或脈衝電壓源；及含有所述電極對的外罩，所述外罩經配置以將靜態或動態標的流體維持在所述路徑或空間中。2、如權利要求l所述的系統，其中所述介電材料總共具有在S1.0KHz時大於8.8e-llFm"的靜態電容率、大於l,0E+04Qcm的體積電阻率及大於1.0kVmm'1的最大允許電場應力。3、如權利要求1所述的系統，其中所述電極是細長的、剖面為方形、且平行地布置。4、如權利要求3所述的系統，其中所述流體路徑或空間位於所述電極之間。5、如權利要求l所述的系統，其中所述電極是具有不同直徑的細長管。6、如權利要求5所述的系統，其中所述電極布置為同軸幾何結構，其中較小直徑電極定位於較大直徑電極內，從而在其間形成一環形流體路徑或空間。7、如權利要求6所述的系統，其中所述較大直徑電極的外表面及所述較小直徑電極的內表面塗布有導電材料。8、如權利要求1所述的系統，其中所述介電屏障材料是高電容率陶瓷、微粒/環氧複合材料或其它適當的介電材料。9、如權利要求l所述的系統，其中受測試或處理的流體呈液相、氣相或固相。10、如權利要求1所述的系統，其進一步包括用於向所述標的流體施加脈衝聲能的構件。11、如權利要求1所述的系統，其進一步包括可操作以向所述標的流體施加聲能的電聲或機械聲傳感器。12、如權利要求1所述的系統，其中所述電極由可操作以向所述標的流體施加聲能的壓電材料製成。13、一種用於產生電場的高阻抗系統，其包括一對包括介電材料的電極，其中每一電極具有至少一個塗布有導電材料的表面;所述介電材料形成將所述導電塗層與受測試或處理的標的流體隔離的屏障，且具有在蘭l.OKHz時大於8.8e-llFm"的電容率、大於1.0E+04Qcm的體積電阻率及大於1.0kVmm—1的最大允許電場應力；流體路徑或空間，其形成於所述電極對之間以使所述導電材料位於不與所述路徑或空間中的所述標的流體接觸的電極表面上；施加在所述電極兩端的時變、非時變或脈衝電壓源，其中所述介電材料布置為平行或同軸幾何結構，從而與所述受測試或處理的流體形成串聯電容網絡以集中或加強提供給所述流體的所述電場；及含有所述電極對的外罩，所述外罩經配置以將靜態或動態標的流體維持在所述路徑或空間中。14、如權利要求13所述的系統，其中所述介電屏障材料使所述流體與所述導電塗層絕緣，從而基本上防止流體/電極界面處的感應電流及電化學。15、如權利要求13所述的系統，其中所述介電屏障材料進一步使所述流體與所述導電塗層絕緣，從而基本上防止電子及離子傳導電流通過所述系統以及所述系統的歐姆熱。16、如權利要求13所述的系統，其進一步包括用於向受電場處理或測試的所述標的流體施加脈衝聲能的裝置，所述聲能的施加與所述電場的施加在時間或空間上同時、及/或在時間或空間上連續及/或在時間或空間上隨後進行。17、如權利要求1所述的系統，其進一步包括可操作以向所述標的流體施加聲能的電聲或機械聲傳感器。18、如權利要求1所述的系統，其中所述電極由可操作以向所述標的流體施加聲能的壓電材料製成。19、一種使流體經受電場的方法，所述方法包括在一對電極之間形成流體路徑或空間，其中所述電極包括介電材料且其中每一電極具有至少一個塗布有導電材料的表面，且其中所述介電材料形成將所述導電塗層與所述受處理或受測試的標的流體隔離的屏障，且設置在電極表面上的所述導體材料不與所述路徑或空間中的所述標的流體接觸；將所述電極包覆在外罩內以將所述標的流體以靜態或動態狀態維持在所述路徑或空間內；向塗布有所述導電材料的所述電極的每一表面施加時變、非時變或脈衝電壓源，由此在所述路徑或空間中的所述流體兩端或跨越所述流體形成電場；及使流體進入所述流體路徑或空間以使所述標的流體暴露到所述電場並由此接受處理或測試。20、如權利要求19所述的方法，其進一步包括選擇具有在S1.0KHz時大於8.8e-llFm—1的電容率、大於1.0E+0Qcm的體積電阻率及大於.OkVmm'1的最大允許電場應力的介電材料，因此使所述標的流體電絕緣以基本上防止所述流體/電極界面處的感應電流、電導電流及電化學，以及跨越受測試或處理的所述標的材料的歐姆執。21、如權利要求19所述的方法，其進一步包括兩個介電電極以在兩個平行的細長電極之間形成所述流體路徑或空間，其中所述電極具有方形或矩形剖面，且其中所述平行電極幾何結構與所述標的流體形成串聯電容網絡，由此來增大或集中跨越所述標的流體的所述電場。22、如權利要求19所述的方法，其進一步包括兩個介電電極以在兩個管狀的同軸布置的電極之間形成所述流體路徑或空間，且其中所述同軸電極幾何結構與所述標的流體形成串聯電容網絡，由此增大或集中跨越所述受測試或處理的材料的所述電場。23、如權利要求19所述的方法，其進一步包括呈液相、氣相或固相的受處理或受測試的所述流體。24、如權利要求19所述的方法，其進一步包括與所述電場的施加同時地、在其之間連續地及/或在其之後向受處理或受測試的所述標的流體施加聲能。25、一種將標的流體暴露到電場的高阻抗方法，其包括在一對電極之間形成流體路徑或空間，其中所述電極包括介電材料且其中每一電極具有至少一個塗布有導電材料的表面，且其中所述介電材料形成將所述導電塗層與受處理或受測試的所述標的流體隔離的屏障，設置於電極表面上的所述導電材料不與所述路徑或空間中的所述流體接觸；將所述電極包覆在外罩內以將標的流體以靜態或動態狀態維持在所述路徑或空間內；在所述電極兩端施加時變、非時變或脈衝電壓源，其中所述介電材料布置為平行或同軸幾何結構，從而與所述受測試或處理的流體形成串聯電容網絡以集中或加強提供給所述流體的所述電場；及使流體進入所述流體路徑或空間以將所述標的流體暴露到所述電場。26、如權利要求25所述的方法，其進一步包括將所述流體與所述導電塗層絕緣的所述介電材料，由此來基本上防止所述流體/電極界面處的感應電流、電導電流及電化學。27、如權利要求25所述的方法，其進一步包括所述介電材料，其可以是高電容率陶瓷、微粒/環氧複合材料或其它適當材料。28、如權利要求25所述的方法，其進一步包括向所述流體施加聲能，所述聲能的施加與所述電場的施加同時地、在其之間連續地且/或在其之後進行。全文摘要本發明揭示一種用於產生可用於各種應用的時變及非時變電場(E場)的系統及方法。產生所述E場利用高阻抗介電材料，其總共具有高電容率(ε)、高體積電阻率(ρ)及高最大允許E場應力(Φ)這三個必要材料特性；及採取在串聯電容網絡中劃分或分配E場的方式的物理幾何結構。所產生的E場可作用於標的材料，其包含氣體、液體或固體，其中所述材料是固定的或移動的。所述方法允許以顯著較低的外加電壓Φa在所述標的材料中建立既定強度的E場，或相反地，以既定的外加電壓Φa建立具有顯著較高E場強度的E場。所述方法可預防電導電流通過所述標的材料，由此顯著地降低電導電流、能量消耗、歐姆熱和電極/流體界面處的先佔電化學反應。也可施加聲能。文檔編號G01N27/02GK101331392SQ200680047571公開日2008年12月24日申請日期2006年10月31日優先權日2005年11月2日發明者彼得·魯賓,韋恩·A·梅申請人:梅-魯賓科技公司