CN1379857A - 用于伸展聚合物的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供结构和方法,其使任何长度的聚合物,包括包含完全基因组的核酸,伸展成为长的、线型形态,用于进一步的分析。本发明也提供用于以它们的长度为基础来选择和伸展聚合物的结构和方法。聚合物被输入装置并且穿过结构。伸展通过例如当聚合物通过该结构时施加剪切力、在聚合物路径中放置障碍物或者其结合来完成。因为许多的分子可以连续地伸展,因此获得极其高通过量的筛选,例如超过每秒一分子的筛选。
Description
本申请要求1999年8月13日提出的美国临时申请60/149,020的利益，其全文在此引为参考。
1.发明领域
本发明涉及聚合物表征的一般领域。更具体地，本发明涉及利用结构在微型组件中伸展聚合物或以长度为基础来选择聚合物。
2.发明背景
大分子与生物***的多样性和实质的功能有关。解释功能、动力学和大分子的相互作用的能力取决于对它们的化学和三维构造的理解。这三个方面-化学和三维构造和动态特性-是相互关联的。例如，蛋白质的化学组成，和更具体地氨基酸的线性排列，明确地决定了在生物合成之后多肽链折叠形成的三维结构(Kim & Baldwin(1990)Ann.Rev.Biochem.59：631-660)，其进而决定了蛋白质与其他大分子的相互作用，以及使蛋白质正确活动的相的相对流动性。
生物大分子既是聚合物也是聚合物的复合物。不同种类的大分子由不同种类的单体组成，即就蛋白质而言为二十种氨基酸，而就核酸而言为四种主要的核碱基(nucleobase)。大量的信息可以从确定聚合物链中单体的线型或初级序列中获得。例如，通过测定核酸的初级序列，可以确定通过核酸编码的蛋白质的初级序列，以便产生表达图形用于mRNA表达形式的确定，确定蛋白质表达形式和理解与疾病状态对应的基因突变。此外，特有的核碱基序列沿具体的DNA聚合物的分布特征图可用于明确地识别DNA，如用于法医检定。为此，快速、精确和廉价的表征聚合物尤其是核酸的方法，正在由于人类基因组计划对人类基因组排序的努力而发展。
表征单体在聚合物链中的线性序列的挑战，来自聚合物在大多数的介质中采取不可预知的、卷绕的形态的自然趋势。这种卷绕的平均数取决于聚合物与周围溶液的相互作用、该聚合物的刚性和聚合物与自身相互作用的能量。在大多数情况下，该卷绕是相当明显的。例如，λ-噬菌体DNA，理论上在伸展该DNA呈B形态时16μm长，具有大约1μm的无规线团直径(Smith等(1989)Science 243：203-206)。
DNA和许多其他的生物聚合物可以模型化为呈螺旋形链的均一的弹性棒条体，以确定它们的无规线团性质(Austin等(1997)PhysicsToday 50(2)：32-38)。一个关联参数是相关长度，P，在该长度上方向性得以保持，其由下式给出：
P＝к/kBT (1)其中к是弹性弯曲模量(Houseal等(1989)Biophys.J.56：507-516)，kB是玻耳兹曼常数，和T是温度(Austin等(1997)Physics Today 50(2)：32-38)。较长的相关长度意思指聚合物是更为刚性的和更为舒展的。在生理条件下，对于DNA，P≈50nm。虽然比2.5nm的分子直径大，该相关长度比一般DNA分子例如人的染色体的实际长度小许多数量级，其为大约50mm长。从该相关长度可以按如下计算总体线团尺寸R(Austin等(1997)Physics Today 50(2)：32-38)：
<R2>＝2PL (2)其中L为DNA分子的等同长度。就染色体DNA而言，R≈70μm。清楚地，在舒展的5cm长的DNA碎片上解析信息比在具有70μm线团尺寸的DNA碎片上更为容易。
伸展聚合物例如DNA所必需的力不是很大。螺旋形链模型使聚合物被认为象弹簧，并且将它伸展接近于它的完全的自然长度需要的力(Fs)可以按照如下计算(Austin等(1997)Physics Today 50(2)：32-38)：
Fs≈kBT/P (3)其中所有参数定义如上。低于Fs，施加的力与伸展的量之间的关系大致为线性；高于Fs，施加更大的力导致小的伸展变化(Smith等(1992)Science 258：1122-1126；Bustamante(1994)Science 265：1599-1600)。因此，完全的伸展必须通过施加Fs来达到。就DNA而言，将其从线团形态伸展到全长所需要的力，该伸展形态保持B形态，为大约0.1pN。这样小的力原则上可以从事实上任何来源中获得，包括剪切力、电力和重力。
在伸展DNA时，危险并非来自共价键的破坏，其需要至少1nN的力(Grandbois等(1999)Science 283：1727-1730)，而是在于过度伸展。已经注意到，当施加70pN的力时，DNA采用超-松弛形态，所谓的“S-DNA”，具有几乎两倍于具有相同碱基对数的正常B型DNA的长度(Austin等(1997)Physics Today 50(2)：32-38)。其他人报告了在50pN力下的这种转变(Marko & Siggia(1995)Macromolecules 28：8759-8770)。S-DNA的长度比伸展到其自然长度的B-DNA的长度具有较小的一致性，并且更依赖于施加的精确的力(Cluzel等(1996)Science 271：792-794)，随着外加力线性地从1.7到2.1倍于B-DNA的长度变化。因为可能不知道施加的精确的力，因此希望避免将DNA伸展成为其S-形态。因此，具有大约两个数量级范围的，从大约0.1pN到25pN的力，能够一致地和可预测地伸展DNA成充分伸展的B型DNA。
此外，该力必须足够快速地施加，以使聚合物不重新缠绕。聚合物的自然弛豫时间，τ，取决于溶剂(Marko(1998)Physical ReviewE27：2134-2149)，如下所示：
τ≈L2Pμ/kBT (4)其中μ为溶剂的粘度，而其他参数如上定义。就生理条件下的DNA而言，该弛豫时间为大约6秒，在具有220cp的粘度的溶液中可以增加到20秒(Smith等(1999)Science 283：1724-1727)，或通过使DNA在限定空间中通过拉长P并且改变粘性阻力(Bakajin等(1998)Phys.Rev.Let.80：2737-2740)。弛豫时间也是伸展程度的函数(Hatfield& Quake(1999)Phys.Rev.Let.82：3548-3551)，所以上述的计算值是实际的弛豫时间的下限。
不管该弛豫时间的精确值，聚合物必须在较短的时间范围内伸展。在流过通道的情况下，其中伸展起源于在聚合物上的流体应变，合适的伸展时间范围是应变速率的倒数。该应变速率定义为dε/dt＝dvx/dx，其中x是流向和vx是速度沿x的分量。许多的应变速率和弛豫时间被称为德博拉数，De＝τdε/dt，并且可用于确定是否伸展将被保持(Smith & Chu(1998)Science 281：1335-1340)。如果De比1大许多，则应变力占主导地位并且该聚合物将保持伸展状态。如果De比1小许多，则自然弛豫过程占支配地位并且聚合物不会保持伸展状态。当包括其他拉伸力时，可以由其他合理的时间范围得到无量纲值，例如在伸长流动中的韦森堡数(Smith等(1999)Science283：1724-1727)。
用于伸展DNA的先有技术包括在一表面上固定分子的至少一端，然后控制另一端，利用物理力进行伸展，然后固定，或通过一具有限制尺寸的凝胶。早期的伸展DNA用于尺寸测量的尝试由Houseal等进行。(1989，Biophys.J.56：507-516)。将DNA溶液与金表面接触产生了满意的粘结，使用Kleinschmidt方法，其被广泛地使用在电子显微技术中用以在蛋白质单层上伸展DNA分子，导致许多分子保持卷绕而非伸展。另一种尝试是通过使用吸移管管理器“逐渐地”将其涂抹以伸展DNA，但该技术难以自动化(PCT出版物No.WO93/22463)。
已经设计了更复杂的方案用于在表面上固定DNA及其他聚合物的一端。通常，他们包括将表面暴露于活性基团例如羟基、胺、硫醇、醛、酮或羧基以改性表面，或加上偶合结构如抗生物素蛋白、抗生蛋白链菌素和维生素H。这些技术的例子可见于PCT出版物No.97/06278；U.S.专利No.5,846,724和Zimmermann & Cox(1994)Nucl.Acids Res.22：492-497。通常这些技术包括使用硅烷(Bensimon等(1994)Science 265：2096-2098)。
一旦聚合物的一端被固定，可以进行伸展，因为力可以垂直于附着表面定向。一个普通方法是使用后退弯月面排列聚合物，该方法有时称为“分子梳理”。在该技术中引入第二流体，其与第一流体是实质上不混溶的，在所述交界面形成弯月面。然后通过力学的、热力的、电学的或化学方法或简单地通过蒸发将初流体逐渐地除去并且被所述新的流体替代。当所述交界面移动时，聚合物借助于表面张力被排列成垂直于所述交界面，因此变成伸展的。该方法的伸展力可以表示为聚合物直径D(对于双链DNA，D＝2.2nm)和表面张力γ的函数(Bensimon等(1994)Science 265：2096-2098)：F＝γπD。
对于空气/水界面，γ为0.07N/m，对DNA产生大约40pN的力，显然其处于要求的范围内。如果第二流体被正确地选择以阻止聚合物运动，则所述聚合物在长时期内保持固定就位。此外，附着于相同表面的相邻的聚合物全部以相同方向排列。所涉及的两种流体，虽然通常是所述聚合物的溶剂，但可以只是部分溶剂并且一种甚至可以是空气。拉伸度取决于所述表面的改性(Bensimon，D.等(1995)Phys.Rev.Lett.74(23)：4754-4747)，但是对于任何给定的表面处理其是一致的。已经使用了该技术的变体(U.S.专利5,851,769；PCT出版物WO97/06278；Bensimon等(1994)Science 265：2096-2098；U.S.专利5,840,862；Cox & Zimmermann(1994)Nucl.Acids Res.22：492-497)。然而，该技术不易于高-通过量操作，因为所述固定是一种限速步骤，并且在所述固定之后的进一步的聚合物改性是更加困难的。
另一种处理一端固定的DNA的方法涉及利用光阱(opticaltrap)。在该技术中，通过发射光量子，激光束(“光镊子”)给予DNA分子以动量。通过移动所述光量子的位置，即移动光束，可以极其精确地改变DNA的移动方向(U.S.专利5,079,169，Chu(1991)Science253：861-866)。因此，DNA分子可以使用光镊子来伸展。该技术的优点是能够改变用于伸展的力，并且已经用于验证表层塌滑理论(Perkins等(1994)Science 264：819-822)。然而，激光每次只能将一个分子保持在适当的位置，并且对于每个随后的分子必须重新排列，这使其在高-通过量分析中不具有吸引力。
第三种伸展DNA的方法涉及一端被固定的DNA的电泳，使分子独立的一端向远离固定端的方向移动，并且随后用抗生物素蛋白将固定端附着于表面，或者涉及两端自由的DNA的电泳，然后用抗生物素蛋白将两端附着于表面(Kabata等(1993)Science 262：1561-1563；Zimmerman & Cox(1994)Nucl.Acids Res.22：492-497)。尚无表征使用该技术进行伸展的质量的尝试。此外，该技术同样具有上述技术的缺点(就后-固定方法而论)。
在不固定分子一端的情况下，也通过电泳对DNA进行了伸展。作为用于定序生物分子的近场探测的一部分，DNA已经在凝胶和溶液两者中通过电泳延伸，其中使用电力将DNA移动到适当位置用于辨认(U.S.专利5,538,898)。然而，没有给出数据以确定伸展高分子聚合物的质量，并且该技术被限制在每次分析大约3兆碱基。
该思想的扩展涉及利用介电电泳，或交流电场，以伸展DNA。Washizu和Kurosawa((1990)IEEE Transactions on IndustryApplications 26：1165-1172)指明，在具有106V/m强度和400kHz或以上频率的场中可以在B-DNA形式中伸展DNA至其全长。在某些较低的频率下(大约10kHz)，DNA也会完全地伸展，但是是在垂直于场的方向而非与其平行。该技术已经应用于测定DNA尺寸，其通过在电极之间建造一具有逐渐缩减宽度的间隙，使DNA在间隙宽度等于DNA的长度处排列。还发现该技术不会伸展单链DNA，因为来自双链DNA的溶剂相互作用不同(Washizu等(1995)IEEE Transactions onIndustry Applications 31：447-456)。该技术的一个缺点是，由于沿着DNA的长度存在诱导偶极，样品容易聚集，并且在不均匀试样中难以准确地识别组分。此外，这些实验必须在去离子水中进行，以避免不希望的焦耳加热和电-渗透流的作用，从而带来样品制备困难，因为大多数的DNA存在于盐溶液或其他溶剂中。
重力也被用来伸展DNA(U.S.专利5,707,797；Windle(1993)Nature Genetics 5：17-21)。在该技术中，来自细胞的十二烷基硫酸钠lysing的DNA滴从固定成一定角度的滑片流下。重力的作用足以伸直DNA，甚至至其过度-伸展的S-DNA形式。然后将该DNA固定在滑片上，在伸展相对困难之前进行例如莹光标记。
Church等发展了另一种用于聚合物表征的方法，其涉及测量在聚合物穿过界面时在介质双库(pool)之间界面上的物理变化(U.S.专利5,795,782)。该方法是相对固定的。例如，用于核酸表征的离子通道方案(Church等(1999)Science 284：1754-1756)只能用于单股DNA。可用于多种聚合物的界面还有待于发展。
Kambara等开发了DNA长度的测定方法(U.S.专利5,356,776)。该方法涉及通过凝胶的DNA电泳；当DNA到达直径不大于数微米的凝胶的一部分时，其被迫成为直线，在此完成DNA每个末端上的莹光标记检测。在另一个实施方案中，DNA的一端被固定在孔中，通过电泳伸展，并且探测分子另一末端的标记。在该方法中利用凝胶迫使使用比在溶液中更高的电压以移动DNA，并且末端标记排除了DNA的大多数其他表征。此外，长DNA分子趋于在凝胶中缠结。一种改进的电泳方法，即脉冲-场电泳(Schwartz & Koval(1989)Nature 338：520-522)，可以通过移动电场使DNA的较长碎片完全伸展。然而，由于场变动该技术用时较长，并且具有电泳的其他缺点。
Schwartz等开发了一种用于伸展DNA的凝胶基和溶液法的混合方法((1993)Science 262：110-113)。DNA被放入自由熔融的琼脂糖溶液中，通过重力伸展，然后通过凝胶化作用方法被固定就位。在凝胶化作用期间也加入酶，以在特异性位分割DNA。该方法在产生限制图谱中是有效的，然而，在琼脂糖介质中的可预测的伸展是困难的，并且将该技术用于高-通过量的分析未切DNA的方法是成问题的。
用于表征粒子的其他技术不依赖于伸展。例如，Schwartz开发的方法(U.S.专利5,599,664；EP0391674)通过对粒子施加力并且测量构型和位置变化来测定尺寸和质量。在聚合物的情况下，该力通常施加于卷绕的形态。另一种测定DNA分子尺寸和对DNA分子分类的方法(Chou等(1999)Proc.Natl.Acad.Sci.USA 96：11-13)涉及在微米尺度操作的装置。该装置利用来自通过检波器的卷绕DNA的积分荧光信号进行分析。Schmalzing等((1998)Analytical Chemistry70：2303-2310；(1997)Proc.Natl.Acad.Sci.美国94：10273-10278)开发了显微制造的装置用于DNA分析，其包括使用传统技术例如电泳的小规模形式并且不依赖于DNA伸展的定序。
为了准确地测定在生物聚合物中信息的线性序列，必须伸展该生物聚合物以便可区分个体单元。虽然已经开发了许多伸展生物聚合物尤其是DNA的技术，但他们都具有缺点，例如伸展的一致性和再现性、处理生物聚合物的容易性和对于全部类型和尺寸的生物聚合物的适用性。此外，这些方法都不适用于信息的快速分析方法，例如在合理的时间量程中对DNA的大碎片进行定序是必要的。显然，需要一种方法和装置用于可靠地伸展聚合物，以便更加迅速和准确地测定其中的信息的线性序列，以阐明复杂的遗传功能和诊断疾病和遗传功能障碍。
在此参考的引证不应该理解为是指出本发明的先有技术。
3.发明概述
在第一个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括锥形通道，所述锥形通道的宽度从第一端至第二端线性地减小，和其中所述至少一种聚合物，当存在时，沿着所述锥形通道从所述第一端到所述第二端的方向移动；借此当所述在流体样品中的至少一种聚合物沿着所述锥形通道移动时，剪切力被施加到所述至少一种聚合物上。
本发明的这一实施方案适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步的分析。
在第二个实施方案中，本发明涉及一种集成装置，其包括：(a)至少一种在流体样品中的聚合物；和(b)用于伸展所述至少一种聚合物的伸长结构，其中所述伸长结构包括锥形通道，所述锥形通道的宽度从第一端至第二端线性地减小，和其中所述至少一种聚合物，当存在时，沿着所述锥形通道从所述第一端到所述第二端的方向移动；借此当所述在流体样品中的至少一种聚合物沿着所述锥形通道移动时，剪切力被施加到所述至少一种聚合物上。
在第三个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括锥形通道，所述锥形通道的宽度从第一端至第二端以大于线性的速率减小，和其中所述至少一种聚合物，当存在时，沿着所述锥形通道从所述第一端到所述第二端的方向移动；借此当所述在流体样品中的至少一种聚合物沿着所述锥形通道移动时，剪切力被施加到所述至少一种聚合物上。
本发明的这一实施方案也适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步的分析。
在第四个实施方案中；本发明涉及一种集成装置；其包括：(a)至少一种在流体样品中的聚合物；和(b)用于伸展所述至少一种聚合物的伸长结构；其中所述伸长结构包括锥形通道；所述锥形通道的宽度从第一端至第二端以大于线性的速率减小；和其中所述至少一种聚合物；当存在时；沿着所述锥形通道从所述第一端到所述第二端的方向移动；借此当所述在流体样品中的至少一种聚合物沿着所述锥形通道移动时；剪切力被施加到所述至少一种聚合物上。
在第五个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括锥形通道，所述锥形通道的宽度从第一端至第二端减小，和其中所述至少一种聚合物，当存在时，沿着所述锥形通道从所述第一端到所述第二端的方向移动；借此当所述在流体样品中的至少一种聚合物沿着所述锥形通道移动时，剪切力被施加到所述至少一种聚合物上，其中所述剪切力产生恒定的剪切速率。
本发明的这一实施方案适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步的分析。
在第六个实施方案中，本发明涉及一种集成装置，其包括：(a)至少一种在流体样品中的聚合物；和(b)用于伸展所述至少一种聚合物的伸长结构，其中所述伸长结构包括锥形通道，所述锥形通道的宽度从第一端至第二端减小，和其中所述至少一种聚合物，当存在时，沿着所述锥形通道从所述第一端到所述第二端的方向移动；借此当所述在流体样品中的至少一种聚合物沿着所述锥形通道移动时，剪切力被施加到所述至少一种聚合物上，其中所述剪切力产生恒定的剪切速率。
在第七个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括伸长结构，其中所述伸长结构包括一个用于容纳流体的中央通道和许多用于容纳流体连接到所述中央通道的侧面通道；和其中所述至少一种聚合物，当存在时，沿着所述中央通道在伸长方向上移动。
本发明的这一实施方案适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步的分析。
在第八个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括：(a)一种伸长结构；(b)一种输送通道，其引入和引出所述伸长结构，用于输送所述至少一种在所述流体中的聚合物样品至所述伸长结构；和(c)用于使所述至少一种在所述流体样品中的聚合物，当存在时，在所述伸长结构内移动的设备，其中所述伸长结构包括一个用于容纳流体的中央通道和许多用于容纳流体连接到所述中央通道的侧面通道；和其中当所述至少一种聚合物存在时，所述设备使所述至少一种聚合物沿着所述中央通道在伸长方向上移动。
本发明的这一实施方案适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步的分析。
在第九个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展在流体样品中的DNA的集成装置，其包括：(a)一种伸长结构；(b)用于输送在所述流体样品中的所述DNA至所述伸长结构的设备；和(c)用于使在所述流体样品中的所述DNA，当存在时，在所述伸长结构内移动的设备，其中所述伸长结构包括一个用于容纳流体的中央通道和许多用于容纳流体连接到所述中央通道的侧面通道；和其中当所述DNA存在时，所述设备使所述DNA沿着所述中央通道在伸长方向上移动。
在第十个实施方案中，本发明涉及一种集成装置，其包括：(a)至少一种在流体样品中的聚合物；(b)用于伸展所述至少一种聚合物的伸长结构，其中所述伸长结构包括一个用于容纳流体的中央通道和许多用于容纳流体连接到所述中央通道的侧面通道。
在第十一个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个具有至少一个弯曲的通道，和其中所述至少一种聚合物，当存在时，沿着所述通道移动。
本发明的这一实施方案适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步的分析。
在第十二个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展在流体样品中的DNA的集成装置，其包括：(a)一种伸长结构；和(b)用于输送所述在所述流体样品中的DNA至所述伸长结构的设备，其中所述伸长结构包括一个具有至少一个弯曲的通道，和其中所述DNA，当存在时，沿着所述通道移动。
在第十三个实施方案中，本发明涉及一种集成装置，其包括：(a)至少一种在流体样品中的聚合物；和(b)一种用于伸展所述至少一种聚合物的伸长结构，其中所述伸长结构包括一个具有至少一个弯曲的通道。
在第十四个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个锥形通道，沿着该锥形通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向移动，和其中所述通道包括许多所述至少一种聚合物运动的障碍物。
本发明的这一实施方案适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步的分析。
在第十五个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个中央通道，沿着该中央通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向移动，和许多连接到所述中央通道的侧面通道，和其中所述中央通道进一步包括许多所述至少一种聚合物的运动障碍物。
在第十六个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个具有至少一个弯曲的通道，沿着该通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向移动，和其中所述通道包括许多所述至少一种聚合物的运动障碍物。
在第十七个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个通道，沿着该通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向移动，和其中所述通道包括许多柱子，所述柱子的至少一个具有非四边形多边形的截面形状。
本发明的第十五、第十六和第十七实施方案适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步的分析。
在第十八个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个通道，沿着该通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向上移动，和其中所述通道包括许多所述至少一种聚合物的运动障碍物，所述许多的障碍物被定位成一系列的排，每个所述排定位成垂直于所述流动方向，和每个连续的排与前一排偏离，借此沿着所述流动方向，至少一个不等于所述障碍物之一的1/2倍数的部分，重叠了由在所述前一排中两个邻近障碍物形成的间隙的延伸。
本发明的这一实施方案适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步的分析。
在第十九个实施方案中，本发明涉及一种集成装置，其包括(a)至少一种在流体样品中的聚合物，每种所述聚合物具有大于或等于最小直径的直径；和(b)一种用于伸展所述至少一种聚合物的伸长结构，其中所述伸长结构包括一个通道，沿着该通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向上移动，和其中所述通道包括许多所述至少一种聚合物的运动障碍物，所述许多的障碍物被定位成一系列的排，每个所述排垂直于所述流动方向定位，和在每个所述排的系列中的每个相邻障碍物对通过大于所述最小直径的50倍的距离隔开。
本发明的这一实施方案适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步的分析。
在第二十个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个通道，沿着该通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向上移动，和其中所述通道包括许多所述至少一种聚合物的运动障碍物，所述许多的障碍物沿着所述流动方向在尺寸上减小。
本发明的这一实施方案也适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步的分析。
在第二十一个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展DNA的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个锥形的中央通道，所述锥形的中央通道包括第一端和第二端，和其中所述DNA，当存在时，沿着所述锥形中央通道在从所述第一端至所述第二端的方向上移动，其中所述伸长进一步包括许多连接到所述锥形中央通道的侧面通道，其中所述锥形中央通道包括至少一个弯曲；和其中所述锥形中央通道包括许多所述DNA的运动障碍物。
在第二十二个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展DNA的集成装置，其包括一种伸长结构，所述伸长结构包括：(a)一个第一锥形通道，所述第一锥形通道包括一个第一端、一个第二端和在所述第一端和所述第二端之间交错排列的许多柱子，其构成12-15排，所述第一锥形通道的宽度以26.6°的角度减小，所述角度在所述第一端相对于一个恒定-宽度通道定义，所述第一端具有在0.5和5μm之间的宽度，所述柱子具有等于1.5μm2的横截面积并被等于0.5μm的间隙分开；和(b)一个第二锥形通道，所述第二锥形通道在所述第二端连接到所述第一锥形通道并且宽度减小至0.5和5μm之间，因此一个产生恒定剪切速率的剪切力被施加到所述DNA，当其存在时，所述第二锥形通道具有在1和3mm之间的长度。
在第二十三个实施方案中，本发明涉及用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括以下步骤：(a)输送所述至少一种聚合物至一种伸长结构，所述伸长结构包括一个具有第一端和第二端的锥形通道；和(b)沿着所述锥形通道从所述第一端至所述第二端移动所述至少一种聚合物，借此所述锥形通道使一个产生恒定剪切速率的剪切力，在所述至少一种聚合物沿着所述锥形通道移动时，施加到所述至少一种聚合物上。
本发明的这一实施方案包括的方法适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步的分析。
在第二十四个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括以下步骤：(a)输送所述至少一种聚合物至一种伸长结构，所述伸长结构包括一个具有一个第一端和一个第二端的线性地渐缩的通道；和(b)沿着所述锥形通道从所述第一端到所述第二端移动所述至少一种聚合物。
在第二十五个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括以下步骤：(a)输送所述至少一种聚合物至一种伸长结构，所述伸长结构包括一个具有一个第一端和一个第二端的锥形通道，所述锥形通道以大于线性的速率从所述第一端至所述第二端缩小；和(b)沿着所述锥形通道从所述第一端到所述第二端移动所述至少一种聚合物。
在第二十六个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括以下步骤：(a)输送所述至少一种聚合物至一种伸长结构，所述伸长结构包括一个容纳流体的中央通道和许多的容纳流体连接到所述中央通道侧面通道，所述中央通道包括一个第一端和一个第二端；和(b)沿着所述中央通道从所述第一端到所述第二端移动所述至少一种聚合物。
本发明的第二十四、第二十五和第二十六个实施方案的方法适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步分析。
在第二十七个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括以下步骤：(a)输送所述至少一种聚合物至一种伸长结构，所述伸长结构包括一个具有至少一个弯曲的通道，所述通道包括一个第一端和一个第二端；和(b)沿着所述通道从所述第一端到所述第二端移动所述至少一种聚合物。
本发明的这一实施方案包括的方法适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步的分析。
在第二十八个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括以下步骤：(a)输送所述至少一种聚合物至一种伸长结构，所述伸长结构包括一个通道和在所述通道内的许多所述至少一种聚合物的运动障碍物，所述中央通道包括一个第一端和一个第二端；和(b)沿着所述通道从所述第一端至所述第二端移动所述至少一种聚合物，其中所述许多的运动障碍物沿着从所述第一端到所述第二端的方向在尺寸上减小。
本发明的这一实施方案包括的方法适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步的分析。
在第二十九个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括以下步骤：(a)输送所述至少一种聚合物至一种伸长结构，所述伸长结构包括一个通道和在所述通道内的许多的所述至少一种聚合物的运动障碍物，所述中央通道包括一个第一端和一个第二端；和(b)沿着所述通道从所述第一端到所述第二端移动所述至少一种聚合物，其中所述障碍物的至少一个具有非四边形的多边形横截面形状。
本发明的这一实施方案包括的方法适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步的分析。
在第三十个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括以下步骤：(a)输送所述至少一种聚合物至一种伸长结构，所述伸长结构包括：(i)一个具有至少一个弯曲的锥形中央通道，所述锥形中央通道包括一个第一端和一个第二端；(ii)许多的连接到所述锥形中央通道的侧面通道；和(iii)在所述锥形中央通道内的许多所述至少一种聚合物的运动障碍物；和(b)沿着所述中央通道从所述第一端到所述第二端移动所述至少一种聚合物。
本发明的这一实施方案包括的方法适用于伸展聚合物，尤其是DNA，用于进一步的分析。
在第三十一个实施方案中，本发明涉及用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个通道，沿着该通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向上移动，和其中所述通道包括至少一个梯级，其使所述通道的高度，z，从第一端到第二端减小。
在第三十二个实施方案中，本发明涉及一种集成装置，其包括一种包括一个通道的伸长结构，所述通道包括至少一个梯级，其使所述通道的高度，z，从第一端至第二端减小，所述通道包括至少一种在流体样品中的聚合物，所述通道的设置使得在所述至少一种聚合物在从所述第一端到所述第二端的方向上移动时，在其上施加一个剪切力。
在第三十三个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，所述伸长结构包括：(a)一个第一通道，所述第一通道包括一个第一端和一个第二端；和(b)一个第二通道，所述第二通道包括一个第三端和一个第四端，所述第三端在所述第二端连接到所述第一通道，沿着通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向上移动，和其中所述第一通道从所述第一端至所述第二端在宽度上减小，其减小的速度不同于所述第二通道从所述第三端到所述第四端在宽度上减小的速度。
在第三十四个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，所述伸长结构包括：(a)一个第一通道，其宽度等于10μm和高度等于1μm，所述第一通道包括一个第一端、一个第二端和在所述第一端和所述第二端之间交错排列的许多的柱子，其构成至少12至15排，所述许多的柱子在所述第二端结束，并且所述许多的柱子中每个具有1-25μm2的横截面积；和(b)一个第二通道，所述第二通道包括一个第三端和一个第四端，所述第三端在所述第二端连接到所述第一通道，所述第二通道从所述第三端至所述第四端以1/x2的速度缩小，所述总宽从10μm缩小到1μm，其中x是沿着所述第二通道的长度的距离，所述第二通道的长度等于5μm，所述第二通道包括在所述第三端减少所述第二通道的高度至0.25μm2的一个梯级，其中所述至少一种聚合物，当存在时，沿着所述第一通道和所述第二通道在流动方向上移动。
在第三十五个实施方案中，本发明涉及一种用于以长度为基础有选择地伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括：(a)一个第一通道，所述第一通道包括一个第一端、一个第二端和在所述第一端和所述第二端之间交错排列的许多的柱子，在所述许多的柱子中每个柱子被定位于距离所述第二端不小于L；和(b)一个第二通道，所述第二通道包括一个第三端和一个第四端，所述第三端在所述第二端连接到所述第一通道，所述第二通道从所述第三端到所述第四端在宽度上缩小，沿着通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向上移动。
在第三十六个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展许多具有不同长度的在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括：(a)一个第一通道，所述第一通道包括一个第一端和一个第二端；(b)一个第二通道，所述第二通道包括一个第三端和一个第四端，所述第三端在所述第二端连接到所述第一通道，所述第二通道从所述第三端到所述第四端在宽度上缩小；和(c)在所述第一通道和所述第二通道中交错排列的许多柱子，沿着通道所述许多的聚合物，当存在时，在流动方向上移动。
在第三十七个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括沿着一种伸长结构移动所述至少一种聚合物，所述伸长结构包括一个第一通道，所述第一通道包括一个第一端和一个第二端；和一个第二通道，所述第二通道包括一个第三端和一个第四端，所述第三端在所述第二端连接到所述第一通道，其中所述第一通道从所述第一端至所述第二端在宽度上减小，其减小的速度不同于所述第二通道从所述第三端到所述第四端在宽度上减小的速度。
在第三十八个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种在流体样品中的、长度大于或等于L的聚合物的方法，其包括沿着一种伸长结构移动所述至少一种聚合物，所述伸长结构包括一个第一通道，所述第一通道包括一个第一端、一个第二端和在所述第一端和所述第二端之间交错排列的许多柱子，在所述许多柱子中的每个柱子被定位于距离所述第二端为L，和一个第二通道，所述第二通道包括一个第三端和一个第四端，所述第三端在所述第二端连接到所述第一通道，所述第二通道从所述第三端到所述第四端在宽度上缩小，其中具有大于或等于L的长度的聚合物伸展和具有小于L的长度的聚合物不被伸展。
在第三十九个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展许多具有不同长度的在流体样品中的聚合物的方法，其包括沿着一种伸长结构移动所述许多的聚合物，所述伸长结构包括：(a)一个第一通道，所述第一通道包括一个第一端和一个第二端；(b)一个第二通道，所述第二通道包括一个第三端和一个第四端，所述第三端在所述第二端连接到所述第一通道，所述第二通道从所述第三端到所述第四端在宽度上缩小；和(c)在所述第一通道和所述第二通道中交错排列的许多的柱子。
在第四十个实施方案中，本发明涉及一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括沿着一种伸长结构移动所述至少一种聚合物，所述伸长结构包括：(a)一个宽度等于10μm和高度等于1μm的第一通道，所述第一通道包括一个第一端、一个第二端和在所述第一端和所述第二端之间交错排列的许多的柱子，其构成至少12至15排，所述许多的柱子在所述第二端结束，和在所述许多柱子中的每个柱子具有1-25μm2的横截面积；和(b)一个第二通道，所述第二通道包括一个第三端和一个第四端，所述第三端在所述第二端连接到所述第一通道，所述第二通道从所述第三端至所述第四端在宽度上以1/x2的速度缩小，所述总宽从10μm缩小至1μm，其中x是沿着所述第二通道的长度的距离，所述第二通道的长度等于5μm，所述第二通道包括在所述第三端减少所述第二通道的高度至0.25μm2的梯级。
4.附图描述
图1显示属于本发明范围的各种结构的例子。
图2(a-m)表示：(a)包括漏斗、柱子、分支和串联结构的伸展结构的几个实施方案；(b)连续的具有柱子的两个-漏斗结构的放大例子；(c)复合柱子排列和分支结构的几种实施方案；(d)包含串联和并联结构的结构的实施方案；(e)不对称的分支结构；(f)具有限定小的间隙的小障碍物组合的结构；(g)具有多边形、栅和柱子的组合的结构；(h)不对称弯曲结构；(i)具有柱子的分支结构的放大图；(j)具有支柱的大漏斗结构；(k)具有柱子的漏斗结构；(l)具有线性增加流速、有和没有柱子的漏斗结构；和(m)本发明包括的某些漏斗结构的概要。
图3说明使用恒量渐缩通道的剪切-伸展方式的实施方案。
图4说明其中在流动沿着通道长度进行时剪切速率急速增大的剪切-伸展方式的实施方案。
图5说明使用用来产生恒定剪切力的锥形通道的剪切-伸展方式的实施方案。
图6说明其中剪切来自从侧面通道加入流体的剪切-伸展方式的实施方案。
图7(a)显示剪切力是如何在狭窄通道中产生的，其中局部的旋转和拉伸力的分量几乎相等；(b)显示当加入流体产生力时剪切力是如何产生的，其中拉伸力超过旋转力。
图8说明其中剪切来自变窄通道和存在侧面通道两者的剪切-伸展方式的实施方案。
图9(a)说明流体的“跑道效应”，在弯曲外侧的流体与在内侧的相比通过弯道用更长的时间；(b)显示“跑道效应”如何在弯曲中导致聚合物的伸展。
图10显示曲折方式的实施方案，其中通道呈正弦波形状。
图11显示曲折方式的实施方案，其中通道呈锯齿形的形状。
图12显示曲折方式的实施方案，其中通道呈“蛇”形直角。
图13显示当聚合物沿通道前进时弯曲通道如何用于多重检测。
图14显示在具有分级障碍物尺寸的障碍物区方式的实施方案中聚合物如何伸展。
图15说明一种伸长结构的座标框架。
图16(a)说明具有正方形-栅格排列的圆形障碍物的障碍物区方式的实施方案；(b)说明具有错位-栅格排列的圆形障碍物的障碍物区方式的实施方案。
图17说明具有放大纵横比的矩形障碍物密集间隔障碍物区方式的实施方案。
图18说明具有圆形障碍物密集间隔的障碍物区方式的实施方案。
图19说明具有三个分级尺寸的圆形障碍物的障碍物区方式的实施方案。
图20说明用于有不同尺寸的DNA的一致散开、输送和伸展的结构。
图21说明用于伸展DNA的结构的优选方案的结构，其结合柱子区、以1/x2渐变的漏斗，其中x是沿着漏斗的长度的距离，和减少通道高度的梯级。
图22说明分子尺寸分选设备的简图，其中长度为L或更大的分子的信号可以容易地与长度小于L的分子的信号区分。
图23说明伸展所有长度的分子的装置简图，其中来自所有分子的信号被一律地检测。
图24说明使用共焦的荧光照明和检测的灵敏光学装置。
图25表示整个聚合物分析体系的实施方案。
图26说明在恒定-剪切通道入口处DNA的各种伸展状态。
图27(a-g)说明在一个锥形通道中50kb DNA被伸直。
图28说明在一个通道中伸直的在537kb测量的DNA。
图29说明显示用实验方法测定的DNA长度的柱状图。
图30说明用实验方法测定的噬菌体λDNA长度的柱状图，其来自图20(a)无柱子和(b)有柱子的结构。
5.发明详述
5.1导论
本发明提供将任何长度的聚合物，包括包含全部基因组的核酸，伸展成为长的、线性形态用于进一步分析的结构。在尤其是物理、电学或化学力推动下，聚合物被输入一个装置并穿过所述结构。伸展通过例如当聚合物通过该结构时施加剪切力、在聚合物路径中放置障碍物或者其结合来完成。因为所述力被连续地施加，因此可以伸展聚合物至等于或大于所述装置的有效区域的长度，即其中当聚合物被分析时有关所述聚合物的信息被收集。例如，如果将摄像机或激光照射的体积集中在发生伸展的微型组件的区域，则可以监测无限长度的DNA分子，即比所述视频图像或激光照射体积大许多的长度。因为许多的分子可以连续地伸展，因此获得极其高通过量的筛选，例如超过每秒一分子的筛选。
对伸展的聚合物或聚合物的群体进行表征。伸展的、标记的聚合物移动通过至少一个测点，在此所述聚合物的标记单元与所述测点相互作用产生对像-依赖的脉冲。如在本申请中所使用的，“移动通过”指在实施方案中，测点是固定的而伸展的聚合物处于运动状态，测点处于运动状态而所述伸展的聚合物是固定的和所述测点和伸展的聚合物两者都处于运动状态。
虽然本发明可以用于表征任何聚合物，优选的是所述聚合物具有占优势地，虽然不是必须排他地，为线性或单链的排列。这样的聚合物的例子包括生物聚合物例如脱氧核糖核酸、核糖核酸、多肽和低聚糖。所述聚合物可以是在主链组成上非均质的，因此包含连接在一起的个体单体单元的任何一种可能的组合，例如肽-核酸(PNA)，其具有连接到核酸的氨基酸。在一个优选方案中，所述聚合物是在主链组成上均质的并且是例如核酸、多肽或低聚糖。术语“主链”具有其在高分子化学方面通常的意义。此处所用的核酸是一种生物聚合物，包含核苷酸，例如脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)。此处所用的蛋白质或多肽是由氨基酸组成的生物聚合物。在最优选的实施方案中，延伸的物质是双链DNA分子。
相对于聚合物的个体单元，此处所用的“连接的”或“连接”指两个单元彼此通过任何物理化学手段相连。包括任何本领域普通技术人员所知的连接，共价的或非共价的。自然键合，例如酰胺、酯和硫酯键是最普通的，其是通常在自然界中发现的连接特别聚合物个体单元的那些。然而，通过本发明结构伸展的聚合物个体单元可以是被合成的或改性的键合连接的。
聚合物由许多个体单元构成，其是构件块或单体，其被直接地或间接地连接至其他构件块或者单体以形式所述聚合物。所述聚合物优选地包括至少两种在化学性质上不同的连接的单体。所述至少两种在化学性质上不同的连接的单体可以产生或被标记以产生不同的信号。不同种类的聚合物由不同的单体组成。例如，DNA是包括脱氧核糖磷酸酯主链的生物聚合物，在该主链上连接有嘌呤和嘧啶例如腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、5-甲基胞嘧啶、2-氨基-嘌呤、hypoxantine及其他自然地和非自然地存在的核碱基、取代的和未被取代的芳族部分。RNA是包括磷酸核糖主链的生物聚合物，在该主链上连接有嘌呤和嘧啶例如为DNA描述的那些，但是其中尿嘧啶代替胸苷。脱氧核糖核苷酸可以借助于通过5′或3′羟基的酯键彼此连接以形式所述DNA聚合物。核糖核苷酸可以借助于通过5′，3′或2′羟基的酯键彼此连接。另外，具有5′、3′或2′氨基的DNA或RNA单元可以借助于酰胺键连接到聚合物的其他单元。
所述聚合物可以是自然存在的或非自然存在的聚合物。聚合物可以使用生物化学净化技术例如从天然源分离。另外，聚合物可以被合成，例如通过使用酶催化的聚合酶链式反应(PCR)的体外放大，通过化学合成或通过重组体技术。
本发明的结构与用于分析伸展的聚合物的方法联用，所述方法检测对像-依赖脉冲的信号。此处所用的“对像-依赖脉冲”是一种可检测物理量，其传送或表达有关伸展聚合物至少一个单元-特有标记的结构特性的信息。此处所用的一个单元-特有的标记，可以是可测量的伸展聚合物特定种类单个单元的固有特性，例如自然存在的DNA(该聚合物被本征地标记)的核碱基的不同的最大吸收，或者是具有可测特性的化合物，其与聚合物(该聚合物被外在地标记)的一个或多个个体单元有特定的联系。外在地标记的聚合物的单元-特有的标记可以是特定的荧光染料，用其将特定类型的全部核碱基，例如DNA链中的全部胸腺嘧啶核碱基标记。另外，外在地标记的聚合物的单元-特有的标记可以是荧光方式标记的限定长度和序列的低聚核苷酸，其杂化并因此“标记”存在于目标DNA中的互补序列。单元-特有的标记可以进一步包括，但是不限于，序列特有的主要的或次要的凹槽粘合剂(groove binder)和嵌入剂，序列-特有的DNA或肽结合蛋白质，序列特定的PNAs，等等。可检测的物理量可以是能被测量的任何形式。例如，可检测的物理量可以是电磁辐射、化学电导、放射性等等。所述对像-依赖的脉冲可以产生自能量转移、控制激发、猝灭、在电导(电阻)方面的改变或任何其他物理变化。在一个实施方案中，所述对像-依赖的脉冲产生自在所述单元-特有的标记和所述测点或所述测点周围的环境之间的荧光共振能量传递(“FRET”)。在优选的实施方案中，使用的对像-依赖脉冲源于限制或定位区域中的直接激发，或共焦体积或狭缝-基激发的epiillumination。聚合物的可能的分析包括，但是不局限于：聚合物长度的测定，聚合物序列的测定，聚合物速度的测定，两种聚合物的同一性程度的测定，聚合物单元-特有的标记的特征图的测定以产生“指纹”，和使用在抽样总体内单元-特有的标记统计分布的聚合物异源群体的表征。
有许多方法和产品可以用于分析聚合物，如PCT出版物WO98/35012所描述的，其全文在此引为参考。
用于分析聚合物的各种方法在它们的潜在的灵敏度和分辨率方面不同，即在两个单元-特有的标记之间的最短距离，其中所述单元特有的标记是可区分的。低分辨率技术能够辨别在他们之间具有较大距离的单元-特有的标记；高分辨率技术能够辨别在他们之间具有较小距离的单元-特有的标记。特定技术的分辨率通过特征距离测定，在该距离测点可以检测伸展聚合物的特定的单元-特有标记。较短的特征距离有利于较好的分辨率。最低的分辨率技术包括监测光透射和控制激发，其分辨率为50-100nm或以上(Tan & Kopelman(1996)Chem.Anal.Ser.137：407-475)。相比之下，FRET的分辨率约为Frster半径，在给体和接受器之间发生最有效的能量转移的距离，其一般地为2-7nm。在一个完全地伸展的具有B-形态的DNA分子中在相邻的碱基对之间的距离是3.4或0.34nm。在溶液中的自然状态，DNA不以其完全伸展的B-形态存在，而是作为具有约10μm直径的线团存在。因此，难以解析在一个卷绕的DNA分子上的许多单元-特有的标记，因此该分子应该在分析以前伸展。
5.2剪切力作为伸展聚合物的手段
当聚合物分子遇到物理的障碍物时，其将要么无相互作用地经过，要么“钩住”该障碍物，使得该链的部分保持在该障碍物的每一侧面。这不意味着该聚合物被键合到该障碍物或者相反物理地附着。围绕障碍物悬挂的不平衡决定分子沿有利侧面行进的速度。(参见Austin & Volkmuth，Analysis 1993(21)235-238。)此外，在障碍物处产生局部化速度梯度，因为可以用于流体流动的横截面积减小。结果，在障碍物之间流体流动比之前和之后更快。这产生了作用于接近的分子的剪切力，其起到在聚合物上的拉伸力的作用。当该效应被具有正确地调整大小的障碍物的整体区域扩大时，聚合物伸展以通过在该区域中的全部障碍物。在一个优选的实施方案中，聚合物被以线性方式伸展。
一旦该聚合物通过该障碍物系列并以其充分伸展的方式进入一个通道时，在此处在优选的实施方案中对其进行分析，其将自然地倾向于回到较低-能量、更加卷绕的形态。为防止其发生，通道被设计成能在一个变窄通道中在该聚合物上提供一个恒定剪切力，使其保持在伸展形态中。
恒定剪切速率，或在通道中随着距离在平均速度方面变化，被定义为S：
u/x＝S (5)其中x是沿着基本上矩形通道的距离，u是在x轴方向的平均流体速度，其由整个液体流量(Q)和通道的横截面积A计算如下：
u＝Q/A (6)。
在一个实施方案中，其中通道横截面是矩形，通道可以由恒定高度H和宽度W限定，使得横截面积A＝HW，于是平均流体速度由下式给出：
u＝Q/HW (7)应用边界条件，即液体流动必须是连续的(即，不可压缩)，则Q恒定。因此，u与W成反比。该关系可以代入最初用于S的表达以决定在剪切速率和宽度之间的关系：
s＝u/x＝Q/H /x(1/W)＝(-Q/HW2)(dW/dx) (8)
dW/dx＝(-SH/Q)(W2) (9)对该表达式积分，发现：
W＝(SHx/Q+C)-1 (10)其中C是由通道的最初宽度(边界条件)决定的积分常数。这一对于通道宽度的方程式用来限定柱子结构以外的通道。对于非矩形通道形状，本领域技术人员可以容易地完成相似的计算。当在高度轴上不发生净动量传递时，即当在z-轴中速度分布形式已经形成时，剪切速率从宽度剖面产生拉伸力。举例在牛顿流体情况下，计算力需要的应力张量τyz可以容易地用剪切速率表示：
F＝∫∫-τyzdzdx＝∫∫-μ(du/dx)dzdx＝∫∫-μSdzdx， (11)
其中μ是溶液粘度。在这些方程式中，x是运动方向，y是宽度和z是高度。剪切速率需要在其上积分的表面是通道壁表面，结果：
F＝μHLS (12)其中L是通道壁的长度，大约为在其中保持剪切恒定的通道的长度。
因此，具有1μm高度、1mm长度和0.25/s剪切速率的水通道产生大约0.25pN的力，足以伸展DNA，这已经由本发明人用实验方法证实。值得注意的是，这一结果证实恒定-剪切通道不仅保持预先-伸展的DNA的伸长，而且有助于进一步伸展DNA，或独自地伸展DNA。
在一个优选的实施方案中，结合了两种用于获得伸展的一般方法。分级的障碍物系列，其为已经被放入结构中的柱子，也在通过的分子上产生剪切力，不仅借助于所述障碍物确保聚合物的最初伸展，而且在所述聚合物穿过障碍物之后保持伸展。
5.3用于伸展聚合物的结构
本发明的用于伸展DNA的结构(“伸长结构”)包含两个部分：一个输送区域和一个聚合物伸长区域。所述输送区域是一个较宽的通道，其引入和引出所述聚合物伸长区域。所述伸长区包括四个主要部分的至少一个：(1)漏斗；(2)具有分支通道的结构；(3)具有弯曲或曲线的通道；和(4)限定小的间隙的障碍物，其中所述障碍物可以尤其是柱子或梯级。本发明包括所述四个主要部分和所述主要部分本身的变体的组合。两个或更多的所述主要部分特性的组合可以产生附加的设计，其适用于以一种可控制的方式拉长和伸展聚合物，尤其是DNA。此外，几个相同的设计可以并联或串联方式重复。
属于本发明范围的结构的例子(图1)包括，但是不局限于：
i)具有在流体速度方面非线性地增加的漏斗；
ii)具有在流体速度方面线性增加的漏斗；
iii)具有限定小的间隙的障碍物作为DNA伸长区域的漏斗；
iv)具有在流体速度方面非线性地增加和限定小的间隙的障碍物的漏斗；
v)具有在流体速度方面线性地增加和限定小的间隙的障碍物的漏斗；
vi)具有混合的障碍物尺寸和间隙，包括障碍物尺寸和间隙的梯度的漏斗；
vii)具有从收敛通道增加流体速度的区域的分支结构；
viii)具有从许多收敛通道增加流体速度的许多区域的分支结构；
ix)具有限定小的间隙的障碍物的分支结构；
x)具有至少一个作为分支之一的漏斗的分支结构；
xi)具有混合的障碍物尺寸和间隙，包括障碍物尺寸和间隙的梯度的分支结构；
xii)具有限定小的间隙的障碍物以及弯曲或曲线的结构；
xiii)具有限定小的具有周期性(正弦式样、矩形波重复、之字形转折)间隙的障碍物的结构；
xiv)具有限定小的间隙的非四边形障碍物的结构；
xv)具有限定小的间隙的障碍物混合体的结构，例如限定小的间隙并列到正弦式样区域，或三角形、环形或星形区域的一组栅；
xvi)具有限定小的间隙的障碍物和漏斗、分支结构或弯曲或曲线结合起来的结构；
xvii)具有在漏斗形状中的弯曲或转弯的结构；
xviii)具有弯曲或曲线的用障碍物限定小的间隙的结构；
xix)具有串联的DNA伸长区域的结构；
xx)具有并联的DNA伸长区域的结构；
xxi)具有许多具有各自的伸长区的输送通道的结构；
xxii)具有三维几何学的结构，其包括其他种类的实施方案；和
xxiii)为包含DNA伸展区域的闭合环路的结构。
属于本发明范围的结构的进一步的例子在图2(a-1)中说明。这些包括，包括漏斗、障碍物、分支和串联结构的伸展结构的几个实施方案；具有柱子的串联的两个漏斗；几个复合柱子排列和分支结构的实施方案；不对称的分支结构；具有限定小的间隙的小障碍物组合的结构；具有多边形、棒和柱子障碍物组合的结构；不对称弯曲结构；具有柱子的分支结构；具有支柱的大漏斗结构；具有柱子的漏斗结构；具有在流速方面线性增加的有和没有柱子的漏斗结构。图2(m)是一些可能的漏斗结构的概要。一般地，本发明的伸长结构可以具有1μm到2cm、优选1μm到1mm的长度，2μm到1mm的宽度和0.1μm到10μm的高度。
以下描述功能性聚合物伸长和伸展结构的四个主要部分的每一个。
漏斗结构。漏斗结构是锥形通道，其以规则的和连续的方式在聚合物沿着通道流动时施加剪切力。特定的剪切力由通道结构和形状的类型限定。在本发明的一个实施方案中，通道是锥形通道(图3)，其起始于给定的宽度并且连续地减小到第二宽度，在所述通道的漏斗部分中产生增大的剪切力，其定义为：
du/dx＝(-Q/H)(dW/dx)(1/W2) (13)
在本发明的一个实施方案中，所述宽度线性地减小，因此dW/dx是常量；在该实施方案中，所述剪切，du/dx，当W减小时增大。在该实施方案中，所述漏斗的角度，当从直墙的延伸计算时，优选是1-75°，对于在低粘度溶液例如TE(10mM TRIS，1mM EDTA)缓冲液中DNA而言，最优选值为26.6°，所述溶液的pH为8.0。对于线性漏斗实施方案，开始宽度优选为1微米到1cm，尾端宽度优选为1nm到1mm，取决于所研究的聚合物；对于DNA，最优选值分别地为50微米和5微米。
所述通道还可以设置使得当流体通过所述通道时所述宽度以增加速率减小(图4)，结果，当穿过通道时剪切增大。这样的渐减提供尤其良好的阻止聚合物自然松弛的保护，因为当时间推移和所述分子沿着所述通道运动时，他们受到增加的反作用力，阻止它们的再卷绕倾向。此外，所述增加的力梯度使某些设计具有灵活性；任何聚合物，其将遇到足够大的剪切力使该聚合物在所述锥形结构中伸展并且不会遇到足够大的剪切力使所述聚合物在所述锥形结构中断裂，可以成功地穿过所述锥形结构并伸展。不必寻找对于所述聚合物的理想或极限力，只需要一个有效范围。在包括压力-驱动流体流动(参见下述驱动力)的实施方案中，增加的剪切力也提供对于给定压降的最大的速度增加，因为最终速度是横截面积的函数，而压降是横截面积和通道长度的函数。同样小的横截面积(因此大的速度)可以在较短距离到达(因此压降较小)。在一个优选的实施方案中，漏斗的宽度W以1/(axn+b)减小，其中n为任何大于1的实数，a是非零的实数，b是实数，和x是沿着所述漏斗长度的距离(并且是聚合物流动的方向)。增加的剪切力漏斗的锥形潜在方程包括W＝1/x2，W＝1/x3，等等。
在另一个实施方案中，通道被设计使得剪切速率是常量，得到一个锥形通道，例如如图5所示。获得在跨越通道的行程中足以完全地伸展所述聚合物的力的恒定剪切速率将根据通道的长度而变化(参考方程(12))。因此，为了在一个很长的例如＞1cm的通道中完全地伸展聚合物，合理的剪切速率可以是0.01/s，但是该值在一个很短的例如＜10μm的通道中可能几乎不伸展聚合物。通道长度可以显著地变化，优选值为10μm到1cm并且最优选值为1-2mm。在一个实施方案中，所述通道为1mm长和剪切速率为0.075/s。
漏斗的剪切速率可以借助于测量在DNA链的两个已知点之间的距离进行确定。例如，λDNA的多联体(concatamers)被用作测量剪切力的标准样品。在每个多联体上的单一序列被以荧光方式用杂化探针标记。在多联体上的探针间距离因此是单一λDNA分子(48千碱基)的长度。在所述探针之间的物理距离使用图像显微术或飞行时间测量进行确定。对于在天然溶液中的λDNA，所述物理距离为14.1μm。该值与实际测量的物理距离匹配。例如，如果测量距离是15.0μm，则剪切速率可以由DNA在所述伸展结构中经历的伸展量计算。预测的在DNA上的剪切力，当通过DNA的速度和通道的尺寸测定时(参见方程式10)，与DNA的伸长和其固有的非线性刚性一致。
分支的通道。用于伸展和延伸聚合物的本发明的第二个方面是建立分支结构，其引起流体流动速率的变化或聚合物方向性的变化(参见下文，具有弯曲或者曲线的结构)。侧面通道使更多的流体进料到主通道，导致流体速度的变化和因此导致聚合物伸展。分支通道的典型排列示于图6。侧面通道优选的总横截面积相当于所述主通道横截面积的大约1％到500％。最优选，侧面通道的总横截面积为所述主通道横截面积的大约50％。在一个实施方案中，所述侧面通道以重复的式样存在，其导致在进入所述主通道的每个单独的入口处剪切力稀释，因此导致恒定-剪切力状况的接近的近似值。该方案突出了所述侧面通道的优点和缺点。这一聚合物伸长组件的一个缺点是，在所述主通道和所述侧面通道的汇合处附近，全部作用于所述主通道流体的压入被消散在相对小的区域中。因此，这一结构不能导致恒定-力状况。然而，这一聚合物伸长组件的优点是，因为所述附加的流体在所述侧面通道中与在所述主通道中一样在同样的方向上运动，因此所述力不是纯粹的剪切力，而是具有相当的伸长流动分量。纯剪切，其是借助于锥形漏斗施加在聚合物上的，是拉伸力和旋转力的迭加，如图7(a)所示。所述在聚合物上的拉伸力加速其在所述流体流动方向上的运动，使得位于所述伸长流动区域的聚合物的部分比仍然位于更加停滞的区域中的部分运动更快，从而伸展所述聚合物。所述旋转力使所述聚合物在形态上旋转或“滚动”，其可以引起聚合物伸展的部分重叠在自身上并重新缠绕。在具有更强的拉伸力的实施方案中，例如示于7(b)的侧面通道连接配置，聚合物倾向于从所述汇合处加速脱离，其导致较低的旋转力，因此可以较好伸展。
正如本领域技术人员将理解的，所述通道尺寸可以改变并且流速可以在微型组件的相同区域增加。事实上，在恒定-剪切部分之前流速显著增加的方法不仅能伸展聚合物，而且引导其远离所述通道的壁。一个包括本发明这一实施方案的配置示于图8。在另一个实施方案中，只从所述主通道的一个侧面引进附加的流动，借此将沿着所述主通道前进的聚合物向一个侧面定位。这一定位设计可用于保证在一个宽的通道中聚合物排列通过狭窄的检测器。
具有弯曲或曲线的结构。本发明的第三个方面利用曲折获得伸展。当流体流动在其路线上遇到变化时，从小的弯曲到直角排列，在所述曲线或拐角外侧的流体将比在所述曲线或拐角内侧的流体花费更长时间以绕过所述转弯(图9(a))。这种通常所说的“跑道效应”可以帮助伸展聚合物。这样的弯曲不包括′T′会合点。在一个通道的矩形剖面，聚合物可以跨过超过一个的流体流动路线进行流动，因为所述流体在每个路线上以相同的速度前进，因此其保持构型。与此相反，当每个流体流动路线前进的距离在一个弯曲或拐角处偏离时，所述聚合物借助于速度差别而被局部地伸展。此外，聚合物倾向于向更高-速度的流线运动，因此即使所述通道曲线回到其最初的方向，所述聚合物不会完全地重新缠绕，因为局部地其处于相同流线。这种伸展的一种可能的序列示于图9(b)。虽然这种效应不足以在单个转弯中伸展总体长度的分子，但其可以逐渐地伸展特定的区域，并且充分重复的弯曲通道可以伸展整体分子。
一种更具体的曲折方式是这样一个实施方案，其中通道的构型为正弦波形式(图10)。在另一个实施方案中，所述通道采取之字形形状的形式(图11)，或者，在更进一步的实施方案中，采取甚至“蛇”形的只具有直角拐角的形式(图12)，尽管这种尖锐的拐角倾向于引起滞流及其他不受欢迎的流体动力学问题。对于那些实施方案，其中所述通道具有之字形的转折形状，每个弯曲优选具有5-75°的角度；对于DNA，每个这样的角的优选值是26.6(在之字形的转折处有效地为53.4°角)。这样的之字形的形状可以是循环的，其中弯曲的角总是相同的，或者可以包含不同的弯曲式样。对于之字形的转折，所述循环可以从小至2μm到1cm，对于DNA优选值为20-50μm(1000倍于相关长度)。对于那些其中所述通道具有正弦波形式的实施方案，振幅周期比率优选是0.01-5。对于任何这些式样，周期的数目可以为1-500，优选值为10。
在进一步的实施方案中，弯曲通道用来产生多重检测的可能性。当检测器，例如排列在1×256阵列中的位置-依赖的光电倍增管，被沿着所述通道的流向设置时，所述弯曲通道可以这样排列以致其在限定的部位重复地穿过检测区。被伸展的聚合物在几个部位被观测，在所述体系中产生重复和错误校验。这样的配置示于图13，其中流体沿着通道111前进，在六个部位，112-117，通过检测区110。
限定小的间隙的障碍物。有助于引起伸展的结构的第四个方面是障碍物区域。如上述更一般地描述，障碍物借助于减小可用的所述通道的横截面积(在分子上产生局部应变)，和充当大的聚合物线团不能通过的物理障碍物，诱导伸展。一个例子是事实上伸展聚合物的柱子构型，示于图14。
所述障碍物可以在横截面形状和横截面积方面有变化。此处所用的关于障碍物的术语“横截面形状”和“横截面积”，除非另有陈述，分别指所述障碍物的X-Y投影的形状和X-Y面的面积，如图15所示。在特定的实施方案中，所述障碍物包括正方形柱子、圆柱子、椭圆柱子或者具有任何纵横比的矩形横截面的柱子(包括极其长的“栅”)；在另一个实施方案中，所述障碍物包括具有如规则的或者不规则的非四边形多边形的横截面形状的柱子。在一个优选的实施方案中，所述横截面形状是三角形的。在另一个优选的实施方案中，这些形状被改变以在面向流体来的方向的边缘上具有凹面(例如浅U-形状)。在另一个实施方案中，具有其中一个尺寸长于另一个尺寸的横截面形状的柱子优选的纵横比为2-20、更优选2-5。
这些障碍物中间的每一个可以放置成与流向成任何角度。在优选的实施方案中，所述障碍物被排列成要么具有垂直于所述流动方向的平面，要么与流动成45°角，如果要求所述聚合物分子的优选定位，则使用能够物理地引导聚合物朝着目的地方向的其他角度。优选地，其中一个尺寸比另一个长的障碍物被放置成使它们的较长的尺寸垂直于所述流动方向。在所述障碍物布局中的另一个因素是他们被放置的网格。如果放置在重复的方阵上(图16(a))，某些流体流动路线几乎不受所述障碍物影响，这样未伸展或者伸展差的聚合物也许能途径这些流线并通过障碍物区域而不被伸展。为防止这一点，每个连续的列优选地错位放置，在前一列的间隙放置下一个障碍物(图16(b))，强制全部流线具有弯曲并导致伸展全部通过的分子。所述错位也可以小于所述重复单元的全部的50％，以致每个其他的列不在相同的排列中，如该图所示；例如每第四或者第六列可以具有同一的排列，或者可以没有重复的排列，只要流线在某些点被强制弯曲绕过障碍物。
除流程中的排列之外，有两个其他的参数与障碍物有关：在他们之间的通道的尺寸，柱子的总Y-Z横截面积相对于通道的Y-Z横截面积(图15)，其中两者都影响优选的障碍物尺寸。在障碍物之间的通道宽度不应该小于伸展的聚合物的直径，并优选地不小于伸展的聚合物直径的大约50倍，以增加聚合物通过该通道的概率，而不粘着在障碍物区域。通道宽度不充分导致聚合物不能通过障碍物的例子示于图17。另一方面，该通道优选地不与卷绕的聚合物的直径一样宽，在这样的情况下线团可能通过障碍物区域而根本不必伸展。因此，障碍物的优选间隔高度依赖于被分析的聚合物。在具有2nm链直径和卷绕直径从大约1μm向上变化的长DNA的情况下，通道宽度优选地在100nm和800nm之间，最优选值等于500nm。对于具有很小直径的聚合物，可以使用凝胶代替障碍物区域，其孔径尺寸(相当于所述区域的通道宽度)为1nm到1000nm。
由障碍物占有的总Y-Z横截面积最直接地影响出现在障碍物之间的速度梯度，并且其促使伸展。因此，优选具有较大的障碍物Y-Z横截面积与总通道Y-Z横截面积比率(亦称装填系数，当以百分数表示时，其为柱子的总面积与通道的总面积的比率乘100)以使速度梯度最大化。另一方面，如果超过一个聚合物同时试图进入一个通道，强迫太多的物质通过相对小的间隙可能导致阻塞。因此，为平衡这些矛盾的考虑，装填系数优选地在33％和95％之间。这是在一个特定通道中挡住的面积与总面积表示为百分数的比率。例如，具有1μm2 Y-Z横截面积的柱子在具有3μm2 Y-Z横截面积的通道中，具有33％的填充比，而20μm2柱子在21μm2通道中的装填系数为95％。对于DNA最优选的装填系数在50％和80％之间。太大的障碍物导致阻塞的例子示于图18。
为了减轻在所述柱子区域中聚合物阻塞小的通道的问题，将不同的通道宽度用于本发明的某些实施方案中。在某些实施方案中，通过改变障碍物的尺寸来完成。在其他的实施方案中，通过改变装填系数来完成。在其他的实施方案中，改变障碍物尺寸和装填系数两者。在这样的实施方案中，聚合物首先遇到宽的障碍物之间通道，随后遇到缩小宽度的通道(图19)，强制他们逐渐地变成更延伸的以通过较小通道。在一个优选的实施方案中，通道宽度在流动方向上顺次从大约每通道5μm到大约每通道1μm。在另一个实施方案中，柱子尺寸在流动方向上顺次从横截面积为大约10μm2到大约1μm2。在其他的实施方案中，所述障碍物横截面积和通道宽度可以分别地改变为获得相似的效果，即所述障碍物尺寸可以变化和所述通道尺寸可以保持恒定，或者所述通道尺寸可以变化和所述障碍物尺寸可以保持恒定。在一个优选的实施方案中，全部障碍物具有相同的横截面积，但是装填系数在所述流动方向上增大。柱子的横截面积可以从0.1μm2到1mm2变化，优选地从0.1μm2到10μm2，更优选地从1μm2到100μm2，甚至更优选地从1μm2到25μm2变化；其取决于被伸展的聚合物的尺寸和使用的通道的尺寸。这样的聚合物的预先定位用来减小缠结的可能性，因此提供更可预测的伸展。
障碍物还可以被制造成为高度或者z-维的结构，即通过在所述通道的顶部和/或底部引入“梯级”以减小所述高度。代替障碍物跨越通道放置，如以上的讨论，所述总体通道可以在高度方面变化，当障碍物沿着所述通道的宽度放置时，提供相同种类的障碍物和围绕所述障碍物的剪切力。此外，在高度方面变化可以比较便宜地完成，因为使用光刻法在亚微米尺度控制蚀刻的高度通常比设法在亚微米尺度产生特性尺寸更容易。不受任何理论的限制，在一个特定位置在高度上的显著变化实质上产生了与柱子的单个排相同的效果，或者与无限短长度x的漏斗相同的效果。为以便于使用标准微组装技术制造的方式模拟漏斗，所述高度变化可以被设计成沿着所述通道的长度存在的几个梯级，而不是在单一部位的一个梯级。在一个优选的实施方案中，单一-梯级构型减小所述通道的高度至五分之一。在其他的实施方案中，一个具有至少一个梯级的构型减小所述通道高度从大约1/2到大约1/100。在其他的实施方案中，梯级在高度方面的变化为大约0.1-大约0.9μm。
部件的结合。在本发明进一步的实施方案中，所述结构的三个一般方面，剪切诱导(即，锥形和分支通道)、曲折和障碍物-填充被结合使用。例如，所述恒定的-剪切锥形通道不仅本身在伸展方面好，而且在保持已经通过障碍物区域伸展的聚合物的伸展中是好的。具有曲折外形的通道还可以按照恒定-剪切形式在宽度上缩小以利用两者的效果。在优选的实施方案中，分级障碍物区域或者排列结构用来预先伸展所述聚合物，然后是精密的障碍物部分，曲折形式或者高剪切区域，以完成伸展，和一个恒定-剪切或者增加的剪切部分以保持伸展直到到达检测点。
申请人发现尤其有效的结构是锥形通道上游的障碍物区域的组合。所述障碍物区域用来伸展无规线团构型的DNA，优先地将分子的一端送到下游的结构。有利的是所述障碍物区域处于通道的宽的区域，在此流速比较低，使得施加于折叠围绕的或者相反被所述障碍物之一保持的分子的阻力不足以破坏所述分子。当分子蜿蜒穿过所述障碍物区域时，一端将倾向于导引所述分子并首先进入锥形通道。所述分子于是将借助于通过所述锥形通道的流动的剪切力进一步地伸展。不受任何理论约束，申请人发现，受到障碍物区域影响的所述部分伸展和末端前置联同在锥形通道中的伸展，在完成DNA伸展中尤其有效。比较来自具有上游柱子区域的锥形通道的试验数据与来自单独的锥形通道的数据表明，通过将所述柱子区域和锥形通道在相似的流量和温度条件下组合获得了较好的伸展(参见实施例2和附图29(a)和(b))。所述试验数据显示，虽然锥形通道可以伸展DNA，但将锥形通道与柱子区域结合的结构提供显著地更大的平均伸展和伸展更大比例的DNA。
在优选的实施方案中，障碍物区域、梯级或者排列结构被用来预先伸展和排列所述聚合物，然后是恒定的或者增加的剪切或者伸长的部分，以完成和保持所述伸展直到到达检测区域。优选地，所述障碍物区域与锥形通道匹配，以避免收缩的流动(即，速度减小)。因此优选柱子或者梯级位于或者结束于所述通道的渐变部分。
在更优选的实施方案中，所述通道是一种两个漏斗的结构，即其具有两个串联的具有不同的锥度的区域。两个漏斗结构的实例示于图20。在一个实施方案中，所述两个漏斗结构进一步包括在第一锥形区域中的一个柱子区域。在所述两个漏斗构型中，聚合物的伸展在第二锥形区域中完成(图20中的最右通道区域)。压力驱动流动是优选的驱动力，因为其简单和易于应用。
在一个最优选的实施方案中，所述结构具有一个第一通道区域，其具有恒定的大约10μm的宽度和大约1μm的高度，其中沿着所述流动方向放置了障碍物区域，和引入一个第二通道区域，其是一个漏斗，以1/x2渐减，宽度从大约10μm到大约1μm，和其高度在所述漏斗的入口在一个单一的梯级中减小，从大约1μm到大约0.25μm(图21)。初始通道宽度与最终通道宽度的比率优选地大于10，和漏斗部分长度优选地小于初始宽度的二分之一。所述障碍物区域优选地包括至少12-15排的柱子，其具有基本上等于1μm的横截面，其中所述排在所述流动方向上具有增加的装填系数。在一个实施方案中，六个排具有在流动方向上从0％到50％增加的装填系数，和随后的12-15排具有50％的恒定的装填系数，其中所述随后的12-15排的中心邻近的排的距离为大约2μm(图21)。在另一个实施方案中，所述排在流动方向上具有连续地增加的装填系数，从0％到80％。
5.4用于借助于长度选择聚合物的结构
如上述部分所描述的，柱子区域可用于产生非随机的聚合物排列和有效地从无规线团分离聚合物链的一端，所述无规线团是所述聚合物在溶液中的平衡结构。如果一个柱子区域放置在距离锥形通道口为L处，其可以是希望保持或者产生伸展的任何形状，例如直的，恒定剪切或者高次多项式，得到的结构还可以被用来借助于长度选择分子。该方法举例在图22中。
图22说明按照如下所述方法构造的柱子区域的简图(参见制造结构的方法)，其定位在剪切或者伸长流动的漏斗区域以前。因为所述柱子装填所述通道的一部分，通过所述通道运动的流体，在从所述柱子区域运动进入所述通道的直边部分时，将经历速度减小。该速度减小产生收缩流动，即所述聚合物将在流体速度减小的区域中重新卷绕。沿着所述通道前进和钩住柱子的DNA分子将通过所述流动伸展。如果所述分子的长度等于或者大于从所述柱子到所述锥形区域的起点的距离L，其将从所述柱子区域释放进入所述拉伸流动区域，实际上穿过所述流体速度减小的区域，而不重新缠绕，并将保持伸展，如在图22中通过DNA分子示意说明的。如果所述分子比L短，例如在图22中的DNA分子2，则其将离开所述柱子，而仍然在所述通道的收缩流动区域中，在此其将迅速地收缩成为平衡线团。因此，长度大于或等于L的分子将被伸展，而长度小于L的分子不会被伸展。如果检测器被安置在所述漏斗的出口，如图22所示，卷曲分子(长度小于L)和伸展的分子(长度大于或等于L)的信号将是可区分的。例如如果所述检测器监测嵌入剂-着色的DNA，收缩的分子将产生短的、强烈的脉冲，而完全地伸展的分子将产生长的、不太强烈的信号。因此可以制造这样的结构，其可以将聚合物的混合群体分离成为两个组群，即长度小于L的那些和长度等于或者大于L的那些，通过简单地将L，从柱子区域的终端到锥形区域口的距离，设定为这样一种长度，即基本上与要检测到其信号的分子的长度相同。
在另一个实施方案中，可能希望在一个给定的总体中伸展和一律地检测来自所有长度的分子的信号。这可以通过消除收缩流动区域来进行，例如借助于延伸图22的柱子区域进入通道，如图23所示。因为所述检测器位于通道入口(如图22)，在此柱子区域结束，全部分子在通过检测器时将被伸展，因此来自全部分子的信号，不管它们的长度，将被检测。在这些实施方案中，流动保持恒定，因为在所述柱子之间的面积与所述柱子区域延伸到的通道的面积相匹配。
5.5设计依据
伸展考虑和使用的结构类型。不同的结构产生不同类型的DNA伸展和伸长。存在拴系(tethered)伸展和均匀伸展。拴系伸展要求在分子的一端产生不均匀的力分布，以在流动剖面产生完全的伸长。拴系伸展使用限定小的间隙的障碍物而直接产生。另一方面，均匀伸展更复杂和涉及聚合物动态特性的广泛的模拟。均匀伸展被定义为在DNA分子的每个单元上产生均匀张力。被设计成能产生均匀伸展的结构，包括在所述设计的x-轴方向上具有恒定的剪切力的那些，例如在流速上具有非线性增大的漏斗。
聚合物尺寸考虑。结构设计使得他们可升级(scalable)和某些是通用的。结构可以在尺寸方面增加，和改变相对尺寸，以适应不同长度的聚合物分子。有价值的尺寸为几千碱基到至少兆碱基的DNA，虽然可以被适应的聚合物分子长度不存在上限。一兆碱基的DNA具有大于300微米的长度。通道尺寸可以制成几个毫米。用这样的方式，完整的染色体(尺寸为50-250兆碱基)可以被处理和伸展。
在总体微型组件上的通道的构造。通往DNA伸长区域的输送通道可以包括这样的输送通道，其是并联的、辐射形的、分支的、互连的和闭合的环路。在优选的实施方案中的输送通道是宽的通道，即1-1000微米，其通往DNA伸展和伸长区域。
制造结构的方法。制造所述设计结构的优选方法是，平版印刷术，例如电子束平版印刷术，深-uv平版印刷术，光刻法，LIGA(德语单词“Lithographie”、“Galvanoformung”和“Abformung”的字头，指平版印刷术，电镀和模塑)，和弹性材料的模塑。借助于这些技术制造了二维和三维结构。产生三维的限定通道的另外的方法包括轨迹-蚀刻和模塑技术。
产生纳米尺寸障碍物的其他的方法包括涉及化学方法例如胶体的光学沉积、局部化聚合物的自组装和聚合物的交联网络的方法。例如，在漏斗中具有局部沉积的琼脂糖凝胶的非线性漏斗可以产生控制伸展的环境。
输送装置。用于伸展聚合物的结构不是唯一的置于通道中的有用的部件。设计成能有利地定位聚合物在通道的一个部分而不是另一个部分的结构是有用的，可以保证所述聚合物被供应给特定的伸展结构或者特定的检测区。除如上所述的向单一通道加入流体之外(参见分支通道)，还可以借助于强制流线相互接近来完成。由流体流动驱动的聚合物(借助于任何随后引证的方法例如压差和重力进行诱导)将主要地沿所述流体流线(在用于带电荷生物聚合物的电泳中，所述聚合物沿着电场线，其可以同样地被改变)运动。不规则运动可以引起链的部分向邻近的流线运动。如果所述流线遇到收缩或者障碍物，则所述流线围绕障碍物变得更加相互接近，导致更大的机会使相同侧面的不规则运动引起流线的变化。当所述流线在所述结构的另一侧恢复到它们原始间距时(如果所述通道恢复到其最初的宽度)，在所述流线之间的速度梯度倾向于将聚合物拖向更快的流线。这样，以前随机分布的聚合物可以转变成更有规则的。例如，在一个实施方案中，在通道中央的大三角形，其一侧垂直于通道面向下游，倾向于使聚合物朝着中心的方向定位，这是因为原来靠近壁的聚合物借助于流体在所述三角形的下游侧横向地运动而倾向于拉向中心。在其他的实施方案中，其他的形状被用来促进定位，例如十字形的障碍物，楔形物，以及具有错位的障碍物区域，其有助于在通道的特定侧面引导较大的通道。虽然具有简单弯曲的通道应该具有位置效应，这看起来是直观的，然而所包括的速度梯度事实上相当小，其单独的效果是相当小的。
在结构中改进伸展的方法。在本发明的另外的实施方案中，剪刀-诱导方式的有效性借助于增加溶液的粘度而得以提高。借助于通道的收缩产生的实际的力与溶液粘度成正比。在某些实施方案中，溶液粘度通过加入一种或多种粘度改性组分来增加。甘油(在室温下粘度将近900cP)，如果其不与所述聚合物起化学反应，可以以高达70％(w/v)的浓度加入水溶液。也可以加入糖，例如蔗糖，木糖以及山梨糖醇。还可以加入水溶性聚合物，例如聚乙二醇。在DNA情况下，高分子量聚丙烯酰胺、聚环氧乙烷或者长链聚糖(甚至在低至0.01％(重量)的浓度)可以增加水溶液的粘度而不改变要表征的DNA的结构。
所述粘度也可以通过加入适量的被表征的聚合物来改变，但是其不会被所述结构的检测区检测。例如，如果FRET在外在地标记的DNA分子上进行，则附加的不是外在地标记的DNA分子可以被加到所述标记的聚合物溶液以增加粘度。这样，仅仅标记分子被检测而未标记DNA仅仅改变溶液粘度，不会防碍标记分子的信号。
在另一个实施方案中，粘度通过降低温度来增加；例如当接近冰点时纯水的粘度近于加倍。除增加粘度之外，降低温度被用来使布朗运动最小化和延长松弛时间。当含水缓冲溶液，例如1X TE溶液(10mM TRIS，1mM EDTA)，从环境温度变化到4℃时，伸展有相当的改善。
驱动力。用于使所述聚合物运动通过所述结构的驱动力可以来自任何设备，包括物理的、电学的、热力的或者化学力。最简单的驱动力由毛细管作用驱动流动，当样品溶液和所述装置最先接触时。虽然包括的表面能量可以在所述通道中提供高速度，但在这一方式中流量的控制是有限的。
利用化学势可以获得间接的因此有限的控制。建立浓度梯度的一个优点是提供极其缓慢的、稳定的流速。这通过在所述结构的一侧产生物质的大量过量，和在在其导致流体流动通过所述结构到另一侧之后消耗所述扩散的物质来进行，基于过量的浓度进行控制。所述聚合物与借助于所述迁移物质诱导的流体流动一起流过所述结构。
一个优选的实施方案直接地控制流体的流动。在这样一个实施方案中，在结构的入口侧形成压头，促使流体流向远侧，后者开放到大气压力或者维持在减低的压力。所述压头可以来自利用物理力的任何装置，例如注射器泵。目前，注射器泵分配直至100pL/s的范围，而在装置中要求的流量可能在1pL/s下，因此可能必须建立一个具有大横截面积的“旁路”，这样增加装置要求的流量和可以用市售设备控制，仅仅损失一些体积的样品。在压力控制***的另一个实施方案中，在压降小于大气压力的装置中，***的一端用真空吸引，逐渐地吸入通过所述结构伸展的材料。诱导以要求的速度流动需要的压降是孔道几何形态(特别是最小的横截面尺寸)和速度的函数，但是对于在毫米长的、微米深的通道(否则对于大多数装置是很宽的)中100微米每秒的流动，一般地为10psi左右。在另一个实施方案中，在所述通道第一端的压头和在所述通道第二端的真空的组合被用来推动聚合物从第一端到第二端。
在另外的实施方案中，借助于在伸展区的每侧建立温度梯度来控制通过所述流体流动的聚合物。因此自然对流建立通过伸展区的流体流动。因为在这些装置操作的微米尺度建立和控制温度梯度是非常困难的，因此这一方法，如同化学势方法，被优选地用于很低的液体流量。
在另一个实施方案中，聚合物的流动，对于带电荷的聚合物例如DNA，借助于建立电场来控制，其作用于聚合物的电荷，而根本不作用于围绕的流体(如果其是不带电的)。所述电场优选地通过在溶液中存在两个相反-充电的电极来形成，但是总体系列的电极可用于建立更复杂的或者均匀的场图。所述聚合物沿电场线而不是流线运动(在有些情况下，存在不连贯的变化，取决于所述微型组件的物理布局和所述溶液的电荷密度)。这有可能损害伸展，如果围绕的溶液包含相反地-充电的物质，其在相反方向上流动(电动力流动)，或者在所述通道壁上的表面电荷产生沿着所述壁的离子流动(电渗流动)，两者都可能诱导在反方向上的流体流动并在所述聚合物上产生粘滞力。然而，在低导电率溶液中，壁面被适当地涂覆以避免表面电荷，反向粘滞力对电泳的驱动力具有微不足道的影响，使所述聚合物可以行进通过所述结构并被伸展。此外，利用适当地带电壁表面，电渗流动可以被反向以提供粘滞力，其有助于所述电泳伸展。1000到2000V/m的场强导致适用的100微米每秒范围的聚合物速度。
在电泳和压力驱动力情况下，产生所述驱动力的装置通常物理地与所述伸展区隔开。电极被设置相距所述伸展区在几毫米到许多厘米远，电源则位于甚至更远处。所述注射器泵，虽然有利的是尽可能接近于所述伸展区以最小化需要的压降，但倾向于放置在所述装置外，因为其体积大。事实上，为了结构适应性，优选仅仅将所述伸展和检测结构本身放置在小的微型组件上，优选地边长不大于2cm，和也许小至1mm正方形，最优选的尺寸(从操作的角度)为大约1.5cm乘1cm，厚度为0.2cm。在该基材上，设置各种流体流动通道。在这样的微型组件中，可以在所述基材上充裕地放置1-160个通道，30-40个通道可以取得好的平衡：在通道堵塞或者基材裂纹情况下的重复和一次仅仅一个通道处在检测视野中(通常具有60X物镜)。
基材。使用的基材的选择要适合溶液和在分析中使用的条件，包括但是不限于极端的盐浓度、酸或者碱浓度、温度、电场和对于用于光激发或者发射的波长的透明性。所述基材材料可以包括与半导体工业有关的那些，例如熔凝硅石、石英、硅或者砷化镓，或者惰性聚合物例如聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲硅氧烷、聚四氟乙烯、聚碳酸酯或者聚氯乙烯。因为其在各种各样的波长下的透射性能，石英是优选的实施方案。
利用石英作为用于水溶液的基材意味着与所述溶液的接触表面具有正电荷。当利用带电荷分子工作时，特别是在电泳条件下，希望具有中性面。在一个实施方案中，一个涂层被施加到所述表面以消除导致所述电荷的相互作用。所述涂层可以商购(Supelco的毛细管涂层，Bellafonte PA)，或者通过利用在一端具有官能团的硅烷进行施加。所述硅烷末端将有效地不可逆转地与玻璃粘结，和所述官能团可以进一步反应以产生要求的涂层。对于DNA，具有聚氧化乙烯的硅烷能有效地防止在聚合物和所述壁之间的相互作用而不进一步反应，和具有丙烯酰胺基团的硅烷可以参与聚合反应以产生聚丙烯酰胺涂层，其不仅不与DNA相互作用，而且抑制在电泳期间的电渗流动。
所述通道可以通过许多技术构造在所述基材上，许多来源于半导体工业，取决于所选择的基材。这些技术包括，但是不局限于，光刻法、活性离子蚀刻、湿化学浸蚀、电子束写、激光或者空气烧蚀、LIGA和注射模塑法。应用于聚合物-处理微型组件的各种这些技术已经论述在以下文献中，包括Harrison等(Analytical Chemistry 1992(64)1926-1932)，Seiler等(Analytical Chemistry 1993(65)1481-1488)，Woolley等(Proceedings of the National Academy ofSciences 1994十一月(91)11348-11352)，和Jacobsen等(AnalyticalChemistry 1995(67)2059-2063)。
其他的考虑。在本发明的优选的实施方案中，在给定的通道平面高度中，在矩形通道中速度是基本上均匀的。当所述通道的高度显著地小于宽度时这是正确的，使得在所述壁上的非-滑动条件导致粘度-诱导的抛物线速度剖面，在高度轴中这是显著的，在宽度轴中仅仅留下一个小的较慢流动的边界区。纵横((宽度/高度)比为大约10或者更大是这样的实施方案所需要的，根据润滑理论近似(Deen，Analysis of Transport Phenomena，NewYork：Oxford UniversityPress，1998.275-278)。此外，当在光学***中使用显微镜物镜时，小的高度有助于检测。典型的物镜可以具有500nm到几微米的焦深，所以虽然通道的高度可以为50nm到100μm，只要所述纵横比是10左右，以适应所述被分析的聚合物，所述优选的实施方案具有200nm到1μm的通道高度，使得全部在通道中通过的物质将在焦点上并被准确地观测。
本发明还包括这样的实施方案，其中所述通道不是平面的，并用三维通道制造技术制造。在这样的实施方案中，恒定的剪刀不仅从侧壁诱导，而且从在通道高度中的梯度诱导。同样地，在进一步的实施方案中，结构的组合具有作用于一个轴的力和作用于另一个轴的另一个力。在一些这样的实施方案中，障碍物区域跨越所述通道的宽度，而其高度在锥形形状中减小。在其他的实施方案中，在单一平面中曲折的、内向-螺旋设计，其在通道宽度方面也减小，被用来产生剪切力，其在中心进料，通过在所述材料底部中的孔进入所述装置的垂直出口，检测靠近所述孔的入口。当结构时处于垂直方向时，重力被用于某些实施方案以帮助在流体中产生速度差。(值得注意的是，单独的重力不足以伸展聚合物或者显著地使它流动，因为加在100kD聚合物上的力刚刚超过10-18N；重力的任何效果将被所述分子通过粘滞力感受到。)
6.实施例
6.1实施例1：用于伸展DNA的微型组件的制造，和
其在用于检测从标记的DNA发射的荧光的装置中的应用
实验装置。用于检测的灵敏光学装置示于图24。该装置利用共焦的荧光照明和检测。共焦照明使小的光学体积(毫微微升左右)被照亮。应用小的探针体积使Rayleigh和Raman散射两者最小化。来自1mW氩离子激光器的光束通过激光谱线过滤器(514nm)，送往分色镜，通过100×1.2NA油浸物镜，然后到达样品。在DNA上的莹光标记可以是包括以下的几种染料的一种：Cy-3、四甲基若丹明、若丹明6G和Alexa 546。此外，可以使用嵌入剂染料例如TOTO-3(分子探针)。来自样品的荧光发射通过一个二色性的、狭窄的带通(例如OmegaOptical)，聚焦在100μm针孔上，通过非球面镜头，最终聚焦在光子计数模式的雪崩光电二极管上(EG & G加拿大)。输出信号用多路标量(EG & G)收集和应用Pentium III计算机分析。共焦装置适于包括飞行时间的定量应用。这样的应用包括在DNA上测试距离，检测标记顺序，和确定在DNA中的拉伸度。可以应用该装置检测单一荧光性分子。对于需要影像的应用，使用设置在显微镜上的加强的CCD(ICCD，Princeton Instruments)的装置是适当的。
微型组件的制造。在0.090英寸厚的石英基片上，通过光刻法和电子束方法，生成了一组恒定-剪切通道，其具有0.085/s的设计剪切速率，由两排间距2微米的1.5微米障碍物引导。所述基材首先通过放置在被加热到80℃的RCA溶液(5份去离子水比1份30％氢氧化铵/30％过氧化氢，后两者来自Sigma Chemical Co.，St.Louis，MO)中二十分钟来净化，然后在氮气流下干燥。然后将以2∶1比率用R类型稀释剂(Shipley，Newton，MA)稀释的Shipley S1813抗光蚀剂，在旋涂器中在3250rpm下旋涂在石英表面上45秒，然后在90℃在烘箱中固化0.5小时。然后将粗糙的恒定-剪切形式通过暴露于水银灯下12s而接触印刷在所述表面上，例如在来自Carl Zeiss，德国的接触式光刻机中，然后在以5∶1比率用去离子水稀释的351显影剂(Shipley)中漂洗30s，进一步在去离子水中漂洗，然后在氮气流下干燥。在10s的UV-臭氧净化之后，将所述基材用CHF3在Reactve Ion Etch(RIE)机器中进行40分钟蚀刻。在另一次在RCA溶液中洗涤之后，在旋涂器中在2000rpm下将聚甲基丙烯酸甲酯(650MW)在氯苯中稀释到3％的溶液旋涂在所述表面上45秒。所述涂层在烘箱中于180℃固化一小时，然后在蒸发器中加入上60的铬层。进行电子束写以制造精细结构，例如障碍物排，然后在REI机器进行铬蚀刻，和用去离子水漂洗。然后将所述基材在被加热到21℃的异丙醇∶甲基异丁基酮的2∶1v/v溶液中沉浸90秒，以进行显影，然后进行另一次UV-臭氧净化。然后在REI机器中进行另一次CHF3蚀刻，继之以RCA溶液洗涤。
将尺寸为45mm×50mm×0.15mm的盖玻片(Fisher Scientific，Pittsburgh，PA)用去离子水冲洗并在氮气下干燥。将10∶1w/w的RTV615A：RTV 615B硅树脂(General Electric，Schenectady，NY)的溶液，在旋涂器中于4000rpm旋涂在所述盖玻片60秒上，然后于80℃固化两个小时。将具有其中安置微型组件的孔的硅树脂平板置于一个盖玻片上，其然后暴露于30W的血浆清洁器中50秒，以产生亲水表面。然后除去所述硅树脂平板并将所述盖玻片在去离子水中漂洗，然后在氮气下干燥。然后将完全制备的微型组件小心地安置在所述盖玻片上。
用于监测来自伸展的DNA的对像-依赖的脉冲的装置。如图25所示，输送***由聚合物供给部分151组成，其由注射器泵150驱动通过微型组件152(参考上述描述)，其中聚合物伸展并由来自激光器154的激光束激发，其通过光检测器153检测并用计算机155分析，该计算机也控制泵150和检测器153。
监测在伸展的DNA中的荧光发射。大肠杆菌噬菌体T4 DNA(Sigma，St.Louis，MO)通过以5∶1(碱基对∶染料)比率加4040-1进行标记，培育一小时，然后在0.5X TBE电泳缓冲液(45mM TRIS，32.3mM硼酸和1.25mM EDTA，pH8.3，全部来自Sigma，St.Louis，MO)中稀释至50,000分之一。
然后将一微升样品用滴管吸取在盖玻片上，其紧挨着微型组件，在此其借助于毛细管作用被输入到通道中。将所述微型组件和盖玻片置于荧光显微镜(来自Nikon的Microphot系列)镜台上，该荧光显微镜装备着60X plano apo透镜(来自例如Nikon或者Carl Zeiss)。激发来自于汞弧灯，具有Nikon B2A滤光器，以确保在YOYO-1的490nm峰值激发附近有足够的激发。超过520nm的发射通过所述B2A滤光器组并由硅-加强的摄像机(Hammamatsu的C2400-08)或者CCD摄像机俘获。来自摄像机的图像通过影像俘获卡(例如来自NationalInstruments，Austin，TX的PCI-1408)输出到计算机中，并用图像处理软件分析，其是定做编写的程序，在屏幕上根据相对于背景的亮度识别DNA，并计算像素以确定聚合物长度。
在该装置中观察了各种DNA分子(图26)。在图27(a-g)中的微型组件的恒定剪切部分显示了伸展的大约190kb的DNA分子(63微米)。在所述微型组件中一个完全地伸展的DNA示于图28。该分子测量为139微米，或者535kb。
数据。将用YOYO-1(分子探针)着色的T4 DNA(Sigma)的小样品(半微升)，输入具有矩形漏斗部分连同柱子并在毛细管作用下运行的微型组件。用100WHg灯激发样品并用SIT摄像机(HammatsuC2400-08)观测。来自摄像机的视频信号被送到在Pentium级计算机中的图像俘获卡，运行定做的LabView软件，其根据其速度和在研究区中花费的时间确定以像素为单位的DNA碎片的长度。小于30微米的长度被认为是碎片并且自动地排除，其导致在样品的大约两分钟运行中仅仅获得十个数据点。使用已知的放大水平的换算，发现DNA是50.6μm长，介于42和62μm之间。一个柱状图示于图29。所述长度稍微短于着色的164kbp T4 DNA的71.1μm的预期值，说明在该设计中伸展没有完全完成。
6.2实施例2：使用本发明装置的噬菌体λ DNA的伸展
使用了两种不同的装置来获得示于图30(a)和30(b)中的数据。使用示于图20的装置来获得示于图30(b)的数据。用于获得图30(a)数据的装置具有与用于获得图30(b)数据的装置相同的通道边界(即，两个-漏斗装置的两个锥形区域的尺寸比相同)，只是在所述结构中不存在柱子。
使用如上所述的光刻方法，将熔凝硅石片(Hoya Corp.，San Jose，CA)蚀刻成具有图20的式样。所述片使用划片机(例如来自DiscoCorp.，Santa Clara，CA)切成1厘米乘2厘米的微型组件，然后借助于热粘合附着上熔凝硅石盖玻片(例如来自Esco，Oak Ridge，NJ)。
将具有48.5千碱基均一长度(即，预期的伸直长度为16-17微米)的双链λDNA(Promega，Madison，WI)通过添加类似量的3μMTOTO-3碘化物(分子探针，Eugene OR)嵌入染料进行标记，然后在1X TE缓冲液(10mM TRIS和1mM EDTA，pH8.0，全部来自Sigma，St.Louis，MO)中稀释至大约50,000分之一。对于使用这里的双链48.5千碱基DNA样品，用嵌入染料着色的λDNA的预期伸展长度是21μm(比未着色的DNA大约长30％)。
将微型组件和盖玻片置于荧光显微镜的显微镜载物台(例如，来自Nikon的Microphot系列)，该荧光显微镜装备有100X plano apo透镜(例如来自Nikon，Carl Zeiss)和滤光器组，其为用于TOTO-3而进行了优化(例如，来自Omega Optical，Brattleboro，VT的XF-47)。激发来自于633nm氦氖激光器(例如，来自Melles Griot)，聚焦在微通道内排列在相同流线上的两个点。借助于毛细管作用使样品在所述通道的入口处输入，并且利用在所述微型组件另一端的真空(借助于真空泵产生，例如Welch Vaccum，Skokie，IL)使所述流动持续。当DNA分子通过激光光点时，超过650nm的发射通过所述滤光器组并由排列在所述光点上的一对共焦的检测器接受。在所述检测器之间的飞行时间被用来确定速度，其与在一个激光光点中的停留时间一起使用，以计算分子的长度。
该实验的结果表明，包括柱子的两个-漏斗装置使48.5千碱基的双链、染料着色的λDNA伸展到大约19.5μm的长度(图30(b))，而不具有柱子的两个-漏斗装置仅仅使DNA伸展到大约10μm的长度(图30(a))。因此，虽然在没有柱子的锥形通道中DNA存在伸展，平均起来，DNA仅仅伸展到稍微超过其全长的一半，并且非常少的单个分子是完全地伸展的，正如由图30(a)中的柱状图的宽分布所证明的。相形之下，在具有柱子区域与下游锥形通道相结合的结构中，平均起来，分子被伸展到接近于全长，并且大多数分子处于预期的它们完全伸展长度的20％范围内。因此，具有柱子的两个-漏斗装置比没有柱子的相同装置能够更好地伸展DNA。此外，该装置比没有柱子的两个-漏斗结构能够更均匀地和有效地伸展聚合物。
7.引用的参考
在此将引用的所有参考的全文引为参考，在全部意义上，其范围等同于每个单独出版物或者专利或者专利申请被特定地和分别地指明将其全文在全部意义上引为参考。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行许多改进和改变，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。在此描述的特定的实施方案仅仅是为了举例而提供，本发明仅由所附权利要求以及权利要求的全部范围的同等物限定。
Claims (330)
1.一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个锥形通道，所述锥形通道从第一端到第二端在宽度上线性地减小，和其中所述至少一种聚合物，当存在时，沿着所述锥形通道在从所述第一端到所述第二端的方向上运动；
借此当所述在所述流体样品中的至少一种聚合物沿着所述锥形通道运动时，剪切力被施加到所述至少一种聚合物上。
2.权利要求1的集成装置，其中所述锥形通道在宽度上以1-75°的角度减小，所述角度被定义为在所述第一端相对于恒定宽度通道的角度。
3.权利要求2的集成装置，其中所述角度等于26.6°和所述至少一种聚合物包括DNA。
4.权利要求1的集成装置，其中所述第一端的宽度为1μm-1cm，和所述第二端的宽度为1nm-1mm。
5.权利要求4的集成装置，其中所述第一端的宽度等于50μm，所述第二端的宽度等于5μm，和所述至少一种聚合物样品包括DNA。
6.权利要求1的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
7.权利要求6的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
8.权利要求1的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
9.权利要求8的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
10.一种集成装置，其包括：
一种包括锥形通道的伸长结构，所述锥形通道从第一端到第二端在宽度上线性地减小，所述锥形通道包括至少一种在流体样品中的聚合物，所述锥形通道被设置成使得当所述至少一种聚合物从所述第一端到所述第二端运动时，一个剪切力被施加到所述至少一种聚合物上。
11.一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个锥形通道，所述锥形通道从第一端到第二端在宽度上以大于线性速率减小，和其中所述至少一种聚合物，当存在时，沿着所述锥形通道在从所述第一端到所述第二端的方向上运动；
借此当所述至少一种在所述流体样品中的聚合物沿着所述锥形通道运动时，剪切力被施加到所述至少一种聚合物上。
12.权利要求11的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
13.权利要求12的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
14.权利要求11的集成装置，其进一步包括使所述至少一种在所述流体样品中的聚合物在所述伸长结构内运动的设备。
15.权利要求14的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
16.一种集成装置，其包括：
一种包括锥形通道的伸长结构，所述锥形通道从第一端到第二端在宽度上以大于线性的速率减小，所述锥形通道包括至少一种在流体样品中的聚合物，所述锥形通道被设置成使得当所述至少一种聚合物在从所述第一端到所述第二端的方向运动时，剪切力被施加到所述至少一种聚合物上。
17.一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个锥形通道，所述锥形通道从第一端到第二端在宽度上减小，和其中所述至少一种聚合物，当存在时，沿着所述锥形通道在从所述第一端到所述第二端的方向上运动；
借此当所述至少一种在所述流体样品中的聚合物沿着所述锥形通道运动时，剪切力被施加到所述至少一种聚合物上，其中所述剪切力产生恒定的剪切速率。
18.权利要求17的集成装置，其中所述锥形通道的宽度满足方程：W＝(SHx/Q+C)-1，其中W是所述宽度，S是所述剪切速率，Q是总的流量和C是常量。
19.权利要求18的集成装置，其中所述剪切速率在0.01s-1-10s-1之间。
20.权利要求19的集成装置，其中所述剪切速率等于0.075s-1。
21.权利要求18的集成装置，其中所述锥形通道的长度为1mm-2mm。
22.权利要求18的集成装置，其中所述流体样品被保持在环境温度以下的温度。
23.权利要求17的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
24.权利要求23的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
25.权利要求17的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
26.权利要求25的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
27.一种集成装置，其包括：
一种包括锥形通道的伸长结构，所述锥形通道从第一端到第二端在宽度上减小，所述锥形通道包括至少一种在流体样品中的聚合物，所述锥形通道被设置成使得当所述至少一种聚合物在从所述第一端到所述第二端的方向运动时，剪切力被施加到所述至少一种聚合物上，其中所述剪切力产生恒定的剪切速率。
28.一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个用于容纳流体的中央通道和用于容纳流体连接到所述中央通道的许多侧面通道；和
其中所述至少一种聚合物，当存在时，沿着所述中央通道在伸长方向上运动。
29.权利要求28的集成装置，其中所述许多侧面通道被定向使得从所述许多侧面通道注射的流体基本上在所述伸长方向上沿着所述中央通道运动。
30.权利要求28的集成装置，其中所述中央通道具有一个中央-通道横截面积和所述许多侧面通道具有总的侧面-通道横截面积，其为所述中央-通道横截面积的1％-500％。
31.权利要求30的集成装置，其中所述总的侧面-通道横截面积等于所述中央-通道横截面积的50％。
32.权利要求28的集成装置，其中所述许多的侧面通道被以重复的方式排列。
33.权利要求28的集成装置，其中所述中央通道是锥形的。
34.权利要求28的集成装置，其中所述流体被保持在环境温度以下的温度。
35.权利要求28的集成装置，其中所述许多的侧面通道的至少一个是锥形的。
36.权利要求28的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
37.权利要求36的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
38.权利要求2 8的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
39.权利要求38的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
40.一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括：
(a)一种伸长结构；
(b)一个引入和引出所述伸长结构的输送通道，其输送所述至少一种在所述流体中的聚合物样品到所述伸长结构；和
(c)用于使所述至少一种在所述流体样品中的聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备；
其中所述伸长结构包括一个用于容纳流体的中央通道和许多的用于容纳流体连接到所述中央通道的侧面通道；和
其中，当所述至少一种聚合物存在时，所述设备使所述至少一种聚合物沿着所述中央通道在伸长方向上运动。
41.一种用于伸展在流体样品中的DNA的集成装置，其包括：
(a)一种伸长结构；
(b)用于输送在所述流体样品中的所述DNA到所述伸长结构的设备；和
(c)用于使在所述流体样品中的所述DNA，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备；
其中所述伸长结构包括一个用于容纳流体的中央通道和许多的用于容纳流体连接到所述中央通道的侧面通道；和
其中，当所述DNA存在时，所述设备使所述DNA沿着所述中央通道在伸长方向上运动。
42.一种集成装置，其包括：
一种伸长结构，该伸长结构包括一个用于容纳流体的中央通道，所述中央通道包括第一端和第二端，和许多的用于容纳流体连接到所述中央通道的侧面通道，所述中央通道包括至少一种在流体样品中的聚合物，
其中所述至少一种聚合物在从所述第一端到所述第二端的方向上运动。
43.一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个具有至少一个弯曲的通道，和其中所述至少一种聚合物，当存在时，沿着所述通道运动。
44.权利要求43的集成装置，其中所述通道具有正弦曲线的形状。
45.权利要求44的集成装置，其中所述正弦曲线的形状具有的振幅与周期比为0.01-5。
46.权利要求43的集成装置，其中所述通道包括许多以非零角度连接的直线部分。
47.权利要求46的集成装置，其中所述许多的直线部分中间的每一个具有相同的长度，和所述非零角度在大小上相等和在符号上交替变化，因此所述通道具有之字形的转折形状。
48.权利要求47的集成装置，其中所述非零角度中间的每一个的大小为5-75°。
49.权利要求48的集成装置，其中所述非零角度中间的每一个的大小等于26.6°和所述至少一种聚合物样品包括DNA。
50.权利要求43的集成装置，其中所述通道包括许多直角弯曲，使得所述聚合物沿两个90°转弯和两个-90°转弯的重复的路线运动。
51.权利要求43的集成装置，其中所述通道包括循环的形状和具有1-500的周期数。
52.权利要求51的集成装置，其中所述周期数是10。
53.权利要求51的集成装置，其进一步包括沿着检测区检测所述至少一种聚合物的设备，其中所述检测设备被定位使得所述通道在限定的位置重复地穿过所述检测区。
54.权利要求43的集成装置，其中所述输送所述至少一种聚合物的设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
55.权利要求43的集成装置，其中所述通道容纳一种溶液，所述溶液保持在环境温度以下的温度。
56.权利要求43的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
57.权利要求56的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
58.权利要求43的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
59.权利要求58的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
60.用于伸展在流体样品中的DNA的集成装置，其包括：
(a)一种伸长结构；和
(b)用于输送所述在流体样品中的DNA到所述伸长结构的设备；
其中所述伸长结构包括具有至少一个弯曲的通道，和
其中所述DNA，当存在时，沿着所述通道运动。
61.权利要求41的集成装置，其进一步包括使所述DNA，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
62.一种集成装置，其包括：
一种伸长结构，该伸长结构包括具有至少一个弯曲的通道，所述通道包括第一端和第二端，所述通道包括至少一种在流体样品中的聚合物用于伸展所述至少一种聚合物，
其中所述至少一种聚合物在从所述第一端到所述第二端的方向上运动。
63.一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个锥形通道，沿着该锥形通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向上运动，和其中所述通道包括许多所述至少一种聚合物运动的障碍物。
64.权利要求63的集成装置，其中所述锥形通道从所述第一端到所述第二端在宽度上线性地减小。
65.权利要求63的集成装置，其中所述锥形通道从所述第一端到所述第二端在宽度上以大于线性的速率减小。
66.权利要求63的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
67.权利要求66的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
68.权利要求63的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
69.权利要求68的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
70.一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个中央通道，沿着该中央通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向上运动，和许多的连接到所述中央通道的侧面通道，和其中所述中央通道进一步包括许多的所述至少一种聚合物运动的障碍物。
71.权利要求70的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
72.权利要求71的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
73.权利要求70的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
74.权利要求73的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
75.一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个具有至少一个弯曲的通道，沿着该通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向上运动，和其中所述通道包括许多的所述至少一种聚合物运动的障碍物。
76.权利要求75的集成装置，其中所述通道包括具有1-500的周期数的循环的形状。
77.权利要求76的集成装置，其中所述循环的形状是正弦曲线。
78.权利要求76的集成装置，其中所述循环的形状是之字形的转折。
79.权利要求75的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
80.权利要求79的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
81.权利要求75的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
82.权利要求81的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
83.一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个通道，沿着该通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向上运动，和其中所述通道包括许多的柱子，所述柱子的至少一个具有非四边形的多边形的截面形状。
84.权利要求83的集成装置，其中所述许多的柱子的至少一个包括凹形的边缘，其中所述凹形的边缘面向流体来的方向。
85.权利要求83的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
86.权利要求85的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
87.权利要求83的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
88.权利要求88的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
89.一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个通道，沿着该通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向上运动，和其中所述通道包括许多的所述至少一种聚合物运动的障碍物，所述许多的障碍物以一系列的排定位，每个所述的排垂直于所述流动方向定位，和每个连续的排与前一排错位，借此沿着所述流动方向，至少一个不等于所述障碍物之一的1/2的倍数的部分迭盖由在所述前一排中两个邻近障碍物形成的间隙的延伸。
90.权利要求89的集成装置，其中所述通道是锥形的。
91.权利要求89的集成装置，其进一步包括许多的连接到所述通道的侧面通道。
92.权利要求89的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
93.权利要求92的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
94.权利要求89的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
95.权利要求94的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
96.一种集成装置，其包括：
一种包括通道的伸长结构，所述通道包括：
(a)第一端和第二端；
(b)许多的至少一种聚合物运动的障碍物，所述许多的障碍物定位成一系列的排，每个所述排垂直于所述流动方向定位，和在所述系列的排的每一排中每个邻近的障碍物对由大于所述最小直径50倍的距离分开；和
(c)至少一种在流体样品中的聚合物，每种所述聚合物具有大于或等于最小直径的直径，
其中所述至少一种聚合物在从所述第一端到所述第二端的方向上运动。
97.权利要求96的集成装置，其中所述至少一种聚合物包括DNA，和在所述系列的排的每一排中每个邻近障碍物对分开的所述距离为100nm-800nm。
98.权利要求97的集成装置，其中在所述系列的排的每一排中每个邻近障碍物对分开的所述距离等于500nm。
99.权利要求96的集成装置，其中所述系列的排的每一排具有总的障碍物横截面和总的通道宽度，所述总的障碍物横截面等于沿着所述流动方向被所述系列的排的每一排中所述障碍物阻挡的总面积，和所述总的通道宽度等于沿着所述流动方向未被所述系列的排中所述每一排的所述障碍物阻挡的总面积，其中所述总的障碍物横截面和所述总的通道宽度具有0.5-20的比值。
100.权利要求99的集成装置，其中所述至少一种聚合物包括DNA和所述比值在2和4之间。
101.权利要求96的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
102.权利要求101的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
103.权利要求96的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
104.权利要求103的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
105.一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个通道，沿着该通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向上运动，和其中所述通道包括许多的所述至少一种聚合物运动的障碍物，所述许多的障碍物沿着所述流动方向在横截面积上减小。
106.权利要求105的集成装置，其中所述通道是锥形的。
107.权利要求105的集成装置，其进一步包括许多的连接到所述通道的侧面通道。
108.权利要求105的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
109.权利要求108的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
110.权利要求105的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
111.权利要求110的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
112.一种用于伸展DNA的集成装置，其包括一种伸长结构，
其中所述伸长结构包括一个锥形的中央通道，所述锥形的中央通道包括第一端和第二端，和其中所述DNA，当存在时，沿着所述锥形中央通道在从所述第一端至所述第二端的方向上运动，
其中所述伸长进一步包括许多连接到所述锥形中央通道的侧面通道，
其中所述锥形中央通道包括至少一个弯曲；和
其中所述锥形中央通道包括许多的所述DNA运动的障碍物。
113.权利要求112的集成装置，其中所述锥形中央通道从所述第一端到所述第二端在宽度上线性地减小。
114.权利要求112的集成装置，其中所述锥形中央通道从所述第一端到所述第二端在宽度上以大于线性的速率减小。
115.权利要求112的集成装置，其中所述许多的侧面通道的至少一个是锥形的。
116.权利要求112的集成装置，其中所述输送所述DNA的设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
117.权利要求112的集成装置，其中所述锥形中央通道具有正弦曲线形状。
118.权利要求112的集成装置，其中所述锥形中央通道具有之字形的形状。
119.权利要求112的集成装置，其中所述许多的障碍物从所述第一端到所述第二端在横截面积上减小。
120.权利要求112的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
121.权利要求120的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
122.权利要求112的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
123.权利要求122的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
124.一种用于伸展DNA的集成装置，其包括一种伸长结构，所述伸长结构包括：
(a)一个第一锥形通道，所述第一锥形通道包括一个第一端、一个第二端和在所述第一端和所述第二端之间交错排列的许多柱子，其构成12-15排，所述第一锥形通道的宽度以26.6°的角度减小，所述角度在所述第一端相对于一个恒定-宽度通道定义，所述第一端具有在0.5和5μm之间的宽度，所述柱子具有等于1.5μm2的横截面积并被等于0.5μm的间隙分开；和
(b)一个第二锥形通道，所述第二锥形通道在所述第二端连接到所述第一锥形通道并且宽度减小至0.5和5μm之间，因此一个产生恒定剪切速率的剪切力被施加到所述DNA，当其存在时，所述第二锥形通道具有在1和3mm之间的长度。
125.权利要求124的集成装置，其中所述第二锥形通道的宽度满足方程：W＝(SHx/Q+C)-1，其中W是所述宽度，S是所述剪切速率，Q是总的流量和C是常量。
126.权利要求125的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
127.权利要求126的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
128.权利要求125的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
129.权利要求128的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
130.一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括以下步骤：
使所述至少一种聚合物沿着一种伸长结构运动，所述伸长结构包括一个具有第一端和一个第二端的锥形通道；
借此所述锥形通道导致产生恒定剪切速率的剪切力，当所述至少一种聚合物沿着所述锥形通道从所述第一端到所述第二端运动时，被施加到所述至少一种聚合物。
131.权利要求130的集成装置，其中所述锥形通道的宽度满足方程：W＝(SHx/Q+C)-1，其中W是所述宽度，S是所述剪切速率，Q是总的流量和C是常量。
132.权利要求131的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述锥形通道运动的步骤是借助于毛细管作用实现的。
133.权利要求131的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述锥形通道运动的步骤是借助于沿着所述锥形通道形成浓度梯度实现的。
134.权利要求131的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述锥形通道运动的步骤是借助于在所述锥形通道的所述第一端形成压头实现的。
135.权利要求134的方法，其中所述压头是借助于将注射器泵连接到所述锥形通道的所述第一端形成的。
136.权利要求135的方法，其中所述伸长结构进一步包括一个连接到所述锥形通道的旁路。
137.权利要求131的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述锥形通道运动的步骤是借助于在所述锥形通道的所述第二端形成压降实现的。
138.权利要求131的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述锥形通道运动的步骤是借助于沿着所述锥形通道形成温度梯度实现的。
139.权利要求131的方法，其中所述至少一种聚合物包括带电荷的聚合物，和所述使所述至少一种聚合物沿着所述锥形通道运动的步骤是借助于沿着所述锥形通道形成电场实现的。
140.权利要求139的方法，其中所述电场具有在1000和2000V/m之间的场强。
141.权利要求139的方法，其中所述电场用在溶液中的两个相反地带电的电极形成。
142.权利要求139的方法，其中所述电场用一系列在溶液中的电极形成。
143.一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括以下步骤：
使至少一种聚合物沿着一种伸长结构运动，所述伸长结构包括一个具有第一端和第二端的线性地渐缩的通道，
其中所述至少一种聚合物沿着所述通道从所述第一端到所述第二端运动。
144.一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括以下步骤：
使至少一种聚合物沿着一种伸长结构运动，所述伸长结构包括一个具有第一端和第二端的锥形通道，所述锥形通道从所述第一端到所述第二端以大于线性的速率减小，
其中所述至少一种聚合物沿着所述通道从所述第一端到所述第二端运动。
145.一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括以下步骤：
使至少一种聚合物沿着一种伸长结构运动，所述伸长结构包括一个容纳流体的中央通道和许多的容纳流体连接到所述中央通道的侧面通道，所述中央通道包括第一端和第二端，
其中所述至少一种聚合物沿着所述中央通道从所述第一端到所述第二端运动。
146.权利要求145的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述中央通道运动的步骤是借助于毛细管作用实现的。
147.权利要求145的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述中央通道运动的步骤是借助于沿着所述中央通道形成浓度梯度实现的。
148.权利要求145的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述中央通道运动的步骤是借助于在所述中央通道的所述第一端形成压头实现的。
149.权利要求148的方法，其中所述压头是借助于将注射器泵连接到所述中央通道的所述第一端形成的。
150.权利要求149的方法，其中所述伸长结构进一步包括一个连接到所述中央通道的旁路。
151.权利要求145的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述中央通道运动的步骤是借助于在所述中央通道的所述第二端形成压降实现的。
152.权利要求145的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述中央通道运动的步骤是借助于沿着所述中央通道形成温度梯度实现的。
153.权利要求145的方法，其中所述至少一种聚合物包括带电荷的聚合物，和所述使所述至少一种聚合物沿着所述中央通道运动的步骤是借助于沿着所述中央通道形成电场实现的。
154.权利要求153的方法，其中所述电场具有在1000和2000V/m之间的场强。
155.权利要求153的方法，其中所述电场用在溶液中的两个相反地带电的电极形成。
156.权利要求153的方法，其中所述电场用一系列在溶液中的电极形成。
157.权利要求145的方法，其中所述中央通道是锥形的。
158.权利要求145的方法，其中所述侧面通道的至少一个是锥形的。
159.一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括以下步骤：
使所述至少一种聚合物沿着一种伸长结构运动，所述伸长结构包括一个具有至少一个弯曲的通道，所述通道包括第一端和第二端，其中所述至少一种聚合物是从所述第一端到所述第二端运动的，
其中所述至少一种聚合物沿着所述通道从所述第一端到所述第二端运动。
160.权利要求159的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于毛细管作用实现的。
161.权利要求159的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于沿着所述通道形成浓度梯度实现的。
162.权利要求159的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于在所述通道的第一端形成压头实现的。
163.权利要求162的方法，其中所述压头是借助于将注射器泵连接到所述通道的所述第一端形成的。
164.权利要求163的方法，其中所述伸长结构进一步包括一个连接到所述通道的旁路。
165.权利要求159的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于在所述通道的第二端形成压降实现的。
166.权利要求159的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于沿着所述通道形成温度梯度实现的。
167.权利要求159的方法，其中所述至少一种聚合物包括带电荷的聚合物，和所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于沿着所述通道形成电场实现的。
168.权利要求167的方法，其中所述电场具有在1000和2000V/m之间的场强。
169.权利要求167的方法，其中所述电场用在溶液中的两个相反地带电的电极形成。
170.权利要求167的方法，其中所述电场用一系列在溶液中的电极形成。
171.权利要求159的方法，其中所述中央通道是锥形的。
172.权利要求159的方法，其中所述伸长结构进一步包括许多的连接到所述通道的侧面通道。
173.权利要求159的方法，其中所述通道具有正弦曲线形状。
174.权利要求159的方法，其中所述通道具有之字形的形状。
175.一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括以下步骤：
使至少一种聚合物沿着一种伸长结构运动，所述伸长结构包括一个通道和在所述通道内许多的所述至少一种聚合物运动的障碍物，所述中央通道包括一个第一端和一个第二端；
其中所述至少一种聚合物沿着所述通道从所述第一端到所述第二端运动。
176.权利要求175的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于毛细管作用实现的。
177.权利要求175的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于沿着所述通道形成浓度梯度实现的。
178.权利要求175的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于在所述通道的第一端形成压头实现的。
179.权利要求178的方法，其中所述压头是借助于将注射器泵连接到所述通道的所述第一端形成的。
180.权利要求179的方法，其中所述伸长结构进一步包括一个连接到所述通道的旁路。
181.权利要求175的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于在所述通道的第二端形成压降实现的。
182.权利要求175的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于沿着所述通道形成温度梯度实现的。
183.权利要求175的方法，其中所述至少一种聚合物包括带电荷的聚合物，和所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于沿着所述通道形成电场实现的。
184.权利要求183的方法，其中所述电场具有在1000和2000V/m之间的场强。
185.权利要求183的方法，其中所述电场用在溶液中的两个相反地带电的电极形成。
186.权利要求183的方法，其中所述电场用一系列在溶液中的电极形成。
187.权利要求175的方法，其中所述通道是锥形的。
188.权利要求175的方法，其中所述伸长结构进一步包括许多的连接到所述中央通道的侧面通道。
189.权利要求175的方法，其中所述通道包括至少一个弯曲。
190.权利要求189的方法，其中所述通道具有正弦曲线形状。
191.权利要求189的方法，其中所述通道具有之字形的形状。
192.权利要求175的方法，其中所述许多的障碍物在横截面积上沿着所述通道从所述第一端到所述第二端降低。
193.一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括以下步骤：
使至少一种聚合物沿着一种伸长结构运动，所述伸长结构包括一个通道和在所述通道内许多的所述至少一种聚合物运动的障碍物，所述中央通道包括一个第一端和一个第二端；
其中所述障碍物的至少一个具有非四边形的多边形的横截面形状和其中所述至少一种聚合物沿着所述通道从所述第一端到所述第二端运动。
194.权利要求193的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于毛细管作用实现的。
195.权利要求193的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于沿着所述通道形成浓度梯度实现的。
196.权利要求193的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于在所述通道的第一端形成压头实现的。
197.权利要求196的方法，其中所述压头是借助于将注射器泵连接到所述通道的所述第一端形成的。
198.权利要求197的方法，其中所述伸长结构进一步包括一个连接到所述通道的旁路。
199.权利要求193的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于在所述通道的第二端形成压降实现的。
200.权利要求193的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于沿着所述通道形成温度梯度实现的。
201.权利要求193的方法，其中所述至少一种聚合物包括带电荷的聚合物，和所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于沿着所述通道形成电场实现的。
202.权利要求201的方法，其中所述电场具有在1000和2000V/m之间的场强。
203.权利要求201的方法，其中所述电场用在溶液中的两个相反地带电的电极形成。
204.权利要求201的方法，其中所述电场用一系列在溶液中的电极形成。
205.权利要求193的方法，其中所述通道是锥形的。
206.权利要求193的方法，其中所述伸长结构进一步包括许多的连接到所述中央通道的侧面通道。
207.权利要求193的方法，其中所述通道包括至少一个弯曲。
208.权利要求207的方法，其中所述通道具有正弦曲线形状。
209.权利要求207的方法，其中所述通道具有之字形的形状。
210.权利要求193的方法，其中所述许多的障碍物在横截面积上沿着所述通道从所述第一端到所述第二端减小。
211.一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括以下步骤：
使至少一种聚合物沿着一种伸长结构运动，所述伸长结构包括：
(i)一个具有至少一个弯曲的锥形中央通道，所述锥形中央通道包括一个第一端和一个第二端；
(ii)许多的连接到所述锥形中央通道的侧面通道；和
(iii)在所述锥形中央通道内的许多的所述至少一种聚合物运动的障碍物；
其中所述至少一种聚合物沿着所述中央通道从所述第一端到所述第二端运动。
212.权利要求211的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述中央通道运动的步骤是借助于毛细管作用实现的。
213.权利要求211的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述中央通道运动的步骤是借助于沿着所述中央通道形成浓度梯度实现的。
214.权利要求211的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述中央通道运动的步骤是借助于在所述中央通道的所述第一端形成压头实现的。
215.权利要求214的方法，其中所述压头是借助于将注射器泵连接到所述中央通道的所述第一端形成的。
216.权利要求215的方法，其中所述伸长结构进一步包括连接到所述中央通道的旁路。
217.权利要求211的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述中央通道运动的步骤是借助于在所述中央通道的所述第二端形成压降实现的。
218.权利要求211的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述中央通道运动的步骤是借助于沿着所述中央通道形成温度梯度实现的。
219.权利要求211的方法，其中所述至少一种聚合物包括带电荷的聚合物，和所述使所述至少一种聚合物沿着所述中央通道运动的步骤是借助于沿着所述中央通道形成电场实现的。
220.权利要求219的方法，其中所述电场具有在1000和2000V/m之间的场强。
221.权利要求219的方法，其中所述电场用在溶液中的两个相反地带电的电极形成。
222.权利要求219的方法，其中所述电场用一系列在溶液中的电极形成。
223.权利要求211的方法，其中所述锥形中央通道具有正弦曲线形状。
224.权利要求211的方法，其中所述锥形中央通道具有之字形的形状。
225.权利要求211的方法，其中所述许多的障碍物在横截面积上从所述第一端到所述第二端减小。
226.权利要求130、143、144、145、159、175、193或211的方法，其进一步包括在所述运动步骤之前输送所述聚合物到所述伸长结构的步骤。
227.权利要求11或者16的集成装置，其中所述锥形通道在宽度上以1/(axn+b)的速率从所述第一端到所述第二端减小，其中n是大于1的实数，a是非零的实数，b是实数和x是沿着所述通道的长度的距离。
228.权利要求227的集成装置，其中n是整数。
229.权利要求228的集成装置，其中n的值为2、3或者4。
230.权利要求10、16、27、42、62或者96的集成装置，其中所述流体样品进一步包括粘度-改性组分。
231.权利要求230的集成装置，其中所述粘度-改性组分选自甘油、蔗糖、木糖、山梨糖醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺和聚环氧乙烷。
232.权利要求230的集成装置，其中所述粘度-改性组分包括4℃的含水缓冲溶液。
233.一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括一个通道，沿着该通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向上运动，和其中所述通道包括至少一个从第一端到第二端减小所述通道的高度，z，的梯级。
234.权利要求233的集成装置，其中所述通道具有从1μm到1mm的长度。
235.权利要求233的集成装置，其中所述至少一个梯级具有从0.1μm到0.9μm的高度。
236.权利要求233的集成装置，其中所述通道从所述第一端到所述第二端在宽度上线性地减小。
237.权利要求233的集成装置，其中所述通道在宽度上以1/(axn+b)的速率从所述第一端到所述第二端减小，其中n是大于1的实数，a是非零的实数，b是实数和x是沿着所述通道的长度的距离。
238.权利要求233的集成装置，其中所述至少一个梯级使所述通道的高度，z，减小至2到100分之一。
239.权利要求233的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
240.权利要求239的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
241.权利要求233的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
242.权利要求241的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
243.一种集成装置，其包括：
一种包括一个通道的伸长结构，所述通道包括至少一个梯级，其使所述通道的高度，z，从第一端至第二端减小，所述通道包括至少一种在流体样品中的聚合物，所述通道的设置使得在所述至少一种聚合物在从所述第一端到所述第二端的方向上运动时，在其上施加一个剪切力。
244.权利要求243的集成装置，其中所述通道具有从1μm到1mm的长度。
245.权利要求243的集成装置，其中所述至少一个梯级具有从0.1到0.9μm的高度。
246.权利要求243的集成装置，其中所述通道从所述第一端到所述第二端在宽度上线性地减小。
247.权利要求243的集成装置，其中所述通道在宽度上以1/(axn+b)的速率从所述第一端到所述第二端减小，其中n是大于1的实数，a是非零的实数，b是实数和x是沿着所述通道的长度的距离。
248.权利要求243的集成装置，其中所述流体样品进一步包含一种粘度-改性组分。
249.权利要求243的集成装置，其中所述至少一个梯级使所述通道的高度，z，减小至2到100分之一。
250.一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，所述伸长结构包括：
(a)一个第一通道，所述第一通道包括一个第一端和一个第二端；和
(b)一个第二通道，所述第二通道包括一个第三端和一个第四端，所述第三端在所述第二端连接到所述第一通道，
沿着通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向上运动，和
其中所述第一通道从所述第一端至所述第二端在宽度上减小，其减小的速度不同于所述第二通道从所述第三端到所述第四端在宽度上减小的速度。
251.权利要求250的集成装置，其中所述第一通道和所述第二通道各自独立地具有从1μm到1mm的长度。
252.权利要求250的集成装置，其中所述第一通道进一步在所述第一端和所述第二端之间包括许多的柱子。
253.权利要求252的集成装置，其中所述许多的柱子的至少一个具有非四边形的多边形的横截面形状。
254.权利要求252的集成装置，其中所述许多的柱子的至少一个具有椭圆形横截面形状，其中所述椭圆形横截面形状的长轴垂直于所述流动方向。
255.权利要求252的集成装置，其中所述许多的柱子的至少一个具有矩形横截面形状，其中所述矩形横截面形状的长轴垂直于所述流动方向。
256.权利要求252的集成装置，其中所述许多的柱子的至少一个包括凹形的边缘，其中所述凹形的边缘面向流体来的方向。
257.权利要求252的集成装置，其中在所述许多柱子中的每一个柱子具有在0.1μm2和10μm2之间的横截面积，所述许多的柱子定位成在12到15之间的一系列的排。
258.权利要求257的集成装置，其中六排柱子的装填系数在所述流动方向上从0％增大到50％，其中所述随后的至少12到15排具有恒定的50％的装填系数，和其中所述至少12到15排的邻近排的中心的距离等于2μm。
259.权利要求257的集成装置，其中所述柱子排的装填系数在所述流动方向上连续地从0％到80％增大。
260.权利要求257的集成装置，其中所述柱子排的装填系数是恒定的。
261.权利要求252的集成装置，其中所述许多的柱子的横截面积沿着所述流动方向从10μm2到1μm2减小。
262.权利要求250的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
263.权利要求262的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
264.权利要求250的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
265.权利要求264的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
266.一种用于伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，所述伸长结构包括：
(a)一个第一通道，其宽度等于10μm和高度等于1μm，所述第一通道包括一个第一端、一个第二端和在所述第一端和所述第二端之间交错排列的许多的柱子，其构成至少12至15排，所述许多的柱子在所述第二端结束，并且在所述许多的柱子中的每个柱子具有1-25μm2的横截面积；和
(b)一个第二通道，所述第二通道包括一个第三端和一个第四端，所述第三端在所述第二端连接到所述第一通道，所述第二通道在宽度上从所述第三端至所述第四端以1/x2的速度缩小，所述总宽从10μm缩小到1μm，其中x是沿着所述第二通道的长度的距离，所述第二通道的长度等于5μm，所述第二通道包括在所述第三端减小所述第二通道的高度至0.25μm2的一个梯级，
其中所述至少一种聚合物，当存在时，沿着所述第一通道和所述第二通道在流动方向上运动。
267.权利要求266的集成装置，其中所述许多的柱子的至少一个具有非四边形的多边形横截面形状。
268.权利要求266的集成装置，其中所述许多的柱子的至少一个具有椭圆形横截面形状，其中所述椭圆形横截面形状的长轴垂直于所述流动方向。
269.权利要求266的集成装置，其中所述许多的柱子的至少一个具有矩形横截面形状，其中所述矩形横截面形状的长轴垂直于所述流动方向。
270.权利要求266的集成装置，其中所述许多的柱子的至少一个包括凹形的边缘，其中所述凹形的边缘面向所述流动方向。
271.权利要求266的集成装置，其中所述许多的柱子的每一个具有等于1μm2的横截面积。
272.权利要求271的集成装置，其中六排柱子的装填系数在所述流动方向上从0％增大到50％，其中所述随后的至少12到15排具有恒定的50％的装填系数，和其中所述至少12到15排的邻近排的中心的距离等于2μm。
273.权利要求271的集成装置，其中所述至少12到15排的柱子的装填系数在所述流动方向上连续地从0％到80％增大。
274.权利要求266的集成装置，其中所述许多的柱子的横截面积在所述流动方向上从10μm2到1μm2减小。
275.权利要求266的集成装置，其在所述第二通道中进一步包括至少一个检测区。
276.权利要求266的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
277.权利要求276的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
278.权利要求266的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
279.权利要求278的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
280.权利要求266的集成装置，其中所述流体样品进一步包含一种粘度-改性组分。
281.一种用于以长度为基础有选择地伸展至少一种在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括：
(a)一个第一通道，所述第一通道包括一个第一端、一个第二端和在所述第一端和所述第二端之间交错排列的许多的柱子，在所述许多的柱子中每个柱子被定位于距离所述第二端不小于L；和
(b)一个第二通道，所述第二通道包括一个第三端和一个第四端，所述第三端在所述第二端连接到所述第一通道，所述第二通道从所述第三端到所述第四端在宽度上缩小，
沿着通道所述至少一种聚合物，当存在时，在流动方向上运动。
282.一种用于伸展许多具有不同长度的在流体样品中的聚合物的集成装置，其包括一种伸长结构，其中所述伸长结构包括：
(a)一个第一通道，所述第一通道包括一个第一端和一个第二端；
(b)一个第二通道，所述第二通道包括一个第三端和一个第四端，所述第三端在所述第二端连接到所述第一通道，所述第二通道从所述第三端到所述第四端在宽度上缩小；和
(c)在所述第一通道和所述第二通道中交错排列的许多的柱子，
沿着通道所述许多的聚合物，当存在时，在流动方向上运动。
283.权利要求281或者282的集成装置，其中所述第一通道和所述第二通道各自独立地具有从1μm到1mm的长度。
284.权利要求281或者282的集成装置，其进一步包括至少一个在所述第二通道中的检测区。
285.权利要求281或者282的集成装置，其中所述许多的柱子的至少一个具有非四边形的多边形横截面形状。
286.权利要求281或者282的集成装置，其中所述许多的柱子的至少一个具有椭圆形横截面形状，其中所述椭圆形横截面形状的长轴垂直于所述流动方向。
287.权利要求281或者282的集成装置，其中所述许多的柱子的至少一个具有矩形横截面形状，其中所述矩形横截面形状的长轴垂直于所述流动方向。
288.权利要求281或者282的集成装置，其中所述许多的柱子的至少一个包括凹形的边缘，其中所述凹形的边缘面向所述流动方向。
289.权利要求281或者282的集成装置，其中所述许多的柱子的至少一个具有在0.1μm2和10μm2之间的横截面积。
290.权利要求281或者282的集成装置，其中所述第二通道从所述第三端到所述第四端在宽度上线性地减小。
291.权利要求281或者282的集成装置，其中所述第二通道在宽度上以1/(axn+b)的速率从所述第一端到所述第二端减小，其中n是大于1的实数，a是非零的实数，b是实数和x是沿着所述第二通道的长度的距离。
292.权利要求281的集成装置，其进一步包括输送在所述流体样品中的所述至少一种聚合物到所述伸长结构的设备。
293.权利要求282的集成装置，其进一步包括输送所述许多的在所述流体样品中的聚合物到所述伸长结构的设备。
294.权利要求292或者293的集成装置，其中所述输送设备包括输送通道，所述输送通道引入和引出所述伸长结构。
295.权利要求281的集成装置，其进一步包括使所述至少一种聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
296.权利要求282的集成装置，其进一步包括使所述许多的聚合物，当存在时，在所述伸长结构内运动的设备。
297.权利要求295或者296的集成装置，其中所述设备包括沿着所述伸长结构形成压力差的设备。
298.权利要求233、243、250、266、281或者282的集成装置，其进一步包括至少一种在流体样品中的聚合物。
299.权利要求144的方法，其中所述通道在宽度上以1/(axn+b)的速率从所述第一端到所述第二端减小，其中n是大于1的实数，a是非零的实数，b是实数和x是沿着所述通道的长度的距离。
300.权利要求130、131、143或者144的方法，其中所述通道进一步包括至少一个梯级，其使所述通道的高度，z，从所述第一端到所述第二端减小。
301.权利要求300的方法，其中所述方法进一步包括输送所述至少一种聚合物到所述伸长结构。
302.权利要求300的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述通道运动的步骤是借助于在所述通道第一端形成压头、借助于在所述通道的第二端形成真空或者其结合实现的。
303.一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括：
使所述至少一种聚合物沿着一种伸长结构运动，所述伸长结构包括一个第一通道，所述第一通道包括一个第一端和一个第二端；和一个第二通道，所述第二通道包括一个第三端和一个第四端，所述第三端在所述第二端连接到所述第一通道，其中所述第一通道从所述第一端至所述第二端在宽度上减小，其减小的速度不同于所述第二通道从所述第三端到所述第四端在宽度上减小的速度。
304.权利要求303的方法，其进一步包括输送所述至少一种聚合物到所述伸长结构的步骤。
305.权利要求303的方法，其中所述第一通道进一步在所述第一端和所述第二端之间包括许多的柱子。
306.权利要求303的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述第一通道和所述第二通道运动的步骤是借助于在所述第一通道的第一端形成压头、借助于在所述第二通道的第四端形成真空或者其结合实现的。
307.权利要求302或者306的方法，其中所述压头是借助于将注射器泵连接到所述第一通道的第一端形成的。
308.一种用于伸展至少一种在流体样品中的、长度大于或等于L的聚合物的方法，其包括：
使所述至少一种聚合物沿着一种伸长结构运动，所述伸长结构包括一个第一通道，所述第一通道包括一个第一端、一个第二端和在所述第一端和所述第二端之间交错排列的许多柱子，在所述许多柱子中的每个柱子被定位于距离所述第二端为L，和一个第二通道，所述第二通道包括一个第三端和一个第四端，所述第三端在所述第二端连接到所述第一通道，所述第二通道从所述第三端到所述第四端在宽度上缩小，
其中具有大于或等于L的长度的聚合物伸展和具有小于L的长度的聚合物不被伸展。
309.权利要求308的方法，其进一步包括输送所述至少一种聚合物到所述伸长结构的步骤。
310.权利要求308的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述第一通道和所述第二通道运动的步骤是借助于在所述第一通道的第一端形成压头、借助于在所述第二通道的第四端形成真空或者其结合实现的。
311.一种用于伸展许多具有不同长度的在流体样品中的聚合物的方法，其包括：
使所述许多的聚合物沿着一种伸长结构运动，所述伸长结构包括：
(a)一个第一通道，所述第一通道包括一个第一端和一个第二端；
(b)一个第二通道，所述第二通道包括一个第三端和一个第四端，所述第三端在所述第二端连接到所述第一通道，所述第二通道从所述第三端到所述第四端在宽度上缩小；和
(c)在所述第一通道和所述第二通道中交错排列的许多的柱子。
312.权利要求311的方法，其进一步包括输送所述许多的聚合物到所述伸长结构的步骤。
313.权利要求311的方法，其中所述使所述许多的聚合物沿着所述第一通道和所述第二通道运动的步骤是借助于在所述第一通道的第一端形成压头、借助于在所述第二通道的第四端形成真空或者其结合实现的。
314.权利要求310或者313的方法，其中所述压头是借助于将注射器泵连接到所述第一通道的第一端形成的。
315.一种用于伸展至少一种聚合物的方法，其包括：
使所述至少一种聚合物沿着一种伸长结构运动，所述伸长结构包括：
(a)一个宽度等于10μm和高度等于1μm的第一通道，所述第一通道包括一个第一端、一个第二端和在所述第一端和所述第二端之间交错排列的许多的柱子，其构成至少12至15排，所述许多的柱子在所述第二端结束和在所述许多柱子中的每个柱子具有1-25μm2的横截面积；和
(b)一个第二通道，所述第二通道包括一个第三端和一个第四端，所述第三端在所述第二端连接到所述第一通道，所述第二通道从所述第三端至所述第四端在宽度上以1/x2的速度缩小，所述总宽从10μm缩小至1μm，其中x是沿着所述第二通道的长度的距离，所述第二通道的长度等于5μm，所述第二通道在所述第三端包括一个梯级，其使所述第二通道的高度减小到0.25μm2。
316.权利要求315的方法，其进一步包括在所述运动步骤之前输送所述聚合物到所述伸长结构的步骤。
317.权利要求143或者144的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述锥形通道运动的步骤是借助于毛细管作用实现的。
318.权利要求143或者144的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述锥形通道运动的步骤是借助于沿着所述锥形通道形成浓度梯度实现的。
319.权利要求143或者144的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述锥形通道运动的步骤是借助于在所述锥形通道的所述第一端形成压头实现的。
320.权利要求319的方法，其中所述压头是借助于将注射器泵连接到所述锥形通道的所述第一端形成的。
321.权利要求320的方法，其中所述伸长结构进一步包括一个连接到所述锥形通道的旁路。
322.权利要求143或者144的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述锥形通道运动的步骤是借助于在所述锥形通道的所述第二端形成压降实现的。
323.权利要求143或者144的方法，其中所述使所述至少一种聚合物沿着所述锥形通道运动的步骤是借助于沿着所述锥形通道形成温度梯度实现的。
324.权利要求143或者144的方法，其中所述至少一种聚合物包括带电荷的聚合物，和所述使所述至少一种聚合物沿着所述锥形通道运动的步骤是借助于沿着所述锥形通道形成电场实现的。
325.权利要求324的方法，其中所述电场具有在1000和2000V/m之间的场强。
326.权利要求324的方法，其中所述电场用在溶液中的两个相反地带电的电极形成。
327.权利要求324的方法，其中所述电场用一系列在溶液中的电极形成。
328.权利要求1，10，11，16，17，27，43，60，62，63，70，75，83，89，96或者105的集成装置，其进一步包括至少一个在所述通道中的检测区。
329.权利要求28，40，41，42或者112的集成装置，其进一步包括至少一个在所述中央通道中的检测区。
330.权利要求124的集成装置，其在所述第二通道中进一步包括至少一个检测区。
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