CN1412321A - 用于样品制备和分析的集成式生物芯片*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于样品制备和分析的集成式生物芯片***。本发明给出了在集成式生物芯片***的一块或是多块芯片上按照一定顺序对样品进行处理和分析的器件。该***包括一块或是多块主动式芯片，并且可以实现自动化操作。本发明还包括了使用这样的集成式生物芯片***进行样品处理和分析的方法。该方法包括在***中加入样品，在芯片表面进行至少两个顺序任务。该方法还包括使用物理力，例如介电电泳力、电磁力等进行样品的处理和分析，同时还包括使用可以和样品组分结合的，又可以被介电电泳力或是电磁力操纵的微粒的方法。
Description
技术领域
本发明涉及对样品的分析，尤其是在芯片上处理和分析样品。具体地说，本发明是使用一个集成式的芯片***来处理和分析样品。该***包含一个或多个芯片；在芯片上，样品，例如生物细胞或是生物分子，可以使用外加的物理作用力进行处理和操纵。
背景技术
对微粒(特别是对生物材料)的操纵可以为生物医学领域的研究带来便利。其中对单个癌细胞进行操纵的技术相当重要，它能使研究者在精心控制的环境中研究单个癌细胞或一组癌细胞与被选择药物之间的相互作用。有多种不同的力可以用以操纵微粒，包括光学力、超声力、机械力和流体力。例如人们已经成功的利用流式细胞仪来对细胞进行分类和鉴定。另一个例子就是在生物学和生物医学实验室中，离心技术被广泛使用，以处理生物样品。
目前在生物学和生物医学应用领域中的趋势是生物分析设备和器件的自动化与微型化。基于生物芯片的微流体技术的研究开发受到了特别的关注。生物芯片是指一块固体基片，在其表面上可进行生物/生化/化学反应和处理过程。基片是一片可以为不同形状，如矩形、圆形、椭圆形或其它形状的薄片。可以在基片上集成或制作出不同的结构(如管道、槽、电极元件等)以进行生物/生化/化学反应或处理。生物芯片和微流体领域研究者的一个重要目标就是开发出完全自动化、集成化的设备，以实现一系列的生物/生化反应和步骤。最佳情况是，这种集成器件能处理天然的、原初的生物样品(如血液、尿液)以分离靶微粒或生物微粒(如血液中的癌细胞、孕妇血液中的胎儿成核细胞、尿液中的某种细菌)；分离后的靶微粒可以经过进一步处理得到细胞组分(如靶细胞经胞解释放出生物分子，如DNA、mRNA、蛋白质分子等)；然后感兴趣的细胞组分再被分离、处理(如对分离出的DNA分子中的目标序列通过聚合酶链式反应，即PCR进行扩增)；最后，对反应产物进行一定形式的检测/测量/定量(如对PCR扩增的DNA片段进行杂交反应，用荧光法检测杂交结果)。很明显，在生物芯片上处理和操纵微粒混合物中不同种类的微粒(包括细胞和细胞组分)的方法对开发基于生物芯片的器件而言有着非常重要的意义。
目前有关在芯片上对微粒或生物微粒进行操纵的方法已经有了一定的进展。电子杂交技术已经被开发出来，即在电子芯片上操纵、输运带电荷的DNA分子(见“Rapid Determination of Single Base Mismatch Mutations in DNAHybrids by Direct Electric Field Control”，Sosnowski，R.，et al.，Proc.Natl.Acad.Sci.，Volume 94，pages 1119-1123，1997；“Electric Field DirectedNucleic Acid Hybridization on Microchips”，Edman，C.，Nucl.Acids Res.，25：pages 4907-4914，1998)；还有电泵和电分离技术，即利用基于电渗和电泳的动力学效应来输运、操纵、分离生物分子或其它微粒(“Micromachining a miniaturized capillary electrophoresis-basedchemical analysis system on a chip”，Harrison，D.J.et al，Science，Volume261，pages：895-896，1993；“High-speed separation of antisenseofligonucleotides on a micromachined capillary electrophoresis device”，Effenhauser，C.S.et al.，Anal.Chem.Volume 66，pages：2949-2953，1994)。总体而言，目前处理微粒的操纵技术应用有限，且只能用于特定的实例。因此，需要性能更好的能够操纵微粒的装置。
发明概述
分析技术可以用于医学诊断、法医鉴定、遗传诊断、疾病预防和药物基因组学，这些研究通常都需要准备大量的复杂的生物样品。生物样品，例如血液样品的制备通常需要多个步骤完成，例如包括离心、过滤、破胞、温育、酶切、对核酸或蛋白进行凝胶纯化。这些步骤费时费力，难以标准化。本发明提出一个能够进行样品制备和分析的自动化集成式***，并且使从样品到结果的过程标准化、流程化。因为“芯片实验室”尽可能的减少了人工的干预，并且可以同时分析多个样品，从而避免了多次重复取样。
使用外加的物理作用力对微粒(例如细胞和与样品组分连接的微颗粒)进行操纵可以使得对样品的处理和分析的过程自动化和流程化。
首先，本发明所述的集成式生物芯片***带有一个芯片，芯片可以进行至少两个顺序的任务，而且其中至少一个任务的目的是进行样品处理。最好，至少一个任务是部分的通过制作在芯片上的微结构产生的物理力实现的。而且，至少一个任务是通过操纵与样品中的实体分子连接的结合物来实现。集成式生物芯片***最好是自动化的。
其次，本发明所述的集成式生物芯片***也可以包含两个或多个芯片。至少能进行两个顺序的任务，而且，至少其中的一块芯片可以进行样品制备中的至少一个任务。最好，这种包含两个或两个以上芯片的集成式生物芯片***是自动化的，***中至少有两个芯片可以进行相互的流体交换。样品组分从***中的一块芯片转移到另一块芯片上适宜使用机械作用而不是流体作用，最好是使用外加的物理作用力。最好，至少一个任务是部分的通过制作在芯片上的微结构产生的物理力实现的。而且，至少一个任务是通过操纵与样品中的实体分子连接的结合物来实现。
再次，本发明还包括使用集成式芯片***进行样品制备和分析的方法。这种方式包括将样品引入***和在样品制备及分析(非必须)中进行至少两个顺序的任务。至少一个样品处理的任务可以通过制作在芯片上的微结构所产生的物理作用力完成，最好但不是必须的，处理过程能够包括对与微粒连接的样品中的实体分子进行操纵的步骤。
附图说明
图1A是包括了一个可以用于本***的多力芯片的腔体三维立体图；腔体有入口和出口，一个多力芯片位于腔体的底部；腔体的顶部是一片玻璃片(未显示)；这个腔体与其它三个腔体相连(未显示)，用于分析和检测DNA、蛋白质和mRNA，以及其它小分子。多力芯片上集成了声场层、磁力层、微粒开关层、DEP电极电极层和顶层。
图1B是多力芯片顶层的三维立体图，在这里顶层可以由BSA(牛血清白蛋白)或其它分子包被以减少细胞或样品的其它成分与芯片的非特异性吸附。顶层也可以是一薄层SiO2或其它绝缘材料。
图1C是多力芯片的DEP电极层的DEP电极的三维立体图，矩形的DEP电极可以和外加信号源(未显示)相连。
图1D是多力芯片的微粒开关层的微粒开关电极的三维立体图。
图1E是多力芯片的磁力层上的电磁元件的三维立体图。
图1F是多力芯片声场层的声学元件的三维立体图。
图2A是样品被引入腔体的示意图，样品含有待分析的靶细胞、非靶细胞和表面包被了特异结合物的磁珠；磁珠表面包被的特异结合物可以与靶细胞结合，从而使得磁珠和靶细胞相连。
图2B是样品已经被引入腔体后的示意图，被引入的样品包含靶细胞、非靶细胞和磁珠。
图3是样品在腔体中在声场力的作用下混合，从而促使磁珠与靶细胞结合的示意图(选通的声场层用粗线表示)。
图4是样品在腔体中，在声场力的作用下混合之后，进行磁力捕获之前，靶细胞已经和磁珠结合的示意图。
图5A是样品中靶细胞已经和磁珠结合，电磁元件被选通的示意图(选通的电磁层用粗线表示)。产生的磁场可以使靶细胞-磁珠复合体向磁极聚集。
图5B是腔体中磁珠-细胞复合体或磁珠被选通的电磁元件捕获后的示意图(选通的电磁层用粗线表示)。在图中为了表示磁珠已被吸附在磁极附近，磁极被画出来，但是其实在试验中它们从腔体的顶部是看不见的。
图5C是腔体中非靶细胞被流体清洗，而与磁珠结合的靶细胞仍旧被磁极捕获的示意图。
图6是腔体中靶细胞从磁珠上洗脱下来，由于磁极仍然被选通，所以磁珠仍然聚集在磁极附近的示意图。
图7A是带有DEP电极阵列的腔体的三维示意图，DEP电极阵列上施加了交流信号(选通的电极层用粗线表示)。
图7B显示，靶细胞在腔体中的DEP电极阵列产生的非匀强电场的作用下，受到正向介电电泳力的作用，被电极捕获，因为介电电泳力对磁珠的作用力很小或是使得磁珠受到负向介电电泳力，而使得磁珠被冲走。
图8显示了含有四种不同类型的磁珠的溶液被引入腔体。它们分别是1型、2型、3型和4型磁珠，分别用以结合靶mRNA、靶蛋白、靶DNA和目标小分子。
图9A显示腔体中的靶细胞被裂解以释放其内容物。
图9B是含有靶细胞释放的内容物的腔体的示意图。
图10显示腔体中的声场元件被选通，产生声场混合，促使目标分子与相应的磁珠连接(被选通的声场层用粗线表示)。
图11显示腔体中靶分子分别与相应的磁珠连接。目标蛋白分子、DNA分子、mRNA分子、小分子分别连接磁珠2、3、1、4型。
图12A显示腔体中分子-磁珠复合体被选通的DEP电极产生的介电电泳力捕获在腔体底面(被选通的DEP电极层用粗线表示)。
图12B显示腔体中的分子-磁珠复合体被DEP电极产生的行波介电电泳力聚集在腔体底面中心区域。
图13A是腔体中微粒开关层电极通电后的俯视图。
图13B是微粒开关层的俯视图，显示微粒开关电极施加相位不同的电信号后，四种分子-磁珠复合体在微粒开关的三个通道末端得到分离。
图13C显示四种类型的分子-磁珠复合体在腔体的三个末端得到分离。
图14A是DNA分析腔体的三维立体图，显示了DNA探针层。
图14B是DNA分析腔体的三维立体图，显示了行波介电电泳电极(TW-DEP)层。TW-DEP电极与信号源的详细连接方法图中没有给出。信号源可以产生至少三个频率相同但是相位不同的信号。
图14C是DNA分析腔体的三维立体图，显示了磁力传感器层。其中字母“S”表示“传感器”。
图14D是DNA分析腔体的三维立体图，显示了行波介电电泳层通电后，行波介电电泳电极推动DNA-磁珠复合体进入分析腔体(通电的电极层用粗线表示)。DNA分析腔体含有一个芯片，芯片上有DNA探针层(顶层)，一个行波DEP层和一个磁力传感器层。
图14E是DNA分析腔体的三维立体图。显示了DNA-磁珠复合体进入腔体后，与磁珠连接的DNA分子同时与芯片上的探针杂交。
图14F是DNA分析腔体的三维立体图。显示了DNA-磁珠复合体上靶DNA分子单链部分与芯片上的DNA探针杂交，这些探针固定在磁力传感器上。磁珠的有无和磁珠的数量可以通过磁力传感器进行检测(通电的磁力传感器层用粗线表示)。为了表明磁力传感器对磁珠有响应，单个磁力传感器被表示出来，尽管在实际的试验中它们从腔体的顶部是看不到的。
图15A是蛋白质/mRNA分析腔体的三维立体图，腔体中包含一个带有核酸/抗体探针层的芯片。
图15B是蛋白质/mRNA分析腔体的三维立体图，显示了芯片上的行波-介电电泳电极层。TW-DEP电极与信号源的详细连接方法图中没有给出。信号源可以产生至少三个频率相同但是相位不同的信号。
图15C是蛋白质/mRNA分析腔体的三维立体图，显示了蛋白质-磁珠复合体和mRNA分子-磁珠复合体在行波介电电泳力的作用下进入腔体(选通的电极层用粗线表示)。
图15D是蛋白质/mRNA分析腔体的三维立体图。显示了蛋白质分子和mRNA分子从磁珠上解离下来，和芯片表面的特异结合物进行结合。
图15E是蛋白质/mRNA分析腔体的三维立体图。显示了蛋白质分子和mRNA分子分别与芯片表面的抗体和核酸探针结合。带有可检测标记结合分子从一个端口引入分析腔体。磁珠可以在通电的DEP电极(图中没有显示)产生的行波介电电泳力的作用下移出分析腔体或离开腔体的检测区，或者在引入带有可检测标记(荧光标记)的结合分子(图中没有显示)时用流体洗去。
图15F是蛋白质/mRNA分析腔体的三维立体图。显示了带有荧光标记的结合分子与结合在芯片表面的蛋白质分子及核酸分子结合。
图16A和B是小分子分析腔体的三维立体图。腔体的底部包含一块芯片，该芯片包括流体通道层(A)、行波DEP层(B)。TW-DEP电极与信号源的详细连接方法(图中没有给出)。信号源可以产生至少三个频率相同但是相位不同的信号。
图16C是小分子分析腔体的三维立体图。显示了小分子-磁珠复合体在行波介电电泳力的作用下移到通道中心区域(选通的电极层用粗线表示)。
图16D是小分子分析腔体的三维立体图。显示了小分子从磁珠上解离下来。磁珠在行波介电电泳力的作用下离开分析腔体(图中未显示)。其中小分子进行了荧光标记(图中未显示)。
图16E是小分子分析腔体的三维立体图。显示了小分子在电泳力或电渗力作用下通过通道。
图16F是小分子分析腔体的三维立体图。显示了小分子通过通道，被芯片外的荧光检测器检测。
图17是单芯片的集成式生物芯片***。其中芯片是腔体的一部分，腔体盖片上有用于引入样品和试剂的入口，以及用于废物流出的出口。芯片上这些分立的区域用于样品制备(A和B)和分析(C)，并且每个区域有不同的功能区。
图18是单芯片的集成式生物芯片***。其中芯片是腔体的一部分，腔体盖片上有用于引入样品和试剂的入口，以及用于废物流出的出口。芯片上有一个微粒开关，可以使样品组分进入不同的区域以进行进一步的制备和分析。
图19A是多力芯片俯视图，芯片上层的交错电极可以产生介电电泳力，下层的电磁元件可以产生电磁力。
图19B是包含多力芯片的腔体俯视图。显示稀释了的血液样品被引入腔体。
图19C是包含多力芯片的腔体俯视图。显示白细胞在正向介电电泳力的作用下聚集在交错式的微电极阵列的边缘。
图19D是包含多力芯片的腔体俯视图。显示引入表面包被有oligo-(dT)25的磁珠的裂解缓冲液。
图19E是包含多力芯片的腔体俯视图。显示通电的磁极捕获磁珠的情况。
图19F是被捕获的磁珠上的mRNA的RT-PCR产物的琼脂糖凝胶电泳结果照片。
详细描述定义
除非另加定义，否则本文所用的科技术语都按照它所属领域的一般定义理解。一般的，本文的命名法和以下描述的制造及实验过程都很通用，并且在这一技术领域常常被引用。这些过程都使用传统方法，同这一技术和通常文献中提到的一样。方向术语比如“上”、“下”、“上面的”、“下面的”和类似的一些术语指装置在应用时各部分的方向。本文的命名法很通用，并且在这一技术领域常常被使用。术语和定义与文献中统一的术语和定义有差异的地方应使用本文中的定义。本发明中的以下术语，如果没有其它说明都应该按照下面的解释理解。
“集成式芯片***”、“集成式生物芯片***”和“***”是指至少一块这样的芯片，它能够完成样品制备和分析过程中至少两个顺序的任务，其中至少一个任务是对样品进行处理。
“任务”是指样品制备和分析过程中的一个功能。一个任务可以包括多个步骤。例如，一个分离任务可以包括有利于分离的混合步骤和结合步骤。
本发明所述的***中的芯片实现的“功能”可以是一个任务本身，例如一个处理或是分析的任务；也可以发生在两个任务之间，或是作为一个任务的一部分。一个非任务功能的例子是混合功能，例如在芯片上通过声场作用力促进样品组分的分散或是结合。另一个非任务的功能的例子是通过电泳力、介电电泳力、行波介电电泳力、行波磁致电泳力等作用力将实体分子从一块芯片上转移到另一块芯片上或从芯片的某一区域转移到另一区域。
“处理任务”是样品处理的一个过程(样品处理即样品制备)。一般而言，制备任务是指对样品组分的分离、转移、聚集、捕获、隔离、浓缩或富集，至少是样品的部分纯化，或是样品组分的***或是结构变化(比如，破胞、变性、化学修饰、与其它试剂的结合)。一个制备步骤是释放、修饰一种样品组分，或是产生另一种能用于下一步制备或分析的样品组分。例如，一个细胞可以经过一个处理步骤进行裂解，释放出的核酸可以在进一步的制备任务中被分离，或在随后的分析任务中被检测。结合或是偶联可以是处理任务中的一步，尤其是在样品组分与结合物(例如微颗粒)的结合可以促进分离、转移、捕获、隔离、聚集、浓缩、富集、结构变化，或者至少是样品的一个组分的部分纯化的场合。在可以促进结合、分离、转移、富集、结构变化，或者至少是样品的一个组分的部分纯化的场合，混合也能成为处理任务中的一步。
“分析任务”是决定样品制备和分析过程的结果的任务，可以是结合分析、生化分析、细胞分析、遗传分析等等。通常而言，分析任务决定样品组分的有无、含量以及活性。在结合或偶联可以促进至少一种样品组分的分析或检测的场合，结合或偶联可以是分析任务的一步。在混合可以促进至少一种样品组分的分析或检测的场合，混合可以是分析任务的一步。
“顺序”是指遵守一定的次序，比如在需要遵守一定的次序来获得所希望的最终结果的场合。本发明的集成式生物芯片***中为了获得最终结果，任务都是顺序进行。当两个任务顺序进行时第二个任务使用第一个任务的一个或多个产物，此处“产物”可以是指被分离的样品组分，至少在第一步中被部分纯化或浓缩，也可以是上一步变性或细胞裂解的产物。本文中，“第一”、“第二”不是指它们在全分析***中的绝对顺序，而是指它们的相对顺序，比如第二个芯片上的处理过程发生在第一块芯片上的处理过程之后。
“芯片”是指在可以进行其上至少一种处理或操纵的表面。比如：转移、分离、聚集、富集、浓缩、物理破碎、混合、结合、分析等等。芯片可以由固体或半固体制成，材料可以是多孔的或者致密的。特定过程可以在其上进行，比如物理的、化学的、生物的、生物物理的、或者生物化学的过程。一个可以实现多种功能的芯片可以连接一个或多个不同的功能元件比如特异结合物、基底、反应物、或者在反应过程中可以产生不同物理作用力的不同类型的微结构。芯片可以是多力芯片，不同的功能元件可以集成在同一表面上，或者集成在结构相连的不同基底或层上(此处，层是用以支持基底、微结构和用以实体分子操纵的表面)。关于多力芯片的描述，见美国专利“Apparatuses Containing Multipie Active Force Generating Elements andUses Thereof”(申请号09/679,024，2000年10月4日递交)。
芯片上制有或集成有诸如槽、通道、电极单元和压电传感器等等微加工结构，在其上可以进行物理的、生物物理的、生物的、化学的反应或是处理。芯片是一块薄片。对芯片的表面积大小的要求并不苛刻，比如从1mm2到0.25m2都可以。最好所用的芯片的表面积从4mm2到25cm2左右。芯片可以具有不同形状，规则的形状如矩形、圆形、椭圆形，也可以是其它不规则的形状。芯片表面可以是平的，也可以是不平的。具有不平的表面的芯片在表面上应包括通过在芯片表面进行加工或是蚀刻而得的槽、腔体等结构。
“微结构”是集成在芯片或腔体内部或与之接触的结构，具有特征的，用于微流体***的尺寸，大约是在0.1微米到20毫米范围内。微结构的例子是孔、通道、支架、电极、电磁元件、压电传感器、金属线或者薄膜、帕尔帖元件、微泵、微阀、毛细管或是光学元件。见美国专利“ApparatusesContaining Multiple Active Force Generating Elements and Uses Thereof”(申请号09/679,024，2000年10月4日递交)。微结构被选通时(比如提供一个电信号)可以产生物理力。可以认为时“物理作用力产生元件”、“物理力元件”、“主动力元件”或者“主动元件”。
“基底”指可以对实体分子进行操纵和滞留的芯片表面。基底可以是疏水，也可以是亲水的或者是二者的结合，可以包含硅、橡胶、玻璃、一种或多种陶瓷、塑料、聚合物、共聚物等原料。基底可以是固体或半固体，可以包含一个或多个通道或孔，可以支持微结构和功能元件比如特异结合物、底物、反应物、催化剂。
“电极”是一种由高导电材料制成的结构单元。这里所谓的高导电材料是指材料的导电率远大于周围介质或材料。高导电材料包括金属，如金、铬、铂、铝等等，也可以是非金属，如石墨、导电聚合物。电极可以制成各种形状，如矩形、圆形、城堡形等等。电极材料中也可以包括掺杂半导体，如硅片上掺磷。
“腔体”是能够容纳液体样品的结构，更适合的是包括至少一块芯片的一部分。
“端口”是指腔体的开口，液体样品可通过它进出腔体。端口可以是任何大小的，但适宜的是可允许样品借助物理作用力或是由吸液管，注射器，导管或其它加样方式加入腔体的形状和尺寸。
“导管”在本专利中是用以将液体由容器转移到腔体的一种方式。导管适宜应用于腔体的端口。导管可由任何允许液体通过的材料组成。比较适宜的导管是管状结构，比如橡胶管、聚四氟乙烯管、或聚乙烯管。导管可以是任意尺寸的，但适宜的是内径在10微米到5毫米之间。
“孔”是芯片上的结构单元，具有一个较低的表面和一个或多个从底面以一定角度延伸出来的侧面。侧面的参数很随意，例如可以具有S形的或是弯曲的或是具有多个角度的侧面。孔的底面可以低于、高于或是和芯片上表面水平。侧面的材料应和芯片的下表面的材料不同。例如，芯片下表面可以由一层能被电场力(包括介电电泳力、行波介电电泳力和电磁力)穿透的物质构成，而孔的侧面由其它物质组成，如绝缘材料，可以阻碍电场力的穿透。孔的侧面或是芯片上的通道可以由任意适当的材料制成，如硅、玻璃、橡胶、多聚物、塑料、陶瓷、金属等等。
“通道”是一种芯片上的结构单元，具有一个较低的底面和至少两个从底面延伸上来的侧面，侧面的长度比侧面之间的距离要大的多，液体可以从底面和侧面形成的腔体的内部流过。通道可以封闭也可以是开放的。
“主动芯片”是在其内部或上面具有制作的微结构的芯片。当外界供能时产生至少一种物理作用力，能完成一项制备步骤或任务或者分析步骤或任务，例如，但不仅仅限于：混合、转移、聚集、分离、浓缩、捕获、隔离、富集。主动芯片利用外加的物理作用力激发、增强或促进所需的生化反应，制备步骤或任务，分析步骤或任务的进行。对于主动芯片，“外加的物理作用力”是当外界提供能量时，由芯片上的微结构产生的物理作用力。
“被动式芯片”不利用外加的物理力操纵或控制化学、生化和生物反应中的分子或微粒。而是利用分子或微粒的热扩散或本身受到的力比如地球的重力。
“电磁芯片”是至少有一个电磁单元(例如一个微电磁单元)的芯片。电磁元件可以制作在芯片的表面，也可以集成在或是至少部分集成在芯片的内部。例如电磁元件可以在芯片的表面上，也可以嵌入芯片内部。或者，电磁元件可以部分嵌入芯片内部。电磁芯片可以参见美国专利申请“lndividually Addressable Micro-Electromagnetic Unit Array Chips”(申请号09/399,299，1999年9月17日递交)和美国专利申请“lndividuallyAddressable Micro-Electromagnetic Unit Array Chips in HorizontalConfigurations”(申请号09/685,410，2000年10月10日递交)。
“微粒开关芯片”包括至少三套相互独立的电极，可以用行波介电电泳力或行波电泳力移动微粒，当电极上施加不同相位的电信号时，可以沿连接在同一节点处的不同支路移动微粒。可以参见美国专利申请“Apparatus forSwitching and Manipulating Particles and Methods of Use Thereof”(申请号09/678,263，2000年10月3日递交)。
“多力芯片”是可以产生多种物理作用力的芯片，至少含有两部分内部结构，每一部分施加外界信号后都可以产生一种类型的物理作用力。关于多力芯片的全面描述见美国专利申请“Apparatuses Containing MultipieActive Force Generating Elements and Uses Thereof”(申请号09/679,024，2000年10月4日递交)。
“混合”在本文中是指用物理作用力使微粒在样品、溶液、混合物(比如样品和样品溶液的混合液，实体分子和结合物的混合物)中运动。或者引起腔体中样品、溶液、混合物的运动，进而引起其中组分的运动。本发明用声场力和对流进行混合。
“破坏”在本文中指改变样品组分的结构。比如细胞溶解，蛋白质变性和复合物(如核糖体)上亚基的解离。可以借助物理作用力比如高压电场或声场作用力，或者使用试剂例如变性剂、螯合剂、表面活性剂和酶等等。
“压电传感器”是在电信号作用下能产生声场的结构。较常用的压电传感器是压电陶瓷片或两面都用金属层覆盖的压电薄层。
“电磁单元”是在通电时能产生磁场，使得磁珠受到磁力作用的结构。电磁单元一般包括一个磁性或可磁化的磁心，以及一个在磁心周围传导电流导电线圈。
“流体”是电泳力或机械力推动的液体流，机械力可以是压力或是热对流力等。
“自动的”指不需人工干预，比如吸液或其它手动转移液体或试剂，倒转或旋转试管，把试管放进离心机或恒温箱。一个自动***需要人为向***引进样品(吸液或注射)，或人为取走过多的样品(从腔体中吸出或收集在一个管子里)。一个自动***可以需要或者不需要熟练人员来控制能量驱动***或者流体***，在集成式芯片***操纵过程中控制能量驱动***产生物理作用力来完成制备和分析任务，样品移动和其它过程。自动***比如自动式集成芯片***最好但不是必须可编程。
“物理场”，其它的说法还有“在一定空间范围内的物理场”或“在一定空间范围内产生的物理场”是指一个具有如下特征的空间范围。当一个具有适当性质的实体分子被放入这一空间中(也就是进入物理场中)，作为这一实体分子和场相互作用的结果，实体分子受到了力的作用。实体分子在场中通过场在其上施加的力***纵。典型的场包括电场、磁场、声场、光场和速度场。在本发明中，物理场总是存在于一定空间范围内的介质中，这些***纵的实体分子通常是悬浮、或溶解，或更一般的是被放在介质中。典型的介质是液体如水或非水液体，或是气体。根据场的性质，电场可以对带电实体分子施加电泳力，或对带电或中性实体分子施加常规介电电泳力和/或行波介电电泳力。磁场可以对磁性实体分子施加磁场力；声场可以对实体分子施加声场辐射力；光场可以对实体分子施加光场辐射力。在一定空间范围内的介质中的速度场是指在这一空间范围内介质移动的速度分布。各种不同的机制可以引起介质的移动并且在不同位置的介质表现出不同的速度，所以产生了一个速度场。速度场可以对实体分子施加机械力。
“物理力”是指这样一种用以使实体分子或是其连接物运动的力，它不与或是几乎不与实体分子或是其连接物发生化学、生物反应，不影响或是几乎不影响实体分子或是其连接物的生物、化学性质。术语“力”或“物理力”总是指作用在这些实体分子上的“力”或“物理力”，“力”或“物理力”是通过场的作用产生的，由实体分子本身的性质决定。因此，当给定了一个场或物理场，为了在实体分子上产生物理力，这些实体分子必须具有一定的性质。某些类型的场可以在多种具有不同性质的实体分子上都产生力的作用，而某些类型的场也许只可以对一些有限类型的实体分子施加力的作用。例如，磁场只能在磁性实体分子或具有一定磁性的实体分子上产生力或磁场力，而不适用于其它类型的微粒，如聚苯乙烯珠。而另一方面，一个非均一的电场可以在许多种不同类型的实体分子上施加物理力的作用，如聚苯乙烯珠、细胞，还有磁珠等等。
“电场力”是电场施加在实体分子上的作用力。
“电场模式”指电场的分布，它是电场的频率、场强大小、电极形状和频率/场强调制的函数。
实体分子的“介电性质”至少部分是由实体分子对电场的响应决定的。实体分子的介电性质包括实体分子的有效电导率和有效介电系数。对于由相同或是相似结构组成的复合物，例如，聚苯乙烯珠体，它的有效电导率和有效介电系数至少在很大的范围内(例如1赫兹到100兆赫兹)与电场频率无关。具有均一成分的微粒具有表面净电荷，当这些带电微粒悬浮在介质中，在微粒/介质的接触面将形成电双层。外加电场与该电双层相互作用导致了微粒有效电导率和有效介电系数的改变。外加电场与电双层的相互作用通常是与频率有关的，因此，微粒有效电导率和有效介电系数也与频率有关。对于由不同组分构成的复合物，例如，细胞，它的有效电导率和有效介电系数由两部分组成，即细胞膜的有效电导率和有效介电系数及细胞内部的有效电导率和有效介电系数，并且和电场的频率相关。此外，电场中实体分子所受的介电电泳力和实体分子的尺寸相关，这样，实体分子的尺寸也应被考虑在实体分子的介电性质之中。对实体分子的介电性质有贡献的实体分子的性质包括它所带的净电荷、它的组成(包括所带的化学基团、其它实体分子等等)、它的尺寸、表面参数、表面所带电荷。
“介电电泳力”是在非均匀幅值交流电场中极化微粒受到的力。这里，“介电电泳”指的是实体分子在介电力作用下的运动。
“介电电泳”是极化微粒在非均匀幅值电场中的运动。通常有两种形式的介电电泳，正向介电电泳和负向介电电泳。在正向介电电泳中，微粒受介电电泳力的作用向强场区域运动。在负向介电电泳中，微粒受介电电泳力的作用向弱场区域运动。微粒作正向还是负向介电电泳，是由微粒和介质的相对极化程度决定的。
“行波介电电泳力”是指在行波电场中的分子或微粒上受到的力。理想行波场的特征是，交流电场分量的相位值是微粒所处位置的线性函数。在排布在芯片上的微电极上施加合适的交流信号就可以产生行波电场。为了产生行波电场，至少在电极上应施加三组不同相位值的电信号。一个行波电场的例子中，使用了四种不同相位值的电信号(分别为0、90、180、270度)，施加在四个线状的排布在芯片表面的平行电极上，这样的四个电极可以作为一个基本的重复单元用于芯片设计。根据应用的需要，可以把两个以上这样的单元排列起来，从而在电极的上方或是附近产生行波电场。只要把电极单元在空间上按照一定的次序排列起来，外加的不同相位的信号就可以在电极附近区域产生行波电场。
“行波介电电泳”是指实体分子在行波电场中的相应运动。
“磁场力”是指磁场作用于实体分子上的力。
“行波电磁力”指微粒或分子在行波磁场或磁力行波中受到的力。
“行波磁泳”是指磁性微粒或是可磁化微粒在由电磁单元阵列产生的磁力行波作用下的运动。单个电磁单元根据它们之间特定的空间关系排列。例如，单个电磁单元可以具有长方形的外形和相同的尺寸，用微加工的手段相互平行地固定于芯片上，就像在美国专利申请“lndividually AddressableMicro-Electromagnetic Unit Array Chips in Horizontal Configurations”(申请号09/685,410，2000年10月10日递交)中图24B所描述的那样。磁泳可以是同步的，也可以是连续的。在同步磁泳中，直流电可以按照一定的方向依次施加在电磁单元上，使得电磁单元依次产生磁场，形成磁力行波，这样磁性微粒或是可磁化微粒就可以沿着这个方向运动。在连续磁泳中，施加在电磁单元上的交流电信号彼此相差一定的相位，例如每4个相邻电磁单元相差90度的相位。这样也可以形成磁力行波。
这里，“声学力(或声辐射力)是指由声场产生的作用于实体分子上的力。
这里，“光学力(或光辐射力)是指由光场产生的作用于实体分子上的力。
“样品”是指任何可以从中分离或分析出组分的流体。样品可以有各种来源，可来自一个生物体，来自相同或不同种类的一群生物，也可以来自环境，如取自一水体或土壤，或者来自食物或工业材料。样品可以是加工过的，也可以是未加工的。样品可以是气体，液体，半固体，也可以是溶液或悬浊液。样品可以是一种提取物，如取自土壤或食物样品的液体提取物，如咽喉或生殖器的提取物，或如取自***物样品的提取物。
“血液样品”在这是指加工过或未加工的血样，比如说，但不仅仅限于，它可以是经过离心、过滤、抽提或其他处理的血液样品，还可以是加入了抗凝血剂，稳定剂等一种或多种试剂的血液样品。血液样品可以是任意体积，来源任意，如动物或人类。首选的材料是来自人类。
“对象”是指任何生物体，如动物或人类。动物可包括任何动物体，如野生动物，家养动物如猫或狗，农用动物如猪或牛，或者是娱乐用动物如马。
“白细胞”是指白血球，或是一类可以在动物血液中找到的既非网织红细胞又非血小板的生血细胞。白血球可包括淋巴细胞，如B淋巴细胞或T淋巴细胞。白血球也可包括吞噬细胞，如单核细胞，巨噬细胞以及包含有嗜碱细胞，嗜曙红细胞，嗜中性粒细胞的粒状白细胞。白血球还包括肥大细胞。
“红细胞”是指红血球。
“肿瘤细胞”是指一类细胞增殖生长比正常细胞快得多的异常细胞，它甚至可以在受到导致新生长停滞的刺激后仍继续生长。与正常组织相比，瘤细胞往往会部分或全部缺乏结构组织和功能协调性，它既可能是良性的也可能是恶性的。
“恶性细胞”是指一类具有局部入侵性和破坏性生长及转移的细胞。
“干细胞”是指一类未发生分化的细胞，它可通过一轮或多轮细胞分化引起生长，生成至少一种分化细胞。
“分化早期细胞”是指一类未发生分化但必然将引起生长的细胞，它通过一轮或多轮细胞分化引起生长，生成至少一种分化细胞。比较有代表性的是，一个干细胞对一个特别的刺激或一系列刺激作出响应，通过一轮或多轮细胞分化生成一个分化早期细胞，然后由这个分化早期细胞对一个特别的刺激或一系列刺激作出响应，生成一个或多个分化细胞。
“病原体”是指任何病原体，如可以感染生物的细菌、病毒、寄生虫或朊蛋白。病原体可导致受其感染的生物出现症兆或处于疾病状态。人类病原体是指可以感染人类的病原体。人类病原体既可以是特异性针对人类的，如特异性人类病原体；又可以是可感染多种生物的，如混杂性人类病原体。
样品的“组分”或“样品组分”是指样品的任何组成部分，可以是离子、分子、化合物、分子复合物、器官、病毒、细胞、聚合体、或任何类型的微粒，包括胶体、聚合体、微粒体、晶体、矿物体等。样品的成分在样品介质或提供的样品缓冲或样品溶液中可以是可溶的也可是不可溶的。样品的成分可以是气体、液体、或固体形式的。样品组分可以是实体分子，也可以不是实体分子。
“实体分子”或是“感兴趣的实体分子”是指任何可以用介电电泳力、行波介电电泳力或是电磁力进行操纵的特定物质分子。实体分子可以是固体，包括悬浮的固体，也可以以溶解状态存在。实体分子可以是分子，可***纵的分子包括，但不仅仅限于，无机分子(包括离子和无机化合物)，有机分子，包括氨基酸、肽、蛋白质、糖蛋白、脂蛋白、糖脂蛋白、脂、脂肪、固醇、糖、碳水化合物以及其它小分子或是复杂的有机分子。实体分子也可以是分子复合物，比如细胞器、一种或多种细胞(包括原核和真核细胞)、病原体(包括病毒、寄生虫、朊蛋白或是这些物质的一部分)；实体分子也可以是晶体、矿物质、胶体、碎片等等，可以由一种或是多种无机物质如聚合物、金属、矿物、玻璃、陶瓷等等组成；实体分子也可以是分子聚集体、复合物、细胞、细胞器、病毒、病原体、晶体、胶体或是其它碎片。细胞可以是任何种类的细胞，包括原核和真核细胞。其中真核细胞也可以是任何类型。通常感兴趣的细胞包括，但不仅仅限于，白细胞、恶性细胞、干细胞、分化早期细胞、胎儿细胞、被病原体感染的细胞、细菌细胞等等。实体分子也可以是人造微粒，例如聚苯乙烯微粒，其它材料的聚合物微粒，磁性微粒以及碳微粒等。
“细胞内实体分子”是指位于细胞内的实体分子，即位于细胞质或细胞器基底中，附着在任何细胞内膜上，位于质膜(如果存在)上，或是位于细胞表面，即附着在细胞质膜或细胞壁(如果存在)的外表面上。
“操纵”是指移动和处理这些实体分子，从而导致实体分子在芯片上(包括在单芯片上或多集成芯片上或其间，在基底上或在装置中的多个基底之间)作一维、二维或三维方向上的运动。“操纵”包括，但不仅仅限于，输运、聚焦、富集、浓缩、聚集、捕获、推斥、悬浮、分离、分馏、隔离、线性或是其它方向上的实体分子的移动。为了实现高效的操纵，待操纵的实体分子和施加于其上的物理力应是协调的。例如，具有磁性的实体分子可以施加以磁力。相似的，具有电荷的实体分子可以施加以静电力(即电泳力)。在操纵连接物-实体分子复合物的情况中，这些实体分子或相应的连接物的性质和用于操纵的物理力必须是协调的。例如，实体分子或它的连接物具有一定的介电性质，可以被介电极化，可以使用介电电泳力。
“待操纵的实体分子与连接物的表面充分结合”是指一定百分比的待操纵的实体分子结合在连接物的表面并且可以用适当的物理力通过操纵连接物实现对实体分子的操纵。通常，至少0.1％的待操纵的实体分子是结合在连接物的表面的。更适宜的是至少1％、5％、10％，20％，30％，40％，50％，60％，70％，80％，或90％的实体分子是结合在连接物的表面的。
“待操纵的实体分子完全结合在连接物的表面上”是指至少90％的待操纵实体分子结合在连接物的表面上。更适宜的是，至少91％，92％，93％，94％，95％，96％，97％，98％，99％或100％的待操纵实体分子结合在连接物的表面上。
“选择性的修饰红细胞的溶液”是指这种溶液可以改变无核红细胞的性质，使其不干扰血液样品中的其它细胞或组分的介电分离，同时尽可能小的影响白细胞的完整性，或是不影响用介电电泳的方法将白细胞和血液样品中的其它组分分开的过程。
“连接物”是指任何可以和实体分子以一定亲和性和特异性相连的任何物质，并且可以通过相应的物理力进行操纵。连接物可以是，但不仅仅限于，细胞、细胞器、病毒、微粒、聚合体或复合体，或者分子的聚合体或复合体。
“微粒”是指任何形状，任何组成，具有任何复合结构的微粒，可以通过相应的物理力进行操纵。微粒尺寸可以从大约0.01微米到大约10厘米。更合适的是，在这种方法中的微粒的尺寸从大约0.1微米到大约几千个微米。微粒可以由各种合适的材料制成，例子包括，但不仅仅限于，玻璃、陶瓷、聚合物如尼龙、聚四氟乙烯(TEFLONTM)、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、琼脂糖、纤维素、葡聚糖等等。微粒的例子包括，但不仅仅限于，塑料微粒、陶瓷微粒、碳微粒、聚苯乙烯珠体、玻璃珠、磁珠、中空玻璃珠、金属微粒和微粒复合物、微加工形成的微颗粒。
“耦联”即结合。例如，实体分子可以和其它微粒进行特异的或非特异的结合。结合可以是共价结合，也可以是非共价结合，可以是可逆结合也可以是非可逆结合。
“特异结合物”是指这样的两个不同分子中的一个，这样分子的表面具有特定的形态结构可以特异性的和另一分子的空间或极性结构互补结合。特异结合物可以是免疫家族中特异结合的两种物质中的一种，如抗原-抗体、生物素-亲和素、生物素-链霉亲和素、配体-受体、双链核酸、IgG-蛋白A、DNA-DNA、DNA-RNA、RNA-RNA等等。
“核酸分子”是指多聚核苷酸。核酸分子可以是DNA、RNA或两者的组合。核酸分子也可以包括除了核糖和脱氧核糖外组成骨架链的的糖类，可以是DNA或RNA之外的核苷酸分子。核酸分子可以由自然存在的或非自然存在的核苷酸碱基组成，如黄嘌呤，核苷碱基的延伸物2-氨基酰嘌呤或类似物等。核酸分子可以是肽核酸分子。核酸分子可以是任意长度，可以是单链、双链或是三链结构，或者是它们的复合体。
“相同操纵”是指使用外加物理力对混合物中的微粒进行操纵，施加力场后混合物中所有的微粒对外加物理场的响应一致。
“选择性操纵”是指使用外加物理力对混合物中的微粒进行操纵，施加力场后混合物中不同的粒子对外加物理场具有不同的响应。
“分离”是指将样品中的一种或多种组分和另外的一种或多种组分在空间上相互分开的过程。分离过程可以这样进行，一种或多种感兴趣的实体分子被定位于分离器件中的某个或某些位置，至少部分样品中的其它组分被定位于其它位置，或是从感兴趣的实体分子所在的位置移开。或者，可以将样品中的一种或多种组分定位在某些位置，而一种或多种感兴趣实体分子从该位置处被移走，再进行收集。也可以将样品中的一种或多种组分定位在某些位置，再将另外的一种或多种感兴趣的实体分子定位到另外的位置。分离可以通过使用物理力、化学力、电场力或是磁场力等等实现，还可以使用重力场、流体、介电电泳力、行波介电电泳力和电磁力等等实现。
“捕获”是指这样一类分离方式，这种方式使一种或多种实体分子滞留在芯片的一个或多个区域内，再施加物理力进行捕获。
“分析”是对样品或样品的一个组分进行的测试。分析可检测某组分的存在与否，某组分的数量或浓度，某组分的组成，以及某组分的活性等等。分析可与本发明的方法和器件、试剂一起使用，包括生物化学分析、结合分析、细胞分析以及基因分析。
“反应”是指可改变一种或多种分子或化合物的化学或生化成分，或者改变一种或多种分子与另外一种或多种分子或化合物间相互关系的化学或生化过程。本发明中的反应可以被酶催化，包括，但不仅仅限于，降解反应，合成反应，修饰反应或结合反应。
“结合分析”是一种分析方式，它通过将特定物质分子与特异性结合物结合来检测该特定物质分子的存在或浓度，或者检测一特定物质分子与另一特定物质分子的结合可能性，或者检测一特定物质分子与另一特定物质分子的结合亲和力。特定物质分子可指一有机或无机分子，一个由有机、无机或一有机无机复合物，细胞器，病毒或细胞组成的分子混合物。结合分析可以使用可检测的标记或在结合特定物质分子存在下可产生可检测标记的信号发生***。标准的结合分析包括依赖核酸杂交来检测特殊的核酸序列，依赖抗体对特定物质分子的结合，以及依赖配体对受体的结合。
“生化分析”是指对一种样品的一个或多个组分的存在、浓度、或活性进行分析的方式。
“细胞分析”是指一种检测细胞过程的分析方式，例如，但不仅仅限于，新陈代谢活性、分解代谢活性、离子通道活性、细胞间信号传导活性、受体介导的信号传导活性、转录活性、翻译活性、或分泌活性等等。
“基因分析”是指一种检测某遗传单元的存在或序列的分析方式。此遗传单元可指DNA或RNA的任意片断，包括，但不仅仅限于，基因、重复序列、转座单元、调控单元、端粒、中心粒或其它具有现在尚未知道功能的DNA或RNA片断。基因分析的例子如(但不仅仅限于这些例子)，核酸杂交技术，包括核酸测序反应，可以使用一种或多种聚合酶，例如基于PCR的基因分析。基因分析可以使用一种或多种可检测的标记，比如，但不仅仅限于，荧光素、放射性同位素或是信号发生***。
“可被检测的标记”是一种可以被检测的复合物或分子，它们可以产生输出信号，如荧光、放射性、颜色、化学发光或技术领域现有的或是今后发展出的能产生输出信号的方法。输出可以基于荧光，如通过荧光标记物，例如Cy-3，Cy-5，藻红蛋白，藻蓝蛋白，别藻蓝素，异硫氰酸荧光素(FITC)，罗丹明，或镧系元素等等，但不是仅仅限制于以上物质；也可以通过荧光蛋白如绿色荧光蛋白(GFP)和它的变体，要基于酶反应的活性，比如，但不仅仅限于β-牛乳糖，β-内酰胺酶，辣根过氧化物酶，碱性磷酸酶或荧光素酶等等；或者可以基于放射性同位素(如33P，3H，14C，35S，125I，32P或者131I等)。标记物也可以是被其它基团修饰了的碱基，比如，在C5位置修饰嘧啶或在N7位置修饰嘌呤。修饰基团可以是多种多样的，例如卤素、醚或者聚醚、烷基、脂类或聚脂类，或常见的XR，在这里，X是连接基团，R是修饰基团。在修饰技术领域，存在许多种有效的可能适用于修饰核酸分子、寡核苷酸分子及其类似物的方法。方法。(A Practical Approach，Eckstein，ed.(1991)and in PCT/US94/00193)。
“信号发生***”可以包括一种或多种组分，至少其中一种组分是可检测的结合物。信号发生***包括所有用以产生或增强可测信号(或是通过一定的方法作用于标记以产生的信号)的试剂。信号发生***提供了一种可以用外部检测方法检测的标记，这种方法通常是通过测量吸收光和发射光的波长的差异实现的。信号发生***也可包括生色底物和酶，其中生色底物在酶的作用下，吸收可见光区或紫外光区的光或是磷光、荧光，从而显出颜色。当然，信号发生***也可以使用诸如放射性同位素之类的可检测标记以提供可检测的信号。
信号发生***包括至少一种催化剂(通常是至少一种酶)和至少一种底物，也可以包括两种或更多的催化剂和一组底物(比如包括一组酶，其中一种酶的底物是另一种酶的产物)。信号发生***的操纵是在预定的位点产生出可检测的信号，即意味着在这预定的位点具有相应的标记。
为了得到可检测的信号，这就要求将在预定位点的标记产生的信号进行放大。这样，这个标记一般是催化剂、发光化合物或是放射性同位素，最好是催化剂。催化剂最好是可以从单个标记产生多种信号发生分子的酶或是辅酶。酶或是辅酶可以通过产生可以吸收光的产物，如染料或是产生在照射下会激发出光的产物，如荧光剂以达到将所需信号放大的目的。或者，催化反应也可以直接产生激发光，例如化学发光。许多酶和辅酶都可以用以这一目的，见美国专利No.4,275,149和美国专利No.4,318,980(在参考文献中)。另外，许多也可以实现上述作用的非酶类催化剂可见美国专利No.4,160,645(1979年7月10日)。
上述酶反应的产物通常是染料或是荧光剂。在美国专利No.4,275,149中给出了大量荧光剂的说明。
其它用于此处的术语具有和本领域中通常使用时一致的意义，在技术性词典中都有解释。I.用于样品处理和分析的集成芯片***
本发明包括一套用于样品处理和分析的集成式生物芯片***。所谓的“集成式生物芯片***”是指具备以下几个特征的***：1)包含至少一个芯片。2)能够对样品进行至少两个顺序的任务，其中至少一个任务为样品处理任务。优选的是，本发明中集成芯片***所进行的任务至少有一项需要施加物理力，其产生源可以一部分在芯片外部，另一部分在芯片内部。在本发明***中至少一种芯片所进行的任务中，最好但不是必须的，至少一种样品的组分可通过特定的连接部分如微粒来操纵。
腔体是芯片的组成部分之一，芯片是一块固体基片，在其上可以进行一次或是多次的分离、分析、捕获等等过程。芯片的材料可以是金属、陶瓷、聚合物、共聚物、塑料、橡胶、硅、玻璃等等中的一种或是几种。芯片可以包含几种具有一定柔韧性的材料。芯片可以由多孔材料制成，也可以由致密的材料制成。芯片上制有或集成有诸如槽、通道、电极单元等等微加工结构，在其上可以进行物理的、生物物理的、生物的、化学的反应或是处理。芯片是一块薄片。对芯片的表面积大小不作要求，比如从1mm2到0.25m2都可以。最好所用的芯片的表面积从4mm2到25cm2左右。芯片可以具有不同形状，规则的形状如矩形、圆形、椭圆形或其它不规则的形状。芯片表面可以是平的，也可以是不平的。具有不平的表面的芯片在表面上可以包括通过在芯片表面进行加工或是蚀刻而得的槽、腔体等结构。
芯片可以是腔体的一部分，也可以集成在腔体中，或者至少一部分位于腔体之内，但这些并不是本发明所必须的。本发明的腔体是一种可以容纳流体的结构。腔体可以是任意尺寸，通常应可以容纳1nl至50ml的流体，更好应可以容纳1μl至20ml的流体，最佳情况是容纳10μl至10ml的流体。一般而言，腔体是芯片上的结构单元之一。腔体可以由任何适当的材料制成，如硅、玻璃、金属、陶瓷、聚合物、塑料等等，可以是质地坚硬材料，也可以是质地柔软的材料。首选的材料是那些对样品中的实体分子的介电电泳运动没有干扰的材料，例如那些不与带电或是极化分子结合的材料，如硅、某些种类的塑料或是多聚物(如丙稀酰胺、玻璃等等)。
本发明中或是本方法中使用的腔体具有一个或多个端口，或是在腔体的壁上具有开口。端口可以是任何大小的，但适宜的是可允许样品、样品组分、缓冲液、试剂等等加入腔体的形状和尺寸。端口可以一直开启，也可以含有阀，以便于控制开和闭。端口可以是两个具有公共的壁的腔体的壁上的开口，也可以是为了便于向腔体中引入或是注射样品，在腔体壁上的开口。
端口可以连接导管。导管可以是任何允许液体通过的管状结构，比如橡胶管、聚四氟乙烯管、或聚乙烯管。端口可以为反应池壁提供一个开口以便于通过泵(蠕动泵和输运泵)、注射器或是重力作用引入样品。
本发明的***中推荐使用主动式芯片。至少集成生物芯片***中的一种芯片应为主动式芯片。主动式芯片是具有微结构的芯片，这些微结构在外界供能后可以产生相应的物理力。可以把外加能量转变成本发明所需的物理力的微结构可以是，但不仅仅限于，可以产生电泳力或是介电电泳力的电极、可以产生电磁力或是磁力的电磁单元、可以产生声场力的压电转换器。根据芯片上集成的微结构的不同，这些主动式芯片可以分别称为电泳或是介电电泳芯片(集成了电极)、电磁芯片(集成了电磁单元)或是声场芯片(集成了压电转换器)。芯片上还可以集成光学元件、微型毛细管导或针尖、加热元件(如金属导线)、帕尔帖(Peltier)元件、微阀或微泵等等。
主动式芯片可以通过在芯片表面集成或是制作物理力元件(例如电磁单元、压电转换器或是电极等等)的方法构建，也可以采用被动式芯片的制作方法，在芯片表面修饰一层功能层，例如寡核苷酸阵列或是蛋白阵列。其它可以使用在本发明的主动式或是被动式芯片中的材料还有，但不仅仅限于，亲和素(链霉亲和素)、生物素、抗体、核酸；还可以是酶、催化剂、底物；可以是绝缘层用试剂、进行表面封闭以防止样品在芯片表面的非特异吸附；可以是复合物；也可以是病毒和细胞。这些材料可以有选择地修饰在本发明的***中的芯片的微孔或微通道中。用作涂层或是用以防止样品之间的相互作用、样品与芯片表面(包括芯片上制作的微结构)的非特异性吸附的材料可以修饰在芯片表面(包括芯片上的微结构)以形成芯片的“顶层”。顶层可以是由聚合物、化合物如SiO2、表面活性剂、生物分子如BSA等形成的薄层(小于100埃)。
主动式芯片的例子有，但不仅仅限于，制作在玻璃基片上的介电电泳电极阵列(Dielectrophoretic Manipulation of Particles by Wang et al.，in IEEETransaction on Industry Applications，Vol.33，No.3，May/June，1997，pages660-669)；具有可单个选通电极阵列的微加工生物电子芯片(Preparation andHybridization Analysis of DNA/RNA from E. coli on MicrofabricatedBioelectronic Chips by Cheng et al.，Nature Biotechnology，Vol.16，1998，pages541-546)；毛细管电泳芯片(Combination of Sample-Preconcentrationand Capillary Electrophoresis On-Chip by Lichtenberg，et al.，in Micro TotalAnalysis Systems2000 edited by A.van den Berg et al.，pages307-310)；声场力芯片(美国专利No.6,029,518)；电磁芯片(美国专利申请No.09/399,299，1999年9月17日递交；美国专利申请“IndividuallyAddressable Micro-Electromagnetic Unit Array Chips in HorizontalConfigurations”，No.09/685,410，2000年10月10日递交)。
对于介电电泳芯片(包括用以常规介电电泳或是行波介电电泳的芯片)，芯片上的电极可以具有任意形状，例如矩形、城堡形、三角形、圆形等等。电极的排布方式也有许多种，比如螺旋状、平行状、相互交错形、多项式形等等。芯片上电极的制作可以使用本领域中常见的各种微加工和微机械方法，例如电镀、金属溅射、光化学蚀刻。包含有电极的芯片有，但不仅仅限于，制作在玻璃基片上的介电电泳电极阵列(Dielectrophoretic Manipulationof Particles by Wang et al.，in IEEE Transaction on Industry Applications，Vol.33，No.3，May/June，1997，pages660-669)、具有可单个选通电极阵列的微加工生物电子芯片(Preparation and Hybridization Analysis ofDNA/RNA from E. coli on Microfabricated Bioelectronic Chips by Cheng etal.，Nature Biotechnology，Vol.16，1998，第541-546页)和毛细管电泳芯片(Combination of Sample-Preconcentration and Capillary ElectrophoresisOn-Chip by Lichtenberg，et al.，in Micro Total Analysis Systems2000 editedby A.van den Berg et al.，pages307-310)。
其它类型的可以使用在本发明中的芯片可参见美国专利申请“Apparatus for Switching and Manipulating Particles and Methods of UseThereof”(No.09/678,263，2000年10月3日递交)和美国专利申请“Apparatuses Containing Multiple Active Force Generating Elements andUses Thereof”(No.09/679,024，2000年10月4日递交)。单芯片***
本发明的集成式生物芯片***仅由一块芯片构成。在这种情况中，单芯片集成式生物芯片***仅包含一块可以完成至少两个顺序任务的主动式芯片。单芯片***中的主动式芯片由不同功能的元件构成，以完成至少两个顺序任务。
能实现多个功能的芯片可以是一个或多个不同功能的元件，例如特异结合物、底物、试剂或不同类型的至少可以部分地产生一种或多种物理力的微结构的组合。
在由一块含不同功能元件的芯片组成的本发明的***装置中，芯片上不同功能元件所在的区域可以靠得很近，以利于样品组分在不同功能元件之间扩散(例如，见图17)。多力芯片中，产生不同物理力的元件分别制作在不同的基底材料上，这些基底材料可以一层一层的竖直叠加在一起。多力芯片的实例请参见2000年10月4日美国专利申请“Apparatuses ContainingMultiple Active Force Generating Elements and Uses Thereof”(No.09/679,024，2000年10月4日递交)。
当然，芯片上的功能元件也可以相互隔开。这种芯片包含可以产生用来将样品组分从芯片的一处移动到另一处的物理力的多力芯片。用来移动样品组分的物理力产生元件最好是电极和电磁单元。在本发明的优选实施例中，用来将样品组分从芯片上的一处移动到另一处的电极和电磁单元以一定的方式排列，以产生行波介电电泳力或行波电磁力。
同一块芯片上所进行顺序任务的先后次序可以由功能元件的选择性选通来控制；也可以通过控制样品组分和结合物(最好是控制与样品组分连接的微珠)的移动以实现；也可以通过控制试剂的加入来实现，试剂可以是，但不仅仅限于，去污剂、酶、特异结合物或是它们的组合。
本发明首选的用于将样品组分从一个功能区移动到另一个功能区的芯片和功能元件层的实例可以参见美国专利申请“Apparatus for Switching andManipulating Particles and Methods of Use Thereof”(09/678,263，2000年10月3日递交)。这些微粒开关芯片和微粒开关层可以用来将样品组分从芯片的一处转运到另一处，芯片的不同区域可以有不同的功能元件以完成不同的任务。它们也可以将样品组分从多芯片***的一块芯片转运到另一块芯片上，不同的芯片上可以有不同的功能元件以完成不同的任务。
也有可能使用一种或是多种物理力在腔体上方或内部转运样品组分或微粒。例如，作为转运微粒的电场源的电极可以***到腔体的壁上或者制作在腔体的壁上，向任意方向延伸(包括顶壁)。也可以将这一种或多种物理力产生元件制作在芯片或腔体的外部。多芯片***
本发明的集成式生物芯片***由多块芯片构成。在这种情况中，多芯片集成式生物芯片***仅包含至少一块可以完成至少两个顺序任务的主动式芯片。
当本发明中的集成生物芯片***包含多个芯片时，样品处理过程中至少一项任务可以在至少一个芯片上执行，并且至少另一项不同的任务可以在另外的至少一个芯片上执行。
当本发明的生物芯片***包括多个芯片时，至少在该***进行操纵的某一时间段内，多个芯片之间有流体交换。在这里，流体交换是指流体可以从一个芯片的表面转移到另一芯片的表面，特别是溶解或悬浮在流体(液体或气体)中的样品组分和微粒可以从一个芯片的表面转移到另一芯片的表面。这种转移可以通过注射、移液等等方式实现。
相互之间有流体交换的芯片应该根据具体的功能按照一定的顺序排列，以便“第二个”芯片可以从“第一个”芯片接受经过“第一个”芯片分离、转移、捕获、分析、混合或裂解等操纵的样品或是样品组分，以便于“第二个”芯片执行后续的样品处理或分析。这里，“第一个”和“第二个”并不是这些芯片在集成式***中的绝对顺序，而是一种相对顺序，即第二个芯片上进行的处理过程在第一个芯片对样品处理后进行。因此，第一个和第二个芯片在位置上应该按照一定的次序放置，以便于样品、样品组分或样品产物(也可以包括结合到微粒上的样品组分)能够从第一个芯片转移到第二个芯片上。在本发明的优选实施例中，推荐的情况是第一个和第二个芯片应该相邻排列或是相互接近。
最好样品组分从一个芯片转移到另一个芯片，或从一个腔体转移到另一个腔体，不需要人工操纵，而是由流体的运动(例如，利用泵推动)或通过施加一定的物理力来实现。
在多芯片***中，将样品组分或微粒从***中某一芯片转移到另一芯片的物理力可以通过一个或是多个集成在芯片上的结构产生。多芯片***中的主动式芯片可以通过行波介电电泳或者行波磁致电泳等手段进行芯片间样品组分的转移。可以使用微粒开关芯片，参见美国专利申请“Apparatus forSwitching and Manipulating Particles and Methods of Use Thereof”(No.09/678,263，2000年10月3日递交)。微粒开关芯片也可用以将样品组分从多芯片***或者单芯片***中芯片的某一区域转运到另一区域，在这里，芯片的不同区域上具有可以执行不同任务的不同功能元件。
上文提及的单芯片***中使用的多力芯片，见美国专利“ApparatusesContaining Multiple Active Force Generating Elements and Uses Thereof”(No.09/679,024，2000年10月4日递交)，也可以使用在本发明的多芯片***中。例如，多力芯片可以通过介电电泳力或磁力对样品组分进行分离，分离后的样品组分可以在***中的其它芯片上继续执行一个或多个分析任务。
本发明的多芯片***也可以包含一个或多个被动式芯片，这种芯片不需要施加物理力就可实现其功能。这些被动式芯片在本发明的芯片***中可被用来进行检测和分析，例如，但不仅仅限于，亲和分析、生化分析、细胞分析、遗传分析、免疫分析等等。样品处理和分析的顺序的任务
本发明中的集成式芯片***有能力执行至少两个样品处理和分析的顺序任务。顺序任务是为了得到所需的结果而按照一定的顺序执行的任务。当两个任务顺序执行时，第二个任务使用第一个任务的一个或多个直接或间接的产物。这里，“产物”可以是在第一个步骤中分离的，或是部分纯化或富集的样品组分，也可以是在第一步中经过生化试剂处理的样品组分，经过变性或胞解的样品组分等。“第一”和“第二”指的是集成***中任务的相对顺序而不是绝对顺序。
本发明***中的芯片至少能执行的一个功能就是处理任务。这里，处理任务是为准备样品分析而进行的任何过程，包括，但不仅仅限于：分离、转移、聚焦、捕获、富集、浓缩、纯化、结构改变、物理分解、化学反应(包扩酶处理反应、亲和反应等等)。
本发明的芯片***至少可以执行一种有分析功能的任务。分析任务是指任何能给出处理和分析的结果的过程。分析任务可以是，但不仅仅限于：分析，如生化分析，细胞分析和检测分析。检测分析也可以包括亲和反应和酶促反应。在本发明的优选实施例中，***包含单一的芯片，至少一个处理任务和一个分析任务可以在该单一芯片上执行。另外的本发明的优选实施例中，集成生物芯片***包含多个芯片，其中至少一个处理过程可以在本发明的至少一个芯片上执行，至少一个分析过程可以在本发明的至少一个芯片上执行，但这并不是本发明所必须的。
当本发明的生物芯片***包括多个芯片时，至少在该***进行操纵的某一时间段内，多个芯片之间有流体的交换。在这里，流体交换是指流体可以从一个芯片的表面转移到另一芯片的表面，特别是溶解或悬浮在流体(液体或气体)中的样品组分和微粒可以从一个芯片的表面转移到另一芯片的表面。这种转移可以通过注射、移液等等方式实现。
相互之间有流体交换的芯片应该根据具体的功能按照一定的顺序排列，以便“第二个”芯片可以从“第一个”芯片接受经过“第一个”芯片分离、转移、捕获、分析、混合或裂解等操纵的样品或是样品组分，以便于“第二个”芯片执行后续的样品处理或分析。这里，“第一个”和“第二个”并不是这些芯片在集成式***中的绝对顺序，而是一种相对顺序，即第二个芯片上进行的处理过程在第一个芯片对样品处理后进行。因此，第一个和第二个芯片在位置上应该按照一定的次序放置，以便于样品、样品组分或样品产物(也可以包括结合到微粒上的样品组分)能够从第一个芯片转移到第二个芯片上。在本发明的优选实施例中，推荐的情况是第一个和第二个芯片应该相邻排列或是相互接近。
本发明的优选实施例是一个集成式***，该***可以在样品处理和分析过程中执行至少两个顺序任务，同时样品在集成***中保持连续。也就是说，加到集成芯片***中的样品从集成***开始执行第一个顺序任务起，直到最后一个执行的顺序任务结束为止的整个过程可以是连续的。
最好，样品和样品组分在无人工干预的情况下可以在***内移动并从一个地方运送到其它地方。样品和样品组分，或者溶液，缓冲液和试剂，可以在***内移动，这种移动可以是泵(如注射泵或蠕动泵)驱动的液体流动引起的。在这个例子的优选实施例(有一些在图1-13中给出了示意)中，通过施加一定的物理力，样品组分可以从芯片的某个区域转运到另一个区域，或者从某个芯片或腔体到另外的芯片或腔体。
本发明的集成式芯片***应该是全自动的，这样，一系列任务可以在无人工干预的情况下进行，例如，将样品或样品组分从一个腔体转移至另一个腔体。然而，这样的一个自动化的***也需要人工上样(如移液或注射)，或需要人工将***处理完毕的样品组分收集起来(如，从腔室中吸出，或是利用连接导管的试管收集处理后的组分)。本发明的自动化集成式芯片***最好为可编程的，但这并不是本发明所必须的。II.利用集成式芯片***进行样品处理和分析的方法
本发明的***可被用来进行样品处理或者分析。样品处理包括：样品组分的分离、样品组分的转运、样品组分的捕获、样品组分的隔离、样品组分的聚集、样品组分至少是部分的纯化、样品组分的浓缩、样品组分的富集、样品组分的分解(可以通过使用溶液、试剂或是预处理，也可以没有)。样品分析包括：样品组分的检测、样品组分定量分析、样品组分活性检测(这里，活性可以是组分的调节活性、催化活性、亲和结合活性，也可以是其机制已知或者仍然未知的活性，如细胞毒性，促有丝***活性，转录激活活性等等)。
方法包括：将样品应用于本发明的集成式芯片***；在该集成式***中进行至少两个顺序任务，其中在顺序任务中至少有一个是处理任务。一个处理任务包括：分离样品组分、转移样品组分、捕获样品组分、分离样品组分、至少部分地纯化样品组分、富集样品组分、浓缩样品组分、分解样品组分(通过使用溶液、试剂或是经过预处理，也可以不使用)。处理任务的例子有，但不仅仅限于：血液样品中的白细胞的分离，从母体血或者母体羊膜液中分离胎儿细胞，从血液中分离恶性细胞，从骨髓样品中分离干细胞，裂解白细胞(白细胞从血液样品中分离所到)，从尿样中富集细菌细胞和从靶细胞裂解液中分离mRNA分子。
方法也包括将样品组分从芯片的一个区域转移到另外一个区域，上述的芯片的不同区域至少执行两个不同的任务；或者将样品组分从一个芯片转移到另外一个芯片，这不同芯片至少执行两个不同的任务。样品应用
样品可以是任何种类的流体样品，例如环境样品，包括空气样品、水样品、食品样品；也可以是生物样品，包括生物样品的抽提物。样品可以是至少经过部分处理的。例如，样品可以是经过离心的样品；或者已经加入去污剂的样品；样品也可以在应用本发明的方法之前已经被加热或者冰冻；样品中也可以预先加入了试剂，这些试剂可以是，但不仅仅限于：稳定剂，包括螯合剂、还原剂、表面活性剂、抗凝血剂、甘油、二甲亚砜(DMSO)等等。样品可以是储存过的样品，包括经过低温保存的样品或是冰冻过的样品。生物样品可以是血液、血清、唾液、尿液、***、眼泪、鼻、咽喉、生殖器或***物的提取物。生物样品也可以是器官、组织、细胞培养基样品(包括培养基和细胞株)。首选的样品是血液样品。
血液样品可以是任何种类的血液样品，从个体新鲜抽提的、从贮存库中获得的、从个体外获得的，如衣物、家具、器械等等。血液样品可以是通过抽提得到的，例如，把带有血液的物品浸入特定的缓冲液或是溶液得到。血液样品可以是处理过的，也可以是未处理过的，或是部分处理过的，处理的方式可以是离心以去除血清、透析、进行流式细胞计数、加入试剂等等。血液样品的处理步骤大致包括，但不仅仅限于，buffy coat，通过诸如流式细胞计数技术、密度梯度离心技术和磁力细胞分选技术等等对细胞样品进行分离。血液样品可以是任意体积，例如不到5微升，或是超过5升，这完全由实验需要而定。
样品可以通过任何一种适当方式引入集成式芯片***，例如，通过吸管或者注射的方法将样品加到芯片上或者是***的腔体内。样品的加入可以通过管道连接到一个腔体的端口，该腔体包含当前发明的一个***的一个芯片，可以使用泵，例如注射泵或者蠕动泵，或者通过重力注入。
一种或是多种试剂、缓冲液、溶液等等和样品混合液可以从一个或几个端口引入到集成式芯片上。本发明中的样品溶液包括可以改变样品中至少一种组分的介电性质的溶液，也可以是可以裂解红细胞的溶液。关于这样的样品溶液，可以参见美国专利申请“Compositions and Methods for Separationof实体分子on Chips”(No.09/686,737，2000年10月10日递交)。一种或是多种试剂、缓冲液、溶液等等可以和样品同时加入反应池，或是先于、后于样品加入反应池。也可以在进入反应池前，先把样品和试剂、缓冲液或是溶液先混合起来，这样的混合过程可以在将流体引入反应池的导管中进行，也可以在一个或是多个与导管相连的样品池中进行。加入的方法可以是任意适宜的方法，例如扩散、使用物理力输运(包括介电电泳力、电磁力等等)。
本发明中可以使用的溶液可以参见美国专利申请“Compositions andMethods for Separation of实体分子on Chips”(No.09/686,737)。两个或是两个以上的顺序任务
最好，至少一个处理任务(包括，但不限于，分离、转移、捕获、隔离、纯化、浓缩、结构变化、分解等)是通过使用物理力实现的。产生这些物理力的方法和所运用的物理力的种类有关。例如，声场力、光辐射力、电磁力、介电电泳力和电泳力可以分别通过在集成在芯片的压电转换器、光学单元、珀尔贴(Peltier)元件、金属线、毛细管、微阀、微泵、电磁单元或者电极上施加电信号来产生。发明中所用到的物理力可以参见：美国专利申请“Methods for Manipulating实体分子in Microfluidic Systems”(No.09/636,104，2000年8月10日递交)；美国专利申请“Apparatus forSwitching and Manipulating Particles and Methods of Use Thereof”(No.09/678,263，2000年10月3日递交)；美国专利申请“ApparatusesContaining Multiple Active Force Generating Elements and Uses Thereof”(No.09/679,024，2000年10月4日递交)；美国专利申请“IndividuallyAddressable Micro-Electromagnetic Unit Array Chips”(No.09/399,299，1999年9月17日递交)；美国专利申请“Individually Addressable Micro-Electromagnetic Unit Array Chips in Horizontal Configurations”(No.09/685.410，2000年10月10日递交)。
一块能产生声场力和常规介电力的芯片可以在芯片表面用这两种力同时作用于实体分子，例如细胞或者微粒。两种不同类型的物理力可以作用于顺序的任务，这些任务可以在同一个或者不同的芯片上发生。这些物理力可以依次或是同时作用在实体分子上。例如，能产生声场力和常规介电力的本发明的***中的芯片可用于同时作用于两种实体分子，例如细胞和微粒。在另外一个例子中，一个能同时产生磁力和行波介电电泳力的***可用于同时作用于两种实体分子，如磁珠和特定类型的生物细胞。这些功能可以在同一个***的芯片上或者分立的芯片上实现。磁力仅作用于磁珠，而行波介电电泳力可能仅作用于生物细胞。还有另一个例子中，***可在不同芯片上依次产生磁力和行波介电电泳力。首先，选通磁力生成元件，这样和特定实体分子结合的磁珠就会受到一个特定时间长度的磁力并被捕获到芯片上。未被捕获的样品组分被转移到下一个芯片，在那里行波介电电泳力生成元件被打开，从而作为样品组分的生物细胞受到行波介电力的作用。
本发明可以通过控制外部与芯片上产生不同物理力的微结构连接的信号源，以达到控制芯片上产生的物理力的目的。例如，一个或多个信号源能产生一个或多个有一定次序的电信号，作用在一系列电磁单元上，用电极阵列生成电场。这些不同的功能单元可以制作在同一个芯片上，也可以制作在不同的芯片上。多个功能元件可以同时选通，例如，产生声场力的压电转换器和产生常规介电力的电极，这两种功能元件分布或者重叠在同一块芯片上，并提供例如同时混合和分离的功能。也可以按照次序加载电信号给同一块芯片上部分的功能元件，例如在行波磁泳中那样；或者加载不同相位的电信号给电极的不同部分，例如在行波介电电泳中。这样，可以通过一个可自动化的和可编程的切换设备控制的电源控制***或信号发生器控制***来控制加在这些功能元件上的电信号，从而实现控制所产生的物理场的目的。最好，电源控制***或信号发生控制***也允许操纵者控制和调节输出电源或产生的信号的各个参数。在应用电场时，这些参数包括信号频率、信号相位、信号幅度和信号调制模式。
本***中至少有一个过程是通过芯片的方式操纵样品组分以进行样品的处理任务或分析任务。待操纵的实体分子可以是细胞、细胞器、病毒、分子、或它们的复合体。待操纵的实体分子可以是纯净的物质，或以混合物的形式存在，在该混合物中靶实体分子仅是混合物的一个组成。例如，白血病病人的血液中癌细胞可以作为待操纵的实体分子。类似地，不同的血液细胞，例如血液中的红细胞和白细胞，可以作为待操纵的实体分子。
可操纵的细胞，例如，但不仅仅限于，包括动物的、植物的、真菌的、细菌的、重组的或培养的细胞。对动物细胞，源自一特定组织或器官的细胞可***纵。更适宜地，源自动物内部器官的细胞，例如脑、肺、肝、脾、骨髓、胸腺、心脏、淋巴、血液、骨、软骨、胰腺、肾、胆囊、胃、肠、睾丸、卵巢、子宫、直肠、神经***、腺体、内血管，等等，可***纵。进一步，源自任何植物和真菌的细胞，例如酵母、真细菌或古细菌，可***纵。源自任何真核的或原核的重组细胞，例如动物、植物、真菌或细菌细胞也可***纵。
可操纵的细胞器包括细胞核、线粒体、叶绿体、核糖体、内质网、高尔基体、溶酶体、蛋白酶体、囊泡、液泡或微体。可操纵的病毒(无论是完整的病毒还是任何病毒结构)在其生存周期中可以来自诸如第一类病毒、第二类病毒、第三类病毒、第四类病毒、第五类病毒或第六类病毒。
可操纵的细胞内实体分子是指位于胞内的实体分子，即位于细胞质或细胞器基底中，附着在任何细胞内膜上，位于质膜(如果存在)上，或是位于细胞表面，即附着在细胞质膜或细胞壁(如果存在)的外表面上。任何所需的细胞内实体分子都可以从靶细胞中分离出来。例如，细胞器、分子或是它们的聚集体可以被分离出来。这样的细胞器的例子包括，但不仅仅限于，细胞核、线粒体、叶绿体、核糖体、内质网、高尔基体、溶酶体、蛋白酶体、囊泡、液泡或微体、膜受体、细胞质中的抗原、酶和蛋白质。
可操纵的分子可以是无机分子如离子，有机分子或它们的复合体。可操纵的离子的例子包括，但不仅仅限于，钠离子、钾离子、镁离子、钙离子、氯离子、铁离子、铜离子、锌离子、锰离子、钒离子、镍离子、铬离子、氟离子、硅离子、锡离子、硼离子或砷离子。可操纵的有机分子的例子包括，但不仅仅限于，氨基酸、肽、蛋白质、核苷、核苷酸、寡核苷酸、核酸、维生素、单糖、寡糖、碳水化合物、脂类或它们的复合体。
对于不可以直接使用物理力操纵的实体分子，如果自身可以直接用合适的物理力操纵的结合物可以与实体分子结合，这样类型的实体分子的操纵可以通过操纵结合物-实体分子复合体来实现。任何能以一定亲和力和特异性与实体分子结合而且能被适当的物理作用力操纵的结合体都可以在本方法中使用。结合物可以是细胞如动物、植物、真菌或细菌细胞；细胞器如细胞核、线粒体、叶绿体、核糖体、内质网、高尔基体、溶酶体、蛋白酶体、囊泡、液泡或微体；病毒、微粒或者它们的聚合物或复合体。在C部分描述的细胞、细胞器和病毒亦可被用作结合体。
本方法中使用的微粒的尺寸在大约0.01微米至10厘米之间。最好，本方法中使用的微粒尺寸在大约0.01微米至至几千个微米之间。使用的微粒可以是，但不仅仅限于，塑料微粒、聚苯乙烯微粒、玻璃珠体、磁珠、中空玻璃球、金属微粒或具有复杂的成分或各种微加工出来的结微细构的微粒等等。
***纵的实体分子可以用任何已知的方法与结合物的表面结合。例如，实体分子可以直接或通过一个连接臂(最好是一个可切割的连接臂)与结合物的表面结合。实体分子也可以通过一个共价键或非共价键与结合物的表面结合。另外，实体分子也可以通过特异性或非特异性结合与结合物的表面结合。最好，实体分子与结合物之间的连接臂是可切割的连接臂，例如可以用化学、物理或酶处理的方法切割连接臂。同样，可以使用在美国专利申请“METHODS FOR MANIPULATING MOIETIES IN MICROFLUIDICSYSTEMS”(No.09/636,104；2000年8月10日递交)的中的关于耦联及解耦联实体分子与结合物的方法。最好***纵的实体分子基本上结合在结合物的表面。更好的是，***纵的实体分子完全结合在结合物的表面。
最好，通过使用美国专利申请“METHODS FOR MANIPULATINGMOIETIES IN MICROFLUIDIC SYSTEMS”(No.09/636,104，2000年8月10日递交)中的结合物操纵实体分子的方法可以用于不能直接使用物理力操纵的实体分子的操纵。
***纵的实体分子可以是液态或气态的，也可以是处于液态或气态介质中，或是二者的结合。最好实体分子是在液态介质中***纵。液态介质可以是悬浮液、溶液或是二者的结合。
现有的方法可以一次操纵一种实体分子，也可以同时操纵多种实体分子。在某些情况下，待操纵实体分子是包含在某一混合物中的，并且该实体分子被选择性地操纵。选择性操纵是指这样的操纵过程：由于***纵的实体分子与混合物中的其它实体分子、微粒和分子相比，受到不同的物理力的操纵，从而使得该实体分子被选择性地处理，和/或从混合物中分离。在另外的情况中，待操纵实体分子组成混合物，并且整个混合物***纵。待操纵实体分子可以是可被各种物理力直接作用的，也可以无法被物理力直接作用，但是可以和可***纵的结合物结合的。在特定情况中，待操纵实体分子是细胞、细胞器、病毒、分子，或其复合物。
本方法可以使用任何类型的操纵。例如，但不仅仅限于，输运、聚焦、富集、浓缩、聚集、捕获、推斥、悬浮、分离、分馏、分部或是使实体分子作直线或是其它形式的运动。
最好芯片上所作的第一个任务是在样品处理中的分离、转移、捕获、混合、或***等步骤，但是这并不是本发明必须的。在包含细胞的样品的处理过程中，可以把感兴趣的细胞可从其它细胞中分离出来，例如，通过常规介电电泳力；也可以从溶解的其他类型细胞的细胞碎片中转移出来，例如，通过行波介电电泳；也可以通过捕获的方式，例如，通过结合到电磁单元上(磁性微粒制剂已经加入到样品中)；也可以通过混合，例如，加入特异的结合物，利用声学元件；也可以进行裂解或是破胞，例如，使用电脉冲裂解细胞。在本发明的优选实施例中，至少两个连续的分析任务可作用于不同类型的样品组分，例如，第一步分离任务可作用于细胞，而第二步分离任务可作用于蛋白质，或者第一步分离任务可作用于蛋白质，而第二步分离任务可作用于RNA分子。分析任务
在本发明的***中，至少一个样品分析任务发生于至少一个处理任务之后。本发明***的芯片上进行的分析任务可以使用混合或结合的步骤，还包括检测分析，生化分析，细胞分析，结合分析或遗传分析。一个或多个分析任务可并行进行。例如，蛋白质的检测分析和RNA分子的检测分析可以同时进行，在某些情况下在同一块芯片上进行(参见，例如，图15E)。
在本发明的优选实施例中，首选的检测方法包括将一种样品组分结合到特异的结合物上，例如，一连接到芯片表面的核酸分子或是抗体。待检测的样品组分可以通过连接在微粒上而被物理力所操纵，且在进行检测之前，把待检测样品组分从结合物上解离下来。可以用于本发明的可以把实体分子和微粒可逆结合的偶联物质可以参见：美国专利申请“Methods forManipulating Moieties in Microfluidic Systems”(No.09/636,104，2000年8月10日递交)。结合到连接在芯片表面的特异结合物的样品组分可通过几种途径检测到。该样品组分可以在结合之前先进行标记；也可以使用夹心法，即使用带有可检测标记的第三种分子(抗体或是寡核苷酸)。也可使用其它的检测方法，例如使用可以把可检测标记加入样品组分的酶促反应(例如，通过PCR的方法掺入标记物)。可以参见美国专利申请“Methods andCompositions for Identifying Nucleic Acid Molecules Using NucleolyticActivities and Hybridization”(No.09/648,081，2000年8月25日递交)。这些检测方法中用到的可检测标记可以是荧光物质，也是可被分光光度法检测到的。在这种情况下，装入检测芯片的腔体应该具有一个透明的盖子，例如玻璃盖子，以便于检测。
也可以使用其它的检测方法。例如，待检测的实体分子可以先与磁珠结合，芯片的表面制作有可以感应磁珠磁信号的磁力检测装置，这样，当待检测实体分子结合在芯片的表面时，就会把磁珠也带到芯片表面的特异的位置，从而得以检测。另外，也可以使用可以感受重力变化的悬臂梁装置进行检测。微粒的重力可以通过悬臂梁传感，并且信号可以传输到显示或者纪录设备。
还可以检测荧光信号。样品组分从***的至少一个芯片转移到另外的至少一个芯片
样品组分，包括连接到微粒等特异连接物上的样品组分，可以以任何适当的方式，从***中的至少一块芯片转移到另外一块芯片，包括液体输运(通过机械力，例如通过注射泵或蠕动泵，或对流力)。但是更适宜地是，从本发明的***中的至少一个芯片到另外一个芯片的样品组分的传输(包括已连接在微粒上的样品组分)是通过物理力的作用实现的，例如，但不限于，电泳力、介电电泳力(包括常规介电电泳力和行波介电电泳力)或电磁力。尤其首选的样品组分从芯片一个区域转移到另一个区域的转移方法是行波介电电泳和行波磁泳。在优选实施例中，本发明中连接到微粒上的样品组分，是利用行波介电电泳或行波磁泳的方法来实现从一个芯片到另一个芯片的转移的。
本发明可以通过控制外部与芯片上产生不同物理力的微结构连接的信号源，以达到控制芯片上产生的物理力的目的。在一些应用中，需要按照一定的次序将电源信号加载在同一芯片上的功能元件的一部分以形成行波磁泳，或者将不同相位的电信号加载在电极的一部分上以形成行波介电电泳。这样，可以通过一个可自动化的和可编程的切换设备控制的电源控制***或信号发生器控制***来控制加在这些功能元件上的电信号，从而实现控制所产生的物理场的目的。最好，电源控制***或信号发生控制***也允许操纵者控制和调节输出电源或产生的信号的各个参数。在应用电场时，这些参数包括信号频率、信号相位、信号幅度和信号调制模式。
样品组分和微粒从本发明的***的一个芯片到另一个芯片的转移可以通过包含芯片的腔体上的端口，也可以通过导管，但这并不是本发明所必须的。样品组分和微粒从本发明的***的芯片的一个区域转移到另一个区域，或是从一个芯片到另一个芯片的转移可以通过液体流动实现，包括流体和电泳，但最好，样品和微粒是通过物理力的作用进行转移的，包括常规介电电泳力或行波介电电泳力或电磁力，包括磁泳。物理力的产生装置至少有一个是集成在芯片上或是***的腔体中的。样品组分，包括连接到微粒上的样品组分，是按照一定的顺序从本发明的***的一个芯片转移到另一个芯片上的，因此处理和分析样品的处理过程是按照产生预期最终结果的顺序进行的。例如，一个特殊类型的细胞样品组分可以在第一个芯片中被分离，然后转移到第二个芯片，在那里它们被溶解释放出细胞内的实体分子形式的样品组分，并且该样品组分和一种含有特异结合物例如微粒的试剂混合。然后连接到微粒上的样品组分被转移，例如利用行波介电电泳的方式，到第三个芯片，在那里，进行检测分析。
样品组分，包括连接到微粒上的样品组分，也可以从本发明的***的一个芯片转移到另一个芯片，因此处理和分析样品的串行过程也可以并行进行。样品组分可以同时或者按照一定的顺序转移到多个芯片上。最好，不同的样品组分转移到不同的芯片上，但是这并不是必须的。例如，一个蛋白质样品组分可以转移到一个芯片上，一个核酸样品组分可以转移到第二个芯片上，而一个甾类激素样品可以转移到第三块芯片上。也可以是样品组分引入同一块芯片，例如RNA和蛋白质样品组分可以引入到同一个检测芯片上。在优选实施例中，不同的样品组分转移到不同芯片或芯片的不同区域可以通过将不同的样品组分连接到具有不同特性的微粒上来实现，例如微粒分别带有不同的介电特性。在这种方法中，微粒对作用在芯片上的不同的物理力进行响应，并会被导向到不同的方向，例如，引导不同的样品通过不同的接口进入不同的腔体，或引导微粒进入同一个芯片的不同区域。
可以将样品组分分别转移到不同的芯片上的首选的芯片是微粒转换芯片，可以参见美国专利“Apparatus for Switching and Manipulating Particlesand Methods of Use Thereof”(No.09/678,263，2000年10月3日)。微粒转换芯片使用行波电泳、常规介电电泳或是行波介电电泳来转移微粒。通过对微粒开关使用不同的电信号，响应不同场频的微粒可以被引导到不同的位置，并通过不同的路径迁移。
在本发明的方法中，至少两个任务是顺序进行的。这意味着至少有一个任务所用的样品组分是其前一个任务的结果或是产物。集成式生物芯片***用于处理和分析样品是源自“从样品到结果”的设计思想。
尽管本发明的***要求至少有两个任务是按照顺序进行的，但是本发明并不要求所有的任务都必须按一个连续的顺序进行。例如，在一些实施例中可以并行地进行特定的分析步骤，其中一个分析过程是用于检测一种类型的样品组分(例如，RNA)，而另一个分析任务是用于检测另一个类型的样品组分(例如，蛋白质)。
***的操纵以图中所示的为例，在这里，图仅仅起说明解释的作用，并不意味着本发明仅仅包括图中所画的内容。
图1是包含了本发明的***所使用的一个多力芯片的腔体。图中的DEP电极可以使用其它不同尺寸的电极代替，例如“Dielectrophoreticmanipulation of cells using spiral electrodes by Wang et al.，Biophys.J.，Vol.72，pages：1887-1899(1997)”中的螺旋形电极阵列可以代替图1B中所示的矩形阵列电极。图1B-1E的所有的功能元件(压电转换器、DEP电极、电磁元件、微粒切换元件等)都需要电路连接到外部信号源。为了清楚起见，电路连接未在图中显示。连接的细节可以参见美国专利申请No.09/399,299(1999年9月17日递交)；美国专利申请“Individually AddressableMicro-Electromagnetic Unit Array Chips in Horizontal Configurations”(No.09/685,410，2000年10月10日递交)；美国专利申请“Apparatus forSwitching and Manipulating Particles and Methods of Use Thereof”(No.09/678,263，2000年10月3日递交)和美国专利申请“ApparatusesContaining Multiple Active Force Generating Elements and Uses Thereof”(No.09/679,024，2000年10月4日递交)。
图2A和B是一种样品，例如血液样品，其中加入了修饰了特异结合物的微粒，通过腔体的端口用泵输送到芯片上。
图3显示芯片包含的声学元件，通过声场力混合样品。声场力是通过在声学层的声学元件上加载交流信号产生的。在交流信号的作用下，声学元件由于压电效应而产生机械振动。这种机械振动的频率与所加的电信号的频率相同，并传到腔体中，在腔体中产生声波或声场。产生的声场或声波对腔体中的细胞和珠体产生力的作用，并同时作用于腔体中的悬浮介质，导致声场引发的混合。如果在本发明的***中使用包被了结合物的顺磁性微粒，声场力能显著提高微粒和样品组分结合的效率(图4)。
当和样品中特异的组分结合之后，顺磁性微粒可用于分离。微粒可以是包被了特异识别某种类型细胞的抗体的顺磁性微粒，本发明中所使用的多力芯片中应包含电磁单元。选通的电磁元件可用于收集和捕获磁珠-细胞复合体，同时其他类型的细胞和样品组分被清洗出腔体(图5A和5B，和5C)。然后可以将所需的实体分子从微粒上解离下来(图6)，例如通过化学方法切割连接臂。随后，可以使用介电电泳的方法，将所需的实体分子和微粒分离(图7A和7B)。例如，可以把和靶细胞的介电性质不同的磁性微粒，通过液体流动的方式从腔体中清洗出去。介电电泳力可以通过用给电极阵列施加电信号，产生非均匀电场得到。使得实体分子可以滞留在芯片的表面，而微粒不能滞留在芯片的表面。
其他溶液、悬浮液或试剂可被加入到含有介电电泳滞留的实体分子的腔体中。例如，含不同类型微粒的悬浮液加入到图8中的腔体中。不同的微粒上包被有不同的结合物，可以与不同的实体分子结合。例如，一种微粒的表面包被了可以和一种特定类型蛋白质结合的抗体，而另一种微粒的表面包被了可以和一种例如类固醇分子的小分子结合的抗体，再另一种微粒表面包被了可以和mRNA分子的Poly-A端结合的寡核苷酸链，而再另外一种微粒的表面包被了可以和一种核酸实体分子序列互补的单链DNA分子等等。可以将实体分子分解以释放组分，与其它加入的试剂相互作用，加入的试剂可以是含有一种或多种微粒的制剂。例如，可以将细胞破胞以使细胞内部的实体分子释放到介质中，与含有微粒的制剂作用(图9A和B)。细胞的胞解可以通过加入低渗溶液实现，也可以加入含有去污剂或其他裂解试剂的溶液而实现。还可以使用机械力(例如搅拌)、电脉冲或声场力来促使细胞的胞解。
声场力的应用可以用来高效率地混合分解后的实体分子(例如，裂解了的细胞的所释放出的组分)及含有不同类型微粒的制剂(图10)。它提高了样品组分和微粒的结合效率(图11)。在这里，从溶解的靶细胞得到的mRNA结合到类型1珠体上，溶解靶细胞得到的靶蛋白结合到类型2珠体上，溶解靶细胞得到的DNA结合到类型3珠体上，而溶解靶细胞得到的目标小分子结合到类型4珠体上。
在这个例子中，不同类型的微粒在外加电场下(示于图12A和B)呈正向介电电泳。结合了感兴趣的实体分子的不同类型的微粒，在正向介电电泳的作用下，集中在芯片的中心区域(图12B)。在这种情况中，在腔体中的DEP电极上施加不同相位的信号，以产生行波电场，电场的方向可以朝向电极阵列的中心或者朝向电极阵列的边缘。为产生行波电场，电极按组分开，每一组加载同相位的交流信号，并且每一组的电极和其他组的电极(加载不同相位的信号)间隔分布。至少需要三组电极，且加载三种不同相位的信号来产生行波电场。在一个例子中，每5个矩形电极(从最里面的那个开始数)接在一起以形成4组电极：例如，第一组：电极1、5、9；第二组：电极2、6、10；第三组：电极3、7、11；以及第四组：电极4、8、12。这四组电极加载同频率但相位分别为0、90、180和270度，或0、-90、-180、-270度的交流信号。这种电极配置需要多层结构。也可以采用“Dielectrophoreticmanipulation of cells using spiral electrodes by Wang et al.，Biophys.J.，Vol.72，pages：1887-1899(1997)”中的螺旋形电极。
滞留在芯片上的一个或多个区域的微粒可以在微粒开关芯片上得以分离，参见美国专利申请“Apparatus for Switching and Manipulating Particlesand Methods of Use Thereof”(No.09/678,263，2000年10月3日递交)。微粒，包括结合有感兴趣的实体分子的微粒，可利用行波介电电泳转移到微粒切换芯片上(图13A，B和C)。在分支点上，非均匀电场和行波场可以引导一种微粒到一个方向，引导另一种微粒到另一个方向。当在微粒开关上施加适当的电信号后，这种引导不同微粒向不同的方向运动是可能同时发生的。首先，加载一组特定的信号以在微粒开关上移动一种(“第一种”)微粒到一个方向，同时另外一种微粒保持不动或者基本上不动。当“第一种”微粒到达微粒开关中指定的位置之后，另外一组信号被加载，以把另一种微粒移到微粒开关的另一个方向。微粒可被引导通过包含微粒转换芯片的腔体的不同端口到达不同的芯片作下一步分离、分析、或检测，或引导到同一芯片的不同区域以进行后续的分离、分析、或检测。
图14A，B，和C中使用了包被了核酸分子的磁性微粒，芯片上的一个区域制作了寡核苷酸阵列，信号检测是通过检测结合在该区域的磁性微粒的电磁信号实现的。加入的微粒表面包被了可以与被测样品中存在的或是可能存在的核酸分子结合的核酸探针，这样样品中互补的核酸就会和磁性微粒杂交。与磁性微粒上探针发生杂交的核酸在杂交后，仍然具有一部分未结合的单链，可以与预先固定在芯片表面的核酸阵列杂交。先将没有磁性微粒结合的样品中的核酸去除，例如，通过电磁方式捕获磁性微粒，再清洗腔体洗去未与磁性微粒结合的核酸。由于磁性微粒上的核酸复合物可以和阵列上的寡核苷酸链杂交，这样磁性微粒就结合在阵列的一个特定位置上。芯片上该位置的磁性微粒的存在，可以通过例如特定的磁场传感器或者悬臂型压力检测器来测定。例如，可以使用“A biosensor based on magnetoresistancetechnology”，in Biosens.Bioelectron.Vol：13，pages731-739，1998，byBaselet et al中的传感技术来探测磁性微粒的存在。
也可以通过在核酸分子或者蛋白质修饰荧光分子的方法来进行检测(图15A-D)。在这种情况中，结合到感兴趣的实体分子上的微粒可以用常规介电电泳或行波介电电泳转移到包含特异结合物(例如，单链核酸分子和抗体)的芯片上。结合到微粒上的感兴趣的实体分子(例如，感兴趣的蛋白质或感兴趣的RNA)可以在微粒的介电电泳转移前或电泳过程中从微粒上解离下来。感兴趣的实体分子的解离，使得这些实体分子可以特异的结合到芯片上的结合物上。可以用溶液清洗腔体以去除未结合的实体分子。随后，可以进行夹心式杂交反应，这个过程中荧光分子结合到感兴趣的实体分子上。这样，荧光分子就可以结合到芯片的特定的区域上，并且可以被任何一种标准的荧光检测方法检测到。
检测可以在感兴趣的实体分子通过一个管道或端口时用检测荧光信号的方法进行。例如，已经从其它实体分子和样品组分中用微粒通过介电电泳的方法分离出来的类固醇，可以被转移并集中在芯片的一个通道中(图16A，B)。然后，把感兴趣的实体分子从微粒上分离下来，对感兴趣的实体分子进行标记，例如用荧光标记，然后使用流体等方式引导实体分子通过通道(图16C，D和E)，使用光学手段进行检测。
在图14A-14F和15A-F中描述的例子中，行波介电电泳(TW-DEP)的电极上施加了电信号，以使得结合了感兴趣分子的微粒移动并分散到腔体中。在这个情况中，应用了行波介电电泳力。TW-DEP电极上施加了不同相位的信号，从而产生行波电场，通过行波介电电泳力来移动和分散微粒。为了产生行波电场，电极分成几组，每组施加同相位的交流信号，并且每一组的电极和其他组的电极(加载不同相位的信号)间隔分布。至少需要三组电极，且其加载三种不同相位的信号来产生行波电场。在一个例子中，每四个半圆的电极(在图14B和15B中从最里面的那个开始数)被接在一起形成三组电极：例如，第一组：电极1、4、7；第二组：电极2、5、8；第三组：电极3、6、9。三个平行电极也可以接到上面提到的三组电极中。三组电极可加载同频率但相位分别为0、120、240度或0、-120、-240度的交流信号。这种电极配置需要多层结构。
图17是一个单芯片集成生物芯片***，其中芯片是腔体的一部分，腔体的盖子有一个入口用于样品和其他试剂的加入，出口用于废液的流出。芯片的三个分离的区域分别用于样品处理(区域A和区域B)和分析(区域C)，并且每一个芯片区域也包含不同的功能区域或功能层。
图18是一个单芯片集成生物芯片***，其中的多力芯片是腔体的一部分，腔体的盖子上有用于样品和其他试剂加入的入口，以及用于废液流出的出口。芯片包含一个微粒开关，它能引导样品组分进入不同的芯片区域以进行后续的处理和分析任务。
图18中单芯片***的一个例子中，包含靶细胞和非靶细胞的流体样品被引入腔体A。靶细胞在腔体A中与非靶细胞分离，再通过液体流动除去非靶细胞之后，靶细胞被裂解并释放出细胞内组分。然后两种类型的微粒被放入腔体A中：一种微粒结合mRNA而另一种微粒结合靶蛋白质分子。腔体A中进行靶细胞的分离和分解以得到细胞内实体分子的过程类似于图1-13中图解的方法。
通过使用芯片上的微粒开关，结合了mRNA分子的微粒被引导进入腔体B1，而结合了靶蛋白质分子的微粒则被引导进入腔体B2(图18)。这样，mRNA分子和蛋白质分子从其它细胞内组分中分离出来，并进入两个不同的腔体。微粒上的mRNA分子和蛋白质分子随后被引入到腔体B1和B2中，用荧光物质进行标记。被标记的mRNA分子和蛋白质分子可以从微粒表面解离下来，然后再通过液体流动的方式分别运输到腔体C1和C2中。
在腔体C1的上表面已经预先固定了核酸探针，它可以和靶mRNA分子结合，在控制的严格条件下，结合探针和靶mRNA分子之间可以发生杂交。类似的，腔体C2的上表面已经预先固定了抗体，在严格控制的条件下，靶蛋白质和抗体可以特异的结合。严谨型的控制可以通过流经腔体的结合缓冲液和清洗缓冲液，或者杂交液的成分来实现。在清洗后，芯片上荧光信号的强度，给出了关于原始样品的靶细胞中mRNA分子和蛋白质分子的定量信息。
例子使用集成式芯片***分离血液样品中的白细胞，并进行RNA的分离多力芯片
尺寸为1cm见方的多力芯片制作在硅片上。该芯片有两层，如图19A中所示：上层具有互相交错的微电极，下层具有微加工制作的电磁线圈。微电极用铬(厚度为100埃)作为种子层，0.2微米厚的金膜作为顶层并具有50微米的宽度和50微米的间隔。包含一个磁芯的电磁单元的尺寸是50微米(宽)乘200微米(长)乘5-10微米(厚)。(在芯片上制作这些电磁单元的具体制造过程的详细描述参见美国专利申请“Individually AddressableMicro-Electromagnetic Unlt Array Chips in Horizontal Configurations”(No.09/685,410，2000年10月10日递交)。微电极和电磁元件间的绝缘是通过沉积绝缘薄膜(例如二氧化硅，5到20微米厚)实现的。
多力芯片周围构建了一个腔体。在这个情况中，一个模铸的塑料矩形围栏(有四条边但没有顶和底)用胶粘在芯片上作为腔体的壁。腔体壁具有大概600微米的厚度。然后一片薄玻璃被粘在塑料围栏的顶边上构成腔体的顶部。腔体的两个相对的壁上钻了两个开口，直径为1/16英寸的聚四氟乙烯管道被粘在塑料腔体的开口上，一条作为“流入管道”而另一条作为“流出管道”。样品通过连接到腔体的一条管道(“流入管道”)进入腔体，而通过另外一条连接到腔体另一边的管道(“流出管道”)流出腔体。从血液样品中对白细胞进行介电电泳分离
10微升外周血与2％的低渗蔗糖溶液以1∶19的比例混合。通过注射器将200微升稀释后的血液样品加入腔体。在加入血液样品之前，腔体中预先充满了等渗的蔗糖溶液(8.5％的蔗糖，0.3％葡萄糖)。当加入血液样品后，在腔体的电极上施加峰峰值为5伏，频率介于1-6MHz之间的电信号。在这样的电场下，白细胞受到正向介电电泳力，吸附在微电极的周围(见图19B)。
为了优化白细胞的收集，应该调节腔体中液体的流速。过高的流速会减少收集的白细胞的数量。不同的流速下，白细胞的收集率不尽相同。通常流速介于0.5ml/h至2ml/h之间。对腔体持续通几分钟(约5分钟)的血液样品，直至腔体不再收集白细胞，这时，腔体已经通过介电电泳收集了足够的白细胞(图19C)。图19C显示了在多力芯片上使用介电电泳完成处理任务，例如从稀释的血液样品中收集/分离白细胞。
当白细胞被收集到芯片表面之后，在微电极上施加电信号(例如频率1-6MHz，峰峰值小于5V)，再加入裂解液(图19D)。裂解液(100mM Tris-HCl，pH7.5；500mM LiCl，10mM EDTA；1％LiDS and 5mM DTT)中含有直径2.8微米，表面包被了Oligo(dT)25的磁珠(Dynal)。加入的液体应和腔体的容积大约接近，然后停止注入液体。现在，样品(细胞裂解液)与含有磁珠的裂解液/结合液温育5-10分钟以使得白细胞中释放出的mRNA和磁珠表面的Oligo(dT)25杂交。通过电磁捕获的方式分离mRNA
在下层的电磁单元上施加100-200mA的直流电，这样，这些电磁单元的周围就产生了非均匀的磁场，这样磁珠就会被收集在电磁线圈的两极(图19E)(磁场最强的区域)。施加直流电1-3分钟使得磁珠被充分收集，再加入清洗缓冲液A(10mM Tris-HCl，pH7.5；0.17M LiCl，1mM EDTA，0.1％LiDS)洗去未结合的分子(例如DNA、蛋白质或是其它生物分子)。
再使用清洗缓冲液A洗去未结合的分子(例如DNA、蛋白质或是其它生物分子)后，再加入清洗缓冲液B(10mM Tris-HCl，pH7.5；0.17M LiCl，1mM EDTA)洗涤磁珠。加入清洗的清洗缓冲液的体积大约为100微升，流速为3ml/h。这种流速下，结合在两极的磁珠不会被冲洗下来。
清洗完毕后，撤去施加在微电磁单元上的电信号，这样，磁珠就不再被吸附在两极。然后通入缓冲液冲出磁珠，收集在离心管中。分离的mRNA的PCR分析
将收集的磁珠进行反转录以得到cDNA分子。得到的cDNA分子进一步通过PCR进行扩增。使用可以和管家基因G3PDH杂交的引物。PCR反应液的成分为0.2μM引物，1.5mM MgCl2，0.2mM dNTP，10mM Tris-HCl(pH＝8.3)，50mM KCl and 0.001％gelatin。PCR程序为94℃(30秒)，60℃(60秒)，72℃(60秒)，30个循环。反应产物通过琼脂糖胶进行电泳，使用溴化乙锭进行染色检测(见图19F)。
右侧泳道中的条带的大小与G3PDH基因(3-磷酸葡萄糖脱氢酶基因)一致，显示对应的磁珠上捕获了对应于G3PDH基因的mRNA分子。而中间泳道是阴性对照，所使用的磁珠上没有包被oligo-(dT)25分子(图19F)。
Claims (42)
1.一种用于样品制备和分析的集成式生物芯片***，该***可以进行两个或是两个以上的顺序的任务，任务中至少有一个是处理的任务，该***至少包含一块芯片。
2.根据权利要求1所述的集成式生物芯片***，包括至少一个腔体。
3.根据权利要求1所述的集成式生物芯片***，其中所述的至少一块芯片是主动式芯片。
4.根据权利要求3所述的集成式生物芯片***，其中样品组分可以从芯片的至少一个区域转移到至少另一个区域，是通过除了流体推动、电泳或是电渗以外的机制实现的。
5.根据权利要求4所述的集成式生物芯片***，其中样品组分可以从芯片的至少一个区域转移到至少另一个区域，是通过行波介电电泳或是行波磁泳实现的。
6.根据权利要求3所述的集成式生物芯片***，其中加入的样品在进行两个或是两个以上的顺序任务时，从开始到结束的整个过程，都是连续的。
7.根据权利要求6所述的集成式生物芯片***，其中的集成式生物芯片***是自动化的。
8.根据权利要求3所述的集成式生物芯片***，其中的至少一块芯片是多力芯片。
9.根据权利要求6所述的集成式生物芯片***，包括两块或是两块以上芯片，该集成式生物芯片***可以使用至少两块这样的芯片进行两个或是两个以上的顺序任务而且至少一个这样的顺序任务是处理任务。
10.根据权利要求9所述的集成式生物芯片***，包括至少一个腔体。
11.根据权利要求9所述的集成式生物芯片***，其中至少两块芯片是主动式芯片。
12.根据权利要求11所述的集成式生物芯片***，其中至少一块主动式芯片是微粒开关芯片。
13.根据权利要求9所述的集成式生物芯片***，其中一种或是多种样品组分可以从芯片的至少一个区域转移到至少另一个区域，是通过除了流体推动、电泳或是电渗以外的机制实现的。
14.根据权利要求13所述的集成式生物芯片***，其中样品组分可以从芯片的至少一个区域转移到至少另一个区域，是通过行波介电电泳或是行波磁泳实现的。
15.根据权利要求9所述的集成式生物芯片***，其中至少一块主动式芯片是多力芯片。
16.根据权利要求9所述的集成式生物芯片***，其中至少两块芯片，至少在集成式生物芯片***操作过程的部分时间内，相互之间有液体的交换。
17.根据权利要求16所述的集成式生物芯片***，其中一种或是多种样品组分可以从至少一块芯片转移到至少另一块芯片上，是通过除了流体推动、电泳或是电渗以外的机制实现的。
18.根据权利要求17所述的集成式生物芯片***，其中一种或是多种样品组分可以从至少一块芯片转移到至少另一块芯片上，是通过行波介电电泳或是行波磁泳实现的。
19.一种使用权利要求5所述的集成式生物芯片***的方法，包括以下的步骤：
a)在集成式生物芯片***中加入样品；
b)在上述集成式生物芯片***中进行两个或是两个以上的顺序任务，其中至少一个顺序任务是操作任务。
20.根据权利要求19所述的方法，其中的样品是水样品、血液样品、腹水、脑髓液或是羊水。
21.根据权利要求19所述的方法，其中的至少一个处理任务是分离、转运、浓缩、纯化、富集、结构改变或是分解。
22.根据权利要求19所述的方法，其中至少一个处理任务是通过使用一种或是多种物理力进行的，物理力至少是部分的由集成在芯片上的微结构产生的。
23.根据权利要求22所述的方法，其中外加的物理力是声场力、介电电泳力、磁力、行波介电电泳力或是行波磁力。
24.根据权利要求22所述的方法，其中至少一个处理任务包括使用物理力对实体分子进行操纵。
25.根据权利要求24所述的方法，其中外加的物理力是声场力、介电电泳力、磁力、行波介电电泳力或是行波磁力。
26.根据权利要求25所述的方法，使用外加物理力对实体分子的操纵是通过操纵与实体分子相连的结合物实现的。
27.根据权利要求26所述的方法，其中的结合物是磁珠。
28.根据权利要求22所述的方法，其中至少一个处理任务是通过使用多种物理力实现的。
29.根据权利要求19所述的方法，还包括分析任务。
30.一种使用权利要求9中的集成式生物芯片***的方法，包括的步骤为：
a)在集成式生物芯片***中加入样品；
b)在上述集成式生物芯片***中进行两个或是两个以上的顺序任务，其中至少一个顺序任务是操作任务。
31.根据权利要求30所述的方法，其中的样品是水样品、血液样品、腹水、脑髓液或是羊水。
32.根据权利要求30所述的方法，其中的至少一个处理任务是分离、转运、浓缩、纯化、富集、结构改变或是分解。
33.根据权利要求32所述的方法，其中至少一个处理任务包括使用物理力对实体分子进行操纵。
34.根据权利要求32所述的方法，其中外加的物理力是声场力、介电电泳力、磁力、行波介电电泳力或是行波磁力。
35.根据权利要求34所述的方法，其中至少一个处理任务伴随着使用物理力操纵实体分子。
36.根据权利要求35所述的方法，其中外加的物理力是声场力、介电电泳力、磁力、行波介电电泳力或是行波磁力。
37.根据权利要求36所述的方法，使用外加物理力对实体分子的操纵是通过操纵与实体分子相连的结合物实现的。
38.根据权利要求37所述的方法，其中的结合物是磁珠。
39.根据权利要求33所述的方法，其中至少一个处理任务是通过使用多种物理力实现的。
40.根据权利要求30所述的方法，其中一种或是多种样品组分可以从至少一块芯片转移到至少另一块芯片上，是通过除了流体推动、电泳或是电渗以外的机制实现的。
41.根据权利要求40所述的方法，其中一种或是多种样品组分可以从至少一块芯片转移到至少另一块芯片上，是通过行波介电电泳或是行波磁泳实现的。
42.根据权利要求30所述的方法，还包括分析任务。
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