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CN101842161A - 用于目标物质的俘获磁性拣选系统 - Google Patents

用于目标物质的俘获磁性拣选系统 Download PDF

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CN101842161A
CN101842161A CN200880112841A CN200880112841A CN101842161A CN 101842161 A CN101842161 A CN 101842161A CN 200880112841 A CN200880112841 A CN 200880112841A CN 200880112841 A CN200880112841 A CN 200880112841A CN 101842161 A CN101842161 A CN 101842161A
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CN
China
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magnetic
microfluid
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CN200880112841A
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D·A·张-尹
J·达拉比
Y·张
H·T·索
P·帕加诺
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CYNVENIO BIOSYSTEMS Inc
Cynvenio Biosystems LLC
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CYNVENIO BIOSYSTEMS Inc
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    • B03C2201/26—Details of magnetic or electrostatic separation for use in medical or biological applications

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Abstract

一种用于拣选和俘获磁性目标物质的系统，其包括微流体俘获模块，该模块设计来接收磁性粒子，然后将该粒子临时保持在模块中的适当位置上。将流入该模块的磁性粒子在其中俘获，同时其他样品成分(非磁性的)连续的流过并流出所述站，由此分离和浓缩俘获在磁性粒子上的物质。在样品通过俘获模块之后，可以释放磁性粒子和/或它们的有效载荷，并且在出口处分别收集。

Description

用于目标物质的俘获磁性拣选系统
交叉引用的相关申请
本申请要求2007年8月23日申请的标题为“Trapping Magnetic CellSorting System”的US临时专利申请No.60/966092，和2008年3月19日申请的标题为“Trapping Magnetic Cell Sorting System”的US临时专利申请No.61/037994的优选权，这两个申请的公开内容在此以它们全部引入作为用于全部目的之参考。
发明背景
基于它们的表面标志来拣选化学或者生物物质是生物学和医学中的一种重要的能力。磁性活化细胞拣选(MACS)有时候被用作细胞拣选技术，这是因为它能够快速的选择大量的目标细胞。MACS的使用横跨了宽的幅度，范围从蛋白质净化到细胞基治疗。典型的，目标细胞是用一种或多种超顺磁性粒子来标示的，该粒子共轭到分子识别因素上(例如单克隆抗体)，其识别具体的细胞表面标志。
MACS的使用经常受限于荧光基血细胞计数之前的预富集。然而，由于它比其他方法例如荧光活化细胞拣选(FACS)更高的通过量，因此MACS仍然是一种有竞争性的技术。
为了实现稀少细胞(或者其他目标成分)的高通过量和高回收，需要对现有的MACS系统进行改进。
发明内容
在不同的实施方案中，流体拣选模块被设计来接收磁性粒子，然后将该粒子临时保持在模块的适当位置上。随后，将该粒子和/或它们的俘获物质进行释放、收集和/或进一步加工。在这样的实施方案中，流入拣选站中的磁性粒子在这里被俘获，同时其他样品成分(非磁性成分)连续的流过和流出该站，由此分离和浓缩俘获在磁性粒子上的物质。仅仅在非磁性样品成分已经流出拣选室之后，才可以释放磁性粒子和/或它们的有效载荷，并且在该拣选站的出口处分别收集。
本发明的一方面涉及一种微流体拣选装置，其用于将样品拣选成为基本是目标物质和基本是非目标物质。该装置包括俘获模块，预加工和/或后加工站。该俘获模块包括具有两个相对的壁的通道，该壁的一个包括磁场梯度发生结构来施加磁力到样品上，来至少临时的俘获样品中的磁性粒子。该预加工和/或后加工站与俘获模块一起整合到微流体拣选装置上。
俘获模块中的流动通道可以包括相对的壁，其是不透明的壁和透明的壁或者两个不透明的壁。磁场梯度发生结构可以位于不透明壁上。该磁场梯度发生结构可以是以图案或者无规的配置到它的相对的壁上的铁磁性结构。图案可以是平行线，正交栅格，规则或者不规则几何形状的长方阵列，及其组合。该铁磁性结构可以是镍，钒波明德合金，坡莫合金或者其他铁磁性材料。
流动通道包括入口区域，俘获区域和出口区域。在俘获区域中的通道的深度可以大于入口和出口区域的深度，优选是入口或者出口区域的大约2倍。可以使用多个独立的流动通道。这些流动通道可以共用缓冲剂歧管，并且可以配置来加工相同的样品或者不同的样品。在某些实施方案中，多个俘获区域可以用于相同的流动通道中。
该微流体拣选装置可以包括外部磁性源，其位于俘获模块的一侧上，优选位于磁场梯度发生结构一侧上，来产生磁场。在某些实施方案中，将磁场逐渐施加到俘获站上来与所述的俘获站中的流体流动相抗衡，由此来在该俘获区域逐渐被所述的磁场占据时，停止所述移动。换句话说，移动磁场，来在俘获区域中产生随时间变化的磁场，由此引起期望的磁性粒子运动。
这可以用来以一种均匀的方式将磁性珠结合的目标粒子铺展到俘获区域中。这能够促进后分离操作等，例如通过使得释放反应剂有效的接近磁性珠结合的目标物质的珠释放。磁性的逐渐施加能够通过将外部磁性源相对于俘获模块移动来完成。外部源可以是一个或多个永磁体，一个或多个电磁体，或者它们的组合。
预加工站可以包括标示站，其用来用磁性粒子标示样品中的物质，该磁性粒子具有与所标示物质的亲合性。要注意的是该标示物质可以是目标物质或者非目标物质。如果标示了非目标物质，则通过俘获非目标物质而提高了通过俘获模块的样品中的目标物质的浓度。如果标示了目标物质，则在俘获模块中俘获了目标物质，随后进行收集。
在某些实施方案中，至少一个的预加工站或者后加工站包括富集模块(用于提高通过拣选装置的样品中的目标物质的浓度)，反应模块，探测模块，和溶解模块(用于溶解细胞，破坏病毒蛋白质表层，或者释放小型生命系统的成分)。该俘获模块可以设计或者配置来进行非俘获操作，包括基因分析，用于DNA或者RNA低聚物的探测和/或扩增方案，基因表达，酶活性化验，受体结合化验和ELISA化验。
本发明另一方面涉及一种微流体拣选装置，其用于将样品拣选成基本是目标物质和基本是非目标物质。该装置包括俘获模块，上述的预加工和/或后加工站，在俘获模块一侧上用于产生磁场的外部源，和随时间来变化磁场的机构。该俘获模块包括具有两个相对的壁的通道，并且不具有磁场梯度发生结构。在一种实施方案中，具有外部磁性源的俘获模块一侧是不透明的。
本发明仍然的另一方面涉及一种在微流体拣选装置中拣选样品的方法，该拣选装置包括俘获模块和在该俘获模块的两个相对的壁中的仅仅一个上的磁场梯度发生结构。该方法包括将样品流入俘获模块中，在该俘获模块中产生磁场梯度，和在俘获模块中俘获磁性粒子。所述的样品包含其上带有分子识别因素的磁性粒子，目标物质和非目标物质。将来自该模块仅仅一侧的外部磁场施加到磁场梯度发生结构上。在紧邻磁场梯度发生结构处俘获磁性粒子。
该拣选方法还可以包括将磁场外部源相对于俘获模块移动，同时将流体介质中的磁性粒子流过模块，由此以一种基本均匀的方式来俘获磁性粒子。将磁场逐渐施加到俘获站上来与所述的俘获站中的流体流动相抗衡，由此来在该俘获区域逐渐被所述的磁场占据时，停止所述移动。换句话说，移动磁场，来在俘获区域中产生随时间变化的磁场，由此引起期望的磁性粒子运动，来将磁性珠结合的目标粒子以一种均匀的方式铺展到俘获区域中。
在某些实施方案中，该拣选方法可以包括从磁场梯度发生结构的一个区域中释放磁性粒子，来释放任何所俘获的非磁性粒子和在磁场梯度发生结构或者另一个磁场梯度发生结构的另一个区域中所俘获的磁性粒子。该拣选方法还可以包括用磁性粒子标示样品中的目标物质，该磁性粒子具有与目标物质的亲合性，或者用磁性粒子标示样品中的非目标物质，该磁性粒子具有与非目标物质的亲合性。该拣选方法还可以包括在微阵列中探测目标物质，溶解目标物质，反应目标物质，或者成像所俘获的目标物质。反应操作可以包括扩增，排列，杂交，标示，交联或者培养该目标物质。要注意的是这些预加工和后加工操作可以发生在俘获模块中或者发生在相同的微流体装置上的另外一个模块中。
本发明的这些和其他特征和实施方案将在下面参考相关的附图进行更详细的描述。
附图说明
图1A表示了一种系统，其使用一次性流体控制芯片或者储料筒。
图1B是一种工艺流程图，表示了使用图1A系统的方法。
图1C和1D表示了根据某些实施方案的磁性俘获模块的顶视图和侧视图。
图2是一种根据本发明不同的实施方案的拣选样品的方法的工艺流程图。
图3表示了一种实施方案，在其中在磁性粒子通过俘获区域的过程中，磁场发生器在俘获区域的一个表面上的移动。
图4A-4C表示了分级俘获和释放俘获系统的一个例子。
图5表示了用于样品孔和珠释放试剂孔的流体输入。
图6A-6H表示了布置在流体装置中的不同结构的磁性俘获，其用于目标物质的后俘获处理。
图7表示了在软磁性(例如镍)图案中制作的非磁性俘获特征的一个例子。
图8A-8C表示了无规阵列的铁磁性结构的例子。
图9A和9B表示了流体通道实施方案的侧视图，其在俘获区域具有大的深度。
图9C表示了一种实施方案，其具有平行的流体通道，该通道共享着共用缓冲剂歧管。
图9D表示了具有两个俘获区域的流体通道。
具体实施方式
导言和上下文
磁性活化的细胞拣选(MACS)系统能够高纯度的选择所标示的细胞或者其他样品成分。在某在实施方案中，这些系统以“俘获模式”运行，这里在施加外部磁场之后，将非目标物质和目标物质依次洗提。换句话说，将结合到磁性粒子上的物质保持在适当位置上，同时洗提未结合的物质。然后，在该第一洗提步骤完成之后，将所述的结合到磁场上的并且防止被洗提掉的物质以某些方式释放，以使得它们能够洗提和回收。
根据某些实施方案，MACS系统的俘获模块包括样品流过其中的通道，该样品包括结合和未结合到磁性粒子上的物质。通道的一侧上包括磁场梯度发生结构，其在外部源的磁场施加下产生磁场梯度。该磁场梯度吸引和俘获磁性粒子以及所结合的物质。在样品流过俘获模块之后，所俘获的粒子可以如下来释放：通过改变所施加的磁场或者通过分开在磁性粒子与所结合的物质之间的结合。
在上下文中，现在将描述俘获型磁性分离系统的一个例子。图1A和1C表示了根据某些实施方案的磁性拣选模块和系统。图1A表示了系统101，其使用一次性流体控制芯片或者储料筒103。每个芯片或者储料筒包含着流体元件，该元件包括磁性俘获模块。在一种运行模式中(正向选择)，将样品105例如少量血液提供到储料筒的接受口107，然后将带有样品一起的储料筒插入到加工和分析仪器121中。在该芯片中，在磁性俘获模块中拣选和浓缩来自样品的磁性粒子和目标物质(如果有任何的)。在样品以此方式加工之后，可以将所俘获的物质在输出管109中进行释放和收集。这可以通过不同的手段来完成，包括减少或者消除施加到俘获模块上的外部磁场或者施加试剂，该试剂从磁性粒子上释放所俘获的物质。可选择的，或者相结合的，可以提高施加到磁性粒子上的液体动力。在所示的实施方案中，底盘包括着系统部件，该部件包括压力系统(包括注射泵111和压力控制器113)，其提供了用于使样品流过俘获模块的主要驱动力。当然，可以使用其他的设计，该设计使用可选择的驱动力例如连续泵或者气动系统。还将来自缓冲剂存储器115的缓冲剂通过缓冲剂泵119和流动控制模块117，在受控下提供到储料筒。
在图1B中，表示了一个加工顺序的例子。具体的，该加工通过将样品加装到芯片或者储料筒上来开始，然后插入仪器中，如操作131所示。然后，在操作133中，将该芯片插入仪器中来与外部磁体，流体连接器，和相关的设备排列成行。其后，将一个或多个收歧管同样加装到该仪器中(操作135)。要注意的是在某些实施方案中，加装到仪器中的顺序可以变化。接下来，在操作37中，将流体界面可靠连接到芯片上，来保证将样品和缓冲剂无泄漏的连接到芯片上。最后，将该仪器开始分离过程(139)，并且分离的细胞样品可以通过卸载收歧管来重新得到(141)。
图1C和1D表示了根据一种实施方案的俘获模块的顶视图和侧视图。在一种具体的例子中，所示的俘获模块是在图1A所示的一次性储料筒中进行。在图1C中，所示的磁性俘获模块的顶视图包括中心样品入口143，和两个分跨该样品入口143的缓冲剂入口141。从缓冲剂入口递送缓冲剂能够防止样品的内容物沿着俘获模块的边缘变成拖曳的，并且帮助稳定压力以及流动流体。如所示的，俘获区域147(其在这种实施方案中包括铁磁性图案151)是在流动通道的下壁上形成的。在其上形成图案的通道壁可以是透明的，半透明的或者不透明的。
如所示的，目标物质145是在俘获区域上俘获的。样品所提供的剩余的未俘获的细胞149(或者其他物质)和碎片从俘获区域中被清洗出去，因为它们没有附着到磁性粒子上。
应当注意的是可以使用正向或者负向俘获方案。在图1C和1D所示的正向俘获方案中，目标物质例如145和163是经由连接剂171来连接到磁性粒子167表面上的，其后在俘获区域中与磁性粒子一起俘获。这有效的净化和浓缩了目标物质。在负向俘获实施方案，非目标物质(不同于目标物质)是用磁性粒子标示的。因此，未标示的目标物质连续的流过俘获模块，同时标示的非目标物质在俘获区域中俘获，并且从悬浮液中除去。这种方案净化了目标物质，但是这样作并没有浓缩它们。
图1D中表示了工作中的俘获区域的侧视图。如这里所示，铁磁性结构175是在流动通道173的下壁177的内表面上形成的。这些结构充当了磁场梯度产生(MFG)结构(下面更详细的描述)。外部磁场169典型的被用作驱动力，来俘获流过流体介质的磁性粒子。MFG结构175可以成形该外部磁场，来产生局部高的磁场梯度，来帮助俘获流动的磁性粒子167。在图1D所示的实施方案中，外部磁场是通过交替极性的一个阵列的永磁体161来提供的。更通常的，该外部磁场可以通过一个或多个永磁体和/或电磁体来产生。在某些实施方案中，聚集的磁体例如图1D所示的这些磁体是可移动的，单独的或者作为一组，目的是动态的改变施加到俘获区域上的磁场。
在某些实施方案中，该磁场是使用电磁体来控制的。在其他实施方案中，可以使用永磁体，其能够机械的移入和移出邻近拣选站之处，以使得在该拣选区域中的磁场梯度能够局部升高和降低，来促进磁性粒子的依次俘获和释放。在某些使用电磁体的情况中，该磁场是受控的，以使得在该加工的早期(在磁性粒子的俘获过程中)产生强的磁场梯度，然后在该方法的后期(在粒子释放过程中)降低或者除去。
如图1D中的例子所示，磁性粒子涂覆有一种或多种分子识别因素171(例如抗体)，该元素是待俘获的目标细胞163或者其他物质的特有标志。因此，一种或多种磁性粒子167，连同结合的细胞或者其他目标物质163一起，作为组合单元流入该俘获模块中。对于具有许多曝露的结合部分的大的目标物质而言(例如哺乳动物细胞)，它通常具有多个所附着的磁性粒子。
在某些实施方案中，俘获区域是相当薄的，但是可以相当宽来提供相对高的通过量。换句话说，通道本身的横截面面积是相对大的，同时该通道的高度或者深度是相对小的。通道的厚度可以由有效到达的磁场来定义，该磁场被用来吸引流过俘获区域的流体介质中的磁性粒子。
适用于本发明的流体系统不同的细节在US专利申请No.11/583989(2006年10月18日申请)中的流动模块的说明书的其他上下文中进行了讨论，其在此引入作为用于全部目的之参考。这样的细节的例子包括缓冲剂组合物，磁性粒子特征，外部磁体特征，用于MFG的铁磁性材料，流动条件，样品类型，与其他模块的整合，用于流体和磁性元件的控制系统，在目标物质和磁性粒子之间的结合机构，等等。通常，在磁性俘获模块中，所施加的外部磁场将远高于US专利申请No.11/583989中所述类型的连续流动磁性流动拣选机中所使用的磁场(考虑模块的整体设计)。无论如何，施加到目标物质上的磁力应当足够的大于流体动力阻力，来确保俘获目标物质(偶合到磁性粒子上)，并且抵抗着流动的流体来保持到适当位置上。
在图2所示的一种典型的正向选择例子中，磁性俘获方法200如下来进行。首先，在操作201中，用小的磁性粒子来标示样品例如潜在的含有目标细胞的生物学样本，该小的磁性粒子涂覆有俘获部分(例如抗体)，其对于目标细胞的表面标志来说是特有的。这个标示过程可以微流体拣选装置之上或者之外进行。在该标示之后，在操作203中，将样品流入拣选站(包含俘获区域)中，具有或者不具有共同流动的缓冲剂溶液。缓冲剂可以通过一个或多个入口传递，样品通过一个或多个另外的入口传递。拣选站是在操作207中用外部磁场提供能量，来在操作209中将磁性标示的目标细胞或者其他物质保持在适当位置上，抵抗流动的流体所施加的流体动力阻力。与此同时，在操作211中连续的洗提未标示的非目标物质。如上所述，磁场典型的是通过紧邻拣选站布置的外部磁体来施加的。在大部分或者全部的样品溶液流出拣选站之后，可以在操作213中，通过许多不同机构中的任意一个来释放磁性成分，该机构包括涉及改变磁场梯度和/或提高液体动力的这些。例如，在所述室中的磁场可以减少，除去，或者重新定向，并且同时将样品入口流体用释放剂(用于释放所俘获的物质)和/或缓冲剂流体代替。最后在前面所固定的磁性成分，或者仅仅它们所俘获的物质(现在被净化)，流出了缓冲剂溶液室。该含有目标物质的净化的样品成分然后可以在操作215中，在拣选室出口处进行收集，其在某些构造中可以直接位于俘获室的下游。
当使用大的目标物质例如哺乳动物细胞时(其对于液体动力有强的响应，对于磁力的响应相对较弱，这可能仅仅因为只有一个或者少数的结合到细胞上的磁性粒子受磁场梯度发生结构的影响)，俘获和释放方案是特别有利的。当使用相对小的目标物质例如病毒(其具有这样的倾向，即，变成携带到微流体装置中的流动场的分界层中)，该俘获和释放方案也会是有益的。
使用俘获类型的拣选模块具有不同的特征和优势。它们如下。
1.目标物质能够很大程度的进行浓缩，因为仅仅使用了小的洗提体积来释放所俘获的目标物质。随着时间的变化，萃取了来自低浓度样品的目标物质，并且保持固定，直到整个样品处理完成。然后将所俘获的物质在相对小体积的载体介质中释放，由此产生高纯度、高浓度的溶液或者悬浮液。
2.拣选机的物理尺寸可以相对大，因为它能够使用相对大的磁场，影响在拣选模块中的相对远距离上的磁性粒子。作为举例，流动通道高度可以是20微米或者更高。这允许相对高的通过量(例如，至少大约10ml/h，或者50ml/h或者100ml/h，或者1L/h)。
3.能够产生所俘获物质的单层(或者亚单层)。可选择的，能够产生仅仅由几个亚层组成的层(例如，双层或者三层)。在每种情况中，能够避免大的“团块”，该团块会压缩流路或者干扰俘获。这是可能的，因为能够如下所述来动态的控制外部场。可选择的，或者另外，MFG可以用来限制将非常强的磁力在仅仅非常小的距离上施加到磁性粒子上。将俘获物质限制成单层具有不同的优点。这些优点之一在于在单层上提供了畅通无阻的流路。因此在流过俘获模块的同时，非目标物质不太可能变成携带到目标物质的整个上。另一优点在于这样的能力，即，将单层的不同物质在所关注的充分定义的深度上进行成像的能力。
4.能够使用阵列的外部磁体(参见例如图1D)。这允许在拣选模块区域中对磁场进行微调。在一些实施方案中，该阵列的磁体使用了交替的极性磁体，如图1D所示，虽然这并非必需的。在一些实施方案中，仅仅使用了两个磁体(均位于MFG之下)。
5.拣选模块中的流动通道的尺寸和形状可以沿着流路变化，来控制作用于磁性粒子(和相关的目标物质)上的液体动力。以此方式，可以调节磁泳力和液体动力之间的平衡，来产生高性能的分离。
应当理解本发明的实施方案不限于生物或者甚至有机材料的分析，而是延伸到非生物和无机材料。因此，上述的设备和方法能够用于筛选，分析或者加工宽范围的液体中的生物和非生物物质。目标和/或非目标物质可以包含天然或者合成来源的小的或者大的化学实体，例如化学化合物，超分子组合体，细胞器官，碎片，玻璃，陶瓷等等。在某些实施方案中，它们是单体，低聚物和/或具有任何支化度的聚合物。它们可以表达为细胞或者病毒，或者它们可以是独立的实体。它们还可以是完整的细胞或者病毒本身。
外部磁体(或者磁体系统)可以在俘获磁性粒子过程中是位置不定的，并且如所解释的那样，其可以是永磁体或者电磁体，或者是这些永磁体和电磁体或者它们的组合中的多个或者任何一个。
用于本发明分离中的磁性俘获粒子可以采用许多不同的形式。在某些实施方案中，它们是超顺磁性粒子或者纳米粒子，虽然在某些情况中它们可以是铁磁性或者顺磁性。作为一个总的观点，磁性粒子应当选择为具有这样的尺寸，质量和磁化系数，即，当曝露于微流体装置中的磁场时(平衡的液体动力和磁性效应)，使得它们容易的从流体流动方向上转移。在某些实施方案中，当除去磁场时，该粒子不保持磁力。在一种典型的例子中，磁性粒子包含氧化铁(Fe2O3和/或Fe3O4)，并且其直径范围是大约10nm-大约100微米。但是，在其中甚至使用更大的磁性粒子的实施方案也是可以预期的。
该磁性粒子可以涂覆有这样的材料，该材料赋予它们与流体环境的相容性以及允许偶合到具体的目标成分上。涂料的例子包括聚合物壳，玻璃，陶瓷，凝胶等等。在某些实施方案中，该涂料本身涂覆有促进其与目标物偶合或者物理结合的材料。例如，在微磁性粒子上的聚合物涂料可以涂覆有抗体，核酸序列，抗生物素蛋白或者维生素H。
一类磁性粒子是纳米粒子例如获自德国Miltenyi Biotec Corporationof Bergisch Gladbach的这些。这些粒子是相对小的粒子，由涂覆的单域氧化铁粒子制成，典型的处于大约10-100nm直径的范围。它们偶合到特定的抗体，核酸，蛋白质等等上。另一类型的磁性粒子是由植入到聚合物基质例如聚苯乙烯中的磁性纳米粒子制成。这些粒子典型的是光滑的，和通常是直径为大约1-5微米的球形的。合适的珠子获自加拿大Carlsbad的Invitrogen Corporation。这些珠子还偶合到特定的抗体，核酸，蛋白质等等上。
产生粒子在俘获区域中的均匀分布
不同的技术和装置设计可以用来促进所俘获的磁性粒子在俘获区域表面上的均匀分布。在一些情况中，俘获的粒子的层有效的是在俘获区域上的磁性粒子单层，虽然亚单层以及双层等等也可以产生(这取决于俘获区域的面积和待加工的样品的量)。
一种方案包括仔细的设计磁场梯度成形元件在俘获区域中的排列。在某些实施方案中，间隔形成磁场梯度发生结构的铁磁性图案是在下游的方向上减少的。换句话说，栅格的设计可以作为位置的函数来变化。这种方案促进了磁性粒子轨道(在其中粒子进入俘获模块)初始时朝着基底向下，然后在磁场梯度发生结构上俘获到单层中。在仅仅短的距离上的非常强的磁力是在该结构上产生来俘获粒子的。可以将进入强磁力覆盖其上的流动流体的距离控制到磁性粒子和标示的目标粒子的单层的长度上。在某些情况中，双层等可以通过所俘获的磁性粒子的自磁化来产生，其然后充当了用于随后流过俘获模块的磁性粒子的俘获结构。
另外一种方案涉及在磁性粒子流动的过程中，动态的改变施加到俘获区域上的外部磁场。这可以包括例如，在俘获操作过程中，逐渐的将磁场插入到俘获区域中。
这些和其他方案具有这样的优点，即，降低或者防止磁性粒子在俘获区域的前缘或者其他地方的积聚。通常，观察到积聚发生在磁场最强之处，典型的是发生在用于施加外部磁场的永磁体的边缘。显而易见的，这样的积聚会导致俘获区域利用率的降低(俘获区域磁场强度不大的一部分不能俘获许多的或者任何的磁性粒子)。此外，磁性粒子的团块或者积聚实际上会堵塞另外的磁性粒子进入俘获区域下游的通道。它还会从样品中俘获未结合的物质，由此降低了样品中所俘获的成分的纯度。
通过使用仔细设计的MFG结构和规划和/或动态变化的磁场，能够在俘获区域中产生相对均匀分散的俘获磁性粒子层。用于完成同样或者类似结果的其他技术包括沿着俘获区域(轴向)并排排列的交替极性的多个薄永磁体或者以棋盘图案排列的交替极性(轴向和横向二者)的多个薄永磁体。
磁性粒子在俘获区域中相对均匀的分布在后分离操作例如珠释放过程中会是有用的。释放剂将填充整个通道，并且均匀分布的磁性结合的目标粒子将允许释放剂更广泛的接近于该磁性珠结合的目标粒子。
根据本发明的一些实施方案，最大磁场强度的位置在粒子流入通道的时间过程中在俘获区域中是逐步移动的。在俘获过程中磁场移动方向在一种实施方案中可以是从俘获区域中的下游位置移动到上游位置。换句话说，磁场移动方向与流体在俘获区域中的流动方向相反。这样的实施方案可以包括例如在流动通道底部下面，特别是在俘获区域的含通道的区域，将永磁体在从下游位置向上游位置的方向上移动。因此，在磁性粒子开始进入俘获区域时，永磁体的前缘刚刚位于超出俘获区域下游边缘的位置。其后，当磁性粒子开始流入俘获区域时，永磁体的前缘逐渐移向上游，并最终停止于或者接近于俘获区域的上游边界。在某些实施方案中，它在与磁性粒子停止流入俘获区域的大约同时到达它的位置。
在一种可选择的实施方案中，外部磁体在磁性粒子俘获过程中从俘获区域的上游移向下游位置。换句话说，该外部磁体在与流体流动相同的方向上移动。在这种实施方案中，如同前述的实施方案那样，外部磁体的移动时间应当对应于，至少大致对应于，磁性粒子流过俘获区域的时间。如同下面参考图3所解释的那样，一种具体的实施方案使用了下游移动的磁体来依次俘获和释放，然后再俘获和释放……同样的粒子，目的是从磁性粒子中除去非特定结合的样品物质。
如所示的，在俘获区域中对磁场重新布置的控制可以通过不同的机构来完成。在第一种实施方案中，这是通过在磁性粒子通过俘获区域的过程中，将磁场发生器(例如永磁体)在俘获区域的一个表面上(典型的在通道外面)移动来完成的。图3表示了这种实施方案的一个例子。如所示的，永磁体303在俘获磁性粒子的过程中在俘获区域301的下面移动。在所示的实施方案中，磁体303在俘获操作过程中从下游位置305朝着上游位置307移动。它产生了磁场相互作用体积309，其有效的横跨了俘获区域流体体积的高度。因此，在流过俘获区域体积的流体中的全部磁性粒子经受了由移动的磁场发生器303所产生的力。
在另外一种实施方案中，该外部磁体是一种电磁体，其在磁性粒子流入俘获区域的过程中，沿着俘获区域移动(与永磁体相同)。任选的，该电磁体所产生的磁场的位置可以通过其他手段来控制，例如在俘获期间机械移动的一些或者全部的电磁体绕线。
在另外一种实施方案中，在俘获过程中磁场的动态重新布置是通过依次插入一系列外部磁体来完成的，每个磁体具有比俘获区域的尺寸小的尺寸。在一种实施方案中，该磁体是永磁体。在一种具体的实施方案中，这些永磁体是交替极性排列的(例如，第一磁体它的南极朝着俘获区域定向，第二磁体它的北极朝着俘获区域定向，第三磁体它的南极朝着俘获区域定向，第四磁体它的北极朝着俘获区域定向，等等)。图1D表示了这样排列的永磁体的一个例子。
用于依次施加外部磁场到俘获区域中的设计和方法的其他细节描述在US临时专利申请No.61/037994中，在前面已经引入作为参考。
图4A-4C表示了分级俘获系统一个例子。如图4A所示，磁性标示的目标物质471和非目标物质473首先在流体通道485的最左边的俘获区域475(其包含“软”磁性图案(铁磁性结构阵列)477)上流动，其俘获了磁性标记的目标物质471以及非特定的俘获了几个非目标物质473。该非特定俘获可以是由例如目标物质的截获这样的因素引起的。外部磁体479(在一些实施方案中，其可以是组合的磁体)在这种初始俘获操作中位于紧邻俘获区域475之处。其后，外部磁体479向下游移动到图4B中的第二俘获阶段481，使得从最左边的俘获阶段475所俘获的物质得以释放。该磁性标记的物质在第二阶段481中重新俘获，并且在流体连续的流过该阶段(其沿着单个通道排列)时，将更多的非目标物质从该通道中冲出。在图4C所示的第三俘获阶段483中，最后的非目标物质从该通道中冲出，仅仅在图案487上留下磁性标记的目标物质。现在可以除去外部磁体479，来洗提目标物质(如果期望如此)。使用这种磁性俘获、释放和再俘获的分级系统(与单个俘获阶段相反)的一个优点是任何非特定结合的非目标物质例如细胞将在连续的俘获阶段之间被更有效的从磁性俘获物中除去，因此提高了洗提的目标细胞或者其他物质的纯度。
除了分级俘获系统之外，可以使用变化间距的铁磁性图案。在一种例子中，在俘获区域的上游侧没有提供磁场梯度发生结构。该结构仅仅朝着下游区域提供。结果，接近于通道下表面之处的局部磁场梯度并没有如它在结构存在之处的进一步下游之处那样强。但是，在不具有磁场梯度发生结构的上游区域中，磁场可以在垂直方向上进一步渗透到流动通道中。这将进入的磁性粒子朝着俘获区域的下部拖拉，在这里它们会受到(在它们进一步向下游流动时)由磁场梯度发生结构所产生的非常强的磁场梯度的影响。在仅仅短的距离上的非常强的磁力是在该结构上产生来俘获粒子的。可以将进入强磁力覆盖其上的流动流体的距离控制到磁性粒子和标示的目标粒子的一个单层的长度上。在某些情况中，双层等可以通过所俘获的磁性粒子的自磁化来产生，其然后充当了用于随后流过俘获模块的磁性粒子的俘获结构。
加工所俘获的物质
在一些实施方案中，所俘获的物质将从它们相关的磁性粒子上释放，同时被限制到俘获区域中。如所述的，不同的机构可以用于此目的。一种方案包括将珠释放剂施加到所俘获的磁性粒子上。这样的试剂可以通过分离所述珠与所俘获的物质之间的连接或者通过与连接物质的竞争性结合来起作用。当然，对本领域技术人员来说，使用其他分离或者释放剂也是可以理解的。
在某些实施方案中，可以分别提供用于样品和珠释放试剂的流体输入。在分离加工过程中，将样品从样品孔泵送到俘获区域中。一旦分离加工完成，则将珠释放试剂从释放试剂孔泵送到俘获区域。为了洗提该释放细胞，缓冲剂可以从输入孔，或者从分开的缓冲剂入口来泵送入。在所有的情况中，泵送动作可以使用例如气体(例如空气)或者液体(例如缓冲的水)来进行。
所俘获的目标物质可以如所述的那样进行简单的浓缩、净化和/或释放。可选择的，它们可以进一步分析和/或处理。这种进一步的分析和/或处理可以在俘获模块中进行或者在从俘获模块释放之后，在随后的模块中进行。图5表示了布置在流体装置505中，用于所俘获的物质的后俘获处理的磁性俘获器501结构的一个例子。如所示的，俘获器501包括用于接收原料样品流的入口管线507，和出口管线509。俘获器501还包括辅助管线511和513，用于提供一种或多种其他的试剂。每个管线507，509，511和513分别包括它本身的阀门517，519，521和523。在俘获器501中是不同的俘获元件525。这些元件可以是铁磁性元件，其成形或者传递磁场等等。虽然图5所示的管线和阀门从四面包围着俘获元件，但是本发明不限于此。例如，其他构造包括图1C的构造，在这里在流过俘获区域之前，将输入物进行汇聚。
参考图5，在将磁场或者其他俘获性激励施加到俘获特征525的同时，俘获了流入俘获器501的粒子。在俘获了足够数目的粒子之后(其可以通过简单的将样品流运行通过装置505一个规定的时间来指示)，关闭阀门517和519。其后，在一种实施方案中，打开阀门521和523，使得缓冲剂从管线511输送通过俘获器501，并从管线513送出。该缓冲剂用于清洗所俘获的粒子。在清洗了足够长的时间之后，清洗过的粒子可以如下来回收：通过洗提(通过例如除去外部磁场或者电场，同时连续流动缓冲剂)，通过从俘获器501中用吸液器吸取，通过除去俘获器或者整个装置的盖子或者封盖，等等。关于最后的选项，要注意的是在一些实施方案中，装置是一次性的，并且可以设计成这样，即，上部或者盖子容易通过例如剥离来除去。
在另外一种实施方案中，将已经如上所述在俘获器中进行俘获和清洗的粒子曝露于一种或多种标志(例如标示的抗体)，该标志用于目标细胞或者样品中的其他目标物质。探测某些瘤细胞，例如，表达为两种或者多种特定表面抗原的瘤细胞。这种组合的抗原仅仅出现在非常独特的瘤中。为了探测这样的结合到磁性粒子的细胞的存在，在俘获器501中的俘获完成之后，可以关闭阀门517和523，打开阀门521。然后将第一标示物经由管线511流入俘获器501中，并且经由管线509流出。一些标示物可以结合到俘获器501中的固定细胞上。其后，关闭阀门521，打开阀门523，将第二标示物经由管线513进入俘获器501中。在标示物流过俘获器足够的时间长度之后，可以如上所述来清洗所俘获的粒子/细胞。其后，该粒子/细胞可以从俘获器501中除去，用于进一步的分析或者它们可以原位进行分析。例如，俘获器501的内容物可以在用于第一和第二标示物(如果例如是这样的标示物或者荧光团)的激励处用探针束进行扫描。发射的光然后在第一和第二标示物的特征频率进行探测。在某些实施方案中，对单个细胞或者粒子进行成像，来表征俘获器501的内容物，由此确定目标瘤细胞的存在(或者量)。当然，可以探测不同于瘤细胞的不同的目标成分。例子包括病原体例如某些细菌或者病毒。
在另外一种实施方案中，来自样品的核酸经由管线507进入俘获器501，并且通过适当的机构(下面给出例子)来俘获。随后，关闭阀门517，PCR试剂(核苷，聚合酶，和在适当的缓冲剂中的引物(primer))经由管线511和513进入俘获器501。其后，关闭全部的阀门(517，519，521和523)，并且在俘获器501上进行适当的PCR热循环程序。该热循环持续到达到适当程度的扩增为止。随后可以在原位进行扩增的目标核酸的探测，例如基因分型。可选择的，探测可以在俘获器501下游，在例如分离室中进行，该分离室可以包含核酸微阵列或者电泳介质。在另外一种实施方案中，通过引入例如用于目标序列的适当的标示的插入探针或者给体猝灭剂探针，可以在俘获器501中进行实时的PCR。该探针可以与其他PCR试剂(例如引物，聚合酶和核苷)经由管线511或者513一起引入。原位实时PCR对于这样的分析是合适的，在该分析中分析表达程度。在实时PCR或者终点PCR的每一个中，扩增序列的探测在一些实施方案中可以在俘获器501中，通过使用适当的探测设备例如聚焦于俘获区域的荧光显微镜来进行。
对于扩增反应而言，俘获元件525俘获和将核酸样品限制到反应室501中。其后，关闭通过管线507的流动，并且将溶解剂(例如盐或者清洁剂)经由例如管线511或者513传递到室501。该溶解剂可以在一个柱塞的溶液中传递，并且允许其扩散到整个室101中，在这里它及时的溶解固定的细胞。这能够萃取细胞基因材料，用于随后的扩增。在某些实施方案中，该溶解剂可以与PCR试剂一起传递，来在足够的时间之后，使该溶解剂溶解细胞和除去核酸，可以开始热循环程序，并且探测目标核酸。
在其他实施方案中，将样品核酸提供到原料样品中，并且偶合到含有适当的杂交序列的磁性粒子上。该磁性粒子然后进行拣选，并且固定到俘获器501中。在PCR试剂传递到室501，并且关闭全部的阀门之后，PCR可以经由热循环来进行。在初始的温度行程中，所俘获的样品核酸从磁性粒子上释放。
此处所述的核酸扩增技术是聚合酶链反应(PCR)。但是，在某些实施方案中，可以使用非PCR扩增技术，例如不同的等温核酸扩增技术；例如，实时链替代扩增(SDA)，滚环扩增(RCA)和多替代扩增(MDA)。这些技术的每个可以在俘获器例如图5所示的室501中进行。
示例性磁性俘获结构
最基本的，俘获站是通过流体装置中的区域或者通道的边界来界定的。流体流过该俘获站，并且遭遇到由紧邻该俘获站的一种或多种外部磁体所产生的磁场。另外，俘获站可以任选的使用磁场梯度发生结构(MFG)。MFG元件(例如条，钉栓，点，栅格，无规排列等等)成形了外部磁场，来在俘获站中产生局部高的磁场梯度。
图6表示了不同类型的铁磁性MFG结构的例子，其能够与本发明的磁性俘获站一起使用。8个不同的铁磁性元件图案表示在该图中。这些图案用于成形源自外部源磁场(未示出)的磁场梯度。如所示的，该铁磁性结构是以有组织的或者无规的图案来提供的，例如平行线，正交栅格，和规则或者不规则几何形状的长方阵列。该结构可以是所示的规则的或者网状的。
通常，这些图案中的特征或者元件可以由不同的材料制成，该材料具有明显不同于所述装置中的流体介质(例如缓冲剂)的渗透性。如所示的，该元件可以由铁磁性材料制成。在具体的实施方案中，该图案是由在玻璃或者聚合物基底上的镍特征来定义的。
在可选择的实施方案中，MFG结构是与其他类型的俘获结构例如电极，特定结合部分(例如核苷探针区域或者抗体)，物理突出物或者缺口等等相结合的。图7代表了非磁性俘获特征的一个例子，其是在软磁性(例如镍)图案701中制作的。该图案可以正性或者负性表面特征，来促进在镍结构上的流体的层状混合，产生增强的磁性俘获。图7表示了具有非磁性俘获特征的磁场梯度发生结构701。正性特征包括圆形突起703和正方形突起705。负性特征包括下凹707和正方形孔709。每个这些特征可以将它的几何形状效应用于流动混合或者用有助于反应或者流动的物质进行涂覆。
其他类型的MFG结构包含铁磁性材料，该材料部形成孔结构形状或者规则的特征。代替的，该结构形成了无规的位置特征例如无规的分散粉末，填充物，细粒等等。这些结构是结合到俘获站粘接剂，压力结合等的一个或多个壁上。图8A-8C表示了无规阵列的铁磁性结构的例子，从左到右为：5％(图8A)，10％(图8B)和30％(图8C)的在环氧树脂中的镍粉。已经发现这样的结构是磁性俘获站中有效的MFG元件。
在一种可选择的实施方案中，俘获站不包含MFG结构。代替的，磁性俘获仅仅基于外部磁场的强度，而没有场成形元件例如MFG结构的帮助。
流体和拣选室设计
虽然本发明的一些实施方案是在微观尺寸的微流体系统中进行的，但是应当理解本发明的方法，设备和系统不限于微流体系统。典型的，更大的俘获室尺寸范围是长度为大约1-100毫米(在流动方向上)，宽度是大约1-100毫米和深度是大约1微米-10毫米(虽然典型的是大约1毫米或者更低)。深度和宽度一起界定了流体流过的横截面。深度代表了在磁场渗透入通道方向上的尺寸，典型的是在远离外部磁体的位置点的方向上。在某些实施方案中，所述的室的长宽比(长度比宽度)大于1，例如是大约2-8。
通常，所施加的磁场应当足够大，来捕集或者俘获在流体介质中流动的磁性粒子。本领域技术人员将认可所施加的磁力必须明显大于由流动流体施加到粒子上的液体动力。这会限制俘获站的深度尺寸。
在某些实施方案中，整合的流体系统是微流体系统。微流体系统可以用具有至少一个“微”通道的装置来表征。这样的通道可以具有在毫米或者更低量级(例如小于或者等于大约1毫米)的至少一个横截面尺寸。对于某些应用而言显而易见的是这种尺寸是可以调整的；在一些实施方案中至少一个横截面尺寸是大约500微米或者更低。在一些实施方案中，作为应用所允许的，横截面尺寸是大约100微米或者更低(或者甚至是大约10微米或者更低，有时候甚至是大约1微米或者更低)。横截面尺寸是通常垂直于中心线流动方向的尺寸，虽然应当理解当遇到通过急转弯或者其他倾向于改变流动方向的特征的流动时，在使用中该横截面尺寸不必严格的垂直于流动方向。通常微通道将具有两个或者多个横截面尺寸，例如矩形横截面的高度和宽度或者椭圆形横截面的长轴和短轴。每一个这些尺寸可以类比于此处所示的尺寸。要注意的是本发明所用的微通道可以具有两个尺寸，其是粗的不成比例的，例如，矩形横截面具有大约100-200微米的高度和同样量级或者厘米或者更高的量级的宽度。当然，某些装置可以使用这样的通道，在其中两个或者多个轴在尺寸上是非常类似的或者甚至相同的(例如，具有正方形或者圆形横截面的通道)。
在一些实施方案中，流体通道可以具有比俘获区域更大的深度，来减慢粒子的速度，用于提高磁性沉降和俘获。图9A和9B表示了示例性流体通道901的侧视图，该通道包括与该通道的入口和/或出口部分相比更大深度的俘获区域(903和905)。在一种例子中(图9A)，该通道深度在俘获区域903中增加(沿着从入口向俘获区域的流动方向)，其后降低。在另外一种例子中(图9B)，该通道深度在俘获区域905之后(下游)降低。典型的，俘获区域深度与入口或者出口通道深度的比例范围是大约1-5(典型的大约2)。在俘获区域与入口或者出口通道之间的过渡区域的形状具有光滑的曲线通道，来防止在角落处的回流或者物理俘获。在某些实施方案中，该流体通道可以具有相同的深度，但是在接近入口通道处具有更大的宽度以及在接近于出口通道处具有更窄的宽度。
在图9C所示的某些实施方案中，拣选装置可以包含两个或者多个平行的通道919，带有共用缓冲剂歧管911，用于多个共同的样品分离和/或提高通过量。在两个通道919中，来自样品入口913的流体与来自歧管911的缓冲剂相合并，并且流过俘获区域中的磁场梯度发生结构915，流向出口917。
在仍然的其他实施方案中，流体通道可以包括大于一个的俘获区域，来进行俘获和释放方案。图9D表示了拣选室，其配置来进行图4A-4C中所述的俘获和释放方案。如图9D所示，两个或者多个俘获区域915可以包括在流体通道中。每个这些俘获区域可以具有相应的外部磁性源，其允许将磁场独立的施加到每个区域。该俘获区域可以共享一个外部磁性源。在其中使用两个外部磁性源的实施方案中，这些源可以独立的或者一起配置来提供随时间变化的磁场。一种改变磁场的方式是将该外部源相对于流体通道进行移动。该外部磁性源可以在平行于或者垂直于流体流动的方向上移动，来产生所期望的磁场变化。
通常使用控制器来调整在整个微流体系统中所用的不同的系统或者亚系统的运行。这样的控制器将设计或者配置来引导样品通过微流体流动通路。它还可以控制系统的其他特征和动作，例如施加到流过微流体装置的流体上的磁场强度和定向，通过启动阀门和其他流动控制机构来控制微流体装置中的流体流动条件，在附加系统中混合磁性粒子和样品成分，产生样品(例如，库产生系统中的库)，和将流体从一个系统或者装置导入另外一种中。该控制器可以包括一个或多个处理器，并且在软件和/或硬件指令的控制下运行。
整合
能够与流体装置中的磁性俘获拣选机整合的运行模块的例子包括：(a)另外的富集模块例如荧光活化的细胞拣选机和清洗模块，(b)反应模块例如样品扩增(例如PCR)模块，限制酶反应模块，核酸序列化模块，目标标示模块，染色质免疫沉淀模块，交联模块，和甚至细胞培养模块，(c)探测模块例如微阵列的核酸，抗体或者其他非常特定的结合剂，和荧光分子识别模块，和(d)溶解模块，用于溶解细胞，破坏病毒蛋白质表层，或者释放小型生命系统中的成分。每个这些模块可以在磁性拣选机之前或者之后提供。这里可以有多个相同的或者不同的类型的运行模块，其与磁性拣选机整合到单个的流体系统中。此外，一个或多个磁性拣选机可以相对于不同的其他运行模块来平行的或者串联的排列。这些运行模块中的一些可以设计或者配置作为俘获模块，在其中样品中的目标物质保持固定或者通常局限于具体的体积中。
从上面的模块的例子中应当很显然的是，操作(该操作能够在整合的流体装置的模块中，在目标和/或非目标物质上进行)包括拣选，偶合到磁性粒子上(有时候在此称作“标示”)，结合，清洗，俘获，扩增，除去不想要的物质，沉淀，分离，稀释，结扎，序列化，合成，标示(例如着色细胞)，交联，培养，探测，成像，量化，溶解等等。
生物化学操作(其能够在整合的流体装置的磁性拣选模块中进行)具体的例子包括质粒，适配子，蛋白质和肽的合成和/或筛选；评价酶活性；和衍生蛋白质和糖类。还可以进行宽光谱的生物化学和电生理学化验，包括：(1)基因分析(猝灭，杂交)，用于DNA，和RNA低聚物的PCR和/或其他探测和扩增方案；(2)基因表达；(3)酶活性化验；(4)受体结合化验；和(5)ELISA化验。前述的化验可以在多种形式中进行，例如：均匀的、珠基的和表面结合的形式。此外，此处所述的装置可以用来使用指定的酶或者催化剂进行生物分子的连续生产，以及生产和传递生物分子或者在生物系统中活性的分子例如治疗剂。此处所述的微流体装置还可以用来进行肽，蛋白质和DNA和RNA低聚物的组合合成，如同目前在微流体体积中所进行的那样。
在流体系统中的反应器和溶解模块的例子
本发明整合的微流体装置可以使用具有不同特征的不同的反应器。准确的特征取决于反应的类型，并且可以包括热管理系统，微混合器，催化剂结构和传感系统。热管理系统可以包括加热器，温度传感器，和微型热交换器。全部的这些部件可以整合来精确的控制温度。这样的温度控制对于用于DNA扩增的PCR来说是至关重要的。
微混合器可以用于混合两种溶液。一种示例性的微混合器包括加压一种流体穿过在分离性材料中的孔或者狭缝，来引起两种流体之间的扩散。该分离性材料是疏水性的，并且分开了两个相邻的腔室。界面的疏水性允许两个室用流体填充，而不混合。然后可以施加压力梯度来驱使流体穿过疏水性层中的孔，来引起扩散，这使得反应成为可能。
催化剂结构被用来加速化学反应(例如交联或者序列化)。在微反应器中，催化剂可以是固定的，例如固定的珠子，丝线，薄膜或者多孔表面，或者是加入的。薄膜和多孔表面催化剂可以容易的整合到微反应器的制作中。传感系统可以使用例如化学微传感器或者生物传感器。光学传感还可以穿过玻璃或者塑料表面在外部进行。
生物细胞的内容物经常进行处理和分析。在细胞内容物进行分析之前，溶解该细胞，以使得细胞的成分能够分离。细胞破坏方法(其用来释放细胞和病毒中的生物分子)包括例如电场，酶，超声波降解，和使用清洁剂。机械力也可以用来剪切和破坏细胞壁。
细胞溶解可以通过使得在反应室中俘获的细胞经受高电场强度脉冲(典型的处于大约1kV/cm-10kV/cm的范围)来进行。使用酶方法来除去细胞壁是广泛接受的，其用于制备用于破坏的细胞，或者用于制备原生质体(不具有细胞壁的细胞)，该原生质体用于其他用途例如引入克隆的DNA或者亚细胞器分离。酶通常是市售的，并且在大部分情况中，其来源于生物源(例如用于酵母的蜗牛内脏或者来自母鸡鸡蛋蛋白的溶解酵素)的分离。通常使用的酶包括溶解酵素，溶葡球菌酶，消解酶，纤维素酶，变溶菌素，聚糖酶，蛋白酶，甘露聚糖酶等等。
除了酶稳定性潜在的问题之外，细胞对于酶的易感性会取决于细胞的状态。例如，生长到最大密度的酵母细胞(固定相)具有难以除去的细胞壁，而中等(midlog)生长相细胞非常易于受到细胞壁酶除去的影响。如果使用酶，它在进一步分析之前必须进行拣选，并从期望的材料中除去。
超声波降解使用高频波，其机械破坏细胞壁。将典型的在20-50kHz的超声波经由金属探针施加到样品上，该探针是高频振荡的。将该探针放入含有细胞的样品中，该高频振荡引起局部的高压区域，导致空穴和压实现象，最后破开细胞。细胞破坏能够在更小的样品(包括在200μL的微板孔中的多个样品)中获得，并且具有提高的控制超声波降解参数的能力。
用于细胞破坏的机械方法使用玻璃或者陶瓷珠和高度搅拌来剪切和破坏细胞壁。这种方法用于易于破坏的细胞，其是廉价的，但是对于微流体装置来说具有整合的问题。在一种实施方案中，将珠子用于带有样品的密封室中，并且用电力发动机进行搅拌。在其他实施方案中，将高压施加到含有细胞样品的流体上，同时驱使该流体流过非常窄的通道。在这样的条件下，在细胞和通道壁之间的剪切将破坏细胞。
清洁剂基细胞溶解是替代物理破坏细胞膜的一种选项，虽然它有时候是与均化和机械研磨一起使用的。清洁剂通过破坏脂质：脂质，脂质：蛋白质和蛋白质：蛋白质之间的相互作用而破坏了包围细胞的脂质屏障。用于细胞溶解的理想的清洁剂取决于细胞的类型和来源以及取决于在细胞溶解之后的下游的应用。由于细胞壁的存在或者不存在，对于最佳的溶解来说，动物细胞，细菌和酵母全部都具有不同的要求。因为动物组织的致密和复杂性质，它们需要清洁剂和机械溶解二者来有效的溶解细胞。
通常，非离子和两性离子清洁剂是温和的，在细胞溶解时产生了比离子性清洁剂更少的蛋白质变性，并且在保持蛋白质功能或者相互作用是关键的时，将非离子和两性离子清洁剂用于破坏细胞。CHAPS(一种两性离子清洁剂)和Triton X系列的非离子清洁剂通常用于这些目的。相反，离子性清洁剂是强的增溶剂，并且倾向于使蛋白质变性，由此破坏了蛋白质活性和功能。SDS，和离子性清洁剂(其结合到蛋白质上，并且使其变性)被广泛的用于通过凝胶电泳和免疫印迹(Western blotting)来研究评价蛋白质程度。
在整合的流动系统中的探测器的例子
在观察整合的微系统的不同应用中，必须要类似于传统的试验室测量方法来量化存在于通道的一个或多个位置上的材料。典型的用于量化的技术包括但不限于光学吸收，折射率变化，荧光发射，化学发光，不同形式的拉曼光谱，电导测量，阻抗测量(例如阻抗血细胞计数)，电化学安培测量，和计算机辅助光学成像和计数。
吸光率是在光穿过待量化的材料时，通过测量光强度来确定的。如果光学性质是已知的，则穿过材料的衰减程度表示了材料的量。可选择的方案包括光声技术和光热技术和激光技术。微流体装置可以包括光波导管和固态光源，例如LED和二极管激光器，来使得该整合装置的尺寸最小。
与吸光率类似的是折射率。折射率探测器量化了样品材料的折射率，其可以是与样品的量相关的；但是，这种技术没有光学吸收灵敏。还可以利用激光基和荧光发射基执行的折射率探测，并且其更灵敏。激光和荧光基方案可以与非常小的体积一起使用，并且适于整合到微流体装置中。用于超灵敏测量的激励源可以是激光源，稀有气体放电灯和发光二极管(LED)。荧光发射可以通过光电倍增管，光敏二极管或者其他光学传感器来探测。
阵列探测器例如电荷耦合装置(CCD)探测器可以用来成像被分析物的空间分布。可以使用计算机程序来分析该图像。如上所讨论的，本发明的一个特征是形成单层目标粒子的能力，这代表了均匀深度的聚焦。计算机程序能够通过计数某些尺寸或者颜色的粒子来分析所述图像，并因此量化所述样品。
拉曼光谱依赖于非弹性散射，或者来自于与声子或者系统中的其他激励相互作用(这导致了激光光子能量的上下偏移)的单色光拉曼散射。该能量偏移给出了关于系统中的声子模式的信息例如分子振动信息。具有增强的灵敏性的不同类型的拉曼光谱可用于显微镜体积。
电或者电化学探测方案可以容易的整合到微流体装置上，并且会比其他方案更灵敏。电或者电化学方案包括测量电离的被分析物中的导电率，测量在给定电压时通过电极的电流(其由在电极处还原或者氧化分子而产生)。所测量的电子数等于所存在的分子数。电极还可以用来开始化学发光探测方法，在这里分子将它来自氧化还原过程的能量转移给被分析物分子，其发射了可探测出的光子。
探测方法(其要求加入或者混合一种或多种试剂)可以容易的整合到微流体系统上。衍生反应通常用于生物化学化验中。例如，氨基酸，肽和蛋白质通常是用丹磺酰化(dansylating)试剂或者邻苯二甲醛进行标示的，来产生易于探测的荧光分子。可选择的，通过用作标示分子和试剂，包括基底，可以将酶加入来提供酶扩增的探测方案，即，酶产生了可探测的产物。探测方法的第三个例子(其能够受益于整合的混合方法)是化学发光探测。在这些类型的探测情形中，将试剂和催化剂与适当的目标分子混合，来产生激励态分子，其发射可探测的光子。
这些探测和量化方法中的许多涉及样品的某些改变。在一些情况中，发生了反应例如氧化或者还原反应。在其他情况中，光通量具有降解样品的可能。取决于待量化的样品的量和将样品保存用于其他加工(例如发生反应或者甚至存档)的必要性，可以选择这些方法中的单个或者其组合，来产生关于样品的信息。
结论
已经描述了本发明许多的实施方案。然而，应当理解可以进行不同的改变而不脱离本发明的主旨和范围。例如，上面的说明书集中于生物应用，并且特别是生物细胞探测和俘获，但是还应当注意的是同样的原则可以应用于其他粒子，例如无机或者非生物有机材料。因此，上述的设备和方法还可以用于液体中的非生物物质。因此，其他实施方案处于下面的权利要求的范围中。

Claims (31)

1.一种微流体拣选装置，其用于将样品拣选成基本为目标物质和基本为非目标物质，该装置包含：
(a)俘获模块，该模块包含具有两个相对的壁的通道，在所述相对的壁的仅仅一个上的磁场梯度发生结构，该结构用于将磁力施加到样品上来至少临时地俘获该样品中的磁性粒子；和
(b)与俘获模块一起整合到该微流体拣选装置上的预加工和/或后加工站。
2.权利要求1的微流体拣选装置，其中具有磁场梯度发生结构的相对壁处于不透明的壁上。
3.权利要求1的微流体拣选装置，其进一步包含在俘获模块一侧上的外部源来产生磁场。
4.权利要求3的微流体拣选装置，其中该外部源位于俘获模块的与磁场梯度发生结构相同的一侧上。
5.权利要求3或者4的微流体拣选装置，其进一步包含用于将磁场外部源相对于俘获模块移动的机构。
6.权利要求3或者4的微流体拣选装置，其中该磁场外部源包含一个或多个永磁体。
7.权利要求6的微流体拣选装置，其中该永磁体是极性交替的。
8.权利要求3的微流体拣选装置，其中该磁场外部源包含一个或多个电磁体。
9.权利要求1的微流体拣选装置，其中该磁场梯度发生结构包含在它相对壁上的以图案布置的铁磁性结构。
10.权利要求9的微流体拣选装置，其中该图案选自平行线、正交栅格、规则或者不规则几何形状的长方阵列，及其组合。
11.权利要求1的微流体拣选装置，其中该磁场梯度发生结构包含铁磁性结构的无规阵列。
12.权利要求9或者11的微流体拣选装置，其中该铁磁性结构材料是镍、钒波明德合金或者坡莫合金。
13.权利要求1的微流体拣选装置，其中该通道在俘获区域中具有更大的深度。
14.权利要求1的微流体拣选装置，其中该俘获模块包含具有两个或更多个俘获区域的分级俘获系统。
15.权利要求1的微流体拣选装置，其进一步包含第二平行的、独立的俘获模块；和连接俘获模块的共用缓冲剂歧管。
16.权利要求1的微流体拣选装置，其中该预加工站包含标示站，其用于用磁性粒子来标示样品中的物质，该磁性粒子具有与所标示物质的亲合性。
17.权利要求1的微流体拣选装置，其中该后加工站包含探测站，用于探测目标物质。
18.权利要求1的微流体拣选装置，其中至少一个预加工站或者后加工站包含(a)富集模块，用于提高通过拣选装置的样品中的目标物质的浓度，(b)反应模块，(c)探测模块，和(d)溶解模块，用于溶解细胞，破坏病毒蛋白质表层，或者释放小型生命系统的成分。
19.权利要求1的微流体拣选装置，其中该俘获模块被设计或者配置来进行选自下面的操作：(1)基因分析；(2)用于DNA或者RNA低聚物的探测和/或扩增方案；(3)基因表达；(4)酶活性化验；(5)受体结合化验；和(6)ELISA化验。
20.一种在微流体拣选装置中拣选样品的方法，该拣选装置包括俘获模块和在该俘获模块的两个相对的壁中的仅仅一个上的磁场梯度发生结构，该方法包含：
将样品流入俘获模块中，所述的样品包含多个其上带有分子识别因素的磁性粒子，目标物质和非目标物质；
在俘获模块中，通过将来自该模块仅仅一侧的外部磁场施加到磁场梯度发生结构上，来产生磁场梯度；和
在俘获模块紧邻磁场梯度发生结构处俘获磁性粒子，该磁场梯度发生结构位于俘获模块的一个壁上。
21.权利要求20的拣选样品的方法，其进一步包含：将缓冲剂与样品同时流入俘获模块中。
22.权利要求21的拣选样品的方法，其中该缓冲剂在每个操作过程中连续地流入到俘获模块中。
23.权利要求20或者22的拣选样品的方法，其进一步包含：将磁场外部源相对于俘获模块移动，同时将流体介质中的磁性粒子流过该模块，由此以一种基本均匀的方式来俘获磁性粒子。
24.权利要求20或者22的拣选样品的方法，其进一步包含：从磁场梯度发生结构的一个区域中释放磁性粒子，来释放任何的所俘获的非磁性粒子；和
在磁场梯度发生结构的另一个区域中俘获磁性粒子。
25.权利要求20的拣选样品的方法，其进一步包含：用磁性粒子标示样品中的目标物质，该磁性粒子具有与目标物质的亲合性。
26.权利要求20的拣选样品的方法，其进一步包含：用磁性粒子标示样品中的非目标物质，该磁性粒子具有与非目标物质的亲合性。
27.权利要求20的拣选样品的方法，其进一步包含：在微阵列中探测目标物质。
28.权利要求20的拣选样品的方法，其进一步包含：溶解目标物质。
29.权利要求20的拣选样品的方法，其进一步包含：将目标物质进行反应，来扩增、排序、杂交、标示、交联或者培养该目标物质。
30.权利要求20的拣选样品的方法，其进一步包含：成像所俘获的目标物质。
31.一种微流体拣选装置，其用于将样品拣选成基本为目标物质和基本为非目标物质，该装置包含：
(a)俘获模块，该模块包含具有两个相对的壁的通道，并且不具有磁场梯度发生结构；
(b)与俘获模块一起整合到该微流体拣选装置上的预加工和/或后加工站；
(c)在俘获模块一侧上的用于产生磁场的外部源；和
(d)随时间变化来改变磁场的机构。
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