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CN1427083A - 含碳纳米管的生物芯片及使用该芯片进行样本分离的方法 - Google Patents

含碳纳米管的生物芯片及使用该芯片进行样本分离的方法 Download PDF

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Abstract

所披露的是一种生物芯片以及一种在生物芯片中分离包含在样本中的目标物质的方法。该生物芯片包括：一个衬底；一个放在衬底上的样本装载部分；以及多个在通道中按照预定间隔排列的碳纳米管。所述方法包括如下步骤：在样本装载部分上装载包含目标物质的样本；使样本流过通道；以及根据碳纳米管之间的间隔有选择地分离包含在样本中的目标物质。按照本发明，可以方便地对通道中的各种样本进行分离或者过滤，因此可以防止样本污染和实验数据误差。

Description

含碳纳米管的生物芯片及使用 该芯片进行样本分离的方法
                         技术领域
本发明涉及分离或过滤方法，更具体来说，涉及具有样品分离功能的生物芯片(biochip)以及在生物芯片中从样品中分离或者过滤目标物质(targetmaterial)的方法。
                         背景技术
生物工艺学、纳米技术以及MEMS(Micro Electro Mechanical System，微电子机械系统)技术的融合创造了一种新的技术领域，称为“生物芯片(Biochip)”，最近，阵列型DNA芯片和蛋白质芯片正处在早期的商业化阶段。此外，引入了片上实验室(Lab-on-a-chip，LOC)的概念，用来开发DNA-LOC和蛋白质LOC，它将几种功能如样本预处理、衍生、分离、检测和分析等集中在一个芯片中，由此可以直接使用各种样本如自然样本、麻醉品、食品、药品以及实际生物样本如血液、尿液、细胞和唾液等(见：Stuart F.Brown，Fortune，Oct.11.1999.Good-bye Test Tubes，Hello Labs-on-a-Chip)。
但是，在样本中存在一种不想要的物质的情况下，很难获得可靠的数据。例如，已知在进行PCR(Polymerase Chain Reaction，聚合酶连锁反应)时，红血球中的血色素影响实验数据。(见：McCusker，J.，DaWson，M.T.，Noone，D.，Gannon，F.，Smith，T.Nucleic Acids Res.20，p 6747，1992)。通常，通过使用离心法、由各种材料制成并且具有不同尺寸细孔的薄膜、玻璃纤维或者各种过滤设备的预处理，将这种不想要的物质清除。但是，对于LOC微通道或者LOC内内腔来说，直接应用这种预处理技术仍然有许多问题。
近来，披露了从血液中过滤或者隔离细胞的方法，其中披露了在芯片中使用MEMS技术的过滤器(见：Po Ki Yuen等人，Genome research，11，p405-412，2001/Peter Wilding等人，Analytical Biochemistry 257，p 95-1001998)。相似地，披露了分离具有理想尺寸的DNA的方法(见：Oligica Bakalin等人，in press，2001)。但是，这些方法的限制在于，难以在芯片中均匀地制作具有纳米尺寸的间隙。
碳纳米管(Carbon nano-tube)是目前小型阴极射线管中的主要部件(见：Nature 414，p 142-144，Nov 8，2001)，并且被应用于各种技术领域。例如，Lieber等人，披露了使用碳基纳米管的纳米级显微探测器(见：USP 6159742，CharlesM.Lieber，Stanislaus S.Wong，Adam T.Woolley，Emesto Joselevich.NANOMETER-SCALE MICROSCOPY PROBES)。Eklund等人用在碳纳米管中搀杂碘的方法制作稳定碘搀杂纳米管或者金属纳米级光纤(见：USP6139919，2000，METALLIC NANOSCALE FIBERS FROM STABLEIODINE-DOPED CARBON NANOTUBES)，以及Massey等人用官能团生物分子改进纳米管制作电化学发光钌化合物(见：USP 5866434，1999，Richard J.Massey等人，GRAPHITIC NANOTUBES IN LUMINESCEN ASSAYS)。
但是，还没有报道表明在生物芯片中使用碳纳米管分离或者过滤样本。
                         发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种生物芯片，它可以用于分离或者过滤包含在各种样本中的目标物质，从而防止样本污染或者实验数据误差。
本发明的另一个目的是提供一种在生物芯片中分离或者过滤包含在各种样本中的目标物质的方法，由此可以防止样本污染或者实验数据误差。
本发明的再一个目的是提供一种通过使用多个碳纳米管分离或者过滤包含在各种样本中的目标物质的方法，这些碳纳米管在通道中按照阵列的形式排列，相邻碳纳米管之间具有多种间隔。
为了实现上述第一个目的，本发明提供了一种生物芯片，该生物芯片包括：
一个衬底；
一个放在衬底上的样本装载部分；
一个形成在衬底中的并且与样本装载部分进行流动通信的通道；以及
多个在通道中按照预定间隔排列的碳纳米管。
为了实现上述第二个目的，本发明提供了一种在生物芯片中分离或者过滤包含在样本中的目标物质的方法，该生物芯片包括：一个衬底；一个放在衬底上的样本装载部分；一个与样本装载部分进行流动通信的通道；以及多个在通道中按照预定间隔排列的碳纳米管，
所述方法包括：
在样本装载部分上装载包含目标物质的样本；
使样本流过通道；以及
根据碳纳米管之间的间隔，有选择地分离包含在样本中的目标物质。
为了实现上述第三个目的，本发明提供了一种分离或者过滤包含在样本中的目标物质的方法，该方法包括：
在通道中按照阵列形式放置多个碳纳米管，使相邻的碳纳米管之间具有多种间隔；
在通道上装载包含目标物质的样本；以及
通过使样本流过通道分离目标物质。
                         附图说明
通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，本发明的上述目的和优点将会变得更加清楚，其中：
图1A-1D为示出了用于在各种衬底上制作碳纳米管的过程的示意截面图；
图2为示出了用碳纳米管分离和过滤生物样本的示意图；
图3为放在各种形状的通道或者内腔中的碳纳米管的顶视图；
图4为示出了用在通道中按照不同间隔排列的多个碳纳米管从全血中分离白血球的过程的示意图。
                      具体实施方式
在本发明中，包含在样本中的各种物质在通过通道或者内腔时可以被有选择地分离或者过滤，每个通道或者内腔包含多个碳纳米管。具体来说，可以按照相邻碳纳米管之间的多种间隔，对这些物质进行分离。
本发明的生物芯片包括一个衬底，该衬底具有样本装载部分和通道。该通道与样本装载部分进行流动通信，并且在通道中按照预定间隔排列多个碳纳米管。
衬底可以由不同材料构成，如硅、熔化硅石(melted silica)、玻璃和塑料等。
最好，生物芯片的通道包括多个单元通道。
在生物芯片中，碳纳米管之间的间隔可以根据要分离的物质的直径变化。最好，该间隔可以从几纳米到几百微米。
每个通道或者内腔的长度足够容纳按照碳纳米管之间的不同间隔以阵列形式排列的预定数量的碳纳米管。最好，通道的长度可以从几纳米到几百微米。
按照本发明，在生物芯片中分离包含在样本中的目标物质的方法包括如下步骤：装载样本，流动样本以及分离样本。
通过将包含目标物质的样本装载到位于生物芯片表面的样本装载部分上可以实现装载样本。
在将样本装载到样本装载部分上以后，通过力如电场、压力、抽真空、电磁场和离心力使样本流过通道。最好，流动样本包括打开和关闭通道，即，打开沿着样本流动方向延伸的多个单元通道部分和关闭剩余单元通道。然后，使样本流过打开的单元通道。
最后，可以实现按照碳纳米管之间的间隔有选择地分离包含在样本中的目标物质。
最好，目标物质包括生物分子，更好，目标物质是细胞、核酸、DNA、蛋白质、肽、多糖、荷尔蒙、脂质、碳水化合物或者受体。
此外，本发明还提供了分离包含在样本中的目标物质的基本方法。它包括如下步骤：将多个碳纳米管以阵列的形式放在通道中，使相邻碳纳米管具有多种间隔；将包含目标物质的样本装入通道；以及通过使样本流过通道分离目标物质。
以下通过例子进一步描述本发明。这些例子只用于说明。应该明白，本发明不受这些例子的具体细节的限制。
例1：制作碳纳米管
图1示出了在生物芯片的衬底上制作碳纳米管的过程。
参照图1，用不同的材料如硅，熔化硅石、玻璃和塑料等作为芯片底部衬底制作各具有几纳米到几毫米长度的通道或者内腔。在通道或者内腔中，制作并且以预定间隔排列多个各具有从几纳米到几微米长度的碳纳米管。
更具体来说，如图1A所示，将Al层(11)放在衬底(12)上。然后，如图1B所示，利用阳极铝氧化使Al层氧化，形成各具有从几十纳米到几百毫米的通道或者内腔。然后，如图1C所示，注入气体如C2H2和CH4，用来制作碳纳米管(14)。
碳纳米管的直径以及它们之间的间隔可以由在阳极铝氧化中施加的电压和使用的氧化剂来控制。
图1D为水平成形的碳纳米管的照片。
例2：利用通道中的碳纳米管对生物样本进行分离或者过滤
图2示出了一个或者多个通道或内腔，每个包括多个按照不同间隔排列的碳纳米管，这些通道或内腔不仅可以用做过滤设备也可以用做分离设备。通过对通道施加力如电场、压力、抽真空、电磁场以及离心力，使包含不同物质的流动样本流动，可以将不同物质分离或者过滤。
参照图2，为了分离或者过滤样本中的目标物质，在每个通道中放置了具有不同尺寸以及不同排列方式的碳纳米管。然后，通过打开向样本流动方向延伸的多个单元通道部分并且关闭剩余单元通道，使样本可以沿着一个方向运动。(通常的如使用开关阀门的方法可以用来打开或者关闭通道。)通过打开和关闭单元通道，通过一个单元通道已经被过滤的中等尺寸的样本可以被移动到其它理想的单元通道。例如，在通过打开理想单元通道2并且关闭其它两个单元通道1和3，在中央区域中收集了样本之后，可以通过关闭单元通道2和3并且打开单元通道1，使在中央区域中收集的过大的以至不能通过单元通道2的样本移动到单元通道1。
图3示出了在其中形成了碳纳米管的不同形状的通道或者内腔。在图中，箭头表示样本注入的方向。
参照图3，可以制作具有不同形状的通道或者内腔，并且可以将碳纳米管排列在通道或内腔的适当位置。
例3：从全血中分离白血球
图4示出了在芯片的通道中从全血中分离白血球过程的示意图。当碳纳米管之间的间隔大约为10到20微米时，白血球可以通过通道中的碳纳米管。但是，当碳纳米管之间的间隔大约为3.5到5微米时，白血球不能通过碳纳米管，只有红血球能够通过并且流到下游通道。
如上所述，按照本发明，可以有选择地分离或过滤具有各种尺寸的物质，并且可以在不同几何形状的通道和内腔中形成碳纳米管。因此，可以提供具有不同设计的高质量的生物芯片。
因此，可以每个通道或内腔每次制作不同尺寸的碳纳米管，由此可以根据样本的尺寸，制作用于分离或过滤样本的综合的高通过能力的碳纳米管过滤器。由于它能够防止样本污染或者实验数据误差，因此可以将其应用于片上实验室。

Claims (9)

1.一种生物芯片，该芯片包括：
一个衬底；
一个放在衬底上的样本装载部分；
一个通道，该通道形成在衬底中，并且与样本装载部分进行流动通信；以及
多个碳纳米管，这些碳纳米管在通道中按照预定间隔排列。
2.如权利要求1所述的生物芯片，其中，通道包括多个单元通道。
3.如权利要求1所述的生物芯片，其中，碳纳米管之间的间隔为从几纳米到几百微米。
4.如权利要求1所述的生物芯片，其中，通道的长度为从几纳米到几百毫米。
5.一种在生物芯片中分离包含在样本中的目标物质的方法，该生物芯片包括：一个衬底；一个放在衬底上的样本装载部分；一个与样本装载部分进行流动通信的通道；以及多个在通道中按照预定间隔排列的碳纳米管，
所述方法包括：
在样本装载部分上装载包含目标物质的样本；
使样本流过通道；并且
按照碳纳米管之间的间隔有选择地分离包含在样本中的目标物质。
6.如权利要求5所述的方法，其中，通道包括多个单元通道，使样本流过通道的步骤包括：打开沿着样本流动方向延伸的多个单元通道的一部分，并且关闭剩余单元通道，以及使样本流过打开的单元通道。
7.如权利要求5所述的方法，其中，目标物质包括生物分子。
8.如权利要求5所述的方法，其中，目标物质是细胞、核酸、DNA、蛋白质、肽、多糖、荷尔蒙、脂质、碳水化合物或者受体。
9.一种分离包含在样本中的目标物质的方法，该方法包括：
将多个碳纳米管以阵列的形式放置在通道中，使相邻的碳纳米管具有多种间隔；
在通道上装载包含目标物质的样本；并且
通过使样本流过通道来分离目标物质。
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