微芯片、使用该微芯片的溶剂置换方法、浓缩方法及质谱分析系统的制作方法

专利名称：微芯片、使用该微芯片的溶剂置换方法、浓缩方法及质谱分析系统的制作方法
发明
背景技术：
领域本发明涉及微芯片(microchip)，涉及使用这种微芯片来浓缩样品中特殊组分的方法和溶剂置换的方法，以及质谱分析系统。
相关技术描述在后基因组时代(post-genome age)，蛋白质组学(proteomics)作为一种有希望的研究方法已得到了很多的关注。在蛋白质组学研究中，诸如蛋白质的样品被例如作为最终阶段的质谱分析所鉴别。在该阶段之前，样品被分离和预处理，以用于例如质谱分析。作为用于这种样品分离的方法，已广泛使用了双向电泳。在双向电泳中，两性电解质如肽和蛋白质在它们的等电点分离，然后再按照它们的分子量而进一步分离。
但是，这些分离方法通常需要与整个白天和夜晚一样多的时间。此外，它们得到非常低的样品回收率，并由此得到用于分析如质谱分析的相对较少的量。因此，存在着对此方面进行改进的要求。
微量-化学分析(μ-TAS)已快速地发展，其中对样品的化学操作，如预处理、反应、分离和检测是在微芯片上进行的。利用微芯片的分离和分析程序可以减少将要使用的样品的量，由此减少环境负担，并使得能够进行更高灵敏度的分析。它可以显著减少分离时间。
专利文件1描述了一种包含微芯片的装置，该微芯片包含这样一种结构，其中在基材上形成了用于毛细管电泳的沟槽和/或储存器。
专利文件1日本公开专利公布2002-207031发明概述然而，为了用微芯片将分离后的组分制备为用于随后质谱分析的样品，它们必须进一步经受例如各种化学处理、溶剂置换及脱盐。尚未开发出其中这些操作是在微芯片上进行的技术。
特别地，当样品在例如质谱分析分析期间的缓冲液中含有盐时，将不能得到正确的数据。在质谱分析中，将样品与将要由质谱分析测量的基质混合。当样品与所述基质的混合比较低时，输出值会太低，以致于得不到满意的检测结果。
鉴于这些问题，本发明的一个目的是提供一种技术，通过该技术，使样品中的特殊组分被浓缩至较高的浓度回收。本发明的另一个目的是提供一种技术，通过该技术，使特殊组分在样品中保持较高浓度的同时使溶剂被置换。本发明再一个的目的是提供一种技术，通过该技术，使特殊组分在样品中保持较高浓度的同时使样品中的杂质如盐被除掉。本发明的另一个目的是提供一种技术，通过该技术，使这些方法在微芯片上进行。
根据本发明，提供了一种基材上的微芯片，该微芯片包含用于含特殊组分的液体样品的通道，及在所述通道中的样品进料部分，其中，所述通道分支为第一通道和第二通道，样品进料部分的第一通道的入口有防止特殊组分通过的过滤器，样品进料部分的第二通道的入口有防止液体样品通过、同时使液体样品在被施加了与给定值相等或更大的外力时通过的堰塞区。
为防止特殊组分的通过，此处的过滤器具有多个尺寸足够小的细孔。所述过滤器可以是例如以几十至几百纳米的间隔排列的多个柱型物。或者，所述过滤器可以是孔径大小通过焙烧氧化铝、硅酸钠水溶液(水玻璃)或胶体颗粒而制备的孔径大小为约几纳米的多孔薄膜，以及通过使聚合物溶胶凝胶化而制备的聚合物凝胶薄膜。或者，所述过滤器可以通过它的电荷而不是其分子大小来防止组分的通过。
这样的结构使得可以在过滤器表面中浓缩特殊组分，并可将其从第二通道除出。或者，为了从第二通道除去特殊组分，可以使用与原始样品中不同的溶剂以置换溶剂。
在本发明的微芯片中，堰塞区可以是疏液区。如此处所使用的，疏液区是指对样品中的液体具有较小亲合力的区域。当样品中的液体是亲水性溶剂时，堰塞区可以是疏水区。或者，当在微芯片之上提供涂层时，为得到可类比的结果，与该涂层相对应的区域可以是疏液性的。可通过选择用于所述疏液区材料的类型、疏液区中疏液部分的形状等等来控制疏液区对溶液的疏液性。
在本发明微芯片的第一通道中，可以通过毛细管作用来移动已经穿过过滤器的液体样品。由此，被加入所述通道中的液体可自发地流进第一通道。
在本发明的微芯片中，第一通道可以还包含安装在过滤器下游、防止液体流进第一通道的流入停止器。所述的流入停止器可以是可关闭连接到所述第一通道末端的硅胶管的阀，或是可以存储预定量液体、在所述第一通道的末端形成的储存器。
在本发明的微芯片中，当预定量的液体进入第一通道时，所述的流入停止器可以防止液体流进第一通道。
本发明的微芯片可以进一步包含外力施加装置，以对流经通道的液体样品施加外力。所述的外力施加装置可以施加外力到样品上，使得当进入第一通道的液体流入被流入停止器阻止时，所述液体样品可以从疏液区之上流进第二通道。所述外力施加装置可以是加压装置。在第二通道的末端，可以提供所需组分的回收部分。
本发明还提供了一种使用任何上述的微芯片来浓缩液体样品中特殊组分的方法，该方法包括如下步骤施加外力，该外力足将含有特殊组分与溶剂的液体样品引入至样品进料部分中，但该外力不足以使液体样品流过堰塞区；施加与加入液体样品至样品进料部分的步骤中所施加外力相当的外力，使得在给定的周期内所述溶剂或其它溶剂被引入至样品进料部分中；以及阻止所述液体流进第一通道。
在本发明浓缩方法中的阻止液体流进第一通道的步骤中，可以施加比任何其它步骤中所使用的外力更大的外力。
本发明还提供了一种使用任何上述的微芯片来置换含特殊组分的液体样品中溶剂的方法，该方法包括如下步骤施加外力，该外力足将含有特殊组分与第一溶剂的液体样品引入至样品进料部分中，但该外力不足以使液体样品流过堰塞区；施加与加入液体样品至样品进料部分的步骤中所施加外力相当的外力，使得在给定的周期内与第一溶剂不同的溶剂被加入样品进料部分中；以及阻止所述液体流进第一通道。
由此，在通过过滤器过滤掉第一溶剂中的特殊组分后，可以用第二溶剂洗涤所述特殊组分，使得可以除去更小的分子，如第一溶剂和盐。还有，因为特殊的组分在过滤器上被浓缩，所以可以回收高度浓缩的样品。
在本发明浓缩方法的防止液体流进第一通道的步骤中，可以施加比任何其它步骤中所使用的外力更大的外力。
根据本发明的另一个方面，提供了一种基材上的微芯片，该微芯片包含用于含特殊组分的液体样品的通道，及多个沿所述通道侧壁的排出通道，其中所述的排出通道防止特殊组分通过。排出通道可以是毛细管，只有较小的分子如溶剂和盐可以穿过。或者，所述通道可以在其连接部分有过滤器。这样的结构可以使当样品在通道中流动时，样品中的特殊组分被浓缩。本发明还提供了一种使用这种微芯片浓缩液体样品中的特殊组分的方法。
本发明还提供了一种板上的微芯片，其包括用于含特殊组分的液体样品的通道，以及为防止特殊组分的通过而布置的阻止其在通道中流动的过滤器，其中所述的通道包括在一侧的样品进料部分与样品回收部分，及在另一侧的溶剂进料部分。
此处的过滤器含有为防止特殊组分通过的多个尺寸足够小的细孔。所述过滤器可以是例如以几十至几百纳米的间隔排列的多个柱型物。或者，所述过滤器可以是通过焙烧氧化铝、硅酸钠水溶液(水玻璃)或胶体颗粒而制备的孔径大小为约几纳米的多孔薄膜，以及通过使聚合物溶胶凝胶化而制备的聚合物凝胶薄膜。或者，所述过滤器可以通过它的电荷而不是其分子大小来防止组分的通过。
这样的结构使得可以在所述过滤器的表面中浓缩特殊组分，并通过从通道的另一侧加入溶剂来以较高的浓度回收样品。或者，当从通道的另一侧引入溶剂时，可以使用与原始样品中不同的溶剂来置换溶剂。
本发明的微芯片可以另外包括布置在与过滤器另一侧中的溶剂进料部分不同位置上的排出部分，穿过过滤器的液体样品通过它而被排出。
在本发明微芯片的排出部分中，可以通过毛细管作用来移动穿过过滤器的液体样品。
在本发明的微芯片中，溶剂进料部分可以包括防止液体从过滤器的方向进入，同时促进液体向过滤器的排出的堰塞区。
在本发明的微芯片中，所述的样品进料部分可以包括防止液体从过滤器的方向进入，同时促进液体向过滤器的排出的堰塞区。
在本发明的微芯片中，所述的堰塞区可以是疏液区。如此处所使用的，疏液区是指对样品中的液体具有较小亲合力的区域。当样品中的液体是亲水性溶剂时，堰塞区可以是疏水区。或者，当在微芯片之上提供涂层时，为得到可类比的结果，与该涂层相对应的区域可以是疏液性的。
本发明还提供了一种使用任何上述的微芯片来浓缩液体样品中的特殊组分的方法，该方法包括如下步骤将含有特殊组分和溶剂的液体样品引入至样品进料部分中，及通过从溶剂进料部分引入另一种溶剂来从样品回收部分回收特殊组分。
本发明置换溶剂的方法可以在引入和回收液体样品的步骤之间进一步包括从样品进料部分引入溶剂之一的步骤。因此，就可以用溶剂来洗涤过滤器上所浓缩的特殊组分。
本发明还提供了一种用本发明的微芯片置换含特殊组分的液体样品中溶剂的方法，该方法包括如下步骤将含有特殊组分与第一溶剂的液体样品引入至样品进料部分中，以及通过从溶剂进料部分引入与第一溶剂不同的第二溶剂来从样品回收部分回收特殊组分。
本发明置换溶剂的方法可以在加入和回收液体样品的步骤之间进一步包括从样品进料部分加入第二溶剂的步骤。因此，就可以用溶剂来洗涤过滤器上所浓缩的特殊组分。
本发明还提供了一种含有通道的基材上的微芯片，所述通道包括含有特殊组分的液体样品在其中流动的第一通道，沿第一通道延伸的第二通道，以及介于第一与第二通道之间、防止特殊组分通过的过滤器，其中所述第一通道包括在流动方向的上游、用于加入液体样品的样品进料部分，所述第二通道包括在对应于第一通道流动方向的下游位置上置换溶剂进料部分。
为防止特殊组分的通过，此处的过滤器具有多个尺寸足够小的细孔。所述过滤器可以是例如以几十至几百纳米的间隔排列的多个柱型物。或者，所述过滤器可以是通过焙烧氧化铝、硅酸钠水溶液(水玻璃)或胶体颗粒而制备的孔径大小为约几纳米的多孔薄膜，以及通过使聚合物溶胶凝胶化而制备的聚合物凝胶薄膜。
因此，通过在平行通道之间布置过滤器，可以增加过滤器的面积以防止过滤器的堵塞，并进一步增加分离的流速。此外，因为样品中的特殊组分在经过第一通道时被第二溶剂洗涤，所以粘附到特殊组分上的杂质如第一溶剂和盐可以被除掉。另外，这种结构使连续操作。
本发明的微芯片可以还包含在不同方向上对第一和第二通道施加外力的外力施加装置。
在本发明的微芯片中，外力施加装置可以对第一通道施加比对第二通道更大的外力。
由此，流经第一通道样品中的特殊组分在它第一通道中流动时被浓缩，使得在溶剂被置换的同时样品被浓缩。因此，因为可以以较高浓度的得到所需的组分，所以可以在更高的精度下进行随后的分析。
本发明还提供了一种基材上的微芯片，其包含用于含特殊组分的液体样品的通道，及在所述通道中形成的电极，其中所述电极带有与特殊组分不同极性的电荷。
例如，当所述特殊组分是蛋白质时，电极可以带正电，因为蛋白质带负电。电极可以由多个柱型物构成。因此，可增加表面面积来回收大量的所述组分。此处，优选所述多个电极具有这样的形状，以使这些电极不会彼此电影响。在布置所述的多个电极时，可使每个电极以可被独立控制的方式来形成。因此，例如，可以对所有电极首先以与特殊组分不同的极性来充电，以回收特殊组分。然后，在保持一个电极极性的同时，使其它电极变为中性，或以与特殊组分相同的极性充电，以在一个电极中收集特殊组分。因此，可以更有效地浓缩特殊组分。
本发明还提供了一种使用分离器来置换液体样品中溶剂的方法，所述分离器包含用于含特殊组分的液体样品的第一和第二通道，及介于所述通道之间的过滤器，该方法包括如下步骤在第一通道中按第一方向移动含特殊组分和第一溶剂的液体样品，和在第二通道中按照与第一方向不同的方向移动第二溶剂，其中第二溶剂与第一溶剂的比率随液体样品在第一通道中的移动而增加。
在本发明置换溶剂的方法中，所施加的用于在第一通道中按第一方向移动含特殊组分和第一溶剂的液体样品的外力可以比用于在第二通道中按照与第一方向不同的方向移动第二溶剂的外力更大，以在第一通道的下游浓缩所述的特殊组分。
本发明还提供了一种用包含电极的通道置换含特殊组分的液体样品中溶剂的方法，该方法包括如下步骤将含特殊组分和第一溶剂的液体样品加入到通道中，同时用与特殊组分相反的极性给电极充电；将第二溶剂加入到通道中，同时保持所述电极的电荷；以及给电极放电，并回收所述的特殊组分及第二溶剂。
在本发明置换溶剂的方法中，所述电极可以具有与回收步骤中特殊组分相同极性的电荷。
虽然已经描述了具有浓缩特殊组分和置换溶剂的功能的微芯片，所述微芯片可以进一步具有例如对样品纯化、分离、预处理(浓缩与溶剂置换除外)及干燥的功能。因此，它可以原样用于质谱分析中。
本发明还提供了一种质谱分析系统，该检测系统包括借助于分子大小或性质来分离生物样品的分离装置；预处理装置，用于预处理由分离装置所分离的样品，所述的预处理包括酶消化；干燥预处理样品的干燥装置；以及借助于质谱来分析干燥过样品的质谱分析装置，其中所述的预处理装置包括以上所述微芯片的任何一种。此处，生物样品可以是从有机体中提取的，或合成的。
本发明还提供了一种质谱分析系统，该检测系统包括预处理装置，用于借助于分子大小或性质来分离生物样品，同时而预处理用于制备酶消化的样品；酶消化所述预处理样品的装置；干燥所述酶消化样品的干燥装置；以及借助于质谱来分析干燥样品的质谱分析装置，其中所述的预处理装置包括以上所述微芯片的任何一种。
附图简述通过参考以下所描述的实施方案及附图，将更清楚地理解以上的和其它的目的、特征及优点。


图1所示为本发明一个实施方案中浓缩装置的一部分。
图2所示为本发明一个实施方案中浓缩装置的一部分。
图3所示为本发明一个实施方案中疏液区的一个实例。
图4所示为浓缩装置的另一个实例。
图5所示为本发明一个实施方案中溶剂置换装置的结构。
图6示意性表示本发明一个实施方案中的溶剂置换装置。
图7所示为本发明一个实施方案中的溶剂置换装置。
图8为图7中溶剂置换装置的剖面图。
图9所示为本发明一个实施方案中制造溶剂置换装置方法的工艺剖面图。
图10所示为电极的另一个实例。
图11所示为电极的另一个实例。
图12所示为在基材上形成的微芯片。
图13为举例说明本发明一个实施方案中浓缩装置的流程图。
图14为举例说明本发明一个实施方案中浓缩装置的流程图。
图15为举例说明本发明一个实施方案中浓缩装置的流程图。
图16示意性表示质谱仪。
图17为本实施方案中包括分离器或溶剂置换装置的质谱分析系统的方块图。
图18所示为利用聚合物凝胶薄膜作为过滤器的实例。
图19所示为过滤器制造方法的流程图。
图20所示为过滤器制造方法的流程图。
图21所示为由图19和20中的制造方法所制造的过滤器。
图22示意性表示根据本发明作为微芯片的溶剂置换装置。
图23所示为一种接头结构。
图24所示为另一种接头结构。
图25为具有图22中所示结构的溶剂置换装置中过滤器的详图。
图26所示为图1中疏水区实例的平面图。
图27所示为图1中滤出液排出通道的实例。
图28所示为本发明一个实施方案中浓缩装置的实例。
图29所示为电极的另一个实例。
图30示意性表示实施例中的芯片结构。
图31所示为实施例中柱型物的结构。
图32所示为实施例中的芯片结构。
图33所示为向其中引入了水的实施例中的浓缩/置换装置。
图34所示为其中沉积了DNA的实施例中的浓缩部分。
图35所示为其中DNA正流动着的实施例中的样品回收部分。
发明详述为了分析生物材料，例如，进行以下的预处理(i)将细胞从其它组分中分离，并将其浓缩；(ii)在通过破坏细胞而得到的组分中，分离与浓缩固体(细胞质膜碎片、线粒体与内质网)和液体部分(细胞质)；(iii)在液体部分中的组分中，分离与浓缩高分子量组分(DNA(脱氧核糖核酸)、RNA(核糖核酸)、蛋白质、糖链)和低分子量组分(类固醇、葡萄糖等)；和(iv)在大分子分解后，从未变化的组分中分离分解产品。
在本发明中，除去上述的预处理之外，为了例如随后的处理，还进行溶剂的置换。
在本发明中，将要被浓缩或溶剂置换的样品是其中给定的组分在溶剂(载体)中溶解或分散的样品。
(第一实施方案)图1所示为根据本发明第一实施方案的浓缩装置的一部分。
如图1(a)中所示，浓缩装置100包括样品进料通道300，滤出液排出通道302，样品回收部分308，介于样品进料通道300与滤出液排出通道302之间的过滤器304，以及介于样品进料通道300与样品回收部分308之间的疏水区306。
为防止特殊组分的通过，过滤器304具有多个尺寸足够小的细孔。可以根据将要浓缩的特殊组分的种类恰当地选择过滤器304的孔径大小。所述过滤器可以是通过焙烧氧化铝、硅酸钠水溶液(水玻璃)或胶体颗粒而制备的多孔薄膜，以及通过使聚合物溶胶凝胶化而制备的聚合物凝胶薄膜，或可以是多个柱型物。以后将描述制备这些的方法。
疏水区306可以防止液体进入样品回收区308，并防止被引入至样品进料通道300中的溶剂流入至样品回收区308。
疏水区306可以通过使亲水通道112表面疏水化来形成。疏水化可通过采用合适的方法，例如旋涂、喷雾、浸渍和蒸汽沉积，利用硅烷化合物如硅烷偶联剂和硅氮烷(六甲基硅氮烷等)在通道112的表面上形成疏水薄膜来进行。所述硅烷偶联剂可以选自具有疏水基团如硫醇基的那些。
可以借助于诸如冲压及喷墨的打印技术来实现疏水化。在冲压中，使用PDMS(聚二甲基硅氧烷)树脂。PDMS树脂是通过硅油聚合而制备的，即使是在树脂化以后，而其分子内间隙仍由硅油所填充。因此，当PDMS树脂与通道112的表面接触时，接触区变为高度疏水性的，因此它排斥水。利用该效果，在对应于疏水区306的位置处，使有凹面的PDMS树脂印版接触以作为印记，形成疏液区36。在喷墨技术中，使用硅油作为喷墨打印中的油墨，以形成疏水区306。因此，流体不能够穿过疏水化的区域，所以样品的流动可以被阻挡。
可以通过对材料的选择以及对疏水区306中疏水部分形状的选择来适当地控制疏水区306的疏水程度。图26所示为疏水区306实例的平面图。在疏水区306中，多个疏水部分306a以基本上规则的间隔整齐地排列。在疏水区306中，除疏水部分306a以外的区域为亲水性的。因此，与整个疏水区306的表面都被亲水化的情况相比，更加促进了溶剂从样品进料通道300的运动。随着疏水部分306a更加靠近，疏水性变得更高。因此，可以适当地设计疏水区306中疏水部分的形状，以控制所述疏水区306使其具有恰当的堰塞功能。
如图12中所示，本实施方案中的浓缩装置100是在基材101上形成的微芯片。图12(a)所示为基材101一部分的平面图，且图12(b)是从图12(a)的线A-A’所取的剖面图。
如图12(a)中所示，在疏水区306的侧面上，提供了包括灌注水进样口344的流体开关348。如上所述，在样品进料通道300与样品回收部分308之间提供疏水区306，使得样品不会流进样品回收部分308。然而，在从灌注水进样口344进行灌注水加料时，可以是流体开关将样品从样品进料通道300的方向进料至样品回收部分308。此处，灌注水进样口344由预定的容量形成，使得水从外部引入至进样口中。当水以定量的流速被注入由此形成的灌注水进样口344时，一定的时间后水开始从灌注水进样口344流入至疏水区306。可以恰当地选择灌注水进样口344的容量和引入水的流速，以使溶剂A中的样品被过滤器304过滤及被溶剂B洗涤后，样品从疏水区306之上流进样品回收部分308。由此形成了滤出液排出通道302，所以液体可以靠毛细管作用运动。
此外，如图12(b)中所示，在基材101之上布置了涂层材料350。如上所述，疏水区306可以在基材101上的通道112的表面上形成，但类似的结果可以通过使涂层材料350疏水化来实现。此处，在基材101之上布置涂层材料350时，可以使涂层材料350中对应于疏水区306的位置疏水化。
再参考图1，含有组分310和溶剂A的样品被引入到由如图1(b)中所示而构建的浓缩装置100中。所引入的组分310是例如蛋白质。本实施方案中的浓缩装置100可用于例如MALDI-TOFMS的预处理。此处，向浓缩装置100中，加入在溶剂如乙腈中的分子内二硫键断裂或在缓冲液中蛋白质的分子量降低后的样品。例如，溶剂A是有机溶剂如乙腈，或含盐的溶液如磷酸盐缓冲液。
在溶剂A中的组分310被引入到样品进料通道300中时，溶剂A通过毛细管作用穿过过滤器304进入滤出液排出通道302，同时组分310沉积在过滤器304的表面上。此处，通过使用例如泵来施加压力，使样品被加入样品进料通道300，而该压力不足以使溶剂A经过疏水区305之上进入样品回收部分308。
如图1(c)中所示，当样品如上所述流动时，组分310被浓缩d过滤器304的表面上。
随后，如图1(d)中所示，将溶剂B引入至样品进料通道300中，以充分洗涤出粘附在组分310中的溶剂A。当溶剂A分别是乙腈或缓冲溶液时，溶剂B可以分别是例如，缓冲溶液或蒸馏水或蒸馏水。因此，除了与组分310粘附的溶剂A以外，样品中所含诸如盐的杂质也可以被除掉。
在洗涤了一定时间后，如图1(e)中所示，流进滤出液排出通道302的液体流入被设置在远离过滤器304的滤出液排出通道302末端的流入停止器312阻止。所述的流入停止器312可以选自各种阀。例如，它可以是连接到滤出液排出通道302末端的硅胶管，所述的通道由例如电磁阀闭合。或者，如图27中所示，可以在滤出液排出通道302的末端设置具有给定容积的储存器360。可预先检测引入至样品进料通道300的样品中溶剂A的量与洗涤组分310所需溶剂B的量，以便可以形成可容纳相应的量的储存器360。因此，当储存器360充满了溶剂时，进入滤出液排出通道302的液体流入便被阻止了。
在阻止液体流入滤出液排出通道302的同时，可以增加施加到样品进料通道300上的压力，和/或可以从图12(a)中所示的流体开关348加入灌注水，以从样品回收部分308一同回收在过滤器304表面上浓缩的组分310及溶剂B。
在本实施方案的浓缩装置100中，可以防止特殊组分通过的过滤器可以被用来将特殊组分浓缩至更高的浓度。因此，例如，在MALDI-TOFMS中，可以以相对较高的浓度混合蛋白质分子与用于MALDI-TOFMS的基质。此外，可以用置换的溶剂洗涤特殊组分，以便也可以进行脱盐。因此，可以更精确地进行MALDI-TOFMS。在本实施方案的浓缩装置100中，可以在不含杂质的情况下以较高的浓度回收特殊组分。因此，所述样品不仅适宜于MALDI-TOFMS，也适宜于各种反应。虽然已经描述了溶剂B对溶剂A的置换，但除了溶剂置换外，本实施方案中的浓缩装置100可以被专有地用于浓缩特殊组分。
参考图13、14和15，将描述制造本实施方案中浓缩装置100的方法。此处，将描述多个柱型物105被用作过滤器304的情况。所述的柱型物可以具有包括圆柱型物体的形状，如圆柱型物体、椭圆柱型物体和假圆柱型物体；锥体，如圆锥体、椭圆锥体和三角锥；棱柱型物，如三角形棱柱型物和方形棱柱型物；条状突出物；以及其它形状。可以通过但不限于以给定图案形状蚀刻基材101，来在基材101上形成通道112与过滤器304。
在每个图的子图中，中间为平面图，右边和左边为是剖面图。在此方法中，圆柱体105是通过使用电子束光刻法，用杯芳烃(calix arene)作为精细加工的抗蚀剂而形成的。以下是杯芳烃的示范性分子结构。杯芳烃被用作电子束暴露的抗蚀剂，并可以适宜地用作纳米加工的抗蚀剂。
此处，基材101是100)取向的硅基材。如图13(a)中所示，首先按次序在基材101上形成氧化硅薄膜185与杯芳烃电子束负性抗蚀剂183。氧化硅薄膜185与杯芳烃电子束负性抗蚀剂183的厚度分别是40nm和55nm。然后，将将要成为柱型物105的区域暴露给电子束(EB)。用二甲苯显影该产品，并用异丙醇漂洗。通过该步骤，杯芳烃电子束负性抗蚀剂183被加工成如图13(b)中所示的图案。
下一步，将正性光致抗蚀剂155涂覆到整个表面(图13(c))。其厚度为1.8μm。然后，通过掩模曝光而显影所述产品，以便曝光将要成为通道112的区域(图14(a))。
然后，用CF4和CHF3的混合气对氧化硅薄膜185进行RIE-蚀刻(图14(b))。在用丙酮、乙醇和水的有机溶剂混合物洗涤掉抗蚀剂后，使所述基材经受氧化等离子体处理(图14(c))。然后，用HBr气对基材101进行ECR-蚀刻。蚀刻后硅基材中台阶(step)的高度(或圆柱体的高度)是400nm(图15(a))。下一步，用BHF缓冲的氢氟酸湿法蚀刻所述基材，以除去氧化硅薄膜(图15(b))。因此，在基材101上形成了通道(未显示)与圆柱体105。
此处，优选在图15(b)中的步骤后使基材101的表面为亲水性的。通过使基材101表面为亲水性的，液体样品可以平稳地被导入通道112与圆柱体105。特别地，在其中通道由于圆柱体105而更精细的过滤器304(图1)中，通道表面的亲水化可以靠毛细管作用促进样品液体的引入，从而高效率地浓缩组分。
在图15(b)中的步骤后，在炉子中加热基材101，以形成硅的热氧化物薄膜187(图15(c))。此处，选择加热条件使氧化物薄膜的厚度变为30nm。形成硅的热氧化物薄膜187可以消除将液体引入至分离装置中的困难。然后，静电接合涂层189。封装后，形成了浓缩装置(图15(d))。
在将塑料材料用于基材101时，可以采用适合于这种材料类型的已知方法，包括蚀刻、使用模具的压塑如压花模制、注塑及光固化。
还有，在将塑料材料用于基材101时，优选使基材101的表面亲水化。通过使基材101的表面亲水化，液体样品可以平稳地被引入至通道112与圆柱体105中。特别地，在包括柱型物105的过滤器304中，表面的亲水化可以靠毛细管作用促进样品液体的引入，从而实现高效率地浓缩。
亲水化的表面处理可以通过例如涂敷含有亲水基团的偶联剂到通道112的侧壁来进行。含亲水基团的偶联剂可以是含氨基的硅烷偶联剂；例如N-β(氨乙基)γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷及N-苯基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷。可以通过采用合适的方法，例如旋涂、喷雾、浸渍和蒸汽沉积来涂敷这些偶联剂。
此外，通道112可以经受防粘处理，以防止样品分子粘附在通道壁上。对于防粘处理，例如，可以将具有与构成细胞壁的磷脂相似结构的物质涂敷到通道112的侧壁上。当样品是生物组分如蛋白质时，这样的处理不仅可以防止组分的退化，而且可以使特殊组分在通道112上的非特异性吸附最小化，从而导致改进的回收率。对于亲水化处理和防粘处理，例如，可以使用LIPIDURE(NOF公司)。此处，将LIPIDURE溶解在诸如TEE缓冲液的缓冲液中至0.5重量％。用所述溶液充满通道112并放置几分钟，以处理通道112的内壁。然后，通过例如气枪吹扫溶液，以干燥通道112。作为防粘处理的备选实例，可以将氟树脂涂敷到通道112的侧壁上。
(第二实施方案)图2所示为本发明第二实施方案中浓缩装置100的一部分。在此实施方案中，浓缩装置100也可以是微芯片。如图2(a)中所示，在此实施方案中，通道112包括样品进料通道300、溶剂进料通道303、过滤器304、样品进料部分313、样品回收部分314、滤出液排出部分316和溶剂进料部分318。分别地，在样品进料部分313与样品进料通道300之间提供了疏水区307，和在溶剂进料部分318与溶剂进料通道303之间提供了疏水区306。在此实施方案中，类似于参考图1第一实施方案中描述的浓缩装置100的构件被表示为相同的符号，而进一步的描述被恰当地省略了。
图3所示为本实施方案中疏水区306与疏水区307的实例。如此图中所示，疏水区306是锥形的，因此它从溶剂进料部分318向溶剂进料通道303的方向逐步展开。所以，从溶剂进料部分318向溶剂进料通道303的方向溶剂可容易地运动，而在从溶剂进料通道303至溶剂进料部分318的方向上受阻。疏水区307也是锥形的，因此它在从样品进料部分313至样品进料通道300的方向逐步展开。所以，从样品进料部分313向样品进料通道300的方向液体可容易地运动，同时在从样品进料通道300至样品进料部分313的方向上运动受阻。还有，如参考图26的第一实施方案中所述，可以恰当地选择疏水区306与疏水区307的材料，及疏水部分的形状。在本实施方案中，如参考图12(a)的第一实施方案中所述，疏水区306及疏水区307可以包括流体开关348。此外，样品进料部分313、样品回收部分314、溶剂进料部分318及滤出液排出部分316可以通过硅胶管、注射器等连接到外部。样品或溶剂的流入或流出可以通过例如外部的泵或电磁阀来控制。
再参考图2，如图2(b)中所示，样品被从样品进料部分313引入。其中的样品是如第一实施方案中所述的溶剂A中的组分310。在被加入样品进料通道300中后，溶剂A穿过过滤器304进入溶剂进料通道303。此处，因为溶剂进料部分318的入口具有疏水区306，所以溶剂A从滤出液排出部分316排出而不进入溶剂进料部分318。因此，如图2(c)中所示，样品中的组分310沉积在过滤器304的表面上，随后被浓缩。
然后，当作为置换溶剂的溶剂B被从溶剂进料部分318引入时，溶剂B穿过过滤器304。沉积在过滤器304表面上的组分310被来自样品回收部分314的溶剂B洗提。因此，组分310的溶剂可以被置换，而组分310可以被浓缩回收。
在上述实施方案中，各个溶剂进料部分318的入口都包含疏水区306。然而，替代形成疏水区306的是，可以在加入溶剂A期间对溶剂进料部分318施加气压来防止溶剂A的流入。同样，在从溶剂进料部分318加入溶剂B时，可以对样品进料部分313施加气压来防止溶剂B进入样品进料部分313。
此外，虽然未在图中显示，在过滤器304的表面上浓缩了组分310后(图2(c))，可以从样品进料部分313引入溶剂B来洗出粘附在组分310表面上的溶剂A，及其它化合物如盐。虽然已经描述了溶剂B对溶剂A的置换，但除了溶剂置换外，本实施方案中的浓缩装置100可以被专有地用于浓缩特殊组分。
根据本实施方案，特殊组分可以被浓缩，而溶剂可以被方便的结构置换。因此，在随后的处理如MALDI-TOFMS中，可以将具有更高浓度的样品用来实现精确的检测或高效的反应。
图4所示为在第一和第二实施方案中所描述的浓缩装置100的另一个实例。
如图4(a)中所示，样品进料通道300可以具有侧壁包括多个滤出液排出通道302的结构。此处，在滤出液排出通道302的入口提供了过滤器304，以使只有被加入样品进料通道300中至滤出液排出通道302的样品中的溶剂流动。因此，随着样品穿过样品进料通道300，所述样品逐渐被浓缩，最终可以回收到高度浓缩的样品。
如图4(b)中所示，样品进料通道300可以具有侧壁包括多个柱型物341的结构。再如图4(a)中所示，只有被加入样品进料通道300的样品中的溶剂穿过柱型物341，然后被排出。因此，随着样品穿过样品进料通道300，样品逐渐被浓缩，最终可以回收到高度浓缩的样品。
(第三实施方案)图5所示为本发明第三实施方案中溶剂置换装置130的结构。在此实施方案中，溶剂置换装置130也可以是微芯片。如图5(a)中所示，在此实施方案中，通道112包括在流动方向的过滤器324，其中所述通道分支为第一溶剂通道320与第二溶剂通道322。为防止特殊组分的通过，过滤器324具有足够小尺寸的细孔。
过滤器324可以是通过焙烧氧化铝、硅酸钠水溶液(水玻璃)或胶体颗粒而制备的多孔薄膜，以及通过使聚合物溶胶凝胶化而制备的聚合物凝胶薄膜，或多个柱型物。多个的柱型物可以按照图13至15的第一实施方案中所述形成。
含溶剂A与特殊组分的样品被引入到由此构建的溶剂置换装置130中的第一溶剂通道320中，同时置换溶剂B被引入到第二溶剂通道322中。此处，样品与溶剂B是从通道112两个相反的末端逆向加入的。
此处，溶剂置换装置130可以进一步包括对引入第一溶剂通道320与第二溶剂通道322中的样品施加外力的外力施加装置。外力施加装置可以是能够为溶剂第一通道320与溶剂第二通道322独立提供的泵。因此，每个通道中的样品可逆向地流动，而施加给样品的外力可以改变。
因此，随着溶剂A和B每一种的扩散，通道112中溶剂A与B分布量的比变为如图5(a)中所示。即，在图的上边接近样品入口处基本上主要是溶剂A，而在图的下边接近置换溶剂入口处基本上主要是溶剂B。此处，随着样品中的组分310在第一溶剂通道320中的运动，溶剂B在第一溶剂通道320中的浓度增加。因为通道112包含过滤器324，所以组分310不穿过过滤器324，而是在此图中向下的第一溶剂通道320中移动。因此，组分310可以逐渐为溶剂B所包围，最终导致溶剂置换。
此处，如图5(b)中所示，当对样品的进料压力高于对溶剂B的进料压力时，可以提高第一溶剂通道320中组分310的传播速度，以便样品中的特殊组分可以被浓缩与回收。还有，就图5(a)中所示的情况而论，图中向下的方向上溶剂B的丰度增加，以便溶剂可以被置换。
图6示意性表示本实施方案中溶剂置换装置130的结构。第一溶剂通道320分别在此图的上边与下边包含了样品进料部分326与样品回收部分328。第二溶剂通道322分别在此图的上边与下边包含了溶剂排出部分332与溶剂进料部分330。如参考图5中所述，当溶剂A与组分310被从样品进料部分326引入且溶剂B被从置换溶剂进料部分330逆流引入时，随着组分310在第一溶剂通道320中移向样品回收部分328，溶剂B在第一溶剂通道320中的丰度逐渐增加。因此，组分310可以被回收，如在样品回收部分328中的溶剂B中。
在此实施方案中，可以采用更简单的结构来置换溶剂及浓缩特殊组分。此外，因为过滤器324是沿通道112的流动方向形成的，所以可有利地将样品中组分的堵塞减至最少。另外，因为随着样品中的组分在第一溶剂通道中的运动而使溶剂置换，所以所述组分可以在置换后被溶剂洗涤，也可以被脱盐。
参考图18，以下将描述在本实施方案中使用聚合物凝胶薄膜325作为过滤器324的实例。此处，溶剂置换装置130中的通道112被隔膜165a和165b分为第一溶剂通道320与第二溶剂通道322。聚合物凝胶薄膜325被布置在隔膜165a和165b之间。此处，聚合物凝胶薄膜具有许多尺寸为1nm的细孔。现有的纳米机械加工(nanomachining)技术不能形成尺寸为1nm的细孔。因此，在本实施方案的溶剂置换装置130中，利用聚合物凝胶薄膜325中的细孔作为连接第一溶剂通道320与第二溶剂通道322的过滤器。
使用由此形成的过滤器324，样品中尺寸为1nm或更小的物质可以穿过聚合物凝胶薄膜325。因此，它就可以防止尺寸大于1nm的组分穿过过滤器324进入第二溶剂通道322。
聚合物凝胶薄膜325的制备如下将给定浓度的聚合物溶胶倾倒在隔膜165a与165b之间。此处，隔膜165a与165b没有被涂层所覆盖，而剩余的区域被疏水性涂层覆盖。因此，聚合物溶胶保留在第二溶剂通道中322中而不会溢流进第一溶剂通道320或第二溶剂通道322中。通过保持在这种状态，使聚合物溶胶凝胶化以形成聚合物凝胶薄膜325。聚合物溶胶的实例包括聚丙烯酰胺、甲基纤维素及琼脂糖。
本实施方案的分离器能够浓缩尺寸为例如约1nm的小蛋白质。即使通过纳米机械加工技术可以得到甚至更小尺寸的细孔，也可以用聚合物凝胶薄膜325来利用更小尺寸的细孔作为过滤器。
可以使用与聚合物凝胶薄膜325不同的多孔材料，这些材料包括通过焙烧硅酸钠水溶液(水玻璃)而制备的多孔薄膜，或通过焙烧胶体颗粒如氢氧化铝溶胶和氢氧化铁胶体溶胶而制备的多孔薄膜。
或者，可以通过以下程序来形成具有尺寸为几个纳米的细孔的过滤器，所述的程序将通过参考图19和20来描述首先，如图19(a)中所示，在绝缘基材101如玻璃和石英中形成通道112。然后，如图19(b)中所示，在通道112的中间形成具有开口的光致抗蚀剂图案351，然后如图19(c)中所示，通过例如蒸汽沉积使铝沉积，以形成过滤器324和厚度为几微米的铝层352。随后，除掉铝层352与光致抗蚀剂图案351，以提供如图19(d)中所示的在通道112中有铝过滤器324的基材101。过滤器324的高度与通道112的深度相同。
下一步，如图20(e)中所示，使电极353与过滤器324接触，同时将其沿通道112中的流动方向按压基材101。然后，如图20(f)中所示，将电解质溶液354如硫酸引入至一个通道中，且将电极布置在所述通道的末端，以使电极浸渍在电解质溶液中。用电极353作为阳极，通道末端的电极作为阴极，施加电压，以进行阳极氧化。持续氧化直到电流停止。结果，得到了如图20(g)中所示的由氧化铝制造的过滤器324d。然后，将盐酸加入另一个通道中，以溶解与除掉剩余未氧化的铝。其后，如图20(h)中所示，在基材101上形成涂层180，以提供分离器。
图21所示为由图20(g)中由氧化铝制造的过滤器324d的放大图。如此图中所示，隔膜是氧化铝薄膜，其中管状的凹面355规则地形成。氧化铝薄膜具有口径为约0.1nm的格子，因此，只有离子可以穿过所述的薄膜。因此，即使非常小尺寸的蛋白质也可以被浓缩。
虽然在上述描述中，如图20(f)中所示，只在一个通道中加入电解质溶液354的同时进行了阳极氧化，但可以在将电解质溶液加入至两个通道中，以在隔膜中形成穿透性细孔的同时进行阳极氧化。因为由此形成的穿透性孔的尺寸为1至4nm，所以可以适宜地将含这种隔膜的分离器用于浓缩蛋白质。
图22示意性表示根据本发明作为微芯片的溶剂置换装置130的结构。该装置具有在基材101上形成了第一溶剂通道320和第二溶剂通道322，在所述通道之间插入过滤器324的结构。过滤器324含有多个给定间距的细孔。在第一溶剂通道320和第二溶剂通道322的两端，提供了具有图23中所示形状的接头168a至168d，通过这些接头与泵相连接(未显示)。泵对第一溶剂通道320和第二溶剂通道322中的溶剂施加外力，以使其按给定的方向运动。虽然在此实施方案中，使用泵作为外力施加装置来移动溶剂或溶剂中的组分，但是当然也可以使用其它类型的外力施加装置。例如，可以对通道施加电压，其中所述的接头具有如图24中所示的结构。
图25为具有如图22中所示结构的溶剂置换装置130中的过滤器324详图，其中在基材101上，形成了第一溶剂通道320和第二溶剂通道322，在所述通道之间插入了过滤器324。
(第四实施方案)图7所示为本发明第四实施方案中溶剂置换装置130的结构。当特殊组分带有电荷时，可以有效地使用这种结构的装置。同样，在此实施方案中，溶剂置换装置130可以是微芯片。
通道112包括电极334。所述电极334带有与将要浓缩的特殊组分336相反极性的电荷。例如，当要浓缩蛋白质或DNA分子时，这些分子通常带有负电。因此，此处，在将样品加入通道112的同时，给所述电极334充以正电。因此，如图7(a)中所示，样品中的组分336粘附到电极334的表面上，而溶剂A在通道112中流动。由此，组分336可以被浓缩到接近电极334的电极334表面上。
下一步，如图7(b)中所示，加入溶剂B。此处，电极334可以保持为带有正电荷，以只洗涤出粘附到组分336表面的溶剂A与其它不需要的组分，同时组分336仍然粘附在电极334的表面上。
在彻底地用溶剂B洗涤后，如图7(c)中所示，停止对电极334施加电压，或颠倒电压，使粘附到电极334上的组分336被释放开，然后从通道112排出。
图8为图7中所示溶剂置换装置130的剖面图。电极334连接到在基材101后表面上的互联338上，据此可以施加电压。所述溶剂置换装置130包括涂层材料340。
在本实施方案中，电极334可以由例如以下所描述的程序来制备。图9是举例说明制造本实施方案中溶剂置换装置130的方法的剖面图。首先，制备包括用于安装电极的区域的模具173(图9(a))。然后，将电极334安装在所述模具173上(图9(b))。电极334可以由例如Au、Pt、Ag、Al或Cu制成。下一步，将盖模179放置在模具173之上，以固定电极334。然后，将将要成为基材101的树脂177注射进模具173中并模制(图9(c))。树脂177可以是，例如，PMMA。
将由此而形成的模塑树脂177从模具及盖模中移开，得到含通道112的基材101(图9(d))。通过灰化除掉电极334表面上的杂质，以便使基材101后表面上的电极334暴露。然后，使金属薄膜蒸汽沉积到基材101的后表面上，以形成互联338(图9(e))。因此，电极334可以在通道112中形成。由此形成的电极或互联338与外部电源(未显示)相连接，以供施加电压。
如第二实施方案中所述，可以在如图28中所示的通道中提供电极334。它可以防止不同溶剂与其它组分混合，并使得能够进行精确的浓缩和溶剂置换。
在通道112中形成的电极334可以包括图10中所示的多个柱型物。图10(a)为通道112的透视图，图10(b)和图10(c)为其剖视图。同样，电极334可以按如上所述来形成。当电极334包括多个柱型物时，表面积会增加，所以很多组分336的分子会粘附到电极334的表面。如图10(b)和10(c)中所示，电极334a至334d分别连接到互联342a至342d。因此，多个电极334a至334d独立地受到控制。首先，如图10(b)中所示，对电极334a至334d的全部充以与组分336的极性相反的电荷，以使组分336的许多分子粘附到电极334a至334d的表面。然后，如图10(c)中所示，例如，只对电极334b充以与组分310的极性相反的电荷，而其它电极334a、334c和334d充以与组分310的极性相同的电荷。因此，所有粘附到这些电极334a至334d的组分310的分子聚集到电极334b，所以组分336可以被浓缩至进一步更高的浓度。
或者，在通道112中形成的电极334可以由多个如图11中所示的稍稍倾斜的山状突出物所构成。图11(a)和(b)分别是通道112的透视图与平面图。这样的结构是优选的，因为它可以减少相邻电极之间的相互作用，且组分336可以在每个电极上高效地回收。
电极334可以按图29中所示布置。如图29(a)中所示，该电极具有含孔口333a的多个电极板333，样品可以穿过所述的孔口，所述的电极板在通道112中流动方向的间距为D。此处，放置单独的电极板333，以使间距D大于通道112的宽度W，更优选为通道112宽度W的至少两倍。这样的结构可以防止由于电极334之间电通量线的影响而导致样品不能进入电极333之间的现象。在电极板333中形成的孔口333a具有足够大的尺寸，这使得样品能够穿过它们。或者，如图29(b)中所示，电极334的反电极335可以布置在充有与样品极性相反电荷的电极334之间。因此，样品向着布置在反电极335两侧的电极334的任何一个移动，所以可以增加粘附到电极334的样品的量。
还有，在本实施方案中，当特殊组分通过被粘附到电极334表面而浓缩时，溶剂可以被置换。而且，因为粘附到电极334的特殊组分可以被置换溶剂洗涤，所以特殊组分可以被脱盐。
上述实施方案中所描述的浓缩装置与溶剂置换装置可被用于MALDI-TOFMS的预处理中。将描述用于MALDI-TOFMS的蛋白质样品的制备与测量，以作为实例。
为了获得将由MALDI-TOFMS测量的蛋白质的详细数据，蛋白质的分子量必须降低至约1000Da。
当目标蛋白质具有分子内二硫键时，使样品在含有还原剂如DTT(二硫苏糖醇)的溶剂如乙腈中进行还原。因此，下一步的分解反应可以高效率地进行。优选在还原反应后，硫醇基团通过例如烷基化而得到保护，以防止重新氧化。本实施方案中的微芯片可以被用于在这种反应后用磷酸盐缓冲液、蒸馏水等来置换溶剂如乙腈。
下一步，用蛋白质水解酶如胰蛋白酶使减小了的蛋白质分子经受分子量减小。因为分子量减小是在缓冲液如磷酸盐缓冲液中进行的，所以在反应后进行适当的处理，如去除胰蛋白酶与脱盐。然后，将蛋白质分子与用于MALDI-TOFMS的基质混合，和干燥混合物。
可恰当地根据将要测量的材料而选择MALDI-TOFMS基质。可使用的基质的实例包括芥子酸、α-CHCA(α-氰基-4-羟基肉桂酸)、2，5-DHB(2，5-二羟基苯甲酸)、2，5-DHB与DHB(5-甲氧基水杨酸)的混合物、HABA(2-(4-羟基苯偶氮基)苯甲酸)、3-HPA(3-羟基吡啶甲酸)、1，8，9-蒽三酚、THAP(2，4，6-三羟基苯乙酮)、IAA(反式-3-吲哚丙烯酸)、吡啶甲酸及烟酸。
本实施方案中的微芯片可以在基材上形成，其中，例如分离器和干燥装置可以分别在上游一侧和下游一侧形成，这使得该基材在MALDI-TOFMS装置中按原样放置。因此，可以在一块基材上实现分离、预处理、干燥与结构分析。
将干燥过的样品放置在MALDI-TOFMS装置中，施加电压并用例如氮气激光束在337nm辐照，以由MALDI-TOFMS进行分析。
以下将简单地描述本实施方案中使用的质谱仪。图16示意性地说明了质谱仪的构造。在图16中，干燥的样品被放置在样品台上。然后，在真空中用波长337nm的氮气激光束辐照样品，以使干燥的样品以及基质气化。通过使用样品台作为电极来施加电压，气化的样品在真空气氛中运动，并被包括反射器检测器、反射器及直线检测器的检测单元所检测。
图17所示为本实施方案中包括分离器或溶剂置换装置的质谱分析系统的方块图。该系统包括实现如下步骤的装置用于从样品1001中去除污染物至一定程度的纯化1002，用于除掉不需要的组分1004的分离1003，分离过的样品的预处理1005，及预处理过的样品的干燥1006。在这些步骤后，通过质谱分析进行鉴别1007。从纯化1002至干燥1006的步骤可以在一块微芯片1008上实现。
本实施方案的微芯片与实施一部分预处理1005步骤的装置对应。
因此，在本实施方案的质谱分析系统中，通过在一块芯片1008上连续地处理样品，可以在减少损失的情况下高效可靠地鉴别即使痕量的组分。
已通过参考一些实施方案而描述了本发明。本领域的技术人员将会理解这些实施方案只是为了举例说明而已，所述组分与制造方法的组合还存在着很多的变化形式，而这些都是为本发明所包括的。
第一与第二实施方案中的过滤器304也可以是通过如第三实施方案中所描述的，通过焙烧氧化铝、硅酸钠水溶液(水玻璃)或胶体颗粒而制备的多孔性的薄膜，或者通过使聚合物溶胶凝胶化而制备的聚合物凝胶。
(实施例)以下将描述本发明的一个实施例。
在此实施例中，制备并评价在芯片100上具有如图30中所示结构的浓缩/置换装置。通道112为玻璃盖所遮盖。由柱型物组成的过滤器304被布置在样品进料通道300与滤出液排出通道302之间。另外，提供了废物通道305以排出多余的溶液。用硅氮烷使样品回收部分308疏水化。
在本实施例中，所述的柱型物是通过第一实施方案中描述的机械加工方法形成的。样品进料通道300与废物通道305的宽度为40μm，滤出液排出通道302与样品回收部分308的宽度为80μm，且通道112的深度为400nm。
图31为形成为过滤器304的柱型物105的扫描电子显微图像，其中宽度为3μm的条纹按照700nm的行距排列与条巷之间的间距为1μm。
图32所示所示为此实施例显微图像的浓缩/置换装置(光学显微图像)。图33所示所示为利用毛细管作用向其中引入水的浓缩/置换装置。水不进入硅氮烷处理过的样品回收部分。
在此实施例中，所述浓缩/置换装置被用来按以下所述的浓缩及溶剂置换DNA。
向样品进料通道300中，引入含有用荧光染料染色的DNA(9.6kbp)的水。图34所示为含DNA水流入的荧光显微图像。DNA在硅氮烷处理过的样品回收部分(通道)308中不存在。此外，因为柱型物间间距狭窄，DNA沉积在过滤器304上且过滤器逐渐阻塞，以致于水变得难以进入滤出液排出通道302。因此，多余的含DNA的水被引导至废物通道305。然后，将乙醇引入至样品进料通道300中。
图35所示为在通道112中流动的DNA与乙醇运动的荧光显微图像。乙醇在硅氮烷处理过的样品回收部分308中流动，且样品回收部分308中的通道比废物通道305更宽。因此，在过滤器上沉积和浓缩的DNA被优先引入至样品回收部分308中，然后泄漏到样品回收通道的出口。将基材放置到超声波振动器上以破碎DNA。然后，干燥样品以自然蒸发溶剂。随后，将几微升的基质滴加到泄漏到样品回收通道出口的DNA，然后用MALDI-TOFMS分析样品。由此而得到DNA的分析结果。
如上所示，此实施例说明，得到了可以浓缩与溶剂置换DNA的浓缩/置换装置。
如上所述，本发明可以提供一种以更高的浓度浓缩与回收样品中特殊组分的技术。本发明还提供了一种在保持特殊组分在样品中浓缩的同时置换溶剂的技术。本发明还提供了一种在保持特殊组分在样品中浓缩的同时除去样品中不需要的组分如盐的技术。本发明也提供了一种在微芯片上实现这些方法的技术。
权利要求
1.一种基材上的微芯片，该微芯片包含用于含特殊组分的液体样品的通道，及在所述通道中提供的样品进料部分，其中，所述通道分支为第一通道和第二通道，在所述样品进料部分的所述第一通道的入口有防止所述特殊组分通过的过滤器，在所述样品进料部分的所述第二通道的入口有防止所述液体样品通过、同时使所述液体样品在被施加了与给定值相等或更大的外力时通过的堰塞区。
2.权利要求1所述的微芯片，其中所述的堰塞区为疏液区。
3.权利要求1或2所述的微芯片，其中穿过所述过滤器的所述液体样品靠毛细管作用移动。
4.权利要求1至3任何一项所述的微芯片，其中所述的第一通道进一步包含在所述过滤器下游、防止液体流进所述第一通道的流入停止器。
5.权利要求4所述的微芯片，其中在预定量的液体进入所述第一通道时，所述的流入停止器防止液体流进到所述第一通道中。
6.权利要求4或5所述的微芯片，进一步包含施加外力的装置，以对流经所述通道的液体样品施加外力，其中所述的外力施加装置施加外力到样品上，使得当进入所述第一通道的液体流入被所述流入停止器阻止时，所述液体样品从所述疏液区之上流进所述第二通道。
7.权利要求1至6任何一项所述的微芯片，其中所述的过滤器包含多个柱型物。
8.权利要求1至6任何一项所述的微芯片，其中所述的过滤器为氧化铝、多孔薄膜或聚合物凝胶薄膜。
9.一种基材上的微芯片，该微芯片包含用于含特殊组分的液体样品的通道，及多个沿所述通道侧壁的排出通道，其中所述的排出通道防止所述的特殊组分通过。
10.一种基材上的微芯片，该微芯片包含用于含特殊组分的液体样品的通道，及为防止所述特殊组分的通过、阻止在所述通道中的流动而布置的过滤器，其中所述的通道包含分支的部分，其由在一侧的样品进料部分与样品回收部分，及在另一侧的溶剂进料部分所构成。
11.权利要求10所述的微芯片，进一步包含在与所述过滤器另一侧中的所述溶剂进料部分不同位置布置的排出部分，穿过所述过滤器的所述液体样品通过它而被排出。
12.权利要求11所述的微芯片，其中穿过所述过滤器的所述液体样品靠毛细管作用移动。
13.权利要求10至12任何一项所述的微芯片，其中所述的溶剂进料部分包含防止液体从所述过滤器的方向进入，同时促进液体向所述过滤器排出的堰塞区。
14.权利要求10至13任何一项所述的微芯片，其中所述的样品进料部分包含防止液体从所述过滤器的方向进入，同时促进液体向所述过滤器排出的堰塞区。
15.权利要求13或14所述的微芯片，其中所述的堰塞区为疏液区。
16.一种基材上的微芯片，其含有通道，该通道包含含特殊组分的液体样品在其中流动的第一通道，和沿所述第一通道延伸的第二通道，以及介于所述第一通道与所述第二通道之间防止所述特殊组分通过的过滤器，其中所述第一通道包含在流动方向的上游、用于加入所述液体样品的样品进料部分，且所述第二通道包含在对应于所述第一通道中流动方向下游位置的置换溶剂进料部分。
17.权利要求16所述的微芯片，进一步包含施加外力的装置，其在不同的方向对所述第一通道与所述第二通道施加外力。
18.权利要求17所述的微芯片，其中所述的外力施加装置对所述第一通道施加比对所述第二通道更大的外力。
19.一种基材上的微芯片，其包含用于含特殊组分的液体样品的通道，及在所述通道中形成的电极，其中所述电极带有与所述特殊组分不同极性的电荷。
20.一种使用权利要求1至8任何一项所述的微芯片来浓缩液体样品中特殊组分的方法，该方法包含如下步骤施加外力，该外力足以将含有所述特殊组分与溶剂的液体样品加入所述样品进料部分中，但该外力不足以使所述液体样品穿过所述的堰塞区；施加与加入所述液体样品至所述样品进料部分的所述步骤中所施加外力相当的外力，使得在给定的周期内所述溶剂或其它溶剂被引入所述样品进料部分中；和阻止所述液体流进所述第一通道。
21.权利要求20所述的浓缩方法，其中在阻止所述液体流进所述第一通道的所述步骤中，施加比任何其它步骤中所使用的更大的外力。
22.一种使用权利要求1至8任何一项所述的微芯片来置换含特殊组分的液体样品中溶剂的方法，该方法包含如下步骤施加外力，该外力足以将含有所述特殊组分与第一溶剂的液体样品加入所述样品进料部分中，但该外力不足以使所述液体样品穿过所述的堰塞区；施加与加入所述液体样品至所述样品进料部分的所述步骤中所施加外力相当的外力，使得在给定的周期内将与所述第一溶剂不同的溶剂加入到所述样品进料部分中；和阻止所述液体流进所述第一通道。
23.权利要求22所述的置换溶剂方法，其中在防止液体流进所述第一通道中的所述步骤中，施加比任何其它步骤中所使用的更大的外力。
24.一种使用权利要求10至15任何一项所述的微芯片浓缩液体样品中特殊组分的方法，该方法包含如下步骤将含所述特殊组分与第一溶剂的液体样品引入至所述的样品进料部分中；和通过从溶剂进料部分引入另一种溶剂来从所述样品回收部分回收所述的特殊组分。
25.权利要求24所述的浓缩方法，该方法进一步包含从所述样品进料部分加入溶剂之一的步骤，所述的步骤在加入所述的液体样品和回收所述液体样品的步骤之间。
26.一种使用权利要求10至15任何一项所述的微芯片置换含特殊组分的液体样品中溶剂的方法，该方法包含如下步骤将含所述特殊组分与第一溶剂的液体样品加入所述的样品进料部分中；和通过从所述溶剂进料部分加入与所述第一溶剂不同的第二溶剂来从所述样品回收部分回收所述的特殊组分。
27.权利要求26所述的置换溶剂的方法，该方法进一步包含从所述样品进料部分加入所述第二溶剂的步骤，所述的步骤在加入所述的液体样品和回收所述的液体样品之间。
28.一种使用分离器来置换液体样品中溶剂的方法，该分离器包含用于含特殊组分的液体样品的第一通道和第二通道，及介于所述通道之间的过滤器，该方法包含如下步骤在所述第一通道中按第一方向移动含所述特殊组分和第一溶剂的液体样品；和同时在所述第二通道中按照与所述第一方向不同的方向移动所述的第二溶剂，其中所述第二溶剂与所述第一溶剂的比率随所述液体样品在所述第一通道中的移动而增加。
29.权利要求28所述的置换溶剂的方法，其中所施加的用于在所述第一通道中按所述第一方向移动含所述特殊组分和所述第一溶剂的所述液体样品的外力比用于在所述第二通道中按照与所述第一方向不同的方向移动所述第二溶剂的外力更大，以在所述第一通道的下游浓缩所述的特殊组分。
30.一种使用包含电极的通道置换含特殊组分的液体样品中溶剂的方法，该方法包含如下步骤将含所述特殊组分和所述第一溶剂的液体样品加入到所述通道中，同时用与所述特殊组分相反的极性给所述电极充电；将第二溶剂加入到所述通道中，同时保持所述电极的所述电荷；和给所述电极放电，并回收所述的特殊组分及所述的第二溶剂。
31.权利要求30所述的置换溶剂的方法，其中所述的电极带有与所述回收步骤中所述特殊组分相同极性的电荷。
32.一种质谱分析系统，该系统包含预处理装置，借助于分子大小或性质来分离生物样品，同时预处理所述样品以用于准备酶消化；酶消化所述预处理样品的装置；干燥所述酶消化样品的干燥装置；和质谱分析装置，用于借助于质谱分析来分析所述干燥样品，其中所述的预处理装置包含权利要求1至19任何一项所述的微芯片。
全文摘要
一种可以从样品以高的浓度回收特殊组分、并进行溶剂置换的质谱分析系统。浓缩装置(100)被安装在微芯片上，其中结合有用于特殊组分流动的通道(112)。通道(112)由样品入口通道(300)、从样品入口通道(300)分支的滤出液排出通道(302)、及从样品入口通道分支的样品回收部分(308)构成。阻止特殊组分经过的过滤器(304)被安装在样品入口通道(300)的滤出液排出通道(302)。在样品入口通道(300)的样品回收部分(308)入口，安装了堰塞区(疏水区)(306)，以阻止液体样品的进入，以及在提供了特定值或更大的外力下使液体样品通过。
文档编号B03C5/00GK1723075SQ200380104650
公开日2006年1月18日 申请日期2003年11月28日 优先权日2002年11月29日
发明者马场雅和, 佐野亨, 饭田一浩, 川浦久雄, 井口宪幸, 服部涉, 染谷浩子, 麻生川稔 申请人:日本电气株式会社