公开了装置与技术，它们涉及多维动电、介电电泳、电泳和流体力和作用的结合以供在高传导率（离子）强度的生物样品和缓冲液内分离细胞、纳米囊泡、纳米粒状物和生物标记（ＤＮＡ、ＲＮＡ、抗体、蛋白质）。在所公开的实施方案中，连续和／或脉冲的介电电泳（ＤＥＰ）力，连续和／或脉冲的场ＤＣ电泳力，微电泳和受控流体的结合与电极阵列一起使用。特别地，使用具有腔室的ＤＥＰ装置和合适地成比例的相对较大电极阵列装置（它结合流体、电泳和ＤＥＰ力）使得能更加直接、快速和有效地分析较大和／或临床相关体积的血液、血清、血浆或其他样品。本发明专利技术能产生“无缝”的取样－反馈诊断系统和装置。所述的装置和技术也可进行分子、聚合物、纳米组分和中等规模实体辅助自组装成三维较高阶的结构。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】分离并离析细胞、囊泡、纳米颗粒和生物标记的离体多维系统相关申请的交叉参考本申请要求2008年4月3日提交的标题为“Ex-Vivo Multi-Dimensional System for the Separation and Isolation of Cells, Vesicles, Nanoparticles and Biomarkers”的美国临时申请No. 61/042228的权益，其公开内容在此通过参考全文引入。关于在联邦资助研究和开发下进行的专利技术的权利的声明这一研究工作得到NIH Grant/Contract CA119335支持。美国政府可在本专利技术中 具有一定的权利。专利技术背景在生物分子研究和临床诊断中，重要且具有挑战的是分离并鉴定在复杂流体样 品，例如血液、血浆、血清、唾液和尿液内的稀有细胞、细菌、病毒和生物标记(例如DNA、 RNA、抗体、其他蛋白质等)。另外，生物纳米技术的来临导致许多药物传输方法，所述方法涉 及包封药物和成象试剂在纳米囊泡和纳米颗粒内。这些方法意味着同样重要的是鉴定并分 离保留在血液流体内的残留的纳米囊泡和纳米颗粒。各种物理、电子和生物技术和装置可 用于从复杂样品，例如血液中样品分离和离析特定细胞、纳米囊泡和生物分子。这些技术和 装置包括离心、凝胶过滤、亲和结合、DC电泳和掺入到芯片实验室内的各种结合物，微流体 装置，和采样-反馈(sample-to-answer)系统。许多这些常规技术(或其结合)是相对耗时的工艺，它们不是没有问题和局限性。 特别地，离析稀有细胞(癌细胞、胎细胞和干细胞)，数量少的细菌和病毒或数量非常少的 特异性抗体、蛋白质、酶、DNA和RNA分子仍然困难。在临床诊断情况下，稀有细胞和生物标 记的检测也可受到样品大小的局限，即从非常虚弱的患者、老年人和婴儿中可抽取仅仅相 对小量的血液。因此，低效或要求高度稀释初始样品的制样过程常常不能或无法可靠地在 较低浓度范围内离析细胞和其他与疾病有关的标记。对于早期检测癌症、残余(residual) 疾病、在母亲血液内的胎儿细胞/DNA/RNA，和在血液内检测细菌和病毒(脓毒性感染)，以 及检测数量少的病原体(例如细菌、病毒等)和在大体积的空气、水中或食品内的生物恐怖 试剂检测来说，这尤其是问题。交流电的动电技术涉及使用AC场掌控(manipulate)细胞和纳米颗粒，该技术 提供一些特别吸引人的装置来分离细胞，生物标记(DNA，蛋白质和最终药物传输的纳米囊泡。这些技术可分成三 种不同的现象=(I)AC电渗，它是由于在电极上的表面电荷导致的表面流体流动；(2)电热 流，它是由于电场产生的热梯度导致在溶液内的整体(bulk)流动；和(3)介电电泳(DEP)， 它是在AC电场内颗粒和介质之间的电介质差产生的颗粒的诱导运动。遗憾 的是，DEP和相关的动电效应的大多数常规形式的问题是，限制了这些技术用于临床相关制 样和诊断中的有效性。首先，就速度和选择性控制来说，有效的DEP分离通常必须在数量级为 < 10-100mS/m的相对低的传导率下进行。另外，当溶液的离子强度增加和传导率大于10mS/m时，在正或DEP高场区域内(通常在电极周围或电极上)离析所需实体 /分析物，例如纳米颗粒或DNA生物标记的能力更加困难。因此，离子强度在100-200mM范 围内的生物样品，例如血液或血浆(传导率 500-1000mS/m)在DEP分离之前，必须显著 大地稀释和/或加工。仅这一点就常常限制了涉及检测稀有细胞或数量 少的生物标记的DEP临床诊断的有用性。在其中样品(Iml血液)必须稀释100-1000倍的 情况下，意味着必须加工非常大的样品体积，这可能是极其耗时的。若首先通过物理装置， 例如离心或过滤浓集细胞，然后在低传导率的缓冲液内稀释，则这些方法不仅耗时，而且高 成本，并引起对样品的显著干扰。在其中DEP可用于干细胞分离的情况下，稀释到低的离子 强度的较少生理类型的缓冲液可导致敏感干细胞的干扰，且可影响它们进一步的分化。从 血液中离析DNA、RNA和蛋白质生物标记对于将来临床诊断，尤其监控癌症的化疗、后遗疾病和早期诊断癌症也是重要的。尽管DEP用于分离DNA和蛋白质，但在使用DEP进行血液内DNA检测中确实存在 问题和局限性。第一个问题还是，在DEP分析之前，需要稀释和/或加工血液样品。在临床 相关的无细胞循环血液内DNA和RNA生物标记的情况下，重要的是发现并测量DNA/RNA的 含量，其大小和基本组成(突变和多态现象)。涉及或要求离心、过滤和 洗涤工序的样品加工，由于在该过程中正常细胞受损或溶解，这可引起DNA分子释放以及 临床相关的DNA剪切成较小的碎片。胞外DNA片段的释放和加工损坏临床相关的DNA大大 地牺牲并限制了使用这些工序的诊断价值。这一样品加工也是高度低效的，多达60%血液 内的DNA且超过90%的RNA可在该工序过程中损失。第二个问题是，用于DNA、蛋白质和纳米颗粒分离的大多数DEP分离装置或者使用 多项金微电极(由在电极之间非常小的距离，小于或等于6微米，产生的)充当颗粒阱；或 者使用在它们之间隔开6-8微米或更少的城堡状金微电极阵列。通常通 过溅射金到玻璃基底材料上，制备这些金微电极阵列装置。还存在涉及使用纳米电极的许 多DEP方法。这些方法的问题是阵列固有地具有低的流通量，因为捕获DNA或其他生 物分子的实际空间相对小，且当离纳米电极的距离增加(例如，> lOnm)时，电场效应显著 下降，若这类装置放大用于制样(例如，加工I-IOml血液)，则可通过电极附近有限的DEP 场询问(interrogate)的实际样品面积意味着大多数DNA会漏失，或者要求极长的样品加 工时间。若设计装置以限制流体在纳米电极的数十纳米以内流动，则加工时间极长，或者要 求大规模(x_y维度)的装置。存在各种其他问题，其中包括由于其他动电效应和渗滤力导 致不受控制的流体旋涡流动。在其他DEP应用中，使用圆形钼微电极(50微米-80微米的 直径)和约200微米的间隔并用多孔水凝胶罩面涂布的阵列还用于进行从血液中DEP分离 细菌，和分离癌细胞。再者，对于这些DEP分离来说，离心血液样品并将 小部分的细胞再悬浮在低离子强度的缓冲液内。AC动电技术的第三个一般问题是，所得灵敏度vs特异性之比常常没有足够高到 可进行重要或临床相关的分离。对于使用介电电泳(DEP)的细胞分离来说，难以在百万分 之一的比值下进行有效的稀有细胞分离。由于许多早期疾病诊断要求稀有细胞或低含量 生物标记的检测，因此重要的是能尽可能改进灵敏度vs特异性之比。一般地，大多数DEP 装置没有合适地成比例放大，以应对稀有细胞或低水平生物标记的离析和检测的临床现实 性，其中对于简单的统计原因来说，可能需要I-IOml血液的相对大的样品。当设计用于大5样品的DEP装置时，它们通常低效，且不能在高传导率条件下操作，因此要求进一步的样品 稀释。AC动电技术的第四个问题是在复杂的生物样品(例如血液、血浆、血清等)内进 行分析物和生物标记的有效和高度选择分离方法，所述分析物和生物标记包括稀有细胞、 细菌、病毒、DNA、RNA和蛋白质，其中所有实体可具有尺寸范本文档来自技高网...
【技术保护点】
分离样品流体内的生物材料的样品加工装置，该装置包括： 至少一个入口，所述入口接收样品流体流并导引样品流体流到电极阵列上；和 至少一个出口，所述出口接收来自电极阵列的样品流体流； 其中电极阵列包括多个电极，其构造使得至少一个子部分的电极可荷电不同于其余子部分的电极，从而根据不同荷电的电极，建立电极的不同荷电的介电电泳（ＤＥＰ）力区域，并根据不同荷电的ＤＥＰ力区域，引发生物材料的分离。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：M海勒，B苏利文，R克里什南，D卡尔森，S艾森纳，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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