用於樣品製備和分析的集成式生物晶片系統的製作方法

2023-05-11 05:57:11

專利名稱：用於樣品製備和分析的集成式生物晶片系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及對樣品的分析，尤其是在晶片上處理和分析樣品。具體地說，本發明是使用一個集成式的晶片系統來處理和分析樣品。該系統包含一個或多個晶片；在晶片上，樣品，例如生物細胞或是生物分子，可以使用外加的物理作用力進行處理和操縱。
背景技術：
對微粒(特別是對生物材料)的操縱可以為生物醫學領域的研究帶來便利。其中對單個癌細胞進行操縱的技術相當重要，它能使研究者在精心控制的環境中研究單個癌細胞或一組癌細胞與被選擇藥物之間的相互作用。有多種不同的力可以用以操縱微粒，包括光學力、超聲力、機械力和流體力。例如人們已經成功的利用流式細胞儀來對細胞進行分類和鑑定。另一個例子就是在生物學和生物醫學實驗室中，離心技術被廣泛使用，以處理生物樣品。
目前在生物學和生物醫學應用領域中的趨勢是生物分析設備和器件的自動化與微型化。基於生物晶片的微流體技術的研究開發受到了特別的關注。生物晶片是指一塊固體基片，在其表面上可進行生物/生化/化學反應和處理過程。基片是一片可以為不同形狀，如矩形、圓形、橢圓形或其它形狀的薄片。可以在基片上集成或製作出不同的結構(如管道、槽、電極元件等)以進行生物/生化/化學反應或處理。生物晶片和微流體領域研究者的一個重要目標就是開發出完全自動化、集成化的設備，以實現一系列的生物/生化反應和步驟。最佳情況是，這種集成器件能處理天然的、原初的生物樣品(如血液、尿液)以分離靶微粒或生物微粒(如血液中的癌細胞、孕婦血液中的胎兒成核細胞、尿液中的某種細菌)；分離後的靶微粒可以經過進一步處理得到細胞組分(如靶細胞經胞解釋放出生物分子，如DNA、mRNA、蛋白質分子等)；然後感興趣的細胞組分再被分離、處理(如對分離出的DNA分子中的目標序列通過聚合酶鏈式反應，即PCR進行擴增)；最後，對反應產物進行一定形式的檢測/測量/定量(如對PCR擴增的DNA片段進行雜交反應，用螢光法檢測雜交結果)。很明顯，在生物晶片上處理和操縱微粒混合物中不同種類的微粒(包括細胞和細胞組分)的方法對開發基於生物晶片的器件而言有著非常重要的意義。
目前有關在晶片上對微粒或生物微粒進行操縱的方法已經有了一定的進展。電子雜交技術已經被開發出來，即在電子晶片上操縱、輸運帶電荷的DNA分子(見「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.，25pages 4907-4914，1998)；還有電泵和電分離技術，即利用基於電滲和電泳的動力學效應來輸運、操縱、分離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，pages895-896，1993；「High-speed separation of antisenseofligonucleotides on a micromachined capillary electrophoresis device」，Effenhauser，C.S.et al.，Anal.Chem.Volume 66，pages2949-2953，1994)。總體而言，目前處理微粒的操縱技術應用有限，且只能用於特定的實例。因此，需要性能更好的能夠操縱微粒的裝置。
發明概述分析技術可以用於醫學診斷、法醫鑑定、遺傳診斷、疾病預防和藥物基因組學，這些研究通常都需要準備大量的複雜的生物樣品。生物樣品，例如血液樣品的製備通常需要多個步驟完成，例如包括離心、過濾、破胞、溫育、酶切、對核酸或蛋白進行凝膠純化。這些步驟費時費力，難以標準化。本發明提出一個能夠進行樣品製備和分析的自動化集成式系統，並且使從樣品到結果的過程標準化、流程化。因為「晶片實驗室」儘可能的減少了人工的幹預，並且可以同時分析多個樣品，從而避免了多次重複取樣。
使用外加的物理作用力對微粒(例如細胞和與樣品組分連接的微顆粒)進行操縱可以使得對樣品的處理和分析的過程自動化和流程化。
首先，本發明所述的集成式生物晶片系統帶有一個晶片，晶片可以進行至少兩個順序的任務，而且其中至少一個任務的目的是進行樣品處理。最好，至少一個任務是部分的通過製作在晶片上的微結構產生的物理力實現的。而且，至少一個任務是通過操縱與樣品中的實體分子連接的結合物來實現。集成式生物晶片系統最好是自動化的。
其次，本發明所述的集成式生物晶片系統也可以包含兩個或多個晶片。至少能進行兩個順序的任務，而且，至少其中的一塊晶片可以進行樣品製備中的至少一個任務。最好，這種包含兩個或兩個以上晶片的集成式生物晶片系統是自動化的，系統中至少有兩個晶片可以進行相互的流體交換。樣品組分從系統中的一塊晶片轉移到另一塊晶片上適宜使用機械作用而不是流體作用，最好是使用外加的物理作用力。最好，至少一個任務是部分的通過製作在晶片上的微結構產生的物理力實現的。而且，至少一個任務是通過操縱與樣品中的實體分子連接的結合物來實現。
再次，本發明還包括使用集成式晶片系統進行樣品製備和分析的方法。這種方式包括將樣品引入系統和在樣品製備及分析(非必須)中進行至少兩個順序的任務。至少一個樣品處理的任務可以通過製作在晶片上的微結構所產生的物理作用力完成，最好但不是必須的，處理過程能夠包括對與微粒連接的樣品中的實體分子進行操縱的步驟。


圖1A是包括了一個可以用於本系統的多力晶片的腔體三維立體圖；腔體有入口和出口，一個多力晶片位於腔體的底部；腔體的頂部是一片玻璃片(未顯示)；這個腔體與其它三個腔體相連(未顯示)，用於分析和檢測DNA、蛋白質和mRNA，以及其它小分子。多力晶片上集成了聲場層、磁力層、微粒開關層、DEP電極電極層和頂層。
圖1B是多力晶片頂層的三維立體圖，在這裡頂層可以由BSA(牛血清白蛋白)或其它分子包被以減少細胞或樣品的其它成分與晶片的非特異性吸附。頂層也可以是一薄層SiO2或其它絕緣材料。
圖1C是多力晶片的DEP電極層的DEP電極的三維立體圖，矩形的DEP電極可以和外加信號源(未顯示)相連。
圖1D是多力晶片的微粒開關層的微粒開關電極的三維立體圖。
圖1E是多力晶片的磁力層上的電磁元件的三維立體圖。
圖1F是多力晶片聲場層的聲學元件的三維立體圖。
圖2A是樣品被引入腔體的示意圖，樣品含有待分析的靶細胞、非靶細胞和表面包被了特異結合物的磁珠；磁珠表面包被的特異結合物可以與靶細胞結合，從而使得磁珠和靶細胞相連。
圖2B是樣品已經被引入腔體後的示意圖，被引入的樣品包含靶細胞、非靶細胞和磁珠。
圖3是樣品在腔體中在聲場力的作用下混合，從而促使磁珠與靶細胞結合的示意圖(選通的聲場層用粗線表示)。
圖4是樣品在腔體中，在聲場力的作用下混合之後，進行磁力捕獲之前，靶細胞已經和磁珠結合的示意圖。
圖5A是樣品中靶細胞已經和磁珠結合，電磁元件被選通的示意圖(選通的電磁層用粗線表示)。產生的磁場可以使靶細胞-磁珠複合體向磁極聚集。
圖5B是腔體中磁珠-細胞複合體或磁珠被選通的電磁元件捕獲後的示意圖(選通的電磁層用粗線表示)。在圖中為了表示磁珠已被吸附在磁極附近，磁極被畫出來，但是其實在試驗中它們從腔體的頂部是看不見的。
圖5C是腔體中非靶細胞被流體清洗，而與磁珠結合的靶細胞仍舊被磁極捕獲的示意圖。
圖6是腔體中靶細胞從磁珠上洗脫下來，由於磁極仍然被選通，所以磁珠仍然聚集在磁極附近的示意圖。
圖7A是帶有DEP電極陣列的腔體的三維示意圖，DEP電極陣列上施加了交流信號(選通的電極層用粗線表示)。
圖7B顯示，靶細胞在腔體中的DEP電極陣列產生的非勻強電場的作用下，受到正向介電電泳力的作用，被電極捕獲，因為介電電泳力對磁珠的作用力很小或是使得磁珠受到負向介電電泳力，而使得磁珠被衝走。
圖8顯示了含有四種不同類型的磁珠的溶液被引入腔體。它們分別是1型、2型、3型和4型磁珠，分別用以結合靶mRNA、靶蛋白、靶DNA和目標小分子。
圖9A顯示腔體中的靶細胞被裂解以釋放其內容物。
圖9B是含有靶細胞釋放的內容物的腔體的示意圖。
圖10顯示腔體中的聲場元件被選通，產生聲場混合，促使目標分子與相應的磁珠連接(被選通的聲場層用粗線表示)。
圖11顯示腔體中靶分子分別與相應的磁珠連接。目標蛋白分子、DNA分子、mRNA分子、小分子分別連接磁珠2、3、1、4型。
圖12A顯示腔體中分子-磁珠複合體被選通的DEP電極產生的介電電泳力捕獲在腔體底面(被選通的DEP電極層用粗線表示)。
圖12B顯示腔體中的分子-磁珠複合體被DEP電極產生的行波介電電泳力聚集在腔體底面中心區域。
圖13A是腔體中微粒開關層電極通電後的俯視圖。
圖13B是微粒開關層的俯視圖，顯示微粒開關電極施加相位不同的電信號後，四種分子-磁珠複合體在微粒開關的三個通道末端得到分離。
圖13C顯示四種類型的分子-磁珠複合體在腔體的三個末端得到分離。
圖14A是DNA分析腔體的三維立體圖，顯示了DNA探針層。
圖14B是DNA分析腔體的三維立體圖，顯示了行波介電電泳電極(TW-DEP)層。TW-DEP電極與信號源的詳細連接方法圖中沒有給出。信號源可以產生至少三個頻率相同但是相位不同的信號。
圖14C是DNA分析腔體的三維立體圖，顯示了磁力傳感器層。其中字母「S」表示「傳感器」。
圖14D是DNA分析腔體的三維立體圖，顯示了行波介電電泳層通電後，行波介電電泳電極推動DNA-磁珠複合體進入分析腔體(通電的電極層用粗線表示)。DNA分析腔體含有一個晶片，晶片上有DNA探針層(頂層)，一個行波DEP層和一個磁力傳感器層。
圖14E是DNA分析腔體的三維立體圖。顯示了DNA-磁珠複合體進入腔體後，與磁珠連接的DNA分子同時與晶片上的探針雜交。
圖14F是DNA分析腔體的三維立體圖。顯示了DNA-磁珠複合體上靶DNA分子單鏈部分與晶片上的DNA探針雜交，這些探針固定在磁力傳感器上。磁珠的有無和磁珠的數量可以通過磁力傳感器進行檢測(通電的磁力傳感器層用粗線表示)。為了表明磁力傳感器對磁珠有響應，單個磁力傳感器被表示出來，儘管在實際的試驗中它們從腔體的頂部是看不到的。
圖15A是蛋白質/mRNA分析腔體的三維立體圖，腔體中包含一個帶有核酸/抗體探針層的晶片。
圖15B是蛋白質/mRNA分析腔體的三維立體圖，顯示了晶片上的行波-介電電泳電極層。TW-DEP電極與信號源的詳細連接方法圖中沒有給出。信號源可以產生至少三個頻率相同但是相位不同的信號。
圖15C是蛋白質/mRNA分析腔體的三維立體圖，顯示了蛋白質-磁珠複合體和mRNA分子-磁珠複合體在行波介電電泳力的作用下進入腔體(選通的電極層用粗線表示)。
圖15D是蛋白質/mRNA分析腔體的三維立體圖。顯示了蛋白質分子和mRNA分子從磁珠上解離下來，和晶片表面的特異結合物進行結合。
圖15E是蛋白質/mRNA分析腔體的三維立體圖。顯示了蛋白質分子和mRNA分子分別與晶片表面的抗體和核酸探針結合。帶有可檢測標記結合分子從一個埠引入分析腔體。磁珠可以在通電的DEP電極(圖中沒有顯示)產生的行波介電電泳力的作用下移出分析腔體或離開腔體的檢測區，或者在引入帶有可檢測標記(螢光標記)的結合分子(圖中沒有顯示)時用流體洗去。
圖15F是蛋白質/mRNA分析腔體的三維立體圖。顯示了帶有螢光標記的結合分子與結合在晶片表面的蛋白質分子及核酸分子結合。
圖16A和B是小分子分析腔體的三維立體圖。腔體的底部包含一塊晶片，該晶片包括流體通道層(A)、行波DEP層(B)。TW-DEP電極與信號源的詳細連接方法(圖中沒有給出)。信號源可以產生至少三個頻率相同但是相位不同的信號。
圖16C是小分子分析腔體的三維立體圖。顯示了小分子-磁珠複合體在行波介電電泳力的作用下移到通道中心區域(選通的電極層用粗線表示)。
圖16D是小分子分析腔體的三維立體圖。顯示了小分子從磁珠上解離下來。磁珠在行波介電電泳力的作用下離開分析腔體(圖中未顯示)。其中小分子進行了螢光標記(圖中未顯示)。
圖16E是小分子分析腔體的三維立體圖。顯示了小分子在電泳力或電滲力作用下通過通道。
圖16F是小分子分析腔體的三維立體圖。顯示了小分子通過通道，被晶片外的螢光檢測器檢測。
圖17是單晶片的集成式生物晶片系統。其中晶片是腔體的一部分，腔體蓋片上有用於引入樣品和試劑的入口，以及用於廢物流出的出口。晶片上這些分立的區域用於樣品製備(A和B)和分析(C)，並且每個區域有不同的功能區。
圖18是單晶片的集成式生物晶片系統。其中晶片是腔體的一部分，腔體蓋片上有用於引入樣品和試劑的入口，以及用於廢物流出的出口。晶片上有一個微粒開關，可以使樣品組分進入不同的區域以進行進一步的製備和分析。
圖19A是多力晶片俯視圖，晶片上層的交錯電極可以產生介電電泳力，下層的電磁元件可以產生電磁力。
圖19B是包含多力晶片的腔體俯視圖。顯示稀釋了的血液樣品被引入腔體。
圖19C是包含多力晶片的腔體俯視圖。顯示白細胞在正向介電電泳力的作用下聚集在交錯式的微電極陣列的邊緣。
圖19D是包含多力晶片的腔體俯視圖。顯示引入表面包被有oligo-(dT)25的磁珠的裂解緩衝液。
圖19E是包含多力晶片的腔體俯視圖。顯示通電的磁極捕獲磁珠的情況。
圖19F是被捕獲的磁珠上的mRNA的RT-PCR產物的瓊脂糖凝膠電泳結果照片。
詳細描述定義除非另加定義，否則本文所用的科技術語都按照它所屬領域的一般定義理解。一般的，本文的命名法和以下描述的製造及實驗過程都很通用，並且在這一技術領域常常被引用。這些過程都使用傳統方法，同這一技術和通常文獻中提到的一樣。方向術語比如「上」、「下」、「上面的」、「下面的」和類似的一些術語指裝置在應用時各部分的方向。本文的命名法很通用，並且在這一技術領域常常被使用。術語和定義與文獻中統一的術語和定義有差異的地方應使用本文中的定義。本發明中的以下術語，如果沒有其它說明都應該按照下面的解釋理解。
「集成式晶片系統」、「集成式生物晶片系統」和「系統」是指至少一塊這樣的晶片，它能夠完成樣品製備和分析過程中至少兩個順序的任務，其中至少一個任務是對樣品進行處理。
「任務」是指樣品製備和分析過程中的一個功能。一個任務可以包括多個步驟。例如，一個分離任務可以包括有利於分離的混合步驟和結合步驟。
本發明所述的系統中的晶片實現的「功能」可以是一個任務本身，例如一個處理或是分析的任務；也可以發生在兩個任務之間，或是作為一個任務的一部分。一個非任務功能的例子是混合功能，例如在晶片上通過聲場作用力促進樣品組分的分散或是結合。另一個非任務的功能的例子是通過電泳力、介電電泳力、行波介電電泳力、行波磁致電泳力等作用力將實體分子從一塊晶片上轉移到另一塊晶片上或從晶片的某一區域轉移到另一區域。
「處理任務」是樣品處理的一個過程(樣品處理即樣品製備)。一般而言，製備任務是指對樣品組分的分離、轉移、聚集、捕獲、隔離、濃縮或富集，至少是樣品的部分純化，或是樣品組分的分裂或是結構變化(比如，破胞、變性、化學修飾、與其它試劑的結合)。一個製備步驟是釋放、修飾一種樣品組分，或是產生另一種能用於下一步製備或分析的樣品組分。例如，一個細胞可以經過一個處理步驟進行裂解，釋放出的核酸可以在進一步的製備任務中被分離，或在隨後的分析任務中被檢測。結合或是偶聯可以是處理任務中的一步，尤其是在樣品組分與結合物(例如微顆粒)的結合可以促進分離、轉移、捕獲、隔離、聚集、濃縮、富集、結構變化，或者至少是樣品的一個組分的部分純化的場合。在可以促進結合、分離、轉移、富集、結構變化，或者至少是樣品的一個組分的部分純化的場合，混合也能成為處理任務中的一步。
「分析任務」是決定樣品製備和分析過程的結果的任務，可以是結合分析、生化分析、細胞分析、遺傳分析等等。通常而言，分析任務決定樣品組分的有無、含量以及活性。在結合或偶聯可以促進至少一種樣品組分的分析或檢測的場合，結合或偶聯可以是分析任務的一步。在混合可以促進至少一種樣品組分的分析或檢測的場合，混合可以是分析任務的一步。
「順序」是指遵守一定的次序，比如在需要遵守一定的次序來獲得所希望的最終結果的場合。本發明的集成式生物晶片系統中為了獲得最終結果，任務都是順序進行。當兩個任務順序進行時第二個任務使用第一個任務的一個或多個產物，此處「產物」可以是指被分離的樣品組分，至少在第一步中被部分純化或濃縮，也可以是上一步變性或細胞裂解的產物。本文中，「第一」、「第二」不是指它們在全分析系統中的絕對順序，而是指它們的相對順序，比如第二個晶片上的處理過程發生在第一塊晶片上的處理過程之後。
「晶片」是指在可以進行其上至少一種處理或操縱的表面。比如轉移、分離、聚集、富集、濃縮、物理破碎、混合、結合、分析等等。晶片可以由固體或半固體製成，材料可以是多孔的或者緻密的。特定過程可以在其上進行，比如物理的、化學的、生物的、生物物理的、或者生物化學的過程。一個可以實現多種功能的晶片可以連接一個或多個不同的功能元件比如特異結合物、基底、反應物、或者在反應過程中可以產生不同物理作用力的不同類型的微結構。晶片可以是多力晶片，不同的功能元件可以集成在同一表面上，或者集成在結構相連的不同基底或層上(此處，層是用以支持基底、微結構和用以實體分子操縱的表面)。關於多力晶片的描述，見美國專利「Apparatuses Containing Multipie Active Force Generating Elements andUses Thereof」(申請號09/679,024，2000年10月4日遞交)。
晶片上制有或集成有諸如槽、通道、電極單元和壓電傳感器等等微加工結構，在其上可以進行物理的、生物物理的、生物的、化學的反應或是處理。晶片是一塊薄片。對晶片的表面積大小的要求並不苛刻，比如從1mm2到0.25m2都可以。最好所用的晶片的表面積從4mm2到25cm2左右。晶片可以具有不同形狀，規則的形狀如矩形、圓形、橢圓形，也可以是其它不規則的形狀。晶片表面可以是平的，也可以是不平的。具有不平的表面的晶片在表面上應包括通過在晶片表面進行加工或是蝕刻而得的槽、腔體等結構。
「微結構」是集成在晶片或腔體內部或與之接觸的結構，具有特徵的，用於微流體系統的尺寸，大約是在0.1微米到20毫米範圍內。微結構的例子是孔、通道、支架、電極、電磁元件、壓電傳感器、金屬線或者薄膜、帕爾帖元件、微泵、微閥、毛細管或是光學元件。見美國專利「ApparatusesContaining Multiple Active Force Generating Elements and Uses Thereof」(申請號09/679,024，2000年10月4日遞交)。微結構被選通時(比如提供一個電信號)可以產生物理力。可以認為時「物理作用力產生元件」、「物理力元件」、「主動力元件」或者「主動元件」。
「基底」指可以對實體分子進行操縱和滯留的晶片表面。基底可以是疏水，也可以是親水的或者是二者的結合，可以包含矽、橡膠、玻璃、一種或多種陶瓷、塑料、聚合物、共聚物等原料。基底可以是固體或半固體，可以包含一個或多個通道或孔，可以支持微結構和功能元件比如特異結合物、底物、反應物、催化劑。
「電極」是一種由高導電材料製成的結構單元。這裡所謂的高導電材料是指材料的導電率遠大於周圍介質或材料。高導電材料包括金屬，如金、鉻、鉑、鋁等等，也可以是非金屬，如石墨、導電聚合物。電極可以製成各種形狀，如矩形、圓形、城堡形等等。電極材料中也可以包括摻雜半導體，如矽片上摻磷。
「腔體」是能夠容納液體樣品的結構，更適合的是包括至少一塊晶片的一部分。
「埠」是指腔體的開口，液體樣品可通過它進出腔體。埠可以是任何大小的，但適宜的是可允許樣品藉助物理作用力或是由吸液管，注射器，導管或其它加樣方式加入腔體的形狀和尺寸。
「導管」在本專利中是用以將液體由容器轉移到腔體的一種方式。導管適宜應用於腔體的埠。導管可由任何允許液體通過的材料組成。比較適宜的導管是管狀結構，比如橡膠管、聚四氟乙烯管、或聚乙烯管。導管可以是任意尺寸的，但適宜的是內徑在10微米到5毫米之間。
「孔」是晶片上的結構單元，具有一個較低的表面和一個或多個從底面以一定角度延伸出來的側面。側面的參數很隨意，例如可以具有S形的或是彎曲的或是具有多個角度的側面。孔的底面可以低於、高於或是和晶片上表面水平。側面的材料應和晶片的下表面的材料不同。例如，晶片下表面可以由一層能被電場力(包括介電電泳力、行波介電電泳力和電磁力)穿透的物質構成，而孔的側面由其它物質組成，如絕緣材料，可以阻礙電場力的穿透。孔的側面或是晶片上的通道可以由任意適當的材料製成，如矽、玻璃、橡膠、多聚物、塑料、陶瓷、金屬等等。
「通道」是一種晶片上的結構單元，具有一個較低的底面和至少兩個從底面延伸上來的側面，側面的長度比側面之間的距離要大的多，液體可以從底面和側面形成的腔體的內部流過。通道可以封閉也可以是開放的。
「主動晶片」是在其內部或上面具有製作的微結構的晶片。當外界供能時產生至少一種物理作用力，能完成一項製備步驟或任務或者分析步驟或任務，例如，但不僅僅限於混合、轉移、聚集、分離、濃縮、捕獲、隔離、富集。主動晶片利用外加的物理作用力激發、增強或促進所需的生化反應，製備步驟或任務，分析步驟或任務的進行。對於主動晶片，「外加的物理作用力」是當外界提供能量時，由晶片上的微結構產生的物理作用力。
「被動式晶片」不利用外加的物理力操縱或控制化學、生化和生物反應中的分子或微粒。而是利用分子或微粒的熱擴散或本身受到的力比如地球的重力。
「電磁晶片」是至少有一個電磁單元(例如一個微電磁單元)的晶片。電磁元件可以製作在晶片的表面，也可以集成在或是至少部分集成在晶片的內部。例如電磁元件可以在晶片的表面上，也可以嵌入晶片內部。或者，電磁元件可以部分嵌入晶片內部。電磁晶片可以參見美國專利申請「lndividually Addressable Micro-Electromagnetic Unit Array Chips」(申請號09/399,299，1999年9月17日遞交)和美國專利申請「lndividuallyAddressable Micro-Electromagnetic Unit Array Chips in HorizontalConfigurations」(申請號09/685,410，2000年10月10日遞交)。
「微粒開關晶片」包括至少三套相互獨立的電極，可以用行波介電電泳力或行波電泳力移動微粒，當電極上施加不同相位的電信號時，可以沿連接在同一節點處的不同支路移動微粒。可以參見美國專利申請「Apparatus forSwitching and Manipulating Particles and Methods of Use Thereof」(申請號09/678,263，2000年10月3日遞交)。
「多力晶片」是可以產生多種物理作用力的晶片，至少含有兩部分內部結構，每一部分施加外界信號後都可以產生一種類型的物理作用力。關於多力晶片的全面描述見美國專利申請「Apparatuses Containing MultipieActive Force Generating Elements and Uses Thereof」(申請號09/679,024，2000年10月4日遞交)。
「混合」在本文中是指用物理作用力使微粒在樣品、溶液、混合物(比如樣品和樣品溶液的混合液，實體分子和結合物的混合物)中運動。或者引起腔體中樣品、溶液、混合物的運動，進而引起其中組分的運動。本發明用聲場力和對流進行混合。
「破壞」在本文中指改變樣品組分的結構。比如細胞溶解，蛋白質變性和複合物(如核糖體)上亞基的解離。可以藉助物理作用力比如高壓電場或聲場作用力，或者使用試劑例如變性劑、螯合劑、表面活性劑和酶等等。
「壓電傳感器」是在電信號作用下能產生聲場的結構。較常用的壓電傳感器是壓電陶瓷片或兩面都用金屬層覆蓋的壓電薄層。
「電磁單元」是在通電時能產生磁場，使得磁珠受到磁力作用的結構。電磁單元一般包括一個磁性或可磁化的磁心，以及一個在磁心周圍傳導電流導電線圈。
「流體」是電泳力或機械力推動的液體流，機械力可以是壓力或是熱對流力等。
「自動的」指不需人工幹預，比如吸液或其它手動轉移液體或試劑，倒轉或旋轉試管，把試管放進離心機或恆溫箱。一個自動系統需要人為向系統引進樣品(吸液或注射)，或人為取走過多的樣品(從腔體中吸出或收集在一個管子裡)。一個自動系統可以需要或者不需要熟練人員來控制能量驅動系統或者流體系統，在集成式晶片系統操縱過程中控制能量驅動系統產生物理作用力來完成製備和分析任務，樣品移動和其它過程。自動系統比如自動式集成晶片系統最好但不是必須可編程。
「物理場」，其它的說法還有「在一定空間範圍內的物理場」或「在一定空間範圍內產生的物理場」是指一個具有如下特徵的空間範圍。當一個具有適當性質的實體分子被放入這一空間中(也就是進入物理場中)，作為這一實體分子和場相互作用的結果，實體分子受到了力的作用。實體分子在場中通過場在其上施加的力被操縱。典型的場包括電場、磁場、聲場、光場和速度場。在本發明中，物理場總是存在於一定空間範圍內的介質中，這些被操縱的實體分子通常是懸浮、或溶解，或更一般的是被放在介質中。典型的介質是液體如水或非水液體，或是氣體。根據場的性質，電場可以對帶電實體分子施加電泳力，或對帶電或中性實體分子施加常規介電電泳力和/或行波介電電泳力。磁場可以對磁性實體分子施加磁場力；聲場可以對實體分子施加聲場輻射力；光場可以對實體分子施加光場輻射力。在一定空間範圍內的介質中的速度場是指在這一空間範圍內介質移動的速度分布。各種不同的機制可以引起介質的移動並且在不同位置的介質表現出不同的速度，所以產生了一個速度場。速度場可以對實體分子施加機械力。
「物理力」是指這樣一種用以使實體分子或是其連接物運動的力，它不與或是幾乎不與實體分子或是其連接物發生化學、生物反應，不影響或是幾乎不影響實體分子或是其連接物的生物、化學性質。術語「力」或「物理力」總是指作用在這些實體分子上的「力」或「物理力」，「力」或「物理力」是通過場的作用產生的，由實體分子本身的性質決定。因此，當給定了一個場或物理場，為了在實體分子上產生物理力，這些實體分子必須具有一定的性質。某些類型的場可以在多種具有不同性質的實體分子上都產生力的作用，而某些類型的場也許只可以對一些有限類型的實體分子施加力的作用。例如，磁場只能在磁性實體分子或具有一定磁性的實體分子上產生力或磁場力，而不適用於其它類型的微粒，如聚苯乙烯珠。而另一方面，一個非均一的電場可以在許多種不同類型的實體分子上施加物理力的作用，如聚苯乙烯珠、細胞，還有磁珠等等。
「電場力」是電場施加在實體分子上的作用力。
「電場模式」指電場的分布，它是電場的頻率、場強大小、電極形狀和頻率/場強調製的函數。
實體分子的「介電性質」至少部分是由實體分子對電場的響應決定的。實體分子的介電性質包括實體分子的有效電導率和有效介電係數。對於由相同或是相似結構組成的複合物，例如，聚苯乙烯珠體，它的有效電導率和有效介電係數至少在很大的範圍內(例如1赫茲到100兆赫茲)與電場頻率無關。具有均一成分的微粒具有表面淨電荷，當這些帶電微粒懸浮在介質中，在微粒/介質的接觸面將形成電雙層。外加電場與該電雙層相互作用導致了微粒有效電導率和有效介電係數的改變。外加電場與電雙層的相互作用通常是與頻率有關的，因此，微粒有效電導率和有效介電係數也與頻率有關。對於由不同組分構成的複合物，例如，細胞，它的有效電導率和有效介電係數由兩部分組成，即細胞膜的有效電導率和有效介電係數及細胞內部的有效電導率和有效介電係數，並且和電場的頻率相關。此外，電場中實體分子所受的介電電泳力和實體分子的尺寸相關，這樣，實體分子的尺寸也應被考慮在實體分子的介電性質之中。對實體分子的介電性質有貢獻的實體分子的性質包括它所帶的淨電荷、它的組成(包括所帶的化學基團、其它實體分子等等)、它的尺寸、表面參數、表面所帶電荷。
「介電電泳力」是在非均勻幅值交流電場中極化微粒受到的力。這裡，「介電電泳」指的是實體分子在介電力作用下的運動。
「介電電泳」是極化微粒在非均勻幅值電場中的運動。通常有兩種形式的介電電泳，正向介電電泳和負向介電電泳。在正向介電電泳中，微粒受介電電泳力的作用向強場區域運動。在負向介電電泳中，微粒受介電電泳力的作用向弱場區域運動。微粒作正向還是負向介電電泳，是由微粒和介質的相對極化程度決定的。
「行波介電電泳力」是指在行波電場中的分子或微粒上受到的力。理想行波場的特徵是，交流電場分量的相位值是微粒所處位置的線性函數。在排布在晶片上的微電極上施加合適的交流信號就可以產生行波電場。為了產生行波電場，至少在電極上應施加三組不同相位值的電信號。一個行波電場的例子中，使用了四種不同相位值的電信號(分別為0、90、180、270度)，施加在四個線狀的排布在晶片表面的平行電極上，這樣的四個電極可以作為一個基本的重複單元用於晶片設計。根據應用的需要，可以把兩個以上這樣的單元排列起來，從而在電極的上方或是附近產生行波電場。只要把電極單元在空間上按照一定的次序排列起來，外加的不同相位的信號就可以在電極附近區域產生行波電場。
「行波介電電泳」是指實體分子在行波電場中的相應運動。
「磁場力」是指磁場作用於實體分子上的力。
「行波電磁力」指微粒或分子在行波磁場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電磁單元陣列產生的磁力行波作用下的運動。單個電磁單元根據它們之間特定的空間關係排列。例如，單個電磁單元可以具有長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於晶片上，就像在美國專利申請「lndividually AddressableMicro-Electromagnetic Unit Array Chips in Horizontal Configurations」(申請號09/685,410，2000年10月10日遞交)中圖24B所描述的那樣。磁泳可以是同步的，也可以是連續的。在同步磁泳中，直流電可以按照一定的方向依次施加在電磁單元上，使得電磁單元依次產生磁場，形成磁力行波，這樣磁性微粒或是可磁化微粒就可以沿著這個方向運動。在連續磁泳中，施加在電磁單元上的交流電信號彼此相差一定的相位，例如每4個相鄰電磁單元相差90度的相位。這樣也可以形成磁力行波。
這裡，「聲學力(或聲輻射力)是指由聲場產生的作用於實體分子上的力。
這裡，「光學力(或光輻射力)是指由光場產生的作用於實體分子上的力。
「樣品」是指任何可以從中分離或分析出組分的流體。樣品可以有各種來源，可來自一個生物體，來自相同或不同種類的一群生物，也可以來自環境，如取自一水體或土壤，或者來自食物或工業材料。樣品可以是加工過的，也可以是未加工的。樣品可以是氣體，液體，半固體，也可以是溶液或懸濁液。樣品可以是一種提取物，如取自土壤或食物樣品的液體提取物，如咽喉或生殖器的提取物，或如取自排洩物樣品的提取物。
「血液樣品」在這是指加工過或未加工的血樣，比如說，但不僅僅限於，它可以是經過離心、過濾、抽提或其他處理的血液樣品，還可以是加入了抗凝血劑，穩定劑等一種或多種試劑的血液樣品。血液樣品可以是任意體積，來源任意，如動物或人類。首選的材料是來自人類。
「對象」是指任何生物體，如動物或人類。動物可包括任何動物體，如野生動物，家養動物如貓或狗，農用動物如豬或牛，或者是娛樂用動物如馬。
「白細胞」是指白血球，或是一類可以在動物血液中找到的既非網織紅細胞又非血小板的生血細胞。白血球可包括淋巴細胞，如B淋巴細胞或T淋巴細胞。白血球也可包括吞噬細胞，如單核細胞，巨噬細胞以及包含有嗜鹼細胞，嗜曙紅細胞，嗜中性粒細胞的粒狀白細胞。白血球還包括肥大細胞。
「紅細胞」是指紅血球。
「腫瘤細胞」是指一類細胞增殖生長比正常細胞快得多的異常細胞，它甚至可以在受到導致新生長停滯的刺激後仍繼續生長。與正常組織相比，瘤細胞往往會部分或全部缺乏結構組織和功能協調性，它既可能是良性的也可能是惡性的。
「惡性細胞」是指一類具有局部入侵性和破壞性生長及轉移的細胞。
「幹細胞」是指一類未發生分化的細胞，它可通過一輪或多輪細胞分化引起生長，生成至少一種分化細胞。
「分化早期細胞」是指一類未發生分化但必然將引起生長的細胞，它通過一輪或多輪細胞分化引起生長，生成至少一種分化細胞。比較有代表性的是，一個幹細胞對一個特別的刺激或一系列刺激作出響應，通過一輪或多輪細胞分化生成一個分化早期細胞，然後由這個分化早期細胞對一個特別的刺激或一系列刺激作出響應，生成一個或多個分化細胞。
「病原體」是指任何病原體，如可以感染生物的細菌、病毒、寄生蟲或朊蛋白。病原體可導致受其感染的生物出現症兆或處於疾病狀態。人類病原體是指可以感染人類的病原體。人類病原體既可以是特異性針對人類的，如特異性人類病原體；又可以是可感染多種生物的，如混雜性人類病原體。
樣品的「組分」或「樣品組分」是指樣品的任何組成部分，可以是離子、分子、化合物、分子複合物、器官、病毒、細胞、聚合體、或任何類型的微粒，包括膠體、聚合體、微粒體、晶體、礦物體等。樣品的成分在樣品介質或提供的樣品緩衝或樣品溶液中可以是可溶的也可是不可溶的。樣品的成分可以是氣體、液體、或固體形式的。樣品組分可以是實體分子，也可以不是實體分子。
「實體分子」或是「感興趣的實體分子」是指任何可以用介電電泳力、行波介電電泳力或是電磁力進行操縱的特定物質分子。實體分子可以是固體，包括懸浮的固體，也可以以溶解狀態存在。實體分子可以是分子，可被操縱的分子包括，但不僅僅限於，無機分子(包括離子和無機化合物)，有機分子，包括胺基酸、肽、蛋白質、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複雜的有機分子。實體分子也可以是分子複合物，比如細胞器、一種或多種細胞(包括原核和真核細胞)、病原體(包括病毒、寄生蟲、朊蛋白或是這些物質的一部分)；實體分子也可以是晶體、礦物質、膠體、碎片等等，可以由一種或是多種無機物質如聚合物、金屬、礦物、玻璃、陶瓷等等組成；實體分子也可以是分子聚集體、複合物、細胞、細胞器、病毒、病原體、晶體、膠體或是其它碎片。細胞可以是任何種類的細胞，包括原核和真核細胞。其中真核細胞也可以是任何類型。通常感興趣的細胞包括，但不僅僅限於，白細胞、惡性細胞、幹細胞、分化早期細胞、胎兒細胞、被病原體感染的細胞、細菌細胞等等。實體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。
「細胞內實體分子」是指位於細胞內的實體分子，即位於細胞質或細胞器基底中，附著在任何細胞內膜上，位於質膜(如果存在)上，或是位於細胞表面，即附著在細胞質膜或細胞壁(如果存在)的外表面上。
「操縱」是指移動和處理這些實體分子，從而導致實體分子在晶片上(包括在單晶片上或多集成晶片上或其間，在基底上或在裝置中的多個基底之間)作一維、二維或三維方向上的運動。「操縱」包括，但不僅僅限於，輸運、聚焦、富集、濃縮、聚集、捕獲、推斥、懸浮、分離、分餾、隔離、線性或是其它方向上的實體分子的移動。為了實現高效的操縱，待操縱的實體分子和施加於其上的物理力應是協調的。例如，具有磁性的實體分子可以施加以磁力。相似的，具有電荷的實體分子可以施加以靜電力(即電泳力)。在操縱連接物-實體分子複合物的情況中，這些實體分子或相應的連接物的性質和用於操縱的物理力必須是協調的。例如，實體分子或它的連接物具有一定的介電性質，可以被介電極化，可以使用介電電泳力。
「待操縱的實體分子與連接物的表面充分結合」是指一定百分比的待操縱的實體分子結合在連接物的表面並且可以用適當的物理力通過操縱連接物實現對實體分子的操縱。通常，至少0.1％的待操縱的實體分子是結合在連接物的表面的。更適宜的是至少1％、5％、10％，20％，30％，40％，50％，60％，70％，80％，或90％的實體分子是結合在連接物的表面的。
「待操縱的實體分子完全結合在連接物的表面上」是指至少90％的待操縱實體分子結合在連接物的表面上。更適宜的是，至少91％，92％，93％，94％，95％，96％，97％，98％，99％或100％的待操縱實體分子結合在連接物的表面上。
「選擇性的修飾紅細胞的溶液」是指這種溶液可以改變無核紅細胞的性質，使其不幹擾血液樣品中的其它細胞或組分的介電分離，同時儘可能小的影響白細胞的完整性，或是不影響用介電電泳的方法將白細胞和血液樣品中的其它組分分開的過程。
「連接物」是指任何可以和實體分子以一定親和性和特異性相連的任何物質，並且可以通過相應的物理力進行操縱。連接物可以是，但不僅僅限於，細胞、細胞器、病毒、微粒、聚合體或複合體，或者分子的聚合體或複合體。
「微粒」是指任何形狀，任何組成，具有任何複合結構的微粒，可以通過相應的物理力進行操縱。微粒尺寸可以從大約0.01微米到大約10釐米。更合適的是，在這種方法中的微粒的尺寸從大約0.1微米到大約幾千個微米。微粒可以由各種合適的材料製成，例子包括，但不僅僅限於，玻璃、陶瓷、聚合物如尼龍、聚四氟乙烯(TEFLONTM)、聚苯乙烯、聚丙烯醯胺、瓊脂糖、纖維素、葡聚糖等等。微粒的例子包括，但不僅僅限於，塑料微粒、陶瓷微粒、碳微粒、聚苯乙烯珠體、玻璃珠、磁珠、中空玻璃珠、金屬微粒和微粒複合物、微加工形成的微顆粒。
「耦聯」即結合。例如，實體分子可以和其它微粒進行特異的或非特異的結合。結合可以是共價結合，也可以是非共價結合，可以是可逆結合也可以是非可逆結合。
「特異結合物」是指這樣的兩個不同分子中的一個，這樣分子的表面具有特定的形態結構可以特異性的和另一分子的空間或極性結構互補結合。特異結合物可以是免疫家族中特異結合的兩種物質中的一種，如抗原-抗體、生物素-親和素、生物素-鏈黴親和素、配體-受體、雙鏈核酸、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或兩者的組合。核酸分子也可以包括除了核糖和脫氧核糖外組成骨架鏈的的糖類，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鹼基組成，如黃嘌呤，核苷鹼基的延伸物2-氨基醯嘌呤或類似物等。核酸分子可以是肽核酸分子。核酸分子可以是任意長度，可以是單鏈、雙鏈或是三鏈結構，或者是它們的複合體。
「相同操縱」是指使用外加物理力對混合物中的微粒進行操縱，施加力場後混合物中所有的微粒對外加物理場的響應一致。
「選擇性操縱」是指使用外加物理力對混合物中的微粒進行操縱，施加力場後混合物中不同的粒子對外加物理場具有不同的響應。
「分離」是指將樣品中的一種或多種組分和另外的一種或多種組分在空間上相互分開的過程。分離過程可以這樣進行，一種或多種感興趣的實體分子被定位於分離器件中的某個或某些位置，至少部分樣品中的其它組分被定位於其它位置，或是從感興趣的實體分子所在的位置移開。或者，可以將樣品中的一種或多種組分定位在某些位置，而一種或多種感興趣實體分子從該位置處被移走，再進行收集。也可以將樣品中的一種或多種組分定位在某些位置，再將另外的一種或多種感興趣的實體分子定位到另外的位置。分離可以通過使用物理力、化學力、電場力或是磁場力等等實現，還可以使用重力場、流體、介電電泳力、行波介電電泳力和電磁力等等實現。
「捕獲」是指這樣一類分離方式，這種方式使一種或多種實體分子滯留在晶片的一個或多個區域內，再施加物理力進行捕獲。
「分析」是對樣品或樣品的一個組分進行的測試。分析可檢測某組分的存在與否，某組分的數量或濃度，某組分的組成，以及某組分的活性等等。分析可與本發明的方法和器件、試劑一起使用，包括生物化學分析、結合分析、細胞分析以及基因分析。
「反應」是指可改變一種或多種分子或化合物的化學或生化成分，或者改變一種或多種分子與另外一種或多種分子或化合物間相互關係的化學或生化過程。本發明中的反應可以被酶催化，包括，但不僅僅限於，降解反應，合成反應，修飾反應或結合反應。
「結合分析」是一種分析方式，它通過將特定物質分子與特異性結合物結合來檢測該特定物質分子的存在或濃度，或者檢測一特定物質分子與另一特定物質分子的結合可能性，或者檢測一特定物質分子與另一特定物質分子的結合親和力。特定物質分子可指一有機或無機分子，一個由有機、無機或一有機無機複合物，細胞器，病毒或細胞組成的分子混合物。結合分析可以使用可檢測的標記或在結合特定物質分子存在下可產生可檢測標記的信號發生系統。標準的結合分析包括依賴核酸雜交來檢測特殊的核酸序列，依賴抗體對特定物質分子的結合，以及依賴配體對受體的結合。
「生化分析」是指對一種樣品的一個或多個組分的存在、濃度、或活性進行分析的方式。
「細胞分析」是指一種檢測細胞過程的分析方式，例如，但不僅僅限於，新陳代謝活性、分解代謝活性、離子通道活性、細胞間信號傳導活性、受體介導的信號傳導活性、轉錄活性、翻譯活性、或分泌活性等等。
「基因分析」是指一種檢測某遺傳單元的存在或序列的分析方式。此遺傳單元可指DNA或RNA的任意片斷，包括，但不僅僅限於，基因、重複序列、轉座單元、調控單元、端粒、中心粒或其它具有現在尚未知道功能的DNA或RNA片斷。基因分析的例子如(但不僅僅限於這些例子)，核酸雜交技術，包括核酸測序反應，可以使用一種或多種聚合酶，例如基於PCR的基因分析。基因分析可以使用一種或多種可檢測的標記，比如，但不僅僅限於，螢光素、放射性同位素或是信號發生系統。
「可被檢測的標記」是一種可以被檢測的複合物或分子，它們可以產生輸出信號，如螢光、放射性、顏色、化學發光或技術領域現有的或是今後發展出的能產生輸出信號的方法。輸出可以基於螢光，如通過螢光標記物，例如Cy-3，Cy-5，藻紅蛋白，藻藍蛋白，別藻藍素，異硫氰酸螢光素(FITC)，羅丹明，或鑭系元素等等，但不是僅僅限制於以上物質；也可以通過螢光蛋白如綠色螢光蛋白(GFP)和它的變體，要基於酶反應的活性，比如，但不僅僅限於β-牛乳糖，β-內醯胺酶，辣根過氧化物酶，鹼性磷酸酶或螢光素酶等等；或者可以基於放射性同位素(如33P，3H，14C，35S，125I，32P或者131I等)。標記物也可以是被其它基團修飾了的鹼基，比如，在C5位置修飾嘧啶或在N7位置修飾嘌呤。修飾基團可以是多種多樣的，例如滷素、醚或者聚醚、烷基、脂類或聚脂類，或常見的XR，在這裡，X是連接基團，R是修飾基團。在修飾技術領域，存在許多種有效的可能適用於修飾核酸分子、寡核苷酸分子及其類似物的方法。方法。(A Practical Approach，Eckstein，ed.(1991)and in PCT/US94/00193)。
「信號發生系統」可以包括一種或多種組分，至少其中一種組分是可檢測的結合物。信號發生系統包括所有用以產生或增強可測信號(或是通過一定的方法作用於標記以產生的信號)的試劑。信號發生系統提供了一種可以用外部檢測方法檢測的標記，這種方法通常是通過測量吸收光和發射光的波長的差異實現的。信號發生系統也可包括生色底物和酶，其中生色底物在酶的作用下，吸收可見光區或紫外光區的光或是磷光、螢光，從而顯出顏色。當然，信號發生系統也可以使用諸如放射性同位素之類的可檢測標記以提供可檢測的信號。
信號發生系統包括至少一種催化劑(通常是至少一種酶)和至少一種底物，也可以包括兩種或更多的催化劑和一組底物(比如包括一組酶，其中一種酶的底物是另一種酶的產物)。信號發生系統的操縱是在預定的位點產生出可檢測的信號，即意味著在這預定的位點具有相應的標記。
為了得到可檢測的信號，這就要求將在預定位點的標記產生的信號進行放大。這樣，這個標記一般是催化劑、發光化合物或是放射性同位素，最好是催化劑。催化劑最好是可以從單個標記產生多種信號發生分子的酶或是輔酶。酶或是輔酶可以通過產生可以吸收光的產物，如染料或是產生在照射下會激發出光的產物，如螢光劑以達到將所需信號放大的目的。或者，催化反應也可以直接產生激發光，例如化學發光。許多酶和輔酶都可以用以這一目的，見美國專利No.4,275,149和美國專利No.4,318,980(在參考文獻中)。另外，許多也可以實現上述作用的非酶類催化劑可見美國專利No.4,160,645(1979年7月10日)。
上述酶反應的產物通常是染料或是螢光劑。在美國專利No.4,275,149中給出了大量螢光劑的說明。
其它用於此處的術語具有和本領域中通常使用時一致的意義，在技術性詞典中都有解釋。I.用於樣品處理和分析的集成晶片系統本發明包括一套用於樣品處理和分析的集成式生物晶片系統。所謂的「集成式生物晶片系統」是指具備以下幾個特徵的系統1)包含至少一個晶片。2)能夠對樣品進行至少兩個順序的任務，其中至少一個任務為樣品處理任務。優選的是，本發明中集成晶片系統所進行的任務至少有一項需要施加物理力，其產生源可以一部分在晶片外部，另一部分在晶片內部。在本發明系統中至少一種晶片所進行的任務中，最好但不是必須的，至少一種樣品的組分可通過特定的連接部分如微粒來操縱。
腔體是晶片的組成部分之一，晶片是一塊固體基片，在其上可以進行一次或是多次的分離、分析、捕獲等等過程。晶片的材料可以是金屬、陶瓷、聚合物、共聚物、塑料、橡膠、矽、玻璃等等中的一種或是幾種。晶片可以包含幾種具有一定柔韌性的材料。晶片可以由多孔材料製成，也可以由緻密的材料製成。晶片上制有或集成有諸如槽、通道、電極單元等等微加工結構，在其上可以進行物理的、生物物理的、生物的、化學的反應或是處理。晶片是一塊薄片。對晶片的表面積大小不作要求，比如從1mm2到0.25m2都可以。最好所用的晶片的表面積從4mm2到25cm2左右。晶片可以具有不同形狀，規則的形狀如矩形、圓形、橢圓形或其它不規則的形狀。晶片表面可以是平的，也可以是不平的。具有不平的表面的晶片在表面上可以包括通過在晶片表面進行加工或是蝕刻而得的槽、腔體等結構。
晶片可以是腔體的一部分，也可以集成在腔體中，或者至少一部分位於腔體之內，但這些並不是本發明所必須的。本發明的腔體是一種可以容納流體的結構。腔體可以是任意尺寸，通常應可以容納1nl至50ml的流體，更好應可以容納1μl至20ml的流體，最佳情況是容納10μl至10ml的流體。一般而言，腔體是晶片上的結構單元之一。腔體可以由任何適當的材料製成，如矽、玻璃、金屬、陶瓷、聚合物、塑料等等，可以是質地堅硬材料，也可以是質地柔軟的材料。首選的材料是那些對樣品中的實體分子的介電電泳運動沒有幹擾的材料，例如那些不與帶電或是極化分子結合的材料，如矽、某些種類的塑料或是多聚物(如丙稀醯胺、玻璃等等)。
本發明中或是本方法中使用的腔體具有一個或多個埠，或是在腔體的壁上具有開口。埠可以是任何大小的，但適宜的是可允許樣品、樣品組分、緩衝液、試劑等等加入腔體的形狀和尺寸。埠可以一直開啟，也可以含有閥，以便於控制開和閉。埠可以是兩個具有公共的壁的腔體的壁上的開口，也可以是為了便於向腔體中引入或是注射樣品，在腔體壁上的開口。
埠可以連接導管。導管可以是任何允許液體通過的管狀結構，比如橡膠管、聚四氟乙烯管、或聚乙烯管。埠可以為反應池壁提供一個開口以便於通過泵(蠕動泵和輸運泵)、注射器或是重力作用引入樣品。
本發明的系統中推薦使用主動式晶片。至少集成生物晶片系統中的一種晶片應為主動式晶片。主動式晶片是具有微結構的晶片，這些微結構在外界供能後可以產生相應的物理力。可以把外加能量轉變成本發明所需的物理力的微結構可以是，但不僅僅限於，可以產生電泳力或是介電電泳力的電極、可以產生電磁力或是磁力的電磁單元、可以產生聲場力的壓電轉換器。根據晶片上集成的微結構的不同，這些主動式晶片可以分別稱為電泳或是介電電泳晶片(集成了電極)、電磁晶片(集成了電磁單元)或是聲場晶片(集成了壓電轉換器)。晶片上還可以集成光學元件、微型毛細管導或針尖、加熱元件(如金屬導線)、帕爾帖(Peltier)元件、微閥或微泵等等。
主動式晶片可以通過在晶片表面集成或是製作物理力元件(例如電磁單元、壓電轉換器或是電極等等)的方法構建，也可以採用被動式晶片的製作方法，在晶片表面修飾一層功能層，例如寡核苷酸陣列或是蛋白陣列。其它可以使用在本發明的主動式或是被動式晶片中的材料還有，但不僅僅限於，親和素(鏈黴親和素)、生物素、抗體、核酸；還可以是酶、催化劑、底物；可以是絕緣層用試劑、進行表面封閉以防止樣品在晶片表面的非特異吸附；可以是複合物；也可以是病毒和細胞。這些材料可以有選擇地修飾在本發明的系統中的晶片的微孔或微通道中。用作塗層或是用以防止樣品之間的相互作用、樣品與晶片表面(包括晶片上製作的微結構)的非特異性吸附的材料可以修飾在晶片表面(包括晶片上的微結構)以形成晶片的「頂層」。頂層可以是由聚合物、化合物如SiO2、表面活性劑、生物分子如BSA等形成的薄層(小於100埃)。
主動式晶片的例子有，但不僅僅限於，製作在玻璃基片上的介電電泳電極陣列(Dielectrophoretic Manipulation of Particles by Wang et al.，in IEEETransaction on Industry Applications，Vol.33，No.3，May/June，1997，pages660-669)；具有可單個選通電極陣列的微加工生物電子晶片(Preparation andHybridization Analysis of DNA/RNA from E. coli on MicrofabricatedBioelectronic Chips by Cheng et al.，Nature Biotechnology，Vol.16，1998，pages541-546)；毛細管電泳晶片(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)；聲場力晶片(美國專利No.6,029,518)；電磁晶片(美國專利申請No.09/399,299，1999年9月17日遞交；美國專利申請「IndividuallyAddressable Micro-Electromagnetic Unit Array Chips in HorizontalConfigurations」，No.09/685,410，2000年10月10日遞交)。
對於介電電泳晶片(包括用以常規介電電泳或是行波介電電泳的晶片)，晶片上的電極可以具有任意形狀，例如矩形、城堡形、三角形、圓形等等。電極的排布方式也有許多種，比如螺旋狀、平行狀、相互交錯形、多項式形等等。晶片上電極的製作可以使用本領域中常見的各種微加工和微機械方法，例如電鍍、金屬濺射、光化學蝕刻。包含有電極的晶片有，但不僅僅限於，製作在玻璃基片上的介電電泳電極陣列(Dielectrophoretic Manipulationof Particles by Wang et al.，in IEEE Transaction on Industry Applications，Vol.33，No.3，May/June，1997，pages660-669)、具有可單個選通電極陣列的微加工生物電子晶片(Preparation and Hybridization Analysis ofDNA/RNA from E. coli on Microfabricated Bioelectronic Chips by Cheng etal.，Nature Biotechnology，Vol.16，1998，第541-546頁)和毛細管電泳晶片(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)。
其它類型的可以使用在本發明中的晶片可參見美國專利申請「Apparatus for Switching and Manipulating Particles and Methods of UseThereof」(No.09/678,263，2000年10月3日遞交)和美國專利申請「Apparatuses Containing Multiple Active Force Generating Elements andUses Thereof」(No.09/679,024，2000年10月4日遞交)。單晶片系統本發明的集成式生物晶片系統僅由一塊晶片構成。在這種情況中，單晶片集成式生物晶片系統僅包含一塊可以完成至少兩個順序任務的主動式晶片。單晶片系統中的主動式晶片由不同功能的元件構成，以完成至少兩個順序任務。
能實現多個功能的晶片可以是一個或多個不同功能的元件，例如特異結合物、底物、試劑或不同類型的至少可以部分地產生一種或多種物理力的微結構的組合。
在由一塊含不同功能元件的晶片組成的本發明的系統裝置中，晶片上不同功能元件所在的區域可以靠得很近，以利於樣品組分在不同功能元件之間擴散(例如，見圖17)。多力晶片中，產生不同物理力的元件分別製作在不同的基底材料上，這些基底材料可以一層一層的豎直疊加在一起。多力晶片的實例請參見2000年10月4日美國專利申請「Apparatuses ContainingMultiple Active Force Generating Elements and Uses Thereof」(No.09/679,024，2000年10月4日遞交)。
當然，晶片上的功能元件也可以相互隔開。這種晶片包含可以產生用來將樣品組分從晶片的一處移動到另一處的物理力的多力晶片。用來移動樣品組分的物理力產生元件最好是電極和電磁單元。在本發明的優選實施例中，用來將樣品組分從晶片上的一處移動到另一處的電極和電磁單元以一定的方式排列，以產生行波介電電泳力或行波電磁力。
同一塊晶片上所進行順序任務的先後次序可以由功能元件的選擇性選通來控制；也可以通過控制樣品組分和結合物(最好是控制與樣品組分連接的微珠)的移動以實現；也可以通過控制試劑的加入來實現，試劑可以是，但不僅僅限於，去汙劑、酶、特異結合物或是它們的組合。
本發明首選的用於將樣品組分從一個功能區移動到另一個功能區的晶片和功能元件層的實例可以參見美國專利申請「Apparatus for Switching andManipulating Particles and Methods of Use Thereof」(09/678,263，2000年10月3日遞交)。這些微粒開關晶片和微粒開關層可以用來將樣品組分從晶片的一處轉運到另一處，晶片的不同區域可以有不同的功能元件以完成不同的任務。它們也可以將樣品組分從多晶片系統的一塊晶片轉運到另一塊晶片上，不同的晶片上可以有不同的功能元件以完成不同的任務。
也有可能使用一種或是多種物理力在腔體上方或內部轉運樣品組分或微粒。例如，作為轉運微粒的電場源的電極可以插入到腔體的壁上或者製作在腔體的壁上，向任意方向延伸(包括頂壁)。也可以將這一種或多種物理力產生元件製作在晶片或腔體的外部。多晶片系統本發明的集成式生物晶片系統由多塊晶片構成。在這種情況中，多晶片集成式生物晶片系統僅包含至少一塊可以完成至少兩個順序任務的主動式晶片。
當本發明中的集成生物晶片系統包含多個晶片時，樣品處理過程中至少一項任務可以在至少一個晶片上執行，並且至少另一項不同的任務可以在另外的至少一個晶片上執行。
當本發明的生物晶片系統包括多個晶片時，至少在該系統進行操縱的某一時間段內，多個晶片之間有流體交換。在這裡，流體交換是指流體可以從一個晶片的表面轉移到另一晶片的表面，特別是溶解或懸浮在流體(液體或氣體)中的樣品組分和微粒可以從一個晶片的表面轉移到另一晶片的表面。這種轉移可以通過注射、移液等等方式實現。
相互之間有流體交換的晶片應該根據具體的功能按照一定的順序排列，以便「第二個」晶片可以從「第一個」晶片接受經過「第一個」晶片分離、轉移、捕獲、分析、混合或裂解等操縱的樣品或是樣品組分，以便於「第二個」晶片執行後續的樣品處理或分析。這裡，「第一個」和「第二個」並不是這些晶片在集成式系統中的絕對順序，而是一種相對順序，即第二個晶片上進行的處理過程在第一個晶片對樣品處理後進行。因此，第一個和第二個晶片在位置上應該按照一定的次序放置，以便於樣品、樣品組分或樣品產物(也可以包括結合到微粒上的樣品組分)能夠從第一個晶片轉移到第二個晶片上。在本發明的優選實施例中，推薦的情況是第一個和第二個晶片應該相鄰排列或是相互接近。
最好樣品組分從一個晶片轉移到另一個晶片，或從一個腔體轉移到另一個腔體，不需要人工操縱，而是由流體的運動(例如，利用泵推動)或通過施加一定的物理力來實現。
在多晶片系統中，將樣品組分或微粒從系統中某一晶片轉移到另一晶片的物理力可以通過一個或是多個集成在晶片上的結構產生。多晶片系統中的主動式晶片可以通過行波介電電泳或者行波磁致電泳等手段進行晶片間樣品組分的轉移。可以使用微粒開關晶片，參見美國專利申請「Apparatus forSwitching and Manipulating Particles and Methods of Use Thereof」(No.09/678,263，2000年10月3日遞交)。微粒開關晶片也可用以將樣品組分從多晶片系統或者單晶片系統中晶片的某一區域轉運到另一區域，在這裡，晶片的不同區域上具有可以執行不同任務的不同功能元件。
上文提及的單晶片系統中使用的多力晶片，見美國專利「ApparatusesContaining Multiple Active Force Generating Elements and Uses Thereof」(No.09/679,024，2000年10月4日遞交)，也可以使用在本發明的多晶片系統中。例如，多力晶片可以通過介電電泳力或磁力對樣品組分進行分離，分離後的樣品組分可以在系統中的其它晶片上繼續執行一個或多個分析任務。
本發明的多晶片系統也可以包含一個或多個被動式晶片，這種晶片不需要施加物理力就可實現其功能。這些被動式晶片在本發明的晶片系統中可被用來進行檢測和分析，例如，但不僅僅限於，親和分析、生化分析、細胞分析、遺傳分析、免疫分析等等。樣品處理和分析的順序的任務本發明中的集成式晶片系統有能力執行至少兩個樣品處理和分析的順序任務。順序任務是為了得到所需的結果而按照一定的順序執行的任務。當兩個任務順序執行時，第二個任務使用第一個任務的一個或多個直接或間接的產物。這裡，「產物」可以是在第一個步驟中分離的，或是部分純化或富集的樣品組分，也可以是在第一步中經過生化試劑處理的樣品組分，經過變性或胞解的樣品組分等。「第一」和「第二」指的是集成系統中任務的相對順序而不是絕對順序。
本發明系統中的晶片至少能執行的一個功能就是處理任務。這裡，處理任務是為準備樣品分析而進行的任何過程，包括，但不僅僅限於分離、轉移、聚焦、捕獲、富集、濃縮、純化、結構改變、物理分解、化學反應(包擴酶處理反應、親和反應等等)。
本發明的晶片系統至少可以執行一種有分析功能的任務。分析任務是指任何能給出處理和分析的結果的過程。分析任務可以是，但不僅僅限於分析，如生化分析，細胞分析和檢測分析。檢測分析也可以包括親和反應和酶促反應。在本發明的優選實施例中，系統包含單一的晶片，至少一個處理任務和一個分析任務可以在該單一晶片上執行。另外的本發明的優選實施例中，集成生物晶片系統包含多個晶片，其中至少一個處理過程可以在本發明的至少一個晶片上執行，至少一個分析過程可以在本發明的至少一個晶片上執行，但這並不是本發明所必須的。
當本發明的生物晶片系統包括多個晶片時，至少在該系統進行操縱的某一時間段內，多個晶片之間有流體的交換。在這裡，流體交換是指流體可以從一個晶片的表面轉移到另一晶片的表面，特別是溶解或懸浮在流體(液體或氣體)中的樣品組分和微粒可以從一個晶片的表面轉移到另一晶片的表面。這種轉移可以通過注射、移液等等方式實現。
相互之間有流體交換的晶片應該根據具體的功能按照一定的順序排列，以便「第二個」晶片可以從「第一個」晶片接受經過「第一個」晶片分離、轉移、捕獲、分析、混合或裂解等操縱的樣品或是樣品組分，以便於「第二個」晶片執行後續的樣品處理或分析。這裡，「第一個」和「第二個」並不是這些晶片在集成式系統中的絕對順序，而是一種相對順序，即第二個晶片上進行的處理過程在第一個晶片對樣品處理後進行。因此，第一個和第二個晶片在位置上應該按照一定的次序放置，以便於樣品、樣品組分或樣品產物(也可以包括結合到微粒上的樣品組分)能夠從第一個晶片轉移到第二個晶片上。在本發明的優選實施例中，推薦的情況是第一個和第二個晶片應該相鄰排列或是相互接近。
本發明的優選實施例是一個集成式系統，該系統可以在樣品處理和分析過程中執行至少兩個順序任務，同時樣品在集成系統中保持連續。也就是說，加到集成晶片系統中的樣品從集成系統開始執行第一個順序任務起，直到最後一個執行的順序任務結束為止的整個過程可以是連續的。
最好，樣品和樣品組分在無人工幹預的情況下可以在系統內移動並從一個地方運送到其它地方。樣品和樣品組分，或者溶液，緩衝液和試劑，可以在系統內移動，這種移動可以是泵(如注射泵或蠕動泵)驅動的液體流動引起的。在這個例子的優選實施例(有一些在圖1-13中給出了示意)中，通過施加一定的物理力，樣品組分可以從晶片的某個區域轉運到另一個區域，或者從某個晶片或腔體到另外的晶片或腔體。
本發明的集成式晶片系統應該是全自動的，這樣，一系列任務可以在無人工幹預的情況下進行，例如，將樣品或樣品組分從一個腔體轉移至另一個腔體。然而，這樣的一個自動化的系統也需要人工上樣(如移液或注射)，或需要人工將系統處理完畢的樣品組分收集起來(如，從腔室中吸出，或是利用連接導管的試管收集處理後的組分)。本發明的自動化集成式晶片系統最好為可編程的，但這並不是本發明所必須的。II.利用集成式晶片系統進行樣品處理和分析的方法本發明的系統可被用來進行樣品處理或者分析。樣品處理包括樣品組分的分離、樣品組分的轉運、樣品組分的捕獲、樣品組分的隔離、樣品組分的聚集、樣品組分至少是部分的純化、樣品組分的濃縮、樣品組分的富集、樣品組分的分解(可以通過使用溶液、試劑或是預處理，也可以沒有)。樣品分析包括樣品組分的檢測、樣品組分定量分析、樣品組分活性檢測(這裡，活性可以是組分的調節活性、催化活性、親和結合活性，也可以是其機制已知或者仍然未知的活性，如細胞毒性，促有絲分裂活性，轉錄激活活性等等)。
方法包括將樣品應用於本發明的集成式晶片系統；在該集成式系統中進行至少兩個順序任務，其中在順序任務中至少有一個是處理任務。一個處理任務包括分離樣品組分、轉移樣品組分、捕獲樣品組分、分離樣品組分、至少部分地純化樣品組分、富集樣品組分、濃縮樣品組分、分解樣品組分(通過使用溶液、試劑或是經過預處理，也可以不使用)。處理任務的例子有，但不僅僅限於血液樣品中的白細胞的分離，從母體血或者母體羊膜液中分離胎兒細胞，從血液中分離惡性細胞，從骨髓樣品中分離幹細胞，裂解白細胞(白細胞從血液樣品中分離所到)，從尿樣中富集細菌細胞和從靶細胞裂解液中分離mRNA分子。
方法也包括將樣品組分從晶片的一個區域轉移到另外一個區域，上述的晶片的不同區域至少執行兩個不同的任務；或者將樣品組分從一個晶片轉移到另外一個晶片，這不同晶片至少執行兩個不同的任務。樣品應用樣品可以是任何種類的流體樣品，例如環境樣品，包括空氣樣品、水樣品、食品樣品；也可以是生物樣品，包括生物樣品的抽提物。樣品可以是至少經過部分處理的。例如，樣品可以是經過離心的樣品；或者已經加入去汙劑的樣品；樣品也可以在應用本發明的方法之前已經被加熱或者冰凍；樣品中也可以預先加入了試劑，這些試劑可以是，但不僅僅限於穩定劑，包括螯合劑、還原劑、表面活性劑、抗凝血劑、甘油、二甲亞碸(DMSO)等等。樣品可以是儲存過的樣品，包括經過低溫保存的樣品或是冰凍過的樣品。生物樣品可以是血液、血清、唾液、尿液、精液、眼淚、鼻、咽喉、生殖器或排洩物的提取物。生物樣品也可以是器官、組織、細胞培養基樣品(包括培養基和細胞株)。首選的樣品是血液樣品。
血液樣品可以是任何種類的血液樣品，從個體新鮮抽提的、從貯存庫中獲得的、從個體外獲得的，如衣物、家具、器械等等。血液樣品可以是通過抽提得到的，例如，把帶有血液的物品浸入特定的緩衝液或是溶液得到。血液樣品可以是處理過的，也可以是未處理過的，或是部分處理過的，處理的方式可以是離心以去除血清、透析、進行流式細胞計數、加入試劑等等。血液樣品的處理步驟大致包括，但不僅僅限於，buffy coat，通過諸如流式細胞計數技術、密度梯度離心技術和磁力細胞分選技術等等對細胞樣品進行分離。血液樣品可以是任意體積，例如不到5微升，或是超過5升，這完全由實驗需要而定。
樣品可以通過任何一種適當方式引入集成式晶片系統，例如，通過吸管或者注射的方法將樣品加到晶片上或者是系統的腔體內。樣品的加入可以通過管道連接到一個腔體的埠，該腔體包含當前發明的一個系統的一個晶片，可以使用泵，例如注射泵或者蠕動泵，或者通過重力注入。
一種或是多種試劑、緩衝液、溶液等等和樣品混合液可以從一個或幾個埠引入到集成式晶片上。本發明中的樣品溶液包括可以改變樣品中至少一種組分的介電性質的溶液，也可以是可以裂解紅細胞的溶液。關於這樣的樣品溶液，可以參見美國專利申請「Compositions and Methods for Separationof實體分子on Chips」(No.09/686,737，2000年10月10日遞交)。一種或是多種試劑、緩衝液、溶液等等可以和樣品同時加入反應池，或是先於、後於樣品加入反應池。也可以在進入反應池前，先把樣品和試劑、緩衝液或是溶液先混合起來，這樣的混合過程可以在將流體引入反應池的導管中進行，也可以在一個或是多個與導管相連的樣品池中進行。加入的方法可以是任意適宜的方法，例如擴散、使用物理力輸運(包括介電電泳力、電磁力等等)。
本發明中可以使用的溶液可以參見美國專利申請「Compositions andMethods for Separation of實體分子on Chips」(No.09/686,737)。兩個或是兩個以上的順序任務最好，至少一個處理任務(包括，但不限於，分離、轉移、捕獲、隔離、純化、濃縮、結構變化、分解等)是通過使用物理力實現的。產生這些物理力的方法和所運用的物理力的種類有關。例如，聲場力、光輻射力、電磁力、介電電泳力和電泳力可以分別通過在集成在晶片的壓電轉換器、光學單元、珀爾貼(Peltier)元件、金屬線、毛細管、微閥、微泵、電磁單元或者電極上施加電信號來產生。發明中所用到的物理力可以參見美國專利申請「Methods for Manipulating實體分子in Microfluidic Systems」(No.09/636,104，2000年8月10日遞交)；美國專利申請「Apparatus forSwitching and Manipulating Particles and Methods of Use Thereof」(No.09/678,263，2000年10月3日遞交)；美國專利申請「ApparatusesContaining Multiple Active Force Generating Elements and Uses Thereof」(No.09/679,024，2000年10月4日遞交)；美國專利申請「IndividuallyAddressable Micro-Electromagnetic Unit Array Chips」(No.09/399,299，1999年9月17日遞交)；美國專利申請「Individually Addressable Micro-Electromagnetic Unit Array Chips in Horizontal Configurations」(No.09/685.410，2000年10月10日遞交)。
一塊能產生聲場力和常規介電力的晶片可以在晶片表面用這兩種力同時作用於實體分子，例如細胞或者微粒。兩種不同類型的物理力可以作用於順序的任務，這些任務可以在同一個或者不同的晶片上發生。這些物理力可以依次或是同時作用在實體分子上。例如，能產生聲場力和常規介電力的本發明的系統中的晶片可用於同時作用於兩種實體分子，例如細胞和微粒。在另外一個例子中，一個能同時產生磁力和行波介電電泳力的系統可用於同時作用於兩種實體分子，如磁珠和特定類型的生物細胞。這些功能可以在同一個系統的晶片上或者分立的晶片上實現。磁力僅作用於磁珠，而行波介電電泳力可能僅作用於生物細胞。還有另一個例子中，系統可在不同晶片上依次產生磁力和行波介電電泳力。首先，選通磁力生成元件，這樣和特定實體分子結合的磁珠就會受到一個特定時間長度的磁力並被捕獲到晶片上。未被捕獲的樣品組分被轉移到下一個晶片，在那裡行波介電電泳力生成元件被打開，從而作為樣品組分的生物細胞受到行波介電力的作用。
本發明可以通過控制外部與晶片上產生不同物理力的微結構連接的信號源，以達到控制晶片上產生的物理力的目的。例如，一個或多個信號源能產生一個或多個有一定次序的電信號，作用在一系列電磁單元上，用電極陣列生成電場。這些不同的功能單元可以製作在同一個晶片上，也可以製作在不同的晶片上。多個功能元件可以同時選通，例如，產生聲場力的壓電轉換器和產生常規介電力的電極，這兩種功能元件分布或者重疊在同一塊晶片上，並提供例如同時混合和分離的功能。也可以按照次序加載電信號給同一塊晶片上部分的功能元件，例如在行波磁泳中那樣；或者加載不同相位的電信號給電極的不同部分，例如在行波介電電泳中。這樣，可以通過一個可自動化的和可編程的切換設備控制的電源控制系統或信號發生器控制系統來控制加在這些功能元件上的電信號，從而實現控制所產生的物理場的目的。最好，電源控制系統或信號發生控制系統也允許操縱者控制和調節輸出電源或產生的信號的各個參數。在應用電場時，這些參數包括信號頻率、信號相位、信號幅度和信號調製模式。
本系統中至少有一個過程是通過晶片的方式操縱樣品組分以進行樣品的處理任務或分析任務。待操縱的實體分子可以是細胞、細胞器、病毒、分子、或它們的複合體。待操縱的實體分子可以是純淨的物質，或以混合物的形式存在，在該混合物中靶實體分子僅是混合物的一個組成。例如，白血病病人的血液中癌細胞可以作為待操縱的實體分子。類似地，不同的血液細胞，例如血液中的紅細胞和白細胞，可以作為待操縱的實體分子。
可操縱的細胞，例如，但不僅僅限於，包括動物的、植物的、真菌的、細菌的、重組的或培養的細胞。對動物細胞，源自一特定組織或器官的細胞可被操縱。更適宜地，源自動物內部器官的細胞，例如腦、肺、肝、脾、骨髓、胸腺、心臟、淋巴、血液、骨、軟骨、胰腺、腎、膽囊、胃、腸、睪丸、卵巢、子宮、直腸、神經系統、腺體、內血管，等等，可被操縱。進一步，源自任何植物和真菌的細胞，例如酵母、真細菌或古細菌，可被操縱。源自任何真核的或原核的重組細胞，例如動物、植物、真菌或細菌細胞也可被操縱。
可操縱的細胞器包括細胞核、線粒體、葉綠體、核糖體、內質網、高爾基體、溶酶體、蛋白酶體、囊泡、液泡或微體。可操縱的病毒(無論是完整的病毒還是任何病毒結構)在其生存周期中可以來自諸如第一類病毒、第二類病毒、第三類病毒、第四類病毒、第五類病毒或第六類病毒。
可操縱的細胞內實體分子是指位於胞內的實體分子，即位於細胞質或細胞器基底中，附著在任何細胞內膜上，位於質膜(如果存在)上，或是位於細胞表面，即附著在細胞質膜或細胞壁(如果存在)的外表面上。任何所需的細胞內實體分子都可以從靶細胞中分離出來。例如，細胞器、分子或是它們的聚集體可以被分離出來。這樣的細胞器的例子包括，但不僅僅限於，細胞核、線粒體、葉綠體、核糖體、內質網、高爾基體、溶酶體、蛋白酶體、囊泡、液泡或微體、膜受體、細胞質中的抗原、酶和蛋白質。
可操縱的分子可以是無機分子如離子，有機分子或它們的複合體。可操縱的離子的例子包括，但不僅僅限於，鈉離子、鉀離子、鎂離子、鈣離子、氯離子、鐵離子、銅離子、鋅離子、錳離子、釩離子、鎳離子、鉻離子、氟離子、矽離子、錫離子、硼離子或砷離子。可操縱的有機分子的例子包括，但不僅僅限於，胺基酸、肽、蛋白質、核苷、核苷酸、寡核苷酸、核酸、維生素、單糖、寡糖、碳水化合物、脂類或它們的複合體。
對於不可以直接使用物理力操縱的實體分子，如果自身可以直接用合適的物理力操縱的結合物可以與實體分子結合，這樣類型的實體分子的操縱可以通過操縱結合物-實體分子複合體來實現。任何能以一定親和力和特異性與實體分子結合而且能被適當的物理作用力操縱的結合體都可以在本方法中使用。結合物可以是細胞如動物、植物、真菌或細菌細胞；細胞器如細胞核、線粒體、葉綠體、核糖體、內質網、高爾基體、溶酶體、蛋白酶體、囊泡、液泡或微體；病毒、微粒或者它們的聚合物或複合體。在C部分描述的細胞、細胞器和病毒亦可被用作結合體。
本方法中使用的微粒的尺寸在大約0.01微米至10釐米之間。最好，本方法中使用的微粒尺寸在大約0.01微米至至幾千個微米之間。使用的微粒可以是，但不僅僅限於，塑料微粒、聚苯乙烯微粒、玻璃珠體、磁珠、中空玻璃球、金屬微粒或具有複雜的成分或各種微加工出來的結微細構的微粒等等。
被操縱的實體分子可以用任何已知的方法與結合物的表面結合。例如，實體分子可以直接或通過一個連接臂(最好是一個可切割的連接臂)與結合物的表面結合。實體分子也可以通過一個共價鍵或非共價鍵與結合物的表面結合。另外，實體分子也可以通過特異性或非特異性結合與結合物的表面結合。最好，實體分子與結合物之間的連接臂是可切割的連接臂，例如可以用化學、物理或酶處理的方法切割連接臂。同樣，可以使用在美國專利申請「METHODS FOR MANIPULATING MOIETIES IN MICROFLUIDICSYSTEMS」(No.09/636,104；2000年8月10日遞交)的中的關於耦聯及解耦聯實體分子與結合物的方法。最好被操縱的實體分子基本上結合在結合物的表面。更好的是，被操縱的實體分子完全結合在結合物的表面。
最好，通過使用美國專利申請「METHODS FOR MANIPULATINGMOIETIES IN MICROFLUIDIC SYSTEMS」(No.09/636,104，2000年8月10日遞交)中的結合物操縱實體分子的方法可以用於不能直接使用物理力操縱的實體分子的操縱。
被操縱的實體分子可以是液態或氣態的，也可以是處於液態或氣態介質中，或是二者的結合。最好實體分子是在液態介質中被操縱。液態介質可以是懸浮液、溶液或是二者的結合。
現有的方法可以一次操縱一種實體分子，也可以同時操縱多種實體分子。在某些情況下，待操縱實體分子是包含在某一混合物中的，並且該實體分子被選擇性地操縱。選擇性操縱是指這樣的操縱過程由於被操縱的實體分子與混合物中的其它實體分子、微粒和分子相比，受到不同的物理力的操縱，從而使得該實體分子被選擇性地處理，和/或從混合物中分離。在另外的情況中，待操縱實體分子組成混合物，並且整個混合物被操縱。待操縱實體分子可以是可被各種物理力直接作用的，也可以無法被物理力直接作用，但是可以和可被操縱的結合物結合的。在特定情況中，待操縱實體分子是細胞、細胞器、病毒、分子，或其複合物。
本方法可以使用任何類型的操縱。例如，但不僅僅限於，輸運、聚焦、富集、濃縮、聚集、捕獲、推斥、懸浮、分離、分餾、分部或是使實體分子作直線或是其它形式的運動。
最好晶片上所作的第一個任務是在樣品處理中的分離、轉移、捕獲、混合、或分裂等步驟，但是這並不是本發明必須的。在包含細胞的樣品的處理過程中，可以把感興趣的細胞可從其它細胞中分離出來，例如，通過常規介電電泳力；也可以從溶解的其他類型細胞的細胞碎片中轉移出來，例如，通過行波介電電泳；也可以通過捕獲的方式，例如，通過結合到電磁單元上(磁性微粒製劑已經加入到樣品中)；也可以通過混合，例如，加入特異的結合物，利用聲學元件；也可以進行裂解或是破胞，例如，使用電脈衝裂解細胞。在本發明的優選實施例中，至少兩個連續的分析任務可作用於不同類型的樣品組分，例如，第一步分離任務可作用於細胞，而第二步分離任務可作用於蛋白質，或者第一步分離任務可作用於蛋白質，而第二步分離任務可作用於RNA分子。分析任務在本發明的系統中，至少一個樣品分析任務發生於至少一個處理任務之後。本發明系統的晶片上進行的分析任務可以使用混合或結合的步驟，還包括檢測分析，生化分析，細胞分析，結合分析或遺傳分析。一個或多個分析任務可並行進行。例如，蛋白質的檢測分析和RNA分子的檢測分析可以同時進行，在某些情況下在同一塊晶片上進行(參見，例如，圖15E)。
在本發明的優選實施例中，首選的檢測方法包括將一種樣品組分結合到特異的結合物上，例如，一連接到晶片表面的核酸分子或是抗體。待檢測的樣品組分可以通過連接在微粒上而被物理力所操縱，且在進行檢測之前，把待檢測樣品組分從結合物上解離下來。可以用於本發明的可以把實體分子和微粒可逆結合的偶聯物質可以參見美國專利申請「Methods forManipulating Moieties in Microfluidic Systems」(No.09/636,104，2000年8月10日遞交)。結合到連接在晶片表面的特異結合物的樣品組分可通過幾種途徑檢測到。該樣品組分可以在結合之前先進行標記；也可以使用夾心法，即使用帶有可檢測標記的第三種分子(抗體或是寡核苷酸)。也可使用其它的檢測方法，例如使用可以把可檢測標記加入樣品組分的酶促反應(例如，通過PCR的方法摻入標記物)。可以參見美國專利申請「Methods andCompositions for Identifying Nucleic Acid Molecules Using NucleolyticActivities and Hybridization」(No.09/648,081，2000年8月25日遞交)。這些檢測方法中用到的可檢測標記可以是螢光物質，也是可被分光光度法檢測到的。在這種情況下，裝入檢測晶片的腔體應該具有一個透明的蓋子，例如玻璃蓋子，以便於檢測。
也可以使用其它的檢測方法。例如，待檢測的實體分子可以先與磁珠結合，晶片的表面製作有可以感應磁珠磁信號的磁力檢測裝置，這樣，當待檢測實體分子結合在晶片的表面時，就會把磁珠也帶到晶片表面的特異的位置，從而得以檢測。另外，也可以使用可以感受重力變化的懸臂梁裝置進行檢測。微粒的重力可以通過懸臂梁傳感，並且信號可以傳輸到顯示或者紀錄設備。
還可以檢測螢光信號。樣品組分從系統的至少一個晶片轉移到另外的至少一個晶片樣品組分，包括連接到微粒等特異連接物上的樣品組分，可以以任何適當的方式，從系統中的至少一塊晶片轉移到另外一塊晶片，包括液體輸運(通過機械力，例如通過注射泵或蠕動泵，或對流力)。但是更適宜地是，從本發明的系統中的至少一個晶片到另外一個晶片的樣品組分的傳輸(包括已連接在微粒上的樣品組分)是通過物理力的作用實現的，例如，但不限於，電泳力、介電電泳力(包括常規介電電泳力和行波介電電泳力)或電磁力。尤其首選的樣品組分從晶片一個區域轉移到另一個區域的轉移方法是行波介電電泳和行波磁泳。在優選實施例中，本發明中連接到微粒上的樣品組分，是利用行波介電電泳或行波磁泳的方法來實現從一個晶片到另一個晶片的轉移的。
本發明可以通過控制外部與晶片上產生不同物理力的微結構連接的信號源，以達到控制晶片上產生的物理力的目的。在一些應用中，需要按照一定的次序將電源信號加載在同一晶片上的功能元件的一部分以形成行波磁泳，或者將不同相位的電信號加載在電極的一部分上以形成行波介電電泳。這樣，可以通過一個可自動化的和可編程的切換設備控制的電源控制系統或信號發生器控制系統來控制加在這些功能元件上的電信號，從而實現控制所產生的物理場的目的。最好，電源控制系統或信號發生控制系統也允許操縱者控制和調節輸出電源或產生的信號的各個參數。在應用電場時，這些參數包括信號頻率、信號相位、信號幅度和信號調製模式。
樣品組分和微粒從本發明的系統的一個晶片到另一個晶片的轉移可以通過包含晶片的腔體上的埠，也可以通過導管，但這並不是本發明所必須的。樣品組分和微粒從本發明的系統的晶片的一個區域轉移到另一個區域，或是從一個晶片到另一個晶片的轉移可以通過液體流動實現，包括流體和電泳，但最好，樣品和微粒是通過物理力的作用進行轉移的，包括常規介電電泳力或行波介電電泳力或電磁力，包括磁泳。物理力的產生裝置至少有一個是集成在晶片上或是系統的腔體中的。樣品組分，包括連接到微粒上的樣品組分，是按照一定的順序從本發明的系統的一個晶片轉移到另一個晶片上的，因此處理和分析樣品的處理過程是按照產生預期最終結果的順序進行的。例如，一個特殊類型的細胞樣品組分可以在第一個晶片中被分離，然後轉移到第二個晶片，在那裡它們被溶解釋放出細胞內的實體分子形式的樣品組分，並且該樣品組分和一種含有特異結合物例如微粒的試劑混合。然後連接到微粒上的樣品組分被轉移，例如利用行波介電電泳的方式，到第三個晶片，在那裡，進行檢測分析。
樣品組分，包括連接到微粒上的樣品組分，也可以從本發明的系統的一個晶片轉移到另一個晶片，因此處理和分析樣品的串行過程也可以並行進行。樣品組分可以同時或者按照一定的順序轉移到多個晶片上。最好，不同的樣品組分轉移到不同的晶片上，但是這並不是必須的。例如，一個蛋白質樣品組分可以轉移到一個晶片上，一個核酸樣品組分可以轉移到第二個晶片上，而一個甾類激素樣品可以轉移到第三塊晶片上。也可以是樣品組分引入同一塊晶片，例如RNA和蛋白質樣品組分可以引入到同一個檢測晶片上。在優選實施例中，不同的樣品組分轉移到不同晶片或晶片的不同區域可以通過將不同的樣品組分連接到具有不同特性的微粒上來實現，例如微粒分別帶有不同的介電特性。在這種方法中，微粒對作用在晶片上的不同的物理力進行響應，並會被導向到不同的方向，例如，引導不同的樣品通過不同的接口進入不同的腔體，或引導微粒進入同一個晶片的不同區域。
可以將樣品組分分別轉移到不同的晶片上的首選的晶片是微粒轉換晶片，可以參見美國專利「Apparatus for Switching and Manipulating Particlesand Methods of Use Thereof」(No.09/678,263，2000年10月3日)。微粒轉換晶片使用行波電泳、常規介電電泳或是行波介電電泳來轉移微粒。通過對微粒開關使用不同的電信號，響應不同場頻的微粒可以被引導到不同的位置，並通過不同的路徑遷移。
在本發明的方法中，至少兩個任務是順序進行的。這意味著至少有一個任務所用的樣品組分是其前一個任務的結果或是產物。集成式生物晶片系統用於處理和分析樣品是源自「從樣品到結果」的設計思想。
儘管本發明的系統要求至少有兩個任務是按照順序進行的，但是本發明並不要求所有的任務都必須按一個連續的順序進行。例如，在一些實施例中可以並行地進行特定的分析步驟，其中一個分析過程是用於檢測一種類型的樣品組分(例如，RNA)，而另一個分析任務是用於檢測另一個類型的樣品組分(例如，蛋白質)。
系統的操縱以圖中所示的為例，在這裡，圖僅僅起說明解釋的作用，並不意味著本發明僅僅包括圖中所畫的內容。
圖1是包含了本發明的系統所使用的一個多力晶片的腔體。圖中的DEP電極可以使用其它不同尺寸的電極代替，例如「Dielectrophoreticmanipulation of cells using spiral electrodes by Wang et al.，Biophys.J.，Vol.72，pages1887-1899(1997)」中的螺旋形電極陣列可以代替圖1B中所示的矩形陣列電極。圖1B-1E的所有的功能元件(壓電轉換器、DEP電極、電磁元件、微粒切換元件等)都需要電路連接到外部信號源。為了清楚起見，電路連接未在圖中顯示。連接的細節可以參見美國專利申請No.09/399,299(1999年9月17日遞交)；美國專利申請「Individually AddressableMicro-Electromagnetic Unit Array Chips in Horizontal Configurations」(No.09/685,410，2000年10月10日遞交)；美國專利申請「Apparatus forSwitching and Manipulating Particles and Methods of Use Thereof」(No.09/678,263，2000年10月3日遞交)和美國專利申請「ApparatusesContaining Multiple Active Force Generating Elements and Uses Thereof」(No.09/679,024，2000年10月4日遞交)。
圖2A和B是一種樣品，例如血液樣品，其中加入了修飾了特異結合物的微粒，通過腔體的埠用泵輸送到晶片上。
圖3顯示晶片包含的聲學元件，通過聲場力混合樣品。聲場力是通過在聲學層的聲學元件上加載交流信號產生的。在交流信號的作用下，聲學元件由於壓電效應而產生機械振動。這種機械振動的頻率與所加的電信號的頻率相同，並傳到腔體中，在腔體中產生聲波或聲場。產生的聲場或聲波對腔體中的細胞和珠體產生力的作用，並同時作用於腔體中的懸浮介質，導致聲場引發的混合。如果在本發明的系統中使用包被了結合物的順磁性微粒，聲場力能顯著提高微粒和樣品組分結合的效率(圖4)。
當和樣品中特異的組分結合之後，順磁性微粒可用於分離。微粒可以是包被了特異識別某種類型細胞的抗體的順磁性微粒，本發明中所使用的多力晶片中應包含電磁單元。選通的電磁元件可用於收集和捕獲磁珠-細胞複合體，同時其他類型的細胞和樣品組分被清洗出腔體(圖5A和5B，和5C)。然後可以將所需的實體分子從微粒上解離下來(圖6)，例如通過化學方法切割連接臂。隨後，可以使用介電電泳的方法，將所需的實體分子和微粒分離(圖7A和7B)。例如，可以把和靶細胞的介電性質不同的磁性微粒，通過液體流動的方式從腔體中清洗出去。介電電泳力可以通過用給電極陣列施加電信號，產生非均勻電場得到。使得實體分子可以滯留在晶片的表面，而微粒不能滯留在晶片的表面。
其他溶液、懸浮液或試劑可被加入到含有介電電泳滯留的實體分子的腔體中。例如，含不同類型微粒的懸浮液加入到圖8中的腔體中。不同的微粒上包被有不同的結合物，可以與不同的實體分子結合。例如，一種微粒的表面包被了可以和一種特定類型蛋白質結合的抗體，而另一種微粒的表面包被了可以和一種例如類固醇分子的小分子結合的抗體，再另一種微粒表面包被了可以和mRNA分子的Poly-A端結合的寡核苷酸鏈，而再另外一種微粒的表面包被了可以和一種核酸實體分子序列互補的單鏈DNA分子等等。可以將實體分子分解以釋放組分，與其它加入的試劑相互作用，加入的試劑可以是含有一種或多種微粒的製劑。例如，可以將細胞破胞以使細胞內部的實體分子釋放到介質中，與含有微粒的製劑作用(圖9A和B)。細胞的胞解可以通過加入低滲溶液實現，也可以加入含有去汙劑或其他裂解試劑的溶液而實現。還可以使用機械力(例如攪拌)、電脈衝或聲場力來促使細胞的胞解。
聲場力的應用可以用來高效率地混合分解後的實體分子(例如，裂解了的細胞的所釋放出的組分)及含有不同類型微粒的製劑(圖10)。它提高了樣品組分和微粒的結合效率(圖11)。在這裡，從溶解的靶細胞得到的mRNA結合到類型1珠體上，溶解靶細胞得到的靶蛋白結合到類型2珠體上，溶解靶細胞得到的DNA結合到類型3珠體上，而溶解靶細胞得到的目標小分子結合到類型4珠體上。
在這個例子中，不同類型的微粒在外加電場下(示於圖12A和B)呈正向介電電泳。結合了感興趣的實體分子的不同類型的微粒，在正向介電電泳的作用下，集中在晶片的中心區域(圖12B)。在這種情況中，在腔體中的DEP電極上施加不同相位的信號，以產生行波電場，電場的方向可以朝向電極陣列的中心或者朝向電極陣列的邊緣。為產生行波電場，電極按組分開，每一組加載同相位的交流信號，並且每一組的電極和其他組的電極(加載不同相位的信號)間隔分布。至少需要三組電極，且加載三種不同相位的信號來產生行波電場。在一個例子中，每5個矩形電極(從最裡面的那個開始數)接在一起以形成4組電極例如，第一組電極1、5、9；第二組電極2、6、10；第三組電極3、7、11；以及第四組電極4、8、12。這四組電極加載同頻率但相位分別為0、90、180和270度，或0、-90、-180、-270度的交流信號。這種電極配置需要多層結構。也可以採用「Dielectrophoreticmanipulation of cells using spiral electrodes by Wang et al.，Biophys.J.，Vol.72，pages1887-1899(1997)」中的螺旋形電極。
滯留在晶片上的一個或多個區域的微粒可以在微粒開關晶片上得以分離，參見美國專利申請「Apparatus for Switching and Manipulating Particlesand Methods of Use Thereof」(No.09/678,263，2000年10月3日遞交)。微粒，包括結合有感興趣的實體分子的微粒，可利用行波介電電泳轉移到微粒切換晶片上(圖13A，B和C)。在分支點上，非均勻電場和行波場可以引導一種微粒到一個方向，引導另一種微粒到另一個方向。當在微粒開關上施加適當的電信號後，這種引導不同微粒向不同的方向運動是可能同時發生的。首先，加載一組特定的信號以在微粒開關上移動一種(「第一種」)微粒到一個方向，同時另外一種微粒保持不動或者基本上不動。當「第一種」微粒到達微粒開關中指定的位置之後，另外一組信號被加載，以把另一種微粒移到微粒開關的另一個方向。微粒可被引導通過包含微粒轉換晶片的腔體的不同埠到達不同的晶片作下一步分離、分析、或檢測，或引導到同一晶片的不同區域以進行後續的分離、分析、或檢測。
圖14A，B，和C中使用了包被了核酸分子的磁性微粒，晶片上的一個區域製作了寡核苷酸陣列，信號檢測是通過檢測結合在該區域的磁性微粒的電磁信號實現的。加入的微粒表面包被了可以與被測樣品中存在的或是可能存在的核酸分子結合的核酸探針，這樣樣品中互補的核酸就會和磁性微粒雜交。與磁性微粒上探針發生雜交的核酸在雜交後，仍然具有一部分未結合的單鏈，可以與預先固定在晶片表面的核酸陣列雜交。先將沒有磁性微粒結合的樣品中的核酸去除，例如，通過電磁方式捕獲磁性微粒，再清洗腔體洗去未與磁性微粒結合的核酸。由於磁性微粒上的核酸複合物可以和陣列上的寡核苷酸鏈雜交，這樣磁性微粒就結合在陣列的一個特定位置上。晶片上該位置的磁性微粒的存在，可以通過例如特定的磁場傳感器或者懸臂型壓力檢測器來測定。例如，可以使用「A biosensor based on magnetoresistancetechnology」，in Biosens.Bioelectron.Vol13，pages731-739，1998，byBaselet et al中的傳感技術來探測磁性微粒的存在。
也可以通過在核酸分子或者蛋白質修飾螢光分子的方法來進行檢測(圖15A-D)。在這種情況中，結合到感興趣的實體分子上的微粒可以用常規介電電泳或行波介電電泳轉移到包含特異結合物(例如，單鏈核酸分子和抗體)的晶片上。結合到微粒上的感興趣的實體分子(例如，感興趣的蛋白質或感興趣的RNA)可以在微粒的介電電泳轉移前或電泳過程中從微粒上解離下來。感興趣的實體分子的解離，使得這些實體分子可以特異的結合到晶片上的結合物上。可以用溶液清洗腔體以去除未結合的實體分子。隨後，可以進行夾心式雜交反應，這個過程中螢光分子結合到感興趣的實體分子上。這樣，螢光分子就可以結合到晶片的特定的區域上，並且可以被任何一種標準的螢光檢測方法檢測到。
檢測可以在感興趣的實體分子通過一個管道或埠時用檢測螢光信號的方法進行。例如，已經從其它實體分子和樣品組分中用微粒通過介電電泳的方法分離出來的類固醇，可以被轉移併集中在晶片的一個通道中(圖16A，B)。然後，把感興趣的實體分子從微粒上分離下來，對感興趣的實體分子進行標記，例如用螢光標記，然後使用流體等方式引導實體分子通過通道(圖16C，D和E)，使用光學手段進行檢測。
在圖14A-14F和15A-F中描述的例子中，行波介電電泳(TW-DEP)的電極上施加了電信號，以使得結合了感興趣分子的微粒移動並分散到腔體中。在這個情況中，應用了行波介電電泳力。TW-DEP電極上施加了不同相位的信號，從而產生行波電場，通過行波介電電泳力來移動和分散微粒。為了產生行波電場，電極分成幾組，每組施加同相位的交流信號，並且每一組的電極和其他組的電極(加載不同相位的信號)間隔分布。至少需要三組電極，且其加載三種不同相位的信號來產生行波電場。在一個例子中，每四個半圓的電極(在圖14B和15B中從最裡面的那個開始數)被接在一起形成三組電極例如，第一組電極1、4、7；第二組電極2、5、8；第三組電極3、6、9。三個平行電極也可以接到上面提到的三組電極中。三組電極可加載同頻率但相位分別為0、120、240度或0、-120、-240度的交流信號。這種電極配置需要多層結構。
圖17是一個單晶片集成生物晶片系統，其中晶片是腔體的一部分，腔體的蓋子有一個入口用於樣品和其他試劑的加入，出口用於廢液的流出。晶片的三個分離的區域分別用於樣品處理(區域A和區域B)和分析(區域C)，並且每一個晶片區域也包含不同的功能區域或功能層。
圖18是一個單晶片集成生物晶片系統，其中的多力晶片是腔體的一部分，腔體的蓋子上有用於樣品和其他試劑加入的入口，以及用於廢液流出的出口。晶片包含一個微粒開關，它能引導樣品組分進入不同的晶片區域以進行後續的處理和分析任務。
圖18中單晶片系統的一個例子中，包含靶細胞和非靶細胞的流體樣品被引入腔體A。靶細胞在腔體A中與非靶細胞分離，再通過液體流動除去非靶細胞之後，靶細胞被裂解並釋放出細胞內組分。然後兩種類型的微粒被放入腔體A中一種微粒結合mRNA而另一種微粒結合靶蛋白質分子。腔體A中進行靶細胞的分離和分解以得到細胞內實體分子的過程類似於圖1-13中圖解的方法。
通過使用晶片上的微粒開關，結合了mRNA分子的微粒被引導進入腔體B1，而結合了靶蛋白質分子的微粒則被引導進入腔體B2(圖18)。這樣，mRNA分子和蛋白質分子從其它細胞內組分中分離出來，並進入兩個不同的腔體。微粒上的mRNA分子和蛋白質分子隨後被引入到腔體B1和B2中，用螢光物質進行標記。被標記的mRNA分子和蛋白質分子可以從微粒表面解離下來，然後再通過液體流動的方式分別運輸到腔體C1和C2中。
在腔體C1的上表面已經預先固定了核酸探針，它可以和靶mRNA分子結合，在控制的嚴格條件下，結合探針和靶mRNA分子之間可以發生雜交。類似的，腔體C2的上表面已經預先固定了抗體，在嚴格控制的條件下，靶蛋白質和抗體可以特異的結合。嚴謹型的控制可以通過流經腔體的結合緩衝液和清洗緩衝液，或者雜交液的成分來實現。在清洗後，晶片上螢光信號的強度，給出了關於原始樣品的靶細胞中mRNA分子和蛋白質分子的定量信息。
例子使用集成式晶片系統分離血液樣品中的白細胞，並進行RNA的分離多力晶片尺寸為1cm見方的多力晶片製作在矽片上。該晶片有兩層，如圖19A中所示上層具有互相交錯的微電極，下層具有微加工製作的電磁線圈。微電極用鉻(厚度為100埃)作為種子層，0.2微米厚的金膜作為頂層並具有50微米的寬度和50微米的間隔。包含一個磁芯的電磁單元的尺寸是50微米(寬)乘200微米(長)乘5-10微米(厚)。(在晶片上製作這些電磁單元的具體製造過程的詳細描述參見美國專利申請「Individually AddressableMicro-Electromagnetic Unlt Array Chips in Horizontal Configurations」(No.09/685,410，2000年10月10日遞交)。微電極和電磁元件間的絕緣是通過沉積絕緣薄膜(例如二氧化矽，5到20微米厚)實現的。
多力晶片周圍構建了一個腔體。在這個情況中，一個模鑄的塑料矩形圍欄(有四條邊但沒有頂和底)用膠粘在晶片上作為腔體的壁。腔體壁具有大概600微米的厚度。然後一片薄玻璃被粘在塑料圍欄的頂邊上構成腔體的頂部。腔體的兩個相對的壁上鑽了兩個開口，直徑為1/16英寸的聚四氟乙烯管道被粘在塑料腔體的開口上，一條作為「流入管道」而另一條作為「流出管道」。樣品通過連接到腔體的一條管道(「流入管道」)進入腔體，而通過另外一條連接到腔體另一邊的管道(「流出管道」)流出腔體。從血液樣品中對白細胞進行介電電泳分離10微升外周血與2％的低滲蔗糖溶液以1∶19的比例混合。通過注射器將200微升稀釋後的血液樣品加入腔體。在加入血液樣品之前，腔體中預先充滿了等滲的蔗糖溶液(8.5％的蔗糖，0.3％葡萄糖)。當加入血液樣品後，在腔體的電極上施加峰峰值為5伏，頻率介於1-6MHz之間的電信號。在這樣的電場下，白細胞受到正向介電電泳力，吸附在微電極的周圍(見圖19B)。
為了優化白細胞的收集，應該調節腔體中液體的流速。過高的流速會減少收集的白細胞的數量。不同的流速下，白細胞的收集率不盡相同。通常流速介於0.5ml/h至2ml/h之間。對腔體持續通幾分鐘(約5分鐘)的血液樣品，直至腔體不再收集白細胞，這時，腔體已經通過介電電泳收集了足夠的白細胞(圖19C)。圖19C顯示了在多力晶片上使用介電電泳完成處理任務，例如從稀釋的血液樣品中收集/分離白細胞。
當白細胞被收集到晶片表面之後，在微電極上施加電信號(例如頻率1-6MHz，峰峰值小於5V)，再加入裂解液(圖19D)。裂解液(100mM Tris-HCl，pH7.5；500mM LiCl，10mM EDTA；1％LiDS and 5mM DTT)中含有直徑2.8微米，表面包被了Oligo(dT)25的磁珠(Dynal)。加入的液體應和腔體的容積大約接近，然後停止注入液體。現在，樣品(細胞裂解液)與含有磁珠的裂解液/結合液溫育5-10分鐘以使得白細胞中釋放出的mRNA和磁珠表面的Oligo(dT)25雜交。通過電磁捕獲的方式分離mRNA在下層的電磁單元上施加100-200mA的直流電，這樣，這些電磁單元的周圍就產生了非均勻的磁場，這樣磁珠就會被收集在電磁線圈的兩極(圖19E)(磁場最強的區域)。施加直流電1-3分鐘使得磁珠被充分收集，再加入清洗緩衝液A(10mM Tris-HCl，pH7.5；0.17M LiCl，1mM EDTA，0.1％LiDS)洗去未結合的分子(例如DNA、蛋白質或是其它生物分子)。
再使用清洗緩衝液A洗去未結合的分子(例如DNA、蛋白質或是其它生物分子)後，再加入清洗緩衝液B(10mM Tris-HCl，pH7.5；0.17M LiCl，1mM EDTA)洗滌磁珠。加入清洗的清洗緩衝液的體積大約為100微升，流速為3ml/h。這種流速下，結合在兩極的磁珠不會被衝洗下來。
清洗完畢後，撤去施加在微電磁單元上的電信號，這樣，磁珠就不再被吸附在兩極。然後通入緩衝液衝出磁珠，收集在離心管中。分離的mRNA的PCR分析將收集的磁珠進行反轉錄以得到cDNA分子。得到的cDNA分子進一步通過PCR進行擴增。使用可以和管家基因G3PDH雜交的引物。PCR反應液的成分為0.2μM引物，1.5mM MgCl2，0.2mM dNTP，10mM Tris-HCl(pH＝8.3)，50mM KCl and 0.001％gelatin。PCR程序為94℃(30秒)，60℃(60秒)，72℃(60秒)，30個循環。反應產物通過瓊脂糖膠進行電泳，使用溴化乙錠進行染色檢測(見圖19F)。
右側泳道中的條帶的大小與G3PDH基因(3-磷酸葡萄糖脫氫酶基因)一致，顯示對應的磁珠上捕獲了對應於G3PDH基因的mRNA分子。而中間泳道是陰性對照，所使用的磁珠上沒有包被oligo-(dT)25分子(圖19F)。
權利要求
1.一種用於樣品製備和分析的集成式生物晶片系統，該系統可以進行兩個或是兩個以上的順序的任務，任務中至少有一個是處理的任務，該系統至少包含一塊晶片。
2.根據權利要求1所述的集成式生物晶片系統，包括至少一個腔體。
3.根據權利要求1所述的集成式生物晶片系統，其中所述的至少一塊晶片是主動式晶片。
4.根據權利要求3所述的集成式生物晶片系統，其中樣品組分可以從晶片的至少一個區域轉移到至少另一個區域，是通過除了流體推動、電泳或是電滲以外的機制實現的。
5.根據權利要求4所述的集成式生物晶片系統，其中樣品組分可以從晶片的至少一個區域轉移到至少另一個區域，是通過行波介電電泳或是行波磁泳實現的。
6.根據權利要求3所述的集成式生物晶片系統，其中加入的樣品在進行兩個或是兩個以上的順序任務時，從開始到結束的整個過程，都是連續的。
7.根據權利要求6所述的集成式生物晶片系統，其中的集成式生物晶片系統是自動化的。
8.根據權利要求3所述的集成式生物晶片系統，其中的至少一塊晶片是多力晶片。
9.根據權利要求6所述的集成式生物晶片系統，包括兩塊或是兩塊以上晶片，該集成式生物晶片系統可以使用至少兩塊這樣的晶片進行兩個或是兩個以上的順序任務而且至少一個這樣的順序任務是處理任務。
10.根據權利要求9所述的集成式生物晶片系統，包括至少一個腔體。
11.根據權利要求9所述的集成式生物晶片系統，其中至少兩塊晶片是主動式晶片。
12.根據權利要求11所述的集成式生物晶片系統，其中至少一塊主動式晶片是微粒開關晶片。
13.根據權利要求9所述的集成式生物晶片系統，其中一種或是多種樣品組分可以從晶片的至少一個區域轉移到至少另一個區域，是通過除了流體推動、電泳或是電滲以外的機制實現的。
14.根據權利要求13所述的集成式生物晶片系統，其中樣品組分可以從晶片的至少一個區域轉移到至少另一個區域，是通過行波介電電泳或是行波磁泳實現的。
15.根據權利要求9所述的集成式生物晶片系統，其中至少一塊主動式晶片是多力晶片。
16.根據權利要求9所述的集成式生物晶片系統，其中至少兩塊晶片，至少在集成式生物晶片系統操作過程的部分時間內，相互之間有液體的交換。
17.根據權利要求16所述的集成式生物晶片系統，其中一種或是多種樣品組分可以從至少一塊晶片轉移到至少另一塊晶片上，是通過除了流體推動、電泳或是電滲以外的機制實現的。
18.根據權利要求17所述的集成式生物晶片系統，其中一種或是多種樣品組分可以從至少一塊晶片轉移到至少另一塊晶片上，是通過行波介電電泳或是行波磁泳實現的。
19.一種使用權利要求5所述的集成式生物晶片系統的方法，包括以下的步驟a)在集成式生物晶片系統中加入樣品；b)在上述集成式生物晶片系統中進行兩個或是兩個以上的順序任務，其中至少一個順序任務是操作任務。
20.根據權利要求19所述的方法，其中的樣品是水樣品、血液樣品、腹水、腦髓液或是羊水。
21.根據權利要求19所述的方法，其中的至少一個處理任務是分離、轉運、濃縮、純化、富集、結構改變或是分解。
22.根據權利要求19所述的方法，其中至少一個處理任務是通過使用一種或是多種物理力進行的，物理力至少是部分的由集成在晶片上的微結構產生的。
23.根據權利要求22所述的方法，其中外加的物理力是聲場力、介電電泳力、磁力、行波介電電泳力或是行波磁力。
24.根據權利要求22所述的方法，其中至少一個處理任務包括使用物理力對實體分子進行操縱。
25.根據權利要求24所述的方法，其中外加的物理力是聲場力、介電電泳力、磁力、行波介電電泳力或是行波磁力。
26.根據權利要求25所述的方法，使用外加物理力對實體分子的操縱是通過操縱與實體分子相連的結合物實現的。
27.根據權利要求26所述的方法，其中的結合物是磁珠。
28.根據權利要求22所述的方法，其中至少一個處理任務是通過使用多種物理力實現的。
29.根據權利要求19所述的方法，還包括分析任務。
30.一種使用權利要求9中的集成式生物晶片系統的方法，包括的步驟為a)在集成式生物晶片系統中加入樣品；b)在上述集成式生物晶片系統中進行兩個或是兩個以上的順序任務，其中至少一個順序任務是操作任務。
31.根據權利要求30所述的方法，其中的樣品是水樣品、血液樣品、腹水、腦髓液或是羊水。
32.根據權利要求30所述的方法，其中的至少一個處理任務是分離、轉運、濃縮、純化、富集、結構改變或是分解。
33.根據權利要求32所述的方法，其中至少一個處理任務包括使用物理力對實體分子進行操縱。
34.根據權利要求32所述的方法，其中外加的物理力是聲場力、介電電泳力、磁力、行波介電電泳力或是行波磁力。
35.根據權利要求34所述的方法，其中至少一個處理任務伴隨著使用物理力操縱實體分子。
36.根據權利要求35所述的方法，其中外加的物理力是聲場力、介電電泳力、磁力、行波介電電泳力或是行波磁力。
37.根據權利要求36所述的方法，使用外加物理力對實體分子的操縱是通過操縱與實體分子相連的結合物實現的。
38.根據權利要求37所述的方法，其中的結合物是磁珠。
39.根據權利要求33所述的方法，其中至少一個處理任務是通過使用多種物理力實現的。
40.根據權利要求30所述的方法，其中一種或是多種樣品組分可以從至少一塊晶片轉移到至少另一塊晶片上，是通過除了流體推動、電泳或是電滲以外的機制實現的。
41.根據權利要求40所述的方法，其中一種或是多種樣品組分可以從至少一塊晶片轉移到至少另一塊晶片上，是通過行波介電電泳或是行波磁泳實現的。
42.根據權利要求30所述的方法，還包括分析任務。
全文摘要
本發明涉及用於樣品製備和分析的集成式生物晶片系統。本發明給出了在集成式生物晶片系統的一塊或是多塊晶片上按照一定順序對樣品進行處理和分析的器件。該系統包括一塊或是多塊主動式晶片，並且可以實現自動化操作。本發明還包括了使用這樣的集成式生物晶片系統進行樣品處理和分析的方法。該方法包括在系統中加入樣品，在晶片表面進行至少兩個順序任務。該方法還包括使用物理力，例如介電電泳力、電磁力等進行樣品的處理和分析，同時還包括使用可以和樣品組分結合的，又可以被介電電泳力或是電磁力操縱的微粒的方法。
文檔編號C12Q1/68GK1412321SQ01145118
公開日2003年4月23日 申請日期2001年12月30日 優先權日2001年10月9日
發明者程京, 王小波, 吳鐳, 楊衛平, 許俊泉 申請人:清華大學, 北京博奧生物晶片有限責任公司