專利名稱：收集生物顆粒的方法、芯片、設(shè)備和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及收集生物顆粒的方法、芯片、設(shè)備和系統(tǒng)。本發(fā)明的方法是利用將生物顆粒靜電吸引到帶電的電極上，并優(yōu)選對氣體樣品進(jìn)行操作。
背景技術(shù)：
為了便于快速檢測空氣傳播的能引起自然或人為的流行病的病原體，最重要的是直接從空氣中以適合進(jìn)一步分析的形式收集含有生物材料的顆粒。典型地，將空氣樣品流經(jīng)帶孔的過濾器來捕獲含有一種或多種生物材料的顆粒(生物顆粒)或者由含有一種或多種生物材料所組成的顆粒。對于按尺寸分級來選擇顆粒范圍，已經(jīng)使用了連續(xù)的過濾器被用來選擇合適尺寸的顆粒，這些顆粒隨后被收集，并在收集設(shè)備內(nèi)的生長基質(zhì)培養(yǎng)皿上進(jìn)行培養(yǎng)(安德森取樣器，Andersen sampler)。
當(dāng)生物顆粒包含活的有機(jī)體或孢子時(shí)，它們能在培養(yǎng)皿基質(zhì)上生長(菌落)，這些生物顆粒隨后能被收集，并能容易被分析。然而，研究者將不得不等待菌落(菌落生成單位，或CFU)變成可見，這依賴于所培養(yǎng)的有機(jī)體，它會(huì)花費(fèi)幾天到幾周。另外，存在所感興趣的生物有機(jī)體不能在生長基質(zhì)上繁榮生長的可能。也有可能所感興趣的顆粒被捕獲或粘附在過濾系統(tǒng)內(nèi)，因而不能被檢測到。
為了彌補(bǔ)樣品的損失，需要將大體積的空氣通過系統(tǒng)處理。一種值得稱贊的方法(其可以與過濾取樣結(jié)合使用)通過使用例如輔助顆粒起始濃度的旋風(fēng)器或其它旋渦類的氣體樣品取樣器將給定體積的空氣中顆粒的數(shù)量最大化。后一種技術(shù)也被用來將顆粒濃縮至一定體積的液體中，這為所捕獲的生物顆粒提供了立即進(jìn)行各種不同的微生物的、生化和分子分析的機(jī)會(huì)。
將顆粒通過漏斗進(jìn)入液體是與加熱和蒸發(fā)液體相聯(lián)系的，并且在捕獲工藝過程中，經(jīng)常需要一定體積的液體(大于1ml)來防止系統(tǒng)干燥。隨后，液體可以通過離心被處理以進(jìn)行樣品最后的濃縮。
生物顆粒取樣可以通過空氣對空氣、空氣對表面或空氣對液體的方法來完成。液體方法可能比較麻煩，這是因?yàn)橛械陀?℃溫度下的冷凍作用。取樣的關(guān)鍵方面是取樣的體積、捕獲效率和取樣工藝的濃縮效率。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的旋風(fēng)器每秒能夠吸入一立方米的空氣，并將捕獲的顆粒濃縮在1-2ml的流體中，這在生物分析中是大體積的。在這個(gè)范圍的體積將裝滿96孔板，并且消耗每秒每板大約等于 14的試劑。顯然，通過旋風(fēng)器來快速空氣取樣的方法被隨后的樣品制備方法所折衷。
在一種方法中，靜電沉淀空氣傳播的生物顆粒，在傳統(tǒng)的宏觀尺度的設(shè)備中(Mainelis等人，2002a；Mainelis等人，2002b；)，被用于將細(xì)菌上樣到瓊脂培養(yǎng)皿上，以及被用作牙科實(shí)踐的消毒處理(Inversen & Tolo 1975)。
發(fā)明概括本發(fā)明的一個(gè)目的涉及提供從氣體樣品如空氣樣品中直接收集生物顆粒的方法、芯片、設(shè)備和系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的涉及提供從大量氣體樣品濃縮生物顆粒至更小體積(即提高生物顆粒的濃度)的方法、芯片、設(shè)備和系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的涉及提供在相同結(jié)構(gòu)優(yōu)選也在相同步驟中進(jìn)行收集和濃縮生物顆粒的方法、芯片、設(shè)備和系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的涉及提供容易允許進(jìn)一步分析所收集生物顆粒的方法、芯片、設(shè)備和系統(tǒng)。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的涉及提供容易允許進(jìn)一步分析收集的生物顆粒的方法、芯片、設(shè)備和系統(tǒng)。
本發(fā)明的一個(gè)目的涉及提供以高捕獲率收集生物顆粒的方法、芯片、設(shè)備和系統(tǒng)。
當(dāng)閱讀以下的描述和實(shí)施例后，本發(fā)明其它目的將會(huì)變得清楚。
本發(fā)明涉及允許大量的空氣被處理，而不需要把收集的樣品提交到媒介或流體中的方法、芯片、設(shè)備和系統(tǒng)，其目的是為了產(chǎn)量最大化，以及將所伴隨的步驟最小化以進(jìn)行將樣品收集最優(yōu)化成濃縮品。本發(fā)明描述了一個(gè)生物收集系統(tǒng)，其涉及靜電顆粒收集，如在微結(jié)構(gòu)(即芯片)中進(jìn)行，其允許高達(dá)幾百毫升每分鐘的流量。本發(fā)明允許以很高的效率和以一種適合各種后續(xù)分析的形式來捕獲生物顆粒。
本發(fā)明的一個(gè)重要的意義就是現(xiàn)在可以從如空氣樣品中濃縮生物顆粒。這是個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槟壳笆褂玫囊后w為基礎(chǔ)的微系統(tǒng)(即芯片或生物芯片)，本性上僅能處理液體的尺寸為微升范圍內(nèi)的樣品。因此，微系統(tǒng)不適合處理液體的從如產(chǎn)生1-2ml/s的旋風(fēng)器所收獲的樣品。根據(jù)本發(fā)明，如果生物顆粒取樣是直接在微系統(tǒng)完成的，則微系統(tǒng)現(xiàn)在可以用作生物氣溶膠取樣技術(shù)。
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及從空氣中收集生物顆粒的方法，該方法包括步驟1)提供樣品室和第一電極以及第二電極，其中第一電極和第二電極以及樣品室被安置成至少部分樣品室在第一電極和第二電極之間；2)提供樣品室中的氣體樣品；3)在第一電極和第二電極之間應(yīng)用電場以輔助在樣品室中靜電捕獲氣體樣品中的生物顆粒。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，方法進(jìn)一步包括步驟4)將在樣品室所收集的生物顆粒與第一液體試劑接觸。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，方法進(jìn)一步包括步驟5)對所收集的生物顆粒進(jìn)行進(jìn)一步的分析。因此在這個(gè)實(shí)施方式中，該方法不僅為了收集生物顆粒，也是為了分析和/或其他。
本發(fā)明另一個(gè)方面涉及一種收集生物顆粒的芯片，該芯片包括樣品室，該樣品室有和周圍空氣流動(dòng)連接的第一開口和形成與設(shè)備流動(dòng)連接的第二開口，樣品室含有氣體樣品；第一和第二電極被安置在樣品室相對的兩側(cè)。
本發(fā)明的進(jìn)一步方面涉及一種在芯片上收集生物顆粒的設(shè)備，該設(shè)備可以例如是一種空氣取樣設(shè)備或從空氣樣品中收集生物顆粒的設(shè)備。該設(shè)備優(yōu)選包括芯片位點(diǎn)，芯片位于此處以便能夠功能上與該設(shè)備相連；和可編程的單元，其帶有軟件，該軟件使設(shè)備實(shí)現(xiàn)從由下列所組成的組中選出的一個(gè)或者多個(gè)動(dòng)作的操作應(yīng)用第一電勢于第一電極，應(yīng)用第二電勢于第二電極，因而在第一和第二電極之間產(chǎn)生電勢差和電場，以幫助在樣品室中從氣體樣品中靜電收集生物顆粒；將所收集樣品室中的生物顆粒與第一液體試劑接觸；和對所收集的生物顆粒進(jìn)行進(jìn)一步的分析。
本發(fā)明更進(jìn)一步的方面涉及一種收集生物顆粒的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括這里所定義的芯片，該芯片與這里所定義的設(shè)備功能性相連。


下面將參考附圖，對本發(fā)明的一些實(shí)施方式進(jìn)行說明。
圖1說明了包含一個(gè)平板狀或薄片狀的電極和四個(gè)點(diǎn)電極的樣品室，圖2表示包含一個(gè)平板狀或薄片狀的電極和一個(gè)線電極的樣品室，圖3表示包含兩個(gè)平板狀或薄片狀的電極的樣品室，圖4表示樣品室的截面，圖5表示與設(shè)備功能性相連的芯片實(shí)施方式，圖6表示玻璃基芯片的實(shí)施方式的截面，圖7表示PMMA基芯片的實(shí)施方式的截面，圖8表示包含有7個(gè)樣品室的芯片實(shí)施方式，圖9表示捕獲效率對電場的函數(shù)的作圖，圖10表示不依賴于顆粒尺寸的捕獲效率的作圖，和圖11表示芯片的兩個(gè)實(shí)施方式。
發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明的一個(gè)方面涉及從空氣中收集生物顆粒的一種方法，該方法包括步驟1)提供樣品室和第一電極以及第二電極，其中第一電極和第二電極以及樣品室被安置成至少部分樣品室在第一電極和第二電極之間；2)提供樣品室中的氣體樣品；3)在第一電極和第二電極之間應(yīng)用電場以輔助在樣品室中靜電捕獲氣體樣品中的生物顆粒。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，方法進(jìn)一步包括停止氣流的步驟，如氣流用于提供氣體樣品。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，方法進(jìn)一步包括步驟4)將在樣品室所收集的生物顆粒與第一液體試劑接觸。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，方法進(jìn)一步包括步驟5)對所收集的生物顆粒進(jìn)行進(jìn)一步的分析。因此在這個(gè)實(shí)施方式中，該方法不僅為了收集生物顆粒，也是為了分析和/或檢測。
因而該方法可包括步驟1)，2)，3)，如步驟1)，2)，3)，和4)；或步驟1)，2)，3)，和5)；或步驟1)，2)，3)，4)和5)。
根據(jù)本發(fā)明，短語“收集生物顆?！笔侵冈跇悠肥沂占w粒，也就是說，在樣品室保留生物顆粒，以致于當(dāng)氣體樣品被流體替換時(shí)，生物顆粒留在樣品室。典型地，收集是通由作用在生物顆粒上電場的靜電力來進(jìn)行的。
在文中術(shù)語“X和/或Y”所使用的“和/或”應(yīng)該解釋為“X”，或“Y”，或“X和Y”。
根據(jù)本發(fā)明，術(shù)語“生物顆粒”是指包括如微生物和/或病毒和/或者其片斷的顆粒。
術(shù)語“氣體樣品”是指包括一種或多種氣體的樣品，可能也包括生物顆粒。氣體樣品可以如是氣體樣品，如空氣的環(huán)境樣品；真空抽吸粉末狀材料，如土、沙子、灰塵和未知的粉末，而導(dǎo)致的空氣樣品。待檢測的氣體樣品可以來源于人呼出的樣品，該呼出的樣品含有或易于含有微生物。
根據(jù)本發(fā)明，術(shù)語“樣品室”、“容器”和“反應(yīng)室”可以互換使用。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，樣品室包含在一個(gè)芯片里，也就是說，包含在一個(gè)小型模塊或生物芯片里。樣品室可以如包含在這里所定義的芯片里。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，樣品室包含在一個(gè)芯片里，也就是說，包含在一個(gè)小型模塊或生物芯片里。通常芯片是單次使用的一次性單元。。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，第一和第二電極安置在樣品室中相對的兩側(cè)。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，當(dāng)氣體樣品流經(jīng)樣品室時(shí)，從氣體樣品中收集生物顆粒。在另一個(gè)實(shí)施方式中，為了增加生物顆粒的捕獲效率，當(dāng)氣體樣品再流經(jīng)樣品室(即氣體樣品流經(jīng)樣品室多于一次)時(shí)，可從氣體樣品中收集生物顆粒。例如，當(dāng)氣體樣品再流通時(shí)，氣體樣品可以流經(jīng)樣品室至少2次、3次、4次、5次、10次、15次、20次、30次、40次、50次或75次，如至少100次。氣體樣品可以如流經(jīng)樣品室的次數(shù)在2-200次范圍內(nèi)，如2-50次，50-100次或100-200次。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，在樣品室通過氣流的方式提供氣體樣品。在收集生物顆粒過程中，氣流典型的流速范圍優(yōu)選5-1000ml/min。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，在從氣體樣品中收集生物顆粒之前，氣流就已經(jīng)停止。
通常，樣品室中至少一部分氣體樣品是位于或者流經(jīng)第一電極和第二電極之間。例如，至少40％體積的氣體樣品是位于或流經(jīng)第一電極和第二電極之間的位置，如至少50％、60％、70％、80％、90％、95％、97.5％、99％、99.5％或99.9％體積的氣體樣品是位于或者流經(jīng)第一電極和第二電極之間的位置，如至少100％體積的氣體樣品是位于或者流經(jīng)第一和第二電極之間的位置。
下面進(jìn)一步詳細(xì)的敘述應(yīng)用在第一和第二電極間的電場。
在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，樣品室收集的生物顆粒與第一液體試劑接觸。優(yōu)選當(dāng)生物顆粒仍位于第一和第二電極之間的位置時(shí)，生物顆粒被接觸。
第一液體試劑包括一種或多種從由下列所組成的組中選擇的試劑引物、核酸、三磷酸核苷酸和核酸聚合酶。
第一液體試劑可進(jìn)一步含有添加劑，如2-巰基乙醇，如濃度為10mM；牛血清蛋白(BSA)，如濃度為1mg/ml；和/或者一種清潔劑，如濃度為0.5％到0.6％(w/v)。清潔劑可以從以下組中選擇，該組包含Triton×-100，Triton×-114，NP-40，Tween20，Tween80和類似的非離子清潔劑。
第一液體試劑可進(jìn)一步包括一個(gè)可被5′-3′核酸外切酶降解的寡聚核酸探針，所述核酸探針的降解導(dǎo)致釋放氧化還原活性組分。
氧化還原活性組分可以如是金屬茂合物，如二茂鐵。
根據(jù)本發(fā)明，術(shù)語“核酸”、“核酸系列”或“核酸分子”應(yīng)廣泛解釋，可以如包括核糖核酸(RNA)或脫氧核糖核酸(DNA)的寡聚體或多聚體或模擬物的。該術(shù)語包括一些分子，這些分子含有自然發(fā)生的核苷、糖和共價(jià)的核苷酸(骨架)間鍵合；還包括一類分子，該類分子含有非自然發(fā)生的核苷、糖和功效類似的或者是其組合的共價(jià)核苷(骨架)間鍵合的分子。這樣的被修飾和被取代的核酸可以比原始形式要優(yōu)選，因?yàn)槠淦谕男阅苤T如例如核酸目標(biāo)分子的增強(qiáng)的親和力，以及在有核酸酶和其它酶存在的情況下的提高的穩(wěn)定性，在本文中使用術(shù)語“核酸類似物”或者“核酸模擬物”來描述被修飾和被取代的核酸。核酸模擬物的優(yōu)選例子是含有肽核酸(PNA)、鎖定核酸(Locked Nucleic Acid，LNA)、木糖-LNA(xylo-LNA)、硫代磷酸、2’-甲氧基、2’-甲氧乙氧基、嗎啉和氨基磷酸酯的分子或者功能相似的核酸衍生物。
根據(jù)本發(fā)明，術(shù)語“引物”涉及核酸分子，該核酸分子典型地包括5-100個(gè)范圍內(nèi)的核苷酸，如在5-20、20-50和50-100個(gè)核苷酸。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，引物包括5-40個(gè)范圍內(nèi)的核苷酸，如5-10、10-20、20-30和30-40個(gè)核苷酸。
術(shù)語“核酸聚合酶”是指依賴于脫氧核糖核酸(DNA-)或者核糖核酸(RNA-)的DNA聚合酶，該DNA聚合酶，優(yōu)選熱穩(wěn)定，即該酶催化與模板互補(bǔ)的引物延伸產(chǎn)物的形成，并且在對于雙鏈模板核酸的變性所必要的提高的溫度下一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生不可逆的變性。一般地，合成是在每個(gè)引物的3′末端引發(fā)，并且沿著模板鏈在5′-3′的方向進(jìn)行。已經(jīng)從嗜熱或者極端嗜熱菌株中分離了熱穩(wěn)定的聚合酶，例如Thermus flavus、T.ruber、T.thermophilus、T.aquaticus、T.lacteus、T.rubens、Thermococcus litoralis、Pyrococcus furiosus、Bacillus stearothermophilus和Methanothermus fervidus。但是盡管如此，不是熱穩(wěn)定的聚合酶也能夠用于核酸擴(kuò)增中，只要進(jìn)行補(bǔ)充該酶。
可以對所收集生物顆粒進(jìn)行的進(jìn)一步分析例如包括預(yù)處理步驟，如提取生物材料。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，提取生物顆?？梢愿鶕?jù)同時(shí)申請的PCT專利來操作。該申請“提取生物材料的方法、芯片、設(shè)備和系統(tǒng)”(Method，Chip，Device and System for extraction of biological material)的PCT申請?zhí)朜o.XXXXXXX，這里將其引入作為參考。。正如PCT申請No.XXXXXXX所描述的，通過使生物顆粒接觸一種液體如第一液體試劑，然后把生物顆粒放置于交流電場中，可從生物顆粒中提取生物材料如基因材料。交流電場破裂大部分的細(xì)胞顆粒，甚至可以破裂細(xì)菌孢子，因而從生物顆粒中釋放出生物材料，用于進(jìn)一步分析。
對所釋放生物材料的進(jìn)一步分析也可包括如ELISA、蛋白質(zhì)分離、蛋白質(zhì)提純工藝。對于所釋放的基因材料，進(jìn)一步的分析可包括用限制酶進(jìn)行孵育、核酸擴(kuò)增如PCR處理、電泳和檢測如熒光檢測或電化學(xué)檢測。PCR處理和檢測可以如根據(jù)以下一起的同時(shí)申請的PCT專利的的方法和使用該專利所描述的試劑盒來進(jìn)行。該申請“增強(qiáng)的嵌套PCR處理的方法、裝備和系統(tǒng)”(Method，kit and system for enhanced nested PCR)申請?zhí)枮镹o.YYYYYYY，這里將其引入作為參考。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，第一和/或第二電極有一個(gè)從由下列所組成的組中選擇的實(shí)質(zhì)的形狀薄片、板、盤、線、棒狀或者其任意組合。目前優(yōu)選的是，至少一個(gè)電極為薄片狀；甚至更優(yōu)選的是第一和第二電極兩個(gè)都是為薄片狀。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，第一和第二電極被分開最多20mm的距離，優(yōu)選的是最多20mm，例如最多15mm、10mm、9mm、8mm、7mm、6mm、5mm或者最多4mm，更優(yōu)選的是最多3mm，更加優(yōu)選的是最多0.5mm例如最多0.3mm、0.2mm和0.1mm例如最多0.05mm。
例如第一和第二電極可以被分開0.05-20mm范圍內(nèi)的距離，例如在0.05-0.1mm、0.1-0.2mm、0.2-0.3mm、0.3-0.4mm、0.4-0.5mm、0.5-1mm、1-2mm、2-5mm、5-10或者10-15mm的范圍內(nèi)例如15-20mm的范圍內(nèi)。
通常第一和第二電極被分開至少0.02mm的距離，例如至少0.03mm或者0.05mm。
在本文中，“生物顆粒”涉及包括如微生物和/或者病毒和/或者其片斷的顆粒。
所述微生物可以是例如選自古微生物、真核細(xì)菌微生物或者真核微生物。
例如微生物可以選自由細(xì)菌、細(xì)菌孢子、病毒、真菌和真菌孢子所組成的組。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式中，生物細(xì)胞是空氣傳播的微生物。
本發(fā)明的生物顆粒也可包括植物孢子或者其碎片。
在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，微生物是細(xì)菌孢子。
例如，細(xì)菌孢子可以由選自芽孢桿菌屬(Bacillus)和/或梭狀芽孢桿菌屬(Clostridia)的細(xì)菌形成。
在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式中，細(xì)菌孢子是由炭疽芽孢桿菌(Bacillus Anthracis)所形成的孢子。生物顆?？梢岳绨ㄊ怯商烤已挎邨U菌(Bacillus Anthracis)所形成的細(xì)菌孢子。同時(shí)，生物顆?？梢曰旧嫌梢环N或者多種由炭疽芽孢桿菌(BacillusAnthracis)所形成的細(xì)菌孢子組成。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及從氣體樣品中檢測生物顆粒的芯片，該帶有樣品室的芯片包括樣品室，該樣品室有和周圍空氣流動(dòng)連接的第一開口和形成與設(shè)備流動(dòng)連接的第二開口，樣品室含有氣體樣品；
第一和第二電極被安置在樣品室相對的兩側(cè)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，芯片進(jìn)一步包括吸附在第一或第二電極上的生物顆粒。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，第一電極和第二電極的電勢可選擇為產(chǎn)生至少50％的有效長度為1-10μm顆粒的捕獲效率。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，第一電極和第二電極的電勢可選擇為產(chǎn)生至少50％的有效長度為1-10μm顆粒的捕獲效率。
電場強(qiáng)度可以從以下組中選擇50V/mm、100V/mm、200V/mm、300V/mm、400V/mm、500V/mm、600V/mm、700V/mm、800V/mm、900V/mm、1000V/mm、1100V/mm、1200V/mm、1300V/mm、1400V/mm、1500V/mm、1600V/mm、1700V/mm、1800V/mm、1900V/mm和2000V/mm。
例如，電場強(qiáng)度可以在50-2000V/mm的范圍內(nèi)，如在50-100V/mm、100-200V/mm、200-300V/mm、300-400V/mm、400-500V/mm、500-750V/mm、750-1000V/mm、1000-1200V/mm和1200-1500V/mm的范圍內(nèi)，如在1500-2000V/mm的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，第一和第二電極分別帶負(fù)電和正電，或者相反。例如，如果兩電極間的電勢差是400V，帶負(fù)電的電極可能有相對地的電勢-200V，帶正電的電極可能有相對地的電勢200V。
優(yōu)選的是，該電場是理論上的電場，即第一和第二電極之間的電勢差以第一和第二電極間的最小距離來分割。
樣品室的或者包含有樣品室的芯片的捕獲效率依賴于第一和第二電極的設(shè)計(jì)和其間的距離、樣品室的結(jié)構(gòu)和材料以及應(yīng)用于第一和第二電極的電勢。
在本發(fā)明的一個(gè)極其優(yōu)選的實(shí)施方式中，第一電極的第一電勢和第二電極的第二電勢，第一電極和第二電極間的電場可選擇的，以致于產(chǎn)生有效長度為1-10μm顆粒的捕獲效率至少為50％，如捕獲效率至少為70％，優(yōu)選的是至少80％，更優(yōu)選的是至少90％，如至少95％，97.5％，99％，99.5％或99.9％，如大約為100％。
優(yōu)選地是，捕獲率由實(shí)施例4中的標(biāo)準(zhǔn)方法來確定。
根據(jù)本發(fā)明，顆粒的“有效長度”是指顆粒的空氣動(dòng)力學(xué)半徑，如用激光散射法(O’Brien等，1986年)測量的。顆粒的空氣動(dòng)力學(xué)半徑dpa可以由下式來計(jì)算
dpa=dps·ρp]]>式中dps是Stoke半徑，μm；ρp是顆粒密度，g/cm3。
本發(fā)明的芯片包括含有第一開口的樣品室。
第一開口可用來引入樣品到樣品室，第一開口可與樣品如周圍空氣流動(dòng)連接?；蛘叩谝婚_口與一個(gè)或多個(gè)閥相連，該閥可以打開使樣品室與樣品流動(dòng)連接。
在本發(fā)明的一個(gè)重要實(shí)施方式中，樣品室如芯片的樣品室，包括一個(gè)第二開口。通過允許空氣或樣品室的樣品漏出，第二開口如可以被用作有利于引入新的樣品到樣品室。第二開口也可以被用作引入第一液體試劑到樣品室，或者第一液體試劑可以通過第一開口進(jìn)入樣品室。
樣品室如芯片的樣品室，典型地是一個(gè)微尺度的樣品室。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，樣品室的體積至多為500μl如至多為400μl、300μl、200μl、100μl、50μl、25μl、15μl、10μl、5μl、4μl、3μl或至多2μl如至多1μl。例如，樣品室的體積可以至多是500nl，如至多400nl，300nl，200nl，100nl，50nl，25nl，15nl，10nl，5nl，4nl，3nl或者至多2nl，如至多1nl。
典型地，樣品室的體積至少是10nl。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，樣品室的體積在1μl-50μl的范圍內(nèi)，如5μl-30μl。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，一對相對的壁之間的最小距離至多為20mm，如至多為15mm、10mm、8mm、6mm、4mm、3mm或2mm如至多1mm。例如，一對相對的壁之間的距離至多為600μm、500μm、400μm、300μm、200μm、100μm、50μm、25μm、15μm、10μm、5μm、4μm、3μm或至多2μm如至多1μm。
典型地，一對相對的壁之間的最小距離至少為5μm，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，一對相對的壁之間的最小距離為50μm-500μm范圍內(nèi)，如100μm-400μm和150μm-350μm。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，樣品室如芯片樣品室的長度，在1mm-50mm的范圍內(nèi)，如在1mm-10mm、10mm-20mm、20mm-30mm、30mm-40mm或40mm-50mm的范圍內(nèi)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，樣品室的長度在2mm-8mm范圍內(nèi)，如3mm-7mm或4mm-6mm。例如樣品室的長度可以約為4.5mm。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，樣品室如芯片樣品室的寬度為0.2mm-10mm范圍內(nèi)，如在0.2mm-1mm、1mm-3mm、3mm-5mm、5mm-7mm或7mm-10mm的范圍。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，樣品室的寬度在0.2mm-2mm的范圍內(nèi)，如在0.5mm-1.5mm和0.75mm-1.25mm內(nèi)。例如樣品室寬度可為約1mm。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，樣品室如芯片樣品室的高度，為50μm-2mm的范圍內(nèi)，如在100μm-1mm、200μm-900μm、300μm-800μm和500μm-700μm的范圍內(nèi)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，樣品室的高度是為100μm-400μm如為200μm-300μm。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，樣品室如芯片樣品室的長度，約為4.5mm，樣品室的寬度約為1mm，樣品室的高度約為300μm。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，芯片進(jìn)一步包括第一和第二電極。
第一和/或第二電極可以有不同的形狀或維度。例如，第一和/或第二電極可以有一個(gè)從如下組中選擇的實(shí)質(zhì)形狀薄片狀、平板狀、圓盤狀、線狀、棒狀或其任意組合。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，第一電極和第二電極可以是如薄片狀。
在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，第一電極和第二電極是相互面對的，例如它們放置在樣品室中相對的兩側(cè)。
第一電極和/或第二電極可以如放置在樣品室內(nèi)，不附著樣品室或者附著在樣品室的一個(gè)或多個(gè)壁。
第一和/或第二電極可以植入樣品室的壁中，例如，第一和第二電極可以植入樣品室中的壁中?；蛘撸谝缓?或者第二電極可以被安置在芯片的外表面。
優(yōu)選的是，第一電極和第二電極安置在樣品室相對的兩邊。
第一電極和第二電極之間的電勢差可在一個(gè)范圍內(nèi)，該范圍引起相同或不同尺寸的顆粒被捕獲至一個(gè)表面或偏離某個(gè)給定的方向，這樣可以提供選擇或捕獲感興趣的粒子。
電極，如第一電極和/或第二電極可以由許多種不同的材料構(gòu)成。典型地，電極是由金屬或合金構(gòu)成。第一電極和第二電極可以例如包含從由下列金屬所組成的組中選擇的金屬銀、金、鉑、銅、碳、鐵、石墨、鉻、鎳、鈷、鈦、水銀或者其合金。
也可以預(yù)想到，電極可包含一種導(dǎo)電的液體，甚至基本上由一種導(dǎo)電的液體組成。導(dǎo)電的液體可以是例如水銀。
電極的維度或/和結(jié)構(gòu)典型地依賴于樣品室的維度和/或結(jié)構(gòu)。電極的長度和寬度與樣品室的長度和寬度具有相同的數(shù)量級。
電極可以由小至幾個(gè)原子層的表面的導(dǎo)電材料構(gòu)成。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，電極如第一和/或第二電極的厚度為0.001μm-2000μm范圍內(nèi)，如0.001μm-1μm、1μm-20μm、20μm-200μm、200μm-2000μm。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，芯片的樣品室還包括一組檢測電極如兩個(gè)或者三個(gè)檢測電極，用于檢測氧化還原活性組分的出現(xiàn)或者缺失，該氧化還原活性組分可以是如從探針中釋放出來的。兩個(gè)檢測電極可分別作為工作電極和反電極。該組檢測電極還可以包括一個(gè)參比電極。通常，檢測電極是由金屬或合金構(gòu)成。電極可以如包括從有下列所組成的組中選擇的材料碳、銀、金或鉑。檢測以后，在電極表面會(huì)有膜形成。為了允許進(jìn)一步檢測所消化的探針，可以在芯片的樣品室內(nèi)安置更多組檢測電極。
在本發(fā)明優(yōu)選的一個(gè)實(shí)施方式中，第一電極和第二電極可以是檢測電極組。
在本發(fā)明優(yōu)選的一個(gè)實(shí)施方式中，芯片還包括一種溫度敏感元件，其例如可以是溫度敏感的金屬基的電阻器(電熱調(diào)節(jié)器)，具有正溫度系數(shù)(PTC)，即隨著環(huán)境溫度的增加，電熱調(diào)節(jié)器表現(xiàn)出電阻增加；隨著環(huán)境溫度的降低，電熱調(diào)節(jié)器的電阻減小。
電熱調(diào)節(jié)器可以是例如從包含下列材料的組中選出的銅、鎳、鐵、鋁、鉑或其合金。
電熱調(diào)節(jié)器可以有不同的形狀或維度，例如，電熱調(diào)節(jié)器可以有從以下組中選擇的一個(gè)實(shí)質(zhì)的形狀，改組中的形狀包括薄片、平板狀、圓盤狀、線狀或者棒狀。
電熱調(diào)節(jié)器可以是，如線狀的電極。
加熱電極可以有不同的形狀或者維度，例如，加熱電極可以有從下組中選擇的實(shí)質(zhì)的形狀薄片狀、平板狀、圓盤狀、線狀或者棒狀。
在本發(fā)明的優(yōu)選的一個(gè)實(shí)施方式中，加熱電極可以是，如薄片狀電極。本發(fā)明中的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，加熱電極可以被安置成能夠從反應(yīng)室的至少一邊進(jìn)行加熱。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，一個(gè)或者多個(gè)補(bǔ)充的加熱電極可以被安置在反應(yīng)室的對邊上。
加熱電極由電導(dǎo)材料制成，優(yōu)選地從下組中選取的材料鎳鉻合金(NiCr)、鐵鉻鋁合金(FeCrAl)、鐵鎳鉻合金(FeNiCr)或者其它加熱元素合金。
本發(fā)明優(yōu)選的一個(gè)實(shí)施方式中，芯片包括一個(gè)或者多個(gè)導(dǎo)電接觸襯墊，該襯墊與芯片的電極電接觸。芯片可包括與芯片的第一電極電接觸的導(dǎo)電接觸襯墊。芯片可包括與芯片的第二電極電接觸的導(dǎo)電接觸襯墊。芯片可包括與加熱電極的每個(gè)末端電接觸的兩個(gè)導(dǎo)電接觸襯墊。芯片可包括兩個(gè)或三個(gè)導(dǎo)電接觸襯墊，并且與該組檢測電極的每個(gè)電極電接觸。
在圖11中，兩個(gè)代表性的芯片實(shí)施方式圖解說明。在圖11A)中，芯片(1)包含樣品室(2)、第一電極(3)和第二電極(4)。第一電極(3)安置在芯片的頂部(5)，第二電極(4)安放在芯片的底部(6)。第一和第二電極都被電絕緣層(7)覆蓋，防止樣品室(2)中的液體物多余的電解。加熱電極是植入第二電極頂部的絕緣層。樣品室通過間隔部分(9)來形成，樣品室是夾在芯片(1)的第一部分(5)和第二部分(6)的中間。檢測電極和溫度敏感元件在圖11中沒有被示出。
芯片的進(jìn)一步實(shí)施方式和樣品室如圖1-8所示。
芯片可以含有大批不同的材料?？梢岳绨ㄓ袡C(jī)聚合物如塑料，金屬和半導(dǎo)體(如硅、玻璃和陶瓷)等。
關(guān)于圖11，第一部分和第二部分可能如包括諸如塑膠、半導(dǎo)體(如硅、玻璃和陶瓷)的材料。第一電極和第二電極可以例如含有金屬如金或銅。絕緣層可以例如是二氧化硅或聚酰亞胺的薄膜。加熱電極可以例如是NiCr電極，間隔層可以例如是聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性體的鑄件。
圖11B)中，第一電極和第二電極并不被包括在芯片里，但可以如包括在操作芯片的設(shè)備。
芯片可以僅包括一個(gè)單一的樣品室或者它可以包括多個(gè)樣品室。
芯片典型地具有在0.5mm-50mm范圍內(nèi)的厚度，優(yōu)選在2mm-8mm的范圍內(nèi)。
芯片典型地具有在10mm-500mm范圍內(nèi)的長度或者直徑，優(yōu)選在40mm-200mm的范圍內(nèi)。
芯片典型地具有在5mm-200mm范圍內(nèi)的寬度，優(yōu)選在20mm-100mm的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的進(jìn)一步方面涉及一種在芯片中收集生物顆粒的設(shè)備，該設(shè)備可以例如是一個(gè)空氣取樣設(shè)備或者從氣體樣品中收集生物顆粒的設(shè)備，該設(shè)備優(yōu)選包括芯片位點(diǎn)，芯片位于此處以便能夠功能上與該設(shè)備相連；和可編程的單元，其帶有軟件，該軟件使設(shè)備實(shí)現(xiàn)從由下列所組成的組中選出的一個(gè)或者多個(gè)動(dòng)作的操作在第一電極和第二電極之間應(yīng)用電場以輔助在樣品室中靜電捕獲氣體樣品中的生物顆粒；將所收集樣品室中的生物顆粒與第一液體試劑接觸；和對所收集的生物顆粒進(jìn)行進(jìn)一步的分析。
根據(jù)本發(fā)明，“功能性連接”意思是指芯片與設(shè)備相連接，因此設(shè)備可以進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)影響芯片的動(dòng)作的操作。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，當(dāng)該設(shè)備能影響樣品室中成分的電場時(shí)，該芯片是與該設(shè)備功能上相連。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，當(dāng)設(shè)備能控制至少芯片的一個(gè)電極的電勢時(shí)，芯片是與設(shè)備功能性的相連。例如，當(dāng)設(shè)備能控制第一電極和/或第二電極的電勢時(shí)，芯片是與設(shè)備功能性的相連接。
功能性的相連接還包括芯片的樣品室與流速控制設(shè)備進(jìn)行流動(dòng)交流。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，設(shè)備包括第一和第二電極，并且芯片與第一和第二電極間的電場功能性相連接，幫助在樣品室從氣體樣品中收集生物顆粒。在這個(gè)實(shí)施方式中，芯片不必包括第一和第二電極。
設(shè)備還可以包括一個(gè)提供電力的電動(dòng)力供應(yīng)器，如給氣流發(fā)生器設(shè)備，和/或給可編程單元，還包括第一電極和第二電極。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，芯片是通過芯片位點(diǎn)與設(shè)備功能性相連接。芯片位點(diǎn)可以如包括一個(gè)塑料界面，該塑料界面既可以當(dāng)作連接材料，也可以當(dāng)作襯墊，該襯墊保證芯片口和設(shè)備口緊密連接，以消除漏氣和液體的現(xiàn)象。芯片位點(diǎn)可以如包括一個(gè)表面和/或一個(gè)接受芯片的支架。典型地，芯片位點(diǎn)包括至少一個(gè)導(dǎo)電的接觸襯墊。優(yōu)選地，芯片位點(diǎn)包括至少一個(gè)導(dǎo)電的接觸襯墊，該接觸襯墊提供與芯片第一電極進(jìn)行電接觸，和提供與第二電極進(jìn)行電接觸。
可編程單元包含指令，優(yōu)選計(jì)算機(jī)可以讀取的，如可適應(yīng)利于控制、監(jiān)視的軟件，和/或在操作之前、在操作中和/或操作后，調(diào)控設(shè)備的軟件。
可編程單元優(yōu)選包括至少一個(gè)在所連接的存儲(chǔ)設(shè)備上儲(chǔ)存了一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)可適合用于控制該設(shè)備。本發(fā)明中的可編程單元可以是從以下非詳盡組中選擇通用計(jì)算機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)、可編程的邏輯控制單元(PLC)、軟程序的邏輯控制單元(soft-PLC)、硬程序邏輯控制單元(hard-PLC)、工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)或一個(gè)專用的微處理器。
本發(fā)明也涉及計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該產(chǎn)品適合使具有至少一個(gè)在其連接的存儲(chǔ)設(shè)備上儲(chǔ)存了計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能控制、監(jiān)視，和/或在操作之前、在操作中和/或操作后調(diào)控該設(shè)備。本發(fā)明還涉及一種計(jì)算機(jī)可讀取的存儲(chǔ)了一套工藝路線的媒介，該套工藝路線適應(yīng)性使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能控制、監(jiān)視，和/或在操作之前、在操作中和/或操作后調(diào)控該設(shè)備，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括至少一個(gè)在其連接的存儲(chǔ)設(shè)備上儲(chǔ)存了計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)。
在操作之前、在操作中和/或在操作后，用于控制、監(jiān)控和/或調(diào)控該設(shè)備的程序單元，優(yōu)選能適應(yīng)在惡劣的條件下操作，如北方氣候、熱帶氣候和戰(zhàn)斗環(huán)境，特別是，遭受原子、生物和/或化學(xué)戰(zhàn)(ABC-戰(zhàn)爭)攻擊的戰(zhàn)斗地區(qū)。優(yōu)選的是，可編程的單元應(yīng)遵照該單元的相關(guān)軍事說明書。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可編程的單元包括軟件，如果芯片與設(shè)備功能上相連的話，該軟件還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備檢查。
包括軟件的可編程單元還可使設(shè)備實(shí)現(xiàn)操作從由下列所組成的組中選擇的如2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)動(dòng)作在樣品室中提供氣體樣品；應(yīng)用第一電勢于第一電極，應(yīng)用第二電勢于第二電極，因而在第一和第二電極之間產(chǎn)生電勢差和電場，以輔助在樣品室從氣體樣品中靜電收集生物顆粒；將所收集的生物顆粒與第一液體試劑接觸，和進(jìn)行進(jìn)一步的分析。
包括軟件的可編程單元可以如，通過提供氣體樣品的氣流發(fā)生設(shè)備的操作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在樣品室提供氣體樣品。
包括軟件的可編程單元可以如，實(shí)現(xiàn)設(shè)備應(yīng)用第一電勢在第一電極和第二電勢應(yīng)用在第二電極。
包括軟件的可編程單元可以如，通過操作用于提供液體試劑的氣流產(chǎn)生設(shè)備和/或操作用于控制氣流的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備使所收集生物顆粒與第一液體試劑接觸。
包括軟件的可編程的單元可以實(shí)現(xiàn)與第一液體試劑接觸的所收集生物顆粒接受進(jìn)一步的分析，如通過實(shí)現(xiàn)設(shè)備使反應(yīng)混合物置于在所述的樣品室的交流電場中，并通過調(diào)節(jié)至少兩個(gè)電極的電勢，如此處所述的第一和第二電極，或另一套專用于交流電場的電極。
包括軟件的可編程的單元可以實(shí)現(xiàn)與第一液體試劑接觸的收集的生物顆粒接受進(jìn)一步的分析，如通過實(shí)現(xiàn)設(shè)備進(jìn)行目標(biāo)核酸系列的核酸擴(kuò)增操作，該核酸擴(kuò)增可通過操作此處所述的加熱電極來完成。
包括軟件的可編程的單元，其能夠例如具有這樣的作用，即通過操縱涉及差值脈沖伏安法的檢測電極，設(shè)備檢測是否出現(xiàn)了所擴(kuò)增的目標(biāo)核酸序列和/或檢測來自目標(biāo)核酸序列擴(kuò)增的產(chǎn)物。
在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，設(shè)備還包括一個(gè)設(shè)備和芯片間的電界面，該電界面用于施加樣品室中第一和第二電極間的靜電場。
裝置另外可測量參比信號，即來自于包括沒有生物細(xì)胞的樣品或包括確定量的給定生物細(xì)胞的樣品的信號。該參比信號可以例如被從距樣品室較遠(yuǎn)的另一個(gè)室中得到，例如位于芯片另一個(gè)位置的室或者位于另一個(gè)芯片的室。裝置還可以包括一個(gè)內(nèi)部的能量供應(yīng)。
內(nèi)部的能量供應(yīng)可以例如包括電池。在PCR反應(yīng)期間使用的能量，可以根據(jù)加熱一定體積的水所需熱量來估計(jì)，該體積的水應(yīng)等同于在PCR循環(huán)中最小和最大溫度之間的流體樣品的量。溫度的差別大約為50K，因此對于30μl的樣品，每個(gè)循環(huán)的轉(zhuǎn)移的熱量大約為6焦耳。例如運(yùn)行60個(gè)循環(huán)，一個(gè)PCR反應(yīng)的總能量消耗達(dá)到60×6＝360焦耳。使用與商業(yè)熱循環(huán)器(即每秒2℃)相差不大的等變率(ramping time)，能量需要量為360×2/50＝14.4W。
電池電壓被認(rèn)為是電池的定額電壓，如每個(gè)鎳-鉻(NiCr)和鎳-金屬氫(NiMH)電池電壓為1.2伏，每個(gè)鋰離子(Li離子)電池電壓為3.6伏。電池的蓄電量通常以毫安-小時(shí)(mAh)為單位，并且稱為電池的C-定額(C-rating)。例如，一個(gè)具有C-定額1200mA-小時(shí)的電池的負(fù)載電流1C，就是指1200毫安。當(dāng)電池電量耗盡至負(fù)載電流低于0.1C時(shí)(Linden D.1984，電池和燃料電池手冊，紐約McGraw-Hill)，一個(gè)電池可以看作是理想的(即保持固定的電容量)。因而，當(dāng)釋放出14.4W的能量如用一個(gè)電池釋放10.8V時(shí)，該電池的C-定額應(yīng)該在14.4/(10.8*0.1)＝13300mAh的范圍內(nèi)，以避免劇烈減小電池容量的峰值電量消耗。
為了使能量消耗和電量釋放，以及進(jìn)一步確保真正的可攜帶，可充電池是優(yōu)選的。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，可充電池可以從由下列所組成的組中選擇鎳金屬氫(NiMH)類電池和鋰離子(Li離子)類電池。
同時(shí)，內(nèi)部的電量供應(yīng)可以包括發(fā)電機(jī)例如可攜帶的發(fā)電機(jī)?？蓴y帶的發(fā)電機(jī)可以用作外部的能量供應(yīng)?？蓴y帶的發(fā)電機(jī)可以是日光模塊、電池充電器(例如交流或者汽車電池充電器)、燃料燃燒發(fā)電機(jī)等進(jìn)行充電或者只是由其所組成。
可以替換的是，來自外部能量供應(yīng)的電能可被提供到該設(shè)備，例如使用備用電池進(jìn)行補(bǔ)充。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，設(shè)備還包括一個(gè)流動(dòng)產(chǎn)生裝置，如為提供芯片樣品室中的氣體樣品，和當(dāng)芯片插入設(shè)備中時(shí)，與樣品室的第二開口流體連接。
流動(dòng)產(chǎn)生裝置可包括泵，如活塞泵、膜泵或者正排量泵。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，在選擇加樣(在10ml/min-500ml/min的范圍內(nèi))的過程中，泵能夠釋放適量的氣流通過芯片。優(yōu)選的是，泵應(yīng)該按照以下一個(gè)或者多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來選擇尺寸小、重量輕、沒有脈沖流動(dòng)、通過改變馬達(dá)的極性使媒介可逆流動(dòng)、通過控制電壓可調(diào)節(jié)流量。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，流動(dòng)產(chǎn)生裝置可以包括用于制造小滴試劑的噴射分配器，或者是類似的微分配設(shè)備。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，能夠以通過芯片的被動(dòng)流提供氣體樣品。這將要求在芯片和作為樣品的周圍氣體之間的一個(gè)流速差。例如芯片可以被移動(dòng)通過空氣，如按第一開口與周圍空氣是流動(dòng)相連的方式安裝在飛機(jī)上，最佳的是與飛行方向相反?？梢蕴鎿Q的是，如果空氣在芯片周圍移動(dòng)，芯片與空氣相比沒有速度，如安置在出氣口，會(huì)發(fā)生這種情況。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，設(shè)備還包括用于控制的裝置，如通過樣品室的流動(dòng)。
流動(dòng)可以是，如液體流動(dòng)或者氣體流動(dòng)。
控制流動(dòng)的裝置通常包括一個(gè)或者是多個(gè)閥。閥可以是，如從由下列所組成的組中選擇單向閥、兩路閥、多位置閥和夾管閥。
閥可以是例如微型組裝的閥，在實(shí)施方式中閥被集成在芯片上。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，第一試劑液體能夠使用噴墨微分配工藝進(jìn)行釋放。噴墨色帶盒含有一個(gè)或多個(gè)隔間，隔間里包含有第一液體試劑或者第一液體試劑的分開組分，噴墨色帶盒以這樣一種方式安裝，該種方式能使液體微分配到反應(yīng)室中。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，將第一液體試劑或者其分開的各個(gè)組分裝入塑料聚合物組成的密封的封套。塑料聚合物封套配置有一個(gè)內(nèi)置的加熱電極，可以通過使用適當(dāng)?shù)碾娏魇顾芰暇酆衔锶诨?，接著將封套里的液體釋放到芯片中。在另一個(gè)實(shí)施方式中，從密封的塑料聚合物封套中釋放液體，能夠通過機(jī)械的或者物理方式破裂封套如用尖的東西刺破來進(jìn)行。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，設(shè)備可以裝備一個(gè)視覺上讀出結(jié)果的顯示器，顯示器可以是光發(fā)射源形式的(LED，燈泡或者類似物)、顯示屏、數(shù)字的讀取器或者是上述的任何組合。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，讀取器可以以聲音信號來交流。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，設(shè)備包括可以允許無線通訊的組件。無線通訊的例子是802.11移動(dòng)無線局域網(wǎng)，蜂窩通訊、藍(lán)牙(Bluetooth)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、和超寬頻帶。通訊可以是單向的如從設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)或者是給設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，或者是通訊可以是組合的如雙向的。建立的通訊可進(jìn)一步擴(kuò)展為互聯(lián)網(wǎng)和設(shè)備之間的通訊，如建立一個(gè)ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以使一個(gè)設(shè)備觸發(fā)另一個(gè)設(shè)備的樣品，因此有利于監(jiān)控如氣霧云的進(jìn)程。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，設(shè)備為重量輕和/或可攜帶的設(shè)備。
在本發(fā)明的實(shí)施方式中，設(shè)備重量至多10kg，如至多8kg、6kg、4kg、3kg或2kg，如至多1kg。甚至更為優(yōu)選的設(shè)備的重量至多800g、如至多600g、500g、400g、300g、200g、150g、100g、80g、60g、50g、40g、30g、20g、10g或5g，如至多1g。
通常，設(shè)備總重量在20g-1kg的范圍，如20g-50g、50g-100g、100g-250g、250g-500g或500g-1000g。
在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，設(shè)備還包括在設(shè)備和芯片之間的一個(gè)電界面，該電界面為以施加樣品室中的第一和第二電極間的靜電場。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，設(shè)備包括第一和第二電極，當(dāng)芯片與電第一和第二電極間的電場功能性連接，輔助收集樣品室中氣體樣品的生物顆粒。在本實(shí)施方式中，芯片不需要包括第一和第二電極。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，設(shè)備還包括一個(gè)氣流發(fā)生器設(shè)備，如為芯片中的樣品室提供氣體樣品，當(dāng)芯片插入設(shè)備時(shí)，該設(shè)備與樣品室中的第二開口功能性連接。
設(shè)備也可包括一個(gè)接受和/或儲(chǔ)藏第一試劑的第一試劑室。典型地，第一試劑室有至少一個(gè)開口，當(dāng)芯片與設(shè)備功能性相連時(shí)，該開口與樣品室流動(dòng)相連接?；蛘?，第一試劑室的至少一個(gè)開口與樣品室流動(dòng)相連接，如通過使用控制氣流的設(shè)備。在貯存期間，第一試劑室也可以通過可移動(dòng)的障礙物來關(guān)閉。當(dāng)設(shè)備使用時(shí)，所述的障礙物被可逆或者不可逆地移去。
本發(fā)明進(jìn)一步的方面涉及一種收集生物顆粒的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括在此所定義的芯片，該芯片與在此所定義的設(shè)備功能性相連接。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，系統(tǒng)的芯片和設(shè)備是集成的，并不意味著物理上互相分開。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，系統(tǒng)的芯片和設(shè)備集成的，如果不破壞芯片或設(shè)備，它們不能物理上互相分開。
在本發(fā)明重要的實(shí)施方式中，該設(shè)備是一次性系統(tǒng)例如只能使用一次。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，系統(tǒng)的芯片是一次性的，但是該設(shè)備可以被重復(fù)使用。
本發(fā)明的一個(gè)特定方面包括目標(biāo)是有利于從氣體樣品中收集和濃縮生物顆粒(顆粒包括或包含活的或無生命的有機(jī)體)的方法和微結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的一個(gè)目的就是進(jìn)行有效和快速的生物顆粒取樣。通過一種方法和結(jié)構(gòu)可以達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，該方法和結(jié)構(gòu)包括結(jié)合使用在空氣流上的誘導(dǎo)電場。所述使用包括一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含一套電極和一套為所述使用設(shè)置的最佳參數(shù)，該套電極可以施加可變化電壓和使用變化的時(shí)間的電場本發(fā)明描述了一種方法和一個(gè)設(shè)備，該設(shè)備能夠應(yīng)用傾斜的或者垂直于流經(jīng)設(shè)備的空氣流的電場，使用這種方法結(jié)果是生物顆粒在所述的設(shè)備內(nèi)被收集和濃縮。
如附圖所示，本發(fā)明涉及在氣體樣品中微生物的取樣和濃縮的方法、設(shè)備和系統(tǒng)。通過使用隨后合適的設(shè)備，所述方法和系統(tǒng)能夠檢測所述的微生物。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所清楚的，以合適的方式和應(yīng)用合適的檢測手段，檢測步驟可以施行。
廣泛地來說，本發(fā)明中取樣和濃縮方法基本上與誘捕或捕獲有關(guān)，誘捕或捕獲是通過傾斜的或垂直于循環(huán)通過設(shè)備的氣流的電場來實(shí)現(xiàn)的。
在本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施方式中，如附圖所示，設(shè)備包括一個(gè)樣品室和兩個(gè)相對放置的電極，優(yōu)選為平板狀電極。待檢測的氣體樣品通過樣品室，如圖7和8更清楚的顯示，樣品室有一個(gè)接受氣體樣品進(jìn)入樣品室的進(jìn)口和一個(gè)從樣品室釋放氣體的出口，氣體樣品從入口到出口循環(huán)通過樣品室。同樣如圖所示，電極放置在樣品室中入口和出口之間的位置，所述電極有一個(gè)電勢差，因此允許氣體樣品通過而微生物從其中被捕獲。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施方式，如圖3更清楚的顯示，電極是由一套組裝設(shè)備組成，該組裝設(shè)備包括含有垂直于循環(huán)流經(jīng)設(shè)備的氣流的兩個(gè)平板電極。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，如圖2更清楚的所示，電極是由一套組裝設(shè)備成，該組裝設(shè)備包括垂直于設(shè)備中循環(huán)的氣流的一個(gè)線電極和一個(gè)板電極。
在任一情況中，如對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說清楚的是，根據(jù)本發(fā)明，所述設(shè)備在系統(tǒng)中用于檢測氣體樣品中的微生物的出現(xiàn)，從任一待檢測的氣體環(huán)境中取出微生物。
在本發(fā)明的另一個(gè)特定實(shí)施方式中，其系統(tǒng)和部件優(yōu)選設(shè)計(jì)成能取樣和濃縮微生物，如細(xì)菌(例如芽胞桿菌的幾種(Bacillus spp.)、梭狀芽孢桿菌屬的幾種(Clostridium spp.)、軍團(tuán)菌屬的幾種(Legionella spp.)、大腸桿菌(E.coli)O157:H7、奈瑟菌屬的幾種(Neisseria spp.)、肺結(jié)核桿菌(Mycobacterium tuberculosis))、真菌(例如黃曲霉菌(Aspergillus flavus)、煙曲霉(fumigatus)、黑曲霉(Niger)，Histoplagmacapsulatum、Coccidioides imitis)、病毒(例如天花、流感病毒和風(fēng)疹病毒)和相類似的。
本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施方式如圖3所示，該圖顯示了作為空氣監(jiān)視器單元的設(shè)備的例子，圖3中的單元和圖7和8中舉例的單元在取樣和濃縮有害的微生物中是特別有用的，有害的微生物可能出現(xiàn)在一些設(shè)施的空氣環(huán)境中，如醫(yī)院、學(xué)校、工業(yè)、住房、公共建筑物、農(nóng)場或類似的。在操作中，空氣取樣設(shè)備優(yōu)選以一種連續(xù)的方式可操作地與樣品相連接，該所取樣品是指被檢查的設(shè)施相關(guān)的空氣樣品。
空氣取樣設(shè)備優(yōu)選包括空氣入口，入口閥、盒子、能量供應(yīng)器、出口閥、空氣泵、空氣出口、控制電路板(未顯示)、從系統(tǒng)的不同部件到控制板的布線、盒子和系統(tǒng)的其它部分的支架。
空氣取樣設(shè)備典型的功能如下泵提供特定的吸氣到入口，然后進(jìn)入樣品室，吸氣流速范圍優(yōu)選約為5-1000ml/min；值得提醒的是，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所清楚的，其它合適的流速也可應(yīng)用在本發(fā)明。待檢測的氣體樣品也可以來源于人呼出的含有或易于含有微生物的呼吸樣品。
在任一種情況下，不管待檢測的氣體樣品來源于氣體環(huán)境還是人呼出的含有或易于含有微生物的呼吸樣品，都是從空氣入口直接進(jìn)入樣品室。一旦微生物被取樣和濃縮，了解診斷系統(tǒng)的技術(shù)人員將很容易找到各種設(shè)備來檢測所取的微生物樣品，并鑒別所述的微生物。
優(yōu)選地，該設(shè)備是從由下列所組成的組中的材料制成聚合物、二氧化硅、玻璃、金屬和陶瓷。
可以理解的是，在取樣工藝上，本發(fā)明比以前的技術(shù)上有實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。在取樣工藝中，靜電沉淀工藝能成功地在生物芯片上具體實(shí)現(xiàn)，并且提供一種低價(jià)的、有活力的、易控制的直接從空氣中捕獲生物顆粒的方法。如圖清楚地顯示(見圖9)，在生物芯片內(nèi)捕獲效率很容易達(dá)到80％，并能通過增加電壓可使捕獲效率更高。靜電沉淀生物芯片(EP-chip)的連續(xù)操作提供了一個(gè)單一捕獲和濃縮步驟，它是現(xiàn)有技術(shù)的主要改進(jìn)。
盡管本發(fā)明最初設(shè)計(jì)用來在取自各種環(huán)境的氣體樣品中微生物取樣，通過閱讀以下描述，將會(huì)很容易明白，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所清楚的。對于這個(gè)原因，“空氣”、“輸送管”、“通風(fēng)”、“空氣檢測單元”和類似的表達(dá)不應(yīng)該被認(rèn)為限制本發(fā)明的范圍，包括所有其它種類物質(zhì)，該物質(zhì)為本發(fā)明可使用的和本發(fā)明有用的物質(zhì)。
另外，盡管如圖說明的本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式包括各種部件，如閥、泵、控制電路板等，盡管取樣設(shè)備/系統(tǒng)和本發(fā)明所示的相關(guān)部件的優(yōu)選實(shí)施方式包括確定的幾何外形，正如此處解釋的和圖說明的幾何外形。并不是所有這些部件和幾何外形是本發(fā)明所必須的，因此不能理解為任何限制的意思，如不能考慮為限制本發(fā)明的范圍。正如本技術(shù)領(lǐng)域的人員所清楚的，可以理解其它的合適部件和其它的幾何外形可以用在本發(fā)明的取樣設(shè)備/系統(tǒng)，正如在這之后會(huì)簡要介紹的沒有離開本發(fā)明范圍情況。
當(dāng)在此描述了本發(fā)明幾個(gè)實(shí)施方式，可以理解本發(fā)明是能進(jìn)一步修正的，其運(yùn)用的目標(biāo)是打算覆蓋任何變化、任何使用或本發(fā)明的修改，該修正的運(yùn)用是根據(jù)本發(fā)明一般原則和包括偏離于本發(fā)明公開內(nèi)容，本發(fā)明公開內(nèi)容是關(guān)于本領(lǐng)域的知識和慣例，本領(lǐng)域是指本發(fā)明相關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域。在闡述和屬于所附權(quán)利要求書定義的本發(fā)明范圍之前，可以將其使用在基本的特征。
本發(fā)明可以以不同的目的或應(yīng)用來使用，例如，本發(fā)明可以用來檢測空氣中的活(無性)細(xì)菌。設(shè)備能被安裝在通風(fēng)管并接通幾天或幾周時(shí)間。細(xì)菌會(huì)被捕獲電極捕獲，并用隨后的本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方法來檢測。
本發(fā)明也被用來檢測孢子，如炭疽芽孢桿菌(Bacillus Anthracis)孢子。設(shè)備能被安裝在通風(fēng)管并接通幾天或幾周時(shí)間。細(xì)菌會(huì)被捕獲電極捕獲，并用隨后的本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方法來檢測。
另外，本發(fā)明能用來各種尺寸的顆粒進(jìn)行取樣，顆粒的尺寸是用合適的計(jì)算方法測量。更特別地，它可被用來檢測空氣管道、通風(fēng)系統(tǒng)、空氣凈化器、空調(diào)和真空吸塵器中的微生物，檢測在單獨(dú)的空間、制藥的和醫(yī)學(xué)的超凈空間等地的微生物本發(fā)明也被用來檢測活的致病病原體，設(shè)備直接與例如空調(diào)的面罩相連。
本發(fā)明的一個(gè)特定方面涉及收集生物顆粒的一種微尺度設(shè)備，它包括一個(gè)碰撞收集器，在待取樣的空氣和碰撞收集器之間，有一個(gè)提供氣流容量的進(jìn)入口；在碰撞收集器和碰撞收集器外部之間，一個(gè)提供氣流容量的出口。出口或進(jìn)口與氣流發(fā)生設(shè)備相連接，該氣流發(fā)生設(shè)備吸入氣體樣品從進(jìn)口通過碰撞收集器到出口。所述碰撞收集器有一個(gè)安裝在碰撞收集器進(jìn)口和出口之間的位置的收集部件，所述的收集部件包括兩個(gè)或多個(gè)平行安置的電極，并有表面或至少一部分表面涂覆或包含有能導(dǎo)電流的材料。
在本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施方式中，平行的電極能產(chǎn)生傾斜的電場或者垂直于通過設(shè)備的氣流的電場，有利于使出現(xiàn)在取樣空氣中的顆粒帶靜電荷，因此被帶正電或負(fù)電的電極吸附而被捕獲。
在本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施方式中，電極產(chǎn)生的電場在100V/mm-1500V/mm范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施方式中，用漂洗液或者使用能吸入流體攜帶生物顆粒流經(jīng)微尺度設(shè)備的設(shè)備，使生物顆粒從設(shè)備上被漂洗掉。
在本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施方式中，收集攜帶生物顆粒流體的步驟包括引導(dǎo)引所述流體到貯備器，所述流體可以檢測其中生物顆粒的出現(xiàn)。
應(yīng)該指出的是，本發(fā)明文中描述的本發(fā)明一個(gè)方面的實(shí)施方式和特征也適用于本發(fā)明的其它方面。
實(shí)施例以下實(shí)施例解釋說明了本發(fā)明寬的應(yīng)用范圍，并不是限制其范圍。在沒有偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，本發(fā)明的修正或者變更是可以實(shí)現(xiàn)的。盡管任何相似的或等同此處描述的方法和材料可以用作本發(fā)明考驗(yàn)實(shí)踐，但是優(yōu)選的方法和材料有描述。
實(shí)施例1材料和方法控制電壓發(fā)生器(見下)的GPIB軟件由RTX A/S通訊公司(Norresundby，Demark)專門開發(fā)，該電壓發(fā)生器是在實(shí)驗(yàn)室用來捕獲芯片上孢子的設(shè)備。顆粒尺寸分析器(Model 3321，TSI Inc.，Shoreview，MN，USA)是由TSI軟件氣溶膠設(shè)備管理器(Serosol Instrument Manager)來控制。Fenix激光是用Winmark Pro 4.0.0build 3773版(Synrad software，Mukilteo，WA USA)來控制。
在以下條件運(yùn)行激光處理1200dpi，速度為每秒400脈沖，能量強(qiáng)度為5-10％范圍。重疊標(biāo)記數(shù)依賴所需要的通道深度，應(yīng)設(shè)置在1-10之間的數(shù)(10代表深的通道，而1代表很淺的表面燒蝕深度20-30μm)。很深的通道(＞800μm)趨向變成凹面形狀，這是由于當(dāng)燒蝕進(jìn)入材料時(shí)激光斑點(diǎn)損失所致。GPIB控制的高電壓能量供應(yīng)器(型號PS310/1250V-25W)是從斯坦福研究系統(tǒng)公司(Stanford Research Systems，Inc.Sunnyvale，CA，USA)購買的。能量供應(yīng)器用來產(chǎn)生范圍為100-1200V的電壓。
靜電沉淀生物芯片(EP-chip)控制的電壓和泵是由RTX A/S通訊公司(Norresundby，Demark)開發(fā)的，該控制的電壓和泵是在63m3的不銹鋼封裝的氣溶膠空間操作的實(shí)驗(yàn)中使用。上轉(zhuǎn)換的變流器可以使從四個(gè)1.5V的標(biāo)準(zhǔn)AA電池釋放出250V的電壓，并提供給空氣泵能量。
真空泵(型號DC06/03f，Erich Fürgut，Tannheim，Germany)用來調(diào)節(jié)在靜電沉淀芯片(EP-chip)上空氣吸入。DC06/03f設(shè)備是在6V的電壓220-330mA的電流下運(yùn)轉(zhuǎn)，在最大壓力差180mbar的條件下，釋放1.0l/min的空氣，該設(shè)備總重量達(dá)30g左右。該泵的優(yōu)點(diǎn)如下小尺寸、輕便、穩(wěn)定的氣流、通過改變馬達(dá)的極性可使媒介可逆流動(dòng)、通過控制電壓可調(diào)節(jié)流量。
型號為3321的氣溶膠顆粒篩選器(Aerosol Particle Sizer)(3321APS，TSI Inc，Shoreview，MN USA)提供了兩種測試空氣動(dòng)力學(xué)尺寸和相對光散射強(qiáng)度。它檢測顆粒尺寸大小在0.37-20μm范圍的顆粒，以高分辨率按大小分類空氣動(dòng)力學(xué)直徑在0.5-20范圍的顆粒。該設(shè)備實(shí)時(shí)測量空氣動(dòng)力學(xué)尺寸，其設(shè)定的氣流為5l/min。
實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)所用的氣溶膠樣品室由職業(yè)病研究所(The Institute ofOccupational Health，Copenhagen，Denmark)友情提供，其由Mikrolab公司(Mikrolab Aarhus A/S，Hjbjerg，Denmark)制造。50升的室是由不銹鋼制成的，被安裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備上，該設(shè)備允許整個(gè)樣品室以0-60rpm的速度旋轉(zhuǎn)。核心室可被分成三個(gè)部分(兩個(gè)末端和一個(gè)圓筒)。兩個(gè)末端部分都由5個(gè)把手安全的固定。在組裝以前，孢子材料放置在圓筒中。室是敞開的，泵系統(tǒng)可從室的后邊吹入可控溫度和濕度的空氣流經(jīng)該室，該室在管口有一出口，如圖5所示。管口可與兩片的金屬管(圖5所示)相連，該金屬管把空氣流分為兩部分，一部分流經(jīng)HEPA過濾輸出，另一較小的部分進(jìn)入芯片。與兩片的金屬管連接的PMMA芯片從氣溶膠樣品室以界面與輸出管口界面連接。金屬管(見圖的右上部)進(jìn)入一個(gè)低壓的管道，該管道裝備了兩個(gè)重疊的Whatman定量濾紙(級別2V，孔尺寸為8μm，Whatman International Ltd.，Maidstone，Kent UK)。
由顯微鏡片制作的樣品室與兩片的金屬圓筒界面連接，并且與氣溶膠室出管口(見圖6)相連，界面連接是由0.5mm內(nèi)徑的聚四氟乙烯圓片完成，聚四氟乙烯圓片是由兩個(gè)組分的環(huán)氧樹脂膠合在玻璃上，并過夜硬化。氣流、溫度和濕度的控制器允許控制量的空氣以一定的溫度和濕度進(jìn)入氣溶膠室。空氣溫度是在26℃，濕度為50％。
Fenix激光器(Laser)(model 48-2，Synrad Inc.，Mukilteo，WA USA))是功率為25W的射頻激發(fā)脈沖二氧化碳激光器。它安裝有80mm透鏡(透鏡焦距)，名義上場為27×27cm，工作距離為74±1cm，斑點(diǎn)尺寸為116μm。二氧化碳?xì)怏w混合物可提供輸出波長為或接近10.6μm。Fenix激光器透鏡系統(tǒng)使用平場原則，在標(biāo)記工藝中，提供高質(zhì)量性和高一致性。PMMA部分快速的熱粘結(jié)(見下)可在BD加熱爐(Binder GmbH，Tüttlingen，Germany)以溫度120-200℃范圍完成。
消耗品PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)板(Riacryl，RIAS A/S，Roskilde，Denmark)是透明的(＞90％透過率)，有很好的紫外光穩(wěn)定性，低水吸收和高的抗磨損性。通過激光燒蝕(Johnson等人，2001)，PMMA已被用來制備微結(jié)構(gòu)，并且與其它材料相比如聚(乙烯基-對苯二酸酯-乙二醇)、聚(氯乙烯)和聚(碳酸)(Pugmire等人，2002)，該材料在切除工藝中是化學(xué)惰性的。該材料進(jìn)一步被證明適合制造復(fù)雜集成的微流體系統(tǒng)，該微流體系統(tǒng)具有實(shí)驗(yàn)室集成到芯片上系統(tǒng)的特征(Johnson等人，2001)。當(dāng)該材料放置于電場中，釋放出很少焦耳的熱量，它可以用于DNA分離(Chen & Chen 2000；Sung et al2001)。
制作了不同的PMMA設(shè)計(jì)，并通過在160-200℃的溫度下快速的熱粘結(jié)成功地退火。通過使用由Mikrolab Aarhus A/S公司開發(fā)的原型隊(duì)列工具，可制備出隊(duì)列。在快速熱粘結(jié)之前，通過放置0.2-0.5μl氰基丙烯酸鹽粘結(jié)劑在PMMA板角落，使隊(duì)列由粘結(jié)劑粘結(jié)穩(wěn)固。如果粘結(jié)劑粘結(jié)保持在微結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)位置，發(fā)現(xiàn)最小量的粘結(jié)劑不會(huì)干擾熱在活性微結(jié)構(gòu)部分附近的粘結(jié)工藝。高溫快速熱粘結(jié)剔除了熱熔解粘接所必須的需要，該必須的需要明顯損壞隊(duì)列和微結(jié)構(gòu)本身。
用在4-甲基-penthan中包含有銀顆粒的Electrodag 1415M來制作電導(dǎo)涂層。電導(dǎo)流體用丙酮1∶1稀釋，以減少涂層的厚度。
實(shí)施例2孢子的收集材料在氣溶膠試驗(yàn)中使用粉末狀桿狀菌孢子(Biobit WP，wet-able powder)，其包含在蘇云金芽孢桿菌(Bacillus thurigiensis)亞種kurstaki(ValentBioSciences Corp，Libertyville，USA)中?；谙盗邢♂尩耐堪宸治觯勰╂咦拥臐舛缺淮_定為3.2×109個(gè)孢子/g(即菌落生成單位，或CFU)，密度為0.86g/cm3(＝860kg/m3)。
顆粒分析器軟件顆粒尺寸分析器(model 3321來自TSI Inc.，500Cardigan Road，Shoreview，MN 55126-3996，USA)是通過TSI軟件氣溶膠設(shè)備管理器(Serosol InstrumentManager)(the TSI software Aerosol Instrument Manager)來控制的。
實(shí)驗(yàn)設(shè)置一組孢子捕獲實(shí)驗(yàn)可以使用電極距離為1mm的靜電沉淀設(shè)備來操作。在10分鐘取樣期間，流量記錄為2l/min，并且總的顆粒濃度估計(jì)為26mg/m3，幾何平均尺寸為1.53±1.96μm，代表總的顆粒數(shù)為3304290。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)每個(gè)由每個(gè)為30秒的9個(gè)樣品周期組成。三個(gè)第一樣品周期是預(yù)控制，顯示出控制樣品的穩(wěn)定性。在此期間，設(shè)備的電極的電壓為0V。隨后的三個(gè)30秒樣品是在設(shè)備電場設(shè)置為捕獲電壓為100-1200V(從-50V/+50V到-600V/+600V)來操作。
最后的三個(gè)30秒樣品周期是后控制，此時(shí)設(shè)備電極上的電壓返回到0V。
顆粒計(jì)數(shù)器計(jì)算通過原型的顆粒，因此，顆粒的捕獲被解釋為預(yù)控制和后控制的從總數(shù)中移去的顆粒數(shù)。
結(jié)果如圖9所示，捕獲效率隨著電極上電壓的增加，捕獲效率增加。
采用各種尺寸分?jǐn)?shù)的取樣效率，該取樣效率對應(yīng)用在取樣電極上的電壓作圖，可以從圖10看出，幾何平均尺寸為0.542、1.037、1.596或2.129μm的孢子捕獲效率沒有明顯的區(qū)別。
實(shí)施例3確定捕獲效率的方法標(biāo)準(zhǔn)的生物顆粒的制備將含有大約109個(gè)孢子/g的100毫克(Biobit蘇云金芽孢桿菌(Bacillusthurigiensis)亞種kurstaki)(Valent BioSciences Corp，Libertyville，USA)浮在1ml去離子水中，并在12000rpm下離心90秒。去上清。重復(fù)該步驟4次。這個(gè)過程重復(fù)四次，在最后一次重懸浮之前，取出一個(gè)樣品來確定每毫升的CFU數(shù)，試管留下來進(jìn)行脫水干燥如真空干燥。
系列稀釋涂布在LB瓊脂平板上(Luria Bertani培養(yǎng)基；10.0g胰蛋白胨、5.0g酵母提取物、10.0g氯化鈉、15.0g瓊脂，在pH＝7.0的1.0L水中重懸浮，高壓滅菌)，在30℃孵化過夜，并檢查可看見的菌群。CFU數(shù)能夠確定粉末中的孢子數(shù)。
捕獲效率測試沖洗和干燥的蘇云金芽孢桿菌(Bacillus thurigiensis)孢子在合適的氣溶膠室中進(jìn)行氣溶膠化，其結(jié)果孢子濃度大約為104-105個(gè)孢子/升。確定捕獲效率的芯片/取樣室與設(shè)備相連，因而功能性連接。芯片/取樣室與氣溶膠室相連，并且氣溶膠吸入并以氣流速大約50ml/min通過芯片的樣品室。顆粒計(jì)數(shù)器(如analyzer model 3321，來自TSI Inc.，500Cardigan Road，Shoreview，MN55126-3996，USA)是與芯片出口相連的，并且計(jì)算尺寸在1-10μ的離開芯片的孢子數(shù)。
首先，當(dāng)設(shè)置第一和第二電極對地的電勢時(shí)，通過吸入氣溶膠來測試25mL氣溶膠中的孢子數(shù)。所測試的孢子數(shù)用作對照值Nc。
然后，將選擇的電勢應(yīng)用與第一和第二電極，將另外的25mL氣溶膠吸入通過芯片。當(dāng)吸入過程中，測量排出芯片的孢子數(shù)，這個(gè)值稱作Ns。
通過(Nc-Ns)/Nc*100％，計(jì)算在所選擇的電勢下，芯片/取樣室的捕獲效率。
參考文獻(xiàn)Mainelis等人2002a Mainelis G，Gorny RL，Reponen T，Trunov M，GrinshpunSA，Baron P，Yadav J，Willeke K.(2002).Effect of electricalcharges and fields on injury and viability of airbornebacteria.(電荷和電場對空氣傳播的細(xì)菌的傷害性和生存能力的影響)Biotechnol Bioeng.79229-41.
Mainelis等人2002b Mainelis，G，Adhikari，A.，Willeke，K.，Lee，S.-A.，Reponen，T.，and Grinshpun，S.A.(2002)Collection ofAirborne Microorganisms by a New ElectrostaticPrecipitator(通過新型的靜電沉淀器收集空氣傳播的細(xì)菌)，Journal of Aerosol Science，31417-143.
Iversen和Tolo Iversen DB，Tolo K.(1975)Electrostatic air filters for dentalpractice Nor Tannlaegeforen Tid.(用于牙科手術(shù)NorTannlaegeforen Tid的靜電空氣過濾器)85446-8.
Johnson等人Johnson RD，Badr IH，Barrett G，Lai S，Lu Y，Madou MJ，Bachas LG.(2001)Development of a fully integratedanalysis system for ions based on ion-selective optodes andcentrifugal microfluidics.(開發(fā)完全繼承的例子分析系統(tǒng)，其基于離子選擇性光極和離心顯微射流技術(shù))AnalChem.733940-6.
Pugmire等人2002 Pugmire DL，Waddell EA，Haasch R，Tarlov MJ，LocascioLE.(2002)Surface characterization of laser-ablatedpolymers used for microfluidics.(對用于顯微射流技術(shù)的激光燒蝕聚合物的表面鑒定)Anal Chem.74871-8Chen和Chen Chen YH，Chen SH.(2000)Analysis of DNA fragments bymicrochip electrophoresis fabricated on poly(methylmethacrylate)substrates using a wire-imprinting method.(通過在使用金屬絲重印方法在多聚(甲基丙烯酸甲酯)基質(zhì)上制造的微芯片進(jìn)行對DNA片斷的分析)Electrophoresis.21165-70.
Sung等人 Sung WC，Lee GB，Tzeng CC，Chen SH.(2001)Plasticmicrochip electrophoresis for genetic screeningthe analysisof polymerase chain reactions products of fragile X(CGG)nalleles.(用于遺傳篩選的塑料微芯片電泳分析fragile X的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)品)Electrophoresis.21188-93.
O′Brien et al O′Brien D，Baron P，Willeke K.(1986)Size andconcentration measurement of an industrial aerosol.(對工業(yè)氣溶膠的尺寸和濃度的測量)Am Ind Hyg Assoc J.47386-92.
權(quán)利要求
1.一種用于從空氣中收集生物顆粒、也可選擇性地檢測生物顆粒的方法，其特征在于該方法包括下列步驟1)提供樣品室和第一電極和第二電極，其中第一電極、第二電極和樣品室被安置為至少部分樣品室位于第一和第二電極之間；2)提供樣品室中的氣體樣品；3)將第一電勢應(yīng)用于第一電極，第二電勢應(yīng)用第二電極，這樣在第一和第二電極之間產(chǎn)生電勢差和電場，以輔助在樣品室中從氣體樣品中靜電收集生物顆粒；4)將在樣品室中所收集的生物顆粒與第一液體試劑進(jìn)行接觸；和5)可選擇地，對所收集的生物顆粒進(jìn)行進(jìn)一步分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一電極的第一電勢和第二電極的電勢以及進(jìn)而第一和第二電極之間的電場被選擇位以致于產(chǎn)生至少50％的捕獲有效長度為1-10μm顆粒的效率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一和/或第二電極有一個(gè)從下組中選擇的實(shí)質(zhì)形狀薄片狀、平板狀、圓盤狀、線狀、棒狀、點(diǎn)狀或者其任意組合。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，第一電極和第二電極被分開至多20mm的距離，優(yōu)選的是至多10mm，更優(yōu)選的至多2mm，甚至更優(yōu)選0.5mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，至少一部分樣品室中的氣體樣品位于第一電極和第二電極之間，或者在第一電極和第二電極之間流動(dòng)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，生物顆粒包括從由下列所組成的組中選擇的組分微生物、病毒、植物孢子及其碎片。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，微生物是細(xì)菌孢子。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，細(xì)菌孢子是由選自芽孢桿菌屬(Bacillus)和/或梭狀芽孢桿菌屬(Clostridia)的細(xì)菌形成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，細(xì)菌孢子由炭疽芽孢桿菌(BacillusAnthracis)形成的孢子。
10.一種收集生物顆粒的芯片，其特征在于，該帶有樣品室的芯片包括樣品室，該樣品室有和周圍空氣流動(dòng)連接的第一開口和形成與設(shè)備流動(dòng)連接的第二開口，樣品室含有氣體樣品；第一和第二電極被安置在樣品室相對的兩側(cè)；可選擇地，生物顆粒附著到第一或者第二電極上；可選擇地，第一電極的第一電勢和第二電極的第二電勢，以及進(jìn)而在第一電極和第二電極之間所產(chǎn)生的電場，都是可被選擇為產(chǎn)生至少50％的有效長度為1-10μm顆粒的捕獲效率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的芯片，其特征在于，電場強(qiáng)度在50-2000V/mm范圍。
12.一種收集芯片中生物顆粒的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括芯片位點(diǎn)，芯片位于此處以便能夠功能上與該設(shè)備相連；可選擇地，在設(shè)備和芯片之間的電界面，其用于在樣品室中的電極之間施加靜電場；可選擇地，流動(dòng)發(fā)生設(shè)備用于提供芯片的樣品室中的氣體樣品，并且當(dāng)芯片插入設(shè)備時(shí)，與樣品室的第二開口流動(dòng)連接；可選擇地，控制流經(jīng)樣品室的氣流和/或從室進(jìn)入樣品室的液體流的設(shè)備；可選擇地，用于接收和儲(chǔ)藏第一液體試劑的第一液體試劑室，第一液體試劑室包括至少一個(gè)開口，當(dāng)芯片與設(shè)備功能性相連，其與樣品室流動(dòng)相連；可選擇地，用于提供電能的電能供應(yīng)器，如為流動(dòng)發(fā)生設(shè)備提供電能；可編程的單元，其帶有軟件，該軟件使設(shè)備實(shí)現(xiàn)從由下列所組成的組中選出的一個(gè)或者多個(gè)動(dòng)作的操作在第一電極和第二電極之間應(yīng)用電場以輔助在樣品室中靜電捕獲氣體樣品中的生物顆粒；將所收集樣品室中的生物顆粒與第一液體試劑接觸；和對所收集的生物顆粒進(jìn)行進(jìn)一步的分析。
13.一種收集生物顆粒的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括權(quán)利要求10-11任何一項(xiàng)所述的芯片，其與根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備功能上相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于收集生物顆粒的方法、芯片、設(shè)備和系統(tǒng)。本發(fā)明的方法是利用將生物顆粒靜電吸引到帶電的電極上，并優(yōu)選對氣體樣品進(jìn)行操作。本發(fā)明的方法、芯片、設(shè)備和系統(tǒng)為如可以用于從空氣樣品中收集病原體顆粒如細(xì)菌孢子和病毒，并可以對所收集的生物顆粒進(jìn)行隨后的分析。
文檔編號C12Q1/24GK1934443SQ200580005909
公開日2007年3月21日 申請日期2005年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月26日
發(fā)明者格特·博蘭德·詹森, 拉爾斯·湯姆森, 厄恩·羅伯特·韋爾特曼 申請人:湯姆森生物公司