CN102159303A - 实现放大的动电流体泵吸改变和脱盐的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了使溶液脱盐的装置及其方法。该方法特别采用了包括与导管相连的微通道的装置，其中导管中产生的电场在微通道内形成空间电荷层。所述空间电荷层为盐离子提供能量阻挡并且在微通道和导管之间的连接区域附近形成离子耗尽区。因此该方法能够在微通道内使盐离子从导管附近的区域离开，并使它们聚集到远离导管的区域。

Description

实现放大的动电流体泵吸改变和脱盐的装置及方法

技术领域

本发明提供一种使微流体装置中的液体加速流动的方法。本发明还提供用于放大泵吸、改变流动方向以及直接的(无膜的)海水脱盐的方法。上述方法基于溶液中带电物质的电感应局部化，其导致流体流动增强。可进一步从溶液分离、离析并去除所述局部化的带电物质。

背景技术

蛋白质组学的主要挑战之一是生物分子样品(例如，血清或者细胞提取物)的高度复杂性。典型的血液样品可包含超过10,000个不同的蛋白质种类，其浓度相差达到9个数量级。蛋白质的这种多样性及其巨宽的浓度范围，对蛋白质组学的样品制备提出了巨大的挑战。

传统的基于多维分离步骤及质谱分析法(MS)的蛋白质分析技术，由于其最大分离量(达到～3000)及检测的动态范围(～10⁴)有限而不符合标准。微流体生物分子分析系统(所谓的μTAS)有望用于自动生物分子处理。各种生物分子分离、纯化步骤，以及化学反应和化学放大，都可小型化到微芯片上，使样品分离和处理的速度提高了几个数量级。另外，已经实现了将两种不同分离步骤集成到一个多维分离装置中的微流体集成。然而，大多数微流体分离和样品处理装置都存在样品体积不匹配的关键问题。微流体装置在操作和处理1pL～1nL的流体样品时是很有效的，但是获得的或者要处理的大多数生物分子样品的液体体积大于1μL。因此，基于微芯片的分离技术往往只对获得样品的一小部分进行分析，这大大限制了整体的检测灵敏度。在蛋白质组学中，这个问题更加严重，因为信息量丰富的信号分子(例如细胞因子和生物标记物)仅具有痕量浓度(nM～pM范围)，并且缺乏信号放大技术(例如，蛋白质和肽的聚合酶链式反应(PCR))。

需要一种有效的样品浓缩器，其可以采用微升或者更大的常规样品体积，并将其中的分子浓缩到更小的体积，从而可以更加灵敏地分离和检测这些分子。目前已经存在多种策略对液体进行样品预浓缩，包括场放大样品堆积(FAS)、等速电泳(ITP)、动电捕获、胶束动电扫集、色谱分析法预浓缩以及薄膜预浓缩。上述很多技术最初是为毛细管电泳而研制的，需要特定的缓冲装置和/或试剂。色谱分析法和基于过滤的预浓缩技术的效率取决于目标分子的疏水性和尺寸。动电捕获法可用于任何带电的生物分子物质，但是通常需要用纳米多孔电荷选择性薄膜操作。总的说来，现有的预浓缩方案所示的浓缩因子限于～1000，并且由于各种操作的限制(例如，对试剂和材料的要求)，导致它们难以应用于集成的微系统。

另一方面，在微流体装置中需要去除带电物质，特别是盐类，以便生产纯流体用于合成和分析。当该流体为水时，需要纯化的水用于饮用。

淡水是人类维系生命所必须的资源。然而，随着人口增长、生活水平的提高以及工业和农业活动的发展，整个世界范围内对清洁水供应的需求量达到空前水平。据OECD和UN报道，目前在25个国家(尤其是中东和非洲)有3.5亿人口面临水资源短缺的问题，而到2025年，这个数字将会上升至52个国家的39亿人口(占世界人口的2/3)。

淡水的短缺是目前世界面临的严峻挑战之一，而节能脱盐策略可以真正化解水资源危机。由于地球水资源总量的大约97％是海水，而水资源总量中仅有0.5％是适于饮用的淡水，所以将丰富的海水转化为淡水可解决全球水资源短缺问题。过去，已将蒸馏作为海水脱盐的方法，尽管该方法非常消耗资金和能源，但是适用于那些蒸馏燃料相对便宜的中东国家。实现海水脱盐的其它方法是反向渗透(RO)和电渗析(ED)，其具有较好的能效(RO为～5Wh/L，ED为10～25Wh/L)。为了克服穿过所采用的半渗透性膜的海水渗透压(大气压力的～27倍)，RO过程需要有高压力产生。ED过程利用电流来选择性地移动离子，使其穿过选择性渗透的膜，从而得到纯净的水。上文中提及的三种海水脱盐技术需要具有很大功耗的大型系统，并需要考虑其它大型基础设施，这大大增加了这些系统的操作成本。上述因素导致这些方法不适用于受灾区域或者不发达国家。

由于面临严重水资源短缺的地区往往是最贫困、最不发达的国家，这构成一项重大的全球性挑战。清洁水的短缺也使这些国家的人口面临严重的健康、能源以及经济的挑战。从这个意义上，具有低功耗和高吞吐量的小型或便携的海水脱盐系统对很多重要的政府、平民以及军事需求来说都是有用的，包括在受灾地区或者资源匮乏地区的人道主义活动。海水脱盐的另一个重要的挑战是检测和去除水源中含有的微小/大的颗粒、细菌以及其它的病原体。这些颗粒和微生物导致膜污染，这对于RO和ED系统都是主要问题。在海水脱盐过程中，利用正向渗透过程(将海水提炼成盐份更高的液体，然后反向渗透)来过滤，但是由于需要消耗额外的能量，所以该方法的实施受高成本的制约。

发明内容

在一个实施例中，本发明提供了一种利用离子浓度极化(ionconcentration polarization)将海水(盐浓度为～500mM)转化为饮用水(盐浓度为＜10mM)的微/纳米流体系统。按照基于离子耗尽现象的方法，将连续的海水流分成脱盐水流和浓缩水流，并且所述分成的两种水流流入不同的微通道。该方案关键的特点是：在连续稳态的流动操作下，将盐份和较大的颗粒(细胞、病毒以及微生物)都从纳米多孔膜上冲走(而非穿过纳米多孔膜)，这大大减少了反渗透和其它膜过滤方法中造成膜出现膜污染和盐份聚积的可能性。从而使用简单的微流体单元装置，即可实现在低于5Wh/L的功耗下对海水进行连续脱盐。该脱盐技术能够与最新技术水平的电渗析和反向渗透脱盐系统相媲美。由于具有能够使用电池供电的可能性，而不需要大型的脱盐装置，本发明所提出的方法能够很理想地用于中小规模的脱盐应用。

在一个实施例中，本发明提供一种在微流体装置中加速液体流动的方法，该方法包括如下步骤：·将含有带电物质的液体从样品源引入微流体装置，所述微流体装置包括：i.基底；ii.至少一个样品微通道，所述含有带电物质的液体可以通过所述样品微通道从一侧到达另一侧；iii.包含缓冲剂的至少一个缓冲微通道或者储液室；iv.至少一个导管，连接所述样品微通道与所述缓冲微通道，或者连接所述样品微通道与所述储液室；以及v.在所述导管、所述样品微通道、所述缓冲微通道或者储液室或者它们的组合中产生电场的至少一个部件；·在所述样品微通道内产生第一电场，从而在所述样品微通道内产生电渗透流动，所述流动进一步引导所述液体进入所述装置，并且通过所述第一电场的强度来控制所述流动；以及·在所述导管中产生第二电场，使得在所述样品微通道中所述导管附近的区域内产生离子耗尽，并且所述离子耗尽使所述样品微通道中的流动加速。

在一个实施例中，通过对样品微通道的第一侧施加较高的电压并且对样品微通道的第二侧施加较低的电压，从而产生样品微通道内第一电场。在一个实施例中，所述较高的电压、较低的电压或者它们二者都是正电压。在一个实施例中，所述正电压在50mV到500V之间。在一个实施例中，较高的电压是正的，较低的电压是通过将样品微通道的第二侧电接地而获得的。

在一个实施例中，通过向所述导管中与样品微通道相连的一侧施加较高的电压，并且向所述导管中与缓冲微通道相连的一侧施加较低的电压，从而产生导管内的第二电场。在一个实施例中，较高的电压是正的，较低的电压是通过将与导管连接的缓冲微通道或者储液室电接地而获得的。在一个实施例中，较高的电压是向样品微通道的第一侧和第二侧施加两个电压的结果。在一个实施例中，所述较高的电压是位于施加到样品微通道的第一侧和第二侧的两个电压值之间的值。

在一个实施例中，通过向样品微通道的第一侧施加60V的电压，并且向样品微通道的第二侧施加40V的电压，并且将缓冲微通道或者储液室电接地，来产生第一电场和第二电场。

在一个实施例中，通过将含有带电物质的溶液引入样品微通道，并且在导管中以及在样品微通道中独立产生电场，将带电物质限制在样品微通道内远离导管的区域中。

在一个实施例中，样品微通道进一步包括低盐浓度溶液的第一出口和高盐浓度溶液的第二出口。

在一个实施例中，样品微通道、缓冲微通道或者它们的组合的宽度在1-100μm之间。在一个实施例中，样品微通道、缓冲微通道或者它们的组合的深度在0.5-50μm之间。在一个实施例中，导管的宽度在100-4000纳米之间。在一个实施例中，导管的宽度在1-100微米之间。在一个实施例中，导管的深度在20-100纳米之间。在一个实施例中，导管的深度在1-100微米之间。

在一个实施例中，将样品微通道的表面功能化以减小目标物质对表面的吸附。在一个实施例中，将所述导管和/或所述第一缓冲微通道或者缓冲微通道的表面功能化以提高所述装置的工作效率。

在一个实施例中，向所述装置的所述基底上施加了外部的门控电压(gate voltage)以提高所述装置的工作效率。

在一个实施例中，所述样品微通道、所述缓冲微通道、所述导管或者它们的组合是通过光刻和刻蚀工艺形成的。

在一个实施例中，装置由透明的材料构成。在一个实施例中，透明的材料是耐热玻璃、二氧化硅、氮化硅、石英或者SU-8。在一个实施例中，装置涂覆有低自发荧光材料。

在一个实施例中，装置与泵相连。在一个实施例中，装置与传感器、分离系统、探测系统、分析系统或者它们的组合相连。在一个实施例中，探测系统包括光源、照相机、计算机、光度计、分光光度计或者它们的组合。

在一个实施例中，所述样品微通道内的液体流速在100μm/sec到10mm/sec之间。

在一个实施例中，装置包括多个样品微通道、多个缓冲微通道、多个导管或者它们的组合。在一个实施例中，多个微通道、导管或者它们的组合布置为特定的几何形状或者阵列。在一个实施例中，阵列包括至少1000个样品微通道、至少1000个缓冲微通道和至少1000个导管。

在一个实施例中，装置的长度、宽度、高度或者它们的组合在10cm到30cm的范围内。

在一个实施例中，所述几何形状或所述阵列包括使所述微通道相对于所述导管垂直取向的布局。

在一个实施例中，液体体积流量(volume flow rate)至少为1L/min。在一个实施例中，液体体积流量范围为60-100L/min。在一个实施例中，所述含有带电物质的液体是海水。在一个实施例中，装置运转所需电能的范围为10w到100w。在一个实施例中，穿过所述样品微通道的流动是连续的。

在一个实施例中，所述装置是设备的一部分。在一个实施例中，该设备是手持式/便携式。在一个实施例中，该设备是一种台式设备。

在一个实施例中，本发明提供了一种减少溶液的盐浓度或者将溶液脱盐的方法，该方法包括如下步骤：·将含有盐离子的液体从样品源引入微流体装置，该微流体装置包括：i.基底；ii.能够使所述含有盐离子的液体通过的至少一个样品微通道；iii.含有缓冲液的至少一个缓冲微通道；iv.至少一个导管；v.在所述导管、所述样品微通道、所述缓冲微通道或者它们的组合中产生电场的部件；以及vi在所述样品微通道内产生动电流动或者压力驱动流动的部件；·在所述样品微通道内产生电场，使得在所述样品微通道内产生电渗透的流动，该流动进一步引导所述液体进入所述装置，并且通过所述电场的强度来控制该流动；以及·在所述导管中产生电场，从而在所述样品微通道内形成空间电荷层，向离子物质提供能量阻挡，由此在所述样品微通道中所述导管附近的区域内产生离子耗尽，将所述盐离子限制在所述微通道中远离所述导管的区域。

在一个实施例中，海水供应是利用重力实现的。在一个实施例中，用重力实现的海水供应要优于RO法或者ED法，因为其不需要额外的能量来传送样品。

在一个实施例中，ICP脱盐工艺可由光电池(即太阳能电池)驱动。本发明ICP脱盐工艺的最大特点之一就是低能耗，这意味着运转所需电能可由充电电池或者光电池提供。目前的光电池可产生平均～25mW/cm的功率。根据该能效，驱动本发明装置所需要的光电池的总面积应该是～2700cm²(2250μW×3×10⁴/25mW/cm²)。该面积的光电池可驱动流速为300mL/min的装置。可调的光电池的该尺寸(～50cm×50cm)对便携式系统是足够的，其使得该便携式脱盐系统能够由太阳能驱动。

在一个实施例中，含有盐份的液体是海水。在一个实施例中，该方法用于将海水脱盐以供饮用。在一个实施例中，样品微通道进一步包括用于低盐浓度溶液的第一出口和用于高盐浓度溶液的第二出口。在一个实施例中，用于低盐浓度溶液的第一出口与位于所述样品微通道内的所述离子耗尽区相连，用于高盐浓度溶液的第二出口与受限制的盐离子所在的远离所述导管的所述区域相连。

在一个实施例中，穿过所述样品微通道的流动是连续的。在一个实施例中，该方法用来过滤溶液，以便合成、探测分析、纯化或者它们的组合。在一个实施例中，该方法用于将污染物从水中去除。

在一个实施例中，本发明提供了一种停止液体流动或者改变液体流动方向的方法，该方法包括以下步骤：·将含有带电物质的液体从样品源引入微流体装置内，该微流体装置包括：i.基底；ii.至少一个样品微通道，含有带电物质的所述液体可以穿过所述样品微通道从第一侧到达第二侧，从而产生第一流动；iii.含有缓冲液的至少一个缓冲微通道或者储液室；iv.至少一个导管，连接所述样品微通道与所述缓冲微通道，或者连接所述样品微通道与所述储液室；以及v.在所述导管、所述样品微通道、所述缓冲微通道或者储液室或者它们的组合中产生电场的至少一个部件；这样一来，液体流动方向是从所述样品微通道的第一侧到第二侧；·在所述样品微通道内产生第一电场，在所述导管内产生第二电场，使得在所述样品微通道中所述导管附近的区域发生离子耗尽，从而在所述样品微通道内发生动电的第二流动，所述第二流动的方向是从所述样品微通道的所述第二侧至所述第一侧，所述电渗透的第二流动是由所述第一电场和第二电场的强度控制的；使得从所述微通道的所述第二侧至所述第一侧发生的第二流动与从所述第一侧至所述第二侧的第一流动相反，并且从第二侧至第一侧的第二流动能够阻止所述第一流动或者使所述第一流动的方向反向。

017]图1示意性地描述了用于加速液体流动的装置的多个实施例，其中示出了微/纳米流体混合通道系统以及通道中流动情况的示意图。图1(a)中，切线电场(E_T)沿着中心微通道施加，法线电场(E_N)横跨导管施加。图1(b)表示采用放大动电流动的流体泵吸(～70nL/min；平衡的，～350nL/min；放大动电的)。在这种情况下，V_H为500V，V_L为400V，在这些EOF中的传输时间小于1.5秒。当侧边储液室悬空时测量平衡EOF，而当侧边储液室接地时测量放大的动电流动。图1(c)表示放大的动电流动的两种泵吸模式与E_T的函数关系(V_H固定在500V，而V_L是变化的)。[0018]图2示意性地描述了用于液体脱盐的装置的多个实施例。图2(a)表示关于单侧导管装置的微/纳米流体脱盐系统的示意图。图2(b)表示关于双侧导管装置的微/纳米流体脱盐系统的示意图。图2(c)表示对单侧脱盐装置中颗粒运动的实验验证的示意图。其中，施加的电压是V_H＝60V，V_L＝40V。[0019]图3示意性地描述了使液体流动方向反向的装置的实施例。图3(a)是使用外部注射泵的流速测量系统的示意图。图3(b)表示在与ET反向的外加压力场作用下，流体泵吸滞后与ET和缓冲离子浓度的函数关系(V_L固定为0V，而V_H是变化的)。由于两秒内的放大动电流动，流速从正值转变为负值。图3(c)表示在外加压力场作用下，使用放大的动电流动的流体改变的序列图像。通过相对于压力场增加ET，改变了最终的流动方向。每幅图中的数字对应于图3(b)中相应的数字。[0020]图4示意性地描述了具有高吞吐量处理能力的装置的实施例。图4(a)表示用于较高流速的多-纳米连接装置。最初，以V₁泵吸流体(阶段1)，然后产生离子耗尽区并开始泵吸。过一段时间，设置低于V₁的V₂(阶段2)，而V₁保持不变(V_H＞V_L＞V₁＞V₂)。V₁与V₂的作用结合能产生比阶段1更高的流速。图4(b)表示用于高吞吐量应用场合的大量并行通道装置。将来自于由纳米连接件(nano-junction)连接起来的每个微通道的流体合并至一个微通道。[0021]图5示意性地描述了平衡和非平衡EOF(在耗尽区内/外)的速率与E_T的函数关系。图6示意性地描述了(A)单门控(SG)装置和(B)双门控(DG)装置。[0023]图7示出了SG装置的实施例中离子富集和离子耗尽的基本情况。对样品微通道的第一侧和第二侧施加相同的电压，将缓冲通道的两侧都电接地。在缓冲微通道中靠近导管的区域内形成离子富集区(亮处)。在样品微通道中靠近导管的区域内形成离子耗尽区(暗处)。耗尽区和富集区都迅速扩大。[0024]图8表示在离子耗尽电压条件下(a)SG装置和(b)DG装置的实施例中的离子耗尽。施加在样品微通道的第一侧的电位(V_H)是20V，施加在样品微通道的右侧的电位(V_L)是10V，而在图(b)中V_H是15V。缓冲通道都电接地。[0025]图9表示使用(a)SG装置和(b)DG装置的实施例中的动电迁移。图(a)中，当V_H＝10V且V_L＝5V时，颗粒的预计速率约为140μm/sec，图(b)中，当V_H为10V且V_L为5V时，颗粒的预计速率约为500μm/sec。[0026]图10是下列实施例的示意图：(a)具有用于测量电压降的嵌入式微电极的微/纳米流体脱盐系统；(b)与外部压力场相关的动电脱盐操作。[0027]图11表示如下显微镜图：(a)在20μL/min的外部流速以及施加75V/cm的电场的条件下脱盐过程的荧光图像跟踪。入口微通道具有500μm宽×100μm深的尺寸。海水样品被注入并且分成“含盐”水流和“脱盐”水流。(b)当触发ICP时，荧光染料(表明“盐”)以及WBCs(代表微米级颗粒)只通过“含盐”水流流动。为了清楚地目测微米级颗粒，采用了小的微通道(100μm宽×15μm深)。经过1小时脱盐操作后，每个储液室((c)含盐的)和(d)脱盐的)的显微镜图像都表明脱盐水流很清洁。[0028]图12表明在采用(a)海水样品和(b)100mM磷酸盐缓冲溶液的实验中，脱盐水流的电导率与施加电场的函数关系的实施例。在这两个示例中，一旦电场值达到阈值，脱盐水流的电导率就降低到几个mM的水平。该结果与通过荧光示踪剂观察到的所建立的ICP区一致。[0029]图13表明利用石蕊试纸分别测定海水、海水与NaOH的混合物、以及脱盐样品的PH预测值。[0030]图14表明在每个微通道的末端的实际流速。根据流动传感器的说明书，使用100μm宽×15μm深的装置，在入口速度为500nL/min的流速下进行测量。入口水流几乎被平均分入每个微通道(250nL/min)。[0031]图15是下述实施例的示意图：左图表示重力供给式ICP脱盐系统；μCP堆具有很多并行的用于去除盐份/病菌的微流体ICP装置。预滤器可去除较大的颗粒。右图表示一个单元装置的立体图。

具体实施方式[0032]在一个实施例中，本发明所提出的装置和系统具有良好的便携性及低功耗。在一个实施例中，本发明所提出的装置和系统非常适于多种应用场合，例如战争区域内的军事行动、以及受灾地区的人道主义活动。在美国，每人每天的平均用水量大约为500L，其中包括饮用、洗澡、烹饪等。在上述用水方式中，至少需要4L饮用水来维持人类的日常生活。2005年，飓风“Katrina”袭击了新奥尔良，110000幢房屋被彻底摧毁。当时，在无法建造大型脱盐工厂的地区，超过400000的人缺乏饮用水。本发明装置的另一个应用是作为船上脱盐系统，可用于军事和民用。航空母舰可乘载5000～10000名海军士兵在海上进行长期作战。在此期间，通过将大量海水脱盐来供应淡水是根本来源。对于上述两个例子中的情形而言，迫切需要一种低功耗并且便携的脱盐系统，而使用太阳能供电是最好的选择。[0033]在一个实施例中很好地描述了本发明装置的操作。对此，在一个实施例中很好地描述了使用海水的单元操作。在一个实施例中，本发明提供了在大面积上(例如6-8”直径的板)的大量单元装置的集成。在一个实施例中，提供了单元装置的阵列的制造过程，其中制造过程不包括昂贵的MEMS制造步骤，而只需要塑料成型步骤。另外，与标准的MEMS材料(例如硅)相比，装置的材料(塑料材料，例如聚二甲硅氧烷(PDMS))的成本至少低一个数量级。在一个实施例中，提供了装置的大规模生产的工艺(例如，通过塑料成型)。在一个实施例中，单元装置的形状尺寸为～0.1mm的量级，该尺寸适于标准的塑料生产工艺，例如(注入)成型。[0034]在2005年，全世界脱盐工厂的总产量是4千万吨/天(供1亿-1.5亿人使用)，预计到2015年，总产量能增加到1亿吨/天。在销售收入方面，按之前对淡水需求的增速，2006年250亿美元的销量到2015年将会增加到600亿美元。上述销量中，总销量的约10％是用于人类生活的饮用水。剩余的90％用于农业和工业用水，这些水由大型工厂提供。

在一个实施例中，当考虑具体设计和可扩展性而修改本发明的装置、系统和方法时，发现该水脱盐市场中的应用在简化工艺、减少污染以及能效方面具有竞争优势。本发明的ICP脱盐方法具有更高的能效，而且没有污染。因此，与目前在一些国家(例如印度)所使用的可行的海水脱盐技术——ED方法相比，本发明的ICP脱盐方法更有优势。

在一个实施例中，本发明的目的是证明利用离子浓缩极化(ICP)从而在不需要膜的情况下直接将海水脱盐的新脱盐方案的可行性。ICP是一种在离子流沿离子选择性膜传递时发生的基本电化学传输现象。该现象往往与离子耗尽或富集有关，是由于界面处的电荷载流子不匹配造成的。该膜(或者纳米通道或者纳米多孔膜)只优先引导与该填充的电解液(bulk electrolyte)内的离子导电性不匹配的阳离子(阳离子交换膜)。结果，在膜的两侧就产生了离子浓度梯度。一旦在阳离子交换膜附近发生ICP，在连接件的阳极一侧，阳离子和阴离子的浓度都减少(即离子耗尽)；而在阴极一侧，阳离子和阴离子的浓度都增加(即离子富集)。另外，任何带电的颗粒、细胞以及其它小的胶体也都随着离子耗尽了。与外部压力驱动的流动结合，利用如图10(a)和10(b)所示装置可以获得轮廓分明的稳态耗尽区。在一个实施例中，如图10(a)所示，待测系统由通过纳米通道(或者纳米多孔膜)连接的两个并行微通道组成。与传统的阻塞式直通道的膜形装置相比，本发明中的流体流动不会被膜阻塞，而是在膜的切线方向流动。

在一个实施例中，本发明提供了使微流体装置中的液体加速流动的方法。本发明还提供了使泵吸放大、流动方向改变以及使溶液脱盐的方法。该方法基于溶液中带电物质的电感应局部化(其能引起流体流动的增强)，可以进一步将局部化的带电物质从溶液分离、离析并去除。

在一个实施例中，本发明提供了一种使微流体装置中的液体加速流动的方法，该方法包括以下步骤：·将含有带电物质的液体从样品源引入微流体装置中，该装置包括：i.基底；ii.至少一个样品微通道，所述含有带电物质的液体可以通过所述样品微通道从第一侧到达第二侧；iii.至少一个含有缓冲剂的缓冲微通道或者储液室；iv.至少一个导管，连接所述样品微通道与所述缓冲微通道，或者连接所述样品微通道与所述储液室；以及v.至少一个用于在所述导管、所述样品微通道、所述缓冲微通道或者储液室或者它们的组合中产生电场的部件；·在所述样品微通道内产生第一电场，从而在所述样品微通道内产生电渗透流动，所述流动进一步将所述液体引入所述装置，并且用所述第一电场的强度来控制所述流动；以及·在所述导管内产生第二电场，使所述样品微通道内靠近所述导管的区域发生离子耗尽，而所述离子耗尽加快了所述样品微通道内的流动。

在一个实施例中，通过对样品微通道的第一侧施加较高的电压，并对样品微通道的第二侧施加较低的电压，从而在样品微通道内产生第一电场。在一个实施例中，较高的电压、较低的电压或者它们二者的结合是正电压。在一个实施例中，正电压在50mV到500V之间。在一个实施例中，较高的电压是正的，较低的电压通过将样品微通道的第二侧电接地来获得。

在一个实施例中，通过向所述导管中与样品微通道相连的一侧施加较高的电压，并向所述导管中与缓冲微通道相连的一侧施加较低的电压，从而在导管中产生第二电场。在一个实施例中，较高的电压是正的，较低的电压是通过将与导管连接的缓冲微通道或者储液室电接地而获得的。在一个实施例中，较高的电压是对样品微通道的第一侧和第二侧施加两个电压的结果。在一个实施例中，较高的电压是位于施加到样品微通道的第一侧和第二侧的两个电压值之间的某个值。

在一个实施例中，通过对样品微通道的第一侧施加60V的电压，以及对样品微通道的第二侧施加40V的电压，并且将缓冲微通道或者储液室电接地，从而产生第一电场和第二电场。

在一个实施例中，在将含有带电物质的溶液引入样品微通道、并且在导管以及样品微通道内独立地产生电场的情况下，带电物质被限制在样品微通道内远离导管的区域。

在一个实施例中，样品微通道进一步包括用于低盐浓度溶液的第一出口和用于高盐浓度溶液的第二出口。

在一个实施例中，样品微通道、缓冲微通道或者它们的组合的宽度在1-100μm的范围内。在一个实施例中，样品微通道、缓冲微通道或者它们的组合的深度在0.5-50μm的范围内。在一个实施例中，导管的宽度在100-4000纳米的范围内。在一个实施例中，导管的宽度在1-100微米的范围内。在一个实施例中，导管的深度在20-100纳米的范围内。在一个实施例中，导管的深度在1-100微米的范围内。

在一个实施例中，将样品微通道的表面功能化以减少目标物质对表面的吸附。在一个实施例中，将所述导管和/或所述第一微通道或者缓冲微通道的表面功能化以提高装置的工作效率。

在一个实施例中，在装置的基底上施加外部门控电压，来提高装置的工作效率。

在一个实施例中，所述样品微通道，所述缓冲微通道，所述导管或者它们的组合，是通过光刻和刻蚀工艺形成的，

在一个实施例中，该装置由透明材料形成。在一个实施例中，所述透明材料是耐热玻璃、二氧化硅、氮化硅、石英或者SU-8。在一个实施例中，装置涂覆有低自发荧光材料。

在一个实施例中，该装置包括第二基底。在一个实施例中，第二基底用于覆盖或者密封装置。在一个实施例中，第二基底是由与第一基底相同的材料形成的。在一个实施例中，第一基底和第二基底是由不同的材料形成的。

在一些实施例中，第二基底由透明材料组成。在一个实施例中，所述透明材料是耐热玻璃、二氧化硅、氮化硅、石英或者SU-8。在一个实施例中，所述第二基底涂覆有低自发荧光材料。

在一些实施例中，该装置的制造是通过例如等离子体将第一基底结合到第二基底而完成的。在一些实施例中，第一基底和第二基底是通过化学粘合剂将这两个基底密封在一起的。在一些实施例中，第一基底与玻璃、聚苯乙烯、其它聚合材料或者硅之间的粘结是可逆的。在一个实施例中，如果第二基底是由玻璃、聚苯乙烯或者其它聚合物材料制成，或者如果第二基底是由硅制成的，第一基底与第二基底的粘结是可逆的。在一些实施例中，一种类型的第二基底可先连结到第一基底。随后可去除该第二基底，并使用其它类型的第二基底代替。在一个实施例中，第一基底和第二基底是被夹在一起的。在一个实施例中，夹持是对装置进行密封的有效并且可逆的方法。在一些实施例中，第一基底或第二基底具有对所期望的光学应用产生影响的厚度，例如，在一些实施例中，装置的第二基底或者盖子可使用保护玻璃(cover glass)制成，这样就可以实现装置以及其内容物的共焦成像。在一些实施例中，本发明提供了套件，例如具有第一基底和所述通道的套件。对此，在一些实施例中，第二基底可分开提供。各种第二基底成套提供或散包装。各种第二基底可以在材料、尺寸、几何形状、表面粗糙度、电连接或者嵌入基底的电路及它们的光学特性方面有所不同。

在一个实施例中，该装置与泵相连。在一个实施例中，装置与传感器、分离系统、检测系统、分析系统或者上述组合相连。在一个实施例中，所述检测系统包括光源、照相机、计算机、光度计、分光光度计或者它们的组合。

在一个实施例中，在所述样品微通道内的液体流速在100μm/sec到10mm/sec之间。

在一个实施例中，该装置包括多个样品微通道、多个缓冲微通道、多个导管或者它们的组合。在一个实施例中，多个微通道、导管或者它们的组合布置成特定的几何形状或者阵列。在一个实施例中，阵列包括至少1000个样品微通道、至少1000个缓冲微通道以及至少1000个导管。

在一个实施例中，该装置的长度、宽度、高度或者上述组合的范围在10cm到30cm之间。

在一个实施例中，所述几何形状或阵列包括使所述微通道相对于所述导管垂直取向的布局。

在一个实施例中，液体体积流量至少为1L/min，在一个实施例中，液体体积流量的范围为60-100L/min，在一个实施例中，含有带电物质的液体是海水。在一个实施例中，装置运行所需要的电能范围在10w到100w。在一个实施例中，穿过所述样品微通道的流动是连续的。

在一个实施例中，装置是设备的一部分。在一个实施例中，该设备是手持/便携式的。在一个实施例中，该设备是台式的。

在一个实施例中，本发明提供了一种降低溶液中盐的浓度或者使溶液脱盐的方法。该方法包括如下步骤：·将含有盐离子的液体从样品源引入微流体装置中，该装置包括：i.基底；ii.至少一个样品微通道，含有盐离子的所述液体可以从所述样品微通道穿过；iii.至少一个含有缓冲剂的缓冲微通道；iv.至少一个导管；v.用于在所述导管、所述样品微通道、所述缓冲微通道或者它们的组合中产生电场的部件；以及vi.用于在所述样品微通道内产生动电的或者压力驱动的流动的部件；·在所述样品微通道内产生第一电场，由此在所述样品微通道内产生电渗透流动，所述流动进一步将所述液体导入所述装置，并且通过所述第一电场的强度来控制所述流动；以及·在所述导管内产生第二电场，使所述样品微通道内形成空间电荷层，为离子物质提供能量阻挡层，从而在所述样品微通道内靠近所述导管的区域发生离子耗尽，所述盐离子被限制到所述样品微通道内远离所述导管的区域。

在一个实施例中，含有盐的液体是海水。在一个实施例中，该方法用于将海水脱盐以供饮用。在一个实施例中，样品微通道进一步包括低盐浓度溶液的第一出口和高盐浓度溶液的第二出口。在一个实施例中，低盐浓度溶液的第一出口连接到所述样品微通道内的所述离子耗尽区，高盐浓度溶液的第二出口连接到被限制的盐离子所处的远离所述导管的区域。

在一个实施例中，通过所述样品微通道的流动是连续的。在一个实施例中，该方法用于在合成、检测分析、提纯或者上述组合时过滤溶液。在一个实施例中，该方法用于从水中去除污染物。

在一个实施例中，本发明提供了一种阻止或者改变液体流动方向的方法，该方法包括如下步骤：·将含有带电物质的液体从样品源引入微流体装置中，该装置包括：i.基底；ii.至少一个样品微通道，所述含有带电物质的液体可以通过该样品微通道从第一侧到达第二侧，从而产生第一流动；iii.至少一个含有缓冲剂的缓冲微通道或者储液室；iv.至少一个导管，连接所述样品微通道与所述缓冲微通道，或者连接所述样品微通道与所述储液室；以及v.用于在所述导管、所述样品微通道、所述缓冲微通道或者储液室或者它们的组合中产生电场的部件；从而，液体流动的方向是从所述样品微通道的第一侧至第二侧。·在所述样品微通道内产生第一电场，在所述导管中产生第二电场，使得在所述样品微通道内靠近所述导管的区域发生离子耗尽，从而在所述样品微通道内产生第二动电流动，所述第二流动方向是从所述微通道的第二侧至第一侧，并且所述电渗透的第二流动由所述第一电场和所述第二电场的强度控制；其中，所产生的从所述微通道的第二侧至第一侧的所述第二流动与从第一侧至第二侧的所述第一流动相对，并且所产生的从第二侧至第一侧的所述流动，可以终止所述第一流动或者使所述第一流动的方向反向。

I.说明

在一个实施例中，加速液体的流动意味着增大或者提高流速。在一个实施例中，加速液体的流动意味着液体流动更快或者以更高的速度流动。在一个实施例中，加速液体的流动意味着液体的速率增大。在一个实施例中，速率或者速度是持续增大的。在一个实施例中，流速或者速率的持续增大与时间和/或施加的电压呈线性关系。在一个实施例中，该持续增大为非线性增大。在一个实施例中，以阶梯式的方式实施加速。在一个实施例中，流速从一个固定的较低值增加到一个固定的较高值。在一个实施例中，实施少量加速步骤。在一个实施例中，流速在每一步骤都增大。在一个实施例中，通过在样品微通道内的液体上产生的电场来控制阶梯式的加速。

在一个实施例中，微流体装置是一种具有微米级尺寸特征的装置。在一个实施例中，微流体装置是一种具有以下特征的装置：至少其一个尺寸在1微米(1μm)到1000微米(1000μm)的范围内。在一个实施例中，微流体装置包括具有微米级的宽度或深度，微米、毫米或厘米级长度的通道。在一个实施例中，这样的通道叫做微通道。在一个实施例中，可使液体通过微通道。在一个实施例中，微流体装置是能够使流体通过的装置。在一个实施例中，流体可以是液体。在一个实施例中，液体可以是纯净的。在一个实施例中，液体可以是混合物。在一个实施例中，液体可以是溶液。在一个实施例中，溶液可含有分子或者离子。在一个实施例中，溶液可以是水溶的或者有机的。在一个实施例中，含有离子的水溶液可以是盐溶液。在一个实施例中，盐可以是海盐。在一个实施例中，海盐主要为NaCl。在一个实施例中，盐包括任何碱金属盐。在一个实施例中，盐含有碱土金属阳离子。在一个实施例中，盐含有卤素离子。在一个实施例中，盐含有复杂的离子。在一个实施例中，盐含有H⁺、Li⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Fe^2+/3+、Gu²⁺、Ba²⁺、Au³⁺、F^-、Br^-、Cl^-、I^-、OH^-、NO₃ ^-、CO₃ ^2-、SO₄ ^2-或者它们的组合。

在一个实施例中，液体含有带电物质。在一个实施例中，带电意味着带电荷。在一个实施例中，带电物质是能够受电场影响的物质。在一个实施例中，带电物质能够在电场中迁移。在一个实施例中，带电物质被吸引到具有相反电荷的区域。在一个实施例中，带电物质朝向具有相反电荷的区域或者电极迁移，并且与具有相同电荷的区域相斥或远离。在一个实施例中，带电的物质是带有附加电荷的分子、离子、颗粒、群或者聚集体。在一个实施例中，带电物质是非电中性的物质。在一个实施例中，带电物质是肽、蛋白质、c核苷酸、DNA或RNA片段、纳米颗粒、微米颗粒、珠状物。在一个实施例中，带电物质是生物分子。

在一个实施例中，基底是微流体装置的支撑结构。在一个实施例中，基底是其上或者其内建有微流体装置的材料。在一个实施例中，基底是用来制作装置或者装置的一部分的一块材料。在一个实施例中，基底或者装置由透明材料组成。在一个实施例中，透明材料是耐热玻璃、二氧化硅、氮化硅、石英或SU-8。在一个实施例中，装置涂覆有低自发荧光材料。在一个实施例中，基底、装置或者装置的一部分由硅制成。在一个实施例中，基底、装置或者装置的一部分由聚合物制成。在一个实施例中，所述聚合物是PDMS。

在一个实施例中，储液室是能够盛装液体的任何容器。在一个实施例中，储液室是器皿。在一个实施例中，储液室具有通道结构。在一个实施例中，本发明的任何储液室或者缓冲储液室或者缓冲通道是圆形的。在一个实施例中，储液室或者缓冲通道具有两端。在一个实施例中，对储液室或缓冲通道的两端可施加不同的或者相同的电压。在一个实施例中，储液室是缓冲微通道。在一个实施例中，用一个电极将缓冲微通道或者储液室接地。在一个实施例中，使用两个或者更多个电极将储液室或缓冲通道接地。在一个实施例中，使用一个或者多个电极，可以在本发明的缓冲储液室或者缓冲微通道或者任何储液室上施加任何电压。

在一个实施例中，导管具有至少1nm的尺寸。在一个实施例中，导管具有范围在1nm至1000nm之间的厚度。在一个实施例中，导管为微米级尺寸，并具有纳米级的微孔。在一个实施例中，纳米级的微孔是可渗透的。在一个实施例中，纳米级的微孔是互连的。

在一个实施例中，电场是环绕电荷的空间。在一个实施例中，电场向其它电荷目标施加作用力。在一个实施例中，电场中稳定的带电颗粒受到与其所带电荷成正比的作用力。在一个实施例中，可通过施加电压来产生电场。在一个实施例中，在两个被施加了不同电压的电极之间的区域中会产生电场。在一个实施例中，空间中正电荷和负电荷的特定分布能够产生电场。

在一个实施例中，电渗透流动或者电-渗透流动(通常简称为EOF)是指离子在溶剂环境中穿过非常窄的通道的运动，其中，横跨该通道施加的电压引起离子的迁移。在一个实施例中，离子耗尽区是溶液中离子耗尽的区域。在一个实施例中，在特定电场的影响下，离子从耗尽区移出。在一个实施例中，耗尽区不含有离子。在一个实施例中，耗尽区含有非常低浓度的离子。在一个实施例中，耗尽区含有的离子数量少于在产生电场前该区所含有的离子数量。在一个实施例中，在样品微通道内的离子耗尽区为邻近导管的区域。在一个实施例中，离子耗尽区包括在样品微通道与导管之间的界面。在一个实施例中，离子耗尽区或者邻近导管的区域是在样品微通道内距离导管0-2μm范围内的区域。在一个实施例中，离子耗尽区或者邻近导管的区域是在样品微通道内距离导管0-25μm范围内的区域。在一个实施例中，离子耗尽区或者邻近导管的区域是在样品微通道内距离导管0-50μm范围内的区域。在一个实施例中，离子耗尽区或者邻近导管的区域是在样品微通道内距离导管0-100μm范围内的区域。在一个实施例中，离子耗尽区或者邻近导管的区域是在样品微通道内距离导管0-200μm或者0-500μm范围内的区域。在一个实施例中，离子耗尽区或者邻近导管的区域是在样品微通道内距离导管0-1000μm范围内的区域。在一个实施例中，短语“盐离子被限制在所述样品微通道内远离所述导管的区域”中的“区域”指的是离子耗尽区之外的区域。在一个实施例中，术语“远离”指的是在样品微通道内、与导管的距离至少等于离子耗尽区长度的区域。在一个实施例中，离子耗尽区是指从导管周围到离导管较远的发生离子耗尽的区域。在一个实施例中，盐离子被限制到其中不含离子耗尽区的区域。在一个实施例中，离子耗尽区和受限制的离子所处的区域是互补的。

在一个实施例中，脱盐的意思是“从中去除盐离子”。在一个实施例中，从离子耗尽区去除离子等同于对该区域进行脱盐。

在一个实施例中，“地”、“接地”或者“电接地”是用于描述施加到微通道的一侧、导管的一侧的相对电压的术语，或者用于描述施加到本发明的方法中所采用的区域或者电极上的相对电压的术语。在一个实施例中，“地”是指电路中可以测量其它电压的参考点、常用的电路回路(大地回路或者地面回路)、或者与大地直接物理连接。出于测量目的，将大地或者地面作为恒定参考电位，根据该恒定参考电位可以测量其它电势。在一个实施例中，将电接地系统作为合适的零电压参考水平。

在一个实施例中，外部门控电压是对本发明的微通道或者导管外部施加的电压，不是直接对带有带电物质的液体施加的电压。在一个实施例中，“门控(gate)”是指施加电压，使离子在一定方向上移动或者停止移动，从而对液体流动进行选通。在一个实施例中，“门控”或者“选通(gating)”是指改变流动的方向或者改变离子迁移的方向。在一个实施例中，选通可以使流动停止。在一个实施例中，门控电压通过产生电场来影响带电的物质。由门控电压产生的电场会引起带电物质的聚集、迁移、耗尽或者上述结合，进入或远离微流动通道内的规定区域。

在一个实施例中，本发明方法所采用的装置是通过光刻和刻蚀工艺制成的。在一个实施例中，光刻和刻蚀工艺是半导体制造业中使用的常规工艺。

在一个实施例中，本发明的方法用于脱盐或者减少溶液中盐的浓度。在一个实施例中，脱盐或者减少溶液中盐的浓度包括减少一定体积的溶液中盐离子的数量。在一个实施例中，脱盐或者减少溶液中盐的浓度包括减小溶液的电解质强度。

在一些实施例中，本发明的装置包括在微通道之间连接的导管。在一些实施例中，术语“导管”可以是通道、连接器、线材、连接件、注满溶液的毛细管、注满流体的多孔材料、导电材料或者半导体材料。在一个实施例中，导管直接与微通道连接，或者在一个实施例中，如本领域技术人员所明了的那样，导管通过转接器、过滤器、连接件或者任何其它理想的物体与微通道连接。在一些实施例中，导管是样品微通道与缓冲微通道之间的连接件。在一些实施例中，流动是在导管内产生的。在一个实施例中，允许通过导管进行离子流动。应当理解，容纳导管的装置的任何结构都应当理解为在短语“连接到所述样品微通道，并且连接到所述缓冲微通道或者储液室的导管”所涵盖的范围内，并且这也是本发明的一部分。

在一个实施例中，导管是纳米通道。对此，在一个实施例中，导管具有至少1nm至1000nm的尺寸。在一个实施例中，导管由基于聚合物的选择性渗透材料形成。在一个实施例中，基于聚合物的选择性渗透材料包括全氟磺酸(Nafion)。在一个实施例中，基于聚合物的选择性渗透材料包括阳离子选择性材料或者阴离子选择性材料。在一个实施例中，导管包括优先传导正离子或者负离子的电连接件(electricaljunction)。

在一个实施例中，缓冲剂包括缓冲溶液。在一个实施例中，缓冲溶液是阻止氢离子(H⁺)和氢氧根离子(OH^-)浓度发生变化的溶液。因此，缓冲溶液阻止PH值发生变化。当加入少量的酸或者碱时，或者当稀释时，缓冲溶液能够阻止PH值变化。缓冲溶液含有：弱酸及其共轭碱，或者弱碱及其共轭酸。在一个实施例中，缓冲溶液包括磷酸盐缓冲剂。在一个实施例中，缓冲溶液包括醋酸盐缓冲剂、Tris缓冲剂、PIPES缓冲剂或者HEPES缓冲剂。

在一个实施例中，电连接件是任何可以通过电信号的连接件、或者是在两点或者多点之间能够施加电压的连接件、或者是能够使电信号从连接件的一侧影响另一侧的电状态的连接件。在一个实施例中，电连接件可连接两个或者更多个线或者通道或者区域，其中所述线/通道/区域中的至少两个具有例如电场、电压、电流、电荷积累等的非零电特性。在一个实施例中，本发明的装置包括优先传导正离子或者负离子的电连接件。在一个实施例中，电连接件可以由任何多孔材料制成。在一个实施例中，多孔材料可以是有机的，在另一个实施例中多孔材料是无机的。在一个实施例中，无机的材料可包括氧化铝、二氧化硅或者二者兼有。在一个实施例中，多孔材料含有颗粒。在一个实施例中，有机材料包括聚合物。在一个实施例中，多孔材料包括二嵌段共聚物或三嵌段共聚物。

在一个实施例中，μ定义为“微”或者“微米”或者“几微米”。在一个实施例中，将μ用作描述粘度的符号。在一个实施例中，μm表示微米，而在一个实施例中，μL表示微升。在用μ描述粘度的一个实施例中，根据相关的短语，使用μ是清楚的。在一个实施例中，用μ表示粘度，对本领域技术人员来说是能够理解的。

在一个实施例中，术语“无膜的”用于表述一种装置，水在其中被纯化/脱盐，但该装置不包括使水穿过膜的通道。本发明“无膜的”脱盐方法或者系统可以包括膜的使用，但是待脱盐的水不是必须穿过膜才能脱盐。“无膜的”可以意味着，根据本发明的方法，待脱盐的水从膜的旁边经过，或者与膜相切经过，并且经过脱盐处理而无需穿过膜。这与一些传统的过滤过程(其中，含盐的水流过膜，盐或者其它离子留在膜内或者膜的入口处，水穿过膜后在膜的出口处脱盐涌出)形成鲜明对比。

在一个实施例中，微咸水是指含盐量高于淡水但是低于海水的水。在一个实施例中，微咸水可在河口处由海水与淡水混合得到，或者可在蓄水层中得到。

在一个实施例中，WHO是世界健康组织。在一个实施例中，RO指的是反向渗透。在一个实施例中，ED指的是电渗析。在一个实施例中，ICP指的是离子浓度极化。在一个实施例中，cp是粘度的单位。在一个实施例中，cp指的是厘泊。在一个实施例中，1p＝1克/(厘米 秒)，1000cp＝1p。II.尺寸和数信

在一个实施例中，本发明的装置可含有多个通道(包括多个微通道、或者多个导管、或者它们的组合)。词语“多个通道”，在一个实施例中指的是多于两个通道；或者在另一个实施例中指的是多于5个通道；或者在其它实施例中指的是多于10、96、100、384、1000、1536、10000、100000或者1000000个通道。

微通道的宽度，在一个实施例中为1-100μm；或者在另一个实施例中为1-15μm；或者在另一个实施例中为20-50μm；或者在另一个实施例中为25-75μm；或者在另一个实施例中为50-100μm。微通道的宽度，在一个实施例中为1-5μm；或者在另一个实施例中为10-20μm；或者在另一个实施例中为0.5-10μm；或者在另一个实施例中为10-99μm；或者在另一个实施例中为75-100μm。微通道的深度，在一个实施例中为0.5-50μm；或者在另一个实施例中为0.5-5μm；或者在另一个实施例中为5-15μm；或者在另一个实施例中为10-25μm；或者在另一个实施例中为15-50μm。微通道的深度，在一个实施例中为0.5-1.5μm；或者在另一个实施例中为1-9μm；或者在另一个实施例中为10-20μm；或者在另一个实施例中为10-50μm；或者在另一个实施例中为15-100μm。

导管的宽度，在另一个实施例中为1μm-50μm；或者在另一个实施例中为1-15μm；或者在另一个实施例中为10-25μm；或者在另一个实施例中为15-40μm；或者在另一个实施例中为25-50μm。导管的宽度，在另一个实施例中为1μm-10μm；或者在另一个实施例中为0.1-1μm；或者在另一个实施例中为0.5-5μm；或者在另一个实施例中为在0.01-0.1μm；或者在另一个实施例中为25-99μm。所述导管的深度，在一个实施例中为20-100纳米；或者在另一个实施例中为20-50纳米；或者在另一个实施例中为20-75纳米；或者在另一个实施例中为30-75纳米；或者在另一个实施例中为50-100纳米。所述导管的深度，在另一个实施例中为1-5μm；或者在另一个实施例中为0.1-1μm；或者在另一个实施例中为0.01-0.1μm；或者在另一个实施例中为10-75μm；或者在另一个实施例中为25到100μm。

在一个实施例中，装置包括：多个样品微通道、多个缓冲微通道、多个导管或者它们的组合，其中多个通道设置成阵列或者特定的几何形状。

在一个实施例中，导管相对于第一微通道或者缓冲微通道中的至少一个垂直取向。在一个实施例中，导管以不等于90度的角度取向。在一个实施例中，至少一个导管、第一微通道或者缓冲微通道中的至少一个、或者它们的组合是直线的。在另一个实施例中，至少一个导管、第一微通道或者缓冲微通道中的至少一个、或者它们的一部分、或者它们的组合是曲线的。在一个实施例中，多个通道阵列在装置中上下叠加地布置。在一个实施例中，这样的设计叫做3-D设计。在一个实施例中，具有通道阵列的微流体装置包括三维阵列结构，而在另一个实施例中，具有通道阵列的微流体装置包括二维结构。在一个实施例中，二维结构是大部分通道或者全部通道都设置在一个平面内的结构。在一个实施例中，二维结构是大部分通道或者全部通道都设置在同一个表面上或者同一表面内的结构。在一个实施例中，三维结构是将多个基底、多个表面或者多个二维装置上下叠置而获得的。在另一个实施例中，通过例如光刻、刻蚀或者沉积的方法在一块基底上或者一块基底内构建三维结构。

在一个实施例中，装置中阵列的数量为1。在一个实施例中，装置中阵列的数量为1-10。在一个实施例中，装置中阵列的数量为10-100。在一个实施例中，装置中阵列的数量为10-1000。在一个实施例中，装置中阵列的数量为1-50。在一个实施例中，装置中阵列的数量为50-100。在一个实施例中，装置中阵列的数量为1000-10000。在一个实施例中，装置中阵列的数量为10000-1000000。

在一个实施例中，装置的长度、宽度、高度或者它们的组合的范围在10cm至30cm之间。在一个实施例中，装置的长度、宽度、高度或者它们的组合的范围在1cm至10cm之间。在一个实施例中，装置的长度、宽度、高度或者它们的组合的范围在25cm到50cm之间。在一个实施例中，装置的长度、宽度、高度或者它们的组合的范围在50cm到100cm之间。在一个实施例中，装置的长度、宽度、高度或者它们的组合的范围在0.1cm到1cm之间。在一个实施例中，装置的长度、宽度、高度或者它们的组合的范围在1cm到5cm之间。III.装置说明和操作方法的具体实施方式

在一个实施例中，本发明实施例中采用的装置构建为如图1中所示。样品微通道(1-10)是能够使含有带电物质的样品通过的通道。样品微通道具有第一侧(即图1所示样品微通道的左侧)。样品微通道具有第二侧(即图1所示样品微通道的右侧)。样品微通道的第一侧(左侧)与至少一个样品储液室相连。在一个实施例中，样品储液室通过导管与样品微通道相连，所述导管具有与微通道相同或不同的尺寸。在一个实施例中，样品储液室能够将含有目标物质或带电物质的流体或者液体从第一侧释放进入样品微通道。在一个实施例中，进入微通道的流体或者液体具有如图1中所示的从左侧到右侧的初始流动方向。

在一个实施例中，至少一个缓冲微通道或者储液室(1-20)位于样品微通道的周边或者附近。在一个实施例中，缓冲微通道或者储液室装满了缓冲剂。

在一个实施例中，至少一个导管(1-30)与样品微通道(1-10)相连，并且与至少一个缓冲微通道(1-20)相连。

在一个实施例中，导管由装满了缓冲溶液的扁平的纳米流体过滤器制成。在一个实施例中，纳米流体过滤器作为离子选择性膜，允许选中的离子在导管内从一个区域穿到另一个区域。在一个实施例中，离子在导管内的移动或者迁移是导管中产生电场的结果。在一个实施例中，离子在导管内的移动或者迁移，改变或者控制了导管周围的电场强度。

在一个实施例中，当导管中产生电场时，其对样品微通道内导管附近的区域产生影响。在一个实施例中，上述电场在样品微通道内导管附近形成耗尽区。在一个实施例中，耗尽区是带电物质耗尽的区域。在一个实施例中，带电物质被推出离子耗尽区。在一个实施例中，导管内电场的作用是，通过促使带电物质远离导管区域，来降低导管附近区域中离子或者带电物质的浓度。在一个实施例中，如图1所示，与样品微通道内带电物质或者离子聚集的左侧暗区相比，离子耗尽区和脱盐区表示样品微通道内带电物质浓度较低的区域。该过程是导管中产生电场的结果。在一个实施例中，离子耗尽区或者脱盐区不含带电物质。在一个实施例中，离子耗尽区或者脱盐区具有低浓度的带电物质。在一个实施例中，与样品微通道内的非耗尽区或者非脱盐区中的带电物质的浓度相比，离子耗尽区或者脱盐区中的带电物质的浓度较低。在一个实施例中，如图1所示，导管内产生的电场标记为E_N。

在一个实施例中，导管中电场E_N的产生引起样品微通道的一个区域内目标带电物质的浓度上升，同时使该浓度在样品微通道的另一个区域内降低。

在一个实施例中，微通道内从第一侧(图1中的左侧)到第二侧(图1中的右侧)的流体流动，是受压力驱动的。在另一个实施例中，从样品微通道的第一侧到第二侧的流体流动是由电场引起的。在一个实施例中，微通道内产生的所述电场标记为E_T。在一个实施例中，E_T是由样品微通道的第一侧与第二侧之间的电势差引起的。在一个实施例中，电势差是通过对微通道的第一侧施加较高的电压，而对第一导管的第二侧施加较低的电压而形成的。在一个实施例中，较高的电压标记为V_H，而较低的电压标记为V_L。在一个实施例中，V_H为60V，V_L为40V。

在一个实施例中，流动是对样品微通道施加压力和电场的结果。

在一个实施例中，由E_N产生的耗尽区导致并加快了从样品微通道的左侧到右侧、或者从样品微通道的第一侧到第二侧的流体流动。在一个实施例中，E_N可用于加速从样品微通道的右侧到左侧、或者从第二侧到第一侧的流体流动。在一个实施例中，E_N根据其强度可使流动停止，或者可导致流动方向的反向或者改变。

在一个实施例中，由于在微通道内产生的非线性的电渗透流动(大大强于正常的电渗透流动，其以高流速将流体从样品储液室汲取入微通道)，以及由于微通道内与导管相对的区域中所形成的空间电荷层产生了对阴离子分子的能量阻挡，所以该方法在样品微通道内有效地形成耗尽区和加速的流体流动。

在一个实施例中，如图1所示，在装置上施加两个独立的电场E_N和E_T。纳米流体通道内的电场(E_N)产生离子耗尽区(图1样品微通道内的白色区域)以及捕获带电物质的扩大的空间电荷层。微流体通道内的切向电场(E_T)产生电渗透流动，将带电物质从储液室汲取至所述捕获区域(图1样品微通道内的黑色渐变区域)。

在一个实施例中，进一步通过控制本发明装置内的缓冲条件来稳定空间电荷区域。在一个实施例中，装置包括两个或者一系列的双缓冲微通道，每一个所述双缓冲微通道都通过导管与样品微通道相连。根据该实施例，经过一定的时间，样品微通道内的离子耗尽引起缓冲微通道内的离子富集，于是在第二微流体通道内的缓冲液浓度随着物质分离过程的传导时间延长而增加。根据实施例，通过在规定时期内(在一个实施例中)或连续地(在另一个实施例中)提供较低浓度的缓冲液，利用缓冲微通道中的电渗透流动或者通过压力驱动流动(在又一个实施例中)，可减轻上述反应。

在本发明的另一个实施例中，如图1所示，通过在样品微通道的双侧都布置纳米流体通道，并且使所述纳米流体通道与样品微通道、缓冲微通道成流体连通，可以将带电物质限制在样品微通道内的区域内的限制力提高。通过在样品微通道的每一侧布置导管，使样品微通道与导管的界面处的离子耗尽启动更为容易，并且在一些实施例中，形成更稳定的空间电荷区域。

在一个实施例中，对样品微通道和缓冲微通道施加电压，结果使导管内产生电场。在一个实施例中，施加到样品微通道上的电压为V_H＝60V，V_L＝40V。如图1所示，两个缓冲微通道的两端都接地。连接到样品微通道的导管一侧与连接到缓冲微通道的导管一侧的电压差，是由于施加到样品微通道上的电压高于施加到缓冲微通道上的电压造成的。该导管上的电压差使导管内产生电场，继而在样品微通道内形成离子耗尽区。

在一个实施例中，流动可以是压力驱动的，可通过本领域技术人员所熟知的方式来实现。在另一个实施例中，流动是压力驱动和电渗透或者动电流动的混合。

在一个实施例中，短语“压力驱动流动(pressure-driven flow)”指的是由通道段外部的压力源驱动的流动，该流动受驱动穿过上述通道段；相比之下，在一个实施例中，所谈及的通过施加贯穿上述通道段的电场来产生穿过该通道段的流动，被称为“动电地驱动流动(electrokinetically driven flow)”。

压力源的示例包括：负的压力源和正的压力源，或者所谈及的通道段外部的泵，包括动电压力泵，例如通过在与上面所谈及的通道段独立的泵通道内动电地驱动流动来产生压力的泵，就是当前讨论的位于通道段外部的这些泵(参见美国专利No.6,012,902以及No.6,171,067，在此将其全部内容通过引用并入本文)。

在一个实施例中，术语“动电流动(electrokinetic flow)”指的是在施加的电场作用下流体或者流体携带的材料的运动。“动电流动”通常包括电泳(例如，带电物质穿过其所处的介质或者流体的运动)和电渗透(例如，填充流体(bulk fluid)(包括其所有成分)的电驱动运动)中的一个或者两个。因此，应该理解，当提到所谓的动电流动，涵盖了从物质的主要或者基本上全部电泳运动到物质(例如非带电物质)的主要电渗透驱动运动的全部范围，并且包括落在这些极限之间的两种类型动电运动的所有范围和比例。

在一个实施例中，提及的术语“液体流动”可包括流体或者其它材料穿过通路、导管、或者通道或者通过平面流动的任何或全部特征。上述特征包括但不限于流速、流动量、流动的流体或者其它材料的构造及分散轮廓，以及其它更多关于流动的一般特征(例如层流、蠕动流、湍流等)。

在一个实施例中，混杂流动可包括：基于压力将液体样品传递入通道网络，之后的物质动电移动；或者其它的实施例中，混杂流动可包括：液体动电移动，之后的压力驱动流动。

在一个实施例中，利用电压源向装置施加电压，可以在各通道中产生电场。在一个实施例中，通过设置能够以至少一个方向跨过至少一部分通道施加电场的至少一对电极，来施加电压。利用标准的制造技术，可集成电极金属接触部，使其与至少一个样品微通道或者缓冲微通道接触；或者在另一个实施例中，使其与至少一个导管接触；或者另一个实施例中，使其与上述样品微通道、缓冲微通道、导管的组合接触，并且这样取向，以建立定向电场。可以施加交流电流(AC)、直流电流(DC)或者同时使用这两种电场。电极可以使用几乎任何金属制成，在一个实施例中，包括在规定线路上沉积的薄Al/Au金属层。在一个实施例中，一个电极的至少一个端部与储液室中的缓冲溶液接触。

在一个实施例中，电极的一部分是由任何导电材料制成的。在一个实施例中，电极是由金属、掺杂的半导体、或者导电有机材料制成的。在一个实施例中，电极是由组合材料制成的。在一个实施例中，电极是由金、碳、玻璃碳、热解碳、Al、Cu、Pd、Pt、Ag或者它们的组合制备的。在一个实施例中，电极包括汞。在一个实施例中，电极包括盐溶液。在一个实施例中，至少一个电极是银/氯化银(Ag/AgCl)电极。在一个实施例中，至少一个电极是饱和甘汞电极(SCE)、普通氢电极(NHE)也叫标准氢电极(SHE)、铜-硫酸铜(II)电极或者它们的结合。在一个实施例中，至少一个电极是微电极或者超微电极。在一个实施例中，使用多个微电极。在一个实施例中，至少一个电极制作成基底的一部分。对此，在一个实施例中，至少一个电极构造成位于基底内、基底上、平行于基底、垂直于基底，并使用该基底来制备装置。在一个实施例中，用平的表面或者弯曲表面来密封或者覆盖装置。在一个实施例中，使至少一个电极嵌入、或者制作在盖子或密封材料内部或者上面，从而使电极的至少一部分与样品微通道或者缓冲微通道接触，或者与导管接触，或者与它们的组合接触。

在另一个实施例中，本发明的方法使用至少两对电极。在一个实施例中，额外的电接触可用于独立地调节电场的方向和强度，从而在一个实施例中使空间电荷层定向；或者在另一个实施例中以所希望的速度或方向移动高分子；或者在另一个实施例中实现上述功能的组合。

在一个实施例中，施加到任何电极上的电压在50mV和500V之间。在一个实施例中，施加到任何电极上的电压在50V和500V之间。在一个实施例中，施加到任何电极上的电压在10mV和100V之间。在一个实施例中，施加到任何电极上的电压在1V和30V之间。在一个实施例中，施加到任何电极上的电压在10V和40V之间。在一个实施例中，至少一个电极不连接，称作“悬空”电极。在一个实施例中，至少一个电极是接地的。在一个实施例中，不采用具有未与电路连接的“悬空”电极，而是使微通道中需要“悬空”的位置不与电极连接。

在一个实施例中，电压供应可以是可提供所需电压的任何电源。该电源可以是能够产生所需电压的任何电源。例如，该电源可以是压电源、电池或者由家用电流供电的装置。在一个实施例中，可以采用由气体点火器的压电放电。

在一个实施例中，装置中带电物质的动电捕获以及样品的收集可持续数分钟，或者在另一个实施例中，可保持几个小时。在一个实施例中，物质在一段时间内从一个区域耗尽以及在另一个区域聚集，导致物质的浓度因子高达10⁶-10⁸，而在另一实施例中，由于浓缩过程中的条件最佳(例如，通过改变微通道与导管之间的界面，施加的电压，施加的额外门控电压，液体的盐浓度，液体的PH，导管的数量、大小及几何形状，样品微通道的几何形状，或者上述组合)，物质的浓度因子可能会更高。

在另一实施例中，本发明的方法进一步包括与微流体装置的一个或多个样品微通道、一个或多个缓冲微通道、或者一个或多个导管成流体连通的至少一个废水储液室。在一个实施例中，废水储液室能够容纳流体。

在一个实施例中，在样品微通道上连接收集储液室来代替废水储液室，或者除了废水储液室以外还采用收集储液室，以收集目标物质、离子、脱盐溶液、纯液体或者它们的组合。在一个实施例中，收集储液室与样品微通道的第二侧相连，在另一个实施例中，收集储液室与样品微通道的第一侧相连。根据本发明的这一方面，在一个实施例中，将收集储液室与样品微通道的第一侧相连有如下优点：万一液体流动发生反向、改变或者停止，可在样品微通道的第一侧收集物体或者液体。

在另一个实施例中，该装置能够被成像，或者在另一个实施例中，一个或多个微通道能够被成像。通过将该装置提供给适于将发射信号收集的装置(例如，在一些实施例中，用于收集来自微通道的光的光学元件)，可实现该装置或者其一部分的成像。

在一个实施例中，该装置可以是散置的，在另一个实施例中，该装置可以是单独包装的。在另一个实施例中，该装置具有1-50,000个单个流体样品的样品装载量。在一个实施例中，可将装置装入合适的外壳(例如塑料外壳)中，以提供方便的并且准备商业化的匣子或者盒子。在一个实施例中，本发明的装置具有适用于将装置插入、引导以及对准到外壳上或者外壳内的特征，例如，样品装载内盒与将要连接到本发明装置的另一个装置中的储液室对准。例如，本发明的装置可具备插入槽、轨道或者它们的组合，或者通过本发明装置来自动实现浓缩过程的其它适应性修改。

在一个实施例中，本领域技术人员将会理解，本装置非常适于多个样品的高吞吐量操作，这将有利于脱盐和分析应用。

在本发明的一个实施例中，本发明装置是更大系统的一部分，该系统包括用于激发通道中的物质、探测和会聚所产生的信号的设备。在一个实施例中，将激光束聚焦在样品物质浓缩区域，在另一个实施例中，使用聚光透镜。微通道内的物质产生的光信号可以被聚焦透镜/会聚透镜会聚；在另一个实施例中，该光信号被二色镜/带通滤光片反射到光路中，在另一个实施例中，该光信号被导入CCD(电荷耦合器件)照相机中。

在另一个实施例中，激发光源可从本发明的装置的顶部穿过二色镜/带通滤光片箱和聚焦/会聚装置。系统中可采用各种光学部件和装置(比如，数字照相机、PMT(光电倍增管)以及APD(雪崩光电二极管))来探测光信号。

在另一个实施例中，系统可进一步包括数据处理器。在一个实施例中，数据处理器可用来处理来自CCD的信号，形成浓缩物质的数字图像，输出到显示器上。在一个实施例中，数据处理器还能够分析数字图像来提供特征信息(例如，尺寸统计信息、直方图信息、染色体组型、映射信息、诊断信息)，并且以合适的方式显示这些信息以便读出数据。

在一个实施例中，液体包括带电物质或者不带电物质或者它们的组合。在一个实施例中，液体包括离子、络离子、中性分子、带电分子、原子团、颗粒团、珠状物、纳米球、生物分子或者其片段、氨基酸、肽、蛋白质、蛋白质络合物、酶、DNA、带菌体、RNA、核苷酸、脂类、磷脂、胆固醇、单糖、二糖、低聚糖或者多糖、有机盐或者无机盐、NaCl、KCl、KI、NaI、含有盐的Ca、H⁺离子、铵离子、硝酸盐、硫酸盐、酸、碱、强电解质、弱电解质或者非电解质。

在本发明的具体实施例中，本方法可采用一种用于将溶液或者纯液体从微通道内输入废水储液室的设备。

在一个实施例中，本发明提供了一种能够容纳至少10,000个上述装置、适于实际应用的阵列结构。

在一个实施例中，通过将标记蛋白质或者标记多肽或者荧光标记物以已知比例引入微通道或者储液室中，并使用本领域现有的任何探测技术(例如，UV/Vis或者IR光谱或者荧光光谱)来探测标记蛋白质或者标记多肽或者荧光标记物的浓度，可以确定流体速度、脱盐效率和泵吸效率。信号强度可被认为是基于背景噪声之上关于时间的函数。

在一个实施例中，本发明方法中所采用的装置受一些物理化学参数控制，这些参数包括温度、PH值、盐浓度或者它们的组合。

在一个实施例中，导管由选择性渗透(perm selective)材料制成。在一个实施例中，导管充满流体。在一个实施例中，导管对一种类型的离子是可渗透的，而对另一种类型的离子不是可渗透的。在一个实施例中，导管具有对H⁺离子可渗透的结构。在一个实施例中，导管是由带电的凝胶或者任意纳米多孔材料制成，其中，带电的基团被嵌入到纳米多孔材料中。在一个实施例中，根据本发明的该方面，带电的凝胶或者纳米多孔材料可具有相似的孔尺寸。根据本发明的该方面，与在此记载和例举的在导管中形成空间电荷层类似，在带电的凝胶或者任意纳米多孔材料内可形成空间电荷层，其中与在导管中产生电场类似，在纳米多孔带电凝胶或者带电材料内产生电场。

在一个实施例中，本发明提供了一种包括本发明装置的微流体泵，其中在一个实施例中具有10μm/sec到10mm/sec的液体流速。

在一个实施例中，在细的纳米流体通道内，与穿过导管的离子电流总量相比，由德拜层内的反离子引起的离子电流的选择性渗透部分不能被忽略。因此，当施加电场时，与共离子相比，有更多的反离子(来自于德拜层)跨过导管迁移，导致电荷(反离子)从阳极一侧到阴极一侧的净转移以及浓缩极化效应。根据本发明的该方面，在纳米流体通道附近的离子耗尽使德拜层变厚，使得它在纳米流体通道内的重叠更加明显，加快了浓缩极化效应，并且大于某一阈值E_n，导致二阶动力学的电渗透。

根据本发明的该方面，纳米流体通道中反离子的耗尽以及样品微通道内填充溶液中延伸的空间电荷层的产生，阻止了在该区域内共离子的迁移。在一个实施例中，控制电场(E_N和E_T)来平衡两个力(来自于空间电荷层的阴离子排斥力以及来自于储液室的非线性电渗透流动力)，使得界面稳定。根据本发明的这方面，在该界面处的目标阴离子物质被捕获和收集。

在一个实施例中，液体是溶液。在另一个实施例中，液体是悬浊液，在另一的实施例中，该液体是器官匀浆、细胞提取物或者血液样品。在一个实施例中，目标物质包括蛋白质、多肽、核酸、病毒颗粒或者他们的组合。在一个实施例中，目标物质是在细胞中发现的或者由细胞分泌的蛋白质、核酸、病毒或者病毒颗粒。在另一个实施例中，发现上述物质的含量很少，这表明所提取的蛋白质中只有不到10％形成细胞的蛋白质提取液。

由于与这些导管中的通道厚度相比，德拜层的厚度是不能忽略的，所以直径小于50nm的导管在中等离子强度下具有独特的离子渗透选择性。这些现象往往被解释为德拜层重叠，其中以德拜长度与通道尺寸(平衡)的比值作为临界参数。通常的离子行为如下：导管的阳极侧的离子物质是几乎全部耗尽的，同时在导管的阴极侧发生离子富集。在一些实施例中，上述现象是低离子强度状态下导管的渗透选择特性引起的，而低离子强度状态则是由导管中的德拜层重叠而导致的。根据本发明的该方面，由于该浓度梯度，在整个系统内优先让阳离子传输穿过导管是令人满意的，同时在阴极一侧保持阴离子净通量为0。

根据本发明的该方面，并且在一个实施例中，通常在正对着填充溶液的渗透选择性膜中存在扩散层，该扩散层外部的对流混合消除了全部的浓度梯度，使得离子浓度与填充溶液的离子浓度差不多。在一些实施例中，当装置操作具有固定的扩散长度和增大的DC偏压，系统以降低膜的阳极一侧或者导管的阳极一侧的局部离子浓度的方式作出回应。虽然可以预料，当上述情况发生时系统达到极限电流，即使给系统施加更高的电压，离子电流也不可能进一步增加而高出该极限电流，令人惊讶的是，在此发现，在大多数渗透选择性膜中可以观察到明显高于该极限电流的电流。在这种情况下，由于导管附近的离子浓度明显降低，动电反应会放大，因此“局部”zeta电势变高。

在一些实施例中，本发明的方法使微通道内的液体流动加速。在一个实施例中，本发明的方法实现对微通道内液体流动的控制。

图1是本发明的方法的实施例，其中，液体流动被加速。如图1(a)中所示，在穿过导管的法向电场(E_N)的作用下，在样品微通道内开始浓度极化，在阳极一侧(微通道的左侧)的离子浓度开始减少(离子耗尽区)。在切向电场(E_T)的帮助下，带电物质聚集并形成预浓缩塞(样品微通道内渐变黑色部分)。同时，其余微通道发生大量脱盐并且离子浓度达到近似DI水的离子浓度。由于缓冲区域与脱盐区域之间不同的导电性，离子耗尽区内的电场被明显放大，引起强烈的动电流动。具有放大的动电(AEK)流动的体积流量比具有如图1(b)中所示平衡EOF(未施加E_N)的体积流量大5倍。两种流动模式(平衡EOF和AEK)之间的转换时间小于1.5秒，该时间能够满足很多放大动电泵的应用。图1(c)还表明了在E_N电场下流速的提高量与样品微通道两端之间的电压差的函数关系。可见，对于不大于500V的所有电压差(V_H-V_L)，AEK流速高于平衡EOF速度。

本领域技术人员将会理解，控制液体流动在广泛领域有多种应用。在一个实施例中，控制液体流动的方法、和/或浓缩目标物质的方法在生物传感器装置上是有用的。在一个实施例中，控制液体流动在生物传感器内是必要的，其中，需要样品与各种试剂流动和混合，并且进出微流体系统中的储液室。在另一个实施例中，浓缩微量目标物质用于探测，是生物传感器装置的重要因素。在一个实施例中，这些方法对探测潜伏的或者孢子状态的有机体特别有用，而用其它方法对有机体探测是非常困难的。

在其它的实施例中，在不会偏离本发明的情况下，本发明方法的各种应用都是可能的。对于控制流体流动的方法，例如，多个微通道可以这样沉积：使流体流动直接朝向可以与其它微通道连接的中心储液室。对此，流体一旦进入储液室就会被混合，接着被泵吸穿过第二组微通道，到达与该微通道连接的另一储液室，以便进行进一步的操作。可以预期，本发明的泵吸方法适用于多种类型的流体(包括水和生物流体)。

通过举例方式，本发明的浓缩和泵吸方法允许高吞吐量的自动分析系统直接与本发明装置连接，并且浓缩目标物质、和/或泵吸液体。

在一些实施例中，本发明的方法实现了对液体的快速泵吸。在一个实施例中，本发明提供含有本发明装置的微流体泵，在一个实施例中，其具有10μm/sec到10mm/sec的液体流速。

在一些实施例中，本发明的装置和利用该装置的方法使目标溶液脱盐。在一些实施例中，脱盐指的是使盐浓度呈数量级减小。在一些实施例中，脱盐指的是溶液中的盐从毫摩尔级减少到微摩尔级。在一些实施例中或者在其它的实施例中，脱盐指的是溶液中的盐从微摩尔级减少到纳摩尔级。在一些实施例中，脱盐指的是溶液中的盐从高的毫摩尔浓度减少到低的毫摩尔浓度。在一个实施例中，脱盐指的是溶液中的盐从1mM减少到小于1mM。在一些实施例中，脱盐的溶液可重复施加到本发明的装置来进一步减少溶液中盐的浓度。

在一个实施例中，在样品微通道左侧的含有带电物质的渐变黑色区域叫做离子浓缩塞(ion-concentration plug)。

在一个实施例中，脱盐可根据样品微通道两侧的电压差在两种模式下进行。根据如图1(c)所示的E_T(V_H-V_L)，放大的电动泵吸可以在两种不同模式下操作：在“脱盐”模式下，耗尽区和离子浓缩塞仍然保持，这使得受泵吸流动的下游被脱盐。在“爆裂(burst)”模式下(具有较高的切向电场)，离子耗尽区破裂，溶液中含有的离子和其它溶解物被释放出来，从而维持下游离子强度和泵吸流动中的生物分子成分。在爆裂模式，速率达到饱和，但是仍然高于平衡EOF。脱盐模式对于某些激励和分析步骤是有用的，而爆裂模式更适于在普通的微流体系统中泵吸生物流体(例如细胞培养基)。爆裂模式与脱盐模式之间的转变点可由纳米连接件(也就是导管与样品微通道之间的连接口)附近的对流确定，通过对微米-纳米连接件进行精心设计来潜在控制上述对流。如图1(c)所示，当通过导管产生AEK时，体积(单位时间的体积)流量以及流速(μm/sec)都较高。

如图2(a)和图2(b)所示，使用爆裂模式的样品脱盐可在单侧和双侧导管装置中实现。图2(a)表示其中使用单侧导管的实施例。样品通道2-10的左侧具有样品流体的入口，样品微通道2-10通过一系列的导管2-30连接到缓冲通道或者储液室2-20。V_H施加到样品微通道的第一侧(左侧)，而V_L施加到在出口处形成的样品微通道的两个分支、或者施加到样品微通道的第二侧或右侧。这两个电压(V_H和V_L)在通道内产生从左到右的、或者从微通道的第一侧到第二侧的EOF流动。当缓冲微通道2-20电接地时，在导管2-30上形成电势差。如图2中的插图A所示(其为图2(a)中包括导管的中心部分的放大图)，这将在靠近导管处产生离子耗尽区。由该插图可知，离子耗尽区(其为脱盐水流)占据了样品微通道的下部。离子富集区(其为含盐水流)占据了样品微通道的上部。通过将两个通道连接到样品微通道的出口，或者通过将样品微通道分成可以使液体流过的上、下两个分支，脱盐的流体就可以从盐富集的流体分离出来，然后收集或者利用。在图2中，脱盐水流是没有离子或者其中存在的离子浓度很低的水流，含盐水流是其中存在高浓度的离子或者存在全部样品离子的水流。图2(b)是双侧导管装置的实施例，其中一个导管或者多个导管2-30的双侧连接到样品微通道2-10。导管2-30的另一端连接到缓冲微通道2-20。如图2(b)的插图B所示，这种结构在样品微通道内产生两个耗尽区。对此，在一个实施例中，在样品微通道的右侧、第二侧或者出口收集两个脱盐水流。上述两个脱盐水流一个来自于样品微通道的上部，一个来自于样品微通道的下部。通过与样品微通道的中心部分连接的第三出口或者第三微通道或者第三分支来收集中心含盐水流。根据样品微通道的横截面，可以将该出口分支的连接设计成多种形式。例如，如果样品微通道横截面是矩形的，出口分支的横截面可以是矩形或者正方形。

应当沿着“脱盐水流”来收集脱盐样品，同时从含盐水流收集含有离子或者盐的注入样品(参见图2c)。图2(c)表明了脱盐原理的实验性验证。图2(c)是表明脱盐装置运转的显微镜照片。表示盐的带电颗粒从左侧储液室注入样品微通道2-10，在刚穿过导管区域后就改变路径朝着上部样品微通道的壁运动。由于来自于导管的强耗尽力，沿着脱盐水流不会存在任何颗粒。在该实验中，V_H是60V，V_L是40V，缓冲微通道2-20的两端都是电接地的。

在一个实施例中，脱盐过程可在微芯片装置中完成，因此使在此描述的微通道和导管位于微芯片装置中。在一些实施例中，微芯片装置内的脱盐使得在芯片-外界接触过程中样品损失最小化，例如通过在能够容纳微芯片的机械设备中对溶液或者目标物质进行后续化验或者分析。

在一些实施例中，采用上述方法/使用本发明的装置所得到的盐浓度非常低，从而可以实现对MALDI样品的探测。

在一些实施例中，通过外部电场配置可以对实现本发明的脱盐方法/装置进行专门控制。在一些实施例中，脱盐或者离析目标物质并不需要结合复杂的机械系统。

在一些实施例中，本发明的脱盐方法/装置、或者用于离析目标物质的装置/方法，即使在没有某些实施例中的额外机械泵吸装置的情况下也具有高流速，因此比目前的电渗透泵吸装置优越。在一些实施例中，高流速在微-全分析系统的高吞吐量的样品制备中是有用的。

在一些实施例中，本发明的方法/装置对于用于高吞吐量样品制备的纳体流动泵的准备是有用的。在一些实施例中，本发明的脱盐方法/装置对于用于质谱分析应用的脱盐缓冲溶液的制备是有用的，例如在上述溶液中浓缩和悬浮目标物质。

在一些实施例中，本发明的方法使得微通道内液体流动方向反向。在一些实施例中，本发明的方法使得通道内液体流动改变方向或者停止。

在一个实施例中，实现了压力驱动流动方向的反向。图3描述了一个实施例，其中本发明的方法用于改变压力驱动流动的方向。图3(a)描述了一种双侧装置，其中样品微通道(3-10)通过导管或者多个导管(3-30)连接到两个缓冲微通道(3-20)。注射泵用于控制地将液体或者流体从样品微通道的右侧(第二侧)推到样品微通道的左侧(第一侧)，其中连接有流速传感器。图3(c)示出了装置操作的四个阶段，在阶段1，V_H＝V_L＝0。在该阶段只存在压力驱动的流动，流速传感器检测到从右到左的100nL/min的流动。在阶段2，V_H＝30V，V_L＝0。在该阶段，在与压力驱动流动方向相反的方向(即，从左到右)形成了动电流动。这两个因素的最终结果降低了最初的流速，并且传感器检测到从右到左的仅50nL/min的流动。在阶段3，V_H＝60V，V_L＝0。在该阶段，动电流动超过压力驱动流动，并且整个流动方向反向(即，现在的流动方向是从左到右)。在阶段3，传感器检测到从左到右的100nL/min的流动。在阶段4，V_H＝90V，V_L＝0。在该阶段，动电流动的效果变得更大，并且整个流速为从左到右150nL/min(其方向与压力方向相反)。注意，通过从样品微通道的左侧移除电压V_H，流动方向和流速就可以回到最初的只有压力驱动的流动。从而可以反向并控制整个过程。可循环地或者逐步地改变流动方向，通过简单地改变V_H，可以获得每个方向上整个数值范围的流速。

图3(b)表示以nL/min为单位的流速与施加到样品微通道上的电压差的关系图。电压差(V_H-V_L)以V/cm的电场单位示出。图中标出了上文记载的阶段1、2、3和4。在阶段1和2，流动方向取决于注射泵，被设置为从右到左。在阶段3和4，流动方向取决于动电产生的流动，被设置为从左到右(负的流动值代表流动方向的反向)。当V_H降低，流动方向就恢复为原状。通过循环图可看出过程的可逆性，其中向下的箭头表示动电流动的增大，向上的箭头表示V_H值降低，以及流动方向恢复为由压力控制的方向，即从右向左。图3(b)中的后续两个循环图对应于不同的样品离子浓度过程，从而影响流动方向转换电压。较高的样品离子浓度需要施加较高的电压V_H来改变流动方向。

本发明的方法可采用各种配置的装置。本发明的方法采用的装置具有不同的特征、不同的尺寸、不同数量的微通道和导管、不同的入口和出口以及各种样品、缓冲剂、收集储液室和废水储液室或容器。

在一个实施例中，本发明的方法采用具有两个分开的导管区域和两个分开的缓冲微通道的装置。图4(a)是用来实现较高流速的多纳米连接装置的示意图。在本文中，纳米连接件是样品微通道与导管之间的连接或结合区域。在阶段1，通过对第一缓冲微通道(4-20)施加V₁来泵吸流体。产生离子耗尽区，同时开始泵吸。在阶段2，施加到第二缓冲微通道(4-40)的V₂设置为低于V₁，同时维持V₁不变。电压的值保持为(V_H＞V_L＞V₁＞V₂)。与阶段1中获得的速度相比，V₁与V₂相结合能够获得更高的流速。在一个实施例中，使用多于两个缓冲通道和/或多于两个纳米连接件。在一个实施例中，使用10个纳米连接件。在一个实施例中，在同一样品微通道上使用的纳米连接件的数量为1-10。在一个实施例中，在同一样品微通道上使用的纳米连接件的数量为10-100。在一个实施例中，在同一样品微通道上使用的纳米连接件的数量为5-15。在一个实施例中，在同一样品微通道上使用的纳米连接件的数量为1-5。

图4(b)表示包括使用很多平行的通道装置用于高吞吐量应用的方法的实施例。将来自于每一个样品微通道(4-10)的流体并入一个样品微通道中，其中每一个样品微通道都通过独立的导管(4-30)连接在一起。

在一个实施例中，将微通道的表面功能化以减少或者增加目标物质对该表面的吸附。在另一个实施例中，将导管和/或微通道的表面功能化以提高或者降低装置的工作效率。在另一个实施例中，向装置的基底施加额外的门控电势，来提高或者降低装置的工作效率。在另一实施例中，装置由透明材料组成。在另一个实施例中，透明材料是耐热玻璃、二氧化硅、氮化硅、石英或者SU-8。

在其它实施例中，可以与本发明样品微通道连接的下游分离装置，包括但是不限于微型的高性能的液相色谱柱，例如，反相柱、离子交换柱以及类似柱。

应当理解，与样品微通道的下游相连的任何系统、装置等的精确配置都应当看作本发明的一部分，并且可以改变上述配置来适应所期望的应用。在一个实施例中，位于浓缩装置下游、且用于将浓缩的肽进行分离的模块包括：分离介质以及毛细管，在该毛细管的两端之间施加有电场。分离介质在毛细管系统中的传输以及将待测样品(例如，含有肽和/或被部分消化的多肽的样品带)注入到分离介质中的过程可以利用泵和阀门协助完成，或者在另一实施例中，通过施加到该毛细管的不同点上的电场来完成。

在另一实施例中，当目标物质以低于探测极限的浓度存在于所述液体中时，利用该方法来探测目标物质。

在一个实施例中，本发明提供了一种减少溶液中的盐浓度或者对溶液脱盐的方法，所述方法包括以下步骤：·将含有盐离子的液体从样品源引入到微流体装置中，所述微流体装置包括：i.基底；ii.至少一个样品微通道，含有盐离子的所述液体通过所述样品微通道可以从第一侧到达第二侧；iii.含有缓冲剂的至少一个缓冲微通道或者缓冲储液室；iv.至少一个导管，连接所述样品微通道与所述缓冲微通道，或者连接所述样品微通道与所述储液室；以及v.用于在所述导管、所述样品微通道、所述缓冲微通道或者缓冲储液室或者它们的组合中产生电场的至少一个部件；以及·在所述样品微通道内产生重力驱动的液体流动，从而使所述流动引导所述液体进入所述装置并穿过所述样品微通道；以及·在所述导管中产生电场，使得在所述样品微通道内靠近所述导管的区域产生盐离子耗尽，从而将所述盐离子限制在所述样品微通道内远离所述导管的区域。

在一个实施例中，与RO或者ED传统系统不同，在上述重力操作的装置中不需要额外动力用于样品传输。

在一个实施例中，本发明提供了减少溶液中的盐浓度或者对溶液脱盐的方法，所述方法包括以下步骤：·将含有盐离子的液体从样品源引入到微流体装置中，所述微流体装置包括：i.基底；ii.至少一个样品微通道，含有盐离子的所述液体通过所述样品微通道可以从第一侧到达第二侧；iii.含有缓冲剂的至少一个缓冲微通道或者缓冲储液室；iv.至少一个导管，连接所述样品微通道与所述缓冲微通道，或者连接所述样品微通道与所述储液室；以及v.用于在所述导管、所述样品微通道、所述缓冲微通道或者缓冲储液室或者它们的组合中产生电场的至少一个部件，其中所述部件通过光电的/太阳能电池操作；以及·在所述样品微通道内产生液体流动，从而使所述流动引导所述液体进入所述装置并穿过所述样品微通道；以及·在所述导管中产生电场，使得在所述样品微通道内靠近所述导管的区域产生盐离子耗尽，从而将所述盐离子限制在所述样品微通道内远离所述导管的区域。

对此，在一个实施例中，在上述由太阳能电池操作的装置中，ICP脱盐过程通过光电池(例如太阳能电池)来驱动。ICP脱盐最重要的特点之一就是低功耗，这意味着操作能量可由充电电池或者光电池提供。目前的光电池可平均产生～25mW/cm的功率。根据该能效，为了驱动300mL/min的操作，光电池的总面积应该为～2700cm²(2250μW×3×10⁴/25mW/cm²)。所需的可变的光电池的该尺寸(～50cm×50cm)能够满足便携系统的需求，从而给这样的便携脱盐系统提供太阳能驱动。

在一个实施例中，该发明提供了一种减少溶液中的盐浓度或者对溶液脱盐的方法，该方法包括如下步骤：·将含有盐离子的液体从样品源引入到流动通道中，所述流动通道包括：i.基底；ii.至少一个样品微通道，含有盐离子的所述液体通过所述样品流体通道可以从第一侧到达第二侧；iii.含有缓冲剂的至少一个缓冲流体通道或者缓冲储液室；iv.至少一个渗透选择性的导管，连接所述样品微通道与所述缓冲微通道，或者连接所述样品微通道与所述储液室；以及v.用于在所述导管、所述样品微通道、所述缓冲微通道或者缓冲储液室或者它们的组合中产生电场的至少一个部件；以及·产生穿过所述导管的电场，使所述样品微通道内靠近所述导管的区域发生盐离子耗尽，从而使所述盐离子限制在所述样品微通道内远离所述导管的区域。

在一个实施例中，将液体从样品源引入流体装置，所述流体装置包括：压力引导单元、电渗透流动引导单元、重力供给单元或者它们的组合。

在一个实施例中，流动装置进一步包括第二基底，该第二基底布置为紧靠第一基底、或者粘合到第一基底、或者粘合到所述第一基底的一部分。在一个实施例中，含有盐的液体是海水。

在一个实施例中，使用该方法对海水脱盐用于饮用。在一个实施例中，样品流动通道是微通道。在一个实施例中，样品流体通道进一步包括低盐浓度溶液的第一出口和高盐浓度溶液的第二出口。在一个实施例中，低盐浓度溶液的第一出口与样品通道中的离子耗尽区相连，高盐浓度溶液的第二出口与远离渗透选择性导管的、受限制的盐离子所在的区域相连。

在一个实施例中，样品通道内跨越所述渗透选择性导管的电场是通过对样品通道施加较高的电压、并对缓冲通道或者缓冲储液室施加较低的电压而产生的。在一个实施例中，较高的电压、较低的电压或者它们的组合是正电压。在一个实施例中，正电压在50mV到500V之间。在一个实施例中，较高的电压是正的，较低的电压是通过将缓冲通道电接地得到的。在一个实施例中，在渗透选择性导管中的电场是通过对所述导管中与样品通道连接的一侧施加较高的电压，并且对所述导管中与缓冲通道连接的另一侧施加较低的电压而产生的。在一个实施例中，较高的电压是正的，较低的电压是通过将与渗透选择性导管连接的缓冲微通道或者储液室电接地而施加的。

在一个实施例中，较高的电压是对所述样品通道的第一侧、第二侧以及所述入口施加三个电压的结果。在一个实施例中，较高的电压是对所述样品通道的第一侧和第二侧施加电压的结果。在一个实施例中，其中样品通道被分成两个通道(分别用于脱盐水流、含盐水流)，在微通道与渗透选择性导管的交叉点处的较高电压是样品微通道的入口(第一侧)处的电压、以及在样品微通道的两个出口(两个“第二侧”)的电压的结果。在一个实施例中，所有三个电压都是相等的，在缓冲通道/缓冲储液室上的(第四个)电压等于零(通道是接地的)。在一个实施例中，较高的电压是位于施加到样品通道的第一侧、第二侧的两个电压之间的一个中间值。

在一个实施例中，通过对样品微通道的第一侧和样品通道的第二侧(或者在通道被分成含盐水流和脱盐水流的情况下，则对样品微通道的第一侧和两个“第二侧”)施加50mV到500V之间的电压，并且将缓冲微通道或者储液室电接地，从而产生电场。

在一个实施例中，图10所示装置具有样品通道和缓冲通道，其中所述样品通道具有一个入口和两个出口。在一个实施例中，入口对应着实施例的“第一侧”，两个出口对应着实施例的“第二侧”(其中第一侧和第二侧已经讨论过，并且其中第二侧分成了两个通道)。

在一个实施例中，入口是第一侧。在一个实施例中，“第二侧”或者一个或多个出口形成含盐通道和脱盐通道。根据该方面，含盐通道和脱盐通道都指的是出口，即为通道的“第二侧”。

在一个实施例中，样品通道、缓冲通道或者它们的组合的宽度在1-1000μm之间。在一个实施例中，样品通道、缓冲通道或者它们的组合的深度在0.5-500μm之间。

在一个实施例中，导管的宽度在100-4000纳米之间。在一个实施例中，导管的宽度在1-100微米之间。在一个实施例中，导管的深度在20-100纳米之间。在一个实施例中，导管的深度在1-100微米之间。

在一个实施例中，为了具有渗透选择性，导管包含纳米通道或者纳米多孔材料。对此，在一个实施例中，导管本身具有1～100μm宽和1～1000μm深的尺寸，并且具有纳米级的孔(或者包含具有(或者直径(圆柱形的)、或者一侧的长度/宽度(矩形的))尺寸为1～100nm的纳米通道)。

在一个实施例中，导管包含一个纳米通道。在一个实施例中，导管包含很多纳米通道。在一个实施例中，导管包含大量纳米通道。在一个实施例中，导管包含一束纳米通道。

在一个实施例中，导管包含基于聚合物的渗透选择性材料。在一个实施例中，基于聚合物的渗透选择性材料包括全氟磺酸、聚四氟乙烯(teflon)、水凝胶。在一个实施例中，基于聚合物的渗透选择性材料包括阳离子选择性材料或者阴离子选择性材料。在一个实施例中，导管包括优先传导阳离子或者阴离子的电连接件。

在一个实施例中，将样品通道的表面功能化以减少目标物质对所述表面的吸附。在一个实施例中，将所述导管和/或第一通道、第二通道或者缓冲通道的表面功能化以提高装置的工作效率。

在一个实施例中，对装置的基底施加额外的门控电压，来提高装置的工作效率。在一个实施例中，样品通道、所述缓冲通道、所述导管或者它们的组合通过光刻、刻蚀以及塑料成型工艺来制成。

在一个实施例中，装置由透明材料形成。在另一个实施例中，装置由非透明材料形成。在一个实施例中，采用透明材料是为了对装置操作进行成像。在一个实施例中，采用透明材料是为了分析。在一个实施例中，透明材料是耐热玻璃、二氧化硅、氮化硅、石英或者SU-8。

在一个实施例中，装置涂覆有低自发荧光材料。在一个实施例中，装置与注射泵或者重力操作的泵连接。在一个实施例中，装置与传感器、分离系统、探测系统、分析系统或者它们的组合连接。在一个实施例中，探测系统包括光源、照相机、计算机、光度计、分光光度计或者它们的组合。

在一个实施例中，在所述样品微通道内的液体流速在10μm/sec到10mm/sec之间。在一个实施例中，装置包括多个样品通道、多个缓冲通道、多个导管或者它们的组合。在一个实施例中，多个通道、导管或者它们的组合被布置成特定的几何形状或者阵列。在一个实施例中，阵列包括至少100个样品通道、至少100个缓冲通道以及至少100个导管。在一个实施例中，几何形状或阵列包括使通道相对于导管垂直取向的布局。

在一个实施例中，装置长度、宽度、高度或者它们的组合在10cm到30cm的范围内。

在一个实施例中，液体体积流量至少为100mL/min。在一个实施例中，液体体积流量在60-100mL/min的范围内。在一个实施例中，用于装置操作所需要的电能在10w到100w的范围内。在一个实施例中，穿过所述样品通道的流动是连续的。

在一个实施例中，本发明的脱盐装置不利用电渗透感应场，而是通过利用重力产生的压力，通过压力泵、注射泵或者任何其它压力产生装置或者流动产生机械装置将流体引入装置中。在一个实施例中，装置的主要元件是在两个流体通道之间存在的渗透选择性纳米连接件或者“导管”，从而使跨过导管施加的电场在一个(或者两个)通道内产生离子耗尽，然后用来对至少一个流动水流进行脱盐。

在另一个实施例中，为了在通道内产生流体的流动，对样品流动通道施加第二电场。在一个实施例中，样品流体通道具有微米级的宽度或深度、或者具有微米级的宽度和深度。在一个实施例中，通道的宽度/深度在1微米到1000微米的范围内。在一个实施例中，样品流体通道的长度在1微米到1000微米的范围内，或者在1微米到10,000微米的范围内。IV.本发明方法的实施例

在一个实施例中，该方法适用于对生物分子进行分析。在一个实施例中，利用本发明的方法，减少了微流体装置中具有生物分子的溶液的盐浓度。在一个实施例中，在与位于装置另一部分中的含有生物分子或者目标物质的溶液混合之前，一部分微流体装置中的盐或者带电物质的浓度减少了。在一个实施例中，当生物分子溶液与脱盐溶液混合时会发生化学反应。在一个实施例中，混合有助于保存生物分子。在一个实施例中，将分子溶液与脱盐溶液混合增加了生物分子的稳定性。在一个实施例中，将生物分子溶液与脱盐溶液混合，可以增加生物分子溶液的保存期限。在一个实施例中，将生物分子溶液与脱盐溶液混合激发与微分子结合的荧光标记物。在一个实施例中，这样的混合改变生物分子溶液的PH值。在一个实施例中，混合改变溶液的颜色。对此，在一个实施例中，混合改变溶液的分光光谱响应。在一个实施例中，改变的分光光谱响应于红外区(IR region)。在一个实施例中，分光光谱响应于UV/VIS范围。在一个实施例中，混合引起生物分子溶液中存在的一种或者多种物质的沉淀。在一个实施例中，脱盐溶液与含有生物分子的溶液混合导致与生物分子溶液接触而出现的固体物质发生溶解。在一个实施例中，与脱盐溶液混合，使溶液稀释。在一个实施例中，需要稀释溶液用于化验、诊断、合成、或者注射入对象或者用于其它医学应用。在一个实施例中，通过混合准备出用于化验的生物分子。在一个实施例中，通过混合准备出用于分析的生物分子。在一个实施例中，脱盐溶液被稀释到纯水的水平。在一个实施例中，溶液的稀释能得到去离子水、具有非常低的电导率的水、电阻率等于或者大于18Mohm的水、盐浓度低于1000μM的水。在一个实施例中，具有上述性质的纯化的水用于稀释溶液或者目标分子。在一个实施例中，纯化的水用于溶解固体物质。在一个实施例中，纯化的水用于冲洗或者清洁微流体装置的一部分，以及用于冲洗或者清洁该装置中的材料或者溶液。在一个实施例中，上述纯化的水用于在微流体装置中进行的萃取过程。在一个实施例中，萃取是在两种不同的不互溶的液体(通常是水和一种有机溶剂)中基于它们的相对溶解度来分离化合物的方法。在一个实施例中，物质从一个液相萃取到另一个液相。

在一个实施例中，该方法适用于微米级合成。在一个实施例中，微米级合成包括使用微升范围内的体积的合成。在一个实施例中，微米级合成包括反应器、生物反应器、合成储液室、和/或具有至少一个尺寸为1微米到1000微米的样品管、通道或者导管。在一个实施例中，微米级合成或者微合成指的是小型合成、使用少量反应物并且生成少量生成物的合成。在一个实施例中，上述合成适用于昂贵的材料、敏感材料、稀有材料、危险材料、高纯度产品、医用产品、药品、不稳定的材料或者它们的衍生物。

在一个实施例中，该方法适于化学分析或者生物分析。在一个实施例中，本发明的方法提供了有助于化学分析和生物分析的加速流动、流动泵吸、流动换向、流体脱盐以及流体稀释。

在一个实施例中，泵吸以及加速的流体流动缩短了分析所需要的时间。在一个实施例中，缩短时间也降低了分析的成本。在一个实施例中，加速样品的流动能够实施对不稳定材料或者敏感材料的分析，以及对经过特定时间后退化或者分解的材料的分析。在一个实施例中，泵吸以及加速流体流动实现了更有效的分析。在一个实施例中，本发明的泵吸机理可用于从不易接近的位置抽取样品流体。在一个实施例中，上述泵吸可用于从目标物抽取流体用于医学分析。在一个实施例中，上述泵吸可用于从环境位置抽取流体用于环境分析。在一个实施例中，上述泵吸可用于从危险样品抽取流体用于分析。在一个实施例中，利用本发明的泵吸机理，通过遥控地向本发明的装置施加电压可以遥控地实施流体的抽取。在一个实施例中，遥控分析对于爆炸物、化学危险品、生物试剂、有毒材料或者用于将流体泵吸入移动装置中是有利的。在一个实施例中，本发明方法实现了在低功耗条件下在装置中进行流体加速以及流体泵吸。

在一个实施例中，通过本发明的方法改变流动方向以及停止流动的能力可以在分析中起作用。在一个实施例中，停止流动或者改变流动方向能够控制分析过程。在一个实施例中，通过启动或者终止包括流体样品从一个区域到另一个区域的传输或者从一个分析模块到另一个分析模块的传输的分析步骤，来控制工艺。在一个实施例中，电改变或者停止流体流动省去了机械泵的使用，可简化分析技术。

在一个实施例中，利用本发明的方法可实现对液体样品的流体脱盐或者稀释。在一个实施例中，对于需要低浓度物质的分析而言，脱盐或者稀释是很重要的。在一个实施例中，脱盐或者稀释对于电中性物质的分析而言是重要的，上述电中性物质对于精确分析而言需要存在于稀释溶液或脱盐溶液中。实施例针对如下分析技术：物质浓度或者随附的带电物质浓度影响了分析结果。上述分析技术尤其用于光谱学、色谱学、电化学以及对干燥物质的表面分析技术。在一个实施例中，利用本发明的方法对液体样品脱盐和/或稀释可产生探测或者分析所需要的样品纯度。

在一个实施例中，本方法适于取样或者诊断。在一个实施例中，如上所述，泵吸以及流动加速可用于对流体有效取样。在一个实施例中，样品微通道的第一侧连接到样品储液室或者任何其它流体样品源，并且通过对样品微通道的两侧和对缓冲微通道施加电压，将流体从样品源抽取到样品微通道，实现取样过程。在一个实施例中，通过本发明的方法，上述样品可以穿过样品微通道的第二侧传输到分析位置用于诊断。

在一个实施例中，该方法适用于需要将溶液注入或者快速泵入/泵出上述装置的注入装置。在一个实施例中，可以对上述注入装置进行远程操作。在一个实施例中，上述注入装置可用于定期地对体液取样。在一个实施例中，根据本发明方法的注入装置可用于以精确剂量、在精确时间内将药品释放进入病人的血流或者组织。

在一个实施例中，该方法适于在干燥环境区域中，在干燥的实验条件下，在极端温度、压力以及湿度条件下，或者从非常小的样品源泵吸非常小量的流体。

在一个实施例中，该方法适于纯水的制备。在一个实施例中，纯水是电解质浓度为零的水。在一个实施例中，纯水是电解质浓度很低的水。在一个实施例中，纯水是具有很高电阻率的水。在一个实施例中，纯化的水是经过物理处理去除杂质的水。在一个实施例中，以十亿分之一(ppb)或者万亿分之一(ppt)为单位测量纯化水中的微量污染物的高纯浓度。离子的去除引起水的电阻率增大，从而提供了一种便于精确测量去离子化程度的方法。超纯的去离子水具有18.31MΩ·cm的理论上的最大电阻率和0.0545微西门子/cm的理论上的最小电导率，相比之下，普通的自来水为大约15kΩ·cm和70微西门子/cm。在一个实施例中，本发明方法中采用的纯水具有15kΩ·cm到18.31MΩ·cm范围内的电阻值。

美国试验与材料协会(ASTM)以及美国临床实验室标准化委员会(NCCLS)根据纯化程度将纯化水分为类型I-III。类型I-III的纯化特性总结如下。

类型I-III纯化水中的最大污染物水平

在一个实施例中，利用本发明方法制成的纯化水用于饮用。在一个实施例中，本发明的方法使用具有并行工作的样品微通道阵列的装置，将海水引入到其中。在一个实施例中，样品微通道的出口或者第二侧连接到脱盐水流通道或者管子，以及含盐水流通道或者管子。在一个实施例中，脱盐水流进入脱盐通道。在一个实施例中，来自所有样品微通道的脱盐水流连接到收集储液室。在一个实施例中，收集储液室装满了从样品微通道的第二侧流出的饮用水。在一个实施例中，本发明的用于制备饮用水的方法可用于饮用水缺乏的地区。在一个实施例中，上述方法可用于从水中去除污染物或者危险离子或者带电物质，改善水质以便安全饮用。在一个实施例中，饮用水的制备包括将恶化水的味道和气味的离子或者带电物质去除。

在一个实施例中，本发明方法致力于实现低功耗。在一个实施例中，使用本发明方法的装置消耗的电能在10w到100w之间。在一个实施例中，使用本发明方法的装置消耗的电能在100w到1000w之间。在一个实施例中，使用本发明方法的装置消耗的电能在1000w到10000w之间。在一个实施例中，使用本发明方法的装置消耗的电能在10w到50w之间。在一个实施例中，使用本发明方法的装置消耗的电能在50w到100w之间。在一个实施例中，使水脱盐用于饮用所消耗的电能远远小于其它脱盐技术(例如蒸馏或者反渗透)。在一个实施例中，本发明的脱盐方法使用紧凑的系统，不需要重型过滤器或者笨重的离子交换筒或者材料。在一个实施例中，本发明方法使用的脱盐装置可重复使用。在一个实施例中，上述装置不需要替换部件，不需要高的维护成本。

在一个实施例中，本发明提供了利用ICP现象的小型微米/纳米流体单元装置，已经证明ICP现象能够用于对海水进行无膜的直接脱盐。提出的该系统具有用于直接海水脱盐应用的多个独特的并且有吸引力的特点。最重要的是，其能够去除任何带电物质，尺寸范围从小的盐离子到大的颗粒/细胞，而避免传统方法(这些方法涉及包括通过使溶液穿过膜来去盐的通道)中的膜污染和堵塞。这可以显著地降低直接将海水脱盐的复杂性和成本。与ED或者RO技术不同，颗粒和盐从关键的纳米连接件中去除，并且连续地重新进入不同的水流中，从而从根本上杜绝了纳米连接件的堵塞和污染。这能够实现长时间有效的操作而不需要对膜进行清洁/替换。该技术提供了在不需要高压泵吸或者再循环元件的系统中直接对海水脱盐的可能性。由于具有电池供电驱动的可能性，本发明的技术可用于低能耗的小型便携设备中。因此，其适于在大型脱盐系统的必要基础设施缺乏的灾区/贫困地区进行海水脱盐。该技术可能会成为对ED或者RO的高效替代手段。

在一个实施例中，本发明提供了用于纯化水或者其它溶剂的方法和系统，可应用于分析技术(比如色谱法(例如HPLC和GC))、质谱分析法的准备、电化学技术、电化学分离、微流体技术，作为任何需要纯水或者纯溶剂的工业中过滤或者膜的替代物。在一个实施例中，本发明提供了用于脱盐或者水纯化的系统和方法。在一个实施例中，利用本发明的系统或者方法的水纯化处理用于饮用和/或其它家用目的。

在一个实施例中，单词“一个”指的是至少一个。在一个实施例中，短语“两个或者更多”可能是适于特定目的的任何数量。在一个实施例中，“大约”或“近似地”可包括在指定点的+1％的偏差，或者在一些实施例中，该偏差为-1％，或者在一些实施例中，该偏差为±2.5％，或者在一些实施例中，该偏差为±5％，或者在一些实施例中，该偏差为±7.5％，或者在一些实施例中，该偏差为±10％，或者在一些实施例中，该偏差为±15％，或者在一些实施例中，该偏差为±20％，或者在一些实施例中，该偏差为±25％。

实施本发明的各种模式都在本发明权利要求书具体指出并且明确要求保护的主题的范围内，这些都被视为本发明。实施例材料和方法：装置的制造：

制造技术如下列文献所记载的：J.Han，H.G.Craighead，J.Vac.Sci Technol.，A 17，2142-2147(1999)；J.Han，H.G.Craighead，Science 288，1026-1029(2000)。使用两种反应离子刻蚀。用标准的光刻工具制作5-20μm宽的导管的图案后，第一反应离子刻蚀(RIE)大约进行10秒，来刻蚀40nm的导管，而第二反应离子刻蚀产生跨过纳米过滤器的两个并行的1.5μm微流体通道。制造具有30-70nm深度的纳米过滤器来展示缓冲浓缩的效果和通道深度。完成RIE刻蚀后，使用KOH刻蚀来贯穿加载孔。在氮化物去光阻后进行热氧化处理，其提供了合适的电绝缘。然后，使用标准的阳极接合技术使装置的底部与耐热玻璃晶片结合。

在一个实施例中，用先前公布的方法来制造具有渗透选择性纳米连接件的聚二甲硅氧烷(PDMS)微流体芯片。通过在具有微通道模具的PDMS基底上机械切割产生沟槽，在所述沟槽之间渗透全氟磺酸聚合物溶液(由Sigma Aldrich公司提供，5％w.t.)来制造聚合物纳米连接件。PDMS能够用PDMS/PDMS沟槽之间不均匀的纳米多孔材料实现自密封。然后，通过等离子体处理将PDMS基底与玻璃板结合。微通道和缓冲微通道的入口具有500μm宽×100μm深的尺寸，分为两个分支的微通道具有相同的深度(即100μm深)但宽度为250μm。为了能看到微米级颗粒和WBC，还制造了100μm宽×15μm深的装置。用标准的蒸发/剥离工艺将作为粘结层的在钛上制备的金微电极(100μm宽，110nm高，电极的间隔为100μm)沉积在入口、脱盐微通道以及含盐微通道处(Ti：10nm，Au：100nm)，上述金微电极用于电势测量。使用图1所示的分成两个支路的微流体通道(每个通道的尺寸为250μm宽×100μm深)，可以从含盐水流中分离出脱盐水流，实现连续和稳定状态的脱盐。这里一个重要特征是盐离子(以及其它带电杂质)从膜上被驱除(而不是朝向膜)，从根本上消除了膜(纳米连接件)被污染的可能性。生物分子和试剂的制备

主要采用PH值为9.1的10mM的磷酸盐缓冲剂(磷酸氢二钠)，同时补充10μM的EDTA以防止滋生细菌。在PH值为4.6的10mM的磷酸盐缓冲剂条件下也可以顺利地进行预浓缩。在10mM的PH值为3.5的醋酸盐缓冲剂以及1X TBE缓冲剂(～80mM)条件下没有明显的预浓缩效果。

在10mM磷酸盐缓冲剂的条件下，在深度大于50nm的通道中没有观察到极化效应，可能是因为PH值低(其抑制了表面的电离)或者缓冲离子强度太高(该处由于德拜长度较小，导致纳米过滤器的渗透选择性变差)。

采用的分子和染料包括rGFP(由位于加利福尼亚州(CA)帕罗奥多(Palo Alto)的BD bioscience公司提供)、FITC-BSA(由位于密苏里州(MO)圣路易斯(St.Louis)的Sigma-Aldrich公司提供)、FITC-Ovalbumin(由位于俄勒冈州(OR)尤金(Eugene)的Molecular Probes公司提供)、FITC-BSA(由位于密苏里州(MO)圣路易斯(St.Louis)的Sigma-Aldrich公司提供)、FITC dye(由位于密苏里州(MO)圣路易斯(St.Louis)的Sigma-Aldrich公司提供)、Mito Orange(由位于俄勒冈州(OR)尤金(Eugene)的Molecular Probes公司提供)以及lambda-DNA(500μg/ml)。遵照生产商的说明，用YOYO-1插入染料(由位于俄勒冈州(OR)尤金(Eugene)的Molecular Probes公司提供)来标记DNA分子。

此外，NH2-GCEHH-COOH(SEQ ID NO：1)(pI 4.08)肽是在麻省理工学院的生物高分子实验室合成的，并通过下列过程用硫醇结合染料(thiol-conjugating dye)标记：HPLC纯化的肽样品首先重新构成为10nM肽浓缩溶液(0.1M的PH值为7.4的磷酸盐缓冲剂)作为储液，然后稀释为1mM。稀释的储液以1∶1的比例与10mM的TECP(由位于俄勒冈州(OR)尤金(Eugene)的Molecular Probes公司提供)以及5-TMRIA染料(由位于俄勒冈州(OR)尤金(Eugene)的Molecular Probes公司提供)混合。该反应在4℃避光的条件下持续24小时，然后通过加入100mM的2-巯基乙醇(由位于密苏里州(MO)圣路易斯(St.Louis)的Sigma-Aldrich公司提供)来停止不反应染料，并且利用1kDa cut-off的微型透析试剂盒(由位于新泽西州(NJ)的皮斯卡塔韦(Piscataway)的Amersham Bioscience公司提供)进行透析。建立光学探测

所有实验都在连接有荧光激发光源的倒置显微镜(IX-71)上进行。使用热电冷却CCD相机(由位于密歇根州(MI)奥本山(AuburnHill)的Cooke Co.公司提供)进行荧光成像。利用IPLab 3.6(由位于弗吉尼亚州(VA)费尔法克斯(Fairfax)的Acanalytics公司提供)来分析成像的顺序。使用自制的分压器对储液室分配不同的电压。使用100W的汞灯作为光源，使用中性密度滤光片来减小光的强度并增大探测的动态范围。分子浓度的定量

图14描述了对通道中分子浓度的定量。因为装置能够产生使用于探测的CCD阵列饱和的样品塞(sample plugs)，从而可以使用具有70％的NA孔径(50％透过率)、允许至少12％透过率(奥林巴斯(Olympus)(32ND12))的中性密度滤光片来降低激发光的强度。通过使光强降低至0.6％，探测器的动态范围增大，同时光致褪色的速率减小。

通道装满了3.3μM和0.33μM的GFP溶液，并且测量从通道内的溶液发出的荧光信号。只有在周期性曝光时(～1秒)才打开照相机的快门，以使所收集分子的光致褪色最小化。

为了阻止蛋白质的非特异性结合，除了使用新制造的和装满的装置来消除残留效应以外，在每次实验之前和之后，芯片都在激光下暴露足够长的时间，以完全去除由于荧光蛋白质与壁的非特异性结合而产生的残余荧光。在涂敷通道内的预浓缩

使用标准的聚丙烯酰胺(S.Hjerten，J.Chromatogr.347，191-198(1985))涂层，防止样品吸附在未处理的二氧化硅表面上。用甲基丙烯酸3-(三甲氧基硅烷基)丙酯(3-(trimethoxysilyl)propylmethacrylate)作为助粘剂来涂敷上述装置。然后，将5％的聚丙烯酰胺溶液与0.2％的VA-086光敏引发剂(由弗吉尼亚州(VA)里士满(Richmond)的WAKO公司提供)混合，并且在紫外线灯下暴露5分钟来启动聚合。涂敷后，发现对装置没有明显吸附。尽管希望聚丙烯酰胺涂敷处理能够减小表面电势和表面电荷密度，然而利用较高的工作电势也能够观察到相似的电荷极化和样品捕获图案(虽然效率较低)。通过采用甚至更低的缓冲液离子强度，可以克服效率较低的缺陷。使用不同的缓冲条件的预浓缩

为了证明装置对不同的缓冲条件的适用性，对不同的PH值(5-9)下、不同的缓冲溶液中以及不同的离子强度下的缓冲液浓缩进行评估。还利用直接来自于聚丙烯酰胺凝胶切片的提取溶液对装置的操作进行了测试，在实施还原、烷化、胰蛋白酶化以及肽离析之后，利用直接来自于装置中的凝胶电泳的生物样品作为典型的蛋白质组学研究环境进行模拟。提取溶液不含有蛋白质，但是少量的盐和小分子可能存在于来自样品或者电泳缓冲液(Tris、甘氨酸、十二烷基磺酸钠、甘油、二硫苏糖醇、可能的角蛋白污染物)、来自于染色剂(考马斯蓝)、和/或来自于还原和烷化步骤(Tris(三(2-羧乙基)-膦盐酸盐、碘乙酰胺、碳酸氢铵)的凝胶中。利用声波降解法对胰蛋白酶化溶液(60μL；碳酸氢铵缓冲液中的10ng/μL的胰蛋白酶和/或胰蛋白酶肽)进行提取，随后利用20μL20％的甲酸进行酶失活。该提取溶液在真空离心浓缩仪(speedvac)中被收集和浓缩。采用(超)声波降解法的提取操作是依次采用200μL的100mM的碳酸氢铵、0.1％的三氟乙酸(TFA)的水溶液、两次0.1％的TFA与水50∶50水溶液对乙腈实施的。每次都收集提取溶液并与上一步骤的提取溶液混合并且在真空离心浓缩仪(speedvac)中浓缩至大约10μL。然后，向该混合溶液加入标记的GFP分子，将其用作“样品缓冲液”。在预浓缩步骤，用10mM的磷酸盐缓冲液以1∶9的比例对该模拟样品溶液进行稀释并且输入通道中。示例1脱盐示范

单元装置规格的微/纳米流体装置的脱盐操作已经被实验测试。图11(a)表示采用天然海水(从麻萨诸塞州(MA)伊普斯威奇(Ipswich)的Crane海滩获得，PH值＝8.4～8.5)完成的脱盐实验。将最终浓缩为1mM的NaOH加入天然海水中，使Ca²⁺离子沉淀，从而导致海水溶液中出现明显沉淀。然而，上述添加物并没有明显降低海水的盐度。随后，海水样品被物理地预过滤以去除沉淀物和大的杂质(例如，大于通道尺寸的灰尘、沙子和海藻)。然后，特意将海水样品与FITC(作为分子标记的荧光染料，1μg/mL，由Invitrogen公司提供)、聚苯乙烯纳米颗粒、r-藻红蛋白(r-PE，1ng/mL，由Invitrogen公司提供)以及含有利用Hoechst荧光染色的白血球(WBCs)的人体全血混合。然后，根据使用的通道的大小，利用外部压力泵以设定的流速(0.1～10μL/min)将上述混合物(PH值为9.1～9.2)装入装置的储液室中。

外部流速是由注射泵(Harvard设备，PHD2200)产生。所有的流动形态和颗粒运动都通过倒置荧光显微镜(Olympus，IX-51)和CCD照相机(SensiCam，Cooke corp.)来成像。利用Media Cybernetics inc.公司的软件Image Pro Plus 5.0分析图像的顺序。利用Stanford ResearchSystem，Inc.公司的直流电源通过用户定制的分压器向每个储液室施加电势。如图1(a)所示，为了实现良好的外部电连接，将铂丝(Sigma Aldrich公司的产品)设置到每个储液室中。

如图11(a)所示，一旦ICP开始，在1秒内就形成了耗尽区，使带电离子(以染料分子表示)转向进入“含盐”水流中。如图11(b)所示，ICP层成为对所有带负电颗粒和带正电颗粒(包括从海水中发现的大部分固体颗粒、微生物和生物分子(蛋白质、细菌、病毒、红血球、白血球等))的虚拟阻挡层。图11(b)中所示装置具有的微通道入口尺寸为100μm宽×15μm深，以便清楚地展现白血球的运动。这是因为大多数水生微生物和微颗粒具有非零的(通常略微呈负值)zeta电势。于是，从输出的脱盐流体中能够去除小的盐离子和大的微生物。从而使得该工艺对从自然界直接进行海水脱盐处理非常有吸引力。因为从脱盐流体中去除了大部分离子，输出的脱盐水流的PH值为7.0～7.5，其处于WHO推荐的饮用水的范围内。已经证实该脱盐操作可持续进行1个小时而不会发生任何膜阻塞。如图11(c)所示，操作1个小时之后，在海水(含盐的)通道末端的储液室有颗粒和染料积聚，而如图11(d)所示，脱盐通道的储液室中没有杂质积聚。示例2脱盐流体的电导测量

由于离子耗尽区对盐份排斥，脱盐水流中海水的离子浓度明显低于原始浓度。如图10(a)所示，为了对脱盐水流的浓度定量，采用嵌入式微电极对脱盐水流的原位电导率进行测量。利用Keithley 6514静电计测量微电极之间的电压降(ΔV)，利用Keithley 6487皮可安培计来测得穿过“脱盐”水流的电流(i)。电导率σ可仅通过公式σ＝i/|E|A计算得到，其中i是通过微电极的电流，A是微通道的截面积。将电压降除以微电极之间的间隙可以估算E。出于校准的目的，用台式电导仪(VWRsympHony电导仪)测量不同稀释度的海水的电导率，对于1×、5×、50×、500×、5000×、50000×的稀释度，测量值分别为45mS/cm、9.91mS/cm、1292μS/cm、127.8μS/cm、12.4μS/cm、1.8μS/cm。用上述数据将测得的电导率转换为脱盐水流的盐浓度。

当施加上述阈值电压并且建立离子耗尽区时，输出的脱盐水流的电导率从～45mS/cm(～500mM)(即原海水电导率)降为～0.5mS/cm(～3mM)。在另一个采用100mM磷酸盐缓冲液(～15mS/cm，微咸水的模型)的实验中，输出的脱盐水流的电导率也下降为～0.3mS/cm(～2mM)。作为比较，饮用水的盐浓度应当低于10mM水平。在该初步的概念验证装置中实现的脱盐水流的流速为～10μL/min(入口流速为20μL/min，它被平均分成两条10μL/min的水流)，并且|E|为～75V/cm。

用台式PH计(VWR sympHony电导仪)测量脱盐样品的PH值。天然海水的PH值为8.4～8.5，海水与NaOH的混合溶液(在去除Ca²⁺并且加入细胞后)的PH值为9.1～9.2。同时，如图13所示，利用石蕊试纸(colorHast，EMD chemicals inc.公司的产品)测量纯海水、海水与NaOH的混合溶液以及脱盐样品的PH值。据观察，与前两种海水样品相比，脱盐样品的PH值明显较低，估计在7.0到7.5之间。

将每个微通道都与纳米流动传感器(Upchurch，N-565)相连，以便对每个微通道流出的实际流速进行原位测量。如图14所示，入口流速几乎被等分入分支微通道。示例3功耗

本发明的单元装置需要的稳态电流为1μA(在微通道截面为100μm×15μm的装置内海水脱盐输出流速为0.25μL/min)或者～30μA(在微通道截面为500μm×100μm的装置内海水脱盐输出流速为10μL/min)。因此，每个单元装置的功耗大约为75μW～2250μW。所以，该脱盐机械装置的能效为5Wh/L(75μW/0.25μL/min)～3.75Wh/L(2250μW/10μL/min)。除此之外，还需要使流体通过微通道传输的能量，其为0.041mWh/L～1.55mWh/L。当100μm×15μm的装置内流速Q＝0.25μL/min时，用压力与流速的乘积(p×Q)可以计算出使泵吸穿过微通道所需要的能量。横跨整个微通道的压力降是根据公式12μQL/(wd³)计算的，其中μ为海水的粘度，而L、w和d分别为微通道的长度、宽度和深度。将μ＝1.88cp，L＝2cm，w＝100μm，d＝15μm代入上述公式，可以计算出功耗为23.2nW。因此，能效(W/Q)为1.55mWh/L。同样地，在微通道横截面为500μm×100μm的装置中，当Q＝10μL/min时，能效为0.041mWh/L。所以，通常流体传输所需要的能量是可以忽略的，主要是因为与RO膜相比，开口的微通道具有较小的流体阻力。

相反，单独的RO工艺实际能耗为～2.5Wh/L，但是由于需要额外的进水口、预处理、再循环和分配过程，其能耗大幅增加到5Wh/L。另外，上述RO工艺的能效只有在大型RO工厂中才能达到。小型RO系统(例如船上的脱盐系统)的能效变得更差。可从市场上购买到的小型(但是并非便携式)脱盐系统具有378L/天(262mL/min)到17000L/天(11.8L/min)的脱盐产量，并且系统体积在40cm×60cm×40cm至140cm×110cm×90cm的范围内，需要2～3马力(1491.4W～2231.7W)的泵吸电机用于RO操作。根据上述数据可知，能效为35Wh/L～95Wh/L。因此，ICP脱盐系统的总能耗至少与最新技术水平的RO大型设备的能耗相当，并且大大低于现有的小型RO系统的能耗。与RO系统类似，使用盐浓度比海水低的水源(例如微咸水)可以进一步降低功耗。对于25％、50％、75％的淡水恢复，脱盐所需能量的理论下限分别大约为0.81Wh/L、0.97Wh/L和1.29Wh/L。而且，还可以通过下列改进措施以进一步优化微流体装置单元：1)首先，为了彻底减少电压和能效，以实现与现有电池技术或者小型太阳能的兼容，可以集成微电极，用于在纳米连接件附近施加电压；2)其次，可以控制全氟磺酸纳米连接件的长度，从而大大减少由于离子耗尽区的启动以及维持造成的能量损失；3)最后，可以优化主要通道/盐水通道的设计来最小化单元芯片的总尺寸，从而在给定的系统尺寸范围内实现最大的并行化。至于上文中给出的25％、50％、75％的淡水恢复的百分比，该“百分比”指的是与输入海水相比，淡水的相对量：75％恢复指的是75％的输入海水得到作为淡水的输出，同时剩余25％的输入海水得到作为高盐的咸水输出。在另一个实施例中，“恢复的百分比”指的是作为处理结果的盐份减少量，例如，75％恢复指的是脱盐处理的结果为：处理后溶液的浓度变为1/4(25％)，从100mM变为25mM。

示例4单元装置的并行化

关键的去盐步骤在微通道内较短距离内进行，所以据估计，用于单元微流体装置所需要的横向空间(区域)大约为1mm×1mm。单元装置大量并行设置在6～8寸晶圆规模(17600～31400mm²，其允许放大到1.5×10⁴～3×10⁴)上使得在小型系统中能够实现150mL/min～300mL/min的产量，其良好地适用于便携式海水脱盐的应用。如图15所示，在该系统中，利用重力作用，使流体穿过预过滤堆从而去除大的颗粒/杂质，并且穿过大量并行的ICP脱盐装置阵列器(类似于家用过滤系统)以便消除病原体和盐份。

作为对比，由重力驱动的商业化家用水净化系统(非脱盐系统)具有～200mL/min的产量，目前市场上可购买到的一种使用RO技术的桌面大小的(但不是便携的)海水脱盐系统具有260mL/min～1L/min的流速。实现单元装置的大规模并行化需要在技术上付出很多努力，并且在大面积上实现上述级别的小型单元装置的并行化并非没有先例，而是已经在光伏发电领域成功实现。示例5通道的特定取向能够增大空间电荷区域的稳定性

图6表示制成的本发明装置的实施例。根据通道开口，装置可分为单门控装置(SG，参见图6A)或者双门控装置(DG，参见图6B)。在SG装置中，样品微通道的一边侧壁与导管连接，在DG装置中，样品微通道的两边侧壁都与导管连接。微通道的尺寸有50μm宽×2μm深、40nm深×2μm宽×10μm高。

为了仔细研究非线性流动，通过跟踪标记颗粒的荧光和染色分子来观察离子耗尽区内外的动电流动路径，其中标记颗粒和染色分子被添加在PH值＝8.7的主缓冲溶液中(1mM磷酸盐(磷酸氢二钠))。根据芯片的几何特性，使用40nm(Duke Scientific Corp公司)的羧基封端的聚苯乙烯珠或者500nm(Invitrogen公司)的羧基封端的聚苯乙烯珠。

离子耗尽和离子富集情况是在SG装置中测试的(参见图7)。在样品微通道的两侧施加了相同的电压，缓冲微通道的两侧都电接地(耗尽条件)。这导致在缓冲微通道内靠近导管处(亮处)的离子浓度增大，而在样品微通道内靠近导管处(暗处)发生离子耗尽，所述离子耗尽区的尺寸迅速膨胀。

在样品微通道的两侧施加不同电压所产生的切向电场(E_T)使带电颗粒和离子发生迁移。在样品微通道的第一侧(左侧)附近可以收集带电颗粒和离子(参见图8)。

为了跟踪样品微通道区域内的流动路径，允许颗粒移动穿越耗尽区，以回到预浓缩电压配置(参见图9)。一旦颗粒穿过耗尽区进入下游的低浓度区，它们以比在浓缩区移动速度快大约25倍的速度移动。施加的电压如下：在图9(a)中，V_H＝10V，V_L＝5V，将缓冲微通道接地。在图9(b)中，执行如下三个步骤：首先，V_H＝20V，V_L＝15V，将缓冲微通道接地以形成耗尽区；然后，V_H＝20V，V_L＝15V，缓冲微通道保持不连接(悬空)使颗粒穿过耗尽区；最后，电压条件回到V_H＝20V，V_L＝15V，用接地的缓冲微通道来重新产生耗尽区。

在图9a的SG装置中，在高浓度区域内的颗粒速度为6μm/sec，而在低浓度区域内的颗粒速度为140μm/sec。在DG装置(图9b)的高浓度区域内的颗粒速度为20μm/sec，而在低浓度区域内为500μm/sec。在样品微通道的左侧(浓缩区域)，使离子耗尽的作用力(其本质上为静电力，并且总是朝着远离导管的方向施加)抵消了动电驱动力，使颗粒被捕获。然而，在右侧，这两个力施加在同一个方向，从而快速地从该区域去除带电颗粒。

测量了样品储液室中的液位变化。在浓缩区域中只有离子和带电颗粒被捕获，而水高速地穿过浓缩区并且移动到样品微通道的右侧。测得的移动速度大约为0.5μL/hr，比同一电位差下普通电渗透流动的流速(0.02μL/hr)快了25倍。

在导管连接区域的右侧，样品微通道的右边叫做下游区域。发现预浓缩(耗尽)的SG装置和DG装置的下游区域基本上无盐。下游区域的缓冲液浓度可通过如下方式估算：切断横跨在导管上的电压，然后使颗粒和染色分子在两个区域中动电地移动。由于颗粒速度与缓冲溶液的电阻率和离子浓度有关，通过比较两区域内颗粒的两种不同速度可估计出下游区域的离子浓度为至少40μM。由于速度与电场成正比，而电场又与浓度成反比，根据两种配置下颗粒速度之差来估算离子浓度。μM范围内的离子浓度是使用本方法的这个实施例所期望的浓度。在本发明一些实施例中，渗透选择性导管的电导(以及通过该导管的总的渗透选择性电流)足够大，足以使进入SG和DG装置中的导管连接件的液体体积中的离子“脱盐”。该下游脱盐处理增大了该区域内的动电流动。

在本发明的一些实施例中，渗透选择性导管的电导(全部的渗透选择性电流都穿过该导管)足够大，足以使进入SG和DG装置中的导管连接件的液体体积中的离子和液体流动的方向改变。这种改变可以用于微流体装置的操作、用于物质的直接积聚、以及用于受控的合成、分析和纯化技术中。示例6对海水低功率脱盐以供饮用

如示例1所示，用微通道/导管组件的阵列来构建微流体装置。该阵列是三维立体的。该装置是手持式的。该微流体装置与海水储液室相连。首先，将海水过滤以去除微米级颗粒以及更大的颗粒。海水进入多个微通道。然后，通过向导管施加电场将海水脱盐。在每个通道的出口，使用一个容器收集脱盐水流，使用另一个容器收集含盐水流。将收集了脱盐水的所有容器的内容物倒入一个出口容器以便饮用。该装置是低功率运行的，可利用电池或者其它临时的供电装置来工作。该装置可将大量水脱盐，因为可在一个装置内构建大量并行工作的微通道。加强流体的流动提高了装置的效率。水一旦被脱盐到某种程度，就可以通过使脱盐水流循环的方式或者直接使脱盐水流进入第二组脱盐微通道来进一步脱盐。装置可与电导仪或者任何其它带电物质浓度测量仪连接，来评估脱盐溶液的盐浓度。示例7用于合成的微流体装置如示例1所示，用多个微通道/导管组件来构建微流体装置。一些微通道的出口与腔室或者储液室相连。将第一类型的试剂混合物装入该装置中，通过一个微通道输送到腔室。将第二类型的试剂混合物通过相同的微通道或者其它微通道装入装置中，并输送到相同的腔室或储液室。存在于腔室中的这两种类型的试剂发生反应。由于装置的至少一部分是透明的，所以可以使用成像技术，使得标记物可以表明试剂以及反应产物的存在和位置。在一些实施例中，反应产物从腔室中排出，进入了通向收集容器的微通道。该装置可含有同时工作的反应容器的阵列，来提高反应效率。增大流体流动、改变流体的方向，以及通过从溶液中去除带电物质来纯化部分溶液的能力，使合成高效、快速、产物纯度及产量高度受控。示例8用于控制药物释放和诊断的植入式微流体装置

可将本发明的装置植入受试者或者贴到受试者皮肤上作为受控药物释放系统的一部分。本发明的导管上的电压的受控应用，引起流体穿过装置的微通道流动，还引起流动增强。上述行为可驱动含有药物的流体以测定数量和特定的时间间隔进入受试者。从受试者抽取流体样品用于分析。将少量流体样品泵吸进入装置的微通道中用于诊断。通过在导管以及微通道上施加电压来实现泵吸。对样品进行分析并且可以将其输回受试者体内。可选地，该样品也可以是用完即丢弃的。

Claims (141)

1.一种用于加速微流体装置中液体流动的方法，该方法包括如下步骤：

·将含有带电物质的液体从样品源引入微流体装置，该微流体装置包括：

i.第一基底；

ii.至少一个样品微通道，所述含有带电物质的液体能够穿过所述样品微通道从第一侧到达第二侧；

iii.含有缓冲液的至少一个缓冲微通道或者储液室；

iv.至少一个导管，连接所述样品微通道与所述缓冲微通道，或者连接所述样品微通道与所述储液室；以及

v.在所述导管、所述样品微通道、所述缓冲微通道或者储液室或它们的组合中产生电场的至少一个部件；

·在所述样品微通道内产生第一电场，使得在所述样品微通道内产生电渗透的流动，所述流动进一步引导所述液体通过所述样品微通道进入所述装置，并且所述流动是由所述第一电场的强度控制的；以及

·在所述导管中产生第二电场，使得在所述样品微通道内靠近所述导管的区域发生离子耗尽，并且所述离子耗尽加速了所述样品微通道内的流动。

2.根据权利要求1所述的方法，其中从样品源到所述微流体装置的液体引入步骤包括使用压力产生部件、电渗透流动产生部件或者它们的组合。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述微流体装置进一步包括第二基底，所述第二基底紧靠所述第一基底或者其一部分，或者粘附到所述第一基底或者其一部分。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述样品微通道内的所述第一电场是通过向所述样品微通道的所述第一侧施加较高的电压，并且向所述样品微通道的所述第二侧施加较低的电压而产生的。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述较高的电压、所述较低的电压或者它们的组合是正电压。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述正电压位于50mV到500V之间。

7.根据权利要求4所述的方法，其中所述较高的电压是正电压，较低的电压是通过将所述样品微通道的所述第二侧电接地而得到的。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管中的所述第二电场是通过向所述导管中与所述样品微通道连接的一侧施加较高的电压，并且向所述导管中与所述缓冲微通道连接的一侧施加较低的电压而产生的。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述较高的电压是正电压，较低的电压是通过将与所述导管相连的所述缓冲微通道或者储液室电接地而得到的。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述较高的电压是向所述样品微通道的所述第一侧和所述第二侧施加两个电压的结果。

11.根据权利要求8所述的方法，其中所述较高的电压是位于施加到所述样品微通道的所述第一侧和所述第二侧的两个电压值之间的值。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电场和所述第二电场是通过向所述样品微通道的所述第一侧施加60V的电压，向所述样品微通道的所述第二侧施加40V的电压，并且将所述缓冲微通道或者储液室电接地而产生的。

13.根据权利要求1所述的方法，其中通过将含有带电物质的溶液引入所述样品微通道，并且在所述导管内以及所述样品微通道内独立产生电场，将所述带电物质限制在所述样品微通道中远离所述导管的区域。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述样品微通道进一步包括用于低盐浓度溶液的第一出口和用于高盐浓度溶液的第二出口。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述样品微通道的宽度、所述缓冲微通道的宽度或者它们的组合的宽度在1-100μm之间。

16.根据权利要求1所述的方法，其中所述样品微通道的深度、所述缓冲微通道的深度或者它们的组合的深度在0.5-50μm之间。

17.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管的宽度在100-4000纳米之间。

18.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管的宽度在1-100微米之间。

19.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管的深度在20-100纳米之间。

20.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管的深度在1-100微米之间。

21.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管是纳米通道。

22.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管包括基于聚合物的渗透选择性材料。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述基于聚合物的渗透选择性材料包含Nafion。

24.根据权利要求22所述的方法，其中所述基于聚合物的渗透选择性材料包括阳离子选择性材料或者阴离子选择性材料。

25.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管包括优先传导正离子或者负离子的电连接件。

26.根据权利要求1所述的方法，其中将所述样品微通道的表面功能化以减少目标物质对所述表面的吸附。

27.根据权利要求1所述的方法，其中将所述导管和/或所述第一缓冲微通道或者缓冲微通道的表面功能化以提高所述装置的工作效率。

28.根据权利要求1所述的方法，其中向所述装置的所述基底施加外部的门控电压以提高所述装置的工作效率。

29.根据权利要求1所述的方法，其中所述样品微通道、所述缓冲微通道、所述导管或者它们的组合是采用光刻和刻蚀工艺形成的。

30.根据权利要求1所述的方法，其中所述装置包括透明材料。

31.根据权利要求30所述的方法，其中所述透明材料是耐热玻璃、二氧化硅、氮化硅、石英或者SU-8。

32.根据权利要求1所述的方法，其中所述装置涂覆有低自发荧光材料。

33.根据权利要求1所述的方法，其中所述装置与泵相连。

34.根据权利要求1所述的方法，其中所述装置与传感器、分离系统、探测系统、分析系统或者它们的组合相连。

35.根据权利要求34所述的方法，其中所述探测系统包括光源、照相机、计算机、光度计、分光光度计或者它们的组合。

36.根据权利要求1所述的方法，其中所述样品微通道内的液体流速在100μm/sec到10mm/sec之间。

37.根据权利要求1所述的方法，其中所述装置包括多个样品微通道、多个缓冲微通道、多个导管或者它们的组合。

38.根据权利要求37所述的方法，其中所述多个微通道、导管或者它们的组合布置成特定的几何形状或者布置成阵列。

39.根据权利要求38所述的方法，其中所述阵列包括至少1000个样品微通道、至少1000个缓冲微通道和至少1000个导管。

40.根据权利要求37所述的方法，其中所述装置的长度、宽度、高度或者它们的组合在10cm到30cm之间。

41.根据权利要求38所述的方法，其中所述几何形状或者所述阵列包括使所述微通道相对于所述导管垂直取向的布局。

42.根据权利要求37所述的方法，其中液体体积流量至少为1L/min。

43.根据权利要求37所述的方法，其中液体体积流量的范围在60-100L/min之间。

44.根据权利要求1所述的方法，其中所述含有带电物质的液体是海水。

45.根据权利要求1所述的方法，其中装置运转所需电能的范围在10w到100w之间。

46.根据权利要求1所述的方法，其中通过所述样品微通道的流动是连续的。

47.根据权利要求1所述的方法，其中所述装置是设备的一部分。

48.根据权利要求47所述的设备，其中所述设备是手持的/便携的。

49.根据权利要求47所述的设备，其中所述设备是台式设备。

50.一种减少溶液中盐浓度或者使溶液脱盐的方法，所述方法包括如下步骤：

·将含有盐离子的液体从样品源引入微流体装置，该微流体装置包括：

i.基底；

ii.至少一个样品微通道，所述含有盐离子的液体能够穿过所述样品微通道从第一侧到达第二侧；

iii.含有缓冲液的至少一个缓冲微通道或者缓冲储液室；

iv.至少一个导管，连接所述样品微通道与所述缓冲微通道，或者连接所述样品微通道与所述储液室；以及

v.在所述导管、所述样品微通道、所述缓冲微通道或者缓冲储液室或者它们的组合中产生电场的至少一个部件；以及

·在所述样品微通道内产生第一电场，使得在所述样品微通道内产生电渗透的流动，所述流动进一步引导所述液体通过所述样品微通道进入所述装置，并且所述流动是由所述第一电场的强度控制的；以及

·在所述导管中产生第二电场，使得在所述样品微通道内所述导管附近的区域发生盐离子耗尽，将所述盐离子限制在所述样品微通道中远离所述导管的区域。

51.根据权利要求50所述的方法，其中从样品源到所述微流体装置的液体引入装置包括压力产生部件、电渗透流动产生部件或者它们的组合。

52.根据权利要求50所述的方法，其中所述微流体装置进一步包括第二基底，该第二基底布置为紧靠所述第一基底或者其一部分，或者粘附到所述第一基底或者其一部分。

53.根据权利要求50所述的方法，其中所述含有盐的液体是海水。

54.根据权利要求50所述的方法，其中所述方法用于使海水脱盐以便饮用。

55.根据权利要求50所述的方法，其中所述样品微通道进一步包括用于低盐浓度溶液的第一出口和用于高盐浓度溶液的第二出口。

56.根据权利要求55所述的方法，其中所述用于低盐浓度溶液的第一出口与所述样品微通道内的离子耗尽区相连，并且其中所述用于高盐浓度溶液的第二出口与受限制的盐离子所在的远离所述导管的所述区域相连。

57.根据权利要求50所述的方法，其中所述样品微通道内的所述第一电场是通过向所述样品微通道的第一侧施加较高的电压，并且向所述样品微通道的第二侧施加较低的电压而产生的。

58.根据权利要求57所述的方法，其中所述较高的电压、所述较低的电压或者它们的组合都是正电压。

59.根据权利要求58所述的方法，其中所述正电压在50mV到500V之间。

60.根据权利要求57所述的方法，其中所述较高的电压是正电压，所述较低的电压是通过将所述样品微通道的所述第二侧电接地而得到的。

61.根据权利要求50所述的方法，其中所述导管内的所述第二电场是通过向所述导管中与所述样品微通道相连的一侧施加较高的电压，并且向所述导管中与所述缓冲微通道相连的一侧施加较低的电压而产生的。

62.根据权利要求61所述的方法，其中所述较高的电压是正电压，所述较低的电压是通过将与所述导管相连的所述缓冲微通道或者储液室电接地而获得的。

63.根据权利要求61所述的方法，其中所述较高的电压是向所述样品微通道的所述第一侧和所述第二侧施加两个电压的结果。

64.根据权利要求61所述的方法，其中所述较高的电压为位于施加到所述样品微通道的所述第一侧和所述第二侧的两个电压值之间的值。

65.根据权利要求50所述的方法，其中所述第一电场和所述第二电场是通过向所述样品微通道的所述第一侧施加60V的电压，向所述样品微通道的所述第二侧施加40V的电压，并且其中所述缓冲微通道或者储液室电接地而产生的。

66.根据权利要求50所述的方法，其中所述样品微通道的宽度、所述缓冲微通道的宽度或者它们的组合的宽度在1-100μm之间。

67.根据权利要求50所述的方法，其中所述样品微通道的深度、所述缓冲微通道的深度或者它们的组合的深度在0.5-50μm之间。

68.根据权利要求50所述的方法，其中所述导管的宽度在100-4000纳米之间。

69.根据权利要求50所述的方法，其中所述导管的宽度在1-100微米之间。

70.根据权利要求50所述的方法，其中所述导管的深度在20-100纳米之间。

71.根据权利要求50所述的方法，其中所述导管的深度在1-100微米之间。

72.根据权利要求50所述的方法，其中所述导管是纳米通道。

73.根据权利要求50所述的方法，其中所述导管包括基于聚合物的渗透选择性材料。

74.根据权利要求73所述的方法，其中所述基于聚合物的渗透选择性材料包括Nafion。

75.根据权利要求73所述的方法，其中所述基于聚合物的渗透选择性材料包括阳离子选择性材料或者阴离子选择性材料。

76.根据权利要求50所述的方法，其中所述导管包括优先传导正离子或者负离子的电连接件。

77.根据权利要求50所述的方法，其中将所述样品微通道的表面功能化以减少目标物质对所述表面的吸附。

78.根据权利要求50所述的方法，其中将所述导管和/或所述第一缓冲微通道或者缓冲微通道的表面功能化以提高所述装置的工作效率。

79.根据权利要求50所述的方法，其中向所述装置的所述基底施加外部门控电压以提高所述装置的工作效率。

80.根据权利要求50所述的方法，其中所述样品微通道、所述缓冲微通道、所述导管或者它们的组合是通过光刻和刻蚀工艺形成的。

81.根据权利要求50所述的方法，其中所述装置由透明材料构成。

82.根据权利要求50所述的方法，其中所述透明材料是耐热玻璃、二氧化硅、氮化硅、石英或者SU-8。

83.根据权利要求50所述的方法，其中所述装置涂覆有低自发荧光材料。

84.根据权利要求50所述的方法，其中所述装置与泵连接。

85.根据权利要求50所述的方法，其中所述装置与传感器、分离系统、探测系统、分析系统或者它们的组合连接。

86.根据权利要求85所述的方法，其中所述探测系统包括光源、照相机、计算机、光度计、分光光度计或者它们的组合。

87.根据权利要求50所述的方法，其中在所述样品微通道内的液体流速在100μm/sec到10mm/sec之间。

88.根据权利要求50所述的方法，其中所述装置包括多个样品微通道、多个缓冲微通道、多个导管或者它们的组合。

89.根据权利要求88所述的方法，其中所述多个微通道、导管或者它们的组合布置为特定的几何形状或者布置成阵列。

90.根据权利要求89所述的方法，其中所述阵列包括至少1000个样品微通道、至少1000个缓冲微通道和至少1000个导管。

91.根据权利要求88所述的方法，其中所述装置的长度、宽度、高度或者它们的组合在10cm到30cm的范围内。

92.根据权利要求89所述的方法，其中所述几何形状或者所述阵列包括使所述微通道相对于所述导管垂直取向的布局。

93.根据权利要求50所述的方法，其中液体体积流量至少为1L/min。

94.根据权利要求50所述的方法，其中液体体积流量为60-100L/min。

95.根据权利要求50所述的方法，其中装置运转所需电能为10w到100w。

96.根据权利要求50所述的方法，其中穿过所述样品微通道的流动是连续的。

97.根据权利要求50所述的方法，其中所述方法用于过滤溶液，以便合成、探测分析、纯化或者它们的组合。

98.根据权利要求50所述的方法，其中所述方法用于将污染物从水中去除。

99.一种停止液体流动或者改变液体流动方向的方法，所述方法包括以下步骤：

·将含有带电物质的液体从样品源引入微流体装置，该微流体装置包括：

i.基底；

ii.能够使所述含有带电物质的液体穿过的至少一个样品微通道，所述样品微通道具有第一侧和第二侧；

iii.含有缓冲液的至少一个缓冲微通道或者储液室；

iv.至少一个导管，连接所述样品微通道与所述缓冲微通道，或者连接所述样品微通道与所述储液室；以及

v.在所述导管、所述样品微通道、所述缓冲微通道或者储液室或者它们的组合中产生电场的至少一个部件；

如此，所述液体的流动方向是从所述样品微通道的所述第二侧至所述第一侧；

·在所述样品微通道内产生第一电场；

·在所述导管中产生第二电场，使得在所述样品微通道中所述导管附近的区域发生盐离子耗尽，并且将所述盐离子限制在所述样品微通道内远离所述导管的区域，其中在所述样品微通道内产生从所述第一侧到所述第二侧的液体的第二流动，其中所述第二流动是由所述第一电场和第二电场的强度控制的；

由此所产生的从所述样品微通道的所述第一侧至所述第二侧的第二流动与从所述第二侧至所述第一侧的第一流动相反，从而所产生的从所述第一侧至所述第二侧的第二流动，能够停止所述第一流动或者使所述第一流动的方向反向或者改变。

100.根据权利要求99所述的方法，其中从样品源到所述微流体装置的液体引入装置包括压力产生部件、电渗透流动产生部件或者它们的组合。

101.根据权利要求99所述的方法，其中所述微流体装置进一步包括第二基底，该第二基底布置为紧靠所述第一基底或者其一部分，或者粘附到所述第一基底或者其一部分。

102.根据权利要求99所述的方法，其中所述样品微通道内的所述第一电场是通过向所述样品微通道的第一侧施加较高的电压，并且向所述样品微通道的第二侧施加较低的电压而产生的。

103.根据权利要求102所述的方法，其中所述较高的电压、所述较低的电压或者它们的组合是正电压。

104.根据权利要求103所述的方法，其中所述正电压在50mV到500V之间。

105.根据权利要求102所述的方法，其中所述较高的电压是正电压，所述较低的电压是通过将所述样品微通道的所述第二侧电接地而获得的。

106.根据权利要求99所述的方法，其中所述导管内的所述第二电场是通过向所述导管中与所述样品微通道连接的一侧施加较高的电压，并且向所述导管中与所述缓冲微通道连接的一侧施加较低的电压而产生的。

107.根据权利要求106所述的方法，其中所述较高的电压是正电压，所述较低的电压是通过将与所述导管连接的所述缓冲微通道或者储液室电接地而施加的。

108.根据权利要求106所述的方法，其中所述较高的电压是向所述样品微通道的所述第一侧和所述第二侧施加两个电压的结果。

109.根据权利要求106所述的方法，其中所述较高的电压为位于施加到所述样品微通道的所述第一侧和所述第二侧的两个电压值之间的值。

110.根据权利要求99所述的方法，其中所述第一电场和第二电场是通过向所述样品微通道的所述第一侧施加60V的电压，并且向所述样品微通道的所述第二侧施加40V的电压，其中将所述缓冲微通道或者储液室电接地而产生的。

111.根据权利要求99所述的方法，其中所述样品微通道的宽度、所述缓冲微通道的宽度或者它们组合的宽度在1-100μm之间。

112.根据权利要求99所述的方法，其中所述样品微通道的深度、所述缓冲微通道的深度或者它们组合的深度在0.5-50μm之间。

113.根据权利要求99所述的方法，其中所述导管的宽度在100-4000纳米之间。

114.根据权利要求99所述的方法，其中所述导管的宽度在1-100微米之间。

115.根据权利要求99所述的方法，其中所述导管的深度在20-100纳米之间。

116.根据权利要求99所述的方法，其中所述导管的深度在1-100微米之间。

117.根据权利要求99所述的方法，其中所述导管是纳米通道。

118.根据权利要求99所述的方法，其中所述导管包括基于聚合物的渗透选择性材料。

119.根据权利要求118所述的方法，其中所述基于聚合物的渗透选择性材料包括Nafion。

120.根据权利要求118所述的方法，其中所述基于聚合物的渗透选择性材料包括阳离子选择性材料或者阴离子选择性材料。

121.根据权利要求99所述的方法，其中所述导管包括优先传导正离子或者负离子的电连接件。

122.根据权利要求99所述的方法，其中将所述样品微通道的表面功能化以减少目标物质对所述表面的吸附。

123.根据权利要求99所述的方法，其中将所述导管和/或所述第一缓冲微通道或者缓冲微通道的表面功能化以提高装置的工作效率。

124.根据权利要求99所述的方法，其中向所述装置的所述基底施加外部门控电压以提高所述装置的工作效率。

125.根据权利要求99所述的方法，其中所述样品微通道、所述缓冲微通道、所述导管或者它们的组合是通过光刻和刻蚀工艺形成的。

126.根据权利要求99所述的方法，其中所述装置由透明材料构成。

127.根据权利要求99所述的方法，其中所述透明材料是耐热玻璃、二氧化硅、氮化硅、石英或者SU-8。

128.根据权利要求99所述的方法，其中所述装置涂覆有低自发荧光材料。

129.根据权利要求99所述的方法，其中所述装置与泵连接。

130.根据权利要求99所述的方法，其中所述装置与传感器、分离系统、探测系统、分析系统或者它们的组合连接。

131.根据权利要求130所述的方法，其中所述探测系统包括光源、照相机、计算机、光度计、分光光度计或者它们的组合。

132.根据权利要求99所述的方法，其中所述样品微通道内的液体体积流量在100μm/sec到10mm/sec之间。

133.根据权利要求99所述的方法，其中所述装置包括多个样品微通道、多个缓冲微通道、多个导管或者它们的组合。

134.根据权利要求133所述的方法，其中所述多个样品微通道、导管或者它们的组合布置成特定的几何形状或者布置成阵列。

135.根据权利要求134所述的方法，其中所述阵列包括至少1000个样品微通道、至少1000个缓冲微通道和至少1000个导管。

136.根据权利要求133所述的方法，其中所述装置的长度、宽度、高度或者它们的组合在10cm到30cm之间。

137.根据权利要求134所述的方法，其中所述几何形状或者所述阵列包括使所述微通道相对于所述导管垂直取向的布局。

138.根据权利要求99所述的方法，其中液体体积流量至少为1L/min。

139.根据权利要求99所述的方法，其中液体体积流量的范围在60-100L/min。

140.根据权利要求99所述的方法，其中装置工作所需电量为10w到100w。

141.根据权利要求99所述的方法，其中穿过所述样品微通道的流动是连续的。

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