CN102187198A - 用于生物样品收集的多孔材料 - Google Patents

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拉尔夫·勒尼克
詹姆斯·金德
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Abstract

使用包括有机材料和无机材料的杂化多孔材料收集样品的方法、装置和系统。用于样品收集的方法包括将杂化多孔材料与对于所述多孔材料的生物样品相接触。所述杂化多孔材料包含无机材料和有机材料。所述方法包括将附有样品的多孔材料置于液体介质中，其中所述样品在液体介质中与所述多孔材料分离以形成分离的样品，和在介质中收集分离的样品。

Description

用于生物样品收集的多孔材料
对相关申请的交叉引用
该申请要求2008年8月15日提交的，题为用于生物样品收集的多孔材料的美国临时专利申请61/089,444号的优先权。上述申请的说明书通过提述以其整体并入本文。
技术领域
本专利文件涉及生物材料收集。
背景技术
DNA可见于体液如唾液，以及身体的其它部分包括毛发、皮肤等。基于DNA的鉴定包括收集含有DNA的生物样品，加工所述样品以获得样品中DNA的概貌并将获得的概貌与参照概貌比较。含有DNA的生物样品可见于受控条件下例如实验室中，也可见于不受控的环境下例如犯罪现场。收集生物样品的一个实例包括将样品粘附于棉拭子(cotton swab)。加工样品的一个实例可包括裂解以接近样品中的DNA、通过如聚合酶链式反应(PCR)的方法扩增DNA、电泳分离以及使用包括光学技术、电化学技术等技术的检测。
发明内容
在一个实例中，描述了使用无机-有机杂化复合物收集生物样品的方法的实施。所述杂化复合物可通过将一层有机材料附于无机基质的官能化表面上以形成所述杂化复合物来形成。例如，聚硅氧烷网络可通过将烷氧基硅烷缩合，然后藉由单体聚合将有机聚合物层附于所述硅烷表面的官能团来形成。用于收集生物样品的方法可包括将生物样品附于杂化复合物上，将附有样品的杂化复合物置于液体介质中，从所述杂化复合物分离样品，并在液体介质中收集所述样品。所述杂化复合物的性质可配置为使得所述样品能够附于所述杂化复合物，而所述液体介质的性质可配置为使得所述样品能够从复合物分离。
一般而言，本文件中描述的一个创新方面可体现为用于样品收集的方法，其包括使杂化多孔材料与生物样品相接触。所述杂化多孔材料包含无机材料和有机材料。该方法还包括将附有样品的多孔材料置于液体介质中。所述样品在液体介质中与所述多孔材料分离以形成分离的样品。该方法还包括在介质中收集分离的样品。
该方面以及其它方面可包括下述特征中的一种或多种。所述生物样品可包含脱氧核糖核酸。将附有样品的多孔材料置于液体介质中可导致所述多孔材料在所述液体介质中溶解，从而使样品分离。所述杂化多孔材料包含硅烷组分、烷氧基硅烷组分和有机聚合物组分。所述杂化多孔材料可由硅烷组分和有机聚合物组分组成。所述有机聚合物组分可附于无机有机杂化复合物材料的表面。该方法还可包括将生物样品截留(entrap)于所述多孔材料的多孔结构中。该方法还可包括加工所述多孔材料以化学活化所述多孔材料的表面。将多孔材料和生物样品相接触还可包括使得所述生物样品化学粘附于经化学活化的表面。将多孔材料和生物样品相接触还可包括将所述多孔材料置于所述生物样品上。将多孔材料和生物样品相接触还可包括用所述多孔材料猛击所述生物样品。
本文件中描述的另一个创新方面可体现为下述方法，其包括将无机材料和有机材料附着，其中可将生物样品附于所述无机材料和附着的有机材料；用所述无机材料收集所述生物样品。
该方面以及其它方面可包括下述特征中的一种或多种。用所述无机材料收集所述生物样品可包括将所述生物样品附于所述无机材料，将附有生物样品的无机材料置于液体介质中以从表面分离所述生物样品，以及在液体介质中收集所述分离的生物样品。所述生物样品可附于所述无机材料的表面。所述生物样品可吸收于所述无机材料的内部。制备附于所述有机材料的无机材料可包括通过混合一定量的硅烷、一定量的烷氧基硅烷和一定量的溶液来制备所述无机材料，其中所述烷氧基硅烷使得所述无机材料准备附于所述有机材料。所述硅氧烷可为正硅酸四甲酯(TMOS)。所述溶液可包含醇和水的至少一种。所述醇可为甲醇。所述溶液可包括一定重量/体积比的醇和水。所述烷氧基硅烷可为烯丙基三甲氧基硅烷。所述有机材料可为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其中所述PMMA是通过聚合甲基丙烯酸甲酯而形成的，且其中PMMA在第一材料表面生长。
本文件中描述的另一个创新方面可体现为包含杂化多孔材料以及液体介质的系统，所述杂化多孔材料包含无机材料和有机材料，所述杂化多孔材料包含可附着生物样品的表面，而在液体介质中，所述生物样品从所述表面分离。
该方面以及其它方面可包括下述特征中的一种或多种。所述杂化多孔材料可包含硅烷组分、烷氧基硅烷组分和有机聚合物组分。所述杂化多孔材料可通过混合已知量的硅氧烷组分、已知量的烷氧基硅烷组分和已知量的溶液来制备。所述硅烷组分可为正硅酸四甲酯(TMOS)。所述溶液可包含醇和水的至少一种。所述醇可为甲醇。
本文件中描述的另一个创新方面可体现为制造杂化复合物的方法，该方法包括将烷氧基硅烷添加至包含金属氧化物的前体以引起水解和缩合反应，将聚合溶液添加至所述烷氧基硅烷和所述前体以引起聚合反应而形成多孔无机材料，以及将有机官能组分添加至所述多孔无机材料，其中所述有机组分聚合并附于所述多孔无机材料而形成杂化复合物，其中选择所述烷氧基硅烷、所述前体、所述聚合溶液以及所述有机官能组分使得生物样品当接触所述杂化复合物时，附于所述杂化复合物。
该方面以及其它方面可包括下述特征中的一种或多种。所述金属氧化物可基于二氧化硅、铝、钒和钌之一。所述烷氧基硅烷是烯丙基三甲氧基硅烷、正硅酸四乙酯或正硅酸四甲酯之一或混合物。所述聚合溶液包含醇。所述聚合溶液另外包含水。所述醇是甲醇或乙醇之一。该方法还包括添加催化剂以增加聚合速率，所述催化剂包括盐酸、硝酸和氢氧化钠之一。所述有机官能组分是甲基丙烯酸甲酯。该方法还包括将所述杂化复合物附于杆(rod)。
本发明的又一个创新方面可在下述装置中执行：该装置包含杂化多孔材料，所述杂化多孔材料包含无机材料和有机材料，且其制造使用烷氧基硅烷，与所述烷氧基硅烷混合的具有金属氧化物的前体，供聚合与前体混合的烷氧基硅烷的聚合溶液，以及包含于所述有机材料中的有机官能组分，以及一端附着所述杂化多孔材料的杆，其中选择所述烷氧基硅烷、所述前体、所述聚合溶液以及所述有机官能组分使得生物样品当接触所述杂化复合物时，附于所述杂化复合物，其中将附于杆的多孔材料猛击所述生物材料使得所述杂化多孔材料接触所述生物样品。
该方面以及其它方面可包括下述特征中的一种或多种。所述烷氧基硅烷是正硅酸四甲酯(TMOS)。所述聚合溶液包含醇和水的至少一种。所述醇是甲醇。
本文件中描述的又一个创新方面可实施为通过下述方法制造的杂化复合材料，该方法包括将烷氧基硅烷添加至包含金属氧化物的前体以引起水解和缩合反应，将聚合溶液添加至所述烷氧基硅烷和所述前体以引起聚合反应而形成多孔无机材料，以及将有机官能组分添加至所述多孔无机材料，其中所述有机组分聚合并附于所述多孔无机材料而形成杂化复合物，其中选择所述烷氧基硅烷、所述前体、所述聚合溶液以及所述有机官能组分使得生物样品当接触所述杂化复合物时，附于所述杂化复合物。所述金属氧化物可基于二氧化硅、铝、钒和钌之一。所述烷氧基硅烷是烯丙基三甲氧基硅烷、正硅酸四乙酯或正硅酸四甲酯之一或混合物。
本文件中描述的其它创新方面可体现为用于样品收集的方法，包括使多孔材料与生物样品相接触来将所述生物样品附于所述多孔材料，将附有样品的多孔材料置于液体介质中以从多孔材料分离所述样品，和在介质中收集分离的样品。所述生物样品包含脱氧核糖核酸。所述多孔材料为无机有机杂化复合材料，其包含硅烷组分、烷氧基硅烷组分和有机聚合物组分。所述有机聚合物组分附于所述无机有机杂化复合材料的表面。该方法还包括将所述生物样品截留于所述多孔材料的多孔结构中。该方法还包括加工所述多孔材料以化学活化多孔材料的表面。使多孔材料与生物样品相接触包括引起所述生物样品化学粘附于经化学活化的表面。使多孔材料与生物样品相接触包括将所述多孔材料置于所述生物样品上。使多孔材料与生物样品相接触包括将所述生物样品置于所述多孔材料上。
在另一个创新方面，方法包括通过使得第二材料能够附于第一材料来制备第一材料，其中附有第二材料的第一材料配置为使得生物样品能够附于第一材料，并将所述生物样品与第一材料一起收集。将所述生物样品与第一材料一起收集包括将生物样品附于第一材料的表面，将第一材料与附着的生物样品置于液体介质中以将所述生物样品从表面分离，并在液体介质中收集分离的生物样品。使得第二材料能够附于第一材料包括通过将已知量的硅烷、已知量的烷氧基硅烷和已知量的溶液混合来制备第一材料，其中所述烷氧基硅烷使得第二材料能够附于第一材料的表面。所述硅氧烷是正硅酸四甲酯(TMOS)。所述溶液包含醇和水的至少一种。所述醇为甲醇。所述溶液包含一定重量/体积比的醇和水。所述烷氧基硅烷组分是烯丙基三甲氧基硅烷。所述第二材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其中PMMA是通过甲基丙烯酸甲酯(MMA)的聚合形成的，且其中PMMA生长于第一材料的表面。
在另一个创新方面，系统包含多孔材料和液体介质，所述多孔材料配置为使得生物样品能够附于所述多孔材料的表面，而所述液体介质配置为使得生物样品能够从表面分离。所述多孔材料是包含硅烷组分、烷氧基硅烷组分和有机聚合物组分的无机有机杂化复合材料。所述多孔材料是通过混合已知量的硅氧烷组分、已知量的烷氧基硅烷组分和已知量的溶液来制备的。所述硅烷组分是正硅酸四甲酯(TMOS)。所述溶液包含醇和水的至少一种。所述醇为甲醇。所述溶液包含一定重量/体积比的醇和水。所述烷氧基硅烷组分是烯丙基三甲氧基硅烷。所述有机聚合物组分是聚甲基丙烯酸甲酯。
可执行描述于本说明书的主题的特定执行方案以实现下述一种或多种潜在的优点。可定制所述杂化复合物的结构以改变所述复合物的孔隙率、表面积和其它性质。基于所得复合物的所需结构和该杂化复合物适用的所需功能而改变所述杂化复合物无机和有机部分的选择的能力可使得所述杂化复合物能够适用于收集几种生物样品。此外，基于附于所述杂化复合物表面的聚合材料而改变无机基质中官能基团的能力可使得不同的聚合材料能够附于所述表面。所述聚合材料的选择又可基于所述复合物所需的应用。此外，所述无机基质官能化的表面可便于将聚合物附于所述杂化复合物的表面。同样，所得的杂化复合物的多孔网络可增加收集的样品量。此外，所述液体介质将样品从杂化复合物分离的性质可配置为使得从杂化复合物分离的样品量相对于粘附于所述杂化复合物的量是高的。以此方式，可增加样品收集的效率。还可以操作所述杂化复合物的形状以适应任何样品收集系统或装置。
本说明书的一种或多种实施方案的详情列于附图、说明书和权利要求中。
附图简述
图1是用于收集生物样品的系统的实例的示意。
图2是用于制备杂化复合物的工艺的实例的示意。
图3是用于收集样品的工艺的实例的流程图。
图4是交联的气凝胶的水摄入能力(water intake capability)的图。
图5A-5D显示的是描述当使用气凝胶作为杂化复合物时，人gDNA提取效率的图。
在多幅图中相同的参考号和标记代表相同的元件。
发明详述
杂化复合物可通过将有机基团包含于无机基质来形成。所选的有机基团可改变所得杂化复合物的性质，包括表面性质。例如，在具有无机多孔网络的杂化复合物中，所选的无机材料可为所述多孔网络(包括表面)提供官能性。上述官能性可使得有机基团例如单体能够附于所述表面。所述单体在杂化复合物表面上的聚合可为所得的杂化复合物提供在多种应用中能够使用杂化复合物和聚合表面的组合的性质。可控制杂化复合物的性质和功能，例如机械性能、孔隙率梯度、聚合物官能化等。
在具体应用中控制杂化复合物性质的实例可包括控制孔隙率梯度以允许差异细胞分选，控制聚合物官能化以允许选择性分子识别和截留生物样品的特定组分如抗原-抗体(精子细胞分选)等。杂化复合物的性质可经定制而例如具有高溶解性和高表面积使得该复合物用于收集和释放生物样品的应用的效率能够得到增强。此外，所述性质可定制使得所述杂化复合物提供了用于保持所述生物样品完整性的受控的微环境。例如，所述杂化复合物的水分含量(moisture level)可调节为生物样品存活所需的水平。
所述杂化复合物用于DNA收集的一个应用实例参照图1进行描述。图1是用于收集生物样品的系统100示意的实例。在一些实施方案中，系统100可包含无机-有机杂化复合物105，其附着生物样品110。杂化复合物105可通过金属氧化物缩合来形成。例如，烷氧基硅烷的缩合反应可引起聚硅氧烷网络的形成。可将有机聚合物通过将单体如甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯等与硅烷上的官能团例如胺、烯丙基等聚合而附于所述聚硅氧烷网络。当所述无机部分含有二氧化硅时，则杂化复合物105可为Ormosil或Ormocer。
生物样品110可包含细胞、组织、液体或含有目标材料(如DNA)的任何其它材料。当将杂化复合物105接触样品110上时，样品110可附于杂化复合物105的表面。例如，由于杂化复合物105的表面是多孔的，可将样品110截留于杂化复合物105的孔结构中。在使用二氧化硅气凝胶作为杂化复合物的实施方案中，使用Micromeritics Accelerated Surface Area and Porosity(Norcross，GA)测量的孔体积值为约4cm3/g。使用类似技术测量的二氧化硅气凝胶表面积分析为约450cm2/g-500cm2/g。此外，上述复合物的骨架密度测量值为约2.2g/cm3。基于孔体积和骨架密度的百分比孔隙率计算显示孔隙率为约90％。可将附有样品110的杂化复合物105置于液体介质115中。液体介质115的性质可配置为使得当杂化复合物105暴露于液体介质115时，样品110从杂化复合物105分离。
在一些实施方案中，杂化复合物105可附于基底120，例如杆的端部，而可将液体介质115保存在容器125中。在一些情况下，生物样品110可为见于犯罪现场的血液。使用者可通过用杂化复合物105的表面猛击(swipe)样品110来使用附有杂化复合物105的基底120收集生物样品110。可将样品110附于杂化复合物105表面，可对其加工或将其转运至所需场所。使用者可将含有附有样品110的杂化复合物105的基底120的端部浸于保存在容器125中的液体介质115中。由于液体介质115和杂化复合物105的性质，可将样品110从杂化复合物105表面释放入介质115。以此方式可将样品110从一个位置回收，收集，并随后准备用于加工。
图2是用于制备无机-有机杂化复合物105的工艺的实例。杂化复合物105可基于二氧化硅。例如，可将烷氧基硅烷添加于杂化复合物105以提供表面官能团，其使得生长中的聚合物能够增强杂化复合物105的性质。在一些实施方案中，所述烷氧基硅烷可为烯丙基三甲氧基硅烷。或者，所述烷氧基硅烷可为烯丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷等。在一些实施方案中，可将两种或更多种烷氧基硅烷的组合包含于用于杂化复合物105的制备物中。所述无机部分可基于元素包括铝、钒、钌等。可通过涉及水解和缩合的工艺来制备杂化复合物105。在一些实施方案中，杂化复合物105可为基于二氧化硅的前体205，其可添加烷氧基硅烷210例如烯丙基三甲氧基硅烷。烷氧基硅烷210的选择基于所得的杂化复合物105所需的表面官能度。水解步骤包括将前体205与适当的烷氧基硅烷210混合。
在一些实施方案中，前体205可为正硅酸四甲酯(TMOS)包括烯丙基三甲氧基硅烷，可对其添加聚合溶液215。在一些实施方案中，正硅酸四乙酯(TEOS)可用作前体205。聚合溶液215可为甲醇和水以50％重量体积比的混合物。聚合溶液215可为乙醇和水的混合物、仅为乙醇、仅为甲醇、其它醇类等。催化剂如酸或碱可用于所述复合物形成工艺以促进形成。例如，当TMOS和/或TEOS用作前体205时，催化剂像氢氯酸(HCl)、硝酸(HNO3)和氢氧化钠(NH4OH)可用于增强胶凝率(gelation rate)。此外，可添加引发剂220在所述聚合过程中充当催化剂。例如，重氮催化剂是影响烯烃聚合反应的自由基催化剂。前体205、烷氧基硅烷210和聚合溶液215的添加可导致所述杂化复合物多孔无机部分的形成，而烷氧基硅烷广泛分布在多孔网络中，包括所述杂化复合物的表面。
此外，杂化复合物105制备工艺可包括在胶凝之后，添加官能性化学品220如甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体，以赋予所得的杂化复合物官能性质。例如，MMA的添加和后续在杂化复合物表面上聚合物层的形成可增加所得的杂化复合物的强度，从而提供了结构刚性，对所述杂化复合物进行机械加工的能力等。可聚合MMA单体以制备聚MMA(PMMA)。在一些实施方案中，单体如MMA可包括在杂化复合物形成工艺中，从而使所得的聚合物可生长于所述杂化复合物的表面上，例如，通过将聚合物附于无机部分，以赋予所述杂化复合物强度。所述杂化复合物的强度可取决于表面上聚合物基质的厚度，而该厚度又可取决于在制备所述杂化复合物过程中添加的单体的量。其它单体如二酐(dianhydride)、胺等也可添加于所述杂化复合物制备工艺中以在所述表面生长其它类型的聚合物如缩聚物。可制备添加或未添加官能性化学品220的杂化复合物105。
在一些实施方案中，TMOS单体205，烷氧基硅烷例如烯丙基三甲氧基硅烷210，甲醇/水聚合溶液215和引发剂220可以以预定量添加以形成凝胶溶液225。在一些实施方案中，组分的比例可为如下：TMOS-20％，烯丙基丙基三甲氧基硅烷(allypropyltrimethoxysilane)-4％，MMA-4％，H2O-11％，氢氧化铵(NH4OH)-0.4％，甲醇60.1％，重氮引发剂-0.4％。此外，可通过向凝胶溶液添加其它组分来操纵杂化复合物105的多孔结构。例如，通过添加长链聚合物如聚氧化乙烯(PEO)，聚乙二醇(PEG)等，可改变所得的杂化复合物105的孔结构。上述改变可通过改变添加至凝胶溶液225的聚合物的量，添加不同分子量的聚合物，或两者来达成。或者或此外，可通过添加支化聚合物，在热处理之后分解的热可降解的(thermal degradable)化合物，或两者的组合来改变孔结构。此外，聚合物的添加可增加所得的杂化复合物105的结构强度。此外，为了定制孔径，发泡剂(expanding agent)例如三甲基苯(TMB)和模板剂(templating agent)例如Pluronic F127(BASF，Florham，NJ)。可使用“Pore structure control of silica gels based on phase separation，”(K.Nakanishi等，Journal of Porous Materials，1997)和“Polymer encapsulation of template silica monoliths，”(N.Leventis等，Journal of Non-Crystalline Solids，2007)中所述的方法来研究孔径的可定制性(tailorability)。
此外，杂化复合物的结构强度可通过在聚合溶液210中包含化学品如苯乙烯、异氰酸盐/酯等来操纵。在一些实施方案中，所述杂化复合物105可为通过在制备过程中添加适当的烷氧基硅烷制备的交联的气凝胶，且在其表面可附着有机聚合物层。关于制备交联的二氧化硅气凝胶的方法和组合物的细节可见于美国专利公开2004/0132846号(标题：“Methods and compositions for preparing silica aerogels”，发明人：Nicholas Leventis和Chariklia Leventis，提交日：2003年8月18日)，其全部内容通过提述并入本文。为了测试气凝胶作为杂化复合物的适用性，将气凝胶样品切为大约相同的形状和大小，如表1所示，使其吸收水，并置于两个从
Figure BDA0000055529240000091
(Carlsbad，CA)和Agencourt Bioscience(Beverly，MA)获得的不同的裂解缓冲溶液试剂盒中，如表2所示。如下表3所示，对每个样品就缓冲溶液的溶解和回收的增加以1至5的标度进行评分。接着，对每个样品就柱捕捉进行测试，并以1至5的标度进行评分，如下表4所示。
  拭子-1   拭子-2   拭子-3   拭子-4
 化学组成
 TMOS   2.5   2.5   2.5   2.5
 APTS   -   0.589   0.587   -
 MAPTS   0.815   -   -   0.815
 DIH2O   0.840   0.840   0.840   0.840
 NH4OH   0.577   0.577   0.577   0.577
 甲醇   6.630   6.178   6.178   6.630
 PEG   0.331   0.331   -   -
 NaHCO3   0.085   0.085   0.085   0.085
 吸收的水量(μl)   300   300   300   300
表1
  试剂盒   裂解缓冲液   蛋白酶K   裂解条件
  Invitrogen   1ml   10μl   60℃15分钟
  Agencourt   0.8ml   18μl(96μg/ml)   37℃10分钟
表2
  裂解缓冲液试剂盒   拭子-1   拭子-2   拭子-3   拭子-4
  Invitrogen   2   3   3   3
  Agencourt   2   1   1   2
表3
  裂解缓冲液试剂盒   拭子-1   拭子-2   拭子-3   拭子-4
  Invitrogen   2   3   4   3
表4
接着，对凝胶溶液225进行胶凝工艺，其中由于缩合和聚合，凝胶溶液225固化为具有多孔结构的杂化复合物105的无机部分。在一些实施方案中，所述胶凝工艺可包括将凝胶溶液225在环境温度下静置预定的时间例如24小时。或者，胶凝可包括使凝胶溶液225经受温度、压力或两者。对前体205和杂化复合物105的其它组分的选择可影响胶凝时间。在一些实施方案中，可将凝胶溶液225倾入预成型的模具中，从而使得所得的杂化复合物105的形状适于样品收集。例如，可将凝胶溶液225倾入模具中，且可将基底120置于所述模具中，基底120的一部分浸入凝胶溶液225中。胶凝可引起杂化复合物105固定在基底120上。
杂化复合物105的无机部分的多孔结构可含有溶剂，其可为聚合溶液215。杂化复合物105可通过将所述溶剂从杂化复合物105的多孔结构内去除，由此用空气替代所述溶剂来形成。在一些实施方案中，杂化复合物105可在环境条件下干燥。所述溶剂可从杂化复合物105的孔内蒸发。在其它实施方案中，可处理杂化复合物105以从多孔结构去除溶剂，例如，使杂化复合物105经受温度，压力或两者。在其它实施方案中，杂化复合物105可在高压和高温下超临界地干燥。在一些实施方案中，多孔结构中的溶剂可能不适于高压和高温加工。例如，如果所述溶剂是水，则干燥可能削弱杂化复合物105的结构或导致结构坍塌。在该实施方案中，孔隙中的溶剂可用溶剂(例如丙酮、乙腈、四氢呋喃等)交换，后者可容易地从孔隙去除。此外，在溶剂交换中使用的溶剂可包含其它聚合物，可用该聚合物处理杂化复合物105以进一步增加杂化复合物105的结构刚性。
在形成了杂化复合物105的无机部分之后，可将聚合物例如MMA附于表面。由于所述烷氧基硅烷的添加而提供至杂化复合物105无机部分的表面的官能性质使得MMA能够附于杂化复合物105的表面。MMA单体可聚合而形成pMMA层，其可通过例如由所述烷氧基硅烷赋予所述表面的双键而附于杂化复合物105的表面。
在一些实施方案中，可将杂化复合物105模制为棉拭子的尖端的形式，其中基底110是细塑料杆而杂化复合物105附于其一端。可制备凝胶溶液225并将其倾入模具，然后可将基底110插入所述模具。以此方式，所得的杂化复合物105可附于基底110的端部。随后，可干燥杂化复合物105，或者其可模制为任何大小、形状或形式。在一些实施方案中可通过将附于基底110的杂化复合物105接触样品来收集样品。例如，所述样品可为唾液中的生物细胞。所述细胞可含有DNA。当使杂化复合物105接触唾液时，唾液中的细胞可粘附于杂化复合物105的表面。或者或此外，可将唾液中的细胞吸收入杂化复合物105。
在一些实施方案中，粘附可归因于机械力(包括截留于杂化复合物105的多孔结构中)、吸收、吸附、毛细作用等。例如，可使用凝胶溶液225中的适当组分操纵杂化复合物105的孔，从而使得当杂化复合物105接触样品时，将样品截留于孔中。在其它实施方案中，可将杂化复合物105猛击样品。可利用杂化复合物105的高表面积性质将样品附于杂化复合物105。在其它实施方案中，使样品与杂化复合物105相接触。例如，所述样品可为从供体收集的血滴。可刺穿供体的皮肤并将供体的血液滴于杂化复合物105的表面上。血滴对杂化复合物105表面的冲击可引起血液截留于杂化复合物105的多孔结构中。以此方式，可将样品附于杂化复合物105的表面。
一旦所述样品附于杂化复合物105，可将杂化复合物105和样品暴露于适当的液体介质115以分离杂化复合物105和样品。在一些实施方案中，可将样品在受控的实验条件下附于杂化复合物105。例如，所述样品可见于实验室中的生物组织上。可将附于基底端部的杂化复合物105猛击生物组织以收集样品。在上述实施方案中，可立即获得液体介质从而使得使用者可将具有样品的杂化复合物105暴露于介质。在其它实施方案中，样品可见于不受控制的环境中，例如在犯罪现场中作为溅血(blood splatter)。使用者可将杂化复合物105附于所述溅血，并将具有样品的杂化复合物105运送至实验室以供进一步加工。在其它实施方案中，附有样品的气凝胶可储藏在适当条件下，例如，低温如-20℃，从而使得样品可与杂化复合物105在任何时点分离。
在一些实施方案中，液体介质115可位于容器例如烧杯、试管、培养皿等中。附有样品的杂化复合物105可浸入液体介质115中，其可为强酸、弱酸、强碱、弱碱、有机溶剂、水等，其可定制为不仅将样品从杂化复合物105分离，而且还不破坏杂化复合物105。此外，可定制液体介质115以制备样品供后续加工。例如，如果样品含有待分析的脱氧核糖核酸(DNA)，液体介质115可将样品从杂化复合物105分离，并裂解样品使得DNA可被接近。溶剂可基于其将样品从杂化复合物105分离的性质来选取。或者，可操纵所述性质使得样品能够从杂化复合物105分离。
在一些实施方案中，液体介质115可降解杂化复合物105的表面，并增加孔隙大小，从而将样品从气凝胶的多孔结构释放。在其它实施方案中，溶剂可溶解所有的气凝胶，仅留下释放的样品。同样的液体介质115可用于溶解整个杂化复合物105或仅降解杂化复合物105的表面。例如，附有样品的杂化复合物105可浸入液体介质115中预定的时间。在该时间内，仅杂化复合物105的表面可受降解。在液体介质115中延长的浸泡可引起杂化复合物105的完全溶解。此外，可基于液体介质115的生物相容性性质选择液体介质115，其中一旦样品从杂化复合物105释放至介质115中，样品的性质保持不变(intact)，且不会变得无法进行进一步加工。
在一些实施方案中，用于从杂化复合物105分离样品的液体介质115可流到杂化复合物105上。可从杂化复合物105分离样品，并与液体介质115流入可收集样品的容器。在其它实施方案中，可将液体介质115喷洒在杂化复合物105上。在一些实施方案中，附有样品的杂化复合物105可位于装配在微流装置上的微流通道中。液体介质115可经过所述微流装置流过杂化复合物105。可将样品从杂化复合物105分离并流入设计来收集样品的室中。
图3是使用多孔基质收集样品的工艺300的实例的流程图。在305使杂化复合物105与生物样品相接触将生物样品附于气凝胶。杂化复合物105可通过将烷氧基硅烷分散于无机多孔基质以将官能性质提供给所述无机基质(包括基质表面)来制备。随后，可将有机聚合物层通过由所述烷氧基硅烷赋予基质的表面官能性而附于所述无机基质表面，以制备杂化复合物105。所述样品可为含有DNA的生物样品。机械力(例如截留于多孔结构)、吸收、吸附、毛细作用等可引起所述生物样品附于杂化复合物105。或者，样品可通过化学力附于杂化复合物105。
在310，可将附有样品的杂化复合物105置于介质中以从杂化复合物105分离样品。所述介质可基于其从杂化复合物105分离样品的能力选择。或者或此外，可改变介质的性质使其能够从杂化复合物105分离样品。在一些实施方案中，所述介质可降解杂化复合物105的表面，从而引起附着的样品释放。在其它实施方案中，所述介质可溶解全部杂化复合物105，从而引起附着的样品释放。在一些实施方案中，所述样品可截留于杂化复合物105的孔中。所述介质可导致杂化复合物105的孔扩大，从而导致截留的样品释放。在一些实施方案中，所述样品可通过化学力附于杂化复合物105。当所有样品的杂化复合物105置于介质中时，介质可引起将样品维持于杂化复合物105的化学力逆转。例如，介质和样品之间的吸引作用可大于样品和杂化复合物105之间的吸引作用。因此，可将样品从杂化复合物105分离(detach)。
在一些实施方案中，可处理杂化复合物105的表面为预定值，引起样品附于杂化复合物105。例如，可选择放置杂化复合物105和样品的介质的pH使得将所述样品由杂化复合物105驱入介质，从而将样品从杂化复合物105分离。在315，分离的样品可收集于所述介质。在一些实施方案中，分离的样品可随后从介质转移至不同环境。在其它实施方案中，从杂化复合物105分离样品之后，可向介质添加另外的元件以处理所述样品。例如，如果样品是含有DNA的细胞，可向介质添加裂解剂以打开细胞表面而允许接近DNA。在其它实施方案中，可选择所述介质从而使得除了从组合物105分离样品之外，所述介质可额外地处理所述样品。
图4是显示一批无机有机杂化复合物(例如交联的气凝胶)的水摄入百分比的图。在一些实施方案中，所述交联的气凝胶可与MMA交联。分子量为1000-10000的PEG可包含于溶胶中。所述PEG可从所述交联的气凝胶中提取出来，留下相对大的孔。可使用直链PEG制备所述交联的气凝胶。然而，也可使用其它形式的PEG(例如三嵌段PEG)以修饰孔隙大小。如图4所示，交联的气凝胶样品吸收显著量的水(例如超过100％的水)而不致分解。例如，重量为0.12g至0.15g的气凝胶可吸收大约300μL水。水摄取是在浸没之后在10s和10分钟测量的。交联的气凝胶在环境条件下干燥。图4所示的图表明可将交联的气凝胶浸于液体介质(如水)中，而不致降解交联的气凝胶结构。这表明如果使用交联的气凝胶收集样品，附有样品的气凝胶可储藏于液体介质中而所述交联的气凝胶不致降解。
图5A-5D显示描述当使用气凝胶作为杂化复合物时的人gDNA提取效率的图。测试了三种类型的气凝胶样品、不具有气凝胶的对照样品和已知附于gDNA的样品。样品从人血提取DNA的效率示于图5A-5D。
尽管此文件包含许多细节，其不应视为对本说明书或权利要求的范围的限制，而应视为对特定于本文件的具体实施方案的特征的描述。在本文件中在不同的实施方案的上下文中描述的某些特征也可组合于一个实施方案中加以实施。相反，在一个实施方案的上下文中描述的多个特征也可在多个实施方案中分别实施或以任何合适的亚组合来实施。而且，尽管特征可如上所述以某些组合作用，甚至如此记载在初始权利要求中，来自要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可从该组合抽取出来，且要求保护的组合可涉及亚组合或亚组合的变型。
例如，所述杂化复合物的无机部分可为气凝胶。气凝胶包含独特类型的物质，其化学上类似玻璃。微观上，气凝胶由三维的珍珠项链样纳米颗粒网络组成，其给予气凝胶多孔微结构。结果，气凝胶可由大部分空的空间(可高至95％-99.9％)组成，且可表征为低密度(低至0.003g/cc)和高表面积(高至1000m2/g)。可通过化学粘附例如共价键合、范德华力等将样品附于气凝胶。
例如，聚合物如PMMA可生长于气凝胶的表面，其中所述聚合物可对溶剂(如酸、碱、水、有机溶剂等)敏感。通过选择适当的溶剂，可降解聚合物引起气凝胶的分解以释放附着的样品。
所述杂化复合物可为多种大小、形状或形式。在一些实施方案中，可将所述杂化复合物机械加工为任何所需的形状。例如，可将杂化复合物机械加工为扁平表面的形式。可将扁平表面置于样品上使得样品能够附于杂化复合物的表面。在一些实施方案中，可将样品铺开至大的区域。在上述实施方案中，所述杂化复合物可作为气凝胶储藏，并喷洒在样品所铺展的区域上。随后，可收集附着样品的杂化复合物喷雾以供进一步加工。
在一些实施方案中，附于杂化复合物的样品可在样品收集之后随即分离。在其它实施方案中，所述附有样品的杂化复合物可长期储藏。上述储藏可为在环境条件下或在受控的条件下，其中所述条件可包括温度、压力、湿度等。在上述实施方案中，可操纵所述杂化复合物的性质以保持随时间稳定，并保持不受所述杂化复合物所储藏的条件所影响。在其它实施方案中，可进行实验以确定杂化复合物的寿命，例如超过该时间所述杂化复合物就降解的时间。上述实验可包括表面积测量、密度测量、表面化学测试等。基于所述杂化复合物的确定寿命，可将样品从旧的杂化复合物基质在该旧的杂化复合物寿命过期之前转移至新的杂化复合物基质。例如，所述样品可从所述旧的杂化复合物转移至介质，可蒸发所述介质仅留下所述样品，而所述样品可使用新的杂化复合物收集以供进一步储藏。
在一些实施方案中，可将附有样品的杂化复合物浸入液体介质中，并对其通过如超声的方法施以机械力。归因于超声的力可将样品从杂化复合物基质释放而不致破坏所述样品。
在一些实施方案中，其中样品从杂化复合物分离的介质可设计为进一步加工所述样品，例如，裂解样品使得能够接近样品中的DNA。在一些实施方案中，杂化复合物可埋植(embed)有使得样品能够在收集位点得到加工的功能剂。例如，可将裂解剂和用于DNA检测的染料埋植入所述气凝胶。当使用所述杂化复合物收集样品时，可裂解所述样品，且DNA检测染料可与样品中的DNA混合。DNA的存在或不存在可通过混合的结果(例如使用光学分光光度仪器检测出的荧光输出)来指示。
在其它实施方案中，可将所述杂化复合物以气凝胶的形式喷洒在样品上。裂解之后，DNA检测染料和样品的混合的结果可使得能够鉴定样品的位置。在一些实施方案中，所述样品可包括药剂、微生物等。在一些实施方案中，所述样品可附于具有官能化表面的多孔的纳米复合物材料。制备纳米复合物材料所用的材料可根据其样品粘附性质来选择。
仅描述和说明了一些实施方案。可基于本文件的描述和说明形成描述的实施方案和其它的实施方案的变型、增强型和改进型。

Claims (44)

1.一种样品收集方法，包括：
使杂化多孔材料与生物样品相接触，其中所述杂化多孔材料包含无机材料和有机材料；
将附有样品的多孔材料置于液体介质中，其中所述样品在液体介质中与所述多孔材料分离以形成分离的样品；和
在介质中收集分离的样品。
2.权利要求1的方法，其中所述生物样品包含脱氧核糖核酸。
3.权利要求1的方法，其中将附有样品的多孔材料置于液体介质中引起所述多孔材料在所述液体介质中溶解，从而使样品分离。
4.权利要求1的方法，其中所述杂化多孔材料包括包含硅烷组分、烷氧基硅烷组分和有机聚合物组分。
5.权利要求1的方法，其中所述杂化多孔材料由硅烷组分和有机聚合物组分组成。
6.权利要求5的方法，其中所述有机聚合物组分附于所述无机有机杂化复合物材料的表面。
7.权利要求1的方法，还包括将生物样品截留于所述多孔材料的多孔结构中。
8.权利要求1的方法，还包括加工所述多孔材料以化学活化所述多孔材料的表面。
9.权利要求8的方法，其中将所述多孔材料和生物样品相接触还包括使得所述生物样品化学粘附于经化学活化的表面。
10.权利要求1的方法，其中将所述多孔材料和生物样品相接触还包括将所述多孔材料置于所述生物样品上。
11.权利要求1的方法，其中将多孔材料和生物样品相接触还包括用所述多孔材料猛击所述生物样品。
12.一种方法，包括：
将无机材料和有机材料附着，其中生物样品可附于所述无机材料和附着的有机材料；和
用所述无机材料收集所述生物样品。
13.权利要求12的方法，其中用所述无机材料收集所述生物样品包括：
将所述生物样品附于所述无机材料；
将附有生物样品的无机材料置于液体介质中以从表面分离所述生物样品；和
在液体介质中收集所述分离的生物样品。
14.权利要求13的方法，其中所述生物样品附于所述无机材料的表面。
15.权利要求13的方法，其中所述生物样品吸收于所述无机材料的内部。
16.权利要求12的方法，其中制备附于所述有机材料的无机材料包括通过混合一定量的硅烷、一定量的烷氧基硅烷和一定量的溶液来制备所述无机材料，其中所述烷氧基硅烷使得所述无机材料准备附于所述有机材料。
17.权利要求16的方法，其中所述硅氧烷是正硅酸四甲酯(TMOS)。
18.权利要求16的方法，其中所述溶液包含醇和水的至少一种。
19.权利要求18的方法，其中所述醇是甲醇。
20.权利要求18的方法，其中所述溶液包含一定重量/体积比的醇和水。
21.权利要求18的方法，其中所述烷氧基硅烷是烯丙基三甲氧基硅烷。
22.权利要求16的方法，其中所述有机材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其中所述PMMA是通过聚合甲基丙烯酸甲酯(MMA)形成的，且其中PMMA在第一材料表面生长。
23.一种系统，包含
杂化多孔材料，其包含无机材料和有机材料，所述杂化多孔材料包含可附于生物样品的表面；和
液体介质，其中所述生物样品从所述表面分离。
24.权利要求23的系统，其中所述杂化多孔材料包含硅氧烷组分、烷氧基硅烷组分和有机聚合物组分。
25.权利要求24的系统，其中所述杂化多孔材料通过混合已知量的硅烷组分、已知量的烷氧基硅烷组分和已知量的溶液来制备。
26.权利要求25的系统，其中所述硅烷组分是正硅酸四甲酯(TMOS)。
27.权利要求25的系统，其中所述溶液包含醇和水的至少一种。
28.权利要求27的系统，其中所述醇是甲醇。
29.一种制造杂化复合物的方法，所述方法包括：
将烷氧基硅烷添加至包含金属氧化物的前体以引起水解和缩合反应；
将聚合溶液添加至所述烷氧基硅烷和所述前体以引起聚合反应而形成多孔无机材料；和
将有机官能组分添加至所述多孔无机材料，其中所述有机组分聚合并附于所述多孔无机材料以形成杂化复合物，其中选择所述烷氧基硅烷、所述前体、所述聚合溶液以及所述有机官能组分使得生物样品当接触所述杂化复合物时，附于所述杂化复合物。
30.权利要求29的方法，其中所述金属氧化物是基于二氧化硅、铝、钒和钌之一。
31.权利要求29的方法，其中所述烷氧基硅烷是烯丙基三甲氧基硅烷、正硅酸四乙酯或正硅酸四甲酯之一或混合物。
32.权利要求29的方法，其中所述聚合溶液包含醇。
33.权利要求32的方法，其中所述聚合溶液还包含水。
34.权利要求32的方法，其中所述醇是甲醇和乙醇之一。
35.权利要求29的方法，还包括添加催化剂以增加聚合速率，所述催化剂包括盐酸、硝酸和氢氧化钠之一。
36.权利要求29的方法，其中所述有机官能组分是甲基丙烯酸甲酯。
37.权利要求29的方法，还包括将所述杂化复合物附于杆。
38.一种装置，包含
杂化多孔材料，其包含无机材料和有机材料，且所述杂化多孔材料的制造使用烷氧基硅烷，与所述烷氧基硅烷混合的具有金属氧化物的前体，供聚合与前体混合的烷氧基硅烷的聚合溶液，以及包含于所述有机材料中的有机官能组分，其中选择所述烷氧基硅烷、所述前体、所述聚合溶液以及所述有机官能组分使得生物样品当接触所述杂化多孔材料时，附于所述杂化多孔材料；和
一端附有所述杂化多孔材料的杆，其中将附于所述杆的多孔材料猛击所述生物材料使得所述杂化多孔材料接触所述生物样品。
39.权利要求38的系统，其中所述烷氧基硅烷是正硅酸四甲酯(TMOS)。
40.权利要求38的系统，其中所述聚合溶液包含醇和水的至少一种。
41.权利要求40的系统，其中所述醇是甲醇。
42.一种杂化复合材料，其通过下述方法制造，所述方法包括：
将烷氧基硅烷添加至包含金属氧化物的前体以引起水解和缩合反应；
将聚合溶液添加至所述烷氧基硅烷和所述前体以引起聚合反应而形成多孔无机材料；和
将有机官能组分添加至所述多孔无机材料，其中所述有机组分聚合并附于所述多孔无机材料而形成杂化复合物，其中选择所述烷氧基硅烷、所述前体、所述聚合溶液以及所述有机官能组分使得生物样品当接触所述杂化复合物时，附于所述杂化复合物。
43.权利要求42的杂化复合材料，其中所述金属氧化物是基于二氧化硅、铝、钒和钌之一。
44.权利要求42的杂化复合材料，其中所述烷氧基硅烷是烯丙基三甲氧基硅烷、正硅酸四乙酯或正硅酸四甲酯中之一或混合物。
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