CN106459966A - 用于生物材料的分离的改进的装置 - Google Patents

Abstract

本发明包括用于从生物样品中离析包括核酸的纳米颗粒的方法、装置和系统。在各个方面，所述方法、装置和系统可以允许需要最少量材料的快速工序和/或产生对诸如血液或环境样品等复杂流体中的生物成分的高纯度离析的快速工序。

Description

用于生物材料的分离的改进的装置

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2014年4月8日的美国临时申请序列号61/977,006和提交于2014年4月9日的美国临时申请序列号61/977,249的权益；上述申请的全部内容通过引用并入于此。

发明背景

从生物样品中存在的其他材料中分离纳米级分析物是包括核酸的生物分析物材料的纯化过程中的一个重要步骤，以用于此后的诊断或生物表征。现有的技术通常是庞大的，需要大体积的样品用于操作。仍旧需要一种能够在不需要附加的纯化步骤的情况下，使用最小的样品体积从复杂的生物样品中离析纳米级分析物的稳健的平台。

发明内容

在一些情况下，本发明满足对以有效的方式，利用最小体积的样本，从复杂生物样品中分离纳米级分析物的改进的方法的需要。在本文提供的一些方面，在短时间内处理样品并离析纳米级分析物。在其他方面，所离析的纳米级分析物不需要进一步的样品制备或富集。在另一些方面，最小量的起始材料用于将足够的纳米级分析物材料离析至期望的纯度和浓度水平，使得在没有进一步的处理或纯化的情况下可以进行附加的分析和表征。在又一些方面，本文公开的方法、装置和组成能接受多路复用和高吞吐量操作。使用本文公开的方法和装置而离析的纳米级分析物是可洗脱的并且是直接可转移的，并且能够在没有用于针对诊断目的的其他装置和方法的进一步操作的情况下进行分析和表征。

在一方面，在一些实施方式中，本文公开了使用如本文公开的多个交流(AC)电极从生物样品中离析纳米级分析物的组成、装置和方法。在一些实施方式中，所述AC电极配置用于选择性地通电以建立AC动电高场。在其他实施方式中，所述AC电极配置用于选择性地通电以建立AC动电低场。在另一些实施方式中，所述AC电极配置用于选择性地通电以建立AC动电高场区域和AC动电低场区域。

在一些实施方式中，本文公开的方法、装置和组成利用电极阵列配置和设计来改善在所述电极的表面处的纳米级分析物的捕获。在一些实施方式中，所述电极阵列配置为使得所述电极附近的周围或之内的流体流动(fluid flow)被中断或改变，以便允许所述电极阵列周围或之内的纳米级分析物的定位和/或保留。

在一些实施方式中，与常规电极相比，所述电极附近的周围或之内的流动显著减少或减弱。在另一些实施方式中，由于电极和/或电极阵列的组成而造成流动的减少。在又一些实施方式中，由于电极和/或阵列的物理设计或配置而造成流动的减少。在其他实施方式中，由于电极和/或电极阵列的组成的组合以及电极和/或电极阵列的设计或配置的物理变化造成流动的减少。在另一些实施方式中，由于直接在电极阵列的物理边界之外的组成和/或物理配置造成流动的减少。在另一些实施方式中，由于电极和/或电极阵列的物理设计和配置的组成和/或改变的组合与电极和/或电极阵列的物理边界之外的组成和/或物理配置的组合相结合造成流动的减少。

在一些实施方式中，电极能够提供大于50mA的电流。在一些实施方式中，电极能够提供大于100mA的电流。在一些实施方式中，电极能够提供大于250mA的电流。在一些实施方式中，电极能够提供大于500mA的电流。

在一些实施方式中，本文公开了用于从样品中离析纳米级分析物的装置，该装置包括：(1)外壳；(2)加热器和/或包括蛋白质降解剂的贮液器；以及(3)在所述外壳内的多个如本文公开的交流(AC)电极，所述AC电极配置用于选择性地通电以建立AC动电高场区域和AC动电低场区域，其中所述电极包括在所述电极上或周围配置的导电材料，相比于电极附近之间或之外的区域中的流体流动，所述导电材料减少、中断或改变所述电极的附近的周围或之内的流体流动。在一些实施方式中，所述阵列中的个体电极的中心基本上缺少所述导电材料。在一些实施方式中，所述电极阵列中的个体电极的边缘处存在所述导电材料。在一些实施方式中，所述导电材料是开口圆盘(open disk)形状。在一些实施方式中，所述电极被配置成中空环形状。在一些实施方式中，所述电极被配置成中空管形状。在一些实施方式中，所述电极阵列包括非导电材料。在一些实施方式中，所述非导电材料围绕所述电极内的所述导电材料，并且充当对所述导电材料的物理屏障。在一些实施方式中，所述电极内的所述导电材料填充所述阵列的所述非导电材料中的凹陷。在一些实施方式中，所述电极阵列被配置成三维的。在一些实施方式中，所述电极内的所述导电材料被配置成有角度的。在一些实施方式中，所述电极内的所述导电材料被配置成中空三角管。在一些实施方式中，所述电极内的所述导电材料被配置成相邻平面电极表面之间的角度小于约180度。在一些实施方式中，所述导电材料被配置成相邻平面电极表面之间的角度小于或等于180度。在一些实施方式中，所述电极内的所述导电材料被配置成大于或等于约60度的角度。在一些实施方式中，所述导电材料被配置成相邻平面电极表面之间的大于或等于60度的角度。在一些实施方式中，所述电极内的所述导电材料被配置成凹陷的凹形。在一些实施方式中，所述导电材料的三维配置增加了所述电极内的所述导电材料的总表面积。在一些实施方式中，个体电极的直径是约40μm至约100μm。在一些实施方式中，所述电极是非圆形配置。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角在约25度至90度之间。在一些实施方式中，所述非圆形配置包括波浪线配置，其中所述配置包括重复单元，该重复单元包含通过连接器连接的一对点的形状，其中所述连接器朝向所述一对点之间的中点向内逐渐变细，其中所述点的直径是沿所述重复单元的长度的最宽点，其中重复单元的平行集合之间的边缘到边缘距离是等距的或大致等距的。

在一些实施方式中，所述阵列中的所述(AC)电极包括一个或多个浮动电极。不为所述浮动电极通电以建立AC动电区域。在一些实施方式中，浮动电极围绕AC电极。在另外的实施方式中，所述阵列中的所述浮动电极感应出具有比由所述阵列中的非浮动电极感应的电场更高的梯度的电场。

在另一方面，在一些实施方式中，本文公开了一种用于从样品中离析纳米级分析物的方法，所述方法包括：a.将所述样品施加到装置，所述装置包括能够建立AC动电场区域的电极阵列，其中所述电极包括配置在所述电极上或周围的导电材料，与在电极附近之间或基本上之外的区域中的流体流动相比，所述导电材料减少、中断或改变所述电极附近的周围或之内的流体流动；b.产生至少一个AC动电场区域，其中所述至少一个AC动电场区域是介电泳高场区域；以及c.在所述介电泳高场区域中离析所述纳米级分析物。在一些实施方式中，所述阵列中的个体电极的中心基本上缺少所述导电材料。在一些实施方式中，所述电极阵列中的个体电极的边缘处存在所述导电材料。在一些实施方式中，所述导电材料开口圆盘形状。在一些实施方式中，所述电极被配置成中空环形状。在一些实施方式中，所述电极被配置成中空管形状。在一些实施方式中，所述电极内的导电材料的减少导致所述电极表面中的和周围的流体流动的减少，从而导致所述电极的所述表面上的纳米级分析物捕获的增加。在一些实施方式中，比起使用常规的电极配置或设计捕获的纳米级分析物，纳米级分析物捕获的增加是至少10％、至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％或至少100％，或者更多，其中所述常规电极配置或设计的电极内的导电材料未减少。在一些实施方式中，所述电极阵列包括非导电材料。在一些实施方式中，所述非导电材料围绕所述电极内的所述导电材料，并且充当对所述导电材料的物理屏障。在一些实施方式中，所述电极内的所述导电材料填充所述阵列的所述非导电材料中的凹陷。在一些实施方式中，所述电极阵列配置成三维的。在一些实施方式中，所述电极内的所述导电材料被配置成有角度的。在一些实施方式中，所述电极内的所述导电材料被配置成中空三角管。在一些实施方式中，所述电极内的所述导电材料被配置成相邻平面电极表面之间的角度小于约180度。在一些实施方式中，所述导电材料被配置成相邻平面电极表面之间的角度小于或等于180度。在一些实施方式中，所述电极内的所述导电材料被配置成大于约60度的角度。在一些实施方式中，所述导电材料被配置成相邻平面电极表面之间的大于或等于60度的角度。在一些实施方式中，所述电极内的所述导电材料被配置成凹陷的凹形。在一些实施方式中，所述导电材料的三维配置增加了所述电极内的所述导电材料的总表面积。在一些实施方式中，个体电极的直径是约40μm至约100μm。在一些实施方式中，所述电极是非圆形配置。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角在约25度至90度之间。在一些实施方式中，所述非圆形配置包括波浪线配置，其中所述配置包括重复单元，该重复单元包含通过连接器连接的一对点的形状，其中所述连接器朝向所述一对点之间的中点向内逐渐变细，其中所述点的直径是沿所述重复单元的长度的最宽点，其中重复单元的平行集合之间的边缘到边缘距离是等距的或大致等距的。在一些实施方式中，使用具有峰-峰值为1伏至40伏的电压和/或5Hz至5,000,000Hz的频率以及5％至50％占空比的交流电产生所述AC动电场。在一些实施方式中，所述样品包括流体。在一些实施方式中，所述流体的电导率小于300mS/m。在一些实施方式中，所述流体的电导率大于300mS/m。在一些实施方式中，选择性地为所述电极通电以提供所述第一介电泳高场区域，并且随后或连续地选择性地通电以提供所述第二介电泳高场区域。在一些实施方式中，所述纳米级分析物是核酸。在一些实施方式中，按质量计，所离析的核酸包括小于约10％的非核酸细胞材料或细胞蛋白质。在一些实施方式中，所述流体包括细胞。在一些实施方式中，所述方法还包括在所述阵列上裂解(lyse)细胞。在一些实施方式中，使用直流电、化学裂解剂、酶裂解剂、热、压力、声能或其组合来裂解所述细胞。在一些实施方式中，所述方法还包括在细胞裂解后，降解残留蛋白质。在一些实施方式中，使用具有1-500伏特的电压、0.2至200Hz的脉冲频率、10-50％的占空比以及至少一次施加0.01至10秒的脉冲持续时间的直流电，来裂解所述细胞。在一些实施方式中，利用厚度介于约0.1微米至1微米之间的水凝胶来旋涂所述电极阵列。在一些实施方式中，通过化学气相淀积或表面引发聚合，将水凝胶淀积在所述电极阵列上。在其他实施方式中，通过浸涂、喷涂、喷墨印刷、朗缪尔-布洛杰特涂覆或其组合，将所述水凝胶淀积在所述电极阵列上。在另一些实施方式中，通过端基功能化分组的聚合物的接枝，来自经过溶剂选择性的溶液的自组装，将所述水凝胶淀积在所述电极阵列上。

在一些实施方式中，所述水凝胶包括两个或更多层的合成聚合物。在一些实施方式中，在进行所述电极阵列上的旋涂或淀积之前，所述水凝胶具有介于约0.5cP至5cP之间的粘度。在一些实施方式中，所述水凝胶具有介于约0.1S/m至约1.0S/m之间的电导率。在一些实施方式中，所述方法在小于10分钟内完成。在一些实施方式中，所述电极阵列包括具有约2.0至约4.0的相对介电常数的钝化层。

在一些实施方式中，所述电极包括一个或多个浮动电极。不为所述浮动电极通电以建立AC动电区域。浮动电极围绕通电的电极。在一些实施方式中，所述阵列中的所述浮动电极感应出具有比由所述阵列中的非浮动电极感应的电场更高的梯度的电场。

本说明书中所提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用并入于此，其程度等同于具体和个别地指出通过引用而并入每一个单独的出版物、专利或专利申请。

附图说明

利用所附权利要求中的特殊性特征阐述了本发明的新颖特征。通过参考阐述了说明性实施方式的以下详细描述以及附图，将会获得对本发明的特征和优点的更好的理解，其中说明性实施方式中利用了本发明的原理，在附图中：

图1例示了中空盘形状的标准电极配置。电极包括围绕电极的边缘的导电材料。填充颜色的电极表示阳极，而未填充颜色的电极表示阴极。

图2例示了空心环形状的电极配置。电极包括围绕电极的边缘的导电材料。填充颜色的电极表示阳极，而未填充颜色的电极表示阴极。

图3例示了一种电极配置，其中电极采用波浪线配置，其中该配置包括重复单元，该重复单元包含通过连接器连接的一对点的形状，其中连接器朝向一对点之间的中点向内逐渐变细，其中点的直径是沿重复单元的长度的最宽点，其中一组平行的重复单元之间的边缘到边缘的距离是等距的或大致等距的。电极在每隔一个波浪线配置上包括导电材料。填充颜色的电极表示阳极，而未填充颜色的电极表示阴极。

图4例示了连续中空波浪线配置形状的电极配置。电极包括围绕电极的边缘的导电材料。填充颜色的电极表示阳极，而未填充颜色的电极表示阴极。

图5例示了电极阵列，其中电极配置成具有突出的中心的中空环状。电极包括围绕电极的边缘的导电材料。例示的环具有10μm的暴露的铂环。填充颜色的电极表示阳极，而未填充颜色的电极表示阴极。

图6例示了未知样品室中的包括中空盘配置的电极的微电极阵列的明场图像。该盘包括暴露的铂。出现在图像中的“黑点”是红细胞。

图7例示了未知样品室中的微电极中空盘阵列的荧光图像，该未知样品室具有在每个微电极的边缘上离析的纳米级分析物。

图8例示了在20分钟过程的结尾处，未知样品室中的微电极中空盘阵列的荧光图像，该未知样品室具有在每个微电极的边缘上离析的纳米级分析物。

图9例示了在通过终止AC动电的产生而从电极的边缘释放纳米级分析物之后，未知样品室中的微电极阵列的荧光图像。

图10例示了微电极中空盘阵列上的DEP梯度。该DEP梯度幅度由颜色表示。正DEP区位于电极的边缘上，而负DEP区位于电极之间。

图11例示了电极室中的ACET流动图案。通过颜色来描绘流的量，其中所见的最强的流在该室边缘上方几微米处，而流动死区位于旋涡中心和电极环中心，如箭头所示。流线例示了通过ACET效应而形成的旋涡。红色箭头指示流动方向。

图12例示了由具有新的浮动电极设计的微电极阵列而生成的流速分布(右)和DEP梯度(右)。

具体实施方式

本文描述了适合于从复杂样品中离析或分离纳米级分析物的方法、装置和系统。在特定实施方式中，本文提供了用于从包括其他颗粒材料的样品中离析或分离纳米级分析物的方法、装置和系统。在一些方面，所述方法、装置和系统可以允许对样品中的颗粒和纳米级分析物进行快速分离。在其他方面，所述方法、装置和系统可以允许从样品中的颗粒快速离析纳米级分析物。在各个方面，该方法、装置和系统可以允许需要最少量材料和/或产生从诸如血液或环境样品等复杂流体中离析的高度纯化的纳米级分析物的快速工序。

本文的一些实施方式中提供了用于从样品中离析或分离纳米级分析物的方法、装置和系统，所述方法、装置和系统包括将流体施加至如本文公开的包括电极阵列的装置，并且能够生成AC动电力(例如，当电极阵列通电时)。AC动电学(AC Electrokinetics，ACE)捕获是介电泳力(F_DEP)和来源于AC电热(ACET)与AC电渗(ACEO)流的结合的流动力(F_FLOW)之间的函数关系。在一些实施方式中，所生成的介电泳场是AC动电力效应的分量。在其他实施方式中，AC动电力效应的分量是AC电渗或AC电热效应。在一些实施方式中，包括介电泳场的AC动电力包括高场区域(正DEP，即，由于非均匀电场而具有强浓度电场线的区域)和/或低场区域(负DEP，即，由于非均匀电场而具有弱浓度电场线的区域)。

在特定情况下，在介电泳场的场区域(例如，高场区域)中离析(例如，从颗粒材料中离析或分离)纳米级分析物(例如，核酸)。在一些实施方式中，方法、装置或系统包括在高场DEP区域中离析和浓缩纳米级分析物。在一些实施方式中，方法、装置或系统包括在低场DEP区域中离析和浓缩纳米级分析物。该方法还可选地包括能够执行以下步骤中的一个或多个步骤的装置和/或系统：从纳米级分析物中洗涤或以其他方式去除残留(例如，细胞或蛋白质)材料(例如，利用水或缓冲液漂洗阵列，而在阵列的高场DEP区域内浓缩和维持纳米级分析物)，降解残留蛋白(例如，根据诸如利用热、蛋白酶(protease)或化学等任何合适的机制而发生降解)，从纳米级分析物中冲洗经降解的蛋白质，并且收集纳米级分析物。在一些实施方式中，本文描述的方法的结果、装置的操作和系统的操作是所离析的纳米级分析物，可选地，是合适的量和纯度的纳米级分析物，以用于例如在酶测定法(例如PCR测定)中进行进一步分析或表征。

在一些实施方式中，本文公开的方法、装置和组成使用电极配置和设计来改善从颗粒材料中对纳米级分析物的分离和捕获。在一些实施方式中，电极阵列被配置为使得电极附近周围或之内的流体流动被中断或改变，以允许纳米级分析物在电极阵列周围或之内的定位和/或保留。在其他实施方式中，比起使用传统电极配置或设计的情况所捕获的纳米级分析物，纳米级分析物捕获的改善是至少10％、至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、或至少100％，或者更多，其中所述传统电极配置或设计的电极内的导电材料没有减少。

在一些实施方式中，利用厚度介于约0.1微米至1微米之间的水凝胶来旋涂如本文公开的电极阵列。在一些实施方式中，通过化学气相淀积或表面引发聚合而将水凝胶淀积在电极阵列上。在其他实施方式中，通过浸涂、喷涂、喷墨印刷、朗缪尔-布洛杰特(Langmuir-Blodgett)涂覆或其组合，将水凝胶淀积在电极阵列上。在另一些实施方式中，通过聚合物的接枝、通过端基功能化分组

(end-functionalized groups)或者来自经过溶剂选择性的溶液的自组装，将水凝胶淀积在电极阵列上。在一些实施方式中，水凝胶包括两层或更多层的合成聚合物。在一些实施方式中，在将水凝胶旋涂或淀积在电极阵列上之前，水凝胶具有介于约0.5cP至约5cP之间的粘度。在一些实施方式中，水凝胶具有介于约0.1S/m至约1.0S/m之间的电导率。

在一些实施方式中，按质量计，所离析的纳米级分析物包括小于约10％的非纳米级分析物。在一些实施方式中，该方法在小于10分钟内完成。

在一些实施方式中，该方法还包括降解阵列上残留的蛋白质。在一些实施方式中，利用化学降解剂或酶降解剂中的一种或多种来降解残留的蛋白质。在一些实施方式中，通过蛋白酶K(Proteinase K)来降解残留的蛋白质。

在一些实施方式中，纳米级分析物是核酸。在其他实施方式中，通过聚合酶链反应而进一步扩增核酸。在一些实施方式中，核酸包括DNA、RNA或它们的任何组合。在一些实施方式中，按质量计，所离析的核酸包括小于约80％、小于约70％、小于约60％、小于约50％、小于约40％、小于约30％、小于约20％、小于约10％、小于约5％或小于约2％的非核酸的细胞材料和/或蛋白质。在一些实施方式中，按质量计，所离析的核酸包括大于约99％、大于约98％、大于约95％、大于约90％、大于约80％、大于约70％、大于约60％、大于约50％、大于约40％、大于约30％、大于约20％或大于约10％的核酸。在一些实施方式中，该方法在小于约1小时内完成。在一些实施方式中，不使用离心分离。在一些实施方式中，通过化学降解和酶降解中的一种或多种来降解残留的蛋白质。在一些实施方式中，通过蛋白水解酶K来降解残留的蛋白质。在一些实施方式中，通过酶来降解残留的蛋白质，该方法还包括在蛋白质的降解之后灭活所述酶。在一些实施方式中，通过热(例如，50至95℃，持续5-15分钟)来灭活酶。在一些实施方式中，在单独的或并发的步骤中冲洗残留材料和经降解的蛋白质。在一些实施方式中，通过以下步骤来收集所离析的纳米级分析物：(i)关闭第二AC动电场区域；以及(ii)从洗脱剂中的阵列洗脱纳米级分析物。在一些实施方式中，以适合于测序的形式离析纳米级分析物。在一些实施方式中，以适合于鸟枪法测序的碎片形式离析纳米级分析物。

在一些实施方式中，核酸是通过桑格测序、焦磷酸测序、离子半导体测序、聚合酶克隆测序、连接法测序、DNA纳米球测序、连接法测序或单分子测序而进行测序的。在一些实施方式中，该方法进一步包括对从本文公开的装置离析和洗脱的DNA进行反应(例如，碎片化、限制性酶切、连接)。在一些实施方式中，反应发生在阵列中或在阵列附近或在装置中。在一些实施方式中，流体或生物样品包括不多于10,000个细胞。

在一些实施方式中，样品是生物样品，并且具有低电导率或高电导率。在一些实施方式中，样品包括体液、血液、血清、血浆、尿液、唾液、食物、饮料、生长培养基、环境样品、液体、水、克隆细胞或其组合。在一些实施方式中，细胞包括克隆细胞、病原体细胞、细菌细胞、病毒、植物细胞、动物细胞、昆虫细胞和/或其组合。

在一些实施方式中，本文公开的装置和方法还包括使用洗脱管、腔室和贮液器中的至少一个来进行对作为纳米级分析物的所离析的核酸的扩增。在一些实施方式中，所离析并且洗脱的核酸的扩增是基于聚合酶链反应(PCR)的。在一些实施方式中，在包括多个温度区的弯曲微通道中进行核酸的扩增。在一些实施方式中，在不可混合的流体中截留的水滴中进行扩增(即，数字PCR)。在一些实施方式中，热循环包括对流。在一些实施方式中，装置包括接触电极或接近电极的表面，其中所述表面利用生物配体而功能化，所述生物配体能够选择性地捕获生物分子。在一些实施方式中，表面通过以下来选择性地捕获生物分子：a.核酸杂交；b.抗体-抗原相互作用；c.生物素-亲和素相互作用；d.离子或静电相互作用；或者，e.它们的任何组合。在一些实施方式中，通过以下使表面功能化以便最小化和/或抑制非特异性结合相互作用：a.聚合物(例如，聚乙烯乙二醇PEG)；b.离子或静电相互作用；c.表面活性剂；或者，d.它们的任何组合。在一些实施方式中，装置包括多个微电极装置，所述多个微电极装置定向为(a)平面并排、(b)垂直面向或(c)水平面向。在一些实施方式中，装置包括能够进行桑格测序的模块。在一些实施方式中，能够进行桑格测序的模块包括能够毛细管电泳的模块、能够多色荧光检测的模块或其组合。

在一些情况下，有利的是，在很短的时间量内执行本文描述的方法、在很短的时间量内操作该装置，以及在很短的时间量内操作该系统。在一些实施方式中，参照根据从向装置加入流体到获得所离析的纳米级分析物之间的时间而测量的“工序时间”，时间段很短。在一些实施方式中，该工序时间小于3小时、小于2小时、小于1小时、小于30分钟、小于20分钟、小于10分钟或小于5分钟。

在另一方面，参照作为人必须参加从向装置加入流体到获得所离析的纳米级分析物之间的时间的工序的时间累积量而测量的“动手时间”，时间段很短。在一些实施方式中，该动手时间小于20分钟、小于10分钟、小于5分钟、小于1分钟或小于30秒。

在一些情况下，有利的是，本文描述的装置包括单个器皿，本文描述的系统包括包含单个器皿的装置，而本文描述的方法可以在单个器皿中进行，例如，在如本文描述的介电泳装置中进行。在一些方面，这样的单器皿实施方式最小化流体处理步骤的数目和/或所述实施方式在短的时间量内进行。在一些情况下，将本方法、装置和系统与使用离心步骤和/或介质交换中的一个或多个的方法、装置和系统进行对比。在一些情况下，离心增加离析纳米级分析物所需的动手时间的量。在另一方面，单器皿工序或装置使用最小量的可消耗试剂来离析纳米级分析物。

装置和系统

在一些实施方式中，本文描述了用于从样品中离析、纯化和收集纳米级分析物的装置。在一方面，本文描述了可用于从复杂样品其他颗粒材料中离析、纯化和收集或洗脱包括细胞等的纳米级分析物。在其他方面，本文公开的装置能够从包括细胞或蛋白质材料的样品中离析、纯化、收集和/或洗脱纳米级分析物。在另一些方面，本文公开的装置能够从包括有机和无机材料的复杂混合物的样品中离析、纯化、收集和/或洗脱纳米级分析物。在一些方面，本文公开的装置能够从包括有机材料的样品中离析、纯化、收集和/或洗脱纳米级分析物。在另一些方面，本文公开的装置能够从包括无机材料的样品中离析、纯化、收集和/或洗脱纳米级分析物。

在一些实施方式中，本文公开了用于离析样品中的纳米级分析物的装置，该装置包括：a.外壳；b.加热器和/或包括蛋白质降解剂的贮液器；以及c.在外壳内的多个如本文公开的交流(AC)电极，所述AC电极配置用于选择性地通电以建立AC动电高场区域和AC动电低场区域，其中电极包括设置在电极上或周围的导电材料，相比于电极附近之间的区域或基本上超出电极附近的区域中的流体流动，这样的电极减少、中断或改变电极的附近周围或电极的附近之内的流体流动。在一些实施方式中，阵列中的个体电极的中心基本上缺少导电材料。在一些实施方式中，电极阵列中的个体电极的边缘处存在导电材料。

在一些实施方式中，生成AC动电场以便收集、分离或离析纳米级分析物。在一些实施方式中，纳米级分析物是诸如核酸的生物分子。在一些实施方式中，AC动电场是介电泳场。因此，在一些实施方式中，在本文描述的方法和装置的各个步骤中使用介电泳(DEP)。

因此，本文提供了包括多个如本文公开的交流(AC)电极的系统和装置，其中AC电极配置用于选择性地通电以建立介电泳(DEP)场区域。在一些方面，AC电极可以配置用于选择性地通电以建立多个介电泳(DEP)场区域，包括介电泳(DEP)高场区域和介电泳(DEP)低场区域。在一些情况下，AC动电效应提供给低场区域中的较大颗粒材料的浓缩和/或DEP场的高场区域中的纳米级分析物(例如，诸如核酸的大分子)的浓缩(或者收集或离析)。例如，对电极和DEP场中的细胞的浓度的进一步描述可见于PCT专利公开WO2009/146143A2中，将这些公开内容并入于此。

在特定实施方式中，DEP用于同时或在不同的时间浓缩纳米级分析物和较大的颗粒物质。在某些实施方式中，本文描述的方法和装置能够为如本文公开的电极阵列通电，以便产生至少一个DEP场。在其他实施方式中，本文描述的方法和装置还包括为电极阵列通电，以便产生第一、第二和任何其他的可选的DEP场。在一些实施方式中，本文描述的装置和系统能够通电，以便产生第一、第二和任何其他的可选的DEP场。

DEP是这样的现象，其中当电介质颗粒经受非均匀电场时，将力施加到电介质颗粒上。取决于本文描述的方法的步骤、本文描述的装置和系统的方面等等，本文的各个实施方式中的电介质颗粒是诸如核酸分子的生物纳米级分析物。本文描述的方法的不同步骤或者本文描述的装置或系统的方面可以用于离析和分离诸如完整细胞或其他特定材料的不同成分；此外，DEP场的不同场区域可以在本文描述的方法的不同步骤或者装置和系统的各方面中使用。在装置中生成的介电泳力不需要对颗粒进行充电。在一些情况下，力的强度取决于介质和具体颗粒的电特性、颗粒的形状和大小以及电场的频率。在一些情况下，特定频率的场选择性地操纵颗粒。在本文描述的某些方面，这些过程允许从诸如细胞和蛋白质材料的其他成分中分离包括核酸分子的纳米级分析物。

本文还提供了包括多个直流(DC)电极的系统和装置。在一些实施方式中，多个DC电极包括遍布阵列的至少两个矩形电极。在一些实施方式中，电极被定位在阵列的边缘。在一些实施方式中，DC电极穿插在AC电极之间。

在一些实施方式中，本文公开了用于离析样品中的纳米级分析物的装置，该装置包括：(1)外壳；(2)所述外壳内如本文公开的多个交流(AC)电极，AC电极配置用于选择性地通电以便建立AC动电高场区域和AC动电低场区域，从而AC动电效应提供给该装置的动电场区域中的纳米级分析物细胞的浓缩。在一些实施方式中，多个电极配置用于选择性地通电以建立介电泳高场区域和介电泳低场区域。

在一些实施方式中，本文公开了一种装置，包括：(1)如本文公开的多个交流(AC)电极，其中AC电极配置用于选择性地通电以建立AC动电高场区域和AC动电低场区域；以及(2)能够进行诸如聚合酶链反应(PCR)或其他酶促反应的酶促反应的模块。在一些实施方式中，多个电极配置用于选择性地通电以建立介电泳高场区域和介电泳低场区域。在一些实施方式中，该装置能够从样品中离析纳米级分析物，收集或洗脱纳米级分析物，以及对纳米级分析物进一步进行酶促反应。在一些实施方式中，在与离析和洗脱阶段相同的腔室中进行酶促反应。在一些实施方式中，在与离析和洗脱阶段不同的另一腔室中进行酶促反应。在另一些实施方式中，在多个腔室中离析纳米级分析物以及进行酶促反应。

在一些实施方式中，该装置还包括洗脱管、腔室和贮液器中的至少一个，以便进行酶促反应。在一些实施方式中，在包括多个温度区的弯曲微通道中进行酶促反应。在一些实施方式中，在不可混合的流体中截留的水滴中进行酶促反应(例如，数字PCR)。在一些实施方式中，热反应包括对流。在一些实施方式中，该装置包括接触电极或接近电极的表面，其中所述表面利用生物配体而功能化，所述生物配体能够选择性地捕获生物分子。

在一方面，本文描述了包括电极的装置，其中所述电极放置于单独的腔室中，并且通过穿过孔隙结构的通道而在内部腔室内创建DEP场。示例性装置包括外壳内的多个电极和包含电极的腔室。该装置的控制器独立地控制电极，如在PCT专利公开WO 2009/146143A2中进一步描述，将这些公开内容并入于此。

在一些实施方式中，分室的装置利用多种孔隙和/或孔结构(纳米级、微米级以及甚至宏观尺度)来创建，并且包含膜、凝胶或过滤材料，所述膜、凝胶或过滤材料控制、限制或防止细胞、纳米颗粒或其他实体扩散或被输送到内部腔室中，而AC/DC电场、溶质分子、缓冲液和其他小分子可以穿过腔室。

这样的装置包括但不限于多路电极和分室的装置、允许创建可重新配置的电场图案的装置、结合了DC介电泳和射流工艺的装置；样品制备装置、包括随后的检测和分析的离析的核酸分子的样品制备、酶促操作和诊断装置、芯片实验室装置、医疗点和其他临床诊断系统或版本。

在一些实施方式中，平面电极阵列装置包括外壳，样品流体通过该外壳流动。在一些实施方式中，流体从入口端流动到出口端，可选地包括侧面的分析物出口。示例性装置包括多个AC电极。在一些实施方式中，样品包括微米大小的实体或细胞、较大的纳米级分析物和较小的纳米级分析物或生物分子的组合。

在一些实施方式中，较小的纳米级分析物是蛋白质、较小的DNA、RNA和细胞碎片。在一些实施方式中，平面电极阵列装置是一个60x20电极阵列，所述电极阵列可选地分段成可以单独控制、但同时操作的三个20x20阵列。可选的辅助DC电极可以接通到正电荷，而可选的DC电极被接通到负电荷以用于介电泳的目的。在一些情况下，在各个实施方式中，以连续的和/或脉冲的方式使用每个受控的AC和DC系统(例如，每个系统可以在相对短的时间间隔内脉冲启动和脉冲关闭)。沿着样品流的侧面的可选的平面电极阵列可选地用于生成DC介电泳力以及AC DEP。此外，使用阵列中的平面电极和/或x-y-z维度中的辅助电极，微介电泳分离过程可以可选地与电极阵列上的纳米孔隙或水凝胶层相结合而实现。

在各个实施方式中，这些方法、装置和系统在以下条件下操作：1,000Hz至100MHz的AC频率范围中，电压峰-峰值可以在近似1伏至2000伏的范围；DC电压从1伏至1000伏，流速从每分钟10微升至每分钟10毫升，并且温度在1℃至120℃的范围。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在约3kHz至约15kHz的AC频率范围中操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在峰-峰值5-25伏的电压下操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在约1伏/厘米至约50伏/厘米的电压下操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在约1伏至约5伏的DC电压下操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统以约每分钟10微升至约每分钟500微升的流速操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在约20℃至约60℃的温度范围中操作。

在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在1,000Hz至10MHz的AC频率范围中操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在1,000Hz至1MHz的AC频率范围中操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在1,000Hz至100kHz的AC频率范围中操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在1,000Hz至10kHz的AC频率范围中操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在10kHz至100kHz的AC频率范围中操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在100kHz至1MHz的AC频率范围中操作。

在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在峰-峰值近似1伏至1500伏的电压下操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在峰-峰值近似1伏至1500伏的电压下操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在峰-峰值近似1伏至1000伏的电压下操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在峰-峰值近似1伏至500伏的电压下操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在峰-峰值近似1伏至250伏的电压下操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在峰-峰值近似1伏至100伏的电压下操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在峰-峰值近似1伏至50伏的电压下操作。

在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在1伏至1000伏的DC电压下操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在1伏至500伏的DC电压下操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在1伏至250伏的DC电压下操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在1伏至100伏的DC电压下操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在1伏至50伏的DC电压下操作。

在一些实施方式中，使用具有峰-峰值为1伏至40伏的电压、和/或5Hz至5,000,000Hz的频率以及5％至50％占空比的交流电产生AC动电场。

在一些实施方式中，所述方法、装置和系统以每分钟10微升至每分钟1ml的流速操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统以每分钟10微升至每分钟500微升的流速操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统以每分钟10微升至每分钟250微升的流速操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统以每分钟10微升至每分钟100微升的流速操作。

在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在1℃至100℃的温度范围中操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在20℃至95℃的温度范围中操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在25℃至100℃的温度范围中操作。在一些实施方式中，所述方法、装置和系统在室温下操作。

在一些实施方式中，控制器独立地控制每个电极。在一些实施方式中，控制器外部连接到装置，诸如通过插座和插头连接、或者与该装置的外壳集成。

在一些实施方式中，装置包括外壳以及加热器或热源以及/或者包括蛋白质降解剂的贮液器。在一些实施方式中，加热器或热源能够将流体的温度升高至期望的温度(例如，升高至适用于降解蛋白质的温度，约30℃、40℃、50℃、60℃、70℃等)。在一些实施方式中，加热器或热源适合用作PCR热循环仪。在其他实施方式中，加热器或热源用于维持恒定的温度(等温条件)。在一些实施方式中，蛋白质降解剂是蛋白酶。在其他实施方式中，蛋白质降解剂是蛋白水解酶K，并且加热器或热源用于灭活蛋白降解剂。

在一些实施方式中，装置包括第二贮液器，该第二贮液器包括洗脱剂。洗脱剂是适合用于从装置洗脱所离析的纳米级分析物的任何流体。在一些情况下，洗脱剂是水或缓冲液。在一些情况下，洗脱剂包括DNA测序方法所需的试剂。

在一些实施方式中，本文描述的系统或装置能够维持一个恒定的温度。在一些实施方式中，本文描述的系统或装置能够冷却阵列或腔室。在一些实施方式中，本文描述的系统或装置能够加热阵列或腔室。在一些实施方式中，本文描述的系统或装置包括热循环仪。在一些实施方式中，本文公开的装置包括局部温度控制元件。在一些实施方式中，本文公开的装置能够感应并且控制温度。

在一些实施方式中，装置还包括加热或热元件。在一些实施方式中，加热或热元件位于电极下方。在一些实施方式中，加热或热元件包括金属。在一些实施方式中，加热或热元件包括钽、铝、钨或其组合。通常，通过加热或热元件达到的温度与通过它的电流成比例。在一些实施方式中，本文公开的装置包括局部冷却元件。在一些实施方式中，耐热元件直接放置在暴露的电极阵列下方。在一些实施方式中，本文公开的装置能够达到并且维持约20℃至约120℃之间的温度。在一些实施方式中，本文公开的装置能够达到并且维持约30℃至约100℃之间的温度。在其他实施方式中，本文公开的装置能够达到并且维持约20℃至约95℃之间的温度。在一些实施方式中，本文公开的装置能够达到并且维持约25℃至约90℃之间、约25℃至约85℃之间、约25℃至约75℃之间、约25℃至约65℃之间或约25℃至约55℃之间的温度。在一些实施方式中，本文公开的装置能够达到并且维持约20℃、约30℃、约40℃、约50℃、约60℃、约70℃、约80℃、约90℃、约100℃、约110℃或约120℃的温度。

电极

在一些实施方式中，本文公开的方法、装置和组成使用电极配置和设计来改善对来自颗粒材料的纳米级分析物的分离和捕获。在一些实施方式中，电极阵列配置为使得电极附近周围或电极附近内的流体流动被中断或改变，以允许电极阵列周围或电极阵列内的纳米级分析物的定位和/或保持。在其他实施方式中，比起使用常规的电极配置或设计的情况，纳米级分析物捕获的改善是至少10％、至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、或至少100％，或者更多。

在一些实施方式中，导电材料的形状是一个开口圆盘。在一些实施方式中，电极被配置成中空环形状。在一些实施方式中，电极被配置成中空管形状。在一些实施方式中，如本文公开的电极阵列包括非导电材料。在一些实施方式中，非导电材料围绕电极内的导电材料并且用作对导电材料的物理屏障。在一些实施方式中，电极内的导电材料填充阵列的非导电材料中的凹陷。在一些实施方式中，如本文公开的电极阵列配置成三维的。

在一个实施方式中，如本文公开的电极阵列包括仅在电极阵列的一小部分中的导电材料。在一些实施方式中，导电材料仅存在于电极阵列的小于约10％中。在一些实施方式中，导电材料仅存在于电极阵列的约10％中。在其他实施方式中，导电材料仅存在于电极阵列的约20％中。在另一些实施方式中，导电材料仅存在于电极阵列的约30％中。在又一些实施方式中，导电材料仅存在于电极阵列的约40％中。在又一些实施方式中，导电材料仅存在于电极阵列的约50％中。在一些实施方式中，导电材料仅存在于电极阵列的约60％中。在一个实施方式中，导电材料仅存在于电极阵列的约70％中。在另一些实施方式中，导电材料仅存在于电极阵列的约80％中。在又一些实施方式中，导电材料仅存在于电极阵列的约90％中。

在另一些实施方式中，导电材料仅存在于电极阵列的约10％中、约15％中、约20％中、约25％中、约30％中、约35％中、约40％中、约45％中、约50％中、约55％中、约60％中、约65％中、约70％中、约75％中、约80％中、约85％中和约90％中。在又一些实施方式中，导电材料仅存在于电极阵列的约10-70％中、电极阵列的约10-60％中、电极阵列的约10-50％中、电极阵列的约10-40％中或者电极阵列的约10-30％中。在其他实施方式中，导电材料仅存在于电极阵列的约30-90％中、电极阵列的约30-80％中、电极阵列的约30-70％中、电极阵列的约30-60％中或者电极阵列的约30-50％中。在一些实施方式中，导电材料存在于电极阵列的约8％至约40％中。

在另一些实施方式中，电极阵列中的个体电极的中心基本上缺少导电材料。在其他实施方式中，仅在电极阵列中的个体电极的边缘处存在导电材料。在另一些实施方式中，导电材料的形状是开口圆盘，其包括在开口圆盘电极中不连续的导电材料。在一些实施方式中，电极是中空环形状的，其包括电极阵列中的导电材料，所述导电材料在个体电极的中心基本上缺失，或者仅在个体电极的边缘处存在。中空环电极形状，类似于开口圆盘形状，减小了电极中的导电材料的表面面积。电极上存在的导电材料的减少导致电极表面中以及电极表面周围的流动，从而导致在电极表面上捕获的纳米级分析物的增加。

在一些实施方式中，非导电材料层存在于电极的某些区域中或者电极阵列的邻近附近。在一个实施方式中，非导电材料层围绕电极阵列，创建了围绕阵列的物理屏障或壁。在一些实施方式中，电极阵列被压到阵列材料中，在阵列表面上创建了井或凹陷，其中电极材料或大部分电极材料存在于所述井或凹陷中。

在一些实施方式中，电极配置是三维的。在一些实施方式中，电极材料折叠成角度地配置。在其他实施方式中，使电极材料形成为三角管。在其他实施方式中，使电极材料形成为中空三角管。在另一些实施方式中，三维电极包括在相邻的平面电极表面之间的角度，其小于约180度、小于约170度、小于约160度、小于约150度、小于约140度、小于约130度、小于约120度、小于约110度、小于约100度、小于约90度、小于约80度、小于约70度、但是不小于约60度。在一些实施方式中，导电材料配置成在相邻平面电极表面之间的角度小于或等于180度。在一些实施方式中，三维电极配置包括在相邻平面电极表面之间的角度，其大于约60度、大于约70度、大于约80度、大于约90度、大于约100度、大于约110度、大于约120度、大于约130度、大于约140度、大于约150度、大于约160度、大于约170度、但是不大于约180度。在一些实施方式中，导电材料配置成相邻平面电极表面之间的角度大于或等于60度。在一些实施方式中，电极内的导电材料被配置成凹陷的凹形。在另一些实施方式中，电极配置是凹陷的篮式电极。电极的三维结构增加了电极的总表面积，允许在限定的时间单位内更多流体的处理(interrogation)。

在一些实施方式中，个体电极的直径是约40μm至约100μm。在另一些实施方式中，个体电极的直径是约40μm、约45μm、约50μm、约55μm、约60μm、约65μm、约70μm、约75μm、约80μm、约85μm、约90μm、约95μm或者约100μm。在另一些实施方式中，个体电极的直径是约40μm至约50μm、约40μm至约60μm或者约40μm至约70μm。在又一些实施方式中，个体电极的直径是约100μm、约200μm、约300μm、约400μm、约500μm、约600μm、约700μm、约800μm、约900μm或者约1000μm。

多个交流电极可选地以适合于本文描述的分离过程的任何方式进行配置。在其他实施方式中，如本文公开的电极阵列包括电极配置的图案，其中所述配置包括电极阵列的重复单元。在一些实施方式中，重复单元的平行集合之间的边缘到边缘距离是等距的或者大致等距的。对包括DEP场中的电极和/或细胞浓度的系统或装置的进一步描述可见于PCT专利公开WO 2009/146143，将这些公开内容并入于此。

在一些实施方式中，本文公开的电极包括任何合适的金属。在其他实施方式中，本文公开的电极包括贵金属。在一些实施方式中，电极可以包括但不限于：铝、铜、碳、铁、银、金、钯、铂、铱、铂铱合金、钌、铑、锇、钽、钛、钨、多晶硅和氧化铟锡，或者其组合，以及硅化物材料，诸如硅化铂、硅化钛、硅化金或硅化钨。在一些实施方式中，电极可以包括能够进行丝网印刷的导电油墨。在一些实施方式中，电极包括导电聚合物，诸如聚乙炔或聚噻吩。

在一个实施方式中，电极材料的厚度是约100nm至约1000nm。在一些实施方式中，电极材料的厚度是约200nm至约800nm。在另一些实施方式中，电极材料的厚度是约300nm至约500nm。在又一些实施方式中，电极材料的厚度是约100nm、约150nm、约200nm、约250nm、约300nm、约350nm、约400nm、约450nm、约500nm、约550nm、约600nm、约650nm、约700nm、约750nm、约800nm、约850nm、约900nm、约950nm或者约1000nm。

在一些实施方式中，在电极材料的淀积之前，将粘附层淀积或者印刷到阵列上作为保护层。在一些实施方式中，粘附层包括任何合适的材料。在一个实施方式中，粘附层包括钛或钨。在其他实施方式中，粘附层的厚度是约10nm至约50nm。在一些实施方式中，粘附层的厚度是约20nm至约40nm。在另一些实施方式中，粘附层的厚度是约20nm至约30nm。在又一些实施方式中，粘附层的厚度是约10nm、约20nm、约30nm、约40nm或者约50nm。

在一些实施方式中，个体电极的边缘到边缘(E2E)与直径的比是约10μm至约500μm。在一些实施方式中，电极的E2E是约50μm至约300μm。在另一些实施方式中，电极的E2E是约100μm至约200μm。在又一些实施方式中，电极的E2E是约50μm、约60μm、约70μm、约80μm、约90μm、约100μm、约110μm、约120μm、约130μm、约140μm、约150μm、约160μm、约170μm、约180μm、约190μm、约200μm、约210μm、约220μm、约230μm、约240μm、约250μm、约260μm、约270μm、约280μm、约290μm、约300μm、约310μm、约320μm、约330μm、约340μm、约350μm、约360μm、约370μm、约380μm、约390μm、约400μm、约410μm、约420μm、约430μm、约440μm、约450μm、约460μm、约470μm、约480μm、约490μm或者约500μm。在一些实施方式中，电极的E2E是约750μm、约1000μm、约1500μm或者约2000μm。

在一些实施方式中，本文公开的电极是被干法刻蚀的。在一些实施方式中，电极是被湿法刻蚀的。在一些实施方式中，电极经历了干法刻蚀和湿法刻蚀的组合。

在一些实施方式中，单独地对每个电极进行位置控制。

在一些实施方式中，将如本文公开的电极阵列作为单元来控制。

阵列可以是任何合适的材料。在一些实施方式中，阵列包括塑料或二氧化硅。在一些实施方式中，阵列包括硅氧化物。在一些实施方式中，阵列包括铝。

在一些实施方式中，采用钝化层。在一些实施方式中，钝化层可以由本领域已知的任何合适的材料形成。在一些实施方式中，钝化层包括氮化硅。在一些实施方式中，钝化层包括硅氧化物。在一些实施方式中，钝化层具有约2.0至约8.0的相对介电常数。在一些实施方式中，钝化层的相对介电常数是约3.0至约8.0、约4.0至约8.0或者约5.0至约8.0。在一些实施方式中，钝化层具有约2.0至约4.0的相对介电常数。在一些实施方式中，钝化层具有约2.0至约3.0的相对介电常数。在一些实施方式中，钝化层的相对介电常数是约2.0、约2.5、约3.0、约3.5或者约4.0。

在一些实施方式中，钝化层的厚度在约0.1微米至约10微米之间。在一些实施方式中，钝化层的厚度在约0.5微米至8微米之间。在一些实施方式中，钝化层的厚度在约1.0微米至5微米之间。在一些实施方式中，钝化层的厚度在约1.0微米至4微米之间。在一些实施方式中，钝化层的厚度在约1.0微米至3微米之间。在一些实施方式中，钝化层的厚度在约0.25微米至2微米之间。在一些实施方式中，钝化层的厚度在约0.25微米至1微米之间。

在一些实施方式中，钝化层由任何合适的绝缘低k电介质材料构成，绝缘低k电介质材料包括但不限于氮化硅、硅氧化物或二氧化钛。在一些实施方式中，钝化层选自包括以下的组：聚酰胺、碳、掺杂氮化硅、碳掺杂硅氧化物、氟掺杂氮化硅、氟掺杂硅氧化物、多孔硅氧化物或其任何组合。在一些实施方式中，钝化层可以包括能够被丝网印刷的电介质油墨。

电极几何结构

在一些实施方式中，本文公开的电极能够以适合于实施本文公开的方法的任何方式来布置。

在各个实施方式中，用于装置的多种配置都是可能的。例如，包括例如方形或者矩形图案的较大电极阵列的装置配置用于创建重复的非均匀电场以实现AC动电。仅出于说明性目的，合适的电极阵列可以包括但不限于10x10电极配置、50x50电极配置、10x100电极配置、20x100电极配置或者20x80电极配置。

在一些实施方式中，电极是点配置，例如电极包括大体上圆周或圆形配置(例如，参见图1和图2)。在一些实施方式中，电极被配置为盘。在一些实施方式中，电极被配置为环。在一些实施方式中，点之间的定向角是约30°至约90°度。在一些实施方式中，点之间的定向角是约25°至约60°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约30°至约55°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约30°至约50°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约35°至约45°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约25°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约30°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约35°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约40°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约45°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约50°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约55°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约60°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约65°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约70°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约75°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约80°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约85°。在一些实施方式中，点之间的定向角是约90°。

在其他实施方式中，电极是非圆形配置(例如，参见图3和图4)。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角在约25度至90度之间。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约30°至约90°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约25°至约60°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约30°至约55°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约30°至约50°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约35°至约45°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约25°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约30°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约35°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约40°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约45°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约50°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约55°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约60°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约65°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约70°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约75°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约80°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约85°。在一些实施方式中，非圆形配置之间的定向角是约90°。

在一些实施方式中，电极是基本上细长的配置。

在一些实施方式中，电极是类似于波浪线或非线性线的配置(例如，参见图3和图4)。在一些实施方式中，电极阵列是波浪线或非线性线的配置，其中该配置包括包含通过连接器(linker)连接的一对点的形状的重复单元，其中点和连接器限定电极的边界，其中连接器朝向一对点之间的中点向内或者在所述中点处向内逐渐变细，其中点的直径是沿重复单元的长度的最宽点，其中重复单元的平行集合之间的边缘到边缘的距离是等距的或大致等距的。在一些实施方式中，电极是类似于波浪线的条带。在一些实施方式中，贯穿波浪线配置，电极之间的边缘到边缘距离是等距的或大致等距的。在一些实施方式中，使用如本文公开的波浪线电极导致增强的DEP场梯度。

在一些实施方式中，本文公开的电极是平面配置。在一些实施方式中，本文公开的电极是非平面配置(参见例如图5)。

在一些实施方式中，本文公开的装置表面选择性地捕获其表面上的纳米级生物分子。例如，本文公开的装置可以捕获诸如核酸的纳米级分析物，例如，通过a.核酸杂交；b.抗体-抗原相互作用；c.生物素-亲和素相互作用；d.离子或静电相互作用；或者e.其任何组合。因此，本文公开的装置可以包含包括捕获分子的功能化表面，所述捕获分子诸如互补核酸探针、能够捕获生物分子(诸如核酸)的抗体或其他蛋白质捕获、能够捕获诸如亲和素的互补靶分子的生物素或其他锚定捕获、能够通过离子或静电相互作用而捕获生物分子(诸如核酸)的捕获分子，或其任何组合。

在一些实施方式中，通过以下将表面功能化以便最小化和/或抑制非特异性结合相互作用：a.聚合物(例如，聚乙烯乙二醇PEG)；b.离子或静电相互作用；c.表面活性剂；或者d.它们的任何组合。在一些实施方式中，本文公开的方法包括使用添加剂，所述添加剂通过干扰此类相互作用来减少非特异性结合相互作用，诸如Tween 20等、牛血清白蛋白、非特异性免疫球蛋白等。

在一些实施方式中，装置包括多个微电极装置，所述多个微电极装置定向为：(a)平面并排、(b)垂直面向或着(c)水平面向。在其他实施方式中，电极是夹层配置，例如，以垂直形式彼此堆叠。

水凝胶

具有一层或多层材料的重叠电极结构可以减少有害的电化学效应，包括但不限于可能发生在电极上或电极附近的电解反应、加热和混乱流体运动，并且仍然允许要实现的细胞、细菌、病毒、纳米颗粒、DNA和其他生物分子的有效分离。在一些实施方式中，在电极结构上分层的材料可以是一个或多个多孔层。在其他实施方式中，一个或多个多孔层是聚合物层。在其他实施方式中，一个或多个多孔层是水凝胶。

通常，水凝胶应当具有足够的机械强度并且是相对化学惰性的，使它能够在电极表面处耐受电化学效应而不会破裂(disconfiguration)或分解。通常，水凝胶对小水合离子是足够可渗透的，但是保持生物分子远离电极表面。

在一些实施方式中，水凝胶是单个层或涂层。

在一些实施方式中，水凝胶包括孔隙率梯度，其中水凝胶层的底部具有比水凝胶层的顶部更大的孔隙率。

在一些实施方式中，水凝胶包括多个层或涂层。在一些实施方式中，水凝胶包括两个涂层。在一些实施方式中，水凝胶包括三个涂层。在一些实施方式中，底部(第一)涂层具有比随后的涂层更大的孔隙率。在一些实施方式中，顶部涂层具有比第一涂层更小的孔隙率。在一些实施方式中，顶部涂层具有充当用于直径大于100皮米的颗粒的尺寸截止的平均孔隙直径。

在一些实施方式中，水凝胶具有约0.001S/m至约10S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.01S/m至约10S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.1S/m至约10S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约1.0S/m至约10S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.01S/m至约5S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.01S/m至约4S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.01S/m至约3S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.01S/m至约2S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.1S/m至约5S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.1S/m至约4S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.1S/m至约3S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.1S/m至约2S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.1S/m至约1.5S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.1S/m至约1.0S/m的电导率。

在一些实施方式中，水凝胶具有约0.1S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.2S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.3S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.4S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.5S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.6S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.7S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.8S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.9S/m的电导率。在一些实施方式中，水凝胶具有约1.0S/m的电导率。

在一些实施方式中，水凝胶具有约0.1微米至约10微米的厚度。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.1微米至约5微米的厚度。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.1微米至约4微米的厚度。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.1微米至约3微米的厚度。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.1微米至约2微米的厚度。在一些实施方式中，水凝胶具有约1微米至约5微米的厚度。在一些实施方式中，水凝胶具有约1微米至约4微米的厚度。在一些实施方式中，水凝胶具有约1微米至约3微米的厚度。在一些实施方式中，水凝胶具有约1微米至约2微米的厚度。在一些实施方式中，水凝胶具有约0.5微米至约1微米的厚度。

在一些实施方式中，在旋涂或淀积到电极阵列上之前水凝胶溶液的粘度在约0.5cP至约5cP的范围内。在一些实施方式中，在旋涂或淀积到电极阵列上之前，单个水凝胶溶液涂层具有在约0.75cP至5cP之间的粘度。在一些实施方式中，在多涂层的水凝胶中，在旋涂或淀积到电极阵列上之前，第一水凝胶溶液具有约0.5cP至约1.5cP的粘度。在一些实施方式中，第二水凝胶溶液具有约1cP至约3cP的粘度。水凝胶溶液的粘度基于溶剂中的聚合物浓度(0.1％-10％)和聚合物分子量(10,000至300,000)和溶剂的起始粘度。

在一些实施方式中，第一水凝胶涂层具有在约0.5微米至1微米之间的厚度。在一些实施方式中，第一水凝胶涂层具有在约0.5微米至0.75微米之间的厚度。在一些实施方式中，第一水凝胶涂层具有在约0.75至1微米之间的厚度。在一些实施方式中，第二水凝胶涂层具有在约0.2微米至0.5微米之间的厚度。在一些实施方式中，第二水凝胶涂层具有在约0.2至0.4微米之间的厚度。在一些实施方式中，第二水凝胶涂层具有在约0.2至0.3微米之间的厚度。在一些实施方式中，第二水凝胶涂层具有在约0.3至0.4微米之间的厚度。

在一些实施方式中，水凝胶包括形成水凝胶的任何合适的合成聚合物。通常，任何足够亲水以及可聚合的分子均可以用于生产如本文公开的、供使用的合成聚合物水凝胶。单体中的可聚合部分可以包括烯基部分，烯基部分包括但不限于取代或未取代α,β,不饱和羰基，其中双键直接附接至碳，碳与氧双键键合并且单键键合另一个氧、氮、硫、卤素或碳；乙烯基，其中双键与氧、氮、卤素、磷或硫单键键合；烯丙基，其中双键与碳单键键合，所述碳与氧、氮、卤素、磷或硫键合；高烯丙基，其中双键单键键合至碳，所述碳单键键合至另一个碳，所述另一个碳继而单键键合至氧、氮、卤素、磷或硫；炔基部分，其中三键存在于两个碳原子之间。在一些实施方式中，诸如丙烯酸酯、异丁烯酸酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺等的丙烯酰基或丙烯酰氨基单体可以用于形成如本文公开的水凝胶。更优选的丙烯酰胺基单体包括丙烯酰胺、N-取代丙烯酰胺、N-取代甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酰胺。在一些实施方式中，水凝胶包括聚合物，诸如基于环氧化物的聚合物、基于乙烯基的聚合物、基于烯丙基的聚合物、基于高烯丙基的聚合物、基于环状酸酐的聚合物、基于酯的聚合物、基于醚的聚合物、基于亚烃基-乙二醇的聚合物(例如，聚丙二醇)等。

在一些实施方式中，水凝胶包括聚羟乙基丙烯酸甲酯(pHEMA)、醋酸纤维素、邻苯二甲酸乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素或任何合适的丙烯酰胺或乙烯基聚合物或其衍生物。

在一些实施方式中，通过气相淀积来施加水凝胶。

在一些实施方式中，通过原子转移自由基聚合反应(ATRP)来聚合水凝胶。

在一些实施方式中，通过电子转移再生催化剂聚合(ARGET)来聚合水凝胶。

在一些实施方式中，通过连续再生催化剂的活化剂聚合(ICAR)来聚合水凝胶。

在一些实施方式中，通过氮氧稳定自由基聚合(NMP)来聚合水凝胶。

在一些实施方式中，通过光引发ATRP来聚合水凝胶。

在一些实施方式中，通过可逆加成断裂链转移(RAFT)聚合来聚合水凝胶。

在一些实施方式中，将添加剂加入到水凝胶中以增加凝胶的电导率。在一些实施方式中，水凝胶添加剂是导电聚合物(例如，PEDOT：PSS)、盐(例如，氯化铜)、金属(例如，金)、增塑剂(例如，PEG200、PEG 400或PEG 600)或者助溶剂。

在一些实施方式中，水凝胶还包括有助于维持DNA杂交体的稳定性的化合物或材料，包括但不限于组氨酸、组氨酸肽、多组氨酸、赖氨酸、赖氨酸肽以及其他阳离子化合物或物质。

在本文提供的各个实施方式中，本文描述的方法包括产生DEP场区域以及可选的具有阵列的第二DEP场区域。在本文提供的各个实施方式中，本文描述的装置或系统能够产生DEP场区域以及可选的具有阵列的第二DEP场区域。在一些情况下，第一场区域和第二场区域是单个场的一部分(例如，第一区域和第二区域同时存在，但是位于装置内和/或阵列上的不同位置处)。在一些实施方式中，第一场区域和第二场区域是不同的场(例如，通过在第一时间为电极通电而产生第一区域，并且通过在第二时间为电极通电而产生第二区域)。在特定方面，DEP场区域适合于浓缩或离析细胞(例如，进入低场DEP区域)。在一些实施方式中，可选的第二DEP场区域适合于将诸如分子(例如，核酸)的较小的颗粒浓缩到例如高场DEP区域中。在一些情况下，本文描述的方法可选地排除使用第一DEP场区域或第二DEP场区域。

在一些实施方式中，DEP场区域在如本文公开的装置的与可选的第二DEP场区域相同的腔室中。在一些实施方式中，DEP场区域和可选的第二DEP场区域占据电极阵列的相同区域。

在一些实施方式中，DEP场区域在如本文公开的装置的分离腔室中，或者在与第二DEP场区域完全分离的装置中。

DEP场区域

在一些方面，例如，高电导缓冲液(>100mS/m)，本文描述的方法包括将包含纳米级分析物和其他颗粒材料的样品施加到包括如本文公开的电极阵列的装置，并且从而在DEP场区域中离析和收集纳米级分析物。在一些方面，本文描述的装置和系统能够将包括纳米级分析物和其他颗粒材料的样品施加到包括如本文公开的电极阵列的装置，并且从而在DEP场区域中离析和收集纳米级分析物。后续的或并发的第二或者可选的第三DEP区域和第四DEP区域可以收集或离析其他样品成分，包括完整细胞和其他颗粒材料。

所生成的DEP场区域可以是适合于从样品中离析和收集纳米级分析物的任何场区域。对于该应用，纳米级分析物通常浓缩在如本文公开的电极阵列附近。在一些实施方式中，DEP场区域是介电泳低场区域。在一些实施方式中，DEP场区域是介电泳高场区域。在一些方面，例如，低电导缓冲液(<100mS/m)，本文描述的方法包括将包含细胞的流体施加到包括本文公开的电极阵列的装置，并且从而在DEP场区域中浓缩纳米级分析物。

在一些方面，本文描述的装置和系统能够将包括纳米级分析物和其他颗粒材料的样品施加到包括如本文公开的电极阵列的装置，并且在DEP场区域中浓缩纳米级分析物。在一些实施方式中，在介电泳高场区域中捕获纳米级分析物。在一些实施方式中，在介电泳低场区域中捕获纳米级分析物。高场捕获对低场捕获通常取决于流体的电导率，其中通常，高电导率流体和低电导率流体之间的交叉点在约300-500mS/m之间。在一些实施方式中，DEP场区域是在大于约300mS/m的流体电导率中进行的介电泳低场区域。在一些实施方式中，DEP场区域是在小于约300mS/m的流体电导率中进行的介电泳低场区域。在一些实施方式中，DEP场区域是在大于约300mS/m的流体电导率中进行的介电泳高场区域。在一些实施方式中，DEP场区域是在小于约300mS/m的流体电导率中进行的介电泳高场区域。在一些实施方式中，DEP场区域是在大于约500mS/m的流体电导率中进行的介电泳低场区域。在一些实施方式中，DEP场区域是在小于约500mS/m的流体电导率中进行的介电泳低场区域。在一些实施方式中，DEP场区域是在大于约500mS/m的流体电导率中进行的介电泳高场区域。在一些实施方式中，DEP场区域是在小于约500mS/m的流体电导率中进行的介电泳高场区域。

在一些实施方式中，通过交流电产生介电泳场区域。交流电具有适合于浓缩细胞的任何电流强度、电压、频率等。在一些实施方式中，使用具有以下的交流电来产生介电泳场：0.1微安-10安培的电流强度；峰峰值为1-50伏的电压；和/或1-10,000,000Hz的频率。在一些实施方式中，使用具有5-25伏峰峰值的电压的交流电来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用具有3-15kHz的频率的交流电来产生DEP场区域。

在一些实施方式中，使用具有100毫安到5安培的电流强度的交流电来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用具有0.5安培-1安培的电流强度的交流电来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用具有0.5安培-5安培的电流强度的交流电来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用具有100毫安-1安培的电流强度的交流电来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用具有500毫安-2.5安培的电流强度的交流电来产生DEP场区域。

在一些实施方式中，使用具有1-25伏峰峰值的电压的交流电来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用具有1-10伏峰峰值的电压的交流电来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用具有25-50伏峰峰值的电压的交流电来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用10-1,000,000Hz的频率来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用100-100,000Hz的频率来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用100-10,000Hz的频率来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用10,000-100,000Hz的频率来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用100,000-1,000,000Hz的频率来产生DEP场区域。

在一些实施方式中，通过直流电产生第一介电泳场区域。直流电具有适合于浓缩细胞的任何电流强度、电压、频率等。在一些实施方式中，使用具有以下的直流电来产生第一介电泳场区域：0.1毫安-1安培的电流强度；10毫伏-10伏的电压；和/或1毫秒-1000秒的脉冲宽度以及0.001-1000Hz的脉冲频率。在一些实施方式中，使用具有1微安-1安培的电流强度的直流电来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用具有100微安-500毫安的电流强度的直流电来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用具有1毫安-1安培的电流强度的直流电来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用具有1微安-1毫安的电流强度的直流电来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用具有500毫秒-500秒的脉冲宽度的直流电来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用具有500毫秒-100秒的脉冲宽度的直流电来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用具有1秒-1000秒的脉冲宽度的直流电来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用具有500毫秒-1秒的脉冲宽度的直流电来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用0.01-1000Hz的脉冲频率来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用0.1-100Hz的脉冲频率来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用1-100Hz的脉冲频率来产生DEP场区域。在一些实施方式中，使用100-1000Hz的脉冲频率来产生DEP场区域。

在一些实施方式中，样品可以包括多个细胞类型的混合物。例如，血液包括红细胞和白细胞。环境样品包括在宽浓度范围内的许多类型的细胞和其他颗粒材料。在一些实施方式中，一种细胞类型(或小于构成样品的细胞类型的总数的任何数目的细胞类型)可以优先地在DEP场区域中浓缩。在另一个非限制性示例中，以特别地浓缩病毒而不浓缩细胞的方式来操作DEP场(例如，在电导率大于300mS/m的流体中，病毒浓缩在DEP高场区域中，而较大的细胞将在DEP低场区域中浓缩)。

因此，在一些实施方式中，本文描述的方法、装置或系统适合于离析或分离特定细胞类型，以便支持纳米级分析物的有效离析和收集。在一些实施方式中，方法、装置或系统的DEP场被特别地调整以允许将特定类型的细胞分离或浓缩到DEP场的场区域中。在一些实施方式中，本文描述的方法、装置或系统不止一个场区域，其中离析或浓缩不止一种类型的细胞。在一些实施方式中，本文描述的方法、装置或系统是可调整的，以便允许在其DEP场区域内离析或浓缩不同类型的细胞。在一些实施方式中，本文提供的方法还包括调整DEP场。在一些实施方式中，本文提供的装置或系统能够使DEP场被调整。在一些情况下，这样的调整可以用于提供特别适合于期望目的的DEP。例如，可选地利用阵列中、能量或另一参数的修改来调整DEP场。用于较精细分辨率的调整参数包括电极直径、电极之间的边缘到边缘距离、电压、频率、流体电导率和水凝胶组成。

在一些实施方式中，DEP场区域包括如本文公开的电极阵列的整体。在一些实施方式中，DEP场区域包括如本文公开的电极阵列的一部分。在一些实施方式中，DEP场区域包括如本文公开的电极阵列的约90％、约80％、约70％、约60％、约50％、约40％、约30％、约25％、约20％或约10％。在一些实施方式中，DEP场区域包括如本文公开的电极阵列的约三分之一。

细胞裂解

在一方面，在将细胞浓缩在第一介电泳场区域中之后，方法包括从细胞中释放纳米级分析物。在另一方面，本文描述的装置和系统能够从细胞中释放核酸。在一些实施方式中，核酸从第一DEP场区域中的细胞中释放。

在一些实施方式中，本文描述的方法通过裂解细胞而从多个细胞中释放核酸。在一些实施方式中，本文描述的装置和系统能够通过裂解细胞而从多个细胞中释放核酸。细胞裂解的一种方法包括在阵列上离析细胞后对细胞施加直流电。直流电具有适合于裂解细胞的任何电流强度、电压等。在一些实施方式中，电流具有约1伏至约500伏的电压。在一些实施方式中，电流具有约10伏至约500伏的电压。在其他实施方式中，电流具有约10伏至约250伏的电压。在另一些实施方式中，电流具有约50伏至约150伏的电压。电压通常是细胞裂解的驱动因素，因为高电场导致膜完整性失效。

在一些实施方式中，用于裂解的直流电包括具有适合于裂解细胞的任何持续时间、频率等的一个或多个脉冲。在一些实施方式中，施加约100伏的电压持续约1毫秒以裂解细胞。在一些实施方式中，一秒内在源上施加约100伏的电压2或3次。

在一些实施方式中，直流电流的频率取决于伏特/厘米、脉冲宽度和流体电导率。在一些实施方式中，脉冲具有约0.001至约1000Hz的频率。在一些实施方式中，脉冲具有约10至约200Hz的频率。在其他实施方式中，脉冲具有约0.01Hz-1000Hz的频率。在另一些实施方式中，脉冲的频率是约0.1Hz-1000Hz、约1Hz-1000Hz、约1Hz-500Hz、约1Hz-400Hz、约1Hz-300Hz或约1Hz-约250Hz。在一些实施方式中，脉冲具有约0.1Hz的频率。在其他实施方式中，脉冲具有约1Hz的频率。在另一些实施方式中，脉冲的频率是约5Hz、约10Hz、约50Hz、约100Hz、约200Hz、约300Hz、约400Hz、约500Hz、约600Hz、约700Hz、约800Hz、约900Hz或约1000Hz。

在其他实施方式中，脉冲具有约1毫秒(ms)-1000秒(s)的持续时间。在一些实施方式中，脉冲具有约10ms-1000s的持续时间。在另一些实施方式中，脉冲的持续时间是约100ms-1000s、约1s-1000s、约1s-500s、约1s-250s或约1s-150s。在一些实施方式中，脉冲的持续时间是约1ms、约10ms、约100ms、约1s、约2s、约3s、约4s、约5s、约6s、约7s、约8s、约9s、约10s、约20s、约50s、约100s、约200s、约300s、约500s或约1000s。在一些实施方式中，脉冲具有0.2至200Hz的频率，占空比是10-50％。

在一些实施方式中，施加一次直流电或作为多个脉冲的直流电。可以施加任何合适数目的脉冲，包括约1-20个脉冲。在包括约1毫秒-1000秒的多个脉冲之间有任何合适的时间量。在一些实施方式中，脉冲持续时间是0.01至10秒。

在一些实施方式中，使用与施加到所离析的细胞的直流电相结合的其他方法来裂解细胞。在另一些实施方式中，在不使用直流电的情况下裂解细胞。在各个方面，装置和系统能够与其他方式相结合地利用直流电来裂解细胞，或者能够在不使用直流电的情况下裂解细胞。本领域技术人员已知的任何细胞裂解方法均可以是合适的，包括但不限于施加化学裂解剂(例如，酸)、酶裂解剂、热、压力、剪切力、声能、渗透休克或其组合。溶菌酶是酶裂解剂的示例。

纳米级分析物的离析及其产率

在一方面，本文描述了用于从样品离析纳米级分析物的方法和装置。在一些实施方式中，纳米级分析物的直径小于1000nm。在其他实施方式中，纳米级分析物的直径小于500nm。在一些实施方式中，纳米级分析物的直径小于250nm。在一些实施方式中，纳米级分析物的直径在约100nm至约1000nm之间。在其他实施方式中，纳米级分析物的直径在约250nm至约800nm之间。在另一些实施方式中，纳米级分析物的直径在约300nm至约500nm之间。

在一些实施方式中，纳米级分析物的直径小于1000μm。在其他实施方式中，纳米级分析物的直径小于500μm。在一些实施方式中，纳米级分析物的直径小于250μm。在一些实施方式中，纳米级分析物的直径在约100μm至约1000μm之间。在其他实施方式中，纳米级分析物的直径在约250μm至约800μm之间。在另一些实施方式中，纳米级分析物的直径在约300μm至约500μm之间。

在一些实施方式中，本文描述的方法、装置或系统可选地用于获得、离析或分离可以由这样的方法、装置或系统获得的任何期望的纳米级分析物。在一些实施方式中，纳米级分析物是核酸。通过本文描述的方法、装置和系统离析的其他核酸包括DNA(脱氧核糖核酸)、RNA(核糖核酸)及其组合。在一些实施方式中，以适合于测序或对核酸的进一步操作的形式来离析核酸，对核酸的进一步操作包括扩增、连接或克隆。

在各个实施方式中，所离析或分离的纳米级分析物是包括纳米级分析物的组合物，其中，所述纳米级分析物不含至少99％(质量)的其他材料、不含至少99％(质量)的残留细胞材料、不含至少98％(质量)的其他材料、不含至少98％(质量)的残留细胞材料、不含至少95％(质量)的其他材料、不含至少95％(质量)的残留细胞材料、不含至少90％(质量)的其他材料、不含至少90％(质量)的残留细胞材料、不含至少80％(质量)的其他材料、不含至少80％(质量)的残留细胞材料、不含至少70％(质量)的其他材料、不含至少70％(质量)的残留细胞材料、不含至少60％(质量)的其他材料、不含至少60％(质量)的残留细胞材料、不含至少50％(质量)的其他材料、不含至少50％(质量)的残留细胞材料、不含至少30％(质量)的其他材料、不含至少30％(质量)的残留细胞材料、不含至少10％(质量)的其他材料、不含至少10％(质量)的残留细胞材料、不含至少5％(质量)的其他材料或者不含至少5％(质量)的残留细胞材料。

在各个实施方式中，纳米级分析物具有任何合适的纯度。例如，如果酶法测定需要具有约20％残留细胞材料的纳米级分析物样品，则将核酸离析至80％是合适的。在一些实施方式中，按质量计，所离析的纳米级分析物包括小于约80％、小于约70％、小于约60％、小于约50％、小于约40％、小于约30％、小于约20％、小于约10％、小于约5％或小于约2％的非纳米级分析物细胞材料和/或蛋白质。在一些实施方式中，按质量计，所离析的纳米级分析物包括大于约99％、大于约98％、大于约95％、大于约90％、大于约80％、大于约70％、大于约60％、大于约50％、大于约40％、大于约30％、大于约20％、或大于约10％的纳米级分析物。

以任何合适的形式来离析纳米级分析物，所述形式包括未修改的、衍生的、碎片的、非碎片的等。在一些实施方式中，当纳米级分析物是核酸时，以适合于测序的形式来收集核酸。在一些实施方式中，以适合于鸟枪法测序、扩增或其他操作的碎片形式来收集核酸。可以在溶液中从装置收集核酸，所述溶液包括用于在例如DNA测序工序中使用的试剂，所述试剂诸如通过合成方法测序中使用的核苷酸。

在一些实施方式中，本文描述的方法产生近似表示起始样品的纳米级分析物的经离析的纳米级分析物样品。在一些实施方式中，本文描述的装置和系统能够从近似表示起始样品的纳米级分析物的样品中离析纳米级分析物。也就是说，通过该方法收集的或者能够利用装置或系统收集的纳米级分析物的种群(population)与流体中的细胞中存在的纳米级分析物的种群基本上成比例。在一些实施方式中，该方面在这样的应用中是有利的，其中流体是许多细胞类型的复杂混合物，并且从业者需要基于纳米级分析物的过程来确定各种细胞类型的相对种群。

在一些实施方式中，通过本文描述的方法而离析的或能够利用本文描述的装置而离析的纳米级分析物具有至少0.5ng/mL的浓度。在一些实施方式中，通过本文描述的方法而离析的或能够利用本文描述的装置而离析的纳米级分析物具有至少1ng/mL的浓度。在一些实施方式中，通过本文描述的方法而离析的或能够利用本文描述的装置而离析的纳米级分析物具有至少5ng/mL的浓度。在一些实施方式中，通过本文描述的方法而离析的或能够利用本文描述的装置而离析的纳米级分析物具有至少10ng/mL的浓度。

在一些实施方式中，使用本文描述的方法、系统或装置，从包括约5,000个细胞的样品中离析约50微微克的纳米级分析物。在一些实施方式中，本文描述的方法、系统或装置从包括约5,000个细胞的样品中产生至少10微微克的纳米级分析物。在一些实施方式中，本文描述的方法、系统或装置从包括约5,000个细胞的样品中产生至少20微微克的纳米级分析物。在一些实施方式中，本文描述的方法、系统或装置从约5,000个细胞中产生至少50微微克的纳米级分析物。在一些实施方式中，本文描述的方法、系统或装置从包括约5,000个细胞的样品中产生至少75微微克的纳米级分析物。在一些实施方式中，本文描述的方法、系统或装置从包括约5,000个细胞的样品中产生至少100微微克的纳米级分析物。在一些实施方式中，本文描述的方法、系统或装置从包括约5,000个细胞的样品中产生至少200微微克的纳米级分析物。在一些实施方式中，本文描述的方法、系统或装置从包括约5,000个细胞的样品中产生至少300微微克的纳米级分析物。在一些实施方式中，本文描述的方法、系统或装置从包括约5,000个细胞的样品中产生至少400微微克的纳米级分析物。在一些实施方式中，本文描述的方法、系统或装置从包括约5,000个细胞的样品中产生至少500微微克的纳米级分析物。在一些实施方式中，本文描述的方法、系统或装置从包括约5,000个细胞的样品中产生至少1,000微微克的纳米级分析物。在一些实施方式中，本文描述的方法、系统或装置从包括约5,000个细胞的样品中产生至少10,000微微克的纳米级分析物。在一些实施方式中，本文描述的方法、系统或装置从包括约5,000个细胞的样品中产生至少20,000微微克的纳米级分析物。在一些实施方式中，本文描述的方法、系统或装置从包括约5,000个细胞的样品中产生至少30,000微微克的纳米级分析物。在一些实施方式中，本文描述的方法、系统或装置从包括约5,000个细胞的样品中产生至少40,000微微克的纳米级分析物。在一些实施方式中，本文描述的方法、系统或装置从包括约5,000个细胞的样品中产生至少50,000微微克的纳米级分析物。

当纳米级分析物是核酸时，使用本文描述的方法而离析的或能够通过本文描述的装置而离析的核酸是高质量的和/或适合于直接用于下游工序，诸如DNA测序、诸如PCR的核酸扩增、或诸如连接、克隆或进一步翻译或转化测定等其他核酸操作。在一些实施方式中，收集的核酸包括至多0.01％的蛋白质。在一些实施方式中，收集的核酸包括至多0.5％的蛋白质。在一些实施方式中，收集的核酸包括至多0.1％的蛋白质。在一些实施方式中，收集的核酸包括至多1％的蛋白质。在一些实施方式中，收集的核酸包括至多2％的蛋白质。在一些实施方式中，收集的核酸包括至多3％的蛋白质。在一些实施方式中，收集的核酸包括至多4％的蛋白质。在一些实施方式中，收集的核酸包括至多5％的蛋白质。

样品

在一方面，本文描述的方法、系统和装置从样品中离析纳米级分析物。在一些实施方式中，所述样品包括流体。在一方面，样品包括细胞或其他颗粒材料和纳米级分析物。在一些实施方式中，样品不包括细胞。

在一些实施方式中，样品是液体，可选地是水或水溶液或水分散体。在一些实施方式中，样品是体液。示例性体液包括血液、血清、血浆、胆汁、乳汁、脑脊液、胃液、前列腺液、粘液、腹膜液、唾液、汗液、泪液、尿液、滑液等。在一些实施方式中，使用本文描述的方法、系统或装置从体液中离析纳米级分析物，作为医疗治疗或诊断过程、装置或系统的一部分。在一些实施方式中，样品是溶解和/或分散在流体介质中的组织和/或细胞。例如，组织可以是癌性肿瘤，可以使用本文描述的方法、装置或系统从其中离析诸如核酸的纳米级分析物。

在一些实施方式中，样品是环境样品。在一些实施方式中，测定或监测环境样品中是否存在指示某种污染、侵染发生等的特定核酸序列。环境样品还可以用于使用本文描述的方法、装置或系统来确定某些污染、侵染发生等的来源。示例性环境样品包括城市废水、工业废水、各种制造过程所使用的或产生的水或流体、湖泊、河流、海洋、含水层、地下水、暴雨水、植物或植物的部分、动物或动物的部分、昆虫、城市供水等。

在一些实施方式中，样品是食品或饮料。可以测定或监测食品或饮料中的指示某种污染、侵染发生等的特定纳米级分析物的存在。食品或饮料还可以用于使用本文描述的方法、装置或系统来确定某些污染、侵染发生等的来源。在各个实施方式中，本文描述的方法、装置和系统可以与体液、环境样品以及食品和饮料中的一种或多种一起使用，以便监测公共健康或响应不利的公共健康事件。

在一些实施方式中，样品是生长培养基。生长培养基可以是适合于培养细胞的任何培养基，例如用于培养大肠杆菌的溶菌肉汤(LB)、用于培养哺乳动物细胞的Ham's组织培养基，等等。培养基可以是丰富培养基、基本培养基、选择性培养基等。在一些实施方式中，培养基包括多个克隆细胞或基本上由多个克隆细胞构成。在一些实施方式中，培养基包括至少两个种类的混合物。

在一些实施方式中，样品是水。

在一些实施方式中，样品还可以包括其他颗粒材料。例如，此类颗粒材料可以是包含体(例如，蜡样质或马洛里小体)、细胞管型(例如，粒性管型、透明管型、细胞管型、蜡样管型和伪管型)、皮克氏体、路易氏小体、纤维缠结、纤维形成、细胞碎片和其他颗粒材料。在一些实施方式中，颗粒材料是凝聚蛋白(例如，β-淀粉样蛋白)。

样品可以具有包括高电导率或低电导率的任何电导率。在一些实施方式中，电导率介于约1μS/m至约10mS/m之间。在一些实施方式中，电导率介于约10μS/m至约10mS/m之间。在其他实施方式中，电导率介于约50μS/m至约10mS/m之间。在另一些实施方式中，电导率介于约100μS/m至约10mS/m之间、约100μS/m至约8mS/m之间、约100μS/m至约6mS/m之间、约100μS/m至约5mS/m之间、约100μS/m至约4mS/m之间、约100μS/m至约3mS/m之间、约100μS/m至约2mS/m之间或约100μS/m至约1mS/m之间。

在一些实施方式中，电导率是约1μS/m。在一些实施方式中，电导率是约10μS/m。在一些实施方式中，电导率是约100μS/m。在一些实施方式中，电导率是约1mS/m。在其他实施方式中，电导率是约2mS/m。在一些实施方式中，电导率是约3mS/m。在另一些实施方式中，电导率是约4mS/m。在一些实施方式中，电导率是约5mS/m。在一些实施方式中，电导率是约10mS/m。在又一些实施方式中，电导率是约100mS/m。在一些实施方式中，电导率是约1S/m。在其他实施方式中，电导率是约10S/m。

在一些实施方式中，电导率是至少1μS/m。在另一些实施方式中，电导率是至少10μS/m。在一些实施方式中，电导率是至少100μS/m。在一些实施方式中，电导率是至少1mS/m。在附加的实施方式中，电导率是至少10mS/m。在另一些实施方式中，电导率是至少100mS/m。在一些实施方式中，电导率是至少1S/m。在一些实施方式中，电导率是至少10S/m。在一些实施方式中，电导率是至多1μS/m。在一些实施方式中，电导率是至多10μS/m。在其他实施方式中，电导率是至多100μS/m。在一些实施方式中，电导率是至多1mS/m。在一些实施方式中，电导率是至多10mS/m。在一些实施方式中，电导率是至多100mS/m。在另一些实施方式中，电导率是至多1S/m。在一些实施方式中，电导率是至多10S/m。

在一些实施方式中，样品是小体积的液体，所述体积包括小于10ml。在一些实施方式中，样品小于8ml。在一些实施方式中，样品小于5ml。在一些实施方式中，样品小于2ml。在一些实施方式中，样品小于1ml。在一些实施方式中，样品小于500μl。在一些实施方式中，样品小于200μl。在一些实施方式中，样品小于100μl。在一些实施方式中，样品小于50μl。在一些实施方式中，样品小于10μl。在一些实施方式中，样品小于5μl。在一些实施方式中，样品小于1μl。

在一些实施方式中，施加到装置或者在方法中使用的样品的量包括小于约100,000,000个细胞。在一些实施方式中，样品包括小于约10,000,000个细胞。在一些实施方式中，样品包括小于约1,000,000个细胞。在一些实施方式中，样品包括小于约100,000个细胞。在一些实施方式中，样品包括小于约10,000个细胞。在一些实施方式中，样品包括小于约1,000个细胞。

在一些实施方式中，利用本文描述的装置、系统和方法从样品中离析纳米级分析物需要小于约30分钟、小于约20分钟、小于约15分钟、小于约10分钟、小于约5分钟或小于约1分钟。在其他实施方式中，利用本文描述的装置、系统和方法从样品中离析纳米级分析物需要不多于约30分钟、不多于约20分钟、不多于约15分钟、不多于约10分钟、不多于约5分钟、不多于约2分钟或不多于约1分钟。在附加的实施方式中，利用本文描述的装置、系统和方法从样品中离析纳米级分析物需要小于约15分钟、优选地小于约10分钟或小于约5分钟。

去除残留材料

在一些实施方式中，在DEP场区域中离析纳米级分析物之后，方法包括可选地冲洗所离析的纳米级分析物中的残留材料。在一些实施方式中，本文描述的装置或系统能够可选地和/或包括贮液器，该贮液器包括适合于冲洗纳米级分析物中的残留材料的流体。“残留材料”是最初存在于样品中的、最初存在于细胞中的、在过程期间添加的、通过过程的任何步骤创建的任何材料，包括但不限于细胞(例如完整细胞或残留细胞材料)，等等。例如，残留材料包括完整细胞、细胞壁碎片、蛋白质、脂质、碳水化合物、矿物质、盐、缓冲液、血浆等。在一些实施方式中，利用残留材料来冲洗一定量的纳米级分析物。

在一些实施方式中，在任何合适的流体中冲洗残留材料，例如在水、TBE缓冲液等中。在一些实施方式中，利用任何合适体积的流体、冲洗持续任何合适的时间段、利用不止一种流体冲洗或任何其他变体来冲洗残留材料。在一些实施方式中，冲洗残留材料的方法与纳米级分析物的期望离析水平有关，其中较高纯度的纳米级分析物需要较严格的冲洗和/或洗涤。在其他实施方式中，冲洗残留材料的方法与特定起始材料及其组成有关。在一些情况下，高脂质的起始材料需要冲洗程序，所述冲洗程序涉及适合于溶解脂质的疏水流体。

在一些实施方式中，方法包括降解包括残留蛋白质的残留材料。在一些实施方式中，装置或系统能够降解包括残留蛋白质的残留材料。例如，通过化学降解(例如，酸水解)和酶降解中的一种或多种来降解蛋白质。在一些实施方式中，酶降解剂是蛋白酶。在其他实施方式中，蛋白质降解剂是蛋白水解酶K。持续任何合适的时间、在任何合适的温度下等等进行残留材料的降解的可选步骤。在一些实施方式中，从所离析的纳米级分析物中冲洗经降解的残留材料(包括经降解的蛋白质)。

在一些实施方式中，用于降解残留材料的试剂被灭活或降解。在一些实施方式中，装置或系统能够降解或灭活用于降解残留材料的试剂。在一些实施方式中，通过热(例如，50至95℃，持续5-15分钟)来灭活用于降解残留材料的酶。例如，使用热(通常为15分钟，70℃)来降解和/或灭活包括蛋白酶(例如，蛋白水解酶K)的酶。在其中通过酶来降解残留蛋白质的一些实施方式中，方法还包括在蛋白质的降解之后，灭活降解酶(例如，蛋白水解酶K)。在一些实施方式中，由装置中的加热模块来提供热(温度范围例如是30至95℃)。

方法的某些步骤的顺序和/或组合可以变化。在一些实施方式中，装置或方法能够以任何顺序或组合执行某些步骤。例如，在一些实施方式中，在单独或并发的步骤中冲洗残留材料和经降解的蛋白质。也就是，冲洗残留材料，随后降解残留蛋白质，再随后从所离析的纳米级分析物中冲洗经降解的蛋白质。在一些实施方式中，首先降解残留蛋白质，并且继而在组合步骤中从纳米级分析物中冲洗残留材料和经降解的蛋白质二者。

在一些实施方式中，纳米级分析物保留在装置中并且可选地用于进一步的工序，诸如PCR、酶测定或者分析、表征或扩增纳米级分析物的其他工序。

例如，在一些实施方式中，所离析的纳米级分析物是核酸，并且装置和系统能够对所离析的核酸进行PCR或其他可选的工序。在其他实施方式中，从装置中收集和/或洗脱核酸。在一些实施方式中，装置和系统能够允许从装置或系统中收集和/或洗脱核酸。在一些实施方式中，通过以下来收集所离析的核酸：(i)关闭第二介电泳场区域；以及(ii)在洗脱液中从阵列中洗脱核酸。示例性洗脱剂包括水、TE、TBE和L-组氨酸缓冲液。

测定和应用

在一些实施方式中，本文描述的系统或装置包括进行酶促反应的手段。在其他实施方式中，本文描述的系统或装置包括进行聚合酶链反应(PCR)、等温扩增、连接反应、限制性分析、核酸克隆、转录或翻译测定或其他基于酶的分子生物学测定的手段。

在一些实施方式中，本文描述的系统或装置包括核酸测序仪。测序仪可选地是任何合适的DNA测序装置，其包括但不限于桑格测序仪、焦磷酸测序仪、离子半导体测序仪、聚合酶克隆测序仪、通过连接装置的测序、DNA纳米球测序装置、通过连接装置的测序或者单分子测序装置。

在一些实施方式中，本文描述的方法还包括可选地通过聚合酶链反应(PCR)来扩增所离析的核酸。在一些实施方式中，PCR反应在电极阵列上或在电极阵列附近或在装置中进行。在一些实施方式中，装置或系统包括适合于热循环的加热器和/或温度控制机构。

可选地，使用传统的热循环，通过将反应化学分析物放置在两种有效的热传导元件(例如，铝或银)之间并且使用TEC调节反应温度，来进行PCR。附加的设计可选地通过类似于玻璃或热聚合物的光学透明材料而使用红外加热。在一些情况下，设计使用智能聚合物或智能玻璃，其包括通过衬底联网的传导接线。这种传导接线支持材料的快速热传导性，并且(通过施加适当的DC电压)提供所需的温度变化和梯度以维持有效的PCR反应。在某些情况下，使用电阻式芯片加热器和其他电阻式元件来施加热量，所述电阻式芯片加热器和其他电阻式元件快速地、并且与通过电阻的电流的量成比例地改变温度。

在一些实施方式中，与传统荧光测定(ccd、pmt、其他光学检测器和光学滤波器)相结合地使用，实时地或每隔一定时间监测倍数扩增。在某些情况下，通过转化为AFU(用于分析翻倍而相关联的任意荧光单元)的光学检测来报告最终倍数扩增的定量，或者通过阻抗测量或其他电化学感测而将所述定量翻译为电信号。

给定小尺寸的微电极阵列，将这些元件可选地添加在微电极阵列周围，并且PCR反应将在主样品处理腔室(在DEP阵列之上)中进行，或者将待扩增的分析物可选地经由射流元件输送至射流卡盘内的另一腔室以便支持卡盘上的片上实验室处理。

在一些情况下，光递送方案用于提供针对倍数扩增的光学激发和/或发射和/或检测。在某些实施方式中，这包括使用流动池材料(热聚合物，类似于丙烯酸(PMMA)环烯烃聚合物(COP)、环烯烃共聚物(COC)等)作为光波导以消除使用外部组件的需要。此外，在一些情况下，光源-发光二极管-LED、垂直腔面发射激光器-VCSEL和其他照明方案直接集成在流动池内或直接构建于微电极阵列表面上，从而具有内部控制并供电的光源。微型PMT、CCD或CMOS检测器也可以内置在流动池中。这种最小化和小型化支持能够在减少类似的常规装置(即标准台式PCR/QPCR/荧光计)的占用面积的同时进行快速信号传递和检测的紧凑型设备。

芯片上的扩增

在一些情况下，硅微电极阵列可以承受PCR所需的热循环。在一些应用中，片上PCR是有利的，因为在转移步骤期间可能损失少量的靶核酸。在本文描述的装置、系统或过程的某些实施方式中，可选地使用多种PCR技术中的任何一种或多种，此类技术可选地包括下列各项中的任何一个或多个：流动池中的直接热循环；通过具有不同温度区的微通道移动材料；以及将容体移动至可以在系统上扩增的PCR管中或将容体移动至PCR机。在一些情况下，如果出口包含含有不可混流体和界面稳定剂(表面活性剂等)的T型接头，则进行液滴PCR。在某些实施方式中，通过任何合适的方法使液滴热循环。

在一些实施方式中，使用等温反应进行扩增，所述等温反应例如转录介导的扩增、核酸序列依赖扩增、RNA技术的信号介导的扩增、链置换扩增、滚环扩增、DNA的环介导等温扩增、等温多重置换扩增、解旋酶依赖性扩增、单引物等温扩增或圆形解旋酶依赖性扩增。

在各个实施方式中，扩增在均相溶液中进行，或者作为具有锚定引物的多相系统而进行。在后者的一些实施方式中，所产生的扩增子直接链接至表面以获得更高的多路复用度。在一些实施方式中，使扩增子变性以在电极上或电极附近呈现单链产物。继而可选地进行杂交反应以询问遗传信息，诸如单核苷酸多态性(SNP)、短串联重复(STR)、突变、插入/删除、甲基化等。可选地通过平行分析来确定甲基化，其中一个DNA样品使经酸式亚硫酸盐处理的，而一个DNA样品不是。酸式亚硫酸盐使未修改的C脱嘌呤成为U。在一些情况下，甲基化的C不受影响。在一些实施方式中，使用等位基因特异性碱基延伸来报告感兴趣的碱基。

可选地利用非特异性部分而不是特异性相互作用对表面改性以用于捕获。例如，可以利用聚阳离子，即多熔素，对表面改性，以捕获可以通过反向偏压(-V)释放的DNA分子。在一些实施方式中，对表面的改性在表面上是均匀的，或者是专门图案化的以用于功能化电极或非电极区域。在某些实施方式中，这是通过光刻法、电化学活化、找正等完成的。

在一些应用中，在采用多个芯片设计的情况下，具有芯片夹层是有利的，其中两个装置彼此相对，由垫片隔开，以形成流动池。在各个实施方式中，顺序地或并行地运行装置。对于测序和下一代测序(NGS)，尺寸片段化和选择在测序效率和质量上有分支。在一些实施方式中，使用多个芯片设计来缩窄所收集的材料的尺寸范围，从而创建带通滤波器。在一些情况下，当前芯片几何形状(例如，200μm中心-中心节距上的80μm直径电极(80/200)充当500bp截止滤波器(例如，使用约10Vpp和10kHz的电压和频率条件))。在这种情况下，捕获大于500bp的核酸，而不捕获小于500bp的核酸。交替的电极直径和节距几何形状具有不同的截止尺寸，使得芯片的组合应当提供期望的碎片尺寸。在一些情况下，相对于80/200几何形状，在类似的条件下，100μm中心-中心节距上的40μm直径电极(40/100)具有较低的截止阈值，而400μm中心-中心节距上的160μm直径电极(160/400)具有较高的截止阈值。在各种实施方式中，单个芯片或多个芯片上的几何形状被组合以选择特定大小的碎片或颗粒。例如，600bp截止芯片将在溶液中留下小于600bp的核酸，继而可选地利用500bp截止芯片(其与600bp芯片相对)捕获该材料。这在溶液中留下包括500-600bp的核酸群体。继而可选地在相同腔室、侧室或任何其他配置中扩增该群体。在一些实施方式中，使用单电极几何形状来完成大小选择，其中在电极上离析>500bp的核酸，随后洗涤，再随后降低ACEK高场强(改变电压、频率、电导率)，以释放<600bp的核酸，产生500-600bp之间的上层核酸群体。

在一些实施方式中，芯片装置垂直定向，在底部边缘具有产生温度梯度柱的加热器。在某些情况下，底部处于变性温度，中部处于退火温度，顶部处于延伸温度。在一些情况下，对流持续驱动该过程。在一些实施方式中，本文提供了包括特别地提供给电热流和过程的加速的电极设计的方法或系统。在一些实施方式中，这样的设计可选地在相同装置上或者在适当地定位的单独装置上。在一些情况下，经由散热片或风扇等在顶部的主动或被动冷却提供陡峭的温度梯度。在一些情况下，本文描述的装置或系统包括、或者本文描述的方法使用，装置上或反应室中的温度传感器，以便监测温度，并且此类传感器可选地用于在反馈的基础上调节温度。在一些情况下，此类传感器与具有不同热传递性质的材料耦接以形成连续的和/或不连续的梯度分布。

在一些实施方式中，扩增在恒定温度下进行(即，等温扩增)。

在一些实施方式中，本文公开的方法还包括对如本文公开的离析的核酸进行测序。在一些实施方式中，通过桑格测序或下一代测序(NGS)对核酸进行测序。在一些实施方式中，下一代测序方法包括但不限于，焦磷酸测序、离子半导体测序、聚合酶克隆测序、通过连接的测序、DNA纳米球测序、通过连接的测序或者单分子测序。

在一些实施方式中，本文公开的所离析的核酸在桑格测序中使用。在一些实施方式中，在与核酸离析(芯片上实验室)相同的装置内进行桑格测序。用于样品制备和桑格测序结果的芯片上实验室工作流程将包括以下步骤：a)使用ACE芯片进行样品提取；b)在芯片上进行靶序列的扩增；c)通过ACE捕获PCR产物；d)进行循环测序以使靶链富集；e)捕获富集的靶链；f)进行桑格链终止反应；利用芯片上多色荧光检测通过毛细管电泳进行靶序列的电泳分离。根据需要进行核酸洗涤、试剂添加和电压的关闭。可以在具有多个捕获区的单个芯片上或者在单独的芯片上和/或反应室中进行反应。

在一些实施方式中，本文公开的方法还包括对核酸进行反应(例如，碎片化、限制性酶切、DNA或RNA的连接)。在一些实施方式中，如本文公开的，反应发生在阵列上或阵列附近或在装置中。

其他测定

能够以多种测定形式进一步使用本文公开的所离析的核酸。例如，利用核酸探针或扩增子寻址的装置可以用于斑点印迹或反向斑点印迹分析、碱基堆积单核苷酸多态性(SNP)分析、具有电子严格性的SNP分析或STR分析。另外，能够以针对酶促核酸修改或蛋白质-核酸相互作用的形式而使用本文公开的此类装置，例如，诸如，具有酶促报告的基因表达分析、锚定的核酸扩增或适合于固相形式的其他核酸修改，其包括限制性内切酶反应、内切酶或外切酶反应、小沟区结合蛋白测定、末端转移酶反应、多聚核苷酸激酶或磷酸酶反应、连接酶反应、拓扑异构酶反应以及其他核酸结合或修改蛋白质反应。

此外，本文公开的装置可用于免疫测定。例如，在一些实施方式中，装置的位置可以与抗原(例如，肽、蛋白质、碳水化合物、脂质、蛋白聚糖、糖蛋白等)链接，以便通过夹心式测定、竞争性测定或其他形式来测定体液样品中的抗体。备选地，可以利用抗体来寻址装置的位置，以便通过夹心式测定、竞争性测定或其他测定形式来检测样品中的抗原。由于抗体和蛋白质的等电点可以通过实验或pH/电荷计算而非常容易地确定，因而可以通过简单地调节缓冲液的pH来使用装置的电子寻址和电子浓缩优势，使得被寻址的种类或分析物种类被充电。

在一些实施方式中，所离析的核酸对于免疫测定阵列或核酸阵列的使用是有用的。

电极阵列

在各个实施方式中，按阵列布置微电极。微电极阵列设计的优点包括增加所生成的电场的梯度、同时还减少在任何特定电压下产生的AC电热流。在一个实施方式中，微电极阵列包括浮动电极，即，在ACE期间不被激励而围绕工作电极的电极。图12示出了由具有规则电极和浮动电极的交替配置的微电极阵列生成的流速分布(左)和DEP梯度的示例。表1示出了源自微电极阵列的不同配置的性能。

表1.不同浮动电极设计与具有浮动电极的基本设计的性能参数的比较。

从表1可以看出，与常规设计，即没有浮动电极的微阵列电极阵列相比，电场梯度增加了一个数量级。在一些实施方式中采用浮动电极，DEP力(F_DEP)大于或远大于流动力(F_Flow)，因此允许使用较低的电压来实现捕获。基于浮动电极的使用，将制造低功耗的系统或装置。

定义和缩写

冠词“一”、“一个”和“该”是非限制性的。例如，“方法”包括短语含义的最宽定义，其可以是不止一种方法。

“Vp-p”是峰-峰电压。

“TBE”是包含三羟甲基氨基甲烷、硼酸和EDTA的混合物的缓冲溶液。

“TE”是包含三羟甲基氨基甲烷和EDTA的混合物的缓冲溶液。

“L-组氨酸缓冲液”是包含L-组氨酸的溶液。

“DEP”是介电泳的缩写。

“ACE”是交流动电(Alternate Current Electrokinetics)的缩写。

“ACET”是AC电热的缩写。

实施例

实施例1：将包含水凝胶涂覆的微电极阵列的双室射流卡盘装载到ATS系统中。如图5描绘，微电极阵列包括中空环形状的电极。在一个腔室中，以25pg/μL装载具有0.8S/m的电导率的标准溶液和加标DNA(从Promega购买的基因组或从BioLabs购买的Lambda)，总体积为530μL。在另一个腔室中，装载体液(血液、血清、血浆、唾液等)中的未知样品到总共530μL。使用购自Life Technologies的绿色荧光染料以1:5000x的比例染色DNA。在ATS系统上以10伏的峰-峰值和15kHz的频率运行两种液体10分钟，同时以可变的流速(5至250μL/min)流动(图6和图7)。继而利用等渗缓冲液(水+渗透物)以可变流速洗涤阵列持续另外10分钟，以去除未在电极上捕获的所有物质。在20分钟过程结束时，使用具有10x物镜的CCD照相机在使用绿色荧光滤光片(FITC)的显微镜上拍摄(每个腔室中一个)微电极阵列的图像(图8)。与已知样品相比，这允许对未知样品的捕获的物质进行图像定量。在关闭ACE电源并且从微电极阵列释放所捕获的物质之后(图9)，从卡盘中取回并收集用于将捕获的物质释放到其中的流体，以供后续的分析。

实施例2：根据实施例1中所述的方法测试各种电极设计。通常，增加F_DEP同时衰减F_FLOW的电极几何形状支持更强的纳米级分析物捕获。下文描述了电极设计之间的ACE性能差异。

表2.对电极设计之间的ACE性能差异的描述。

虽然本文示出和描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方式仅以示例方式提供。本领域技术人员现将想到不偏离本发明的多种变化、改变和替换。应当理解，在实践本发明的过程中可以采用对本文所述发明的实施方式的各种替代方案。意在使以下权利要求限定本发明的范围，并且由此覆盖这些权利要求的范围内的方法和结构及其等同物。

Claims (69)

1.一种用于离析样品中的纳米级分析物的装置，该装置包括：

(a)外壳；以及

(b)所述外壳内的交流(AC)电极，其中所述AC电极配置用于选择性地通电以建立AC动电高场区域和AC动电低场区域，并且所述AC电极包括设置在所述AC电极上或周围的导电材料，用于相比于AC电极的附近之间或者基本上之外的区域中的流体流动，降低、中断或改变所述AC电极的附近的周围或之内的流体流动。

2.如权利要求1所述的装置，其中个体AC电极的中心基本上缺少所述导电材料。

3.如权利要求1所述的装置，其中个体AC电极的边缘处存在所述导电材料。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述导电材料被配置成开口圆盘形状的线。

5.如权利要求1所述的装置，其中个体AC电极被配置成中空环形状。

6.如权利要求1所述的装置，其中所个体AC电极被配置成中空管形状。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述AC电极包括非导电材料。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述非导电材料围绕所述AC电极内的所述导电材料，并且充当对所述导电材料的物理屏障。

9.如权利要求7所述的装置，其中所述AC电极内的所述导电材料填充所述非导电材料中的凹陷。

10.如权利要求1所述的装置，其中所述AC电极被配置成三维的。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述三维AC电极的所述导电材料增加所述AC电极内的所述导电材料的总表面积。

12.如权利要求1所述的装置，其中所述AC电极内的所述导电材料被配置成具有角度的。

13.如权利要求1所述的装置，其中所述AC电极内的所述导电材料被配置成中空三角管。

14.如权利要求1所述的装置，其中所述AC电极内的所述导电材料被配置成相邻平面电极表面之间的角度小于180度。

15.如权利要求1所述的装置，其中所述AC电极内的所述导电材料被配置成大于60度的角度。

16.如权利要求1所述的装置，其中所述AC电极内的所述导电材料被配置成凹陷的凹形。

17.如权利要求1所述的装置，其中个体AC电极的直径是40μm至100μm。

18.如权利要求1所述的装置，其中所述AC电极是非圆形配置。

19.如权利要求18所述的装置，其中所述非圆形配置之间的定向角在25度至90度之间。

20.如权利要求18所述的装置，其中所述非圆形配置包括波浪线配置，其中非圆形配置包括重复单元，该重复单元包含通过连接器连接的一对点的形状，其中所述连接器朝向所述一对点之间的中点向内逐渐变细，其中所述点的直径是沿所述重复单元的长度的最宽点，其中重复单元的平行集合之间的边缘到边缘距离是等距的或大致等距的。

21.如权利要求1所述的装置，其中所述AC电极包括一个或多个浮动电极。

22.如权利要求21所述的装置，其中不为所述浮动电极通电以建立AC动电区域。

23.如权利要求21所述的装置，其中浮动电极围绕通电的电极。

24.如权利要求21所述的装置，其中所述浮动电极感应出的电场具有比由非浮动电极感应的电场更高的梯度。

25.一种用于离析样品中的纳米级分析物的方法，该方法包括：

(a)将所述样品加载到装置，所述装置包括能够建立AC动电场区域的电极阵列，其中所述电极包括配置在所述电极上或所述电极周围的导电材料，相比于在电极之间或之外的区域中的流体流动，所述导电材料减少、中断或改变所述电极附近的周围或之内的流体流动；

(b)产生至少一个AC动电场区域，其中所述至少一个AC动电场区域是介电泳高场区域；以及

(c)在所述介电泳高场区域中离析所述纳米级分析物。

26.如权利要求25所述的方法，其中所述阵列中的个体电极的中心基本上缺少所述导电材料。

27.如权利要求25所述的方法，其中所述阵列中的个体电极的边缘处存在所述导电材料。

28.如权利要求25所述的方法，其中所述导电材料被配置成开口圆盘形状。

29.如权利要求25所述的方法，其中个体电极被配置成中空环形状。

30.如权利要求25所述的方法，其中个体电极被配置成中空管形状。

31.如权利要求25所述的方法，其中所述电极内的导电材料的减少导致所述电极表面中和所述电极表面周围的流体流动的减少，从而导致所述表面上的纳米级分析物捕获的增加。

32.如权利要求25所述的方法，其中比起使用常规的电极配置所捕获的纳米级分析物，纳米级分析物捕获的增加是至少10％、至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少100％，或者更多，其中在所述常规电极配置中，电极内的导电材料未减少。

33.如权利要求25所述的方法，其中所述电极阵列包括非导电材料。

34.如权利要求33所述的方法，其中所述非导电材料围绕所述电极内的所述导电材料，并且充当对所述导电材料的物理屏障。

35.如权利要求33所述的方法，其中所述电极内的所述导电材料填充所述阵列中的所述非导电材料中的凹陷。

36.如权利要求25所述的方法，其中所述电极阵列被配置成三维的。

37.如权利要求36所述的方法，其中所述三维电极阵列的所述导电材料增加所述电极内的所述导电材料的总表面积。

38.如权利要求25所述的方法，其中所述电极内的所述导电材料被配置成具有角度的。

39.如权利要求25所述的方法，其中所述电极内的所述导电材料被配置成中空三角管。

40.如权利要求25所述的方法，其中所述电极内的所述导电材料被配置成相邻平面电极表面之间的角度小于180度。

41.如权利要求25所述的方法，其中所述电极内的所述导电材料被配置成大于60度的角度。

42.如权利要求25所述的方法，其中所述电极内的所述导电材料被配置成凹陷的凹形。

43.如权利要求25所述的方法，其中个体电极的直径是40μm至100μm。

44.如权利要求25所述的方法，其中所述电极是非圆形配置。

45.如权利要求44所述的方法，其中所述非圆形配置之间的定向角在25度至90度之间。

46.如权利要求44所述的方法，其中所述非圆形配置包括波浪线配置，其中非圆形配置包括重复单元，该重复单元包含通过连接器连接的一对点的形状，其中所述连接器朝向所述一对点之间的中点向内逐渐变细，其中所述点的直径是沿所述重复单元的长度的最宽点，其中重复单元的平行集合之间的边缘到边缘距离是等距的或大致等距的。

47.如权利要求25所述的方法，其中使用具有峰-峰值是1伏至40伏的电压和/或5Hz至5,000,000Hz的频率以及5％至50％占空比的交流电来产生所述AC动电场。

48.如权利要求25所述的方法，其中所述样品包括流体。

49.如权利要求48所述的方法，其中所述流体的电导率小于300mS/m。

50.如权利要求48所述的方法，其中所述流体的电导率大于300mS/m。

51.如权利要求25所述的方法，其中选择性地为所述电极通电以提供第一介电泳高场区域，并且随后地或连续地，选择性地通电以提供第二介电泳高场区域。

52.如权利要求25所述的方法，其中所述纳米级分析物是核酸。

53.如权利要求48所述的方法，其中所述流体包括细胞。

54.如权利要求53所述的方法，还包括在所述阵列上裂解细胞。

55.如权利要求54所述的方法，其中使用直流电、化学裂解剂、酶裂解剂、热、压力、声能或其组合来裂解所述细胞。

56.如权利要求54所述的方法，其中所述方法还包括在细胞裂解后降解残留蛋白质。

57.如权利要求55所述的方法，其中使用具有1-500伏特的电压、0.2至200Hz的脉冲频率、10-50％的占空比以及至少一次施加0.01至10秒的脉冲持续时间的直流电，来裂解所述细胞。

58.如权利要求25所述的方法，其中利用厚度介于约0.1微米至1微米之间的水凝胶来旋涂所述电极阵列。

59.如权利要求25所述的方法，其中通过化学气相淀积、表面引发聚合、浸涂、喷涂、喷墨印刷、朗缪尔-布洛杰特涂覆、通过端基功能化分组的聚合物的接枝、来自经过溶剂选择性的溶液的自组装、电子束蒸发、等离子体聚合、溅射或其组合，将厚度介于约0.1微米至1微米之间的水凝胶淀积到所述电极阵列上。

60.如权利要求25所述的方法，其中所述水凝胶包括两个或更多层的合成聚合物。

61.如权利要求25所述的方法，其中所述水凝胶在旋涂之前具有0.5cP至5cP的粘度。

62.如权利要求25所述的方法，其中所述水凝胶具有介于0.1S/m至1.0S/m之间的电导率。

63.如权利要求25所述的方法，其中，按质量计，所离析的核酸包括小于10％的非核酸细胞材料或细胞蛋白质。

64.如权利要求25所述的方法，其中所述方法在小于10分钟内完成。

65.如权利要求25所述的方法，其中所述电极阵列包括具有2.0至4.0的相对介电常数的钝化层。

66.如权利要求25所述的方法，其中所述电极包括一个或多个浮动电极。

67.如权利要求66所述的装置，其中不为所述浮动电极通电以建立AC动电区域。

68.如权利要求66所述的装置，其中浮动电极围绕通电的电极。

69.如权利要求66所述的装置，其中所述阵列中的所述浮动电极感应出的电场具有比由所述阵列中的非浮动电极感应的电场更高的梯度。