CN109416312B - 利用表面附着结构的流动池，以及相关的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种流动池，其在室中包括表面附着结构。该结构可响应于磁场或电场移动。一种目标或分离系统包括流动池和驱动器，该驱动器配置为向流动池的内部施加磁场或电场，以致动结构的移动。该流动池可以用于从流过流动池的样本提取或分离目标。另外，提供了一种微流体系统，其包括表面附着结构和微阵列，其中表面附着结构的被致动的运动用于增强微阵列上的分析物捕获的流动、循环和/或混合作用。

Description

利用表面附着结构的流动池，以及相关的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年9月18日提交的题为“FLOW CELLS UTILIZING SURFACE-ATTACHED STRUCTURES，AND RELATED SYSTEMS AND METHODS”、申请号为62/220,906的美国临时专利的权益，并且要求2016年6月7日提交的题为“SURFACE-ATTACHED STRUCTURES FORENHANCING ANALYTE CAPTURE ON A MICROARRAY，AND RELATED SYSTEMS AND METHODS”、申请号为62/347,046的美国临时专利申请的权益；其公开内容通过引用整体并入。

技术领域

本发明总体上涉及流动池以及系统和方法，所述系统和方法利用用于包含分析物或其他感兴趣的目标的处理流体的流动池。特别地，本发明涉及利用表面附着结构的流动池，以及相关的系统和方法。

背景技术

多种技术涉及从流体中分隔或提取一种或多种选定的成分以用于分析或纯化目的，例如免疫测定、离心、过滤、色谱法、固相萃取(SPE)等。常规技术包括使用空间过滤器和填充珠柱(columns of packed beads)，两者都易于堵塞。磁珠也被使用，但通常不能达到由填充柱提供的优越的表面积-体积比，除非使用非常大量的磁珠。为了减少堵塞，可以使用预分离技术，例如预过滤器、保护柱、离心、移液等，但是这些措施增加了相关系统的复杂性、成本和尺寸。

另外，目前有许多测定，其中将流体样本放置在微流体室中，然后使其在微阵列上的捕获位点(例如试剂、寡核苷酸、蛋白质等的点)上进行洗涤。在这样的测定中，流体样本坐落一段时间以允许流体样本中的分析物与微阵列上的捕获位点发生反应。通常下，这种分析允许流体样本中的分析物通过扩散而流过整个室，导致非常长的反应时间，其可能持续多天。对于短的反应时间很重要的装置(例如，护理点(POC)装置)，必须在所有分析物都有时间扩散到对应的捕获位点之前停止反应，这导致分析物利用率低和分析物浪费。

因此，需要用于从流体中分隔或提取一种或多种选定成分的装置、系统和方法，其最小化或避免堵塞。还需要一种能够从流过装置的流体中分隔或提取一种或多种选定组分的装置，并且该装置固有地被构造成最小化堵塞和/或提供可以主动操作以防止或破坏堵塞的结构。此外，需要用于增强微阵列上的分析物捕获的流动、循环和/或混合作用的装置、系统和方法。

发明内容

为了全部或部分解决上述问题和/或本领域技术人员可能已经观察到的其他问题，本公开提供了方法、过程、系统、设备、仪器和/或装置，如在下面阐述的实施方式中通过示例所描述的。

根据一个实施例，一种流动池包括：室，其封闭内部且包括流体入口、流体出口和面向所述内部的内表面；以及多个表面附着结构，在多个相应的附着位点处附着到所述内表面且从所述内表面延伸到所述内部，每个表面附着结构包括柔性本体和设置在所述本体上或中的金属部件，其中磁场或电场的施加致动所述表面附着结构相对于对应的附着位点移动。

根据另一个实施例，一种流动池包括：多个流动池单元，每个流动池单元包括根据本文所公开的任何实施例所述的室和多个表面附着结构，其中所述多个流动池单元具有选自以下组成的组的配置：所述流动单元并行布置；以及所述流动池单元串联布置，使得每个流动池单元的流体入口或流体出口与至少一个其他流动池单元的流体入口或流体出口连通。

根据另一个实施例，一种流动池包括：室，其封闭内部且包括流体入口、流体出口和面向所述内部的内表面；以及多个表面附着结构，其在多个相应的附着位点处附着到所述内表面且从所述内表面延伸到所述内部，每个表面附着结构包括柔性本体和设置在所述本体上或中的金属部件，其中磁场或电场的施加致动所述表面附着结构相对于所述对应的附着位点的移动。

根据另一个实施例，一种流动池包括：室，其封闭内部且包括流体入口、流体出口和面向所述内部的内表面；以及多个表面附着结构，其在多个相应的附着位点附着到所述内表面并从所述内表面延伸到所述内部，每个表面附着结构可响应于选自以下组成的组的致动力而移动：磁力、热力、声波力、光学力、电力和振动力。

根据另一实施例，流动池包括配置为结合到存在于内部中的目标的结合剂。所述结合剂可以设置在表面附着结构中的至少一些的外表面上或与之集成，或者设置在内表面上或与之集成，或前述两者。

根据另一实施例，流动池包括多种结合剂，其中所述结合剂中的至少一些布置为通过内部中的间隙与多个表面附着结构间隔开的微阵列。

根据另一个实施例，一种目标提取系统包括：根据本文所公开的任何实施例所述的流动池；驱动器，配置为向流动池的内部施加磁力和电力，或其他致动力，以致动表面附着结构的移动。在一些实施例中，目标提取系统包括配置为可移动地接收流动池的壳体。

根据另一实施例，一种用于从样本提取目标的方法包括：使含有目标的样本流过流动池并与设置在所述流动池中的表面附着结构接触，其中所述表面附着结构在多个相应的附着位点处附着到所述流动池的内表面，并且所述表面附着结构可响应于磁或电动作相对于所述附着位点在所述流动池中移动；以及在使所述样本流动时，将所述样本的目标与所述样本的剩余部分分隔。

根据另一实施例，一种用于从样本提取目标的方法包括：使含有目标的样本流过流动池并与设置在所述流动池中的表面附着结构接触，其中所述表面附着结构在多个相应的附着位点处附着到所述流动池的内表面，并且所述表面附着结构可响应于磁或电动作相对于所述附着位点在所述内部中移动；以及在使所述样本流动时在所述表面附着结构上，在所述内表面上，或在所述表面附着结构和所述内表面二者上捕获所述目标，且其中捕获产生耗尽的样本，所述耗尽的样本含有降低浓度的目标。

根据另一实施例，一种用于从样本提取目标的方法包括：使含有目标的样本流过流动池并与设置在所述流动池中的表面附着结构接触，其中所述表面附着结构在多个相应的附着位点处附着到所述流动池的内表面，并且所述表面附着结构可响应于磁或电动作相对于所述附着位点在所述流动池中移动；以及在使所述样本流动时，向所述流动池施加磁场或电场以致动所述表面附着结构的移动。

根据另一实施例，一种流动池或系统配置为执行本文所公开的任何方法。

在研究以下附图和详细描述时，本发明的其他装置、设备、系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员将成为或将变得显而易见。所有这些额外的系统、方法、特征和优点旨在被包含在本说明书中、在本发明的范围内，并且由所附权利要求保护。

附图说明

可以参考以下附图更好地理解本发明。附图中的组成部分不一定按照比例，而是侧重于说明本发明的原理。在附图中，贯穿不同的视图，相似的附图标记表示对应的部分。

图1A是根据一些实施例的流动池的示例的示意性截面正视图。

图1B是图1A所示的流动池的截面俯视平面图，其顶层被移除。

图2A是根据一个实施例的流动池的室的示例的示意性正视图。

图2B是根据另一实施例的流动池的室的示例的示意性正视图。

图2C是根据另一实施例的流动池的室的示例的示意性正视图。

图3A是根据一些实施例的单个表面附着结构的示例的示意性正视图。

图3B是根据一些实施例的表面附着结构的另一示例的示意性正视图。

图4是根据一个实施例的附着至衬底的表面附着结构的阵列的示例的扫描电子显微照片(SEM)。

图5是根据一个实施例的流动池的室的示例的示意图，其中室配置为从流体样本提取或分隔目标。

图6是根据另一个实施例的流动池的室的示例的示意图，其中室配置为提取或分隔目标。

图7是根据一些实施例的目标提取系统的示例的示意图。

图8是根据另一实施例的目标提取系统(或其一部分)的示例的透视图。

图9是根据实施例的流动池的示例的示意正视图，其中流动池包括并行布置的多个流动池单元。

图10是根据实施例的流动池的示例的示意正视图，其中流动池包括串联布置的多个流动池单元。

图11是根据本文所公开的实施例的包括相对于微柱阵列定位的微阵列的微流体系统的示例的透视图。

图12A和图12B分别是根据本文所公开的实施例的基于图11的微流体系统的流动池的示例的平面图和截面图。

图13A和图13B是根据本文所公开的实施例的微柱的示例的侧视图。

图14A至图14E是根据本文所公开的实施例的微柱阵列的配置的示例的平面图。

图15A和图15B是微柱的侧视图，并示出了其致动运动的示例。

图16示出了图12A和图12B所示的流动池的反应室的示例的一部分的特写截面图，并且示出了根据本文所公开的实施例的其操作。

图17A和图17B示出了根据本文所公开的实施例的图12A和图12B所示的流动池的示例，其包括微柱上的分析物捕获元件。

图18A和图18B示出了根据本文所公开的实施例的图12A和图12B所示的流动池的示例，其包括微阵列与微柱上的分析物捕获元件的组合。

图19是将微柱阵列与微阵列结合使用以快速地使目标分析物流过体相流体的方法的示例的流程图。

图20A和图20B是可以包括微柱阵列和微阵列的独立微流体系统的示例的框图。

图21是可以包括微柱阵列和微阵列的高通量筛选系统的示例的框图。

具体实施方式

定义

除非另外定义，否则本文使用的所有技术术语和科学术语具有本发明所属领域的技术人员通常理解的含义。

根据长期以来的专利法公约，在本申请中使用的术语“一”、“一个”和“该”是指“一个或多个”，包括权利要求。因此，例如，除非上下文明显相反(例如，多个对象)，否则对“主题”的引用包括多个对象，等等。

在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，否则术语“包括”、“包含”和“含有”以非排他性的含义使用。同样，术语“包括”及其语法变体意图是非限制性的，使得对列表中的项目的叙述不排除可以替换或添加到所列项目中的其他类似项目。

出于本说明书和所附权利要求的目的，除非另外指明，否则说明书和权利要求书中使用的表示量、大小、尺寸、比例、形状、配方、参数、百分比、数量、特性和其他数值的所有数字应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰，尽管术语“约”可能不明确地与值、量或范围一起出现。因此，除非有相反指示，否则在下面的说明书和所附权利要求中列出的数字参数不是且不必是精确的，而是可以根据需要近似和/或更大或更小，反映公差、转换因子、舍入、测量误差等，以及本领域技术人员已知的其他因素，这取决于本公开主题试图获得的期望性质。例如，术语“约”在涉及数值时可以意在涵盖在一些实施例中的变化，在一些实施例中为距指定量的±100％，在一些实施例中为±50％，在一些实施例中为±20％，在一些实施例中为±10％，在一些实施例中为±5％，在一些实施例中为±1％，在一些实施例中为±0.5％，且在一些实施例中为±0.1％，因为这样的变化适合于执行所公开的方法或采用所公开的组分。

此外，当与一个或多个数字或数值范围结合使用时，术语“约”应理解为指代所有这样的数字，包括范围内的所有数字，并通过扩大所述的上下数值范围的边界来修改该范围。通过端点描述的数值范围包括包含在该范围内的所有数字，例如整数，包括其分数(例如，1至5的描述包括1、2、3、4和5以及分数，例如1.5、2.25、3.75、4.1等)以及该范围内的任何范围。

如本文所用，“目标”是携载在流体(通常为液体)中的任何颗粒(或生物颗粒)，例如通过夹带、悬浮或胶体分散，其需要从流体中分隔。目标的示例包括但不限于：生物细胞；细胞内成分；微生物；病原体，例如细菌、病毒、朊病毒或真菌；致癌物质；抗原；半抗原；抗体(例如免疫球蛋白)；动物或抗人抗体(例如抗球蛋白)；毒素；药物；类固醇；维生素；生物聚合物，例如蛋白质、碳水化合物或核酸；生物化合物，例如肽；激素；过敏原；杀虫剂；化学化合物；分子；化学元素(例如微量金属)；前述任一个的片段、颗粒或部分结构；以及前述任一个的结合配偶体。在一些情况下，目标可以是流体中的稀有颗粒，并且需要分隔稀有颗粒以便浓缩稀有颗粒以用于随后的分析，或者通过从中移除稀有颗粒来净化流体，等等。

在一些实施例中，目标物是分析物——也就是说，为了测量目标的性质或属性，或检测其在液体中的存在，需要分隔目标。在其他实施例中，目标是非分析物。例如，非分析物目标可以从流体中分隔出来以从流体清除目标，或者在没有目标的情况下分析流体(或其成分)。作为另一个例子，非分析物目标可以被视为干扰物或抑制剂，或者仅对背景信号有贡献，从而期望在没有目标存在的情况下分析流体，或在没有目标存在的情况下使流体经受反应。在后一种情况下，流体或除了待分隔的目标以外的流体种类可以是感兴趣的分析物。

如本文所使用的，术语“流体样本”通常是指任何可流动物质，即可被动或主动(例如通过泵送)流过流体导管(例如管道、通道或室)的物质。流体样本可以例如是身体(人或动物)流体(例如血液、血清、血浆、其他流体)、含有生物组织或细胞的溶液、源自环境的溶液(例如地表水，或含有植物或土壤成分的溶液)、源自食物的溶液、或源自化学或制药过程(例如反应、合成、溶解等)的溶液。可知流体样本含有或疑似含有一个或多个目标，其可以根据本文所公开的方法从流体样本中分隔或提取。

如本文所使用的，术语“结合剂”或“结合配偶体”是指能够结合另一种分子的任何分子，即结合另一种结合配偶体，例如本文所述的“目标”。因此，结合剂的示例包括但不限于：生物细胞；细胞内成分；微生物；病原体，例如细菌、病毒、朊病毒或真菌；致癌物质；抗原；半抗原；抗体(例如免疫球蛋白)；动物或抗人抗体(例如抗球蛋白)；毒素；药物；类固醇；维生素；生物聚合物，例如蛋白质、碳水化合物或核酸；生物化合物，例如肽；激素；过敏原；杀虫剂；化学化合物；分子；化学元素(例如微量金属)；前述任一个的片段、颗粒或部分结构；以及前述任一个的结合配偶体。彼此为结合配偶体的分子的示例包括但不限于：抗体-抗原、抗体-半抗原、激素-激素受体、凝集素-碳水化合物、酶-酶抑制剂(或酶辅因子)、生物素-抗生物素蛋白(或链霉抗生物素蛋白)(包括生物素和抗生物素蛋白的衍生物)、配体-配体受体、蛋白质-免疫球蛋白、以及核酸-互补核酸(例如互补寡核苷酸，DNA或RNA)。取决于所实施的测定类型，结合配偶体可以是待检测的分析物，或者可以是在检测分析物的过程中以各种方式使用的中间结合配偶体。

在一些实施例中，结合剂能够通过合适的技术(例如表面官能化、涂覆等)而被表面固定化，由此粘结剂因此被设置在表面上或与表面集成。表面官能化技术的示例包括但不限于物理吸附、接枝聚合、静电相互作用、共价偶联、以及生物素-(链)抗生物素蛋白偶联。取决于所使用的结合剂的类型，在需要或不需要中间结合剂或联接剂(linker)或交联剂分子的情况下，可以将结合剂束缚或附着至表面。根据所使用的结合剂的类型，如本领域技术人员所理解的，待官能化或涂覆的表面可能需要被制备或预处理(例如硅烷化、溶剂萃取、溶剂浸渍)。在一些实施例中，表面固定化结合剂也可以被称为“受体”。

在一些实施例中，结合剂可以是“特定性结合(binding-specific)”试剂。如本文所用，特定性结合试剂是对特定类型的结合配偶体具有高亲和力且容易结合的试剂，并且其在正常测定条件下不结合任何其他类型的分子。作为示例，特定性结合试剂可以是仅会结合特定类型的抗原、抗原类似物或半抗原的抗体。取决于所实施的测定格式，特定性结合试剂可以是分析物特定性受体，即可以用作流体样本中待检测的分析物的直接结合配偶体，或者可以用于分析物或含有分析物的复合物的缀合物。替代地，特定性结合试剂可以是另一种非分析物结合配偶体的结合配偶体，且其他非分析物结合配偶体可以进而是待检测的分析物的特定性结合配偶体。

与特定类型的结合配偶体结合的特定性结合试剂的出现可以被称为“特定性结合”事件。另一方面，如本文所使用的，“非特定性结合”事件或“非特定性吸附”(NSA)事件通常是指流体样本的成分(例如，非目标或非分析物)通过除了表征特定结合事件的特定识别之外的机制结合到表面的出现。

如本文所使用的，术语“(生物)化学化合物”涵盖化学化合物和生物化合物。化学化合物可以例如是小分子或高分子量分子(例如聚合物)。生物化合物可以例如是生物聚合物。

如本文所使用的，术语“寡核苷酸”表示核苷酸的生物聚合物，其长度例如可以是10至300个或更多个核苷酸。寡核苷酸可以是合成的，或可以是酶促制成的。寡核苷酸可以含有核糖核苷酸单体(即可以是寡核糖核苷酸)和/或脱氧核糖核苷酸单体(即可以是寡脱氧核糖核苷酸)。寡核苷酸可以包括修饰的核碱基。寡核苷酸可以作为本文所公开的方法的一部分而合成或为其制备，或者可以预先合成并且作为本文所公开的方法的起始材料而提供。为了方便，寡核苷酸(oligonucleotides)在本文中也以短术语“寡核苷酸(oligos)”表示。用于组装合成子的寡核苷酸在本文中可被称为“合成子前体寡核苷酸”，以将它们与可用于或存在于方法和系统中的其他类型的寡核苷酸区分开，例如捕获阵列和接合体寡核苷酸(AO)的探针。

术语“核酸”和“多核苷酸”在本文中可互换使用以描述任何长度的聚合物，例如大于约2个碱基，大于约10个碱基，大于约100个碱基，大于约500个碱基，大于1000个碱基，高达约10,000个或更多个由核苷酸组成的碱基，例如脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸，并且可以酶促或合成制造(例如PNA，如美国专利号5,948,902和其中引用的参考文献中所描述的)，并且其可以以与两种天然存在的核酸类似的序列特定性方式与天然存在的核酸杂交，例如可以参与沃森-克里克(Watson-Crick)碱基配对相互作用。除了脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)之外，术语“核酸”和“多核苷酸”可以涵盖肽核酸(PNA)、锁核酸(LNA)和非结构化核酸(UNA)。核酸或多核苷酸可以使用本文所公开的方法和系统合成。

如本文所使用的，在从支持结构表面释放寡核苷酸的背景下的术语“释放”是指破坏或克服寡核苷酸的键或裂解位点，使得全部或部分寡核苷酸被从表面游离(或解放、放出、解离、不受约束、解除锚定等)。典型地，如对于特定实施例适用的，释放寡核苷酸需要例如通过化学裂解、酶裂解和光解技术来“裂解”寡核苷酸。

本文所公开的某些实施例需要使用“表面附着结构”。通常，表面附着结构具有两个相反的端部：固定端和自由端。取决于制造技术和采用的材料，固定端以任何合适的方式附着到衬底。固定端可以通过与衬底整体形成或与衬底邻接来“附接”，例如通过微制造工艺。替代地，固定端可以通过结合、粘合、熔合或焊接工艺来“附着”。表面附着结构具有从固定端到自由端的长度，以及位于与长度正交的平面中的截面。例如，使用笛卡尔坐标系作为参照系，并将表面附着结构的长度与z轴(可以是弯曲轴线)相关联，表面附着结构的截面位于x-y平面中。通常，表面附着结构的截面可以具有任何形状，诸如呈圆形的(例如，圆形，椭圆形等)、多边形(或棱柱形，直线形等)、具有呈圆形特征的多边形(例如，具有呈圆角的直线形)、或不规则的。x-y平面中的表面附着结构的截面的大小可以由截面的“特征尺寸”来定义，其为形状相关的。作为示例，特征尺寸可以是在圆形截面的情况下的直径，在椭圆截面的情况下的长轴，或者在多边形截面的情况下的最大长度或宽度。不规则形状的截面的特征尺寸可以被认为是不规则形状的截面最接近地近似的规则形状的截面的尺寸特征(例如，圆的直径、椭圆的长轴、多边形的长度或宽度，等等)。

本文所公开的表面附着结构相对于其固定端或与衬底的附着点是可移动的(柔性、可偏转、可弯曲等)。为了便于其可移动性，表面附着结构可以包括由弹性体(柔性)材料组成的柔性本体，并且可具有纵长的几何形状，因为表面附着结构的主要尺寸是其长度——即，长度远远大于特征尺寸。柔性本体的组成的示例包括但不限于弹性体材料，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

表面附着结构的整体形状或几何形状可以是大致圆柱形、多边形、或圆柱形和多边形特征的组合。示例包括但不限于具有圆形/椭圆形或直线截面的柱、柱、杆、棒、桨、刀片等。表面附着结构的特征尺寸可以沿其长度大致恒定，或者可以逐渐地或以阶梯方式变化。例如，表面附着结构可以是圆锥形或金字塔形，特征尺寸可以在朝向自由端或朝向固定端的方向上渐缩。作为另一示例，表面附着结构的选定部分的特征尺寸可以小于表面附着结构的其余部分的特征尺寸。例如，这可以用于增强该选定部分处的表面附着结构的挠曲。

在一些实施例中，表面附着结构具有微米(例如，从大约1μm到大约1000μm)或纳米(例如，小于大约1μm(1000nm)量级的至少一个尺寸(长度或特征尺寸)。在这样的微尺度实施例中，表面附着结构可以根据微加工的各个领域中实践的或者从中得到的技术来制造，例如现在已知或以后开发的微流体、微电子学、微机电系统(MEMS)等。

表面附着结构配置为使得表面附着结构相对于其固定端的移动可以以非接触方式来致动或感应，特别是通过施加所需强度、场线方向和频率(在静磁场或静电场情况下可为零)的磁场或电场。为了使表面附着结构可通过施加的磁场或电场移动，表面附着结构可以包括设置在表面附着结构的柔性本体上或中的合适的金属部件。为了使表面附着结构响应于磁场，金属部件可以是铁磁材料，例如铁、镍、钴或其磁性合金，一个非限制性示例是“铝镍钴合金(alnico)”(含有铝、镍和钴的铁合金)。为了使表面附着结构响应于电场，金属部件可以是呈现出良好导电性的金属，例如铜、铝、金和银，以及各种其他金属和金属合金。取决于所使用的制造技术，金属部件可以在柔性本体沿其长度的选定区域处形成为柔性本体的外表面上的层(或涂层、膜等)。该层可以是颗粒的连续层或按密集分组布置。替代地，金属部件可以形成为在其选定区域处嵌入柔性本体中的颗粒的布置。

在其他实施例中，致动力可以是热力、声波力、光学力或振动力。

本文所公开的微流体装置或系统可以由在例如微加工(例如微流体、微电子学、微机电系统(MEMS)等)的各种领域中使用的类型的材料组成。材料的组分可以是在这些领域中用作半导体、电绝缘体或电介质、真空密封、结构层或牺牲层的材料。材料因此可以由例如准金属(例如，硅或锗)、准金属合金(例如硅-锗)、诸如碳化硅的碳化物、无机氧化物或陶瓷(例如，氧化硅、氧化钛或氧化铝)、无机氮化物或氮氧化物(例如氮化硅或氮氧化硅)、各种玻璃、或各种聚合物，诸如聚碳酸酯(PC)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等组成。固体材料可以最初以例如衬底、设置在下面的衬底上的层、微流体芯片、从该材料的较大晶片单体化的裸芯等形式提供。

微流体导管(例如通道、室、端口等)可以通过制造领域中现在已知的或随后开发的任何技术形成在固体材料中，该技术适用于材料的组分和大小，以及通道的长宽比(例如，长度：直径)。作为非限制性示例，可以通过诸如聚焦离子束(FIB)蚀刻、深反应离子蚀刻(DRIE)、软光刻或微机械加工技术(诸如机械钻孔、激光钻孔或超声波铣削)的蚀刻技术来形成导管。取决于要形成的导管的长度和特征尺寸，蚀刻或微加工可以以类似于形成部分地进入或完全穿过材料厚度的、垂直或三维“通孔”(例如，“贯穿晶片”或“贯穿衬底”通孔)的方式进行。替代地，可以在衬底的表面上形成初始开放的导管或沟槽，然后将衬底结合到另一衬底以完成导管。另一衬底可以呈现平坦表面，或者作为结合过程的一部分，也可以包括与第一衬底的开放导管对准的初始开放的导管。

取决于其组分，限定导管的材料可以相对于流过导管的流体具有固有的化学惰性。替代地，作为制造过程的一部分，可以使导管(或导管的至少内表面)失活，例如通过施加合适的涂层或表面处理/官能化，以使导管对材料呈现化学惰性和/或低吸收率。此外，导管的内表面可以被处理或官能化，以赋予或增强特定应用所需或期望的性质，例如疏水性、亲水性、疏油性、亲脂性、低吸收性等。替代地或附加地，导管的外部也可以类似地被处理或官能化。用于所有这些目的的涂层和表面处理/官能化是本领域技术人员容易理解的。

在一些实施例中，形成导管的材料是光学透明的，以用于例如执行基于光学的测量、执行样品分析、检测或识别流过导管的物质、使用户能够观察流动和/或内部成分等。

将理解的是，在本文中使用诸如“通信”和“与...通信”(例如，第一部件“与第二部件通信”或“与第二部件进行通信”)等术语来指示两个或多个部件或元件之间的结构、功能、机械、电气、信号、光学、磁性、电磁、离子或流体关系。因此，一个部件被说成与第二部件通信的事实并不意图排除附加部件可能存在于第一部件和第二部件之间，和/或与第一部件和第二部件可操作地相关联或接合的可能性。

利用表面附着结构的流动池，以及相关的系统和方法

图1A是根据一些实施例的流动池100的示例的示意性截面正视图。

具体而言，图1A是流动池100沿着其长度的视图。为了描述的目的，图1A和其他附图包括笛卡尔坐标系参照系，其已被任意地取向为使得流动池100的长度在x轴的方向上，流动池100的宽度在y轴的方向上(穿过图纸)，并且流动池100的高度在z轴的方向上。

通常，流动池100包括封闭室内部的室104和多个表面附着结构108。室104包括与室内部连通的流体入口112和流体出口114，以及面向室内部并充当其边界的内表面120(即，一个或多个内表面)。内表面120可以限定室内部的大部分或所有容积。在一些实施例中，内部容积可以为微升的量级(例如，小于约1000μL)。在一些实施例中，流动池100的总体尺寸(长度、宽度、高度)可以为毫米(例如，从约1mm至约1000mm)或微米的量级。如本领域技术人员所理解的，流动池100可以通过任何合适的方式(例如通过利用联接到流体入口112和流体出口114的适当的配件)联接到流体回路。如图1A中箭头所示，流动池100可以建立从流体入口112、通过室104、到流体出口114的流体(通常为液体)的流动。

通常，不限制室104的结构配置或室104的制造方式。在图1A所示的实施例中，室104包括第一层124(或基底)、第二层126(或盖或盖子)、以及第一层124和第二层126之间的第三层128(或中间层或间隔体)。从图1A的角度来看，就第一层124在第二层126上方且第一层124和第二层126都在支撑流动池100的下层表面(例如，台面、地板，地面等)上方的意义来说，第一层124可以被认为是底层，并且第二层126可以被认为是顶层。第一层124包括面向室内部的第一内表面130，并且第二层126包括与第一内表面130相反的面向室内部的第二内表面132。第一层124(及第一内表面130)通过第三层128与第二层126(及第二内表面132)隔开，在本实施例中，第三层128限定室104的高度。同样在本实施例中，第三层128的内表面在与图1A的图纸正交的平面中限定室104的形状。图1B中最佳地示出了第三层128及室104的配置，图1B是移除了第二层126的流动池100的截面俯视平面图，因此是流动池100沿其宽度的视图。

在所示的实施例中，流体入口112和流体出口114已经任意地位于流动池100的同一侧，具体是在顶侧。在这种情况下，流体入口112和流体出口114部分地由穿过第二层126形成(例如通过激光钻孔)的钻孔(通孔)限定，该钻孔与第三层128中的对应的开口对准。将流体入口112和流体出口114定位在同一侧可有助于某些制造技术。然而，更一般地，流体入口112和流体出口114可以位于流动池100的不同侧(例如，顶部和底部，相反的端部，等等)。

表面附着结构108可大致如上所述配置。多个表面附着结构108在多个相应的附着点处附着到室104的内表面120，使得表面附着结构108从内表面120延伸到室内部中。在所示实施例中，表面附着结构108被附着到不同于流动池100的第一层124的衬底136，并且衬底136被附着到第一层124。可能有利的是，在一个工艺中在不同的衬底136上形成表面附着结构108，然后在单独的工艺中将表面附着结构108附着到内表面120(通过中间衬底136)。在附着到内表面120之后，衬底136面向室内部并充当室内部的边界，从而衬底136可以视为内表面120的一部分。因此，“附着于内表面”的表面附着结构108的描述涵盖其中使用支撑表面附着结构108的不同衬底136的实施例。替代地，表面附着结构108可以直接附着至室104的层，例如第一层124。

参照图1B，表面附着结构108可以布置成二维阵列。相邻(邻近)的表面附着结构108彼此间隔开“结构间间隔”，即两个相邻的表面附着结构108之间的距离。阵列可以以基本上均匀的方式排序，在这种情况下，结构间间隔在整个阵列中基本上是恒定的。替代地，阵列可能在一定程度上随机排列，在这种情况下，结构间间隔可以在一定范围的距离值内变化。在一些实施例中，所述多个表面附着结构108具有微米或纳米的量级的结构间间隔。在表面附着结构108的随机排列的情况下，结构间间隔可以看作是阵列的平均结构间间隔。在一些实施例中，结构间间隔对于通过大小排阻(size exclusion)或过滤对流过室104的含有目标的样本进行分离可以是有效的。

还如图1B所示，表面附着结构108可以位于由流动池100建立的流体流动路径中，例如在流体入口112和流体出口114之间的室104中。因此，流过流动池100的流体将与表面附着结构108接触。如下面进一步描述的，该配置使得表面附着结构108能够与流体或与流体的一个或多个期望的成分相互作用。可以选择表面附着结构108的大小和密度(结构间间隔)以增加与流体的期望成分接触或相互作用的可能性。在一些实施例中，与没有表面附着结构108的室104相比，表面附着结构108的数量和大小以及其结构间间隔可以例如使室104中的表面积增加约2倍(2X)或更多，或者在另一个示例中增加约两倍(2X)至约六倍(6X)多。在一些实施例中，表面附着结构108的数量密度可以在从10³至10⁶个结构/cm²的范围内。而且，如图1B所示，表面附着结构108的阵列可以基本跨越室104的整个宽度(在从图1B的视角的垂直方向上)以增加接触或相互作用的可能性。

如本公开其他地方所述，表面附着结构108可通过施加的磁场或电场而移动。因为结构108附着至下面的表面，所以它们在存在磁场或电场的情况下不会聚集，不同于响应于磁场而聚集的磁珠。

如上所述，多个表面附着结构108在多个相应的附着位点处附着到室104的内表面120。通常，表面附着结构108可以附着到内表面120的任何部分，并且一些表面附着结构108可以附着到一个部分，而其他表面附着结构108附着到不同部分。图2A、2B和2C示出了表面附着结构108的可能布置的几个示例。

具体而言，图2A是根据一个实施例的流动池的室204(沿着其长度或宽度)的示例的示意性正视图。室204的内表面包括第一(或底部)内表面230和相反的第二(或顶部)内表面232，它们均面向室内部并且彼此间隔开使得室内部位于它们之间。流动池(具体而言，在本实施例中的室204)包括如上所述的表面附着结构108的阵列。在图2A的实施例中(类似于图1A和1B的实施例)，表面附着结构108在多个相应的附着位点处附着到第一内表面230，并且因此从第一内表面230大致向上延伸并进入室内部。同样如图2A所示，表面附着结构108的长度(或当前视角中的高度)小于室内部的高度(在第一内表面230和第二内表面232之间)。因此，室内部在表面附着结构108和第二内表面232之间包括无结构区域或间隙240(即，没有表面附着结构108的三维空间)。

通常，分别含有表面附着结构108和无结构区域240的区域对从流体入口流向流体出口的流过室204的流体(和/或其成分)的预期效果可以根据应用而变化。此外，表面附着结构108和无结构区域240的相对长度(或高度)可以根据应用而变化。例如，在一些实施例中，无结构区域240的长度可以小于表面附着结构108的长度，由此大部分流动流体遇到无结构区域240。在其他实施例中，无结构区域240的长度可以大于或大约等于表面附着结构108的长度。在一些实施例中，无结构区域240的长度可以最小化以增加与流体的期望成分接触或相互作用的可能性，因为否则流体可优选地流过流动阻力较低的无结构区域240。作为一个非限制性示例，无结构区域240的长度可以是大约10μm，而在其他示例中可以是大于或小于10μm。

图2B是根据另一实施例的室204的示意性正视图。在该实施例中，表面附着结构108在多个相应的附着位点处附接到第二内表面232，并且因此从第二内表面232大致向下延伸并进入室内部。无结构区域240因此在表面附着结构108的下方而不是上方。

图2C是根据另一实施例的室204的示意性正视图。在该实施例中，流动池包括在多个相应的附着位点处附着到第一内表面230的第一表面附着结构108A的阵列，以及在多个相应的附着位点处附着到第二内表面233的第二表面附着结构108B的阵列。因此，无结构区域240位于第一内表面230和第二内表面232之间。

通常，表面附着结构108在室204中的定位可以取决于应用。例如，在给定的应用中，对流体的一个或多个成分的、与重力和/或密度相关效应可以决定是否将表面附着结构108设置在第一内表面230上(图2A)、第二内表面上表面232上(图2B)、或者在内表面230和232二者上(图2C)。作为另一示例，当设置在表面附着结构108的下方时(图2B)，无结构区域240可以充当沉积物或沉淀物的收集区域。作为另一示例，在给定的应用中可能期望提供具有不同配置的两组或更多组表面附着结构108。例如，在图2C所示的实施例中，第一表面附着结构108A可以不同于第二表面附着结构108B。作为不同配置的示例，第一表面附着结构108A可以具有与第二表面附着结构108B不同的结构间间隔，例如以实现对流过室204的流体的两种不同的大小排阻或过滤效果。作为不同配置的另一个示例，第一表面附着结构108A可以包括结合剂(下面描述)，而第二表面附着结构108B不包括(或反之亦然)。替代地，第一表面附着结构108A可以包括特定用于捕获流体样本中的一种类型的目标的结合剂，而第二表面附着结构108B包括特定用于捕获同一流体样本中的不同类型的目标的结合剂。

在迄今所描述的实施例中，表面附着结构108位于室的顶部或底部内表面上。然而，附加地或替代地，表面附着结构108可以位于室的横向取向(侧向取向)内表面上，使得表面附着结构108在大致平行于室的顶部或底部内表面的方向上延伸。

图3A是根据一些实施例的单个表面附着结构108的示例的示意性正视图。如上所述，表面附着结构108包括固定端342和相反的自由端344，固定端342在附着位点处附着到下面的表面320。如上所述，表面320可以是流动池(或其室)的内表面，或者可以是可附着到另一表面的衬底，所述另一表面诸如流动池的表面。表面附着结构108具有从固定端342到自由端344的长度L。表面附着结构108还具有特征尺寸D，其限定位于与长度L的轴线正交的平面中的表面附着结构108的截面的大小。表面附着结构108具有柔性本体346。例如，表面附着结构108的主要部分可以由柔性材料构成。因此，除了在固定端342处以外，表面附着结构108可在大致任何方向上通过空间移动。因此，表面附着结构108可以表征为可相对于其附着位点或固定端342移动。

图3A通过在三个不同位置A、B和C处示出表面附着结构108，示意性地示出了表面附着结构108的移动的示例。位置A对应于表面附着结构108的直立位置。在直立位置，表面附着结构108可以延伸到等于长度L的表面320上方的最大高度。在本示例中，直立位置对应于表面附着结构108处于未偏转状态的标称位置。然而，在其他实施例中，表面附着结构108可以被制造成使得其标称地或固有地弯曲到一定程度，同时处于其未偏转状态，即在没有施加偏转力的情况下。响应于适当取向的偏转力，表面附着结构108可以移动到相对于位置A的各种其他位置，例如到位置B和/或到位置C。在位置B，表面附着结构108已经大致围绕穿过图纸的轴线顺时针旋转。在位置C，表面附着结构108已经大致围绕相同的轴线逆时针旋转。应该理解，位置B和C只是表面附着结构108可达到的偏转位置的一些示例。通常，表面附着结构108可以相对于其附着位点或固定端342围绕任何轴线旋转。此外，通常对表面附着结构108的移动范围没有限制。在一个示例中，移动范围可以由自由端344相对于旋转轴线的角度位置来限定。例如，位置B和C可以分别对应于图纸的平面中的+/-45度的旋转。根据表面附着结构108的组分、长度和特征尺寸(或长宽比，即长度与特征尺寸的比率，或L：D)，其在给定平面中的最大移动范围可以大于或小于45度。

如上所述，表面附着结构108包括设置在柔性本体346之上或之中的金属部件348，其使得表面附着结构108的移动能够通过施加磁场或电场而被致动或诱导。在所示实施例中，金属部件348以设置在柔性本体346的选定区域上的连续层的形式提供。如图所示，金属部件348所在的区域可以位于自由端344处或附近，并因此与固定端342相距可观的距离。该配置可以增强表面附着结构108对施加的磁场或电场的响应性。

通常，当施加磁场或电场时，表面附着结构108经受扭矩，该扭矩使表面附着结构108的主轴线与磁场或电场对准。磁场或电场的操作参数可根据需要设定、改变或调整，来以期望的方式控制表面附着结构108的移动。作为例子，磁场或电场的强度可以确定表面附着结构108从其标称、未偏转状态偏转的程度。可以调整磁场或电场的强度，以将表面附着结构108从例如位置B移动到位置A和表面320之间的某个其他位置。磁场或电场的空间取向(例如由场线表示)或极性可以确定表面附着结构108被偏转的方向，例如到位置B或位置C。磁场或电场的接通/断开(ON/OFF)状态可以控制表面附着结构108是否偏转。例如，磁场或电场可以被施加一次以将表面附着结构108移动到位置B，并且保持在ON状态一段时间，以在该时间段内将表面附着结构108保持在位置B处。然后可以移除磁场或电场以释放表面附着结构108，由此表面附着结构108由于其弹性而返回到其未偏转状态。磁场或电场可以在ON和OFF状态之间，或者在高强度状态和低强度状态之间循环，以便以期望的频率，例如在位置A和位置B之间振荡表面附着结构108的位置。磁场或电场的取向或极性可以循环，以使得正向或主动地施加偏转力的方向交替，例如使表面附着结构108在位置B和位置C之间振荡。在一些实施例中，可以旋转磁场或电场以改变表面附着结构108围绕其旋转的轴线，或者使表面附着结构108相对于其附着位点或固定端342旋转，例如围绕位置A的轴线或其他未偏转位置旋转。

在一些实施例中，对于给定的流体和流体流速，表面附着结构108可以足够柔性以在没有磁场或电场的帮助下响应于流体流动而偏转——也就是说，表面附着结构108的移动可以由流体本身致动。在这样的实施例中，可以施加磁场或电场以将表面附着结构108保持在期望的位置(例如，位置A、B或C)，抵抗由流动流体施加的力，持续期望的时间段。磁场或电场的强度可根据需要而变化，以允许表面附着结构108移动到不同的位置或使表面附着结构108振荡。

图3B是根据一些实施例的表面附着结构108的另一示例的示意性正视图。表面附着结构108包括设置在表面附着结构108的外表面(例如，柔性本体346的外表面)上或与其集成的结合剂352。通常，对结合剂352设置在表面附着结构108的外表面上或与之集成的方式没有限制。作为示例，结合剂352可以通过合适的官能化技术被表面固定化，施加为涂层等。结合剂352可以配置用于结合存在于与结合剂352接触的流体中的目标，例如通过使流体样本流过流体池的内部，如本文所述。结合剂352可以对感兴趣的目标具有特定性亲和力。例如，示意性地示出流体样本的三个不同成分，目标354和两个不同的“非目标”356和358。目标354容易与结合剂352结合，而非目标356和358则不能。因此，根据这样的实施例的表面附着结构108使得能够从流体中提取或分隔目标354，具体是通过在目标354与结合剂352接触或紧密接近时结合或捕获目标354。如上所述，在流动池中提供这样的表面附着结构108的阵列可以提高结合效率(或捕获产率)以及以这种方式处理大量流体的能力。通常，结合剂352可以是之前在本公开中提到的任何结合剂。作为一个非限制性实例，结合剂352可以是抗生物素蛋白或抗生蛋白链菌素，其能够与期望捕获的任何生物素官能化分子缀合。

在一些实施例中，结合剂352可以设置在流动池的室的一个或多个内表面上或之集成，其可以是其中提供表面附着结构108的相同室(例如，图1A和1B中所示的内表面120)。在一些实施例中，结合剂352可以设置在表面附着结构108(如图3B所示)和室的(多个)内表面上或与之集成。

在一些实施例中，结合剂352可以是结合剂的序列。作为一个非限制性例子，表面附着结构108可以按以下顺序官能化：抗生物素蛋白-生物素-DNA寡聚-抗生物素蛋白-生物素-抗体。在这种情况下，例如目标细胞可以被抗体捕获。此后，目标细胞可通过例如有效消化寡核苷酸的释放剂而释放。

在一些实施例中，表面附着结构108的外表面，或流动池的相关室的内表面，或外表面和内表面两者都被化学平定(chemically pacified)，以抑制非特定性结合或非特定性吸附(NSA))和/或凝块的接触激活。例如，这样的表面可以用表面活性剂(例如Tween或Triton表面活性剂)、正十二烷基-D-麦芽糖苷(n-Dodecyl-D-maltoside，DDM)等来平定。

虽然图3B的示意图可能暗示使用直接结合测定技术，但应理解，图3B示出了可用于从流体样本中捕获目标的测定技术的一个示例。如本领域技术人员所理解的，可以使用其他技术，例如竞争性测定、抑制测定、夹心测定等。

图4是根据一个实施例的附着至衬底的表面附着结构的阵列的示例的扫描电子显微照片(SEM)。每个表面附着结构的柔性本体的外表面是深色的，金属部件的外表面是较浅的阴影。在该示例中，表面附着结构按照Judith等人的Micro-elastometry on wholeblood clots using actuated surface-attached posts(ASAPs)，Lab Chip，RoyalSociety of Chemistry(2015)，DOI：10.1039/c4lc01478b中所述的来制造，其全部内容通过引用并入本文。表面附着结构各自被制成为核-壳结构，其中镍壳(金属部件)封装聚二甲基硅氧烷(PDMS)核(柔性本体)的上部区域。采用聚碳酸酯径迹蚀刻膜(track-etchedmembrane)作为核-壳结构的模具。首先，通过用200nm厚的金层(其充当镍的电极位置的阴极)将径迹蚀刻膜的一侧涂覆到径迹蚀刻膜的孔中来形成镍壳。电极位置在具有全硫酸盐电镀浴的电解池中进行。完成后，用去离子水冲洗含镍迹线蚀刻膜并干燥。通过用PDMS以10：1碱基与交联剂比例填充膜来制备结构的核。在固化PDMS之前，将22x22毫米的玻璃盖玻片压入未固化的PDMS中，来为阵列提供刚性衬底。在固化PDMS之后，使用镍兼容的金蚀刻剂移除金层，并且通过使用二氯甲烷溶解径迹蚀刻膜来释放表面附着结构。然后将释放的表面附着结构储存在乙醇中，直到用临界点干燥器将它们干燥。PDMS柱具有约1兆帕(MPa)的弹性模量，并且能够响应于软铁电磁体产生的磁场而弯曲。

与上文所述且图1A和1B所示的流动池100相似，图4中所示的表面附着结构的阵列并入到流动池中。在该实例中，并且参考图1A和图1B，盖玻片对应于第一层

(双轴取向聚对苯二甲酸乙二醇酯或BoPET)，盖子对应于第二层126，双面粘合剂间隔体对应于第三层128，并且在制造表面附着结构108期间形成的PDMS的下层对应于衬底136。表面附着结构108的长度(或高度)约为23μm，表面附着结构108上方的室内部的高度约为200μm。

应该理解，上面结合图4描述的用于制造表面附着结构的方法和相关的流动池仅仅是一个示例。制造表面附着结构的其他示例在美国专利8,586,368中公开，其全部内容通过引入并入本文。更一般地，可以使用产生具有如本文所公开的结构、几何形状、性质和功能的表面附着结构的任何制造方法。

根据本公开的一个方面，可以利用本文所述的具有表面附着结构的流动池来执行从样本中提取目标的方法。在一些实施例中，该方法可以包括使含有目标的样本流过流动池并且与设置在流动池中的表面附着结构接触。在使样本流动时，流动池将样本的目标与样本的剩余部分分隔。流动池可以配置为实现各种类型的分隔机制。如本文所述，一种分隔模式需要将目标结合到设置在流动池中的结合剂。

图5是根据一个实施例的流动池的室504的示例的示意图，其中室504配置为从流体样本提取或分隔目标554。图5是室504的纵向视图，使得流体大致从左侧的流体入口流动到右侧的流体出口。流体流动由左侧和右侧的不同高度处的弯曲箭头示意性地绘示。除了感兴趣的目标554之外，流体样本可以包括任何数量的其他成分。在该实施例中，如上所述，表面附着结构108、室504的内表面或两者包括对目标554具有特定性的结合剂。当流体样本流过室504并与表面附着结构108(和/或内表面)接触时，目标554(或至少是目标554的重要部分)被表面附着结构108(如图所示)和/或由内表面捕获，这取决于结合剂的(多个)位置。结果，如图所示，从流体样本中移除捕获的(结合的)目标554。

随后，可以从结合剂释放捕获的(结合的)目标554，从而允许释放的目标554从室504流出，例如通过由在流体样本后面流动到室504中的不同流体承载。通常，可以利用有效克服目标554和结合剂之间的键合或亲和力的任何释放机制，并且可以取决于给定应用中涉及的目标554和结合剂的类型。在一些实施例中，作为(或含有)释放剂的流体可以在流体样本后面流动并且与结合的目标554接触。这种释放剂的实例包括但不限于化学裂解剂、pH细胞裂解剂、酶促液化剂和溶剂。在其他实施例中，可以通过在有效引起光解的条件下(例如波长，强度等)用光子照射结合的目标554来执行光解。在其他实施例中，释放方式可能需要以对于解放(unbind)结合的目标有效的幅度向结合的目标554施加剪切力。作为剪切的一个示例，剪切液体可以在流体样本后面以一流速流过流动池，该流速对于通过剪切来释放结合的目标554有效。剪切液体可以是水或另一种常用溶剂，在一些实施例中，其可以以显著高于上述流体样本的流速的流速来流动。替代地，液体可以在给定的流速具有足够高的粘度以增强赋予结合的目标554的剪切作用。作为剪切的另一个示例，磁场或电场可以施加到流动池，从而以对于通过剪切释放结合的目标554有效的速度来致动表面附着结构的移动(如上面结合图3B所述)。其他实施例可以利用前述释放机制中的两个或更多个的组合。

在一些实施例中，可以采取其他措施来增强释放功能。一个示例是电穿孔(electroporation)，其可以通过跨室内部施加具有适当量值/幅度的DC或AC电压来实现。

从流体样本中提取或分隔目标554可用于各种应用。在一些实施例中，目标554是具有期望进行测量的性质或属性的分析物，或者需要检测其在流体样本中的存在。由于室504提供的分隔方式可以对于浓缩稀有分析物是有效的，所以室504可用于从具有宽范围体积的流体样本中捕获稀有分析物。在室504中分隔分析物(目标554)之后，分隔的分析物可被释放并从室504洗脱至任何期望的目的地。例如，分析物可以流入收集容器或其他类型的收集站点。容器然后可以与系统脱离，以使分析物能够传输到离线分析仪器、存储站点或其他目的地。在其他实施例中，容器可以是位于室504下游的在线分析仪器或其他类型的样品处理装置的一部分。

在其他实施例中，目标554可以是流体样本的不想要的成分。例如，目标554可以是毒素、病原体、致癌物等，或者可能干扰或抑制对流体样本进行的后续分析、检测或反应，或者可能导致从流体样本产生的测量信号的背景噪声，等等。因此，室504可用于移除目标554以进行样本纯化或净化，其可以类似于利用常规吸附剂和固定相的技术，例如固相萃取(SPE)、制备色谱法等等。在从流体样本中分隔出目标554之后，如上所述，经纯化/净化的流体样本可以流入或运输到任何期望的目的地，例如收集容器、分析仪器、其他类型的样本处理装置等。在一些实施例中，在流体样本流过室504的规定的时间段过去之后，室504的流体出口下游的流体管线可以切换到通往用于纯化/净化流体样本的收集站点的路径。对于给定的应用，该时间段可以凭经验确定，或者通过分析流体样本中剩余目标554的存在或浓度来确定。后者可以以一个或多个间隔执行，或者与室504相关联的系统可以配置在流体样本从室504洗脱时在线(间歇地或连续地)监测流体样本。在移除目标554(或将其浓度降低至期望水平)之后，可以将分隔的目标554释放并经由如本文所述的释放机构从室504洗脱，并转移至废弃处或另一所需目的地。

在一些实施例中，当流体样本流过室504时，可以将磁场或电场施加到流动池，从而以振荡或往复方式致动表面附着结构108的移动，以增加表面附着结构108的时间平均截面。该振荡或往复运动可增加发生所需结合事件的可能性。

在其他实施例中，本文所描述的流动池可以配置为实现其他类型的分隔机制，作为基于结合或亲和性的机制的替代或附加。

图6是根据另一个实施例的流动池的室604的示例的示意图，其中室604配置为提取或分隔目标654。类似于图5，图6是室604的纵向视图，使得流体大致从左侧的流体入口流动到右侧的流体出口。流体流动由左侧和右侧的不同高度处的弯曲箭头示意性地绘示。除了感兴趣的目标之外，流体样本可以包括任何数量的其他成分。作为例子，图6示意性地示出了两种不同的成分：第一成分654和第二成分656。取决于实施例，成分654和656中的一个或两个可以是目标或感兴趣的分析物。在所示的实施例中，表面附着结构108被附着到室的顶部内表面，使得无结构区域640在表面附着结构108的下方，这可以有便于下面描述的某些应用。在其他实施例中，表面附着结构108可以附着到底部内表面或附着到顶部和底部内表面两者，如本文所述。

在一个实施例中，室604配置为通过实施过滤或大小排阻技术将第一成分654从流体样本中分开，该技术可以类似于大小排阻色谱法(SEC)但不使用多孔珠粒。在这种情况下，第一成分654可以被认为是目标或分析物。表面附着结构108的阵列的结构间间隔设定为使得当流体样本流过室604时，第一成分654不能通过表面附着结构108的阵列，即不能在相邻的表面附着结构108之间通过。相反，如图所示，第一成分654被迫流过表面附着结构108下方的无结构区域640，而例如第二成分656的其他成分足够小以流过表面附着结构108的阵列。因为第一成分654与第二成分656相比行进经过较短的路径长度和/或流体体积，所以第一成分654和第二成分656在时间和空间上分离。因此，第一成分654的大部分首先从室604中洗脱，即在第二成分656从室604洗脱之前，如图6中的流体出口处所示意性地绘示的。以这种方式，第一成分654与第二成分656(以及流体样本的可能的一种或多种其他成分)以类似于色谱带或峰的方式分离。

因为第一成分654分开地从室604中洗脱，所以它们可以分开地收集。流体出口下游的流体系统(Fluidics)可配置为将第一成分654路由到期望的容器，然后在完成对第一成分654的收集后，将流体流动切换到另一容器以接收流体样本的剩余部分。正如本领域技术人员所理解的，这种流体装置和室604的相应操作可以以多种方式进行协调。例如，诸如阀的流量切换装置的操作可以与室604的操作同步。充分分隔第一成分654所需要的、流体流过室604的持续时间可以根据经验确定，或者通过使用适当的检测器来确定，等等。

在另一个实施例中，室604配置为通过本文称为密度分离的技术将第一成分654从流体样本分离。在这种情况下，与流体样本的其他成分相比，第一成分654是密度更大的颗粒。选择室604的流速和长度，使得当流体样本流过室604时，较高密度的第一成分654倾向于朝向底部内表面沉降或扩散，使得室604的全部或大部分的第一成分654流过无结构区域640。为了实现这种效果，与本文所公开的其他方法相比，流速可以相对较低。通常，室604的长度越短，为了有效地实现密度分离效果，流速应该越低。

在一些实施例中，分隔的机制可以是过滤/大小排阻和密度分离的组合。

上面结合图6描述的分隔技术可以用于将大颗粒的第一成分654相对于流体样本的其他成分分离。例如，流体样本可以是全血，第一成分654可以是完整的红细胞(红血球)。作为更一般的示例，流体样本可以是其中第一成分654是分散相的胶体，或者是其中第一成分654是悬浮固体的悬浮液。

在一些实施例中，室604还可以包括设置在表面附着结构108、室604的内表面或两者上，或者与之集成的结合剂，如本公开中的其他地方所述的。结合剂可以对第一成分654以外的成分具有特定性亲和力，例如图示的第二成分656。结合的附加形式可用于增强第一成分654的分隔，提供多目标分隔，或发现有用的任何其他目的。

在一些实施例中，第一成分654可以是不需要的成分，在这种情况下，为了样品纯化或净化的目的，可以完成第一成分654的分隔。

在另一个实施例中，本文所述的流动池可以配置为通过在表面附着结构108的阵列中俘获目标来分隔目标。可以通过防止目标在相邻的表面附着结构108之间通过来俘获目标。这可以通过在表面附着结构108之间设定适当的结构间间隔来实现。如本文所述，结构间间隔可以通过将磁场或电场施加到流动池以调节表面附着结构108的移动来进行调节。在将目标俘获达期望的一段时间之后，可以通过将磁场或电场施加到流动池以致动表面附着结构108的移动来释放目标，具体来说，以将结构间间隔增加得足够大，使得先前俘获的目标能够穿过表面附着结构108并从流动池洗脱。

在各种实施例中，可以将磁场或电场施加到流动池以致动表面附着结构108的移动。可以移动表面附着结构108以实现各种效果。除了本公开中的其他地方所描述的那些之外，通过移动表面附着结构108实现的效果的示例包括但不限于调整或改变表面附着结构108之间的结构间间隔，防止或破坏表面附着结构108之间的样本材料的堵塞，和/或防止或破坏表面附着结构108上的样本材料的非特定性结合。通过移动表面附着结构108所实现的效果可以通过改变一个或多个参数(例如流速、表面间间隔(表面附着结构108的密度)以及频率振荡/往复)来优化。

图7是根据一些实施例的目标提取系统700的示例的示意图。目标提取系统700可以包括根据本文所公开的任何实施例的流动池100以及驱动器760，驱动器760配置为将磁场或电场施加到流动池100的内部，以致动表面附着结构108的移动，如本文所述。在一些实施例中，目标提取系统700还可以包括配置为可移除地接收流动池100的壳体762。在这种情况下，流动池100可以配置为药筒(cartridge)并且壳体762可以配置为(或者可以包括)药筒支撑件或容器。通过该配置，流动池100在使用之后可以被替换为新的或清洁的或消毒的流动池，或者替换为不同配置的流动池。

通常，用于产生和控制磁场和电场的装置和方法对于本领域技术人员来说是已知的，并且因此这里将仅在需要时简要描述驱动器760以便于理解目前公开的主题。驱动器760的具体结构取决于它是施加磁场还是电场。通常，驱动器760包括场发生器764。场发生器764可以安装到合适的场发生器支撑件766。场发生器支撑件766可以将场发生器764保持在相对于流动池100的位置处，在该位置场，场发生器764能够将具有期望强度和取向的磁场或电场施加到表面附着结构108。在施加磁场的实施例中，场发生器764可以包括具有合适尺寸和形状的一个或多个磁体。磁体可以是永磁体、电磁体、或两种类型的组合。在施加电场的实施例中，场发生器764可以包括具有合适尺寸和形状的一个或多个电极。当场发生器764仅包括单个磁体或电极时，可以主要在该磁体或电极与表面附着结构108的金属部件之间建立磁场或电场。根据需要，场发生器764可以包括额外的磁体或电极，以产生相对于表面附着结构108具有期望的空间取向的磁场或电场。

在提供电磁体或电极的实施例中，驱动器760还包括与电磁体或电极电连通的电源768。电源768可以配置为向电磁体或电极提供可变的电力。在各种实施例中，驱动器760可以配置改变磁场或电场的参数，诸如磁场或电场强度、磁场或电场方向(取向)、和/或磁场或电场在ON和OFF状态或高强度和低强度状态之间循环的频率。

在一些实施例中，驱动器760的全部或部分(例如场发生器764)和任何相关联的场发生器支撑件766可以相对于流动池100(以及壳体762，如果提供的话)可移动。通过这种配置，场发生器764的位置可以被调整，以调整施加的磁场或电场的取向。可选地或附加地，场发生器764(特别是在永磁体的情况下)可以在不同位置之间振荡或往复运动，以引起表面附着结构108振荡或往复运动，如上面结合图3A所述。例如，场发生器764可以围绕流动池100的纵向轴线旋转。在其他实施例中，可以以不同的幅度向不同的电磁体或电极提供功率，以调节和/或振荡磁场或电场的取向。

在一些实施例中，驱动器760可以包括与场发生器764的磁体或电极联接(例如，机械地)的致动器，以致动磁体或电极的移动。如本领域技术人员所理解的，致动器可以包括用于向移动提供动力的电动机770，以及联接在电动机770和磁体或电极之间的适当的联动装置(例如，轴)。致动器可以移动磁体或电极，以例如通过围绕流动池100的纵向轴线的旋转来调整或振荡它们的位置。在永磁体的情况下，致动器可以将永磁体朝向或远离流动池100(以及壳体762，如果提供的话)平移，以调整施加到表面附着结构108的磁场强度。

当联接到目标提取系统700中时，流动池100可以根据本文所公开的任何方法操作或使用以处理样本流体。当流体样本流过流动池100时，驱动器760可根据本文所公开的任何方法致动表面附着结构108的移动。

在一些实施例中，目标提取系统700可以包括流体供给源772，其配置为使得流体流动到流动池100的流体入口。流体供给源772可以包括与相应的流体管线(例如管道)连通的一个或多个不同的流体供给源。例如，流体供给源772可以包括配置使含有目标的样本流向流体入口的样本源774。流体供给源772还可以包括一个或多个处理流体源776和778，其配置为使其他流体流向流体入口。处理流体源776和778可以例如包括：释放剂或剪切流体的源，其有效释放与流动池100内部的表面结合(或以其他方式捕获或俘获在流动池100中)的目标，如本文其他地方所述，和/或清洗剂的源，其有效用于冲洗/清洗流动池100，以清除来自流动池100的先前操作的流动池100的残留成分，并准备流动池100用于下一个操作。

在一些实施例中，目标提取系统700可以包括流体容器782，其配置为从流动池100的流体输出接收经处理的流体。流体容器782可以包括与相应的流体管线(例如管道)连通的一个或多个不同的流体容器。例如，流体容器782可以包括一个或多个流体容器784，其配置为收集承载由流动池10分隔的相应目标的一种或多种流体。在一些实施例中，(多个)流体容器784可以是如本文所述的分析仪器或其他类型的样品处理装置的一部分或与之通信。流体容器782还可以包括一个或多个流体容器786，以接收不同于承载目标的流体的一种或多种不同类型的经处理的流体。例如，流体容器786中的一个或多个可配置为接收纯化或净化的流体样本。作为其他示例，流体容器786中的一个或多个可以通常用作用于接收废弃工艺流体(例如释放剂、剪切流体和/或清洗剂)的废物容器。作为另一个示例，流体容器786中的一个或多个可以用作流经目标提取系统700以用于预操作目的的流体的目的地，例如用于清除流体管线的气泡，灌注流体管线等。

图7示意性地描绘了联接到通往流动池100的流体入口的公共流体输入管线的不同流体输入管线，以及从离开流动池100的流体出口的公共流体输出管线分支出的不同流体输出管线。应该理解的是，这样的布置仅仅是可以由目标提取系统700提供的流体回路的许多可能配置的一个示例。另外，应该理解的是，在实践中，可以根据需要包含其他流体部件和装置以实现不同的应用，例如阀(比例阀、多端口阀等)、流量调节器、压力调节器、温度调节器、流动路径开关/选择器、流量限制器、采样回路等，这些都是本领域技术人员所理解的。此外，取决于实施例，流过流动池100的流体流动可以是主动的(例如，通过采用流动池100上游或下游的泵，用于主动产生压差的其他装置等)或被动的(例如，毛细管作用、芯吸、重力辅助、电动力学等)。在一些实施例中，与流体供给源772相关的储存器或容器可以是注射器(注射泵)的一体部分。

在一些实施例中，目标提取系统700可以包括光子源或光源790以及相关联的光学器件，以产生光子并将光子引导至表面附着结构108来执行如上所述的光解。在这种情况下，流动池100的暴露于流动池100的内部的至少一部分的壁的全部或部分可以对光子的(多个)波长是光学透明的。光子源790可以例如设置在壳体762中。光子源的示例包括但不限于宽带光源(例如，闪光灯)、发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和激光器，如果需要，其中的任何一个可以被波长滤波。在一些实施例中，目标提取系统700可以包括任何适当类型的加热装置(未示出)，其配置为控制流动池100中的流体温度。例如，加热装置可以设置在靠近流动池100的壳体762中。在一些实施例中，光子源790或其他光子源可用于流经流动池100的流体的红外(IR)加热。

当联接到目标提取系统700中时，流动池100可以根据本文所公开的任何方法操作或使用以处理样本流体。当流体样本流过流动池100时，驱动器760可根据本文所公开的任何方法致动表面附着结构108的移动。流体供给源772和容器782可根据需要用于根据本文公开的任何方法供应和接收流体。

图8是根据另一实施例的目标提取系统800(或其一部分)的示例的透视图。目标提取系统800可以包括设置在轴线上的定子802和可以围绕轴线旋转的转子806。定子802可以包括壳体862，流动池(未示出)可以可移除地安装在壳体862中，以用于本文所述的目标提取系统800中的操作。如本文所述，转子806可以用作驱动器的致动器。转子806可以包括配置为支撑一个或多个磁体的场发生器支撑件866。例如，场发生器支撑件866可以包括一个或多个凹陷810，相应的磁体可以在安装其中。在其他实施例中，场发生器支撑件866可以配置为支撑一个或多个电极。如本文所述，转子806还可以包括轴支承件816，其配置为支撑电动机(未示出)的轴。在所示的实施例中，轴支撑件816包括接收方形电动机轴的方形孔818。轴支撑件816可以机械地联接到场发生器支撑件866，使得轴支撑件816和场发生器支撑件866围绕壳体862(及设置在其中的流动池)的轴线一起旋转。电动机的位置可以通过合适的安装布置(未示出)固定在空间中。因此，转子806(包括轴支撑件816和场发生器支撑件866)可以由电动机通过其固定安装布置以及由电动机轴提供的电动机与转子806之间的互连支撑在空间中。定子802可独立于电动机和转子806而被支撑，使得转子806的运动独立于定子802和定子802的安装布置(未示出)。在一些实施例中，如本文所述，电动机可以提供用于致动(多个)磁体的振荡旋转的动力。也就是说，电动机产生的旋转动力经电动机轴、轴支承件816和场发生器支撑件866传递到(多个)磁体。

通常，定子802和转子806可以通过任何合适的技术制造。在一些实施例中，定子802和转子806可以由本领域技术人员所理解的三维(3D)打印技术制造。在一些实施例中，定子802和转子806可以并入到上述目标提取系统700中，并在图7中示出。

在一些实施例中，本文所述的流动池实际上可以被划分成多个流动池单元，每个流动池单元包括本文所述的室和多个表面附着结构。流动池单元可以并行或串联布置。图9和图10示出了流动池单元的布置的示例。

具体而言，图9是根据实施例的流动池900的示例的示意正视图，其中流动池900包括并行堆叠的多个流动池单元950A、950B和950C。图9是流动池900的纵向视图，使得流体大致从左侧流向右侧。例如，图9示出了三个流动池单元950A、950B和950C，并且可理解的是，可以提供多于或少于三个流动池单元950A、950B和950C。每个流动池单元950A、950B和950C包括流体入口912A、912B和912C，流体出口914A、914B和914C，流体入口912A、912B和912C与流体出口914A、914B和914C之间的室904A、904B和904C，以及附着到室904A、904B和904C的内表面的多个表面附着结构108A、108B和108C。因此，流动池单元950A、950B和950C建立穿过流动池900的单独的平行流体流动路径，由此同时流过不同流动路径的流体分别遇到表面附着结构108A、108B和108C的单独组。

在一些实施例中，表面附着结构108A、108B和108C的组具有相同的配置，例如相同的结构间间隔，相同的结合剂(如果有的话)，等等。在这种情况下，多单元流动池900可以有利于增加流动池900的容积量而不影响与单个流动池单元950A、950B和950C相关的任何设计考虑或约束。也就是说，每个流动池单元950A、950B和950C可以以不需要考虑流动池900所需的总容积量的最优方式来配置。可以通过在并行堆叠体中提供足够数量的流动池单元来满足流动池900的任何容量要求。此外，提供额外的室904A、904B和904C可以使给定体积的流体所暴露到的表面积加倍。对于在室904A、904B和904C的内表面处(例如，在室904A、904B和904C的表面附着结构108A，108B和108C处和/或在内表面处)提供结合剂的实施例，该配置可以增强流动池900的结合/捕获功能的有效性。

在其他实施例中，表面附着结构108A、108B和108C中的至少一组可以配置为与其他组不同。例如，至少一组可以有不同的结构间间隔，或不同的结合剂等。作为另一示例，至少一组可以有结合剂，而其他组不具有，或者至少一组可以不具有结合剂，而其他组具有结合剂。作为另一个示例，至少一个室904A、904B和904C可以包括表面附着结构，而其他室904A、904B和904C不包括，或者至少一个室904A、904B和904C可以不包括表面附着结构，而其他室904A、904B和904C包括表面附着结构。不包括表面附着结构的(多个)室904A、904B和904C可以在内表面处包括或不包括结合剂。提供不同配置的流动池单元950A、950B和950C的实施例可用于将多于一种类型的目标与流体样本分隔。

在一些实施例中，流动池单元950A、950B和950C中的一个可以是参考流动池单元，其是用于生成用于校准或用于其他目的的参考信号的流动路径的一部分。参考流动池单元的配置可以与或可以不与其他流动池单元的配置相同。参考流动池单元可以与分开的流体源、分开的流体容器、或与分开的流体源和分开的流体容器两者连通。

在一些实施例中，单独的流动池单元950A、950B和950C中的一个或多个可以与分开的流体源和/或分开的流体容器连通。在一些实施例中，单独的流动池单元950A、950B和950C中的两个或多个可以与公共的流体源和/或公共的流体容器连通。如图9所示，在一些实施例中，单独的流动池单元950A、950B和950C中的全部可以与公共的流体源和/或公共的流体容器连通。在这样的实施例中，流动池900可以包括公共流体输入端口934和/或公共流体输出端口938。流动池900还可以包括输入歧管994或流体输入端口934与流体入口912A、912B和912C之间的其他类型的过渡，和/或输出歧管998或流体输出端口938与流体出口914A、914B和914C之间的其他类型的过渡。

图10是根据实施例的流动池1000的示例的示意正视图，其中流动池1000包括串联布置的多个流动池单元1050A、1050B和1050C。图10是流动池1000的纵向视图，使得流体大致从左侧流向右侧。例如，图10示出了流动池单元1050A、1050B和1050C，并且可理解的是，可以提供多于或少于三个流动池单元1050A、1050B和1050C。每个流动池单元1050A、1050B和1050C包括流体入口1012A、1012B和1012C，流体出口1014A、1014B和1014C，流体入口1012A、1012B和1012C与流体出口1014A、1014B和1014C之间的室1004A、1004B和1004C，以及附着到室1004A、1004B和1004C的内表面的多个表面附着结构1008A、1008B和1008C。在所示的串联布置中，每个流动池单元1050A、1050B和1050C的流体入口或流体出口与至少一个其他流动池单元1050A、1050B和1050C的流体入口或流体出口连通。

通常，串联布置的多单元流动池1000可以提供与上述并行布置的流动池900相同的优点或功能中的一个或多个。与在平行布置的流动池900的情况下一样，串联布置的流动池1000的室1004A、1004B和1004C以及对应的表面附着结构108A、108B和108C可以配置为彼此相同或不同。

如图10所示，流动池单元1050A、1050B和1050C中的一个或多个可以包括附加(或辅助)流体入口(例如，流体入口1012D和1012E)和/或附加(或辅助)流体出口(例如，流体出口1014D和1014E)。附加的流体入口和流体出口可用于各种目的。例如，附加的流体入口和流体出口可以使得流动通过流动池1000的流体能够旁路一个或多个选定的流动池单元1050A、1050B和1050C，从而将模块性赋予流动池1000并且便于定制以用于所需应用。选定的流动池单元的旁路可以是暂时的，例如以使得能够在恢复流体流入所选择的流动池单元之前，从前面的流动池单元的附加流体出口洗脱一段时间。

作为另一示例，附加的流体入口和流体出口可以便于多目标分隔，如可以用不同配置的流动池单元1050A、1050B和1050C来实现的。例如，第一流动池单元1050A可以配置为从包含多个不同目标的流体样本中捕获第一目标。在捕获第一目标后，第一流动池单元1050A可以将第一目标释放到流体，然后通过附加流体出口1014D输出第一载有目标的流体。通过这种配置，第一目标不需要流过剩余的流动池单元1050B和1050C。在给定的样品提取系统中，这种配置可以便于与其他目标分开地对第一目标的分析。该配置可以增强其他流动池单元1050B和1050C分隔其他目标的有效性。例如，第二流动池单元1050B可以配置为从相同的流体样本捕获第二目标，然后将第二目标释放到流体，然后通过附加的流体输出1014E输出第二载有目标的流体，等等。

在其他实施例中，两个或更多个流动池单元1050A、1050B和1050C可以配置为捕获相同类型的目标，在释放捕获的目标之后，可以利用不同的流体输出来使载有目标的流体流动到两个或更多个不同的流体容器，例如以在同一目标上进行不同的分析或反应。

为了便于使用附加的流体入口和流体出口，可以在相邻的流动池单元1050A、1050B和1050C之间的流体管线中提供阀或其他流量调节器(未示出)，如本领域技术人员已知的。

在另一个实施例中，流动池单元1050A、1050B和1050C可以配置为执行多级颗粒分选(sizing)。在该实施例中，在每个流动池单元1050A、1050B和1050C中，表面附着结构108A、108B和108C的结构间间隔可以逐渐变小。因此，流体样本中的最大颗粒可以在第一流动池单元1050A中被分隔，随后在第二流动池单元1050B中分隔同一流体样本中的中等大小的颗粒，随后在第三流动池单元1050C中分隔同一流体样本中的更小的颗粒。

在一些实施例中，本发明提供了用于增强微阵列(或分析物捕获阵列或探针阵列)上的分析物捕获的流动、循环和/或混合作用的表面附着结构(例如，微柱阵列)，以及相关的系统和方法。表面附着结构相对于微阵列定位，使得表面附着结构的致动运动可用于增强流体样本中的分析物的流动、循环和/或混合作用，从而增强微阵列上的分析物捕获。

目前公开的微流体系统包括由间隙隔开的表面附着结构(例如，微柱阵列)和微阵列(例如，核酸微阵列、蛋白质阵列、抗体阵列、小分子阵列等)，其中间隙包含液体，例如但不限于流体样本。这样的间隙可以至少部分地限定流体流经的室。此外，微流体系统包括用于致动表面附着结构的致动机构(例如，微柱阵列的微柱)。例如，微柱是表面附着柱，其中每个微柱包括附着到衬底的近端，以及延伸到微柱阵列和微阵列之间的间隙中的远端。因此，微柱的远端延伸到微柱阵列和微阵列之间的间隙中的流体样本中。致动机构用于在微柱阵列附近产生致动力以致动微柱，从而迫使至少一些微柱展现运动。

在目前公开的微流体系统中，与单独使用扩散进行流动和/或混合相比，由致动力引起的表面附着结构(例如微柱)的运动用于增强流体样本相对于微阵列的全部区域的流动、循环和/或混合作用。因此，本发明公开的微流体系统和方法的一个方面在于，与仅依靠扩散进行流动和/或混合的微阵列应用相比，其可用于显着地减少反应时间(即，加速反应)。例如，在微阵列应用中，目前公开的微流体系统可以用来将反应时间从几小时或几天减少到仅几分钟。特别地，与不利用由于致动力引起的表面附着结构(例如，微柱)的运动来增强流动样本的流动、循环和/或混合作用的微流体系统和方法相比，目前公开的微流体系统和方法可用于将反应时间减少至少约5倍(5X)、至少约6倍(6X)、至少约7倍(7X)、至少约8倍(8X)、至少约9倍(9X)、或至少约10倍(10X)。这在“获得结果的时间(time to result)”很重要的微阵列应用中特别有用(例如，POC装置)。

此外，由于流体样本的增强的流动、循环和/或混合作用以及加速的反应，目前公开的微流体系统和方法的另一方面在于，在分析物浓度低的微阵列应用中，例如在液体活检/循环无细胞DNA测试中，与单独依靠扩散进行流动和/或混合的微阵列应用相比，它可用于提高分析物的利用率，从而改善检测操作的灵敏度。

目前公开的微流体系统和方法的又一方面在于，它提供了与微阵列组合的表面附着结构(例如，微柱阵列)，并且因此能够在单个反应室中针对多个捕获位点来处理多个目标分析物。

目前公开的微流体系统和方法的另一方面在于，它提供流体样本的增强的流动、循环和/或混合作用和经由表面附着结构(例如，微柱阵列)的加速的反应，其中与包括例如用于移动流体的泵送机构的微流体装置相比，表面附着结构是简单且低成本的搅动机构。

目前公开的微流体系统和方法的另一方面在于，它包括与微阵列组合的表面附着结构(例如微柱阵列)，同时保持与常用检测方法(例如光和/或电检测系统)的兼容性。

在另一个实施例中，目前公开的微流体系统不包括与表面附着结构分离的微阵列，而是包括表面附着结构本身上的分析物捕获元件(例如，微柱阵列)。也就是说，表面附着结构用分析物捕获元件进行官能化。在一些实施例中，这样的配置可以被表征为包括与表面附着结构的阵列集成或由其提供的微阵列。

在又一个实施例中，目前公开的微流体系统包括用分析物捕获元件进行官能化的微阵列和表面附着结构(例如微柱)两者的组合。

图11示出了微流体系统1100的示例的透视图，其包括相对于微柱阵列定位的微阵列，其中微柱的被致动的运动用于增强微阵列上的分析物捕获的流动、循环和/或混合作用。在该示例中，微流体系统1100包括由间隙1140分开的微阵列1110和微柱阵列1120，其中间隙1140可以包含液体，例如但不限于流体样本。微流体系统1100包括靠近微柱阵列1120的致动器1160。可选地，微流体系统1100可以包括靠近微阵列1110的检测器1165，因为微阵列经常在运行时间后在单独的仪器中被扫描。

微阵列1110可以是用于执行测定的任何类型的微阵列。微阵列的示例包括但不限于：DNA微阵列(例如，cDNA微阵列，寡核苷酸微阵列，细菌人工染色体(BAC)微阵列和单核苷酸多态性(SNP)微阵列)、基于模型的染色质免疫沉淀的荟萃分析(MM-ChIP)阵列、蛋白质微阵列、肽微阵列、组织微阵列，细胞微阵列、小分子微阵列、化合物微阵列、抗体微阵列、碳水化合物阵列、表型微阵列、反相蛋白质微阵列、等等。

微阵列1110包括微阵列衬底1114上的捕获位点1112的布置(例如，阵列)。在一个示例中，捕获位点1112是分析物捕获元件(或者结合剂或探针)，其中每个捕获位点1112或捕获位点1112的组可被官能化以捕获不同的分析物。微阵列衬底1114可以例如是玻璃或硅衬底。在玻璃衬底1114的情况下，检测器1165可以是基于荧光的光学检测机构。在其中微阵列1110是半导体阵列的硅衬底1114的情况下，检测器1165可以是基于电信号的检测机构。

微柱阵列1120包括微柱衬底1124上的微柱1122的布置(例如，阵列)。微柱1122是表面附着柱，其中每个微柱1122包括附着到微柱衬底1124的近端，以及延伸到微阵列1110和微柱阵列1120之间的间隙1140中的远端。相应地，微柱1122的远端延伸到微阵列1110和微柱阵列1120之间的间隙1140中的流体样本(未示出)中。在一个示例中，微柱1122是化学惰性的，且不会与流体样本中的目标分析物发生反应。然而，在另一个示例中，微柱1122的表面可以用分析物捕获元件进行官能化。

微柱阵列1120中的微柱1122被设计成当存在致动力时展现运动。如本文所使用的，术语“致动力”是指施加到微柱1122的力。致动器1160用于在微柱阵列1120附近产生致动力，迫使微柱1122中的至少一些展现运动。致动力可以是例如磁的、热的、声波的、光学的、电学的和/或振动的。此外，致动力可以作为频率或振幅的函数或作为冲击力(即，阶梯函数)来施加。类似地，在不脱离本发明的范围的情况下可以使用其他致动力，例如跨过微柱阵列1120的流体流动。

通过致动微柱1122并引起其运动，间隙1140中的流体样本实际上被搅动，或被导致在间隙1140内流动或循环并且跨越微阵列1110的表面区域。包括微柱1122的布置的微柱阵列1120例如基于以下文献中描述的微柱：美国专利9,238,869，题为“Methods andsystems for using actuated surface-attached posts for assessing biofluidrheology”，授权于2016年1月19日；其全部公开内容通过引用并入本文。'869专利描述了使用致动的表面附着柱来评估生物流体流变学的方法、系统和计算机可读介质。根据一个方面，'869专利的用于测试生物流体样品的性质的方法包括将样品放置在具有从衬底向外延伸的多个微柱的微柱阵列上，其中每个微柱包括附着到衬底的近端和与近端相反的远端，并且在微柱阵列附近产生致动力以致动微柱，从而迫使至少一些微柱展现运动。'869专利的方法还包括响应于致动力测量至少一个微柱的运动，并基于所测量的至少一个微柱的运动来确定样本的性质。

在一个示例中，根据'869专利，微柱1122和微柱阵列1120的衬底1124可由聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成。此外，微柱1122可以包括设置在本体内或中的柔性本体和金属部件，其中施加磁场或电场致动微柱1122相对于它们所附着的表面移动。在该示例中，由致动器1160产生的致动力是磁和/或电致动力。微柱阵列1120和微柱1122的更多细节在下文中参照图12A至图15B示出和描述。

图12A和图12B分别示出了基于图1的微流体系统1100的流动池1200的示例的平面图和截面图，该微流体系统1100包括相对于微柱阵列1120定位的微阵列1110。即，图12B是沿着图12A的线A-A截取的截面图。

在该示例中，流动池1200包括第一衬底1210，第一衬底1210包括集成在其中的反应室1212，其中反应室1212是衬底1210中的空间或空隙。衬底1210被第二衬底1214覆盖，其中衬底1214包围反应室1212。衬底1210和衬底1214可以例如由玻璃或塑料形成。在一个示例中，流动池1200包括两个装载端口1216(例如，每端一个)，用于将液体(例如，包括目标分析物的流体样本1218)供应到反应室1212的输入或输出。

反应室1212的大小设置为接收微阵列1110，使得捕获位点1112面向反应室1212。微阵列，例如微阵列1110，可以支持从几十个捕获位点到数千个捕获位点。反应室1212的大小可以根据微阵列1110的大小而变化。例如，反应室1212可保持约1微升至约500微升的流体样本1218。反应室可以具有各种形状和大小。典型的反应室大小可以是例如约1mm x1mm。在一个示例中，微柱阵列1120的衬底1124和微阵列1110的衬底1114都是1英寸x3英寸载玻片，其中1英寸x3英寸的衬底1124的整体覆盖有微柱1122，且1英寸x3英寸的衬底1114上面有三个10mm x 10mm微阵列。

此外，微柱阵列1120安装在衬底1214上，使得微柱1122面向反应室1212。即，微柱阵列1120的衬底1124安装在衬底1214的内表面上，且微柱1122面向微阵列1110的捕获位点1112。微柱1122的长度可以变化。微柱1122的长度在一个示例中可以从约1μm至约100μm，或者在另一个示例中可以从约10μm至约50μm。另外，微柱1122和微阵列1110的远端之间的空间可以变化。微柱1122和微阵列1110的远端之间的空间在一个示例中可以从约0μm至约50μm，或者在另一个示例中可以从约1μm至约30μm。在另一个示例中，微柱1122和微阵列1110的远端之间的空间可以约等于微柱1122的长度。在又一示例中，微柱1122和微阵列1110的远端之间的空间可以为约10μm，或者大于或小于10μm。

图13A和图13B示出了微柱1122的示例的侧视图。再次，微柱1122和微柱阵列1120的衬底1124可以例如由PDMS形成。微柱阵列1120中的微柱1122的长度、直径、几何形状、取向和节距可以变化。例如，微柱1122的长度可以从约1μm变化到约100μm。微柱1122的直径可以从约0.1μm变化到约10μm。微柱1122的截面形状可以变化。例如，微柱1122的截面形状可以是圆形、椭圆形、正方形、矩形、三角形等。微柱1122的取向可以变化。例如，图13A示出了基本上垂直于衬底1124的平面取向的微柱1122，而图3B示出了相对于衬底1124的平面的法线以角度α取向的微柱1122。在没有施加偏转力的中性位置上，角度α可以例如从约0度到约45度。

另外，微柱阵列1120内的微柱1122的节距可以变化，例如从约0μm到约50μm。例如，图14A至图14D示出了微柱阵列1120的各种配置的示例的平面图。即，图14A示出了直径为0.6μm并且间隔1.4μm的微柱1122的示例。图14B示出了直径为0.6μm并且间隔2.6μm的微柱1122的示例。图14C示出了直径为1μm并且间隔1.5μm的微柱1122的示例。图14D示出了直径为1μm并且间隔3μm的微柱1122的示例。应该理解，图14A至图14D中绘示的大小和尺寸仅是示例性的而不是限制性的。图14E示出了微柱阵列1120的示例的扫描电子显微镜(SEM)图像。另外，图14A至图14E示出了交错或偏移的微柱1122的行，这仅是示例性的。在另一种配置中，微柱1122的密度低于微阵列1110的捕获位点1112的密度。

图15A和图15B示出了微柱1122的侧视图，并示出了其致动运动的示例。即，图15A示出了基本上垂直于衬底1124的平面取向的微柱1122的示例。图15A示出了微柱1122的远端可以以以下方式移动(1)仅相对于固定的近端的侧到侧的二维运动，或(2)相对于固定的近端的圆周运动，其为圆锥形运动。作为比较，图15B示出了相对于衬底1124的平面以一定角度取向的微柱1122的示例。图15B示出了微柱1122的远端可以以以下方式移动(1)仅相对于固定的近端的倾斜的侧到侧的二维运动，或(2)相对于固定的近端的倾斜的圆周运动，其为倾斜的圆锥形运动。

图16示出了图12A和图12B所示的流动池1200的反应室1212的一部分的特写截面图，并且示出了其操作。同样，微柱1122的长度可以例如从约1μm变化到约100μm。同样，微柱1122和微阵列1110的远端之间的空间可以变化，例如从约0μm到约50μm。在另一个示例中，微柱1122和微阵列1110的远端之间的空间可以约等于微柱1122的长度。在又一示例中，微柱1122和微阵列1110的远端之间的空间可以为约10μm，或者大于或小于10μm。

在操作中，致动器1160在微柱阵列1120附近产生致动力，其迫使微柱1122中的至少一些展现运动。在这样做时，局部循环1310和体循环1315的两个区域都发生在流动池1200的反应室1212内。在存在局部循环1310和体循环1315的区域的情况下，流体样本1218中的目标分析物可以快速流经体相流体样本1218到微阵列1110上的其对应的捕获位点1112。也就是说，由于存在由微柱1122的运动产生的局部循环1310和体循环1315的区域，因此在流动池1200的反应室1212中，与仅依靠扩散进行流动和/或混合的微阵列应用相比，反应时间可以显著减少(即加速反应)。也就是说，任何给定的目标分析物都可以快速流过体相流体样本1218并到其对应的捕获位点1112(即其对应的分析物捕获元件)。例如，与仅依靠扩散的微阵列应用相比，基于图11微流体系统1100的流动池1200可以用来将反应时间从几小时或几天减少到几分钟。

微流体系统1100和/或流动池1200不限于图11至图16所示的配置。微流体系统1100和/或流动池1200的其他配置是可能的，其示例在下文中参照图17A、图17B、图18A和图18B示出和描述。

图17A和图17B示出了图12A和图12B中所示的流动池1200的示例，其不包括微阵列1110，而是在微柱1122本身上包括分析物捕获元件。即，微柱阵列1120内的微柱1122的个体或组用分析物捕获元件进行官能化。在一些实施例中，微柱阵列1120的微柱1122可以包括对流体样本中的一种或多种目标分析物表现出特定性的一种或多种捕获元件(结合剂)。在一个示例中，微柱1122可以通过将结合部分集成到体相弹性体中而被官能化。例如，这可以是由具有作为链的一部分的官能团的单体制成的弹性体，是由多个不同单体制成的弹性体，所述单体与包含结合部分(例如嵌段共聚物)的一个(或多个)单体链接在一起，或是掺杂有未交联到基质中的官能化试剂的弹性体。在另一个例子中，微柱1122可以通过表面官能化来官能化。即，结合部分附着到(例如，接枝，结合等)或位于微柱1122的表面的顶上。这种处理可以在微柱阵列1120制成之后进行，或者可以将其添加到模具中，以便在固化时将其集成到表面中。

现在参考图17B，微柱阵列1120可以包括已经用捕获元件(结合剂)官能化的某些微柱1122，所述捕获元件表现出对流体样本1218中的一种或多种目标分析物的特定性，以下称为官能化微柱1122A。微柱阵列1120还可以包括未被官能化(即，化学惰性)的某些微柱1122，以下称为惰性微柱1122B。实际上，布置在惰性(或非官能化的或被动的)微柱1122B之间的官能化微柱1122A的组形成捕获位点，其实质上模仿微阵列1110的捕获位点1112。图17A和图17B所示的配置不限于官能化微柱1122A的组。在另一个实例中，可以在惰性微柱1122B之间布置组和/或单独的官能化微柱1122A。

在另一实施例中，图18A和图18B示出了图12A和图12B中所示的流动池1200的示例，其包括包含捕获位点1112的微阵列1110和用分析物捕获元件官能化的微柱1122两者的组合。实际上，官能化微柱1122A的个体和/或组形成了与微阵列1110的捕获位点1112相对布置的捕获位点。在这种配置中，形成捕获元件的双阵列，一个面向另一个。

图19示出了将微柱阵列(例如微柱阵列1120)与微阵列(例如，微阵列1110)结合使用以使目标分析物快速流过体相流体的方法1400的示例的流程图。方法1400可以包括但不限于以下步骤。

在步骤1410，提供微柱阵列，其相对于微流体装置的反应室中的微阵列定位。例如，基于图11的微流体系统1100的图12的流动池1200提供微柱阵列1120，其相对于反应室1212内的微阵列1110定位，并且微柱阵列1120与微阵列1110之间具有空间。

在步骤1415，在反应室内提供流体样本。例如，在流动池1200中，大量的流体样本1218被加载到反应室1212中以及微柱阵列1120和微阵列1110之间的空间中。

在步骤1420，微柱阵列被致动以引起反应室内的流体样本的流动或搅动作用。例如，在流动池1200中，利用致动器1160致动微柱阵列1120以在反应室1212内的流体样本1218中引起流动或搅动作用。即，致动器1160用于在微柱阵列1120附近产生致动力以致动微柱1122，从而迫使微柱1122中的至少一些展现运动。由于微柱1122的远端延伸到体相流体样本1218中，因此其运动在反应室1212内产生流体样本1218的流动或搅动作用。

在步骤1425，由于微柱阵列产生的流动，目标分析物迅速分散在体相流体中，并结合到微阵列的其对应的分析物捕获位置。例如，在流动池1200中，由于微柱阵列1120产生的流动，目标分析物迅速分散在体相流体样本1218中，并结合到微阵列1110的其对应的分析物捕获位置(即捕获位点1112)。即，由于在流动池1200的反应室1212中存在由微柱1122的运动产生的局部循环1610和体循环1615的区域，所以目标分析物迅速分散。

在步骤1430，在一定量的时间之后，微阵列被处理。例如，在流动池1200中，在一定量的时间之后，微阵列1110被处理。即，检测器1165可用于分析由微阵列1110捕获的某些目标分析物的不存在和/或存在。

图19也是微流体系统或流动池的代表，其配置为执行刚刚描述的方法。

总之，再次参考图11至图19，使用目前公开的微流体系统1100、流动池1200和/或方法1400，与仅依靠扩散来进行流动和/或混合的微阵列应用相比，反应时间可以显著减少(即加速反应)。例如，与仅依靠扩散的微阵列应用相比，微流体系统1100、流动池1200和/或方法1400可以用于将反应时间从几小时或几天减少到仅几分钟。这在“获得结果的时间(time to result)”很重要的微阵列应用中特别有用(例如，POC装置)。

另外，由于流动样本的增强的流动，循环和/或混合作用，以及加速反应，在分析物浓度低的微阵列应用中，例如液体活检/循环无细胞DNA测试中，与仅依靠扩散进行流动和/或混合的微阵列应用相比，微流体系统1100、流动池1200和/或方法1400可以用于增加分析物利用率，并因此改善检测操作的灵敏度。

另外，微流体系统1100、流动池1200和/或方法1400提供与微阵列(例如，微阵列1110)组合的微柱阵列(例如微柱阵列1120)，并且因此能够在单个反应室中针对多个捕获位置处理多种目标分析物。

另外，微流体系统1100、流动池1200和/或方法1400经由微柱阵列1120提供流体样本的增强的流动、循环和/或混合作用以及加速反应，其中与例如包括泵送机构的微流体装置相比较，微柱阵列1120是简单和低成本的搅动机构。

另外，微流体系统1100、流动池1200和/或方法1400提供与微阵列(例如，微阵列1110)组合的微柱阵列(例如微柱阵列1120)，同时保持与当前检测方法(例如光学和/或电检测系统)的兼容性。

当前公开的微柱阵列(例如，微柱阵列1120)相对于微阵列(例如，微阵列1110)定位，其中微柱(例如，微柱1122)的致动运动用于增强微阵列上的分析物捕获的流动、循环和/或混合作用，如以上参考图11至图19所述，其可以用于独立装置，例如但不限于任何微流体装置(例如一次性微流体药筒、数字微流体药筒、流动池、液滴致动器、等等)。在一个示例中，图20A示出了包括微流体药筒1510(例如便携式微流体药筒)的微流体系统1500的示例的框图，其中微流体药筒1510可以基于例如上面参照图11到图19描述的微流体系统1100和/或流动池1200。微流体系统1500还包括致动单元1514，其中致动单元1514可以靠近微流体药筒1510。

微流体药筒1510包括反应室1512。流体样本的处理和/或分析可以在反应室1512内执行。微柱阵列(例如，微柱阵列1120)和微阵列(例如微阵列1110)可以设置在反应室1512内部，其中微柱阵列1120可以用于影响反应室1512内对流动样本的处理和/或分析。在一个示例中，微柱可以包括设置在本体内或中的柔性本体和金属部件，其中磁场或电场的施加致动微柱相对于它们所附着的表面移动。在一些实施例中，微柱可以包括对流体样本中的一种或多种目标分析物表现出特定性的一种或多种捕获元件(结合剂)。

如本文所使用的，术语“致动力”是指施加到微柱的力。致动单元1514用于在微柱阵列附近产生致动力，迫使微柱中的至少一些展现运动。致动力可以是例如磁的、热的、声波的、光学的、电学的和/或振动的。此外，致动力可以作为频率或振幅的函数或作为冲击力(即，阶梯函数)来施加。类似地，在不脱离本发明的范围的情况下可以使用其他致动力，例如跨过微柱阵列的流体流动。

在另一示例中，图20B示出了微流体系统1550的示例的框图，微流体系统1550包括在图20A中描述的微流体药筒1510和便携式装置1515。便携式装置1515包括图20A中所述的致动单元1514。可选地，便携式装置1515包括运动检测单元1516和处理单元(或控制器)1518。

可选地，当微柱响应致动单元1514的致动力而展现运动时，可以使用运动检测单元1516来测量或检测微柱的运动。运动检测单元1516可以配置为测量单个或特定微柱、微柱的组、或所有微柱的运动。在运动检测单元1516中，用于检测和测量该微柱行为的装置可以包括例如光学(例如成像系统)、磁(例如，磁性拾波线圈)、声波、和/或电跟踪系统。

可选地，来自运动检测单元1516的测量数据被提供给处理单元1518用于计算和分析。在另一个示例中，处理单元1518可以与便携式设备1515在物理上分离，其中处理单元1518可以经由任何有线或无线装置与便携式设备1515进行通信。来自运动检测单元1516的测量数据可以是关于微柱的运动的任何信息。处理单元1518处理测量数据，以便基于测量的微柱的运动确定样品的至少一个性质。由处理单元1518执行的计算和分析可以包括基于由致动单元1514施加的力和由运动检测单元1516检测到的所得到的运动来确定流体流变学的测量。在一个示例中，当血液样品开始凝结时，微柱的运动变得受限，并且所得到的测量可以用于指示和确定凝块时间。

当前公开的微柱阵列(例如，微柱阵列1120)相对于微阵列(例如，微阵列1110)定位，其中微柱(例如，微柱1122)的被致动运动用于增强微阵列上的分析物捕获的流动、循环和/或混合作用，如以上参考图11至图19所述，其可以用于高通量系统。例如，图21示出了高通量筛选系统1600的示例的框图，其包括用于接收和处理基于参考图11至图19的微流体系统1100和/或流动池1200所示和所描述的配置的微阵列的机构。

在高通量筛选系统1600的一个实施方式中，致动和光学系统可以类似于以下文献中所描述的：2008年10月9日公开的题为“Methods and systems for multiforce highthroughput screening”的国际专利公开No.WO/2008/103430，其公开内容通过引用并入本文。高通量筛选系统1600能够施加力并测量微柱响应。在一个示例中，高通量筛选系统1600包括控制和测量子系统1602、多力生成子系统1604、多力板子系统1606、以及成像和跟踪光学子系统1608。

控制和测量子系统1602在操作上可以类似于上文在图20B的微流体系统1550中所述的处理单元1518。控制和测量子系统1602还可以包括机械性质模块1610，其用于根据所测量的微柱的运动来测量样品的机械性质。

多力生成子系统1604是高通量筛选系统1600的致动部分。多力生成子系统1604在操作上可以类似于上文在图20A的微流体系统1500中所述的致动单元1514。在一个示例中，多力生成子系统1604包括磁驱动块，例如激励器组件。多力生成子系统1604还可以包括适当的冷却机构(未示出)以耗散多余的热量或将高通量筛选系统1600维持在目标温度。在一个示例中，多力生成子系统1604能够在三维球体上的多个方向上产生显着幅度的力(例如，大于10纳牛的力)，并且可以在高达三千赫以上的频率变化。

高通量筛选系统1600的多力板子系统1606可以包括包含多个样品阱(well)1612的微量滴定阱板。一个或多个样品阱1612可以配置为包括当前公开的微柱阵列(例如，微柱阵列1120)相对于微阵列(例如，微阵列1110)定位，其中微柱(例如，微柱1122)的致动运动用于增强微阵列上的分析物捕获的流动、循环和/或混合作用，如以上参考图11至图19所述。微量滴定阱板也可以与用作阱板的底部的盖玻璃板联接。多力板子系统1606还可以包括多个场形成极，其用于与多力生成子系统1604的激励极形成磁(或电)耦合。

成像和跟踪光学子系统1608是高通量筛选系统1600的运动检测。成像和跟踪光学子系统1608在操作上可以类似于上文在图20B的微流体系统1550中所述的运动检测单元1516。然而，用于高通量筛选系统的致动系统与护理点系统之间的一个物理差异在于，致动系统(例如多力生成子系统1604)可以在多阱微量滴定板中针对每个阱或相邻阱的小组进行复制。用于多阱微量滴定板的运动检测系统可以包括但不限于测量散射光以检测微柱的移动的光学系统(例如，成像和跟踪光学子系统1608)、包括对微量滴定板中的每个阱或阱的组进行成像的相机的成像系统，或者测量通过在每个阱中移动微柱而产生的电流的幅度和相位的拾取线圈。

成像和跟踪光学子系统1608还可以用于执行几种测量，与力的施加同时或者在施加力序列之后。例如，成像和跟踪光学子系统1608可以包括具有机器人平台的单个样品成像系统，该机器人平台可以将多力板子系统1606的每个样品阱系统地定位在显微镜物镜上。在另一个示例中，成像和跟踪光学子系统1608可以包括能够同时成像若干样品阱的基于阵列的系统。记录的图像可以用于跟踪微柱位置等。

示例

现在将描述操作如本文所述的流动池以捕获目标的一些非限制性示例。这些示例涉及从大体积的全血中提取稀有分析物，通常已被证明具有极大的挑战性。已经包括这些实例以向本领域的普通技术人员提供指导以实践目前公开的主题的代表性实施例。根据本公开和本领域的普通技术水平，本领域技术人员可以理解，以下示例仅旨在作为示例性的，并且可以在不脱离目前公开的主题的范围的情况下使用许多改变、修改和变更。

流行的方案通常是针对更小很多的体积设计的测定的修改。工作流程往往是操作人员密集型的，通常涉及离心分离以将细胞浓缩成与现有仪器兼容的体积。已知的技术包括使用空间过滤器、磁珠、以及选择性地结合分析物的填充珠柱。柱中的填料实现了极高的表面积与体积比，但其小间隙易于堵塞。选择性地结合分析物的净孔径(clear-bore)柱将避免堵塞，但这种系统的结合效率非常低，因为分析物向壁的运输受扩散限制。用常规技术(离心，移液等)预分馏样品也会使堵塞最小化，但这涉及到复杂的工作流程以及高技能操作人员或专门的机器人设施。使用磁珠的技术可以自动化，但是它们的捕获效率通常较差，因为实现存在于柱系统中的相同的表面积-体积比是不切实际且昂贵的。另外，需要珠群体与目标细胞群体的仔细平衡。还需要大体积的珠试剂，因为珠群体必须调整到细胞总数，而不是目标细胞的数量。然而，目标细胞群体可能是总细胞群体的一小部分(例如，小于1％)。因此，这些测定的成本是非常高的，通常每单位血液数百美元。此外，已知技术相关的套件需要大量的人工处理。

本文描述的流动池可以克服这些问题。在下面描述的示例中，流动池包括如本文所述的用结合剂官能化的表面附着结构的阵列。

示例1–从全血中分隔祖细胞

在治疗骨髓疾病(例如白血病和多发性骨髓瘤)时，通常从外周血收集血液祖细胞(BPC)用于输血。然而，典型的临床实践要求收集全范围的单核细胞并且不进行随后的纯化。富集或纯化移植的临床价值是活跃的研究领域。然而，至少对这种方法存在重大的实际问题。方案通常涉及冷冻和储存来自供体的数升的提取细胞产物，尤其是用于自体输血。存储这种体积的血液制品是昂贵且空间密集的。细胞冷冻过程需要二甲基亚砜(DMSO)，这是一种毒性溶剂，在输血时引发患者不适的副作用。更明智地选择是，用于输血的细胞可以将要储存和输血的体积最小化20倍或更多。

更广泛地说，在单采血液成分术(apheresis)期间提取的单核细胞产物的处理是临床研究的活跃领域。这可能涉及耗尽(例如，t细胞(t-cell))或富集(例如，CD34祖细胞)。

用于选择细胞的亚群的主要方法是用磁珠进行下拉测定。近年来，新的自动化系统已提高了这些测定的通量。但是，他们仍然很昂贵，而且他们可以处理的体积的有限的。相反，理想的提取方法是：1)可规模化和联机，意味着可以通过单个流动池处理全血或富含单核细胞的产品的大体积(例如，大于1L)；2)紧凑和模块化，意味着提取系统可以集成到其他系统(例如，与单采血液成分系统联机)，并且可以通过将附加的模块串联放置来同时执行多个分隔选择步骤；以及3)快速，意味着与典型的单采血液成分系统中的流速相比，药筒可以对血液移动进行快速(或更快)的分隔。这样的系统将极大地简化针对性移植技术的临床研究。它可以显著降低移植所需的存储体积以及患者的DMSO暴露。如果被包含为单采血液成分系统中的模块化部件，它可以为新类型的血液制品捐赠打开大门，实现系统化和普及化的BPC银行业务。

本文描述的流动池可以克服这些问题。具体而言，流动池的表面附着结构可以包括对CD34祖细胞表现出特定性亲和力的结合剂。流动池因此可以有效地从大体积的未稀释的全血中捕获CD34祖细胞。如果需要，表面附着结构可以如本文所述在磁场或电场的影响下移动以防止或破坏堵塞。此外，由于表面附着结构固定到下面的衬底，因此与通常用于捕获测定的磁珠相反，它们在磁场存在下不会聚集。在CD34祖细胞被捕获后，它们可以如本文所述经由适当的释放机制被释放，例如使含有诱导寡核苷酸裂解的释放剂的缓冲液流入流动池中。这可以结合通过表面附着结构的被致动运动引起机械破坏来完成。其他技术也可以用来帮助释放过程，例如电穿孔。可以从血液中分别收集释放的CD34祖细胞，并且可以分别回收现在耗尽了CD34祖细胞的血液。

示例2–从全血中分隔无细胞DNA

液体活检需要从生物流体中分隔和鉴定细胞和核酸。液体活检是新诊断开发的最令人兴奋的领域之一,它为胎儿筛查和癌症基因分型提供了一系列新测试。在这两种情况下，循环核酸(NA)都有望用于检测和监测疾病的微创方法。然而，与目前提供的测试相关的成本和风险很大。胎儿测试被患者用来作出不可逆转的决定，包括终止妊娠；由于特定性差，建议循环胎儿脱氧核糖核酸(DNA)检测仅用于筛查高危患者。癌症基因分型可用于指导治疗的选择，当与癌症不匹配时，其疗效可能非常低；因此，患者会遭受不必要的成本、副作用和时间损失，其本可以用于更有效的治疗。

液体活检包括三个通常步骤：样品采集、分析物纯化和分析。样本采集是简单的抽血。分析是投资密集和开发的主题。中间步骤——纯化——已经得到相对较少的关注。循环的NA以非常低的浓度存在。目前，收集和纯化需要在专门的临床实验室改进修正案(CLIA)实验室中进行许多动手处理或昂贵的机器人设备。特别是，基于柱的纯化是费时费力的，而基于珠的自动化方法需要复杂的机器人设备。在储存和运输期间使用特殊、昂贵的管子来保存样品。复杂的多步骤方案——自动化和手动——为样本污染创造了机会

通过改进样本自身来提高液体活检的可靠性将是有利的。理想的提取方法是：1)封闭的，这意味着提取系统是低维护、价格合理的仪器，它接受原始样本的密封容器，并提供提取分析物的密封容器，操作人员无法接触其之间的样本；2)纯化和浓缩，这意味着溶剂是缓冲液，溶质主要是NA，洗脱体积很小(约100μL，典型的分子量分析仪容量)；以及3)快速和紧凑，意味着在样本采集的30分钟内，在护理点进行提取。

这样的系统可以允许采用标准乙二胺四乙酸(EDTA)管和现场纯化进行样品收集。CLIA实验室可以运送小瓶纯化的、稳定的DNA，准备好使用他们选择的分子检测技术进行分析。该系统可以通过简化工作流程来降低现有测试的成本。这可以降低研究循环NA的成本，从而加速临床研究和诊断的开发。并且它可以是实现完全护理点无细胞DNA(cfDNA)诊断的关键技术。

本文所述的流动池可用于实施从全血进行联机NA提取的方法。流动池可用于通过使大样本体积通过流动池的小(例如

100μL)室，来从大样本体积(例如，大于10mL)分隔cfDNA。流动池的表面附着结构可包括对cfDNA表现出特定性亲和力的结合剂，例如可用于染色质免疫沉淀(ChIP)的组蛋白抗体。在具体实例中，表面附着结构用生物素化磷脂(Bio-DOPE)浸渍，然后用结合生物素化组蛋白抗体的链霉抗生物素蛋白进行表面处理。通过将非离子表面活性剂浸渍到弹性体(例如Brij-35，Tween-20)中、用非离子表面活性剂或脂质处理(Egg-PC)进行表面处理、和/或吸附封闭蛋白质或聚电解质(牛血清白蛋白(BSA)，聚-L-赖氨酸)，来抑制非特定性吸附(NSA)。

典型的人血液是约50％的细胞物质，其密度较大并且大于cfDNA。为了利用这一点，流动池可以在表面附着结构的尖端朝下的情况下操作，使得尖端和相对表面之间的间隙(例如30μm)形成细胞沉降区域。随着表面附着结构的移动，它们会将细胞大小排除到下面的区域中，这个过程由重力辅助。

在cfDNA被捕获后，其可以如本文所述通过适当的释放机制被释放，例如诱导蛋白水解的机制(例如称为蛋白酶K的蛋白酶)。蛋白酶到流动池的流动可以结合通过表面附着结构的被致动运动引起机械破坏来完成。其他技术也可以用来帮助释放过程，如电穿孔。随后洗脱到缓冲液中可以产生纯分析物。

微流体装置已被开发为用于使用诸如电动力学等其他技术进行核酸提取，但是这些已经被证明仅具有非常小的体积(小于100μL的全血)。相反，如上所述，本文所述的流动池可以处理更大的体积。此外，流动池中的表面附着结构提供的表面面积与体积之比至少与常规柱所提供的一样高，但仍能够通过如本文所述的被致动运动来防止或破坏堵塞。流动池是紧凑的，因此可以实现优秀的护理点诊断。此外，流动池能够实现完全封闭的过程，从而降低污染的风险。此外，流动池的使用不会破坏通过的血液，从而有可能实现单采血液成分诊断。由于结合化学是模块化的，因此流动池可以进行修改以处理样本，例如尿液、支气管肺泡灌洗液、痰液或脊髓液。它也可以进行修改以捕获其他分析物，例如循环肿瘤细胞、干细胞或病原体。

示例3–从全血中分隔病原体

导致败血症的、医院获得的感染(HAI)是致命的、昂贵的并且越来越普遍。严重败血症每年影响超过100万美国患者；死亡率约为30％，医疗保健系统的成本约为200亿美元。快速的抗微生物治疗是改善结果的关键，正如鉴定病原体的菌株一样。菌株识别可降低成本、改善护理并避免过度使用抗菌剂。

菌株识别技术正在迅速改进，但挑战依然存在。传统的方法完全依赖于血液培养(BC)。这个过程需要数天。更糟糕的是，由于污染和灵敏性差，故血液培养的特定性差，因为病原体并不总是成功培养。来自如BioFire等公司的新分子技术缩短了获得结果的时间，但仍需要培养步骤。正在开发新的技术，它们足够灵敏，可以在不通过培养进行扩增的情况下对病原体进行测序，但兑现其承诺将需要具有成本效益且自动化的解决方案以用于从大体积的血液中提取目标分子分析物。

血液具有抗微生物活性，且患者通常有降低BC生存力的循环抗生素；病原体纯化提高生存力，尤其是当初始病原体浓度较低时。对于基于聚合酶链式反应(PCR)的分子测定，典型的操作流程会裂解所有细胞(血液和细菌)，比病原体DNA释放多达1000倍以上的人类DNA。这导致非特定性扩增，降低了该技术的灵敏度。这种“分子背景”通常设定了PCR中的检测的极限。它也排除使用直接测序法。只有在裂解之前从血液中纯化病原体才能消除此背景。

在败血症发作时，血液中的细菌浓度较低(例如成人中10-100菌落形成单位(CFU/ml，新生儿中低于10CFU/ml)。常规的分子技术可以处理1毫升的血液，且检测极限为10-50CFU/mL。然而，对从10-60mL纯化的病原体进行相同的无培养分子分析将足以灵敏地监测来自败血症最早阶段的菌血症——或者甚至更早，以便在诊断后立即开始最佳靶向治疗。

如上文所述的流动池可用于从诸如上述10-60mL范围的大样本体积分隔细菌。如本文所公开的其他应用中，可以移动流动池中的表面附着结构以提供抗堵塞功能。流动池的附着结构可包括对细菌表现出特定性亲和力的结合剂，例如可用于染色质免疫沉淀(ChIP)的组蛋白抗体。在具体实例中，表面附着结构用生物素化磷脂(Bio-DOPE)浸渍，然后用结合生物素化甘露糖结合凝集素(MBL)的链霉抗生物素蛋白进行表面处理。通过将非离子表面活性剂浸渍到弹性体(例如Brij-35，Tween-20)中、用非离子表面活性剂或脂质处理(Egg-PC)进行表面处理、和/或吸附封闭蛋白质或聚电解质(牛血清白蛋白(BSA)，聚-L-赖氨酸)，来抑制非特定性吸附(NSA)。

在细菌被捕获后，可在血液样本之后将含有适当裂解剂的缓冲液引入流动池中，以裂解细菌，从而将其成分(包括DNA)释放到例如100μL的更小体积中。如在其他应用中一样，基于裂解的释放过程可以与通过表面附着结构的被致动运动引起机械破坏结合进行。其他技术也可以用来帮助释放过程，例如电穿孔。

应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以改变本发明的各个方面或细节。此外，前述描述仅用于说明的目的，而不是为了限制的目的——本发明由权利要求限定。

Claims (24)

1.一种目标提取系统，包括:

流动池，包括：

室，其封闭内部且包括流体入口、流体出口和面向所述内部的内表面；以及

多个表面附着结构，在多个相应的附着位点处附着到所述内表面且从所述内表面延伸到所述内部，每个表面附着结构包括柔性本体和设置在所述本体上或中的金属部件；

驱动器，配置为向所述流动池的内部施加并旋转磁场或电场，以致动所述表面附着结构相对于对应的附着位点的旋转移动，其中所述磁场或电场配置为使得表面附着结构经受扭矩，该扭矩使表面附着结构的主轴线与磁场或电场对准，且其中，所述驱动器配置为旋转所述磁场或电场以改变表面附着结构围绕其旋转的轴线；

其中所述流动池包括结合剂，所述结合剂配置为结合到存在于所述内部中的目标，所述结合剂设置在所述表面附着结构中的至少一些的外表面上或与所述外表面集成，和/或设置在所述内表面上或与所述内表面集成。

2.如权利要求1所述的目标提取系统，其中所述目标和所述结合剂中的至少一个选自以下组成的组：生物细胞；细胞内成分；微生物；病原体；致癌物质；抗原；半抗原；抗体；毒素；药物；类固醇；维生素；生物聚合物生物化合物，激素；过敏原；杀虫剂；化学化合物；分子；化学元素；前述任一个的片段、颗粒或部分结构；以及前述组中任一个的结合配偶体。

3.如权利要求2所述的目标提取系统，其中所述化学元素为微量金属。

4.如权利要求1或2所述的目标提取系统，其中所述表面附着结构的外表面、或所述内表面、或所述外表面和所述内表面两者被化学平定以抑制非特定性结合。

5.如权利要求1所述的目标提取系统，其中所述内部的容积为微升或纳升的量级。

6.如权利要求1所述的目标提取系统，其中所述室包括光学透明壁，其暴露到所述内部的至少一部分。

7.如权利要求1所述的目标提取系统，其中：

每个表面附着结构包括所述附着位点处的固定端、自由端、从所述固定端到所述自由端的长度、以及正交于所述长度且具有特征尺寸的截面；并且

所述长度、或所述特征尺寸、或所述长度和所述特征尺寸两者为微米或纳米的量级。

8.如权利要求1所述的目标提取系统，其中所述表面附着结构的几何形状选自以下组成的组：圆柱体；多边形；具有多边形和呈圆形特征的形状；圆形截面；卵形截面；椭圆形截面；多边形截面；正方形横截面；长方形横截面；选自由圆形、卵形、正方形、长方形和三角形截面组成的组的形状；以及不规则截面。

9.如权利要求1所述的目标提取系统，其中所述多个表面附着结构具有微米或纳米的量级的结构间间隔。

10.如权利要求9所述的目标提取系统，其中所述结构间间隔有效执行对流过所述室的含有目标的样本的大小排阻分离或过滤。

11.如权利要求1所述的目标提取系统，其中：

所述内表面是第一内表面，且所述室还包括第二内表面，其与所述第一内表面间隔开，使得所述内部在所述第一内表面和所述第二内表面之间；并且

每个表面附着结构具有结构长度，所述内部在所述表面附着结构和所述第二内表面之间包括无结构区域。

12.如权利要求1所述的目标提取系统，其中：

所述内表面是第一内表面，且所述室还包括第二内表面，其与所述第一内表面间隔开，使得所述内部在所述第一内表面和所述第二内表面之间；并且

所述第一内表面和所述表面附着结构在所述第二内表面上方，或者所述第一内表面和所述表面附着结构在所述第二内表面下方。

13.如权利要求1所述的目标提取系统，其中：

所述内表面是第一内表面，且所述室还包括第二内表面，其与所述第一内表面间隔开，使得所述内部在所述第一内表面和所述第二内表面之间；

所述多个表面附着结构是附着到所述第一内表面的多个第一表面附着结构，且还包括多个第二表面附着结构，所述多个第二表面附着结构在多个相应的附着位点处附着到所述第二内表面，并朝向所述第一表面附着结构延伸到所述内部；并且

所述内部在所述第一表面附着结构和所述第二表面附着结构之间包括无结构区域。

14.如权利要求1所述的目标提取系统，其中每个表面附着结构的本体具有弹性体材料。

15.如权利要求1所述的目标提取系统，其中每个表面附着结构的本体具有聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

16.如权利要求1所述的目标提取系统，其中所述金属部件具有选自以下组成的组的组分：铁、磁铁合金、镍、磁镍合金、钴、磁钴合金、铜、铝、金和银。

17.如权利要求1所述的目标提取系统，其中所述金属部件具有铁磁材料。

18.如权利要求1所述的目标提取系统，包括：

多个流动池，

其中所述多个流动池具有选自以下组成的组的配置：

所述流动池并行堆叠；并且

所述流动池串联布置，使得每个流动池单元的流体入口或流体出口与至少一个其他流动池的流体入口或流体出口连通。

19.如权利要求18所述的目标提取系统，其中所述流动池并行堆叠，并且还包括与所述流动池单元的流体入口或流体出口连通的公共流体端口。

20.如权利要求1所述的目标提取系统，其中所述驱动器包括一个或多个永磁体、电磁体、或者一个或多个永磁体和一个或多个电磁体的组合。

21.如权利要求1所述的目标提取系统，其中，所述流动池还包括：

结合剂，设置在所述表面附着结构中的至少一些的外表面上或与所述外表面集成，所述结合剂对目标具有特定性亲和力；

样本，包括所述目标，其中所述样本与多个表面附着结构接触；

目标结合到所述结合剂。

22.如权利要求21所述的目标提取系统，其中，包括所述目标的所述样本包括身体流体。

23.如权利要求21所述的目标提取系统，其中所述结合剂和所述目标选自包括以下结合剂-目标组合的组：抗体-抗原、抗体-半抗原、激素-激素受体、凝集素-碳水化合物、酶-酶抑制剂、酶辅因子、生物素-抗生物素蛋白、生物素-链霉抗生物素蛋白、配体-配体受体、蛋白质-免疫球蛋白、以及核酸-互补核酸。

24.如权利要求1所述的目标提取系统，其中结合剂包括生物细胞或细胞内成分。

Images