CN115624992A - 生物分子分离、测定和分选微阵列芯片及方法 - Google Patents

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Abstract

一种生物分子分离、测定和分选微阵列芯片及方法，其中，生物分子分离、测定和分选微阵列芯片包含多于一个样品处理区和多于一个分子分离区，样品处理区与分子分离区连通。样品处理区包含微流控区域，分子分离区包含凝胶分子层可以对生物分子进行分离。该微阵列芯片可以通过外部编程电信号的给入，能够驱动痕(微)量的生物分子完成移动、分选和测定，并且实现了整个分子操作过程的微量化、集成化、数字化和自动化，更有利于对生物分子的精确、精细和大规模操作。

Description

生物分子分离、测定和分选微阵列芯片及方法
技术领域
本文涉及微流控技术，尤指一种用于分离、测定和分选生物分子的微阵列芯片及方法。
背景技术
目前，对于生物大分子如蛋白质，核酸，多糖等的分离与测定的方法主要是基于生物大分子的分子量和带电特征的电泳技术，如琼脂糖凝胶电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳等。并且在此基础上衍生出用于蛋白分析的蛋白质印迹法，即Western Blot。这些方法作为经典的生物分子分离和测定技术，被广泛地使用，且已成为了每个分子生物学实验室的常规实验。但是技术本身的发展却非常缓慢，存在技术操作复杂、需要大量的样本和时间、人效低、不同批次试验间定量(对比)不准、重复性差等劣势。
微流控技术是一种可在微米尺度对流体进行操控的技术，在一些已知的技术方案中，微流控芯片可以通过调整施加在液滴-电极之间的电势，来改变液滴和疏水电介质之间的表面张力，造成液滴不对称形变并产生内部压强差，从而实现对液滴的操作和控制。根据不同的技术路线和方法，也有其他控制微液滴的微流控技术。
发明内容
基于上述相关的技术背景和问题，本申请提供了一种生物分子分离、测定和分选微阵列芯片和其应用于生物大分子分离、测定和分选的方法。并在此基础上提供了一种薄膜晶体管微阵列芯片。
在本申请的一个方面，提供了一种生物分子分离、测定和分选微阵列芯片，包括：基底；
多于一个样品处理区和多于一个分子分离区，所述样品处理区与所述分子分离区连通；
所述样品处理区包括上层和第一下层，所述上层与所述第一下层互相分离，并在之间形成微流控区域，所述第一下层包括多于一个驱动电极，所述驱动电极呈阵列且互相独立排布在所述第一下层中；
所述分子分离区包括所述上层、第二下层和竖向电极，所述第二下层包括凝胶分子层和所述驱动电极，所述驱动电极呈阵列且互相独立排布在所述第二下层中；
所述上层和所述驱动电极的至少部分表面涂布有功能性膜，在电场的调控下，所述功能性膜的亲/疏水状态能发生改变。
另一方面，本申请还提供了一种分离、测定和分选生物分子的方法，包括以下步骤：
a)将包含生物分子的液体样品注入本申请的生物分子分离、测定和分选微阵列芯片中；
b)液体样品进入所述样品处理区形成包含处理前生物分子的第一微液滴；
c)在所述样品处理区的所述驱动电极的驱动下使所述第一微液滴进行多种动作，形成包含处理后生物分子的第二微液滴；
d)所述第二微液滴进入所述分子分离区；
e)在所述分子分离区的所述驱动电极和/或所述竖向电极的驱动下使所述第二微液滴中的所述处理后生物分子在所述凝胶分子层中移动，实现所述处理后生物分子的分离；
f)分离过程结束后对分离的生物分子进行分析或分选。
使用本申请的生物分子分离、测定和分选微阵列芯片，通过外部编程电信号的给入，能够驱动痕(微)量的生物大分子完成移动、分选和测定，并且在整个过程中能够通过编程，精确地控制包含不同分子的液滴的各种行为，进而能够精确地对生物分子实施各种操作。生物分子通过样品处理区和分子分离区进行受控操作后，可实现分子的分离、测定和分选等预期目的。通过本申请的技术方案，实现了整个分子操作过程的微量化、集成化、数字化和自动化，更有利于对生物分子的精确、精细和大规模操作，提高实验效率且极大降低手工操作的错误率，可以为研究者提供更有效真实的实验结果。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施方案一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请的一种实施方案中的生物分子分离、测定和分选微阵列芯片结构的示意图；
图2为本申请的一种实施方案中的生物分子分离、测定和分选微阵列芯片结构的顶层俯视图；
图3为本申请的一种实施方案中的生物分子分离、测定和分选微阵列芯片结构的另一顶层俯视图；
图4为本申请的一种实施方案中的生物分子分离、测定和分选微阵列芯片的样品处理区的侧视图；
图5为本申请的一种实施方案中的生物分子分离、测定和分选微阵列芯片结构的一个局部结构图；
图6为本申请的一种实施方案中的生物分子分离、测定和分选微阵列芯片的分子分离区的俯视图；
图7为本申请的一种实施方案中的生物分子分离、测定和分选微阵列芯片的一个单通道分子分离区的俯视图。
附图标记说明：100-基底；101-前竖向电极；102-后竖向电极；104-样品处理区驱动电极；105-分子分离区驱动电极；201-样品处理区上层；202-分子分离区上层；303-功能性膜；403-信号线；500-样品处理区微液滴；502-分子分离区微液滴；601-分子电泳后条带1；602-分子电泳后条带2。
具体实施方式
生物大分子如蛋白质，核酸，多糖等大多都有阳离子和阴离子基团，称为两性离子。常以颗粒分散在溶液中，它们的静电荷取决于介质的H+浓度或与其他大分子的相互作用。在电场中，带电颗粒向阴极或阳极迁移，迁移的方向取决于它们带电的符号，这种迁移现象即所谓电泳。带电荷的粒子或分子在电场中移动的现象称为电泳。大分子的蛋白质，多肽，病毒粒子，甚至细胞或小分子的氨基酸，核苷等在电场中都可作定向泳动。
1937年Tiselius成功地研制了界面电泳仪进行血清蛋白电泳，它是在一U型管的自由溶液中进行的，电泳后用光学系统使各种蛋白所形成折光率差别成为曲线图象，将血清蛋白分为白蛋白，α1-球蛋白，α2-球蛋白，β-球蛋白和γ-球蛋白五种，随后，Wielamd和Kanig等于1948年采用滤纸条做载体，成功地进行了纸上电泳。从那时起，电泳技术逐渐被人们所接受并予以重视，继而发展以滤纸，各种纤维素粉，淀粉凝胶，琼脂和琼脂糖凝胶，醋酸纤维素薄膜，聚丙烯酰胺凝胶等为载体，结合增染试剂如银氨染色，考马斯亮蓝等大大提高和促进生物样品着色与分辨能力，此外电泳分离和免疫反应相结合，使分辨率不断朝着微量和超微量(1ng～0.001ng)水平发展，从而使电泳技术获得迅速推广和应用。
在生理条件下，核酸分子的糖-磷酸骨架中的磷酸基团呈离子状态，从这种意义上讲，DNA和RNA多核苷酸链可叫做多聚阴离子。因此，当核酸分子被放置在电场中时，它们就会向正电极的方向迁移。由于糖-磷酸骨架结构上的重复性质，相同数量的双链DNA几乎具有等量的净电荷，因而它们能以同样的速度向正电极方向迁移。琼脂糖或聚丙烯酰胺凝胶电泳是基因操作的核技术之一，它能够用于分离、鉴定和纯化DNA片段。该技术操作简单而迅速，已经成为许多通用的分子生物学研究方法，如DNA重组、DNA核苷酸序列分析、DNA限制性内切酶分析及限制性酶切作图等的技术基础。
蛋白质印迹法(免疫印迹试验)即Western Blot。它是分子生物学、生物化学和免疫遗传学中常用的一种实验方法。其基本原理是通过特异性抗体对凝胶电泳处理过的细胞或生物组织样品进行着色。通过分析着色的位置和着色深度获得特定蛋白质在所分析的细胞或组织中表达情况的信息。蛋白质印迹法是由瑞士米歇尔弗雷德里希生物研究所(Friedrich Miescher Institute)的Harry Towbin在1979年提出的。在尼尔〃伯奈特(NealBurnette)于1981年所著的《分析生物化学》(Analytical Biochemistry)中首次被称为Western Blot。蛋白免疫印迹(Western Blot)是将电泳分离后的细胞或组织中蛋白质从凝胶转移到固相支持物NC膜或PVDF膜上，然后用特异性抗体检测某特定抗原的一种蛋白质检测技术，现已广泛应用于基因在蛋白水平的表达研究、抗体活性检测和疾病早期诊断等多个方面。Western blot作为一个经典的分子分离和测定技术，早已成为蛋白分析的金标准之一，被越来越多的人所使用，且成为每个分子生物学实验室所必须要做的一个实验。但是技术本身的发展却非常缓慢，尤其是在对大量样本进行多靶点分析时，存在不可避免的劣势，如可重复性较差，灵敏度较低，实验间比对性较差等。特别地，传统的Western blot非常耗费资源和时间，需要多个洗涤步骤和长孵育时间才能产生高质量的印迹，导致技术操作复杂、人效低，且不同批次试验间定量(对比)不准、重复性差等劣势。分子生物实验中，针对不容易获取的蛋白样品，或一份小量样品要做多个实验，也是需要更加数字化、智能化的蛋白分子分离和测定技术，使得实验尽量要一次能做成，或者能够并行进行痕(微)量样本的分离和并行测定，没有样品用来做大量的条件优化。
微全分析系统(Miniaturized Total Analysis System,μ-TAS)是1990年首先由瑞士Ciba Geigy公司的Manz与Widmer提出，之后得到了迅猛的发展。微流控芯片是微型全分析系统的主要发展方向和最为活跃的前沿领域，其目标是把整个实验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上。与传统的生化分析实验室相比，微流控芯片具有自动、检测速度快、体积小以及样品消耗低等优点。在1993年，Berge通过实验发现了介电润湿现象，并对介电润湿实现液滴操纵的原理及影响因素进行了充分的验证。自此之后，数字微流控(Micro Fluidics)技术得到了蓬勃的发展。数字微流控芯片是利用介电润湿的原理，通过改变液滴的亲疏水性，实现对离散的微液滴施加驱动力从而对其运动进行操控，可在微米尺度对流体进行操控，具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米的芯片上的能力，因此又被称芯片实验室(Laboratory on a Chip,简称LOC)，具有尺寸小、便携、功能可灵活组合以及集成度高等优势。数字微流控分为有源数字微流控和无源数字微流控，两者的主要区别在于，有源数字微流控是阵列化驱动液滴，可以精确地控制某个位置上的液滴单独移动，而无源数字微流控是所有位置上的液滴一起动或一起停。近些年来，数字微流控芯片作为一种微量液体操控的新兴技术，凭借其结构简单、所需要的样品和试剂量小、易于集成、可并行处理及易实现自动化等诸多优势，在生物、化学、医学领域展现出巨大的发展潜力和应用前景。
本申请中提供了生物分子分离、测定和分选微阵列芯片，及应用于生物大分子分离、测定和分选的方法。通过外部编程电信号的给入，能够驱动痕(微)量的大分子在芯片表面完成移动、分选和测定，并且实现整个过程的数字化和自动化，提高实验效率且极大降低手工操作的错误率。这种应用于生物大分子分离和测定的芯片法为研究者提供了更有效真实的实验结果保障。
在本申请的一个方面，提供了一种生物分子分离、测定和分选微阵列芯片，包括：基底；
多于一个样品处理区和多于一个分子分离区，样品处理区与分子分离区连通；
样品处理区包括上层和第一下层，上层与第一下层互相分离，并在之间形成微流控区域，第一下层包括多于一个驱动电极，驱动电极呈阵列且互相独立排布在第一下层中；
分子分离区包括上层、第二下层和竖向电极，第二下层包括凝胶分子层和驱动电极，驱动电极呈阵列且互相独立排布在第二下层中；
上层和驱动电极的表面涂布有功能性膜，在电场的调控下，功能性膜的亲/疏水状态能发生改变。
在一些实施方案中，基底可以包含由不同材质构成的基板，如玻璃，高分子聚合物(PI、PEN、PET)、PCB板材基板等。
在一些实施方案中，驱动电极耦合至薄膜晶体管。
在一些实施方案中，驱动电极可以是薄膜晶体管的一部分构成部件；也可以是单独的电极然后连接到控制电压(电流)信号的薄膜晶体管输出端，作为薄膜晶体管的延伸。
在一些实施方案中，根据本公开的实施方案的驱动电极可以以各种构造布置，并且电极可以具有许多形状。例如，电极可以具有多边形形状(例如，正方形、矩形、三角形等)、圆形、卵圆形等。该构造可以是棋盘构造或其他几何构造。
在一些实施方案中，驱动电极由外部信号线连接输入信号直接控制，或者通过有源寻址的方式间接控制，使得电极上可以独立且按照预设的时间序列施加电压(电流)信号。
在一些实施方案中，操控方式可分为有源式(至少包含一个薄膜晶体管单元)和无源式(不包含薄膜晶体管单元)两种。有源式的设计，其薄膜晶体管类型是非晶硅薄膜晶体管，其它类型的薄膜晶体管，如氧化物晶体管、有机晶体管、低温多晶硅晶体管等，也可以实现类似功能。
在一些实施方案中，生物分子分离、测定和分选微阵列芯片还可以包含与驱动电极通过信号线连接的控制系统，该控制系统可以由外部编程向驱动电极输入所需的电信号。在一些实施方案中，控制系统可以包含存储器、运算器等组件。
在一些实施方案中，功能性膜为由含氟聚合物构成的膜，所述含氟聚合物优选为聚四氟乙烯。在一些实施方案中，构成功能性膜的材料包括但不限于硅油、Cytop、Teflon等。在一些实施方案中，驱动电极表面涂覆有具有亚微米厚度的功能性膜层。
在一些实施方案中，薄膜晶体管、驱动电极和功能性膜层可以是依次的叠层关系，从下到上依次为薄膜晶体管-驱动电极-功能膜层。每一个小的区域(像素，也即pixel)都是由薄膜晶体管组成，能够给上层的驱动电极给入电压(电流)信号并做信号上的时序控制；驱动电极的作用是控制给与不给电压(电流)信号，给上方功能膜层当前小的区域(像素，也即pixel)做疏水-亲水之间的状态切换的控制；最上方为功能膜层，膜层在下方没有加载电压(电流)时，呈现的是疏水的状态；膜层在下方加载电压(电流)后，切换的是亲水的状态。
在一些实施方案中，当一定大小的目标液滴位于上述驱动电极和功能膜层的表面上时，液滴在任何时刻都能位于样品处理区表面二维的至少一个电极正上方。当前信号走线给液滴所在的电极未施加电压(或电流)信号时，电极上方膜层表面(界面)的状态为疏水；在液滴行进方向的下一电极通过所在信号走线给该电极施加电压(或电流)信号，则电极上方膜层表面(界面)切换成亲水。这样液滴就沿着疏水的电极“吸附”到亲水电极一侧，实现最基本的“步伐”性移动。以此类推，通过对液滴移动路径上所经过的电极依次地施加驱动信号，就可以实现液滴沿着预设路径“步伐”性连续一维运动。在一些实施方案中，控制电路经由输入-输出电路将时变电压通过相应的电子开关(其可以是例如基板中或芯片外的薄膜晶体管或MOS电路)施加到成组驱动电极，以产生跨液滴的电场，从而使液滴沿着路径移动。
在一些实施方案中，样品处理区和分子分离区中下层的驱动电极和功能性膜共同完成微液滴的多种动作，包括但不限于：液滴的移动、原位震荡，液滴间的合并、大液滴至小液滴的撕裂等。在一些实施方案中，按照生物实验的特定路径，还可以配合外部加入的不同试剂(或样本)来实现相应的生物功能要求。
在一些实施方案中，生物分子分离、测定和分选微阵列芯片还包括多个通道，该通道在样品处理区、分子分离区及外部之间提供流体连通。在一些实施方案中，通道的材质包括芯吸材料，例如毛细管或纤维。在一些实施方案中，通道可以是其他的材质，诸如玻璃、高分子聚合物等。
在一些实施方案中，样品处理区和分子分离区的上层包含整面电极。
在一些实施方案中，分子分离区的凝胶分子包括琼脂糖或聚丙烯酰胺中的一种或多种。在一些实施方案中，可以根据待处理的生物分子的种类选择其他任何合适的凝胶分子。
在一些实施方案中，分子分离区的竖向电极分布在分子分离区的两侧，用于提供平行于凝胶分子层的均匀电场。
在一些实施方案中，分子分离区的下层包含与样品处理区下层类似的驱动电极和功能性膜层结构，并在膜层上方预铺设有凝胶分子层。生物分子在凝胶中进行电泳后，根据其带电性质和分子大小，在凝胶分子层被分离到不同的区域后，还可通过外加试剂的提供，被重新包裹进入微液滴，并在驱动电极和功能性膜层结构的作用下移动到指定区域，实现对生物分子的分选。
在一些实施方案中，可以在电泳结束后,使生物分子层析到油相中，或者使油相的液滴包裹住凝胶分子液滴，进而整个的液滴在分子分离区的驱动电极的驱动下定向、定量地移动到目标微区。
在一些实施方案中，样品处理区和分子分离区的上层中包含的整面电极可以起到辅助微液滴移动的作用。在一些实施方案中，上层中的整面电极与下层中的驱动电极一起实现微液滴的多种动作。
另一方面，本申请还提供了一种分离、测定和分选生物分子的方法，包括以下步骤：
a)将包含生物分子的液体样品注入本申请的生物分子分离、测定和分选微阵列芯片中；
b)液体样品进入样品处理区形成包含处理前生物分子的第一微液滴；
c)在样品处理区的驱动电极的驱动下使第一微液滴进行多种动作，形成包含处理后生物分子的第二微液滴；
d)第二微液滴进入分子分离区；
e)在分子分离区的驱动电极和/或竖向电极的驱动下使第二微液滴中的处理后生物分子在凝胶分子层中移动，实现处理后生物分子的分离；
f)分离过程结束后对分离的生物分子进行分析或分选。
在一些实施方案中，步骤a)中的生物分子包括：DNA、RNA、多肽和蛋白质中的一种或更多种。在一些实施方案中，步骤a)中的生物分子还可以包括其他分子。
在一些实施方案中，步骤c)中的动作包括液滴的移动、原位震荡、微液滴间的合并、大液滴至小液滴的撕裂。
在一些实施方案中，步骤c)中还包括根据需要从外部加入其他试剂或其他样本。其他试剂包括可以对目的生物分子进行修饰、变性、解聚、催化、带电、染色、清洗等一系列生物过程的试剂。在一些实施方案中，其他试剂包括脂质、糖类、核酸、酶、抗体、磁珠、染色剂等中的一种或更多种。
在一些实施方案中，在步骤c)中，对处理前生物分子的处理包括分子的连接、封端、修饰、裂解和活化。
在一些实施方案中，步骤f)中的分析包括染料染色或抗体标记。
在一些实施方案中，可将分离到不同的区域后的分子进行光学/电学等的进一步测定；或者机械取下分离区后，做进一步的样品处理和检测的工作。
在一些实施方案中，步骤f)中的分选包括在分子分离区的驱动电极的驱动下使分离的生物分子定向、定量地移动到目标微区。
在本申请的一些实施方案中，可在同一片薄膜晶体管(TFT)生物芯片表面完成样品分离、捕获、固定、免疫检测和定量分析，从而实现传统实验所有步骤(包括蛋白质上样、分离、免疫印迹、洗涤、检测以及数据分析)自动化，有效提高蛋白质表达定量结果的精确性及重复性。
在本申请的一些实施方案中，薄膜晶体管微阵列芯片上的样品处理区、分子分离区和驱动电极的尺寸在10nm-10mm；可选地，样品处理区、分子分离区和驱动电极的尺寸在100nm-1mm；可选地，样品处理区、分子分离区和驱动电极的尺寸在1μm-100μm；可选地，样品处理区、分子分离区和驱动电极的尺寸为1μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm。
在另一方面，薄膜晶体管微阵列芯片的制备可以通过标准的“成膜-光刻-显影-刻蚀-剥离”等半导体工艺，在玻璃、硅片、金属或者塑料刚(柔)性基板上，一体化的实现上述薄膜晶体管微阵列芯片的设计和制造。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本申请描述了多个实施方案，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施方案包含的范围内可以有更多的实施方案和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施方案的任何特征或元件可以与任何其它实施方案中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施方案中的任何其他特征或元件。
本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施方案、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施方案的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施方案不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
此外，在描述具有代表性的实施方案时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施方案的精神和范围内。
图1为本申请的一种实施方案中的生物分子分离、测定和分选微阵列芯片结构的示意图，上图为自上而下的俯视图，下图为侧视图。在上图中，从左至右分别是一个由样品处理区上层201覆盖着的一个样品处理区、一个由分子分离区上层202覆盖着的一个分子分离区和由另一个样品处理区上层203覆盖着的另一个样品处理区。
在下图中，可以看到，样品处理区包括包含有整面电极的上层、由样品处理区驱动电极104呈阵列分布在其中的下层以及由上下层之间的空间构成的处理区域。其中，上层和下层表面的至少部分涂覆有功能性膜层，或者上层和下层表面不涂覆功能性膜层。
分子分离区包括包含有整面电极的上层、由分子分离区驱动电极105呈阵列分布在其中的下层、竖向电极以及由上下层之间的空间构成的处理区域。其中，前竖向电极101和后竖向电极102分别位于分子分离区的前后两侧，可以提供平行于上下两层的平行电场。上层和下层表面的至少部分涂覆有功能性膜层，或者上层和下层表面不涂覆功能性膜层。并且其中分子分离区下层表面设置有凝胶分子层。
样品处理区和分子分离区互相连通，使得微液滴可以根据需要在两个区之间自由移动。
如图1所示，样品处理区微液滴500和分子分离区微液滴502可以在驱动电极和/或竖向电极的作用下在样品处理区和分子分离区按所需方向移动。样品处理区在图示中为Z轴方向上高度较高的部分，分子分离区在图示中为Z轴方向上高度较低的部分，使得样品处理区微液滴500可以在重力的作用下，或其他作用力作用下，进入分子分离区，成为分子分离区微液滴502，然后在分子分离区电极的驱动下，完成分子的分离和分选。其中样品处理区和分子分离区也可以以其他方式连通，使得微液滴以其他方式在两个区之间自由移动。
图2为本申请的一种实施方案中的生物分子分离、测定和分选微阵列芯片结构的顶层俯视图，与图1中的上图类似，示出了三个连接在一起的区。其中，区的位置和数量可以根据需要进行组合。例如，从左至右可以是样品处理区、分子分离区和样品处理区，也可以是分子分离区、样品处理区和分子分离区。不同区的长度a-a’、c-c’、d-d’也可以是任选地，根据需要进行改变。
图3本申请的一种实施方案中的生物分子分离、测定和分选微阵列芯片结构的另一顶层俯视图，在该图中，去掉了样品处理区和分子分离区的上层，两侧为两个样品处理区，中间连有一个分子分离区。在样品处理区，样品处理区驱动电极104可以以不同的大小不同的密度呈阵列排布在下层中。可以根据需要设计样品处理区驱动电极104在下层中的排布，以实现所需的对微液滴的精确控制。同样，分子分离区驱动电极105的排布可以与样品处理区驱动电极104相同或不同，可以按照所需实现的功能进行设计。
图4为本申请的一种实施方案中的生物分子分离、测定和分选微阵列芯片的样品处理区的侧视图。其中，上层和下层表面涂覆有功能性膜303，样品处理区驱动电极104通过信号线403与外部控制系统连接。控制系统给予电信号来控制电极上的电压。当一定大小的包含生物大分子的微液滴501位于驱动电极和功能性膜的表面上时，液滴在任何时刻都能位于样品处理区表面二维的至少一个电极正上方。当前信号走线给液滴所在的电极未施加电压(或电流)信号时，电极上方膜层表面(界面)的状态为疏水；在液滴行进方向的下一电极通过所在信号走线给该电极施加电压(或电流)信号，则电极上方膜层表面(界面)切换成亲水。这样液滴就沿着疏水的电极“吸附”到亲水电极一侧，实现最基本的“步伐”性移动。以此类推，通过对液滴移动路径上所经过的电极依次地施加驱动信号，就可以实现液滴沿着预设路径“步伐”性连续一维运动。根据输入信号的不同，包含生物大分子的微液滴501能够在疏水层的层间间隔在电极电信号的驱动下进行液滴的移动、原位震荡，液滴间的合并、大液滴至小液滴的撕裂等基础动作，并在这些基础动作基础上，按照生物实验的特定路径，配合外部加入的不同试剂(或样本)实现相应的生物功能要求。
图5为本申请的一种实施方案中的生物分子分离、测定和分选微阵列芯片结构的一个局部结构图，示出了样品生物分子在分子分离区的分离。其中，分子分离区表面可根据需要铺有凝胶分子层(例如，琼脂糖凝胶或聚丙烯酰胺凝胶)，前竖向电极101和后竖向电极提供了平行于凝胶的电场E，包含生物大分子的微液滴501进入到分子分离区后，成为分子分离区微液滴502，在电场E的作用下，其中的生物分子可以在凝胶中进行电泳，由于其不同的分子量大小进而分离形成不同的分子条带，601和602分别示出了2个不同分子量大小在电泳后产生的分子条带。
图6为本申请的一种实施方案中的生物分子分离、测定和分选微阵列芯片的分子分离区的俯视图，包含了从左到右4个通道的分子分离区。当包含生物大分子的微液滴，用已预设的程序在样本处理区进行例如清洗、预分选、变性、解聚、带电之和孵育后，同样在预设的电压(电流)信号序列驱动下移动到分子分离区。并且，可以按照样本数量的要求或实验并行数目(如需设定对照组)的要求，移动到不同的分选测定路径对应的通道上(例如，图例中从左到右的4个通道)。在不同的分选测定路径对应的通道上对应加载合适的电压，即实现如图示矢量符号E方向上的均匀电场加载，也即在该通道上启动电泳反应。
以对蛋白的分析为例，可以在分子分离区的表面预先灌入SDS－PAGE蛋白胶，pH6.8的浓缩胶在上部分，pH8.8的分离胶层在下部分，上电极为负极，下电极为正极。在浓缩胶中，当施加电压后，甘氨酸分子(COO—)和Cl—开始通过凝胶向正极迁移。由于甘氨酸分子在浓缩胶中以两性离子的形式存在，其电泳迁移速率非常慢。氯离子比甘氨酸分子迁移得更快，产生了不平衡的正反离子区域，从而在氯离子和甘氨酸离子之间形成了很大的电压梯度。在甘氨酸分子(最慢的)和氯离子(最快的)之间存在样本混合物中的所有蛋白质(Pro—)。样品分子在氯化物和甘氨酸之间中间迁移，逐渐被压缩成非常薄而清晰的蛋白层，在浓缩胶运动中，由于胶联度小，孔径大，Pro—受阻小，因此不同的分子就浓缩到分离胶之上成层，起浓缩效应，使全部处于同一起跑线上。在分离胶中，由于Pro—在电泳过程中，受到溶液离子的变化而pH值发生变化，但每一瞬间，其所带电荷数除以单位质量是不同的，所以带负电荷多者迁移快，反之则慢，这就现了电荷效应。由于胶孔径小，而且成为一个整体的筛状结构，它们对大分子阻力大，小分子阻力小，起着分子筛效应，也就是大分子在分离胶中，以分子筛效应和电荷效应而出现迁移率的差异，最终达到彼此分开，在分离胶表面聚集成一条很薄的区带(或称积层)，结果如图7所示。
在一些实施方案中，可将分离到不同的区域后的分子进行光学/电学等的进一步测定；或者机械取下分离区后，做进一步的样品处理和检测的工作。
在一些实施方案中，在分子分离区的表面，可以预先用溶液处理，封闭膜上的疏水结合位点。用目标大分子的抗体(一抗)处理膜—只有待研究的大分子才能与一抗特异结合形成抗原抗体复合物，这样清洗除去未结合的一抗后，只有在目标大分子的位置上结合着一抗。用一抗处理过的膜再用标记的二抗处理，二抗是指一抗的抗体。处理后，带有标记的二抗与一抗结合形成抗体复合物可以指示一抗的位置，即是待研究的大分子(602条带所示)的位置。
在一些实施方案中，也可以在电泳结束后对分离的蛋白进行染色：电泳结束后，关掉电源，取出微阵列芯片。将胶面上侧玻璃板分开，在指示剂区带中心插入铜丝作为标志，放入大培养皿中染色，使用0.25％的考马斯亮蓝染液，染色2～4h，必要时可过夜。弃去染色液，用蒸馏水把胶面漂洗几次，然后加入脱色液，进行扩散脱色，经常换脱色液，直至条带清晰为止。结果处理：测量脱色后每个样品移动距离(即大分子带中心到加样孔的距离)，测量标准蛋白分子marker染料迁移的距离。根据待测样品的相对迁移率，通过与标准蛋白分子marker相比得出蛋白的分子量。
在一些实施方案中，也可以在电泳结束后,使生物分子层析到油相中，或者使油相的液滴包裹住凝胶分子液滴，进而整个的液滴在分子分离区的驱动电极的驱动下定向、定量地移动到目标微区。
本发明实施方案中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

Claims (18)

1.一种生物分子分离、测定和分选的微阵列芯片，包括：
基板；
多于一个样品处理区和多于一个分子分离区，所述样品处理区与所述分子分离区连通；
所述样品处理区包括上层和第一下层，所述上层与所述第一下层互相分离，并在之间形成微流控区域，所述第一下层包括多于一个驱动电极，所述驱动电极呈阵列且互相独立排布在所述第一下层中；
所述分子分离区包括所述上层、第二下层和竖向电极，所述第二下层包括凝胶分子层和所述驱动电极，所述驱动电极呈阵列且互相独立排布在所述第二下层中；
所述上层和所述驱动电极的至少部分表面涂布有功能性膜，在电场的调控下，所述功能性膜的亲/疏水状态能发生改变。
2.根据权利要求1所述的微阵列芯片，其中，所述驱动电极耦合至薄膜晶体管。
3.根据权利要求2所述的微阵列芯片，其中，所述驱动电极由外部信号线连接输入信号直接控制，或者通过有源寻址的方式间接控制。
4.根据权利要求1所述的微阵列芯片，其中，还包括多个通道，所述通道在所述样品处理区、所述分子分离区及外部之间提供流体连通。
5.根据权利要求1所述的微阵列芯片，其中，所述上层包含整面电极。
6.根据权利要求1所述的微阵列芯片，其中，所述凝胶分子包括琼脂糖或聚丙烯酰胺中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的微阵列芯片，其中，所述竖向电极分布在分子分离区的两侧，用于提供平行于凝胶分子层的均匀电场。
8.根据权利要求1所述的微阵列芯片，其中，所述功能性膜为由含氟聚合物构成的膜，所述含氟聚合物优选为聚四氟乙烯。
9.根据权利要求1所述的微阵列芯片，其中，所述样品处理区、所述分子分离区和所述驱动电极的尺寸在10nm-10mm。
10.根据权利要求1所述的微阵列芯片，其中，所述样品处理区、所述分子分离区和所述驱动电极的尺寸在100nm-1mm。
11.根据权利要求1所述的微阵列芯片，其中，所述样品处理区、所述分子分离区和所述驱动电极的尺寸在1μm-100μm。
12.一种分离、测定和分选生物分子的方法，包括以下步骤：
a)将包含生物分子的液体样品注入权利要求1所述的微阵列芯片中；
b)液体样品进入所述样品处理区形成包含处理前生物分子的第一微液滴；
c)在所述样品处理区的所述驱动电极的驱动下使所述第一微液滴进行多种动作，形成包含处理后生物分子的第二微液滴；
d)所述第二微液滴进入所述分子分离区；
e)在所述分子分离区的所述驱动电极和/或所述竖向电极的驱动下使所述第二微液滴中的所述处理后生物分子在所述凝胶分子层中移动，实现所述处理后生物分子的分离；
f)分离过程结束后对分离的生物分子进行分析或分选。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，步骤a)中的所述生物分子包括：DNA、RNA、多肽和蛋白质中的一种或更多种。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，步骤c)中的所述动作包括所述液滴的移动、原位震荡、微液滴间的合并、大液滴至小液滴的撕裂。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，步骤c)中还包括根据需要从外部加入其他试剂或其他样本。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在步骤c)中，对所述处理前生物分子的处理包括分子的连接、封端、修饰、裂解和活化。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，步骤f)中的所述分析包括染料染色或抗体标记。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，步骤f)中的所述分选包括在所述分子分离区的所述驱动电极的驱动下使分离的生物分子定向、定量地移动到目标微区。
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