CN1274400C - 分离装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种用于将样品分离成大小不同的微观结构的分离设备，该设备包括一个有分离通道的分离部件，该分离通道位于分离部件基质上的沟槽中，在沟槽中形成间隔排列的柱路径(121)，其宽度比柱路径(121)间的间隙宽度要宽。当样品迁移通过分离通道时，小尺寸的DNA分子(S)被柱路径(121)捕获，大尺寸的DNA分子(L)顺利地迁移通过宽的间隔；所以大尺寸的DNA分子(L)比小尺寸的DNA分子能更快地到达分离通道的末端，且没有堵塞。

Description

分离装置及其制造方法

发明领域

本发明涉及对含有微观结构的样品进行分离的技术，更特别的，涉及能按大小不同将一个样品分离成不同的微观结构的设备，例如，利用微量技术分离细胞和核苷酸片断或有机分子，如氨基酸、肽和蛋白质，金属离子，胶体颗粒和乳胶颗粒，以及制备微柱的方法。

相关技术说明

分析生物体基本结构的一般方法是从样品中分离和提纯微观结构。在分析过程中用到的另一种常用方法是将样品中的微观结构按照大小或带电量的不同分组，比如，在Maxam-Guilbert方法中，将DNA用放射性同位素³²P标记其一个末端，用化学方法剪切成不同长度的片断，然后通过电泳将片断分离，放射自显影测量片断的碱基序列。分离过程耗时较长，应该被缩短，因此，缩短分离时间是本技术领域的一个重要技术目标。换句话说，研究者希望设计一种分离技术，通过该技术可以在短时间内精确分离出各微观结构。

超离心机和毛细管电泳系统被广泛用作分离设备，但是，研究者利用超离心机和毛细管电泳系统分离时需要花很长的时间，这些现有的设备/系统的另一个难以克服的缺点是需要大量的样品，而且其分辨率也不能满足研究的需要。

专利号为5837115的美国专利公开了一种分离设备，在该专利揭露的设备中，有许多障碍物并排安装在基质的表面，并且液体基质中的片断迁移通过这些障碍物排列。本发明分离的对象和美国专利一致，都是细胞、病毒、高分子和微粒子。但是，现有的设备存在以下问题：第一，障碍物阵列中的通路易于被片断所阻塞，这就意味着这些阻塞的通路需要经常清扫，所以吞吐量低。第二，很难使障碍物保持适当的间距，根据现有的技术使障碍物的间距保持等于或小于200纳米是不可能的。由于以上原因，现有的分离设备只能用来分离有限的范围的微观结构。

发明内容

发明概述

因此，本发明的一个重要的目标是提供一种设备，利用该设备能高分辨率地将少量的样品迅速的分离成大小不同的组分，且没有阻塞。这些组分包括核酸和蛋白质。

本发明的另一个重要的目标是提供一种制备该设备的方法，通过该设备，在分离通道中能高密度地形成微体。

本发明的一个方面是提供了一种能将样品分离成大小不同的微观结构的设备，该设备包含一个含有样品迁移区域的分离部件和至少一个作为障碍物的微体群落，该障碍物阻碍微观结构的迁移，并形成一个区域，该区域中迷宫似的部分用来捕获较小尺寸的微观结构，而该区域的其他部分作为较大尺寸的微观结构的通路。

本发明的另外一个方面是提供一种制备分离设备的方法，该方法包含以下步骤：a)制备一个基质结构，b)通过电子束平板印刷技术从一个图案转移层转印一个微体图案到基质结构表面区域，该微体作为阻碍微观结构迁移的障碍物，c)完成表面区域图案中的微体，和d)完成一个分离通道，该通道具有包含表面区域的基质区域。

附图的简要描述

通过以下描述，并结合附图，本发明的设备和方法的特征和优点将更清楚。其中：

图1是本发明的设备中形成的柱的结构示意图。

图2是本发明的设备的平面示意图。

图3是设备中的液体槽的平面图。

图4是沿着图3的轴线A-A’的液体槽的结构的横切面图。

图5是本发明的另一种设备的布置透视图。

图6是设备中的结合部件结构的横切面示意图。

图7是分离部件的布局(layout)平面示意图，该分离部件形成本发明另一种设备的一部分。

图8是安装在分离部件中的样品加速器的平面示意图。

图9是分离部件的布局平面示意图，该分离部件形成本发明另一种设备的改进部分。

图10是安装在分离部件中的样品加速器的平面示意图。

图11是在基质中形成的分离通道的立体示意图。

图12是分离通道中的柱的横切面示意图。

图13是微观结构迁移通过现有技术的分离通道的示意图。

图14是微观结构迁移通过本发明分离部件中的分离通道的示意图。

图15是柱路径(pillar patch)改进的排列平面图。

图16是柱路径其他改进的排列平面图。

图17是分离通道中的柱路径的布局的平面图。

图18是柱路径的改进平面图。

图19是柱路径的另一种改进的平面图。

图20是柱路径的再一种改进的平面图。

图21是沿着图20的线A-A’的表示柱路径的结构的横切面图。

图22是柱路径的排列平面图。

图23是另一种分离通道结构的横切面图。

图24A到24D是样品受压通过分离区域前的一排柱时的平面图。

图25是包被有一层光滑层的凹槽壁的立体示意图。

图26是分离通道中柱路径群落的布局平面图。

图27是样品加速器改进的布局立体示意图。

图28A是离心系统的管子中的芯片(chip)的平面图。

图28B是放置在管子中的芯片的横切面图。

图29A到29G是分离部件中柱形成过程的横切面图。

图30A到30C是分离部件中柱的另一种形成过程的横切面图。

图31A到31D是分离部件中柱的再一种形成过程的横切面图。

图32A到32C是分离部件中柱的又一种形成过程的横切面图。

图33A到33D是基质中间隔的形成过程的立体示意图。

图34是本发明位于分离部件的分离区域的布局的平面示意图。

图35A到35B是液体通过分离区域不同排列时的界限的平面图。

图36A到36C是缓冲液流进被人造胶均匀填充的间隔的示意图。

图37A到37C是缓冲液流进被人造胶不均匀填充的间隔的示意图。

图38A到38Q是本发明用于测试的设备样品的制备过程的横切面示意图。

图39A到39Q是制备样品的方法的平面图。

图40和41是用本发明的方法制造的柱的照片。

图42是样品1完成蚀刻后柱的照片。

图43到45是样品1的柱上产生的氧化硅层的照片。

图46是样品2完成蚀刻后柱的照片。

图47到49是样品2的柱上产生的氧化硅层的照片。

图50A是柱的三角形格子的照片。

图50B是一系列缓冲液迁移通过不同浓度的柱区域的照片。

图51A到51E是本发明制备一个样品的一个方法的步骤的横切面图。

图52是本发明制备的样品的照片。

图53是样品中的柱的尺寸的示意图。

图54A到54C是表示分离设备的样品制备方法的后面部分的平面示意图。

图55A到55C在制备过程的后续步骤中样品沿线A-A’的横切面示意图。

图56是DNA分子的迁移速度的离差(dispersion)图。

图57是DNA的大小和本发明测得的迁移速度之间的关系图。

图58是试验测得的光子数量和时间的关系图。

发明的详细描述

本发明的设备包含一个壳体(body)，该壳体至少有一个供样品通过的通道。样品流经该至少一个通道。壳体的通道中还至少有一个分离区域，在该分离区域中形成多个柱。

本发明的设备可以包含：有作为样品通道的凹槽的壳体，引导样品进入通道的进料口，将样品分离成各组分的分离区域和用来分别分析或回收分离组分的样品回收部分。在分离区域有一个柱群落，该柱可以安装在内表面作为通道的一部分。

分离区域的多个柱就象梳子的齿，间隔排列。样品的各组分通过这些柱被分离。换句话说，这些柱足够多能使样品分离成各组分，即使这些组分象核苷酸和蛋白质那样微小，也能从样品中分离或挑选出来。

这些柱可以用亲水性层覆盖。亲水层可以是由柱材料的氧化物组成。如果基质和柱都是由单一的晶体硅组成的，那么氧化硅就适合作为亲水层。当样品被分离时，向设备中加入缓冲液，如水溶液。由于柱上覆盖着亲水层，缓冲液可以很平稳地通过设备。假如柱是疏水的，那么在柱的间隔等于或小于200纳米的条件下，缓冲液将很难通过设备。若把柱的间隔减小到100纳米甚至更小，那问题就更加严重。但是，亲水性的柱能使缓冲液很容易的流过非常狭窄的间隙，亲水性柱的另一个优点是能够严格限制间隙的扩大。

柱的横切面沿着其顶部表面到凹槽的底部可以增大，于是形成圆锥体、棱锥体或截锥体的形状，这个特征是合乎需要的，因为柱是在好的可控性条件下以很大的纵横比均一形成的，该纵横比的不规则性只在一个非常小的范围内浮动，即使因为氧化在柱上产生氧化层，氧化物对纵横比的影响也很小。如果柱是一个长方体形，那么凹槽底部的氧化速度比顶部的氧化速度快，结果凹槽底部的氧化物比顶部的厚。在凹槽底部氧化物膨胀显著，于是减小了纵横比。但是，沿着底部横切面增大的柱，氧化物趋向于在其表面均匀生长。所以，沿着底部横切面增大的柱优选为看起来有较大的纵横比。

各个柱可以在凹槽底部彼此连接，从大的纵横比的观点来说，这个特征也是合乎需要的。假如柱在凹槽底部是相互靠近的，那么过度氧化就被严格限制在底部，柱就会有一个大的纵横比。如果这些柱彼此有较大的间隙，那么柱之间的凹槽具有位于柱间的平底。在平底上的氧化作用更快，氧化物膨胀明显。在另一方面，彼此靠近的柱形成狭窄的凹槽，且狭窄的凹槽有不平的表面。当基质暴露于氧化气氛中时，柱的整个表面上进行不均一的氧化，且该氧化作用被严格限制在凹槽狭窄的底部，因为狭窄底部的体积膨胀而产生的压力都施加在氧化物上。由于这些限制作用，狭窄的凹槽底部就产生相对较薄的氧化层或和柱的顶端部上氧化层一样薄的氧化层。换句话说，在狭窄底部的氧化作用不明显，氧化物层使柱仍然保持很大的纵横比。图1显示了圆锥形柱110，该圆锥形柱110在凹槽110V的底部110B是彼此靠近的。当圆锥形柱110暴露于氧化空气中时，柱110的表面部分被氧化，在其表面产生氧化层104。然而，在底部110B产生的氧化层较少，底部110B产生的氧化层104要比圆锥形柱110的侧面表面产生的氧化层薄。底部110B产生较少的氧化物是因为底部110B体积膨胀使得压力比侧表面上的压力更大。氧化作用不明显，并且薄的氧化物可保持凹槽110V的深度，于是产生大纵横比。

利用高密度大纵横比的柱，该设备表现出高的分辨率，从这一点来说，沿着凹槽的底部横切面增加的柱优选为在凹槽的底部彼此靠近。柱的尺寸是均一的。从这一点来说，制成的柱没有很大的偏差，因为这样制造商能容易的优化柱而使样品得到分离。虽然本领域的普通技术人员并不了解如何利用适合于柱的绘图技术在很大纵横比的柱上绘图，但本申请的发明人发现一种电子束平板印刷技术可以用于柱。一种电子束抗蚀剂被用于电子束平板印刷，命名为calixarene，结构单元如下：

该电子束抗蚀剂可用于纳米级的微型制图。

该设备可以有一个分离区域，在该区域中形成多柱群落或柱路径。该多柱群落提供样品迁移通过的一个或多个通道。

上文所描述的设备的基本运作原理与现有技术中专利号为5837115的美国专利所公开的设备的运作原理不同。现有技术的美国专利公开的设备的基本原理是障碍物阻碍大尺寸的微观结构，比如阻碍大尺寸分子的能力比阻碍小尺寸的微观结构或小尺寸分子的能力强。因此，现有技术中的设备中，小尺寸的微观结构首先流出，大尺寸的微观结构在小尺寸的微观结构流出后流出。

然而，本发明的设备的基本原理是小尺寸的微观结构，比如小尺寸的分子比大尺寸的微观结构，比如大尺寸的分子更容易被柱群落所捕获。被柱群落捕获的小尺寸微观结构比大尺寸微观结构迁移长得多的距离，于是小尺寸的微观结构在大尺寸的微观结构之后流出设备，所以大尺寸的微观结构能够比小尺寸的微观结构更顺利的通过分离区，这就意味着分离区不会被微观结构所堵塞。本发明的设备比现有技术的设备有更大的吞吐量。

微观结构，如核酸和蛋白质各自有广泛分布的固有半径曲线，假如用现有技术的设备分离核酸和蛋白质，迁移的路径很容易被最大的微观结构堵塞，即使清洗设备，该最大的微观结构也很难从迁移路径中清除掉。本发明的设备能有效的防止大尺寸微观结构的堵塞，因为大尺寸的微观结构能容易的迁移通过分离区。

本发明中，路径的宽度比柱之间的间隙要大，因为大尺寸的微观结构能顺利的迁移通过路径。小尺寸的微观结构迁移通过柱群落，迁移的距离依赖于微观结构尺寸的大小。

柱群落中柱之间的间隙值可以不同，这就意味着本发明的设备具有两种参数，即，柱间间隙值和每个柱群落的路径的宽度。即使样品含有宽范围尺寸的各种不同的微观结构，样品也能被高分辨率地没有阻塞地分离成微观结构组分，还能通过调节这两个参数的值减少输入量。如果要小尺寸的分子能被高分辨率地分离，柱间的间隙值就应调整到几到几十纳米，并加宽路径。大尺寸的分子能容易的迁移通过路径以至于路径不易被大尺寸的分子所堵塞。

路径可以指向某个方向，该方向不同与于样品迁移通过的液体通道的方向，在这种情况下，样品中的分子可以频繁地与柱群落接触，小尺寸的微观结构或小尺寸的分子就有很高的可能性被柱群落捕获，于是提高了分辨率。迁移的方向和路径的方向优选的角度为10-80度，更优选的角度是30-60度。假如角度太小，微观结构就不能频繁的与柱群落接触。但是假如角度太大，路径中的柱阻碍液体流动，从而将减少吞吐量。

柱间的间隙等于或小于100纳米，“间隙”或“间隔”等于柱中心线和相邻柱中心线间的距离。狭窄的间隙是理想的，因为用这种柱群落能分离现有技术的设备不能分离的小尺寸微观结构。当设备用来分离核酸和蛋白质样品时，柱群落的柱间隔为上百纳米或更小是必要的。假如间隔太大，柱群落就不能产生梳子的功能。安装有柱群落的设备，其间隙为70纳米或更小时，样品能够被更精确地分离成组份或微观结构。

当柱群落中的间隙和路径宽度确定后，就应该考虑样品组分的中位数M和标准偏差σ。优化设备以提高其分离效率，当柱的间隙调整到M时，路径的宽度可以调整到(M+2σ)，其他的柱群落的间隙和路径宽度可以分别调整到2M和(2M+2σ)。

在通道中有多个柱群落的设备中，从上游到下游柱的密度可以增加。当样品迁移通过通道时，大尺寸微观结构或分子顺利迁移通过通道，小尺寸微观结构或分子长时间停留在柱群落中，于是小尺寸的微观结构被延迟，所以分辨率提高。

另一方面，其他的设备也可以拥有从上游到下游密度增加的柱群落，这种情况下，堵塞就能够被更严格的限制，于是就提高了吞吐量。

本发明的另一种设备，该设备中各个柱的顶部和通道的内壁之间可以留有空间，该顶部与内壁的间隙给了大尺寸微观结构一个路径，于是通道更少被大尺寸的微观结构堵塞，而且该顶部与内壁的间隙还给了进入柱群落的一个入口，因此小尺寸的微观结构更容易被柱群落捕获。所以柱和内壁的空间是分离的一个改进。

本发明的又一种设备，该设备有一排柱，象坝一样，这一排柱收集分散在该区域和临近区域中培养基中的样品，优选在分离之前收集样品。收集样品时，样品倾向于形成一条狭窄的带，该窄带使分离效率提高。坝形的柱可以位于分离区相邻的某部分，这样，样品在分离之前就形成了狭窄的带，所以分离效率提高。换句话说，设备实现高精度分离。

通道的内表面可以是亲水的。该亲水内壁使样品中的微观结构顺利的迁移通过通道，从而有益于促进分离。

每个柱群落的柱可以是同样大小，间隔排列，这样可以提高分离效率，路径中的柱越多，分辨率越高。

柱群落也可以是各自大小不同的柱群，在这种情况下，每个路径中的柱和其他路径中的柱之间的间隔和大小是不同的，即使样品中含有很宽范围尺寸的组分，柱群落也能高分辨率地将样品分离成组分，且没有堵塞，也不降低吞吐量。

本发明中的设备还可以含有样品加速器。该样品加速器能给样品施加内部压力使其加速迁移通过通道，样品加速器改变了迁移所耗费的时间，因此分辨率的改变依赖于分离的样品。施加在样品上的压力可以是电场产生的电压或电动力，电压和电动力是优选的，因为发动机是密封的。样品可以通过毛细管现象迁移，这样允许制造商按比例缩小设备。

可以被分离的微结构包括核酸，核酸片断，有机分子，比如氨基酸、肽和蛋白质，金属离子，胶体颗粒和乳胶颗粒。本发明的设备优选用来分离含有核酸分子和其片断或蛋白质分子及其片断的样品。要使这些样品被高分辨率地分离成小尺寸的组分，设备中柱群落的间隔必须保持几百纳米或更小。另外，含有大尺寸的微观结构的样品，通道很容易被大尺寸微观结构堵塞。本发明的设备解决了这些问题。因此，对于含有核酸分子和/或蛋白质分子的样品，本发明的设备是优选的。

设备的一条通道上可以有多个分离区域，这些分离区域以裂缝的形式彼此间隔。每一个分离区域占据通道的整个横切面。裂缝可以是单个或多个。这些分离区域可以改变成缓冲区，该区比分离区域的柱稀疏，形成的带成直线状。这相当于一个宽的检测区域，提高了敏感性。

本发明的设备可以包含一个纳米结构，在该结构中的基质表面形成多个柱，该柱各自的基底部分的横切面比顶部要宽，其基底部分在柱间凹槽的底部彼此结合。如上文所述，凹槽底部的氧化作用被抑制，所以柱各自的纵横比值落在一个较窄的范围内。这样均一产生的柱是分离设备或部件或元件的组分优选的。

一种制造本发明设备的方法，其步骤包括制备含有一个主要表面的基质和一个含有凸起图案的转移表面的模具，在主要表面涂布抗蚀材料以形成一个抗蚀层，用模具的主要表面冲压抗蚀层以使抗蚀层形成凹槽，除去凹槽部分抗蚀层以使抗蚀层上形成开口，再蚀刻开口部分所暴露的基质以便制备柱。

凸起的图案和凹槽以合适的程度从模具表面转移到抗蚀层。一种模具可以用来制备间隔距离等于或小于200纳米的柱。另一种模具可以用来制备间隔距离等于或小于100纳米的柱。这样的模具提高了生产率。如果在制图时运用电子束平板印刷技术，电子束印刷制图步骤就会耗费很长的时间，生产率就很低。在本发明中，可以省略电子束平板印刷的图案转移步骤。从模具中将图案转移到抗蚀层能够在很短的时间内完成，这段时间比用电子束平板印刷的制图步骤所花的的时间大大缩短。所以，用本发明的方法制造的分离设备有高的生产率。

对于本发明的方法所用到的抗蚀刻剂来说，对光和电子束的任何敏感性都是不必要的。利用模具使抗蚀层特异地变形，烘烤固化，使之对一种蚀刻剂，比如干蚀刻剂具有某种程度的抗性。这样的抗蚀刻剂包括聚甲基丙烯酸甲酯系列的树脂。抗蚀层可以通过灰化除去。

本发明的设备可以在拥有一个树脂层的基质上装配，其中基质提供一个主要表面。带有凹槽图案的模具冲压树脂层以便在树脂层上制备柱，为了提高生产率，任何电子束平板印刷对于图案转移都是不需要的。

本发明的设备的必不可少的特征是分离区。即使设备中没有安装样品进料区和样品加速器，样品也能够被分离。分离区可以以抛弃筒(throw-awaycartridge)的形式提供给消费者，使用者在样品分离之前将抛弃筒安装在本发明的设备上。

制备本发明的设备的另一种方法，其步骤包括制备含有氧化硅层的基质，在氧化硅层上形成硅层，选择性地蚀刻硅层，热氧化该硅层使之和氧化硅层结合。用这种方法制造的设备形成一个有利于样品从基质中电分离出来的液体通道。对于安装有在电场中加速样品迁移的样品加速器的设备来说，该基质是优选的。研究者可以使用高电压，所以，该基质使设备对用户具有高适应性。

优选实施方式的描述

本发明的设备是在基质上装配的，基质可以由单晶硅组成，也可以由玻璃如石英或合成树脂如硅氧烷树脂组成。在基质的主要表面上形成一个或多个沟槽，在该沟槽中形成一个或多个通道和一个或多个分离区域。基质的主要表面被盖片覆盖，因此通道和分离区域被限制在由基质和盖片组成的空间内。

举例来说，利用蚀刻法在基质上制备柱，该方法不对制图技术有任何限制。柱可以有一定的形状，比如柱体、锥体、棱柱或凸起的条纹图案。柱体包括圆柱体和椭圆柱体，锥体包括圆锥体、椭圆锥体、三角锥体和四边形锥体。棱柱包括三角棱柱和四边形棱柱。圆柱体的尺寸为(10-200)纳米×(10-1000)纳米。

柱聚合在一起以形成柱群落，柱和相邻柱之间的间隙被调整到某一个分离最佳值。当制造商设计柱群落时，设计者要考虑到样品中含有的微观结构。该设备可以用来分离和浓缩下文所述的样品。

假定样品中含有细胞和其他各种微观结构。要使细胞与其他种微观结构分离，间隙的范围应为1-10微米。

如果样品是匀浆，比如破碎的细胞组分，要使细胞膜和细胞器，比如线粒体和内质网与溶液的组分，比如胞液分离，间隙的范围应为100纳米到1微米。

样品是可溶解的组分。要使高分子量的组分比如DAN、RNA、蛋白质和糖从小分子量的组分，如类固醇和葡萄糖链接，间隙的范围应为1纳米到100纳米。

设备中安装一个和多个柱群落。群落中的柱可以是同样尺寸，有规则的间隔排列。在另一种设备中，群落中的柱可以是不同尺寸，以不同的间隔排列。柱群落也可以有不同的尺寸和以不同的间隔排列。

相邻柱间的间隔用作样品迁移通过的路径。优选地，相邻柱群落之间的间隙大于相邻柱间的间隙，即柱间的间隔，因为大尺寸的分子如巨型分子可以顺利的迁移通过该路径。于是分离的效率得以提高。

实施例1

参考附图中的图1和图2，本发明中的设备具体的包括一个基质110和一个盖片801(参考图3和4)。虽然设备中还安装有一个控制器和一个样品加速器，但他们并没有显示在图2中。

基质110的尺寸为(5毫米-5厘米)×(3毫米-3厘米)。在该基质110中形成一个分离通道112，该通道在径向上延伸。虽然图1没有显示，但在该分离通道112上形成柱，该柱设计用来捕获微观结构，即一定大小的分子。当样品迁移通过分离通道112时，被分离成不同大小的组分。因此，分离通道112部分地被用作分离区域，部分地被作为样品迁移通过的路径。

在基质110上的液体槽101a和101b位于分离通道112的两端，分离通道112连接液体槽101a/101b。电极804(参见图3和图4)和液体槽101a和101b相连，并与电源连接(没有示出)。在电极804间施加偏振电压，使液体槽101a和101b间产生电场。当液体槽101a和101b间产生电场时，电动力就施加在样品上，样品就沿着分离通道112移动。

一个检测设备113位于分离通道112中。利用该检测设备113，样品中的组分被光学或物理化学方法区分。如果设备用的是一个光学检测设备113，该设备就会向样品的组分发射出激光束。将一种荧光材料与样品中的某种分子相连接。当该种分子抵达检测设备113时就会产生荧光，该荧光入射到检测设备113中，然后，检测设备113输出一个代表分子到达的检测信号。因此，检测设备113区分出这种带有标记的微观结构，并向另外连接的控制器(没有显示)报告其已到达。

进料通道111和回收通道114与分离通道112交叉。进料通道111在横向上延伸，和分离通道112的一个末端部分连接。进料通道111还和液体槽102a/102b相连。回收通道114也在横向上延伸，和分离通道112的另一个末端部分连接，该回收通道114也和液体槽103a/103b相连。回收通道114位于检测设备113和液体槽101b之间。

在基质110中形成的液体槽102a/102b位于进料通道111的两端，和进料通道111的两个末端部分连接。另外，在基质110中的液体槽103a/103b位于回收通道114的两端，和回收通道114的两个末端部分相连。提供的电极与液体槽102a/102b和103a/103b相连接，并能与电源相连(没有显示)。当液体槽102a/102b中的电极接通偏振电压时，在液体槽102a和102b之间就产生电场，样品迁移通过进料通道111。相似地，当液体槽103a和103b中的电极接通偏振电压时，在液体槽103a和103b之间就产生电场，组分迁移通过回收通道114。

液体通道101a/101b、102a/102b和103a/103b在结构上彼此是相似的，所以在图3和4中只描绘了液体槽101a。虽然图3没有显示任何横切面图，但是为了清楚的区分各个组件，图中标出了其剖面线。

基质110被盖片801覆盖，在盖片801上有一个开口802，该开口用于向液体槽101a提供缓冲液。盖片801上镶嵌有一块导电板803，电极804安装在液体槽101a槽壁的一侧，导电板(conductive strip)803伸入液体槽101a中，插入到盖片801和电极804之间。电极804被压向导电板803并与其连接。于是，偏振电压通过导电板803加到电极804上。在液体槽101a/101b、102a/102b和103a/103b中的电极804和电源一起构成样品加速器804A。

按照下文的描述使用图2到4中的设备，含有某种大小的分子的样品可以分离成大小不同的组分。首先，样品被加到液体槽102a或102b中。假如是样品加到液体槽102a中，产生一种形式的电场使样品朝着另一个液体槽102b的方向流过进料通道111。假如是样品加到液体槽102b中，样品在液体槽102a和102b之间存在的电场的作用下以相反的方向通过进料通道111。样品从液体槽102a/102b中流入并充满进料通道111。由于进料通道111与分离通道112是交叉的，部分样品占据了分离通道112和进料通道111之间的交叉点，形成一个和进料通道111一样狭窄的带。

随后，消除液体槽102a和102b间的电场，偏振电压以一定的方式加到液体槽101a和101b之间，在该种方式下样品朝着液体槽101b的方向流动。对样品中微观结构根据分子大小和电荷量不同施加不同的电压。样品迁移通过分离通道112，某种大小的分子被柱捕获。但是比该分子大的其他微观结构没有被柱捕获而迁移通过分离通道112。当样品迁移通过分离通道112时，样品被分离成迁移速度不同的迁移带。当被标记的微观结构到达检测设备113时，检测设备113向控制器(没有显示)输入检测信号。然后，取消液体槽101a和101b中的电极804之间偏振电压，当微观结构带到达分离通道112和回收通道114之间的交叉点时，偏振电压加到液体槽103a和103b中的电极上。微观结构带进入回收通道114，并迁移通过回收通道114进入液体槽103a或103b。于是，目标微观结构或目标分子与其他微观结构分离，在液体槽103a或103b中富集。

通过上文的描述，我们可以知道，要使样品通过分离通道112得到分离，分离通道112中至少应有一个柱通道，且目标微观结构在液体槽103a/103b中富集。

实施例2

图5显示了本发明的另一个具体设备。该实施例中的设备包括一个样品加速器10，一个分离部件20和一个控制器21。分离部件20与实施例1一样包括一个基质20A和一个盖片20B(见图6)，在基质20A上有一个分离通道20a和一个进料通道19，分离通道20a与进料通道19以直角交叉。在分离通道20a上形成柱，该柱用来捕获其中一定大小的微观结构。柱占据了分离通道20a一部分的区域，剩余部分的区域作为大尺寸微观结构的路径。开口20c位于盖片上，与分离/进料通道20a/19的两端相连。这时，开口的直径约为2毫米。

样品加速器10包含一系列的由一个贮存槽1、一个泵2、一个速度控制器3、一个电磁阀4、一个软管14和一个结合部件17形成的组合及由一个结合部件17、一个软管15、一个电磁阀5和排水容器6形成的另一系列组合。样品贮存在贮存槽1中，用泵2加压。速度控制器3以一定的速度传送样品通过电磁阀4到软管14中，软管14通过连接部件17与进料通道19的一个末端相连。同时，进料通道19的另一个末端通过连接部件17与软管15相连，软管15通过电磁阀5与排水容器6相连。残余的样品从进料通道19的另一末端回收到排水容器6中。于是，样品通过一系列的组合1/2/3/4/14/17到达进料通道19，残余的样品通过另外的一系列组合15/5/6被回收。

样品加速器10还包括由一个贮存槽7、一个泵8、一个速度控制器9、一个电磁阀10a、一个软管13和一个连接部件17形成的一系列组合及由一个连接部件17、一个软管16、一个电磁阀11和一个自动取样器12形成的另一系列组合。缓冲液存贮在贮存槽7中，用泵8加压。速度控制器9以一定的速度传送缓冲液通过电磁阀10a到软管13中，软管14通过连接部件17和分离通道20a的一个末端相连。样品的一部分和缓冲液一起迁移通过分离通道20a。当样品迁移通过分离通道20a时，样品被分离成大小不同的组分或微观结构。根据微观结构的大小，组分断断续续的达到分离通道20a的另一末端。同时，分离通道20a的另一个末端通过连接部件17与软管16相连，软管16通过电磁阀11与自动取样器12相连接。样品的组分从分离通道20a的另一个末端被回收到自动取样器12中。于是样品通过一系列的组合1/2/3/4/14/17到达进料通道19，残余的样品通过另外的一系列组合15/5/6被回收。

连接部件17分解成一个凹形部件(female part)17a和一个凸起部件(malepart)17b(参见图6)。为了清楚的区分凹形部件和其他部件，凹形部件17a加黑标出。凹形部件17a插入到开口20c中，固定在盖片20B上。凹形部件17a和盖片20B之间的接点17c足够紧以至于液体不能通过它漏出来。软管14插入到凸起部件17b中，与凸起部件17b牢固连接。凸起部件17b的直径约为5毫米。软管14和凸起部件17b的连接足够紧以至于液体不能通过它漏出来。凸起部件17b可以与凹形部件17a连接，也可以被从中拆开。当凸起部件17b与凹形部件18a相连时，接点17e足够紧以至于液体不能通过它漏出来。附图标记17f表示一个垫块。于是，软管14通过连接部件17与通道20a/19连接，而不会有任何泄漏。

回到图5，控制器21与电磁阀4/5/10a/11、泵2/8和速度控制器3/9连接。如下文所述，控制器21在适当的时间内连续的给部件4/5/10a/11/2/8/3/9施加电压，从而控制样品分离。

首先，样品和缓冲液分别贮存在贮存槽1和7中。控制器21消除电磁阀10a和11的电压。然后，电磁阀10a和11关闭，速度控制器9和自动取样器12与软管13/16分开。

接着，控制器21在电磁阀4/5上加上电压，速度控制器3和软管15与软管14和排水容器6连接。将样品加到贮存槽1中。控制器21发动泵2和速度控制器3。样品通过电磁阀4和软管14加到进料通道19的一端。样品填满进料通道19，多余的样品回收到排水容器6中。但是样品几乎不会流进分离通道20a。因为电磁阀10a/11已经被关闭。

当进料通道19充满样品时，控制器21取消电磁阀4/5的电压，而加压到电磁阀10a/11上。速度控制器9和软管16分别与软管13和自动取样器12相连。控制器21发动泵8和速度控制器9。缓冲液以一定的速度通过软管13被加到分离通道20的一端，并向进料通道19和20a之间的交叉点的那部分样品施加压力。

样品被分离成组分，即大小不同的微观结构，各组分断断续续的到达分离通道20a的另一末端。虽然目标微观结构被柱捕获，但是大尺寸的微观结构顺利地迁移通过分离通道，各组分和缓冲液一起流进软管16，通过电磁阀11流进自动取样器12。于是，样品被自动取样器12间歇回收。

我们可以看出，实施例2的设备可以用来分离样品而不会被堵塞。样品加速器10在部分样品中加压以使其迁移通过分离通道20a。样品加速器10比实施例1中在设备中产生电场的样品加速器更加简单小巧，该样品加速器10减少了本发明的设备的生产费用。

实施例3

图7显示了本发明另一个具体设备的主要表面，在该实施例中，样品利用毛细管现象迁移。本实施例的设备包括一个样品加速器530和一个分离部件550。样品加速器使样品加速通过毛细管。

分离部件550包括一个基质550a和一个盖片(没有显示)，样品加速器530如下文所详细描述的那样安装在基质550a上。一个分离通道540和一个定量通道530a形成于基质550a上，在基质550a主要表面上是开放的。柱位于分离通道540上，在下文中称为“分离柱”。分离通道540在基质550a的纵向上延伸，定量通道530a在基质550a的横向上延伸。定量通道530a和分离通道540以直角相连。基质550a的主要表面被盖片(没有显示)覆盖，在盖片上有进料口和通风孔。圆510/520/560/代表进料口和通风孔。进料口510和分离通道540的一端连接，通风孔560与分离通道540的一端连接。进料口520与定量孔520的一端连接，定量通道530a同与进料口510相临的分离通道540相连。盖片和基质550a的主要表面紧密接触，这样，缓冲液和样品就不会通过分离通道540和定量通道530a而从中漏出来。

图8显示了基质550a中的分离柱506和样品加速器530。样品加速器530包括定量柱530b、一个保藏室502、样品保持柱503、引导柱504和保藏室505/507。分离柱和引导柱504一样密集。保藏室503b的密度比分离柱506和引导柱504高。但是，定量柱比分离柱506和引导柱504要稀疏，因此样品在定量柱530b中不会被分离成组分。保持柱503占据了定量通道530a相邻的一块区域，通过保藏室502与定量柱530b相间隔。引导柱504占据一块区域，该区域比保持柱503离进料口510的距离近，且通过保藏室505与定量柱530相间隔。另外，分离柱506占据保持柱503的下游中的一块区域，保藏室507将分离柱506从保持柱503中分离出来。保持柱503中的所有室的数量大约等于定量柱530b中的所有室加上保藏室502的数量。定量柱530b同保持柱503的间隔宽于保持柱503和引导/分离柱504/506之间的保藏室505/507。

样品被分离成大小不同的组分或微观结构，步骤如下：首先，将样品逐渐的通过进料口520加到定量通道530a中。使样品填满定量通道530a，保藏在定量通道530b中的室中。要注意的是样品不能漫过进料口520。如同上文的描述，样品在定量柱530b中不被分离。

样品逐渐渗透到保藏室502中，达到保藏室502和保持柱503之间的分界线。然后，由于在保持柱503中的毛细管作用比在定量柱530b中强，样品被吸引到保持柱中503中。换而言之，保持柱503的整个表面积比定量柱530b的要宽，因此保持柱503比定量柱530b能更大地提高毛细管作用。所以，所有的样品都从定量通道530a迁移到保持柱503，保藏在保持柱503中的室中。当样品流进保持柱503中的室中时，任何样品组分都不会迁移到分离柱506和引导柱504中。

当从定量通道530a到保持柱503中的室的迁移结束后，向进料口510中加入缓冲液，缓冲液迁移通过引导柱504中的室，到达引导柱504和保藏室505间的分界。继续向进料口510注入缓冲液，使之流向引导柱504。缓冲液渗透进入保藏室505，并流进保持柱503中的室。缓冲液和样品一起通过保持柱503中的室进入保藏室507。缓冲液和样品依次迁移进入分离柱506中的室，因为定量柱530b与保持柱503间的间隔比保藏室505/507同保持柱503间的间隔宽，所以缓冲液不会流进定量柱530b中的室。

在毛细管作用下，缓冲液和样品迁移通过分离柱506流向通风孔560，样品被分离成不同大小的微观结构。当缓冲液和样品达到通风孔560时，缓冲液并不流进进料口510，组分被回收。在缓冲液到达通风孔560之前可以回收其中的确定组分。

我们能够理解，样品加速器530使样品和缓冲液通过毛细管的迁移能力提高，该加速器530比实施例1和2中用到的样品加速器要简单得多，可以减少设备的制造费用。

图7和8中的设备的改进显示在图9和10中，该改进包括一个分离部件550A和一个样品加速器530A。分离部件550B由基质550b和盖片(没有显示)组合而成。分离通道540在基质550b上形成，进料口510和通风口560与分离通道540的两端相连。和实施例3一样，在分离通道540上，有引导柱504、保藏室505、保持柱503、保藏室507和分离柱506。

定量通道530a被进料通道570代替。在进料通道570上没有形成任何柱，并和分离通道540部分平行。进料通道570通过一个开口509和分离通道540相连，保持柱503占据了开口509的相邻区域。进料口520和排水口580和进料口570的两端相连。

样品通过进料口520加到进料通道570中，到达排水口580。当样品到达开口509时，样品被吸附到保持柱503中。当样品充满保持柱503的室时，向进料口520通入高压空气，以推动进料通道570的残余样品。

缓冲液通过进料口510被加到分离通道540中。缓冲液充满引导柱504的所有室，然后，经由保持柱503的室迁移到分离柱506中，样品被分离成大小不同的微观结构。

虽然以上描述的改进提高了样品/缓冲液通过毛细管的迁移能力，但该改进还可以利用电泳。在引导样品之前，相当于进料口510和通风口560的液体槽充满了电泳缓冲液。保藏室505/507防止电泳缓冲液流进保持柱503中。当样品保藏在保持柱503中的室中时，向一个液体槽中加入少量的电泳缓冲液，或者轻微摇动保持柱503。然后合并电泳缓冲液。准备用于分离。

分离通道

下文描述的是在基质110/20A/550/550A上的分离通道112/20a/540的结构。图11显示了引入到基质120上的分离通道112A。在基质120上形成一个沟槽112B，该沟槽的宽为W深为D。柱125位于基质120上，是沟槽112B的底表面形成的凸起。柱125的形状象圆柱体，直径为φ高为d，以一定底间隔矩阵排列，相邻的柱125的间隔为p。W、D、φ、d和p的尺寸可以落在以下范围之内。

测量尺寸	范围
		宽(W)	10微米-2000微米
深(D)	50纳米-3微米
		直径(Φ)	10纳米-100纳米
高(d)	10纳米-3微米
		间隙值(p)	1纳米-10微米

图12显示了分离部件的一个横切面。分离部件包括基质120和一个盖片122。在基质120上形成一个沟槽112B，柱125位于沟槽112B上。这时，所有的柱125的大小尺寸都一样。柱125形成柱群落。基质120的主要表面被盖片122覆盖。尽管在分离部件中有液体泵和/或口，但为了简化，将其省略。柱群落之间的间隔作为路径123。于是，分离通道112A就被分解为由柱125和路径123所占据的空间。样品和缓冲液流过路径，样品被柱125群所分离。因此样品和缓冲液是迁移通过分离通道112A而得到分离的。

假如柱125和现有的设备一样密集的布满沟槽112B的整个空间，大尺寸的分子L就容易被柱125捕获，并且仅仅只有小尺寸的分子S能通过柱125(见图13)。这就意味着分离通道容易被大尺寸的分子L所堵塞。如果样品含有各种类型的小尺寸微观结构，那么堵塞就会更严重，因为柱125沿沟槽密集排列。这种情况下小尺寸的分子S会比大尺寸的分子L完成迁移的速度快。

另一方面，本发明的柱125形成柱125的群落121，在下文中称为“柱路径(pilllar patch)121”。柱路径121之间彼此间隔，以在其中形成路径123。柱群121或路径中的柱125以一定的间隔规则排列，相邻柱路径121之间的间隙比该间隔要宽。路径123比路径中相邻柱之间的间隔宽2到20倍是优选的，更优选为5到10倍。

用如下的方法使用分离通道112A分离样品：将样品加到分离通道112A的一端。大尺寸的微观结构，如大尺寸的分子L迁移通过路径123，而不会被如箭头AR1所示的柱群121所捕获。但是小尺寸的微观结构，如小尺寸的分子S就很容易被柱路径121捕获。在路径121中的柱125象一个迷宫，小尺寸的分子S在如箭头AR2所示的该迷宫中迁移，这个过程要花费很多时间，这样，小尺寸的分子S被延迟。微观结构的尺寸越小，花费的时间就会越长。因此小尺寸的分子S在大尺寸的分子L之后才到达分离通道112A的末端。于是，各组分，比如分子等微观结构按照大小的顺序从分离通道112A中流出。由于大尺寸的分子L能顺利的迁移通过路径123，因此分离通道112A很少被大尺寸的分子堵塞，这就意味着吞吐量增加，所以本发明的分离通道112A达到了提高吞吐量的目的。

图15和16表明了柱路径的改进。图15中显示的柱路径121A位于分离通道112B中，柱路径121A彼此间隔形成路径123A。样品和缓冲液如箭头所示沿着分离通道112B迁移，柱125在路径121A上以不规则的间距排列。向着下游的方向相邻柱125间的间隔逐渐减小。这样，下游的柱125比上游的柱125对微观结构的迁移有更大的阻碍。于是，迁移通过路径123A的大尺寸微观结构和被柱路径121A捕获的小尺寸微观结构之间的时间间隔比因为柱121所导致的时间间隔要长。所以柱路径121A提高了对样品的分辨率。

图16显示的柱路径121B也在分离通道112C上。柱路径121B间隔排列，形成路径123B，样品和缓冲液如箭头所示沿着分离通道112C迁移。柱125在路径121B上不规则地间隔排列。向着下游的方向相邻柱125间的间隔逐渐增大。微观结构在柱路径121B的迷宫中比在柱路径121A的迷宫中的微观结构能更顺利地迁移。因此，柱路径121B有利于提高吞吐量。

回到图14，如上文所述，柱125在路径121上以规则间距间隔排列。柱路径121在边壁129间规则地间隔排列形成如图17所示的分离通道121A。柱路径在分离通道121A上占据一个环形区域，该区域直径为R。相邻柱路径121间的间隙作为路径123，Q代表相邻柱路径121的间隙。在这种情况下，间隙Q是直径R的两倍。例如，直径R等于或小于10微米，间隙Q等于或小于20微米。

圆形区域并不对柱路径121产生限制。在另外一种改进中，柱路径121C如图18所示是矩形区域，该矩形区域的宽R等于或小于10微米，平均间隙Q的范围从10微米到100微米。在柱路径121C中形成路径123C，沿与迁移平行的方向延伸。

再一种改进之处是柱路径121D，该路径如图19所示为平行四边形。分离通道沿箭头所示的方向延伸。D表示与迁移方向垂直的对角线的尺寸，d是与迁移方向平行的另一条对角线的尺寸。路径123D位于该平行四边形区域中，宽为h，换句话说，柱路径121D彼此之间的间隔距离为h。路径123D的中心线以点划线标出。该中心线与迁移方向以某个角度交叉。当样品沿着分离通道迁移时，微观结构不断地与柱路径121D接触。这意味着尺寸比相邻柱间的间隙小的微观结构很容易被柱路径121D所捕获，于是该种微观结构和其他的微观结构间产生长时间差(long time lug)，所以，再提高分辨率方面，偏向迁移方向的路径是优选的。为了从样品中高效地分离出目标微观结构，达到下列条件是优选的。R代表目标微观结构的直径，p代表柱路径121D中相邻柱间的间隙值。

h：R≤h＜10R

p：0.5R≤p＜2R

D：5h≤D＜20h

d：5h≤d＜20h

图20、21和22显示了柱路径121的另一种改进。柱125A形成盘状，竖立在沟槽的底部表面，该沟槽位于分离部件的基质120A上，该盘状柱125A以间隔λ平行排列，形成一个占据一块矩形区域130E的柱路径121E，相邻的柱路径彼此间间隔Λ，柱路径121E中形成路径123E。样品沿着箭头(见图22)的方向迁移。柱路径121E排列成行，在与迁移方向垂直的方向上延伸。在一行中的柱路径121E在下一行中与柱路径121E形成分支。所以，柱路径121E以交错的方式排列。

当样品和缓冲液一起沿着箭头所示的方向迁移时，目标微观结构被柱路径121E捕获，于是该目标微观结构长时间的停留在柱路径121E上，因此目标微观结构和其他微观结构的到达产生时间差，所以，柱路径121E提供了分辨率。

假如目标微观结构的直径为R，为了将目标微观结构从样品中高效的分离出来，满足以下条件是优选的。

Λ：R≤Λ＜10R

λ：0.5R≤λ＜2R

如图12所示，在分离部件中，柱125的顶部表面与盖片122的背面接触，在另一种分离部件中，柱125/125A的顶部表面也与盖片的背面接触。在另一种改进方式中，虽然柱125与图12中显示的那些柱高度相同，但柱125的顶部表面如图23所示与盖片122A的背面具有间隙。柱125与盖片122A之间的间隙作为另一个大尺寸微观结构的路径123F’，因此，分离通道112F不仅具有柱路径中形成的路径123F，还有柱与盖片122A之间形成的路径123F’，大尺寸的微观结构能更顺利地迁移通过路径123F’，所以分离通道112F很少被大尺寸微观结构堵塞。路径123F’成为小尺寸微观结构的入口，当小尺寸的微观结构和大尺寸的微观结构一起迁移通过路径123F’时，大尺寸的微观结构通过柱路径，小尺寸的微观结构通过路径123F’和柱路径分界线上的入口进入柱路径。因此，路径123F’增加了其进入柱路径中的可能性，提高了分离效率。在图23显示的改进方案中，作为路径123F’的入口位于盖片122A上，路径123F’可以通过用短柱代替高柱而形成。

分离部件的一个改进之处在于分离通道112G还包含一排柱710，该柱位于柱路径所占有的图24A到24D所示的分离区711的前面，以规则的间隔成排排列在排710中，优选将间隔的值调整到和样品709或不同大小分子群中的最小分子的大小值一样。

成排排列的柱710的作用机理如下：假设在样品709上施加低压，如低的电压，样品就沿着箭头的方向(见图24A)移动，当样品达到柱710时，成排的柱710象河堤一样阻止其迁移。因为低压仍然施加在样品709上，所以样品被柱710阻拦，在如图24B中显示的带709’中重新成型(reshape)。压力从弱到强改变。这时，向电场中的样品709施加电压，沿着分离通道112G形成强电场。然后，带形样品709’被迫通过成排排列的柱710，进入图24C显示的分离区711，如果柱是单独一排或几排，大分子，如DNA和蛋白质在这些排列的边界被拉长，以至于这些大分子通过了这些比大分子尺寸小的间隙，这种现象被称为“表层潜移(reptation)”。当通过柱排710后，调整压力到合适值。带形样品709’迁移通过分离区711，从而将样品分离成大小不同的组分(见图24D)。

至于路径123A/123B/123C/123D/123E的宽度值和相邻柱间的间隙值或柱间隔值，根据样品组分的不同设计其宽度和间隙。例如，组分是有机分子，如核酸、氨基酸、肽和蛋白质及其他的分子/离子，如鳌合化合物和金属离子，间隙值等于或稍大于或稍小于中等尺寸分子的曲率半径值是优选的，该中等尺寸分子的曲率半径等于被分离分子曲率半径的平均值。当等于平均值的惯性曲率半径值和间隙值的差别等于或小于100纳米时，样品就能够被高分辨率地分离成各个组分，该差别优选等于或小于10纳米，更优选为等于或小于1纳米。当差别增加时，分辨率也会提高。

通过一种方式设计路径使其宽等于、稍大于或稍小于最大尺寸分子的标准半径值，路径的宽与最大分子的标准曲率半径值(inertia radium ofcurvature)的差别小于或等于标准曲率半径的10％是优选的，更优选的为差别小于或等于5％，更优选的小于或等于1％。假如路径太宽，小尺寸的分子就会和大尺寸的分子一起迁移，分离就不能完成，但是，如果路径太窄，又容易会被堵塞。

如图15和16所示的改进中，一个路径中相邻柱间的间隙是可变的。当间隙在迁移的方向上改变时，可以提高分辨率或防止分离通道的堵塞，其中的间隙可以改变的柱路径还可以将样品分离成两种以上的大小不同的组分。

沟槽112A/112B的壁可以如图25所示用某种材料涂布，根据参考线112H设计涂布层，涂布的材料使表面光滑，涂布过的壁能有效地防止其中的分子，如DNA和蛋白质的粘附，涂布的材料优选为形成细胞膜的磷脂的结构类似物，可以通过商业途径获得。Nippon Yusi有限公司出售一种Lipidure(商标名)的涂布材料。将涂布材料Lipidure溶解在TBE缓冲液中，重量百分比浓度调节到0.5wt％，将溶液涂布在壁上，干燥几分钟，于是，壁涂布上光滑层112H，光滑层112H可以由含有荧光的树脂或牛血清蛋白组成。

柱可以如图26所示的那样分级排列，相邻柱路径712间的间隙比相邻柱712A间的间隙宽，每7个柱712A形成柱路径712，7个柱路径712聚集在一起，形成一个小的柱路径群落713，相邻柱路径712群713之间的间隙比柱路径712间的间隙宽。7个柱路径群713也聚在一起，形成一个大的柱路径712群落714。虽然图26只画出了一个大的群落714，但在分离通道112J中由多个大的群落714，于是，柱分级排列在分离通道112J上。当样品迁移通过分离通道112J时，巨大的为组织通过柱路径712的大群落714中的最宽的路径，大尺寸的微观结构通过各个大群落714中的迷宫，中尺寸的微观结构通过各个小群落713中的迷宫，小尺寸的微观结构通过各个柱路径712中的迷宫。于是，巨型微观结构(huge microstructure)首先到达分离通道112J的末端，大尺寸的微观结构紧接着到达分离通道112J的末端，再接着时中尺寸的微观结构，最后是小尺寸的微观结构到达分离通道112J的末端。

样品加速器

参考图2-4和5，我们描述了两种样品加速器。图27显示了样品加速器804A的一个改进，在该改进中，ξ势能被施加在加在基质110上，样品以电泳的方式通过分离通道112，在基质110上施加ξ势能以防止电渗，所以，ξ势能系统804B能有效的防止测量峰的加宽。

缓冲液的导入

在本发明设备中，优选导入缓冲液。假如基质壁和形成分离通道的盖片的背面是疏水性的，比如疏水性合成树脂，将缓冲液喂到分离通道中是不容易的，因此要使缓冲液顺利的流到分离通道中，要用一个离心系统。

图28A和28B显示了一个芯片150，缓冲液通过它被强行导入。一个固定架153被插入到一个离心管151中，形成一个很深的凹槽。这时，固定架由硅树脂橡胶组成。将等同于分离部件，即基质和盖片，的芯片插入到深凹槽中，让离心管151充满缓冲液150a。芯片150被固定在固定架153上，将离心管151安装在离心系统中，高速旋转，离心力施加在缓冲液150a中，使其被迫导入芯片150中。

对于缓冲液来说亲水性表面是优选的，形成分离通道的表面和柱表面可以被亲水层覆盖，亲水材料的例子有氧化硅。用氧化硅覆盖沟槽的壁和柱的整个表面是优选的。即使在缓冲液上施加任何外在压力，亲水性表面都允许缓冲液流过分离通道。覆盖有氧化硅的表面在后文将详细描述。

柱

优选柱的顶部表面比底部的横切面窄。柱的形状可以是圆锥体/角锥体和截锥体。假如柱是圆锥体/角锥体和截锥体，沿着柱的顶部方向其横切面面积逐渐减小。如果柱被亲水层如氧化硅层覆盖，沿着顶部方向横切面面积减小的柱能有效的防止纵横比的减小。

沿着顶部方向横切面积逐渐减小的柱优选为在柱路径的凹槽底部彼此连接。严格控制在凹槽底部产生氧化硅，以使柱保持大的纵横比。图1显示了被氧化硅层104覆盖的柱110。该柱各自被一层薄膜(gentle robe)包被，该覆盖物在凹槽110V的底部彼此互相连接。当氧化硅在柱110上热生长时，在凹槽110V的底部被严格限制，在凹槽110V底部的氧化硅层104的厚度就和其他部分薄膜的氧化硅层不同，凹槽110V底部的氧化硅的生长并不显著。换而言之，凹槽110V不会被氧化硅层覆盖，所以，柱110保持高的纵横比。虽然现在还不清楚为什么连接的膜能限制氧化硅的生长，但是，加压能抑制氧化硅的生长。当硅被氧化时，柱的体积增加，随着氧化的进行，施加在底部氧化硅上的压力就增大，该增大的压力抑制氧化硅的生长。

在上文描述的实施例和改进中，分离区域是由柱路径，如柱群落形成的。碳纳米管或碳纳米导条可以用于分离区域。该碳纳米管或碳纳米导条位于沟槽中，以与柱路径相似的方式形成群落。碳纳米管是直径1-30纳米的微管，碳纳米导条是喇叭形的微凸起，其底部尺寸为4纳米，顶部尺寸为1纳米。

柱、碳纳米管和碳纳米导条用作微体。

制造方法

下文描述柱形成的方法，如图1所示，并参考图29A到29G，图29A到29G显示了形成沟槽的一部分基质110。

制备基质110的步骤包括：首先，在基质110的整个表面涂上氧化硅，以形成氧化硅层105。接着，在氧化硅层105的整个表面涂上一层电子束抗蚀剂。在氧化硅层105上形成一层电子束抗蚀层107。然后，将氧化硅层105和电子束层107在底部表面进行层压以形成如图29A所示的沟槽。

将上述步骤所得的结构放在电子束平板印刷系统中，通过一个电子束将一个柱图案印在电子束抗蚀层107上。换句话说，在电子束抗蚀层107上形成了一个图案的隐印图象(latent image)，该隐印图象的形成是为了在电子束抗蚀层107上形成如图29B所示的抗蚀掩膜107a。

利用抗蚀掩膜107a，如图29C所示，通过干蚀刻方法有选择地除去氧化硅层105。图案从抗蚀掩膜107a转移到氧化硅层105中，一个硬掩膜105a留在基质110的底部表面，抗蚀掩膜107a被驳落，产生的结构如图29D所示。

利用硬掩膜105a，通过干蚀刻方法有选择地除去基质110，从而形成如19E所示的柱110a。干蚀刻在基质110上进行的很深，以使柱有较大的纵横比。硬掩膜105a被剥落，柱110a如图29F所示留在基质110底部表面上。接着，将基质110放到烤炉中，在氧化空气环境中加热到或超过850摄氏度，基质110整个表面产生氧化硅，如图29G所示柱110a被氧化硅层104覆盖。该被氧化硅层104覆盖的柱110a是一种微结构，可以用来分离含有不同大小微观结构的样品。

通过图30A到30C所显示的方法，可以使柱110在基质110的底部表面形成。在图29A到29G所显示的方法中，柱图案被间接的转移到基质110中，但是，在以下方法中，图案被直接转移到基质110中。首先，制备好基质110。

在基质110的底部表面形成电子束抗蚀层，一个柱图案图象被写在电子束抗蚀层900上，从而产生一个如图30A所示的隐印图象。该隐印图象的形成是为了使抗蚀掩膜900a如图30B所示留在基质110上。利用该抗蚀掩膜900，基质110通过干蚀刻被有选择的除去，从而形成如图30C形成的柱110a。由于图案直接转移到基质110中，所以图30A到30C所显示的方法比图29A到29G所显示的方法要简单。

图31A到31D显示了制造柱的另一种方法，首先，制备一个模具106和基质110，模具106上有一个凹槽106a，其排列和柱110a的排列相对应，凹槽106a可以通过电子束平板印刷，接着通过蚀刻的方法形成。

基质110被一层合成树脂包被，合成树脂层160被碾压在基质110上。该合成树脂是聚甲基丙烯酸甲酯系列，其厚度为200纳米，模具106可以用任何材料，例如，这些材料可以选自Si、SiO₂和SiC。如图31A所示，模具与合成树脂层160是相对的。

接着，将模具106压在合成树脂层160上，在有压力的情况下加热合成树脂层106，该压力的范围为600磅/平方英尺到1900磅/平方英尺，加热的温度范围为140摄氏度到180摄氏度。图案被转移到合成树脂层160上，图案转移完成后，模具106如图31B所示与转移了图案的合成树脂层160a分离。

然后，转移了图案的合成树脂层160a暴露在氧等离子体下，在氧等离子体中该合成树脂层106被灰化，且基质110暴露于树脂掩膜160b间的间隙中。利用树脂掩膜160b，如图31C所示，基质110通过干蚀刻被选择性的除去。干蚀刻剂是，例如卤素系列。在基质中形成深槽110V，深度为0.4微米。柱110a通过槽110V彼此分开，相邻柱110a间的间隙是约100纳米，于是，柱110a有一个很大的纵横比4∶1。干蚀刻剂在深槽110V中的活性降低，以至于柱110a如图31D所示有一层在槽110V底部彼此连接的薄膜。换句话说，柱沿着顶部的方向横切面面积减小。在柱110a的顶部表面树脂掩膜160b被除去。

接着，基质110被放到烤炉中，并在800-900度进行烤炉退火。在硅基质110的整个表面产生氧化硅，硅柱110a被氧化硅层104覆盖(见图1)。薄膜在槽110V底部彼此连接，以至于氧化硅的形成并不显著。这就意味着槽仍然很深，所以柱110a仍然有大的纵横比。在这个方法中，模具106被用来转移图案，电子平板印刷是不需要的。所以提高了生产率。

将上文所描述的方法用于基质，该基质有可氧化材料组成，比如硅。例如，通过以下的方法形成柱。首先，制备基质101和模具106a，该模具106a有与柱相应的凹形图案，在基质101上形成了沟槽和液体槽，基质101的底部表面用树脂包被，换句话说，底部表面如图32A所示被树脂层102a覆盖，树脂优选为亲水性的，树脂可以选自聚乙烯醇系列组成的组。用乙烯基乙烯醇树脂(EVOH)或聚对苯二酸盐乙二醇酯树脂是优选的。假如树脂用亲水性材料包被，疏水性的树脂也可以用于该方法。

接着，将模具102b如图32B所示压在树脂层102a上，加热树脂层。如图32C所示，图案从模具106a转移到树脂层102a。因为树脂柱102b是亲水性的，所以任何热氧化是不需要的。该方法就比上文的方法更简单，生产率进一步得到提高。

在用上文包含有氧化步骤的方法制备的基质中，电泳可以用来作为样品加速器。假如沟槽、液体槽和柱不完全的被氧化硅包被，电流就会泄漏到硅基质中，电场就可能太弱以至于不能使样品迁移。为了防止基质被氧化硅不完全包被，可以通过以下方法制备沟槽和液体槽。

图33A到33D显示了一种在基质中形成间隙的方法，首先制备硅基质201。热氧化硅基质201以在其主要表面产生氧化硅层202。在硅基质201的主要表面涂布多晶硅，氧化硅层202被多晶硅层707覆盖。热氧化多晶硅层707以在多晶硅层707上如图33A所示形成硅氧化层708。

接着，将calixarene电子束负性抗蚀材料涂布在氧化硅层708的整个表面，以使氧化硅层708被杯状(calyx)丙二烯电子束负性抗蚀层所覆盖(没有显示)。用电子束将沟槽和液体槽的图案写在calixarene电子束负性抗蚀层上。隐性图象的形成是为了使抗蚀掩膜(没有显示)留在氧化硅层708上。利用该抗蚀掩膜，氧化硅层708通过活性离子蚀刻(RIE)技术有选择性的除去，然后，抗蚀掩膜被剥落，于是图案就如图33B所示被转移到氧化硅层708中。

将转移了图案的氧化硅层708作为蚀刻掩膜，多晶硅层707通过电子回旋共振(ECR)蚀刻技术有选择性的被除去，以使图案被转移到多晶硅层707上，除去带有图案的氧化硅层708以使多晶硅层707如图33C所示被暴露。

最后，加热氧化转移了图案的多晶硅层707。多晶硅转变成氧化硅，和氧化硅层202融合在一起。换句话说，转移了图案的氧化硅层和没有图案的氧化硅层202融合成氧化硅层707a。在氧化硅层707a中形成沟槽707b和液体槽707c，氧化硅层707a较低的部分，即氧化硅层202，优选地将硅基质201与沟槽707b和液体槽707c分开，即使样品在沟槽中在电泳地作用下迁移通过分离通道，电流也不会从液体中泄漏到基质201中。

在以上描述的实施例中，硅基质201和氧化硅层202可以用石英基质代替。硅基质201、硅氧化层202和多晶硅层707可以用SOI(绝缘硅)基质代替。

假如在分离区域中使用碳纳米管和碳纳米导条，可以使用制孔方法或挤压方法。在挤压方法中，将碳纳米管或碳纳米导条与亲水树脂混合，碳纳米管或碳纳米导条从树脂中凸起。该碳纳米管和碳纳米导条是疏水性的。使用本发明的分离部件之前将碳纳米管/碳纳米导条从疏水性转变为亲水性是有利的。通过本领域公知的氧化处理使碳纳米管/碳纳米导条转变为亲水性。

我们可以理解，微体，即柱、碳纳米管或碳纳米导条可以通过本发明的方法制备。

柱形成区域中的间隙的作用

回到图34，实施本发明的设备包括一个有多个柱形成区域601的分离部件，该柱形成区域601可以有选择性的被用作分离区域、导入区域和样品保持柱区域(见图10)。柱形成区域601占据壁603之间的空间，在柱路径中形成大尺寸微观结构通过的路径。换句话说，柱形成区域601和壁603之间没有任何间隙。在分离区域中形成柱路径，在其他的柱形成区域中以不同的密度形成柱。柱形成区域601彼此在迁移的方向上被空间602间隔，在空间602中没有任何柱或微体。

分离部件的这种排列能产生一个高的分辨率。图35A和35B显示了液流的分界线。如果柱形成区域601是彼此之间没有任何空隙，是彼此连接的，样品沿着箭头所指的方向迁移，形成图35A所示的抛物线形分界线601a。这是因为由于毛细管作用样品在壁603的内表面加速迁移。而通道的中央区域的毛细管作用对样品迁移的作用较小。

如果空隙602位于相邻柱形成区域601之间，在柱形成区域601和空隙之间的分界线将会是平的，并且样品短时间地保留在空隙602中。详细地说，空气充满了空隙602。当样品在柱形成区域601中迁移时，样品迁移线被弯曲，在壁上的那部分样品首先到达柱形成区域601和空隙602之间的分界线。但是这部分样品会等候残留的那部分样品，因为间隙中的空气阻碍了样品的迁移。当残留的样品到达柱形成区域601和空隙602之间的分界线时，样品将空隙602中的空气赶出，而进入空隙602。所以，空隙602使样品的分界线601b变平(见图35B)，且分辨率提高。样品在测量面上被精确的分析。

图36A、36B和36C显示了流进充满人造胶601d的空间的缓冲液的分界线。通道中均匀充满了人造胶601d(见图36A)。缓冲液流进该通道，于是，如图36B所示，由于中间区域和两侧区域间的毛细管作用的不同，缓冲液601e和人造胶601d之间的分界线被扭曲。当缓冲液601e沿着检测器601f移动时，分界线如图36C所示逐渐被广泛地扭曲。

图37A显示了一个液体通道，在该通道中柱零星分布在区域601j中。该零星分布柱的区域601i和空隙602的作用相似。缓冲液流进液体通道。虽然缓冲液的分界线在人造胶601d中被扭曲，但在零星分布柱的区域601j中没有了滞后时间，于是在该零星分布柱的区域601j中边界线如图37B所示重新被拉平，结果，当样品到达检测器601f时，样品的分界线如图37C所示被扭曲的程度较小。

我们可以理解，空隙和零星分布柱的区域可以有效的防止样品边界线的扭曲。虽然空隙是在拥有毛细管样品加速器(见图8和10)的分离部件中形成的。但空隙也可以在拥有电泳样品加速器的分离部件中形成，因为形成的样品带是弯的。即使空隙中充满了缓冲液，形成的样品带还是会在空隙中形成。

在以上描述的实施例中，柱110/125和壁125A即为障碍物。

测试

本发明的发明人制造出了本发明中的分离部件的样品，用如下的方法测试该样品。

制备方法

发明人首先制备了一个硅基质201，在其主要表面产生氧化硅，形成一个氧化硅层202。将Calixarene电子束负性抗蚀剂涂布在硅氧化层202的表面，形成一个负性抗蚀层203。氧化硅层202的厚度为35纳米，calixarene电子束负性抗蚀层203的厚度为55纳米。将负性抗蚀层203的预定区域暴露于电子束，以使负性抗蚀层203中形成一个柱图案的隐印图象。产生的结构如图38A和39A所示。

形成隐印图象后，使用含二甲苯的显影剂显影，将显影以后产生的结构放在异丙基醇中漂洗，然后如图38B和39B所示，在氧化硅层202上留下抗蚀图案204。

接着，在所产生结构的整个表面上图上正性光敏抗蚀剂205，抗蚀图案204如图38C和39C所示被光敏抗蚀层205覆盖。该正性光敏抗蚀层205的厚度约为1.8微米。阵列区域的图案的图象从遮光膜(没有显示)中被转移到正性光敏抗蚀层205上，在其上产生隐印的图象。将隐印图象显影。然后，正性光敏抗蚀层205从阵列区域中被部分的去除，抗蚀图案204再一次被暴露，如图38D和39D所示。

利用图案抗蚀层204和205，通过活性离子蚀刻技术有选择的除去氧化硅层202，蚀刻剂包括CF₄和CHF₃气体。干蚀刻继续到超过氧化硅层202的厚度，即35纳米，于是，硅基质201再一次被暴露，如图38E和39E所示。利用含有丙酮、乙醇和水的有机去除剂将抗蚀刻图案204去除，将结果结构等离子氧化，氧化硅柱202a如图38F和39F所示被暴露。

将氧化硅柱202a作为蚀刻掩膜，通过电子回旋共振(ECR)蚀刻技术用含有HBr气体的蚀刻剂有选择性的除去硅基质201，氧化硅柱202a的图案被转移到硅基质201上。干蚀刻完成后，氧化硅基质202的最小厚度为400纳米。通过湿蚀刻技术除去氧化硅层202。湿蚀刻剂是氢氟酸缓冲液(BHF)。如图38H和39H所示在阵列区域形成柱201a。

接着，利用化学气相沉积法将氧化硅涂布在结果结构的整个表面。氧化硅充满了硅柱201a中的凹槽，膨胀形成如图38I和39I所示的氧化硅层。氧化硅层206的厚度约为100纳米。

将正性光敏抗蚀剂涂布在氧化硅层206的整个表面。如图38J和39J所示，氧化硅层206被正性光敏抗蚀层207覆盖，其厚度为1.8微米。一个沟槽的图案图象被转移到正性抗蚀刻层207上，在正性抗蚀刻层207上形成隐印图象。该隐印图象的形成是为了使光敏抗蚀刻掩膜207a如图38K和39K所示留在氧化硅层206上。利用光敏抗蚀掩膜207a，通过湿蚀刻技术使氧化硅层206被有选择性地除去。氢氟酸缓冲液被用作湿蚀刻剂。如图38L和39L所示硅基质201被暴露。

如图38M和39M所示，利用有机去除剂去除光抗蚀掩膜207a。在阵列区域中留下氧化硅层206。利用氧化硅层206作为蚀刻掩膜，通过湿蚀刻有选择性地除去硅基质201。四甲基胺氢氧化物被作为湿蚀刻剂。产生的结构如图38N和39N所示。利用氢氟酸缓冲液除去氧化硅，于是硅柱201如图38O和39O所示再一次被暴露。

将硅基质201放进烤炉中，如图38P和39P所示，在烤炉中热生长形成氧化硅。硅基质201被20纳米厚的氧化硅层209覆盖，如图38P和39P所示。如上文所述，氧化硅是亲水性的，所以缓冲液能顺利地通过。最后，通过静电学方法在结果结构中安装一个玻璃板，如图38Q和39Q所示。

本发明的发明人检测了分离部件的样品，证实了该样品是优越的。本发明人利用电子显微镜观察了图38P显示的步骤的样品的中间结构，并进行了拍照，图40和41是其照片。虽然产生的氧化硅有30纳米厚，但我们可以理解柱的排列是规则的，柱之间的间隙约为60纳米，因此本发明人成功地检测了该方法。

热氧化

本发明人通过如下的方法研究了柱上的热氧化作用。用与第一个例子相似的方法制备了样品，该样品有两种不同纵横比的柱。为了研究热氧化，将该柱加热氧化，发明人对两种柱进行了拍照。

样品1的柱的高度为440纳米，柱间的间隔为80纳米，沿着顶部表面的方向该柱的横切面是减小的，柱间很近以至于薄膜在凹槽的底部彼此连在一起。图42是样品1蚀刻后的照片。图43到45是热氧化后的照片。在图43、44和45的照片中，产生的氧化硅层厚度分别为10纳米、20纳米、30纳米。该厚度在柱的侧表面测量得到。

样品2的柱高度为200纳米，柱间的间隔为100纳米。沿着顶部表面的方向该柱的横切面也是减小的，也有薄膜。然而，柱间的间隔很大以至于凹槽的底部是平的，图46是样品2蚀刻后的照片，在照片中能看到该平底表面。使样品2热氧化，生长的氧化硅的厚度分别为10纳米、20纳米、30纳米。在图47、48和49中能分别看到10纳米厚的氧化硅层、20纳米厚的氧化硅层和30纳米厚的氧化硅层。该厚度在柱的侧表面测量得到。

比较样品1的照片和样品2的照片，很明显在基质上密集形成的柱能有效地防止纵横比的减小。更具体的说，虽然氧化硅的厚度减小到30纳米，但在样品1中的氧化硅的形成并不明显。这说明柱保持了大的纵横比。另一方面，样品2中在20纳米厚处柱的侧表面热氧化作用停止。然而，在凹槽底部热氧化作用在继续。在样品2中的氧化硅产生显著，沟槽的深度减小(比较图46和图49)。

本发明人证实横切面沿着顶部方向减小的喇叭形和底部彼此连接的柱能有效地防止纵横比的减小。

毛细管作用

本发明人制备了一个样品，该样品中一部分柱高密度排列，另一部分柱低密度排列。高密度区域沿着液体通道被稀疏区域间隔。通过电子束平板印刷和干蚀刻技术形成柱，该区域的大小为40微米×60微米。高密度区的柱排列在三角形格子中，间距为100纳米(见图50A)，每一个稀疏区域50纳米宽，位于两个高密度区域之间。

本发明者将样品导入液体通道中，观察样品的迁移。图50B是显示样品迁移的照片。深黑色区域代表样品。样品在最上排最左边的图象开始迁移，样品迁移通过液体通道，在右边的图像中可以看到。当样品通过第一个高密度区域时，耗时0.73秒，最右边的图象表面样品完全迁移通过了第一个高密度区域。

样品继续从最左边的图象向第二排最右边的图象迁移，样品完全迁移通过第二个高密度区域耗时0.1秒，样品完全通过第三个高密度区域耗时0.12秒。

样品继续从最左边的图象向第三排最右边的图象迁移。样品完全迁移通过第四个高密度区域耗时0.15秒。当样品完全迁移通过第五个高密度区域时，耗时0.2秒。

在高密度区域和分散区域间的边界上的时间延迟被消除，样品形成一个平的前表面。于是，分散区域导致样品在分界线重新形成前表面，从而使样品的可检测部分加宽。

本发明人证实，通过改变柱区域的柱直径或柱密度可以调节迁移速度。当采用减小柱密度时，样品负荷量的均一性增加。

制造方法

本发明人通过以下方法制造了分离部件的样品。图51A到51E显示了该方法步骤。首先，本发明人制备了硅基质201，并使其硅基质201的主要表面产生氧化硅。如图51A所示，氧化硅形成一层35纳米厚的氧化硅层202。

将Calixarene电子束负性抗蚀剂涂布在氧化硅层202上，形成55纳米厚的负性抗蚀层。用电子束在负性抗蚀层上写入分离区域的图象，以形成隐印图象。在含有二甲苯的显影剂中形成隐印图象，然后，将所得结构放在异丙基醇中漂洗。如图51B所示，在氧化硅层上留下抗蚀掩膜204。

利用抗蚀掩膜204，通过活性离子蚀刻(RIE)技术使硅氧化层202被选择性的除去。干蚀刻剂包括CF₄和CHF₃。氧化硅层202被制成图案，从而使氧化硅掩膜202a如图51C所示留在硅基质202上。

通过利用含有丙酮、乙醇和水的有机去除剂除去抗蚀掩膜，产生的结构进行等离子体氧化处理，硅基质201如图51D所示通过用电子回旋共振(ECR)蚀刻技术被有选择的除去，该蚀刻剂包括HBr气体和氧气。

通过使用氢氟酸缓冲液(BHF)除去氧化硅掩膜202a，将得到的硅基质201放到烤炉中，硅基质201表面部分被热氧化，从而使其表面如图51E所示被一层氧化硅层209包被。于是，得到样品。

本发明人通过电子显微镜观察了该样品，并拍了照，图52显示了该照片。在照片中可以看到很多柱，柱成喇叭形，测量的高度为370纳米(见图53)。柱的中间部分的直径为136纳米，底部为182纳米，柱间的间隔为350纳米，该路径区域的宽度为2500纳米，各个柱区域间的间隙为1000纳米，分离通道是40毫米长80微米宽，370纳米深。

完成分离通道后的步骤

本发明人继续进行制造样品的过程，图54A到54C和55A到55C显示了制造过程的后面一部分。制造出分离通道后，用参考数字701标记，该分离通道701在液体槽702和703之间如图54A和55A所示那样延伸。

制备出一个盖片704，该盖片704是由玻璃制成的，有洞705。盖片704压在基质上，洞705分别和液体槽702/703相连。如图54B和55B所示，盖片704通过静电学方法被固定在基质上。

最后，制备出玻璃管706，该玻璃管的内径为3毫米，外径为5毫米，长为5毫米。玻璃管706与洞705相连，通过环氧树脂结合在盖片704上。将一个电泳样品加速器安装在分离部件中。

分离特征

本发明人检测了设备样品。发明人通过玻璃管706向分离部件喂入含有0.09M Trisbolate+2mM EDTA的1×TBE缓冲液，接着，发明人从贮存罐向液体槽中注入含有2kbp DNA的缓冲液，发明人已经事先用Molecular Probe公司生产的荧光染料YOYO-1处理DNA。

本发明人通过玻璃管将铂丝插入到液体槽中，在铂丝间施加60伏的电压，然后，样品开始通过电泳迁移。本发明人测量了迁移速度，更详细的说，利用荧光显微镜，荧光的数量成千倍的增加，从而在Hamamatsu Photonics公司制造的图象增强器上产生一个图象，于是，单个的DNA分子在屏幕上产生印迹，从而能够测量其迁移速度。本发明人通过电泳使2kbp的DNA反复迁移，测量其迁移速度的平均值。

本发明人更进一步地通过电泳使5kbp和10kbp的DNA反复迁移，测量这些样品迁移速度的平均值。更详细的说，为了准确地研究其统计学趋势，本发明人制备了成百种5kbp的DNA分子和成百种10kbp的DNA分子，将这些DNA分子和2kbp的DNA分子一样进行处理，一样测量其迁移速度。

本发明人描绘了迁移速度值的曲线图，如图56。10kbp的DNA分子的离差与5kbp的DNA分子的离差是不同的。从图56中，发明人测量了迁移速度的平均值，10kbp的DNA分子的迁移速度是40微米/秒，5kbp的DNA分子的迁移速度是34微米/秒。

本发明人描绘了平均迁移速度的曲线图，如图56。从图56中，我们可以看出，DNA分子的迁移速度随着其大小的不同而不同，换句话说，分离部件在迁移通过分离通道过程中产生一个时间延迟，时间延迟的值依赖于DNA分子的大小。于是，本发明人证实，通过本发明的设备能将样品倍分离成大小不同的各组分。

在图56中，5kbp的DNA分子与10kbp的DNA分子被广泛分散，这证明本发明的设备有很高的分辨率。本领域的普通技术人员都知道，峰值的偏差按比例减小到1/N¹²，其中N表示被跟踪分子(molecules to be traced)的数量，这就是“中值极限定理”。一般来说，通过电泳形成的带含有成百上千个DNA分子，如107个DNA分子。如果将带中的DNA分子进行跟踪，峰值的偏差将会被减小到1/100000^1/2，如一百个DNA分子的偏差只有0.003。这就意味着峰值十分明显，换句话说，本发明的分离设备达到一个高的分辨率。

本发明人精确的测量了峰值的保留时间，用的是含有10kbpDNA分子的缓冲液和含有5kbpDNA分子的缓冲液。10kbpDNA分子的保留时间是995秒，5kbpDNA分子的保留时间是1170秒(见表1)。于是，沿着样品的分离通道迁移，不同大小的DNA分子被分开。

表1

样品	峰值保持时间(秒)	不同峰值保持时间的差值(秒)
			10kbp	995	175
4kbp	1170

本发明人比较了Agilent Technologies公司生产的生物分析器样品的参数。该生物分析器有一个14毫米长的分离通道，表2显示了该生物分析器的主要参数。

表2

样品	峰值保持时间(秒)	不同峰值保持时间的差值(秒)
			10kbp	81	422
5kbp	77
		3kbp	75
2kbp	73

本发明人用上文描述的方法制造了分离通道为2.8毫米长的另一个样品。利用该样品，本发明人分析了10kbp的DNA分子和5kbp的DNA分子，主要结果如表3。

表3

样品	峰值保持时间(秒)	不同峰值保持时间的差值(秒)
			10kbp	79	12
5kbp	82

比较表2和表3，很明显本发明的设备产生的延迟时间，即12秒比生物分析器产生的延迟时间，即2-4秒长。而且，生物分析器进行分离需要的分离通道为14毫米。另外，本发明的样品需要的分离通道比生物分析器的分离通道短。当等于或大于10kbp的DNA分子被分离而通过生物分析器时，其分离通道容易被大的DAN分子堵塞。但是，本发明的样品能够免除堵塞，因此，本发明的设备优于在先的生物分析器。

通过上文的描述，我们可以知道，在微体群落中，如在本发明的设备中形成的分离路径中的柱路径中，形成大尺寸微观结构，如大尺寸分子，通过的路径。大尺寸微观结构迁移通过路径，小尺寸微观结构被柱路径捕获，于是样品在分离部件中被分离成大小不同的组分，且没有堵塞。

结论

本发明人更进一步研究了本发明的分离设备的分离特性。本发明人制造了一个分离设备样品。样品被制造成一个芯片，在芯片中形成分离通道，42毫米长，80微米宽。在芯片中还形成一个进料通道，18毫米长，40微米宽。该进料通道和分离通道交叉。

柱群落，即柱路径在分离通道上形成。该柱路径在分离通道上占据一定的区域，该区域从某一点延伸30微米，与分离通道和进料通道的交叉点间隔5.6毫米。柱路径如图22那样排列，该柱象壁，高0.4微米，长3微米。每个路径的柱间隔700纳米，象一个梯子。相邻的柱路径间隔1200纳米。通过电子束平板印刷和干蚀刻技术形成柱。

本发明人制备了三种不同大小的DNA分子，即2kbp、5kbp、10kbp，用荧光染料YOYO-1标记上述三种DNA分子。这三种DNA分子的大小差异足够大，能够根据荧光的强度彼此区分。本发明人混合这三种DNA分子，以得到分离的样品。

本发明人将样品放入进料通道的一端，在进料通道的一端施加-50伏的电压，在另一端施加+30伏的电压。一部分样品在交叉点进入分离通道。因为在分离通道的两端施加了-40伏的电压，因此该部分样品就保持在交叉点处。接着，改变施加在进料通道间的势差0.5秒。然后，该部分样品部分返回，于是该部分样品的宽度减小。最后，本发明人在进料通道的两端施加-15伏的电压，在分离通道接近交叉点的一端施加-10伏的电压，在另一端施加0伏的电压，该部分样品就进入分离通道。但是，其他部分的样品不会从进料通道被导入到分离通道。

该部分样品迁移通过分离通道，在柱路径中被分离成三条带。发明人用荧光显微镜检测了进料通道和分离通道交叉点的下游1毫米处的荧光的数量，当标记了荧光染料的DNA分子在荧光灯的照射下被激发时，DNA分子产生荧光，荧光的数量取决于DNA分子的长度。在荧光显微镜上安装一个光多路转换器，该转换器是H7467型，从Hamamatsu Photonics公司购得。在区域中的DNA分子带的图象会通过单向透视玻璃(half-mirror)分光。发明人直接观察图象，该图象入射到光多路转换器上。发明人用光多路转换器测定荧光的数量，通过显微镜测量特定的带。发明人描绘出了荧光强度曲线图，如图58。

图58的坐标轴的横坐标表示通过光多路转换器测得的光子数量，横坐标表示时间。第一条带大约在160秒内到达荧光显微镜区域，光子量增加到13000以上。第二条带大约在220秒内到达荧光显微镜区域，光子量增加到9900。第三条带大约在290秒内到达荧光显微镜区域，光子量增加到10000。因此，荧光强度有三个峰值，在第一个峰值前的光子大约8600，在第一个峰值和第二个峰值间大约为9100，在第二个峰值和第三个峰值间大约为9000。第一条带、第二条带和第三条带分别主要是由10kbp的DNA分子、5kbp的DNA分子和2kbp的DNA分子形成的。于是本发明人可以得出结论，本发明的分离设备具有高的分辨率。

本发明人基于试验结果计算HETP(相当于理论塔板的高度值)。HETP是一个表示分离设备分辨率的系数。高度值越低，分辨率就越高。用于分离生物多聚物的凝胶过滤柱仅能达到10-100微米。由Showa Denko有限公司制造的凝胶过滤柱“Ohpack SB-80系列”的HETP为25微米。由ShowaDenko有限公司制造的高分辨率柱“KF-40系列”的HETP也只能达到约10微米。而本发明的分离设备的HETP对于2kbp的DNA分子为4.85微米，对于0.81kbp的DNA分子为0.81微米。因此，本发明人证实了本发明的分离设备优于市场上销售的其他分离设备。

虽然本发明提供了具体的实施例，但是在不偏离本发明的精神和范围的情况下，各种改变和改进对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的，例如本发明的方法可以用于图13所示的基质上的柱阵列。

在以上描述的实施例和改进方式中，其沟槽相当于一个区域。微体是，比如，柱125或盘125A。模具106/106a或抗蚀掩膜107a/900a/204作为图案转移层。形成沟槽底部的底部表面相当于一个区域或一个表面区域。迁移的方向和该区域纵向的方向一致。

Claims (36)

1.一种可以将样品分离成不同大小微观结构的设备，其中包含分离部件(110/801；20；550，550A；120/122；120/122A)，该分离部件包括：

允许所说的样品被迁移的区域(112；20a；540；112A；112B；112C；121A；112F；112G；112J)和

作为障碍物的微体(125；125A；506；712A)，该微体能阻碍所说的微观结构的迁移，以将样品分离成不同大小的微观结构，

其特征在于：

所说的微体(110；125；125A；506；712A)在所说的区域至少形成一个群落(121；121A；121B；121C；121D；121E；712；506)，并定义了捕获小尺寸微观结构的迷宫，而该区域剩下的部分用作大尺寸微观结构通过的路径(123；123A；123B；123C；123D；123E；123F；714)。

2.权利要求1的设备，其中在所说的迷宫中定义了路径，其宽度比所说的用于所述大尺寸微观结构通过的路径(123；123A；123B；123C；123D；123E；123F；714)的宽度要窄。

3.权利要求1的设备，其中在所说的区域中形成了另外一个微体群落(121；121A；121B；121C；121D；121E；712；506)，所说的至少一个微体群落和所说的另一个微体群落之间的间隙形成所说的用于大尺寸微观结构通过的路径(123；123A；123B；123C；123D；123E；123F；714)的一部分。

4.权利要求3的设备，其中在所述迷宫中形成路径，其宽度比所说的用于大尺寸微观结构通过的路径(123；123A；123B；123C；123D；123E；123F；714)的宽度要窄。

5.权利要求3的设备，其中所说的路径的所说部分(123D)指向的方向与所说区域纵向交叉。

6.权利要求1的设备，其中在所说的至少一个群落(121)中的所说微体通过规则间距间隔排列。

7.权利要求1的设备，其中在所说的至少一个群落(112B)中的所说微体的密度沿着样品迁移的方向增大。

8.权利要求1的设备，其中在所说的至少一个群落(112C)中的所说微体的密度沿着样品迁移的方向减小。

9.权利要求1的设备，其中在所说区域中进一步形成了多个微体群落(712)，该多个微体群落(712)和所说的至少一个微体群落(712)形成至少两个彼此间隔的大群落(713)，其间隙成为所说路径的一部分。

10.权利要求9的设备，其中选自所说的多个群落和所说的至少一个群落的相邻两个群落(712)间的间隙比所说的至少两个大群落(713)间的间隙要窄，比选自所说的至少一个群落和所说的多个群落的相邻两个微观结构间的间隔要宽。

11.权利要求1的设备，其中在所述迷宫中形成路径，其宽度调整为1-10微米，用于从所说的样品中分离细胞；调整为100-1000纳米，用于从细胞溶质中分离细胞膜的碎片和细胞器官；以及调整为1-100纳米，以将破碎细胞的可溶组分分成含有DNA、RNA、蛋白质和糖链的高分子量组分，和含有类固醇和葡萄糖的低分子量组分。

12.权利要求1的设备，其中所说的微体是从所述区域凸起的柱(110；125)。

13.权利要求12的设备，其中所说的柱(110；125)从其顶部到底部呈喇叭形扩大。

14.权利要求12的设备，其中所说的柱(110；125)的形状选自下列组：圆柱体、椭圆柱体、锥体、椭圆锥体、三角锥体、棱柱体。

15.权利要求12的设备，其中所说的柱(110；110a；102b；125)分别有亲水性表面部分(104)。

16.权利要求15的设备，其中所说表面部分内所述柱(110；110a；102b；125)的核和所说的表面部分(104)分别是由硅和氧化硅组成的。

17.权利要求16的设备，其中所说的柱(110；110a)紧密排列，从而使所说的表面部分在所说的柱中的凹槽底部(110V)彼此快速地结合。

18.权利要求1的设备，其中分离部件还包括限定一个与所说的区域的一端连接的进料槽(102a/102b)的壁部分，和限定与所说的区域的另一端连接的回收槽(103a/103b)的壁部分，这样，样品从所说的进料槽通过所说区域迁移到所述回收槽。

19.权利要求1的设备，其中在所说的至少一个微体群落(711)的前方至少形成一排微体(710)，从而使样品(709)在进入所说的至少一个微体群落之前在该排微体中形成一条带(709’)。

20.权利要求1的设备，其中所说的分离部件还包括至少一个密度比所说的至少一个群落低的稀疏微观结构群落(601d)，所述至少一个稀疏群落位于所说的至少一个微体群落的前方，所以样品在进入所说的至少一个微体群落之前形成一条带。

21.权利要求20的设备，其中所说的稀疏群落被所说的至少一个微体群落和另一个微体群落间的缝隙(602)所代替。

22.权利要求1的设备，其中所说的区域是壁限定的沟槽(112B)的底部。

23.权利要求22的设备，其中所说的壁(112H)是亲水的。

24.权利要求22的设备，其中所说的沟槽(112B)被一个盖片(112A)关闭，所说的底部和所说的盖片间的间隙比所说的微体的高度要小，因此，在所说的微体(125)和所说的盖片(122A)间形成大尺寸微观结构通过的另一个路径(123F)。

25.权利要求1的设备，其中还包括一个样品加速器(804；10；530A)，该加速器在样品上施加压力，从而使所说的样品强制地迁移通过所说的区域。

26.权利要求25的设备，其中所说的样品加速器(804A)包含一个位于所说区域一端的电极(804)，另一个电极(804)位于所说区域的另一端，在所说电极和另一电极之间施加势差的偏振电压以在所说区域产生电场。

27.权利要求25的设备，其中所说的样品加速器(10)包含一个加压部件(8)，该部件向所说区域的一端提供高压的缓冲液，从而强迫所说的样品和高压缓冲液一起从所说区域的一端流向另一端。

28.权利要求25的设备，其中所说的样品加速器(530A)包括：一个微体保持柱群落(503)，该群落位于所说的至少一个微体群落(506)和样品进料口(530a)之间，其密度比所说的至少一个微体群落(506)的密度大；一个定量微体群落(530b)，位于所说的保持柱和样品进料口之间，其密度比至少一个微体群落的密度小；一个保藏室(502)，位于所说的保持柱群落和所说的定量柱群落之间；一个微体引导柱群落(504)，位于保持柱群落和缓冲液进料口(510)之间，其密度等于所说的至少一个柱的密度；保存空间(505/507)位于所说至少一个柱群落和所说的保持柱群落之间以及所说的保持柱群落和所说的引导柱群落之间。

29.一种制造分离设备的方法，包括如下步骤：

a)制备一个基质结构(110/105；110)；

b)利用电子束平板印刷技术，从图案转移层(107a；900a；106；106a)转移微体(110a；102b)的图案到所说的基质结构表面，该微体作为阻止微观结构迁移的障碍物；

c)完成所说的表面区域上所述图案中的微体(110a；102b)；和

d)完成分离通道，该通道占据含有所述表面区域的所说基质结构区域。

30、权利要求29的方法，其中图案转移层是抗蚀掩膜(107a；900a)。

31、权利要求30的方法，其中步骤b)包括以下分步骤：

b-1)在所说的基质结构上形成电子束抗蚀层(107；900)，

b-2)利用电子束，在所说的电子束抗蚀层上产生所说图案的隐印图象，

b-3)在所说的表面区域显影所说的隐印图象，以产生所说的抗蚀掩膜(107a；900a)，

b-4)蚀刻没有覆盖所述抗蚀掩膜的所说基质结构的表面部分，以形成所说的微体，和

b-5)除去所说基质结构的抗蚀掩膜。

32、权利要求29的方法，其中在c)步骤中所说的微体被氧化，因而所说微体的核心部分被亲水性的氧化层(104)覆盖。

33、权利要求29的方法，其中所说的微观结构形成至少一个群落，以便所说区域的其他部分作为大尺寸微观结构顺利迁移通过的路径。

34、权利要求29的方法，其中所述图案转移层是一个模具(106；106a)。

35、权利要求34的方法，其中步骤b)包括步骤：

b-1)在所说的基质结构上形成塑性可变形层(160)，

b-2)将所说的模具(106)压在所说的塑性可变形层上以形成一个图案层(160a)，

b-3)蚀刻没有覆盖所说图案层的所说基质结构(160)的表面部分，以形成所说的微体，和

b-4)从所述基质结构除去所说的图案层(106a)。

36、权利要求34的方法，其中步骤b)包括以下分步骤：

b-1)在所说的基质结构上形成塑性可变形层(102a)，和

b-2)将所说的模具(106a)压在所说的塑性可变形层(102a)上以形成所说的微体(102b)。

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