CN1890560B - 由纳米级沟道的平面阵列构成的筛分介质及其制造和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大小和/或结构对分子进行分离的装置和方法以及制造所述装置的方法。所述分离方法通常包括使含有具有不同有效分子直径的微粒的流体流经排列在衬底表面的多条敞开的纳米级的沟道。所述方法也包括获得所述流经流体的多个分段，使得每个分段包含含有具有相似大小和形状并基本上不含有更大尺寸与形状的微粒的主要部分。所述装置包含第一与第二衬底，其中每一衬底具有有其中排列了多条敞开的纳米级沟道的表面。所述表面结合在一起，使得第一衬底的每条沟道与第二衬底的至少两条沟道流体流通并且是相对于第二衬底的沟道偏离的。干涉蚀刻和阳极接合或倒装芯片接合技术可以用于所述装置的制造。

Description

由纳米级沟道的平面阵列构成的筛分介质及其制造和使用方法

发明背景

技术领域

本发明一般地涉及一种基于分子的大小和/或结构对其进行分离的装置和方法，还涉及制造所述装置的方法。

相关技术简介

对于化学和生物学，能够彼此分离不同分子是至关重要的。当所述分子仅存在于少量溶液中时，例如在分析和诊断测试的环境下，准确而精确的分离尤其重要。因此，对于化学和生物学研究人员而言，仍存在着对提高所述分离的效率进而改善便利性的需求。

通常，分子分离技术可能需要使用一种基质(matrix)(或膜)，其中的分子转运和过滤都在垂直于所述基质的表面的方向上进行。在这样的技术中，只有那些具有精确、预知的分子量和/或结构的分子才能通过所述基质。然而，这些分离技术具有其局限性。例如，由于例如可能与分离基质发生不良反应或受分离基质作用而失活，生物分子可能不适于通过这样的技术进行分离。即便是在这些技术可以用于生物分子的情况，由于基质生产中不同批次之间的差异，分离结果也可能是不精确、不准确、和/或难以再现的。也可能遭遇分离效率低和/或样品体积损失的问题。

在生物学中，已经发现凝胶分馏或电泳是对诸如蛋白质等生物分子进行分离和鉴定的有效技术。在凝胶电泳中，凝胶一般由与缓冲液混合的缠绕的聚合物链的基质构成。基质内存在大量互相连接的孔洞。将具有净电荷的蛋白质溶液置于基质中，蛋白质在电场作用下行进通过这些孔洞。带电的蛋白质通常地会朝具有与所述蛋白质所携带电荷相反的电荷的电极移动。变性蛋白质在自由溶液中的迁移率是相同的。然而在存在凝胶基质的条件下，蛋白质的迁移率往往产生差异，这是由于蛋白质越大，其在基质中(孔洞之间亦或孔洞之内)遭受物理约束的可能性越大，因此相对于较小的蛋白质而言，那些较大的蛋白质在基质中的迁移受到延迟。凝胶材料的摩擦力起到按大小分离蛋白质的蛋白质筛(或更一般地，分子筛)的作用。蛋白质在电场和凝胶基质中迁移的速率取决于例如电场强度、蛋白质的大小与形状、蛋白质所处样品的相对疏水性、以及蛋白质在其中移动的缓冲液的离子强度和温度。因此，由于较小的蛋白质在基质中比较大的蛋白质移动得快，蛋白质得以分离，形成在前端的小蛋白质的快速移动带和尾随的较大蛋白质的慢移动带。

凝胶分馏的一种具体类型是二维(2-D)凝胶分馏，它可用于按其在相互之间成直角的两个维度上的位移来对样品中的蛋白质进行分离与鉴定。二维凝胶分馏一般用作蛋白质组学的组成部分并且是用于对蛋白质进行离析以便例如通过质谱等进一步研究的常规步骤。这一分馏技术使样品的蛋白质成分在更大的区域内进行分离，提高了每个蛋白质成分的分辨率。IEF(等电聚焦)和SDS-PAGE(十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳)构成了二维凝胶分馏的两个维度。在第一个维度上，IEF基于pl值分馏生物分子。在随后的第二个维度上，SDS-PAGE基于大小-电荷比对先前已分馏的生物分子做进一步分馏，这大致相当于基于分子量的分馏。

虽然二维凝胶分馏得以广泛应用，然而还是有其局限性。例如，二维电泳并不特别适用于对具有低分子量的蛋白质或肽的解析，由于这些蛋白质或肽经常过于迅速地通过聚丙烯酰胺凝胶。二维凝胶分馏也不适用于诸如疏水性蛋白质的许多蛋白质，因为这些蛋白质经常与凝胶基质相互作用或以其他方式发生不良反应，导致随后对蛋白质的分析难以或无法进行。即便所述蛋白质未发生不良的相互作用或反应，通常也难以将其从凝胶中取出，故而降低了后续蛋白质分析的质量。另一个显著的局限性是分馏需要大量时间来执行并且要求大量的人工干预和照管，这使其成为一个需要熟练的技术人员或科学家来掌握和执行的费时又费力的工艺。进行分馏操作俨然成了一种艺术，要求进行大量实验来确定正确的样品制备条件、聚焦时间等等。此外，往往难以再现制备多种凝胶的精确的处理条件，因此，在不同的凝胶之间就产生了不一致性。而且，凝胶只能提供有限的分辨率，这往往不能满足某些分子分离和分析操作的要求，而且通常不能重复使用。此外，凝胶材料可能发生不利的降解-聚丙烯酰胺凝胶是一种神经毒素，其保存期短，这就要求其在使用前现制，并且不同批次之间性质存在各自的特性。除此之外，而且考虑到上述局限，该技术往往不适于和/或完全不能够在集成的分离与分析系统中使用。虽然对某些上述局限的改善方面已经取得进展，有许多局限性却依然如故。

二维凝胶分馏的替代技术包括使用人工凝胶介质的技术。与其中筛分基质由长链聚合物的随机排列形成的聚丙烯酰胺凝胶相比，人工凝胶中的筛分基质是由微制造和/或纳米制造形成的。因此，人工凝胶中的筛分基质的尺度和拓扑结构可以更精确地控制和测量，并且可以更方便地大量生产。例如，可使用常规的基于光刻胶的光刻法可以用来在硅衬底(基底层)上蚀刻障碍物图案，衬底可用玻璃或人造橡胶顶层密封以形成分子溶液可以经其进行电泳的分子筛。类似地，可使用夹在电介质基底层和顶层之间以形成工作隙的牺牲层制备出整体式结构，其中牺牲层代表最终结构中的空间，并因此而在其中蚀刻出所需障碍物图案的负片(negative)。在基底层、顶层和延迟障碍物到位后，通过湿化学蚀刻去除牺牲层，从而留下其垂直尺度由所去除层的厚度决定的工作隙。然而，大概是由于严格的尺度限制，仅报道过使用这些结构进行过核酸分离。白蛋白约4纳米宽、约15纳米长，因此对于与节距200纳米、直径100纳米的隔柱的图案结构进行物理交互而言是太小了。其他的技术致力于使用电色谱法，在衬底的已形成沟道内现场浇铸筛分介质(in situ casting of sievingmedia within preformed channels of a substrate)，以及使用诸如多孔硅之类的多孔材料作为多孔介质。尽管有这些进展，在本领域内还存在没有充分解决的局限。

附图简要说明

为了更完整地理解本公开，应该参照以下详细说明及附图，附图中：

图1是其中设置有多个纳米级沟道的衬底的表面的放大的俯视图；

图2是沿图1中的2-2线所取的衬底的放大的横断面视图；

图3是显示其组成部分的装置的部分的放大的分解图；

图4是装置的放大的局部平面图，其中设置于各个衬底中的纳米级沟道以虚线形式(phantom)显示；以及

图5是显示了横贯诸纳米级沟道的材料的路径的装置放大的剖视图。

尽管所公开的装置和方法可具有各种形式的实施例，在附图中图示的(并将在此之后加以描述)是本发明的具体实施例，应理解的是，所公开的内容旨在是说明性的，而不旨在把本发明局限于此处所描述和图示的具体实施例。

优选实施例的详细说明

这里所用的术语“纳米级沟道”是指在衬底表面上其直径在至少一个方向上为约1纳米至约500纳米之间的任何空隙空间。在谈及沟道时，术语“直径”是用其普通含义，即，横跨并经过沟道中心的距离，它垂直于沟道的轴向并平行于沟道所处衬底的平面。然而，在谈及沟道时，术语“直径”不是要把沟道的横断面形状局限于圆形，因为可以采用任意沟道形状。因此，此处所用的术语“直径”也包括《Perry′s Chemical Engineers′Handbook》1984年第6版第5-25页的表5-8中所定义的“等价直径”(另见1997年第7版第6-12至6-13页)。在这里，术语“阵列”是指纳米级结构或沟道的任意排列。

这里所公开的是一种包括第一衬底和第二衬底的装置，这些衬底中的每一个都具有一个包含多条置于其中的敞开的纳米级沟道的表面。这些表面接合在一起以使第一衬底的沟道中的每一条与第二衬底的至少两条沟道流体连通(fluid communication)，并且相对第二衬底的沟道相偏离。

沟道的横断面直径可以是等同且恒定的，在约1平方纳米到约10,000平方纳米的范围内，更优选约10nm²到约1000nm²。或者，沟道可以具有等同并可变的横截面直径，在约1nm²到10,000nm²的范围内，更优选约10nm²到1000nm²。如此，在这样的实施例中，沟道的第一部分可以具有例如约10,000nm²的横断面直径，而沟道的第二部分可以具有例如约1nm²的横断面直径。这种在同一沟道内横截面直径可变的好处会在期望解析各种大小不相同的粒子时意识到。在各个衬底中的沟道应当彼此平行并且应当横贯其所处表面的整个长度。较佳地，在各衬底内的诸沟道彼此等距间隔，尽管不必如此。在沟道的横截面直径以及装置的目标用途一定的情况下，沟道所处的每一个表面较佳地含有至少约1000条沟道至约一千万条沟道。

一般而言，衬底可以用任何能够制作纳米级沟道图案并且能够接合在一起的材料构成。然而，较佳地，第一和第二衬底可以用一种或多种选自石英、硅石、硅、多孔硅、多晶硅和多孔多晶硅的材料制造。更优选的是构造材料之一是石英。合适的硅材料包括多孔硅。

该装置较佳地还包括接合在第一和第二衬底中的每一个的边缘表面上的第三和第四衬底。边缘表面应当与沟道基本垂直。

较佳地，第三和第四衬底可以用一种或多种选自石英、硅石、硅、多孔硅、多晶硅、多孔多晶硅和氧氮化硅的材料制造。更优选的是构造材料之一是氧氮化硅。

如前面所指出的，第一衬底的沟道中的每一条不与第二衬底的沟道对准。偏离程度可以用角度来定义，而角度本身是由第一衬底的沟道与第二衬底的沟道的相交来形成的。较佳地，第一衬底的沟道相对第二衬底的沟道偏离的角度在约0.05°至约45°，更优选约0.05°至约15°，高度优选约0.1°至约10°，更高度地优选约0.5°至约5°。

一般而言，该装置可以通过在第一衬底和第二衬底各自的主平面上形成敞开的纳米级沟道的阵列图案来制造。这两个有沟道的表面可接合在一起，从而使第一衬底的沟道中的每一条与第二衬底的至少两条沟道流体连通，并且使第一衬底的沟道中的每一条相对第二衬底的沟道偏离。优选的接合方法包括适宜的倒装芯片接合法(flip-chip bonding)。所接合的第一和第二衬底中的每一个其边缘表面可以用一个或多个接合于各边缘表面的罩(cap)衬底盖住，其中边缘表面与沟道大体垂直。

有许许多多适宜在衬底表面上形成敞开的纳米级沟道阵列图案的方法。此类适宜方法的示例包括光刻，比如干涉光刻(“IL”)、浸没干涉光刻、电子束光刻、扫描探针光刻、纳米压印法、极紫外光刻、和X-射线光刻。一般情况下，IL是形成纳米级沟道的图案时的首选方法。

一般而言，光刻是一种高度专门化的印刷工艺，用于在诸如硅晶片的衬底上创建复杂的图案。含有所需图案的图像被投射到晶片上，而晶片上涂敷有一薄层称之为“光刻胶”的光敏材料。图像图案的明亮部分引发化学反应，而化学反应进而会使光刻胶材料溶解，故而在显影剂液体中溶解，而图像中暗的部分维持不溶解。在显影后，光刻胶在晶片表面上形成一个模板图案(stenciledpattern)，该图案准确地与所需图案相对应。最后，图案永久性地转移到晶片表面上，例如通过化学蚀刻剂，化学蚀刻剂把那些不受光刻胶保护的表面部分蚀刻掉。

干涉光刻(“IL”)一般是指有两条或多条彼此相干的光波(或光束)干涉产生一个驻波、而这个驻波可以记录在光刻胶中的光刻工艺。更具体地，在IL中，在两条相干光束相交区域处通过干涉产生正弦驻波式的光强图案。位于交叉点处的涂敷了光刻胶的衬底经受曝光，印上一个周期性的线-间隔图案，其周期(P)由光的波长(λ)以及光束的交角(A)确定(即，P＝λ/2sin(A))。角度(A)应当足够大，以产生高空间频率的干涉图案。所得干涉图案应当具有纳米级尺度。

适用于形成沟道阵列图案的IL技术实例见于例如Brueck等人的美国专利US5,705,321。一般而言，涂敷光刻胶的衬底是通过把薄的蚀刻-掩膜层沉积在硅衬底(晶片)上；然后在该蚀刻-掩膜层上面沉积一薄层的光刻胶来制成的。其后，光刻胶层曝光于线条的周期性图案中，采用的方法是经过优化以产生未曝光光刻胶的适宜纳米级尺度的细线光刻法(fine-line IL)。将光刻胶进行显影处理以去除曝光了的光刻胶。然后用蚀刻工艺把光刻胶图案转移到蚀刻-掩膜层中(此刻对蚀刻-掩膜层的过度蚀刻就会事与愿违地发生蚀刻-掩膜底切并进一步使蚀刻掩膜图案变窄)。余下的光刻胶随后去除。高度各向异性的蚀刻工艺诸如用氢氧化钾者，例如可用于蚀刻曝光后的衬底(例如，硅(Si)衬底)，在此情形中，周期性图案的线条在光刻胶曝光之前应当与{111}Si方向对准。在这一过程中，{111}Si表面几乎完全未被蚀刻，由此留下了非常窄的量子尺寸的长宽比很高的Si壁。如果用反应离子或者离子铣削蚀刻工艺取代氢氧化钾工艺，则不必预先把图案与{111}Si方向对准。余下的蚀刻一掩膜层随后可以除去，留下一个全硅表面，这个表面可以进行氧化处理。在光刻胶的曝光阶段中或者是在部分工艺的多重反复中，通过使用多重曝光IL和/或将IL与常规光学光刻相结合，同样的基本方法即可以用来制造更加复杂的结构。

在一层或多层光刻胶层上产生的复杂干涉图案可以通过旋转和/或平移衬底、改变角度(A)、改变曝光次数和/或光强、在其中一个或两个相干辐射的照明光束中都使用相幅掩膜、或者前述的任意组合来加以改变。前述中的任何一项与适当的光学成像光刻技术组合则可实现进一步的灵活性。

虽然有许多合适的方法可用于形成纳米级沟道的图案，而IL代表了形成纳米结构部件的图案的方法中比较方便的优选方法之一，因为IL可用来在一个并行步骤中生成整个图案，而不是一个串行写技术。其他并行技术(例如，压印光刻)依靠一种初步图案形成技术生成母版，该母版随后可用来以并行方式产生纳米结构部件的复制品。用IL技术来形成纳米级沟道较之其它技术(诸如传统的丙烯酰胺凝胶聚合法)具有格外的优势，因为它能形成高度有序的结构、提供形成一个维度上连续地改变尺寸和化学性质的宏观阵列的可能性、可再现性高、可以在较大的宏观面积上以低成本(相对于例如电子束光刻成本较低)快速进行、而且可以更容易地在形成一次性或者可反复使用的复杂集成分离系统时实现。此外，光刻形成的分离基体的使用适合于把这些基体简便地实现为多级三维分离装置，其中不同的筛选机制使分离效果增强。除此之外，IL可以用来方便地生成其尺度在形成图案的材料表面的平面内半连续变化的纳米结构(凸起或沟道)阵列。一旦衬底表面上形成了所需的纳米级沟道图案后，该图案化表面即与另一个有类似图案化的表面接合。如此，所形成的装置是要通过用纳米或微光刻术制造出非常均匀、可准确再现的纳米级分离系统来消除一部分目前存在的局限。

把衬底接合在一起的目的是为了形成衬底表面之间密切的物理接触，从而使穿行在沟道中的溶液以及其中的任何颗粒局限在沟道所确定的空隙空间中。适于将图案化(形成沟道)的表面接合在一起的方法包括，但不限于，阳极接合法(anodic bonding)和倒装芯片接合法，这些方法都是能够使诸表面配对从而使第一衬底上沟道中的每一条与第二衬底上的至少两条沟道处于流体连通状态、且使第一衬底的沟道中的每一个相对于第二衬底的沟道偏离的方法。阳极接合法和倒装晶片接合法都是本领域技术人员所熟知的。一般而言，倒装芯片接合法(本领域中也称为芯片直连(DCA：direct chip attach))是一种通过芯片接合垫上的导电性隆点把面朝下(倒装的)电子组件连接到衬底、电路板、或载体上的直接电连接。相反，引线接合法使用面向上的芯片以导线连接至每一个芯片接合垫(chip bond-pad)。

倒装芯片接合法通常包括：在第一衬底(即晶片)上形成隆点、把有隆点的衬底附接到第二衬底上、以及用填充料充填衬底表面之间的其余空隙空间，比如用非导电性材料，需要牢记的是，填充材料不应当充填衬底上的沟道。在电子学领域内，隆点可以起到许多作用，比如提供一种用于从一个衬底向另一个衬底传送电荷或热量的路径。然而，这里的隆点有利地提供一种机械支座以助于将一个衬底附接于另一个衬底。这种隆点可以用各式各样的方法来制作，包括例如那些使用焊料或接线柱球焊技术(stud-bumping techniques)、真空沉积技术、电镀技术、粘合剂技术等。倒装芯片接合法有优势是因为该技术提供了一种高速度低成本的组装方法，并且得到的是一种适度粗糙的接合。如果给定倒装芯片接合加工条件以及所形成的装置的目标用途，本领域技术人员即可适当地选择构造材料用来把各种衬底接合在一起。

如本发明所指出的，可以把罩衬底接合到已经接合在一起的第一和第二衬底的边缘表面上，以防止样品溶液沿平行于纳米级沟道的方向流入或流出暴露的装置边缘、并且将溶液限制于沿基本垂直于沟道方向的方向流入或流出沟道。一般情况下，罩表面是氧氮化硅构成的。罩表面可借助于适于附接氧氮化硅表面的粘合剂来接合至例如已经接合在一起的第一和第二衬底的边缘表面。

一旦已将诸罩衬底适当地接合至本装置的边缘表面，则本装置可以适宜地附接至或者以其它方式结合进能够引入电场以及分子溶液的设备中。

这些制造步骤的最终结果是一种其纳米级沟道可供沿双芯片组的未盖住边缘加入的溶液自由进出的装置。因此，常规的电泳及其它形式的色谱法可以在纳米沟道之内完成。这种装置的使用可以是通过把含有要分离的分子的溶液填充到内部空间(例如，通过虹吸作用)中，然后沿基本垂直于沟道的方向施加电场。如前文所指出的，带电荷的分子将沿(或逆)所施加电场的总体方向迁移。任何给定带电分子的实际路径都是相当曲折的，解释如下。

现参照附图，其中相同的附图标号在各个附图中表示等同或类似的要素，图1是一个衬底表面的放大俯视图，该衬底有多条纳米级沟道设置于其中。更具体地，图1显示了具有表面12的衬底10，在表面12上或是在表面12之内设置有纳米级沟道14。衬底10的边缘表面(未示出)用罩衬底16和18盖住。如图1所示，各条沟道14具有恒定的横截面直径，且每一条彼此间等距离隔开。如前文所指出，诸沟道不需要具有恒定的横截面直径或者被彼此间等距离间隔。图2是沿图1中的2-2直线所取的衬底10的放大横截面视图。

图3是显示其组成部件的装置30的一部分的放大分解图。如图所示，装置30包括衬底10和具有表面22的第二衬底20，在表面22上或是在表面22之内设置有多条纳米级沟道24。衬底10与12的边缘表面26与28分别用罩衬底16和18盖住。当把衬底10和20相配时，随着边缘X-X′及Z-Z′对接且罩衬底16和18接合至表面26及28，装置30即告形成。

图4是所形成的装置30之一部分的放大局部平面图，其中各衬底上的纳米级沟道14和24以虚线显示。如图所示，第一衬底10的每一条沟道14相对于第二衬底20每一条沟道24都不是对准的。这种不对准在图4中是以角度(α)限定的，而角度本身是由第一衬底10上的一条沟道14与第二衬底20上的一条沟道24相交形成的。

图5是装置的放大的剖视图，显示了材料在纳米级沟道14和24中穿行的路径，如箭头所示。更具体地，图5中显示的是包括相配的衬底10和20，且纳米沟道14和24设置于其中的装置30。施加力的话，比如压力或电场，溶液中的分子(图5中以箭头表示)可沿纳米沟道14和24所形成的曲折路径穿行。此外，这些分子稳定地在几乎完全由楔形狭缝组成的内部空间中蜿蜒前行。这些狭缝是给予该双芯片组以筛分能力的分子规模的物理收缩。特定分子从装置30的一端行进至另一端的速度将理所当然地取决于分子量和结构，恰如上文所述。

所形成的装置可用于分辨溶液中存在的各种分子。本装置与以下机制中的任何一种或多种组合使用则可获得更高的分辨率：亲和作用(分子识别)、不对称扩散、电泳迁移、熵俘获、疏水作用、等电点、以及尺寸排除。

所公开的装置可用于把流体中具有不同有效分子直径的颗粒分离成离散的几部分，其中每一部分可用共同的有效分子直径来表征。将此类颗粒进行分离所依据的是，有效分子直径较小的颗粒比那些有效分子直径较大的颗粒能更快地通过该装置中沟道。颗粒的分子直径基本相同时，那些长度较短的分子要比长度较长的分子通过装置的速度快。本装置与以下机制中的任何一种或多种组合使用则可获得更高的分辨率：亲和作用(分子识别)、不对称扩散、电泳迁移、熵俘获、疏水作用、等电点、以及尺寸排除。

能够通过本装置的合适流体包括生物来源的材料，诸如肽、多肽、蛋白质、抗原、抗体、核苷酸、寡核苷酸、多核苷酸、适体(aptamer)、DNA、RNA、碳水化合物、它们的复合物、以及适当的缓冲液。流体还可包括非生物来源材料，诸如合成聚合物。

缓冲液是一种在少量的酸或碱加到其中或者当将其稀释时阻碍pH值改变的溶液。例如，一个健康的人的血液的pH值保持恒定在7.35到7.45之间，因为血液包含许多的缓冲液，这些缓冲液防止在出现酸性或碱性代谢物时发生pH值变化。从生理学的角度看，pH值升高0.3或者降低0.3都可视作极端情况。许多所感兴趣的生物反应都发生在pH值6到8的范围内。可用于进行分析的特定的酶反应可在pH值4到19或更大的范围内发生。因而，缓冲液对于把pH值保持在最佳值是非常有用的。为生物反应的研究或者为在临床分析中使用而适当选择缓冲液对确定它们会不会对反应产生影响方面是至关重要的。

蛋白质是两性化合物；它们的净电荷是由它们悬浮于其中的介质的pH值确定的。在处于pH值超过蛋白质等电点的溶液中时，蛋白质的净电荷为负，并向电场中的阳极方向迁移。低于其等电点时，蛋白质带正电并向阴极迁移。蛋白质所带的净电荷与其大小无关，这意味着分子的单位质量(或者单位长度，考虑到蛋白质及核酸是线性大分子)所携带的电荷在不同蛋白质之间是有差异的。因而，在给定的pH值，在非变性条件下，蛋白质的电泳分离由分子的大小和电荷共同确定。与蛋白质形成对比的是，核酸在电泳所用的任意pH值都保持带负电，且分子的单位长度所携带的负电荷是固定的，是由核酸的各核苷酸之磷酸基团产生的。因而，核酸的电泳分离严格地按照大小来进行。十二烷基硫酸钠(SDS)是一种阴离子洗涤剂，其可用来通过“包裹”蛋白质的多肽骨架而使蛋白质变性。SDS以约1.4∶1的质量比相当特异性地与蛋白质结合。通过这种方式，SDS赋予多肽与其长度成正比的负电荷(变性的多肽成为了负电云的“棒”，其单位长度的电荷或电荷密度相等)。在其获得按大小进行分离所必须的不规则螺旋构象之前，通常需要用诸如例如2-巯基乙醇或二硫苏糖醇还原蛋白质中的二硫桥键。因此，在基于变性SDS的分离中，迁移不是由多肽所固有的电荷确定，而是由分子量确定。

因此，如果经SDS复合的蛋白质混合物在适当的缓冲液中经所述的双芯片组进行电泳，则蛋白质越大，其越容易遭到阻碍，因此相对于较小的蛋白质受到延迟。蛋白质会按照大小顺序从芯片中洗提，最小的最先，最大的最后。分离后的蛋白质可以进一步进行所需要的分析。

鉴于在本说明书公开范围内的修改对于本领域内一般技术人员而言是显而易见的，以上的说明只是为了理解上的清晰，不应当据此理解为不必要的限制。

Claims (29)

1.一种基于大小和/或结构对分子进行分离的装置，包括第一和第二衬底，每一衬底各具有一个在其中排列有至少1000条至一千万条敞开的纳米级沟道的表面，所述二表面接合在一起，使得第一衬底的至少1000条至一千万条敞开的纳米级沟道中的每一条沟道都与第二衬底的至少两条沟道流体连通并且相对于第二衬底的沟道是偏离的，其中施加力时，流体可沿第一衬底的纳米级沟道和第二衬底的纳米级沟道所形成的曲折路径穿行。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述沟道具有等同且恒定的介于1nm²到10,000nm²之间的横截面面积。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述沟道具有等同且可变的介于1nm²到10,000nm²之间的横截面面积。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述每条沟道都贯穿所述表面的整个长度。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一衬底的沟道互相平行，并且所述第二衬底的沟道互相平行。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一衬底的沟道相互之间等距间隔，并且所述第二衬底的沟道相互之间等距间隔。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二衬底包括从石英、硅石、硅、多孔硅、多晶硅和多孔多晶硅组成的组中选择的材料。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一和第二衬底包括石英。

9.如权利要求1所述的装置，还包括接合至第一和第二衬底各自的边缘表面的第三和第四衬底，所述边缘表面与所述沟道基本垂直。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第三和第四衬底包括从石英、硅石、硅、多孔硅、多晶硅、多孔多晶硅和氧氮化硅组成的组中选择的材料。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第三和第四衬底包括氧氮化硅。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一衬底的沟道相对于第二衬底的沟道偏离一个0.05°到45°的角，所述角是由第一衬底的一条沟道与第二衬底的一条沟道的相交而形成的。

13.一种基于大小和/或结构对分子进行分离的方法，包括：

(a)使包含具有不同的有效分子直径的颗粒的流体流经排列在诸衬底表面中的至少1000条至一千万条敞开的纳米级沟道，所述诸衬底接合在一起，使得第一衬底的每一条沟道都与第二衬底的至少两条沟道流体连通并且相对于第二衬底的沟道是偏离的，其中施加力时，流体可沿第一衬底的纳米级沟道和第二衬底的纳米级沟道所形成的曲折路径穿行；

(b)获得所流出流体的多个分段，这些分段中的每一个都包括一个包含具有相似的大小和形状的颗粒并且不含有更大尺寸和形状的颗粒的主要部分。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述沟道具有等同且恒定的介于1nm²到10,000nm²之间的横截面面积。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述沟道具有等同且可变的介于1nm²到10,000nm²之间的横截面面积。

16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述每条沟道都贯穿所述表面的整个长度。

17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一衬底的沟道互相平行，并且所述第二衬底的沟道互相平行。

18.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一衬底的沟道相互之间等距间隔，并且所述第二衬底的沟道相互之间等距间隔。

19.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一和第二衬底包括从石英、硅石、硅、多孔硅、多晶硅和多孔多晶硅组成的组中选择的材料。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，第一和第二衬底包括石英。

21.如权利要求13所述的方法，还包括接合至所述第一和第二衬底各自的边缘表面的第三和第四衬底，所述边缘表面与所述沟道基本垂直。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述第三和第四衬底包括从石英、硅石、硅、多孔硅、多晶硅、多孔多晶硅和氧氮化硅构成的组中选择的一种或多种材料。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述第三和第四衬底包含氧氮化硅。

24.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一种衬底的沟道相对于第二衬底的沟道偏离一个0.05°到45°的角，所述角是由第一衬底的一条沟道与第二衬底的一条沟道的相交而形成的。

25.一种基于大小和/或结构对分子进行分离的方法，包括：

(a)在第一衬底和第二衬底各自的主要平坦表面上形成至少1000条至一千万条敞开的纳米级沟道的阵列的图案；

(b)将所述沟道化的表面接合在一起，使得第一衬底的每条沟道与第二衬底的至少两条沟道流体连通，并使得第一衬底的每条沟道相对于第二衬底的沟道是偏离的，其中施加力时，流体可沿第一衬底的纳米级沟道和第二衬底的纳米级沟道所形成的曲折路径穿行；以及，

(c)将一个或多个罩衬底接合至业已接合的第一和第二衬底中的每一个的一个或多个边缘表面，所述边缘表面与所述沟道基本垂直。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述图案形成包括从干涉光刻、浸没式干涉光刻、电子束光刻、扫描探针光刻、纳米压印、极紫外光刻和X射线光刻所组成的组中选择的一种光刻方法。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述图案形成使用干涉光刻。

28.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述沟道化表面通过倒装芯片接合法接合在一起。

29.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述沟道化表面通过阳极接合法接合在一起。

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