CN1934443B - 收集生物颗粒的方法、芯片、设备和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于收集生物颗粒的方法、芯片、设备和系统。本发明的方法是利用将生物颗粒静电吸引到带电的电极上，并优选对气体样品进行操作。本发明的方法、芯片、设备和系统为如可以用于从空气样品中收集病原体颗粒如细菌孢子和病毒，并可以对所收集的生物颗粒进行随后的分析。

Description

收集生物颗粒的方法、芯片、设备和系统
发明领域
本发明涉及收集生物颗粒的方法、芯片、设备和系统。本发明的方法是利用将生物颗粒静电吸引到带电的电极上，并优选对气体样品进行操作。
背景技术
为了便于快速检测空气传播的能引起自然或人为的流行病的病原体，最重要的是直接从空气中以适合进一步分析的形式收集含有生物材料的颗粒。典型地，将空气样品流经带孔的过滤器来捕获含有一种或多种生物材料的颗粒(生物颗粒)或者由含有一种或多种生物材料所组成的颗粒。对于按尺寸分级来选择颗粒范围，已经使用了连续的过滤器被用来选择合适尺寸的颗粒，这些颗粒随后被收集，并在收集设备内的生长基质培养皿上进行培养(安德森取样器，Andersen sampler)。
当生物颗粒包含活的有机体或孢子时，它们能在培养皿基质上生长(菌落)，这些生物颗粒随后能被收集，并能容易被分析。然而，研究者将不得不等待菌落(菌落生成单位，或CFU)变成可见，这依赖于所培养的有机体，它会花费几天到几周。另外，存在所感兴趣的生物有机体不能在生长基质上繁荣生长的可能。也有可能所感兴趣的颗粒被捕获或粘附在过滤系统内，因而不能被检测到。
为了弥补样品的损失，需要将大体积的空气通过系统处理。一种值得称赞的方法(其可以与过滤取样结合使用)通过使用例如辅助颗粒起始浓度的旋风器或其它旋涡类的气体样品取样器将给定体积的空气中颗粒的数量最大化。后一种技术也被用来将颗粒浓缩至一定体积的液体中，这为所捕获的生物颗粒提供了立即进行各种不同的微生物的、生化和分子分析的机会。
将颗粒通过漏斗进入液体是与加热和蒸发液体相联系的，并且在捕获工艺过程中，经常需要一定体积的液体(大于1ml)来防止系统干燥。随后，液体可以通过离心被处理以进行样品最后的浓缩。
生物颗粒取样可以通过空气对空气、空气对表面或空气对液体的方法来完成。液体方法可能比较麻烦，这是因为有低于0℃温度下的冷冻作用。取样的关键方面是取样的体积、捕获效率和取样工艺的浓缩效率。一个标准的旋风器每秒能够吸入一立方米的空气，并将捕获的颗粒浓缩在1-2ml的流体中，这在生物分析中是大体积的。在这个范围的体积将装满96孔板，并且消耗每秒每板大约等于
Figure S05805909520060904D00002145248QIETU
14的试剂。显然，通过旋风器来快速空气取样的方法被随后的样品制备方法所折衷。
在一种方法中，静电沉淀空气传播的生物颗粒，在传统的宏观尺度的设备中(Mainelis等人，2002a；Mainelis等人，2002b；)，被用于将细菌上样到琼脂培养皿上，以及被用作牙科实践的消毒处理(Inversen & Tolo1975)。
发明概括
本发明的一个目的涉及提供从气体样品如空气样品中直接收集生物颗粒的方法、芯片、设备和系统。
本发明的另一个目的涉及提供从大量气体样品浓缩生物颗粒至更小体积(即提高生物颗粒的浓度)的方法、芯片、设备和系统。
本发明的另一个目的涉及提供在相同结构优选也在相同步骤中进行收集和浓缩生物颗粒的方法、芯片、设备和系统。
本发明的另一个目的涉及提供容易允许进一步分析所收集生物颗粒的方法、芯片、设备和系统。
本发明进一步的目的涉及提供容易允许进一步分析收集的生物颗粒的方法、芯片、设备和系统。
本发明的一个目的涉及提供以高捕获率收集生物颗粒的方法、芯片、设备和系统。
当阅读以下的描述和实施例后，本发明其它目的将会变得清楚。
本发明涉及允许大量的空气被处理，而不需要把收集的样品提交到媒介或流体中的方法、芯片、设备和系统，其目的是为了产量最大化，以及将所伴随的步骤最小化以进行将样品收集最优化成浓缩品。本发明描述了一个生物收集系统，其涉及静电颗粒收集，如在微结构(即芯片)中进行，其允许高达几百毫升每分钟的流量。本发明允许以很高的效率和以一种适合各种后续分析的形式来捕获生物颗粒。
本发明的一个重要的意义就是现在可以从如空气样品中浓缩生物颗粒。这是个重要的发现，因为目前使用的液体为基础的微系统(即芯片或生物芯片)，本性上仅能处理液体的尺寸为微升范围内的样品。因此，微系统不适合处理液体的从如产生1-2ml/s的旋风器所收获的样品。根据本发明，如果生物颗粒取样是直接在微系统完成的，则微系统现在可以用作生物气溶胶取样技术。
本发明的一个方面涉及从空气中收集生物颗粒的方法，该方法包括步骤：
1)提供样品室和第一电极以及第二电极，其中第一电极和第二电极以及样品室被安置成至少部分样品室在第一电极和第二电极之间；
2)提供样品室中的气体样品；
3)在第一电极和第二电极之间应用电场以辅助在样品室中静电捕获气体样品中的生物颗粒。
在本发明的一个优选实施方式中，方法进一步包括步骤4)：将在样品室所收集的生物颗粒与第一液体试剂接触。
在本发明的一个优选实施方式中，方法进一步包括步骤5)：对所收集的生物颗粒进行进一步的分析。因此在这个实施方式中，该方法不仅为了收集生物颗粒，也是为了分析和/或其他。
本发明另一个方面涉及一种收集生物颗粒的芯片，该芯片包括：
样品室，该样品室有和周围空气流动连接的第一开口和形成与设备流动连接的第二开口，样品室含有气体样品；
第一和第二电极被安置在样品室相对的两侧。
本发明的进一步方面涉及一种在芯片上收集生物颗粒的设备，该设备可以例如是一种空气取样设备或从空气样品中收集生物颗粒的设备。该设备优选包括：
芯片位点，芯片位于此处以便能够功能上与该设备相连；和
可编程的单元，其带有软件，该软件使设备实现从由下列所组成的组中选出的一个或者多个动作的操作：
应用第一电势于第一电极，应用第二电势于第二电极，因而在第一和第二电极之间产生电势差和电场，以帮助在样品室中从气体样品中静电收集生物颗粒；
将所收集样品室中的生物颗粒与第一液体试剂接触；和
对所收集的生物颗粒进行进一步的分析。
本发明更进一步的方面涉及一种收集生物颗粒的系统，该系统包括这里所定义的芯片，该芯片与这里所定义的设备功能性相连。
附图说明
下面将参考附图，对本发明的一些实施方式进行说明。
图1说明了包含一个平板状或薄片状的电极和四个点电极的样品室，
图2表示包含一个平板状或薄片状的电极和一个线电极的样品室，
图3表示包含两个平板状或薄片状的电极的样品室，
图4表示样品室的截面，
图5表示与设备功能性相连的芯片实施方式，
图6表示玻璃基芯片的实施方式的截面，
图7表示PMMA基芯片的实施方式的截面，
图8表示包含有7个样品室的芯片实施方式，
图9表示捕获效率对电场的函数的作图，
图10表示不依赖于颗粒尺寸的捕获效率的作图，和
图11表示芯片的两个实施方式。
发明的详细描述
本发明的一个方面涉及从空气中收集生物颗粒的一种方法，该方法包括步骤：
1)提供样品室和第一电极以及第二电极，其中第一电极和第二电极以及样品室被安置成至少部分样品室在第一电极和第二电极之间；
2)提供样品室中的气体样品；
3)在第一电极和第二电极之间应用电场以辅助在样品室中静电捕获气体样品中的生物颗粒。
在本发明的实施方式中，方法进一步包括停止气流的步骤，如气流用于提供气体样品。
在本发明的一个优选实施方式中，方法进一步包括步骤4)：将在样品室所收集的生物颗粒与第一液体试剂接触。
在本发明的一个优选实施方式中，方法进一步包括步骤5)：对所收集的生物颗粒进行进一步的分析。因此在这个实施方式中，该方法不仅为了收集生物颗粒，也是为了分析和/或检测。
因而该方法可包括步骤1)，2)，3)，如：
步骤1)，2)，3)，和4)；或
步骤1)，2)，3)，和5)；或
步骤1)，2)，3)，4)和5)。
根据本发明，短语“收集生物颗粒”是指在样品室收集颗粒，也就是说，在样品室保留生物颗粒，以致于当气体样品被流体替换时，生物颗粒留在样品室。典型地，收集是通由作用在生物颗粒上电场的静电力来进行的。
在文中术语“X和/或Y”所使用的“和/或”应该解释为“X”，或“Y”，或“X和Y”。
根据本发明，术语“生物颗粒”是指包括如微生物和/或病毒和/或者其片断的颗粒。
术语“气体样品”是指包括一种或多种气体的样品，可能也包括生物颗粒。气体样品可以如是气体样品，如：空气的环境样品；真空抽吸粉末状材料，如土、沙子、灰尘和未知的粉末，而导致的空气样品。待检测的气体样品可以来源于人呼出的样品，该呼出的样品含有或易于含有微生物。
根据本发明，术语“样品室”、“容器”和“反应室”可以互换使用。
在本发明的一个优选实施方式中，样品室包含在一个芯片里，也就是说，包含在一个小型模块或生物芯片里。样品室可以如包含在这里所定义的芯片里。
在本发明的一个优选实施方式中，样品室包含在一个芯片里，也就是说，包含在一个小型模块或生物芯片里。通常芯片是单次使用的一次性单元。。
在一个优选的实施方式中，第一和第二电极安置在样品室中相对的两侧。
在本发明的实施方式中，当气体样品流经样品室时，从气体样品中收集生物颗粒。在另一个实施方式中，为了增加生物颗粒的捕获效率，当气体样品再流经样品室(即气体样品流经样品室多于一次)时，可从气体样品中收集生物颗粒。例如，当气体样品再流通时，气体样品可以流经样品室至少2次、3次、4次、5次、10次、15次、20次、30次、40次、50次或75次，如至少100次。气体样品可以如流经样品室的次数在2-200次范围内，如2-50次，50-100次或100-200次。
在本发明的实施方式中，在样品室通过气流的方式提供气体样品。在收集生物颗粒过程中，气流典型的流速范围优选5-1000ml/min。
在本发明的实施方式中，在从气体样品中收集生物颗粒之前，气流就已经停止。
通常，样品室中至少一部分气体样品是位于或者流经第一电极和第二电极之间。例如，至少40％体积的气体样品是位于或流经第一电极和第二电极之间的位置，如至少50％、60％、70％、80％、90％、95％、97.5％、99％、99.5％或99.9％体积的气体样品是位于或者流经第一电极和第二电极之间的位置，如至少100％体积的气体样品是位于或者流经第一和第二电极之间的位置。
下面进一步详细的叙述应用在第一和第二电极间的电场。
在本发明一个优选的实施方式中，样品室收集的生物颗粒与第一液体试剂接触。优选当生物颗粒仍位于第一和第二电极之间的位置时，生物颗粒被接触。
第一液体试剂包括一种或多种从由下列所组成的组中选择的试剂：引物、核酸、三磷酸核苷酸和核酸聚合酶。
第一液体试剂可进一步含有添加剂，如2-巯基乙醇，如浓度为10mM；牛血清蛋白(BSA)，如浓度为1mg/ml；和/或者一种清洁剂，如浓度为0.5％到0.6％(w/v)。清洁剂可以从以下组中选择，该组包含Triton×-100，Triton×-114，NP-40，Tween20，Tween80和类似的非离子清洁剂。
第一液体试剂可进一步包括一个可被5′-3′核酸外切酶降解的寡聚核酸探针，所述核酸探针的降解导致释放氧化还原活性组分。
氧化还原活性组分可以如是金属茂合物，如二茂铁。
根据本发明，术语“核酸”、“核酸系列”或“核酸分子”应广泛解释，可以如包括核糖核酸(RNA)或脱氧核糖核酸(DNA)的寡聚体或多聚体或模拟物的。该术语包括一些分子，这些分子含有自然发生的核苷、糖和共价的核苷酸(骨架)间键合；还包括一类分子，该类分子含有非自然发生的核苷、糖和功效类似的或者是其组合的共价核苷(骨架)间键合的分子。这样的被修饰和被取代的核酸可以比原始形式要优选，因为其期望的性能诸如例如核酸目标分子的增强的亲和力，以及在有核酸酶和其它酶存在的情况下的提高的稳定性，在本文中使用术语“核酸类似物”或者“核酸模拟物”来描述被修饰和被取代的核酸。核酸模拟物的优选例子是含有肽核酸(PNA)、锁定核酸(Locked Nucleic Acid，LNA)、木糖-LNA(xylo-LNA)、硫代磷酸、2’-甲氧基、2’-甲氧乙氧基、吗啉和氨基磷酸酯的分子或者功能相似的核酸衍生物。
根据本发明，术语“引物”涉及核酸分子，该核酸分子典型地包括5-100个范围内的核苷酸，如在5-20、20-50和50-100个核苷酸。在本发明的一个优选实施方式中，引物包括5-40个范围内的核苷酸，如5-10、10-20、20-30和30-40个核苷酸。
术语“核酸聚合酶”是指依赖于脱氧核糖核酸(DNA-)或者核糖核酸(RNA-)的DNA聚合酶，该DNA聚合酶，优选热稳定，即该酶催化与模板互补的引物延伸产物的形成，并且在对于双链模板核酸的变性所必要的提高的温度下一段时间内不会发生不可逆的变性。一般地，合成是在每个引物的3′末端引发，并且沿着模板链在5′-3′的方向进行。已经从嗜热或者极端嗜热菌株中分离了热稳定的聚合酶，例如：Thermus flavus、T.ruber、T.thermophilus、T.aquaticus、T.lacteus、T.rubens、Thermococcus litoralis、Pyrococcus furiosus、Bacillus stearothermophilus和Methanothermus fervidus。但是尽管如此，不是热稳定的聚合酶也能够用于核酸扩增中，只要进行补充该酶。
可以对所收集生物颗粒进行的进一步分析例如包括预处理步骤，如提取生物材料。在本发明的一个优选的实施方式中，提取生物颗粒可以根据同时申请的PCT专利来操作。该申请“提取生物材料的方法、芯片、设备和系统”(Method，Chip，Device and System for extraction of biological material)的PCT申请号No.XXXXXXX，这里将其引入作为参考。。正如PCT申请No.XXXXXXX所描述的，通过使生物颗粒接触一种液体如第一液体试剂，然后把生物颗粒放置于交流电场中，可从生物颗粒中提取生物材料如基因材料。交流电场破裂大部分的细胞颗粒，甚至可以破裂细菌孢子，因而从生物颗粒中释放出生物材料，用于进一步分析。
对所释放生物材料的进一步分析也可包括如ELISA、蛋白质分离、蛋白质提纯工艺。对于所释放的基因材料，进一步的分析可包括用限制酶进行孵育、核酸扩增如PCR处理、电泳和检测如荧光检测或电化学检测。PCR处理和检测可以如根据以下一起的同时申请的PCT专利的的方法和使用该专利所描述的试剂盒来进行。该申请“增强的嵌套PCR处理的方法、装备和系统”(Method，kit and system for enhanced nested PCR)申请号为No.YYYYYYY，这里将其引入作为参考。
在本发明的一个实施方式中，第一和/或第二电极有一个从由下列所组成的组中选择的实质的形状：薄片、板、盘、线、棒状或者其任意组合。目前优选的是，至少一个电极为薄片状；甚至更优选的是第一和第二电极两个都是为薄片状。
在本发明的实施方式中，第一和第二电极被分开最多20mm的距离，优选的是最多20mm，例如最多15mm、10mm、9mm、8mm、7mm、6mm、5mm或者最多4mm，更优选的是最多3mm，更加优选的是最多0.5mm例如最多0.3mm、0.2mm和0.1mm例如最多0.05mm。
例如第一和第二电极可以被分开0.05-20mm范围内的距离，例如在0.05-0.1mm、0.1-0.2mm、0.2-0.3mm、0.3-0.4mm、0.4-0.5mm、0.5-1mm、1-2mm、2-5mm、5-10或者10-15mm的范围内例如15-20mm的范围内。
通常第一和第二电极被分开至少0.02mm的距离，例如至少0.03mm或者0.05mm。
在本文中，“生物颗粒”涉及包括如微生物和/或者病毒和/或者其片断的颗粒。
所述微生物可以是例如选自古微生物、真核细菌微生物或者真核微生物。
例如微生物可以选自由细菌、细菌孢子、病毒、真菌和真菌孢子所组成的组。在本发明优选的实施方式中，生物细胞是空气传播的微生物。
本发明的生物颗粒也可包括植物孢子或者其碎片。
在本发明一个优选的实施方式中，微生物是细菌孢子。
例如，细菌孢子可以由选自芽孢杆菌属(Bacillus)和/或梭状芽孢杆菌属(Clostridia)的细菌形成。
在本发明优选的实施方式中，细菌孢子是由炭疽芽孢杆菌(Bacillus Anthracis)所形成的孢子。生物颗粒可以例如包括是由炭疽芽孢杆菌(Bacillus Anthracis)所形成的细菌孢子。同时，生物颗粒可以基本上由一种或者多种由炭疽芽孢杆菌(BacillusAnthracis)所形成的细菌孢子组成。
本发明的另一个方面涉及从气体样品中检测生物颗粒的芯片，该带有样品室的芯片包括：
样品室，该样品室有和周围空气流动连接的第一开口和形成与设备流动连接的第二开口，样品室含有气体样品；
第一和第二电极被安置在样品室相对的两侧。
在本发明的一个实施方式中，芯片进一步包括吸附在第一或第二电极上的生物颗粒。
本发明的另一个实施方式中，第一电极和第二电极的电势可选择为产生至少50％的有效长度为1-10μm颗粒的捕获效率。
本发明的一个实施方式中，第一电极和第二电极的电势可选择为产生至少50％的有效长度为1-10μm颗粒的捕获效率。
电场强度可以从以下组中选择：50V/mm、100V/mm、200V/mm、300V/mm、400V/mm、500V/mm、600V/mm、700V/mm、800V/mm、900V/mm、1000V/mm、1100V/mm、1200V/mm、1300V/mm、1400V/mm、1500V/mm、1600V/mm、1700V/mm、1800V/mm、1900V/mm和2000V/mm。
例如，电场强度可以在50-2000V/mm的范围内，如在50-100V/mm、100-200V/mm、200-300V/mm、300-400V/mm、400-500V/mm、500-750V/mm、750-1000V/mm、1000-1200V/mm和1200-1500V/mm的范围内，如在1500-2000V/mm的范围内。
在本发明的一个优选的实施方式中，第一和第二电极分别带负电和正电，或者相反。例如，如果两电极间的电势差是400V，带负电的电极可能有相对地的电势-200V，带正电的电极可能有相对地的电势200V。
优选的是，该电场是理论上的电场，即第一和第二电极之间的电势差以第一和第二电极间的最小距离来分割。
样品室的或者包含有样品室的芯片的捕获效率依赖于第一和第二电极的设计和其间的距离、样品室的结构和材料以及应用于第一和第二电极的电势。
在本发明的一个极其优选的实施方式中，第一电极的第一电势和第二电极的第二电势，第一电极和第二电极间的电场可选择的，以致于产生有效长度为1-10μm颗粒的捕获效率至少为50％，如捕获效率至少为70％，优选的是至少80％，更优选的是至少90％，如至少95％，97.5％，99％，99.5％或99.9％，如大约为100％。
优选地是，捕获率由实施例4中的标准方法来确定。
根据本发明，颗粒的“有效长度”是指颗粒的空气动力学半径，如用激光散射法(O’Brien等，1986年)测量的。颗粒的空气动力学半径dpa可以由下式来计算：
d pa = d ps · ρ p
式中dps是Stoke半径，μm；ρp是颗粒密度，g/cm3。
本发明的芯片包括含有第一开口的样品室。
第一开口可用来引入样品到样品室，第一开口可与样品如周围空气流动连接。或者第一开口与一个或多个阀相连，该阀可以打开使样品室与样品流动连接。
在本发明的一个重要实施方式中，样品室如芯片的样品室，包括一个第二开口。通过允许空气或样品室的样品漏出，第二开口如可以被用作有利于引入新的样品到样品室。第二开口也可以被用作引入第一液体试剂到样品室，或者第一液体试剂可以通过第一开口进入样品室。
样品室如芯片的样品室，典型地是一个微尺度的样品室。在本发明的实施方式中，样品室的体积至多为500μl如至多为400μl、300μl、200μl、100μl、50μl、25μl、15μl、10μl、5μl、4μl、3μl或至多2μl如至多1μl。例如，样品室的体积可以至多是500nl，如至多400nl，300nl，200nl，100nl，50nl，25nl，15nl，10nl，5nl，4nl，3nl或者至多2nl，如至多1nl。
典型地，样品室的体积至少是10nl。在本发明的一个优选实施方式中，样品室的体积在1μl-50μl的范围内，如5μl-30μl。
在本发明的一个实施方式中，一对相对的壁之间的最小距离至多为20mm，如至多为15mm、10mm、8mm、6mm、4mm、3mm或2mm如至多1mm。例如，一对相对的壁之间的距离至多为600μm、500μm、400μm、300μm、200μm、100μm、50μm、25μm、15μm、10μm、5μm、4μm、3μm或至多2μm如至多1μm。
典型地，一对相对的壁之间的最小距离至少为5μm，在本发明的一个优选实施方式中，一对相对的壁之间的最小距离为50μm-500μm范围内，如100μm-400μm和150μm-350μm。
在本发明的一个实施方式中，样品室如芯片样品室的长度，在1mm-50mm的范围内，如在1mm-10mm、10mm-20mm、20mm-30mm、30mm-40mm或40mm-50mm的范围内。在一个优选的实施方式中，样品室的长度在2mm-8mm范围内，如3mm-7mm或4mm-6mm。例如样品室的长度可以约为4.5mm。
在本发明的实施方式中，样品室如芯片样品室的宽度为0.2mm-10mm范围内，如在0.2mm-1mm、1mm-3mm、3mm-5mm、5mm-7mm或7mm-10mm的范围。在优选的实施方式中，样品室的宽度在0.2mm-2mm的范围内，如在0.5mm-1.5mm和0.75mm-1.25mm内。例如样品室宽度可为约1mm。
在本发明的实施方式中，样品室如芯片样品室的高度，为50μm-2mm的范围内，如在100μm-1mm、200μm-900μm、300μm-800μm和500μm-700μm的范围内。在一个优选的实施方式中，样品室的高度是为100μm-400μm如为200μm-300μm。
在本发明的一个实施方式中，样品室如芯片样品室的长度，约为4.5mm，样品室的宽度约为1mm，样品室的高度约为300μm。
在本发明的实施方式中，芯片进一步包括第一和第二电极。
第一和/或第二电极可以有不同的形状或维度。例如，第一和/或第二电极可以有一个从如下组中选择的实质形状：薄片状、平板状、圆盘状、线状、棒状或其任意组合。
在本发明的一个优选的实施方式中，第一电极和第二电极可以是如薄片状。
在本发明一个优选的实施方式中，第一电极和第二电极是相互面对的，例如它们放置在样品室中相对的两侧。
第一电极和/或第二电极可以如放置在样品室内，不附着样品室或者附着在样品室的一个或多个壁。
第一和/或第二电极可以植入样品室的壁中，例如，第一和第二电极可以植入样品室中的壁中。或者，第一和/或者第二电极可以被安置在芯片的外表面。
优选的是，第一电极和第二电极安置在样品室相对的两边。
第一电极和第二电极之间的电势差可在一个范围内，该范围引起相同或不同尺寸的颗粒被捕获至一个表面或偏离某个给定的方向，这样可以提供选择或捕获感兴趣的粒子。
电极，如第一电极和/或第二电极可以由许多种不同的材料构成。典型地，电极是由金属或合金构成。第一电极和第二电极可以例如包含从由下列金属所组成的组中选择的金属：银、金、铂、铜、碳、铁、石墨、铬、镍、钴、钛、水银或者其合金。
也可以预想到，电极可包含一种导电的液体，甚至基本上由一种导电的液体组成。导电的液体可以是例如水银。
电极的维度或/和结构典型地依赖于样品室的维度和/或结构。电极的长度和宽度与样品室的长度和宽度具有相同的数量级。
电极可以由小至几个原子层的表面的导电材料构成。
在本发明的一个优选的实施方式中，电极如第一和/或第二电极的厚度为0.001μm-2000μm范围内，如0.001μm-1μm、1μm-20μm、20μm-200μm、200μm-2000μm。
在本发明的一个实施方式中，芯片的样品室还包括一组检测电极如两个或者三个检测电极，用于检测氧化还原活性组分的出现或者缺失，该氧化还原活性组分可以是如从探针中释放出来的。两个检测电极可分别作为工作电极和反电极。该组检测电极还可以包括一个参比电极。通常，检测电极是由金属或合金构成。电极可以如包括从有下列所组成的组中选择的材料：碳、银、金或铂。检测以后，在电极表面会有膜形成。为了允许进一步检测所消化的探针，可以在芯片的样品室内安置更多组检测电极。
在本发明优选的一个实施方式中，第一电极和第二电极可以是检测电极组。
在本发明优选的一个实施方式中，芯片还包括一种温度敏感元件，其例如可以是温度敏感的金属基的电阻器(电热调节器)，具有正温度系数(PTC)，即随着环境温度的增加，电热调节器表现出电阻增加；随着环境温度的降低，电热调节器的电阻减小。
电热调节器可以是例如从包含下列材料的组中选出的：铜、镍、铁、铝、铂或其合金。
电热调节器可以有不同的形状或维度，例如，电热调节器可以有从以下组中选择的一个实质的形状，改组中的形状包括薄片、平板状、圆盘状、线状或者棒状。
电热调节器可以是，如线状的电极。
加热电极可以有不同的形状或者维度，例如，加热电极可以有从下组中选择的实质的形状：薄片状、平板状、圆盘状、线状或者棒状。
在本发明的优选的一个实施方式中，加热电极可以是，如薄片状电极。本发明中的一个优选实施方式中，加热电极可以被安置成能够从反应室的至少一边进行加热。
在另一个实施方式中，一个或者多个补充的加热电极可以被安置在反应室的对边上。
加热电极由电导材料制成，优选地从下组中选取的材料：镍铬合金(NiCr)、铁铬铝合金(FeCrAl)、铁镍铬合金(FeNiCr)或者其它加热元素合金。
本发明优选的一个实施方式中，芯片包括一个或者多个导电接触衬垫，该衬垫与芯片的电极电接触。芯片可包括与芯片的第一电极电接触的导电接触衬垫。芯片可包括与芯片的第二电极电接触的导电接触衬垫。芯片可包括与加热电极的每个末端电接触的两个导电接触衬垫。芯片可包括两个或三个导电接触衬垫，并且与该组检测电极的每个电极电接触。
在图11中，两个代表性的芯片实施方式图解说明。在图11A)中，芯片(1)包含样品室(2)、第一电极(3)和第二电极(4)。第一电极(3)安置在芯片的顶部(5)，第二电极(4)安放在芯片的底部(6)。第一和第二电极都被电绝缘层(7)覆盖，防止样品室(2)中的液体物多余的电解。加热电极是植入第二电极顶部的绝缘层。样品室通过间隔部分(9)来形成，样品室是夹在芯片(1)的第一部分(5)和第二部分(6)的中间。检测电极和温度敏感元件在图11中没有被示出。
芯片的进一步实施方式和样品室如图1-8所示。
芯片可以含有大批不同的材料。可以例如包括有机聚合物如塑料，金属和半导体(如硅、玻璃和陶瓷)等。
关于图11，第一部分和第二部分可能如包括诸如塑胶、半导体(如硅、玻璃和陶瓷)的材料。第一电极和第二电极可以例如含有金属如金或铜。绝缘层可以例如是二氧化硅或聚酰亚胺的薄膜。加热电极可以例如是NiCr电极，间隔层可以例如是聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体的铸件。
图11B)中，第一电极和第二电极并不被包括在芯片里，但可以如包括在操作芯片的设备。
芯片可以仅包括一个单一的样品室或者它可以包括多个样品室。
芯片典型地具有在0.5mm-50mm范围内的厚度，优选在2mm-8mm的范围内。
芯片典型地具有在10mm-500mm范围内的长度或者直径，优选在40mm-200mm的范围内。
芯片典型地具有在5mm-200mm范围内的宽度，优选在20mm-100mm的范围内。
本发明的进一步方面涉及一种在芯片中收集生物颗粒的设备，该设备可以例如是一个空气取样设备或者从气体样品中收集生物颗粒的设备，该设备优选包括：
芯片位点，芯片位于此处以便能够功能上与该设备相连；和
可编程的单元，其带有软件，该软件使设备实现从由下列所组成的组中选出的一个或者多个动作的操作：
在第一电极和第二电极之间应用电场以辅助在样品室中静电捕获气体样品中的生物颗粒；
将所收集样品室中的生物颗粒与第一液体试剂接触；和
对所收集的生物颗粒进行进一步的分析。
根据本发明，“功能性连接”意思是指芯片与设备相连接，因此设备可以进行一个或多个影响芯片的动作的操作。
在本发明的一个实施方式中，当该设备能影响样品室中成分的电场时，该芯片是与该设备功能上相连。
在本发明的一个实施方式中，当设备能控制至少芯片的一个电极的电势时，芯片是与设备功能性的相连。例如，当设备能控制第一电极和/或第二电极的电势时，芯片是与设备功能性的相连接。
功能性的相连接还包括芯片的样品室与流速控制设备进行流动交流。
在本发明的一个实施方式中，设备包括第一和第二电极，并且芯片与第一和第二电极间的电场功能性相连接，帮助在样品室从气体样品中收集生物颗粒。在这个实施方式中，芯片不必包括第一和第二电极。
设备还可以包括一个提供电力的电动力供应器，如给气流发生器设备，和/或给可编程单元，还包括第一电极和第二电极。
在本发明的实施方式中，芯片是通过芯片位点与设备功能性相连接。芯片位点可以如包括一个塑料界面，该塑料界面既可以当作连接材料，也可以当作衬垫，该衬垫保证芯片口和设备口紧密连接，以消除漏气和液体的现象。芯片位点可以如包括一个表面和/或一个接受芯片的支架。典型地，芯片位点包括至少一个导电的接触衬垫。优选地，芯片位点包括至少一个导电的接触衬垫，该接触衬垫提供与芯片第一电极进行电接触，和提供与第二电极进行电接触。
可编程单元包含指令，优选计算机可以读取的，如可适应利于控制、监视的软件，和/或在操作之前、在操作中和/或操作后，调控设备的软件。
可编程单元优选包括至少一个在所连接的存储设备上储存了一个或多个计算机程序的计算机，该计算机可适合用于控制该设备。本发明中的可编程单元可以是从以下非详尽组中选择：通用计算机、个人计算机(PC)、可编程的逻辑控制单元(PLC)、软程序的逻辑控制单元(soft-PLC)、硬程序逻辑控制单元(hard-PLC)、工业个人计算机或一个专用的微处理器。
本发明也涉及计算机程序产品，该产品适合使具有至少一个在其连接的存储设备上储存了计算机程序的计算机的计算机系统能控制、监视，和/或在操作之前、在操作中和/或操作后调控该设备。本发明还涉及一种计算机可读取的存储了一套工艺路线的媒介，该套工艺路线适应性使计算机系统能控制、监视，和/或在操作之前、在操作中和/或操作后调控该设备，该计算机系统包括至少一个在其连接的存储设备上储存了计算机程序的计算机。
在操作之前、在操作中和/或在操作后，用于控制、监控和/或调控该设备的程序单元，优选能适应在恶劣的条件下操作，如北方气候、热带气候和战斗环境，特别是，遭受原子、生物和/或化学战(ABC-战争)攻击的战斗地区。优选的是，可编程的单元应遵照该单元的相关军事说明书。
在本发明的一个实施例中，可编程的单元包括软件，如果芯片与设备功能上相连的话，该软件还可实现设备检查。
包括软件的可编程单元还可使设备实现操作从由下列所组成的组中选择的如2个、3个或4个动作：
在样品室中提供气体样品；
应用第一电势于第一电极，应用第二电势于第二电极，因而在第一和第二电极之间产生电势差和电场，以辅助在样品室从气体样品中静电收集生物颗粒；
将所收集的生物颗粒与第一液体试剂接触，和
进行进一步的分析。
包括软件的可编程单元可以如，通过提供气体样品的气流发生设备的操作，实现设备在样品室提供气体样品。
包括软件的可编程单元可以如，实现设备应用第一电势在第一电极和第二电势应用在第二电极。
包括软件的可编程单元可以如，通过操作用于提供液体试剂的气流产生设备和/或操作用于控制气流的设备，实现设备使所收集生物颗粒与第一液体试剂接触。
包括软件的可编程的单元可以实现与第一液体试剂接触的所收集生物颗粒接受进一步的分析，如通过实现设备使反应混合物置于在所述的样品室的交流电场中，并通过调节至少两个电极的电势，如此处所述的第一和第二电极，或另一套专用于交流电场的电极。
包括软件的可编程的单元可以实现与第一液体试剂接触的收集的生物颗粒接受进一步的分析，如通过实现设备进行目标核酸系列的核酸扩增操作，该核酸扩增可通过操作此处所述的加热电极来完成。
包括软件的可编程的单元，其能够例如具有这样的作用，即通过操纵涉及差值脉冲伏安法的检测电极，设备检测是否出现了所扩增的目标核酸序列和/或检测来自目标核酸序列扩增的产物。
在本发明一个优选的实施方式中，设备还包括一个设备和芯片间的电界面，该电界面用于施加样品室中第一和第二电极间的静电场。
装置另外可测量参比信号，即来自于包括没有生物细胞的样品或包括确定量的给定生物细胞的样品的信号。该参比信号可以例如被从距样品室较远的另一个室中得到，例如位于芯片另一个位置的室或者位于另一个芯片的室。装置还可以包括一个内部的能量供应。
内部的能量供应可以例如包括电池。在PCR反应期间使用的能量，可以根据加热一定体积的水所需热量来估计，该体积的水应等同于在PCR循环中最小和最大温度之间的流体样品的量。温度的差别大约为50K，因此对于30μl的样品，每个循环的转移的热量大约为6焦耳。例如运行60个循环，一个PCR反应的总能量消耗达到60×6＝360焦耳。使用与商业热循环器(即每秒2℃)相差不大的等变率(ramping time)，能量需要量为360×2/50＝14.4W。
电池电压被认为是电池的定额电压，如每个镍-铬(NiCr)和镍-金属氢(NiMH)电池电压为1.2伏，每个锂离子(Li离子)电池电压为3.6伏。电池的蓄电量通常以毫安-小时(mAh)为单位，并且称为电池的C-定额(C-rating)。例如，一个具有C-定额1200mA-小时的电池的负载电流1C，就是指1200毫安。当电池电量耗尽至负载电流低于0.1C时(Linden D.1984，电池和燃料电池手册，纽约：McGraw-Hill)，一个电池可以看作是理想的(即保持固定的电容量)。因而，当释放出14.4W的能量如用一个电池释放10.8V时，该电池的C-定额应该在14.4/(10.8*0.1)＝13300mAh的范围内，以避免剧烈减小电池容量的峰值电量消耗。
为了使能量消耗和电量释放，以及进一步确保真正的可携带，可充电池是优选的。在本发明的优选实施方式中，可充电池可以从由下列所组成的组中选择：镍金属氢(NiMH)类电池和锂离子(Li离子)类电池。
同时，内部的电量供应可以包括发电机例如可携带的发电机。可携带的发电机可以用作外部的能量供应。可携带的发电机可以是日光模块、电池充电器(例如交流或者汽车电池充电器)、燃料燃烧发电机等进行充电或者只是由其所组成。
可以替换的是，来自外部能量供应的电能可被提供到该设备，例如使用备用电池进行补充。
在本发明的实施方式中，设备还包括一个流动产生装置，如为提供芯片样品室中的气体样品，和当芯片插入设备中时，与样品室的第二开口流体连接。
流动产生装置可包括泵，如活塞泵、膜泵或者正排量泵。
在本发明的实施方式中，在选择加样(在10ml/min-500ml/min的范围内)的过程中，泵能够释放适量的气流通过芯片。优选的是，泵应该按照以下一个或者多个标准来选择：尺寸小、重量轻、没有脉冲流动、通过改变马达的极性使媒介可逆流动、通过控制电压可调节流量。
在本发明的实施方式中，流动产生装置可以包括用于制造小滴试剂的喷射分配器，或者是类似的微分配设备。
在本发明的实施方式中，能够以通过芯片的被动流提供气体样品。这将要求在芯片和作为样品的周围气体之间的一个流速差。例如芯片可以被移动通过空气，如按第一开口与周围空气是流动相连的方式安装在飞机上，最佳的是与飞行方向相反。可以替换的是，如果空气在芯片周围移动，芯片与空气相比没有速度，如安置在出气口，会发生这种情况。
在本发明的实施方式中，设备还包括用于控制的装置，如通过样品室的流动。
流动可以是，如液体流动或者气体流动。
控制流动的装置通常包括一个或者是多个阀。阀可以是，如从由下列所组成的组中选择：单向阀、两路阀、多位置阀和夹管阀。
阀可以是例如微型组装的阀，在实施方式中阀被集成在芯片上。
在本发明的实施方式中，第一试剂液体能够使用喷墨微分配工艺进行释放。喷墨色带盒含有一个或多个隔间，隔间里包含有第一液体试剂或者第一液体试剂的分开组分，喷墨色带盒以这样一种方式安装，该种方式能使液体微分配到反应室中。
本发明的另一个实施方式中，将第一液体试剂或者其分开的各个组分装入塑料聚合物组成的密封的封套。塑料聚合物封套配置有一个内置的加热电极，可以通过使用适当的电流使塑料聚合物融化，接着将封套里的液体释放到芯片中。在另一个实施方式中，从密封的塑料聚合物封套中释放液体，能够通过机械的或者物理方式破裂封套如用尖的东西刺破来进行。
在本发明的一个实施方式中，设备可以装备一个视觉上读出结果的显示器，显示器可以是光发射源形式的(LED，灯泡或者类似物)、显示屏、数字的读取器或者是上述的任何组合。在本发明的另一个实施方式中，读取器可以以声音信号来交流。
在本发明的优选实施方式中，设备包括可以允许无线通讯的组件。无线通讯的例子是802.11移动无线局域网，蜂窝通讯、蓝牙(
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)、全球定位系统(GPS)、和超宽频带。通讯可以是单向的如从设备传输数据或者是给设备传输数据，或者是通讯可以是组合的如双向的。建立的通讯可进一步扩展为互联网和设备之间的通讯，如建立一个ad-hoc网络，该网络可以使一个设备触发另一个设备的样品，因此有利于监控如气雾云的进程。
在本发明的优选实施方式中，设备为重量轻和/或可携带的设备。
在本发明的实施方式中，设备重量至多10kg，如至多8kg、6kg、4kg、3kg或2kg，如至多1kg。甚至更为优选的设备的重量至多800g、如至多600g、500g、400g、300g、200g、150g、100g、80g、60g、50g、40g、30g、20g、10g或5g，如至多1g。
通常，设备总重量在20g-1kg的范围，如20g-50g、50g-100g、100g-250g、250g-500g或500g-1000g。
在本发明一个优选的实施方式中，设备还包括在设备和芯片之间的一个电界面，该电界面为以施加样品室中的第一和第二电极间的静电场。
在本发明的一个实施方式中，设备包括第一和第二电极，当芯片与电第一和第二电极间的电场功能性连接，辅助收集样品室中气体样品的生物颗粒。在本实施方式中，芯片不需要包括第一和第二电极。
在本发明的一个实施方式中，设备还包括一个气流发生器设备，如为芯片中的样品室提供气体样品，当芯片插入设备时，该设备与样品室中的第二开口功能性连接。
设备也可包括一个接受和/或储藏第一试剂的第一试剂室。典型地，第一试剂室有至少一个开口，当芯片与设备功能性相连时，该开口与样品室流动相连接。或者，第一试剂室的至少一个开口与样品室流动相连接，如通过使用控制气流的设备。在贮存期间，第一试剂室也可以通过可移动的障碍物来关闭。当设备使用时，所述的障碍物被可逆或者不可逆地移去。
本发明进一步的方面涉及一种收集生物颗粒的系统，该系统包括在此所定义的芯片，该芯片与在此所定义的设备功能性相连接。
在本发明的一个实施方式中，系统的芯片和设备是集成的，并不意味着物理上互相分开。在本发明的一个实施方式中，系统的芯片和设备集成的，如果不破坏芯片或设备，它们不能物理上互相分开。
在本发明重要的实施方式中，该设备是一次性系统例如只能使用一次。
在另一个实施方式中，系统的芯片是一次性的，但是该设备可以被重复使用。
本发明的一个特定方面包括目标是有利于从气体样品中收集和浓缩生物颗粒(颗粒包括或包含活的或无生命的有机体)的方法和微结构。
本发明的一个目的就是进行有效和快速的生物颗粒取样。通过一种方法和结构可以达到这个目标，该方法和结构包括结合使用在空气流上的诱导电场。所述使用包括一种结构，该结构包含一套电极和一套为所述使用设置的最佳参数，该套电极可以施加可变化电压和使用变化的时间的电场
本发明描述了一种方法和一个设备，该设备能够应用倾斜的或者垂直于流经设备的空气流的电场，使用这种方法结果是生物颗粒在所述的设备内被收集和浓缩。
如附图所示，本发明涉及在气体样品中微生物的取样和浓缩的方法、设备和系统。通过使用随后合适的设备，所述方法和系统能够检测所述的微生物。正如本领域的技术人员所清楚的，以合适的方式和应用合适的检测手段，检测步骤可以施行。
广泛地来说，本发明中取样和浓缩方法基本上与诱捕或捕获有关，诱捕或捕获是通过倾斜的或垂直于循环通过设备的气流的电场来实现的。
在本发明的一个特定实施方式中，如附图所示，设备包括一个样品室和两个相对放置的电极，优选为平板状电极。待检测的气体样品通过样品室，如图7和8更清楚的显示，样品室有一个接受气体样品进入样品室的进口和一个从样品室释放气体的出口，气体样品从入口到出口循环通过样品室。同样如图所示，电极放置在样品室中入口和出口之间的位置，所述电极有一个电势差，因此允许气体样品通过而微生物从其中被捕获。
根据本发明的一个特定实施方式，如图3更清楚的显示，电极是由一套组装设备组成，该组装设备包括含有垂直于循环流经设备的气流的两个平板电极。
在本发明的另一个实施方式中，如图2更清楚的所示，电极是由一套组装设备成，该组装设备包括垂直于设备中循环的气流的一个线电极和一个板电极。
在任一情况中，如对于本领域技术人员来说清楚的是，根据本发明，所述设备在系统中用于检测气体样品中的微生物的出现，从任一待检测的气体环境中取出微生物。
在本发明的另一个特定实施方式中，其系统和部件优选设计成能取样和浓缩微生物，如细菌(例如芽胞杆菌的几种(Bacillus spp.)、梭状芽孢杆菌属的几种(Clostridium spp.)、军团菌属的几种(Legionella spp.)、大肠杆菌(E.coli)O157:H7、奈瑟菌属的几种(Neisseria spp.)、肺结核杆菌(Mycobacterium tuberculosis))、真菌(例如黄曲霉菌(Aspergillus flavus)、烟曲霉(fumigatus)、黑曲霉(Niger)，Histoplagmacapsulatum、Coccidioides imitis)、病毒(例如天花、流感病毒和风疹病毒)和相类似的。
本发明的一个特定实施方式如图3所示，该图显示了作为空气监视器单元的设备的例子，图3中的单元和图7和8中举例的单元在取样和浓缩有害的微生物中是特别有用的，有害的微生物可能出现在一些设施的空气环境中，如医院、学校、工业、住房、公共建筑物、农场或类似的。在操作中，空气取样设备优选以一种连续的方式可操作地与样品相连接，该所取样品是指被检查的设施相关的空气样品。
空气取样设备优选包括空气入口，入口阀、盒子、能量供应器、出口阀、空气泵、空气出口、控制电路板(未显示)、从系统的不同部件到控制板的布线、盒子和系统的其它部分的支架。
空气取样设备典型的功能如下：泵提供特定的吸气到入口，然后进入样品室，吸气流速范围优选约为5-1000ml/min；值得提醒的是，如本领域的技术人员所清楚的，其它合适的流速也可应用在本发明。待检测的气体样品也可以来源于人呼出的含有或易于含有微生物的呼吸样品。
在任一种情况下，不管待检测的气体样品来源于气体环境还是人呼出的含有或易于含有微生物的呼吸样品，都是从空气入口直接进入样品室。一旦微生物被取样和浓缩，了解诊断系统的技术人员将很容易找到各种设备来检测所取的微生物样品，并鉴别所述的微生物。
优选地，该设备是从由下列所组成的组中的材料制成：聚合物、二氧化硅、玻璃、金属和陶瓷。
可以理解的是，在取样工艺上，本发明比以前的技术上有实质性的改进。在取样工艺中，静电沉淀工艺能成功地在生物芯片上具体实现，并且提供一种低价的、有活力的、易控制的直接从空气中捕获生物颗粒的方法。如图清楚地显示(见图9)，在生物芯片内捕获效率很容易达到80％，并能通过增加电压可使捕获效率更高。静电沉淀生物芯片(EP-chip)的连续操作提供了一个单一捕获和浓缩步骤，它是现有技术的主要改进。
尽管本发明最初设计用来在取自各种环境的气体样品中微生物取样，通过阅读以下描述，将会很容易明白，正如本领域技术人员所清楚的。对于这个原因，“空气”、“输送管”、“通风”、“空气检测单元”和类似的表达不应该被认为限制本发明的范围，包括所有其它种类物质，该物质为本发明可使用的和本发明有用的物质。
另外，尽管如图说明的本发明优选的实施方式包括各种部件，如阀、泵、控制电路板等，尽管取样设备/系统和本发明所示的相关部件的优选实施方式包括确定的几何外形，正如此处解释的和图说明的几何外形。并不是所有这些部件和几何外形是本发明所必须的，因此不能理解为任何限制的意思，如不能考虑为限制本发明的范围。正如本技术领域的人员所清楚的，可以理解其它的合适部件和其它的几何外形可以用在本发明的取样设备/系统，正如在这之后会简要介绍的没有离开本发明范围情况。
当在此描述了本发明几个实施方式，可以理解本发明是能进一步修正的，其运用的目标是打算覆盖任何变化、任何使用或本发明的修改，该修正的运用是根据本发明一般原则和包括偏离于本发明公开内容，本发明公开内容是关于本领域的知识和惯例，本领域是指本发明相关联的领域。在阐述和属于所附权利要求书定义的本发明范围之前，可以将其使用在基本的特征。
本发明可以以不同的目的或应用来使用，例如，本发明可以用来检测空气中的活(无性)细菌。设备能被安装在通风管并接通几天或几周时间。细菌会被捕获电极捕获，并用随后的本领域技术人员熟知的方法来检测。
本发明也被用来检测孢子，如炭疽芽孢杆菌(BacillusAnthracis)孢子。设备能被安装在通风管并接通几天或几周时间。细菌会被捕获电极捕获，并用随后的本领域技术人员熟知的方法来检测。
另外，本发明能用来各种尺寸的颗粒进行取样，颗粒的尺寸是用合适的计算方法测量。更特别地，它可被用来检测空气管道、通风系统、空气净化器、空调和真空吸尘器中的微生物，检测在单独的空间、制药的和医学的超净空间等地的微生物
本发明也被用来检测活的致病病原体，设备直接与例如空调的面罩相连。
本发明的一个特定方面涉及收集生物颗粒的一种微尺度设备，它包括：
一个碰撞收集器，在待取样的空气和碰撞收集器之间，有一个提供气流容量的进入口；在碰撞收集器和碰撞收集器外部之间，一个提供气流容量的出口。出口或进口与气流发生设备相连接，该气流发生设备吸入气体样品从进口通过碰撞收集器到出口。所述碰撞收集器有一个安装在碰撞收集器进口和出口之间的位置的收集部件，所述的收集部件包括两个或多个平行安置的电极，并有表面或至少一部分表面涂覆或包含有能导电流的材料。
在本发明的一个特定实施方式中，平行的电极能产生倾斜的电场或者垂直于通过设备的气流的电场，有利于使出现在取样空气中的颗粒带静电荷，因此被带正电或负电的电极吸附而被捕获。
在本发明的一个特定实施方式中，电极产生的电场在100V/mm-1500V/mm范围内。
在本发明的一个特定实施方式中，用漂洗液或者使用能吸入流体携带生物颗粒流经微尺度设备的设备，使生物颗粒从设备上被漂洗掉。
在本发明的一个特定实施方式中，收集携带生物颗粒流体的步骤包括引导引所述流体到贮备器，所述流体可以检测其中生物颗粒的出现。
应该指出的是，本发明文中描述的本发明一个方面的实施方式和特征也适用于本发明的其它方面。
实施例
以下实施例解释说明了本发明宽的应用范围，并不是限制其范围。在没有偏离本发明精神和范围的情况下，本发明的修正或者变更是可以实现的。尽管任何相似的或等同此处描述的方法和材料可以用作本发明考验实践，但是优选的方法和材料有描述。
实施例1材料和方法
控制电压发生器(见下)的GPIB软件由RTX A/S通讯公司(Norresundby，Demark)专门开发，该电压发生器是在实验室用来捕获芯片上孢子的设备。颗粒尺寸分析器(Model3321，TSI Inc.，Shoreview，MN，USA)是由TSI软件气溶胶设备管理器(Serosol Instrument Manager)来控制。Fenix激光是用Winmark Pro4.0.0build3773版(Synrad software，Mukilteo，WA USA)来控制。
在以下条件运行激光处理：1200dpi，速度为每秒400脉冲，能量强度为5-10％范围。重叠标记数依赖所需要的通道深度，应设置在1-10之间的数(10代表深的通道，而1代表很浅的表面烧蚀深度20-30μm)。很深的通道(>800μm)趋向变成凹面形状，这是由于当烧蚀进入材料时激光斑点损失所致。GPIB控制的高电压能量供应器(型号PS310/1250V-25W)是从斯坦福研究系统公司(Stanford Research Systems，Inc.Sunnyvale，CA，USA)购买的。能量供应器用来产生范围为100-1200V的电压。
静电沉淀生物芯片(EP-chip)控制的电压和泵是由RTX A/S通讯公司(Norresundby，Demark)开发的，该控制的电压和泵是在63m3的不锈钢封装的气溶胶空间操作的实验中使用。上转换的变流器可以使从四个1.5V的标准AA电池释放出250V的电压，并提供给空气泵能量。
真空泵(型号DC06/03f，Erich Fürgut，Tannheim，Germany)用来调节在静电沉淀芯片(EP-chip)上空气吸入。DC06/03f设备是在6V的电压220-330mA的电流下运转，在最大压力差180mbar的条件下，释放1.0l/min的空气，该设备总重量达30g左右。该泵的优点如下：小尺寸、轻便、稳定的气流、通过改变马达的极性可使媒介可逆流动、通过控制电压可调节流量。
型号为3321的气溶胶颗粒筛选器(Aerosol Particle Sizer)(3321APS，TSI Inc，Shoreview，MN USA)提供了两种测试：空气动力学尺寸和相对光散射强度。它检测颗粒尺寸大小在0.37-20μm范围的颗粒，以高分辨率按大小分类空气动力学直径在0.5-20范围的颗粒。该设备实时测量空气动力学尺寸，其设定的气流为5l/min。
实验室实验所用的气溶胶样品室由职业病研究所(The Institute ofOccupational Health，Copenhagen，Denmark)友情提供，其由Mikrolab公司(Mikrolab Aarhus A/S，，Denmark)制造。50升的室是由不锈钢制成的，被安装在一个旋转设备上，该设备允许整个样品室以0-60rpm的速度旋转。核心室可被分成三个部分(两个末端和一个圆筒)。两个末端部分都由5个把手安全的固定。在组装以前，孢子材料放置在圆筒中。室是敞开的，泵系统可从室的后边吹入可控温度和湿度的空气流经该室，该室在管口有一出口，如图5所示。管口可与两片的金属管(图5所示)相连，该金属管把空气流分为两部分，一部分流经HEPA过滤输出，另一较小的部分进入芯片。与两片的金属管连接的PMMA芯片从气溶胶样品室以界面与输出管口界面连接。金属管(见图的右上部)进入一个低压的管道，该管道装备了两个重叠的Whatman定量滤纸(级别2V，孔尺寸为8μm，Whatman International Ltd.，Maidstone，Kent UK)。
由显微镜片制作的样品室与两片的金属圆筒界面连接，并且与气溶胶室出管口(见图6)相连，界面连接是由0.5mm内径的聚四氟乙烯圆片完成，聚四氟乙烯圆片是由两个组分的环氧树脂胶合在玻璃上，并过夜硬化。气流、温度和湿度的控制器允许控制量的空气以一定的温度和湿度进入气溶胶室。空气温度是在26℃，湿度为50％。
Fenix激光器(Laser)(model48-2，Synrad Inc.，Mukilteo，WA USA))是功率为25W的射频激发脉冲二氧化碳激光器。它安装有80mm透镜(透镜焦距)，名义上场为27×27cm，工作距离为74±1cm，斑点尺寸为116μm。二氧化碳气体混合物可提供输出波长为或接近10.6μm。Fenix激光器透镜系统使用平场原则，在标记工艺中，提供高质量性和高一致性。PMMA部分快速的热粘结(见下)可在BD加热炉(Binder GmbH，Tüttlingen，Germany)以温度120-200℃范围完成。
消耗品
PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)板(Riacryl，RIAS A/S，Roskilde，Denmark)是透明的(>90％透过率)，有很好的紫外光稳定性，低水吸收和高的抗磨损性。通过激光烧蚀(Johnson等人，2001)，PMMA已被用来制备微结构，并且与其它材料相比如聚(乙烯基-对苯二酸酯-乙二醇)、聚(氯乙烯)和聚(碳酸)(Pugmire等人，2002)，该材料在切除工艺中是化学惰性的。该材料进一步被证明适合制造复杂集成的微流体系统，该微流体系统具有实验室集成到芯片上系统的特征(Johnson等人，2001)。当该材料放置于电场中，释放出很少焦耳的热量，它可以用于DNA分离(Chen & Chen2000；Sung et al2001)。
制作了不同的PMMA设计，并通过在160-200℃的温度下快速的热粘结成功地退火。通过使用由Mikrolab Aarhus A/S公司开发的原型队列工具，可制备出队列。在快速热粘结之前，通过放置0.2-0.5μl氰基丙烯酸盐粘结剂在PMMA板角落，使队列由粘结剂粘结稳固。如果粘结剂粘结保持在微结构较远位置，发现最小量的粘结剂不会干扰热在活性微结构部分附近的粘结工艺。高温快速热粘结剔除了热熔解粘接所必须的需要，该必须的需要明显损坏队列和微结构本身。
用在4-甲基-penthan中包含有银颗粒的Electrodag1415M来制作电导涂层。电导流体用丙酮1:1稀释，以减少涂层的厚度。
实施例2孢子的收集
材料
在气溶胶试验中使用粉末状杆状菌孢子(Biobit WP，wet-able powder)，其包含在苏云金芽孢杆菌(Bacillus thurigiensis)亚种kurstaki(ValentBioSciences Corp，Libertyville，USA)中。基于系列稀释的涂板分析，粉末孢子的浓度被确定为3.2x109个孢子/g(即菌落生成单位，或CFU)，密度为0.86g/cm3(＝860kg/m3)。
颗粒分析器软件
颗粒尺寸分析器(model3321来自TSI Inc.，500Cardigan Road，Shoreview，MN55126-3996，USA)是通过TSI软件气溶胶设备管理器(Serosol InstrumentManager)(the TSI software Aerosol Instrument Manager)来控制的。
实验设置
一组孢子捕获实验可以使用电极距离为1mm的静电沉淀设备来操作。在10分钟取样期间，流量记录为2l/min，并且总的颗粒浓度估计为26mg/m3，几何平均尺寸为1.53±1.96μm，代表总的颗粒数为3304290。
实验数据每个由每个为30秒的9个样品周期组成。三个第一样品周期是预控制，显示出控制样品的稳定性。在此期间，设备的电极的电压为0V。随后的三个30秒样品是在设备电场设置为捕获电压为100-1200V(从-50V/+50V到-600V/+600V)来操作。
最后的三个30秒样品周期是后控制，此时设备电极上的电压返回到0V。
颗粒计数器计算通过原型的颗粒，因此，颗粒的捕获被解释为预控制和后控制的从总数中移去的颗粒数。
结果：
如图9所示，捕获效率随着电极上电压的增加，捕获效率增加。
采用各种尺寸分数的取样效率，该取样效率对应用在取样电极上的电压作图，可以从图10看出，几何平均尺寸为0.542、1.037、1.596或2.129μm的孢子捕获效率没有明显的区别。
实施例3确定捕获效率的方法
标准的生物颗粒的制备
将含有大约109个孢子/g的100毫克(Biobit苏云金芽孢杆菌(Bacillusthurigiensis)亚种kurstaki)(Valent BioSciences Corp，Libertyville，USA)浮在1ml去离子水中，并在12000rpm下离心90秒。去上清。重复该步骤4次。这个过程重复四次，在最后一次重悬浮之前，取出一个样品来确定每毫升的CFU数，试管留下来进行脱水干燥如真空干燥。
系列稀释涂布在LB琼脂平板上(Luria Bertani培养基；10.0g胰蛋白胨、5.0g酵母提取物、10.0g氯化钠、15.0g琼脂，在pH＝7.0的1.0L水中重悬浮，高压灭菌)，在30℃孵化过夜，并检查可看见的菌群。CFU数能够确定粉末中的孢子数。
捕获效率测试
冲洗和干燥的苏云金芽孢杆菌(Bacillus thurigiensis)孢子在合适的气溶胶室中进行气溶胶化，其结果孢子浓度大约为104-105个孢子/升。确定捕获效率的芯片/取样室与设备相连，因而功能性连接。芯片/取样室与气溶胶室相连，并且气溶胶吸入并以气流速大约50ml/min通过芯片的样品室。颗粒计数器(如analyzer model3321，来自TSI Inc.，500Cardigan Road，Shoreview，MN55126-3996，USA)是与芯片出口相连的，并且计算尺寸在1-10μ的离开芯片的孢子数。
首先，当设置第一和第二电极对地的电势时，通过吸入气溶胶来测试25mL气溶胶中的孢子数。所测试的孢子数用作对照值Nc。
然后，将选择的电势应用与第一和第二电极，将另外的25mL气溶胶吸入通过芯片。当吸入过程中，测量排出芯片的孢子数，这个值称作Ns。
通过(Nc-Ns)/Nc*100％，计算在所选择的电势下，芯片/取样室的捕获效率。
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Claims (17)

1.一种用于从空气中收集并分析生物颗粒的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
1)提供样品室和第一电极和第二电极，其中第一电极、第二电极和样品室被安置为至少部分样品室位于第一和第二电极之间，并且第一电极和第二电极被分开少于20mm的距离，所述样品室的体积为至多500μl；
2)提供样品室中的气体样品；
3)将第一电势应用于第一电极，第二电势应用第二电极，这样在第一和第二电极之间产生电势差和电场，以辅助在样品室中从气体样品中静电收集生物颗粒；
4)将在样品室中所收集的生物颗粒与液体试剂进行接触；和
5)对所收集的生物颗粒进行进一步分析。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法用于检测生物颗粒。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一电极的第一电势和第二电极的第二电势以及进而第一和第二电极之间的电场被选择为以致于产生至少50％的有效长度为1-10μm颗粒的捕获效率。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，第一和/或第二电极具有从下组中选择的形状：薄片状、平板状、圆盘状、线状、棒状、点状或者其任意组合。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第一电极和第二电极被分开至多10mm的距离。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第一电极和第二电极被分开至多2mm的距离。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第一电极和第二电极被分开至多0.5mm的距离。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，样品室中的至少一部分气体样品位于第一电极和第二电极之间，或者在第一电极和第二电极之间流动。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生物颗粒包括从由下列所组成的组中选择的组分：微生物及其碎片。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，微生物是细菌孢子。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，细菌孢子是由选自芽孢杆菌属(Bacillus)和/或梭状芽孢杆菌属(Clostridia)的细菌形成的。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，细菌孢子是由炭疽芽孢杆菌(Bacillus Anthracis)形成的孢子。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生物颗粒包括从由下列所组成的组中选择的组分：病毒及其碎片。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生物颗粒包括从由下列所组成的组中选择的组分：植物孢子及其碎片。
15.一种收集生物颗粒的芯片，其特征在于，该带有样品室的芯片包括：
样品室，该样品室有和周围空气流动连接的第一开口；
形成与设备流动连接的第二开口，样品室含有气体样品，所述样品室的体积为至多500μL；
第一和第二电极，其被安置在样品室相对的两侧，并且第一电极和第二电极被分开少于20mm的距离；
生物颗粒，其附着到第一或者第二电极上。
16.根据权利要求15所述的芯片，其特征在于，电场强度在50-2000V/mm范围。
17.一种收集并分析生物颗粒的系统，其特征在于，该系统包括权利要求15或16所述的芯片和与所述芯片功能上相连的设备，所述设备包括：
芯片位点，芯片位于此处以便能够功能上与该设备相连；
在设备和芯片之间的电界面，其用于在样品室中的电极之间施加静电场；
可编程的单元，其带有软件，该软件使设备实现从由下列所组成的组中选出的一个或者多个动作的操作：
在第一电极和第二电极之间应用电场以辅助在样品室中静电捕获气体样品中的生物颗粒；
将所收集样品室中的生物颗粒与第一液体试剂接触；和
通过操作加热电极进行核酸扩增，从而对所收集的生物颗粒进行进一步的分析。
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