樣品中的一種組分的擴(kuò)散系數(shù)。雖然可以由一個單一測量值測定一種組分或一種
[0071]組分混合物的一個擴(kuò)散系數(shù)，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)沿著小橫截面通道的多個擴(kuò)散測量提供準(zhǔn)確的擴(kuò)散系數(shù)值。
[0072]在組分流包含兩種或更多種組分的情況下，鑒于逆變換相對于擴(kuò)散系數(shù)組合的近退化，一個單一擴(kuò)散曲線的去卷積是特別具有挑戰(zhàn)的。為了實現(xiàn)個別組分的分辨，在多個位置、例如在三個或更多個位置處測量這些組分到空白流中的擴(kuò)散性傳播。
[0073]每個測量值因此對應(yīng)于一個不同的擴(kuò)散時間。使用多個擴(kuò)散曲線減小了基底函數(shù)之間的退化。本發(fā)明人已確定使用多個測量點(diǎn)提供了分辨的徑譜，該徑譜具有較大準(zhǔn)確度(即，預(yù)測的組分大小更緊密地配合流體中的組分的實際大小)并且具有更大的分辨率(例如，可以區(qū)分具有更接近的半徑的組分)。
[0074]本發(fā)明的流動方法允許在不同擴(kuò)散時間同時測量的組分的空間分布。以這種方式，可以完全分辨在復(fù)雜混合物中個別組分的擴(kuò)散系數(shù)的分布譜。這使得本發(fā)明優(yōu)于先前所述的方法，該先前所述的方法僅提供多分散組分混合物的平均擴(kuò)散系數(shù)值。
[0075]由于使用小流體通道、特別是微流體通道，所以可以分析非常小的樣品體積。因此，在小于一微升體積的流體中提供的組分可以是通過在此所述的方法進(jìn)行分析的。另外，流體流動技術(shù)還可以用于通過適當(dāng)增加測量次數(shù)來分析非常稀的樣品。
[0076]此外，擴(kuò)散光譜法對于在這些流中使用的溶劑條件的性質(zhì)特別不敏感。因此，可以研宄在其天然條件下的生物分子如蛋白質(zhì)。以這種方式，擴(kuò)散測量可以提供生物組分的絕對大小值，并且對于分析不需要包括將外源條件下獲得的一個大小測量值轉(zhuǎn)換成在天然條件下的一個預(yù)期大小的一個校準(zhǔn)步驟。
[0077]具有帶有不同大小的通道的微型裝置是已知的，然而此類裝置不被適配用于測量一種或多種組分穿過一個通道的擴(kuò)散。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)在一個大橫截面通道中發(fā)展一個層流，然后使該層流進(jìn)入一個小橫截面通道，提供了一種用于研宄組分穿過該層流的移動的改進(jìn)的方法。EP 1，481，723描述了一種用于使流體混合并反應(yīng)的微型裝置。該微型裝置包括以一個同軸的多個圓柱形結(jié)構(gòu)安排的一系列流體供應(yīng)通路。流體在該裝置的同軸通道內(nèi)流動，并且這些流被允許在一個反應(yīng)流動路徑中結(jié)合在一起，以形成一個薄層形狀的層流。在下游，減小反應(yīng)流動路徑的寬度以便使該流動收縮。
[0078]EP I, 481，723并未描述用于測量組分在層流之間的移動的方法，并且它并未描述用于測定那些組分的擴(kuò)散系數(shù)的方法。在EP 1，481，723裝置中的通道安排將允許所有組成從一個流快速擴(kuò)散到另一個流，其目的是為了在一個短時間內(nèi)實現(xiàn)所有組成的均勻分布。這據(jù)說對于避免非均相反應(yīng)通路是重要的。在用于測量擴(kuò)散系數(shù)的一個裝置內(nèi)，所有物質(zhì)的快速擴(kuò)散是不希望的，因為它不會允許區(qū)別不同大小的多種組分(即，不同的擴(kuò)散系數(shù))。此外，快速擴(kuò)散可能不允許在一種組分已擴(kuò)散到通道邊緣之前進(jìn)行一個擴(kuò)散測量。EP 1，481，723的教義因此與改進(jìn)的擴(kuò)散測量系統(tǒng)的發(fā)展不相關(guān)。
[0079]擴(kuò)散
[0080]由進(jìn)行布朗運(yùn)動的一個顆粒表現(xiàn)出的平均均方位移與其擴(kuò)散系數(shù)D直接成比例并且與其流體動力學(xué)半徑rh成反比，這是允許簡單評估由平均均方位移獲得的分子大小的愛因斯坦關(guān)系(Einstein relat1n)。當(dāng)各自具有一個不同的擴(kuò)散系數(shù)的物質(zhì)的一種混合物存在于溶液中時，情況更復(fù)雜。
[0081]所得擴(kuò)散曲線的形狀可以被認(rèn)為是含有關(guān)于存在于溶液中作為一個線性疊加的所有物質(zhì)的流體動力學(xué)半徑的全光譜的信息。然而，這個曲線到對應(yīng)于分散物質(zhì)的高斯維爾斯特拉斯核的總量的逆變換對于實驗噪音是非常敏感的。因此，此方法作為在異質(zhì)混合物中進(jìn)行測量的基礎(chǔ)通常并不實際。
[0082]為了克服此困難，本發(fā)明人已開發(fā)了一種方法，該方法允許由最初位于空間(在組分流體流中)中的分析物組分的布朗運(yùn)動所形成的擴(kuò)散曲線在它們傳播穿過小橫截面通道到達(dá)空白流體流中時同時持續(xù)多次擴(kuò)散時間進(jìn)行測量。
[0083]本發(fā)明的一個方面涉及使用一個大橫截面通道，該大橫截面通道解決了在接頭處的零級流動的問題，在該接頭處該組分流與該空白流第一次接觸。大橫截面通道的一個優(yōu)點(diǎn)是它迫使這些組分進(jìn)入良好限定的初始構(gòu)型中。以這種方式準(zhǔn)確定位這些組分確保了所記錄的擴(kuò)散數(shù)據(jù)更能代表一個預(yù)測的擴(kuò)散曲線。
[0084]可以與該第一方面有利地結(jié)合的本發(fā)明的另一個方面是沿著一個擴(kuò)散通道使用多個分析測量點(diǎn)。在不同擴(kuò)散時間的測量減小了基底函數(shù)之間的退化，并且允許擴(kuò)散系數(shù)以更大的準(zhǔn)確度和更大的確定性進(jìn)行測定。
[0085]在本發(fā)明的方法的一個一般方面中，一種組分被允許從該組分流移動到小橫截面通道中的緩沖液流中。這可以被稱為該組分穿過一個通道的徑向移動。
[0086]在一個實施例中，一種組分被允許從該組分流(一個高組分濃度區(qū)域)中擴(kuò)散到緩沖液流(并且是一個低組分濃度區(qū)域)。在此，該組分的移動是簡單的擴(kuò)散運(yùn)輸。
[0087]在一個替代實施例中，一種組分從組分流到緩沖液流中的移動是對施加電場的響應(yīng)。因此，擴(kuò)散可以被稱為該組分的電泳擴(kuò)散。在該通道內(nèi)的組分流是響應(yīng)于施加電場而偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)程度與施加場和組分的凈電荷有關(guān)。將了解的是，具有不同電荷的組分可以通過其響應(yīng)于施加場的不同偏轉(zhuǎn)分開穿過該通道。在此實施例中，使流動發(fā)展區(qū)域最小化也是有利地，因為這使流體停滯最小化。在知道施加場和偏轉(zhuǎn)程度(從電泳擴(kuò)散曲線)的情況下，技術(shù)人員能夠測定組分在流體中的電泳迀移率和電荷。
[0088]通過赫林(Herling)等人[37]描述了在一種微流體裝置中的電泳擴(kuò)散技術(shù)的一般用途。
[0089]本發(fā)明的方法適用于與允許一種組分穿過通道徑向移動的其他技術(shù)一起使用。這可以被廣泛地稱為擴(kuò)散。在一個實施例中，擴(kuò)散是指以上所述的擴(kuò)散運(yùn)輸。
[0090]一般方法
[0091]本發(fā)明的第一方面的方法通常用于測定在一個溶液中的一種或多種組分如聚合物的擴(kuò)散系數(shù)。在一個大橫截面通道中使包含該一種或多種組分的一個流體流與一個空白流體流接觸。允許層流從該大橫截面通道中流入一個小橫截面通道中。在沿著該小橫截面通道中的一個或多個位置處測量該一種或多種組分到該空白流體流中的徑向擴(kuò)散。通過一個或多個擴(kuò)散曲線，可以確定該一種或多種組分的擴(kuò)散系數(shù)和大小和/或分子量。
[0092]該大橫截面通道和小橫截面通道是一種射流裝置的部分。該射流裝置被適配為與用于這些組分的一種檢測器一起使用。
[0093]在分析步驟過程中以一個基本上恒定的水平維持每個流的流速。僅可以當(dāng)在該小截面通道中建立一個穩(wěn)定流時進(jìn)行分析。
[0094]本發(fā)明的第三方面的方法通常用于測定在一個溶液中的一種或多種組分如聚合物的擴(kuò)散系數(shù)。在一個通道中使包含該一種或多種組分的一個流體流與一個空白流接觸。在沿著該通道的多個位置處測量該一種或多種組分的擴(kuò)散。通過該多個擴(kuò)散曲線，可以確定該一種或多種組分的擴(kuò)散系數(shù)和大小和/或分子量。
[0095]該通道是一種射流裝置的一部分。該射流裝置被適配為與用于在該通道中的多個位置處的這些組分的一種檢測器一起使用。該通道是與用于空白流和組分流的供應(yīng)通道流體連通的。
[0096]在分析步驟過程中以一個基本上恒定的水平維持每個流的流速。僅可以當(dāng)在該通道中建立一個穩(wěn)定流時進(jìn)行分析。
[0097]在本發(fā)明的其他方面，一種射流裝置可以用于測定在組分流中的多種組分的總濃度。在此，所記錄的擴(kuò)散信號的強(qiáng)度(如通過在此所述的方法獲得的)可以用于直接獲得這些組分的總濃度。在一些實施例中，可能需要提供額外試劑以允許獲取準(zhǔn)確濃度讀數(shù)。例如，在組分流包含多肽的情況下，在分析測量之前使這些多肽變性可以是有利的。出于此目的，可以在緩沖流中提供一種變性劑如DMSO。
[0098]另一方面用于通過獲取含有一種組分的流體樣品并且獲得每種樣品的擴(kuò)散曲線來監(jiān)控該組分隨著時間的變化(或無變化)，如聚集和分離。擴(kuò)散曲線隨著時間的變化可以指示聚集或分離事件。
[0099]射流裝置
[0100]本發(fā)明的第一方面的方法利用一種射流裝置，該射流裝置包括與一個小橫截面通道流體連通的一個大橫截面通道。每個大通道和小通道的橫截面典型地是在微米范圍內(nèi)，并且用于本發(fā)明的第一方面的方法中的該射流裝置可以因此被稱為一種微流體裝置。
[0101]本發(fā)明還提供在此所述的微流體裝置。
[0102]微流體通道保持該組分和空白流的用途確保這些流以低雷諾數(shù)(Reynoldsnumber)出現(xiàn)，并且因此對流和擴(kuò)散是在該系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量輸運(yùn)的僅有相關(guān)機(jī)制。因此，這允許對給定大小的每種組分進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值計算。
[0103]選擇該裝置中的這些通道的總體尺寸以提供合理的移動速度和分析時間。還可以選擇該裝置的尺寸以減小持續(xù)一個足夠的分析運(yùn)行所需要的流體的量。
[0104]大橫截面通道和小橫截面通道是具有允許在兩個(或三個)物流中生成并保持一個層流的適合尺寸的那些通道。兩個物流的層流意指這些流是并排地并且是穩(wěn)定的。因此，典型地不存在其中這些流體再循環(huán)的區(qū)域并且湍流是最少的。典型地，通過小通道如微型通道提供此類條件。
[0105]用于分散測量的裝置是本領(lǐng)域已熟知的，并且例如通過耶格爾等人[11]進(jìn)行描述。本發(fā)明人已在此類裝置的接頭處引入一個大橫截面通道。
[0106]該大橫截面通道是其中組分溶液的流體與空白溶液的流接觸的區(qū)域。然后這些流通過大橫截面通道導(dǎo)向小橫截面通道中。在小橫截面通道中監(jiān)控該一種或多種組分到該空白流中的擴(kuò)散。
[0107]大橫截面通道是與小橫截面通道流體連通的。
[0108]大橫截面通道是與用于供應(yīng)空白流體的一個或多個儲罐流體連通的。
[0109]大橫截面通道是與用于供應(yīng)組分流體的一個儲罐流體連通的。
[0110]可以通過一個供應(yīng)通道從一個儲罐向大橫截面通道提供流體。因此，該裝置可以包括一個組分流體流供應(yīng)通道和一個空白流體流供應(yīng)通道。
[0111]在此提到一個通道是提到具有一個基本上矩形的橫截面的一個通道。因此，該通道可以是由一個基本上平的基底(具有基本上垂直于該基底延伸的多個壁)和任選一個頂蓋形成的。典型地，該基底和這些壁被形成為一個娃襯底。該蓋可以是一個玻璃蓋，例如一個標(biāo)準(zhǔn)玻璃載片或一個硼硅酸鹽晶片。
[0112]大截面通道可以被稱為一個收斂噴嘴。
[0113]大橫截面通道可以具有帶有一個基本上恒定的最大寬度的區(qū)域，然后在下游是一個收斂區(qū)域，在該收斂區(qū)域中通道的寬度變窄直到該寬度匹配小橫截面通道的寬度為止。
[0114]或者，大橫截面通道可以僅包括一個收斂區(qū)域，在該收斂區(qū)域中該通道的寬度從一個最大寬度變窄直到該寬度匹配小橫截面通道的寬度為止。
[0115]收斂區(qū)域變窄的速度可以是恒定的。
[0116]收斂區(qū)域變窄(噴嘴的角度)的精確速度并沒有特別限制，因為該變窄通常遠(yuǎn)離組分流。然而，本發(fā)明人已大體上發(fā)現(xiàn)噴嘴具有范圍40°至70°、如50°至70°、如55°至85°內(nèi)的角度。在此，該角度是相對于組分流在寬橫截面通道中的流動方向。
[0117]提到寬度是提到該通道中的擴(kuò)散尺度(在一些現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)中被稱為d)。
[0118]大橫截面通道的最大寬度w是大于小截面通道的寬度的。
[0119]在一個實施例中，沒有截面是具有比小橫截面通道的寬度更小的寬度的大橫截面通道。在一個實施例中，大橫截面通道的最小寬度是與小橫截面通道的寬度相同的。
[0120]大橫截面通道的最大寬度w可以是至多500 μπκ至多700 μπκ至多1，000 μπκ至多
2,000 μ m、至多 5，000 μ m 或至多 10，000 μ m。
[0121]通常大于10，000 μπι的通道寬度是不實際的，因為制成該裝置的材料(典型地是PDMS)可能會松弛。
[0122]大截面通道的最大寬度w可以是至少50 μm、至少100 μm、至少200 μm或至少500 μ m0
[0123]在一個實施例中，大橫截面通道的最大寬度可以是在選自上文所給出的上限值和下限值的范圍內(nèi)。例如，該寬度可以是在范圍200至5，000 μπκ如200至1,000 μπι或如I, 000 至 5，000 μ m 內(nèi)。
[0124]大截面通道的長度是至多500 μπκ至多700 μm或至多1,000 μπι。
[0125]大截面通道的長度可以是至少10 μπκ至少50 μπκ至少100 μm或至少200 μπι。
[0126]在一個實施例中，大橫截面通道的長度可以是在選自上文所給出的上限值和下限值的范圍內(nèi)。例如，該長度可以是在范圍50至500 μπκ如100至500 μπι內(nèi)。
[0127]在大橫截面通道包括具有帶有基本上恒定的最大寬度的一個區(qū)域和其中寬度收斂至小橫截面通道的寬度的一個下游區(qū)域，具有帶有基本上恒定的最大寬度的該區(qū)域可以是該大橫截面通道總長度的至少50%、至少60%、至少70%、至少80%或至少90%。
[0128]小截面通道在其整個長度上具有一個基本上恒定的寬度。
[0129]小截面通道的寬度可以是至多500 μπκ至多700 μπκ至多1,000 μπι或至多2，000 μ mD
[0130]小截面通道的寬度可以是至少5 μπκ至少10 μπκ至少50 μπκ至少100 μπι或至少200 μπι。
[0131]在一個實施例中，小橫截面的寬度可以是在選自上文所給出的上限值和下限值的范圍內(nèi)。例如，該寬度可以是在范圍10至500 μπι。
[0132]在一個實施例中，大截面通道的最大寬度是小截面通道的寬度的至少1.2倍、至少1.5倍、至少2倍、至少5倍或至少10倍。
[0133]在一個實施例中，大截面通道的最大寬度是小截面通道的寬度的至多20倍、至多50倍或至多100倍。在一個實施例中，大橫截面通道相對于小截面通道的最大寬度可以是在選自上文所給出的上限值和下限值的范圍內(nèi)。例如，大橫截面通道的最大寬度可以是在小截面通道寬度的5至20倍范圍內(nèi)。
[0134]小截面通道的長度可以是適用于允許組分流中的最大組分?jǐn)U散到形成空白流邊界的通道邊緣的長度。因此，在流體流到達(dá)小截面通道末端時，存在于組分流中的所有組分已到達(dá)最大熵構(gòu)型中。
[0135]在其他實施例中，小截面通道具有允許檢測空白流中的最大組分的一個足夠的長度。在此，不需要最大組分到達(dá)其最大熵構(gòu)型中。
[0136]大截面通道的長度是從空白流體流和組分流體流接觸的點(diǎn)到大截面通道的通道寬度匹配小截面通道寬度的點(diǎn)的距離。
[0137]小截面通道從大橫截面通道接收空白流體流和組分流體流?？梢允占瘡男M截面通道排出的流體以用于進(jìn)一步分析。因此，小橫截面通道是與一個樣品收集儲罐流體連通的。
[0138]小截面通道的長度是足以允許最大的分子從該流中擴(kuò)散到該空白流中的。對于具有在此所述的分子量的聚合物，具有Imm長度或更大長度的小截面通道長度通常是足夠的。在一個實施例中，小截面通道是至少0.5_、至少1_、至少2mm或至少5mm長。
[0139]在一個實施例中，小截面通道是至多10mm、至多20mm或至多50mm長。
[0140]在一個實施例中，小橫截面長度可以是在選自上文所給出的上限值和下限值的范圍內(nèi)。例如，該小截面通道長度可以是在范圍0.5至50mm、如I至20mm內(nèi)。
[0141]這些流體的流動是沿著小橫截面通道的縱軸。在組分流中的組分到空白流中的擴(kuò)散是橫向于流動的縱軸，穿過通道寬度。
[0142]小橫截面通道可以是基本上直線的并且與大橫截面通道一致。在一些實施方案中，該小截面通道的至少一部分是旋繞的。因此，該小截面通道可以例如包括一個圈或一系列圈。使用旋繞的幾何結(jié)構(gòu)允許使該裝置的大小最小化。使用旋繞的路徑也可以在一個單一檢測區(qū)域內(nèi)提供多個流動通道。在一個單一檢測區(qū)域內(nèi)，多個通道(與不同流動距離相對應(yīng)并因此具有不同擴(kuò)散時間)可以穿過一個檢測器以允許進(jìn)行多個且同時的測量。
[0143]小橫截面通道可以是與一個次要射流裝置的一個流體通道流體連通的。該次要射流裝置可以是用于分析該流中的這些組分的一種物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)的一種裝置。
[0144]因此，本發(fā)明可以用其他射流裝置串聯(lián)地使用以獲得流體流中的組分的特征數(shù)據(jù)。
[0145]微流體裝置可以被提供有供應(yīng)通道，以在該儲罐與大橫截面通道之間提供流體連通。在兩個空白流被提供到大橫截面通道中的情況下，每個空白流可以被獨(dú)立地從不同儲罐中遞送出來。然而，每個流體空白流可以是從一個單一儲罐中提供，該儲罐通過兩個供應(yīng)通道連接到大橫截面通道。
[0146]每個儲罐可以是連接到微流體裝置的一個供應(yīng)管線的一個注射器。該注射劑可以是在適當(dāng)編程的計算機(jī)控制下，該計算機(jī)能夠大致地(indecently)控制流體從該儲罐到該大截面通道的流速。此類裝置的控制是本領(lǐng)域已熟知的。
[0147]或者，每個儲罐可以作為微流體裝置的部分來提供。
[0148]在其他實施例中，來自一個或多個儲罐的流體流可以是一個重力供料。
[0149]根據(jù)本發(fā)明的并且用于在此所述的方法中的一種射流裝置可以是使用本領(lǐng)域已知的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)制備的。因此，可以使用光刻法以一種適當(dāng)襯底如一種硅樹脂襯底形成流體通道和任選地流體儲罐耶格爾等人[11]所述的技術(shù)可以與對光刻掩膜的適當(dāng)改變一起用于在適當(dāng)時適應(yīng)一個大橫截面通道和額外空白流通道的引入。
[0150]通過光刻技術(shù)制備的流體通道可以是通過提供流體接近端口和排出端口，例如通過鉆入該襯底中以提供對相關(guān)通道的接近來完成。在外部儲罐如注射器用于將流體直接供應(yīng)到大橫截面通道或者供應(yīng)到一個供應(yīng)通道中的情況下，可以使用一種適當(dāng)?shù)钠绻堋?br>[0151]射流裝置可以與適當(dāng)編程且可編程的計算機(jī)結(jié)合用于控制進(jìn)入大橫截面通道中的流動并且用于管理檢測裝置。該計算機(jī)也可以分析所記錄的數(shù)據(jù)并且提供實時擴(kuò)散值。
[0152]該裝置適用于與一種檢測器整合，以用于測量在小橫截面通道中的該一種或多種組分的徑向擴(kuò)散。
[0153]可以選擇通道深度以減小分析擴(kuò)散穿過通道寬度的時間尺度(從而減小接近穩(wěn)態(tài)溶液所使用的時間)?？梢赃x擇通道的深度以便使與最深通道相關(guān)的人工制品最小化或消除該人工制品(參見耶格爾等人，生物物理學(xué)(B1physical))?？梢赃x擇通道的深度以便使與非常淺的通道相關(guān)的負(fù)載問題和高流體阻力最小化或消除這些問題和阻力(出處同上)。
[0154]在一些現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)中，通道的高度或深度被稱為寬度W。
[0155]縱橫比是通道寬度與通道高度的比率，它可以是100或更小、50或更小、25或更小或者10或更小。
[0156]縱橫比可以是I或更大、2或更大、4或更大或者5或更大。
[0157]在一個實施例中，縱橫比可以是在選自上文所給出的上限值和下限值的范圍內(nèi)。例如，該縱橫比可以是在范圍5至100內(nèi)。
[0158]通常較大縱