[发明专利]实现放大的动电流体泵吸改变和脱盐的装置及方法

说明书

技术领域

本发明提供一种使微流体装置中的液体加速流动的方法。本发明还提供用于放大泵吸、改变流动方向以及直接的(无膜的)海水脱盐的方法。上述方法基于溶液中带电物质的电感应局部化，其导致流体流动增强。可进一步从溶液分离、离析并去除所述局部化的带电物质。

背景技术

蛋白质组学的主要挑战之一是生物分子样品(例如，血清或者细胞提取物)的高度复杂性。典型的血液样品可包含超过10,000个不同的蛋白质种类，其浓度相差达到9个数量级。蛋白质的这种多样性及其巨宽的浓度范围，对蛋白质组学的样品制备提出了巨大的挑战。

传统的基于多维分离步骤及质谱分析法(MS)的蛋白质分析技术，由于其最大分离量(达到～3000)及检测的动态范围(～10⁴)有限而不符合标准。微流体生物分子分析系统(所谓的μTAS)有望用于自动生物分子处理。各种生物分子分离、纯化步骤，以及化学反应和化学放大，都可小型化到微芯片上，使样品分离和处理的速度提高了几个数量级。另外，已经实现了将两种不同分离步骤集成到一个多维分离装置中的微流体集成。然而，大多数微流体分离和样品处理装置都存在样品体积不匹配的关键问题。微流体装置在操作和处理1pL～1nL的流体样品时是很有效的，但是获得的或者要处理的大多数生物分子样品的液体体积大于1μL。因此，基于微芯片的分离技术往往只对获得样品的一小部分进行分析，这大大限制了整体的检测灵敏度。在蛋白质组学中，这个问题更加严重，因为信息量丰富的信号分子(例如细胞因子和生物标记物)仅具有痕量浓度(nM～pM范围)，并且缺乏信号放大技术(例如，蛋白质和肽的聚合酶链式反应(PCR))。

需要一种有效的样品浓缩器，其可以采用微升或者更大的常规样品体积，并将其中的分子浓缩到更小的体积，从而可以更加灵敏地分离和检测这些分子。目前已经存在多种策略对液体进行样品预浓缩，包括场放大样品堆积(FAS)、等速电泳(ITP)、动电捕获、胶束动电扫集、色谱分析法预浓缩以及薄膜预浓缩。上述很多技术最初是为毛细管电泳而研制的，需要特定的缓冲装置和/或试剂。色谱分析法和基于过滤的预浓缩技术的效率取决于目标分子的疏水性和尺寸。动电捕获法可用于任何带电的生物分子物质，但是通常需要用纳米多孔电荷选择性薄膜操作。总的说来，现有的预浓缩方案所示的浓缩因子限于～1000，并且由于各种操作的限制(例如，对试剂和材料的要求)，导致它们难以应用于集成的微系统。

另一方面，在微流体装置中需要去除带电物质，特别是盐类，以便生产纯流体用于合成和分析。当该流体为水时，需要纯化的水用于饮用。

淡水是人类维系生命所必须的资源。然而，随着人口增长、生活水平的提高以及工业和农业活动的发展，整个世界范围内对清洁水供应的需求量达到空前水平。据OECD和UN报道，目前在25个国家(尤其是中东和非洲)有3.5亿人口面临水资源短缺的问题，而到2025年，这个数字将会上升至52个国家的39亿人口(占世界人口的2/3)。

淡水的短缺是目前世界面临的严峻挑战之一，而节能脱盐策略可以真正化解水资源危机。由于地球水资源总量的大约97％是海水，而水资源总量中仅有0.5％是适于饮用的淡水，所以将丰富的海水转化为淡水可解决全球水资源短缺问题。过去，已将蒸馏作为海水脱盐的方法，尽管该方法非常消耗资金和能源，但是适用于那些蒸馏燃料相对便宜的中东国家。实现海水脱盐的其它方法是反向渗透(RO)和电渗析(ED)，其具有较好的能效(RO为～5Wh/L，ED为10～25Wh/L)。为了克服穿过所采用的半渗透性膜的海水渗透压(大气压力的～27倍)，RO过程需要有高压力产生。ED过程利用电流来选择性地移动离子，使其穿过选择性渗透的膜，从而得到纯净的水。上文中提及的三种海水脱盐技术需要具有很大功耗的大型系统，并需要考虑其它大型基础设施，这大大增加了这些系统的操作成本。上述因素导致这些方法不适用于受灾区域或者不发达国家。