利用兰姆波谐振器检测生物分子的方法和微流控装置与流程

文档序号：26142384发布日期：2021-08-03 14:27阅读：131来源：国知局

本申请要求以下中国专利申请的优先权：2020年2月3日提交的、申请号为202010078266.3、发明名称为“利用兰姆波谐振器检测生物分子的方法和微流控装置”，其全部内容通过引用结合在本申请中。

本发明涉及细胞研究方法学与医疗器械领域。具体的，本发明涉及利用兰姆波谐振器对生物分子进行检测的微流控设备和使用所述设备来检测生物学物质的方法。

背景技术：

在现代生物医学工程中，对微米尺度的细胞甚至更小的亚微米尺度的生化大分子的操作和控制，是实现各类生物医学工程，如细胞成像、生物分子富集、人工组织生成等的重要手段。近年来“芯片实验室(labonachip)”概念指出，未来微纳器件的发展趋势是多功能元器件在单一芯片系统中的集成。基于微机电系统技术的兰姆波谐振器是进入21世纪后兴起的一类新型压电声波器件。它继承了mems器件小型化、高制造效率等优点，能够在同一硅片上同时制造出大量不同频率的器件。新型的mems压电兰姆波谐振器作为滤波器、执行器、传感器等多种功能器件中的关键换能元器件，在现代科技诸多领域，如通信工程、生物医学工程、微流控等领域中发挥作用。

纳米材料，例如纳米粒子、纳米多孔膜等在分子提纯、药物分子的运载与传输等面已经被广泛研究。纳米材料与蛋白质等生物分子的相互作用机理研究相对清楚。现有技术中利用各种物理场直接地将目标生物分子聚集在一个特定局部区域。使用纳米尺寸的颗粒材料作为载体，对复杂生物样品中的生物目标分子(血液、唾液、尿液等)进行特异性的提纯，然后对纳米尺寸的颗粒载体进行操作，从而实现了对目标生物分子的操作。例如，捕捉和限制纳米粒子以及分子，进而实现局部区域内的聚集，是超高灵敏度生物传感器、新型药物传输方法等领域长期追求的目标。高速离心被用来分离不同尺度的纳米粒子；介电泳技术也被也用来捕捉积累和组装纳米粒子；磁镊和光镊技术都被用来操纵纳米粒子和生物分子。目前已有的分子富集技术包括施加高电压的电泳技术、纳米流道辅助的分子富集和纳米过滤膜实现分子筛选等。

然而这些技术受限于高电压(几百至几千伏特)、低通量和易阻塞等缺点，需要在局部产生非常大的场强分布，对分子操作存在较大的局限性。与此同时，直接使用物理场操作分子的特异性较差。

检测设备的便携化是现代科学仪器发展的一大趋势。便携式的生物传感装置具有更为广泛的应用，例如家庭健康检测、人体健康指标实时检测、以及医疗资源匮乏的偏远地区的诊断等。一般而言，便携式传感器具有体积小、操作简单、快捷可靠、价格相对较低等特点。相应地，只有符合上述特点的生物传感技术或者方式才有望率先被研发成为便携式生物传感器。

因此，目前亟需一种更有效、更方便的对生物分子的富集和检测的方法和系统。

技术实现要素：

本发明提供了新的利用兰姆波谐振器产生体声波的微流控系统和纳米尺寸的载体对生物物质进行富集和检测的方法。本发明还提供了通过所述方法用于对生物物质进行富集和检测的基于微流控的检测设备。

具体的，本发明提供了检测样品中的靶物质的方法，所述方法包括：

(1)提供含有靶物质的样品；

(2)提供颗粒，优选为聚合物颗粒；

(3)在溶液中，将所述样品和颗粒在适于将所述靶物质结合到所述颗粒上的条件下接触；

(4)通过以下步骤从所述样品聚集所述颗粒：

在微流控设备中处理含有所述颗粒的溶液，所述微流控设备包括；流体通道，其具有入口和出口；一个或多个兰姆波谐振器，其设置于所述流体通道的壁上，所述兰姆波谐振器的频率为约50-1000mhz，优选为约200-500mhz，更优选为约300-400mhz；

所述兰姆波谐振器发射体声波，在溶液中产生旋流，颗粒在所述旋流中聚集；当样品中存在靶物质时，聚集的颗粒结合了靶物质，即形成颗粒-靶物质复合物；

(5)检测聚集的颗粒。

样品中存在靶物质时，聚集的颗粒结合了靶物质。可通过检测聚集的颗粒或颗粒上的靶物质携带的可检测的标记。这些标记包括而不限于荧光或其它形式的(例如化学发光，生物发光，辐射发光，电发光，电化学发光，机械发光，结晶发光，热致发光，声致发光，磷光和光致发光等)发光，酶促反应，放射性等。

本发明的方法中，在微流控设备中处理含有所述颗粒的溶液。所述微流控设备包括；流体通道，其具有入口和出口；一个或多个兰姆波谐振器，其设置于所述流体容器的壁上。

本发明的方法利用设置在流体通道底部上的兰姆波谐振器在溶液中发射体声波。所述兰姆波谐振器设置为使得其振动方向与流道方向相同。对具有叉指结构的底电极和顶电极的兰姆波谐振器而言，其底电极/顶电极的平面位于流体通道底部，其指状电极平行排列方向与流道方向水平垂直。所述兰姆波谐振器发射的体声波在所述兰姆波谐振器器件区域的溶液中产生旋流。本发明的方法在溶液中产生的旋流中存在各种液流和其中的粒子的相互作用。在合适的条件下(溶液和颗粒的性质、体声波的强度、沟道的结构，溶液的流速等)，当流体中的颗粒受到的力达到一定的平衡时，颗粒“停止”在旋流，由此达到富集颗粒的目的。

在本发明的方法中，所述兰姆波谐振器产生频率为约50-1000mhz的振动，在溶液中引发相应频率的体声波。在本发明的其中一个方面，所述兰姆波体声波谐振器为s0模式的兰姆波谐振器。s0模式在长波极限附近几乎不存在色散，即相速度与厚度波长比几乎无关。这种模式的谐振器通过设计横向的波长即可基本确定谐振频率。根据兰姆波s0的振动特性，在谐振器的上表面，几乎是在水平面内的垂直于电极条方向上的振动，即振动方向位于器件表面固液界面所在平面内，因此在器件表面的液体中产生旋流。本发明采用的兰姆波谐振器可以在装置和液体的界面产生局部化的声流，不需要耦合介质或结构的帮助。

在本发明的其中一个方面，所述兰姆波谐振器的电极排布方式可为：仅有叉指顶电极、叉指顶电极加大片悬浮底电极、叉指顶电极加大片接地等。在本发明的其中又一个方面，所述兰姆波谐振器的电极排布方式的顶电极(topelectrode，te)和底电极(bottomelectrode，be)都是叉指电极，这种结构能够最大限度地利用e33从而引发振动模式最大的机电耦合。在本发明的其中又一个方面，所述兰姆波谐振器的叉指电极交替地连接信号(signal)与接地(ground)，而且每一对上下相对的电极条的连接不同。

在本发明的其中一个方面，所述兰姆波谐振器的压电材料层为aln。对于表面平行于xy平面的aln薄膜，只能激发各类兰姆波，而不能激发出水平剪切波。

本发明的方法可用于检测样品中的生物物质。所述样品可以是含有靶物质的培养液或其悬浮液或其上清、缓冲液，例如为各种病毒、细菌或细胞的培养液或其悬浮液或其上清。有例如为各种动物如人的各种体液，包括血液、组织液、细胞外液、淋巴液、脑脊液、房水、尿液、汗液等。

本发明涉及的颗粒是通常用在生物技术中用于固定的任何固体载体颗粒。其材料包括硅石、玻璃、无机载体例如金属纳米颗粒或氧化铝、有机载体例如聚合物载体(例如聚苯乙烯)等。优选地，固体载体是聚合物颗粒，特别是聚合物微粒。

微粒指直径基本在微米范围内(即10^-6m)的颗粒。因此，根据本发明的聚合物微粒通常具有大体在微米范围内的尺寸(即直径)，例如，约0.01μm到约100μm，优选是约0.05μm到约20μm，更优选是约0.1μm到约10μm。在本发明中，所述颗粒，特别是所述聚合物颗粒，基本上是球形的。

本发明的颗粒优选是聚合物颗粒，即通过单体聚合而形成的颗粒。例如，聚合物颗粒由乙烯聚合物(例如苯乙烯)、丙烯酸酯和/或甲基丙烯酸酯的组合制备。该聚合材料可任选地进行交联，需要的交联剂(如共聚单体)的适当量对技术人员来说是熟知的。优选地，所述聚合物是交联的苯乙烯类聚合物或交联的(甲基)丙烯酸酯聚合物。所述聚合物还可以进行胺化(例如，通过与乙二胺反应)等进行表面官能化。本发明的聚合物颗粒可以是多孔的，具有更高的与生物物质结合的能力。

在本发明的其中一个方面，本发明的颗粒是非磁性的，即所述聚合物颗粒不能够被磁场吸引。在现有技术中，通常采用磁性颗粒与目标分子结合，然后通过磁场来吸引磁性颗粒，达到分离和富集的目的。但磁性颗粒通常加工难度较大，成本较高，而且需要更复杂的系统进行操作。本发明提供的方法和系统的其中一个特点即在于不需要通过具有磁性的颗粒，也可以达到分离和富集靶分子的目的。磁性颗粒也可用于本发明。

本发明的颗粒，特别是聚合物颗粒可进行涂覆，由此达到具有可以用于结合感兴趣的分子的官能团的聚合物颗粒表面。例如带有任何已知的表面结构，例如羧基、甲苯磺酰基、氨基、环氧基团、马来酰胺基团、硫醇基团等。其实现方法在本领域中是熟知的。

在本发明中，所述颗粒，特别是所述聚合物颗粒，基本上是非形变的。非形变是指在，例如在溶液或流体中，微粒的表面不因相互接触和碰撞，或是与容器等接触和碰撞时发生改变或明显改变。相对的，如细胞、脂囊泡，脂质体等，则为形变物质。

在本发明的其中一个方面，通过所述颗粒作为固体载体，其上具有靶生物物质的对应的结合配体(bindingligand)，然后，通过所述结合配偶体与靶生物物质的特异性结合，可以选择性地将靶生物物质结合到颗粒上。

“结合配体”是指能够与另一生物分子进行结合或相互作用(特别是特异性结合或相互作用)的任何生物分子或其它有机分子。这种结合或相互作用可称为“配体”结合或相互作用。例如，但不限于，抗体/抗原、抗体/半抗原、酶/底物、酶/抑制剂、酶/辅因子、结合蛋白/底物、载体蛋白/底物、凝集素/碳水化合物、受体/激素、受体/效应物、或阻抑物/诱导物结合或相互作用。

因此，本发明的颗粒上具有与靶物质(特异性)结合的配体，所述靶物质和所述配体互为抗体/抗原、抗体/半抗原、酶/底物、酶/抑制剂、酶/辅因子、结合蛋白/底物、载体蛋白/底物、凝集素/碳水化合物、受体/激素、受体/效应物、或阻抑物/诱导物。可根据本发明的载体的所需用途选择适合的配体。

可通过本领域已知的方法将所述配体结合到颗粒上。例如，通过还原性胺化或通过使结合配体上的亲核基团与颗粒的聚合物上的活化酯侧链例如n-羟基琥珀酰亚胺活化酯反应，可以实现直接结合。又例如，配体和聚合物上的胺基团和羧酸基团可以通过常规的肽形成化学方法，例如使用碳二亚胺连接。

本发明提供的方法的靶物质为生物物质，一般为具有特定结构的分子，例如为肽、多肽、蛋白质、脂蛋白、糖蛋白、核酸(dna、rna、pna、适体(aptomer))以及核酸前体(核苷和核苷酸)、多糖、脂质例如脂囊泡等。其中，蛋白质可包括细胞因子、激素、维生素、表面受体、半抗原、抗原、抗体、酶、生长因子、重组蛋白质、毒素、以及其片段和组合。所述生物物质通常具有纳米数量级或更小的尺寸。本发明的方法和系统的其中一个优点是适合用于富集和检测大小为微米数量级，例如约0.05μm到约5μm的颗粒。通过具有适当体积的颗粒作为载体与尺寸远小于所述颗粒的生物小物质结合，能够有效地和方便的区分和检测各种纳米级或更小的生物小物质。

本发明的方法还包括检测靶物质，例如通过检测富集结合了靶物质的颗粒。可以通过各种已知的方法对生物物质进行检测，特别是可视性检测。可以采用具有荧光或其它形式的(例如化学发光，生物发光，辐射发光，电发光，电化学发光，机械发光，结晶发光，热致发光，声致发光，磷光和光致发光等)发光，酶促反应，放射性等标记的特异配体(通常与颗粒上具有的配体不同)去识别靶物质。例如，当靶物质是蛋白或酶时，可以采用具有荧光或放射性同位素标记的抗体特异性识别所述蛋白或酶，通过检测所述荧光或放射性同位素来检测靶物质。优选的，本发明的颗粒通过荧光性进行检测。所述颗粒，特别是聚合物颗粒上具有可检测的荧光基团，通过光学检测部件对富集的颗粒发出的荧光信号进行检测。常见的用于标记的荧光基团包括荧光素染料(例如fam、joe和hex)，罗丹明染料(例如r6g、tamra、rox)，和花青染料(例如cy3、cy3.5、cy5、cy5.5和cy7)等。

在本发明的其中一个方面，本发明的方法还可通过对颗粒的特征或标记信号进行检测来检测富集结合了靶物质的颗粒，包括而不限于根据颗粒的尺寸、分子重量、分子磁矩、折射率、电导率、电荷、吸光率、荧光性、极性等物理性质。例如，可通过在颗粒，特别是聚合物颗粒上加入荧光或放射性同位素标记。

本发明的方法可通过微流控设备实现。其中所述微流控设备包括流体通道，其具有入口和出口，所述一个或多个兰姆波谐振器设置于所述流体通道的壁(例如底部)上，将含有所述颗粒的溶液通入所述流体通道，所述颗粒在体声波引起的旋流中聚集，由此达到将颗粒富集的目的。

在本发明的其中一个方面，步骤(4)中包括使含有颗粒和/或样品的溶液进入流体通道，流经体声波引起的旋流，溶液中的颗粒停留在旋流中；

或者，(4)中包括将含有靶物质和/或颗粒的溶液通入微流道后，停止溶液的输入，然后开启兰姆波谐振器产生体声波，使得溶液中的颗粒汇集到体声波引起的旋流中。

本发明的方法可以通过不断通入溶液，使其流经体声波引起的旋流区域，溶液中的颗粒停留在旋流，溶液和其中不需要的粒子则流出通道。本发明的方法也可以将溶液通入微流道后，停止溶液的输入，经过一段时间，使得进入微流道的溶液中的颗粒都被汇集到旋流中。由于分散在溶液中的颗粒汇集到旋流中，达到了富集颗粒的作用。在颗粒携带可检测的信号时，达到了富集信号，增强检测的灵敏度的目的。本发明的方法可以将溶液中的颗粒/信号富集约10²-10⁴倍或更高。

在本发明的其中一个方面，所述微流控设备的流体通道的宽度为约50-1000μm，优选为约150-300μm，例如为约240μm。

在本发明的其中一个方面，所述微流控设备的流体通道的高度为约50-300μm，优选为约70-150μm，例如为约90μm。

在本发明的方法中，可通过调节所述微流控设备的不同的参数(例如体声波功率、溶液流速)来微调产生的旋流以聚集所述颗粒。

在本发明的其中一个方面，通过调节体声波的功率来进行所述微调。所述微流控设备通过功率调节装置调节所述兰姆波谐振器产生的体声波的功率。所述功率调节装置的输出功率为约50-1000μm，优选为约150-300μm，例如为约240μm。在一定的参数范围内，功率越高，越适合在旋流中快速聚集颗粒。

所述兰姆波谐振器产生的体声波由高频信号发生器的信号驱动。驱动谐振器的脉冲电压信号可以用脉冲宽度调制驱动，脉冲宽度调制可以产生任何期望的波形，例如正弦波、方波、锯齿波或三角波。脉冲电压信号也可以具有调幅或调频开始/停止能力，以开始或消除体声波。

在本发明的其中一个方面，通过调节所述溶液流经流体通道的流速来进行所述微调。所述微流控设备通过流速调节装置调节所述溶液的流速。在本发明的其中又一个方面，所述流速为约0.1-10mm/s，优选为约0.3-5mm/s，更优选为约0.5-2mm/s。在本发明的其中又一个方面，所述流速为约0.1-20μl/min，优选为约0.1-10μl/min，更优选为约0.5-5μl/min。一般情况下，更快的流速在一定时间内向旋流输送更多的目标颗粒。与此同时，更高速度的流场，可能降低旋流对粒子的混合效率和减少被捕捉颗粒的数目。

在本发明的其中一个方面，本发明的方法用于区分和检测样品中的多种靶物质。在所述方法中，提供多种不同的颗粒，特别是聚合物颗粒，其分别特异性结合所述多种不同的靶物质。

本发明的方法和系统是通过体声波在溶液中引起的旋流捕获和聚集颗粒-靶物质复合物，在不同的参数下可以聚集不同性质的颗粒-靶物质复合物，特别是不同尺寸的颗粒-靶物质复合物。通过在本发明的方法中采用不同的颗粒来捕获不同的靶物质，然后通过微调影响捕获颗粒的各种参数，达到分别区分或富集不同的靶物质。在本发明的其中一个方面，所述多种不同的颗粒和/或多个靶细胞具有不同的可检测的特征或信号。所述不同的颗粒-靶物质复合物可通过不同的方式或不同的信号进行检测。例如通过标记不同的荧光信号。例如通过检测不同大小的颗粒。由此，本发明的方法可以对同一个样品同时进行几种靶物质的检测，由此大大增加检测的方便性，并且由于可以显著减少样品的需求量，解决了临床上，特别是在使用小型化检测仪器、即时检测仪器时遇到的样品量不足的问题。

本发明还提供了用于从样品纯化靶物质的方法的微流控设备。在本发明的其中一个方面，所述微流控设备用于实现前述本发明的用于从样品纯化靶物质的方法。

在本发明的其中一个方面，所述微流控设备包括：

流体通道，其具有入口和出口；

一个或多个兰姆波谐振器，其设置于所述流体通道的壁上，所述兰姆波谐振器的频率为约50-1000mhz，优选为约200-500mhz，更优选为约300-400mhz；

功率调节装置，其调节所述兰姆波谐振器产生的体声波的功率；

流速调节装置，其调节所述溶液的流速，

所述兰姆波谐振器发射体声波，在溶液中产生旋流，颗粒在所述旋流中聚集。

在本发明的其中一个方面，所述微流控设备的所述流体通道具有输入样品的入口。在本发明的其中又一个方面，所述微流控设备的所述流体通道具有输入颗粒的入口。所述输入样品的入口和所述输入颗粒的入口可以相同或不同。所述颗粒，优选为聚合物颗粒，用于结合样品中的靶物质。

在本发明的其中一个方面，所述微流控设备的功率调节装置的输出功率为约0.1-500mw，优选为约0.5-100mw，更优选为约5-60mw。

在本发明的其中一个方面，所述微流控设备的流速调节装置可调节所述溶液的流速为约0.1-10mm/s，优选为约0.3-5mm/s，更优选为约0.5-2mm/s。

在本发明的其中一个方面，所述微流控设备的流体通道的宽度为约50-1000μm，优选为约150-300μm，例如为约240μm。

在本发明的其中一个方面，所述微流控设备的流体通道的高度为约50-300μm，优选为约70-150μm，例如为约90μm。

在本发明的其中一个方面，所述微流控设备的流速调节装置可调节所述溶液的流速为约0.1-20μl/min，优选为约0.1-10μl/min，更优选为约0.5-5μl/min。

在本发明的其中一个方面，所述兰姆波体声波谐振器为s0模式的兰姆波谐振器。

在本发明的其中一个方面，所述兰姆波谐振器的电极排布方式可为：仅有叉指顶电极、叉指顶电极加大片悬浮底电极、叉指顶电极加大片接地等。在本发明的其中又一个方面，所述兰姆波谐振器的电极排布方式的顶电极(topelectrode，te)和底电极(bottomelectrode，be)都是叉指电极。

在本发明的其中一个方面，所述兰姆波谐振器的压电材料层为aln。

本发明还提供了用于检测样品中的靶物质的方法的试剂盒。在本发明的其中一个方面，所述试剂盒可用于实现前述本发明的检测样品中的靶物质的方法。在本发明的其中一个方面，所述试剂盒可用于前述本发明的微流控设备。在本发明的其中一个方面，所述试剂盒可用于前述本发明的微流控装置。

在本发明的其中一个方面，所述试剂盒包含多种不同的颗粒，优选为聚合物颗粒，所述颗粒可结合样品中的多个靶物质。

在本发明的其中一个方面，所述试剂盒还包含一个或多个兰姆波谐振器。所述兰姆波谐振器可设置在微流道装置的流体通道上，通过发射体声波在溶液中产生旋流，颗粒在所述旋流中聚集。

在本发明的其中一个方面，所述试剂盒中的所述颗粒的尺寸为约0.01μm到约100μm，优选是约0.05μm到约10μm，更优选是约0.1μm到约5μm。

在本发明的其中一个方面，所述试剂盒中的所述多种不同的颗粒的尺寸不同，例如所述多种不同的颗粒相互有约1-200％的区别，优选有约5-100％的区别，更优选有约10-50％的区别。

在本发明的其中一个方面，所述试剂盒中的所述颗粒为非磁性的。

在本发明的其中一个方面，所述试剂盒中的所述颗粒为非形变的。

在本发明的其中一个方面，所述试剂盒中的兰姆波体声波谐振器为s0模式的兰姆波谐振器。

在本发明的其中一个方面，所述试剂盒中的兰姆波谐振器的电极排布方式可为：仅有叉指顶电极、叉指顶电极加大片悬浮底电极、叉指顶电极加大片接地等。在本发明的其中又一个方面，所述兰姆波谐振器的电极排布方式的顶电极(topelectrode，te)和底电极(bottomelectrode，be)都是叉指电极。

在本发明的其中一个方面，所述试剂盒中的兰姆波谐振器的压电材料层为aln。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明的方法和微流控设备中采用的示例性兰姆波体声波谐振器的制备工艺和实物。图1(a-h)是示例性的兰姆波体声波谐振器的制备工艺示意图：(a)形成空腔；(b)沉积磷硅酸盐玻璃(psg)作为牺牲层；(c)硅片的表面平坦化；(d)沉积底电极；(e)沉积压电层；(f)沉积顶电极；(g)刻蚀氮化铝层；(h)沉积金层和去除掉牺牲层。图1i是由扫描电子显微镜拍摄的兰姆波器件俯视图和比例尺。

图2为本发明的方法和微流控设备的示例性应用的示意图：在微流道底部设置兰姆波体声波谐振器；从微流道的入口通入功能化修饰的ps微球、psa(靶物质)，二抗(hrp标记的抗psa抗体)；形成的微球-psa复合物被兰姆波体声波谐振器发生的体声波在溶液中产生的旋流“捕获”和富集；以智能手机检测富集的psa样品携带的信号。

图3显示示例性的本发明的方法和微流控设备的三维有限元法模拟结果。图3(a)为俯视图，显示在压电纳米板器件上方产生四个尺寸相似的方向相反的旋流(在流体通道方向上前后各两个对称的旋流)。图3(b)为侧视立体图，显示进入流体通道的微粒被捕获并集中在流体通道方向上游的两个旋流中。

图4显示本发明的方法和微流控设备对fitc标记的聚苯乙烯(ps)微球的富集和检测。图4(a)显示谐振器未开时在流道内均匀分布的荧光微球；图4(b)显示谐振器作用10分钟之后在流道内聚集的荧光微球；图4(c)为对应的荧光强度随时间变化的曲线。

图5显示本发明的方法和微流控设备可以通过聚苯乙烯微粒作为载体结合前列腺特异抗原(psa)，然后通过体声波引起的涡旋富集和检测。图5中左上角图显示当流速固定为1μl/min时，不同功率对应的化学发光强度；图5中右上角图显示当功率固定为10mw时，不同流速对应的化学发光强度；图5中左下角图显示在缓冲液中的前列腺特意抗原(psa)的检测响应曲线(c)，图5中右下角图对应的标准曲线(d)。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的区间。

实施例1

微流体通道和兰姆波谐振器(lambwaveresonator，lwr)制备：

基于cmos兼容工艺的兰姆波谐振器的制造工艺

图1为该制造工艺的流程示意图。首先，通过反应性离子蚀刻来蚀刻硅基板，并形成气腔(图1a)。之后，使用化学气相沉积(cvd)将用作牺牲层的磷硅酸盐玻璃(psg)沉积在基板上(图1b)。在通过化学机械抛光(cmp)进行平坦化之后(图1c)，随后分步在基板上沉积底部电极(200nmmo膜)(图1d)，压电层(450nmaln膜)(图1e)和顶部电极(200nmmo膜)(图1f)。然后，通过基于cl2的等离子体蚀刻和氢氧化钾湿蚀刻来蚀刻aln膜(图1g)。之后，通过蒸发沉积au，并通过剥离部分去除au，最终形成叉指结构的电极；通过将已加工的硅片浸入稀释的氢氟酸溶液中来释放psg(图1h)。由此制备得到谐振频率为390mhz的兰姆波谐振器。谐振频率采用网络分析仪(agilent，e5061b)测量。图1i展示了用扫描电子显微镜(sem)拍摄的制备得到的兰姆波谐振器的俯视图。

微流体通道制备

构建长度为60mm，高度为90μm，宽度为240μm的pdms微流体通道，其放置在cmr芯片上。pdms微流体通道通过标准的软光刻技术制造得到：将pdms的预聚物和固化剂以10：1的比例混合；均匀混合并在真空中脱气后，将混合物倒在模具晶片上，在85℃下固化1h。

底部设置兰姆波谐振器的微流体系统

将兰姆波谐振器用夹具固定在pdms微通道芯片的底部中央位置，设置为振动方向(即叉指电极的横向方向)和液流方向一致。

实施例2

在本实施例的具体实施过程中，提供了一种微流控设备，其可用于检测样品中的颗粒-靶生物物质复合体。

本发明的方法涉及采用具有兰姆波体声波谐振器的微流控设备，将结合了靶生物物质的颗粒汇聚到兰姆波谐振器发射的体声波在流体中产生的旋流，实现对把生物物质和其上的可探测标记的富集和检测。图2为本发明的方法和微流控设备的示例性应用的示意图。左侧图显示：在微流控设备(未显示顶部)的微流道底部设置兰姆波体声波谐振器；从微流道的入口通入用捕获抗体进行功能化修饰的ps微球、psa(靶物质)，二抗(hrp标记的抗psa抗体)；形成的微球-psa复合物被兰姆波体声波谐振器发生的体声波在溶液中产生的旋流“捕获”和富集；右侧图显示：以智能手机通过微流道上方的检测孔(对着微流道底部的设置兰姆波体声波谐振器的位置)检测富集的psa样品携带的信号。

在本发明的方法中，通过颗粒-靶物质的特异结合来区别和捕获靶物质，同时利用与颗粒或靶物质携带的发光信号来进行检测。例如，可在在颗粒表面形成特异性结合和标记靶物质的三明治结构：在三明治结构中，捕捉配体可特异性识别和结合靶生物物质；捕捉配体事先被结合在颗粒表面，当捕捉配体和颗粒在溶液中接触到靶物质，则可形成颗粒-靶物质复合物，然后通过标记有荧光发光分子的检测配体与目标靶生物物质结合，通过检测荧光发光分子释放的荧光信号，可检测和定量生物蛋白分子。在某些情况下，荧光发光分子也可直接与目标靶生物物质结合。

在本发明的方法中，所述配体和靶物质可以是特异性结合的抗体/抗原、抗体/半抗原、酶/底物、酶/抑制剂、酶/辅因子、结合蛋白/底物、载体蛋白/底物、凝集素/碳水化合物、受体/激素、受体/效应物、或阻抑物/诱导物。在本发明的其中一个方面，所述靶物质是生物蛋白分子，配体是识别和结合该生物蛋白分子的特异性抗体。所述抗体可采用荧光发光分子标记。

本发明提供的微流控设备可以单独存在，也可以是一个微流控系统的一部分，例如以可装卸的芯片形式存在。微流控系统或装置可用于容纳和运输液体等流体材料，其流道尺寸在微米甚至纳米级别。典型的微流控系统和设备通常包括毫米级或更小尺寸的结构和功能单位。

所述微流控设备的流体通道，或称为微流道，除了供流体进入和流出的开口以外，一般是封闭的。流体通道的截面可以为各种形状，包括椭圆、矩形、方形、三角形、圆形等。可以用各种已知的微制备技术来制备流体通道，其材料包括但不限于硅石、硅、石英、玻璃或聚合材料(例如pdms、塑料等)。可以用涂层涂覆所述通道。涂层可改变通道的特性，并且可以图案化。例如，涂层可以是亲水的，疏水的，磁性的，传导的，或生物性功能化的。

本发明的方法利用设置在微流道底部的兰姆波体声波谐振器在谐振器的上表面的溶液中产生旋流。溶液样品中的颗粒/颗粒-靶物质复合物进入旋流后，在适当的条件(流速、谐振器输出电压等)下在旋流中“停留”和富集，由此可被检测。

本实施例的微流控设备可在流体通道底部设置一个或多个所述兰姆波体声波谐振器。在本发明的方法中，所述兰姆波体声波谐振器可产生频率为约50-1000mhz的振动，在溶液中引发相应频率的体声波。在液体中，在最边缘的电极条外侧，即aln被刻蚀形成谐振腔的侧向边界处，谐振器中激发的兰姆波部分地通过固液界面传入液体中，而并非完全被限制在固体当中。这种侧向泄漏的声波引发液体声流体效应。这种声波传播形式与saw的声流体效应显著不同。谐振腔的边界振动作为液体中声波的声源，可以被视为“线声源”，液体在谐振腔侧向边界附近的声波可被视作柱面波。在本实施例中，所述兰姆波体声波谐振器为s0模式的兰姆波谐振器。s0模式在长波极限附近几乎不存在色散，即相速度与厚度波长比几乎无关。这种模式的谐振器通过设计横向的波长即可基本确定谐振频率。根据兰姆波s0的振动特性，在谐振器的上表面，几乎是在水平面内的垂直于电极条方向上的振动，即振动方向位于器件表面固液界面所在平面内，因此在器件表面的液体中产生旋流。本发明采用的兰姆波谐振器可以在装置和液体的界面产生局部化的声流，不需要耦合介质或结构的帮助。

本实施例的微流控设备包括液体注入和流速调节装置，用于控制液体注入和/或控制液体的流速。在本发明的其中又一个方面，微流道中液体的流速为约0.1-10mm/s，优选为约0.3-5mm/s，更优选为约0.5-2mm/s。在本发明的其中又一个方面，微流道中液体的流速为约0.1-20μl/min，优选为约0.1-10μl/min，更优选为约0.5-5μl/min。

所述微流控设备包括输入样品或含有样品的液体的入口。所述微流控设备还包括输入含有颗粒的液体的入口。所述输入样品或含有样品的液体的入口和所述输入含有颗粒的液体的入口可以为同一个入口。可以通过外部压力源、内部压力源、电子动力学或磁场动力学方式来控制注入液体的流速。外部压力源和内部压力源可以是泵，例如蠕动泵、注射泵或气动泵等。在本发明的其中一个方面，可以通过用人工手动的方法方便地将样品或含有样品的液体滴入微流道入口，例如通过滴管或移液器。

本发明的微流控设备还包括功率调节装置，其调节所述兰姆波谐振器产生的体声波的功率。在本实施例中，所述功率调节装置为具有功率调节功能的功率放大器。在本发明的其中一个方面，所述功率调节装置的输出功率为0.1-100mw，优选为0.5-50mw，更优选为5-20mw。

本发明的微流控设备还可以包括检测设备，用于检测靶物质和/或颗粒的特征的信号。这些特征可包括分子尺寸、分子重量、分子磁矩、折射率、电导率、电荷、吸光率、荧光性、极性等物理性质。例如，检测设备是光电检测器，其包括照明源和光学检测部件，用于检测电荷、吸光率、荧光性等物理参数。在本发明的其中一个方面，所述靶物质的特征信号可用人眼直接观察；所述微流控设备具有供人眼直接观察的观测窗或观测孔。在本发明的其中一个方面，所述靶物质的特征信号可用相机(例如手提电话的相机)记录；所述微流控设备具有供相机取像的观测窗或观测孔。

实施例3

材料和实验

本发明的方法涉及的颗粒-配体-靶物质的特异性结合。在本申请示例性实施方式中，其中一种靶物质是前列腺特异性抗原(psa)，其配体为抗psa抗体。分别用不同的荧光信号标记psa或其抗体。

在本申请的实施例中，颗粒采用可商购的聚苯乙烯(ps)微球。对ps微球用荧光基团或蛋白基团进行标记。