阅读说明：本技术 量子等离子体共振能量转移和超快光子pcr (Quantum plasma resonance energy transfer and ultrafast photon PCR ) 是由 L·P·李 于 2018-10-31 设计创作，主要内容包括：公开了一种使用量子等离子体共振能量转移的快速且精确的分子诊断芯片,以用于执行超快聚合酶链反应(PCR)。该芯片包括功能分级的微流体结构,该微流体结构能够使用自供电的毛细管泵送来接收和输送样本,并且能够执行芯片上分离和目标病原体裂解。该芯片可以包括光阱,用以选择性地捕捉和富集样本的各种组分,诸如无细胞的脱氧核糖核酸(cfDNA)和外泌体。在一些情况下,处理设备可以接收诊断芯片,在诊断芯片内引发PCR,并且可选地从诊断芯片内的样本中检测诊断数据。(A fast and accurate molecular diagnostic chip using quantum plasma resonance energy transfer is disclosed for performing ultra-fast Polymerase Chain Reaction (PCR). The chip includes functionally graded microfluidic structures capable of receiving and transporting samples using self-powered capillary pumping, and capable of performing on-chip separation and target pathogen lysis. The chip may include optical traps to selectively capture and enrich various components of the sample, such as cell-free deoxyribonucleic acid (cfDNA) and exosomes. In some cases, the processing device may receive a diagnostic chip, initiate PCR within the diagnostic chip, and optionally detect diagnostic data from a sample within the diagnostic chip.)

量子等离子体共振能量转移和超快光子PCR

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年11月1日递交的名称为“QUANTUM PLASMONIC RESONANTENERGY TRANSFER AND ULTRAFAST PHOTONIC PCR(量子等离子体共振能量转移和超快光子PCR)”的美国临时申请号62/580,372的权益，其全部内容通过引用并入于此。

技术领域

本公开总体上涉及医学或科学诊断装备，并且更具体地涉及聚合酶链反应装备。

背景技术

聚合酶链反应(PCR)是一种基本工具，可应用于许多行业，尤其诸如医疗保健和医药、兽医、农业、食品和法医。PCR能够扩增脱氧核糖核酸(DNA)，这为检测和分析DNA(诸如通过荧光标记)提供了基础。因此，PCR是许多研究(例如，药物基因组学中的新药的发明)和诊断领域(例如，诊断患者的个性化医疗保健或跟踪病原体在流行病学中的传播)的重要工具。通常，PCR通常依靠重复的热循环来融化或变性DNA，然后通过使用DNA聚合酶(诸如Taq聚合酶)复制DNA。

当前的PCR技术涉及繁琐且费力的样本准备步骤，诸如DNA提取、纯化和定量，这可能花费数小时才能完成(例如，在一些情况下为1-3小时)。此外，商业PCR设备使用具有高功耗的大型加热元件，诸如需要300-600瓦交流电才能起作用的台式系统。

当前的PCR技术使用热循环装备来控制DNA样本的温度。在热循环过程中，样本管、样本井或其他腔常常包含量级为数十或数百微升或更多的DNA样本(例如血液或其他材料，有时带有载液)。然后，热循环装备被用来对样本管、样本井或其他腔施加热量和/或冷却，其然后通过将热量传导通过样本管、样本井或其他腔的壁来引发DNA样本的加热或冷却。与当前PCR技术相关联的装备可能会是昂贵的、大型的、笨重的，并且在操作期间可能会消耗大量功率。样本器皿可能会相对较大，约几十微升级别。此外，用于扩增DNA的整个处理时间通常约为50-60分钟或更长。薄膜加热器可以被用来尝试和控制基于静态微流体的PCR系统的温度，但是这种加热器需要复杂的制造过程来将薄膜加热器和电阻温度检测传感器集成到芯片上。此外，当前的基于微流体的PCR系统仍然依赖于标准的样本提取、分离和准备技术，这可能是麻烦的、费时的且昂贵的。

在使用当前技术对样本执行PCR之前，可能有必要准备样本。各种样本准备技术可能需要诸如离心机之类的机械与装备，以及许多的步骤和繁琐的程序。例如，来自患者的血液样本可能需要在各种收集、裂解、洗涤和洗脱步骤之间在离心机上经历多个循环。在一些情况下，可以使用其他样本准备技术。

当前的PCR技术还可能需要使用许多消耗品，诸如样本室、转移室和装备(例如，微量移液器吸头或擦拭材料)，以及其他多用途或一次性消耗品，这可能导致每次测试费用高昂。

发明内容

术语实施例和类似术语旨在广义地指代本公开和以下权利要求的所有主题。应当理解，包含这些术语的陈述不应限制本文所描述的主题或限制以下权利要求的含义或范围。本文所涵盖的本公开的实施例由以下权利要求书而非本发明内容来限定。本发明内容是本公开的各个方面的高级概述，并且介绍了一些概念，这些概念在下面的详细描述部分中进一步描述。本发明内容并不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在被单独用于确定所要求保护的主题的范围。通过参考本公开的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每个权利要求，应当理解本主题。

本公开的某些方面包括超快诊断设备，包括：样本输入端，用于接受包含期望粒子的样本；流体网络，包括从样本输入端向远端延伸的多个流体通路，其中流体网络包括：分离区，包括一个或多个腔，该一个或多个腔被配置为保留来自样本的不期望粒子，其中一个或多个腔与多个流体通路耦合，以允许期望粒子通过分离区；反应区，包括与多个流体通路流体地耦合的多个等离子体纳米腔，其中每个等离子体纳米腔包括相对的壁，该相对的壁各自包括等离子体材料层，其中等离子体纳米腔的相对的壁被间隔开约5纳米或更小的距离；以及窗口，允许光透射进反应区的多个等离子体纳米腔中和从反应区的多个等离子体纳米腔透射出，其中窗口允许具有可见光谱、红外光谱或紫外光谱中的波长的光透射。

在一些情况下，等离子体纳米腔的相对的壁被间隔开处于或小于3nm的距离。在一些情况下，流体网络还包括：泵送区，包括一个或多个毛细管，该一个或多个毛细管的尺寸被定成在样本到样本输入端中的引入时通过毛细管作用在样本中引发动力。在一些情况下，分离区的一个或多个腔形成功能梯度，该功能梯度具有尺寸被定成接受不期望粒子的开口。在一些情况下，分离区的一个或多个腔中的每个腔均从分离区内的多个流体通路中的一个流体通路延伸，以允许不期望粒子在腔内的重力沉降。在一些情况下，流体网络还包括：裂解区，包括一个或多个腔以及一组电极，该一个或多个腔用于接收样本的可裂解粒子，该一组电极被定位为在一个或多个腔处供应电流以促进裂解可裂解粒子，其中样本的期望粒子位于可裂解粒子内。在一些情况下，一组外部电触头可耦合到外部设备以用于将电流供应给一组电极。在一些情况下，分离区的一个或多个腔的尺寸被定成接受血细胞。在一些情况下，反应区的每个等离子体纳米腔的尺寸被定成接受单个双螺旋核酸。在一些情况下，反应区的每个等离子体纳米腔的相对的壁还包括介电材料层。在一些情况下，反应区的每个等离子体纳米腔还包括聚合酶试剂。在一些情况下，聚合酶试剂是冻干的聚合酶试剂。

本公开的某些方面包括一种诊断系统，包括：诊断芯片，包括如上所述的任何超快诊断设备；以及处理设备，用于处理诊断芯片，其中处理设备包括：容器，该容器的尺寸被定成接受诊断芯片；光源，被定位为当诊断芯片被定位在容器内时照射反应区；以及处理器，与光源耦合以控制光向反应区的施加，以在反应区的等离子体纳米腔中引发等离子体共振。在一些情况下，处理设备还包括检测器，该检测器耦合到处理器并且被定位为检测来自诊断芯片的反应区的电磁发射。

本公开的某些方面包括一种准备材料的方法，包括：在诊断设备的样本输入端处接收包含期望粒子的样本；在远端方向上将期望粒子输送通过流体网络，其中将期望粒子输送通过流体网络包括：将样本输送到分离区中，其中将样本输送到分离区中包括从样本中分离不期望粒子以及将期望粒子输送通过分离区；以及将期望粒子输送到反应区的等离子体纳米腔中，其中每个等离子体纳米腔包括相对的壁，该相对的壁各自包括等离子体材料层，其中每个等离子体纳米腔的相对的壁被间隔开约5纳米或更小的距离；以及通过窗口将光透射到等离子体纳米腔中的每个等离子体纳米腔中，其中光从由红外光、可见光和紫外光组成的群组中选择。

在一些情况下，将期望粒子输送到反应区的等离子体纳米腔中还包括：将期望粒子中的每个期望粒子输送到等离子体纳米腔中的独特等离子体纳米腔中。在一些情况下，将期望粒子的每个期望粒子输送到等离子体纳米腔中的独特等离子体纳米腔包括：将双螺旋核酸输送到等离子体纳米腔中的独特等离子体纳米腔。在一些情况下，将期望粒子输送通过流体网络还包括：使用毛细管作用将期望粒子泵送通过流体网络。在一些情况下，将样本输送到分离区中还包括：通过具有开口的功能梯度输送样本，该开口的尺寸被定成接受不期望粒子，其中从样本中分离不期望粒子包括以功能梯度捕捉不期望粒子。在一些情况下，以功能梯度捕捉不期望粒子包括：允许不期望粒子重力沉降到分离区的一个或多个腔中。在一些情况下，裂解可裂解粒子在流体网络的位于分离区的远端的裂解区内发生。在一些情况下，裂解可裂解粒子包括向分离区施加电流。在一些情况下，从样本中分离不期望粒子包括从血液样本中分离血细胞。在一些情况下，反应区的每个等离子体纳米腔的相对的壁还包括介电材料层。

本公开的某些方面包括一种诊断系统，包括：诊断芯片，包括流体网络和用于接受包含期望粒子的样本的样本输入端，该流体网络包括：分离区，包括一个或多个腔，该一个或多个腔被配置为保留来自样本的不期望粒子，其中一个或多个腔与流体网络的多个流体通路耦合，以允许期望粒子通过分离区；以及反应区，包括与多个流体通路流体地耦合的多个等离子体纳米腔，其中每个等离子体纳米腔包括相对的壁，该相对的壁各自包括等离子体材料层，其中等离子体纳米腔的相对的壁被间隔开约5纳米或更小的距离；以及处理设备，用于处理诊断芯片，其中处理设备包括：容器，该容器的尺寸被定成接受诊断芯片；光源，被定位为当诊断芯片被定位在容器内时照射反应区；以及处理器，与光源耦合以控制光向反应区的施加，以在反应区的等离子体纳米腔中引发等离子体共振。

在一些情况下，处理设备还包括检测器，该检测器被耦合到处理器并且被定位为检测来自诊断芯片的反应区的电磁发射。

本公开的某些方面包括一种诊断方法，其包括：根据示例13-22中任一项的方法来准备材料；以及在等离子体纳米腔中引发等离子体共振，其中引发等离子体共振包括用光照射反应区。

在一些情况下，加热期望粒子包括引起等离子体共振，并且其中冷却期望粒子包括停止用光照射反应区。在一些情况下，用光照射反应区包括使用光源，并且其中检测电磁发射包括使用光源照射反应区以唤起电磁发射。在一些情况下，该方法还包括将电磁发射存储为图像数据；以及分析图像数据以确定诊断推断。在一些情况下，分析图像数据包括使用深度神经网络来确定诊断推断。在一些情况下，分析图像数据包括：使用网络接口传输图像数据，其中使用网络接口传输图像数据使得：当被传输的图像数据被接收到时，该图像数据被应用于深度神经网络以生成诊断推断；以及使用网络接口接收诊断推断。

本公开的某些方面包括一种准备芯片的方法，包括：提供具有多个壁的衬底，该多个壁限定多个通道，其中多个通道包括具有处于或小于100nm的宽度的一个或多个通道；氧化多个壁的表面以形成氧化层；在氧化层上沉积等离子体材料；以及将试剂装载到多个通道中。

在一些情况下，提供衬底包括提供硅衬底，并且其中氧化多个壁的表面形成二氧化硅层。在一些情况下，多个通道包括具有处于或小于40nm的宽度的一个或多个通道。在一些情况下，多个通道包括具有处于或小于10nm的宽度的一个或多个通道。在一些情况下，沉积等离子体材料包括沉积金。在一些情况下，装载试剂包括将冻干的试剂装载到多个通道中。在一些情况下，装载冻干的试剂包括装载冻干的聚合酶链反应试剂。在一些情况下，装载试剂包括：将第一试剂装载到多个通道中的第一组通道中；以及将第二试剂装载到多个通道中的第二组通道中。在一些情况下，该方法还包括将核酸探针装载到多个通道中。在一些情况下，装载核酸探针包括：将第一核酸探针装载到多个通道中的第一组通道中；以及将第二核酸探针装载到多个通道中的第二组通道中。在一些情况下，多个通道中的每个通道具有开放的顶部，并且其中该方法还包括密封多个通道中的每个通道的开放的顶部。在一些情况下，密封多个通道中的每个通道的开放的顶部包括：利用允许光透射进通道中和从通道中透射出的窗口来密封多个通道中的每个通道。

本公开的某些方面包括一种用于对电子转移进行成像的方法，包括：将等离子体纳米天线定位在目标组织附近；用电磁能量辐照等离子体纳米天线，以引发等离子体纳米天线发射被发出的电磁能量，其中被发出的电磁能量与目标组织的电子转移相关联；测量来自等离子体纳米天线的被发出的电磁能量。

在一些情况下，目标组织是膜的离子信道(channel)。在一些情况下，离子信道是线粒体膜的细胞色素c蛋白。在一些情况下，用电磁能辐照等离子体纳米天线包括用光辐照等离子体纳米天线。

本公开的某些方面包括一种用于生物干预的方法，包括：将等离子体纳米天线定位在目标组织附近；以及通过用电磁能量辐照等离子体纳米天线来操纵目标组织的电子转移。

在一些情况下，目标组织是膜的离子信道。在一些情况下，离子信道是线粒体膜的细胞色素c蛋白。在一些情况下，用电磁能量辐照等离子体纳米天线包括用光辐照等离子体纳米天线。

附图说明

说明书对以下附图进行参考，其中在不同附图中使用相同的附图标记旨在示出相同或相似的组件。

图1是根据本公开的某些方面的等离子体PCR系统的示意图。

图2是根据本公开的某些方面的诊断芯片的俯视图。

图3是根据本公开的某些方面的诊断芯片的侧视截面图。

图4是根据本公开的某些方面的诊断芯片的裂解区的正视截面图。

图5是根据本公开的某些方面的超快诊断设备的示意性侧视图。

图6是描绘根据本公开的某些方面的用于实施芯片上过滤、裂解和反应的过程的流程图。

图7是根据本公开的某些方面的诊断芯片的一组支柱的组合轴测图以及描绘了支柱之间的通径的示意性截面图。

图8是描绘根据本公开的某些方面的在等离子体纳米腔内的核酸的等离子体辅助的变性的示意性截面图。

图9是描绘根据本公开的某些方面的在等离子体纳米腔内的核酸的等离子体辅助的伸长的示意性截面图。

图10是描绘根据本公开的某些方面的在等离子体纳米腔内的外泌体的等离子体辅助的捕捉的示意性截面图。

图11是描绘根据本公开的某些方面的装载有多重试剂的反应区的示意图。

图12是描绘了根据本公开的某些方面的具有装载有多重试剂的试剂区的诊断芯片的一组示意性俯视图。

图13是描绘了根据本公开的某些方面的用于处理诊断芯片的处理设备的示意图。

图14是描绘了根据本公开的某些方面的等离子体加热和冷却的示意图。

图15是描绘了根据本公开的某些方面的用于收集和分析样本的过程的流程图。

图16是根据本公开的某些方面的具有热裂解的诊断芯片的俯视图。

图17是描绘了根据本公开的某些方面的用于准备诊断芯片的过程的流程图。

图18是描绘了根据本公开的某些方面的诊断芯片的裂解区的示意图。

图19是根据本公开的某些方面的纳米新月形天线的侧视图。

图20是根据本公开的某些方面的多层纳米新月形天线的侧剖视图。

图21是根据本公开的某些方面的可用于实现膜的离子信道的纳米天线的示意性侧视图。

具体实施方式

本公开的某些方面和特征涉及利用量子电子转移进行生物学应用，诸如执行聚合酶链反应。如本文中所使用的，量子电子转移可以是指量子等离子体能量转移和量子生物电子转移(QBET)。QBET可以是指转移电子与生物系统中量子力学隧穿的耦合。

本公开的某些方面和特征涉及一种诊断芯片，该诊断芯片能够通过利用量子等离子体能量转移来执行超快聚合酶链反应(PCR)。芯片可以包括功能分级的微流体结构，该微流体结构能够使用自供电的毛细管泵送来接收和输送样本，并且能够执行芯片上的分离和目标病原体裂解。该芯片可以包括光阱，用以选择性地捕捉和富集样本的各种组分，诸如无细胞的脱氧核糖核酸(例如，codas)和外泌体。在一些情况下，处理设备可以接收诊断芯片，在诊断芯片内引发PCR，并可选地在诊断芯片内从样本中检测诊断数据。

在一些情况下，诊断芯片可以包括限定通道(例如，通路)和穿过其中的间隙的支柱的阵列或其他结构。支柱的阵列可以从衬底延伸，位于衬底上，耦合至衬底，或者以其他方式与衬底集成。衬底可以由任何合适的材料形成，诸如聚(甲基丙烯酸甲酯)，其也可以被用作诊断芯片的支柱或其他特征的基础材料。可以以任何合适的方式来制造芯片，包括通过光阻蚀刻、用聚二甲基硅氧烷模制、激光加工或激光压花。整个芯片或芯片的某些部分对于诸如红外光、可见光和/或紫外光之类的光可以是透明的或半透明的。在一些情况下，芯片的对光透明或半透明的部分可以是窗口。

支柱的阵列中的支柱可以是任何合适的形状，但是在一些情况下，支柱可以是六角形形状(例如，横截面)并以六角形阵列进行布置。六角形形状可以提供较大的表面区间。六角形支柱的阵列可以促使热点耦合并且具有如本文所公开的其他优点。可以使用其他形状，诸如圆形、三角形、领结、新月形和其他形状。至少部分地由支柱所限定的通道可以构成能够通过诊断芯片输送流体的流体网络。流体网络可以从样本输入端通过芯片的不同部分输送流体，诸如样本。如本文中所使用的，关于相对于流体网络或流体网络的任何部分输送样本、流体或粒子，术语“通过”可以包括将样本、流体或粒子运送到流体网络的各部分中和/或沿着流体网络的部分将其运送，但不一定超出流体网络或流体网络的任何部分。因此，通过流体网络输送期望的粒子可以包括沿着一个或多个通道将期望的粒子输送到流体网络中，并且输送到反应位置(例如，反应井)中，而无需离开流体网络。

在一些情况下，由于通道和/或支柱的高度中的梯度以及支柱之间的间隙(即，间隙连结)中的梯度，支柱的阵列可以形成纳米流体梯度发生器。例如，通道的高度和/或支柱的高度可以沿着芯片内的下游方向改变(例如变小)。因此，通径可能开始变高，然后慢慢变短。同样，通道可以包括从其延伸的腔(例如，沟槽)，当样本流过通道时，细胞组分和碎片可在其中沉积或捕捉。这些腔或沟槽在样本输入端附近可能会更深，而在距离样本输入端更远的地方会变得更浅。因此，芯片内的支柱的拓扑结构或流体网络内的通道或沟槽的拓扑结构可以在不需要离心的情况下就可以允许重力辅助地从样本中分离出所期望的粒子。这种类型的功能梯度微流体可以实现超级小型化和其他改进。

芯片的不同区可以执行各种功能，诸如分离、泵送、裂解和反应(例如，PCR)。区可以包含流体网络的各部分，包括通道或通道的各部分。不同区可以彼此不同或者可以彼此重叠。例如，在一些情况下，流体网络的特定部分可以被认为仅是单个区的一部分，但是在其他情况下，流体网络的特定部分可以被认为是两个或多个区的一部分。例如，泵送区的特征(例如，通道)也可以被用来分离样本，并且因此也可以被认为是分离区的一部分。

在一些情况下，区可以相对于彼此顺序地定位。例如，分离区可以位于泵送区的上游(例如，与之邻近)，泵送区可以位于裂解区的上游(例如，与之邻近)，裂解区可以位于反应区的上游(例如，与之邻近)。在一些情况下，可以以任何适当的组合使用更少或更多的区。

样本输入区可以接收样本。样本可以是流体样本，诸如血液、唾液或呼出的凝结物。在一些情况下，非流体样本(例如皮肤表面材料)可以在沉积到样本输入区中之前或期间与流体结合。例如，在使用皮肤拭子的情况下，可以擦拭皮肤的表面，并且可以将拭子放置在包含流体的管中，该流体可以在将样本提供给诊断芯片之后促进流过流体网络的流动。然而，在一些示例中，包含来自皮肤表面的材料的拭子可以被直接放置到样本输入区，并与已经存在于样本输入区中或同时被供应到样本输入区中的流体混合，以将皮肤表面材料夹带在流体中。在一些情况下，样本输入区可以包括载液的贮存器，用于接受非流体样本并通过流体网络输送样本。

在一些情况下，可以使用血液样本，该血液样本可以从脚刺、指刺、静脉穿刺或其他方式来进行收集。在一些情况下，样本输入区可以包括诸如刺血针之类的内置抽血设备，以直接开始向样本输入区中抽血(例如，经由指刺)。在一些情况下，样本输入区的形状可以使其易于接收液滴，从而促进手动沉积流体样本。在一些情况下，样本输入区的形状可以使其与血液容器(例如，充血的采血管)互连和/或与之互锁，以促进将样本沉积到样本输入区中。在一些情况下，样本输入区可以包括可移动和/或可替换的盖，以保持流体网络的完整性不受污染。在一些情况下，样本输入区还可以包括过滤器，诸如被设计成在样本沿着流体网络向下继续之前从样本中滤出诸如污物之类的粗污染物的过滤器。

样本可以包括流体内的粒子。粒子可以包括样本的细胞、细胞结构、核酸、细菌、病毒、外泌体、囊泡或任何其他非流体部分。在一些情况下，粒子可以包括可裂解粒子，其可以是具有能够被裂解的膜或类似结构的任何粒子，诸如细胞和外泌体。通常，可裂解粒子可以包括耦合至或包含在可裂解粒子的膜内的有效载荷。这样的有效载荷本身可以是另一粒子。如本文中所使用的，术语期望的粒子或反应粒子可以是指期望被递送至用于执行诸如PCR之类的特定反应的反应区的那些粒子。例如，期望粒子或反应粒子可以包括核酸，诸如DNA，包括无细胞DNA。在一些情况下，术语期望粒子可以是指期望被递送到后续的区以进行后续处理的粒子。

分离区可以包括能够从样本中分离期望粒子的芯片的各部分(例如，流体网络的各部分)。分离区可以包括诸如如上所述的功能梯度的微流体，以将不期望粒子与期望粒子相分离。不期望粒子可以保持被捕捉在流体网络中，诸如被捕捉在流体网络的沟槽内，而期望粒子可以被运送到分离区的后续的区或后续的区域。在一些示例中，诸如当样本包括血液时，分离区可以将外泌体与红细胞相分离，在这种情况下，红细胞可以被保留在流体网络的沟槽中，并且外泌体可以被递送至后续的区。

泵送区可以包括能够促进样本和/或粒子通过流体网络移动的芯片的各部分(例如，流体网络的各部分)。泵送区可以包括通道、通道的各部分或其他唤起毛细管作用的特征，从而导致样本和/或粒子通过流体网络移动。泵送区可以部分或完全重叠分离区(例如，被并入分离区中，诸如分离区的泵送元件)，但是并非必须如此。可以通过流体网络的几何形状和拓扑结构(例如，限定流体网络的支柱或其他结构的几何形状和拓扑结构)来调谐泵送区的芯吸能力(例如，流速)。例如，可以改变六角形支柱之间的长度和间隙以实现期望的流速。可以通过对设备进行缩放以及通过改变流体网络的几何形状和拓扑来调谐芯吸能力(例如，体积)。

裂解区可以包括能够裂解可裂解粒子(例如外泌体)以释放另外的粒子(例如，核酸)以供分析的芯片的各部分(例如，流体网络的各部分)。在一些情况下，可以通过局部氢氧化物(2H₂O→H₃O⁺+OH^-)生成以从可裂解粒子中提取核酸来实现裂解。在一些情况下，通过在裂解区内施加电流可以产生局部氢氧化物。裂解区可以包括通道、腔和/或沟槽。可以在这些通道、腔和/或沟槽中、通过其和/或在其附近(例如，通过与之紧密流体连通的区域)生成电流，以生成足够的氢氧化物来裂解位于通道、腔和/或沟槽内的可裂解粒子。在一些情况下，裂解区可以被准备为包括适合于裂解的试剂，以促进可裂解粒子的裂解，但是并非必须如此。

反应区可以包括能够执行诸如PCR之类的期望反应的芯片的各部分(例如，流体网络的各部分)。反应区可以包括通道、腔(例如井)、沟槽或流体网络的其他特征，其可以捕捉或包含反应粒子(例如DNA)。反应区的流体网络的通道、腔、沟槽或其他特征可以用引物、探针和/或试剂(诸如聚合酶(例如适用于PCR的聚合酶))准备或预先填充(例如预先装载)。在一些情况下，可以使用热稳定的聚合酶。在一些情况下，PCR试剂(例如，聚合酶)可以是抗抑制剂的试剂(例如，对PCR抑制剂具有抗性，诸如无细胞的血红蛋白)。单个芯片可以包含任何数目的不连续反应位置(例如，通道、腔、沟槽或要发生反应的流体网络的其他特征)。

在一些情况下，在将试剂预先装载到流体网络的通道、腔或其他特征之前，可以将其冻干(例如，冷冻干燥)。在一些情况下，冻干可以包括使用冻干保护剂，诸如海藻糖、山梨糖醇和甘油，但是也可以使用其他冻干保护剂。冻干试剂(例如冻干聚合酶)的使用可以提高芯片的货架寿命，并且可以允许在不需要冷藏的情况下存储芯片。预先装载到流体网络中的其他材料也可以被冻干。

在一些情况下，可以通过用不同的引物、探针和/或试剂预先装载反应区的不同区域的流体网络的通道、腔、沟槽或其他特征来执行多重分析。因此，每个不同区域(例如，多重区域)可以基于来自相同样本的粒子的相同集合来提供独特的分析。例如，芯片可以在第一区域中预先装载有特定于第一病原体的第一引物，并在第二区域中预先装载有特定于第二病原体的第二引物。因此，当样本被供应到样本输入区并且反应粒子流入到反应区中时，一些反应粒子将流入到第一区域中，并且一些反应粒子将流入到第二区域中。当将光施加到反应区以执行反应(例如PCR)和/或分析时，可以执行两种不同的测定：一种相对于第一区域，一种相对于第二区域。因此，对于单个样本和单个反应阶段(例如，同时反应)，以及可选地单个分析阶段(例如，从包含多个多重区域的整个反应区检测数据)，可以获得两组不同的结果。在前述示例中，单个反应阶段和单个分析阶段可以导致确定样本中是否存在第一和第二病原体。可以使用任何数目的区域用于多重分析，包括不同引物、探针和/或试剂的任何组合。

在一些情况下，反应区的不同的多重区域可以在结构和/或拓扑上彼此相同(例如，具有相同维度的通道以及具有相同组成和形状的等离子体纳米天线)。在这样的情况下，如本文所公开的，不同的多重区域可以预先装载有不同的引物、探针和/或试剂。然而，在其他情况下，反应区的不同的多重区域可以在结构和/或拓扑上彼此不同以实现不同的多重分析，诸如具有不同大小或形状的通道，不同大小或形状的支柱和/或具有不同材料或层的等离子体纳米天线。也可以使用其他差异。

在一些情况下，反应区可以包含等离子体纳米腔以促进量子等离子体PCR，如本文所述。等离子体纳米腔可以是流体网络的一部分，诸如反应区的通道、腔、沟槽或其他特征。等离子体纳米腔可以至少部分地由等离子体纳米天线的壁或表面来限定。在一些情况下，等离子体纳米腔可以包括相对的壁或表面，它们是间隔一定距离的等离子体纳米天线，该距离为十分之一纳米或几纳米的距离，这可以被称为等离子体纳米间隙结。在一些情况下，等离子体纳米天线可以被分隔开一个间隙，该间隙约是10、9、8、7、6、5、4、3、2、1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4或0.3纳米。在一些情况下，等离子体纳米天线可以被分隔开一个间隙，该间隙约是2-8nm，3-5nm，2.5-4nm或3-4nm。该间隙宽度可以对应于反应区中的流体网络的通径、腔或其他特征的宽度，其可以被视为纳米腔的相对的壁之间的距离。等离子体等离子天线可以是支柱的壁，其限定(例如，限制)位于反应区的流体网络的特征，该壁包括等离子体材料或已经被处理以显现等离子体共振。在一些情况下，等离子体纳米天线可以包括具有一层或多层的结构(例如六角形支柱)，该层包括至少一层等离子体材料(例如，等离子体层)，诸如金或银。等离子体层可以是等离子体材料的薄膜层(例如，厚度约为100nm-200nm)，但是可以使用任何合适的厚度。在一些情况下，可以在等离子体层的下方或上方使用其他层，诸如介电膜(例如，TiO₂或其他介电涂层)。在一些情况下，可以使用聚乙二醇(PEG)层。聚乙二醇层可以是最外层(例如，与流体网络中的流体接触)，或者可以至少存在于等离子体层上方。可以在芯片制造过程中通过聚乙二醇化来添加聚乙二醇层。在一些情况下，可以在流体网络的至少一些部分中使用高度疏水的人造表面(例如，使用具有疏水表面的最外层)，以促进将粒子引导至期望的位置，诸如通道、腔和用于使粒子反应的流体网络的其他特征(例如反应井)。

在一些情况下，等离子体纳米天线可以具有其他形状，以允许光场的操纵和电磁场的集中。当使用六角形支柱时，在六角形支柱的各个面之间的拐角处可能存在更高密度的电子，从而提供高的、局部化的等离子体加热。

可以使用任何合适的技术来制造等离子体纳米腔。在一些情况下，可以使用硅衬底和电子束光刻技术来制造等离子体纳米腔，在那之后可以发生图案化硅结构的热氧化和金属沉积，以将间隙减小至所期望的尺寸。在一些情况下，可以使用原子层光刻、极紫外(EUV)光刻、多次EUV光刻或干涉/全息光刻来形成等离子体纳米腔。

通过允许材料表面上的自由电子共振(例如，响应于光冲击)，可以使等离子体纳米天线包括显现出等离子体共振的任何合适的等离子体材料，诸如金、银、铝、铂。等离子体纳米天线可以增强光吸收，并可以通过光热转换提供有效的局部热生成。而且，等离子体引发的电子可以从等离子体纳米天线转移到附近的材料，诸如半导体、有机物、聚合酶和核酸。这种电子转移以及等离振子共振能量转移可以促使酶的活性和DNA聚合——诸如通过增强其生化反应，从而这可以导致扩增速度的提高(例如，PCR速率的提高或完成PCR所需时间的减少)。

在一些情况下，具有散热器的等离子体纳米天线阵列还可以促进冷却附近的材料。等离子体纳米天线可以包括、耦合至、或靠近诸如硅或铝之类的散热器材料，其可以促进反应区内的冷却。

纳米天线暴露于光可以激发纳米天线表面上的自由电子。电子-电子散射导致的能量级变化可导致纳米天线表面上的温度快速升高(例如，表面快速加热)。温度可以通过电子-声子耦合(例如，晶格加热)而迅速达到平衡。一旦光源关闭，热能量就可以迅速被散发到周围环境中(例如，散热)。

在反应区中，反应粒子(例如，DNA)可以变成位于或被捕捉在等离子体纳米腔内。在施加诸如光能量(例如，红外、可见光或紫外光)之类合适的电磁发射后，等离子体纳米天线可以局部加热附近的流体、试剂和反应粒子，并提供量子等离子体共振能量转移以引发进一步加热并提高反应速度以执行反应(例如，使DNA变性或聚合)。使用等离子体纳米天线来促进PCR在本文中可以被称为量子等离子体PCR。

提供给量子等离子体PCR的反应区的光能量可以由诸如发光二极管(LED)之类任何合适的光源来提供。在一些情况下，可以获得低成本、低功耗(诸如处于或小于约3瓦)的合适的LED。

在一些情况下，反应区内的流体网络的通道、腔或其他特征可以被配置用于数字PCR(例如，数字量子等离子体PCR)。在这样的配置中，反应粒子可以被分布到多个纳升的腔(例如，通道、腔或其他特征)，其每一个都可以包含零个或一个要被扩增和分析的目标核酸。在一些情况下，流体网络可以被配置为确保仅零个或一个目标核酸(例如单链或单个双螺旋)可以被捕捉在单个腔内，但是在一些情况下，流体网络可以被配置为确保约零个或一个目标核酸(例如零个、一个或者可能的少量其他核酸)将被捕捉在单个腔内。可以在这些腔的每一个中同时实施量子等离子体PCR。当使用任何合适的检测技术进行分析时，最初包含核酸的腔将被检测到(例如，由于核酸的存在以及在扩增过程中产生的大量副本)，而最初不包含核酸的腔将不会被检测到(例如，将被检测为空)。通过对包含目标核酸的腔的数目进行计数，可以确定目标核酸在原始样本中的确定量或基本上确定的量(例如，数目或百分比)。因此，数字量子等离子体PCR可以实现分子的免校准绝对定量。在许多情形下，诸如在与临床临界值进行比较时，这种定量可能很有用。

在一些情况下，裂解区、反应区和/或组合的裂解与反应区可以被用来捕捉、裂解和反应外泌体。在该区中，支柱之间的间隙(例如，通道的维度)可以在约10-100纳米之间，诸如至少约5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、85nm、90nm或95nm。在一些情况下，可以使用其他尺寸，诸如大于100nm或小于10nm的尺寸，这取决于要被捕捉的外泌体的尺寸。

当外泌体穿过支柱之间的间隙时，它们可以通过将光施加到支柱的等离子体表面上而被光学地捕捉在适当的位置。到达等离子体表面的光可以生成表面等离子体，该表面等离子体可以与相邻的表面等离子体耦合在一起。在相邻支柱之间的间隙接近的位置处(例如，在等离子体纳米腔处)，相邻表面等离子体之间的相互作用可以在间隙上生成等离子体场。由于与等离子体场的相互作用，在等离子体场内或进入到等离子体场中的外泌体可被捕捉。因此，光的施加可以被用来将外泌体或其他粒子光学地捕捉在芯片内所期望的位置处的适当位置。此外，等离子体纳米腔的使用可以允许使用光来捕捉外泌体和其他粒子，而无需诸如聚焦激光器之类的复杂且高度聚焦的照明系统。而是，LED的散射光可以提供必要的光能量，从而导致外泌体或其他粒子的捕捉。

一旦将外泌体捕捉在等离子体纳米腔中，进一步的光(例如，更强的光)的施加就可以被用来在等离子体纳米腔内生成热量并加热外泌体。可以精确地控制热量的施加，以达到外泌体开始裂解的点。一旦发生裂解，就可以移除光能量并将外泌体返回到较低的温度。

在裂解之后，如本文所述，以受控的模式或循环施加光可以被用来执行诸如PCR之类的反应。由于外泌体已被裂解，核酸可能能够离开外泌体和/或试剂可能能够进入外泌体，从而实现了基于试剂的反应，这在裂解之前是不可能的。以这种方式，可以对外泌体执行反应而无需化学或电化学裂解。

在一些情况下，诸如扩增的核酸之类的反应的材料可以在位于诊断芯片内时被检测，诸如在与被用来使那些材料起反应的流体网络相同的通道、腔和/或其他特征内时被检测。反应的材料可以包括在反应区内已经受反应的任何材料，诸如扩增的DNA。

可以以任何合适的技术来检测和/或测量反应的材料。可以光学地、电气地(例如，经由循环伏安法)或以其他方式(例如，经由放射性标记、非光学电磁发射等)检测反应的材料。基于检测技术，可以使用合适的传感器。例如，光学检测可以利用光学传感器，诸如图像传感器(例如照相机)。

在一些情况下，检测可以包括提供入射光以响应于该入射光而唤起响应，诸如荧光响应或其他发射的辐射。例如，如本文所述，光学检测可以包括在已经用光能量辐照了对应的等离子体纳米天线之后检测在等离子体共振电子转移期间发射的光辐射的光谱中的猝灭骤降。在一些情况下，等离子体共振电子转移可以唤起或促进荧光，诸如荧光标记的荧光。任何合适的光源可以被用来唤起可检测响应(例如，荧光响应)，但是在一些情况下，用于唤起可检测响应的光源可以与被用来执行反应(例如，PCR)的光源相同。例如，单个LED或一组LED不仅可以被用来在反应阶段期间执行PCR反应，而且可以在检测阶段期间唤起可检测响应。任何合适的光源都可以被使用，但是在一些情况下，可能希望使用能够同时向整个反应区提供光能量的LED，而不是使用激光光源，因为激光光源可能仅限于一次向反应区的部分提供光能量(例如，由于束直径狭窄)。在一些情况下，被配置为同时照射整个反应区的光源对于多重测定可能是有益的。

诊断芯片可以在任何合适的设备(例如处理设备)上进行处理(例如，反应和/或分析)。在一些情况下，处理设备可以是基于地板、基于工作台的移动或便携式设备。在一些情况下，处理设备可以一次处理一个芯片，或一次处理多个芯片。处理设备可以经由有线(例如通用串行总线)或无线(例如蓝牙或WiFi)连接而耦合到计算机、平板电脑、智能手机或其他计算设备。在一些情况下，处理设备可以包括集成计算机或计算设备。在一些情况下，处理设备可以耦合到诸如局域网或广域网(例如，因特网)之类的网络。

在处理期间，芯片可以被放置在处理设备中、处理设备上方或处理设备下方。在一些情况下，芯片可以被放置在处理设备的容器中。容器可以在处理过程中完全或部分地接收芯片。所述处理设备可以控制以用于执行期望反应的期望模式(例如，PCR的循环)从光源施加光。可以从一个或多个集成光源施加光。在一些情况下，可以使用光耦合器将来自光源的光引导到芯片上。光可以被引导通过芯片的窗口或光导管并到达芯片的等离子体纳米天线上。光源可以是任何合适的光源，诸如LED。可以使用任何合适的波长的光，诸如红外、可见光或紫外光。光的波长可以被调谐到等离子体纳米腔以实现有效的结果。

在一些情况下，处理设备还可以包括检测器，用于检测和/或测量来自处理设备的数据，诸如荧光或其他发射。可以使用诸如照相机或其他成像传感器(例如，金属氧化物半导体传感器)之类的任何合适的检测器来检测来自芯片的荧光。在一些情况下，光源可以在芯片的反应区中引发荧光或其他可检测的发射。在一些情况下，可以使用单个光源(例如，单个LED或LED阵列)来执行反应和检测，但是并非必须如此。在一些情况下，处理设备可以包括辅助光学设备，诸如镜头和耦合器。

在一些情况下，处理设备还可以包括用于监视芯片温度的温度传感器，但是并非必须如此。在一些情况下，可以基于被设计为实现所期望的温度循环的预设计划来执行反应期间的光能量的施加。在一些情况下，光能量的施加可以至少部分地基于来自温度传感器的反馈。在一些情况下，光能量的施加可以至少部分地基于反应区的热模型。

处理设备可以对由成像传感器检测到的图像数据执行分析，或者可以将图像数据卸载到另一计算设备，诸如计算机、平板电脑、智能手机或服务器。在一些情况下，可以提供附加的元数据，诸如芯片序列号、患者标识、位置信息(例如，全球定位系统信息)、测定信息(例如，样本源位置或样本类型)或任何其他此类数据。元数据可以包括自动生成的数据(例如，在处理过程中自动生成的时间戳)或手动输入的数据。可以使用任何合适的输入设备来输入手动输入的数据，输入设备诸如是键盘、触摸屏、照相机(例如，以读取条形码或拍摄患者或样本部位的照片)或其他这样的输入设备。输入设备可以被集成到处理设备中(例如触摸屏)，可移除地耦合到处理设备(例如可移动键盘)，或者以其他方式联网到处理设备(例如智能手机上的输入设备)。在一些情况下，将数据(例如，图像数据和元数据)卸载到另一计算设备可以包括使用中继设备(例如，智能电话)来将数据从处理设备中继到计算设备(例如，基于云的服务器)。

在一些情况下，处理设备或与之耦合(例如，直接耦合或与之联网)的计算设备可以对图像数据执行初始处理。初始处理可以包括执行一个或多个图像操纵(例如，图像校正、归一化和掩蔽)以及可选地对图像数据进行分析。对图像数据进行分析可以包括确定芯片上何处检测到荧光或其他发射。在一些情况下，这些位置可以与多重测试的特定测定相关联，但是并非必须如此。图像数据的分析可以产生摘要数据(例如，数字测定中目标核酸的总计数)和/或诊断数据(例如，关于样本中存在特定病原体的推断)。在一些情况下，对图像数据进行分析可以基于在图像数据中标识的或从图像数据推断出的特定特征而得到结构化数据。分析可以包括利用模型，诸如机器训练的模型(例如，深度神经网络)。以这种方式，用户可以能够在使用处理设备时获得初始结果，同时实际图像数据可以被传输到服务器以进行进一步(可能更准确)的分析，诸如使用计算成本更高的建模技术和/或更广泛的模型。在一些情况下，该分析是在服务器上执行的，并且结果可以被发送回处理设备或其他计算设备(例如，智能手机)以呈现给用户或患者。呈现给用户(例如，临床医生)或患者的数据可以以用户友好的格式而被呈现。用户友好的格式可以基于在图像数据中已被标识的特征，也可以基于将图像数据应用于模型之后得出的推断。用户友好的格式可以包括解释信息，用于解释为什么特定特征被识别以及如何进行某些推断。

可以以任何合适的方式训练用于分析的模型，包括随机森林、支持向量机和贝叶斯网络。此外，深度学习和深度神经网络可以被用来分析数据以构建和/或改进模型。可以以任何合适的方式(诸如通过监督学习)来训练深度神经网络。由于芯片拓扑结构在制造之间可能略有不同，因此相对于不同芯片之间的成像传感器，在其中已经发生反应的流体网络的各个通道、腔或其他特征的确切位置可能不一定位于样本位置。因此，可以训练深度神经网络(例如，卷积神经网络)以处理图像数据并识别表示流体网络的各个通道、腔或其他特征的像素。此外，去噪自动编码器可以被用来促进估计来自不确定像素数据的读取。受限的玻尔兹曼机可以被用来减少数据的高维性。被用来对模型进行训练的元数据可以促进解释图像数据中的某些变化，诸如由于疾病异质性、采样部位(例如指刺或皮肤拭子)、一天中获得样本的时间或其他原因引起的变化。在一些情况下，可以使用变更检测技术来确定何时重新训练机器学习模型，以减轻数据漂移和新疾病的出现。在一些情况下，可以使用传入数据(例如，图像数据和元数据)进一步改进现有模型。

根据本公开的某些方面和特征的诊断芯片的使用可以包括：接收样本，准备用于反应的样本(例如，分离和裂解)，以及使样本反应(例如，PCR)。可以使用诸如上述那些合适的技术在样本输入区处接收样本。如本文所公开的，可以使用处理设备使芯片反应。在一些情况下，处理设备可以另外检测和/或分析芯片，从而生成图像数据和/或诊断结果。

样本准备可以包括多个方面，诸如分离和裂解。分离可以包括从样本液中去除细胞组分和碎片。高效有效的碎片去除对提高PCR和后续分析的分析灵敏度和特异性很重要。此外，分离可以包括去除或消除PCR的抑制剂。可以在分离之后发生的裂解可以促进从可裂解粒子中提取核酸。例如，病原体分析可能需要病原体的裂解以提取将使用PCR进行扩增的核酸。尽管在常规PCR技术中分离和裂解可能是耗时且费力的工作(例如，需要手动准备步骤、离心、裂解和过滤)，但是本公开的某些方面和特征可以实现超过常规PCR技术的合适的、可比较的甚至改进的结果。本公开的某些方面和特征使得能够在超快过程中进行片上分离和裂解。此外，在本公开的某些方面中，使用自供电的毛细管作用来驱动分离和裂解过程避免了对具有高功率消耗的昂贵泵的需求。此外，本文所公开的功能梯度的使用可以允许快速分离而无需过滤器，过滤器会阻塞其中的粒子并对其中的粒子引起溶血或其他不希望的损害。避免溶血对于产生高效、准确和可靠的PCR和后续分析很重要，但在不大幅放慢分离过程的情况下可能难以实现，这可能还需要使用附加措施以防止凝结。然而，本公开的某些方面和特征可以提供具有最小或基本上没有溶血风险的样本的快速分离和高通量分离。

另外，本文所公开的自供电的毛细管作用可以提供改进小型化的机会，因为可以将对诸如泵、放大器、声波发生器、电动机和其他此类装备之类的外部装备的依赖最小化或消除。

裂解可以通过任何合适的技术进行，但是如本文所述可以通过利用经由电化学生成氢氧化物的芯片上裂解来得到改进的结果。

使样本反应可以包括：通过在一个或多个受控循环(诸如PCR循环)中对材料(例如，反应粒子和试剂)进行加热和冷却来执行反应。使样本反应可以包括：经由量子等离子体共振能量转移来利用有效的光热加热。

在一个示例中，可以通过将核酸链(例如，DNA链)的温度升高至去饱和温度(例如，约95摄氏度)以允许核酸链变性为两个模板链来实现PCR。然后，可以将温度降低到退火温度(例如，约50-65摄氏度)，以使得引物附着到各个模板链上。可以将金属的温度升高至延伸温度或聚合温度(例如，约72摄氏度)，以允许由聚合酶生成新的核酸链。这些温度变化可以重复多次(例如，约30-45次)。每个循环可以使核酸链的副本数目增加一倍。不管必要的循环次数如何，施加光以执行反应(例如PCR)的过程都可以被认为是反应阶段。

如本文所公开的，在通道的壁上使用等离子体材料和流体网络的其他特征使得光热加热和量子等离子体共振能量转移的益处被一致且可重复地利用。由于等离子体材料相对于流体网络是固定的(例如，被固定为限定流体网络的壁的支柱的表面的一部分)，因此等离子体材料没有机会自由移动并可能以较高的浓度收集在一些区域中，而以较低的浓度收集在其他区域中，这可能会对反应和分析产生负面影响。

光热加热可以包括将光能量转换成热能量的任何过程。在一些情况下，光热加热可以至少部分地通过光与位于反应区中的流体网络的壁的等离子体材料相互作用来实现，以在等离子体材料中及其附近生成热能量。撞击的光能量可以被等离子体层吸收以形成等离子体(例如，表面等离子体)，其继而衰减，生成热量。一旦光撞击停止(例如，光被关闭)，等离子体的生成和衰减就停止，从而实现冷却。在一些情况下，等离子体材料可以通过经由热传导将热量从附近的粒子中带走，从而进一步提供冷却。在一些情况下，具有高导热率的衬底材料(例如硅)可以改善冷却。此外，许多等离子体纳米腔的使用可以通过增加光吸收来提高光热效率。

光还可以直接撞击流体网络中的任何流体或材料，以实现一定程度的光热加热。在一些情况下，流体网络的壁包括掺入等离子体材料的壁，可以包括薄膜，其中撞击的光可以经历全内反射，从而使光脉冲所供应的能量最大化。

在一些情况下，可以达到每秒至少约10、11、12、13、14或15摄氏度的加热速率，以及每秒至少约5、6、7或8摄氏度的冷却速率，但是可以实现其他速率。

除光热效应外，等离子体材料(例如，在等离子体纳米腔中)与聚合酶和/或核酸之间的量子等离子体共振电子转移可以进一步增强反应速率(例如，PCR速率)。

量子等离子体共振能量转移可以被用来加速反应区中的反应。等离子体共振能量转移可以包括使用光能量来引发电子在等离子体结构(即，光学天线)与酶和/或核酸之间的转移。例如，酶和核酸可以充当电子受体，而等离子体结构可以充当电子供体。电子的转移可以在等离子体纳米腔内唤起核酸和聚合酶的氧化还原反应。电子在等离子体纳米天线和带有聚合酶的核酸之间的转移可以为PCR提供催化作用。在一些情况下，量子等离子体共振能量转移的使用可以被利用来改善用于PCR的动力学、特异性和/或检测极限以及其他改进。因此，除了提供光热加热之外，将光能量施加到本文所公开的诊断芯片上可以对芯片内发生的反应提供进一步的益处。

可以通过设计具有不同长宽比和间隙距离的纳米腔来调谐纳米天线灵敏度。这些长宽比和间隙距离可以对应于反应区中的流体网络的通道、腔或其他特征的横截面。对该横截面的调整(例如，对纳米腔的纵横比和/或间隙距离的调整)可以改变如何在等离子体纳米腔与其中所包含的核酸和/或酶之间转移电子。

表面等离子体共振可以包括响应于撞击的光以特定的频率在诸如金和银之类的金属表面上的受限自由传导电子的集体振荡。在一些情况下，具有适当尺寸和几何形状的等离子体材料可以被视为等离子体纳米天线，因为由于表面等离子体共振，它们可以响应于接收到的光而用于发出特定的振荡频率。在一些情况下，可以使用外部检测器检测该振荡频率。可以将从等离子体纳米天线检测到的信号与诸如先前检测到的或预期的信号之类的其他信号进行比较，以推断等离子体纳米天线的状况或位置，包括与等离子体纳米天线耦合或相邻的材料的存在，这可引发从等离子体纳米天线输出的信号响应于光的变化。在一些情况下，等离子体材料可以通过等离子体耦合而与材料(例如生物分子、试剂或核酸)进行等离子体耦合，在这种情况下，撞击等离子体材料的光能量可导致能量从等离子体材料转移到耦合的材料。在一些情况下，可以调谐等离子体纳米天线的共振频率以匹配、重叠或以其他方式对应于耦合的生物分子的吸收峰(例如，耦合的生物分子的分子电子跃迁频率)。在这种情况下，可以通过测量和/或描绘等离子体纳米天线的散射光谱来检测和/或可视化从等离子体纳米天线到生物分子的能量转移。散射光谱可以通过光谱学或其他合适的技术来检测。在耦合的生物分子的各种吸收峰处，等离子体纳米天线的散射光谱将包括可检测的、量化的猝灭谷。因此，通过响应于撞击的光而检测等离子体纳米天线的散射光谱，等离子体纳米天线的使用可以以单分子水平的灵敏度提供样本的分子的检测。与附近的生物分子进行等离子体耦合的那些等离子体纳米天线将发出可识别的散射光谱，可以通过识别检测到的猝灭谷将每个散射光谱与和特定的等离子体纳米天线耦合的特定生物分子相关。由于不同的分子具有不同的电子跃迁频率指纹(例如吸收峰)，因此不同的分子在被等离子体耦合到等离子体纳米天线时将引发不同的猝灭谷。这种基于等离子共振能量转移的检测系统可以实现生物分子的定量和长期动态成像，而没有诸如福斯特共振能量转移之类其他成像技术固有的光致漂白和闪烁的缺点。此外，基于等离子体共振能量转移的检测系统可以具有比包括量子点成像和常规比色有机染料检测在内的其他技术高很多数量级的灵敏度。在一些情况下，如本文所述，可以在无需核苷酸标记的情况下使用等离振子共振能量转移技术来实现核苷酸的检测。

本公开的包括量子等离子PCR的某些方面和特征可以使得能够复制足够的核酸以在约3分钟(例如，约30个循环)内以来自5微升样本小于约10个副本的灵敏度进行检测。在一些情况下，可以成功地扩增和检测低至每微升样本2个副本的核酸浓度。在一些情况下，可以成功扩增和检测约每毫升10000个副本的低浓度核糖核酸(RNA)。在一些情况下，可以通过以诸如约3瓦之类的低功耗(例如，在约2、3、4、5或6瓦时或以下)进行扩增而从样本中获得这些结果或类似结果。本公开的某些方面和特征可以以非常小的体积(例如，在立方纳米尺度上)工作，以实现快速的加热和冷却循环。可以使用来自光源的低功率来实现超快光热PCR循环，而无需依赖于高功率加热元件(例如电阻加热器)。

本公开的某些方面和特征包括集成的功能梯度结构、自供电泵送、整合的裂解、以及量子等离子PCR的组合，其可以实现超快的结果，诸如从样本到答案的时间(例如，从将样本供应到样本输入区到接收到可检测结果之间的时间)处于或小于约4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15分钟。

本文所公开的诊断芯片可以用于执行任何合适的反应，包括PCR。在一些情况下，本公开的某些方面和特征对于执行快速PCR以筛选细菌或病毒会是特别有用的。诊断芯片和处理设备的移动性质和高速性可以在诸如医院病房、医师办公室、偏远的城市和乡村以及临时分诊机构等等之类的许多场景中实现即时诊断。此外，诊断芯片和处理设备的移动性质允许从采样到结果完全在患者部位进行PCR分析，而不需要在各个站点(例如患者部位、处理站点、实验室、分析站点等)之间运送采样装备、样本、结果等。

本公开的某些方面和特征实现了快速PCR(例如，比传统PCR技术更快或快得多)，这可以减少生物学机制、信号传导通路、生物标记和药物的发现时间，并且减轻传染病的扩散。例如，一旦疾病被准确且快速地识别出，就可以确定并应用适当的治疗方法。

作为进一步的示例，耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌(MRSA)是严重的全球性威胁，是对许多药物种类具有抗性的病原体，并且由约2％的全球人口携带。对MRSA患者进行积极的监督和早期隔离对于最大程度地降低感染风险非常重要，尤其是在医疗机构中，那里传播感染的风险高，并且那里隔离室的数目可能有限。依赖标准的基于MRSA培养物的分析可能需要两天以上的时间才能获得结果，这可能会导致没得MRSA的患者不适当地占用隔离室，并且损失关闭床位带来的收入。依赖于基于标准PCR的MRSA分析可能成本高昂，需要专用的装备和实验室空间，并且可能需要专门的实验室技术人员，而且仍然需要几个小时才能获得结果。本公开的某些方面可以允许在不需要相同数目的装备和实验室空间的情况下在仅仅几分钟(例如，小于5分钟)内通过其遗传元素筛选MRSA。此外，本公开的某些方面的便携性质可以允许患者在进入医疗机构之前(诸如在救护车途中)被测试，从而允许工作人员在入院后立即隔离患者(例如让患者在隔离急诊室接受治疗)。

如本文所述，本公开的某些方面可以进一步被用来促进生物系统内的电子转移的观察和控制。例如，本文所描述的纳米天线可以被用于使线粒体细胞色素c从死亡(例如细胞凋亡)到生命的电子转移进行成像。在另一示例中，基于QBET的原理，本文所描述的纳米天线可以被用来体外筛选脑类器官中是否存在各种药物。在另一示例中，本文所描述的纳米天线可以被集成到可植入设备中，并被用来基于QBET原理执行干预，诸如用作分子起搏器。

在一个示例中，QBET原理可以被用来执行与某些神经退行性疾病和脑癌相关的干预。降低ATP的产生、改变葡萄糖的摄取以及增加活性氧(ROS)的产生可能是许多神经退行性疾病和脑癌的常见特点。诸如使用基于近红外的、电磁的或其他QBET方法，纳米天线可以被用来调制线粒体氧化磷酸化酶。线粒体氧化磷酸化酶的这种调制可以促进恢复正常细胞功能所需的平衡，并且可以减缓癌症和神经退行性的进展。

在一些情况下，磁等离子体纳米天线(例如，纳米新月形天线)可以被用于成像和/或调制线粒体细胞色素的电子转移。在一些情况下，纳米等离子体天线可以被用来控制适用于调制隧道视紫红质的电磁场。此类纳米天线可以被用来控制可激发细胞和/或细胞内氧化还原生物化学。

纳米新月形天线可以被设计来实现期望的响应。例如，可以选择腔开口的半径和/或腔深度以实现选择性的波长和场增强。在一些情况下，纳米新月形天线可以包括集成的等离子体层和磁性层。耦合到金属介电界面上的表面等离子体波或局限在金属纳米结构上的电磁激发可以使得能够将光限制到远低于传统光学系统的尺度。

在一些情况下，诊断芯片可以包括纳米天线，并且可以利用QBET原理来检测表示某些疾病(例如神经系统疾病)中关键系统(例如单胺、中粒性细胞、兴奋性毒性、炎症和细胞代谢系统)的生物标记。在一些情况下，诊断芯片可以利用量子等离子体共振能量转移和QBET的原理，从而执行PCR以及蛋白质和细胞因子检测。在一些情况下，如本文另外所述，QBET可以被用来提高PCR的灵敏度和检测极限。

在一些情况下，用功能化的纳米等离子体天线探针进行特异性靶向和信号放大可以被用来在各种环境(诸如体内自然环境)中执行生物分子(例如，mRNA、miRNA)的检测。

在一些情况下，磁等离子体纳米天线可以在类器官(例如，芯片上的微脑类器官)内被培养或被定位在类器官附近以实现对诸如电生理动力学、离子信道活性、神经元动作电位和类器官生长之类的各个相关方面的控制和/或监视。在一些情况下，微脑类器官的离子信道的纳米级天线调制可以使得能够调谐神经元活动，这可以作为脑电图(EEG)的变化而是可检测的。结合有类器官的此类纳米天线可以被用来促进感测和控制类器官的各方面。

在一些情况下，纳米天线干预可以被用来控制突触离子信道，从而实现神经元活性的调制。纳米天线干预可以减少或消除对基于药物的干预的需求，诸如那些依赖于小分子药物的干预、或侵入性光遗传或物理探针干预。当检测到对这种调制的需要时，可以将纳米天线并入到能够调制神经元活动的神经起搏器设备中。与小分子药物不同，纳米天线的神经元调制可以通过对离子信道的时间精确的相位激活和去激活来实现。

这些说明性示例被给出以向读者介绍这里所讨论的一般主题，并且无意于限制所公开概念的范围。以下部分参考附图描述了各种附加特征和示例，附图中相似的数字指示相似的元件，并且方向性描述用于描述说明性实施例，但是与说明性实施例类似，不应被用来限制本公开。本文插图中所包括的元件可能未按比例绘制。

图1是根据本公开的某些方面的等离子体PCR系统100的示意图。诊断芯片104可以接收样本102。样本102可以是流体(例如，流体或夹带在流体中的粒子)，诸如呼吸凝结物、血液或皮肤拭子样本。通过简单地将样本滴入到输入端口中(例如，将血液样本滴入到输入端口中)或用专用工具(例如，注射器或涂药器)可以将样本102放置在诊断芯片的输入端口内。在一些情况下，诊断芯片104可以包括内置样本提取设备，诸如刺血针，其被设计成在将手指或拇指压在样本输入端口上时引出血液样本。

在接收样本102之后，诊断芯片104可以被留下来执行初始处理(例如，过滤)或者可以被立即放置在处理设备106内。处理设备106或读取器可以包括用于接收诊断芯片104的插槽。诊断芯片104可以被完全放置在处理设备106内，部分地放置在处理设备106内，或者被放置成邻近处理设备106(例如，在上方或下方)。处理设备106可以诸如使用LED向诊断芯片104提供光能量，以在诊断芯片104中引发等离子体活性，以促进诊断芯片104的反应和/或其他功能。处理设备106还可以可选地向诊断芯片104提供电力、压力、真空或其他力，以促进作为整体操作等离子体PCR系统100的诊断芯片104。

处理设备106可以记录有关诊断芯片104的信息，包括来自在诊断芯片104内对样本102进行处理和反应的结果。例如，在样本102是血液样本的情况下，可以在借助于通过从处理设备106施加光能量所控制的等离子体共振能量转移来对来自样本102的DNA执行PCR，然后可以使用处理设备106内的成像设备对PCR的结果进行成像。

在一些情况下，处理设备106可以对所记录的数据(例如，图像)执行一些或全部处理。在其他情况下，可以将原始或半处理的数据传输到其他计算设备以进行进一步处理和/或存储。

处理设备106可以向诸如智能手机、膝上型计算机、台式计算机、平板电脑或其他这样的设备之类的计算设备108发送信号112和/或从计算设备108发送信号112。计算设备108可以与处理设备106交互以接收原始的、半处理的或已处理的数据。在一些情况下，一些或所有数据处理可以从处理设备106卸载到计算设备。

处理设备106和/或计算设备108可以分别通过网络116(例如，局域网、云网络或互联网)发送信号110和/或信号114，以与服务器118进行通信。服务器118可以从处理设备106和/或计算设备108接收数据以执行进一步的处理，诸如图像分析、深度神经网络分析、模型训练和其他处理。

服务器118可以包括一个或多个计算设备。服务器118可以耦合到数据存储装置120以存储从处理设备106或计算设备108接收的数据以及由服务器118处理的数据(例如，来自处理数据的结果)。

已处理的数据可以包括图像文件、推断的诊断、检测到的特点或其他此类信息。可以通过处理设备106、计算设备108或其他此类设备以用户友好的格式显示已处理的数据。处理设备106可以包括用于与处理设备106交互的接口198，包括向用户提供反馈和/或从用户接收输入。

图2是根据本公开的某些方面的诊断芯片204的俯视图。诊断芯片204可以包括衬底234，在衬底234上或在衬底234中形成通道240。通道240可以部分地由诸如六角形支柱之类的支柱238的壁来限定。通道240和支柱238可以限定通过诊断芯片204的流体网络，该流体网络从样本输入端口222处开始并且沿着诊断芯片204的长度向远端延伸。通道240的宽度(例如，支柱238之间的间隙)可以从样本输入端口222移开以减小尺寸。诊断芯片204在一些情况下可以由透明或半透明的材料制成。然而，在一些情况下，诊断芯片204可以包括窗口236，光可以通过窗口236进入和/或离开流体网络的通道240。

诊断芯片204的流体网络可以包括能够执行各种功能的多个区。如图2中所示，诊断芯片204包括分离区224、泵送区226、裂解区228和反应区230。在一些情况下，诊断芯片204可以包括更少或更多的区，必要时包括其他区。在一些情况下，诊断芯片204的区可以被顺序地布置，其中一个区的输出流入到随后一个区的输入中。然而，在一些情况下，诊断芯片204的区可以重叠，其中一些通道240执行多个区的功能。例如，单组通道240可以是分离区224和泵送区226的一部分。

分离区224可以包括通道240和腔，所述腔能够在允许期望的粒子通过的同时捕捉某些碎片。分离区224的通道240和腔可以形成能够从期望粒子中分离不期望粒子的功能梯度的微流体。在一个示例中，当将血液提供给分离区224时，分离区224的血细胞可以被保留在分离区224内，同时核酸被进一步向下流经流体网络。

在泵送区226中，流体网络的通道240形成毛细管，该毛细管能够从样本输入端口222通过流体网络泵送流体样本。可以通过调节泵送区226内的通道240的形状和/或宽度来调谐泵送区226的芯吸能力(例如，流速)。

在裂解区228中，外泌体或其他可裂解粒子可以通过化学、电化学或其他技术而被裂解。在一些情况下，裂解区可以包括预先装载的材料，诸如裂解剂，但是并非必须如此。如图2中所示，一组电极232可以向裂解区228供应电流。诸如通过在裂解区228内生成氢氧化物，该电流可以引发电化学裂解。通过裂解，期望粒子可以被释放并且进一步向下流经流体网络并进入到反应区230中。

在反应区230中，待反应的粒子可以被收集在等离子体纳米腔内。流体网络的各部分，诸如反应区340内的通道240的各部分，可以形成等离子体纳米腔。至少在反应区340内并且可能在其他区内，通道240的壁(例如，支柱238的表面)可以涂覆有诸如金之类的等离子体材料。

图3是根据本公开的某些方面的诊断芯片304的侧视截面图。诊断芯片304可以是沿着横截面线3：3截取的诊断芯片204。诊断芯片304可以包括由分离区342、泵送区326、裂解区328和反应区330组成的流体网络321。流体网络321可以从样本输入端口322向远端延伸。在一些情况下，流体网络321可以在开口344中终止，该开口344可以允许在毛细管泵送期间压力在流体网络321内均衡化。然而，在一些情况下，流体网络321可以包括含有真空的空隙，以促进将样本吸入到诊断芯片304中而无需开口344。

流体可以进入样本输入端口322并且流过诊断芯片304的流体网络321。在分离区324内，腔342可以连接至通道340以接收流体和不期望粒子，诸如血细胞或碎片。诊断芯片304的支柱338可以用于在诊断芯片304内形成通道340和腔342。流体网络321的腔342可以具有从样本输入端口322沿诊断芯片304的流体网络321向远端逐渐延伸的较小高度和/或直径。

图4是根据本公开的某些方面的诊断芯片404的裂解区的正视截面图。诊断芯片404可以是沿横截面线4：4截取的诊断芯片204。在诊断芯片404的裂解区428内，外泌体446或其他可裂解粒子可以被捕捉在流体网络的腔442内。可以通过电极432供应电流，以在裂解区内生成氢氧根离子以引发外泌体446的裂解。在外泌体446的裂解后，可以释放存储在外泌体446内的核酸448以进一步向下流经流体网络。

图5是根据本公开的某些方面的超快诊断设备504的示意性侧视图。超快诊断设备504可以被包含在单个壳体(例如，诊断芯片)内，或散布在两个或更多个可耦合壳体之间。

可以在输入区522处接收样本502。输入区522可以包括样本输入端口或用于接收和/或收集样本502的其他特征。在一些情况下，输入区552可以包括刺血针，用于启动指刺以接收血液样本。输入区522可以将样本提供给分离区524。

分离区524可以从输入区522接收样本，并将不期望粒子与期望粒子相分离。不期望粒子可以被保留在分离区524内，并且期望粒子可以进一步流经流体网络。在一些情况下，分离区524可以使期望粒子流经泵送区526，但是并非必须如此，并且泵送区526可以不被包括在超快诊断设备504中或可以位于超快诊断设备内的其他地方。泵送区526可以使用毛细管作用或其他力来将样本502泵送通过流体网络。

裂解区528可以从分离区524、泵送区526或其他区接收粒子。在裂解区528内，可裂解粒子可以被捕捉和裂解，从而在其内释放期望粒子。来自裂解区528的期望粒子可以被传递至反应区530。

期望粒子可以从裂解区538或另一区而被接收在反应区530中。期望粒子可以被捕捉在反应区530的等离子体纳米腔内。光可以通过窗口536而被提供并进入到反应区530中，以在反应区通道的壁(例如，等离子体纳米腔的壁)的等离子体表面上生成表面等离子体。在一些情况下，窗口536可以在多个区上方延伸，但是并非必须如此。在一些情况下，光可以被用来执行或促进除了反应区530以外的区的功能，从而引发裂解或促使泵送。

图6是描绘根据本公开的某些方面的用于实施片上过滤、裂解和反应的过程600的流程图。整个过程600可以由诸如诊断芯片之类的单个超快诊断设备来执行。在框602处，可以例如在样本输入端口处接收样本。接收样本可以包括：接收流体样本或接收干燥样本。如果接收干燥样本，则在框602处接收样本可以包括：将干燥样本与载液混合。

在框604处，可以将样本分离成期望粒子和不期望粒子。不期望粒子可以包括在裂解和/或反应之前要被分离的碎片和其他粒子。在框606处，可以将样本泵送通过超快诊断设备的流体网络。泵送样本可以包括：使用毛细管作用来将流体泵送通过流体网络。

在框608处，可以裂解样本。裂解样本可以包括：将可裂解粒子捕捉在超快诊断设备的流体网络的通道内，然后通过化学、电化学或其他技术裂解该可裂解粒子。在一些情况下，裂解粒子可以包括：通过含有可裂解粒子的通道、在其上或在其附近施加电流，以在可裂解粒子的存在下生成氢氧根离子来引发可裂解粒子的裂解。裂解可裂解粒子可以允许可裂解粒子内的期望粒子被释放并流入到反应区中。

在框610处，可以使样本反应。使样本反应可以包括：在期望粒子中引发反应，诸如PCR。在框610处，使样本反应可以使用量子等离子体共振能量转移(PRET)来促进反应。框610可以包括将光施加至反应区以生成表面等离子体，该表面等离子体可以增加等离子体纳米腔中的热量并增强酶和/或其他试剂的有效性。通过控制光施加的模式，可以调整和循环等离子体纳米腔内的温度，从而执行PCR。在一些情况下，可以执行其他反应。

图7是根据本公开的某些方面的诊断芯片的一组支柱738的组合轴测图和描绘了支柱738之间的通径740的示意性截面图。图7的左侧部分是三个支柱738的轴测图，包括支柱738之间的通道740。每个支柱738可以包括限定通道740的壁的表面739。

图7的右侧部分是描绘两个支柱738之间的通道740的示意性截面图。每个支柱738可以包括多层。在一些情况下，支柱738可以包括衬底750(例如，硅)、氧化层752(例如，二氧化硅)、等离子体层754(例如，金)和薄膜层756(例如，电介质层)。在一些情况下，可以使用更多或更少的层，但是等离子体层754将被用于表面等离子体的生成。等离子体层754可以是任何合适的等离子体材料，诸如金。可以选择薄膜层756并确定其尺寸以提供高度的全内反射，从而优化表面等离子体的生成。

相邻支柱738之间的间隙可以是任何合适的间隙宽度，这取决于通道740的目的。例如，用于捕捉核酸的间隙可以具有相对较小的间隙宽度(例如，约3-10nm)，而用于捕捉外泌体的间隙可以具有较大的间隙宽度(例如，约10-40nm)。其他间隙宽度可以被使用。

图8是描绘根据本公开的某些方面的在等离子体纳米腔800内的核酸862的等离子体辅助变性的示意性截面图。支柱838可以包括衬底、氧化层852、等离子体层854和薄膜层856。入射在等离子体层854上的光能量859引发表面等离子体858。表面等离子体858可以在等离子体纳米腔800内部引发局部加热。另外，表面等离子体858可以引发电子860往返于核酸862的转移。由于温度和电子860转移的增加，核酸862可被变性并分离成各个链866，其以后可以被复制。

图9是描绘根据本公开的某些方面的在等离子体纳米腔900内的核酸962的等离子体辅助的伸长的示意性截面图。支柱938可以包括衬底、氧化层952、等离子体层954和薄膜层956。入射在等离子体层954上的光能量959引发表面等离子体958。表面等离子体958可以在等离子体纳米腔900内部引发局部加热。另外，表面等离子体958可以引发电子960往返于核酸962和聚合酶963的转移。由于温度和电子960转移的增加，聚合酶963可以通过将核苷酸连结至核苷酸的各个链966更有效地和更高效地复制核酸962。

图10是描绘根据本公开的某些方面的在等离子体纳米腔900内的外泌体1046的等离子体辅助捕捉的示意性横截面图。支柱1038可以包括衬底、氧化层1052、等离子体层1054和薄膜层1056。入射在等离子体层1054上的光能量1059引发表面等离子体1058。表面等离子体1058可以与相邻的表面等离子体1058相互作用，以在等离子体纳米腔1000内生成等离子体场1047。等离子体场1047可以将外泌体1046捕捉在等离子体纳米腔1000内。

图11是描绘根据本公开的某些方面的装载有多重试剂的反应区1100的示意图。反应区1100可以是图2的反应区230。反应区1100可以包括由支柱1138限定的通道1140。反应区1100可以被分离成多个区域，诸如第一区域1168、第二区域1170、第三区域1172和第四区域1174。可以使用任何数目的区域，包括两个、三个或四个以上。区域可以在多个点处与其他区域连续，诸如图11中所描绘的。但是，在一些情况下，诸如在树枝状流体网络的情况下，反应区1100的区域可以在单个点处流体连接。

如图11中所描绘的，第一区域1168可以预先装载有第一材料1176，其可以包括试剂(例如PCR试剂)和/或核酸探针，第二区域1170可以预先装载有第二材料1178，第三区域1172可以预先装载有第三材料1180，而第四区域1174可以预先装载有第四材料1182。第一、第二、第三和第四材料1176、1178、1180、1182可以包括试剂和/或核酸探针的不同组合，从而区域1168、1170、1172、1174中的每一个都包含独特的试剂和/或核酸探针。

图12是示意性俯视图1200的集合，其描绘了根据本公开的某些方面的具有装载有多重试剂的试剂区的诊断芯片1204。图12的俯视图描绘了诸如图2的诊断芯片204之类的诊断芯片1204的示意图，具有多重区域1286、1288的多重阵列1284。由于多重阵列1284的区域1286、1288中的每一个都可以预先装载有独特的试剂和/或核酸探针，所以独特的测定结果可以通过独立地解释芯片的特定区域1286、1288而被解释。

图12的底视图描绘了与顶视图相同的诊断芯片1204，但是去除了某些元件以更清楚地描绘多重阵列1284。

图13是描绘根据本公开的某些方面的用于处理诊断芯片1304的处理设备1390的示意图。处理设备1390可以包括用于接收诊断芯片1304的容器1391。处理设备1390可以包括耦合到存储器1397(例如，用于存储数据和/或处理指令)的处理器1396。处理器1396可以耦合到输入/输出设备1398，诸如触摸屏、照相机、键盘或任何其他合适的输入或输出设备。处理器1396可以耦合至光源1394，以用于诸如直接地或通过光导管1395或其他合适的光导设备照射诊断芯片1304的等离子体材料。如本文所述，来自光源1394的光可以在诊断芯片1304中引发表面等离子体的生成。处理器1396可以耦合到光学读取器1392以读取诊断芯片1304。光学读取器1392可以是用于接收和/或记录光能量的任何合适的设备，诸如能够检测荧光的照相机或其他图像传感器。光学读取器1392可以经由光导管1395或其他光导设备光学地耦合到诊断芯片1304，但是并非必须如此。

图14是描绘根据本公开的某些方面的等离子体加热和冷却的示意图1400。图像1402描绘了在诸如图3的诊断芯片304的流体网络321之类的流体网络中的通道的壁的等离子体材料中生成光能量的表面等离子体。表面等离子体引发电子加热，其继续通过图像1404和1406。在图像1404中，表面等离子体已在等离子体材料内引发大量加热，并且电子-声子耦合已开始引发晶格加热。图像1404内的图表描绘了在等离子体材料附近生成的高温，其随着与等离子体材料的距离(d)的增加而消散。在图像1406处，晶格加热已经充分加热了等离子体纳米腔内的区域，从而加热了在其内的材料。

在图像1408处，光已经停止并且表面等离子体的生成已经停止。支柱开始快速冷却并从等离子体纳米腔内的区域内的材料消散热量。在图像1410处，足够的热量已从等离子体纳米腔中移除，以使等离子体纳米腔返回到期望的温度。在一些情况下，可以将图1400中所描绘的加热和冷却过程重复几次以促进PCR。

图15是描绘根据本公开的某些方面的用于收集和分析样本的过程1500的流程图。在框1502处，样本被收集。样本可以直接被收集在诊断芯片内，或被收集在其他地方并沉积到诊断芯片中。在框1504处，可以处理样本并且可以执行PCR。如本文所述，可以在光能量的辅助下完全在诊断芯片内执行样本的处理和PCR的执行，以引发表面等离子体以促进PCR。在一些情况下，可以使用处理设备来促进框1504的某些方面，诸如光能量的施加和可选的电能量的施加(例如，以促进电化学裂解)。

在框1506处，图像可以被捕获。在PCR已被执行之后，可以在诊断芯片的各种等离子体纳米腔中捕获荧光图像。该图像可以描绘出在哪些等离子体纳米腔中复制了核酸和/或在哪些在等离子体纳米腔中复制的核酸与所提供的核酸探针相匹配。可以用任何合适的设备(诸如相机、智能手机或其他装备)执行图像捕获。然而，在一些情况下，图像捕获可以在也提供光能量用于生成表面等离子体的处理设备内发生。在一些情况下，除了在框1506处捕获图像之外，还可以收集附加元数据，诸如关于患者或样本的信息。

在框1508处，可以执行原始图像数据的后处理。后处理可以包括执行各种图像处理和数据处理动作，诸如校正、归一化或其他动作。在一些情况下，可以在处理设备内执行后处理，但是并非必须如此。可以将后处理卸载到诸如智能手机或服务器之类的另一计算设备，以进行后处理。

在框1510处，可以从处理后的图像确定推断。可以通过在经过训练的模型中进行处理来确定推断。经过训练的模型可以是深度神经网络或其他合适的机器学习训练的模型。可以在从先前处理的诊断芯片所收集的先前PCR数据上对经过训练的模型进行训练。在一些情况下，推断可以利用在捕获诊断芯片的图像期间或之前收集的附加元数据。

图16是根据本公开的某些方面的具有热裂解的诊断芯片1604的俯视图。诊断芯片1604可以类似于图2的诊断芯片204，但是具有不同布局的通道1640并且没有电极。诊断芯片1604可以包含样本输入端口1622、分离区1624、泵送区1626、窗口1636以及限定通道1640的许多支柱1638。然而，通道1640在远端区(例如，组合的裂解和反应区1629)中可以稍大以容纳较大的可裂解粒子。可裂解粒子可以填充到组合的裂解和反应区1629的等离子体纳米腔中。光的施加可以在等离子体纳米腔的壁上引发表面等离子体的生成，这可以增加等离子体纳米腔中的温度，并且可以促进可裂解粒子的裂解。由于可裂解粒子因此可以使用热能量和等离子体能量来进行裂解，所以可以不需要电极来生成任何氢氧根离子。

图17是描绘根据本公开的某些方面的用于准备诊断芯片的过程1700的流程图。在框1702处，提供具有通道的衬底。可以将通道切入到衬底中，或者通过在衬底表面上建立支柱或通过任何合适的技术来形成通道。通道可以包括限定通道的壁。

在框1704处，通道的壁可以被氧化。通道的壁的氧化可以产生氧化层。在一些情况下，通道的壁可以是硅，并且氧化层可以是SiO₂。

在框1706处，等离子体材料可以被沉积。等离子体材料可以被沉积在氧化层上，但是并非必须总是如此，并且等离子体材料可以替代地被沉积在另一层上，诸如直接被沉积在通道的壁上。可以使用任何合适的等离子体材料，诸如金。

在框1708处，可以将试剂装载到通道中。可以将试剂装载到反应区中的通道中。在一些情况下，装载试剂可以包括：在反应区的不同区域中装载独特的试剂以形成多重阵列。在一些情况下，试剂可以是冻干试剂。在框1710处，可以将核酸探针装载到通道中。在一些情况下，装载核酸探针可以包括：在反应区的不同区域中装载独特的核酸探针以形成多重阵列。在一些情况下，核酸探针可以是冻干核酸探针。在一些情况下，诸如在试剂和核酸探针被预先混合的情况下，框1708和框1710可以被同时执行。

在一些情况下，可以通过将材料引导通过流体网络直到它们到达期望位置来沉积试剂和/或核酸探针。但是，在一些情况下，可以通过开口(诸如每个等离子体纳米腔的顶部处的开口)将材料直接沉积到所期望的等离子体纳米腔中。在这种情况下，可选框1712可以包括：对流体网络的通道进行密封，诸如通过密封每个等离子体纳米腔的顶部来进行密封。在一些情况下，在框1712处的密封可以包括将窗口密封至诊断芯片上。

图18是描绘根据本公开的某些方面的诊断芯片的裂解区1800的示意图。支柱1838可以形成流体网络的通道1840。在裂解区1800内，病原体1846可以位于诊断芯片的流体网络的通道1840内。已经通过诸如化学、电化学或其他技术引发了裂解，从而导致了病原体的裂解1846。

图19是根据本公开的某些方面的纳米新月形天线1950的侧视图。纳米新月形天线1950是纳米天线的一种。纳米新月形天线1950可以具有外表面1952和内表面1954。纳米新月形天线1950，或者至少外表面1952和内表面1954，可以由诸如金之类的等离子体材料制成。内表面1954可以在纳米新月形天线1950内限定经由开口1956被暴露于外部的腔。可以调节腔的深度和/或开口1956的直径以调谐纳米天线。如图19中所描述的，纳米新月形天线1950通常是球形形状。在一些情况下，纳米天线可以采取除新月形之外的形状，诸如本文其他地方所描述的。纳米新月形天线1950对于利用QBET原理尤其有用。

图20是根据本公开的某些方面的多层纳米新月形天线2050的侧面剖视图。多层纳米新月形天线2050可以是图19的纳米新月形天线1950。多层纳米新月形天线2050可以包括外层2052和内层2054，其中的一个或两个可以由诸如金之类的等离子体材料形成。可选的中间等离子体层2058可以位于外层2052和内层2054之间，并且可以由诸如银之类的另一等离子体材料形成。可选的中间铁层2060可以位于外层2052和内层2054之间，并且可以由诸如铁之类的亚铁材料形成。在一个示例中，多层纳米新月形天线2050可以由金的外层2052、银的中间等离子体层2058、铁的中间亚铁层2060以及金的内层2054形成。

图21是根据本公开的某些方面的可用于实现膜2162的离子信道2164的纳米天线2150的示意性侧视图。纳米天线2150可以是纳米新月形天线，诸如图19、20的纳米新月形天线1950、2050。膜2162可以是任何合适的生物膜，诸如线粒体膜或神经细胞的膜。离子信道2164可以是膜2162的任何合适的离子信道，诸如线粒体膜的细胞色素c蛋白复合物或神经膜中的任何合适的离子信道。

通过将合适的电磁能量2166(例如光)施加到靠近离子信道2164的纳米天线2150，可以调制离子信道2164的功效和/或操作。利用QBET原理，受到电磁能量2166影响的纳米天线2150可以提供与离子信道2164的电子转移充分耦合，以调节离子信道2164的功能，从而增加或减少离子在膜2162上的转移。

在一些情况下，电磁能量2166施加到纳米天线2150上以及测量和回弹或反射能量可以被用来感测纳米天线2150附近的状况，或更具体地，感测离子信道2164的操作。因此，纳米天线2150可以被用作目标离子信道2164的传感器。

包括图示实施例的实施例的前述描述仅出于图示和描述的目的而被呈现，并且不旨在是穷举性的或限于所公开的精确形式。对于本领域技术人员而言，其多种修改、改编和使用将是显而易见的。

如以下所使用的，对一系列示例的任何引用应被理解为对这些示例中的每一个的引用(例如，“示例1-4”应被理解为“示例1、2、3或4”)。

示例1是一种超快诊断设备，包括：样本输入端，用于接受包含期望粒子的样本；流体网络，包括从样本输入端向远端延伸的多个流体通路，其中流体网络包括：分离区，包括一个或多个腔，一个或多个腔被配置为保留来自样本的不期望粒子，其中一个或多个腔与多个流体通路耦合，以允许期望粒子通过分离区；反应区，包括与多个流体通路流体地耦合的多个等离子体纳米腔，其中每个等离子体纳米腔包括相对的壁，相对的壁各自包括等离子体材料层，其中等离子体纳米腔的相对的壁被间隔开约5纳米或更小的距离；以及窗口，允许光透射进反应区的多个等离子体纳米腔中和从反应区的多个等离子体纳米腔透射出，其中窗口允许具有可见光谱、红外光谱或紫外光谱中的波长的光透射。

示例2是示例1的超快诊断设备，其中等离子体纳米腔的相对的壁被间隔开处于或小于3nm的距离。

示例3是示例1或2的超快诊断设备，其中流体网络还包括：泵送区，包括一个或多个毛细管，一个或多个毛细管的尺寸被定成在样本到样本输入端中的引入时通过毛细管作用在样本中引发动力。

示例4为示例1-3的超快诊断设备，其中分离区的一个或多个腔形成功能梯度，功能梯度具有尺寸被定成接受不期望粒子的开口。

示例5为示例4的超快诊断设备，其中分离区的一个或多个腔中的每个腔均从分离区内的多个流体通路中的一个流体通路延伸，以允许不期望粒子在腔内的重力沉降。

示例6为示例1-5的超快诊断设备，其中流体网络还包括：裂解区，包括一个或多个腔以及一组电极，一个或多个腔用于接收样本的可裂解粒子，一组电极被定位为在一个或多个腔处供应电流以促进裂解可裂解粒子，其中样本的期望粒子位于可裂解粒子内。

示例7是示例6的超快诊断设备，还包括一组外部电触头，一组外部电触头与裂解区的一组电极可操作地耦合，其中一组外部电触头可耦合到外部设备以用于将电流供应给一组电极。

示例8是示例1-7的超快诊断设备，其中分离区的一个或多个腔的尺寸被定成接受血细胞。

示例9是示例1-8的超快诊断设备，其中反应区的每个等离子体纳米腔的尺寸被定成接受单个双螺旋核酸。

示例10是示例1-9的超快诊断设备，其中反应区的每个等离子体纳米腔的相对的壁还包括介电材料层。

示例11是示例1-10的超快诊断设备，其中反应区的每个等离子体纳米腔还包括聚合酶试剂。

示例12是示例11的超快诊断设备，其中聚合酶试剂是冻干的聚合酶试剂。

示例13是一种准备材料的方法，包括：在诊断设备的样本输入端处接收包含期望粒子的样本；在远端方向上将期望粒子输送通过流体网络，其中将期望粒子输送通过流体网络包括：将样本输送到分离区中，其中将样本输送到分离区中包括从样本中分离不期望粒子以及将期望粒子输送通过分离区；以及将期望粒子输送到反应区的等离子体纳米腔中，其中每个等离子体纳米腔包括相对的壁，相对的壁各自包括等离子体材料层，其中每个等离子体纳米腔的相对的壁被间隔开约5纳米或更小的距离；以及通过窗口将光透射到等离子体纳米腔中的每个等离子体纳米腔中，其中光从由红外光、可见光和紫外光组成的群组中选择。

示例14是示例13的方法，其中将期望粒子输送到反应区的等离子体纳米腔中还包括：将期望粒子中的每个期望粒子输送到等离子体纳米腔中的独特等离子体纳米腔中。

示例15是示例14的方法，其中将期望粒子中的每个期望粒子输送到等离子体纳米腔中的独特等离子体纳米腔包括：将双螺旋核酸输送到等离子体纳米腔中的独特等离子体纳米腔。

示例16是示例13-15的方法，其中将期望粒子输送通过流体网络还包括：使用毛细管作用将期望粒子泵送通过流体网络。

示例17是示例13-16的方法，其中将样本输送到分离区中还包括：通过具有开口的功能梯度输送样本，开口的尺寸被定成接受不期望粒子，其中从样本中分离不期望粒子包括以功能梯度捕捉不期望粒子。

示例18为示例17的方法，其中以功能梯度捕捉不期望粒子包括：允许不期望粒子重力沉降到分离区的一个或多个腔中。

示例19为示例13-18的方法，还包括：裂解样本的可裂解粒子以释放期望粒子，其中裂解可裂解粒子在流体网络的位于分离区的远端的裂解区内发生。

示例20为示例19的方法，其中裂解可裂解粒子包括向分离区施加电流。

示例21是示例13-20的方法，其中从样本分离不期望粒子包括从血液样本中分离血细胞。

示例22是示例13-21的方法，其中反应区的每个等离子体纳米腔的相对的壁还包括介电材料层。

示例23是一种诊断系统，包括：诊断芯片，包括流体网络和用于接受包含期望粒子的样本的样本输入端，流体网络包括：分离区，包括一个或多个腔，一个或多个腔被配置为保留来自样本的不期望粒子，其中一个或多个腔与流体网络的多个流体通路耦合，以允许期望粒子通过分离区；以及反应区，包括与多个流体通路流体地耦合的多个等离子体纳米腔，其中每个等离子体纳米腔包括相对的壁，相对的壁各自包括等离子体材料层，其中等离子体纳米腔的相对的壁被间隔开约5纳米或更小的距离；以及处理设备，用于处理诊断芯片，其中处理设备包括：容器，容器的尺寸被定成接受诊断芯片；光源，被定位为当诊断芯片被定位在容器内时照射反应区；以及处理器，与光源耦合以控制光向反应区的施加，以在反应区的等离子体纳米腔中引发等离子体共振。

示例24是示例23的诊断系统，其中处理设备还包括检测器，检测器被耦合到处理器并且被定位为检测来自诊断芯片的反应区的电磁发射。

示例25是一种诊断系统，包括：诊断芯片，包括示例1至12中任一项的超快诊断设备；以及处理设备，用于处理诊断芯片，其中处理设备包括：容器，容器的尺寸被定成接受诊断芯片；光源，被定位为当诊断芯片被定位在容器内时照射反应区；以及处理器，与光源耦合以控制光向反应区的施加，以在反应区的等离子体纳米腔中引发等离子体共振。

示例26是示例25的诊断系统，其中处理设备还包括检测器，检测器耦合到处理器并且被定位为检测来自诊断芯片的反应区的电磁发射。

示例27是一种诊断方法，包括：根据示例13-22中任一项的方法来准备材料；以及在等离子体纳米腔中引发等离子体共振，其中引发等离子体共振包括用光照射反应区。

示例28是示例27的诊断方法，还包括：在反应区中循环地加热和冷却期望粒子多个循环，其中加热期望粒子包括引发等离子体共振，并且其中冷却期望粒子包括停止用光照射反应区。

示例29是示例27或28的诊断方法，还包括：检测来自反应区的电磁发射。

示例30是示例29的诊断方法，其中用光照射反应区包括使用光源，并且其中检测电磁发射包括使用光源照射反应区以唤起电磁发射。

示例31是示例29或30的诊断方法，还包括：将电磁发射存储为图像数据；以及分析图像数据以确定诊断推断。

示例32是示例31的诊断方法，其中分析图像数据包括使用深度神经网络来确定诊断推断。

示例33是示例31或32的诊断方法，其中分析图像数据包括：使用网络接口传输图像数据，其中使用网络接口传输图像数据使得：当被传输的图像数据被接收到时，图像数据被应用于深度神经网络以生成诊断推断；以及使用网络接口接收诊断推断。

示例34是一种准备芯片的方法，包括：提供具有多个壁的衬底，多个壁限定多个通道，其中多个通道包括具有处于或小于100nm的宽度的一个或多个通道；氧化多个壁的表面以形成氧化层；在氧化层上沉积等离子体材料；以及将试剂装载到多个通道中。

示例35是示例34的方法，其中提供衬底包括提供硅衬底，并且其中氧化多个壁的表面形成二氧化硅层。

示例36是示例34或35的方法，其中多个通道包括具有处于或小于40nm的宽度的一个或多个通道。

示例37是示例34或35的方法，其中多个通道包括具有处于或小于10nm的宽度的一个或多个通道。

示例38是示例34-37的方法，其中沉积等离子体材料包括沉积金。

示例39是示例34-38的方法，其中装载试剂包括将冻干的试剂装载到多个通道中。

示例40是示例39的方法，其中装载冻干的试剂包括装载冻干的聚合酶链反应试剂。

示例41是示例34-40的方法，其中装载试剂包括：将第一试剂装载到多个通道中的第一组通道中；以及将第二试剂装载到多个通道中的第二组通道中。

示例42是示例34-41的方法，还包括将核酸探针装载到多个通道中。

示例43是示例42的方法，其中装载核酸探针包括：将第一核酸探针装载到多个通道中的第一组通道中；以及将第二核酸探针装载到多个通道中的第二组通道中。

示例44是示例34-43的方法，其中多个通道中的每个通道具有开放的顶部，并且其中方法还包括密封多个通道中的每个通道的开放的顶部。

示例45是示例44的方法，其中密封多个通道中的每个通道的开放的顶部包括：利用允许光透射进通道中和从通道透射出的窗口来密封多个通道中的每个通道。

示例46是一种用于对电子转移进行成像的方法，包括：将等离子体纳米天线定位在目标组织附近；用电磁能量辐照等离子体纳米天线，以引发等离子体纳米天线发出被发出的电磁能量，其中被发出的电磁能量与目标组织的电子转移相关联；测量来自等离子体纳米天线的被发出的电磁能量。

示例47是示例46的方法，其中目标组织是膜的离子信道。

示例48是示例47的方法，其中离子信道是线粒体膜的细胞色素c蛋白。

示例49是示例46-48的方法，其中用电磁能量辐照等离子体纳米天线包括用光辐照等离子体纳米天线。

示例50是一种用于生物干预的方法，包括：将等离子体纳米天线定位在目标组织附近；以及通过用电磁能量辐照等离子体纳米天线来操纵目标组织的电子转移。

示例51是示例50的方法，其中目标组织是膜的离子信道。

示例52是示例51的方法，其中离子信道是线粒体膜的细胞色素c蛋白。

示例53是示例50-52的方法，其中用电磁能量辐照等离子体纳米天线包括用光辐照等离子体纳米天线。