阅读说明：本技术 用于多孔材料中双水相分离的相分离行为改性剂 (Phase separation behavior modifier for aqueous two-phase separation in porous materials ) 是由 赵尹图 布莱恩·相宇·李 加勒特·李·莫斯利 比阿特丽斯·S·林 于 2018-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种改善双水相系统(ATPS)用于从样本中分离和/或浓缩一种或多种目标分析物的分离行为和性能的方法和/或装置。在一个实施例中,本发明的所述方法和装置包括多孔材料中的ATPS组分和一种或多种相分离行为改性剂,所述相分离行为改性剂改善ATPS的分离行为和性能特征,包括但不限于通过调节经受相分离的样本溶液的总体积、ATPS两相的体积比、流体流速和ATPS组分的浓度来增加ATPS的稳定性或减少其波动。(The present invention relates to a method and/or apparatus for improving the separation behavior and performance of an aqueous two-phase system (ATPS) for separating and/or concentrating one or more target analytes from a sample. In one embodiment, the method and apparatus of the present invention includes an ATPS component in a porous material and one or more phase separation behavior modifiers that improve the separation behavior and performance characteristics of the ATPS, including but not limited to increasing the stability of the ATPS or reducing its fluctuations by adjusting the total volume of the sample solution subjected to phase separation, the volume ratio of the two phases of the ATPS, the fluid flow rate, and the concentration of the ATPS component.)

用于多孔材料中双水相分离的相分离行为改性剂

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年6月1日提交的美国临时申请第62/513,994号和2017年12月14日提交的美国临时申请第62/599,001号的权益。前述申请的全部内容和公开通过引用并入本申请。

在本申请中引用了各种出版物。这些出版物的全部公开通过引用整体并入本申请中，以更全面地描述本发明所属的技术状态。

技术领域

本发明涉及一种改善多孔材料中双水相系统(ATPS)用于从样本溶液中分离和/或浓缩一种或多种目标分析物的行为和性能的方法和/或装置。本方法和装置涉及使用一种或多种相分离行为改性剂来改善多孔材料中ATPS组分的分离行为和性能特征。改性剂可以通过影响分离后两相的体积和体积比、流体流速和/或ATPS组分的浓度来增加ATPS的稳定性或减少其波动。在一个实施例中，当改性剂加入ATPS时，用于相分离的ATPS组分的浓度范围显著扩大，从而增加纯化的目标分析物的产率。本发明还提供了一种用于实施本发明方法的装置。

背景技术

在多种研究和诊断应用中，目标分析物的浓度是一个关键参数。纯化的目标分析物必须具有高质量和足够的量，以用于各种下游应用，包括检测、临床诊断等。获得纯化形式的目标分析物是一项复杂的任务，因为在诸如尿液、血液、血浆、血清、唾液和其它生物体液的样本中存在大量的微孔材料和大分子(例如蛋白质和碳水化合物)(也称为“聚合物”)。

对于生物体液(如尿液和血液)中以非常低的浓度存在的目标分析物，需要大量生物体液才能获得足够量的目标分析物来用于随后的分子技术检测。

检测浓度极低的分析物的存在是一项巨大的挑战。分析物可以是疾病的生物标志物，例如细胞游离DNA(cfDNA)、循环肿瘤DNA(ctDNA)或存在于样本(例如患者的唾液、血液、尿液和其它体液)中的蛋白质。如果分析物浓度过低，多种现有的诊断或检测方法可能会错误地报告分析物不存在。例如，如果目标分析物的含量极低，在检出限之外，则诊断黄金标准，如聚合酶链反应(PCR)和酶联免疫吸附测定(ELISA)可能会产生假阴性结果。

尽管近年来发现并发明了多种疾病的新生物标志物，但由于缺乏敏感性和特异性，基于这些新生物标志物的诊断测试，如cfDNA测试，尚未在常规临床程序中采用。当生物标志物以较低含量存在时，准确检测取决于能够从背景中浓缩生物标志物的分离方法。根据分离方法的不同，这一挑战可能会因片段大小的差异和测试抑制剂的影响而变得复杂。

文献中描述了浓缩目标分析物的方法。专利公开WO2017041030中公开了一种通过用ATPS脱水的多孔材料浓缩分析物的方法。然而，为了满足实际需要，浓缩倍数相当小。尽管ATPS很受欢迎，但由于其局限性，仍未在行业中广泛使用。例如，其受到系统可处理的最大样本体积、ATPS组分的最小和最大浓度以及纯化的目标分析物的产率的限制。具体而言，由于样本体积、ATPS组分的浓度和比例等的波动，ATPS的性能在相分离期间不是非常稳定，从而影响目标分析物的纯化效率、纯度和产率。

为了克服这些限制，本发明提供了一种从样本中浓缩并纯化目标分析物以供进一步分析的改进方法和装置。通过使用包埋在多孔材料中的ATPS组分和一种或多种相分离行为改性剂，本发明的方法和装置可以同时执行多个任务，包括分离目标分析物、去除非目标分析物和杂质、以及在任何合适的条件下以高产率浓缩目标分析物，使得所述方法和装置可以使用各种浓度的ATPS组分来实施，从而在整个过程中在不同的流速下实现稳定的相分离，而没有波动或波动降到最小。简而言之，本发明显著改善了ATPS的行为和性能。本发明还提供了一种用于实施本发明方法的装置。

发明内容

当结合附图阅读时，可以更好地理解前述背景以及以下

具体实施方式

。附图旨在说明而非限制。本公开不限于本文所示的确切的布置和示例。

本发明涉及一种改善多孔材料中双水相系统(ATPS)用于从样本溶液中分离或浓缩目标分析物的行为和性能的方法和/或装置。在一个实施例中，本发明的方法和/或装置包括多孔材料中的ATPS组分，以及一种或多种相分离行为改性剂，所述相分离行为改性剂改善ATPS的分离行为和性能特征，包括但不限于通过调整参数来增加ATPS的稳定性或减少其波动，所述参数包括但不限于经受相分离的样本溶液的总体积、体积比、流体流速和ATPS组分的浓度。

在一个实施例中，本发明的方法和装置包括包埋有ATPS组分的多孔材料和一种或多种相分离行为改性剂，所述相分离行为改性剂可扩大有效用于相分离的ATPS组分的浓度范围。

在一个实施例中，本发明的方法和装置包括包埋有ATPS组分的多孔材料和一种或多种相分离行为改性剂，所述相分离行为改性剂可增加纯化的目标分析物的产率。

在一个实施例中，本发明的方法和装置包括包埋有ATPS组分的多孔材料和一种或多种相分离行为改性剂，所述相分离行为改性剂通过最小化两相体积和/或体积比的波动来提高相分离期间ATPS的稳定性。

在一个实施例中，本发明的方法和装置包括包埋有ATPS组分的多孔材料和一种或多种相分离行为改性剂，以从样本溶液中去除污染物。

在一个实施例中，本发明提供了一种使用包埋在多孔材料中的ATPS组分和一种或多种相分离行为改性剂来浓缩溶液中的目标分析物的方法和/或装置。

在一个实施例中，相分离行为改性剂是可以通过改变ATPS的温度、酸碱度、盐浓度、疏水性/亲水性、表面张力和/或离子强度来诱导或促进相分离的化合物。从而，目标分析物根据其特性优选分至两相之一。在一个实施例中，相分离行为改性剂包括携带酸性官能团、胺官能团和/或亲水基团和疏水基团的化合物。

在一个实施例中，本发明提供了一种用于从样本溶液中分离或浓缩一种或多种目标分析物的装置，所述装置包括：

(1)多孔材料；

(2)能够形成双水相系统(ATPS)的第一相溶液和第二相溶液的组分；以及

(3)一种或多种相分离行为改性剂；

其中所述组分和所述相分离行为改性剂包埋在所述多孔材料中，其中当含有所述目标分析物的溶液流经所述多孔材料时，产生包含所述第一相溶液和所述第二相溶液的双水相系统，其中所述相分离行为改性剂改变所述两相溶液的分离行为，所述目标分析物在所述多孔材料上分离或浓缩。

在一个实施例中，本发明提供了一种用于分离或浓缩一种或多种目标分析物的装置，所述装置包括：

(1)多孔材料；

(2)能够形成双水相系统(ATPS)的第一相溶液和第二相溶液的组分；以及

(3)一种或多种相分离行为改性剂；

其中所述组分和所述相分离行为改性剂中的一种或多种包埋在所述多孔材料中，其中所述组分和所述相分离行为改性剂的余量与含有所述目标分析物的溶液混合，从而形成混合溶液，其中当所述混合溶液流经所述多孔材料时，产生包含所述第一相溶液和所述第二相溶液的双水相系统，其中所述相分离行为改性剂改变所述两相溶液的分离行为，所述目标分析物在所述多孔材料上分离或浓缩。

在一个实施例中，本发明提供了一种用于从样本溶液中分离或浓缩一种或多种目标分析物的方法，所述方法包括：

(1)获得含有目标分析物的样本溶液；以及

(2)使所述样本溶液与包埋有一种或多种相分离行为改性剂、能够形成双水相系统(ATPS)的第一相溶液和第二相溶液的组分的多孔材料接触，其中，当含有所述目标分析物的溶液流经所述多孔材料时，产生包含所述第一相溶液和所述第二相溶液的双水相系统，

其中所述改性剂改变所述两相溶液的分离行为；

其中所述目标分析物在所述多孔材料上分离或浓缩。

附图说明

图1提供若干实施例，示出了相分离行为改性剂如何在矩形多孔材料中分布。相分离行为改性剂可以分布在多孔材料内的多个不同位置，并且在每个位置处可以不同浓度分布。

图2示出了不同流速下的相分离图(双结点曲线)，比较带有或不带有行为改性剂的ATPS组分的分离行为和特性，说明了相分离行为改性剂对ATPS组分的相分离特性的益处。在某些情况下，这些相分离图表示流体流经包埋有ATPS组分的多孔材料的时间进程，从而使在该材料中脱水的ATPS组分再溶解。随着时间的推移，更多的ATPS组分会进入溶液。曲线是表示对相分离有效的ATPS组分的相对浓度的双结点曲线，从而在单相系统和两相系统之间设定边界。根据双结点曲线理论，只有当ATPS组分的相对浓度达到一定值时，才会发生相分离。双结点曲线外的任意点代表单相系统(无相分离)，而双结点曲线内的任意点代表双相系统(相分离)。水平实线指的是连结线，其表示两相在特定温度下彼此平衡存在的条件。在给定温度下，连结线上的所有系统产生相同的两相，连结线与双结点曲线的交点代表在该温度下彼此平衡存在的两相的组成。ATPS溶液的体积比可以通过将连结线上的点到左边的双结点曲线的长度与点到右边的双结点曲线的长度进行比较来确定(称为“杠杆臂法则”)。例如，在图2的A中，当ATPS组分的相对浓度为n时，两相溶液的体积比为1：5，而在图2的B中，当ATPS组分的相对浓度为2n时，体积比为5：1。相比之下，当ATPS组分的相对浓度为3n(超出连结线)时，两相溶液不会发生相分离，而是仍为一个单相(图2中的C)。因此，无论ATPS组分的相对浓度如何变化，目标分析物沿连结线的分配系数都是相同的。由于在ATPS作用下目标分析物的产率取决于目标分析物的分配系数和回收的目标相的体积，产率将取决于连结线和ATPS在该连结线上的位置。通常，连结线越长，产率越高。右侧(图2中的D-F)的相图表明，向ATPS添加相分离行为改性剂会使双结点曲线的位置向下移动，从而在任意给定温度下增加连结线的长度，进而允许在两相组分的较宽的相对浓度范围内发生相分离，并提高分配系数。因此，能够相分离的ATPS浓度范围显著扩大。此外，在ATPS组分和相分离行为改性剂在多孔材料中脱水的某些实施例中，相分离体积比相对于流速和ATPS组分浓度的波动变得更加稳定。沿着同一条连结线，ATPS组分浓度的增加将导致更极端的体积比。根据双结点曲线理论，如果ATPS组分的操作相对浓度过于接近双结点曲线的任一侧，即使两相溶液的体积比发生轻微变化(例如溶液的轻微稀释或浓缩)，也会导致操作相对浓度向仅存在一相的双结点曲线的另一侧移动。然而，在多孔材料包埋有脱水形式的ATPS组分和改性剂的情况下，ATPS组分浓度的增加也与相分离行为改性剂的增加相关联，从而导致与图2的A-C中的相图相比，双结点曲线成比例地向下移动，并且在温度T下的连结线更长。因此，当改性剂存在时，相同相对浓度的ATPS组分对体积比的影响更小，使得系统更加稳定，且鲁棒性更强。应该注意的是，虽然图2说明了具有单个ATPS组分的温度相关ATPS，但上述概念同样适用于不依赖温度的ATPS和具有多个ATPS组分的ATPS。

具体实施方式

以下描述了本发明的若干实施例。出于解释的目的，阐述了具体的配置和细节，以提供对实施例的透彻理解。此外，对于单词的复数或单数形式以及对实施例的方向描述如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，这些表述是为了帮助读者理解实施例，而不意味着物理上的限制。对于本领域的技术人员来说，显然本发明可以在没有具体细节的情况下实施。通过参考随后的示例，将更好地理解本发明，但是本领域技术人员将容易理解，具体示例仅用于说明目的，而不应限制由随后的权利要求限定的本发明的范围。应当注意，与“包含”或“其特征在于”同义的过渡术语“包括”是包含性的或开放式的，不排除附加的、未引用的元件或方法步骤。

本发明涉及一种改善多孔材料中双水相系统(ATPS)用于从样本溶液中分离或浓缩目标分析物的行为和性能的方法和/或装置。本发明还提供了一种用于实施本发明方法的装置。

在一个实施例中，在预期的多种不同可能性中，本发明的方法和/或装置利用相分离行为改性剂来改善ATPS组分的一种或多种相分离行为和性能特征。在一个实施例中，还预期ATPS组分的相分离行为和性能特征的改善可以改善与本发明多孔材料或装置结合使用的多种其它装置、方法或实践的功能和集成。

在一个实施例中，本发明提供了一种使用包埋在多孔材料中的ATPS组分和一种或多种相分离行为改性剂来分离或浓缩溶液中的目标分析物的方法和装置。在一个实施例中，相分离行为改性剂是可以通过改变ATPS的温度、酸碱度、盐浓度和/或离子强度来诱导或促进相分离的化合物。从而，目标分析物根据其特性优选分至一相或另一相。

相应地，本发明提供了一种双水相系统(ATPS)，其能够在较宽范围的ATPS组分浓度下从样本中分离或浓缩目标分析物。本发明克服了现有技术的局限性，例如对样本大小、ATPS组分的最小和最大浓度以及纯化的目标分析物的产率的限制。本发明促进了目标分析物在双水相系统中更快和更有效的分布，而不需要复杂的仪器，并且允许从大体积和复杂的生物材料中以高产率纯化目标分析物，同时避免目标分析物污染。

在一个实施例中，本发明提供了一种用于从样本溶液中分离或浓缩一种或多种目标分析物的装置，所述装置包括：

(1)多孔材料；

(2)能够形成双水相系统(ATPS)的第一相溶液和第二相溶液的组分；以及

(3)一种或多种相分离行为改性剂；

其中所述组分和所述相分离行为改性剂包埋在所述多孔材料中，其中当含有所述目标分析物的溶液流经所述多孔材料时，产生包含所述第一相溶液和所述第二相溶液的双水相系统，其中所述相分离行为改性剂改变所述两相溶液的分离行为，所述目标分析物在所述多孔材料上分离或浓缩。

在一个实施例中，本发明提供了一种用于分离或浓缩一种或多种目标分析物的装置，所述装置包括：

(1)多孔材料；

(2)能够形成双水相系统(ATPS)的第一相溶液和第二相溶液的组分；以及

(3)一种或多种相分离行为改性剂；

其中所述组分和所述相分离行为改性剂中的一种或多种包埋在所述多孔材料中，其中所述组分和所述相分离行为改性剂的余量与含有所述目标分析物的溶液混合，从而形成混合溶液，其中当所述混合溶液流经所述多孔材料时，产生包含所述第一相溶液和所述第二相溶液的双水相系统，其中所述相分离行为改性剂改变所述两相溶液的分离行为，所述目标分析物在所述多孔材料上分离或浓缩。

在一个实施例中，本发明提供了一种用于从样本溶液中分离或浓缩一种或多种目标分析物的方法，所述方法包括：

(1)获得含有目标分析物的样本溶液；以及

(2)使样本溶液与包埋有一种或多种相分离行为改性剂、能够形成双水相系统(ATPS)的第一相溶液和第二相溶液的组分的多孔材料接触，其中，当含有所述目标分析物的溶液流经多孔材料时，产生包含所述第一相溶液和所述第二相溶液的双水相系统，其中所述相分离行为改性剂改变所述两相溶液的分离行为；

其中所述目标分析物在所述多孔材料上分离或浓缩。

在一个实施例中，当ATPS施加在多孔材料(例如纸)上时，随着混合相溶液流经多孔材料，ATPS的两相彼此分离。所得相溶液具有不同的物理化学性质，每一相以不同的速率通过多孔基质。混合物中的不同分子由于其不同的性质会在两相溶液中有差异地分布，可以通过简单的设置和人为干预使用ATPS分离和浓缩目标分子。

本发明的优点是可以以简单的方式获得高浓度和高产率的目标分析物，并且无需进一步的纯化或浓缩就能与下游应用分析兼容。

本文提供的方法和装置具有高鲁棒性，并且价低、简单、易于操作、安全、用户友好且快速。本发明的方法和装置能够纯化和浓缩目标分析物，从而确保使用纯化和浓缩的分析物的下游应用的性能不会受到原始样本中杂质的影响。

此外，本发明可应用于含有极少量或小体积目标分析物的样本，并且适于自动化，包括高通量筛选系统。

在一个实施例中，本发明提供了一种方法和/或装置，包括作为浓度模块的ATPS，其与作为检测模块的侧流免疫测定(LFA)部件相连接。在一个实施例中，检测模块容纳在具有观察窗和金纳米探针的塑料外壳中。当样本沿装置向上虹吸，ATPS组分发生相分离时，分析物基本上集中在前沿。然后，浓缩的分析物由LFA模块检测，产生视觉测试结果。

样本和目标分析物的类型

在一个实施例中，本发明的方法和装置可以将样本中的目标分析物与非目标分子(例如，通常是天然来源的小分子和大分子，其可能干扰目标分析物的检测或定量)分离，从而实现更精确的检测和诊断。

在一个实施例中，本发明的方法和装置适用于任何类型的样本。在一个实施例中，样本包括但不限于食物、血液、血浆、血清、组织、细菌、病毒、RNA病毒、涂布标本、细菌培养物、细胞培养物(例如细胞悬浮液和粘附细胞)、尿液、唾液、粪便和身体排出物(例如眼泪、痰、鼻咽粘液、***分泌物和***分泌物)、聚合酶链反应(PCR)混合物和体外核酸修饰反应混合物。

在一个实施例中，目标分析物包括但不限于蛋白质、核酸、碳水化合物、脂质、细菌、病毒、病原体、食物过敏原和纳米颗粒等。

在一个实施例中，目标分析物是食物过敏原，包括但不限于植物蛋白和动物蛋白。本发明中更优选羽扇豆蛋白。

在一个实施例中，目标分析物是来源于受试者或外源试剂或两者的核酸，其可以是各种类型(例如，包括cDNA的DNA、包括mRNA和rRNA的RNA)、各种形式(例如，单链、双链、卷曲、作为质粒、非编码或编码)和各种长度(例如，寡核苷酸、基因、染色体和基因组DNA)。

在一个实施例中，目标分析物是蛋白质(肽或多肽)，包括完整的蛋白质分子、降解的蛋白质分子和蛋白质分子的消化片段。在一个实施例中，生物标志物包括但不限于来源于受试者或外源试剂或两者的抗原、受体和抗体。

在一个实施例中，目标分析物是小分子，例如代谢物。在一个实施例中，代谢物是疾病相关代谢物，其指示疾病的存在或程度或健康状况。在一个实施例中，代谢物是药物相关代谢物，例如药物副产物，其水平在服用药物的受试者体内发生变化。

在一个实施例中，目标分析物来源于受试者本人(例如从受试者的任何器官、组织或细胞中衍生或释放的分子)、外源性来源(例如与特定疾病相关的病原体，如病毒或细菌)，或来自受试者摄入的食物或药物的食物过敏原(蛋白质)。变异链球菌是本发明中的优选细菌。

在一个实施例中，目标分析物通常不存在于健康受试者中。在一个实施例中，目标分析物是通常存在于健康受试者中的分子，但其水平指示特定疾病或健康状况。

多孔材料中的ATPS(双水相系统)

在一个实施例中，本发明提供了ATPS组分在多孔材料中的使用。本发明可以使用各种ATPS系统，包括但不限于聚合物-聚合物(例如PEG-PVP)、聚合物-盐(例如PEG-盐)和胶束。多孔材料可以由能够吸收和转移液体的任何合适的多孔材料制成。适用于本发明的多孔材料包括但不限于水凝胶、玻璃纤维纸、棉基纸、其它类型的纸、聚合物泡沫、纤维素泡沫、其它类型的泡沫、人造丝织物、棉织物、其它类型的织物、木材、石头以及任何其它能够吸收和转移液体的材料。

在一个实施例中，本发明提供了ATPS(双水相系统)用于样本溶液中目标分析物的分离和/或浓缩的用途，其中相分离特性由一种或多种相分离改性剂改变，所述相分离改性剂改善ATPS的行为和性能，从而诱导或促进ATPS的相分离。

在一个实施例中，ATPS包括包含第一相溶液和第二相溶液的混合相溶液，其中所述第一相溶液的组分和所述第二相溶液的组分以足以在混合相溶液流经多孔材料时经受相分离的浓度或负载包埋在所述多孔材料中。在一个实施例中，相分离特性由一种或多种相分离改性剂改变，以诱导、稳定和/或促进ATPS相分离。

在一个实施例中，在将含有目标分析物的样本加入所述多孔材料之前，将ATPS的第一相溶液的组分和/或所述第二相溶液的组分包埋在多孔材料中，然后脱水。

在一个实施例中，在将所述混合物添加到多孔材料之前，将ATPS的第一相溶液的组分和/或所述第二相溶液的组分与包含目标分析物的样本结合，以产生混合物。

在一个实施例中，在将混合物加入多孔材料之前，将ATPS的第一相溶液的一些组分和/或第二相溶液的组分包埋在多孔材料中，然后脱水，而第一相溶液的剩余组分和/或第二相溶液的组分与含有目标分析物的样本结合，以产生混合物。

在一个实施例中，提供了一种多孔材料中的双组分ATPS(双水相系统)，用于一种或多种目标分析物的浓缩和/或样本溶液的纯化。目标分析物与包含第一相溶液和第二相溶液的混合相溶液接触，并分至第一相溶液、第二相溶液或第一相溶液和第二相溶液之间的界面(或中间相)。

在一个实施例中，提供了一种多孔材料中的双组分ATPS(双水相系统)，用于从样本中去除一种或多种污染物，从而获得目标分析物的纯化样本。在一个实施例中，一种或多种污染物与包含第一相溶液和第二相溶液的混合相溶液接触，其中污染物分至第一相溶液、第二相溶液或第一相溶液和第二相溶液之间的界面(或中间相)。

在一个实施例中，多孔材料和ATPS的选择标准是使得第一相溶液以第一速率流经多孔基质，第二相溶液以第二速率流经多孔基质，其中第一速率和第二速率不同。

在一个实施例中，多孔材料是市售的或内部制造的。

相分离行为改性剂

在一个实施例中，本发明的方法和装置包括包埋有ATPS组分的多孔材料和一种或多种相分离行为改性剂，所述相分离行为改性剂改变ATPS的相分离行为，从而诱导或促进相分离。在一个实施例中，本发明的相分离行为改性剂能够扩大对相分离有效的ATPS组分的浓度范围。

在如图1所示的一个实施例中，进一步设想本发明的方法和装置可以各种组合使用不同类型的相分离行为改性剂。在一个实施例中，还设想相分离行为改性剂可以分布在装置的多孔材料内的多个不同位置，并且在每个位置处可以不同浓度分布。

双结点曲线表示两个不同相可以共存的条件(如温度和相组分浓度)，因此显示相分离发生的条件边界。根据双结点曲线理论，双结点曲线外的任意点代表单相系统(无相分离)，而双结点曲线内的任意点代表双相系统(相分离)。

图2显示不同流速下的相分离图(形成ATPS第一和第二相的组分的温度和相对浓度的双结点曲线)，比较了在系统中添加或不添加行为改性剂的情况下ATPS组分的分离行为和特性。在没有相分离行为改性剂添加到ATPS的左侧图(图2中的A-C)中，在给定温度下，可以在双结点曲线上观察到两点(除了双结点曲线的极值)，表示在该温度下溶液会经受相分离的两相组分的相对浓度范围。相对浓度超出该范围的某种成分的溶液将作为一个单相存在。在右侧图(图2中的D-F)中，相分离行为改性剂被添加到ATPS，类似地，在给定的温度和改性剂浓度下，可以在双结点曲线上观察到两点(除了双结点曲线的极值)。在图2中，双结点曲线边界内的水平实线(“连结线”)表示两相在给定温度下彼此平衡存在的条件。在给定温度下，特定连结线上的所有系统产生相同的两相，连结线与双结点曲线的交点代表在该温度下彼此平衡存在的两相的组成。ATPS溶液的体积比可以通过将连结线上的点到左边的双结点曲线的长度与点到右边的双结点曲线的长度进行比较来确定(称为“杠杆臂法则”)。例如，在图2的A中，当ATPS组分的相对浓度为n时，两相溶液的体积比为1：5，而在图2的B中，当ATPS组分的相对浓度为2n时，体积比为5：1。相比之下，当ATPS组分的相对浓度为3n(超出连结线)时，两相溶液不会发生相分离，而是仍为一个单相(图2中的C)。因此，无论ATPS组分的相对浓度如何变化，目标分析物沿连结线的分配系数都是相同的。由于ATPS回收的目标分析物的产率取决于目标分析物的分配系数和回收的目标相的体积，产率将取决于连结线和ATPS在该连结线上的位置。通常，连结线越长，产率越高。右侧(图2中的D-F)的相图表明，向ATPS添加相分离行为改性剂会使双结点曲线的位置向下移动，从而在任何给定温度下增加连结线的长度，进而允许在两相组分的较宽的相对浓度范围内发生相分离，并提高分配系数。无论流速如何，在改性剂存在的情况下，双结点曲线上两点所覆盖的范围总是更宽。此外，在ATPS组分和相分离行为改性剂在多孔材料中脱水的某些实施例中，相分离体积比相对于流速和ATPS组分浓度的波动变得更加稳定。沿同一条连结线，ATPS组分浓度的增加将导致更极端的体积比。根据双结点曲线理论，如果ATPS组分的操作相对浓度过于接近双结点曲线的任一侧，即使两相溶液的体积比发生轻微变化(例如溶液的轻微稀释或浓缩)，也会导致操作相对浓度向仅存在一相的双结点曲线的另一侧移动。然而，在多孔材料包埋有脱水形式的ATPS组分和改性剂的情况下，ATPS组分浓度的增加也与相分离行为改性剂的增加相关联，从而导致与图2的A-C中的相图相比，双结点曲线成比例地向下移动，并且在温度T下的连结线更长。因此，当改性剂存在时，相同相对浓度的ATPS组分对体积比的影响更小，使得系统更加稳定，鲁棒性更强。应当注意的是，虽然图2说明了具有单个ATPS组分的温度相关ATPS，但上述概念同样适用于不依赖温度的ATPS和具有多个ATPS组分的ATPS。

图2中显示的双结点曲线理论通常适用于所有类型的改性剂，包括本文所述的改性剂。据信，相分离行为改性剂能够改变相组分之一或两者的特性，例如温度、酸碱度、疏水性/亲水性、表面张力和/或离子强度，并允许相分离在较宽的两相组分相对浓度范围内发生，从而引发或促进ATPS相分离。

在一个实施例中，向多孔材料中的ATPS组分添加相分离行为改性剂可改善ATPS组分的分离行为和性能特征，包括但不限于通过调整参数来增加ATPS的稳定性或减少其波动，所述参数包括但不限于经受相分离的样本溶液的总体积、体积比、流体流速和ATPS组分的浓度。

在一个实施例中，本发明的方法和装置包括包埋有ATPS组分的多孔材料和一种或多种相分离行为改性剂，以增加纯化的目标分析物的产率。

在一个实施例中，本发明的方法和装置包括包埋有ATPS组分的多孔材料和一种或多种相分离行为改性剂，所述相分离行为改性剂通过最小化ATPS中的波动来提高相分离期间ATPS的稳定性。

在一个实施例中，本发明的方法和装置包括包埋有ATPS组分的多孔材料和一种或多种相分离行为改性剂，以从样本溶液中去除污染物。

在一个实施例中，在将混合物加入多孔材料之前，将相分离行为改性剂与含有目标分析物和/或一种或多种ATPS组分的样本结合，以产生所述混合物。在一个实施例中，在添加到多孔材料之前，将相分离行为改性剂与包含目标分析物和/或一种或多种ATPS组分的样本按顺序组合。

在一个实施例中，在将样本加入多孔材料之前，将相分离行为改性剂包埋在含有ATPS组分的多孔材料中，然后脱水。

在一个实施例中，在将混合物加入多孔材料之前，将一些相分离行为改性剂包埋在含有ATPS组分的多孔材料中，然后脱水，而剩余的相分离行为改性剂与含有目标分析物的样本结合，以产生混合物。

在一个实施例中，在将混合物加入多孔材料之前，将一些相分离行为改性剂包埋在含有ATPS第一或第二相溶液的组分的多孔材料中，然后脱水，而剩余的相分离行为改性剂与ATPS另一相溶液组分结合，以形成所述混合物。

在一个实施例中，在将混合物加入多孔材料之前，将一些相分离行为改性剂包埋在不含ATPS组分的多孔材料中，然后脱水，而剩余的相分离行为改性剂与ATPS的第一相溶液的组分和ATPS的第二相溶液的组分结合，以产生所述混合物。

在一个实施例中，相分离行为改性剂以干燥形式存在于多孔材料的一些区域中。在一个实施例中，相分离行为改性剂包埋在多孔材料的一些区域。在另一个实施例中，相分离行为改性剂包埋在多孔材料的整个区域。

在一个实施例中，相分离行为改性剂以干燥形式和均匀浓度存在于多孔材料的所有区域中。在另一个实施例中，相分离行为改性剂以干燥形式和不同浓度存在于多孔材料的不同区域中。

在一个实施例中，本发明的分离行为改性剂包括但不限于：

a.水溶液中携带酸性官能团的化合物，选自葡聚糖、蔗糖、糖类、多糖、山梨酸盐、聚山梨醇酯、羧酸盐、聚羧酸盐、磷酸盐、磷酸钾、聚磷酸盐、硫酸盐和聚硫酸盐、多元醇；

b.水溶液中携带胺官能团的化合物，选自胺、聚胺、胺盐和聚胺盐；

c.携带亲水基团和疏水基团的化合物，选自脂质、表面活性剂、核酸、激素、蛋白质、氨基酸；

d.离液剂；以及

e.亲液剂。

在一个实施例中，本发明的相分离行为改性剂包括但不限于蔗糖、磷酸钾、葡聚糖、吐温-20和Triton-Xl 14。

调节或稳定任一相或两相的总体积

在一个实施例中，选择本发明的相分离行为改性剂以：

(a)减少相分离期间和之后任一相或两相总体积的波动(增加稳定性)。例如，当ATPS组分包埋在多孔材料中并脱水，并在流体流动过程中再溶解时，ATPS组分的持续再溶解会改变第一相和/或第二相的总体积。流速的变化导致第一相和/或第二相的总体积的变化。在一个实施例中，使用改性剂如携带亲水和疏水基团的化合物，该化合物与多孔材料内的脱水ATPS组分相互作用，因此减少了流体在多孔材料内流动期间第一相和/或第二相总体积的波动。对于更具鲁棒性的装置，希望减少浓度倍数的波动；或者

(b)增加经受相分离的样本溶液的总体积。当ATPS组分在多孔材料中脱水并在流体流动过程中再溶解时，ATPS组分的持续再溶解会增加第一相和/或第二相的总体积。在一个实施例中，水溶液中携带酸性官能团的化合物被用作改性剂，以降低第一相和/或第二相溶液的酸碱度，从而促进第一相和/或第二相溶液的再溶解并增加相溶液的总体积。总的来说，携带酸性官能团的化合物将导致多孔材料中更早发生相分离和/或在更低的ATPS浓度下发生相分离，这会导致更大体积的流体在流经多孔材料时经受相分离。这可能有利于在相关相中从给定溶液中浓缩出更多的目标物；或者

(c)减少经受相分离的样本溶液的总体积。在一个实施例中，水溶液中携带胺官能团的化合物被用作改性剂，以增加第一相和第二相的酸碱度，从而阻碍两相的再溶解。当ATPS组分在多孔材料中脱水并在流体流动过程中再溶解时，因ATPS组分的再溶解受阻，将减少第一相和/或第二相的总体积。因此，相会在随后分离和/或在多孔材料中的ATPS组分浓度更高时分离，这将减少流经材料时经受相分离的流体的总体积。这可能有利于在相关相中从给定溶液中浓缩出更多的目标物。

调节或稳定第一相和第二相的体积比

在一个实施例中，选择本发明的相分离行为改性剂以：

(a)在相分离过程中或之后，减少ATPS第一和第二相之间体积比的波动(增加稳定性)。当ATPS组分在多孔材料中脱水并且当流体在多孔材料中流动时再溶解时，ATPS组分的持续再溶解将改变两相的体积比。流速的变化导致体积比的变化。在一个实施例中，通过添加改性剂，例如携带亲水和疏水基团的化合物，该试剂将通过亲水和疏水基团与脱水ATPS组分相互作用，当流体在多孔材料内流动时减少体积比的波动。体积比的波动减小对于更具鲁棒性的装置来说是理想的；或者

(b)增加ATPS第一相和第二相之间的体积比。在一个实施例中，通过将改性剂如水溶液中携带酸性官能团的化合物加入ATPS(取决于相关相是哪一相)，相关相中的酸碱度会降低，从而促进相关相的再溶解。体积比的增加可能有助于进一步增加目标浓度，改善流体流动，或理想地调节相关相的体积。这可能有利于在相关相中从给定溶液中浓缩出更多的目标物；或者

(c)降低ATPS第一和第二相之间的体积比。在一个实施例中，通过将改性剂如水溶液中携带胺官能团的化合物加入ATPS(取决于相关相是哪一相)，相关相中的酸碱度将增加，从而阻碍相关相的再溶解。体积比的降低可能有助于进一步增加目标浓度，改善流体的流动，或者理想地调节相关流体相的体积。这可能有利于在相关相中从给定溶液中浓缩出更多的目标物。

调节第一和第二相组分的浓度

在一个实施例中，选择本发明的相分离行为改性剂以：

(a)减少第一相或第二相中第一相组分和/或第二相组分浓度的波动。当ATPS组分包埋在多孔材料中并脱水，并在流体流动过程中再溶解时，ATPS组分的持续再溶解会改变第一相组分和/或第二相组分的浓度。流速的变化导致第一相和/或第二相中组分浓度的变化。在一个实施例中，通过向溶液或多孔材料中添加改性剂，例如携带亲水和疏水基团的化学品，该试剂将通过亲水和疏水基团与ATPS组分相互作用，当流体在多孔材料中流动时减少浓度的波动。对于更具鲁棒性的装置，希望减少浓度倍数的波动；或者

(b)增加同一相内ATPS一相组分的浓度。在一个实施例中，当ATPS组分在多孔材料中脱水时，通过将改性剂如水溶液中携带酸性官能团的化学品直接加入到含有目标分析物的溶液中，或者将改性剂在多孔材料中脱水，该相溶液中的酸碱度将降低，从而促进该相中ATPS组分的再溶解，导致更高的浓度。这可能有利于增加浓缩系数，从而通过增加体积比来提高目标分析物的浓度，进而导致更大体积的相分离。这可能有利于在相关相中从给定溶液中浓缩更多出的目标物；或者

(c)降低同一相中ATPS一相组分的浓度。在一个实施例中，通过将改性剂如水溶液中携带胺官能团的化合物直接加入到含有目标分析物的溶液中，或者将改性剂在多孔材料中脱水，将增加该相的ATPS组分的酸碱度并降低其再溶解速率，从而导致在再溶解过程中同一相中一相ATPS组分浓度较低。这可能有利于在流体在多孔材料内流动期间产生更持续的ATPS组分释放，使ATPS浓度更均匀并产生更大体积的相分离。这可能有利于在相关相中从给定溶液中浓缩出更多的目标物；或者

(d)增加另一相中一相组分的浓度。在一个实施例中，当ATPS组分在多孔材料中脱水时，通过将水溶液中携带酸性官能团的化合物直接加入到含有目标分析物的溶液中，或者将改性剂在多孔材料中脱水，第二相中第一相组分的酸碱度将降低，从而促进第二相溶液中第一相组分的再溶解，导致第二相中第一相组分的浓度较高。这可能有利于增加体积比，产生更大体积的相分离，和/或增加目标分析物的浓度。这可能有利于在相关相中从给定溶液中浓缩出更多的目标物；或者

(e)降低另一相中ATPS一相组分的浓度。在一个实施例中，通过将改性剂如水溶液中携带胺官能团的化合物直接加入到含有目标分析物的溶液中，或者将改性剂在多孔材料中脱水，该相组分的酸碱度和再溶解速率将会增加，从而导致在再溶解过程中另一相中一相ATPS组分浓度较低。这可能有利于在流体在多孔材料内流动期间产生更持续的ATPS组分释放，使ATPS浓度更均匀并产生更大体积的相分离。这可能有利于在相关相中从给定溶液中浓缩出更多的目标物；或者

(f)a-e的任意组合。

在多孔材料中更早诱导相分离和/或在更低的ATPS组分浓度下诱导相分离

在一个实施例中，通过使多孔材料中更早发生相分离和/或在更低的ATPS组分浓度下发生相分离，这会导致更大体积的流体在流经多孔材料时经受相分离。在一个实施例中，这可以通过加入改性剂如水溶液中携带酸性官能团的化合物来降低第一和/或第二相的酸碱度，从而促进相组分的再溶解来实现。当ATPS组分在多孔材料中脱水并在流体流动过程中再溶解时，ATPS组分的持续再溶解会增加第一相和/或第二相的总体积。这可能有利于从给定溶液中浓缩出更多的目标物。在一个实施例中，选择相分离行为改性剂以在较低浓度的ATPS组分下诱导初始相分离，否则该ATPS组分浓度太低而无法在不存在相分离行为改性剂的情况下诱导相分离。在ATPS包含胶束溶液的一个实施例中，当ATPS组分的浓度不足以引起相分离时，可以添加一种或多种改性剂来改变ATPS组分的参数，例如温度、酸碱度或离子强度，以允许在较低浓度下进行相分离。这将有利于因温度太低而无法诊断的情况，即通过扩大操作温度范围，或者下游诊断部件对ATPS组分敏感的情况，这时要求ATPS组分浓度保持在低水平。

在一个实施例中，通过促使多孔材料中更早发生相分离和/或在更低的ATPS组分浓度下发生相分离，会导致更大体积的流体在流经多孔材料时经受相分离。在一个实施例中，这可以通过加入改性剂如水溶液中携带酸性官能团的化合物来降低第一相和/或第二相的酸碱度，从而促进组分的再溶解来实现。当ATPS组分和/或改性剂在多孔材料中脱水并随着流体流动而再溶解时，ATPS组分的持续再溶解将增加第一相和/或第二相的总体积。这可能有利于从给定溶液中浓缩出更多的目标分析物。在ATPS组分在多孔材料中脱水并需要再溶解的情况下，只有当浓度达到某一点时才会发生相分离。通过添加在较低ATPS组分浓度下诱导相分离的改性剂，相分离将在多孔材料中更上游的位置更早开始。这可能有利于增加经受相分离的总体积，从而为下游应用浓缩更多的目标分析物。

在如图1所示的一个实施例中，本方法和/或装置可以使用相分离行为改性剂的多种不同类型和各种组合。在一个实施例中，相分离行为改性剂可以分布在装置的多孔材料内的多个不同位置和/或在每个位置处以不同浓度分布。

调整ATPS的域聚集速率

域聚集是ATPS一相的小液滴聚集在一起形成该相更大体积的过程。在一个实施例中，选择本发明相分离行为改性剂以：

(a)减少ATPS的一相或两相的域聚集速率的波动。在一个实施例中，通过向溶液中加入自相互作用的带电表面活性剂或蛋白质，这些试剂将分至其中一个相的域之间的界面，并增加域间相互作用，从而降低域聚集速率的波动；或者

(b)提高ATPS的一相或两相的域聚集速率。在一个实施例中，通过向溶液中加入自相互作用的带电表面活性剂或蛋白质，这些试剂将分至其中一个相的域之间的界面，并增加域间相互作用，从而提高域聚集速率。这可能有利于加快诊断的运行时间；或者

(c)降低ATPS的一相或两相的域聚集速率。在一个实施例中，通过向溶液中加入表面活性剂来降低两相之间的表面张力。随着表面张力的降低，驱动域聚集的热力学力变小。这在目标分析物分配缓慢，因而需要更多的时间到达适当相的情况下可能是有益的，其通过减缓聚集而在最初阶段保持域较小来实现；

调节流体的流速

在一个实施例中，通过添加改变溶液粘度和/或疏水性的试剂，可以增加或减少在多孔材料内的流速。通常，流体的流速与其粘度成反比。随着流体的疏水性变得更类似于多孔材料，流速也增加。在一个实施例中，选择本发明相分离行为改性剂以：

(a)减少第一相或第二相的多孔基质内流速的波动。在一个实施例中，通过添加改性剂，例如携带亲水和疏水基团的化合物，该试剂将通过亲水和疏水基团与ATPS组分相互作用，减少流速的波动；或者

(b)增加第一相或第二相的多孔基质内的流速。在一个实施例中，通过添加改性剂，例如携带亲水基团的化合物，该试剂将通过亲水基团与ATPS组分相互作用，以降低系统的离子强度，进而降低溶液的粘度和疏水性，流速增加；或者

(c)降低第一相或第二相的多孔基质内的流速。在一个实施例中，通过添加改性剂，例如携带疏水基团的化合物，该试剂将通过疏水基团与ATPS组分相互作用，以增加系统的离子强度。从而，溶液的粘度和疏水性增加，流速降低；或者

(d)a-c的任意组合。

调整目标分析物或污染物到第一或第二相组分的分配

在一个实施例中，选择本发明的相分离行为改性剂以：

(a)减少目标分析物和/或污染物在第一相和第二相之间分配的波动；或者

(b)增加目标分析物和/或污染物到相关相的分配。

目标物分配可以由多种力/原理驱动，包括但不限于尺寸排阻原理、疏水/亲水相互作用、静电相互作用。在一个实施例中，通过添加改变相内环境的改性剂，可以增加目标分析物到相关相的分配。例如，离液剂的加入将通过破坏相关相中的氢键使疏水相更加疏水，从而增加疏水分析物或污染物到该相的分配。这可能有利于进一步增加目标分析物或污染物的浓度；或者

(c)减少目标分析物和/或污染物向相关相的分配。在一个实施例中，添加亲液剂会通过增加两相之间的相互作用使疏水相更亲水，从而减少疏水分析物或污染物到该相的分配。如果试图将两个目标物分至不同相，这可能是理想的；或者

(d)a-c的任意组合。

在一个实施例中，选择相分离行为改性剂来执行上述功能的任意组合。

浓缩系数的调整

在一个实施例中，多孔材料中ATPS组分的相对量可以改变。

在一个实施例中，通过改变在多孔材料上脱水的ATPS组分的量，从而改变两相的体积比，目标分析物可以优先浓缩在一相中。在一个实施例中，目标分析物保持在ATPS的前沿，然后利用适当的技术收集并任选地进一步分析。

在一个实施例中，可以调整多孔材料上ATPS组分的顺序，以实现期望的效果或现象。在一个实施例中，一种或多种ATPS组分可以脱水并包埋在多孔材料中。

在一个实施例中，为了更好地量化与本发明相关的现象，开发了一种分析方法来评估在多孔材料上脱水的ATPS组分的相对量和所达到的浓度倍数之间的相关性。在一个实施例中，可以通过根据需要调节ATPS组分的相对量来控制和微调浓缩系数。

在一个实施例中，为了将ATPS组分整合到多孔材料中，将ATPS组分溶解在水(或合适的缓冲液)中，并将预定量的溶液/悬浮液施加到多孔材料上。然后将多孔材料置于冻干机或等效溶剂去除设备中以去除溶剂(例如水)，导致ATPS组分直接在多孔材料上脱水。将样本溶液引入多孔材料后，ATPS组分立即进行再水合，从而在样本中的组分或分子在多孔材料中流动时将其分离，并将目标分析物浓缩在流体流的前面。在一个实施例中，不需要外部动力或设备来提供驱动力。

在一个实施例中，本发明提供了一种包括用聚合物/聚合物ATPS，例如PEG-PVPATPS浸渍的多孔玻璃纤维纸的装置。当包含多种分析物的样本被施加到装置的一端时，浸渍的多孔玻璃纤维纸使得包含分析物的ATPS组分优先于其它ATPS组分流动。因此，目标分析物浓缩在流体流前面的含分析物的ATPS组分中。

在一个实施例中，本发明提供了一种包括用聚合物-盐ATPS，例如PEG-盐ATPS预处理的多孔玻璃纤维纸的装置。当包含多种分析物的样本被施加到装置的一端时，预处理的多孔玻璃纤维纸使得包含分析物的ATPS组分优先于其它ATPS组分流动。因此，目标分析物浓缩在流体流前面的含分析物的ATPS组分中。

在一个实施例中，本发明提供了一种包括用胶束ATPS浸渍的多孔玻璃纤维纸的装置。当含有多种分析物的样本被施加到装置的一端时，浸渍的多孔玻璃纤维纸使得含有分析物的ATPS组分优先于另一种ATPS组分流动。因此，目标分析物浓缩在流体流前面的含分析物的ATPS组分中。

在一个实施例中，适用于本发明公开的装置/方法的样本溶液是缓冲溶液，其包括但不限于磷酸盐缓冲盐水(PBS)和Tris-EDTA(TE)缓冲液。在本发明中，优选地，缓冲溶液是PBS缓冲液(8mM氯化钠、0.2mM氯化钾、1.15mM磷酸一氢钠、0.2mM磷酸二氢钾溶液，pH 7.35-7.65)。在一个实施例中，缓冲溶液是含有2％牛血清白蛋白(BSA)、0.1％PEG和20mM Tris的TE缓冲液，pH 7.5。

在一个实施例中，多个ATPS组分被结合到多孔材料中，以实现对目标分析物的浓缩系数的控制。

在一个实施例中，ATPS组分的优化比例在聚合物/盐ATPS、聚合物/聚合物ATPS或胶束ATPS中实施，以控制浓缩系数。

在一个实施例中，调整ATPS组分的比例以使浓缩系数在10倍到100倍之间。

在一个实施例中，存在多种ATPS，包括但不限于聚合物-聚合物(例如PEG-PVP)、聚合物-盐(例如PEG-盐)和胶束。第一和/或第二组分包括聚合物。聚合物包括但不限于聚亚烷基二醇例如疏水改性的聚亚烷基二醇、聚(氧亚烷基)聚合物、聚(氧亚烷基)共聚物例如疏水改性的聚(氧亚烷基)共聚物、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇、聚乙烯己内酰胺、聚乙烯甲醚、烷氧基化淀粉、烷氧基化纤维素、烷基羟烷基纤维素、硅氧烷改性的聚醚和聚N-异丙基丙烯酰胺及其共聚物。在另一个实施例中，第一聚合物包括聚乙二醇、聚丙二醇。

在一个实施例中，第一或第二相的聚合物浓度占水溶液总重量的约0.01％至约90％(w/w)。在各种实施例中，聚合物溶液选自约0.01％w/w、约0.05％w/w、约0.1％w/w、约0.15％w/w、约0.2％w/w、约0.25％w/w、约0.3％w/w、约0.35％w/w、约0.4％w/w、约0.45％w/w、约0.5％w/w、约0.55％w/w、约0.6％w/w、约0.65％w/w、约0.7％w/w、约0.75％w/w、约0.8％w/w、约0.85％w/w、约0.9％w/w、约0.95％w/w或约1％w/w的聚合物溶液。在一些实施例中，聚合物溶液选自约1％w/w、约2％w/w、约3％w/w、约4％w/w、约5％w/w、约6％w/w、约7％w/w、约8％w/w、约9％w/w、约10％w/w、约11％w/w、约12％w/w、约13％w/w、约14％w/w、约15％w/w、约16％w/w、约17％w/w、约18％w/w、约19％w/w、约20％w/w、约21％w/w、约22％w/w、约23％w/w、约24％w/w、约25％w/w、约26％w/w、约27％w/w、约28％w/w、约29％w/w、约30％w/w、约31％w/w、约32％w/w、约33％w/w、约34％w/w、约35％w/w、约36％w/w、约37％w/w、约38％w/w、约39％w/w、约40％w/w、约41％w/w、约42％w/w、约43％w/w、约44％w/w、约45％w/w、约46％w/w、约47％w/w、约48％w/w、约49％w/w和约50％w/w的聚合物溶液。

在一个实施例中，第一和/或第二相包括盐，该盐包括但不限于含有阳离子如直链或支链三甲基铵、三乙基铵、三丙基铵、三丁基铵、四甲基铵、四乙基铵、四丙基铵和四丁基铵，以及阴离子如硫酸盐、硝酸盐、氯化物和碳酸氢盐的无机盐。在另一个实施例中，盐选自由以下组成的群组：NaCl、Na₂S0₄、柠檬酸钾、(NH4)₂S0₄、柠檬酸钠、乙酸钠、胆酸钠及其组合。也可以使用其它盐，例如乙酸铵。

在一个实施例中，总盐浓度在0.001mM至100mM的范围内。本领域技术人员将理解，形成双水相系统所需的盐的量将受到聚合物的分子量、浓度和物理状态的影响。

在各种实施例中，盐相选自重量比为约0.001％至90％的盐溶液。在各种实施例中，盐溶液选自约0.01％w/w、约0.05％w/w、约0.1％w/w、约0.15％w/w、约0.2％w/w、约0.25％w/w、约0.3％w/w、约0.35％w/w、约0.4％w/w、约0.45％w/w、约0.5％w/w、约0.55％w/w、约0.6％w/w、约0.65％w/w、约0.7％w/w、约0.75％w/w、约0.8％w/w、约0.85％w/w、约0.9％w/w、约0.95％w/w或约1％w/w的盐溶液。在一些实施例中，盐溶液选自约1％w/w、约2％w/w、约3％w/w、约4％w/w、约5％w/w、约6％w/w、约7％w/w、约8％w/w、约9％w/w、约10％w/w、约11％w/w、约12％w/w、约13％w/w、约14％w/w、约15％w/w、约16％w/w、约17％w/w、约18％w/w、约19％w/w、约20％w/w、约21％w/w、约22％w/w、约23％w/w、约24％w/w、约25％w/w、约26％w/w、约27％w/w、约28％w/w、约29％w/w、约30％w/w、约31％w/w、约32％w/w、约33％w/w、约34％w/w、约35％w/w、约36％w/w、约37％w/w、约38％w/w、约39％w/w、约40％w/w、约41％w/w、约42％w/w、约43％w/w、约44％w/w、约45％w/w、约46％w/w、约47％w/w、约48％w/w、约49％w/w和约50％w/w的聚合物溶液。

在一个实施例中，ATPS的第一和/或第二相包括与水不混溶的溶剂。在一些实施例中，溶剂包括非极性有机溶剂。在一些实施例中，溶剂包括油。在一些实施例中，溶剂选自戊烷、环戊烷、苯、1,4-二恶烷、***、二氯甲烷、氯仿、甲苯和己烷。

在一个实施例中，ATPS的第一相和/或第二相包括胶束溶液。

在一个实施例中，ATPS的一相包括胶束溶液，另一相包括含聚合物的液相。在一个实施例中，液相中的一相包括胶束溶液，液相中的另一相包括盐溶液。在一个实施例中，一相包括第一聚合物，另一相包括第二聚合物。在一个实施例中，第一/第二聚合物选自聚乙二醇和PVP。在一个实施例中，一相包括聚合物，另一相包括盐。在一些实施例中，一相包括PVP，另一相包括胆酸钠。在一个实施例中，一相包括盐，另一相包括另一种盐。

在一个实施例中，第一相与第二相的体积比在1：1至1：1000的范围内。在一些实施例中，第一相与第二相的比例选自约1：1、约1：2、约1：3、约1：4、约1：5、约1：6、约1：7、约1：8、约1：9和约1：10的比例。在一些实施例中，第一相与第二相的比例选自约1：20、约1：30、约1：40、约1：50、约1：60、约1：70、约1：80、约1：90和约1：100的比例。在一些实施例中，第一相与第二相的比例选自约1：200、约1：300、约1：400、约1：500、约1：600、约1：700、约1：800、约1：900和约1：1000的比例。

在一个实施例中，第二相与第一相的体积比选自约1：1、约1：2、约1：3、约1：4、约1：5、约1：6、约1：7、约1：8、约1：9和约1：10的比例。在一些实施例中，第二相与第一相的比例选自约1：20、约1：30、约1：40、约1：50、约1：60、约1：70、约1：80、约1：90和约1：100的比例。在一些实施例中，第二相与第一相的比例选自约1：200、约1：300、约1：400、约1：500、约1：600、约1：700、约1：800、约1：900和约1：1000的比例。

分离后分析物的下游处理

在各种实施例中，本发明可以在所述第一装置的多孔材料的下游区域与第二装置集成，使得多孔材料内的引导流体转移到所述第二装置中。

在各种实施例中，本发明可以在所述第一装置的多孔材料的下游区域与第二装置集成，使得多孔材料内的引导流体转移到所述第二装置中。选择相分离行为改性剂，以通过本发明中描述的任何手段的组合直接或间接提高集成在下游区域的所述第二器件的性能。

通过本发明获得的分析物和/或含分析物的溶液可用于广泛的下游应用，例如司法鉴定、诊断或治疗应用中分析物的检测或分析，以及实验室程序，例如测序、扩增、逆转录、标记、酶切、印迹等。本发明可以提高分析物下游表征或处理的性能。

在一个实施例中，分析物的下游应用包括但不限于涉及纯化的分析物的检测或定量的任何检测、分析或诊断程序。在一个实施例中，与本发明结合的检测、分析或诊断程序包括但不限于在商业临床实验室中进行的任何此类程序，以及实验室程序，例如测序、扩增(例如PCR、RT-PCR、实时PCR和实时RT-PCR)、逆转录、标记、酶切、印迹、ELISA、RIA、免疫测定、酶学测定、GC/MS、基于蛋白质组的方法等。

在一个实施例中，通过本发明获得的分析物和/或含分析物的溶液可以通过侧流免疫测定(LFA)进行分析。LFA有多种理想的特性，包括易用性和对各种分析物的广泛适用性。然而，由于其检测的局限性，LFA通常只能提供定性结果。例如，LFA对病原体(变异链球菌)的检测限为10⁶CFU/ml。在本发明中，其中改性剂用于改善ATPS的相分离，LFA对变异链球菌的检测限可以提高到低至10⁴CFU/ml，达到100倍的提高。连同提高了100倍的浓度倍数，本发明适于在更宽的范围内提供定量结果。

在一个实施例中，可以通过向ATPS添加改性剂来增强目标分析物到相关相的分配。在一个实施例中，浓度倍数提高100倍。通过改进目标分析物的分配也有利于提高目标分析物的产率。

如果目标分析物浓度极低，可能会产生假阴性结果。在一个实施例中，由于通过向ATPS中添加一种或多种改性剂而增加了目标分析物的浓度，因此提高了LFA的检测限。从而，提高测试的再现性。

在一个实施例中，通过添加一种或多种改性剂，可以诱导ATPS相分离更早发生和/或在更低的ATPS组分浓度下发生。从而，可以显著提高整个检测或诊断过程的效率或速度。

在各种实施例中，本发明可以与一种或多种工艺或试剂结合使用，用于清洗和洗脱残留在多孔基质中的分析物，或者对残留分析物进行分离后处理。

第一或第二装置被设计成能够从所述第一或第二装置的多孔材料中手动和/或自动提取第一相溶液和/或第二相溶液，然后将提取的溶液用于另一方法或工艺。

在各种实施例中，选择本发明的相分离行为改性剂，以直接或间接改进通过本发明中描述的任何手段组合使用所述萃取相的所述方法或工艺的性能。

在一个实施例中，在含有分析物的溶液与ATPS接触后，在ATPS上施加一次或多次洗涤缓冲液，以从多孔基质中洗掉非目标分析物或杂质。洗涤缓冲液可以包括不同离子强度、酸碱度的溶液，或者含添加剂如洗涤剂的溶液。洗涤缓冲液包括但不限于含20％-50％乙醇和20％-50％异丙醇的溶液；含约0.1-4.0M盐酸胍、洗涤剂和高达约80％乙醇的溶液；或者含约80％乙醇的溶液。

在一个实施例中，目标分析物进入ATPS的多孔基质，并从一端流到另一端。在一个实施例中，使用合适的洗脱缓冲液或去离子水将本发明分离的目标分析物从多孔基质中洗脱出来。在一个实施例中，分离的目标分析物不被洗脱，而是储存在多孔基质中备用。例如，在使用本发明分离分析物之后，干燥并储存包含目标分析物(例如，DNA)的多孔材料(例如，纸)。在一个实施例中，残留在多孔基质上的分析物可以被洗脱，用于进一步分析或处理。洗脱缓冲液的选择可取决于纯化生物标志物的预期用途。适用于核酸类型分析物的洗脱缓冲液的示例包括但不限于Tris-EDTA(TE)缓冲液、二次蒸馏水和PCR缓冲液。在一个实施例中，多孔纸上的纯化分析物在含有TE缓冲液(10mM TrisCl，1mM EDTA溶液，pH 7.5)的管中洗脱，纯化分析物以相对小的体积回收，例如小于100μl。

在一个实施例中，本发明提供了一种用于分离或浓缩一种或多种目标分析物的装置，所述装置包括：

(1)多孔材料；

(2)能够形成双水相系统(ATPS)的第一相溶液和第二相溶液的组分；以及

(3)一种或多种相分离行为改性剂；

其中所述组分和所述相分离行为改性剂包埋在所述多孔材料中，其中当含有所述目标分析物的溶液流经所述多孔材料时，产生包含所述第一相溶液和所述第二相溶液的双水相系统，其中所述相分离行为改性剂改变所述两相溶液的分离行为，所述目标分析物在所述多孔材料上分离或浓缩，或者

其中所述组分和所述相分离行为改性剂中的一种或多种包埋在所述多孔材料中，其中所述组分和所述相分离行为改性剂的余量与含有所述目标分析物的溶液混合，从而形成混合溶液，其中当所述混合溶液流经所述多孔材料时，产生包含所述第一相溶液和所述第二相溶液的双水相系统，其中所述相分离行为改性剂改变所述两相溶液的分离行为，所述目标分析物在所述多孔材料上分离或浓缩。

在一个实施例中，一种或多种相分离行为改性剂存在于多孔材料的一些区域，而不存在于多孔材料的其它区域。

在一个实施例中，一种或多种相分离行为改性剂均匀分布在所述多孔材料上，或者以从所述多孔材料的一端到另一端逐渐增加的量存在。

在一个实施例中，一种或多种相分离行为改性剂以不同的量存在于多孔材料的不同区域。

在一个实施例中，一种或多种目标分析物分至第一相溶液或第二相溶液中，或者积聚在第一相溶液和第二相溶液之间的界面处。

在一个实施例中，选择多孔材料和所述组分，以使所述第一相溶液和第二相溶液以不同的速率流经多孔材料。

在一个实施例中，一种或多种相分离行为改性剂选自由以下组成的群组：

(a)携带一个或多个酸性官能团的化合物；

(b)携带一个或多个胺官能团的化合物；以及

(c)携带亲水和疏水基团的化合物。

在一个实施例中，携带一个或多个酸性官能团的化合物选自糖类、多糖、山梨酸酯、聚山梨醇酯、羧酸盐、聚羧酸盐、磷酸盐、聚磷酸盐、硫酸盐、聚硫酸盐和多元醇。

在一个实施例中，携带一个或多个胺官能团的化合物选自由以下组成的群组：胺、聚胺、胺盐和聚胺盐。

在一个实施例中，携带亲水和疏水基团的化合物选自由以下组成的群组：脂质、表面活性剂、核酸、激素、蛋白质和氨基酸。

在一个实施例中，相分离行为改性剂是离液剂。在一个实施例中，相分离行为改性剂是亲液剂。

在一个实施例中，选择一种或多种相分离行为改性剂以：

(a)减少相分离期间或之后第一相溶液、第二相溶液或两者总体积的波动；

(b)增加或减少含有经受相分离的所述目标分析物的溶液的总体积；

(c)减少第一相溶液和第二相溶液之间体积比的波动；或者

(d)增加或减少第一相溶液和第二相溶液之间的体积比。

在一个实施例中，选择一种或多种相分离行为改性剂以：

(a)减少第一相溶液中一种或多种组分浓度的波动；

(b)减少第二相溶液中一种或多种组分浓度的波动；

(c)增加或降低第一相溶液中一种或多种组分的浓度；或者

(d)增加或降低第二相溶液中一种或多种组分的浓度。

在一个实施例中，当所述组分的浓度不足以在不存在所述改性剂的情况下诱导相分离时，选择一种或多种相分离行为改性剂来诱导相分离。

在一个实施例中，选择一种或多种相分离行为改性剂以：

(a)减少域聚集速率的波动；或者

(b)增加或降低域聚集速率。

在一个实施例中，选择一种或多种相分离行为改性剂以：

(a)减少多孔材料内第一相溶液流速的波动；

(b)减少多孔材料内第二相溶液流速的波动；

(c)增加多孔材料内第一相溶液的流速；

(d)降低多孔材料内第一相溶液的流速；

(e)增加多孔材料内第二相溶液的流速；或者

(f)降低多孔材料内第二相溶液的流速。

在一个实施例中，选择一种或多种相分离行为改性剂以：

(a)减少目标分析物在第一相溶液和第二相溶液之间分配的波动；

(b)增加目标分析物向第一相溶液的分配；

(c)减少目标分析物向第一相溶液的分配；

(d)增加目标分析物向第二相溶液的分配；或者

(e)减少目标分析物向第二相溶液的分配。

在一个实施例中，该装置进一步与第二装置集成，使得多孔材料内的引导流体转移到所述第二装置中。

在一个实施例中，本发明还提供了一种使用该装置从样本溶液中分离或浓缩一种或多种目标分析物的方法。

在一个实施例中，提取在多孔材料上分离或浓缩的目标分析物以产生提取液，该提取液随后用于另一方法或工艺。

在整个申请中，应当注意的是，与“包含”或“其特征在于”同义的过渡术语“包括”是包含性的或开放式的，不排除附加的、未引用的元件或方法步骤。

通过参考以下示例，将更好地理解本发明。然而，本领域技术人员将容易理解，所提供的示例仅仅是为了说明的目的，并不意味着限制本发明的范围，本发明的范围由随后的权利要求限定。

实例

实例1-使用葡聚糖减少用于检测患者样本中病原体(变异链球菌)的装置中的体 积比波动。

用于LFA的样本垫的制备：将玻璃纤维多孔纸切成0.5cm×4cm的矩形。将配制好的ATPS组分、20％(w/w)PVP和18.5％(w/w)胆酸钠用吸移管移至玻璃纤维多孔纸上。然后将上述带有ATPS的多孔纸在冻干机中干燥2小时。然后将10％(w/w)葡聚糖用吸移管移至玻璃纤维多孔纸上，作为纸段上的相分离行为改性剂。将PEG溶液(在DI H₂0中)加入到每种多孔材料中。将50μl的含有2％牛血清白蛋白(BSA)和0.1％PEG的Tris-缓冲溶液(20mM Tris，pH7.5)紧接第一溶液加入。

然后将上述含有ATPS和相分离行为改性剂的多孔纸在冻干机中干燥2小时。然后将多孔纸中的ATPS置于PBS(总酸碱度7.4)中的含指示剂(胶体金)缓冲溶液中，引发毛细管作用介导的流动。葡聚糖溶液被施加到多孔纸的一端，从而沿扩散方向产生梯度浓度：

葡聚糖(相分离行为改性剂)的目的是在可变流体流速期间稳定(即减少波动)ATPS的体积比，使测试更具鲁棒性。葡聚糖的梯度很重要，其使得当流体流到达多孔材料的末端时，体积比仍然足够大。将纸段在低压真空下放置2小时脱水。将多层具有脱水ATPS组分和相分离行为改性剂的多孔纸组合在一起。

LFA试纸的制备：(1)将浓度为1mg/mL的抗变异链球菌抗体和(2)浓度为0.2mg/mL的蛋白质(牛血清白蛋白，BSA)添加到试纸上。按照制造商说明书的指导，将胶体金纳米颗粒与抗变异链球菌抗体结合。然后用冻干机将该结合物干燥到结合垫材料上。吸收垫由未经处理的纸组成。

LFA试纸与样本垫，即具有脱水ATPS组分和相分离行为改性剂的多孔装置/部件集成在一起。多孔装置/部件和LFA部件被放置在适当的外壳中，使得部件保持在适当的位置。

使用LFA检测：用ATPS组分和相分离行为改性剂脱水的玻璃纤维多孔纸、空白纸(不含ATPS或改性剂)和对照纸(ATPS不含改性剂)浸渍在相同的唾液溶液中，唾液溶液在酸碱度为7.4的PBS缓冲溶液中。样本溶液流经多孔材料并通过LFA测试2分钟后，需要另外2分钟来形成测试结果。通过目测观察测试线的存在与否来确定诊断结果。结果总结在下表1中：

表1-测试线强度

表1清楚地表明，向ATPS添加相分离行为改性剂可以增加测试线的强度，表明目标分析物的浓度显著增加。

实例2-使用聚山梨醇酯和蔗糖增加检测装置中食物过敏原(羽扇豆)的分配

用于LFA的样本垫的制备：将玻璃纤维多孔纸切成0.5cm×4cm的矩形。将配制好的ATPS组分、20％(w/w)PVP和18.5％(w/w)胆酸钠用吸移管移至玻璃纤维多孔纸上。将5％(w/w)聚山梨醇酯和5％(w/w)蔗糖用吸移管移至多孔玻璃纤维纸上作为相分离行为改性剂。将PEG溶液(在DI H20中)加入到每种多孔材料中。将50μl的含有2％牛血清白蛋白(BSA)和0.1％PEG的Tris-缓冲溶液(20mM Tris，pH 7.5)紧接第一溶液加入。

然后将上述含有脱水ATPS组分和相分离行为改性剂的多孔纸在冻干机中干燥1小时。然后将ATPS脱水的多孔纸置于PBS(总酸碱度7.4)中的含指示剂(胶体金)缓冲溶液中，引发毛细管作用介导的流动。施用聚山梨醇酯和蔗糖，使组分在多孔材料上均匀分布。将多层具有脱水ATPS组分和相分离行为改性剂的多孔纸组合在一起。

聚山梨醇酯和蔗糖的目的是增加食物过敏原目标物到第一相的分配。然后将纸段放入37摄氏度的烘箱中脱水28小时。

LFA试纸的制备：(1)将浓度为1mg/mL的抗羽扇豆抗体和(2)浓度为0.2mg/mL的蛋白质(牛血清白蛋白，BSA)添加到试纸上。按照制造商说明书的指导，将胶体金纳米颗粒与抗羽扇豆抗体结合。然后用冻干机将该结合物干燥到结合垫材料上。吸收垫由未经处理的纸组成。

LFA试纸首先与样本垫(即用于测试食物过敏原羽扇豆的多孔材料)集成，然后与食物基质研磨机/处理器集成。集成装置应组装成使样本溶液从食物基质研磨机/处理器向下流入多孔组分，然后进一步向前流动通过多孔材料，在多孔材料中将ATPS组分和相分离行为改性剂再溶解，相分离行为改性剂将诱导相分离并促进食物过敏原分配到第一超前相，最后进入LFA部件。所有部件都集成到适当的盒子/外壳中，使得部件保持在适当的位置。

使用LFA检测食物过敏原。将相关食物样本放入装置的食物基质研磨机/处理器部分。手动操作食物基质研磨机/处理器来分解食物基质。将含脱水ATPS组分和相分离行为改性剂的玻璃纤维多孔纸、空白纸(不含ATPS或改性剂)和对照纸(ATPS不含改性剂)浸入在pH7.4的PBS缓冲溶液中的食物基质样本中。样本溶液流经剩余装置部分2分钟后，需要另外2分钟来形成测试结果。通过目测观察测试线的存在与否来确定诊断结果。结果总结在下表2中：

表2-测试线强度

表2清楚地表明，向ATPS添加相分离行为改性剂可以增加测试线的强度，表明目标分析物的浓度显著增加。

实例3-使用磷酸钾增加样本溶液纯化和DNA扩增装置中的总相分离体积

将多孔水凝胶材料切割成半径为2cm、高度为6cm的圆柱形。多孔水凝胶组分被集成到合适的盒子/外壳中。该装置可以暴露水凝胶的底部和顶部。

将ATPS组分、20％(w/w)PVP和18.5％(w/w)胆酸钠以及作为相分离行为改性剂的10％(w/w)磷酸钾，与血液样本溶液混合，所述血液样本溶液包含在pH 7.4的PBS缓冲溶液中的相关DNA片段。磷酸钾的目的是在溶液流经多孔材料的过程中，在较早的点(更上游)诱导宏观相分离，使更大体积的溶液经受相分离，并且在过程结束时能够收集更大体积的溶液。最终体积应为水凝胶可容纳体积的大约120％。将样本溶液放置在一个开口容器或试管中，该容器或试管可以将锥形多孔装置保持在直立位置。使用空白水凝胶材料(不含ATPS组分或改性剂)和对照水凝胶材料(ATPS不含改性剂)进行比较。

打开装置的底部和顶部，露出锥形多孔水凝胶的底部和顶部。将该装置放入样本溶液和ATPS组分的混合物中。混合物的液体与多孔水凝胶的底部接触。

样本溶液的提取：溶液流至多孔水凝胶顶部2分钟后，通过用吸移管移出多孔水凝胶的顶部区域来提取纯化的样本溶液。然后，提取的样本溶液可用于DNA扩增。用紫外-可见分光光度法分析纯化样本的产率。结果总结在下表3中。

表3使用本发明的DNA浓缩倍数