专利名称：化学反应盒、其制造方法和化学反应盒驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及化学反应盒，更具体地，涉及这样一种化学反应盒，其中溶液的合 成、溶解、检测、分离或类似的操作，按照指定的规程可以容易地在低成本下执行， 而不会产生操作者之间的误差。
背景技术：
传统上，试管、烧杯、移液管或类似的仪器，己经普遍用于处理诸如溶液的合 成、溶解、检测、分离或类似的操作。例如，如
图1所示，物质A和物质B分别收 集在容器1和容器2例如试管或烧杯中。接着，将这些物质倒入容器3，例如试管 或烧杯中，这些物质被混合或搅动生成物质C。物质C在这种方式下的合成，例如， 可以通过发光、发热、变色、颜色对比或类似的现象进行观察。
另外，对混合物质进行渗滤、离心分离或类似的操作，来分离和提取目标物质。
而且，使用玻璃仪器，如试管或烧杯，进行诸如溶解之类的处理，例如，使用 有机溶剂进行溶解。并且，在检测过程中，如图1所示，将容器1中的受试物质A 与容器2中的试剂注入容器3中，观察它们的反应结果。
另一方面，对于生物分析仪之类的装置，例如，使用由柔性材料制成的扁平袋， 如日本未审査专利申请No. 2002-365299中所描述的。
图2是上述日本未审査专利申请No. 2002-365299中所述的生物芯片的结构图。 图2(a)是剖视图，图2(b)是平面图。在边缘密封的扁平的血液收集袋41的中心部 分是鱼形的袋。鱼形袋的开口用橡胶塞42密封。
在血液收集袋41中，按照从塞42到后部的顺序形成收集袋43、预处理区44、 接合部45以及废液贮存器47。为了进行血液收集，塞42插入注射器(未图示)中， 其中注射器的针头穿过塞42。为了进行血液收集，塞42插入注射器(未图示)中，其中注射器的针头穿过塞42。
为了进行血液收集，伸在注射器外部的针头的针尖插入受检测人的身体中。血 液收集袋41的钩52被拉出，使血液收集在收集区43。血液收集后，从血液收集袋 41中抽出注射器。接着，如图3所示，血液收集袋41夹在旋转辊61和62之间， 将生物芯片从收集区43朝预处理区44挤压，将收集的血液送到预处理区44。
当辊61和62运转并开始挤压袋48时，袋48中的溶液冲开阀49，流入预处 理区44。接着，袋50中的溶液以同样的方式流入预处理区44。当预处理区44中 的指定过程结束时，辊继续转动，将处理过的血液送到接合部45.
DNA芯片46布置在接合部45中进行杂交。在预处理区44处理完的多余血液 或溶液被C存在废液贮存器47中。利用布置在外部的阅读装置对执行杂交的DNA 芯片46的状况进行观察。
但是，使用烧杯、移液管或类似仪器的传统方法存在一些问题，例如，操作复 杂，不同操作者之间差别大，并需要花费大量的时间和工作。
另外，血液收集袋的问题还在于，它不容易用于移动液体，因为这些袋缺乏弹性。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种化学反应盒、该化学反应盒的制造方法和一种化 学反应盒驱动系统，所述的化学反应盒能容易地完成指定的操作规程而不同操作者 之间没有差别，该化学反应盒是密封的和一次性的，并具有针对病毒和危险药物的 安全结构。
附图的简要说明
图1表示现有技术中的处理方法；
图2是现有技术中血液收集袋的结构图3表示血液收集袋的操作方法；
图4是本发明化学反应盒的一个实施例的结构图5显示的是操作状态；
图6代表另一个操作状态；图7是本发明另一个实施例的结构图8表示有关流体通道加压方法的一个实施例；
图9表示有关流体通道加压方法的另一个实施例；
图IO表示有关流体通道加压方法的又一个实施例;
图11表示本发明另一个实施例的结构图12表示加压的方法；
图13表示流体通道形状的一个具体的例子；
图14表示另一个加压的方法；
图15表示又一个加压的方法；
图16表示再一个加压的方法；
图17是本发明另一个实施例的结构图18表示流体通道或室的形状；
图19表示具有分层结构的弹性体；
图20表示反应室的检测方法；
图21表示盒的另一个实施例的结构图22表示盒的又一个实施例的结构图23表示盒的再一个实施例的结构图24表示盒的入口的实施例的结构图25表示与基体材料有关的图26表示与注射和接合有关的方法；
图27是盒的另一个实施例的结构图28是盒的又一个实施例的结构图29表示样品的吸入方法；
图30是盒的另一个实施例的结构图31表示室的形状的一个实施例；
图32显示了将被处理的物体；
图33表示能使细胞均匀化的一个实施例；
图34是盒的另一个实施例的结构图35是盒的又一个实施例的结构图36是盒的再一个实施例的结构图；图37表示与弹性体和基体之间的接合部有关的一个实施例； 图38是盒的另一个实施例的结构图39是本发明的化学反应盒的一个实施例的结构图； 图40是本发明的化学反应盒的另一个实施例的结构图； 图41是本发明的化学反应盒的又一个实施例的结构图； 图42表示流动通路加压方法的另一个实施例； 图43表示有关流体通道加压方法的又一个实施例；
图44表示对于一个室有6个流体通道形成的一个实施例，其中形成有三个开/
关阀；
图45表示辊的形状的另一个实施例；
图46表示辊的形状的又一个实施例；
图47表示使用具有凸出部分的辊的一个实施例；
图48表示本发明的化学反应盒的一个实施例的主要部分；
图49表示本发明另一个实施例的主要部分；
图50表示本发明又一个实施例的主要部分；以及
图51表示本发明再一个实施例的主要部分。
具体实施例方式
下面参考附图详细地解释本发明。图4是本发明化学反应盒的一个实施例的结 构图。图4(a)是透视图，图4(b)是的弹性体的底视图。图4(c)是沿Z-Z'的剖视 图。化学反应盒IOO包括由密封的弹性橡胶或类似材料制成的弹性体110，以及由 硬材料制成的用于确定位置和维持形状的平板状基体(刚性体基体)120。
粘弹性体或塑性体可以用作盒的弹性体110 (但是，弹性体被用作实施例的一 个例子)。
如图4(b)所示，在弹性体110的底面形成用于容纳溶液的孔(下面称为"室") 111和112 (其均为从表面凹下的凹腔)，用于反应的室(也称为"反应室")113、 用于贮存废液的室(也称为"废液贮存器")114以及连通这些室的流体通道115。
如图4(c)所示，除了流体通道以外的弹性体110的其余部分和平面状粘合区 116，粘合在基体120的表面上，从而形成室和流体通道被弹性体110和基体120 密封的结构，用于防止溶液泄露到外部。下面对具有这种结构的盒中的溶液的转移进行解释。物质(下面称为"溶液"，
因为将溶液作为例子)A和溶液B事先注入在盒100中形成的室111和112中。溶 液是在注射器针头117直接插入弹性体110后利用注射器118注射的，如图4(c) 所示。由于弹性体IIO是由弹性材料制成的，因此当注射器针头117抽出时，针孔 将自己闭合。为了完全密封孔，在注入溶液后，对针孔填充粘结剂或类似的物质。 然而，也可以利用加热溶解来密封孔。
如图5所示，从盒100的左端上方向下压辊130到一定程度，将室lll压扁。 接着，如果辊130旋转，并从位置l向右移动，如图6(a)所示，贮存在室lll中的 溶液A被向右压出。溶液A通过流体通道115输送到反应室113。室113中的空气 被送出到废液贮存器114中。
如果辊130继续转动并运动到图6(b)中所示的位置2,室112中的溶液B被送 出。溶液B通过流体通道115流入反应室113。在这种情况下，当辊130向下压时， 流体通道115中辊经过的部分也被压扁，相应地变成一个防止回流的阀，从而防止 溶液B流回到室111中。
当溶液A和溶液B进入反应室113时，它们被混合并发生反应。这里的反应是 指，例如，混合、合成、溶解、分离或类似的过程。
使用这些盒能检测，例如，二恶英、DNA或类似的物质。
另外，如果辊130转动并从图6(c)所示的位置3运动到位置6之后，辊130 沿相反方向转动并运动到图6(d)所示的位置7时，可以容易地将溶液混合。 通常，辊130在一个方向(一个路径)结束旋转运动。
这些盒可以以小的尺寸、轻的重量和低的成本进行制造。而且，处理规程，如 物质的混合、合成、溶解、分离或检测，可以容易地在盒中进行，而不会在不同操 作者之间产生差别。
另外，本发明的盒是密封的和一次性的。它可以安全地处理病毒、危险药物或 类似的物质。例如，可以安全地和可靠地在此盒中进行工厂废水和浓縮废水的处理 (一系列的处理，如中和、蒸馏、取样、混合以及比色测定)、废水流入的江河或 类似地方的氰检测、从血液或患病部分提取DNA或蛋白质，或者类似的过程。
注意，这些解释仅是用于表示某些适当的实施例，以便例证本发明。因此，本 发明并不限于上述实施例。相反，在不偏离本发明的精神和实质特征的情况下，可 以做出很多其它的替代和修改。(1) 如图7所示，不但可以形成分别用于溶液A和B的室111和112，为了 贮存清洗液或干燥空气，也形成通向流体通道115的室141和142。
(2) 如图8所示，利用盒外部的外力对流体通道向下加压，不但可以利用辊 进行，而且可以利用致动器进行，所述致动器沿垂直方向对注射器151施加力，其 中图7所示的室112或类似的结构，也可以被致动器直接加压，从而可以压出室112 中的溶液。
(3) 如图9所示，可以使用多个致动器实现泵送，其中如果压下注射器151 后再压下宽的注射器152，就可以沿箭头(向右)方向压出溶液153。
(4) 如图IO所示，如果具有控制单个动作能力的多个致动器排列成阵列，并 向下压，它们也可以被用于具有一般用途流体通道的盒。
(5) 在流体通道的正上方的弹性体110的表面上具有凸出部分161，如图 ll(a)、 ll(b)和ll(c)所示。甚至当流体通道的宽度、形状或数量变化时，它们可 以被压扁和可靠地密封，其中刚性基体120非常有助于精确地维持位置。
(6) 如果辊的宽度小于盒的宽度，如图12(a)所示，弹性体110的周围区域 可能趋于形成翘曲，在这种情况下，如图12(b)所示，利用加压支架171事先将周 围区域压住。
(7) 如图13(a)所示，在弹性体110的室与流体通道之间形成非常窄的连接 部分，使在所述室中的溶液更容易流出，但，由于诸如粘度阻力之类的因素并不允. 许流体通道中的溶液进入此室。或者，如图13(b)或(c)所示，可以形成膜阀用于连 接部分。或者，如图13(d)所示，阀可以被室内溶液的压力打开，从而将溶液压出。
(8) 如图14所示，可以使用加压件180，其形状是中心膨胀(弯曲)，像一 个桶，而不是使用圆柱形辊。或者，如图15所示，可以使用球形的加压件190。或 者，如图16所示，可以使用基于吸水绘图纸方法的加压件200，其具有大曲率半径 的圆弧形状。如果加压件200沿图16所示的右方向旋转，则溶液可以沿箭头方向 压出。
(9) 如图17(a)所示，如果一开始形成的反应室113是薄的反应室，在施加 压力时其沿厚度方向膨胀，就不需要排出反应室113中的空气。因此，在盒100的 弹性体110中不必具有贮存废液的室。
(10) 关于流体通道115 (或室)的截面形状，如果如图18(a)所示角是直角， 则从上方加压时流体通道115被压扁，如图lS(b)所示，而溶液趋于残存在角上。因此，如图18(c)所示，角应具有半径为R的曲度。如果流体通道115的高度为H， 宽度为W，则希望R为H或W的十分之一或更大。如图18(d)所示，希望与基体120 的连接角也具有半径为R的曲度，如图18(d)所示。
(11) 可以对流体通道115的壁表面进行表面处理，如果溶液是在水中溶解的， 则形成疏水性表面；如果溶液是油性的，则形成亲水性表面，用于防止溶液的粘附。 或者，可以涂覆Teflon (注册商标)涂层，或者使用Teflon (注册商标)橡胶作 为弹性体110的材料。
(12) 弹性体IIO可以具有两层或多层。例如，如图19的示意图(图19(a) 是弹性体110的底视图，图19(b)是弹性体110的剖视图)所示，在第一层110a 中形成室210和211，而在第二层110b中形成室220。另外，形成流体通道212， 用于连接第一层110a的室210和第二层110b的室220，从而使这些室在三维上处 于紧凑方式。
(13) 形成反应室113，以便可以用于检测反应物质的光、电压、电流或热量 等等。例如，整个弹性体可以做成透光的或不透光(不透明)的。或者，仅将光测 量部分做成透明的。如果将除了光测量部分以外的部分做成不透明的，则贮存在这 些室中的反应物就能免受光照射。或者，整个弹性体可以由绝缘体形成，而一部分 由导电的弹性体(含有碳或类似的物质)形成。
为了观察反应物质发出的光，如图20(a)所示，弹性体110由透明材料制成， 其中通过阅读装置230读出反应物质发出的光进行观察。弹性体110不必是整体透 明的。相反，仅仅光测量部分透明是足够的。这里，可以嵌入玻璃室或类似的结构。
如果检测电压或电流，或者如果进行电泳，如图20(b)所示，设置导体231和 232，用以直接从反应室113拾取检测信号。或者，如图20(c)所示，在需要的时候 从外部插入电极233和234。
(14) 如图21所示，在弹性体110上形成出口 235，用于建立一种结构，从 而在利用辊130向下加压时，将反应物质从出口 235压出到外部。在这种情况下，
希望仅仅将安全的物质用作被排出的反应物质。
(15) 如图22所示，可以在弹性体110的上表面上形成圆弧形的楔形面241， 其中如果板状加压板240从上方垂直向下加压，则溶液沿箭头方向排出。
(16) 如图23所示，加压盖242和基体120可以利用铰链243连接，使加压 盖242可以自由地打开或关闭，从而在加压盖242关闭时能排出溶液。(17) 如图24所示，为注射样品在入口形成凹下部分250。当注射器针头117 插入或拔出时，注射剂被泄露并粘附在注射入口。但是，如图24(b)所示，泄露的 注射剂251由于注射剂的粘度或表面张力而残留在凹下部分250的底面，不会从盒 中排出。这在注射液体(例如血液)本身有危害时是有用的。注射器针头117的拔 出轨迹252自动闭合。
(18) 弹性体的制造材料可以是，例如，硅橡胶、PDMS (聚二甲基硅氧垸)、 天然橡胶及其聚合物、丙烯酸橡胶、聚氨酯橡胶或类似的材料。这些材料不必是完 美的弹性体，可以是具有粘弹性特征的树脂或塑性体，如凝胶。如果材料几乎是塑 性地变形，则甚至在图18(b)的情况下也难以形成间隙。
(19) 作为基体120的材料，可以使用玻璃、金属、硬树脂、可以弯曲的刚性 体或者类似的材料。如果使用可以弯曲的刚性体，如图25(a)和25(b)所示，将盒 放置在硬板或桌面260上施加压力，或者盒100从上方和从下方夹在两个辊130中 间。
(20) 为了在溶液注射到室111、室112或类似的结构之后密封注射入口，可
以使用加热或粘合剂。
或者，如图26(a)和26(b)所示，将弹性体110的顶面朝下，其中室转而朝向 上，将溶液注射到室中。此后，使用基体120盖住室，如图26(b)所示。
(21) 弹性体110与基体120的结合，除了利用粘结方式以外，可以利用吸附 (对于PDMS、玻璃或类似的材料)、超声波、加热、等离子处理、振动或类似的方法。
(22) 适于在盒中检测的物质是生物分子、有机物、无机物或者活的有机体， 如细菌、病变部分、细胞或类似的物质。
(23) 对于反应室中的提取过程，可以使用磁珠、二氧化硅珠、二氧化硅过滤 器、单块(monolith)过滤器、抗体、酶、枝状分子(dendrimer)或类似的物质 作为提取手段。注意，通过振动源对磁珠提供振动以分散磁珠，例如，所述振动施 加于盒的外部。
(24) 对于安全性，希望将凝固反应物事先注射到废液贮存器中。
(25) 由于刚性基体固定在盒上，因此当施加外力或当进行测量时可以确定精 确的位置。并且，如图27(a)所示，可以采用钩或用于该钩的孔270，用于当从外 部施加力时固定一个位置。图27(b)是盒固定在工作台271上时的侧视图(剖视图)，其中图27(a)中的孔270与安装在工作台271上的定位销272对齐。 另外，如图28所示，可以为这些活动如测量设置定位标记273。
(26) 如图29所示，可以使用辊130注射样品。换言之，如图29(a)所示， 在插入注射器针头117之后，向下压的辊130转动着从注射入口向后边运动，如图 29(b)所示，从而使样品吸入室lll中(图29(c))。
样品吸入后，如图29(d)所示，拔出注射器针头117，辊113向上抬起并返回 到原始位置，或者压下单独提供的第二辊，将吸入的样品朝后边传送。
如果样品的粘度足够大，在图29(d)所示的位置利用辊的非回流阀效应移送盒 中的样品，而不拔出注射器针头117。
(27) 对于上述混合，可以在室113中设置突起(或壁)280，用于分离和搅 动，如图30所示。
(28) 室的形状可以是诸如六边形的多边形、菱形、圆形等等的形状，如图 31 (a) 、 31 (b)和31 (c)所示。
(29) 本发明的盒不但可以处理溶液，也可以处理生物细胞。如图32所示， 将靶细胞放置在反应室113中，而将贮存在另一个室中的药剂供应并提供给细胞， 从而可以观察细胞培养或反应。
本发明的盒还用于无细胞系统的蛋白质合成。
(30) 三角形的突起290，其表面具有叶片，如图33 (a)所示，装在基体120 上。接着，如图33(b)所示，将辊130从左转到右，并从右又反转回到左，从而利 用研磨叶片将室113中的细胞均匀化。
(31) 本发明具有，例如，如下的应用
(a) 确定血液中葡萄糖浓度的葡萄糖传感器，其中盒是密封型的并能进行安 全测试；
(b) 测量NOx或二恶英；
(c) 检测头发、水或食物中的微量元素，如镉、氰化物、砷化物和汞，其中 盒是密封型的并能使用诸如比色法之类的方法安全地检测农药、有毒物质或类似的 物质；
(d) 使用杂交方法检测或鉴别生物聚合物，如DNA或脂A，或者使用抗原-抗
体反应检测或鉴别蛋白质；
(e) 在检测过程中使用电泳方法检测或鉴别DNA、 RNA或蛋白质；(f) 使用诸如HPLC之类的色谱法检测分子；
(g) 基于使用紫外光、可见光或类似光线的光谱学检测分子；
(h) 使用电化学测量方法测量物质的化学反应或变化，即，使用诸如阻抗方
法的电化学测量方法定性地或定量地检测物质的化学反应，如氧化-还原反应，或
者导电率的变化；以及
(i) 使用flow site meter法，利用荧光等通过鉴别细胞，如淋巴细胞，检 测或分离细胞、血小板或类似的成分；
(32) 为了基因的PCR扩增(聚合酶链式反应)，将金属300嵌入基体120 中，如图34所示，其中金属300的温度升高或降低是通过珀尔帖加热器310控制 的，从而便于热交换和简化PCR扩增。
(33) 如图35所示，将小的加压机构320，如刚性体、PZT、形状记忆金属合 金、致动器或类似的装置埋入盒100中，其中加压机构320被驱动并受到致动器321 或类似装置的外部压力，致动器321或类似的装置向下施加压力并部分地关闭流体 通道。
(34) 对于用光来检测反应室113中的反应物质，可以使用埋在盒100中的光 波导330，如图36所示。
(35) 原始的弹性体或盒的物质的形状，可以使用加工工艺进行制造，如铣削、 光成形以及湿或干蚀刻。这些室的制造，不但可以利用图4所示的片层粘合，而且 可以整体注射成形。注射成形的模具是使用诸如铣削、光成形或蚀刻的方法制造的。
(36) 弹性体110和基体120的密封，不但可以通过粘合，而且可以通过弹性 变形或配合结构。在图37所示的配合结构中，在弹性体110和基体120之间的接 合区端面上形成直角三角形的互补齿341和342，如图37(a)所示。这些齿啮合在 一起，如图37 (b)所示。注意，这些齿在流体通道或室的整个周围区域形成。
这种啮合的特征是，当弹性体110被向下压时，弹性体110难以水平膨胀。如 果沿着室或流体通道设置突起，如图37 (c)所示，可以简单地密封室或流体通道。
另外，用于部分关闭流体通道或室以及移动或阻塞流体通道或室中的流体物质 的外部作用力，不但可以是机械力，也可以是空气压力。
并且如图38所示，在盒的一个位置(入口)可以形成楔形部分350，其首先 接触圆柱辊。如果设置楔形部分350，使辊130仅仅沿一个方向，即图38 (a)和 38 (b)中向右的方向移动，就足以将将溶液移动到右侧。如果盒没有楔形入口，辊130需要沿两个方向运动，即向下方向和向右方向，如图38 (c) 、 38 (d)和 38 (e)所示。
图39表示本发明的另一个实施例。图39 (a)是平面图，图39 (b)是室(A、 B、 C、 D、 E和G)以及凸出部分(图39(a)的阴影部分)的局部剖视图，图39(c) 是Z-Z'剖视图。为了简化，溶液A的室称为室A，溶液B的室称为室B (下面将相 同的原理应用到C、 E和G)。
注意，如上文所述实施例的情况一样，化学反应盒100是由弹性体110 (如密 封的和弹性的橡胶)和板状基体120 (由刚性材料制成)形成的。基体120的材料 以及弹性体110和基体120之间的连接，也与上述实施例的情况相同。
用于装溶液的室A到F，每一个都是朝表面凹下的凹腔，是在弹性体110的底 面形成的，如图39 (b)所示。凸出部分161是在朝表面凹下的室(A、 B、 C、 E和 G)部分的上部形成的(这个凸出部分在图39(a)中是阴影)。
将血液注射到室A中，将用于溶解血液的溶液试剂注射到室B中，将用于捕获 诸如DNA的生物聚合物的磁珠注射到室C中。室D是反应室，其中施加了磁场(未 图示)。将清洗液注射到室E中，而将缓冲液体注射到室G中。室H是终产品室， 含有在反应室D中反应的液体。室F是废液贮存器。
在这些室中形成流体通道115，用于连通它们。室A和B是在凸出部分形成区 域(下面称为"凸出区")形成的，通过流体通道115a和115b连接到室C，室C 也形成在凸出区。室C通过流体通道115c连接到室D，室D是没有凸出部分的区域 (下面称为"凹下区")。另外，在凸出区形成的室E和G，通过流体通道115d 和115e连接到室D。并且，在凹下区形成的室H通过在凸出区形成的流体通道115f 连接到室D。在凹下区形成的室F通过在凸出区形成的流体通道115g连接到室D。
弹性体110的每个室以及除流体通道以外的平坦部分粘合在基体120的表面 上，如图39(c)所示，从而使这些室和流体通道被弹性体IIO和基体120密封，由 此形成一个防止溶液泄露到外部的结构。
下文，将解释上述结构盒中的溶液转移操作。
如上所述，血液、溶液试剂、清洗液以及缓冲液体，分别预先注射到在盒100 中形成的室A、 B、 E和G中。将表面带有正电荷的磁珠预先注射到室C中。注射(未 图示)是利用，例如，注射器完成的，其中所述注射器的针头直接插入弹性体110 中。由于弹性体IIO是由弹性材料制成的，如果注射器针头拔出，则针孔自行闭合。在溶液注射之后，将针孔用粘合剂或类似物质填充，使孔完全密封，但针孔也可以 利用加热溶解进行密封。
在上述结构中，如图39(d)所示，辊130在盒100的左端从上方向下压到一定 程度，将凸出区压扁，如果辊130转动并沿右向从位置l运动到位置2，如图39(a) 所示，则分别预先被注射到室A和B中的血液和试剂溶液被向右侧挤出。
结果，预先注射到室A中的血液通过流体通道115a流入预先注射有磁珠的室 C，同时预先注射到室B的试剂溶液通过流体通道115b流入室C，血液和试剂溶液 在此处混合。血液中的DNA被捕获在室C中的磁珠表面上。
接着，辊130转动并从位置2运动到位置3，使室C中混合的血液、试剂溶液 和磁珠通过流体通道115c流入室D。将磁场施加在室D中，使磁珠被捕获。
接着，辊130转动并从位置3运动到位置4，从而将流体通道115f压扁，阻 塞进入室H的流动。并且，辊130转动并从位置4运动到位置5。结果，预先注射 到室E中的清洗液流入室D清洗磁珠。这种清洗液通过流体通道115g流入装废液 的室F (通向室H的流体通道115f己经被压扁和关闭)。
接着，辊130转动并从位置5运动到位置6，使预先注射到室G中的缓冲液体 通过流体通道115e流入室D(通向室F的流体通道已经被辊130压扁和关闭)。接 着，加热室D，将己经被磁珠捕获的DNA释放。释放的DNA与缓冲液体通过流体通 道115f流入室H，成为最终产品。
图40是图39结构的另一个实施例。与图39的差别在于，取代废液室F，在 反应室D的排出口形成循环流体通道115h,使废液流回到室A中。辊130的运动以 及注射剂在这些室中通过流体通道的流入和流出操作，与图39相同。这种结构使 室或流体通道中的内部压力不会增大，因而可使液体平稳地转移。废液室F的空间 不再需要，从而可减少盒所占的空间。
图41表示另一个实施例的例子，其中盒中不形成图39所示的凸出部分。整个 盒为平的形状，其中辊130的长度受到限制，使辊130在盒上的X-Y范围内运动。 注意，室A、 B、 C、 E和G分别装有与图39中的相同的注射剂，并且室D和H也以 相同的方式运作。
在上述结构中，辊130在盒IOO左侧从上方向下压室A和B，使室A和B被压 扁，如图41所示，如果辊130转动并沿右向从位置l运动到位置2，则分别预先注 射到室A和B中的血液和试剂溶液被向右侧挤出。结果，预先注射到室A中的血液通过流体通道115a流入室C，同时预先注射 到室B的试剂溶液通过流体通道115b流入预先注射有磁珠的室C，血液和试剂溶液 在此处混合。
接着，辊130转动并从位置2运动到位置3，使室C中混合的血液、试剂溶液 以及用于捕获DNA的磁珠通过流体通道115c流入室D。将磁场施加在室D中，使磁 珠被磁场捕获。
接着，辊130转动并从位置3运动到位置4，从而将流体通道115f压扁，阻 塞进入室H的流动。并且，辊130转动并从位置4运动到位置5。结果，预先注射 到室E中的清洗液流入室D，用于清洗磁珠。这种清洗液通过循环流体通道115h 流入室A (通向室H的流体通道115f已经被压扁和关闭)。
接着，辊130转动并从位置5运动到位置6，使预先注射到室G中的缓冲液体 通过流体通道U5e流入室D (通向循环通道115e的流体通道已经被压扁和关闭)。 接着，加热室D，将己经被磁珠捕获的DNA释放。释放的DNA与缓冲液体通过流体 通道115f流入室H，成为最终产品。
利用盒外部的外力向下压流体通道，不限于辊。如图42所示，油、水、空气 或类似的物质可以预先注射到流体通道115i中用于加压，从而利用致动器(未图 示)压凸出部分161，尖端A'膨胀，压扁流体通道115。
图43表示对室或流体通道加压机构的另一个实施例，其中包括室或流体通道 的基体120，截面为凸出形状的弹性体110，以及含有弹性体110并使此弹性体的 凸出部分伸出的刚性体121，三者组合在一起，弹性体110的凸出部分受辊、致动 器或类似装置的压制，将上述流体通道或室压扁。如图所示，刚性体121也作为致 动器的限位器。
注意，通向每个室的流体通道115的数量是任意的。图44中形成6个流体通 道，其中如图42或43所示的三个凸出部分161 (用于阻塞流体通道)成为打开和 关闭的旋塞阔。
图45表示有槽的辊130a，其中槽131形成在圆柱辊130上。盒上形成的凸出
部分或室的位置可以以多种方式组合。
图46表示具有凸出部分的辊130b，其中是在圆柱辊130上相应地具有凸出部 分。即使盒是平的，外力也可以部分地施加在盒上，如同图39 (b)所示的凸出部 分那样。如图47所示，可以将区域分成Y1和Y2，其中凸出部分(a)和凸出部分(b) 用于施加压力。在此结构中，具有凸出部分的辊130b从左端开始转动，并从位置 X1运动到位置X2，将位于Y1区域的室A的液体压出到室C中，并且也将液体压回 到位于Y2区域的室B。
注意，上述实施例中所示的盒在特殊情况下具有如下问题
(1) 例如，如果进行基因扩增，则需要加热或冷却。如果采用微粒子与DNA 结合的样品，则可以对它们施加振动。但是，难以将热量或振动传递到由厚材料制 成的盒，诸如管上。
(2) 如果盒由薄玻璃制成，当盒内部残存含有病毒的溶液时，在抛弃盒时造 成危害。另外，玻璃结构的盒价格贵。
下文所述的实施例能解决这些问题。甚至这种化学反应盒能被快速地加热或冷 却，也能向这种盒传递足够的振动。此外，加热、冷却或振动对相邻位置的影响也 小。这种盒还安全并且便宜。
图48表示与这种盒有关的实施例的主要部分。这种盒的结构，适合于基于PCR 方法的基因扩增，或者用于磁性颗粒与DNA结合的样品。注意，下面的描述仅仅涉 及特性。除了特性以外的特征与上述实施例的相同，因此，省略这些特征的解释。
在图48中，200a是一个动作装置，允许使其尖端接触盒的弹性膜110a，并且 通过珀尔帖(Peltier)元件或类似的元件加热或冷却室A (例如，图4(b)中的反 应室113)中的样品，或者通过音圈或压电元件提供振动。在下面的实施例中，这 个动作装置称为外夹具。注意，样品是指DNA、磁性颗粒或类似的物质以及溶液。
弹性膜110a的形成部分是局部的，并限制在室A的上部，外夹具200a与其接 触。这部分弹性膜110a比弹性体的其它部分薄，并且其厚度为lmm或小于lmm。最 佳的厚度"t"，例如，是0. 1到lmm。
下文将解释这种结构的操作。将样品注射到盒的室A中。将盒中的流体通道或 类似的结构阻塞，升高室A中的内部压力。弹性膜110a保持在拉伸状态。
注意，内部压力并不仅限于室A的局部，而是可以升高盒中所有室和流体通道 中的内部压力。
将外夹具200a的尖端压下，并利用升高的内部压力粘附在弹性膜110a的表面。
根据处理程序，可以将样品加热、冷却或振动。
在基于PCR法的基因扩增处理中，重复进行加热和冷却。由于弹性膜110a薄，并且通过粘附的弹性膜110a直接对样品进行加热和冷却，因此反响远快于传统的 间接加热和冷却法。
在这种方式下，如果仅仅是目标室上部的弹性体是由lrnm或小于lmm的薄膜形 成的，而且薄膜上粘附有外夹具200a，则加热和冷却或振动可以施加在样品上。由 于加热和冷却仅仅直接作用在样品上，几乎没有透射，几乎不影响其它部分，因此 可以实现高速响应。而且，振动仅仅直接作用在样品上，几乎没有透射，几乎不影 响其它部分。
注意，本发明并不限于上述实施例。例如，如图49所示，室A的内部压力可 以由外夹具的下压(或介入)产生。在这种情况下，在室A中以相同方向形成的入 口流体通道115j和出口流体通道115k，同时被辊130 (作为旋塞阀)压扁，将室A 密封，接着外夹具200a压到弹性膜上，从而升高室A的内部压力。
如图50 (a)所示，在外夹具200a接触区域的周围弹性部分中可以形成凹槽 110b，以便减少传递到其它部分上的热量或振动。或者，如图50 (b)所示，可以 在凹槽中埋入由隔热材料或绝振材料制成的填充件llOc。
或者，如图51所示，弹性膜可以由透明膜形成。如果使用透明膜，可以利用 阅读装置400通过透明膜的窗口 (弹性膜110a)观察DNA杂交过程中的荧光。如果 样品被加热，可以通过窗口射入激光，不使用外夹具。
除非弹性膜110a起皱或不含有气泡，室的内部压力几乎是大气压。
为了捕获DNA， 二氧化硅珠或类似的材料可以用于磁珠。在这种情况下，可以
使用小于珠的过滤器捕获珠本身。
盒与外夹具之间的垂直关系可以与此实施例相反。换言之，盒的顶和底可以颠
倒，使外夹具从下面压向弹性膜110a。
对弹性体施加压力，并不限于利用如上述实施例所示的辊对盒的整个范围加 压。外部力可以从容器的外部施加，部分地关闭流体通道、室或同时部分地关闭二 者，从而流体通道或室内的流体物质可以运动或被阻塞。
起到这种作用的泵或阀并不是限于外部力，还可以使用在盒外部的外泵或者由 形状记忆合金或类似材料制成的内阀。
由于上述结构的盒是密封的和一次性的，因此它们相对病毒或危险药物是一个 安全性结构。另外，从实际角度看，这些盒非常有用，因为它们可以使化学反应或 类似过程的预定规程，可以简单地实现，而不存在操作者之间的差别。
权利要求
1.一种化学反应盒驱动系统，其中所述化学反应盒是用于进行样品的化学反应的化学反应盒，包括由刚性基体和弹性体形成的容器，其中形成两个或多个室，这些室是连通的，或者被布置成可以通过流体通道连通，当来自所述容器外部的外力作用于所述弹性体上时，使所述流体通道、所述室或者二者部分地关闭，从而使所述流体通道或所述室中的流体物质可以移动或被阻塞；其特征在于，所述化学反应盒的流体通道、室或该二者通过机械装置来部分地闭合，用于吸入样品或者用于移动或阻塞所述流体通道或室内的流体物质；
2. 如权利要求1所述的化学反应盒驱动系统，其特征在于，使用一个或多个圆柱辊、球、桶形加压件、圆弧形加压件或板状加压板，所述机械装置向所述弹性 体、所述粘弹性体或所述塑性体加压。
3. 如权利要求1所述的化学反应盒驱动系统，其特征在于，利用在一个或多个维度上操作的至少一对致动器，通过所述机械装置驱动一个刚性体，对所述弹性 体、所述粘弹性体或所述塑性体加压。
4. 如权利要求1所述的化学反应盒驱动系统，其特征在于，加压机构，如致 动器、刚性体、PZT或形状记忆合金被埋在所述容器中，用于提供所述的机械装置， 并且所述加压机构与外部驱动联合使用，用于部分地关闭流体或室。
全文摘要
本发明使提供一种化学反应盒成为可能，该化学反应盒使预定的规程容易地完成，而不会在操作者之间产生差别，并且该化学反应盒是密封的和一次性的，并具有针对病毒和危险药物的安全结构。本发明的盒用于执行样品的化学反应，包括由刚性基体和弹性体形成的容器，其中在所述容器中形成两个或多个室，这些室是连通的或者其被布置成可以通过流体通道连通，并且通过从所述容器外部对所述弹性体施加外力，部分地关闭所述流体通道、所述室或上述二者，从而能移动或阻塞所述流体通道或室中的流体物质。
文档编号B01J19/00GK101301632SQ20081000437
公开日2008年11月12日 申请日期2004年11月10日 优先权日2004年11月10日
发明者佐藤纱绫, 关直树, 片仓久雄, 田名纲健雄 申请人:横河电机株式会社