微流体器件的制作方法

专利名称：微流体器件的制作方法
微流体器件
本发明涉及微流体器件和形成所述器件的方法。
微流体器件是用于在微观尺度上操纵和分析流体样品的器件。这种器 件的特别特征是微观尺度容积(通常称为"微结构")的存在，其用于保持和 引导流体，以在所述器件上以某种方式进行分析或测试或工作。通过以这 样的微观尺度进行工作的优点是众所周知的。为了避免疑问，如在此使用 的术语"容积"和"微结构"用于表示可以用于例如容纳、操纵、控制或导引 微流体器件内的流体流动的任何结构。这种微结构的实例是通道、反应室、 杂交室、泵和阀。
一种特别形式的微流体器件采用基本上平面的器件格式。基于这种平 面微流体器件格式的集成系统的开发己经进行了数十年。它们可以用于分 子生物学的研究的自动化以及诊断系统的开发。关于化学和生物化学分析
的重要里程碑是由A. Manz等发表的微-全分析系统的概念(传感器和调节 器B(Sensors and Actuators B)， 1990， 1， 244-248)。该工作引入了将所有 需要的分析操作步骤集成到单一的平面基体上的概念。以这种方式，可以 以最少的人为干预进行所有从样品制备到分析所需的加工步骤。例如，可 以将整个实验室装备小型化到单一的器件上，从而使得可以显著地节省成 本和时间。
可以由涉及一系列加工步骤的各种材料制造微流体器件。通常使用半 导体加工技术构造材料如玻璃和硅。备选地，将聚合物基体用于制造微流 体器件。这些聚合物基体可以用多种技术，例如，激光微机械加工、热压 花、热成型和注塑来构造。在许多系统中，聚合物基体优于玻璃或硅，因 为聚合物基体能够实现低成本物质构造。由聚合物基体构造微流体器件的 设计的实例示出在美国专利5,932,799中，其中以不含粘合剂的属性构造 并且粘合了多层层压聚酰亚胺膜。该专利引用了 US 5,525,405，所述US 5,525,405涵盖了由芳族聚酰亚胺与无机增粘剂如Sn组成的聚酰亚胺的开 发，使得可以将膜粘合以形成层压体。在微流体的历史中的重要里程碑是由弹性体材料，如在US 6,843,262 中公开的聚二甲基硅氧垸(PDMS)，构成的整个器件的开发。这些开发大 部分基于将弹性体树脂倾倒在微制造的正特征(microfabricated positive feature)上，以在PDMS中形成通道。
对于微流体器件的各种功能要求可以归结于结构、光学和化学性能方
面。例如，为了在采用荧光-基检测方案的检测系统中使用，形成器件的材 料应当具有光学透明性和最小的自荧光。此外，为了商业可行，这种器件
应当容许精确、自动的大规模生产技术。在这点上，诸如热成型的技术是 有用的，并且可得的可热成型聚合物材料的广泛多样性使得实现特定的功 能要求更加容易。然而，对于所有这样的器件的普遍要求是它们必须具有 被精确地构造有微观尺度流体容纳特征的能力。这种微结构的尺寸和形状 是这些器件的合适性能的关键，并且任何偏差，即使较小的容限也会损害 合适的功能或一起将其阻碍。通常需要的在制造中于微结构形成之后使用 的热成型或热粘合步骤，都很容易导致热成型的微结构中明晰度的损失。 此外，膜一旦被构造就必须随着时间的过去而是稳定的，并且允许将 试剂储存在结构中，而没有从聚合物的沥滤、试剂吸附和气体透过，以提 供商业市场可接收的货架寿命。还适宜的是，膜由生物相容性材料形成， 使得要在器件内进行的反应不受影响，例如确保最小的至通道或反应室的 内部的蛋白质和核酸吸附。
本发明的一个目的是旨在缓和如所述的这些问题。
根据第一方面，本发明提供一种微流体器件，所述微流体器件包含第 一和第二膜的层压体， 一层或各层膜包括热成型的结构，使得所述膜一起 限定用于其之间的流体容纳的封闭容积，其特征在于，各层膜本身包含相 对较高软化温度的热塑性聚合物材料与相对较低熔融温度的热塑性聚合 物材料的层压体，所述膜的分别的相对较低熔融温度热塑性聚合物材料被 熔融在一起，以将所述第一和第二膜附着在一起。因此可以看到，本发明 提供一种含有精确地依尺寸制造和成型的微流体结构的微流体器件，其直 接且经济地组装而没有流体容纳容积的形变。
优选的是，第一膜和第二膜各自包含共挤膜(coextmdedfilm)。由具有相对较高软化温度和相对较低熔融温度的热塑性聚合物材料的共挤膜形 成的微流体器件提供具有较高结构完整性的微流体器件，其易于大规模生
第一膜和第二膜的相对较低熔融温度材料可以各自包含相同的材料。 这确保流体容纳容积具有均一的内表面。备选地，第一膜和第二膜的相对 较低熔融温度材料可以各自包含不同的材料，以提供具有变化的内表面特 征的流体容纳容积。
一层或各层膜还可以包含安置在相对较高软化温度材料上的结构层。 优选地，所述结构层包含具有比相对较高软化温度材料更高的熔融温度的 材料。所述结构层为器件中的其它材料提供支撑，并且在将膜共挤出的情 况下，帮助它们在共挤出的过程中保持平坦。它还可以通过防止相对较高
软化温度材料粘到成型模具(tool)上而在流体容纳容积结构的热成型过程
中提供帮助，并且还阻碍在模具中熔成可能影响光学透明性的缺陷。
一层或各层膜还可以包含气体阻挡层。可以将一层或多层组合以提供
定制的气体渗透性。气体阻挡材料的实例是EVOH和聚酰胺。
在一个优选实施方案中，器件可以包括安置为与流体容纳容积中的流
体操作性(opemtive)连接的可外部通电电极，所述流体容纳容积包含电泳 容器。优选地，所述器件还包含反应混合物保持容器。
优选一层或两层膜是光学透明的，并且相对较低熔融温度材料包含生 物相容、生理惰性的材料。
一层或各层膜还可以包含液体阻挡层，以增加预先包装的试剂的自身 寿命和性能。可以将一层或多层组合以提供定制的湿气渗透性。COC是液 体阻挡剂的实例。
第一和/或第二膜的相对较高软化温度材料优选包含环烯烃共聚物、聚 碳酸酯、聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺，或它们的共混物或共聚物。 相对较低熔融温度材料优选包含聚乙烯。
根据第二方面，本发明提供一种制造微流体器件的方法，所述器件包 含第一和第二膜的层压体， 一层或各层膜包括热成型的结构，使得所述膜 一起限定用于其之间的流体容纳的封闭容积，所述方法特征在于下列步 骤.-提供第一和第二膜，各层膜本身包含相对较高软化温度热塑性聚合物材料与相对较低熔融温度热塑性聚合物材料的层压体，并且通过将所述相 对较低熔融温度材料熔融在一起而将所述第一和第二膜结合在一起，其特 征在于，所述熔融步骤在比所述较高软化温度热塑性聚合物材料的软化温 度低的温度进行。因此，本方法确保热成型的流体容纳结构的完整性不受 用于将膜附着的方法影响。
优选的是，所述方法包括下列步骤通过在将流体容纳结构热成型并 且将膜熔融在一起之前，对相对较高软化温度和相对较低熔融温度材料进 行共挤出，形成所述第一和第二膜。
所述方法还可以包括将一种或多种其它材料与各层膜如支撑层、气体 阻挡层或液体阻挡层共挤出的步骤。
所述方法还可以包括形成安置为与反应容积中的流体操作性连接的可 外部通电电极的步骤。
第一和第二热塑性膜可以在热封层在一侧而支撑层在另一侧的情况下 通过共挤出形成，并且所述方法还包括在支撑层与模具表面接触的情况 下，在模具中通过(真空)成型形成热成型的反应容积的步骤。反应容积形 成步骤优选为热成型步骤，所述热成型步骤在比支撑层的熔融温度低的温 度进行。
第一和第二膜可以通过环烯烃共聚物与聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯
(PMMA)、聚酰胺(PA)和它们的共聚物的共混物的共挤出而形成。
现在参照以下附图通过实施例说明本发明，在附图中-


图1显示根据本发明的膜的第一个实施方案；
图2显示根据本发明的膜的第二个实施方案；
图3显示根据本发明的膜的第三个实施方案；
图4是图3的膜的照片；
图5显示具有加热器的图3的膜；
图6显示根据本发明的膜的第四个实施方案；
图7显示根据本发明的膜的第五个实施方案；
图8显示在第一位置的根据本发明的膜的第六个实施方案；
图9显示在第二位置的图8的膜；图10a是根据本发明的膜的第七个实施方案的平面图照片；和 图10b是图10a的膜的沿a-a的横截面。
图1中显示的膜是包含三层1、 2、 3的共挤单元。第一层1由聚乙烯 即来自DEX Plastics公司(Heerlenm，荷兰)的Exact 0210制成。第二层2 由来自Ticona公司的COC，Topaz的共混物制成。该共混物为70%的Topaz 6013与30%的Topaz 8007。第三层3由聚丙烯即来自巴塞尔(Basell) (Hoofdorp，荷兰)的HP420M制成。挤出可以通过任何己知的用于挤出的 方法进行。
第二层2夹在两个外层1、 3之间，并且可以通过挤出以薄层的形式形 成。外层1、 3允许膜更坚固，并且避免薄层2的破裂。通过将三层共挤 出制备膜。将挤出机设置为得到160 ,的总膜厚度，并且COC的中心核 厚度为130 pm。
在共挤出之后，可以将膜热成型以提供一个或多个微结构(未显示)。 微结构可以是常规微结构如通道、反应室、杂交室、泵和阀，或可以为使 用本发明的膜而特别开发的。为任何特定膜选择的微结构将取决于该膜的 应用。
图1的膜的一个应用是制造用于在DNA分析中使用的微流体器件。 对于这样的应用，膜可以包含由通道和在任一末端的缓冲室组成的微结 构。在缓冲室内有用于通过电泳步骤将DNA分离的平面电极。所述电极 是丝网印刷到聚乙烯层(熔封层(melt seal layer))上的碳电极。在本发明的上 下文中，还可以使用铂电极和银电极，例如，可以使用Ag/AgCl作为参比 电极而Pt作为对电极。
电极必须被封装，同时在一个点处外部地暴露，并且在另一个点处内 部地暴露。通过将电极施加于熔封层，变得可以将熔封层层压到包含通道 的另一层或单元上，使得电极在一侧内部地暴露。然后可以在电极的另一 侧穿过熔封层打孔，使得电极也外部地暴露。丝网印刷的碳电极可能由于 在将膜层压以形成微流体器件的过程中施加热和压力而容易破裂，但是这 可以通过使用具有合适厚度聚乙烯的共挤膜和通过使用合适的用于层压 的压力、温度和时间来避免。这些结合的变量使得可以在确保聚乙烯不流动得足以破坏丝网印刷的电极的同时将膜层压。
图2用于描述将电极插入到多层器件中的概念。该器件包含聚丙烯层
4、 COC层5、聚乙烯层6、聚乙烯层7、 COC层8和聚乙烯层9。区域 IO是允许通向电极的孔，从而该电极可外部地接近。区域ll是要施加电 压的缓冲室或某种内腔，并且最后，区域12是电极本身。电极可以通过 印刷施用，并且可以包含可印刷的导电性材料。这样的材料是碳、石墨和 金属基墨水。
图1的膜的另一种应用是制造用于核酸扩增反应如聚合酶链反应(PCR) 中使用的微流体器件。对于这样的应用，膜可以包括含有1.5pL反应室的 微结构。此外，共挤的聚合物的特别设计对于PCR的高温要求是稳定的， 同时保持良好的层压。此外，薄膜使得对于进行反应非常重要的快速传热 能够尽可能快。膜性质使得层压体可以是略微挠性的，这允许反应室和加 热器之间非常紧密的贴合，从而促进快速传热。最后，COC作为本体层的 选择及其优异的光学性质使得可以用通常用于大得多的体积的实时PCR 技术进行量化。还应当指出，在PCR中使用的试剂可以吸收某些聚合物， 因而控制表面性质是重要的，以改善反应收率乃至实现成功的反应，如例 如在Liu等，芯片实验室(LabonChip)， 2006， 769-775中描述的。
PCR反应可以用任意数目的方法通过热循环进行。这些方法包括但不 限于热电加热器、各种温度的水浴、薄膜加热元件、红外基加热、连续 流设计和热空气设计。可以改变加热的方法以适应确切的应用，但是通常 设计的基础是允许快速的传热。
使用具有两个通道的半球形阴模将PCR反应室热成型。一个通道用于 用预混的PCR试剂装载反应室。另一个通道用作放气孔。然后将带材热 循环，并且在此之后将PCR试剂取出并且在电泳凝胶上进行PCR扩增子 的分析。
图3示出第三个实施方案，其中器件包含聚丙烯层核聚合物层14(在 本实施方案中为COC)、聚乙烯熔封层15和16、具有形成的通道和反应 室的本体层17、聚丙烯层18和最后的半球形反应室19。图4是图3的半 球形反应室的照片，包含在共挤膜中形成的两个通道和装载室。图5显示 具有用于进行热循环的加热器H的PCR反应室19。图6中显示的膜是包含五层20、 21、 22、 23、 24的共挤单元。第一层20厚15pm，并且由聚乙烯即来自DEX Plastics公司(Heerlenm，荷兰)的Exact 0210制成。第二层21厚100nm，并且由与图1的实施方案中相同的COC共混物即Topaz COC制成。第三层22由80% Exact 0210和20%Bynd47E710的共混物制成，Bynel 47E710是来自杜邦的马来酸酐接枝的聚乙烯。第四层23厚15 pm，并且由来自Mutsui的亚乙基乙烯醇(EVOH)Kurraray LCF101制成。第五层24厚15 jum，并且由来自阿科玛(Arkema)的马来酸酐接枝的聚丙烯18707制成。
通过五层的共挤出制备膜。层23起到气体阻挡层的作用。层22起到将层23粘结到层21上的粘结层的作用。
图7中显示的膜包含许多单独的共挤单元，它们被层压到一起，以形成较大的更复杂的流体控制结构。核弹性体单元25包含三层26、 27、 28。两个外层26、 28均由聚乙烯即来自DEX Plastomers公司(Heerlen，荷兰)的Exact 0210制成。中心层27由弹性体即来自巴塞尔(Basell) (Hoofddorp，荷兰)的Adflex X100F制成。三条挤出生产线以合适的速度运行，以制备具有3.75 pm厚的外层26、 28的约30 pm厚的中心层27。
将两个单元29、 30层压到核弹性体单元25的任一侧，所述两个单元29、 30各自含有在聚乙烯即Exact 0210的两层32、 33之间共挤出的COC的层31。每个单元29、 30含有一个或多个穿过整个单元29、 30延伸的以管形瓶34形式的微结构。
将两个另外的单元35、 36层压到两个单元29、 30的任一侧，并且形成最外面的单元，所述单元35、 36各自含有在聚乙烯即Exact 0210的层38与聚丙烯的层39之间共挤出的COC的层37。层31和37通常约130 jam厚，层32、 33、 38、 39各自15pm厚。
在层压之前，通过热成型将三个单元29、 35、 36成型，以在单元之间提供许多处于空隙区域40和通道41形式的微结构。
以这样的方式进行层压，使得除了在管形瓶34、空隙区域40和通道41之间或与它们最接近的区域中以外，将单元横跨整个表面结合。将外部单元35、 20升高至高于它们的熔融温度，使得每个外部单元的聚乙烯层38与相邻的内部单元29、 30的聚乙烯层32结合。核弹性体单元25基本上保持坚固并且因而保持其完整性，使得弹性体单元25上的聚乙烯层26、28不流动到与弹性体单元25相邻的微结构18、 23、 24中。
通过在弹性体单元25的任一侧上施加压力或真空，可以控制通过膜的流体流动，例如，弹性体单元25的向上移动(由负压引起)可以允许在较低通道41中的流体穿过管形瓶34，从而起到阔的作用。
这由在图8和9中显示的膜示出，所述膜包含由弹性体即来自巴塞尔(Basell)(Hoofddorp，荷兰)的Adflex X100F制成的层42。此夕卜，在弹性体层的表面处的分子密度可以改变，这具有控制反应和增强信噪比的应用。
在弹性体层42的一侧上的是空隙区域43。在弹性体层42的另一侧上的是T-形通道44，其含有要用表面结合反应分析的生物分子。当向空隙区域43施加真空时，如图8中所示，弹性体层42变形进入到空隙区域43中。这改变表面上的生物分子的密度。这可以用于控制核酸的杂交，或用于控制抗原-抗体相互作用或生物素-链酶抗生物素复合物形成。它还可以增强信噪比，因为其减小研究的面积从而使信号集中。当向空隙区域43施加压力时，弹性体层42变形进入到T-形通道44中。这导致更利于溶液中的生物分子结合的较大的表面积。
最后，图10a是根据本发明的器件的平面图，并且a-a表示如图10b中所示的横截面的位置。该器件包含微流体通道,b(阴影线区域)、挠性聚合物膜c、计量室d和气动控制室e。应当指出，图10b中的环仅仅是在显微镜检查法制备中产生的空隙。
权利要求
1.一种微流体器件，所述微流体器件包含第一和第二膜的层压体，一层或各层膜包括整体热成型的结构，使得所述膜一起限定用于其之间的流体容纳的封闭容积，其特征在于，各层膜本身包含相对较高软化温度热塑性聚合物材料和与其相比相对较低熔融温度热塑性聚合物材料的层压体，各层膜的分别的相对低熔融温度热塑性聚合物材料被熔融在一起，以将所述第一和第二膜附着在一起。
2. 根据权利要求1所述的器件，其中所述第一膜和第二膜各自为共挤膜。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的器件，其中所述第一膜或所述第二膜包括安置为与反应容积中的流体操作性连接的可外部通电电极。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中所述的所有层的熔融温度都可以经受在PCR热循环反应过程中使用的上限温度，并且所述相对较高熔融温度层在这些条件下将基本上保持刚性。
5. 根据权利要求4所述的器件，其中各个第一相对较高熔融温度材料在10至5(TC的温度基本上是刚性的。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中一层或两层膜包含光学透明的材料。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中热封层材料包含生物相容、生理惰性的材料。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中所述热封层材料包覆所述整体成型的反应容积的内表面的至少一部分。
9. 根据权利要求1至7中任一项所述的器件，其中所述热封层材料基本上包覆所述整体成型的反应容积的整个内表面。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中所述第一膜和所述第二膜的相对低熔点材料包含相同的材料。
11. 根据权利要求1至9中任一项所述的器件，其中所述第一膜和所述第二膜的相对低熔点材料包含不同的材料。
12. 根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中所述整体成型的反应容器包含电泳容器。
13. 根据权利要求12所述的器件，所述器件还包含反应混合物保持容器。
14. 根据前述权利要求中任一项所述的器件，所述器件还包含安置在所述第一和/或第二膜的所述相对高熔点材料上的结构层。
15. 根据权利要求14所述的器件，其中所述结构层包含具有比所述相对高熔点材料高的熔融温度的材料。
16. 根据前述权利要求中任一项所述的器件，所述器件还包含气体阻挡层。
17. 根据前述权利要求中任一项所述的器件，所述器件还包含液体阻挡层。
18. 根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中所述第一和/或第二膜的所述相对高熔点材料包含环烯烃共聚物、聚碳酸酯、聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺，或它们的共混物或共聚物。
19. 根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中所述熔封层包含聚乙烯。
20. 根据权利要求19所述的器件，其中所述热封层包含电晕处理的聚乙烯。
21. 根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中一层或两层膜包含弹性体层。 '
22. 根据权利要求21所述的器件，其中所述弹性体层夹在两层熔封层之间以形成弹性体单元。
23. 根据权利要求22所述的器件，其中所述弹性体单元夹在两个共挤单元之间，所述共挤单元包含夹在两层熔封层之间的本体层。
24. 根据权利要求21至23中任一项所述的器件，其中一层或两层膜包含在所述弹性体层或单元的任一侧上的空隙区域或通道。
25. —种制造微流体器件的方法，所述器件包含第一和第二膜的层压体， 一层或各层膜包括热成型的结构，使得所述膜一起限定用于其之间的流体容纳的封闭容积，所述方法特征在于下列步骤提供第一和第二膜，各层膜本身包含相对高软化温度热塑性聚合物材料和与其相比相对较低熔融温度热塑性聚合物材料的层压体，并且通过将所述相对较低熔融温度 材料熔融在一起而将所述第一和第二膜结合到在一起，其特征在于，所述 熔融步骤在比所述相对高软化温度热塑性聚合物材料的软化温度低的温 度进行。
26. 根据权利要求25所述的方法，其中通过在所述反应容积形成之 前，对相对较高软化温度热塑性聚合物材料和相对较低熔点热塑性聚合物 材料迸行共挤出，形成所述第一和第二热塑性膜。
27. 根据权利要求25或权利要求26所述的方法，所述方法还包括形 成安置为与所述反应容积中的流体操作性连接的可外部通电电极的步骤。
28. 根据权利要求26或权利要求27所述的方法，其中所述第一和第 二热塑性膜在所述热封层在一侧而支撑层在另一侧的情况下通过共挤出 形成，所述方法还包括在所述支撑层与模具表面接触的情况下，在模具中 通过成型形成热成型的反应容积的步骤。
29. 根据权利要求28所述的方法，其中所述反应容积形成步骤是热 成型步骤，所述热成型步骤在比所述支撑层的熔融温度低的温度进行。
30. 根据权利要求26至29中任一项所述的方法，其中所述第一和第 二膜通过环烯烃共聚物与聚乙烯的共挤出形成。
全文摘要
本发明涉及一种微流体器件，所述微流体器件包含第一和第二膜的层压体，一层或各层膜包括整体热成型的结构，使得所述膜一起限定用于其之间的流体容纳的封闭容积(19)，其特征在于，各层膜本身包含相对较高软化温度热塑性聚合物材料(14、17)和与其相比相对较低熔融温度热塑性聚合物材料(15、16)的层压体，各层膜的分别的相对低熔融温度热塑性聚合物材料被熔融在一起，以将所述第一和第二膜附着在一起。本发明还涉及一种制造所述微流体器件的方法。
文档编号B01L3/00GK101674888SQ200880006561
公开日2010年3月17日 申请日期2008年1月16日 优先权日2007年1月16日
发明者戴维·巴洛, 戴维·汤普森, 斯图尔特·保尔沃特, 肯·马克拿玛瑞 申请人:Lab901有限公司