专利名称：带自校正的微流体控制器和检测器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及微流体系统的控制器和检测器系统，特别涉及与完成化学和生物化学分析的定量分析系统一起使用的微流体控制器和检测器系统。
背景技术：
化学和生物化学样品的分析通常需要检测和鉴别样品的组成元素。微流体装置经常被用来分离和控制样品元素的运动以借助检测系统检测元素性质。微流体技术使少量流体通过芯片上的通道以完成实验室的多种测试，从而获得生物化学和化学信息。这种芯片上实验室技术可以使微流体系统支持新药发现、生化分析研究和医学诊断中各种应用，包括DNA、RNA和细胞分析。
微流体装置一般包括多个通过传输样品的微通道互连的井。通道上施加的电压使得样品内的大分子电泳迁移。样品经常包括添加染料，当与样品结合时荧光更强。荧光染料被用于识别和定位各种细胞结构，例如DNA序列内的特定染色体。
已经设计出各种装置来读取荧光标记的样品。装置一般包括至少一个在一个或多个激发波长下发光的光源和检测一个或多个荧光波长的检测器。光源通常是在一个狭窄中心波长下发光的激光器(单模激光器)。
尽管利用并行筛选方法和其他先进技术(例如机器人技术和大批量检测系统)作了改进，但是目前的筛选方法仍然存在许多相关的问题。例如，利用已有的并行筛选方法来筛选大量样品需要较大的空间以容纳样品和设备(例如机器人)，这种设备带来了高成本并且化验样品需要大量的试剂。此外，在许多情况下，反应容量必需非常小以处理所用的少量测试化合物。这样小容量下的化合物误差与流体处理和测量相关，例如蒸发、较小的弥散误差等。此外，流体处理设备和方法一般无法以令人接受的精度处理这些容量范围内的测量，部分原因是这种小容量下的表面张力效应。
需要一种集成系统来提高生产率、提高时间效率和性价比，提供比较方便的普通实验室程序、减少劳动强度和费用并且需要较少的训练有素的专业人员。
发明内容
本发明提供一种微流体控制器和检测器系统。控制器和检测器系统一般配置为容纳包含至少两个相交通道的流体芯片。系统比较好的是包括检测区和材料导向系统，导向系统包含设计为与至少两个相交通道接触的接口，通道位于由至少两个相交通道构成的不同相交侧面上。微流体控制器和检测器可进一步选择包括包含物镜并且位于靠近检测区的外壳内的光学模块。最后，微流体控制器和检测器一般包括与微流体控制器藕合的控制系统和带通信通道的检测器，用于控制微流体控制器和检测器的操作。控制系统设计为从光学模块接收并分析数据。
微流体控制器和检测器系统一般包括流体芯片，它包括至少两个相交通道和检测区、包含与至少两个相交通道接触的接口的材料导向系统、包含靠近检测区放置的物镜的光学模块以及与光学模块藕合并且适于接收和分析来自光学模块的数据的控制系统。接口可以是电气接口和/或与真空泵接口的真空端口。
在一个实施例中，电气接口可以选择包含至少三个电极，每个设计为与位于由相交通道形成的不同相交侧面上的一条相交通道电气接触。在另一实施例中，材料导向系统包括连接电极的罩子，因此当罩子处于闭合位置时，电极与相交通道电气接触。在另一实施例中，电气接口还包括对通道电极进行校正的基准电压源。在另一实施例中，与流体芯片的接口包括利用真空或压力移送诸如流体和/或充入的化学物质之类的材料的真空端口。
比较好的是，光学模块包括光检测器以检测从检测区经物镜发射的光。光检测器一般选自光电二极管、雪崩光电二极管、光电倍增管、二极管阵列、成像系统和电荷藕合器件。在一个实施例中，光检测器与控制系统通信。光学模块可以选择进一步包括位于光检测器附近的检测器透镜组件，来自检测区的光经过其间。此外，光学模块可以选择包括使光经物镜导向检测区的光源和反射光源光并经物镜发送检测区光的镜面。光源一般为激光器、激光二极管或者发光二极管。
在另一实施例中，微流体控制器和检测器系统包括固定装置，用于将光源的光经物镜聚焦至检测区。固定装置比较好的是包含第一和第二相邻的平板、转轴和使第一平板相对第二平板围绕转轴位移的致动器。固定装置一般包括两个致动器，每个使第一平板沿不同方向，相对第二平板围绕装置位移。致动器比较好的是与耦合器耦合的步进电机，耦合器与第一平板耦合并且与第二平板运动接触。在一个实施例中，耦合器限定了附近的螺纹而第一平板限定了通过它的开孔，开孔包括与耦合器螺纹啮合的内部螺纹。最好，第二平板包括适于与耦合器接触的坚固基座。
按照另一实施例，校正多个电源通道的方法一般包括在基准通道上产生第一电气基准输入并在每个电源通道上产生第一电源输入，测量每个基准和电源通道上的第一电气值，在基准通道上产生第二电气基准输入并在每个电源通道上产生第二电源输入，第二电气基准输入和第二电源输入与第一电气基准输入和第一电源输入不同，测量每个基准和电源通道上的第二电气值，以及确定读取校正因子作为第一测量基准值与第一测量电源值之间和第二测量基准值与第二测量电源值之间差值比率的函数。
以上简述了本发明的特征和优点。以下的描述、附图和权利要求将使本领域内技术人员进一步理解本发明的其他特征、优点和实施例。
附图简述通过以下结合附图对本发明的描述可以进一步理解本发明，附图中相同的标号表示相同的部件，其中
图1A和1B为按照本发明的微流体控制器和检测器系统组件的视图和分解视图；图2A和2B为图1A和1B的控制器和检测器系统的夹具外罩单元的基板组件的视图和分解视图；图3A、3B和3C为图1A和1B的控制器和检测器系统的夹具外罩单元的电极组件的视图、底视图和分解底视图；图3D为按照本发明的另一微流体控制器和检测器系统组件的视图；图4A、4B和4C为图1A和1B的微流体控制器和检测器系统的光学模块组件的底视图、沿图4A中直线4B-4B剖取的侧面剖面图和分解视图；图4D为光学检测器电路的示意图；图5A为图1A和1B所示微流体控制器和检测器系统的动力学固定组件的分解视图；图5B为步进电机与图5A的动力学固定组件板耦合的简化局部剖面图；图6A为图1A和1B所示微流体控制器和检测器系统的读取器组件的视图；图6B为图1A和1B所示微流体控制器和检测器系统的摆动器和读取器组件的分解视图；图6C为动力学固定组件的分解视图；图7为图1A和1B所示微流体控制器和检测器系统的底板组件的分解视图；图8为图1A和1B所示微流体控制器和检测器系统所用微流体芯片的示意图；图9为系统控制电路板实施例的示意图；图10为校正电源通道的基准高压通道控制电路板195的示意图；图11为每个高压源通道的控制电路板示意图；图12为高压板的控制电路示意图；图13为图1A和1B所示微流体控制器和检测器系统所用基准通道和各种高压电极通道的高压控制PCB组件的电路实施例的简化示意图；以及图14为图1A和1B所示微流体控制器和检测器系统内作为基准通道或其中一个高压电极通道的高压环路的简化示意图。
实施发明的较佳方式揭示了带自校正的微流体控制器和检测器。以下描述可以使本领域内技术人员制造和使用本发明。具体实施例和应用的描述仅仅作为实例并且对于本领域内技术人员来说各种修改是显而易见的。这里定义的一般原理可以应用于其他实施例和应用而不偏离本发明的精神和范围。因此，本发明包含众多的替换、修改和等价原理和特征。为清楚起见，对于本领域内已知的技术材料细节不作详述以避免不必要地混淆本发明。
图1A和1B为微流体控制器和检测器系统20的组件的视图和分解视图。微流体控制器和检测器系统20包括外壳21，比较好的是包括第一部分21a和第二部分21b。外壳21一般封闭主体单元22。外罩23可与外壳21转动耦合以覆盖主体单元22支持的夹具外罩单元24。
图2A和2B为控制器和检测器系统20的夹具外罩单元24的基板组件30的视图和分解视图。如图所示，夹具外罩单元24比较好的是包括基板组件30。基板组件30一般包括基板32、散热器33和两个连接器插头34、35。如图所示，散热器33包括其中限定的钻孔36。
图3A、3B和3C为控制器和检测器系统20的夹具外罩单元24的电极组件31的视图、底视图和分解底视图。如图所示，夹具外罩单元24比较好的是包括电极组件31。电极组件31一般包括包含连接器平板41和连接器容器42的连接器单元40。连接器平板41与连接器单元40以合适的方式耦合并且将连接器容器42固定其中。
夹具外罩单元24的电极组件31可以进一步包含与检测器连接器单元40以合适方式转动耦合的外罩43。具有多个电极45的电极印刷板(PCB)44一般在外罩43内。电极PCB 44可以与外罩43以合适方式耦合。PCB44可以在图3B所示与流通装置接口从而可以在其中插入电极45的PCB44一侧包含耐水材料板，例如KEL-FTM、PCTFE、TEFLONTM、聚丙烯和聚乙烯。电极45比较好的是延伸至PCB44的相对侧以连接至电气引线(未画出)。耐水材料板(例如KEL-FTM、PCTFE、TEFLONTM、聚丙烯和聚乙烯)有利于阻止或减少导致引线短路的凝露的形成。
图3D为另一微流体控制器和检测器系统20’组件的视图。微流体控制器和检测器系统20’与上述微流体控制器和检测器系统20类似。为清楚起见，以下只描述系统20’与系统20的关键差别。
如图所示，微流体控制器和检测器系统20’包括外壳21’和与外壳21’转动耦合以覆盖夹具外罩单元24’的外罩23’。夹具外罩单元24’一般包括基板组件30’和电极组件31’。如图所示，夹具外罩单元24’不包括外罩，但是夹具外罩单元24’的电极组件31’位于外罩21’的外罩23’的内侧。电极组件31’包括多个位于其中的电极45’，用于与诸如微流体芯片之类的流通装置接口。此外，微流体控制器和检测器系统20’的夹具外罩单元24’提供了可更换的个性化盒子。电极组件31’或者个性化盒子可以被替换并且容易从外壳21’的外罩23’取出，从而无需从夹具外罩单元取出夹具外罩，对于上述微流体控制器和检测器系统20这是典型的情况。例如如果需要，对于不同类型的芯片，给定的电极组件31’可以用不同配置的电极组件31’替换。电极组件31’一般可以滑入外壳21’的外罩23’的导轨内。
图4A、4B和4C为微流体控制器和检测器系统20的光学模块组件50的底视图、沿图4A中直线4B-4B剖取的侧面剖面图和分解视图。光学模块组件50比较好的是放置在主体单元内并且在夹具外壳单元下启。光学模块组件50一般包括光学模块外壳51，其中放置了物镜52。光学模块外壳51一般由盖板54密封在一侧并且由光学PCB56密封在另一侧。图4D为光学PCB56的实施例的示意图。
光学模块组件50比较好的是包括一个或多个光源，例如第一和第二光源58a、58b。光源可以是任何数量提供合适光波长的光源，包括激光器、激光二极管、发光二极管(LED)等。如图所示，第一光源58a借助光源或激光器固件62安装在光学模块外壳51内。第一光源58a的入射光一般由第一透镜管组件60a聚焦。至少一部分通过激光器透镜管组件60a的光通过固定在激光器透镜固定器64b并且安装在光学模块外壳51限定的开口64c内的带通滤光片64a。第一双色镜66a比较好的是由镜子弹簧68a以相对光源58a的光45度入射角固定。双色镜66a和镜子弹簧68a比较好的是位于光学模块外壳51限定的开口70a内。双色镜66a通过使一定波长光通过而其他波长反射回去滤除光。例如第一双色镜66a一般通过只反射波长小于670nm的光滤除光源58a发射的光。被双色镜66a反射的一部分光通过第二双色镜66b到达物镜52。第二双色镜66b安装在光学模块外壳51限定的开口70b内的镜子弹簧68b上。第二双色镜66b一般例如通过仅使585nm以上波长的光通过而滤除光源58a发射的光。
来自第一光源58a通过第二双色镜66b的光由物镜52聚焦并且例如入射到微流体系统20内的样品上。样品一般发射荧光返回物镜52。一定波长下的荧光可以通过第二双色镜66b、第一双色镜66a，随后由透镜管组件72a聚焦至第一光检测器PCB74a。
来自第二光源58b的光一般由第二透镜管组件60b聚焦。第三双色镜66c比较好的是相对透镜管组件60b的入射光以45度角由镜子弹簧68c固定。双色镜66c和镜子弹簧68c比较好的是放置在光模块外壳51限定的开口70c内。第三双色镜66c例如可以通过只反射小于505nm波长的光而进一步滤除光源58b发射的光。第三双色镜66c反射的至少一部分光随后由第二双色镜66b反射至物镜52。第二双色镜66b例如可以通过反射小于585nm波长的光滤除光源58a发射的光。
第二双色镜66b反射的第二光源58b的光被物镜52聚焦并入射到例如微流体系统20内的样品上。样品一般将荧光发射返回物镜52。一定波长下的荧光由第二双色镜66b反射并且通过第三双色镜66c。通过第三双色镜66c的荧光随后被透镜管组件72b聚焦至第二光检测器PCB74b。
每个透镜管组件72a、72b比较好地包括滤除样品发射信号的检测滤光片。检测滤光片通过消除杂散光使来自荧光信号的光通过而滤出光源的光清除样品发射的光。透镜管组件72a、72b靠近光检测器PCB74a、74b放置。
每个光检测器74a、74b将入射光转换为电学信号。检测器系统20比较好的是经串行连接与主机198(图1A所示)连接以向计算机发送检测的光数据供分析、存储和数据操作。光检测器74a、74b可以是光电二极管、雪崩光电二极管、光电倍增器、二极管阵列或成像系统(例如电荷耦合器件(CCD))等。如1998年6月25日提交的美国专利申请No.09/104,813所揭示的，光检测器74a、74b可以包括例如积分器和具有与积分器输出耦合的模拟输入的模数转换器，该申请作为参考文献包含在本申请中。
在较佳实施例中，第一光源58a包括红色激光器或红色激光二极管。红色激光器或红色激光二极管便于检测红光范围内激发的荧光。第二光源58b比较好的是包括蓝色发光二极管(LED)，例如可以用于多波长检测方案和/或低灵敏度分析。第一光检测器74a比较好的是光电二极管，其透镜管组件72a包括使682nm波长为中心带宽为20nm的光通过的滤光片76a。第二光检测器74b比较好的是光电二极管，其透镜管组件72b包括使525nm波长带宽为20nm的光通过的滤光片76b。如图所示，滤光片76a、76b都包含在透镜管组件72a、72b内。
在1999年7月21日提交的题为“用于化学和生物化学分析的光源功率调制”的共同待批的美国临时申请No.60/______(律师档案号No.CALPP005+)中进一步描述了光学模块组件50的一些元件和功能，该申请作为参考文献包含在本申请中。
虽然上述系统20对用于包含带荧光标记样品的微流体装置作了描述，但是系统可以用于检测其他类型的标记，例如包括光吸收标记和放射性标记。
图5A为微流体控制器和检测器系统20的动力学固定组件80的分解视图。动力学固定组件80与光学模块组件50耦合以使光学模块对准和聚焦芯片内的分析通道。
动力学固定组件80一般包括经L形托架固定在第一平板83上的第一和第二步进电机81、82。第一平板83位于可以相对其移动的第二平板85的附近。第一和第二平板83、85可以例如通过耦合在第一与第二平板之间的弹簧86、87、88移动地耦合，其合适的附着机构如固定螺丝或销(未画出)。虽然在第一与第二平板83、85之间一般提供一根弹簧，但是三根弹簧更好。
图5B为经第一耦合器89使第一步进电机81与动力学固定组件80的第一和第二平板83、85耦合的简化局部剖面图。耦合器89包含球形或圆形端部90、从球形端部90延伸出来的螺纹杆91以及在杆91内限定的内部开口92。螺纹杆91配置为与第一平板83的螺纹93啮合从而使杆91相对第一平板83旋转。
杆91的内部开口92配置为与第一步进电机81的转轴94滑动配合或滑移配合，使得第一步进电机转轴的转动导致耦合器89的转动。例如，内部杆开口和第一步进电机转轴具有配合的六角剖面形状，从而使得内部杆开口92限定六角插座，第一步进电机81的转轴94用作匹配的六角钥匙。因此，当第一步进电机81转动转轴92时，耦合器89在第一平板83内转动，耦合器沿Y方向平移，从而使第一与第二平板83、85之间的距离增大或缩小。也可以采用柔性转轴耦合。
第二平板85比较好的是提供硬质底座或表面95a，其直径与球形端部90相等或为1/2、1/4或其他比例。硬质底座95a一般包括诸如立方体锆之类的材料，从而使球形端部90对硬质底座95a的运动磨损最小。球形端部90比较好的是同样包括硬质材料，使得形状和尺寸不因磨损而随时间变化。
本领域内熟知的是由步进电机驱动的带球或球形端部(位于底座上)的内部螺纹轴衬。也可以采用其他合适的步进电机转轴与耦合器的耦合方式。例如，可以利用利用螺旋弹簧的柔性转轴耦合作为耦合器。
虽然没有画出，但是第二步进电机82具有与第一步进电机81类似的结构。例如，第二步进电机82包括与第二耦合器的内部开口滑移啮合或滑动配合的转轴。而且内部杆开口和第二步进电机转轴包含匹配的六角剖面形状，使得内部杆开口限定了第二步进电机82用作匹配六角钥匙的六角插座。
第二耦合器一般包括球形或圆形端部、从球形端部延伸出来的螺纹杆以及第二步进电机82的转轴与之啮合的内部开口。螺纹杆配置为啮合部件的内部螺纹或者相对延伸静止和/或耦合例如第二步进电机82、第一平板83和/或固定支架84。弹簧比较好的是沿Z方向设置以使第二步进电机82与第二平板85耦合。例如，Z方向弹簧一般经插销或固定螺丝与部件或端部凸起耦合并且与另一Z方向弹簧上的第二平板85耦合。
第二平板85的侧面提供硬质底座或表面95b，其直径与第二耦合器的球形端部相等或1/2、1/4或其他比例。硬质底座95b的结构与硬质底座95a相似并且目的是使第二耦合器的球形端部对硬质底座95b的运动磨损最小。第二耦合器同样包括硬质材料，使得形状和尺寸不因磨损而随时间变化。
第二步进电机82的结构是转轴转动使第二耦合器在内部螺纹静止部件或凸起内转动。第二耦合器沿Z方向平移从而使第二平板85相对第一平板83围绕转轴转动。
耦合器与第一平板83之间的螺纹啮合使步进电机能低速转动，从而使第一与第二平板83、85精确和准确地相对定位。这种定位的分辨率一般根据各步进电机的螺纹和参数确定和选择。对于步进电机的每步，可以容易地达到0.8微米位移的分辨率。
动力学固定组件80比较好的是提供第二平板85沿Y和Z方向相对第一平板83运动的转轴。在图5A所示实施例中，动力学固定组件80提供两根转轴，每根包括球96a、96b和相应的底座97a、97b。底座97a、97b由第一平板83提供。
底座97a、97b之一是锥形凹口，容纳大约相应球体的1/2，从而使相应的球体可以在凹口内转动。球体和锥形凹口组合一般作为第二平板85相对第一平板83运动的转轴，例如第一步进电机81沿Y方向的自动和/或第二步进电机82沿Z方向的自动。底座97a、97b的另一个是与底座95a(图5B)类似的硬质表面底座，使得相应的球体可以沿X-Z平面滑移。球体和硬质表面底座组合一般用作除耦合器89的球体90提供的触点和包含锥形凹口和相应球体的转轴以外的第三触点以限定平面。
球体96a、96b的每一个通过合适的附着机构附着到第二平板85上。或者球体96a、96b脱开和放置第一和第二平板83、85之间并且经弹簧86、87、88限定在第一和第二平板83、85之间。
比较好的是，第一和第二平板83、85与光学模块组件耦合从而使第一平板83相对基板组件30静止并且第二平板85与光学模块外壳耦合。或者，第二平板85可以与物镜耦合使得物镜可以在最大3mm的范围内移动和定位以扫描和定位微流体芯片的通道或检测窗口，并且/或通过沿Z方向相对微流体芯片的检测窗口最大移动0.5mm移动物镜使物镜聚焦。
在一个较佳实施例中，球体96a、96b的每一个的直径为6mm，使得包含锥形凹口和相应球体的转轴在第一与第二平板83、85之间有3mm的间隙。
图6A为读取器组件189的视图，而图6B和6C为读取器组件189和动力学固定组件80的分解视图。读取器组件189包括夹具外壳单元24、光学模块组件50、动力学固定组件80和组件盖188。动力学固定组件80的第一和第二步进电机81、82以及电机81、82固定其上的L形托架构成摇摆器组件180。如图所示，动力学固定组件80的第一和第二步进电机81、82利用了转轴。夹具外壳单元24位于摇摆器组件180和光学模块组件50之上，从而使光学模块组件50的物镜52与夹具外壳单元24的散热器33内限定的开口36对准(图2B所示)。
图7为微流体控制器和检测器系统20的底板190的分解视图。读取器组件189、控制PCB组件191、电源192和冷却风扇193以合适的方式与底板190耦合。连接器194经通信通道194a与诸如计算机之类的控制系统198连接(图1A所示)。可以提供两个高压PCB195、196。底板盖197封闭底板190。
图8为微流体控制器和检测器系统20、20’所用微流体芯片100的示意图。诸如微芯片之类的微流体装置100在操作期间一般放置在基板32上的夹具外壳单元24内(如图2所示)。微流体装置100一般包括限定多个集成通道网络104的平板102和与通道104贯通的多个容器106-136。缓冲器、试剂和/或被分析样品被放置在一个或多个容器106-136里以引入一个或多个通道104。比较好的是，容器130、132、134是废液容器而容器136是缓冲容器。流体单独从各自的容器或者与来自其他容器的试剂一起传输入主分析通道138并且沿主通道进入废液容器132，通过检测区域(或窗口)140。
微流体装置100一般位于微流体控制器和检测器系统20、20’内部，检测区域或窗口140位于光学模块的物镜的光路上，使得系统与主分析通道138的检测区域140作检测通信。物镜比较好的是位于合适距离上以激发测试样品中的荧光标记。当样品通过检测区域140时，样品材料产生的信号由系统20、20’检测。
检测窗口140比较好的是透明的，因此能够从主通道138发射光学信号。检测窗口140可以仅仅是透明覆盖层区域，例如覆盖层为玻璃或石英或透明的聚合物材料(例如PMMA、聚碳酸酯)。另外，在制造微流体装置100时采用了不透明的基片，由上述材料构成的透明检测窗口分开装入装置。
微流体装置100比较好的是包括至少两个相交通道并且可以包括三个或更多放置在平板102内的相交通道。通道可以多种形式相交，包括十字相交、“T”字相交或其他任何使两个通道流体贯通的结构。对于多个样品的并行或串行引入和分析，微流体装置100比较好的是包括多个样品引入端口或容器。或者，微流体装置100与样品引入端口(例如吸液管)耦合，它将多种样品顺序引入分析装置。
样品一般通过真空压力和/或施加电场(例如用电动传输系统)沿主分析通道138传送通过检测窗口140。电动传输系统通过在材料上施加电场沿互联通道传输材料，从而使材料沿通道运动，即阳离子向负极运动，而阴离子向正极运动。
这种电动材料传输和导向系统包括依靠施加在结构上的电场内带电物质电泳移动的系统。这种系统更好地称为电泳传输系统。其他的电动材料导向和传输系统依靠通道或腔体内流体和材料的静电流，它源于这种结构上施加的电场。
简而言之，当流体放入表面经过充电功能组份处理(例如腐蚀玻璃通道或玻璃毛细管内的羟基)的通道时，这些组份可以离子化。如果是羟基工本组份，则例如在中性PH下的离子化导致质子从表面释放并且进入流体，在或接近流体/表面界面处产生质子浓度或者围绕通道内大块流体的正电荷套。在通道长度上施加电流和/或电压梯度使得质子套沿电流或电压降方向移动，即向负电极移动。
这里所述的微流体装置100用于完成各种分析，例如生物大分子(例如蛋白质和/或核酸)的特征操作、筛选分析、大分子(例如核酸、蛋白质)的电泳分离和中等或高批量筛选化验，例如在1997年4月25日提交的美国专利申请No.08/8456,754和公开的国际申请WO98/00231中揭示的药物发现和诊断中，上述专利申请作为参考文献包含在本文中。利用微流体装置的控制器和检测器系统20用于检测缓冲剂诱发的荧光和/或激光照射下来自样品的荧光以产生色析数据。显然，在不偏离本发明范围的前提下，与本发明的检测系统20、20’联用的微流体装置可以与这里所述的不同。
在操作中，分离缓冲剂首先被放入例如缓冲容器136，并通过毛细作用进入通道104，从而以分离缓冲剂填充通道。待分析的样品被分别放入一个或多个容器106-128。容器136内已有的分离缓冲剂一般也放入容器130、132和134。通过在通道上施加合适的电流和/或电压以驱动材料电学动力学运动实现材料在芯片通道内的运动。电流和/或电压经电极45(图3B和3C所示)提供。每个电极通常对应容器，从而使得在上述示意性实施例中，16个电极对应16个容器。
通过施加合适的电学输入，第一样品材料从容器(例如容器106)经通道140a和140b传输至并通过主通道138的主注射交点142。在一个实施例中，可以通过在容器106与134之间施加电流完成。为了防止样品材料在交点处的扩散(例如由容器132和136向容器134提供低电平电流(常见WO96/04537，该申请作为参考文献包含在本文中))，一般在交点142处施加较小的钳制电流。
在短暂的时间之后，切换电流的施加从而使交点142处的材料经主分析通道138传送，例如通过在容器136与132之间施加电流。一般在从交点142将材料注入通道140b和140c之后施加小电流，以避免泄漏至主通道138。
当第一样品经主通道138传输时，待分析的第二样品一般通过从容器(例如容器108)将第二样品材料经预载交点144传送至预载容器130而预载。这仅仅允许在极短的过渡时间使样品材料从预载位置移动至注射交点142。一旦完成第一样品的分析，与上述类似，第二样品材料一般经注射交点142传输并且经主分析通道138注入。该过程比较好的是对于加载入芯片100的每个样品进行重复。在分析通道138内执行所需的分析操作，例如电泳分离和筛选相互作用。虽然一般描述包含电运动学材料传输系统，但是显而易见的是，除了或代替电运动学系统以外可以采用其他系统。例如在主单元22内提供经夹具外壳24连接的真空源或泵。
与本发明结合使用的多个元件已经在共同拥有的待批申请中描述，包括例如1998年10月2日提交的美国专利申请No.09/165,704、1997年8月29日提交的美国专利申请No.08/919,707和公开的国际申请No.98/05424，它们作为参考文献包含在本文中。
如上所述，第一与第二分量的相互作用一般伴随可检测信号。为了监视检测窗口处样品材料产生的信号，一般将具有适于激发荧光指示剂的波长的激光器光源放置在测试系统内。随后如上述结合光学组件50所述，利用透镜组件与检测器PCB的组合检测荧光。信号比较好的是由物镜52监视(图4B和4C所示)。这些信号由向相应的检测器发送信号的透镜组件观测。PCB随后向计算机发送信号。计算机随后被用来分析信号并且产生各种输出，例如图、表格和图表。而且计算机198(图1A所示)一般用来控制微流体系统20或20’。命令通过合适的输入装置(例如键盘或鼠标)被输入计算机，随后计算机发送命令以控制PCB组件191。
因此，本发明提供了与微流体芯片一起工作的微流体检测器和控制器系统，芯片可以由两个相似的粘合的平面玻璃基片构成。参见图2和3A-3C，微流体芯片一般放置在夹具外壳结构内的基板32上，该结构包括与微流体芯片100的上基片内设置的孔(未画出)配合的控制电极45。夹具外壳外罩43使电极45的配合阵列与各种容器接触并且流体包含在微流体芯片100内。电学输入通常经电极45送至各种容器并且用来使材料借助例如真空压力、电泳和/或静电运动经互联通道传输。
通道网络被填充分离介质。比较好的是，所用分离介质是低黏性的polydimethacrylade-co-acrylic酸溶液。DNA用分子探针(Molecular Probes)提供的插入荧光染料“Syto-66 Super TM”标记。核酸碎片在经过分离或主分析通道时由于不同的电泳移动率而分离。这些碎片吸收分离介质内的染料。
荧光插入染料连同碎片一般以光源58a发射并且镜子66a反射和通过镜子66b的光由物镜52检测，如图4A-4C所示。或者，第二光源58b可以通过经透镜组件60b和镜子66c、66b的物镜52发射蓝光。光被返回并由检测器74a、74b之一检测。一个或两个光源和/或可以替换或新增的其它光源被用来激活与主分析通道内核酸相关的染料。
图9为系统控制电路板191实施例的示意图。图10为校正所有电源通道的基准高压通道控制电路板195的示意图。图11为16个高压源通道的每一个的控制电路板196的示意图。图12为高压板的控制电路示意图。
图13为微流体控制器和检测器系统20或20’所用基准通道202和各种高压电极通道204、206、208、210的高压控制PCB组件的电路200实施例的简化示意图。每个高压电极通道经电极与限定在微流体芯片内的容器相连。如上所述，每个电极通常对应一个容器，从而在所述的示意性实施例中，16个电极通道被提供给相应的16个对应16个容器的电极。基准通道为外部通道，被提供能够校正电极通道。虽然示出了4个电极通道，但是电路200可以包括除了基准通道202以外两个或更多的电极通道。
电子电路由于老化、温度和/或湿度变化和/或其他原因而漂移。电子漂移影响了电子电路的性能。例如，对于微流体控制器和检测器系统20或20’，需要紧密控制经电极施加在容器上的电压或电流。通常情况下，匹配(即同比例漂移)所有电极通道的电子漂移并不严重影响电子电路的性能。但是如果施加在一个容器上的电压或电流例如增加1％而施加在另一容器上的电压下降例如1％时，这种电子漂移可能导致不同容器的含量之间的化学干扰。而且一般难以提供相对时间和温度稳定的高压电阻器满足微流体控制器和检测器系统所需的精度。这种高压电阻器被用于每个高压通道的电阻分压器以测量和设定通道的电压。
因此，在高压控制PCB组件电路内提供基准通道作为附加通道用于校正电极通道。比较好的是，在每次检测或分析微流体芯片之前执行校正计划或过程。由于基准通道电路仅仅被用于每次测试或操作，所以与电极通道相比，老化对基准通道电路的影响减小。而且虽然就微流体控制器和检测器系统20或20’而言进行了描述，但是可以在任何系统采用基准通道和校正过程以确保多个通道匹配的电压和/或电流。
如图13所示，基准通道202一般包括高压发生器212，它接收DAC设定点输出214作为输入。基准通道202进一步包括分压器，分压器包括串行耦合的第一和第二高压电阻器218、220。分压器与高压发生器212并联。电压222取自第二高压电阻器220的两个节点之间。此外，电流224取自与高压发生器212和第二高压电阻器220耦合的节点230与接地之间。基准通道输出OUTREF或者每个电极通道OUT1、OUT2等的输出在节点228上提取。基准通道202经低泄漏高压二极管226与每个电极通道204、206、208、210耦合。每个高压电极通道204、206、208、210的结构通常与基准通道202的相同，除了具有电压或电流模式选择信号216作为输入以外。
图14为第一通道204的反馈环路电路的简化示意图。如上所述，高压电极通道和基准通道202的电路具有相同的结构。如图所示，第一通道204的高压发生器212一般包括积分器232、带电压倍增器234的变压器、二极管236和将电流转换为电压的放大器238。高压发生器212由反馈环路控制，反馈环路根据DAC设定点输出214和电压和电流读数222、224调节输出。电压读数222和电流读数224由模数转换器采样以产生代表输出240上实际电压和电流的数字值。
放大器238的工作方式为节点230为虚拟接地。在工作期间，电极通道设定为全部相同的模式或不同的模式。由于基准通道202比较好的是只工作在电压模式，因此无需提供部分电路，例如开关216。
在对微流体芯片样品的正常操作或分析期间，基准通道202关闭，从而在基准通道与每个高压电极通道之间没有明显的电流通过，只要每个高压电极通道的电压为正或等于0。相反，在校正期间，基准通道202上的电压，即基准节点228上的电压被设定为至少大于一个或多个高压电极通道二极管226两端一定电压降的正压，从而使电流可以流至一个或多个高压电极通道。
虽然可以采用其他合适的校正过程并且众多的修改可以实现类似的校正结果，以下是示意性校正过程的描述。
首先，基准通道202和所有电极通道被关闭。测量基准通道202的电压和电流VRefReadOffset、IRefReadOffset。测量了每个电极通道N的电压和电流VRefReadOffset、IRefReadOffset，这里N为1--电极通道数，例如16。
接着将所有的电极通道的节点240的电压设定为1200伏设定点电压或者V1.2kSetpoint并且将基准通道202的节点228上的电压设定为1000V设定点电压或者V1kRefSetpoint。由于实际的1000V基准通道设定点电压可能不精确地等于1000V，所以1000V设定点电压用V1kRefSetpoint表示。同样，由于实际的1200V电极通道设定点电压可能不精确地等于1200V，所以1200V设定点电压用V1.2kVSetpoint表示。此外，由于基准通道202的电压小于电极通道204-210的电压，所以在基准通道与任何电极通道之间没有电流流动。测量了每个电极通道的节点222上的输出电压VChNReaddB。
每个电极通道的电流随后单独设定为-1.25微安设定点电流或I-1.25μASetpoint而所有其他电极通道的节点240的电压保持为V1.2kVSetpoint。由于实际的电极通道设定点电流可能不精确地等于-1.25μA，所以-1.25μA设定点电流用I代表或1.25μA设定点电流用I代表或1.25μA set Point。电极通道电流设定提供了电极通道正向偏压的每个对应二极管226，从而使得电极通道节点240处的电压等于基准通道202的节点228的电压减去二极管226上的电压降。对于每个电极通道测量了电压VChNReadC和电流IChNReadC。对于基准通道202测量了电压VRefReadC和电流IRefReadC。通常情况下，对每个通道读取基准电流而对于所有通道读取只能读取一次电压基准。
接着，每个电极通道的电流单独设定为-3.75微安设定点电流或I3.75μASetpoint而所有其他电极通道的节点240的电压保持为V1.2kVSetpoint。由于实际的电极通道设定点电流可能不精确等于-3.75微安，所以-3.75微安设定点电流由I-3.75μASetpoint表示。电极通道电流设定提供了电极通道正向偏压的每个对应二极管226，从而使得电极通道节点240处的电压等于基准通道202的节点228的电压减去二极管226上的电压降。对于每个电极通道测量了电流IChNReadC和基准通道202的电流IRefReadD。对于每个通道电流读取，测量了基准通道的电流。
基准通道202的节点228的电压设定为200V设定点电压或者V200VRefSetpoint并且所有电极通道的节点228上的电压设定为300V设定点电压或者V300VSetpoint。由于实际的200V基准通道设定点电压可能不精确地等于200V，所以200V设定点电压用V200VRefSetpoint表示。同样，由于实际的300V电极通道设定点电压可能不精确地等于300V，所以300V设定点电压用V300VSetpoint表示。此外，由于基准通道202的电压小于电极通道的电压，所以在基准通道与任何电极通道之间没有电流流动。测量了每个电极通道的输出电压VChNReadE。
最后，每个电极通道的电流单独设定为-1.25微安设定点电流或I- 1.25μASetpoint而所有其他电极通道的节点240的电压保持为V300VSetpoint。电极通道电流设定提供了电极通道正向偏压的每个对应二极管226，从而使得电极通道节点228处的电压等于基准通道202的节点228的电压减去二极管226上的电压降。对于每个电极通道测量了电压VChNReadF并且还测量了基准通道202的电压VRefReadF。对于所有的通道电流读取，一般一次测量基准通道电压。
表I概括了校正步骤和上述基准通道和电极通道的测量电压和电流。
用GRefReadV、GRefReadI。表示的电压和电流的基准通道读取增益校正因子是已知的，例如在工厂校正和预先确定的并且用于确定各种校正因子和/或偏移。以下示出了对于每个高压电极通道N，作为已知参数GRefReadV、GRefReadI。和表I中测量电压和电流的函数的读取电压和电流的校正因子和设定电压和电流的校正因子和校正偏移GChNRcadV=GRcmcadV*(VRefReadC-VRefReadF)/(VChNReadC-VChNReadF)GChNReadt=GRefReadf*(IRefReadD-IRefReadC)/(IChNReadC-IChNReadD)GChNSetV=GChNReadV*(VChNReadB-VChNReadE)/(V1.2kVSetPoint-V300VSetPoint)VChNSetOftset=V300VSetPoint-(VChNReadE-VChNReadOffeset)*(GChNReadV/GChNSetV)GChNsetI=GChNReadI*(ICNReadC-IChNReadD)/(I-1.25μASetPoint-I-3.75μASetPoint)IChNSetOffset=I-1.25μASetPoint-(IChNReadC-IChNReadOffset)*(GChNReadI/GChNSetI)这里GChNReedV表示读取电压增益的校正因子，即每个通道N的电压222读取与节点240上实际电压之间的关系；GChNResdI表示读取电流增益的校正因子，即每个通道N的电流224读取与节点240上实际电流之间的关系；GChNSetV表示电压设定增益的校正因子，即DAC设定点输出214的设定与每个通道N的节点240上实际电压之间的关系；VChNSerOffset表示设定电压的偏移电压，即导致每个通道N的节点240上电压为0的DAC设定点输出214的设定；GChNSetI表示电流设定增益的校正因子，即DAC设定点输出214的设定与每个通道N的节点240上实际电流之间的关系；以及IChNSerOffset表示设定电流的偏移电流，即导致每个通道N的节点240上电流为0的DAC设定点输出214的设定。
此外，以下示出了基准通道的校正因子和设定电压的电压偏移GRefSetV=GRefReadV*(VRdfReadC-VRefReadF)/(V1kVRefSetPoint-V300VRefSetPoint)VRefSetOffset=V200VSetPoint-(VRefReadF-VRefReadOffeset)*(GRefReadV/GRetSetV)这里GRefSetV表示基准电压设定增益的校正因子，即DAC设定点输出214的设定与基准通道的节点228上实际电压之间的关系；VRefSerOffset表示设定基准电压的偏移电压，即导致基准通道的节点228上电压为0的DAC设定点输出214的设定。
在确定了校正因子和偏移之后，设定点、读取返回和输出电压和电流的关系是已知的。特别是，实际电压设定Vset,Out可以表示为施加电压设定VSet的函数并且实际电流设定Iset,Out可以表示为施加电流设定ISet的函数Output Voltage=VChNOut=(VSet-VChNSetOffsct)*GChNSetVOutput Current=IChNOut=(ISet-IChNSetOffset)*GChNSetI此外，每个电极通道的实际电压VRead,Out可以表示为测量电压VRead的函数并且实际电流IRead,Out可以表示为测量电流IRead的函数Output Voltage=VChNOut=(VRead-VChNReadOffset)*GChNReadVOutput Current=IChNOut=(IRead-IChNReadOffset)*GChNReadI上述校正方法通常简化为在基准通道产生第一电学基准输入和在每个电极或源通道产生第一电源输入。测量了每个基准和电极通道的第一电学值。随后在基准通道产生第二电学基准输入并在每个电极通道产生第二电学电极输入，第二输入与对应的第一输入不同。随后测量了每个基准和电极通道上的第二值。每个电学输入和每个测量值可以是电压和/或电流。
读取校正因子(例如GChNReadV或GChNReadI)一般确定为第一测量基准值与第一测量电极值之差以及第二测量基准值与第二测量电极值之差之比的函数。
所有电极和基准通道可以关闭并且测量了每个基准和电极通道的偏移电压和电流。校正偏移值(例如VChNSetOffset或IChNSetOffset)一般确定为测量的偏移电压和电流的函数。此外，设定校正偏移VChNSetOffset或IChNSetOffset比较好的确定为其中一个基准输入的函数和作为其中一个测量电极通道值与其中一个测量偏移源通道值之差的函数。
输入设定基准校正偏移(例如VRefSetOffset)一般确定为其中一个基准输入的函数和其中一个测量基准通道值与其中一个测量偏移基准通道值之差的函数。
设定校正因子(例如GChNSetI或GChNSetI)一般确定为第一测量基准值与第二测量基准值之差与第一基准输入与第二基准输入之差的比率的函数。
设定基准偏移(例如GRefSetV)一般确定为第一测量基准值与第二测量基准值之差与第一基准输入与第二基准输入之差的比率的函数。
在上述校正过程中，每个二极管226上电压降假定在恒流下是常数，由于每对校正点在-1.25微安的同一偏流下完成，所以二极管的电压降对校正过程没有明显影响。此外，由于通过关闭所有基准和电极通道高压源完成偏移校正，所以偏移校正不受二极管电压降的影响。
而且，假定每个二极管226上的电压降相等，则上述校正过程校正了电压输出对电压设定的斜率。过程还确保在校正期间电极通道之间较大的电压差。校正期间电极通道之间较大的电压差可能在微流体芯片内产生不需要的流体，降低了精度和性能。
如上所述，可以利用任何合适的校正过程并且可以作多种修改实现类似的校正结果。例如，上述校正过程是两点校正过程，该过程假定电路元件是线性的，即电路元件高度线性并且具有较低的电压系数。为了补偿非线性电路元件，上述校正过程可以扩张为完成一个或多个校正因子的多点校正。
虽然以上借助实施例描述了本发明，但是显而易见的是，本领域技术人员可以对上述实施例作出各种修改。本发明的精神和范围由所附权利要求限定。
权利要求
1．一种微流体控制器和检测器系统，其特征在于包含包含至少两个相交通道和检测区的流体芯片；包含与至少两个相交通道接触的接口的材料导向系统；具有放置在检测区附近的物镜的光学模块；以及与光学模块耦合并适于接收和分析光学模块数据的控制系统。
2．如权利要求1所述的微流体控制器和检测器系统，其特征在于接口为包含至少三个电极的电学接口，每个电极配置为与由至少两个相交通道形成的不同相交侧面上的至少两个相交通道的其中一个电学接触。
3．如权利要求2所述的微流体控制器和检测器系统，其特征在于流体导向系统进一步包括外罩，至少三个电极与外罩连接以在外罩处于闭合位置时与至少两个相交通道电学接触。
4．如权利要求1所述的微流体控制器和检测器系统，其特征在于光学模块进一步包括光检测器以检测从导向区经物镜发射的光。
5．如权利要求1所述的微流体控制器和检测器系统，其特征在于光检测器选自光电二极管、雪崩光电二极管、光电倍增管、二极管阵列、成像系统和电荷耦合器件。
6．如权利要求1所述的微流体控制器和检测器系统，其特征在于光检测器与控制系统通信并且光学模块进一步包括位于来自检测区的光所经过的光检测器附近的检测器透镜组件。
7．如权利要求6所述的微流体控制器和检测器系统，其特征在于光学块进一步包括使光经物镜射向检测区的光源；以及反射光源产生的光并且从检测区经物镜发射光的镜子。
8．如权利要求1所述的微流体控制器和检测器系统，其特征在于光学块进一步包括可以使光经物镜射向检测区的光源。
9．如权利要求8所述的微流体控制器和检测器系统，其特征在于光源选自激光器、激光二极管和发光二极管。
10．如权利要求8所述的微流体控制器和检测器系统，其特征在于进一步包括固定装置，用于使来自光源的光经物镜聚焦在检测区上。
11．如权利要求10所述的微流体控制器和检测器系统，其特征在于固定装置包括第一和第二邻近平板、转轴和使第一平板相对第二平板围绕转轴位移的致动器。
12．如权利要求11所述的微流体控制器和检测器系统，其特征在于固定装置包含两个致动器，每个使第一平板相对第二平板围绕转轴沿不同方向位移。
13．如权利要求11所述的微流体控制器和检测器系统，其特征在于致动器包含与耦合器耦合的步进电机，耦合器与第一平板耦合并且与第二平板可移动接触。
14．如权利要求13所述的微流体控制器和检测器系统，其特征在于耦合器限定了围绕其的螺纹并且第一平板限定了通过其上的开口，开口具有内部螺纹，与耦合器的螺纹啮合。
15．如权利要求13所述的微流体控制器和检测器系统，其特征在于第二平板包括适于与耦合器接触的硬质底座。
16．如权利要求1所述的微流体控制器和检测器系统，其特征在于接口为包含至少三个通道电极的电学接口，每个电极与至少两个相交通道的其中一个电学接触，系统进一步包括基准电极，用于校正至少三个通道电极。
17．如权利要求1所述的微流体控制器和检测器系统，其特征在于接口为适于与真空泵接口的端口。
18．一种校正多个电源通道的方法，其特征在于包括以下步骤在基准通道上产生第一电学基准信号；将第一电学基准信号施加在每个电源通道上以在每个电源通道上产生第一电源信号；在每个基准和电源通道上测量第一电学值；在基准通道上产生第二电学基准信号；将第二电学基准信号施加在每个电源通道上以在每个电源通道上产生第二电源信号，第二电学基准信号和第二电源信号与第一电学基准信号和第一电源信号各不相同；在每个基准和电源通道上测量第二电学值；以及确定读取校正因子作为第一和第二测量基准值之差与第一与第二测量源值之差的比率的函数。
19．如权利要求18所述的校正方法，其特征在于每个第一和第二基准和源信号和第一和第二测量基准和源值选自电压和电流。
20．如权利要求18所述的校正方法，其特征在于进一步包含确定每个电源通道的设定校正因子作为每个电源通道的第一与第二测量电学值之差与第一和第二电学基准信号之差的比率的函数。
21．如权利要求18所述的校正方法，其特征在于进一步包含确定设定基准偏移作为第一与第二测量基准值之差与第一和第二设定电学基准信号之差的比率的函数。
22．如权利要求18所述的校正方法，其特征在于进一步包含关闭所有的源通道和基准通道；测量每个基准和源通道的偏移电压和电流值；以及确定校正偏移值作为测量的偏移电压和电流的函数。
23．如权利要求22所述的校正方法，其特征在于进一步包含确定设定校正偏移作为其中一个基准信号的函数和其中一个测量源通道值与其中一个测量偏移源通道值之差的函数。
24．如权利要求22所述的校正方法，其特征在于进一步包含确定设定基准校正偏移作为其中一个基准信号的函数和其中一个测量基准通道值与其中一个测量偏移基准通道值之差的函数。
25．一种微流体芯片内材料导向的方法，其特征在于芯片包括至少一个在两个电子接触点之间延伸的流体通道，每个接触点适于接触电源通道，所述方法包括以下步骤利用基准通道校正电源通道；以及利用所述校正结果对至少一个所述电源通道施加电学导向信号，所述校正包括在基准通道上产生第一电学基准信号；对每个电源通道施加第一电学基准信号以在每个电源通道上产生第一电源信号；测量每个基准和电源通道上的第一电学值；在基准通道上产生第二电学基准信号；将第二电学基准信号施加在每个电源通道上以在每个电源通道上产生第二电源信号，第二电学基准信号和第二电源信号与第一电学基准信号和第一电源信号各不相同；在每个基准和电源通道上测量第二电学值；以及确定读取校正因子作为第一和第二测量基准值之差与第一与第二测量源值之差的比率的函数。
全文摘要
本发明揭示了一种完成筛选化验的微流体控制器和检测器系统和方法。微流体控制器和检测器系统包括流体芯片,芯片包括至少两个相交通道(104)和检测区(140),流体导向系统包括与至少两个相交通道电接触的电学接口、具有放置在检测区附近的物镜的光学模块和与光学模块耦合并且适于接收和分析光学模块数据的控制系统。电学接口一般包括与相交通道电接触并且与电极通道耦合的电极,用于向电极提供电气输入。基准通道可以校正电极通道。
文档编号B01L3/00GK1323393SQ99812168
公开日2001年11月21日 申请日期1999年10月12日 优先权日1998年10月14日
发明者R·内格尔, M·J·詹森, C·肯尼迪, C·乔, M·莱西 申请人:卡钳技术有限公司