专利名称：用于传输、封闭和分析流体样品的方法和装置的制作方法
用于传输、封闭和分析流体样品的方法和装置
本发明涉及一种用于传输、封闭和分析流体样品的装置及其使用方 法。所述装置包括至少一个样品传输通道，至少一个多功能通道，和至 少 一个反应器模块。所述反应器模块将所述至少 一个样品传输通道流体 连接至所述至少 一个多功能通道，其包括与所述至少 一个样品传输通道 流体连通的至少一个反应室，和至少一个流体隔离室。所述至少一个流 体隔离室与所述反应室的至少一个出口流体连通，并调节所述至少一个 出口和所述至少一个多功能通道之间流体样品的流动。
"芯片实验室(Lab-on-chips )"是集成流体搮作功能来执行化学和 生物化学分析过程的微型装置。它们使复杂的宏观尺度化学或生物化学 的混合、分离、反应、分析、检测和测量过程小型化。通过由玻璃或聚 合物村底制成的这些微型装置的小型化使得分析所需的样品和试剂的 体积以及所需时间减少到最小。因此，这些微型装置提供了成本、速度 和样品消耗方面的优势。术语"芯片实验室"还涉及将一个分析程序的 多个样品和几个步骤、以及潜在的几个测试集成到微尺度单一 系统的能 力。"芯片实验室"已经被应用于多种方法，尤其是生命科学领域。这 些方法之一包括酶促反应的应用，例如包括动力学常数的测定(例如 Burke, BJ, Regnier， FE， Anal Chem (2003)， 75， 1786-1791)、分析物的定 量测定(Wang, J, et al, Anal Chem (2001)， 73, 1296-1300)或聚合酶链式 反应("PCR"，参见例如Medintz， IL, et al" Electrophoresis, (2001), 22, 3845-3856)。其他方法包括毛细管电泳(Shao, X， et al" J Microcolumn Sep, (1999)， 11， 323-329)、等电聚焦(Hofmann， O， et al.， Anal Chem， (1999)， 71, 678-686)或免疫测定(例如Sato, K, et al" Electrophoresis, (2002), 23， 734-739)。
这些系统的显著优点之一是自动化和便携性的潜力增加，因而减少 了人为介入(hands-on labour )的量，使之能够进行现场分析和测试。 但是，目前大多数微流体芯片(microfluidic chips )是耦合至宏观尺度 (macroscale )运行基础i殳施的微观尺度(mkroscale )装置。例如，
流体运输过程经常通过原位构建或者外部接至所述微型装置的泵和岡 来实现。系统原位构建的微泵和微阀通常要求额外的驱动力。用于微泵
的这种驱动机构的实例包括止回阀、蠕动、旋转、离心、超声、电流体
动力学、动电学、相转移(因此要求温度或压力变化)、电润湿、磁性 或流体力学机构。用于微阀的这种驱动机构的实例包括气动、热力气动、
热力学、压电、静电、电磁、电化学和毛细管机构(参见例如US patent 6,531,417; US patent 5，499,卯9; Kamper， K.P. et al.， "A self-filling low-cost membrane micropump,', a簡冊/ /M^7ia&Vwfl/
w由一 o 細MS"，憎《Gmw，, 432-437; Maillefer， D. et al" "A high-performance silicon micropump for disposable drug delivery systems", /"&nifl"Vmfl/ Af/cra ￡7e"n
Mec/ifl/i/cfl/ 5^e附s (M￡"^^) 0 /i/^wce， M(vazaA:/， /"戸《， 413-417; Gu， W. et al" Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A (2004), 101， 45,15861-15866)。
除了毛细管作用之外，所有上述驱动机构要求提供形式为例如电、 磁场、气压或热能的外部能量，或者依靠驱动这些过程的机械部件。因 此，这些机构依赖于周围宏，见尺度的运行基础设施。这些周围宏观尺度 支持阻碍了便携性并因此使得微流体系统的优点之一变无效。因此期望 使用具有自分配(self-distribution)性质的独立于外部装置和外部能量的 微装置。这些装置具有改进的便携性和现场可用性(field deployability )。
如上所述，毛细管作用通过降低对例如电流、机械力、压力变化或 温差等外部驱动力的依赖提供了一种避免或降低对周围宏观尺度支持 基础设施的依赖性的方法。因此其被广泛研究以控制和/或引导流体的 流动(参见例如美国专利申请03/0138941 )令人毫不吃惊。毛细管作用 力由物质之间的表面亲和力产生，并且依赖于诸如其表面化学、表面形 态和结构等的材料性质。微型装置结构尺度缩小增加了表面力/张力和
毛细管作用的任何效果。因此，有潜力使用这些力来传递流体，并将其 包封入指定的腔内，以用于后续应用比如在压力和温度变化下进行反 应。尽管表面张力能够不借助外力来驱动流体流动，但是设计一个完全 依靠毛细管力的用于指定应用的系统仍是一项充满挑战的任务。
Gong等报道了这样一种毛细管力驱动装置(参见例如美国专利申 请2003/0138941 Al，美国专利申请2003/0138819 Al，和国际专利申请 WO03/035902 A2 )，其实现了表面驱动的流体分配作用。所述装置由位 于两个截然不同的多功能连通通道之间的一个或多个"测定站"或"孔" 构成。这些"测定站"中的每一个都通过至少两个入口连接至两个多功 能连通通道。流体样品进入所述第 一多功能连通通道，并从那里流入所200580049623.7
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迷测定站。虽然提供了有用的微芯片设备，但是该装置的缺点是流体样 品可能从所述测定站中溢流进入所述第二多功能连通通道。这种溢流将 会导致相应装置内其他测定站被污染。
以上引用装置的另 一个缺点是在所述流体样品的分配中使用顶替 液体。该顶替液体进入所述第一多功能连通通道，并置换流体样品。因 而所述顶替液直接接触流体样品。这种接触增加了混合并进而污染的风 险，尤其是顶替液的性质没有被仔细选择时。为了从所述第一多功能连 通通道中除去流体样品，可以要求选择对各自通道表面具有高度亲和力 的顶替液。但是，具有这种高表面亲和力的液体可能产生很大的毛细管 力。作用在测定站第 一入口上的大毛细管力可能使流体样品从所述测定 站内通过第二入口溢流出来。结果，所述流体样品可能进入第二多功能 连通通道。从这个通道，所述流体样品可与所述装置内其他测定站的流 体样品接触，从而导致污染。此外，溢流过程可能导致与顶替液混合， 其可影响顶替液的性质和测定站内流体样品的后续分析。
如Gong等(同上)公开的微型装置通常要求从所述样品室中释放 夹带空气的手段。可用于释放夹带空气的这些手段的实例是应用外力比 如离心、泵抽，或提供通气手段。
外力的应用要求将附加周围支持系统比如离心机或泵置入所述操 作过程，或者要求将其他功能加入所述装置。这些方法增加了所述装置、 及其操作的复杂性和成本以及所述方法的整体便携性。
上述装置的典型应用是在其测定站内进行反应或进行分析之后的 存储。待用于这些方法之一的各装置包括通风口时，该通风口需要被密 封，以允许封闭所述流体样品。但是，所需的密封过程导致样品室内的 流体样品和各自密封材料表面之间相接触。这种接触导致由密封材料取 代流体样品而产生的流体样品流出的风险。因此，流体样品可进入各个 装置的一个多功能通道中。与使用顶替液相似，进入多功能通道的流体 样品可污染装置内其他反应室中的流体样品。
因此，本发明的一个目的是提供用于分析流体样品的可弃型微型装 置，所述装置一方面能够分配该流体样品而不要求外部手段(例如离心 机、泵、电力或磁力)，另一方面能够任选与这些外部手段一起使用。 本发明的另一个目的是提供用于分析流体样品的微型装置，所述装置避 免由流体样品的潜在溢流、使用顶替液或使用密封材料而引起的对流体
样品的潜在混合与污染的风险。本发明的再一个目标是提供用于分析流 体样品的微型装置，所述装置能够将所述样品以均匀形式保持在封闭反 应室内，而不管压力或体积如何变化。如上所述，由于在多种反应过程
变化尤其可能发生y _ _ " 二、…、乓
这些目的通过独立权利要求中所述的用于分析流体样品的装置及 其使用方法来解决。
一方面中，本发明涉及用于分析流体样品的装置，所述装置包括 -至少一个样品传输通道； -至少一个多功能通道；和
-至少一个将所述至少一个样品传输通道流体连接至所述至少 一个多功能通道的反应器模块，所述至少一个反应器模块包括
-至少一个反应室，所述反应室具有与至少一个样品传输通道流 体连通的至少一个入口,和
-至少一个流体隔离室，所述流体隔离室与所述至少一个反应室 的至少一个出口流体连通，
其中所述至少一个流体隔离室调节所述至少一个出口和所述至少一个 多功能通道之间流体样品的流动。
在另一个方面中，本发明涉及检测流体样品中分析物的方法，其包
括
a)提供上述用于检测流体样品中分析物的装置，其包括 -至少一个样品传输通道； -至少一个多功能通道；和
-至少一个将所述至少一个样品传输通道流体连接至所述至少一个 多功能通道的反应器模块，所述至少一个反应器模块包括
-至少一个反应室，所述反应室具有与至少一个样品传输通道流
体连通的至少一个入口，和 —至少一个流体隔离室，所述流体隔离室与所述至少一个反应室 的至少一个出口流体连通，
其中所述至少一个流体隔离室调节所述至少一个出口和所述至少一个 多功能通道之间流体样品的流动。
b) 将流体样品加载入所述装置，
c) 用密封材料密封所述至少一个样品传输通道和至少一个多功能通 道，和
d) 执行至少一种分析物检测反应，所述反应提供关于所述分析物的 至少一个定性或定量数据。
本说明书和权利要求书全文中，用于所述流体样品的术语"分析" 的意思不只限于它们通常的意思。相应地，这些术语表示对流体样品的 性质或特征进行定量和/或定性检测(例如测量、评价或测定)的任何 行为。另外，在此使用的这些术语还表示分配或封闭流体样品(例如， 为了观察封闭空间内流体样品的流动分布行为)而不对流体样品进行任 何定量和/或定性检测方法的任何行为。此外，此处所用的术语还表示 保存流体样品的过程(例如，为了研究密闭空间内流体样品和选定衬底 材料的长期相互作用)。
伴随本说明书中所用术语的附图标记用于描述根据本发明的装置 的任何部件，其只是被用于举例的目的，而不应该被解释为将所述装置 的该部分限制在图中附图标记举例和指示的具体结构/部件。
根据本发明的装置包括至少三个隔室，即一个或多个样品传输通道 1， 一个或多个多功能通道3，和至少一个反应器模块11,其中每个隔 室可以包括其他各种小隔室(sub-compartment)(为方便起见，下面这 些小隔室同样被称为隔室)。所述至少一个样品传输通道1可以位于装 置内的任何位置，只要其大致定位允许将流体样品从所述装置的一个或 多个进液口 5输送至所述一个或多个反应器模块11 。如果所述样品传输 通道l与一个以上进液口 5流体连通，则附加进液口比如
图10中的进 液口 6或9可以和进液口 5或相互之间具有相同或不同的形状和表面特 性。在具有几个进液口 5、 6等的实施方案中，这些进液口中的一些可 以被用来容纳源自环境例如使用者的流体样品，而其他进液口可以被用 于其他功能。例如这些其他功能可以包括充当已经由另 一进液口充入样 品传输通道的过量流体的储器。每个进液口 5、 6或9等可以是任意深 度，只要在加载流体样品后充入进液口时其体积不妨碍所述隔离介质执 行其功能就行。作为示例性实施例，两个进液口 5和6(例如见图10A)
可以和样品传输通道l流体连通，其中进液口 5可以用于容纳流体样品 和隔离介质。如果进液口 5比通道1更深，其在将流体样品加载给所述 装置后可以保留流体样品。然后，密封流体可以被用作可与各流体样品 互溶的隔离介质(见下文)。当所述密封流体被载入进液口 5时，其中 存在的流体样品例如将会稀释隔离介质。因此进液口 5的深度被限制到 这种稀释不会阻止所述密封流体功能的体积(见下文)。密封流体可以
具有很低的粘度，使其也可以立即流过通道1,进入进液口 6。在此情 况下，与进液口 5同样的要求也可适于进液口 6。典型地，与通道l或 3连通的至少一个进液口从而提供了深度不到约0.5毫米的小体积。
样品传输通道1可以拥有任何内表面特性，只要它们允许传输流体 样品。例如当提供水性流体样品时，所述通道的内表面可以是亲水性或 疏水性。此外，不同的通道l内部区域可以提供不同的表面特性。因此， 样品传输通道l上的一些区域，比如壁或部分壁，可以是亲水性的，而 另一些区域可以是疏水性的。图8描述了经过不同处理的具有方形、三 角形和圓形剖面的通道内壁的实例。在典型的实施方案中，样品传输通 道1提供了允许流体样品传输的表面特性，其允许程度低于反应器模块 11的反应室15的各自表面特性。
可改变样品传输通道1或所述装置其他任何部件的表面特性的处理 可以是导致各自表面特性改变的任何处理，其持续时间长度足以影响随 后流体样品的输送。典型地，这种处理不影响接触各表面区域的流体样
品的组成。在一些实施方案中，这种处理不影响接触各表面区域的任何 流体的组成。在另一些实施方案中，如果隔离介质充入样品传输通道l， 该处理例如可以改变隔离介质(见下文)。
可以被用来改变表面特性的处理可以包括各种方法，例如机械、热、 电或化学方法。本领域通常使用的方法是用对流体样品具有不同亲和力 水平的化学物质处理。例如，塑料材料的表面可以通过用稀盐酸或稀硝 酸处理变成亲水性的。又如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面可以通过 用氧气或空气等离子体的氧化变成亲水性。作为替代，任何疏水表面的 表面性质可以通过包覆亲水聚合物或用表面活性剂处理变成更具亲水
性。化学表面处理的实例包括但不限于暴露于六甲基二硅氮烷、三甲基 氯硅烷、二甲基二氯硅烷、丙基三氯硅烷、四乙氧基硅烷、环氧丙氧基 丙基三曱氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、2-(3，4-环氧环己基)乙基 三甲氧基硅烷、3-(2，3-环氧丙氧基)丙基三曱氧基硅烷、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、 Y-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、聚(甲基丙烯酸甲 酯)、聚甲基丙烯酸酯共聚物、尿烷、聚氨酯、含氟聚丙烯酸酯、聚(曱 氧基-聚乙二醇-甲基丙烯酸酯)、聚(二曱基丙烯酰胺)、聚([N-(2-羟丙 基)甲基丙烯酰胺)(PHPMA)、 oc-磷酰基-胆碱-o-(N,N-二乙基二硫基 氨基甲酰基)十一烷基寡聚DMAAm-寡聚-ST嵌段共寡聚物(参见 Matsuda, T et al" Biomaterials (2003), 24， 24, 4517-4527)、聚(3,4-环氧 -l-丁烯)、3,4-环氧-环己基甲基丙烯酸甲酯、2，2-双[4-(2，3-环氧丙氧)苯 基丙烷、3，4-环氧-环己基丙烯酸曱酯、(3，,4，-环氧环己基甲基)-3，4-环氧 环己基羧酸酯，二-(3,4-环氧环己基曱基)己二酸酯、双酚A (2,2-双 -(p-(2,3-环氧丙氧基)苯基)丙烷)或2,3-环氧-1-丙醇。
同样地，样品传输通道l可以具有任意几何特性，只要其允许流体 样品传输。例如它们可以是直的、弯的(例如图10B)或螺旋的，包含 回路，以及包含其他内部几何特性。这些内部几何特性可以包括，但是 不卩艮于直径变化、倒转(inversion )、沟槽(groove)或凹痕(dent )。 在一些实施方案中，传输通道的形状提供了促进流体样品传输的几何特 性。在另一些实施方案中，例如当几个不同几何特性的通道流体连通时， 传输通道的形状以更低或更高程度提供了促进或阻碍流体样品传输的 几何特性，尤其是相对于各自其它传输通道而言。
样品传输通道l可以是任何长度，线性或具有分支，并具有任何剖 面的横截面。各自剖面的实例包括但不限于圓形、卵形、字母V或U 形、三角形、矩形、正方形或任意寡多面体形(oligohedron )。典型地， 样品传输通道的直径选自约5微米至约5毫米。
如上所述，至少一个样品传输通道l与所述装置的一个或多个进液 口流体连通。该进液口 5—或这些进液口 5、 6和9等一可用于容纳流体 样品或隔离介质。此外，样品传输通道1与至少一个反应器模块11的 至少一个反应室15流体连通。各反应室可以垂直位于与样品传输通道1 相同或不同的水平面。在其垂直位于样品传输通道l的水平面以下的实 施方案中，其高度差可以帮助流体样品从样品传输通道l中传输进入所 述至少一个反应室15。
在一些实施方案中， 一个反应器模块11包含一个以上反应室15, 这些室可以具有相同的尺寸,并恰好位于彼此顶部的位置。在这些实施
方案中，每个反应室中可以放置不同的反应化合物(见下文)。这种装
置可期望例如使用不同的辐射波长同时进行分析测量。在另 一些实施方 案中，各反应室可以具有不同的尺寸，和/或位于不同的水平位置(例
如见图7B)。可期望这些实施方案具有对照区，以证实每次检测与所述 装置不同反应室的信号无关。
此处使用的术语"水平(horizontal)"、"垂直(vertical)"和"在上 面(on top)"指的是本发明装置所处的位置，以此方式使得至少一个反 应器模块11、多功能通道3和至少一个样品传输通道1定向于侧边或旁 边(sidewise or alongside ),即不在彼此的上面。在一些实施方案中， 该位置反映出所述装置的定位，其中任意开口比如进液口 4至9面朝上， 并且所述装置可以置于平的表面上。
因此，在一些实施方案中，样品传输通道1与数个反应器模块11 流体连通。在一些实施方案中，所述数个反应器模块可以这种方式布置， 使得外部手段或毛细管作用通过与各样品传输通道流体连通的所述装 置的至少一个样品传输通道1将流体样品31从一个或多个进液口 5和6 等中任意一个同时注入数个反应器模块。在另一些实施方案中，所述数 个反应器模块可以被布置为使这些反应器可以被依次注入。同样地，如 果几个反应室15被提供在一个反应模块11内，这些反应室可以被布置 为使得外部手段或毛细管作用依次或同时将其充满。此外，所述数个反 应器模块可以被布置为例如同时或依次将隔离介质33注入样品传输通 道l，以物理隔离所述数个反应器模块。
在另一些实施方案中可以提供多个样品传输通道1。例如，这些样 品传输通道l中每一个可以与仅一个反应器模块和一个进液口 5、 6等 流体连通。例如，当要试验不同流体比如緩沖液、有机溶剂或离子性液 体对特定反应的适合程度时，可以期望这些实施方案。
本发明的装置还包括至少一个多功能通道3。在一些实施方案中， 该通道可由单独一个单元构成，而在另一些实施方案中，其可以形成彼 此不直接连接的几个部分(例如见图3D)。所述多功能通道3可以是任 意长度，线性或具有分支(例如见图IOB)。
所述多功能通道可以具有任何表面特性。在一些实施方案中，它/ 它们可以具有阻碍流体样品传输的表面特性的内表面区域。例如在提供 水性流体样品时，多功能通道3的内表面可以是疏水性的，或者被处理 为提供疏水的表面特性。在另一些实施方案中，所述多功能通道具有促
进流体样品传输的表面特性的内表面区域。因此在这些实施方案中，在 这方面其可以与样品传输通道1相似。
同样地，多功能通道3的形状可以提供任何几何特性，只要其允许 容纳隔离介质和空气。在一些实施方案中，多功能通道3的形状提供阻 碍流体传输的几何特性。在另一些实施方案中，多功能通道的形状可以 具有促进流体传输的几何特性。所述多功能通道3可以用于容纳例如密 封材料等隔离介质。这种隔离介质可以被放进和/或流进多功能通道3 ， 然后固化成刚性或半刚性的封闭表面。应该注意，所述至少一个样品传 输通道l同样可以用于容纳隔离介质。
所述多功能通道3可以是任意长度，并拥有具有任意合适剖面的横 截面。各剖面的实例包括但不限于圓形、卵形、字母V或U形、三角 形、矩形、正方形或寡多面体形。典型地，样品传输通道的直径选自约 5微米至约5毫米的范围。
所述一个或多个多功能通道3与一个或多个进液口 4、 7和8等(例 如见图10B)流体连通。这些进液口能够容纳空气或隔离介质，并允许 将其转移到多功能通道3中。所述潜在多样的各进液口 4、 7和8等可 以具有相同或不同的形状和表面特性。它们还可以拥有与和样品传输通 道l流体连通的进液口 5、 6和9等相同或不同的形状和表面特性。此 外，当多功能通道3与一个以上进液口 7连通时，额外的进液口比如图 IOA和B中的进液口 8可以具有与进液口 7或彼此之间相同或不同的形 状和表面特性。
另外，多功能通道3与每个所述一个或多个反应器模块的流体隔离 室23流体连通。在本发明装置的典型实施方案中，这种连通通过出口 24提供。该出口可以是在多功能通道3和流体隔离室23之间提供连通 的任何形式。出口 24的实例包括但不限于开口、阀门、颈(neck)或 通道。图4示出两个示例性实施方案，其中所述出口采取通道25的形 式。这种通道可以采取为流体隔离室23提供流体连通的任意长度的任 意合适的形式，例如直线的、螺旋状扭曲的或弯曲至任何度数。其还可 以包含其他的内部几何特性，例如直径变化、倒转、凹痕或沟槽。其可 以拥有具有任何表面特性的内表面区域，只要其不阻碍反应器模块11 和多功能通道3之间的空气连通。应该注意，出口 24，比如通道25形 式的出口 24，可以允许液体进入流体隔离室23。但是如果需要，它的
几何和表面特性也可以被选择以阻止这种液体进入。
通道25的横截面可以是任意形状，只要其不阻碍流体比如空气或 者流体密封材料的传输。各剖面的实例包括但不限于圓形、卵形、字母 V或U形、三角形、矩形、正方形或任何寡多面体形。典型地，通道 25的直径大致相等或小于各个多功能通道3的直径。例如，当多功能通 道3具有0.2毫米的垂直直径和0.65毫米的水平直径时，微毛细管通道 19的直径典型地选自约5微米至约0.65微米的范围。因此例如其可以 采取0.1毫米的垂直直径和0.15毫米的水平直径。
各个出口的开口可以是任意形状。各自剖面的实例包括但不限于圓 形、卵形、字母V或U形、三角形、矩形、正方形或任何寡多面体形。 在出口 24采取通道25形式的实施方案中，所述开口可以和通道25的 剖面具有相似的尺寸。在其他提供通道25的实施方案中，通过壁可以 将通道25和各多功能通道3隔开。这种壁可含有一个或多个尺寸较小 的开口，因此允许和多功能通道3流体连通。
在缺少其它流体比如流体样品时，多功能通道3中的空气因此接触 反应器模块中的空气。这进而接触样品传输通道l中的空气，从而形成 一个集成型充气系统。因此，在将流体样品充入样品传输通道1和反应 器模块11期间，所述多功能通道3 —般用作通风管，以允许释放所截 留空气。但是，当多功能通道3中填充隔离介质时，其将不再起通风管 的作用，而是会密封所述反应器模块。因此，流体不能经过流体隔离室 的出口 24进入所述反应器模块11。反应器模块11因而和与连接至多功 能通道3的一个或多个进液口接触的空气隔开。它们也和可以接触各进 液口的任何液体隔开。
如上所述，本发明的装置可以提供多个反应器模块。在一些实施方 案中，反应器模块11因而可以二维或三维高密度排成阵列，其中每个 反应器模块包含一个或几个反应室15。各反应器模块可与任意数目的相 同或不同的样品传输通道1连通。
典型地，这些反应室15提供了促进流体样品传输的内表面特性， 其促进程度等于或高于与之流体连通的至少一个样品传输通道1。在一 些实施方案中，可以期望提供具有不同内表面特性的多个反应室15。因 此，不管是在相同或不同反应模块内， 一些反应室可以提供促进流体样 品传输的内表面特性，其促进程度不同于其它反应室的内表面特性。
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在一些实施方案中，还可以期望提供具有促进流体样品传输的内表
面特性的反应室15,其促进程度高于与之流体连通的所有样品传输通道 1。这些实施方案促进由毛细管力或外部手段驱动的流体样品31从装置 的进液口 5、 6和9等至反应器模块11的反应室15的流动，其中所述 装置与样品传输通道l流体连通。因此， 一些实施方案能够完全依靠毛 细管力来实现例如本发明装置上所有反应器模块11中所有反应室的填 充。在另一些实施方案中，当可以期望提供具有不同内表面特性的数个 样品传输通道时，可以要求使用某种力，以便填充所有样品传输通道和 反应器模块的所有隔室。例如这种力可以通过用吸管将流体轻压入与样 品传输通道l流体连通的进液口来提供，例如图10B中的进液口 5、 6 或9。
反应室15可以是任意形状，只要期望的反应可以在所述反应室中 进行。在典型的实施方案中，反应室15将会是允许完全填充流体样品 的形状。这些形状的实例包括但不限于矩形、正方形、卵形、圓形和瓶 状。任选地，可以选择反应室15的形状，以在填充液体样品31期间避 免或防止形成气泡。避免形成气泡的手段的实例包括但不限于直的或凸 出的壁或部分壁以及圆角。
在典型的实施方案中，反应室15具有从约1微微升至约1毫升范 围的体积。因此，所述体积例如可以被选择为约100微升或在500纳升 到IO微升的范围。在典型的实施方案中，反应室垂直延伸5微米至约5 毫米范围的距离。在一些实施方案中，本发明的装置提供数个反应器模 块ll，这些反应器模块可以是基本相同的尺寸。
反应室15具有至少一个入口 12和至少一个出口 18。这些入口和出 口可以是任何形状，例如形成进入连接接头(entrance connection joint)。这些入口和出口的实例包括但不限于开口、阀门、室、颈或通 道。当提供通道时，例如入口通道13，该通道还可以具有分支(例如见 图3D)。此外，这种通道可以提供锥体部10 (例如见图3D)。在具有一 个以上反应室的实施方案中，各反应室可以平行和/或垂直地与样品传 输通道l以及各多功能通道3连接。因此，每个反应室的各个入口和出 口可以在它们的几何与表面性质方面有差别。在其提供例如阀门、颈或 通道的实施方案中，它们从而还可以相对于彼此以不同角度定向。
通过一个或多个这种入口 12，每个反应器模块的至少一个反应室
1815流体连接至样品传输通道1。在入口 12提供例如颈、通道13或室14 (例如见图3B、 4和5中的通道13，图3C中的室14)的实施方案中， 其拥有具有允许将流体样品输入各反应器模块11的内表面特性的内表 面区域。因此，这些表面特性可与样品传输通道l的表面特性相同或不 同。例如，当提供含水流体样品时，各入口可以是亲水性的或疏水性的。 其也可以被表面处理为提供分别亲水或疏水的表面特性(见上文)。在 一些实施方案中，例如当几个反应器模块11或当反应器模块的几个反 应室15平行连接到样品传输通道时，每个入口可以提供促进流体样品 31流动的表面特性，其中彼此之间促进的程度各不相同。
在典型的实施方案中，入口 12提供促进流体样品传输的表面特性， 其促进程度相当于或大于各样品传输通道l的各自表面特性。例如当样 品传输通道提供部分亲水性表面特性时，反应室15的入口 12或各通道 13可以提供相当的或亲水性的表面特性。
在典型的实施方案中，入口 12或各通道13或室14还提供促进流 体样品传输的表面特性，其促进程度低于各反应室15的各自表面特性。 例如当反应室提供亲水性表面特性时，入口 12或各通道13可以提供较 低亲水性的表面特性。
因此，本发明装置的典型实施方案提供具有协同表面特性的隔室。 各自的协同包括具有促进流体样品流动的表面特性的反应室15,以较低 程度促进流体样品流动的样品传输通道1和以等于或高于样品传输通道 1的程度促进流体样品流动的反应室通道-入口 13。这种协同还促进流 体样品31从与样品传输通道流体连通的所述装置的进液口 5和6等通 过一或多个入口进入反应器模块11的反应室15的流动。如果与所述装 置的所有反应室的体积相匹配的正确量被填入各进液口 5、 6或9等， 这种协同还提供流体样品完全流入所述装置的反应室。因此，即使在反 应室充满流体样品时，各自的协同也允许能够提供空样品传输通道的装 置的方案。
应该注意，所述装置的附加手段、手段或其组合也有可能实现流体 样品的类似流动，例如当期望改变上述表面特性的协同时。所述装置的 手段包括但不限于本领域技术人员熟知的阀门和开关。内部和外部手段 的组合包括但不限于动电法流量控制或使用所谓"微激励器"。动电法 典型地包括使用集成电极和施加电场(参见例如Schafsfoort， RBM et al。 Science, (1999) 286， 942-945 )。微激励器是聚合物电解质或共轭聚合物， 其在电场中或氧化还原期间经历体积变化(参见例如Jager, EWH et al., Science, (2000) 2卯，1540-1545 )。
反应室入口 12或各通道13/室14的形状还可以提供进一步控制流 体样品流动的几何特性。在一些实施方案中，例如当几个样品传输通道 与一个反应室15流体连通时，相对于另一个入口，每个这种入口的形 状可以提供某种较低或较高程度地促进或阻碍流体样品传输的几何特 性。
除了改变其表面特性的任何任选的表面涂层之外，反应室15内可 以布置一种或多种化合物。这些一种或多种化合物可以被包含在反应室 的至少一个壁或壁部分的涂层中。它们也可以作为例如流体或固体反应 物、反应物溶液或千燥反应物溶液而沉积。它们可以充当进行测试反应 以分析流体样品性质的试剂。在期望使用本发明的装置进行PCR的实 施方案中，所述化合物例如可以是引物或探针。所述一种或多种化合物 也可以被偶联到涂层的活性基团比如PHPMA (见上文，Carlisle, RC et al" The Journal of Gene Medicine (2004)， 6， 3, 337-344 )，或者偶联到反 应室的4匕学^"饰表面部分。例如，当所述表面由PDMS制成时，该聚 合物可以用3-氨丙基二甲基乙氧基硅烷衍生化，以制备活性氨基(Blank， K et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (2003)， 100， 20， 11356-11360 )。
对于本发明的一些实施方案，化合物可以库的形式使用。这种库的 实例为化学合成用作模型化合物的各种小有机分子的集合，或含有大量 序列变体的核酸分子的集合。例如，这种库的每种化合物可以被放入一 个或多个装置的一个反应模块中。这些化合物可以通过本领域技术人员 熟知的商品机器以自动方式放置(在组装所述装置之前或之后)。
反应室15通过至少一个出口 18与相同反应模块11的流体隔离室 23流体连通。该出口可以被布置在相对于反应室入口 12的任何位置。 由于在样品分析期间不流过各入口 12和出口 18(参见下文室23在这方 面的功能)，其各自的位置不影响所述装置的功能。在一些实施方案中， 出口 18例如可以相对于入口 12朝向侧面(见例如图2B或3A)。在另 一些实施方案中，它/它们可以相对于入口 13位于反应室15的远端部 分，所述入口 13提供通向样品传输通道1的流体连通。在这些实施方 案中，入口 12和出口 18可以位于反应室的相对部分/壁，例如互相面
对。
另一方面，流体隔离室23与各反应室通过入口 20流体连通。这些 入口的实例包括但不限于开口、阀门、颈或通道。在一些实施方案中， 该入口 20采取例如通道形式，其可以提供阻碍流体样品传输的附加表 面特性或几何特性。在一些实施方案中，已经提供到各反应室15的物 理距离(见下文)，所述入口 12通常采取在与形成该入口之表面垂直的 方向上具有较小长度的开口或通道的形式。
流体隔离室23进而通过出口 24与多功能通道3流体连通(见上)。 因此流体经过反应室出口 18流入多功能通道3的流动被流体隔离室23 阻止。因此与反应室出口 18和多功能通道3流体连接的流体隔离室23 可用于控制流体样品在出口 18和多功能通道3之间的可能流动。流体 隔离室23可以是任何形式，只要其允许反应室15和多功能通道3之间 的空气流通。各形式的横截面轮廓可以采取的形状的实例包括但不限于 圆形、卵形、三角形、矩形、正方形、任何寡多面体形(例如图3C) 和瓶形。流体隔离室23可以在入口 20处具有不同的表面条件、摩擦性 质和/或对流体样品31的亲和力。
例如它们可以拥有具有阻碍流体样品传输的表面特性的内表面部 分。例如当提供含水流体样品时，内表面部分可以是疏水性的，或被处 理为提供疏水性的表面特性。在另一些实施方案中，流体隔离室23可 以促进流体样品的传输，但是例如不及反应室15。在提供含水流体样品 的情况下，流体隔离室23的内表面部分例如可以提供亲水性的但是比 反应室低的表面特性。同样地，流体隔离室23或其一部分例如可以拥 有阻碍流体样品传输的几何特性。在另一些实施方案中，其可以拥有促 进流体样品传输的几何特性，但是例如不及反应室15。在一些实施方案 中，在分析流体样品的过程中伴有导致反应室15中所存在样品膨胀的 条件，对此可期望选择这种协同的几何和/或表面特性。例如这些条件 可以包括温度的变化。
流体隔离室23用于提供对装置内所产生力的阻力。例如，在没有 流体隔离室的情况下，这种力可能导致样品流入多功能通道3。虽然所 述装置隔室的配置已经阻止流体样品从反应室15流入多功能通道3，但 是可能期望在这方面提供附加的安全措施。因此，在本发明装置的一些 实施方案中，可以选择流体隔离室23具有为流体样品31从反应室15
中任何可能的溢流提供存储空间的体积。从而这种存储空间防止任何流
体样品流入多功能通道3。
在典型的实施方案中，选择流体隔离室23具有与反应室15的体积 相当或较低的体积。因此，其可以具有从约l微微升至约100微升范围 的体积。同样地，其水平或竖直范围通常可以选择为与反应室15至少 一维相当或较低的值。例如，在反应室15具有1.4亳米的最大水平直径 和0.2毫米的最大垂直直径时，各流体隔离室23的直径通常选择为约 1.4亳米或更小。各流体隔离室23的实施方案例如可以釆用0.7毫米的 最大水平直径和O.l毫米的最大垂直直径。同样地，流体隔离室23的长 度通常与反应室15的长度相同或更低。所述一个或多个流体隔离室23 和其横截面还可以是任意形状。各剖面形状的实例包括但不限于圓形、 卵形、字母V或U形、三角形、矩形、正方形或寡多面体形。
如上所述，流体隔离室23用于提供对装置内所产生力的阻力。又 如，在没有流体隔离室的情况下，装置内所产生的力可导致在各自反应 室15的出口 18处流体样品31接触可能已经加入多功能通道3中的任 何隔离介质35。因此，在另一方面中，流体隔离室23—般提供能够防 止各反应器模块中流体样品31和多功能通道3中任何隔离介质相接触 的空间。如上所解释， 一旦流体样品31已经接触隔离介质35，则这种 表面接触可导致使流体样品在多功能通道3中流动的表面作用。在这种 流动期间，该流体样品可能接触其他反应器模块的流体样品。因此，流 体隔离室23也防止流体样品31可能污染其他反应器模块11。
在另一方面中，除了提供力的阻力之外，流体隔离室23还提供物 质膨胀的空间。装置内出现的力可由外力引起，比如温度或压力的变化。 这些外力可进而导致内部变化，比如压力或体积的变化。例如，温度的 变化可导致与流体隔离室23流体连通的反应室15中所存在的例如空气 或流体的膨胀。这种变化通常在例如反应室15中进行的反应过程期间， 封闭过程或任何后续保存期间出现。本领域技术人员将熟悉作为流体样 品分析之一部分的聚合酶链反应(PCR)的实例(见下文)。在PCR期 间，需要重复进行三个不同的反应步骤，即使双链DNA解链，结合特 异性引物和酶促延伸这些引物。从一步到下一步的每次转换通常包括温 度变化。当几个反应室被连接在一个反应器模块内时，所得的物质扩增 可能特别相关。
在这方面，流体隔离室23例如可以在隔离介质33或35的聚集状 态变化期间提供压力调节器。如上所述，这种隔离介质可以被放入和/ 或流入样品传输通道1和/或多功能通道3或其部分中。所述两种流体 介质33和35各自可以相同或不同。它们可以提供刚性或半刚性的封闭 表面。这种隔离介质的典型实例是流体形式的密封材料。这种密封材料 的实例包括但不限于凝胶或液体。
密封材料可以包括从光敏和/或热敏聚合物前体衍生的聚合物。因 此，密封材料可由填充到样品传输通道1和/或多功能通道3中的各自 前体通过聚合形成。作为替代， 一旦填充到各通道中，隔离介质有可能 能够通过例如固化而改变其聚集状态。最后，各隔离介质也可是固态， 但是具有可通过机械、电和/或磁性活化的性质。在一些实施方案中， 所述隔离介质是聚合物形式的密封材料时，依靠这种活化，其可以改变 聚集状态，使其可以被填充到各通道中。通过各材料的聚合、固化或"失 活"(即对隔离介质所实施的"活化"的逆转)，各通道中的流体固化， 从而提供刚性或半刚性的封闭表面。当前使用的密封材料包括但不限于 聚二曱基硅氧烷(PDMS)和"常温硬化"(RVT)硅酮。
市场上可购买的密封材料通常是无色的，例如RTV硅酮和PDMS 是透明的弹性体。但是在本发明的典型实施方案中，所用密封材料和至 少一种视觉活性颜料相混合。该颜料用于帮助显示，例如使反应室15 与样品传输通道1和多功能通道3区别开来。特别地，视觉活性颜料帮 助提高密封材料和形成所述装置之衬底之间的视觉区分，使得密封材料 通过样品传输通道和多功能通道的流动可以被清楚观察到。视觉活性颜 料的实例包括但不限于碳颜料、有机染料和荧光染料。
例如可以在密封期间期望这种区分，以便监测密封过程。在测量反 应室15中的反应期间也可以期望这种区分。在这种测量期间，可以实 现该区分，因为在这个阶段各通道充满密封材料33和35 (见下)。
另外，本领域技术人员将会意识到密封过程可以具有可逆性或不可 逆性的事实。例如，不经过氧化处理，PDMS形成具有光滑表面的非共 价的可逆密封。在一些实施方案中，可以期望重新使用本发明各装置的 反应器模块11中包含的流体样品。这些情况下，可以期望使用可逆密 封。PDMS接触例如玻璃、硅、聚苯乙烯、聚乙烯或氮化硅的不可逆密 封可以通过暴露于空气或氣等离子体而实现。
还应该注意，可以使用替代性和/或额外的密封手段，或者是所述装 置的一部分(见下文)。这些替代性手段的实例是所述装置的各衬底层，
其具有例如自封闭性质，或在所述装置的任何部分例如进液口 4至9上 具有盖或带。
如上所述，流体隔离室23用于提供对所述装置内产生力的阻力。 当隔离介质如刚才所解释执行密封通道1或通道3的功能时，各过程可 产生这种力。例如，隔离介质的固化过程例如可涉及或要求温度、压力 和/或体积的变化。固化过程也可导致涉及温度、压力和/或体积变化的 反应。应该注意，样品传输通道l中出现的这些变化将通过反应器模块 ll传递至反应室的出口 18，该反应室与流体隔离室23流体连通。因此， 后者室23可以用作本发明装置内的通用压力调节器。
在一些实施方案中，流体隔离室的入口 20和出口 24的实际距离还 有助于流体隔离室23的功能。例如该组合可以位于流体隔离室的相对 表面上。因此在这种实施方案中入口和出口可以互相面对。
在一些实施方案中，还可以为流体隔离室23和与之流体连通的反 应室15提供物理分离。可以一定方式选择这种分离，以通过附加的、 互相连通的手段在各反应室的出口 18和流体隔离室的入口 20之间实现 流体连通。这些附加手段优选可以设计为流体隔离室23和各反应室15 位于垂直方向上不同的水平面或在竖直方向上分离开。此外，流体隔离 室23可以在垂直方向上位于与各反应室15和各多功能通道3不同的水 平面上。因此，各反应室15和多功能通道3都可以处于例如相当的垂 直水平面，而流体隔离室23位于它们的上方或下方。在这种实施方案 中，如果多功能通道3中的任何流体要污染反应室，则其理论上必须向 上流入流体隔离室23或流入各反应室15。由于微型装置内的毛细管力， 这种向上流动实际上能够通过各自的几何或表面特性来阻止，这将在下 文解释。
因此，反应室15、流体隔离室23和多功能通道3可以位于装置内 几个不同的水平面内。在一些实施方案中，反应器模块包含一个反应室 15、 一个流体隔离室23和一个多功能通道3，这三个隔室因而可以位于 三个不同的水平面上。在一些实施方案中，反应器模块包含三个反应室 15、两个流体隔离室23和两个多功能通道3，这七个隔室因而可以位于 多达七个不同的水平面上(例如见图7的图示)。如上所述，室15和23
以及多功能通道3的垂直物理分离可以有助于流体隔离室23的功能。 此外，这种实施方案提供了额外的安全措施，因为其防止反应室内的流 体样品和流体隔离室23内存在的任何材料之间的可能接触。如果任何 材料从多功能通道3进入流体隔离室，例如隔离介质，其仍然由于物理 分离而与反应室隔离开。在另一些实施方案中，这种物理分离也可以防 止流体样品31从反应室15中流入流体隔离室23,而不管是否存在不同 的表面条件、摩擦和对流体样品的亲和力。
各反应室的出口 18和流体隔离室的入口 20的物理分离的实例是在 反应室15和流体隔离室23之间存在的附加的流体控制元件。在一些实 施方案中，这种流体控制元件可以是倾斜端口 (inclined port) 21。在 一些实施方案中，流体隔离室23和各反应室15位于不同的垂直水平面 上，这种端口因此通常是倾斜的。流体隔离室23的基座和这种倾斜端 口 21的侧壁之间形成的角因此可以是0。和180°之间的任意值。在优 选的实施方案中，该角选自约45。和约135°之间的范围，在最优选的 实施方案中，这种端口的侧壁垂直于流体隔离室23的基座。对于端口 21与流体隔离室23直接连通的实施方案，应该注意，端口 21可进入流 体隔离室23的任何部分。这种部分的实例是流体隔离室23的底壁、顶 壁或侧壁。
倾斜端口 21可以是允许和流体隔离室23流体连通的任何形式。端 口的实例包括但不限于通道、颈、室或阀。倾斜口 21的横截面可以是 任意适合的剖面。各剖面的实例包括但不限于圆形、卵形、三角形、矩 形、正方形或寡多面体形。在倾斜端口 21为通道的实施方案中，这种 通道的最大宽度通常等于或小于其所进入流体隔离室23的横截面的尺 寸。例如，圆形剖面的端口可以进入流体隔离室的壁(不管是水平的、 垂直的或倾斜的)，其可以是与端口进入室23的水平面成直角的圓形剖 面。流体隔离室各剖面的直径可以是0。1毫米。在这种情况下，各通道 的最大直径通常选择是约0.1毫米或更小。例如其可以具有0.05毫米的 值。
倾斜端口 21可以拥有任何表面和几何特性，只要其允许反应室15 和流体隔离室23之间的空气流通。因此，其可以具有一个或多个具有 阻碍、防止或促进流体样品传输的内表面特性的内表面部分。
如上所述，反应室15的出口 18可以具有例如开口 、阀或通道的形 式。在目前优选的实施方案中，其为微毛细管通道19。因此，反应室通 常会提供至少一个提供与流体隔离室23流体连通的微毛细管通道。因 而这种毛细管通道具有与流体隔离室流体连通的开口 22。因此，例如如 图3所示，它将它连接至倾斜端口 21。相应开口 22的宽度(例如直径) 小于各微毛细管通道19自身的尺寸。各横截面的尺寸可以差异约1.5 倍至约20倍，更优选从约2倍至约IO倍，最优选从约3倍至约6倍。 此外，如果在所述装置的各实施方案中存在倾斜端口 21，则开口22通 常比各倾斜端口 21的宽度小(例如直径)。开口 22还可以是任意形状。 各形状的实例包括但不限于圆形、卵形、字母V或U形、三角形、矩 形、正方形或任意寡多面体形。例如，直径为0.1毫米的圆形剖面的微 毛细管通道19的合适的圓形开口可以选择具有0.05 x 0.07毫米的尺寸。
微毛细管通道19可以具有提供与流体隔离室23流体连通的任意长 度的任意合适的形式，例如直线的(比较例如图3C)，螺旋状扭曲的或 弯曲至任意度数(例如图3A和3B)或含有回路。它们还可以具分支， 例如为了连通两个不同的流体隔离室。微毛细管通道19拥有提供阻碍 流体样品传输的表面特性的一个或多个内表面区域。例如提供含水流体 样品的情况下，微毛细管通道19的内表面可以是疏水性的，或处理为 提供疏水的表面特性(例如见图8)。在一些实施方案中，微毛细管通道 19的形状提供进一步阻碍流体样品传输的几何特性。这些内部几何特性 可以包括但不限于直径的变化、倒转、沟槽或凹痕。因此，微毛细管通 道19促进流体隔离室23的功能，防止流体从反应器模块11流入多功 能通道3。
微毛细管通道19的横截面可以是任意合适的剖面。各剖面的实例 包括但不限于圆形、卵形、字母V或U形、三角形、矩形、正方形或 任意寡多面体形(例如图8)。通常，微毛细管通道19的宽度大致等于 或小于所述反应室的各横截面的垂直向范围。例如，反应室15具有0.2 毫米的最大垂直高度时，卵形剖面的各微毛细管通道19的最大直径通 常选择是在约5微米至约0.2毫米的范围，例如约0,1毫米。
在一些实施方案中，反应器模块11的组件和样品传输通道1以一定 方式配置，使得在将流体样品31填充入入口 5和6等之后，毛细管作 用将反应器模块11填充至各反应室出口的末端。因此，微毛细管通道 19可以充满流体样品31。在另一些实施方案中，反应器模块ll和样品 传输通道1被布置为，当流体样品被填充入入口 5和6等的时候，流体
样品31不充满微毛细管通道19。这种情况下，微毛细管通道为物质膨 胀或运动提供了额外的空间。
如上面所解释，膨胀可由温度、压力或体积的变化产生。物质的运 动例如可作为物质膨胀的结果而产生。例如在流体样品31被填充入样 品传输通道l后，隔离介质33被注入其中的情况下，反应器模块ll含 有流体样品31，而样品传输通道1含有隔离介质33。这种情况下，隔 离介质可以通过改变其聚集状态而膨胀，从而引发反应器模块中流体样 品的运动。另外，将隔离介质33填充入样品传输通道1的过程可能导 致隔离介质轻微移动进入反应器模块11的反应室的入口中。因此，隔 离介质置换了一些流体样品，使其移动穿过反应器模块。结果，微毛细 管通道19充入流体样品。因此，在这种实施方案中，微毛细管通道19 促进流体隔离室23的功能。
在一些实施方案中，反应室的出口配有两个微毛细管通道。在另一 些实施方案中，反应室配备两个出口，每个出口提供一个与另一个微毛 细管通道流体连通至相同的流体隔离室23的微毛细管通道19。这两个 微毛细管通道也可以相对于入口 12 (例如其可以是通道13)位于反应 室15的远侧部分。在一些实施方案中，两个微毛细管通道还可以对称 布置，提供与流体隔离室的两个入口 20连通，任选距离相同。这种布 置示范于图4A。在另一些实施方案中，所述两个微毛细管通道可提供 与两个分离的流体隔离室之入口 20连通。这种布置示范于图4B。
如上所述，可以一定方式选择反应室的形状，使得在用流体样品31 填充的过程中避免或防止形成气泡。在一些实施方案中，反应室配有提 供微毛细管通道的两个出口 ，避免形成气泡的手段的其他实例包括但不 限于具有凸形的各出口附近的壁/侧壁(walls/sides )。对于提供微毛细 管通道19的两出口之间延伸的壁或壁部分17，尤其可以选择这种形状 (见图4A和4B)。例如凸形可以包括半球形、半椭圆形或多角形凸出。
如上所述，微型装置比如本发明的微型装置通常由玻璃或聚合物衬 底制成。 一般地，本发明的微型装置的衬底可由与各流体样品的期望分 析相容的任何材料制成，或者包含这些材料。根据期望的分析方法，可 能要求所述材料是透明材料或非荧光材料。本发明微型装置的村底所使 用的材料的实例可以包括但不限于硅、石英、玻璃、塑料(例如热塑性 塑料)、弹性体(比如PDMS或弹性硅橡胶)、金属及其复合材料。
在一些实施方案中，本发明装置的一些或全部组件可以通过蚀刻到 衬底上形成。在另一些实施方案中，许多组件可以并入设备或衬底中， 包括任选的覆盖层(见下文)。在另一些实施方案中，所述装置可由几
个村底层搭建构成(例如图6中101至104或者图7B中100至103 )， 以便允许在制造期间或使用之前装配。这些衬底层可以是任意形状，因 此例如形成各种厚度的村底部分，包括跨越装置整个高度的部分。各衬 底层可以包含相同或不同的衬底材料。通常地，这些衬底层和/或部分 的装配将包括密封，以便允许不同部件完整和紧密的连接。例如可以用 胶(glue)进行各自的密封。可以使用与反应器模块内流体样品的期望 测量相容的任何胶。在一些实施方案中，所述胶因此可能需要不发荧光 或者透明。在另一些实施方案中，例如在期望在24小时或更长时间中 对含活细胞的生物流体样品进行分析时，所述胶可能需要与高压灭菌相 容。
任选地本发明装置的一个衬底层形成封闭装置中任何部件的覆盖 层。所述覆盖层例如可以覆盖通道或室，从而例如密封反应室15(例如 见图6A中的衬底层104)或反应室的入口通道13 (例如见图6B中的 衬底层104)。其也可以密封一个或多个进液口 4-9。因此，所述覆盖 层通常位于装置的顶部。在这些实施方案中，其可以封闭下方衬底层的 全部表面，或除进液口比如进液口 4-9之对的所有表面。在另一些实 施方案中，所述覆盖层可以任选地提供排气孔，例如以便允许排出蒸发 的溶剂。所述装置的一个或多个隔室，比如进液口 4-9、排气孔或反应 室15,可以替代性地配有分离的密封装置，比如盖。这些分离的密封装 置可以打开或关闭，并且可以通过机械、电和/或磁启动。
因此，覆盖层和分离的附加密封装置通常可以具有提供三维闭合或 可控闭合的隔室的功能。可以联合使用上述附加密封材料来完成该功 能，所述密封材料不需要是装置的一部分。因此，如果需要，所述装置 的全部或任何部分可以使用这种组合而被气密性封闭，即不透气。所述 覆盖层还可以包含所述装置的任意功能性隔室，例如样品传输通道l或 多功能通道3、或其部件。因此，所述覆盖层可以被构造为，当置于衬 底上时完成所述装置。
所述覆盖层和分离的附加密封装置可以是任意合适的刚性或半刚 性材料。在一些实施方案中，可以使用与衬底相同的材料。在另一些实 施方案中,可以使用自密封材料，比如橡胶或弹性体，以便允许通过例
如机械、电、化学或磁性方法穿透。例如，可以利用注射器的针头穿透 覆盖层。在使用自密封材料的情况下，由于自密封，这将会防止形成例 如残余孔。
本发明还涉及利用本发明装置来检测流体样品中分析物的方法。所 述检测分析物的方法通常包括自分配和/或传输、封闭和/或隔离、然后 利用本发明的装置分析流体样品的方法。此处使用的术语"检测"广义 上表示提供分析物是否定性和/或定量存在之指示的任何测量。因此， 该术语包括流体样品中分析物浓度的定量测量，以及指定样品中存在的 不同类型分析物的定性鉴定，或例如观察指定环境中特定分析物的行 为。
本发明也涉及利用本发明的装置分配、封闭或将流体保存在封闭空 间内的方法。通过产生足够大的毛细管力来驱动流体样品的的整体运 动，所述流体样品可以自分配和/或传输通过所述装置内的微尺度流体 通道，使得该流体样品在装置内自我分配，而不需要辅助的泵或阀。
本发明的检测流体样品中分析物的方法包括以下步骤提供具有根 据本发明的上述装置所定义之特征的装置，然后将待分析的流体样品装 入所述装置。流体样品可以被直接载入所述装置的任意合适的部分，例 如流体传输通道或反应室。所述载入也可以通过例如将流体样品经过与 样品传输通道流体连通的进液口或接收孔引入样品传输通道来间接实 施。将流体样品载入所述装置通常利用分配仪器例如注射吸液管或点滴 器来实施，所述分配仪器可手动或自动将少量流体分配进入装置内接收 室内，比如进液口 5、 6或9(见上文)。所述流体样品可以在装置内存 在的一个或几个这种接收室处被引入。在一些实施方案中，由流体样品 31和通道壁之间固-液界面处的表面张力降低所产生的毛细管压力促 使流体样品流过样品传输通道1。
在一个实施方案中，改变流体样品和装置内各种流体通道壁之间的 表面亲和力，以控制装置内的流体流动，从而提供控制装置内流体样品 的流动行为的手段，而不需要使用阀或任何其他流体控制装置。换言之， 通过组合运用不同的毛细管力和表面亲和力，可以建立各种分配模式。 这种控制被期望用于建立高效的载入过程。例如，可以基于所述流体控 制，开发使载入期间流体样品的溢出或污染最小化的载入过程。例如， 如果期望防止在第一通道内流动的含水流体样品流入第二通道，则所述 第二通道的壁可以变成疏水性的(例如包被疏水层)，以便降低含水流 体样品流入第二通道的容易度。作为替代，如果期望引导含水流体样品 进入第二通道，则所述第二通道可以变得比第一通道更具亲水性，以便 增加流体样品进入第二通道的容易度。例如，前者方法可用于实现反应 器模块内流体样品的部分分配(例如阻止流体样品进入反应器模块内的 某些通道)，而后者方法可用于实现反应器模块内流体的完全分配。
在目前优选的实施方案中，所述用于检测分析物的装置包括多个反 应器模块，在其中实施栽入步骤以实现反应器模块内的部分流体样品分 配模式。为了实现每个反应器模块内的所述部分分配，反应室的至少一 个出口包含至少一个微毛细管通道，该通道具有比反应室相对较低的亲 水性，或者甚至是疏水的，从而防止亲水性流体样品流入所述至少一个 ;錄毛细管通道。
此后，如果期望实现每个反应器模块内流体样品的完全分配，可以
将密封材料引入反应室15的入口 12(也称为"进入端口 "或"接收孔")。 在一个实施方案中，所述反应器模块的入口 (或一些实施方案中的颈) 变得可接受密封材料，使得所述密封材料进入颈，并置换进入微毛细管 通道的一些流体样品。以这种方式，流体样品的完全分配通过两步程序 来实施，其中通过载入步骤首先将流体样品部分分配在反应器模块内， 然后仅当实施密封样品传输通道材料的步骤时完全分配。
如果期望一步分配程序，流体样品在反应器模块内的完全分配优选 在载入步骤中实现。为在一步程序中实现所述完全分配，反应室的至少 一个出口包括亲水性与反应室类似或更高的至少一个微毛细管通道，从 而允许亲水性的流体样品进入至少一个微毛细管通道。这种情况下，不 需要使用密封材料来推动流体样品进入微毛细管通道。
本发明任意部分装置的壁之表面特性通常通过化学方法来改变，比 如微毛细管通道或反应室的颈。例如，能够降低固-液界面处表面张力 的任何适合的试剂可以被预栽入样品传输通道或预涂到所述通道的壁 上，以便促进流体样品31流过所述通道。 一般地，这种试剂用于增大 流体样品31和所述通道壁之间的吸引力。合适试剂的实例包括但不限 于阳离子、阴离子、非离子型和两性离子表面活性剂，例如十二烷基硫 酸钠(SDS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB )、 Triton-X100和3-(3-胆酰胺丙基)二曱基氨基卜1-丙磺酸(CHAPS)，只要该试剂不干扰随后进
行的分析物检测反应，或干扰反应数据的收集。
当流体样品沿流体传输通道流动时，其进入反应室的入口，并填充
反应室15。此后，密封材料被引入样品传输通道1和多功能通道3，以 便隔离反应室内的流体样品31，并且最小化流体样品31和大气之间的 接触。引入密封材料的步骤可以任何顺序进行，或者先将密封材料引入 样品传输通道l，然后引入多功能通道3中，反之亦然，或者其也能够 同时进行。
任何合适的密封材料可用于密封样品传输通道和多功能通道，包括 高密度液体或聚合物衍生的凝胶状物质，以及气体比如水蒸气可以被引 入以使流体样品中水的蒸发最小化，以及惰性气体比如氮气和氩气。一 般地，密封材料的选择可取决于流体样品的性质。例如，密封材料可以 是与流体样品的物理状态不同的任意合适的物质，或者是与流体样品31 基本不混溶的任何物质。例如，如果待测流体样品是含水液体，合适的 密封材料优选疏水物质。预期的材料包括但不限于蜡、油、塑料、硅和 在一定温度范围内可以固化的相转变聚合物，温度优选但不限于略高于 室温的温度至大约室温的温度。作为替代，如果测试疏水材料，亲水性 材料可用作密封材料。在另一些实施方案中，密封材料可由聚合物前体 制得，所述前体任选地可用任何合适的方法来处理，例如紫外光照射、 加热、冷却或暴露于空气中，以便将前体转化为密封材料。在另一些实 施方案中，所述密封材料包括粘合剂，例如其在制备粘合剂的溶剂蒸发 后固化。在这个实施方案中，可以提供排气孔，以允许蒸发溶剂逸出。
在密封材料为来源于聚合物前体的聚合物的实施方案中，密封流体 传输通道和多功能通道的步骤包括，首先将聚合物前体引入样品传输通 道和多功能通道中，其次使所述聚合物前体聚合，形成可用于密封反应 器模块的聚合物。聚合物前体优选在室温下以液相存在，并可以被处理 或反应生成固体或凝胶状聚合物。此外，聚合物前体具有允许其在毫尺 度或微尺度流体通道内流动的合适的物理特性(例如分子间力弱，粘度 和表面张力低)。此处使用的术语"聚合物前体"包括可以被聚合形成 固体相或凝胶相聚合物的单体，以及可以通过固化而转化成固体相或凝 胶相的液体或凝胶相聚合物。示例性聚合物前体包括相转变塑料，热固 性聚合物(热塑性)液体，例如线性、环状或芳香烃、氰丙烯酸酯或硅 氧烷比如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅酮弹性体、和液体硅酮前体； 紫外光(UV)固化聚合物，比如聚氯乙烯、聚丙烯酸酯和聚氨酯等。
密封材料可以通过下列非穷举的方法列表中的任一种方法引入装
置正向加压、电渗透、抽吸、毛细流动和电润湿。可用于实施这些方 法的手段包括微流体注射器、在介电膜上电润湿、压电微泵等。
在密封材料被沉积在通道内之后，进行至少一个分析物检测反应， 以便提供与分析物相关的至少一个定性或定量数据。获得的数据可以用 于多种目的，例如推断分析物的存在或不存在，或检测流体样品中所存 在的特定分析物的浓度。
一般地，待实施用于检测各分析物的反应的选择取决于待检测的分 析物的类型，并考虑供检测用的分析物的特性。可以在本发明方法中实 施的反应一般可以分为核心过程或辅助过程。核心过程指的是涉及流体 样品中分析物、并且产生与分析物相关的期望的定性或定量信息(数据) 的反应。这些数据可以直接或间接显示目标分析物的检测。辅助过程包 括混合流体样品和分析试剂，使异质性样品适于分析的均化步骤，和通 过分离步骤例如洗涤来除去干扰物。
例如，核心过程包括靶向检测分析物和指示化合物之间的结合反 应，所述指示化合物提供可检测信号来指示分析物的阳性检测。例如， 实例包括免疫化学反应，例如本领域技术人员熟知的酶联免疫吸附测定 (ELISA)。其他的实例包括酶促反应，其依赖于具有特征吸收的分子 的产生或消耗。这些反应是本领域的技术人员熟知的，例如涉及分子比 如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD/NADH)的氧化还原变化。还有另一 个实例是目标DNA序列和用荧光团标记的互补DNA或其片段之间的结 合反应，其中如果测试样品含有目标DNA序列，则会产生荧光信号。
在一个要进行核酸检测的实施方案中，核酸扩增反应的核心步骤在 一个反应器模块11中进行。所述反应器模块被置于DNA扩增所需的热 条件。这些热条件包括聚合酶链式反应所需的热循环。
在一个实施方案中，本发明的方法提供至少一个定性或定量数据， 其提供至少一个与流体样品中所存在分析物相关的比色分析、荧光分析 或发光结果。如果期望比色分析的结果，例如用于蛋白质分析物的检测， 则可以使用合适的染料来对流体样品中存在的任何蛋白质进行染色。可 用染料的实例可由溶解在乙酸中的萄L代罗丹明B ( sulfo。rhodamine B， (SRB))获得。可能需要例如洗涤等辅助过程，用于除去可通过洗涤除 去的未结合染料，可能需要其他辅助过程，用来提取蛋白质结合的染料，
用于在计算机接口微量滴定板读数器中测定光学密度。在期望荧光测量 结果的情况下，可以使用荧光染料。例如，这些染料可以和示踪技术一 起使用，以提供测量流体流过装置内流体通道的速率的手段。荧光分析 结果也可以来源于由以下提供的荧光，这是通过由荧光团直接结合至目 标分析物，或者荧光团标记的化合物结合至目标分析物。在另一个实施 方案中，和至少一个荧光团、酶或结合复合物之组分相结合的探针可以 用于分析物的测定。
和本发明方法协同使用的本发明装置，可以设计为具有任何数目 的反应室模块和样品传输通道、和所需要的多功能通道，这取决于为检 测分析物所进行的反应。在一个实施方案中，在进行许多核心和辅助过 程的情况下，可以使用具有多个相互连通的反应器模块的装置。所述多 个反应器模块可以被布置成促进流体样品分布的任意合适的构造。例 如，反应器模块可以被布置成排，并连接至共用样品传输通道和共用多 功能通道。因此，通过分开各排反应器模块的多功能通道和流体传输通 道之间的流体连通， 一排反应器模块可与其他排的反应器模块连通。另 一方面，如果只进行简单的核心过程，那么可以使用只有一个反应器模 块的装置。在存在多个反应器模块11的情况下，可以实施将流体样品 栽入本发明装置的步骤，以便同时填充反应器模块，即流体样品几乎同 时被引入每个反应器模块。另一方面，也可依次填充反应器模块，即一 个接一个地填充反应器模块。
可以实施本发明方法以检测生物或非生物材料中的分析物。非生 物材料的实例包括但不限于合成的有机或无机化合物、有机化学组合 物、无机化学组合物、组合化学产品、药物候选分子、药物分子、药物 代谢物和它们的任意组合。生物材料的实例包括但不限于核苷酸、多核 苷酸、核酸、氨基酸、肽、多肽、蛋白质、生物化学组合物、脂质、碳 水化合物、细胞、微生物和它们的任意组合。
核酸的实例是DNA或通过例如PCR等核酸加工得到用于遗传指 紋分析的扩增产物。微生物的实例包括例如细菌或病毒等病原体，或癌 细胞。这些分析物可以起源于多种来源。可用本发明方法分析的流体样 品包括从植物材料和动物组织获得的生物学样品(例如昆虫、鱼、鸟、 猫、家畜、家养动物和人)，以及从这些动物获得的血液、尿、精液、 粪便样品。不仅是活动物的生物学组织，而且动物或人的尸体也可以被 分析,例如进行尸体组织检查或用于鉴定目的。在另一些实施方案中，
流体样品可以是从大海、湖泊、水库或工业用水等非生物来源获得的水， 以测定是否存在目标细菌、污染物、元素或化合物。其他的实施方案包 括但不限于溶解的液体、固体悬液(例如微流体)和离子性液体。在另 一个实施方案中，与分析物相关的定量数据被用于测定流体样品的性 质，其包括流体样品中分析物的浓度、反应动力学常数、分析物的纯度 和分析物的异质性。
任何细菌、病毒或DNA序列可以用本发明来检测，以鉴定疾病 状态。可以被检测的疾病包括传染病，比如重度急性呼吸窘迫综合症 (SARS)，曱型、乙型和丙型肝炎，HIV/AIDS，疟疾，脊髓灰质炎和 肺结核；出生之前可被检测的先天性疾病(例如通过染色体异常进行检 测)，比如镰状细胞贫血症，心脏畸形比如心房中隔缺损，主动脉瓣上 狭窄，心肌病，唐氏综合症，畸形足，多趾，并趾，手指萎縮，螯状手 和足等。本方法也适于检测和筛选癌症。
除了检测基于核酸的分析物之外，本发明也可以用于检测药物等 药学化合物。本发明的这个方面可以用于药物筛选，或用于检测尿样或 血样中药物的存在。
参考附图和实施例，从本发明的一些实施方案的详细说明中，本 发明的其他目标、优点和特征将会显而易见，其中
图l是才艮据本发明装置的平面图，其中样品传输通道1和多功能 通道3被连接至反应器模块11，其包括反应室15和流体隔离室23。
图2是所述装置的两个实施方案的平面图，其中反应室15与流体 隔离室23通过端口流体连通。在图2A中描述的实施方案中，反应室 15的入口 12和出口 18位于反应室15的近侧部分和远侧部分，而图2B 描述了各入口 12和出口 18垂直布置的实施方案。应该注意，样品传输 通道1和多功能通道3不需要水平位于装置内的同一水平面内。平面图 中看不见各自的差异。
图3描述了所述装置的其他四个实施方案的平面图，其中反应器 模块的出口包含微毛细管通道19，其与流体隔离通道23通过端口 21 流体连通。微毛细管通道19含有通入端口 21的开口 22。
在图3A中，反应室15的入口 12具有开口的形式，而图3B中， 其具有通道13的形式。此外，图3A中入口 12和微毛细管通道19相对彼此侧向布置，而在图3B中它们位于相对的壁上。
图3D显示了一个实施方案，其中通道13有分支，并且其提供了 倾斜部分IO。图3C描述了一个实施方案，其中反应室入口提供室14。 此外，在图3C和3D中显示的实施方案中，两个反应室15和两个流体 隔离室23存在于一个反应器模块中。反应室15和流体隔离室23被平 行布置，水平相邻于各自的第二隔室。应该注意，本实施方案也可以被 定义为包括两个平行的反应器模块，其共享一个形式为入口室14的公 共入口。
此外，图3D中描述的实施方案包括两个相互之间不直接连通的 多功能通道3。
图4是所述装置另外两个实施方案的平面图，其中反应器模块的 入口包含颈。两个微毛细管通道19将反应室15连接到至少一个流体隔 离室23，其进而通过出口通道25连接至多功能通道3。图4A显示了具 有一个流体隔离室23的实施方案，而图4B显示了具有两个流体隔离室 的实施方案。在图4B中显示的实施方案中，每个毛细管通道19被连接 至不同的流体隔离室23。
图5显示了另一个示例装置的侧视图，其中存在至少一个微毛细 管通道19。在所述的实施方案中，流体隔离室23直接位于微毛细管通 道19之上，并通过垂直端口与之相连。在所述实施方案中，该装置还 包括两个衬底层101和102。
图6显示了另外两个示例装置的侧视图，其中存在至少一个微毛 细管通道19。在这些实施方案中，所述装置还包括几个衬底部分，图 6A中的101 ~ 104和图6B中的101、 102和104，它们全部形成层。层 101和102水平延伸跨过整个装置。层101和/或104可以是覆盖层。在 层104形成这种覆盖层的情况下，其在反应室15上面形成一层，并覆 盖它的一部分。这种覆盖层可以是自密封材料。
虽然图6A中描述的实施方案中流体隔离室位于垂直方向上比反 应室更高的水平面上，但是在图6B所示的实施方案中，其位于垂直方 向上更低的水平面上。不过，反应器模块之隔室和多功能通道3的布置 防止流体从反应室15流入多功能通道3中，反之亦然。此外，图6B显 示了包括两个样品传输通道的装置的实施方案。
图7显示了本发明装置的侧视图，其中存在两个(图7A)或三个 (图7B)反应室15，并且在反应器模块内布置为一个在另一个之上。 在图7A描述的实施方案中，反应室通过端口 21连接至共用流体隔离室 23。图7B中描述的实施方案包含两个流体隔离室23，两个出口通道25 和两个多功能通道3。虽然图7A中显示的实施方案中反应室15正好位 于另一个的上面，但是在图7B描述的实施方案中，它们位于水平面上 不同的位置，尽管有重叠。应该注意，反应室的入口通道13和微毛细 管通道19不需要正好位于彼此之上。选择这些实施方案只是为了举例 的目的，作为横截面并未描述各通道的全部。
图8A显示了图5的示例装置中两个微毛细管通道19处的横断面 视图。图8B、 8C、 8D、 8E和8F显示了表面处理的不同排列，例如可 以应用于微毛细管通道19之壁的涂层。图8G、 8H、 81、 8K和8L描 述了经过表面处理比如应用于内表面之涂层的各微毛细管通道19的其 他实施方案。应该注意，该装置的其他通道，比如多功能通道和样品传 输通道的横断面视图可以与所述实施方案类似。
图9显示了图5的示例装置中两个微毛细管通道19各自通过端口 21连通至流体隔离室23处的横断面视图。因此，所述横断面取自观察 者朝反应室或从流体隔离室的出口观察的透视图。
图IO显示了本装置的两个实施方案的平面图，其中多个反应器模 块被连接至共用流体样品传输通道1、以及共用多功能通道3。图10A 描述了一个实施方案，其中多个反应室模块位于村底层105上，所述衬 底层在平面图中看来为矩形形状。在图IOB描述的实施方案中，各衬底 层106在该视图中为卵形形状。
在图10A中，流体样品传输通道1和多功能通道3都是直线型的。 在图10B中，存在两个弯曲的流体样品传输通道l,而多功能通道3具 有分支。在图IOB显示的实施方案中，多功能通道3与三个进液口 4、 5和6流体连通。在图IOB显示的实施方案中，多个反应器模块还与同 一多功能通道3流体连通，反应器模块的右半部分与右边的流体样品传 输通道流体连通，而其左半部分与左边的流体样品传输通道流体连通。
图11描述了将流体样品栽入具有四个反应器模块的本发明装置 的一个实施方案中。左側两个反应室已经充满流体样品31，而右側两个 反应室正处于填充过程中。应该注意，在本发明装置的一些实施方案中，
在这个阶段微毛细管通道19还没有装满流体。
图12A描述流体样品31已经完成分配到四个反应器模块中。所 述实施方案中流体样品的分配模式为即使在填充完成之后也没有流体 样品进入微毛细管通道。
图12B显示了图12A中示例装置的侧视图，其中流体样品的分配 已经完成。
图13描述了用密封材料33密封样品传输通道和多功能通道。在 微毛细管通道19还没有充满流体的实施方案中，毛细管力会使密封材 料33进入反应室的入口通道13。这种流动又使得流体样品31充入微毛 细管通道19。不过，微毛细管通道19、端口 21和流体隔离室的布置防 止流体样品进入流体隔离室。因此密封材料33被防止进一步流入反 应室31的入口通道13中。
图14A描述了密封材料完全分配入样品传输通道和多功能通道 中。在该实施方案中，少量密封材料已经从样品传输通道进入反应器模 块中，并置换进入微毛细管通道中的一些流体样品。但是，没有流体样 品已经进入反应室。图14B显示了图14A中示例装置的侧视图，其中 密封材料的分配已经完成。
图15A、 15B和15C显示了三个村底层的示意图，它们可以组装 成图15D显示的根据本发明的装置的实施方案。
图16A描述了用本发明装置分析的样品的荧光发射图象的照片。
图16B描述了本发明装置在反应过程期间对反应室进行实时荧光 采集模式中的示例性应用。
优选实施方案示例
图1、 2和3显示了根据本发明的装置的示例性流体微结构。在这 些实施例中，样品传输通道l经入口 12连通至反应器模块11。所述反 应器模块包含反应室15和连通至反应室15出口的流体隔离室23。在图 1中，流体隔离室23被直接连通至反应室15的出口。图2显示了一个 替代性结构，其中反应室23通过端口 21连通至反应室15。在图2A显 示的实施方案中，反应室15的入口和出口均沿其纵轴布置。图2B描述 了一个实施方案，其中反应室15的入口和出口互相沿側边布置。图3
显示了另一个实施方案，其中反应室通过单个微毛细管通道19和端口 21连接至流体隔离室。在图3B描述的实施方案中，反应室15的入口 和出口也是沿纵轴布置，而在图3A描述的实施方案中入口和出口互相 沿侧边布置。反应室15的出口在其纵轴右侧(图3A)或左侧(图3B) 连接至微毛细管通道19。也可以在反应室15的前面、后面或中间连接 微毛细管通道。在全部四个实例中，流体隔离室通过与多功能通道3流 体连通的形式为小孔24的出口连接至多功能通道。
图4和图5显示了流体微结构的优选实施方案，其中反应室15 通过两个微毛细管通道19连接到至少一个流体隔离室23,所述微毛细 管通道位于与入口 13位置相反的反应室一端，所述入口将样品传输通 道1连接至反应室15。微毛细管通道19附近反应室壁的一部分采取凸 形结构，例如凸形壁17。此处使用的术语"凸形壁"指的是突入反应室 15中的反应室壁。两个微毛细管通道分别包括一个弯头190,其将第一 臂191连接至第二臂192。每个第二臂被连接至基本垂直的端口 21，端 口 21进而连接至微毛细管通道上方的流体隔离室23 (见图5)。流体隔 离室23经出口 25连接至多功能通道3。在该实施方案中，出口 25采取 通道的形式。
当流体样品被引入反应室时，凸形壁17降低了流体样品中形成气 泡的趋势。 一般而言，当反应室具有光滑或圆的边缘时，流体中形成气 泡的趋势被降低。由于反应室内存在诱发流体湍流的区域(例如反应室 壁上的锐边)，所以气泡通常形成于反应器模块内。尽管优选凸形壁， 但是不排除使用其他替代结构的可能性，例如水平壁，以及仍然可用的 形状不规则的壁。
该实施方案的侧视图可见于图5。顶部衬底层101堆叠在底部衬 底层102之上。顶部和底部衬底层在界面109处相接。每个衬底层的表 面蚀刻有本发明装置所需的部分微流体结构。当顶部衬底层对准堆叠到 底部衬底层上时，每个衬底层上蚀刻的微流体结构互补配合，形成图5 所示的微流体结构。在图6所示的替代实施方案中，存在两个反应器模 块， 一个模块位于顶部村底层内,而另 一个模块位于底部衬底层内。
样品传输通道的墙壁可以比反应室壁具有更低的对流体样品的亲 和力，以提高流体样品在毛细管作用下从样品传输通道进入的流动。装 置内流体样品和通道壁之间不同的表面亲和力可以通过选择合适的材料制造所述装置来实现。典型的亲水材料是玻璃，而疏水材料通常由塑 料制成，这些材料的表面特性(例如润湿性能)可以通过各种方式来改 变，例如机械、热、电或化学处理。本领域通常使用的方法是用某些化 学物质来处理。例如，塑料材料的表面可以通过稀盐酸或稀硝酸的处理 变成亲水性。作为替代，任何疏水表面的表面性质可以通过涂覆亲水聚 合物或用表面活性剂处理而变得更为亲水。在顶部和底部衬底层都包括 玻璃或其他任何亲水材料，并且流体样品是含水流体的情况下，各种通 道和室的顶壁、底壁或侧壁可以通过本领域公知的任何方法-使之具有比 反应室更低的亲水性，这些方法包括但不限于等离子体处理或涂覆亲水
材料。例如，传输通道l、反应室15和微毛细管通道19的部分或所有 表面可以用合适的试剂涂覆，以使它们变得更亲水或更不亲水。亲和力 的差异可被调控，用于控制装置内流体的流动乃至流体的分配。以图8A 至8L和图9中显示的正方形、三角形和圆形微毛细管通道为例，可以 看出微毛细管通道19之壁49的不同部分可以用亲水和/或疏水涂料涂 敷(如黑线和虛线所示)，以便提供微毛细管通道和流体样品之间不同 的亲和力水平。这些涂料可以在装置组装之前或之后施用(见图15)。
图11描述了一种例如与图10A所示装置类似的示例性装置中存 在的用流体样品31填充样品传输通道1和反应器模块11的可能方法的 实施方案。流体样品31通过滴器或吸液器或任何适于分配少量液体的 工具分配到进液口 5内。当流体样品31穿过样品传输通道1时，其进 入与样品传输通道连通的多个反应室，其中与进液口 5最近的反应室被 首先充满，然后是下一个反应室，依此类推。反应室以这种方式被依次 充满。反应室被填充至入口通道13的边缘。因此，在与所述装置所有 反应室的容量精确匹配的流体样品允许进入进液口 5的情况下，随后形 成弯液面34(见图12A)。作为替代，在所用流体样品的量超过所述装 置反应室容量的情况下s这些多余的流体样品被排入到进液口 6和8中。 图12A显示了处于完全充满状态的反应器模块。在该实施方案中，流体 样品不进入微毛细管通道19，而是在微毛细管通道19的入口处形成弯 液面36 (见图11)。这种分布特征是由于微毛细管通道19的壁已被修 饰为亲水性低于反应室15所造成的。
密封材料33、 35被引入样品传输通道1和多功能通道3中，以密 封反应器模块内的流体样品，如图13和14所示。 一些密封材料33、 35 置换入口通道中的流体样品(箭头35)，从而形成压低的弯液面37 (密 封材料和流体样品之间的界面)。源自密封材料的静压力大至足以克服
存在的任何亲和力，从而置换进入微毛细管通道19的流体样品。从图 14A和14B中可以看出，在引入密封材料之后，流体样品存在于微毛细 管通道19中。将微毛细管通道19连接至流体隔离室23的端口 21的直 径十分小，使得微毛细管通道19内的毛细流动被中断。这种中断提供 了充分的屏障，以防止流体样品进入端口 21和流体隔离室23中，尽管 微毛细管通道19中的毛细流动产生了静压力。
图15显示了用于制造本发明装置的原图。图15A至15C显示了 涂覆铬和金、然后涂覆光刻胶的三个衬底层。所述装置隔室的图样是用 光刻术形成的。然后通过蚀刻形成各隔室。图15D中显示的各组装装置 与图IOA和12中显示的实施方案大致相似。可以采用替代方法，例如 采用微流体光掩膜(Chen， C et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (2003), 100, 4， 1499-1504)或'减射喷涂铬和金的方法，以及非电和电解电镀联 合法。应该注意，反应室15的入口通道13是一个连续隔室，其在样品 流体通道1和反应室15之间提供流体连通。图15D中可见的线以三个 衬底层形成隔室的方式示出不同隔室的轮廓，但未必代表将其隔开的壁 (例如见图13和14)。
图16描述了本发明装置在实时检测登革热病毒RNA中的示范应 用。所用装置的反应室预载入用于检测各血清型1至4的寡核苷酸引物。 使用下列引物
(a)(所有反应室):CAATATGCTGAAACGCGCGAGAAA (SEQ ID NO: 1);
(b )反应室l(目标血清型1): CGCTCCATACATCTTGAATGAG (SEQ ID NO: 2);反应室2 (目标血清型2 ): AAGACATTGATGGCTTTTGA (SEQ ID NO: 3);反应室3 (目标血清型3 ):
AAGACGTAAATAGCCCCCGAC (SEQ ID NO: 4);反应室4，(目标血 清型4 ): AGGACTCGCAAAAACGTGATGAAT (SEQ ID NO: 5)。从 对象的血清中提取RNA (140^11)，并悬于50fil水中。利用提取的RNA (1.3 pi)制备反应流体(最终体积10 nl )，其包含PCR缓冲液 (Invitrogen )、 DMSO( 4 % )、硫酸镁(4 mM )、 Sybergreen I染料(2.5x， Molecular Probes )、逆转录酶/Taq聚合酶(2 pl， Superscript One-Step Sy§ RT-PC.R. 、v/platin， Invitrogen)。
如上所述，所述装置在栽入和密封之后被放入热循环仪内(见实
施例2)，并经历下列循环条件57"C、 30分钟(1个循环)；95匸、2 分钟(l个循环)；40个循环的95n、 10秒，57"C、 15秒，72C、 15 秒。图16A右边(II)显示了依次拍摄的各装置的照片。左边(I)用 作负对照的相应装置被暴露于相同的条件，其中反应流体含有无菌水代 替所提取RNA。所述两个装置的反应器模块(1~4)的编号方式与上 述使用的各反应室的编号方式对应，因而与相应的血清型对应。在所用 的实施方案中，每个反应器模块含有一个反应室。结果显示，血清被分 析的对象感染了登革热病毒亚型1。
图16A描述了在反应过程期间反应室的相应的荧光采集特征。曲 线(1~4)的编号方式与各反应室(见上文)的编号方式相对应。在较 早时间点处反应室l内比其他反应室内信号强度的增加进一步表明所用 引物和所提取RNA之间结合的特异性。
实施例1:制造分析流体样品的装置
该实施例示出本发明装置的制造。
三片48 mm x 65 mm x 0.17 mm的钠钩玻璃衬底从Erie Scientific (美国)获得。根据公开的程序，用piranha溶液(H202:H2S04，比例 l:2)清洗玻璃衬底。在100"C下脱水，然后在高真空电子束加工机内涂 覆20纳米的铬和80纳米的金。相同的铬和金涂覆过程也可以利用替代 的标准方法实现，例如'减射技术，以及无电和电解电镀联合法。
涂敷金属的玻璃片两面都涂上光刻胶。然后利用标准的光刻技术 形成期望的微流体图样。利用商品铬蚀刻溶液和金蚀刻溶液除去铬和金 层暴露的图样，以在玻璃蚀刻之前形成牺牲图样(sacrificial pattern )。 然后用丙酮剥离光刻胶。
然后用氢氟酸处理带有具图样的铬和金层的玻璃衬底，以蚀刻玻 璃形成微流体通道。应该注意，通道和进液口的深度取决于芯片所需的 功能和应用。本实施例中,通道和进液口被蚀刻至100微米深。然后利 用与上述相同的化学物质除去铬和金的牺牲层。
三个衬底层中每层的微流体结构的示例性俯视图示于图15。
所述第一层、第二层和第三层衬底(见图15A至15C)视觉观察
合在一起，对准，然后粘合成所述装置(见图15D)。
实施例2:用涂有Sybergreen I的反应室进行PCR测试
该实施例说明了使用本发明装置在尺寸为2.1 x 1.4 x 0.2亳米的反 应室中利用Sybergreen进行PCR测试。所用装置的实施方案是尺寸为 48 x 65亳米(宽x长)的微芯片，其中每个反应器模块包含一个反应室。 所述装置的实施方案与图12和15中所述的实施方案相似，其含有四个 反应器模块。
利用Qiamp病毒RNA迷你试剂盒(Qiagen )提取140微升对象 血清中的总RNA，并洗脱到50微升无菌水中。
在制造期间，所述装置被预载入用于检测各血清型1-4的寡核苷 酸引物。通过小份的离散点样将引物沉积到每个反应室的表面。所有反 应室中使用的正向引物是5'-CAATATGCTGAAACGCGCGAGAAA-3， (SEQIDNo:l)。所用的反向引物为
反应器 模块编号目标 血清型引物2
115'-CGCTCCATACATCTTGAATGAG-3' (SEQ ID NO: 2)
225'-AAGACAT^GATGGCTnTGA-3, (SEQ ID NO: 3)
335'-AAGACGTAAATAGCCCCCGAC-3' (SEQ ID NO: 4)
445'-AGGACTCGCAAAAACGTGATGAAT-3' (SEQ ID NO: 5)
对于引物2和3，其重悬时在反应室中的最终浓度为0.2 pM。引 物3和4的浓度为0.15 jiM。在45摄氏度下干燥30分钟后，;使用之 前粘合所述装置。
对于每个装置样品，制备10 pl流体样品，其包含RT-PCR緩冲 液(1 x , lnvitrogen )、硫酸镁(4 mM )、 DMSO ( 4 % 、'/v )、 BSA ( 0,5 mg/ml )、 Sybergreen I染料(2.5 x , Molecular Probes )、逆转录酶/Taq 聚合酶(2 pl， Superscript One-Step Sys RT-PCR w/platin， lnvitrogen)、 RNA (1.3 在对照装置中,上述流体样品具有相同的组成，只是用 无菌水(1.3 nl)代替RNA。
将8.5 pi上述流体样品引入微芯片的进样口 5中(图15D或10A )， 并允许其扩散到反应室内。然后将15 nl的硅酮RTV作为密封材料引入 进液口5和7，以密封样品传输通道1和多功能通道3。
然后，将装置放入兼容的实时热循环仪中(Attocycler， Attogenix BiosystemsPteLtd)，并使其经历下列PCR条件57匸、30分钟(1个 循环)；95"C、 2分钟(1个循环)；然后40个循环的95匸、10秒，57 ■C、 15秒，72n、 15秒。其结果示于图16A和16B,表明从对象提取 的RNA中存在登革热病毒血清型1的阳性检测(反应室1 )。这种血清 型与对相同对象进行的血清学测试相关联。此外，图16B中显示反应室 在反应过程期间的焚光采集特征，表明所用引物和所提取RNA之间的 结合是特异性的。
实施例3:抗体-抗原的荧光淬灭
该实施例举例说明使用本发明装置在尺寸为2.1 x 1.4 x 0.2毫米的 反应室内进行抗体-抗原焚光淬灭测试。用OG-514 (Oregon green 514 羧酸，琥珀酰亚胺酯)标记抗体，并用QSY-7 (QSY-7羧酸，琥珀酰 亚胺酯)标记抗原(肽、多肽、蛋白质、全细胞、碳水化合物、适配体 (aptamer)等)。荧光淬灭阻止或抑制OG-514荧光的检测。将标记的 抗体-抗原复合物以冻干形式置于反应室中。引入流体样品从而将所述
复合物再水化和溶解于含有或不含各种浓度(例如0.05%Tw-20和1% Triton-X-100 )去污剂(例如Tw-20或Triton-X 100 )的PBS或TBS緩 沖液中。再水化时，标记抗体-抗原复合物中的抗原与流体样品中所含 的、引入的未标记抗原竟争。与未标记抗原的竟争释放出OG-514标记 的抗体，其荧光在约528~530纳米处检测。
权利要求
1.分析流体样品的装置，其包含-至少一个样品传输通道；-至少一个多功能通道；和-将所述样品传输通道流体连接至所述多功能通道的至少一个反应器模块，所述至少一个反应器模块包含-具有与所述至少一个样品传输通道流体连通的至少一个入口的至少一个反应室，和-至少一个流体隔离室，所述流体隔离室与所述至少一个反应室的至少一个出口流体连通，其中所述流体隔离室调节所述至少一个出口和所述至少一个多功能通道之间流体样品的流动。
2. 根据权利要求l的装置，其中所述流体隔离室被布置为在所述流体样品 和引入多功能通道的密封材料之间提供物理隔离。
3. 根据权利要求1或2的装置，其中所述流体隔离室与所述多功能通道流 体连通。
4. 根据权利要求3的装置，其中所述流体隔离室通过出口连接至所述多功 能通道。
5. 根据权利要求3的装置，其中所述反应室的所述出口与所述流体隔离室 的入口流体连通，所^ 口位于与所述流体隔离室的所述出口相对的壁 上。
6. 根据权利要求5的装置，其中所述反应室的所述出口通过端口连接到所 迷流体隔离室的所口 。
7. 根据权利要求6的装置，其中所述端口是倾斜的。
8. 根据权利要求7的装置，其中所述流体隔离室的基座和所述端口的侧壁 之间形成的角在0°和180°之间。
9. 根据权利要求8的装置，其中所迷流体隔离室的基座和所述端口的側壁 之间形成的角在约45°和约135。之间。
10. 根据权利要求8的装置，其中所述端口的侧壁垂直于所述流体隔离室 的基座。
11. 根据权利要求l至10中任一项的装置，其中所述反应室的所述至少一个出口包含至少一个微毛细管通道。
12. 根据权利要求ll的装置，其中所述至少一个微毛细管通道的开口提供 与所述流体隔离室的流体连通，其中所述开口的直径比所述微毛细管通道 的直径小。
13. 根据权利要求12的装置，其中所述开口的直径比所述微毛细管通道的 直径小约1.5倍至约20倍。
14. 根据权利要求13的装置，其中所述开口的直径比所述微毛细管通道的 直径小约2倍至约10倍。
15. 根据权利要求14的装置，其中所述开口的直径比所述微毛细管通道的 直径小约3倍至约6倍。
16. 根据权利要求11至15中任一项的装置，其中所述反应室的所述至少 一个出口包含相对于其入口位于所述反应室的远端部分的2个微毛细管通 道。
17. 根据权利要求11至16中任一项的装置，其中所述微毛细管通道位于 介于所迷反应室和所述流体隔离室之间的位置。
18. 根据权利要求l至17中任一项的装置，其中所迷反应室包含用于防止 形成气泡的手段。
19. 根据权利要求18的装置，其中用于防止形成气泡的所述手段包含靠近 所述反应室的所述至少一个出口的凸形反应室壁。
20. 根据权利要求19的装置，其中所述凸形选自半球形、半椭圓形和多边 形突起。
21. 根据权利要求19的装置，其中所述凸形包含至少一个不规则形状的突 起。
22. 根据权利要求l至21中任一项的装置，其中所述反应器模块具有选自 矩形、正方形、卵形和瓶形的形状。
23. 根据权利要求l至22中任一项的装置，其中所述反应器模块的体积选自L5微微升和1毫升之间。
24，根据权利要求23的装置，其中所述反应器模块的体积选自500纳升和 10微升之间。
25. 根据权利要求1至24中任一项的装置，还包含用于调节所述装置内流 体样品传输的手段。
26. 根据权利要求25的装置，其中用于调节流体样品传输的手段选自表面 特性和几何特性。
27. 根据权利要求26的装置，其中所述表面特性通过涂层提供。
28. 根据权利要求27的装置，其中所述涂层包含选自以下的化合物六甲 基二硅氮烷、三甲基氯硅烷、二甲基二氯硅烷、丙基三氯珪烷、四乙M 硅烷、环氧丙氡基丙基三甲lLi^烷、3-氨基丙基三乙*^珪烷、2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲IU^烷、3-(2，3-环氧丙fL^)丙基三甲fL^烷、聚 二甲M氧烷(PDMS)、 ，(3，4-环氧环己基)乙基三甲IL^烷、聚(甲基 丙烯酸甲酯)、尿烷、聚氨酯、含氟聚丙烯酸酯、聚(甲M-聚乙二醇-甲 基丙烯酸酯)、聚(二曱基丙烯酰胺)、聚([N-(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺)(PHPMA )、 a-磷酰胆碱-o-(N，N-二乙基-二絲氨基甲絲)十一烷基-寡 聚DMAA-m-寡聚-ST嵌段共寡聚物、3,4-环氧-环己基甲基丙烯酸甲酯、 2,2-双[4-(2,3-环氧丙lL^)苯基l丙烷、3，4-环氧-环己基甲基丙烯酸酯、(3，，4，-环氧环己基曱基)-3，4-环氧环己基羧酸酯、二-(3，4-环氧环己基甲基)己二酸 酯、双酚A (2，2-双-(对-(2,3-环氧丙氧)苯基)丙烷)和2,3-环氧-1-丙醇。
29. 根据权利要求25至28中任一项的装置，其中所述传输通道的壁具有 比所述^^应室的壁更低的对流体样品的亲和力。
30. 根据权利要求25至28中任一项的装置，其中所述多功能通道的壁具 有比所述流体隔离室的壁更低的对流体样品的亲和力。
31. 根据权利要求l至30中任一项的装置，其中所述反应室的至少一个壁 涂有用于实施分析流体样品性质的分析反应的化合物。
32. 根据权利要求1至31中任一项的装置，其中所述反应室通过隔离介质 与所述传输通道或多功能通道中至少一个密封隔开。
33. 根据权利要求32的装置，其中所述隔离介质是,、电、磁和密封活 化的固体。
34. 根据权利要求32或33的装置，其中所迷隔离介质是密封材料。
35. 根据权利要求34的装置，其中所述密封材料包含皿或液体状态的聚 合物。
36. 根据权利要求32至35中任一项的装置，其中所述密封材料包含源自 光敏和/或热敏聚合物前体的聚合物。
37. 根据权利要求34至36中任一项的装置，其中所述密封材料中掺入视 觉活性颜料。
38. 根据权利要求37的装置，其中所述视觉活性颜料选自，料、有机染 料和荧光染料。
39. 根据权利要求l至38中任一项的装置，其中所述反应器模块被蚀刻到 衬底上。
40. 根据权利要求39的装置，其中所述衬底包含选自硅、石英、玻璃、塑 料、弹性体、金属及其复合物的材料。
41. 根据权利要求1至40中任一项的装置，还包含覆盖层。
42. 根据权利要求41的装置，其中所述覆盖层包含至少一个盖。
43. 根据权利要求41的装置，其中所述覆盖层的至少一部分包含自密封材 料。
44. 根据权利要求l至43中任一项的装置，还包含多个反应器模块，每个 反应器模块将所述样品传输通道流体连接至所述多功能通道。
45. 根据权利要求44的装置，其中所述多个反应器模块在尺寸上基^目同。
46. —种检测流体样品中分析物的方法，其包括a)提供用于检测流体样品中分析物的装置，其包含 -至少一个样品传输通道； -至少一个多功能通道；和-将所述样品传输通道流体连接至所述多功能通道的至少一个反应器 模块，所述至少一个反应器模块包含=-具有与至少一个样品传输通道流体连通的至少一个入口的至少一个 反应室，和—至少 一个流体隔离室，所述流体隔离室与所述至少一个哀_应室的至 少 一个出口流体连通，其中所述流体隔离室调节所述至少一个出口和所述多功能通道之间流 体样品的流动，b) 将流体样品加栽入所述装置，c) 用密封材料密封所述至少一个样品传输通道和至少一个多功能通道，和d) 实施至少一种分析物检测反应，所迷反应提供关于所述分析物的至少 一种定性或定量数据。
47. 根据权利要求46的方法，其中所#载包括将流体样品引入所述样品 传输通道。
48. 根据权利要求47的方法，其中选择引入所述样品传输通道的所述流体 样品的体积为基本等于或小于所述至少一个反应室的总体积。
49. 根据权利要求46至48中任一项的方法，其中用于检测所述分析物的 装置包括多个反应器模块。
50. 根据权利要求49的方法，其中所述多个反应器模块同时被充入所述流 体样品。
51. 根据权利要求49的方法，其中所述多个反应器模块依次被充入所述流 体样品。
52. 根据权利要求49至51中任一项的方法，其中所述多个反应器模块被 部分充入所述流体样品。
53. 根据权利要求52的方法，其中所述反应室的所述至少一个出口包含至 少一个微毛细管通道。
54. 根据权利要求53的方法，其中所述流体样品不被分配到所述至少一个 微毛细管通道内。
55. 根据权利要求53的方法，其中所述密封包括将密封材料引入所述样品 传输通道和/或所述多功能通道。
56. 根据权利要求53的方法，其中所述密封材料顶替一部分所述流体样品 进入所述至少一个微毛细管通道。
57. 根据权利要求44至56中任一项的方法，其中所述密封材料包含聚合 物前体。
58. 根据权利要求57的方法,其中所述密封还包括聚合所述聚合物前体，从而形成聚合物。
59.根据权利要求44至58中任一项的方法，其中所述至少一种定性或定 量数据提供选自比色、荧光分析和发光结果中的至少一种结果。
60，根据权利要求59的方法，其中所述荧光分析结果来源于由荧光团结合 或含荧光团的探针的杂交中至少一种提供的荧光。
61. 根据权利要求60的方法，其中所述至少一种定性或定量数据通过用荧 光团、酶或结合复合物成分中至少一种所标记的探针而获得。
62. 根据权利要求44至61中任一项的方法，其中所述流体样品包含生物 材料。
63. 根据权利要求62的方法，其中所述生物材料包含选自以下的至少一种 分析物代谢物、核苷酸、多核苷酸、核酸、氨基酸、肽、多肽、蛋白质、 生物化学组合物、脂质、碳水化合物、细胞、微生物及其任意组合。
64. 根据权利要求44至61中任一项的方法，其中所述流体样品包含非生 物材料。
65. 根据权利要求64的方法，其中所述非生物材料包含选自以下的至少一 种分析物离子、合成化合物、有机化学組合物、无机化学组合物、组合 化学产品、药物候选分子、药物分子、药物代谢物及其任意组合。
66. 根据权利要求44至63中任一项的方法，其中所述至少一种分析物检 测反应包括核酸扩增。
67. 根据权利要求44至63中任一项的方法，其中所述至少一种分析物检 测M包括免疫检测反应。
68. 根据权利要求67的方法，其中所述免疫检测反应包括酶联免疫吸附测 试(ELISA )。
69. 根据权利要求44至68中任一项的方法，其中实施所述方法用于测定 所述流体样品的性质，所述性质选自分析物的量、反应动力学常数、亲和 常数、分析物的纯度和分析物的异质性。
全文摘要
用于传输、封闭和分析流体样品的装置及使用该装置的方法。所述装置包括至少一个样品传输通道(1)，至少一个多功能通道(3)，和至少一个反应器模块(11)。所述反应器模块(11)将所述至少一个样品传输通道(1)流体连接至所述至少一个多功能通道(3)，其包括与所述至少一个样品传输通道(1)流体连通的至少一个反应室(15)，和至少一个流体分离室(23)。所述至少一个流体分离室(23)与所述至少一个反应室(15)的至少一个出口(18/20)流体连通，并调节所述至少一个出口(18/20)和所述至少一个多功能通道(3)之间流体样品的流动。使用时，在反应室(15)中进行分析物检测反应之前将密封介质导入所述多功能通道(3)。
文档编号G01N1/28GK101184983SQ200580049623
公开日2008年5月21日 申请日期2005年3月16日 优先权日2005年3月16日
发明者丁道仪, 小多米纳多尔·福塔莱扎·欧维索 申请人:雅拓晶科生物系统(私人)有限公司