诊断芯片的制作方法

背景技术：

传染病和其它医疗状况持续地影响人类生活。检测病原体在血液或其它体液中的存在以诊断患者的疾病已经取得许多进展。在一些情况下，微流体设备被用于分析分析物。

附图说明

附图例示在此描述的原理的各种示例，并且是说明书的一部分。例示的示例仅为例示而给出，并不限制权利要求的范围。

图1是根据在此描述的原理的一个示例的合并在用于分析分析物的盒中的微流体诊断芯片的图。

图2是根据在此描述的原理的一个示例的微流体诊断芯片的图。

图3a和图3b是示出根据在此描述的原理的两个示例的微流体诊断芯片(100)的一部分的方框图。

图4是示出根据在此描述的原理的一个示例的检测流体中的抗原的方法的流程图。

图5是根据在此描述的原理的一个示例的微流体诊断芯片系统的方框图。

贯穿附图，相同附图标记指代相似但未必相同的元件。

具体实施方式

如上所述，微流体设备可被用于帮助检测人体中的病原体并诊断患者的疾病。诸如微流体诊断芯片(mdc)的微流体设备可接收包含分析物的流体并对其进行分析，用于试图诊断患者的疾病、免疫学分析以及分子诊断。在一些情况中，在没有在完全的实验室(fulllab)中进行进一步测试的情况下，流体中的病原体可能不会被容易地检测到。因此，本说明书描述包括使用mdc检测病原体以及基于阻抗信号在脱氧核糖核酸(dna)扩增的浓度和分子量的实时监测中连续监测等温聚合酶链反应或在温度改变下进行的聚合酶链反应的系统和方法的示例。

本申请描述示例微流体诊断芯片，其可包括限定在微流体诊断芯片中的微流体通道中的可官能化(functionalizable)的酶传感器。可官能化的酶传感器可包括结合表面，用以将分析物(例如，诸如抗体的生物标志物)结合于其上。例如，可通过若干微流体泵使流体在可官能化的结合表面上经过以识别流体内的分析物(例如，生物标志物)。当分析物结合到例如结合表面上的抗体时发生分析物(例如，生物标志物)的识别。结合表面可例如具有涂层。

本说明书进一步描述示例微流体设备，包括：包括至少一个传感器的若干微流体通道；和若干泵，用于将流体泵送通过若干微流体通道，其中流体在传感器上的存在检测流体的化学特性的改变。

本说明书还描述用于检测生物标志物并监测流体中的等温聚合酶链反应的示例诊断工具，包括至少一个微流体通道，该至少一个微流体通道包括带有抗体的官能化的结合表面和若干阻抗传感器，其中流体通过若干微流体泵在官能化的结合表面上经过以识别流体内的生物标志物，并且其中若干阻抗传感器实时检测指示流体内的等温聚合酶链反应的阻抗信号的改变。

在本说明书和所附权利要求书中，术语“流体”旨在被宽泛地理解为在施加的剪应力下连续变形(流动)的任何物质。在一个示例中，流体包含分析物。在另一示例中，流体包括试剂或反应物。在另一示例中，流体包含分析物和试剂或反应物。在又一示例中，流体包含分析物、试剂或反应物等。

另外，在本说明书和所附权利要求书中，术语“分析物”旨在被理解为可被置于微流体诊断芯片(mdc)中的流体内的任何物质。在一个示例中，分析物可以是诸如但不限于动物或人的血液、动物或人的尿、动物或人的粪便、动物或人的黏液、动物或人的唾液、酵母或抗原等的流体内的任何组成物质。

进一步，如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，术语“病原体”旨在被理解为可产生疾病的任何物质。在一个示例中，病原体可以在如上所述的任意流体中找到。

更进一步，在本说明书和所附权利要求书中，术语“试剂”旨在被理解为被添加到系统以引起化学反应的物质或化合物或被添加以查看是否发生反应的物质或化合物。反应物旨在被理解为在化学反应的过程中被消耗的物质。

再进一步，如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，术语“若干”或类似语言旨在被宽泛地理解为包括1至无穷的任意正数。

在以下说明中，为了解释的目的，列举许多特定细节以提供对本系统和方法的全面理解。然而，本领域技术人员将明白，可以在没有这些特定细节的情况下实施本装置、系统和方法。在说明书中对“示例”或类似语言的引用旨在结合该示例描述的特定特征、结构或特性如所描述的那样被包括，但可不被包括在其它示例中。

现在转向附图，图1是根据在此描述的原理的一个示例的合并在用于分析分析物的盒(105)中的微流体诊断芯片(100)的图。在图1所示的示例中，mdc(100)是盒(105)的部件。盒(105)进一步包括电联接到mdc(100)的电子设备接口(110)。接口(110)可允许mdc(100)从诸如计算设备的外部源接收指令和电力。在该示例中，mdc(100)是盒(105)的接收包含分析物的流体的部件，而盒(105)和电子设备接口(110)分别提供用于容纳mdc的物理主体和用于操作mdc的电力和逻辑。

盒(105)可用作容纳并保护mdc(100)和电子设备接口(110)免受污染和损害的外壳。盒(105)还可用作一结构，使用者可在该结构上施加压力以将电子设备接口(110)连接至电子设备，例如直接连接至计算设备或连接至可被附接至计算设备的连接器。

电子设备接口(110)可包括可与电子设备的输入/输出端口连接的任何数量的电触点(125)。在一个示例中，电子设备接口(110)是通用串行总线(usb)接口，其能够电联接至电子设备中的usb端口。在另外的示例中，电子设备接口(110)的电触点(125)可配合到pci总线、pcie总线、sas总线以及sata总线等中。在一个示例中，电子设备接口(110)可包括与专用计算设备中的专用端口连接的电触点(125)。

mdc(100)可包括进料盘(115)，包含分析物的流体被置于进料盘(115)中。进料盘(115)将流体引导到mdc(100)的流体槽(120)中。在操作期间，流体被置于进料盘(115)中并进入流体槽(120)中。当流体在流体槽(120)中时，mdc(100)经由电子设备接口(110)从电子设备接收电力。如以下将描述的，mdc(100)可进一步包括待被抗体官能化的抗体结合表面。在一个实施例中，抗体结合表面可由金制成。在其它示例中，抗体结合表面可由铂、钽、碳化硅、或氮化硅等制成。

mdc(100)可进一步包括位于在mdc(100)中限定的若干微流体通道中的若干传感器。在一个示例中，传感器是阻抗传感器，其能够在包含分析物的流体在该传感器上经过时测量该流体的阻抗值。在一个示例中，这些传感器可测量流体随时间的阻抗。在另一示例中，传感器可基于待完成的分析测量流体在任意时间、任意数量的间隔以及在任意时间长度上的阻抗。在微流体泵被用于泵送流体通过mdc(100)的一个示例中，传感器可在泵未泵送时测量流体的阻抗。

图2是根据在此描述的原理的一个示例的微流体诊断芯片(100)的图。mdc(100)可包括若干传感器(205)。进一步，mdc(100)可包括若干电阻器(210，215)，其根据施加到电阻器的电压的量用作微流体加热器(210-1)和微流体泵(210-2)。mdc(100)可进一步包括用作孔的开口(215)，mdc(100)中的一定量的流体通过该孔被从限定在mdc(100)中的微流体通道(120)排出。在mdc(100)的操作期间，若干流体可被引入流体槽(120)中。流体随后可经由若干入口(230)流动到若干微流体通道(220)内。流体向这些微流体通道(220)中的流动最初通过毛细管作用来完成，并随后通过将电阻器(210)用作微流体泵(泵电阻器)来完成。在一些示例中，流体可与另一流体混合、反应、被加热、被泵送、并被再循环通过流体槽(120)和微流体通道(220)、从mdc(100)排出、或其组合。

电阻器(210，215)可以是薄膜电阻器。薄膜电阻器可以由钽或钽铝、铂、金、碳化硅、氮化硅、钨、或其组合制成。在一个示例中，电阻器的厚度可以为大约500埃至5000埃。电阻器可以用钝化膜(passivefilm)封装，钝化膜随后用空化膜(cavitationfilm)封装。在一个示例中，钝化膜可由sic或sin制成，并可为大约500-2000埃厚。在另一示例中，空化膜可以由钽或铂制成并可为大约500-2000埃厚。

图3a是根据在此描述的原理的一个示例的mdc(100)的一部分的方框图。图3b是示出根据在此描述的原理的另一示例的mdc(100)的一部分的方框图。图3a和图3b中所示的部分包括均限定在限定mdc(100)的硅基板上的流体槽(120)和若干微流体通道(220)。流体槽(120)提供池，流体在进入微流体通道(220)之前可被保持在池中，而微流体通道(220)是导管，流体可流动通过该导管以与微流体通道(220)内的传感器(205)发生接触。虽然图3a和图3b示出关于mdc(100)中的微流体通道(220)以及其它部件的布置的细节，但任何给定部件的一般和具体布置旨在代表mdc(100)的示例。因此，mdc(100)中的各个部件的任何布局可变化，并且本说明书设想到这些部件在各种其它布局中的布置而不超出在此描述的原理的范围。

如上所述且如图3b所示，电阻器(210，215)可包括两种类型的电阻器：加热器电阻器(210-1)和/或泵电阻器(210-2)。任一类型的电阻器(210-1，201-2)可被放置在微流体通道(220)的任意部分内。在一个示例中，单个电阻器(210-1，201-2)可基于施加到该电阻器(210-1，201-2)的电压而用作泵(210-1)和加热器(210-2)。在一些示例中，当小于导致与电阻器紧密接触的流体的核化的电压被施加到电阻器时，电阻器(210-1，201-2)充当加热器(210-1)。在一个示例中，施加到用作加热器的电阻器的电压可小于5v。在另一示例中，施加到用作加热器的电阻器的电压可大于或小于5v，并可进一步取决于流体的特性以及在电阻器与流体的界面处达到的温度。在加热器电阻器(210-1)中，电压施加的脉冲时间可基于待产生的热量而变化。在此，施加电压的脉冲和频率越长，则由加热器电阻器(210-1)施加的热越多，而反之亦然。在一个示例中，加热器电阻器(210-1)具有约5至1000μm的长度和约5-1000μm的宽度。

在一些示例中，当施加到电阻器(210-2)的电压是大约5v或更高时，电阻器(210-1，201-2)充当泵(210-2)。在这些示例中，电压施加的脉冲时间可以被调整，以改变当来自泵电阻器(210-2)的热足以使与电阻器(210-2)紧密接触的液体蒸发时所产生的驱动气泡的大小。

电阻器(210-1，210-2)本身可由钽、铂、金、碳化硅、氮化硅、钨、或其组合制成。在泵电阻器(120-2)的情况下，快速焦耳加热方法((v²t/r)；其中v是电压，r是电阻，t是时间)被用于使流体过热以产生在小于10μs内生长和破裂的驱动气泡。快速的气泡产生和破裂导致微流体通道(220)内的流体的净流量。在一个示例中，泵电阻器(210-2)具有约5-110μm的长度和约5-100μm的宽度。在另一示例中，泵电阻器(210-2)为约25μm²。

图3a和图3b中所示的mdc(100)可进一步包括酶传感器(305)。酶传感器(305)可包括由金或一些其它可官能化的材料制成的电极。官能化的材料是通过将包含抗体的化学品施加到该材料的表面上由此改变该材料的表面的化学特性而能够官能化的任意材料。一些示例可包括铂、钽、碳化硅以及氮化硅。在一个示例中，金电极的阻抗可在被官能化之前被监测。随后酶传感器(305)上的电极可从其一边到另一边接收包含抗体的化学品，使得该抗体被化学结合到电极的表面。抗体可在载体流体中被传送，并通过流体槽(120)和微流体通道(220)被传送至电极。抗体随后可利用清洗溶液被冲出mdc(100)，以准备用于包含诸如待被接收在mdc(100)中的抗原的分析物。在此官能化过程期间，酶传感器(305)被连续读取为了获得阻抗值的变化，阻抗值量化置于mdc(100)内的流体中存在的抗原或生物标志物的范围。

如以下将更详细地描述的，流体可以在酶传感器(305)上经过，从而导致流体内的任何抗原与官能化的酶传感器(305)上的抗体化学结合。随着抗原与抗体化学结合，酶传感器(305)的阻抗值的连续监测可以由阻抗的改变指示。该阻抗的改变是产生在酶传感器(305)的表面上的大型分子(抗体+抗原)的结果。在酶传感器(305)的表面上产生抗体/抗原分子的过程可进一步包括在足以使抗原与抗体结合的预定时间段中使流体再循环通过mdc(100)。流体的再循环可通过如上所述的以给定速率将流体泵送经过电阻器的泵电阻器(210-2)而被实现。因此，例如可以根据抗原在血液的样本中的浓度进行诊断，由此允许医生正确诊断患者。其它分析可被执行，包括但不限于，甲状腺特异性激素、前列腺特异性抗原的检测、诸如h1n1的传染病的检测等。在一个示例中，还可以对非人类相关的物质进行分析。在该示例中，酶传感器(305)可以利用试剂被官能化，使得试样向mdc(100)内的引入将与试剂反应，由此导致酶传感器(305)的阻抗读数的改变。因此，本说明书设想在此描述的mdc(100)在医学和非医学场景二者中的使用，其中流体内的某些分析物可被检测。

在图3b中所示的一个示例中，mdc(100)可进一步包括用于与泵电阻器(210-2)协作将一定量的流体排出mdc(100)的开口(215)。图3b示出开口(215)与泵电阻器(210-2)彼此共面。在操作期间，泵电阻器(210-2)可如上所述使与其紧密接触的液体蒸发。在产生气泡期间，微流体通道(220)内的一定量的流体(即，分析物、反应物、抗原等)通过开口(215)被排出并进入流体贮存器内。流体贮存器可以是mdc(100)中或盒(105)中用于接收从开口(215)排出的一定量的丢弃流体的专用贮存器。使用该开口(215)和泵电阻器(210-2)，mdc(100)可如上所述移除置于mdc(100)中的任何多余的抗体、清洗溶液、抗原或其它流体。

mdc(100)可进一步包括加热器电阻器(210-1)用于改变mdc(100)中的流体的温度或改变mdc(100)中的流体的温度一时间段。在一个示例中，加热器电阻器(210-1)可以被置于微流体通道(220)中。在另一示例中，加热器电阻器(210-1)可以被沿着微流体通道(220)或基板中的另一位置放置。温度传感器(310)可被包括在微流体通道(220)中以检测mdc(100)被产生于其上的基板的温度。感测的温度可以被提供给经由电子设备接口(110)联接至mdc(100)的计算设备中的处理器。根据由mdc(100)执行的分析的类型，处理器可指示计算设备通过加热器电阻器(210-1)调大或调小热量，以便影响在mdc(100)中发生的任何化学反应。加热器电阻器(210-1)和温度传感器(310)形成热传感器反馈回路，该热传感器反馈回路产生流体的热控闭合回路式分析。在该示例中，可以执行例如若干分子诊断。在一个示例中，由热传感器反馈回路执行的热控闭合回路式分析可被用于检测、分析并操纵包含分析物的流体内的dna。使用加热器电阻器(210-1)和温度传感器(310)来执行热控闭合回路式分析可允许使用者检测来自例如hiv、h1n1或将检测dna以进行分析的任何其它分析的某些dna样本。

在另一示例中，包含试剂的流体可被引入到mdc(100)内并被允许蒸发。流体的蒸发导致试剂被留在微流体通道(220)、传感器(205，305)以及泵(210-1，210-2)的表面上。接着，包含分析物的流体可被引入到mdc(100)内并被允许与已存在于mdc(100)内的试剂反应。在该示例中，通过在反应发生前、反应发生期间以及反应发生后连续监测流体的阻抗值，可以由传感器监测反应。这可允许使用所描述的反应物蒸发过程对任意数量的分析物执行若干不同的分析。另外，在下述反应过程期间，即其中任何特定反应是热敏的或热诱导的，温度传感器(310)和微流体加热器(210-1)可被用于监测并控制温度。

图4是示出根据在此描述的原理的一个示例的检测流体中的抗原的方法(400)的流程图。方法(400)可以开始于将抗体结合至mdc(100)中的酶传感器(305)的表面(405)。如以上描述的，这可通过将包含抗体的流体引入到mdc(100)的进料盘(115)内并将流体泵送通过微流体通道(220)并经过酶传感器(305)而被实现。在该过程期间，抗体可结合至酶传感器(305)的表面。

方法(400)可继续在mdc(100)处接收包含分析物的流体(410)。流体可在其中包含抗原。流体可随后被再循环经过或保持在酶传感器(305)上(415)。在这些过程期间，由酶传感器(305)检测的阻抗值被连续检测(420)。阻抗值的改变被用于检测流体中抗原的存在以及帮助进行诊断。

方法(400)还可被用作执行聚合酶链反应(pcr)以将dna的单个拷贝或几个拷贝扩增若干数量级的方法。在该示例中，加热器电阻器(210-1)和温度传感器(310)被用作传感器反馈回路以提供mdc(100)中的温度改变和温度的维持，从而完成聚合酶链反应(pcr)过程。该方法(400)在微流体通道中的流体被再循环的同时引起扩增发生。在再循环期间，诸如酶传感器(305)的阻抗传感器持续监测阻抗信号，从而获得pcr产物的实时反馈。

图5是根据在此描述的原理的一个示例的微流体诊断芯片系统(500)的方框图。系统(500)包括计算设备(505)和选择性地电联接至计算设备(505)的盒(105)。如以上结合图1所述，盒(105)包括mdc(100)和电子设备接口(110)。在一个示例中，盒(105)可经由usb连接器被通信地联接至计算设备(505)。

计算设备(505)包括各种硬件部件。这些硬件部件中可具有若干处理器(510)、若干数据存储设备(515)、若干外围设备适配器(535)以及若干网络适配器(540)。这些硬件部件可通过使用若干总线(545)和/或网络连接而被互相连接。在一个示例中，处理器(510)、数据存储设备(515)、外围设备适配器(535)以及网络适配器(540)可经由总线(545)被通信地联接。

处理器(510)可包括用于从数据存储设备(515)获取可执行代码并执行该可执行代码的硬件体系结构。根据在此描述的本说明书的方法，可执行代码在由处理器(510)执行时可使处理器(510)至少实现经由电子设备接口(110)和外围设备适配器(535)从mdc(100)接收若干电信号的功能。在执行代码的过程中，处理器(510)可从若干其余的硬件单元接收输入并向该若干其余的硬件单元提供输出。

数据存储设备(515)可存储诸如由处理器(510)或其它处理设备执行的可执行程序代码之类的数据。数据存储设备(510)具体可存储代表若干应用程序的计算机代码，处理器(510)执行该若干应用程序以至少实现在此描述的功能。

数据存储设备(515)可包括各种类型的存储器模块，包括易失性存储器和非易失性存储器。例如，本示例的数据存储设备(515)包括随机存取存储器(ram)(530)、只读存储器(rom)(525)以及硬盘驱动器(hdd)存储器(520)。许多其它类型的存储器也可被使用，并且本说明书设想在数据存储设备(515)中使用如可能适于在此描述的原理的特定应用的许多变化类型的存储器。在某些示例中，数据存储设备(515)中的不同类型的存储器可被用于不同的数据存储需求。例如，在某些示例中，处理器(510)可从只读存储器(rom)(525)启动，在硬盘驱动器(hdd)存储器(520)中保持非易失性存储，并执行随机存取存储器(ram)(530)中存储的程序代码。

通常，数据存储设备(515)可包括计算机可读介质、计算机可读存储介质、或非暂态计算机可读介质等。例如，数据存储设备(515)可以是但不限于电子、磁、光学、电磁、红外或半导体系统、装置或设备、或者前述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例可包括例如以下：具有若干线缆的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦可编程只读存储器(eprom或闪存)、便携式光盘只读存储器(cd-rom)、光学存储设备、磁存储设备、或前述的任何合适的组合。在本文的背景中，计算机可读存储介质可以是任何有形介质，其能够包含或存储用于由指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备关联使用的计算机可用程序代码。在另一示例中，计算机可读存储介质可以是任何非暂态介质，其可包含或存储用于由指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备关联使用的程序。

计算设备(505)中的硬件适配器(103，104)使得处理器(510)能够与计算设备(510)外部和内部的各种其它硬件元件连接。例如，外围设备适配器(535)可提供与诸如例如显示设备(545)、鼠标或键盘之类的输入/输出设备的接口。外围设备适配器(535)还可提供对其它外部设备的访问，诸如外部存储设备、诸如例如服务器、交换机和路由器的若干网络设备、客户设备、其它类型的计算设备、以及其组合。

显示设备(545)可被提供以允许计算设备(545)的使用者与计算设备(545)的功能交互，并实现计算设备(545)的功能。外围设备适配器(535)还可创建处理器(510)与显示设备(545)、打印机或其它媒体输出设备之间的接口。网络适配器(540)可提供与例如网络内的其它计算设备的接口，由此能够在计算设备(545)与位于网络内的其它设备之间传输数据。

说明书和附图描述了可用于识别流体内的生物标志物的诊断芯片。该诊断芯片可例如允许在微流体水平上检测流体中的抗原。在这样的规模下，如上所述检测的阻抗值可以更准确且精确，从而对患者进行更准确地诊断。另外，上述mdc可在一些示例中不需要昂贵且专门训练的技术人员来操作，并且医护人员可在一些示例中快速且容易地诊断患者而无实验室的延迟或者不需要在mdc的操作中被专门训练。

前述说明已被呈现以例示并描述所描述的原理的示例。该说明不旨在是详尽的或将这些原理限于所公开的任何精确形式。根据以上教示，许多修改和变化是可能的。