具有流体收集管的微流体系统的制作方法
【专利说明】具有流体收集管的微流体系统
[000。优先权申请的交叉引用
[0002] 本申请基于并要求于2013年6月21日提交的序列号为61/838,063美国临时专利申 请根据35U.S.C. 119(e)的权益，该美国临时专利申请通过引用W其整体为了所有的目的并 入本文。
[0003] 其它材料的交叉引用
[0004] W下材料通过引用W其整体为了所有的目的并入本申请:2006年5月9日颁发的美 国专利号7,041，481;2010年7月8日公布的美国专利申请公布号2010/017339441;2011年9 月8日公布的美国专利申请公布号2011/0217711A1;2012年6月21日公布的美国专利申请公 布号2012/0152369A1;2012年7月26日公布的美国专利申请公布号2012/0190032A1;2014年 1月23日公布的美国专利申请公布号2014/0024023A1; W及《巧光光谱学的原理》，Joseph R 丄 akowicz(1999年第二版）。
[0005] 壁
[0006] ???生物医学应用都依赖与试剂结合的样品的高通量测定。例如，在研究和临床 应用中，使用特定目标试剂的高通量的基因测试可W提供关于用于药物发现、生物标志发 现和临床诊断及其它的样品的高质量信息。再如另一个例子，感染性疾病监测经常需要为 多个基因目标筛选样品W产生高可信度的结果。
[0007] 趋势朝向减小更多目标的体积并检测更多目标。但是，产生和混合更小的体积可 能需要更复杂的仪器，运增加了成本。因此，需要改进的技术W允许W更高的速度、更低的 成本、和/或W降低的仪器复杂性来测试更大量的样品和更多样品和试剂的组合。
[000引乳液为彻底改革高通量测定保留了重大的希望。乳化技术可W产生用作用于生化 反应的独立的反应室的数百万的含水液滴。例如，含水样品（例如，200微升)可W分开为液 滴(例如，每50皮升的400万液滴似允许独立的子部件(例如，细胞、核酸、蛋白质似大规模 的高通量方式被分开地操作、处理和研究。
[0009] 将样品分离成液滴提供了许多优点。可W利用小的反应体积(例如，皮升到纳升）， 从而通过提高反应速率并形成更集中的产物允许早期的检测。而且，当与W微升规模进行 的传统的总体积反应相比，更大量的独立的测量(例如，数千到数百万)可W在样品上进行。 因此，可W更准确（即，相同测试的更多重复)并且更深度地（即，更大量的不同测试)分析样 品。此外，小的反应体积使用较少的试剂，从而降低了每次测试耗材的成本。此外，微流体技 术可W对用于液滴的生成、混合、培育、分离、分选、和检测的过程提供控制W实现可重复的 基于液滴的测量。
[0010] 含水液滴可W在油中悬浮W产生油包水乳液(W/0)。该乳液可W与表面活性剂一 起被稳定W在加热、冷却和运输期间减少或阻止液滴的聚合，从而使热循环能够进行。因 此，乳液已经被用来通过使用聚合酶链反应(PCR)在液滴中进行核酸目标序列的单拷贝扩 增。
[0011] 在乳液的液滴中的核酸目标的单拷贝的划分缓解了在较大样品体积的扩增中遇 到的问题。特别是，由于在每个液滴中的样品复杂性减小，液滴可W促进来自含有复杂异相 的核酸群体的样品的目标的更有效和均匀的扩增。在体积扩增中导致偏差的因素的影响， 例如扩增效率、G+C含量、和扩增子退火可W通过液滴划分被最小化。无偏差的扩增在稀有 品种，例如，病原体或癌细胞(其存在可能被复杂的临床样品中的高浓度背景品种遮蔽）的 检测中可能是关键的。
[0012] 虽然具有它们的吸引力，基于乳液的测定为高通量测试提出了技术挑战，该高通 量测试可能需要数十、数百、数千或甚至数百万独立的样品和样品/试剂组合。特别是，液滴 的生成提出了特殊的挑战。目前的液滴生成器需要保存从液滴生成的位置返回的样品的机 构，直到建立适当的压力环境并且将油引入到液滴生成位置。在过去，运一直主要通过将气 泡引入到样品线中来完成，运在含水样品的忍吸中可能需要数分钟的延迟。它也一直通过 将阀引入到微流体管道中来完成，运使制造和易于操作性两者复杂化。此外，目前的液滴生 成器在样品处理已经完成之后穿过所产生的液滴使空气冒泡，使空气冒泡是已知的损害液 滴的现象。因此，存在对生成液滴方法进行改进的需要。
[0013] 遮述
[0014] 开提供了微流体系统，其包括用于例如通过液滴生成来处理流体的方法和设 备。在一些实施方案中，该系统可W包括槽和附接到槽的通道部件。通道部件可W包括(a) 主体，（b)从主体的底面突出并具有布置在输入槽中的开放的下端的输入管Γ流体收集管 (fluid pickup)")，（c)微通道，W及(d)穿过输入管和主体延伸并将槽连接至微通道的管 路。该系统可W构造成在槽中接收含有样品的流体并且低于管路的上端保持含有样品的流 体直至形成从槽经由管路并且穿过微通道驱动含有样品的流体的至少一部分的压差。
[00巧]附图简述
[0016] 图1是根据本公开的方面的用于流体处理的和包括微流体装置的示例性的微流体 系统的选定的方面的示意性截面图，该微流体装置具有突出到输入槽中的输入管，其中输 入管与由输入槽保持的流体样品接触且与布置在输入槽之上的微通道连通，并且其中在重 力的协助下流体样品保存在槽中。
[0017] 图2是根据本公开的方面的图1的微流体系统的选定的方面的另一个示意性截面 图，其在压差通过将真空施加到微流体装置而已经形成W把流体样品经由输入槽从输入槽 驱动到输出槽之后被绘出。
[0018] 图2A是根据本公开的方面的图1的微流体系统的不同变型的选定的方面的示意性 截面图，其如同图1中一样被绘出并且具有形成在通道部件的盖子的底面中的一个或多个 微通道。
[0019] 图2B是根据本公开的方面的图1的微流体系统的另一个变型的选定的方面的示意 性截面图，其如同在图1中一样被绘出并且具有带有两层盖子的通道部件。
[0020] 图3是根据本公开的方面的图1的微流体装置的示例性实施方案的部分分解图，该 示例性实施方案构造为液滴生成装置，该液滴生成装置具有乳液制备单元的阵列并且包括 附接至槽部件并且覆盖在槽部件之上的通道部件，其中通道部件包括由盖子覆盖的基部， 并且其中盖子从基部被分解。
[0021] 图4是图3的装置的大致沿着图3的线4-4截取的分解的截面图，其不存在盖子并且 示出了该装置的单个的乳液生产单元。
[0022] 图5是图3的装置的通道部件的基部的不完全的俯视图，其围绕图4的单个的乳液 生产单元绘出。
[0023] 图6是图3的装置的通道部件的基部的不完全的仰视图，其如同图5-样被绘出，除 了从相反方向之外。
[0024] 图7是图3的装置的槽部件的基部的不完全截面图，其大致沿着图5的线7-7穿过单 个的乳液生产单元被绘出。
[0025] 图8是图3的装置的槽部件和基部的另一个不完全截面图，其大致沿着图5的线8-8 穿过单个的乳液生产单元被绘出。
[0026] 图9,其在单独的页面上表现为图9A和图9B，是根据本公开的方面的流程图，该流 程图图示了可W在使用图3的装置生成液滴的方法中执行的示例性步骤，其中设备的不完 全的部分在执行每步骤之前和之后W横截面被示出。
[0027] 图10是根据本公开的方面的图1的微流体装置的另一个示例性实施方式的等距视 图，该示例性实施方案构造为液滴生成装置，该液滴生成装置具有乳液生产单元的阵列并 且包括附接到槽部件并覆盖在槽部件之上的通道部件。
[0028] 图11是图10的微流体装置的分解的等距视图。
[0029] 图12是图10的装置的槽部件的俯视图。
[0030] 图13是图10的装置的通道部件的基部的俯视图，其在不存在通道部件的盖子的情 况下被绘出。
[0031] 图14是图10的装置的单个的乳液生产单元的不完全的俯视图，其大致在不存在盖 子的情况下围绕在图13中W "14"标示的区域被绘出。
[0032] 图15是图10的装置的通道部件的不完全的截面图，其大致沿着图14的线15-15(但 是使用镜像对称)穿过载体歧管和从载体歧管延伸到一对乳液生产单元的一对载体通道被 绘出。
[0033] 图16根据本公开的方面的连接至载体流体的源的图10的装置的通道部件的不完 全的截面图，其大致沿着图14的线16-16穿过装置的载体端口被绘出并且图示了用于载体 流体的流动进入到装置的通道网络中而不穿过通道部件的底侧的路径。
[0034] 图17是图10的装置的单个的乳液生产单元的截面图，其大致在不存在盖子的情况 下沿着图14的线17-17被绘出。
[0035] 图18是图10的装置的单个的乳液生产单元的另一个截面图，其大致在不存在盖子 的情况下沿着图14的线18-18被绘出。
[0036] 图19是根据本公开的方面的用于图10的装置内驱动流体流动来生成液滴的示例 性仪器的示意图，其在该仪器保持图10的装置但还没有流体连接到装置的情况下，并且在 正面观察装置情况下被绘出。
[0037] 图20是图19的仪器的头的仰视图，其大致沿着图19的线20-20被绘出。
[0038] 图21是图19的仪器的另一个示例性头的仰视图，其如同在图20中一样被绘出。
[0039] 详细描述
[0040] 本公开提供了的微流体系统，其包括用于，例如通过液滴生成处理流体的方法和 设备。在一些实施方案中，该系统可W包括槽和附接至该槽的通道部件。通道部件可W包括 (a)主体，（b)输入管Γ流体收集管"），其从主体的底面突出并具有布置在输入槽中的开放 的下端，（C)微通道，W及(d)管路，其穿过输入管和主体延伸并将槽连接至微通道。该系统 可w构造成在槽中接收含有样品的流体并且低于管路的上端保持含有样品的流体，直至产 生从槽经由管路并且穿过微通道驱动含有样品的流体的至少一部分的压差。
[0041] 本公开提供了包括方法和设备的系统，该系统用于生成适合于基于液滴的测定的 液滴。该系统可W包括(A)通道部件(例如，液滴生成部件），其用于形成液滴，（B)槽部件，其 用于在液滴生成之前容纳样品并且在液滴生成之后容纳所生成的含有样品的液滴，W及 (C)输入管及，可选地输出管），其可操作地布置在通道部件和槽部件之间，W用于在液 滴生成之前将样品引入到通道部件中及，可选地，在进一步处理和/或分析的可选预期 中，在液滴生成之后用于将生成的液滴沉积回槽部件的相应的槽中）。进入系统中的流体的 流动、在系统内的流体的流动，和从系统流出的流体的流动可W通过形成压差，例如，通过 施加合适的真空来控制。
[0042] 该系统可W包括单件式装置（即，装置可W是一体的或整体的)或由两件或多件形 成的装置(例如，装置可W是模块化的）。在后一种情况下，装置的部件可W通过任何合适的 途径例如，扣合或粘附来结合W形成完整的装置。在使用中，通道部件可W定位在槽部件之 上和/或上方，其中收集管布置在中间。含有样品的流体(可互换地称为"样品"、"样品流体" 或"流体样品"）、载体流体和乳液然后可W在相应的槽中至少部分地通过重力被保存。此 夕h含有样品的流体及，可选地为载体流体)然后可W克服重力从样品槽及，可选地 为载体流体槽)穿过一个或多个输入管被抽起、处理W在通道部件中形成液滴，并且然后穿 过输出管在重力的方向上且在重力的可能的协助下向下沉积回到乳液槽中。该系统可W是 全部或部分地是一次性的(尤其是系统的接触样品并且因此将使随后的样品受到污染的部 分)。
[0043] 构造成液滴生成部件的通道部件可W包括用于形成液滴的任何合适的机构。通 常，运将包括通过将含水的、含有样品的流体与载体流体例如油合并W形成悬浮在载体流 体中的含有样品的含水液滴的乳液来形成含有样品的液滴。通道可W设置成在液滴生成部 件内输送含有样品的流体和载体流体和含有样品的液滴。在一些实施方案中，液滴生成部 件可W至少大体上是平面的，其中液滴在布置在液滴生成"片状部件"中的大体上平面的通 道网络内生成。
[0044] 槽部件可W包括用于保持相应的流体和液滴的任何合适的储器的集合。用于样品 和乳液及可选地用于载体流体和/或真空进入的槽可W独立地是任何合适的尺寸和形状。 在给定的实施方案中的槽可W相对于彼此是相同或不同的尺寸和/或形状。例如，除了其它 的可能性外，用于载体流体和乳液的槽可W是最大的和最深的，用于样品的槽可W是最小 的和最浅的，W及用于真空进入的槽可W是中间的尺寸和深度。
[0045] 输入和输出（或收集和沉积(或传送(或沉积）））管可W包括在液滴生成部件和槽 部件之间的与上文描述的收集和沉积功能一致的任何合适的流体连接部。特别是，它们可 W在液滴生成部件中的通道和槽部件中的流体槽之间形成中空的流体连接部，该中空的流 体连接部充当流体收集管或"吸取管从某些槽获得流体和/或穿过通道将流体传送到其 它槽。运些管，像运些槽，可W独立地为是任何合适的尺寸（长度W及内径和外径）和形状。 此外，在给定的实施方案中，运些管相对于彼此可W是相同的或不同的尺寸和形状。可选 地，样品管和载体流体管可W构造成(例如，在纵向上依尺寸设置成）当系统在使用中时分 别地保持与样品和载体流体的持续接触。相比之下，液滴管或乳液管可W构造成一旦液滴 沉积在乳液槽中（例如，通过允许乳液从液滴管分离w滴入或落入乳液槽中），避免与液滴 接触。因此，如果载体流体槽和乳液槽是相同或类似的尺寸，那么相对于彼此，载体流体管 可W更长且乳液槽管可W更短。管可W具有充足的内径W减少或防止样品和载体流体朝向 液滴生成部件的通道网络的毛管运动。运些内径可W根据流体和根据管的构造(接触流体 的部分)而变化。各种管和液滴生成部件可W形成为整体的件或由结合在一起的单独的件 形成。
[0046] 该系统可W根据预期用途、预期的使用者等等W不同样式来预先构造。例如，系统 可W预先装载载体流体，使得使用者只需要添加样品和真空(或压力)源。系统可W包括可 刺破的盖子，该可刺破的盖子可W仅在引入样品之前或与引入样品同时被刺破W减少污 染。系统还可W，例如，在微型板的封装(footprint)上被复制W允许多个样品的同时处理 和/或单个样品的多个复制。
[0047] 系统可W提供优于当前系统的显著优势。例如，用于样品的输入管可W构造成允 许重力限制通道部件用样品来填充，从而克服毛细管作用，并通过保持样品远离通道部件 来减少或避免对气泡和/或阀的需要。可选地或另外，用于从通道部件输出所处理的流体 (例如，乳液）的输出管可W允许所处理的流体滴入到接收槽中，从而减少或阻止穿过所处 理的流体的空气气泡。系统的另外的特征可W减轻工作流程。首先，在通道部件中的开放的 通道可W穿过中屯、位置被供给，使得运些开放的通道可W在流体处理(例如，液滴生成)之 后通过称为"热烙"的烙融工艺被密封。其次，槽部件的槽可W，例如经由微通道，被流体地 连接W使用通道部件的可刺破盖子的单次刺破使槽两者的排放成为可能。第Ξ，真空管或 滴头(如果存在），即使有溢出，也可W降低真空接口将被污染的可能性。
[0048] 根据本公开的液滴生成系统可W是构造成测试样品中的目标(例如，目标分子或 目标序列）的存在的总体测定系统的一部分。运些总体系统可W包括方法和设备，该方法和 设备用于(A)制备用于分析的样品，例如临床的或环境的样品，（B)通过将样品分为每个都 不包括副本或包括一个或多个目标的副本(例如，核酸目标或其它感兴趣的分析物的单副 本)的液滴来分离目标的副本，（C)在液滴内扩增目标或W其它方式使目标反应，（D)检测所 扩增的或反应的目标或其特征，和/或化)分析产生的数据。W运种方式，复杂的样品可W转 化成多个简单的、更容易分析的样品，其中在背景时间和试验时间上随之减少。在上述根据 交叉引用列出的并且通过引用并入本文的专利文献中描述了示例性的系统(包括示例性的 液滴生成器）。
[0049] 根据本公开的流体处理系统的另外的特征W及示例性实施方案在下面的部分中 被描述:（I)用于流体处理的微流体系统的综述，和(II)实例。
[00加]I.用于流体处理的微流体系统
[0051] 本部分提供了微流体系统的综述，该微流体系统用于流体处理并且包括输入槽及 微通道，该微通道经由延伸到输入槽中的输入管与输入槽流体连通，见图1和图2。
[0052] 图1示出了用于流体处理的示例性微流体系统50的所选定的方面。该系统可W包 括保持流体并引导流体流动的微流体装置52,将流体引入到装置52和/或从装置52移除流 体的流体传输装置54, W及至少一个真空/压力源56,该至少一个真空/压力源56可W包括 用于在装置中驱动流体流动的至少一个累。
[0053] 装置52可W包括附接至或可附接至流体处理部分60的流体保持部分58。流体处理 部分，且尤其是流体处理部分的微流体区域，可w布置在流体处理部分上方，并可选地布置 在流体处理部分之上。
[0054] 流体保持部分58可W包括一个或多个储器62,该一个或多个储器62用于容纳一个 或多个流体，例如至少一个含有样品的流体64、载体流体(可可互换地称为载体）、包括布置 在载体中的含有样品的液滴(可互换地称为样品液滴）的乳液、或它们的任何组合W及其 它。每个流体可W包括液体或可W是液体并且可W在流体引入到流体处理部分之前和/或 之后和/或在流体从流体处理部分被接收之前和/或之后保持在流体保持部分中持续可变 的/所需的时间。
[0055] 流体保持部分可W包括至少一个槽部件66,该至少一个槽部件6