用于分析核酸的微流系统的制作方法

专利名称：用于分析核酸的微流系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及分析目标和非目标核酸的核酸混合物中核酸目标的方法，以及用于分析包括目标的核酸混合物中核酸目标的微流装置。
背景技术：
基因组排序和蛋白质体学的飞速进展推动了生物技术领域开发出更快速且更有效的用于分析生物样本中核酸的装置。相应地，生物技术领域已经朝着开发用于样本分析的小型微流装置的方向做了很大的努力，这种小型微流设备通常被称为芯片上的实验室。这种装置可对非常少量液体的样本进行分析，以供更为经济的试剂和样本的使用，并且在某些情况下能够大大加快化验速度。尤其是，这些装置为人体健康评估、基因筛查和病原体检测等作为在临床环境或现场快速实现的常规且成本相对较低的方法提供了未来的可行性。
不管微流的潜力如何，稀释的目标核酸的低量分析对微流装置提出了重要的技术问题。典型的核酸分析依赖于在最初样本处理时对全部核酸进行非选择性分离。这样，通常在所有分离的核酸存在的情况下，核酸目标可被选择性放大，以允许对放大的目标进行序列化验。然而，在很多情况下，在最初样本处理过程中目标以相对较稀的形式被分离，并且只代表整个分离的核酸中的一小部分。例如，每微升人体血液中的人体病原体的临床相关级别几乎小于一个微粒或有机体。此外，一低滴定率病原体或一单复制基因中的遗传感兴趣区可代表从哺乳动物样本中分离出来的整个DNA的百万分之一以下。
构成样本中一小部分分离核酸的稀释的目标可提出针对目标放大的两个问题。首先，因为目标较稀，需要一相对较大的容器来容纳流体，该流体体积足够大以包括可检测的目标分子数，例如，该容器的容量可达到百分之一微升或更多。结果，输入可检测目标分子数的需求迫使在放大之前需要额外的样本处理，或甚至排除使用某些类型的微流装置，尤其是那些在微升以下体积中放大和化验目标核酸的微流装置。相反，在大体积中的较稀样本无法利用微流装置的优点。其次，因为目标经常代表样本中全部分离核酸的一小部分，放大效率因存在过多非目标核酸而下降。例如，非目标核酸的负反应可降低目标放大率并消耗放大反应物，至少造成信噪比降低，甚至造成目标信号全部丢失。

发明内容
本发明提供一系统，该系统包括方法和装置，用于对核酸混合物中的核酸目标进行微流分析。系统包括在放大前从混合物中预选目标的方法。通过在目标选择接收器上保持目标，然后去除未保持的非目标核酸，预选使目标在混合物中的浓度增大。然后预选的目标可从浓缩混合物中被放大并被化验。同时公开了被构形为实现此方法的装置。


图1是一流程图，该流程图阐明用于分析核酸目标的示意性的方法，依据本发明的实施例，预选之后进行预选目标的放大。
图2是一流程图，该流程图阐明用于实施图1中流程图的预选部分的示意性的方法。
图3是从核酸混合物中预选核酸目标之前微流装置实施例的部分剖面图，示出了正引入预选容器的混合物。
图4是图3装置的部分剖面图，示出了正被电极吸引的混合物和通过与目标选择接收器结合而保持的目标。
图5是图3装置的部分剖面图，示出了正通过去除非保持核酸而浓缩的混合物。
图6是图3装置的部分剖面图，示出了正被释放的目标。
图7是微流系统的示意图，该微流系统具有集成的微流插件，该微流插件定位用于与示例性的控制设备接合，依据发明的实施例，该控制设备被构形为在样本处理和/或分析过程中供电并控制接合的插件的操作。
图8是一部分剖面图，示出了图7的插件和控制设备的选定部分。
图9是图7的插件和控制设备的示意图，阐明依据本发明的实施例的流体、样本、电流、数字信息和检测信号的运动。
图10是一流程图，依据本发明的实施例，该流程图阐明图7的插件和控制设备的操作的示意性方法。
图11是一更详细的图7和图9的插件的示意图，阐明实现图10的方法的流体网络。
图12是一示意图，该示意图强调样本装载过程中图11的插件的作用区。
图13是一示意图，该示意图强调进行样本处理以在过滤器组上分离核酸的过程中图11的插件的作用区。
图14是一示意图，该示意图强调从过滤器组释放核酸的过程中图11的插件的作用区以及所释放的核酸在插件的化验部分的浓度。
图15是一示意图，该示意图强调用放大反应物平衡浓缩的核酸以及传递到化验部分的放大容器的过程中图11的插件的作用区。
图16是一示意图，该示意图强调在选择性放大后传递核酸到化验部分的化验容器的过程中图11的插件的作用区。
图17是化验部分的平面图，该化验部分包括在图7和图11的插件中，依据本发明的实施例，该平面图是从插件外部观察所得，并示出了化验部分的所选部分。
图18是图17的化验部分的部分剖面图，依据本发明的实施例，该剖面图是大致沿图17中直线18-18观察所得，并显示附着于图7和图11的插件的流体处理部分。
图19-25是进行基底调节以产生图18所示化验部分的过程中基底的部分剖面图。
图26是一通道的示意图，依据本发明的实施例，该通道流体连接两个邻近基底表面形成的流体区，其中通道在一个表面上进入或退出基底，而无需与基底的相对表面连通。
图27-29是在进行基底调节以产生图26的通道的过程中基底的片断剖面图。
图30是图23的通道的一修改版本的部分剖面图。
图31是一混合容器的实施例的平面图，该混合容器可利用图27-29中阐明的基底调节的变化在化验部分形成。
图32是图18的所选部分的更为详细的视图，依据本发明的实施例，该视图阐明所选的薄膜层相对于化验容器和基底确定通道的布置。
具体实施例方式
为核酸的微流分析而设的系统包括方法和装置。系统用于从目标和非目标核酸的混合物中预选核酸目标。在预选过程中，目标至少部分地从非目标核酸中纯化出来，同时目标也可被浓缩。
预选的方法可包括下列步骤中的几种或全部。核的混合物可被引入微流容器中。在容器中混合物可附着在电极上，例如，电极可以为包含于在基底上形成的电子设备中的电极。附着的混合物中的目标分子被一个接收器(或几个接收器)选择性地结合，该接收器固定在邻近电极的位置，并且通常与电极相连。相反，非目标核酸几乎都保持非结合的状态。然后可通过去除非结合的核酸使混合物中目标的浓度增大，例如，尤其可通过大量流体流动或非保持核酸动电运动的方法来去除非结合的核酸。其后，可通过任何适当的物理、电学和/或化学的处理方法从接收器中释放浓缩混合物中的目标，以便进行进一步处理。
可对预选的目标进行放大，然后化验。可在相同的或不同的微流容器中进行放大。因为非目标核酸几乎都在预选时被去除，非目标核酸引起的负反应极少，所以放大可更有效地进行。此外，在某些实施例中使用不太严格的放大条件，例如，允许放大个别的目标种。在放大之后，直接化验放大的目标，或通过结合接收器进行化验。化验接收器可以和预选接收器相同，也可以不同。在任何情况下，化验接收器允许目标化验在与预选相同的或更严格的条件下执行，例如，通过改变电场强度、温度或化学的严格度来改变执行条件。在更严格的条件下，预选的目标可溶解为复数个相关但不同的种，例如，用以分析基因多态性。因此，在此说明的方法和装置可用稀的和/或复杂的样本提供更敏感和/或更准确的核酸分析。
在下列部分提供更多方面(I)核酸的预选辅助分析，(II)用集成的插件进行的微流分析，(III)微流系统，(IV)样本，和(V)化验。
核酸的预选辅助分析本节说明微流系统，该系统用于核酸的预选辅助分析。预选通过至少部分地去除非目标核酸使得核酸混合物中一种核酸目标(或几种核酸目标)的浓度增大。可进一步选择预选目标，也就是说，选择性地放大和化验，由于减少了来自于非目标核酸的干扰，放大和化验的效率会增大。本节的下面部分将说明预选辅助分析的示例性方法和装置。在II节中说明用于预选辅助分析的插件的实施例。
图1示出了用于核酸预选辅助分析的方法40的流程图。可使用目标选择接收器来预选核酸目标，如42所示。通过去除混合物中非目标核酸，预选使得在混合物中目标核酸相对于非目标核酸的浓度增加，这样至少部分地纯化目标核酸。此外，预选可减少携带目标的流体量，由此浓缩目标进行随后的选择性反应和/或化验，这种随后的选择性反应和/或化验被称为选择。例如，可对预选目标进行如44所示的选择性放大，以增加于目标相关的分子的整体数量。可使用任何在下面II至V节中所说明的反应物、方法和/或装置进行放大。然后对放大的目标进行化验，如46所示，例如，使用任何在下面II节或V节中所说明的化验程序进行化验。特别是，可通过将放大的目标与一设定位置的接收器或接收器组接触来选择性地化验放大的目标，例如，在一微流插件(见图11-17)的化验容器中。将放大的目标与接收器或接收器组结合，然后进行测量。
图2示出了用于预选核酸目标的方法42的流程图。方法42作为一个步骤包括在图1的方法40中。
包括核酸目标的核酸混合物可引入一微流容器中，如48所示。可通过在微流装置中预处理样本来产生混合物，以分离核酸，如II节中所说明，或者可在装置外进行预处理，例如通过自动或手动样本操作。适当的样本可包括任何一种IV节中说明的样本。可通过诸如机械驱动流动等的大量流体流动引入混合物。另外，可通过流体和/或核酸的动电运动引入混合物，如III节中所说明，或者通过任何其它适当的泵送机构引入混合物。
下一步，混合物可被电气地吸附在电极上，如50所示。电极可包括在电子设备中，该电子设备在基底上形成，电极可以为单电极，也可以为多电极。由例如电气耦合的控制设备(见III节的图7)进行的电子设备控制允许每个电极为电偏置的或无电偏置的。当电极为正偏置时，电极吸附从电极发出的电场中的负电荷核酸，由此在靠近电极处电气地浓缩混合物(和目标)。
然后通过结合到靠近电极放置的接收器来保持目标，如52所示。在此使用时，保持的目标相对于非目标核酸来说被保持，也就是说，通过结合接收器选择性地固定就位。目标与接收器结合的速度和效率与目标的浓度有关。相应地，将混合物吸附到电极的步骤可改善目标结合的速度和/或效率。
接收器放置在靠近电极的位置，并可与电极连接。可采用任何适当的连接方式，例如，通过在诸如凝胶等层中包含接收器，该层连接在电极上或与电极耦合。另外，或者此外，接收器被化学地接合在电极上或通过特定的结合成对相互作用连接，该特定的结合成对相互作用诸如连接在接收器上的生物素和连接在电极上的抗生物素蛋白(反之亦然)。其它适合连接接收器到电极的特定的结合对列在下面的表1或V节中。更广泛地说，在接收器和电极之间的连接表示任何预选过程中将接收器保持在邻近电极位置的连接关系。
接收器可为任何与相对于非目标核酸来说与目标发生特定(或选择性)反应的材料。示例性的接收器包括核酸，即天然的或合成的寡核苷酸、多核苷酸或与其相关的结构，诸如肽。这种核酸可被构型为特定地与目标配成碱基对。相应地，接收器可部分地或完全地为单链核酸，并至少与目标充分地互补。接收器的长度使选择性或特定的结合得以进行，例如，长度至少约为六、十、十五或二十个核苷酸的长度。接收器可具有任何适当的GC含量、长度和化学结构来在实现在保持步骤的条件下产生选择性的结合。接收器可为靠近电极放置的和/或与电极连接的单种或种的混合。混合可为诸如在一处或一处以上位置退化的核酸的相关混合，以保持一个或一个以上目标，该目标为多态的，诸如包括核苷酸多态性、尤其是单核苷酸多态性的目标。以替代方式或此外，混合可以是接收器种的非相关混合，该接收器种结合间隔的和/或非连接的目标序列。接收器的更多方面在下面II节和V节中说明。
除了选择一合适的接收器结构，也应通过改变发生目标保留的条件来调整结合的选择性(严格度)。可选择任何适当的条件，包括适当的温度、离子强度、溶剂成份和/或电场强度等等。可通过整个微流装置的环境温度控制或局部温度控制来调整温度。这种局部控制由诸如薄膜加热器和温度传感器的电子温度控制装置来确定。离子强度可在例如形成核酸混合物的过程中和/或由离子的动电运动来确定。同样地，溶剂成份，诸如有机溶剂(例如甲酰胺)的浓度可在形成混合物的过程中和/或由随后的水或有机溶剂稀释来确定。1)核酸双链分解为单链的温度，2)双链的长度，3)GC含量，4)离子强度和5)甲酰胺浓度之间的相互关系对本领域的普通技术人员来说是已知的，并可凭经验来确定。也可采用电子严格度来调整接收器-目标结合(和分解)，例如通过控制施加在电极上的电压和/或电流来调整。
在目标保留之后，通过去除非保持的核酸来增加混合物中目标的浓度，如54所示。因为目标由接收器选择性地保持，非目标核酸未按比例结合，所以未保持，也就是说，没有保持在位置上。相应地，非选择性地施加在核酸混合物上的力可选择性地移动非目标核酸。该力可为机械力，以移动含有核酸混合物的流体，例如，利用II节说明的微流插件的流体处理部分来移动流体。以替代方式或此外，该力可为电驱动流体和/或核酸运动，或者为任何其它适当的移动核酸和/或流体的力。浓缩的步骤也可包括用清洗液清洗目标，例如，来去除结合力较弱的和/或非特定结合的非目标核酸。
然后将预选的目标从与接收器结合的状态中释放出来，如56所示。可由任何促进目标与接收器分离的处理来确定释放。适当的处理可包括在容器中加热流体，例如，使用电子温度控制装置来加热。以替代方式或此外，这种处理可包括(但不局限于)改变离子强度、溶剂成份和/或电场强度(电子严格度)。
释放的目标可被选择性地放大和化验，如图1所示，并如II节所说明。可使用对目标有选择性的核酸引物实现选择性的放大。虽然一个或多个引物可与用于预选的接收器相一致，在某些实施例中，放大用的每个引物与预选用的接收器不同。相对于由于偶然互补而被接收器预选的非目标序列，这种独特的引物可改善选择性放大目标的能力。在某些实施例中，目标的选择性化验可由选择接收器和接收器-目标结合的条件来确定。化验放大的目标所用的接收器可与预选所用的接收器相同、有关或不同。例如，可通过使用与预选接收器有很少序列重叠或没有序列重叠的化验接收器来获得更大的选择能力。在某些情况下，预选接收器的选择性比化验接收器的选择性小。例如，与化验接收器相比，预选接收器可更退化、长度更短和/或在更不严格的结合条件下与目标接触。
图3-6示出了使用图2的方法42在微流装置62中不同的预选阶段过程中核酸混合物60的某些示意性的表达。
图3示出了正被引入装置62的预选容器64中的核酸混合物60。容器64可以是任何适当的流体室。在此，容器64是由在基底68上形成的电子设备66部分限定的微流容器。电子设备可被构型为感知和/或调节容器64中流体和/或核酸的性质。基底可以是半导体或绝缘体等材料。容器也可由连接在基底68和/或电子设备66的流体阻挡层70来部分限定。基底、电子设备、流体阻挡层和流体容器的更多方面在下面的II节和III节中说明。
混合物60包括一个或多个分子的核酸目标72，以及非目标核酸74。非目标核酸74可比目标72多得多，或至少多一千倍左右。可通过机械驱动流动的方式从装置62的其它部分接收混合物60，如76所示。混合物60可为单链，以允许结合一互补的单链式接收器78，该单链式接收器与电子设备66的一个电极(或多个电极)80连接。存在多个电极时，每个电极连接到不同的或相同的接收器(或同一个接收器的混合)。在混合物处理过程中的任何时间以及通过任何适当的双变性机制，混合物60可放弃单链形式。在示例性实施例中，通过使用包括在电子设备66的薄膜层82中的电子装置，可对混合物60在容器64中进行加热方法变性或电子方法变性。另外，可在装置62的其它任何适当部分或装置62的外部对混合物60进行化学方法、加热方法和/或电子方法变性。
图4示出了正被电极80吸附的核酸混合物60。电极80可为正电偏置，如84所示，由此产生电场，该电场在邻近电极80的位置浓缩混合物60，并且因此在靠近连接的接收器78之处浓缩混合物60。
图4同时示出了正通过结合到接收器78而被选择性保持的目标72。在此，接收器78是一单链寡核苷酸，该寡核苷酸与目标72选择性地结合为碱基对。相应地，接收器78和目标72形成一核酸双链86。如图所示，接收器78可比目标72短很多，例如，当接收器78由化学合成产生时。
图5示出了正通过去除未保持的非目标核酸74来增大目标72浓度的混合物60。可通过76所示的机械流体流动的方法或通过其它任何适当的流体运动机制和/或带电荷的分子进行去除。
图6示出了从接收器78中释放出来的预选的目标72。可通过任何适当的基于温度、化学和/或电子的机制来实现释放。预选至少部分地将目标72从非目标74中纯化出来。
纯化的目标可经过更多处理，包括在预选容器64中或装置62中以其它方式进行的放大和化验。例如，可移动纯化的目标到另一个容器进行放大，然后移回预选容器64进行化验。在此情况下，接收器78可用于目标的预选和化验，或者在容器64中的相同部分或不同部分设置一不同的接收器用于化验。在其它实施例中，纯化的目标可在预选容器64中放大，并在容器64中或一不同的容器中化验。
如II节所进行的更全面的说明，混合物60的体积可比预选容器64的体积大很多，这样方法42的一部分被循环执行。例如，可在混合物60的体积顺序容纳在容器64中时重复执行方法42的步骤48-54。可根据混合物72穿过预选容器64的流动来执行步骤48-54。
II.用集成的插件进行的微流分析提供包括方法和装置的系统用于核酸的微流分析。所述系统可包括一插件，该插件被构型为在输入口接收样本，用来预处理样本以分离核酸，并化验分离的核酸以得到一个或多个感兴趣的核酸(核酸种)。系统可用于预选、放大和化验目标，如I节所说明。插件的操作可由一控制设备控制，该控制设备与插件以电子、以及机械、光学和/或声学等任意方式连接。插件可包括不连续的部分或装置一用于对宏观或大体积流体进行操作的流体处理部分，和一流体连接的对微观或小体积流体进行操作的电子化验部分。这两部分执行不同的功能。流体处理部分具有容纳、输送、发送和/或接收样本和反应物的储存器，还包括一从样本中分离核酸或其它感兴趣分析物的预处理场所。一流体处理部分输送反应物和分离的核酸(或分析物)到电子化验部分，在此处对核酸进行的进一步处理和化验可以是全电子化的。
流体处理部分或装置可在宏观世界(和用户)与插件之间提供各种接口特性。例如，流体处理部分提供一流体接口或输入口来接收样本，和一电子接口用于以电子方式耦合到控制设备。流体处理部分还可提供一带有控制设备的机械接口，例如，机械地控制阀、泵、加压等等。以替代方式或此外，流体控制部分可提供一用户接口，以允许掌握和处理微流装置，以便方便地进行安装和从控制设备上拆卸。流体处理部分的外部区域的外壳既可提供机械接口，也可提供用户接口。
流体处理部分被构型为在流体处理部分和化验部分之间，以时间空间调节的方式按照方向储存和移动流体、反应物和/或样本。相应地，流体处理部分可包括反应物容器、废弃物容器和过渡容器/通路，该反应物容器用于保持样本预处理和/或处理时使用的流体，该废弃物容器用于接收来自于一个或两个部分的废弃流体和副产品，该过渡容器/通路用于流体连接样本输入场所和反应物及废弃物容器。过渡容器包括一用于预处理样本的场所以从样本中分离核酸。
流体处理部分在流体操作时有一初级受体破坏酶。流体处理部分可通过流体处理和化验部分利用机械驱动流体流动来移动反应物和样本。而且，此部分容纳流体的能力大于电子化验部分。相应地，可利用提供任何所需的分支和/或复杂的流体网络结构的过程和材料来产生流体处理部分。例如，基本上可使用注塑成型法或其它适当的方法用塑料来形成流体处理部分。而且，流体处理部分的流体网络可扩展为任何适当的三维结构，并通常不受要求的约束而沿平面限定流体网络。因此，流体处理部分可提供流体的灵活途径在流体网络之内的多个维度的替换通道间流过。在一些实施例中，流体处理部分可限定流体路径，该流体路径从一公共平面向外扩展超过两毫米。
化验部分或装置也被称为芯片部分，该部分流体连接到流体处理部分，并可固定地连接在流体处理部分上。化验部分与用户不能直接地流体接触，也就是说，化验部分从流体处理部分而通常不直接从外界环境接收样本或反应物。
化验部分被构型为包括电子电路，也称为电子设备，该化验部分包括半导体装置(晶体管、二极管等等)和薄膜装置(薄膜电阻、导线、钝化层等等)。这种电子装置在化验部分的基础层或基底上形成。在此使用时，术语在基底上“形成”意味着半导体装置和薄膜装置在基底上和/或基底之中建立。适当的基底通常为平面，并可包括半导体(诸如硅或砷化镓)或绝缘体(诸如玻璃、陶瓷或氧化铝)。在基底为半导体的情况下，半导体装置可直接在基底上形成，也就是说，在基底表面上和/或基底表面之下形成。在基底为绝缘体的情况下，基底上覆盖半导体层，例如，在平面控制板应用中所采用的那样。
基底在化验部分执行组织任务。基底可连接在流体阻挡层上，这样可限定至少一个与基底和电子电路结合的流体室。因为基底通常具有一平坦的或平直的表面，由基底和相关联的电子电路部分地限定的流体室和其它流体室的空间构形受到平坦基底几何结构的局限。电子电路，或其中的至少一个薄膜部分布置在基底表面上，并可操作地相对于流体室定位，用来提供处理流体室中核酸的电子装置。相反，基底的一相对表面可邻接流体处理部分。
化验部分与流体处理部分相比，其流体容量要小得多。在化验部分形成的处理容器可受到适当的基底几何结构的局限。因此，化验部分中容器至少有几个维度要比流体处理部分中流体容器的相应维度要小得多，化验部分中容器的体积小于50微升，优选地为小于10微升，甚至更优选地为小于1微升。相应地，通过使用可操作地连接电子设备，化验部分的处理容器可使用电子设备来处理样本，该样本的流体体积是这种容器静态流体容量的好几倍。例如，通过保持核酸，化验部分可浓缩来自于流体处理部分的以流体形式接收的核酸，但是允许大量流体返回流体处理部分。因此，插件的不同部分可协作执行不同的流体操作和样本处理步骤。而且，下面说明的插件和方法的方面可用在IV节中说明的任何样本上和/或用在利用V节中说明的任何化验上。
图7-9示出了微流系统110的一个实施例，该微流系统用于处理和分析样本，尤其是含有核酸的样本。图7和8分别示出了系统的立体图和剖面图。图9是系统110的图示，阐明了系统所选的方面。系统110包括一控制设备112和一集成插件114，该插件114被构型为电气地连接到控制设备112。在图7和8中示出，插件114被对齐并定位成被控制设备容纳，并因此直接安装在控制设备之内。在此使用时，术语“插件”说明了一个设计成安装在更大的控制设备中的小模块单元。在此使用时，术语“安装在”显示该插件已经适当地与控制设备配合，通常至少部分地将插件插入到控制设备中。相应地，控制设备112可包括一凹槽116，该凹槽116配合地容纳插件114，例如，通过一电气接口连接，该电气接口经由插件114上的电气接触垫118之间的接触形成，并与定位于凹槽116(见图8)内的接触点结构120相对应。或者，控制设备112可与插件114以电气方式连接，可通过导电方式、电容方式和/或以感应方式使用任何其它适当的结构。控制设备112可具有任何适当的尺寸，例如，足够小以便能握持在手中，或足够大以便能在工作台上或地上使用。
控制设备112被构型为发送和接收控制信号到插件114，以在插件114中控制处理。在一些实施例中，插件114包括检测电子设备。使用这种电子设备，控制设备接收来自于插件114的信号，控制设备112利用该信号来确定化验结果。控制设备可监测和控制插件内的条件(诸如温度、流速、压力等等)，既可通过在插件内与电子装置的电气连接实现，和/或通过与插件接触的传感器完成。以替代方式或此外，控制设备112可从插件(见下文)上的信息存储装置读取信息，从而确定插件的信息，诸如插件中包含的反应物、由插件进行的化验、可接受的样本体积或类型，等等。相应地，控制设备112通常提供某些或全部III节中说明的输入和输出线，这些线包括供电/接地线、数据输入线、点火脉冲线、数据输出线和/或时钟线，等等。
控制设备112可参与化验数据的最终处理，或者可传递化验数据到其它装置。控制设备112可解释结果，诸如多数据点的分析(例如，从检验核酸的结合到接收器组(见下文))，和/或数据的数学和/或统计学分析。以替代方式或此外，控制设备112可传递化验数据到其它装置，诸如一浓缩的实体。相应地，控制设备112可在传递之前对化验数据进行编码。
控制设备112包括一处理数字信息的控制器122(见图9)。控制器通常发送和接收电信号来协调控制设备112和插件114执行的电气的、机械的和/或光学的行为，如124、126和128中双向箭头所示。
控制设备112可通过用户接口130与用户通讯，如图9中126所示。用户接口可包括键盘132(见图7)、屏幕134、按钮板、触感衰减器、鼠标，等等。用户接口通常允许用户输入和输出数据。例如，输入的数据可用于告知样本处理的开始、停止样本处理、输入各种处理参数值(诸如时间、温度、所要执行的化验，等等)，等等。输出的数据，诸如处理阶段、插件参数、测量结果等，可显示在屏幕134上，并发送到打印装置(未示出)，存储在板载存储器上，和/或发送到其它诸如个人计算机等的数字装置上。
控制设备112还可包括一个或多个与插件114连接的光学的、机械的和/或流体接口(见图8和9)。光学接口136可发送光到插件114上，也可接收来自于插件114的光。当插件与控制设备112接合时(见图8及下面的讨论)，光学接口136可与插件114的一个光学上透明的区域138对齐。相应地，光学接口136可充当检测机制，其具有一个或多个发射器和检测器来接收来自于插件的光学信息。这种光学信息可涉及化验结果，该化验结果是在插件内通过处理而得出的。以替代方式或此外，光学接口136可包含在样本处理的很多方面中，例如，提供光催化化学反应用的光源、样本分裂、样本加热，等等。在任何情况下，光学接口136的操作受控制器122的控制，相应测量由控制器122接收，如图9中124所示，因此允许对来自于光学接口136的测量进行电子处理和存储。控制设备112可包括一个或多个以电子方式控制的机械接口(未示出)，例如，提供或调节插件的压力。示例性的控制设备112的机械接口可包括一个或多个阀致动器、控制阀致动器的阀调整器、注射泵、近距离声波定位器和/或气动压力源，等等。在一些实施例中，控制设备可包括一个或多个流体接口，该流体接口将控制设备与插件流体连接起来。例如，控制设备可包括流体储存器，该流体储存器存储并输送流体到插件中。然而，在此显示的控制设备112未被构形用来流体连接到插件114。在此实施例中，插件114在操作过程中是一封闭的或单独的流体系统，也就是说，在接收样本之后未充分注入或清除流体的流体网络。微流系统中的光学检测，以及机械和流体接口的更多方面在下面III节中说明。
插件114可被适当构形和设计尺寸。在一些实施例中，插件114是一次性的，也就是说，为分析一个样本或一套样本(通常为并行的)的一次性使用而设计的。插件114的尺寸可由所执行的化验、所操作的流体体积、插件的非流体体积等等来规定。然而，插件114通常足够小，以至于能够被轻易握持并用单手操作(或更小)。
插件114通常包括至少两个在结构上和功能上截然不同的部分一流体处理部分142和一化验(或芯片)部分144。流体处理部分可包括外壳145，该外壳形成一与控制设备连接的外界机械接口，例如，用于操作阀和泵。外壳可限定内部流体室的结构。外壳145还充分地受到插件外部结构的限制，并因此提供一用户处理用的握持表面。化验部分144可固定连接在流体处理部分142上，例如，在流体处理部分142的外表面或内表面上。当以光学方式测量结果，例如，用光学接口136测量结果时，化验部分144的外部连接是适合的。当以电气方式测量结果时，或当流体处理部分142为光学透明时，内部连接和/或外部连接都是适合的。化验部分144通常还流体连接到流体处理部分142，如下文所说明，用以允许流体在这两个部分之间进行交换。
因此流体处理部分142可被构型为接收来自于插件外部的流体、存储流体、并输送流体到流体处理部分142和化验部分144中的流体室，例如，通过机械驱动流体流动来实现。相应地，流体处理部分可限定一流体网络146，其流体容量(体积)比化验部分144的相应流体网络148(或流体空间)要大很多。每个流体网络可具有一个流体室，通常具有多个以流体连接的流体室，一般来说容器由流体管道连接。
流体处理部分142包括一样本输入区域或端口150。样本输入区域150通常可由外部进入，但在样本引入区域之后可将其密封起来。示出了插件114以包括一个样本输入区域150，但是流体处理部分142可包含任何适当数目的样本输入区域。
流体处理部分142还包括一个或多个反应物储存器(或流体存储容器)152，用于携带载体反应物(见图9)。每个反应物储存器152可从外部进入，以允许在流体处理部分制造出来之后装载反应物。另外，可在制造过程中将反应物装载到一部分或全部反应物储存器152中。载体反应物通常包括任何与样本处理、分析和/或插件114的一般操作有关的流体溶液或混合物。
流体处理部分142还可包括一个或多个额外的容器，诸如预处理容器154和/或废弃物容器156。预处理容器154和废弃物容器156只能从内部进入，例如，通过样本输入区域150和/或反应物储存器152，或者一个或多个容器可由用户从外部接触到。预处理容器是流体通路，通常与流体流动协同，该流体通路被构型为调节样本成份。例如，这种通路可将分析物(诸如核酸)与输入的样本分离，也就是说，至少部分地将分析物从废弃材料或样本的废弃物部分中分离出来，如下文所说明。流体处理部分的更多方面在III节中说明。
在一优选实施例中，除样本输入150以外，流体处理部分142以及事实上插件114的全部流体室被密封，以防止顾客接触。这个密封可帮助避免潜在的反应物污染，以保证安全和/或避免流体在流体处理部分142的损失。一些反应物，和/或预处理和/或额外处理产生的处理副产品可具有毒性，如果反应物或副产品泄漏和/或与用户接触，则对用户有危险。而且，一些反应物非常昂贵，因此在插件114中供应量最小。因此，插件114的优选实施例是一整体的、密封的、一次性的插件，仅有与样本输入150连接的流体接口、一电接口118和可选的机械、光学和/或声学接口。
化验部分144被构形用于在流体处理部分142中核酸分离之后在流体网络148中进一步处理核酸。相应地，化验部分144依赖于电子设备或电子电路158，该电子电路158可包括薄膜电子装置以帮助进行核酸的受控处理，该核酸来自于流体处理部分142。相反，化验部分144的大量流体流动可由流体的机械驱动流动来调整，该流体来自于流体处理部分142，经过化验部分144，并返回部分142。
化验部分的电子电路158可包括薄膜电子装置以调节和/或感知流体和/或分析物的性质。这种薄膜装置的示例性作用可包括浓缩和/或预选分离的核酸，移动核酸到不同反应容器和/或化验区域，控制反应条件(诸如再放大、与接收器杂交、双链核酸变性等)，等等(同时见III节)。薄膜装置可操作地连接到流体网络148的任何区域。可操作的连接可包括与流体直接接触，例如，通过电极，或通过一个或多个绝缘薄膜层与流体隔开(见下文)。在各种情况下，可操作地放置的装置可邻近基底表面放置(见下文)。电子电路、薄膜层和基底的更多方面在本节和III节中说明。
通过电气地连接到控制设备112，化验部分144的电子电路158至少部分地受到控制。例如，如图9所示，控制器122可通过接触结构120与放置在插件114中流体处理部分142的接触垫118连接，如128所示。接着，接触垫118可与电子电路158电气地连接，如160所示。一个或多个额外的集成电路，或接口电路可电气地连接到接触垫118，接触垫118是连接到电路158的中间介质，例如，用于允许电路158具有更大的复杂性和/或用于最小化插件114上独立的接触垫(或区域)的数目。因此，接触垫单独或与接口电路结合来形成互连电路，当插件安装在控制设备上时互连电路电气地连接电子设备到控制器。接触垫还可连接到插件114容纳的电子信息存储装置162，例如，如所示在流体处理部分142中。信息存储装置可存储与插件有关的信息，诸如流体网络配置、储存器容量、化验能力、化验参数等等。在优选实施例中，接触垫118或其它电气连接结构可布置在化验部分144上，而不是包含在流体处理部分142中，或者另外也包含在流体处理部分142中。
化验部分144通常被构型为在流体网络148中执行核酸处理，至少部分地通过电路158操作。在此，示出的流体网络148包括三个功能区浓缩器164、放大容器166和化验容器168。如下文更详细的说明，三个功能区的每一个可包括电极，以利于核酸的保持和释放(并因此浓缩)和/或朝一小组电极的直接运动。浓缩器164和容器166、168可由不同的室/通路限定，例如，作为一组室，如所示出的那样。另外，这些功能区可部分地或全部地重叠，例如，一个容器提供全部功能区。
浓缩器164被构型为浓缩来自于预处理容器154的核酸。当允许流体从流体处理部分142流出、经过浓缩器、并返回流体处理部分142中废弃物容器156的过程中，浓缩器164的电极可电气地正向偏置。因此，浓缩器164可在多个分立的区域(见图11-17)流体连接到流体处理部分，允许浓缩器充当管道的作用。管道可允许输送一流体体积(在两个流体处理部分储存器之间)，该流体体积比浓缩器的流体容积大很多。此处理步骤去除流体，并可通过去除某些物质而部分地纯化核酸，这些物质被正向充电、未被充电或被微弱地负向充电，等等。
在一些实施例中，浓缩器164被构型为执行核酸预选(见I节)。这种预选可在一定体积中浓缩目标核酸，该一定体积足够小以在化验部分中薄膜电子装置的控制下执行诸如放大等额外处理。相应地，浓缩器164中的预选可帮助样本从流体处理部分的大体积过渡为化验部分中非常小的体积，这样目标核酸的电子处理就得以进行。
放大容器166可用于从浓缩的核酸中复制一个或多个目标核酸，利用放大反应来增加化验敏感性。一放大反应通常包括任何增加目标核酸分子总数(或包含在目标种之内的区域)的反应，通常造成目标核酸相对于整个核酸浓缩。复制DNA、从DNA转录RNA、和/或执行引物的模板导向结合的酶可调节放大反应。放大取决于所采用的方法和酶，可包括热循环(例如聚合酶链反应(PCR)或连接酶链反应(LCR))，或可为等温的(例如，链移位放大(SDA)或基于核酸序列的放大(NASBA))。采用这些方法中的任一个，容器166内的温度控制可由加热器确定，加热器诸如包含于电路158之内的薄膜加热器。核酸可在放大过程中标记，用以帮助检测，例如，通过结合标记的引物或核苷。引物或核苷酸可用染料、放射性同位素或特定结合构件来标记，如下文III节中所说明以及表1中所列出。另外，可在一单独的处理步骤中或在输入样本之前标记核酸(例如，通过末端转脱氧核苷酰酶、引物延长、亲和性反应物、核酸染料等等)。这种单独标记是适当的，例如，因为输入样本中的目标核酸量足够多而省略放大步骤时。
化验容器168可执行一处理步骤，该步骤根据特定的序列、长度和/或序列基序的存在来分离或区别核酸。在一些实施例中，化验容器包括一个或几个特定的核酸接收器。接收器可包括任何特定结合目标核酸的媒介。示例性接收器可包括单链核酸、肽核酸、抗体、化合物、聚合体，等等。接收器可布置为一组，通常固定在规定的位置上，所以目标核酸与一个接收器结合会在化验容器的规定位置上产生可检测的信号。相应地，当使用放大时，放大的核酸(目标)接触每个接收器来测试结合。一个接收器组可邻近电极布置，该电极在接收器组上以电气方式浓缩目标，如下文的进一步说明。在可选实施例中，化验容器可根据尺寸来分离目标核酸，例如，使用电泳法和/或色谱法。以替代方式或此外，化验容器可提供非固定的接收器，诸如分子信标探测器和/或可提供一个无需接收器的检测区域。
光学接口136可在化验部分144的任何适当位置测量样本的处理。例如，光学接口可包括分离的发射器-探测器对，该发射器-探测器对用于监测放大容器166中核酸的放大，并用于在处理之后监测化验容器168中放大的核酸的结合和/或位置，如上文所说明。以替代方式或此外，光学接口可监测经过芯片流体网络148的流体运动。
图9示出了在样本处理过程中，经过流体网络146和148的流体运动的示例性方向(反应物和/或样本)，用粗箭头表示方向，如170所示。通常，流体从反应物储存器152中流出，通过样本输入区域150和预处理容器154，到达废弃物容器156和化验部分144(见下文)。从流体处理部分142进入化验部分144的流体可流回到废弃物容器156，或者可移动到化验部分的其它流体室中。
图10示出了一流程图，该流程图阐明用控制设备112操作插件114来分析样本中目标核酸的一个示例性方法180。首先，样本可在插件114的样本输入区域150引入(装载)，例如，通过注射方式引入，如182所示。其次，带有样本的插件可以电气方式连接到控制设备112，如184所示，例如，通过将插件与凹槽116结合，用于导电接触。如186中所表示的，这种装载和连接可倒序执行，也就是说，可在插件与控制设备连接后再将样本引入。那么插件可被启动来开始处理过程，如188中所示。可通过经由用户接口130的用户输入、通过连接插件到控制设备、通过引入样本等等来启动插件。在启动之后，预处理样本，如190中所示。预处理通常移动样本到预处理容器154，并且在需要时使样本释放和分离核酸，如下文的进一步说明。分离的核酸一般来说通过以机械方式驱动流动的方法被移动到化验部分144中的浓缩器164，并被浓缩，如192中所示，如果需要，可使用以感兴趣核酸为目标的引物对浓缩的核酸进行选择性放大，如194中所示。再次，放大的核酸可被化验，例如，通过将一接收器或接收器组与放大的核酸接触，如196中所示。那么可以光学和/或电气的方式来检测化验结果，如198中所示。
图11示出了由交互流体网络146、148在插件114的流体处理部分142和化验部分144分别形成的一示例性的整套流体网络202的更为详细的表示。容器表示为矩形，或用圆形表示。互连容器的通道204由平行线表示。如所示出的，通道204将流体处理部分142与化验部分144以流体连接在位置上，在连接位置处通道穿过两个部分之间的一个接口205。阀206由实心的“蝴蝶结” (关闭的阀)或空心的蝴蝶结(打开的阀，见下文)表示。通常以电气方式启动阀，并因此以电气方式连接(未示出)到控制设备112。以替代方式或此外，可由控制设备112上的以电气方式启动的阀致动器/调整器来机械地控制阀。示例性的阀包括电磁阀和单用途阀。在通道终点由扁矩形来表示气体选择出口208(例如，见化验容器168上的出口)。适当的阀和出口在III节中进一步说明。
图11示出了准备接收样本并启动的插件。相应地，已经在插件的反应物储存器152中预装了反应物，如所示通过点划来表示流体。预装的反应物储存器152可携带具有适当pH值、缓冲能力、离子强度、溶剂成份等的清洗液210、212。一个或多个储存器152还可携带一溶解反应物214，例如，该溶解反应物214可包括chaotropic剂、高或低离子强度缓冲器、一个或多个离子或非离子清洁剂、有机溶剂等等。而且，一个或多个储存器152可包括放大混合，诸如PCR混合216或任何其它包括一个或多个放大反应物的混合物。一般而言，任何选择与感兴趣核酸杂交的核酸都可作为放大反应物。
PCR混合216通常包括一适当的缓冲器、Mg+2、用于对目标核酸进行选择性放大的特定引物、dNTPs、热稳定聚合酶等等。一个或多个引物和/或dNTPs可被标记，例如，用染料或生物素进行标记，如上文所说明。以由插件实现的放大方法为基础，可用其它任何适当的放大混合物来代替PCR混合216。而且，为了分析RNA，PCR混合可包括一逆转录酶。另外，利用RNA作为模板，一单独的储存器可提供反应物来实现互补DNA的合成，通常在放大之前实现该互补DNA的合成。
反应物储存器152可被构型为在以机械方式驱动流动的基础上输送流体。例如，反应物储存器152可被构造为可收缩的带子，一弹簧或其它弹性结构可在每个带子上施加一正压力。另外，可用气体对反应物储存器152加压。无论加压的机制如何，可操作阀206来选择性地控制反应物从每个储存器的输送。III节说明了另外的产生机械地驱动流体流动的示例性机制。
插件114包括用于实现各种功能的内部容器。内部容器包括废弃物容器156，在此例中，两个废弃物容器表示为A和B。废弃物容器156接收来自于反应物储存器152(和来自于样本输入150)的流体，并因此可包括出口208来允许气体从废弃物容器中排出。内部容器(通道)可包括一样本容器218、一过滤器组220和芯片容器164、166、168。样本容器218和过滤器组220被构型为分别接收和预处理样本，如下文的进一步说明的那样。化验容器168可通过一调整的出口222来排气，调节的出口222即是控制出口208的阀206。一些或全部的内部容器和/或通道204可由适当的流体预先填装，例如，作为插件制造的一部分。特别是，化验部分144的容器/通道可被填装。相应地，一些容器和/或通道可在插件启动之前处于未填装的状态。
图12示出了样本装载过程中插件114中流体运动的活动区域。在此，以及在图13-16中，加重的点划表示活动区域，而轻的点划表示插件中其余部分的储存器中的反应物或废弃物。样本，诸如基于液体的样本，被装载在样本输入区域150，并由样本容器218接收，通常样本要经过一在224处表示的通道。装载的样本的体积在此受到样本容器218的出口208和样本容器218的容积的限制。一旦样本容器218被填满，出口208可提供一限制引入额外样本的反压力。以替代方式或此外，一电气的或光学的流体传感器(未示出)可放置在样本容器218之内或周围，用以在达到样本容积时发出信号。样本容器218下游的阀226可阻止样本在此时流到过滤器组220，或者样本可直接从样本输入区域150装载到过滤器组上，例如，通过经由废弃物容器A排出来完成装载。
样本可为任何适当的形式，例如，任何在IV节中说明的样本。然而，在此说明的插件的实施例被构型为分析核酸227，这样样本通常含有核酸，即DNA和/或RNA，或疑似携带核酸。核酸227可在组织或生物粒子中携带、可为从该组织或生物粒子中提取的提取物、和/或可被部分地或全部纯化。细胞228、病毒和细胞器官为示例性的生物粒子。装载的样本体积可为任何适当的体积，以样本有效性、小体积处理的容易性、样本中目标核酸的数量和/或插件的容积等为基础。
图13示出了在样本预处理的过程中插件114中流体运动的活动区域。可通过打开阀230、232、234，沿通路229引入溶解反应物214。因此，通常溶解反应物携带样本，该样本的核酸227从样本容器218到过滤器组220。多余的流体可运输到废弃物容器A。过滤器组通常被构型为执行核酸分离，也就是说，通过至少三个功能中任一或全部微粒过滤、从样本中释放核酸、和保持释放的核酸，至少部分地从样本废弃物质中分离。废弃物质在此定义为任何来源于样本但不符合感兴趣核酸的成份、复合体、聚合体、或微粒等等。示例性的废弃物质可包括细胞或病毒碎片、未破裂的细胞或病毒颗粒、细胞膜、细胞质成分、可溶性非核酸物质、不溶性非核酸物质、非感兴趣的核酸，等等。废弃物质还可以是来源于样本的流体，去除该流体可浓缩核酸。
过滤是过滤器执行的任何尺寸的选择过程，该过滤器机械地保持细胞、颗粒、碎片等等。相应地，过滤器组可使样本颗粒(细胞、病毒等)定位，用于进行分裂处理，并且还去除可能妨碍下游处理和/或插件流体网络202中流体流动的微粒。具有此第一个功能的适当的过滤器可包括小孔膜、纤维过滤器、狭窄通道等等。一个或多个过滤器可包含在过滤器组中。在一些实施例中，过滤器组包括一连串过滤器，在流体流动方向上一连串过滤器内的排斥限制递减。这种一连串的布置可减少过滤器被颗粒阻塞的发生率。
保持在过滤器组220上的样本可受到处理的影响，该处理从样本中未处理的和/或不易接近的形式中释放核酸。以替代方式或此外，可在样本保持在过滤器组上之前实施释放处理。处理可改变细胞表面、核和/或线粒体膜的完整性，和/或分解亚细胞结构等等。示例性的释放处理可包括压力改变(例如，声波或超声波/脉冲或由如同在压榨器中一样变狭窄的通道产生的压降)；温度变化(加热和/或冷却)；电气处理，诸如电压脉冲；化学处理，诸如清洁剂、chaotropic剂、有机溶剂、高或低盐等等；在流体室内的凸出(诸如刺突或陡沿)等等。在此，示出在从携带核酸的细胞228中释放出来后的核酸227核酸保持通常在过滤器的下游执行。核酸保持可由一可逆地结合核酸227的保持矩阵执行。具有此第二个功能的适当的保持矩阵可包括小球、颗粒和/或膜，等等。示例性的保持矩阵可包括被正向充电的树脂(离子交换树脂)、活性二氧化硅等等。一旦核酸227被保持，额外的溶解反应物或清洗液可流经被保持的核酸227，来清洗掉未保持的污染物。
图14示出了从过滤器组220释放核酸的过程中插件114内流体运动的作用区域，以及在化验部分144的浓缩容器164中浓缩释放的核酸227。流体从清洗液A中流出，如210中所示，流体沿流体通路236通过样本容器218和过滤器组220流到一单独的废弃物容器，废弃物容器B。为了促使流体沿通路236流动，阀230和234关闭，阀232保持开启状态，并且阀238和240打开。清洗液A可被构型为释放保持在过滤器组220上的核酸227(见图7)。相应地，配置清洗液A的基础是一机制，该机制是核酸227由过滤器组的保持矩阵来保持。释放保持的核酸的清洗液可改变pH值、离子强度和/或流体的介电常数，等等。示例性的清洗液可包括高的或低的pH值、高的或低的离子强度、有机溶剂，等等。预处理可提供第一阶段的样本中核酸的浓缩和纯化。
释放的核酸227可在浓缩容器164中进行进一步的浓缩(和纯化)。浓缩容器164通常在化验部分144中形成，并且包括一个电极或通常包括多个电极。至少一个电极在释放的核酸进入浓缩容器164之时或之前要电气地偏置(正向)。结果，流过浓缩容器164的核酸227可被吸引至正向偏置的电极上，或保持在该电极上。携带核酸227的大量流体和额外的清洗液A可被输送到废弃物容器B中。相应地，通过在浓缩容器164中保持，核酸227可被浓缩，并可被进一步纯化。这种核酸227的浓缩可允许化验部分144具有体积非常小的流体室，例如，处理发生的室，其流体容积小于一微升。电极结构、数量、布置和涂层的更多方面在下文说明。
在一些实施例中，浓缩容器164被构形为一预选容器，诸如图3-6的预选容器64。相应地，浓缩容器164可用来浓缩和加浓一预处理后的样本，使感兴趣核酸的浓度增加，这样预选的目标可被有效地进一步处理，如下文所说明。
图15示出了在传递浓缩的核酸到化验部分144的放大容器166的过程中插件114内流体运动的活动区域。如所示，通常流体从容器152流出，容纳PCR混合216，沿着流体通路242流到放大容器166。为使流体沿通路242流动，随着浓缩容器164中电极上保持的正向偏置消失，阀238和240关闭，并且阀244和出口阀222打开。PCR混合216可通过流体流动来携带核酸227。另外，将给放大容器166中的电极施加正向偏置(见下文)，用于以电泳方式传递核酸227到放大容器166，在放大容器166中已经预装了PCR混合216。在各种情况下，多余的流体从放大容器166流到化验容器168是受到限制的，例如，通过电气的或光学的传感器(未示出)监测连通通道246中的流体水平，并及时发信号关闭出口阀222。在一些实施例中，在移动核酸227到放大容器166之前，首先由PCR混合216对浓缩容器164进行均衡。例如，在取消浓缩容器164中保持的正向偏置和打开出口阀222之前，PCR混合216可通过一打开的阀240直接流到废弃物容器B。定位在放大容器166中的核酸227可被放大，例如，通过等温培养或热循环的方法，来选择性地增加核酸227中感兴趣核酸目标(或目标区域)247的量，或者，在某些情况下，可不对核酸进行放大。
图16示出了在传递放大的核酸247到化验部分144的化验容器168的过程中插件114内流体运动的活动区域。流体沿着流体通路248从容纳清洗液B的容器152流到化验容器168。可通过打开阀250和出口阀222来启动流体通路248。限制过量装填化验容器168，例如，通过出口阀222上的出口208，或者通过传感器监测流体位置并发出阀250关闭的信号，等等。如上文所说明，可通过流体流动和/或以电泳方式使用布置在化验容器168上的电极来传递核酸227和放大的目标核酸247(见下文)。在一些实施例中，首先通过关闭出口阀222和打开阀240、250，用清洗液B均衡放大容器166，因此清洗液B通过放大容器166、浓缩容器164被导入废弃物容器B。以替代方式或此外，可以电泳方式传递放大的核酸247到预装了化验溶液的化验容器168。
放大的目标核酸247(和分离的核酸227)可在化验容器168中化验。例如，化验容器168可包括一个或多个定位的接收器(一位置排列)，用于核酸鉴定和/或量化，如III节所说明。可通过邻近化验容器168定位的电极帮助进行放大的核酸247和接收器的杂交。电极可以顺序方式正向偏置，来引导放大的核酸到达组中的单独个体(或子群)。在以电泳方式移动放大的目标核酸247到组中的一些或全部位置，以允许特定的结合或杂交之后，可通过电泳方式和/或流体流动方式清除未结合或未杂交的核酸(在此未示出)。
图17和18示出了化验144的所选方面，分别为从插件114外部观察的俯视图和截面图。化验部分144包括一基底部分258。基底部分258至少部分地限定化验部分的流体室。基底部分可包括一基底260。基底部分还包括在基底上形成并邻近基底表面262布置的电子电路158和/或薄膜层。电路的薄膜电子装置和网络148的流体室都邻近基底公共平面布置，这样电子装置靠近流体网络区域布置，和/或与流体网络区域有流体接触。因此，薄膜装置可被构型为调节和/或感知流体网络148中流体(或样本/分析物)的性质。基底260的一个示例性材料是硅，通常为单晶硅。其它适当的基底材料和性质在III节中说明。
由基底部分258和流体阻挡层263在靠近表面262之处共同限定流体网络148或一个或多个流体室的流动连接的流体空间。流体空间可确定在基底部分和流体阻挡层之间容纳流体的流体容积。术语“共同限定”表示流体空间或其流体室基本(或完全地)布置在基底部分258和流体阻挡层263之间。流体阻挡层263可以是任何充分阻止流体从流体网络148或其流体室通过阻挡层流出装置的结构。充分阻止流体从插件流出表示流体的液滴、小滴或液流不通过流体阻挡层流出装置。相应地，流体阻挡层可不具有流体连接流体网络148到装置外部区域的开口。流体阻挡层还可流体密封由流体阻挡层和基底部分之间的接合处限定的周长，用以充分阻止流体在接合处从插件中流出。通常，流体阻挡层还限制流体网络148产生的蒸发损失。
流体网络148的形成如下。基底260的表面262和/或电路158可限定一流体网络148的底壁264。可在表面262和底壁264上布置一具图案的通道层266来限定侧壁268。通道层266可由任何适当的材料制造，包括负性或正性光致抗蚀剂(诸如SU-8或PLP)、聚酰亚胺、干膜(诸如杜邦的Riston)、和/或玻璃，但不局限于上述材料。形成通道层266图案的方法可包括光刻法、微机械加工法、模塑法、冲压法、激光蚀刻法，等等。可在通道层266上布置一盖270，盖270与底264之间有一段空间，用于密封流体网络148上部区域，与电子电路158隔开(见图18)。盖270可以是与通道层266分离的部件，诸如与通道层266结合或或以其它方式连接在通道层266上的层，或者可与通道层266形成为一整体。在各种情况下，流体阻挡层263可包括一相对的壁271，该壁271是密封的，以防止流体运动以及流体从插件流出。当通过盖以光学方式检测化验时，盖270可以是透明的，例如，可以是玻璃或透明塑胶。另外，例如，当以电气方式检测化验时，盖270可以是不透光的。流体网络148可包括空间上独立的容器164、166、168，如上文所说明，用以实现独立处理，并且/或者可在一共享的流体室中实现独立处理。
至少电路158的一个薄膜部分可在基底260的表面262的上面形成，或者由表面262携带。电路通常包括至少部分地限定一个或多个电子电路的薄膜层。电路可包括在流体网络148中接触流体的电极272。电极和其它薄膜装置(见III节)可电气地连接到电接触垫274上(见图17)，这通常是通过在基底上形成的半导体电路(包括信号处理电路)实现，也就是说，半导体电路在表面262的上面和/或下面构造。指定数量的接触垫274可控制足够多的电极和/或其它薄膜装置。在优选实施例中，接触垫274被电气地连接到触点118上，诸如通过一柔性电路连接。
电极272可具有任何适当的成份、分布和涂层。电极272的适当的材料是导电材料，诸如金属、合金或金属衍生物。示例性电极材料包括金、铂、铜、铝、钛、钨、金属硅化物等等。电路158可包括沿流体网络148的底264的一个或几个区域上布置的电极。例如，如在此示出的，电极可排列为多个离散单元，可以是沿通道/容器的单列形式，如浓缩器164中的那样，和/或为二维阵列的形式，如容器166、168中的那样。以替代方式或此外，电极272可伸长，或者具有任何适当的形状或若干形状。每个电极272可在个体基础上电气地偏置，既可以正向也可以反向，这样核酸被电极吸附或排斥，或者电极也可不电气地偏置。在理想的核酸保持和/或定向运动的基础上，可由控制设备112和/或插件114来通过任何适当的空间调整和时间调整方式实现电气偏置。电极272可覆盖一层渗透层，用来允许流体和离子到达流体室接触电极，但可避免大分子(诸如核酸)直接接触电极。这种直接接触可在化学上对核酸有害。适当的电极涂层可包括水凝胶和/或溶胶凝胶等等，并可应用任何适当的方法，诸如喷镀、旋涂等方法实现。示例性的涂层材料可包括聚丙烯酰胺、琼脂糖和/或合成聚合体等等。
化验部分144流体连接到流体处理部分142。可采用任何适当的接口通道(或一单通道)来连接插件的流体网络146、148。这种流体连接可允许流体相对于一流体室传送，也就是说，从该流体室流入或流出。
流体网络146、148可以在空间上由基底260和/或流体阻挡层263分隔。当由基底260分隔时，接口通道可穿过基底260延伸，通常在基底260的表面262和相反的表面276之间，用来连接流体网络。接口通道可描述为供给结构，用于限定流体运动的通路。以替代方式或此外，一个或多个接口通道可围绕基底260的边缘278(图17)延伸，用于连接流体网络146(图11-16)。例如，接口通道可穿过通道层266和/或盖270延伸，但是其被密封以阻止流体从插件中大量泄漏。在可选实施例中，流体网络146、148可以在空间上由流体阻挡层263而非基底260来分隔，一些或所有接口通道再次穿过流体阻挡层263延伸，来流体连接到流体网络146。
在所描述的实施例中，接口通道，标记为280a到208e，穿过基底260在相反的基底表面之间延伸(见图16-18)。一接口通道280流体连接流体处理部分的任何流体室到流体网络148的流体室，通常是通过直接连接到流体管道或两个部分的容器。例如，一接口通道280可连接一反应物储存器152到化验部分144的一个容器(164-168)、可连接化验部分的容器到废弃物容器、可连接预处理容器220到化验部分的容器、可互相连接两个或多个化验部分的容器(未示出)、可直接连接样本输入区域150到化验部分的容器(还未示出)、和/或连接化验部分的容器到阀和/或出口(诸如阀出口222)，等等。化验部分的每个独立的室可直接连接到任何适当数量的接口通道280。在此，浓缩容器164具有三个接口通道，280a到280c，并且放大容器166和化验容器168每个具有一个接口通道，分别是280d和280e。
图18示出了接口通道280e是如何流体连接化验部分144到流体处理部分142的。接口通道280e被构型为沿着流体通路携带流体，从化验容器168到阀出口222(见图16)。接口通道可携带流体到流体处理部分142的一个通道(或几个通道)204。每个通道204可通过流体支管284连接到接口通道280，该流体支管284引导流体到流体处理部分142的一个或几个通道204，并到化验部分144的一个或几个流体室。相应地，化验部分144可固定连接到流体支管284，例如，通过使用粘合剂286连接。
接口通道的直径随其长度而变化(通常沿与流体方向平行的方向测量)。例如，接口通道280e在通道末端区域的相邻的基底260的表面262处的直径可小于基底260限定的中间区域，形成一传送流体的开口288。开口通过引导流体进入和/或流出流体室来传送流体。开口288通常与一流体室毗连。流体室至少部分地由流体阻挡层限定，并且被构形以至于流体无法从流体室处流出微流装置，也就是说，通过流体阻挡层直接流出。流体室可由基底部分和流体阻挡层共同限定。开口可包括一周边区域，该周边区域形成一悬垂物(或隔板)292，在此处薄膜层290不能接触到基底260。开口288可具有任何适当的直径，或者约为1微米到100微米的直径。与接口通道的仅由基底限定的区域相比，开口或孔可提供更受限制的流体流动。开口288可由形成于一个或多个薄膜层290上的开口限定，该薄膜层形成于基底260的表面262上。薄膜层290通常较薄，也就是说，比基底260的厚度小得多，并且薄膜层具有如III节中所说明的厚度和/或功能孔。
图19-25示出了采用构造化验部分的一示例性方法分步形成接口通道280e、开口288和化验容器168在化验部分144中的过程。适当的薄膜沉积和图案形成步骤在Weber等人的美国专利号为6,000,787的专利和Kawamura等人的美国专利号为6,336,714的专利中说明，该专利同为本申请人所拥有，并且通过引用收编在此。这里，图案形成通常指薄膜层区域在光下选择性曝光之后，薄膜层按图案沉积的过程。
图19示出了化验部分用的适当的原材料一个具有两个相反表面262、276的充分平坦的基底260。在此说明的方法可由硅基底实现，该硅基底较薄，例如，其厚度约为0.1到2毫米，或者0.2到1毫米。在添加薄膜层290的过程之中和/或之后，但通常在添加薄膜层290之前，可在表面262更改基底，用于包括形成三极管、场效应晶体管、双极器件和/或其它半导体电子器件(未示出)的n掺杂和p掺杂区域。
图20示出了在基底260的表面262上应用薄膜层290并形成图案之后的化验部分。薄膜层290可包括任何适合于形成和/或保护电路158的导电部分的薄膜。薄膜层290可由导电材料(例如，形成电极和装置之间的导电连接)、半导体材料(例如，用n掺杂和p掺杂材料形成三极管)和/或绝缘材料(例如，钝化层)组成。可通过传统方法应用薄膜层和形成图案。至少一个薄膜层290可被形成图案，用以限定开口288的周边294。
图21示出了未形成图案的通道层296已经布置在薄膜层和开口288上之后的化验部分。通道层296可以合适的厚度应用，通常其厚度约为1到200微米，更典型的是2到100微米，或者甚至为5到50微米。通道层296(和流体阻挡层)用的示例性材料在上文说明。
图22示出了在基底260的相反表面276加上蚀刻掩模298之后的化验部分。蚀刻掩模可作为一厚度合适的层来应用，并且在一固定区域(或若干区域)被选择性地去除，以确定开口300。开口300可具有任何适当的直径，但通常其直径大于开口288的直径。开口300可与开口288相对布置，这样开口300延伸到薄膜层290的投影在基底上形成一相应的通道或通孔301，该通道或通孔可包围开口288。
图23示出了接口通道280e的基底区域形成之后，并且去除蚀刻掩模298之后的化验部分。通常，基底260可在垂直方向上从表面276沿着孔300(见图22)限定的体积被蚀刻，来产生通道301。可采用任何适当的蚀刻工艺形成接口通道280e的基底部分。然而，通常采用深度反应的离子蚀刻(DRIE)。一个或多个薄膜层290可作为蚀刻的终点，这样就形成了悬垂区域292。在蚀刻之后，掩模可从相反表面276上剥离，或者留在表面上。
图24示出了未形成图案通道层296已被选择性地去除以形成有图案的通道层266之后的化验部分。可通过任何合适的方法来实现选择性去除，例如，光案化的层296之后进行光图案化的层的显影，或激光烧蚀。
图25示出了连接盖270之后，但在通过支管284在流体处理部分142上固定化验部分之前的化验部分144。盖270可通过任何适当的方法连接到流体阻挡层266，诸如通过粘合剂、加热和施加压力、阳极接合、声学焊接和/或传统方法。
图26示出了在化验部分304上形成的芯片内部通道302的图示。芯片内部通道302可从表面262通过开口288进入和离开基底260，而不延伸到相反表面276。因此，芯片内部通道302与在插件的部分142和144之间延伸的接口通道280不同。芯片内部通道302可用于在由基底部分258和流体阻挡层308共同限定的容器306之间传递流体。以替代方式或此外，芯片内部通道可用于混合流体(见下文)，以执行反应或化验等等。
图27-29示出了使用一示例性方法分步形成化验部分304中芯片内部通道302的过程。材料和程序大体上如上文对图18-25所做的说明那样。图27示出了在薄膜层290已经在基底260的表面262形成并形成多个开口288之后的制造阶段。图28示出了在开口288下对基底260进行各向异性蚀刻来形成基底凹槽或沟310之后的化验部分。另外，沟310可通过各向同性蚀刻来形成。在各种情况下，蚀刻剂可通过开口288进入基底260来底切薄膜层290，因此连接布置在每个开口288下面的本地凹槽312来形成沟310。相应地，通常开口288的间隔足够近，以允许凹槽312在蚀刻基底260的过程中流体连接起来。图29示出了使用流体阻挡层308形成容器306之后的化验部分304。在此，流体阻挡层308包括限定容器侧壁的通道层266和密封容器306顶部的盖270。由薄膜层290限定并用于形成沟310的一个或多个开口288可由通道层266封闭。例如，中央开口在此由通道层266密封，如314中所示。
图30示出了具有支管通道318的化验部分316。支管通道318是一个贯穿基底的通道，其流体连接薄的薄膜290上的两个或多个开口288。在此，开口288流体连接支管通道318到两个容器306。然而，支管318可流体连接到化验部分的流体网络中任何适当数目的室。支管通道318可用于从流体处理部分142接收流体，或将流体输送到流体处理部分142，例如，输送流体到一个或两个容器306，或接收来自于一个或两个容器306的流体。支管通道318还可用于在容器306之间引导流体，如图26所表示。在图28中形成沟310之后，形成支管通道318的一示例性方法跟随图21-25所概括的步骤。
图31示出了包括一混合容器332的化验部分330的一部分俯视图。混合容器332具有一与图28的沟310相似的沟334，该沟334在几个开口336(在此示出了六个入口和一个出口)处的薄膜层下面形成。通过几个入口通道338、340从化验部分330的流体网络向沟334供应，该入口通道携带流体沿着箭头表示的路径进入入口。每个通道可使用沿着沟的薄层的交替几何形状引导流体(通常为不同的流体)进入沟334，以允许来自于沟内几个通道的流体混合。混合的流体如342所示在出口336从沟334流出，以引导流体返回化验部分330的流体网络的出口通道344。在可选实施例中，任何适当数目的入口和开口通道可通过任何适当数目的开口336连接到混合容器332。
图32更详细地示出了化验部分144的所选部分，特别是薄膜层290。示例性的薄膜可包括一由基底260形成的场效氧化(FOX)层352和一布置在FOX层352上的磷硅酸盐玻璃(PSG)层354。FOX层352可提供一热阻挡层，用以热隔离发热效应。可从开口288向后拉PSG层354，如355中所示，用以避免流体接触PSG层，如果接触可能具有腐蚀效应。相应地，PSG层354限定一保护开口，保护开口的直径比流体接触开口288的直径大。薄膜还可包括一由任何适当的电阻材料形成的电阻层356，电阻材料诸如为铝化钽(TaAl)。电流从连接的导体流经电阻层356，该导体可由任何合适的导电材料形成，诸如铝或铝合金(未示出)。电阻层产生热量，热量通过FOX层352等与基底260隔绝。一个或多个钝化层358可覆盖这些薄膜。钝化层用的适当的材料可包括氮化硅(Si3N4)或碳化硅(SiC)等等。额外的电子电路部件，诸如电极、晶体管和二极管，在基底的表面之上和/或之下布置，在此未示出。
III.微流系统为样本操作和/或分析提供微流系统。微流系统通常包括用于接收、操作和分析小体积流体(液体和/或气体)中的样本的装置和方法。由一个或多个流体通道携带小体积流体，通常至少有一个通道的截面尺寸或深度在0.1到500微米之间，更典型的是，小于100微米或50微米。微流装置可具有任何适当的总流体容积。相应地，在微粒装置之内一个或多个区域的流体表现出具有扰动最小的层流，通常以低雷诺数为其特征。
可在微流装置内流体连接流体室。流体连接或流体耦合通常指在装置内存在用于在室之间进行流体连通的路径。路径可在所有时间保持打开状态，或者由开启和关闭的阀来控制(见下文)。
各种流体室可携带流体和/或保持流体在微流装置内，并且流体室被包围在装置内。携带流体的室是通道。通道可包括任何限定的路径或管道，用于在微流装置之内引导流体运动，诸如通道、处理容器、孔或表面(例如，亲水的、充电的等)，等等。为了输送到通路或从通路接收而保持流体的室称为容器或储存器。在很多情况下，容器和储存器也是通道，允许流体流经容器或储存器。微流装置内以流体连接的流体室形成了一个有分支或无分支的流体网络或流体空间。在此说明的微流装置可包括单一流体连接的流体网络，或几个单独的不连接的流体网络。带有几个单独的流体网络的装置可被构型为同时和/或顺序地接收和操作几个样本。
可大致将容器分为末端容器和中间容器。末端容器通常可在流体网络内部限定流体运动的一个起点或终点。这种容器可与外部环境连接，例如，在装置制造或准备过程中接收反应物，或者仅从微流装置内的流体通路接收流体。示例性末端容器可作为储存器，该储存器接收和/或存储处理的样本、反应物和/或废弃物。在样本分析之前或样本分析的过程中可装载流体到末端容器中。中间容器可在流体网络中处于中间位置，并因此可在样本分析过程中作为处理、反应、测量、混合等的通道。
微流装置可包括一个或多个泵，用以推和/或拉流体或流体组分穿过流体网络。每个泵可为机械驱动(压力调整)泵或动电泵，等等。机械驱动的泵可在正压下动作，来推动流体穿过网络。可由弹簧、加压气体(在系统内部或外部提供)、电机、注射泵、空气泵、蠕动泵等提供压力。以替代方式或此外，压力驱动的泵可在负压下动作，也就是说，将流体拉向压力降低的区域。动电的或电气驱动的泵可利用电场来促进流体和/或流体组分的流动，通过电泳、电渗和/或电毛细法等方法来实现。在一些实施例中，泵可以是通过微机械加工制造的微动泵，例如，具有压电动力运动的基于隔膜的泵，等等。
在此说明的微流装置中可包括阀。阀通常包括任何机制以调整流体穿过流体网络流动，并可以是双向阀、止回阀和/或出口阀等。例如，阀可用于阻止或允许流体通过一流体通道流动，也就是说，作为双态开关，和/或用于调节流体流动速率。相应地，阀的操作可选择一部分有效的流体网络、可分离流体网络的一个或多个部分和/或可选择所要执行的处理步骤，等等。因此，可定位和操作阀来从流体室输送流体、反应物和/或样本到流体网络的理想区域。适当的阀可包括可移动的隔膜或膜、可压缩或可移动的通道壁、球阀、滑动阀、辨阀、泡阀(bubble valve)和/或不混溶流体等等。可通过螺线管、电机、压力(见上文)、加热器等操作这些阀。
适当的阀可以是通过常规的制造方法在基底上(或基底内)和薄膜电子装置(见下文)一起形成的微阀。微阀可由静电力、压电力和/或热膨胀力等来致动，并可具有内部或外部致动器。例如，静电阀可包括多晶硅膜或聚酰亚胺悬臂，它可操作覆盖在基底上形成的洞。压电阀可包括对着阀致动器伸展的外部的(或内部的)压电盘或柱。热膨胀阀可包括由隔膜限定的密封压力容器。加热容器使隔膜对着阀座伸展。另外，热膨胀阀可包括泡阀。泡阀可由加热器部件形成，加热器部件加热流体，在通道中形成泡，这样泡可阻止流体通过通道流动。停止加热使得泡破裂，以允许流体流动。微阀可以是可逆的，也就是说，能够打开和关闭，或者微阀也可以是几乎不可逆的，也就是说，只能打开或关闭的单用途阀。示例性的单用途阀是流体通道内的热敏阻塞物，例如，在聚酰亚胺层内的热敏阻塞物。这种阻塞物可在加热时被破坏或更改，以允许流体通过。
例如，可使用出口来允许释放由流体进入流体室产生的移位气体。适当的出口可包括允许气体通过但限制亲水液体的疏水性膜。示例性的出口是GORETEX膜。
在此说明的微流装置可被构型为执行或提供三个步骤输入、处理和输出。对于一给定的样本，这些步骤通常按顺序执行，但是当几个样本输入装置时可异步执行。
输入允许微流装置的用户从外界将样本引入微流装置。相应地，输入需要在外界和装置之间存在接口。因此接口通常用作端口，并可以是隔膜、阀等等。以替代方式或此外，可同时在装置内由反应物形成样本。反应物可由用户引入，或在装置制造过程中引入。在一优选实施例中，反应物在制造过程中引入并密封在装置或插件内。
然后处理输入的样本。处理可包括任何改变样本物理或化学性质的样本操作或处理，样本的物理或化学性质包括样本成份、浓度和/或温度。处理可将一输入的样本更改为更合适分析样本中分析物的形式、可通过反应校验样本的特征、可浓缩样本、可增加信号强度、和/或可将样本转变为可检测的形式。例如，处理可从输入的样本中提取或释放(例如，从细胞或病毒)、分离、纯化、浓缩和/或加浓(例如，通过放大)一个或多个分析物。以替代方式或此外，处理可对样本或其分析物进行操作，用于在物理上、化学上和/或生物上改变样本或其分析物。例如，处理可包括通过用染料标记或通过与酶或基底反应、测试反应物、或其它可反应的材料来在化学上改变样本/分析物。同时或另外，处理可包括用生物的、物理的或者化学的条件或试剂对样本/分析物进行操作。示例性的条件或试剂包括激素、病毒、核酸(例如，通过转染)、加热、辐射、超声波、光、电压脉冲、电场、颗粒照射、清洁剂、pH和/或离子条件，等等。以替代方式或此外，处理可包括分析物选择布置。选择性定位分析物的示例性处理步骤可包括毛细电泳、色谱法、吸附到亲和矩阵、特定结合到一个或多个布置好的接收器(诸如通过杂交、接收器-配位体交互作用等)，通过分类(例如，基于测量的信号)等方法来实现。
输出可在样本处理之后执行。微流装置可被用来分析和/或准备。因此，输出步骤通常包括从微流装置获得任何与样本有关的信号或材料。
与样本有关的信号可包括一可检测的信号，该信号可与处理的样本直接或间接相关，并可从微流装置中测量或利于微流装置测量出来。可检测的信号可以是模拟和/或数字值，可以是单一值或几个值，可以是时间相关值或与时间无关的值(例如，稳态值或终端值)，和/或平均值或分布值(例如，时间上和/或空间上)，等等。
除了其它的方法，也可采用光学方式和/或电气方式检测可检测信号。可检测信号可为光学信号，诸如吸收率、发光(荧光、电致发光、生物体发光、化学发光)、衍射、反射、散射、圆二色性、和/或旋光度，等等。适当的荧光方法可包括荧光能量共振转移(FRET)、荧光寿命(FLT)、荧光强度(FLINT)、荧光偏振(FP)、总内部反射荧光(TIRF)、荧光相关频谱(FCS)、褪色后的荧光恢复(FRAP)、和/或荧光激活细胞分类(FACS)，等等。光学信号可作为为非位置值或一组值测量，和/或可具有空间信息，例如，用成像法测量时，诸如用充电耦合装置测量时信号具有空间信息。在一些实施例中，可检测的信号可以是一光电信号，例如，该光电信号由板载光电二极管产生。其它可检测的信号可由表面等离子共振、核磁共振、电子自旋共振、质谱分析等测量。以替代方式或此外，可检测的信号可以是电信号，即测量出的电压、电阻、电导系数、电容、功率等。示例性的电信号可越过细胞膜测量，如分子结合事件(诸如双核酸形成、接收器-配合体交互作用等)，等等。
在一些实施例中，微流装置可用来准备样本。可输出的样本相关材料包括处理之后排除装置的任何化学的或生物的化合物、聚合体、聚集体、混合物、组合体和/或有机体。这种样本相关材料可以为对输入样本进行了化学更改的(合成的)、生物更改的、纯化的和/或分类的衍生物等等。
微流装置可包括流体处理(和流体存储)和进行化验的用的具有不同结构的部分，如II节中的示例。这些部分可被构型为执行不同的处理和/或操作步骤。流体处理部分可相对于化验部分独立形成，并具有一流体网络或流体空间，流体处理部分的流体网络或流体空间比化验部分的流体网络或流体空间更立体。流体处理部分可有任何体积适当的流体容器，包括一个或多个流体容积为几十或几百微升到约五毫升或更大的容器。
流体处理部分可包括一个用于接收样本的样本输入区域，和用于保持和输送反应物和/或接收废弃物的几个流体储存器。流体处理部分可具有比流体体积大些的空间，在某些情况下，其体积大于一微升或一毫升。此外，流体处理部分可包括一个或多个流体通道形成的预处理区域，用于将感兴趣的分析物从废弃材料中分离出来，例如，从包括一个或几个细胞的样本中分离出分析物(诸如核酸)。流体处理部分可限定一通常为非平面的流体网络或流体空间。在一非平面的或立体的流体网络中，流体网络的一个或多个部分从任何公共平面起的排列超过两毫米。
化验部分可提供一区域，在此区域可发生最后的样本处理和/或可测量化验信号。化验部分可构形用于更小体积样本的操作和分析，通常其具有小于50微升左右的流体容器，优选地为小于10微升左右，并且更优选地是小于1微升左右。
化验部分可与流体处理部分相对独立，也就是说，形成化验部分的部件与形成流体处理部分的部件不共享。相应地，化验部分可单独形成，然后连接在流体处理部分上，用以流体连接两部分的流体室。
化验部分可包括一基底部分和一流体阻挡层。电子电路可至少部分地或至少大体上布置在基底和流体阻挡层之间。基底部分可与邻近基底部分表面的流体阻挡层共同限定一流体空间。电子电路可包括电子电路(或电路)的薄膜部分或层，薄膜层也邻近基底表面布置。邻近或靠近表面的结构到基底表面的距离比到基底相对表面的距离近。
基底的电性质可决定电子电路、尤其是固态电子转换装置在何处相对于基底和流体阻挡层布置。基底可以是一半导体，这样可在基底中形成电子电路的某些部分，例如，通过n掺杂和p掺杂来形成。另外，基底可以是绝缘体。在此情况下，所有电子电路可存在于基底外部。一适当的基底可具有大体上平的或平坦的两个相对表面，例如，以利于薄膜的沉积。基底可至少基本是无机物，包括硅、砷化镓、锗、玻璃、陶瓷、铝等等。
薄膜电子电路包括薄膜或薄膜层。每个电子电路的薄膜层可对于电路的操作具有直接的或间接的作用，也就是说，具有导电的、绝缘的、阻性的、容性的、门控的和/或保护的作用等等。保护的和/或绝缘的作用可提供电气绝缘、用于防止流体材料腐蚀的化学隔绝，等等。薄膜层可具有小于100微米、50微米或20微米的厚度。以替代方式或此外，薄膜层可具有大于10纳米、20纳米或50纳米的厚度。这种薄膜形成电子装置，它们之所以被称为电子装置是因为它们由化验部分的电子电路来电气地控制。电子装置被构型为调节和/或感测化验部分的流体室内流体的性质。因此，电子装置和薄膜层部分可布置在基底和流体网络或化验部分的室之间。示例性的调节装置包括电极、加热器(例如电阻器)、冷却器、泵、阀等等。相应地，调节了的性质可以是流体或流体室内的分析物分布、分析物的可动性、分析物浓度、分析物相对于有关样本成份的丰度、流体流动速率、流体分离或流体/分析物温度等等。以替代方式或此外，薄膜装置可检测或感测流体和/或分析物的条件或位置。示例性的感知装置可包括温度传感器、流速传感器、PH传感器、压力传感器、流体传感器、光传感器、电流传感器、电压传感器、分析物传感器等等。调节装置与感测装置相结合可允许进行反馈控制，例如，化验部分内流体区域的闭合回路温度控制。
包括在化验部分内的电子电路是柔性的，与线性响应的电子电路形成对比。电子电路使用半导体装置(晶体管、二极管等)和固态电子转换，这样更少的输入-输出线可电气地连接数目多得多的电子装置。相应地，电子电路可连接到任何适当的输入和输出线的组合，和/或包括任何适当的输入和输出线的组合，包括电源/接地线、数据输入线、点火脉冲线、数据输出线和/或时钟线等等。电源/接地线可向调节和感测装置供电。数据输入线可提供指示所要接通的装置(例如，加热器或电极)的数据。点火脉冲线可从内部或外部供应给芯片。这些线可被构型为激活特定数据集，用来启动调节和/或感测装置。数据输出线可从化验部分的电路接收数据，例如，来自于感测装置的数字数据。根据数据输入和输出的速率，可提供单数据输入/输出线。在速率较低的情况下，单数据输入/输出线就足够了，但是在速率较高的情况下，例如，为了并行驱动几个薄膜装置，就需要一个或多个数据输入线和一单独的数据输入/输出线。时钟线可提供处理定时功能，诸如发送和接收来自于控制器的数据(见下文)。
微流装置可被构型为由控制设备或控制器来控制。相应地，微流装置被电气地连接到控制器，例如，以导电方式、电容方式和/或电感方式连接。控制器可提供任何上文所说明的输入和/或输出线。此外，控制器可提供一用户接口、可存储数据、可提供一个或多个检测器、和/或提供一机械接口。控制器的示例性功能包括操作和/或提供阀、泵、近距离声波定位器、光源、加热器、冷却器等，用来调节和/或感知微流装置内的流体、样本和/或分析物。
微流装置、流体处理部分、化验部分和控制器等的更多方面在上文II节中说明。
IV.样本在此说明的微流系统被构型为处理样本。样本通常包括任何感兴趣的材料，由流体系统接收和处理该材料，可以分析感兴趣的材料(或分析物)，或出于准备的目的而对其调节。样本通常具有可由系统测量的感兴趣的一个性质或多个性质，或可由系统方便地进行调节(例如，纯化、分类、衍生、培养等)。样本可包括任何化合物、聚合体、聚集体、混合物、提取物、复合体、颗粒、病毒、细胞，和/或其结合物。分析物和/或感兴趣的材料可形成样本的任何部分，例如，作为样本中的主要组分、次要组分或痕量组分。
样本，以及包含在其中的分析物，可以是生物的。生物样本通常包括细胞、病毒、细胞提取物、细胞生成的或细胞相关的材料、候选的或已知的细胞分子、和/或其人造变异体。细胞可包括来自于任何单细胞或多细胞有机体的真核的和/或原核细胞，并可为任何类型或类型集。细胞产生的或细胞相关的材料可包括核酸(DNA或RNA)、蛋白质(例如，酶、接收器、调节因子、配合体、结构蛋白质等)、激素(例如，核激素、前列腺素、白细胞三烯、一氧化氮、环式核苷酸、肽激素等)、碳水化合物(诸如单糖、多糖或多聚糖、聚糖、糖蛋白等)、离子(诸如钙、钠、钾、氯化物、锂、铁等)、和/或其它代谢物或细胞输入物质，等等。
生物样本可以是临床样本、研究样本、环境样本、法医样本和/或工业样本，等等。临床样本可包括为诊断和/或预后目的而获取得任何人体或动物样本。示例性的临床样本可包括血(血清、全血或血细胞)、淋巴、尿液、粪便、胃内容物、胆汁、精液、粘液、阴道涂片、脑脊髓液、唾液、泪液、皮肤、毛发、活组织切片检查、流体吸出物、外科样本、肿瘤等等。研究样本可包括任何有关于生物和/或生物医学研究的样本，诸如培养的细胞或病毒(野生类型、制造的、和/或突变异种，等等)、其提取物、部分或全部纯化的细胞材料、细胞分泌出的材料、与药物筛选有关的材料，等等。环境样本可包括来自于土壤、空气、水、植物和/或人造结构等的样本，在生物状态的基础上对该样本进行分析或操作。
样本可为非生物的。非生物样本通常包括不定义为生物样本的任何样本。对非生物样本进行分析，以得到任何适当的无机或有机化合物、聚合体和/或混合物的存在/缺乏、水平、大小和/或结构。适当的非生物样本可包括环境样本(诸如来自于土壤、空气、水等的样本)、合成产生的材料、工业副产品或废弃材料，等等。
样本可以是土壤、液体、和/或气体。可在样本被引入微流系统之前对其进行预处理，或者可直接引入样本。在系统外部的预处理可包括化学处理、生物学处理(培养、激素处理等)、和/或物理处理(例如，用热、压力、放射、超声扰乱、与流体混合等方法)。固体样本(例如，组织、土壤等)在引入微流装置之前或之后可在流体中溶解或分散，和/或感兴趣的分析物可在微流系统内从固体样本释放而进入流体。液体和/或气体样本可在系统外部进行预处理，和/或可被直接引入。
V.化验微流系统可用于化验(分析/测试)输入样本的一个方面。任何适当的生物样本或非生物样本的方面可由微流系统来分析。适当的方面涉及样本所携带的一个或多个分析物的性质。这种性质可包括存在/缺失、水平(诸如细胞中RNA或蛋白质的表达水平)、大小、结构、活性(诸如酶的活性或生物活性)、细胞内的定位、细胞显形，等等。结构可包括主要结构(诸如核苷酸或蛋白质序列、聚合体结构、异构体结构或化学更改，等等)、次要或第三结构(诸如(诸如局部折叠或高位折叠)、和/或第四结构(诸如分子内交互作用)。细胞显形可涉及细胞状态、电活动、细胞形态、细胞活动、细胞特征、报告基因活性，等等。
微流化验可测量一个或多个核酸的存在/缺失或水平。每个所分析的核酸可以单细胞存在，或者更典型的是以多细胞存在。多个细胞可以相同或大致相同，和/或可共用一个区域，该区域通常由二十个或更多邻近的相同碱基构成。在此使用时，核酸(核酸种)通常包括核酸聚合体或多核苷酸，其形成为共价连接的单体亚单位链。单体亚单位链可形成核糖核酸(RNA)和/或脱氧核糖核酸(DNA)，包括碱基腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、尿嘧啶、胸腺嘧啶、次黄嘌呤、黄嘌呤、肌甙。以替代方式或此外，核酸可为天然的或合成的衍生物，例如，包括甲基化碱基、缩氨酸核酸、代硫酸主链，等等。核酸可以为单链、双链、和/或三链核酸，并且可以为野生型，或重组、缺失、插入、倒置、重排、和/或其点突变体。
核酸分析可包括测试样本，用于测量一个或多个核酸种(DNA和/或RNA)的存在/缺失、数量、大小、主要序列、完整性、更改和/或多股性。这种分析可提供基因型信息，和/或可以从特定基因或基因区域等测量基因表达。
基因型信息可用于识别样本中微生物或确定微生物的数量，该微生物诸如病原种。示例性的病原微生物可包括病毒，诸如HIV、肝炎病毒、狂犬病、流感、CMV、疱疹病毒、乳头瘤病毒、鼻病毒；细菌，诸如S.aureus，C.perfringens，V.parahaemolyticus，S.typhimurium，B.anthracis、C.肉毒杆菌、E.大肠杆菌等等；真菌，诸如那些包括在类念珠菌属、球孢子菌属、芽生菌、组织浆菌属、曲菌属、接合菌类、镰刀菌属和Trichosporon等等；以及原生动物，诸如疟原虫(例如，P.疟原虫、P.falciparum和P.malariae等)、G.兰氏鞭毛虫属、E.histolitica、Cryptosporidium和N.fowleri，等等，但不局限于上述所列物质。例如，分析可确定人、动物、植物、食物、土壤或水是否感染或携带一特定微生物。在某些情况下，分析还可提供关于特定菌株存在的特殊信息。
基因型分析可包括临床或法医检定用的基因筛查，例如，用于确定一特定基因区域的存在/缺失、复制数目和/或序列。基因筛查可适用于产前或产后诊断，例如用于筛查新生儿缺陷、识别基因疾病和/或单核苷酸多态性，或用于检定肿瘤。基因筛查还可用于协助医生护理病人，例如，用于指导药物选择、患者咨询等。法医检定可使用基因型分析，例如，用于鉴定人的身份、确定人是否在犯罪地点出现过、或者用于确定亲子关系，等等。在一些实施例中，核酸可具有单一核酸多态性和/或用来分析单一核酸多态性。
微流系统可用于基因表达分析，既可定量分析(表达数目)，也可以定性分析(表达存在或缺失)。基因表达分析可直接在RNA上进行，或在用样本RNA为模板的互补DNA上进行，例如，使用逆转录酶。互补DNA可在微流装置内合成，诸如II节中说明的实施例，例如，样本输入之前在化验部分中，或装置外部合成。
表达分析对医学和研究等是有益的。例如，单个基因或基因组(成型)的表达分析可用于确定或预测人的健康、指导药物选择或其它治疗等。以替代方式或此外，表达有益于研究应用，诸如报告基因分析、筛查库(例如，化学化合物库、缩氨酸库、抗体库、抗菌素库、细菌库等)，等等。
化验可包含允许测量分析物性质的处理步骤。这种处理步骤可包括标记、放大、与接收器结合等等。
可进行标记来加强分析物的可探测性。适当的标记可以共价方式或非共价方式结合分析物，并可包括光学上可探测的染料(荧光团、发色团、能量转移团等等)、特殊结合对的成员(SBPs、诸如生物素、毛地黄毒苷、抗原决定基标记等，见表1)，等等。可由酶反应来进行标记结合，酶反应诸如以核酸为模板的复制(绑扎)、蛋白质磷酸化、和/或甲基化等，或者可以化学方式、生物学方式或物理方式(例如，光催化或热催化等等)来进行标记结合。
对于核酸分析，可执行放大来加强核酸探测的敏感性。放大是任何可选择增加目标核酸种丰度(分子数)或目标种内区域的方法。放大可包括热循环(例如，聚合酶链反应、连接酶链反应等)，或者可以是等温的(例如，股位移放大)。放大的更多方面在上文II节中说明。
接收器结合可包括将分析物(或以分析物存在为模板的反应产物，或由于分析物的存在而产生的反应产物)与特定结合分析物的接收器相结合。接收器可连接到微流室，或在微流室内具有一固定的位置，例如，以阵列的方式，或者可遍布在微流室中。特定结合表示与混合物内预计的配体进行高选择性的结合，通常禁止与混合物中其它部分结合。特定结合以小于10-4M的结合系数为特征，并且优选的特定结合系数小于10-5M、10-7M、或10-9M。适用于接收器-分析物交互反应的示例性的特定结合对在下面的表1中列出。
表1.代表性的特定结合对

样本化验的更多方面，尤其是样本中核酸分析物的化验，在上文的I节和II节中说明。
上文提出的公开被认为是包含了本发明的多个不同的实施例。虽然这些实施例中的每一个已经以特定形式被公开了，在此公开并阐述的其特定的实施例不认为具有限制意义，因为实施例可能有多种变更。因此这里公开的主题包括对各种在此公开的元件、特征、功能和/或性质进行所有新颖的和非显而易见的组合及再组合。同样，当权利要求提到“一个”或“第一个”元件及类似描述时，应理解此权利要求包括一个或多个这种元件的组合，既不要求也不排除两个及两个以上这种元件。
权利要求
1.一种分析目标和非目标核酸(74)的核酸混合物(60)中核酸目标(72)的方法(40)，该方法包括将核酸混合物(60)吸引(50)到包含在形成于基底(68)上的电子设备(66)中的电极(80)；通过将目标与邻近电极(80)布置的接收器(78)相结合来有选择地保持(52)目标(72)；通过去除未保持的核酸(74)来使混合物(60)中目标(72)的浓度增大(54)；并放大(44)来自于浓缩的混合物的目标(72)。
2.根据权利要求1所述的方法(40)，其特征在于，浓缩(54)包括通过机械驱动流动(76)的方法至少部分地移动未保持的核酸(74)。
3.根据权利要求2所述的方法(40)，其特征在于，在由加热和施加电场到接收器(78)中至少一个方式确定的结合严格度之下进行移动。
4.根据权利要求1所述的方法(40)，其特征在于，吸引和保持在第一个室(164)内进行，放大在一不同的第二个室(166)内进行。
5.根据权利要求1所述的方法(40)，还包括检测放大的目标。
6.根据权利要求1所述的方法(40)，其特征在于，接收器(78)是至少基本上与目标(72)互补的核酸，所述核酸与电极(80)连接。
7.根据权利要求1所述的方法(40)，其特征在于接收器(78)是第一个接收器，方法(40)还包括使第二个接收器与放大的目标接触，用于化验放大的目标，第二个接收器被构型为有选择地结合目标(72)。
8.根据权利要求7所述的方法(40)，其特征在于，第一个接收器和第二个接收器相同。
9.根据权利要求7所述的方法(40)，其特征在于，第一个接收器和第二个接收器在结构上不同，并且第一个接收器和第二个接收器在空间上是分离的。
10.根据权利要求1所述的方法(40)，还包括在放大步骤之前移动保持的目标。
11.一种用于分析包括目标的核酸混合物(60)中核酸目标(72)的微流装置(114)，该装置包括至少部分地限定容器的基底部分(258)，该基底部分(258)包括基底(260)和在基底(260)上形成的电子设备(158)，该电子设备(158)至少包括第一个和第二个电极(272)，每个电极可操作用于在容器中形成电场；用于特定地结合目标(72)的第一个和第二个接收器(78)，第一个和第二个接收器(78)不同，并且分别连接到第一个和第二个电极(272)。
12.根据权利要求11所述的装置(114)，其特征在于，容器为多个容器，第一个和第二个电极(272)布置在不同的容器中。
13.一种用于分析目标和非目标核酸(74)的混合物(60)中核酸目标(72)的微流装置(114)，该装置包括至少部分地限定流体连接的第一个和第二个容器的基底部分(258)，基底部分(258)包括基底(260)和在基底上形成的电子设备(158)，该电子设备包括可操作用于在第一个容器内形成电场的第一个电极(272)，和可操作用于在第二个容器内形成电场的第二个电极(272)；以及用于特定地结合目标(72)的第一个和第二个接收器(78)，第一个和第二个接收器(78)分别连接到第一个和第二个电极(272)。
14.根据权利要求13所述的装置(62)，其特征在于，电子设备(158)包括可操作用于将目标(72)反向结合到第一个接收器(78)的加热装置。
15.根据权利要求11到14之中任一项权利要求所述的装置，还包括连接到基底部分(258)的流体处理部分(142)，并且该流体处理部分(142)被构型为至少部分地由机械驱动流动的方式使流体穿过容器移动。
16.一种用于分析目标和非目标核酸(74)的混合物(60)中核酸目标(72)的微流装置(62)，包括吸引核酸混合物(60)的装置，该吸引装置包括电极(80)，该电极包括在形成于基底(68)上的电子设备(66)中；有选择地保持吸引装置附近的目标(72)的装置；去除未保持的核酸(74)以增加混合物(60)中目标(72)浓度的装置；用热的方法循环浓缩的混合物来放大浓缩的混合物中的目标的装置。
17.根据权利要求16所述的装置(62)，还包括用于化验放大的目标的装置。
18.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述去除装置包括以机械方式移动流体的装置。
19.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，用于热循环的装置包括在电子设备(66)中。
20.一种用于分析核酸混合物(60)中核酸目标(72)的微流装置(62)，该装置包括从混合物(60)中预选(42)目标(72)的装置；放大(44)预选目标的装置；和在放大之后化验(46)预选目标的装置。
全文摘要
一种系统，包括方法和装置，用于对核酸混合物(60)中的核酸目标(72)进行微流分析。系统包括在放大之前从混合物中预选(42)目标的方法(40)。通过在目标选择接收器(78)上保持目标并随后去除未保持的非目标核酸(74)，预选使混合物(60)中目标(72)的浓度增加。然后预选目标可从浓缩的混合物中被放大(44)并被化验(46)。同时公开了构型为实现此方法(40)的装置(62，114)。
文档编号C12M1/00GK1499195SQ20031011384
公开日2004年5月26日 申请日期2003年10月31日 优先权日2002年10月31日
发明者D·泰沃尔, W·D·齐尔德斯, D 泰沃尔, 齐尔德斯 申请人:惠普开发有限公司