三维模块化微流体系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及三维模块化微流体系统。该三维模块化微流体系统包括:通道插入件;装配部件;以及微模块,所述微模块通过所述装配部件与所述通道插入件偶连,其中在所述微模块、所述装配部件以及所述通道插入件之间是流体连通的，所述装配部件的端部构造并布置成与所述通道插入件偶连以形成带倒钩的装配件、锥形装配件、鲁尔装配件或者鲁尔锁定装配件。
【专利说明】三维模块化微流体系统
[0001]本申请是国际申请日为2009年3月20日、国际申请号为PCT/US2009/001770、进入中国国家阶段的申请号为200980118472.4、名称为“模块化微流体系统以及用于构建模块化微流体系统的方法”的发明专利申请的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求2008年3月20日提交的题为“模块化微流体系统以及用于构建模块化微流体系统的方法(Modular Microfluidic System and Method for Building aModular Microfluidic System) ”的美国申请系列号第12/077，621号的优先权。
【技术领域】
[0004]本发明一般涉及化学-生物领域，具体涉及模块化微流体系统以及用来构建模块化微流体系统的方法。
【背景技术】
[0005]生产商们对于用来进行化学和生物学研究的微流体系统的制造的关注度日益提高。微流体系统之所以流行是因为它们能够在使用极小体积流体的情况下进行复杂的化学反应和生物反应。常规的微流体系统包括许多不同的部件，例如使用互连件或微型通道流体连通的反应室、混合器和检测器。常规的微流体系统中还包括一体化的部件，例如加热器、致动器和阀门，用来对流体样品进行加热、泵抽和导向。
[0006]微流体系统采用微流体技术，包括对复杂系统进行小型化和一体化，从而提供一些优点，例如减少昂贵的反应物的消耗，缩短反应时间，缩短温度循环时间，促进混和，以及精确控制小体积的流体。微流体技术使其可以自动放大到宏观规模，实验室规模的台式设计，以及包封在低成本的便携式微流体系统中。
[0007]但是，现在为了开发高功能的微流体系统，需要很多的时间和专业知识对独立的部件进行最优化，然后对其一体化进行最优化，从而设计所述微流体系统。例如，某个部件可以进行最优化，独立地良好运作，但是一旦将该部件与其它的部件整合，该部件的性能可能会降低，这是由于整合较差或者操作条件变化造成的。另外，对微流体系统进行的细微的改良通常需要对整个系统进行重新构建，造成研发时间拖长，从而导致高成本。
[0008]因此，人们非常希望获得一种周转时间很快的低成本工具，能够对部件进行迅速的定制，以构建功能微流体系统。本发明的“即装即用(Plug-n-play)”模块化微流体系统以及构建该“即装即用”模块化微流体系统的方法满足了该需求以及其它的需求。
【发明内容】
[0009]在一个方面，本发明包括一种模块化微流体系统，该系统包括:(a)母板，所述母板的顶表面中形成有大量通道；(b)至少一个通道插入件，设计各个通道插入件的尺寸，用来置于所述母板的通道之一之内；(C)至少一个装配部件；以及(d)至少一个微模块，使用一个装配部件，将所述至少一个微模块中的一个与一个通道插入件偶连，在所述一个微模块、一个装配部件和一个通道插入件之间存在流体连通。
[0010]在另一个方面，本发明包括一种通过以下步骤构建模块化微流体装置的方法:(a)提供母板，所述母板的顶表面中形成有大量通道；(b)提供多个通道插入件；(c )将一个或多个所述通道插入件置于所述母板中的一个或多个通道之内；(d)提供至少一个微模块；以及(e )用至少一个装配部件，将所述微模块中的一个与位于所述母板的通道内的至少一个通道插入件相连，在所述一个微模块、至少一个装配部件和至少一个通道插入件之间存在流体连通。
[0011]在另一个方面，本发明包括一种用来构建微流体装置的成套用具。该成套用具包括:(a)母板，所述母板的顶表面中形成有大量通道；(b)至少一个通道插入件，设计各个通道插入件的尺寸，用来置于所述母板的通道之一之内；(C)至少一个装配部件；以及(d)至少一个微模块，使用至少一个微模块构建所述微流体装置，所述至少一个微模块与一个装配部件相连，使得在所述一个微模块和一个装配部件之间存在流体-气体连通，使用倒钩装配件、锥形装配件、鲁尔(Luer)装配件或者鲁尔锁定装配件将所述一个微模块和所述一个装配部件偶连在一起。
[0012]在以下详细描述、附图和任一权利要求中部分地提出了本发明的另外一些方面，它们部分源自详细描述，或可以通过实施本发明来理解。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是示例和说明性的，不构成对所揭示的本发明的限制。
[0013]附图简要说明
[0014]参照以下结合附图的详细描述，可以更完整地理解本发明，附图中:
[0015]图1A-1B显示根据本发明实施方式的两种不同的示例性模块化微流体系统；
[0016]图2A-2D显示了具有不同的尺寸和形状的很多种通道插入件，所述通道插入件用来构建根据本发明实施方式的模块化微流体装置；
[0017]图3显示了很多种不同的微模块(或者微芯片模块)，所述微模块用来构建根据本发明实施方式的模块化微流体装置；
[0018]图4A-4C显示了根据本发明的一个实施方式，一个微模块如何与两个装配部件相连，所述两个装配部件与两个通道插入件相连；
[0019]图5A-5C显示了根据本发明的另一个实施方式，一个微模块如何与两个整体化装配部件相连，所述两个整体化装配部件可以与两个通道插入件相连；
[0020]图6A-6C显示了根据本发明的另一个实施方式，一个微模块如何与两个通道插入件相连，所述两个通道插入件包括两个整体化装配部件；
[0021]图7-9显示了三幅图，用来帮助解释根据本发明的一些其它的实施方式，一个微模块与两个通道插入件相连的三种不同的方式，所述两个通道插入件在端部(而不是顶部)具有开口；
[0022]图10A-10C显示了三幅图，用来帮助解释根据本发明的实施方式，一个微模块(包括整体化装配部件)、两个通道插入件和一个加热器如何连接于母板；
[0023]图11A-11C显示了三幅图，用来帮助解释根据本发明的实施方式，一个微模块(包括整体化装配部件)、两个通道插入件和一个电接触单元如何连接于母板；
[0024]图12A-12C显示了三幅图，用来帮助解释根据本发明的实施方式，一个微模块(包括整体化装配部件)、四个通道插入件和一个电接触单元如何连接于母板；[0025]图13A-13C显示了三幅图，用来帮助解释根据本发明的实施方式，一个微模块(包括整体化装配部件)、两个通道插入件和一个致动器如何连接于母板；
[0026]图13D-13K显示了多幅图，用来帮助解释根据本发明的实施方式，所述致动器如何作为泵或阀门，用来控制流体在微模块内的流动；
[0027]图14-17显示了根据本发明的实施方式，在测试不同模块化微流体装置的试验过程中拍摄的多张照片；
[0028]图18是根据本发明实施方式的印刷控制电路(PCB)板上构建的示例性模块化微流体系统的透视图；
[0029]图19是显示根据本发明的实施方式构建模块化微流体系统的方法的步骤的流程图；
[0030]图20-24是根据本发明实施方式可以构建的示例性的微流体装置的基本线图。
[0031]发明详述
[0032]本发明涉及一种“即装即用”微流体系统，该系统是通过将一个以上的微流体部件连接起来，形成较大的整体化系统而制造的。所述模块化微流体系统包括母板，所述母板具有互连的通道和整体化的电极(或者用来使得电极通过的孔)，提供与外界数据获取和系统控制装置的电子连接。所述模块化微流体系统还包括通道插入件(位于所述母板的通道内)，加热器单元，致动器单元，以及具有不同功能的微芯片/模块，其置于母板114上。在一些实施方式中，所述微模块和通道插入件被插入母板中，形成整体化的微流体系统。所述微模块和通道插入件通过整体化的内装式装配件或者能够插入所述通道和微模块的装配件连接在一起，提供防漏的流体连接。另外，可以在母板上的任意位置设置加热器和致动器，用来为集成模块化微流体系统提供加热、泵抽和阀门调节。在组装和测试之后，所有的部件可以拆卸并重新设置，用于构建另外的模块化微流体系统。因此，可以很容易地设计和构建集成模块化微流体系统的不同结构。下面结合图1-13对所述模块化微流体系统及其各种部件进行详细的讨论。
[0033]参见图1A，图中显示了根据本发明实施方式的示例性模块化微流体系统100的透视图。所述模块化微流体系统100可以包括插入母板114中或置于母板114顶上的很多种部件102，104, 106, 108, 110和112的任意组合(注:图4和10-13中可以看到部件104，108，110和112)。图中显示的示例性母板114具有顶表面115，所述顶表面115上具有互连的通道/沟槽116的网络，孔118，电极或光纤可以从所述孔118中通过，以及凹陷120，不同的部件106，108，110和112可以被置于所述凹陷120内。如果需要的话，作为用来使得电极或光纤从中通过的孔118的替代或者补充，所述母板114还可以包括在其中形成的整体化的电极(例如见图12)。可以插入母板114中或者置于母板114顶上的不同的部件102，104, 106, 108, 110和112包括通道插入件102 (或者通道连接件102)，装配部件104 (例如见图4A),微芯片模块或微模块106，致动器108 (例如见图13A和13B),加热器110 (例如见图11B)和电接触单元112 (例如见图1B)。
[0034]图1B显示了本发明的一个实施方式，其中可以将具有不同尺寸的微模块106，通道插入件102和加热器110设置在母板114顶上。所述母板114以及其中通道116的网络、孔118、凹陷120进行结构化和设计，形成与许多种类和尺寸的部件的连接。下文中结合图3-13详细描述了不同的部件102，104，106，108，110和112，以及它们是如何与母板114连接的。
[0035]参见图2A-2B，其中显示了具有不同的尺寸和形状的很多种通道插入件102，所述通道插入件102用来帮助构建根据本发明实施方式的模块化微流体装置100。如图2A所示，通道插入件102可以是透明的(图中所示)或者非透明的(未显示)，具有很多种尺寸和形状，图中以及说明书中仅仅显示了其中代表性的一部分。所示的示例性的通道插入件102包括:(I)短的直通道插入件102a(例如1.5mm(宽)X2mm(厚)X4mm(长)；(2)中等的直通道插入件102b，(3)长的直通道插入件102c; (4)短的左拐通道插入件102d; (5)长的左拐通道插入件102e; (6)短的右拐通道插入件102f; (7)长的右拐通道插入件102g; (8)小的H形通道插入件102h; (9)大的H形通道插入件102i; (10)小的T形通道插入件102j ;以及(11)大的T-形通道插入件102k。各通道插入件102a，102b...102k具有形成于其中的至少两个开口 124以及一条通道126，少量的流体可以从所述通道126流过。出于本说明书的目的，术语“流体”表示能够从本发明微流体系统的实施方式流过的液体或气体。当使用者在构建模块化微流体系统100的时候，其选择所需的通道插入件102a，102b...102k,并将其置于所述母板114的互连通道116中。在另一个实施方式中，所述通道插入件102还可以具有位于其端部(而不是顶部)的一个或多个开口 124，这将在下文中结合图7-9进行讨论。
[0036]在一个实施方式中，通道插入件102可以结合转动阀103，所述转动阀103可以进行控制，允许或阻止流体在通道126内的流动。例如，图2B显示了一种位于小的H形通道插入件102h’内的转动阀103(具有直的通道105的开/关转动阀)。图2C-2D还显示了另一种位于小的H形通道插入件102h’’内的转动阀103’(具有L形通道105’的90°转动阀)。在图2C中，转动阀103’所处的位置使得流体可以沿一条路径通过所述小的H形通道插入件102h’ ’ (图中的箭头显示其流动方向)。在图2D中，转动阀103’所处的另一位置使得流体可以沿另一条路径通过所述小的H形通道插入件102h’ ’ (图中的箭头显示其流动方向)。当然，所述通道插入件102可以结合很多种不同的阀门。
[0037]参见图3，图中显示了不同种类的微模块106 (或者微芯片模块106)，它们可以用来帮助构建根据本发明实施方式的模块化微流体装置100。所述微模块106可以是透明的(图中所示)或者不透明的(未显示)。例如，可以用来帮助构建所述模块化微流体装置100的微模块106包括:(I)混和模块106a (用来混和样品流体)；(2)检测室微模块106b (用作生物传感器)；(3)反应微模块106c (可以进行加热、冷却和抽气，用来进行化学反应或生物反应，细胞培养或分子倍增，例如聚合酶链反应)；以及(4)电泳微模块106d(用来分离分子)。每个微模块106a，106b...106d具有至少两个开口 128以及形成于其中的通道130，少量流体可以从所述通道130流过(图10显示了示例性反应微模块106c的截面侧视图)。微模块106a，106b...106d除了具有不同的功能以外，还可以具有不同的尺寸和形状(见图1B)。例如，微模块106a，106b...106d可以具有任意的厚度(例如2毫米)，可以具有以下的尺寸:7.5mmX7.5mm, 16.5mmX 16.5mm, 7.5mmX 16.5mm, 25.5mmX25.5mm,和34.5mmX34.5mm。应当理解，在所述即装即用的微流体系统100中，可以制造和使用具有各种用途和功能的不同的微模块106。例如，可以制造并用于所述即装即用微流体系统100的一些另外的微模块106包括过滤微模块(用来过滤样品流体)，分离微模块(用来分离样品流体)，加热微模块(作为内部加热器，用来加热样品流体)，阀门微模块(用来引导和阻止样品流体)，泵微模块(具有内部的泵，用来泵抽样品流体)，泵-阀微模块(同时用来泵抽样品流体以及引导或阻止样品流体)，以及隔离微模块(用来隔离样品流体)，或者这些情况的组合。
[0038]三幅图4A-4C帮助解释了根据本发明的一个实施方式，一个微模块106如何与两个装配部件104’和104’ ’相连，所述两个装配部件与两个通道插入件102’和102’ ’相连。图4A是透视图，显示了微模块106与两个装配部件104’和104’’以及两个通道插入件102’和102’ ’分离的情况。图4B是截面图，显示微模块106，两个装配部件104’和104’ ’以及两个通道插入件102’和102’ ’互相连接之前的情况。在此实施例中，微模块106中形成有两个孔128’和128’ ’ (例如凹形鲁尔装配件128’和128’ ’，凹形鲁尔锁定装配件128’和128’ ’)，所述孔与内部室130流体连通。各个装配部件104’和104’ ’具有第一端部132a和132b (例如凸形鲁尔装配件132a和132b,凸形鲁尔锁定装配件132a和132b)，管134 (例如挠性管134)以及第二端部138a和138b (例如凸形鲁尔装配件138a和138b，凸形鲁尔锁定装配件138a和138b)。另外，各个通道插入件102’和102’’具有两个开口124a和124b (例如凹形鲁尔装配件124a和124b，凹形鲁尔锁定装配件124a和124b)以及形成于其中的通道126(例如，本文所示的通道126是圆形的，但是可以具有任意的几何形状)。在一些实施方式中，微模块106的孔128’和128’ ’设计用来接受两个装配部件104’和104’ ’的第一端部138a和138b，所述两个装配部件104’和104’ ’具有第二端部132a和132b，设计用来插入所述两个通道插入件102’和102’ ’的孔124a和124b。图4C是微模块106的截面图，其中两个装配部件104’和104’ ’以及两个通道插入件102’和102’ ’连接起来，使得流体可以从一个通道插入件102’流入一个装配部件104’，通过微模块106，流入另一个装配部件104’ ’，然后流入另一个通道插入件102’ ’。如果需要的话，所述微模块106可以与通道插入件102中的一个并联，在此情况下，流体将在微模块106和通道插入件102内流动。
[0039]三幅图5A-5C帮助解释了根据本发明的另一个实施方式，一个微模块106’(在此情况下是反应室)如何具有两个整体化的装配部件104a和104b，所述两个装配部件可以与两个通道插入件102’和102’’相连。图5A是透视图，显示微模块106’与两个通道插入件102’和102’ ’分离的情况。图5B是截面图，显示微模块106’，以及两个通道插入件102’和102’’互相连接之前的情况。在此实施例中，微模块106’具有内部通道130以及两个整体化装配部件104a和104b，所述装配部件各自具有裸露的端部136a和136b (例如凸形鲁尔装配件136a和136b,凸形鲁尔锁定装配件136a和136b)。另外,各个通道插入件102’和102’’具有两个开口 124a和124b (例如凹形鲁尔装配件124a和124b，凹形鲁尔锁定装配件124a和124b)，以及形成于其中的通道126。在一些实施方式中，所述装配部件104a和104b的第一端部在所述微模块106’中整体化，所述装配部件还具有第二端部136a和136b，设计用来插入通道插入件102’和102’ ’中的孔124a和124b内。图5C是微模块106’的截面图，其中两个整体化的装配部件104a和104b与两个通道插入件102’和102’’连接起来,使得流体可以从一个通道插入件102’流入一个整体化装配部件104a,通过微模块106’的通道130，流入另一个整体化的装配部件140b，然后流入另一个通道插入件 102，’。
[0040]三幅图6A-6C帮助解释了根据本发明的另一个实施方式，一个微模块106如何与两个通道插入件102’ ’ ’和102’ ’ ’ ’相连，所述两个通道插入件具有整体化的装配部件104a’和104b’。图6A是透视图，显示微模块106与两个通道插入件102’ ’ ’和102’ ’ ’ ’分离的情况。图6B是截面图，显示微模块106，以及两个通道插入件102’’ ’和102’’’’互相连接之前的情况。在此实施例中，微模块106中形成有两个孔128’和128’ ’(例如凹形鲁尔装配件128’和128’ ’，凹形鲁尔锁定装配件128’和128’ ’)，所述孔与内部室130流体连通。各个通道插入件102’ ’ ’和102’ ’ ’ ’具有在其中形成的通道126以及两个整体化装配部件104a’和104b’，所述装配部件各自具有裸露的端部136a’和136b’(例如凸形鲁尔装配件136a’和136b’,凸形鲁尔锁定装配件136a’和136b’)。在一些实施方式中，所述装配部件104a’和104b’的第一端部在所述通道插入件102’ ’ ’和102’ ’ ’ ’中整体化，所述装配部件还具有第二端部136a和136b，设计用来插入微模块106中的孔128’和128’ ’。图6C是微模块106的截面图，其中微模块106与两个通道插入件102’ ’ ’和102’ ’ ’ ’连接起来，使得流体可以从一个通道插入件102’ ’ ’流入一个整体化装配部件104a’，通过微模块106，流入另一个整体化装配部件104b’，然后流入另一个通道插入件102’ ’ ’ ’。
[0041]图7-9显示了三幅图，用来解释根据本发明的一些其它的实施方式，一个微模块106与两个通道插入件102相连的三种不同的方式，所述两个通道插入件在其端部(而不是顶部)具有开口 124。图7是微模块106 (其在侧面具有两个开口 128，而不是如图4A-4C所述那样在底表面上具有开口)的俯视图，所述微模块106与两个装配部件104’和104’ ’以及两个通道插入件102’和102’ ’分离。图8是微模块106的俯视图(所述微模块在其侧面具有两个整体化的装配部件104a和104b，而不是如上图5A-5C那样位于其底表面)，所述微模块106与两个通道插入件102’和102’ ’分离。图9是微模块106的俯视图(所述微模块在其侧面具有两个开口 128，而不是如上图6A-6C那样位于其底表面)，所述微模块106与两个通道插入件102’ ’ ’和102’ ’ ’ ’分离，所述通道插入件具有整体化的装配部件104a’和104b’。在这些实施方式中，当通过装配部件104将所有的部件相连的时候，所述微模块106与它们相应的通道插入件102流体连通。另外，当如上文所述并列组装部件的时候，可能需要对母板114中的沟槽116和/或凹陷120进行调节。
[0042]如果任意的通道插入件102，装配部件104和/或微模块106使用鲁尔装配件或鲁尔锁定装配件互相连接，则这些鲁尔装配件可以具有标准的6%鲁尔锥度。如果需要形成防漏的连接，可以在连接任意两个部件102、104和106之前，向所述装配件施加数滴预固化的聚合物，例如预固化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)。施加预固化的聚合物的优点在于，在固化之后，其将会密封掉可能存在的任意间隙，所述间隙是由于装配件制造时的瑕疵造成的，由此防止任何流体渗漏。因此，通过施加预固化的聚合物可以降低装配件制造的公差。另夕卜，由于这不是永久性的工艺，因此可以很容易地将部件102，104和106分拆并再次使用。可以使用粘合剂或类似的防水性材料代替所述预固化的聚合物，只要所述材料不会永久性地连接部件102，104和106，粘合剂可以很容易地除去即可。应当注意的是，在本发明中可以使用很多种装配件形状，例如有倒钩的装配件和锥形装配件。并非本发明所进行的所有的用来证明理念的实验都使用预固化的聚合物或粘合剂或防水材料(见图14-17)。
[0043]图10A-10C显示了三幅图，用来帮助解释根据本发明的实施方式，一个微模块106’ (包括整体化装配部件104a和104b)、两个通道插入件102’和102’ ’以及一个加热器110如何连接于母板114。图1OA是透视图，显示了连接于母板114的微模块106’以及两个通道插入件102’和102’ ’(注:所述整体化装配部件104a和104b以及加热器110是观察不到的)。图1OB是截面图，显示微模块106’ (具有整体化装配部件104a和104b)与两个通道插入件102’和102’’以及加热器110互相连接以及连接于母板114之前的情况。在此实施例中，母板114具有两个整体化电连接件1002a和1002b，所述电连接件延伸入所述凹陷120中，用来经由电连接Illa和Illb为加热器110供应电能。图1OC是截面图，显示微模块106’ (具有整体化装配部件104a和104b)，两个通道插入件102’和102’ ’以及加热器110互相连接以及连接于母板114的情况。加热器110位于微模块106’下方，为微模块106’提供热量。如果需要的话，可以使用热油脂或粘合剂将加热器110临时性地连接于微模块106’的底部，以确保加热器110和微模块106’之间有良好的导热性。可以看到，微模块106’ (具有整体化装配部件104a和104b)以及两个通道插入件102’和102’ ’互相连接，使得流体能够从一个通道插入件102’流入一个装配部件104a，流过微模块106’的内部室130，流入另一个装配部件104b，然后流入另一个通道插入件102’ ’。或者，可以不采用对微模块106进行外部加热的方法，而是使用整体化的加热器进行内部加热。
[0044]图11A-11C显示了三幅图，用来帮助解释根据本发明的实施方式，一个微模块106’ ’(包括整体化装配部件104a和104b)、两个通道插入件102’和102’以及一个电接触单元112如何连接于母板114。图1lA是透视图，显示连接于母板114的微模块106’ ’ (具有两个电垫1102a和1102b)以及两个通道插入件102’和102’’(注:在此实施例中，微模块106’’具有检测室，可以进行电化学检测测试)。图1lB是截面图，显示微模块106’’(具有两个整体化装配部件104a和104b)，两个通道插入件102’和102’ ’，以及电接触单元112互相连接以及连接于母板114之前的情况。在此实施例中，所述母板114具有两个孔118a和118b，与所述电接触单元112相连的两个电极1104a和1104b可以通过所述孔。所述电接触单元112还具有两个电接触1106a和1106b，它们与微模块106’ ’上的两个电垫1102a和1102b连接。对所述电接触单元112设定尺寸，适合设置在母板114的凹陷120内。图1lC是截面图，显示微模块106’ ’ (具有整体化装配部件104a和104b)，两个通道插入件102’和102’’以及电接触单元112互相连接以及连接于母板114的情况。所述电接触单元112位于微模块106’’下方,为微模块106’’提供电能,或者测量来自微模块106’’的电信号(注:如果需要的话，所述电接触单元112可能具有位于其底部之上的电接触垫，其与母板114内的整体化电极相接触)。可以看到，微模块106’’(具有整体化装配部件104a和104b)以及两个通道插入件102’和102’’互相连接，使得流体能够从一个通道插入件102’流入一个装配部件104a，流过微模块106’ ’，流入另一个装配部件104b，然后流入另一个通道插入件102’’。所述电接触单元可以具有整体化的电极(或者用于使得电极从中通过的孔)，所述电接触单元可以提供与外界数据获取和系统控制装置的电子连接。
[0045]图12A-12C显示了三幅图，用来帮助解释根据本发明的实施方式，一个微模块106’’’(包括整体化装配部件104a和104b)、四个通道插入件102’(图中显示3个)和102’ ’ (图中显示I个)以及一个电接触单元112’如何连接于母板114。图12A是透视图，显示与母板114相连的微模块106’’’ (其具有四个电垫1202a，1202b, 1202c和1202d)(注:在此实施例中，所述微模块106’’’具有能够进行电泳测试的室)。图12B是截面图，显示微模块106’ ’ ’ (具有整体化装配部件104a和104b)，两个通道插入件102’和102’ ’，以及电接触单元112’互相连接以及连接于母板114之前的情况。在此实施例中，所述母板114具有四个孔118a和118b (图中显示2个)，与所述电接触单元112’相连的四个电极1204a和1204b (图中显示2个)可以通过所述孔。所述电接触单元112’还包括四个电接触1206a和1206b (图中显示2个)，它们分别与微模块106，’ ’上的四个电垫1202a, 1202b, 1202c和1202d相连接(见图12A)。另外，所述电接触单元112’具有孔，光纤1208可以通过所述孔并且与微模块106’’’连接。母板114还具有另一个孔118e，所述光纤1208可以通过所述孔，与外界的器件相连，例如，所述光纤1208可以用于荧光检测。对所述电接触单元112’设定尺寸，适合设置在母板114的凹陷120内。在另外的实施方式中，所述模块可以不进行尺寸设定以适于设置在母板的凹陷之内，而是可以叠置在母板顶上，或者可以在不存在母板的情况下进行组装。图12C是截面图，显示微模块106’ ’ ’ (具有整体化装配部件104a和104b)，两个通道插入件102’和102’’以及电接触单元112’互相连接以及连接于母板114的情况。所述电接触单元112’位于微模块106’’’下方，为微模块106’’’提供电能(注:如果需要的话，所述电接触单元112’可能具有位于其底部之上的电接触垫，其与母板114内的整体化电极相接触)。可以看到，微模块106’’’(具有整体化装配部件104a和104b)以及四个通道插入件102’(图中显示3个)和102’’(图中显示I个)连接起来，使得流体可以通过动电和/或电渗流，从三个通道插入件102’流入三个装配部件104a，流过微模块106’ ’ ’，流入另一个装配部件104b，然后流入另一个通道插入件102’ ’。
[0046]图13A-13C显示了三幅图，用来帮助解释根据本发明的实施方式，一个微模块106’ ’ ’ (包括整体化装配部件104a和104b)、两个通道插入件102’和102’ ’以及一个致动器108如何连接于母板114。图13A是透视图，显示了微模块106’’’’以及位于其下的致动器108 (所述致动器108具有三个活塞1302a，1302b和1302c)，所述微模块106和致动器108均连接于母板114。图13B是截面图，显示微模块106’ ’ ’ ’(具有整体化装配部件104a和104b)，两个通道插入件102’和102’ ’，以及致动器108互相连接以及连接于母板114之前的情况。在此实施例中，所述母板114具有三个整体化电连接件1304a，1304b和1304c，所述电连接件为所述致动器108提供电能。所述示例性的致动器108具有三个电极1306a，1306b和1306c，所述电极将与母板114中的三个整体化电连接件1304a，1304b和1304c接触。或者，所述母板114可以具有三条通道118，所述致动器108的三个电极1306a，1306b和1306c可以通过所述通道118。对所述致动器108设定尺寸，适合设置在母板114的凹陷120内。图13C是截面图，显示微模块106’ ’ ’ ’(具有整体化装配部件104a和104b)，两个通道插入件102’和102’’以及致动器108互相连接以及连接于母板114的情况。可以看到，微模块106’ ’ ’ ’(具有整体化装配部件104a和104b)以及两个通道插入件102’和102’ ’互相连接，使得流体能够从一个通道插入件102’流入一个装配部件104a，流过微模块106’ ’ ’ ’的内部室130，流入另一个装配部件104b，然后流入另一个通道插入件102’ ’。图中显示致动器108的结构能够使得流体在微模块106’’’’内沿任意方向流动。但是，致动器108可以用来泵抽流体沿任一方向流过微模块106’ ’ ’ ’，或者用作阀门，用来阻止流体流过微模块106’ ’ ’ ’。参照图13D-13K对用来对微模块106’ ’ ’ ’内的流体进行泵抽和阀门调节的具有挠性底部的致动器108的例子进行讨论。
[0047]图13D-13I用来帮助解释致动器108如何将流体在微模块106’ ’ ’ ’内从左边泵抽到右边。首先，应当对致动器108进行控制，使得左边的活塞1302a上升，堵塞微模块106’’’’中通道130内的流体流动(见图13D)。然后，控制致动器108，使得左边的活塞1302a和中间的活塞1302b升高，泵抽流体在微模块106’ ’ ’ ’内的通道130中从左向右移动(见图13E)。然后，控制致动器108，使得左边的活塞1302a降低，中间的活塞1302b和右边的活塞1302c都升高，以进一步泵抽流体在微模块106’ ’ ’ ’内的通道130中从左向右移动(见图13F)。然后，控制致动器108，使得左边的活塞1302a和中间的活塞1302b降低，右边的活塞1302c升高，使得更多的流体进入微模块106’ ’ ’ ’内的通道130中(见图13G)。然后，控制致动器108，使得左边的活塞1302a和右边的活塞1302c升高，迫使流体处于在微模块106’’’’内的通道130的中间部分(见图13H)。然后，控制致动器108，使得左边的活塞1302a和中间的活塞1302b升高，右边的活塞1302c降低，以泵抽流体在微模块106’ ’ ’ ’内的通道130中从左向右移动(见图131)。因此，可以理解可以控制致动器108，按照与蠕动泵类似的顺序升高和降低活塞1302a，1302b和1302c，泵抽流体在微模块106’ ’ ’ ’内的通道130中沿任意所需的方向流动。
[0048]图13J用来解释致动器108如何防止流体在微模块106’ ’ ’ ’内流动。在一些实施方式中，应当对致动器108进行控制，使得中间的活塞1302b上升，堵塞微模块106’ ’ ’ ’中通道130内的流体流动。当然，如果需要的话，可以对致动器108进行控制，使得活塞1302a, 1302b和1302c中的任一个或者任意组合能够上升，堵塞微模块106’’’’中通道130内的流体流动。图13K显示了示例性致动器108’的示图，所述致动器具有三个活塞1302a’，1302b’和1302c’，所述活塞各自包括弹簧1310a’，1310b’和1310c’，通过控制螺线管1312a’，1312b’和1312c’的操作压缩所述弹簧。另外，还应当理解可以通过很多种另外的方法压缩所述三个活塞1302a’，1302b’和1302c’，所述方法包括例如空气压力，可以通过母板114内的孔118提供空气压力。如果需要的话，可以使用市售的微型泵，连接于母板114，或者设置在与母板114相邻的位置。市售的微型泵的例子包括巴特斯微型技术公司(Bartels Mikrotechik GmbH,),星微公司(Star Micronica C0., Ltd)和高砂电子有限公司(Takasago Electric, Inc.)制造的栗。
[0049]本发明人进行了一些不同的试验，证明了模块化微流体系统100的功能。结合图14-17讨论了这些试验的结果。在第一个试验中，发明人测试了示例性的模块化微流体系统IOOa内的压力(见图14)。图14是示例性的模块化微流体系统IOOa的照片，其中通过小型化的鲁尔装配部件104(图中未显示)将微模块106插入T-形通道插入件102j和H-形通道插入件102h中，所有这些部件都位于母板114上。使用注射器和注射泵(图中未显示)将水以100微升/分钟的速度泵抽入所述模块化微流体系统IOOa中。压力计1402连接在所述注射器和模块化微流体系统IOOa之间。在模块化微流体系统IOOa中填充了水之后，继续进行泵抽，但是将系统IOOa的出口堵住，以观察任何连接处是否存在任何流体渗漏情况。即使在51.1psi的压力下，也没有观察到流体渗漏，停止该具体试验。
[0050]在第二个试验中，本发明人构建并测试了示例性的模块化微流体系统IOOb和100b’(见图15A-15C)。图15A是母板114的照片，其上首先设置了一个T形的通道插入件102j和三个H形的通道插入件102h。图15B是一幅照片，其中长的反应室微模块106c，具有导流片的反应室微模块106b以及小的反应室微模块106c’插入通道插入件102h和102 j中，形成模块化的微流体系统100b。用便携式微型泵1500(巴特尔微型科技公司(BartelMikrotechik GmbH)的便携式微型泵1500)提供流体流(水和有颜色的水)，通过电池1502为所述微型泵提供能量。图15C是一幅照片，显示重新构建的模块化微流体系统100b’，该系统是通过对之前的模块化微流体系统IOOb的部件进行拔出和重新构建，在一分钟以内制造的。
[0051]在第三个试验中，本发明人构建并测试了示例性的模块化微流体系统IOOc和100c’(见图16A-16C)。图16A是母板114的照片，其上首先设置了四个T形的通道插入件102j和七个H形的通道插入件102h。图16B是一幅照片，显示了小的反应室微模块106c’，大的混合器微模块106a,具有导流片的反应室微模块106b和长的反应室微模块106c插入通道插入件102h和102j中，形成模块化微流体系统100c，该系统具有四个入口 1602和一个出口 1604。通过注射泵提供流体流(水和三种不同颜色的水)。各入口流速为10微升/分钟。图16C是一幅照片，显示模块化微流体系统100c’，其与上文讨论的模块化微流体系统IOOc类似，但是构建在平坦表面上，而没有使用母板114。
[0052]在第四个试验中，发明人构建并测试了示例性的模块化微流体系统IOOd(见图17)。图17是一幅照片，显示了一个母板114，在其上首先设置了两个加热器110，然后在每个加热器110顶上设置了一个微模块106。所述两个加热器110是Thermofoil?挠性加热器，型号为:HK5565R5.3L6B和HK5572R26.5L12B;美国明尼苏达州，明尼安纳波利斯，敏科(Minco, Minneapolis, MN)。照片还显示了反映微模块106内的温度分布的热图像。在此试验中，用这些加热器110获得了高于90°C的温度，并且未造成微模块106熔化。
[0053]在制造即装即用模块化微流体系统100的时候，可以采用很多种技术。例如，可以采用标准微制造技术，注塑技术，各种快速原型设计技术，例如软光刻和立体光刻，或者这些制造技术的任意组合，制造所述即装即用模块化微流体系统100的部件。另外，还可以使用标准印刷电路板(PCB)技术制造母板114。通过这种方式，可以将电路很容易地集成入母板114中。如果需要的话，母板114可以包括狭缝和孔，以帮助各种部件的对齐。接下来，参照图18，描述在印刷电路板(PCB)上制造的一种示例性的模块化的微流体系统100。
[0054]参见图18，图中显示了透视图，是根据本发明的实施方式在印刷电路板(PCB) 1802上制造的示例性的模块化微流体系统100e。所述模块化微流体系统IOOe包括PCB1802，在PCB上设置有母板114，所述母板上连接有各种通道装配件102和各种微模块106。母板114具有整体化的电极(图中未显示)，所述电极与位于PCB1802的顶表面1806上的电销连接件1804(图中显示五个)相连。图中显示的电销连接件1804与电缆连接件1808相连，所述电缆连接件具有从中延伸出来的挠性电缆1810，与外部电子器件相连，提供了数据获取和系统控制。所述PCB1802还具有光纤连接件1812，能够提供与母板114的连接，用于微模块106中的光学检测(见图12)。
[0055]参见图19，图中显示了根据本发明实施方式的用来构建模块化微流体系统100的示例性方法1900的各步骤的流程图。在步骤1902中，提供了母板114，其具有顶表面115，所述顶表面具有通道116的网络。在步骤1904和1906中，提供了不同种类的通道插入件102，然后将一个或多个通道插入件102置于位于母板114内的一个或多个通道116内。在步骤1908和1910中，提供了至少一个微模块106，所述微模块106中的一个通过至少一个装配部件104与位于母板114之内的至少一个通道插入件102相连。在步骤1912中(任选的)，可以提供泵抽-阀门控制致动器108，将其设置在母板114和微模块106中的一个之间，该操作是在将所述一个微模块106与通道插入件102相连之前进行的(见图13)。在步骤1914中(任选的)，可以提供加热器110，将其设置在母板114和微模块106中的一个之间，该操作是在将所述一个微模块106与通道插入件102相连之前进行的(见图10)。在步骤1916中(任选的)，可以提供电接触单元112，将其设置在母板114和微模块106中的一个之间，该操作是在将所述一个微模块106与通道插入件102相连之前进行的(见图11)。因此，为了构建集成化的模块化微流体系统100，首先将包括通道的通道插入件102连接或放置入母板114内的狭缝或凹槽116中。然后，如果需要的话，可以在装配部件104的辅助下将微模块106(微型芯片106)与通道插入件102相连之前，将可重复使用的致动器108，加热器110和/或电单元112与母板114相连。
[0056]尽管以上已经描述了本发明的【具体实施方式】，但是需要理解，本发明不仅限于这些实施方式，因为本领域普通技术人员可以进行很多的改良，特别是基于前人的教导进行改良。为了说明这一点，下面讨论了一些另外的实施方式，从而进一步说明可以用来根据本发明的实施方式构建“即装即用”微流体系统100的一些不同的可能的连接组合。同样需要理解，所述通道插入件102是微模块106的许多实施方式中的一种。
[0057]以上描述的示例性的微流体装置100包括至少两个通道插入件102和至少一个微模块106。但是，在一些情况下，可能仅使用一个装配部件104和一个微模块106来构建微流体装置100 (例如参见图20A-20B和21A-21B所示的两个示例性微流体装置100)。在其它的情况下，可以使用至少两个微模块106来构建微流体装置100，不需要通道插入件102 (例如参见图22A-22B所示的两个示例性微流体装置100)。另外，可以将部件102和106互相插到彼此顶上，形成三维微流体系统100 (例如参见图23A-23B和24A-24B所示的两个示例性微流体装置100)。或者，还可以将通道插入件102插到微模块106顶上，然后可以将其它的微模块106插入所述通道插入件102中(图中未显示)。在所有的这些情况下，使用至少一个装配部件104 (例如凸形和凹形鲁尔装配件)来制造微流体装置100 (注:任选使用母板114)。可以看到，可以使用本发明的部件，采用很多种组合制造所需的微流体装置100，所有的这些组合和替代构成本发明的“即装即用”微流体装置的实施方式。
[0058]下面列出了与所述即装即用模块化微流体系统100相关的一些其它的优点和特征:
[0059]不需要使用另外的部件，例如O形环、平面型垫圈、套圈或螺母在各种部件102，104和106之间提供防漏的流体连通。
[0060]所述微流体系统100可以允许气体流代替流体流。
[0061]所述母板114可以提供用于加热器110、致动器108等的所有电连接，以及提供数据获取和系统控制的外部电子装置。
[0062]所有的无源功能(反应，检测，混和等)和有源功能(泵抽，阀门等)均可构建在微型芯片部件106中。
[0063]致动器108可以设置在母板114上的任意位置，用于泵抽和阀门控制，该致动器可以重复使用，可以很容易地连接在母板114上以及进行拆卸。
[0064]部件102，104, 106, 108, 110和112可以很容易地重新设置、连接和拆卸，用于进一
步的应用，而不会造成任何破坏。
[0065]所有这些微型芯片和通道部件102，104和106都是可以弃去的，母板114、致动器108、加热器110等可以重新使用，以降低成本。
[0066]可以容易地设计和构建集成微流体系统100的不同结构。[0067]所述母板114可以具有标准的微板足印，可以通过连接96个独立的室微型芯片106转化为例如96孔型微板。
[0068]虽然参照附图以及前面的详细描述说明了本发明的一些实施方式，但是应理解，本发明不限于揭示的实施方式，在不偏离由以下权利要求书限定的本发明的精神下能够进行各种重排、修改和替换。
【权利要求】
1.一种三维模块化微流体系统，包括: 通道插入件； 装配部件；以及 微模块，所述微模块通过所述装配部件与所述通道插入件偶连，其中在所述微模块、所述装配部件以及所述通道插入件之间是流体连通的，所述装配部件的端部构造并布置成与所述通道插入件偶连以形成带倒钩的装配件、锥形装配件、鲁尔装配件或者鲁尔锁定装配件。
2.如权利要求1所述的三维模块化微流体系统，其特征在于，在所述三维模块化微流体系统中不使用母板。
3.如权利要求1所述的三维模块化微流体系统，其特征在于，所述微模块选自: 通道插入件； 泵微模块； 阀门微模块； 加热微模块； 混合微模块； 过滤微模块； 检测微模块； 电泳微模块； 反应微模块； 分离微模块；或者 隔离微模块。
【文档编号】B01J19/00GK103752359SQ201410062033
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2009年3月20日 优先权日:2008年3月20日
【发明者】P·K·袁 申请人:康宁股份有限公司