微液体处理装置及其使用方法

专利名称：微液体处理装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种在微通道中通过由高能光源例如激光产生的蒸气泡处理液体的系统和方法。本发明还涉及该系统和方法的各种应用。
背景技术：
在最近的15年中，人们对于使所谓“分析微系统”中的化学生物分析自动化愈发感兴趣并付诸努力。多个重叠术语例如微TAS(微型全分析系统)、芯片实验室(Lab-on-a-chip)、生物芯片和生医微机电系统(bioMEMS)已被建议用于描述该技术。尽管这些术语各不相同，但是它们的目的都是为了制造出快速且具有成本效益的化学生物分析系统。
这些系统的发展面临很多挑战，其中最根本的挑战是以可重复的适时精准控制方式在微系统中处理液体试剂。随着时间的推移，已出现了若干种微泵送方案。
其中一种泵送方案是基于电渗流/力(EOF)，并且首先与毛细管电泳有关。EOF现象产生于溶液中的离子和微通道壁上固定离子点之间的相互作用。在应用沿微通道的电场时，该相互作用导致微通道中的液体呈网状流向其极性和壁的电荷相同的电极。在使用二氧化硅表面的情况下，由于酸性硅烷醇基的电离使壁的电荷带负电，并且EOF向阴极运送微通道内物质。使用EOF泵送的微系统例如由Manz等人描述过。
EOF泵虽然在电泳分离系统中很有用，但是并不总是适用于基本泵送，因为它们趋于影响它们所移动的液体样本并且趋于被该液体样本影响。同样，由于EOF系统依赖于连接外部电极以接触微通道内液体，这将对将施加在单个基底上的EOF毛细管的数目实施限制。EOF泵送的另一个缺点在于由于电解形成气泡。不希望出现的电流路径即微通道液体中的气泡将显著影响或者实际停止泵送，因为电流可能会由于气泡的阻塞而减小甚至中断。
另一种泵是所谓的容积式泵或膜式泵，其中的致动导致液体并且因而液流中的压差。这种致动可以通过例如压电元件、气动装置、磁力、静电力等若干装置和光-热致动实现。
光-热致动在US 2003 0021694(Yevin)中有所说明，其中利用由激光通过光纤加热液体而产生的气泡来实现毫微泵送。加热位置是离散的并且通过手动插入光纤完成耦合。
其它利用光-电致动的泵送方法在US 5602386、US 5186001、US5649423和US 6071081中有所说明。
US 5602386涉及一种光驱动致动器，其中，从光源发出的光通过光纤引入介质中，并且所述光在该介质中被吸收。光能的吸收使介质膨胀从而驱动致动器。US 5602386需要光引入装置的静态定位和笨重的机械阀。
US 5186001涉及一种基于利用光源加热封闭室内的气体的微型致动器，所述壁具有在加热气体时膨胀并且在气体冷却时收缩的柔性部分。该柔性部分的运动用于致动。US 5186001具有与上述类似的缺陷，并且它包括具有用作往复活塞的可运动部分封闭室。
US 5649423涉及一种具有毛细管力密封的微型线性致动器。来自光纤的光被吸收在微型线性致动器中，所述吸收使致动器内的液体蒸发。该蒸发使致动器中的压力增大，并且所述压力使致动器的活塞移动。US 5649423包括完全封闭的作用于机械活塞的工作液体。
US 6071081涉及一种微型泵，其中，利用激光进行脉动加热使得泵室内的气泡膨胀或收缩。气泡的动作用作压力源，并且通过位于泵室入口和出口的止回阀调节通过该泵的流动。US 6071081包括静态(离散)热源和机械入口及出口阀。
Jun等人描述了一种微型装配式泵，其利用移动或膨胀的通过一排电加热器形成的气泡使液体通过微通道移动。
US 6283718涉及一种基于气泡的微型泵，该泵包括一个圆锥形室，通过例如利用来自金属加热元件或流过较窄微通道中的导电液体的电流的欧姆加热进行加热而在该室附近形成蒸气泡。
US 6513968涉及一种通过利用离散热源如光源产生气泡和通过借助于温度梯度使气泡在液体中移动而混合液体的方法。气泡的运动使液体混合。
总而言之，现有技术中的泵送方案都有若干缺陷。通常它们具有较低程度的使用灵活性，因为新的分析应用常常需要新的设计，并且因此需要生产新的生物芯片，这是一个费时且昂贵的过程。通常会遇到公开的泵的致动器组件和微系统的其它组件例如检测系统、用于例如接触离散热源的电子组件和微系统内的生物试剂之间不兼容的问题。微系统周围缺少空间也是一个问题，因为微系统周围的多数设备都不适于等比缩小。微系统和外部控制装置接合是一个较大的挑战，并且趋于需要大量人工操作而且是重要的错误源。
最后，每个微系统的高昂成本价是防止一次性微系统成为经济可行的现代医学诊断和药物筛选方案的主要障碍。

发明内容
本发明涉及一种在微系统中处理液体的普通方案，其中，相同的可移动光源例如激光用于例如泵送、调节温度、混合、标记、激发荧光等一个或多个过程和热循环。
本发明的一目的是提供一种用于分析的灵活的一次性微系统。
本发明的另一目的是提供一种无需机械和/或电连接到驱动系统上的利于微液体处理和反应的系统。
本发明的另一目的是获得一种微型泵送系统，该系统具有允许将微型泵送系统用于若干应用的灵活结构。
本发明的另一目的是提供一种微型泵送系统，其中，一个泵送光源可用于处理多个微通道中的液体。
本发明通过一种在至少一个保持一种或多种工作液体的微通道内的所述一种或多种工作液体中产生液流的微泵送系统实现上述和其它目的，该系统包括-保持至少一个包括至少一个具有第一表面部分的第一段和至少一个具有第二表面部分的第二段的微通道的基底，-适于发出光束的光源，-使光束和基底之间产生相对运动的装置，该移动装置适于在至少一个光束将照射第一表面部分的第一位置和光束将照射第二表面部分的第二位置之间移动，因而响应微通道的各表面部分的照射分别在微通道的第一和第二段中形成至少一个作用于液体的蒸气泡。
根据本发明的第二方面，通过一种在至少一个微通道中产生液流的方法实现上述和其它目的，该方法包括提供至少一个保持至少一个微通道的基底，从至少一个光源发出至少一个光束，-使所述至少一个光束和所述至少一个基底之间产生相对运动，因此所述至少第一光束在第一位置照射第一表面部分并在第二位置照射第二表面部分，-响应第一表面部分的照射在所述至少第一段中形成至少一个第一蒸气泡，-响应第二表面部分的照射在所述至少第二段中形成至少一个第二蒸气泡，所述至少第一和第二蒸气泡分别作用于微通道的第一和第二段中的液体，以便在微通道内产生流动。
所述基底可以是任何适合于保持一个或多个微通道的基底，例如包含玻璃比如熔融石英、硅、如聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者环烯烃共聚(COC)等聚合物材料的基底。
相对的通道壁之间的距离可以选择成在0.1μm(微米)-1mm(毫米)之间，例如在0.1μm-1μm、1μm-10μm、10μm-50μm、50μm-100μm、100μm-200μm、200μm-500μm或者0.5mm-1mm之间。
“蒸气泡”指通过蒸发微通道中的液体形成的气泡。所蒸发的液体的蒸汽可以构成蒸气泡中的分子的至少25％，例如至少40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％、97.5％、99％或99.5％，例如所述分子的至少99.9％。优选地，蒸气泡中的分子的至少100％来自所蒸发的液体的分子。
在一优选实施例中，蒸气泡膨胀到足以阻塞气泡所在处的液流通过微通道横截面。进一步优选地，蒸气泡不会相对于其形成的位置移动，除非蒸气泡将受光束的引导在微通道内持续移动。
液体可以容纳在微泵送系统的一个或多个部分中，例如在系统的一个或多个微通道中，因此液体被基本封闭在通道内。
光束在从第一位置移动到第二位置时可以连续照射微通道，从而产生至少一个从第一段行进到第二段的蒸气泡。微通道的工作液体将沿与光束移动方向相同的方向流动。因而通过控制光束的移动，可以在微通道中实现双向处理，例如双向泵送。
光束连续照射微通道或者其至少一个表面部分可以微通道内的液体加热到过热状态，从而在微通道内形成蒸气泡。通过沿通道连续移动光束，在所形成的蒸气泡内形成温度梯度，并使蒸气泡在光束经过后在较冷区域收缩和/或破裂并且随着光束的照射在液体蒸发并因而膨胀的过热区域膨胀。膨胀的蒸气泡将在通道内形成压力脉冲并在脉冲发生前置换液体体积。
照射在表面部分上的光束的能量密度优选地选择成足够高，以使得部分液体的蒸发基本瞬时完成。快速而均匀的蒸发将形成用于保护通道段内的其余液体不被加热的保护性蒸汽层。这种现象就是公知的“膜态沸腾”。
可选地，也可以照射微通道的离散段，因此可以响应照射第一表面部分的光束形成至少一个第一蒸气泡，并响应照射第二表面部分的光束形成至少一个第二蒸气泡。因此，微通道段的顺序照射使蒸气泡顺序形成。而且当通道的离散段被照射时，通过控制光束确保双向性。可以实施该实施例以允许所述至少第二蒸气泡在所述第一蒸气泡破裂前膨胀。因而可以控制所产生的流动的方向并且例如将所述第一蒸气泡用作限流装置而抑制回流。因此，例如将液体体积从例如一个贮存器泵送到另一个贮存器同样可以像利用微通道的连续照射可获得的泵送那样便利。
可以设想的是，这里公开的构形同样可以通过利用微通道的连续或离散照射而获得。
根据本发明的另一实施例或另一方面，提供一种在微通道内泵送液体的微型泵送系统，该系统包括-保持至少一个包括至少一个具有第一表面部分的第一段和至少一个具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-适于发出光束的光源；和-用于使光束相对于基底移动的装置，该移动装置适于在至少一个光束将照射第一表面部分的第一位置和光束将照射第二表面部分的第二位置之间移动，因而响应微通道的各表面部分的照射分别在微通道的第一段中形成至少一个作用于液体的第一蒸气泡和在微通道的第二段中形成至少一个作用于液体的第二蒸气泡，其中，所述至少第二蒸气泡在所述至少第一蒸气泡破裂之前形成，以便产生泵送作用/以便使液体沿从所述第一段到所述第二段的方向移动。
根据本发明的另一实施例和另一方面，提供一种在微通道内泵送液体的方法，该方法包括以下步骤-提供保持至少一个包括至少一个具有第一表面部分的第一段和至少一个具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-从光源发出光束；和-使光束和基底之间产生相对运动，因此光束在第一位置照射第一表面部分并在第二位置照射第二表面部分，-响应第一表面部分的照射在所述至少第一段中形成至少一个第一蒸气泡，-响应第二表面部分的照射在所述至少第二段中形成至少一个第二蒸气泡，其中，所述至少第二蒸气泡在所述至少第一蒸气泡破裂之前形成，以便产生泵送作用。
所述微通道可以具有由光束顺序照射的一个或多个区域，每个区域都包括将由光束顺序或连续照射的多段。因此，例如可以通过在一个通道中具有多个彼此连续的泵送区域而提高泵送效果。
此外，一个区域可以被光束照射多次。因此，例如可以从通道排出多个液滴，其中，响应各区域的照射排出各液滴。
微通道中的一个区域可以沿任一方向被连续或顺序照射多次。因此，该系统可以是双向的，因而，例如可以在一个时间点沿一个方向并且在另一时间点沿相反方向产生流动。
此外，设想可以例如通过为连接到所述系统上的任一可编程记忆装置例如计算机编程而由用户设定各分开区域的照射顺序和在特殊区域中将进行的操作。
可在一预定距离内产生在包含特定泵送通道的微系统中的流动，因此其中产生流动的区域可以覆盖1μm-1cm(厘米)的微通道长度，例如在1μm-10μm、10μm-50μm、50μm-100μm、100μm-200μm、200μm-500μm、500μm-1mm、1mm-5mm或者5mm-1cm之间。此外，可以在一预定距离内产生在包含特定泵送通道的微系统中的流动，因此其中产生流动的区域可以覆盖至少1μm的长度，例如至少10μm、25μm、50μm、75μm、100μm、250μm、500μm、1mm、5mm、1cm、5cm或者50cm，例如至少100cm。
同样地，其中的液体体积将被置换的部分微通道可以具有至少1μm的长度，例如至少10μm、25μm、50μm、75μm、100μm、250μm、500μm、1mm、5mm、1cm、5cm或者50cm，例如至少100cm。
可以在通道壁内通道壁和通道内液体的交界处产生热量，或者可以通过提供对于从光源发出的光束光学透明的通道壁而在通道内液体中直接产生热量。
在一优选实施例中，至少部分基底对于从光源发出的光束的波长是透明的。当例如用硅作基底材料时，优选地将波长范围从700nm到3000nm的远红外线激光用作光源。当基底材料为例如在可见波长范围内透明的玻璃或塑料时，使用中心波长例如为632nm(纳米)、635nm、670nm、680nm或720nm的红光激光二极管。
为了改善光能向热能的转换，至少一个将由光束照射的微通道的表面部分包括一个用于吸收光能的吸光材料。该吸光材料可以是任何易于吸收从光源发出的光能并且同时在照射期间对材料的温度升高不敏感的材料，例如氮化铝，或者尤其是当将硅用作基底材料时的掺杂硅如掺硼硅或掺磷硅，或者包含提高特定波长或多个波长的吸收率的添加剂的聚合物(例如可从市场购得的来自US Clearweld或US Epolin的产品)。该吸光材料可以形成确保通道壁的热阻足够低以允许大量热量传送到通道的通道壁的一体部分。因而可将吸光材料用作加热板以加热通道内的液体。吸光材料可以吸收较窄光谱区中的光，或者可以完全不透光并且能吸收从紫外到中红外的任何波长的光。
而且，基底可以是吸光材料，和/或吸光材料可以作为基底。
吸光材料可以被涂抹、喷涂、沉积或点缀在通道壁上，并且可以在通道壁上形成一邻近层或者被吸收到通道壁中。微系统的微通道可以由第一基底和第二基底形成，所述第一基底对于所述光束是透明的，而所述第二基底对于所述光束具有较高水平的吸收率。
优选地，吸光材料选择成在吸光材料中吸收照射通道壁的光束的强度的至少1％，例如至少2％、3％、4％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或99％，例如光束的强度的至少99.99％。
术语“液体”应该被广义地解释，并且作为非限制性示例包括均匀液体、悬浮液即含有颗粒物质如微粒或细胞的液体、含有小气泡的液体、含水液体、有机液体、两相系统及疏水性液体和亲水性液体。
在一优选实施例中，因为当液体的温度升高到其沸点时溶解的气体可以在微通道中沉积为气泡，所以使用一种脱气液体，即含有最少的溶解气体的液体。当应用本发明时，沉积的气泡可能是不被希望的。当在具有疏水通道壁的微通道系统中使用含水的液体时，使液体脱气是尤其重要的，因为气泡可以粘附在通道壁上并且随时间而堆积。脱气的替换和/或补充手段可以是在液体中加入除垢剂。
蒸气泡可通过成核作用形成在液体中，或者可以通过使从通道壁输送至用于形成蒸气泡的液体的部分液体膜态沸腾而形成蒸气泡。
光束的光能可以在通道壁附近没有吸光材料的情况下被吸收在液体中，或者光束可以被同时吸收在液体和通道壁附近的吸光材料中。如果只有液体将吸收光束的光能，优选地所述液体在所述光束的波长下的吸收率为至少0.1，例如至少是0.5、1、2、3、4、5、6、8、9、10、15、20。可通过标准分光光度计测量该吸收率。如果测得的吸收率高于1.5，那么本领域技术人员将知道怎样将液体稀释成获得在0.1和1.5之间的稀释液体吸收率，并用稀释样本的吸收率乘以稀释因数以获得适合的吸收率。
术语“工作液体”用于描述在微型泵送系统中的主要液体，因此例如是任何化学或生物活性液体或者任何含有颗粒物质的液体。
术语“缓冲液体”用于描述容纳在微通道系统中的液体但不涉及在微通道系统中所表现的任何化学或生物活性。缓冲液体可选择为特别适于用作蒸气泡形成液体和/或根据液体的流动性质特别地选择。优选地，缓冲液体不与工作液体相混合。
通常且尤其在生物系统中，微通道中的液体是对热敏性的，所以既不通过成核作用也不通过膜态沸腾加热该液体以形成蒸气泡是不可取的。因此，在本发明的一优选实施例中，如上所述通过响应光照使至少部分缓冲液体膜态沸腾或者通过响应光束照射的成核作用在缓冲液体中形成蒸气泡。缓冲液体可包含在微通道中，至少位于将形成蒸气泡的区域中。
在另一实施例中，至少部分待加热液体-或者是工作液体或者是缓冲液体-可以保持在与微通道相连的空腔中以例如在微通道和该空腔之间形成连接，微通道的表面部分为该空腔的表面部分。因此，空腔的表面部分由光束光照，并且热量耗散到表面部分的吸光材料中或者直接耗散到空腔内的液体中。例如，当微通道中的工作液体包括具有预定直径的热敏细胞的悬浮物时，空腔的尺寸可以选择成确保这些热敏细胞中没有一个进入空腔，同时蒸气泡形成以便在微通道中作用于工作流体。可选地，空腔中的至少部分液体可以是缓冲液体。
因此空腔可以有朝向微通道的开口，该开口小于将由微通道中的工作液体传送的细胞，以防止这些细胞受到热损伤，例如被超过37℃的温度破坏。可选地，空腔包含甚至可以通过薄膜与微通道隔离的缓冲液体。
微系统中的液流通常可以是层状流动液体，同样地，所产生的流动将通常是层状的。这可以用于使工作液体和缓冲液体的层流分别在微通道中流动而基本不会产生混合。因此，可以在无需提供特别的空腔和无需加热工作液体的情况下在缓冲液体中形成蒸气泡。
在一优选实施例中，液流的雷诺数最多为100，例如最多为10、5、1、0.5或0.01，例如最多为0.001。雷诺数Re是液体惯性应力和粘性应力的比值，并定义为Re=v-Dv,]]>其中v是液体在微通道中的平均线速度，D是微通道的直径或平均横截面尺寸，而v是工作温度下的液体动粘度。
使用缓冲液体的另一个优点是缓冲液体的特性可以适用于缓冲液体的特殊应用而无需考虑液体的其它性能，例如用于特定细胞的悬浮液的适宜性。因此，在例如蒸发特性、蒸气泡形成特性、表面张力、热传递性、特定波长的吸收等方面缓冲液体可以工程化。
缓冲液体可以容纳在整个微系统中或者微通道的至少一段可以包含缓冲液体。微通道的一段可以包含缓冲液体和工作液体，而另一段可以只包含缓冲液体。例如，微通道的端段可以包含缓冲液体。
具有分开的包含一种或多种缓冲液体的微通道段的优点是避免紧邻热敏液体加热缓冲液体。在一优选实施例中，一个或多个包含缓冲液体的微通道段为端段，因此缓冲液体作为活塞作用于工作液体。
在微系统中通常需要加热至少部分工作液体，尤其是当使用化学或生物流体时、当反应将被监控或者甚至通过在微系统内达到某个温度而变得容易时等。
所以，根据本发明的另一方面，微通道系统包括
-保持至少一个包括至少一个具有第一表面部分的第一段的微通道的基底；-适于发出光束的光源；和-用于控制光束的参数的光束控制装置，其中，该光束控制装置适于控制光束的参数以加热所述微通道内的液体。
根据本发明的另一方面，提供一种在微通道中加热液体的方法，该方法包括-提供保持至少一个具有至少一个第一段的微通道的基底；-从光源向所述至少第一段发出光束；和-控制光束的参数以加热微通道内的液体。
因而通过由光束加热液体而进行微通道内液体的加热。耗散在液体中的热量取决于多个因素，例如光束参数、空腔壁和/或形成部分壁的吸收装置的热传递性、待加热液体的热容等。
通过根据液体和微系统的细节选择合适的光束参数，可以在待加热液体中获得预定温度。如上所述，可以例如通过相对于形成蒸气泡所需的功率减少光束的功率而加热液体。无论是通过成核作用还是通过膜态沸腾，加热至少部分液体所需的能量密度和/或脉冲宽度可以低于在液体中形成蒸气泡所需的能量密度多个数量级。蒸发或加热液体所需的功率取决于若干参数，例如微通道的实际尺寸、保持微通道的基底、微通道内的液体和蒸气泡的形成和/或加热的方式。
光束的能量密度通常可在0.001mw(毫瓦)/μm2(平方微米)-10w(瓦)/μm2范围内，例如在0.001mw/μm2-0.1mw/μm2、0.1mw/μm2-1mw/μm2、1mw/μm2-50mw/μm2、50mw/μm2-250mw/μm2、250mw/μm2-500mw/μm2、0.5w/μm2-1w/μm2或者1w/μm2-10w/μm2的范围内。光束的能量密度可以为至少0.001mw/μm2，例如至少0.001mw/μm2、0.01mw/μm2、0.1mw/μm2、1mw/μm2、10mw/μm2、50mw/μm2、100mw/μm2、250mw/μm2、500mw/μm2、1w/μm2或者至少5w/μm2，例如至少10w/μm2。
设想可以通过进行一组其中光能密度可变的简单试验选择适合于给定应用的光能密度，并且在适当的蒸气泡形成和/或混合和/或加热发生时观察不同光能设定的结果并选择光能密度。此外可视化装置如光显微镜或荧光显微镜可用于评价光能密度设定的结果。此外荧光或彩色液体可用于使混合或蒸气泡成形可视，并且例如包含荧光液体标记或含有荧光微粒的液体的区域可用于使泵送和/或阀作用和/或混合和/或加热的结果可视。
为了由同一光源在不同的时间点和/或不同的系统部分加热液体和/或形成蒸气泡，可提供光束控制装置以控制的光源参数。因此可以控制光束参数例如功率、脉冲宽度、能量密度和光束相对于微通道的速度，从而光束控制装置可控制光束参数以加热微通道中的液体。设想光束控制装置也可以控制用于形成蒸气泡的光束的参数，从而允许例如不同的微通道段的不同设计。
因此可以将光束的能量密度、功率和/或脉冲宽度控制成足以将各微通道段中至少部分液体加热到低于该液体的沸点的温度因而在液体中基本没有蒸气泡形成，但是还加热到足以使例如特殊的反应或过程发生的温度，例如核酸扩增过程比如在三个低于沸点的不同温度下(在约90-95℃下变性/解链、在约50-65℃下退火并且最后在70-80℃下聚合)发生的聚合酶链式反应(PCR)。
例如，待加热液体可以包括含引物、核酸、核苷酸单磷酸酯和具有聚合酶活性的酶的核酸(NA)扩增混合物。
可使用选自聚合酶链式反应(PCR)、链置换扩增(SDA)、连接-连接-滚环扩增(L-RCA)及它们的组合/改变的技术实现NA扩增。这些方法对于本领域技术人员是公知的，并且例如由Sambrook等人描述过。
此外，根据本发明在微系统中实现核酸(NA)扩增过程的方法包括以下步骤a)提供微型泵送系统；
b)在微通道的一段内提供NA扩增混合物，所述NA扩增混合物包括引物、核酸、核苷酸单磷酸酯和具有聚合酶活性的酶；c)用光源加热NA扩增混合物以解开双链DNA；d)冷却NA扩增混合物以使引物退火至核酸上；e)允许具有聚合酶活性的酶延伸引物。
步骤c)-e)可以重复多次。
为了监控工作液体的温度，可使用热电堆元件例如红外检测器以检测液体的温度。在一优选实施例中，将热电堆元件定位成例如从液体的加热部分发出的中红外(MIR)光通过用于引导光束的同一条物理光路被传送至热电堆元件，只是分光器可以将部分被传送的MIR光传送至热电堆而不是传送到光源中之外。
使光束和基底之间产生相对运动的移动装置可以包括移动基底的装置、和/或移动光源的装置和/或移动光束的装置。基底可以例如设置在一似光盘系统(Compact Disc like system)中，其中，使基底在光源前方旋转，该光源可以沿旋转方向的横向例如径向移动。
移动光束的装置包括用于光束的偏转和/或衍射的装置，例如(反射)镜，棱镜、光栅、全息图等。
移动装置可进一步或可选地包括马达例如步进马达，该步进马达例如和反射镜相连以形成检流计；或者优选地该移动装置包括压电元件，并用压电效应使用于偏转和/或衍射的装置器运动。可选地，磁弹性可用于使所述偏转或衍射元件产生所述运动。可选地，可使用上述移动装置(步进马达或者压电或磁弹元件)以使光源和微系统基底之间产生相对位移。
为了控制照射微通道表面部分的光束，可设置控制装置以控制使光束和基底之间产生相对移动从而可以控制光束穿过的路径。
控制移动装置的控制装置还可包括光束控制装置。
此外，可以设置聚焦装置以使光束在选定位置聚焦。该聚焦装置可以适于使光束聚焦在多于一个的平面中，因而易于实现由同一光源顺序驱动多个泵送通道。
光束聚焦的选定位置可以是微通道的表面部分，或者微通道中的位置。聚焦装置可以由聚焦控制装置控制，并且优选地适于控制两个或三个平面中的焦点。因此，焦点可以例如在任一平面内沿通道的长度移动，例如加热液体或者使蒸气泡沿微通道长度移动。
控制移动装置的控制装置还可包括聚焦控制装置。
通过控制移动装置的速度和/或光源的能量密度可以控制微通道中液体的速度。但是，将有优选的、取决于例如微泵送系统的特别设计、微通道尺寸等的能量密度。
蒸气泡的产生可以使液体上的压力在10-10atm(大气压)-50atm的范围内，例如在10-10atm-10-6atm、10-6atm-10-5atm、10-5atm-10-4atm、10-4atm-10-3atm、10-2atm-10-1atm、10-1atm-1atm、1atm-5atm、5atm-10atm的范围内，或者在10atm-50atm的范围内。
由根据本发明的泵送产生的通过微通道横截面积的流速范围为0.001pL(微微升)/min(分)-100mL(毫升)/min，例如0.001pL/min-0.01pL/min、0.01pL/min-0.1pL/min、0.1pL/min-1pL/min、1pL/min-10pL/min、10pL/min-100pL/min、1nL(纳升)/min-10nL/min、10nL/min-100nL/min、100nL/min-1μL(微升)/min、1μL/min-10μL/min、10μL/min-100μL/min、100μL/min-1mL/min、1mL/min-10mL/min，或者在10mL/min-100mL/min的范围内。
还可使蒸气泡的尺寸适合于特别的系统和/或目的。因此可以通过控制光源的能量密度和/或选定段的照射期间控制蒸气泡的尺寸。蒸气泡的存续时间可以为最多10小时，例如最多每5小时、1小时、30分钟、10分钟、5分钟、1分钟、30秒、10秒、1秒、0.1秒、0.01秒、1毫秒、0.1毫秒、0.01毫秒、1微秒或者0.1微秒，例如最多0.01微秒。
例如为了在微通道中获得阀效应，光源在一特定段上的能量密度和/或照射期间，例如光束的脉冲宽度，可以选择成形成其尺寸与微通道尺寸相对应的蒸气泡。因此蒸气泡填充通道并且因而在通道内产生限流。
在本发明的另一实施例中，所设置的微阀系统包括
-保持至少一个包括至少一个具有第一表面部分的第一段和至少一个具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-适于发出光束的光源；和-用于使光束相对于基底移动的装置，该移动装置适于在至少一个光束将照射第一表面部分的第一位置和光束将照射第二表面部分的第二位置之间移动，因而响应微通道的各表面部分的照射在微通道的第一段中的液体内形成至少一个第一蒸气泡和在微通道的第二段中的液体内形成至少一个第二蒸气泡，其中，第一和第二蒸气泡适于通过使两个蒸气泡的形成或破裂波动或交替而维持通道中的限流。优选的是，微阀的作用使得微通道内液体基本没有断层。
根据本发明的另一实施例或另一方面，提供一种闭合微系统中的微阀的方法，该方法包括-提供保持至少一个包括至少一个具有第一表面部分的第一段和至少一个具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-从光源发出光束；和-使光束和基底之间产生相对运动，因此光束在第一位置照射第一表面部分并在第二位置照射第二表面部分，-响应第一表面部分的照射在所述至少第一段中形成至少一个第一蒸气泡，-响应第二表面部分的照射在所述至少第二段中形成至少一个第二蒸气泡，其中，所述至少第一和第二蒸气泡适于通过使所述蒸气泡的形成或破裂波动或交替而维持通道中的限流以闭合阀。
因而可以在例如两个相邻的微通道段内形成两个波动的蒸气泡，其中，可以控制波动以便在所述通道中维持至少一个蒸气泡限制。
例如可以通过照射相应的微通道段表面部分以交替加热蒸气泡的第一和第二边缘部分而维持蒸气泡。
微阀的作用使得微通道内液体基本没有断层是优选的。
优选地，该阀是一种常开阀，通过照射包括该阀的微通道的一段或多段以便在通道中形成蒸气泡限制而闭合该阀。可以通过允许所维持的蒸气泡破裂而打开该阀。
可以通过所述移动装置控制至少一个光源以便在多个微通道中产生流动。可以控制该移动装置以照射多个微通道的多个表面部分，从而在该多个微通道中产生液流。
该至少一个光源可以是激光，例如气体激光、固态激光，例如激光二极管，或者该光源可以是发光二极管(LED)、氙气灯或具有足够强度的白炽灯泡。可以以脉冲模式或连续模式操作激光或LED，可以利用机动区截制或偏转装置调节氙气灯或白炽灯泡。
在本发明的一实施例中，微通道中的两个蒸气泡的相邻部分之间的距离为至少1微米，例如至少5微米、10微米、15微米、20微米、25微米、30微米、40微米、50微米、75微米、100微米、150微米、200微米、300微米、400微米、500微米、750微米、1000微米、1.5毫米、2毫米、3毫米、4毫米或者5毫米，例如至少10毫米。
在本发明的另一实施例中，微通道中的两个蒸气泡的相邻部分之间的距离应该为最多10毫米，例如最多5毫米、3毫米、1毫米、750微米、500微米、250微米、150微米、100微米、75微米、50微米、25微米、10微米或5微米，例如最多1微米。
为了例如通过荧光通道或贮存器或塞子定位系统或者为了测量微通道中的液体流速，可以标记微系统中的特定位置以估计例如泵送的绝对容积排量通常是重要的。因此，在一优选实施例中，微型泵送系统可以包括至少一个用于保持待注入所述至少一个微通道的标记液体的贮存器，和连接所述至少一个贮存器和所述至少一个微通道的至少一段的连接孔。标记液体可以例如为荧光液体、彩色液体或含有荧光微粒的液体。优选的荧光液体具有和工作液体基本相同的流动特性。
蒸气泡的形成还可以用于混合在微通道中流动的多种液体，因为微通道结构中的混合几乎只依赖由扩散引起的混合。
根据本发明的另一实施例或另一方面，提供一种在微通道中混合多种液体的微型混合系统，该系统包括-保持至少一个包括至少一个具有第一表面部分的第一段和至少一个具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-适于发出光束的光源；和-用于使光束相对于基底移动的装置，该移动装置适于在至少一个光束将照射第一表面部分的第一位置和光束将照射第二表面部分的第二位置之间移动，因而响应微通道的各表面部分的照射在微通道的第一段中的第一液体内形成至少一个第一蒸气泡和在微通道的第二段中的液体内形成至少一个第二蒸气泡，从而增加第一和第二液体之间的边界表面面积并因此增加扩散引起的混合。
根据本发明的另一实施例或另一方面，提供一种在微通道中混合至少一种第一和第二液体的方法，该方法包括-提供保持至少一个包括至少一个具有第一表面部分的第一段和至少一个具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-从光源发出光束；和-使光束和基底之间发生相对运动，因此光束在第一位置照射第一表面部分并在第二位置照射第二表面部分，-响应第一表面部分的照射在所述第一段中的至少一种第一液体内形成至少一个第一蒸气泡，-响应第二表面部分的照射在所述第二段中的至少一种第二液体内形成至少一个第二蒸气泡，从而增加所述第一和第二液体之间的边界表面面积，以获得所述至少第一和第二液体的由例如扩散引起的混合。
此外，形成在第一液体中的蒸气泡可以适于从第一液体延伸到第二液体中，并且反之亦然，从而进一步增加第一和第二液体之间的边界表面面积。因此，在较短的通道长度上实现混合。混合时间可以在1微秒-10小时的范围内，例如在1微秒-10微秒、10微秒-100微秒、100微秒-1毫秒、1毫秒-10毫秒、10毫秒-100毫秒、100毫秒-1秒、1秒-30秒、30秒-1分钟、1分钟-10分钟、10分钟-30分钟、30分钟-1小时、1小时-5小时或5小时-10小时的范围内。
此外，混合时间可以为最多10小时，例如最多每5小时、1小时、30分钟、10分钟、5分钟、1分钟、30秒、10秒、1秒、0.1秒、0.01秒、1毫秒、0.1毫秒或0.01毫秒，例如最多1微秒。
混合室的容积可以为至少10-17立方米，例如至少10-16立方米、10-15立方米、10-14立方米、10-13立方米、10-12立方米、10-11立方米、10-10立方米、10-9立方米、10-8立方米、10-7立方米，例如至少10-6立方米。
混合室的容积可以为最多10-6立方米，例如最多10-7立方米、10-8立方米、10-9立方米、10-10立方米、10-11立方米、10-12立方米、10-13立方米、10-14立方米、10-15立方米或10-16立方米，例如最多10-17立方米。
热反应器的容积可以为至少10-17立方米，例如至少10-16立方米、10-15立方米、10-14立方米、10-13立方米、10-12立方米、10-11立方米、10-10立方米、10-9立方米、10-8立方米或10-7立方米，例如至少10-6立方米。
热反应器的容积可以为最多10-6立方米，例如最多10-7立方米、10-8立方米、10-9立方米、10-10立方米、10-11立方米、10-12立方米、10-13立方米、10-14立方米、10-15立方米或10-16立方米，例如最多10-17立方米。
设想可以沿微通道在待混合的第一和第二液体中交替形成多个蒸气泡。因此可以形成基本呈正弦曲线或锯齿形的第一和第二液体的界面，并保持较大的界面面积，因而易于混合至少所述第一液体和第二液体。
可以通过控制微通道的所述至少第一和第二液体之间的距离而控制驱动流体静压。
可以以具有通过混合室或热反应器的恒定流速的连续模式在热反应室中进行混合和加热，或者该恒定流速可用于间歇模式，在该间歇模式中，在在混合室24中进行混合的期间或/和在在热反应器中进行加热的期间使流动停止。混合和调节温度的期间根据实际应用而定。
应该理解的是，这里所公开的任何实施例都可以以多种方式组合以便构成任何可能的微型泵送系统。因此，可以获得包括多个泵送系统、混合系统和阀系统等的微型泵送系统，并且同样可以通过任意组合处理液体的方法包括产生流动、混合、加热、通风等而对微型泵送系统中的液体进行任何处理。


下面将参考

本发明的实施例，其中图1示出基于形成单个蒸气泡的一般泵送原理；图2a-c示出基于形成单个蒸气泡的一般泵送原理的动态特征；图3示出基于形成若干个分开的蒸气泡的一般泵送原理；图4示出在其壁上具有吸光材料的微通道的横截面图；图5示出具有用于形成蒸气泡的空腔的微通道的横截面图；图6a和6b示出其中的蒸气泡形成在缓冲液体中的微通道的横截面图；图7示出如何能将缓冲液体区从贮存器注入微通道中；图8示出在微通道的缓冲液体区中形成蒸气泡；图9示出将标记液体注入微通道的液体中的机构；图10a和10b示出用于在混合室内混合两种液体的微通道系统；图11a示出由蒸气泡形成的液体阀的实施例，其中，两个蒸气泡顺序形成；图11b示出由一个蒸气泡形成的液体阀的实施例，其中，该蒸气泡被持续保持；图12a和12b示出或者利用光束扩展透镜或者通过在整个热反应器区域上进行连续扫描而提供热反应器的两种模式；图13示出包括混合器和热反应器的本发明系统；图14a示出包含多个-n个-单独的分析系统的本发明系统，其中每个系统都和毛细管电泳通道相连；图14b示出包含多个-n个-单独的分析系统的本发明系统，其中每个系统都和毛细管电泳通道相连并且所有系统都与一共用通道连通；
图15是所记录的运动中的激光驱动泵的运动图的一组时间量度；图16是观察到的图15中运动的示意图；和图17是示出在微通道内的液体中的气泡在每单位时间内的行进距离的坐标图。
具体实施例方式
图1示出基于形成单个蒸气泡的一般泵送原理。光源1发射光束2，该光束2被引向微通道4壁上的吸光材料3。保持微通道4的基底可以是硅，而吸光材料3可以是氮化铝。该微通道4充满有在光束加热吸光材料处蒸发并形成蒸气泡5的水性液体。通过允许光束2在吸光材料3上从A移动到B，蒸气泡5将沿着与光束2的移动方向相同的方向移动，从而迫使微通道4的液体沿着与光束2的移动方向相同的方向移动。光源1的光束2由适合于使光束移动的装置6引导，该装置6优选地为由压电致动器驱动并由计算机系统(未示出)控制的硅镜。所以，通过计算机系统可以用光束2照射至少部分微系统的任何位置。
图2a-c示出如图1所示的基于形成单个蒸气泡的一般泵送原理的动态过程特征。在图2a中，光束在点A附近加热微通道的壁，并形成一局部蒸气泡。该蒸气泡还太小以致不能在微通道内产生液体的单向流动。在图2b中，光束已经沿位置B的方向移动，并且蒸气泡已经膨胀到阻挡液体流经微通道。蒸气泡沿光束移动方向膨胀，并因而迫使微通道的液体沿该方向移动。在图2c中，光束已经更加接近点B了，并且仍然在迫使液体沿同一方向流动，在液体中所产生的流动如图中大箭头所示。随着微通道的壁开始冷却，在蒸气泡的最接近位置A的部分中开始蒸汽凝结，同时减小蒸气泡。蒸气泡的收缩沿从A向B的方向拉动蒸气泡左侧的液体。
图3示出基于形成多个分开的蒸气泡的一般泵送原理。此图是光源1的光束已照射了从点A到点B的4个不同的位置后的微通道4的纵向横截面图的快照。在每一位置处都形成有蒸气泡。左侧的蒸气泡7是最先形成的蒸气泡，并且已开始凝结和因而收缩。该蒸气泡左侧的液体由于收缩被拉向该蒸气泡。而右侧相邻的蒸气泡已达到其最大容积并阻塞了微通道。从左侧开始数第三个蒸气泡仍然在膨胀，并且正迫使其右侧的液体沿从A到B的方向移动。第四个蒸气泡8刚刚形成，并且刚刚开始沿从A到B的方向向其右侧挤压液体。新的蒸气泡或者可以形成在沿微通道4的新位置处，例如不在位置A和B之间，或者可以再次形成在位置A和B之间。
图4示出在其一壁上具有吸光材料3的微通道4的横截面图。该微通道4形成在第一基底9和由第二基底10保持就位的吸光材料3之间。由于第二基底10对于光束2的波长是透明的，所述光束将通过第二基底10传播并由紧邻微通道4的吸光材料3吸收。将吸光材料3中形成的能量传导到通道的液体中，液体在充足的光束能量下蒸发并形成蒸气泡(该蒸气泡在该图中未示出)。
图5示出适于处理敏感细胞的微系统的横截面图，所述微系统具有包括限定在两个邻接的基底9和10中的空腔或沟槽11的微通道4。包括沟槽11的微通道4充满有包含热敏颗粒物质例如生物细胞12的液体。液体中的细胞12如果暴露在超过37℃的温度下将会被破坏。所以通过使光束2照射在邻近沟槽11的吸光材料3上并利用沟槽中的液体蒸发形成蒸气泡5而在空腔或沟槽中形成蒸气泡5。沟槽被设计为足够窄以便将细胞12基本保持在微通道横截面的较宽部分中。在该实施例中，通过膜态沸腾产生蒸气泡5是优选的，因为应该将最少的热能传导给液体中的细胞12。
图6a示出微系统13中的微通道4的纵向横截面，其中蒸气泡5形成在缓冲液体14中。缓冲液体14与热敏液体15层叠(平行流动)，该热敏液体例如可包含热敏试剂如抗体、细胞或酶。通过朝紧邻缓冲液体14的基底10的吸光材料(未示出)照射光束2而形成蒸气泡5，从而形成蒸气泡5并将多数热能引入缓冲液体14中。图6a中的蒸气泡5还没有阻碍液体流过微通道，但是当它膨胀到具有对应于通道尺寸的尺寸时，它将阻挡液体的流动。
图6b示出图6a中实施例的一替换方案，其中，缓冲液体14经由位于蒸气泡形成位置左侧的入口16被引入，并经由位于蒸气泡形成位置右侧的出口17离开微通道。被保护的热敏液体15在由形成在缓冲液体14中的蒸气泡的泵送作用下沿大箭头所示方向继续流动，但是基本不受缓冲液体14中的蒸气泡形成的影响。
图7示出如何将缓冲液体区或段19从充满缓冲液体14的贮存器18注入微通道4内的液流中，所述液流如箭头所示。充满有缓冲液体14的贮存器18与微通道4流体连通，并通过在缓冲液体14中形成蒸气泡5将缓冲液体区19注入液流。
图8示出在充满有工作液体20的微通道4中的缓冲液体区19内形成蒸气泡5。该缓冲液体区19已如图7所示从缓冲液体贮存器18排入微通道4的工作液体20中。光束2照射缓冲液体区19中的给定位置19，从而在缓冲液体区19内形成蒸气泡5。这种方法的优点在于微通道的工作液体20不会暴露在高温下。可以将多个缓冲液体区19注入工作液体20，并且该缓冲液体区19可用于处理工作液体的操作。
图9示出将标记液体21注入微通道4内工作液体20中的机构。类似于图7和图8所述的缓冲液体区19的注入，可以将标记液体21从充满有标记液体21的贮存器18注入工作液体20。标记液体21可以是例如包含荧光分子或其它易于检测到的实体的液体。可以将标记液体21注入工作液体以便例如使微通道内的流动可视和/或测量微通道内的流速和/或测试系统的泄漏情况。通过在贮存器18或与容纳工作液体20的微通道4流体连通的通道内形成蒸气泡5将标记液体21注入工作液体20。通过向通道壁的吸光部分3、贮存器壁照射光束2并因此产生足以使紧邻被照射的通道壁段的标记液体21蒸发的热量而形成蒸气泡5。可选地，可通过直接照射由透明基底保持的标记液体(未示出)而形成蒸气泡。当蒸气泡形成在标记液体区22中时，标记液体将被推入工作液体20中。箭头所示的工作液体流将使标记液体区22通过微通道4移动。
图10a和10b示出在时间t＝t1和t＝t2时在混合室24内混合两种液体的通道系统23。第一液体25从第一贮存器27流出，第二液体26从第二贮存器28流出。该流动(箭头所示)可利用本发明的泵和泵送方法例如通过利用光源的光束2产生蒸气泡或者通过传统的泵送装置如活塞泵、EOF泵、流体静压、毛细流动等产生。第一液体25和第二液体26会合、层叠并形成边界层29，第一液体中的分子可以通过该边界层扩散到第二液体中，反之亦然。在混合室24中边界层29的有效面积可通过形成4个限制液体流动并增加边界层29的长度的蒸气泡5而增加。通过在t＝t2时改变蒸气泡5在混合室的位置可使混合效率相对于t＝t1时刻进一步提高。优选地在两个或多个蒸气泡位置-如图10a中位置和图10b中位置-之间轮换。该轮换可以最多每5分钟进行一次，例如最多每1分钟、30秒、10秒、1秒、0.1秒、0.01秒或0.001秒，例如最多每0.0001秒进行一次。
蒸气泡5通常可以形成在混合室24内的任一位置处。在本发明的一实施例中，优选地使蒸气泡5定位成使混合室24内的边界层29的面积最大。
图11a示出由蒸气泡形成的液体阀30的实施例，两个蒸气泡31和32顺序形成，即一个接一个地形成。工作液体沿箭头方向流过微通道段33，并且如果阀打开，该工作液体还会流过微通道段34、35。通过在微通道段35内顺序形成至少两个彼此相邻的蒸气泡31和32而生成液体阀。通过用来自激光二极管36(该适于使光束移动的装置未示出)的光束2加热微通道壁形成蒸气泡，因而使紧邻微通道壁的液体蒸发。光束2以离散模式在对应于蒸气泡31的位置和对应于蒸气泡32的位置之间移动。在线性增加的时间序列t1、t2、t3、t4、t5、t6中，光束2将在时间t1、t3和t5时加热邻近蒸气泡31的微通道壁。在时间t2、t4和t6时，光束2将加热邻近蒸气泡32的微通道壁。图11a是阀的实施例的快照，其中蒸气泡31仍然膨胀成足以阻塞通过微通道段35的流动，但该蒸气泡正在收缩。另一方面，蒸气泡32正在膨胀，但还未膨胀成足以阻塞所述液流。优选地，两个蒸气泡的动态特征是其中一个总是阻塞通过相关微通道段的流动。无需过多的试验本领域技术人员便能确定操作阀的相关参数，例如两个蒸气泡之间的距离和形成蒸气泡的适时动态特征。
图11b示出由单个蒸气泡5形成的液体阀30的另一实施例，该蒸气泡5被持续保持。作为图11a中实施例的一替换方案，可以通过由来自激光二极管36的光束2(该适于使光束移动的装置未示出)持续保持的单个蒸气泡阻塞微通道段35内的流动。可以通过沿其中应形成和保持蒸气泡的微通道4的壁持续扫描光束2而保持蒸气泡5。如果不扫描紧邻蒸气泡5的壁，光束2可顺序加热微通道壁的同一位置，如果通道壁如此吸收了足够的能量，蒸气泡将保持充分膨胀以阻塞通过微通道4段的流动。
图12a和12b示出或者利用光束扩展透镜38或者通过在整个热反应器区域上进行连续扫描而提供热反应器37的两种模式。工作液体20从贮存器18流到热反应器37。在该热反应器中，例如结合使用光束扩展透镜38和激光二极管36(该适于使光束移动的装置未示出)通过激光加热工作液体20。光束扩展透镜38可以是微系统的一部分，例如和微系统一体化或安装在该微系统上。通过使用光束扩展透镜38，光束2的能量将被吸收到较大区域2a中，并且由于较低的光能密度而产生较低的温度增长。较大部分的工作液体20被适度地加热，而没有导致热反应器37中的工作液体20的局部蒸发。
图12b示出热反应器37的一实施例，其中通过用光束2在整个热反应器37上进行迅速扫描39而将光束2的能量分布在热反应器上。
在本发明的一实施例中，工作液体20在加热过程中流过热反应器37，因此热反应器37可以连续模式工作。在一替换实施例中，在加热过程中使工作液体20在热反应器37中停止，即不流过热反应器37，这样热反应器可以间歇模式工作。可以利用普通阀或根据本发明的阀30使通过热反应器37的流动停止。
因为温度调节对于获得良好的化学反应可重复性较关键，所以热反应器37有多种应用。PCR混合物的热循环是热反应器的一种非常有利的应用。将PCR混合物泵送入热反应器37中，并且可以上述间歇模式使用热反应器37。所谓的热循环在热反应器37中进行。在一次循环中，首先将PCR混合物加热到90-95℃，然后允许其冷却到55-65℃，并且最后使温度升至75℃。一次热循环通常导致所选的DNA序列的浓度加倍。热循环通常重复15-30次，这可以差不多1,000,000倍地增加所选DNA序列的浓度。
图13示出包括混合器和热反应器的本发明系统。两种工作液体25和26分别从贮存器27、28流出。可以利用吸光材料3通过根据本发明的泵送作用或者可选地利用两个吸光材料40、41通过单独的贮存器产生的泵送作用而产生所述液流。两种工作液体层叠，从而在它们之间形成边界层29。层叠的工作液体流入混合室24，并且如上所述进行混合。混合液体流入热反应器37，并且用作为光源的激光二极管36(该适于使光束移动的装置未示出)和例如光束扩展透镜38进行加热。可以使图13中示出的微系统在恒定流速下以连续模式工作，或者可以间歇模式使用该微系统，在该间歇模式中，在在混合室24中进行的混合过程中或/和在在热反应器37中进行的加热过程中使流动停止。用于混合和调节温度的时间期间由实际应用所确定。
在该实施例中，来自激光二极管36的光束用于泵送两种工作液体25、26以混合这些液体和在热反应器37中加热这些液体。此外，激光二极管36的光束2可用于检测工作液体中的分子。在荧光检测中，激光二极管36可提供用于激发荧光分子的光束，在吸光率测量中，激光二极管36可以提供将被吸收到工作液体中的光。
通常，在微通道、混合室或热反应器中都可以进行检测。
图13可用于进行扩增核酸分子如DNA的PCR过程。贮存器27可以容纳含有用于进行PCR过程的相关试剂的工作液体25，贮存器28可以容纳含有可能或可能没有被致病菌感染的病人的液体样本的工作液体26。如果病人被感染了，液体样本中将有致病菌的DNA。使液体样本和用于进行PCR过程的试剂层叠、在混合室24内混合并在热反应器37中进行热循环。工作液体20可含有例如Sambrook等人所描述的PH缓冲剂及引物对、聚合酶、三磷酸核苷酸和盐，该引物有益于扩增致病菌DNA是已知的。
如图14a所示，若干个通道系统可以设置在同一微系统上或同一微系统中。此处存在多个-n个-单独的通道系统，其中每个通道系统都与毛细管电泳通道42相连(只示出了通道系统1的毛细管电泳通道)，n为整数。类似于图13，通道系统包括混合室24和热反应器37。从各自的贮存器流出的两种工作液体25和26层叠并流入混合室24。经过混合室24后，它们流入热反应器37，并且两液体的混合物随后流入CE-通道42和微通道之间的装载交叉部43。可利用毛细管电泳通道43注射并分离该交叉部中的小体积混合物。可利用作为激励源的激光二极管36例如在检测位置44处进行荧光检测。实际荧光可通过光检测器例如光电倍增管、光电二极管、雪崩光电二极管、CCD摄像机(照相机)和/或等同设备进行测量。没有分离的液体流入废弃物容器。
在本发明的一实施例中，优选地例如利用本发明的蒸气泡阀或其它类型的阀使微通道的和CE通道42相交的部分中的流动停止。
混合室24、热反应器37和毛细管电泳(CE)的组合通常对于遗传分析尤其对于PCR过程非常有用。可在CE微通道42中分离PCR过程的扩增产物，并且可在检测位置44处检测荧光PCR产物即扩增的DNA序列。
其它通道系统1、2......n可以是同一微通道中的单独的通道系统。单独的通道系统的数目通常可以至少为2，例如至少3、4、5、10、15、20、25、30、50、75、100、200、500、1,000、5,000、10,000、20,000或者至少30,000，例如至少50,000个单独的通道系统。
对于每个微系统，激光二极管36都能在各自的单独的通道系统中进行泵送、混合、热处理和/或阀动作(图14a中未示出)。
图14b示出包含多个-n个-单独的通道系统的本发明系统，其中每个系统都与毛细管电泳微通道相连并且所有系统都与一共用的微通道45连通。该微系统非常适用于所谓的高效能筛选，在该筛选中，筛选例如大量的候选药物以便与例如受体产生特殊反应。试剂工作液体25可以包含荧光标记受体，并且多种样本工作液体例如46、47和48可以包含单独的药物以使得一种工作液体包含一种候选药物。多种样本工作液体46、47和48在各自的混合室内和试剂工作液体25混合，并且可以保持在各自的热反应器中。最后，将各反应产物装载到单独的CE微通道中，分离该反应产物，并通过荧光检测确定限制在荧光标记受体上的候选药物的量。
也可以使用多个单独的通道系统使工作液体标准化，并用其余的通道系统进行分析。
本发明的微系统和方法可以用于例如高效能筛选或诊断分析，或者用于例如组合化合物库的合成。
本发明的微系统和方法可用于例如通过检测基因突变或遗传多态性即动植物和微生物遗传材料中的可变核苷酸序列而检测遗传疾病。遗传多态性包括选自单核苷酸多态性(SNP)、可变数目的串连重复多态性、散落性重复DNA、插入、重复、缺失、扩增、重排、SNP的组合、短串连重复、双核甘酸重复序列、有间隙的重复DNA及其组合的多态性。可以例如通过核酸扩增和观察多性态引起的核苷酸大小或序列的不同来区别可变核苷酸序列。
本发明的微系统和方法可用于任何现有生物学物质例如任何生物有机体的诊断，包括i)哺乳动物细胞，包括人的细胞和真核细胞，或者它们的一部分，ii)病毒，包括哺乳动物病毒、人体病毒和真核病毒，或者它们的一部分，和/或iii)寄生物，包括哺乳动物寄生物，人体寄生物和真核寄生物，在正常的生理条件下，或者在可被诊断为疾病、病疫、综合征、缺乏症的条件下，或者在其它潜在的可治疗、可特征化或可诊断的条件下，所述细胞、病毒和/或寄生物形成人体或动物身体的一部分。此外，本发明的微系统和方法可用于还不是现有技术的一部分的任何其它生物学物质的诊断。下面给出细胞、病毒和寄生物的示例。
还可以将诊断方法引向目标物质，例如微生物有机体如酵母菌和真菌、粘液菌以及一般的微生物，并且尤其是致病的微生物。下文将给出微生物的示例。而且在这种情况下本领域技术人员知道怎样使这些微生物目标有机体和显示所述目标有机体的特征的试剂匹配。
本领域技术人员通常知道怎样使用或配制特别用于任何有用的目标物质的试剂。本领域技术人员还将任意地获得普通或专科医学及生物化学教科书和参考手册。
根据本发明的优选试剂包含抗原和/或免疫定子，这种定子包括用于与相应的抗原接触并且抗原也反之与其接触的抗体和单克隆抗体。当分析对应于特殊抗原的抗体或者当筛选人体病菌有机体例如潜在的致命病毒或病菌微生物时，这可能是最关心的问题。
根据本发明的诊断方法可用于诊断严重混合型免疫缺乏症(severecombined immune deficiency)，DiGeorge综合征，MHCI型缺乏症，MHCII型缺乏症，威斯科特-奥尔德利希(Wiskott-Aldrich)综合征，普通变异型免疫缺陷病，X连锁的血丙种球蛋白缺乏症，X连锁高免疫球蛋白M(X-linked hyper-IgM)综合征，选择性免疫球蛋白A(IgA)和/或免疫球蛋白M(IgG)缺乏症，吞噬细胞缺乏症，补体缺乏症，天然杀伤(NK)细胞缺陷，X连锁淋巴组织增生综合征，共济失调毛细血管扩张症，以及各种自免疫淋巴组织增生疾病。本领域技术人员知道怎样选择能够直接或间接地诊断上述疾病的试剂。
根据本发明提供的另一优选方法，可以检测到特殊的细胞改变和/或改变的细胞分化。
例如在人感染人免疫缺损病毒(HIV)期间可以提及CD4细胞的改变数量。许多细胞和亚细胞事件可以通过对由多种细胞表达的特定细胞决定簇，或CD抗原的检查来监测，这些细胞包括皮层胸腺细胞、郎格罕氏(Langerhans)细胞、树状细胞、B细胞以及它们的亚型，包括慢性淋巴细胞白血病中的B细胞、T细胞和活化的T细胞以及它们的前体、辅助T细胞和炎性T细胞、细胞毒素T细胞、胸腺细胞、单核细胞、白细胞、淋巴细胞、巨噬细胞、多能造血细胞、嗜曙红细胞、嗜碱细胞、嗜中性粒细胞、天然杀伤细胞、血小板、大脑及外周神经细胞、血管平滑肌细胞、肠上皮细胞、平滑肌细胞、血管、骨髓基质细胞、骨髓细胞、粒性白细胞、脊髓单核细胞和小结树状细胞。
根据本发明的另一优选方法可以检测或诊断不良致病微生物的存在，例如属于下列种属的微生物，如木糖氧化无色杆菌(Achromobacterxylosoxidans)、乙酸钙不动细菌(Acinetobacter calcoaceticus)、衣氏放线菌(Actinomyces israelii)、嗜水单胞菌(Aeromonas hydrophilia)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、亚利桑那沙门菌(Arizona hinshawii)、炭疽杆菌(Bacillus anthracis)，芽孢杆菌(Bacillus cereus)、脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)、产黑素拟杆菌(Bacteroides melaninogenicus)、百日咳博德特氏菌(Bordetella Pertussis)、回归热包柔氏螺旋体(Borreliarecurrentis)、布鲁氏菌属(Brucella)、肉芽肿鞘杆菌(Calymmatobacteriμm granulomatis)、胚胎弯曲杆菌肠亚种(Campylobacter fetusssp.Intestinalis)、胚胎弯曲杆菌空肠亚种(CarnPylobacter fetusssp.Jejuni)、衣原体属(Chlamydia)、紫色色杆菌(Chromobacter riμmviolaceμm)、柠檬酸细菌属(Citrobacter)、肉毒梭菌(Clostridiμmbotulinμm)、产气荚膜梭菌(Clostridiμm perfringens)、艰难梭菌(Clostridiμm difficile)、破伤风梭菌(Clostridiμm tetani)、白喉棒杆菌(Corynebacteriμm diphteriae)、棒杆菌属(Corynebacteriμm)、伯氏考克斯氏体(Coxiella burnetti)、迟钝爱德华氏菌(Edwardsiella tarda)、啮蚀艾肯菌(Eikenella corrodens)、肠杆菌属(Enterobacter)、猪丹毒丹毒丝菌(Erysipelothrix rhusiopathiae)、大肠杆菌(Escherichia coli)、脑膜脓毒性黄杆菌(Flavobacteriμm meningosepticμm)、土拉热弗朗西斯氏菌(Francisella tularensis)，具核梭杆菌(Fusobacteriμm nucleatμm)、阴道加德纳氏菌(Gardnerella vaginalis)、杜氏嗜血菌(Haemopbilusducreyi)、流感嗜血菌(Haemophilus influenzae)、肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneμmoniae)、军团菌(Legionella)、问号钩端螺旋体(Leptospira interro gans)、单核细胞增生利斯特氏菌(Listriamonocytogenes)、摩拉氏菌属(Moraxella)、牛分枝杆菌(cobacteriμmbovis)、麻风分枝杆菌(Mycobacteriμm leprae)、结核分枝杆菌(Mycobacteriμm tuberculosis)、支原体属(Mycoplasma)、淋病奈瑟氏球菌(Neisseria gonorrhoeae)、脑膜炎奈瑟氏球菌(Neisseriameningitidis)、诺卡氏菌属(Nocardia)、多杀巴斯德氏菌(Pasteurellamultocida)、大消化球菌(Peptococcus magnus)、类志贺邻单胞菌(Plesiomonas shigelloides)、变形菌属(Proteus)、普罗威登斯菌属(Providencia)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、鼻疽假单胞菌(Pseudomonas mallei)、类鼻疽假单胞菌(Pseudomonaspseudomallei)、立克次氏体属(Rickettsia)、沙门氏菌(Salmonella)、沙雷氏菌属(Serratia)、痢疾志贺氏菌(Shigella dysenteriae)、小螺菌(Spirillμm minor)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)、腐生葡萄球菌(Staphylococcussapropbyticus)、念珠状链杆菌(Streptobacillus moniliformis)、链球菌属(Streptococcus)、无乳链球菌(Streptococcus agalactiae)、肺炎链球菌(Streptococcus pneμmoniae)、酿脓链球菌(Streptococcus pyogenes)、斑点病密螺旋体(Treponema carateμm)、苍白密螺旋体(Treponemapallidμm)、极细密螺旋体(Treponema pertenue)、脲支原体(Ureaplasmaurealyticμm)、霍乱弧菌(Vibrio cholerae)、副溶血弧菌(Vibrioparahaemolyticus)、小肠结肠炎耶尔森氏菌(Yersinia enterocolltica)和鼠疫耶尔森氏菌(Yersinia pestis)。
用本发明的微系统和方法可检测到的样本中存在的病毒实例是腺病毒、沙粒病毒、星状病毒、崩芽病毒(Bunyaviruses)(汉垣病毒)、巨细胞病毒、杯状病毒、EB病毒(Epstein-Barr)、包括埃博拉(Ebola)病毒的线状病毒、甲肝病毒、乙肝病毒、丙肝病毒、包括1型和2型人单纯疱疹病毒的疱疹(Herpes)病毒、粘液病毒、乳头瘤病毒、乳多空病毒、细小病毒、细小核糖核酸病毒、披膜病毒(风疹病毒)、副粘病毒和正粘病毒、脊髓灰质炎病毒、痘病毒、呼肠孤病毒、棒状病毒、包括人免疫缺损病毒(HIV)的逆转录病毒、淋巴结病相关病毒(LAV)，和人嗜T-淋巴细胞(Hμman T-lymphotropic)病毒(HTLV)，包括它们的任一派生物HTLV-I、HTLV-II和HTLV-III。
因此，用本发明的系统和方法可以检测任何例如引起感染疾病的细胞，病毒或寄生物，这些疾病例如后天免疫缺损综合征、放射菌病、腺病毒感染炭疽热、细菌性痢疾、肉毒中毒、布鲁氏菌病、念珠菌病、蜂窝组织炎、软下疳、霍乱、球孢子菌病、普通感冒、结膜炎、膀胱炎、皮肤真菌病、白喉、心内膜炎、细菌感染(bacterial)、会厌炎、丹毒、类丹毒、肠胃炎、生殖器泡疹、鼻疽(Glanders)、淋病、肝炎、网状内皮细胞真菌病、脓疱病、传染性的单核血球病症、流行性感冒、军团病、麻疯病、犬钩端螺旋体症、莱姆关节炎、类鼻疽、柔脑膜炎、流行性腮腺炎、诺卡菌病、非淋球菌尿道炎、品他病、瘟疫、肺炎球菌肺炎、脊髓灰质炎、原发性非典型肺炎、假膜性小肠结肠炎、产后浓毒病、狂犬病、回归热、逆转录酶病毒感染、风湿热、落基山斑疹热(Rocky Mountain spotted fever)、风疹、麻疹、猩红热、葡萄球菌感染皮肤综合征、链球菌咽炎、梅毒、破伤风、中毒性休克综合征、弓形体病、结核、兔热病、伤寒、斑疹伤寒、阴道炎、水痘、乳疣瘤、百日咳、雅司病和黄热病。
本领域技术人员知道怎样通过接种后在来自个体的样本中测试所述个体的抗体应答，从而测试疫苗的功效。这样，易于测试下述疫苗的功效白喉类毒素、破伤风类毒素、百日咳疫苗、脊髓灰质炎病毒疫苗、麻疹疫苗、流行性腮腺炎疫苗、风疹疫苗、流行性感冒疫苗、结核菌苗(BacilleCalmetteGu rin或者BCG)、狂犬病疫苗、伤寒疫苗、霍乱疫苗和黄热病疫苗。
示例为了检验光驱动微型泵所要求的功能性，本发明实的施例的结构如下一个500mW、808nm的SONY激光二极管(SLD322V)和接连到计算机控制系统上的限流环路布置在一起，因此可以进行精确的定时。用焦距f＝8mm、出口光阑为5mm的标准校准透镜校准激光二极管；因此校准后的光束(虽然由于激光二极管的不对称而不是圆形的)的直径被限制为5mm。所述校准后的光束以45度角照射在涂敷有激光级金属的介质镜(808nm-Ferroperm Optics，丹麦)上。该镜是由具有1:20传动装置的1.8度步进马达构成的检流计的一部分；该镜同样可以以0.09度的分度沿任一方向倾斜。然后利用焦距f＝20mm、直径d＝16mm的透镜将校准和偏转后的激光束聚焦在微流体芯片上。
该倾斜的镜位于距离聚合物芯片50mm处，同时聚焦透镜位于距离该芯片20mm处。通过所述设置，足以获得12mm长的仍然聚焦且因而可使用的激光束。
使计算机控制系统适时地和步进马达一起驱动激光，该马达可以在一给定的时间段内在给定的时间和地点沿流体通道发出激光。
微流体系统由瑞士Weidmann Plastics所提供的注射成形聚碳酸酯芯片组成。通道结构由20-200μm米宽、8和14mm长、50μm深并且通过1000μm的圆形贮存器连接的凹槽通道构成。通过将盖件安装(利用粘胶剂)到通道结构上形成该微流体回路。该盖件由2mm厚的其上施加有能抵抗815℃高温的耐热层(由美国PlastiKote进行“热喷涂”专业喷涂)的玻璃制成。只在一侧上施加该耐热层，并且该侧面对聚合物通道结构-因而形成第四通道壁。液体通路通过利用400μm的孔从相对侧通过聚合物芯片而形成，该孔贯穿聚合物进入1000μm的贮存器。
利用注射器向芯片注入甲醇，然后将该芯片与前述激光系统放在一起，因此激光束可以从下方射出-穿过玻璃盖件并且分别在与所选择的流体通道部分直接相连处在所施加的热层中被吸收。通过安装有带有固定的IR-过滤器的数字摄像机的显微镜观察该微流体通道。
用甲醇进行测试；将激光调节成以大约300mW的光输出功率工作，因为即使在最小的1毫秒脉冲宽度下，可获得的全功率500mW也显得过大。将检流计设定成在1秒的时间量度内移动2mm的距离。将激光设定成每38毫秒发出2毫秒脉冲，这等于5％的占空因数，并且实际上是在沿宽度为100μm的2mm通道长度的每100μm处。一旦进行上述测试，就可以通过所述摄像机检测并捕捉清楚及连续的流动。在发出产生持久的气泡的激光的过程中释放出少量收集或溶解的气体。这些气泡以固定流速明显地与周围的液体一起通过通道流动，因而证明了当驱动系统返回到其起点或者暂时中断时，连续流动跟随激光束方向并且突然停止。进一步的测试表明，可以通过使循环反向而使反向泵送如本发明的说明书中所述的那样工作。
从捕捉的运动图计算出的泵送速度是1500μm/s，并且因而计算出的对应的体积流速是7.5nL/s。
图15是所记录的运动图的一组时间量度。5个量度-每个间隔100ms-示出在400ms期间行进了600μm的挟带空气泡。
图16是利用电影摄像机记录的观察到的运动的图形再现。5个量度-每个间隔100ms-图示出在400ms期间行进了600μm的挟带空气泡。
图17是表示每单位时间内的行进距离的坐标图。可通过图示点画出一直线说明流速是恒定的。
参考资料Manz等人A.Manz，C.S.Effenhauser，N.Burggraf，D.J.Harrison，K.Seiler，和K.Fluri，“用于使化学分析系统小型化的电渗泵送和电泳分离”，J.Micromech，Microeng.，vol.4，PP.257-265，1994。
Sambrook等人分子克隆法实验室手册第三版，1卷和2卷，Sambrook等人，2001，Cold Spring Harbor实验室出版社。
Jun等人“在微通道内利用穿越的气泡进行微小规模的泵送”，Thomas K.Jun和Chang-jin Kim。
US 2003 0021694US5,186,001US5,602,386US5,649,423US6,071,081US6,283,718US6,513,968
权利要求
1.一种用于在至少一个保持液体的微通道内产生液流的微型泵送系统，该系统包括-保持至少一个包括至少一个具有第一表面部分的第一段和至少一个具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-适于发出光束的光源；和-使光束和基底之间产生相对运动的移动装置，该移动装置适于在至少一个光束将照射第一表面部分的第一位置和光束将照射第二表面部分的第二位置之间移动，因而响应微通道的各表面部分的照射分别在微通道的第一和第二段中形成至少一个作用于液体的蒸气泡。
2.一种如权利要求1所述的微型泵送系统，其特征在于，光束在从第一位置移动到第二位置时连续照射微通道，从而产生至少一个从第一段行进到第二段的蒸气泡。
3.一种如权利要求1所述的微型泵送系统，其特征在于，响应照射第一表面部分的光束形成至少一个第一蒸气泡，并且响应照射第二表面部分的光束形成至少一个第二蒸气泡。
4.一种如权利要求3所述的微型泵送系统，其特征在于，在所述至少第一蒸气泡破裂之前形成所述至少第二蒸气泡。
5.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，所述微通道具有一个或多个将被光束顺序照射的区域，每个区域都包含多个将被光束顺序或连续照射的微通道段。
6.一种如权利要求5所述的微型泵送系统，其特征在于，一个区域被光束照射多次。
7.一种如权利要求6所述的微型泵送系统，其特征在于，所述区域沿任一方向被连续或顺序照射多次。
8.一种如权利要求6所述的微型泵送系统，其特征在于，所述系统是双向工作的。
9.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，所述微通道的至少一个表面部分包含用于吸收光能的吸光材料。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，光能被直接吸收在受照射段内的液体中。
11.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，所述蒸气泡形成在液体中。
12.一种如权利要求11所述的微型泵送系统，其特征在于，通过响应光束照射使至少部分液体膜态沸腾而形成蒸气泡。
13.一种如权利要求1-7中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，所述蒸气泡形成在缓冲液体中。
14.一种如权利要求13所述的微型泵送系统，其特征在于，通过响应光照射的部分缓冲液体的膜态沸腾形成蒸气泡。
15.一种如权利要求13或14所述的微型泵送系统，其特征在于，通过响应光束照射的成核作用形成所述蒸气泡。
16.一种如权利要求13-15中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，所述缓冲液体保持在与微通道相连的空腔中，该微通道的表面部分为该空腔的表面部分。
17.一种如权利要求16所述的微型泵送系统，其特征在于，所述空腔具有朝向所述微通道的开口。
18.一种如权利要求17所述的微型泵送系统，其特征在于，所述开口小于将由微通道内液体传送的细胞。
19.一种如权利要求13-18中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，产生的流动是层状的。
20.一种如权利要求19所述的微型泵送系统，其特征在于，所述缓冲液体和所述液体为所述微通道内的层状流动液体。
21.一种如权利要求13-20中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，所述微通道至少一段包含缓冲液体。
22.一种如权利要求21所述的微型泵送系统，其特征在于，所述微通道的端段包含缓冲液体。
23.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，还包括用于控制光束的参数的光束控制装置。
24.一种如权利要求23所述的微型泵送系统，其特征在于，所述光束控制装置适于控制光束的参数以加热微通道内的液体。
25.一种如权利要求24所述的微型泵送系统，其特征在于，所述光束具有足以将至少部分液体加热到低于所述液体的沸点的温度的能量密度。
26.一种如权利要求24或25所述的微型泵送系统，其特征在于，用于加热大量液体的能量密度低于用于使气泡成形的能量密度。
27.一种如权利要求24-26中任一项所述的微型泵送系统，还包括用于检测液体温度的热电堆元件。
28.一种如权利要求27所述的微型泵送系统，其特征在于，所述热电堆元件包括红外检测器。
29.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，还包括用于控制使光束和基底之间产生相对运动的装置的控制装置。
30.一种如权利要求23和29所述的微型泵送系统，其特征在于，所述控制装置包括所述光束控制装置。
31.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，所述使光束相对于基底运动的装置包括移动基底的装置。
32.一种如权利要求1-31中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，所述使光束相对于基底运动的装置包括移动光源的装置。
33.一种如权利要求1-32中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，所述使光束相对于基底运动的装置包括移动光束的装置。
34.一种如权利要求33所述的微型泵送系统，其特征在于，所述移动光束的装置包括用于光束的偏转或衍射的装置。
35.一种如权利要求31-33中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，所述移动装置包括马达。
36.一种如权利要求31-35中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，所述移动装置包括压电元件。
37.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，还包括用于使光束聚焦在选定位置的聚焦装置。
38.一种如权利要求37所述的微型泵送系统，其特征在于，所述选定位置为微通道的表面部分。
39.一种如权利要求37所述的微型泵送系统，其特征在于，所述选定位置为微通道内的位置。
40.一种如权利要求37-39中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，所述聚焦装置由聚焦控制装置控制。
41.一种如权利要求29或40所述的微型泵送系统，其特征在于，所述控制装置包括所述聚焦控制装置。
42.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，通过控制移动装置的速度控制液体的速度。
43.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，通过控制光源的能量密度控制液体的速度。
44.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，通过控制光源的能量密度和/或选定段的照射期间控制蒸气泡的尺寸。
45.一种如权利要求44所述的微型泵送系统，其特征在于，选择光源能量密度和/或光源照射期间以形成其尺寸与微通道尺寸相对应的蒸气泡。
46.一种如权利要求45所述的微型泵送系统，其特征在于，在两个相邻的微通道段中形成两个波动的蒸气泡，控制波动以便在所述通道中维持至少一个蒸气泡限制。
47.一种如权利要求45所述的微型泵送系统，其特征在于，通过照射相应的微通道段表面部分以交替加热蒸气泡的第一和第二边缘部分而维持蒸气泡。
48.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，通过所述移动装置控制至少一个光源，以便在多个微通道中产生流动。
49.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，控制所述移动装置以照射多个微通道的多个表面，以便在该多个微通道中产生液流。
50.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，所述光源为激光。
51.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，还包括至少一个用于保持待注入所述至少一个微通道的标记液体的贮存器，和连接所述至少一个贮存器和所述至少一个微通道的至少一段的连接孔。
52.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，所述微通道包含待混合的至少一种第一液体和第二液体，其中，响应至少一个第一段的第一表面部分的照射在所述至少第一液体中形成至少一个第一蒸气泡，该蒸气泡适于延伸到所述第二液体中，因而增加第一液体和第二液体之间的边界表面面积。
53.一种如权利要求52所述的微型泵送系统，其特征在于，响应至少第二段的第二表面部分的照射在所述至少第二液体中形成至少第二蒸气泡，该蒸气泡适于延伸到所述至少第一液体中，因而增加第一液体和第二液体之间的边界表面面积。
54.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，其特征在于，通过控制所述微通道的所述至少第一段和第二段之间的距离而控制驱动流体静压。
55.一种用于在微通道内泵送液体的微型泵送系统，该系统包括-保持至少一个包括至少一个具有第一表面部分的第一段和至少一个具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-适于发出光束的光源；和-用于使光束相对于基底移动的装置，该移动装置适于在至少一个光束将照射第一表面部分的第一位置和光束将照射第二表面部分的第二位置之间移动，因而响应微通道的各表面部分的照射分别在微通道的第一段中形成至少一个作用于液体的第一蒸气泡和在微通道的第二段中形成至少一个作用于液体的第二蒸气泡，其中，所述至少第二蒸气泡在所述至少第一蒸气泡破裂之前形成，以便产生泵送作用/以便使液体沿从所述第一段到所述第二段的方向移动。
56.一种微阀系统，包括-保持至少一个包括至少一个具有第一表面部分的第一段和至少一个具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-适于发出光束的光源；和-用于使光束相对于基底移动的装置，该移动装置适于在至少一个光束将照射第一表面部分的第一位置和光束将照射第二表面部分的第二位置之间移动，因而响应微通道的各表面部分的照射在微通道的第一段中的液体内形成至少一个第一蒸气泡和在微通道的第二段中的液体内形成至少一个第二蒸气泡，其中，该第一和第二蒸气泡适于通过使所述至少两个蒸气泡的形成或破裂波动而维持通道中的限流。
57.一种如权利要求56所述的微阀系统，其特征在于，通过控制光源的能量密度和/或选定段的照射期间控制蒸气泡的尺寸。
58.一种如权利要求57所述的微阀系统，其特征在于，选择光源的能量密度和/或照射期间以形成至少一个其尺寸与微通道尺寸相对应的蒸气泡。
59.一种如权利要求56-58中任一项所述的微阀系统，其特征在于，所述第一和第二蒸气泡是相同的蒸气泡，通过照射微通道的相应表面部分以交替加热蒸气泡的第一和第二边缘部分而维持所述蒸气泡。
60.一种用于在微通道内混合多种液体的微型混合系统，该系统包括-保持至少一个包括至少一个具有第一表面部分的第一段和至少一个具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-适于发出光束的光源；和-用于使光束相对于基底移动的装置，该移动装置适于在至少一个光束将照射第一表面部分的第一位置和光束将照射第二表面部分的第二位置之间移动，因而响应微通道的各表面部分的照射在微通道的第一段中的第一液体内形成至少一个第一蒸气泡和在微通道的第二段中的液体内形成至少一个第二蒸气泡，从而增加第一和第二液体之间的边界表面面积。
61.一种用于在微通道内加热液体的热反应器系统，该系统包括-保持至少一个包括至少一个具有第一表面部分的第一段的微通道的基底；-适于发出光束的光源；和-用于控制光束的参数的光束控制装置，其中，该光束控制装置适于控制光束的参数以加热所述微通道内的液体。
62.一种如权利要求61所述的系统，还包括用于检测液体温度的热电堆元件。
63.一种如权利要求62所述的系统，其特征在于，所述热电堆元件包括红外检测器。
64.一种如权利要求61-63中任一项所述的系统，其特征在于，所述液体包含核酸扩增混合物，包括引物、核酸、核苷酸单磷酸酯和具有聚合酶活性的酶。
65.一种包括一个或多个如权利要求1-64所述的微系统的微系统。
66.一种在至少一个微通道内产生液流的方法，该方法包括提供至少一个保持至少一个微通道的基底，从至少一个光源发出至少一个光束，-使所述至少一个光束和所述至少一个基底之间产生相对运动，因此所述至少第一光束在第一位置照射第一表面部分并在第二位置照射第二表面部分，-响应第一表面部分的照射在所述至少第一段中形成至少一个第一蒸气泡，-响应第二表面部分的照射在所述至少第二段中形成至少一个第二蒸气泡，所述至少第一和第二蒸气泡分别作用于微通道的第一和第二段中的液体，以便在微通道内产生流动。
67.一种如权利要求66所述的方法，包括当从所述第一位置向所述第二位置移动时连续照射微通道从而产生至少一个从所述第一段向所述第二段移动的蒸气泡的步骤。
68.一种如权利要求67所述的方法，其特征在于，响应照射所述第一表面部分的光束形成至少一个第一蒸气泡，并且响应照射所述第二表面部分的光束形成至少一个第二蒸气泡。
69.一种如权利要求68所述的方法，其特征在于，所述至少第二蒸气泡在所述至少第一蒸气泡破裂前形成。
70.一种如权利要求66-69中任一项所述的方法，其特征在于，所述微通道具有一个或多个将被光束顺序照射的区域，每个区域都包括多个将被光束顺序或连续照射的微通道段。
71.一种如权利要求70所述的方法，其特征在于，一个区域被光束照射多次。
72.一种如权利要求71所述的方法，其特征在于，所述区域沿任一方向被连续或顺序照射多次。
73.一种如权利要求71所述的方法，其特征在于，所述系统是双向工作的。
74.一种如权利要求71-73任一项所述的方法，其特征在于，所述微通道的至少一个表面部分包含用于吸收光能的吸光材料。
75.一种如权利要求71-74任一项所述的方法，其特征在于，光能被直接吸收在受照射段内的液体中。
76.一种如权利要求71-75任一项所述的方法，其特征在于，所述蒸气泡形成在液体中。
77.一种如权利要求76所述的方法，其特征在于，通过响应光束照射使至少部分液体膜态沸腾而形成蒸气泡。
78.一种如权利要求71-77任一项所述的方法，其特征在于，所述蒸气泡形成在与微通道中的液体相连的缓冲液体中。
79.一种如权利要求78所述的方法，其特征在于，通过响应光照射的部分缓冲液体的膜态沸腾形成蒸气泡。
80.一种如权利要求72或78所述的方法，其特征在于，通过响应光束照射的成核作用形成所述蒸气泡。
81.一种如权利要求78-80中任一项所述的方法，其特征在于，所述缓冲液体保持在与微通道相连的空腔中，该微通道的表面部分为该空腔的表面部分。
82.一种如权利要求81所述的方法，其特征在于，所述空腔具有朝向所述微通道的开口。
83.一种如权利要求82所述的方法，其特征在于，所述开口小于将由微通道内液体传送的细胞。
84.一种如权利要求71-83中任一项所述的方法，其特征在于，产生的流动是层状的。
85.一种如权利要求78-84中任一项所述的方法，其特征在于，所述缓冲液体和所述液体为所述微通道内的层状流动液体。
86.一种如权利要求78-85中任一项所述的方法，其特征在于，所述微通道至少一段包含缓冲液体。
87.一种如权利要求86所述的方法，其特征在于，所述微通道的端段包含缓冲液体。
88.一种如权利要求66-87中任一项所述的方法，还包括通过光束控制装置控制光束的参数。
89.一种如权利要求88所述的方法，其特征在于，所述光束控制装置适于控制光束的参数以加热微通道内的液体。
90.一种如权利要求89所述的方法，其特征在于，所述光束具有足以将至少部分液体加热到低于所述液体的沸点的温度的能量密度。
91.一种如权利要求89所述的方法，其特征在于，用于加热大量液体的能量密度低于用于使蒸气泡成形的能量密度。
92.一种如权利要求89或90所述的方法，还包括通过热电堆元件检测液体温度。
93.一种如权利要求92所述的方法，其特征在于，所述热电堆元件包含红外检测器。
94.一种执行核酸扩增过程的方法，包括以下步骤a)提供如权利要求1-56中任一项所述的微型泵送系统；b)在微通道的一段内提供核酸扩增混合物，所述核酸扩增混合物包括引物、核酸、核苷酸单磷酸酯和具有聚合酶活性的酶；c)用光源加热核酸扩增混合物以解开双链DNA；d)冷却核酸扩增混合物以使引物退火至核酸上；e)允许具有聚合酶活性的酶延伸引物。
95.一种如权利要求94所述的方法，还包括重复步骤c)-e)。
96.一种如权利要求66-93中任一项所述的方法，还包括通过控制装置控制用于使光束相对于基底运动的装置。
97.一种如权利要求66或96所述的方法，其特征在于，所述控制装置包括光束控制装置。
98.一种如权利要求66-97中任一项所述的方法，其特征在于，用于使光束相对于基底运动的装置包括移动基底的装置。
99.一种如权利要求66-93中任一项所述的方法，其特征在于，用于使光束相对于基底运动的装置包括移动光源的装置。
100.一种如权利要求66-93中任一项所述的方法，其特征在于，用于使光束相对于基底运动的装置包括移动光束的装置。
101.一种如权利要求100所述的方法，其特征在于，所述移动光束的装置包括用于光束的偏转或衍射的装置。
102.一种如权利要求98-101中任一项所述的方法，其特征在于，所述移动装置包括马达。
103.一种如权利要求98-102中任一项所述的方法，其特征在于，所述移动装置包括压电元件。
104.一种如权利要求66-103中任一项所述的方法，还包括通过调节聚焦装置使光束聚焦在选定位置。
105.一种如权利要求104所述的方法，其特征在于，所述选定位置为微通道的表面部分。
106.一种如权利要求104所述的方法，其特征在于，所述选定位置为微通道内的位置。
107.一种如权利要求104-106中任一项所述的方法，还包括通过聚焦控制装置控制所述聚焦装置。
108.一种如权利要求97或107所述的方法，其特征在于，所述控制装置包括所述聚焦控制装置。
109.一种如权利要求66-108中任一项所述的方法，还包括通过控制所述移动装置的速度控制液体的速度。
110.一种如权利要求66-109中任一项所述的方法，其特征在于，通过控制光源的能量密度控制液体的速度。
111.一种如权利要求66-110中任一项所述的方法，还包括通过控制光源的能量密度和/或选定段的照射期间控制蒸气泡的尺寸。
112.一种如权利要求111所述的方法，其特征在于，选择光源能量密度和/或光源照射期间以形成至少一个其尺寸与微通道尺寸相对应的蒸气泡。
113.一种如权利要求112所述的方法，还包括在两个相邻的微通道段中形成两个波动的蒸气泡，控制波动以便在所述通道中维持至少一个蒸气泡限制。
114.一种如权利要求113所述的方法，其特征在于，通过照射相应的微通道段表面部分以交替加热蒸气泡的第一和第二边缘部分而维持蒸气泡。
15.一种如权利要求66-114中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述移动装置控制从至少一个光源发出的至少一个光束，以便在多个微通道中产生流动。
116.一种如权利要求66-115中任一项所述的方法，其特征在于，所述移动装置控制所述至少一个光束以照射多个微通道的多个表面部分，从而在该多个微通道中产生液流。
117.一种如权利要求66-116中任一项所述的方法，其特征在于，所述光源为激光。
118.一种如权利要求66-117中任一项所述的方法，还包括通过经由连接至少一个贮存器和至少一个微通道的至少一个位置的连接孔将标记液体从至少一个用于保持该标记液体的贮存器注入所述至少一个微通道而标记在所述至少一个微通道中的至少一个位置。
119.一种如权利要求66-118中任一项所述的方法，其特征在于，所述微通道包含待混合的至少第一液体和第二液体，其中，通过响应所述至少第一段的第一表面部分的照射在所述至少第一液体中形成至少第一蒸气泡并且响应所述至少第二段的第二表面部分的照射在所述至少第二液体中形成至少第二蒸气泡以增加所述至少第一液体和第二液体之间的边界表面面积而混合所述第一液体和第二液体。
120.一种如权利要求119所述的方法，其特征在于，多个蒸气泡分别沿所述微通道的预定混合长度段顺序形成在所述第一和第二液体中。
121.一种如前述权利要求中任一项所述的微型泵送系统，还包括通过控制所述液体通道的所述至少第一段和第二段之间的距离而控制驱动流体静压。
122.一种在微通道内泵送液体的方法，该方法包括以下步骤-提供保持至少一个包括至少一个具有第一表面部分的第一段和至少一个具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-从光源发出光束；和-使光束和基底之间产生相对运动，因此光束在第一位置照射第一表面部分并在第二位置照射第二表面部分，-响应第一表面部分的照射在所述至少第一段中形成至少一个第一蒸气泡，-响应第二表面部分的照射在所述至少第二段中形成至少一个第二蒸气泡，其中，所述至少第二蒸气泡在所述至少第一蒸气泡破裂之前形成，以便产生泵送作用。
123.一种如权利要求122所述的方法，其特征在于，通过移动基底、光源和/或光束获得所述相对运动。124.一种闭合微系统中的微阀的方法，该方法包括-提供保持至少一个包括至少一个具有第一表面部分的第一段和至少一个具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-从光源发出光束；和-使光束和基底之间产生相对运动，因此光束在第一位置照射第一表面部分并在第二位置照射第二表面部分，-响应第一表面部分的照射在所述至少第一段中形成至少一个第一蒸气泡，-响应第二表面部分的照射在所述至少第二段中形成至少一个第二蒸气泡，其中，所述至少第一和第二蒸气泡适于通过使所述蒸气泡的形成或破裂波动而维持通道中的限流以闭合该阀。
125.一种如权利要求124所述的方法，其特征在于，通过控制光源的能量密度和/或选定段的照射期间控制蒸气泡的尺寸。
126.一种如权利要求125所述的方法，其特征在于，选择光源的能量密度和/或照射期间以形成至少一个其尺寸与微通道尺寸相对应的蒸气泡。
127.一种如权利要求123-126中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一和第二蒸气泡是相同的蒸气泡，通过照射微通道的相应表面部分以交替加热蒸气泡的第一和第二边缘部分而维持所述蒸气泡。
128.一种如权利要求123-127中任一项所述的方法，还包括通过允许所维持的蒸气泡破裂而打开所述阀的步骤。
129.一种在微通道中混合至少一种第一液体和第二液体的方法，该方法包括-提供保持至少一个包括至少一个具有第一表面部分的第一段和至少一个具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-从光源发出光束；-使光束和基底之间发生相对运动，因此光束在第一位置照射第一表面部分并在第二位置照射第二表面部分，-响应第一表面部分的照射在所述第一段中的至少一种第一液体内形成至少一个第一蒸气泡，-响应第二表面部分的照射在所述第二段中的至少一种第二液体内形成至少一个第二蒸气泡，从而增加所述第一和第二液体之间的边界表面面积，以获得所述至少第一和第二液体的混合。
130.一种如权利要求129所述的混合方法，还包括重复所述沿微通道在多段内形成第一和第二蒸气泡的步骤的步骤。
131.一种在微通道中加热液体的方法，该方法包括-提供保持至少一个包括至少一个第一段的微通道的基底；-从光源发出朝向所述至少第一段的光束；和-控制光束的参数，从而加热微通道内的液体。
132.一种如权利要求131所述的方法，还包括使光束聚焦在选定位置的步骤。
133.一种如权利要求132所述的方法，其特征在于，所述选定位置为微通道的表面部分。
134.一种如权利要求132所述的方法，其特征在于，所述选定位置为微通道内的位置。
135.一种如权利要求131-134中任一项所述的方法，还包括用于控制聚焦装置的聚焦控制装置。
136.一种如权利要求131-135中任一项所述的方法，其特征在于，还包括检测液体温度的步骤。
137.一种如权利要求136所述的方法，其特征在于，通过与所述微通道相连的热电堆元件确定液体温度。
138.一种如权利要求137所述的方法，其特征在于，所述热电堆元件包括红外检测器。
139.一种在微型泵送系统中处理液体的方法，包括一种或多种如权利要求66-138所述的方法。
全文摘要
本发明提出通过可移动光束产生的气泡在微通道系统中处理液体的装置和方法。特别地，该装置涉及微通道系统中的泵、阀、混合器和热反应器以及这些装置组合而成的较大系统。该方法涉及该装置的准备和操作。
文档编号F04B19/24GK1697925SQ03824190
公开日2005年11月16日 申请日期2003年8月14日 优先权日2002年8月15日
发明者T·乌辛 申请人:麦莫斯弗罗有限公司