用于分子诊断用途的微流体装置的制作方法

专利名称：用于分子诊断用途的微流体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于例如"实验室芯片"或微全分析系统等分子诊断用途 的微流体装置、涉及包括所述微流体装置的一次性盒体及其使用。根据本 发明的微流体装置优选地用于分子诊断学。
背景技术：
生物技术领域在开发通常称为"实验室芯片"(LOC)或微全分析系统 (microTAS)并用于试样操作和分析的小型化微流体装置方面花费了大量 力量。这些系统用于检测和分析例如DNA和蛋白质的特定生物分子。
通常微系统装置包含流体、电气与机械功能，包括泵、阀、混合器、 加热器、以及例如光学、电磁和/或电气传感器等的传感器。典型的分子诊 断性分析包括细胞裂解、洗涤、PCR扩增和/或检测等步骤。
集成的微流体装置在单一模板上需组合多种功能，诸如过滤、混合、 流体驱动、阀门、加热、冷却，以及光学、电气或电磁检测。依照模块概 念，不同功能可在诸如硅或玻璃等的单独功能基板上实现。该功能需要安 装有典型由塑料制成的微流体通道系统。由于较小通道，这种集成的几何 特性变为非常困难的处理。基板与通道板之间的界面必须为非常光滑且精 确的，而且通道几何特性必须可复制，而功能性基板因成本效率应具有最 小底座。特别是对于既需要流体也需要电气界面的功能，湿润的界面分离 是必须的。粘结技术必须与功能性基板上的生物化学试剂以及表面处理均 兼容。
US-A1 2003/0057391公开低功率集成泵送和阀门阵列，其提供了革新 方法以进行用于如医学诊断微芯片应用的微加工流体系统中的泵送和阀门 操作。该方法集成了更低功率的较高压力源，具有封装在与微注射器相似 的微通道内的聚合物、陶瓷或金属栓头。当压力源被激发，聚合物栓头滑 入微通道内，在栓头相对一侧泵送流体，而不会使流体围绕栓头漏泄。所 述栓头也可用作微阀。
但是，US-A1 2003/0057391的泵送系统不能提供足够小的死容积，且 不能提供优化的快速流体传输。此外，栓头必须具有偏紧配装以避免试样 流体渗漏，因此低功率集成泵送与阀门阵列无法以低垂直范围制造提供。
在过去十年中，微流体系统装置己经开展了相当多的研究，以集成更 多功能而同时减少液体的分析试样容量。
尽管已有努力，仍需要例如常常称为Bio Flips、 LOC以及microTAS 的微流体生物芯片的微流体系统装置，以克服前述现有技术的至少一个缺 点。此外，需要开发引导外围功能全部集成在单一微芯片上的技术，包括 用于片上流体歧管的创新小功率/压力源，允许以较小容积的液体进行试样 分析、并且提供试剂和试样的更为经济的用途。

发明内容
根据本发明的微流体装置允许用于分子诊断学用途的许多功能集成。 根据本发明微流体装置可分析小容积液体的试样、提供试剂和试样的更经 济的使用，在一些情况下极大加快化验速度。
根据本发明用于分子诊断用途的微流体装置允许侧流微流体通道系 统。这使得可将传感器和用于化验的流体试样的处理、操作和/或分析的其 它装置垂直集成。
为在根据本发明用于分子诊断用途的微流体装置上集成多个功能，建 议在具有微通道结构的至少一个基板上集成所有或至少多数这些功能，所 述基板如下所述被用于流体传输的膜覆盖。
根据本发明，提供用于分子诊断学用途的流体试样分析的微流体装置， 包括
-表面上具有至少一个微通道结构的基板； -至少一个检测、控制和/或处理元件；
-用于接收流体试样的至少一个接收室，其中接收室可形成在膜和基板 之间，其中接收室与至少一个微通道通畅地连接；
-至少一个膜，其中，膜防渗漏地覆盖布置在所述基板上的至少一个微 通道结构的上表面，由此所述膜的移动导致对位于所述微通道中所述接收 室的流体的泵作用、和/或导致对引导通过所述微通道的流体的阀作用；和
-用于驱动膜移动的至少一个装置，包括压力和/或真空产生装置。
微流体装置和/或微通道结构可被设计为使得多个相同或不同流体试样 的处理、检测和/或控制步骤可分别、同时和/或随后实施。
此处术语"检测装置"或"检测元件"是指允许采用本领域熟知的分 析检测技术査验试样处理室内的流体试样的任何装置、结构或构型。因此， 检测装置可包括与试样处理室连通的一个或多个孔、细长孔或槽，且可使 得外部检测设备或装置与试样处理室具有接口以检测通过微流体装置的亦 称为分析物的流体试样。
术语"流体试样"用于指可通过微通道系统泵送的任何化合物或成份。 "流体试样"优选为液体。


图1所示为包括在第一位置进行流体传输的膜和活塞的微流体装置的 侧剖视图2所示为图1中微流体装置的侧剖视图，其中，流体受压进入微通
道系统到达第二位置；
图3所示为图1中微流体装置的局部顶剖视图4所示为其上具有集成PCR和检测的微流体装置的示意图5所示为具有试样注射的微流体装置的侧剖视图6所示为具有试剂储存容器的微流体装置的侧剖视图7所示为图6中微流体装置的侧剖视图，其中，试剂被释放并受压
进入微通道系统；
图8a所示为具有用于电穿孔的相互交叉电极结构的微流体装置的侧剖 视图8b所示为具有用于电穿孔的相互交叉电极结构的微流体装置的顶 剖视图9a所示为具有PCR室和集成的温度传感器和加热器元件的微流体装 置的侧剖视图％所示为图9a中微流体装置的局部顶剖视图-， 图10所示为具有侧向直通混合阵列的微流体装置的侧剖视图； 图11所示为具有集成的压力传感器的微流体装置的侧剖视图； 图12a所示为具有集成的生物传感器的微流体装置的侧剖视图12b所示为具有集成的生物传感器的微流体装置的顶剖视图；以及 图13所示为微流体装置的侧剖视图，其中，压縮气体和真空用于驱动 膜导致流体传输。
具体实施例方式
在对本发明进行详细描述之前，应理解本发明不仅限于所描述装置的 特殊元件部分或所描述方法的处理步骤，因为装置和方法可能改变。还应 理解，此处使用术语的目的仅为描述特定实施例，并非加以限定。须注意， 若非上下文明确规定，如用于说明书和所附权利要求书上的单数形式"一"、 "一个"和"所述"涵盖单数和/或复数的所指物品。因此，例如所指"流 体"可能包括混合物，所指"加热装置"可包括两个或更多这样的装置， 所指"微通道"可包括一个以上这样的通道等。
已示出本发明提供一种通过用于例如医学诊断微芯片的微加工流体系 统中的膜进行泵送和阀门操作的新方法。通过使用膜，亦称为盒体的微流 体装置可被有效地用作用于流体传输的泵或控制阀。膜具有可变的操作性 能。可利用本发明制造芯片级集成的试样制备系统。
膜的尺寸可选择为使得膜完全或部分覆盖基板的上表面。最优选为膜 覆盖微通道系统。所述膜的上下运动导致泵作用或阀作用，这样，位于所 述微通道系统的流体被传输或停留在微通道系统中。膜的向上运动导致吸 入功能，膜的向下运动挤压流体试样流和/或导致阀门功能。为了对膜施加 压力和/或真空，膜与压力和/或真空装置相接触。压力装置包括气压和/或如 活塞等机械压力装置。压力和真空装置不与流体试样接触，因为膜具有流 体密封功能。压力和/或真空装置在特定区域驱动膜的上表面，以使膜的规 定区域可仅可被抬高或降下。优选地，膜表面的主要部分通过支承板(也 被称为固定装置)被固定。支承板可包括至少一个凹部、孔或导管，以使 膜可被上下移动。此外，没有孔或导管的支承板的凹部可用于承受由流体 试样流导致的膜的向上运动。真空和/或压力装置可操作地与支承板的至少 一个凹部、孔和/或导管相连，以驱动膜的泵和/或阀功能。具有阀和/或泵功 能的膜区域被布置为邻近微通道和/或在微通道上方，以使所述微通道中的 流体试样可受压通过。优选地，邻近活动膜区域和/或在活动膜区域下方的 微通道具有增大的结构，即此处的通道设计具有室、隔间或湖状形式
在使用活塞情况下，优选地活塞下表面的尺寸与微通道的形状一致， 使得与膜接触的活塞的向下运动导致膜的流体压力和/或阀作用。活塞可与 膜的上表面接触，活塞可为膜的一部分，和/或活塞配合在孔、凹部或导管 中以使活塞的上下运动驱动膜的泵和/或阀作用。如果活塞为膜的一部分， 活塞可为空心的以使挤压导致泵和/或阀作用。这样，膜可具有柔性平面形 状或柔性预制形状设计。具有预制形状设计的膜为形成至少一个隔间或室， 优选为形成至少两个隔间和室的膜。
用于接收流体试样的柔性平面膜(因泵/阀功能形成)和/或预制形状膜
的隔间和/或室的容积可为0.1至100mm3，优选为0.5至25mm3 ，更优选为 1至5mm3。
由于膜在特定区域(即膜在其位置未被固定的区域)的泵和/或阀效应， 流体试样可通过微通道系统或分支通道系统被传输至所需区域。这样，流 体试样可被传输至多个不同的位置以被检测、控制和/或处理。因此，本发
明的泵系统可允许多次来回流体传输。
此外，具有泵和阀功能的集成膜提供快速的流体传输、较小的泵和阀 的死容积以及低的垂直制造范围。根据本发明，较小的死容积是微流体装 置的一个优点。在本发明中，所有微通道的总容积可优选小于总流体容积 的1%，优选小于0.5%，更优选小于0.1%。但是，可以在泵送循环末端泵 送通过微通道中的空气以进一步减小死容积。
根据本发明使用的膜优选具有液体密封性，这样，液流在操作期间不 穿透膜。可优选地，膜是柔性的和/或弹性的。适用的膜材料为聚合物，优 选为天然橡胶或合成橡胶。
为了获得膜的良好泵和域阀效应，优选地，膜的厚度为1拜至1000,， 优选为25|im至500jam，更优选为50jam至200)mi。若膜太薄，则可能造成 膜的损坏，这可导致流体试样的渗漏。但是若膜太厚，则可能造成所述膜 相对流体传输的泵和/或阀效应故障。最优选为具有厚度为50微米至200 微米的橡胶膜。
根据本发明，基板表面至少部分被聚合物层覆盖。微通道结构可通过 常用的己知技术形成在所述聚合物层中。例如，微通道可通过采用激光烧 蚀技术制成。可采用激光烧蚀工艺，因为其避免了蚀刻中可能底切掩膜的 微平版各向同性蚀刻技术所遇到的问题，产生具有弯曲侧壁和平底的不对
称结构。采用激光烧蚀工艺在例如聚合物的基板中形成微结构提高了制造 过程的简便性，从而降低了生产成本。此外，根据本发明的低成本聚合物 基板中的微流体装置具有一次性使用的优点。
通常，任何吸收紫外线的基板提供适用的基板，在该基板中可激光烧 蚀图案。因此，所选构形的微结构可通过将平版掩膜成像至例如聚合物或 陶瓷材料等的适用基板上，而后用激光在未受平板掩膜保护的区域激光烧
蚀基板而形成。EP-A1 0 708 331采用了激光烧蚀技术，其并入此处以供参 考。但是，微通道也可通过用于在硅或二氧化硅材料中形成系统的蚀刻和 显微机机械加工技术形成。
术语"激光烧蚀"用于指利用例如准分子激光等高能光子激光器在适 用基板上烧蚀图案的机加工工艺。通常，任何吸收紫外线的适用基板均可 被采用。准分子激光器可为例如F2、 ArF、 KrCl、 KrF或XeCl型。
根据本发明的微流体装置可包括至少一个微通道。优选地，微流体装 置包括形成于基板材料上的多个微通道，也称为微通道阵列。
形成于基板上的微通道结构可包括流体试样被进行如加热、冷却、控 制、反应、测量和/或分析等处理的区域。此外，微通道结构包括泵和/或阀 功能区域。
微通道可具有通道形状。但是，在流体试样处于泵或阀效应作用下， 或在进行如加热、冷却、控制、反应、测量和/或分析等处理之处，微通道 可具有例如室、隔间或湖状结构等更宽的结构。
基板材料可从包括玻璃、陶瓷、硅和/或聚合物的组合中挑选。
微通道的深度可在5微米至200微米范围内，优选为10微米至100微 米，再优选为20微米至50微米，更优选为30微米。
微通道在顶部开口处的宽度可在0.1微米至1000微米的范围内，优选 为1微米至500微米，再优选为5微米至250微米，更优选为100微米。
在一优选方法中，微通道由感光聚合物层图案紫外曝光形成。感光聚 合物通过旋转涂敷加以涂敷。紫外曝光后，未曝光部分在显像过程中被洗 去。从而获得平直的侧壁。该方法避免了微平版各向同性蚀刻技术所遇到 的问题。
因此，在本发明下，所选构形的微结构可通过将平版掩膜成像在如聚 合物或陶瓷材料等适用基板上，而后用激光在未受平版掩膜保护的区域激
光烧蚀基板而形成。
制造微通道结构的适用工艺公开于EP-A1 0 708 331，其并入以供参考。 微通道结构将流体试样流路径与对流体试样进行例如加热、冷却、控 制、反应、测量和/或分析等处理的区域连通。流体试样可被处理的区域包 括流体室和/或微通道的区域。例如微通道可被设计为可使流体试样在所需 位置被处理。
此外，具有至少一个微通道的微流体装置优选包括布置在其中的试剂， 优选为适于与流体试样发生反应的固体或凝胶试剂。
在优选实施例中，试剂存在于微通道或优选布置在紧邻微通道或处理 区域的容器中。
为接收试剂，微流体装置可包括压力释放容器，其中该容器可被布置 为紧邻所述膜的下表面并位于支撑板的通孔下方，其中通孔的下端紧邻膜 的上表面布置，以使释放容器能够受经过通孔紧靠膜的上表面的压力或真 空作用，优选通过活塞被打开。这种释放容器优选包含至少一种液体试剂。
活塞可由塑料、金属、玻璃和/或陶瓷材料制成。
检测、控制和/或处理元件可被布置成紧邻流体试样室和/或紧邻微通 道。加热器、传感器和检测器等可通过薄膜技术集成。
通常，微流体装置可包括例如薄膜电子仪器等电子仪器。基板可包括 基板和多个形成在基板上的薄膜层。适用的薄膜电子仪器可包括用于施加 电场的电极、传感器、换能器、基于光学的仪器、例如用于施加超声能量 的压电振荡器等的基于声学的仪器、基于电场的仪器和基于磁场的仪器等。 传感器可为例如热电偶等的温度传感器、例如耐热仪器的电热调节器，PN 结、负反馈带隙传感器等、例如光电二极管或其它光电仪器等的光学传感 器、例如压电元件等的压力传感器、例如基于传感压力或加热元件的热耗 率等的流体流速传感器、以及电气传感器等。
优选地，电子仪器包括检测、控制和/或处理部件，此处也称为元件。 处理部件包括用于流体温度控制的电子仪器、用于加热和/或冷却流体的电 子仪器、配置为传感或改变流体性质的电子仪器。此外，也被称作处理元 件的处理部件包括试剂。
电子仪器可被布置成电子仪器可参与流体微通道系统或室中的试样处 理和/或监测。因此，电子仪器可被布置为相对微流体处理室更有效，使试
样的操作更具灵活性。此外，如加热器/冷却器和温度传感器等参与微流体 处理相关方面的仪器可被以更为相互配合的空间关系设置，以改变和传感 大致相同流体容积的温度。
例如薄膜电子仪器等的电子仪器以及集成这种仪器的方法公开于
US-Al 20040151629中，其并入此处以供参考。
优选地，检测、控制和/或处理元件包括电极、传感器、转换器、加热 元件、例如波导管、激光器等基于光学的仪器、基于声学的仪器、基于电 场的仪器和/或基于磁场的仪器。处理元件包括例如细胞裂解、洗涤、混合、 通过PCR扩增和/或检测。
根据本发明，为使流体试样传输，微通道结构被膜覆盖，以使流体试 样可被导向或受压通过微通道。至少有一个膜能部分或完全地覆盖微通道 结构。优选地，膜与微通道结构无渗漏地相连，以使流体试样不会意外泄 露。
更详细地，微流体装置具有被布置在所述基板上的微通道阵列，其中 每个所述微通道液体密封地被膜覆盖，所述膜由支撑板安装，所述支撑板 具有至少一个通孔，优选为每个微通道至少有两个通孔。优选地，至少两 个微通道操作地相连，由此通过压力或真空、优选通过所述活塞朝向通孔 下端的所述膜区域的运动导致对所述微通道中所述接收室中的流体的泵作 用、或导致对被引导通过所述微通道的流体的阀作用。
根据本发明的微流体装置优选为一次性盒体。但是，微流体装置可由 覆盖有支撑板的一次性盒体制成。支撑板可重复使用或为一次性使用。
微流体装置或盒体可在至少一个表面侧具有连接器，该连接器提供例 如与控制系统的电气接触。
优选地，膜通过至少一个支撑板被安装在基板上，其中所述支撑板具 有至少一个孔且优选为多个通孔。通孔可具有用于接收活塞和/或施加压力 或真空以驱动膜的形状。此外，支撑板的通孔可用于冷却作用、用于检测 和/或控制目的。
根据本发明的微流体装置可被用作例如分子诊断学用途中的实验室芯 片(LOC)或微全分析系统(microTAS)。
根据本发明的微流体装置根据一个实施例包括至少两个元件(a)具 有薄膜微通道结构的基板，其集成有例如传感器和致动器的电气和光学功
能、及电气基础结构；和(b)防渗漏地覆盖微通道结构的膜。
根据本发明另一实施例，基板和膜被支撑板防渗漏地压在一起。该支 撑板也被称作固定装置，是微流体装置的一部分，并设有多个孔和配装在 这些孔中的活塞。活塞通过驱动橡胶膜导致泵和/或阀作用而启动流体传输， 以使液体受压进入基板上的微通道，并受压进入下一化验处理步骤。根据 本发明由膜导致的流体驱动系统速度快并提供较小的死容积。
根据本发明的如图1所示的微流体装置(1)包括具有聚合物层(3) 的基板(2)，其中微通道结构(4)形成在所述聚合物层(3)中。微通道 结构(4)被柔性膜(5)覆盖。膜(5)通过支撑板(6)与基板(2)液体 密封地相连。支撑板(6)包括活塞(7a/7b)装配在其中的通孔。所述活塞 (7a)处于用于泵送作用的向上位置，活塞(7b)处于用于阀功能的向下 位置。在活塞(7a)下方且在柔性膜(5)与具有聚合物层(3)的基板(2) 之间形成流体试样室(8)。例如通过挤压，活塞(7a)的向下运动将流体 试样从第一位置的流体试样室(8)压入微通道结构(4)。
流体试样可通过驱动所述膜而受压到所需的处理步骤。由于所述膜的 泵和阀功能，可将流体试样压入微通道结构的任何所需部位。
图2显示图1中的微流体装置(1)，其中流体试样因活塞(7a)向下 运动并且导致膜(5)的泵作用而受压进入微通道结构(4)内，由此形成 流体试样室(9)，以使流体试样可被处理。膜(5)通过支撑板(6)与具 有聚合物层(3 )的基板液体密封地相连，所述聚合物层具有微通道结构(4)。 由此可见，膜在活塞(7a)的向下位置具有阀作用，如果需要，例如若流 体试样必须被进一步处理，则膜在活塞(7b)下方的位置(10)可导致泵 作用。
图3为图1中微流体装置的局部剖视顶视图。形成于基板(2)的所述 聚合物层(3)中的微通道结构(4)可被看见。微通道结构(4)连接流体 室(8)和(9)。在至少一个流体室(8)和/或流体室(9)的底部可布置处 理元件、检测元件或处理元件。
例如，通过采用薄膜技术，加热器、温度传感器和/或检测器可易于紧 邻流体室集成在基板上。但是，加工和/或检测元件可通过现有技术中已知 的任何适当技术被施加。
根据本发明的微流体装置可包括与所述微通道结构相连的至少一个集成的PCR处理区域和至少一个检测区域。流体试样传输由膜的泵和阀功能
引起。检测区域、处理区域和/或微通道结构可具有至少一个集成加热器和/ 或温度传感器。在微流体装置或盒体的一侧的连接器提供与控制系统的电 气接触。
微流体装置的优选实施例包括3个试样注入端口、具有集成加热器和 温度传感器的4个PCR室、以及具有集成加热器和温度传感器的侧向通流 混合检测阵列(见图4)。流体试样的侧向通流可允许检测元件易于被布置 在侧向区域的下方或上方。
图4显示具有组合的PCR和检测元件的微流体装置(1)的一个实例。 基板(2)和优选为橡胶膜的膜(未图示)通过具有用于接收活塞的通孔的 支承板(未图示)的固定密封地被挤压在一起，以通过所述膜的阀和泵作 用(7a/7b/7c)挤压流体探头穿过微通道结构(4)至所需处理区域。微流 体装置(1)包括试样注入端口 (11)、主混合注入端口 (12)、备用注入 端口 (13)、四个PCR室(14)、中心分送室(15)、具有泵和阀功能的 膜(16)、具有集成加热器(17a)和温度传感器(17b)的侧向通流混合 阵列(H)、以及电触点(18)。支撑板包括用于PCR室的空气冷却的附 加孔和用于观察/控制混合阵列(未图示)的孔。固定装置的其它部分设有 多个孔和配装在这些孔中的活塞。根据本实施例，固定装置不是盒体的一 部分，但属于读取和控制仪器。但是，固定装置或支撑板可为微流体装置 的一部分。玻璃板上的微通道连接不同的室。橡胶膜具有用于流体注入和 试剂存储的预成形腔。活塞系统可驱动用于流体泵以及阀功能的膜。该流 体驱动系统的优点是快速流体传输及较小的死容积。
为处理流体试样，流体试样必须放置在例如基板的上表面和膜的下表
面之间的膜下方。根据本发明的优选实施例，通过注入将流体试样放置在
膜的下方。根据本发明的另一实施例，微流体装置具有用于接收流体试样 的至少一个试样端口。接收端口可被集成在膜中。优选地，接收端口可被
打开和密封。
试样注入的一个实施例显示在图5中，其中微流体装置(1)包括具有 聚合物层(3)的基板(2)，其中微通道结构(4)形成在所述聚合物层 (3)中。微通道结构(4)被柔性膜(5)覆盖。膜(5)通过支撑板(6) 与基板(2)液体密封地相连。支撑板(6)包括活塞(7a/7b)装配在其中
的通孔。活塞(7a)处于用于泵作用的向上位置。活塞(7a)具有用于接 收针的通道。活塞(7b)处于更向下的位置。在活塞(7 a)下方且在柔性 膜(5)与具有聚合物层(3)的基板之间形成流体试样室(8)。从图5中 可见，膜在朝向活塞(7a)的通道下端开口的顶部具有增厚的区域。此外， 橡胶膜在该位置为圆柱形。 一次性(金属或塑料)的中空活塞被放置在膜 的顶部。插入穿过膜增厚部分的针将试样导入流体室(8)。向下移动活塞 (7a)将挤压注入的流体试样进入微通道系统(4)。
为处理流体试样，适用的方式是采用至少一种试剂处理流体试样或优 选与流体试样发生反应。为准备使用微流体装置，根据本发明的微流体装 置可优选包括在打开时可释放例如试剂等成分的至少一个容器。容器被构 造和布置为可因膜的热作用和/或压力作用而打开。优选地，容器被布置在 紧邻处理区域和/或紧邻微通道结构，以使试剂能够接触流体。试剂优选为 固体或液体成分。液体成分可包括凝胶，固体成分可为粉末或湿粉末，以 促进和加速与流体试样的反应。
图6显示了包括储存例如液体试剂的容器的微流体装置(1)的一个实 施例。
根据图6，试剂被密封在薄塑料容器(19)内并被放置在膜(5)的圆 柱形空腔(20)中。容器(19)设有通过压力和/或加热可易于打开的部分。 向下移动活塞(7a)导致塑料容器以受控方式破裂，试剂被释放并因膜(5) 的挤压作用受压进入微通道系统(4)。
图7显示了根据图6中的微流体装置(1)通过活塞(7a)的泵作用将 流体传输至下一个流体室(21)，与从容器释放出来的试剂反应的流体试 样在该室被进一步处理和/或分析。通过活塞(7b)和位于下方的膜(5)导 致的泵作用，流体试样可受压穿过微通道结构(4)到下一处理位置。
根据本发明另一优选实施例包括具有相互交叉电极结构的微流体装 置，其可用于细胞裂解。细胞可在膜的泵和阀作用下受压穿过微通道结构。 微通道结构的处理区域可包括相互交叉电极结构。由电极结构施加的电压 将导致局部高电场，从而使细胞膜破裂并释放出DNA。该细胞裂解方法被 称作电穿孔法。
图8a (侧视图)和8b (顶视图)显示根据本发明的可用于细胞裂解的 微流体装置(1)，其包括具有聚合物层(3)的基板(2)，其中微通道结
构(4)形成在所述聚合物层(3)中。微通道结构(4)被柔性膜(5)覆 盖。膜(5)通过支撑板(6)与基板(2)液体密封地相连。支撑板(6) 包括活塞(7a/7b)配装入其中的通孔。活塞(7a)和(7b)以交替方式上 下运动，使得流体受压往复穿过所述微通道结构。微通道结构包括放置在 两流体室(23)和(24)之间的相互交叉电极结构(22)。
电极结构上的电压差使细胞膜破裂并释放出可进一步被处理和/或检査 的DNA。
为相互交叉电极结构提供尖端并利用例如Si02等绝缘材料局部屏蔽电 极可增强电场强度。
这样，图8中微流体装置允许由膜挤压细胞通过微通道。至少一个通 道可设有相互交叉电极结构。这种称为电穿孔法的细胞裂解过程可易于地 集成在盒体，即本发明的微流体装置中。
根据本发明用于细胞裂解的微流体装置的另一实施例由膜来回泵送液 体穿过具有尖头硅珠的室来操作。硅珠的尺寸应选为可使得硅珠被栅格结 构锁定在微通道中。通常，硅珠为1(^m至50pm，优选为25nm。
本发明的另一优选实施例为具有至少一个优选为PCR室的PCR处理区 域、至少一个集成的温度传感器和至少一个加热元件的微流体装置，所有 这些元装置均紧邻布置和/或为微通道结构的一部分。这种微流体装置一个 实施例的侧视图和顶视图如图9a (侧视图)所示。
从图9a (侧视图)中的微流体装置(1)中可见，流体通过膜受压进 入微通道(4)，然后流向PCR室(21)。在微通道(4)中可形成精细微 图案(25)。优选为多孔结构(25)的该结构用于储存例如PCR底漆等的 干试剂，干试剂可被喷墨印刷技术或其它己知技术涂敷。试剂可被涂在微 结构上和/或可被吸收。沿所述微结构的流体试样的流体流吸带试剂并将其 传输至PCR室(21)内。加热器和温度传感器元件(27)被布置在PCR室 (21)的底部。此外，基板(2)包括凹部形式的冷却元件(26)。
加热器元件和温度传感器元件可由薄电介质层和/或30微米厚的聚合 物层保护。但是，因为已知Si02和Si3N4为PCR抑制剂，聚合物层是优选 的。
如前所述，根据本发明的微流体装置可包括至少一个冷却元件。所述 冷却元件可为基板的凹部。优选地，凹部形成在与膜的表面相反的基板的
背面。为了具有冷却作用，冷空气可被导入基板的凹部上。基板可为玻璃 板、金属板或聚合板。冷却器元件也可被布置在本发明的微流体装置上， 以在冷却过程中增强热接触。空气冷却元件可放置在需要冷却作用的任何
地方，优选地，冷却作用元件放置在紧邻PCR室或位于PCR室之处。
提供加热和冷却的另一替代方法通过采用珀耳帖元件获得。珀耳帖元
件可附着在基板的背面。
此外，为加快温度上升的速率，例如斜坡速率，有必要降低PCR室部
位的热质量。这可通过例如湿蚀刻或喷粉等局部减薄例如玻璃板的基板而实现。
图9b为具有PCR室(21)的图9a微流体装置(1)的局部顶剖视图， 所述PCR室具有集成的温度传感器和加热器元件(27) 。 PCR室(21)与 微通道结构(4)相连。在PCR室(21)前方放置被吸收在多孔微结构(25) 上的干试剂。在PCR室处布置加热器(27)和温度传感器元件(27)，其 由曲折的电阻器金属丝(27)示意性指示。当流体试样到达干试剂被放置 的区域时，流体试样与试剂混合。沿微通道结构的流体试样流动被前述膜 的泵和阀作用挤压。此外，根据本发明的微流体装置可包括至少一个冷却 元件。冷却元件(26)可形成为基板的凹部或形成在基板的凹部内。
本发明又一优选实施例包括至少一个优选为光学检测元件的检测元 件。检测元件可被布置在紧邻微通道结构和/或在微通道结构之处。因为检 测通常是化验最后一个步骤，优选地，检测元件被布置在本发明微流体装 置化验的最后一个步骤。
图10显示根据本发明微流体装置(1)的侧向通流混合阵列。可见在 沿具有集成加热器(29)的处理区域的位置(28a/28b)，待分析流体在膜 (未图示)的泵和阔作用下受压进入微通道结构(4)，在此处探头区域包 括精细微结构(30)。
探头区域可设有使用常规光刻法获得的精细微结构。微结构用于放置 和/或固定试剂，此处例如通过喷墨技术施加的混合探头。通过应用采用激 光束干涉技术的附加暴露步骤，也可能在局部获得例如在100纳米范围内 的极小亚微米结构。微流体装置另一替代实施例可包括含有较小多孔基板 的单独室。
通过利用布置在与膜相反的基板后侧的激光照射和CCD相机的荧光检
测可读出混合阵列。对于相机观察和/或检测，优选为基板是透明的。
替代地，也可使用光激活的聚丙烯酰胺凝胶。该材料的多孔塞由局部 紫外曝光形成，未聚合的材料可通过洗涤去除。
根据本发明微流体装置，可能集成多种不同功能。可集成的功能包括 混合、磁珠传输、细胞操作、细胞计数和/或毛细管电泳作为检测方法。
本发明微流体装置也包括相机。优选地将相机布置在与膜相反的基板 后部面板。为相机观察和/或检测，优选地基板为透明的。此外，相机被布 置之处的基板厚度可被减小，以增加所述相机的光学记录。带有相机的微 流体装置可与例如细胞操作功能和/或细胞计数功能组合使用。
此外，通道渗漏检测器、通道中空气检测器、质量流传感器和/或压力 传感器可被集成在本发明微流体装置上。
通道渗漏检测器可包括可被集成在例如槽中的基板上的未屏蔽电极， 所述槽紧邻流体流动微通道系统。电阻变化可被用于指示渗漏。
根据本发明微流体装置的微通道系统中的空气可根据例如屏蔽的相互 交叉的Si02电极结构的电容变化被检测。优选地与流体流动微通道系统接 触地将屏蔽的相互交叉的Si02电极结构集成在微流体装置的基板上。可通
过紧邻微通道放置的具有等同容性结构的差分测量提高灵敏度。
质量流量传感器可基于加热金属丝的电阻的差分测量。流体试样流吸 收热量，使得温度变化导致可测得的电阻变化。优选地紧邻或与流体流动 微通道系统接触地将质量流传感器集成在微流体装置的基板上。
图ll显示微流体装置(1)具有布置在膜(5)下方区域处的基板上的 微通道中的电容压力传感器(31)。亦称为固定元件的支撑板(6)具有凹 部(32)，使得可通过相应于真实压力致动活塞(7a/7b)而使膜上下移动。 电容性传感器测量传感器表面上方的液体量，这是对实际压力的测量。
除电气传感器和检测器外，光学检测元件可易于被集成。例如光通过 在波导初始或结束处倾斜表面上的全内部反射(TIR)可被耦合进入或脱离， 该波导为根据本发明微流体装置的部件。倾斜表面可通过利用现有技术已 知的倾斜曝光束的附加光刻曝光步骤、或使用现有技术也己知的并入相位 光栅的光掩模而获得。也可能通过使用附加光掩模步骤并处理"低温多晶 硅"LTPS而在微流体装置基板上集成光检测器，但是这可使基板制造更为 复杂且昂贵。集成波导可适用于控制和/或分析混合阵列的经处理的流体试
样。
根据本发明的微流体装置还允许集成例如硅生物传感器等外部部件。 膜可被穿孔，以提供硅装置与优选为玻璃板的基板上的互连电路的电触点。 硅装置设有金凸点，橡胶膜用作穿孔点处电触点的密封环。所述硅装置可 通过超声粘结、热压粘结和/或激光焊接等附连至玻璃基板。
图12a (侧视图)与12b (顶视图)显示具有例如被布置为覆盖膜(5) 的气孔或孔(34)的顶面的硅装置(33)等外部装置的微流体装置()。 亦称为固定元件的支撑板(6)具有接收硅装置(33)的凹部(35)。流体 试样可被膜(5)的泵和阀作用沿将被硅装置(33)检测的微流体通道(4) 挤压。
此外，图12b显示被布置在被聚合物层(3)覆盖的基板(2)上的互 连线(36)。
膜的泵和阀作用可通过如前所述的活塞作用被驱动。但是，作为通过 活塞作用进行流体传输的替代，可施加例如压缩空气和/或真空等流体压力 以驱动根据本发明微流体装置的膜。根据本发明具有由气体压力而非活塞 作用驱动的膜的微流体装置的实例示意性显示于图13中。
图13显示根据本发明的微流体装置(1)包括具有聚合物层(3)的基 板(2)，其中微通道结构(4)形成于所述聚合物层(3)中。微通道结构 (4)被柔性膜(5)覆盖。膜(5)通过支撑板(6)与基板(2)液体密封 地连接。支撑板(6)包括压力装置和/或真空装置可与其连接的通孔(37)。 支撑板(6)还包括凹部(38a)和(38b)以接收处于向上位置的膜，在该 向上位置膜(5)形成流体试样室。凹部G8a)和(38b)可操作地与通孔 (37)连接。通过驱动与通孔(37)连接的压力装置和/或真空装置(未图 示)，膜(5)的阀和泵的作用在相互分离的凹部区域G8a)和(38b)中 可被驱动，以促使流体试样通过微流体通道系统(4)。
根据本发明的微流体装置可用于例如microTAS和LOC、生物传感器、 分子诊断学、食品与环境传感器等生物医学应用中的流体/电子/机械装置。 此外其可被用于化学或生物化合物合成。
优选地，根据本发明的微流体装置可用于
-化学、诊断、医学和/或生物分析，包括生物流体例如蛋黄、血液、 血清和/或等离子体化验；
-环境分析，包括水、溶解土壤提取物与溶解植物提取物的分析； -反应溶液、悬浮液和/或配方分析，包括化工生产，特别是染料溶液 或反应溶液的分析；
-品质保证分析；和/或 -化学或生物化合物合成。
具有微通道和集成功能的玻璃基板可通过现有技术中己知的四种掩膜 薄膜处理工艺提供。
制造具有微通道和集成功能的玻璃基板的各实例如下 基板 0.4 mm Schott AF4
薄膜处理四种掩膜水平
-电阻器层 100nm铂，或钛、铬、镍、铂、金、钨
-导体层 1微米铝或铜、金、银
-电介质层 0.5微米SiCb或SiN
-聚合物层 30微米SU8或BCB，或其它光敏聚合物
用于加热器和温度传感器的电阻元件优选地由例如铂等相同的薄层制 成。对于温度传感元件，重要的是所选金属的电阻温度系数(TCR)应足 够高。
优选使用1微米的铝导体层。
金属组合应选择为与SiN或Si02的薄膜电介质层兼容。
微通道和结构通过使用光敏聚合物进行标准光刻加工在优选为玻璃或 塑料的基板上制成，所述光敏聚合物例如MicroResist Technoliogy生产的 SU8和/或Dow Chemical生产的BCB光敏聚合物等。
例如二极管、晶体管等用于控制致动器和传感器的主动电气功能可采 用低温多晶硅(LTPS)主动矩阵LCD技术被集成，如现有技术已知的。
为提供综合的公开内容而不致使本说明过于冗长，申请人此处通过参 考并入前述专利和专利申请。
前述各详细实施例的要素和特征的特别组合仅仅为示例性的；也可设 想在本说明中和通过参考并入的专利/申请中进行互换或替代这些概念。本 领域的技术人员将认识到，在不偏离本发明所要求的精神和范围的前提下， 本领域的技术人员可进行此处所述更改、变更或其它实施方式。因此，前 述描述仅为实例并非作为限定。本发明范围仅受以下权利要求及其等同内
容所限。此外，用于本描述和权利要求中的参考序号不限定所要求的发明 的范围。
权利要求
1. 一种用于流体试样分析、特别是用于分子诊断用途的微流体装置(1)，包括-表面上具有至少一个微通道结构(4)的基板(2)；-至少一个检测、控制和/或处理元件；-用于接收流体试样的至少一个接收室(8)，其中接收室(8)可形成在膜和基板(2)之间，其中接收室(8)与至少一个微通道(4)通畅地连接；-至少一个膜(5)，其中，膜(5)防渗漏地覆盖布置在所述基板(2)上的至少一个微通道结构(4)的上表面，由此所述膜(5)的移动导致对位于所述微通道(4)中所述接收室(8)的流体的泵作用、和/或导致对引导通过所述微通道(4)的流体的阀作用；和-用于驱动膜(5)移动的至少一个装置(7a/7b/36)，包括压力和/或真空产生装置。
2. 如权利要求1所述的微流体装置(1)，其特征在于，微通道结构 (4)形成在聚合物层(3)、玻璃或陶瓷层(3)中，所述具有微通道结构的聚合物层(3)、玻璃或陶瓷层(3)被布置在基板(2)的表面上。
3. 如权利要求1或2所述的微流体装置(1)，其特征在于，膜(5) 通过至少一个支撑板(6)安装到基板(2)上，支撑板(6)具有适于接收 活塞(7a/7b)和/或适于施加压力或真空以驱动膜(5)的至少一个孔，优 选为多个通孔。
4. 根据前述任一权利要求所述的微流体装置(1)，其特征在于，所 述微流体装置包括布置在其中的试剂。
5. 根据权利要求4所述的微流体装置(1)，其特征在于，试剂为适 于与流体试样发生反应的固体或凝胶试剂。
6. 根据权利要求4或5任一权利要求所述的微流体装置(1)，其特 征在于，至少一个微通道(4)包含试剂。
7.根据权利要求4所述的微流体装置(1)，其特征在于，在至少一 个膜(5)与至少一个微通道结构(4)之间是至少一个热和/或压力释放容 器(19)，由此容器(19)被布置成紧邻处理区域和/或微通道(4)，其中 所述容器(19)包含至少一种试剂。
8. 根据权利要求7所述的微流体装置(1)，其特征在于，所述容器 包含至少一种液体试剂。
9. 根据权利要求7所述的微流体装置(1)，其特征在于，所述压力 释放容器被布置成紧邻所述膜(5)的下表面且在支撑板(6)的通孔下方， 其中，通孔下端被布置成紧邻膜(5)的上表面，以使释放容器(19)在经 过通孔紧靠膜(5)上表面的压力或真空的作用下，优选地通过活塞(7a) 被打开。
10. 根据前述任一权利要求所述的微流体装置(1)，其特征在于，具 有被布置在所述基板(2)上的微通道(4)的阵列，每一所述微通道(4) 被膜(5)液体密封地覆盖，其中，膜(5)通过支撑板(6)安装，所述支 撑板(6)具有至少一个通孔，优选地每一微通道(4)具有至少两个通孔， 且优选地至少两个微通道(4)可操作地连接，由此，在压力或真空作用下, 优选地通过所述活塞，朝向通孔的下端开口的所述膜(5)区域的移动导致 对位于所述微通道(4)中的所述接收室(8)的流体的泵作用、或导致对 引导通过所述微通道(4)的流体的阀作用。
11. 根据前述任一权利要求所述的微流体装置(1)的用途，其用于-化学、诊断、医学和/或生物分析，包括例如蛋黄、血液、血清和/或 等离子体的生物流体化验；-环境分析，包括水、溶解的土壤提取物与溶解的植物提取物的分析；-反应溶液、悬浮液和/或配方分析，包括化工生产、特别是染料溶液 或反应溶液的分析；-品质保证分析。
全文摘要
本发明涉及一种用于流体试样分析、特别是用于分子诊断用途的微流体装置，包括-表面上具有至少一个微通道结构的基板；-至少一个检测、控制和/或处理元件；-用于接收流体试样的至少一个接收室，其中接收室可形成在膜和基板之间，其中接收室与至少一个微通道通畅地连接；-至少一个膜，其中，膜防渗漏地覆盖布置在所述基板上的至少一个微通道结构的上表面，由此所述膜的移动导致对位于所述微通道中所述接收室的流体的泵作用、和/或导致对引导通过所述微通道的流体的阀作用；和-用于驱动膜移动的至少一个装置，包括压力和/或真空产生装置。
文档编号F16K7/00GK101384846SQ200780005241
公开日2009年3月11日 申请日期2007年2月8日 优先权日2006年2月13日
发明者A·J·M·内利森 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司