用于液体处理的微流体装置和系统的制作方法

专利名称：用于液体处理的微流体装置和系统的制作方法
技术领域：
用于液体处理的微流体装置和系统相关申请本申请要求2005年11月2日提交的、题为"微流体生物微阵列"的美国临 时专利申请序列号60/732，538的优先权；该申请全文纳入本文作为参考用于所 有目的。
背景技术：
本申请涉及用于液体处理的方法、装置和系统。微阵列已改变了核酸检测 领域，微阵列允许基因表达事件、表达谱、诊断学和大规模、高解析度分析的 高通量平行监测，以及其它的一些应用。微阵列用于生物研究、临床诊断、药 物开发、环境监测、法医学和很多其它领域中。当前的遗传学研究通常依赖于多种不同的过程来阐释核酸序列，每个过程都向 整个过程中引入了差错可能性。而且，这些过程来自很多不同的学科，包括化学、 分子生物学、药物以及其它学科。因此，希望能以最小的代价将遗传诊断中所用的 各过程整合到一个单独的过程中，并且使其最易操作。人们对制造微流体装置的兴趣日益增加。通常，在半导体制造领域取得的进展 已反映到微机械结构的制造上，例如微泵、微阀等，以及包括小室和流体通道的微 流体装置。很多研究者已试图将这些微制造技术具体应用于遗传分析涉及的一些过程的 小型化中。通常，当越来越多的试剂(例如全转录物检测(WTA)试验中12种以 上的试剂)加入到系统中，并且处理越来越多的样品时常规方法不可避免地包括 极度复杂的流体网络。应用到较小的平台之后，这些流体复杂性带来了很多问题， 例如难于制造、制造成本高和系统可靠性低等。因此，需要一种更简单的方法来处 理样品并以可控方法进行反应。然而，仍然需要将多个样品的处理、以及核酸分析 中各种操作涉及的多个步骤和反应进行简化和组合的设备。本发明的多种实施方式 满足了这些和其它一些需要中的一种或多种。
发明概述总体上，本发明提供用于生物试验的自动样品制备的方法、装置和系统以及计 算机软件产品。所述装置、方法和计算机产品适于制备用于与微阵列杂交的核酸样 品，但是并不限于这些应用。在本发明一个实施方式中，采用微流体方法和系统从 小平台中产生样品，其中该试验引入几种液体并进行很多反应。本发明提供一种装 置，该装置包括罩，所述罩包括液体腔。该液体腔包括很多进口，这些进口延伸到 很多进口通道，这些进口通道与至少一个共用通道连接。所述共用通道与很多检测 通道流体相连，这些检测通道包括成组的阀门机械装置和门。气体的压力使液体进 入液体腔中，通过控制相应的阀门机械装置和门，产生所需体积的液体。在优选实 施方式中，该罩是由塑料制成的。在其它优选实施方式中，所述液体包含至少一种 耙分子。在本发明的另--优选实施方式中，提供上述系统，其中阀门机械装置包括气体 可透过性流体屏障、阀门和罩。允许气体通过的流体屏障包括第一表面和第二表面， 其中第一表面暴露于空气腔。阀门允许空气流出空气腔。所述罩包括进口端，通过 所述进口端允许气体流入气体腔。气体可透过性流体屏障的第二表面相对于罩的固 定表面可封闭地固定，阀门用作封闭该腔或允许气体流动的控制单元。在优选实施 方式中，气体可透过性流体屏障是疏水膜。根据实施方式，可获得一种或多种益处。参考下面的发明详述和附图，可 充分理解本发明的这些益处和各种其它目的、特征和优点。附图简述附图包括在本说明书中并且构成了本说明书的一部分。附图阐释了本发明的实 施方式，和说明书的描述一起，解释了本发明的原理。图la是根据本发明实施方式的管道和阀门系统的图像，该系统用于引入多个 样品并进行很多反应和步骤。 图lb阐释各种体积的实例。图2是一个概要，显示根据本发明的实施方式提供所需体积的液体到样品室中 的各步骤。
图3表示阀门机械装置设计的另一个实施方式，该阀门机械装置有气体驱动的可弯曲(flexible)膜阀门。图4a-4d表示根据本发明实施方式带有气体驱动的可弯曲膜阀门的阔门机械装置的制造和使用方法。图5表示阀门机械装置设计的另一个实施方式3层可弯曲性膜阀门。图6a-6d表示根据本发明实施方式的3层可弯曲性膜阀门机械装置的制造和使用方法。图7表示阀门机械装置设计的另一个实施方式:采用气体可透过性流体屏障的阀门。图8a-8d表示根据本发明实施方式的采用了气体可透过性流体屏障机械装置的 阀门的制造和使用方法。图9表示根据本发明实施方式采用了气体可透过性流体屏障机械装置的阀门 的操作方法。图9a表示根据本发明实施方式的步骤示意图，其中门(gate)是关闭的， 阀门(valve)是开放的。图9b表示根据本发明实施方式的步骤示意图，其中门是开 放的，阀门是关闭的。图IO表示管道和阀门系统的另一个实施方式，该系统用于引入多个样品并进 行很多反应和步骤。

图11表示在WTA试验中应用12种液体的实例。图12表示根据本发明实施方式的另一个应用-微流体卡。图12a是根据本发明 实施方式的微流体卡的布局图。图12b表示生物芯片系统的实例。 图13表示根据本发明实施方式的芯片-芯片界面结构的图像。发明详述设计以下的描述来代表具体实施方式
，但不应理解为以任何方式限制本发 明。此外，将参考文献和专利来说明掺入本发明说明书中的一般特征，但本发 明不限于这些描述。a)总述本发明有很多优选实施方式，并且依赖于很多专利、专利申请和其它参考
文献中本领域已知的细节。因此，当在以下引用或重复某专利、专利申请、或 其它参考文献时，应理解纳入其内容的所有目的及引用的论点只是为了参考。 如本申请书中所用，单数形式的"一"、"一个"和"这个"包括复数， 除非文中另有说明。例如。术语"一类制剂"包括多种制剂，包括它们的混合物。个体不限于人类，也可以是其它生物，其中包括但不限于哺乳动物、植物、 细菌或它们的细胞。整篇公开内容中，以范围的格式提供了本发明的各方面内容。应理解，范 围格式的描述只是为了方便和简洁，不应构成对本发明范围的非灵活性限制。 因此，应认为范围的描述具体公开了所有的次级范围以及该范围内的个别数值。例如，应认为如l-6的范围的描述具体公开了l-3， 1-4， 1-5， 2-4， 2-6， 3-6 等等的次级范围；以及该范围内的各数值，例如l、 2、 3、 4、 5和6。无论该范 围有多大，上述定义都是适用的。除非另有说明，实施本发明可采用本领域技能内的常规技术，和有机化学、 聚合物技术、分子生物学(包括重组技术)、细胞生物学、生物化学和免疫学所 述技术。这些常规技术包括聚合物阵列合成、杂交、连接和利用标记物检测 杂交。合适技术的具体描述可参见本文以下的实施例。然而，当然也可采用其 它相等的常规方法。这些常规技术及其描述可见标准的实验室操作手册，如Mawwa/禾口 Mo/ecw/or C7om'wg: jLa60mZ0/7 A/awwa/(均由Cold Spring Harbor Laboratory Press出版)，Stryer， L.(1995) (第4版)Freeman, NewYork, Gait， " (9//go"wc/eo/油iSywAei'」尸ra"/ca/」/ / raac/2"1984， LPL Press, London, Nelson禾口Cox(2000)，丄e/m/"gez-, /V/wcz^/es 0/ S/0cAe/n/W7第3i， W.H.Freman Pub. ， New York, NY以及Berg等(2002) B〖oc/zew/"o;第5版， W.H.Freman Pub.， New York, NY，所有以上文献的内容纳入本文目的是作参 考。本发明在某些优选实施方式中可采用固体基质，包括阵列。用于聚合物(包 括蛋白质)阵列合成的方法和技术可见美国专利No.09/536，841 、 WO 00/58516、 美国专利No.5,143,854; 5,242,974; 5,252,743; 5,324,633; 5,384,261; 5,405,783;5,451,683; 5,482,867; 5,491,074; 5，527，681; 5,550,215; 5,571,639; 5,593,893; 5,599,695; 5,624,711; 5,631,734; 5,795,716; 5,831,070; 5,856,101; 5,858,659; 5，936，324; 5,968,740; 5,974,164; 5,981,185; 6,025,601; 6,033,860; 6,040,193; 6，0卯，555; 6,136,269; 6,269,846 和6,428,752 ， PCT申请号PCT/US99/00730(国际公开号WO 99/36760)和 PCT/US01/ 04285(国际公开号WO 01/58593)，以上所有参考文献内容纳入本文 R的为了参考。在具体实施方式
中描述了合成技术的专利包括美国专利No.5,412，087; 6,147,205; 6,262,216; 6,310,189; 5，889，165和5，959，098。在上述专利中许多描 述了核酸阵列，但同样的技术可用于多肽阵列。可用于本发明的核酸阵列包括可从Affymetrix(Santa Clara， CA)购得的商品 名为GeneChip⑧(基因芯片)的那些阵列。示范性的阵列可见Affymetrix.com网站 上所示。本发明也考虑结合于固相基质的聚合物的多种用途。这些用途包括基因 表达的监测、作图、文库的筛选、遗传分型和诊断。基因表达监测和作图方法可见美国专利No.5，800，992; 6，013，449; 6，020，135; 6,033,860; 6,040,138; 6,177,248禾卩6,309,822 。基因分型及其用途见美国专利No. 10/442,021; 10/013，598(美国专利申请公开号20030036069)，美国专利No.5,856，092 ; 6,300,063; 5,858,659; 6,284,460; 6,361,947; 6,368，799和6，333，179。其它用途 见美国专利No.5,871,928; 5,902,723; 6,045,996; 5，541,061和6，197,506。本发明在某些优选实施方式中还考虑样品的制备方法。在基因分型前或同 时，可用多种方法扩增基因组样品，其中一些方法采用PCR，见例如，尸C/ 7>c/z"o/ogy''尸n'聰) /es1 tmt/ ^o/ZcWom1 /br ￡W」y4，/诉ca"'ow(H.A.Erlich编， Freman Press, NY， NY， 1992);尸C7 尸ra/,/s: ^ Gw/c/e aw/ 」/7; //(^/0一1111^等编，Academic Press, San Diego， CA， 1990); Mattila等， 版/e/c」c油紐19:4967， 1991); Eckert等，尸CR逾Ws tm"—/cW麵1:17， 1991);尸C/ (McPherson等编，IRL Press, Oxford);和美国专利4,683,202; 4,683,195; 4,800,159; 4，965,188和5，333，675，各文献内容纳入本文所有目的是5,424,186; 5,578,832; 5,837,832; 5，981，956;
参考。可在此阵列上扩增样品，见例如美国专禾U6,300，070和No.09/513,300，其内容纳入本文作参考。其它合适的扩增方法包括连接酶链反应(LCR)(如Wu和Wallace ， Ge"om/".4:560,1989)， Landegren等，Sc/e"ce.241:1077，1988)和Barringer等， 89:117,1990);转录扩增(Kwoh等，尸麼淑/h"c/园，86:1173， 1990和 WO 88/10315);自身支持的序列复制(Guateli等，Waf/ OS丄 87:1874，1990和WO 90/06995);耙多核苷酸序列的选择性扩增(美国专利No. 6,410,276);共有序列引发的聚合酶链反应(CP-PCR)(美国专利No.4，437，975); 随意引发的聚合酶链反应(AP-PCR)(美国专利No.5，413，909; 5，861,245)以及以核 酸为基础的序列扩增(NABSA)(见美国专利No.5，409，818; 5，554，517和6,063，603， 各自内容纳入本文作参考)。其它可用的扩增方法描述见美国专利 N0.5,242,794; 5,494,810; 4,988,617;美国系列号09/854,317，各自内容纳入本 文作参考。样品制备的其它方法和降低核酸样品复杂性的技术描述见Dong等， Ge國e/ e腳n:/2 11:1418,2001);美国专利No.6，361，947; 6，391，592和美国系列 兮09/916，135; 09/920，491(美国专利申请公开号20030096235); 09/910,292(美国 专利申i青公开号20030082543)和10/013,598。本领域已成熟开发了进行多核苷酸杂交试验的方法。杂交试验的方法和条 件因其应用而不同，可根据已知的一般的结合方法选择，包括参见Maniatis等， Mo/ecw/or C7om'wg..爿Z^orsfory Mcmwa/(第二版，Cold Spring Harbor, N.Y， 1989); Berger禾口Kimmel， Me/ZzoA/w ￡"z_ywo/og_y， 第152巻，GWd"o M /ecw/ar C/画'"g 7>c/m—es(Academic Press. Inc., San Diego， CA， 1987); Yong禾口Davism. 尸.yV.AS. 80:1194,1983)。进行重复和控制的杂交反应的方法和装置描述见美国 专禾廿No.5，871,928; 5，874，219; 6，045,996和6，386，749; 6，391，623，各自内容纳 入本文作参考。本发明在某些优选实施方式中还考虑配体之间杂交的信号检测。见美国专 利No.5,143,854; 5,578,832; 5,631,734; 5,834,758; 5,936,324; 5,981,956; 6,025,601; 6,141,096; 6,185,030; 6,201,639; 6,218，803和6，225，625，美国专利 系列号No.lO/389，194;和PCT申请PCT/US99/06097(公开号WO 99/47964)，各自
内容纳入本文所有目的只是为了参考。信号检测和强度数据处理的方法和装置见例如，美国专利No.5,143,854; 5,547,839; 5,578,832; 5,631,734; 5,800,992; 5,834,758; 5,856,092; 5，902，723; 5,936,324; 5,981,956; 6,025,601; 6,090,555; 6,141,096; 6,185,030; 6,201,639; 6,218，803和6,225,625 ，美国专利系列号No. 10/389,194; 60/493，495和PCT申请 PCT/US99/06097(公开号WO99/47964)，各自内容纳入本文所有目的只是为了参 考。实施本发明也可采用常规的生物学方法、软件和系统。本发明的计算机软 件产品通常包括具有进行本发明方法逻辑步骤的计算机可执行指令的计算机 可读媒介。合适的计算机可读媒介包括软盘、CD-ROM/DVD/DVD-ROM、硬 盘驱动器、快擦除存贮器、ROM/RAM、磁带等。计算机可执行指令可写成适 当的计算机语言或几种语言的组合。基本的计算机化生物学方法描述见例如， Setubal禾口 Meidanis等，/w/roc/w"/cw Com/ wto〃owa/ S/o/ogy A/eAofife(PWS Publishing Company, Boston, 1997); Salzberg， Searles， Kasif(编)，Cow/ 齒"o"a/ 她f/joc/s !>j Mo/ecw/a " B/o/ogy， (Elsevier, Amsterdam, 1998); Rashidi禾口Buehler， 5/o/"/orma"c-y 5tw/c.vi; / //ca//o" S/o/ogy Sc/ewce A/e<af/c/we (CRC Press, London, 2000)， 以及Ouelette禾口Bzevanis 5/o/"/orwo^/csv」/Vac"ca/ GwzWe y4"a/"/5 Gene /Vo/ez>M(Wiley & Sons,Inc.， 第二版，2001)。 见美国专禾U No.6，420，108。本发明也将各种计算机程序产品和软件用于各种目的，如探针设计、数据 处理、分析和指令操作。见美国专利No.5,593，839; 5,795,716; 5，733，729; 5,974,164; 6,066,454; 6,090,555; 6,185,561; 6,188,783; 6,223,127; 6,229,911 和6,308，1700此外，本发明的优选实施方式包括在网络上，如英特网上提供遗传信息的 方法，见美国专禾!J系歹ij号No.10/197,621 ; 10/063，559(美国公开号 No.20020183936); 10/065,856; 10/065,868; 10/328,818; 10/328,872; 10/423,403 和60/482，389。b)定义"阵列"是有意产生的可用合成法或生物合成法制得的分子的集合体。阵 列中的分子彼此可相同或不相同。阵列可采取各种模式，如可溶性分子的文库； 结合于树脂珠、二氧化硅芯片、或其它固体支持物上的化合物文库。核酸文库或阵列是有意产生的可用合成法或生物合成法制得的核酸的集 合体，用于以各种不同模式筛选生物学活性(如可溶性分子的文库；结合于树脂 珠、二氧化硅芯片、或其它固体支持物上的寡聚物文库)。此外，该术语"阵列" 包括将基本上可以是任何长度(如长1-1000个核苷酸单体)的核酸点缀在基质上 lflJ制得的那些核酸文库。术语"核酸"在本文用于指任何长度的核苷酸的聚合 形式，可以是核糖核苷酸、脱氧核糖核苷酸或肽核酸(PNA)的聚合形式，包括嘌呤和嘧啶碱基、或其它天然的、化学或生物化学方法修饰的非天然的、或衍生的核苷酸碱基。多核苷酸骨架可包含通常见于RNA或DNA中的磷酸基团或 糖，或修饰的或取代的糖或磷酸基团。多核苷酸可含有修饰的核苷酸，如甲基 化的核苷酸和核苷酸类似物。核苷酸的序列可被非核苷酸组分间隔。因此术语 核讦、核苷酸、脱氧核苷和脱氧核苷酸通常包括本文描述的那些类似物。这些 类似物是其某些结构特征与天然产生的核苷或核苷酸一样的那些分子，因此当 将其掺入核酸或寡核苷序列中时，它们能在溶液中与天然产生的核酸序列杂 交。通常这些类似物可通过对天然产生的核苷和核苷酸的碱基、核糖或磷酸二 酯键部分的置换和/或修饰而产生。可定制这些变化以使杂交模式稳定或不稳 定，或提高与所需互补核酸序列杂交的特异性。生物聚合物或生物学聚合物:意指生物学或化学分子的重复单元。代表性 的生物聚合物包括但不限于核酸、寡核苷酸、氨基酸、蛋白质、肽、激素、 寡糖、脂质、糖脂、脂多糖、磷脂，上述物质的合成类似物包括但不限于反 向核苷酸、肽核酸、Meta-DNA，和它们的组合。"生物聚合物的合成"意思 包括生物聚合物的有机或无机合成生产。与生物聚合物相关的是"生物单体"，其意指生物聚合物的一个单元，或不是 生物聚合物一部分的一个单元。因此，例如，核苷酸是寡聚核苷酸生物聚合物中的 生物单体，而氨基酸是蛋白质或肽生物聚合物中的一个生物单体，例如亲和素、生物素、抗体、抗体片段等也是生物单体。最初的生物单体:或"原初的生物单体"意指通过反应性亲核基团共价结合于多聚体表面的第一种生物单体，或是结合于附
着在多聚物上的接头或空间臂的第一种生物单体，所述接头或空间臂通过反应性亲 核基团附着于该多聚体。'J:补:指核苷酸或核酸之间，例如双链DNA分子的两条链之间，或寡核苷 酸引物与待测序或待扩增的单链核酸上引物结合位点之间的杂交或碱基配对。 互补性核苷酸通常是A和T(或A和U)，或C和G。当两条单链RNA或DNA分子的 -条链的核苷酸作最佳排列和比较并加入适当的核苷酸插入或缺失时，与另一 条链的核苷酸至少约80%配对，通常至少约90-95%配对，更优选约98-100%配 对时，就说这两条链互补。或者，当RNA或DNA在选择性杂交条件下与其互补 链杂交时存在互补性。通常在长度至少14-25个核苷酸上至少约65%互补，优选 辛少约75%，更优选至少约90%互补时，将发生选择性杂交。见M.Kanehisa.， yVwc/e,c爿c油M 12:203 (1984)，纳入本文作参考。组合性合成策略:组合性合成策略是一种通过依次加入反应性矩阵和转换 性矩阵所提供的试剂来平行合成多种多样聚合物序列的顺序策略，其产物是一 种产物矩阵。反应性矩阵是待加入的构建模块的m排矩阵所形成的l个柱。转换 性矩阵是所有的二进数或其一亚组，优选成柱状顺序排列在l和m之间。"二元 方法"是可照射(illuminate)该基质上感兴趣区域一部分，常常是感兴趣区域 -半的至少二个连续步骤的一种方法。在一种二元合成方法中，形成所有可能 的可从依次排列的反应物组形成的化合物。在最优选实施方式中，二元合成指 也考虑先前的加入步骤的一种合成方法。例如，该方法中进行遮盖方法的转换 矩阵将已预先照射的区域对半分，照射已照射区域的约一半，并保护其余的一 f-(同时也保护原先已受保护区域的约一半并照射原先已受保护区域的约一 半)。将认识到，双数轮次可相间散布着非双数轮次，并且只有基质的一部分可 进行此二元方式。组合性"遮盖"性方法，是利用光或其它空间选择性脱保护 剂或激活剂来去除物质的保护性基团而能加入其它物质如氨基酸的合成方法。Mt指足以诱导产生所需结果的量。miM是生物染色体中的所有遗传物质。特定生物的染色体中遗传物质衍生的DNA是基因组DNA。基因组文库是一系列随机产生的代表某生物整个基因 组的重叠性DNA片段所制得的克隆的集合体。杂交条件通常包括不到约1M，更通常不到约500 mM，优选不到约200 mM
的盐浓度。杂交温度可低至5"C，但通常高于22'C，更通常高于约3(TC。优选 超过约37r。对于特异性杂交，较长的片段可能需要较高的杂交温度。其它可 能影响杂交严格性的因素包括互补链的碱基组成和长度、有机溶剂的存在和碱 基错配的程度，这些参数的组合比任何一个单独参数的绝对值更重要。杂交，例如等位基因特异性探针的杂交，通常在严格条件下进行。例如， 在盐浓度不高于约1M和温度至少25X:的条件，如750 mMNaCl、 50mM磷酸钠、 5mM EDTA、 pH7.4(5X SSPE)和温度约25-30。C的条件下进行。皿通常在严格条件下，例如在盐浓度不高于1M和温度至少25'C的条件下 进行。例如在5X SSPE(750mMNaCl、 50mM磷酸钠、5mM EDTA、 pH7.4)和温 度25-30'C的条件下对等位基因特异性探针的杂交是适合的。严格条件可见例 如，Sambrook， Fritsche禾口Maniatis， "Mo/ecw/ar C7ow/"g,y4 ￡a6ora/or_y Afawwa/"(分 f克潑实邀室手厕，第二版，Cold Spring Harbor Press( 1989)，其内容纳入本文 所有目的只是参考。术语"皿"指二条单链多核苷酸非共价结合形成稳定的双链多核苷酸的 过程，三链杂交在理论上也是可能的。(通常)所产生的双链多核苷酸即是"杂 交体"。能形成稳定杂交体的多核苷酸群的比例本文称为"杂交程度"。iaMit是能以碱基特异性方式结合核酸互补链的寡核苷酸。这类探针包括肽核酸，如Nielsen等，^/ewce 254:1497-1500(1991)所述，以及其它核酸类似 物和核酸模拟物。特异性杂交:指在严格条件下某分子只与存在于复杂的(例如，细胞总)DNA 或RNA混合物中的特定核苷酸序列结合、形成双链体或杂交。分离的核酸是本发明的主要存在(即以摩尔计比该组合物中任何其它单一 核酸更丰富)的目标核酸。分离的核酸优选占所有存在的巨分子核酸的至少约 50%、 80%或90%(以摩尔计)。最优选将该目标核酸纯化至基本上均一性(用常规 检测方法在该组合物中检测不到污染物质)。配体:配体是一种为特定受体所识别的分子。能与受体结合或反应的物质 称为"配体"，仅就其配对受体而言此术语在定义上才有意义。术语"配体" 不意味该分子有任何特定的大小或与所述物质相比具有其它结构上或组成上的特征，只要能与其受体结合或相互反应。配体也可以是能结合受体的天然配 体，或能起着激动剂或拮抗剂作用的功能类似物。本发明所研究的配体例子包 括但不限于细胞膜受体的激动剂和拮抗剂，毒素和毒液、病毒表位、激素(如 鸦片剂、类固醇等)、激素受体、肽、酶、酶底物、底物类似物、过渡态类似物、 辅因子、药物、蛋白质和抗体。连锁失平衡或等位基因结合指特定的等位基因或遗传标记偏爱与附近染 色体位置处的特异性等位基因或遗传标记结合，其频率高于该群体中任何特定等位基因偶然性结合所预计的频率。例如，如果基因座X具有等位基因a和b，其发化:频率相等，连锁的基因座Y具有等位基因c和d，其发生的频率相等，则预计ac结合发生的频率为0.25，如果ac发生的频率更高，那么等位基因a和c的连 锁失平衡。连锁失平衡可发生自等位基因某些结合的天然性选择，或因为某等 位基因最近才被太引入某群体，以至于不能达到与连锁的等位基因相平衡。混合群或复合群:指含有所需的和不需要的核酸二者的任何样品。作为非限制性例子，核酸的复合群可以是总基因组DNA、总基因组RNA或它们的混合 物。此外，可富集某给定群的核酸复合群但包含其它不需要的核酸群。例如， 核酸的复合群可以是富集了所需信使RNA(mRNA)序列但仍含有某些不需要的 核糖体RNA(rRNA)序列的样品。单体:指可连接在一起形成寡聚物或多聚物的一组分子中的任何成员。可 用于本发明例如多肽合成的单体组包括但不限于L-氨基酸、D-氨基酸或合成的氨基酸组。"单体"本文用于指合成某寡聚物碱基组的任何成员。例如，L-氨基酸的二聚体形成了用于合成多肽的400个"单体"的碱基组。在合成多聚 体的连续步骤中可采用不同的单体碱基组。术语"单体"也指一种化学亚单位， 其可与不同的化学亚单位组合形成比任一单独亚单位更大的化合物。mRNA或mRNA转录物:如本文所用，包括但不限于前mRNA转录物、 转录加工中间体、成熟的已能进行基因翻译和转录的mRNA，或该mRNA转录 物衍生的核酸。转录加工可包括剪接、编辑和降解。mRNA转录物衍生的核 酸，本文用于指该mRNA转录物或其亚序列最终作为模板而合成的核酸。因此， cDNA逆转录自某mRNA，从该cDNA再转录生成RNA，从该cDNA扩增产生 DNA，从拉增的DNA转录生成RNA等等都是衍生自该mRNA转录物，测到这种 衍生产物表明样品中存在和/或富含该最初的转录物。因此，mRNA衍生的样品
包括但不限于基因的mRNA转录物、从该mRNA逆转录的cDNA、从该cDNA 转录的cRNA、从该基因扩增的DNA、从扩增的DNA转录的RNA等。核酸文库或阵列是有意产生的可用合成法或生物合成法制得的核酸的集 合体，用于以各种不同模式筛选生物学活性(如可溶性分子的文库；结合于树脂 珠、二氧化硅芯片、或其它固体支持物上的寡聚物文库)。此外，术语"阵列" 包括可通过将基本上可以是任何长度(如长1-1000个核苷酸的单体)的核酸点缀 在基质上而制得的那些核酸文库。术语"核酸"本文用于指任何长度的核苷酸 的聚合形式，可以是核糖核苷酸、脱氧核糖核苷酸或肽核酸(PNA)的聚合形式， 包括嘌呤和嘧啶碱基、或其它天然的、化学或生物化学方法修饰的非天然的、 或衍生的核苷酸碱基。多核苷酸的骨架可包含通常见于RNA或DNA中的糖或磷 酸基团，或修饰的或取代的糖或磷酸基团。多核苷酸可含有修饰的核苷酸，如 甲基化的核苷酸和核苷酸类似物。核苷酸的序列可被非核苷酸组分间隔。因此 术语核苷、核苷酸、脱氧核苷和脱氧核苷酸通常包括本文描述的那些类似物。 这些类似物是其某些结构特征与天然产生的核苷或核苷酸一样的那些分子，因 此当将其掺入核酸或寡核苷序列中时，它们能在溶液中与天然产生的核酸序列 杂交。通常这些类似物可通过对天然产生的核苷和核苷酸的碱基、核糖或磷酸 二酯键部分的置换和/或修饰而产生。可定制这些变化以使杂交模式稳定或不稳 定，或提高与所述互补核酸序列杂交的特异性。本发明的核酸可包括分别由嘧啶和嘌呤碱基，优选胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿 嘌呤、腺嘌呤与鸟嘌呤组成的聚合物或寡聚物。见Albert L丄ehninger， PRICIPLES OF BIOCHEMISTRY,第93-800页(Worth Pub. 1982)。实际上，本发 明考虑了任何脱氧核糖核苷酸、核糖核苷酸、肽核酸组分，和它们的任何化学 变体，如这些碱基的甲基化、羟甲基化或糖基化形式等。多聚物或寡聚物在组 成上可以是异质性的或同质性的，可以分离自天然来源或经人工或合成方法产 生。此外，核酸可以是DNA或RNA或它们的混合物，可以单链或双链形式永久 或短时存在，包括同质双链体、异质双链体和杂交体。"寡核苷酸"或"多核苷酸"是长至少2个，优选至少8个，更优选至少20 个核苷酸的核酸，或能特异性杂交多核苷酸的化合物。本发明的多核苷酸包括 分离自天然来源、重组产生的或人工合成的脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)的序列，和它们的模拟物。本发明多核苷酸的另一例子可以是肽核酸(PNA)。本发明也包括非传统性碱基配对，如在某些tRNA分子中已鉴定到的推 测以三螺旋存在的Hoogsteen碱基配对。"寡核苷酸"或"多核苷酸"在此申请 书中可互换使用。探针:探针是可被特定靶分子所识别的固定于表面的分子。见美国专利 No.6，582,908中具有10、 12和更多碱基的探针的所有可能组合的阵列例子。可 为本发明研究的探针例子包括但不限于细胞膜受体的激动剂和拮抗剂，毒素 和毒液、病毒表位、激素(如鸦片样肽、类固醇等)、激素受体、肽、酶、酶底 物、辅因子、药物、凝集素、糖、寡核苷酸、核酸、寡糖、蛋白质和单克隆抗 体。引物是一种单链寡核苷酸，能在适当条件下，如缓冲液和温度、及存在4 种不同核苷三磷酸和聚合试剂如DNA或RNA聚合酶或逆转录酶时，作为模板引 导的DNA合成的起始点。在某些给定情况下，引物的长度取决于例如它的预期 用途，通常长15-30个核苷酸。短的引物分子通常需要较低的温度与模板形成充 分稳定的杂交复合物。引物不需要反映模板的精确序列但应与此模板充分互补 杂交。引导位点是引物与模板杂交的区域。引物对是一组引物包括能与被扩增 序列5'端杂交的5'上游引物，和能与被扩增序列3'端互补序列杂交的3'下游引 物。皿ll指群体中存在二种或多种遗传上决定(determined)的可变序列或 等位基因。多态性标记或位点是发生趋异性的基因座。在所选择的群体中优势 标记具有至少二个等位基因，各自发生的频率大于1%，更优选大于10%或20%。 多态性可包括 -个或多个碱基的改变、插入、重复或缺失。多态性基因座可以 小至一个碱基对。多态性标记包括片段长度限制的多态性、不同数目的串联重 复序列(VNTR)、超变区、微小卫星现象、双核苷酸重复序列、三核苷酸重复序 列、四核苷酸重复序列、单序列重复、和插入元件如Alu。最先鉴定到的等位 基因形式被随意称为参考形式，其它等位基因形式被称为可变的或变异。最常 发生在所选群体中的等位基因形式有时称为野生型。二倍体生物可以是等位基 因形式的纯合子或杂合子。双等位基因多态性具有二种形式。三等位基因多态 性具有三种形式。单核苷酸多态性(SNP)包括在多态性内。 受体: 一种对给定配体具有亲和力的分子。受体可以是天然产生的或人造 的分子。它们也可以其未改变的状态或与其它物质的凝聚物使用。受体可直接 或通过特异性结合物质共价或非共价结合于其结合伙伴。本发明可采用的受体 的例子包括但不限于抗体、细胞膜受体、能与(如病毒、细胞或其它物质上的) 特异性抗原决定簇起反应的单克隆抗体和抗血清、药物、多核苷酸、核酸、肽、 辅因子、凝集素、糖、多糖、细胞、细胞膜、和细胞器。受体有时本领域称之 为抗-配体。本文所用的术语受体在含意上没有差别。当二个大分子通过分子识 别而结合形成复合体时即形成"配体受体对"。本发明所研究的受体的其它例f包括但不限于美国专利No.5，143，854中所示的那些分子，其内容纳入本文作参考。"固相支持物"、"支持物"和"基质"可互换使用，指具有坚硬或半坚 硬表面的物质或一组物质。在许多实施方式中，该固相支持物的至少一个表面 是基本上平的，虽然在某些实施方式中可能需要为不同的化合物准备物理上分 隔的合成区域，例如孔格、抬高区域、尖点、蚀刻槽等。按照其它实施方式， 此固相支持物将采取小珠、树脂、凝胶、微球形式或其它几何形态。示范性的 基质见美国专利5，744，305。耙分子:对某给定探针具有亲和力的一种分子。靶分子可以是天然产生的或人 造的分子。它们也可以其未改变的状态或与其它物质的凝聚物使用。靶分子可直接 或通过特异性结合物质共价或非共价结合于其结合伙伴。本发明可采用的靶分子的例子包括但不限于抗体、细胞膜受体、能与(如病毒、细胞或其它物质上的)特异 性抗原决定簇起反应的单克隆抗体和抗血清、药物、寡核苷酸、核酸、肽、辅因子、 凝集素、糖、多糖、细胞、细胞膜和细胞器。靶分子有时本领域称之为抗-探针。 本文所用的术语靶分子在含意上没有差别。当二个大分子通过分子识别而结合形成 复合体时即形成"探针耙分子对"。WGSA (全基因组样品检测)基因分型技术 一种允许在不使用位点特异 性引物的情况下，对复杂DNA中几十万的SNPS同时分型的技术。该技术中， 例如，用感兴趣的限制性内切酶消化基因组DNA，并且将接头连接到经消化的 片段上。用对应于接头序列的单一引物扩增所需长度的片段，例如500-2000 bp。 然后，将经处理的目标片段与含有SNP的核酸阵列杂交，其中SNP含有片段/探
针。关于WGSA的描述，可见例如美国临时专利申请序列号60/319,685; 60/453,930， 60/454，090和60/456，206， 60/470,475,美国专利申请No. 09/766,212， 10/316,517， 10/316,629， 10/463,991， 10/321,741， 10/442,02l禾口 10/264,945,均全文纳入本文作为参考用于所有目的。全转录物检测(WTA):如本文所用，WTA是一种试验程序，可对整个转录物 (即转录物中所有的外显子)进行代表性取样。WTA描述于例如，美国临时专 利申请序列号60/683,127和美国专利申请No. 11/419,459，均全文纳入本文作为 参考用于所有目的。以下将详细参考本发明的示范性实施方式。虽然结合示范性实施方式对 本发明进行描述，但可理解它们不用于将本发明限制到这些实施方式。相反， 本发明将包括这些实施方式的各种变化、改动和等同形式，这些也可包括在本 发明的精神和范围内。c)实施方式在本发明一个方面，以阐释性、非限制性实施方式提供了用于生物试验的 自动样品制备的方法、装置、系统以及计算机软件产品。可有各种变化、改动 或等同形式。这些方法、装置和系统以及计算机软件适于进行复杂的化学和生 化反应。它们尤其适于制备用于与微阵列杂交的核酸样品。但是，并不限于这些应用。例如，本文用示范性实施方式描述了用于从生物材料阵列中分析数据的某 些系统、方法和计算机软件产品，例如Affymetrix⑧GeneChip⑧探针阵歹U。然而， 这些系统、方法和产品也可应用于很多其它类型的探针试验，更一般的，可应 用于根据其它常规技术和/或根据未来开发的技术产生的很多平行生物试验。例 如，本文所述的系统、方法和产品可应用于核酸、产生自cDNA克隆的PCR产物、 蛋白质、抗体或很多其它生物材料的平行试验中。这些材料可置于载玻片上(例 如通常用于点阵列中)，置于GeneChip⑧试验所用的基质上，或置于珠子、珠 阵列、光学纤维、或其它基质或介质上，在载玻片或其它基质的上面可包括聚 合物涂层或其它层。而且，探针不需要固定在基质中或基质上，如果探针是固 定的，则不需要排列成有规则的方式或阵列。为方便起见，术语"探针阵列"
一般在下文广泛用于指所有这些类型的阵列和平行生物试验。本发明的装置一般可在很多样品上进行很多制备和分析反应。在一个优选 实施方式中，为实现上述目的，该装置一般在一个单元或本体中包括很多进口 通道、共用通道和成组的控制阀。根据本发明的一个方面，如图la所示，提供了导入多个样品并进行多种反 应和步骤的系统。该图只是一个例子，不应该限制权利要求的范围。本领域熟 练技术人员知道很多的变化、变动和改动形式。这种可调节的微流体分叉型结 构用于将各种体积的液体输送到很多样品室中。该系统包括罩，所述罩包括由 与共用通道流体相连的很多进口通道组成的液体腔。液体被导入进口通道的进 口中。在一个优选实施方式中，阀门是可控的，从而开通阀门时将液体分散到 很多检测通道中并提供所需体积的液体。如前所述，该系统可用于多种用途。 可处理特定体积的很多液体以提供多种样品。在一个优选实施方式中，液体包 括至少一个靶分子。通常，该装置的本体限定了很多进口通道、共用通道和检测通道，其中根 据本发明某些实施方式进行上述操作。本体的制造以及本体内各种通道和室的 制造一般釆用如美国专利号6,197,595和6，830,936所述的很多已知的制造技术 和材料中的一种或它们的组合。这些参考文献全文纳入本文。通常用适于微制 造技术例如压纹、注塑、热焊接热成形等的一种或多种方法和材料来制造该装 置的本体。通常用于微流体的塑料材料是热塑性物质(thermal-plastics):聚碳 酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、 COC等，和弹性体聚二甲硅氧烷 (PDMS)。例如，在一个优选实施方式中，该装置的本体可以是用聚碳酸酯制得 的注塑部分。如图la所示，将液体(100a—l)从进口通道(101)的进口加到系统中， 进口通道用于将液体从进口转移到共用通道(102)。 一般，小型化装置中通道的 维度(dimension)可以是任意数目的形状，这取决于具体需要。此外，这些维度 可以根据液体的数目、进行反应的数目和样品数目等而变化。通常，流体通道 的数目与试剂数目乘以样品数目所得的数目相同。在本发明一方面，流体通道 的数目与试剂数目加样品数目的和相同。在一个优选实施方式中，导入液体后， 液体流过一个共用通道(102)。液体可分流到多个检测通道(103)中。如上所
述，通道可以是各种维度、形状和数量。可以有成组的(104)单独的阀门(105)，控制液体流动到特定通道中。对于各检测通道，不同的阀门位置可对应不同体 积。对于阀门，不同通道可对应于相同体积或不同体积。在另一个存在不同体 积的优选实施方式中，提供了可控的阀门。提供计算机软件产品以控制各种活 动元件(即阀门、或液体、微流体系统等)、温度和检测装置。可通过可编程 装置优选数字计算机例如戴尔个人计算机来方便地控制该系统。计算机通常有 -个或多个中央处理器以及内存。连接显示装置如监测器以显示数据和程序。还可连接打印机。可连接计算机可读介质例如硬盘或CD ROM。用于控制液体 处理的程序指令可存贮在这些装置上。在另一优选实施方式中，可用检测通道和阀门机械装置来精确检测将要引 入后续的样品室的流体体积。这些情况下，管道中阀门机械装置的位置由给定 反应的检测需要决定。另外，检测通道可制造为包括很多阀门机械装置以提供 多种体积。在一个优选实施方式中，可控阀门将在某位置使液体停止以提供所 需体积。图3-9表示三种阔门机械设计的优选实施方式。不同阀门位置的组合可 实现不同体积的液体分配。图lb提供了可由阀门位置确定的各种体积的例子。 该图只是一个例子，不应限制权利要求的范围。本领域一般技术人员知道多种 变化、变动和改动。在该例子中，阀门1-4分别对应1.0 W、 1.5 nl、 4.0pl和6.0nl 的体积。如上所述，阀门的数目将取决于几个因素，例如，平台大小，不同体 积要求的数H等。 一般，检测通道的体积约为0.05-20 nl，优选1.0-10nl。可通 过开通通道的阀门(105)和门(106)提供所需体积的液体。根据液体的体积 要求，可以有多组(104)阀门，以在相应样品室中产生样品(107)。根据本发明的实施方式，用于提供多种预设体积的液体的设备包括第一 组的多个通道，各通道能够容纳一定体积的液体，以及第二组的多个通道，它 们直接或间接连接于第一组的多个通道。第二组的多个通道连接于多个阀门， 第二组多个通道中的每一个都包括多个通道节段(segment)。如果多个阀门中 的至少一-个是关闭的，那么多个通道节段的第一节段连接于多个通道节段的第 二节段，如果多个阀门中的至少一个是开放的，那么多个通道节段的第一节段 与多个通道节段的第二节段分离。例如，根据图la和/或图lb实施该设备。在本发明一个方面，图2概要说明了提供所需体积的液体(100)到样品室(107，提供了样品)的一个优选方法的步骤。该图只是一个例子，不应限制权利要求的范围。本领域一般技术人员知道多种变化、变动和改动。图1中，a 一1代表液体，Sl、 S2、 S3和S4代表四种不同的样品。第一步(处理过程201) 足确定反应所需的液体(100)体积。在处理过程202，根据体积，确定将在操 作中使用的通道、阀门和门。在处理过程203，所选择的闽门和通向所选择的 阀门的其它阀门是开放的，而其它阀门和门保持关闭。下一步(处理过程204) 是将压力施加到液体上从而推动液体到开放的阀门。在处理过程205， 一旦液 体达到了所需的目的地，关闭阀门，打开位于指定通道末端的门。再施加大气 或其它压力以输送所需体积的液体。在处理过程206，重复这些步骤(例如处 理过程201-205)以将下一体积的液体输送到样品。在优选实施方式中，常常向所有样品提供相同或不同量的液体。可通过第 一个阀门限制任何液体所需的最小体积。当施加压力时，可施加同等压力以使 液体体积同等地在各通道中分配。可根据阀门机械装置的设计、微流体的操作和液体特性来完成该处理过程。本发明的另一个实施方式是气动微流体方法。经过滤加压的空气用作驱动 力，并且受高精确度压力控制器的控制。 一般，高精确度压力控制器介于约0-5 psi，优选约0-2psi。可用计算机控制的小空气阀来控制空气流动，也可加入压 力传感器以记录压力。通过大气或气体压力和阀门开放时间控制液体移动。关 于微流体阀门以及流体流动和控制的例子描述于，例如Paul C. H. Li, Microfluidic Lab-on-a-chip for Chemical and Biological Analysis and Discovery, 2006，和A. van den (Albert) Ber，等，Lab陽on-Chips for Cellomics， 2004以及 Oliver Geschke等，Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, 2004，均 全文纳入本文作为参考用于所有目的。根据另外一个实施方式，提供多个预设体积的液体的方法包括提供一定体 积的液体到通道中。该通道直接或间接与多个通道连接，所述多个通道连接到 多个阀门。多个通道中的每一个包括多个通道节段，其中多个通道节段中的第 -节段响应于多个阀门中的至少一个可与多个通道节段中的第二节段连接或 分离。此外，该方法包括接收与液体的多个预设体积相关的信息，所述液体分 别对应于多个通道，还包括处理与液体的多个预设体积相关的信息。而且，该
方法包括至少根据与多个预设体积相关的信息从多个阀门中选择一个阔门，打 幵所选阀门，并通过多个通道运送液体到打开的阀门。例如，根据图2实施该 方法。在另外一个实施例中，该方法还包括在通过多个通道运送液体到打开的 阀门后关闭所选阀门。将所选阀门关闭从而使液体在多个通道流动，多个通道 分别容纳多个预设体积的液体。在另一个实施例中，通过多个通道运送液体到 打开的阀门这一过程包括向通道中的液体施加压力。图3、 5、 7表示阀门机械装置设计的可选实施方式分别是具有气动可弯曲膜的阀门设计、3层可弯曲膜阀门设计、以及利用气体可透过性流体屏障的阀门设计。这些图只是例子，不应限制权利要求的范围。本领域一般技术人员 知道多种变化、改变和改动。阁3表示具有气动可弯曲膜阀门的阀门机械装置设计的可选实施方式。如 阁3所示，气动可弯曲膜阀门设计是简单的，由塑料制成的通道(304和305) 以及可弯曲膜组成的。可弯曲膜可由能够执行本发明所述功能的任何材料构 成。在一个优选实施方式中，可弯曲膜是聚二甲硅氧烷膜(PDMS)(303)。图4a - 4d表示根据本发明具有气动可弯曲膜的阀门机械装置的制造和使用 方法。这些图只是例子，不应限制权利要求的范围。本领域一般技术人员知道 多种变化、改变和改动。如图4a所示，该设计包括两层塑料(304和305)，这 两层塑料如图4b所示结合在一起。然后将可弯曲膜(303)结合在第二层塑料 (305)上。在优选实施方式中，该结合是用粘合剂进行的。第二层塑料(305) 优选由与可弯曲膜相容的塑料制成。用空气压力(301)推动液体通过通道， 用阀门机械装置在所需位置使液体停止从而控制液体体积。如图4c所示，用空 气压力或气体压力(302)挤压可弯曲膜(303)从而打开阀门。由于加在可弯 曲膜上的空气压力(302)大于推动液体的空气压力(301)，可弯曲膜(303) 被推动突出到通道中，使门关闭。为使门清洁，如图4d所示关闭空气压力(302)。图5表示阀门机械装置设计的可选实施方式，它是一种3层可弯曲膜阀门机 械装置。图6a-6d表示根据本发明实施方式制造和使用3层可弯曲膜阀门机械装 置的方法。这些图只是例子，不应限制权利要求的范围。本领域一般技术人员 知道多种变化、改变和改动。如图6a所示，该设计由3层构成形成通道的塑料层(304)，能依可弯曲
膜(303)形成液体紧密密封的第二层塑料(305)，和用于支持可弯曲膜(303) 在适当位置的第三层塑料(501)。如图6b所示，这3个塑料层结合在一起。如 上所述，在一个优选实施方式中，结合是用粘合剂进行的。如图6b所示，上述 可弯曲膜(303)结合到第三塑料层上。该设计在第一塑料层(304)引入了突 出物(307)。第二层塑料结合于第一层塑料以形成突出物(307)。当空气压 力(301)推动液体通过通道时，如图6c所示，空气压力(302)将可弯曲膜推 向突出物(307)以停止液体流动。因此，第二层由与可弯曲膜(303)相容的 材料制成。突出物(307)可以是任何形状、材料，只要施加压力时它可阻止 液体流动。为使门清洁，如图6d所示关闭空气压力(302)。图7表示阀门机械装置的另一个可选实施方式，它是一种利用气体可透过 性流体屏障的阀门。在一个优选实施方式中，该设计包括气体可透过性流体屏 障(308)和阀门(105)。气体可透过性流体屏障是允许气体通过但不允许液 体流过的屏障。很多材料适于用作气体可透过性流体屏障，包括例如，多孔疏 水聚合物材料，例如丙烯酸纺织纤维、聚碳酸酯、特氟纶、压制的聚丙烯纤维、 或任何数目的商业上可获得的气体可透过性流体屏障(GE Osmonics labstore, Millipore， American Filtrona Corp., Gelman Sciences,等)。在一个优选实施方式中，图8a-8d表示利用气体可透过性流体屏障机械装 置的阀门的制造和使用方法。这些图只是例子，不应限制权利要求的范围。本 领域一般技术人员知道多种变化、改变和改动。如图8a所示，该设计也由3层构 成形成通道的塑料层(304)，能依气体可透过性流体屏障(701)形成液体 紧密密封的第二层塑料(305)，和用于支持气体可透过性流体屏障(701)在 适当位置的第三层塑料(501)。如图8b所示，这三个塑料层和气体可透过性 流体屏障(701)组装并结合在一起。在一个优选实施方式中，如上所述，这 种结合是用粘合剂进行的。如图8b所示，上述气体可透过性流体屏障(701) 结合于第二塑料层。如图8c所示，当阀门(105)关闭且门(106)开放时，空 气压力(301)可推动液体通过通道。如图8d所示，当阀门(105)关闭、门(106) 打开时，液体的流动被停止。在一个优选实施方式中，检测通道和阀门设计使 得气体可透过性流体屏障不与液体接触。如何操作采用气体可透过性流体屏障的阀门的方法的另一个实施方式示
于-图9a和9b。这些图只是例子，不应限制权利要求的范围。本领域一般技术人员知道多种变化、改变和改动。可由几种方式案例操作所示的系统，在一个优 选实施方式中，可将多个液体同时顺序加入各种数目的样品中。在本发明一个方面，如何将液体同时加入各种数目的样品中的例子示于图9a和9b。如图9a所示，当门(106)关闭而阀门(105)打开时，空气压力(301)充满 所有检测通道(103)并推动液体流过检测推动(103)。液体的进入取代了通道中 存在的气体。气体穿过气体可透过性流体屏障直到液体(100)到达所需的位置 (909)。通过利用表面张力将液体维持在合适的位置。然后如图9b所示打开门 (106)并关闭阀门(105)。空气压力(301)推动液体通过检测通道(103)。在一 个优选实施方式中，可通过关闭相应的门(106)和阀门(105)阻止液体填充特定 的检测通道来阻止液体加入到样品中。在另一个优选实施方式中，引入多个样品并进行很多反应和步骤的其它系统的 示意图示于图10。这些图只是例子，不应限制权利要求的范围。本领域一般技术 人员知道多种变化、改变和改动。该系统中，可有很多液体(100)和相应的进口 通道U01)。所有的进口通道(101)可与很多共用通道连接。在这种实施例中有 两个共用通道(102)，它们分开到两组检测通道中，这两组检测通道通到进行很 多独立反应的相应样品室中。该实施例中，有4个反应Rl、 R2、 R3和R4，以 及4组阀门(104)。如前所述，样品数目、反应的数目、以及阀门的组数等取决 于几个因素例如用途。在本发明一方面，提供了将多个液体分流的系统，其包括罩，所述罩包括液体 腔。该液体腔包括多个进口通道、至少一个共用通道、多个检测通道、计算机和控 制装置。进口通道包括与至少一个共用通道液体连接的多个进口。共用通道与多个 检测通道流体连接，所述检测通道包括成组的阀门机械装置和门。气体的压力将液 体引入检测通道中。计算机和控制装置一起用于控制阀门机械装置和门从而将液体 分流到多个检测通道中并获得所需体积的液体。在一个优选实施方式中，所述罩是 塑料制成的。在另一个实施方式中，液体含有至少一个靶分子。在本发明的气体优选实施方式中，提供了上述的系统，其中阀门机械装置 包括气体可透过性流体屏障、阀门和罩。该气体可透过性流体屏障包括第一表面和第二表面，其中第一表面暴露于气体腔。所述阀门允许气体流出气体腔。
所述罩包括固定表面、气体腔和液体腔。液体腔包括允许气体通过该进口端流 入气体腔的进口端。气体可透过性流体屏障的第二表面相对于罩的固定表面可 封闭性安装。用阀门作为控制单元，封闭腔或允许气体流动。在一个优选实施 方式中，气体可透过性流体屏障是疏水膜。在本发明一方面，提供了控制液体的设备，其包括气体可透过性流体屏障 和阀门。所述气体可透过性流体屏障包括第一表面和第二表面，其中第一表面 暴露于气体腔。所述阀门允许气体流出气体腔。所述罩包括固定表面、气体腔 和液体腔。液体腔包括允许气体通过该进口端流入气体腔的进口端。气体可透 过性流体屏障的第二表面相对于罩的固定表面可封闭性安装，从而使阀门位于 气体腔中。在一个优选实施方式中，提供了其中所述罩是塑料制成的上述设备。 在另 一个优选实施方式中，提供了上述设备，其中所述气体可透过性流体屏障 是疏水膜。在本发明一方面，提供了控制液体的方法，包括提供气体可透过性流体屏 障，其包括第一表面和第二表面，其中第一表面暴露于气体腔。然后所述方法 包括提供阀门，所述阀门允许气体流出气体腔，将气体可透过性流体屏障的第 二表面可封闭性安装在罩上，所述罩包括固定表面、气体腔和液体腔。所述液 体腔包括允许气体通过该进口端流入气体腔的进口端，其中可封闭性安装这一 步骤有助于阻止液体流过气体可透过性流体屏障。该方法还包括控制阀门以在 液体腔中引入液体并在所需位置使液体停止。在一个优选实施方式中，提供了 上述方法，其中所述罩是塑料制成的。在另一个优选实施方式中，提供了上述 方法，其中所述气体可透过性流体屏障是疏水膜。提供了一种控制液体的系统，其包括多个装置，所述装置包括第一装置和 第二装置。第一装置包括出口端，第二装置包括进口端。衬垫包括第一表面和 第二表面，所述第一表面在进口端周围是平的以保证其在与第二装置相配时是 液体紧密密封的。罩包括排列和夹钳机械装置以将第一装置和第二装置排列并 钳在一起。衬垫的紧縮允许液体从第一装置流向第二装置。在一个优选实施方 式中，提供了上述系统，其中所述罩是塑料制成的。在另一个优选实施方式中， 提供了上述系统，其中所述第-一装置包括加热装置。在另一个优选实施方式中， 提供了上述系统，其中所述第一装置包括混合装置。在另一个优选实施方式中，
提供了上述系统，其中所述第二装置包括探针阵列。大多数试验需要将多种试剂加入到多个反应中。在很多实施方式中，液体是用 于生化反应的试剂。图11表示WTA检测中有12个试剂的应用的一个例子。该图 只是例子，不应限制权利要求的范围。本领域一般技术人员知道多种变化、改变和改动。如图ll所示，WTA检测提供几个反应，需要不同数目的试剂。该检测开始于 第一个样品，总RNA (1101)。下一步(1102)加入第二个试剂，第1链缓冲液， 合成第l链cDNA。然后加入第三个试剂时合成第2链cDNA。孵育时(1103)， 加入第4个试剂。加入第5个试剂EDTA时总体积达到16.2 pl (1105)。珠纯化步 骤包括4个试剂磁珠、醇(alcohol)、醇(alcohol)和水(1106)。加入第10个试剂 时完成了 cDNA断裂(fragmentation)。然后，加入第11个试剂以进行末端标记 步骤。加入最后的试剂EDTA以提供用于杂交的样品。在该WTA测验中共包括 12个试剂。然后该样品可与Affymetrix U133A芯片杂交。图12a表示根据本发明实施方式的另一个例子，是微流体卡布局图的一个例 了-。该图只是例子，不应限制权利要求的范围。本领域一般技术人员知道多种变化、 变动和改动。各端口标示为图12a中的数字1-26。端口 6进行引物退火混合，端口 4进行第1链的合成，端口 3进行第2链合成。端口 5进行T4DNA多聚酶，端口 7加入EDTA，端口2加入水。端口 15加入磁珠溶液，端口 16和17提供醇类。 端口18进行断裂，端口19进行标记，端口20加入EDTA。端口ll、 12和25是 小室的通风孔。端口9、 10和23用于混合。端口13是废弃物端口，端口26是收 集端口。微流体卡设计布局图包括存贮室(1201)，混合通道(1202)和废弃物室 (1203)。除了小室和通道以外，该设计还包括加热装置(1204 & 1206)和磁铁 (1206)。在本发明一方面，提供一种盒式装置。试剂可存贮在带有可控阀门的检测微流 体系统中，其中这些阀门将在所需位置使流体停止。提供计算机软件产品以控制各 种活动组分(即，流体结构、阀门等)。根据本发明一种实施方式，这种对微流体 卡(也可称为生物芯片系统)进行操作的系统示于图12b。该图只是例子，不应限 制权利要求的范围。本领域一般技术人员知道多种变化、改变和改动。提供电路板 (1251)以实现多种功能，例如，温度控制。集合管(manifold ) (1252)包括机械阀 门、压力传感器、压力调节器等。生物芯片或微流体卡(1254)安装到集合管(1252) 中，在集合管中有冷却单元(1253)和加热/磁力单元(1255)。电路板(1251) 和带有所有组分的集合管(1252)都安装在基板(1256)上。用计算机(1257)实 现儿种功能，例如控制阀门。在本发明另一方面，生物芯片系统可包括很多装置或卡片。有几种不同类型的 卡片。图13表示根据本发明一种实施方式的芯片-芯片界面结构的图像。该图只是 例子，不应限制权利要求的范围。本领域一般技术人员知道多种变化、改变和改动。例如，试剂卡(1301)可包括本申请前述的很多进口、很多的各种通道、阀门 机械装置和出口。反应卡的例子是样品制备、靶物质制备等。在另一个实施方式中， 提供从试剂卡接收样品的反应卡(1304)。反应卡的例子是杂交、清洗、染色、扫 描、读数等。在一个优选实施方式中，反应卡包括探针阵列(1305)或接收探针阵 列(1305)的小室。在一个优选实施方式中，生物芯片-芯片或卡-卡界面结构是衬 垫(1303)，以实现完美配合。衬垫(1303)可安装在反应卡上。在另一个实施方式中，提供了生物芯片系统如何工作的例子。带有衬垫 的反应卡可安装在图12b所示的集合管(1252)中。试剂卡配合在反应卡上。 在一个优选实施方式中，提供定位销(alignment pin)以确保卡片正确定位。 集合管可包括夹钳机械装置以将两个卡片按压在一起。根据本发明某些实施方式，本发明的装置、系统和方法在核酸样品的操作、 鉴定和/或测序中有很广泛的应用。这些样品可获自植物、动物、病毒或细菌来 源。例如，本发明的装置、方法和系统可用于诊断用途，例如诊断遗传疾病、 以及诊断感染性物质(例如细菌或病毒感染)的存在。此外，本发明的装置、 方法和系统可用于很多鉴定用途，如法医学分析(例如遗传指纹)，细菌、植 物或病毒的确认和签定，例如流行病学或分类学分析等。根据本发明某些实施方式，本发明提供用于液体处理的装置、方法和系统。 应理解上述描述只是阐释性而非限制性的。本发明的很多变化形式对阅读了本 发明上述描述和附图的本领域一般技术人员是显而易见的。所有引用的文献， 包括专利和非专利文献，都全文纳入本文作为参考用于所有目的。通过下列非限制性实施例将能够更进一步理解本发明。
实施例实施例1-将1.5pl试剂(a)提供到样品l的步骤。在该试验中，将1.5 pl试剂(a)提供到第一个样品S3中。下述是为实现该目 的所进行的步骤。如图la所示，第三通道通向S3，因此控制与第三通道相连的阀 门和门以提供1.5 pl试剂(a)到S3中。如图lb和图la的(105)所示，第三通 道上的第2个阀门被确认为可提供1.5 nl试剂。打开阀门(105)和其它通向阀门 (105)的阀门，同时确保其它的阀门和门关闭。向试剂(a)施加压力使试剂(a) 被推向打开的阀门(105)。然后，关闭阀门(105)，打开第三通道末端的门。施 加空气压力(air pressure),所需体积的试剂(a)被提供到S3。实施例2-具有多种试剂和多个反应的系统进行这些试验以优化WTA检测程序，从而使多种试剂的引入和多个反应可在 小型化平台装置上进行。图11阐述这些结果的一个例子，显示有12种试剂以产生 用于杂交的样品的WTA检测程序设计。该例子中，如图11所示，WTA检测程序 提供了需要多种试剂的几种反应。该检测开始于一份样品，即总RNA(llOl)。然 后，加入第二种试剂—第1链缓冲液(1102)，合成cDNA第1链。加入第3种 试剂合成cDNA第2链之后，将溶液与加入的第4种试剂一起孵育(1103)。加 入第5种试剂EDTA使总体积为16.2 pl (1105)。磁珠纯化步骤包括4种试剂磁 珠、醇(alcohol)、醇(alcohol)和水(1106)。然后，加入第10种试剂，完成cDNA 断裂(1107)。加入第11种试剂，完成末端标记步骤。最后，加入最后一种试剂 EDTA，然后将产生的样品与Affymetrix U133A芯片杂交。在这种WTA检测程序 中共用了 12种试剂。实施例3-处理多种试剂和多个反应的装置基于实施例2所述的检测，制作了本申请所述的装置。微流体卡布局图的一个 例子示于图12a中。该微流体卡设计有26个端口，各端口标示为图12a中的数字 1-26。进行试验时，端口6进行引物退火混合，端口4进行第1链的合成，端口3 进行第2链合成。端口 5进行T4 DNA多聚酶，端口 7加入EDTA，端口 2加入水。 端口 15加入磁珠溶液，端口 16和17提供醇类。
标记，端口20加入EDTA。端口 11、 12和25是小室的通风孔。端口 9、 10和23 川于混合。端口 13是废弃物端口，端口 26是收集端口。微流体卡设计布局图包括 存贮室(1201)、混合通道(1202)和废弃物室(1203)。除了小室和通道以外， 该设计还包括加热装置(1204& 1206)和磁铁(1206)。对微流体卡或生物芯片系统进行操作的总体系统示于图12b。提供电路板(1251) 以实现多种功能，例如，温度控制。集合管(1252)包括机械阀门、压力传感器、压 力调节器等。生物芯片或微流体卡(1254)安装到集合管(1252)中，在集合管中 有冷却单元(1253)和加热/磁力单元(1255)。电路板(1251)和带有所有组分 的集合管(1252)都安装在基板(1256)上。用计算机(1257)实现几种功能，例 如控制阀门。虽然已描述了本发明的具体实施方式
，但本领域技术人员知道还有与描述的这 些实施方式相等价的其它实施方式。因此，应理解本发明的范围不限于这些具体描 述的实施方式，而只受本说明书所附的权利要求书的限制。
权利要求1.一种分流多个液体并产生所需体积液体的系统，其特征在于，所述系统包括罩，其包括液体腔；该液体腔包括多个进口通道，所述进口通道包括多个进口；至少一个共用通道，其中所述多个进口通道与所述共用通道流体相连；多个检测通道，其包括多个阀门机械装置和多个门，其中用加压的气体将液体引入所述多个检测通道；计算机，控制装置连接于该计算机，其中所述控制装置控制阀门机械装置和门，从而使液体分流到所述多个检测通道并产生所需体积的液体。
2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述罩是由塑料制成的。
3. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述液体包含至少一种靶分子。
4. 如权利要求l所述的系统，其特征在于，所述阀门机械装置包括 气体可透过性流体屏障，其包括第一表面和第二表面，所述第一表面暴露于气体腔；阀门，其允许空气流出所述气体腔；和罩，其包括固定表面、气体腔、和液体腔，所述液体腔包括允许空气通过 该进口端流入气体腔的进口端，其中所述气体可透过性流体屏障的第二表面相 对所述固定表面可封闭性安装，从而使所述阀门位于气体腔中。
5. 如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述气体可透过性流体屏障是疏 水膜。
专利摘要本实用新型涉及检测领域，本实用新型提供了用于液体处理的微流体装置和系统，具体是提供了分流多个液体并产生所需体积液体的系统，该系统包括罩，其包括液体腔；该液体腔包括多个进口通道，所述进口通道包括多个进口；至少一个共用通道，其中所述多个进口通道与所述共用通道流体相连；多个检测通道，其包括多个阀门机械装置和多个门，其中用加压的气体将液体引入所述多个检测通道；计算机，控制装置连接于该计算机，其中所述控制装置控制阀门机械装置和门，从而使液体分流到所述多个检测通道并产生所需体积的液体。本实用新型的系统用于对试剂生化反应进行加工处理。
文档编号G01N33/48GK201041563SQ200620157130
公开日2008年3月26日 申请日期2006年11月2日 优先权日2005年11月2日
发明者俞天越, 川 高 申请人:昂飞股份有限公司