具有用于流体引入的侧面开口的微流体芯片的制作方法

专利名称：具有用于流体引入的侧面开口的微流体芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及微流体芯片。
背景技术：
在如在申请人安捷伦科技有限公司的Agilent 2100生物分析仪中的微 结构技术应用中，流体可以传输通过在衬底中形成的小型化通道(其可以 填充有凝胶材料)。对于作为这种微结构技术应用的示例的毛细管电泳装 置，在流体通道中产生电场以允许使用电力将流体的成分运输通过通道。 通过将毛细管电泳装置的接触针脚浸入到可以填充在由耦合到微流体芯片 的载体元件所限定的井中的流体，并且通过对该接触针脚施加电压，可以 产生该电力或者电场。
相同申请人安捷伦科技有限公司的WO 00/78454 Al、 DE 19928412 Al和US 6,814,846示出了不同的微流体芯片和应用。其他微流体装置和 应用例如在WO 98/49548、 US 6,280,589或者WO 96/04547中公开。
在大多数微流体应用中，微流体芯片与载体(还经常称为盒体 (caddy))耦合，由此载体在微流体芯片的顶部形成井(例如，具有10-50微升的体积)，以允许将流体供应到微流体通道和/或将电极或者压力 供应施加到井中以驱动流体通过通道。

发明内容
本发明的一个目的是提供将流体到微流体芯片中的引入，并对其进行 改进。通过独立权利要求来解决本目的。其他实施例由从属权利要求示 出。
在一个实施例中，微流体芯片具有包括主面和侧面的衬底。衬底包括 适于输运流体的至少一个微流体通道。微流体芯片通道具有向衬底的侧面开口的侧面开口 ，因而允许将流体引入到微流体通道中。
通过将用于流体供应的开口设置于微流体芯片的侧面，能实现完全不 同设计的微流体芯片。本发明的实施例因而使得避免在芯片的主面上开 口，其(尤其在使用玻璃芯片的时候)通常要求例如使用喷砂、超声钻孔 等钻孔操作来穿过微流体芯片的至少一部分，这样的对穿过玻璃的钻孔的 减少或避免能显著降低生产玻璃芯片的工作负担和成本。
此外，对于将芯片开口引向芯片的侧面，由于微流体芯片的主面上或 上方应用顶部井而通常要求特定面积来以技术可行的方式设置井，所以能 减小芯片尺寸。因而，微流体通道能更紧密地封装在一起，并能实现更短 的通道路径长度。
在微流体芯片包括两个层(例如，玻璃板)且一个或多个微流体通道 形成在一个层中并且另一个层提供了将通道盖合的顶层的情况下，设置侧 面开口还降低了在制造过程中对两个板进行对准的工作负担，这是因为顶 板不一定要求必须与一个或多个通道对准的任何结构(诸如通孔)。
和现有技术中的大多数实施例形成对照，本发明的实施例还允许从两 侧访问(例如，为了检测的目的)微流体芯片，其中，例如载体堆叠在微 流体芯片的顶部上，使得微流体芯片的顶面被载体覆盖以向微流体芯片供 应流体。这允许例如直接向微流体芯片或者其通道提供检测系统、加热器 等。
在一个实施例中，微流体芯片包括耦合到侧面开口的流体供应装置， 流体供应装置设置成向微流体通道供应流体。如上所述，这样的侧面流体 供应装置使得避免如现有技术所公知的那样从顶部(作为微流体芯片的主 面)供应流体。
在优选实施例中，流体供应装置还包括井，所述井用于接收流体并容 纳将要供应到侧面开口的流体。这样的井可以是现有技术公知的任何类型 的井结构，然而，该井从微流体芯片的顶面转移到侧面。这样的井可以由
塑料材料形成，塑料材料诸如是PE (聚丙烯)、ABS (丙烯腈-丁二烯-苯 乙烯)、POM (聚甲醛)、PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)等。尽管井能形 成在微流体芯片内或由与微流体芯片相同的材料形成，但是本身与芯片材料不同的材料也能用作井，例如在玻璃材料芯片的情况下，井可以由塑料 材料形成。
在一个实施例中，井被设置成支撑流动流体。在这样的实施例中，侧 面开口可以耦合到导管(诸如毛细管)，其中流体发生流动(即，流体在 移动)。
可以应用粘接材料、形状耦合和/或力耦合，来将井耦合到开口和/或 芯片。
可以设置密封件或者密封盖用于将井流体密封到衬底。
在一个实施例中，衬底被载体容纳或被容纳在载体内，其中， 一个或 者多个井形成在载体中或者由载体形成。
在一个实施例中，流体供应装置包括可以与微流体芯片物理分立的毛 细管。毛细管可以被收纳到载体内或者毛细管可以被收纳到将毛细管耦合 到侧面开口的其他结构内。可以应用粘合材料以将毛细管耦合到开口。毛 细管然后例如耦合到储液器，以向芯片供应流体。
在一个实施例中，流体供应装置包括可以与微芯片物理分立的滴流结 构。滴流结构设置成接收流体滴并通过粘附力和/或毛细管力将该流体滴保 留到侧面开口。在一个实施例中，滴流结构具有耦合到侧面开口以将流体 滴引导到侧面开口的孔。流体分配器可以设置成将滴分配到滴流结构中。 可以施加压力和/或真空，以从滴流结构将余下的或者过多的流体去除，或 者清洗滴流结构。
针对微流体芯片的术语"侧面"可以理解为表示延伸到微流体芯片的 主面的侧端部这样的面，且侧面的面积小得多，通常仅是主面的面积的小 一小部分。尽管侧面通常垂直于主面(至少在一定的公差范围内)，但也 可以提供一定的倾斜，或者由于特定的制造处理可以导致这样的倾斜。
尽管微流体通道通常与主面的区域平行地延伸，但是通道也可以是倾 斜的，或者具有倾斜甚至垂直(即，在与主面区域的向量平行的方向)延 伸的部分。在优选实施例中，微流体芯片主要与主面的区域平行(或者与 主面的区域的向量垂直)地延伸，这表示与主面平行地延伸的部分在通道 长度中的比率比与主面垂直地延伸的部分在通道长度中的比率显著地大。在优选实施例中，微流体芯片包括多个微流体通道，每个微流体通道 具有向衬底的侧面中的一个侧面开口的侧面开口。
衬底可以由两个或者更多个层来实施，且一个或多个微流体通道形成 在例如其中一个层中、由两个相邻的层形成、或者由它们的组合形成。如 现有技术所公知，衬底还可以由三层结构来实施，且通道可以由例如中间 层形成。
衬底可以具有玻璃材料、塑料材料(诸如PS (聚苯乙烯
(Polystyrole) ) 、 PC (聚碳酸酯)等)、陶瓷材料(诸如二氧化钇 (Yitriumdioxyde)或任何其他适合的陶瓷材料)、或者现有技术公知的任
何其他适合的材料。
优选地，衬底是大致扁平的形状，且主面是面积最大的面，通常是衬
底的上面或者下面。微流体通道的通常的通道宽度能在1-1000微米尤其是
在30-500微米的范围内。通常的通道高度能在1-100微米尤其是10-30微
米的范围内。
微流体芯片优选地适于提供电泳分离、色层分离、或者两者。基于或 者使用这种流体分离的其他功能还可以在芯片上或者在分立的装置或系统 中作为流体处理的一部分来实施。微流体芯片通常包括用于将在流体的流 动相中溶解的采样流体的不同成分进行分离的分离路径。
微流体芯片可以应用于微流体系统，该微流体系统具有用于使流体在 微流体通道中输运的驱动器。这样的驱动器可以或者包括压力源和/或者电 源(例如，用于驱动电泳分离)。可以设置检测器，用于在例如分离处理 之前或之后检测在微流体通道中的流体或者其一部分。
本发明的实施例能被一个或者多个适合的软件程序来部分地或者完全 地实施或提供支持，该程序能存储在任何种类的数据载体上，或者由任何 种类的数据载体来提供，并可以在任何适合的数据处理单元中被处理，或 者被任何适合的数据处理单元处理。


通过结合附图，参照以下本实施例更详细的描述，本发明实施例的其他目的和许多伴随优点将容易理解，并且变得更好理解。实质上或者功能 上相同或者相似的特征将用相同的附图标记来表示。 图1示出了根据本发明实施例的微流体芯片10。
图2示出了具有井形式的侧面流体供应装置的微流体芯片10的实施例。
图3示出了微流体芯片的另一示例性实施例，其中由毛细管300提供 向侧面开口的流体供应。
图4示出了使用滴流结构400进行流体供应的另一示例性实施例。 图6图示了载体200的另一实施例。
图7示出了降低或避免由于载体200和芯片IO之间的毛细管力而引起 相邻的井之间的流体渗漏的解决方案。
图8示出了微流体芯片IO的另一实施例。
图9示出了具有井900的实施例，流动介质如箭头所示流经井900。
具体实施例方式
在图1中，微流体芯片IO具有衬底20，衬底20具有两个主面30A和 30B以及四个侧面40A、 40B、 40C和40D。在图1的示例性实施例中的微 流体芯片IO是大致扁平形状，使得每个主面(例如，30A)的面积比每个 侧面(例如，40A)的面积大很多。
在图1的示例中，衬底20包括两个微流体通道50和60，每个通道适 于引导流体。在图1的示例中，两个微流体通道50和60彼此交叉，并可 以用于电泳分离，由此例如通道50可以用作供应路径，并且通道60可以 用作分离路径。在此实施例中，流体可以沿着通道50运输，并在特定时 间仅仅当前位于通道50和60的交叉部分中的部分(所谓的流体塞)吸入 到分离路径60中，并且从交叉部分吸入的流体塞的不同成分在沿着通道 60的分离路径移动过程中分离。这种技术在现有技术中公知，并在说明书 背景技术中所述的现有技术中进行了详细描述。
图1中的微流体芯片10向衬底20的侧面40开口的四个侧面开口 70A、 70B、 70C和70D。侧面开口 70中的至少一个被设置成将流体引入到衬底20的微流体通道的至少一者中。在以上将通道50作为供应路径并 将通道60表示为分离路径的示例中，侧面开口 70B被设置成将流体引入 到通道50中，并且侧面开口 70A-70D中的任一者可以被设置成用于允许 耦合在流体驱动器中以驱动流体通过通道50和60。这样的流体驱动器可 以是耦合到各个开口 70A-70D的电极(在附图l中未示出)，其允许建立 用于使流体的带电微粒沿着通道50和60移动的电场。
附图1的示例中的通道50和60填充有在电泳领域中公知的凝胶物质。
在图2A的实施例中，微流体芯片10 (可以如图2A所示实施成为图1 的示例)置于载体200中。载体200在其内侧具有一些侧面成形部210， 微流体芯片10置于所述内侧中，使得当微流体芯片10插入到井200中 时，成形部210与衬底的外壁一起形成井220 (参见图2B)。
图2B以沿着线A-A的剖面图示出了井220的示例性实施例。载体 200安装到微流体芯片10，并且载体200的成形部210形成井220。微流 体通道(此处，通道50)经由开口 70B而开通到井220中，使得容纳在井 220中的流体被或者可被引入到通道50中。
在图2B所示的示例中，电极230引入到井220中，因而允许向井220 施加电位以使流体移动通过微流体通道。从图2B的示例还可见，井220 可以被成形为使得通道50的开口略高于井220的底面。这能用来避免较 大的微粒吸入到通道50中，而是使其"下沉"到井220的底面。
例如，通过在芯片10和载体200的相邻表面之间使用粘合剂240，可 以将载体200安装到芯片10，或者将芯片安装到载体200。然而，也可以 使用将芯片10耦合到井200的任何其他方式，例如密封、压配合或者贴 合(formfitting)。
在图3中，毛细管300直接耦合到微流体芯片10的侧面开口 70B。毛 细管300可以由保持器310以机械的方式支撑，以对毛细管300和微流体 芯片10的耦合提供充分的机械稳定性。例如，如在图3的示例性实施例 中所示，通过在毛细管300和保持器310的相邻表面之间使用粘合剂，毛 细管300可以与保持器300耦合。毛细管的另一端330可以耦合到流体容器(在附图中未示出)，因而允许将流体供应到微流体芯片10的微流体
通道。毛细管300还可以弯曲，因而允许耦合到具有例如竖直开口的流体容器。
在图4中，滴流结构400被设置为例如从移液管420或者任何其他适 合装置接收流体滴(以附图标记410表示)并将流体滴410保留(至少暂 时地)到侧面开口 70B。在图4的实施例中，滴410通过粘附力被保留到 侧面开口 70B。图4的实施例中的滴流结构410包括竖直(相对于通道 50)通孔430，通道50利用其侧面开口 70B向该通孔430开通。将通孔的 尺寸形成为将滴410保持在通孔430内并靠近侧面开口 70，这在现有技术 中是公知的，在此处不需要详细讨论。
为了从通孔430去除过量的流体或者清洁或冲洗通孔430，可以例如 使用密封环450将导管结构440耦合到通孔430。通过在通孔430的顶部 开口施加压力或者例如在结构440的开口 460处施加负压(真空)，能去 除通孔430中的流体，并且可以相继地施加新的滴410。
在图6A的示例中，如之前参照图2所示，微流体芯片10引入到载体 200中。然而，尽管图2的实施例中的载体200形状大致为环形，但图6A 中的载体200包括由铰链630铰接的半部610和620，以允许打开和关闭 载体200。关闭机构640可以设置在半部610和620的相对于铰链630位 于另一端的端部处。关闭机构640可以使用任何现有技术中公知的结构
(例如，使用贴合或者压入配合)，以允许将两个半部610和620关闭。 关闭结构640可以设置成可逆地关闭和打开载体200，但是也可以设置仅 能将载体200关闭一次。在一个实施例中，如图6A所示，载体200由两 个半部650和660设置，并且半部620和610是载体的外部部件。半部 610和620提供夹持或锁止环，以可靠地将载体与微流体芯片IO夹持或者 锁止。
图6B更详细地示出了沿着线A-A的剖视图。如从图6B可见，夹持 半部610夹持并可靠地保持安装到微流体芯片10的载体半部660，因而形 成井220。密封盖670可以设置成以流体密封的方式将载体200与芯片10 耦合。这种密封盖670可以由硅树脂或本领域公知的任何其他合适材料制成。如图6A所示，密封盖670围绕芯片10，但是也可以设置成多个分立 的部分。
图6C示出了图示用于将载体(此处，载体半部660)抵靠微流体芯片 进行密封的机构的另一实施例。密封盖680 (与图6A和图6B所示的密封 盖670不同)在井200的区域中安装到载体200。在此实施例中，载体 200在具有围绕井220的成形部690。 一旦如图6C中的箭头所示，芯片10 被抵靠载体200安装，则密封盖680安装到载体200，并安装到成形部 690上，以将井220抵靠芯片10来流体地密封。
在芯片载体组件的其他实施例中，可以使用收縮处理来组装芯片10 和载体200。为此目的，可以加热载体200。当冷却时，芯片IO被压入到 加热的载体200中，并且载体收縮到芯片IO上。可选地，载体200还可以 直接模制或者模铸到芯片10上。
在图7中，可以成为通孔的竖直(相对于通道方向)开口 700设置在 相邻的井220A和220B之间以减小或者避免由于载体200和芯片10之间 的毛细管力而使流体在相邻的井之间泄漏或渗漏。开口 700朝向芯片10 开口 。例如沿着芯片10和载体200的侧壁之间的"寄生通道"从井220A 朝向井220B渗漏的流体只要到达开口 700就被毛细管力所阻止渗漏。由 于开口表示在载体200和芯片10之间更大宽度的开口，毛细管力被"绕 路"，并且泄漏的流动被阻止了。因而，能避免相邻的井之间的电泳短路 (electrophoretic shortcut)。
图8图示了术语"侧面"不要求清晰的切割表面，但是也包括例如图 8所示的台阶形状结构。在此实施例中，微流体芯片10包括两个层810和 820,且层810位于层820上。通道50由凹入到层810中或者凹入到层 820中或者凹入到两者中的凹部形成。与图1的实施例不同，图8中的层 820与层810重叠，使得微流体芯片IO的侧面具有台阶形状。井可以根据 以上所述形成到微流体芯片10。可选地或者附加地，可以靠近开口 70设 置亲水表面830，使得置于开口 70的前方的流体滴保留在亲水性表面830 处。
在图9中，流动介质如箭头所示流经井900。开口70耦合到流体正在其中流动的井900。这允许吸入该流动流体的采样，以例如提供连续的流 体监视。
权利要求
1.一种微流体芯片(10)，其包括衬底(20)，其具有主面(30)和侧面(40)，以及微流体通道(50、60)，其在所述衬底内并适于输运流体，其中，所述微流体通道具有向所述衬底的所述侧面开口的侧面开口，以允许将流体引入到所述微流体通道中。
2. 根据权利要求1所述的微流体芯片，还包括耦合到所述侧面开口的流体供应装置(220、 300)，其中，所述流体 供应装置适于将流体供应到所述微流体通道。
3. 根据权利要求1或2所述的微流体芯片，其中，所述流体供应装置 包括以下装置中的至少一者井(220)，其适于接收流体并容纳将供应到所述侧面开口的流体； 毛细管(300)，其适于耦合到流体容器；滴流结构(400)，其适于接收流体滴(410)，并通过粘附力和毛细 管力中至少一者的作用将所述流体滴保留到所述侧面开口。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的微流体芯片，其中，所述流体 供应装置包括所述井，所述井包括以下特征中的至少一者通过塑料材料形成所述井，所述塑料材料优选为PE、 ABS、 POM和 PMMA中的至少一者；通过与所述微流体芯片的材料不同的材料形成所述井；在所述微流体芯片的所述侧面处形成所述井；所述井适于支撑流动流体，用于将所述井流体密封于所述衬底的密封件和密封盖中的至少一者； 适于接收所述衬底的载体，其中，所述井形成在所述载体中或者由所 述载体形成所述井。
5. 根据权利要求3所述的微流体芯片，其中，所述流体供应装置包括 所述毛细管，所述毛细管包括以下特征中的至少一者所述毛细管是与所述微流体芯片物理分立的装置；适于接收所述毛细管并将所述毛细管耦合到所述侧面开口的载体，其 中，优选地，所述毛细管通过粘合剂耦合到所述载体。
6. 根据权利要求3所述的微流体芯片，其中，所述流体供应装置包括所述滴流结构，所述滴流结构包括以下特征中的至少一者 所述滴流结构是与所述微流体芯片物理分立的装置；所述滴流结构具有耦合到所述侧面开口以将所述流体滴引导到所述侧 面开口的孔。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的微流体芯片，包括以下特征中 的至少一者所述侧面的面积仅相当于所述主面的面积的一小部分；所述侧面大致垂直于所述主面；所述微流体通道主要与所述主面的区域平行地延伸；多个微流体通道，每个所述微流体通道具有向所述衬底的所述侧面中 的一个侧面开口以允许将流体引入各个所述微流体通道的侧面开口 ；所述衬底由来自以下所列材料中的一者制成玻璃材料、塑料材料、 陶瓷材料；所述衬底包括至少两个层，且所述微流体通道形成在所述层中的一者 中，或者由两个相邻的层形成所述微流体通道；所述衬底包括安装到彼此的两个玻璃板，且所述微流体通道形成在所 述玻璃板中的至少一者中；所述衬底是大致扁平形状；所述微流体芯片包括两个层，所述两个层至少部分地彼此错位，从而 在所述侧面处形成台阶，其中，优选地，所述侧面开口在所述台阶的弯折 部处开口；所述微流体通道具有l-1000/mi的范围内的宽度，并优选地具有在30-500/mi的范围内的宽度，并且所述微流体通道具有在l-100/mi的范围内的 高度并优选地具有在10-30/mi范围内的高度。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的微流体芯片，包括以下特征中 的至少一者所述微流体芯片适于提供电泳分离和色层流体分离中的至少一者；所述微流体芯片包括用于将所述的流体的流动相中溶解的采样流体的 不同成分分离的分离路径。
9. 一种微流体系统，其包括根据权利要求1至8中任一项所述的微流体芯片，所述微流体系统包括以下特征中的至少一者驱动器，其用于使所述流体在所述微流体通道中输运，其中，所述驱动器优选地包括压力源和电源中的至少一者；检测器，其用于检测正在或已经在所述微流体通道中输运的流体； 所述微流体系统适于在所述微流体芯片上提供电泳分离和色层流体分离中的至少一者。
全文摘要
一种微流体芯片(10)，其包括衬底(20)，其具有主面(30)和侧面(40)；以及微流体通道(50、60)，其在所述衬底内并适于输运流体。微流体通道具有向衬底的侧面开口的侧面开口，以允许将流体引入到微流体通道。
文档编号G01N35/10GK101588868SQ200780050096
公开日2009年11月25日 申请日期2007年1月17日 优先权日2007年1月17日
发明者斯特凡·法勒克-乔丹, 汉斯-彼得·兹莫曼, 福瑞特斯·贝克 申请人:安捷伦科技有限公司