專利名稱：無通道流體樣品運輸介質的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及流控器件(fluidic device)。
背景技術：
在微結構技術應用中，流體可以通過形成在襯底中的微型化通道(微型化的通道可以由膠體材料填充)來輸運。以針對此微結構技術應用的毛細管電泳器件為例，可能有必要在流體通道中產生電場，以便允許借助電力而通過通道輸送流體的各種成分。此電力或電場通常是通過將毛細管電泳器件的接觸針浸入可以填充到由耦合到微流控芯片的承載元件限定的井中的流體并且將電壓施加到此接觸針來產生的。
US 6,509,085 Bl公開了提供具有通道結構的層疊件，所述通道結構設置在層疊件的板之間。通常通過將結構印刷在層疊件的板上來在所述板上產生通道。
US 5736188公開了一種支撐板，其提供通過印刷工藝而被設置有氧化硅或者纖維素的通路圖案?？梢源嬖诙鄠€從匯合在匯合區(qū)中的洗脫液施加區(qū)域引向檢測區(qū)然后到廢料儲存器的通路。不同的通路可以因為其長度和/或材料的不同而具有不同的流體穿越時間。由此，沉積在不同通路上的沉積點(depot)的待分析物和試劑被順序地輸送(通過毛細力，就是說，純粹內部的力)到檢測區(qū)。試劑可以通過印刷來施加。檢測區(qū)可以具有電極組件(也是通過印刷而施加的)，用于檢測待分析物的結果。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是能夠簡化流控器件的制造和/或操作。本目的由獨立權利要求來解決。示例性實施方式通過從屬權利要求來說明。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式，提供一種流控器件，包括襯底(例如玻璃載片(slide))以及運輸介質(例如凝膠)，所述運輸介質設置(例如印刷)在所述襯底上，以限定出用于運輸由外部源(例如在電泳應用中通過將電壓施加到要被電耦合到運輸介質的電接觸針而產生的電力)驅動的流體樣品(例如待分析的生化液體)的運輸通路。
根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施方式，提供了一種制造流控器件的方法，所述方法包括將運輸介質設置在所述流控器件的襯底上，以形成用于運輸由外力(例如電力)驅動的流體樣品的運輸通路。
術語"外力"可以具體指任何驅動機制，其不必是固有地基于流體運輸介質的材料，而是可以來自于在流體運輸介質外部設置或與流體運輸介質分開設置的施力部件的影響。例如，可以使用機械式(例如真空或壓力)力發(fā)生器(如泵)或電力發(fā)生器(例如連接到電壓源的電極)來產生這樣的外力。
根據(jù)示例性實施方式，運輸介質(例如用于凝膠電泳器件的凝膠)可以被直接沉積到襯底的例如完全平坦或部分平坦的表面上，從而使得可以不必在襯底的表面部分內提供復雜的流控結構。與此相反，材料可以被簡單地濺射、印刷、沉積、點涂(spot)或粘附到襯底的表面上，從而形成具有凸起結構作為流體運輸結構的流控器件。運輸介質可以被或者也可以不被形成為一個或多個"凸起結構"。
作用在流動通過運輸介質的流體樣品的組分上的電力可以例如通過將電極浸沒在或壓入到運輸介質通路的特定部分中或通過將運輸介質形成在形成于襯底中和/或襯底上的電極結構的頂面上，而被施加到這樣的沉積運輸介質上，從而允許流體樣品的組分在這樣的外部施加的電力的作用下移動。這樣的流控器件的制造非常簡單，并且還可以允許提供三維層結構，用于復雜或精密的流體運輸。
因此，可以提供用于微米量級和納米量級測量、尤其是用于生命科學芯片技術的方法和設備。不同于常規(guī)的在用于微米技術應用或納米技術應用的襯底中形成通道的需要(其中，所述通道在由使用者使用之前必須填充凝膠材料等)，示例性實施方式可以在制造和操作方面明顯不那么費
7力，并且可以以更低的成本來制造。與制造復雜的通道系統(tǒng)(其中可以填充相應的物質，并且該物質可以隨后被電接觸)相反，示例性實施方式可以允許簡單地將結構(如凝膠、染料、緩沖液、樣品等)印刷在甚至完全平坦的襯底上。流體樣品可以隨后在外力的作用下被引導通過作為運輸介質的凸起結構(也可以產生例如電力、由壓力/真空產生的附加機械力、由磁體產生的磁力等)。
具體地，利用印刷技術，如噴墨印刷技術、涂漆技術、滴涂
(dispenser)技術(例如粘附技術)、筆狀材料施加技術(例如，在襯底表面上"涂繪"凝膠材料)、壓印技術或絲網印刷，可以通過沉積來設計流體運輸結構，而無需使用襯底(根據(jù)需要，可以是平坦的或不平坦的)的通道壁作為機械支撐。流體運輸介質在垂直維度上的高度可以通過一次或數(shù)次重復沉積工藝來調節(jié)。示例性實施方式可以應用于皮米技術、納米技術和微米技術。
多層工藝中的凸起結構的沉積和設計可以以類似于塑料技術中已知的快速成型(rapid prototyping)的方式執(zhí)行。
根據(jù)示例性實施方式，可以將固定結構與可變結構相結合。諸如電觸頭和基底的部件可以被固定。分離技術的活性功能結構(例如用于凝膠電泳分離的凝膠)可以是可變結構，其可以針對具體應用進行調節(jié)。用于具體應用的芯片的整體設計可以以模塊的方式被實現(xiàn)為某種的結構化組件，通過這樣的方式可獲得可以以靈活的、使用者定義的和可變的方式組合的不同模塊。
通過這樣工藝，還可以集成工藝技術的元件(例如利用閥、泵和/或其它微米技術部件)。由此可以使得芯片技術(其中，芯片可以具體指生命科學應用領域中的芯片)處于高度集成水平。
因為可以施加非常薄的層(例如利用原子層沉積，ALD)，層的厚度可以以達到一個原子層的精度進行控制，所以示例性實施方式可以用于微米技術、納米技術甚至皮米技術。
可以通過在形成運輸介質的工藝之前(或之后)沉積導電結構，來形成電連接元件或電源。這甚至可以允許在襯底上沉積有源電構件(例如電容測量系統(tǒng))。具體地，當預期將這樣的芯片作為可再利用芯片(例如，對于這樣的電容測量系統(tǒng)而言，通過在使用之后去除沉積的運輸介質而不去除所沉積的電極結構)時，這樣的系統(tǒng)的成本是合理的。但是，也可以在制造運輸介質之后制造電源或其它電構件。
襯底可以包含一個或多個活性區(qū)域(例如，具有特定親和力的部分)、傳感器、不同溫度區(qū)域等，并且微流控結構可以被簡單地印刷在襯底上。
對于壓力導管、真空導管和其它的氣體或液體(就是說流體)的供應管線，運輸結構的一部分也可以在噴墨印刷工藝或其它沉積工藝之前制造在襯底內部。
為了抑制或避免運輸介質在制造過程中或之后的不期望的干燥，可以在飽和蒸汽氣氛下執(zhí)行制造工藝或操作該器件。
在沉積運輸介質(例如凝膠)結構之后，可以用保護層(例如漆)覆蓋襯底。通過采取該措施，可以產生封閉的層，還可以產生封閉的流體通路引導。
當使用噴墨印刷技術時，可以在芯片上設計非常不同的多個區(qū)，例如包含凝膠和染料的區(qū)、僅僅包含凝膠的區(qū)、包含具有添加劑的凝膠的區(qū)或者包含任何其它流體和/或固體的區(qū)。
通過這樣的沉積技術，還可以以容易的方式制造運輸介質導管的流控交叉構造或分叉構造(例如，用于混合流體，促進流體之間的化學反應等)以及制造三維結構。
示例性實施方式還可以在多層技術的環(huán)境下實現(xiàn)。例如，首先可以沉積對表面性質進行改性或調節(jié)的層。在這樣的調整工藝之后，可以沉積具有運輸介質的圖案化層。也可以沉積運輸介質的多層結構(在襯底表面上一層接一層的，或垂直層疊)。還可以設計多管路結構。
也可以提供蓋元件來代替漆，所述蓋元件可以包含可以密封芯片和形
成井的襯墊(spacer)。樣品和觸頭可以被浸漬或浸沒在該井中。
這樣的技術可以被用于制造多用途、易使用的芯片，以及制造由客戶方面印刷的芯片("按需要自定義芯片"("chip-on-demand"))根據(jù)示例性實施方式，可以提供按需要自定義芯片，換句話說，可以使得其在客戶 側使用之前就被印刷。這也可以包括客戶可以設計其自己的芯片布局的可 能性。
承載襯底和/或蓋元件的表面部分可以(至少部分地)由疏水材料形 成，使得可以在空間上限定出運輸介質將被沉積在其上的表面部分。
襯底和/或蓋可以被構造成可再利用的?；厥帐褂眠^的流控器件可以減 小分析成本。
還可以制造具有閥功能的運輸介質結構，其中，這樣的閥可以通過溫 度變化來操作(例如，印刷結構的一部分可以被冷凍或加熱)。
預印刷且(隨后)冷凍的結構容易運輸，并且可以通過融化來達到應 用條件。
根據(jù)示例性實施方式，流體運輸內容物(就是說用于流體樣品的運輸 介質)可以被施加在承載物上，用于芯片(特別是用于電泳應用的芯 片)。這樣的流體通路內容物可以是可以以無通道方式沉積在生命科學芯 片的表面上的凝膠。這樣的流體樣品可以利用外部(電)能量，特別是利 用(凝膠)電泳原理被驅動而移動。除了電泳分離之外或者作為電泳分離
的替代，可以施加例如真空的其它分離力(例如，如由Manz等所公開的 蒸發(fā)驅動分離)。
根據(jù)示例性實施方式，例如，采用兩個或更多個印刷噴嘴，由該兩個 或更多個印刷噴嘴噴射混合比在空間上可改變的多種組分，可以在襯底上 施加梯度凝膠。
可以使用具有孔或者沒有孔的襯底，并且流體通路結構可以被印刷到 該襯底上(例如，凝膠材料可以被印刷到其上)?？卓梢猿洚斄黧w容器， 而且可以被部分地或完全地填充有流體運輸介質。
如果需要，這樣的結構可以用保護漆覆蓋，以在制造和實際使用之間 的時間內保護印刷結構。作為提供保護漆的替代方案，可以急速冷凍沉積 有運輸介質的襯底，從而避免或延遲運輸介質的干燥或其它劣化。在后一 種實施方式中，可以省略例如由漆制成的鈍化層。另一替代方案是沉積在 襯底上的經干燥的運輸介質結構，該經干燥的結構可以在即將使用之前被
10加濕，以使得芯片達到生化應用的條件。
襯底可以由任何期望的材料(如玻璃、硅、塑料、陶瓷、半導體等) 制成。
可以想到使運輸介質將與形成在襯底中的小的(流體)容器/凹槽功能 性接觸或者與用于提供電接觸的連接物接觸。
在將鈍化層沉積在凸起的運輸介質結構上方之后，表面可以被平坦化 或者可以保持為非平坦的。
沉積有凝膠并且施加有漆鈍化層的襯底可以是通過從襯底的覆蓋有運 輸介質的部分選擇性去除鈍化層而達到實際實驗條件的單元。為此，例如
可以將盒子(caddy)或任何其它承載元件布置在芯片的頂部，其中，所述 盒子可以具有一個或多個切割元件或尖端，用于穿透或破壞漆的特定部 分，從而暴露芯片的"活性"表面，即襯底的由運輸介質覆蓋的表面的至 少一部分。
作為這樣的尖端的替代，可以想到，可以在與水性溶液接觸時被自動 去除的材料的漆。由此，可以由水溶性材料制造漆。在這樣的情況下，漆 的整個表面或者漆的特定表面在與待分析樣品接觸時被犧牲，從而將運輸 介質暴露給流體樣品，允許流體樣品與運輸介質流體連通。
例如，印刷在襯底上的運輸介質線可以具有10 /rni到25 /mi之間的厚 度。漆層可以具有大小為1 /xm數(shù)量級的尺寸。例如，硅酮漆可以被用作 鈍化層或水溶性漆。
作為另一替代方案，可以由箔覆蓋沉積有運輸介質結構的襯底。這樣 的箔然后可以由用戶在使用器件之前去除。箔可以被鉆孔，或者可以以其 它方式被制造成當去除箔時，僅僅襯底表面的選擇性區(qū)域(特別是覆蓋有 運輸介質的表面部分)被暴露。
在許多情形中，對齊標志物被制造在微流控芯片上，以使將要被彼此 連接以形成上述流控芯片的不同襯底層之間能夠正確對齊。這樣的對齊標 志物也可以例如在提供運輸介質結構的同一過程中被印刷或以其它方式沉 積在襯底表面上。這可以允許簡化制造。當對齊標志物應該是光學可視的 時，還可以將運輸介質用的材料與染料混合，以將混合物施加在襯底上作為對齊標志物。
根據(jù)示例性實施方式，親水/疏水圖案可以被施加或沉積在襯底上，從 而可以使得流體樣品僅僅存在于這樣的襯底的表面的特定部分中。并且，
可以考慮荷葉效應(the lotus effect)來限定出將被沉積液體樣品的表面部 分以及將保持為沒有液體樣品的表面部分。通過在表面上設置具有特殊尺 寸的微結構，可以使用從荷葉得知的疏液性能。
井可以被形成在盒子結構中，所述盒子結構可以以居中或置邊的方式 設置在芯片上。因此，通過這樣的井，流體樣品可以被充入微流控器件 中。用于與運輸結構電接觸以產生驅動流體樣品通過運輸介質的電力或電 磁力的金屬觸頭(如針)可以被設置在襯底的主表面上，或者還可以想到 設置在襯底的側邊接觸區(qū)域。特別是當蓋元件被布置在己經沉積有運輸介 質的襯底的頂部時，所得器件也可以適用于壓力驅動或真空驅動應用(或 任何其它外力)，如壓力驅動液相色譜分離應用。為此，壓力可以被施加 到運輸介質的端部，從而迫使流體樣品移動通過運輸介質。
根據(jù)示例性實施方式，還可以制造"負型(negative)"結構。為此， 犧牲運輸介質層可以被施加到襯底，并且可以由漆鈍化。此后，例如通過 利用適當?shù)臒崽幚硎範奚牧贤ㄟ^蓋層而蒸發(fā)，可以去除犧牲材料。
可能有利的是，襯底和/或運輸介質是光學透明的，特別是對于如熒光 檢測的光學檢測方法。例如，承載物可以是由玻璃、石英或PMMA或任 何其它聚合物(其可以具有小的光學背景(background))制成的襯底。
因此，根據(jù)示例性實施方式，可以提供一種易使用的芯片，在該芯片 上，使用者不必將凝膠材料手工地插入復雜通道結構中，而是使用已經預 印刷在襯底表面上的易制造的流體運輸結構。使用者可以不必對運輸介質 進行調整以達到使用條件(例如通過對其進行加濕、或通過選擇性去除覆 蓋運輸介質的鈍化層的一些部分)。
示例性實施方式可以使用皮升、納升、微升或毫升的尺度的容器或樣
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可以通過任何沉積工藝或通過任何印刷工藝形成運輸介質。例如，可 以實施噴墨印刷、氣泡噴墨印刷、絲網印刷、噴嘴沉積、滾珠沉積，在表面襯底上進行二維掃描或者創(chuàng)建親水/疏水圖案。在通過印刷或者任何其它
工藝制造親水/疏水圖案之后，可以將其浸入復現(xiàn)浴(emersion bath)中。 例如，復現(xiàn)裕的流體可以僅僅保留在這樣的圖案的親水部分上。
還可以提供基于運輸介質的閥，用于在不同的流體通路構造之間切 換。為此，可膨脹物質可以被設置在襯底上，在可膨脹物質處于膨脹操作 模式時橋接兩個運輸介質導管，而在可膨脹物質處于非膨脹操縱模式時斷 開所述結構。作為基于濕度的膨脹的替代方式，可以實施基于溫度的膨脹 或壓縮。
根據(jù)示例性實施方式，可以形成芯片上實驗室，其中，不同的過程要 素(如樣品的混合、反應、分離等)可以被結合在單一的流控芯片上。
接著，將說明流控器件的更多示例性實施方式。但是，這些實施方式 也適用于制造流控器件的方法。
運輸介質可以包括非溝槽壁。術語"非溝槽壁"可以具體指如下的 壁所述壁不是完全由形成在襯底中的溝槽限定而是由運輸介質自身限 定。運輸介質的側壁的至少一部分可以不受到外部機械支撐，并且可以通 過運輸介質的固有材料性質(例如，處于凝膠狀相態(tài))來支撐。因此，運 輸介質可以包括無通道壁，就是說該壁不一定需要形成在襯底中的通道的 側壁用于機械支撐。
但是，運輸介質的至少一部分可以被沉積在通道結構中。至少運輸介 質和周圍通道結構之間的側部可以沒有運輸介質和周圍通道結構之間的直 接接觸或機械支撐。
運輸介質可以沿所述運輸介質的側壁的至少一部分沒有襯底的側面機 械支撐。這樣的至少部分無通道壁可以由運輸介質自身的邊緣部分來限 定。例如，運輸介質自身的材料性質(例如，粘度)可以被選擇和調節(jié)， 使得當其被沉積在襯底上時，邊緣部分保持機械穩(wěn)定，并且不會將運輸介 質的材料分散在襯底的整個表面上。因此，可以形成自支撐結構作為運輸 介質。
無通道壁可以被獨立于襯底中的表面下(sub-surface)溝槽而形成。 因此，即使溝槽被形成在襯底中，此溝槽的側壁也不會限定或限制運輸介質的側向延伸。
至少一個凹槽可以被形成在襯底中，并且可以與凸起的運輸介質導管 流體連通。這樣的凹槽可以是流體容器或者緩沖容器或廢液容器，其可以 向運輸介質供應流體樣品或其它組分。
根據(jù)一個實施方式，運輸介質可以處于干燥狀態(tài)，并且可以在能夠運 輸流體樣品之前被加濕。通過使運輸介質干燥，流控器件可以在制造和實 際使用之間被長時間儲存。因此，流控器件可以被送貨到客戶處并可"即 時使用"，并且客戶可以簡單地通過將流控器件的表面與水、含水溶液接 觸或使之處于飽和水蒸汽環(huán)境來加濕干燥的運輸介質，不用費勁地活化流 控器件用于實際實驗。
此外或作為替代，鈍化層可以覆蓋運輸介質的至少一部分。這樣的鈍 化層可以機械地保護運輸介質不受環(huán)境影響，并且可以避免運輸介質干 燥。鈍化層可以包括由漆、硅酮和可水溶性材料組成的組中的至少一種材 料。這樣的鈍化層可以被選擇性去除或破壞，以暴露流控器件的活性表 面。
流控器件可以包括具有井的承載元件。所述承載元件可以適用于以使 得能夠通過井而從外部訪問運輸介質的方式連接到襯底。井可以允許針頭 或移液管或任何其它流體噴射尖端插入流體樣品，以使其與運輸介質接 觸。這樣的井可以具有處于板中的中空圓筒結構的形狀，限定出通路，將 要被供應到運輸介質的流體沿所述通路與流控器件的表面接觸。但是，這 樣的承載元件或盒子的使用僅僅是可選的，并且根據(jù)示例性實施方式，承 載元件可以被省略。例如，可以在芯片上設置可去除的箔。當去除箔時， 芯片的選定部分可以被暴露。然后可以向這樣的暴露部分提供樣品、緩沖 液等的液體。
承載元件可以包括一個或多個尖端(例如切割元件)，所述尖端被定位 和設計來在承載元件連接到襯底的工作狀態(tài)下穿透鈍化層。因此，當使用 者將承載元件咬合到流控器件上以使得流控器件準備好用于實驗時，尖端 可以自動地穿透鈍化層，以暴露運輸介質。
或者，鈍化層可以被構造成在鈍化層與流體接觸時(例如當流體樣品被充入井中時)可自動去除。
又或者，可以設置可去除箔，其覆蓋襯底和運輸介質。箔可以適用于 在去除所述箔時選擇性暴露運輸介質的至少一個表面部分。因此，可以被 去除并且具有鉆孔和粘附表面部分的塑料箔可以限定出可以通過去除箔而 被暴露的表面部分以及保持被箔覆蓋的其它表面部分，使得箔可以仍然在 其余部分履行其保護功能。甚至更簡單的，可以設置可拆卸并甚至可再利 用的蓋元件。
可以在襯底上設置至少一個對齊標志物，所述至少一個對齊標志物包 含與所述運輸介質相同的材料。這可以允許在一個共用的制造過程中制造 對齊標志物和流體導管。因為對齊標志物可以用于將襯底與另一個襯底光 學地對齊(例如當制造包括多襯底的流控器件時)，所以可能有利的是， 對齊標志物材料額外地包含染料材料。例如，對齊標志物可以是添加了染 料材料的凝膠。
運輸介質可以包含至少兩個由可膨脹材料彼此分離的部分，其中，所 述可膨脹材料在第一工作狀態(tài)下可以允許所述至少兩個部分之間通過所述 膨脹材料流體連通，而在第二工作狀態(tài)下不允許所述至少兩個部分之間通 過所述膨脹材料流體連通。這樣的可膨脹材料可以通過熱控或流控觸發(fā)方 案來膨脹。其可以充當流體閥，用于選擇性地連接或斷開由運輸介質形成 的不同導管。因此，可以實現(xiàn)不同流體通路構造之間的切換。
運輸介質可以粘附到襯底上，使得流控器件非常穩(wěn)定和堅固。由此， 運輸介質和襯底可以被構造成能夠實現(xiàn)運輸介質和襯底之間的接合或穩(wěn)定 連接。例如，在玻璃襯底上形成電泳凝膠材料的微凸起是良好的組合。
運輸介質可以適用于運輸由可外部施加的電力驅動的流體樣品。這樣 的電力可以通過電壓供應單元向與運輸介質實體接觸和電接觸的觸頭供應 電能來施加。換句話說，可以在所沉積的運輸介質內產生電場。
流控器件可以包含一個或多個與運輸介質連接的電觸頭。這樣的觸頭 可以在沉積運輸介質之前被直接形成在襯底上或被嵌入襯底中。這可以允 許在使用之后簡單地洗掉運輸介質，以回收流控器件。于是，電觸頭可以 被再次使用，并且新的運輸介質材料可以被再次沉積在觸頭上?；蛘撸@樣的電觸頭可以作為單獨部件(如針)來提供，并且可以被 浸沒在運輸介質中或可以被設置或浸沒在被形成作為流體容器的凹槽中。
運輸介質可以包括凝膠材料，特別是梯度凝膠材料。梯度凝膠材料可 以用于電泳應用，并且可以隨著流體導管的延伸而逐漸改變凝膠的化學性 質，從而允許在凝膠條帶內選擇性地分離或固定流體樣品的不同級分。
流控器件可以用作流控芯片器件。換句話說，(生命科學)流控芯片 的部件可以被設置在芯片狀襯底(例如玻璃襯底)上和/或其中。這可以允 許流控器件的小型化制造。
具體地，流控器件可以用作流體分離器件。因此，流體的不同組分在 外部電場或力的作用下沿著運輸介質結構被運輸時可以被分離。
具體地，流控器件可以用作電泳器件。電泳領域可以指流體樣品的不 同組分由于樣品的各組分與化學環(huán)境之間的不同親和力以及由于樣品的各 組分在周圍化學環(huán)境(如凝膠)中的不同電荷性質而導致的分離。
流控器件可以用作微流控器件。術語"微流控器件"可以具體指本文 所描述的允許輸運流體通過微孔的流控器件，所述微孔即尺寸在微米或更 小的數(shù)量級大小的孔。
流控器件還可以用作納流控器件。術語"納流控器件"可以具體指本 文所描述的允許輸運流體通過納孔的流控器件，所述納孔即尺寸在納米或 更小的數(shù)量級大小的孔。
流控器件可以用作皮流控器件。術語"皮流控器件"可以具體指本文 所描述的允許輸運流體通過皮孔的流控器件，所述皮孔即尺寸在皮米或更 小的數(shù)量級大小的孔。
流控器件可以適用于運輸包含由抗體、化學和/或生物相關物質、染料 組成的組中的至少一者的流體樣品。因此，流體還可以包含例如具有梯級
(ladder)、抗體、化學相關物質、染料等的混合物(或純組分)。
流控器件還可以包含至少一個通道，所述至少一個通道形成在所述襯 底中，用于引導所述流體樣品。因此，即使運輸介質通過沉積或印刷技術 被施加到襯底的表面上，盡管可以將運輸介質的至少一部分設置在通道 內，但其仍然由于其本身的材料性能而具有自支撐的能力。換句話說，這
16樣的通道的側壁可以是不必要的，或者不對運輸介質的側面限定和穩(wěn)定性 起作用。
流控器件可以包含至少一個流體通道，所述至少一個流體通道形成在 所述襯底中并且填充有用于弓I導所述流體樣品的所述運輸介質，其中所述 至少一個流體通道與設置在所述襯底上的所述運輸介質流體連通。通過這 樣的構造，可以使得流體通路外部的運輸介質和流體通路內的運輸介質部 分之間的流體連通成為可能。
襯底可以包含光學透明材料，以能夠對被分離組分進行光學檢測，例 如檢測電泳條中的樣品的級分的不同的空間上分離的帶。這樣的襯底可以
包含玻璃、石英或如PMMA的塑料材料。
流控器件可以適用于分析由所述流體樣品的至少一種化合物的物理參 數(shù)、化學參數(shù)和生物參數(shù)組成的組中的至少之一。術語"物理參數(shù)"可以 具體指流體樣品的尺寸或溫度。術語"化學參數(shù)"可以具體指分析物的濃 度或級分、親和力參數(shù)等。術語"生物參數(shù)"可以具體指生化溶液中的蛋 白質、基因等的濃度、組分的生物活性等。
流控器件可以包括下列至少一者傳感器器件、用于化學、生物和/或
藥物分析的器件、毛細管電泳器件、電子測量器件和質譜器件。更具體 地，流控器件可以應用于實施利用外力的電和/或磁驅動流體運輸機制的任 何技術應用。
下面將說明用于制造流控器件的方法的更多示例性實施方式。但是， 這些實施方式也適用于流控器件。
所述方法可以包括將運輸介質沉積在襯底上。這樣的沉積工藝可以指
任何這樣的工藝在所述工藝中，運輸介質不僅被注入形成在襯底中的流 體通路中，而且運輸介質被施加到襯底的至少一個表面上。具體地，這樣 的沉積技術可以包括印刷技術，如絲網印刷、噴墨印刷、氣泡噴墨印刷、
平版印刷(intaligo)、膠印印刷、熱激光印刷、壓印、涂漆和滴涂。印刷是 非常容易和便宜的，并且可以以空間方式適當控制，從而可以以低成本制 造流控器件。
所述方法可以包括例如通過以取決于空間的方式沿襯底的延伸方向混合多種組分，來沿襯底設置具有材料梯度的運輸介質。例如，兩個噴嘴或 兩個印刷頭可以以取決于空間的方式提供兩種或更多種不同組分，從而可 以不費勁地制造凝膠梯度運輸介質等。
所述方法可以包括在襯底上進行沉積之前、期間或之后冷凍干燥、快 速冷凍或急速冷凍運輸介質。通過執(zhí)行這樣的工藝，可以產生可以在實際 用于流體分析實驗之前被長時間儲存的流控器件。為了使用，流控器件可 以隨后被融化，并且可以被額外地加濕，以使其達到適于后續(xù)使用的條 件。
所述方法可以包括在所述襯底上施加親水部分和疏水部分的圖案，從 而限定用于被施加到所述流控器件時的流體樣品的通路。當流體樣品是基 于水的(例如是水溶液)時，其將聚集在親水部分中，并且基本上將沒有水 保留在疏水部分中。因此，通過用不同的材料覆蓋不同的表面部分，可以 允許限定出多個流體通路。
所述方法可以包括利用鈍化層覆蓋所述運輸介質的至少一部分。這可 以被執(zhí)行來保護運輸介質免受不期望的外部影響。
所述運輸介質的由鈍化層覆蓋的至少一部分可以被選擇性地去除，特 別是用于制造即時使用的流控器件。
所述方法還可以包括在飽和蒸汽環(huán)境下在所述襯底上設置所述運輸介 質。這可以允許制造高質量的運輸介質，因為這可以抑制或防止干燥(這 在一些示例性實施方式中是優(yōu)選的)。
還可以將"無通道壁"實現(xiàn)為3D結構(如蜘蛛網狀結構)。例如， 可以使用蜘蛛網狀結構的超細纖維作為分離通路。
根據(jù)示例性實施方式，可以實現(xiàn)三維結構(例如從凝膠到電觸頭焊盤 的鍵合-接觸)。
根據(jù)另一示例性實施方式，箔可以具有例如焊盤，所述焊盤上具有電 延伸部。該箔可以隨后根據(jù)需要而被印刷上至少一個分離通道。然后，利 用毛細管或任何其它器件將樣品直接注入流體中(例如像現(xiàn)有芯片中的樣品 塞(sample plug)那樣的40 pl)。然后，樣品可以利用毛細管電泳而分 離。本發(fā)明的實施方式不限于任何具體的操作方式，而是可以使用實現(xiàn)外
部力的任何驅動方式。流體結構的布局是可變的(2D或3D)?？梢蕴峁﹩?獨的流體運輸結構或其復雜網絡。流體運輸介質可以是全部活性的，或者 可以是活性和惰性(非活性)組分的混合物。


通過下面結合附圖對實施方式的更具體的描述，可以很容易地認識并 且更好地理解本發(fā)明的實施方式的目的和許多隨附的優(yōu)點?；旧匣蛘吖?能上相同或者相似的特征將以相同的參考標記來表示。
圖1、圖2、圖3和圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的流控 器件。
附圖中的圖示是示意性的。
具體實施例方式
下面將參考圖1說明根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的流控器件100。 圖1示出了作為凝膠電泳器件的流控器件100的剖視圖。 流控器件100包括玻璃襯底101，在所述玻璃襯底101中例如通過刻 蝕形成有凹槽102。梯度凝膠條帶103作為流體運輸介質被布置在玻璃襯 底101上，以限定用于對電力驅動的流體樣品104進行運輸?shù)倪\輸通路。
雖然運輸介質103的中間部分也被置于凹槽102中，但是運輸介質 103的大部分通過印刷被布置在襯底101的平面表面上。因此，運輸介質 103在沿運輸介質103的側壁(在圖1中不可見)的大部分沒有襯底101 的側面支撐。
由漆(varnish)制成的并且具有例如1 Atm厚度的鈍化層105被沉積在 被運輸介質103局部覆蓋的襯底101的整個表面上。因此，鈍化層105覆 蓋襯底IOI和運輸介質103。
承載元件106被設置作為機械支撐元件，并且包括限定出井108的管 狀部分107。如將在下面更詳細描述的，承載元件106可以以使得能夠經 由井108從外部訪問運輸介質103的方式咬合到由運輸介質103和鈍化層 105覆蓋的襯底101上。如從圖1可以進一步得知的，在連接管狀元件107的下部的承載元件 106的下部中可預見到金屬尖端或切割元件109。其適用于在圖1所示 的、承載元件106被連接到襯底101的工作狀態(tài)下穿透鈍化層105。由 此，尖端109選擇性地破壞鈍化層的處于井108環(huán)境中的部分。
在管狀部分107中，待分析或檢驗的流體樣品104可以利用移液管、 自動取樣器或者分樣器(fractkmer)的流體供應針等填充在器件100中。
鈍化層105也可以由水溶性漆制成，使得與漆105接觸的流體樣品 104選擇性地去除處于管狀部分107的區(qū)域中的漆105。
此外，連接到電壓供應單元111的電觸頭IIO被浸沒在流體樣品104 中，以在流控器件100中的輸運多種組分的流體中產生電場。該電場是進 行凝膠電泳分離所需的。
梯度凝膠103粘附到襯底101上。梯度凝膠103還適用于運輸通過可 外部施加的電力而被驅動的流體樣品104，其中，所述電力由電接觸針 110來產生，電壓通過電壓供應單元111被施加到電接觸針110上。
玻璃襯底101是光學透明的，從而可以允許光學讀取(例如執(zhí)行熒光 測量等)液體樣品的可能隨著梯度凝膠結構103的延伸而被分離的不同級 分(fraction)。
當樣品104被充入井108中并(由于當與樣品104接觸時鈍化層105 的在空間上受限制的去除情況)與凸起的梯度凝膠條帶103接觸時，所施 加的電力(通過將電壓施加到尖端110產生)將迫使流體樣品104中的帶 電組分隨著凝膠條帶103的延伸而移動，從而分離流體樣品104的不同組 分。在分離之后，流體樣品104的不同級分可以例如通過熒光檢測裝置而 被光學檢測(在圖l中沒有示出)。
下面將參考圖2說明根據(jù)本發(fā)明的另一種示例性實施方式的流控器件 200的剖視圖。
流控器件200被形成在玻璃襯底101上。
圖示出了第一運輸介質導管201、第二運輸介質導管202以及第三運 輸介質導管203，其中，第一運輸介質導管201、第二運輸介質導管202 以及第三運輸介質導管203被形成為布置在襯底101的表面頂部的狹長導 管。在垂直于圖2的紙面的方向上，結構201-203沿著實質上大于圖2的 紙面中的橫截面尺寸的尺寸延伸。通過印刷工藝，通過沿著襯底101的二維掃描表面以受控的方式移動
打印頭而選擇性地沉積用于形成導管201-203的凝膠材料，來形成結構 201-203。
第一導管201和第三導管203被直接施加到襯底101的平面部分上， 作為不受到任何襯底101的側面機械支撐的非溝槽(non-trenched)壁或無 通道(channelless)壁。換句話說，導管201-203的無通道壁204提供了足 夠程度的結構201-203的機械穩(wěn)定性，特別是這些結構201-203的側面穩(wěn) 定性。如從圖2可進一步得知的，第一導管201和第三導管203被形成在 表面201的平面部分上，而導管202被印刷成部分地處于形成在襯底101 中的凹槽102中。但是，此第二導管202基本上自身提供了側面機械支 撐，而不需要凹槽102的側壁。
仍然參考圖2，運輸介質導管201-203通過噴墨印刷來形成，而鈍化 層105被形成為襯底101的表面上的連續(xù)層，結構201-203已經被布置在 襯底101的該表面上。鈍化層105的沉積可以通過任何平面沉積工藝來執(zhí) 行，如化學氣相沉積(CVD)、等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)或原子 層沉積(ALD)。
圖3示出了根據(jù)示例性實施方式的流控器件300的平面圖。 在此平面圖中也示出了結構201-203，而在圖3中的實施方式中省略 了鈍化層105。
在結構201-203被沉積之后，其通過冷卻被急速冷凍(shock-freezed)，從而使其處于這樣的狀態(tài)運輸介質結構201-203的凝膠材料 的干燥被避免或延遲。
此外，被形成為多個條帶的第一對齊標志物302和被形成為圓形的第 二對齊標志物303被施加到襯底101的表面。對齊標志物302和303例如 用于在將兩個襯底要被結合在一起時將襯底101相對于另一個襯底(沒有 示出)定位。為此，對齊標志物302和303應該是視覺上可檢測的。為提 供此功能，在將結構201-203印刷在襯底101上的同一工藝期間，結構 302和303被印刷在襯底101的表面上。但是，用于沉積對齊標志物302 和303的材料是另外還包含染料材料的流體分離凝膠。
此外，圖3示出了流控器件300的多個部分的放大剖視圖。
如可從第三導管結構203的放大剖視圖可得知的，此導管203的側壁
21204無需外部支撐本身(intrinsically)就是機械穩(wěn)定的，并且凝膠材料的 下部以機械固定方式固定連接和粘附在襯底101的表面上。
如可從對齊標志物302的放大剖視圖可得知的，這些對齊標志物302 的側壁無需外部支撐本身就是機械穩(wěn)定的，并且凝膠材料的下部以機械固 定方式固定連接和粘附在襯底101的表面上。
為了將流控器件300用于電泳實驗，可以融化急速冷凍的裝置300， 并且可選將其加濕，以便使其適用于實驗。
下面將參考圖4說明根據(jù)示例性實施方式的流控器件400。
圖4示出了處于部分分解狀態(tài)的流控器件400。
其包含芯片部件401和承載元件402。
芯片部件401包含玻璃襯底101，其中，兩個凝膠結構103 (其中之一 是分叉的)例如通過印刷形成在所述玻璃襯底101上。在此結構的頂面上 沉積漆材料鈍化層105。
承載元件402包含多個井108。每一個井108具有規(guī)定的尖端或切割 元件109。以如圖1所示的相似方式并且如箭頭403所示，承載元件402 可以通過咬合或利用搭扣配合連接方式附接到芯片元件401上，這可以由 可與襯底101的下表面對齊的緊固元件404來促進。當使用者將承載元件 咬合在芯片部件401上時，尖端109自動地穿透漆層105。當流體樣品被 充入井108中時，流體樣品可以與部分地暴露的運輸介質結構103流體連 通。
應當注意，術語"包括"或"包含"不排除其它元件或特征，并且對 應于冠詞的術語"一個"不排除"多個"的情況。此外，可以將結合不同 實施方式而描述的元件組合在一起。應當注意，權利要求中的參考標記不 應解釋為對權利要求的限制。
權利要求
1.一種流控器件(100)，包括襯底(101)；運輸介質(103)，其設置在所述襯底(101)上以限定出運輸通路，所述運輸通路用于運輸由外力驅動的流體樣品(104)。
2. 如權利要求1所述的流控器件(200)，其中，所述運輸介質(201-203)包括非溝槽壁(204)。
3. 如權利要求1-2中任意一項所述的流控器件(200)， 其中，所述運輸介質(201-203)包括無通道壁(204)。
4. 如權利要求1或前述權利要求中任一項所述的流控器件(200)， 其中，所述運輸介質(201-203)沿所述運輸介質(201-203)的側壁(204)的至少一部分沒有由所述襯底(101)進行側面機械支撐。
5. 如權利要求3或前述權利要求中任一項所述的流控器件(200)， 其中，所述無通道壁(204)由所述運輸介質(201-203)的邊緣部分來限定。
6. 如權利要求3或前述權利要求中任一項所述的流控器件(200)， 其中，所述無通道壁(204)被形成為在功能上獨立于所述襯底(101)中的表面下溝槽(102)。
7. 如權利要求1或前述權利要求中任一項所述的流控器件(100,300)， 包括至少一個形成在所述襯底(101)中并與所述運輸介質(103，201-203)流體連通的凹槽(102,304)。
8. 如權利要求1或前述權利要求中任一項所述的流控器件(IOO)， 其中，所述運輸介質(103)被干燥并且在能夠運輸所述流體樣品(104)之前可被加濕。
9. 如權利要求1或前述權利要求中任一項所述的流控器件(IOO)， 包括覆蓋所述運輸介質(103)的至少一部分的鈍化層(105)。
10. 如權利要求9所述的流控器件(IOO)，其中，所述鈍化層(105)包括由漆、硅酮和可水溶性材料組成的組中的至少一種材料。
11. 如權利要求i或前述權利要求中任一項所述的流控器件(ioo)，包括具有井(108)的承載元件(106)，其中，所述承載元件(106)適于以 使得能夠通過所述井(108)從外部訪問所述運輸介質(103)的方式連接到襯底 (101)。
12. 如權利要求11所述的流控器件(IOO)，其中，所述承載兀件(106)包括尖乂而(109)， 所述尖乂而(109)被定j乂禾口設 計來在所述承載元件(106)連接到所述襯底(101)時穿透所述鈍化層(105)。
13. 如權利要求1或前述權利要求中任一項所述的流控器件(IOO)， 包括可拆卸蓋，特別是可去除箔，其覆蓋所述襯底(101)的至少一部分和所述運輸介質(103)的至少一部分，并且適于在去除所述箔時選擇性暴露 所述襯底(101)和所述運輸介質(103)的至少一個表面部分。
14. 如權利要求1或前述權利要求中任一項所述的流控器件(300), 包括至少一個對齊標志物(302，303)，所述至少一個對齊標志物(302,303)設置在所述襯底(101)上并包含與所述運輸介質(103)相同的材料。
15. 如權利要求14所述的流控器件(300)，其中，所述至少一個對齊標志物(302，303)還包含染料材料。
16. 如權利要求1或前述權利要求中任一項所述的流控器件(IOO)， 其中，所述運輸介質(103)包含至少兩個由可膨脹材料彼此分離的部分，其中，所述可膨脹材料在膨脹狀態(tài)下可以使所述至少兩個部分之間能 夠通過所述膨脹材料而流體連通，而在非膨脹狀態(tài)下使所述至少兩個部分 之間不能通過所述膨脹材料而流體連通。
17. 如權利要求1或前述權利要求中任一項所述的流控器件(IOO)， 其中，所述運輸介質(103)粘附到所述襯底(101)。
18. 如權利要求1或前述權利要求中任一項所述的流控器件(IOO)， 其中，所述運輸介質(103)適于運輸由電力驅動的所述流體樣品(104)。
19. 如權利要求1或前述權利要求中任一項所述的流控器件(IOO)， 其中，所述運輸介質(103)適于運輸由可外部施加的電力驅動的所述流體樣品(104)。
20.如權利要求1或前述權利要求中任一項所述的流控器件(100)，包括如下特征中的至少之一所述流控器件(100)包含用于與所述運輸介質(103)電耦合的電觸頭(110);所述流控器件(100)包含用于通過所述流體樣品(104)而與所述運輸介質 (103)電耦合的電觸頭(110);所述運輸介質(103)包括凝膠； 所述運輸介質(103)包括梯度凝膠或凝膠狀流體；所述流控器件(1 OO)用作流控芯片器件； 所述流控器件(1 OO)用作流體分離器件； 所述流控器件(1 OO)用作電泳器件； 所述流控器件(1 OO)用作凝膠電泳器件； 所述流控器件(1 OO)用作微流控器件； 所述流控器件(1 OO)用作納流控器件； 所述流控器件(1 OO)用作皮流控器件；所述流控器件(100)適于運輸包含由抗體、化學相關物質、生物相關物 質和染料組成的組中的至少一者的流體樣品(104);所述流控器件(100)包含至少一個通道(102)，所述至少一個通道(102) 形成在所述襯底(101)中，用于引導所述流體樣品(104);所述流控器件(100)包含至少一個通道(102)，所述至少一個通道(102) 形成在所述襯底(101)中并且填充有用于引導所述流體樣品(104)的所述運輸 介質(103)，其中，所述至少一個通道(102)與設置在所述襯底(101)上的所 述運輸介質(103)流體連通；所述襯底(101)包含光學透明材料；所述襯底(101)包含由玻璃、半導體材料、塑料材料、PMMA、陶瓷材料和金屬材料構成的組中的至少一種材料；所述流控器件(100)適于分析由所述流體樣品(104)的至少一種化合物的物理參數(shù)、化學參數(shù)和生物參數(shù)組成的組中的至少一項；所述流控器件(100)包括下列至少一者傳感器器件、用于化學、生物和/或藥物分析的器件、毛細管電泳器件、電子測量器件和質譜器件。
21. —種制造流控器件(100)的方法，所述方法包括將運輸介質(103)設置在所述流控器件(100)的襯底(101)上，以形成用 于運輸由外力驅動的流體樣品(104)的運輸通路。
22. 如權利要求21所述的方法，包括將所述運輸介質(103)沉積在所述襯底(101)的表面上。
23. 如權利要求21或22所述的方法，包括通過印刷將所述運輸介質(103)設置在所述襯底(101)上。
24. 如權利要求23所述的方法，包括通過由絲網印刷、噴墨印刷、氣泡噴墨印刷、平版印刷、膠印印 刷、熱激光印刷、壓印、涂漆和滴涂組成的組中的一種將所述運輸介質 (103)設置在所述襯底(101)上。
25. 如權利要求21或前述權利要求中任一項所述的方法， 包括通過以取決于空間的方式混合多種由不同材料制成的組分，來在所述襯底(101)上設置具有材料梯度的所述運輸介質(103)。
26. 如權利要求21或前述權利要求中任一項所述的方法， 包括對所述襯底(101)上的所述運輸介質(103)進行冷凍干燥、快速冷凍和急速冷凍中的至少一項。
27. 如權利要求21或前述權利要求中任一項所述的方法，包括在所述襯底(101)上施加親水部分和疏水部分的圖案，從而限定被 施加到所述流控器件(100)時所述流體樣品(104)的通路。
28. 如權利要求21或前述權利要求中任一項所述的方法， 包括利用鈍化層(105)覆蓋所述運輸介質(103)的至少一部分。
29. 如權利要求28所述的方法，包括去除所述運輸介質(103)的由所述鈍化層(105)覆蓋的至少一部分， 從而形成至少一個包埋通道。
30. 如權利要求21或前述權利要求中任一項所述的方法， 包括在飽和蒸汽環(huán)境下在所述襯底(101)上設置所述運輸介質(103)。
全文摘要
本發(fā)明涉及無通道流體樣品運輸介質。一種流控器件(100)，其包括襯底(101)和運輸介質(103)，所述運輸介質(103)設置在所述襯底(101)上，以限定出用于運輸由外力驅動的流體樣品(104)的運輸通路。
文檔編號B01J19/00GK101516510SQ200680055529
公開日2009年8月26日 申請日期2006年8月3日 優(yōu)先權日2006年8月3日
發(fā)明者帕特里克·卡爾滕巴赫, 斯特凡·法勒克-喬丹 申請人:安捷倫科技有限公司