專利名稱：用于核酸分析的顯微流體系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
基因組測(cè)序和蛋白學(xué)的飛速發(fā)展促使生物技術(shù)部門開(kāi)發(fā)出更快捷、更高效的器件，用于檢測(cè)和分析生物樣品中的核酸。因此，生物技術(shù)部門投入大量精力來(lái)開(kāi)發(fā)小型化的、常被稱為芯片上的實(shí)驗(yàn)室的、用于樣品分析的顯微流體裝置。這種器件可以分析容量非常小的流體樣品，使試劑和樣品的使用更經(jīng)濟(jì)，并且在某些情況下明顯加快了測(cè)定速度。這些器件為未來(lái)的人體健康測(cè)評(píng)、遺傳篩選、病菌檢測(cè)、常規(guī)的生物領(lǐng)域分析以及在一個(gè)臨床環(huán)境或領(lǐng)域中快速實(shí)施相對(duì)低成本過(guò)程提供了可能。然而，當(dāng)前用于核酸分析的顯微流體裝置在樣品的電操作、自動(dòng)操作以及/或敏感性方面是有缺陷的。
有些顯微流體裝置過(guò)度專注于樣品中核酸的自動(dòng)制備。通常，這些器件配置成可接收未經(jīng)加工的樣品(如細(xì)胞懸浮液)，并利用化學(xué)和/或物理方法從懸浮液中析取和提純核酸。然而，這些器件通常缺乏對(duì)極少量已提純核酸實(shí)施電操作的能力。因此，這些器件可能也缺乏對(duì)測(cè)定條件的敏感性以及精確/靈活的控制，或許不能夠在電操作提供的時(shí)間尺度上實(shí)施核酸分析。
其他顯微流體裝置過(guò)分專注于對(duì)流體和核酸的電操作。這些其他的器件通常在利用非電方法自動(dòng)從樣品中析取或提純核酸方面缺少靈活性。因此，核酸的制備可能需要(例如人工地)單獨(dú)實(shí)施，所獲核酸的純度可能不足或者只能從有限的樣品組中獲取。

發(fā)明內(nèi)容
在這里提供了一個(gè)系統(tǒng)(包括裝置和方法)，主要用于對(duì)帶有核酸和廢料的樣品中的核酸進(jìn)行顯微流體處理和/或分析。所述系統(tǒng)包括一個(gè)由流體處理部分和測(cè)定部分組成的顯微流體裝置。流體處理部分配置成可機(jī)械地移動(dòng)流體，并且規(guī)定了至少一個(gè)流體隔間。流體處理部分配置成可接收樣品，并且在流體隔間內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，從而至少部分地將核酸從廢料中分離出來(lái)。測(cè)定部分與流體處理部分相連，并且規(guī)定了至少一個(gè)流體室。流體室與流體隔間之間流體連接。測(cè)定部分包含用來(lái)處理流體室內(nèi)的核酸的電子裝置。
附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中顯微流體系統(tǒng)的立體圖。所述的顯微流體系統(tǒng)設(shè)有一個(gè)用以與示范性控制裝置相配的集成顯微盒。在樣品處理和/或分析過(guò)程中，控制裝置用來(lái)為所配裝的顯微盒供電并控制其操作。
圖2是關(guān)于圖1所示的盒和控制裝置的選定方位的局部剖面圖。
圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中關(guān)于圖1所示盒和控制裝置的示意圖。圖中說(shuō)明了流體、樣品、電流、數(shù)字信息以及被檢測(cè)信號(hào)的走向。
圖4是說(shuō)明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中關(guān)于圖1所示盒和控制裝置的示范操作方法的流程圖。
圖5是關(guān)于圖1和圖3所示盒的更詳細(xì)的流程圖。圖中說(shuō)明了執(zhí)行圖4方法的一個(gè)流體網(wǎng)格。
圖6是突出表示在樣品裝入期間圖5所示盒的有效區(qū)域的示意圖。
圖7是突出表示在處理樣品、由此在過(guò)濾器堆中分離核酸期間圖5所示盒的有效區(qū)域的示意圖。
圖8是突出表示在核酸從過(guò)濾器堆中釋放以及被釋放核酸在盒的測(cè)定部分濃縮期間圖5所示盒的有效區(qū)域的示意圖。
圖9是突出表示在濃縮的核酸與增強(qiáng)試劑相平衡、并被傳輸至測(cè)定部分的增強(qiáng)室期間圖5所示盒的有效區(qū)域的示意圖。
圖10是突出表示在選擇性增強(qiáng)后核酸被傳輸至測(cè)定部分的測(cè)定室期間圖5所示盒的有效區(qū)域的示意圖。
圖11是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中從盒外部觀看到的包含在圖1和圖5所示盒中測(cè)定部分的平面圖，圖中表示選定方位的測(cè)定部分。
圖12是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中通常沿著圖11中的行12-12觀察到的、與圖1和圖5所示盒的流體處理部分相連的、關(guān)于圖11所示測(cè)定部分的局部剖面圖。
圖13-19是在改進(jìn)基板以產(chǎn)生圖12所示測(cè)定部分時(shí)的基板的局部剖面圖。
圖20是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中流體連接兩個(gè)鄰近基板表面形成的流體隔間的通道的示意圖，該通道進(jìn)、出基板的表面，與基板的另一表面不連通。
圖21-23是在改進(jìn)基板以產(chǎn)生圖20所示通道時(shí)的基板的局部剖面圖。
圖24是如圖23所示通道的一個(gè)改型的局部剖面圖。
圖25是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中利用圖21-23所示基板改進(jìn)的一個(gè)變形例在測(cè)定部分中形成的混合室的平面圖。
圖26是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中如圖12所示的選定方位的一個(gè)更詳細(xì)的視圖，說(shuō)明了相對(duì)于測(cè)定室和一個(gè)基板限定通道的選定薄膜層的配置。
詳細(xì)說(shuō)明這里所提供的系統(tǒng)(包括方法和裝置)主要用于對(duì)核酸的顯微流體分析。所述系統(tǒng)可以包括一個(gè)盒，配置成可在輸入端口接收樣品、對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理以分離核酸并根據(jù)所被研究一個(gè)或多個(gè)核酸種類來(lái)測(cè)定已分離核酸。對(duì)盒的操作可由一個(gè)控制裝置來(lái)控制，所述控制裝置可通過(guò)電、機(jī)、光和/或聲的方式與盒相聯(lián)。盒可以包括分立的部分和裝置一個(gè)流體處理部分，用于處理宏觀的或大容量流體；一個(gè)流體連接的電子測(cè)定部分，用于處理微觀的或小容量流體。這兩個(gè)部分執(zhí)行截然不同的功能。流體處理部分有若干個(gè)用于容納、傳遞、按規(guī)定路線發(fā)送以及/或接收樣品和試劑的容器。該部分還包括一個(gè)預(yù)處理部位，用來(lái)將核酸或其他被研究分析物從樣品中分離出來(lái)。流體處理部分將試劑及已分離的核酸(或分析物)傳遞至電子測(cè)定部分，在該處可通過(guò)電子裝置完成對(duì)核酸的進(jìn)一步處理和測(cè)定。
流體處理部分或器件可以在宏觀世界(如用戶)和盒之間提供各種接口連接。例如，流體處理部分提供了一個(gè)流體接口或輸入端口，用于接收樣品；提供電氣接口以與控制裝置電連接。流體處理部分還可以為控制裝置提供一個(gè)機(jī)械接口(例如機(jī)械控制閥、泵和外加壓力等)。還可選用或并用以下方式流體處理部分可提供一個(gè)用戶接口，使得顯微流體裝置能被抓握并易于在控制裝置上安裝或拆除?？梢酝ㄟ^(guò)一個(gè)構(gòu)成流體處理部分外部的外殼來(lái)裝配機(jī)械接口和用戶接口。
流體處理部分配置成可存儲(chǔ)流體、試劑和/或樣品，并且可按時(shí)間和空間的調(diào)節(jié)方式定向移動(dòng)流體、試劑和/或樣品，使其通過(guò)流體處理部分和測(cè)定部分的選定部分。因此，流體處理部分可包括容納用于預(yù)處理和/或處理樣品的流體的試劑室、用于接收來(lái)自流體處理部分和測(cè)定部分的廢液及副產(chǎn)品的廢物室、使樣品輸入部位與試劑室及廢物室流體上相互連接的中間室/通道。中間室包括一個(gè)用于預(yù)處理樣品使核酸從樣品中分離出來(lái)的部位。
流體處理部分在流體操作過(guò)程中起主要作用。流體處理部分可通過(guò)機(jī)械驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)來(lái)將試劑和樣品移過(guò)流體處理部分和測(cè)定部分。此外，與電子測(cè)定部分相比，這個(gè)部分擁有較大的流體容量。因此，可用能夠提供任何必要的分支的和/或復(fù)雜的流體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的方法和材料來(lái)形成流體處理部分。例如，可以用噴射模塑法或其他適當(dāng)方法，完全用塑料制成流體處理部分。此外，流體處理部分的流體網(wǎng)格可以按任何適當(dāng)?shù)娜S結(jié)構(gòu)延伸，且通常不受沿平面來(lái)規(guī)定流體網(wǎng)格這一要求的約束。所以，流體處理部分可提供靈活的流體走向，使流體在流體網(wǎng)格中穿過(guò)各個(gè)不同尺度的交替路徑。在一些實(shí)施例中，流體處理部分可確定從共用面伸出2毫米以上的流體路徑。
測(cè)定部分或器件(還可稱為芯片部分)被流體連接至流體處理部分，并可固定在該部分上。測(cè)定部分不可與用戶接口直接流體連接，也就是說(shuō)，測(cè)定部分直接從流體處理部分(但通常不直接從外部)接收樣品或試劑。
測(cè)定部分配置成包括電子電路(也可稱作電子裝置)，電子電路又包括半導(dǎo)體器件(晶體管、二極管等)和薄膜器件(薄膜電阻器、導(dǎo)體、鈍化層等)。這種電子器件設(shè)于測(cè)定部分的一個(gè)基層或基板上。本說(shuō)明書(shū)中，用語(yǔ)“形成于基板上”意指在基板上或基板內(nèi)設(shè)立半導(dǎo)體器件和薄膜器件。適當(dāng)?shù)幕逋ǔＪ瞧秸模砂ò雽?dǎo)體(例如硅或砷化鎵)或絕緣體(例如玻璃、陶瓷或氧化鋁)。在半導(dǎo)體基板的情況下，可直接在基板內(nèi)設(shè)立半導(dǎo)體器件，也就是說(shuō)，在基板表面上和/或基板表面下設(shè)立半導(dǎo)體器件。在絕緣基板的情況下，可將一個(gè)半導(dǎo)體層覆在基板上，例如在平面屏應(yīng)用中。
在測(cè)定部分中，基板可起到條理化的作用?；蹇梢愿皆谝粋€(gè)流體阻擋上，所述流體阻擋可與基板和電子電路一起確定至少一個(gè)流體隔間。因?yàn)榛逋ǔＳ幸粋€(gè)平整的表面，流體隔間以及部分地由基板和相關(guān)的電子電路限定的其他流體隔間都有一個(gè)受到平面基板幾何形狀約束的空間構(gòu)造。電子電路或至少其薄膜部分設(shè)在基板的一個(gè)表面上，并相對(duì)于流體隔間設(shè)在可工作的位置，由此在流體隔間內(nèi)提供了處理核酸的電子器件。而基板的相反表面可與流體處理部分鄰接。
與流體處理部分相比，測(cè)定部分的流體容量相當(dāng)小。在測(cè)定部分內(nèi)形成的處理室會(huì)受適用基板的幾何形狀的限定。所以，至少測(cè)定部分中某些室的尺寸比流體處理部分中的流體室尺寸要小，其容積小于50微升，較理想的是小于10微升，最好小于1微升。因此，通過(guò)工作上連接的電子裝置，測(cè)定部分的處理室可利用電子裝置來(lái)處理流體容積是這種處理室的靜態(tài)流體容量若干倍的樣品。例如，通過(guò)保留核酸，測(cè)定部分可以濃縮從流體處理部分的流體中收集到的核酸，但不使大部分流體返回流體處理部分。所以，盒的不同部分可以相互協(xié)作，由此執(zhí)行不同的流體操作和樣品處理步驟。
在下面的部分中將提供更多的內(nèi)容(I)帶有集成盒的顯微流體分析，(II)顯微流體系統(tǒng)，(III)樣品，以及(IV)測(cè)定。
I.采用一種集成盒的顯微流體分析這部分描述了一個(gè)顯微流體系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個(gè)盒狀的集成的顯微流體裝置，用于樣品處理和/或分析。這部分還包括了使用所述器件的方法。盒和方法的其他方面在下面的部分II中描述。此外，在下一部分中描述的盒和方法的情況可用于部分III中描述的任何樣品，并且/或者可用于部分IV中描述的任何測(cè)定。
圖1-3顯示的是一個(gè)實(shí)施例中用于樣品(尤其是包含核酸的樣品)處理和測(cè)定的顯微流體系統(tǒng)10。圖1和圖2是分別表示所述系統(tǒng)的立體圖和剖面圖。圖3是所述系統(tǒng)10的示意圖，圖中對(duì)所述系統(tǒng)的選定部分進(jìn)行說(shuō)明。系統(tǒng)10包括一個(gè)控制裝置12和一個(gè)集成的盒14，所述盒14配置成與控制裝置12電連接。在圖1和圖2中，盒14對(duì)準(zhǔn)并被控制裝置容納，也就是被安裝在控制裝置上。本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“盒”描述了一個(gè)安裝在較大的控制裝置上的小模塊單元。本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“安裝在”表示盒與控制裝置完全相配，通常至少是盒部分地插入控制裝置。因此，控制裝置12可包括一個(gè)可相配地放入盒14的凹槽16，例如，通過(guò)一個(gè)電氣接口來(lái)實(shí)現(xiàn)所述電氣接口通過(guò)盒14上的電接觸塊18和凹槽16上的對(duì)應(yīng)的觸頭結(jié)構(gòu)20之間的接觸而構(gòu)成(見(jiàn)圖2)。另外，也可采用任何其他適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制裝置12與盒14的電連接、電容連接和/或電感連接?？刂蒲b置12可具有任何適當(dāng)?shù)某叽?，如小到可以用手握住或大到可在工作臺(tái)或地板上使用。
控制裝置12配置成可接收和發(fā)送控制信號(hào)至盒14，以控制盒14內(nèi)的處理過(guò)程。在一些實(shí)施例中，盒14包括檢測(cè)電子裝置。通過(guò)這種電子裝置，控制裝置接收來(lái)自盒14的信號(hào)，這些信號(hào)被控制裝置12用來(lái)確定測(cè)定的結(jié)果。通過(guò)盒內(nèi)與電子器件相連的電接線和/或通過(guò)與盒相接的傳感器，控制裝置可監(jiān)測(cè)和控制盒內(nèi)的狀況(如溫度、流率、壓力等)。還可選用或并用以下方式控制裝置12可從盒上的信息存儲(chǔ)器件(見(jiàn)下面)讀取信息，由此確定有關(guān)盒的信息(如盒包含的試劑、盒執(zhí)行的測(cè)定、可接受的樣品容量或類型和/或類似的信息)。因此，控制裝置12通常提供一些或所有的在以下的部分II中描述的輸入和輸出線，其中包括電力線/地線、數(shù)據(jù)輸入線、點(diǎn)火脈沖線、數(shù)據(jù)輸出線和/或時(shí)鐘線。
控制裝置12可參與測(cè)定數(shù)據(jù)的最后處理過(guò)程或者將測(cè)定數(shù)據(jù)傳輸至另一個(gè)器件?？刂蒲b置12可解釋結(jié)果，如多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分析(例如從一個(gè)測(cè)試核酸的結(jié)合到一組受體(見(jiàn)下面))和/或數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)分析和/或統(tǒng)計(jì)分析。還可選用或并用以下方式控制裝置12可將測(cè)定數(shù)據(jù)傳輸至另一個(gè)器件(如一被集中控制的結(jié)構(gòu))。因此，控制裝置12可在移送數(shù)據(jù)之前整理測(cè)定數(shù)據(jù)。
控制裝置12包括一個(gè)處理數(shù)字信息的控制器22(見(jiàn)圖3)。如圖中的雙箭頭24、26、28所示，控制器通常發(fā)送和接收電信號(hào)以協(xié)調(diào)由控制裝置12和盒14所實(shí)施的電的、機(jī)械的和/或光的操作。
如圖3中26所示，控制裝置12通過(guò)用戶接口30與用戶進(jìn)行通信。用戶接口可包括一個(gè)小鍵盤32(見(jiàn)圖1)、一個(gè)屏幕34、一個(gè)鍵盤、一個(gè)觸摸墊、一個(gè)鼠標(biāo)和/或類似的裝置。通常，用戶接口允許用戶輸入和/或輸出數(shù)據(jù)。例如，利用輸入數(shù)據(jù)可發(fā)信號(hào)通知樣品處理開(kāi)始、樣品處理停止、各種處理參數(shù)值(如時(shí)間、溫度、將要執(zhí)行的測(cè)定等)輸入和/或類似的操作。輸出數(shù)據(jù)(如處理進(jìn)程、盒的參數(shù)、測(cè)量的結(jié)果等)可被顯示在屏幕34上、被發(fā)送至一臺(tái)打印設(shè)備(未圖示)、被存入機(jī)載存儲(chǔ)器中和/或被發(fā)送至另一個(gè)數(shù)字設(shè)備，如個(gè)人計(jì)算機(jī)以及其他設(shè)備。
控制裝置12還可以包括一個(gè)或多個(gè)與盒14相接的光學(xué)、機(jī)械和/或流體接口(見(jiàn)圖2和圖3)。光學(xué)接口36可接收來(lái)自盒14的光束和/或發(fā)送光束至盒14。當(dāng)盒與控制裝置12配裝在一起時(shí)，光學(xué)接口36可與盒14上的光學(xué)透明區(qū)域38對(duì)齊(見(jiàn)圖2和下面的討論)。因此，光學(xué)接口36可以擔(dān)當(dāng)一個(gè)檢測(cè)裝置，這個(gè)檢測(cè)裝置中設(shè)有一個(gè)或多個(gè)發(fā)射器和接收來(lái)自盒光學(xué)信息的探測(cè)器。這種光學(xué)信息可涉及盒內(nèi)處理過(guò)程產(chǎn)生的測(cè)定結(jié)果。還可選用或并用以下方式光學(xué)接口36還參與樣品處理過(guò)程，例如可以為光催化化學(xué)反應(yīng)、樣品分裂、樣品加熱等提供光源。如圖3中24處所示，在任何情況下，對(duì)應(yīng)于控制器22接收的測(cè)量結(jié)果，控制器22可直接指導(dǎo)對(duì)光學(xué)接口36的操作，因而使得來(lái)自光學(xué)接口36的測(cè)量結(jié)果被處理并通過(guò)電子裝置儲(chǔ)存?？刂蒲b置12可包括一個(gè)或多個(gè)電子裝置控制的機(jī)械接口(未圖示)，用于供給或調(diào)節(jié)盒上的壓力?？刂蒲b置12的示范性機(jī)械接口可包括一個(gè)或多個(gè)閥門致動(dòng)器以及用于控制閥門致動(dòng)器、注射泵、近程聲波定位器和/或氣動(dòng)壓力源的閥門調(diào)節(jié)器。在一些實(shí)施例中，控制裝置可包括一個(gè)或多個(gè)將控制裝置流體連接至盒的流體接口。例如，控制裝置可包括流體容器，用于儲(chǔ)存流體以及將流體傳遞至盒。然而，這里示出的控制裝置12并未配置成流體連接至盒14。相反，在本實(shí)施例中，在操作期間，盒14是一個(gè)封閉的或孤立的流體系統(tǒng)，也就是說(shuō)，它是一個(gè)流體網(wǎng)格，在樣品被接收之后，其中的流體不會(huì)再被添加或從網(wǎng)格中被移去。關(guān)于光學(xué)檢測(cè)的更多情況以及顯微流體系統(tǒng)中的機(jī)械接口和流體接口將在以下部分II中描述。
可以適當(dāng)?shù)貙?duì)盒14進(jìn)行配置并確定其尺寸。在一些實(shí)施例中，盒14是一個(gè)用完即扔的東西，也就是說(shuō)，是打算一次性用于分析一個(gè)樣品或一組樣品(通常并行處理)的東西。盒14可具有一個(gè)由即將執(zhí)行的測(cè)定、將被操作的流體容積、盒的非流體容積等限定的尺寸。然而，盒14一般都很小，用一只手就能輕易握住或?qū)ζ洳僮?或更小)。
盒14通常包括至少兩個(gè)結(jié)構(gòu)和功能截然不同的組成部分一個(gè)流體處理部分42和一個(gè)測(cè)定(或芯片)部分44。流體處理部分可包括一個(gè)外殼45。所述外殼45構(gòu)成了一個(gè)與控制裝置連接的外部機(jī)械接口，用于操作泵和閥門。外殼可規(guī)定內(nèi)部流體隔間的結(jié)構(gòu)。外殼45還可大體上規(guī)定盒的外部結(jié)構(gòu)，由此提供一個(gè)用戶可操縱的抓握面。測(cè)定部分44可與流體處理部分42固定連接，如附著在流體處理部分42的外部或內(nèi)部表面上。例如，當(dāng)結(jié)果由光學(xué)裝置(如使用光學(xué)接口36)測(cè)得時(shí)，測(cè)定部分44的外部連接是適合的。當(dāng)結(jié)果被電子裝置測(cè)得時(shí)或者當(dāng)流體處理部分42為光學(xué)透明時(shí)，內(nèi)部和/或外部連接都是適當(dāng)?shù)摹Ｕ缦旅嫠枋龅?，測(cè)定部分44通常還被流體連接到流體處理部分42，以讓流體在這兩部分間交換。
因此，流體處理部分42可配置成作如下操作接收來(lái)自盒外部的流體，存儲(chǔ)流體，以及將流體傳遞至流體處理部分42和測(cè)定部分44中的流體隔間，例如通過(guò)機(jī)械驅(qū)動(dòng)的流體流動(dòng)。因此，流體處理部分可確定一個(gè)流體網(wǎng)格46，所述流體網(wǎng)格46的流體容量(容積)基本大于測(cè)定部分44相應(yīng)的流體網(wǎng)格(或流體空間)48的流體容量(容積)。每個(gè)流體網(wǎng)格可設(shè)有一個(gè)流體隔間或者(更具代表性)多個(gè)的流體連接的流體隔間，以及一些通常由流體管道相連的流體室。
流體處理部分42包括一個(gè)樣品輸入部位或端口50。一般可以從外部進(jìn)入樣品輸入部位50，但是，在引入樣品后，樣品輸入部位50是可封閉的。圖中所示的盒14只包括一個(gè)樣品輸入部位50，但是，流體處理部分42可包括任何適當(dāng)數(shù)量的樣品輸入部位。
流體處理部位42還包括一個(gè)或多個(gè)試劑容器52(或流體存儲(chǔ)室)，用于運(yùn)送支持試劑(見(jiàn)圖3)。可以從外部進(jìn)入每個(gè)試劑容器52，這樣，可在制成流體處理部分之后注入試劑。另外，在制造流體處理部分期間，某些或全部試劑容器52也可被裝入試劑。支持試劑一般包括任何參與樣品處理、分析和/或盒14的一般操作的流體溶液或混合物。
流體處理部分42也可包括一個(gè)或多個(gè)額外的流體室，如預(yù)處理室54和/或廢物室56。預(yù)處理室54和廢物室56只能從內(nèi)部進(jìn)入，例如通過(guò)樣品輸入部位50和/或試劑容器52，或者有一個(gè)或多個(gè)能由用戶從外部到達(dá)。預(yù)處理室是用于改進(jìn)樣品成分的流體通道，而且一般協(xié)助流體流動(dòng)。例如，這樣的通道可將分析物(如核酸)從輸入的樣品中分離出來(lái)，也就是說(shuō)，如下面所描述的，至少部分地將分析物從廢料或樣品的廢物部分中分離出來(lái)。關(guān)于流體處理部分更多的情況將在以下部分II中描述。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，除了樣品輸入部位50以外，流體處理部分42且實(shí)際上盒14的所有流體隔間將被密封。這種密封操作可以避免潛在的試劑污染，確保安全和/或避免流體處理部分42中流體的損失。假如試劑或副產(chǎn)品泄露和/或與用戶接觸，有些試劑和/或由預(yù)處理和/或附加處理產(chǎn)生的處理過(guò)程副產(chǎn)品可能是有毒的或會(huì)以其他的方式對(duì)用戶帶來(lái)危險(xiǎn)。此外，有些試劑可能非常昂貴，因此，在盒14中是最小的供應(yīng)量。所以，優(yōu)選實(shí)施例中的盒14是一個(gè)完整的、密封的、一次性使用的盒，并且這個(gè)盒14帶有僅用于樣品輸入50的流體接口、一個(gè)電氣接口18以及可選擇的機(jī)械、光學(xué)和/或聲學(xué)接口。
測(cè)定部分44用來(lái)在流體處理部分42中核酸被分離后，在流體網(wǎng)格48中對(duì)核酸作進(jìn)一步的處理。因此，測(cè)定部分44依賴于電子裝置或電子電路58，電子裝置58可包含用以便于對(duì)來(lái)自流體處理部分42的核酸的受控處理過(guò)程的薄膜電子器件。相反，測(cè)定部分44中的大部分流體可經(jīng)由來(lái)自流體處理部分42的機(jī)械驅(qū)動(dòng)的流體傳遞，使其經(jīng)過(guò)測(cè)定部分44，而后又返回流體處理部分42。
測(cè)定部分中的電子電路58可包括薄膜電子器件，用于改進(jìn)和/或檢測(cè)流體和/或分析物的性質(zhì)。這種薄膜器件的示范性作用可包括濃縮已分離核酸、將核酸移至不同的反應(yīng)室和/或測(cè)定部位、控制反應(yīng)狀況(如增強(qiáng)、受體的雜化、雙鏈核酸的變性等期間的反應(yīng)狀況)和/或類似的作用(還是見(jiàn)部分II)。一些薄膜器件與流體網(wǎng)格48的任何區(qū)域可操作連接。例如，這種可操作連接可包括直接與流體接觸、與電極接觸或者由一個(gè)或多個(gè)絕緣薄膜層將流體隔開(kāi)(見(jiàn)下面)。在每種情況下，被操作處置的器件可被設(shè)置在基板表面附近(見(jiàn)下面)。關(guān)于電子電路、薄膜層和基板更多的情況，在本部分的下文和部分II中描述。
通過(guò)電連接至控制裝置12，至少可部分控制測(cè)定部分44的電子電路58。例如，如圖3所示，控制器22可通過(guò)觸頭結(jié)構(gòu)20(如28所示)與放置在盒14的流體處理部分42上的電接觸塊18連接。電接觸塊18轉(zhuǎn)而與電子電路58電連接(如60所示)。一個(gè)或多個(gè)附加的集成電路或接口電路可通過(guò)與電接觸塊18電連接，經(jīng)由電接觸塊18與電路58連接，讓電路58具有較大的復(fù)雜性，并且/或者減少盒14上不同電接觸塊(或部位)的數(shù)目。所以，當(dāng)盒被安裝在控制裝置上時(shí)，電接觸塊單獨(dú)或連同接口電路構(gòu)成一個(gè)互連電路，該電路將電子裝置和控制器電連接。電接觸塊還可與裝入盒14內(nèi)(如圖所示裝入流體處理部分42內(nèi))的一個(gè)電子信息存儲(chǔ)器件62連接。信息存儲(chǔ)器件可存儲(chǔ)與盒有關(guān)的信息(如流體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、容器的容量、分析能力、測(cè)定參數(shù)和/或類似的信息)。在一個(gè)可選實(shí)施例中，電接觸塊18或其他電連接結(jié)構(gòu)可設(shè)在測(cè)定部分44，而不是(或同時(shí)還)包括在流體處理部分42內(nèi)。
測(cè)定部分44一般配置成可執(zhí)行流體網(wǎng)格48內(nèi)的核酸處理，至少部分由電路58執(zhí)行。如圖所示，流體網(wǎng)格48包括三個(gè)功能區(qū)一個(gè)濃縮器64、一個(gè)增強(qiáng)室66和一個(gè)測(cè)定室68。正如下面更詳細(xì)的描述，這些功能區(qū)中的每一個(gè)可包括便于核酸保留和釋放(并由此濃縮)和/或直接向一個(gè)分組的電極移動(dòng)的電極。濃縮器64和增強(qiáng)室66、測(cè)定室68可由不同的隔間/通道確定，例如，圖示的一組連續(xù)排列的隔間。另外，這些功能區(qū)也可部分或完全重疊，例如所有的功能區(qū)都由一個(gè)室來(lái)提供。
濃縮器64配置成可濃縮來(lái)自預(yù)處理室54的核酸。當(dāng)要使流體從流體處理部分42經(jīng)過(guò)濃縮器后返回流體處理部分42中的廢物室56時(shí)，可將正偏壓加到濃縮器64的電極上。因此，可在多個(gè)離散的部位將濃縮器64流體連接到流體處理部分42(見(jiàn)圖5-11)，讓濃縮器充當(dāng)管道。該管道允許遷移的流體容積(在兩個(gè)流體處理部分的容器之間遷移)充分大于濃縮器的流體容量。這個(gè)處理步驟將流體移動(dòng)，并通過(guò)移走其中帶正電荷、不帶電荷或帶弱的負(fù)電荷的物質(zhì)來(lái)部分提純核酸。
利用增強(qiáng)測(cè)定敏感性的增強(qiáng)反應(yīng)，增強(qiáng)室66可用于從濃縮的核酸中復(fù)制一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)核酸。增強(qiáng)反應(yīng)一般包括任何增加目標(biāo)核酸(或包含在目標(biāo)種類內(nèi)的一個(gè)區(qū)域)分子總數(shù)的反應(yīng)；通常，增強(qiáng)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致與總核酸有關(guān)的目標(biāo)核酸的濃縮。用于復(fù)制脫氧核糖核酸(DNA)、從脫氧核糖核酸(DNA)轉(zhuǎn)錄核糖核酸(RNA)和/或執(zhí)行模板引導(dǎo)的引物的絡(luò)合(ligation of primer)的酶可以作為催化增強(qiáng)反應(yīng)的媒介。依賴于所用的方法和酶，所述增強(qiáng)可涉及熱循環(huán)(例如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)或連接酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(LCR))，或者可以是等溫的(例如鏈置換增強(qiáng)(SDA)或者是基于核酸序列的增強(qiáng)(NASBA))。使用這些方法中的任何一種，增強(qiáng)室66中的溫度控制可由加熱器(如包含在電路58中的薄膜加熱器)確定。在增強(qiáng)以便于檢測(cè)期間，如通過(guò)加入被標(biāo)注的引物或核苷酸，可以對(duì)核酸進(jìn)行標(biāo)注?？墒褂孟旅娌糠諭I所描述的以及表1所列示的染料、放射性同位素或特定結(jié)合元(binding members)對(duì)引物或核苷酸進(jìn)行標(biāo)注。另外，也可在一個(gè)單獨(dú)的處理步驟中或輸入樣品之前(例如通過(guò)末端轉(zhuǎn)移酶、引物擴(kuò)散、親和試劑、核酸染料等)對(duì)核酸進(jìn)行標(biāo)注。例如，當(dāng)輸入樣品中因?yàn)榘俗懔康哪繕?biāo)核酸而省略增強(qiáng)步驟時(shí)，這種單獨(dú)的標(biāo)注步驟可能是適用的。
測(cè)定室68可根據(jù)特定的序列、長(zhǎng)度和/或序列主題的出現(xiàn)來(lái)執(zhí)行分離或區(qū)別核酸的處理步驟。在一些實(shí)施例中，測(cè)定室包括一個(gè)或多個(gè)特定核酸的受體。這些受體可包括任何特別用來(lái)結(jié)合目標(biāo)核酸的媒介物。示范性的受體可包括單鏈核酸、肽核酸、抗體、化合物、聚合體等。這些受體可排成一個(gè)陣列，通常固定在所確定的位置上，結(jié)果，目標(biāo)核酸與其中的一個(gè)受體結(jié)合而在測(cè)定室內(nèi)已確定的位置生成可檢測(cè)信號(hào)。因此，當(dāng)使用增強(qiáng)時(shí)，經(jīng)增強(qiáng)的核酸(目標(biāo))接觸每個(gè)測(cè)試結(jié)合的受體。正如下面進(jìn)一步描述的，可將受體陣列設(shè)在電極附近，所述電極通過(guò)電作用將受體陣列上的目標(biāo)核酸濃縮。在可選實(shí)施例中，測(cè)定室可依照其大小利用如電泳現(xiàn)象和色譜法來(lái)分離目標(biāo)核酸。還可選用或并用以下方式測(cè)定室可提供位置不固定的受體(例如分子信標(biāo)探針)并且/或者可以提供一個(gè)無(wú)受體的檢測(cè)部位。
光學(xué)接口36可在測(cè)定部分44的任何適當(dāng)?shù)奈恢脤?duì)樣品處理過(guò)程進(jìn)行測(cè)量。例如，光學(xué)接口可包括單獨(dú)的發(fā)射器-探測(cè)器對(duì)，如上所述，該發(fā)射器-探測(cè)器對(duì)可用于監(jiān)控增強(qiáng)室66內(nèi)核酸的增強(qiáng)，并且用于檢出測(cè)定室68處理過(guò)程后的增強(qiáng)核酸的結(jié)合和/或位置。還可選用或并用以下方式光學(xué)接口可監(jiān)控通過(guò)芯片流體網(wǎng)格48的流體運(yùn)動(dòng)。
圖3表示樣品處理期間通過(guò)流體網(wǎng)格46和48的流體(試劑和/或樣品)運(yùn)動(dòng)的方向，運(yùn)動(dòng)方向由圖中70所示的粗箭頭表示。通常，流體從試劑容器52中流出，經(jīng)過(guò)樣品輸入部位50和預(yù)處理室54，到達(dá)廢物室56和測(cè)定部分44(見(jiàn)下面)。從流體處理部分42進(jìn)入測(cè)定部分44的流體可流回廢物室56或者被移至該測(cè)定部分的其他流體隔間。
圖4表示一個(gè)說(shuō)明操作帶有控制裝置12的盒14、分析樣品中目標(biāo)核酸的示范性方法80的流程圖。首先，在盒14的樣品輸入部位50處引入(或加載)樣品(如在圖中82處主入樣品)。其次，加入了樣品的盒可以與控制裝置12電連接(如在圖中84處將盒裝入凹槽16中以形成導(dǎo)電接觸)。如圖中86所示，可以相反的順序執(zhí)行這種加載和連接過(guò)程，也就是說(shuō)，在盒與控制裝置連接之后，再將樣品注入盒。接著，如圖中88所示，可以使盒成為有效以啟動(dòng)處理過(guò)程?？梢酝ㄟ^(guò)在用戶接口30處的用戶輸入、通過(guò)將盒與控制裝置連接、通過(guò)引入樣品和/或類似的過(guò)程來(lái)使盒成為有效。如圖中90所示，盒有效后，對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理過(guò)程一般將樣品移至預(yù)處理室54來(lái)處理樣品，如下面進(jìn)一步描述，必要時(shí)釋放和分離核酸。如圖中92所示，已分離核酸由機(jī)械驅(qū)動(dòng)的液流移至測(cè)定部分44的濃縮器64，而后被濃縮。如圖中94所示，濃縮的核酸可被有選擇地增強(qiáng)，如果需要，可使用以被研究核酸為目標(biāo)的引物。接著，如圖中96所示，可以通過(guò)如將受體或受體陣列與增強(qiáng)的核酸相接觸來(lái)分析增強(qiáng)的核酸。再如圖中98所示，通過(guò)電學(xué)或光學(xué)器件檢出測(cè)定結(jié)果。
圖5表示由盒的流體處理部分和測(cè)定部分內(nèi)相互連接的流體網(wǎng)格46、48構(gòu)成的示范性獨(dú)立流體網(wǎng)格102的一個(gè)更詳細(xì)的示意圖。各室可用矩形或圓圈表示。連接各種室的通道104用平行線表示。如圖所示，在通道104橫跨流體處理部分42和測(cè)定部分44之間的一個(gè)界面105的位置處，通道104將該兩部分流體連接起來(lái)。對(duì)于閥門106，可用實(shí)心蝴蝶結(jié)表示關(guān)閉的閥門，用空心蝴蝶結(jié)表示打開(kāi)的閥門(見(jiàn)下面)。通常，閥門被電激活，于是可以與控制裝置12電連接(未圖示)。還可選用或并用以下方式可通過(guò)控制裝置12上的被電激活的閥門致動(dòng)器/調(diào)節(jié)器機(jī)械操作閥門。示范性閥門包括螺線管閥門和單用閥門。氣體選擇性排氣孔108用通道末端上的細(xì)小矩形表示(如測(cè)定室68上的排氣孔)。關(guān)于適當(dāng)?shù)拈y門和排氣孔的情況將在部分II中作進(jìn)一步描述。
圖5表示準(zhǔn)備用來(lái)接收樣品并成為有效的盒。因此，盒的試劑容器52內(nèi)已經(jīng)預(yù)裝了試劑(圖中用點(diǎn)畫(huà)方式表示流體)。預(yù)裝的試劑容器52可容納具有適當(dāng)pH值、緩沖能力、離子強(qiáng)度、溶劑成分等性質(zhì)的洗滌溶液110、112。一個(gè)或多個(gè)容器52還可容納一種溶解試劑114，溶解試劑114可包括如一種離液序列高的(chaotropic)試劑、一種高或低離子強(qiáng)度的緩沖劑、一種或多種離子或非離子清潔劑、一種有機(jī)溶劑和/或類似的試劑。此外，一個(gè)或多個(gè)容器52可包含一種增強(qiáng)混合物(如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)混合物116或任何其他含有一種或多種增強(qiáng)試劑的混合物)。通常，有選擇地雜化被研究核酸而獲取的任何核酸可以作為一種增強(qiáng)試劑。
通常，PCR混合物116包括一種適當(dāng)?shù)木彌_劑、Mg+2、用于目標(biāo)核酸有選擇增強(qiáng)的特定引物、脫氧核苷三磷酸、一種熱穩(wěn)定聚合酶和/或類似的物質(zhì)。如上面所描述的，一種或多種攜帶了如染料或生物素的引物和/或脫氧核苷三磷酸可以被標(biāo)注。根據(jù)盒所實(shí)施的增強(qiáng)方法，可用任何其他適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)混合物替代PCR混合物116。此外，為了分析RNA，PCR混合物可包括一個(gè)相反的轉(zhuǎn)錄酶。另外，通常在增強(qiáng)前，也可由一個(gè)獨(dú)立的容器提供利用RNA作模板執(zhí)行互補(bǔ)DNA合成的試劑。
試劑容器52配置成可通過(guò)機(jī)械驅(qū)動(dòng)流來(lái)傳送流體。例如，試劑容器52可被構(gòu)造成可折疊袋。所述可折疊袋帶有一個(gè)彈簧或其他可對(duì)各袋施加正壓的彈性結(jié)構(gòu)。另外，也可使用氣體對(duì)試劑容器52加壓。無(wú)論加壓的機(jī)構(gòu)是什么，操作閥門106可有選擇地控制各容器的試劑傳送。部分II描述了產(chǎn)生機(jī)械驅(qū)動(dòng)流的其他的示范性機(jī)構(gòu)。
盒14包括執(zhí)行各種功能的內(nèi)部室。內(nèi)部室包括廢物室56，在本實(shí)施例中，有兩個(gè)廢物室，分別標(biāo)為A和B。廢物室56接收來(lái)自試劑容器52(以及樣品輸入部位50)的流體。因此，廢物室56可包括排氣孔108，用以將氣體從廢物室中排出。內(nèi)部室(通道)可包括一個(gè)樣品室118、一個(gè)過(guò)濾器堆120和芯片室64、66、68。如下面進(jìn)一步描述的，樣品室118和過(guò)濾器堆120配置成可分別接收和預(yù)處理樣品。測(cè)定室68可通過(guò)調(diào)節(jié)氣孔122排出氣體，也就是說(shuō)，有一個(gè)閥門106控制排氣孔108。作為盒的一部分，某些或全部的內(nèi)部室和/或通道104可被灌注適當(dāng)?shù)牧黧w。更詳細(xì)地說(shuō)，測(cè)定部分44的室/通道可被灌注流體。與此相對(duì)應(yīng)，盒成為有效之前，某些室和/或通道可以是未灌注流體的。
圖6表示樣品加載期間盒14中流體運(yùn)動(dòng)的有效區(qū)域。本例以及在圖7-11中，濃重的點(diǎn)畫(huà)代表有效區(qū)域，而輕淺的點(diǎn)畫(huà)代表盒中別的容器內(nèi)的試劑或廢物。一個(gè)樣品(如基于液體的樣品)在樣品輸入部位50處被注入，一般沿標(biāo)示為124的通道被樣品室118接收。在這里，可注入的樣品容積被樣品室118上的排氣孔108以及樣品室118的容量所限制。一旦樣品室118被充滿，排氣孔108就提供一個(gè)背壓，以限制額外樣品的注入。還可選用或并用以下方式在樣品室118內(nèi)或周圍放置一個(gè)電學(xué)或光學(xué)的流體傳感器(未圖示)，以發(fā)信號(hào)通知何時(shí)達(dá)到樣品室的樣品容量。此時(shí)，樣品室118下游的閥門126可阻止樣品流至過(guò)濾器堆120，或者可通過(guò)如廢物室A的排放直接將樣品從樣品輸入部位50加載到過(guò)濾器堆120。
樣品可以是任何適當(dāng)?shù)男问?例如可以是部分III所描述的樣品中的任何一種形式)。然而，這里所描述的盒實(shí)施例配置成用來(lái)分析核酸127，所以樣品一般包含了核酸(即樣品包含了DNA和/或RNA)，或者是被懷疑帶有核酸。核酸127可被組織和生物微粒所攜帶，可被它們的提取物所攜帶，并且/或者可以是部分地或全部被提純。細(xì)胞128、病毒和細(xì)胞器都是生物微粒的范例。根據(jù)樣品的可獲得性、處理少量樣品的簡(jiǎn)便性、樣品中目標(biāo)核酸的濃度和/或盒的容量等，所加載的樣品容積可為任何適當(dāng)?shù)牧俊?br> 圖7表示樣品預(yù)處理期間盒14中流體運(yùn)動(dòng)的有效區(qū)域?？赏ㄟ^(guò)打開(kāi)閥門130、132、134使溶解試劑114沿著通道129引入。因此，溶解試劑一般攜帶包含了核酸127的樣品從樣品室118被運(yùn)送至過(guò)濾器堆120。過(guò)量的流體可被送至廢物室A。通常，過(guò)濾器堆配置成可執(zhí)行核酸分離，也就是說(shuō)，通過(guò)至少三種功能(即微粒過(guò)濾、從樣品中釋放核酸、已釋放核酸的保留)中的任何一個(gè)或全部，至少部分地將核酸從樣品廢料中分離出來(lái)。這里，廢料被確定為任何從樣品中導(dǎo)出的、不與被研究核酸對(duì)應(yīng)的成分、化合物、聚合物或微粒。示范性廢料可包括細(xì)胞或病毒的殘骸、完整的細(xì)胞或病毒微粒、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)成分、可溶性非核酸物質(zhì)、不溶性非核酸物質(zhì)、不考慮的核酸和/或其他物質(zhì)。廢料還可以是從樣品中導(dǎo)出的流體、濃縮核酸的溢出部分。
過(guò)濾指由機(jī)械保留細(xì)胞、微粒、殘骸和/或類似物的過(guò)濾器執(zhí)行的、任何規(guī)模的選擇過(guò)程。因此，過(guò)濾器堆可將用于分解處理的樣品微粒(細(xì)胞、病毒等)局限于一處，還可去掉那些妨礙下游處理過(guò)程和/或盒流體網(wǎng)格102中流體流動(dòng)的微粒。適于第一個(gè)功能的過(guò)濾器可包括小孔膜、纖維過(guò)濾器、狹窄通道等等。過(guò)濾器堆可包括一個(gè)或多個(gè)過(guò)濾器。在一些實(shí)施例中，過(guò)濾器堆包括一系列的過(guò)濾器，并且在這個(gè)系列中沿流體流動(dòng)方向有一個(gè)逐漸減小的排阻限(exclusion 1imit)。這樣的系列安排可降低過(guò)濾器被微粒阻塞的速率。
保留在過(guò)濾器堆120上的樣品可受到一個(gè)從樣品中未經(jīng)處理的和/或較少接近的形態(tài)釋放核酸127的處理過(guò)程。還可選用或并用以下方式在樣品被保留在過(guò)濾器堆之前，執(zhí)行釋放處理。這種處理可改變細(xì)胞表面、細(xì)胞核和/或線粒體膜的表面，并且/或者可分解亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。示范性釋放處理可包括壓力變化(例如聲波或超聲波/脈沖或者像法式壓碎器中變窄通道產(chǎn)生的壓力下降)、溫度變化(加熱和/或冷卻)、電處理(如電壓脈沖)、化學(xué)處理(如使用試劑、離液劑、有機(jī)溶劑、高鹽或低鹽等)、流體隔間內(nèi)的突出部分(如尖銳處或銳利邊緣)和/或類似的過(guò)程。這里，示出了從攜帶了核酸的細(xì)胞128中得釋放后的核酸127。
通常，由下游的過(guò)濾器實(shí)施核酸保留?？梢酝ㄟ^(guò)一個(gè)可逆轉(zhuǎn)地結(jié)合核酸的保留矩陣來(lái)實(shí)施核酸保留。適合于第二功能的保留矩陣可包括珠子、微粒和/或隔膜。示范性的保留矩陣可包括帶正電荷的樹(shù)脂(離子交換樹(shù)脂)、活性硅和/或其他類似物。一旦核酸127被保留，額外的溶解試劑或洗滌溶液將被移動(dòng)并通過(guò)被保留的核酸127，以此洗去不需保留的污染物。
圖8表示核酸從過(guò)濾器堆釋放以及被釋放核酸127在測(cè)定部分44的濃縮室64內(nèi)濃縮期間盒14中流體運(yùn)動(dòng)的有效區(qū)域。如圖中110所示，流體從洗滌溶液A開(kāi)始，沿流體通道136經(jīng)過(guò)樣品室118和過(guò)濾器堆120，流至另一個(gè)不同的廢物室(廢物室B)。為了驅(qū)動(dòng)流體沿通道136流動(dòng)，關(guān)閉閥門130和134，而使閥門132保持打開(kāi)狀態(tài)，同時(shí)打開(kāi)閥門138和140。洗滌溶液A配置可配置成用于釋放保留在過(guò)濾器堆120(見(jiàn)圖7)的核酸127。因此，可根據(jù)過(guò)濾器堆內(nèi)保留矩陣保留核酸127的保留機(jī)構(gòu)來(lái)配制洗滌溶液A。釋放被保留核酸的洗滌溶液可改變其中的pH值、離子強(qiáng)度和/或流體的介電常數(shù)。示范性洗滌溶液可包含一個(gè)高或低pH值、一個(gè)高或低離子強(qiáng)度、一種有機(jī)溶液等。預(yù)處理過(guò)程可為取自樣品的核酸提供第一步濃縮和提純。
在濃縮室64，被釋放核酸127可進(jìn)一步濃縮(和提純)。濃縮室64一般在測(cè)定部分44內(nèi)形成，并包括一個(gè)或典型的多個(gè)電極。在被釋放核酸進(jìn)入濃縮室64時(shí)或之前，至少其中一個(gè)電極可被施加正偏壓。結(jié)果，流過(guò)濃縮室64的核酸127可被帶正偏壓的電極所吸附和保留。攜帶核酸127的大量流體和額外的洗滌溶液可被運(yùn)至廢物室B。因此，核酸127可被濃縮，并通過(guò)濃縮室64內(nèi)的保留而進(jìn)一步提純。核酸127的這個(gè)濃縮過(guò)程允許測(cè)定部分44具有容積很小的流體隔間(例如進(jìn)行處理過(guò)程的流體隔間具有小于約1微升的流體容量)。關(guān)于電極的結(jié)構(gòu)、數(shù)目、布置以及涂層的更多情況將在下面描述。
圖9表示被濃縮核酸移至測(cè)定部分44的增強(qiáng)室66期間盒14中流體運(yùn)動(dòng)的有效區(qū)域。如圖所示，通常，帶有PCR混合物116的流體從室52沿通道142流至增強(qiáng)室66。當(dāng)濃縮室64中電極上的保留正偏壓被除去時(shí)，為了驅(qū)動(dòng)流體沿通道142流動(dòng)，關(guān)閉閥門138和140，打開(kāi)閥門144和排氣孔閥門122。PCR混合物116可通過(guò)流體流動(dòng)來(lái)攜帶核酸。另外，也可在增強(qiáng)室66的電極(見(jiàn)下面)上加載一個(gè)正偏壓，以電泳方式將核酸127傳送至預(yù)裝了PRC混合物116的增強(qiáng)室66。在每一種情況下，過(guò)量的流體流出增強(qiáng)室66并進(jìn)入測(cè)定室68，而后被電或光傳感器(未圖示)所約束。這些傳感器用于監(jiān)控連接通道146內(nèi)的流體水平并發(fā)出信號(hào)通知排氣孔閥門122及時(shí)關(guān)閉。在一些實(shí)施例中，在將核酸127移至增強(qiáng)室66之前，首先可將濃縮室64與PCR混合物116達(dá)到某種平衡。例如，在去除濃縮室64內(nèi)的保留正偏壓以及打開(kāi)排氣孔閥門122之前，PCR混合物116可直接經(jīng)過(guò)打開(kāi)的閥門140被引入廢物室B。位于增強(qiáng)室66的核酸127可通過(guò)例如等溫保溫或熱循環(huán)被增強(qiáng)，由此有選擇地增加了核酸127中被研究目標(biāo)核酸(或目標(biāo)區(qū)域)147的數(shù)量；或者，在有些實(shí)施例中，可保持核酸不被增強(qiáng)。
圖10表示增強(qiáng)核酸147移至測(cè)定部分44的測(cè)定室68期間盒14中流體運(yùn)動(dòng)的有效區(qū)域。流體從容納洗滌溶液B的室52沿流體通道148流至測(cè)定室68。流體通道148可被打開(kāi)的閥門150和排氣孔閥門122啟動(dòng)。超量裝填的測(cè)定室68可被其中的如排氣孔閥門122上的排氣孔108或一個(gè)用于監(jiān)控流體位置和發(fā)信號(hào)通知閥門150關(guān)閉的傳感器所約束。正如上面所述，可通過(guò)流體流動(dòng)和/或利用被安置在測(cè)定室68內(nèi)的電極通過(guò)電泳現(xiàn)象來(lái)傳送核酸127和被增強(qiáng)的目標(biāo)核酸147(見(jiàn)下面)。在一些實(shí)施例中，首先通過(guò)關(guān)閉排氣孔閥門122以及打開(kāi)閥門140、150將洗滌溶液B引入增強(qiáng)室66以達(dá)到某種平衡，由此引導(dǎo)洗滌溶液B經(jīng)過(guò)增強(qiáng)室66、濃縮室64，而后進(jìn)入廢物室B。還可選用或并用以下方式通過(guò)電泳傳送被增強(qiáng)核酸147至預(yù)裝了分析溶液的測(cè)定室68。
在測(cè)定室68中，可對(duì)增強(qiáng)的目標(biāo)核酸147(以及分離核酸127)進(jìn)行分析。例如，如部分II所描述的，測(cè)定室68可包括一個(gè)或多個(gè)用于識(shí)別和/或量化核酸的定位受體(一個(gè)定位陣列)。位于測(cè)定室68內(nèi)受體附近的電極可協(xié)助被增強(qiáng)核酸147對(duì)受體的雜化。以順序方式為電極加上正偏壓，以將被增強(qiáng)核酸導(dǎo)引導(dǎo)該陣列的各單元(或子組)。在通過(guò)電泳將被增強(qiáng)的目標(biāo)核酸移至陣列的多數(shù)或全部位置并使特定的結(jié)合和雜化發(fā)生之后，未結(jié)合或未雜化的核酸可通過(guò)電泳現(xiàn)象或流體流動(dòng)(此處未示出)被去除。
圖11和圖12分別表示從盒14外部看到的測(cè)定部分44的選定方位的平面形狀圖以及剖面圖。測(cè)定部分44包括一個(gè)基底部分158。基底部分158至少部分確定了測(cè)定部分的流體隔間?；撞糠挚砂ɑ?60?；撞糠诌€可包括電子電路58和/或在基板上形成并被放置于基板表面162附近的薄膜層。電路的薄膜電子器件和網(wǎng)格48的流體隔間都被設(shè)于基板的共用表面附近，因此電子器件被緊密地和/或與流體相接觸地并置在流體網(wǎng)格的區(qū)域上。所以，配置的薄膜器件可用來(lái)改進(jìn)和/或檢測(cè)流體網(wǎng)格48中流體(或樣品/分析物)的性質(zhì)。基板160的示范性材料是硅(一般為單晶硅)。其他適合的基板材料和性質(zhì)將在下面部分II中描述。
利用基底部分158和流體阻擋163，可以在基板表面162附近共同確定流體網(wǎng)格48或由一個(gè)或多個(gè)流體隔間流體連接的流體空間。流體空間可確定基底部分和流體阻擋之間所能容納的總流體容量。術(shù)語(yǔ)“共同確定”指流體空間(或其中的流體隔間)被基本(或完全)放置在基底部分158和流體阻擋163之間。流體阻擋163可以是能夠完全阻擋流體從流體網(wǎng)格或其中的隔間經(jīng)過(guò)阻擋層溢出或流出器件之外的任何結(jié)構(gòu)。阻擋來(lái)自盒的流體溢出，是指液滴、小液滴或液流不穿過(guò)流體阻擋而離開(kāi)器件。因此，流體阻擋可不設(shè)將流體網(wǎng)格48流體連接到裝置外部區(qū)域的開(kāi)口。流體阻擋也可通過(guò)流體方式密封住在流體阻擋與基底部分之間的連接處所確定的周邊，以阻擋來(lái)自盒的流體在連接處外溢。通常，流體阻擋還限制從流體網(wǎng)格的蒸發(fā)損失。
流體網(wǎng)格48可由下列各項(xiàng)構(gòu)成?；?60的表面162和/或電路58可確定網(wǎng)格流體48的底板164。一個(gè)圖案化的通道層166被設(shè)置在表面162和底板164上，由此確定了側(cè)壁168。通道層166可以用任何適當(dāng)?shù)牟牧蠘?gòu)成，這些材料包括(但不限于)負(fù)性或正性光刻膠(如SU-8膠或PLP)、聚酰亞胺、干膜(如杜邦Riston感光干膜)和/或玻璃。形成通道層圖案的方法可包括照相平版印刷術(shù)、顯微機(jī)械加工、成型、沖壓、激光蝕刻術(shù)和/或其他類似的方法。一個(gè)蓋170被設(shè)置在通道層166上，并與底板164之間留有一定空間，由此封住了與電子電路58之間留出一定間隔的流體網(wǎng)格48的頂部區(qū)域(見(jiàn)圖12)。蓋170可以是一個(gè)獨(dú)立于通道層166的部件(例如，蓋170是被接合在或是以其他方式附著在通道層上的一層)或者是與通道層166一起構(gòu)成一個(gè)整體。在每一種情況下，流體阻擋163可包括一個(gè)對(duì)置的壁171，對(duì)置的壁171是密封的，以防止流體運(yùn)動(dòng)并從盒中溢出。當(dāng)測(cè)定是透過(guò)蓋170以光學(xué)方式進(jìn)行時(shí)，蓋170可以是透明的(如用玻璃或透明塑料制成)。另外，當(dāng)測(cè)定是電學(xué)方式進(jìn)行時(shí)，蓋170也可以是不透明的。正如上面所描述的，流體網(wǎng)格48可包括空間上不同的室64、66、68，用以執(zhí)行不同的處理過(guò)程，并且/或者不同的處理過(guò)程可以在一個(gè)共用的流體隔間中進(jìn)行。
電路58的至少一個(gè)薄膜部分可以在基板160的表面162上方形成并被其支撐。通常，電路包括至少部分確定了一個(gè)或多個(gè)電子電路的薄膜層。電路可包括在流體網(wǎng)格48中與流體相接觸的電極172。電極和其他薄膜器件(見(jiàn)部分II)可被電連接到電接觸塊174(見(jiàn)圖11)，一般穿過(guò)在基板上形成的半導(dǎo)體電路(包括信號(hào)處理電路)，也就是說(shuō)，在表面162上方和/或下方制成。通過(guò)給定數(shù)目的接觸墊174可控制數(shù)目大得多的電極和/或其他薄膜器件。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，接觸墊174與接觸墊18電連接(例如使用一個(gè)柔性電路)。
電極172可具有任何適當(dāng)?shù)慕M成成分、分布以及涂層。適合電極的材料可以是導(dǎo)體材料(例如金屬、金屬合金或金屬衍生物)。示范性電極材料可包括金、鉑、銅、鋁、鈦、鎢、金屬硅化物和/或類似的材料。電路58可包括沿流體網(wǎng)格48的底板164的一個(gè)或多個(gè)部位上的電極。例如，如這里所示，電極可作為多個(gè)分立單元來(lái)排列，既可沿著通道或室排成一路縱隊(duì)(如在濃縮室64中那樣)，也可排成2維陣列(如在室66、68中排列的那樣)。還可選用或并用以下方式電極172可以是細(xì)長(zhǎng)的或具有任何其他適當(dāng)?shù)男螤?。每個(gè)電極172可被單獨(dú)施加正偏壓或負(fù)偏壓，因此核酸被吸附在電極上或者被電極所排斥；或者可不對(duì)電極施加偏壓。根據(jù)所期望的核酸保留和/或定向移動(dòng)方式，通過(guò)控制裝置和/或盒，可以任何適當(dāng)?shù)臅r(shí)空調(diào)節(jié)方式施加電偏壓?？蔀殡姌O172涂上一層滲透層，以允許流體和離子接近流體隔間內(nèi)的電極，但是阻止大分子(如核酸)與電極直接接觸。因?yàn)檫@種直接接觸會(huì)以化學(xué)方式損害核酸。適合的電極涂層可包括水凝膠和/或溶膠-凝膠，并可通過(guò)任何適當(dāng)?shù)姆椒?如濺射法、旋轉(zhuǎn)涂層法等)來(lái)施加。示范性的涂層材料中可包括聚丙烯酰胺、瓊脂糖和/或合成聚合物。
測(cè)定部分44被流體連接至流體處理部分42。任何適當(dāng)?shù)慕涌谕ǖ?或單個(gè)通道)都可將這種流體連接用于接合盒的流體網(wǎng)格46、48。這種流體連接讓流體導(dǎo)流到相關(guān)的流體隔間，也就是說(shuō)，流體被導(dǎo)流到流體隔間和/或從流體隔間被導(dǎo)流出去。
流體網(wǎng)格46、48可以在空間上通過(guò)基板160和/或流體阻擋163分隔開(kāi)。當(dāng)通過(guò)基板160被分隔時(shí)，接口通道可貫穿基板160，并且一般位于基板160的表面162和對(duì)置表面176之間，由此連入流體網(wǎng)格。接口通道可描述為確定流體移動(dòng)路徑的供料結(jié)構(gòu)。還可選用或并用以下方式一個(gè)或多個(gè)接口通道在基板160邊緣178(圖11)的周圍延伸，由此連入流體網(wǎng)格46(圖5-10)。例如，接口通道可貫穿通道層166和/或蓋170，但卻是密封的，以防止流體從盒中外溢。在一些可選實(shí)施例中，流體網(wǎng)格46、48可以在空間上通過(guò)流體阻擋163而不是基板160被分隔開(kāi)，同時(shí)一些或全部接口通道又可貫穿流體阻擋163，與流體網(wǎng)格46流體連接。
在所描述的實(shí)施例中，接口通道(標(biāo)記為180a至180e)位于基板160的兩個(gè)對(duì)置表面之間，并貫穿基板160(見(jiàn)圖10-12)。接口通道180可將流體處理部分的任何流體隔間流體連接到流體網(wǎng)格48的一個(gè)流體隔間，并且一般是通過(guò)直接連接到這兩部分的流體管道或室來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如，接口通道180可將試劑容器52連接到測(cè)定部分44的一個(gè)室(64-68)、將測(cè)定部分的一個(gè)室連接到廢物室、將預(yù)處理室120連接到測(cè)定部分的一個(gè)室、將測(cè)定部分的兩個(gè)或多個(gè)室相互連接(未圖示)、將樣品輸入部位50直接連接到測(cè)定部分的一個(gè)室(也未圖示)和/或?qū)y(cè)定部分的一個(gè)室連接到一個(gè)閥門和/或排氣孔(如閥門排氣孔122)。測(cè)定部分的每個(gè)獨(dú)立隔間可直接連接到任何適當(dāng)數(shù)量的接口通道180。這里，濃縮室64有三個(gè)(180a-180c)接口通道，增強(qiáng)室66和測(cè)定室68各自都有一個(gè)接口通道(分別為180d和180e)。
圖12表示接口通道180e如何將測(cè)定部分44流體連接到流體處理部分42。接口通道180e配置成可運(yùn)送流體從測(cè)定室68沿流體通道182至閥門排氣孔122(見(jiàn)圖10)。接口通道可運(yùn)送流體至流體處理部分42的通道104。每個(gè)通道104可通過(guò)一個(gè)流體岐管184與接口通道180相連，所述流體岐管184可引導(dǎo)流體流向流體處理部分42的一個(gè)或多個(gè)的通道104以及測(cè)定部分44的一個(gè)或多個(gè)的流體隔間。因此，測(cè)定部分44用粘膠186固定在流體岐管184上。
接口通道的直徑可沿著通道長(zhǎng)度發(fā)生變化(一般平行于流體流動(dòng)方向測(cè)量)。例如，與基板160確定的中間區(qū)域相比較，在鄰近基板160表面162及通道末端區(qū)域，接口通道180e的直徑可較小，由此形成一個(gè)發(fā)送流體的開(kāi)口188。這個(gè)開(kāi)口引導(dǎo)流體流入和/或流出流體隔間。通常，開(kāi)口188與流體隔間相鄰。流體隔間至少部分地由流體阻擋確定，并可配置成流體不能從隔間流到顯微流體裝置之外，也就是說(shuō)，不能直接穿過(guò)流體阻擋。流體隔間可在基底部分和流體阻擋之間被共同確定。開(kāi)口可包括一個(gè)由突出部分(或擱板狀物)192構(gòu)成的周邊區(qū)域，在所述突出部分192，薄膜190不與基板160接觸。開(kāi)口188的直徑可以是任何適當(dāng)?shù)某叽缁蛘呤?微米至100微米。與單獨(dú)的接口通道的基板限定區(qū)域相比，開(kāi)口或孔可提供受更多限制的流體流動(dòng)。開(kāi)口188可由基板160表面162上形成的一個(gè)或多個(gè)薄膜層190中構(gòu)成的開(kāi)口確定。通常，薄膜層190很薄，也就是說(shuō)，薄膜層190的厚度比基板160薄。有關(guān)薄膜層的厚度和/或功能將在部分II中描述。
圖13-19表示利用示范性的制作測(cè)定部分的方法分步形成測(cè)定部分44中接口通道180e、開(kāi)口188和測(cè)定室68。該方法包括放置薄膜和形成圖案的步驟。這里，在薄膜層上制作圖案一般涉及下面的過(guò)程有選擇地將薄膜層的某些區(qū)域暴露在光束下，之后將暴露部分除去，以此形成圖案。
圖13表示適合于測(cè)定部分的初始材料一個(gè)基本為平面的基板160，帶兩個(gè)相對(duì)的表面162、176。這里描述的方法可以利用很薄的硅基板(如厚度約為0.1至2毫米或0.2至1毫米)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在添加薄膜層期間和/或之后(但一般是之前)，可在表面162上對(duì)基板進(jìn)行加工，以使其包括構(gòu)成晶體管的含有n型雜質(zhì)的和含有p型雜質(zhì)的區(qū)域、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FETS)、雙極器件和/或其他半導(dǎo)體電子器件(未圖示)。
圖14表示在基板160表面162施加薄膜層190并形成圖案之后的測(cè)定部分。薄膜層190可包括任何適當(dāng)?shù)?、用于?gòu)成和/或保護(hù)電路58的導(dǎo)電部分的薄膜。薄膜層可由導(dǎo)體材料(如構(gòu)成電極和器件間的導(dǎo)體連接)、半導(dǎo)體材料(如用含有n型雜質(zhì)的和含有p型雜質(zhì)的材料構(gòu)成晶體管)和/或絕緣材料(如鈍化層)制成?？衫脗鹘y(tǒng)方式施加薄膜層并在上面形成圖案。至少其中的一個(gè)薄膜層190中可被制成圖案，以此確定開(kāi)口188的周邊194。
圖15表示在未形成圖案的通道層196被放置在薄膜層190和開(kāi)口188上之后的測(cè)定部分。通道層196可取適當(dāng)?shù)暮穸?一般厚度約為1-200微米，更有代表性的厚度約為2-100微米，甚至是5-50微米)。通道層196(流體阻擋)的示范材料以上被描述。
圖16表示蝕刻掩模198被添加到基板160的對(duì)置表面176之后的測(cè)定部分。蝕刻掩?？勺鳛橛羞m當(dāng)厚度的層被施加，并且在局部區(qū)域被有選擇地除去，由此確定開(kāi)口200。開(kāi)口200可具有任何適當(dāng)?shù)闹睆?，但是一般其直徑大于開(kāi)口188。開(kāi)口200可與開(kāi)口180相對(duì)設(shè)置，因此，在薄膜層190上的孔200的突出部分形成了基板上一個(gè)相應(yīng)的通道或通孔201，這樣可以環(huán)繞地包圍開(kāi)口188。
圖17表示接口通道180e的基板區(qū)域形成和去掉蝕刻掩模198之后的測(cè)定部分。通常，可根據(jù)生成通道201的孔200(見(jiàn)圖16)所確定的容量，從表面176開(kāi)始垂直地蝕刻基板160?？刹捎萌魏芜m當(dāng)?shù)奈g刻過(guò)程來(lái)形成接口通道180e的基板部分。然而，一般使用的方法是深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)。一個(gè)或多個(gè)薄膜層190起著蝕刻止擋的作用，以構(gòu)成了突出區(qū)域192。蝕刻之后，就可從對(duì)置的表面176除去掩模或?qū)⒀谀＿z留在該表面。
圖18表示未形成圖案的通道層196區(qū)域被有選擇地除去而形成了圖案化通道層166之后的測(cè)定部分。可通過(guò)任何適當(dāng)?shù)墓に噷?shí)現(xiàn)有選擇地除去，例如通過(guò)對(duì)光學(xué)制成圖案層的顯影來(lái)形成光刻圖案層196或采用激光燒蝕。
圖19表示添加蓋170之后、但在利用流體岐管184將測(cè)定部分固定于流體處理部分42之前的完整的測(cè)定部分。可通過(guò)任何適當(dāng)?shù)姆椒▽⑸w170附著在流體阻擋166上(例如使用粘膠、加熱和加壓、陽(yáng)極焊接、聲波焊接和/或一些傳統(tǒng)方法)。
圖20表示在測(cè)定部分204中形成的一個(gè)芯片內(nèi)通道202的大概示意圖。芯片內(nèi)通道202可以從基板表面162經(jīng)開(kāi)口188進(jìn)、出基板160，不延伸到對(duì)置表面176。因此，芯片內(nèi)通道202有別于在盒部分42、44之間延伸的接口通道180。芯片內(nèi)通道202可用于使流體在由基底部分158和流體阻擋208共同確定的室206之間導(dǎo)引。還可選用或并用以下方式一些芯片內(nèi)通道可用來(lái)進(jìn)行混合流體(下述)、進(jìn)行反應(yīng)或測(cè)定和/或類似過(guò)程。
圖21-23表示用一示范方法分步形成測(cè)定部分204內(nèi)的芯片內(nèi)通道202。材料和工藝步驟在以上圖12-19中被一般地描述。圖21表示薄膜層190已在基板160表面162上形成并經(jīng)圖案化而形成多個(gè)開(kāi)口188之后的制作階段。圖22表示對(duì)開(kāi)口188下方的基板160實(shí)施各向異性蝕刻以此形成基板凹坑或槽210之后的測(cè)定部分。另外，也可通過(guò)各向同性蝕刻來(lái)形成槽210。在每一種情況下，蝕刻劑可通過(guò)開(kāi)口188進(jìn)入基板160，在薄膜層190下進(jìn)行底割，由此連接被設(shè)在每個(gè)開(kāi)口188下面的局部凹坑212，形成槽210。因此，一般開(kāi)口188之間的間隔非常緊湊，足以使凹坑212在蝕刻基板160期間被流體連接。圖23表示利用流體阻擋208形成室206之后的測(cè)定部分204。這里，流體阻擋208包括確定室側(cè)壁的通道層166和密封室206頂部的蓋170。由薄膜層190確定的、并用于形成槽210的一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口188可被通道層166擋住。例如，如圖中的214所示，中央開(kāi)口已經(jīng)被通道層166封住。
圖24表示帶有一個(gè)多支通道218的測(cè)定部分216。多支通道218是一個(gè)流體連接薄膜層190上兩個(gè)或多個(gè)開(kāi)口188的貫穿基板的通道。這里，開(kāi)口188將多支通道218流體連接至兩個(gè)室206。然而，多支通道218可流體連接到測(cè)定部分的流體網(wǎng)格中任何適當(dāng)數(shù)量的隔間。多支通道218可用于接收(或供給)流體從(或至)流體處理部分42，例如供給(或接收)流體至(或從)一個(gè)或兩個(gè)室206。如圖20中所示，多支通道218還可以用于引導(dǎo)流體在室206之間流動(dòng)。形成多支通道218的一個(gè)示范方法在圖22中形成槽210后，按照?qǐng)D15-19中概述的過(guò)程進(jìn)行。
圖25表示包括了一個(gè)混合室232的測(cè)定部分230的局部俯視圖。混合室232有一個(gè)與圖22所示的槽210相似的槽234，槽234形成于薄膜層的多個(gè)開(kāi)口236(圖中表示六個(gè)入口開(kāi)口和一個(gè)出口開(kāi)口)的下方?？梢酝ㄟ^(guò)多個(gè)入口通道238、240，沿箭頭所示的路徑將流體送進(jìn)入口開(kāi)口，由此流體從測(cè)定部分230的流體網(wǎng)格注入槽234。每個(gè)通道都可引導(dǎo)流體(一般引導(dǎo)不同的流體)進(jìn)入槽234，利用沿槽234相互交叉的幾何形狀，使得來(lái)自多個(gè)通道的流體在槽內(nèi)混合。如圖中242所示，混合流體在出口開(kāi)口236處流出槽234，并引導(dǎo)流體返回進(jìn)入測(cè)定部分230的流體網(wǎng)格的出口通道244。在可選實(shí)施例中，任何適當(dāng)數(shù)量的出、入口通道可通過(guò)任何適當(dāng)數(shù)量的開(kāi)口236與混合室232連接。
圖26表示測(cè)定部分44的選定部分，尤其是對(duì)薄膜層部分190的描述更詳細(xì)些。示范性薄膜可包括由基板160構(gòu)成的場(chǎng)氧化物(FOX)層252和位于FOX層252之上的磷硅酸鹽玻璃(PSG)層254。FOX層252可提供一個(gè)熱屏障，用于隔絕加熱效應(yīng)。如圖中255所示，PSG層254可從開(kāi)口188處縮進(jìn)，以避免流體與具有腐蝕作用的PSG層相接觸。因此，PSG層254確定了一個(gè)保護(hù)開(kāi)口，其直徑大于流體接觸開(kāi)口188的直徑。薄膜層還可包括一個(gè)由任何適當(dāng)?shù)碾娮璨牧?，如鉭鋁(TaAl)構(gòu)成的電阻層256。電流從相連的、由任何適當(dāng)?shù)膶?dǎo)體材料(如鋁或鋁合金(未圖示))形成的導(dǎo)體流經(jīng)電阻層256，電阻層產(chǎn)生熱量，通過(guò)其中的FOX層252將這些熱量與基板160隔離。一個(gè)或多個(gè)鈍化層258可覆蓋這些薄膜。適合的鈍化層材料可包括氮化硅(Si3N4)或金剛砂(SiC)。其他設(shè)置在基板表面上方和/或下方的電子元件(如電極、晶體管和二極管)這里未示出。
II.顯微流體系統(tǒng)所提供的顯微流體系統(tǒng)主要用于樣品處理和/或樣品分析。一般顯微流體系統(tǒng)包括用于接收、處理和測(cè)定流體(液體和/或氣體)容積非常小的樣品的裝置和方法。小容量流體可通過(guò)一個(gè)或多個(gè)流體通道傳送，通常，至少其中的一個(gè)通道的橫斷面尺寸或深度應(yīng)當(dāng)介于0.1至500微米之間，或者更典型的是小于100微米或50微米。顯微流體裝置可具有任何適當(dāng)?shù)目偭黧w容量。因此，在顯微流體裝置的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域內(nèi)的流體可表現(xiàn)為帶有極小湍流的層流，一般其特征表現(xiàn)為低雷諾數(shù)。
在顯微流體裝置內(nèi)流體隔間可流體連接。流體連接一般指有一個(gè)通道存在于器件內(nèi)，用于隔間之間的流體傳送。通道可以是一直打開(kāi)的或由可開(kāi)閉的閥門(見(jiàn)下面)控制。
在顯微流體裝置中各種流體隔間可運(yùn)送和/或容納流體，并且被顯微流體裝置封裝起來(lái)。運(yùn)送流體的隔間等同于通道。通道可包括任何已確定的、用于引導(dǎo)流體在顯微流體裝置內(nèi)移動(dòng)的路徑或管道，例如通道、處理室、孔或表面(如親水的、帶電的等等)都包括其中。當(dāng)容納流體的隔間被用于傳遞或接收流體時(shí)，通道被稱為室或容器。在很多情況下，室和容器也等同于通道，可允許流體流過(guò)室或容器。在一個(gè)顯微流體裝置中流體隔間的流體連接構(gòu)成了一個(gè)流體網(wǎng)格或帶有分支或不帶分支的流體空間。正如這里所描述的，顯微流體裝置可包括單個(gè)流體連接的流體網(wǎng)格或多個(gè)的、分隔互不相連的流體網(wǎng)格。如果具有多個(gè)獨(dú)立的流體網(wǎng)格，則器件配置成可同時(shí)和/或連續(xù)地接收和處理多個(gè)樣品。
通常，室可以分為終端室和中間室。終端室一般可確定為流體網(wǎng)格中流體移動(dòng)的起點(diǎn)或終點(diǎn)。這樣的室可與外部環(huán)境相連接(例如，在器件制作或預(yù)備階段，可接收試劑)，或者可只從顯微流體裝置內(nèi)的流體通路中接收流體。示范性終端室可充當(dāng)接收和/或儲(chǔ)存已處理樣品、試劑和/或廢物的容器。在樣品分析之前和/或期間，可以將流體加入終端室。中間室可處在流體網(wǎng)格內(nèi)的中間位置，因而在樣品分析期間充當(dāng)作為處理、反應(yīng)、測(cè)量、混合等過(guò)程的通道。
顯微流體裝置可包括一個(gè)或多個(gè)泵，用于推進(jìn)和/或拉回流體或流體成分穿過(guò)流體網(wǎng)格。每個(gè)泵可為機(jī)械驅(qū)動(dòng)(液壓催化)泵或電動(dòng)泵，或其他。機(jī)械驅(qū)動(dòng)泵可利用正壓推動(dòng)流體穿過(guò)流體網(wǎng)格?？梢酝ㄟ^(guò)彈簧、高壓氣體(從系統(tǒng)內(nèi)部或外部提供)、發(fā)動(dòng)機(jī)、注射式泵、氣壓泵、有壓縮力的泵和/或其他類似的裝置提供這種壓力。還可選用或并用以下方式壓力驅(qū)動(dòng)泵利用負(fù)壓將流體拉回到壓力減小的區(qū)域。電動(dòng)或電驅(qū)動(dòng)泵可通過(guò)電泳、電滲、電毛細(xì)管現(xiàn)象和/或類似的現(xiàn)象利用電場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)流體和/或流體成分的流動(dòng)。在一些實(shí)施例中，泵可以是由顯微機(jī)械加工制成的微型泵(例如帶壓電動(dòng)力移動(dòng)的基于隔膜的泵)。
閥門可包含在這里所述的顯微流體裝置中。閥門一般包括任何調(diào)節(jié)流體流動(dòng)經(jīng)過(guò)流體網(wǎng)格的機(jī)構(gòu)，并且可以是雙向閥、止回閥、排氣孔或其他形式。例如，閥門可用來(lái)阻擋或允許流體流過(guò)流體通道(即可作為二元開(kāi)關(guān))和/或調(diào)節(jié)流體流動(dòng)的速率。因此，通過(guò)操作閥門可執(zhí)行選擇流體網(wǎng)格的有效部分、隔離一個(gè)或多個(gè)流體網(wǎng)格的部分和/或可選擇一個(gè)被執(zhí)行的處理步驟，以及其他。所以，閥門可被設(shè)置和操作，以將流體、試劑和/或樣品從一個(gè)流體隔間傳送至流體網(wǎng)格中某個(gè)期望的區(qū)域。適當(dāng)?shù)拈y門可包括可移動(dòng)隔膜或薄膜、可壓縮或可移動(dòng)通道壁、球閥、滑閥、片狀閥、氣泡閥和/或不能混合的流體，以及其他。可通過(guò)螺線管、發(fā)動(dòng)機(jī)、壓力(見(jiàn)上述)、加熱器和/或類似物來(lái)操作這樣的閥門。
適當(dāng)?shù)拈y門可以是利用傳統(tǒng)方法在基板上(或內(nèi))連同薄膜電子器件(見(jiàn)下述)形成的微型閥門。可通過(guò)靜電作用力、壓電作用力和/或熱膨脹力來(lái)操縱微型閥門，微型閥門可具有內(nèi)部或外部致動(dòng)器。靜電閥門可包括如多晶硅薄膜或用來(lái)蓋住基板上形成的孔的聚酰亞胺懸臂。壓電閥門可包括外部(或內(nèi)部)壓電盤或沿閥門致動(dòng)器相反方向延伸的壓電桿。熱膨脹閥門可包括一個(gè)被隔膜束縛的、封閉的壓力室。加熱壓力室可使隔膜沿閥門座相反方向膨脹。另外，熱膨脹閥門也可包括氣泡閥門。氣泡閥門主要通過(guò)一個(gè)加熱器元件加熱流體，以此在通道中形成氣泡，于是氣泡阻擋了流體流過(guò)流體網(wǎng)格；被中斷的加熱使氣泡崩潰，從而使得流體流動(dòng)。微型閥門可以是可逆的，也就是說(shuō)，既能關(guān)閉也能打開(kāi)；或者是完全不可逆的，也就是說(shuō)，單用閥門僅僅能夠打開(kāi)或者關(guān)閉。一個(gè)作為示例的單用閥門是流體通道(如聚酰亞胺層)中的一個(gè)熱敏性障礙物。這樣的一個(gè)障礙物可以通過(guò)加熱手段摧毀或修改，從而使流體通過(guò)。
排氣孔可用來(lái)(比如)釋放由進(jìn)入流體隔間的流體產(chǎn)生的置換氣體(displaced gas)。適當(dāng)?shù)呐艢饪装ㄊ箽怏w通過(guò)但限制親水流體通過(guò)的疏水薄膜。示范性排氣孔是GORETEX薄膜。
正如這里所描述的，顯微流體裝置配置成可執(zhí)行或提供三個(gè)步驟輸入、處理和輸出。對(duì)一個(gè)給定的樣品，這些步驟一般按順序執(zhí)行；但是當(dāng)多個(gè)樣品輸入器件時(shí)，上述步驟可不同時(shí)地進(jìn)行。
輸入步驟允許顯微流體裝置的用戶從外界將樣品引入顯微流體裝置內(nèi)。因此，輸入步驟需要一個(gè)連接外界和器件的接口。相應(yīng)地，這個(gè)接口一般擔(dān)當(dāng)了端口的角色，它可以是一個(gè)隔膜、閥門和/或類似物。還可選用或并用以下方式在器件內(nèi)通過(guò)試劑合成來(lái)形成樣品。試劑可以由用戶引入或在器件制造期間引入。在一優(yōu)選實(shí)施例中，在制造期間，試劑被引入并被封入器件或盒中。
然后，對(duì)輸入的樣品進(jìn)行處理。處理過(guò)程可包括任何對(duì)樣品的操作或改變樣品的物理或化學(xué)性質(zhì)(如樣品的成分、濃度和/或溫度)的處置。處理過(guò)程將一個(gè)輸入樣品修改成一種更適合于樣品分析的分析物形式；通過(guò)反應(yīng)，處理過(guò)程可探究樣品的某個(gè)方面；處理過(guò)程可濃縮樣品；可增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度；和/或可將樣品轉(zhuǎn)化成可檢測(cè)的形式。例如，處理過(guò)程可以從一個(gè)輸入樣品中析取或釋放(如從細(xì)胞或病毒中)、分離、提純、濃縮和/或濃縮(如通過(guò)增強(qiáng))一個(gè)或多個(gè)分析物。還可選用或并用以下方式處理過(guò)程可通過(guò)物理、化學(xué)和/或生物學(xué)方法來(lái)改進(jìn)樣品或其分析物。例如，處理過(guò)程可以包括通過(guò)使用染料標(biāo)注樣品/分析物或通過(guò)與酶或基板、測(cè)試試劑或其他活性材料的反應(yīng)在化學(xué)上修改樣品/分析物。還可選用或并用以下方式處理過(guò)程還可以包括利用生物的、物理的或化學(xué)狀態(tài)或制劑來(lái)處置樣品/分析物。示范性狀態(tài)或制劑包括其中的激素、病毒、核酸(如通過(guò)轉(zhuǎn)染)、加熱、輻射、超聲波、光、電壓脈沖、電場(chǎng)、粒子照射、清潔劑、pH值和/或離子狀態(tài)。還可選用或并用以下方式處理過(guò)程可包括為分析物選擇定位。為分析物有選擇地定位的示范性處理步驟可包括毛細(xì)管電泳現(xiàn)象、色譜法、吸附于一個(gè)親和矩陣、與一個(gè)或多個(gè)定位受體特定的結(jié)合(如通過(guò)雜化、受體配體相互作用等)、分選(如基于測(cè)量的信號(hào))和/或類似的方法。
樣品處理過(guò)程后可以執(zhí)行輸出過(guò)程。顯微流體裝置可用于分析和/或預(yù)備。所以，輸出步驟一般包括從顯微流體裝置中獲取任何與樣品有關(guān)的信號(hào)或材料。
與樣品有關(guān)的信號(hào)可包括一個(gè)直接或間接與已處理樣品有關(guān)并被顯微流體裝置測(cè)量的可檢測(cè)信號(hào)。可檢測(cè)信號(hào)可以是模擬值和/或數(shù)字值，可以是單個(gè)值或多個(gè)值，可以是與時(shí)間有關(guān)的值或與時(shí)間無(wú)關(guān)的值(如恒穩(wěn)態(tài)或終點(diǎn)值)和/或可以是平均值或分布值(如時(shí)間上的和/或空間上的)。
可檢測(cè)信號(hào)一般可以通過(guò)光學(xué)或電學(xué)以及其他檢測(cè)方法被檢測(cè)?？蓹z測(cè)信號(hào)可以是光學(xué)信號(hào)，如吸光率、發(fā)光(熒光、電致發(fā)光、生物體之發(fā)光、化學(xué)發(fā)光)、衍射、反射、散射、循環(huán)二色性和/或旋光。適當(dāng)?shù)臒晒夥椒砂晒饽芰抗舱褶D(zhuǎn)移(FRET)、熒光壽命(FLT)、熒光亮度(FLINT)、熒光偏振(FP)、全內(nèi)反射熒光(TIRF)、熒光關(guān)聯(lián)光譜(FCS)、光致褪色后的熒光恢復(fù)(FRAP)以及熒光活化細(xì)胞分選(FACS)。光學(xué)信號(hào)可被當(dāng)作一個(gè)非定位值或一組值來(lái)測(cè)量，并且/或者可以帶有空間信息(例如通過(guò)電荷耦合器件用成像方法測(cè)量)。在一些實(shí)施例中，可檢測(cè)信號(hào)可以是一個(gè)由板上的光電二極管產(chǎn)生的光電信號(hào)。其他的可檢測(cè)信號(hào)可以通過(guò)表面等離子體共振、核磁共振、順磁共振、質(zhì)譜測(cè)量和/或其他類似方法測(cè)得。還可選用和并用以下方式可檢測(cè)信號(hào)可以是一個(gè)電信號(hào)，也就是說(shuō)，可以是一個(gè)測(cè)得的電壓、電阻、電導(dǎo)系數(shù)、電容、功率等。示范性電子信號(hào)的測(cè)量可以橫跨一個(gè)細(xì)胞膜進(jìn)行，可作為一個(gè)分子結(jié)合事件(如核酸成對(duì)信息、受體配體相互作用等)來(lái)進(jìn)行和/或通過(guò)類似的方法測(cè)得。
在一些實(shí)施例中，顯微流體裝置可用于樣品的制備?？奢敵龅?、與樣品有關(guān)的物質(zhì)包括任何化學(xué)或生物合成物、聚合體、集合體、混合物、裝配物(assembly)和/或處理過(guò)程后排出器件的有機(jī)體。這些與樣品有關(guān)的物質(zhì)可以是對(duì)一個(gè)輸出樣品經(jīng)過(guò)化學(xué)改進(jìn)(或合成)、生物改進(jìn)、提純和/或分選衍生后得到的。
顯微流體裝置可包括不同的結(jié)構(gòu)部分，用于處理(和存儲(chǔ))流體和傳導(dǎo)測(cè)定(如部分I作為示例)。經(jīng)過(guò)配置的這些部分可以實(shí)施不同的處理和/或操作步驟。流體處理部分可以和測(cè)定部分隔開(kāi)，并且與測(cè)定部分的流體網(wǎng)格或流體空間相比，流體處理部分可以有一個(gè)三維空間的流體網(wǎng)格或流體空間。流體處理部分可設(shè)有任何適當(dāng)容積的流體室，其中的一個(gè)或多個(gè)流體室的容量可達(dá)幾十或數(shù)百微升甚至達(dá)到或超出5毫升。
流體處理部分可包括樣品輸入部位(端口)，用于接收樣品；包括多個(gè)流體容器，用于容納和傳遞試劑和/或接收廢物。流體處理部分可具有所需的、稍大的流體容積尺寸，在某些情況下，容積可大于1微升或1毫升。此外，流體處理部分可包括由一個(gè)或多個(gè)流體通道形成的預(yù)處理部位，用于從廢料中分離出被研究的分析物，比如用于從包含一個(gè)或多個(gè)細(xì)胞的樣品中分離出分析物(如核酸)。流體處理部分可確定一個(gè)通常為非平面的流體網(wǎng)格或流體空間。在一個(gè)非平面或三維的流體網(wǎng)格中，流體網(wǎng)格的一個(gè)或多個(gè)部分可被配置成離開(kāi)任何共同平面2毫米以上。
測(cè)定部分可提供一個(gè)部位，在該部位最終樣品處理過(guò)程發(fā)生和/或測(cè)定信號(hào)被測(cè)量。測(cè)定部分可配置成操作和分析小容量樣品，一般具有容量小于約50微升的流體室，比較理想的是小于約10微升，最好是小于約1微升。
測(cè)定部分可有別于流體處理部分，也就是說(shuō)，測(cè)定部分由截然不同的、不與流體處理部分共用的組成成分構(gòu)成。因此，測(cè)定部分可單獨(dú)構(gòu)成，而后被附著在流體處理部分上并與該部分的流體隔間流動(dòng)性相連。
測(cè)定部分可包括一個(gè)基底部分和一個(gè)流體阻擋。至少可以部分地或全部地將電子電路設(shè)置在基底部分和流體阻擋之間?；撞糠峙c流體阻擋在基板部分表面附近共同確定了一個(gè)流體空間。電子電路可包括薄膜部分或電子線路層，其中的薄膜層也被設(shè)置在基板表面附近。接近表面的結(jié)構(gòu)與基板表面的距離比對(duì)置的基板表面更靠近。
基板的電特性可確定電子電路、尤其是固態(tài)電子交換器件相對(duì)于基板和流體阻擋的位置?；蹇梢允前雽?dǎo)體，因此電子電路的有些部分可以通過(guò)含有n型雜質(zhì)和含有p型雜質(zhì)而設(shè)在基板內(nèi)。另外，基板也可以是絕緣體。在這種情況中，所有的電子電路可以設(shè)在基板外。一個(gè)適當(dāng)?shù)幕逋ǔＴ谄鋬蓚€(gè)對(duì)置表面上是平整或平面的，以便于淀積薄膜?；逯辽賾?yīng)基本上是無(wú)機(jī)材料，包括如硅、砷化鎵、鍺、玻璃、陶瓷、氧化鋁和/或類似物。
薄膜電子電路包括薄膜或薄膜層。在電路工作過(guò)程中，電子電路的每個(gè)薄膜層可充當(dāng)一個(gè)直接的或輔助的角色，也就是說(shuō)，其中起到一個(gè)導(dǎo)體的、絕緣的、電阻的、電容性的、選通的和/或保護(hù)的作用。保護(hù)性和/或絕緣作用可提供電絕緣、阻止因流體媒介而腐蝕的化學(xué)絕緣和/或類似作用。薄膜層的厚度可小于約100微米、50微米或20微米。還可選用或并用以下方式薄膜層的厚度可大于約10納米、20納米或50納米。這種薄膜構(gòu)成了電子器件，之所以將薄膜描述成電子器件是因?yàn)樗鼈冇蓽y(cè)定部分的電子電路電學(xué)地控制。這些電子器件配置成可修改和/或檢出測(cè)定部分的流體隔間內(nèi)的流體性質(zhì)。因此，這些電子器件和薄膜層部分可設(shè)置在基板和流體網(wǎng)格或測(cè)定部分的流體隔間之間。示范性改變器件可包括電極、加熱器(如電阻)、冷卻器、泵、閥門等等。因此，被修改的性質(zhì)可以是流體或流體隔間內(nèi)分析物的分布或位置、分析物的遷移率、分析物的濃度、與相關(guān)樣品有關(guān)的分析物的豐度、流體的流率、流體的絕緣、或流體/分析物的溫度。還可選用或并用以下方式薄膜器件可監(jiān)控或檢測(cè)流體和/或分析物的狀態(tài)或位置。示范性檢測(cè)器件可包括溫度傳感器、流率傳感器、pH值傳感器、壓力傳感器、流體傳感器、光學(xué)傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、分析物傳感器和/或類似的器件。將一個(gè)改變器件和一個(gè)檢測(cè)器件組合就可進(jìn)行反饋控制，例如測(cè)定部分內(nèi)一個(gè)流體區(qū)域的閉環(huán)溫度控制。
與線性響應(yīng)的電路相比，測(cè)定部分所包含的電子電路具有適應(yīng)性。電子電路使用半導(dǎo)體器件(晶體管、二極管等)和固態(tài)電子轉(zhuǎn)換，結(jié)果是少量的輸入/輸出線可電連接到數(shù)量較大的電子電路上。因此，電子電路可被連接和/或可包括任何適當(dāng)?shù)妮斎?輸出線(包括供電線/地線、數(shù)據(jù)輸入線、點(diǎn)火脈沖線、數(shù)據(jù)輸出線和/或時(shí)鐘線)。供電線/地線可以為改變器件和檢測(cè)器件供電。數(shù)據(jù)輸入線可提供指示要打開(kāi)的器件(如加熱器或電極)的數(shù)據(jù)。點(diǎn)火脈沖線可從外部或內(nèi)部提供給芯片。這些線可配置成使特定的一組數(shù)據(jù)成為有效，以使改變器件和/或檢測(cè)器件成為有效。數(shù)據(jù)輸出線路可從測(cè)定部分的電路中接收數(shù)據(jù)，例如從檢測(cè)器件中接收數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)?；跀?shù)據(jù)輸入或輸出的速率，可提供單個(gè)數(shù)據(jù)輸入/輸出線或多個(gè)數(shù)據(jù)輸入/輸出線。在數(shù)據(jù)傳輸率較低時(shí)，單個(gè)數(shù)據(jù)輸入/輸出線已足夠；但是在較高的數(shù)據(jù)傳輸率時(shí)(例如并行驅(qū)動(dòng)多個(gè)薄膜器件時(shí))，一根或多根數(shù)據(jù)輸入線和一根獨(dú)立的數(shù)據(jù)輸入輸出線可能是非常必要的。時(shí)鐘線可提供處理過(guò)程的定時(shí)，如發(fā)送和從控制器接收數(shù)據(jù)的過(guò)程(見(jiàn)下面)。
顯微流體裝置可配置成被一個(gè)控制裝置或控制器控制。因此，顯微流體裝置通過(guò)導(dǎo)電、電容和/或電感應(yīng)與控制器電連接。控制器可提供任何上述的輸入/輸出線。此外，控制器可提供一個(gè)用戶界面，可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可提供一個(gè)或多個(gè)探測(cè)器，并且/或者可提供一個(gè)機(jī)械接口。為了修改和/或檢測(cè)顯微流體裝置中的流體、樣品和/或分析物，控制器的功能例如包括操作和/或提供閥門、泵、近程聲波定位器、光源、加熱器、冷卻器等等。
關(guān)于顯微流體裝置、流體處理部分、測(cè)定部分以及控制器的更多情況在部分I中描述。
III.樣品正如這里描述的，顯微流體系統(tǒng)配置成對(duì)樣品進(jìn)行處理。通常，樣品可包括任何被研究物質(zhì)，顯微流體接收和處理這些物質(zhì)，對(duì)被研究物質(zhì)(或分析物)進(jìn)行分析或是出于制備目的對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。樣品通常具有可被系統(tǒng)測(cè)量的所研究的性質(zhì)，或可被系統(tǒng)有利地修改(如提純、分選、衍生、培養(yǎng)等)。樣品可包括任何化合物、聚合體、集合體、混合物、提煉物、復(fù)合體、微粒、病毒、細(xì)胞和/或組合物。被研究的分析物和/或物質(zhì)可以構(gòu)成樣品的任何部分(例如可以是樣品中的主要成分、次要成分或微量成分)。
因此，樣品以及其中包含的分析物可以是生物類的。生物樣品一般可包括細(xì)胞、病毒、細(xì)胞提煉物、細(xì)胞生成的或與細(xì)胞有關(guān)的物質(zhì)、候選的或已知的細(xì)胞調(diào)節(jié)器和/或人造衍生物，以及其他。細(xì)胞可包括來(lái)自任何單細(xì)胞或多細(xì)胞生物體的真核細(xì)胞和/或原核生物細(xì)胞，并且可以是任一種或一組類型的細(xì)胞。細(xì)胞生成的或與細(xì)胞有關(guān)的物質(zhì)可包括核酸(DNA或RNA)、蛋白質(zhì)(如酶、受體、調(diào)節(jié)因子、配體、組織蛋白質(zhì)等)、激素(如核激素、前列腺素、類脂化合物、氧化氮、環(huán)化核苷、縮氨酸激素等)、碳水化合物(如單糖、雙糖或多糖、聚糖、糖蛋白等)、離子(如鈣、鈉、鉀、氯化物、鋰、鐵等)和/或其他代謝物或細(xì)胞引入物質(zhì)在其中。
生物樣品可以是臨床樣品、研究樣品、環(huán)境樣品、法醫(yī)樣品和/或工業(yè)樣品等等。臨床樣品可包括任何出于診斷和/或預(yù)防目的而獲取的人類或動(dòng)物樣品。例如，臨床樣品可包括血液(血清、全血或細(xì)胞)、淋巴、尿液、糞便、胃內(nèi)容物、膽汁、精液、粘液、陰道涂片標(biāo)本、腦脊髓液、唾液、排汗、眼淚、皮膚、毛發(fā)、組織活體解剖、吸出液體、外科樣品、腫瘤和/或類似物。研究樣品可包括任何與生物研究和/或生物醫(yī)學(xué)研究有關(guān)的樣品，例如培養(yǎng)細(xì)胞或病毒(野生型的、設(shè)計(jì)的和/或突變型的)以及其提煉物、部分或全部?jī)艋募?xì)胞物質(zhì)、細(xì)胞分泌物質(zhì)、與藥物篩選有關(guān)的物質(zhì)等。環(huán)境樣品可包括取自土壤、空氣、水、植物和/或人造結(jié)構(gòu)的樣品，并且可以基于生物學(xué)的觀點(diǎn)對(duì)這些樣品進(jìn)行分析和控制。
樣品可以是非生物樣品。非生物樣品一般包括未被確定為生物樣品的任何樣品。針對(duì)非生物樣品，可以分析任何適當(dāng)?shù)臒o(wú)機(jī)化合物或有機(jī)化合物、聚合體和/或混合物的存在/不存在、程度、大小和/或結(jié)構(gòu)。適當(dāng)?shù)姆巧飿悠房砂ōh(huán)境樣品(例如取自土壤、空氣、水等的樣品)、合成材料、工業(yè)衍生產(chǎn)品或廢料和/或類似物。
樣品可以是固體、液體和/或氣體。樣品可以在引入顯微流體系統(tǒng)前經(jīng)過(guò)預(yù)處理或者可以直接被引入顯微流體系統(tǒng)。系統(tǒng)外部的預(yù)處理過(guò)程可包括化學(xué)處置、生物處置(培養(yǎng)、激素處理等)和/或物理處置(例如使用加熱、壓力、輻射、超聲波擊穿、與流體混合等)。在引入顯微流體系統(tǒng)之前或之后，固體樣品(如組織、土壤等)可以在流體中被溶解和打散，并且/或者可在顯微流體裝置內(nèi)的流體內(nèi)釋放固體樣品。液體和/或氣體樣品可以在系統(tǒng)外部被預(yù)處理，和/或可被直接引入顯微流體系統(tǒng)。
IV.測(cè)定顯微流體系統(tǒng)可用來(lái)測(cè)定(分析/測(cè)試)輸入樣品的某個(gè)方面?？梢酝ㄟ^(guò)顯微流體系統(tǒng)來(lái)分析一個(gè)生物樣品或非生物樣品的任何適當(dāng)方面。適當(dāng)方面可以涉及樣品攜帶的一個(gè)或多個(gè)分析物的性質(zhì)。這種性質(zhì)可包括存在/不存在、程度(如細(xì)胞中RNA或蛋白質(zhì)的表達(dá)程度)、大小、結(jié)構(gòu)、活性(酶或生物活性)、細(xì)胞內(nèi)的特定區(qū)域、細(xì)胞顯型和/或類似的性質(zhì)。結(jié)構(gòu)可包括主要結(jié)構(gòu)(如核苷酸或蛋白質(zhì)序列、聚合體結(jié)構(gòu)、異構(gòu)體結(jié)構(gòu)或一個(gè)化學(xué)改變)、次級(jí)或第三級(jí)結(jié)構(gòu)(如局部折疊或高階折疊)和/或第四級(jí)結(jié)構(gòu)(如分子間相互作用)。細(xì)胞顯型可涉及細(xì)胞狀態(tài)、導(dǎo)電性能、細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞移動(dòng)、細(xì)胞識(shí)別、信息基因活動(dòng)和/或類似性質(zhì)。
顯微流體測(cè)定可測(cè)量一個(gè)或多個(gè)核酸的存在/不存在或程度。每個(gè)被分析的核酸可以作為單個(gè)分子或更一般地以多分子的形式出現(xiàn)。多分子可以是同一的或基本相同的，并且/或可以共用一個(gè)相同的區(qū)域(一般是二十個(gè)或更多個(gè)相鄰的基質(zhì))。如本發(fā)明所使用的，由共價(jià)連接單體亞單位鏈構(gòu)成的核酸(核酸種類)一般包括一個(gè)核酸聚合體或多聚核苷酸。單體亞單位可構(gòu)成包含了任何或者所有基礎(chǔ)腺嘌呤、胞核嘧啶、鳥(niǎo)嘌呤、尿嘧啶、胸腺嘧啶、次黃嘌呤、黃嘌呤或肌苷的多聚核糖核苷酸(RNA)和/或脫氧核糖核苷酸(DNA)。還可選用或并用以下方式核酸可以是天然的或合成的衍生物(例如包括甲基化主要成分、縮氨酸核酸、硫磺代用主鏈、和/或類似的物質(zhì))。核酸可以是單鏈的、雙鏈的或三鏈的，核酸可以是野生型的，或重組體、缺失的、插入的、倒置的、重排的，和/或它們的點(diǎn)突變異種。
核酸分析可包括測(cè)試一個(gè)樣品，以測(cè)量樣品中一個(gè)或多個(gè)核酸種類(DNA和/或RNA)的存在/不存在、數(shù)量、大小、主要順序、完整性、變性和/或鏈?zhǔn)?strandedness)。這種分析可提供基因型信息，并且/或者可根據(jù)一個(gè)特定基因或基因區(qū)等來(lái)測(cè)量基因表達(dá)。
基因型信息可用于樣品的微生物(如致病物種)識(shí)別和/或定量。示范性的致病生物可包括(但不限于)病毒(如艾滋病病毒HIV、肝炎病毒、狂犬病、流行性感冒、巨細(xì)胞病毒CMV、皰疹病毒、乳突淋瘤病毒、鼻病毒)、細(xì)菌(如金黃色葡萄球菌、產(chǎn)氣莢膜芽孢梭菌、腸炎弧菌、鼠傷寒沙門氏桿菌、炭疽桿菌、肉毒桿菌、大腸桿菌等等)、真菌類(如包括在假絲酵母屬、球孢子菌屬、芽生菌屬、組織胞漿菌屬、曲霉菌屬、接合菌屬、鐮刀菌屬和毛孢子菌屬中的真菌類)、以及原生動(dòng)物(如瘧原蟲(chóng)(例如日間瘧、惡性瘧和三日瘧等)、賈第蟲(chóng)、寄生性大腸原蟲(chóng)、隱孢子蟲(chóng)和阿米巴原蟲(chóng))。通過(guò)分析可確定比如一個(gè)人、動(dòng)物、植物、食物、土壤或水是否感染或攜帶了特定的微生物。在某些情況下，分析還可提供有關(guān)特定菌株存在的特別信息。
基因型分析可包括用于臨床分析或法醫(yī)分析的遺傳篩選，用于如確定一個(gè)特定基因區(qū)的存在/不存在、副本數(shù)和/或序列。遺傳篩選可能適用于出生前或出生后診斷(比如篩選出生缺陷、識(shí)別遺傳疾病和/或單核苷的多態(tài)現(xiàn)象或描述腫瘤的特征)。遺傳篩選還可用于輔助醫(yī)生對(duì)病人進(jìn)行治療(例如指導(dǎo)選藥、為病人提供建議等)。法醫(yī)分析可使用基因型分析，例如識(shí)別某人、確定某個(gè)人是否在一個(gè)犯罪現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)過(guò)、或確定出身等等。在一些實(shí)施例中，核酸可攜帶并且/或者可被分析其單核多態(tài)現(xiàn)象。
顯微流體系統(tǒng)可用于定量(表現(xiàn)數(shù)量)或定性地(表現(xiàn)存在/不存在)分析基因表達(dá)?；虮磉_(dá)分析可直接用于RNA或利用樣品RNA作為模板(例如使用逆向轉(zhuǎn)錄酶)合成互補(bǔ)DNA。如在部分I中所描述的實(shí)施例中，互補(bǔ)DNA可在顯微流體裝置內(nèi)(例如在測(cè)定部分內(nèi))被合成，或者在裝置外部被合成(即在樣品輸入前合成)。
表達(dá)分析有益于醫(yī)學(xué)用途或研究用途。例如，單個(gè)基因或基因組的表達(dá)分析(profiling)可用于確定或預(yù)測(cè)一個(gè)人的健康，指導(dǎo)藥物選擇或其他處置等。還可選用或并用以下方式將表達(dá)分析用于研究應(yīng)用方面，如報(bào)告者的基因分析、篩選庫(kù)(例如化合物庫(kù)、縮氨酸庫(kù)、抗體庫(kù)、抗菌素庫(kù)、細(xì)菌庫(kù)等)和/或類似的應(yīng)用。
測(cè)定可包括使分析物性質(zhì)可被測(cè)量的處理步驟。這些處理步驟可包括標(biāo)注、增強(qiáng)、與受體結(jié)合等等。
標(biāo)注處理步驟可提高分析物的可檢測(cè)性。適當(dāng)?shù)臉?biāo)注可共價(jià)或非共價(jià)地與分析物連接，并且標(biāo)注可包括光學(xué)可檢測(cè)染料(熒光團(tuán)、發(fā)色團(tuán)、能量轉(zhuǎn)移團(tuán)等)、特定結(jié)合對(duì)的成員(特定結(jié)合對(duì)，如生物素、洋地黃毒苷、表位標(biāo)簽等，見(jiàn)表1)和/或類似物。標(biāo)注連接可通過(guò)酶反應(yīng)(例如以核酸為模板的復(fù)制(或連接反應(yīng))、蛋白質(zhì)磷酸化作用和/或甲基化作用)來(lái)引導(dǎo)，或者可以通過(guò)化學(xué)的、生物的或物理的(例如光催化或熱催化作用)方法來(lái)引導(dǎo)。
針對(duì)核酸分析，執(zhí)行增強(qiáng)處理步驟可提高核酸檢測(cè)的敏感性。增強(qiáng)可以是有選擇地增加目標(biāo)核酸種類豐度或目標(biāo)種類內(nèi)一個(gè)區(qū)域豐度(分子數(shù))的任何過(guò)程。增強(qiáng)可包括熱循環(huán)(例如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、連接酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和/或類似的反應(yīng))或者是等溫的(例如鏈置換增強(qiáng))。關(guān)于增強(qiáng)處理更多的情況在以上部分I中描述。
受體結(jié)合處理步驟可包括將一個(gè)分析物(或由分析物的出現(xiàn)產(chǎn)生的或以分析物為模板的一個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物)與特定和分析物結(jié)合的受體相接觸。受體可以按陣列方式附著在顯微流體隔間上，或者在顯微流體隔間內(nèi)有一個(gè)固定的位置，或者是分布于整個(gè)隔間。特定結(jié)合指對(duì)一個(gè)混合物內(nèi)預(yù)定的配對(duì)來(lái)說(shuō)具有很高選擇性的結(jié)合，一般排除與混合物其他部分的結(jié)合。特定結(jié)合具有下列特征結(jié)合系數(shù)小于約10-4M，最佳結(jié)合系數(shù)小于約10-5M、10-7M或10-9M。適合于受體-分析物相互作用的示范性的特定結(jié)合對(duì)列示在下面的表1中。
表1.有代表性的特定結(jié)合對(duì)

樣品測(cè)定的更多內(nèi)容(尤其是樣品中核酸分析物的測(cè)定)在以上部分I中描述。
可以相信，上述的內(nèi)容包括了本發(fā)明的多個(gè)不同的實(shí)施例。雖然這些實(shí)施例中的每一個(gè)都是以特定的形式被揭示的，并不認(rèn)為這里所揭示和說(shuō)明的特定實(shí)施例是限制性的，因?yàn)榭赡艽嬖诖罅康淖冃?。所以，所揭示?nèi)容的主題包括所有新穎的和非顯而易見(jiàn)的各種在這里被揭示的要素、特征、功能和特性的聯(lián)合和子聯(lián)合。同樣地，權(quán)利要求書(shū)所述的“一個(gè)”或“一個(gè)第一”要素或等效物應(yīng)當(dāng)被理解為包括一個(gè)或多個(gè)這種要素的結(jié)合，既不需要也不排除兩個(gè)或多個(gè)這種要素的結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種分析含有核酸(127)和廢料的樣品中的核酸(127)的顯微流體裝置(14)，其中包括一個(gè)配置成以機(jī)械方式移動(dòng)流體的流體處理部分(42)，所述流體處理部分(42)確定至少一個(gè)隔間(54)并配置成可接收樣品并在所述隔間內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，以至少部分地將核酸(127)從廢料中分離出來(lái)；以及一個(gè)與所述流體處理部分(42)接口并確定至少一個(gè)室的測(cè)定部分(44)，所述室與隔間(54)流體連接，所述測(cè)定部分(44)包括配置成處理所述室內(nèi)的被分離核酸(127)的電子裝置(58)。
2.如權(quán)利要求1所述的顯微流體裝置(14)，其特征在于，所述顯微流體裝置(14)是一個(gè)用來(lái)安裝在控制裝置(12)上或者可從控制裝置(12)上卸下的盒，所述控制裝置(12)包括一個(gè)控制器(22)，當(dāng)該盒裝在所述控制裝置(12)上時(shí)，所述控制器(22)可控制所述盒內(nèi)的操作并從所述盒接收信息。
3.如權(quán)利要求2所述的顯微流體裝置(14)，其特征在于，還包括一個(gè)互連電路(18)，當(dāng)所述盒裝在控制裝置(12)上時(shí)，所述電路(18)將所述電子裝置(58)與所述控制器(22)電連接。4.如權(quán)利要求2或3所述的裝置(14)，其特征在于，所述流體處理部分(42)包括一個(gè)外殼(45)，當(dāng)所述盒裝在所述控制裝置(12)上時(shí)，所述外殼(45)在所述盒和所述控制裝置(12)之間提供機(jī)械連接。
5.一個(gè)對(duì)樣品中的核酸(127)進(jìn)行顯微流體分析的盒(14)，其中包括一個(gè)包括用以接收樣品的輸入部位(50)的流體處理部分(42)，所述流體處理部分(42)確定多個(gè)隔間和管道，所述管道將樣品輸入部位(50)流體連接到所述隔間，所述流體處理部分(42)配置成可在至少一個(gè)隔間內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，以至少部分地將核酸(127)從所述樣品的廢物部分中分離出來(lái)；以及一個(gè)固定在所述流體處理部分(42)上的測(cè)定部分(44)，該測(cè)定部分(44)包括電子裝置(58)并確定流體連接到至少一個(gè)隔間的至少一個(gè)室，所述電子裝置(58)配置成可處理所述室內(nèi)的被分離核酸(127)。
6.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的顯微流體裝置(14)或權(quán)利要求5所述的盒(14)，其特征在于，所述電子裝置(58)包括多個(gè)電極(172)和加熱器，所述多個(gè)電極(172)可被操作而改變被分離核酸(127)在所述室內(nèi)的位置，所述多個(gè)加熱器可被操作而加熱所述室內(nèi)的被分離核酸(127)。
7.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的裝置(14)或權(quán)利要求5或6所述的盒(14)，其特征在于，所述測(cè)定部分(44)配置成可用至少一種從所述流體處理部分(42)接收的增強(qiáng)試劑來(lái)增強(qiáng)所述室內(nèi)的被分離核酸(127)。
8.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的顯微流體裝置(14)或權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的盒(14)，其特征在于，所述室包括多個(gè)流體連接的不同的室。
9.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的裝置(14)或權(quán)利要求5至8中任一項(xiàng)所述的盒(14)，其特征在于，所述流體處理部分(42)配置成將被分離核酸(127)提供給第一容積中的室，所述流體室具有第二容積，第一容積顯著大于第二容積。
10.一種制作盒(14)的方法，所述盒(14)主要用于對(duì)含有核酸(127)和廢料的樣品中的核酸(127)進(jìn)行顯微流體分析，包括以下步驟進(jìn)行流體處理部分(42)的形成，該流體處理部分(42)確定至少一個(gè)隔間(54)，配置成可接收樣品并對(duì)隔間內(nèi)的樣品進(jìn)行預(yù)處理，以至少部分地將核酸(127)從廢料中分離出來(lái)；進(jìn)行測(cè)定部分(44)的制作，該測(cè)定部分(44)確定至少一個(gè)室，所述測(cè)定部分(44)包括一個(gè)基板(160)和在基板上形成的電子裝置(58)，電子裝置(58)配置成可在所述室內(nèi)處理被分離核酸(127)；以及將所述測(cè)定部分(44)固定在流體處理部分(42)上，以將所述隔間(54)和所述室流體連接。
11.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的裝置(14)、如權(quán)利要求5至9中任一項(xiàng)所述的盒(14)或權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述電子裝置(58)包括至少一個(gè)形成多個(gè)電極(172)的薄膜層，所述多個(gè)電極(172)可被操作來(lái)對(duì)所述室內(nèi)的核酸(127)作電處理。
12.一種分析含有核酸(127)和廢料的樣品中的核酸(127)的方法，包括以下步驟將樣品引入含有至少一個(gè)隔間(54)的盒(14)；至少部分地在所述隔間(54)內(nèi)將樣品中的核酸(127)從廢料中分離出來(lái)；以及在所述盒的至少一個(gè)室內(nèi)，用與該室連接的電子裝置(58)處理核酸(127)，所述室與所述隔間流體連接并與之分開(kāi)形成。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述分離包括將所述核酸(127)保留在一個(gè)保留矩陣內(nèi)。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述處理包括當(dāng)載有核酸(127)的流體至少大體由機(jī)械驅(qū)動(dòng)流移動(dòng)而經(jīng)過(guò)電極(172)時(shí)，用所述電子裝置(58)中的一電極(172)保持核酸(127)來(lái)濃縮所述室內(nèi)的核酸(127)。
15.一個(gè)用以分析含有核酸(127)和廢料的樣品中核酸(127)的盒(14)，其中包括在所述盒的一隔間(54)內(nèi)接收樣品的單元；在所述隔間(54)內(nèi)至少部分地將核酸(127)從廢料分離的單元；移動(dòng)被分離核酸(127)經(jīng)基板(160)至所述盒的一個(gè)室的單元；以及在所述室內(nèi)用所述基板(160)上形成的電子裝置(58)處理被分離核酸(127)的單元。
16.一個(gè)裝在控制裝置(12)上時(shí)用于生物樣品分析的可卸下的盒(14)，所述控制裝置(12)包括一個(gè)凹槽(16)和一個(gè)配置成控制所安裝的盒(14)內(nèi)的操作并從中接收信息的控制器(22)，所述盒包括帶外殼(45)的流體處理部分(42)，當(dāng)所述盒(14)安裝在所述控制裝置(12)上時(shí)，至少部分地被凹槽(16)接受，所述流體處理部分(42)還包括多個(gè)被流體連接的隔間(54)，所述流體處理部分(42)配置成可在至少一個(gè)隔間(54)內(nèi)對(duì)生物樣品進(jìn)行預(yù)處理；以及一個(gè)設(shè)有基板(160)和在該基板(160)上形成的電子裝置(58)的測(cè)定部分(44)，該測(cè)定部分(44)確定被流體連接到所述隔間的至少一個(gè)室，所述電子裝置(58)配置成對(duì)所述室內(nèi)的生物樣品作進(jìn)一步處理。
17.如權(quán)利要求16所述的可拆卸盒，其特征在于，所述外殼(45)包括一個(gè)電接口(18)，配置成可將所述電子裝置(58)連接到所述控制裝置(12)，從而使所述控制器(22)控制和接收來(lái)自所述電子裝置(58)的信息。
18.一個(gè)用于分析樣品中核酸(127)的系統(tǒng)(10)，其中包括一個(gè)包含流體處理部分(42)的盒(14)，所述流體處理部分(42)確定至少一個(gè)隔間(54)，配置成可接收樣品并在所述隔間(54)中對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，以至少部分地將核酸(127)從樣品的廢物部分中分離出來(lái)，以及一個(gè)與流所述體處理部分(42)接口并確定至少一個(gè)室的測(cè)定部分(44)，所述室與所述隔間(54)流體連接，所述測(cè)定部分(44)包含配置成可處理所述室內(nèi)的核酸(127)的電子裝置(58)和一個(gè)設(shè)有電接口(20)的控制裝置(12)，所述控制裝置(12)與所述盒的電子裝置(58)電連接，所述控制裝置(12)包含一個(gè)配置成對(duì)所述流體處理部分(42)和所述測(cè)定部分(44)的操作進(jìn)行控制的控制器(22)。
19.一個(gè)用以分析生物樣品中的核酸(127)的盒，其中包括一個(gè)流體處理裝置(42)，該裝置包括一個(gè)生物樣品輸入室(50)、一個(gè)試劑室(52)和一個(gè)與生物樣品輸入室(50)和試劑室(52)流體連接的預(yù)處理室(54)，并配置成可至少部分地將核酸(127)從樣品的廢物部分中分離出來(lái)；以及一個(gè)測(cè)定裝置(44)，該裝置包括一個(gè)基板(160)和在所述基板(160)上形成的電子裝置(58)，所述測(cè)定裝置(44)確定一個(gè)與預(yù)處理室(54)流體連接的測(cè)定室(68)，所述電子裝置(58)與所述測(cè)定室(68)相連以對(duì)被分離核酸(127)進(jìn)行測(cè)定。
20.如權(quán)利要求19所述的盒(14)，其特征在于，還包括一個(gè)與所述測(cè)定裝置(44)的電子裝置(58)連接的電接口(18)，用以與控制所述盒(14)的操作的控制裝置(12)接口。
全文摘要
提供一個(gè)系統(tǒng)(10)(包括裝置和方法)，主要用于對(duì)含有核酸和廢料的樣品中的核酸(127)進(jìn)行顯微流體處理和/或分析。所述系統(tǒng)(10)包括一個(gè)顯微流體裝置(14)，由流體處理部分(42)和測(cè)定部分(44)組成。流體處理部分(42)配置成可機(jī)械地移動(dòng)流體，并確定至少一個(gè)流體隔間(54)。流體處理部分(42)配置成用來(lái)接收樣品，并對(duì)流體隔間(54)內(nèi)的樣品進(jìn)行預(yù)處理，從而至少部分地將核酸(127)從廢料中分離出來(lái)。測(cè)定部分(44)與流體處理部分(42)相連，并確定至少一個(gè)流體室。所述流體室流體連接到流體隔間(54)。所述測(cè)定部分(44)包括電子裝置(58)，配置成可處理流體室內(nèi)的核酸(127)。
文檔編號(hào)G01N35/00GK1732044SQ200380107838
公開(kāi)日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2003年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月31日
發(fā)明者W·D·茨德斯, D·泰沃爾 申請(qǐng)人:惠普開(kāi)發(fā)有限公司