專利名稱：用于分析核酸的微流系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分析目標(biāo)和非目標(biāo)核酸的核酸混合物中核酸目標(biāo)的方法，以及用于分析包括目標(biāo)的核酸混合物中核酸目標(biāo)的微流裝置。
背景技術(shù)：
基因組排序和蛋白質(zhì)體學(xué)的飛速進(jìn)展推動(dòng)了生物技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)出更快速且更有效的用于分析生物樣本中核酸的裝置。相應(yīng)地，生物技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)朝著開發(fā)用于樣本分析的小型微流裝置的方向做了很大的努力，這種小型微流設(shè)備通常被稱為芯片上的實(shí)驗(yàn)室。這種裝置可對(duì)非常少量液體的樣本進(jìn)行分析，以供更為經(jīng)濟(jì)的試劑和樣本的使用，并且在某些情況下能夠大大加快化驗(yàn)速度。尤其是，這些裝置為人體健康評(píng)估、基因篩查和病原體檢測(cè)等作為在臨床環(huán)境或現(xiàn)場快速實(shí)現(xiàn)的常規(guī)且成本相對(duì)較低的方法提供了未來的可行性。
不管微流的潛力如何，稀釋的目標(biāo)核酸的低量分析對(duì)微流裝置提出了重要的技術(shù)問題。典型的核酸分析依賴于在最初樣本處理時(shí)對(duì)全部核酸進(jìn)行非選擇性分離。這樣，通常在所有分離的核酸存在的情況下，核酸目標(biāo)可被選擇性放大，以允許對(duì)放大的目標(biāo)進(jìn)行序列化驗(yàn)。然而，在很多情況下，在最初樣本處理過程中目標(biāo)以相對(duì)較稀的形式被分離，并且只代表整個(gè)分離的核酸中的一小部分。例如，每微升人體血液中的人體病原體的臨床相關(guān)級(jí)別幾乎小于一個(gè)微粒或有機(jī)體。此外，一低滴定率病原體或一單復(fù)制基因中的遺傳感興趣區(qū)可代表從哺乳動(dòng)物樣本中分離出來的整個(gè)DNA的百萬分之一以下。
構(gòu)成樣本中一小部分分離核酸的稀釋的目標(biāo)可提出針對(duì)目標(biāo)放大的兩個(gè)問題。首先，因?yàn)槟繕?biāo)較稀，需要一相對(duì)較大的容器來容納流體，該流體體積足夠大以包括可檢測(cè)的目標(biāo)分子數(shù)，例如，該容器的容量可達(dá)到百分之一微升或更多。結(jié)果，輸入可檢測(cè)目標(biāo)分子數(shù)的需求迫使在放大之前需要額外的樣本處理，或甚至排除使用某些類型的微流裝置，尤其是那些在微升以下體積中放大和化驗(yàn)?zāi)繕?biāo)核酸的微流裝置。相反，在大體積中的較稀樣本無法利用微流裝置的優(yōu)點(diǎn)。其次，因?yàn)槟繕?biāo)經(jīng)常代表樣本中全部分離核酸的一小部分，放大效率因存在過多非目標(biāo)核酸而下降。例如，非目標(biāo)核酸的負(fù)反應(yīng)可降低目標(biāo)放大率并消耗放大反應(yīng)物，至少造成信噪比降低，甚至造成目標(biāo)信號(hào)全部丟失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括方法和裝置，用于對(duì)核酸混合物中的核酸目標(biāo)進(jìn)行微流分析。系統(tǒng)包括在放大前從混合物中預(yù)選目標(biāo)的方法。通過在目標(biāo)選擇接收器上保持目標(biāo)，然后去除未保持的非目標(biāo)核酸，預(yù)選使目標(biāo)在混合物中的濃度增大。然后預(yù)選的目標(biāo)可從濃縮混合物中被放大并被化驗(yàn)。同時(shí)公開了被構(gòu)形為實(shí)現(xiàn)此方法的裝置。


圖1是一流程圖，該流程圖闡明用于分析核酸目標(biāo)的示意性的方法，依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，預(yù)選之后進(jìn)行預(yù)選目標(biāo)的放大。
圖2是一流程圖，該流程圖闡明用于實(shí)施圖1中流程圖的預(yù)選部分的示意性的方法。
圖3是從核酸混合物中預(yù)選核酸目標(biāo)之前微流裝置實(shí)施例的部分剖面圖，示出了正引入預(yù)選容器的混合物。
圖4是圖3裝置的部分剖面圖，示出了正被電極吸引的混合物和通過與目標(biāo)選擇接收器結(jié)合而保持的目標(biāo)。
圖5是圖3裝置的部分剖面圖，示出了正通過去除非保持核酸而濃縮的混合物。
圖6是圖3裝置的部分剖面圖，示出了正被釋放的目標(biāo)。
圖7是微流系統(tǒng)的示意圖，該微流系統(tǒng)具有集成的微流插件，該微流插件定位用于與示例性的控制設(shè)備接合，依據(jù)發(fā)明的實(shí)施例，該控制設(shè)備被構(gòu)形為在樣本處理和/或分析過程中供電并控制接合的插件的操作。
圖8是一部分剖面圖，示出了圖7的插件和控制設(shè)備的選定部分。
圖9是圖7的插件和控制設(shè)備的示意圖，闡明依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的流體、樣本、電流、數(shù)字信息和檢測(cè)信號(hào)的運(yùn)動(dòng)。
圖10是一流程圖，依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該流程圖闡明圖7的插件和控制設(shè)備的操作的示意性方法。
圖11是一更詳細(xì)的圖7和圖9的插件的示意圖，闡明實(shí)現(xiàn)圖10的方法的流體網(wǎng)絡(luò)。
圖12是一示意圖，該示意圖強(qiáng)調(diào)樣本裝載過程中圖11的插件的作用區(qū)。
圖13是一示意圖，該示意圖強(qiáng)調(diào)進(jìn)行樣本處理以在過濾器組上分離核酸的過程中圖11的插件的作用區(qū)。
圖14是一示意圖，該示意圖強(qiáng)調(diào)從過濾器組釋放核酸的過程中圖11的插件的作用區(qū)以及所釋放的核酸在插件的化驗(yàn)部分的濃度。
圖15是一示意圖，該示意圖強(qiáng)調(diào)用放大反應(yīng)物平衡濃縮的核酸以及傳遞到化驗(yàn)部分的放大容器的過程中圖11的插件的作用區(qū)。
圖16是一示意圖，該示意圖強(qiáng)調(diào)在選擇性放大后傳遞核酸到化驗(yàn)部分的化驗(yàn)容器的過程中圖11的插件的作用區(qū)。
圖17是化驗(yàn)部分的平面圖，該化驗(yàn)部分包括在圖7和圖11的插件中，依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該平面圖是從插件外部觀察所得，并示出了化驗(yàn)部分的所選部分。
圖18是圖17的化驗(yàn)部分的部分剖面圖，依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該剖面圖是大致沿圖17中直線18-18觀察所得，并顯示附著于圖7和圖11的插件的流體處理部分。
圖19-25是進(jìn)行基底調(diào)節(jié)以產(chǎn)生圖18所示化驗(yàn)部分的過程中基底的部分剖面圖。
圖26是一通道的示意圖，依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該通道流體連接兩個(gè)鄰近基底表面形成的流體區(qū)，其中通道在一個(gè)表面上進(jìn)入或退出基底，而無需與基底的相對(duì)表面連通。
圖27-29是在進(jìn)行基底調(diào)節(jié)以產(chǎn)生圖26的通道的過程中基底的片斷剖面圖。
圖30是圖23的通道的一修改版本的部分剖面圖。
圖31是一混合容器的實(shí)施例的平面圖，該混合容器可利用圖27-29中闡明的基底調(diào)節(jié)的變化在化驗(yàn)部分形成。
圖32是圖18的所選部分的更為詳細(xì)的視圖，依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該視圖闡明所選的薄膜層相對(duì)于化驗(yàn)容器和基底確定通道的布置。
具體實(shí)施例方式
為核酸的微流分析而設(shè)的系統(tǒng)包括方法和裝置。系統(tǒng)用于從目標(biāo)和非目標(biāo)核酸的混合物中預(yù)選核酸目標(biāo)。在預(yù)選過程中，目標(biāo)至少部分地從非目標(biāo)核酸中純化出來，同時(shí)目標(biāo)也可被濃縮。
預(yù)選的方法可包括下列步驟中的幾種或全部。核的混合物可被引入微流容器中。在容器中混合物可附著在電極上，例如，電極可以為包含于在基底上形成的電子設(shè)備中的電極。附著的混合物中的目標(biāo)分子被一個(gè)接收器(或幾個(gè)接收器)選擇性地結(jié)合，該接收器固定在鄰近電極的位置，并且通常與電極相連。相反，非目標(biāo)核酸幾乎都保持非結(jié)合的狀態(tài)。然后可通過去除非結(jié)合的核酸使混合物中目標(biāo)的濃度增大，例如，尤其可通過大量流體流動(dòng)或非保持核酸動(dòng)電運(yùn)動(dòng)的方法來去除非結(jié)合的核酸。其后，可通過任何適當(dāng)?shù)奈锢怼㈦妼W(xué)和/或化學(xué)的處理方法從接收器中釋放濃縮混合物中的目標(biāo)，以便進(jìn)行進(jìn)一步處理。
可對(duì)預(yù)選的目標(biāo)進(jìn)行放大，然后化驗(yàn)?？稍谙嗤幕虿煌奈⒘魅萜髦羞M(jìn)行放大。因?yàn)榉悄繕?biāo)核酸幾乎都在預(yù)選時(shí)被去除，非目標(biāo)核酸引起的負(fù)反應(yīng)極少，所以放大可更有效地進(jìn)行。此外，在某些實(shí)施例中使用不太嚴(yán)格的放大條件，例如，允許放大個(gè)別的目標(biāo)種。在放大之后，直接化驗(yàn)放大的目標(biāo)，或通過結(jié)合接收器進(jìn)行化驗(yàn)?；?yàn)接收器可以和預(yù)選接收器相同，也可以不同。在任何情況下，化驗(yàn)接收器允許目標(biāo)化驗(yàn)在與預(yù)選相同的或更嚴(yán)格的條件下執(zhí)行，例如，通過改變電場強(qiáng)度、溫度或化學(xué)的嚴(yán)格度來改變執(zhí)行條件。在更嚴(yán)格的條件下，預(yù)選的目標(biāo)可溶解為復(fù)數(shù)個(gè)相關(guān)但不同的種，例如，用以分析基因多態(tài)性。因此，在此說明的方法和裝置可用稀的和/或復(fù)雜的樣本提供更敏感和/或更準(zhǔn)確的核酸分析。
在下列部分提供更多方面(I)核酸的預(yù)選輔助分析，(II)用集成的插件進(jìn)行的微流分析，(III)微流系統(tǒng)，(IV)樣本，和(V)化驗(yàn)。
核酸的預(yù)選輔助分析本節(jié)說明微流系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于核酸的預(yù)選輔助分析。預(yù)選通過至少部分地去除非目標(biāo)核酸使得核酸混合物中一種核酸目標(biāo)(或幾種核酸目標(biāo))的濃度增大。可進(jìn)一步選擇預(yù)選目標(biāo)，也就是說，選擇性地放大和化驗(yàn)，由于減少了來自于非目標(biāo)核酸的干擾，放大和化驗(yàn)的效率會(huì)增大。本節(jié)的下面部分將說明預(yù)選輔助分析的示例性方法和裝置。在II節(jié)中說明用于預(yù)選輔助分析的插件的實(shí)施例。
圖1示出了用于核酸預(yù)選輔助分析的方法40的流程圖?？墒褂媚繕?biāo)選擇接收器來預(yù)選核酸目標(biāo)，如42所示。通過去除混合物中非目標(biāo)核酸，預(yù)選使得在混合物中目標(biāo)核酸相對(duì)于非目標(biāo)核酸的濃度增加，這樣至少部分地純化目標(biāo)核酸。此外，預(yù)選可減少攜帶目標(biāo)的流體量，由此濃縮目標(biāo)進(jìn)行隨后的選擇性反應(yīng)和/或化驗(yàn)，這種隨后的選擇性反應(yīng)和/或化驗(yàn)被稱為選擇。例如，可對(duì)預(yù)選目標(biāo)進(jìn)行如44所示的選擇性放大，以增加于目標(biāo)相關(guān)的分子的整體數(shù)量。可使用任何在下面II至V節(jié)中所說明的反應(yīng)物、方法和/或裝置進(jìn)行放大。然后對(duì)放大的目標(biāo)進(jìn)行化驗(yàn)，如46所示，例如，使用任何在下面II節(jié)或V節(jié)中所說明的化驗(yàn)程序進(jìn)行化驗(yàn)。特別是，可通過將放大的目標(biāo)與一設(shè)定位置的接收器或接收器組接觸來選擇性地化驗(yàn)放大的目標(biāo)，例如，在一微流插件(見圖11-17)的化驗(yàn)容器中。將放大的目標(biāo)與接收器或接收器組結(jié)合，然后進(jìn)行測(cè)量。
圖2示出了用于預(yù)選核酸目標(biāo)的方法42的流程圖。方法42作為一個(gè)步驟包括在圖1的方法40中。
包括核酸目標(biāo)的核酸混合物可引入一微流容器中，如48所示。可通過在微流裝置中預(yù)處理樣本來產(chǎn)生混合物，以分離核酸，如II節(jié)中所說明，或者可在裝置外進(jìn)行預(yù)處理，例如通過自動(dòng)或手動(dòng)樣本操作。適當(dāng)?shù)臉颖究砂ㄈ魏我环NIV節(jié)中說明的樣本?？赏ㄟ^諸如機(jī)械驅(qū)動(dòng)流動(dòng)等的大量流體流動(dòng)引入混合物。另外，可通過流體和/或核酸的動(dòng)電運(yùn)動(dòng)引入混合物，如III節(jié)中所說明，或者通過任何其它適當(dāng)?shù)谋盟蜋C(jī)構(gòu)引入混合物。
下一步，混合物可被電氣地吸附在電極上，如50所示。電極可包括在電子設(shè)備中，該電子設(shè)備在基底上形成，電極可以為單電極，也可以為多電極。由例如電氣耦合的控制設(shè)備(見III節(jié)的圖7)進(jìn)行的電子設(shè)備控制允許每個(gè)電極為電偏置的或無電偏置的。當(dāng)電極為正偏置時(shí)，電極吸附從電極發(fā)出的電場中的負(fù)電荷核酸，由此在靠近電極處電氣地濃縮混合物(和目標(biāo))。
然后通過結(jié)合到靠近電極放置的接收器來保持目標(biāo)，如52所示。在此使用時(shí)，保持的目標(biāo)相對(duì)于非目標(biāo)核酸來說被保持，也就是說，通過結(jié)合接收器選擇性地固定就位。目標(biāo)與接收器結(jié)合的速度和效率與目標(biāo)的濃度有關(guān)。相應(yīng)地，將混合物吸附到電極的步驟可改善目標(biāo)結(jié)合的速度和/或效率。
接收器放置在靠近電極的位置，并可與電極連接?？刹捎萌魏芜m當(dāng)?shù)倪B接方式，例如，通過在諸如凝膠等層中包含接收器，該層連接在電極上或與電極耦合。另外，或者此外，接收器被化學(xué)地接合在電極上或通過特定的結(jié)合成對(duì)相互作用連接，該特定的結(jié)合成對(duì)相互作用諸如連接在接收器上的生物素和連接在電極上的抗生物素蛋白(反之亦然)。其它適合連接接收器到電極的特定的結(jié)合對(duì)列在下面的表1或V節(jié)中。更廣泛地說，在接收器和電極之間的連接表示任何預(yù)選過程中將接收器保持在鄰近電極位置的連接關(guān)系。
接收器可為任何與相對(duì)于非目標(biāo)核酸來說與目標(biāo)發(fā)生特定(或選擇性)反應(yīng)的材料。示例性的接收器包括核酸，即天然的或合成的寡核苷酸、多核苷酸或與其相關(guān)的結(jié)構(gòu)，諸如肽。這種核酸可被構(gòu)型為特定地與目標(biāo)配成堿基對(duì)。相應(yīng)地，接收器可部分地或完全地為單鏈核酸，并至少與目標(biāo)充分地互補(bǔ)。接收器的長度使選擇性或特定的結(jié)合得以進(jìn)行，例如，長度至少約為六、十、十五或二十個(gè)核苷酸的長度。接收器可具有任何適當(dāng)?shù)腉C含量、長度和化學(xué)結(jié)構(gòu)來在實(shí)現(xiàn)在保持步驟的條件下產(chǎn)生選擇性的結(jié)合。接收器可為靠近電極放置的和/或與電極連接的單種或種的混合?；旌峡蔀橹T如在一處或一處以上位置退化的核酸的相關(guān)混合，以保持一個(gè)或一個(gè)以上目標(biāo)，該目標(biāo)為多態(tài)的，諸如包括核苷酸多態(tài)性、尤其是單核苷酸多態(tài)性的目標(biāo)。以替代方式或此外，混合可以是接收器種的非相關(guān)混合，該接收器種結(jié)合間隔的和/或非連接的目標(biāo)序列。接收器的更多方面在下面II節(jié)和V節(jié)中說明。
除了選擇一合適的接收器結(jié)構(gòu)，也應(yīng)通過改變發(fā)生目標(biāo)保留的條件來調(diào)整結(jié)合的選擇性(嚴(yán)格度)。可選擇任何適當(dāng)?shù)臈l件，包括適當(dāng)?shù)臏囟取㈦x子強(qiáng)度、溶劑成份和/或電場強(qiáng)度等等。可通過整個(gè)微流裝置的環(huán)境溫度控制或局部溫度控制來調(diào)整溫度。這種局部控制由諸如薄膜加熱器和溫度傳感器的電子溫度控制裝置來確定。離子強(qiáng)度可在例如形成核酸混合物的過程中和/或由離子的動(dòng)電運(yùn)動(dòng)來確定。同樣地，溶劑成份，諸如有機(jī)溶劑(例如甲酰胺)的濃度可在形成混合物的過程中和/或由隨后的水或有機(jī)溶劑稀釋來確定。1)核酸雙鏈分解為單鏈的溫度，2)雙鏈的長度，3)GC含量，4)離子強(qiáng)度和5)甲酰胺濃度之間的相互關(guān)系對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是已知的，并可憑經(jīng)驗(yàn)來確定。也可采用電子嚴(yán)格度來調(diào)整接收器-目標(biāo)結(jié)合(和分解)，例如通過控制施加在電極上的電壓和/或電流來調(diào)整。
在目標(biāo)保留之后，通過去除非保持的核酸來增加混合物中目標(biāo)的濃度，如54所示。因?yàn)槟繕?biāo)由接收器選擇性地保持，非目標(biāo)核酸未按比例結(jié)合，所以未保持，也就是說，沒有保持在位置上。相應(yīng)地，非選擇性地施加在核酸混合物上的力可選擇性地移動(dòng)非目標(biāo)核酸。該力可為機(jī)械力，以移動(dòng)含有核酸混合物的流體，例如，利用II節(jié)說明的微流插件的流體處理部分來移動(dòng)流體。以替代方式或此外，該力可為電驅(qū)動(dòng)流體和/或核酸運(yùn)動(dòng)，或者為任何其它適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)核酸和/或流體的力。濃縮的步驟也可包括用清洗液清洗目標(biāo)，例如，來去除結(jié)合力較弱的和/或非特定結(jié)合的非目標(biāo)核酸。
然后將預(yù)選的目標(biāo)從與接收器結(jié)合的狀態(tài)中釋放出來，如56所示?？捎扇魏未龠M(jìn)目標(biāo)與接收器分離的處理來確定釋放。適當(dāng)?shù)奶幚砜砂ㄔ谌萜髦屑訜崃黧w，例如，使用電子溫度控制裝置來加熱。以替代方式或此外，這種處理可包括(但不局限于)改變離子強(qiáng)度、溶劑成份和/或電場強(qiáng)度(電子嚴(yán)格度)。
釋放的目標(biāo)可被選擇性地放大和化驗(yàn)，如圖1所示，并如II節(jié)所說明?？墒褂脤?duì)目標(biāo)有選擇性的核酸引物實(shí)現(xiàn)選擇性的放大。雖然一個(gè)或多個(gè)引物可與用于預(yù)選的接收器相一致，在某些實(shí)施例中，放大用的每個(gè)引物與預(yù)選用的接收器不同。相對(duì)于由于偶然互補(bǔ)而被接收器預(yù)選的非目標(biāo)序列，這種獨(dú)特的引物可改善選擇性放大目標(biāo)的能力。在某些實(shí)施例中，目標(biāo)的選擇性化驗(yàn)可由選擇接收器和接收器-目標(biāo)結(jié)合的條件來確定?；?yàn)放大的目標(biāo)所用的接收器可與預(yù)選所用的接收器相同、有關(guān)或不同。例如，可通過使用與預(yù)選接收器有很少序列重疊或沒有序列重疊的化驗(yàn)接收器來獲得更大的選擇能力。在某些情況下，預(yù)選接收器的選擇性比化驗(yàn)接收器的選擇性小。例如，與化驗(yàn)接收器相比，預(yù)選接收器可更退化、長度更短和/或在更不嚴(yán)格的結(jié)合條件下與目標(biāo)接觸。
圖3-6示出了使用圖2的方法42在微流裝置62中不同的預(yù)選階段過程中核酸混合物60的某些示意性的表達(dá)。
圖3示出了正被引入裝置62的預(yù)選容器64中的核酸混合物60。容器64可以是任何適當(dāng)?shù)牧黧w室。在此，容器64是由在基底68上形成的電子設(shè)備66部分限定的微流容器。電子設(shè)備可被構(gòu)型為感知和/或調(diào)節(jié)容器64中流體和/或核酸的性質(zhì)?；卓梢允前雽?dǎo)體或絕緣體等材料。容器也可由連接在基底68和/或電子設(shè)備66的流體阻擋層70來部分限定。基底、電子設(shè)備、流體阻擋層和流體容器的更多方面在下面的II節(jié)和III節(jié)中說明。
混合物60包括一個(gè)或多個(gè)分子的核酸目標(biāo)72，以及非目標(biāo)核酸74。非目標(biāo)核酸74可比目標(biāo)72多得多，或至少多一千倍左右。可通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)流動(dòng)的方式從裝置62的其它部分接收混合物60，如76所示?；旌衔?0可為單鏈，以允許結(jié)合一互補(bǔ)的單鏈?zhǔn)浇邮掌?8，該單鏈?zhǔn)浇邮掌髋c電子設(shè)備66的一個(gè)電極(或多個(gè)電極)80連接。存在多個(gè)電極時(shí)，每個(gè)電極連接到不同的或相同的接收器(或同一個(gè)接收器的混合)。在混合物處理過程中的任何時(shí)間以及通過任何適當(dāng)?shù)碾p變性機(jī)制，混合物60可放棄單鏈形式。在示例性實(shí)施例中，通過使用包括在電子設(shè)備66的薄膜層82中的電子裝置，可對(duì)混合物60在容器64中進(jìn)行加熱方法變性或電子方法變性。另外，可在裝置62的其它任何適當(dāng)部分或裝置62的外部對(duì)混合物60進(jìn)行化學(xué)方法、加熱方法和/或電子方法變性。
圖4示出了正被電極80吸附的核酸混合物60。電極80可為正電偏置，如84所示，由此產(chǎn)生電場，該電場在鄰近電極80的位置濃縮混合物60，并且因此在靠近連接的接收器78之處濃縮混合物60。
圖4同時(shí)示出了正通過結(jié)合到接收器78而被選擇性保持的目標(biāo)72。在此，接收器78是一單鏈寡核苷酸，該寡核苷酸與目標(biāo)72選擇性地結(jié)合為堿基對(duì)。相應(yīng)地，接收器78和目標(biāo)72形成一核酸雙鏈86。如圖所示，接收器78可比目標(biāo)72短很多，例如，當(dāng)接收器78由化學(xué)合成產(chǎn)生時(shí)。
圖5示出了正通過去除未保持的非目標(biāo)核酸74來增大目標(biāo)72濃度的混合物60?？赏ㄟ^76所示的機(jī)械流體流動(dòng)的方法或通過其它任何適當(dāng)?shù)牧黧w運(yùn)動(dòng)機(jī)制和/或帶電荷的分子進(jìn)行去除。
圖6示出了從接收器78中釋放出來的預(yù)選的目標(biāo)72。可通過任何適當(dāng)?shù)幕跍囟?、化學(xué)和/或電子的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)釋放。預(yù)選至少部分地將目標(biāo)72從非目標(biāo)74中純化出來。
純化的目標(biāo)可經(jīng)過更多處理，包括在預(yù)選容器64中或裝置62中以其它方式進(jìn)行的放大和化驗(yàn)。例如，可移動(dòng)純化的目標(biāo)到另一個(gè)容器進(jìn)行放大，然后移回預(yù)選容器64進(jìn)行化驗(yàn)。在此情況下，接收器78可用于目標(biāo)的預(yù)選和化驗(yàn)，或者在容器64中的相同部分或不同部分設(shè)置一不同的接收器用于化驗(yàn)。在其它實(shí)施例中，純化的目標(biāo)可在預(yù)選容器64中放大，并在容器64中或一不同的容器中化驗(yàn)。
如II節(jié)所進(jìn)行的更全面的說明，混合物60的體積可比預(yù)選容器64的體積大很多，這樣方法42的一部分被循環(huán)執(zhí)行。例如，可在混合物60的體積順序容納在容器64中時(shí)重復(fù)執(zhí)行方法42的步驟48-54?？筛鶕?jù)混合物72穿過預(yù)選容器64的流動(dòng)來執(zhí)行步驟48-54。
II.用集成的插件進(jìn)行的微流分析提供包括方法和裝置的系統(tǒng)用于核酸的微流分析。所述系統(tǒng)可包括一插件，該插件被構(gòu)型為在輸入口接收樣本，用來預(yù)處理樣本以分離核酸，并化驗(yàn)分離的核酸以得到一個(gè)或多個(gè)感興趣的核酸(核酸種)。系統(tǒng)可用于預(yù)選、放大和化驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，如I節(jié)所說明。插件的操作可由一控制設(shè)備控制，該控制設(shè)備與插件以電子、以及機(jī)械、光學(xué)和/或聲學(xué)等任意方式連接。插件可包括不連續(xù)的部分或裝置一用于對(duì)宏觀或大體積流體進(jìn)行操作的流體處理部分，和一流體連接的對(duì)微觀或小體積流體進(jìn)行操作的電子化驗(yàn)部分。這兩部分執(zhí)行不同的功能。流體處理部分具有容納、輸送、發(fā)送和/或接收樣本和反應(yīng)物的儲(chǔ)存器，還包括一從樣本中分離核酸或其它感興趣分析物的預(yù)處理場所。一流體處理部分輸送反應(yīng)物和分離的核酸(或分析物)到電子化驗(yàn)部分，在此處對(duì)核酸進(jìn)行的進(jìn)一步處理和化驗(yàn)可以是全電子化的。
流體處理部分或裝置可在宏觀世界(和用戶)與插件之間提供各種接口特性。例如，流體處理部分提供一流體接口或輸入口來接收樣本，和一電子接口用于以電子方式耦合到控制設(shè)備。流體處理部分還可提供一帶有控制設(shè)備的機(jī)械接口，例如，機(jī)械地控制閥、泵、加壓等等。以替代方式或此外，流體控制部分可提供一用戶接口，以允許掌握和處理微流裝置，以便方便地進(jìn)行安裝和從控制設(shè)備上拆卸。流體處理部分的外部區(qū)域的外殼既可提供機(jī)械接口，也可提供用戶接口。
流體處理部分被構(gòu)型為在流體處理部分和化驗(yàn)部分之間，以時(shí)間空間調(diào)節(jié)的方式按照方向儲(chǔ)存和移動(dòng)流體、反應(yīng)物和/或樣本。相應(yīng)地，流體處理部分可包括反應(yīng)物容器、廢棄物容器和過渡容器/通路，該反應(yīng)物容器用于保持樣本預(yù)處理和/或處理時(shí)使用的流體，該廢棄物容器用于接收來自于一個(gè)或兩個(gè)部分的廢棄流體和副產(chǎn)品，該過渡容器/通路用于流體連接樣本輸入場所和反應(yīng)物及廢棄物容器。過渡容器包括一用于預(yù)處理樣本的場所以從樣本中分離核酸。
流體處理部分在流體操作時(shí)有一初級(jí)受體破壞酶。流體處理部分可通過流體處理和化驗(yàn)部分利用機(jī)械驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)來移動(dòng)反應(yīng)物和樣本。而且，此部分容納流體的能力大于電子化驗(yàn)部分。相應(yīng)地，可利用提供任何所需的分支和/或復(fù)雜的流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過程和材料來產(chǎn)生流體處理部分。例如，基本上可使用注塑成型法或其它適當(dāng)?shù)姆椒ㄓ盟芰蟻硇纬闪黧w處理部分。而且，流體處理部分的流體網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展為任何適當(dāng)?shù)娜S結(jié)構(gòu)，并通常不受要求的約束而沿平面限定流體網(wǎng)絡(luò)。因此，流體處理部分可提供流體的靈活途徑在流體網(wǎng)絡(luò)之內(nèi)的多個(gè)維度的替換通道間流過。在一些實(shí)施例中，流體處理部分可限定流體路徑，該流體路徑從一公共平面向外擴(kuò)展超過兩毫米。
化驗(yàn)部分或裝置也被稱為芯片部分，該部分流體連接到流體處理部分，并可固定地連接在流體處理部分上?；?yàn)部分與用戶不能直接地流體接觸，也就是說，化驗(yàn)部分從流體處理部分而通常不直接從外界環(huán)境接收樣本或反應(yīng)物。
化驗(yàn)部分被構(gòu)型為包括電子電路，也稱為電子設(shè)備，該化驗(yàn)部分包括半導(dǎo)體裝置(晶體管、二極管等等)和薄膜裝置(薄膜電阻、導(dǎo)線、鈍化層等等)。這種電子裝置在化驗(yàn)部分的基礎(chǔ)層或基底上形成。在此使用時(shí)，術(shù)語在基底上“形成”意味著半導(dǎo)體裝置和薄膜裝置在基底上和/或基底之中建立。適當(dāng)?shù)幕淄ǔ槠矫妫⒖砂ò雽?dǎo)體(諸如硅或砷化鎵)或絕緣體(諸如玻璃、陶瓷或氧化鋁)。在基底為半導(dǎo)體的情況下，半導(dǎo)體裝置可直接在基底上形成，也就是說，在基底表面上和/或基底表面之下形成。在基底為絕緣體的情況下，基底上覆蓋半導(dǎo)體層，例如，在平面控制板應(yīng)用中所采用的那樣。
基底在化驗(yàn)部分執(zhí)行組織任務(wù)?；卓蛇B接在流體阻擋層上，這樣可限定至少一個(gè)與基底和電子電路結(jié)合的流體室。因?yàn)榛淄ǔ＞哂幸黄教沟幕蚱街钡谋砻妫苫缀拖嚓P(guān)聯(lián)的電子電路部分地限定的流體室和其它流體室的空間構(gòu)形受到平坦基底幾何結(jié)構(gòu)的局限。電子電路，或其中的至少一個(gè)薄膜部分布置在基底表面上，并可操作地相對(duì)于流體室定位，用來提供處理流體室中核酸的電子裝置。相反，基底的一相對(duì)表面可鄰接流體處理部分。
化驗(yàn)部分與流體處理部分相比，其流體容量要小得多。在化驗(yàn)部分形成的處理容器可受到適當(dāng)?shù)幕讕缀谓Y(jié)構(gòu)的局限。因此，化驗(yàn)部分中容器至少有幾個(gè)維度要比流體處理部分中流體容器的相應(yīng)維度要小得多，化驗(yàn)部分中容器的體積小于50微升，優(yōu)選地為小于10微升，甚至更優(yōu)選地為小于1微升。相應(yīng)地，通過使用可操作地連接電子設(shè)備，化驗(yàn)部分的處理容器可使用電子設(shè)備來處理樣本，該樣本的流體體積是這種容器靜態(tài)流體容量的好幾倍。例如，通過保持核酸，化驗(yàn)部分可濃縮來自于流體處理部分的以流體形式接收的核酸，但是允許大量流體返回流體處理部分。因此，插件的不同部分可協(xié)作執(zhí)行不同的流體操作和樣本處理步驟。而且，下面說明的插件和方法的方面可用在IV節(jié)中說明的任何樣本上和/或用在利用V節(jié)中說明的任何化驗(yàn)上。
圖7-9示出了微流系統(tǒng)110的一個(gè)實(shí)施例，該微流系統(tǒng)用于處理和分析樣本，尤其是含有核酸的樣本。圖7和8分別示出了系統(tǒng)的立體圖和剖面圖。圖9是系統(tǒng)110的圖示，闡明了系統(tǒng)所選的方面。系統(tǒng)110包括一控制設(shè)備112和一集成插件114，該插件114被構(gòu)型為電氣地連接到控制設(shè)備112。在圖7和8中示出，插件114被對(duì)齊并定位成被控制設(shè)備容納，并因此直接安裝在控制設(shè)備之內(nèi)。在此使用時(shí)，術(shù)語“插件”說明了一個(gè)設(shè)計(jì)成安裝在更大的控制設(shè)備中的小模塊單元。在此使用時(shí)，術(shù)語“安裝在”顯示該插件已經(jīng)適當(dāng)?shù)嘏c控制設(shè)備配合，通常至少部分地將插件插入到控制設(shè)備中。相應(yīng)地，控制設(shè)備112可包括一凹槽116，該凹槽116配合地容納插件114，例如，通過一電氣接口連接，該電氣接口經(jīng)由插件114上的電氣接觸墊118之間的接觸形成，并與定位于凹槽116(見圖8)內(nèi)的接觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)120相對(duì)應(yīng)?；蛘撸刂圃O(shè)備112可與插件114以電氣方式連接，可通過導(dǎo)電方式、電容方式和/或以感應(yīng)方式使用任何其它適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)?？刂圃O(shè)備112可具有任何適當(dāng)?shù)某叽?，例如，足夠小以便能握持在手中，或足夠大以便能在工作臺(tái)上或地上使用。
控制設(shè)備112被構(gòu)型為發(fā)送和接收控制信號(hào)到插件114，以在插件114中控制處理。在一些實(shí)施例中，插件114包括檢測(cè)電子設(shè)備。使用這種電子設(shè)備，控制設(shè)備接收來自于插件114的信號(hào)，控制設(shè)備112利用該信號(hào)來確定化驗(yàn)結(jié)果?？刂圃O(shè)備可監(jiān)測(cè)和控制插件內(nèi)的條件(諸如溫度、流速、壓力等等)，既可通過在插件內(nèi)與電子裝置的電氣連接實(shí)現(xiàn)，和/或通過與插件接觸的傳感器完成。以替代方式或此外，控制設(shè)備112可從插件(見下文)上的信息存儲(chǔ)裝置讀取信息，從而確定插件的信息，諸如插件中包含的反應(yīng)物、由插件進(jìn)行的化驗(yàn)、可接受的樣本體積或類型，等等。相應(yīng)地，控制設(shè)備112通常提供某些或全部III節(jié)中說明的輸入和輸出線，這些線包括供電/接地線、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，等等。
控制設(shè)備112可參與化驗(yàn)數(shù)據(jù)的最終處理，或者可傳遞化驗(yàn)數(shù)據(jù)到其它裝置。控制設(shè)備112可解釋結(jié)果，諸如多數(shù)據(jù)點(diǎn)的分析(例如，從檢驗(yàn)核酸的結(jié)合到接收器組(見下文))，和/或數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)和/或統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。以替代方式或此外，控制設(shè)備112可傳遞化驗(yàn)數(shù)據(jù)到其它裝置，諸如一濃縮的實(shí)體。相應(yīng)地，控制設(shè)備112可在傳遞之前對(duì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。
控制設(shè)備112包括一處理數(shù)字信息的控制器122(見圖9)?？刂破魍ǔ０l(fā)送和接收電信號(hào)來協(xié)調(diào)控制設(shè)備112和插件114執(zhí)行的電氣的、機(jī)械的和/或光學(xué)的行為，如124、126和128中雙向箭頭所示。
控制設(shè)備112可通過用戶接口130與用戶通訊，如圖9中126所示。用戶接口可包括鍵盤132(見圖7)、屏幕134、按鈕板、觸感衰減器、鼠標(biāo)，等等。用戶接口通常允許用戶輸入和輸出數(shù)據(jù)。例如，輸入的數(shù)據(jù)可用于告知樣本處理的開始、停止樣本處理、輸入各種處理參數(shù)值(諸如時(shí)間、溫度、所要執(zhí)行的化驗(yàn)，等等)，等等。輸出的數(shù)據(jù)，諸如處理階段、插件參數(shù)、測(cè)量結(jié)果等，可顯示在屏幕134上，并發(fā)送到打印裝置(未示出)，存儲(chǔ)在板載存儲(chǔ)器上，和/或發(fā)送到其它諸如個(gè)人計(jì)算機(jī)等的數(shù)字裝置上。
控制設(shè)備112還可包括一個(gè)或多個(gè)與插件114連接的光學(xué)的、機(jī)械的和/或流體接口(見圖8和9)。光學(xué)接口136可發(fā)送光到插件114上，也可接收來自于插件114的光。當(dāng)插件與控制設(shè)備112接合時(shí)(見圖8及下面的討論)，光學(xué)接口136可與插件114的一個(gè)光學(xué)上透明的區(qū)域138對(duì)齊。相應(yīng)地，光學(xué)接口136可充當(dāng)檢測(cè)機(jī)制，其具有一個(gè)或多個(gè)發(fā)射器和檢測(cè)器來接收來自于插件的光學(xué)信息。這種光學(xué)信息可涉及化驗(yàn)結(jié)果，該化驗(yàn)結(jié)果是在插件內(nèi)通過處理而得出的。以替代方式或此外，光學(xué)接口136可包含在樣本處理的很多方面中，例如，提供光催化化學(xué)反應(yīng)用的光源、樣本分裂、樣本加熱，等等。在任何情況下，光學(xué)接口136的操作受控制器122的控制，相應(yīng)測(cè)量由控制器122接收，如圖9中124所示，因此允許對(duì)來自于光學(xué)接口136的測(cè)量進(jìn)行電子處理和存儲(chǔ)?？刂圃O(shè)備112可包括一個(gè)或多個(gè)以電子方式控制的機(jī)械接口(未示出)，例如，提供或調(diào)節(jié)插件的壓力。示例性的控制設(shè)備112的機(jī)械接口可包括一個(gè)或多個(gè)閥致動(dòng)器、控制閥致動(dòng)器的閥調(diào)整器、注射泵、近距離聲波定位器和/或氣動(dòng)壓力源，等等。在一些實(shí)施例中，控制設(shè)備可包括一個(gè)或多個(gè)流體接口，該流體接口將控制設(shè)備與插件流體連接起來。例如，控制設(shè)備可包括流體儲(chǔ)存器，該流體儲(chǔ)存器存儲(chǔ)并輸送流體到插件中。然而，在此顯示的控制設(shè)備112未被構(gòu)形用來流體連接到插件114。在此實(shí)施例中，插件114在操作過程中是一封閉的或單獨(dú)的流體系統(tǒng)，也就是說，在接收樣本之后未充分注入或清除流體的流體網(wǎng)絡(luò)。微流系統(tǒng)中的光學(xué)檢測(cè)，以及機(jī)械和流體接口的更多方面在下面III節(jié)中說明。
插件114可被適當(dāng)構(gòu)形和設(shè)計(jì)尺寸。在一些實(shí)施例中，插件114是一次性的，也就是說，為分析一個(gè)樣本或一套樣本(通常為并行的)的一次性使用而設(shè)計(jì)的。插件114的尺寸可由所執(zhí)行的化驗(yàn)、所操作的流體體積、插件的非流體體積等等來規(guī)定。然而，插件114通常足夠小，以至于能夠被輕易握持并用單手操作(或更小)。
插件114通常包括至少兩個(gè)在結(jié)構(gòu)上和功能上截然不同的部分一流體處理部分142和一化驗(yàn)(或芯片)部分144。流體處理部分可包括外殼145，該外殼形成一與控制設(shè)備連接的外界機(jī)械接口，例如，用于操作閥和泵。外殼可限定內(nèi)部流體室的結(jié)構(gòu)。外殼145還充分地受到插件外部結(jié)構(gòu)的限制，并因此提供一用戶處理用的握持表面?；?yàn)部分144可固定連接在流體處理部分142上，例如，在流體處理部分142的外表面或內(nèi)表面上。當(dāng)以光學(xué)方式測(cè)量結(jié)果，例如，用光學(xué)接口136測(cè)量結(jié)果時(shí)，化驗(yàn)部分144的外部連接是適合的。當(dāng)以電氣方式測(cè)量結(jié)果時(shí)，或當(dāng)流體處理部分142為光學(xué)透明時(shí)，內(nèi)部連接和/或外部連接都是適合的?；?yàn)部分144通常還流體連接到流體處理部分142，如下文所說明，用以允許流體在這兩個(gè)部分之間進(jìn)行交換。
因此流體處理部分142可被構(gòu)型為接收來自于插件外部的流體、存儲(chǔ)流體、并輸送流體到流體處理部分142和化驗(yàn)部分144中的流體室，例如，通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)地，流體處理部分可限定一流體網(wǎng)絡(luò)146，其流體容量(體積)比化驗(yàn)部分144的相應(yīng)流體網(wǎng)絡(luò)148(或流體空間)要大很多。每個(gè)流體網(wǎng)絡(luò)可具有一個(gè)流體室，通常具有多個(gè)以流體連接的流體室，一般來說容器由流體管道連接。
流體處理部分142包括一樣本輸入?yún)^(qū)域或端口150。樣本輸入?yún)^(qū)域150通?？捎赏獠窟M(jìn)入，但在樣本引入?yún)^(qū)域之后可將其密封起來。示出了插件114以包括一個(gè)樣本輸入?yún)^(qū)域150，但是流體處理部分142可包含任何適當(dāng)數(shù)目的樣本輸入?yún)^(qū)域。
流體處理部分142還包括一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)物儲(chǔ)存器(或流體存儲(chǔ)容器)152，用于攜帶載體反應(yīng)物(見圖9)。每個(gè)反應(yīng)物儲(chǔ)存器152可從外部進(jìn)入，以允許在流體處理部分制造出來之后裝載反應(yīng)物。另外，可在制造過程中將反應(yīng)物裝載到一部分或全部反應(yīng)物儲(chǔ)存器152中。載體反應(yīng)物通常包括任何與樣本處理、分析和/或插件114的一般操作有關(guān)的流體溶液或混合物。
流體處理部分142還可包括一個(gè)或多個(gè)額外的容器，諸如預(yù)處理容器154和/或廢棄物容器156。預(yù)處理容器154和廢棄物容器156只能從內(nèi)部進(jìn)入，例如，通過樣本輸入?yún)^(qū)域150和/或反應(yīng)物儲(chǔ)存器152，或者一個(gè)或多個(gè)容器可由用戶從外部接觸到。預(yù)處理容器是流體通路，通常與流體流動(dòng)協(xié)同，該流體通路被構(gòu)型為調(diào)節(jié)樣本成份。例如，這種通路可將分析物(諸如核酸)與輸入的樣本分離，也就是說，至少部分地將分析物從廢棄材料或樣本的廢棄物部分中分離出來，如下文所說明。流體處理部分的更多方面在III節(jié)中說明。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，除樣本輸入150以外，流體處理部分142以及事實(shí)上插件114的全部流體室被密封，以防止顧客接觸。這個(gè)密封可幫助避免潛在的反應(yīng)物污染，以保證安全和/或避免流體在流體處理部分142的損失。一些反應(yīng)物，和/或預(yù)處理和/或額外處理產(chǎn)生的處理副產(chǎn)品可具有毒性，如果反應(yīng)物或副產(chǎn)品泄漏和/或與用戶接觸，則對(duì)用戶有危險(xiǎn)。而且，一些反應(yīng)物非常昂貴，因此在插件114中供應(yīng)量最小。因此，插件114的優(yōu)選實(shí)施例是一整體的、密封的、一次性的插件，僅有與樣本輸入150連接的流體接口、一電接口118和可選的機(jī)械、光學(xué)和/或聲學(xué)接口。
化驗(yàn)部分144被構(gòu)形用于在流體處理部分142中核酸分離之后在流體網(wǎng)絡(luò)148中進(jìn)一步處理核酸。相應(yīng)地，化驗(yàn)部分144依賴于電子設(shè)備或電子電路158，該電子電路158可包括薄膜電子裝置以幫助進(jìn)行核酸的受控處理，該核酸來自于流體處理部分142。相反，化驗(yàn)部分144的大量流體流動(dòng)可由流體的機(jī)械驅(qū)動(dòng)流動(dòng)來調(diào)整，該流體來自于流體處理部分142，經(jīng)過化驗(yàn)部分144，并返回部分142。
化驗(yàn)部分的電子電路158可包括薄膜電子裝置以調(diào)節(jié)和/或感知流體和/或分析物的性質(zhì)。這種薄膜裝置的示例性作用可包括濃縮和/或預(yù)選分離的核酸，移動(dòng)核酸到不同反應(yīng)容器和/或化驗(yàn)區(qū)域，控制反應(yīng)條件(諸如再放大、與接收器雜交、雙鏈核酸變性等)，等等(同時(shí)見III節(jié))。薄膜裝置可操作地連接到流體網(wǎng)絡(luò)148的任何區(qū)域。可操作的連接可包括與流體直接接觸，例如，通過電極，或通過一個(gè)或多個(gè)絕緣薄膜層與流體隔開(見下文)。在各種情況下，可操作地放置的裝置可鄰近基底表面放置(見下文)。電子電路、薄膜層和基底的更多方面在本節(jié)和III節(jié)中說明。
通過電氣地連接到控制設(shè)備112，化驗(yàn)部分144的電子電路158至少部分地受到控制。例如，如圖9所示，控制器122可通過接觸結(jié)構(gòu)120與放置在插件114中流體處理部分142的接觸墊118連接，如128所示。接著，接觸墊118可與電子電路158電氣地連接，如160所示。一個(gè)或多個(gè)額外的集成電路，或接口電路可電氣地連接到接觸墊118，接觸墊118是連接到電路158的中間介質(zhì)，例如，用于允許電路158具有更大的復(fù)雜性和/或用于最小化插件114上獨(dú)立的接觸墊(或區(qū)域)的數(shù)目。因此，接觸墊單獨(dú)或與接口電路結(jié)合來形成互連電路，當(dāng)插件安裝在控制設(shè)備上時(shí)互連電路電氣地連接電子設(shè)備到控制器。接觸墊還可連接到插件114容納的電子信息存儲(chǔ)裝置162，例如，如所示在流體處理部分142中。信息存儲(chǔ)裝置可存儲(chǔ)與插件有關(guān)的信息，諸如流體網(wǎng)絡(luò)配置、儲(chǔ)存器容量、化驗(yàn)?zāi)芰?、化?yàn)參數(shù)等等。在優(yōu)選實(shí)施例中，接觸墊118或其它電氣連接結(jié)構(gòu)可布置在化驗(yàn)部分144上，而不是包含在流體處理部分142中，或者另外也包含在流體處理部分142中。
化驗(yàn)部分144通常被構(gòu)型為在流體網(wǎng)絡(luò)148中執(zhí)行核酸處理，至少部分地通過電路158操作。在此，示出的流體網(wǎng)絡(luò)148包括三個(gè)功能區(qū)濃縮器164、放大容器166和化驗(yàn)容器168。如下文更詳細(xì)的說明，三個(gè)功能區(qū)的每一個(gè)可包括電極，以利于核酸的保持和釋放(并因此濃縮)和/或朝一小組電極的直接運(yùn)動(dòng)。濃縮器164和容器166、168可由不同的室/通路限定，例如，作為一組室，如所示出的那樣。另外，這些功能區(qū)可部分地或全部地重疊，例如，一個(gè)容器提供全部功能區(qū)。
濃縮器164被構(gòu)型為濃縮來自于預(yù)處理容器154的核酸。當(dāng)允許流體從流體處理部分142流出、經(jīng)過濃縮器、并返回流體處理部分142中廢棄物容器156的過程中，濃縮器164的電極可電氣地正向偏置。因此，濃縮器164可在多個(gè)分立的區(qū)域(見圖11-17)流體連接到流體處理部分，允許濃縮器充當(dāng)管道的作用。管道可允許輸送一流體體積(在兩個(gè)流體處理部分儲(chǔ)存器之間)，該流體體積比濃縮器的流體容積大很多。此處理步驟去除流體，并可通過去除某些物質(zhì)而部分地純化核酸，這些物質(zhì)被正向充電、未被充電或被微弱地負(fù)向充電，等等。
在一些實(shí)施例中，濃縮器164被構(gòu)型為執(zhí)行核酸預(yù)選(見I節(jié))。這種預(yù)選可在一定體積中濃縮目標(biāo)核酸，該一定體積足夠小以在化驗(yàn)部分中薄膜電子裝置的控制下執(zhí)行諸如放大等額外處理。相應(yīng)地，濃縮器164中的預(yù)選可幫助樣本從流體處理部分的大體積過渡為化驗(yàn)部分中非常小的體積，這樣目標(biāo)核酸的電子處理就得以進(jìn)行。
放大容器166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，利用放大反應(yīng)來增加化驗(yàn)敏感性。一放大反應(yīng)通常包括任何增加目標(biāo)核酸分子總數(shù)(或包含在目標(biāo)種之內(nèi)的區(qū)域)的反應(yīng)，通常造成目標(biāo)核酸相對(duì)于整個(gè)核酸濃縮。復(fù)制DNA、從DNA轉(zhuǎn)錄RNA、和/或執(zhí)行引物的模板導(dǎo)向結(jié)合的酶可調(diào)節(jié)放大反應(yīng)。放大取決于所采用的方法和酶，可包括熱循環(huán)(例如聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)或連接酶鏈反應(yīng)(LCR))，或可為等溫的(例如，鏈移位放大(SDA)或基于核酸序列的放大(NASBA))。采用這些方法中的任一個(gè)，容器166內(nèi)的溫度控制可由加熱器確定，加熱器諸如包含于電路158之內(nèi)的薄膜加熱器。核酸可在放大過程中標(biāo)記，用以幫助檢測(cè)，例如，通過結(jié)合標(biāo)記的引物或核苷。引物或核苷酸可用染料、放射性同位素或特定結(jié)合構(gòu)件來標(biāo)記，如下文III節(jié)中所說明以及表1中所列出。另外，可在一單獨(dú)的處理步驟中或在輸入樣本之前標(biāo)記核酸(例如，通過末端轉(zhuǎn)脫氧核苷酰酶、引物延長、親和性反應(yīng)物、核酸染料等等)。這種單獨(dú)標(biāo)記是適當(dāng)?shù)模?，因?yàn)檩斎霕颖局械哪繕?biāo)核酸量足夠多而省略放大步驟時(shí)。
化驗(yàn)容器168可執(zhí)行一處理步驟，該步驟根據(jù)特定的序列、長度和/或序列基序的存在來分離或區(qū)別核酸。在一些實(shí)施例中，化驗(yàn)容器包括一個(gè)或幾個(gè)特定的核酸接收器。接收器可包括任何特定結(jié)合目標(biāo)核酸的媒介。示例性接收器可包括單鏈核酸、肽核酸、抗體、化合物、聚合體，等等。接收器可布置為一組，通常固定在規(guī)定的位置上，所以目標(biāo)核酸與一個(gè)接收器結(jié)合會(huì)在化驗(yàn)容器的規(guī)定位置上產(chǎn)生可檢測(cè)的信號(hào)。相應(yīng)地，當(dāng)使用放大時(shí)，放大的核酸(目標(biāo))接觸每個(gè)接收器來測(cè)試結(jié)合。一個(gè)接收器組可鄰近電極布置，該電極在接收器組上以電氣方式濃縮目標(biāo)，如下文的進(jìn)一步說明。在可選實(shí)施例中，化驗(yàn)容器可根據(jù)尺寸來分離目標(biāo)核酸，例如，使用電泳法和/或色譜法。以替代方式或此外，化驗(yàn)容器可提供非固定的接收器，諸如分子信標(biāo)探測(cè)器和/或可提供一個(gè)無需接收器的檢測(cè)區(qū)域。
光學(xué)接口136可在化驗(yàn)部分144的任何適當(dāng)位置測(cè)量樣本的處理。例如，光學(xué)接口可包括分離的發(fā)射器-探測(cè)器對(duì)，該發(fā)射器-探測(cè)器對(duì)用于監(jiān)測(cè)放大容器166中核酸的放大，并用于在處理之后監(jiān)測(cè)化驗(yàn)容器168中放大的核酸的結(jié)合和/或位置，如上文所說明。以替代方式或此外，光學(xué)接口可監(jiān)測(cè)經(jīng)過芯片流體網(wǎng)絡(luò)148的流體運(yùn)動(dòng)。
圖9示出了在樣本處理過程中，經(jīng)過流體網(wǎng)絡(luò)146和148的流體運(yùn)動(dòng)的示例性方向(反應(yīng)物和/或樣本)，用粗箭頭表示方向，如170所示。通常，流體從反應(yīng)物儲(chǔ)存器152中流出，通過樣本輸入?yún)^(qū)域150和預(yù)處理容器154，到達(dá)廢棄物容器156和化驗(yàn)部分144(見下文)。從流體處理部分142進(jìn)入化驗(yàn)部分144的流體可流回到廢棄物容器156，或者可移動(dòng)到化驗(yàn)部分的其它流體室中。
圖10示出了一流程圖，該流程圖闡明用控制設(shè)備112操作插件114來分析樣本中目標(biāo)核酸的一個(gè)示例性方法180。首先，樣本可在插件114的樣本輸入?yún)^(qū)域150引入(裝載)，例如，通過注射方式引入，如182所示。其次，帶有樣本的插件可以電氣方式連接到控制設(shè)備112，如184所示，例如，通過將插件與凹槽116結(jié)合，用于導(dǎo)電接觸。如186中所表示的，這種裝載和連接可倒序執(zhí)行，也就是說，可在插件與控制設(shè)備連接后再將樣本引入。那么插件可被啟動(dòng)來開始處理過程，如188中所示?？赏ㄟ^經(jīng)由用戶接口130的用戶輸入、通過連接插件到控制設(shè)備、通過引入樣本等等來啟動(dòng)插件。在啟動(dòng)之后，預(yù)處理樣本，如190中所示。預(yù)處理通常移動(dòng)樣本到預(yù)處理容器154，并且在需要時(shí)使樣本釋放和分離核酸，如下文的進(jìn)一步說明。分離的核酸一般來說通過以機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)流動(dòng)的方法被移動(dòng)到化驗(yàn)部分144中的濃縮器164，并被濃縮，如192中所示，如果需要，可使用以感興趣核酸為目標(biāo)的引物對(duì)濃縮的核酸進(jìn)行選擇性放大，如194中所示。再次，放大的核酸可被化驗(yàn)，例如，通過將一接收器或接收器組與放大的核酸接觸，如196中所示。那么可以光學(xué)和/或電氣的方式來檢測(cè)化驗(yàn)結(jié)果，如198中所示。
圖11示出了由交互流體網(wǎng)絡(luò)146、148在插件114的流體處理部分142和化驗(yàn)部分144分別形成的一示例性的整套流體網(wǎng)絡(luò)202的更為詳細(xì)的表示。容器表示為矩形，或用圓形表示。互連容器的通道204由平行線表示。如所示出的，通道204將流體處理部分142與化驗(yàn)部分144以流體連接在位置上，在連接位置處通道穿過兩個(gè)部分之間的一個(gè)接口205。閥206由實(shí)心的“蝴蝶結(jié)” (關(guān)閉的閥)或空心的蝴蝶結(jié)(打開的閥，見下文)表示。通常以電氣方式啟動(dòng)閥，并因此以電氣方式連接(未示出)到控制設(shè)備112。以替代方式或此外，可由控制設(shè)備112上的以電氣方式啟動(dòng)的閥致動(dòng)器/調(diào)整器來機(jī)械地控制閥。示例性的閥包括電磁閥和單用途閥。在通道終點(diǎn)由扁矩形來表示氣體選擇出口208(例如，見化驗(yàn)容器168上的出口)。適當(dāng)?shù)拈y和出口在III節(jié)中進(jìn)一步說明。
圖11示出了準(zhǔn)備接收樣本并啟動(dòng)的插件。相應(yīng)地，已經(jīng)在插件的反應(yīng)物儲(chǔ)存器152中預(yù)裝了反應(yīng)物，如所示通過點(diǎn)劃來表示流體。預(yù)裝的反應(yīng)物儲(chǔ)存器152可攜帶具有適當(dāng)pH值、緩沖能力、離子強(qiáng)度、溶劑成份等的清洗液210、212。一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)存器152還可攜帶一溶解反應(yīng)物214，例如，該溶解反應(yīng)物214可包括chaotropic劑、高或低離子強(qiáng)度緩沖器、一個(gè)或多個(gè)離子或非離子清潔劑、有機(jī)溶劑等等。而且，一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)存器152可包括放大混合，諸如PCR混合216或任何其它包括一個(gè)或多個(gè)放大反應(yīng)物的混合物。一般而言，任何選擇與感興趣核酸雜交的核酸都可作為放大反應(yīng)物。
PCR混合216通常包括一適當(dāng)?shù)木彌_器、Mg+2、用于對(duì)目標(biāo)核酸進(jìn)行選擇性放大的特定引物、dNTPs、熱穩(wěn)定聚合酶等等。一個(gè)或多個(gè)引物和/或dNTPs可被標(biāo)記，例如，用染料或生物素進(jìn)行標(biāo)記，如上文所說明。以由插件實(shí)現(xiàn)的放大方法為基礎(chǔ)，可用其它任何適當(dāng)?shù)姆糯蠡旌衔飦泶鍼CR混合216。而且，為了分析RNA，PCR混合可包括一逆轉(zhuǎn)錄酶。另外，利用RNA作為模板，一單獨(dú)的儲(chǔ)存器可提供反應(yīng)物來實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)DNA的合成，通常在放大之前實(shí)現(xiàn)該互補(bǔ)DNA的合成。
反應(yīng)物儲(chǔ)存器152可被構(gòu)型為在以機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)流動(dòng)的基礎(chǔ)上輸送流體。例如，反應(yīng)物儲(chǔ)存器152可被構(gòu)造為可收縮的帶子，一彈簧或其它彈性結(jié)構(gòu)可在每個(gè)帶子上施加一正壓力。另外，可用氣體對(duì)反應(yīng)物儲(chǔ)存器152加壓。無論加壓的機(jī)制如何，可操作閥206來選擇性地控制反應(yīng)物從每個(gè)儲(chǔ)存器的輸送。III節(jié)說明了另外的產(chǎn)生機(jī)械地驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)的示例性機(jī)制。
插件114包括用于實(shí)現(xiàn)各種功能的內(nèi)部容器。內(nèi)部容器包括廢棄物容器156，在此例中，兩個(gè)廢棄物容器表示為A和B。廢棄物容器156接收來自于反應(yīng)物儲(chǔ)存器152(和來自于樣本輸入150)的流體，并因此可包括出口208來允許氣體從廢棄物容器中排出。內(nèi)部容器(通道)可包括一樣本容器218、一過濾器組220和芯片容器164、166、168。樣本容器218和過濾器組220被構(gòu)型為分別接收和預(yù)處理樣本，如下文的進(jìn)一步說明的那樣?；?yàn)容器168可通過一調(diào)整的出口222來排氣，調(diào)節(jié)的出口222即是控制出口208的閥206。一些或全部的內(nèi)部容器和/或通道204可由適當(dāng)?shù)牧黧w預(yù)先填裝，例如，作為插件制造的一部分。特別是，化驗(yàn)部分144的容器/通道可被填裝。相應(yīng)地，一些容器和/或通道可在插件啟動(dòng)之前處于未填裝的狀態(tài)。
圖12示出了樣本裝載過程中插件114中流體運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)區(qū)域。在此，以及在圖13-16中，加重的點(diǎn)劃表示活動(dòng)區(qū)域，而輕的點(diǎn)劃表示插件中其余部分的儲(chǔ)存器中的反應(yīng)物或廢棄物。樣本，諸如基于液體的樣本，被裝載在樣本輸入?yún)^(qū)域150，并由樣本容器218接收，通常樣本要經(jīng)過一在224處表示的通道。裝載的樣本的體積在此受到樣本容器218的出口208和樣本容器218的容積的限制。一旦樣本容器218被填滿，出口208可提供一限制引入額外樣本的反壓力。以替代方式或此外，一電氣的或光學(xué)的流體傳感器(未示出)可放置在樣本容器218之內(nèi)或周圍，用以在達(dá)到樣本容積時(shí)發(fā)出信號(hào)。樣本容器218下游的閥226可阻止樣本在此時(shí)流到過濾器組220，或者樣本可直接從樣本輸入?yún)^(qū)域150裝載到過濾器組上，例如，通過經(jīng)由廢棄物容器A排出來完成裝載。
樣本可為任何適當(dāng)?shù)男问剑?，任何在IV節(jié)中說明的樣本。然而，在此說明的插件的實(shí)施例被構(gòu)型為分析核酸227，這樣樣本通常含有核酸，即DNA和/或RNA，或疑似攜帶核酸。核酸227可在組織或生物粒子中攜帶、可為從該組織或生物粒子中提取的提取物、和/或可被部分地或全部純化。細(xì)胞228、病毒和細(xì)胞器官為示例性的生物粒子。裝載的樣本體積可為任何適當(dāng)?shù)捏w積，以樣本有效性、小體積處理的容易性、樣本中目標(biāo)核酸的數(shù)量和/或插件的容積等為基礎(chǔ)。
圖13示出了在樣本預(yù)處理的過程中插件114中流體運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)區(qū)域。可通過打開閥230、232、234，沿通路229引入溶解反應(yīng)物214。因此，通常溶解反應(yīng)物攜帶樣本，該樣本的核酸227從樣本容器218到過濾器組220。多余的流體可運(yùn)輸?shù)綇U棄物容器A。過濾器組通常被構(gòu)型為執(zhí)行核酸分離，也就是說，通過至少三個(gè)功能中任一或全部微粒過濾、從樣本中釋放核酸、和保持釋放的核酸，至少部分地從樣本廢棄物質(zhì)中分離。廢棄物質(zhì)在此定義為任何來源于樣本但不符合感興趣核酸的成份、復(fù)合體、聚合體、或微粒等等。示例性的廢棄物質(zhì)可包括細(xì)胞或病毒碎片、未破裂的細(xì)胞或病毒顆粒、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)、非感興趣的核酸，等等。廢棄物質(zhì)還可以是來源于樣本的流體，去除該流體可濃縮核酸。
過濾是過濾器執(zhí)行的任何尺寸的選擇過程，該過濾器機(jī)械地保持細(xì)胞、顆粒、碎片等等。相應(yīng)地，過濾器組可使樣本顆粒(細(xì)胞、病毒等)定位，用于進(jìn)行分裂處理，并且還去除可能妨礙下游處理和/或插件流體網(wǎng)絡(luò)202中流體流動(dòng)的微粒。具有此第一個(gè)功能的適當(dāng)?shù)倪^濾器可包括小孔膜、纖維過濾器、狹窄通道等等。一個(gè)或多個(gè)過濾器可包含在過濾器組中。在一些實(shí)施例中，過濾器組包括一連串過濾器，在流體流動(dòng)方向上一連串過濾器內(nèi)的排斥限制遞減。這種一連串的布置可減少過濾器被顆粒阻塞的發(fā)生率。
保持在過濾器組220上的樣本可受到處理的影響，該處理從樣本中未處理的和/或不易接近的形式中釋放核酸。以替代方式或此外，可在樣本保持在過濾器組上之前實(shí)施釋放處理。處理可改變細(xì)胞表面、核和/或線粒體膜的完整性，和/或分解亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)等等。示例性的釋放處理可包括壓力改變(例如，聲波或超聲波/脈沖或由如同在壓榨器中一樣變狹窄的通道產(chǎn)生的壓降)；溫度變化(加熱和/或冷卻)；電氣處理，諸如電壓脈沖；化學(xué)處理，諸如清潔劑、chaotropic劑、有機(jī)溶劑、高或低鹽等等；在流體室內(nèi)的凸出(諸如刺突或陡沿)等等。在此，示出在從攜帶核酸的細(xì)胞228中釋放出來后的核酸227核酸保持通常在過濾器的下游執(zhí)行。核酸保持可由一可逆地結(jié)合核酸227的保持矩陣執(zhí)行。具有此第二個(gè)功能的適當(dāng)?shù)谋３志仃嚳砂ㄐ∏?、顆粒和/或膜，等等。示例性的保持矩陣可包括被正向充電的樹脂(離子交換樹脂)、活性二氧化硅等等。一旦核酸227被保持，額外的溶解反應(yīng)物或清洗液可流經(jīng)被保持的核酸227，來清洗掉未保持的污染物。
圖14示出了從過濾器組220釋放核酸的過程中插件114內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的作用區(qū)域，以及在化驗(yàn)部分144的濃縮容器164中濃縮釋放的核酸227。流體從清洗液A中流出，如210中所示，流體沿流體通路236通過樣本容器218和過濾器組220流到一單獨(dú)的廢棄物容器，廢棄物容器B。為了促使流體沿通路236流動(dòng)，閥230和234關(guān)閉，閥232保持開啟狀態(tài)，并且閥238和240打開。清洗液A可被構(gòu)型為釋放保持在過濾器組220上的核酸227(見圖7)。相應(yīng)地，配置清洗液A的基礎(chǔ)是一機(jī)制，該機(jī)制是核酸227由過濾器組的保持矩陣來保持。釋放保持的核酸的清洗液可改變pH值、離子強(qiáng)度和/或流體的介電常數(shù)，等等。示例性的清洗液可包括高的或低的pH值、高的或低的離子強(qiáng)度、有機(jī)溶劑，等等。預(yù)處理可提供第一階段的樣本中核酸的濃縮和純化。
釋放的核酸227可在濃縮容器164中進(jìn)行進(jìn)一步的濃縮(和純化)。濃縮容器164通常在化驗(yàn)部分144中形成，并且包括一個(gè)電極或通常包括多個(gè)電極。至少一個(gè)電極在釋放的核酸進(jìn)入濃縮容器164之時(shí)或之前要電氣地偏置(正向)。結(jié)果，流過濃縮容器164的核酸227可被吸引至正向偏置的電極上，或保持在該電極上。攜帶核酸227的大量流體和額外的清洗液A可被輸送到廢棄物容器B中。相應(yīng)地，通過在濃縮容器164中保持，核酸227可被濃縮，并可被進(jìn)一步純化。這種核酸227的濃縮可允許化驗(yàn)部分144具有體積非常小的流體室，例如，處理發(fā)生的室，其流體容積小于一微升。電極結(jié)構(gòu)、數(shù)量、布置和涂層的更多方面在下文說明。
在一些實(shí)施例中，濃縮容器164被構(gòu)形為一預(yù)選容器，諸如圖3-6的預(yù)選容器64。相應(yīng)地，濃縮容器164可用來濃縮和加濃一預(yù)處理后的樣本，使感興趣核酸的濃度增加，這樣預(yù)選的目標(biāo)可被有效地進(jìn)一步處理，如下文所說明。
圖15示出了在傳遞濃縮的核酸到化驗(yàn)部分144的放大容器166的過程中插件114內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)區(qū)域。如所示，通常流體從容器152流出，容納PCR混合216，沿著流體通路242流到放大容器166。為使流體沿通路242流動(dòng)，隨著濃縮容器164中電極上保持的正向偏置消失，閥238和240關(guān)閉，并且閥244和出口閥222打開。PCR混合216可通過流體流動(dòng)來攜帶核酸227。另外，將給放大容器166中的電極施加正向偏置(見下文)，用于以電泳方式傳遞核酸227到放大容器166，在放大容器166中已經(jīng)預(yù)裝了PCR混合216。在各種情況下，多余的流體從放大容器166流到化驗(yàn)容器168是受到限制的，例如，通過電氣的或光學(xué)的傳感器(未示出)監(jiān)測(cè)連通通道246中的流體水平，并及時(shí)發(fā)信號(hào)關(guān)閉出口閥222。在一些實(shí)施例中，在移動(dòng)核酸227到放大容器166之前，首先由PCR混合216對(duì)濃縮容器164進(jìn)行均衡。例如，在取消濃縮容器164中保持的正向偏置和打開出口閥222之前，PCR混合216可通過一打開的閥240直接流到廢棄物容器B。定位在放大容器166中的核酸227可被放大，例如，通過等溫培養(yǎng)或熱循環(huán)的方法，來選擇性地增加核酸227中感興趣核酸目標(biāo)(或目標(biāo)區(qū)域)247的量，或者，在某些情況下，可不對(duì)核酸進(jìn)行放大。
圖16示出了在傳遞放大的核酸247到化驗(yàn)部分144的化驗(yàn)容器168的過程中插件114內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)區(qū)域。流體沿著流體通路248從容納清洗液B的容器152流到化驗(yàn)容器168?？赏ㄟ^打開閥250和出口閥222來啟動(dòng)流體通路248。限制過量裝填化驗(yàn)容器168，例如，通過出口閥222上的出口208，或者通過傳感器監(jiān)測(cè)流體位置并發(fā)出閥250關(guān)閉的信號(hào)，等等。如上文所說明，可通過流體流動(dòng)和/或以電泳方式使用布置在化驗(yàn)容器168上的電極來傳遞核酸227和放大的目標(biāo)核酸247(見下文)。在一些實(shí)施例中，首先通過關(guān)閉出口閥222和打開閥240、250，用清洗液B均衡放大容器166，因此清洗液B通過放大容器166、濃縮容器164被導(dǎo)入廢棄物容器B。以替代方式或此外，可以電泳方式傳遞放大的核酸247到預(yù)裝了化驗(yàn)溶液的化驗(yàn)容器168。
放大的目標(biāo)核酸247(和分離的核酸227)可在化驗(yàn)容器168中化驗(yàn)。例如，化驗(yàn)容器168可包括一個(gè)或多個(gè)定位的接收器(一位置排列)，用于核酸鑒定和/或量化，如III節(jié)所說明?？赏ㄟ^鄰近化驗(yàn)容器168定位的電極幫助進(jìn)行放大的核酸247和接收器的雜交。電極可以順序方式正向偏置，來引導(dǎo)放大的核酸到達(dá)組中的單獨(dú)個(gè)體(或子群)。在以電泳方式移動(dòng)放大的目標(biāo)核酸247到組中的一些或全部位置，以允許特定的結(jié)合或雜交之后，可通過電泳方式和/或流體流動(dòng)方式清除未結(jié)合或未雜交的核酸(在此未示出)。
圖17和18示出了化驗(yàn)144的所選方面，分別為從插件114外部觀察的俯視圖和截面圖?；?yàn)部分144包括一基底部分258?；撞糠?58至少部分地限定化驗(yàn)部分的流體室?；撞糠挚砂ㄒ换?60?；撞糠诌€包括在基底上形成并鄰近基底表面262布置的電子電路158和/或薄膜層。電路的薄膜電子裝置和網(wǎng)絡(luò)148的流體室都鄰近基底公共平面布置，這樣電子裝置靠近流體網(wǎng)絡(luò)區(qū)域布置，和/或與流體網(wǎng)絡(luò)區(qū)域有流體接觸。因此，薄膜裝置可被構(gòu)型為調(diào)節(jié)和/或感知流體網(wǎng)絡(luò)148中流體(或樣本/分析物)的性質(zhì)?；?60的一個(gè)示例性材料是硅，通常為單晶硅。其它適當(dāng)?shù)幕撞牧虾托再|(zhì)在III節(jié)中說明。
由基底部分258和流體阻擋層263在靠近表面262之處共同限定流體網(wǎng)絡(luò)148或一個(gè)或多個(gè)流體室的流動(dòng)連接的流體空間。流體空間可確定在基底部分和流體阻擋層之間容納流體的流體容積。術(shù)語“共同限定”表示流體空間或其流體室基本(或完全地)布置在基底部分258和流體阻擋層263之間。流體阻擋層263可以是任何充分阻止流體從流體網(wǎng)絡(luò)148或其流體室通過阻擋層流出裝置的結(jié)構(gòu)。充分阻止流體從插件流出表示流體的液滴、小滴或液流不通過流體阻擋層流出裝置。相應(yīng)地，流體阻擋層可不具有流體連接流體網(wǎng)絡(luò)148到裝置外部區(qū)域的開口。流體阻擋層還可流體密封由流體阻擋層和基底部分之間的接合處限定的周長，用以充分阻止流體在接合處從插件中流出。通常，流體阻擋層還限制流體網(wǎng)絡(luò)148產(chǎn)生的蒸發(fā)損失。
流體網(wǎng)絡(luò)148的形成如下?；?60的表面262和/或電路158可限定一流體網(wǎng)絡(luò)148的底壁264?？稍诒砻?62和底壁264上布置一具圖案的通道層266來限定側(cè)壁268。通道層266可由任何適當(dāng)?shù)牟牧现圃?，包括?fù)性或正性光致抗蝕劑(諸如SU-8或PLP)、聚酰亞胺、干膜(諸如杜邦的Riston)、和/或玻璃，但不局限于上述材料。形成通道層266圖案的方法可包括光刻法、微機(jī)械加工法、模塑法、沖壓法、激光蝕刻法，等等?？稍谕ǖ缹?66上布置一蓋270，蓋270與底264之間有一段空間，用于密封流體網(wǎng)絡(luò)148上部區(qū)域，與電子電路158隔開(見圖18)。蓋270可以是與通道層266分離的部件，諸如與通道層266結(jié)合或或以其它方式連接在通道層266上的層，或者可與通道層266形成為一整體。在各種情況下，流體阻擋層263可包括一相對(duì)的壁271，該壁271是密封的，以防止流體運(yùn)動(dòng)以及流體從插件流出。當(dāng)通過蓋以光學(xué)方式檢測(cè)化驗(yàn)時(shí)，蓋270可以是透明的，例如，可以是玻璃或透明塑膠。另外，例如，當(dāng)以電氣方式檢測(cè)化驗(yàn)時(shí)，蓋270可以是不透光的。流體網(wǎng)絡(luò)148可包括空間上獨(dú)立的容器164、166、168，如上文所說明，用以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立處理，并且/或者可在一共享的流體室中實(shí)現(xiàn)獨(dú)立處理。
至少電路158的一個(gè)薄膜部分可在基底260的表面262的上面形成，或者由表面262攜帶。電路通常包括至少部分地限定一個(gè)或多個(gè)電子電路的薄膜層。電路可包括在流體網(wǎng)絡(luò)148中接觸流體的電極272。電極和其它薄膜裝置(見III節(jié))可電氣地連接到電接觸墊274上(見圖17)，這通常是通過在基底上形成的半導(dǎo)體電路(包括信號(hào)處理電路)實(shí)現(xiàn)，也就是說，半導(dǎo)體電路在表面262的上面和/或下面構(gòu)造。指定數(shù)量的接觸墊274可控制足夠多的電極和/或其它薄膜裝置。在優(yōu)選實(shí)施例中，接觸墊274被電氣地連接到觸點(diǎn)118上，諸如通過一柔性電路連接。
電極272可具有任何適當(dāng)?shù)某煞?、分布和涂層。電極272的適當(dāng)?shù)牟牧鲜菍?dǎo)電材料，諸如金屬、合金或金屬衍生物。示例性電極材料包括金、鉑、銅、鋁、鈦、鎢、金屬硅化物等等。電路158可包括沿流體網(wǎng)絡(luò)148的底264的一個(gè)或幾個(gè)區(qū)域上布置的電極。例如，如在此示出的，電極可排列為多個(gè)離散單元，可以是沿通道/容器的單列形式，如濃縮器164中的那樣，和/或?yàn)槎S陣列的形式，如容器166、168中的那樣。以替代方式或此外，電極272可伸長，或者具有任何適當(dāng)?shù)男螤罨蛉舾尚螤睢Ｃ總€(gè)電極272可在個(gè)體基礎(chǔ)上電氣地偏置，既可以正向也可以反向，這樣核酸被電極吸附或排斥，或者電極也可不電氣地偏置。在理想的核酸保持和/或定向運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，可由控制設(shè)備112和/或插件114來通過任何適當(dāng)?shù)目臻g調(diào)整和時(shí)間調(diào)整方式實(shí)現(xiàn)電氣偏置。電極272可覆蓋一層滲透層，用來允許流體和離子到達(dá)流體室接觸電極，但可避免大分子(諸如核酸)直接接觸電極。這種直接接觸可在化學(xué)上對(duì)核酸有害。適當(dāng)?shù)碾姌O涂層可包括水凝膠和/或溶膠凝膠等等，并可應(yīng)用任何適當(dāng)?shù)姆椒?，諸如噴鍍、旋涂等方法實(shí)現(xiàn)。示例性的涂層材料可包括聚丙烯酰胺、瓊脂糖和/或合成聚合體等等。
化驗(yàn)部分144流體連接到流體處理部分142?？刹捎萌魏芜m當(dāng)?shù)慕涌谕ǖ?或一單通道)來連接插件的流體網(wǎng)絡(luò)146、148。這種流體連接可允許流體相對(duì)于一流體室傳送，也就是說，從該流體室流入或流出。
流體網(wǎng)絡(luò)146、148可以在空間上由基底260和/或流體阻擋層263分隔。當(dāng)由基底260分隔時(shí)，接口通道可穿過基底260延伸，通常在基底260的表面262和相反的表面276之間，用來連接流體網(wǎng)絡(luò)。接口通道可描述為供給結(jié)構(gòu)，用于限定流體運(yùn)動(dòng)的通路。以替代方式或此外，一個(gè)或多個(gè)接口通道可圍繞基底260的邊緣278(圖17)延伸，用于連接流體網(wǎng)絡(luò)146(圖11-16)。例如，接口通道可穿過通道層266和/或蓋270延伸，但是其被密封以阻止流體從插件中大量泄漏。在可選實(shí)施例中，流體網(wǎng)絡(luò)146、148可以在空間上由流體阻擋層263而非基底260來分隔，一些或所有接口通道再次穿過流體阻擋層263延伸，來流體連接到流體網(wǎng)絡(luò)146。
在所描述的實(shí)施例中，接口通道，標(biāo)記為280a到208e，穿過基底260在相反的基底表面之間延伸(見圖16-18)。一接口通道280流體連接流體處理部分的任何流體室到流體網(wǎng)絡(luò)148的流體室，通常是通過直接連接到流體管道或兩個(gè)部分的容器。例如，一接口通道280可連接一反應(yīng)物儲(chǔ)存器152到化驗(yàn)部分144的一個(gè)容器(164-168)、可連接化驗(yàn)部分的容器到廢棄物容器、可連接預(yù)處理容器220到化驗(yàn)部分的容器、可互相連接兩個(gè)或多個(gè)化驗(yàn)部分的容器(未示出)、可直接連接樣本輸入?yún)^(qū)域150到化驗(yàn)部分的容器(還未示出)、和/或連接化驗(yàn)部分的容器到閥和/或出口(諸如閥出口222)，等等。化驗(yàn)部分的每個(gè)獨(dú)立的室可直接連接到任何適當(dāng)數(shù)量的接口通道280。在此，濃縮容器164具有三個(gè)接口通道，280a到280c，并且放大容器166和化驗(yàn)容器168每個(gè)具有一個(gè)接口通道，分別是280d和280e。
圖18示出了接口通道280e是如何流體連接化驗(yàn)部分144到流體處理部分142的。接口通道280e被構(gòu)型為沿著流體通路攜帶流體，從化驗(yàn)容器168到閥出口222(見圖16)。接口通道可攜帶流體到流體處理部分142的一個(gè)通道(或幾個(gè)通道)204。每個(gè)通道204可通過流體支管284連接到接口通道280，該流體支管284引導(dǎo)流體到流體處理部分142的一個(gè)或幾個(gè)通道204，并到化驗(yàn)部分144的一個(gè)或幾個(gè)流體室。相應(yīng)地，化驗(yàn)部分144可固定連接到流體支管284，例如，通過使用粘合劑286連接。
接口通道的直徑隨其長度而變化(通常沿與流體方向平行的方向測(cè)量)。例如，接口通道280e在通道末端區(qū)域的相鄰的基底260的表面262處的直徑可小于基底260限定的中間區(qū)域，形成一傳送流體的開口288。開口通過引導(dǎo)流體進(jìn)入和/或流出流體室來傳送流體。開口288通常與一流體室毗連。流體室至少部分地由流體阻擋層限定，并且被構(gòu)形以至于流體無法從流體室處流出微流裝置，也就是說，通過流體阻擋層直接流出。流體室可由基底部分和流體阻擋層共同限定。開口可包括一周邊區(qū)域，該周邊區(qū)域形成一懸垂物(或隔板)292，在此處薄膜層290不能接觸到基底260。開口288可具有任何適當(dāng)?shù)闹睆?，或者約為1微米到100微米的直徑。與接口通道的僅由基底限定的區(qū)域相比，開口或孔可提供更受限制的流體流動(dòng)。開口288可由形成于一個(gè)或多個(gè)薄膜層290上的開口限定，該薄膜層形成于基底260的表面262上。薄膜層290通常較薄，也就是說，比基底260的厚度小得多，并且薄膜層具有如III節(jié)中所說明的厚度和/或功能孔。
圖19-25示出了采用構(gòu)造化驗(yàn)部分的一示例性方法分步形成接口通道280e、開口288和化驗(yàn)容器168在化驗(yàn)部分144中的過程。適當(dāng)?shù)谋∧こ练e和圖案形成步驟在Weber等人的美國專利號(hào)為6,000,787的專利和Kawamura等人的美國專利號(hào)為6,336,714的專利中說明，該專利同為本申請(qǐng)人所擁有，并且通過引用收編在此。這里，圖案形成通常指薄膜層區(qū)域在光下選擇性曝光之后，薄膜層按圖案沉積的過程。
圖19示出了化驗(yàn)部分用的適當(dāng)?shù)脑牧弦粋€(gè)具有兩個(gè)相反表面262、276的充分平坦的基底260。在此說明的方法可由硅基底實(shí)現(xiàn)，該硅基底較薄，例如，其厚度約為0.1到2毫米，或者0.2到1毫米。在添加薄膜層290的過程之中和/或之后，但通常在添加薄膜層290之前，可在表面262更改基底，用于包括形成三極管、場效應(yīng)晶體管、雙極器件和/或其它半導(dǎo)體電子器件(未示出)的n摻雜和p摻雜區(qū)域。
圖20示出了在基底260的表面262上應(yīng)用薄膜層290并形成圖案之后的化驗(yàn)部分。薄膜層290可包括任何適合于形成和/或保護(hù)電路158的導(dǎo)電部分的薄膜。薄膜層290可由導(dǎo)電材料(例如，形成電極和裝置之間的導(dǎo)電連接)、半導(dǎo)體材料(例如，用n摻雜和p摻雜材料形成三極管)和/或絕緣材料(例如，鈍化層)組成?？赏ㄟ^傳統(tǒng)方法應(yīng)用薄膜層和形成圖案。至少一個(gè)薄膜層290可被形成圖案，用以限定開口288的周邊294。
圖21示出了未形成圖案的通道層296已經(jīng)布置在薄膜層和開口288上之后的化驗(yàn)部分。通道層296可以合適的厚度應(yīng)用，通常其厚度約為1到200微米，更典型的是2到100微米，或者甚至為5到50微米。通道層296(和流體阻擋層)用的示例性材料在上文說明。
圖22示出了在基底260的相反表面276加上蝕刻掩模298之后的化驗(yàn)部分。蝕刻掩?？勺鳛橐缓穸群线m的層來應(yīng)用，并且在一固定區(qū)域(或若干區(qū)域)被選擇性地去除，以確定開口300。開口300可具有任何適當(dāng)?shù)闹睆?，但通常其直徑大于開口288的直徑。開口300可與開口288相對(duì)布置，這樣開口300延伸到薄膜層290的投影在基底上形成一相應(yīng)的通道或通孔301，該通道或通孔可包圍開口288。
圖23示出了接口通道280e的基底區(qū)域形成之后，并且去除蝕刻掩模298之后的化驗(yàn)部分。通常，基底260可在垂直方向上從表面276沿著孔300(見圖22)限定的體積被蝕刻，來產(chǎn)生通道301?？刹捎萌魏芜m當(dāng)?shù)奈g刻工藝形成接口通道280e的基底部分。然而，通常采用深度反應(yīng)的離子蝕刻(DRIE)。一個(gè)或多個(gè)薄膜層290可作為蝕刻的終點(diǎn)，這樣就形成了懸垂區(qū)域292。在蝕刻之后，掩?？蓮南喾幢砻?76上剝離，或者留在表面上。
圖24示出了未形成圖案通道層296已被選擇性地去除以形成有圖案的通道層266之后的化驗(yàn)部分?？赏ㄟ^任何合適的方法來實(shí)現(xiàn)選擇性去除，例如，光案化的層296之后進(jìn)行光圖案化的層的顯影，或激光燒蝕。
圖25示出了連接蓋270之后，但在通過支管284在流體處理部分142上固定化驗(yàn)部分之前的化驗(yàn)部分144。蓋270可通過任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄟB接到流體阻擋層266，諸如通過粘合劑、加熱和施加壓力、陽極接合、聲學(xué)焊接和/或傳統(tǒng)方法。
圖26示出了在化驗(yàn)部分304上形成的芯片內(nèi)部通道302的圖示。芯片內(nèi)部通道302可從表面262通過開口288進(jìn)入和離開基底260，而不延伸到相反表面276。因此，芯片內(nèi)部通道302與在插件的部分142和144之間延伸的接口通道280不同。芯片內(nèi)部通道302可用于在由基底部分258和流體阻擋層308共同限定的容器306之間傳遞流體。以替代方式或此外，芯片內(nèi)部通道可用于混合流體(見下文)，以執(zhí)行反應(yīng)或化驗(yàn)等等。
圖27-29示出了使用一示例性方法分步形成化驗(yàn)部分304中芯片內(nèi)部通道302的過程。材料和程序大體上如上文對(duì)圖18-25所做的說明那樣。圖27示出了在薄膜層290已經(jīng)在基底260的表面262形成并形成多個(gè)開口288之后的制造階段。圖28示出了在開口288下對(duì)基底260進(jìn)行各向異性蝕刻來形成基底凹槽或溝310之后的化驗(yàn)部分。另外，溝310可通過各向同性蝕刻來形成。在各種情況下，蝕刻劑可通過開口288進(jìn)入基底260來底切薄膜層290，因此連接布置在每個(gè)開口288下面的本地凹槽312來形成溝310。相應(yīng)地，通常開口288的間隔足夠近，以允許凹槽312在蝕刻基底260的過程中流體連接起來。圖29示出了使用流體阻擋層308形成容器306之后的化驗(yàn)部分304。在此，流體阻擋層308包括限定容器側(cè)壁的通道層266和密封容器306頂部的蓋270。由薄膜層290限定并用于形成溝310的一個(gè)或多個(gè)開口288可由通道層266封閉。例如，中央開口在此由通道層266密封，如314中所示。
圖30示出了具有支管通道318的化驗(yàn)部分316。支管通道318是一個(gè)貫穿基底的通道，其流體連接薄的薄膜290上的兩個(gè)或多個(gè)開口288。在此，開口288流體連接支管通道318到兩個(gè)容器306。然而，支管318可流體連接到化驗(yàn)部分的流體網(wǎng)絡(luò)中任何適當(dāng)數(shù)目的室。支管通道318可用于從流體處理部分142接收流體，或?qū)⒘黧w輸送到流體處理部分142，例如，輸送流體到一個(gè)或兩個(gè)容器306，或接收來自于一個(gè)或兩個(gè)容器306的流體。支管通道318還可用于在容器306之間引導(dǎo)流體，如圖26所表示。在圖28中形成溝310之后，形成支管通道318的一示例性方法跟隨圖21-25所概括的步驟。
圖31示出了包括一混合容器332的化驗(yàn)部分330的一部分俯視圖?；旌先萜?32具有一與圖28的溝310相似的溝334，該溝334在幾個(gè)開口336(在此示出了六個(gè)入口和一個(gè)出口)處的薄膜層下面形成。通過幾個(gè)入口通道338、340從化驗(yàn)部分330的流體網(wǎng)絡(luò)向溝334供應(yīng)，該入口通道攜帶流體沿著箭頭表示的路徑進(jìn)入入口。每個(gè)通道可使用沿著溝的薄層的交替幾何形狀引導(dǎo)流體(通常為不同的流體)進(jìn)入溝334，以允許來自于溝內(nèi)幾個(gè)通道的流體混合?；旌系牧黧w如342所示在出口336從溝334流出，以引導(dǎo)流體返回化驗(yàn)部分330的流體網(wǎng)絡(luò)的出口通道344。在可選實(shí)施例中，任何適當(dāng)數(shù)目的入口和開口通道可通過任何適當(dāng)數(shù)目的開口336連接到混合容器332。
圖32更詳細(xì)地示出了化驗(yàn)部分144的所選部分，特別是薄膜層290。示例性的薄膜可包括一由基底260形成的場效氧化(FOX)層352和一布置在FOX層352上的磷硅酸鹽玻璃(PSG)層354。FOX層352可提供一熱阻擋層，用以熱隔離發(fā)熱效應(yīng)。可從開口288向后拉PSG層354，如355中所示，用以避免流體接觸PSG層，如果接觸可能具有腐蝕效應(yīng)。相應(yīng)地，PSG層354限定一保護(hù)開口，保護(hù)開口的直徑比流體接觸開口288的直徑大。薄膜還可包括一由任何適當(dāng)?shù)碾娮璨牧闲纬傻碾娮鑼?56，電阻材料諸如為鋁化鉭(TaAl)。電流從連接的導(dǎo)體流經(jīng)電阻層356，該導(dǎo)體可由任何合適的導(dǎo)電材料形成，諸如鋁或鋁合金(未示出)。電阻層產(chǎn)生熱量，熱量通過FOX層352等與基底260隔絕。一個(gè)或多個(gè)鈍化層358可覆蓋這些薄膜。鈍化層用的適當(dāng)?shù)牟牧峡砂ǖ?Si3N4)或碳化硅(SiC)等等。額外的電子電路部件，諸如電極、晶體管和二極管，在基底的表面之上和/或之下布置，在此未示出。
III.微流系統(tǒng)為樣本操作和/或分析提供微流系統(tǒng)。微流系統(tǒng)通常包括用于接收、操作和分析小體積流體(液體和/或氣體)中的樣本的裝置和方法。由一個(gè)或多個(gè)流體通道攜帶小體積流體，通常至少有一個(gè)通道的截面尺寸或深度在0.1到500微米之間，更典型的是，小于100微米或50微米。微流裝置可具有任何適當(dāng)?shù)目偭黧w容積。相應(yīng)地，在微粒裝置之內(nèi)一個(gè)或多個(gè)區(qū)域的流體表現(xiàn)出具有擾動(dòng)最小的層流，通常以低雷諾數(shù)為其特征。
可在微流裝置內(nèi)流體連接流體室。流體連接或流體耦合通常指在裝置內(nèi)存在用于在室之間進(jìn)行流體連通的路徑。路徑可在所有時(shí)間保持打開狀態(tài)，或者由開啟和關(guān)閉的閥來控制(見下文)。
各種流體室可攜帶流體和/或保持流體在微流裝置內(nèi)，并且流體室被包圍在裝置內(nèi)。攜帶流體的室是通道。通道可包括任何限定的路徑或管道，用于在微流裝置之內(nèi)引導(dǎo)流體運(yùn)動(dòng)，諸如通道、處理容器、孔或表面(例如，親水的、充電的等)，等等。為了輸送到通路或從通路接收而保持流體的室稱為容器或儲(chǔ)存器。在很多情況下，容器和儲(chǔ)存器也是通道，允許流體流經(jīng)容器或儲(chǔ)存器。微流裝置內(nèi)以流體連接的流體室形成了一個(gè)有分支或無分支的流體網(wǎng)絡(luò)或流體空間。在此說明的微流裝置可包括單一流體連接的流體網(wǎng)絡(luò)，或幾個(gè)單獨(dú)的不連接的流體網(wǎng)絡(luò)。帶有幾個(gè)單獨(dú)的流體網(wǎng)絡(luò)的裝置可被構(gòu)型為同時(shí)和/或順序地接收和操作幾個(gè)樣本。
可大致將容器分為末端容器和中間容器。末端容器通?？稍诹黧w網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部限定流體運(yùn)動(dòng)的一個(gè)起點(diǎn)或終點(diǎn)。這種容器可與外部環(huán)境連接，例如，在裝置制造或準(zhǔn)備過程中接收反應(yīng)物，或者僅從微流裝置內(nèi)的流體通路接收流體。示例性末端容器可作為儲(chǔ)存器，該儲(chǔ)存器接收和/或存儲(chǔ)處理的樣本、反應(yīng)物和/或廢棄物。在樣本分析之前或樣本分析的過程中可裝載流體到末端容器中。中間容器可在流體網(wǎng)絡(luò)中處于中間位置，并因此可在樣本分析過程中作為處理、反應(yīng)、測(cè)量、混合等的通道。
微流裝置可包括一個(gè)或多個(gè)泵，用以推和/或拉流體或流體組分穿過流體網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)泵可為機(jī)械驅(qū)動(dòng)(壓力調(diào)整)泵或動(dòng)電泵，等等。機(jī)械驅(qū)動(dòng)的泵可在正壓下動(dòng)作，來推動(dòng)流體穿過網(wǎng)絡(luò)。可由彈簧、加壓氣體(在系統(tǒng)內(nèi)部或外部提供)、電機(jī)、注射泵、空氣泵、蠕動(dòng)泵等提供壓力。以替代方式或此外，壓力驅(qū)動(dòng)的泵可在負(fù)壓下動(dòng)作，也就是說，將流體拉向壓力降低的區(qū)域。動(dòng)電的或電氣驅(qū)動(dòng)的泵可利用電場來促進(jìn)流體和/或流體組分的流動(dòng)，通過電泳、電滲和/或電毛細(xì)法等方法來實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，泵可以是通過微機(jī)械加工制造的微動(dòng)泵，例如，具有壓電動(dòng)力運(yùn)動(dòng)的基于隔膜的泵，等等。
在此說明的微流裝置中可包括閥。閥通常包括任何機(jī)制以調(diào)整流體穿過流體網(wǎng)絡(luò)流動(dòng)，并可以是雙向閥、止回閥和/或出口閥等。例如，閥可用于阻止或允許流體通過一流體通道流動(dòng)，也就是說，作為雙態(tài)開關(guān)，和/或用于調(diào)節(jié)流體流動(dòng)速率。相應(yīng)地，閥的操作可選擇一部分有效的流體網(wǎng)絡(luò)、可分離流體網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)或多個(gè)部分和/或可選擇所要執(zhí)行的處理步驟，等等。因此，可定位和操作閥來從流體室輸送流體、反應(yīng)物和/或樣本到流體網(wǎng)絡(luò)的理想?yún)^(qū)域。適當(dāng)?shù)拈y可包括可移動(dòng)的隔膜或膜、可壓縮或可移動(dòng)的通道壁、球閥、滑動(dòng)閥、辨閥、泡閥(bubble valve)和/或不混溶流體等等?？赏ㄟ^螺線管、電機(jī)、壓力(見上文)、加熱器等操作這些閥。
適當(dāng)?shù)拈y可以是通過常規(guī)的制造方法在基底上(或基底內(nèi))和薄膜電子裝置(見下文)一起形成的微閥。微閥可由靜電力、壓電力和/或熱膨脹力等來致動(dòng)，并可具有內(nèi)部或外部致動(dòng)器。例如，靜電閥可包括多晶硅膜或聚酰亞胺懸臂，它可操作覆蓋在基底上形成的洞。壓電閥可包括對(duì)著閥致動(dòng)器伸展的外部的(或內(nèi)部的)壓電盤或柱。熱膨脹閥可包括由隔膜限定的密封壓力容器。加熱容器使隔膜對(duì)著閥座伸展。另外，熱膨脹閥可包括泡閥。泡閥可由加熱器部件形成，加熱器部件加熱流體，在通道中形成泡，這樣泡可阻止流體通過通道流動(dòng)。停止加熱使得泡破裂，以允許流體流動(dòng)。微閥可以是可逆的，也就是說，能夠打開和關(guān)閉，或者微閥也可以是幾乎不可逆的，也就是說，只能打開或關(guān)閉的單用途閥。示例性的單用途閥是流體通道內(nèi)的熱敏阻塞物，例如，在聚酰亞胺層內(nèi)的熱敏阻塞物。這種阻塞物可在加熱時(shí)被破壞或更改，以允許流體通過。
例如，可使用出口來允許釋放由流體進(jìn)入流體室產(chǎn)生的移位氣體。適當(dāng)?shù)某隹诳砂ㄔ试S氣體通過但限制親水液體的疏水性膜。示例性的出口是GORETEX膜。
在此說明的微流裝置可被構(gòu)型為執(zhí)行或提供三個(gè)步驟輸入、處理和輸出。對(duì)于一給定的樣本，這些步驟通常按順序執(zhí)行，但是當(dāng)幾個(gè)樣本輸入裝置時(shí)可異步執(zhí)行。
輸入允許微流裝置的用戶從外界將樣本引入微流裝置。相應(yīng)地，輸入需要在外界和裝置之間存在接口。因此接口通常用作端口，并可以是隔膜、閥等等。以替代方式或此外，可同時(shí)在裝置內(nèi)由反應(yīng)物形成樣本。反應(yīng)物可由用戶引入，或在裝置制造過程中引入。在一優(yōu)選實(shí)施例中，反應(yīng)物在制造過程中引入并密封在裝置或插件內(nèi)。
然后處理輸入的樣本。處理可包括任何改變樣本物理或化學(xué)性質(zhì)的樣本操作或處理，樣本的物理或化學(xué)性質(zhì)包括樣本成份、濃度和/或溫度。處理可將一輸入的樣本更改為更合適分析樣本中分析物的形式、可通過反應(yīng)校驗(yàn)樣本的特征、可濃縮樣本、可增加信號(hào)強(qiáng)度、和/或可將樣本轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測(cè)的形式。例如，處理可從輸入的樣本中提取或釋放(例如，從細(xì)胞或病毒)、分離、純化、濃縮和/或加濃(例如，通過放大)一個(gè)或多個(gè)分析物。以替代方式或此外，處理可對(duì)樣本或其分析物進(jìn)行操作，用于在物理上、化學(xué)上和/或生物上改變樣本或其分析物。例如，處理可包括通過用染料標(biāo)記或通過與酶或基底反應(yīng)、測(cè)試反應(yīng)物、或其它可反應(yīng)的材料來在化學(xué)上改變樣本/分析物。同時(shí)或另外，處理可包括用生物的、物理的或者化學(xué)的條件或試劑對(duì)樣本/分析物進(jìn)行操作。示例性的條件或試劑包括激素、病毒、核酸(例如，通過轉(zhuǎn)染)、加熱、輻射、超聲波、光、電壓脈沖、電場、顆粒照射、清潔劑、pH和/或離子條件，等等。以替代方式或此外，處理可包括分析物選擇布置。選擇性定位分析物的示例性處理步驟可包括毛細(xì)電泳、色譜法、吸附到親和矩陣、特定結(jié)合到一個(gè)或多個(gè)布置好的接收器(諸如通過雜交、接收器-配位體交互作用等)，通過分類(例如，基于測(cè)量的信號(hào))等方法來實(shí)現(xiàn)。
輸出可在樣本處理之后執(zhí)行。微流裝置可被用來分析和/或準(zhǔn)備。因此，輸出步驟通常包括從微流裝置獲得任何與樣本有關(guān)的信號(hào)或材料。
與樣本有關(guān)的信號(hào)可包括一可檢測(cè)的信號(hào)，該信號(hào)可與處理的樣本直接或間接相關(guān)，并可從微流裝置中測(cè)量或利于微流裝置測(cè)量出來?？蓹z測(cè)的信號(hào)可以是模擬和/或數(shù)字值，可以是單一值或幾個(gè)值，可以是時(shí)間相關(guān)值或與時(shí)間無關(guān)的值(例如，穩(wěn)態(tài)值或終端值)，和/或平均值或分布值(例如，時(shí)間上和/或空間上)，等等。
除了其它的方法，也可采用光學(xué)方式和/或電氣方式檢測(cè)可檢測(cè)信號(hào)?？蓹z測(cè)信號(hào)可為光學(xué)信號(hào)，諸如吸收率、發(fā)光(熒光、電致發(fā)光、生物體發(fā)光、化學(xué)發(fā)光)、衍射、反射、散射、圓二色性、和/或旋光度，等等。適當(dāng)?shù)臒晒夥椒砂晒饽芰抗舱褶D(zhuǎn)移(FRET)、熒光壽命(FLT)、熒光強(qiáng)度(FLINT)、熒光偏振(FP)、總內(nèi)部反射熒光(TIRF)、熒光相關(guān)頻譜(FCS)、褪色后的熒光恢復(fù)(FRAP)、和/或熒光激活細(xì)胞分類(FACS)，等等。光學(xué)信號(hào)可作為為非位置值或一組值測(cè)量，和/或可具有空間信息，例如，用成像法測(cè)量時(shí)，諸如用充電耦合裝置測(cè)量時(shí)信號(hào)具有空間信息。在一些實(shí)施例中，可檢測(cè)的信號(hào)可以是一光電信號(hào)，例如，該光電信號(hào)由板載光電二極管產(chǎn)生。其它可檢測(cè)的信號(hào)可由表面等離子共振、核磁共振、電子自旋共振、質(zhì)譜分析等測(cè)量。以替代方式或此外，可檢測(cè)的信號(hào)可以是電信號(hào)，即測(cè)量出的電壓、電阻、電導(dǎo)系數(shù)、電容、功率等。示例性的電信號(hào)可越過細(xì)胞膜測(cè)量，如分子結(jié)合事件(諸如雙核酸形成、接收器-配合體交互作用等)，等等。
在一些實(shí)施例中，微流裝置可用來準(zhǔn)備樣本?？奢敵龅臉颖鞠嚓P(guān)材料包括處理之后排除裝置的任何化學(xué)的或生物的化合物、聚合體、聚集體、混合物、組合體和/或有機(jī)體。這種樣本相關(guān)材料可以為對(duì)輸入樣本進(jìn)行了化學(xué)更改的(合成的)、生物更改的、純化的和/或分類的衍生物等等。
微流裝置可包括流體處理(和流體存儲(chǔ))和進(jìn)行化驗(yàn)的用的具有不同結(jié)構(gòu)的部分，如II節(jié)中的示例。這些部分可被構(gòu)型為執(zhí)行不同的處理和/或操作步驟。流體處理部分可相對(duì)于化驗(yàn)部分獨(dú)立形成，并具有一流體網(wǎng)絡(luò)或流體空間，流體處理部分的流體網(wǎng)絡(luò)或流體空間比化驗(yàn)部分的流體網(wǎng)絡(luò)或流體空間更立體。流體處理部分可有任何體積適當(dāng)?shù)牧黧w容器，包括一個(gè)或多個(gè)流體容積為幾十或幾百微升到約五毫升或更大的容器。
流體處理部分可包括一個(gè)用于接收樣本的樣本輸入?yún)^(qū)域，和用于保持和輸送反應(yīng)物和/或接收廢棄物的幾個(gè)流體儲(chǔ)存器。流體處理部分可具有比流體體積大些的空間，在某些情況下，其體積大于一微升或一毫升。此外，流體處理部分可包括一個(gè)或多個(gè)流體通道形成的預(yù)處理區(qū)域，用于將感興趣的分析物從廢棄材料中分離出來，例如，從包括一個(gè)或幾個(gè)細(xì)胞的樣本中分離出分析物(諸如核酸)。流體處理部分可限定一通常為非平面的流體網(wǎng)絡(luò)或流體空間。在一非平面的或立體的流體網(wǎng)絡(luò)中，流體網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)或多個(gè)部分從任何公共平面起的排列超過兩毫米。
化驗(yàn)部分可提供一區(qū)域，在此區(qū)域可發(fā)生最后的樣本處理和/或可測(cè)量化驗(yàn)信號(hào)?；?yàn)部分可構(gòu)形用于更小體積樣本的操作和分析，通常其具有小于50微升左右的流體容器，優(yōu)選地為小于10微升左右，并且更優(yōu)選地是小于1微升左右。
化驗(yàn)部分可與流體處理部分相對(duì)獨(dú)立，也就是說，形成化驗(yàn)部分的部件與形成流體處理部分的部件不共享。相應(yīng)地，化驗(yàn)部分可單獨(dú)形成，然后連接在流體處理部分上，用以流體連接兩部分的流體室。
化驗(yàn)部分可包括一基底部分和一流體阻擋層。電子電路可至少部分地或至少大體上布置在基底和流體阻擋層之間。基底部分可與鄰近基底部分表面的流體阻擋層共同限定一流體空間。電子電路可包括電子電路(或電路)的薄膜部分或?qū)樱∧右侧徑妆砻娌贾?。鄰近或靠近表面的結(jié)構(gòu)到基底表面的距離比到基底相對(duì)表面的距離近。
基底的電性質(zhì)可決定電子電路、尤其是固態(tài)電子轉(zhuǎn)換裝置在何處相對(duì)于基底和流體阻擋層布置?；卓梢允且话雽?dǎo)體，這樣可在基底中形成電子電路的某些部分，例如，通過n摻雜和p摻雜來形成。另外，基底可以是絕緣體。在此情況下，所有電子電路可存在于基底外部。一適當(dāng)?shù)幕卓删哂写篌w上平的或平坦的兩個(gè)相對(duì)表面，例如，以利于薄膜的沉積。基底可至少基本是無機(jī)物，包括硅、砷化鎵、鍺、玻璃、陶瓷、鋁等等。
薄膜電子電路包括薄膜或薄膜層。每個(gè)電子電路的薄膜層可對(duì)于電路的操作具有直接的或間接的作用，也就是說，具有導(dǎo)電的、絕緣的、阻性的、容性的、門控的和/或保護(hù)的作用等等。保護(hù)的和/或絕緣的作用可提供電氣絕緣、用于防止流體材料腐蝕的化學(xué)隔絕，等等。薄膜層可具有小于100微米、50微米或20微米的厚度。以替代方式或此外，薄膜層可具有大于10納米、20納米或50納米的厚度。這種薄膜形成電子裝置，它們之所以被稱為電子裝置是因?yàn)樗鼈冇苫?yàn)部分的電子電路來電氣地控制。電子裝置被構(gòu)型為調(diào)節(jié)和/或感測(cè)化驗(yàn)部分的流體室內(nèi)流體的性質(zhì)。因此，電子裝置和薄膜層部分可布置在基底和流體網(wǎng)絡(luò)或化驗(yàn)部分的室之間。示例性的調(diào)節(jié)裝置包括電極、加熱器(例如電阻器)、冷卻器、泵、閥等等。相應(yīng)地，調(diào)節(jié)了的性質(zhì)可以是流體或流體室內(nèi)的分析物分布、分析物的可動(dòng)性、分析物濃度、分析物相對(duì)于有關(guān)樣本成份的豐度、流體流動(dòng)速率、流體分離或流體/分析物溫度等等。以替代方式或此外，薄膜裝置可檢測(cè)或感測(cè)流體和/或分析物的條件或位置。示例性的感知裝置可包括溫度傳感器、流速傳感器、PH傳感器、壓力傳感器、流體傳感器、光傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、分析物傳感器等等。調(diào)節(jié)裝置與感測(cè)裝置相結(jié)合可允許進(jìn)行反饋控制，例如，化驗(yàn)部分內(nèi)流體區(qū)域的閉合回路溫度控制。
包括在化驗(yàn)部分內(nèi)的電子電路是柔性的，與線性響應(yīng)的電子電路形成對(duì)比。電子電路使用半導(dǎo)體裝置(晶體管、二極管等)和固態(tài)電子轉(zhuǎn)換，這樣更少的輸入-輸出線可電氣地連接數(shù)目多得多的電子裝置。相應(yīng)地，電子電路可連接到任何適當(dāng)?shù)妮斎牒洼敵鼍€的組合，和/或包括任何適當(dāng)?shù)妮斎牒洼敵鼍€的組合，包括電源/接地線、數(shù)據(jù)輸入線、點(diǎn)火脈沖線、數(shù)據(jù)輸出線和/或時(shí)鐘線等等。電源/接地線可向調(diào)節(jié)和感測(cè)裝置供電。數(shù)據(jù)輸入線可提供指示所要接通的裝置(例如，加熱器或電極)的數(shù)據(jù)。點(diǎn)火脈沖線可從內(nèi)部或外部供應(yīng)給芯片。這些線可被構(gòu)型為激活特定數(shù)據(jù)集，用來啟動(dòng)調(diào)節(jié)和/或感測(cè)裝置。數(shù)據(jù)輸出線可從化驗(yàn)部分的電路接收數(shù)據(jù)，例如，來自于感測(cè)裝置的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)輸入和輸出的速率，可提供單數(shù)據(jù)輸入/輸出線。在速率較低的情況下，單數(shù)據(jù)輸入/輸出線就足夠了，但是在速率較高的情況下，例如，為了并行驅(qū)動(dòng)幾個(gè)薄膜裝置，就需要一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)輸入線和一單獨(dú)的數(shù)據(jù)輸入/輸出線。時(shí)鐘線可提供處理定時(shí)功能，諸如發(fā)送和接收來自于控制器的數(shù)據(jù)(見下文)。
微流裝置可被構(gòu)型為由控制設(shè)備或控制器來控制。相應(yīng)地，微流裝置被電氣地連接到控制器，例如，以導(dǎo)電方式、電容方式和/或電感方式連接?？刂破骺商峁┤魏紊衔乃f明的輸入和/或輸出線。此外，控制器可提供一用戶接口、可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、可提供一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器、和/或提供一機(jī)械接口?？刂破鞯氖纠怨δ馨ú僮骱?或提供閥、泵、近距離聲波定位器、光源、加熱器、冷卻器等，用來調(diào)節(jié)和/或感知微流裝置內(nèi)的流體、樣本和/或分析物。
微流裝置、流體處理部分、化驗(yàn)部分和控制器等的更多方面在上文II節(jié)中說明。
IV.樣本在此說明的微流系統(tǒng)被構(gòu)型為處理樣本。樣本通常包括任何感興趣的材料，由流體系統(tǒng)接收和處理該材料，可以分析感興趣的材料(或分析物)，或出于準(zhǔn)備的目的而對(duì)其調(diào)節(jié)。樣本通常具有可由系統(tǒng)測(cè)量的感興趣的一個(gè)性質(zhì)或多個(gè)性質(zhì)，或可由系統(tǒng)方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)(例如，純化、分類、衍生、培養(yǎng)等)。樣本可包括任何化合物、聚合體、聚集體、混合物、提取物、復(fù)合體、顆粒、病毒、細(xì)胞，和/或其結(jié)合物。分析物和/或感興趣的材料可形成樣本的任何部分，例如，作為樣本中的主要組分、次要組分或痕量組分。
樣本，以及包含在其中的分析物，可以是生物的。生物樣本通常包括細(xì)胞、病毒、細(xì)胞提取物、細(xì)胞生成的或細(xì)胞相關(guān)的材料、候選的或已知的細(xì)胞分子、和/或其人造變異體。細(xì)胞可包括來自于任何單細(xì)胞或多細(xì)胞有機(jī)體的真核的和/或原核細(xì)胞，并可為任何類型或類型集。細(xì)胞產(chǎn)生的或細(xì)胞相關(guān)的材料可包括核酸(DNA或RNA)、蛋白質(zhì)(例如，酶、接收器、調(diào)節(jié)因子、配合體、結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)等)、激素(例如，核激素、前列腺素、白細(xì)胞三烯、一氧化氮、環(huán)式核苷酸、肽激素等)、碳水化合物(諸如單糖、多糖或多聚糖、聚糖、糖蛋白等)、離子(諸如鈣、鈉、鉀、氯化物、鋰、鐵等)、和/或其它代謝物或細(xì)胞輸入物質(zhì)，等等。
生物樣本可以是臨床樣本、研究樣本、環(huán)境樣本、法醫(yī)樣本和/或工業(yè)樣本，等等。臨床樣本可包括為診斷和/或預(yù)后目的而獲取得任何人體或動(dòng)物樣本。示例性的臨床樣本可包括血(血清、全血或血細(xì)胞)、淋巴、尿液、糞便、胃內(nèi)容物、膽汁、精液、粘液、陰道涂片、腦脊髓液、唾液、淚液、皮膚、毛發(fā)、活組織切片檢查、流體吸出物、外科樣本、腫瘤等等。研究樣本可包括任何有關(guān)于生物和/或生物醫(yī)學(xué)研究的樣本，諸如培養(yǎng)的細(xì)胞或病毒(野生類型、制造的、和/或突變異種，等等)、其提取物、部分或全部純化的細(xì)胞材料、細(xì)胞分泌出的材料、與藥物篩選有關(guān)的材料，等等。環(huán)境樣本可包括來自于土壤、空氣、水、植物和/或人造結(jié)構(gòu)等的樣本，在生物狀態(tài)的基礎(chǔ)上對(duì)該樣本進(jìn)行分析或操作。
樣本可為非生物的。非生物樣本通常包括不定義為生物樣本的任何樣本。對(duì)非生物樣本進(jìn)行分析，以得到任何適當(dāng)?shù)臒o機(jī)或有機(jī)化合物、聚合體和/或混合物的存在/缺乏、水平、大小和/或結(jié)構(gòu)。適當(dāng)?shù)姆巧飿颖究砂ōh(huán)境樣本(諸如來自于土壤、空氣、水等的樣本)、合成產(chǎn)生的材料、工業(yè)副產(chǎn)品或廢棄材料，等等。
樣本可以是土壤、液體、和/或氣體?？稍跇颖颈灰胛⒘飨到y(tǒng)之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，或者可直接引入樣本。在系統(tǒng)外部的預(yù)處理可包括化學(xué)處理、生物學(xué)處理(培養(yǎng)、激素處理等)、和/或物理處理(例如，用熱、壓力、放射、超聲擾亂、與流體混合等方法)。固體樣本(例如，組織、土壤等)在引入微流裝置之前或之后可在流體中溶解或分散，和/或感興趣的分析物可在微流系統(tǒng)內(nèi)從固體樣本釋放而進(jìn)入流體。液體和/或氣體樣本可在系統(tǒng)外部進(jìn)行預(yù)處理，和/或可被直接引入。
V.化驗(yàn)微流系統(tǒng)可用于化驗(yàn)(分析/測(cè)試)輸入樣本的一個(gè)方面。任何適當(dāng)?shù)纳飿颖净蚍巧飿颖镜姆矫婵捎晌⒘飨到y(tǒng)來分析。適當(dāng)?shù)姆矫嫔婕皹颖舅鶖y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/缺失、水平(諸如細(xì)胞中RNA或蛋白質(zhì)的表達(dá)水平)、大小、結(jié)構(gòu)、活性(諸如酶的活性或生物活性)、細(xì)胞內(nèi)的定位、細(xì)胞顯形，等等。結(jié)構(gòu)可包括主要結(jié)構(gòu)(諸如核苷酸或蛋白質(zhì)序列、聚合體結(jié)構(gòu)、異構(gòu)體結(jié)構(gòu)或化學(xué)更改，等等)、次要或第三結(jié)構(gòu)(諸如(諸如局部折疊或高位折疊)、和/或第四結(jié)構(gòu)(諸如分子內(nèi)交互作用)。細(xì)胞顯形可涉及細(xì)胞狀態(tài)、電活動(dòng)、細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞活動(dòng)、細(xì)胞特征、報(bào)告基因活性，等等。
微流化驗(yàn)可測(cè)量一個(gè)或多個(gè)核酸的存在/缺失或水平。每個(gè)所分析的核酸可以單細(xì)胞存在，或者更典型的是以多細(xì)胞存在。多個(gè)細(xì)胞可以相同或大致相同，和/或可共用一個(gè)區(qū)域，該區(qū)域通常由二十個(gè)或更多鄰近的相同堿基構(gòu)成。在此使用時(shí)，核酸(核酸種)通常包括核酸聚合體或多核苷酸，其形成為共價(jià)連接的單體亞單位鏈。單體亞單位鏈可形成核糖核酸(RNA)和/或脫氧核糖核酸(DNA)，包括堿基腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤、尿嘧啶、胸腺嘧啶、次黃嘌呤、黃嘌呤、肌甙。以替代方式或此外，核酸可為天然的或合成的衍生物，例如，包括甲基化堿基、縮氨酸核酸、代硫酸主鏈，等等。核酸可以為單鏈、雙鏈、和/或三鏈核酸，并且可以為野生型，或重組、缺失、插入、倒置、重排、和/或其點(diǎn)突變體。
核酸分析可包括測(cè)試樣本，用于測(cè)量一個(gè)或多個(gè)核酸種(DNA和/或RNA)的存在/缺失、數(shù)量、大小、主要序列、完整性、更改和/或多股性。這種分析可提供基因型信息，和/或可以從特定基因或基因區(qū)域等測(cè)量基因表達(dá)。
基因型信息可用于識(shí)別樣本中微生物或確定微生物的數(shù)量，該微生物諸如病原種。示例性的病原微生物可包括病毒，諸如HIV、肝炎病毒、狂犬病、流感、CMV、皰疹病毒、乳頭瘤病毒、鼻病毒；細(xì)菌，諸如S.aureus，C.perfringens，V.parahaemolyticus，S.typhimurium，B.anthracis、C.肉毒桿菌、E.大腸桿菌等等；真菌，諸如那些包括在類念珠菌屬、球孢子菌屬、芽生菌、組織漿菌屬、曲菌屬、接合菌類、鐮刀菌屬和Trichosporon等等；以及原生動(dòng)物，諸如瘧原蟲(例如，P.瘧原蟲、P.falciparum和P.malariae等)、G.蘭氏鞭毛蟲屬、E.histolitica、Cryptosporidium和N.fowleri，等等，但不局限于上述所列物質(zhì)。例如，分析可確定人、動(dòng)物、植物、食物、土壤或水是否感染或攜帶一特定微生物。在某些情況下，分析還可提供關(guān)于特定菌株存在的特殊信息。
基因型分析可包括臨床或法醫(yī)檢定用的基因篩查，例如，用于確定一特定基因區(qū)域的存在/缺失、復(fù)制數(shù)目和/或序列?；蚝Y查可適用于產(chǎn)前或產(chǎn)后診斷，例如用于篩查新生兒缺陷、識(shí)別基因疾病和/或單核苷酸多態(tài)性，或用于檢定腫瘤?；蚝Y查還可用于協(xié)助醫(yī)生護(hù)理病人，例如，用于指導(dǎo)藥物選擇、患者咨詢等。法醫(yī)檢定可使用基因型分析，例如，用于鑒定人的身份、確定人是否在犯罪地點(diǎn)出現(xiàn)過、或者用于確定親子關(guān)系，等等。在一些實(shí)施例中，核酸可具有單一核酸多態(tài)性和/或用來分析單一核酸多態(tài)性。
微流系統(tǒng)可用于基因表達(dá)分析，既可定量分析(表達(dá)數(shù)目)，也可以定性分析(表達(dá)存在或缺失)?；虮磉_(dá)分析可直接在RNA上進(jìn)行，或在用樣本RNA為模板的互補(bǔ)DNA上進(jìn)行，例如，使用逆轉(zhuǎn)錄酶?；パa(bǔ)DNA可在微流裝置內(nèi)合成，諸如II節(jié)中說明的實(shí)施例，例如，樣本輸入之前在化驗(yàn)部分中，或裝置外部合成。
表達(dá)分析對(duì)醫(yī)學(xué)和研究等是有益的。例如，單個(gè)基因或基因組(成型)的表達(dá)分析可用于確定或預(yù)測(cè)人的健康、指導(dǎo)藥物選擇或其它治療等。以替代方式或此外，表達(dá)有益于研究應(yīng)用，諸如報(bào)告基因分析、篩查庫(例如，化學(xué)化合物庫、縮氨酸庫、抗體庫、抗菌素庫、細(xì)菌庫等)，等等。
化驗(yàn)可包含允許測(cè)量分析物性質(zhì)的處理步驟。這種處理步驟可包括標(biāo)記、放大、與接收器結(jié)合等等。
可進(jìn)行標(biāo)記來加強(qiáng)分析物的可探測(cè)性。適當(dāng)?shù)臉?biāo)記可以共價(jià)方式或非共價(jià)方式結(jié)合分析物，并可包括光學(xué)上可探測(cè)的染料(熒光團(tuán)、發(fā)色團(tuán)、能量轉(zhuǎn)移團(tuán)等等)、特殊結(jié)合對(duì)的成員(SBPs、諸如生物素、毛地黃毒苷、抗原決定基標(biāo)記等，見表1)，等等?？捎擅阜磻?yīng)來進(jìn)行標(biāo)記結(jié)合，酶反應(yīng)諸如以核酸為模板的復(fù)制(綁扎)、蛋白質(zhì)磷酸化、和/或甲基化等，或者可以化學(xué)方式、生物學(xué)方式或物理方式(例如，光催化或熱催化等等)來進(jìn)行標(biāo)記結(jié)合。
對(duì)于核酸分析，可執(zhí)行放大來加強(qiáng)核酸探測(cè)的敏感性。放大是任何可選擇增加目標(biāo)核酸種豐度(分子數(shù))或目標(biāo)種內(nèi)區(qū)域的方法。放大可包括熱循環(huán)(例如，聚合酶鏈反應(yīng)、連接酶鏈反應(yīng)等)，或者可以是等溫的(例如，股位移放大)。放大的更多方面在上文II節(jié)中說明。
接收器結(jié)合可包括將分析物(或以分析物存在為模板的反應(yīng)產(chǎn)物，或由于分析物的存在而產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物)與特定結(jié)合分析物的接收器相結(jié)合。接收器可連接到微流室，或在微流室內(nèi)具有一固定的位置，例如，以陣列的方式，或者可遍布在微流室中。特定結(jié)合表示與混合物內(nèi)預(yù)計(jì)的配體進(jìn)行高選擇性的結(jié)合，通常禁止與混合物中其它部分結(jié)合。特定結(jié)合以小于10-4M的結(jié)合系數(shù)為特征，并且優(yōu)選的特定結(jié)合系數(shù)小于10-5M、10-7M、或10-9M。適用于接收器-分析物交互反應(yīng)的示例性的特定結(jié)合對(duì)在下面的表1中列出。
表1.代表性的特定結(jié)合對(duì)

樣本化驗(yàn)的更多方面，尤其是樣本中核酸分析物的化驗(yàn)，在上文的I節(jié)和II節(jié)中說明。
上文提出的公開被認(rèn)為是包含了本發(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)已經(jīng)以特定形式被公開了，在此公開并闡述的其特定的實(shí)施例不認(rèn)為具有限制意義，因?yàn)閷?shí)施例可能有多種變更。因此這里公開的主題包括對(duì)各種在此公開的元件、特征、功能和/或性質(zhì)進(jìn)行所有新穎的和非顯而易見的組合及再組合。同樣，當(dāng)權(quán)利要求提到“一個(gè)”或“第一個(gè)”元件及類似描述時(shí)，應(yīng)理解此權(quán)利要求包括一個(gè)或多個(gè)這種元件的組合，既不要求也不排除兩個(gè)及兩個(gè)以上這種元件。
權(quán)利要求
1.一種分析目標(biāo)和非目標(biāo)核酸(74)的核酸混合物(60)中核酸目標(biāo)(72)的方法(40)，該方法包括將核酸混合物(60)吸引(50)到包含在形成于基底(68)上的電子設(shè)備(66)中的電極(80)；通過將目標(biāo)與鄰近電極(80)布置的接收器(78)相結(jié)合來有選擇地保持(52)目標(biāo)(72)；通過去除未保持的核酸(74)來使混合物(60)中目標(biāo)(72)的濃度增大(54)；并放大(44)來自于濃縮的混合物的目標(biāo)(72)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(40)，其特征在于，濃縮(54)包括通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)流動(dòng)(76)的方法至少部分地移動(dòng)未保持的核酸(74)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法(40)，其特征在于，在由加熱和施加電場到接收器(78)中至少一個(gè)方式確定的結(jié)合嚴(yán)格度之下進(jìn)行移動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(40)，其特征在于，吸引和保持在第一個(gè)室(164)內(nèi)進(jìn)行，放大在一不同的第二個(gè)室(166)內(nèi)進(jìn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(40)，還包括檢測(cè)放大的目標(biāo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(40)，其特征在于，接收器(78)是至少基本上與目標(biāo)(72)互補(bǔ)的核酸，所述核酸與電極(80)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(40)，其特征在于接收器(78)是第一個(gè)接收器，方法(40)還包括使第二個(gè)接收器與放大的目標(biāo)接觸，用于化驗(yàn)放大的目標(biāo)，第二個(gè)接收器被構(gòu)型為有選擇地結(jié)合目標(biāo)(72)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法(40)，其特征在于，第一個(gè)接收器和第二個(gè)接收器相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法(40)，其特征在于，第一個(gè)接收器和第二個(gè)接收器在結(jié)構(gòu)上不同，并且第一個(gè)接收器和第二個(gè)接收器在空間上是分離的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(40)，還包括在放大步驟之前移動(dòng)保持的目標(biāo)。
11.一種用于分析包括目標(biāo)的核酸混合物(60)中核酸目標(biāo)(72)的微流裝置(114)，該裝置包括至少部分地限定容器的基底部分(258)，該基底部分(258)包括基底(260)和在基底(260)上形成的電子設(shè)備(158)，該電子設(shè)備(158)至少包括第一個(gè)和第二個(gè)電極(272)，每個(gè)電極可操作用于在容器中形成電場；用于特定地結(jié)合目標(biāo)(72)的第一個(gè)和第二個(gè)接收器(78)，第一個(gè)和第二個(gè)接收器(78)不同，并且分別連接到第一個(gè)和第二個(gè)電極(272)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置(114)，其特征在于，容器為多個(gè)容器，第一個(gè)和第二個(gè)電極(272)布置在不同的容器中。
13.一種用于分析目標(biāo)和非目標(biāo)核酸(74)的混合物(60)中核酸目標(biāo)(72)的微流裝置(114)，該裝置包括至少部分地限定流體連接的第一個(gè)和第二個(gè)容器的基底部分(258)，基底部分(258)包括基底(260)和在基底上形成的電子設(shè)備(158)，該電子設(shè)備包括可操作用于在第一個(gè)容器內(nèi)形成電場的第一個(gè)電極(272)，和可操作用于在第二個(gè)容器內(nèi)形成電場的第二個(gè)電極(272)；以及用于特定地結(jié)合目標(biāo)(72)的第一個(gè)和第二個(gè)接收器(78)，第一個(gè)和第二個(gè)接收器(78)分別連接到第一個(gè)和第二個(gè)電極(272)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置(62)，其特征在于，電子設(shè)備(158)包括可操作用于將目標(biāo)(72)反向結(jié)合到第一個(gè)接收器(78)的加熱裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求11到14之中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，還包括連接到基底部分(258)的流體處理部分(142)，并且該流體處理部分(142)被構(gòu)型為至少部分地由機(jī)械驅(qū)動(dòng)流動(dòng)的方式使流體穿過容器移動(dòng)。
16.一種用于分析目標(biāo)和非目標(biāo)核酸(74)的混合物(60)中核酸目標(biāo)(72)的微流裝置(62)，包括吸引核酸混合物(60)的裝置，該吸引裝置包括電極(80)，該電極包括在形成于基底(68)上的電子設(shè)備(66)中；有選擇地保持吸引裝置附近的目標(biāo)(72)的裝置；去除未保持的核酸(74)以增加混合物(60)中目標(biāo)(72)濃度的裝置；用熱的方法循環(huán)濃縮的混合物來放大濃縮的混合物中的目標(biāo)的裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置(62)，還包括用于化驗(yàn)放大的目標(biāo)的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述去除裝置包括以機(jī)械方式移動(dòng)流體的裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，用于熱循環(huán)的裝置包括在電子設(shè)備(66)中。
20.一種用于分析核酸混合物(60)中核酸目標(biāo)(72)的微流裝置(62)，該裝置包括從混合物(60)中預(yù)選(42)目標(biāo)(72)的裝置；放大(44)預(yù)選目標(biāo)的裝置；和在放大之后化驗(yàn)(46)預(yù)選目標(biāo)的裝置。
全文摘要
一種系統(tǒng)，包括方法和裝置，用于對(duì)核酸混合物(60)中的核酸目標(biāo)(72)進(jìn)行微流分析。系統(tǒng)包括在放大之前從混合物中預(yù)選(42)目標(biāo)的方法(40)。通過在目標(biāo)選擇接收器(78)上保持目標(biāo)并隨后去除未保持的非目標(biāo)核酸(74)，預(yù)選使混合物(60)中目標(biāo)(72)的濃度增加。然后預(yù)選目標(biāo)可從濃縮的混合物中被放大(44)并被化驗(yàn)(46)。同時(shí)公開了構(gòu)型為實(shí)現(xiàn)此方法(40)的裝置(62，114)。
文檔編號(hào)C12M1/00GK1499195SQ20031011384
公開日2004年5月26日 申請(qǐng)日期2003年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月31日
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