專利名稱:微流體結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及微流體結(jié)構(gòu),特別是涉及限定一種液體流動系統(tǒng)的微結(jié)構(gòu),其中利用毛細(xì)管作用作為液體穿過所述結(jié)構(gòu)進行輸送的主要推動力。
本發(fā)明的微流體結(jié)構(gòu)可用于各種不同應(yīng)用領(lǐng)域如微型化生物測定、此種測定的準(zhǔn)備步驟、分離、電泳、毛細(xì)管色譜術(shù)、微反應(yīng)腔程序、微型化液體聯(lián)通裝置、生物傳感器流通槽等。
背景技術(shù):
液體沿微米尺度通道或結(jié)構(gòu)的輸送在許多不同技術(shù)領(lǐng)域具有重要含義。
流體經(jīng)微小通道的受控輸送一直是個棘手的課題,其中微結(jié)構(gòu)本身就構(gòu)成在較大尺度領(lǐng)域未曾遇到的困難。大多數(shù)微通道結(jié)構(gòu)中所利用的推動力依賴于電-內(nèi)滲、重力、外壓或毛細(xì)管遷移。
表面材料常常具有未結(jié)合電子、極性部分或其它產(chǎn)生表面電荷或反應(yīng)性的特征。表面特征對微尺度系統(tǒng)的影響常常比對較大結(jié)構(gòu)的影響更明顯。這在流體流動依靠液體與液體流過的表面材料之間吸引力推動的微系統(tǒng)中尤其如此。
在封閉的毛細(xì)管中,推動力通常由下列方程代表h=2σg1cos(θc)/gρ(I)其中h=流體在毛細(xì)管內(nèi)的高度;θc=流體與毛細(xì)管材料的接觸角。
如果毛細(xì)管材料相對于流體的接觸角小于90°,就認(rèn)為材料是親水的。如果毛細(xì)管材料相對于流體的接觸角大于90°,就認(rèn)為材料是疏水的。σg1代表流體相對于空氣的表面張力[毫焦耳/米2,(mJ/m2)],g是重力常數(shù)(m/s2),r是毛細(xì)管半徑(m),而ρ是流體密度(kg/m3)。
曾開發(fā)出內(nèi)部做成大量溝槽或通道的平面微結(jié)構(gòu),典型的此種平面結(jié)構(gòu)是通過首先在半導(dǎo)體基材如硅片上蝕刻出溝槽,隨后在被蝕刻的表面上蓋上蓋板從而完成了這些通道。然而,此種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)起來頗為費時、費錢。
再者,當(dāng)此種結(jié)構(gòu)需要,例如,通過加入化學(xué)試劑、使表面功能化等定制時,這些步驟常常需要由微結(jié)構(gòu)生產(chǎn)商以外的一些人來做。實際上,微結(jié)構(gòu)在一處制造,然后運到另一處,例如,去加試劑,做完以后又常常需要將它們返回到原制造廠以便加蓋和密封。因此,本發(fā)明一個目的是提供一種微結(jié)構(gòu),它提供較大靈活性和簡便性,特別是在后加工定制方面。
目前采用的系統(tǒng)利用外部設(shè)備,例如,重力、離心力(使表面上具有微通道的圓盤元件旋轉(zhuǎn))或者加壓以迫使通道內(nèi)的液體移動。另外,電場也可用來迫使微系統(tǒng)內(nèi)的溶解、帶電物質(zhì)運動。為此,采用外部輔助設(shè)備,例如,產(chǎn)生圓盤旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)、產(chǎn)生壓力的泵、施加電場的電極和電源等。此種設(shè)備既昂貴,有時還比較復(fù)雜。另外,在某些情況下,上面提到的方法中涉及的各種力可能對敏感物質(zhì)產(chǎn)生不利影響。因而,本發(fā)明另一個目的是提供一種具有體內(nèi)固有功能性的微結(jié)構(gòu),從而消除和減少對迫使液體運動用的外部設(shè)備的需要。
現(xiàn)有技術(shù)EP 1 120 164描述大量毛細(xì)管通道微結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,所述通道具有至少一個彎曲部分,該通道包括底部、由自中心點出發(fā)的第一半徑限定的內(nèi)壁和由大于第一半徑的第二半徑限定的外壁,該內(nèi)壁和外壁固定在底部并限定毛細(xì)管通道的側(cè)邊界,以及至少從內(nèi)壁延伸到外壁從而覆蓋毛細(xì)管通道的蓋子。現(xiàn)已查明,該微結(jié)構(gòu)本身并不構(gòu)成毛細(xì)管通道,而是僅僅影響流體沿所述毛細(xì)管通道中彎曲部分流動過程中的流動,因為該流動在彎曲部分的內(nèi)壁附近比在外壁附近慢一些。
上面EP 1 120 164援引的美國專利5,885,527描述一種化驗裝置,包括形成反應(yīng)壁壘的微結(jié)構(gòu)。此種反應(yīng)壁壘由波紋狀或其它式樣的表面構(gòu)成,表面上具有許多溝槽,它們連同蓋板或頂部件一起在所述裝置中不同腔之間構(gòu)成狹窄通道。從正文和附圖中清楚地看出,毛細(xì)管通道的確僅當(dāng)頂部件放在底部件上方一毛細(xì)管距離時才會形成。再有,頂部件和底部件的結(jié)合、各種空腔的密封和毛細(xì)管的形成可采用各種各樣的技術(shù)完成,包括但不限于膠合、超聲波焊接、鉚接等。
美國專利5,837,115描述一種對單個微結(jié)構(gòu),例如,流體介質(zhì)中的細(xì)胞、病毒、大分子或微小顆粒進行分級并同時觀察的分類設(shè)備和方法。該發(fā)明的目的是以具有該受阻環(huán)境的均一分布、尺寸和形狀的格柵結(jié)構(gòu)替代瓊脂糖凝膠和其它傳統(tǒng)上使用的分級介質(zhì)。此種受阻環(huán)境可由柱子、艙室、v-形或杯狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成,它們形成對所研究的細(xì)胞、病毒等的篩選設(shè)備。該結(jié)構(gòu)上覆蓋著坐落在格柵上的頂板設(shè)備,從而導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)唯一地以基本上單層形式遷移穿過篩選設(shè)備。美國專利5,837,115的發(fā)明看來并未考慮毛細(xì)管力,而是建議設(shè)置電極在格柵結(jié)構(gòu)的上方產(chǎn)生電場。
充填多孔材料的通道的應(yīng)用是眾所周知的,正如美國專利5,540,888舉例說明的,所述多孔材料具有被狹縫、不透液分隔部分等分隔成的子通道,并包含試劑區(qū)和加樣品區(qū)。濾紙常常是選中的材料,而關(guān)于在此種材料上施加試劑,則存在著各種各樣的技術(shù)。
目前,仍然需要提供一種與載體制成一體的微流體結(jié)構(gòu),它適合大量生產(chǎn),并使包含所述結(jié)構(gòu)的微流體器件的構(gòu)型易于在下游生產(chǎn)工藝中操作,特別是在器件的專門定制過程中。
鑒于不得不使用比較復(fù)雜的外部設(shè)備來影響液體的流動,并從而額外地帶來損傷樣品的缺點,若能使敏感物質(zhì)的輸送“自動化”,不采用復(fù)雜外部設(shè)備,也不使該物質(zhì)冒變質(zhì),例如,變性或其它損傷的危險那將是有利的。
因而,本發(fā)明一個目的是提供一種微流體結(jié)構(gòu),即,一種限定液體流動系統(tǒng)的幾何微結(jié)構(gòu),適合用于液體的毛細(xì)管運輸,并且制造成本低廉,任選地允許制成一次性產(chǎn)品,任選地具有分支的流動通道,任選地表現(xiàn)出局部表面特征和提供材料選擇上的大自由度,例如,有關(guān)表面、光學(xué)和電氣性質(zhì)等方面。
本發(fā)明背后的其它目的以及與本發(fā)明解決方案和實施方案相聯(lián)系的優(yōu)點,在研讀了下面的說明和實施例并參考所附權(quán)利要求和附圖之后自然變得明晰。
發(fā)明概述本發(fā)明上述目的是利用毛細(xì)管作用的現(xiàn)象推動液體穿過設(shè)置在固體基材上的開放微結(jié)構(gòu)流動實現(xiàn)的。廣義地說,本發(fā)明微流體結(jié)構(gòu)包含限定了所需液體流動系統(tǒng)的幾何微結(jié)構(gòu)的各種各樣形式。
本發(fā)明的最廣義方面是提供一種由大量微結(jié)構(gòu)組成的流道,這些微結(jié)構(gòu)能誘導(dǎo)和/或促進流體通過所述流道的流動,以及利用此種流道的方法。
具體地說,本發(fā)明提供一種微流體系統(tǒng),它包含基材,以及在所述基材上提供的,至少一個流道和功能設(shè)備,其中液體樣品可接受所要求程序的處理,其中所述至少一個流道被鋪設(shè)成用來將液體樣品輸送到輸送過和流出所述功能設(shè)備的式樣;其中流道由大量從所述基材朝上凸起的微柱構(gòu)成;其中微柱之間的間距能在施加到所述流道任何部位的液體樣品中誘導(dǎo)一種毛細(xì)管作用,從而迫使所述液體從施加所述液體之處移動。
附圖簡述在下文和非限定性實施例中將結(jié)合所附權(quán)利要求和附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明,附圖包括
圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)一部分的SEM(掃描電子顯微鏡)顯微照片。
圖2~6顯示本發(fā)明不同實施方案的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的橫斷面;圖7顯示一種流道實施方案的立體圖,其中毛細(xì)管結(jié)構(gòu)由圓形斷面微柱構(gòu)成;壁和蓋板對本發(fā)明毛細(xì)管作用都不具有顯著貢獻(xiàn);圖8表示本發(fā)明一種流道實施方案,它包含許多區(qū),在相鄰區(qū)中的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)或微柱具有不同橫斷面和不同的尺寸。
圖9示意地表示出,在沿垂直于器件的平面的橫斷面中,高度吸水性材料在維持和加強在本發(fā)明流道中流動方面的應(yīng)用。
圖10示意地表示本發(fā)明流道如何被阻止毛細(xì)管流動的“壁壘”分隔成一個個區(qū),以及恢復(fù)或重新開始該流動的設(shè)備;圖11示意地表示一種器件的橫斷面,它具有在表面上形成流道的微結(jié)構(gòu),和對毛細(xì)管流動沒有明顯貢獻(xiàn)的分開的蓋子。
圖12示意地表示本發(fā)明器件的局部部件分解圖,以及正如圖11所示,液滴,例如,樣品,正在借助吸移管穿過所述分開的蓋子上的孔被加入。
圖13示意地表示一種實施方案,其中不同尺寸和/或功能的微柱構(gòu)成一種不連續(xù)梯度。
發(fā)明優(yōu)選實施方案描述在描述本發(fā)明之前要指出,這里所采用的術(shù)語僅用于描述具體實施方案,不擬具有限制性,因為本發(fā)明的范圍將僅由所附權(quán)利要求及其等價物限定。
將用到以下術(shù)語詞頭“微”如在微流體、微結(jié)構(gòu)等詞中,被用來限定一種器件或過程,它包含或涉及至少一種具有通常以微米(μm,1×10-6m)表示的長、寬或高的特征。
詞頭“納米(nano)”在這里按照其普遍接受的含義使用,正如在納米(nanometer)(nm,1×10-9m)中那樣。
術(shù)語“被動”,當(dāng)用于,例如,“被動控制”或“被動流體動力學(xué)”時指的是,就本發(fā)明目的而言,一種控制,它不受在要實施的過程期間所采取的行動的影響,而是,該控制(效果)取決于固定的系統(tǒng)參數(shù),這些參數(shù)依賴于設(shè)計。該被動控制是利用微米尺度上存在的天然毛細(xì)管力產(chǎn)生的。
術(shù)語“開放”在本文中指的是,由微結(jié)構(gòu)限定的流道可從上面接近,并且不具有參與導(dǎo)致毛細(xì)管流動的蓋板或蓋子。然而,上面的定義并不排除可設(shè)置離開微結(jié)構(gòu)有一段距離的二級蓋板或蓋子。
術(shù)語“親水基團”是指具有極性和/或帶電基團,例如,羥基、羧基、氨基、磺酸根、硫醇、醛等的基材和物質(zhì)。
術(shù)語“疏水結(jié)構(gòu)”是指具有非極性結(jié)構(gòu)的基材和物質(zhì)。
術(shù)語“化學(xué)反應(yīng)性基團”是指所有能使分子共價結(jié)合到固體表面的過程中使用的并且為本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的有機和無機基團,如羥基、羧基、氨基、磺酸根、硫醇、醛等。
術(shù)語“生物親合力”是指對某物質(zhì)或限定的一組相關(guān)物質(zhì)具有特異結(jié)合力的物質(zhì)。范例物質(zhì)是抗體、抗原、半抗原、生物素、抗生物素蛋白、外源凝集素、糖、核酸、荷爾蒙及其受體。
廣義地說,本發(fā)明提供一種多元件毛細(xì)管結(jié)構(gòu),適合于,利用在所述結(jié)構(gòu)上或中提供的微結(jié)構(gòu)促進和/或?qū)崿F(xiàn)液體沿開放系統(tǒng)中所述結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管流動。利用了流體與接觸該流體的表面之間的表面效應(yīng)。這些表面效應(yīng)在微米尺度上就開始起作用。
具體地說,提供一種器件,其結(jié)構(gòu)包含至少一個液體流道,它任選地連接在所述結(jié)構(gòu)內(nèi)的不同處理區(qū)室用于實施多種不同的單元操作。此種處理區(qū)室、元件和/或器件的例子是化學(xué)反應(yīng)區(qū)室、孵化區(qū)室、洗滌區(qū)室或元件,流動控制元件、測定元件、時間門、分離設(shè)備、加熱設(shè)備、以電磁射線輻照的設(shè)備、捕集所述功能設(shè)備內(nèi)所述液體的磁成分的磁設(shè)備,對選擇的區(qū)的液體施加電壓的電極、用于檢測物理或化學(xué)性質(zhì),例如溫度、pH值、粘度、吸收度等的探測器,或者任何其它對在或流經(jīng)所述區(qū)室、元件和/或器件的液體樣品或反應(yīng)混合物進行化學(xué)、生物或物理處理用的器件或設(shè)備。
為了澄清本發(fā)明概念背后的原理,特做下面的說明考慮一種表面力效應(yīng)的簡單例子,正如當(dāng)水在沒有任何外力作用下被吸入到玻璃毛細(xì)管中所展示的。這是由水與玻璃表面之間的表面張力引起的,是后者將水拉入到毛細(xì)管中的。毛細(xì)管越細(xì),使水流入到毛細(xì)管中的作用力越大。這常常被稱作毛細(xì)管力。
表征毛細(xì)管力大小的一種物理參數(shù)是水與周圍材料之間的接觸角。接觸角小于90°,該材料,例如玻璃,將被認(rèn)為親水,于是水被上吸到毛細(xì)管空間中。當(dāng)材料的接觸角大于90°時,就認(rèn)為它是疏水的。在疏水的情況下,需要加壓來迫使水進入到該空間中。毛細(xì)管越細(xì),需要的力就越大。然而,在這兩種情況下,一旦水進入毛細(xì)管,水的流動速率就將更多地取決于壓力梯度和摩擦,而較少取決于材料究竟是疏水抑或親水。
為實現(xiàn)形成本發(fā)明流道的微結(jié)構(gòu)的所要求功能,液體與固體材料表面之間的接觸面積應(yīng)最大化,以便使毛細(xì)管力增加從而能自發(fā)誘導(dǎo)流體在本發(fā)明流道內(nèi)或沿著它流動并維持一段要求的時間。
這一過程代表所謂“被動流體動力學(xué)”。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn),有利的是利用此種被動流體動力學(xué)來控制和推動流體在某一表面上的開放微通道或結(jié)構(gòu)中的流動。例如,本發(fā)明的運輸機理的被動性質(zhì)使其與方向無關(guān),相比之下,在旋轉(zhuǎn)圓盤上的系統(tǒng)則主要能沿徑向運輸??客饧与妶龅倪\輸最多也不過是雙向的。毛細(xì)管流動則可以沿任意方向誘導(dǎo)產(chǎn)生,只要形成流道的微結(jié)構(gòu)的式樣設(shè)計得當(dāng)。熟悉微結(jié)構(gòu)以及在此種結(jié)構(gòu)上的流體流道的設(shè)計的技術(shù)人員能應(yīng)用本發(fā)明公開的技術(shù),而無需不必要的實驗。
圖1顯示體現(xiàn)本發(fā)明概念的一例微流體結(jié)構(gòu)的SEM顯微照片。從照片可清楚地看出,這些微柱具有形狀相同和規(guī)則的形式并且按均勻的間隔排列在載體結(jié)構(gòu)上。而且,微柱間的表面平坦。本領(lǐng)域技術(shù)人員不難看出,SEM顯微照片中所示微柱具有高的長徑比。在該實施例中,微柱為約100μm高,具有20μm的直徑,并且中心到中心的距離是30μm。這正好說明長徑比是1∶5。一般認(rèn)為,大于1∶2的長徑比就是高長徑比了。
圖2~6顯示形成本發(fā)明流體流道的微結(jié)構(gòu)多種不同的橫斷面。微結(jié)構(gòu)或微柱可具有的斷面是圓形、橢圓、菱形、三角形、正方形、矩形、七角形、六角形等之一或者其組合。該斷面也可以是上述形式的任何一部分,例如,半圓、新月形、U-形、X-形等,只要各個微結(jié)構(gòu)的尺寸和中心到中心距離能使得毛細(xì)管流動能在不需要任何蓋板或蓋子限制流道的條件下誘導(dǎo)產(chǎn)生。
圖7示意地表示由表面2上的大量圓微柱1構(gòu)成的流道。微柱當(dāng)然能具有任意斷面、高度和中心到中心距離,只要所選參數(shù)能誘導(dǎo)毛細(xì)管流動。毛細(xì)管流動的方向由黑箭頭指出。在圖7中,載體2被示意地表示為具有與微柱的高度可比的厚度。雖然并不排除此種情況,但是最常遇到的載體將厚得多。因此,圖7不過是一幅示意圖而已。
本發(fā)明器件可含有載體和至少一個由如圖7所示微結(jié)構(gòu)組成的流道。然而,在大多數(shù)實際應(yīng)用中,要求有大量形成通道系統(tǒng)的流道。各個通道連接不同的功能區(qū)、設(shè)備或器件,例如,反應(yīng)區(qū)室、分離介質(zhì)等。
當(dāng)柱的性質(zhì)及其諸如其材料、其形狀和/或距離等性質(zhì),以及任選地還有基材的性質(zhì),在考慮待運輸液體一起做了恰當(dāng)選擇時,就能造成一種通過所述結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管流動,其方向沿箭頭所指,如果液體樣品放在箭頭所指的那一端,沒有任何明顯從該結(jié)構(gòu)和流到周圍基材表面上的泄漏的話。
因此,體現(xiàn)本發(fā)明概念的基本結(jié)構(gòu)是一種基材,它具有至少一個設(shè)在其表面中或上的流道。該流道或通道由從所述載體表面凸出的柱狀微結(jié)構(gòu)或微柱形成。流道及其中的微柱的特征是,所述柱的尺寸和所述柱之間的距離應(yīng)選擇得能在其中維持液體的毛細(xì)管流動。具體地說,所述柱之間的距離介于0.1~1000μm,優(yōu)選1~100μm。柱優(yōu)選地高于1μm,更優(yōu)選高于10μm。最優(yōu)選地,所述微柱具有高的長徑比,就是說,寬/高比大于1∶2。
應(yīng)該理解,微柱既可位于該表面的二級結(jié)構(gòu),例如,溝槽或凹陷區(qū)域內(nèi),也可直接在該表面上,從表面凸起。當(dāng)微柱位于二級結(jié)構(gòu),例如,基材中的溝槽內(nèi)時,流道有位于基材總表面以下的底部,和或多或少垂直的側(cè)壁,其與該底部一起形成通道。然而,誘導(dǎo)和/或維持流動的毛細(xì)管作用則主要由液體與微柱之間的相互作用引起。
但是,按照優(yōu)選的實施方案,微柱或柱排列成一個個由直立柱組成的區(qū),優(yōu)選狹長的區(qū),而沒有任何劃界的側(cè)壁。任何針對普通通道已經(jīng)或?qū)⒁谶@里討論的所有功能和特征都將同樣地適用于此種類型結(jié)構(gòu),因而它們完全屬于本發(fā)明概念的范圍之內(nèi),正如權(quán)利要求中限定的。
按照本發(fā)明另一種實施方案,流道被細(xì)分為幾個區(qū),這些區(qū)中的柱可具有不同的柱高、直徑、幾何形狀和/或不同柱密度,即,每單位面積的微柱數(shù)目。圖8示意地表示該實施方案。大量微柱1設(shè)置在緊靠具有不同尺寸、形狀或功能的相鄰微柱組的部位。在圖8中,這些組被標(biāo)為3、4和5,所示在尺寸、形狀和間距上的差異僅僅為了便于表示。這樣的組可構(gòu)成具有要求功能的陣列。優(yōu)選的是,所述諸組形成一種梯度,它可以是連續(xù)或者是不連續(xù)的,優(yōu)選連續(xù)的。
在圖8所示實施方案中,提供了第一較密區(qū)3,其中微結(jié)構(gòu)具有較小直徑和較小距離。此種區(qū)可作為篩網(wǎng)或“柵欄”以防止較大顆粒如細(xì)胞通過。接著,就是區(qū)4,它的柱具有較大間距。這可用來暫時縮短液-固面在所需區(qū)內(nèi)相互作用的時間,例如,若要求該樣品暴露于某一表面結(jié)合的部分某一限定的時間,以便讓特定反應(yīng)進行到合理的完成程度等。這以后,在這一低速區(qū)域之后,設(shè)有區(qū)5,其中的較大微柱(在所示實施例中的方塊)在其間具有相當(dāng)窄的通道。這一區(qū)域以后,設(shè)有類似的第二個區(qū)4。根據(jù)本說明和實施例中給出的信息,本領(lǐng)域技術(shù)人員可設(shè)計出各種不同符合要求目的的組合。
按照本發(fā)明另一實施方案,一個或多個毛細(xì)管流道具有由能毛細(xì)管運輸?shù)母呶圆牧蠘?gòu)成的一體化表面或區(qū)。這示意地圖示于圖9中,其中表示出本發(fā)明概念的一種簡單應(yīng)用。
在此種情況中,有一種密閉通道結(jié)構(gòu),它包含填滿通道的大量微柱1。該結(jié)構(gòu)具有底部基材2和蓋子6,基材也構(gòu)成側(cè)壁(未示出),并具有輸入孔7、任選的另一個孔8,以及流出孔(未示出)。如果液滴9被加在孔7中,將立即開始毛細(xì)管流動,并且將持續(xù)從液滴抽吸液體直至該液流到達(dá)出口,此處將不再有毛細(xì)管作用發(fā)生。然而,如果一尺寸足夠的高吸水性材料如濾紙墊10之類被加在出口孔、其內(nèi)或與之接觸,則該材料將憑借其吸液能力起到“流動水槽”的作用,即,它將吸收從通道出來的液體,從而得以形成通過通道的基本連續(xù)的流動。
具有流動水槽的另一個實施方案是這樣一種密閉通道,其末端是微柱的開放區(qū)域或區(qū),所述區(qū)域具有與通道相比較大的面積。該大區(qū)域?qū)⑵鸬脚c上面討論的高吸水性材料一樣意義的流動水槽作用。如果,例如,提供一種加熱設(shè)備來加熱該區(qū)域,則可誘導(dǎo)液體的蒸發(fā),從而造成一個原理上能無限地維持的流動水槽。液體的蒸發(fā)也能造成流中存在的組分在器件或采用此種器件的過程中的要求部位和要求時間被捕集。
圖10示意地表示本發(fā)明流道構(gòu)造的另一種實施方案和應(yīng)用,該流道包含大量前后銜接的微流體結(jié)構(gòu),其間被不具有此種結(jié)構(gòu)的區(qū),即,小空間或中斷11和12所打斷,所述中斷起毛細(xì)管壁壘作用,防止液體在沒有輔助的情況下垮區(qū)輸送。液流的方向由大水平箭頭表示。
該中斷可以搭橋變通途或者可造成一種輔助下的輸送,例如,通過施加壓力脈沖,借此打破空缺造成的毛細(xì)管壁壘。造成脈沖的設(shè)備可通過提供非常小的通道13和14來實現(xiàn),該小通道通往空間,然后,例如,在所述通道中暫時施加副壓(sub-pressure)(由垂直箭頭指出)。在通道的另一端,可提供某種微小副壓,借此,液體將被迫從中斷的每一側(cè)的區(qū)域進入該中斷空間,而當(dāng)間隙被填滿時,毛細(xì)管流動將重新恢復(fù)。這要求一種密閉系統(tǒng)。在一種開放系統(tǒng)(或密閉系統(tǒng))中,可利用該小通道引入液體以填滿間隙,從而恢復(fù)流的連接,進而恢復(fù)毛細(xì)管流動。
圖11顯示本發(fā)明器件的局部示意圖,其中微柱1設(shè)置在基材2上,所述基材具有較大凸起16用于承載蓋板或蓋子15,所述凸起限定了基材表面與蓋子之間的距離,該距離遠(yuǎn)大于微柱的高度,致使在基材與蓋子之間無法產(chǎn)生毛細(xì)管相互作用。同樣道理也適用于其替代方案,其中微柱位于表面的溝槽或凹陷內(nèi)。蓋板或蓋子15另外還可具有孔17,所述孔優(yōu)選是標(biāo)注點,用于加入樣品或試劑,讀取結(jié)果或者用于跟蹤基材上發(fā)生的反應(yīng)的進程。
按照優(yōu)選的實施方案,蓋板或蓋子只有在基材表面已經(jīng)功能化或?qū)iT處理以后,即,加入必要試劑和/或功能性(functionality)以后,才加到凸起16上。
圖12示意地表示圖11的實施方案的局部部件分解,其中表示出吸移管嘴18,正在通過孔17沉積液滴到本發(fā)明的流道中。
圖13表示一種實施方案,其中數(shù)組微結(jié)構(gòu)在連續(xù)流道內(nèi)構(gòu)成在至少一項性質(zhì)上的梯度,這些性質(zhì)例如是形狀、尺寸、中心到中心距離或功能/化學(xué)性質(zhì)。在圖中,流道包含在由組A、B、C和D代表的微結(jié)構(gòu)的尺寸和中心到中心距離方面的不連續(xù)梯度。像這樣一種梯度可起到以要求的方式延緩生物或化學(xué)實體,例如,顆粒、細(xì)胞、細(xì)胞類脂質(zhì)、大分子之類的通過的作用,或者分離此種實體。在區(qū)A中被截留的實體用形狀“a”表示,在區(qū)B中截留的用“b”表示,依此類推。形狀“e”表示不受阻礙地通過該梯度的實體。
在另一種實施方案中,流道可包含含有多種不同功能元件或器件的一體化表面或區(qū),用于對位于流道內(nèi)或與之聯(lián)通的介質(zhì)實施多種不同操作。此種功能元件或器件的例子是電極和/或其它對液體和試劑進行電操縱的設(shè)備。電操縱可,例如包括物質(zhì)的氧化/還原。其它代表性功能器件的例子是光學(xué)元件和其它操縱光的設(shè)備,例如,用于根據(jù)吸光度測定濃度,包括光照射誘導(dǎo)的構(gòu)型改變等。
磁鐵或探測磁性物質(zhì)用的設(shè)備也可安排在流道內(nèi)或周圍。借此,磁性顆粒將可被捕捉或滯留在結(jié)構(gòu)中的要求部位,以及借此可利用顆粒的磁性質(zhì)作為成功運輸至系統(tǒng)中某一點的標(biāo)記或指示。再者,磁性顆??赏恳跃哂猩镉H合力的物質(zhì)并被用于不同種類的檢驗。
另外,可在本發(fā)明流道中選擇的部位設(shè)置操縱溫度的設(shè)備。借此,可完成許多感興趣的功能,例如,化學(xué)反應(yīng)、孵化、熱固化、PCR反應(yīng)、蒸發(fā)、干燥等。
在本發(fā)明的流道結(jié)構(gòu)中,可在流道,至少在含有微結(jié)構(gòu)如微柱或柱的區(qū)之一內(nèi)或與之聯(lián)通地提供顆粒,其中在有或沒有這些結(jié)構(gòu)的區(qū)之間還存在著進一步細(xì)分。于是,可借助物理力使顆粒結(jié)合在所述基材上,或者靠化學(xué)鍵,例如,共價鍵結(jié)合到所述基材上。替代地,所述顆??衫脵C械方式被捕集在含有所述結(jié)構(gòu)的區(qū)中。
按照優(yōu)選的實施方案,基材具有固定在表面的活性物質(zhì)。此種活性物質(zhì)可應(yīng)用于化學(xué)或生物源物質(zhì)的探測?;钚晕镔|(zhì)可應(yīng)用于生物以及非生物源物質(zhì)的固定,即,它們被作為可與待固定的物質(zhì)起反應(yīng)從而結(jié)合到基材上的部位。
在基材上提供的活性物質(zhì)的另一種應(yīng)用涉及生物以及非生物源物質(zhì)的分離,其中該物質(zhì)可選擇性地與希望與混合物中另一種物質(zhì)分離的物質(zhì)起反應(yīng)。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)中的通道表面可通過化學(xué)或物理方式進行改性。借此,此種改性表面便可應(yīng)用于生物和化學(xué)源物質(zhì)的檢測。此種改性表面可應(yīng)用于生物和非生物源物質(zhì)的固定。它還可應(yīng)用于生物和非生物源物質(zhì)的分離。
本發(fā)明流道或通道結(jié)構(gòu)的另一種應(yīng)用是,將流道用作多點檢測的設(shè)備,借此,所述流道任選地具有設(shè)置在其中的顆粒,所述顆粒具有化學(xué)反應(yīng)性基團或物質(zhì),這些基團或物質(zhì)具有結(jié)合在該微點區(qū)域之中的生物-親合力。
本發(fā)明流道結(jié)構(gòu)的另一合適的應(yīng)用領(lǐng)域是,生物樣品,例如,血液、血清、原生質(zhì)、尿、腦漿液、淚液、羊水、精液或唾液中的分析物的定量測定,這些測定優(yōu)選地基于特異生物相互作用。
一種具體領(lǐng)域是,采用免疫學(xué)方法測定所述分析物。
分析物也可采取利用多-或低核苷酸,優(yōu)選單鏈核酸或aptameres的特定相互作用來檢測。
本發(fā)明流道結(jié)構(gòu)也可用于細(xì)胞的分離,以及合成或生物信息庫的篩選。
如上所述,就本發(fā)明目的而言的概念“通道”,已超出普通通道概念,因為它提供了一種完全開放的結(jié)構(gòu),除了承載微柱或柱結(jié)構(gòu)的底部基材之外沒有物理邊界。
然而,在通道或流道包含溝槽(即,具有底和側(cè)壁)時,則有兩種選擇i)讓通道朝上敞開,以及ii)放上頂蓋以造成一種密閉系統(tǒng)。
這樣兩種不同的實施方案對不同領(lǐng)域具有特定優(yōu)點。在希望操縱待輸送液體和/或被所述液體輸送的物質(zhì)的情況下,有時可能更方便的是,具有從上面不受限制地接近的可能,例如,為了在結(jié)構(gòu)中要求的部位加入試劑的目的,為了直接加熱,或者在或多或少的任意點完成其它操縱。
某些系統(tǒng)可能對氧非常敏感,于是可能絕對必要將樣品液體與外界大氣隔絕。如果微流體結(jié)構(gòu)帶蓋,則可在所述蓋子上設(shè)置進出孔,以便能引入,例如,試劑、氣體、液體或樣品到所述結(jié)構(gòu)中。此種進出孔也可用于連接外部設(shè)備,例如,通過適當(dāng)軟管之類。
但是,這兩種實施方案均在本發(fā)明概念范圍內(nèi)。
此種微結(jié)構(gòu)的制造按其最簡單的形式可這樣完成采用掩模直接固化沉積在基材上的光敏均聚物或預(yù)聚物,其中光透過掩模照射從而引發(fā)固化反應(yīng),隨后,清洗未固化的區(qū)域(厚膜光刻膠法)。
另一種直接的方法是通過復(fù)制原片到聚合物上。原片可通過DRIE-法(Deep Reactive Ion Etch(深反應(yīng)離子蝕刻))被制作在硅上,此種方法可制成高長徑比的結(jié)構(gòu)。其它生產(chǎn)此種原片的方法例如可通過基材的或其上的激光加工、放電法、自由成型制造(FFM)、電化學(xué)或化學(xué)蝕刻、氣相蝕刻、機械加工、厚膜光刻膠或其組合進行,所述基材例如硅、玻璃、石英、陶瓷、金屬或塑料,例如PMMA或Teflon。
最簡便的復(fù)制方法將是在具有要求負(fù)形狀的原片上直接流延均聚物或預(yù)聚物。其它生產(chǎn)聚合物復(fù)制件的方法可能涉及熱塑性或熱固性材料的注塑或壓花。
如果原片在某些方面不能耐受復(fù)制過程,則可首先由原片生產(chǎn)一種適當(dāng)材料的中間復(fù)制品(壓模)。此種壓模方法的實施例是,可首先在原片頂面上沉積導(dǎo)電層,隨后通過電鍍由原片形成負(fù)片。某些電鍍材料如鎳,也有助于壓模的復(fù)制品的反復(fù)和非破壞性生產(chǎn)。這就既給從負(fù)到正的極性改變,也給一系列相同壓模的生產(chǎn)以便于大量生產(chǎn)復(fù)制品提供了可能。壓模制造的其它例子可能,在恰當(dāng)選擇的給定聚合物時,是利用鑄造、壓花或注塑方法制造原片的負(fù)形狀。壓模的反復(fù)和非破壞性制造復(fù)制品的同樣可能性對于聚合物壓模來說也成立。
如上所述,本發(fā)明微流體結(jié)構(gòu),當(dāng)然,可為多種微流體目的而設(shè)計。在這些目的當(dāng)中,例如有毛細(xì)管色譜術(shù)、離子交換色譜術(shù)、疏水相互作用色譜術(shù)、免疫測定法、雜交測定法和其它分子生物學(xué)測定、微反應(yīng)腔程序、微型液體聯(lián)通裝置、生物傳感器流通槽等。按照本發(fā)明構(gòu)造的反應(yīng)腔例如可用于各種形式固相合成,例如,肽或低核苷酸合成、PCR、DNA固相序列反應(yīng)、樣品處理和檢測,僅略舉數(shù)例而已。
本發(fā)明微流體結(jié)構(gòu)可按照不同的方式制造。上面概述了一種方便的方法,但也可以,當(dāng)柱在適當(dāng)基材上形成以后,將它們裝配起來,由分開的零件制成該結(jié)構(gòu)。
下面,將通過具體非限制性實施例來說明本發(fā)明。
實施例實施例1.在具有硅柱的開放通道中的流動通過本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的標(biāo)準(zhǔn)方法蝕刻硅片生產(chǎn)出流道。獲得的硅片長25mm,寬5mm。柱覆蓋的面積為10mm長和4mm寬。柱高100μm,直徑20μm,中心到中心距離為30μm。
以純水、緩沖液和血漿進行毛細(xì)管流動試驗。在距芯片遠(yuǎn)端幾個毫米的地方放上芯吸膜(Whatman WF1.5)以促進液體流動。
加入到結(jié)構(gòu)上的8μl水用了60~90s流過具有柱的該結(jié)構(gòu)。類似的流動速率采用含50mmol/l磷酸鈉、6%牛血清清蛋白、0.2%Tween20,pH7.5的緩沖液測得。血漿比水和緩沖液略微快一些。
實施例2.在具有環(huán)氧塑料制成的柱的開放通道中的流動首先,通過本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的標(biāo)準(zhǔn)方法蝕刻硅片生產(chǎn)出流道。在硅晶片上均勻地涂以環(huán)氧薄層。所獲環(huán)氧覆蓋的片長25mm,寬5mm。柱覆蓋的面積為10mm長和4mm寬。柱高約90μm,直徑約20μm,中心到中心距離為約30μm。
以純水和緩沖液進行毛細(xì)管流動試驗。在距片遠(yuǎn)端幾個毫米的地方放上芯吸膜(Whatman WF1.5)以促進液體流動。該片在加入水和緩沖液之前,以含50mmol/l磷酸鈉、6%牛血清清蛋白、0.2%Tween 20,pH7.5的緩沖液進行預(yù)處理(1h,室溫)。加入到區(qū)1的8μl水用了約90s流過具有柱的該區(qū)。類似的流動速率采用含50mmol/l磷酸鈉、6%牛血清清蛋白、0.2%Tween 20,pH7.5的緩沖液測得。
上面的實施例顯示,可以創(chuàng)造一種由微結(jié)構(gòu)組成的開放流道,并且它們具有這些功能,即,能產(chǎn)生必要的毛細(xì)管力和能出現(xiàn)液體運輸過程。
雖然,已結(jié)合著構(gòu)成本發(fā)明人目前已知最佳模式的優(yōu)選實施方案對本發(fā)明做了描述,但要知道,各種各樣改變和修改,正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所顯而易見的,仍可在不偏離本發(fā)明范圍的條件下進行,本發(fā)明范圍僅由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種微流體系統(tǒng),它包括基材(2),以及在所述基材上提供的,至少一個流道和功能設(shè)備,其中液體樣品可接受所需程序的處理,其中所述至少一個流道被鋪設(shè)成用來將液體樣品送到、使其通過和流出所述功能設(shè)備的式樣;其特征在于,流道由大量從所述基材朝上凸起的微柱(1)構(gòu)成;其中微柱之間的間距能在施加到所述流道任何部位的液體樣品中誘導(dǎo)毛細(xì)管作用,從而迫使所述液體從其被施加之處移動。
2.權(quán)利要求1的微流體系統(tǒng),其中功能設(shè)備(5)包括一個或多個化學(xué)反應(yīng)器、分離設(shè)備、加熱設(shè)備、以電磁輻射輻照的設(shè)備、捕集所述功能設(shè)備內(nèi)所述液體的磁成分的磁設(shè)備,對選擇的區(qū)的液體施加電壓的電極,或者任何其它對在所述功能設(shè)備內(nèi)的液體樣品進行化學(xué)、生物或物理處理用的器件或設(shè)備。
3.權(quán)利要求1或2的微流體系統(tǒng),其中所述基材(2)具有溝槽,該溝槽具有底表面和側(cè)壁,且其中流道由從所述溝槽的底表面朝上凸起的微柱(1)組成。
4.權(quán)利要求3的微流體系統(tǒng),其中所述流道上覆蓋著蓋板或蓋子(15),所述蓋板或蓋子對所述流動通道中的毛細(xì)管作用沒有明顯作用。
5.權(quán)利要求4的微流體系統(tǒng),其中蓋子(15)具有使試劑、氣體、液體、樣品得以向所述流道中引入的進出孔。
6.權(quán)利要求1或2的微流體系統(tǒng),其中基材(2)基本上呈扁平狀,且微柱(1)從所述基材凸起。
7.以上權(quán)利要求中任何一項的微流體系統(tǒng),其中微柱分組排列成相鄰的片段,從而在所述片段之間提供間距或中斷,該中斷具有有限距離,但它大到足以阻止所述片段之間的毛細(xì)管流動,從而提供流動停止。
8.權(quán)利要求7的微流體系統(tǒng),其中設(shè)有對一個或多個選擇的片段施加能量的設(shè)備,以便誘導(dǎo)跨越流動停止的強制輸送。
9.權(quán)利要求8的微流體系統(tǒng),其中所述能量施加設(shè)備選自壓力脈沖發(fā)生器、超聲波發(fā)生器、電磁輻射裝置。
10.權(quán)利要求7的微流體系統(tǒng),包括向所述中斷施加液體的設(shè)備,以便提供跨越所述中斷的橋梁,從而誘導(dǎo)跨越此處的流動。
11.權(quán)利要求1的微流體系統(tǒng),其中在所述流道中的微柱的表面具有化學(xué)、生物或物理功能。
12.權(quán)利要求11的微流體系統(tǒng),其中微柱在其表面上具有化學(xué)反應(yīng)性基團。
13.權(quán)利要求11的微流體系統(tǒng),其中微柱具有結(jié)合到其表面上的具有生物親合力的物質(zhì)。
14.權(quán)利要求11的微流體系統(tǒng),其中微柱在其表面上具有親水基團。
15.權(quán)利要求11的微流體系統(tǒng),其中微柱在其表面上具有帶正和/或負(fù)電荷的基團。
16.權(quán)利要求12的微流體系統(tǒng),其中微柱在其表面具有疏水結(jié)構(gòu)。
17.權(quán)利要求12的微流體系統(tǒng),其中所述功能施加在整個流道中的微柱上,或者局限于流道的不連續(xù)區(qū)域或部分。
18.權(quán)利要求12的微流體系統(tǒng),其中所述性質(zhì)選自微柱直徑、高度、形狀、橫斷面、表面涂層、每單位面積的微柱數(shù)目、微柱表面的潤濕性或其組合。
19.以上權(quán)利要求中任何一項的微流體系統(tǒng),其中在所述至少一個流道內(nèi)提供有顆粒。
20.權(quán)利要求19的微流體系統(tǒng),其中所述顆?;瘜W(xué)或物理地結(jié)合在基材上,或者被機械地截留在包含大量微柱的區(qū)域內(nèi)。
21.以上權(quán)利要求中任何一項的微流體系統(tǒng),其中所述流道具有一體化區(qū)或劃界的表面,該區(qū)或表面含有電極或其它用于對液體和/或試劑實施電操縱的設(shè)備。
22.以上權(quán)利要求中任何一項的微流體系統(tǒng),其中所述流道具有一體化區(qū)或劃界的表面,該區(qū)或表面含有光學(xué)元件或其它用于傳輸、聚焦、反射或吸收光的設(shè)備。
23.以上權(quán)利要求中任何一項的微流體系統(tǒng),其中所述流道具有一體化區(qū)或劃界的表面,該區(qū)或表面含有磁功能或用于操縱和/或檢測磁物質(zhì)的設(shè)備。
24.以上權(quán)利要求中任何一項的微流體系統(tǒng),其中所述流道具有一體化區(qū)或劃界的表面,該區(qū)或表面含有用于調(diào)節(jié)所述區(qū)內(nèi)溫度,例如,加熱或冷卻所述區(qū)的設(shè)備。
25.一種實施微米尺度化學(xué)或生物化學(xué)過程的方法,其特征在于,采用權(quán)利要求1的微流體系統(tǒng)。
26.一種實施離子交換色譜術(shù)的方法,其特征在于,權(quán)利要求1、2、11、15或19中任何一項的微流體系統(tǒng)被應(yīng)用于所述色譜術(shù)的分離步驟中。
27.一種實施疏水相互作用色譜術(shù)的方法,其特征在于,在所述色譜術(shù)的準(zhǔn)備步驟中采用權(quán)利要求1的微流體系統(tǒng)。
28.一種在實施微米尺度物理、化學(xué)或生物化學(xué)過程中濃縮樣品的方法,其特征在于,采用權(quán)利要求1的微流體系統(tǒng)。
29.一種在實施微米尺度物理、化學(xué)或生物化學(xué)過程中分離細(xì)胞或其它微觀生物實體的方法,其特征在于,采用權(quán)利要求1的微流體系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微流體系統(tǒng),它包括基材以及在所述基材上提供的至少一個與功能設(shè)備相互聯(lián)通的流道,其中液體樣品可接受所要求程序的處理。流道被鋪設(shè)成用來將液體樣品送到和流出所述功能設(shè)備的式樣。這些流道包含大量從所述基材朝上凸起的微柱,微柱之間的間距小到足以在施加到所述流道任何部位的液體樣品中誘導(dǎo)毛細(xì)管作用,從而迫使所述液體從其被施加之處移動。
文檔編號C12M1/00GK1658972SQ03813252
公開日2005年8月24日 申請日期2003年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月7日
發(fā)明者P·O·厄曼, I·門德爾-哈特維 申請人:阿米克股份公司