CN102056838A - 多级微流体系统和方法 - Google Patents

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Abstract

多层微流体装置包括控制线路，其可以同时启动用于样品和试剂线路的多个阀门。微流体装置配置为在第一室中含有第一试剂，而在第二室中含有第二试剂，其中在期望的或选择的压力下含有第一试剂和第二试剂中的任一项或两项。微流体装置的操作包括将第二试剂从第二室传送到第一室，以与第一试剂混合或接触。微流体装置特征例如通道、阀门、室可以被至少部分地包含、嵌入弹性体块体的一个或多个层或水平，或由弹性体块体的一个或多个层或水平形成，或形成在弹性体块体的一个或多个层或水平内。

Description

多级微流体系统和方法
对相关申请的交叉引用
本申请是在2008年4月11日提交的美国专利申请61/044,417的正式申请，并且要求所述美国专利申请的优先权的权益。本申请还涉及在2005年1月25日提交的美国专利申请11/043,895(代理人案号020174-012800US)。上述提交申请的每一项的整个内容通过引用结合在此。
发明背景
本发明的实施方案尤其涉及下列领域：微流体、芯片实验室(lab-on-a-chip)，聚合酶链式反应(″PCR″)、生物化学分析、蛋白结晶和关于蛋白结晶条件的筛选、微型制造、实验室机器人、免疫测定和自动生物筛选和分析。
微流体装置可以定义为这样的装置，其具有一个或多个流体路径，通常称为通道、微通道、沟道、线路或凹槽，具有低于1000μm的横截面尺寸，并且其提供例如增大通量和减小反应体积的益处。相关地，存在着持续的增加可以用微流体装置完成的反应数量的趋向。例如，通常期望提供具有高反应室密度的装置。尽管在微流体技术中最近的显著进步，但是现有的制造技术通常表现出阻碍开发更加有效率的装置的障碍。
因此，仍存在着对用于制备微流体装置的改进的制造方法的持续需求，所述微流体装置具有每单位面积的微流体装置更高的反应或检测区密度。本发明的实施方案满足这些目标中的至少一些。
发明概述
本发明的实施方案提供每单位面积具有高的反应室或区密度的微流体装置，以及它们的使用和制造方法。这种装置可以制备得比现有装置更小，并且通常提供改进的性能特性。使用微流体系统的一般优点包括在时间、成本方面的显著减小，以及在用于进行分析或合成的装置的空间要求方面的显著降低。例如，许多诊断测定要求使用昂贵的试剂，并且可能难以得到大的测试样品，或得到大的测试样品是昂贵的。可以利用较小量的试剂和样品的装置能够以较低成本提供更多数据点。示例性实施方案很好地适于在晶体形成和扩增反应中的应用。在一些情况下，微流体装置可以具有控制线路，其可以同时启动用于样品和试剂线路的阀门。相关地，微流体装置可以配置来在第一室中含有第一试剂，而在第二室中含有第二试剂，其中在期望的或选择的压力下含有第一试剂和第二试剂中的任一项或两项。在一些情况下，微流体装置的操作包括将第二试剂从第二室传送到第一室，以与第一试剂混合或接触。微流体装置特征例如通道、阀门、室可以被至少部分地包含、嵌入弹性体块体(block)的一个或多个层或水平(level)，或由弹性体块体的一个或多个层或水平形成，或形成在弹性体块体的一个或多个层或水平内。
在一个方面中，本发明的实施方案包括具有第一流动通道、第二流动通道和控制通道的微流体装置。第一流动通道可以形成在弹性体基板的第一层中，控制通道可以形成在弹性体基板的第二层中，而第二流动通道可以形成在弹性体基板的第三层中。通常，第二层邻近第一层，而第三层邻近第二层。第一控制通道内的压力变化可以调节第一和第二流动通道内的流体流动。微流体装置还可以包括沿第一流动通道安置的第一隔离阀门，而第一控制通道控制第一隔离阀门的运行。第一隔离阀门可以包括可偏转膜。微流体装置还可以包括沿第二流动通道安置的第二隔离阀门，而第一控制通道控制第二隔离阀门的运行。第二隔离阀门可以包括可偏转膜。微流体装置还可以包括至少部分地安置在第一层内的第一室，以及至少部分地安置在第一层内的第二室。第一室可以与第一流动通道流体连通。第二室可以与第二流动通道流体连通。在一些实施方案中，第一控制通道内的压力变化同时调节第一和第二流动通道内的流体流动。
在另一方面中，本发明的实施方案包括一种具有多层的弹性体基板的微流体装置。例如，弹性体基板可以具有第一层、第二层和第三层，其中第二层安置在第一层和第三层之间。该装置还可以包括至少部分地在弹性体基板的第一层内形成的第一室，和至少部分地在弹性体基板的第一层内形成的第二室。此外，该装置可以包括在弹性体基板的第二层内形成的第一控制通道。通常，对该装置进行配置，使得第一控制通道内的压力变化调节通过第一层并且进入到第一室的第一流体流动，还调节通过第三层并且进入到第二室中的第二流体流动。在一些情况下，该装置包括在第一室和第二室之间提供流体连通的界面通道。例如，界面通道可以在第三层中形成。在一些情况下，界面通道与第二流动通道流体连通。该装置还可以包括沿界面通道安置的界面阀门。界面阀门可以调节通过第一室和第二室之间的界面通道的流动。在一些实施方案中，界面阀门包括可偏转膜。
在一个方面中，本发明的实施方案提供一种微流体装置。该装置可以包括在弹性体基板的第一层中形成的第一流动通道，与第一流动通道流体连通的第一室，和沿第一流动通道安置的第一隔离阀门。第一隔离阀门可以包括在邻近第一层的弹性体基板的第二层中形成的控制通道的第一部分。第一隔离阀门可以配置来控制通过第一流动通道进入到第一室的流动。该装置还可以包括在邻近第二层的弹性体基板的第三层中形成的第二流动通道，与第二流动通道流体连通的第二室，和沿第二流动通道安置的第二隔离阀门。第二隔离阀门可以包括在弹性体基板的第二层中形成的控制通道的第二部分。第二隔离阀门可以配置来控制通过第二流动通道进入到第二室中的流动。该装置还可以包括在弹性体基板的第三层中形成的反应通道，其与第一室和第二室流体连通，以及沿第一和第二室之间的反应通道安置的界面阀门。该界面阀门可以包括在邻近第三层的弹性体基板的第四层中形成的界面通道的一部分，并且可以配置来控制通过反应通道的流动。在一些实施方案中，第一隔离阀门包括可偏转膜。在一些实施方案中，第二隔离阀门包括可偏转膜。在一些实施方案中，界面阀门包括可偏转膜。第一室可以限定第一室容积，第二室可以限定第二室容积。在一些情况下，第一室容积小于第二室容积。在一些情况下，第一室容积大于第二室容积。在一些情况下，第一室容积等于第二室容积。
在另一个方面中，本发明的实施方案包括将材料在微流体装置中混合或反应的方法。一种示例性混合技术包括将第一材料流动通过在弹性体基板的第一层中形成的第一流动通道，并且将第一材料流动通过第一隔离阀门。第一隔离阀门可以沿第一流动通道安置，可以包括在邻近第一层的弹性体基板的第二层中形成的控制通道的第一部分，并且可以配置来控制通过第一流动通道进入到第一室中的流动。该技术还可以包括将第一材料从第一流动通道流动到第一室中。此外，混合方法可以包括将第二材料流动通过在邻近第二层的弹性体基板的第三层中形成的第二流动通道，并且将第二材料流动通过第二隔离阀门。第二隔离阀门可以沿第二流动通道安置，可以包括弹性体基板的第二层中形成的控制通道的第二部分，并且可以配置来控制通过第二流动通道进入到第二室中的流动。该混合程序还可以包括将第二材料从第二流动通道流动到第二室中，启动控制通道，从而抑制通过第一和第二隔离阀门的流动，并且将第一材料从第一室通过界面阀门流动到第二室中，从而将第一材料与第二材料混合。界面阀门可以包括在邻近第三层的弹性体基板的第四层中形成的界面通道的一部分，并且可以配置来控制第一室和第二室之间的流动。在一些实施方案中，第一隔离阀门包括第一可偏转膜，第二隔离阀门包括第二可偏转膜，并且启动控制通道的方法包括启动第一和第二可偏转膜。在一些实施方案中，混合技术可以包括启动界面通道，以提供在第一室和第二室之间的流体连通。界面阀门可以包括在邻近第三层的弹性体基板的第四层中形成的界面通道的一部分，并且可以配置来控制通过在第三层中形成的反应通道的流动。在一些情况下，界面阀门可以包括可偏转膜，并且启动界面通道的方法可以包括启动可偏转膜。示例性混合技术还可以包括：在将第一材料流动到第二室中之前，将第一材料在第一压力下保持在第一室中，并且将第二材料在第二压力下保持在第二室中。在一些情况下，第一压力大于第二压力。在一些情况下，第一压力可以为约10psi，而第二压力可以为约0psi。
在还有的另外的方面中，本发明的实施方案包括一种微流体装置，所述微流体装置具有多个在弹性体基板的第一层中形成的第一流动通道，以及多个第一室。所述多个第一室中的每一个可以与所述多个第一流动通道的相应第一流动通道流体连通。微流体装置还可以包括多个在邻近第一层的弹性体基板的第二层中形成的控制通道，以及多个第一隔离阀门。所述多个第一隔离阀门中的每一个可以沿所述多个第一流动通道的相应第一流动通道安置，可以包括所述多个控制通道的相应控制通道的第一部分，并且可以配置来控制通过相应第一流动通道进入到所述多个第一室的相应第一室中的流动。此外，微流体装置可以具有多个在邻近第二层的弹性体基板的第三层中形成的第二流动通道，以及多个第二室。所述多个第二室中的每一个可以与所述多个第二流动通道的相应第二流动通道流体连通。微流体装置还可以具有多个第二隔离阀门。所述多个第二隔离阀门中的每一个可以沿所述多个第二流动通道的相应第二流动通道安置，可以包括所述多个控制通道的相应控制通道的第二部分，并且可以配置来控制通过相应第二流动通道进入到所述多个第二室的相应第二室中的流动。再另外地，微流体装置可以具有多个在弹性体基板的第三层中形成的反应通道。所述多个反应通道中的每一个可以与所述多个第一室的相应第一室和所述多个第二室的相应第二室流体连通。微流体装置还可以包括多个界面阀门。所述多个界面阀门中的每一个可以沿在相应第一室和相应第二室之间的所述多个反应通道的相应反应通道安置，可以包括在邻近第三层的弹性体基板的第四层中形成的多个界面通道的相应界面通道的一部分，并且可以配置来控制通过相应反应通道的流动。
在还有的另外的方面中，本发明的实施方案包括一种微流体装置，其具有在弹性体基板的第一层中形成的第一流动通道，在弹性体基板的第二层中形成的第一控制通道，和在弹性体基板的第三层中形成的第二流动通道。第二层可以邻近第一层和第三层并且在第一层和第三层之间。可以对微流体装置进行配置，使得第一控制通道内的压力变化同时调节第一和第二流动通道内的流体流动。
为了更全面地理解本发明的本质和优点，应当参考附图以确保对详细描述的理解。
附图简述
图1描绘根据本发明的实施方案的微流体装置的单位单元(unit cell)的透视图。
图1A显示根据本发明的实施方案的微流体装置的单位单元的单独层的分解透视图。
图1B至1E显示根据本发明的实施方案的微流体模具。
图2示例根据本发明的实施方案的微流体装置的单位单元的透视图。
图3示例根据本发明的实施方案的具有多个单位单元的微流体装置矩阵的透视图。
图4示例根据本发明的实施方案的具有多个单位单元的微流体装置矩阵(matrix)的透视图。
图5A至5C显示根据本发明的实施方案的微流体装置单位单元的横截面图。
图6A和6B显示根据本发明的实施方案的微流体装置。
图7示例根据本发明的实施方案的微流体装置。
图8示例根据本发明的实施方案的微流体装置。
图9示例根据本发明的实施方案的示例性微流体装置的具有标尺的显微照片。
图10示例根据本发明的实施方案的示例性微流体装置的读取器图像(reader image)。
图11示例根据本发明的实施方案的示例性微流体装置的读取器图像。
图12示例根据本发明的实施方案的示例性微流体装置的读取器图像。
图13示例根据本发明的示例性微流体装置，其显示了在注入孔和弹性体块体之间的通道连接。
图14示例根据本发明的实施方案的微流体系统和方法的各方面。
发明详述
应当理解，本发明不限于在本文中所述的具体方法、方案和试剂等，如技术人员将认识到的，这些可以改变。还应当理解，在本文中使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的，而不意在限制本发明的范围。还应当注意，如在本文中和后附权利要求中使用的，除非上下文另外清楚地指出，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“所述(the)”包括多个所提及内容。因而，例如，对于“一个单元”的提及是指对一个或多个单元及其本领域技术人员已知的等同物的提及。
除非另外规定，本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常已知的相同含义。本发明的实施方案和各种特征及其有利细节更全面地通过参考非限制性实施方案和实施例进行解释，所述非限制性实施方案和实施例在附图中描述和/或示例并且在下列描述中详细说明。应当注意，在附图中示例的特征不必限于标度，并且一个实施方案的特征可以与其它实施方案一起使用，如本领域技术人员将认识到的，即使在本文中没有明确地陈述。可以省略对熟知的部件和工艺技术的描述，从而不多余地使本发明的实施方案不清楚。在本文中使用的实施例仅意在有助于对其中可以实施本发明的方式的理解，并且进一步使得本领域技术人员实施本发明的实施方案。因此，不应当将本文中的实施例和实施方案解释为是对本发明范围的限制，本发明的范围仅由后附权利要求和可适用的法律限定。而且，应当注意，在所有的几副附图中，类似的附图标记指代类似的零件。
因此，以下紧接着提供“定义”部分，其中为了清楚而具体限定与本发明相关的某些术语，但是所有的这些定义都与技术人员对这些术语所理解的相一致。描述了具体的方法、装置和材料，尽管在本发明的实践或测试中可以使用与在本文中所述的那些类似或等同的任何方法和材料。在本文中引用的所有参考文献都通过引用整体结合在此。
定义
PNA为肽核酸
LNA为锁核酸
DA为动态阵列(dynamic array)
PCR为聚合酶链式反应
BSA为牛血清清蛋白
FRET为荧光共振能量转移
GT为基因分型
PEG为聚乙二醇
PLP为锁式探针
如本文中所使用的术语“邻近的”通常是指引物相对于在其靶核酸分析物的互补链上探针的位置。引物和探针可以在约1至约20个核苷酸的范围内，更具体地，在约1至约10个核苷酸的范围内分离，或可以彼此直接邻接。
如本文中所使用的术语“分析物”通常是指以下定义的核酸分子或核酸分子的混合物，其将要使用本发明的方法检测或量化。术语“靶核酸分析物”和“核酸分析物”为了本发明的目的而与术语“分析物”互换使用。
如本文中所使用的术语“互补的”或“互补性”可以包括多核苷酸在许可的盐和温度条件下通过碱基配对的自然结合。例如，序列“A-G-T”与互补序列“T-C-A”结合。在两条单链分子之间的互补性可以是“部分的”，其中仅核酸的一些结合，或它可以是完全的，此时在单链分子之间存在完全互补性。在核酸链之间的互补性的程度对核酸链之间的杂交的效率和强度具有显著影响。这在扩增反应中并且在分子的设计和使用中具有特别的重要性，所述扩增反应取决于核酸链之间的结合。
如在本文中所使用的术语“共价连接”通常是指一个分子部分与另一个分子部分通过共价化学键的连接。
如在本文中所使用的术语“染料”通常是指在大于或等于340nm的波长下吸收电磁辐射的任何有机或无机分子。
如在本文中所使用的术语“荧光染料”通常是指在被电磁辐射源例如灯、光电二极管或激光器辐射时，通过荧光机理发射较长波长的电磁辐射的任何染料。
如在本文中所使用的术语“GT样品缓冲液”通常是指能够封闭DA芯片中的反应通道和室的表面上的结合部位的缓冲液。该缓冲液在芯片加载工艺或反应过程中保护反应部件免于损耗。对于试剂成本，它还可以将加入的Taq-金(Taq-Gold)聚合酶的用量减少至小于约80％。20x GT缓冲液可以包括下列各项的组合：甜菜碱(FW 117.15)，BSA，
Figure BPA00001272579400081
T20(在PBS中)(Thermo Scientific，洛克福特，IL)，
Figure BPA00001272579400082
(在PBS中)(Thermo Scientific，洛克福特，IL)，
Figure BPA00001272579400083
(在TBS中)(ThermoScientific，洛克福特，IL)，
Figure BPA00001272579400084
T20(在TB S中)(Thermo Scientific，洛克福特，IL)，甘油，PEG 20,000，PEG MME550，PEG MME5000，和吐温20。
如本文中所使用的术语“均相测定”通常是指用于检测或量化核酸分析物的方法，其不需要后-测定处理以记录同质试验结果。均相测定可以在封闭管或微流体阵列中进行，其中一旦测定开始，就不必进一步加入试剂或补充化学品以记录结果。均相测定允许实时记录测定结果，意味着在测定进行的同时可以实时连续记录测定结果。
如本文中所使用的术语“水解探针”通常描述于美国专利5,210,015，所述美国专利通过引用整个结合在此。水解探针利用存在于在PCR反应中所使用的热稳定Taq聚合酶中的5’-核酸酶的活性(
Figure BPA00001272579400091
探针技术，应用生物系统(Applied Biosystems)，福斯特城，CA)。水解探针用荧光检测染料例如荧光素和接收染料和猝灭剂标记。通常，荧光染料与探针的5’末端共价连接，而猝灭剂与探针的3’末端连接，并且当探针完整时，检测染料的荧光被荧光共振能量转移(FRET)猝灭。探针可以将限定PCR反应中的核酸靶分析物上的扩增靶部位的一个末端的引物之一的下游退火(anneal)。使用Taq酶的聚合酶活性，靶核酸分析物的扩增受在探针上游的一种引物和在探针下游的第二引物引导，但是与靶核酸的相对链退火。当上游引物延伸时，Taq聚合酶达到标记的探针退火的区域，将探针-模板杂交体识别为底物，并且将探针的磷酸二酯键水解。水解反应不可逆地释放出猝灭染料对报道染料的猝灭作用，从而在每一个连续的PCR循环导致增加的检测荧光。特别地，本发明的水解探针能够检测在人和其它转录物组中常见的8-mer或9-mer基序，并且可以具有通过LNA类似物可以实现的约70℃的高Tm。
如在本文中所使用的“标记”是指可以用于提供可检测和/或可量化信号的任何原子或分子。具体地，标记可以连接到核酸或蛋白上。标记可以提供可通过下列各项检测的信号：荧光、放射性、比色、X-射线衍射或吸收、磁性、酶活性等。
如在本文中所使用的术语“核酸”通常是指cDNA、DNA、RNA、其单链或双链和任何化学修饰物，例如PNA和LNA。LNA描述于美国专利6,794,499、6,670,461、6,262,490和6,770,748中，所述美国专利通过引用整个结合在此。核酸可以具有任何尺寸。核酸修饰可以包括对单独的核酸碱基或作为整体的核酸增加化学基团，所述化学基团结合了另外的电荷、极性、氢键、静电相互作用和官能度。这样的修饰可以包括修饰碱基例如2’-位糖修饰、5-位嘧啶修饰、8-位嘌呤修饰、在胞嘧啶环外胺的修饰、5-溴-尿嘧啶的替代、主链修饰、甲基化、稀有碱基对组合，例如异碱基异胞嘧啶(isobases isocytidine)和异鸟嘌呤(isoguanidine)等。核酸可以源自完全化学合成工艺，例如固相介导化学合成，或源自生物来源，例如通过从可以提供核酸的几乎任何物种分离，或源自涉及通过分子生物学工具的核酸操作的方法，例如DNA复制、PCR扩增、反转录，或源自这些方法的组合。
如在本文中使用的术语“核酸探针”是携带至少一种共价结合的染料如荧光染料的核酸。特别地，探针不含有与用于引发PRC反应的序列互补的序列。
如在本文中所使用的术语“锁式探针”或“PLP”通常是指长度为约100个碱基对的直链寡核苷酸。在PLP的3′和5′末端的序列与靶核酸分析物中的邻近序列互补。在中心，PLP的非互补区域存在可以用于识别特定PLP的“标签序列”。标签序列可以侧面与通用引物部位或独特和/或特定引物部位相接，所述部位允许标签序列的PCR扩增。在与靶杂交时，PLP的5’和3’末端紧密接近并且可以随后连接。所得到的产物为与靶核酸分析物连环的环形探针分子。环化的PLP的标签区域可以被扩增并量化和/或例如使用实时PCR检测。扩增子的存在和量可以与样品中的靶序列的存在和量关联。对于PLP的描述，例如参见，Landegren等，2003，用于原位和基于阵列的分析的锁式和邻近式探针：用于后基因组学时代的工具(Padlock and proximity probes for in situ and array-based analyses：toolsfor the post-genomic era)，比较和功能基因组学(Comparative and FunctionalGenomics)4：525-30；Nilsson等，2006，使用封闭和复制环分析基因(Analyzing genes using closing and replicating circles)生物工艺学动向(Trends Biotechnol.)24：83-8；Nilsson等，1994，锁式探针：环化寡核苷酸用于局部DNA检测(Padlock probes：circularizing oligonucleotides forlocalized DNA detection)，科学(Science)265：2085-8。上述参考文献通过引用整个结合在此。
如本文中所使用的术语“PCR”通常是指用于扩增、检测或量化分析物的特定区域的方法。本领域技术人员知道关于基本PCR技术存在几种变体，例如等位基因特异性PCR，组装PCR或聚合酶循环组装(PCA)，菌落PCR，解旋酶依赖性扩增，热启动PCR，序列间(intersequence)-特异性(ISSR)PCR，反向PCR，连接反应介导PCR，甲基化特异性PCR，多重连接依赖性探针扩增，多重PCR，巢式PCR，重叠延伸PCR，定量PCR，定量实时PCR，RT-PCR，热不对称交错(TAIL)PCR，降落(touchdown)PCR和PAN-AC。另外，本领域技术人员将理解如何对基本PCR技术实践这些变体。
如在本文中所使用的术语“初步扩增反应”通常是指用于在进行均相测定以前制备样品的方法。在本文中为了本发明的目的，术语“扩增前样品”可以与短语“初步扩增反应”交换使用。
如在本文中使用的术语“纯化”通常是指基于电荷，分子大小或结合亲和力而将蛋白，多肽或核酸与其它成分或化合物分离的任何方法。
如在本文中所使用的术语“猝灭剂”通常是指减小另一种染料的荧光发射的染料。
如在本文中所使用的术语“询问(querying)”通常是指确定靶特异性探针是否与核酸分析物缔合(例如，结合或通过共价键连接(cantenate))，并且任选地确定样品中的靶特异性探针的量。
如在本文中所使用的“样品”通常是指来自人或动物的组织或流体的样品，包括但不限于血浆，血清，脊髓液，淋巴液，皮肤的外部部分，呼吸道，肠道和泌尿生殖道，眼泪，唾液，血细胞，肿瘤，器官，组织和体外细胞培养物组分的样品。具体地，样品可以是单细胞，石蜡包埋组织样品和穿刺活检。而且，样品可以包括环境样品如湖水和食物样品。
如本文中使用的短语“基本上纯化”或“基本上分离”通常包括从它们的自然环境除去、隔离或分离的核酸或氨基酸序列，并且至少约60％，特别是至少约75％，并且最特别地至少约90％不含它们可能缔合的其它组分，并且包括重组或克隆核酸分离物和化学合成的类似物或通过系统生物合成的类似物。
考虑到聚合物化学品，前体，合成方法，反应条件和潜在添加物的巨大多样性情况下，存在大量的可以用于制备弹性体块体，层，膜，微阀门，泵等的可能的弹性体体系。所使用的材料的变化在一些情况下可以由对具体材料性质的需求驱使，即，耐溶剂性，硬度，气体渗透性和温度稳定性。存在许多许多类型的弹性体聚合物。在文中提供对最常见类别的弹性体的简短描述，意在示出即使对于相对“标准的”聚合物，也存在结合的许多可能性。常见的弹性体聚合物包括聚异戊二烯，聚丁二烯，聚氯丁二烯，聚异丁烯，聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)，聚氨酯和硅氧烷或聚硅氧烷。
聚异戊二烯，聚丁二烯和聚氯丁二烯全部是从二烯单体聚合的，并且因此在聚合时每个单体具有1个双键。此双键允许聚合物通过硫化转化成弹性体(通常，硫用于通过加热形成双键之间的交联)。这将容易地通过要结合的层的不完全硫化而允许均匀的多层软刻蚀；光刻胶包封将通过类似的机理成为可能。
纯的聚异丁烯不具有双键，但是通过在聚合中包括少量(约1％)的异戊二烯而被交联以用作弹性体。异戊二烯单体在聚异戊二烯主链上提供悬垂的双键，所述悬垂的双键然后可以如上被硫化。
聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)通过活性阴离子聚合制备(即，在反应中不存在自然链终止步骤)，因此“活性”聚合物末端可以存在于固化的聚合物中。这使得其成为用于光刻胶包封系统的天然备选物(其中在倾注到固化层顶部的液体层中将存在大量的未反应单体)。不完全固化将允许均匀的多层软刻蚀(A至A结合)。化学性还有助于使得一个层具有额外的丁二烯(“A”)和偶联剂，而另一个层“B”缺乏丁二烯(用于异质的多层软刻蚀)。SBS是“热固性弹性体”，意味着在某个温度以上，它将融化并且变为塑性的(与弹性相反)：降低温度再次产生弹性体。因此，各层可以通过加热结合在一起。
聚氨酯从二异氰酸酯(A--A)和二醇或二胺(B--B)制备；由于存在多种多样的二异氰酸酯和二醇/胺，因此不同类型的聚氨酯的数量是巨大的。然而，该聚合物的A相对于B的属性使得它们可以用于异质的多层软刻蚀，就像RTV 615一样：通过在一个层中使用过量的A--A，而在另一个层中使用过量的B--B。
硅氧烷聚合物具有大的结构多样性，并且提供大量的可商购制剂。已经讨论了RTV 615的乙烯基-至(Si--H)交联(其同时允许异质的多层软刻蚀和光刻胶包封)，但是这仅是在硅氧烷聚合物化学中使用的几种交联方法中的一种。
除使用以上讨论的简单的“纯”聚合物以外，可以加入交联剂。一些试剂(例如带有用于硫化的悬垂双键的单体)适于允许同质(A至A)多层软刻蚀或光刻胶包封：在这样的方法中，同一试剂被结合到两个弹性体层中。互补试剂(即，一种单体带有悬垂双键，而另一种带有悬垂的Si--H基)适用于异质的(A至B)多层软刻蚀。在此方法中，对相邻的层添加互补试剂。
以下是可以与本发明结合使用的弹性体材料的非排他性列表：聚异戊二烯，聚丁二烯，聚氯丁二烯，聚异丁烯，聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)，聚氨酯，和硅氧烷聚合物；或聚(双(氟烷氧基)磷腈)(PNF，Eypel-F)，聚(碳硼烷-硅氧烷)(Dexsil)，聚(丙烯腈-丁二烯)(腈橡胶)，聚(1-丁烯)，聚(氯三氟乙烯-偏二氟乙烯)共聚物(Kel-F)，聚(乙基乙烯基醚)，聚(偏二氟乙烯)，聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)共聚物(Viton)，聚氯乙烯(PVC)的弹性体复合物，聚砜，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚四氟乙烯(Teflon)。
Allcock等在当代聚合物化学(Contemporary Polymer Chemistry)第二版中描述了在它们的玻璃化转变温度和液化温度之间的温度下通常作为聚合物存在的弹性体。弹性体材料表现出弹性性质，因为聚合物链容易响应于力而进行扭转运动以允许主链解卷，并且主链在没有力的情况下再卷绕以采取之前的形状。通常，弹性体在施加力时变形，但是然后在移去力时返回到它们的最初形状。由弹性体材料表现出的弹性可以由杨氏模量表征。根据本发明的实施方案，可以使用杨氏模量介于约1Pa至约1TPa之间，或介于约10Pa至约100GPa之间，或介于约20Pa至约1GPa之间，或介于约50Pa至约10MPa之间，或介于约100Pa至约1MPa之间的材料，尽管取决于具体应用的需要，还可以使用杨氏模量在这些范围之外的材料。在一些情况下，材料可以具有约100MPA(兆帕)以下的杨氏模量。在其它的实施方案中，材料的杨氏模量为约75MPA以下，约50MPa以下，约25MPa以下，约10MPa以下，约8MPa以下，约5MPa以下，或约2MPa以下。
本发明的实施方案提供一种微流体装置，所述微流体装置包括特征如通道，阀门和室，它们至少部分地包含、嵌入弹性体块体的一个或多个层或水平，或由弹性体块体的一个或多个层或水平形成，或形成在弹性体块体的一个或多个层或水平内。示例性微流体装置具有形成在弹性体的第一层中的试剂流动通道或试剂线路。试剂流动通道包括密封阀门和室导管。微流体装置还可以具有形成在邻近第一层的弹性体的第二层中的控制通道或密封线路。此外，微流体装置可以含有在邻近第二层的弹性体的第三层中形成的样品流动通道或样品线路。样品流动通道可以包括密封阀门和室管道。控制通道可以同时与试剂流动通道密封阀门和样品流动通道密封阀门可操作相连。微流体装置可以包括与试剂线路流体连通的试剂室，以及与样品线路流体连通的样品室。试剂室和样品室可以通过在弹性体的第三层中形成的反应流动通道或反应线路彼此流体连通。反应线路可以包括界面阀门。微流体装置还可以包括在邻近第三层的弹性体的第四层中形成的界面通道。界面通道可以与反应流动通道界面阀门可操作相连。
本发明的实施方案还包括制备和使用在本文中公开的微流体装置的方法。例如，微流体装置的操作可以包括：打开一个或多个隔离阀门，关闭一个或多个界面阀门，和任选地，在压力下将材料流动通过隔离阀门并且进入到一个或多个室中。技术还可以包括改变密封线路中的压力以关闭隔离阀门，从而密封单独室，和改变界面线路中的压力，从而打开界面阀门。第一室中的第一材料可以流动通过打开的界面阀门并且进入到第二室中，在所述第二室中，第一材料与其中含有的第二材料混合或反应。
现在转到附图，图1描绘根据本发明的实施方案的微流体装置的单位单元100的透视图。单位单元100包括第一通道130，第一隔离阀门132，第一室140，第二通道110，第二隔离阀门112，第二室120，控制通道150，界面通道160，界面阀门162和反应通道170。典型地，这些特征至少部分地包含，嵌入弹性体块体180或由弹性体块体180形成，或形成在弹性体块体180内。如这里所示，第一通道130至少部分地安置在弹性体块体180的第一层181内。控制通道150至少部分地安置在弹性体块体180的第二层182内，其中所述第二层邻近第一层。第二通道110至少部分地安置在弹性体块体180的第三层183内，其中所述第三层邻近第二层。界面通道160至少部分地安置在弹性体块体180的第四层184内，其中所述第四层邻近第三层。
参考“A”箭头，第一材料，例如测定试剂，可以流动通过第一通道130，通过第一隔离阀门132，并且进入到第一室140中。类似地，参考“B”箭头，第二材料，例如试验样品，可以流动通过第二通道110，通过第二隔离阀门112，通过通孔(via)111，并且进入到第二室120中。为了允许流动进入到反应室140、120中，第一和第二隔离阀门132、112分别同时处于开启阀门状态。为了防止或抑制通过反应通道170的在第一反应室140和第二反应室120之间的流动，界面阀门162处于关闭阀门状态。在这样的条件下，第一通道130处于与第一反应室140开启流体连通状态，而第二通道110处于与第二反应室120流体连通状态，而第一和第二室之间的流体连通被中断或抑制。反应室尺寸可以变化。在一些实施方案中，第二反应室120的容积与第一反应室140的容积不同或大于第一反应室140的容积。例如，第二反应室120的容积可以是第一反应室140的容积的10倍。材料可以在压力下装入它们各自的室中。相关地，材料可以以某些浓度装入室中。在一些情况下，在10x浓度将试剂溶液装入室中，然后在与容纳在另一个室中的样品溶液反应时被稀释。
在将第一和第二材料分别装入第一和第二反应室140、120以后，可以将控制通道150激活，从而将第一和第二隔离阀门132、112中的每一个从开启阀门状态转变成关闭阀门状态。以此方式，任选在压力下，可以将材料限制在反应室内。因此，应当理解的是，单个的控制通道，例如控制通道150，可以控制第一材料进入到第一反应室中的流动，并且还可以控制第二材料进入到第二反应室中的流动。因此单个控制通道的操作可以起到下列作用：通过第一隔离阀门132的启动而将第一体积的材料或溶液隔离在第一室内，并且还可以通过第二隔离阀门112的启动而将第二体积的材料或溶液隔离在第二室内。相关地，单个控制通道的操作可以引起第一隔离阀门132的在第一方向上的第一偏转，以及第二隔离阀门112在第二方向上的第二偏转，其中第一方向与第二方向相反。例如第一隔离阀门中的偏转可以在向上方向上，而第二隔离阀门中的偏转可以在向下方向上。因此，通过操作单个的控制通道可以同时实现对多于1个隔离阀门的控制。材料可以在任何合适量的压力下限制在反应室内。在一些实施方案中，第一反应室140中的压力不同于或大于第二反应室120中的压力。例如，第一材料如试剂可以以在约0psi至约15psi的范围内的第一压力下安置在第一反应室140中。相关地，第一材料如样品可以以在约0psi至约10psi的范围内的第二压力下安置在第二反应室120中。在一些情况下，材料可以在约10psi被容纳在第一反应室140中，并且材料可以在约0psi被容纳在第二反应室120中。通常，微流体装置的加样涉及在压力下将材料引入到第一通道130或第二通道110中，或同时引入到所述两者中。可以使用加压机构驱使材料进入到所述室中。
在一些情况下，实施方案涉及用于随着时间过去在一个或多个选择的温度或温度范围进行一个或多个反应的系统和方法。微流体系统可以包括在多层弹性体块体中形成的多个分开的反应室。该系统还可以包括接近或邻近至少一个反应室的传热装置。可以形成传热装置以与热控制源接触。可以将用于进行所需反应的试剂引入到微流体阵列装置或矩阵中。阵列装置或矩阵可以与热控制装置接触，使得热控制装置与热控制源热连通，从而使得作为热控制源中的温度变化的结果而改变或控制至少一个反应室中的反应温度。示例性热循环技术在美国专利公布2007/0196912中有讨论，所述美国专利的内容通过引用结合在此。在一些实施方案中，微流体装置或芯片可以与集成热扩散器(Integrated Heat Spreader)(IHS)耦合或可操作相连。这样的加热机理在美国专利7,307,802中有讨论，所述美国专利通过引用结合在此。
图1A显示根据本发明的实施方案的微流体装置的单位单元100的单独层的分解透视图。每一个层典型包括具有一个或多个凹槽，通道，室等的弹性体膜。如在本文中所描述的，单位单元100的第一层181包括与第一室140流体连通的第一通道130。第一层181还包括第二室120。第二层182包括控制通道150，第一通孔111，和第二通孔131。第三层183包括第二通道110和反应通道170。如在本文中的其它地方进一步讨论的，可以对单位单元100进行配置，使得第二通道110和反应通道170与第二室120任选地经由通孔111流体连通。例如，产生从第二通道110延伸至反应通道170的流体通路可以包括去除安置在第二室120下方的第二层182的一部分。产生此流体通路还可以包括去除安置在第二室120下方的第三层183的相应部分。类似地，可以对单位单元100进行配置，使得反应通道170与第一室140任选地经由通孔131流体连通。例如，产生从第一通道130延伸至反应通道170的流体通路可以包括去除安置在第一室140下方的第二层182的一部分。产生此流体通路可以包括去除安置在第一室140下方的第三层183的相应部分。第四层184包括界面通道160。
因此，如在本文中所示的，第一通道130至少部分地容纳在第一层181内。控制通道150，通孔111和通孔131各自至少部分地容纳在第二层182内，其中第二层邻近第一层。第二通道110和反应通道170至少部分地容纳在第三层183内，其中第三层邻近第二层。如在本文中所示的，通孔131，111安置在第二层182内。应当理解，可以在第三层183中形成相应的通孔，从而提供从室140通过通孔131并且进入到通道170中的流体连通，和从室120通过通孔111并且进入到通道110和170的交叉部中的流体连通。界面通道160至少部分地容纳在第四层184内，其中第四层邻近第三层。第一室140至少部分地容纳在第一层181内。第一室140在一些情况下还可以至少部分地容纳在位于第二层182和第三层183内的通路内，或与位于第二层182和第三层183内的通路连通，从而在第一室140和第一通道130之间，以及在第一室140和反应通道170之间提供流体连通。第二室120至少部分地容纳在第一层181内。在一些情况下，第二室120可以至少部分地容纳在位于第二层182和第三层183中的通路内，或与位于第二层182和第三层183中的通路连通，从而在第二室120和反应通道170之间提供流体连通。
根据图1中所示的实施方案中，反应通道170和界面阀门162没有位于与第一室140和第二室120相同的平面或水平内。例如，反应通道170安置在第三层183中，界面阀门162在第四层184和第三层183之间的边界或接合部处或附近起作用，而第一和第二室140，120安置在第一层181中。由于路径通道或反应通道170在比所述室的层更低或不同的层中通过，因此这允许将所述室彼此紧密接近地安置。在一些实施方案中，第一室140的侧壁与第二室120的对面侧壁以约120微米的距离分开。在相关的实施方案中，第一和第二室的对面侧壁之间的距离在约40微米至约225微米的范围内。例如，第一室侧壁和对面第二室侧壁可以以约50微米，约60微米，约70微米，约80微米的距离分开。通常，界面阀门162的宽度约为50微米。因此，第一和第二室的对面侧壁之间的距离可以小于，大约等于，或大于控制或调节所述室之间的流动的界面阀门的直径或宽度。因此，使用这种构造的微流体装置可以在给定的面积内提供极大数量的室。在控制两个室之间的流动的阀门安置在与室相同的层中的情况下，可能难以获得这样高的密度。
第一室140可以具有在约25微米至约75微米范围内的宽度，在约80微米至约240微米范围内的长度，和在约30微米至约90微米范围内的高度。相关地，第一室140可以具有在约0.1纳升至约10纳升范围内的容积。例如，第一室140可以具有50微米的宽度，162.5微米的长度，60微米的高度，和0.49纳升的容积。第二室120可以具有在约70微米至约210微米范围内的宽度，在约80微米至约240微米范围内的长度，和在约150微米至约450微米范围内的高度。相关地，第二室120可以具有在约1纳升至约20纳升范围内的容积。例如，第二室120可以具有137.5微米的宽度，162.5微米的长度，300微米的高度，和6.7纳升的容积。根据本发明的实施方案的微流体装置可提供约300微米的第一室120至第二室之间的中心-至-中心距离。在一些情况下，该中心-至-中心距离在约250微米至约350微米的范围内。任选地，在第一室至第二室之间的中心-至-中心距离为约312.5微米。
在一些实施方案中，微流体装置可以包括一个或多个根据旋转或倾注制作方案制备的层。例如，旋转方案可以包括将聚合物材料放置在图案化的圆盘或模具上，并且旋转圆盘以产生横跨圆盘的聚合物层。示例性聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯，聚丙烯，聚酯，氟聚合物，聚四氟乙烯，聚碳酸酯，多晶硅，和聚二甲基硅氧烷(PDMS)。倾注方案可以包括例如在图案化的模板或模具上倾注PDMS材料，这可以导致可以从模具完整剥离的PDMS层。通常，通过倾注制作技术制备的层比通过旋转制作技术制备的层厚。弹性体块体可以以任何期望的组合包括一个或多个倾注或旋转层。在一些实施方案中，第一层181可以根据倾注方案制作。例如，可以将PDMS倾注到具有相应于各种所需流体流动通道和室的凸起部分的模具上。图1B显示可以用于制作图1A的第一层181的示例性模具190b。在固化以后，可以将第一层从模具剥离。第一层181可以包括至少部分地形成或限定第一通道130，第一室140和第二室120的开口，凹槽或其它空隙。为了产生第二层182，可以将PDMS放置在具有相应于各种所需密封或控制通道的凸起部分的模具上。图1C显示可以用于制作图1A的第二层182的示例性模具190c。模具190c也可以包括例如形成第二层182中的相应标记的凸起或轮廓部分191c。这些标记可以在激光切削程序中使用，使得在切削过程中激光切削直接朝向标记。可以将模具190c旋转，从而提供横跨模具的PDMS薄层。第二层182可以包括至少部分地形成或限定控制通道150的开口，凹槽或其它空隙。在一些情况下，第二层182可以暴露于一次或多次激光切削。朝向第二层182的切削激光束可以形成通孔111，131。在第二层182充分固化以后，可以将第一层181与第二层对齐并与第二层接触。第一层可以与第二层粘附，并且可以将两个层同时从模具190c剥离。为了产生第三层183，可以将PDMS放置在具有相应于各种所需密封或控制通道的凸起部分的模具上。图1D显示可以用于制作图1A的第三层183的示例性模具190d。可以将模具旋转，从而提供横跨模具的PDMS薄膜。第三层183可以包括至少部分地形成或限定第二通道110和反应通道170的开口，凹槽或其它空隙。在第三层183充分固化以后，可以将组合的第一层181和第二层182与第三层对齐并接触。第三层可以与第二层粘附，并且可以将所有三个层同时从模具190d剥离。为了产生第四层184，可以将PDMS放置在具有相应于各种所需密封或控制通道的凸起部分的模具上。图1E显示可以用于制作图1A的第四层184的示例性模具190e。可以将模具旋转，从而提供横跨模具的PDMS薄层。第四层184可以包括至少部分地形成或限定界面通道160的开口，凹槽或其它空隙。在第四层184充分固化以后，可以将组合的第一层181，第二层182和第三层183与第四层对齐并且接触。第四层可以与第三层粘附，并且可以将所有四个层同时从模具190e剥离。任选地，可以将4个层放置在第五层186上或与第五层186接触，如在图1A中所示。第五层可以包括层压体或胶带或类似的合适材料，其作用是密封第四层中凹槽，从而形成或密封界面通道160。以此方式，于是可以将组合的第一，第二，第三和第四层放置在可以是固体旋转层的第五层上，或与可以是固体旋转层接触。第五层可以起密封层作用。根据一些实施方案，第五层可以包括弹性体材料，例如PDMS。在一些情况下，第五层可以包括刚性或硬材料，例如玻璃，硅，或塑料如聚苯乙烯。第五层可以例如密封在第四层底部形成的凹槽，从而提供第四层中的通道。密封层可以包括经由粘合剂粘附于第四层的膜。因此，密封层可以从邻近层中模制或机械加工的凹槽形成通道。密封层可以是透明材料，例如，聚苯乙烯，聚碳酸酯，或聚丙烯。相关地，密封层可以是挠性的，例如胶带，并且可以适于通过粘合粘附于基板，例如通过粘合剂或热封，或例如通过挤压机械地附着。通常，用于制作密封层的材料适应于与每一个凹槽形成流体密封，从而形成具有最小泄漏的流体通道。密封层还可以被刚性的另外的支持层(未显示)支持。在一些情况下，密封层是刚性的。
在一些情况下，可以在处于一个层的通道或室和处于另一个层的通道或室之间形成通路或通孔。例如，可以产生通过第二层182的通孔131，以在第一层181中的第一室140和第三层183中的反应通道170之间提供流体连通。类似地，可以产生通过第二层182的通孔111，以在第一层181中的第二室120和第三层183中的第二通道110和反应通道170之间提供流体连通。在一些情况下，这些通孔的产生可以增大反应室的容积。在一些情况下，通孔可以通过使用激光冲孔以去除或切削部分的弹性体膜而形成。如在图1A中所示，例如，反应室120，140可以具有在由第一通道130的顶部限定的平面上方延伸的内部空间。此内部空间还可以在由第二通道110的顶部限定的平面上方延伸，并且在由反应通道170的顶部限定的平面上方延伸。因此，在单位单元的装载过程中，流体可以流动通过第一通道130并且向上进入到第一室140的内部。类似地，在加载过程中，流体可以流动通过第二通道110并且任选地通过在第二层中形成的通孔向上进入到第二室120的内部。相关地，在混合操作过程中，流体可以从第一室140的内部流出并且任选地通过在第二层中形成的通孔131向下进入到反应通道170中。类似地，在混合操作过程中，流体可以从反应通道170流出并且任选地通过在第二层中形成的通孔111向上进入到第二室120的内部。
根据本发明的实施方案，作为形成对于第一层181中的第一通道130的加载通路的程序的一部分，可以将第二，第三，第四和第五层加工或激光冲孔。相关地，作为形成对于第三层183中的第二通路110的加载通路的程序的一部分，可以将第四和第五层加工或激光冲孔。加载通路，通孔等可以使用钻孔或切削机构形成。例如，加载通路或通孔可以通过切削弹性体块体的一部分而制作。受激准分子激光器非常适于这种切削技术，因为它们可以产生去除弹性体块体的一部分的激光束。在一些情况下，加载通路或通孔或它们的一部分可以在将一个或多个单个层粘附在一起之前形成。例如，加载通路或通孔的一部分可以在模制过程中形成在层中，或在模制工艺以后并且在粘附工艺之前形成在层中。任选地，形成加载通路或通孔的至少一部分可以包括在形成完全的多层弹性体块体之前蚀刻掉一个或多个弹性体层。
因此，在一些实施方案中，制作方法包括在第一微机械加工模具的顶部形成第一弹性体层，其中所述第一微机械加工模具具有一个或多个凸起的凸部，其沿第一弹性体层的底部表面形成一个或多个凹槽。方法还可以包括在第二微机械加工模具的顶部形成第二弹性体层，其中所述第二微机械加工模具具有一个或多个凸起的凸部，其沿第二弹性体层的底部表面形成一个或多个凹槽。方法可以包括将第一弹性体层的底部表面粘合或结合在第二弹性体层的顶部表面上，使得通道或室在第一和第二弹性体层之间形成凹槽。可以以此方式制作任何所需数量的层。方法还包括将最后的或最终的弹性体层安置在平面基板的顶部上，使得通道或室在最终弹性体层和平面基板之间形成凹槽。本发明的实施方案包括具有包括这种通道或室的任何所需弹性体阀门或泵构造的多层微流体装置。示例性弹性体阀门和泵制作技术描述于美国专利6,408,878中，所述美国专利的内容通过引用结合在此。
本发明的微流体装置实施方案可以由任何材料或材料的组合构成，其可以制作成具有微流体通道和室，以及调节通过通道和进入到室中的流动的阀门。可以制作装置的材料包括但不限于弹性体，硅，玻璃，金属，聚合物，陶瓷，无机材料，和/或这些材料的组合。
在微流体装置的制作中使用的方法可以随着所使用的材料而变化，并且包括软刻蚀法，微组装，块体微机械加工法，表面微机械加工法，标准平版印刷法，湿式蚀刻，反应性离子蚀刻，等离子体蚀刻，立体平版印刷和激光化学三维书写法，模组装法，复制模制法，注塑法，热模塑法，激光切削法，方法的组合，和现有技术中已知的或未来开发的其它方法。各种示例性制作方法描述于下列中：Fiorini和Chiu，2005，″可抛式微生物流体装置：制作，功能和应用(Disposable microfluidic devices：fabrication，function，and application)″生物技术(Biotechniques)38：429-46；Beebe等，2000，″微流体筑造学：用于微流体系统的广泛构造平台(Microfluidictectonics：a comprehensive construction platform for microfluidic systems.)″Proc.Natl.Acad.Sci.USA 97：13488-13493；Rossier等，2002，″等离子体蚀刻的聚合物微电化学系统(Plasma etched polymer microelectrochemicalsystems)″实验室芯片(Lab Chip)2：145-150；Becker等，2002，″聚合物微流体装置(Polymer microfluidic devices)″Talanta 56：267-287；Becker等，2000，″用于微流体分析应用的聚合物微制造方法(Polymer microfabricationmethods for microfluidic analytical applications)″电泳(Electrophoresis)21：12-26；US 6,767,706B2，例如，6.8部分″硅装置的微制造(Microfabrication of a Silicon device)″；Terry等，1979，在硅晶片上制作的气相色谱空气分析器(A Gas Chromatography Air Analyzer Fabricated on aSilicon Wafer)，IEEE Trans.on Electron Devices，v.ED-26，第1880-1886页；Berg等，1994，Micro TotalAnalysis Systems，纽约，Kluwer；Webster等，1996，Monolithic Capillary Gel Electrophoresis Stage with On-Chip Detector inInternational Conference On Micro Electromechanical Systems，MEMS 96，第491496页；和Mastrangelo等，1989，Vacuum-Sealed Silicon MicromachinedIncandescent Light Source，国际电子器件会议(Intl.Electron DevicesMeeting)，IDEM 89，第503-506页。这些参考文献中的每一篇都为了所有目的而通过引用结合在此。
在优选实施方案中，使用弹性体制作装置。使用弹性体材料的制作方法和用于设计装置及其部件的方法已经详细描述于科学和专利文献中。参见，例如，Unger等，2000，科学(Science)288：113-16；美国专利US 6,960,437(使用微流体装置的核酸扩增(Nucleic acid amplification utilizingmicrofluidic devices))；US 6,899,137(微制造弹性体阀门和泵系统(Microfabricated elastomeric and pump systems))；6,767,706(集成有源通量微流体装置和方法(Integrated active flux microfluidic devices and methods))；6,752,922(微流体色谱(Microfluidic chromatography)；6,408,878(微制造弹性体阀门和泵系统(Microfabricated elastomeric and pump systems)；6,645,432(包括三维阵列通道网络的微流体系统(Microfluidic systems
including three-dimensionally arrayed channel networks))；美国专利申请公布2004/0115838，2005/0072946；2005/0000900；2002/0127736；2002/0109114；2004/0115838；2003/0138829；2002/0164816；2002/0127736；和2002/0109114；PCT专利申请WO 2005/084191；WO 05030822A2；和WO01/01025；Quake&Scherer，2000，″使用软材料从微制造至纳米制造(Frommicro to nanofabrication with soft materials)″科学(Science)290：1536-40；Xia等，1998，″软刻蚀(Soft lithography)″德国应用化学国际版(AngewandteChemie-Intemational Edition)37：551-575；Unger等，2000，″通过多层软刻蚀的单片电路微制造阀门和泵(Monolithic microfabricated valves and pumpsby multilayer soft lithography)″科学(Science)288：113-116；Thorsen等，2002，″微流体大规模集成(Microfluidic large-scale integration″科学(Science)298：580-584；Chou等，2000，″微制造旋转泵(MicrofabricatedRotary pump)″生物医学微装置(Biomedical Microdevices)3：323-330；Liu等，2003，″用微流体阵列解决“世界-至-芯片”界面问题(Solving the″world-to-chip″interface problem with a microfluidic matrix)″分析化学(Analytical Chemistry)75，4718-23，″Hong等，2004，″具有平行构造的纳升尺度核酸处理器(A nanoliter-scale nucleic acid processor with parallelarchitecture)″自然生物技术(Nature Biotechnology)22：435-39；Fiorini和Chiu，2005，″可抛式微生物流体装置：制作，功能和应用(Disposablemicrofluidic devices：fabrication，function，and application)生物技术(Biotechniques)38：429-46；Beebe等，2000，″微流体筑造学：用于微流体系统的广泛构造平台(Microfluidic tectonics：a comprehensive constructionplatform for microfluidic systems.)Proc.Natl.Acad.Sci.USA97：13488-13493；Rolland等，2004，″用于微流体装置制作的耐溶剂的可光固化“液体Telfon”(Solvent-resistant photocurable″liquid Teflon″formicrofluidic device fabrication)″美国化学会志(J Amer.Chem.Soc.)126：2322-2323；Rossier等，2002，″等离子体蚀刻的聚合物微电化学系统(Plasma etched polymer microelectrochemical systems)″实验室芯片(LabChip)2：145-150；Becker等，2002，″聚合物微流体装置(Polymer microfluidicdevices)″Talanta 56：267-287；Becker等，2000，和本文中引用的以及在科学和专利文献中发现的其它参考文献。这些参考文献中的每一篇都为了所有目的而通过引用结合在此。
本发明的实施方案还包含微流体制作和生产以及微流体装置操作和应用的各方面，如在2008年1月22日提交的美国专利申请12/018,138中所公开的，所述美国专利申请为了所有目的而通过引用结合在此。
可以将各种切削，蚀刻或类似技术中的任何一种用于在弹性体块体，膜或层中以形成通孔或通路。例如，这样的蚀刻程序非常适于产生具有多个孔或口的弹性体层。在一个示意性方法中，将弹性体材料放置在晶片或模具上，并且使其固化。弹性体材料可以包括一种或多种聚合物掺入材料，例如氯硅烷或甲基-、乙基-和苯基硅烷，并且还可以使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)如陶氏化学公司(Dow Chemical Corp.)Sylgard 182，184或186，或脂族尿烷二丙烯酸酯例如(但不限于)来自UCB Chemical的Ebecryl 270或Irr 245。在一些情况下，以旋涂法，喷涂法，浸涂法，丝网印刷法，喷墨沉积法等将弹性体材料沉积在晶片或模具上。固化程序可以包括烘焙或室温硬化(RTV)，光固化，等。
弹性体组合物可以包括多个部分，其可以以各种比率混合在一起以得到所需结合性质。例如，弹性体材料可以包括部分A和部分B，其在以规定的量混合在一起时有助于所需的结合参数。在一些情况下，可以以在约3∶1至约30∶1范围内的比率将所述部分混合。例如，将弹性体PDMS组合物烘焙以提供10∶1RTV层。
在一些情况下，可以将光刻胶材料放置在固化弹性体材料上。例如，可以将SU-8抗蚀剂(购自MicroChem Corp.，牛顿，MA)涂覆于弹性体。示例性SU-8抗蚀剂包括SU-82000，SU-83000，SU-82007，SU 83005，等。光刻胶可以在所需的旋转速度和持续时间以旋涂程序沉积在弹性体材料上。在一些情况下，旋涂可以在约1000至约10,000rpm范围内的旋转速度下进行，并且历时约20秒至约2,000秒的持续时间。例如，可以以5000rpm进行旋涂，历时200秒。在此沉积以后，光刻胶掩模可以具有在约0.5至约50微米范围内的厚度或深度。在一些情况下，厚度约为5微米。可以选择掩模的厚度，以易于通孔开口形成，并且选择的旋转时间可以消除或抑制光刻胶材料起球。光刻胶材料可以用作蚀刻掩模。
可以进行另外的程序以制备用于光刻法曝光的光刻胶。例如，可以在选择的温度处理光刻胶历时选择的持续时间。在一些实方案中，将光刻胶在约45℃至约85℃范围内的温度软烘焙。相关地，可以将光刻胶烘焙历时在约1分钟至约10分钟范围内的持续时间。在一些情况下，软烘焙在65℃进行5分钟。这样的制备技术可以有助于消除或抑制光刻胶掩模在曝光时破裂。制备程序还可以包括将光刻胶冷却。例如，可以将光刻胶在室温或在处于约18℃至约37℃范围内的温度冷却，并且历时在约3分钟至约300分钟范围内的持续时间。在一些情况下，将光刻胶冷却约30分钟。
光刻程序可以包括多个曝光步骤。例如，第一曝光步骤可以用第一曝光掩模进行，而随后的第二曝光步骤可以用第二曝光掩模进行。曝光步骤可以包括通过曝光掩膜朝向光刻胶施加辐射或能量。曝光辐射可以包括紫外光，近红外光，深紫外光，可见光，红外光，或沿电磁光谱处于任意所需波长的能量。在一些情况下，在一个或多个处于约10至约10-9cm范围内的波长递送曝光辐射。在一些情况下，可以基于光刻胶的组成选择辐射或能量的类型。例如，可以将特定类型的辐射或能量施加于I-线光刻胶，G-线光刻胶，H-线光刻胶等。
多个掩模的使用可以有助于防止或抑制将掩模上的污染物的影响复制到光刻胶上。例如，如果在某个位置的第一掩模上存在不期望的粒子，则用第二掩膜曝光可以有助于保证光刻胶在所述位置的曝光。在曝光工艺之后可以进行后曝光烘焙(PEB)程序。在一些情况下，PEB程序在约50℃至约80℃范围内的温度进行在约0至约200分钟范围内的持续时间。例如，PEB可以在65℃进行2分钟。在一些情况下，PEB可以起到交联光刻胶掩模材料的作用，从而使得该材料不溶。其后，可以允许曝光的光刻胶冷却。示例性的冷却过程在约18℃至约37℃范围内的温度下进行约1小时至约40小时的持续时间。在一些情况下，将曝光的光刻胶在室温冷却约18小时。
可以在曝光以后进行显影工艺。在一些情况下，在约10秒至约10分钟范围内的持续时间将光刻胶掩膜显影。在显影工艺期间，将显影剂施用于曝光的光刻胶。显影剂可以包括，例如，有机溶剂如乙酸酯。应当理解，显影剂或溶剂可以基于光刻胶的组成而选择。显影剂可以起到溶解或降解在曝光过程中未被曝光或遮蔽的光刻胶层的区域或位置的作用。在显影以后，对光刻胶掩模进行干燥程序。例如，将掩膜进行旋转干燥。还可以允许掩模松弛所需的时间段。在一些情况下，允许掩模在室温或室温附近松弛在约1分钟至约48小时范围内的持续时间。
任选地，可以将另外的弹性体层旋涂或以其它方式涂敷到显影的光刻胶上。例如，可以将厚度或深度在约0.3微米至约30微米范围内的RTV涂层沉积在光刻胶掩模上。可以在约40℃至约80℃范围内的温度将弹性体涂层烘焙约5分钟至约3小时范围内的持续时间。在一些情况下，将3微米的RTV涂层旋涂在SU-8掩模上，并且在60℃烘焙1小时。这种技术可以有助于将侧向蚀刻最小化，并且减小通孔尺寸的非均匀性。RTV层可以沉积在图案化的光刻胶层上，以帮助防止或抑制下面的弹性体中形成针孔。
典型地，蚀刻包括去除在显影以后未被光刻胶保护的弹性体材料的某些区域。在一个示例性程序中，可以将蚀刻在约50℃至约90℃范围内的温度进行在约1分钟至约20分钟范围内的持续时间。例如，蚀刻可以在80％的氟化四丁基铵(TBAF)蚀刻剂溶液中在70℃进行6-8分钟。在一些情况下，蚀刻在超声浴槽中，任选在脱气模式中进行。这样的程序可以有助于保证均匀的蚀刻深度，并且在蚀刻程序中对光刻胶掩模的损害最小。在蚀刻以后可以用去离子水洗涤。在一些情况下，进行热水洗涤3分钟。可以将光刻胶掩模用胶带去除。可以任选再次施用去离子水洗涤，历时3分钟。层叠程序可以对弹性体提供另外的层。在一些情况下，可以经由层间粘合将邻近的层彼此粘附。
图2示例单位单元100的另一个透视图。如本文中参考“A”箭头所示，第一材料可以从第一反应室140流动，通过通孔131，通过反应通道170，经过界面阀门162，通过通孔111，并且进入到第二反应室120中，在所述第二反应室120中，第一材料可以接触第二材料。应当理解，在一些实施方案中，第二材料可以从第二反应室120流动，通过通孔111，通过反应通道170，经过界面阀门162，通过通孔131，并且进入到第一反应室中。为了允许通过反应通道170的这种流动，可以将界面通道160激活，从而将界面阀门162从关闭阀门状态转变成打开阀门状态。在这样的条件下，第一和第二反应室140、120经由反应通道和通孔处于流体连通状态。当例如容纳于第一反应室140中的材料相对于容纳于第二反应室120中的材料处于更高压力时，压力差可以有助于释放或打开界面阀门162。相关地，这样的压力差可以有助于第一材料和第二材料之间的混合，因为第一材料被强有力地从第一室排出并且进入到第二室中，从而将第一材料的物流喷出到容纳于第二室中的第二材料中，在所述第二室中，第一材料可以扩散或渗透到第二材料中。通常，在第二反应器内第一和第二材料之间的任何反应的存在、不存在或程度，或包含第一和第二材料中的任一种或两种，可以通过检查来表征、确认、检测或量化，例如使用读取器、传感器或成像装置190检查。成像装置190可以包括任选具有电荷耦合装置(CCD)的照相机，其检测或监测从所述室中发出的能量。在一些情况下，成像装置可以检测发射强度输出。适用于本发明的实施方案的示例性成像装置和读取器技术描述于在2007年12月11日授权的美国专利7,307,802中，所述美国专利的内容通过引用结合在此。在一些情况下，热循环仪有助于室内的反应。本发明的实施方案包括用于将室内的材料混合并反应的系统和方法，在所述室中，这样的混合或反应程序包括多种所需的热循环加热方案或热梯度形式中的任何一种。
图3示例具有以两行和两列形式布置的四组单位单元300(1，1)，300(1，2)，300(2，1)和300(2，2)的矩阵300的透视图。矩阵300包括多个第一通道330(1)，330(2)，多个第一隔离阀门332(1，1)，332(1，2)，332(2，1)，332(2，2)，多个第一室340(1，1)，340(1，2)，340(2，1)，340(2，2)，多个第二通道310(1)，310(2)，多个第二隔离阀门312(1，1)，312(1，2)，312(2，1)，312(2，2)，多个第二室320(1，1)，320(1，2)，320(2，1)，320(2，2)，多个控制通道350(1)，350(2)，多个界面通道360(1)，360(2)，和多个反应通道370(1，1)，370(1，2)，370(2，1)，370(2，2)。应当理解，在本文中公开的单位单元构造实施方案可以依比例决定，以提供具有任何数量的所需单位单元的矩阵。例如，矩阵可以包括以96行和96列形式布置的9216个单元单元。因此，本发明的实施方案提供高密度格式，其用于将多个样品与多个试剂反应，例如，将九十六(96)个样品与九十六种试剂反应。
微流体装置特征例如通道、阀门、室通常可以被至少部分地包含、嵌入弹性体块体380的一个或多个层，或由弹性体块体380的一个或多个层形成，或形成在弹性体块体380的一个或多个层内。如在本文中参考“A1”箭头所示，第一材料如试剂可以流动通过第一通道330(1)，经过或通过多个第一隔离阀门332(1，1)，332(1，2)，并且分别进入到多个第一室340(1，1)，340(1，2)中。类似地，参考“A2”箭头，第二材料例如试剂可以流动通过第一通道330(2)，经过或通过多个第一隔离阀门332(2，1)，332(2，2)，并且分别进入到多个第一室340(2，1)，340(2，2)中。在一些实施方案中，材料在同样的方向上流动通过第一通道330(1)和第一通道330(2)。在一些实施方案中，材料在与材料流动通过第一通道330(2)的方向相反的方向上流动通过第一通道330(1)行进。参考“B1”箭头，第三材料例如样品可以流动通过第二通道310(1)，经过或通过多个第二隔离阀门312(1，1)，312(2，1)，并且分别进入到多个第二室320(1，1)，320(2，1)中。因此，本发明的实施方案提供这样的微流体技术，材料凭借所述微流体技术可以流动通过通道的共同通路或干线，例如第二通道310(1)，并且进入到源自共同干线的多个单独支线中，例如各自供给到第二室320(1，2)，320(2，2)的那些支线通道。类似地，参考“B2”箭头，第四材料例如样品可以流动通过第二通道310(2)，经过或通过多个第二隔离阀门312(1，2)，312(2，2)，并且分别进入到多个第二室320(1，2)，320(2，2)中。在一些实施方案中，材料在相同的方向上流动通过第二通道310(1)和第二通道310(2)。在一些实施方案中，材料在与材料流动通过第二通道310(2)的方向相反的方向上流动通过第二通道310(1)行进。如在图3中所示，流动通过第二通道310(1)的材料和流动通过第二通道310(2)的材料分别在相反的方向“B1”和“B2”上行进。因此，当将多个样品装入弹性体层叠块体中时，一些样品可以通过在块体一侧的路线引入，而一些样品可以通过在块体相对侧的路线引入。这允许了样品加载路线在块体的相对侧面上的均匀分布或布置，而非将所有的或大部分的样品加载路线都放置在块体的同一侧上。因为全部样品路线被分在块体不同侧面上，所以可以将更多的样品路线引入到块体中。因此，可以在单个程序期间在块体内分析大量样品。
为了允许从多个第一通道330(1)，330(2)进入到多个第一反应室340(1，1)，340(1，2)，340(2，1)，340(2，2)中的流动，多个第一隔离阀门332(1，1)，332(1，2)，332(2，1)，332(2，2)中的每一个处于打开阀门状态。为了允许从多个第二通道310(1)，310(2)进入到多个第二反应室320(1，1)，320(1，2)，320(2，1)，320(2，2)中的流动，多个第二隔离阀门312(1，1)，312(1，2)，312(2，1)，312(2，2)中的每一个处于打开阀门状态。为了防止或抑制在多个第一反应室340(1，1)，340(1，2)，340(2，1)，340(2，2)中的每一个和多个第二反应室320(1，1)，320(1，2)，320(2，1)，320(2，2)中它们的的相应配对物之间分别通过多个反应通道370(1，1)，370(1，2)，370(2，1)，370(2，2)中它们的相应配对物的流动，多个界面阀门362(1，1)，362(1，2)，362(2，1)，362(2，2)中的每一个分别处于关闭阀门状态。在这样的条件下，第一通道330(1)与第一反应室340(1，1)，340(1，2)处于流体连通，第一通道330(2)与第一反应室340(2，1)，340(2，2)处于流体连通，第二通道310(1)与第二反应室320(1，1)，320(2，1)处于流体连通，并且第二通道310(2)与第二反应室320(1，2)，320(2，2)处于流体连通。分别在第一室340(1，1)，340(1，2)，340(2，1)，340(2，2)和第二室320(1，1)，320(1，2)，320(2，1)，320(2，2)之间的流体连通被打断。
第一材料可以经由第一通道330(1)装入第一反应室340(1，1)，340(1，2)中。第二材料可以经由第一通道330(2)装入第一反应室340(2，1)，340(2，2)中。第三材料可以经由第二通道310(1)装入第二反应室320(1，1)，320(2，1)中。第四材料可以经由第二通道310(2)装入第二反应室320(1，2)，320(2，2)中。任选地，这种材料可以在所需的或选择的压力下装入室中。可以激活控制通道350(1)，从而将第一隔离阀门332(1，1)，332(2，1)和第二隔离阀门312(1，1)，312(2，1)中的每一个从打开阀门状态转变成关闭阀门状态。类似地，可以激活控制通道350(2)，从而将第一隔离阀门332(1，2)，332(2，2)和第二隔离阀门312(1，2)，312(2，2)中的每一个从打开阀门状态转变成关闭阀门状态。以此方式，可以任选在压力下将材料限制或保持在反应室内。
图4阐明具有四个单位单元300(1，1)，300(1，2)，300(2，1)，300(2,2)的矩阵300的另一个透视图。如在本文中参考“A”箭头所示，第一材料可以从第一反应室340(1，1)流动，通过反应通道370(1，1)，经过界面阀门362(1，1)，并且进入到第二反应室320(1，1)中，在所述第二反应室320(1，1)中，第一材料可以接触第三材料。为了允许通过反应通道370(1，1)的流动，可以将界面通道360(1)激活，从而将界面阀门362(1，1)从关闭阀门状态转变成打开阀门状态。在这样的条件下，第一反应室340(1，1)和第二反应室320(1，1)经由反应通道370(1，1)处于流体连通状态。通常，在第二反应室320(1，1)内第一和第三材料之间的任何反应的存在、不存在或程度可以通过检查来确认、检测或量化，例如使用读取器或传感器390检查。
参考“B”箭头，第一材料可以从第一反应室340(1，2)流动，通过反应通道370(1，2)，经过界面阀门362(1，2)，并且进入到第二反应室320(1，2)中，在所述第二反应室320(1，2)中，第一材料可以接触第四材料。为了允许通过反应通道370(1，2)的这种流动，可以激活界面通道360(1)，从而将界面阀门362(1，2)从关闭阀门状态转变成打开阀门状态。在这样的条件下，第一反应室340(1，2)和第二反应室320(1，2)经由反应通道370(1，2)成流体连通状态。通常，在第二反应室340(1，2)内第一和第三材料之间的任何反应的存在、不存在或程度可以通过检查来确认、检测或量化，例如使用读取器或传感器390检查。
参考“C”箭头，第二材料可以从第一反应室340(2，1)流动，通过反应通道370(2，1)，经过界面阀门362(2，1)，并且进入到第二反应室320(2，1)中，在所述第二反应室320(2，1)中，第二材料可以接触第三材料。为了允许通过反应通道370(2，1)的这种流动，可以激活界面通道360(2)，从而将界面阀门362(2，1)从关闭阀门状态转变成打开阀门状态。在这样的条件下，第一反应室340(2，1)和第二反应室320(2，1)经由反应通道370(2，1)成流体连通状态。通常，在第二反应室320(2，1)内第一和第三材料之间的任何反应的存在、不存在或程度可以通过检查来确认、检测或量化，例如使用读取器或传感器390检查。
参考“D”箭头，第二材料可以从第一反应室340(2，2)流动，通过反应通道370(2，2)，经过界面阀门362(2，2)，并且进入到第二反应室320(2，2)中，在所述第二反应室320(2，2)中，第二材料可以接触第四材料。为了允许通过反应通道370(2，2)的这种流动，可以激活界面通道360(2)，从而将界面阀门362(2，2)从关闭阀门状态转变成打开阀门状态。在这样的条件下，第一反应室340(2，2)和第二反应室320(2，2)经由反应通道370(2，2)成流体连通状态。通常，在第二反应室320(2，2)内第四和第二材料之间的任何反应的存在、不存在或程度可以通过检查来确认、检测或量化，例如使用读取器或传感器390检查。
在一些实施方案中，术语隔离阀门和密封阀门可以交换使用。类似地，术语界面阀门和反应阀门可以交换使用。这种阀门可以被启动或激活，或通过各种阀门操作方法或配置中任一种以其它方式控制。可以很好地适合用于本发明的实施方案的示例性阀门系统和技术描述于例如美国专利6,408,878中，所述美国专利的内容通过引用结合在此。通常，这种阀门包括在启动时偏转成凹槽的弹性体部分。例如，图5A显示微流体装置单位单元500的侧视图或横截面图。该单位单元包括在弹性体块体580的第一层581中的第一通道530和第一样品室540，在第二层582中的控制通道550和通孔511a，和在第三层583中的反应通道570。可以启动隔离阀门532，从而抑制或防止通过第一通道530的流动。隔离阀门532的启动可以包括将弹性体部分532a偏转成第一通道530的凹槽531。第四层584包括界面通道560。图5B显示微流体装置单位单元500的另一个侧视图或横截面图。单位单元包括在第一层581中的样品室520，在第二层582中的控制通道550和通孔531b，和在第三层583中的第二通道510。可以将隔离阀门512启动，从而抑制或防止通过第二通道510的流动。隔离阀门512的启动可以包括将弹性体部分512a偏转成第二通道510的凹槽511。图5C显示与图5A和5B的侧视图垂直的侧视图或横截面图。如在本文中所示，控制通道550的启动可以同时作用于或激活隔离阀门532和隔离阀门512。例如，通过改变控制通道或密封线路550内的流体压力，可以同时将第一弹性体部分向上偏转到第一通道530中，并且将第二弹性体部分向下偏转到第二通道510中。任选地，这可以导致第一材料在第一室内和第二材料在第二室内的保持或隔离。如在图5C中所示，第一通道530和第二通道510各自表现出矩形横截面。在一些情况下，这些通道的任一个或两个可以表现出圆顶状的横截面，其中所述圆顶关于第一通道530向上，并且关于第二通道510倒转。
图6A示例根据本发明的实施方案的微流体699。可以将材料从孔605通过通路或路线601朝向弹性体块体608递送。图6B以平面形式描绘微流体装置699。微流体装置699包括具有集成蓄压器孔601和602的基板，其每一个具有容纳阀门如止回阀门的插座603，604。微流体装置699还包括一个或多个用于接收材料如样品或试剂的孔605，以及一个或多个安置在基板600的孔605和弹性体块体位置607之间的通道或线路。弹性体块体608可以在弹性体块体位置607与基板600连接。弹性体块体可以包括一层或多层具有形成在其中的微制造凹槽或通道的弹性体材料。弹性体块体608可以以多种方式中的任何一种与基板600连接。例如，可以将弹性体块体与基板附着或粘合。在一些情况下，将块体与基板直接粘合。在一些情况下，在不使用粘合剂的情况下将块体与基板连接。在一些情况下，用粘合剂将块体与基板连接。在弹性体块体608内是与一个或多个通孔614流体连通的一个或多个通道，所述通孔614进而在弹性体块体通道和基板通道之间提供流体流体连通。因此，基板通道可以在孔605和弹性体块体内的通道之间提供流体连通。
蓄压器孔601，602通常分别包括阀门611，612，所述阀门可以是用于将处于压力下的流体气体引入并保持在蓄压器室615和616中。阀门611和612分别位于插座604和603内部，其可以保持液体(当存在于蓄压器室615和616中时)免于接触阀门611和612。在一些实施方案中，可以将阀门611和612通过按压止回阀门内的片、针等以克服止回阀门的自关闭力而机械打开，从而允许从蓄压器室释放压力，或减小在蓄压器室内容纳的流体压力。
基板600和相关部件可以从下列各项制备：聚合物，例如聚丙烯，聚乙烯，聚碳酸酯，高密度聚乙烯，聚四氟乙烯PTFE或
Figure BPA00001272579400321
玻璃，石英，透明材料，多晶硅，金属，例如铝等。可以将多种气体，液体或流体中的任何一种引入到蓄压器室615和616中。在一些情况下，可以将阀门611和612启动，以释放以其它方式保持在蓄压器室615和616内部的流体压力。任选地，在弹性体块体区域607下方的基板600的一部分可以是透明的。在一些情况下，该部分可以是不透明的或反射性的。蓄压器室601和602可以与弹性体块体区域607中容纳的通道流体连通，并且最终，与在弹性体块体608中容纳的通道流体连通。蓄压器操作描述于美国专利公布2007/0196912中，所述美国专利公布的内容通过引用结合在此。在一些情况下，如图1中所示的通道如控制通道150的操作可以通过蓄压器调节或控制。
图7示例根据本发明的实施方案的微流体装置700。装置700包括与芯片或块体750连接的载体710。载体或框架710包括配置为允许从载体孔朝向芯片750流动的多个路线712。例如，安置在载体的“S”侧的路线可以提供用于样品的通路，而安置在载体的“R”侧的路线可以提供用于试剂的通路。在一些情况下，芯片750还包括多个路线752。例如，芯片上的路线可以提供芯片上从位置A至位置B，并且从位置C至位置D的材料输送。以此方式，可以将加样在载体上的样品的一部分输送到芯片的位置E，并且可以将加样在载体上的样品的另一部分输送到芯片的位置D和B，使得一些样品加样于块体的一侧，而一些样品加样于块体的相对侧，如参考图3进一步讨论的。
图8示例根据本发明的实施方案的微流体装置800。装置800包括与芯片或块体850连接的载体810。载体或框架810包括配置用于允许从载体孔朝向芯片850流动的多个线路812。例如，安置在载体的“S”侧的路线可以提供用于样品的通路，而安置在载体的“R”侧的路线可以提供用于试剂的通路。如在此示例中所示的，在区域S1装入孔中的24个样品流至芯片左侧(上半部)，在区域S2装入孔中的24个样品流至芯片上侧(左半部)，在区域S3装入孔中的24个样品流至芯片上侧(右半部)，并且在区域S4装入孔中的24个样品流至芯片右侧(上半部)。其后，通过任选安置在弹性体块体上或内部的另一组路线，S1样品流至芯片左侧(下半部)，S2样品流至芯片左侧(上半部)，S3样品流至芯片右侧(上半部)，并且S4样品流至芯片右侧(下半部)。此外，在区域R1装入孔中的24个试剂部分流至芯片左侧(下半部)，在区域R2装入孔中的24个试剂部分流至芯片的下侧(左半部)，在区域R3装入孔中的24个试剂部分流至芯片下侧(右半部)，并且在区域R4装入孔中的24个试剂部分流至芯片右侧(下半部)。其后，通过任选安置在弹性体块体上或内部的另一组路线，R1试剂部分流至芯片下侧(左半部)，R2试剂部分流至芯片下侧(左半部)，R3试剂部分流至芯片下侧(右半部)，并且R4样品流至芯片下侧(右半部)。因此，芯片上或芯片中的路线可以提供在芯片上或芯片中从一个位置至另一个位置的材料输送。以此方式，可以输送位于载体一端(例如，“S”端)的样品的一部分，使得一些样品位于块体的一侧上，而一些样品位于块体的相对侧上，如关于图3在本文中进一步讨论的。
在一些实施方案中，微流体装置可以含有封端的(blind)流动通道，所述封端的流动通道包括起反应室或反应部位作用的区域。封端流动，或封端填充，可以表示用液体填充端闭塞(dead-end)管或腔，其中将气体的前部推至液体充填物的前面，并且将气体的前部排空或以其它方式从充填物释放，从而使端闭塞腔完全被液体填充。在一些实施方案中，可以将聚二甲基硅氧烷(PDMS)用作弹性体材料。PDMS是充分可气体渗透的，从而使得在若干psi加压下的液体可以将气体驱逐出通道，从而留下它们完全被液体填充。
表1提供了示例性实验设计，其中可以将各种材料装入或引入到包括4个单位单元的微流体装置中。根据此表，样品可以流动通过第一通道，而试剂可以流动通过第二通道。应当理解，交替地，试剂可以流动通过第一通道，而样品可以流动通过第二通道。本发明的实施方案包括的技术是：样品流动通过一组第一通道和一组第二通道，而试剂流动通过一组第一通道和一组第二通道。
Figure BPA00001272579400341
表2显示在微流体装置反应室中产生的混合物，以及通过进行PCR反应可以回答的实验询问，在所述PCR反应中，样品含有患者DNA而试剂含有寡核苷酸引物和探针组。
Figure BPA00001272579400351
应当理解，可以根据本发明的实施方案将各种材料中的任何一种混合或反应。例如，基因分型应用可以包括检测样品中靶标的存在或不存在。基因表达应用可以包括测量或量化在样品中含有的材料的量。这种应用可以获益于由本发明的实施方案提供的增强的混合功能。此外，微流体装置和方法可以用于将蛋白结晶。在一个实施方案中，方法包括提供微流体装置，所述微流体装置具有尺寸介于1000μm至1μm之间的第一室，尺寸介于1000μm至1μm之间的第二室，和各自尺寸介于1000μm至1μm之间的一个或多个流动或控制通道。第一和第二室可以通过通道彼此处于流体连通。可以沿通道安置阀门，所述阀门在启动而打开或关闭时，控制第一和第二室之间的流体连通，或进入或离开第一或第二室或所述两者。该方法可以包括：将结晶试剂引入到第一室中，将在溶液中的蛋白引入到第二室中，打开阀门使得第二室中的含有蛋白的溶液变得与第一室中的结晶试剂流体连通，并且在一段时间段以后关闭阀门以中断第一和第二室之间的流体连通。
在一些实施方案中，阀门可以处于自动阀门启动装置的控制之下，所述自动阀门启动装置可以进而处于计算机或处理器的控制之下。多层微流体装置可以包括至少一个弹性体层，而阀门可以包括可偏转膜。在一些情况下，阀门的可偏转膜可以偏转到一个或多个通道中，以控制沿通道的流体运动。可以将多个弹性体膜粘合或附着在一起以形成弹性体块体。在一些情况下，部分的通道或室可以在重叠区域与部分的其它通道或室重叠。这样的通道或室可以通过位于重叠区域的通孔处于流体连通状态。
图9-13公开了根据本发明的实施方案的微流体系统和方法的另外的方面。图9显示了示例性微流体装置的具有标尺的照片。图10-12各自显示了示例性微流体装置的读取器图像和由装置提供的实验结果。图13示例了示例性微流体装置，其显示了在输入孔和弹性体块体之间的通道连接。如图13中所示，微流体系统可以包括具有多孔板(multiwell plate)的微流体装置，所述多孔板任选称为载体或框架。通常，多孔板包括塑料材料，例如注塑塑料。多孔板可以包括在输入孔和弹性体块体之间提供流体连通的通道连接或通路。在2008年2月22日提交的美国专利申请61/030,887(用于微流体装置的集成载体(Integrated Carrier for Microfluidic Device))中描述了适用于本申请的微流体系统和方法的载体或框架构造，所述美国专利申请通过引用结合在此。图14显示了根据本发明的实施方案的微流体系统和方法的进一步的方面。
本发明的另外的实施方案包括用于通过核酸分析物与核酸探针如水解探针、发夹探针、锁式探针(PLP)或杂交探针的相互作用来检测核酸分析物的方法。本发明的方法将使用如本文中所述的高通量微流体装置，标记核酸探针和用于检测和/或量化核酸分析物的均相测定的特征与高PCR和探针特异性相结合。本文中所述的某些方法可以允许检测每孔低拷贝数的核酸分析物，具有低荧光背景，从而产生高信噪比。本发明的均相测定可以具有至少约3个量级，更经常至少约4，再更经常至少约5，再更经常至少约6，经常至少约7，并且有时至少约8个量级的动态范围。
根据本发明的实施方案，样品的多种核酸分析物的检测和/或量化通常可以通过下列方法进行：得到预扩增样品，将样品整分并且将预扩增样品分配到含有适当缓冲液、引物、探针和酶的微流体装置的反应室中，进行关于感兴趣的靶核酸分析物的均相测定，和询问等分试样中核酸分析物的存在。
在第一实施方案中，得到猜测含有感兴趣的靶核酸分析物的样品。可以将样品首先反转录成cDNA并且进行初步扩增反应以产生预扩增样品。在初步扩增反应中，对反转录样品进行14个周期的PCR，以将核酸分析物增加约16,000倍。
在第二实施方案中，将预扩增样品的等分试样分配到微流体装置的分开的隔室中并且与适当试剂合并。具体地，等分试样具有在约1百万分之一升至约500纳升范围内，更经常在约100百万分之一升至约20纳升范围内，再更经常在约1纳升至约20纳升范围内，并且最经常在约5纳升至约15纳升范围内的体积。试剂可以包括标记核酸探针，PCR引物(正向引物和反向引物)，热稳定性DNA聚合酶，GT缓冲液，水性缓冲液，氯化镁和三磷酸(truphosphates)脱氧核苷酸，并且还可以包括其它非反应性成分。在一个具体方面中，可以制备预制样品混合物，其可以包括TaqMan通用PCR母液混合物(TaqMan Universal PCR master Mix)，AmpliTaq-Gold(约5个单位/μl)，20x GT缓冲液和H2O。预制样品混合物可以与感兴趣的核酸和适当的引物合并。
在本发明的一个方面中，1x GT缓冲液可以含有在约0.1M至约0.8M范围内的甜菜碱，在约1mg/ml至约4mg/ml范围内的BSA，在约1％至约5％范围内的甘油，在约1％至约5％范围内的PEG 20,000，在约.05％至约5％范围内的PEG MME550，在约1％至约5％范围内的MME5000，在约1％至约15％范围内的在PBS中的
Figure BPA00001272579400371
在约1％至约10％范围内的
Figure BPA00001272579400372
T20，和在约0.1％约至约3％范围内的吐温20。在一个具体方面中，1x GT缓冲液可以含有约0.4M甜菜碱，2mg/ml BSA，约2.5％甘油，约2％PEG 20,000，约1％PEG MME550，约2.5％MME5000，约10％在PBS中的
Figure BPA00001272579400373
约5％T20，和约0.5％吐温20。在一个更具体的实施方案中，1x GT缓冲液可以含有约0.4M甜菜碱，4mg/ml BSA，约5％甘油，约2％PEG 20,000，约1％PEG MME550，约2.5％MME5000，约10％在PBS中的
Figure BPA00001272579400375
约10％
Figure BPA00001272579400376
T20，和约1％吐温20。
在本发明的另一个方面中，可以制备20x GT缓冲液并且当在动态测定中使用时可以稀释到1x的最终浓度。例如，20x GT缓冲液可以包括在约1M至约10M范围内的甜菜碱，在约5mg/ml至约15mg/ml范围内的BSA，和在约20％至约65％范围内的T20(在TBS中)。在一个具体的方面中，GT缓冲液可以包括约5M甜菜碱，约10mg/ml BSA，和约57％在TBS中的
Figure BPA00001272579400378
T20。如本领域技术人员已知的，在最终反应混合物中将20x GT缓冲液稀释至1x。
PCR引物必需足够长以在用于聚合的试剂的存在下引发延伸产物的合成。引物的确切长度和组成将取决于许多因素，包括退火反应的温度，引物的来源和组成，相对于引物退火部位的探针退火部位的接近性，和引物：探针浓度比率。例如，取决于靶序列的复杂性，寡核苷酸引物典型含有约15至约30个核苷酸，尽管它可以含有更多或更少的核苷酸。引物应当充分互补，以选择性地退火至它们各自的链并且形成稳定的双链体。本领域技术人员知道如何选择适当的PCR引物对来扩增感兴趣的靶核酸分析物。
在第三实施方案中，均相测定例如可以通过如实时PCR进行。在此测定中，标记的核酸探针含有一段核酸序列，其能够识别靶核酸分析物中的8-mer和9-mer基序，如上所述。当Taq聚合酶达到标记探针与靶核酸分析物退火的区域，将探针模板杂交体识别为底物，并且随后在引物引导的DNA扩增过程中将探针的磷酸二酯键水解时，不可逆转地消除标记核酸探针的FRET猝灭。水解反应不可逆转地对报道染料释放猝灭剂染料的猝灭效果，从而随着每一个连续的PCR循环而导致增加的检测荧光。应当理解，本发明不限于使用实时PCR，并且可以将上述PCR的其它变化用于检测和/或量化感兴趣的分析物。
本发明的均相测定不应当被解释为限制于基于PCR的检测方法，而是可以使用用于检测和/或量化靶核酸分析物的检测和/或量化的任何方法。在一个方面中，可以使用PCR扩增目标。在另一个方面中，可以使用其它的扩增系统或检测系统，包括在美国专利7,118,910中所述的系统，所述美国专利通过引用整个结合在此。在另外的方面中，可以使用除PCR以外的检测系统，例如测定(Third Wave，麦迪逊，WI)。在一个方面中，通过测量在扩增方法本身期间或以后形成的扩增产物的量，可以将实时量化方法用于确定在样品中存在的靶核酸分析物的量。荧光核酸酶测定是可以与本文中所述的矩阵型微流体装置一起成功地使用的实时量化方法的一个具体实例。监测扩增产物的形成的此方法包括使用双标记核酸探针如水解探针对PCR产物累积进行连续测量。应当理解，本发明不限于使用这些探针并且可以使用任何标记-特异性探针。
在第四实施方案中，可以对反应室中的等分试样询问目标核酸分析物的存在，这可以通过使用标记探针实现。荧光信号可以用荧光检测器监测和量化，所述荧光检测器例如荧光分光光度计和允许监测PCR反应中的荧光的商业系统。
然而，备选地，探针可以是未被标记的，但是可以通过与被直接地或间接地标记的配体的特异性结合来检测。合适的标记，和用于标记探针的方法以及配体在现有技术中是熟知的，并且包括例如，可以通过已知方法掺入的放射性标记(例如，切口移位、随机引发或激酶激活(kinasing))，生物素，荧光基团，化学发光基团(例如，二氧杂环丁烷)酶，抗体，金纳米粒子等。此基本方案的变化是现有技术中已知的，并且包括有助于要被检测的杂交体与无关物质分离和/或放大来自标记部分的信号的那些变化。
应当理解，具体地，使用本发明的方法可以监测至少约10种，更经常至少约25种，再更经常至少约50种，再更经常至少约100种，在一些情况下至少约500种并且有时至少约1000种靶标。因而，该方法可以使用至少约10种，更经常至少约25中，再更经常至少约50种，再更经常至少约100种，在一些情况下至少约500种并且有时至少约1000种靶-特异性探针。
在本文中引用的所有出版物和专利文件(专利，出版的专利申请，和未出版的专利申请)都通过引用结合在此，就像每一篇这样的出版物或文件都通过引用具体并且单独地指出结合在此一样。对出版物和专利文件的引用不意在承认任何的这种文件都是相关现有技术，并且其不构成对所述文件的内容或日期的任何承认。
尽管通过实施例并且为了理解清楚而已经在一些细节中描述了示例性实施方案，但是本领域技术人员应当理解，可以使用多种更改，修改和变化。因此，本发明的范围应当仅受权利要求书限制。

Claims (31)

1.一种微流体装置，其包括：
第一流动通道，其在基板的第一层中形成；
第一控制通道，其在基板的第二层中形成，其中所述第二层邻近所述第一层；和
第二流动通道，其在基板的第三层中形成，其中所述第三层邻近所述第二层；
其中所述第一控制通道内的压力变化调节所述第一和第二流动通道内的流体流动。
2.根据权利要求1所述的微流体装置，所述微流体装置还包括沿所述第一流动通道安置的第一隔离阀门，其中所述第一控制通道控制所述第一隔离阀门的运行。
3.根据权利要求2所述的微流体装置，其中所述第一隔离阀门包括可偏转膜。
4.根据权利要求1所述的微流体装置，所述微流体装置还包括沿所述第二流动通道安置的第二隔离阀门，其中所述第一控制通道控制所述第二隔离阀门的运行。
5.根据权利要求4所述的微流体装置，其中所述第二隔离阀门包括可偏转膜。
6.根据权利要求1所述的微流体装置，所述微流体装置还包括至少部分地安置在所述第一层内的第一室，其中所述第一室与所述第一流体通道流体连通。
7.根据权利要求1所述的微流体装置，所述微流体装置还包括至少部分地安置在所述第一层内的第二室，其中所述第二室与所述第二流体通道流体连通。
8.根据权利要求1所述的微流体装置，其中所述第一控制通道内的压力变化同时调节所述第一和第二流动通道内的流体流动。
9.根据权利要求1所述的微流体装置，其中所述基板包含弹性体材料。
10.一种微流体装置，其包括：
基板，其具有第一层，第二层和第三层，其中所述第二层安置在所述第一层和第三层之间；
第一室，其至少部分地形成在所述基板的所述第一层内；
第二室，其至少部分地形成在所述基板的所述第一层内；和
第一控制通道，其形成在所述基板的所述第二层中；
其中所述第一控制通道内的压力变化调节通过所述第一层并且进入到所述第一室中的第一流体流动，并且还调节通过所述第三层并且进入到所述第二室中的第二流体流动。
11.根据权利要求10所述的微流体装置，所述微流体装置还包括界面通道，所述界面通道在所述第一室和所述第二室之间提供流体连通。
12.根据权利要求11所述的微流体装置，其中所述界面通道形成在所述第三层中。
13.根据权利要求11所述的微流体装置，其中所述界面通道与所述第二流动通道流体连通。
14.根据权利要求12所述的微流体装置，所述微流体装置还包括沿所述界面通道安置的界面阀门，其中所述界面阀门调节在所述第一室和所述第二室之间通过所述界面通道的流动。
15.根据权利要求14所述的微流体装置，其中所述界面阀门包括可偏转膜。
16.一种微流体装置，其包括：
第一流动通道，其形成在基板的第一层中；
第一室，其与所述第一流动通道流体连通；
沿所述第一通道安置的第一隔离阀门，其中所述第一隔离阀门包括在邻近所述第一层的所述弹性体基板的第二层中形成的控制通道的第一部分，并且配置来控制通过所述第一流动通道进入到所述第一室中的流动；
第二流动通道，其在邻近所述第二层的所述基板的第三层中形成；
第二室，其与所述第二流动通道流体连通；
沿所述第二流动通道安置的第二隔离阀门，其中所述第二隔离阀门包括在所述基板的第二层中形成的所述控制通道的第二部分，并且配置来控制通过所述第二流动通道进入到所述第二室中的流动；
反应通道，其形成在所述基板的所述第三层中，与所述第一室和所述第二室流体连通；
沿在所述第一室和所述第二室之间的反应通道安置的界面阀门，其中所述界面阀门包括在邻近所述第三层的所述基板的第四层中形成的界面通道的一部分，并且配置来控制通过所述反应通道的流动。
17.根据权利要求16所述的微流体装置，其中所述第一隔离阀门包括可偏转膜。
18.根据权利要求16所述的微流体装置，其中所述第二隔离阀门包括可偏转膜。
19.根据权利要求16所述的微流体装置，其中所述界面阀门包括可偏转膜。
20.根据权利要求16所述的微流体装置，其中所述第一室限定第一室容积，所述第二室限定第二室容积，并且所述第一室容积小于所述第二室容积。
21.根据权利要求16所述的微流体装置，其中所述第一室限定在约0.1纳升至约10纳升范围内的第一室容积。
22.根据权利要求16所述的微流体装置，其中所述反应通道跨越在所述第一室和所述第二室之间的距离，并且所述距离包括在约200μm至约400μm范围内的长度。
23.一种在微流体装置中混合材料的方法，其包括：
将第一材料流动通过在基板的第一层中形成的第一流动通道；
将所述第一材料流动通过第一隔离阀门，其中所述第一隔离阀门沿所述第一流动通道安置，包括在邻近所述第一层的所述基板的第二层中形成的控制通道的第一部分，并且配置来控制通过所述第一流动通道进入到第一室中的流动；
将所述第一材料从所述第一流动通道流动到所述第一室中；
将第二材料流动通过在邻近所述第二层的所述基板的第三层中形成的第二流动通道；
将所述第二材料流动通过第二隔离阀门，其中所述第二隔离阀门沿所述第二流动通道安置，包括在所述基板的第二层中形成的所述控制通道的第二部分，并且配置来控制通过所述第二流动通道进入到所述第二室中的流动；
将所述第二材料从所述第二流动通道流动到所述第二室中；
启动所述控制通道，从而抑制通过所述第一隔离阀门和所述第二隔离阀门的流动；
将所述第一材料从所述第一室流动通过界面阀门进入到所述第二室中，从而将所述第一材料与所述第二材料混合，其中所述界面阀门包括在邻近所述第三层的所述基板的第四层中形成的界面通道的一部分，并且配置来在所述第一室和所述第二室之间进行控制。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一隔离阀门包括第一可偏转膜，所述第二隔离阀门包括第二可偏转膜，并且启动所述控制通道包括启动所述第一和第二可偏转膜。
25.根据权利要求23所述的方法，所述方法还包括启动界面通道以在所述第一室和所述第二室之间提供流体连通。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述界面阀门包括在邻近所述第三层的所述基板的第四层中形成的界面通道的一部分，并且配置来控制通过在所述第三层中形成的反应通道的流动。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述界面阀门包括可偏转膜，并且启动所述界面通道包括启动所述可偏转膜。
28.根据权利要求23所述的方法，所述方法包括在将所述第一材料流动到所述第二室中之前，将所述第一材料在第一压力下保持在所述第一室中，并且将所述第二材料在第二压力下保持在所述第二室中。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述第一压力大于所述第二压力。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述第一压力为约10psi，而所述第二压力为约0psi。
31.一种微流体装置，其包括：
多个第一流动通道，其形成在基板的第一层中；
多个第一室，其中所述多个第一室中的每一个与所述多个第一流动通道的相应的第一流动通道流体连通；
多个控制通道，其形成在邻近所述第一层的所述基板的第二层中；
多个第一隔离阀门，其中所述多个第一隔离阀门中的每一个沿所述多个第一流动通道的相应的第一流动通道安置，包括所述多个控制通道的相应控制通道的第一部分，并且配置来控制通过所述相应的第一流动通道进入到所述多个第一室的相应的第一室中的流动；
多个第二流动通道，其形成在邻近所述第二层的所述基板的第三层中；
多个第二室，其中所述多个第二室中的每一个与所述多个第二流动通道的相应的第二流动通道流体连通；
多个第二隔离阀门，其中所述多个第二隔离阀门中的每一个沿所述多个第二流动通道的相应的第二流动通道安置，包括所述多个控制通道的相应的控制通道的第二部分，并且配置来控制通过所述相应的第二流动通道进入到所述多个第二室的相应的第二室中的流动；
多个反应通道，其形成在所述基板的所述第三层中，其中所述多个反应通道中的每一个与所述多个第一室的相应的第一室和所述多个第二室的相应的第二室流体连通；
多个界面阀门，其中所述多个界面阀门中的每一个沿在所述相应的第一室和所述相应的第二室之间的所述多个反应通道的相应的反应通道安置，包括在邻近所述第三层的所述基板的第四层中形成的多个界面通道的相应的界面通道的一部分，并且配置来控制通过所述相应的反应通道的流动。
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