用于可控操纵小体积的微流控装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种对一系列钠升－低于纳升的反应体积进行范围广泛的生化分析或控制的方法，和一种进行这种生化分析或控制的装置。这种方法和装置是使用能连续提供高处理能力的流控微型芯片实现的。本发明专利技术的方法和装置的本身，还能导致多道平行分析和控制，对产生的生化信息提供更大的处理能力。特别是，所公开的装置是一种精密加工的通道装置，它能以控制方式操纵纳升或低于纳升的生化反应体积，每个通道能以１－１０Ｈｚ的速率产生结果。与数字移位寄存器相似，以顺序方式控制单个反应体积。根据本发明专利技术的方法和装置，可用于采用裂解－合成组合库中单个珠体筛选分子和细胞靶、筛选ＲＮＡ单细胞或蛋白质表达式、在单细胞水平上筛选遗传特性、或进行单细胞信号转换研究之类的问题。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种精密加工的流控装置，特别是涉及为成形和输送材料的一系列微小体积部分，以及为对其进行存贮、回取和分析而制造的装置，本专利技术还涉及形成、输送、存储和回取这一系列微小体积部分的方法。
技术介绍
在过去几年中已经论证了多种精密加工的初级流控装置。虽然这些流控装置中许多是非常简单的，但已经证明它们在所述的许多实际应用中是有效的，而且可能革新生化分离的方法。大多数的论证都包括将已知的化学测量技术，例如电泳或液体色谱转移到精密加工的平台上。这类论证表明，精密加工的分离装置，对于改进从这类实验中收集信息的时间和成本是十分重要的。然而，这些已知的装置还没有利用能使这类精密加工装置成为可能的实验方法。我们相信，通过在微流体控制方面的改进将会出现一些新的更有效的生物化学实验方法的范例。最受瞩目的精密加工的流控
是电动驱动方法。对于使试剂混合和反应、试样的注入和分配、以及化学分离过程，已经论证了电动流体控制。许多研究组织已经论证了如毛细管电泳(CE)、敞开式通道电色谱法(OCEC)、和细胞电动毛细管色谱法(MEKC)之类用电驱动的分离技术。采用微型芯片毛细管凝胶电泳与激光诱导荧光检测配合，能测量出dsDNA碎片和后继产物的大小。采用DC和脉冲电场的后置阵列研究了少数常规电泳分离。此外，已采用结合和未结合标记抗原的微型芯片电泳分离论证了基于荧光的有竞争性的免疫测定。在所有研究的情况下，这些微型装置都已经显示出与常规实验室装置有相当的或比其更好的操作性能，看来能同时提供“更好-更快-更便宜”的罕见结合。微型芯片分离装置的速度比常规方法快一至几个数量级的优点。在受扩散限制的条件下，电泳分离的效率与试样所受的电压降成正比。在分离距离短时，由于产生的注入柱塞轴向距离较窄，采用微型芯片可以达到这些扩散的极限条件。在施加恒定的电位时，分析的时间随分离距离呈二次方下降，这是基于微型芯片的电泳分离的主要优点。基于微型芯片的化学分离的其它显著优点是可以分析的体积小、能整体积成试样的处理和分析，和使可能进行大量平行分析的反复试验的成本低。所有这些因素都与分析处理能力高以及产生生化信息的成本下降和时间缩短是一致的。论证试样处理集成的早期努力包括将氨基酸衍生物的后分离和预分离与电泳分离相结合。已将芯片上DNA限制消化和PCR放大与采用集成的整体微型芯片进行电泳碎片尺寸测定相结合。在单一装置中对含大肠杆菌的血浆进行细胞溶解、多路PCR、和CE分析。还论证了在包含多个反应池的芯片上平行进行多个试样的PCR/CE分析。此外，还采用微型芯片装置进行一些有竞争性的免疫测定实验，这种微型芯片装置包括试样与试剂混合、培育、和电泳分离的流控元件。与电驱动分离相结合的其它精密加工的流控元件包括用于质谱分析的电雾化电离、采用多孔膜元件的试样浓缩、和固相萃取。还论证了只采用电动输送进行化学和生物化学反应的装置。一些实例包括酶反应动力学、酶测定、有机合成、和细胞控制装置。实际上所有这四种应用最终对实验生物学都是相当重要的，但当时对这四种应用的研发还不够充分。已经论证了采用液压力进行流体输送的多种精密加工的流控装置。虽然液压力的应用，比电动现象可适用于更宽范围，但实施起来一般不太方便。与用于液压驱动的流动的微型芯片的外部连接比施加电位更加麻烦。而且，电动的驱动力是伴随电流流动产生的，因此通过对这类支管的末端施加压力或真空，能对在微通道支管内的输送过程进行更大程度的控制。电动力还能比液压力产生高得多的有效压力。所论证的液压驱动装置的性能，看来低于电动驱动装置的性能。尽管如此，也还是报道了许多重要的性能。进行PCR的微型流控装置已经受到相当大的关注。早期的装置只包括一些在硅上加工的室以起试样贮池的作用，而后来的装置则利用硅构件进行电阻加热，或利用集成过滤器离析白血球。最近报道了一种有利的连续流动的PCR装置，该装置利用弯弯曲曲穿过温度区域的单微通道进行热循环。已采用精密加工将处理细胞材料的过滤器引入硅基片。还采用精密加工将血细胞记数装置引入硅和玻璃基片，并采用液压驱动。“芯片上”控制试剂和反应产物的能力，表明了采用精密加工的装置实际进行任何类型“湿化学”台架程序的最终能力。将实验室搬到微型芯片上的转变范例包括减少试剂体积、不采用任何移动部件的自动化或材料控制、降低投资费用、更多的平行处理、和较高的处理速度等优点。采用上述讨论的微型流控构件控制或配送的流体体积，为纳升或小于纳升规模，而实验室规模为几十μ1，相当于降低三个数量级或更多。在已经研究的这些装置上的流量，连续操作为约1ml/yr。通过在单一装置上实现多路处理(垂直集成)，可在计算机的控制下，有效和自动地控制各个过程的这些小流体参数。操作人员只需装入被分析的试样。显然，通过在同一个装置上重复配置精密加工的构件，例如一些平行的分离通道，可将多个分析步骤的这种顺次集成，与处理能力的平行扩大结合起来。虽然所说的“芯片实验室”(Lab-on-a-Chip)看起来大有希望，而且相信它们能够满足其中的许多希望，但为了达到与在微电子学领域实现的微型化程度相应的影响水平，尚需进一步研究。为了在今后十年中，使“芯片实验室”装置在精致化或处理能力方面再上一个台阶，至少还必须阐明四个重要的问题。这些问题是先进的微流控制、“外界与芯片”(world-to-chip)的接口、检测、和可行的制造对策。目前，流体在微通道构件中的电动控制，代表着高精密受控小体积处理方面的技术状态。为使材料沿着所需的路径移动的对策就是控制在每个通道终端上与时间有关的电位。虽然在简单的设计中，这种对策对用阀门调节流量和进行混合是非常有效的，但当设计比较复杂时，这种对策在适用性和操作性能方面却受到限制。我们相信，对于这些比较复杂的构件，在微通道的设计方面，需要一些能在多点控制电位的新对策。在能被控制的溶液和材料的类型方面，电动输送也有一些限制。外界与芯片的接口是指将多个试样或试剂输送到微型芯片上，以解决高分析处理能力的问题而规定的术语。虽然能在短至毫秒钟内分析一个给定的试样，但目前还不能以这样的速率向微型芯片装置提供多个试样。迄今为止，虽然针对这个问题所做的研究还非常少，但它却是实现超高处理能力实验的主要障碍。专利技术概述按照本专利技术的第一个方面，提供一种在流控微型芯片上形成和输送材料的一系列微小体积部分(≤nl(纳升))的方法，其中的每部分体积都被分隔材料所分开。这种方法包括形成第一和第二个通道的一些步骤，第一通道具有一个与输送流体源连接的入口端，和一个与流体贮池连接的出口端，第二通道具有一个与分隔流体源连接的入口端，和一个与所述第一通道相连接的出口端。将一个微小体积的分隔流体吸入第一通道，并在第一通道中将其输送到流体贮池。重复向第一通道吸入和输送分隔流体微小体积的步骤，在分隔流体体积之间形成一系列的输送流体体积和/或分析体积。可将试剂、细胞、或反应珠体注入或插入输送流体体积，形成一系列的测定或分析体积。按顺序方式输送这些测定或分析体积，为存储和回取进行顺序登记，供以后在微型芯片上进行分析或进行其它操作。按照本专利技术的另一个方面，提供一种形成和输送材料的一系列微小体积部分的装置。该装置是一种进行流控的微型芯片，其中具有在基片上形成的第一和第二个微本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在微通道内形成和输送材料的一系列微小体积部分的方法，其中包括下列步骤：ａ．形成第一通道，该通道具有与输送流体源连接的入口端，和与流体贮池连接的出口端；ｂ．形成第二通道，该通道具有与分隔流体源连接的入口端，和与所述第一通道相连 接的出口端；ｃ．将一个体积的分隔流体吸入所述的第一通道；ｄ．将在所述第一通道中的该分隔流体体积输送到所述的流体贮池；和然后ｅ．重复步骤ｃ和ｄ，形成一系列间隔的分隔流体体积。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JM拉姆齐，SC雅各布森，
申请(专利权)人：UT巴特勒有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]