用於在微流裝置中設置乾燥的試劑的裝置和方法

2023-09-14 03:42:25 1

專利名稱：用於在微流裝置中設置乾燥的試劑的裝置和方法
技術領域：
0001本發明涉及一種微流裝置和方法，更具體地涉及用於裝
填微流裝置從而阻止截留氣泡的技術。
背景技術：
0002] 微流裝置用於大範圍的各種應用中，包括但不限於，例 如，噴墨技術、藥物輸送和高吞吐量生物檢定。在這些不同應用中， 微流裝置內的各個部分裝填有物質，例如液體、半液體或類似物。在 裝填微流裝置時可能遇到的問題是裝置的部分的不完全裝填。這種不 完全裝填可能是由於氣體(例如空氣)殘餘體積的截留，從而在要裝 填的 一個或更多部分內形成一個或更多氣泡。希望避免和/或最小化微 流裝置內氣泡形成，因為這種氣泡的存在將不利地影響裝置的性能。
0003例如，在用於生物樣品的試驗和/或分析的微流裝置的情 況下，例如經由聚合酶鏈反應(PCR)過程，裝置的部分的不完全裝填 可能不利地影響樣品和例如試劑之間的反應效率和/或#皮分析物 一企領'J 等，其中，生物樣品對這些進行試驗。在一些情況下，用於生物試驗 的微流裝置可能依賴於光學檢測，例如螢光檢測，以確定有關被分析 物的存在和/或數量。在進行光學檢測的裝置的部分中，例如在縮微卡 或其他多室陣列的樣品室中， 一個或更多氣泡的存在可能損害光學檢 測。由於能夠檢測的螢光水平隨著樣品室中各種反應產物的濃度而增 加，該室中一個或更多氣泡的存在實際上降低這些產物的濃度，從而 降低光學檢測的靈敏性。光學檢測也由於在縮微卡室中氣泡的存在而 改變進入和/或離開該室的光路徑受到損害。例如，光路徑可能由於由 氣泡表面曲率產生的透鏡效應和/或由於阻止光的氣泡而改變。 同樣，在依賴於樣品在微流裝置(例如，縮微卡或其他 多室陣列)中熱循環的生物試驗的情況下，截留在裝置中的甚至很小 的氣泡也隨著裝置膨脹而膨脹。 在某些常規裝置中，表面處理(例如應用表面活性劑或 等離子過程)已經在裝填有物質的裝置的部分上使用。這種表面處理 化學地改變表面且用於例如增加部分的親水性(可潤溼性)和從而降 低物質的成珠狀和隨後的氣泡截留。 因而，希望提供一種製造相對簡單而便宜的能降低和/或 防止氣泡形成的微流裝置。例如，希望提供一種大致阻止或防止氣泡 形成的微流裝置，該微流裝置不依賴於難以實現均勻性的表面處理和/ 或津青加工4支術。

發明內容
根據各個示範性方面，本發明包括微流裝置，在該微流 裝置中，改進了設置成用生物樣品裝載的至少一個樣品室，從而控制 提供給所述至少一個樣品室的物質(例如液體)的運動。所述至少一 個樣品室改進為控制該樣品室內生物樣品的運動和/或控制分配在該室 中的液體試劑的運動。根據各個實施例，所述至少一個樣品室包括物 理改進，該物理改進設置成在生物樣品裝載該室時控制生物樣品彎月 面(meniscus)的運動且大致阻止或防止氣泡截留在該室中。如在此所 使用的那樣，這種物理改進指的是除了處理(例如，化學地改變該室 部分的表面處理，如臭氧處理和/或其他表面處理)之外的該室的改進
6和/或特徵，從而降低和/或防止在室中的氣泡形成。根據本發明示範性 方面，樣品室的物理改進包括包含在室內部的各種特徵，如下文將進 一步闡述的那樣。根據其他實施例，所述至少一個樣品室改進為控制 以液體形式沉積在該室中的乾燥的試劑的位置。這種改進可能包括設 置成控制分配的液體試劑的運動以防止在試劑乾燥時液體試劑擴散到 樣品室內不希望位置的改進。這種改進可以是物理改進和/或改變樣品 室一部分的親水性的表面改進。
0011根據許多示範性實施例，微流裝置包括樣品分配網，所
述樣品分配網包括多個樣品室，所述多個樣品室設置成用生物樣品裝 載，以進行生物樣品的生物試驗，同時在樣品室中所述生物樣品具有 彎月面，在裝載期間所述彎月面在樣品室內運動。所述樣品分配網也 包括多個進口通道和多個出口通道，每個進口通道與相應樣品室流動 連通且設置成使生物樣品流向相應樣品室，每個出口通道與相應樣品 室流動連通且設置成使生物樣品從相應樣品室流動。所述樣品室中的 至少 一些包括物理改進，所述物理改進設置成控制所述彎月面的運動， 從而控制在所述至少一些樣品室中氣泡的形成。 根據許多示範性實施例，微流裝置的樣品室中的至少一 些包括乾燥的試劑，所述乾燥的試劑布置在靠近進口通道的所述至少 一些樣品室內，所述進口通道與所述至少一些樣品室流動連通。 根據其他許多示範性實施例，裝填微流裝置的方法包括 用生物樣品供應微流裝置。所述微流裝置包括多個樣品室、多個進口 通道、和多個出口通道，每個進口通道與相應樣品室流動連通且設置 成使生物樣品流向相應樣品室，每個出口通道與相應樣品室流動連通且設置成使生物樣品從相應樣品室流動。乾燥的試劑布置在靠近進口 通道的所述至少一些樣品室內，所述進口通道與所述至少一些樣品室 流動連通。該方法也包括用生物樣品裝載樣品室。

圖1是用於生物試驗的微流裝置的實施例的平面圖； 圖2A-2F示出了導致截留氣泡的微流裝置裝填的示範性 階段的示意性平面0019
圖 圖 圖
0022] 圖 圖 圖 圖IOA和10B分別示出了在裝填前後含有在中心的乾燥 的試劑的微流晶片的室的圖像； 圖11A示出了在不同裝填階段期間含有在中心的乾燥的 試劑的微流晶片的室的圖像，其中沒有發生氣泡截留； 圖11B示出了在不同裝填階段期間含有在中心的乾燥的 試劑的微流晶片的室的圖像，其中發生了氣泡截留； 圖12A和12B分別示出了在裝填前後含有位於進口側的 乾燥的試劑的微流晶片的室的圖像； 圖14A和14B分別示出了在裝填前後含有位於進口側的 乾燥的試劑的微流晶片的室的圖像； 圖15B示出了在不同裝填階段期間含有位於進口側的幹 燥的試劑的微流晶片的室的圖像，其中發生了氣泡截留； 圖18A和18B分別示出了在裝填前後含有位於出口側的 乾燥的試劑的微流晶片的室的圖像； 圖19示出了在不同裝填階段期間含有位於出口側的乾燥 的試劑的微流晶片的室的圖像，其中發生了氣泡截留；圖22是微流室和以垂直角接合該室的支通道的側視圖；0049]圖23是用於生物試驗的微流裝置的另一示範性實施例的 部分平面 使用例如以圖4和5的實施例中闡述的齒和/或柱的形式 的突起構件可減少與該室表面上的光學屬性的幹涉(例如，透明性等)。 此外，突起構件可相對容易製造，例如需要較低的尺寸控制。此外， 根據不同實施例，希望將試劑(例如，試劑珠)設置在該室中，在這 種情況下，突起構件可用於容納試劑且防止試劑由樣品通過出口通道 沖洗掉。
0085根據不同示範性實施例，突起構件，不管是齒還是柱的 形式，在高度上延伸使得它們延伸大致該室20的整個深度或小於該室 20的整個深度。例如，柱的高度可以是從約IO微米到該室整個深度的 範圍，且可具有從約IO微米到1/2微米的直徑範圍。例如，齒的高度 是從約10微米到該室整個深度的範圍，寬度是從約IO微米到該室周 長(例如周線)的1/4的範圍，長度是從約10微米到該室直徑的1/4 的範圍。此外，如上文對於槽35描述的那樣，取代突起構件，構件可以是離隙特徵，例如，該室表面部分內的凹部。這種離隙特徵和突起 構件的組合也可以想至"。 也可以想到，突起構件設置在內部表面部分上而不是限 定該室的底表面部分上，例如限定該室20的橫向、頂、進口和/或出口 表面部分。在將突起構件設置在該室的橫向表面部分或頂表面部分上 的情況下，突起構件從這個部分朝該室的中心突起。例如，突起構件 可以從限定該室的橫向表面部分大致水平地突起。此外，可以想到， 突起構件可以設置在該室中進口通道22和出口通道24之間的各個位 置處，且可以對齊或不對齊。圖3-5B所示的突起構件的位置、數量、 形狀和布置僅僅是示範性的且不旨在限制。圖3-5B所示的各種表面特徵是示範性的且不旨在限制。 本領域技術人員將認識到，突起構件、槽、離隙或其他特徵的形狀、 布置、尺寸、取向、間隔、在該室中的位置、和數量可以變化且根據 多種因素選擇，這些因素包括但不限於例如，流體性能的改進(例如， 減少氣泡截留)、液體和/或表面物理化學屬性、該室的幾何結構(表 面粗糙度、形狀、不一致性)、裝填條件(流率、壓差、由於離心裝 填引起的離心/向心力)、該裝置的取向、該裝置的運動或動態狀態、 製造約束、和/或進行該室的希望光學檢測的能力。關於進行光學檢測 的能力，希望例如使得該室的各個部分透明、不透明、反射、和/或其 組合，在該室內產生希望的折射模式，在該室中產生微透鏡、和/或控 制該室的光學檢測屬性。該也確定槽、離隙、和/或突起構件的配置和 布置、定位、尺寸、間隔、取向和數量。例如，可以想到，採用單個 槽、離隙特徵或突起構件，而不是圖中所示的多個。此外，除了槽、 離隙、或突起構件之外，可以想到，可以採用改變作用於以不同方式 (例如，以不同速率)運動的彎月面的部分上的力的任何類型的表面 特徵，且認為是在本發明的範圍內。
0088] 雖然圖3-5B的實施例的說明討論了使用壓力和毛細作用 作為裝填該室的機構，但是可以想到，上文討論的各種突起構件、槽 和離隙也可以用於經過離心作用裝填的室中。例如，不同結構可用於 允許離心設備以較低rpm和/或較短時間操作，以實現室裝填。 在圖3-5B的實施例中，各種特徵設置成改變一部分彎月 面的運動，例如在領先部分趨近於該室20的出口通道24時可以減慢
19領先部分。根據不同實施例，該室的深度可以修改且設置或加速樣品 流體朝彎月面側部的運動，從而允許靠近前鋒中心的流體前鋒落後。 這降低彎月面的一部分在其他部分之前到達出口的趨勢，籍此防止氣 泡截留在樣品容納部分中。此外，膨脹比可能影響樣品室的裝填，因 為樣品從相對小體積(例如，進口通道)裝填相對大的體積(例如， 樣品室)。因而，為了實現希望的樣品室裝填，進口和/或出口通道與 樣品室結合的區域可以改進。 通常，設置成使樣品流體朝彎月面側部的運動加速的該 室設計取決於用於裝填樣品容納部分的技術。例如，圖6A描繪了樣品 室60的示範性實施例的平面圖，該樣品室60設置成使得朝該室60的 側部(例如，外部周邊)布置的樣品流體的運動速率增加。這種途徑 在毛細力用於裝填該室60時是有益的。圖6A中的箭頭旨在表示朝該 室60的側部(例如，周邊表面部分66a和66b)的樣品的增加的運動 速率。
0091] 在經由毛細作用的這種裝填的情況下，靠近室60的外部 周邊的室50的深度比室60的中心更淺。換句話說，室60的深度(從 該室的頂部開口部分到限定該室60的表面測量)可能變化，使得該室 60的周邊部分比該室60的中心部分更淺。 設置室60使得該室60中表面的深度在靠近該室60的周 邊處更淺，如圖6B所示，這樣可以增加作用於靠近這些部分的樣品流 體(和從而彎月面)上的毛細力。這可能在用樣品流體裝載該室60期 間產生虹吸效應，這繼而允許樣品流體的彎月面的外邊緣(彎月面的 靠近該室60的周邊表面部分的這些部分)前進得更快，且允許彎月面 的中心部分落後，使得彎月面的一側不會在另一側之前到達出口通道64。
在壓力用於驅動用樣品流體裝填室60的情況下，如經由 泵、注射器、離心裝置、或真空，希望減少靠近該室60周邊的流動阻 力。藉助於使得該室60周邊周圍的流動阻力減少，在樣品裝填該室60 時樣品的流率增加，如上文參考圖6A描述的那樣。因而，例如，圖 7A描繪了樣品室70的示範性實施例的平面圖，樣品室70類似於圖1 的室20,設置成使得朝該室60的側部(例如，外部周邊)布置的樣品 流體的運動速率增加，如該圖中箭頭所示。 在其他不同實施例中，進口通道和/或出口通道與該室之 間的過渡可以改進，例如，以增加通向進口和/或出口通道的開口尺寸。 在縮微卡的常規室結構中，樣品室具有大致圓柱形配置，且進口和出 口通道以大致正交的角度結合該室，如圖22示意性地描繪的那樣(附 圖標記880表示該室，附圖標記882表示進口通道，出口通道未示出)。 換句話說，該室與限定進口和/或出口通道腔的內部表面部分結合的內 部表面部分彼此正交地相交。藉助於這種配置，通向進口和出口通道 的開口相對狹窄。 圖8B是微流裝置810的一部分的透視圖，微流裝置810 包括與進口通道82流動連通的樣品室80。如圖8B所示，內部表面部 分81和83以不垂直的角度與由進口通道82限定的腔的內部表面部分 相交。換句話說，部分81和83相對於通道82靠近部分81和83上遊 的縱軸線向外成扇形傳播。例如，部分81和83以從約30度到約60 度範圍的角度(例如，以約30度)向外成扇形傳播。雖然圖8B未示 出出口通道，但是應當理解的是，可以設置這種出口通道且具有類似 於圖8B所示的過渡部分，如上所述。此外，應當理解的是，通向樣品 室的進口和出口通道中的一個或兩者以不垂直的角度與該室結合，如 參考圖8A和8B討論的那樣。此外，在可替換示範性方面，除了圖8A所示的內部表面 部分之外的內部表面部分包括平滑過渡。圖8C描繪了該室80的示範 性實施例的側視圖，其中，該室80包括內部表面部分801和802,內 部表面部分801和802以不正交的角度與限定進口和出口通道82和84 的腔的相應內部表面部分相交。換句話說，如圖8C所示，內部表面部 分801和802大致形成圓角，該圓角在進口和出口通道82和84之間z 方向才是供平滑過渡，籍此增加進口開口 86和出口開口 88的尺寸。如 上文討論的那樣，應當理解的是，進口和出口區域中的一個或兩者可 包括圖8C所示的平滑過渡。圖8D描繪了室80的透視圖，該室80具 有進口通道82,進口通道82在z方向以不正交的角度與室80結合， 如上文參考圖8C描述的那樣。即，內部表面部分801以不垂直的角度 與限定進口通道82的腔的內部表面部分結合。圖8D未示出與該室80 流動連通的出口通道。然而，應當理解的是，可以設置這種出口通道， 且可以或可以不以垂直角度與該室結合。
進口和出口通道可包括不同的過渡，例如，圓角尺寸不 同和/或形狀不同。此外，根據不同示範性實施例，進口和出口中的一
個或兩者可設置如圖8A和8B所示的過渡(例如，在x方向的平滑過 渡)與圖8C和8D所示的過渡(例如，在z方向的平滑過渡)組合。 例如，參考圖8E,在該圖所示的進口通道82和該室80之間x方向和 z方向都設置平滑過渡。可替換地，圖8A和8B所示和圖8C和8D所 示的過渡可以彼此獨立地使用且不需要組合。根據其他示範性實施例，樣品室的總體形狀可以改進， 以幫助避免在裝填期間的氣泡截留。例如，樣品室的形狀可以從具有 大致圓形截面配置變成更細長的形狀，例如橢圓狀(例如，橢圓形) 截面配置。使得該室的尺寸在大致垂直於樣品流動通過該室的方向變 窄(換句話說，使得該室大致在樣品流動方向加長)同時大致保持該 室的體積，樣品的彎月面以大致一致的方式移動通過該室，使得整個
彎月面在大致相同的時刻到達該室的出口 。
00104圖24A和24B示出了微流裝置的示範性實施例的部分平 面圖，微流裝置包括主流體通道2425,主流體通道2425與分別通向多 個樣品室2420a或2420b的多個進口支通道2422和將每個樣品室2420a 和2420b與排出室2428連接的多個出口支通道2424流動連通。因而， 在圖24中，樣品朝每個主流體通道2425的底部供應，且以朝進口通 道2422的方向流動，進入樣品室2420a和2420b，流出出口通道2424， 且進入排出室2428。在圖24A和24B的示範性實施例中，樣品室2420a 和2420b從例如圖1所示的大致圓形形狀改進為在通過該室的樣品流 的方向的大致細長形狀。在圖24A中，樣品室2420a具有大致橢圓形， 在圖24B中樣品室2420b具有帶有扁平橫向壁部分2421b和2423b的 大致橢圓形。扁平橫向壁部分利於該室2420b的機加工和/或模製。如 上文討論的那樣，樣品室2420a和2420b的體積與具有大致圓形配置 的室的體積大致相同。因而，根據在此的教導，每個室2420a和2420b 的體積為約1.35pL,深度為例如約500|iim。在其他不同的示範性實施 例中，這種室設置成容納不超過100^1,不超過75iLi1,不超過50iiU,不 超過25|11,不超過1|11。在一些實施例中，這種室設置成容納例如約3(^1。 根據不同示範性實施例，樣品室2420a和2420b的短軸尺寸w (例如， 直徑)範圍為約l.Omm到約1.8mm,長軸尺寸h (例如，直徑)範圍
23為約2.1mm到約3.2mm。例如，短軸尺寸w(例如，直徑)為約1.32mm, 長軸尺寸h(例如，直徑)為約2.56mm。應當理解的是，樣品室可以 具有與圖24A和24B所示形狀不同的細長形狀，包括但不限於例如大 致矩形形狀。對於微流裝置的各種應用，包括例如在使用微流裝置用 於生物試驗時，乾燥的試劑可以放置(例如，"點射")到該裝置的 樣品容納部分中，從而在該裝置用要分析的樣品裝填時，在樣品裝載 到樣品容納部分時，該樣品和試劑混合。設置乾燥的試劑可改進在室 溫時各種組成的穩定性，包括例如蛋白質，如DNA/RNA聚合酶。如 在此使用的，術語"乾燥的試劑"或其變型指的是液體試劑，其中已 經通過液體試劑例如被凍幹、冷凍乾燥、真空乾燥、或氣體乾燥(例 如，空氣乾燥、氮氣乾燥或由任何其他惰性氣體(不與在液體試劑中 乾燥的任何試劑反應或相互作用)乾燥)的過程至少部分地去除液體， 其中，該氣體可以處於大氣溫度、加熱或冷卻，大氣空氣和/或其他可 以處於大氣壓力或壓縮(例如壓縮氮)，或受壓(例如，強迫通風， 藉助於任何裝置，包括但不限於風扇或鼓風機)。此外，微流裝置的 輕便性和PCR的靈敏性是附加的益處，因為乾燥的試劑可以相對容易 存儲且含有PCR試劑的樣品溶液在與乾燥的PCR試劑混合時不會稀 釋。由於這些不同原因中的至少一些，乾燥的試劑放置在微流裝置的 室中，例如微流晶片、託盤或卡。基於如圖1所示的微流裝置進行的100次試驗，平均裝 填效率對於24個在室中沒有試劑的室來說為約85% 。如下文進一步闡 述的那樣，對於在該室中設置在中心的乾燥的試劑的試驗來說，如圖 9A示意性地所示，平均裝填效率為約47.6%。
00109為了改進裝填效率且大致阻止或防止氣泡截留在含有幹 燥的試劑的室中，已經發現，根據本發明，該室經由乾燥的試劑在該 室內選擇性定位而物理地改進，從而實現在樣品裝填該室時樣品流體 彎月面的希望的運動。更具體而言，發明人已經發現，根據乾燥的試 劑在該室中的位置，彎月面可以更一致的方式傳播通過該室。為了將乾燥的試劑在該室內的位置對裝填性能的影響進
行比較，液體試劑分配在中心、靠近進口通道、和靠近微流晶片的室 的出口通道，該微流晶片具有與圖1示意性地示出的結構類似的結構。
每個室具有約1.35pL的體積。試劑經由自動分配器定位在該室中且在 晶片上乾燥，該室在包括環烯烴聚合物(COP)基底的基底中形成。 含有乾燥的試劑的晶片用雙面壓敏膠粘劑(PSA)膜(圖1未示出)碾 壓，以密封在COP基底中形成的室和通道。膜和多個透氣不透液體隔 膜條設置在PSA膜與COP基底相對的側面上和每行排氣孔和排出室 28(在圖10A, 10B, 12A, 12B, 14A, 14B, 18A和18B中的每個中 可以看到一個這種隔膜條)上，該膜包括與圖l所示的排出室28對齊 的排氣孔。對於所使用的碾壓雙面PSA膜、排氣孔和隔膜條的其他細 節，參考於2006年4月26日提交的美國申請No.11/380,327中公開的 各個實施例，該申請具有相同的受讓者，題為"Systems and Methods for Multiple Analyte Detection",該申請的全部內容作為參考引入。該室用核酸(示例1-3)或紅染料(示例4)溶液(具有 8.0的PH值的10mM TrisHCI)之一藉助於注射泵以40pl/min裝填。 在裝填前後獲取該室的圖片，且溶液在該室中的運動在裝填期間被錄 像。裝填效率根據上文所述(FEc)對在中心的乾燥的試劑確定。對於 進口側(例如，靠近進口通道)的乾燥的試劑，裝填效率FEi ( % )基
25於微流晶片中室的數量根據FEi ( % ) =100*(￥^±/\^(1)計算，其中， Wid是每個微流晶片具有在進口側的乾燥的試劑的室的數量，WFi是 在裝填具有在進口側的乾燥的試劑的室之後這些室中沒有氣泡形成的數量。不同對比研究的結果在下文闡述。
示例1 -裝填具有在中心的乾燥的試劑的室。
135nL液體試劑由液體試劑分配器分配在孩i流晶片的樣 品室的中心處且然後乾燥(例如，凍幹)。圖IOA是微流晶片110的 一部分的圖形，示出了具有位於該室中心的乾燥的試劑R(由白斑表示) 的多個室120。如上文所述，圖10A中示出了 20個室是用於計算裝填 效率的室。含有在中心的乾燥的試劑的晶片，如圖IOA所示，然後如 上文所述被碾壓。晶片IIO也包括用於通風的疏水性隔膜135(顯示為 經由圖IOA的白條)，如上文所述。主流體通道126經由進口 (未示 出)在圖10A中通道126的左手頂側連接到注射泵，室120用核酸溶 液經由主流體通道126和進口支通道122裝填。圖IOB示出了在室120用核酸溶液裝填之後圖IOA的芯 片的該部分的快照。在圖10B中可以看出， 一些室120在被裝填之後 在其中含有截留的氣泡B (應當注意，在圖10B中不是所有的氣泡都 標記)。在裝填之後，對沒有氣泡形成的室120 (基於每個試驗晶片所 包含的20個室)進行計數，以確定WFc值，裝填效率FEc根據上文 所述計算，其中Wcd為20。基於試驗的11個晶片，對於含有在中心的乾燥的試劑的室而言，每個晶片的平均裝填效率FEc計算為47.6% ±12.3。樣品彎月面在該室中的運動還被錄像。圖ll示出了在含 有在中心的乾燥的試劑的室在用樣品裝填時的不同的快照。具體地， 圖11A示出了裝填具有在中心的乾燥的試劑R的室120的不同的快照， 其中沒有發生氣泡截留，而圖11B示出了裝填具有在中心的乾燥的試 劑R的另一室120的快照，其中發生氣泡截留。(應當注意，對圖11A 中的每個快照示出了同一個室，且該對圖11B中的每個快照示出了與 圖IIA不同的同一個室。)在圖IIA和11B中最左邊位置處的每個照 片中，流體經由朝每個室120的底部左側角部布置的通道122供應。 由行進的樣品流體形成的可看到的彎月面M在圖IIA和11B中標記， 截留在被裝填的室120中的氣泡B在圖11B中標記。通常，可以觀察 到，彎月面M在具有在中心的乾燥的試劑的室120的運動類似於彎月 面M在沒有乾燥的試劑的室中的運動。示例2-裝填具有定位在進口側的乾燥的試劑的室 135nL液體試劑由液體試劑分配器朝;敞流晶片的除了兩 個之外的所有樣品室的進口側(例如，靠近進口通道)分配且然後幹 燥(例如，凍幹)。試劑朝出口側定位的兩個室是位於距離流體進口 右邊最遠的列中的室(如圖1所示且在圖12A中未示出)，該列中的 四個室被排除不用於計算裝填效率。圖12A是微流晶片210的一部分 的圖形，示出了具有位於室220進口側靠近室200進口通道222的幹 燥的試劑R (由白斑表示)的多個室220。圖12A中示出了 20個室是 用於計算裝填效率的室。含有在進口側的乾燥的試劑的晶片，如圖12A 所示，然後如上文所述被雙面PSA膜碾壓。晶片210也包括疏水性隔 膜235 (圖12中用於通風的白條)，如上文所述。主流體通道226在 圖12A中通道226的左手頂側連接到注射泵，室220用核酸溶液經由 主流體通道226和進口支通道222裝填。樣品彎月面在該室中的運動還被錄像。圖13示出了在含 有在進口側的乾燥的試劑的室在用樣品裝填時的不同的快照。具體地， 圖13A示出了裝填具有在進口側的乾燥的試劑R的室220的不同的快 照，其中沒有發生氣泡截留，而圖13B示出了裝填具有在進口側的幹 燥的試劑R的另一室220的快照，其中發生氣泡截留。在圖13A和13B 中最左邊位置處的每個照片中，樣品流體經由朝每個室220的底部左 側角部布置的通道222供應。由行進的樣品流體形成的可看到的彎月 面M在圖13A和13B中標記，截留在被裝填的室220中的氣泡B在圖 13B中標記。因為該室220的表面是大致疏水性的(例如，由於製成 它們的塑料材料)，在進口側添加乾燥的試劑趨於使得該室表面在該 位置處是"實質上"親水性的。換句話說，在進口側的試劑趨於在樣 品進入該室220時吸收樣品，且使得初始彎月面傳播在進口側是平坦 的(例如， 一致地趨近於出口通道224)。這也趨於有助於使得進一步 的彎月面傳播是大致一致的。示例3 -裝填具有定位在進口側的乾燥的試劑的室為了試圖增加含有進口側的乾燥的試劑的室的裝填效 率，使用在微流晶片的室的進口側上分配的更大體積的液體試劑進行 試驗。在這些試驗中，260nL液體試劑由液體試劑分配器朝微流晶片的 除了兩個之外的所有樣品室的進口側(例如，靠近進口通道)分配且 然後乾燥(例如，凍幹)。試劑朝出口側定位的兩個室是位於距離流 體進口右邊最遠的列中的室(如圖l所示且在圖14A和14B中未示出)， 該列中的四個室被排除不用於計算裝填效率。圖14A是微流晶片410 的一部分的圖形，示出了具有位於室420進口側靠近室420進口通道422的乾燥的試劑R (由白斑表示)的多個室420。如同示例1和2 — 樣，圖14A中不是晶片410的所有室都用於計算裝填效率，而是僅20 個室。含有在進口側的乾燥的試劑的晶片，如圖14A所示，然後如上 文所述被雙面PSA膜碾壓，且包括用於通風的疏水性隔膜435(圖14A 和14B的白條)，如上文所述。主流體通道426在圖14A中通道426 的左手頂側連接到注射泵，室420用核酸溶液經由主流體通道426和 進口支通道422裝填。樣品彎月面在該室中的運動也被錄像。圖15示出了在含 有260nL在進口側的乾燥的試劑的室在用樣品裝填時的不同快照。具 體地，圖15A示出了裝填具有在進口側的乾燥的試劑R (與圖14A所 述類似)的室420的不同快照，其中沒有發生氣泡截留，而圖15B示 出了裝填具有在進口側的乾燥的試劑R的室420的快照，其中發生氣 泡截留。在圖15A和15B中最左邊位置處的每個照片中，樣品流體經 由朝每個室420的底部(15A)或頂部(15B)左側角部布置的通道422 供應。由行進的樣品流體形成的可看到的彎月面M在圖15A和15B中 標記，截留在被裝填的室420中的氣泡B在圖15B中標記。示例4-裝填具有設置在出口側的乾燥的試劑的室
為了進一步確定乾燥的試劑在微流晶片的室內的設置對 氣泡形成的影響，使用位於該室出口側的乾燥的試劑進行試驗。在該 試驗中，135nL液體試劑由液體試劑分配器朝出口側(例如，靠近出口 通道)分配且然後乾燥(例如，凍幹)。圖18A是微流晶片810的一 部分的圖形，示出了具有位於室820出口側靠近室820的出口通道222 的乾燥的試劑R (由白斑表示)的多個室820。如圖18A所示，晶片 810用雙面PSA膜碾壓，且包括用於通風的疏水性隔膜835 (在圖18A 和18B中顯示為白條)，如上文所述。主流體通道826在圖18A中通 道826的左手頂側連接到注射泵，室820用紅染料(具有8.0的PH值 的10mMTrisHCI)經由主流體通道826和進口支通道824裝填。與示 例1 -3相比，在微流晶片810中，所有24個室820都用於計算以確 定裝填效率。
00134圖18B示出了在室820用紅染料溶液裝填之後圖18A的 晶片810的快照。在圖18B中可以看出，所有室820在被裝填之後在 其中都含有截留的氣泡B。因而，基於試驗的單個晶片，對於含有在出 口側的乾燥的試劑的晶片而言，裝填效率計算為0%。將乾燥的試劑設置在室的出口側往往使得首先到達試劑 的行進樣品彎月面的部分在落後的彎月面部分之前到達出口通道。如 上文所述，這可能導致彎月面的一部分在其他側之前到達出口通道， 從而阻止出口通道將氣體從該室中轉移，且使得氣泡截留在該室中。圖20是描繪上述示例1-3的裝填效率結果的條形圖， 用於計算每個晶片平均裝填效率的晶片數量在圖中每條中顯示。如上所述，圖23的示範性實施例也包括對於每個樣品室 2320而言相隔約180度就位的進口通道2322和出口通道2324。如已 經討論過的那樣，將進口通道2322和出口通道2324隔開180度允許樣品彎月面在室2320內運動，使得大致整個樣品前鋒在相同時刻到達
出口通道2324,籍此使得氣泡截留在室2320中的可能性最小。此外， 由於每個樣品室2320具有相隔180度的進口通道2322和出口通道232， 乾燥的試劑的點射可以發生在每個室2320內相對於進口和出口通道 2322和2324大致相同的位置。如上文討論的那樣，控制乾燥的試劑在樣品室內的位置 顯著地降低或防止在裝填期間氣泡的截留。例如，希望將乾燥的試劑 設置成靠近樣品室的進口側。為了將乾燥的試劑設置在樣品室中，液 體形式的試劑例如朝該室的進口側分配(例如，點射)在該室中且幹 燥(例如，凍幹)。需要相對嚴格的公差來將分配裝置(例如，分配 噴嘴)定位在相對於樣品室的合適位置處，以將試劑設置在樣品室內 希望位置處。同樣，液體試劑在它乾燥時趨於從其在樣品室內的希望 位置傳播。在液體試劑靠近該室進口側分配的情況下，試劑趨於例如 朝該室出口通道傳播。如上所述，圖3A的樣品室20a的示範性實施例包括設置 在進口通道22a和出口通道24a之間樣品室20a的大致中心處的脊狀物 36a。如參考圖3A的實施例描述的那樣，藉助於在試劑到該室20a的 進口側(例如，靠近進口通道22a)放置(例如，點射)時使得液體試 劑停止傳播通過脊狀物36a，脊狀物36a有助於控制乾燥的試劑在室中 的位置。圖25-30示出了設置成控制乾燥的試劑在樣品室內的設置的各 種其他示範性實施例。例如，圖25-30示出了在樣品室中包括的不同特 徵(例如，改進)，以大致阻止或防止朝樣品室進口側點射的液體試 劑在試劑乾燥時以不希望的方式從進口側朝出口側傳播。參考圖25和25A,根據不同實施例，樣品室2520設置 有小槽2550,槽2550設置在進口通道2422和出口通道2524之間室 2520大致中心處。槽2550以大致垂直於進口通道2422和出口通道2524 的方向延伸大致通過室2520,如圖25所示(應當注意，圖25-30的一 系列圖表示沿每個圖示出的剖面線截取的每個圖的剖視圖。)槽2550 設置成截留在室2520中朝進口通道2522點射的液體試劑，以防止在 液體試劑乾燥時它以朝出口通道2524的方向傳播經過槽2550。雖然圖 25和25A所示的槽2550具有大致方形的型面，但是槽2550可以具有任何配置，包括但不限於例如三角形、圓形、橢圓形等。同樣，取代 槽，類似於圖3A的脊狀物可以設置且具有根據在此教導的任何配置。圖26-28A示出了樣品室的其他示範性實施例，該樣品室 包括物理改進，該物理改進利於控制在樣品室中分配的液體試劑的傳 播，從而控制乾燥的試劑在樣品中的位置。在圖26-2 8的每個實施例中， 室2620， 2720和2820設置有小凹穴(例如，井)2650, 2750和2850， 小凹穴(例如，井)2650, 2750和2850設置成截留分配的液體試劑且 使得它不能傳播。在圖26-28的實施例中，凹穴2650, 2750和2850 藉助於在進口通道和室2620, 2720和2820的大致中心之間設置室 2620, 2720和2820的更深區域而形成。凹穴2650, 2750和2850使得 朝室2620, 2720和2820進口側分配的液體試劑停止傳，潘遠離進口側 通過室2620, 2720和2820的中心附近的凹穴2650, 2750和2850邊 緣。如圖26A, 27A和28A所示，凹穴2620, 2720和2820具有不同 的配置，包括但不限於例如，大致方形的型面(圖26A)、大致三角 形的型面(圖27A)和大致圓形的型面(圖28A)。其他型面也是合 適的且認為在本發明的範圍內。根據其他示範性實施例，樣品室的表面部分可以改進， 從而防止在液體試劑乾燥時液體試劑傳播到該室中的不希望位置。圖 29和29A示出了樣品室2920的示範性實施例，樣品室2920包括在樣 品室2920底表面上的粗糙(例如，有紋理)表面部分2950。粗糙表面 部分2950可覆蓋從進口通道2922到室2920的大致中心的樣品室底表 面中的約一半。樣品室2920的底表面部分2950上的這種紋理大致防 止設置靠近進口通道2922的分配的液體試劑傳播經過室2920中心處 的粗糙表面部分2950的邊緣和朝出口通道2924。設置粗糙和/或有紋 理表面部分2950起作用，以增加表面部分2950的親水性。取代紋理， 增加表面部分2950的親水性的其他表面改進可以用來大致防止分配的 液體試劑在它乾燥時傳播經過表面部分2950。在圖25-29的示範性實施例中，樣品室的底表面部分包括 設置成防止分配的液體試劑傳播經過室的大致中心和朝出口通道2924 的改進。根據不同實施例，這種改進也可以設置在樣品室的橫向表面 部分上。圖30和30A描繪了樣品室3020的示範性實施例，樣品室3020 包括從室3020的橫向表面部分朝室3020中心延伸的小突起3050。小突起3050設置在進口通道3022和出口通道3024之間室3020的大致 中心處，從而防止靠近進口通道3022分配的液體試劑在室3020中傳 播通過突起3050朝出口通道3024。突起3050從室3020的大約底部延 伸且具有從室3020的約一半高度到室3020的約全部高度範圍內的高 度。圖30中的突起3050具有大致三角形截面，但是可以使用具有其 他截面的突起。同樣，取代突起，凹部(例如，槽)可設置在橫向表 面部分中。本領域技術人員應當理解的是，在此描述的各種示範性 實施例可以單獨地使用或彼此組合使用。此外，在此所述的各種物理 改進可以與表面處理、沖洗、和用於處理微流裝置的其他常規技術組 合使用。此外，在此所述的技術和裝置可應用於任何微流裝置， 其中，空室(例如，單個室)用液體通過進口裝填，且其中由液體取 代的空氣被強行通過出口排出該室。因而，在此描述的各種裝置和技 術還可應用於除了在上述示範性實施例中顯示和描述的微流裝置配 置。例如，微流裝置可包括多個樣品室，其串連連接，從而一個室的 出口是下一個室的進口。此外，根據在此教導的裝置包括並列連接的 室和串連連接的室的組合。用於顯著地阻止或防止氣泡截留的本教導 可應用於許多裝置配置，包括上述任何配置。
00153]雖然在此討論的許多實施例包括用於生物試-瞼應用的微 流裝置，但是應當理解的是，根據示範性方面的各種方法和裝置可應用於需要製造微流裝置且希望防止或顯著阻止氣泡形成的各種其他設 備。例如，可以想到，各種示範性實施例在例如藥物傳輸裝置、噴墨 應用和希望防止氣泡截留的其他應用的設備中有用。因而，在此所述 的顯著阻止或防止氣泡截留的技術、裝置和方法的說明應當理解為示 範性的而不是限制性的。對於該說明書和所附權利要求書，除非另有表示，表示 數量、百分比或比例的所有數字和用亍該說明書和權利要求書中的其 他數值應當理解為在所有情況下由術語"大約，，修飾。因此，除非相 反地表示，在說明書和所附權利要求書中闡述的數學參數是取決於本 發明試圖獲得的希望屬性的近似值。至少，且不試圖將等價學說應用 限制權利要求的範圍，每個數學參數應當至少理解為按照所報告的有 效數字的數量且應用常規的四捨五入技術。
00155儘管本發明的廣泛範圍闡述的數字範圍和參數是近似 值，但是在具體示例中闡述的數值報告為儘可能精確。然而，任何數 值都內在地必要地包含某種誤差，該誤差是由於在其相應試驗測量中 發現的標準方差引起的。此外，在此公開的所有範圍應當理解為包括 其中所包含的任何和所有子範圍。例如，範圍"小於10"包括在(且 包括)最小值0和最大值IO之間的任何和所有子範圍，即，具有等於 或大於0的最小值和等於或小於10的最大值的任何和所有子範圍，例 ^口 1到5。本領域技術人員應當清楚，可以對本發明的樣品製備裝 置和方法進行各種改進和變型，而不偏離本發明的範圍。在考慮在此 公開的說明書和實踐之後，本發明的其他實施例對於本領域技術人員 來說顯而易見。說明和示例認為是僅僅示範性的。
權利要求
1.一種微流裝置，包括樣品分配網，所述樣品分配網包括多個樣品室，所述多個樣品室設置成用生物樣品裝載，以用於在樣品室中進行生物樣品的生物試驗，多個進口通道，每個進口通道與相應樣品室流動連通且設置成使生物樣品流向相應樣品室，多個出口通道，每個出口通道與相應樣品室流動連通且設置成使生物樣品從相應樣品室流動，其中，所述樣品室中的至少一些包括乾燥的試劑，所述乾燥的試劑設置在所述至少一些樣品室內，靠近與所述至少一些樣品室流動連通的進口通道。
2. 根據權利要求l所述的裝置，其中所述乾燥的試劑設置在所述 至少一些樣品室內，從而控制在所述至少一些樣品室內的氣泡形成。
3. 根據權利要求2所述的裝置，其中所述至少一些樣品室設置成 控制靠近所述進口通道的所述乾燥的試劑的位置。
4. 根據權利要求l所述的裝置，其中所述乾燥的試劑設置在所述 至少一些樣品室內，使得由所述乾燥的試劑限定且大致面向所述至少 一些樣品室中心的表面大致垂直於所述出口通道的縱軸線延伸，所述 出口通道與所述至少一些樣品室流動連通。
5. 根據權利要求l所述的裝置，其中與所述至少一些樣品室的其 他部分相比，所述乾燥的試劑增加所述至少一些樣品室的在其上設置 有乾燥的試劑的一部分的親水性。
6. 根據權利要求l所述的裝置，其中相鄰樣品室中乾燥的試劑的 位置之間的節距大致相同。
7. 根據權利要求l所述的裝置，其中所述至少一些樣品室設置成 控制所述乾燥的試劑在所述至少一些樣品室內的位置。
8. 根據權利要求7所述的裝置，其中所述至少一些樣品室包括設 置成控制所述乾燥的試劑在所述至少一些樣品室內的位置的物理改進 和表面改進中的一種。
9. 根據權利要求7所述的裝置，其中所述至少一些樣品室設置成控制所述乾燥的試劑的位置，使得所述乾燥的試劑不設置在所述至少 一些室的在所述至少一些室的大約中心和出口通道之間的區域，所述 出口通道與所述至少一些室流動連通。
10. 根據權利要求7所述的裝置，其中每個所述至少一些樣品室 包括突起、槽、脊狀物、具有比每個所述至少一些樣品室的其他區域 更大的深度的區域、粗糙表面部分、具有比每個所述至少一些樣品室 的其他表面部分更大的親水性的表面部分中的一種。
11. 根據權利要求l所述的裝置，其中所述至少一些樣品室設置 成大致防止在所述至少一些樣品室中分配的液體試劑在該液體試劑千 燥時傳播經過預定位置。
12. 根據權利要求l所述的裝置，其中所述多個樣品室中的每個 包括乾燥的試劑，所述乾燥的試劑設置在每個樣品室內，靠近與所述 至少 一些樣品室流動連通的進口通道。
13. —種裝填微流裝置的方法，該方法包括 用生物樣品供應微流裝置，所述微流裝置包括多個樣品室，多個進口通道，每個進口通道與相應樣品室流動連通且設置成 使生物樣品流向相應樣品室，多個出口通道，每個出口通道與相應樣品室流動連通且設置成 使生物樣品從相應樣品室流動，其中，所述乾燥的試劑設置在所述至少一些樣品室內，靠近與 所述至少一些樣品室流動連通的進口通道；和 用所述生物樣品裝載所述樣品室。
14. 根據權利要求13所述的方法，還包括在裝載過程中經由乾燥的 試劑控制在所述至少 一 些樣品室中的氣泡形成。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中控制氣泡形成包括經由幹 燥的試劑控制氣泡形成，所述乾燥的試劑設置在所述至少一些樣品室 內，使得由所述千燥的試劑限定且大致面向所述至少一些樣品室中心 的表面大致垂直於所述出口通道的縱軸線，所述出口通道與所述至少 一些樣品室流動連通。15.根據權利要求13所述的方法，還包括控制所述乾燥的試劑在所 述至少一些樣品室中的位置。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中控制所述乾燥的試劑的位 置包括藉助於所述至少一些樣品室的物理改進和表面改進中的一種控制所述位置。
17. 根據權利要求15所述的方法，其中控制所述乾燥的試劑的位 置包括控制所述乾燥的試劑的位置使得所述乾燥的試劑不設置在所述 至少 一 些室的在所述至少 一 些室的大約中心和出口通道之間的區域， 所述出口通道與所述至少一些室流動連通。
18. 根據權利要求15所述的方法，其中控制所述乾燥的試劑的位 置包括藉助於突起、槽、脊狀物、具有比每個所述至少一些樣品室的 其他區域更大的深度的區域、粗糙表面部分、具有比每個所述至少一 些樣品室的其他表面部分更大的親水性的表面部分中的一種控制所述 乾燥的試劑的位置。
19. 根據權利要求15所述的方法，其中控制所述乾燥的試劑的位 置包括大致防止在所述至少一些樣品室中分配的液體試劑在該液體試 劑乾燥時傳播經過預定位置。
20. 根據權利要求15所述的方法，其中控制所述乾燥的試劑的位 置包括在相鄰樣品室中設置乾燥的試劑的位置之間設置大致一致的節 距。
全文摘要
微流裝置包括樣品分配網，所述樣品分配網包括多個樣品室，所述多個樣品室設置成用生物樣品裝載，以在樣品室中進行生物樣品的生物試驗。所述樣品分配網也包括多個進口通道和多個出口通道，每個進口通道與相應樣品室流動連通且設置成使生物樣品流向相應樣品室，每個出口通道與相應樣品室流動連通且設置成使生物樣品從相應樣品室流動。所述樣品室中的至少一些包括物理改進，所述物理改進設置成控制彎月面的運動進而控制氣泡的形成或控制在所述至少一些樣品室內靠近進口通道設置的乾燥的試劑，所述進口通道與所述至少一些樣品室流動連通。
文檔編號C12M1/34GK101553563SQ200780028880
公開日2009年10月7日 申請日期2007年6月1日 優先權日2006年6月2日
發明者C·謝姆布裡, J·C·李, J·M·楊, M·宋, N·P·比爾德, R·H·譚, Y·-M·羌 申請人:應用生物系統有限責任公司