一种微流控装置及控制其流体流动的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微流控装置及控制其流体流动的方法。它也涉及一个包含所述微 流控装置的热循环仪。
【背景技术】
[0002] 含有孔阵列的微孔板(也叫微量滴定板)已广泛应用于生物或化学领域，在生物或 化学领域中可以使用微孔板执行多种涉及化学和生物样品的测试。例如，不同对的聚合酶 链反应(PCR)引物能被预先载入一个微孔板的不同孔中用于对一个给定样品的靶核酸分子 的同时扩增。另外，孔阵列能用于其他类型的试验，如细胞或抗体试验。
[0003] 依照高通量检测的最新发展，这样的微孔板配置的孔的数量已由先前的少于一百 增加到通常的几千或更多，这相应地导致更小尺寸的孔和较高密度的孔阵列。
[0004] 按照惯例，手工或机械移液操作被用于加载流体样品到孔阵列。然而，由于孔阵列 密度的增加，完成孔阵列的加载变得更费时，其通常可以包括几百或几千个孔。此外，一个 微孔板的孔阵列的密度越大，相应地每个孔的尺寸就越小，由于严格的技术要求，执行移液 操作出现了困难，例如将移液管的末端与所述更小尺寸的孔对齐，产生更小的液滴，以有效 的方式，加载到尺寸更小的孔中。
[0005] 另一个问题是，传统的孔通常被配置为死端孔，当孔的尺寸缩小时，在孔底部的角 落(多个角落)会困住空气，因为加入孔内的流体样品的液滴会覆盖相关的孔的开口或孔底 部附近的部分空间，这样就在孔内困住一个气穴。明显地，被困住的气穴会对试验有负面影 响。例如，在核酸扩增(如聚合酶链反应(PCR))所需的加热步骤下，被困的气穴能够引起流 体样品蒸发到气穴的附近，因此引起气穴膨胀并将流体样品推出孔。
[0006] 除了上面概述的困住气穴的方式外，在加载流体样品进入孔的过程期间也能进一 步困住气穴。特别地，将引起目前上述问题的流体样品加载装置，通常具有与顶部空间的一 个共有通道相连接的孔，流体样品通过该共有通道进入孔。由于覆盖在所述孔顶部流体样 品的运动(其不被希望地阻碍了流体样品通过开孔进入孔的通道），或者阻止流体样品润湿 孔全部表面的孔表面疏水性，空气随后被困在孔中。
[0007] 为了促进流体样品流入孔中，在将样品加载进入孔前，可以通过真空从孔中去除 空气。然而，真空处理孔和空间或真空处理一个连接孔的通道能够在真空孔和处于大气压 下的流体样品存储室之间产生一个气压差。样品加载期间，这样的气压差会导致样本高速 流入孔-连接空间/通道和相关的孔。这样的高速流通常会将孔内部预先加载的材料冲出 孔，导致本应在孔内进行的试验失败。
[0008] 保留孔中预先加载的材料很重要。因为许多生物和化学应用使用孔阵列，特异的 (如在不同孔中的不同PCR引物或蛋白质或抗体)或者非特异的（如所有孔中的相同PCR引 物、Taq聚合酶、细胞、蛋白质、或化学反应成分)材料被预先加载到孔中，并且这些材料中的 一些通常在流体样品被引入填满孔前是冻干的。这将是明显的，在流体样品的引导过程中， 保留目标孔内的那些材料是很重要的。当一个大的真空应用于孔和孔-连接空间来消除孔 中的空气以促进样本流入孔中时，大的气压差导致流体样品以高速流入孔中，并把(一些） 材料冲出孔，造成孔内那些材料的损失或者不被希望地将那些材料从一个孔移动到另一个 孔，从而导致特定于某些孔的一些材料的交叉污染。
[0009] 对于打算装入那些孔的流体样品，保留特定孔中的预先加载的材料，是很重要的， 因为被装入相关的孔中的部分流体样品的损失会将预先加载的材料冲出并进入近邻的孔 或冲出一小片进入相连的通道。
[0010] 真空度要求越高(进一步低于大气压强），样品加载速度就越高从而可能会影响到 孔，并将预先加载材料冲出。例如，对于一个规模为0 · 5mm X 0 · 5mm X 0 · 5mm的孔阵列要求10 托的真空水平，在一个与所有孔相连的〇.5mm高间隙空间，样品（水)流速度能够达到每秒钟 750mm。由被要求的真空度产生的这样高的速度，对于保留孔中预先加载的材料是不理想 的。
[0011] 进一步地，传统设备遇到的另一个问题，是在许多填满于流控或微流控流动路径 (如流体通室和液体加载口）的液体中会出现气泡。这些气泡能够被位于液体加载口的流体 带出并拖进流动路径，或由于位于流动路径表面上的尖角、凹陷、微腔、疏水补丁，气泡能够 被位于流动路径表面上的液体流动困住。流动路径里，这些气泡的存在可能对应用该流动 路径的设备产生不利影响。例如，流动路径里气泡的运动可能干扰流场，这对于保持一个特 定粒子/细胞在流动路径内流场的分布可能是重要的。在一个基于流体力学分离细胞的管 道内，如由螺旋通道中二次流产生的力，流动路径内存在的气泡可能扰乱细胞位置，推动不 良细胞进入细胞收集出口。流动路径内气泡的另一个不利影响是在加热时气泡尺寸的增 长，这个过程中，气泡-水界面促进水在加热时蒸发，并引起气泡变大。
[0012] 所以，需要解决本领域内一些被认同的问题和/或提供本领域内一个有用的选择。
【发明内容】
[0013] 根据本发明的第一个方面，提供了一个微流控装置，所述装置包括一个基底上具 有至少一个孔的部件，所述至少一个孔与一个相邻的空间流体沟通，所述空间与至少一个 通道流体沟通;一个与所述至少一个通道耦合的真空发生装置。所述真空发生装置被配置 为在所述微流控装置的第一和第二区分别产生第一和第二绝对压强，它们中的任意一个均 低于大气压，其中第一绝对压强高于第二绝对压强，因此在所述微流控装置的第一和第二 区之间产生了压差以控制流体流动通过所述装置内所述空间的速度，用于逐渐地填满所述 至少一个孔和/或促进保留在所述至少一个孔中放置的任何材料。
[0014] 例如，真空发生装置可以包括至少两个协同式设置的真空发生器以产生压差。具 体地，所述至少一个通道可以包括至少第一和第二通道，第一真空发生器可以与所述至少 第一通道耦合作为流体流入与所述至少一个孔相邻空间的入口通道，第二真空发生器可以 耦合到所述至少第二通道作为流体流出与所述至少一个孔相邻空间的出口通道。此外，所 述第一个真空发生器可以被配置为在所述入口通道的附近产生第一绝对压强，所述第二真 空发生器可以被配置为在所述出口通道的附近产生第二绝对压强来控制进入与所述至少 一个孔相邻空间的流体流动速度。
[0015] 具体地，所述两个真空发生器中的至少一个可以包括压强调节器，所述压强调节 器被配置为能够单独调整所述入口通道附近或所述出口通道附近的压强。所述入口通道可 以与包括流体贮液器的容器连接，而所述出口通道可以通向用于收集流体的容器。此外，所 述装置可以进一步包括至少一个被配置为与所述至少一个通道相邻的控制阀以控制流体 进入所述空间。同时，所述装置可以进一步包括至少一个被配置为与所述入口通道相邻、可 调节的允许流体进入所述空间的第一控制阀和至少一个被配置为与所述出口通道相邻、可 调节的允许流体流出所述空间的第二控制阀。
[0016] 因此，所述压差导致所述流体通过所述空间从所述入口通道流动到所述出口通 道。具体地，所述至少一个孔通过至少一个通道与所述空间连接，并与所述空间流体沟通。 所述装置可以进一步包括一个盖子，以防止在操作期间压差的影响下产生弯曲，所述盖子 用于所述部件和顶部刚性部件和底部刚性部件、并分别与所述装置的所述盖子和部件可拆 卸连接。此外，所述装置可以进一步包括一个充分密封的室以封装其内的所述容器，当所述 室内的压强改变时在其中的所述容器适于可逆变形。特别地，第一和第二绝对压强可以是 真空压强。所述装置也可进一步包括一个用于所述部件的盖子，所述盖子适合于被移动用 来减小所述空间的尺寸。特别地，所述装置适合于在一个热循环仪中热循环。此外，所述部 件可以是微量滴定板。所述装置也可以适合于能够让使用可见光或紫外光的荧光检测在所 述至少一个孔上被执行。
[0017] 根据本发明的第二个方面，提供了一个包括根据本发明第一个方面所述微流控装 置的热循环仪。
[0018] 根据本发明的第三个方面，提供了一种使用微流控装置控制流体流动的方法，所 述装置包括一个基底上具有至少一个孔的部件，所述至少一个孔与一个相邻的空间流体沟 通，所述空间与至少一个通道流体沟通;一个与所述至少一个通道耦合的真空发生装置。所 述方法包括在所述微流控装置的第一和第二区分别产生第一和第二绝对压强，它们中的任 意一个均低于大气压，其中第一绝对压强高于第二绝对压强，因此在所述微流控装置的第 一和第二区之间产生了压差以控制流体流动通过所述装置内空间的速度，用于逐渐地填满 所述至少一个孔和/或促进保留在所述至少一个孔中放置的任何材料。
[0019]例如，所述方法可以进一步包括使用所述真空发生装置，所述真空发生装置可以 包括至少两个协同式设置的真空发生器以产生压差。具体地，所述方法可以包括使用至少 一个第一真空发生器与至少一个第一通道耦合作为流体流入与所述至少一个孔相邻空间 的入口通道，在所述入口通道的附近产生第一绝对压强，和使用至少一个第二真空发生器 与至少一个第二通道耦合作为流体流出与所述至少一个孔相邻空间的出口通道，在所述出 口通道的附近产生第二绝对压强，用来控制进入与所述至少一个孔相邻空间的流体流动速 度，其中所述至少一个通道包括所述至少第一和第二通道。特别地，至少一个真空发生器可 以包括压强调节器来单独对所述第一绝对压强或第二绝压强进行调节。
[0020] 特别地，所述方法可以进一步包括控制流体流经进入所述空间的至少一个被配置 为与所述至少一个通道相邻的控制阀。而且，所述方法可以包括允许流体通过使用至少一 个被配置为与所述入口通道相邻的第一控制阀进入所述空间，和允许所述流体通过使用至 少一个被配置为与所述出口通道相邻的第二控制阀流出所述空间。
[0021] 进一步地，所述方法可以包括在用所述流体充分填满所述至少一个孔后引入封闭 液充分取代所述空间内的流体，并用所述封闭液填满所述空间来密封用流体充分填满的所 述至少一个孔，其中当所述封闭液填满所述空间时，为了进一步推动填满在所述至少一个 孔内的所述流体进入所述至少一个孔内的任何空闲的空间，所述封闭液通过使用产生的压 差或引入被配置为具有充分高压强的压缩空气。二者择一地，所述方法可以包括在用所述 流体充分填满所述至少一个孔后，从所述空间充分地移动所述流体，和引入封闭液进入所 述空间来密封用流体充分填满的所述至少一个孔，其中当所述封闭液填满所述空间时为了 进一步推动填满在所述至少一个孔内的所述流体进入在所述至少一个孔内的任何空闲的 空间，所述封闭液通过使用产生的压差或被配置为具有充分高压强的压缩空气被引入。而 且，所述方法可以包括从一个共同的同时包含所述流体和所述封闭液的容器引入所述封闭 液或者，从一个第一容器引入所述流体和从只包含所述封闭液的一个单独的第二容器引入 封闭液。所述方法可以进一步包括使用压差来指导流体从所述入口通道到所述出口通道通 过所述空间。所述方法可以进一步包括在用流体填满所述至少一个孔后充分地从所述空间 移除所述流体，并移动一个盖子以减小所述空间和/或密封被所述流体填满的所述至少一 个孔。
[0022] 根据本发明的第四个方面，提供了一种使用微流控装置控制流体流动的方法，所 述装置包括一个基底上具有至少一个孔的部件，所述至少一个孔与一个相邻的空间流体沟 通，所述空间与所述入口和出口通道流体沟通;一个与所述入口通道耦合的流体点胶装置； 和一个与所述出口通道耦合的真空发生装置。所述方法包括使用所述真空发生装置来在所 述出口通道的附近产生一个低于大气压的绝对压强;和操作所述流体点胶装置来在所述入 口通道的附近提供一个绝对压强，该绝对压强低于大气压但高于位于所述出口通道附近的 绝对压强，这样产生一个压差来控制流体进入所述空间的流动速度，用于逐渐地填满所述 至少一个孔和/或促进保留在所述至少一个孔中放置的任何材料。
[0023] 根据本发明的第五个方面，提供了一个微流控装置，所述装置包括一个具有基底 的部件，和一个与所述基底和至少一个通道流体沟通的空间；和一个与所述至少一个通道 耦合的真空发生装置。所述真空发生装置被配置为在所述微流控装置的第一和第二区分别 产生第一和第二绝对压强，它们中的任意一个均低于大气压，其中第一绝对压强高于第二 绝对压强，因此产生了压差以控制流体通过所述装置内空间的流动速度。
[0024] 所述流体可以包括不同尺寸的微粒。进一步地，所述至少一个通道可以优选地包 括至少一个入口通道，和被设计作为与所述至少一个入口通道流体沟通的导管的所述空 间，而所述入口通道与一个流体贮藏器流体沟通，同时所述真空发生装置可以进一步被配 置为在所述至少一个入口通道的一个区域产生所述第一绝对压强。另外，所述至少一个通 道也可以包括至少两个出口通道，和被设计作为与所述至少两个出口通道流体沟通的导管 的所述空间，其中所述微流控装置被配置为引导各个尺寸的微粒进入到相应一个所述出口 通道中。例如，不同尺寸的微粒可以这样被分开。
[0025] 根据本发明的第六个方面，提供了 一种使用微流控装置控制流体流动的方法，所 述装置包括一个具有基底的部件，和一个与所述基底和至少一个通道流体沟通的空间；和 一个与所述至少一个通道耦合的真空发生装置。所述方法包括:使用所述真空发生装置来 在所述微流控装置的第一和第二区分别产生第一和第二绝对压强，其中第一和第二绝对压 强的任意一个均低于大气压，并且第一绝对压强高于第二绝对压强，因此产生了压差以控 制流体流动通过所述装置的所述空间的速度。
[0026] 所述通道可以是任何被希望的形状。例如，所述通道可以大体上是直线形、U形、S 形、曲线形、蛇形或者螺旋形。
[0027] 优选地，在所述至少一个孔中处理的所述流体和任意材料可以包括化学成分，所 述化学成分能够引发生物学试验，如核酸扩增、细胞试验和涉及大多数生物微粒和化学试 剂的试验中的一种。
[0028] 而且，所述流体可以包括核酸分子和/或生物细胞。另一方面，在所述至少一个孔 中处理的所述任意材料可以包括用于核酸扩增的引物和/或探针，或者相同或不同的引物 和/或探针。
[0029] 根据本发明的第七个方面，提供了一个微流控装置，所述装置包括一个基底上具 有多个孔的部件，所述多个孔与相邻的空间流体沟通，所述空间与至少一个通道流体沟通， 和一个与所述至少一个通道耦合的真空发生装置。所述真空发生装置被配置为在所述微流 控装置的第一和第二区分别产生第一和第二绝对压强，它们中的任意一个均低于大气压， 其中第一绝对压强高于第二绝对压强，因此在所述微流控装置的第一和第二区之间产生了 压差以控制流体流动通过所述装置内空间的速度，用于逐渐地填满所述至少多个孔和/或 促进保留在所述至少多个孔中放置的任何材料。而且，所述多个孔中的任何一个孔容纳特 定的预先加载的材料，所述材料不同于其他孔中为了促进核酸扩增的材料，例如聚合酶链 反应和其他扩增引物，和/或与细胞和蛋白质有关的试验。所述材料可以包括细胞、蛋白质 和寡核苷酸。
[0030] 应该被理解的是，与本发明的一个方面相关的特性也可以适用于本发明其他的方 面。
[0031] 本发明的这些和其他方面将在下文中描述的实施方式中被明显地看出和阐明。
【附图说明】
[0032]本发明的实施方式和参考附图在下文中被公开，其中：
[0033]图Ia是根据本发明的一个实施方式的微流控装置的等轴视图；
[0034] 图Ib是图Ia微流控装置的微量滴定板和盖子的放大等轴视图；
[0035] 图2是图Ia微流控装置的侧面剖视图；
[0036] 图3描述预先加载了各种类型生物/化学材料的图Ia微流控装置的孔阵列的部分， 所述各种类型生物/化学材料根据不同的特性应用于所述微流控装置；
[0037]图4a至4d举例说明一种引导流体样品进入图Ia微流控装置的孔阵列和随后密封 所述孔阵列的方法；
[0038]图5a至5e根据进一步的实施方式，举例说明另一种引导流体样品进入图Ia微流控 装置的孔阵列和随后密封所述孔阵列的方法；
[0039]图6是根据另外一个实施方式，微流控装置的侧面剖视图
[0040]图7a和7b根据下一个不同的实施方式，阐明图Ia微流控装置的孔阵列可能的两种 配置；
[0041] 图8a和8b根据下一个不同的实施方式分别描述，微流控装置的布置的等轴视图和 原理图；
[0042] 图9a至9e举例说明一种引导流体样品进入图8a微流控装置的孔阵列和随后密封 所述孔阵列的方法；
[0043]图IOa至IOc根据一个替换的实施方式，举例说明一种在图Ia微流控装置的孔阵列 中加载多样生物/化学材料的方法；
[0044]图Ila根据另外一个实施方式，举例说明一种控制样品进入图Ia微流控装置的孔 阵列的速度的方法；
[0045] 图I Ib举例说明图I Ia所述方法的更具体的细节；
[0046] 图12根据图Ia微流控装置的一个替换的实施方