用于控制流控回路中的流體流的方法和流控裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于控制流控回路中的流體流的方法和流控裝置。提供了被動流控回路，用于引導不同的流體進入共同容積，而沒有相互混合或交叉污染。穿過流控回路的連接點、結(jié)點和通道的流動方向和速率，由上游閥門的狀態(tài)(例如打開或關(guān)閉)、在回路入口或上游蓄池處的液壓差、流動通道阻力等控制。流體從未選擇的入口向共同出口或在連接點或結(jié)點處的其它入口的自由擴散或滲漏，由選擇的入口流體的流動來防止，所述入口流體的一部分掃過未選擇的流體的入口，并從廢物口離開流控回路，由此建立對抗因滲漏或擴散導致的與出口流的不希望的相互混合的屏障。在用于執(zhí)行靈敏的多步驟反應、諸如基于pH的DNA測序反應的裝置中，本發(fā)明是特別有利的。
【專利說明】用于控制流控回路中的流體流的方法和流控裝置
[0001]本申請是國際申請日為2010年5月27日、國際申請?zhí)枮镻CT/US2010/001547、國家申請?zhí)枮?01080027723.0、發(fā)明名稱為“用于順序遞送試劑的流控系統(tǒng)”的專利申請的分案申請。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本申請涉及用于控制流控回路中的流體流的方法和流控裝置。

【背景技術(shù)】
[0003]許多用途要求以使不同流體的相互混合或交叉感染最小化的方式調(diào)節(jié)多個流體流。這樣的用途包括多步驟的合成過程或分析過程，所述過程以共同的容積進行，并包括連續(xù)試劑遞送循環(huán)，其中使用來自分開的蓄池的流體，例如Margulies等人，Nature, 437:376-380 (2005) ；Merrifield 等人，美國專利 3，531，258 ；Caruthers 等人，美國專利5，132，418 ；Rothberg等人，美國專利公開2009/0127589 ;等。盡管流控系統(tǒng)可用于選擇性地轉(zhuǎn)換多個試劑溶液至共同的室中進行處理，但是它們具有幾個缺陷，所述缺陷包括但不限于:存在大的表面積(其可以吸附或保留試劑)、大的物理尺寸(使它難以與小型化的流控組件一起使用，例如參見Rothberg等人(上面引用的))、可接近性低的表面(包括邊緣和/或角落，使徹底清除和去除連續(xù)的試劑困難或無效)、和使用活動部件(其可以磨損并導致更高的生產(chǎn)和裝配成本)，例如Hunkapiller,美國專利4，558，845 ；Wittmann-Liebold 等人,美國專利 4, 008 ；736 ；Farnsworth 等人,美國專利 5, 082, 788 ；Garwood等人，美國專利5，313, 984 ;等。
[0004]考慮到上述方面，有利的是，具有克服了現(xiàn)有方案的缺陷的可利用的裝置，所述裝置用于調(diào)節(jié)多個流體流至共同的容積中進行復雜的合成過程或分析過程。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及用于將多個流體遞送至共同容積的裝置和方法，例如，通向反應室或流動池的通道或?qū)Ч?。本發(fā)明還包括這樣的裝置和方法在多步驟分析過程或合成過程中的應用。在許多實現(xiàn)和用途中例證了本發(fā)明，其中的一些總結(jié)在下面和在本說明書中。
[0006]在一個方面，本發(fā)明提供了一種被動流控回路，其用于順序地引導不同的流體進入共同容積，諸如反應室或流動池，而沒有相互混合或交叉污染。本文使用的這樣的順序引導有時稱作“多路傳送(multiplexing) ”多個流體流。穿過流控回路的連接點、結(jié)點和通道的流動方向和速率，由上游閥門的狀態(tài)(例如打開或關(guān)閉)、在回路入口或上游蓄池處的液壓差、流動通道阻力等控制。流體從未選擇的入口向共同出口或在連接點或結(jié)點處的其它入口的自由擴散或滲漏，由選擇的入口流體的流動來防止，所述入口流體的一部分掃過未選擇的流體的入口，并從廢物口離開流控回路，由此建立對抗因滲漏或擴散導致的與出口流的不希望的相互混合的屏障。在一個方面，選擇的流體入口會提供穿過流控結(jié)點的流體層流。
[0007]在另一個方面，本發(fā)明提供了用于控制多個流體流的流控回路，所述流控回路包括:(a)具有出口和多個流體入口的流控結(jié)點；和(b)通過一個或多個各自具有流體阻力的通道與該流控結(jié)點流體連通的至少一個廢物口，選擇所述通道的流體阻力，使得無論何時流體僅流動穿過單個流體入口，以形成在流控結(jié)點中的流，這樣的流體的一部分穿過出口離開流控結(jié)點，且這樣的流體的剩余部分穿過所述一個或多個通道離開流控結(jié)點，使得從沒有流體流的入口(即“未選擇的入口”)進入流控結(jié)點的任何流體穿過所述一個或多個通道被引導至一個或多個廢物口。在一個實施方案中，控制所述多個流體流，以提供流體流穿過流控結(jié)點出口的預定順序。在另一個實施方案中，這樣的控制由閥門和施加于流控回路上游的流體流的壓差來實現(xiàn)。
[0008]在另一個方面，本發(fā)明提供了沒有活動部件的流控回路，其在無相互混合的情況下順序引導多個流體進入共同容積。由于該流控回路僅包括結(jié)點和多個互聯(lián)的通道，其中流體運動由位于遠處的閥門、泵來控制，它通過常規(guī)微流控技術(shù)可以容易地小型化，以用于尺寸和質(zhì)量是關(guān)鍵因素的場合。此外，使用流控回路進行流體轉(zhuǎn)換，而不使用不可透過的屏障，使得該回路可理想地用于需要穩(wěn)定的參比電勢的過程中，諸如電化學過程中。
[0009]在另一個方面，本發(fā)明提供了一種用于控制流控回路中的流體流的方法，所述流控回路包括分別經(jīng)由第一通道和第二通道而與結(jié)點流體連通的第一流體入口和第二流體入口、與所述結(jié)點流體連通的流體出口以及經(jīng)由所述第一通道和所述第二通道而與所述結(jié)點流體連通的至少一個廢物口，所述方法包括:使第一流體經(jīng)由所述第一流體入口流入所述流控回路中，所述第一流體的第一部分流動經(jīng)過所述第一通道、經(jīng)過所述結(jié)點然后經(jīng)過所述流體出口，所述第一流體的第二部分流動經(jīng)過所述第一通道、經(jīng)過所述結(jié)點，經(jīng)由所述第二通道而穿過所述第二流體入口然后進入所述至少一個廢物口，并且所述第一流體的第三部分流動至所述至少一個廢物口而沒有穿過所述結(jié)點。
[0010]在另一方面中，提供了一種流控裝置，包括:具有流體出口的結(jié)點；多個流體入口，所述多個流體入口中的每個流體入口與多個試劑中的各個試劑唯一地關(guān)聯(lián)；至少一個廢物口 ；多個通道，所述多個通道中的每個通道在所述結(jié)點與所述至少一個廢物口之間提供不同的流體路徑，所述多個通道中的每個通道包括至各個入口通道的連接點，所述各個入口通道在所述每個通道與所述多個流體入口中的各個流體入口之間提供流體連通；通過所述流體出口與所述結(jié)點流體連通的出口通道；以及與所述出口通道流體連通的洗滌流體入口。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1A是本發(fā)明的一個實施方案的圖解，其具有在流控結(jié)點的相對表面上的入口和出口。
[0012]圖1B-1D圖解了本發(fā)明的一個實施方案中的投入、試劑流、和洗滌步驟。
[0013]圖2圖解了本發(fā)明的另一個實施方案，其中單個有阻力的通道連接廢物口和多個入口。
[0014]圖3A-3C圖解了本發(fā)明的另一個實施方案，其中多個入口中的每一個通過平面網(wǎng)絡通道連接至中央流控結(jié)點和廢物口。
[0015]圖4A-4B圖解了另一個具有平面結(jié)構(gòu)的實施方案，所述平面結(jié)構(gòu)可以通過疊堆經(jīng)由它們的流控結(jié)點和廢物通道相連的類似單元來重復，由此實現(xiàn)更多的入口流體的調(diào)節(jié)。
[0016]圖5圖解了本發(fā)明的流控回路可以如何為多步驟的電化學過程提供穩(wěn)定的參比電極。
[0017]圖6是使用本發(fā)明的流控系統(tǒng)的一個示例性裝置的示意圖。
[0018]圖7圖解了一個在雙流動室流動池中提供單獨的洗滌控制的實施方案，其提供了在參比電極和流動池的兩個室之間的不間斷流體通道。

【具體實施方式】
[0019]除非另有說明，本發(fā)明的實踐可以采用機械工程學、電子學、流體力學和材料科學的常規(guī)技術(shù)和描述，它們是在本領(lǐng)域的技能范圍內(nèi)。這樣的常規(guī)技術(shù)包括、但不限于:設計和制造流控裝置和微流控裝置等。通過參照下文的實施例，可以獲得合適的技術(shù)的具體例證。但是，當然也可以使用其它等效的常規(guī)方法。
[0020]本發(fā)明提供了使用流控回路快速地且清潔地轉(zhuǎn)換不同流體向共同出口的流動的方法和裝置。在一個方面，本發(fā)明的流控回路與流體蓄池、閥門、壓力源、泵、控制系統(tǒng)、和/或相似組件相組合，以形成流控系統(tǒng)，其用于遞送具有預定的速率和持續(xù)時間的分開的流體流至共同容積，所述共同容積諸如出口、室、流動池等。這樣的流控回路特別適用于進行多步驟的化學的、酶的、或電化學的過程的裝置中的流控系統(tǒng)，參見例如:Margulies 等人,Nature, 437:376-380 (2005) ；Merrifield 等人，美國專利 3，531，258 ;Brenner 等人，Nature B1technology, 18:630-634(2000) ；Ronaghi 等人,Science, 281:363-365 (1998) ；Caruthers 等人,美國專利 5, 132, 418 ；Namsaraev 等人,美國專利公開2005/0100939 ；Rothberg等人，美國專利公開2009/0127589 ;等。
[0021]在一個方面，本發(fā)明的流控回路提供了一個連接點，在這里選擇的流體流被分成至少2個分支:一個分支被引導至出口，并從那里流至流動池或反應室備用，另一個分支被引導經(jīng)過未選擇的流體入口，并從那里離開出口，流至廢物口。在一個實施方案中，如下建立這樣的流:平衡流體出口的流體阻力和在流體入口與廢物口之間的一個或多個通道的流體阻力。優(yōu)選地，選擇通道、室和結(jié)點的流速、流體粘度、組成、和幾何形狀和大小，使得流控回路內(nèi)的流體流是層流。關(guān)于進行這樣的設計選擇的指導可以從下述途徑容易地得到:常規(guī)的流體動力學論文(例如Acheson, Elementary Fluid Dynamics (ClarendonPress，1990))，和免費的或可商業(yè)得到的對流控系統(tǒng)建模的軟件，所述軟件例如來自Dassault Systems (Concord, MA)的 SolidWorks、來自 FlowMaster USA, Inc.(Glenview, IL)的Flowmaster和0penF0AM(在環(huán)球網(wǎng)www.0pencfd.c0.uk上可得到用于計算流體動力學的開放源代碼)。本發(fā)明的流控回路和裝置特別適用于中規(guī)模和微規(guī)模流控系統(tǒng)，例如，這樣的流控系統(tǒng):其具有在幾十平方微米至幾平方毫米范圍內(nèi)的通道橫截面，或具有在幾nL/秒至幾百μ L/秒范圍內(nèi)的流速。由本發(fā)明的流控回路控制的流體流的數(shù)目可以寬泛地變化。在一個方面，本發(fā)明的流控回路控制在2至12個不同流體范圍內(nèi)的多個流，或者在另一個方面，在2至6個不同流體的范圍內(nèi)。
[0022]流控回路
[0023]在圖1A中部分地圖解了本發(fā)明的一個實施方案的設計和工作。4個流體入口或試劑入口(100、102、104、106)連接至流控結(jié)點(108)，與出口(110)流體連通，并在出口(110)相對的表面上。閥門(111)顯示為打開，使得流體穿過入口(100)進入流控結(jié)點
(108)。流體的一部分(124)穿過左邊顯示的通道流動，一部分(126)穿過右邊顯示的通道流動，一部分穿過出口(110)離開流控結(jié)點。優(yōu)選地，所述3個流體流是層流，且沿著含有流體入口的表面的流在遠遠小于來自未選擇的入口的物質(zhì)(擴散流出物(128))擴散至流控結(jié)點的相對表面所需的時間的時間段內(nèi)離開流控結(jié)點。以此方式，避免了穿過出口(110)離開的不同入口試劑的相互混合。在一個工作模式中，通過打開與這樣的試劑相對應的閥門并關(guān)閉所有其它的閥門，選擇試劑入口。如在該實施方案中例證的，閥門(111)是打開的，閥門(113、115、和117)是關(guān)閉的。在關(guān)閉狀態(tài)，即使在未選擇的入口中沒有流動，未選擇的流體的體積(例如，120)與選擇的流體發(fā)生自由擴散接觸。選擇的流體分開的流向出口(HO)的層流和經(jīng)過未選擇的入口并流向廢物口的層流，會防止不希望的混合。圖1B-1D進一步圖解了上述實施方案的工作。如在圖1A中一樣，入口(100、102、104、和106)連接至在出口(110)的相對表面上的流控結(jié)點(108)，且通道(130和132)將流控結(jié)點(108)連接至廢物口(134)。選擇通道(130和132)的長度(136)和寬度(138)，以提供流體阻力，使得來自入口的流體流在穿過出口(110)離開該結(jié)點的流體和穿過通道(130和132)離開該結(jié)點的流體之間平衡。也圖解了洗滌流體入口(140)，它連通至出口(110)，并與流控結(jié)點
(110)流體連通。在一個稱作“投入試劑”模式的工作模式中，洗液入口閥門(未顯示)是打開的，且試劑入口(104)的閥門(未顯示)是打開的。洗滌溶液流入出口(110)中，并流至應用場所，例如含有芯片的流動池(如在Rothberg等人(上面引用的)中所述)，和流至流控結(jié)點(108)，在這里它與來自入口(104)的流體相組合，并迫使后者流入廢物口(134)。在該圖中為下面更完整地描述的具體應用列出了示例性的流速和時間，但是一般而言，這樣的流速和時間是取決于特定用途的設計選項。在另一個工作模式(在圖1C中稱作“流動試劑”模式)中，洗滌溶液流被關(guān)閉，從入口(104)進入唯一的流。該流被分成3個分支，2個分支流動穿過通道(130)和(132)，一個分支流動穿過出口(110)。在另一個工作模式(在圖1D中稱作“洗滌”模式)中，所有流體入口(100、102、104、106)的閥門都是關(guān)閉的，洗液入口(140)的閥門是打開的，使得僅洗滌溶液進入流控結(jié)點(108)中，穿過入口(100、102、104、106)，并穿過通道(130)和(132)離開。
[0024]圖2用頂視圖和側(cè)視圖圖解了流控回路的另一個實施方案，其使用環(huán)形廢物通道和有阻力的通道(分別是206和208)，以容納比圖1A-1D的實施方案更多數(shù)量的入口(200)。如上所述，多個入口(200)連接至在與出口(204)所連接的表面的相對表面上的流控結(jié)點(202)。來自入口的流體流在流控結(jié)點(202)中分開，使得一部分離開出口(204)，剩余部分離開環(huán)形通道(208)，選擇它的寬度(210)和高度(212)，以提供用于適當?shù)胤珠_入口試劑流的流體阻力。在掃過未選擇的入口并穿過有阻力的通道(208)以后，來自選擇的入口的流進入廢物環(huán)通道(206)，并被引導至廢物口(214)。
[0025]圖3A-3C圖解了本發(fā)明的流控回路的另一個實施方案，其在平面回路結(jié)構(gòu)中容納5個入口試劑。圖3A是含有流控回路(302)的透明主體或殼體(300)的頂視圖。外殼(300)可以由多種材料構(gòu)成，所述多種材料包括金屬、玻璃、陶瓷、塑料等。透明的材料包括聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯等。入口(或入孔)(304、306、308、310、和312)通過通道連接至它們各自的連接槽(314)，所述連接槽位于殼體(300)的底側(cè)(顯示為與入口同心的雙環(huán))，試劑從這里進入流控回路(302)。入口 (304、306、308、310、和312)與通道(分別是305、307、309、311、和313)流體連通，所述通道又連接至曲線通道(分別是324、326、328、330、和332)。每個曲線通道由2條腿組成，諸如(336)和(338)，識別為在“T”連接點(335)處的曲線通道(324)，也識別為唯一曲線通道(324)。一條腿是內(nèi)腿(例如(338))，其將它的各個入口連接至結(jié)點(或多用途中央口)(301)，另一條腿是外腿(例如(336))，其將它的各個入口連接至廢物通道(或環(huán))(340)。如上所述，可以選擇曲線通道的內(nèi)腿和外腿的橫截面面積和長度，以在“T”連接點處和在結(jié)點(301)處實現(xiàn)希望的流平衡。穿過通道(344)，廢物通道(或管道)(340)與廢物口(345)流體連通，所述廢物口(345)通過在主體(300)底側(cè)上的連接槽(346)連接至廢物蓄池(未顯示)。結(jié)點(301)通過通道(361)與孔(360)流體連通，所述通道(361)在該實施方案中是在主體(300)的外部，且用虛線來圖解。在其它實施方案中，通道(361)可以形成在主體(300)中，使得不需要結(jié)點(301)和孔(360)的連接槽?？?360)通過通道(363)連接至洗滌溶液入口(362)，在這里形成“T”連接點，并連接至連接槽(364)，所述連接槽(364)又提供了通向流動池、反應室等的導管。圖3B和3C圖解了使用該流控回路來向流動池分配流體的3個模式中的2個。由與每個入口試劑和與洗滌溶液關(guān)聯(lián)的閥門(350)，實現(xiàn)工作模式。在第一個工作模式(選擇的試劑閥門是打開的，所有其它試劑閥門被關(guān)閉，洗滌溶液閥門被關(guān)閉)(圖3B)中，選擇的試劑被遞送至流動池；在第二個工作模式(選擇的試劑閥門是打開的，所有其它試劑閥門被關(guān)閉，洗滌溶液閥門是打開的)(圖3C)中，啟動流控回路來遞送選擇的試劑；在第三個工作模式(所有試劑閥門被關(guān)閉，洗滌溶液閥門是打開的)(未顯示)中，洗滌流控回路中的所有通道。如上所述，閥門(350)與每個入口關(guān)聯(lián)，所述閥門(350)可以被打開，以允許流體穿過它各自的入口(如關(guān)于閥門(352)所示的)進入流控回路(302)，或被關(guān)閉，以阻止流體進入回路(302)(如關(guān)于除了閥門(352)以外所有閥門所示的)。在每種情況下，當入口的閥門被打開時，其它入口的閥門被關(guān)閉(包括洗滌溶液閥門)，如在圖3B中關(guān)于入口(370)所示，流體穿過通道(354)流至“T”連接點(356)，在這里它被分成2個流，其中的一個被引導至廢物通道(340)、然后到達廢物口(345)，其中的另一個被引導至結(jié)點(301)。從結(jié)點(301)，該第二個流再次分成多個流，其中的一個穿過通道(361)離開結(jié)點(301)，然后穿過通道(363)并到達流動池，其它流則流至連接結(jié)點(301)和其它入口的每個通道，然后流至廢物通道(340)和廢物口(345)。所述后面的流穿過其它入口，攜帶從這里擴散或泄漏的任何物質(zhì)，并引導它至廢物口(345)。通過打開選擇的試劑的閥門，并同時關(guān)閉所有未選擇的試劑和洗滌溶液的閥門，可以將一系列不同的試劑引導至流動池。在一個實施方案中，這樣的順序可以通過流控回路的工作模式序列來實現(xiàn)，諸如:洗滌，投入試劑Xl，遞送試劑Xl，洗滌，投入試劑x2，遞送試劑x2，洗滌，以此類推。試劑投入工作模式如圖3C所示。像在試劑遞送模式中一樣，除了與選擇的試劑相對應的閥門以外，所有試劑入口閥門都被關(guān)閉。但是，不同于試劑遞送模式，洗滌溶液閥門是打開的，并選擇選擇的試劑流和洗滌溶液流的相對壓力，使得洗滌溶液流動穿過通道(361)并進入結(jié)點(301)，然后它在這里穿過連通廢物通道(340)的所有通道(除了連通選擇的試劑入口的通道以外)離開。
[0026]圖4A-4B圖解了平面流控回路的另一個實施方案，其容納4個入口試劑，且它的設計可以容納其它入口試劑，這通過疊堆平面流控回路和連接它們的流控結(jié)點來實現(xiàn)。圖4A的平面流控回路的拓撲學和工作與圖3A相當，但是后者包括額外的入口，且在前者中，如下平衡穿過“T”連接點(由(421)例證)的流:通過選擇每個通道(404、406、408、和410)的不同腿(一條腿連接至結(jié)點(400)，一條腿連接至廢物管道(415))的不同橫截面面積，而不是通過選擇不同長度和/或曲率的腿。入口(412、414、416和418)通過“T”連接點例如(421)連接至通道(分別是404、406、408、和410)，所述“T”連接點又連接至廢物通道或管道(415)和流控結(jié)點(400)。出口 (402)和廢物通道(424、426、428、和430)連接平面流控回路的疊堆，如圖4B所示。
[0027]圖5圖解了本發(fā)明的流控回路可以如何用于電化學過程中，所述電化學過程需要多個反應物(包括在這樣的過程中使用的電解質(zhì))，并采用在反應室上游的參比電極。為了穩(wěn)定的參比電壓，希望參比電極接觸不超過單個過程試劑。本發(fā)明的流控回路提供了穿過反應室的共同入口遞送預定順序的電解質(zhì)的方法，并同時維持:(i)反應室和參比電極之間的不間斷流體連通，和(ii)僅單個電解質(zhì)(即選擇的電解質(zhì))接觸參比電極。所有其它試劑或電解質(zhì)(即未選擇的電解質(zhì))不會接觸參比電極。在圖4A-4B中描述的平面流控回路(500)通過通道(502)將一系列不同的試劑遞送至反應室(510)。如上所述，洗滌溶液流可以穿過通道(504)被引導至“T”連接點(512)，并返回流控回路(500)和反應室(510)。通過把參比電極(506)放在通道(504)中或其附近，可以給反應室(510)提供穩(wěn)定的參比電壓。在一個實施方案中，這樣的參比電極可以是形成通道(504)的一段的金屬管，如在圖5中所示。參比電極(506)電連接至參比電壓源(508)。
[0028]在本發(fā)明的一個方面，這樣的裝置包括:與電子傳感器偶聯(lián)的反應器，所述電子傳感器用于監(jiān)測反應器中的產(chǎn)物；流控系統(tǒng)，其包括本發(fā)明的流控回路，用于順序地遞送多個不同的電解質(zhì)(包括選擇的電解質(zhì))至反應器；和與選擇的電解質(zhì)接觸的參比電極，其用于給電子傳感器提供參比電壓，在參比電極不接觸任何未選擇的電解質(zhì)的情況下提供所述參比電壓。
[0029]材料和制誥方法
[0030]如上所述，通過多種方法和材料，可以制造本發(fā)明的流控回路。在選擇材料時應當考慮的因素包括:需要的化學惰性程度、工作條件(例如溫度等)、要遞送的試劑的體積、是否需要參比電壓、可制造性等。對于小規(guī)模流體遞送，微流控制造技術(shù)非常適用于制造本發(fā)明的流控回路，這樣的技術(shù)的指導是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可容易地得到的，例如 Malloy, Plastic Part Design for Inject1n Molding:An Introduct1n (HanserGardner Publicat1ns, 1994) ；HeroId 等人,Editors, Lab-on-a-ChipTechnology (Vol.1)!Fabricat1n and Microfluidics(Caister Academic Press, 2009)；等。對于中規(guī)模和更大規(guī)模的流體遞送，常規(guī)的銑削技術(shù)可以用于制造可裝配進本發(fā)明的流控回路中的部件。在一個方面，可以使用塑料諸如聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯等來制造本發(fā)明的流控回路。
[0031]在電化學過程中的應用
[0032]本發(fā)明的流控回路可用于將多個試劑遞送至一個或多個反應器的電化學過程中，所述一個或多個反應器用需要參比電極的電子傳感器來監(jiān)測。參比電極向多個試劑的暴露，可以將不希望的噪音導入由電子傳感器檢測的信號中。這會發(fā)生在用于實現(xiàn)無標記的DNA測序和具體的基于pH的DNA測序的方法和裝置中。無標記的DNA測序(包括基于pH的DNA測序)的概念，已經(jīng)描述在文獻中，包括通過引用并入本文的下述參考文獻:Rothberg 等人，美國專利公開 2009/0026082 ;Anderson 等人，Sensors and Actuators BChem.，129:79-86(2008) ；Pourmand 等人,Proc.Natl.Acad.Sc1.，103:6466-6470(2006)；等。簡而言之，在基于PH的DNA測序中，通過測量作為聚合酶-催化的延伸反應的天然副產(chǎn)物而產(chǎn)生的氫離子，測定堿基摻入。將DNA模板(其各自具有可操作地結(jié)合的引物和聚合酶)裝載進反應室(諸如在上面引用的Rothberg等人中公開的微孔)中，然后進行重復的三磷酸脫氧核苷(dNTP)加入和洗滌的循環(huán)。這樣的模板通常作為克隆群體連接至固體支持物(諸如微粒、珠子等)上，并將這樣的克隆群體裝載進反應室中。在循環(huán)的每個加入步驟中，只有當模板中的下一個堿基是加入的dNTP的補體時，聚合酶才會通過摻入加入的dNTP來延伸引物。如果存在一個互補的堿基，則發(fā)生一次摻入，如果存在2個互補的堿基，則發(fā)生2次摻入，如果存在3個互補的堿基，則發(fā)生3次摻入，以此類推。每次這樣的摻入會釋放出氫離子，釋放氫離子的模板群體一起造成反應室的局部PH的非常輕微的變化，這可以被電子傳感器檢測到。圖6圖解了一個采用本發(fā)明的流控回路的裝置，其用于實現(xiàn)根據(jù)Rothberg等人(上面引用的)的基于pH的核酸測序。該裝置的每個電子傳感器會產(chǎn)生取決于參比電壓值的輸出信號。該裝置的流控回路允許將多個試劑遞送至反應室，且它們中不超過一個接觸參比電極，由此去除由傳感器產(chǎn)生的輸出信號的噪音源。在圖6中，含有流控回路￠02)的殼體(600)通過入口連接至試劑蓄池(604、606、608、610、和612)，連接至廢物蓄池￠20)，并通過將流控結(jié)點(630)連接流動池￠34)的入口(638)的通道￠32)，連接至流動池出34)。通過多種方法(包括壓力、泵諸如注射泵、重力進料等)，可以將試劑從蓄池(604、606、608、610、和612)驅(qū)動至流控回路(602)，并受閥門(614)控制進行選擇，如上所述。上述內(nèi)容包括圖6的儀器的流控系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)(618)包括閥門(614)的控制器，其產(chǎn)生用于經(jīng)由電連接(616)進行打開和關(guān)閉的信號?？刂葡到y(tǒng)(618)也包括該系統(tǒng)的其它組件的控制器，諸如通過￠22)與其相連的洗滌溶液閥門￠24)以及參比電極(628)?？刂葡到y(tǒng)(618)還可以包括流動池(634)的控制和數(shù)據(jù)獲取功能。在一個工作模式中，在控制系統(tǒng)(618)的程序控制下，流控回路(602)將一系列選擇的試劑(1、2、3、4、或5)遞送至流動池￠34)，從而啟動和洗滌在二者之間的選擇的試劑流流控回路￠02)，并洗滌流動池(634)。進入流動池(634)的流體穿過出口(640)離開，并儲存在廢物容器(636)中。在這樣的工作中，在流動池(634)中發(fā)生的反應和/或測量具有穩(wěn)定的參比電壓，因為參比電極(628)與流動池(634)之間具有連續(xù)的(即不間斷的)電解質(zhì)通道，但是僅與洗滌溶液發(fā)生物理接觸。
[0033]圖7圖解了可以如何使用流控回路設計概念來制作多個單獨的流動室，其中使用單個大流動池和傳感器陣列，其中每個流動室的試劑接入被單獨地控制，同時仍然維持通向所有流動室中的所有傳感器的參比電極的不間斷流體通道。圖7是流動池(700)的頂視圖，所述流動池(700)具有安裝在殼體(未顯示)上并與所述殼體密封連接的流控接口部件(702)，所述流動池(700)容納傳感器陣列(704)，并界定2個流動室(703)和(705)，每個流動室具有單獨的入口(分別是706和708)和單獨的對角線相對的出口(分別是710和712)，它們各自經(jīng)由通道730和735 (對于流動室I)以及732和737 (對于流動室2)連接至來自流控回路的共同試劑源，并連接至單獨的輔助洗液蓄池722 (對于流動室I)和724 (對于流動室2)。流控接口部件(702)與芯片殼體相連所形成的內(nèi)壁(714、716、718和720)界定了穿過流動室(703)和(705)的流動通道，并避免了對角區(qū)域(750、751、752、和753)接觸穿過流動室的試劑。
[0034]當閥門(723)打開時，來自輔助洗液蓄池I (722)的洗滌溶液穿過通道(729)，穿過閥門(723)，流至通道(734)，并流至連接點(731)，在這里該流分入通道(735)和通道(741)。與上述的流控回路的設計一樣，選擇通道(735)和(734)的長度和橫截面以及洗滌溶液和試劑的驅(qū)動力，使得當閥門(723)打開時(如顯示的)，僅洗滌溶液進入流動室1，且來自流控回路的試劑單獨地被引導至廢物蓄池(744)。當閥門(723)被關(guān)閉時，則沒有洗滌溶液進入通道(729)，也沒有屏障阻礙來自通道(730)的試劑流至通道(735)、流至通道(741)、和流至流動室I。同樣地，當閥門(725)打開時，來自輔助洗液蓄池2 (724)的洗滌溶液穿過通道(743)，穿過閥門(725)，流至通道(736)，并流至連接點(745)，在這里該流分入通道(737)和通道(747)。如上所述，選擇通道(736)和(737)的長度和橫截面以及洗滌溶液和試劑的驅(qū)動力，使得當閥門(725)打開時，僅洗滌溶液進入流動室2，且來自流控回路的試劑單獨地被引導至廢物蓄池(744)。當閥門(725)被關(guān)閉時(如顯示的)，則沒有洗滌溶液進入通道(743)，也沒有屏障阻礙來自通道(732)的試劑流至通道(737)、流至通道(747)、和流至流動室2。
[0035]盡管已經(jīng)參照幾個具體實例實施方案描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員會認識到，可以對其做出許多變化，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。本發(fā)明適用于多種傳感器實現(xiàn)和其它主題，以及上面討論的那些。
[0036]定義
[0037]“微流控裝置”是指一個或多個互連的且流體連通的室、孔、和管道的集成系統(tǒng)，并設計成單獨地或與裝置或儀器協(xié)同地實現(xiàn)分析反應或過程，所述裝置或儀器會提供支持功能，諸如樣品導入、流體和/或試劑驅(qū)動裝置、溫度控制、檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集和/或集成系統(tǒng)等。微流控裝置可以另外包括閥門、泵、和在內(nèi)壁上的專門的功能涂層，例如以防止樣品組分或反應物的吸附、促進試劑的電滲移動等。這樣的裝置通常制造在固體基質(zhì)中或制造成固體基質(zhì)，所述固體基質(zhì)可以是玻璃、塑料、或其它固體聚合材料，且通常具有平面形式，以便于檢測和監(jiān)測樣品和試劑運動，特別是通過光學或電化學方法。微流控裝置的部件通常具有小于幾百平方微米的橫截面尺寸，且通道通常具有毛細管尺寸，例如具有約500 μ m至約0.1 μ m的最大橫截面尺寸。微流控裝置通常具有在I μ L至幾nL(例如1-1OOnL)范圍內(nèi)的容積容量。微流控裝置的制造和工作是本領(lǐng)域眾所周知的,如在通過引用并入本文中的下述參考文獻中所例證的:Ramsey，美國專利6，001，229、5，858，195,6, 010，607、和 6，033，546 ；Soane 等人，美國專利 5，126，022 和 6，054，034 ；Nelson等人，美國專利6，613，525 ；Maher等人，美國專利6，399，952 ；Ricco等人，國際專利公開W002/24322 ;Bjornson等人，國際專利公開W099/19717 ;Wilding等人，美國專利 5,587，128,5, 498, 392 ;Sia 等人，Electrophoresis, 24:3563-3576 (2003) ;Unger 等人，Science, 288:113-116 (2000) ;Enzelberger 等人，美國專利 6，960，437。
[0038]本申請通過以下技術(shù)方案來實施:
[0039]1.一種用于控制多個流體流的流控回路，所述流控回路包括:
[0040]具有出口和多個流體入口的流控結(jié)點；和
[0041]通過一個或多個各自具有流體阻力的通道與所述流控結(jié)點流體連通的至少一個廢物口，選擇所述通道的流體阻力，使得無論何時流體僅流動穿過單個流體入口，以在所述流控結(jié)點中形成流，這樣的流體的一部分穿過所述出口離開所述流控結(jié)點，且這樣的流體的剩余部分穿過所述一個或多個通道離開所述流控結(jié)點，使得從未選擇的入口進入所述流控結(jié)點的任何流體穿過所述一個或多個通道被引導至一個或多個廢物口。
[0042]2.如第I項所述的流控回路，其中所述多個所述流體入口徑向地圍繞所述出口設置。
[0043]3.如第I項所述的流控回路，其中在所述流控結(jié)點中形成的所述流是層流。
[0044]4.如第3項所述的流控回路，其中所述流控結(jié)點具有相對的和垂直的表面。
[0045]5.如第4項所述的流控回路，其中所述多個所述入口設置在所述結(jié)點的表面上，所述表面與設置所述出口的所述表面垂直。
[0046]6.如第4項所述的流控回路，其中所述多個所述入口設置在所述結(jié)點的表面上，所述表面與設置所述出口的所述表面相對。
[0047]7.如第6項所述的流控回路，其中與所述一個或多個廢物口連通的所述通道設置在表面上，所述表面與設置所述出口和所述多個所述流體入口的那些表面垂直。
[0048]8.如第I項所述的流控回路，其另外包括廢物導管，所述廢物導管提供與所述一個或多個廢物口和多個所述徑向地圍繞所述流控結(jié)點設置的通道的流體連通，并提供所述流控結(jié)點和所述廢物導管之間的流體連通，每個所述通道具有單個所述流體入口，并選擇具有流體阻力的在所述流體入口的所述結(jié)點遠端處的所述通道的每個部分，使得無論何時流體僅流動穿過單個流體入口，以在所述流控結(jié)點中形成所述層流，這樣的流體的一部分穿過所述出口離開所述流控結(jié)點，且這樣的流體的所述剩余部分穿過所述通道離開所述流控結(jié)點，沒有流體流至所述廢物導管。
[0049]9.一種用于順序地遞送多個試劑至共同容積的裝置，所述裝置包括:
[0050]流控回路，所述流控回路包括具有出口和多個流體入口的流控結(jié)點；和通過一個或多個各自具有流體阻力的通道與所述流控結(jié)點流體連通的至少一個廢物口，選擇所述通道的流體阻力，使得無論何時試劑僅流動穿過單個試劑入口，以在所述流控結(jié)點中形成層流，這樣的試劑的一部分穿過所述出口離開所述流控結(jié)點，且這樣的試劑的剩余部分穿過所述一個或多個通道離開所述流控結(jié)點，由此使從沒有試劑流的入口進入所述流控結(jié)點的任何試劑穿過所述一個或多個通道被弓I導至一個或多個廢物口；
[0051 ] 多個試劑閥門，所述試劑閥門各自設置在連接試劑入口和試劑蓄池的導管中；和
[0052]控制系統(tǒng)，其用于產(chǎn)生打開或關(guān)閉所述多個試劑閥門中的每一個的信號，使得預選擇的試劑閥門被打開預選擇的持續(xù)時間，同時所有其它試劑閥門被關(guān)閉，由此遞送預定順序的試劑流穿過所述出口。
[0053]10.如第9項所述的裝置,所述裝置另外包括洗液入口和洗液閥門,所述洗液入口連接至所述出口，使得所述洗液入口穿過所述出口與所述流控結(jié)點流體連通，且所述洗液閥門可操作地與所述控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，并設置在將所述洗液入口連接至洗滌流體蓄池的導管中，使得無論何時所述控制系統(tǒng)會打開所述洗液閥門并同時關(guān)閉所有所述試劑閥門，洗漆溶液流動穿過所述流控結(jié)點，穿過所述一個或多個通道，并至所述一個或多個廢物口。
[0054]11.如第10項所述的裝置，所述裝置另外包括廢物導管，所述廢物導管提供與所述一個或多個廢物口和多個所述徑向地圍繞所述流控結(jié)點設置的通道的流體連通，并提供所述流控結(jié)點和所述廢物導管之間的流體連通，每個所述通道具有單個所述流體入口，并選擇具有流體阻力的在所述流體入口的所述流體結(jié)點遠端處的所述通道的每個部分，使得無論何時流體僅流動穿過單個流體入口，以在所述流控結(jié)點中形成所述層流，這樣的流體的一部分穿過所述出口離開所述流控結(jié)點，且這樣的流體的所述剩余部分穿過所述通道離開所述流控結(jié)點，沒有流體流至所述廢物導管。
[0055]12.一種用于執(zhí)行多步驟的電化學過程的裝置，所述裝置包括:
[0056]與電子傳感器偶聯(lián)的反應器，所述電子傳感器用于監(jiān)測所述反應器中的產(chǎn)物；
[0057]包括流控回路的流控系統(tǒng)，所述流控回路用于將包括選擇的電解質(zhì)在內(nèi)的多個不同電解質(zhì)順序地遞送至所述反應器；和
[0058]與所述選擇的電解質(zhì)接觸的參比電極，所述參比電極用于給所述電子傳感器提供參比電壓，在所述參比電極不接觸未選擇的電解質(zhì)的情況下提供所述參比電壓。
[0059]13.如第12項所述的裝置，其中所述流控回路包括:具有出口和多個流體入口的流控結(jié)點，和通過一個或多個各自具有流體阻力的通道與所述流控結(jié)點流體連通的至少一個廢物口，選擇所述通道的流體阻力，使得無論何時電解質(zhì)僅流動穿過單個流體入口，以在所述流控結(jié)點中形成流，這樣的電解質(zhì)的一部分穿過所述出口離開所述流控結(jié)點，且這樣的電解質(zhì)的剩余部分穿過所述一個或多個通道離開所述流控結(jié)點，使得從未選擇的入口進入所述流控結(jié)點的任何電解質(zhì)穿過所述一個或多個通道被弓I導至一個或多個廢物口。
[0060]本申請是2010年5月24日提交的美國專利申請序列號12/785，667的繼續(xù)申請，后者是2009年5月29日提交的美國專利申請序列號12/474,897和12/475,311的部分繼續(xù)申請，且本申請要求這些申請和2009年12月31日提交的美國臨時申請序列號61/291,627的利益。所有前述申請都通過引用整體并入本文。
【權(quán)利要求】
1.一種用于控制流控回路中的流體流的方法，所述流控回路包括分別經(jīng)由第一通道和第二通道而與結(jié)點流體連通的第一流體入口和第二流體入口、與所述結(jié)點流體連通的流體出口以及經(jīng)由所述第一通道和所述第二通道而與所述結(jié)點流體連通的至少一個廢物口，所述方法包括: 使第一流體經(jīng)由所述第一流體入口流入所述流控回路中，所述第一流體的第一部分流動經(jīng)過所述第一通道、經(jīng)過所述結(jié)點然后經(jīng)過所述流體出口，所述第一流體的第二部分流動經(jīng)過所述第一通道、經(jīng)過所述結(jié)點，經(jīng)由所述第二通道而穿過所述第二流體入口然后進入所述至少一個廢物口，并且所述第一流體的第三部分流動至所述至少一個廢物口而沒有穿過所述結(jié)點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一通道和所述第二通道在所述結(jié)點與所述至少一個廢物口之間提供不同的流體路徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二部分和第三部分流動經(jīng)過廢物通道到達所述至少一個廢物口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中使所述第一流體流入所述流控回路包括使所述第一流體流動經(jīng)過所述流體入口到達入口通道并且流動經(jīng)過所述入口通道與所述第一通道之間的T連接點。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 在使第一溶液流入所述流控回路之后，使洗液流入所述流控回路，所述洗液經(jīng)由與所述流體出口連通的洗液入口進入所述流控回路，所述洗液流動經(jīng)過所述流體出口并且進入所述結(jié)點，流動經(jīng)過所述第一通道和所述第二通道到達所述至少一個廢物口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括: 在使所述洗液流入所述流控回路之后，使第二流體經(jīng)由所述第二流體入口流入所述流控回路，所述第二流體的第一部分流動經(jīng)過所述第二通道、經(jīng)過所述結(jié)點然后經(jīng)過所述流體出口，并且所述第二流體的第二部分流動經(jīng)過所述第二通道、經(jīng)過所述結(jié)點、經(jīng)由所述第一通道穿過所述第一流體入口然后進入所述至少一個廢物口。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第二流體的第三部分流動經(jīng)過所述第二通道到達所述至少一個廢物口，而沒有穿過所述結(jié)點。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 在使所述第一溶液流入所述流控回路之后，使洗液流入所述流控回路同時繼續(xù)使所述第一流體流動，所述洗液經(jīng)由與所述流體出口連通的洗液入口進入所述流控回路，所述洗液流動經(jīng)過所述流體出口并且進入所述結(jié)點、經(jīng)過所述第一通道和所述第二通道到達所述至少一個廢物口，所述第一流體流動經(jīng)過所述第一通道到達所述至少一個廢物口而沒有進入所述結(jié)點。
9.一種流控裝置，包括: 具有流體出口的結(jié)點； 多個流體入口，所述多個流體入口中的每個流體入口與多個試劑中的各個試劑唯一地關(guān)聯(lián); 至少一個廢物口； 多個通道，所述多個通道中的每個通道在所述結(jié)點與所述至少一個廢物口之間提供不同的流體路徑，所述多個通道中的每個通道包括至各個入口通道的連接點，所述各個入口通道在所述每個通道與所述多個流體入口中的各個流體入口之間提供流體連通； 通過所述流體出口與所述結(jié)點流體連通的出口通道；以及 與所述出口通道流體連通的洗滌流體入口。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流控裝置，其中所述多個試劑中的每個試劑存儲在各個蓄池中。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流控裝置，還包括與所述洗滌流體入口電通信的參比電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流控裝置，其中所述洗滌流體入口包括與所述出口通道連接的分支管道，所述參比電極布置在所述分支管道中。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流控裝置，其中所述出口通道與流動池流體連通。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的流控裝置，還包括參比電極，所述參比電極具有經(jīng)過所述出口通道到達所述流動池的連續(xù)電解質(zhì)路徑。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流控裝置，其中每個不同的流體路徑?jīng)]有不可透過的屏障。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流控裝置，其中每個通道包括從所述連接點延伸至所述結(jié)點的第一部段和從所述連接點離開所述結(jié)點的第二部段。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流控裝置，其中所述第二部段連接至與所述廢物口流體連通的廢物通道。
18.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流控裝置，其中所述第二部段具有比所述第一部段更大的流動阻力。
【文檔編號】B01L3/00GK104251875SQ201410406758
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2009年5月29日
【發(fā)明者】喬納森·舒爾茨, 大衛(wèi)·馬蘭 申請人:生命技術(shù)公司