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用于傳輸、封閉和分析流體樣品的方法和裝置的制作方法

文檔序號:6110711閱讀:340來源:國知局
專利名稱:用于傳輸、封閉和分析流體樣品的方法和裝置的制作方法
用于傳輸、封閉和分析流體樣品的方法和裝置
本發(fā)明涉及一種用于傳輸、封閉和分析流體樣品的裝置及其使用方 法。所述裝置包括至少一個樣品傳輸通道,至少一個多功能通道,和至 少 一個反應(yīng)器模塊。所述反應(yīng)器模塊將所述至少 一個樣品傳輸通道流體 連接至所述至少 一個多功能通道,其包括與所述至少 一個樣品傳輸通道 流體連通的至少一個反應(yīng)室,和至少一個流體隔離室。所述至少一個流 體隔離室與所述反應(yīng)室的至少一個出口流體連通,并調(diào)節(jié)所述至少一個 出口和所述至少一個多功能通道之間流體樣品的流動。
"芯片實驗室(Lab-on-chips )"是集成流體搮作功能來執(zhí)行化學(xué)和 生物化學(xué)分析過程的微型裝置。它們使復(fù)雜的宏觀尺度化學(xué)或生物化學(xué) 的混合、分離、反應(yīng)、分析、檢測和測量過程小型化。通過由玻璃或聚 合物村底制成的這些微型裝置的小型化使得分析所需的樣品和試劑的 體積以及所需時間減少到最小。因此,這些微型裝置提供了成本、速度 和樣品消耗方面的優(yōu)勢。術(shù)語"芯片實驗室"還涉及將一個分析程序的 多個樣品和幾個步驟、以及潛在的幾個測試集成到微尺度單一 系統(tǒng)的能 力。"芯片實驗室"已經(jīng)被應(yīng)用于多種方法,尤其是生命科學(xué)領(lǐng)域。這 些方法之一包括酶促反應(yīng)的應(yīng)用,例如包括動力學(xué)常數(shù)的測定(例如 Burke, BJ, Regnier, FE, Anal Chem (2003), 75, 1786-1791)、分析物的定 量測定(Wang, J, et al, Anal Chem (2001), 73, 1296-1300)或聚合酶鏈?zhǔn)?反應(yīng)("PCR",參見例如Medintz, IL, et al" Electrophoresis, (2001), 22, 3845-3856)。其他方法包括毛細(xì)管電泳(Shao, X, et al" J Microcolumn Sep, (1999), 11, 323-329)、等電聚焦(Hofmann, O, et al., Anal Chem, (1999), 71, 678-686)或免疫測定(例如Sato, K, et al" Electrophoresis, (2002), 23, 734-739)。
這些系統(tǒng)的顯著優(yōu)點之一是自動化和便攜性的潛力增加,因而減少 了人為介入(hands-on labour )的量,使之能夠進(jìn)行現(xiàn)場分析和測試。 但是,目前大多數(shù)微流體芯片(microfluidic chips )是耦合至宏觀尺度 (macroscale )運行基礎(chǔ)i殳施的微觀尺度(mkroscale )裝置。例如,
流體運輸過程經(jīng)常通過原位構(gòu)建或者外部接至所述微型裝置的泵和岡 來實現(xiàn)。系統(tǒng)原位構(gòu)建的微泵和微閥通常要求額外的驅(qū)動力。用于微泵
的這種驅(qū)動機構(gòu)的實例包括止回閥、蠕動、旋轉(zhuǎn)、離心、超聲、電流體
動力學(xué)、動電學(xué)、相轉(zhuǎn)移(因此要求溫度或壓力變化)、電潤濕、磁性 或流體力學(xué)機構(gòu)。用于微閥的這種驅(qū)動機構(gòu)的實例包括氣動、熱力氣動、
熱力學(xué)、壓電、靜電、電磁、電化學(xué)和毛細(xì)管機構(gòu)(參見例如US patent 6,531,417; US patent 5,499,卯9; Kamper, K.P. et al., "A self-filling low-cost membrane micropump,', a簡冊/ /M^7ia&Vwfl/
w由一 o 細(xì)MS",憎《Gmw,, 432-437; Maillefer, D. et al" "A high-performance silicon micropump for disposable drug delivery systems", /"&nifl"Vmfl/ Af/cra £7e"n
Mec/ifl/i/cfl/ 5^e附s (M£"^^) 0 /i/^wce, M(vazaA:/, /"戸《, 413-417; Gu, W. et al" Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A (2004), 101, 45,15861-15866)。
除了毛細(xì)管作用之外,所有上述驅(qū)動機構(gòu)要求提供形式為例如電、 磁場、氣壓或熱能的外部能量,或者依靠驅(qū)動這些過程的機械部件。因 此,這些機構(gòu)依賴于周圍宏,見尺度的運行基礎(chǔ)設(shè)施。這些周圍宏觀尺度 支持阻礙了便攜性并因此使得微流體系統(tǒng)的優(yōu)點之一變無效。因此期望 使用具有自分配(self-distribution)性質(zhì)的獨立于外部裝置和外部能量的 微裝置。這些裝置具有改進(jìn)的便攜性和現(xiàn)場可用性(field deployability )。
如上所述,毛細(xì)管作用通過降低對例如電流、機械力、壓力變化或 溫差等外部驅(qū)動力的依賴提供了一種避免或降低對周圍宏觀尺度支持 基礎(chǔ)設(shè)施的依賴性的方法。因此其被廣泛研究以控制和/或引導(dǎo)流體的 流動(參見例如美國專利申請03/0138941 )令人毫不吃驚。毛細(xì)管作用 力由物質(zhì)之間的表面親和力產(chǎn)生,并且依賴于諸如其表面化學(xué)、表面形 態(tài)和結(jié)構(gòu)等的材料性質(zhì)。微型裝置結(jié)構(gòu)尺度縮小增加了表面力/張力和
毛細(xì)管作用的任何效果。因此,有潛力使用這些力來傳遞流體,并將其 包封入指定的腔內(nèi),以用于后續(xù)應(yīng)用比如在壓力和溫度變化下進(jìn)行反 應(yīng)。盡管表面張力能夠不借助外力來驅(qū)動流體流動,但是設(shè)計一個完全 依靠毛細(xì)管力的用于指定應(yīng)用的系統(tǒng)仍是一項充滿挑戰(zhàn)的任務(wù)。
Gong等報道了這樣一種毛細(xì)管力驅(qū)動裝置(參見例如美國專利申 請2003/0138941 Al,美國專利申請2003/0138819 Al,和國際專利申請 WO03/035902 A2 ),其實現(xiàn)了表面驅(qū)動的流體分配作用。所述裝置由位 于兩個截然不同的多功能連通通道之間的一個或多個"測定站"或"孔" 構(gòu)成。這些"測定站"中的每一個都通過至少兩個入口連接至兩個多功 能連通通道。流體樣品進(jìn)入所述第 一多功能連通通道,并從那里流入所200580049623.7
說明書第3/36頁
迷測定站。雖然提供了有用的微芯片設(shè)備,但是該裝置的缺點是流體樣 品可能從所述測定站中溢流進(jìn)入所述第二多功能連通通道。這種溢流將 會導(dǎo)致相應(yīng)裝置內(nèi)其他測定站被污染。
以上引用裝置的另 一個缺點是在所述流體樣品的分配中使用頂替 液體。該頂替液體進(jìn)入所述第一多功能連通通道,并置換流體樣品。因 而所述頂替液直接接觸流體樣品。這種接觸增加了混合并進(jìn)而污染的風(fēng) 險,尤其是頂替液的性質(zhì)沒有被仔細(xì)選擇時。為了從所述第一多功能連 通通道中除去流體樣品,可以要求選擇對各自通道表面具有高度親和力 的頂替液。但是,具有這種高表面親和力的液體可能產(chǎn)生很大的毛細(xì)管 力。作用在測定站第 一入口上的大毛細(xì)管力可能使流體樣品從所述測定 站內(nèi)通過第二入口溢流出來。結(jié)果,所述流體樣品可能進(jìn)入第二多功能 連通通道。從這個通道,所述流體樣品可與所述裝置內(nèi)其他測定站的流 體樣品接觸,從而導(dǎo)致污染。此外,溢流過程可能導(dǎo)致與頂替液混合, 其可影響頂替液的性質(zhì)和測定站內(nèi)流體樣品的后續(xù)分析。
如Gong等(同上)公開的微型裝置通常要求從所述樣品室中釋放 夾帶空氣的手段??捎糜卺尫艎A帶空氣的這些手段的實例是應(yīng)用外力比 如離心、泵抽,或提供通氣手段。
外力的應(yīng)用要求將附加周圍支持系統(tǒng)比如離心機或泵置入所述操 作過程,或者要求將其他功能加入所述裝置。這些方法增加了所述裝置、 及其操作的復(fù)雜性和成本以及所述方法的整體便攜性。
上述裝置的典型應(yīng)用是在其測定站內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)或進(jìn)行分析之后的 存儲。待用于這些方法之一的各裝置包括通風(fēng)口時,該通風(fēng)口需要被密 封,以允許封閉所述流體樣品。但是,所需的密封過程導(dǎo)致樣品室內(nèi)的 流體樣品和各自密封材料表面之間相接觸。這種接觸導(dǎo)致由密封材料取 代流體樣品而產(chǎn)生的流體樣品流出的風(fēng)險。因此,流體樣品可進(jìn)入各個 裝置的一個多功能通道中。與使用頂替液相似,進(jìn)入多功能通道的流體 樣品可污染裝置內(nèi)其他反應(yīng)室中的流體樣品。
因此,本發(fā)明的一個目的是提供用于分析流體樣品的可棄型微型裝 置,所述裝置一方面能夠分配該流體樣品而不要求外部手段(例如離心 機、泵、電力或磁力),另一方面能夠任選與這些外部手段一起使用。 本發(fā)明的另一個目的是提供用于分析流體樣品的微型裝置,所述裝置避 免由流體樣品的潛在溢流、使用頂替液或使用密封材料而引起的對流體
樣品的潛在混合與污染的風(fēng)險。本發(fā)明的再一個目標(biāo)是提供用于分析流 體樣品的微型裝置,所述裝置能夠?qū)⑺鰳悠芬跃鶆蛐问奖3衷诜忾]反 應(yīng)室內(nèi),而不管壓力或體積如何變化。如上所述,由于在多種反應(yīng)過程
變化尤其可能發(fā)生y _ _ " 二、…、乓
這些目的通過獨立權(quán)利要求中所述的用于分析流體樣品的裝置及 其使用方法來解決。
一方面中,本發(fā)明涉及用于分析流體樣品的裝置,所述裝置包括 -至少一個樣品傳輸通道; -至少一個多功能通道;和
-至少一個將所述至少一個樣品傳輸通道流體連接至所述至少 一個多功能通道的反應(yīng)器模塊,所述至少一個反應(yīng)器模塊包括
-至少一個反應(yīng)室,所述反應(yīng)室具有與至少一個樣品傳輸通道流 體連通的至少一個入口,和
-至少一個流體隔離室,所述流體隔離室與所述至少一個反應(yīng)室 的至少一個出口流體連通,
其中所述至少一個流體隔離室調(diào)節(jié)所述至少一個出口和所述至少一個 多功能通道之間流體樣品的流動。
在另一個方面中,本發(fā)明涉及檢測流體樣品中分析物的方法,其包

a)提供上述用于檢測流體樣品中分析物的裝置,其包括 -至少一個樣品傳輸通道; -至少一個多功能通道;和
-至少一個將所述至少一個樣品傳輸通道流體連接至所述至少一個 多功能通道的反應(yīng)器模塊,所述至少一個反應(yīng)器模塊包括
-至少一個反應(yīng)室,所述反應(yīng)室具有與至少一個樣品傳輸通道流
體連通的至少一個入口,和 —至少一個流體隔離室,所述流體隔離室與所述至少一個反應(yīng)室 的至少一個出口流體連通,
其中所述至少一個流體隔離室調(diào)節(jié)所述至少一個出口和所述至少一個 多功能通道之間流體樣品的流動。
b) 將流體樣品加載入所述裝置,
c) 用密封材料密封所述至少一個樣品傳輸通道和至少一個多功能通 道,和
d) 執(zhí)行至少一種分析物檢測反應(yīng),所述反應(yīng)提供關(guān)于所述分析物的 至少一個定性或定量數(shù)據(jù)。
本說明書和權(quán)利要求書全文中,用于所述流體樣品的術(shù)語"分析" 的意思不只限于它們通常的意思。相應(yīng)地,這些術(shù)語表示對流體樣品的 性質(zhì)或特征進(jìn)行定量和/或定性檢測(例如測量、評價或測定)的任何 行為。另外,在此使用的這些術(shù)語還表示分配或封閉流體樣品(例如, 為了觀察封閉空間內(nèi)流體樣品的流動分布行為)而不對流體樣品進(jìn)行任 何定量和/或定性檢測方法的任何行為。此外,此處所用的術(shù)語還表示 保存流體樣品的過程(例如,為了研究密閉空間內(nèi)流體樣品和選定襯底 材料的長期相互作用)。
伴隨本說明書中所用術(shù)語的附圖標(biāo)記用于描述根據(jù)本發(fā)明的裝置 的任何部件,其只是被用于舉例的目的,而不應(yīng)該被解釋為將所述裝置 的該部分限制在圖中附圖標(biāo)記舉例和指示的具體結(jié)構(gòu)/部件。
根據(jù)本發(fā)明的裝置包括至少三個隔室,即一個或多個樣品傳輸通道 1, 一個或多個多功能通道3,和至少一個反應(yīng)器模塊11,其中每個隔 室可以包括其他各種小隔室(sub-compartment)(為方便起見,下面這 些小隔室同樣被稱為隔室)。所述至少一個樣品傳輸通道1可以位于裝 置內(nèi)的任何位置,只要其大致定位允許將流體樣品從所述裝置的一個或 多個進(jìn)液口 5輸送至所述一個或多個反應(yīng)器模塊11 。如果所述樣品傳輸 通道l與一個以上進(jìn)液口 5流體連通,則附加進(jìn)液口比如

圖10中的進(jìn) 液口 6或9可以和進(jìn)液口 5或相互之間具有相同或不同的形狀和表面特 性。在具有幾個進(jìn)液口 5、 6等的實施方案中,這些進(jìn)液口中的一些可 以被用來容納源自環(huán)境例如使用者的流體樣品,而其他進(jìn)液口可以被用 于其他功能。例如這些其他功能可以包括充當(dāng)已經(jīng)由另 一進(jìn)液口充入樣 品傳輸通道的過量流體的儲器。每個進(jìn)液口 5、 6或9等可以是任意深 度,只要在加載流體樣品后充入進(jìn)液口時其體積不妨礙所述隔離介質(zhì)執(zhí) 行其功能就行。作為示例性實施例,兩個進(jìn)液口 5和6(例如見圖10A)
可以和樣品傳輸通道l流體連通,其中進(jìn)液口 5可以用于容納流體樣品 和隔離介質(zhì)。如果進(jìn)液口 5比通道1更深,其在將流體樣品加載給所述 裝置后可以保留流體樣品。然后,密封流體可以被用作可與各流體樣品 互溶的隔離介質(zhì)(見下文)。當(dāng)所述密封流體被載入進(jìn)液口 5時,其中 存在的流體樣品例如將會稀釋隔離介質(zhì)。因此進(jìn)液口 5的深度被限制到 這種稀釋不會阻止所述密封流體功能的體積(見下文)。密封流體可以
具有很低的粘度,使其也可以立即流過通道1,進(jìn)入進(jìn)液口 6。在此情 況下,與進(jìn)液口 5同樣的要求也可適于進(jìn)液口 6。典型地,與通道l或 3連通的至少一個進(jìn)液口從而提供了深度不到約0.5毫米的小體積。
樣品傳輸通道1可以擁有任何內(nèi)表面特性,只要它們允許傳輸流體 樣品。例如當(dāng)提供水性流體樣品時,所述通道的內(nèi)表面可以是親水性或 疏水性。此外,不同的通道l內(nèi)部區(qū)域可以提供不同的表面特性。因此, 樣品傳輸通道l上的一些區(qū)域,比如壁或部分壁,可以是親水性的,而 另一些區(qū)域可以是疏水性的。圖8描述了經(jīng)過不同處理的具有方形、三 角形和圓形剖面的通道內(nèi)壁的實例。在典型的實施方案中,樣品傳輸通 道1提供了允許流體樣品傳輸?shù)谋砻嫣匦?,其允許程度低于反應(yīng)器模塊 11的反應(yīng)室15的各自表面特性。
可改變樣品傳輸通道1或所述裝置其他任何部件的表面特性的處理 可以是導(dǎo)致各自表面特性改變的任何處理,其持續(xù)時間長度足以影響隨 后流體樣品的輸送。典型地,這種處理不影響接觸各表面區(qū)域的流體樣
品的組成。在一些實施方案中,這種處理不影響接觸各表面區(qū)域的任何 流體的組成。在另一些實施方案中,如果隔離介質(zhì)充入樣品傳輸通道l, 該處理例如可以改變隔離介質(zhì)(見下文)。
可以被用來改變表面特性的處理可以包括各種方法,例如機械、熱、 電或化學(xué)方法。本領(lǐng)域通常使用的方法是用對流體樣品具有不同親和力 水平的化學(xué)物質(zhì)處理。例如,塑料材料的表面可以通過用稀鹽酸或稀硝 酸處理變成親水性的。又如,聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面可以通過 用氧氣或空氣等離子體的氧化變成親水性。作為替代,任何疏水表面的 表面性質(zhì)可以通過包覆親水聚合物或用表面活性劑處理變成更具親水
性?;瘜W(xué)表面處理的實例包括但不限于暴露于六甲基二硅氮烷、三甲基 氯硅烷、二甲基二氯硅烷、丙基三氯硅烷、四乙氧基硅烷、環(huán)氧丙氧基 丙基三曱氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、2-(3,4-環(huán)氧環(huán)己基)乙基 三甲氧基硅烷、3-(2,3-環(huán)氧丙氧基)丙基三曱氧基硅烷、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、 Y-(3,4-環(huán)氧環(huán)己基)乙基三甲氧基硅烷、聚(甲基丙烯酸甲 酯)、聚甲基丙烯酸酯共聚物、尿烷、聚氨酯、含氟聚丙烯酸酯、聚(曱 氧基-聚乙二醇-甲基丙烯酸酯)、聚(二曱基丙烯酰胺)、聚([N-(2-羥丙 基)甲基丙烯酰胺)(PHPMA)、 oc-磷?;?膽堿-o-(N,N-二乙基二硫基 氨基甲?;?十一烷基寡聚DMAAm-寡聚-ST嵌段共寡聚物(參見 Matsuda, T et al" Biomaterials (2003), 24, 24, 4517-4527)、聚(3,4-環(huán)氧 -l-丁烯)、3,4-環(huán)氧-環(huán)己基甲基丙烯酸甲酯、2,2-雙[4-(2,3-環(huán)氧丙氧)苯 基丙烷、3,4-環(huán)氧-環(huán)己基丙烯酸曱酯、(3,,4,-環(huán)氧環(huán)己基甲基)-3,4-環(huán)氧 環(huán)己基羧酸酯,二-(3,4-環(huán)氧環(huán)己基曱基)己二酸酯、雙酚A (2,2-雙 -(p-(2,3-環(huán)氧丙氧基)苯基)丙烷)或2,3-環(huán)氧-1-丙醇。
同樣地,樣品傳輸通道l可以具有任意幾何特性,只要其允許流體 樣品傳輸。例如它們可以是直的、彎的(例如圖10B)或螺旋的,包含 回路,以及包含其他內(nèi)部幾何特性。這些內(nèi)部幾何特性可以包括,但是 不卩艮于直徑變化、倒轉(zhuǎn)(inversion )、溝槽(groove)或凹痕(dent )。 在一些實施方案中,傳輸通道的形狀提供了促進(jìn)流體樣品傳輸?shù)膸缀翁?性。在另一些實施方案中,例如當(dāng)幾個不同幾何特性的通道流體連通時, 傳輸通道的形狀以更低或更高程度提供了促進(jìn)或阻礙流體樣品傳輸?shù)?幾何特性,尤其是相對于各自其它傳輸通道而言。
樣品傳輸通道l可以是任何長度,線性或具有分支,并具有任何剖 面的橫截面。各自剖面的實例包括但不限于圓形、卵形、字母V或U 形、三角形、矩形、正方形或任意寡多面體形(oligohedron )。典型地, 樣品傳輸通道的直徑選自約5微米至約5毫米。
如上所述,至少一個樣品傳輸通道l與所述裝置的一個或多個進(jìn)液 口流體連通。該進(jìn)液口 5—或這些進(jìn)液口 5、 6和9等一可用于容納流體 樣品或隔離介質(zhì)。此外,樣品傳輸通道1與至少一個反應(yīng)器模塊11的 至少一個反應(yīng)室15流體連通。各反應(yīng)室可以垂直位于與樣品傳輸通道1 相同或不同的水平面。在其垂直位于樣品傳輸通道l的水平面以下的實 施方案中,其高度差可以幫助流體樣品從樣品傳輸通道l中傳輸進(jìn)入所 述至少一個反應(yīng)室15。
在一些實施方案中, 一個反應(yīng)器模塊11包含一個以上反應(yīng)室15, 這些室可以具有相同的尺寸,并恰好位于彼此頂部的位置。在這些實施
方案中,每個反應(yīng)室中可以放置不同的反應(yīng)化合物(見下文)。這種裝
置可期望例如使用不同的輻射波長同時進(jìn)行分析測量。在另 一些實施方 案中,各反應(yīng)室可以具有不同的尺寸,和/或位于不同的水平位置(例
如見圖7B)。可期望這些實施方案具有對照區(qū),以證實每次檢測與所述 裝置不同反應(yīng)室的信號無關(guān)。
此處使用的術(shù)語"水平(horizontal)"、"垂直(vertical)"和"在上 面(on top)"指的是本發(fā)明裝置所處的位置,以此方式使得至少一個反 應(yīng)器模塊11、多功能通道3和至少一個樣品傳輸通道1定向于側(cè)邊或旁 邊(sidewise or alongside ),即不在彼此的上面。在一些實施方案中, 該位置反映出所述裝置的定位,其中任意開口比如進(jìn)液口 4至9面朝上, 并且所述裝置可以置于平的表面上。
因此,在一些實施方案中,樣品傳輸通道1與數(shù)個反應(yīng)器模塊11 流體連通。在一些實施方案中,所述數(shù)個反應(yīng)器模塊可以這種方式布置, 使得外部手段或毛細(xì)管作用通過與各樣品傳輸通道流體連通的所述裝 置的至少一個樣品傳輸通道1將流體樣品31從一個或多個進(jìn)液口 5和6 等中任意一個同時注入數(shù)個反應(yīng)器模塊。在另一些實施方案中,所述數(shù) 個反應(yīng)器模塊可以被布置為使這些反應(yīng)器可以被依次注入。同樣地,如 果幾個反應(yīng)室15被提供在一個反應(yīng)模塊11內(nèi),這些反應(yīng)室可以被布置 為使得外部手段或毛細(xì)管作用依次或同時將其充滿。此外,所述數(shù)個反 應(yīng)器模塊可以被布置為例如同時或依次將隔離介質(zhì)33注入樣品傳輸通 道l,以物理隔離所述數(shù)個反應(yīng)器模塊。
在另一些實施方案中可以提供多個樣品傳輸通道1。例如,這些樣 品傳輸通道l中每一個可以與僅一個反應(yīng)器模塊和一個進(jìn)液口 5、 6等 流體連通。例如,當(dāng)要試驗不同流體比如緩沖液、有機溶劑或離子性液 體對特定反應(yīng)的適合程度時,可以期望這些實施方案。
本發(fā)明的裝置還包括至少一個多功能通道3。在一些實施方案中, 該通道可由單獨一個單元構(gòu)成,而在另一些實施方案中,其可以形成彼 此不直接連接的幾個部分(例如見圖3D)。所述多功能通道3可以是任 意長度,線性或具有分支(例如見圖IOB)。
所述多功能通道可以具有任何表面特性。在一些實施方案中,它/ 它們可以具有阻礙流體樣品傳輸?shù)谋砻嫣匦缘膬?nèi)表面區(qū)域。例如在提供 水性流體樣品時,多功能通道3的內(nèi)表面可以是疏水性的,或者被處理 為提供疏水的表面特性。在另一些實施方案中,所述多功能通道具有促
進(jìn)流體樣品傳輸?shù)谋砻嫣匦缘膬?nèi)表面區(qū)域。因此在這些實施方案中,在 這方面其可以與樣品傳輸通道1相似。
同樣地,多功能通道3的形狀可以提供任何幾何特性,只要其允許 容納隔離介質(zhì)和空氣。在一些實施方案中,多功能通道3的形狀提供阻 礙流體傳輸?shù)膸缀翁匦?。在另一些實施方案中,多功能通道的形狀可?具有促進(jìn)流體傳輸?shù)膸缀翁匦?。所述多功能通?可以用于容納例如密 封材料等隔離介質(zhì)。這種隔離介質(zhì)可以被放進(jìn)和/或流進(jìn)多功能通道3 , 然后固化成剛性或半剛性的封閉表面。應(yīng)該注意,所述至少一個樣品傳 輸通道l同樣可以用于容納隔離介質(zhì)。
所述多功能通道3可以是任意長度,并擁有具有任意合適剖面的橫 截面。各剖面的實例包括但不限于圓形、卵形、字母V或U形、三角 形、矩形、正方形或寡多面體形。典型地,樣品傳輸通道的直徑選自約 5微米至約5毫米的范圍。
所述一個或多個多功能通道3與一個或多個進(jìn)液口 4、 7和8等(例 如見圖10B)流體連通。這些進(jìn)液口能夠容納空氣或隔離介質(zhì),并允許 將其轉(zhuǎn)移到多功能通道3中。所述潛在多樣的各進(jìn)液口 4、 7和8等可 以具有相同或不同的形狀和表面特性。它們還可以擁有與和樣品傳輸通 道l流體連通的進(jìn)液口 5、 6和9等相同或不同的形狀和表面特性。此 外,當(dāng)多功能通道3與一個以上進(jìn)液口 7連通時,額外的進(jìn)液口比如圖 IOA和B中的進(jìn)液口 8可以具有與進(jìn)液口 7或彼此之間相同或不同的形 狀和表面特性。
另外,多功能通道3與每個所述一個或多個反應(yīng)器模塊的流體隔離 室23流體連通。在本發(fā)明裝置的典型實施方案中,這種連通通過出口 24提供。該出口可以是在多功能通道3和流體隔離室23之間提供連通 的任何形式。出口 24的實例包括但不限于開口、閥門、頸(neck)或 通道。圖4示出兩個示例性實施方案,其中所述出口采取通道25的形 式。這種通道可以采取為流體隔離室23提供流體連通的任意長度的任 意合適的形式,例如直線的、螺旋狀扭曲的或彎曲至任何度數(shù)。其還可 以包含其他的內(nèi)部幾何特性,例如直徑變化、倒轉(zhuǎn)、凹痕或溝槽。其可 以擁有具有任何表面特性的內(nèi)表面區(qū)域,只要其不阻礙反應(yīng)器模塊11 和多功能通道3之間的空氣連通。應(yīng)該注意,出口 24,比如通道25形 式的出口 24,可以允許液體進(jìn)入流體隔離室23。但是如果需要,它的
幾何和表面特性也可以被選擇以阻止這種液體進(jìn)入。
通道25的橫截面可以是任意形狀,只要其不阻礙流體比如空氣或 者流體密封材料的傳輸。各剖面的實例包括但不限于圓形、卵形、字母 V或U形、三角形、矩形、正方形或任何寡多面體形。典型地,通道 25的直徑大致相等或小于各個多功能通道3的直徑。例如,當(dāng)多功能通 道3具有0.2毫米的垂直直徑和0.65毫米的水平直徑時,微毛細(xì)管通道 19的直徑典型地選自約5微米至約0.65微米的范圍。因此例如其可以 采取0.1毫米的垂直直徑和0.15毫米的水平直徑。
各個出口的開口可以是任意形狀。各自剖面的實例包括但不限于圓 形、卵形、字母V或U形、三角形、矩形、正方形或任何寡多面體形。 在出口 24采取通道25形式的實施方案中,所述開口可以和通道25的 剖面具有相似的尺寸。在其他提供通道25的實施方案中,通過壁可以 將通道25和各多功能通道3隔開。這種壁可含有一個或多個尺寸較小 的開口,因此允許和多功能通道3流體連通。
在缺少其它流體比如流體樣品時,多功能通道3中的空氣因此接觸 反應(yīng)器模塊中的空氣。這進(jìn)而接觸樣品傳輸通道l中的空氣,從而形成 一個集成型充氣系統(tǒng)。因此,在將流體樣品充入樣品傳輸通道1和反應(yīng) 器模塊11期間,所述多功能通道3 —般用作通風(fēng)管,以允許釋放所截 留空氣。但是,當(dāng)多功能通道3中填充隔離介質(zhì)時,其將不再起通風(fēng)管 的作用,而是會密封所述反應(yīng)器模塊。因此,流體不能經(jīng)過流體隔離室 的出口 24進(jìn)入所述反應(yīng)器模塊11。反應(yīng)器模塊11因而和與連接至多功 能通道3的一個或多個進(jìn)液口接觸的空氣隔開。它們也和可以接觸各進(jìn) 液口的任何液體隔開。
如上所述,本發(fā)明的裝置可以提供多個反應(yīng)器模塊。在一些實施方 案中,反應(yīng)器模塊11因而可以二維或三維高密度排成陣列,其中每個 反應(yīng)器模塊包含一個或幾個反應(yīng)室15。各反應(yīng)器模塊可與任意數(shù)目的相 同或不同的樣品傳輸通道1連通。
典型地,這些反應(yīng)室15提供了促進(jìn)流體樣品傳輸?shù)膬?nèi)表面特性, 其促進(jìn)程度等于或高于與之流體連通的至少一個樣品傳輸通道1。在一 些實施方案中,可以期望提供具有不同內(nèi)表面特性的多個反應(yīng)室15。因 此,不管是在相同或不同反應(yīng)模塊內(nèi), 一些反應(yīng)室可以提供促進(jìn)流體樣 品傳輸?shù)膬?nèi)表面特性,其促進(jìn)程度不同于其它反應(yīng)室的內(nèi)表面特性。
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在一些實施方案中,還可以期望提供具有促進(jìn)流體樣品傳輸?shù)膬?nèi)表
面特性的反應(yīng)室15,其促進(jìn)程度高于與之流體連通的所有樣品傳輸通道 1。這些實施方案促進(jìn)由毛細(xì)管力或外部手段驅(qū)動的流體樣品31從裝置 的進(jìn)液口 5、 6和9等至反應(yīng)器模塊11的反應(yīng)室15的流動,其中所述 裝置與樣品傳輸通道l流體連通。因此, 一些實施方案能夠完全依靠毛 細(xì)管力來實現(xiàn)例如本發(fā)明裝置上所有反應(yīng)器模塊11中所有反應(yīng)室的填 充。在另一些實施方案中,當(dāng)可以期望提供具有不同內(nèi)表面特性的數(shù)個 樣品傳輸通道時,可以要求使用某種力,以便填充所有樣品傳輸通道和 反應(yīng)器模塊的所有隔室。例如這種力可以通過用吸管將流體輕壓入與樣 品傳輸通道l流體連通的進(jìn)液口來提供,例如圖10B中的進(jìn)液口 5、 6 或9。
反應(yīng)室15可以是任意形狀,只要期望的反應(yīng)可以在所述反應(yīng)室中 進(jìn)行。在典型的實施方案中,反應(yīng)室15將會是允許完全填充流體樣品 的形狀。這些形狀的實例包括但不限于矩形、正方形、卵形、圓形和瓶 狀。任選地,可以選擇反應(yīng)室15的形狀,以在填充液體樣品31期間避 免或防止形成氣泡。避免形成氣泡的手段的實例包括但不限于直的或凸 出的壁或部分壁以及圓角。
在典型的實施方案中,反應(yīng)室15具有從約1微微升至約1毫升范 圍的體積。因此,所述體積例如可以被選擇為約100微升或在500納升 到IO微升的范圍。在典型的實施方案中,反應(yīng)室垂直延伸5微米至約5 毫米范圍的距離。在一些實施方案中,本發(fā)明的裝置提供數(shù)個反應(yīng)器模 塊ll,這些反應(yīng)器模塊可以是基本相同的尺寸。
反應(yīng)室15具有至少一個入口 12和至少一個出口 18。這些入口和出 口可以是任何形狀,例如形成進(jìn)入連接接頭(entrance connection joint)。這些入口和出口的實例包括但不限于開口、閥門、室、頸或通 道。當(dāng)提供通道時,例如入口通道13,該通道還可以具有分支(例如見 圖3D)。此外,這種通道可以提供錐體部10 (例如見圖3D)。在具有一 個以上反應(yīng)室的實施方案中,各反應(yīng)室可以平行和/或垂直地與樣品傳 輸通道l以及各多功能通道3連接。因此,每個反應(yīng)室的各個入口和出 口可以在它們的幾何與表面性質(zhì)方面有差別。在其提供例如閥門、頸或 通道的實施方案中,它們從而還可以相對于彼此以不同角度定向。
通過一個或多個這種入口 12,每個反應(yīng)器模塊的至少一個反應(yīng)室
1815流體連接至樣品傳輸通道1。在入口 12提供例如頸、通道13或室14 (例如見圖3B、 4和5中的通道13,圖3C中的室14)的實施方案中, 其擁有具有允許將流體樣品輸入各反應(yīng)器模塊11的內(nèi)表面特性的內(nèi)表 面區(qū)域。因此,這些表面特性可與樣品傳輸通道l的表面特性相同或不 同。例如,當(dāng)提供含水流體樣品時,各入口可以是親水性的或疏水性的。 其也可以被表面處理為提供分別親水或疏水的表面特性(見上文)。在 一些實施方案中,例如當(dāng)幾個反應(yīng)器模塊11或當(dāng)反應(yīng)器模塊的幾個反 應(yīng)室15平行連接到樣品傳輸通道時,每個入口可以提供促進(jìn)流體樣品 31流動的表面特性,其中彼此之間促進(jìn)的程度各不相同。
在典型的實施方案中,入口 12提供促進(jìn)流體樣品傳輸?shù)谋砻嫣匦裕?其促進(jìn)程度相當(dāng)于或大于各樣品傳輸通道l的各自表面特性。例如當(dāng)樣 品傳輸通道提供部分親水性表面特性時,反應(yīng)室15的入口 12或各通道 13可以提供相當(dāng)?shù)幕蛴H水性的表面特性。
在典型的實施方案中,入口 12或各通道13或室14還提供促進(jìn)流 體樣品傳輸?shù)谋砻嫣匦?,其促進(jìn)程度低于各反應(yīng)室15的各自表面特性。 例如當(dāng)反應(yīng)室提供親水性表面特性時,入口 12或各通道13可以提供較 低親水性的表面特性。
因此,本發(fā)明裝置的典型實施方案提供具有協(xié)同表面特性的隔室。 各自的協(xié)同包括具有促進(jìn)流體樣品流動的表面特性的反應(yīng)室15,以較低 程度促進(jìn)流體樣品流動的樣品傳輸通道1和以等于或高于樣品傳輸通道 1的程度促進(jìn)流體樣品流動的反應(yīng)室通道-入口 13。這種協(xié)同還促進(jìn)流 體樣品31從與樣品傳輸通道流體連通的所述裝置的進(jìn)液口 5和6等通 過一或多個入口進(jìn)入反應(yīng)器模塊11的反應(yīng)室15的流動。如果與所述裝 置的所有反應(yīng)室的體積相匹配的正確量被填入各進(jìn)液口 5、 6或9等, 這種協(xié)同還提供流體樣品完全流入所述裝置的反應(yīng)室。因此,即使在反 應(yīng)室充滿流體樣品時,各自的協(xié)同也允許能夠提供空樣品傳輸通道的裝 置的方案。
應(yīng)該注意,所述裝置的附加手段、手段或其組合也有可能實現(xiàn)流體 樣品的類似流動,例如當(dāng)期望改變上述表面特性的協(xié)同時。所述裝置的 手段包括但不限于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的閥門和開關(guān)。內(nèi)部和外部手段 的組合包括但不限于動電法流量控制或使用所謂"微激勵器"。動電法 典型地包括使用集成電極和施加電場(參見例如Schafsfoort, RBM et al。 Science, (1999) 286, 942-945 )。微激勵器是聚合物電解質(zhì)或共軛聚合物, 其在電場中或氧化還原期間經(jīng)歷體積變化(參見例如Jager, EWH et al., Science, (2000) 2卯,1540-1545 )。
反應(yīng)室入口 12或各通道13/室14的形狀還可以提供進(jìn)一步控制流 體樣品流動的幾何特性。在一些實施方案中,例如當(dāng)幾個樣品傳輸通道 與一個反應(yīng)室15流體連通時,相對于另一個入口,每個這種入口的形 狀可以提供某種較低或較高程度地促進(jìn)或阻礙流體樣品傳輸?shù)膸缀翁?性。
除了改變其表面特性的任何任選的表面涂層之外,反應(yīng)室15內(nèi)可 以布置一種或多種化合物。這些一種或多種化合物可以被包含在反應(yīng)室 的至少一個壁或壁部分的涂層中。它們也可以作為例如流體或固體反應(yīng) 物、反應(yīng)物溶液或千燥反應(yīng)物溶液而沉積。它們可以充當(dāng)進(jìn)行測試反應(yīng) 以分析流體樣品性質(zhì)的試劑。在期望使用本發(fā)明的裝置進(jìn)行PCR的實 施方案中,所述化合物例如可以是引物或探針。所述一種或多種化合物 也可以被偶聯(lián)到涂層的活性基團(tuán)比如PHPMA (見上文,Carlisle, RC et al" The Journal of Gene Medicine (2004), 6, 3, 337-344 ),或者偶聯(lián)到反 應(yīng)室的4匕學(xué)^"飾表面部分。例如,當(dāng)所述表面由PDMS制成時,該聚 合物可以用3-氨丙基二甲基乙氧基硅烷衍生化,以制備活性氨基(Blank, K et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (2003), 100, 20, 11356-11360 )。
對于本發(fā)明的一些實施方案,化合物可以庫的形式使用。這種庫的 實例為化學(xué)合成用作模型化合物的各種小有機分子的集合,或含有大量 序列變體的核酸分子的集合。例如,這種庫的每種化合物可以被放入一 個或多個裝置的一個反應(yīng)模塊中。這些化合物可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員 熟知的商品機器以自動方式放置(在組裝所述裝置之前或之后)。
反應(yīng)室15通過至少一個出口 18與相同反應(yīng)模塊11的流體隔離室 23流體連通。該出口可以被布置在相對于反應(yīng)室入口 12的任何位置。 由于在樣品分析期間不流過各入口 12和出口 18(參見下文室23在這方 面的功能),其各自的位置不影響所述裝置的功能。在一些實施方案中, 出口 18例如可以相對于入口 12朝向側(cè)面(見例如圖2B或3A)。在另 一些實施方案中,它/它們可以相對于入口 13位于反應(yīng)室15的遠(yuǎn)端部 分,所述入口 13提供通向樣品傳輸通道1的流體連通。在這些實施方 案中,入口 12和出口 18可以位于反應(yīng)室的相對部分/壁,例如互相面
對。
另一方面,流體隔離室23與各反應(yīng)室通過入口 20流體連通。這些 入口的實例包括但不限于開口、閥門、頸或通道。在一些實施方案中, 該入口 20采取例如通道形式,其可以提供阻礙流體樣品傳輸?shù)母郊颖?面特性或幾何特性。在一些實施方案中,已經(jīng)提供到各反應(yīng)室15的物 理距離(見下文),所述入口 12通常采取在與形成該入口之表面垂直的 方向上具有較小長度的開口或通道的形式。
流體隔離室23進(jìn)而通過出口 24與多功能通道3流體連通(見上)。 因此流體經(jīng)過反應(yīng)室出口 18流入多功能通道3的流動被流體隔離室23 阻止。因此與反應(yīng)室出口 18和多功能通道3流體連接的流體隔離室23 可用于控制流體樣品在出口 18和多功能通道3之間的可能流動。流體 隔離室23可以是任何形式,只要其允許反應(yīng)室15和多功能通道3之間 的空氣流通。各形式的橫截面輪廓可以采取的形狀的實例包括但不限于 圓形、卵形、三角形、矩形、正方形、任何寡多面體形(例如圖3C) 和瓶形。流體隔離室23可以在入口 20處具有不同的表面條件、摩擦性 質(zhì)和/或?qū)α黧w樣品31的親和力。
例如它們可以擁有具有阻礙流體樣品傳輸?shù)谋砻嫣匦缘膬?nèi)表面部 分。例如當(dāng)提供含水流體樣品時,內(nèi)表面部分可以是疏水性的,或被處 理為提供疏水性的表面特性。在另一些實施方案中,流體隔離室23可 以促進(jìn)流體樣品的傳輸,但是例如不及反應(yīng)室15。在提供含水流體樣品 的情況下,流體隔離室23的內(nèi)表面部分例如可以提供親水性的但是比 反應(yīng)室低的表面特性。同樣地,流體隔離室23或其一部分例如可以擁 有阻礙流體樣品傳輸?shù)膸缀翁匦?。在另一些實施方案中,其可以擁有?進(jìn)流體樣品傳輸?shù)膸缀翁匦?,但是例如不及反?yīng)室15。在一些實施方案 中,在分析流體樣品的過程中伴有導(dǎo)致反應(yīng)室15中所存在樣品膨脹的 條件,對此可期望選擇這種協(xié)同的幾何和/或表面特性。例如這些條件 可以包括溫度的變化。
流體隔離室23用于提供對裝置內(nèi)所產(chǎn)生力的阻力。例如,在沒有 流體隔離室的情況下,這種力可能導(dǎo)致樣品流入多功能通道3。雖然所 述裝置隔室的配置已經(jīng)阻止流體樣品從反應(yīng)室15流入多功能通道3,但 是可能期望在這方面提供附加的安全措施。因此,在本發(fā)明裝置的一些 實施方案中,可以選擇流體隔離室23具有為流體樣品31從反應(yīng)室15
中任何可能的溢流提供存儲空間的體積。從而這種存儲空間防止任何流
體樣品流入多功能通道3。
在典型的實施方案中,選擇流體隔離室23具有與反應(yīng)室15的體積 相當(dāng)或較低的體積。因此,其可以具有從約l微微升至約100微升范圍 的體積。同樣地,其水平或豎直范圍通??梢赃x擇為與反應(yīng)室15至少 一維相當(dāng)或較低的值。例如,在反應(yīng)室15具有1.4亳米的最大水平直徑 和0.2毫米的最大垂直直徑時,各流體隔離室23的直徑通常選擇為約 1.4亳米或更小。各流體隔離室23的實施方案例如可以釆用0.7毫米的 最大水平直徑和O.l毫米的最大垂直直徑。同樣地,流體隔離室23的長 度通常與反應(yīng)室15的長度相同或更低。所述一個或多個流體隔離室23 和其橫截面還可以是任意形狀。各剖面形狀的實例包括但不限于圓形、 卵形、字母V或U形、三角形、矩形、正方形或寡多面體形。
如上所述,流體隔離室23用于提供對裝置內(nèi)所產(chǎn)生力的阻力。又 如,在沒有流體隔離室的情況下,裝置內(nèi)所產(chǎn)生的力可導(dǎo)致在各自反應(yīng) 室15的出口 18處流體樣品31接觸可能已經(jīng)加入多功能通道3中的任 何隔離介質(zhì)35。因此,在另一方面中,流體隔離室23—般提供能夠防 止各反應(yīng)器模塊中流體樣品31和多功能通道3中任何隔離介質(zhì)相接觸 的空間。如上所解釋, 一旦流體樣品31已經(jīng)接觸隔離介質(zhì)35,則這種 表面接觸可導(dǎo)致使流體樣品在多功能通道3中流動的表面作用。在這種 流動期間,該流體樣品可能接觸其他反應(yīng)器模塊的流體樣品。因此,流 體隔離室23也防止流體樣品31可能污染其他反應(yīng)器模塊11。
在另一方面中,除了提供力的阻力之外,流體隔離室23還提供物 質(zhì)膨脹的空間。裝置內(nèi)出現(xiàn)的力可由外力引起,比如溫度或壓力的變化。 這些外力可進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部變化,比如壓力或體積的變化。例如,溫度的 變化可導(dǎo)致與流體隔離室23流體連通的反應(yīng)室15中所存在的例如空氣 或流體的膨脹。這種變化通常在例如反應(yīng)室15中進(jìn)行的反應(yīng)過程期間, 封閉過程或任何后續(xù)保存期間出現(xiàn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將熟悉作為流體樣 品分析之一部分的聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)的實例(見下文)。在PCR期 間,需要重復(fù)進(jìn)行三個不同的反應(yīng)步驟,即使雙鏈DNA解鏈,結(jié)合特 異性引物和酶促延伸這些引物。從一步到下一步的每次轉(zhuǎn)換通常包括溫 度變化。當(dāng)幾個反應(yīng)室被連接在一個反應(yīng)器模塊內(nèi)時,所得的物質(zhì)擴(kuò)增 可能特別相關(guān)。
在這方面,流體隔離室23例如可以在隔離介質(zhì)33或35的聚集狀 態(tài)變化期間提供壓力調(diào)節(jié)器。如上所述,這種隔離介質(zhì)可以被放入和/ 或流入樣品傳輸通道1和/或多功能通道3或其部分中。所述兩種流體 介質(zhì)33和35各自可以相同或不同。它們可以提供剛性或半剛性的封閉 表面。這種隔離介質(zhì)的典型實例是流體形式的密封材料。這種密封材料 的實例包括但不限于凝膠或液體。
密封材料可以包括從光敏和/或熱敏聚合物前體衍生的聚合物。因 此,密封材料可由填充到樣品傳輸通道1和/或多功能通道3中的各自 前體通過聚合形成。作為替代, 一旦填充到各通道中,隔離介質(zhì)有可能 能夠通過例如固化而改變其聚集狀態(tài)。最后,各隔離介質(zhì)也可是固態(tài), 但是具有可通過機械、電和/或磁性活化的性質(zhì)。在一些實施方案中, 所述隔離介質(zhì)是聚合物形式的密封材料時,依靠這種活化,其可以改變 聚集狀態(tài),使其可以被填充到各通道中。通過各材料的聚合、固化或"失 活"(即對隔離介質(zhì)所實施的"活化"的逆轉(zhuǎn)),各通道中的流體固化, 從而提供剛性或半剛性的封閉表面。當(dāng)前使用的密封材料包括但不限于 聚二曱基硅氧烷(PDMS)和"常溫硬化"(RVT)硅酮。
市場上可購買的密封材料通常是無色的,例如RTV硅酮和PDMS 是透明的彈性體。但是在本發(fā)明的典型實施方案中,所用密封材料和至 少一種視覺活性顏料相混合。該顏料用于幫助顯示,例如使反應(yīng)室15 與樣品傳輸通道1和多功能通道3區(qū)別開來。特別地,視覺活性顏料幫 助提高密封材料和形成所述裝置之襯底之間的視覺區(qū)分,使得密封材料 通過樣品傳輸通道和多功能通道的流動可以被清楚觀察到。視覺活性顏 料的實例包括但不限于碳顏料、有機染料和熒光染料。
例如可以在密封期間期望這種區(qū)分,以便監(jiān)測密封過程。在測量反 應(yīng)室15中的反應(yīng)期間也可以期望這種區(qū)分。在這種測量期間,可以實 現(xiàn)該區(qū)分,因為在這個階段各通道充滿密封材料33和35 (見下)。
另外,本領(lǐng)域技術(shù)人員將會意識到密封過程可以具有可逆性或不可 逆性的事實。例如,不經(jīng)過氧化處理,PDMS形成具有光滑表面的非共 價的可逆密封。在一些實施方案中,可以期望重新使用本發(fā)明各裝置的 反應(yīng)器模塊11中包含的流體樣品。這些情況下,可以期望使用可逆密 封。PDMS接觸例如玻璃、硅、聚苯乙烯、聚乙烯或氮化硅的不可逆密 封可以通過暴露于空氣或氣等離子體而實現(xiàn)。
還應(yīng)該注意,可以使用替代性和/或額外的密封手段,或者是所述裝 置的一部分(見下文)。這些替代性手段的實例是所述裝置的各襯底層,
其具有例如自封閉性質(zhì),或在所述裝置的任何部分例如進(jìn)液口 4至9上 具有蓋或帶。
如上所述,流體隔離室23用于提供對所述裝置內(nèi)產(chǎn)生力的阻力。 當(dāng)隔離介質(zhì)如剛才所解釋執(zhí)行密封通道1或通道3的功能時,各過程可 產(chǎn)生這種力。例如,隔離介質(zhì)的固化過程例如可涉及或要求溫度、壓力 和/或體積的變化。固化過程也可導(dǎo)致涉及溫度、壓力和/或體積變化的 反應(yīng)。應(yīng)該注意,樣品傳輸通道l中出現(xiàn)的這些變化將通過反應(yīng)器模塊 ll傳遞至反應(yīng)室的出口 18,該反應(yīng)室與流體隔離室23流體連通。因此, 后者室23可以用作本發(fā)明裝置內(nèi)的通用壓力調(diào)節(jié)器。
在一些實施方案中,流體隔離室的入口 20和出口 24的實際距離還 有助于流體隔離室23的功能。例如該組合可以位于流體隔離室的相對 表面上。因此在這種實施方案中入口和出口可以互相面對。
在一些實施方案中,還可以為流體隔離室23和與之流體連通的反 應(yīng)室15提供物理分離??梢砸欢ǚ绞竭x擇這種分離,以通過附加的、 互相連通的手段在各反應(yīng)室的出口 18和流體隔離室的入口 20之間實現(xiàn) 流體連通。這些附加手段優(yōu)選可以設(shè)計為流體隔離室23和各反應(yīng)室15 位于垂直方向上不同的水平面或在豎直方向上分離開。此外,流體隔離 室23可以在垂直方向上位于與各反應(yīng)室15和各多功能通道3不同的水 平面上。因此,各反應(yīng)室15和多功能通道3都可以處于例如相當(dāng)?shù)拇?直水平面,而流體隔離室23位于它們的上方或下方。在這種實施方案 中,如果多功能通道3中的任何流體要污染反應(yīng)室,則其理論上必須向 上流入流體隔離室23或流入各反應(yīng)室15。由于微型裝置內(nèi)的毛細(xì)管力, 這種向上流動實際上能夠通過各自的幾何或表面特性來阻止,這將在下 文解釋。
因此,反應(yīng)室15、流體隔離室23和多功能通道3可以位于裝置內(nèi) 幾個不同的水平面內(nèi)。在一些實施方案中,反應(yīng)器模塊包含一個反應(yīng)室 15、 一個流體隔離室23和一個多功能通道3,這三個隔室因而可以位于 三個不同的水平面上。在一些實施方案中,反應(yīng)器模塊包含三個反應(yīng)室 15、兩個流體隔離室23和兩個多功能通道3,這七個隔室因而可以位于 多達(dá)七個不同的水平面上(例如見圖7的圖示)。如上所述,室15和23
以及多功能通道3的垂直物理分離可以有助于流體隔離室23的功能。 此外,這種實施方案提供了額外的安全措施,因為其防止反應(yīng)室內(nèi)的流 體樣品和流體隔離室23內(nèi)存在的任何材料之間的可能接觸。如果任何 材料從多功能通道3進(jìn)入流體隔離室,例如隔離介質(zhì),其仍然由于物理 分離而與反應(yīng)室隔離開。在另一些實施方案中,這種物理分離也可以防 止流體樣品31從反應(yīng)室15中流入流體隔離室23,而不管是否存在不同 的表面條件、摩擦和對流體樣品的親和力。
各反應(yīng)室的出口 18和流體隔離室的入口 20的物理分離的實例是在 反應(yīng)室15和流體隔離室23之間存在的附加的流體控制元件。在一些實 施方案中,這種流體控制元件可以是傾斜端口 (inclined port) 21。在 一些實施方案中,流體隔離室23和各反應(yīng)室15位于不同的垂直水平面 上,這種端口因此通常是傾斜的。流體隔離室23的基座和這種傾斜端 口 21的側(cè)壁之間形成的角因此可以是0。和180°之間的任意值。在優(yōu) 選的實施方案中,該角選自約45。和約135°之間的范圍,在最優(yōu)選的 實施方案中,這種端口的側(cè)壁垂直于流體隔離室23的基座。對于端口 21與流體隔離室23直接連通的實施方案,應(yīng)該注意,端口 21可進(jìn)入流 體隔離室23的任何部分。這種部分的實例是流體隔離室23的底壁、頂 壁或側(cè)壁。
傾斜端口 21可以是允許和流體隔離室23流體連通的任何形式。端 口的實例包括但不限于通道、頸、室或閥。傾斜口 21的橫截面可以是 任意適合的剖面。各剖面的實例包括但不限于圓形、卵形、三角形、矩 形、正方形或寡多面體形。在傾斜端口 21為通道的實施方案中,這種 通道的最大寬度通常等于或小于其所進(jìn)入流體隔離室23的橫截面的尺 寸。例如,圓形剖面的端口可以進(jìn)入流體隔離室的壁(不管是水平的、 垂直的或傾斜的),其可以是與端口進(jìn)入室23的水平面成直角的圓形剖 面。流體隔離室各剖面的直徑可以是0。1毫米。在這種情況下,各通道 的最大直徑通常選擇是約0.1毫米或更小。例如其可以具有0.05毫米的 值。
傾斜端口 21可以擁有任何表面和幾何特性,只要其允許反應(yīng)室15 和流體隔離室23之間的空氣流通。因此,其可以具有一個或多個具有 阻礙、防止或促進(jìn)流體樣品傳輸?shù)膬?nèi)表面特性的內(nèi)表面部分。
如上所述,反應(yīng)室15的出口 18可以具有例如開口 、閥或通道的形 式。在目前優(yōu)選的實施方案中,其為微毛細(xì)管通道19。因此,反應(yīng)室通 常會提供至少一個提供與流體隔離室23流體連通的微毛細(xì)管通道。因 而這種毛細(xì)管通道具有與流體隔離室流體連通的開口 22。因此,例如如 圖3所示,它將它連接至傾斜端口 21。相應(yīng)開口 22的寬度(例如直徑) 小于各微毛細(xì)管通道19自身的尺寸。各橫截面的尺寸可以差異約1.5 倍至約20倍,更優(yōu)選從約2倍至約IO倍,最優(yōu)選從約3倍至約6倍。 此外,如果在所述裝置的各實施方案中存在傾斜端口 21,則開口22通 常比各傾斜端口 21的寬度小(例如直徑)。開口 22還可以是任意形狀。 各形狀的實例包括但不限于圓形、卵形、字母V或U形、三角形、矩 形、正方形或任意寡多面體形。例如,直徑為0.1毫米的圓形剖面的微 毛細(xì)管通道19的合適的圓形開口可以選擇具有0.05 x 0.07毫米的尺寸。
微毛細(xì)管通道19可以具有提供與流體隔離室23流體連通的任意長 度的任意合適的形式,例如直線的(比較例如圖3C),螺旋狀扭曲的或 彎曲至任意度數(shù)(例如圖3A和3B)或含有回路。它們還可以具分支, 例如為了連通兩個不同的流體隔離室。微毛細(xì)管通道19擁有提供阻礙 流體樣品傳輸?shù)谋砻嫣匦缘囊粋€或多個內(nèi)表面區(qū)域。例如提供含水流體 樣品的情況下,微毛細(xì)管通道19的內(nèi)表面可以是疏水性的,或處理為 提供疏水的表面特性(例如見圖8)。在一些實施方案中,微毛細(xì)管通道 19的形狀提供進(jìn)一步阻礙流體樣品傳輸?shù)膸缀翁匦?。這些內(nèi)部幾何特性 可以包括但不限于直徑的變化、倒轉(zhuǎn)、溝槽或凹痕。因此,微毛細(xì)管通 道19促進(jìn)流體隔離室23的功能,防止流體從反應(yīng)器模塊11流入多功 能通道3。
微毛細(xì)管通道19的橫截面可以是任意合適的剖面。各剖面的實例 包括但不限于圓形、卵形、字母V或U形、三角形、矩形、正方形或 任意寡多面體形(例如圖8)。通常,微毛細(xì)管通道19的寬度大致等于 或小于所述反應(yīng)室的各橫截面的垂直向范圍。例如,反應(yīng)室15具有0.2 毫米的最大垂直高度時,卵形剖面的各微毛細(xì)管通道19的最大直徑通 常選擇是在約5微米至約0.2毫米的范圍,例如約0,1毫米。
在一些實施方案中,反應(yīng)器模塊11的組件和樣品傳輸通道1以一定 方式配置,使得在將流體樣品31填充入入口 5和6等之后,毛細(xì)管作 用將反應(yīng)器模塊11填充至各反應(yīng)室出口的末端。因此,微毛細(xì)管通道 19可以充滿流體樣品31。在另一些實施方案中,反應(yīng)器模塊ll和樣品 傳輸通道1被布置為,當(dāng)流體樣品被填充入入口 5和6等的時候,流體
樣品31不充滿微毛細(xì)管通道19。這種情況下,微毛細(xì)管通道為物質(zhì)膨 脹或運動提供了額外的空間。
如上面所解釋,膨脹可由溫度、壓力或體積的變化產(chǎn)生。物質(zhì)的運 動例如可作為物質(zhì)膨脹的結(jié)果而產(chǎn)生。例如在流體樣品31被填充入樣 品傳輸通道l后,隔離介質(zhì)33被注入其中的情況下,反應(yīng)器模塊ll含 有流體樣品31,而樣品傳輸通道1含有隔離介質(zhì)33。這種情況下,隔 離介質(zhì)可以通過改變其聚集狀態(tài)而膨脹,從而引發(fā)反應(yīng)器模塊中流體樣 品的運動。另外,將隔離介質(zhì)33填充入樣品傳輸通道1的過程可能導(dǎo) 致隔離介質(zhì)輕微移動進(jìn)入反應(yīng)器模塊11的反應(yīng)室的入口中。因此,隔 離介質(zhì)置換了一些流體樣品,使其移動穿過反應(yīng)器模塊。結(jié)果,微毛細(xì) 管通道19充入流體樣品。因此,在這種實施方案中,微毛細(xì)管通道19 促進(jìn)流體隔離室23的功能。
在一些實施方案中,反應(yīng)室的出口配有兩個微毛細(xì)管通道。在另一 些實施方案中,反應(yīng)室配備兩個出口,每個出口提供一個與另一個微毛 細(xì)管通道流體連通至相同的流體隔離室23的微毛細(xì)管通道19。這兩個 微毛細(xì)管通道也可以相對于入口 12 (例如其可以是通道13)位于反應(yīng) 室15的遠(yuǎn)側(cè)部分。在一些實施方案中,兩個微毛細(xì)管通道還可以對稱 布置,提供與流體隔離室的兩個入口 20連通,任選距離相同。這種布 置示范于圖4A。在另一些實施方案中,所述兩個微毛細(xì)管通道可提供 與兩個分離的流體隔離室之入口 20連通。這種布置示范于圖4B。
如上所述,可以一定方式選擇反應(yīng)室的形狀,使得在用流體樣品31 填充的過程中避免或防止形成氣泡。在一些實施方案中,反應(yīng)室配有提 供微毛細(xì)管通道的兩個出口 ,避免形成氣泡的手段的其他實例包括但不 限于具有凸形的各出口附近的壁/側(cè)壁(walls/sides )。對于提供微毛細(xì) 管通道19的兩出口之間延伸的壁或壁部分17,尤其可以選擇這種形狀 (見圖4A和4B)。例如凸形可以包括半球形、半橢圓形或多角形凸出。
如上所述,微型裝置比如本發(fā)明的微型裝置通常由玻璃或聚合物襯 底制成。 一般地,本發(fā)明的微型裝置的襯底可由與各流體樣品的期望分 析相容的任何材料制成,或者包含這些材料。根據(jù)期望的分析方法,可 能要求所述材料是透明材料或非熒光材料。本發(fā)明微型裝置的村底所使 用的材料的實例可以包括但不限于硅、石英、玻璃、塑料(例如熱塑性 塑料)、彈性體(比如PDMS或彈性硅橡膠)、金屬及其復(fù)合材料。
在一些實施方案中,本發(fā)明裝置的一些或全部組件可以通過蝕刻到 襯底上形成。在另一些實施方案中,許多組件可以并入設(shè)備或襯底中, 包括任選的覆蓋層(見下文)。在另一些實施方案中,所述裝置可由幾
個村底層搭建構(gòu)成(例如圖6中101至104或者圖7B中100至103 ), 以便允許在制造期間或使用之前裝配。這些襯底層可以是任意形狀,因 此例如形成各種厚度的村底部分,包括跨越裝置整個高度的部分。各襯 底層可以包含相同或不同的襯底材料。通常地,這些襯底層和/或部分 的裝配將包括密封,以便允許不同部件完整和緊密的連接。例如可以用 膠(glue)進(jìn)行各自的密封。可以使用與反應(yīng)器模塊內(nèi)流體樣品的期望 測量相容的任何膠。在一些實施方案中,所述膠因此可能需要不發(fā)熒光 或者透明。在另一些實施方案中,例如在期望在24小時或更長時間中 對含活細(xì)胞的生物流體樣品進(jìn)行分析時,所述膠可能需要與高壓滅菌相 容。
任選地本發(fā)明裝置的一個襯底層形成封閉裝置中任何部件的覆蓋 層。所述覆蓋層例如可以覆蓋通道或室,從而例如密封反應(yīng)室15(例如 見圖6A中的襯底層104)或反應(yīng)室的入口通道13 (例如見圖6B中的 襯底層104)。其也可以密封一個或多個進(jìn)液口 4-9。因此,所述覆蓋 層通常位于裝置的頂部。在這些實施方案中,其可以封閉下方襯底層的 全部表面,或除進(jìn)液口比如進(jìn)液口 4-9之對的所有表面。在另一些實 施方案中,所述覆蓋層可以任選地提供排氣孔,例如以便允許排出蒸發(fā) 的溶劑。所述裝置的一個或多個隔室,比如進(jìn)液口 4-9、排氣孔或反應(yīng) 室15,可以替代性地配有分離的密封裝置,比如蓋。這些分離的密封裝 置可以打開或關(guān)閉,并且可以通過機械、電和/或磁啟動。
因此,覆蓋層和分離的附加密封裝置通??梢跃哂刑峁┤S閉合或 可控閉合的隔室的功能??梢月?lián)合使用上述附加密封材料來完成該功 能,所述密封材料不需要是裝置的一部分。因此,如果需要,所述裝置 的全部或任何部分可以使用這種組合而被氣密性封閉,即不透氣。所述 覆蓋層還可以包含所述裝置的任意功能性隔室,例如樣品傳輸通道l或 多功能通道3、或其部件。因此,所述覆蓋層可以被構(gòu)造為,當(dāng)置于襯 底上時完成所述裝置。
所述覆蓋層和分離的附加密封裝置可以是任意合適的剛性或半剛 性材料。在一些實施方案中,可以使用與襯底相同的材料。在另一些實 施方案中,可以使用自密封材料,比如橡膠或彈性體,以便允許通過例
如機械、電、化學(xué)或磁性方法穿透。例如,可以利用注射器的針頭穿透 覆蓋層。在使用自密封材料的情況下,由于自密封,這將會防止形成例 如殘余孔。
本發(fā)明還涉及利用本發(fā)明裝置來檢測流體樣品中分析物的方法。所 述檢測分析物的方法通常包括自分配和/或傳輸、封閉和/或隔離、然后 利用本發(fā)明的裝置分析流體樣品的方法。此處使用的術(shù)語"檢測"廣義 上表示提供分析物是否定性和/或定量存在之指示的任何測量。因此, 該術(shù)語包括流體樣品中分析物濃度的定量測量,以及指定樣品中存在的 不同類型分析物的定性鑒定,或例如觀察指定環(huán)境中特定分析物的行 為。
本發(fā)明也涉及利用本發(fā)明的裝置分配、封閉或?qū)⒘黧w保存在封閉空 間內(nèi)的方法。通過產(chǎn)生足夠大的毛細(xì)管力來驅(qū)動流體樣品的的整體運 動,所述流體樣品可以自分配和/或傳輸通過所述裝置內(nèi)的微尺度流體 通道,使得該流體樣品在裝置內(nèi)自我分配,而不需要輔助的泵或閥。
本發(fā)明的檢測流體樣品中分析物的方法包括以下步驟提供具有根 據(jù)本發(fā)明的上述裝置所定義之特征的裝置,然后將待分析的流體樣品裝 入所述裝置。流體樣品可以被直接載入所述裝置的任意合適的部分,例 如流體傳輸通道或反應(yīng)室。所述載入也可以通過例如將流體樣品經(jīng)過與 樣品傳輸通道流體連通的進(jìn)液口或接收孔引入樣品傳輸通道來間接實 施。將流體樣品載入所述裝置通常利用分配儀器例如注射吸液管或點滴 器來實施,所述分配儀器可手動或自動將少量流體分配進(jìn)入裝置內(nèi)接收 室內(nèi),比如進(jìn)液口 5、 6或9(見上文)。所述流體樣品可以在裝置內(nèi)存 在的一個或幾個這種接收室處被引入。在一些實施方案中,由流體樣品 31和通道壁之間固-液界面處的表面張力降低所產(chǎn)生的毛細(xì)管壓力促 使流體樣品流過樣品傳輸通道1。
在一個實施方案中,改變流體樣品和裝置內(nèi)各種流體通道壁之間的 表面親和力,以控制裝置內(nèi)的流體流動,從而提供控制裝置內(nèi)流體樣品 的流動行為的手段,而不需要使用閥或任何其他流體控制裝置。換言之, 通過組合運用不同的毛細(xì)管力和表面親和力,可以建立各種分配模式。 這種控制被期望用于建立高效的載入過程。例如,可以基于所述流體控 制,開發(fā)使載入期間流體樣品的溢出或污染最小化的載入過程。例如, 如果期望防止在第一通道內(nèi)流動的含水流體樣品流入第二通道,則所述 第二通道的壁可以變成疏水性的(例如包被疏水層),以便降低含水流 體樣品流入第二通道的容易度。作為替代,如果期望引導(dǎo)含水流體樣品 進(jìn)入第二通道,則所述第二通道可以變得比第一通道更具親水性,以便 增加流體樣品進(jìn)入第二通道的容易度。例如,前者方法可用于實現(xiàn)反應(yīng) 器模塊內(nèi)流體樣品的部分分配(例如阻止流體樣品進(jìn)入反應(yīng)器模塊內(nèi)的 某些通道),而后者方法可用于實現(xiàn)反應(yīng)器模塊內(nèi)流體的完全分配。
在目前優(yōu)選的實施方案中,所述用于檢測分析物的裝置包括多個反 應(yīng)器模塊,在其中實施栽入步驟以實現(xiàn)反應(yīng)器模塊內(nèi)的部分流體樣品分 配模式。為了實現(xiàn)每個反應(yīng)器模塊內(nèi)的所述部分分配,反應(yīng)室的至少一 個出口包含至少一個微毛細(xì)管通道,該通道具有比反應(yīng)室相對較低的親 水性,或者甚至是疏水的,從而防止親水性流體樣品流入所述至少一個 ;錄毛細(xì)管通道。
此后,如果期望實現(xiàn)每個反應(yīng)器模塊內(nèi)流體樣品的完全分配,可以
將密封材料引入反應(yīng)室15的入口 12(也稱為"進(jìn)入端口 "或"接收孔")。 在一個實施方案中,所述反應(yīng)器模塊的入口 (或一些實施方案中的頸) 變得可接受密封材料,使得所述密封材料進(jìn)入頸,并置換進(jìn)入微毛細(xì)管 通道的一些流體樣品。以這種方式,流體樣品的完全分配通過兩步程序 來實施,其中通過載入步驟首先將流體樣品部分分配在反應(yīng)器模塊內(nèi), 然后僅當(dāng)實施密封樣品傳輸通道材料的步驟時完全分配。
如果期望一步分配程序,流體樣品在反應(yīng)器模塊內(nèi)的完全分配優(yōu)選 在載入步驟中實現(xiàn)。為在一步程序中實現(xiàn)所述完全分配,反應(yīng)室的至少 一個出口包括親水性與反應(yīng)室類似或更高的至少一個微毛細(xì)管通道,從 而允許親水性的流體樣品進(jìn)入至少一個微毛細(xì)管通道。這種情況下,不 需要使用密封材料來推動流體樣品進(jìn)入微毛細(xì)管通道。
本發(fā)明任意部分裝置的壁之表面特性通常通過化學(xué)方法來改變,比 如微毛細(xì)管通道或反應(yīng)室的頸。例如,能夠降低固-液界面處表面張力 的任何適合的試劑可以被預(yù)栽入樣品傳輸通道或預(yù)涂到所述通道的壁 上,以便促進(jìn)流體樣品31流過所述通道。 一般地,這種試劑用于增大 流體樣品31和所述通道壁之間的吸引力。合適試劑的實例包括但不限 于陽離子、陰離子、非離子型和兩性離子表面活性劑,例如十二烷基硫 酸鈉(SDS)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB )、 Triton-X100和3-(3-膽酰胺丙基)二曱基氨基卜1-丙磺酸(CHAPS),只要該試劑不干擾隨后進(jìn)
行的分析物檢測反應(yīng),或干擾反應(yīng)數(shù)據(jù)的收集。
當(dāng)流體樣品沿流體傳輸通道流動時,其進(jìn)入反應(yīng)室的入口,并填充
反應(yīng)室15。此后,密封材料被引入樣品傳輸通道1和多功能通道3,以 便隔離反應(yīng)室內(nèi)的流體樣品31,并且最小化流體樣品31和大氣之間的 接觸。引入密封材料的步驟可以任何順序進(jìn)行,或者先將密封材料引入 樣品傳輸通道l,然后引入多功能通道3中,反之亦然,或者其也能夠 同時進(jìn)行。
任何合適的密封材料可用于密封樣品傳輸通道和多功能通道,包括 高密度液體或聚合物衍生的凝膠狀物質(zhì),以及氣體比如水蒸氣可以被引 入以使流體樣品中水的蒸發(fā)最小化,以及惰性氣體比如氮氣和氬氣。一 般地,密封材料的選擇可取決于流體樣品的性質(zhì)。例如,密封材料可以 是與流體樣品的物理狀態(tài)不同的任意合適的物質(zhì),或者是與流體樣品31 基本不混溶的任何物質(zhì)。例如,如果待測流體樣品是含水液體,合適的 密封材料優(yōu)選疏水物質(zhì)。預(yù)期的材料包括但不限于蠟、油、塑料、硅和 在一定溫度范圍內(nèi)可以固化的相轉(zhuǎn)變聚合物,溫度優(yōu)選但不限于略高于 室溫的溫度至大約室溫的溫度。作為替代,如果測試疏水材料,親水性 材料可用作密封材料。在另一些實施方案中,密封材料可由聚合物前體 制得,所述前體任選地可用任何合適的方法來處理,例如紫外光照射、 加熱、冷卻或暴露于空氣中,以便將前體轉(zhuǎn)化為密封材料。在另一些實 施方案中,所述密封材料包括粘合劑,例如其在制備粘合劑的溶劑蒸發(fā) 后固化。在這個實施方案中,可以提供排氣孔,以允許蒸發(fā)溶劑逸出。
在密封材料為來源于聚合物前體的聚合物的實施方案中,密封流體 傳輸通道和多功能通道的步驟包括,首先將聚合物前體引入樣品傳輸通 道和多功能通道中,其次使所述聚合物前體聚合,形成可用于密封反應(yīng) 器模塊的聚合物。聚合物前體優(yōu)選在室溫下以液相存在,并可以被處理 或反應(yīng)生成固體或凝膠狀聚合物。此外,聚合物前體具有允許其在毫尺 度或微尺度流體通道內(nèi)流動的合適的物理特性(例如分子間力弱,粘度 和表面張力低)。此處使用的術(shù)語"聚合物前體"包括可以被聚合形成 固體相或凝膠相聚合物的單體,以及可以通過固化而轉(zhuǎn)化成固體相或凝 膠相的液體或凝膠相聚合物。示例性聚合物前體包括相轉(zhuǎn)變塑料,熱固 性聚合物(熱塑性)液體,例如線性、環(huán)狀或芳香烴、氰丙烯酸酯或硅 氧烷比如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅酮彈性體、和液體硅酮前體; 紫外光(UV)固化聚合物,比如聚氯乙烯、聚丙烯酸酯和聚氨酯等。
密封材料可以通過下列非窮舉的方法列表中的任一種方法引入裝
置正向加壓、電滲透、抽吸、毛細(xì)流動和電潤濕??捎糜趯嵤┻@些方 法的手段包括微流體注射器、在介電膜上電潤濕、壓電微泵等。
在密封材料被沉積在通道內(nèi)之后,進(jìn)行至少一個分析物檢測反應(yīng), 以便提供與分析物相關(guān)的至少一個定性或定量數(shù)據(jù)。獲得的數(shù)據(jù)可以用 于多種目的,例如推斷分析物的存在或不存在,或檢測流體樣品中所存 在的特定分析物的濃度。
一般地,待實施用于檢測各分析物的反應(yīng)的選擇取決于待檢測的分 析物的類型,并考慮供檢測用的分析物的特性??梢栽诒景l(fā)明方法中實 施的反應(yīng)一般可以分為核心過程或輔助過程。核心過程指的是涉及流體 樣品中分析物、并且產(chǎn)生與分析物相關(guān)的期望的定性或定量信息(數(shù)據(jù)) 的反應(yīng)。這些數(shù)據(jù)可以直接或間接顯示目標(biāo)分析物的檢測。輔助過程包 括混合流體樣品和分析試劑,使異質(zhì)性樣品適于分析的均化步驟,和通 過分離步驟例如洗滌來除去干擾物。
例如,核心過程包括靶向檢測分析物和指示化合物之間的結(jié)合反 應(yīng),所述指示化合物提供可檢測信號來指示分析物的陽性檢測。例如, 實例包括免疫化學(xué)反應(yīng),例如本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的酶聯(lián)免疫吸附測定 (ELISA)。其他的實例包括酶促反應(yīng),其依賴于具有特征吸收的分子 的產(chǎn)生或消耗。這些反應(yīng)是本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的,例如涉及分子比 如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD/NADH)的氧化還原變化。還有另一 個實例是目標(biāo)DNA序列和用熒光團(tuán)標(biāo)記的互補DNA或其片段之間的結(jié) 合反應(yīng),其中如果測試樣品含有目標(biāo)DNA序列,則會產(chǎn)生熒光信號。
在一個要進(jìn)行核酸檢測的實施方案中,核酸擴(kuò)增反應(yīng)的核心步驟在 一個反應(yīng)器模塊11中進(jìn)行。所述反應(yīng)器模塊被置于DNA擴(kuò)增所需的熱 條件。這些熱條件包括聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所需的熱循環(huán)。
在一個實施方案中,本發(fā)明的方法提供至少一個定性或定量數(shù)據(jù), 其提供至少一個與流體樣品中所存在分析物相關(guān)的比色分析、熒光分析 或發(fā)光結(jié)果。如果期望比色分析的結(jié)果,例如用于蛋白質(zhì)分析物的檢測, 則可以使用合適的染料來對流體樣品中存在的任何蛋白質(zhì)進(jìn)行染色。可 用染料的實例可由溶解在乙酸中的萄L代羅丹明B ( sulfo。rhodamine B, (SRB))獲得??赡苄枰缦礈斓容o助過程,用于除去可通過洗滌除 去的未結(jié)合染料,可能需要其他輔助過程,用來提取蛋白質(zhì)結(jié)合的染料,
用于在計算機接口微量滴定板讀數(shù)器中測定光學(xué)密度。在期望熒光測量 結(jié)果的情況下,可以使用熒光染料。例如,這些染料可以和示蹤技術(shù)一 起使用,以提供測量流體流過裝置內(nèi)流體通道的速率的手段。熒光分析 結(jié)果也可以來源于由以下提供的熒光,這是通過由熒光團(tuán)直接結(jié)合至目 標(biāo)分析物,或者熒光團(tuán)標(biāo)記的化合物結(jié)合至目標(biāo)分析物。在另一個實施 方案中,和至少一個熒光團(tuán)、酶或結(jié)合復(fù)合物之組分相結(jié)合的探針可以 用于分析物的測定。
和本發(fā)明方法協(xié)同使用的本發(fā)明裝置,可以設(shè)計為具有任何數(shù)目 的反應(yīng)室模塊和樣品傳輸通道、和所需要的多功能通道,這取決于為檢 測分析物所進(jìn)行的反應(yīng)。在一個實施方案中,在進(jìn)行許多核心和輔助過 程的情況下,可以使用具有多個相互連通的反應(yīng)器模塊的裝置。所述多 個反應(yīng)器模塊可以被布置成促進(jìn)流體樣品分布的任意合適的構(gòu)造。例 如,反應(yīng)器模塊可以被布置成排,并連接至共用樣品傳輸通道和共用多 功能通道。因此,通過分開各排反應(yīng)器模塊的多功能通道和流體傳輸通 道之間的流體連通, 一排反應(yīng)器模塊可與其他排的反應(yīng)器模塊連通。另 一方面,如果只進(jìn)行簡單的核心過程,那么可以使用只有一個反應(yīng)器模 塊的裝置。在存在多個反應(yīng)器模塊11的情況下,可以實施將流體樣品 栽入本發(fā)明裝置的步驟,以便同時填充反應(yīng)器模塊,即流體樣品幾乎同 時被引入每個反應(yīng)器模塊。另一方面,也可依次填充反應(yīng)器模塊,即一 個接一個地填充反應(yīng)器模塊。
可以實施本發(fā)明方法以檢測生物或非生物材料中的分析物。非生 物材料的實例包括但不限于合成的有機或無機化合物、有機化學(xué)組合 物、無機化學(xué)組合物、組合化學(xué)產(chǎn)品、藥物候選分子、藥物分子、藥物 代謝物和它們的任意組合。生物材料的實例包括但不限于核苷酸、多核 苷酸、核酸、氨基酸、肽、多肽、蛋白質(zhì)、生物化學(xué)組合物、脂質(zhì)、碳 水化合物、細(xì)胞、微生物和它們的任意組合。
核酸的實例是DNA或通過例如PCR等核酸加工得到用于遺傳指 紋分析的擴(kuò)增產(chǎn)物。微生物的實例包括例如細(xì)菌或病毒等病原體,或癌 細(xì)胞。這些分析物可以起源于多種來源??捎帽景l(fā)明方法分析的流體樣 品包括從植物材料和動物組織獲得的生物學(xué)樣品(例如昆蟲、魚、鳥、 貓、家畜、家養(yǎng)動物和人),以及從這些動物獲得的血液、尿、精液、 糞便樣品。不僅是活動物的生物學(xué)組織,而且動物或人的尸體也可以被 分析,例如進(jìn)行尸體組織檢查或用于鑒定目的。在另一些實施方案中,
流體樣品可以是從大海、湖泊、水庫或工業(yè)用水等非生物來源獲得的水, 以測定是否存在目標(biāo)細(xì)菌、污染物、元素或化合物。其他的實施方案包 括但不限于溶解的液體、固體懸液(例如微流體)和離子性液體。在另 一個實施方案中,與分析物相關(guān)的定量數(shù)據(jù)被用于測定流體樣品的性 質(zhì),其包括流體樣品中分析物的濃度、反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)、分析物的純度 和分析物的異質(zhì)性。
任何細(xì)菌、病毒或DNA序列可以用本發(fā)明來檢測,以鑒定疾病 狀態(tài)??梢员粰z測的疾病包括傳染病,比如重度急性呼吸窘迫綜合癥 (SARS),曱型、乙型和丙型肝炎,HIV/AIDS,瘧疾,脊髓灰質(zhì)炎和 肺結(jié)核;出生之前可被檢測的先天性疾病(例如通過染色體異常進(jìn)行檢 測),比如鐮狀細(xì)胞貧血癥,心臟畸形比如心房中隔缺損,主動脈瓣上 狹窄,心肌病,唐氏綜合癥,畸形足,多趾,并趾,手指萎縮,螯狀手 和足等。本方法也適于檢測和篩選癌癥。
除了檢測基于核酸的分析物之外,本發(fā)明也可以用于檢測藥物等 藥學(xué)化合物。本發(fā)明的這個方面可以用于藥物篩選,或用于檢測尿樣或 血樣中藥物的存在。
參考附圖和實施例,從本發(fā)明的一些實施方案的詳細(xì)說明中,本 發(fā)明的其他目標(biāo)、優(yōu)點和特征將會顯而易見,其中
圖l是才艮據(jù)本發(fā)明裝置的平面圖,其中樣品傳輸通道1和多功能 通道3被連接至反應(yīng)器模塊11,其包括反應(yīng)室15和流體隔離室23。
圖2是所述裝置的兩個實施方案的平面圖,其中反應(yīng)室15與流體 隔離室23通過端口流體連通。在圖2A中描述的實施方案中,反應(yīng)室 15的入口 12和出口 18位于反應(yīng)室15的近側(cè)部分和遠(yuǎn)側(cè)部分,而圖2B 描述了各入口 12和出口 18垂直布置的實施方案。應(yīng)該注意,樣品傳輸 通道1和多功能通道3不需要水平位于裝置內(nèi)的同一水平面內(nèi)。平面圖 中看不見各自的差異。
圖3描述了所述裝置的其他四個實施方案的平面圖,其中反應(yīng)器 模塊的出口包含微毛細(xì)管通道19,其與流體隔離通道23通過端口 21 流體連通。微毛細(xì)管通道19含有通入端口 21的開口 22。
在圖3A中,反應(yīng)室15的入口 12具有開口的形式,而圖3B中, 其具有通道13的形式。此外,圖3A中入口 12和微毛細(xì)管通道19相對彼此側(cè)向布置,而在圖3B中它們位于相對的壁上。
圖3D顯示了一個實施方案,其中通道13有分支,并且其提供了 傾斜部分IO。圖3C描述了一個實施方案,其中反應(yīng)室入口提供室14。 此外,在圖3C和3D中顯示的實施方案中,兩個反應(yīng)室15和兩個流體 隔離室23存在于一個反應(yīng)器模塊中。反應(yīng)室15和流體隔離室23被平 行布置,水平相鄰于各自的第二隔室。應(yīng)該注意,本實施方案也可以被 定義為包括兩個平行的反應(yīng)器模塊,其共享一個形式為入口室14的公 共入口。
此外,圖3D中描述的實施方案包括兩個相互之間不直接連通的 多功能通道3。
圖4是所述裝置另外兩個實施方案的平面圖,其中反應(yīng)器模塊的 入口包含頸。兩個微毛細(xì)管通道19將反應(yīng)室15連接到至少一個流體隔 離室23,其進(jìn)而通過出口通道25連接至多功能通道3。圖4A顯示了具 有一個流體隔離室23的實施方案,而圖4B顯示了具有兩個流體隔離室 的實施方案。在圖4B中顯示的實施方案中,每個毛細(xì)管通道19被連接 至不同的流體隔離室23。
圖5顯示了另一個示例裝置的側(cè)視圖,其中存在至少一個微毛細(xì) 管通道19。在所述的實施方案中,流體隔離室23直接位于微毛細(xì)管通 道19之上,并通過垂直端口與之相連。在所述實施方案中,該裝置還 包括兩個襯底層101和102。
圖6顯示了另外兩個示例裝置的側(cè)視圖,其中存在至少一個微毛 細(xì)管通道19。在這些實施方案中,所述裝置還包括幾個襯底部分,圖 6A中的101 ~ 104和圖6B中的101、 102和104,它們?nèi)啃纬蓪?。?101和102水平延伸跨過整個裝置。層101和/或104可以是覆蓋層。在 層104形成這種覆蓋層的情況下,其在反應(yīng)室15上面形成一層,并覆 蓋它的一部分。這種覆蓋層可以是自密封材料。
雖然圖6A中描述的實施方案中流體隔離室位于垂直方向上比反 應(yīng)室更高的水平面上,但是在圖6B所示的實施方案中,其位于垂直方 向上更低的水平面上。不過,反應(yīng)器模塊之隔室和多功能通道3的布置 防止流體從反應(yīng)室15流入多功能通道3中,反之亦然。此外,圖6B顯 示了包括兩個樣品傳輸通道的裝置的實施方案。
圖7顯示了本發(fā)明裝置的側(cè)視圖,其中存在兩個(圖7A)或三個 (圖7B)反應(yīng)室15,并且在反應(yīng)器模塊內(nèi)布置為一個在另一個之上。 在圖7A描述的實施方案中,反應(yīng)室通過端口 21連接至共用流體隔離室 23。圖7B中描述的實施方案包含兩個流體隔離室23,兩個出口通道25 和兩個多功能通道3。雖然圖7A中顯示的實施方案中反應(yīng)室15正好位 于另一個的上面,但是在圖7B描述的實施方案中,它們位于水平面上 不同的位置,盡管有重疊。應(yīng)該注意,反應(yīng)室的入口通道13和微毛細(xì) 管通道19不需要正好位于彼此之上。選擇這些實施方案只是為了舉例 的目的,作為橫截面并未描述各通道的全部。
圖8A顯示了圖5的示例裝置中兩個微毛細(xì)管通道19處的橫斷面 視圖。圖8B、 8C、 8D、 8E和8F顯示了表面處理的不同排列,例如可 以應(yīng)用于微毛細(xì)管通道19之壁的涂層。圖8G、 8H、 81、 8K和8L描 述了經(jīng)過表面處理比如應(yīng)用于內(nèi)表面之涂層的各微毛細(xì)管通道19的其 他實施方案。應(yīng)該注意,該裝置的其他通道,比如多功能通道和樣品傳 輸通道的橫斷面視圖可以與所述實施方案類似。
圖9顯示了圖5的示例裝置中兩個微毛細(xì)管通道19各自通過端口 21連通至流體隔離室23處的橫斷面視圖。因此,所述橫斷面取自觀察 者朝反應(yīng)室或從流體隔離室的出口觀察的透視圖。
圖IO顯示了本裝置的兩個實施方案的平面圖,其中多個反應(yīng)器模 塊被連接至共用流體樣品傳輸通道1、以及共用多功能通道3。圖10A 描述了一個實施方案,其中多個反應(yīng)室模塊位于村底層105上,所述襯 底層在平面圖中看來為矩形形狀。在圖IOB描述的實施方案中,各襯底 層106在該視圖中為卵形形狀。
在圖10A中,流體樣品傳輸通道1和多功能通道3都是直線型的。 在圖10B中,存在兩個彎曲的流體樣品傳輸通道l,而多功能通道3具 有分支。在圖IOB顯示的實施方案中,多功能通道3與三個進(jìn)液口 4、 5和6流體連通。在圖IOB顯示的實施方案中,多個反應(yīng)器模塊還與同 一多功能通道3流體連通,反應(yīng)器模塊的右半部分與右邊的流體樣品傳 輸通道流體連通,而其左半部分與左邊的流體樣品傳輸通道流體連通。
圖11描述了將流體樣品栽入具有四個反應(yīng)器模塊的本發(fā)明裝置 的一個實施方案中。左側(cè)兩個反應(yīng)室已經(jīng)充滿流體樣品31,而右側(cè)兩個 反應(yīng)室正處于填充過程中。應(yīng)該注意,在本發(fā)明裝置的一些實施方案中,
在這個階段微毛細(xì)管通道19還沒有裝滿流體。
圖12A描述流體樣品31已經(jīng)完成分配到四個反應(yīng)器模塊中。所 述實施方案中流體樣品的分配模式為即使在填充完成之后也沒有流體 樣品進(jìn)入微毛細(xì)管通道。
圖12B顯示了圖12A中示例裝置的側(cè)視圖,其中流體樣品的分配 已經(jīng)完成。
圖13描述了用密封材料33密封樣品傳輸通道和多功能通道。在 微毛細(xì)管通道19還沒有充滿流體的實施方案中,毛細(xì)管力會使密封材 料33進(jìn)入反應(yīng)室的入口通道13。這種流動又使得流體樣品31充入微毛 細(xì)管通道19。不過,微毛細(xì)管通道19、端口 21和流體隔離室的布置防 止流體樣品進(jìn)入流體隔離室。因此密封材料33被防止進(jìn)一步流入反 應(yīng)室31的入口通道13中。
圖14A描述了密封材料完全分配入樣品傳輸通道和多功能通道 中。在該實施方案中,少量密封材料已經(jīng)從樣品傳輸通道進(jìn)入反應(yīng)器模 塊中,并置換進(jìn)入微毛細(xì)管通道中的一些流體樣品。但是,沒有流體樣 品已經(jīng)進(jìn)入反應(yīng)室。圖14B顯示了圖14A中示例裝置的側(cè)視圖,其中 密封材料的分配已經(jīng)完成。
圖15A、 15B和15C顯示了三個村底層的示意圖,它們可以組裝 成圖15D顯示的根據(jù)本發(fā)明的裝置的實施方案。
圖16A描述了用本發(fā)明裝置分析的樣品的熒光發(fā)射圖象的照片。
圖16B描述了本發(fā)明裝置在反應(yīng)過程期間對反應(yīng)室進(jìn)行實時熒光 采集模式中的示例性應(yīng)用。
優(yōu)選實施方案示例
圖1、 2和3顯示了根據(jù)本發(fā)明的裝置的示例性流體微結(jié)構(gòu)。在這 些實施例中,樣品傳輸通道l經(jīng)入口 12連通至反應(yīng)器模塊11。所述反 應(yīng)器模塊包含反應(yīng)室15和連通至反應(yīng)室15出口的流體隔離室23。在圖 1中,流體隔離室23被直接連通至反應(yīng)室15的出口。圖2顯示了一個 替代性結(jié)構(gòu),其中反應(yīng)室23通過端口 21連通至反應(yīng)室15。在圖2A顯 示的實施方案中,反應(yīng)室15的入口和出口均沿其縱軸布置。圖2B描述 了一個實施方案,其中反應(yīng)室15的入口和出口互相沿側(cè)邊布置。圖3
顯示了另一個實施方案,其中反應(yīng)室通過單個微毛細(xì)管通道19和端口 21連接至流體隔離室。在圖3B描述的實施方案中,反應(yīng)室15的入口 和出口也是沿縱軸布置,而在圖3A描述的實施方案中入口和出口互相 沿側(cè)邊布置。反應(yīng)室15的出口在其縱軸右側(cè)(圖3A)或左側(cè)(圖3B) 連接至微毛細(xì)管通道19。也可以在反應(yīng)室15的前面、后面或中間連接 微毛細(xì)管通道。在全部四個實例中,流體隔離室通過與多功能通道3流 體連通的形式為小孔24的出口連接至多功能通道。
圖4和圖5顯示了流體微結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實施方案,其中反應(yīng)室15 通過兩個微毛細(xì)管通道19連接到至少一個流體隔離室23,所述微毛細(xì) 管通道位于與入口 13位置相反的反應(yīng)室一端,所述入口將樣品傳輸通 道1連接至反應(yīng)室15。微毛細(xì)管通道19附近反應(yīng)室壁的一部分采取凸 形結(jié)構(gòu),例如凸形壁17。此處使用的術(shù)語"凸形壁"指的是突入反應(yīng)室 15中的反應(yīng)室壁。兩個微毛細(xì)管通道分別包括一個彎頭190,其將第一 臂191連接至第二臂192。每個第二臂被連接至基本垂直的端口 21,端 口 21進(jìn)而連接至微毛細(xì)管通道上方的流體隔離室23 (見圖5)。流體隔 離室23經(jīng)出口 25連接至多功能通道3。在該實施方案中,出口 25采取 通道的形式。
當(dāng)流體樣品被引入反應(yīng)室時,凸形壁17降低了流體樣品中形成氣 泡的趨勢。 一般而言,當(dāng)反應(yīng)室具有光滑或圓的邊緣時,流體中形成氣 泡的趨勢被降低。由于反應(yīng)室內(nèi)存在誘發(fā)流體湍流的區(qū)域(例如反應(yīng)室 壁上的銳邊),所以氣泡通常形成于反應(yīng)器模塊內(nèi)。盡管優(yōu)選凸形壁, 但是不排除使用其他替代結(jié)構(gòu)的可能性,例如水平壁,以及仍然可用的 形狀不規(guī)則的壁。
該實施方案的側(cè)視圖可見于圖5。頂部襯底層101堆疊在底部襯 底層102之上。頂部和底部襯底層在界面109處相接。每個襯底層的表 面蝕刻有本發(fā)明裝置所需的部分微流體結(jié)構(gòu)。當(dāng)頂部襯底層對準(zhǔn)堆疊到 底部襯底層上時,每個襯底層上蝕刻的微流體結(jié)構(gòu)互補配合,形成圖5 所示的微流體結(jié)構(gòu)。在圖6所示的替代實施方案中,存在兩個反應(yīng)器模 塊, 一個模塊位于頂部村底層內(nèi),而另 一個模塊位于底部襯底層內(nèi)。
樣品傳輸通道的墻壁可以比反應(yīng)室壁具有更低的對流體樣品的親 和力,以提高流體樣品在毛細(xì)管作用下從樣品傳輸通道進(jìn)入的流動。裝 置內(nèi)流體樣品和通道壁之間不同的表面親和力可以通過選擇合適的材料制造所述裝置來實現(xiàn)。典型的親水材料是玻璃,而疏水材料通常由塑 料制成,這些材料的表面特性(例如潤濕性能)可以通過各種方式來改 變,例如機械、熱、電或化學(xué)處理。本領(lǐng)域通常使用的方法是用某些化 學(xué)物質(zhì)來處理。例如,塑料材料的表面可以通過稀鹽酸或稀硝酸的處理 變成親水性。作為替代,任何疏水表面的表面性質(zhì)可以通過涂覆親水聚 合物或用表面活性劑處理而變得更為親水。在頂部和底部襯底層都包括 玻璃或其他任何親水材料,并且流體樣品是含水流體的情況下,各種通 道和室的頂壁、底壁或側(cè)壁可以通過本領(lǐng)域公知的任何方法-使之具有比 反應(yīng)室更低的親水性,這些方法包括但不限于等離子體處理或涂覆親水
材料。例如,傳輸通道l、反應(yīng)室15和微毛細(xì)管通道19的部分或所有 表面可以用合適的試劑涂覆,以使它們變得更親水或更不親水。親和力 的差異可被調(diào)控,用于控制裝置內(nèi)流體的流動乃至流體的分配。以圖8A 至8L和圖9中顯示的正方形、三角形和圓形微毛細(xì)管通道為例,可以 看出微毛細(xì)管通道19之壁49的不同部分可以用親水和/或疏水涂料涂 敷(如黑線和虛線所示),以便提供微毛細(xì)管通道和流體樣品之間不同 的親和力水平。這些涂料可以在裝置組裝之前或之后施用(見圖15)。
圖11描述了一種例如與圖10A所示裝置類似的示例性裝置中存 在的用流體樣品31填充樣品傳輸通道1和反應(yīng)器模塊11的可能方法的 實施方案。流體樣品31通過滴器或吸液器或任何適于分配少量液體的 工具分配到進(jìn)液口 5內(nèi)。當(dāng)流體樣品31穿過樣品傳輸通道1時,其進(jìn) 入與樣品傳輸通道連通的多個反應(yīng)室,其中與進(jìn)液口 5最近的反應(yīng)室被 首先充滿,然后是下一個反應(yīng)室,依此類推。反應(yīng)室以這種方式被依次 充滿。反應(yīng)室被填充至入口通道13的邊緣。因此,在與所述裝置所有 反應(yīng)室的容量精確匹配的流體樣品允許進(jìn)入進(jìn)液口 5的情況下,隨后形 成彎液面34(見圖12A)。作為替代,在所用流體樣品的量超過所述裝 置反應(yīng)室容量的情況下s這些多余的流體樣品被排入到進(jìn)液口 6和8中。 圖12A顯示了處于完全充滿狀態(tài)的反應(yīng)器模塊。在該實施方案中,流體 樣品不進(jìn)入微毛細(xì)管通道19,而是在微毛細(xì)管通道19的入口處形成彎 液面36 (見圖11)。這種分布特征是由于微毛細(xì)管通道19的壁已被修 飾為親水性低于反應(yīng)室15所造成的。
密封材料33、 35被引入樣品傳輸通道1和多功能通道3中,以密 封反應(yīng)器模塊內(nèi)的流體樣品,如圖13和14所示。 一些密封材料33、 35 置換入口通道中的流體樣品(箭頭35),從而形成壓低的彎液面37 (密 封材料和流體樣品之間的界面)。源自密封材料的靜壓力大至足以克服
存在的任何親和力,從而置換進(jìn)入微毛細(xì)管通道19的流體樣品。從圖 14A和14B中可以看出,在引入密封材料之后,流體樣品存在于微毛細(xì) 管通道19中。將微毛細(xì)管通道19連接至流體隔離室23的端口 21的直 徑十分小,使得微毛細(xì)管通道19內(nèi)的毛細(xì)流動被中斷。這種中斷提供 了充分的屏障,以防止流體樣品進(jìn)入端口 21和流體隔離室23中,盡管 微毛細(xì)管通道19中的毛細(xì)流動產(chǎn)生了靜壓力。
圖15顯示了用于制造本發(fā)明裝置的原圖。圖15A至15C顯示了 涂覆鉻和金、然后涂覆光刻膠的三個襯底層。所述裝置隔室的圖樣是用 光刻術(shù)形成的。然后通過蝕刻形成各隔室。圖15D中顯示的各組裝裝置 與圖IOA和12中顯示的實施方案大致相似??梢圆捎锰娲椒?,例如 采用微流體光掩膜(Chen, C et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (2003), 100, 4, 1499-1504)或'減射噴涂鉻和金的方法,以及非電和電解電鍍聯(lián) 合法。應(yīng)該注意,反應(yīng)室15的入口通道13是一個連續(xù)隔室,其在樣品 流體通道1和反應(yīng)室15之間提供流體連通。圖15D中可見的線以三個 襯底層形成隔室的方式示出不同隔室的輪廓,但未必代表將其隔開的壁 (例如見圖13和14)。
圖16描述了本發(fā)明裝置在實時檢測登革熱病毒RNA中的示范應(yīng) 用。所用裝置的反應(yīng)室預(yù)載入用于檢測各血清型1至4的寡核苷酸引物。 使用下列引物
(a)(所有反應(yīng)室):CAATATGCTGAAACGCGCGAGAAA (SEQ ID NO: 1);
(b )反應(yīng)室l(目標(biāo)血清型1): CGCTCCATACATCTTGAATGAG (SEQ ID NO: 2);反應(yīng)室2 (目標(biāo)血清型2 ): AAGACATTGATGGCTTTTGA (SEQ ID NO: 3);反應(yīng)室3 (目標(biāo)血清型3 ):
AAGACGTAAATAGCCCCCGAC (SEQ ID NO: 4);反應(yīng)室4,(目標(biāo)血 清型4 ): AGGACTCGCAAAAACGTGATGAAT (SEQ ID NO: 5)。從 對象的血清中提取RNA (140^11),并懸于50fil水中。利用提取的RNA (1.3 pi)制備反應(yīng)流體(最終體積10 nl ),其包含PCR緩沖液 (Invitrogen )、 DMSO( 4 % )、硫酸鎂(4 mM )、 Sybergreen I染料(2.5x, Molecular Probes )、逆轉(zhuǎn)錄酶/Taq聚合酶(2 pl, Superscript One-Step Sy§ RT-PC.R. 、v/platin, Invitrogen)。
如上所述,所述裝置在栽入和密封之后被放入熱循環(huán)儀內(nèi)(見實
施例2),并經(jīng)歷下列循環(huán)條件57"C、 30分鐘(1個循環(huán));95匸、2 分鐘(l個循環(huán));40個循環(huán)的95n、 10秒,57"C、 15秒,72C、 15 秒。圖16A右邊(II)顯示了依次拍攝的各裝置的照片。左邊(I)用 作負(fù)對照的相應(yīng)裝置被暴露于相同的條件,其中反應(yīng)流體含有無菌水代 替所提取RNA。所述兩個裝置的反應(yīng)器模塊(1~4)的編號方式與上 述使用的各反應(yīng)室的編號方式對應(yīng),因而與相應(yīng)的血清型對應(yīng)。在所用 的實施方案中,每個反應(yīng)器模塊含有一個反應(yīng)室。結(jié)果顯示,血清被分 析的對象感染了登革熱病毒亞型1。
圖16A描述了在反應(yīng)過程期間反應(yīng)室的相應(yīng)的熒光采集特征。曲 線(1~4)的編號方式與各反應(yīng)室(見上文)的編號方式相對應(yīng)。在較 早時間點處反應(yīng)室l內(nèi)比其他反應(yīng)室內(nèi)信號強度的增加進(jìn)一步表明所用 引物和所提取RNA之間結(jié)合的特異性。
實施例1:制造分析流體樣品的裝置
該實施例示出本發(fā)明裝置的制造。
三片48 mm x 65 mm x 0.17 mm的鈉鉤玻璃襯底從Erie Scientific (美國)獲得。根據(jù)公開的程序,用piranha溶液(H202:H2S04,比例 l:2)清洗玻璃襯底。在100"C下脫水,然后在高真空電子束加工機內(nèi)涂 覆20納米的鉻和80納米的金。相同的鉻和金涂覆過程也可以利用替代 的標(biāo)準(zhǔn)方法實現(xiàn),例如'減射技術(shù),以及無電和電解電鍍聯(lián)合法。
涂敷金屬的玻璃片兩面都涂上光刻膠。然后利用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù) 形成期望的微流體圖樣。利用商品鉻蝕刻溶液和金蝕刻溶液除去鉻和金 層暴露的圖樣,以在玻璃蝕刻之前形成犧牲圖樣(sacrificial pattern )。 然后用丙酮剝離光刻膠。
然后用氫氟酸處理帶有具圖樣的鉻和金層的玻璃襯底,以蝕刻玻 璃形成微流體通道。應(yīng)該注意,通道和進(jìn)液口的深度取決于芯片所需的 功能和應(yīng)用。本實施例中,通道和進(jìn)液口被蝕刻至100微米深。然后利 用與上述相同的化學(xué)物質(zhì)除去鉻和金的犧牲層。
三個襯底層中每層的微流體結(jié)構(gòu)的示例性俯視圖示于圖15。
所述第一層、第二層和第三層襯底(見圖15A至15C)視覺觀察
合在一起,對準(zhǔn),然后粘合成所述裝置(見圖15D)。
實施例2:用涂有Sybergreen I的反應(yīng)室進(jìn)行PCR測試
該實施例說明了使用本發(fā)明裝置在尺寸為2.1 x 1.4 x 0.2亳米的反 應(yīng)室中利用Sybergreen進(jìn)行PCR測試。所用裝置的實施方案是尺寸為 48 x 65亳米(寬x長)的微芯片,其中每個反應(yīng)器模塊包含一個反應(yīng)室。 所述裝置的實施方案與圖12和15中所述的實施方案相似,其含有四個 反應(yīng)器模塊。
利用Qiamp病毒RNA迷你試劑盒(Qiagen )提取140微升對象 血清中的總RNA,并洗脫到50微升無菌水中。
在制造期間,所述裝置被預(yù)載入用于檢測各血清型1-4的寡核苷 酸引物。通過小份的離散點樣將引物沉積到每個反應(yīng)室的表面。所有反 應(yīng)室中使用的正向引物是5'-CAATATGCTGAAACGCGCGAGAAA-3, (SEQIDNo:l)。所用的反向引物為
反應(yīng)器 模塊編號目標(biāo) 血清型引物2
115'-CGCTCCATACATCTTGAATGAG-3' (SEQ ID NO: 2)
225'-AAGACAT^GATGGCTnTGA-3, (SEQ ID NO: 3)
335'-AAGACGTAAATAGCCCCCGAC-3' (SEQ ID NO: 4)
445'-AGGACTCGCAAAAACGTGATGAAT-3' (SEQ ID NO: 5)
對于引物2和3,其重懸時在反應(yīng)室中的最終濃度為0.2 pM。引 物3和4的濃度為0.15 jiM。在45攝氏度下干燥30分鐘后,;使用之 前粘合所述裝置。
對于每個裝置樣品,制備10 pl流體樣品,其包含RT-PCR緩沖 液(1 x , lnvitrogen )、硫酸鎂(4 mM )、 DMSO ( 4 % 、'/v )、 BSA ( 0,5 mg/ml )、 Sybergreen I染料(2.5 x , Molecular Probes )、逆轉(zhuǎn)錄酶/Taq 聚合酶(2 pl, Superscript One-Step Sys RT-PCR w/platin, lnvitrogen)、 RNA (1.3 在對照裝置中,上述流體樣品具有相同的組成,只是用 無菌水(1.3 nl)代替RNA。
將8.5 pi上述流體樣品引入微芯片的進(jìn)樣口 5中(圖15D或10A ), 并允許其擴(kuò)散到反應(yīng)室內(nèi)。然后將15 nl的硅酮RTV作為密封材料引入 進(jìn)液口5和7,以密封樣品傳輸通道1和多功能通道3。
然后,將裝置放入兼容的實時熱循環(huán)儀中(Attocycler, Attogenix BiosystemsPteLtd),并使其經(jīng)歷下列PCR條件57匸、30分鐘(1個 循環(huán));95"C、 2分鐘(1個循環(huán));然后40個循環(huán)的95匸、10秒,57 ■C、 15秒,72n、 15秒。其結(jié)果示于圖16A和16B,表明從對象提取 的RNA中存在登革熱病毒血清型1的陽性檢測(反應(yīng)室1 )。這種血清 型與對相同對象進(jìn)行的血清學(xué)測試相關(guān)聯(lián)。此外,圖16B中顯示反應(yīng)室 在反應(yīng)過程期間的焚光采集特征,表明所用引物和所提取RNA之間的 結(jié)合是特異性的。
實施例3:抗體-抗原的熒光淬滅
該實施例舉例說明使用本發(fā)明裝置在尺寸為2.1 x 1.4 x 0.2毫米的 反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行抗體-抗原焚光淬滅測試。用OG-514 (Oregon green 514 羧酸,琥珀酰亞胺酯)標(biāo)記抗體,并用QSY-7 (QSY-7羧酸,琥珀酰 亞胺酯)標(biāo)記抗原(肽、多肽、蛋白質(zhì)、全細(xì)胞、碳水化合物、適配體 (aptamer)等)。熒光淬滅阻止或抑制OG-514熒光的檢測。將標(biāo)記的 抗體-抗原復(fù)合物以凍干形式置于反應(yīng)室中。引入流體樣品從而將所述
復(fù)合物再水化和溶解于含有或不含各種濃度(例如0.05%Tw-20和1% Triton-X-100 )去污劑(例如Tw-20或Triton-X 100 )的PBS或TBS緩 沖液中。再水化時,標(biāo)記抗體-抗原復(fù)合物中的抗原與流體樣品中所含 的、引入的未標(biāo)記抗原竟?fàn)?。與未標(biāo)記抗原的竟?fàn)庒尫懦鯫G-514標(biāo)記 的抗體,其熒光在約528~530納米處檢測。
權(quán)利要求
1.分析流體樣品的裝置,其包含-至少一個樣品傳輸通道;-至少一個多功能通道;和-將所述樣品傳輸通道流體連接至所述多功能通道的至少一個反應(yīng)器模塊,所述至少一個反應(yīng)器模塊包含-具有與所述至少一個樣品傳輸通道流體連通的至少一個入口的至少一個反應(yīng)室,和-至少一個流體隔離室,所述流體隔離室與所述至少一個反應(yīng)室的至少一個出口流體連通,其中所述流體隔離室調(diào)節(jié)所述至少一個出口和所述至少一個多功能通道之間流體樣品的流動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的裝置,其中所述流體隔離室被布置為在所述流體樣品 和引入多功能通道的密封材料之間提供物理隔離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的裝置,其中所述流體隔離室與所述多功能通道流 體連通。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的裝置,其中所述流體隔離室通過出口連接至所述多功 能通道。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3的裝置,其中所述反應(yīng)室的所述出口與所述流體隔離室 的入口流體連通,所^ 口位于與所述流體隔離室的所述出口相對的壁 上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的裝置,其中所述反應(yīng)室的所述出口通過端口連接到所 迷流體隔離室的所口 。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的裝置,其中所述端口是傾斜的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的裝置,其中所述流體隔離室的基座和所述端口的側(cè)壁 之間形成的角在0°和180°之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的裝置,其中所迷流體隔離室的基座和所述端口的側(cè)壁 之間形成的角在約45°和約135。之間。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8的裝置,其中所述端口的側(cè)壁垂直于所述流體隔離室 的基座。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l至10中任一項的裝置,其中所述反應(yīng)室的所述至少一個出口包含至少一個微毛細(xì)管通道。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll的裝置,其中所述至少一個微毛細(xì)管通道的開口提供 與所述流體隔離室的流體連通,其中所述開口的直徑比所述微毛細(xì)管通道 的直徑小。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的裝置,其中所述開口的直徑比所述微毛細(xì)管通道的 直徑小約1.5倍至約20倍。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的裝置,其中所述開口的直徑比所述微毛細(xì)管通道的 直徑小約2倍至約10倍。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的裝置,其中所述開口的直徑比所述微毛細(xì)管通道的 直徑小約3倍至約6倍。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11至15中任一項的裝置,其中所述反應(yīng)室的所述至少 一個出口包含相對于其入口位于所述反應(yīng)室的遠(yuǎn)端部分的2個微毛細(xì)管通 道。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11至16中任一項的裝置,其中所述微毛細(xì)管通道位于 介于所迷反應(yīng)室和所述流體隔離室之間的位置。
18. 根據(jù)權(quán)利要求l至17中任一項的裝置,其中所迷反應(yīng)室包含用于防止 形成氣泡的手段。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的裝置,其中用于防止形成氣泡的所述手段包含靠近 所述反應(yīng)室的所述至少一個出口的凸形反應(yīng)室壁。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的裝置,其中所述凸形選自半球形、半橢圓形和多邊 形突起。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19的裝置,其中所述凸形包含至少一個不規(guī)則形狀的突 起。
22. 根據(jù)權(quán)利要求l至21中任一項的裝置,其中所述反應(yīng)器模塊具有選自 矩形、正方形、卵形和瓶形的形狀。
23. 根據(jù)權(quán)利要求l至22中任一項的裝置,其中所述反應(yīng)器模塊的體積選自L5微微升和1毫升之間。
24,根據(jù)權(quán)利要求23的裝置,其中所述反應(yīng)器模塊的體積選自500納升和 10微升之間。
25. 根據(jù)權(quán)利要求1至24中任一項的裝置,還包含用于調(diào)節(jié)所述裝置內(nèi)流 體樣品傳輸?shù)氖侄巍?br> 26. 根據(jù)權(quán)利要求25的裝置,其中用于調(diào)節(jié)流體樣品傳輸?shù)氖侄芜x自表面 特性和幾何特性。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26的裝置,其中所述表面特性通過涂層提供。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27的裝置,其中所述涂層包含選自以下的化合物六甲 基二硅氮烷、三甲基氯硅烷、二甲基二氯硅烷、丙基三氯珪烷、四乙M 硅烷、環(huán)氧丙氡基丙基三甲lLi^烷、3-氨基丙基三乙*^珪烷、2-(3,4-環(huán)氧環(huán)己基)乙基三甲IU^烷、3-(2,3-環(huán)氧丙fL^)丙基三甲fL^烷、聚 二甲M氧烷(PDMS)、 ,(3,4-環(huán)氧環(huán)己基)乙基三甲IL^烷、聚(甲基 丙烯酸甲酯)、尿烷、聚氨酯、含氟聚丙烯酸酯、聚(甲M-聚乙二醇-甲 基丙烯酸酯)、聚(二曱基丙烯酰胺)、聚([N-(2-羥丙基)甲基丙烯酰胺
)(PHPMA )、 a-磷酰膽堿-o-(N,N-二乙基-二絲氨基甲絲)十一烷基-寡 聚DMAA-m-寡聚-ST嵌段共寡聚物、3,4-環(huán)氧-環(huán)己基甲基丙烯酸甲酯、 2,2-雙[4-(2,3-環(huán)氧丙lL^)苯基l丙烷、3,4-環(huán)氧-環(huán)己基甲基丙烯酸酯、(3,,4,-環(huán)氧環(huán)己基曱基)-3,4-環(huán)氧環(huán)己基羧酸酯、二-(3,4-環(huán)氧環(huán)己基甲基)己二酸 酯、雙酚A (2,2-雙-(對-(2,3-環(huán)氧丙氧)苯基)丙烷)和2,3-環(huán)氧-1-丙醇。
29. 根據(jù)權(quán)利要求25至28中任一項的裝置,其中所述傳輸通道的壁具有 比所述^^應(yīng)室的壁更低的對流體樣品的親和力。
30. 根據(jù)權(quán)利要求25至28中任一項的裝置,其中所述多功能通道的壁具 有比所述流體隔離室的壁更低的對流體樣品的親和力。
31. 根據(jù)權(quán)利要求l至30中任一項的裝置,其中所述反應(yīng)室的至少一個壁 涂有用于實施分析流體樣品性質(zhì)的分析反應(yīng)的化合物。
32. 根據(jù)權(quán)利要求1至31中任一項的裝置,其中所述反應(yīng)室通過隔離介質(zhì) 與所述傳輸通道或多功能通道中至少一個密封隔開。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32的裝置,其中所述隔離介質(zhì)是,、電、磁和密封活 化的固體。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32或33的裝置,其中所迷隔離介質(zhì)是密封材料。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34的裝置,其中所述密封材料包含皿或液體狀態(tài)的聚 合物。
36. 根據(jù)權(quán)利要求32至35中任一項的裝置,其中所述密封材料包含源自 光敏和/或熱敏聚合物前體的聚合物。
37. 根據(jù)權(quán)利要求34至36中任一項的裝置,其中所述密封材料中摻入視 覺活性顏料。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37的裝置,其中所述視覺活性顏料選自,料、有機染 料和熒光染料。
39. 根據(jù)權(quán)利要求l至38中任一項的裝置,其中所述反應(yīng)器模塊被蝕刻到 襯底上。
40. 根據(jù)權(quán)利要求39的裝置,其中所述襯底包含選自硅、石英、玻璃、塑 料、彈性體、金屬及其復(fù)合物的材料。
41. 根據(jù)權(quán)利要求1至40中任一項的裝置,還包含覆蓋層。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41的裝置,其中所述覆蓋層包含至少一個蓋。
43. 根據(jù)權(quán)利要求41的裝置,其中所述覆蓋層的至少一部分包含自密封材 料。
44. 根據(jù)權(quán)利要求l至43中任一項的裝置,還包含多個反應(yīng)器模塊,每個 反應(yīng)器模塊將所述樣品傳輸通道流體連接至所述多功能通道。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44的裝置,其中所述多個反應(yīng)器模塊在尺寸上基^目同。
46. —種檢測流體樣品中分析物的方法,其包括a)提供用于檢測流體樣品中分析物的裝置,其包含 -至少一個樣品傳輸通道; -至少一個多功能通道;和-將所述樣品傳輸通道流體連接至所述多功能通道的至少一個反應(yīng)器 模塊,所述至少一個反應(yīng)器模塊包含=-具有與至少一個樣品傳輸通道流體連通的至少一個入口的至少一個 反應(yīng)室,和—至少 一個流體隔離室,所述流體隔離室與所述至少一個哀_應(yīng)室的至 少 一個出口流體連通,其中所述流體隔離室調(diào)節(jié)所述至少一個出口和所述多功能通道之間流 體樣品的流動,b) 將流體樣品加栽入所述裝置,c) 用密封材料密封所述至少一個樣品傳輸通道和至少一個多功能通道,和d) 實施至少一種分析物檢測反應(yīng),所迷反應(yīng)提供關(guān)于所述分析物的至少 一種定性或定量數(shù)據(jù)。
47. 根據(jù)權(quán)利要求46的方法,其中所#載包括將流體樣品引入所述樣品 傳輸通道。
48. 根據(jù)權(quán)利要求47的方法,其中選擇引入所述樣品傳輸通道的所述流體 樣品的體積為基本等于或小于所述至少一個反應(yīng)室的總體積。
49. 根據(jù)權(quán)利要求46至48中任一項的方法,其中用于檢測所述分析物的 裝置包括多個反應(yīng)器模塊。
50. 根據(jù)權(quán)利要求49的方法,其中所述多個反應(yīng)器模塊同時被充入所述流 體樣品。
51. 根據(jù)權(quán)利要求49的方法,其中所述多個反應(yīng)器模塊依次被充入所述流 體樣品。
52. 根據(jù)權(quán)利要求49至51中任一項的方法,其中所述多個反應(yīng)器模塊被 部分充入所述流體樣品。
53. 根據(jù)權(quán)利要求52的方法,其中所述反應(yīng)室的所述至少一個出口包含至 少一個微毛細(xì)管通道。
54. 根據(jù)權(quán)利要求53的方法,其中所述流體樣品不被分配到所述至少一個 微毛細(xì)管通道內(nèi)。
55. 根據(jù)權(quán)利要求53的方法,其中所述密封包括將密封材料引入所述樣品 傳輸通道和/或所述多功能通道。
56. 根據(jù)權(quán)利要求53的方法,其中所述密封材料頂替一部分所述流體樣品 進(jìn)入所述至少一個微毛細(xì)管通道。
57. 根據(jù)權(quán)利要求44至56中任一項的方法,其中所述密封材料包含聚合 物前體。
58. 根據(jù)權(quán)利要求57的方法,其中所述密封還包括聚合所述聚合物前體,從而形成聚合物。
59.根據(jù)權(quán)利要求44至58中任一項的方法,其中所述至少一種定性或定 量數(shù)據(jù)提供選自比色、熒光分析和發(fā)光結(jié)果中的至少一種結(jié)果。
60,根據(jù)權(quán)利要求59的方法,其中所述熒光分析結(jié)果來源于由熒光團(tuán)結(jié)合 或含熒光團(tuán)的探針的雜交中至少一種提供的熒光。
61. 根據(jù)權(quán)利要求60的方法,其中所述至少一種定性或定量數(shù)據(jù)通過用熒 光團(tuán)、酶或結(jié)合復(fù)合物成分中至少一種所標(biāo)記的探針而獲得。
62. 根據(jù)權(quán)利要求44至61中任一項的方法,其中所述流體樣品包含生物 材料。
63. 根據(jù)權(quán)利要求62的方法,其中所述生物材料包含選自以下的至少一種 分析物代謝物、核苷酸、多核苷酸、核酸、氨基酸、肽、多肽、蛋白質(zhì)、 生物化學(xué)組合物、脂質(zhì)、碳水化合物、細(xì)胞、微生物及其任意組合。
64. 根據(jù)權(quán)利要求44至61中任一項的方法,其中所述流體樣品包含非生 物材料。
65. 根據(jù)權(quán)利要求64的方法,其中所述非生物材料包含選自以下的至少一 種分析物離子、合成化合物、有機化學(xué)組合物、無機化學(xué)組合物、組合 化學(xué)產(chǎn)品、藥物候選分子、藥物分子、藥物代謝物及其任意組合。
66. 根據(jù)權(quán)利要求44至63中任一項的方法,其中所述至少一種分析物檢 測反應(yīng)包括核酸擴(kuò)增。
67. 根據(jù)權(quán)利要求44至63中任一項的方法,其中所述至少一種分析物檢 測M包括免疫檢測反應(yīng)。
68. 根據(jù)權(quán)利要求67的方法,其中所述免疫檢測反應(yīng)包括酶聯(lián)免疫吸附測 試(ELISA )。
69. 根據(jù)權(quán)利要求44至68中任一項的方法,其中實施所述方法用于測定 所述流體樣品的性質(zhì),所述性質(zhì)選自分析物的量、反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)、親和 常數(shù)、分析物的純度和分析物的異質(zhì)性。
全文摘要
用于傳輸、封閉和分析流體樣品的裝置及使用該裝置的方法。所述裝置包括至少一個樣品傳輸通道(1),至少一個多功能通道(3),和至少一個反應(yīng)器模塊(11)。所述反應(yīng)器模塊(11)將所述至少一個樣品傳輸通道(1)流體連接至所述至少一個多功能通道(3),其包括與所述至少一個樣品傳輸通道(1)流體連通的至少一個反應(yīng)室(15),和至少一個流體分離室(23)。所述至少一個流體分離室(23)與所述至少一個反應(yīng)室(15)的至少一個出口(18/20)流體連通,并調(diào)節(jié)所述至少一個出口(18/20)和所述至少一個多功能通道(3)之間流體樣品的流動。使用時,在反應(yīng)室(15)中進(jìn)行分析物檢測反應(yīng)之前將密封介質(zhì)導(dǎo)入所述多功能通道(3)。
文檔編號G01N1/28GK101184983SQ200580049623
公開日2008年5月21日 申請日期2005年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月16日
發(fā)明者丁道儀, 小多米納多爾·福塔萊扎·歐維索 申請人:雅拓晶科生物系統(tǒng)(私人)有限公司
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