CN102016595B - 三维微流体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了三维微流体装置，该三维微流体装置包括多个图案化多孔亲水层和布置在每两个相邻图案化多孔亲水层之间的流体不可透过层。每个图案化多孔亲水层具有流体不可透过阻挡物，该流体不可透过阻挡物大体透过多孔亲水层的厚度，并且限定了在图案化多孔亲水层内的一个或多个亲水区域的边界。流体不可透过层具有开口，这些开口与在至少一个相邻图案化多孔亲水层内的亲水区域的至少一部分对准。本发明也描述了微流体分析装置、微流体混合器、微流体流动控制装置。

Description

三维微流体装置
相关申请
本申请要求在2008年3月27日提交的美国临时专利申请No.61/072,049的优先权，通过引用把该临时申请全部并入于此。本申请的权利要求书涉及PCT/US07/081848，通过引用把后者全部并入于此。
技术领域
公开的主题大体上涉及三维微流体装置。
背景技术
近些年来，微流体系统由于它们多样和广泛的潜在用途，已经引起日益增大的兴趣。例如，使用非常少量的样品，微流体系统就可进行复杂的生物化学反应，以获得重要的化学和生物信息。优点包括，微流体系统减小样品和试剂的需要量，缩短反应的响应时间，及降低需处置的生物危害废物的量。
最初在二十世纪九十年代早期开发的微流体装置，最开始是使用从微电子工业转用的光刻和蚀刻技术用硅和玻璃制造的。目前的微流体装置由塑料、硅酮或其它聚合物材料建造，例如由聚二甲基硅氧烷(PDMS)建造。这样的装置一般昂贵、不可弯曲及建造困难。
横向流动流体装置是两维(2-D)的，并且应用于流体需要在单个平面中串行或并行地被运输的用途。然而，在2-D装置中在相邻通道中的流体不能在不相交的情况下彼此交叉。这种拓扑结构的约束最终限制2-D流体装置的设计和应用。因而，仍然有对于便宜、柔软及建造容易的三维微流体装置的需要。
发明内容
在本发明的一个方面，描述一种三维微流体装置。三维微流体装置包括多个图案化多孔亲水层，这些图案化多孔亲水层至少包括第一和第二图案化多孔亲水层。图案化多孔亲水层包括流体不可透过阻挡物，该流体不可透过阻挡物大体透过图案化多孔亲水层的厚度，并且限定了在每个图案化多孔亲水层内的一个或多个亲水区域的边界。三维微流体装置也包括流体不可透过层，该流体不可透过层布置在第一和第二图案化多孔亲水层和每两个相邻图案化多孔亲水层之间。流体不可透过层包括一个或多个开口。三维微流体装置也包括布置在流体不可透过层的开口中的多孔亲水介质，该流体不可透过层布置在第一和第二图案化多孔亲水层之间。该亲水介质接触在第一和第二图案化多孔亲水层的每一个内的亲水区域的至少一个。
在一个实施例中，多孔亲水介质包括纸。在另一个实施例中，多孔亲水介质包括色谱纸。在又一个实施例中，多孔亲水介质包括纸，并且纸浸渍有从包括化学或生物试剂、指示剂、粘合剂、流体流动阻止剂、流体流动促进剂或它们的组合的组中选择的成分。在又一个实施例中，多孔亲水层包括纸。在又一个实施例中，多孔亲水层包括色谱纸。在又一个实施例中，阻挡物包括聚合光刻胶。在又一个实施例中，阻挡物包括聚合光刻胶，并且光刻胶包括SU-8光刻胶。在又一个实施例中，流体不可透过层包括塑料片材。在又一个实施例中，流体不可透过层包括塑料片材，并且塑料片材包括胶带。在又一个实施例中，流体不可透过层包括塑料片材，塑料片材包括胶带，并且胶带包括双面胶带。
在又一个实施例中，亲水区域包括：第一亲水区域，包括用来沉积第一流体的储器；第二亲水区域，包括用来从储器接收第一流体和分布第一流体的分布区域；及亲水区域阵列，用来从分布区域接收第一流体。在又一个实施例中，阵列的每个亲水区域还包括用来分析第一流体的分析试剂。在又一个实施例中，分析试剂是蛋白质分析试剂、葡萄糖分析试剂、乙基乙酰乙酸钠分析试剂、硝酸钠分析试剂或它们的组合。
在另一个方面，描述一种三维微流体装置。三维微流体装置包括多个图案化多孔亲水层。每个图案化多孔亲水层包括流体不可透过阻挡物，该流体不可透过阻挡物大体透过图案化多孔亲水层的厚度，并且限定了在每个图案化多孔亲水层内的一个或多个亲水区域的边界。三维微流体装置也包括流体不可透过层，该流体不可透过层布置在每两个相邻图案化多孔亲水层之间，并且流体不可透过层包括一个或多个开口。三维微流体装置也包括填充一个或多个开口的材料塞，以便提供局部温度控制、分析流体样品、过滤微流体样品、或调节微流体流动。材料塞与在每个相邻图案化多孔亲水层内的亲水区域之一的至少一部分相直接接触。
在一个实施例中，材料塞包括用来分析流体样品的分析试剂。在另一个实施例中，材料塞包括用来分析流体样品的分析试剂，并且分析试剂包括蛋白质分析试剂、葡萄糖分析试剂、乙基乙酰乙酸钠分析试剂、硝酸钠分析试剂或它们的组合。在又一个实施例中，材料塞包括种子。在又一个实施例中，种子包括大豆种子、豆荚及大豆粉、或能提供用作分析试剂的过氧化物酶的任何其它种子。在又一个实施例中，材料塞包括用来过滤固体或血细胞的过滤器。在又一个实施例中，过滤器包括过滤纸、用来除去固体污染物、葡聚糖的任何其它过滤介质、或可从血液样品除去红细胞的任何其它材料。在又一个实施例中，材料塞包括盐，盐在与流体接触时吸收热量或放出热量，以提供局部温度控制。在又一个实施例中，盐包括硝酸铵或硫酸镁。在又一个实施例中，材料塞包括凝胶，该凝胶在与流体接触时膨胀以允许微流体流通。在又一个实施例中，材料塞包括凝胶，该凝胶在与流体接触时膨胀以允许微流体流通，并且凝胶包括琼脂糖、甲基纤维素或透明质酸(hylaronan)。在又一个实施例中，材料塞包括磁性材料，该磁性材料在磁场的影响下能够运动以允许微流体流通。在又一个实施例中，磁性材料包括氧化铁。在又一个实施例中，材料塞包括能与流体混合的材料或能与流体混合的材料和不能与流体混合的材料的混合物；并且能与流体混合的材料在与流体接触时溶解以允许微流体流通，并且一旦能与流体混合的材料已经溶解和流走，就不允许微流体流通。在又一个实施例中，能与流体混合的材料包括糖。在又一个实施例中，糖包括蔗糖。在又一个实施例中，不能与流体混合的材料包括疏水聚合物。在又一个实施例中，疏水聚合物包括聚苯乙烯。在又一个实施例中，多孔亲水层包括纸。在又一个实施例中，多孔亲水层包括色谱纸。在又一个实施例中，阻挡物包括聚合光刻胶。在又一个实施例中，光刻胶包括SU-8光刻胶。在又一个实施例中，流体不可透过层包括塑料片材。在又一个实施例中，塑料片材包括胶带。在又一个实施例中，胶带包括双面胶带。
在又一个方面，描述一种三维微流体混合器。三维微流体混合器包括第一图案化多孔亲水层，该第一图案化多孔亲水层包括流体不可透过阻挡物，该流体不可透过阻挡物大体透过第一图案化多孔亲水层的厚度，并且限定了一个或多个亲水区域的边界。在第一图案化多孔亲水层内的亲水区域之一包括第一流体流动通道和第二流体流动通道、及结合区。第一和第二流体流动通道汇合入结合区中。三维微流体混合器也包括第二图案化多孔亲水层，该第二图案化多孔亲水层包括流体不可透过阻挡物，该流体不可透过阻挡物大体透过第二图案化多孔亲水层的厚度，并且限定了一个或多个亲水区域的边界。在第二图案化多孔亲水层内的亲水区域之一包括混合通道。三维微流体混合器也包括流体不可透过层，该流体不可透过层布置在第一和第二图案化多孔亲水层之间，并且包括未填充开口，该未填充开口与混合通道的至少一部分和结合区对准。结合区能够从第一间隔开位置运动到第二接触位置。在第一间隔开位置，结合区不与混合通道相流体接触。在第二接触位置，结合区与混合通道相流体接触。
在一个实施例中，第一和第二流体流动通道汇合入结合区中，并且限定了在第一和第二流体流动通道之间的界面。在另一个实施例中，混合通道垂直于界面。在又一个实施例中，混合通道的长度大于1mm。在又一个实施例中，多孔亲水层包括纸。在又一个实施例中，多孔亲水层包括色谱纸。在又一个实施例中，阻挡物包括聚合光刻胶。在又一个实施例中，光刻胶包括SU-8光刻胶。在又一个实施例中，流体不可透过层包括塑料片材。在又一个实施例中，塑料片材包括胶带。在又一个实施例中，胶带包括双面胶带。
在又一个方面，描述一种三维微流体流动控制装置。三维微流体流动控制装置包括多个多孔亲水层，这些多孔亲水层包括流体不可透过阻挡物，该流体不可透过阻挡物大体透过图案化多孔亲水层的厚度，并且限定了一个或多个亲水区域的边界。该多个多孔亲水层包括第一图案化多孔亲水层，该第一图案化多孔亲水层包括流体不可透过阻挡物，该流体不可透过阻挡物大体透过第一图案化多孔亲水层的厚度，并且限定了一个或多个亲水区域的边界，并且在第一图案化多孔亲水层内的亲水区域之一包括第一流动通道。该多个多孔亲水层也包括第二图案化多孔亲水层，该第二图案化多孔亲水层包括流体不可透过阻挡物，该流体不可透过阻挡物大体透过第二图案化多孔亲水层的厚度，并且限定了一个或多个亲水区域的边界，并且在第二图案化多孔亲水层内的亲水区域之一包括第二流动通道。三维微流体流动控制装置也包括流体不可透过层，该流体不可透过层布置在每两个相邻图案化多孔亲水层之间，并且流体不可透过层包括一个或多个开口。流体不可透过层包括第一流体不可透过层，该第一流体不可透过层布置在第一和第二图案化多孔亲水层之间，并且包括未填充开口，该未填充开口与第一和第二流动通道至少部分地对准。第一流动通道的至少一部分能够从第一间隔开位置运动到第二接触位置。在第一间隔开位置中，第一流动通道不与第二流动通道相流体接触。在第二接触位置中，第一流动通道与第二流动通道相流体接触。
在一个实施例中，多孔亲水层包括纸。在另一个实施例中，多孔亲水层包括色谱纸。在又一个实施例中，阻挡物包括聚合光刻胶。在又一个实施例中，光刻胶包括SU-8光刻胶。在又一个实施例中，流体不可透过层包括塑料片材。在又一个实施例中，塑料片材包括胶带。在又一个实施例中，胶带包括双面胶带。在又一个实施例中，三维微流体流动控制装置还包括布置在流体不可透过层之一内的开口之一中的疏水塞，并且疏水塞包括在预选温度下能够熔化和流动的低熔点疏水材料。图案化多孔亲水层之一在包含疏水塞的流体不可透过层下面，并且包括与疏水塞至少部分对准的亲水区域之一。在预选温度下，疏水材料熔化并且流入与疏水塞至少部分对准的亲水区域中，以大体阻塞亲水区域，并且禁止在亲水区域内的微流体流动。在另一个实施例中，疏水塞包括由低熔点疏水材料渗透的多孔亲水介质。在又一个实施例中，多孔亲水介质包括纸。在又一个实施例中，低熔点疏水材料包括低熔点蜡。在又一个实施例中，蜡包括烛用蜡、奶酪用蜡、包装蜡、石蜡、杨梅蜡、或其它蜡。在又一个实施例中，蜡是杨梅蜡。在又一个实施例中，低熔点疏水材料具有小于200℃、小于100℃、小于50℃、或在45℃与50℃之间的熔点。
在又一个方面，描述一种三维微流体流动控制装置。三维微流体流动控制装置包括第一图案化多孔亲水层和第二图案化多孔亲水层，每一个层包括流体不可透过阻挡物，该流体不可透过阻挡物大体透过第一或第二图案化多孔亲水层的厚度，并且限定了在第一或第二图案化多孔亲水层内的一个或多个亲水区域的边界。三维微流体流动控制装置也包括：流体不可透过层，该流体不可透过层布置在第一和第二图案化多孔亲水层之间，并包括一个或多个开口；和布置在流体不可透过层中的疏水塞。疏水塞包括在预选温度下能够熔化和流动的低熔点疏水材料。第二图案化多孔亲水层在包含疏水塞的流体不可透过层下面，并且包括与疏水塞至少部分对准的亲水区域之一。在预选温度下，疏水材料熔化并且流入与疏水塞至少部分对准的亲水区域中，以大体阻塞亲水区域，并且禁止在亲水区域内的微流体流动。
在一个实施例中，疏水塞包括由低熔点疏水材料渗透的多孔亲水介质。在另一个实施例中，多孔亲水介质包括纸。在又一个实施例中，低熔点疏水材料包括低熔点蜡。在又一个实施例中，蜡包括烛用蜡、奶酪用蜡、包装蜡、石蜡、杨梅蜡、或其它蜡。在又一个实施例中，蜡包括杨梅蜡。在又一个实施例中，低熔点疏水材料具有小于200℃、小于100℃、小于50℃、或在45℃与50℃之间的熔点。在又一个实施例中，多孔亲水层包括纸。在又一个实施例中，多孔亲水层包括色谱纸。在又一个实施例中，阻挡物包括聚合光刻胶。在又一个实施例中，光刻胶包括SU-8光刻胶。在又一个实施例中，流体不可透过层包括塑料片材。在又一个实施例中，塑料片材包括胶带。在又一个实施例中，胶带包括双面胶带。
如这里使用的那样，“孔”和“开口”互换地使用。如这里使用的那样，“2-D”和“两维”互换地使用。如这里使用的那样，“3-D”和“三维”互换地使用。
附图说明
参照附图并作为例子将描述本发明的优选非限制性实施例，在附图中：
图1是通过对准和堆积图案化纸和双面胶带的交替层而构造的三维微流体装置的示意图；
图2是通过对准和堆积图案化纸和双面胶带的交替层而构造的三维微流体装置的示意图，双面胶带的孔填充有纸片；
图3是三维微流体装置的分解视图，该三维微流体装置使两种水性流体能够在不接触或混合的情况下交叉；
图4表明将样品分布到阵列中的四个三维微流体装置；
图5表明用来进行多个分析的16井三维微流体装置；
图6表明用来进行多个分析的另一个16井三维微流体装置；
图7表明三维微流体装置，其中，使试剂添加到在胶带层的开口内的纸片上，以检测葡萄糖；
图8表明在纸通道中层流流动的流体的两种构造；
图9是由图案化纸和双面胶带制成的三维微流体混合器的示意图；
图10表明用来将蓝色染料与黄色染料相混合的三维微流体混合器；
图11表明两种三维微流体混合器，它们的混合通道相对于流体的界面具有不同定向；
图12表明用来按全部可能的六种组合两两混合四种流体的三维微流体混合器；
图13表明具有一次性“通”和“断”按钮的三维微流体装置；
图14表明具有AND(与)和OR(或)逻辑门的三维微流体装置；
图15表明具有NOT(非)逻辑门的三维微流体装置；
图16表明具有NAND(与非)和NOR(或非)逻辑门的三维微流体装置；
图17表明具有XOR(异或)和XNOR(同或)逻辑门的三维微流体装置；
图18表明三维微流体多路分配器。
具体实施方式
这里参照图1描述一种示例的多层微流体装置，并且说明竖直流动和横向流动的原理。图1示意地示出三维微流体装置100的立体图，该三维微流体装置100包括：两层图案化纸110和130；和一个阻挡材料隔离层120，例如双面胶带，具有孔，例如122、124、126及128。这三个层110、120、130彼此对齐和粘结。图案化纸层110包含不相交的通道112和114。隔离层120包括一组孔122和124，这组孔122和124定位成将流体从在上部图案化纸110中的通道114引导到在下部图案化纸130中的通道132并且然后向上回到在图案化纸110中的通道114′。隔离层120还包括一组孔126和128，这组孔126和128定位成分别将流体从通道112引导到在下部图案化纸130中的通道134并且然后向上回到在图案化纸110中的通道112′。该装置是多层微流体通道的一个例子，该多层微流体通道允许染料流过的分离通道彼此交叉，而在两种流体之间不发生任何混合。
该微流体装置依赖于在隔离层内的孔来引导竖直微流体流动。申请人已经发现，通过用多孔亲水材料填充隔离层内的开口可显著地改进竖直流动(或直通流)，该多孔亲水材料桥接相邻亲水层之间的间隙。结果，在两个相邻图案化多孔亲水层内与开口部分地重叠的两个微流体区域将与在开口中的亲水材料直接接触，因而允许通过毛细管作用优化微流体流动。在一个或多个实施例中，多孔亲水材料大体填充在隔离层内由孔产生的空隙。在一个或多个实施例中，多孔亲水材料大体与开口的形状相匹配。填充开口的多孔亲水材料可以例如是多孔纸垫或“点”，这些多孔纸垫或“点”具有与隔离层的厚度相似的厚度。纸可切割成形，以与在隔离层中由孔产生的空隙空间的尺寸相匹配。
在一个方面，描述了三维(3-D)微流体装置。在一个实施例中，参照图2描述三维微流体装置，该三维微流体装置由流体不可透过隔离层和图案化多孔亲水层制成。微流体装置包括：纸层，纸层已经图案化成由疏水阻挡壁隔离的亲水区域或通道；和流体不可透过层，其包含有用多孔亲水材料(例如纸塞)填充的孔或开口，以允许流体高效地从一个纸层的亲水区域竖直地运动到另一个纸层的亲水区域。在纸层中的亲水区域或通道抽吸在水平平面中的流体，而图案化到纸中的疏水聚合物决定了流体在通道内移动的地方，因而限定了在图案化纸内微流体横向流动的方向。流体不可透过层布置在两个相邻纸层之间，并且将两个相邻纸层内的通道彼此隔离。用切成大体与孔的形状相匹配的纸片填充流体不可透过隔离层的孔。孔和其内的纸片与在两个相邻图案化多孔亲水层的每一个内的亲水区域的至少一部分对准。在开口中的纸塞因而与在两个相邻多孔纸层的每一个内的亲水区域的至少一部分相接触，以改进毛细管作用，并且允许流体穿过在开口内的纸片，在竖直平面中(在相邻图案化亲水纸层之间)从在一个纸层中的通道到在相邻纸层中的通道高效地运动。因为纸层和胶带层很薄(每层约100-200μm)，所以就可堆叠几层纸和胶带，而不显著地改变装置的大小。每层纸和胶带也可用来起到在装置内的独特功能(例如，存储试剂、分析流体、过滤样品、分布流体、混合流体及控制流体流动)。
多孔亲水层包括通过毛细管作用抽吸流体的任何亲水基底。在一个或多个实施例中，多孔亲水层是纸。多孔亲水层的非限制性例子包括色谱纸、过滤纸、硝化纤维素和乙酸纤维素、纤维素纸、过滤纸、纸巾、卫生纸、薄棉纸、笔记本纸、KimWipes、VWR轻型拭纸(Light-Duty Tissue Wipers)、Technicloth拭纸、报纸、不包括粘合剂的任何其它纸、布、及多孔聚合物膜。总的来说，可以使用与选择的图案化方法兼容的任何纸。在一些实施例中，多孔亲水层包括Whatman色谱纸No.1。
在一个或多个实施例中，按照在图2中描述的过程来对亲水层图案化。在一些实施例中，把亲水纸浸泡在光刻胶中，并且按照在PCT/US07/081848中描述的过程，采用光刻法来对光刻胶图案化，以形成阻挡物。其它亲水材料，例如硝化纤维素和乙酸纤维素，在流体诊断学中是常用和公知的隔膜，但与在光刻法中典型使用的溶剂不相容。其它方法，如丝网印刷、压印或印刷，可能更适于用来图案化这样的材料。另外，亲水层和疏水阻挡区域可使用与测试条件(例如温度、pH值和/或离子强度)相兼容的材料制备。
用来对多孔亲水材料图案化的光刻胶包括SU-8光刻胶、SC光刻胶(Fuji Film)、聚甲基丙烯酸甲酯、几乎全部丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、及形成疏水聚合物的任何光聚合单体。
流体不可透过层典型地是片材，该片材在微流体装置的流体中不溶解，并且提供希望水平的装置稳定性和灵活性。在一个或多个实施例中，流体不可透过层是塑料片材。在一些实施例中，流体不可透过层是粘性片材或胶带。流体不可透过层的非限制性例子包括双面地毯胶带，水不可透过阻挡物包括3M双面胶带、Tapeworks双面胶带、CR Laurence黑色双面胶带、3M Scotch泡沫安装双面胶带、3M Scotch双面胶带(透明)、QuickSeam拼接胶带、双面接缝胶带、3M全天候双面胶带、CR Laurence CRL透明双面PVC胶带、PureStyle Girlfriends安装牢固双面胶带、Duck Duck双面管道胶带、及Electriduct双面胶带。在一些特定实施例中，双面胶带用作流体不可透过层。双面胶带粘附到两个相邻图案化纸层上，并且可粘结到微流体装置的其它元件上。它对于水是不可透过的，并且隔绝按小于200μm隔离的流体流。另外，它也足够薄，以当压缩时允许相邻纸层通过在胶带中冲出的孔相接触。它可与所粘附的纸容易地分离，并因而允许堆叠装置的拆开，并且它是便宜的和可广泛得到的。
作为双面胶带的替代，可采用热激活粘合剂将流体承载层密封在一起。实际上，可使用可成形和粘附到图案化亲水层上的任何流体不可透过材料。另外，也可使用用来图案化纸层的相同材料来将纸层接合在一起。在一个或多个实施例中，光刻胶层布置在两个相邻图案化多孔亲水层之间。
填充孔或开口的多孔亲水材料可以是与多孔亲水层相同的材料，或者是不同的材料。多孔亲水材料的非限制性例子包括色谱纸、过滤纸、硝化纤维素和乙酸纤维素、纤维素纸、过滤纸、纸巾、卫生纸、薄棉纸、笔记本纸、KimWipes、VWR轻型拭纸(Light-Duty TissueWipers)、Technicloth拭纸、报纸、及不包括粘合剂的任何纸。
在一个或多个实施例中，图案化多孔亲水层是使用SU-82010光刻胶图案化的Whatman色谱纸No.1(它抽吸水良好，并且是纯纤维素)，流体不可透过层是双面地毯胶带，并且填充流体不可透过层中孔或开口的多孔亲水材料是Whatman色谱纸No.1。
这里描述的微流体装置的优点包括如下：装置生产成本便宜；它们容易组装，并且不需要专用设备；内层被保护免受环境影响，因而限制蒸发；内层可用来存储对光敏感的用于分析的试剂；它们强调了与选择用于每种功能的各种纸的厚度相对应的短竖直区；并且复杂通道可容易地制造和容易地拆开。
在一个实施例中，参照图2描述微流体装置，并且说明竖直流动和横向流动的原理。如图2所示，通过对准和堆叠图案化纸和用作流体不可透过层的双面胶带的交替层，组装微流体装置。在一些实施例中，采用自动组装来组装具有小特征(例如，宽度小于约1mm的通道)的微流体装置。在其它实施例中，可用肉眼进行对准。组装示出在斜视图中(在左边)和在横截面图中(在右边)。在步骤1中，使用光刻法将纸200图案化成亲水纸220(白色区域)和疏水聚合物210(黑色区域)的微流体区域。然后对于装置的下层，图案化第二亲水纸205。在这个实施例中，疏水聚合物是SU-8光刻胶，并且亲水纸是Whatman色谱纸No.1。纸可具有一定范围的厚度；Whatman色谱纸No.1具有约160μm的厚度。在步骤2中，在双面胶带层240中，在相邻纸层之间接触点所需的位置处冲出孔230。隔离层可具有一定范围的厚度，但典型地选择成使装置的大小和体积最小。在这个实施例中，胶带具有约75μm的厚度。在步骤3中，用切成与胶带中孔的形状相匹配的纸片250(2.5mm宽)填充胶带240中孔230内的空间。在没有用纸填充空间的情况下，流体将不会最佳地穿过胶带中的孔跨过小间隙(约75μm)从一个纸层抽吸到另一个纸层。用与纸层相同类型的纸填充孔，例如用Whatman色谱纸No.1填充，用来消除间隙，并且提供在两个图案化纸层之间的可靠接触。可选择地，孔可用任何类型的亲水材料片填充。在胶带中的孔被填充之后，胶带的每一面附连到一图案化纸层上，以形成纸-胶带-纸的夹层260，如图2所示。装置的整体厚度很薄，例如小于0.4mm。
在另一个实施例中，参照图3B描述一种微流体装置，其具有彼此交叉四次而不彼此接触的两个通道，以表明竖直流动和横向流动的原理。装置表示在图3A中，并且使用与在图2中描述的相似的原理建造，该装置包括：图案化纸层，包含诸如311之类的亲水区域和光刻胶312；和胶带层，包括诸如313之类的用纸填充的孔。微流体装置300能够使两种水性流体交叉，而不接触和混合。如图3B所示，分别来自两个样品储器301和310的红色和蓝色水性染料沿着具有多个交叉点的路径被抽吸，而不混合。流体通过横向运动(从左到右)3cm(对于红染料)和4.5cm(对于蓝色染料)的距离而在约15分钟内流过通道。如图3A所示，装置由两层图案化纸(顶层和底层)和一层双面胶带组装而成。纸包括Whatman色谱纸No.1，它被使用光刻法图案化成暴露纸的亲水区域和SU-8光刻胶的疏水区域。如图3所示，1-mM诱惑红AC(红染料)和1-mM亮蓝(蓝色染料)被抽吸到纸的亲水通道中。中间层是双面地毯胶带，该双面地毯胶带在与两片纸的图案相匹配的位置具有2.5mm直径的孔。用纸片例如302、304、306及308填充孔。作为例子，描述红染料的详细微流体流动。红染料沉积在顶部图案化纸中的亲水区域301中，该亲水区域301与在双面胶带层中的其中一个孔中的纸片302部分地对准。红染料然后从301穿过纸片302竖直地抽吸到底部图案化纸中，具体地说，抽吸到亲水区域303中。红染料被横向抽吸穿过通道303，并且然后竖直地穿过纸片304被抽吸到在顶层中的亲水区域305。然后，在红染料穿过纸片308被抽吸回顶层进入亲水区域309中之前，红染料再次被抽吸到底层中，穿过纸片306进入底部纸层中的亲水区域307中。蓝色染料也穿过微流体装置在层之间被抽吸，并且两种染料彼此交叉四次，而不彼此接触。图3B表示装置的照片的时间顺序。第一幅图像表示在染料沉积之前的装置(t＝0)，并且各相继的图像表示在染料沉积之后的1分钟、10分钟及15分钟处的装置。该顺序表示水性红和蓝色染料在装置内的渐进运动。横截面图像表示，流体仅在隔离两个纸层的胶带中有孔的区域中在两个纸层之间运动。
用纸制造3-D结构具有的优点是在样品进入点与用于分析的区域之间有非常短的路径长度(即，200-600μm，依据纸的厚度和使用的纸层数而定)。短路径长度导致样品的快速分布，通过毛细管作用的流体运输速率比2-D横向流动纸基装置高得多并且在操作性方面可以比得上开放微通道装置。
堆叠纸层的能力给微流体学带来新能力：i)能够通过堆叠图案化纸建造复杂3-D多层系统；ii)能够制造具有由短距离(几微米)竖直地分隔而不是由更大距离(mm)水平地分隔的不同功能性区域的系统。微流体装置可用来进行多个分析、将试剂添加到纸层中、流体的受控混合及编程流体流动。
将单一样品分布到阵列中
在又一个实施例中，描述用来将样品从储器分布到检测区阵列中的三维微流体装置。微流体装置包括图案化多孔亲水层、布置在每两个相邻图案化亲水层之间的流体不可透过层，该流体不可透过层具有用多孔亲水材料填充的开口。在一些实施例中，微流体装置还包括：第一亲水区域，它用作流体储器；第二亲水区域，包括用来分布第一流体的分布区域；及亲水区域阵列，用来从分布区域接收第一流体。储器和分布区域能在3-D装置中在相同或不同层上。按不同方式分布样品的3-D装置的四个例子分别示出在图4A、4B、4C及4D中。每一个装置使用交替的图案化纸层和流体不可透过层建造，这些图案化纸层具有引导横向流动的亲水区域，这些流体不可透过层具有引导竖直流动的用纸片填充的开口。在装置内的微流体流动遵循以上描述的微流体装置的横向流动和竖直流动的原理。装置的棕色区域是疏水SU-8光刻胶，而用染料填充的区域是亲水纸，如在图4A中所示。每一个装置具有由装置顶部上的四个井构成的相同输入，这四个井分别用蓝色、绿、红及黄色水性染料填充。如图4所示，每个装置具有不同的输出，其中，装置将添加到进口中的流体分布成在4×4测试区阵列中的不同图案。3-D装置的中间层将样品引导到检测区中，而在样品之间没有混合或交叉污染。
在图4A和4B中表示的例子中，检测区与样品储器等距离地间隔开，以保证相同体积的样品收集在每个检测区中。图4A和4B使用线状和星爆状亲水分布区域的不同组合，以完成不同的分布图案。在图4A中，蓝色样本施加到施加储器421上，并且穿过纸片填充孔401分布到通道分布区域402，该通道分布区域402将蓝色样本从与孔401直接对准的第一位置403分布到在第二纸层中的象限中对中布置的第二位置404。在404内的液体穿过纸片填充孔405竖直地流到星爆形亲水分布区域406的中心位置407。液体然后横向流到终点，例如流到408，并且然后穿过纸片填充孔409竖直地流到下部接收层410。如图4A所示，接收层410具有象限425，该象限425由填充有蓝色染料的四个亲水区域构成(如在圆圈内的亲水区域所示)。生成的阵列具有一种颜色的象限。还示出了顶部和底部纸层的照片，这些照片示出每种染料的开始和最后位置。在图4B中，蓝色染料沉积在装置顶部处的储器451中。在图4B中的装置使用一系列通道分布区域411和412，这些通道分布区域411和412在包含蓝色染料的底部纸层内产生亲水区域阵列413(如由在框内的亲水区域所示)。还示出了顶部和底部纸层的照片，这些照片示出每种染料的开始和最后位置。
在图4C中表示的第三例中，蓝色染料沉积到储器461中，并且分布到包含按对角线415排列的颜色区的最后阵列中(如由在框内的亲水区域指示的那样)。颜色区在不同时刻填充，因为它们离样品储器不是等距离的。在图4A、4B及4C中所示的装置将四种样品从在装置顶部处的储器分布到16个检测区的阵列中。图4A、4B及4C表示3个装置，这3个装置抽吸水性蓝色(1-mM亮蓝，分别沉积在图4A、4B及4C中的储器421、451及461处)、绿(0.5-mM亮蓝和0.5-mM酒石黄，分别沉积在图4A、4B及4C中的储器422、452及462处)、红色(1-mM诱惑红AC，分别沉积在图4A、4B及4C中的储器423、453及463处)及黄色(1-mM酒石黄，分别沉积在图4A、4B及4C中的储器424、454及464处)染料，并且在5分钟内填充16个检测区。
图4D表明使用3-D装置将样品分布到间隔紧密测试区的巨大阵列中的潜力。在这个例子中，四种流体441、442、443及444沉积在微流体装置的顶部上，如图4D所示。四种流体分布到8×8阵列的测试区中。这个装置也具有四个进口，但它将样品分布到64个测试区的阵列中。如由装置的底部纸层的照片表示的那样，流体444分布到在层底部中央的4个亲水区域中，这4个亲水区域包括亲水区域445。流体443分布到在层底部上围绕用于流体444的4个亲水区域的12个亲水区域中，这12个亲水区域包括亲水区域446。流体442分布到在层底部上围绕用于流体443的12个亲水区域的20个亲水区域中，这20个亲水区域包括亲水区域447。流体441分布到在层底部上围绕用于流体442的20个亲水区域的28个亲水区域中，这28个亲水区域包括亲水区域448。输出图案的复杂性决定了在装置中需要的中间纸层和胶带层的数量。在图4A-4D中表示的四个装置的每一个中，胶带中的孔用Whatman色谱纸No.1的片填充。
通过将另外的纸层和胶带层并入装置中，可得到其它图案和更复杂图案。
用来进行多个分析的3-D微流体装置
在又一个实施例中，描述对多个样品同时进行多个分析的3-D微流体装置。微流体装置包括图案化多孔亲水层、布置在每两个相邻图案化亲水层之间的流体不可透过层，该流体不可透过层具有用多孔亲水材料填充的开口。微流体装置还包括：第一亲水区域，它用作流体储器；第二亲水区域，包括用来分布第一流体的分布区域；亲水区域阵列，用来从分布区域接收第一流体，并且用来接收第一流体的亲水区域阵列还包括用来分析第一流体的分析试剂。在一些实施例中，用来接收第一流体的亲水区域阵列用用来分析流体的各种分析试剂预滴。
在具体实施例中，为了这个目的使用的16井装置的例子表示在图5中。描述用来检测在人造尿液中的蛋白质和葡萄糖的微流体装置。微流体装置使用交替的图案化纸层510、520、530、540及550和流体不可透过层515、525、535及545建造，这些图案化纸层510、520、530、540及550具有引导横向流动的亲水区域，这些流体不可透过层515、525、535及545具有引导竖直流动的用纸片填充的开口。图5A表示装置层，这些装置层遵循以上描述的微流体装置的横向流动和竖直流动的原理，将两种样品从在装置顶部处的进口511和512分布到在装置底部处的测试区阵列中。样品被分布成使得它们按两组并排的列排列。在第一分布步骤中，从储器512施加的样品分布到在纸层520上的星爆形分布区域513的四个终点521、522、523及524，而从储器511施加的样品按单份量竖直地流到纸层530，其中，来自511的样品分布到在纸层530上的星爆形分布区域514的四个终点531、532、533及534。流体511和512竖直地流过纸片，例如填充胶带层535内孔的纸片。所生成的八个流体流动通道(来自储器511的4个和来自储器512的4个)使用“肘状”或弯曲分布区域515在纸层540上进一步分布，以在纸层550上产生4×4阵列的分布区。列1和3包含从储器511施加的样品；并且列2和4包含从储器512施加的样品。
图5B表示组装好的装置顶部，具有用于样品512和控制511的两个标记进口。对于每个比色分析，在装置组装之前在装置底层上的测试区中滴入试剂。图5C表示装置的底部，在测试区中有预滴入的用于蛋白质分析的试剂和葡萄糖分析的试剂。包含牛血清白蛋白(BSA)和葡萄糖的样品添加到装置的顶部。蛋白质的存在由从黄色到蓝色的颜色变化指示。葡萄糖的存在由从无色到棕色的颜色变化指示。
在图5B-5D中表示的装置对单个样品进行两个分析(具有四次重复)，并且对于包含已知浓度的两种分析物(在人造尿液中的葡萄糖和蛋白质)的控制样品同时进行相同分析(图5B)。分析的结果并排地出现，从而可直接比较控制分析和样品分析；当要使用遥控医学(摄像电话和数字成像软件)对样品进行比较时，这种特征特别重要。
在图6A-6D中表示的另一种16井装置对四种不同样品A、B、C及D同时进行两个双份分析。微流体装置的各层的布局表示在图6A中。用于流体A、B、C及D的四个储器把四种液体穿过交替的纸层610、620、630及640和流体不可透过层615、625及635分布。例如，使用在纸层620上的分布区域621和在纸层630上的弯曲分布区域622分布流体A，并且最终分布到在纸层640的列1中的4个亲水区域。生成的测试区包括4列，每列包含来自一个储器的样品。具体地说，亲水区域的列1、2、3及4分别包含流体A、B、C及D。在这种布置中，四种样品的一种可以是用于定量检测的控制样品。设计成测试用于两种分析物的四种不同样品的装置的顶部表示在图6B中。图6C表示装置的底部，具有在测试区中预滴入的用于蛋白质分析和葡萄糖分析的试剂，并且在图6D中再次表示了在将20μL样品添加到进口之后30分钟时的装置底部。
分析试剂的其它非限制性例子包括其它蛋白质分析试剂、其它葡萄糖分析试剂、乙基乙酰乙酸钠分析试剂、硝酸钠分析试剂或它们的组合。其它适当分析试剂对于本领域的技术人员将是显然的。
将试剂添加到居间纸层
在一个方面，微流体装置包括图案化多孔亲水层、流体不可透过层及材料塞，该流体不可透过层具有开口并位于每两个相邻图案化多孔亲水层之间，该材料塞填充开口的至少一个。在一个或多个实施例中，材料塞是包含用于分析的试剂的纸片，并且当与流体相接触时释放这些试剂。这种布置具有三个有用特性：(i)可在将纸切成适当大小的片之前把用于分析的试剂施加到一张纸上(而不是必须将试剂滴在每个检测区中)；(ii)防止了纸片受光和周围环境影响(这种保护防止光敏试剂的污染和分解)；及(iii)当组装装置时，包含用于不同分析的试剂的纸片可混合和匹配，以使用单一设计实现各种各样的装置。按这种手段，在纸片中的试剂需要是可动的，并且随溶剂前端运动；如果它们不是这样的话，那么它们可滴入在装置底部上的测试区中。
在一个或多个实施例中，采用点样器(例如移液管)将分析试剂沉积到填充在流体不可透过层内的开口的亲水材料上。在其它实施例中，采用喷墨打印机、标绘器或压印机将分析试剂沉积到填充在流体不可透过层内的开口的亲水材料上。
在纸片中嵌入的分析试剂包括蛋白质分析试剂、其它葡萄糖分析试剂、乙基乙酰乙酸钠分析试剂、硝酸钠分析试剂或它们的组合。其它适当分析试剂对于本领域的技术人员将是显然的。
在一个具体实施例中，图7表示在开口内具有纸片的三维微流体装置，该纸片包含用来检测葡萄糖的试剂。该装置使用图案化纸层710、720、730及740和流体不可透过层715、725及735的交替层建造，这些图案化纸层710、720、730及740具有亲水区域，用来引导横向流动和将流体从单个流体储器711分布到4×4测试区中，这些流体不可透过层715、725及735具有用来引导竖直流动的、用纸片填充的开口712。在装置中包括的纸片的一些由包含对于葡萄糖分析所需要的试剂(即，葡萄糖氧化酶、辣根过氧化物酶、碘化钾及海藻糖)的纸切成。其余纸不滴有试剂，并且可用作控制。在装置内的微流体流动遵循以上描述的微流体装置的横向流动和竖直流动的原理。图7A表示装置的示意图。在装置顶部处的进口将样品分布到在装置底部处的16个测试区中。在组装装置之前，用于葡萄糖分析的试剂施加到在层735的孔750中的纸片的一半(装置的右边两列)上，这些孔将在底部纸层中的测试区连接到装置的其余部分上，如图7B所示。左边两列用作控制，或者包含没有添加分析试剂的纸片。图7C和7D分别表示在添加包含葡萄糖的样品之前的装置顶部和底部。图7E表示在将40μL的30-mM葡萄糖溶液添加到装置顶部上之后30分钟时装置的底部，其中，由于在样品中葡萄糖的存在，检测区的右边两列显示颜色变化。
在另一个实施例中，在纸层之间的间隙填充有用于诸如生物分析之类应用的固体试剂，而不使用纸片。用于生物分析的固体试剂的非限制性例子包括固体蛋白质分析试剂、固体葡萄糖分析试剂、固体乙基乙酰乙酸钠分析试剂、固体硝酸钠分析试剂或它们的组合。其它适当分析试剂对于本领域的技术人员将是显然的。
在又一个实施例中，在流体不可透过层内的开口填充有种子。种子的非限制性例子包括大豆种子、豆荚及大豆粉、或能提供用作试剂的过氧化物酶的任何其它种子。
在又一个实施例中，在流体不可透过层内的开口填充有过滤器，以从样品除去固体污染物或从血液样品除去红细胞。过滤器的非限制性例子包括过滤纸、用来除去固体污染物、葡聚糖的任何其它过滤介质、及能从血液样品除去红细胞的任何其它材料。
在又一个实施例中，在流体不可透过层内的开口填充有盐，当盐在流体中溶解时放出热量或吸收热量，以提供局部温度控制。当在流体中溶解时放出热量的盐的非限制性例子包括硫酸镁。当在流体中溶解时吸收热量的盐的非限制性例子包括硝酸铵。这提供了用于在微流体装置内的局部温度装置的机制。在一些实施例中，微流体装置包含当在流体中溶解时放出热量的盐，以加热分析物。在一些其它实施例中，微流体装置包含当在流体中溶解时吸收热量的盐，以冷却分析物。在另外一些其它实施例中，微流体装置包含当在流体中溶解时放出热量或吸收热量的盐，以便为聚合酶连锁反应提供加热和冷却循环。
在又一个实施例中，在流体不可透过层内的开口填充有凝胶，这些凝胶当流体添加到它们上时膨胀，以提供在两个纸层之间的接触，或者提供致动‘通’按钮的机械力。凝胶的非限制性例子包括琼脂糖、甲基纤维素和透明质酸(hylaronan)。
在又一个实施例中，在流体不可透过层内的开口填充有磁性颗粒。在磁场存在的情况下，这样的磁性颗粒可在装置中起‘通’按钮的作用。磁性颗粒的非限制性例子包括氧化铁颗粒。在一些实施例中，沉积在流体不可透过层的开口中的磁性颗粒在外部磁体存在的情况下，会把力施加到一个图案化纸层上并且对其压缩，以封闭在纸层和胶带层之间的间隙，从而导致在两个纸层之间的流体连接。
在又一个实施例中，在流体不可透过层内的开口填充有用于控制通过装置的流体流动的材料。这些材料包括因其抽吸性能而被选择的材料，当湿润时溶解的固体材料(例如糖)；和糖和聚合物微球的混合物，从而只有当糖存在时流体才流动，并且一旦全部糖都溶解，流动就将停止。糖的非限制性例子包括蔗糖。聚合物的非限制性例子包括聚苯乙烯。
流体的受控混合
在一个方面，描述控制流体流动和混合的3-D微流体装置。微流体装置包括图案化多孔亲水层、位于每两个相邻亲水层之间的流体不可透过层，该流体不可透过层具有开口。在这个方面，在微流体装置的第一图案化多孔亲水层内的亲水区域之一包括在结合区中汇合的第一流体流动通道和第二流体流动通道。微流体装置还包括：混合通道，由在第二图案化多孔亲水层内的亲水区域之一形成；和位于第一和第二图案化多孔亲水层之间的流体不可透过层内的未填充开口。未填充开口与混合通道的至少一部分和结合区对准。在这个方面，结合区能够从第一间隔开位置运动到第二接触位置，在该间隔开位置中，结合区不与混合通道相流体接触，在该接触位置中，结合区与混合通道相流体接触。
在一个或多个实施例中，装置可编程成按特定组合和顺序来混合流体，并因而为要求排序事件的分析提供平台。在一些实施例中，依据装置的构造，采用3-D微流体装置来混合四种液体(一次两种)或更多种液体，以给出六种不同的流体组合。
多种比色分析和免疫色谱分析要求顺序反应，这些顺序反应涉及分析物、试剂及冲洗溶液的输送。这些分析需要按精确的顺序来人工混合试剂，或需要用来控制流体运动穿过装置的位置和速率的机构。三维装置在需要处理大量样品的应用中或是需要按多种不同方式操控单一样品的应用中是有利的。
这里描述的3-D微流体装置的优点包括：对于在纸中流体的流动和混合的动力学施加精确控制的能力、和低成本。便宜、可处置、一次性的装置为要求以低成本迅速进行多次测试的用途和对于要求几种试剂需要顺序地组合的多个步骤的测试提供了一种新工具。适当用途包括：在医务室或急诊室中的快速测试；在发展中国家诊断疾病；及用来监视慢性病的家庭保健。
流体在微流体通道中按层流流动和低雷诺数运动。这种行为的结果是，彼此相邻流动的两种流体通过扩散而不是通过对流来混合。在层流中分子的扩散跨过与流动方向相垂直的两种流体的界面发生，如在图8A中表示的那样。扩散速率可使用Stokes-Einstein公式估计：
D = k B T 6 πμ R m
(1)
在这个公式中，D是扩散系数，μ是流体的粘度(对于在20℃的水μ为约1×10-3Pa·s)，及Rm是分子的半径(对于染料的分子Rm约为10)。小分子的扩散系数是约1×10-6cm2/s，这意味着：在1mm宽的纸通道中，如图8A所示的并排构造的两种流体(例如，水和黄色染料)会在约5分钟内完全混合。这种时间范围对于分析来说太慢了，并且对于流体按两维的彻底混合来说，在纸基微流体装置中要求5cm长的通道。
解决这种缓慢混合步骤的一种途径是减小横向流动通道的宽度。然而，这种手段限制了能够穿过通道运输的流体量，并且只适用于窄到500μm的通道(使用现有技术)。
通过扩散实现快速混合的流体布置是双层构造，其中，一种流体沿通道的顶部半部流动，并且第二流体沿通道的底部半部流动，如图8B所示。这种布置可使为了实现混合分子需要扩散的距离最小，但不会影响通道的宽度。对于高度为180μm的通道(由Whatman色谱纸1的厚度限定)，例如，流体中的分子将跨过通道的高度扩散，并且在约5s内彻底混合。因而，1mm长通道足以使流体在双层构造中混合。
图8A和8B示出在纸通道中按层流流动的流体的两种构造。通道的高度(h)由纸的厚度限定；通道的宽度(w)由光刻法限定。为了实现完全混合分子需要扩散的距离(x)依据流体的构造与w或h成比例。图8A表示在通道中按层流流动的两种流体的典型并排构造。流体沿通道的纵向截面相接触。一种流体中的分子在与流体流动方向相垂直的方向上扩散到另一种流体中。在这种构造中，分子需要跨过通道宽度的一半扩散，以与另一种流体相混合。在图8B中，表示按层流流动在通道中用来通过扩散混合两种流体的理想双层构造。一种流体中的分子为与另一种流体相混合需要扩散的距离是通道高度的一半。
在2-D纸基微流体装置中，流体被并排地引入到通道中，如图8A所示。另一方面，为了快速和彻底混合，3-D装置提供了以双层构造引入流体的可能性，如图8B所示。
在一个方面，参照图9描述微流体混合器，当两种流体运动穿过装置时，该微流体混合器以双层构造混合两种流体。该微流体装置使用交替的图案化纸层910、920和流体不可透过层915建造，这些图案化纸层910、920具有引导横向流动的亲水区域，该流体不可透过层915具有在两个纸层之间对准的开口925。在装置内的微流体遵循以上描述的微流体装置的横向流动和竖直流动的原理。图9按斜视图(左手侧)和按横截面(右手侧)表明用来由图案化纸和胶带制造3-D微流体装置的方案。如图9所示，每个纸层被图案化有微流体通道，这些微流体通道包括在水平平面中抽吸流体的亲水纸911(白色区域)、和控制流体在每个纸层中分布的疏水聚合物912(灰色区域)。双面胶带层将相邻纸层中的亲水通道彼此隔开。在胶带层中冲孔。装置制造方法与以上在图2中描述那些相似，但并不将纸片插入到胶带的孔中以提供相邻层之间的接触，也就是不使用纸片。为了引起流动，在与胶带层内的开口925相对准的图案化纸内的亲水区域的那些部分被按压，以使它们在胶带孔位置处彼此相接触。具体地说，如由图9表示的那样，在胶带内的孔上方的亲水区域930穿过孔被压下，从而亲水区域930与亲水区域940直接接触。与孔对准的纸的亲水区域的那些部分被按压，以封闭由胶带产生的100μm间隙。按压的亲水区域彼此相接触，并且能够使流体从一个纸层抽吸到下个纸层。
在一些实施例中，将层选择成使得在通道区域中的液体的表面张力防止流体流过在隔离层中由未填充孔产生的空隙。这可通过控制尺寸(例如，孔的高度和直径)和为疏水壁、亲水多孔区域及隔离层选择的材料而实现。在一些特定实施例中，具有相同未填充开口的多于一个流体不可透过层布置在两个相邻图案化多孔亲水层之间，以在两个相邻亲水层之间提供较宽间隙，以限制在两个亲水层之间的流体流动。
在一个实施例中，参照按斜视图(左手侧)和按横截面(右手侧)表示的图10A，描述了设计用来将流体在纸中的短流体路径中迅速和完全混合的3-D纸基微流体混合器。3-D混合器具有顶部纸层1000，该顶部纸层1000具有通到中央结合区1014中的两个微流体通道1010、1012。如图10B和10C所示，两种流体在这个区1014中相遇，并且形成了在图10B和10C中容易辨别的界面1018。界面的方向由当两种流体相遇时形成的线决定，如由1018所示的那样。3-D微流体混合器也包括第二纸层1020，该第二纸层1020将流体从结合区1014抽吸到混合通道1022中，如图10A和10C所示。包含孔的胶带层1024布置在两个图案化纸层之间。如图10A所示，在形成结合区的顶部层内的亲水区域的那部分被压下，以提供与在底部层中的亲水区域的接触，从而优化流体在纸层之间的抽吸。
在3-D微流体混合器中的流体混合是通过在图8B中表示的机理混合，其中，它们在180μm厚度的纸上彼此相互作用。为了提供混合事件的较好可见呈现，使用厚3-D微流体装置(1.5mm)(表示在图10C中)，而不是典型的180μm厚装置。微流体混合器使用顶部图案化纸层(180μm厚)、底部图案化吸墨水纸层(1.5mm厚)、及在两个纸层之间具有孔的胶带层组装。厚吸墨水纸允许流体运动通过3-D结合区时容易看见流体(图10C)。图10C表示3-D混合器的纵向截面、和当黄色和蓝色染料穿过装置从结合区抽吸到混合通道中时的分布。
图10也表明在3-D微流体混合器中的混合机理。图10A表示混合器的斜视图和横截面图，这些图表示流体(蓝色和黄色水性溶液)的理论运动。蓝色和黄色溶液在结合区中形成界面，并且当它们离开组合区和进入混合通道时层叠。图10B是混合器的俯视图，表示在蓝色和黄色溶液之间的界面。溶液是1mM亮蓝(蓝色)和1mM酒石黄(黄色)。图10C是混合器的横截面图，该混合器包括Whatman过滤纸1(180μm厚)，其层叠在胶带(100μm厚)的顶部上并连接到底部吸墨水纸层(1.5mm厚)上。厚吸墨水纸用来方便对在混合器中流体动力学的观察。在图10A中的照片高亮了蓝色和黄色溶液彼此混合时的双层构造。在这个实施例中，混合通道的定向与在结合区内两种流体的界面相垂直。
在另一个实施例中，描述控制两种流体混合的微流体混合器。如以上指出的那样，在底部纸层中的混合通道相对于在结合区中界面的定向决定了流体是在结合区中混合、还是按平行层流流动离开该结合区。例如，当混合通道与界面相平行时，流体在结合区形成界面，但不在混合通道中混合。替代的是，流体按平行层流流动离开混合通道，并且按在流体之间良好限定了分离的情况下填充检测区域。相反，当混合通道与界面相垂直时，流体在离开结合区和进入混合通道时彼此上下层叠，从而生成良好混合的流体。由于流体在180μm厚的纸中层叠，所以它们在运动通过混合通道时迅速混合。当混合通道具有大于1mm的长度时，在3-D微混合器中流体混合的程度与混合通道的长度无关。
图11表明混合通道相对于界面的定向对于流体混合的影响。比较将两种流体引导到单一混合通道中的如图11A-11C和11D-11F所示的两种3-D微流体混合器。在图11A-11C表示的微流体混合器中，混合器包括图案化纸层1110和1120、以及布置在两个纸层之间的胶带层1115。顶部纸层1110包括两个亲水通道1111和1112，这两个亲水通道1111和1112汇合到结合区1113中。两种液体(蓝色染料和黄色染料)沉积在通道1111和1112中，并且在结合区1113内的两种流体(蓝色染料和黄色染料)的界面1114表示在图11C中。在胶带层1115中的孔1116与结合区1113对准，并且也与在纸层1120中的混合通道1117对准。混合器被按压，从而结合区1113压下到孔1116中，并且与混合通道1117相接触。在这种情况下，界面1114与混合通道的方向相平行。因而，所表示的这种混合器不导致流体的高效混合。
在图11D-11F中表示的微流体混合器中，混合器包括图案化纸层1130和1140、以及布置在两个纸层之间的胶带层1135。顶部纸层1130包括两个亲水通道1131和1132，这两个亲水通道1131和1132汇合到结合区1133中。两种液体(蓝色染料和黄色染料)沉积在通道1131和1132中，并且在结合区1133内的两种流体(蓝色染料和黄色染料)的界面1134表示在图11F中。在胶带层1135中的孔1136与结合区1133对准，并且也与在纸层1130中的混合通道1137对准。混合器被按压，从而结合区1133压下到孔1136中，并且与混合通道1137相接触。在这种情况下，界面1134与混合通道的方向相垂直。因而相反，根据在图8B中表示的机理和在图10C中表示的例子，两种流体容易地混合，如图11D-11F所示。图11A和11D是装置中三个层的示意图。在两种混合器之间的差别是，在底部层中的混合通道相对于在顶部层中的流体界面的定向。在混合器11A中，底部混合通道与界面平行地延伸。在图11D中表示的混合器中，混合通道与界面垂直地延伸。图11B和11F是在将蓝色和黄色水性染料抽吸到通道中之后混合器的照片(顶部和底部)。在图11B中，流体在沿混合通道抽吸时不混合。在图11E中，流体高效地混合。图11C和11F分别是与图11B和11E相同的图像，具有增强的对比度和亮度，以高亮在两种装置之间混合的差别。在图11E中，收集区的颜色是均匀的，表明两种染料高效地混合。在图11C中，收集区表示蓝色、绿色及黄色的不同区域，表明这种设计不导致高效混合。
在另一个实施例中，描述控制混合多于两种流体混合的3-D微流体混合器。在又一个实施例中，参照图12A和12B描述3-D微流体混合器，该3-D微流体混合器将四种流体两两混合，以给出全部六种可能的流体组合。微流体混合器用多个图案化纸层和布置在每两个相邻纸层之间的胶带层组装，该胶带层具有孔。如以上描述的那样，在结合区内的亲水区域被按压，以在两个纸层之间能够实现接触和优化竖直微流体流动。这种设计表明3-D混合器的灵活性。在顶层中的通道不是必须彼此成180°定向时进入结合区中；它们可从任何方向进入。如图12A和12B所示，用于流体A和B、A和C、A和D、B和C、B和D、C和D的混合通道与它们各自的界面相垂直，因而允许流体的高效混合。如在图12中指示的那样，流体A是黄色染料；流体B是蓝色染料；流体C是水；及流体D是红色染料。
图12C和12D表示不包括3-D混合器的装置。微流体混合器用多个图案化纸层和布置在每两个相邻纸层之间的胶带层组装，该胶带层具有孔。如以上描述的那样，在结合区内的亲水区域被按压，以在两个纸层之间能够实现接触。这种装置表明当两种流体在结合区中相遇时产生的良好限定界面。这个界面能够被穿过几个纸层保持(未表示)，只要出口通道与两种流体的界面不垂直。
图12A-12D表示用来同时混合或组合多种流体的两种三维微流体混合器的细节。两种装置都具有用来将流体添加到装置上的四个输入区，尽管可容纳甚至更多流体的其它三维微流体混合器也是可以想到的。第一装置(图12A和12B)按全部六种可能组合两两混合流体，并且将产物输送到在装置底部上的六个输出井中。第二装置(图12C和12D)组合流体(但不混合它们)，并且将组合流体输送到在装置底部上的五个输出井中。为了设计简单从装置省去第六种组合。在装置中使用的层的示意图表示在图12A和12C中。如图12A所示，微流体混合器包括图案化纸层1210、1220、1230、1240、1250和胶带层1215、1225、1235、1245。流体A和D分别沉积在亲水区域1211和1212中。流体A(黄色染料)穿过在胶带层1215中填充有纸片的孔1213流入在纸层1220中的通道1216中。按类似方式，流体D(红色染料)穿过在胶带层1215中填充有纸片的孔1214流入在纸层1220中的通道1217中。通道1216和1217汇合入结合区1218中，该结合区1218限定两种流体的界面1219。结合区1218与在胶带层1225内的未填充孔1226对准。孔1226与在纸层1230内的混合通道1231对准。混合器被按压，从而结合区1218被压下到未填充孔1226中，并且与混合通道1231相接触。在这种情况下，界面1219与混合通道1231的方向相垂直，因而允许高效流体混合。混合的流体然后流过在胶带层1235内填充有纸片的孔1236、在纸层1240内的亲水区域1241、在胶带层1245内填充有纸片的孔1246，并且最后到达在纸层1250内的亲水区域1251，导致流体A和D良好混合的混合物。在装置顶部处的四个输入井标为A、B、C及D。在装置底部上的六个输出井标为AB、AC、AD、BC、BD及CD。遵循类似原理，流体A和B、A和C、B和C、B和D、C和D也在混合器中混合，如图12A和图12B所示。作为比较，第二装置(图12C和12D)组合流体(但不混合它们)，并且将组合的流体输送到在装置底部上的五个输出井中。图12B和12D表示在允许水和红色、黄色及蓝色水性染料抽吸透过装置之后装置的顶部和底部。在图12B中，染料在抽吸透过装置时彼此混合，以产生六种可区分颜色：红色(红色染料+水)、橙色(红色染料+黄色染料)、黄色(黄色染料+水)、绿色(黄色染料+蓝色染料)、蓝色(蓝色染料+水)、及紫色(蓝色染料+红色染料)。在图12D中，四种初始颜色当分布到五个输出井中时保持不变，即使它们与另一种颜色直接接触。
在又一个实施例中，3-D微流体混合器可并入到任何3-D微流体装置中。在又一个实施例中，3-D微流体混合器需要两个图案化纸层和布置在两个纸层之间具有孔的一个胶带层，并且在装置上占据约1mm×1mm×约500μm的空间。有助于混合的重要特征是混合通道相对于在结合区中形成的两种流体的界面的定向。3-D混合器的剩余部分可显著地修改，而不影响其混合流体的能力。
所描述实施例的优点包括：在便宜、可处置、自主的纸基装置的基础上控制流体如何彼此相互作用的能力应该能够实现要求流体精确运送的多种用途。试纸条(dipstick)是简单装置的常见例子，它包括按横流方式运送和混合流体。三维微流体装置提供了比试纸条更大的控制水平，因为它们能够实现几种流体的同时混合，并且因为它们可编程成按精确图案混合流体。其它优点包括低成本，因为装置由纸和胶带构造；并且组装容易，而不需要专用设备。另外，装置可用来同时处理多种流体。
用来编程流体流动的通按钮和断按钮
在一个方面，描述具有“通”按钮的三维微流体流动控制装置。微流体流动控制装置包括多个多孔亲水层，这些多孔亲水层包括第一和第二图案化多孔亲水层，该第一和第二图案化多孔亲水层分别限定第一流动通道和第二流动通道。微流体流动控制装置还包括布置在每两个相邻图案化多孔亲水层之间的流体不可透过层。在第一和第二图案化亲水层之间布置的流体不可透过层包含一个未填充开口，该未填充开口与第一和第二流动通道的至少一部分对准。第一流动通道的至少一部分能够从第一间隔开位置运动到第二接触位置，在该第一间隔开位置中，第一流动通道不与第二流动通道相流体接触，在该第二接触位置中，第一流动通道与第二流动通道相流体接触。
在另一个方面，描述具有“断”按钮的微流体流动控制装置。微流体流动控制装置包括第一和第二图案化亲水层，流体不可透过层布置在第一和第二图案化亲水层之间。流体不可透过层具有开口，并且疏水塞布置在开口之一中。疏水塞包括在预选温度下能够熔化和流动的低熔点疏水材料。第二图案化亲水层具有与疏水塞对准的亲水区域。在使用中，疏水塞被加热到熔化，并且熔化材料流入下面的亲水区域中，以阻塞在亲水区域内的微流体流动。
在一个实施例中，微流体流动控制装置使用一次性‘通’或‘断’按钮来编程在由图案化纸层和胶带层制成的微流体装置内的流体流动。按钮允许流体抽吸通过通道(‘通’按钮)，或停止流体在通道中的运动(‘断’按钮)。按钮形成在三维(3-D)微流体装置中。3-D装置的叠层结构允许按钮的设计，这些按钮为这些装置增加了显著的功能，而不会给装置的结构添加复杂性。
在一些实施例中，‘通’和‘断’按钮通过压缩形成，并且涉及要么按压在图案化纸层内的两个亲水区域的部分(‘通’)，要么将在胶带层的孔内嵌入的疏水低熔点蜡引入到亲水通道中(‘断’)。按钮简单和使用容易，并且可被压缩用来为流体装置编程以用于各种功能。
在其它实施例中，微流体装置包含‘通’和‘断’按钮，这些‘通’和‘断’按钮可配置有流体通道，以形成AND、OR、NAND、NOR、NOT、XOR、及XNOR逻辑门，并且这些逻辑门可用作用于非常简单的、原型的、一次性流控计算机的基础。在另一个实施例中，也描述一种微流体多路分配器。
由纸制成的可编程微流体装置具有允许用户对装置功能进行较大程度控制的希望特征。大多数微流体装置的功能通过装置的设计来预先确定：流体将按特定顺序流过通道。借助于可编程装置，用户可选择装置的哪些通道或区域应该填充流体以及哪些区域不应该。在只能得到有限量样品的情形下或者在需要编程一类组通道(和装置)以对另一类组通道(和装置)执行一定功能的情形下，这是有用的。借助于可编程装置，用户也可在任意时间‘接通’通道。这在试剂需要按定时顺序混合的情形下是有用的。
在其它实施例中，描述具有基于‘通’或‘断’按钮的逻辑门的三维微流体流动控制装置。在3-D微流体装置中的‘通’和‘断’按钮可用来制造非常复杂的装置。逻辑门也可用来将特定功能编程到装置中。
在又一个实施例中，参照图13，描述具有“通”或“断”按钮的微流体流动控制装置。微流体流动控制装置使用交替的图案化纸层和流体不可透过层建造，这些图案化纸层具有引导横向流动的亲水区域，这些流体不可透过层具有开口。当堆叠图案化纸层和具有未填充孔的胶带层时，在两个相邻图案化纸层之间的胶带层中的孔内有由于胶带的厚度产生的小间隙。因而，在两个相邻纸层内与孔或开口对准的两个亲水区域的部分彼此不接触。结果，从一个纸层到另一个纸层的竖直流体流动没有被优化，除非这个间隙填充有小纸片或某种其它亲水材料，或者如果通过使用机械力按压与开口对准的亲水区域的部分来将间隙封闭。这种机械机理产生‘通’按钮，因为当纸层被压缩和接触时，竖直流体流动被优化。在图13A-13D中的微流体流动控制装置表明这种设计。来自用户的输入是对层的压缩。输出是流入特定通道中的流体。在微流体流动控制装置中的‘通’按钮可在任何时间被按压，既可在装置被使用之前，也可在装置正被使用时。
图13A是用于制造‘通’按钮的示意图。微流体流动控制装置包括纸层1310、1320、1330和胶带层1315、1325。纸层使用光刻胶被图案化。胶带层被冲孔，以在其内产生孔或开口。图案化纸层和胶带层被对准和堆叠。由纸片填充的诸如1326之类的孔在图13A中由灰色椭圆表示。孔1322和1332没有任何填充物，并且在图13A中由白色椭圆表示。如果胶带中的孔没有填充纸片(白色椭圆)，那么在纸层之间将有小间隙，并且流体将不能穿过未填充孔高效地从一个纸层抽吸到另一个纸层。当‘通’按钮被压缩时，即当与未填充开口对准的亲水区域的部分被压缩时，间隙被闭合，在两个相邻纸层内的亲水区域的部分相接触，并且流体可高效地从一个纸层竖直地抽吸到另一个纸层。两种流体沉积在顶部纸层1310内的亲水区域中，如在图13C中指示的那样。图13B表示具有两个‘通’按钮的组装好的装置，并且按钮2通过压缩(如由箭头指示的那样)被致动。具体地说，两种流体沉积到在纸层1310内的亲水区域1311和1312中，这两种流体通过毛细管作用穿过装置分别到达在底部纸层1330内的亲水区域1321和1331。在纸层1320内的亲水区域1333与未填充孔1332对准，该未填充孔1332与亲水区域1331的一部分对准。微流体流动控制装置被按压，从而区域1333被压入到孔1332中，并且与通道1331的一部分相接触。因而，在1312处沉积的流体将流过按压孔1332，并且最后到达在顶部纸层1310内的亲水区域1314，如由图13D表示的那样。另一方面，在纸层1320内的亲水区域1323与未填充孔1322对准，该未填充孔1322与亲水区域1321的一部分对准。区域1323没有被按压，并因而不与通道1321的任何部分相接触。结果，在1311处沉积的流体将不流过未按压孔1322，并且不能到达在顶部纸层1310内的亲水区域1313，如由图13D表示的那样。图13C和13D表明，流体沉积在两个亲水区域处，并且流体仅到达‘通’按钮被压缩的输出No.2。在图13D中也示出了未压缩按钮1和压缩按钮2的横截面的两个照片。在压缩按钮的照片中，两个纸层的亲水区域的部分彼此相接触，并且竖直流动高效地发生。作为比较，未压缩按钮的照片表示竖直流动没有高效地发生。
在一个方面，描述具有‘断’按钮的微流体流动控制装置。微流体流动控制装置使用交替的图案化纸层和流体不可透过层建造，这些图案化纸层具有引导横向流动的亲水区域，并且这些流体不可透过层具有包含低熔点疏水材料的开口。在一个实施例中，由于胶带厚度而在纸层之间产生的小间隙填充有在低熔点蜡中浸泡的小纸片。适当的蜡包括烛用蜡、奶酪用蜡、包装蜡、石蜡或其它蜡。在一些实施例中，使用在200℃以下熔化的蜡。在其它实施例中，使用具有在100℃以下的熔点的蜡。在一特定实施例中，使用杨梅蜡(mp＝45-50℃)。当包含蜡的纸片用热玻璃棒压缩时，蜡熔化并且填充在它下面的通道，在与纸片至少部分对准的亲水通道中产生亲水阻挡物，因而阻止流体跨过通道抽吸(图13E-13G)。图13E是用于制造具有‘断’按钮的微流体流动控制装置的示意图。这个微流体流动控制装置包括图案化纸层1340和1350，胶带层1345布置在它们之间。两种流体分别沉积到在纸层1340内的亲水区域1341和1342中。通过微流体流动，两种流体将分别到达亲水区域1349和1348。在胶带层1345内的孔1346填充有亲水蜡纸，并且与在纸层1350内的亲水区域1348对准，并且也与在纸层1340内的区域1352对准。当区域1352用热物体压缩时，在孔1346内的蜡熔化，流入通道1348中，并且堵塞通道。另一方面，在胶带层1345内的孔1347填充有亲水蜡纸，并且与在纸层1350内的亲水区域1349对准，并且也与在纸层1340内的区域1351对准。当区域1351没有用热物体压缩时，在孔1347内的蜡不流动。因而，在区域1341处沉积的流体流过通道1349，并且到达在纸层1340内的亲水区域1343。图13F表示具有两个‘断按钮’即孔1346和1347的这种装置。按钮2(孔1346)通过用热玻璃搅拌棒压缩而被致动。图13G表示两种流体添加到区域1341和1342，并且只有在1341处沉积的流体到达“断”按钮不被致动的在右边的输出1343。
在一个或多个实施例中，描述同时具有“通”和“断”按钮的3-D微流体控制装置。在其它实施例中，同时具有“通”和“断”按钮的3-D微流体控制装置被组装，以产生诸如AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR、或XNOR之类的逻辑门的功能。这样的微流体装置和它们的逻辑功能在例子中描述。
另外，以上描述的基本逻辑门可被组装，以形成半加法器以及进行数字计算的其它组合。
在上述方面的一些实施例中，多孔亲水层包括通过毛细管作用抽吸流体的任何亲水基底。在一个或多个实施例中，多孔亲水层是纸。多孔亲水层的非限制性例子包括色谱纸、过滤纸、硝化纤维素和乙酸纤维素、纤维素纸、过滤纸、纸巾、卫生纸、薄棉纸、笔记本纸、KimWipes、VWR轻型拭纸(Light-Duty Tissue Wipers)、Technicloth拭纸、报纸、不包括粘合剂的任何其它纸、布、及多孔聚合物膜。一般地，可以使用与选择的图案化方法兼容的任何纸。在一些实施例中，多孔亲水层包括Whatman色谱纸No.1。
在上述方面的一些实施例中，亲水层遵循在PCT/US07/081848中描述的工艺来被图案化。在一些实施例中，亲水纸浸泡在光刻胶中，并遵循在PCT/US07/081848中描述的工艺用光刻法来图案化光刻胶，以形成阻挡物。诸如硝化纤维素和乙酸纤维素的其它亲水材料在流体诊断学中是普通使用和熟知的隔膜，但与在光刻法中典型使用的溶剂不相容。所以其它方法更适于用来图案化它们。另外，亲水层和疏水阻挡区域可使用与测试条件例如温度、pH值和/或离子强度相兼容的材料制备。
在上述方面的一些实施例中，用来图案化多孔亲水材料的光刻胶包括SU-8光刻胶、SC光刻胶(Fuji Film)、聚甲基丙烯酸甲酯、几乎全部丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、及形成疏水聚合物的任何光聚合单体。
在上述方面的一些实施例中，流体不可透过层是片材，该片材在微流体装置的流体中不可溶解，并且提供希望水平的装置稳定性和灵活性。在一个或多个实施例中，流体不可透过层是塑料片材。在一些实施例中，流体不可透过层是胶片或胶带。流体不可透过层的非限制性例子包括双面地毯胶带，水不可透过阻挡物包括3M双面胶带、Tapeworks双面胶带、CR Laurence黑色双面胶带、3M Scotch泡沫安装双面胶带、3M Scotch双面胶带(透明)、QuickSeam拼接胶带、双面接缝胶带、3M全天候双面胶带、CR Laurence CRL透明双面PVC胶带、Pure Style Girlfriends安装牢固双面胶带、Duck Duck双面管道胶带、及Electriduct双面胶带。在一些特定实施例中，双面胶带用作流体不可透过层。双面胶带粘附到两个相邻图案化纸层上，并且可粘结到微流体装置的其它元件上。它对于水是不可透过的，并且隔绝按小于200μm隔离的流体流。另外，它也足够薄，以当压缩时允许相邻纸层穿过在胶带中打出的孔相接触。它可与所粘附的纸容易地分离，并因而允许堆叠装置的拆开，并且它是便宜的和广泛可得到的。
在上述方面的一些实施例中，热激活粘合剂可用来将流体承载层密封在一起。实际上，可使用可被切割和粘附到图案化亲水层上的任何流体不可透过材料。另外，也可使用用来图案化纸层的相同材料，以将纸层粘合在一起。在一个或多个实施例中，光刻胶层布置在两个相邻图案化多孔亲水层之间。
在上述方面的一些实施例中，填充孔或开口的多孔亲水材料可以是与多孔亲水层相同的材料，或者是不同的材料。多孔亲水材料的非限制性例子包括色谱纸、过滤纸、硝化纤维素和乙酸纤维素、纤维素纸、过滤纸、纸巾、卫生纸、薄棉纸、笔记本纸、KimWipes、VWR轻型拭纸(Light-Duty Tissue Wipers)、Technicloth拭纸、报纸、及不包括粘合剂的任何纸。
在一个或多个实施例中，疏水阻挡物可使用图案化方法提供在多孔亲水层中，这些图案化方法需要比较少设备，几乎可在任何实验室进行，及通用得足以制造多种类型的图案和每种图案的多个拷贝。因为制造比较容易和便宜元件容易得到，所以生物分析装置可用比诸如试纸条之类的常规装置显著低的成本形成，并因而可用来例如在资源受到限制并且装置的成本和便携性是有益的偏远地点检测疾病。
如以上提到的那样，为了在诸如但不限于纸的多孔亲水介质中制造微流体通道，图案化的疏水聚合物一般大体穿过纸的整个厚度延伸，以便将液体约束在希望区域内。这种约束限制了在实际中可用来图案化纸的方法。例如，使用标准墨水的印刷方法不适于用来在纸中制成通道，因为目前可用的墨水设计成粘附到纸面上，而不是吸收到纸中。然而，可以想到的是可设计一定的墨水，以便大体穿过纸的厚度吸收。
多孔介质(例如纸)的成分也会限制在实际中可使用的图案化方法。例如，纸典型地包括在一张纸的x轴和y轴上定向的并且在z方向上彼此上下堆叠的缠绕纤维。这种布置的结果是，与z方向相比，液体在x、y平面中的散布更大，这导致被图案化的特征的模糊。可适当选择单体、聚合物及溶剂，以克服纸的这些特性，并且能够实现穿过纸整个厚度的清晰特征的图案化。
用来图案化纸的一些适用方法基于光刻法，并且可在洁净室或实验室中实施。洁净室光刻法对于在纸中制成高清晰特征较为适用，但比较昂贵和缓慢，可能使其商业可行性有些受限。其它方法，如实验室光刻法和软刻蚀(也叫做微接触印刷)，消除了对于洁净室的需要，并且对于设备和制造者的专业技能只有适度要求，同时仍能生产高质量装置。实验室光刻法对于制成具有清晰通道和小特征尺寸的图案是适用的。软刻蚀一般比基于光刻的方法便宜，并且适用于比较快地制成同一图案的多个拷贝。
对于某些用途，在纸微流体装置中的特征尺寸比较大(例如，具有约1-2mm宽的通道)，所以较低分辨率、但较快的压印技术将是足够的。对于其它用途，将使用微尺寸特征，并且所以便宜、但较高分辨率的方法将是适用的。对于大多数用途，装置将具有尺寸小于1.5mm的特征。然而应该认识到，使用这里描述的系统和方法可形成各种各样的通道形状和尺寸。在两种用途中，都希望的是，图案化方法便宜，具有高生产率，及不要求高技能用户制造。
在一个或多个实施例中，疏水图案使用洁净室光刻法产生。例如，使用光刻胶来对色谱纸光刻图案化，以在纸内产生疏水阻挡物。
提供如下例子以说明本发明，这些例子不是限制本发明，本发明的范围在随后的权利要求书中叙述。
例1.图案化纸
遵循在PCT/US07/081848中描述的工艺来提供图案化亲水纸层。用于纸基微流体装置的图案使用布局编辑程序CleWin设计。
例2.具有逻辑门的微流体流动控制装置
具有逻辑门的微流体流动控制装置使用图案化亲水纸层和流体不可透过介质层组装，这些流体不可透过介质层具有以上描述的填充开口或未填充开口。
描述具有AND和OR逻辑门的微流体流动控制装置。这些逻辑门可设计在使用‘通’按钮的3-D纸装置中。如图14所示，对于这两个逻辑门，设计两个输入A和B，并且这两个输入A和B包含在顶部图案化纸层中由圆圈指示的‘通’按钮(图14A和14E)。当输入被压缩时，它们致动在网络中的特定通道。
逻辑门设计有：源，在该处恒定地供给流体；两个输入A和B，它们是按钮；及输出，它是井，如果输入产生真值(1)则将填充流体，或者如果输入产生假值(0)则将不填充流体。在每个装置上设置四个逻辑门，从而可表示出对于每个逻辑功能的完整真值表。AND门的设计包括串联的两个‘通’按钮。在这种构造中，只有当两个按钮都被压缩时，流体才将从源流动，流过通道网络及流入输出中。OR门的设计包括并联的两个‘通’按钮。在这种构造中，如果一个或两个按钮被压缩，则流体将从源流动并流入输出井中。
图14表示用于AND和OR逻辑门的设计。图14A是在AND逻辑门中的层的示意图。在每个装置上设计四个逻辑门，从而可示出对于每个功能的完整真值表。图14B表示压缩了全部可能组合的输入并且将水性蓝色染料(1-mM亮蓝)添加到源之后的组装装置。在描述的实施例中，流体用10分钟从源流到输出。图14C是AND门真值表。压缩A或B相当于输入为1，并且不压缩相当于输入为0。输出为1相当于流体填充输出井。输出为0表明在输出井中无流体。图14D表示AND逻辑门的横截面示意图。两个‘通’按钮串联布置，从而只有两个按钮都被压缩时，流体才到达输出。示出了四个横截面，每一可能的流体组合对应一个横截面。
图14E是在OR逻辑门中的层的示意图，并且图14F表示在压缩按钮和将蓝染料添加到源之后的组装装置。在描述的实施例中，流体用10分钟从源流到输出。图14G是OR门真值表，并且图14H表示OR逻辑门的横截面的示意图。两个‘通’按钮并联布置，从而如果任一个按钮被压缩，流体将到达输出。
参照图15描述包含NOT逻辑门的功能的微流体流动控制装置。‘通’按钮只允许AND和OR门的设计。NOT门要求‘断’按钮。当压缩时，‘断’按钮堵塞通道，并且防止流体流入通道。NOT门只具有一个输入，在这种情况下具有一个‘断’按钮。当按钮被压缩时，阻止流体到达输出。图15表示NOT门。图15A表明在装置中的层的示意图。在装置上设计两个NOT门，以表示输入的两种可能组合。图15B表示在压缩了在第二NOT门中的按钮和将流体添加到源之后装置的顶部。只有当按钮不被压缩时，则流体才到达输出。图15C表示装置的底部。在第二NOT门中，流体由在通道中的蜡堵塞。图15C表示NOT门的横截面的示意图。图15E表示NOT门真值表。
参照图16描述包含NAND和NOR逻辑门的功能的微流体流动控制装置。NAND和NOR逻辑门是AND和OR逻辑门的逆反。NAND门可通过设计并联的两个‘断’按钮而实现，从而如果不同时压缩两个按钮的话流体将到达输出。NOR门包括串联的两个‘断’按钮，从而只有当两个按钮都不被压缩时，流体才将到达输出。图16表示可如何制成NAND和NOR门。在图16A中，表示在NAND逻辑门中的层的示意图。图16B表示在压缩了全部可能的输入组合和将蓝色染料添加到源之后的组装装置。在描述的实施例中，流体用5分钟从源流到输出。图16C是NAND门真值表。在图16D中，表示NAND逻辑门的横截面的示意图。
图16E是在NOR逻辑门中的层的示意图。在压缩按钮和将蓝色染料添加到源之后的组装装置表示在图16F中。在描述的实施例中，流体用3分钟从源抽吸到输出。图16G是NOR门真值表，并且图16H表示NOR逻辑门的横截面的示意图。
参照图17描述包含XOR和XNOR逻辑门的功能的微流体流动控制装置。XOR门可通过NAND和OR门的串联组合而实现。XNOR是NOR和AND门的并联组合。图17表示XOR和XNOR门的示意图和实现。图17A是在XOR逻辑门中的层的示意图。XOR门包括串联的NAND门和OR门。图17B表示在压缩了全部可能的输入组合和将蓝色染料添加到源之后的组装装置。在描述的实施例中，流体用5至20分钟从源抽吸到输出。图17C表示XOR门真值表，并且图17D是XOR逻辑门的横截面的示意图。
图17E是在XNOR逻辑门中的层的示意图。XNOR逻辑门包括并联的NOR门和AND门。图17F表示在压缩按钮和将蓝色染料添加到源之后的组装装置。在描述的实施例中，流体用3至20分钟从源抽吸到输出。图17G是XNOR门真值表，并且图17H是XNOR逻辑门的横截面的示意图。
例3.作为多路分配器的微流体流动控制装置
微流体多路分配器使用图案化亲水纸层和流体不可透过介质层组装，这些流体不可透过介质层具有以上描述的填充开口或未填充开口。
‘通’和‘断’按钮的用途之一是将流体引导到特定通道或区的能力。参照图18描述基于这种原理的微流体多路分配器，它包括用于流体的一个进口和六个不同输出。输出由与每个输出相邻设置的‘通’按钮控制。图18表示流体多路分配器。这个装置可用来将流体从单个源引导到任何数量的输出中，在这种情况下引导到六个输出中。该装置包括用于流体的源、六个‘通’按钮、及六个输出井。输出由按钮确定。图18A是在多路分配器中的层的示意图，该多路分配器使用图案化纸层和胶带层组装，这些图案化纸层具有限定的亲水区域，这些胶带层具有未填充或填充有纸片的孔。在装置内的未填充孔起以上描述的‘通’按钮的作用。图18B表示在压缩第一按钮(由箭头指示)和将流体添加到源之后的组装多路分配器。在描述的实施例中，甚至在30分钟之后只有第一输出填充有流体。图18C-18J是在压缩不同按钮或按钮的组合和将流体添加到源之后的多路分配器的图片。每个图片表示不同装置。
类似手段可用来建造多路调制器，该多路调制器具有多个输入，并且允许用户选择哪一个输入将被引导到单个输出。

Claims (33)

1.一种用于分析流体样品的三维装置，该三维装置包括：
堆叠的至少第一和第二多孔亲水层，每个多孔亲水层包括流体不可透过阻挡物的图案，该流体不可透过阻挡物大体透过所述多孔亲水层的厚度，以在每个所述多孔亲水层内限定出一个或多个亲水区域的边界，该亲水区域通过毛细管作用横向抽吸流体；
流体不可透过层，它设置在所述第一和第二多孔亲水层之间，并限定了在分隔开的多孔亲水层中的亲水区域之间竖直相通的一个或多个开口；
多孔亲水介质，它布置在所述开口中，与所述第一和第二多孔亲水层每层内的至少一个所述亲水区域相流体接触；以及
一个或多个试剂，所述试剂设置成与所述亲水区域及亲水区域中的检测区流体流通，以检测所述检测区中是否有分析物。
2.一种用于分析流体样品的三维装置，该三维装置包括：
堆叠的至少第一和第二多孔亲水层，每个多孔亲水层包括流体不可透过阻挡物的图案，该流体不可透过阻挡物大体透过所述多孔亲水层的厚度，以在每个所述多孔亲水层内限定出一个或多个亲水区域的边界，该亲水区域通过毛细管作用横向抽吸流体穿过流动通道，其中，在所述第一多孔亲水层内的所述亲水区域之一包括第一流动通道，在所述第二多孔亲水层内的所述亲水区域之一包括第二流动通道；
流体不可透过层，它设置在所述第一和第二多孔亲水层之间，并限定了一个或多个开口，所述一个或多个开口包括由分隔开的多孔亲水层中的亲水区域的间隔开的流动通道界定的未填充开口，其中，所述第一流动通道的至少一部分能够从间隔开的位置运动到与所述第二流动通道接触的第二位置；其中，在所述间隔开的位置中，所述第一流动通道不与所述第二流动通道相流体流通；并且，在所述第二位置中，所述第一流动通道与所述第二流动通道通过开口相流体流通；以及
一个或多个试剂，所述试剂设置成与所述亲水区域及亲水区域中的检测区流体流通，以检测所述检测区中是否有分析物。
3.一种用于分析流体样品的三维装置，该三维装置包括：
堆叠的至少第一和第二多孔亲水层，每个多孔亲水层包括流体不可透过阻挡物的图案，该流体不可透过阻挡物大体透过所述多孔亲水层的厚度，以在每个所述多孔亲水层内限定出一个或多个亲水区域的边界，该亲水区域通过毛细管作用横向抽吸流体；
流体不可透过层，它设置在所述第一和第二多孔亲水层之间，并限定了在分隔开的多孔亲水层中的亲水区域之间竖直相通的一个或多个开口；以及
在与所述第一和第二多孔亲水层流体相通的所述开口中设置有：(1)纸，所述纸浸渍有化学或生物试剂、指示剂、粘合剂、流体流动阻止剂、流体流动促进剂、或它们的组合；或者(2)磁性颗粒；与流体接触时膨胀的凝胶；能与流体混合的材料，它与流体接触时溶解，以允许微流体流通；与流体接触时吸收热量或放出热量的盐；或低熔点疏水材料，它能在预选温度下熔化和流动，以流入所述亲水区域，从而阻塞所述亲水区域内的微流体流动。
4.如权利要求1、2或3所述的装置，还包括至少第三多孔亲水层，它与相邻的多孔亲水层被另一流体不可透过层分隔开，并与所述第一和第二多孔亲水层之一中的亲水区域流体相通。
5.如权利要求1、2或3所述的装置，还包括在所述多孔亲水层外面的又一流体不可透过层，所述又一流体不可透过层限定了开口，以允许向所述三维装置施加样品。
6.如权利要求1、2或3所述的装置，还包括与所述亲水区域流体流通的过滤器，以从样品中除去固体污染物或从血液样品中除去红细胞。
7.如权利要求1、2或3所述的装置，包括多个分隔开的亲水区域和多个分隔开的检测区，从而允许同时进行多个分析。
8.如权利要求1、2或3所述的装置，还包括塞，所述塞填充一个或多个所述开口，并与所述亲水区域之一的至少一部分直接接触，以提供局部温度控制、提供用于分析样品的试剂、过滤样品或调节样品流动。
9.如权利要求1或2所述的装置，其中，与所述第一和第二多孔亲水层流体相通的开口包含：(1)纸，所述纸浸渍有化学或生物试剂、指示剂、粘合剂、流体流动阻止剂、流体流动促进剂、或它们的组合；或者(2)磁性颗粒；与流体接触时膨胀的凝胶；能与流体混合的材料，它与流体接触时溶解，以允许微流体流通；与流体接触时吸收热量或放出热量的盐；或低熔点疏水材料，它能在预选温度下熔化和流动，以流入所述亲水区域，从而大体阻塞所述亲水区域内的微流体流动。
10.如权利要求1、2或3所述的装置，包括储存在不同的所述多孔亲水层中并与所述亲水区域流体相通的不同试剂。
11.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，在一个或多个亲水区域中限定了：储器，用于沉积流体样品；分布区域，用于从所述储器接收所述样品并分布所述样品；和间隔开的区域的阵列，用于从所述分布区域接收所述样品。
12.如权利要求11所述的装置，包括与多个所述间隔开的区域流体相通的分析试剂，用于分析所述样品。
13.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述亲水区域的边界限定了多个流体路径，它们在不同层中横向交叉但不混合。
14.如权利要求1或3所述的装置，其中，在第一多孔亲水层中的至少一个所述亲水区域的边界限定了第一和第二流体流动通道，第一和第二流体流动通道汇合入结合区中，第二多孔亲水层包括有包含混合通道的所述亲水区域，并且所述流体不可透过层限定了开口，以允许在所述结合区和所述混合通道之间的流体流通。
15.如权利要求14所述的装置，其中，所述结合区能够从第一位置到第二位置竖直地运动到所述开口中，在第一位置，所述结合区与所述混合通道间隔开并且不流体接触，在第二位置，所述结合区与所述混合通道流体接触。
16.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述试剂包括蛋白质分析试剂、葡萄糖分析试剂、乙基乙酰乙酸钠分析试剂、硝酸钠分析试剂或它们的组合。
17.如权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个开口包括由分隔开的多孔亲水层中的亲水区域的间隔开的流动通道界定的开口，所述流动通道中的一个流体通道的至少一部分能够从间隔开的位置运动到与另一个流动通道接触的第二位置；其中，在所述间隔开的位置中，所述一个流动通道不与所述另一个流动通道相流体流通；并且，在所述第二位置中，所述一个流动通道与所述另一个流动通道通过开口相流体流通。
18.如权利要求2或3所述的装置，包括多孔亲水介质，它布置在所述开口中，与所述第一和第二多孔亲水层每层内的至少一个所述亲水区域相流体接触。
19.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述多孔亲水层包括片材，该片材为纸、硝化纤维素、乙酸纤维素、布或多孔聚合物膜。
20.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述流体不可透过阻挡物的图案是通过印刷或光刻法制成的，并且包括光刻胶。
21.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述流体不可透过阻挡物的图案是通过印刷或光刻法制成的，并且包括聚甲基丙烯酸甲酯。
22.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述流体不可透过阻挡物的图案是通过印刷或光刻法制成的，并且包括丙烯酸酯。
23.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述流体不可透过阻挡物的图案是通过印刷或光刻法制成的，并且包括聚苯乙烯。
24.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述流体不可透过阻挡物的图案是通过印刷或光刻法制成的，并且包括聚乙烯。
25.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述流体不可透过阻挡物的图案是通过印刷或光刻法制成的，并且包括聚氯乙烯。
26.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述流体不可透过阻挡物的图案是通过印刷或光刻法制成的，并且包括形成疏水聚合物的光聚合单体。
27.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述流体不可透过阻挡物的图案是通过丝网印刷或压印制成的，并且包括光刻胶。
28.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述流体不可透过阻挡物的图案是通过丝网印刷或压印制成的，并且包括聚甲基丙烯酸甲酯。
29.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述流体不可透过阻挡物的图案是通过丝网印刷或压印制成的，并且包括丙烯酸酯。
30.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述流体不可透过阻挡物的图案是通过丝网印刷或压印制成的，并且包括聚苯乙烯。
31.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述流体不可透过阻挡物的图案是通过丝网印刷或压印制成的，并且包括聚乙烯。
32.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述流体不可透过阻挡物的图案是通过丝网印刷或压印制成的，并且包括聚氯乙烯。
33.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述流体不可透过阻挡物的图案是通过丝网印刷或压印制成的，并且包括形成疏水聚合物的光聚合单体。
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