CN101297189B - 用于输送流体样品到传感器阵列的方法和系统 - Google Patents

用于输送流体样品到传感器阵列的方法和系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种全分析系统和方法，其用于同时地监控水和/或其它工艺系统中的一组生物和/或化学物种。所述系统提供了一种样品体积受控的传感器阵列，其包括流体输送装置和多个光学传感器元件，用于同时测定工艺系统中的多种分析物的存在和总浓度。提供了输送设备，从而将所测量的量的样品流体输送到传感器阵列。提供了图像识别算法，以标识分析物，基于图像强度、彩色图案(color pattern)、位置结构(positionalarrangement)等。所述方法引入了多变量最优化算法以分析多个传感器响应。这产生了分析结果，其通常是难以获得的，在没有全部系统或变量的补偿的情况下。于是可以利用改进的阵列响应来测量、监控和控制化学或生物样品或水系统中的分析物的浓度。

Description

用于输送流体样品到传感器阵列的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求以下优先权：美国专利申请11/259,712(2005-10-26提交)；美国专利申请11/259,643(2005-10-26提交)和美国部分继续专利申请11/507,689(2006-8-22提交)。
技术领域
本发明通常涉及化学传感器阵列，更具体地说，涉及一种新的和改进的系统、方法和仪器，其用于将流体样品输送到化学传感器阵列，并且并行处理来自传感器阵列的多个传感器元件的化学和生物化学信息。本发明还通常涉及微流体装置的领域。更具体地说，本发明涉及用于微流体装置的材料和制造微流体装置的方法。
背景技术
许多化学和生物测量需要在完全装备的分析机构之外的位置进行。这需要可移动的和小型化的系统，使得它们可以被运输到其中对于处理或者水质监控来说需要快速的测试响应的位置，或者它们可以用于药物环境中以便为某些所关心的生物或生物化学物种提供快速的测试结果。这些化学和生物分析可以使用具有测试后优化的单个测试来分别进行，以便提高结果的质量或准确性，但是这种顺次方法(serial approach)具有固有缺陷，因为使用顺次方法，多维相互作用难以完全补偿。另外，这种方法可能是耗时的并且可能产生错误的结果。当在不同的平台上或者在不同的时间进行测试时，引入的操作员误差或系统误差进一步使这种系统复杂化。解决这种限制的最好的方法是同时在同一平台上进行全部所期望的测量，但是目前的现有技术没有提供用于这种测量的完全一体化的平台。
目前的电化学阵列技术使得操作员在单个时刻进行阵列化测试，但是这限于那些响应电化学刺激的材料。这通常包括例如阳极溶出伏安法或循环伏安法的测量技术，或者将化学响应材料引入电化学检测器中，例如，离子选择性电极(ISE)。这种系统，虽然对于某些系统来说是多产的，但是受到电化系统的许多常见局限性的限制，例如在低和高离子强度下影响电化学势的系统性问题。另外，这些系统中的一些可能遭受严重的交叉反应性或干扰，例如常见的氧阴离子(oxyanion)或小的阳离子如钠、锂和钾的交叉反应性。
存在有其它的测试平台，它们可以提供基于光学或光谱测量的小规模的阵列测量。这些可以是根据多流动湿法化学分析的光学检测，或者它们可以是传统实验室测量的可移动的版本，例如，可移动的原子吸收分光计单元。这些系统常常有限于流体流动和保持所需的结构(mechanics)，或者受限于笨重的器材，如可移动的原子吸收分光计系统，其虽然理论上是可运输的，但是实际上已经证明具有较小的机动性。另外还提及了小型化另外的实验室系统，如感应耦合等离子体-原子发射光谱或质谱，但是这些方法难以适应可移动的手持或野外可使用的系统。
所建议的备选方案是使用一种光学平台，其基于光学传感器薄膜的良好表征的化学响应。这种系统使用固体、化学响应薄膜，其通过在最优化波长下改变其吸收度值来响应分析物浓度。这种平台可以被延伸从而为特定的测试矩阵引入全部已知的干扰性或交叉反应性物种的传感器测试元件，以及说明(account for)在测试样品条件的极限值(例如，高和低离子强度以及高和低缓冲强度)下的测试限制。这种系统具有额外的益处，提供了可成形为阵列的小型测试平台，所述阵列特别用来测量需要特定的去卷积(deconvolution)分析的测试元件。
光学化学传感器还分为两大类，可逆的和不可逆的。完全可逆的传感器迅速平衡至测试流体中的目标分析物的浓度并且当分析物浓度变化时，其响应改变。可逆的传感器的实例是聚合物薄膜pH传感器和离子选择性光极(ISO)。相比之下，不可逆的传感器将持续响应测试流体中的分析物直到传感器中的响应试剂已经耗尽，即对于传感器可得的分析物的总量而不是样品中的分析物浓度。许多非ISO型传感器属于此类。
因为可逆传感器中的试剂与样品中的分析物处于化学平衡，如果样品体积有限，传感器薄膜暴露于样品改变了分析物浓度。这要求可逆传感器薄膜暴露于大过量的样品体积或者给定量的样品体积。在后一情况中，可以进行校正以减少由于有限的体积效应造成的误差。类似地，不可逆传感器需要样品体积控制以便传感器响应反映受控体积的测试流体中的分析物浓度。
因为上述原因，通过仅仅将阵列元件专注于液体样品中，设计用于定量分析的传感器阵列未必获得令人满意的结果。对于由可逆和不可逆传感器组成的传感器阵列来说，暴露于每个传感器区域的样品体积必须受到控制。此外，体积调节还有助于防止传感器与传感器的交叉污染。在本发明中，传感器薄膜组成(composition)被设计处于其最优化性能，当它们暴露于固定样品体积时。
由不可逆传感器或不可逆和可逆传感器的结合组成的光学传感器阵列必须具有某种形式的流体控制，其将受控体积的测试流体输送至每个传感器元件。大多数目前可得的系统使用某种形式的泵或者机械多添加系统来输送这些受控体积，例如，机器人添加到多井(well)板。这些系统常常是笨重的并且需要机械和电子组件，其很少是野外耐用的并且很少适用于在恶劣环境中的远程测试。分析仪器专用的取样系统已经被开发，其在功能和处理能力方面不同，取决于它们的最终用途。用于传感器的各种取样方法是已知的，例如，在我们早先的美国专利6,360,585中所公开的传感器区域顺序暴露于所关心的化学物质；和在我们早先的美国专利6,676,903中所公开的在大面积上从多个区域取样。这两篇专利的公开内容在此引入本文作为参考。
尽管许多出版物和专利已经致力于开发传感器方法、试剂和设备来代替传统的湿法化学方法，仍然需要一种用于同时检测多种分析物的经济的、方便的、可野外使用的传感器系统。
此外还需要一种用于在给定时间期间内在不使用任何泵、阀或芯吸材料(wicking material)的情况下将受控量的液体样品输送至多个传感器区域的改进方法和系统。在许多科学技术领域中，常常要求将给定量的流体样品输送至多个位置。在测定分析物浓度中，流体样品需要被分配到多个检测位点，其中可以分析样品中的多种分析物。在高处理量筛选和组合研究中，令人期望的是将液体反应物分布到反应位点的阵列。通常，液体输送至多个位置是通过如下方式实现的：泵送、喷液分散和类似于简单手工或机械移液的方法如液体分散机器人系统。
近年来，毛细效应已经被开发用于流体设计。与已知的被动机制有关的缺点之一在于它们一般地依赖于使用吸收性或芯吸材料(wickingmaterial)。这使得难以制造一种用于将少量的样品输送至许多位置的装置。此外，现有技术中公开的装置不能将流体包(fluid packet)输送至多个传感器区域。反而，吸收性材料是传感或反应基质的一体化部分。被输送至位点的液体仅仅导致润湿基质内的材料。结果，对于传感器阵列和许多其它应用来说，将给定量的液体样品投配到多个位置是更令人期望的。
为了解决流体输送装置的需要，众所周知，使用传统的半导体加工方法在玻璃和硅中在上世纪90年代初制造了微流体装置。这些装置的耐用性和表面性质使得它们对于各种化学和生物化学应用来说是理想的，包括电泳分离、有机合成、聚合酶链式反应和免疫分析。然而，高生产成本已经促使微流体装置制造转向价格比较低廉的材料，如聚合物。
在微流体装置中一般使用的聚合物可包括聚二甲硅氧烷、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯等等。这些聚合物材料常常具有不令人期望的表面性质，包括高表面能，差的阻隔性能和低的耐化学性。已经开发了一些方法来消除这些表面性质问题中的一些，并且为了连接分析物分子如DNA、蛋白质和抗体，对塑料装置的表面进行了功能化处理。然而，这些方法可能是复杂的并且可能导致低效率和微流体通道差的空间分辨率。
一般地，为得到令人期望的表面性质，用一种或多种具有令人期望的性能的材料充填微流体通道。然而，这些填充方法是复杂的、耗时的并且常常导致阻塞通道。
此外还需要一种用于流体或微流体输送装置中的合适的材料，所述材料优选被配置以功能化而在微流体通道中获得令人期望的性能。此外，还需要提供一种快速有效的制造微流体装置的方法以减少制造这些装置的成本。
发明内容
在一个方面中，本发明涉及一种样品体积受控的传感器系统，其用于同时测量化学或生物物质(例如水系统)中的多种分析物浓度，其包括一组可逆和不可逆分析物-响应的传感器元件，所述传感器元件被选择以便响应于化学、生物或环境刺激而改变至少一个光学性质，包括至少一个用作内部光学和位置标准的参考区域，和用于将光引到传感器元件阵列上的光源。提供了一种检测器型成像装置，其可以调节其性能(performace)至光源的位置和光谱曲线(spectral profile)，然后将这种成像响应转化为数字记录。提供图像识别算法以便通过许多基于图像强度、彩色图案(color pattern)、结构等的配置之一标识元件上的测试组合物。提供了一种软件型最优化算法，其引入来自传感器阵列的响应并且产生了在没有全部系统和变量(variable)补偿(compensation)的情况下不能利用的(unavailable)最优化结果。
在另一方面中，本发明涉及一种装置，其包括通道和储存器，能够在给定时间期间内将受控量的液体样品输送至多个包含传感器元件阵列的储存器。在所述装置内用于液体运输的驱动力主要是毛细力，其是由液体和通道/储存器壁界面的表面能形成的。这种装置不依赖于使用任何芯吸材料(wicking material)，并且能够使用可易于获得的材料廉价地制造。被认为是在本发明的范围之内的用于将流体导向至传感器阵列的其它方法包括电渗流动(electro-osmotic flow)、电润湿法(electrowetting)、热毛细泵(thermocapillary pumping)、磁场、表面引流(surface directedflow)、电化学控制、机械(例如注射器)、向心力(centripetal)和表面能梯度。本发明的一个应用在于将受控体积的液体样品输送到光盘上的传感器阵列。
还公开了一种全分析方法，用于在水和工艺系统中监控一组生物和化学物种。该系统提供了一种可逆和不可逆光学传感器的样品体积受控的阵列，以便同时地测定多种分析物的总浓度。该方法包括使传感器阵列暴露于含多种分析物的介质，并且以数字记录形式记录传感器阵列响应。传感器响应被处理以降低噪音和干扰，并且应用多变量分析以改进阵列响应。然后利用改进的阵列响应来测量、监控和控制化学或生物物质或水系统中的分析物的浓度。
本发明的其它实施方案涉及一种具有一个或多个微流体通道的微流体装置，一种使用该微流体装置的系统和一种用于制造该微流体装置的方法。
本发明的一个示范性实施方案是微流体通道。微流体通道包括具有至少一个微流体通道图案的第一基板。进一步，微流体通道包括多孔材料，其配置在第一基板上并且占据至少一个微流体通道图案。
本发明的另一示范性实施方案是使用微流体装置的系统。该装置包括多个微流体通道。微流体通道包括多孔介质，其配置在限定多个微流体通道中的至少一个的腔内。多孔介质被配置以提供样品溶液在其中的流动。
本发明的另一示范性实施方案是用于制造微流体装置的方法。所述方法包括提供第一基板，其具有至少一个微流体通道图案，和在微流体通道图案中的至少一个中配置多孔材料。所述方法进一步包括改性多孔材料以限定微流体通道，同时提供可功能化的(functionalizable)表面。
这些和其它优点与特征将通过以下本发明的优选的实施方案的详细说明而更容易理解，以下详细说明随附图一起提供。
附图说明
图1是根据本发明的示范性实施方案的毛细流动流体输送取样装置的装配叠层的透视图；
图2举例说明根据本发明的另一示范性实施方案的分枝串联通道-储存器配置；
图3举例说明根据本发明的另一示范性实施方案的平行串联通道-储存器配置；
图4举例说明根据本发明的另一示范性实施方案的具有废物储存器和延迟通道的流体输送配置；
图5是氯气敏感薄膜(sensitive film)的图像，从右到左，氯气浓度是1，2，4，5，10，和50ppm；
图6举例说明氯气测定校准曲线；
图7是碱度敏感薄膜的图像；
图8是曲线图，举例说明由扫描器捕捉的数字图像计算的下式与溶液碱度的函数关系；
[(Rw-R)2+(Gw-G)2+B2]1/2/Bw
图9是曲线图，举例说明下式与在650nm光学反射探针所测量的吸光度的相关性；
[(Rw-R)2+(Gw-G)2+B2]1/2/Bw
图10是曲线图，举例说明由彩色数字照相机捕捉的数字图像计算的下式与溶液碱度的函数关系；
[(Rw-R)2+(Gw-G)2+B2]1/2/Bw
图11是曲线图，其举例说明照相机与扫描器的性能对比；
图12是曲线图，其举例说明pH测定的多元校准；
图13显示了具有缺陷的pH传感器薄膜；
图14是曲线图，其举例说明薄膜缺陷对RGB值的影响；
图15是曲线图，其举例说明标准偏差标准对一组像素的排斥；
图16是曲线图，其举例说明Ca传感器薄膜的校准曲线；
图17是曲线图，其举例说明钼酸盐传感器薄膜在不同温度的动力学响应；
图18包括数字图像，其显示钼酸盐传感器薄膜在25.3℃在其暴露于水样品期间的颜色变化；
图19是曲线图，其举例说明温度对钼酸盐传感器响应的影响；
图20显示实施例1的通道和储存器设计；
图21显示实施例1的预计填充时间与实验填充时间数据的比较；
图22是曲线图，其显示了从实施例2中的六次测试中获得的具有误差线的54个23μl储存器的平均填充时间；
图23是由实施例9中所详细描述的样品体积受控的取样装置得到的镁敏感薄膜的校准曲线；
图24是图片，其描述了在每个储存器中当元件暴露于受控样品体积的液体时，根据本发明的示范性实施方案的安装到具有传感器元件的基板的柔软材料取样层；
图25举例说明了一种文献实施例，当基板移开样品体积时，液体填充了储存器阵列；
图26举例说明了在单个基板上用于从进口点将样品输送到多个传感器区域的通道-储存器配置；
图27是示范性的流体取样器的透视图，形式是DVD和盘盒，所述盘盒具有用于流体引入的在盘的中心的进口；
图28是如用于装配准备的根据本发明的示范性实施方案的流体输送装置的透视图；
图29是如装配的图28的流体输送装置的透视图；
图30a-30c是本发明的示范性实施方案的截面视图；
图31a-31d举例说明了在用水样品填充取样器的不同阶段，装配取样器的操作动力学的动态吸光度成像；
图32a-32c举例说明了动态吸光度成像以评估具有传感器元件的装配取样器的操作动力学，所述传感器元件提供了将试剂受控浸提入受控样品体积；
图33是曲线图，其举例说明了在6秒时间间隔所收集的吸光度测量值，所述时间间隔是从样品注入前的时间至当完全填充隔室(cell)时的时刻。
图34a举例说明了本发明的示范性实施方案；
图34b是图34a的示范性实施方案的部分的截面视图；
图35a是本发明的示范性实施方案；
图35b是图35a的示范性实施方案的部分的截面视图；
图36a-36c举例说明了本发明的示范性实施方案，其中插入液体样品以及移出液体样品；
图37是曲线图，其举例说明了根据图34a-34b构造的示范性的输送装置的性能；
图38是曲线图，其举例说明了根据图35a-35b构造的示范性的输送装置的性能；
图39A是三层微流体装置的叠层结构的分解剖视图，其中叠层结构包括第一基板，多孔层和第二基板，根据本发明的示范性实施方案；
图39B是根据图39A的叠层结构形成的微流体装置的剖视图；
图40A是微流体装置的叠层结构的分解剖视图，所述叠层结构具有功能化多孔层和基板，根据本发明的示范性实施方案；
图40B是根据图40A的叠层结构形成的微流体装置的剖视图；
图41A是三层微流体装置的叠层结构的分解剖视图，其中叠层结构包括第一基板，多孔层和第二基板，根据本发明的示范性实施方案；
图41B是沿线41B-41B的图41A的叠层结构的剖视图；
图41C是根据图41A和41B的叠层结构形成的微流体装置的剖视图；
图41D和41E是分别沿线41D-41D和41E-41E的图41C的微流体装置的剖视图；
图42是根据本发明的示范性实施方案在第一和第二基板的不同水平面使用单个微流体通道的微流体装置的剖视图；
图43是根据本发明的示范性实施方案通过挤压多孔层而形成的微流体通道的说明；和
图44是使用根据本发明的示范性实施方案的微流体装置的生物分析系统的示意图。
示范性实施方案的详细说明
本发明描述了一种测试阵列平台，其引入了噪音消减，干扰抑制，从多化学响应，多变量分析进行了改进，以及一种柔性平台，其允许待常规设计的测试阵列提供具有最小化的系统或操作误差的最优化响应。这种基于阵列的测试平台是基于化学响应的光学传感器元件的，其可被引入到由简单检测阵列组成的粗糙的、可野外使用的系统中，并且这些系统可以容易地与计算机或电子装置连接，其可以进行所需的复杂分析从而在非实验室位置提供最优化的测量值。
本发明的一个方面是认识到可以研发光学传感器薄膜以解释影响化学和生物分析物测量的大多数系统变量。这些化学和生物传感器系统包含数个功能组件。一个组件是传感器材料，其响应于环境变化。这种传感器材料的实例是分析物-响应的聚合物，生物膜，溶胶-凝胶，和一些其它的。在光学传感器的情况下，传感器材料应当，使用光的透射，反射，散射，荧光或本领域已知的任何其它常见的光学方法，为待监控的化学响应复合材料维持足够的光学透明度或透明度损失。本文中所述的另一组件是电子系统，其提供测量当环境暴露时传感器材料变化的手段(means)。因此，使用合适的转导机制，例如光学传感，环境与材料的相互作用被转化为分析上有用的信号。这种阵列化的光学检测平台与“灵巧系统(smart system)”连接，其补偿了干扰、环境变化等，进行了噪音消减和测试优化，并且产生了具有更好质量的最终结果，相比于由未完全整合的系统可能得到的结果而言。
以下部分将更详细地描述这种全分析系统的组件，举例说明了当应用于整个阵列测试平台时，每个组件如何可以提供更大的改进。全分析系统是将这些改进的元件中的每一个相结合的产品，从而产生了性能提高的单套系统，这是将单个元件同时组合的结果。
传感器阵列
光学传感器阵列具有一组分析物响应元件，其中当暴露于样品时，通过改变颜色或其它光学性质，传感器元件响应分析物浓度。可以选择全部的传感器元件的数目和传感器元件的类型以满足特定系统分析的需要。作为非限制性的实例，用于水分析的一种传感器阵列包括响应下列分析物的光学传感器元件：碱度，pH，氯气，硬度，亚硫酸盐和磷酸盐。
用于本发明的合适类型的传感器描述于我们的共同未决的以下专利申请中，其题目为″Material Compositions for Sensors for Determinationof Chemical Species at Trace Concentrations and Method of Using Sensors″和″Self-Contained Phosphate Sensors and Method for Using Same″，其申请日与本发明的申请日相同，其公开内容在此引入本文作为参考。
光学传感器阵列包括在固体基板上沉积的固体传感器元件的阵列。固体元件可以包含单个或多个组件。固体传感器元件中的一个或所有组件可以是水溶性的。可以选择传感器元件中的不同溶解特性的组件的组合以提高传感器阵列性能。例如，传感器元件可以由水凝胶聚合物制备，所述水凝胶聚合物包含水可溶性试剂，其响应分析物浓度。
粘合剂可以用于提高固体元件对基板的粘合力。液体散布(spreading)材料，例如，表面活性剂，可以添加到固体元件，从而改进传感器区域的润湿性能。液体散布材料可以设置于固体元件和基板之间，或者设置成其它配置，如在该元件之上或者围绕该元件。适于制备本发明所需的传感器阵列的通常作法包括用于制造指示剂纸带和聚合物薄膜传感器的方法，如Zolotov等在″Chemical Test Methods of Analysis″(Wilson &Wilson′s Comprehensive Analytical Chemistry，2002)中所述的，其公开内容在此引入本文作为参考。
阵列光源-检测器组合
存在这许多适于测量传感器对光学阵列响应的光源/检测器组合。例如，我们早先的美国专利申请10/760,438(2004-1-20提交)描述了一种具有用于化学分析多种分析物的一次性元件的手持装置，其公开内容也由此在此引入本文作为参考。
转向我们的本发明，本发明涉及一类新型系统和方法，用于同时检测来自多个传感器元件的平行薄膜响应。下表显示了UV-可见光-近IR范围的光源(source)，用于与光学传感器阵列系统一起使用，并且用于化学和生物化学信息的平行处理，它们适用于本发明。当然，在不背离本发明范围的条件下，还可以使用发射在所关心的光谱范围内的辐射的其它次常规光源，如阳光，有机发光二极管，室内房间光，生物发光反应的产物，电子设备如电脑监控器，PDA监控器，移动电话显示器，传呼机的发射，放射发光(radioluminescent)光源和任何其它本领域中已知的或在随后开发的光源。
可用于光学传感器的光源
  光源   发射的光谱范围(nm)
  连续波光源：氙弧灯汞弧灯氘灯钨丝灯发光二极管二极管激光器氩离子激光器氦氖激光器氪激光器脉冲源：氮激光器Nd:YAG激光器Ti：蓝宝石激光器染料激光器 200-1000250-600180-420320-2500不同二极管覆盖范围为约250-1500nm不同二极管激光器覆盖范围为约400-1500nm若干线，350-514nm若干线，543-633nm若干线，530-676nm337nm基频-1064，倍频-532，三倍频-355720-1000，倍频360-500360-990，倍频235-345
可能的检测器包括真空或固态和单或多通道检测器。真空检测器是光电管和光电倍增管(PMT)。固态检测器包括光电二极管，光电二极管阵列，电荷耦合器件(CCDs)，电荷注入器件(CIDs)和雪崩光电二极管。多通道检测器包括单个检测器的阵列如光电二极管阵列，PMT阵列。此外，CCDs，CIDs，CMOS和其它类型的多通道检测器是可获得的。每个元件具有其固有的优缺点并且可被结合而生产出在专门应用中适于特别需要的光源检测器平台。类似地，有可能结合多于一个光源或检测器以监控对传感器薄膜的不同类型的响应，然后以本领域已知的方式将它们结合到常见的阵列平台中。
例如，受体的彩色图像可以通过用所引述的或者所预见的光源中的任一种照射来记录并且通过数字扫描器或照相机来捕捉。数字照相机中的CCD彩色传感器测量了受体的三原色(红色，绿色和蓝色)的强度。每一个像素的红色-绿色-蓝色(RGB)颜色强度值在数字文件中记录。颜色浓度，或者RGB值的范围，通常为0-255。颜色还可以在数字扫描器中使用用于照明的白色光源和某种形式的单色光检测器通过CCD彩色传感器来测量。一些数字扫描器，然而，使用三个LEDs(红色，绿色和蓝色)以照射颜色测量的受体。不同于数字照相机，大多数数字扫描器提供了48位或者更大的颜色分辨率。在这种颜色模型中，每一个像素的颜色由在0-65025范围内的RGB值来量化。通过数字照相机和扫描器测量的三原色的光谱范围在模型之间略有变化。典型的CCD彩色传感器的光谱响应分别是460+/-40nm，540+/-40nm和645+/-55nm。我们使用用于定量比色分析的数字成像装置。在这方面，数字成像装置相当于多个三色LED/光电二极管对。
流体输送系统
图1举例说明根据本发明的示范性实施方案的流体输送装置10。输送装置10将受控量的液体样品以计量数量运输到多个储存器8，以便影响样品流体和连接到储存器8的传感器元件(未示)之间的化学反应。如图1所示，流体输送装置10包括顶部覆盖层2，中间通道层4，底部取样器-基板粘合(即，垫片)层6，流体进口12和相关的塑料进口壁环11。多个凹槽或通道5在通道层4上形成，用于将样品流体从流体进口12导向至储存器8。当覆盖层2结合到通道层4时，形成多个通道。添加一系列排气孔7以确保全部流体流过通道系统。
许多市售可得的亲水薄膜可以选作顶层来制造本发明中所公开的装置。一些薄膜具有在亲水侧上沉积的可热密封的胶粘剂。对于那些没有胶粘剂的薄膜来说，可以使用标准-结合方法将覆盖层层压到通道层，如超声焊接和胶粘剂转移结合。亲水薄膜可以是可热密封的和压敏胶粘的。
通道层4可以是使用常规的塑料加工方法制造的，如注塑、热压纹和微加工。许多水接触角为40-85度的塑料材料可以用于通道层。例如，聚碳酸酯和丙烯腈类塑料是用于这种应用的合适的材料。
取样器粘合层6可以是任何材料，其具有大约40Shore A的硬度计值(durometer number)并且通过表面润湿，共形接触和/或胶粘剂结合向平坦基板提供了密封。用于这种应用的非限制性示范性的材料是硅酮和合成橡胶，和热塑性弹性体。取样器粘合层6可以是挤出的硅酮薄板。还可以使用双侧胶粘剂。使用胶粘剂，取样器粘合层6可以结合到通道层，不过通过选择耐热(high-heat)塑料材料，如聚碳酸酯或Ultem，可以实现将取样器粘合材料插入或两箱造型于通道层。
覆盖层2为流体通道提供超级亲水性表面，这大大地有助于驱动流体流过通道的总毛细力。覆盖层还提供了多个小孔7，在每个储存器8上有一个，以便使空气通过，所述空气是被进入的液体从储存器中置换出来的。由于驱动流体通过通道5的毛细力，不需要泵和阀在预定顺序内从样品进口12输送给定量的液体样品或试剂到多个储存器8。结果，设备10可以有效地通过廉价的塑料加工方法来制造。流体输送装置10然后可被整合成化学或生物传感器阵列系统的组件以便将样品液体按计量数量运输和投配到储存器8中，以便借助于相关的传感器元件完成反应。
为有效地填充，来自通道5的储存器8不是不重要的事物，所述通道5具有较小的毛细尺寸，相比于储存器本身来说。从通道至储存器的过渡区可能像毛细阻隔物一样，在阻碍液体从通道的端部至存储器的通过中发挥作用。可能需要外力如重力以便克服这种阻隔。在其它情况下，通道和储存器参数被小心地进行平衡以便缩短过渡时间，还要避免通过排气孔7的溢出。
本发明通过实现下列设计特点解决了毛细阻隔过渡问题。首先，一侧超级亲水薄膜选择用于覆盖层，其能使液体有利地在储存器的全部顶部壁上积累而形成下垂的液滴。当液滴生长时，重力能使其到达储存器的底部壁并随后源于储存器四壁的毛细力驱动液体以便填充全部储存器。当储存器完全填充时，排气孔用作毛细阻隔物，防止液体流过它而到达覆盖层的顶部表面，其设计为是疏水的。其次，通过优化通道和储存器的几何参数、自进口的流体静压和通道的毛细压力，我们调节了流体流动阻力，以便实现令人期望的填充体积和填充顺序。另外，取样器粘合层6，其表现为储存器8的侧壁的一部分，当下垂的液滴生长时，产生了毛细阻隔。因此，仔细设计通道和储存器参数，包括取样器粘合厚度，对于解决这种阻隔是重要的，以便确保实现每个储存器的填充。
再次参考图1，每个通道5可以给单或多个储存器8进料。如果出于空间的考虑而要求通道进料给多个储存器，如图1所示的简单分枝型结构可能被构造以便有助于防止将空气泡捕集在通道5中。在分枝型配置中，储存器的填充顺序可被容易地控制，基于其相对的总流动阻力。如果在结构中通道尺寸是相同的，储存器填充顺序取决于连接储存器和进口的通道的长度。
图2举例说明另一示范性实施方案，其中储存器8以串联或分枝-串联(branched-series)配置的方式连接。这种配置可用于这样的应用，其中期望的是以不同的剂量将试剂添加到样品物流中，在其到达分枝型配置中的不同的分枝储存器前。例如，如果可溶于样品物流的酸性试剂固定在储存器A、B、C和D中，储存器E、F、G和H中的液体将包含不同数量的酸。图2中所示的配置使在不同的pH条件下在分枝储存器F、G和H中研究液体样品与试剂间的反应成为可能。这类流体操作通常很难借助于基于泵和阀的常规方法来实现。
图3显示平行串联配置。借助于这种配置，可以在储存器A、B、C、D、E和F中固定不同可溶性试剂，在储存器a-d中固定相同试剂。因此，在通过储存器A、B、C、D和F输送的试剂的存在下，在储存器A、B、C、D和F中可以产生液体样品与试剂间的传感器反应的阵列。
图3中所示的储存器A-D可用于覆盖传感器元件，而储存器a-d用于样品体积控制。通过改变储存器a-d的体积，可以控制输送到储存器A-D的有效的样品。
在类似于图2和3中所述的方式中，储存器A、B、C、D、E可以包含一种材料或膜，其将物质或者化学品从在通道中流动的液体中除去，因此在液体到达随后的储存器之前，改性了液体或者除去了干扰。
图4显示了一种配置，其允许首先用第一液体样品填充反应储存器42达短时间，然后将第一液体样品取出到废物储存器48。在第一液体被取出到废物储存器之后，可以将第二液体样品添加到进口，并且将其驱动以填充反应储存器。为实现这些流体功能，由废物储存器48产生的毛细压力应该大于由反应储存器42和在反应储存器42和进口12之间连接的通道5所产生的毛细压力。通过改变延迟管线44的长度或/和流动阻力，可以控制延迟时间。
本发明中公开的流体输送装置10的另一重要的但是任选的特征是其是从基板中可拆御的(removable)。基板提供了储存器的底部壁，而取样器粘合层为基板提供了液体密封。相比于现有技术中公开的许多流体装置来说，当传感器或反应元件必须包括在储存器中时，这是特别有利的。使用这种液体输送装置，基板可以是单独制备的。
因为本发明中公开的装置可以在其使用之后与基板分离，所以其可以是一种可再用的装置，不过它也适合于用作一次性组件。此外，基板可以是可再用的，如果分析物-响应传感器是可逆的或可再生的(regeneratable)。
可以使用参考材料以便归一化传感器响应。这可以是任何稳定的材料，其光谱测定性能不受阵列所经历的环境或系统参数的影响，例如，温度、光和湿度。或者，它们可以是基板本身，其中传感器元件沉积其上，或者这些参考材料可以被合并到附着于阵列结构的薄膜中，或者是阵列构造材料。这些材料可以是任何光谱标准，从黑色到白色，具有适于特别的阵列系统设计的任何合适的波长。参考材料还可以是染料，有机或无机颜料，其具有不明显与传感器元件的谱带重叠的谱带。参考材料还可包括光学响应材料如无机、有机和聚合光子晶体。
使用来自内标响应的归一化可用于降低由光程长度、传感器元件的尺寸和本领域已知的其它变化源的变化所引起的误差。更具体地说，在两种情况中，在传感器元件中包括内标是重要的。首先，如果在暴露前传感器元件是透明无色的，在暴露于样品前的光学测量未必向传感器响应归一化提供任何有用信息。其次，如果在传感器元件暴露于样品前不能对其进行测量，在暴露后在λmax(最大波长)下读取内标可用于修正在传感器元件的λmax下的传感器响应。因为内标是传感器元件的一体化部分，其光学响应的跟踪变化提供了有关传感器元件在其暴露于样品和环境后的物理状态的信息。例如，由于膨胀或透明度损失造成的传感器元件的物理状态的变化有助于总的传感器响应。在暴露前后在内标的λmax下的信号读取的差别可用于分离由于分析物-传感器相互作用造成的传感器响应和由于传感器物理状态的变化造成的传感器响应。
多个参考材料还可以在传感器阵列上沉积并且由参考面积计算的RGB值可用于归一化传感器响应并且消除可能在图像捕捉过程期间由照明变化引起的任何变化。归一化可以降低在制造、存储或者样品施加过程中引入的阵列-阵列的变化。
副作用(secondary effects)可能限制阵列检测系统的性能。这些作用包括来自传感器阵列系统的噪音，来自环境或系统参数的作用，在制造或样品施加过程期间引起的缺陷，以及在数据集合(data set)中无法解释的异常值，如干扰，这些改变了真实的分析物响应。最小化副作用(secondary effects)可以通过使用单个降低工具或者通过将多于一个的工具相结合，如果合适的话，而完成。
使用若干种类的数据处理，噪音消减可被使用以改进阵列响应。在一种噪音消减的预见形式中，产生数字图像文件，并且将其保存在计算机或微处理器中，使用噪音消减方法来分析原始数据。这些可能包括但不局限于傅里叶变换，子波变换，卡尔曼滤波，Savitsky-Golay平滑化，滑动平均法，中位数法，和多项式法。在颜色响应的情况下，还可以对每个传感器区域上的RGB值进行平均。在另一情况中，可以使用选择性数据删除，其中计算在传感器元件内在以每一个像素为中心的较小区域中的标准偏差，称为子集(subset)标准偏差。如果一组像素的子集标准偏差大于预置(pre-set)值，那么这组像素可以从该集合(set)中舍弃。
在另一副作用降低的预见形式中，系统可以具有传感环境变量如温度的元件，其中温度测量可用于解释由于这种或相似的环境测量造成的预定变化。类似地，另外的测量元件可以包括在内，以便解释一般性系统参数，如样品透明性，系统导电性，氧化还原电位，或者类似的可能影响阵列响应的变量。具有这些另外的变量的测量使得系统能够补偿使用较简单的分析工具所未完全补偿的影响。
在另一副作用降低的预见形式中，可以建立一种系统以便消除来自有缺陷的固体传感器薄膜缺陷的响应。一些缺陷是由于未按照用于制备传感器薄膜的规格配方所引起的，其导致薄膜的空间不均匀性，或者一些缺陷可能被引入薄膜制备步骤，如在薄膜中包含粉尘颗粒。在暴露于样品基质期间，异质材料还可在薄膜上沉积。数字图像在每个传感器区域上对颜色强度分布提供了很高的空间分辨率。这种空间信息可以被开发用于噪音消减。各种数据分析工具可用于降低来自薄膜缺陷的误差，可以使用算法来区别由缺陷所引起的噪音。例如，首先计算传感器元件的全部区域的RGB值的平均和标准偏差。我们分别将它们称为集合平均值(set averages)和标准偏差。然后，将每一个像素的RGB值与集合平均值相比。如果差别大于预置倍数的(pre-set multiple of)集合偏差(setdeviation)，那么这个像素可以从集合中舍弃。类似的计算可用于舍弃一组像素。传感器元件中的缺陷还可显示出独特的颜色或/和空间图案，如线和点。可以使用图案识别算法来标识缺陷区域。另外，传感器元件中的缺陷不是正态分布的。来自缺陷区域的光学响应或者大于或者小于集合平均值。因此，还可以使用正态检验以便舍弃来自缺陷的读数。当全部的传感器薄膜质量是差的并且在集合中存在着显著量的白噪音时，这是特别有用的。
系统污染物的相互作用还可以引起阵列结果的误差。如果干扰物种的浓度可以直接地测量，或者如果其可以由不相似的传感器薄膜根据平行反应推断，那么可以进行干扰补偿。溶液中的化学物种的相互依赖的性质可能由干扰引起，其中这些干扰是由干扰物种与传感试剂的竞争反应所引起的。传统的作法集中于开发用于单个分析物的抗干扰的化学试剂。已经使用化学计量学(Chemometric)数据分析算法来分析用于干扰抑制的重叠光谱响应，这已经描述于文献中。
三部分数据生成和分析方法用于本发明中以解决干扰问题。首先，我们设计传感器来测量参数，其限定了样品的化学和物理状态。这些参数包括温度，pH和碱度。第二，我们设计传感器，其独立地响应一组干扰物种。第三，我们设计传感器薄膜，其响应相同的分析物，但具有不相似的干扰响应。来自这些传感器的传感器响应被去卷积(deconvoluted)以便考察在干扰物种中每个分析物的真实的浓度。还可以对来自实测样品的传感器组的响应图案和存储模型进行比较。存储模型是由传感器薄膜对一定范围的分析物物种的响应以及其与在其不同的水平下传感器薄膜对预期干扰的另外响应的结合而建立的。通过在分析物和干扰的各种组合的情况下捕捉不同的传感器响应，模型在所关心的分析物动态范围内捕捉了响应图案。传感器薄膜以其组合的形式的定量分析的工具包括神经网络，主成份回归分析，局部加权回归，偏最小二乘法和任何其它的本领域已知的。
多变量分析已经广泛用于分析化学，特别是光谱分析。本发明的一个方面是使用一种系统性方法来同时测定水或工艺样品中的多种分析物浓度。本发明中公开的示范性的方法提供一种传感器阵列，其包括多个传感器元件，它们被选择以便去卷积(deconvolute)水或工艺系统中的化学平衡的相互依赖的性质。所提供的传感器阵列可包括传感器元件，其特别地设计用于响应于多变量分析所需的水或工艺参数以及作为简单的、但精确度较差的分析的一部分另外所不需的水或工艺参数。另外，阵列平台允许具有待用的多响应化学性质(chemistries)的系统，并且其是通过去卷积(deconvolute)双重响应结果来解释的。
pH、碱度、硬度和磷酸盐的测定是水系统测试的复杂本性的非限制性实例，其中不同的分析物生产了相互依赖的响应。pH根据定义是测量氢离子活度，而后者是由水样品的热力学性质所限定的。pH还受同一水样品中的碳酸盐浓度的影响，并且碳酸盐以若干含水形式存在，其比例是由一系列复杂的正如系统pH所限定的平衡所确定的。碳酸盐和相应的磷酸盐平衡提供了缓冲环境。缓冲液是共轭酸碱对的混合物，当添加少量的强酸或碱时，其可以抵抗pH的变化。溶液的缓冲能力是改变1升的缓冲溶液的pH值1个pH单位所需的强酸或强碱的摩尔数。硬度被称为总钙和镁浓度，其包括许多形式的可能存在于系统中的钙和镁物种。这些钙和镁形式中的一些可包括磷酸盐，而这些磷酸盐与可溶形式的出力离子(contributing ions)处于平衡。离子浓度以一种复杂的平衡存在，其平衡了pH与碳酸盐、磷酸盐和硬度浓度。磷酸盐还能够以另外的形式存在于水中，并且此外，相应的磷酸盐形式是由处于一系列相互关连的平衡中的pH、碱度和反离子平衡所确定的。可以使用磷酸盐光极来测量磷酸盐，但是磷酸盐光极可能响应仅仅一种水中的离子形式的磷酸盐，例如，磷酸一氢盐离子(HPO4 2-)物种。为获得总磷酸盐浓度，样品pH，碳酸盐和硬度浓度也必须是已知的。在水中的全部物种处于化学平衡，并且当确定单一分析物浓度时，必须考虑全部的出力平衡。必须测量所有这些分析物浓度以及考虑环境性质，如温度，以便进行单个分析物的精确测量。
这种复杂的化学和热力学平衡的数学细节在本领域中是众所周知的并且在本公开内容中将不进行详细描述，但是基于碱度和pH的较简单的实例将给出与使用颜色响应试剂由固体薄膜传感器进行的多平衡测量有关的难点的示范性的解释。这种非限制性实例的目的在于举例说明本发明中公开的系统性方法之一。
pH由下式定义：
pH＝-log10aH+，(其中aH+是氢离子的活度)。
氢离子通过以下平衡与系统中的其它化学物种有关：
HA(aq)代表含水布朗斯台德酸(Bronsted acid)，A-是HA(aq)的共轭碱。布朗斯台德酸和碱的存在不仅引起系统的酸性或者碱性，而且还引起pH缓冲能力。pH缓冲能力通常在水处理工业中计量为碱度，这主要是总碳酸盐浓度的函数。
当样品被施加到pH传感器区域时，pH传感试剂如pH指示剂染料(以后称为″Ind″)通过以下平衡与样品中的氢离子相互作用：
根据以上平衡，指示剂浓度的变化被用于测定样品的pH值。指示剂分子(Ind和IndH+)具有不同的光谱，光谱的吸光度的变化表明平衡的移动，这可能反映为系统pH的移动，而指示剂浓度的变化通常由传感器区域的光学性质的变化来测量。光学性质包括吸光度和荧光性。
因为pH指示剂本身通常是布朗斯台德酸或碱，如以上平衡所表明的，pH测量过程扰乱了样品中的酸碱平衡，这导致了pH测量误差。这种误差的数值是系统缓冲能力的函数。因此，不得不精确地知道系统的碱度以确定pH。
用于pH和碱度分析的传感器阵列包括多个传感器元件。一些元件测量样品碱度，而其它元件测量样品pH，使用这些多个传感器元件的结合以便延伸阵列的检测范围。传感器元件对碱度的响应可以独立于样品pH而产生，样品的碱度可以仅仅从碱度元件中获得。如上所述，pH传感器元件的响应是pH和碱度的函数。对于pH和碱度来说，可以获得两维的校准表面。使用实测的碱度值和使用两维校准表面解释传感器响应，可以测定样品的pH值。
动力学响应
常常为了量化，传感器响应应当在暴露于样品时到达稳态。实际上，一些传感器具有长响应时间并且花费不可接受的长时间以到达稳态，在任何单个时间测量传感器响应可能导致由于计时变化造成的误差。对于传感器阵列来说，应当施加不同的响应读取方法。对于非稳态传感器来说，需要时间依赖的测量。动态信息可以解释系统的动态特性，例如响应曲线的起始斜率，在给定时间的倾斜和所选部分的截距。
另外，瞬态响应还可以提供分析物响应的敏感测量以及反映影响传感器响应动力学的污染物的存在或浓度。类似地，动力学响应可用于测量催化剂的浓度，所述催化剂可能存在于系统中，产生独立于传感器阵列平衡测量的瞬态响应。许多时间序列统计模型可用于处理非稳态传感器响应。通常，最后读数和在最后读数前的响应可以拟合入模型中以便最小化仪器和测量误差。
全分析系统
如这里所述，本发明的全分析系统包括光学阵列平台，其包括不同的化学或物理响应传感器薄膜。所述系统生产了与期望的化学或物理参数成比例的光学响应，提供了由于噪音、缺陷和干扰作用的副作用降低，补偿了多变量相互作用，考虑了测试阵列历史，并且提供了参比系统以校准传感器阵列对光学检测平台的响应。这种复杂测试阵列可以与时间型数据获取相结合以提供瞬间测试分析，这可以进一步提高总的阵列响应。本文中所述的复杂阵列元件显示了每个元件如何提高阵列性能，和这些元件的结合如何产生了最优化的环境和生物测量。进一步，这种提高的光学阵列平台有利地适合于非实验室环境。
在本发明的其它方面中，包括内标材料，将其作为传感器阵列的一体化部分。参考材料允许归一化传感器响应以消除由照明、传感器元件质量和环境参数的变化所引起的变化。另外，本发明提供了与本领域已知的数字成像技术有关的特定问题的解决方案。
在本发明的其它方面中，每个传感器元件所暴露于的样品体积受控于毛细流动型流体装置，其以计量数量将受控体积的样品液体运输和投配到传感器元件。如此，本发明的流体输送装置使有效地构造具有可逆和不可逆传感器元件的传感器阵列成为可能。
包括以下实例以便证明本发明的宽的适用性。本领域技术人员应当理解下文中所公开的技术是本发明人所发现的技术，因此可以将其认为是构成用于其实践的示范性的方式。然而，根据本发明，本领域技术人员应当理解在所公开的特定的实施方案中可以进行许多变化，并且在不偏离本发明范围的情况下这些变化仍获得了相同或类似的结果。
实施例1
随通道和储存器几何参数而变储存器填充时间。通道和储存器设计示于图20中。装置包括三层，类似于图1中所示的。顶部覆盖层2是可热密封的亲水薄膜。排气孔7(直径1.5mm)刺穿这层。中间通道层4是0.78mm厚聚碳酸酯薄板，具有开放(open)通道5和矩形开口(即，储存器)8，其是借助于计算机数控(CNC)加工切削的。底部取样器粘合层6是40Shore A硅酮垫片，提供密封给基板。矩形开口冲切通过垫片。当这些层经层压形成流体输送装置时，通道在顶部亲水层2和中间通道层4之间产生。通道层和取样器粘合层的矩形开口限定了开放的底部储存器，亲水层作为它的顶部壁。当这个装配件附着于基板时，密闭的储存器被形成并且通过通道而连接到中心的样品进入口。
在本实施例中测试的通道和储存器参数列于以下表1中。发现储存器填充时间(t/s)可以表示为以下函数：
Log(t)＝K-0.9725ILog(W)-2.43118Log(D)+1.34630log(L)+1.70630*Log(Dgasket)   式(1)
其中L，W和D分别是通道长度，宽度和深度，Dgasket是垫片厚度。常数K为，-1.9944，对于单通道-单储存器配置，-1.7740，对于单通道-两储存器配置。图21显示了由上式预计的填充时间和试验数据的比较。
                      表1
         实施例1中的通道和储存器参数研究范围
基于此式，可以设计一种装置，以便允许全部储存器在窄时间范围内被填充，不过储存器至中心进口的距离改变了。如果令人期望的话，根据上式，通过选择通道参数，可以顺序地填充储存器。
实施例2
54个-储存器样品输送装置示于图1中。设备10通过类似于实施例1中所述的方法由四个组件装配。通道5的深度和宽度分别是0.33mm和1.5mm。储存器8的长度和宽度分别是5.5和4mm。取样器粘合层6是从0.55mm厚，胶粘剂涂底并且透明的硅酮橡胶薄板切削的。聚碳酸酯通道层4的厚度是0.78mm。这些设计参数的选择是由实施例1中所显示的公式指导的。2.7ml样品溶液包含100ppm碱性蓝，其被输送至样品进口。使用数字视频照相机监控通道和储存器中的实时流动。每个储存器的填充时间从记录的视频薄膜(films)上取回。从六个装置中获得的全部54个储存器的平均填充时间示于图22。数据证明所述装置允许将液体样品在窄时间范围内输送到多个储存器。
实施例3：测定水样品中的氯气浓度
六个氯气敏感薄膜在薄的半透明的聚乙烯薄板上沉积。20μl氯气标准溶液，从5％NaOCl经过去离子水稀释而制备的，点样在每个薄膜上。在点样之后1分钟，从薄膜中移出水样品。当水样品中的氯气与固定在薄膜中的氯气敏感试剂反应时，显现出蓝色。这六个薄膜的图像使用Hewlett Packard扫描器ScanJet 6300C来捕捉并且示于图5中。由扫描器产生的数字文件是JPEG格式的(67KB)。颜色浓度是255。像素分辨率是200dpi。
数字图像使用来处理。使用由Photoshop软件包提供的选择工具来选择薄膜区域。每个所选颜色区域的平均RGB值列于下表2中。白色纸图像区域的RGB值，称为Rw，Gw和Bw，也列于表2中。
如图6所示，下式2中所限定的数量可用于量化氯气浓度。
R氯气＝-log(R/Rw)-log(G/Gw)-log(B/Bw)    式(2)
                        表2
            图5中所示的氯气敏感薄膜的颜色分析
  氯气/ppm   R   G   B   Log(Rw/R)+log(Gw/G)+log(Bw/B)
  1   233.63   242.67   246.35   0.0724
  2   228.52   243.90   241.61   0.0883
  4   219.94   242.00   236.37   0.1178
  5   211.46   238.44   235.95   0.1421
  10   184.87   228.44   230.34   0.2295
  50   124.76   199.12   190.77   0.5418
  白色纸背景   254.56   254.60   254.62   0.000
实施例4：用多个传感器区域测定碱度
六个碱度敏感薄膜在载玻片上沉积。用于本实施例的合适类型的传感器描述于我们的共同未决的以下专利申请中，其题目为″MaterialCompositions for Sensors for Determination of Chemical Species at TraceConcentrations and Method of Using Sensors″和″Self-Contained PhosphateSensors and Method for Using Same″，其申请日与本发明的申请日相同，其不在本文中进行重复。不同于氯气分析，使用多个薄膜来测定单个水样品的碱度。20μl碱度标准溶液点样在六个薄膜中的每一个上。在点样之后2分钟，从薄膜中移出水样品。测量十个碱度溶液。
如图7所示，全部60个已暴露的薄膜(exposed films)的图像使用Hewlett Packard扫描器ScanJet 6300C来捕捉。由扫描器产生的数字文件是JPEG格式的(48KB)。颜色浓度是255。使用Ocean Optics USB2000分光光度计测量每个已暴露的薄膜在650nm处的吸光度。
所选颜色区域的平均RGB值列于下表3中。白纸背景的RGB值分别是239.41，239.34和244.19。以下数量Ralk用于量化碱度：
Ralk＝[(Rw-R)2+(Gw-G)2+B2]1/2/Bw.        式(3)
                    表3
          图7中所示的薄膜的颜色分析
a.由Na2CO3制备的溶液
b.由Na2CO3、NaHCO3和Na2HPO4的混合物制备的溶液。ThepercentagealkalinitycontributionsofNa2CO3、NaHCO3和Na2HPO4的百分比碱度贡献分别是10％、80％和10％。
c.由NaHCO3制备的溶液
在图8中，六个薄膜的平均Ralk值绘制成溶液碱度的函数。注意碱度分析的校准曲线不必是直线。在校准曲线中的曲率不是由于目前的颜色分析方法造成的。这得到了Ralk与在650nm处使用分光光度计测量的吸光度的线性相关的支持，见图9。
实施例5：使用数字照相机测定碱度--相对于内标区域归一化
全部60个薄膜的图像使用Sony DSC S75数字照相机来捕捉。照相机设置在自动模式中，其中自动调节白平衡，焦点和光圈。载玻片放置于接近40-瓦台灯。
所选颜色区域的平均RGB值列于下表4中。不同于数字扫描器所捕捉的图像，所述受体上的照明不是均匀的。为对此进行修正，取接近每个薄膜的白纸背景的RGB值。改为使用式3中的单组白色背景的RGB值，每个彩色薄膜具有一组RwGwBw值，如下表4中所列。校准曲线示于图10。
                       表4
        实施例5的数字照相机图像的颜色分析
在取实施例2中的图像后约36时间，捕捉本实施例中的图像。为比较数字照相机与由扫描器得到的结果，当取照相机图像时，另一图像是使用Canon N650U扫描器同时制备的。获自Canon扫描器的相对蓝色的强度与获自Sony数字照相机的结果的相关性示于图11。图11中所示的结果表明，相对于颜色内标的归一化可以有效地消除当使用照相机捕捉传感器图像时由不均匀的照明所引起的误差。
实施例6：借助于多元校准的pH测定
pH敏感薄膜在聚碳酸酯薄板上沉积。薄膜包含pH指示剂染料溴百里酚蓝及其他添加剂。用于本实施例中的pH标准溶液是由碳酸钠和硫酸溶液制备的。玻璃电极，相对于两pH缓冲液(7.00和10.00，获自FisherScientific，源于NIST标准)校准，用于测量标准溶液的pH值。没有校正离子强度对氢离子活度系数和液体接界电势的影响。通过相对于0.2N硫酸溶液滴定测量碱度。
40μl等分的pH标准溶液点样在薄膜上。在2分钟后除去样品，通过适度的空气流吹风干燥点样区域。使用Canon LiDE 80扫描器，以48位彩色方式，300dpi空间分辨率，捕捉暴露前后的薄膜的数字图像。图像文件保存为未压缩的TIFF格式。使用Photoshop CS从文件中取回RGB值。以下表5中所列的RGB值是对以点样区域为中心，在1000像素见方的区域上所进行的平均。以下量RpH选用作传感器响应来量化样品pH：
RpH＝(R/G-B/G)暴露-(R/G-B/G)未暴露    式(4)
                    表5
            实施例6的数字图像的颜色分析
在图12中，传感器响应绘制为样品pH和碱度的函数。由图12可知，传感器响应是样品pH和碱度的函数，如上文所述。发现：实验pH值可以拟合成以下两变量校准方程式，在0.09pH单位内(平均绝对偏差)。
pH＝a0+a1alk+(a2+a3alk)RpH+(a4+a5alk)(RpH)2     式(5)
拟合参数a0-a5的值列于下表6中。由上式计算的pH值与表6中的实验值进行对比。
                    表6
    pH校准方程式的参数和由校准方程式计算的pH值
实施例7：噪声降低
生产了若干固体传感器薄膜，其具有缺陷，所述缺陷是由从聚合物溶液制备的传感器薄膜配方的不溶解的试剂所引起的。一些缺陷是在薄膜制备步骤中引入的，例如在薄膜中包含了粉尘颗粒。在暴露于样品基质期间，异质材料可以在薄膜上沉积。数字图像在每个传感器区域上对颜色强度分布提供了很高的空间分辨率。这种空间信息可以被开发用于噪声降低。各种数据分析工具可用于降低由于薄膜缺陷所导致的误差。本实施例证明了简单的统计方法舍弃了来自缺陷区域的读数。
取自实施例6的pH传感器点样的放大的彩色图像示于图13中。粉尘颗粒，由附图标记130指出，在这个图像中是可见的。含这个粉尘颗粒的40-像素水平线的RGB值示于图14中。在实施例6中，在全部传感器区域上求均值的RGB值被用于计算传感器响应。为简单起见，在本实施例中，我们使用一维数据来证明噪声降低方法。我们首先分别计算这个数据组的R、G和B的平均值和标准偏差。然后，我们舍弃那些具有与集合平均值的偏差大于预置倍数的所述集合的标准偏差的点。最后，由排除灰尘区域的像素计算平均值和标准偏差。
类似的计算可用于舍弃一组像素。我们首先计算全部传感器区域的标准偏差。然后，我们沿每个水平像素线，在以每一个像素为中心的较小区域(对于本实施例，选择6-像素圆圈)内计算标准偏差。图15显示了这些计算的结果。显然，以第40个像素为中心的区域应当被舍弃。
图16显示钙传感器薄膜的校准曲线。该薄膜是由聚合物溶液制备的，该聚合物溶液包含钙响应染料。使用薄膜施加器在聚碳酸酯薄板上制备薄膜。当薄膜干燥时，一些染料聚集而形成沿整个薄膜随机分布的小的暗区域，其几乎不能被肉眼所见。使用Canon LiPE 80扫描器，以16位彩色方式，300pdi空间分辨率，扫描已暴露的薄膜的数字图像。使用与用于pH校准相同的公式来计算传感器响应。使用上述的数据过滤方法(2x标准偏差)来舍弃源于染料聚集体的数据点。通常，在2700个像素区域中，舍弃90-145个像素。校准的R-平方值是0.9930，相比于由使用Photoshop CS取回的未过滤的RGB值得到的0.9886，这明显得到了改进。
实施例8：动力学响应
制备包含钼酸盐传感试剂的聚合物溶液。使用薄膜施加器在聚碳酸酯薄板上沉积聚合物溶液。聚碳酸酯基板被切成长条20×80mm。在每个长条上的本体传感器薄膜被切削和除去，其仅仅在长条上留下6×6mm的传感器点样。使用载玻片和双面胶带，构建200μm深、6.5mm宽的通道，以便覆盖6×6的点样从而形成流体组件。将这个装配件、Canon LiPE80扫描器和10-ppm钼酸盐标准溶液置于温度受控的房间中。在平衡约1小时后，借助毛细作用将样品溶液通过通道而引入传感器薄膜。以下表7中所示的时间间隔获得了传感器薄膜的图像。在25.3℃获得的图像示于图10中。
在本实施例中，我们想要证明传感器响应的数据分析的重要性，其是用于同时测定本发明中公开的多种分析物的系统性方法的重要部分。
发现：未暴露的薄膜的初始传感器响应是温度的函数。为了方便起见，通过计算以下比值我们归一化了暴露后的传感器响应，从而量化钼酸盐浓度：
RMo＝(R/G-B/G)暴露/(R/G-B/G)未暴露   式(6)
                     表7
             在三个温度下的动力学数据
这个量在图17中绘制为时间的函数。不同于许多化学传感器反应，如上所定义的传感器响应没有到达平台。相反它持续随时间线性地增加。每个温度的最后四个点的线性拟合示于图19中。
从这种非稳定的薄膜响应取单个读数可能导致大的误差。对于这类传感器响应来说，我们打算使用源自动力学测量的量来量化(quantity)分析物浓度。发现：图17中所示的线性曲线的截距是温度的线性函数。因此，多变量校准式，其中在若干暴露时间下的温度和传感器响应是独立变量，适于这类传感器。
本领域技术人员将认识到许多统计和数学模型可用于解释本实施例中存在的动力学数据。所述方法包括卡尔曼滤波技术，最小二乘拟合和其它时序预测工具，如分析文献中所详细描述的。
实施例9：样品体积受控的传感器阵列
八个镁敏感传感器薄膜筛网印刷在127.8×85.0mm聚碳酸酯薄板上。样品输送装置，类似于实施例2中所述的，放置在聚碳酸酯薄板上，从而形成被包围的通道和储存器。传感器薄膜是4mm长，4mm宽和约0.01mm厚。储存器是5.25mm长，5.25mm宽和1.6mm深。储存器的容积是44.1μl。当样品被引入中心进口时，毛细力驱动样品填充储存器。这个输送装置为传感器阵列提供了体积受控的样品分布的手段。
使用定制的4×4LED/光电二极管阵列检测器来监控传感器薄膜响应。LED在467、530和634nm处具有发射最大值。LED和光电二极管被固定在两个分开的印刷电路板上。印刷电路板在壳体内平行固定，其中传感器阵列装配件可以插入并且与LED/光电二极管阵列排成一行。
包含12-100ppm镁的3.0ml水样品首先被引入样品进口。在样品引入后3分钟，测量在530nm(G)634nm(R)处的传感器吸光度。发现：比值G/R与样品中的镁浓度成线性关系。校准曲线示于图23中。
我们还公开了用于向传感器阵列输送受控体积的流体样品的取样方法和系统。本发明的一个应用在于提供用于将受控体积的液体样品输送到光盘上的传感器阵列的手段。用于生产在光盘上的传感器阵列的方法描述于一些我们在先的专利申请中，例如美国专利申请2005/0112358，美国专利申请2005/0111000，美国专利申请2005/0111001和美国专利申请2005/0111328，其公开内容据此全部引入本文作为参考。
根据本发明的示范性实施方案，我们提供了取样系统和方法，其中流体取样系统包括可拆御的取样结构，其座落于位于基板上的化学敏感传感器区域的阵列的附近。可拆御的取样结构允许每个传感器区域分别地与被引入取样系统的样品流体相互作用。
图24显示了示范性的取样系统240，其结合了柔软材料取样层241，它可拆解地(detachably)安装到具有多个传感器区域244的基板242。传感器区域244可以整体地与基板242成形，或者可被置于层241的底表面上。层241可被安装到基板242，例如，通过可逆胶粘剂。示范性的取样系统240和传感器区域244暴露于每个储存器中的受控体积的样品流体。
图25举例说明了文献构思，垂直浸渍基板242和所附的储存器262。如图25所示，基板/储存器结构浸在样品流体260中以便用样品体积的流体填充每个储存器262。接下来，当基板242从液体260中移出时(如向上箭头所示)，通过储存器壁的表面张力，受控部分的样品体积被保持在每个储存器中，尽管当移出基板242时，储存器262在取向上基本垂直于流体260的表面。在这种示范性实施方案中，储存器262可以与形成所附储存器的取样层(未示)一起成形，后者被胶粘(adhere)到基板242，如上所述。
如图27中最佳所示，本发明还预期提供用于将受控体积的液体样品输送到位于光盘281上的传感器阵列的手段。为了证明流体输送到DVD，CD，超级音频CD，双层盘(double-layer)，蓝光盘(blu-ray disk)和/或到其它类型的基板，我们制造了图27中所示的取样器装置。这里，举例说明了一种构思，其中基板是DVD盘281，其包括多个传感器区域244。该装置举例说明了在每一传感器区域244上使用单独开放或部分密闭的储存器262。该示范性的取样系统因此采取装在盘盒282中的DVD盘281的形式，其具有传感器区域244和位于所述盘281中心的流体进口12。
如图27所示，传感器光盘如DVD，CD，超级音频CD，双层盘(double-layer)，蓝光盘(blu-ray disk)等被装在珠宝(即盘)盒282中。光盘281装配有根据图1配置的可拆卸的样品层。另外，盘盒282包含沾吸层(blotting layer)，其用来在测量前从盘中除去残余水。沾吸层(blottinglayer)由任何能通过与基板接触而吸水的多孔材料组成。
图26举例说明了一种示范性的树型结构，其用于将流体样品从流体进口12通过多个流体通道5的导向而引入到多个传感器区域244。本领域技术人员应当理解的是许多不同的方法可被用于使流体运动通过取样系统，其包括电渗流动(electro-osmotic flow)，毛细力，电润湿法(electro-wetting)(其中电毛细管压力是由与所约束的绝缘液体共用毛细管的导电液体产生的)，热毛细泵(包括毛细管中的温度梯度)，磁场，表面引流(surface directed flow)(毛细管中的表面张力，化学改性表面)，电化学控制(用于阀开关的氧化还原活性表面活性剂)，机械手段(注射器，压力引发的力)，向心力(包括纺丝液)和表面能梯度，和/或其组合。
当然，本发明适应于以反射、透射、发射和/或散射方式的分析来操作。还应当理解的是本发明可以适应于不同类型的传感器阵列并且能够以步进式或连续方式来操作。在步进式方式中，传感器阵列的操作和读数可以在传感器元件已经暴露于样品液体前后，或者仅仅在其后进行。在连续方式中，传感器阵列的操作和读数可以在液体暴露期间进行。为适应不同的操作方式，在测量发生前，取样层结构可从基板中移出，或者在测量过程期间，该结构可以保持原封不动。
在本发明的进一步方面中，全分析系统包括光学阵列平台，其包括不同的化学或物理响应传感器材料，形式是水可膨胀的薄膜或/和水可溶解的薄膜或/和水可浸出的薄膜。所述系统生产了与期望的化学或物理参数成比例的光学响应，提供了由于噪音、缺陷和干扰作用的副作用降低，补偿了多变量相互作用，考虑了测试阵列历史，并且提供了参比系统以校准传感器阵列对光学检测平台的响应。这种复杂测试阵列可以与时间型数据获取相结合以提供瞬间测试分析，这可以进一步提高总的阵列响应。本文中所述的复杂阵列元件显示了每个元件如何提高阵列性能，和这些元件的结合如何可用于产生了最优化的环境和生物测量。进一步，这种提高的光学阵列平台有利地适合于非实验室环境。
本发明的另一个方面是每个传感器元件或薄膜暴露于受控样品体积。两种不同的流体输送系统在本文中公开，其用于将样品液体运输和投配到传感器元件，这是影响在样品液体和传感器元件之间的化学反应所要求的。如下所述的两种输送系统是毛细流动型流体输送装置和浸渍-隔室型流体输送装置。本发明的两种流体输送装置能够与测试阵列卡片结合，所述测试阵列卡片包括本文中所述的传感器元件。
本发明的另一个方面是每个传感器元件暴露于受控样品体积，其中传感器元件的形式是水可膨胀的薄膜或/和水可溶解的薄膜或/和水可浸出的薄膜。由于受控样品体积，当水与传感器元件相互作用时，负责产生光信号的薄膜中的化学试剂停留在样品体积中，提供了精确的信号测量。
测试阵列卡片
图28举例说明了单一用途或一次性的测试阵列卡片9，也称为盘或基板，其包括根据本发明的示范性实施方案的不同的化学或物理响应传感器薄膜3。传感器薄膜3可以归组入化学或物理类似的一种或多种薄膜的集合，这取决于通过使用单独薄膜响应的异常值删除或统计学处理(而得到的)传感器响应的期望的保真度。
流体输送装置
图29举例说明了流体输送装置10，其可以排成一行并且使用定位孔1装配到测试阵列卡片9。输送装置10将在进口12注入的受控量的液体样品以计量数量通过从进口12辐射出而到达储存器8的通道5来运输到储存器8的阵列，以便影响在样品流体和连接到隔室的传感器元件3之间的化学反应。另外，流体输送装置提供了储存器的四个侧壁和顶板而测试阵列卡片9提供了底板。储存器的顶板包括薄膜，其具有圆形排气孔7，当储存器被填充样品液体时，所述排气孔7将空气排出储存器。排气孔材料、直径和深度经最优化以便调节空气的有效排出，和在储存器8壁的受控尺寸内容纳样品流体。圆柱形排气孔7的疏水壁对于保持储存器中所含的样品流体是关键的，即使在当流体输送装置经受相对于水平面的倾斜时的情况中，所述情况是由在典型地工作台-顶部表面(其可能相对于零度绝对水平略微偏离)上进行测量所引起的。
再次参考图1，根据本发明的示范性实施方案的配置的示范性的流体输送装置通常包括但不限于四个组件，即：O形环11，其借助胶粘剂(adhesive)或所施加的其它常见的聚合物焊接方法而粘合到输送装置的组件并且有效地为注入的样品流体产生接纳和容纳的壁；覆盖密封薄膜2，其是由疏水塑料材料(例如聚丙烯、定向聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等)制造的，借助于涂层、化学处理、表面改性等而具有改性亲水底表面，从而产生储存器8的顶板，并且在顶板中除去材料以便在通道5和井(well)或储存器8之上产生空气排气孔7；流体通道板4，其具有若干贯穿厚度的开口以产生井或储存器8的侧墙，所述井或储存器8通过浅槽或通道5连接到进口12，而所述浅槽或通道5在流体通道板4的顶部表面平面上切削入板；和粘合层6，其适合于将流体通道板4的底表面附着到传感器阵列板(未示)——粘合层构造是筛网可印刷的胶粘剂、双层涂布的胶粘带或具有高湿润性的柔软硅酮薄板，这些沉积在流体通道板4的底部上或者沉积在测试阵列卡片9的自由顶部表面上。
本发明的另一方面是流体输送装置中的组件，例如，粘合薄膜6和O形环11，其在一个实施方案中包括双层涂布的胶粘带和筛网印刷胶粘剂以粘合到流体输送装置的其它组件，其应当显示出无关重要的传感器元件响应的化学干扰。在这种应用中的胶粘剂典型地属于丙烯酸酯(盐)型胶粘剂的家族。胶粘剂系统的仔细筛网是优选的以便最小化化学干扰。
在流体输送装置的另一实施方案中，O形环是部分吸收性材料，其在中心是疏水的，而朝外径是亲水的。这允许由于飞溅或者流体输送装置相对于水平面倾斜造成的注入到进口而在顶部溢出的任何过量水被多孔材料所吸收。这最小化了任何过量注入的样品流体流失到覆盖密封薄膜2的顶部并且导致提高的和不受控制的从表面排气孔7将样品流体引入多个储存器或者由表面路径以及沿着排气孔7向下通过从一个或多个储存器到其它储存器转移已反应的样品流体而造成的可能的交叉污染。
在测试阵列平台的一个实施方案中，在测量期间流体输送装置与测试阵列卡片结合。在这个实施方案中，使得流体样品的主要部分(body)驻留在测量期间与传感器元件相互作用的样品流体的储存器中，即，当反应发生时或者朝着平衡方向进行时，测量是在“润湿”条件下进行的。
在测试阵列平台的上述实施方案中，其中在测量期间测试阵列卡片与流体输送装置结合，覆盖密封薄膜可以包括透明材料，使得在所关心的波长范围内的源光的最小强度被这层所吸收，假设光在传感器元件上是入射的并且需要透射通过这个组件的厚度。
现在参考图30a-c，流体取样装置可能包括附着于测试阵列卡片9的流体通道板4，其中覆盖层2形成储存器8和排气孔7的顶部分并且形成与由O形环11密封的进口12通讯的流体通道5(图30a)。或者，如图30b-c所最佳显示的，总流体通道测试阵列13可能包括配置在储存器8内的传感器元件3(图30b)或者传感器元件3可被置于覆盖层2的底表面上(图30c)。
传感器元件3可被一体化到流体-输送系统，并且总流体通道测试阵列13被改性而包括多个井8，而不是形成储存器四壁的单独的流体通道板4的贯穿厚度的开口。这种实施方案此外消除对粘合层6的需要，因为不再存在单独的测试阵列卡片9。这种实施方案的优点在于它降低了用于测试阵列平台装配的组件总数，通常降低到3个组件，即：O形环11，覆盖密封薄膜2，和改性流体-通道板13，后者包括用于容纳样品流体的井。在这种实施方案中，传感器元件可被放置在样品流体的顶部(即，覆盖层2的底表面)，而不是底部(即，在储存器8内)，和本文中所述的其它实施方案的情况一样。
在测试阵列平台的又一个实施方案中，在顶边设计用于容纳O形环特征的模塑板来代替覆盖薄膜2。O形环/覆盖板的组合保留了薄膜的全部排气特征和亲水底表面。这种实施方案使得将待装配的组件降低为2个，从而提高了制造效率。
在全分析系统的另一实施方案中，流体输送装置10与测试阵列卡片9是可拆卸的。在这个实施方案中，将测试阵列卡片9干燥到这种程度，使得在传感器元件3的表面上没有样品流体液滴剩余。因此测试包括了另外的吸收步骤，其中在填充储存器并且给传感器元件足够的时间进行反应后，流体输送装置与测试阵列卡片分离，这还导致来自储存器的样品流体沿剥落界面运输离开。在传感器元件的表面上剩余的水滴优选用吸收剂薄板吸收掉，然后将测试阵列卡片引入检测装置以便测量传感器元件响应。这种实施方案的特性在于吸收性材料将具有受控范围的表面特性，即，芯吸特性，包括吸收速率和液体容量，从而有效地从传感器元件表面除去样品流体，而在传感器元件表面处没有产生不合要求的变形，这是快速流体除去的结果。本文中公开的浸渍-隔室型流体输送系统还可称为可拆卸的流体-输送系统实施方案。
亲水-涂铺的疏水覆盖薄膜/板
大多数常见的塑料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚碳酸酯，聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚乙烯，聚丙烯，尼龙，ABS等，与水的接触角为约60°-约110°。在这个示范性实施方案中，本发明包括亲水性表面的结合，所述亲水性表面与流体通道和样品储存器接触，在形成通道-储存器结构的顶板的连续的单平面中将两者相连。通道的两个侧壁，通道地板和储存器的四个侧壁通常是典型的塑料表面，接触角为约65-90°。来自这些壁的接触角的组合没有提供所需的毛细力以便驱动流体从流体引入区域通过通道而流入储存器。覆盖薄膜/板的亲水性表面的重要性在于它扩充了通道和储存器构造，帮助将流体样品从等候区汲取到通道中，驱使朝着储存器而流动通过所述通道，随后有助于沿顶板从通道至储存器的过渡。流体被迅速地汲取从而沿顶板积累并且在重力和毛细管力的作用下，沿储存器壁的边缘向下汲取而进入储存器。覆盖薄膜/板的这个表面的亲水性是通过要求接触角优先低于约30度，更优选低于约20度来量化的。一般地，工程塑料材料不具有30度或更小的接触角。因此，为克服这种性能，优选将亲水覆盖薄膜/板的底表面通过表面物理改性、表面化学处理、表面涂层或表面极性-提高方法改性为亲水性表面。
图1中所示亲水涂铺的覆盖薄膜2优选获自Adhesives ResearchInc.，商品名这种薄膜有利地提供了易于通过在施加于衬底薄膜的一侧的亲水涂料的共混物中引入胶粘剂成分而装配到流体通道板4。衬底薄膜可以是各种由薄膜挤出、吹膜或薄膜铸塑而形成的薄膜。然而，有利的是获得一种具有高接触角的薄膜，如聚丙烯，其包括约90-110度的接触角。一般而言，接触角越大，流体输送装置防止储存器中的水从排气孔中渗出的能力越好，渗出的原因在于，排气口尺寸的制造变化，或聚合物薄膜表面性质中的空间变化，或在测量期间为抑制流体溢出或者过渡投配给储存器而使测试-阵列系统倾斜的发生率。
再次参考图1中所示的实施方案，覆盖薄膜涂层是可获自AdhesivesResearch的型薄膜的亲水和胶粘剂活性成分的共混物。在这种实施方案中，不要求另外的粘合材料来装配覆盖薄膜/板与流体通道板。不过，合适的是使用亲水/胶粘剂涂铺的覆盖薄膜，其结合了用于生产流体装置的组分中的亲水和胶粘剂性质，在一些实施方案中也许令人期望的是通过使用另外的步骤，特别是在上述覆盖板实施方案(用O形环特征的板代替覆盖薄膜)中，来生产亲水性表面。在这方面，应当理解在文献中聚乙烯基吡咯烷酮已经广泛地使用，以使得聚合物表面、膜和过滤器的表面具有亲水性(hydrophilize)。
类似于前述实施例，以下实施例被包括在内以证明本发明的宽广的适用性。本领域技术人员应当理解下文中所公开的技术是本发明人所发现的技术，因此可以将其认为是构成用于其实践的示范性的方式。然而，根据本发明，本领域技术人员应当理解在所公开的特定的实施方案中可以进行许多变化，并且在不偏离本发明范围的情况下这些变化仍获得了相同或类似的结果。
实施例10：
在一侧涂铺有硅酮释放薄膜的聚乙烯薄膜被浸渍在1％聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)的溶液中，在40℃过夜。加热促进PVP结合到聚合物薄膜并且使表面亲水。使用这种涂覆的薄膜来代替图1中的覆盖薄膜2。流体通道板4喷涂有3M-喷涂胶粘剂并且PVP涂覆薄膜被层压到该板上，使用图1的其它元件，生产了结合流体覆盖物的测试阵列系统。在使用用于亲水流动的PVP涂铺的聚合物薄膜的测试阵列系统中的44个隔室的填充曲线示于图33中，使用酸性蓝80染料，在630nm波长下使用相同数目的LED-PD对来测量的。
图33中所示的曲线包括吸光度测量，以6秒时间间隔采集测量值，从样品注入前的时间(隔室中没有样品)到当隔室完全填充时的时间点)(显示了吸光度为约0.2)。的确显示出吸光度增加的曲线或者没有被通道所连接(not connected by channels)，或者处于没有有效涂覆有PVP溶液的PVP-涂覆的薄膜区域中。
对于本文中所述的实施方案中的一些来说，由于覆盖薄膜/板直接位于传感器系统的光程中，所以塑料被选择为适合于透明薄膜/板。然而，在一种流体装置是可拆卸的备选实施方案中，形成半透明的或不透明的薄膜/板的聚合物也可以被考虑。
实施例11：
如图31a-d所示，在用水样品填充装配取样器的不同阶段显示了装配取样器的操作动力学的动态吸光度成像。这里，进行动态吸光度成像以评估装配取样器的操作动力学。在这些测量中，干燥装配的取样器在图31a中的图像作为参考，图31b-d中所示的图像分别是在填充取样器的不同阶段获得的。在这次评估中，同时评估了单独的传感器元件的性能。
实施例12：
如图32a-c所示，进行了动态吸光度成像以评估具有传感器元件的装配取样器的操作动力学，所述传感器元件提供了将试剂受控浸提入受控样品体积；这里，在用水样品填充装配取样器的不同阶段显示了装配取样器的操作动力学的动态吸光度成像。每个图32a，32b，32c的左上和左下象限没有包含传感器元件，因此显示出非常均匀的水-填充动力学。每个图32a，32b，32c的右上和右下象限此外包含了复制的传感器元件，显示出非常均匀的水-填充动力学和试剂-释放动力学。由于受控样品体积，当水与传感器元件相互作用时，负责产生光信号的薄膜中的化学试剂停留在样品体积中，提供了精确的信号测量。在这些测量中，干燥装配的取样器的图像作为参考，如图32a所示。在这次评估中，同时评估了单独的传感器元件的性能。
浸渍样品输送
图34a，34b举例说明本发明的又一个实施方案。如图34a，34b所示，具有用作样品储存器的孔的由合适的疏水材料(例如硅酮，氯丁橡胶等)制成的掩模被置于包含传感器薄膜的基板350之上。掩模354中的储存器352可以通过包括模塑，冲压，切削，钻孔等等的方法制造。与掩模厚度相结合的储存器(其编号1-12)的直径限定了储存器352的样品体积容量。通过许多方法包括但不限于胶粘剂或共形接触，掩模354可被附着于基板。
如图36a-c最佳所示，当装置360被插入液体样品370中时，样品进入掩模354中的储存器。当移去样品容器时，储存器壁的表面张力导致掩模储存器中的样品的离散体积372的分离。影响样品输送的均匀性的因素包括储存器直径，储存器深度，掩模表面能和掩模收回速率。
实施例13：
图37举例说明根据图34a-b配置的样品输送装置的性能。在本实施例13中，基板350由聚碳酸酯制成，而储存器掩模354由1.5mm厚的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄板制成的。在PDMS掩模中冲压储存器352使得制成5mm直径的孔。具有附着的掩模354的基板350纵向浸入包含去离子水的容器中，然后迅速地取出(约2.5厘米/s)。在单独的储存器中分离的水使用分析天平来量化。在所述配置中，输送的样品物质是29.4+/-1.7μg，产生了5.7％的储存器-储存器再现性。
在其它示范性实施方案中，当然储存器掩模354可以改性以引入疏水和亲水官能性。在实施例13的实施方案中，劣化的样品物质再现性的潜在原因之一被确定为向位于储存器中的样品物质添加了最初位于储存器之间的疏水掩模上的分离样品液滴。为最小化这种现象，部分储存器掩模可以改性以赋予亲水特性。如图35a，35b所示，这种改性可以，通过向储存器掩模添加薄的亲水薄膜380，或者通过储存器掩模本身的表面改性，通过涂层，基于处理(UV或等离子体)，来完成。通过恰好围绕单个储存器保持疏水区域，进行样品体积分离。最初位于单个储存器之间的液滴接合在掩模的亲水区域上并且靠重力除去。
实施例14：
图38举例说明根据图35a-b配置的样品输送装置的性能。在本实施例14中，基板350由聚碳酸酯制成，而储存器掩模354由1.5mm厚的PDMS薄板制成的。在PDMS掩模中冲压储存器352使得制成5mm直径的孔。储存器临时用9mm直径胶带片覆盖以进行表面改性。PDMS用空气等离子体来改性以在暴露区域中制造亲水性表面。然后除去胶带以制造多官能的表面。具有附着的掩模的基板纵向浸入包含去离子水的容器中，然后迅速地取出(约2.5厘米/s)。在单独的储存器中分离的水使用分析天平来量化。在所述配置中，输送的样品物质是27.0+/-1.2μg，产生了4.6％的储存器-储存器再现性。
还公开了用于快速制造微流体装置的材料和方法。微流体装置包括一个或多个微流体通道，其配置用于各种应用，如化学分离，化学提取(如基于亲合性或抗体的方法)，电子渗透泵和电泳。微流体通道可彼此相连而形成互连通道网络。进一步，对于溶液型化学过程，通道网络可被连接到一系列储存器，其包含化学试剂，产物和/或废物，从而形成微流体装置，如基于芯片的实验室。如本文中使用的，术语“基于芯片的实验室”是指一种装置，其被配置以在单个小型化装置上进行应用(如生物，药物等等)分析的结合。在基于芯片的实验室类型的微流体装置中，在操作期间，在受控的通道网络区域中，使用工艺，如动电学或流体动力泵，不同的试剂可被聚集成特定的序列，混合和使其反应达预定的时间。例如，动电学可能包括电渗或电泳。
图39A举例说明三层112，114和116的叠层结构110的剖视图，其形成了微流体装置120，如图39B中举例说明的。叠层结构110包括第一基板112，具有腔或微流体通道图案118，其限定多个微流体通道中的一种或多种。取决于所用的材料，微流体通道图案118可在基板112中形成，通过使用图案化技术，如压纹，注塑，光刻法，化学浸蚀，激光器微成形，或其组合。在示范性实施方案中，其中基板112由玻璃构成，光刻法可被使用，从而形成微流体通道图案118。或者，基板112可能包括聚合物型材料，半导体，陶瓷，玻璃，硅酮，熔凝硅石，石英，硅，或其组合。聚合物型材料的非限制性的实例可包括SU-8，环状的烯烃共聚物(COC)，聚(甲基丙烯酸甲酯)，聚苯乙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚碳酸酯，聚氯乙烯，聚二甲硅氧烷，或其组合。
叠层结构110进一步包括多孔材料114和第二基板116。第二基板116可或未必包括微流体通道图案，取决于装置中的微流体通道的令人期望的形状。多孔材料被配置以提供样品溶液在其中的流动。在一个实施方案中，多孔材料114可以这样制备，包括方法例如，但不限于发泡，静电纺纱，自组装，烧熔，溶胶-凝胶化，反应性凝胶化，反应性蒸汽烧结，熔化，挤出，或其组合。通过这种方法制备的多孔材料可以是无机的，有机的，聚合的，杂化的，或其组合。多孔材料的其它实例可包括多孔的玻璃纤维复合薄板，多孔聚合物薄板，聚合物纤维，多孔膜，硅酮泡沫体薄板，橡胶泡沫体薄板，或其组合。进一步，多孔材料114可以由单层多孔材料形成或者可包括两或多层的多孔材料。在这种实施方案中，两或多层可包括不同的多孔材料。
现在参考图39B，通过使用具有层112，114和116的叠层结构110(看图39A)制造微流体装置120。通过在预定温度下施加压力来挤压叠层结构110。制造步骤包括挤压叠层结构110，温度为约70℃-约160℃，而压力为约50psi-约1000psi。在一个实施方案中，多孔材料114和第一和第二基板112和116之一或两者可以永久地粘结。在挤压时，一部分多孔材料114配置在第一和第二基板114和116之间，与微流体通道图案118重叠，填充微流体通道图案118的区域122，从而形成微流体通道124。
如图39B中举例说明的，在微流体通道图案118的区域122中的多孔材料经历很小的压缩力或者没有经历压缩力。在区域122中的多孔材料122被配置以提供流体或样品溶液在其中的流动。然而，在区域126中的多孔材料114配置在第一和第二基板112和116之间并且与第一和第二基板112和116接触，通过施加压力而被挤压，变得比区域122中的多孔材料密集更大。在区域126中的多孔材料114未必允许样品溶液在其中流动，由此限定微流体通道124和防止流体渗出微流体通道124。在一个实施方案中，在未压缩的区域(即区域122)中多孔材料114的孔隙度可以是约30％-约90％。然而，在区域126中多孔材料的孔隙度可以是约70％-约100％。
进一步，多孔材料114可包括不均匀的孔隙度。例如，多孔材料114可沿微流体通道的长度方向包括不均匀的孔隙度。在一个实施方案中，多孔材料114可以具有梯度孔隙度，其具有沿液体流动方向的梯度。如下文所详细描述的，这种不均匀的密度可促进微流体通道在应用(如萃取，或分离)中的功能。
另外，一个或多个复合材料薄板可以位于多孔材料的任何一边上。这些薄板当挤压时使得多孔材料的表面是相对无孔的，由此防止流体从微流体通道渗出。
在一个实施方案中，在微流体通道图案118中用于填充使用的多孔材料的薄板受到物理薄板-改性步骤。这一步骤在预定厚度的材料上增加了材料表面之一的材料密度。在另一实施方案中，多孔材料114受到化学薄板-改性步骤。这一步骤在预定厚度的材料上改性了材料表面之一的材料化学性质。这些改性步骤提供了改性的输运特性，针对在流过微流体通道124的样品溶液中的物质而言。
在一个实施方案中，多孔材料114可以官能化以进行各种应用，如下文所要详细描述的。在一个实施方案中，多孔材料可以用合适的有机固定相来官能化以便在色谱应用中提供提高的分配性能。例如，在一个实施方案中，多孔材料114可包括在聚合物粘合剂基质中的玻璃纤维。在这种实施方案中，玻璃纤维和聚合物粘合剂的结合提供在流体通道内的可用的玻璃表面，这借助于玻璃表面改性方法促进了流体通道的官能化。
另外，通过使用一种或多种电解质，离子溶液，抗体型溶液，化学试剂，试剂释放物质，或其组合，多孔材料114被官能化。在形成微流体装置120之前或者在形成微流体装置120之后，多孔材料114可以被官能化。例如，当使用电解质时，在微流体通道124两端施加电压可导致基于多孔材料如玻璃纤维的ζ电位(zetapotential)形成样品流体的电渗流动(electro-osmotic flow)。这种电渗流动(electro-osmotic flow)可以用于驱动溶液通过微流体通道124的网络或者到其附近。
微流体通道124可以通过使用化学试剂官能化。在一个实施方案中，在微流体装置制造前后，化学试剂可以分散在多孔材料中。试剂可包括一种或多种材料，其对于特定的应用来说是令人期望的。另外，这些试剂可以位于在微流体通道124中的所选位置。例如，在传感应用中，试剂可包括位于微流体通道124的特定位置的化学物种，其中该化学物种被配置在微流体通道124中用于检测pH缓冲液，传感在微流体通道124的下游发生的反应。当样品流体流过通道时，固定在多孔材料中的试剂在流体中溶解。
在一个实施方案中，多孔材料可以用至少一种试剂浸渍，其在微流体装置操作期间被释放。脱模剂可以具有官能性以便物理上，化学上或生物学上改性通过微流体通道的流体流动。例如，化学试剂释放物质可包括装在密封剂中的化学试剂。化学试剂释放物质可以被配置，当与在微流体通道中流动的分析物溶液相互作用时，以便释放化学试剂。
在应用如检测和传感中，通过流体与具有各种试剂的官能化多孔材料的相互作用，流体的物理、化学或生物学特性可以改变。随后，流体可以基于所改变的性质来标识。在一个实施方案中，通过与合并到多孔材料114中的试剂的化学反应，样品流体的温度或pH可以改变。在另一实施方案中，通过改变液体的生物或化学状态，可以实现流体样品的生物或化学改性。这方面的一个实例是蛋白质或核酸的解叠或折叠，这是由与合并到多孔材料114中的试剂的化学反应造成的。对于在微流体通道中流体的化学改性来说，可以使用各种试剂。流体化学改性所使用的试剂的非限制性的实例可包括比色和荧光试剂。基于在流体和试剂之间的化学过程，当与特殊流体相互作用时，这些试剂可经历光学性质的改变。通过微流体通道124的表面之一，然后可检测光学性质的改变。
应该理解的是在微流体通道中的流体流动显示层流性能，这是由于低雷诺数条件造成的。这种特征可以被用于应用，如颗粒分离和传感。颗粒分离可以基于颗粒扩散系数的差别。例如，在一个实施方案中，两个单独的流体可以经由在微流体通道如通道124的一端的入口泵送，这些流体可在微流体通道124内相遇。由于层流性质，两种流体可并排流动并且通常未必混合，除非相互扩散。应该理解的是，因为较小颗粒扩散速度大于较大颗粒，较小颗粒可扩散入并流物流中。因此，当流体在微流体通道124的出口分离时，大部分较小颗粒将已经扩散入另一个流体。这样的分离技术可以被使用以便分离血细胞与血浆。对于免疫测定应用，这样的技术可以用于从样品中分离大的干扰分子，由此允许相对更精确的对分析物进行分析。进一步，对于允许搅拌含抗原的流体与含大的颗粒(particle)以及固定抗体的流体来说，其也是有用的，以便使得固定抗体与抗原反应，随后通过顺序的微流体洗涤或萃取步骤，分离颗粒(bead)和抗原。
在另一实施方案中，填充多孔材料114的微流体通道124可以用分子官能化，所述分子显示出对特定的目标分子的亲合性(离子，核酸或抗体型)。因此，当具有分子(包括目标分子)的混合物的流体通过这些通道124时，目标物有选择地从液体流动中移出，并且浓缩于官能化多孔材料114，如玻璃纤维。这样的通道可以用作过滤器以除去非所要求的分子或干扰物。反之，这些通道可以用作令人期望的目标分子的预浓缩器。
在一个实施方案中，在微流体通道124中的多孔材料114通过毛细作用提高了流体从微流体装置120的一个位置到另一位置的运输。在一些实施方案中，这种特征可促进流体在微流体通道124中的不同的位置之间的转移，其中不同的位置具有不同尺寸和形状以便产生位置间的毛细作用的差别。另外，这些位置间的毛细压力差可以通过多孔材料的孔隙度和/或亲水性来控制。例如，多孔材料可以经改性而从疏水转化为超亲水材料，其中水接触角小于10度，由此改变微流体通道的毛细作用。
在图40A和40B举例说明的实施方案中，举例说明了微流体装置的另一实施方案。装置136包括基板130。基板130包括腔或微流体通道图案132，其限定了微流体装置136中的微流体通道138。如图40A的叠层结构128中举例说明的，装置136进一步包括多孔材料134。多孔材料134被置于基板130上。在一个实施方案中，多孔材料134可以经受化学和/或物理表面改性步骤，后面是微流体装置的制造。
装置136是通过相对于基板130挤压多孔材料134而形成的。当挤压时，一部分多孔材料134填充区域140中的微流体通道图案132，从而形成微流体通道138。区域140中的多孔材料134可经历很小的挤压或者不经历挤压，由此允许在装置136的操作期间流体穿过微流体通道138的通路。在区域142中，多孔材料134经挤压从而形成致密层，有效地从这些区域中的微孔消除空气。
加工制造步骤包括挤压叠层结构128，温度为约70℃-约160℃，而压力为约50psi-约1000psi。在应用加工步骤时，多孔层被整平，从而形成具有可变密度且在微流体通道中进行填充的层。由于化学和/或物理的表面-改性步骤，其使得多孔材料134的暴露表面144是无孔的，微流体装置136需要仅仅两层，基板130和多孔材料134，不需要第二基板，如基板116(看图39A和39B)。进一步，多孔材料的其它改性，如化学处理，官能化还可被用于微流体装置136。
在图41A、41B、41C、41D和41E举例说明的实施方案中，举例说明了微流体装置135的另一实施方案。图41A举例说明图41C的微流体装置135的三层123，125和127的叠层结构121的分解剖视图。图41B举例说明，沿线41B-41B，图41A的叠层结构121的从侧面的另一剖视图。如举例说明的，第一和第二基板123和127分别包括以台阶结构131和133的形式的微流体通道图案。两基板123和127可以具有类似的，补充的或不同的台阶结构，通常如131和133举例说明的。进一步，叠层结构121包括多孔材料125，其位于基板123和127之间。
挤压叠层结构121形成装置135。图41C举例说明装置135的前视图，图41D和41E举例说明装置135的剖视图，分别沿图41C的线41D-41D和41E-41E剖开。当形成装置135，基板123和127可以彼此相互设置，使得台阶结构131和133一起可形成微流体通道137。例如，在具有微流体通道137的区域139中，如所示的台阶结构131和133配置在相互之间偏置的位置，使得区域139具有经历很小挤压或者不经历挤压的微流体通道137，因此其具有较低密度的多孔材料125，相比于区域141来说，其中多孔材料125通过压缩力的作用更致密。在这些相对低密度区域139中的多孔材料125可经历很小的密封或者不经历密封。在这种实施方案中形成的微流体通道137可在不同的水平面上延伸，这是由于基板123和127的台阶结构131和133造成的。在举例说明的实施方案中，区域139中的微流体通道137可跟随第一和第二基板123和127的台阶131和133，从而形成三维连续的微流体通道，其沿台阶131和133在第一和第二基板123和127的不同的水平面上延伸。在区域141中的多孔材料125可跟随台阶结构131和133，其在微流体通道137的旁边，从而限定微流体通道137的区域，并且将流体样品保留在微流体通道137中，这是由于多孔材料125在区域141中的降低的孔隙度造成的。还应当理解的是台阶结构131和133可彼此相对地以一种未偏置的关系配置，由此使得区域139具有更密致的材料。
图42是图41C和41D的微流体通道137的另一实施方案。在举例说明的实施方案中，微流体装置143包括单个微流体通道145，其是在由第一和第二基板123和127的台阶131和133限定的不同的水平面上形成的。在不同的水平面中的微流体通道145未必互相通讯。换言之，微流体通道145未必从一个水平面绵延到另一水平面。微流体通道145是通过将基板123和127彼此相对排成一行而形成的，使得区域147中的多孔材料125处于没有压缩力或者很小压缩力的情况下，此时具有基板123、127和多孔材料125的叠层结构被挤压而形成。因此，区域147中的多孔材料125未必经历密封。然而，布置在微流体通道145外边的多孔材料125的区域149可经历密封，原因是压缩力。
图43举例说明微流体通道146，其具有多孔材料152，配置在内并且具有微孔154。微流体通道146配置在第一基板148和第二基板150之间。第一和第二基板148和150包括区域156中的微流体通道图案，以便限定微流体通道146。在制造时，配置在区域156中的多孔材料152的一部分经历较小的压缩力，因此具有更高的孔隙度，相比于区域158中的多孔材料的部分而言。因此，配置在区域156中的多孔材料152的一部分中的微孔154是较大的，相比于其它区域中的微孔而言，如158，由此允许液体流动通过微流体通道146。
图44举例说明了使用微流体装置162的系统160。在示范性实施方案中，系统160可以用于制药工业，其依赖于化学实体的合成和筛选。系统160提供了缩短的优化循环时间，具有经济效益，原因是需要低得多的量的试剂。进一步，系统160提供了这样的能力：一定范围的对化学过程、环境的控制，直接通过装置常驻致动器实现。
通常在常规的分批技术中，确认和优化反应往往是限速步骤。然而，在系统160中，可以对生物分析或化学分析进行自动优化。另外，系统160产生的材料的量可以通过提供并行组的微流体通道而提高。
微流体装置162包括微流体通道164，166，168，170和172。微流体通道164，166，168，170和172可能包括相同的或不同的多孔材料(未举例说明)。试剂，即试剂A(由方框174表示)和试剂B(由方框176表示)，在微流体装置162的微流体通道164中通过入口178进料。一旦在微流体通道164中，试剂A和B 174和176反应，如由附图标记180所指出的，在反应阶段177期间进行，从而形成产物182，184和186(在产物形成阶段185)。另外，虽然没有举例说明，副产品还可在产物形成阶段185期间形成。随后，产物182，184和186可以在产品分离阶段187，通过使用分离技术，如色谱或电泳，进行分离。在一个实例中，可以使用液相色谱，尺寸排阻色谱法或离子色谱法来分离产物182，184和186。在另一实例中，可以使用毛细管电泳或凝胶电泳来分离产物182，184和186。
随后，分离的产物182、184和186可以悬浮在相容介质188中，其通过微流体通道166在装置162中引入。相容介质188促进了在预定位置中的三种产物的分离和分布。例如，相容介质188促进产物182，184和186进入微流体通道172，从而被收集作为分析物，如由附图标记190指出的方框，其它的非所要求的副产品通过微流体通道170收集在微流体装置162的外部，如由方框192所表示的。虽然没有举例说明，但是系统160可进一步包括检测器，反馈线路，或两者。检测器或反馈线路可以与微流体装置162工作相联。在一个实施方案中，反馈线路可被配置以调节进入微流体装置162的试剂的量。
本发明的微流体装置的其它应用可包括进行生物分析试验，如聚合酶链式反应(PCR)，以非常小的体积，从而增加这些试验的速度并且降低所需的材料和试剂的量。例如，微流体装置可以用于DNA大小筛分，RNA大小筛分，分离毒素，分离生物细胞如病毒或细菌，分离分子无机离子、药物、毒品或杀虫剂，或分离合成聚合物，或分离化学战剂和化学战剂的水解产物。在一个实施方案中，在毛细管和毛细管整列电泳微装置上的DNA片段大小筛分和序列整合了电化学检测，和氨基酸手征分析。
或者，本发明的微流体装置的实施方案可以用于合成。例如，微流体装置可以用于进行各种的合成方法，如流动注射分析，连续流动反应，脉冲流动反应，或分段流动反应。进一步，微流体装置可以用于进行以下物质之间的反应，合成分析物如小分子或无机离子，药物，毒品，杀虫剂，合成聚合物，生物聚合物如DNA或RNA，半导体纳米颗粒，贵金属纳米颗粒，或量子点(quantum dots)。
另外，微流体装置还可用于在给定的流体样品中预浓缩或萃取分析物。例如，通过使用上述微流体装置，可以从溶液中萃取蛋白质，肽，核酸如DNA或RNA，毒素，生物细胞，无机离子，药物分子，毒品分子，或杀虫剂分子。进一步，微流体装置所做的分析可以是时间分辨的或者基于时间的，或可以是稳态的。
进一步，上述实施方案的微流体装置可用于检测应用。在这些应用中，微流体装置可以用于电子能谱法，振动谱学，微波谱学；紫外-可见光谱学，荧光光谱学，拉曼光谱学，表面增进喇曼光谱学，金属增进荧光光谱学，近红外线光谱学，红外光谱学，或其组合。在这些应用中，微流体装置可以与一种或多种这些光谱仪结合。
实施例
玻璃纤维复合材料，AZDEL Superlite，获自GE Plastics，(MountVernon，IN 47620-9364)夹在四个玻璃显微镜载玻片(Corning GlassWorks，Model 2947)之间，使得两载玻片被置于AZDEL复合材料的每侧上。在AZDEL的每侧上，载玻片这样设置，使得产生1.5mm缝隙，从而形成流体通道。AZDEL Superlite复合材料薄板和载玻片是1mm厚。然后在两金属板区域之间，挤压夹心板结构，使用中等压力约200psi，和提高的温度120℃，其中施加压力，厚度降低。另外，挤压区域将载玻片AZDEL层状结构粘合入一个单元中。其中不使用压力的区域(该区域位于载玻片中的缝隙之下)不受到挤压，并且由此形成微流体通道，如图43中举例说明的。这样形成的微流体通道的尺寸是1.0mm×1.5mm通道。在这种通道中，具有玻璃纤维和聚合物粘结剂的复合材料保留了其体积从而使得流体运输通过微流体通道。然而，在挤压的区域中，AZDELSuperlite复合材料被挤压至每个厚度为0.150mm，由此有效地密封微流体通道以防止任何流体输送到通道外。通过在包含微加工通道的聚碳酸酯薄板之间挤压AZDEL复合材料，已经实现了类似的结果。
虽然本发明结合仅仅有限的实施方案进行了历述，但应当容易地理解的是本发明不局限于所公开的实施方案。相反地，本发明可以改变以引入之前未描述的许多变化，改变，置换或等效结构，但是其与本发明的精神和范围是等同的。例如，虽然结合分离，检测，药物应用描述了微流体装置，但是应该理解的是微流体装置可应用于其中使用微流体通道的任何用途。另外，虽然已经描述了本发明的多个实施方案，但是应将理解的是本发明的涉猎可包括已述实施方案中的一些。因此，本发明不能看作受到上述说明书的限制，但是仅仅受到所附权利要求的限制。

Claims (24)

1.  一种用于同时测量流体中的多个生物或化学分析物的方法，所述方法包括以下步骤：
提供基板，其包括多个传感器元件，每个所述传感器元件响应所述多个分析物中的至少一个；
提供至少一个用于将光引到所述传感器元件上的光源，
输送步骤，用于输送测量量的流体到每个所述传感器元件；
检测来自所述传感器元件的响应；
将所述响应记录成数字记录；
处理所述数字记录；和
利用所述数字记录来测定所述流体中的每个所述分析物的浓度；
其中所述输送步骤包括提供输送装置，其包括多个与所述传感器元件通讯的储存器，所述输送装置进一步包括样品进入口和多个亲水流体通道，所述通道连接在所述储存器和所述进入口之间，以便在所述进入口和所述储存器之间运输受控体积的所述流体，所述输送装置进一步包括附着于所述输送装置的覆盖层，所述覆盖层包括多个配置在所述储存器之上的疏水的排气口，所述覆盖层进一步包括亲水的底表面，用于在所述储存器之上提供亲水的顶部分，从而促进所述流体运输到所述储存器。
2.  权利要求1的方法，其中所述基板是单成形结构，包括多个储存器、样品进入口和多个流体通道，后者连接进入口至所述储存器，所述方法进一步包括以下步骤：提供适合于覆盖所述储存器的覆盖层，其中所述传感器元件配置在所述储存器内或者配置在所述覆盖层的底表面上。
3.  权利要求1的方法，进一步包括以下步骤：在所述输送步骤后，从所述输送装置除去所述基板。
4.  权利要求1的方法，进一步包括以下步骤：在所述输送步骤后，从所述输送装置除去过量流体，其中所述基板是DVD、CD、双层盘或蓝光盘。
5.  权利要求4的方法，其中所述CD是超级音频CD。
6.  权利要求1的方法，其中所述输送装置进一步包括与所述进入口操作相关的O形环，所述O形环适合于吸收在所述输送装置的顶部溢出的过量流体。
7.  权利要求1的方法，进一步包括以下步骤：提供用于包围所述基板的盘盒，其中所述基板是DVD、CD、双层盘或蓝光盘。
8.  权利要求7的方法，其中所述CD是超级音频CD。
9.  权利要求4或5的方法，进一步包括以下步骤：提供沾吸层以从所述基板除去过量流体。
10.  权利要求1的方法，其中所述通道是毛细通道，其适合于通过毛细力而不使用芯吸材料或者泵，将所述测量量的所述流体从所述进入口运输到所述储存器。
11. 权利要求1的方法，其中所述输送步骤包括通过以下方式将所述流体输送到所述传感器元件：电渗流动、电润湿法、热毛细泵、磁场、表面引流、电-化学控制、机械装置、向心力、表面能梯度或其组合。
12. 权利要求1的方法，其中所述输送步骤包括提供安装到所述基板的输送装置，所述输送装置包括多个与所述传感器元件通讯的储存器，当所述装置浸在所述流体中时，所述储存器适合于接收样品体积的所述流体，当所述装置从所述流体移开时，所述储存器适合于通过表面张力维持所述储存器中的所述样品体积。
13.  一种用于同时测量流体中的多个生物或化学分析物的系统，所述系统包括：
基板，其包括多个传感器元件，每个所述传感器元件响应所述多个分析物中的至少一个；
至少一个用于将光引到所述传感器元件上的光源；
用于检测来自所述传感器元件的响应的检测器设备，所述检测器设备适合于将所述响应转化成数字记录；基于所述数字记录，提供图像识别算法，用于标识所述至少一个分析物；以及提供软件型最优化算法，用于利用所述数字记录以产生分析结果；和
输送设备，用于将所测量的量的所述流体输送到每个所述传感器元件；
其中所述输送设备包括输送装置，其包括多个与所述传感器元件通讯的储存器，所述输送装置进一步包括样品进入口和多个亲水流体通道，所述通道连接在所述储存器和所述进入口之间，以便在所述进入口和所述储存器之间运输受控体积的所述流体，所述输送装置进一步包括附着于所述输送装置的覆盖层，所述覆盖层包括多个配置在所述储存器之上的疏水的排气口，所述覆盖层进一步包括亲水的底表面，用于在所述储存器之上提供亲水的顶部分，从而促进所述流体运输到所述储存器。
14. 权利要求13的系统，其中所述基板是单成形结构，包括多个储存器、样品进入口和多个流体通道，后者连接进入口至所述储存器，所述系统进一步包括适合于覆盖所述储存器的覆盖层，其中所述传感器元件配置在所述储存器内或者配置在所述覆盖层的底表面上。
15. 权利要求13的系统，其中所述输送装置永久地胶粘到所述基板。
16. 权利要求13的系统，其中所述输送装置可拆解地胶粘到所述基板。
17. 权利要求13的系统，其中所述输送装置进一步包括与所述进入口操作相关的O形环，所述O形环适合于吸收在所述输送装置的顶部溢出的过量流体。
18. 权利要求13的系统，其中所述基板是DVD、CD、双层盘或蓝光盘。
19. 权利要求18的系统，其中所述CD是超级音频CD。
20. 权利要求18或19的系统，进一步包括用于量化所述响应的光驱(optical drive)，其中所述输送设备包括用于包围所述基板的盘盒。
21. 权利要求20的系统，进一步包括沾吸层以从所述基板除去过量流体。
22. 权利要求13的系统，其中所述通道是毛细通道，其适合于通过毛细力而不使用芯吸材料或者泵，将所述所测量的量的所述流体从所述进入口运输到所述储存器。
23. 权利要求13的系统，其中所述输送设备包括用于通过以下方式将所述流体输送到所述传感器元件的设备：电渗流动、电润湿法、热毛细泵、磁场、表面引流、电-化学控制、机械装置、向心力、表面能梯度或其组合。
24. 权利要求13的系统，其中所述输送设备包括安装到所述基板的输送装置，所述输送装置包括多个与所述传感器元件通讯的储存器，当所述装置浸在所述流体中时，所述储存器适合于接收样品体积的所述流体，当所述装置从所述流体移开时，所述储存器适合于通过表面张力维持所述储存器中的所述样品体积。
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