CN101516510B - 无通道流体样品运输介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无通道流体样品运输介质。一种流控器件(100)，其包括衬底(101)和运输介质(103)，所述运输介质(103)设置在所述衬底(101)上，以限定出用于运输由外力驱动的流体样品(104)的运输通路。

Description

无通道流体样品运输介质

技术领域

本发明涉及流控器件(fluidic device)。

背景技术

在微结构技术应用中，流体可以通过形成在衬底中的微型化通道(微型化的通道可以由胶体材料填充)来输运。以针对此微结构技术应用的毛细管电泳器件为例，可能有必要在流体通道中产生电场，以便允许借助电力而通过通道输送流体的各种成分。此电力或电场通常是通过将毛细管电泳器件的接触针浸入可以填充到由耦合到微流控芯片的承载元件限定的井中的流体并且将电压施加到此接触针来产生的。

US 6,509,085 B1公开了提供具有通道结构的层叠件，所述通道结构设置在层叠件的板之间。通常通过将结构印刷在层叠件的板上来在所述板上产生通道。

US 5736188公开了一种支撑板，其提供通过印刷工艺而被设置有氧化硅或者纤维素的通路图案。可以存在多个从汇合在汇合区中的洗脱液施加区域引向检测区然后到废料储存器的通路。不同的通路可以因为其长度和/或材料的不同而具有不同的流体穿越时间。由此，沉积在不同通路上的沉积点(depot)的待分析物和试剂被顺序地输送(通过毛细力，就是说，纯粹内部的力)到检测区。试剂可以通过印刷来施加。检测区可以具有电极组件(也是通过印刷而施加的)，用于检测待分析物的结果。

发明内容

本发明的一个目的是能够简化流控器件的制造和/或操作。本目的由独立权利要求来解决。示例性实施方式通过从属权利要求来说明。

根据本发明的示例性实施方式，提供一种流控器件，包括：衬底(例如玻璃载片(slide))以及运输介质(例如凝胶)，所述运输介质设置(例如印刷)在所述衬底上，以限定出用于运输由外部源(例如在电泳应用中通过将电压施加到要被电耦合到运输介质的电接触针而产生的电力)驱动的流体样品(例如待分析的生化液体)的运输通路。

根据本发明的另一示例性实施方式，提供了一种制造流控器件的方法，所述方法包括：将运输介质设置在所述流控器件的衬底上，以形成用于运输由外力(例如电力)驱动的流体样品的运输通路。

术语“外力”可以具体指任何驱动机制，其不必是固有地基于流体运输介质的材料，而是可以来自于在流体运输介质外部设置或与流体运输介质分开设置的施力部件的影响。例如，可以使用机械式(例如真空或压力)力发生器(如泵)或电力发生器(例如连接到电压源的电极)来产生这样的外力。

根据示例性实施方式，运输介质(例如用于凝胶电泳器件的凝胶)可以被直接沉积到衬底的例如完全平坦或部分平坦的表面上，从而使得可以不必在衬底的表面部分内提供复杂的流控结构。与此相反，材料可以被简单地溅射、印刷、沉积、点涂(spot)或粘附到衬底的表面上，从而形成具有凸起结构作为流体运输结构的流控器件。运输介质可以被或者也可以不被形成为一个或多个“凸起结构”。

作用在流动通过运输介质的流体样品的组分上的电力可以例如通过将电极浸没在或压入到运输介质通路的特定部分中或通过将运输介质形成在形成于衬底中和/或衬底上的电极结构的顶面上，而被施加到这样的沉积运输介质上，从而允许流体样品的组分在这样的外部施加的电力的作用下移动。这样的流控器件的制造非常简单，并且还可以允许提供三维层结构，用于复杂或精密的流体运输。

因此，可以提供用于微米量级和纳米量级测量、尤其是用于生命科学芯片技术的方法和设备。不同于常规的在用于微米技术应用或纳米技术应用的衬底中形成通道的需要(其中，所述通道在由使用者使用之前必须填充凝胶材料等)，示例性实施方式可以在制造和操作方面明显不那么费力，并且可以以更低的成本来制造。与制造复杂的通道系统(其中可以填充相应的物质，并且该物质可以随后被电接触)相反，示例性实施方式可以允许简单地将结构(如凝胶、染料、缓冲液、样品等)印刷在甚至完全平坦的衬底上。流体样品可以随后在外力的作用下被引导通过作为运输介质的凸起结构(也可以产生例如电力、由压力/真空产生的附加机械力、由磁体产生的磁力等)。

具体地，利用印刷技术，如喷墨印刷技术、涂漆技术、滴涂(dispenser)技术(例如粘附技术)、笔状材料施加技术(例如，在衬底表面上“涂绘”凝胶材料)、压印技术或丝网印刷，可以通过沉积来设计流体运输结构，而无需使用衬底(根据需要，可以是平坦的或不平坦的)的通道壁作为机械支撑。流体运输介质在垂直维度上的高度可以通过一次或数次重复沉积工艺来调节。示例性实施方式可以应用于皮米技术、纳米技术和微米技术。

多层工艺中的凸起结构的沉积和设计可以以类似于塑料技术中已知的快速成型(rapid prototyping)的方式执行。

根据示例性实施方式，可以将固定结构与可变结构相结合。诸如电触头和基底的部件可以被固定。分离技术的活性功能结构(例如用于凝胶电泳分离的凝胶)可以是可变结构，其可以针对具体应用进行调节。用于具体应用的芯片的整体设计可以以模块的方式被实现为某种的结构化组件，通过这样的方式可获得可以以灵活的、使用者定义的和可变的方式组合的不同模块。

通过这样工艺，还可以集成工艺技术的元件(例如利用阀、泵和/或其它微米技术部件)。由此可以使得芯片技术(其中，芯片可以具体指生命科学应用领域中的芯片)处于高度集成水平。

因为可以施加非常薄的层(例如利用原子层沉积，ALD)，层的厚度可以以达到一个原子层的精度进行控制，所以示例性实施方式可以用于微米技术、纳米技术甚至皮米技术。

可以通过在形成运输介质的工艺之前(或之后)沉积导电结构，来形成电连接元件或电源。这甚至可以允许在衬底上沉积有源电构件(例如电容测量系统)。具体地，当预期将这样的芯片作为可再利用芯片(例如，对于这样的电容测量系统而言，通过在使用之后去除沉积的运输介质而不去除所沉积的电极结构)时，这样的系统的成本是合理的。但是，也可以在制造运输介质之后制造电源或其它电构件。

衬底可以包含一个或多个活性区域(例如，具有特定亲和力的部分)、传感器、不同温度区域等，并且微流控结构可以被简单地印刷在衬底上。

对于压力导管、真空导管和其它的气体或液体(就是说流体)的供应管线，运输结构的一部分也可以在喷墨印刷工艺或其它沉积工艺之前制造在衬底内部。

为了抑制或避免运输介质在制造过程中或之后的不期望的干燥，可以在饱和蒸汽气氛下执行制造工艺或操作该器件。

在沉积运输介质(例如凝胶)结构之后，可以用保护层(例如漆)覆盖衬底。通过采取该措施，可以产生封闭的层，还可以产生封闭的流体通路引导。

当使用喷墨印刷技术时，可以在芯片上设计非常不同的多个区，例如包含凝胶和染料的区、仅仅包含凝胶的区、包含具有添加剂的凝胶的区或者包含任何其它流体和/或固体的区。

通过这样的沉积技术，还可以以容易的方式制造运输介质导管的流控交叉构造或分叉构造(例如，用于混合流体，促进流体之间的化学反应等)以及制造三维结构。

示例性实施方式还可以在多层技术的环境下实现。例如，首先可以沉积对表面性质进行改性或调节的层。在这样的调整工艺之后，可以沉积具有运输介质的图案化层。也可以沉积运输介质的多层结构(在衬底表面上一层接一层的，或垂直层叠)。还可以设计多管路结构。

也可以提供盖元件来代替漆，所述盖元件可以包含可以密封芯片和形成井的衬垫(spacer)。样品和触头可以被浸渍或浸没在该井中。

这样的技术可以被用于制造多用途、易使用的芯片，以及制造由客户方面印刷的芯片(“按需要自定义芯片”(“chip-on-demand”))根据示例性实施方式，可以提供按需要自定义芯片，换句话说，可以使得其在客户侧使用之前就被印刷。这也可以包括客户可以设计其自己的芯片布局的可能性。

承载衬底和/或盖元件的表面部分可以(至少部分地)由疏水材料形成，使得可以在空间上限定出运输介质将被沉积在其上的表面部分。

衬底和/或盖可以被构造成可再利用的。回收使用过的流控器件可以减小分析成本。

还可以制造具有阀功能的运输介质结构，其中，这样的阀可以通过温度变化来操作(例如，印刷结构的一部分可以被冷冻或加热)。

预印刷且(随后)冷冻的结构容易运输，并且可以通过融化来达到应用条件。

根据示例性实施方式，流体运输内容物(就是说用于流体样品的运输介质)可以被施加在承载物上，用于芯片(特别是用于电泳应用的芯片)。这样的流体通路内容物可以是可以以无通道方式沉积在生命科学芯片的表面上的凝胶。这样的流体样品可以利用外部(电)能量，特别是利用(凝胶)电泳原理被驱动而移动。除了电泳分离之外或者作为电泳分离的替代，可以施加例如真空的其它分离力(例如，如由Manz等所公开的蒸发驱动分离)。

根据示例性实施方式，例如，采用两个或更多个印刷喷嘴，由该两个或更多个印刷喷嘴喷射混合比在空间上可改变的多种组分，可以在衬底上施加梯度凝胶。

可以使用具有孔或者没有孔的衬底，并且流体通路结构可以被印刷到该衬底上(例如，凝胶材料可以被印刷到其上)。孔可以充当流体容器，而且可以被部分地或完全地填充有流体运输介质。

如果需要，这样的结构可以用保护漆覆盖，以在制造和实际使用之间的时间内保护印刷结构。作为提供保护漆的替代方案，可以急速冷冻沉积有运输介质的衬底，从而避免或延迟运输介质的干燥或其它劣化。在后一种实施方式中，可以省略例如由漆制成的钝化层。另一替代方案是沉积在衬底上的经干燥的运输介质结构，该经干燥的结构可以在即将使用之前被加湿，以使得芯片达到生化应用的条件。

衬底可以由任何期望的材料(如玻璃、硅、塑料、陶瓷、半导体等)制成。

可以想到使运输介质将与形成在衬底中的小的(流体)容器/凹槽功能性接触或者与用于提供电接触的连接物接触。

在将钝化层沉积在凸起的运输介质结构上方之后，表面可以被平坦化或者可以保持为非平坦的。

沉积有凝胶并且施加有漆钝化层的衬底可以是通过从衬底的覆盖有运输介质的部分选择性去除钝化层而达到实际实验条件的单元。为此，例如可以将盒子(caddy)或任何其它承载元件布置在芯片的顶部，其中，所述盒子可以具有一个或多个切割元件或尖端，用于穿透或破坏漆的特定部分，从而暴露芯片的“活性”表面，即衬底的由运输介质覆盖的表面的至少一部分。

作为这样的尖端的替代，可以想到，可以在与水性溶液接触时被自动去除的材料的漆。由此，可以由水溶性材料制造漆。在这样的情况下，漆的整个表面或者漆的特定表面在与待分析样品接触时被牺牲，从而将运输介质暴露给流体样品，允许流体样品与运输介质流体连通。

例如，印刷在衬底上的运输介质线可以具有10μm到25μm之间的厚度。漆层可以具有大小为1μm数量级的尺寸。例如，硅酮漆可以被用作钝化层或水溶性漆。

作为另一替代方案，可以由箔覆盖沉积有运输介质结构的衬底。这样的箔然后可以由用户在使用器件之前去除。箔可以被钻孔，或者可以以其它方式被制造成当去除箔时，仅仅衬底表面的选择性区域(特别是覆盖有运输介质的表面部分)被暴露。

在许多情形中，对齐标志物被制造在微流控芯片上，以使将要被彼此连接以形成上述流控芯片的不同衬底层之间能够正确对齐。这样的对齐标志物也可以例如在提供运输介质结构的同一过程中被印刷或以其它方式沉积在衬底表面上。这可以允许简化制造。当对齐标志物应该是光学可视的时，还可以将运输介质用的材料与染料混合，以将混合物施加在衬底上作为对齐标志物。

根据示例性实施方式，亲水/疏水图案可以被施加或沉积在衬底上，从而可以使得流体样品仅仅存在于这样的衬底的表面的特定部分中。并且，可以考虑荷叶效应(the lotus effect)来限定出将被沉积液体样品的表面部分以及将保持为没有液体样品的表面部分。通过在表面上设置具有特殊尺寸的微结构，可以使用从荷叶得知的疏液性能。

井可以被形成在盒子结构中，所述盒子结构可以以居中或置边的方式设置在芯片上。因此，通过这样的井，流体样品可以被充入微流控器件中。用于与运输结构电接触以产生驱动流体样品通过运输介质的电力或电磁力的金属触头(如针)可以被设置在衬底的主表面上，或者还可以想到设置在衬底的侧边接触区域。特别是当盖元件被布置在已经沉积有运输介质的衬底的顶部时，所得器件也可以适用于压力驱动或真空驱动应用(或任何其它外力)，如压力驱动液相色谱分离应用。为此，压力可以被施加到运输介质的端部，从而迫使流体样品移动通过运输介质。

根据示例性实施方式，还可以制造“负型(negative)”结构。为此，牺牲运输介质层可以被施加到衬底，并且可以由漆钝化。此后，例如通过利用适当的热处理使牺牲材料通过盖层而蒸发，可以去除牺牲材料。

可能有利的是，衬底和/或运输介质是光学透明的，特别是对于如荧光检测的光学检测方法。例如，承载物可以是由玻璃、石英或PMMA或任何其它聚合物(其可以具有小的光学背景(background))制成的衬底。

因此，根据示例性实施方式，可以提供一种易使用的芯片，在该芯片上，使用者不必将凝胶材料手工地插入复杂通道结构中，而是使用已经预印刷在衬底表面上的易制造的流体运输结构。使用者可以不必对运输介质进行调整以达到使用条件(例如通过对其进行加湿、或通过选择性去除覆盖运输介质的钝化层的一些部分)。

示例性实施方式可以使用皮升、纳升、微升或毫升的尺度的容器或样品。

可以通过任何沉积工艺或通过任何印刷工艺形成运输介质。例如，可以实施喷墨印刷、气泡喷墨印刷、丝网印刷、喷嘴沉积、滚珠沉积，在表面衬底上进行二维扫描或者创建亲水/疏水图案。在通过印刷或者任何其它工艺制造亲水/疏水图案之后，可以将其浸入复现浴(emersion bath)中。例如，复现裕的流体可以仅仅保留在这样的图案的亲水部分上。

还可以提供基于运输介质的阀，用于在不同的流体通路构造之间切换。为此，可膨胀物质可以被设置在衬底上，在可膨胀物质处于膨胀操作模式时桥接两个运输介质导管，而在可膨胀物质处于非膨胀操纵模式时断开所述结构。作为基于湿度的膨胀的替代方式，可以实施基于温度的膨胀或压缩。

根据示例性实施方式，可以形成芯片上实验室，其中，不同的过程要素(如样品的混合、反应、分离等)可以被结合在单一的流控芯片上。

接着，将说明流控器件的更多示例性实施方式。但是，这些实施方式也适用于制造流控器件的方法。

运输介质可以包括非沟槽壁。术语“非沟槽壁”可以具体指如下的壁：所述壁不是完全由形成在衬底中的沟槽限定而是由运输介质自身限定。运输介质的侧壁的至少一部分可以不受到外部机械支撑，并且可以通过运输介质的固有材料性质(例如，处于凝胶状相态)来支撑。因此，运输介质可以包括无通道壁，就是说该壁不一定需要形成在衬底中的通道的侧壁用于机械支撑。

但是，运输介质的至少一部分可以被沉积在通道结构中。至少运输介质和周围通道结构之间的侧部可以没有运输介质和周围通道结构之间的直接接触或机械支撑。

运输介质可以沿所述运输介质的侧壁的至少一部分没有衬底的侧面机械支撑。这样的至少部分无通道壁可以由运输介质自身的边缘部分来限定。例如，运输介质自身的材料性质(例如，粘度)可以被选择和调节，使得当其被沉积在衬底上时，边缘部分保持机械稳定，并且不会将运输介质的材料分散在衬底的整个表面上。因此，可以形成自支撑结构作为运输介质。

无通道壁可以被独立于衬底中的表面下(sub-surface)沟槽而形成。因此，即使沟槽被形成在衬底中，此沟槽的侧壁也不会限定或限制运输介质的侧向延伸。

至少一个凹槽可以被形成在衬底中，并且可以与凸起的运输介质导管流体连通。这样的凹槽可以是流体容器或者缓冲容器或废液容器，其可以向运输介质供应流体样品或其它组分。

根据一个实施方式，运输介质可以处于干燥状态，并且可以在能够运输流体样品之前被加湿。通过使运输介质干燥，流控器件可以在制造和实际使用之间被长时间储存。因此，流控器件可以被送货到客户处并可“即时使用”，并且客户可以简单地通过将流控器件的表面与水、含水溶液接触或使之处于饱和水蒸汽环境来加湿干燥的运输介质，不用费劲地活化流控器件用于实际实验。

此外或作为替代，钝化层可以覆盖运输介质的至少一部分。这样的钝化层可以机械地保护运输介质不受环境影响，并且可以避免运输介质干燥。钝化层可以包括由漆、硅酮和可水溶性材料组成的组中的至少一种材料。这样的钝化层可以被选择性去除或破坏，以暴露流控器件的活性表面。

流控器件可以包括具有井的承载元件。所述承载元件可以适用于以使得能够通过井而从外部访问运输介质的方式连接到衬底。井可以允许针头或移液管或任何其它流体喷射尖端插入流体样品，以使其与运输介质接触。这样的井可以具有处于板中的中空圆筒结构的形状，限定出通路，将要被供应到运输介质的流体沿所述通路与流控器件的表面接触。但是，这样的承载元件或盒子的使用仅仅是可选的，并且根据示例性实施方式，承载元件可以被省略。例如，可以在芯片上设置可去除的箔。当去除箔时，芯片的选定部分可以被暴露。然后可以向这样的暴露部分提供样品、缓冲液等的液体。

承载元件可以包括一个或多个尖端(例如切割元件)，所述尖端被定位和设计来在承载元件连接到衬底的工作状态下穿透钝化层。因此，当使用者将承载元件咬合到流控器件上以使得流控器件准备好用于实验时，尖端可以自动地穿透钝化层，以暴露运输介质。

或者，钝化层可以被构造成在钝化层与流体接触时(例如当流体样品被充入井中时)可自动去除。

又或者，可以设置可去除箔，其覆盖衬底和运输介质。箔可以适用于在去除所述箔时选择性暴露运输介质的至少一个表面部分。因此，可以被去除并且具有钻孔和粘附表面部分的塑料箔可以限定出可以通过去除箔而被暴露的表面部分以及保持被箔覆盖的其它表面部分，使得箔可以仍然在其余部分履行其保护功能。甚至更简单的，可以设置可拆卸并甚至可再利用的盖元件。

可以在衬底上设置至少一个对齐标志物，所述至少一个对齐标志物包含与所述运输介质相同的材料。这可以允许在一个共用的制造过程中制造对齐标志物和流体导管。因为对齐标志物可以用于将衬底与另一个衬底光学地对齐(例如当制造包括多衬底的流控器件时)，所以可能有利的是，对齐标志物材料额外地包含染料材料。例如，对齐标志物可以是添加了染料材料的凝胶。

运输介质可以包含至少两个由可膨胀材料彼此分离的部分，其中，所述可膨胀材料在第一工作状态下可以允许所述至少两个部分之间通过所述膨胀材料流体连通，而在第二工作状态下不允许所述至少两个部分之间通过所述膨胀材料流体连通。这样的可膨胀材料可以通过热控或流控触发方案来膨胀。其可以充当流体阀，用于选择性地连接或断开由运输介质形成的不同导管。因此，可以实现不同流体通路构造之间的切换。

运输介质可以粘附到衬底上，使得流控器件非常稳定和坚固。由此，运输介质和衬底可以被构造成能够实现运输介质和衬底之间的接合或稳定连接。例如，在玻璃衬底上形成电泳凝胶材料的微凸起是良好的组合。

运输介质可以适用于运输由可外部施加的电力驱动的流体样品。这样的电力可以通过电压供应单元向与运输介质实体接触和电接触的触头供应电能来施加。换句话说，可以在所沉积的运输介质内产生电场。

流控器件可以包含一个或多个与运输介质连接的电触头。这样的触头可以在沉积运输介质之前被直接形成在衬底上或被嵌入衬底中。这可以允许在使用之后简单地洗掉运输介质，以回收流控器件。于是，电触头可以被再次使用，并且新的运输介质材料可以被再次沉积在触头上。

或者，这样的电触头可以作为单独部件(如针)来提供，并且可以被浸没在运输介质中或可以被设置或浸没在被形成作为流体容器的凹槽中。

运输介质可以包括凝胶材料，特别是梯度凝胶材料。梯度凝胶材料可以用于电泳应用，并且可以随着流体导管的延伸而逐渐改变凝胶的化学性质，从而允许在凝胶条带内选择性地分离或固定流体样品的不同级分。

流控器件可以用作流控芯片器件。换句话说，(生命科学)流控芯片的部件可以被设置在芯片状衬底(例如玻璃衬底)上和/或其中。这可以允许流控器件的小型化制造。

具体地，流控器件可以用作流体分离器件。因此，流体的不同组分在外部电场或力的作用下沿着运输介质结构被运输时可以被分离。

具体地，流控器件可以用作电泳器件。电泳领域可以指流体样品的不同组分由于样品的各组分与化学环境之间的不同亲和力以及由于样品的各组分在周围化学环境(如凝胶)中的不同电荷性质而导致的分离。

流控器件可以用作微流控器件。术语“微流控器件”可以具体指本文所描述的允许输运流体通过微孔的流控器件，所述微孔即尺寸在微米或更小的数量级大小的孔。

流控器件还可以用作纳流控器件。术语“纳流控器件”可以具体指本文所描述的允许输运流体通过纳孔的流控器件，所述纳孔即尺寸在纳米或更小的数量级大小的孔。

流控器件可以用作皮流控器件。术语“皮流控器件”可以具体指本文所描述的允许输运流体通过皮孔的流控器件，所述皮孔即尺寸在皮米或更小的数量级大小的孔。

流控器件可以适用于运输包含由抗体、化学和/或生物相关物质、染料组成的组中的至少一者的流体样品。因此，流体还可以包含例如具有梯级(ladder)、抗体、化学相关物质、染料等的混合物(或纯组分)。

流控器件还可以包含至少一个通道，所述至少一个通道形成在所述衬底中，用于引导所述流体样品。因此，即使运输介质通过沉积或印刷技术被施加到衬底的表面上，尽管可以将运输介质的至少一部分设置在通道内，但其仍然由于其本身的材料性能而具有自支撑的能力。换句话说，这样的通道的侧壁可以是不必要的，或者不对运输介质的侧面限定和稳定性起作用。

流控器件可以包含至少一个流体通道，所述至少一个流体通道形成在所述衬底中并且填充有用于引导所述流体样品的所述运输介质，其中所述至少一个流体通道与设置在所述衬底上的所述运输介质流体连通。通过这样的构造，可以使得流体通路外部的运输介质和流体通路内的运输介质部分之间的流体连通成为可能。

衬底可以包含光学透明材料，以能够对被分离组分进行光学检测，例如检测电泳条中的样品的级分的不同的空间上分离的带。这样的衬底可以包含玻璃、石英或如PMMA的塑料材料。

流控器件可以适用于分析由所述流体样品的至少一种化合物的物理参数、化学参数和生物参数组成的组中的至少之一。术语“物理参数”可以具体指流体样品的尺寸或温度。术语“化学参数”可以具体指分析物的浓度或级分、亲和力参数等。术语“生物参数”可以具体指生化溶液中的蛋白质、基因等的浓度、组分的生物活性等。

流控器件可以包括下列至少一者：传感器器件、用于化学、生物和/或药物分析的器件、毛细管电泳器件、电子测量器件和质谱器件。更具体地，流控器件可以应用于实施利用外力的电和/或磁驱动流体运输机制的任何技术应用。

下面将说明用于制造流控器件的方法的更多示例性实施方式。但是，这些实施方式也适用于流控器件。

所述方法可以包括将运输介质沉积在衬底上。这样的沉积工艺可以指任何这样的工艺：在所述工艺中，运输介质不仅被注入形成在衬底中的流体通路中，而且运输介质被施加到衬底的至少一个表面上。具体地，这样的沉积技术可以包括印刷技术，如丝网印刷、喷墨印刷、气泡喷墨印刷、平版印刷(intaligo)、胶印印刷、热激光印刷、压印、涂漆和滴涂。印刷是非常容易和便宜的，并且可以以空间方式适当控制，从而可以以低成本制造流控器件。

所述方法可以包括例如通过以取决于空间的方式沿衬底的延伸方向混合多种组分，来沿衬底设置具有材料梯度的运输介质。例如，两个喷嘴或两个印刷头可以以取决于空间的方式提供两种或更多种不同组分，从而可以不费劲地制造凝胶梯度运输介质等。

所述方法可以包括在衬底上进行沉积之前、期间或之后冷冻干燥、快速冷冻或急速冷冻运输介质。通过执行这样的工艺，可以产生可以在实际用于流体分析实验之前被长时间储存的流控器件。为了使用，流控器件可以随后被融化，并且可以被额外地加湿，以使其达到适于后续使用的条件。

所述方法可以包括在所述衬底上施加亲水部分和疏水部分的图案，从而限定用于被施加到所述流控器件时的流体样品的通路。当流体样品是基于水的(例如是水溶液)时，其将聚集在亲水部分中，并且基本上将没有水保留在疏水部分中。因此，通过用不同的材料覆盖不同的表面部分，可以允许限定出多个流体通路。

所述方法可以包括利用钝化层覆盖所述运输介质的至少一部分。这可以被执行来保护运输介质免受不期望的外部影响。

所述运输介质的由钝化层覆盖的至少一部分可以被选择性地去除，特别是用于制造即时使用的流控器件。

所述方法还可以包括在饱和蒸汽环境下在所述衬底上设置所述运输介质。这可以允许制造高质量的运输介质，因为这可以抑制或防止干燥(这在一些示例性实施方式中是优选的)。

还可以将“无通道壁”实现为3D结构(如蜘蛛网状结构)。例如，可以使用蜘蛛网状结构的超细纤维作为分离通路。

根据示例性实施方式，可以实现三维结构(例如从凝胶到电触头焊盘的键合-接触)。

根据另一示例性实施方式，箔可以具有例如焊盘，所述焊盘上具有电延伸部。该箔可以随后根据需要而被印刷上至少一个分离通道。然后，利用毛细管或任何其它器件将样品直接注入流体中(例如像现有芯片中的样品塞(sample plug)那样的40pl)。然后，样品可以利用毛细管电泳而分离。

本发明的实施方式不限于任何具体的操作方式，而是可以使用实现外部力的任何驱动方式。流体结构的布局是可变的(2D或3D)。可以提供单独的流体运输结构或其复杂网络。流体运输介质可以是全部活性的，或者可以是活性和惰性(非活性)组分的混合物。

附图说明

通过下面结合附图对实施方式的更具体的描述，可以很容易地认识并且更好地理解本发明的实施方式的目的和许多随附的优点。基本上或者功能上相同或者相似的特征将以相同的参考标记来表示。

图1、图2、图3和图4示出了根据本发明的示例性实施方式的流控器件。

附图中的图示是示意性的。

具体实施方式

下面将参考图1说明根据本发明的示例性实施方式的流控器件100。

图1示出了作为凝胶电泳器件的流控器件100的剖视图。

流控器件100包括玻璃衬底101，在所述玻璃衬底101中例如通过刻蚀形成有凹槽102。梯度凝胶条带103作为流体运输介质被布置在玻璃衬底101上，以限定用于对电力驱动的流体样品104进行运输的运输通路。

虽然运输介质103的中间部分也被置于凹槽102中，但是运输介质103的大部分通过印刷被布置在衬底101的平面表面上。因此，运输介质103在沿运输介质103的侧壁(在图1中不可见)的大部分没有衬底101的侧面支撑。

由漆(varnish)制成的并且具有例如1μm厚度的钝化层105被沉积在被运输介质103局部覆盖的衬底101的整个表面上。因此，钝化层105覆盖衬底101和运输介质103。

承载元件106被设置作为机械支撑元件，并且包括限定出井108的管状部分107。如将在下面更详细描述的，承载元件106可以以使得能够经由井108从外部访问运输介质103的方式咬合到由运输介质103和钝化层105覆盖的衬底101上。

如从图1可以进一步得知的，在连接管状元件107的下部的承载元件106的下部中可预见到金属尖端或切割元件109。其适用于在图1所示的、承载元件106被连接到衬底101的工作状态下穿透钝化层105。由此，尖端109选择性地破坏钝化层的处于井108环境中的部分。

在管状部分107中，待分析或检验的流体样品104可以利用移液管、自动取样器或者分样器(fractioner)的流体供应针等填充在器件100中。

钝化层105也可以由水溶性漆制成，使得与漆105接触的流体样品104选择性地去除处于管状部分107的区域中的漆105。

此外，连接到电压供应单元111的电触头110被浸没在流体样品104中，以在流控器件100中的输运多种组分的流体中产生电场。该电场是进行凝胶电泳分离所需的。

梯度凝胶103粘附到衬底101上。梯度凝胶103还适用于运输通过可外部施加的电力而被驱动的流体样品104，其中，所述电力由电接触针110来产生，电压通过电压供应单元111被施加到电接触针110上。

玻璃衬底101是光学透明的，从而可以允许光学读取(例如执行荧光测量等)液体样品的可能随着梯度凝胶结构103的延伸而被分离的不同级分(fraction)。

当样品104被充入井108中并(由于当与样品104接触时钝化层105的在空间上受限制的去除情况)与凸起的梯度凝胶条带103接触时，所施加的电力(通过将电压施加到尖端110产生)将迫使流体样品104中的带电组分随着凝胶条带103的延伸而移动，从而分离流体样品104的不同组分。在分离之后，流体样品104的不同级分可以例如通过荧光检测装置而被光学检测(在图1中没有示出)。

下面将参考图2说明根据本发明的另一种示例性实施方式的流控器件200的剖视图。

流控器件200被形成在玻璃衬底101上。

图示出了第一运输介质导管201、第二运输介质导管202以及第三运输介质导管203，其中，第一运输介质导管201、第二运输介质导管202以及第三运输介质导管203被形成为布置在衬底101的表面顶部的狭长导管。在垂直于图2的纸面的方向上，结构201-203沿着实质上大于图2的纸面中的横截面尺寸的尺寸延伸。

通过印刷工艺，通过沿着衬底101的二维扫描表面以受控的方式移动打印头而选择性地沉积用于形成导管201-203的凝胶材料，来形成结构201-203。

第一导管201和第三导管203被直接施加到衬底101的平面部分上，作为不受到任何衬底101的侧面机械支撑的非沟槽(non-trenched)壁或无通道(channelless)壁。换句话说，导管201-203的无通道壁204提供了足够程度的结构201-203的机械稳定性，特别是这些结构201-203的侧面稳定性。如从图2可进一步得知的，第一导管201和第三导管203被形成在表面201的平面部分上，而导管202被印刷成部分地处于形成在衬底101中的凹槽102中。但是，此第二导管202基本上自身提供了侧面机械支撑，而不需要凹槽102的侧壁。

仍然参考图2，运输介质导管201-203通过喷墨印刷来形成，而钝化层105被形成为衬底101的表面上的连续层，结构201-203已经被布置在衬底101的该表面上。钝化层105的沉积可以通过任何平面沉积工艺来执行，如化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或原子层沉积(ALD)。

图3示出了根据示例性实施方式的流控器件300的平面图。

在此平面图中也示出了结构201-203，而在图3中的实施方式中省略了钝化层105。

在结构201-203被沉积之后，其通过冷却被急速冷冻(shock-freezed)，从而使其处于这样的状态：运输介质结构201-203的凝胶材料的干燥被避免或延迟。

此外，被形成为多个条带的第一对齐标志物302和被形成为圆形的第二对齐标志物303被施加到衬底101的表面。对齐标志物302和303例如用于在将两个衬底要被结合在一起时将衬底101相对于另一个衬底(没有示出)定位。为此，对齐标志物302和303应该是视觉上可检测的。为提供此功能，在将结构201-203印刷在衬底101上的同一工艺期间，结构302和303被印刷在衬底101的表面上。但是，用于沉积对齐标志物302和303的材料是另外还包含染料材料的流体分离凝胶。

此外，图3示出了流控器件300的多个部分的放大剖视图。

如可从第三导管结构203的放大剖视图可得知的，此导管203的侧壁204无需外部支撑本身(intrinsically)就是机械稳定的，并且凝胶材料的下部以机械固定方式固定连接和粘附在衬底101的表面上。

如可从对齐标志物302的放大剖视图可得知的，这些对齐标志物302的侧壁无需外部支撑本身就是机械稳定的，并且凝胶材料的下部以机械固定方式固定连接和粘附在衬底101的表面上。

为了将流控器件300用于电泳实验，可以融化急速冷冻的装置300，并且可选将其加湿，以便使其适用于实验。

下面将参考图4说明根据示例性实施方式的流控器件400。

图4示出了处于部分分解状态的流控器件400。

其包含芯片部件401和承载元件402。

芯片部件401包含玻璃衬底101，其中，两个凝胶结构103(其中之一是分叉的)例如通过印刷形成在所述玻璃衬底101上。在此结构的顶面上沉积漆材料钝化层105。

承载元件402包含多个井108。每一个井108具有规定的尖端或切割元件109。以如图1所示的相似方式并且如箭头403所示，承载元件402可以通过咬合或利用搭扣配合连接方式附接到芯片元件401上，这可以由可与衬底101的下表面对齐的紧固元件404来促进。当使用者将承载元件咬合在芯片部件401上时，尖端109自动地穿透漆层105。当流体样品被充入井108中时，流体样品可以与部分地暴露的运输介质结构103流体连通。

应当注意，术语“包括”或“包含”不排除其它元件或特征，并且对应于冠词的术语“一个”不排除“多个”的情况。此外，可以将结合不同实施方式而描述的元件组合在一起。应当注意，权利要求中的参考标记不应解释为对权利要求的限制。

Claims (20)

1.一种流控器件，包括：

衬底；

凝胶状的运输介质，其设置在所述衬底上以限定出运输通路，所述运输通路用于运输由外力驱动的流体样品；以及

钝化层，其覆盖所述运输介质的至少一部分，

其中，所述运输介质包括非沟槽壁，所述非沟槽壁不是完全由形成在所述衬底中的沟槽限定，而是由所述运输介质自身限定。

2.如权利要求1所述的流控器件，包括下列至少一项：

所述运输介质沿所述运输介质的非沟槽壁的至少一部分没有由所述衬底进行侧面机械支撑；

所述运输介质被干燥并且在能够运输所述流体样品之前能够被加湿。

3.如权利要求1所述的流控器件，

其中，所述非沟槽壁形成无通道壁，所述无通道壁是不需要由形成在所述衬底中的通道的侧壁进行机械支撑的壁。

4.如权利要求3所述的流控器件，包括下列至少一项：

所述无通道壁由所述运输介质的边缘部分来限定；

所述无通道壁被形成为在功能上独立于所述衬底中的表面下沟槽。

5.如权利要求1所述的流控器件，

包括至少一个形成在所述衬底中并与所述运输介质流体连通的凹槽。

6.如权利要求1所述的流控器件，其中，所述钝化层包括由漆、硅酮和可水溶性材料组成的组中的至少一种材料。

7.如权利要求1所述的流控器件，

包括具有井的承载元件，其中，所述承载元件适于以使得能够通过所述井从外部访问所述运输介质的方式连接到衬底。

8.如权利要求7所述的流控器件，

其中，所述承载元件包括尖端，所述尖端被定位和设计来在所述承载元件连接到所述衬底时穿透所述钝化层。

9.如权利要求1所述的流控器件，

包括可拆卸盖，其覆盖所述衬底的至少一部分和所述运输介质的至少一部分，并且适于在去除所述可拆卸盖时选择性暴露所述衬底和所述运输介质的至少一个表面部分。

10.如权利要求9所述的流控器件，其中，所述可拆卸盖是可去除箔。

11.如权利要求1所述的流控器件，

包括至少一个对齐标志物，所述至少一个对齐标志物设置在所述衬底上并包含与所述运输介质相同的材料。

12.如权利要求11所述的流控器件，其中，所述至少一个对齐标志物还包含染料材料。

13.如权利要求1所述的流控器件，包括下列至少一项：

所述运输介质包含至少两个由可膨胀材料彼此分离的部分，其中，所述可膨胀材料在膨胀状态下可以使所述至少两个部分之间能够通过所述膨胀材料而流体连通，而在非膨胀状态下使所述至少两个部分之间不能通过所述膨胀材料而流体连通；

所述运输介质粘附到所述衬底；

所述运输介质适于运输由电力驱动的所述流体样品；

其中，所述运输介质适于运输由可外部施加的电力驱动的所述流体样品。

14.如权利要求1所述的流控器件，包括如下特征中的至少之一：

所述流控器件包含用于与所述运输介质电耦合的电触头；

所述流控器件包含用于通过所述流体样品而与所述运输介质电耦合的电触头；

所述运输介质包括凝胶；

所述运输介质包括梯度凝胶或凝胶状流体；

所述流控器件用作流控芯片器件；

所述流控器件用作流体分离器件；

所述流控器件用作电泳器件；

所述流控器件用作凝胶电泳器件；

所述流控器件用作微流控器件；

所述流控器件用作纳流控器件；

所述流控器件用作皮流控器件；

所述流控器件适于运输流体样品；

所述流控器件包含至少一个通道，所述至少一个通道形成在所述衬底中，用于引导所述流体样品；

所述流控器件包含至少一个通道，所述至少一个通道形成在所述衬底中并且填充有用于引导所述流体样品的所述运输介质，其中，所述至少一个通道与设置在所述衬底上的所述运输介质流体连通；

所述衬底包含光学透明材料；

所述衬底包含由玻璃、半导体材料、塑料材料、PMMA、陶瓷材料和金属材料构成的组中的至少一种材料；

所述流控器件适于分析由所述流体样品的至少一种化合物的物理参数、化学参数和生物参数组成的组中的至少一项；

所述流控器件包括下列至少一者：传感器器件、用于化学、生物和/或药物分析的器件、毛细管电泳器件、电子测量器件和质谱器件。

15.一种制造流控器件的方法，所述方法包括：

将凝胶状的运输介质设置在所述流控器件的衬底上，以形成用于运输由外力驱动的流体样品的运输通路，其中，所述运输介质包括非沟槽壁，所述非沟槽壁不是完全由形成在所述衬底中的沟槽限定，而是由所述运输介质自身限定。

16.如权利要求15所述的方法，包括下列至少一项：

将所述运输介质沉积在所述衬底的表面上；

通过以取决于空间的方式混合多种由不同材料制成的组分，来在所述衬底上设置具有材料梯度的所述运输介质；

对所述衬底上的所述运输介质进行冷冻干燥、快速冷冻和急速冷冻中的至少一项；

在所述衬底上施加亲水部分和疏水部分的图案，从而限定被施加到所述流控器件时所述流体样品的通路；

在饱和蒸汽环境下在所述衬底上设置所述运输介质。

17.如权利要求15所述的方法，

包括通过印刷将所述运输介质设置在所述衬底上。

18.如权利要求17所述的方法，

包括通过由丝网印刷、喷墨印刷、气泡喷墨印刷、平版印刷、胶印印刷、热激光印刷、压印、涂漆和滴涂组成的组中的一种将所述运输介质设置在所述衬底上。

19.如权利要求15所述的方法，

包括利用钝化层覆盖所述运输介质的至少一部分。

20.如权利要求19所述的方法，

包括去除所述运输介质的由所述钝化层覆盖的至少一部分，从而形成至少一个包埋通道。

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