CN101680893B - 用于测试生物样本中的目标分子的微观流体系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测试在生物测试样本中的目标分子存在的系统和方法包括测试分子、微观流体芯片和辐射与检测装置。测试分子包括与目标分子偶联的生物识别分子以及相应的偶联物。微观流体芯片包括样本槽道和与该样本槽道临近的流聚焦槽道。从上述聚焦槽道流出的缓冲剂引导测试分子的单行流经过样本槽道之一。上述辐射装置传送辐射线以便于由单行流中的测试分子吸收。在吸收之后，测试分子释放每一种偶联物的不同荧光光谱的荧光。上述检测装置通过监测不同荧光光谱来监测识别偶联物的存在。因此，上述测试系统和方法识别了在上述测试样本中目标分子的存在。

Description

用于测试生物样本中的目标分子的微观流体系统和方法

技术领域

本发明涉及微观流体领域。尤其是，涉及一种用于读取荧光微珠的微观流体槽道结构。

背景技术

近十年来微技术和纳米技术领域取得了巨大的发展。由这些发展创造的挑战之一是开发发现的科学现象的实际应用。

一些旨在结合纳米技术和微技术以便用于生物分子或者病毒检测的公开报告已经被描述[W.Liu等，Lab Chip，5，1327(2005)；K.Yun，D.Lee，H.Kim，E.Yoon，Meas.Sci.Technol.，17，3178(2006)；J.Steigert等，JALA，10，331(2005)]。在这些研究中，研究人员结合使用纳米微粒、微珠和微观流体来检测。在所有情况下，检测灵敏度低于生产性商业产品的预期。另外，在血清中不执行分析，由于与血液成分干扰所以血清会降低灵敏度[E.D.Goluch等，Lab Chip，6，1293(2006)]。

类似地，使用金纳米微粒的生物条形码被证实适用于基因诊断或者蛋白质诊断[J.Tate，G.Ward，Clin.Biochem.Rev.，25，105(2004)；S.I.Stoeva，J.Lee，C.S.Thaxton，C.A.Mirkin Angew.Chem.Int.Ed.，45，3303(2006)；P.Mitchell，Nat.Biotech，20，225(2202)]。在这些方法中，检测策略需要多个步骤以实现化验检测并且需要放大以实现获得良好的灵敏度。因此，需要一种仅仅要求少量步骤并且能够获得适度的高灵敏度的检测系统。

Stavis等拥有的已经公开的US2007／0020779号美国专利申请揭示了一种检测在亚微米流控槽中的量子点偶联物的方法。用于Stavis发明的流控槽的横截面尺寸大约在500nm的级别，以及检测到的偶联物大约在5-10nm的级别。另外，为了实现单个偶联物的检测，样本的浓度降低到千万亿分之一摩尔的程度，增加了样本准备的难度和对检测系统的限制。人们需要一种可以替换的并且更为有效的单个偶联物检测的系统和方法，该系统和方法可以理想地与更便于处理的微尺度分子一起使用。

本发明的目的优选地实现，但是并不必然如所述内容，也不必然由本发明的单个实施例实现所有的发明目的。此处没有列举的其他目的也可能实现。

本发明的目的之一是，通过辐射和检测由单行流测试分子放射的荧光来实现一个或者多个目标类型的目标分子的多元检测。

本发明的目的之一是，实现传染性疾病的生物样本的测试。进一步的目的在于，实现血液、血清、唾液和／或尿液的特定生物样本的测试。

本发明的目的之一是，实现生物样本传染性疾病的多元测试。进一步的目的在于，实现B型肝炎、C型肝炎和HIV任意组合的多元测试。

本发明的目的之一是，提供一种改进的微观流体槽道结构，其促进槽道内流动。

本发明的目的之一是，提供一种固定波长EMF辐射装置作为测试系统的放射装置，该固定波长EMF辐射装置例如是488nm激光器，从而入射的EMF辐射和从目标分子放射的荧光能够在放射的荧光进入检测装置之前沿着相同的光学路径移动。

本发明的目的之一是，部分或者完全实现一个或者多个上述目标，并且减少和／或改善现有技术的任何不足，无论任何该不足是否在此处加以描述。

发明内容

根据本发明，公开了一种测试系统，其与缓冲剂一起使用来测试生物测试样本中的一个或者多个目标类型的目标分子的存在。该测试系统包含第一组测试分子、微观流体芯片、辐射装置和检测装置。如果目标分子存在测试样本中，那么第一组测试分子从包含生物识别分子(BRM)以及BRM与目标分子的偶联物的群组中选择得出。BRM是一种或者多种BRM类型。每个BRM类型与一种相应的目标类型偶联。偶联物是一个或者多个偶联类型，每个偶联类型对应于与所述相应的一个目标类型偶联的BRM类型不同的一种BRM类型。根据本发明的实施例，微观流体芯片包括成形以界定一个或者多个延长的样本槽道的芯片衬底部分和其中一个或者多个流聚焦槽道。样本槽道按照要求的尺寸制造从而允许测试分子从中通过。流聚焦槽道用于其中缓冲剂的运行通过。一个或多个流聚焦槽道临近一个或多个延长的样本槽道。缓冲剂从流聚焦槽道流出并有效地将单行流中的测试分子引导通过至少一个样本槽道。辐射装置在辐射位置沿着前述至少一个样本槽道有效地传送电磁频率(EMF)辐射，便于由在单行流中的测试分子吸收。在吸收EMF辐射之后测试分子放射荧光。测试分子的荧光包括每种偶联类型的不同的荧光光谱。检测装置监测单行流的测试分子发出的荧光。通过监测每种偶联类型的不同的荧光光谱，检测装置在第一组测试分子中识别偶联物的存在。以这种方式，上述测试系统识别测试样本中的目标分子的存在。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，每一个BRM包括标记了一个或多个BRM荧光的微珠，其中BRM荧光与微珠耦合。在吸收EMF辐射之后上述BRM荧光至少放射不同荧光光谱的BRM部分的荧光。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，BRM荧光包括一个或多个量子点类型的一个或多个量子点。在吸收了EMF辐射之后上述量子点一起至少放射不同荧光光谱的BRM部分的荧光。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，量子点是两个或更多个量子点类型。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，BRM荧光包括一个或多个荧光染料类型的一个或多个荧光染料。在吸收了EMF辐射之后上述荧光染料一起至少放射不同荧光光谱的至少BRM部分的荧光。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，偶联物的尺寸约小于10微米(μm)，并且优选地尺寸约小于5μm，更优选地，尺寸约小于1μm。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，每一个偶联物进一步包括与相应的一个目标分子绑定的目标标记荧光。在吸收了EMF辐射之后该目标标记荧光放射不同荧光光谱的目标部分的荧光。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，每一个BRM包括标记了一个或多个BRM荧光的微珠，其中该BRM荧光与微珠耦合。每一个偶联物进一步包括与相应的一个目标分子绑定的目标标记荧光。对于每一个偶联物来说，在吸收了EMF辐射之后，BRM荧光放射不同荧光光谱的BRM部分的荧光，并且目标标记荧光放射不同荧光光谱的目标部分的荧光。同样地，在吸收了EMF辐射之后，BRM荧光和目标标记荧光一起放射不同荧光光谱的荧光。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，检测装置包括至少两个监测由单行流测试分子放射的荧光的雪崩光电检测器(APD)。对于上述每一个偶联物来说，第一个APD用来接收和识别不同荧光光谱的BRM部分的荧光的存在，并且第二个APD用来接收和识别不同荧光光谱的目标部分的荧光的存在。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，对于每一个偶联物来说，不同荧光光谱的目标部分的荧光相比于BRM部分的荧光具有较低的亮度。第二个APD相比于第一个APD具有较好的灵敏度。

根据本发明公开了另一种测试系统，该测试系统与缓冲剂一起使用来测试生物测试样本中的一个或者多个目标类型的目标分子的存在。根据本发明的这个实施例，如果目标分子存在测试样本中，上述测试系统还与第一组测试分子一起使用，该第一组测试分子是从包含生物识别分子(BRM)以及BRM与目标分子的偶联物的群组中选择得出的。BRM是一种或者多种BRM类型。每个BRM类型与一种相应的目标类型偶联。测试分子例如用来在吸收EMF辐射之后放射荧光。上述偶联物是一个或者多个偶联类型，每个偶联类型对应于与所述相应的一个目标类型偶联的不同的一种BRM类型。根据本发明的实施例，测试系统包括微观流体芯片、辐射装置和检测装置。微观流体芯片包括被成形以界定一个或者多个延长的样本槽道的芯片衬底部分和其中一个或者多个流聚焦槽道。样本槽道按照要求的尺寸制造从而允许测试分子从中通过。流聚焦槽道用于其中缓冲剂的运行通过。流聚焦槽道临近样本槽道。缓冲剂从流聚焦槽道流出并有效地将单行流测试分子引导通过至少一个样本槽道。辐射装置在辐射位置沿着前述至少一个样本槽道有效地传送电磁频率(EMF)辐射，便于由在单行流中的测试分子吸收。测试分子的荧光包括每种偶联类型的不同的荧光光谱。检测装置监测单行流的测试分子发出的荧光。通过监测每种偶联类型的不同的荧光光谱，检测装置识别在第一组测试分子中的偶联物的存在。以这种方式，上述测试系统识别测试样本中的目标分子的存在。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，所述至少一个样本槽道被芯片衬底部分的一个或者多个延长的槽道壁界定。槽道壁包括两个相对侧的槽道部分。从流聚焦槽道流出的缓冲剂有效地将单行流中的测试分子沿着样本路径引导，该样本路径至少与上述两个相对侧的槽道部分存在间隔关系。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，微观流体芯片进一步包括位于芯片衬底部分下的载玻片。该载玻片界定所述至少一个样本槽道的底部槽道部分。槽道壁还包括顶部槽道部分。样本路径与底部槽道部分和顶部槽道部分有效地具有上述的间隔关系。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，上述至少一个样本槽道包括样本聚焦槽道。样本槽道还包括与样本聚焦槽道流连通的样本供应槽道。样本聚焦槽道是流聚焦槽道的下游。如此，从流聚焦槽道流出的缓冲剂和单行流中的测试分子有效地流经样本聚焦槽道。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，有效地流动通过样本聚焦槽道的缓冲剂的缓冲剂流速高于单行流中测试分子的测试流速。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，流聚焦槽道至少包括两个流聚焦槽道，该流聚焦槽道临近上述至少一个样本槽道的样本槽道上游。两个流聚焦槽道从上述至少一个样本槽道的相对侧临近样本槽道。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，两个流聚焦槽道在公共交叉部分临近样本槽道。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，通过约少于10微米(μm)的公共交叉部分下游，流出流聚焦槽道的缓冲剂有效地将测试分子聚焦到单行流。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，每个流聚焦槽道以大约90度的邻接角临近样本槽道。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，每个流聚焦槽道以大约45度的邻接角临近样本槽道。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，芯片衬底部分用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制造。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，通过动电流的方式来实现测试分子流动通过上述至少一个样本槽道。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，流聚焦槽道与样本槽道进行流连通。另外使芯片衬底部分成形以便界定缓冲剂井、样本井和终端井。每个缓冲剂井临近每个流聚焦槽道的缓冲剂起点。样本井临近流聚焦槽道的样本槽道上游的样本起点。终端井临近流聚焦槽道的上述至少一个样本槽道下游的终点。上述测试系统还包括样本井电极、缓冲剂井电极和终端井电极。样本井电极有效地位于样本井中。每个缓冲剂井电极有效地位于上述缓冲剂井中。终端井电极有效地位于终端井中。样本井电极有效地具有第一电极的第一电势。终端井电极有效地具有相对的第二电极的第二电势。每个缓冲剂井电极有效地具有第一电极的第三电势。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，第三电势高于第一电势。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，第三电势相对于第一电势的比率约为1.8：1(9：5)。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，单行流中测试分子的测试流速至少约为每分钟30个测试分子，并且优选为至少约每分钟60个测试分子，并且更为优选为约每分钟500个测试分子。

根据本发明，还公开了进一步的用于测试生物测试样本中一个或者多个目标类型的目标分子的存在的测试系统。根据本发明的这个实施例，如果目标分子存在测试样本中，该测试系统与第一组测试分子一起使用，该第一组测试分子是从包含生物识别分子(BRM)以及BRM与目标分子的偶联物的群组中选择的。BRM具有一个或者多个BRM类型。每一个BRM类型与相对应的一个目标类型偶联。偶联物具有一个或者多个偶联类型，每种偶联类型对应于与上述对应目标类型偶联的不同的一种BRM类型。测试系统还与微观流体芯片一起使用，该微观流体芯片包括成形以便界定其中一个或者多个延长的样本槽道的芯片衬底部分。样本槽道被调整尺寸从而允许测试分子从中通过。单行流中的测试分子通过至少一个样本槽道。根据本发明的这个实施例，测试系统包括辐射装置和检测装置。辐射装置在辐射位置沿着上述至少一个样本槽道有效地传送电磁频率(EMF)辐射，以便由单行流中的测试分子吸收。在吸收了EMF辐射之后，测试分子放射荧光。测试分子的荧光包含每种偶联类型的不同荧光光谱。检测装置监测由单行流测试分子发出的荧光。通过监测每种偶联类型的不同荧光光谱，检测装置识别在第一组测试分子中的偶联物的存在。以这种方式，测试系统识别测试样本中目标分子的存在。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，辐射装置包括有效地发出EMF辐射以便由单行流中的测试分子吸收的发光二极管。

根据本发明的另一个优选实施例的一个方面，辐射装置包括有效地发出EMF辐射以便由单行流中的测试分子吸收的激光器。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，激光器具有在大约2毫瓦(mW)和大约50毫瓦(mW)之间的工作功率，并且更为优选地，具有在大约20毫瓦(mW)和大约25毫瓦(mW)之间的工作功率。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，由辐射装置有效传送的EMF辐射具有大约488nm的EMF波长。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，检测装置包含至少三个监测由单行流测试分子发出的荧光的雪崩光电检测器(APD)。每个APD适于接收和识别在由测试分子发出的荧光中的的不同波长范围的存在。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，第一个APD适于接收和识别绿色波长范围的存在。第二个APD适于接收和识别黄色波长范围的存在。第三个APD适于接收和识别红色波长范围的存在。

根据本发明的另一个优选实施例的一个方面，上述至少三个APD包括至少四个APD。第一个APD适于接收和识别绿色波长范围的存在。第二个APD适于接收和识别黄色波长范围的存在。第三个APD适于接收和识别橘黄色波长范围的存在。第四个APD适于接收和识别红色波长范围的存在。

根据本发明的另一个优选实施例的一个方面，至少三个APD包括至少四个APD。第一个APD适于接收和识别蓝色波长范围的存在。第二个APD适于接收和识别绿色波长范围的存在。第三个APD适于接收和识别黄色波长范围的存在。第四个APD适于接收和识别红色波长范围的存在。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，检测装置包括监测由单行流测试分子发出的荧光的电荷耦合装置。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，检测装置包含至少两个监测由单行流测试分子发出的荧光的雪崩光电检测器(APD)。每个APD都适于接收和识别在由测试分子发出的荧光中的不同波长范围的存在。检测装置还包括监测由单行流测试分子发出的荧光的电荷耦合装置。另外，检测装置包含用于在监测单行流和APD或者电荷耦合装置之间转换的转换装置。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，检测装置包含至少一个监测由单行流测试分子发出的荧光的行程传感器。每个上述行程传感器产生与荧光强度对应的数字信号。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，仅当荧光强度超过最低强度值的时候，每个上述行程传感器产生数字信号。每个上述行程传感器具有不同的所述预定最低强度值。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，测试系统还包括将荧光从基本临近辐射的位置沿着前述至少一个样本槽道传送到检测装置的光纤电缆。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，测试系统还包括容纳辐射装置和检测装置的外壳。该外壳按照要求的尺寸制造并且适于携带和现场护理诊断使用。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，上述外壳按照要求的尺寸制造并且适于手持使用。

根据本发明，进一步公开了另外一种测试系统，该测试系统与缓冲剂一起使用来测试生物测试样本中的一个或者多个目标类型的目标分子的存在。根据本发明的这个实施例，如果目标分子存在测试样本中，测试系统还与第一组测试分子一起使用，该第一组测试分子是从包含生物识别分子(BRM)以及BRM与目标分子的偶联物的群组中选出的。BRM是一种或者多种BRM类型。每种BRM类型与相对应的一个目标类型偶联。偶联物是一个或者多个偶联类型，每个偶联类型对应于与上述对应的目标类型偶联的不同的一个BRM类型。测试系统另外和辐射与检测装置一起使用，该辐射与检测装置能够将电磁频率(EMF)辐射传送以便由测试分子吸收。在吸收EMF辐射之后，测试分子发出荧光。测试分子的荧光包含每种偶联类型的不同荧光光谱。辐射与检测装置还能够借助每种偶联类型的不同荧光光谱的存在来监测和识别偶联物。根据本发明的这个实施例，测试系统包含具有芯片衬底部分的微观流体芯片，使该芯片衬底部分成形以便界定其中一个或者多个延长的样本槽道和一个或者多个流聚焦槽道。样本槽道按照要求的尺寸制造以允许测试分子的通过。流聚焦槽道用于缓冲剂的有效通过。流聚焦槽道临近样本槽道。缓冲剂从流聚焦槽道中流出并且有效地将单行流测试分子引导通过至少一个样本槽道。微观流体芯片适于在辐射位置沿着所述至少一个样本槽道来有效地从辐射与检测装置接收EMF辐射，用于单行流中的测试分子吸收。微观流体芯片适于使辐射与检测装置能够监测单行流测试分子发出的荧光。以这种方式，可以借助每种偶联类型的不同荧光光谱的存在有效地识别偶联物。如此，测试样本中目标分子的存在由测试系统有效识别。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，测试系统尤其适于与一个或者多个生物测试样本一起使用，该生物测试样本从血液、血清、唾液和尿液组成的组中选择。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，测试系统用于疾病状态的诊断，该疾病状态从包含细菌性疾病状态、病毒性疾病状态、真菌性疾病状态和载体源性疾病状态的组中选择。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，测试系统可以用于一种或者多种感染性疾病的诊断。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，测试系统可以用于从包含HIV、HBV和HCV的组中选出的状态的诊断。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，测试系统可以用于从包含HIV、HBV和HCV的组中选出的两种或者更多状态的同时诊断。

根据本发明，公开了一种聚焦分子以便于测试生物测试样本中一个或者多个目标类型的目标分子的存在的方法。该方法包括样本流动步骤、缓冲剂流动步骤和在缓冲剂流动步骤之后的样本聚焦步骤。在样本流动步骤中，测试分子通过一个或者多个形成于微观流体芯片的芯片衬底部分中的延长的样本槽道。在缓冲剂流动步骤中，缓冲剂通过一个或者多个形成于微观流体芯片的芯片衬底部分中的流动聚焦槽道。流动聚焦槽道临近一个或者多个延长的样本槽道。在样本聚焦步骤中，通过缓冲剂从流聚焦槽道流到一个或者多个延长的样本槽道的方式，单行流测试分子被引导通过至少一个样本槽道。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，该方法还包括在样本流动步骤之前的测试分子形成步骤。在测试分子形成步骤中，通过引导一种或者多种BRM类型的生物识别分子(BRM)来形成测试分子。每种BRM类型与相应的一个目标类型偶联。如此，如果目标分子存在测试样本中，测试分子包括BRM和目标分子的偶联物。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在测试分子形成步骤中，偶联物的尺寸约小于10微米(μm)，并且优选地尺寸约小于5微米，并且更为优选地尺寸约小于1微米。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在测试分子形成步骤中，引入目标标记荧光。目标标记荧光与一种或者多种目标类型偶联。如此，如果目标分子存在测试样本中，那么测试分子包括BRM、目标标记荧光和目标分子的偶联物。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在样本聚焦步骤中，单行流测试分子被引导沿着样本路径，该样本路径与上述至少一个样本槽道的至少两个相对侧的槽道部分存在间隔关系。

根据本发明的另一个优选实施例的一个方面，在样本聚焦步骤中，单行流测试分子被引导沿着样本路径，该样本路径与上述至少一个样本槽道的至少顶部和底部槽道部分存在间隔关系。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在样本聚焦步骤中，缓冲剂以高于单行流的测试分子的测试流速的缓冲剂流速流入上述至少一个样本槽道。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在样本聚焦步骤中，至少两个流聚焦槽道从所述至少一个样本槽道上游的相对侧临近样本槽道。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在样本聚焦步骤中，两个流聚焦槽道在公共交叉部分临近样本槽道。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在样本聚焦步骤中，一个或者多个流聚焦槽道中的每一个以大约90度的邻接角临近样本槽道。

根据本发明的另一个优选实施例的一个方面，在样本聚焦步骤中，一个或者多个流聚焦槽道中的每一个以大约45度的邻接角临近样本槽道。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在样本聚焦步骤中，单行流测试分子流动通过上述至少一个样本槽道由动电流完成。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，该方法还包括在样本聚焦步骤之前的动电步骤。在动电步骤中，第一电极的第一电势被应用于流聚焦槽道的样本槽道上游中。在该动电步骤，相对的第二电极的第二电势被应用于流聚焦槽道的上述至少一个样本槽道的下游。在动电步骤中，第一电极的第三电势被用于每个流聚焦槽道中。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在动电步骤中，第三电势高于第一电势。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在动电步骤中，第三电势与第一电势的比率约为1.8∶1(9∶5)。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在测试分子形成步骤中，偶联物具有一种或者多种偶联类型，每种偶联类型对应于与所述相应的一个目标类型偶联的不同的一种BRM类型。该方法还包括在样本聚焦步骤之后的辐射步骤、在辐射步骤之后的荧光检测步骤以及在辐射步骤之后的偶联物识别步骤。在辐射步骤中，电磁频率(EMF)辐射被传送到单项流测试分子中。在荧光检测步骤中，监测单项流测试分子发出的荧光。在吸收了EMF辐射之后，每种偶联物发出每一种偶联类型的不同荧光光谱的荧光。在偶联识别步骤中，通过监测每种偶联类型的不同荧光光谱来识别测试样本中目标分子的存在。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在测试分子形成步骤中，目标标记荧光绑定于相应的一个目标分子上。如此，在荧光检测步骤中，目标标记荧光发出每种偶联类型的不同荧光光谱的目标部分。该方法进一步包括在测试分子形成步骤之前的用与微珠耦合的一个或者多个BRM荧光来标记于微珠的BRM形成步骤。如此，在荧光检测步骤中，BRM荧光发出每种偶联类型的不同荧光光谱的BRM部分。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在荧光检测步骤中，由至少两个雪崩光电检测器(APD)来接收由偶联物发出的荧光。第一个APD接收和识别所述每种偶联物的不同荧光光谱的荧光的BRM部分的存在，并且第二个APD接收和识别所述每种偶联物的不同荧光光谱的荧光的目标部分的存在。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在辐射步骤中，具有在约2毫瓦(mW)和约50毫瓦(mW)之间的操作功率的激光器将EMF辐射传送到单项流测试分子中。更为优选地，操作功率在约20毫瓦(mW)和约25毫瓦(mW)之间。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在辐射步骤中，EMF辐射具有约488nm的EMF波长。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在荧光检测步骤中，由电荷耦合装置来接收偶联物发出的荧光。

根据本发明的一个优选实施例的一个方面，在荧光检测步骤中，由至少一个电荷耦合装置和一个或者多个雪崩光电检测器(APD)来选择性地接收偶联物发出的荧光。

结合下面的详细描述，联系所附的附图，本发明的其他和进一步优点和特点对于本领域普通技术人员而言是清楚的。

附图说明

下面将参考附图仅以示例的方式详细描述本发明，附图中相同的编号代表相同的元件，其中：

附图1A是根据本发明的第一BRM(生物识别分子)偶联物的示例；

附图1B是根据本发明的第二BRM偶联物的示例；

附图1C是根据本发明的第三BRM偶联物的示例；

附图2A是根据本发明的微观流体芯片的透视图；

附图2B是根据本发明的另一种微观流体芯片的透视图；

附图2C是附图2B中的微观流体芯片横断面的特写顶视图；

附图3A是根据本发明的测试系统的示意图；

附图3B是附图3A中辐射装置的示意图；

附图3C是附图3A中检测装置的示意图；

附图4A是系统外壳的透视图；

附图4B是移除外壳后的系统透视图；

附图4C是样本舱口盖封闭的微芯片平台和辐射装置的透视图；

附图4D是样本舱口盖打开的微芯片平台的顶视图；

附图4E是透镜、电动机和微芯片平台的侧视图；

附图4F是沿着附图4E中的线4F-4F的透镜和微观流体芯片平台的横截面示意图；

附图4G是附图4F指示部分和沿着附图2C中的线4G-4G的横截面的特写示意图。

附图5A是荧光量子点的示例；

附图5B是荧光量子点的示例；

附图6A是用于此处描述的试验的量子点和带通滤波器的光谱；

附图6B是附图5B的量子点的光谱；

附图7A是附图1A所示的BRM偶联物的原始和调适的荧光放射波长数据的图；

附图7B是附图1B所示的BRM偶联物的原始和调适的荧光放射波长数据的图；

附图7C是附图1C所示的BRM偶联物的原始和调适的荧光放射波长数据的图；

附图8A是附图1A所示的BRM偶联物的强度与时间测量值的关系图；

附图8B是附图1B所示的BRM偶联物的强度与时间测量值的关系图；

附图8C是附图1C所示的BRM偶联物的强度与时间测量值的关系图；

附图9是附图8A中指定部分的特写；

附图10A是附图1A所示的BRM偶联物的强度与浓度测量值的关系图；

附图10B是附图1A所示的BRM偶联物的强度与浓度测量值的关系图；

附图10C是附图1A所示的BRM偶联物的强度与浓度测量值的关系图；

附图11A是附图1A所示的BRM偶联物的R／Y信号比的柱状图；

附图11B是附图1B所示的BRM偶联物的R／Y信号比的柱状图；

附图11C是附图1C所示的BRM偶联物的R／Y信号比的柱状图；

附图11D是附图11A、11B和11C的合并柱状图；

附图12是所使用的实验样本列表；

附图13A是2-病原体多路结果的示意图；和

附图13B是3-病原体多路结果的示意图；

具体实施方式

现在参考附图1A到4G，显示了根据本发明优选实施例的测试系统100。测试系统100与缓冲剂50一起使用，用以测试生物测试样本40中的一个或者多个目标类型的目标分子46a、46b、46c(46a-c)的存在。优选地，测试系统100包含第一组测试分子102、微观流体芯片200、辐射装置300和检测装置400。优选地，测试系统100还包括装有辐射装置300和检测装置400的外壳500，该外壳500按照要求尺寸制造以适应便携式、手持和现场护理诊断使用。

系统介绍

优选地，如果目标分子存在测试样本40中，从一个群组中选出第一组测试分子102，该群组包含生物识别分子106a、106b、106c(BRM106a-c)以及BRM106a-c与目标分子46a-c的偶联物126a、126b、126c。

正如图1A至1C中显示的最佳情况，BRM106a-c是一个或者多个BRM类型。每个BRM类型可以与相应的一个目标类型偶联。优选地，每个BRM106a-c包含微珠108，该微珠108用一个或者多个BRM荧光团112a-c来标记，上述BRM荧光团112a-c与微珠108耦合。优选地，BRM荧光团112a-c包含一个或者多个量子点类型的一个或者多个量子点112a、112b、112c。在一些情况下，附图1C显示的最佳情况，量子点112a、112b、112c可以是两种或者多种量子点类型——例如，红色量子点112b和黄色量子点112a。可替换地，BRM荧光团112a-c可以包括一个或者多个荧光染料类型的一个或者多个荧光染料(未示出)。

正如附图1A到1C中显示的最佳情况，偶联物126a、126b、126c是一个或者多个偶联物类型，每种偶联物类型对应于与它的相应目标类型偶联的不同的一种BRM类型。优选地，偶联物126a、126b、126c优选地在尺寸上小于10微米(μm)。在一些实施例中，偶联物126a、126b、126c在尺寸上小于5μm，或者甚至在尺寸上小于1μm。优选地，并且如图1A到1C显示的最佳情况，每个偶联物126a、126b、126c还包括绑定到目标分子46a、46b、46c中相应的一个的目标标记荧光团130。

正如图2A到2B中显示的最佳情况，优选地，微观流体芯片200包括芯片衬底部分202和在芯片衬底部分202下面的载玻片250。优选地，芯片衬底部分202用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制造，使该芯片衬底部分202成形以限定其中的一个或者多个伸长的样本槽道204以及一个或者多个流聚焦槽道220a、220b。流聚焦槽道220a、220b与至少一个样本槽道204流连通。优选地，还使芯片衬底部分202成形以限定其中的一个样本井242、两个缓冲剂井244a、244b和终端井246。

正如附图2C显示的最佳情况，样本槽道204按照要求的尺寸制造以使得测试分子102得以通过。正如附图2A到2C中显示的最佳情况，样本槽道204包括样本供应槽道206和样本聚焦槽道208，样本聚焦槽道208与样本供应槽道206流连通。样本井242临近样本供应槽道206的样本起点212——也就是说，流聚焦槽道220a、220b的上游(也就是在箭头“A”方向大致相反的方向)。样本聚焦槽道208位于流聚焦槽道220a、220b的下游(大致在箭头“A”指示的方向)。终端井246临近样本聚焦槽道208的终点216——也就是说，流聚焦槽道220a、220b的下游(大致在箭头“A”指示的方向)。正如附图4G中显示的最佳情况，样本聚焦槽道208由芯片衬底部分202的一个或者多个延长槽道壁284限定。槽道壁284包括顶端槽道部分282a和两个相对侧的槽道部分282c。正如附图4G中显示的最佳情况，载玻片250界定了样本聚焦槽道208的底端槽道部分282b。

流聚焦槽道220a、220b用作缓冲剂50通过的执行通道。正如附图2C中显示的最佳情况，优选地，存在两个流聚焦槽道220a、220b，该流聚焦槽道与样本槽道204的上游(也就是在与箭头“A”方向大致相反的方向)邻接，并且形成流聚焦槽道208的相对侧282c、282c。如图2A所示，每个缓冲井244a、244b临近各个流聚焦槽道220a、220b的缓冲起点214a、214b。每个流聚焦槽道220a、220b以大约90度(如图2A所示)、大约45度(正如附图2C中显示的最佳情况)的邻角(在附图2A和2C中大致显示为箭头“E”的方向)或者另一个潜在有利的邻角“E”邻接样本槽道204。如附图2A和2B中所示，两个流聚焦槽道220a、220b优选地在公共交叉部分230邻接样本槽道204。

如图2C所示，缓冲剂50离开流聚焦槽道220a、220b，并且有效地引导单行流140测试分子102通过至少一个样本槽道(也就是样本聚焦槽道208)——优选地通过小于10微米(μm)的公共交叉部分230的下游“A”。缓冲剂50还可以有效地流经样本聚焦槽道208。正如附图2C中的箭头“B”、“D1”和“D2”的相对长度大致所示，缓冲剂50的缓冲剂流速(如箭头“D1”、“D2”大致所示)通常高于单项流140中测试分子102的测试流速(如箭头“B”大致所示)。单项流140被引导沿着样本路径(如箭头“B”大致所示)，该样本路径优选地与相对侧槽道部分282c、282c存在间隔关系(正如附图2C中显示的最佳情况)，并且与底部槽道部分282b和顶部槽道部分282a存在间隔关系(附图4G展示了该最佳情况)。

测试分子102流动通过样本聚焦槽道208优选地采用动电流实现。因此，正如附图4D中显示的最佳情况，测试系统100优选地还包括样本井电极262，两个缓冲剂井电极264a、264b以及终端井电极266。电极262、264a、264b和266的位置可以参考附图4D和4E很好的理解。样本井电极262有效地位于样本井242中。每个缓冲剂井电极264a、264b有效地位于缓冲剂井244a、244b之一中。终端井电极266有效地位于终端井246中。

样本井电极262有效地具有第一极性的第一电势。终端井电极266有效地具有相对的第二极性的第二电势。每个缓冲剂井电极264a、264b有效地具有第一极性的第三电势。优选地，第三电势高于第一电势，其中第三电势与第一电势的比率约为1.8：1(9：5)。

优选地，单项流140中的测试分子102的测试流速“B”至少为大约每分钟三十(30)个测试分子102。更为优选地，测试流速“B”至少为大约每分钟六十(60)个测试分子102。优选地，更高测试流速“B”——例如大约每分钟五百个(500)个测试分子——会获得更为有利的应用。

正如附图3A和3B中显示的最佳情况，辐射装置300在辐射位置210(附图2A和2B中显示的最佳情况)有效地沿着样本聚焦槽道208传送电磁频率(EMF)辐射302，以便由单行流140中的测试分子102吸收。辐射装置300可以包括LED312(正如附图4E和4F中显示的最佳情况)和／或激光器310(正如附图3A和3B中显示的最佳情况)以有效地发出EMF辐射302。优选地，激光器310具有在大约2毫瓦特(mW)和大约5mW之间的操作功率，并且更为优选地，具有在大约20mW到大约25mW之间的操作功率。优选地，EMF辐射302具有大约488nm的EMF波长。

正如附图3A到3C中显示的最佳情况，在吸收EMF辐射302之后，测试分子102发出荧光304。测试分子102的荧光304包括每种偶联类型的不同的荧光光谱726a、726b、726c(正如附图7A到7C中显示的最佳情况)。优选地，正如附图6A到7C中显示的最佳情况，在吸收了EMF辐射302之后，BRM荧光团112a-c——无论是量子点112a、112b、112c还是荧光染料(未示出)——至少发射BRM部分604a、604b、604c，并且在吸收了EMF辐射302之后，目标标记荧光团130发射不同的荧光光谱726a、726b、726c的荧光304的目标部分604d。(目标部分604d具有比每个偶联物126a、126b、126c的不同荧光光谱726a、726b、726c的荧光304的BRM部分604a、604b、604c更低的亮度。)在吸收了EMF辐射302之后，BRM荧光团112a、112b、112c和目标标记荧光团130一起放射不同荧光光谱726a、726b、726c的荧光304。

尽管在附图中没有示出，但是测试系统100可替换地包含纤维光缆，该纤维光缆将荧光304从实际临接照射位置210的位置传送到检测装置400(也就是沿着样本聚焦槽道208)。

正如可以参考附图3A、3C、6A和7A-9很好地理解，检测装置400监测由单行流140中的测试分子102放射的荧光304。总体而言，通过监测每种偶联类型的不同荧光光谱726a、726b、726c(如附图7A到7C显示的最佳情况)，检测装置400识别在第一组测试分子102中的偶联物126a、126b、126c的存在。

正如附图3C中显示的最佳情况，检测装置400优选地包括雪崩光电检测器410a、410b、410c、410d(APD410a-d)、电荷耦合装置420和／或一个或者多个行程传感器(未示出)，从而监测单行流140中的测试分子102放射的荧光304。优选地，检测装置400包含两个、三个、四个或者更多个APD410a-d，上述APD监测单行流140中的测试分子102放射的荧光304。优选地，每个APD410a-d适于接收和识别不同波长范围的存在——例如蓝色(未示出)、绿色602d、黄色602a、橘黄色602c或者红色602b的波长范围。

在本发明的一些实施例中，APD410a-d中的第一个APD优选地适于接收和识别每个偶联物126a、126b、126c的不同荧光光谱726a、726b、726c的荧光304的BRM部分604a、604b、604c的存在，第二个APD适于接收和识别每个偶联物126a、126b、126c的不同荧光光谱726a、726b、726c的荧光304的目标部分604d的存在。在该实施例中，APD410a-d中的第二个APD优选地具有比APD410a-d中的第一个APD更高的灵敏度。其中检测装置400还包括电荷耦合装置420，该电荷耦合装置还包含开关部件464(如附图3C中显示的最佳情况)，该开关部件464用于在监测单行流140、APD410a-d或者电荷耦合装置420之间进行切换。

如前所述，并且尽管在附图中没有示出，检测装置400可以包括一系列一个或者多个行程传感器。但是仅仅当荧光304的亮度超过最小行程亮度的时候，每个该行程传感器优选地产生与荧光304的亮度802a、802b、802c对应的数字信号(如附图8A-9中显示的最佳情况)。该系列中的每个行程传感器优选地具有不同的预定义的最小行程亮度。该系列行程传感器优选地被设置为按照最小行程亮度的升序或者降序排列。

以这种方式，测试系统100识别测试样本40中的目标分子46a、46b、46c的存在。优选地，测试系统100特别适用于血液、血清、唾液和尿液测试样本。可以用于传染性疾病和／或细菌性疾病状态、病毒性疾病状态、真菌性疾病状态和／或载体源性疾病状态的诊断。特定地，测试系统100可以专门用于同时诊断生物体是否感染HIV、HBV或者HCV。

在这一阶段，值得特别注意的是，在落入本发明保护范围的一些实施例中，测试系统100可以不具有一个或者多个上述组件部分(尽管优选地使用上述组件部分)。也就是说，例如，测试系统100可以不具有测试分子102，尽管更倾向于使用测试分子。类似地，测试系统100可以不具有一个或者多个微观流体芯片200、辐射装置300和检测装置400——当然，尽管更倾向于使用上述部件。举例而言，在测试系统既不具有辐射装置300也不具有检测装置400的情况下，该测试系统倾向于使用结合的辐射和检测装置300、400。

方法介绍

根据本发明，特别还公开了一种聚焦分子以实现检测生物测试样本40中的一个或者多个目标类型的目标分子46a、46b、46c的存在的方法。

优选地，该方法包括：

-BRM形成步骤；

-在BRM形成步骤之后的测试分子形成步骤；

-动电步骤；

-在测试分子形成步骤之后的样本流动步骤；

-缓冲剂流动步骤；

-在动电步骤和缓冲剂流动步骤之后的样本聚焦步骤；

-在样本聚焦步骤之后的辐射步骤；

-在辐射步骤之后的荧光检测步骤；和／或

-在辐射步骤之后的偶联物识别步骤。

在BRM形成步骤中，与微珠108耦合的一个或者多个BRM荧光团112a、112b、112c标记于微珠108。。在测试分子形成步骤中，测试分子102优选地通过将目标标记荧光团130和BRM106a-c(一种或者多种BRM类型)引入到生物测试样本中来形成。每种BRM类型与相应的一个目标类型偶联，并且目标标记荧光团130优选地与一个或者多个(和／或全部)目标类型偶联／连接。这样，如果目标分子46a、46b、46c存在测试样本中，测试分子102包含BRM106a-c的偶联物126a、126b、126c、目标标记荧光团130和目标分子46a、46b、46c。优选地，在测试分子形成步骤中形成的偶联物126a、126b、126c在尺寸上约小于10微米(μm)。在一些实施例中，形成的偶联物126a、126b、126c可以在尺寸上约小于5μm，或者甚至在尺寸上约小于1μm。如此形成的偶联物126a、126b、126c是一种或者多种偶联物类型，每种对应于与相应的目标类型偶联的不同的一种BRM类型。

在动电步骤中，(i)第一极性的第一电势被用于样本供应槽道206，也就是流动聚焦槽道220a、220b的上游(也就是与箭头“A”大致相反的方向)；(ii)相对的第二极性的第二电势被用于样本聚焦槽道208，也就是流聚焦槽道220a、220b的下游“A”；和(iii)第一极性的第三电势被用于每个流聚焦槽道220a、220b。第三电势优选地高于第一电势。第三电势相对于第一电势的比例优选为大约为1.8∶1(9∶5)。在样本流动步骤中，测试分子102通过样本供应槽道206。在缓冲剂流动步骤中，缓冲剂50通过临近样本槽道204的流动聚焦槽道220a、220b。

在样本聚焦步骤中，通过缓冲剂50从两个流聚焦槽道220a、220b经由邻接的公共交叉部分230流入样本聚焦槽道208来引导单行流140中的测试分子102通过样本聚焦槽道208。单行流140被引导沿着样本路径“B”流动，该样本路径与样本聚焦槽道208的相对侧槽道部分282c、282c存在间隔关系，与样本聚焦槽道208的顶部槽道部分282a、样本聚焦槽道208的底部槽道部分282b也存在间隔关系。通常，缓冲剂50以缓冲剂流速“D1”、“D2”流入样本聚焦槽道208，其中缓冲剂流速“D1”、“D2”高于单行流140中的测试分子102的测试流速“B”。在样本聚焦步骤中，缓冲剂50可以以邻接角“E”流入样本聚焦槽道，其中邻接角“E”大约90度(如附图2A中显示的最佳情况)，大约45度(如附图2C中显示的最佳情况)或者任何实际有利的邻接角“E”。优选地，在样本聚焦步骤中，由动电步骤来实现单行流140中的测试分子102通过样本聚焦槽道208。

在辐射步骤中，电磁频率(EMF)辐射302被传送到单行流140中的测试分子102中，优选地通过具有在大约2mW到大约25mW之间的工作功率的激光器310来传送。更为优选地，工作功率可以在大约20mW到大约25mW之间。在一个优选实施例中，EMF辐射302具有大约488nm的EMF波长。

在吸收了EMF辐射302之后，每个偶联物126a、126b、126c(也就是每种偶联类型)放射不同荧光光谱726a、726b、726c的荧光304。目标标记荧光团130放射每种偶联类型的不同荧光光谱726a、726b、726c的目标部分604d，并且BRM荧光团112a、112b、112c放射每种偶联类型的不同荧光光谱726a、726b、726c的BRM部分604a、604b、604c。

在荧光检测步骤，监测单行流140以便检测测试分子102放射的荧光304。由偶联物126a、126b、126c放射的荧光304优选地由两个或者多个APD410a-d接收——其中第一和第二APD410a-d分别接收并识别每个偶联物126a、126b、126c的不同荧光光谱726a、726b、726c的荧光304的BRM部分604a、604b、604c和目标部分604d。可替换地，由偶联物126a、126b、126c放射的荧光304可以由电荷耦合装置420接收。更进一步，在荧光检测步骤，可以选择APD410a-d、电荷耦合装置420或者二者共同来接收由偶联物126a、126b、126c放射的荧光304。

最后，在荧光识别步骤中，当检测偶联类型的不同荧光光谱726a、726b、726c的时候，识别测试样本40中的目标分子46a、46b、46c的存在。

系统详情

根据本发明的测试系统100现在将以更加详细的方式讨论。

测试系统100被设计用以测试提供样本的宿主的各种条件和感染疾病的生物测试样本(也就是血液、血清、唾液、尿液等)。测试的感染性疾病可以包括，但不限于，细菌性疾病状态、病毒性疾病状态、真菌性疾病状态、载体源性疾病状态和上述的结合。通过将测试分子102和生物样本结合以产生测试样本40的方式来执行测试。

测试分子102优选如附图1A、1B和1C所示的生物识别分子(此处及以后简称“BRM”)偶联物126a-c。测试分子102包括具有嵌入的BRM荧光团的聚合微珠108，例如量子点112a-c，该量子点产生与每种BRM关联的独特的光谱模式或者“条形码”。BRM进一步包括通过羧酸118绑定在微珠108表面的绑定分子116。具有目标标记荧光团130的目标分子46a-c因此通过绑定分子116绑定到微珠108的外部，以形成BRM偶联物126a-c。

更为具体地，参考附图1A，微珠108具有正如黄色量子点112所示的嵌入的BRM荧光团。附图1B和1C显示了红色(112b)、红色(112b)和黄色(112a)的其他各种结合方式。参考附图5A和5B也可以看出，橘黄色(112c)、绿色(112d)和蓝色(112e)的量子点也可以使用。可以使用诸如荧光染料之类的可替换的荧光团来代替量子点。每种BRM荧光团产生不同的荧光光谱，例如附图6A等所示的604b代表了红色量子点。将目标类型46a与BRM106a偶联以形成BRM偶联物126a。类似地，在附图1B和1C中，目标类型46b和46c与BRM106b和106c偶联以分别形成BRM偶联物126b和126c。

装配

附图3A显示了本发明系统100的一个实施例的示意图。测试系统100通常包括微观流体芯片200、辐射装置300和检测装置400。

正如附图2A和2B中显示的最佳情况，微观流体芯片200包括装配有载玻片250的芯片衬底部分202。芯片衬底包括许多井和连接槽道。如附图2B所示，示例性芯片200具有四个井：样本井242、两个缓冲井244a和244b、终端井246。样本井242在样本起始点212与样本槽道204连接，样本槽道204具有两个部分：样本供应槽道206和样本聚焦槽道208。类似地，缓冲井244a和244b分别在缓冲起始点214a和214b与流聚焦槽道220a和220b连接。样本供应槽道206在公共交叉部分230与流聚焦槽道220b和220b连接，从而使得聚焦缓冲剂／样本流进入样本聚焦槽道208并且终止于终止点216进入终端井246。沿着样本聚焦槽道208是辐射装置300对准的辐射位置210。

流聚焦槽道220a和220b的两种形式分别显示在附图2A和2B中。在附图2A中，流聚焦槽道220a和220b以大致与样本供应槽道206和样本聚焦槽道208呈90度的角度进入交叉部分230。在附图2B中，流聚焦槽道220a和220b以大致与样本供应槽道206呈45度的角度进入交叉部分230。槽道204的几何关系和在交叉部分230的角度优选在30度和90度相交角之间，然而，精确角度最好依赖实验测量以及预期流速获得，实验测量基于测试样本40和缓冲剂50的特性。

基于附图2B，附图2C提供交叉部分230以及样本40和缓冲剂50的流模式的特写横截面图。朝向终端井246的大致流向由箭头A标识，代表下游方向。沿着样本供应槽道206的样本流由箭头B标识，代表样本路径。沿着流聚焦槽道220a和220b的缓冲剂流分别由箭头C2和C1标识。样本聚焦槽道208中的缓冲剂流由箭头D2和D1标识。在流聚焦槽道220a和220b与样本供应槽道206之间的相交角以E标识。

随着缓冲剂50流出流聚焦槽道220a和220b并且流入交叉部分，流动的缓冲剂50的力量使得流动样本40在样本供应槽道206变得狭窄，并且使得测试分子102进入单行流140。附图4G显示了样本聚焦槽道208的横断面，阐释了缓冲剂50对样本40的流聚焦效应在各个方向上起作用，受到槽道壁284的限制。需要注意的是，样本40狭窄地延伸到由载玻片250界定的底部槽道部分282b，以防止测试分子102粘贴到底部槽道部分282b。缓冲剂50覆盖相对侧槽道部分282c，其中缓冲剂50和样本40覆盖顶部槽道部分282a。

正如附图4E详细显示的最佳情况，微观流体芯片200装配到平台270上。样本40和缓冲剂50的动电驱动力由电极提供，该电极插入到每个井中。因此，对于显示的芯片200而言，具有一个样本井电极262、两个缓冲剂井电极264a和264b以及一个终端井电极266。借助电极获得电势差，从而产生将样本40和缓冲剂50沿着各自槽道运送的动电驱动力。

微观流体芯片200根据公知方法加以制造。一种方法使用聚二甲硅氧烷(PDMS)微观流体芯片。PDMS微观流体芯片优选使用传统软刻蚀微结构技术制造。预期的微槽道模式的光掩膜得以准备并且印刷在透明物上。宿主在覆盖有光阻材料层的硅晶片上制造并预烘焙。每个晶片具有位于光阻材料之上、油墨表面之下的光掩膜，并且该晶片暴露于紫外光达到短暂的时间。在接着的标准后焙烘过程中，晶片被浸入纳米显影剂中以溶解任何没有暴露在紫外光下的光阻材料。宿主接着被异丙醇清洗并且被压缩氮气烘干。

通常提供聚二甲硅氧烷(PDMS)作为两部分预聚物试剂盒，A部分是预聚物并且B部分包含交联剂。宿主置于硼硅培养皿中并且混合的预聚物被注入每一个培养皿的顶部。样本接着置于真空之下从而对预聚物进行脱气处理(移除气泡)。接着在烤炉中开始培育。一旦从烤炉中移出，治愈的PDMS片被从宿主中剥除，并且微槽道模式外部周围的过多聚合体被移除。单宿主保持两个聚合体微槽道的模式。PDMS衬底和盖玻片的表面接着使用透明胶加以清洗。

接着使用PDMS槽道的等离子氧预处理以使得槽容易吸水。PDMS衬底202和载玻片250置于等离子体清洁器的室内并且暴露于氧等离子体中。紧接着，PDMS202和载玻片250的表面接触从而无法逆转地将两个衬底密封起来。双蒸馏水被分发到微槽道204中，以保持槽道表面亲水。最后，小片玻璃置于槽道井242、244a、244b和246之上，以防止水分蒸发，使得芯片200能够长时间保存。

在附图3B中详细显示，正如上面所讨论的，辐射装置300放射EMF(电磁频率)辐射流302，该EMF辐射流被引导到照射位置210，从而对流入如上所述的样本聚焦槽道208的测试分子102加以辐射。如上所示，激光器310被用于产生EMF辐射，然而诸如LED之类的的替代性源也可以采用。LED可以置于与激光器310相同的位置，或者置于LED312所示的位置。

如图4F所示，放射的EMF辐射302借助镜320被引导通过物镜330以将射束聚焦到辐射位置210上。通过使用电动机280a和280b来移动芯片平台270以将辐射302校准到辐射位置210上，透镜的焦距可以沿着x-、y-、和z-轴调整(正如也在附图4C和4D中示出)。校准可以自动执行或者手动执行。通过启动LED312和测量信号强度并且在x-以及z-轴上调整平台的方式来执行自动校准以便获得样本聚焦槽道208和辐射位置210的正确校准。可替换地，y-轴校准可以手动执行以使信号结果最优化。手动校准由使用者通过调节钮506、输入接口504或者二者的结合加以控制。

物镜330的校准和调焦更为清晰地显示在附图4G中，其中透镜330和测试分子102之间的z轴焦距F_z被调整以确保测试分子102被EMF辐射302充分激发。类似地，x轴焦距F_x被调整以说明测试分子102的尺寸(宽度)。

详细显示在附图3C中的检测装置400通常包括多个镜和过滤器，以将放射的荧光304从辐射的测试分子102引导到荧光检测装置。如附图3C所示，入射的荧光304被主镜462引导沿着检测槽道450运行。荧光信号接着被光束分裂镜464分割。分裂荧光信号的一部分被引导沿着强度槽道422传送到电荷耦合装置(“CCD”)420，该电荷耦合器件420确定信号总强度。

分裂荧光信号的其他部分被引导沿着检测槽道450，在该检测槽道分裂荧光信号的其它部分通过一系列带通滤波器440a-d。每个滤波器440a-d覆盖特定波长，该波长对应于测试分子102中的每个BRM荧光团110和目标标记荧光团130放射的荧光信号304。过滤信号442a-d被引导沿着检测槽道452a-d达到APD(雪崩光电检测器)410a-d，该APD410a-d将荧光信号转换到电信号，该电信号随后被输出到信号处理器490并用以分析。

以一个信号为例，绿色波长带通滤波器440a被用于将荧光信号304的过滤部分442a转换到检测槽道452a。滤波信号442a影响APD410a并且该结果是用以分析的绿色波长输出信号。类似过程使用黄色带通滤波器440b、橘黄色带通滤波器440c和红色带通滤波器440d得以发生，相应的APD410b-d生成黄色、橘黄色和红色波长输出信号。结合信号共同产生光谱，该光谱被解析以确定发射荧光的测试微粒102的识别。

目标荧光团130通常具有低于、通常基本低于BRM荧光团112a-c的强度，具有APD是有利的，该APD负责生成目标荧光团光谱从而以比负责生成BRM偶联光谱的APD高的灵敏度运行。在所示示意图中，APD410a负责生成目标荧光团130的光谱并且以比用于BRM荧光团112a-c的APD410b-d高的灵敏度运行。如所示，APD410a是一种类型的APD，其使用散热器470给APD降温，提供比未降温的APD410b-d高的灵敏度。可替换地，或者增加散热器470，温度控制系统472得以实现以将APD410a维持在低于周围温度的恒定温度。

整个系统封闭在外壳500中，该外壳500包括用于移进和移出装载样本的微观流体芯片200的样本入口502、和显示屏504，该显示屏504优选触摸屏装置以获得作为数据输入装置的双重功能。外壳还包括用于执行芯片200位置手动校准和校正的旋钮506。

运行

在使用中，生物测试样本(血液、血清、唾液、尿液等)被准备来插入微观流体芯片200的样本井242内。生物测试样本与第一组测试分子结合以形成测试样本40，测试样本被系统测试以发现一个或者多个目标类型的目标分子46的存在，正如被测试的特性所确定的。所使用的测试分子可以包括一个或者多个BRM类型的BRM106，BRM106单独与一个目标分子以及BRM与目标分子的偶联物偶联，不同的偶联物对应不同的BRM和目标分子。

第二组测试分子也可以存在样本中，例如未偶联样本分子，并且第二组测试分子与第一组测试分子一起散布在样本流中。第二组测试分子可以用于单独BRM的多元测试或者用于诸如校准和纠错之类的系统测试，第二组测试分子或者作为非相关因素被忽略。

微观流体芯片200接着通过外壳500的样本入口502插入测试系统100。透镜330和辐射位置210的校准随后采用如上所述的方式执行。运行参数通过显示屏504输入并且应用必要的电势到电极262、264a、264b和266来启动样本40和缓冲剂50的流动。第一电势应用于样本井电极262，第二电势应用于缓冲井电极264a和264b并且第三电势应用于终端井电极266。

如图2C所示，样本40和缓冲剂50随后分别流经样本供应槽道206和流动聚焦槽道220a和220b。槽道206、220a和220b在公共交叉部分230交汇，并且样本流40聚焦于测试分子102的单行流140。

测试分子102随后在辐射位置210被辐射装置300辐射。优选地，使用诸如激光器310或者LED之类的固定波长的EMF辐射装置。根据BRM类型和BRM偶联类型，测试分子随后放射荧光，每个BRM类型和BRM偶联类型具有不同的荧光光谱。

荧光随后被光电检测装置检测到，光电控测装置例如如上所述的APD或者CCD，并且结果信号可以输出到信号处理器以识别测试样本中的偶联类型。

实验结果

在此处讨论的示例中，三种病原体(正如附图1A、1B和1C所分别阐释的，B型肝炎病毒——HBV，C型肝炎病毒——HCV，和人体免疫缺损病毒HIV)被选择以证实这个综合装置对感染性疾病诊断的效用。该三种病原体全部都是使用类似的传播途径并且对整个传染病发病率和死亡率具有重要影响的世界上最流行的血液性病毒。例如，在全世界范围内HIV感染了四千万人，HBV感染了四亿人并且HCV感染了1.7亿人，估计HIV的感染率为3950万人，慢性HBV感染的感染率为3.5亿人并且慢性HCV感染的感染率为1.3亿人。上述情况多数存在发展中国家。当前诊断机制需要三种分离的测试和相对大量的血液用以病原体测试。这些需要在分析成本和分析速度上产生了显著的负面影响。对于发展中国家而言，通用诊断装置的实现具有挽救许多生命的潜在意义。

量子点综合分析

借助上述有机金属方法(S1-S4)，CdSe核心ZnS覆盖的量子点(“Qdots”)被综合分析。简要地说，12-20g三正辛基氧膦(TOPO，98％纯度，SigmaAldrich，圣路易斯，MO)在三口烧瓶中在Ar气环境下加热到150℃。160μL二甲基镉(97％，Strem Chemicals，Newburyport,MA)被注入并且与加热的TOPO一起混合～15分钟。在三种物质在真空环境下净化之后，三口烧瓶中包含的物质被加热到350℃。2摩尔硒(硒粉，99.5％，Sigma Aldrich)和三正辛基膦(TOP，Sigma Aldrich)的前体溶液被注入三口烧瓶并且温度迅速降低到300℃。使用在1.5：1到2.5：1范围内的Cd：Se比率。通过使用荧光计测量三口烧瓶中的溶液等分试样的散射面来追踪在成长过程中的Qdot发射(FluoroMax-3，Jobin Yvon Horiba，Edison，NJ)。一旦预期的发射峰波长达到，包含二乙基锌(Sigma Aldrich)、六甲基二硅硫烷(TMS2(S)，Sigma Aldrich)和TOP的覆盖的前体溶液以～1ml／min的速率被注入到三颈滴状冷凝管中。

在Qdot覆盖之后，三口烧瓶温度降低到＜60℃并且氯仿得以添加。使用一些具有甲醇和氯仿(以2：1的比率)的清洗剂来从未反应的前体中沉淀析出纳米颗粒。最终覆盖Qdot的TOPO被存储在氯仿中，直到使用。

量子点条形码分析

Qdot条形码或者BRM部分(在下文中称为“QdotBs”)使用公知方法(M.Han，X.Gao，J.Z.Su，S.Nie，Nat.Biotech.，19,631(2001)；X.Gao，S.Nie，Anal.Chem.，76,2406(2004))加以准备。简要地说，在表面上具有羧酸功能群的5μm直径的聚苯乙烯微珠(Bangs Laboratories，Fishers，IN)在丙醇中肿胀，并且氯仿中的覆盖TOPO的Qdot得以添加(大致为，1mL丙醇中1.5×107微珠以及氯仿中＜100μLQdot)。由于疏水物质-疏水物质相互作用，Qdot扩散到微珠内部。对于QdotB1(仅570nm放射Qdot)和QdotB2(仅615nm放射Qdot)样本而言，该潜入过程持续1个小时；同时对于QdotB3而言，扩散被分割为两个步骤：570nm放射添加的Qdot持续整个小时的扩散，并且615nm仅在后半个小时放射添加的Qdot。使用丙醇清洗样本数次(7-10之间)，并且存放在4℃冰箱中直到用于分析。微珠准备和分析开始的时间间隔不超过12小时。

抗原样本准备

随后使用有助于互联的N-二甲氨基丙基-N’-乙基碳二酰亚胺(EDC)将病原体抗原(BRM)共价地连接到微珠表面。对于HBV、HCV和HIV所使用的抗原分别是B型肝炎表面抗原(HbsAg)、非结构蛋白(NSP₄)和醣蛋白41(gp41)。

对在丙醇中准备的QdotBs进行10秒的漩涡以及声波处理并且随后通过5mL过滤器(Falcon、VWR)。初始悬浮在1.5×107微珠／mL浓度的1mL丙醇中的样本被分割为250μL的等分试样，并且以8000rpm的速度离心分离3分钟。上层清液被吸取并且使QdotBs再次悬浮在100μL的0.1M MES缓冲剂中(PH值为5.5)。用MES缓冲剂来对微珠完成两次以上的清洗并且随后样本再次悬浮在90μL的MES缓冲剂中。在1mLMES缓冲剂中的0.0092g N-二甲氨基丙基-N’-乙基碳二酰亚胺(EDC，Sigma Aldrich)储备溶液得以准备，并且其中的5μL被添加到每个样本中。样本随后在涡流上培育15分钟，培育包括轻震动。

在EDC培育之后，对样本进行9000rpm的离心分离处理3分钟并且吸取上层清液。在以9000rpm的速度再次离心分离之后用100μL的MES缓冲剂进行清洗。在碳酸盐-重碳酸盐缓冲剂(PH值为9.4)中以34.4μg／mL的浓度来准备抗原溶液。使用的抗原是分别用于B型肝炎病毒(HBV)、C型肝炎病毒(HCV)和人体免疫缺损病毒(HIV)的B型肝炎表面抗原(HbsAg，Advanced Immunochemical，Long Beach，CA)、非结构蛋白质4(NSP4，Advanced Immunochemical)和醣蛋白41(gp41，Advanced Immunochemical)。稀释的抗原储备溶液被添加到样本中从而在涡流中进行15分钟的培育后达到最终100μL的容量。

在用抗原溶液培育之后，以6500rpm的速度对样本进行离心分离处理达到3分钟，接着吸取上层清液。随后使QotBs再次悬浮在100μL的淬熄缓冲剂(50mM氨基乙酸和0.1％非离子活性剂)中并且在涡流中培育另外15分钟。培育之后，以5500rpm的速度对样本进行离心分离处理3分钟，抽取并使其再次悬浮在磷酸盐缓冲液(PBS)中100μL3％乳状液中。随后在涡流中培育30分钟用来防止具有牛乳蛋白质的QdotBs。最后，用TRIS清洗缓冲剂(PH值为8.0)来将QdotBs清洗一次以上，使用5000rpm的离心分离处理。如果需要，该样本可以整夜保存干燥。

接着在人血清中准备目标抗体溶液的存储溶液。对于HBV而言，使用克隆X12反HbsAg(高级免疫化学)；对于HCV而言，使用克隆8A1反HCVNS-4(国际生物设计，Saco，ME)；并且对于HIV而言，使用克隆5A1反HCV-1gp41(国际生物设计)。使覆盖有抗原的QdotBs再次悬浮在深灰褐色人血清样本中达到最终100μL的容量。接着在涡流中对其培育15分钟，接着使用TRIS清洗缓冲剂清洗两次，将样本进行5000rpm的离心分离处理。

与羊抗小鼠IgG抗体(Invitrogen，Burlington，ON)偶联的AlexaFluor488染料的储备溶液在TRIS清洗缓冲剂中以1：300的比例稀释。使用100μL的该溶液来再次悬浮每个样本。样本被覆盖锡箔(用以防止有机染料光漂白)并且放置在涡流上达到15分钟。在使样本再次悬浮在500μLTRIS清洗缓冲剂以便短期存储之前，使用10μLTRIS清洗缓冲剂来完成对QdotB联合体的两次最终清洗。

分析准备

对于多元分析而言，采用上述方式来准备覆盖抗原的QdotB。在抗体捕捉过程中，所有实验采用几乎相同总数的微珠。如果存在两种类型的抗原QdotB得以使用，那么样本中的微珠对应一种编码，同时剩余的微珠对应其他编码。对使用三种不同QdotB的样本使用相同的方法。

在QdotB与目标深灰褐色抗体人体血清的培育过程中，通常使用100μL的总量。因此，如果使用两种不同的目标抗体培育样本，那么添加每种深灰褐色血清溶液50μL。类似地，如果使用三种不同的目标抗体培育，则添加每种溶液33μL。

附图12示出了使用目标深灰褐色抗体人体血清样本来培育覆盖抗原的QdotBs。对于控制(非目标抗体)样本而言，改为添加没有目标抗体的人体血清。用上述的方法来接着对剩余目标抗体进行捕获分析。

微芯片制造

微槽道制造采用正如上面讨论的标准软平板印刷技术(Y.Xia，G.M.Whitesides，Annu.Rev.Master.Sci.,28,153(1998)；D.C.Duffy,J.C.McDonald，O.J.A.Schueller,G. M.Whitesides，Anal.Chem.，70,4974(1998)；M.A.Unger,H.Chou，T.Thorsen,A.Scherer,S.R.Quake，Science,288,113(2000))。

使用AutoCAD软件(San Rafael，CA)来准备预期微槽道模式的光掩膜并且由摄影绘图仪店(Colorado Springs，CO)在透明物上印刷。印刷的清晰度是1.59μm(两个象素之间的距离)。通过在直径为3.5英寸的硅晶片上(Virginia Semiconductor，Fredericksburg，VI)旋转涂布厚度为15μm的2015系列SU8光阻材料(MicroChem Corp.，Newton，MA)涂层来开始制造宿主，并且预焙样本。每个晶片随后具有置于光阻材料之上的、置于油墨表面之下的光掩膜，并且使用SUSS MA6掩膜校准器在35mW／cm2的强度下暴露在365纳米紫外线光达到～4秒钟(SUSS MicroTec Inc.，Waterbury Center,VT)。在标准后焙烘处理中，晶片被浸入SU8纳米显影剂(MicroChem Corp.)中达到～1分钟时间，以溶解任何没有暴露在紫外线光中的光阻材料。随后用异丙醇清洗宿主，并且用压缩氮气干燥。

所使用的聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚合物试剂盒(RTV615，GeneralElectric Silicones，Wilton，CT)具有两部分，A部分是预聚合物；B部分包含交联剂。预聚合物采用10A：1B的比例混合。宿主被置于耐热陪替氏培养皿中，并且22g预聚合物被涂敷在每一个上。样本接着被置于真空状态达到～2小时，以便于对预聚合物进行脱气(除去气泡)。接着在80℃的烤箱中进行3小时培育。一旦从烤箱中移出，治愈的PDMS板从宿主中剥离，并且微槽模式外部周围的多余聚合体被移除。单个宿主具有两个聚合体微槽模式。随后使用透明胶带细致地清洗PDMS衬底和玻璃盖片(170μm厚，VWR，Mississauga，ON)的表面。PDMS衬底和玻璃盖片放置在等离子清洁剂的槽道中(Harrick Plasma，Ithaca，NY)并且暴露在氧等离子体中达到1分钟。紧接着，PDMS和玻璃盖片的表面接触以不可逆转地将两个衬底密封在一起。双蒸馏水被分布到微槽道中，以保持槽道表面亲水。最后，小片玻璃被放置在槽道井的顶端以防止水蒸发，从而能够将样本存储较长时间。

检测实验

首先，500μLTRIS清洗缓冲剂中的QodtB偶联物以4000rpm离心分离处理3分钟，并且吸取上层清液。上述偶联物接着再次悬浮在30μL双蒸馏水。

通过填充缓冲剂和废用井并且使用定制工具在样本井吸取的方式，在使用之前，使用双蒸馏水清洗一次微槽。所有井在将样本引入芯片之前都进行去水。20μL样本被装载到样本井中，接着20μL双蒸馏水进入每个缓冲剂和废用井。微观流体芯片接着在反向落射荧光显微镜(IX71，Olympus，CenterValley，PA)的镜台上被校准，并且浸镜油被用于60X物镜(1.35NA，Olympus)。物镜聚焦于样本井入口。

电极置于每个井中，引线连接到稳压电路的输出(参见附图S2)。稳压电路的输入端连接到高压电源(CZE1000R，Spellman High VoltageElectronics Corp.，Hauppauge，NY)，该高压电源在实验过程中向稳压电路提供300V和60μA的电力供应。缓冲剂和样本槽道之间的电压比可以设置为1.8。

一旦如上所述QdotB联合体开始流入微槽道206，物镜焦点被移动以便与位于缓冲剂槽道208和样本槽道206的交叉部分230下游的样本聚焦流一致。物镜330接着用于聚焦激光焦点，测量～8μm直径并且在～10μm宽的单行样本流140中使用不同于多重线的488nm氩激光器310线、TEM00模式下的氩气/氪气激光器(COHERENT Inc.，Santa Clara，CA)。激光能量被设置在恒定25mW。分色镜(U-N41001，Olympus)和50nm高通放射过滤器320(7512，Chroma Technology Corp.，Rockingham，VT)被用于将激发光302和冷凝荧光304区分。在被聚焦到固态光电检测器410a-d的有效区域之前，使用双色向面镜(q5551p和610d1p，Chroma TechnologyCorp.)和带通滤波器440a-d将荧光放射304分离为光谱带(参见附图3A)。

Qdot和所使用的带通滤波器的光谱显示在附图6A中。红色、黄色和橘黄色QdotB的光谱峰值对比显示在附图6B中。对于绿色范围波长而言，峰值602d代表滤波器，并且峰值604d代表未处理的荧光，500-540nm带通滤波器440a(HQ520/40，Chroma Technology Corp.)与双凸面凸镜(LB1761-A，Thorlabs Inc.，Newton，NJ)共同使用从而将放射光线聚焦到PIN光敏二极管检测器410a(818系列，Newport Corp.，Irvine，CA)。该检测器连接到光学功率仪表(1830-C，Newport Corp.)。类似地，带通滤波器440b和440d(HQ575/30和HQ630/60，Chroma Technology Corp.)和透镜(分别为LB1811-A和LA1027-A，Thorlabs Inc.)被用于两种雪崩光电二极管(C4777-01和C5460分别用作黄色槽道和红色槽道，Hamamatsu Corp.，Bridgewater，NJ)。黄色范围波长显示为滤波器的峰值602a和未处理荧光的峰值604a，并且红色范围波长显示为滤波器的峰值602b和未处理荧光的峰值604b。所有三个检测器的电压输出连接到数据获取卡(NI USB-6251，National Instruments，Austin，TX)的端口，该数据获取卡连接到计算机并且采用Labview软件(National Instruments)操作。尽管数据获取卡的容量是1MS/s的层级，但是使用1kHz来进行取样。为了对比，附图6A还显示了橘黄色范围波长，峰值602c代表滤波器(参见上述内容)并且604c代表未经处理的Qdot光谱的峰值。出于对比的目的，红色612b、黄色612a和橘黄色612c的QdotB偶联物的光谱在附图6B中一并显示。

典型的实验需要15分钟，能够收集～30MB数据和～1000个检测事件。在该实验之后，在微槽道得以处理的同时，保留在样本槽道中的QdotB偶联体得以收集，并且采用细胞计数器(Vi-Cell XR，Beckman-Coulter，Fullerton，CA)加以计数。样本井中的QdobB偶联体浓度在典型的实验中是1.5×107/mL(9×106标准偏差)。

使用CCD阵列照相机收集的光谱

采用与上述给出的步骤类似的步骤来收集例如显示在附图7A-C中的光谱。然而，使用50.0mm焦距透镜(LA1131-A，Thorlabs，Inc.)引导荧光放射的朝向并且使其聚焦于光谱摄制仪(Acton Research Inc.，Acton，MA)的入射狭缝。在光谱摄制仪中，在照亮热电冷却式CCD照相机的像素(7481-0001，Princeton Instruments，Trenton，NJ)之前，每毫米150槽的格栅被用于将放射光线按照波长散布。当被校正适合中心波长570nm的时候，选择格栅得以检测从～450nm到700nm的光谱。CCD阵列的整合时间是50兆秒，上述时间由机械快门设置，同时典型的读出时间需要～250兆秒。使用WinSpec软件(Princeton Instruments)来收集和分析照相机获得的数据。通过收集多个连续光谱，相互区分本底信号和检测信号成为可能。HBV、HIV和HCV样本的未经处理的数据分别显示为724a、724b和724c，相应曲线分别与作为不同荧光光谱726a、726b和726c的未经处理数据匹配。各个相应曲线显示出结合了橘黄色峰值604c的黄色峰值604a、红色峰值604b。目标荧光团的绿色峰值604d也呈现。

理论

样本和缓冲剂槽道的下游，该槽道受到流聚焦。由于流中的微珠往往没有区别地吸收到PDMS上从而很大程度地影响Qdot条形码的测量，所以流聚焦是理论的重要方面。对于流聚焦而言，Qdot条形码与PDMS衬底的相互作用最小化。

微观流体芯片中槽道的尺寸和形状由检测到的微珠和偶联物的尺寸决定。举例而言，5μm微珠需要大约7-8μm的间隔以便于在发挥作用和偶联之后流动，因此宽度不大于10μm的聚焦流槽道实现微珠的规则流动，同时在一个时间仅仅允许一个微珠通过槽道。

槽道的配置得以优化，从而使得聚焦流微珠逐一地通过检测点，同时保持流动速率从而没有聚集和结块。该配置依靠许多因素，包括应用在聚焦槽道上的电压、应用在样本槽道上的电压和各种槽道的长度。

微珠的速度由下述公式确定：

$V=-\frac{\mathrm{\ϵ}*{\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{caf}}}{\mathrm{\μ}}E+\frac{\mathrm{\ϵ}*{\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{eph}}}{\mathrm{\μ}}E---\left(1\right)$

其中E：电场强度；ε：电容率；ζ_caf：槽道壁的zeta电势；μ：液体粘滞性；ζ_eph：微珠表面的zeta电势。也可以称为流的流动率。

流体流动率由缓冲剂和槽道壁材料决定，ε、ζ、μ与缓冲剂溶液的PH值、温度和其他特性有关。从上述等式(1)可以得出，微珠电势需要＞0从而建立稳定的流动，这就设定了选择缓冲剂的标准。

聚焦槽道与样本槽道(样本井处)的电势比(并非绝对电势)α＝U_j/Ui，其范围是：

α_min≤α≤α_max    (2)

其中，α_min和α_max与槽道每个部分的长度相关。并且其中L_n、L_i、L_f分别是出口、入口和聚焦槽道的长度。由于在优选的芯片设计中聚焦槽道具有L形状，L_f.被定义为L_f1和L_f2的和，L_f1和L_f2是槽道的两个分路。

理论上，对应用在槽道(聚焦或者样本)之一上的电压没有限制。如等式(1)所述，流动速度与电压成正比，从而较高电压导致较大的流动速度。然而，对等式(2)中所示的电压比有限制。超过该范围，流不能被生成。

从而，样本流的聚焦宽度w_f的比率与入口槽道的宽度相关，上述关系根据下述等式：

W_f/W＝(1+2·β-2·β·α)/(1+2·γ·α)     (3)

在所使用的该样本芯片中，L₁＝8mm，L₀＝10mm，L_f1+L_f2＝18mm。因此，对于W＝100μm槽道、各种数值的α而言：

α＝1.5：W_f/W＝0.19，W_f＝19μm

α＝1.6：W_f/W＝0.14，W_f＝14μm

α＝1.7：W_f/W＝0.09，W_f＝9μm

α＝1.8：W_f/W＝0.04，W_f＝4μm

其中，α_max＝1.93，α_min＝0.59。

上述公式基于下述假设，该假设就是所有槽道是直的，没有会聚和分散，并且高度对于所有分支而言是相同的。如果上述假设不正确，那么该公式将会改变，但是遵循如所指出的内容相同的原则。另外，并不限制每个分支的长度，不同个长度的结合仅仅导致聚焦液体的不同宽度。

数据分析

附图8A-C显示了实验中10秒间隔内收集到的原始数据，其中在检测器输出电压中的较大波动实时显示了检测事件。对于这些实验而言，与光学功率计和放大器耦合的PIN光敏二极管被用于检查绿色(500-540nm)波长802a-c，对应于光谱的目标荧光团部分，在附图7A-C中显示为604d，同时APD被用于黄色804a-c和红色频道806a-c(分别为550-590nm和600-650nm)，黄色804a-c和红色频道806a-c对应于附图7A-C中显示为604a-c的光谱的BRM部分。使用数据获取卡将所有三个检测器的输出链接到计算机并使用Labview软件运行。因为条形码穿过激光焦点的速度与检测器测量的峰值强度成反比，使用相对于时间的标准化电压峰值来作信号分析。举例而言，绿色频道表示目标抗体的检测，采用度量G＝∫^peakV(t)dt/∫^peakdt， 中V(t)是作为时间t的函数的电压信号。附图9提供了一系列峰值的特写以展示电压范围。

对于旨在接近诊断所需要的检测灵敏度极限的在目标分子层次执行的分析而言，误测是实践中普遍遇到的问题。因此，评估平台的检测极限是重要的，并且HBV、HbsAg、HCV NSP₄和HIV gp41目标抗体的连续稀释的敏感性曲线得以准备并与商用的ELISA试剂盒相比较。检测算法首先扫描绿色槽道的峰值，并且接着在确定检测事件之前，确保适宜的峰值也存在黄色和红色槽道。检测峰值的数值显示在附图10A-C上。对数曲线1000a、1000b和1000c分别适合于HBV、HIV和HCV的数据，扩展视图1002a、1002b和1002c在曲线终端分别显示额外的细节。对于HbsAg抗体而言，在飞摩尔范围内(10^-13-10^-15M)测量检测灵敏性极限，同时NSP₄和gp41的极限在皮摩尔水平(10^-10-10^-12M)。

所需要的微珠浓度基于测量单个微珠信号的需要；高微珠浓度需要较高速度的检测器和数据获取系统。由于微珠之间的微小区分，微珠与微珠的相互作用成为一个会影响流动的因素。对于低微珠浓度而言，需要花费更长的时间去生成统计分析所需要的数量(在当前实验中超过1000)。平均的微珠浓度是15×10⁶m/L，在显示的示例中，标准的偏差是9×10⁶m/L，大约需要15分钟以达到＞1000的数量。因此，估计可以接受的浓度范围在15×10⁷m/L和15×10⁵m/L之间，在数量获取所需要的时间方面具有相应的变化。微珠的实际尺寸可以小到100nm，并达到5μm。

使用荧光条形码的最大好处在于，多元检测能力和应用于病原体检测的能力。附图11A-D、12和13A-B显示了两种(HBV和HIV)和三种(HBV、HCV和HIV)病原体多元实验的结果。首先通过表明绿色频道峰值存在来分析检测器数据，并且接着基于标准化值R/Y的比率区分HBV、HCV或者HIV检测事件。附图11A-C显示了HBV、HCV和HIV检测事件的柱形统计图1100a、1100b、1100c如何清楚地区分R/V比率的不同，从低到中到高，分别在附图11D中对所有三种情形加以对比。通过使用该方案，可能识别相同样本的不同病原体检测事件，并且当修改在分析过程中存在的目标分子时，该结果说明了该变化。

附图12显示了用于附图13A和13B的实验表。附图13A显示了HBV和HIV的2种病原体多元实验的结果。附图13B显示了HBV、HCV和HIV的3种病原体多元实验的结果。这些结果显示了该三种病原体标记的可以忽略的交叉反应。该实验的HBV、HCV和HIV抗体的浓度全部为4.74×10-9M。显示的错误栏代表一个标准偏差。

微观流体检测系统代表纳米和微技术与分子诊断成功的结合为多元传染性疾病生物分析工具。可以对系统作出某些改变以使得该系统适合检测特定分子或者与特定抗体一起使用。可以作出其他改变以调整包括微观流体芯片的整个系统的尺寸和结构。举例而言，LED或者其他辐射发光元件可以被用于代替为了激发分子的激光器。进一步的但并不是全部的改进和修改对本领域普通技术人员而言非常显而易见的。

虽然在上下文中以基于量子点的条形码的方式介绍上述方法，但是该方法同样可以用于荧光染料和其他类型的发光粒子。

本部分结束了本发明的当前优选实施例的描述。前面的描述被提出用以阐释，并且并非对本发明公开的精确形式的穷举或者限制。本发明的范围不受本说明书的限制而是由下述权利要求加以界定。

Claims (55)

1.一种测试系统，其与缓冲剂一起使用来测试生物测试样本中一个或者多个目标类型的目标分子的存在，该测试系统包含：

a)从群组中选出的第一组测试分子，该群组包括：

i)一种或者多种生物识别分子类型的生物识别分子，其中每种生物识别分子类型与一种相应的目标类型偶联；和

ii)生物识别分子和目标分子的偶联物，如果目标分子在测试样本中存在，其中偶联物是一种或者多种偶联类型，每种偶联类型对应于与所述相应的一个目标类型偶联的不同的一种生物识别分子类型；

其中，每个生物识别分子包含标记了一个或者多个生物识别分子荧光团的微珠，所述生物识别分子荧光团与微珠耦合，其中在吸收电磁频率辐射之后，生物识别分子荧光团至少发出不同荧光光谱的荧光的生物识别分子部分，其中生物识别分子荧光团包括一个或者多个量子点类型的一个或者多个量子点，并且其中，在吸收电磁频率辐射之后，量子点一起至少发出不同荧光光谱的荧光的所述生物识别分子部分；

其中偶联物在尺寸上小于10微米；

并且其中每种偶联物进一步包含绑定在相应的一个目标分子上的目标标记荧光团，其中对于每种偶联物而言，在吸收电磁频率辐射之后，生物识别分子荧光团发出不同荧光光谱荧光的生物识别分子部分并且目标标记荧光团发出不同荧光光谱荧光的目标部分，从而生物识别分子荧光团和目标标记荧光一起在电磁频率辐射吸收之后发出不同荧光光谱的荧光；

b)微观流体芯片，该微观流体芯片包括芯片衬底部分被成形以界定：

i)一个或者多个延长的样本槽道，其尺寸允许测试分子从中通过；

和

ii)一个或者多个流聚焦槽道，用于缓冲剂穿过的运行通道，其中一个或者多个流聚焦槽道临近一个或者多个延长的样本槽道，缓冲剂从流聚焦槽道流出，将单行流中的测试分子引导通过至少一个样本槽道；

其中所述至少一个样本槽道被芯片衬底部分的一个或者多个延长的槽道壁界定，槽道壁包含两个相对侧槽道部分，并且其中从流聚焦槽道流出的缓冲剂有效地将单行流测试分子沿着样本路径引导，该样本路径与至少两个相对侧槽道部分存在间隔关系，

其中所述至少一个样本槽道包括样本聚焦槽道，样本槽道还包括与样本聚焦槽道具有流联通关系的样本供应槽道，并且样本聚焦槽道是流聚焦槽道的下游，从而从流聚焦槽道流出的缓冲剂和单行流测试分子有效地流经样本聚焦槽道；

其中流聚焦槽道包含至少两个流聚焦槽道，所述至少两个流聚焦槽道临近上述至少一个样本槽道的一个或多个延长的样本槽道上游，所述两个流聚焦槽道从上述至少一个样本槽道的相对侧临近一个或者多个延长的样本槽道；

其中微观流体芯片进一步具有位于芯片衬底部分下的载玻片，所述载玻片界定所述至少一个样本槽道的底部槽道部分，其中槽道壁还包括顶部槽道部分，并且其中样本路径与底部槽道部分和顶部槽道部分有效地存在所述间隔关系；

c)辐射装置，其在辐射位置沿着前述至少一个样本槽道传送电磁频率辐射，便于单行流中测试分子的吸收，其中，测试分子在吸收电磁频率辐射之后发出荧光，并且其中测试分子的荧光包括每种偶联类型的不同的荧光光谱；其中辐射装置包括有效地发出电磁频率辐射用以单行流中的测试分子吸收的发光二极管，或者其中辐射装置包括有效地发出电磁频率辐射用以单行流中的测试分子吸收的激光器；和

d)检测装置，用于监测单行流测试分子发出的荧光，其中通过监测每种偶联类型不同的荧光光谱，检测装置在第一组测试分子中识别偶联物的存在；其中检测装置包含至少两个监测单行流测试分子发出的荧光的雪崩光电检测器，第一个雪崩光电检测器适于接收和识别所述每种偶联物的不同荧光光谱荧光的生物识别分子部分的存在，并且另外一个雪崩光电检测器适于接收和识别所述每种偶联物的不同荧光光谱荧光的目标部分的存在；

根据上述方式，测试系统识别测试样本中目标分子的存在。

2.如权利要求1所述的测试系统，其中量子点采用两种或者更多种量子类型。

3.如权利要求1所述的测试系统，其中生物识别分子荧光团包括一种或者多种生物识别分子荧光染料类型的一种或者多种生物识别分子荧光染料，并且其中在吸收电磁频率辐射之后，荧光染料一起至少发出不同荧光光谱荧光的所述生物识别分子部分。

4.如权利要求1所述的测试系统，其中偶联物在尺寸上小于5微米。

5.如权利要求4所述的测试系统，其中偶联物在尺寸上小于1微米。

6.如权利要求1所述的测试系统，其中所述每种偶联物的不同荧光光谱荧光的目标部分具有比所述每种偶联物的不同荧光光谱荧光的生物识别分子部分更低的强度，并且其中第二个雪崩光电检测器具有比第一个雪崩光电检测器更高的灵敏度。

7.如权利要求1所述的测试系统，其中有效地流动通过样本聚焦槽道的缓冲剂的流速高于单行流中测试分子的测试流速。

8.如权利要求1所述的测试系统，其中两个流聚焦槽道在公共交叉部分临近一个或多个延长的样本槽道。

9.如权利要求8所述的测试系统，其中通过少于10微米的公共交叉部分下游，流出流聚焦槽道的缓冲剂有效地将测试分子聚焦到单行流中。

10.如权利要求1所述的测试系统，其中一个或多个流聚焦槽道中的每一个以90度的邻接角临近一个或多个延长的样本槽道。

11.如权利要求1所述的测试系统，其中一个或多个流聚焦槽道中的每一个以45度的邻接角临近一个或多个延长的样本槽道。

12.如权利要求1所述的测试系统，其中芯片衬底部分用聚二甲基硅氧烷制造。

13.如权利要求1所述的测试系统，其中测试分子流动通过所述至少一个样本槽道，所述样本槽道通过动电流的方式实现。

14.如权利要求13所述的测试系统，其中流聚焦槽道与样本槽道流连通；其中进一步使芯片衬底部分成形以界定临近每个流聚焦槽道的缓冲剂起点的缓冲剂井、临近流聚焦槽道的样本槽道上游的样本起点的样本井和临近流聚焦槽道的所述至少一个样本槽道下游终点的终端井；其中测试系统还包括有效地位于样本井中的样本井电极、有效地位于所述缓冲剂井中的缓冲剂井电极和有效地位于终端井中的终端井电极；其中样本井电极有效地具有第一电极的第一电势；其中终端井电极有效地具有相对的第二电极的第二电势；以及每个缓冲剂井电极有效地具有第一电极的第三电势。

15.如权利要求14所述的测试系统，其中第三电势高于第一电势。

16.如权利要求15所述的测试系统，其中第三电势相对于第一电势的比率为1.8∶1。

17.如权利要求1所述的测试系统，其中单行流中测试分子的测试流速至少为每分钟30个测试分子。

18.如权利要求17所述的测试系统，其中单行流中测试分子的测试流速至少每分钟60个测试分子。

19.如权利要求18所述的测试系统，其中单行流中测试分子的测试流速为每分钟500个测试分子。

20.如权利要求1所述的测试系统，其中激光器具有在2毫瓦和50毫瓦之间的工作功率。

21.如权利要求20所述的测试系统，其中激光器具有在20毫瓦和25毫瓦之间的工作能量。

22.如权利要求1所述的测试系统，其中由辐射装置有效传送的电磁频率辐射具有488nm的电磁频率波长。

23.如权利要求1所述的测试系统，其中检测装置包含监测单行流中测试分子发出的荧光的至少三个雪崩光电检测器，每个雪崩光电检测器适于接收和识别测试分子发出的荧光的不同范围波长的存在。

24.如权利要求23所述的测试系统，其中第一个雪崩光电检测器适于接收和识别绿色范围波长的存在，其中第二个雪崩光电检测器适于接收和识别黄色范围波长的存在，第三个雪崩光电检测器适于接收和识别红色范围波长的存在。

25.如权利要求23所述的测试系统，其中至少三个雪崩光电检测器包括至少四个雪崩光电检测器，其中第一个雪崩光电检测器适于接收和识别绿色范围波长的存在，其中第二个雪崩光电检测器适于接收和识别黄色范围波长的存在，其中第三个雪崩光电检测器适于接收和识别橘黄色范围波长的存在，其中第四个雪崩光电检测器适于接收和识别红色范围波长的存在。

26.如权利要求23所述的测试系统，其中至少三个雪崩光电检测器包括至少四个雪崩光电检测器，其中第一个雪崩光电检测器适于接收和识别蓝色范围波长的存在，其中第二个雪崩光电检测器适于接收和识别绿色范围波长的存在，其中第三个雪崩光电检测器适于接收和识别黄色范围波长的存在，其中第四个雪崩光电检测器适于接收和识别红色范围波长的存在。

27.如权利要求1所述的测试系统，其中检测装置包括监测单行流中测试分子发出的荧光的电荷耦合装置。

28.如权利要求1所述的测试系统，其中检测装置包含至少两个监测单行流中测试分子发出的荧光的雪崩光电检测器，每个雪崩光电检测器都适于接收和识别测试分子发出的荧光的不同范围波长的存在；其中检测装置还包括监测单行流中测试分子发出的荧光的电荷偶合元件；其中检测装置还进一步包含用于在监测单行流和雪崩光电检测器或者电荷耦合装置之间转换的转换元件。

29.如权利要求1所述的测试系统，其中检测装置包含至少一个监测单行流中测试分子发出的荧光的行程传感器，每个所述行程传感器产生与荧光强度对应的数字信号。

30.如权利要求29所述的测试系统，其中仅当荧光强度超过最低强度值的时候，所述每个行程传感器产生数字信号，并且其中每个所述行程传感器具有不同的所述预定最低强度值。

31.如权利要求1所述的测试系统，进一步包括将荧光从临近辐射装置的位置沿着所述至少一个样本槽道传送到检测装置的光纤电缆。

32.如权利要求1到31中的任一权利要求所述的测试系统，进一步包括容纳辐射装置和检测装置的外壳，外壳按照尺寸制造并且适于便携和现场护理诊断使用。

33.如权利要求32所述的测试系统，其中外壳按照尺寸制造并且适于手持使用。

34.如权利要求1所述的测试系统，其中有效地流动通过样本聚焦槽道的缓冲剂的流速高于单行流中测试分子的测试流速。

35.如权利要求1所述的测试系统，其中测试系统尤其适于与一个或者多个生物测试样本一起使用，该生物测试样本从包括血液、唾液和尿液的组中选择。

36.如权利要求1所述的测试系统，其中测试系统尤其适于与一个或者多个生物测试样本一起使用，该生物测试样本为血清。

37.一种聚焦分子以测试生物测试样本中一个或者多个目标类型的目标分子的存在的方法，其中，该方法不用于疾病的诊断或治疗，该方法包括：

样本流动步骤，测试分子通过一个或者多个形成于微观流体芯片的芯片衬底部分中的延长样本槽道；其中微观流体芯片进一步具有位于芯片衬底部分下的载玻片，所述载玻片界定所述至少一个样本槽道的底部槽道部分，其中槽道壁还包括顶部槽道部分；

缓冲剂流动步骤，缓冲剂通过一个或者多个形成于微观流体芯片的芯片衬底部分中的流聚焦槽道，所述流聚焦槽道临近一个或者多个延长样本槽道；和

样本聚焦步骤，在缓冲剂流动步骤之后，通过缓冲剂从流聚焦槽道流到一个或者多个延长样本槽道的方式，单行流测试分子被引导通过至少一个样本槽道，其中所述至少一个样本槽道被芯片衬底部分的一个或者多个延长的槽道壁界定，槽道壁包含两个相对侧槽道部分，其中在样本聚焦步骤中，单行流测试分子被引导沿着样本路径，该样本路径与所述至少一个样本槽道的至少两个相对侧的槽道部分存在间隔关系；其中所述至少一个样本槽道包括样本聚焦槽道，样本槽道还包括与样本聚焦槽道具有流联通关系的样本供应槽道，并且样本聚焦槽道是流聚焦槽道的下游，从而从流聚焦槽道流出的缓冲剂和单行流测试分子有效地流经样本聚焦槽道；其中流聚焦槽道包含至少两个流聚焦槽道，所述至少两个流聚焦槽道临近上述至少一个样本槽道的一个或多个延长的样本槽道上游，所述两个流聚焦槽道从上述至少一个样本槽道的相对侧临近一个或者多个延长的样本槽道；并且其中在样本聚焦步骤中，单行流测试分子被引导沿着样本路径，该样本路径与所述至少一个样本槽道的至少顶部和底部槽道部分存在间隔关系；

该方法还包括在样本流动步骤之前的测试分子形成步骤，如果目标分子存在测试样本中，通过引导一种或者多种生物识别分子类型的生物识别分子来形成测试分子，每种生物识别分子类型与相应的一个目标类型偶联，从而测试分子包括生物识别分子和目标分子的偶联物；其中偶联物在尺寸上小于10微米；其中在测试分子形成步骤中，偶联物具有一种或者多种偶联物类型，每种偶联类型对应于与所述相应的一个目标类型偶联的不同的一种生物识别分子类型，并且其中该方法进一步包括下述步骤：

辐射步骤，在样本聚焦步骤之后，使得电磁频率辐射被传送到单行流的测试分子中；其中在辐射步骤中，具有在2毫瓦和50毫瓦之间的操作功率的激光器将电磁频率辐射传送到单行流的测试分子中；和

荧光检测步骤，在辐射步骤之后，使得监测单行流中的测试分子发出的荧光，在吸收电磁频率辐射之后，发出每种偶联物类型的不同荧光光谱的荧光，其中在荧光检测步骤中，由至少两个雪崩光电检测器来接收偶联物发出的荧光，第一个雪崩光电检测器接收和识别所述每种偶联物的不同荧光光谱的荧光的生物识别分子部分的存在，并且第二个雪崩光电检测器接收和识别所述每种偶联物的不同荧光光谱的荧光的目标部分的存在；

其中在测试分子形成步骤中，目标标记荧光绑定于相应的多个目标分子上，如此，在荧光检测步骤中，目标标记荧光发出每种偶联类型不同的荧光光谱的目标部分，并且其中该方法进一步包括在测试分子形成步骤之前的生物识别分子形成步骤，用一个或多个生物识别分子荧光团标记于一个微珠，所述生物识别分子荧光团与一个或者多个与微珠耦合，如此，在荧光检测步骤中，生物识别分子荧光团发出每种偶联类型的不同荧光光谱的生物识别分子部分，其中生物识别分子荧光团包括一个或者多个量子点类型的一个或者多个量子点，并且其中，在吸收电磁频率辐射之后，量子点一起至少发出不同荧光光谱的荧光的所述生物识别分子部分；

偶联物识别步骤，在辐射步骤之后，通过监测每种偶联类型的不同荧光光谱。

38.如权利要求37所述的方法，其中偶联物在尺寸上小于5微米。

39.如权利要求38所述的方法，其中偶联物在尺寸上小于1微米。

40.如权利要求37所述的方法，其中在测试分子形成步骤中，如果目标分子存在测试样本中，引入与一种或者多种目标类型偶联的目标标记荧光团，如此测试分子包括生物识别分子偶联物、目标标记荧光团和目标分子。

41.如权利要求37所述的方法，其中在样本聚焦步骤中，缓冲剂以比单行流的测试分子的测试流速高的缓冲剂流速流入所述至少一个样本槽道中。

42.如权利要求37所述的方法，其中在样本聚焦步骤中，至少两个流聚焦槽道从所述至少一个样本槽道上游的相对侧临近样本槽道。

43.如权利要求42所述的方法，其中在样本聚焦步骤中，两个流聚焦槽道在公共交叉部分临近样本槽道。

44.如权利要求37所述的方法，其中在样本聚焦步骤中，一个或者多个流聚焦槽道中的每个以90度的邻接角临近样本槽道。

45.如权利要求37所述的方法，其中在样本聚焦步骤中，一个或者多个流聚焦槽道中的每个以45度的邻接角临近样本槽道。

46.如权利要求37到41中任一权利要求所述的方法，其中在样本聚焦步骤中，单行流测试分子流动通过所述至少一个样本槽道，这由电动力流完成。

47.如权利要求46所述的方法，还包括在样本聚焦步骤之前的电动力步骤，该电动力步骤用于(i)将第一电极的第一电势应用于流聚焦槽道的样本槽道上游中；(ii)将相对的第二电极的第二电势应用于流聚焦槽道的所述至少一个样本槽道的下游，和(iii)将第一电极的第三电势应用于每个流聚焦槽道中。

48.如权利要求47所述的方法，其中在电动力步骤中，第三电势高于第一电势。

49.如权利要求48所述的方法，其中在电动力步骤中，第三电势与第一电势的比率为1.8∶1。

50.如权利要求37所述的方法，其中在辐射步骤中，操作功率在20毫瓦和25毫瓦之间。

51.如权利要求37所述的方法，其中在辐射步骤中，电磁频率辐射具有488nm的电磁频率波长。

52.如权利要求37到45以及47到51中的任一权利要求所述的方法，其中在荧光检测步骤中，偶联物发出的荧光被电荷耦合装置接收。

53.如权利要求52所述的方法，其中在荧光检测步骤中，偶联物发出的荧光有选择地被至少一个电荷耦合装置和一个或者多个雪崩光电检测器接收。

54.如权利要求46所述的方法，其中在荧光检测步骤中，偶联物发出的荧光被电荷耦合装置接收。

55.如权利要求54所述的方法，其中在荧光检测步骤中，偶联物发出的荧光有选择地被至少一个电荷耦合装置和一个或者多个雪崩光电检测器接收。