CN101903105A - 微流体设备及其制造方法和合并这种微流体设备的传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微流体设备，例如用于分子筛选或用于检测样本流体中的目标物质。该设备包括具有基本平坦的设有第一凹槽(124)的第一表面的第一衬底(120)和具有基本平坦的设有第二凹槽(130)的第二表面的第二衬底(128)。至少一些第一凹槽充满多孔材料(114)。交替的第一凹槽和第二凹槽形成用于样本流体的蜿蜒而行的通道。第二凹槽可以充满另一种多孔材料。在一个实施例中，用于结合目标物质的一种捕获物质被设置在所述多孔材料中或设置在其上。

Description

微流体设备及其制造方法和合并这种微流体设备的传感器
技术领域
本发明涉及微流体设备。该设备可以是例如用于检测样本流体中目标物质的生物传感器或设备，或其一部分。
应用包括分子诊断生物传感器、DNA阵列、药物、环境和食品质量传感器。所公开的设备可以适用于物质的分离(色谱法)，例如用于DNA测序、从样本中提取DNA或蛋白质以及分子筛选。
背景技术
在例如分子诊断之类的领域中，生物传感器用于针对一个或多个目标物质的存在来测试或分析诸如血液或其他体液之类的样本流体。这种目标物质包括例如抗原、微生物和/或分子。为此，在一种类型的生物传感器中，目标物质被固定在微流体设备内的表面上的捕获物质结合或捕获。所述固定区域可被称为斑点(spot)。该微流体设备典型地在其能力方面用于处理通常几乎不可获得的少量样本流体。通过附着标签使得目标物质的存在是可感知的(tangible)，所述标签例如是荧光分子或任何其他创建可被检测的物理效应的标签。光学标签是最常用的。为了允许复用感测，即利用一个生物传感器在样本流体内顺序地或同时地感测多种目标物质，所述微流体设备可以包括固定在其表面之一处的一个或多个斑点内的多种捕获物质，它们或者被组织在阵列内或者不是。
已经提出并实际使用了生物传感器设备的两种设置，即所谓的溢出(flow-over)思想和所谓的流过(flow-through)思想。
根据流过思想的生物传感器使用具有小于1微米的平均孔大小的多孔膜。包括捕获物质的所述斑点存在于该膜上。通过强迫样本流体通过该膜，对于样本流体中所包含的生物分子来说扩散距离变得很小，从而扩散传输将不会限制吸附动力并且完成了对目标物质的高效捕获。
WO-2007/060580-A1公开了一种包括被两个外壳部分包围的多孔膜的微流体设备。该膜设有用于结合目标物质的固定捕获物质的斑点。这两个外壳部分包括多个凹槽(recess)。这两个外壳部分的凹槽一起形成用于引导样品流体的通道。所述斑点被提供在所述通道与所述膜相交的位置的一个或多个处。被引导通过特定通道的样本流体经过该通道的每个膜。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的微流体设备和合并所述微流体设备的传感器设备。
本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定了有利实施例。
本发明的微流体设备结合了多个特征，从而使得它需要小的样本体积，同时减少或缓和了从一个凹槽内的多孔材料通过不是所述通道的部分的路径到另一个凹槽中的多孔材料的样本流体泄漏。例如，在WO-2007/060580-A1的设备中，样本流体可以以此方式经由所述膜本身泄漏，即样本流体可以通过插在所述两个外壳部分之间的多孔膜在不同于通道方向的另一个方向上传输，即在多孔膜的平面中传输。因此，所述设备中所述膜的平均孔大小被限制于这样的大小：使得样本流体的泄漏被限于可接受的水平。
本发明的微流体设备的设计是这样的：使得所述膜不互连，因为在所述通道方向上在连续的膜之间没有膜材料。因此，现有技术设备的泄漏被全部阻止，并且本发明的设备提供了更宽的适用领域。
而且，本发明的微流体设备的设计将多孔材料集成在所述(部分)凹槽内，从而使得所述凹槽壁支持并保护所述多孔材料在使用期间免受破坏。于是所述设备更具鲁棒性且更加可靠并且提供更具鲁棒性的可靠的运行。
优选地，所述凹槽基本上被完全填充。因此，例如根据用于将多孔材料设置在凹槽中的相应技术的精确性来填充凹槽。基本完全被填充表示例如至少通道的横截面(即凹槽的横截面)超过80％、优选地超过90％、最优选地超过95％充满所述多孔材料。不是所有的凹槽都需要充满多孔材料。沿着所述通道，至少一个或多个凹槽被填充。优选地，凹槽被填充使得所述多孔材料接触与通道内的主流方向不平行的至少一个凹槽表面(即邻接通道的拐角)，从而将它定位在该凹槽的拐角中。在这种情况下，邻接或接触意味着附着到或恰好处于物理接触。在这种情况下，多孔材料在通道内在流动方向上被所述通道壁支持。可替换地或此外，所述多孔材料可被设置成：使得其沿着通道内的通道的长度方向(平行于主流方向)的尺寸大于通道的横截面方向上其尺寸的至少一个。所述通道内的多孔材料的拐角和/或几何形态中的这些位置向多孔材料提供了增强的鲁棒性，从而使得它现在可以抵抗更大的压力和或流速，实现了微流体设备和或使用该微流体设备的传感器的操作速度的增加。此外，更多粘性样本可以被抽吸通过所述通道。可替换地，所述多孔材料的开孔率(如下面定义的)可以增加，而不降低所述膜的鲁棒性。例如，这允许减少设备内使用的用于引起流的压力，并且/或者允许使用更多的粘性样本而不必使用用于引起流的增加的压力。
因此，一般地，由于多孔材料的多个部分被包围在实心(solid)材料的腔内，所以减少了多孔材料的机械装载并且所述多孔材料可能是易碎的且非常有空隙(open)。本文中的易碎的和非常有空隙的表示所述多孔材料具有相对较低的实心分数(fraction)。本发明使得能够使用易碎的多孔材料的非常薄的膜。
US-2004/0053422-A1公开了具有用于分子筛选、分析物流体的计量和分离的多孔膜的微流体设备。在一个方面，所述设备包括具有输入部分和输出部分的衬底，所述输入部分和输出部分被集成到该衬底而形成的多孔膜分离。在另一方面，所述设备包括上部通道和下部通道的级联系列，其中每个上部/下部通道分界面被相应的多孔膜分隔。
US-2004/0053422-A1的设备中包含的多孔膜被设置在所述通道内，其垂直于样本流体流动的方向。与本发明的形成对照，该现有技术的设置缺乏用于抵抗如上所解释的超过某范围的样本流体流动的力的增加的抵抗力。
而且，相对困难的是制作包括若干独立式多孔膜的设备，例如US-2004/0053422-A1中的设备，每个具有在100微米到几毫米的范围内的厚度的膜在制造期间将是脆弱的(vulnerable)。本文中的独立式表示垂直于样本流体流动而设置在所述通道中的膜，其中膜边缘被固定在所述通道壁中。根据本发明的设备不需要这种独立式膜并且降低了所述设备的脆弱性，从而提高了产量。
根据一个优选实施例，所述多孔材料具有的开孔率大于25％且小于80％，优选地在35％到70％之间，最优选地在45％到60％之间。本文的术语“X％的开孔率”的意思是所述多孔材料的体积的X％是空的。所述材料的孔彼此连接并且连接到所述材料的外表面。术语“开孔率”表示其中流体流动将有效发生的多孔材料的总体积的分数。
在另一个实施例中，所述多孔材料的平均孔大小例如处于10nm与10μm之间，优选地处于20nm与2μm之间，更优选地处于25nm与1μm之间，且最优地处于50nm与500nm之间。优选地所述孔大小分布非常小。FWHM例如小于平均孔大小的2倍(factor)。
在一个实施例中，所述多孔材料包括各向同性的聚合材料。
所公开的衬底技术允许使用更广泛范围的材料以及与改进的机械强度和坚固性相结合的更薄的多孔结构。后一种情况允许更容易地处理，例如在应用生物分子捕获探针的斑点期间。本发明的设备允许使用期间样本流体更高的压力和流动速度。
在一个实施例中，第一和第二凹槽位于不同的衬底中。关于微流体设备的制造，在复杂性方面，这是有利的。两个衬底可被独立处理并且处理步骤之间的干扰被减少或者甚至不存在。例如，当第一凹槽需要具有不同于第二凹槽的捕获探针时。因此，除了成本降低之外，这将实现简单的大批量生产以提供一次性(disposable)微流体设备。
在一个实施例中，至少一些第二凹槽充满另一种多孔材料。优选地，用于结合目标物质的另一种捕获物质被设置在至少一些第二凹槽的所述另一种多孔材料中或其上。所述另一种多孔材料可以包括与第一多孔材料相同的材料，和/或其他多孔材料。本发明的设备的构造使得(render)可以设想多孔材料的任意组合。
在一个实施例中，用于结合目标物质的捕获物质被设置在一个或多个第一凹槽的多孔材料中或其上，和/或用于结合目标物质的另一种捕获物质被设置在一个或多个第二凹槽的另一种多孔材料中或其上。包括捕获物质的每个斑点优选地接触相对的衬底的表面。所述捕获物质与所述衬底表面之间的接触改进了耦合，并且提高了例如在光输出检测的情况下的信噪比。所述捕获物质例如包括在发光物质的类中，发光物质例如发荧光的或发磷光的物质。
所述设备包括两个衬底，它们都具有多孔材料与实心材料的交替区域。所述蜿蜒而行的通道交替地遵循第一凹槽之一并且在第二凹槽之一中继续，以此类推。具有交替的实心和多孔区域与设有多孔材料壁的直通道相比具有优点。所述捕获探针或斑点可被更靠近地印制，因为不同捕获探针的混合被防止。而且，样本流体的流动导向相应的捕获探针的位置，即斑点。这导致溶液的更好的筛选并且导致目标物质(一种或多种)的结合率增加。
在另一个实施例中，在第一衬底和第二衬底的分界面处提供壁，以用于在第一方向上引导捕获物质的第一测量信号，并且/或者用于在第二方向上引导另一种捕获物质的第二测量信号。优选地，第二方向基本与第一方向相反。所述测量信号的相反方向改进了光外耦合并且降低了信噪比。通过将多孔材料和斑点集成在两个衬底中，利用相同的流动通道设计，斑点密度可以加倍。
在一个实施例中，第一多孔材料接触第二衬底的第二表面。在另一个实施例中，第二多孔材料接触第一衬底的第一表面。因此所述多孔材料完全充满通道高度并且防止样本流体超越(passing)多孔材料而通过，而非防止其穿过(going through)多孔材料。
所公开的设计允许改进所述设备的光学性能，因为由于衬底的构造使得包括荧光捕获物质的斑点可以是边界明确的，即可以是可靠的和可再生的。本发明的设备利用多孔结构中的捕获探针避免了对印制流体的未限定边缘的依赖。
在另一个实施例中，所述多孔材料能够膨胀与样本流体接触。如果在衬底表面与嵌入在多孔材料中的斑点之间存在一些空间，则样本流体的一部分将能够经过斑点而没有相互作用，这将导致更低的感测信号。能够膨胀的多孔材料关闭这种空间并阻止样本流体经过斑点而没有相互作用。在使用期间，所述样本流体将使得所述多孔材料膨胀。所述材料将抵着相对的衬底的表面压嵌入其中的斑点，从而改进了相对的衬底表面与相应的斑点的接触。
在一个实施例中，淬灭器(quencher)物质包含在所述多孔材料中。可替换地，第一凹槽和或第二凹槽的底部设有吸收或反射层。所述淬灭器物质和所述吸收或反射层降低了发光背景噪声，例如来源于背景荧光的噪声。
在一个实施例中，第一凹槽和/或第二凹槽具有锥形或斜面壁。该锥形或斜面壁准直(collimate)由所述斑点的捕获物质输出的光。
在另一个实施例中，第一凹槽和/或第二凹槽的侧壁设有反射层。该反射层引导由所述斑点的捕获物质输出的光，以改进光输出和信噪比。
在一个实施例中，第一衬底和/或第二衬底基本是透明的。透明的第一或第二衬底优选地对于具有的波长的范围为350nm到1000nm的辐射而言是半透明的。该范围可以包括可见光的范围。透明衬底使得能够使用例如荧光和或磷光之类的发光来检测目标物质。
根据另一方面，提供一种合并了所述微流体设备的传感器和一种检测器。该检测器用于检测或感测由已经被固定在微流体设备上的捕获物质捕获的目标分子生成的信号。在一个实施例中，所述多孔材料可以用于恰在其他地点检测之前执行过滤功能。在另一个实施例中，所述捕获探针可以被提供给微流体设备的通道的多孔材料。
所述传感器设备受益于微流体设备的优点，该优点涉及通道内增大的流速或可获得的压力，其尤其(amongst others)转化为增大的感测速度、感测灵敏度、增加的鲁棒性和/或使用和/或制造期间增加的可靠性。所述微流体设备可以是永久设置的传感器设备的一部分，即它可以形成传感器设备的一个完整部件。在这种情况下，所述传感器设备也受益于由微流体设备的制造提供的优点。可替换地，所述微流体设备可以是可从传感器设备拆卸的。在后者的情况下，所述样本流体可以被提供给微流体设备，从而使得该设备在被插入到传感器设备之前执行其对目标物质的过滤和/或捕获的功能，以便执行对处理过的样本流体的分析。
所述传感器设备可以是生物传感器设备。本发明的设备将特别地有用于生物分子技术领域，因为在该领域中待分析的流体(例如体液)或这样的流体的制备(preps)将几乎不可获得并且通常是少量的。而且，根据本发明的设备在该技术领域中的应用包括医学诊断和环境污染或食物中毒，这些应用要求尽可能可靠和可再生地确定流体内浓度通常很低的相关目标物质。而且，通常大量的不同目标物质或分子必须以此方式同时被确定。
所述灵敏度由固定目标物质的效率并由传感器灵敏性原理来确定。固定目标物质的效率依赖于目标物质的浓度、它们的扩散和反应动力、捕获物质的表面积和其可接近性(accessibility)。所述传感器的灵敏性原理主要由信号背景(包括所有类型的噪声)确定，并且在光学检测的情况下，由光子聚集的效率确定。
样本流体中浓度非常低的目标物质或分子的结合率受到传感器衬底的扩散限制。所述结合率对于具有更高分子量的分子而言甚至受限更多。本发明提供改进的流动特性，其导致灵敏度和可靠性增加。
根据另一方面，本发明提供一种制造微流体设备的方法。
一种低成本的卷轴式制造方法(可与例如CD和DVD制造相比)可与用于制造本发明的衬底。因此，生产成本可以是低的，以允许在经济上可行地生产一次性设备。
本发明的微流体设备相对于现有技术的具有横向溢出或多重并行设置的流过膜的设备是有利的。这是由于下述事实：通过抽吸(pump)样本流体通过这种现有技术设备的膜或多个膜，所有包括捕获物质的斑点同时暴露。然而，由于每个斑点仅仅筛选样本流体体积的非常有限部分(典型地少于1％或甚至更少)，所以溶液的消耗限制了可获得的测量灵敏度。用于流过系统的流体设置也可以限制用于光学组件的探针区域的可接近性，所述光学组件是发光检测所需要的。而且，膜的渗透性中的不均匀性可能导致每个斑点有效筛选的样本流体体积的强烈变化。尽管，在这种情况下，均匀性可以通过使样本流体循环和或在每次经过所述膜之后逆转流动来改进，这需要代价高的操作时间。此外，需要增加的样本流体体积以及附加的混合供给(provision)以确保均匀和高效的混合。在微流体通道中混合是特别困难的，因为样本流体的流动由于低雷诺数(Raynolds numbers)而基本是层状的。所述样本流体必须重复循环以充分改进目标物质的筛选。然而，样本流体的重复循环太不切实际而不能充分地筛选所有目标物质的100％。所有这些缺陷可以通过本发明的微流体设备减少或阻止。
附图说明
本发明的其他特征和优点将根据附图而变得清楚，在附图中：
图1示出根据本发明的微流体设备的一个实施例的平面图；
图2示出图1实施例的截面图；
图3示出本发明的设备的另一个实施例的截面图；
图4示出根据本发明的设备的一个实施例的详细截面图；
图5示出本发明的设备的具有含锥形壁的凹槽的衬底的一个实施例的详细截面图；
图6A-6D示出用于制作本发明的设备的衬底的示范性制作步骤；
图7示出用于制作第一衬底的掩模的平面图；
图8示出用于制作第二衬底的掩模的平面图；
图9示出图7的掩模的细节；
图10示出本发明的设备的截面侧视图；
图11示出第二衬底的截面平面图；
图12示出本发明的设备的截面侧视图；
图13示出适合用于本发明的设备的多孔材料的示意性描绘；
图14示出适合用于本发明的设备的多孔材料的示意性描绘；
图15示出适合用于本发明的设备的多孔材料的SEM显微图；
图16示出适合用于本发明的设备的多孔材料的SEM显微图；
图17示出本发明的传感器设备的示意性截面图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的一个实施例的微流体设备100。该设备包括两层的叠层(laminate)，其包围了用于引导样本流体从入口106到出口108的通道104。入口106和出口108具有比所述通道更大的横截面，以便允许更容易地连接外部流体容器(未示出)。通道104包括：入口通道部分110和出口通道部分112、多孔材料区域114和多孔材料区域114其间的空区域118。入口通道部分110和出口通道部分112以及空区域118为经过通道的气体或液体样本提供有空隙的通路(passage)。
微流体设备100的所述两层叠层结构在图2的横截面视图中被进一步阐释，其中示出了微流体设备100包括具有基本平坦的第一表面122、第一凹槽124的第一衬底120，和具有基本平坦的表面126并且其中具有第二凹槽130的第二衬底128。第二表面126接触第一表面122，使得第一和第二衬底形成所述两层叠层。在该叠层中，在第一和第二接触表面之间形成分界面(interface)，其中第一和第二凹槽位于分界面处。因此衬底中的凹槽形成在横截平面中蜿蜒而行的通道104。第一和第二凹槽优选地成形为细长的沟槽(groove)，即相对较浅、较窄且较长的沟槽(groove)。下面针对图7-9描述所述凹槽的细节和实例。
图2中表示的实施例的通道104跨越所述两个衬底的接触表面蜿蜒而行，因为第一凹槽处于第一衬底中而第二凹槽处于第二衬底中。在另一个实施例中，所述整个通道位于所述衬底之一内。在该另一个实施例中，第一凹槽和第二凹槽都位于第一衬底中。第一和第二凹槽相对于彼此定位成使得它们一起形成在设备的平面中蜿蜒而行的通道，即在垂直于横截面区域的方向上。在该实施例中，第二衬底不需要具有形成于其中的凹槽，以便在设备中限定通道。第二衬底可以具有基本平坦的第二表面，从而使得当它接触第一衬底的第一表面时用作罩或盖子。
根据本发明，至少一些第一凹槽124充满多孔材料114。所述多孔材料的存在使得微流体设备能够用作微过滤器设备，凹槽内具有多孔材料，以形成微过滤器。可替换地，所述多孔材料可以使得与流过通道的气体或液体样本接触的有效表面积放大。两个目的也可以在一个设备中同时或顺序地达到。
设备内多孔材料的组合的多个变形是可能的，以便实现所有类型的过滤功能或有效表面积的增大。因此，在一个实施例中，仅仅第一凹槽包括多孔材料，使得所述连续的、不中断的蜿蜒而行的通道104包括交替的多孔和空部分。可替换地，在图3和4中示出的另一个实施例中，多孔材料114集成在第一凹槽124和第二凹槽130中，从而使得形成多孔材料的蜿蜒而行的连续通道。
在根据本发明的设备中，如由图2、3和4的实施例所示范的，第一和第二衬底例如被胶合、局部熔化或夹在一起，从而使得第一衬底120和第二衬底128彼此直接接触。所述多孔材料被布置成使得在衬底的接触表面之间没有插入的多孔材料的膜层，而流体可能穿过所述多孔材料的膜层而发生泄露，在现有技术设备中就会出现这种情况。取而代之，多孔部分被隐藏在所述衬底内，从而使得所述多孔部分形成结构化衬底的构成部分。因为所述多孔结构是单独的并且被包围在实心材料的“腔”中，所以它们没有暴露于有效机械负载并且因此可以是脆弱的并且非常有空隙(低的实心分数)。所述多孔材料可被定位成使得与通过通道壁提供所述多孔材料的改进的支持的通道拐角部分接触。因此，所述微流体设备提供改进的功能并且更具鲁棒性。
根据一个优选实施例，所述多孔材料具有的开孔率大于25％且小于80％，优选地在35％与70％之间，最优选地在45％与60％之间。本文的术语“X％的开孔率”的意思是所述多孔材料的体积的X％是空的。所述材料的孔彼此连接并且连接到所述材料的外表面，使得实现从一个凹槽通过多孔材料到另一个凹槽的通道。术语“开孔率”表示其中流体流动有效发生的多孔材料的总体积的分数。
在另一个实施例中，所述多孔材料的平均孔大小例如处于10nm与10μm之间，优选地处于20nm与2μm之间，更优选地处于25nm与1μm之间，且最优地处于50nm与500nm之间。优选地所述孔大小分布非常小。FWHM例如小于平均孔大小的2倍(factor)。
在一个实施例中，本发明的设备内的所有多孔材料可以包括相同的多孔材料。例如，所述多孔材料可以实现增加与流过所述设备内的通道的气体或液体样本接触的有效表面积的功能。在一个可替代实施例中，不同凹槽可以具有不同的多孔材料和/或不同的孔隙度，从而使得在通道的流动方向上所述孔大小减小。这具有以下优点：当微流体设备被用作用于过滤颗粒的微过滤器时，更大的颗粒不那么可能阻塞具有非常纤细的孔隙的非常纤细的过滤器(多孔材料)。为了调整用于引起特定样本通过多孔材料流动所必需的压力，可以调整所述孔隙度。因此，当例如多孔材料的平均孔大小从一个凹槽到下一个凹槽减小时，孔隙度可以增加以补偿由减小孔大小导致的流速的减小。孔大小的增大将通常伴随着多孔材料强度的减小，因为每个单位体积可用的材料更少。因此，对于这样的设置，本发明的设备提供了强度方面有利的增大。
在由如图1所示范的实施例中，在至少一些第一凹槽124中的多孔材料114设有包括一个或多个捕获物质的斑点116。如果来自流过通道的气体或液体样本的目标物质可被捕获物质捕获，则这允许过滤所述目标物质。在图3和图4示出的可替代实施例中，第二凹槽也设有携带捕获物质的斑点的多孔材料。由此，所述斑点密度相对于图1所示的设备被加倍，该图1的设备具有相同的流动通道设计。
所述捕获物质可以仅仅在凹槽的一部分中存在，或者所述捕获物质可以分布在凹槽的整个体积上。而且，所述捕获物质可以设置在相应的凹槽的底部，例如图5所示。
根据上述特征，根据本发明的微流体设备可以用在为传感器提供过滤功能的传感器设备内。然而，此外或可替换地，所述传感器设备可以使用本发明给出一个感测特征。为此，当目标分子被斑点内的捕获物质捕获时，所述斑点必须能够提供测量信号，不管它们位于具有多孔材料的凹槽中的何处。测量信号是指捕获之前的开始情形与捕获之后的所得情形之间的任何差异，其可以由传感器设备感测。因此，开始情形可以是测量到强信号的情形，该强信号在捕获之后减小，或反之亦然。例如，斑点116中的捕获物质如果与一个或多个目标物质接触，则发射射频辐射，例如光辐射。该辐射可以源于斑点内的化学反应，即例如化学发光。可替换地，所述辐射可以是诸如发光物种受激发而发射的荧光或磷光之类的发光；其在利用激发辐射辐照(irradiation)斑点期间或之后发射。所述发光可以通过捕获物质和目标物质的化学或物理复合或者与标签或标记物种协同或者不与其协同地来辐照，标签或标记物种用于提供例如发光属性。任何在目标物质(利用或不利用外部刺激)接触捕获物质之后提供信号的过程都可以用在该过程中。所述信号也可以包括吸收或辐射的改变，即在捕获之后特定辐照的吸收减少或增加。这种改变在本领域是公知的。所述接触可以包括物理的和/或化学的结合。
在一个实施例中，所述多孔材料区域包括例如固定到多孔材料114的颗粒的形式的光学淬灭器物质。在可能的感测行为期间，所述淬灭器物质减少了不源于所述标签的光学背景信号，所述标签用于确定由斑点内的捕获物质捕获目标物质是否已经发生。
在图4所示的实施例中，设备300包括第一衬底120和第二衬底128。所述衬底分别包括第一凹槽124和第二凹槽130，这两个凹槽一起形成蜿蜒而行的通道104。这两个凹槽充满了多孔材料114。在第一衬底120的凹槽124中的多孔材料区域114中间，所述设备包括斑点116，其中固定了捕获分子。这两个衬底120、128被密封在一起，从而使得样本流体被迫遵循路径132，在该路径中第一凹槽124和第二凹槽130交替。后续的凹槽被壁或印模(stamp)134、135隔开，所述壁和印模是所述衬底的实心材料区域。尽管不需要，但是在该实施例中，壁134接触凹槽和/或斑点116中的捕获物质。如果斑点116中所包含的光学标签或标记被激发，则信号140将被外耦合通过透明第二衬底128的印模134。以此方式，当捕获物质捕获目标物质时，壁134用于收集并引导源自斑点的信号140。这在感测期间增强了灵敏度和特异性。
在一个实施例中，提供一种附加的吸收或反射层136。该反射层可以用于减少不想要的光学背景信号的目的。此外，反射层138被施加在凹槽130的侧壁上，以用于引导由斑点116发射的信号140。所述反射层可以具有不同于衬底材料的反射率，从而使得例如发生全内反射。所述反射层在提供多孔材料之前可以由金属构成，该金属例如凹槽内蒸发的铝或金。引导信号140增加了测量信号、减少了信噪比并且改进了光外耦合。
斑点116与所谓的印模134之间的接触优选尽可能地良好，以改进信号的140的耦合和引导。
可以在凹槽的底部提供另一个反射层(图4中未示出)，该凹槽具有多孔材料中的斑点。该反射层可以在其中信号140离开衬底的方向上重定向辐照，由此增大待感测的信号。
在一个实施例中，如图4中所示实施例的衬底128内的凹槽可以包括除例如在图4实施例中所示的已存在斑点之外的斑点。在这种情况下，壁135可以接触衬底128中凹槽的附加斑点。如关于图4所阐释，反射层可以有利地用于源自所述其他斑点的且在与信号140相反的方向上离开衬底120的信号。所述反射层提供合适措施来将来自衬底128的斑点生成的信号和/或激发辐射与衬底120的那些分离。
在一个实施例中，多孔材料114在被样本流体接触的情况下能够膨胀。如果斑点116与壁134之间存在小空间，则样本流体的一部分可以不与斑点的捕获物质相互作用地经过相应斑点116，这将导致更低的测量信号强度。当多孔材料114能够膨胀时，多孔材料将关闭斑点116与壁134之间的任何开口，从而阻止样本流体不与捕获物质相互作用地经过。所述样本流将迫使多孔材料膨胀。所述膨胀的多孔材料将抵着相对的衬底的表面压迫之，从而提供所述相对的衬底与相应斑点的良好接触。
如图5所示，第一和/或第二凹槽的侧壁150、152可以是锥形或斜面的，即所述侧壁可被设置为相对于凹槽的底部成小于90度的角。所述相对于凹槽底部或相对于衬底表面的角度例如小于大约75或70度。图5所示的侧壁150、152可以在凹槽124的长度方向上和/或在宽度方向上是锥形的。底部154和/或锥形侧壁反射并准直由斑点发射的(荧光)辐射信号140。
第一和/或第二衬底对于用于检测捕获事件的信号140的波长来说是透明的。
在根据本发明的微流体设备中，在一个衬底内具有实心134、135材料和多孔114材料的交替区域是有利的。首先，不同的捕获探针可以彼此更靠近地印制(print)，因为不同捕获探针的混合被实心边界阻止。其次，将信号耦合到衬底可以通过尤其使用上述反射层和/或凹槽结构或形状得以改进。这提高了信噪比。但是最重要的是，样本流体的流动被导向捕获探针，从而阻止了通过另外的多孔部分134和/或135的泄漏，这提供了对样本流体的改进的筛选，并且因此增加了目标物质到捕获物质的结合速度。
在另一个实施例中，第一和第二多孔材料的折射率被匹配到样本流体的折射率以避免光散射。避免光散射提高了目标物质检测的灵敏度。
在一个实践实施例中，所述衬底包括例如大约120个凹槽的阵列。可以根据需要和设计使用其他数量的凹槽。所述衬底将包括大约120个斑点。每个斑点具有大约200μm的直径。所述斑点和/或所述凹槽被设置为间距为大约400μm。该入口和出口通道110、112以与流动通道104基本相同的方式被限定。
入口和出口通道部分110、112被用作一个实例，该实例用于方便的互连以用于测试本发明的设备。在实践应用中，输入和输出通道部分可以例如集成在柱(cartridge)(未示出)中。所述盒带可以提供例如关于样本制备、DNA提取和放大的其他功能。
本文前面描述的设备可以使用根据本发明的方法来制造。图6A-6D示出了在所述方法的后续步骤之后的结果。
首先，凹槽124被设置在实心衬底120的表面122中(图6A)。所述凹槽例如通过将结构从模子复制或模压(embossing)成可变形(和/或活性)材料来微结构化。这样的工艺包括例如喷射模塑和热模压。所述工艺可以机器制造薄柔性衬底以及较厚的、更硬的衬底，如CD或DVD介质。可替换地，使用蚀刻技术。特别地当直径如此之小使得模压或复制技术不再是有利时。
包括凹槽124的所述结构化的衬底120然后被第二材料156覆盖(图6B)，第二材料156例如包括所谓非溶剂的聚合物溶液或混合物，所述非溶剂是不溶解衬底122的材料的溶剂。过剩的材料156被移除，从而使得仅仅凹槽区域124充满所述材料。
在下一个步骤中，使材料156相分离(phase separate)。相分离例如是通过引起化学反应(例如热或光致聚合作用)引发的。在相分离之后，一相被移除(例如通过提取)，从而使得多孔结构114得以保留(图6C)。多孔材料114的孔大小可以通过所述制造条件(浓度、温度、溶剂等)在宽范围中来变化。图15和16示出多孔微结构的典型实例，即分别为UV固化的丙烯酸酯和热固化的环氧树脂。图15和16中所示的材料适合用于相关应用。
在多孔相变干之后，如果在微流体设备内需要捕获探针116，可以应用捕获探针116。具有固定的捕获物质的斑点例如被印制在多孔材料上。应用斑点116涉及例如喷墨、转移和/或接触印制。可替换地，所述多孔材料被浸在包括捕获物质的溶液中，从而使得多孔材料吸收具有捕获物质的溶液，之后过剩溶液从衬底的非多孔部分移除。在应用之后，可以应用适当的后期处理，以提供稳定的和活性的捕获探针116，其分布在多孔材料116的开孔结构中。
第二衬底可以或者不包括凹槽、空凹槽，或者可以以与第一衬底基本相同的方式被处理，以提供具有多孔材料的凹槽，其具有或没有如所述针对第一凹槽提供的捕获探针斑点。可以使用喷墨印制来方便地提供不同的斑点。当对于第一和第二凹槽而言多孔材料和或捕获探针材料需要不同时，在不同衬底中具有第一和第二凹槽是有利的。然后应用过程将不会干扰，因为第一衬底和第二衬底可以独立地被处理。
根据选择，反射层可被应用于衬底的某些部分，例如凹槽的壁。这可以利用用于沉积薄金属(Al、Au、Ag、Cu等等)的合适技术(例如电镀、蒸发印制等等)来完成。可以使用如本领域公知的合适的图案化技术。可替换地或此外，可以通过在衬底上沉积具有不同得足以进行全内反射的折射率的层来创建镜面反射层。也可以使用本领域公知的技术来沉积吸收层。
第一衬底和第二衬底可以被组装以形成例如图2或3中所示的闭合的微流体系统。所述衬底可以被胶合或夹在一起，这依赖于衬底的机械属性、整体设计和其他要求。
如上所述，本发明设备的衬底可以通过使用主/模(master/mold)技术的复制或模压技术来制作。通过抗蚀剂(resist)在玻璃或硅衬底上的发展以及光刻曝光(lithographic exposure)来开始制作。通过电镀将在衬底上发展的抗蚀剂转移到模子材料(例如Ni)
在随后的步骤中，通过喷射模塑或模压将所述结构复制到聚合物中。所述制作技术基本上相似于用于生产光学存储介质(例如CD)的技术。
图7和8示出掩模设计420、428，其分别用于制作第一衬底和第二衬底。图9示出图7的微结构的细节。
所述掩模的部分434、435旨在用于形成相应衬底的抬高的区域，部分424、430旨在用于形成凹槽。多孔材料结构随后被设置在凹槽内。部分410、412形成入口和出口通道部分410、412，并且部分406、408形成入口和出口406、408。
例如使用具有SU-8抗蚀剂的光刻法并使用图7和8的掩模来制作所述结构。图7和8的掩模可以是低成本的印制的箔掩模。
第一和第二掩模和/或衬底包括对准标记460、462，以允许校正第一衬底到第二衬底上的对准。另外，可以使用上述技术实现其他不同的衬底设计。所述(生物)斑点的数量和大小可以在宽范围中变化，该范围在光刻的限制内。
可以通过调适凹槽和微通道的几何形态来优化样本流体的流动。例如，降低通道高度将增大流阻。
图10-12提供关于凹槽的尺寸及其比率的实例。
A和C表示壁或印模的长度。B和D分别表示第一和第二凹槽的长度。比率A∶B(图10)例如介于1∶2与1∶5之间。更优选地，比率A∶B介于1∶2.5与1∶4之间。最优选地，比率A∶B大约为1∶3。比率C∶D、C∶B和A∶D可以处于相同的范围内。本文中，A面对D，且C面对B。注意到，比率1∶1将不起作用。
在一个实践实施例中，A和/或C例如在10μm与500μm之间，且更优选地在30μm与200μm之间。B和/或D例如在10μm与500μm之间，且更优选地在30μm与200μm之间。
T1和T2分别表示第一和第二凹槽的深度或高度。比率T1∶T2(图10)优选地在1∶3与3∶1之间，更优选地在1∶2与2∶1之间且最优选地为大约1∶1。
T1和或T2在10μm与1000μm之间，优选地在50μm与200μm之间。
W1和或W2在30μm与1000μm之间，优选地在100μm与500μm之间。
在一个实施例中，形成通道的所述凹槽的高度处于20μm-200μm的范围。所述凹槽例如大约250μm宽(图11中所示的第二凹槽的宽度W2)且大约450μm长。在另一个实施例中，所述凹槽基本为矩形以用于改进样本流体流动。
图13示出横跨通道的若干虚线l1、l2和l3。在一个优选实施例中，所述通道的横截面(即横截面积F＝T*W，假设所述通道具有矩形横截面)在由线l1、l2和l3指示的位置处基本相同。即，所述通道横截面的差异小于2倍(factor)。在另一个实施例中，所述有效通道横截面积的差异(其考虑孔隙率(作为因素)小于2倍(factor)。
在一个改进实施例中，第一和第二衬底可以相对于彼此在平面方向上移位。平面方向由x轴和y轴指示，其中x是通道的长度方向，而y是宽度方向。通过这样做，(第一)通道可以被中断，例如通过在x轴方向上移位，直到A到达C的顶部且B到达D的顶部(图10)。随后，所述衬底可以在y方向上移位，以打开其他(第二)通道或者到第二通道的接触可被打开。所述一个或多个其他通道可以平行于上述第一通道延伸，或可以例如在y方向上延伸。
所述衬底的移位实现了例如更快的冲洗或清洁步骤。即，所述衬底可以在样本流体已经完全通过第一通道之后移位。移位所述衬底也可以实现移除第一通道中的空气/气体泡。
图13和14示意性示出膜类型的呈现的SEM图片。图15和16示出不同膜类型的扫描电子显微镜图片。
图13示出各向同性的尼龙膜。
图14示出各向异性的蚀刻的氧化铝514，其具有孔516，该孔形成具有大约1微米或更小的平均直径的细长通道。
图15示出通过光致聚合引起的相分离制成的多孔膜的SEM显微图。
图16示出通过对环氧树脂和PMMA的混合物的热固化获得的多孔环氧树脂网络的SEM图片。PMMA相在反应引起的相分离之后被移除。
图13、15和16中示出的材料的孔具有随机结构。可替换地，根据本发明的设备内的多孔材料可以包括化学催化作用领域中公知的规则孔结构。
所述微流体设备可以是感测设备或分析设备的一部分。它可以永久固定在这种设备中，使得它形成所述感测设备的构成部分。可替换地，在感测设备中，它是可拆卸的/可插入的。在后一种情况下，所述微流体设备可以是将用在更复杂和/或便宜的感测单元中的一次性设备。
图17中示出了传感器设备的一个实例。在一个实施例中，它可以包括如图3或图4中所示的微流体设备300，这里将不会进一步进行解释。所述传感器设备进一步包括用于通过折射或聚焦元件3(例如透镜)向一个或多个斑点116提供输入辐射2的辐射源1。如果目标物种的捕获发生，则由所述斑点辐照的输出辐射通过元件3而被检测并被通过分束器5而被发送到检测器4(在这种情况下，作为输入辐射的分色镜具有不同于输出辐射的波长区域)。所述设备可以装备有如本领域技术人员公知的所有类型的光学元件。
尽管没有绘出，可以使用允许检测更密集复用的微流体设备。在这种情况下，可以例如使用图3的微流体设备。它已经在第一和第二凹槽的多孔材料中捕获斑点。如前所述，可以测量所述斑点。在一个有利实施例中，可以从第一方向测量第一凹槽的斑点，并且可以从与第一方向相对的第二方向测量第二凹槽的斑点。第一方向可以是第一衬底的侧面。然而，可替换地且有利地，第一方向也可以是第二衬底的侧面。这允许例如图17中的结构，其中引导壁和/或壁的取向的信号被提供到所述部分135，如在图4中它们被提供到部分138。然后实现了高效信号分离和源于相邻的、空间上接近的斑点(第一和第二凹槽)的信号之间的串扰的降低。这增加了微流体设备上每个区域的斑点量，并且允许进一步使微流体设备和/或传感器或检测器设备的小型化。
本发明的设备可以用于多个目的，这取决于将要执行的分析方法。因此通过抽吸(pumping)特定样本流体通过通道，它可以用作过滤器。可替换地或此外，所述设备可以展示如上所述的目标物质捕获能力并且因此执行目标特定过滤。此外或可替换地，所述设备可以具有感测功能并形成检测设备的一部分。
本发明的设备例如适用于检测生物样本中蛋白质的存在。而且，所述设备可以用于选择性捕获和/或释放生物分子，例如蛋白质、激素、肽和/或单或双标准寡核苷酸。
一个或多个试剂可以设置在第一或第二凹槽中任意一个中的多孔材料中或其上。一种试剂可以例如溶解在样本流体中。溶解的试剂可以例如增强、支持或引起特定反应，或用作催化剂。生物测定程序，用户将在样本流体之前或之后抽吸例如缓冲溶液或空气通过通道104以实现更精确的测量。
上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计许多可替代实施例。在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应当被解释为限制该权利要求。文字“包括”不排除除权利要求中所列之外的其他元件或步骤的存在。元件之前的文字“一”不排除多个这样的元件的存在。在列举了若干个装置的设备权利要求中，这些装置中的若干可以由同一项硬件实现。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施这个起码事实。

Claims (16)

1.微流体设备，包括：
-第一衬底(120)，具有第一表面(122)；
-第二衬底(128)，具有第二表面(126)；
其中所述第二表面接触所述第一表面，于是限定了所述第一衬底和第二衬底之间的分界面；
-在所述分解面处提供的第一凹槽(124)和第二凹槽(130)；
其中第一凹槽和第二凹槽形成在与所述分界面成直角的平面中蜿蜒而行的通道(104)；以及
其中至少一些凹槽包括多孔材料(114)。
2.权利要求1的微流体设备，其中所述第一凹槽(124)被设置在第一表面(122)中并且所述第二凹槽(130)被设置在第二表面(126)中。
3.权利要求1或2的微流体设备，其中至少一些凹槽(124，130)充满另一种多孔材料。
4.前述权利要求中任一项的微流体设备，其中所述多孔材料(114)邻接凹槽(124，130)的拐角。
5.前述权利要求中任一项的微流体设备，
其中在使用中，所述第一凹槽(124)中的多孔材料(114)接触所述第二表面(126)，和/或
其中在使用中，所述第二凹槽(130)中的多孔材料(114)接触所述第一表面(122)。
6.前述权利要求中任一项的微流体设备，
其中用于结合目标物质的捕获物质(116)被设置在一个或多个凹槽(124，130)的多孔材料(114)中或其上。
7.权利要求6的微流体设备，
其中在使用中，所述第一凹槽(124)中的捕获物质(116)接触所述第二表面(126)，和/或
其中在使用中，所述第二凹槽(130)中的捕获物质(116)接触所述第一表面(122)。
8.前述权利要求中任一项的微流体设备，其中所述多孔材料(114)能够膨胀与样本流体接触。
9.权利要求6的微流体设备，其中壁(134，135)被提供在第一衬底(120)和第二衬底(128)的分界面处，以用于在第一方向上引导捕获物质(116)的第一测量信号，和/或用于在第二方向上引导另一种捕获物质的第二测量信号。
10.权利要求9的微流体设备，其中所述第二方向基本上与第一方向相反。
11.前述权利要求中任一项的微流体设备，其中第一凹槽(124)和/或第二凹槽(130)具有锥形壁(150，152)。
12.前述权利要求中任一项的微流体设备，其中第一凹槽(124)和/或第二凹槽(130)的底部设有吸收或反射层(136)。
13.前述权利要求中任一项的微流体设备，其中第一凹槽(124)和/或第二凹槽(130)的侧壁设有反射层(138)。
14.前述权利要求中任一项的微流体设备，其中所述多孔材料(114)包括至少一种用于在样本流体中溶解的试剂。
15.一种传感器设备，包括前述权利要求中任一项的微流体设备，该传感器设备进一步包括用于测量微流体设备内生成的响应信号的检测器(4)。
16.制造微流体设备的方法，包括以下步骤：
-在第一衬底(120)的第一表面(122)和/或第二衬底(128)的第二表面(126)内提供第一凹槽(124)和第二凹槽(130)；
-向至少一些第一凹槽提供多孔材料(114)，并且可选地向至少一些第二凹槽提供另一种多孔材料；以及
-使所述第一表面与所述第二表面接触，于是限定了第一衬底与第二衬底之间的分界面，从而使得第一凹槽和第二凹槽形成在与所述分界面成直角的平面中蜿蜒而行的通道(104)。
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