CN103008035B - 流体控制装置及包括该流体控制装置的过滤器和生物芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了流体控制装置及包括该流体控制装置的过滤器和生物芯片。流体控制装置包括：入口，流体通过其引入；通道部分，连接到入口；出口，连接到通道部分，流体通过该出口排出；以及至少一个流体阻力部分，设置在入口和出口之间。过滤器包括该流体控制装置及过滤包括在流体中的目标材料的过滤部分。生物芯片包括该流体控制装置以及与包括在流体中的目标材料反应的反应部分。

Description

流体控制装置及包括该流体控制装置的过滤器和生物芯片
技术领域
本公开涉及流体控制装置以及包括该流体控制装置的过滤器和生物芯片。更具体地，本公开涉及包括流体阻力单元以控制流体的速度的流体控制装置以及都包括该流体控制装置的过滤器和生物芯片。
背景技术
微流体器件指的是用于通过操作少量的流体来进行生物或化学反应的器件。微流体器件可以包括布置在任意各种形状的平台诸如芯片或盘内的微流体结构。微流体结构可以包括存储流体的腔室、流体通过其流动的通道以及控制流体流动的阀。腔室、通道和阀可以以各种组合设置在平台内。流体动力过滤器是用于通过利用由微流体结构产生的流体的流动来捕获包括在流体中的目标材料的系统。生物芯片通过在芯片型平台上布置这样的微流体结构而形成，从而在小的芯片上进行包括生物反应在内的各种化验。
发明内容
根据本发明的方面，一种流体控制装置包括：入口，流体通过其引入；通道部分，连接到入口；出口，连接到通道部分，流体通过该出口排出；以及至少一个流体阻力部分，设置在入口和出口之间。
流体阻力部分可以形成为菱形、三角形、非菱形的四边形、圆形、椭圆形、扇形或流线形。
流体控制装置还可以包括：第一连接部分，连接入口和通道部分并形成为锥形结构；和第二连接部分，连接通道部分和出口并形成为锥形结构。
通道部分的宽度W与长度L的比可以在从约3：1至约100：1的范围。
根据本发明的另一方面，一种过滤器包括：入口，包括目标材料的流体通过该入口引入；通道部分，连接到入口；过滤部分，设置在通道部分内并过滤目标材料；出口，连接到通道部分，流体通过出口排出；以及至少一个流体阻力部分，设置在入口和出口之间。
至少一个流体阻力部分可以设置在入口和过滤部分之间的空间和过滤部分与出口之间的空间的至少一个中。
流体阻力部分可以形成为菱形、三角形、非菱形的四边形、圆形、椭圆形、扇形或流线形。
过滤器还可以包括：第一连接部分，连接入口和通道部分并形成为锥形结构；和第二连接部分，连接通道部分和出口并形成为锥形结构。
通道部分的宽度W与长度L的比可以在从约3：1至约100：1的范围。
过滤部分可以包括多个过滤单元。
每个过滤单元可以包括：第一部分，具有在第一方向上突出的多个突起；和第二部分，与第一部分间隔开以面对第一部分并具有在第二方向上、也就是朝向第一部分突出的多个突起，该第二部分的多个突起对应于第一部分的多个突起。
每个过滤单元还可以包括设置在第一和第二部分之间的第三部分，第一流体排出通道形成在第一部分与第三部分之间，第二流体排出通道形成在第二部分与第三部分之间。
过滤部分可以包括多个过滤序列，所述多个过滤序列包括多个过滤单元。
根据本发明的另一方面，一种生物芯片包括：入口，包括目标材料的流体通过该入口引入；通道部分，连接到入口；反应部分，设置在通道部分内并与目标材料反应；出口，连接到通道部分，流体通过该出口排出；以及至少一个流体阻力部分，设置在入口与出口之间。
至少一个流体阻力部分可以设置在入口与反应部分之间的空间和反应部分与出口之间的空间中的至少一个中。
流体阻力部分可以形成为菱形、三角形、非菱形的四边形、圆形、椭圆形、扇形或流线形。
生物芯片还可以包括：第一连接部分，连接入口和通道部分并形成为锥形结构；和第二连接部分，连接通道部分和出口并形成为锥形结构。
通道部分的宽度W与长度L的比可以在从约3：1至约100：1的范围。
反应部分可以包括能够与目标材料反应的多个生物分子。
多个生物分子可以布置为二维阵列。
多个生物分子可以包括核酸、糖或蛋白质。
附图说明
从以下结合附图对实施例的描述，这些和/或其他的方面将变得显然并更易于理解，在附图中：
图1A是根据本发明实施例的流体控制装置的示意性透视图，图1B是图1A所示的流体控制装置的示意性平面图；
图2A是根据本发明实施例的过滤器的示意性透视图，图2B是图2A所示的过滤器的示意性平面图；
图3A和3B是根据本发明实施例的包括在过滤器的过滤部分中的过滤单元的示意性平面图；
图3C是根据本发明实施例的过滤序列的示意性平面图，在每个过滤序列中布置有多个过滤单元；
图4A示出图2A和2B所示的过滤器中流体的速度分布，图4B示出图2A和2B所示的过滤器中的流线；
图5A示出根据比较例的过滤器中流体的速度分布，图5B示出根据比较例的过滤器中的流线；
图6是曲线图，示出根据图2A和2B所示的本发明实施例的过滤器的过滤部分中的流动速度以及根据图5A和5B的比较例的过滤器的过滤部分中的流动速度；
图7是根据本发明另一实施例的过滤器的示意性平面图；
图8是曲线图，示出根据图2A、2B和图7所示的本发明实施例的过滤器的过滤部分中的流动速度以及根据图5A和5B的比较例的过滤器的过滤部分中的流动速度；
图9是根据本发明实施例的生物芯片的示意性平面图；以及
图10A是包括在根据本发明实施例的生物芯片中的反应部分的示意性平面图，图10B是反应部分的示意性截面图。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述各个示例实施例，附图中示出了一些示例实施例。
这里公开了具体的说明性示例实施例。然而，这里公开的特定结构和功能细节仅是代表性的用于描述示例实施例的目的。然而，本发明可以以许多替代的形式实施，而不应被解释为仅限于这里阐述的示例实施例。
因而，尽管示例实施例能够有各种修改和替代形式，但是其实施例在附图中仅通过示例来示出并将在这里详细描述。然而，应当理解，无意将示例实施例限制到所公开的特定形式，而是相反的，示例实施例涵盖落在本发明的范围内的所有修改、等同物和替代。相似的附图标记在附图的描述中始终指代相似的元件。
将理解，尽管这里可以使用术语第一、第二等描述各种元件，但这些元件不应受限于这些术语。这些术语仅用于将一个元件与另一元件区别开。例如，第一元件可以被称为第二元件，类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不背离示例实施例的范围。如这里所用的，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任何及所有组合。
将理解，当称一个元件或层“形成在”另一元件或层“上”时，它可以直接或间接地形成在另一元件或层上。也就是，例如，可以存在插入的元件或层。相反，当一个元件或层被称为“直接形成在”另一元件上时，不存在插入的元件或层。用于描述元件或层之间的关系的其他术语应当以类似地方式解释（例如，“之间”与“直接在…之间”、“相邻”与“直接与…相邻”等）。
这里所用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，并非要限制示例实施例。这里使用时，除非上下文另有明确表述，否则单数形式“一”和“该/所述”均同时旨在包括复数形式。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”，当在这里使用时，指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或增加。
在附图中，为了清晰，层和区域的厚度被夸大。附图中相似的附图标记指代相似的元件。诸如“…中的至少一个”的表述，当在一系列元件之前时，修饰元件的整个列表而不是修饰列表的单个元件。
图1A是根据本发明实施例的流体控制装置100的示意性透视图，图1B是流体控制装置100的示意性平面图。
参照图1A和1B，流体控制装置100可以包括：第一基板180；以及第二基板190，设置在第一基板180上。第二基板190可以包括：入口110，流体通过其引入；通道部分130，连接到入口110；出口150，连接到通道部分130，流体通过出口150排出；以及至少一个流体阻力部分160，设置在入口110与出口150之间。流体控制装置100还可以包括设置在第二基板190上的第三基板185，第三基板185可以包括形成在其中的多个通孔。
第一基板180和第三基板185中的至少一个可以是透明的。当第一基板180或第三基板185为透明基板时，流体控制装置100中的流体可以被容易地观察。例如，第一基板180和第三基板185可以包括玻璃、石英、塑料、聚合物等。第三基板185可以包括分别连接到入口110和出口150的第一通孔181和第二通孔183。
第二基板190可以设置在第一基板180上，并可以包括入口110、通道部分130、出口150、流体阻力部分160等。入口110、通道部分130、出口150、流体阻力部分160等可以通过图案化第二基板190而形成。第二基板190可以由例如硅、硅基聚合物材料或聚合物材料形成。具体地，第二基板190可以由例如丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、环氧树脂、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚对二甲苯等形成。
入口110是流体通过其引入的进口，并可以连接到形成在第三基板185中的第一通孔181，如图1A所示。换句话说，流体可以经由第一通孔181引入到入口110中。代替经由第一通孔181，流体可以经由连接到第二基板190的另一路径（未示出）引入到入口110中。
通道部分130可以连接到入口110，第一连接部分120可以设置在通道部分130与入口110之间。第一连接部分120可以形成为锥形结构（tapered structure）并可以形成为在从入口110到通道部分130的方向上变宽的结构。通道部分130的宽度W可以大于其长度L。例如，通道部分130的宽度W与长度L的比例可以大于约3：1。进一步地，通道部分130的宽度W与长度L的比例可以在从约3：1至约100：1的范围。更具体地，通道部分130的宽度W与长度L的比例可以在从3：1至约50：1的范围，以及从约3：1至约30：1的范围。如果通道部分130的宽度W大于其长度L，则可以降低流体的最大速度以及施加到通道部分130的最大压力。
通道部分的尺寸将取决于其中使用流体控制装置的应用。例如，当用于过滤器或生物芯片中时，如这里所描述的，通道部分应具有适于将被引入到通道中的生物材料的引入和流动的尺寸。举例来说，通道部分可具有大约0.5mm至50mm的宽度，例如30mm，以及大约1mm至100mm的长度，例如30mm。
至少一个流体阻力部分160可以设置在入口110与出口150之间。如图1B所示，流体阻力部分160可以设置在入口110附近。流体阻力部分160可以设置为跨第一连接部分120和通道部分130。流体阻力部分160可以设置在通道部分130内或出口150附近。多个流体阻力部分160可以设置在入口110与出口150之间。流体阻力部分160可以成形为如图1B所示的菱形，但是本发明不限于此。流体阻力部分160可以形成为另一多边形诸如三角形或四边形，或者可以为圆形、椭圆形、扇形、流线形，或其组合。
流体阻力部分160可以控制引入到入口110中的流体的速度、流体的流线的分布等。例如，通过阻滞在通道部分130中流动的流体，流体阻力部分160可以降低流体的速度并将通道部分130中的流体的速度(例如，5μm/ms)保持在特定的范围。流体阻力部分160可以使得流线在通道部分130中均匀地分布并且流线的长度彼此相似。例如，沿通道部分130的边缘也就是壁流动的流线A和沿通道部分130的中央流动的流线B具有不同的路径，但是流线A和B的长度可以彼此相似。
出口150是连接到通道部分130的出口，流体通过出口150排出。第二连接部分140可以进一步设置在通道部分130与出口150之间。第二连接部分140可以形成为锥形结构并可以形成为在从通道部分130到出口150的方向上变窄的结构。出口150可以连接到形成在第三基板185中的第二通孔183，如图1A所示。换句话说，流体可以经由第二通孔183从出口150排出。代替经由第二通孔183,流体可以经由连接到第二基板190的另一路径（未示出）从出口150排出。
流体控制装置100可以包括在入口110与出口150之间的流体阻力部分160以控制流体的速度、流体的流线的分布等。换句话说，流体控制装置100可以降低在通道部分130中流动的流体的速度或将通道部分130中的流体的速度保持在特定的范围。流体控制装置100还可以将通道部分130中的流体的流线的密度保持在特定的范围内。
图2A是根据本发明实施例的过滤器200的示意性透视图。图2B是图2A所示的过滤器200的示意性平面图。
参照图2A和2B，过滤器200可以包括第一基板280和设置在第一基板280上的第二基板290。第二基板290可以包括：入口210，包括目标材料的流体通过其引入；通道部分230，连接到入口210；过滤部分270，过滤目标材料并设置在通道部分230内；出口250，连接到通道部分230，流体通过出口250排出；以及至少一个流体阻力部分260，设置在入口210与出口250之间。过滤器200还可以包括设置在第二基板290上的第三基板285，第三基板285可以包括形成在其中的多个通孔。
第一基板280和第三基板285中的至少一个可以是透明的。当第一基板280或第三基板285为透明基板时，在过滤器200中的流体或流体中的目标材料可以被容易地观察到。例如，第一基板280和第二基板285可以包括玻璃、石英、塑料、聚合物等。第三基板285可以包括分别连接到入口210和出口250的第一通孔281和第二通孔283。
第二基板290可以设置在第一基板280上并可以包括入口210、通道部分230、过滤部分270、出口250、流体阻力部分260等。入口210、通道部分230、过滤部分270、出口250、流体阻力部分260等可以通过图案化第二基板290形成。第二基板290可以由例如硅、硅基聚合物材料或聚合物材料形成。具体地，第二基板290可以由例如丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、环氧树脂、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚对二甲苯等形成。
入口210是包括目标材料的流体通过其引入的进口，并可以连接到形成在第三基板285中的第一通孔281，如图2A所示。换句话说，流体可以经由第一通孔281引入到入口210中。代替经由第一通孔281，流体可以经由连接到第二基板290的另一通路（未示出）引入到入口210中。
被过滤器200捕获的目标材料可以是各种生物材料。生物材料可以包括细胞或生物分子。细胞可以包括各种细胞诸如癌细胞、红细胞（RBC）、白细胞（WBC）、噬菌细胞、动物细胞或植物细胞。此外，生物分子可以包括构成活有机体的各种生物分子，诸如蛋白质、脂类或包括脱氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）的核酸。然而，本实施例不限于此。
生物分子可以包括核酸适配体（aptamer）、抗原、抗体、酶、酶底物（enzymesubstrate）、酶抑制剂、受体、受体配位体等。如果目标材料是生物分子，由于生物分子的尺寸在从几纳米（nm）到几百nm的范围，则包括在过滤器200中的过滤单元（未示出）的尺寸（也就是过滤单元的捕获部分的尺寸）可以在从几nm至几百nm的范围。
例如，目标材料可以包括血液中含有的循环肿瘤细胞（CTC）。CTC的数目可能如此小以致在从大约109个细胞中仅检测到一个CTC。例如，在乳腺癌的情形下，在约7.5ml血液中可以检测到约5个CTC或更少，在结肠癌的情况下，在约7.5ml血液中可以检测到约3个CTC或更少。因而，需要没有遗漏地捕获如此少量的CTC。此外，由于CTC容易被破坏，所以需要最小化可能破坏CTC的外部环境因素。
通道部分230可以连接到入口210，第一连接部分220可以设置在通道部分230与入口210之间。第一连接部分220可以形成为锥形结构，并可以形成为在从入口210到通道部分230的方向上变宽的结构。通道部分230的宽度W可以大于其长度L。例如，通道部分230的宽度W与长度L的比例可以大于约3：1。进一步地，通道部分230的宽度W与长度L的比例可以在从约3：1至约100：1的范围。更具体地，通道部分230的宽度W与长度L的比例可以在从约3：1至约50：1的范围以及从约3：1至约30：1的范围。如果通道部分230的宽度W大于其长度L，则可以减小流体的最大速度以及施加到通道部分230的最大压力。
过滤部分270可以设置在通道部分230内并可以从流体捕获目标材料。过滤部分270可以设置在流体阻力部分260与出口250之间或者在入口210与流体阻力部分260之间。过滤部分270的宽度W可以大于其长度L’。例如，过滤部分270的宽度W与长度L’的比例可以大于约3：1。此外，过滤部分270的宽度W与长度L’的比例可以在从约3：1至约100：1的范围。更特别地，过滤部分270的宽度W与长度L’的比例可以在从约3：1至约50：1的范围以及从约3：1至约30：1的范围。过滤部分270可以包括多个过滤单元（未示出），更特别地，可包括通过将多个过滤单元（未示出）彼此对齐而获得的多个过滤序列（未示出）。过滤单元和过滤序列将在随后描述。
至少一个流体阻力部分260可以设置在入口210与出口250之间。如图2B所示，流体阻力部分260可以设置在入口210附近。至少一个流体阻力部分260可以设置在入口210与过滤部分270之间。流体阻力部分260可以设置在通道部分230内或在出口250附近。多个流体阻力部分260可以设置在入口210与出口250之间。例如，过滤部分270可以设置在多个流体阻力部分260之间。
流体阻力部分260可以成形为三角形或如图2B所示的倒置三角形，本发明不限于此。流体阻力部分260可以成形为另一多边形诸如菱形或四边形，或者可以是圆形、椭圆形、扇形、流线形或其组合。流体阻力部分260可以控制引入到入口210中的流体的速度、流体的流线的分布等。例如，通过阻滞在通道部分230中（更特别地，在过滤部分270中）流动的流体，流体阻力部分260可以降低流体的速度并将过滤部分270中的流体的速度保持在特定的范围。流体阻力部分260可以使得流线在通道部分230中（更特别地，在过滤部分270中）均匀地分布并且流线的长度彼此相似。
出口250是连接到通道部分230的出口，目标材料已经从其过滤掉的残余流体通过出口250排出。第二连接部分240可以进一步设置在通道部分230与出口250之间。第二连接部分240可以形成为锥形结构，并可以形成为在从通道部分230到出口250的方向上变窄的结构。出口250可以连接到形成在第三基板285中的第二通孔283，如图2A所示。换句话说，流体可以经由第二通孔283从出口250排出。代替经由第二通孔283，流体可以经由连接到第二基板290的另一路径（未示出）从出口250排出。
过滤器200可以包括在入口210与出口250之间的流体阻力部分260以控制流体的速度、流体的流线的分布等。换句话说，过滤器200可以降低在通道部分230中（更特别地，在过滤部分270中）流动的流体的速度或者将过滤部分270中的流体的速度保持在特定的范围内。过滤器200还可以将过滤部分270中的流体的流线的密度保持在特定的范围内。因而，可以改善过滤器200的捕获目标材料的收集速率和目标材料的纯度。
图3A和3B是根据本发明实施例的包括在过滤器200的过滤部分270中的过滤单元271和273的平面图。图3C是根据本发明实施例的过滤序列275的示意性平面图，在每个过滤序列275中布置有多个过滤单元。
参照图3A，过滤单元271可以包括第一部分10和第二部分15，第二部分15与第一部分10间隔开以面对第一部分10。第一部分10可以包括在第一方向上突出的多个突起，例如第一突起30和第二突起40，第一方向可以是第一部分10面对第二部分15的方向。第二部分15可以包括在第二方向上（也就是朝向第一部分10）突出的多个突起，例如第三突起35和第四突起45。第二部分15的第三突起35和第四突起45可以设置为分别对应于第一部分10的第一突起30和第二突起40。
第一部分10的多个突起可以包括彼此间隔开的第一突起30和第二突起40。第二部分15的多个突起可以包括彼此间隔开的第三突起35和第四突起45。这里，第一突起30和第三突起35可以彼此间隔开以彼此面对，第一突起30与第三突起35之间的第一距离d1可以根据要被过滤的目标分子的尺寸来调节。第一突起30和第三突起35之间的第一距离d1可以在从几微米（μm）至几百μm的范围。例如，第一距离d1可以在从约1μm至约500μm的范围，特别地，第一距离d1可以在从约5μm至约100μm的范围。
第二突起40和第四突起45也可以彼此间隔开以彼此面对。第二突起40与第四突起45之间的第二距离d2可以根据要被捕获的目标分子的尺寸来调节。第二突起40和第四突起45之间的第二距离d2可以在从几μm至几百μm的范围。例如，第二距离d2可以在从约1μm至约500μm的范围，特别地，第二距离d2可以在从约5μm至约100μm的范围。第一突起30与第三突起35之间的第一距离d1可以大于或等于第二突起40与第四突起45之间的第二距离d2。过滤单元271的尺寸可以指的是第一突起30与第三突起35之间的第一距离d1或者第二突起40与第四突起45之间的第二距离d2。
过滤单元271可以包括第一捕获部分60和第二捕获部分65。包括目标分子的流体可以在由图3A的上侧的箭头指示的方向上被引入，并可以在由图3A的下侧的箭头指示的方向上被排出。目标分子可以被第一捕获部分60和第二捕获部分65中的至少一个捕获。因而，由于与具有一个捕获结构的比较过滤器相比，过滤单元271包括更多的能够捕获目标分子的结构，所以与在比较过滤器中相比，目标分子在过滤单元271中更可能被捕获。
第一捕获部分60可以通过第一突起30和第三突起35形成，并可以捕获目标分子。第一突起30和第三突起35可以朝向其端部渐缩，使得目标分子可以容易地被第一捕获部分60过滤。也就是，包括在流体中的目标分子可以被第一捕获部分60支撑从而不会跟流体一起从过滤单元271泄漏出去。此外，尽管第一突起30和第三突起35的端部是尖的，但是本实施例不限于此。也就是，第一突起30和第三突起35的端部可以是钝的。在此情形下，当目标分子经过第一突起30和第三突起35的钝端部时，目标分子的速度可以由于摩擦力而减小。
第二捕获部分65可以通过第二突起40和第四突起45形成，并也可以捕获目标分子。第二突起40和第四突起45可以朝向其端部渐缩，使得目标分子可以容易地被第二捕获部分65过滤。也就是，包括在流体中的目标分子可以被第二捕获部分65支撑从而不与流体一起从过滤单元271泄漏出去。此外，第二突起40和第四突起45的端部可以是尖的。第一突起30和第二突起40之间的空间以及第三突起35与第四突起45之间的空间可以由弯曲表面50和55定义，因此增加了被捕获材料存在的空间，并且可以减少或有效防止由于与过滤单元271接触而引起的对将被捕获的目标材料的损伤。
当第二捕获部分65捕获目标分子时，即使当从过滤单元271泄漏出去的流体通过过滤单元271逆向流动，第一突起30和第三突起35也可以支撑被捕获的目标分子。因而，减小或有效防止了被捕获的目标分子随流体一起从过滤单元271泄漏出去。此外，如果第二突起40与第四突起45之间的第二距离d2小于第一突起30与第三突起35之间的第一距离d1，则目标分子更可能被捕获。此外，不同尺寸的目标分子可以被第一捕获部分60和第二捕获部分65捕获。由第一突起30和第三突起35形成的第一捕获部分60和由第二突起40和第四突起45形成的第二捕获部分65可以被称作阻碍结构。因而，过滤单元271可以包括多个阻碍结构。
例如，由于过滤单元271可以在第一捕获部分60和第二捕获部分65中分别捕获CTC，所以目标分子更可能被捕获。即，由于CTC被柔性的细胞膜围绕，所以CTC可以变形至一定程度。未变形的CTC可以被第一捕获部分60捕获，变形的CTC可以被第二捕获部分65捕获，从而减少了没有被过滤的CTC（也就是，遗失的CTC）的数目。由于过滤单元271可以仅过滤期望的目标分子，所以可以减少分析目标分子所用的时间。此外，由于不需要将期望的目标分子从其他的分子再次分离，所以可以改善效率和方便性。
参照图3B，过滤单元273可以包括：第一部分10；第二部分15，与第一部分10间隔开以面对第一部分10；以及第三部分17，设置在第一部分10与第二部分15之间。引入通道77可以设置在第一和第二部分10和15的上部之间。第三部分17可以设置在第一和第二部分10和15的下部之间。第一排出通道70可以形成在第一部分10和第三部分17之间，第二排出通道75可以形成在第二部分15与第三部分17之间。更多的排出通道可以通过将过滤单元273划分成多个部分而形成在过滤单元273中。
第一部分10可以包括在第一方向上突出的第一突起30和第二突起40，第一方向可以是第一部分10面对第二部分15的方向。第二部分15可以包括在第二方向上（也就是，朝向第一部分10）突出的第三突起35和第四突起45。第三部分17可以包括在第二方向上（也就是，朝向第一部分10）突出的第五突起41和在第一方向上（也就是，朝向第二部分15）突出的第六突起43。
第一突起30可以对应于第三突起35，第一捕获部分60可以通过第一突起30和第三突起35形成。第二突起40可以对应于第五突起41，第二捕获部分65可以通过第二突起40和第五突起41形成。第四突起45可以对应于第六突起43，第三捕获部分67可以通过第四突起45和第六突起43形成。
第一捕获部分60的尺寸（也就是，第一和第三突起30和35之间的距离d1）、第二捕获部分65的尺寸（也就是，第二和第五突起40和41之间的距离d2）或者第三捕获部分67的尺寸（也就是，第四和第六突起45和43之间的距离d3）可以根据要被过滤的目标材料的尺寸来调节。距离d1、d2和d3可以在从几μm至几百μm的范围。例如，距离d1、d2和d3可以在从约1μm至约500μm的范围，特别地，在从约5μm至约100μm的范围。
由于过滤单元273可以包括多个捕获部分，例如第一捕获部分60、第二捕获部分65和第三捕获部分67，所以目标分子在过滤单元273更可能被捕获。包括目标分子的流体可以在由图3B的箭头指示的方向上被引入，并可以经由图3B的下侧示出的第一排出通道70或第二排出通道75排出。更一般地，连接到第二捕获部分65的第一排出通道70或连接到第三捕获部分67的第二排出通道75可以用作流体的排出路径。例如，当第三捕获部分67捕获目标材料时，尽管目标材料阻塞了第二排出通道75，但是流体可以排出到连接到还没有捕获目标材料的第二捕获部分65的第一排出通道70。此外，除目标材料之外的分子可以随流体一起排出到第一排出通道70。因此，过滤单元273里面的压力被保持为低的，因此可以降低或有效防止高的压力施加到目标材料以及目标材料从过滤单元273的遗失。
参照图3C，过滤器200的过滤部分270可以包括在从入口到出口的方向上彼此平行布置的多个过滤序列275。每个过滤序列275可以包括多个过滤单元273。多个过滤单元273可以彼此间隔开或彼此邻接，并且彼此对齐。备选地，每个过滤序列275可以包括多个过滤单元271。
多个过滤序列275可以包括在从入口到出口的方向上彼此平行布置的第n个（n为自然数）过滤序列277和第n+1个过滤序列279。包括在第n个过滤序列277中的过滤单元273和包括在第n+1个过滤序列279中的过滤单元273可以不设置为其侧面对齐。也就是，包括在第n个过滤序列277中的过滤单元和包括在第n+1个过滤序列279中的过滤单元可以以Z字形的方式设置。因此，如果第n个过滤序列277和第n+1个过滤序列279以Z字形的方式设置，则流体、包括在流体中的目标分子和其他的分子可以具有各种的移动路径。备选地，包括在第n个过滤序列277中的过滤单元和包括在第n+1个过滤序列279中的过滤单元可以不以Z字形的方式设置并且可以设置为它们的侧面对齐。
第一、第二和第三凸出部分80、81和83可以进一步设置在第n个过滤序列277和第n+1个过滤序列279的通过其引入流体的前表面上以及通过其排出流体的后表面上。第一、第二和第三凸出部分80、81和83可以从前表面和后表面突出并被称作防止流体停滞的停滞防止部分。第一凸出部分80可以设置在相邻过滤单元的引入通道77之间。第二凸出部分81可以设置在第一排出通道70和第二排出通道75之间。第三凸出部分83可以设置在相邻过滤单元273的第二排出通道75和第一排出通道70之间。第一、第二和第三凸出部分80、81和83可以减少或防止由于在第n个过滤序列277和第n+1个过滤序列279周围的停滞流体引起的目标材料或其他分子的累积。
图4A示出在图2A和2B所示的过滤器200中的流体的速度分布，图4B示出在图2A和2B所示的过滤器200中的流体的流线。
参照图4A，过滤器200的过滤部分270中的流体速度，即，平均流动速度，被保持得几乎恒定。作为测量过滤部分270中的流动速度的结果，过滤部分270中的其流动速度与过滤部分270中的平均流动速度的偏差超过±5%的区域的百分比仅为2%。
参照图4B，过滤器200中的流线均匀地分布。特别地，在过滤部分270中流动的流体的流线密度几乎恒定。在过滤器200的中央部分中的流线的长度类似于在过滤器200的边缘部分中的流线的长度。因而，在过滤器200中，在过滤部分270中流动的流体的速度几乎恒定，流体的流线的密度几乎恒定。因此可以改善目标材料被过滤器200捕获的收集速率以及目标材料的纯度。
图5A示出根据比较例的过滤器20中的流体的速度分布，图5B示出过滤器20中的流体的流线。
参照图5A，过滤器20可以包括：入口21，流体通过其引入；通道部分23，连接到入口21；出口25，连接到通道部分23，流体通过出口25排出；以及过滤部分27，设置在通道部分23中。
在根据比较例的过滤器20中，过滤部分27中的流体的速度在过滤部分27的中央部分和边缘部分之间具有大的偏差。换句话说，由于过滤部分27的中央部分中的流动速度高，所以即使目标材料被捕获，目标材料从过滤单元失去的可能性会增大。由于过滤部分27的边缘部分中的流动速度低，所以流体停滞，因此目标材料不能被捕获。作为测量过滤部分27中的流动速度的结果，过滤部分27的其流动速度与平均流动速度的偏差超过±5%的区域的百分比为94%。
参照图5B，根据比较例的过滤器20中的流线没有均匀地分布，也就是，集中在过滤器20的中央部分上。换句话说，流线集中在过滤部分27的中央部分上，而很少分布在其边缘部分上。在过滤部分27的中央部分中的流线是短的，在其边缘部分中的流线是长的。
图6是曲线图，示出根据图2A和图2B所示的实施例的过滤器200的过滤部分270中的流动速度以及根据图5A和5B的比较例的过滤器20的过滤部分27中的流动速度。流动速度从过滤部分270和27的中央部分到其边缘部分测量。换句话说，x轴表示与过滤部分270和27的中央部分的距离，y轴表示流体的速度。
参照图6，在根据本实施例的过滤器200中，从过滤部分270的中央部分到其边缘部分测量的流体速度保持为几乎恒定，而在过滤部分270的边缘部分处测量的流体速度略微降低。相反地，在根据比较例的过滤器20中，从过滤部分27的中央部分到其边缘部分测量的流体速度变化很大。换句话说，在过滤部分27的中央部分处的流动速度最高，流动速度从过滤部分27的中央部分到其边缘部分急剧地减小。
图7是根据本发明另一实施例的过滤器201的示意性平面图。
参照图7，过滤器201可以包括：入口210，包括目标材料的流体通过其引入；通道部分230，连接到入口210；过滤部分275，设置在通道部分230中并过滤目标材料；出口250，连接到通道部分230，流体通过出口250排出；以及至少一个流体阻力部分265，设置在入口210与出口250之间。在过滤器201中，流体阻力部分265可以设置在出口250附近，过滤部分275可以设置在入口210与流体阻力部分265之间。
过滤器201的过滤部分275中的流体的速度（即，平均流动速度）保持为几乎恒定。作为测量过滤部分275的流动速度的结果，过滤部分275的其流动速度与平均流动速度的偏差超过±5%的区域的百分比仅为2%。由于过滤器201包括设置在流体阻力部分265前面的过滤部分275，所以目标材料或其他材料可以通过流体阻力部分265堆叠或者可以被防止凝结。
图8是曲线图，示出根据图2A和2B所示的实施例的过滤器200和201的过滤部分270和275中的流动速度以及根据图5A和5B的比较例的过滤器20的过滤部分27中的流动速度。流动速度在图4A、图5A和图7所示的过滤部分270、275和27的每个的第一位置①至第五位置⑤处测量。
参照图8，根据本发明实施例的过滤器200和201的过滤部分270和275中的流动速度保持为几乎恒定而不管过滤部分270和275上的位置。根据此事实，流体阻力部分可以设置在过滤部分270和275的前面或后面。另一方面，在根据比较例的过滤器20中，在过滤部分27的中央部分中的流动速度最高，流动速度朝向其两个边缘部分极大地降低。
图9是根据本发明实施例的生物芯片300的示意性平面图。
参照图9，生物芯片300可以包括：入口310，包括目标材料的流体通过其引入；通道部分330，连接到入口310；反应部分370，设置在通道部分330内并与目标材料反应；出口350，连接到通道部分330，流体通过出口350排出；以及至少一个流体阻力部分，也就是第一和第二流体阻力部分360和365，设置在入口310与出口350之间。
通道部分330可以连接到入口310，第一连接部分320可以设置在通道部分330与入口310之间。第一连接部分320可以形成为锥形结构，并可以形成为在从入口310到通道部分330的方向上变宽的结构。通道部分330的宽度W可以大于其长度L。例如，通道部分330的宽度W与长度L的比例可以大于约3：1。进一步地，通道部分330的宽度W与长度L的比例可以在从约3：1至约100：1的范围。更特别地，通道部分330的宽度W与长度L的比例可以在从约3：1至约50：1的范围以及从约3：1至约30：1的范围。如果通道部分330的宽度W大于其长度L，则可以减小流体的最大速度或者施加到通道部分330的最大压力。
第一和第二流体阻力部分360和365可以设置在入口310与出口350之间。参照图9，第一流体阻力部分360可以设置在入口310附近，第二流体阻力部分365可以设置在出口350附近。反应部分370可以设置在第一和第二流体阻力部分360和365之间。
第一流体阻力部分360可以成形为如图9所示的流线形，第二流体阻力部分365可以成形为四边形而不是菱形。然而，第一和第二流体阻力部分360和365的形状不限于此，第一和第二流体阻力部分360和365的形状可以是其他的多边形诸如菱形或三角形，或者可以是圆形、椭圆形、扇形、流线形或其组合。
第一和第二流体阻力部分360和365可以控制引入到入口310中的流体的速度、流体的流线分布等。例如，通过阻滞在通道部分330中（更特别地，在反应部分370中）流动的流体，第一和第二流体阻力部分360和365可以降低流体的速度并将反应部分370中流体的速度保持在特定范围内。第一和第二流体阻力部分360和365可以使得流线在通道部分330中（更特别地，在反应部分370中）均匀地分布并使流线的长度彼此相似。
反应部分370可以设置在通道部分330内，并可以与包括在流体中的目标材料生物地或化学地反应。反应部分370可以设置在第一和第二流体阻力部分360和365之间。反应部分370可以包括能够与目标材料反应的多个生物分子，多个生物分子可以以二维阵列布置在反应部分370中。多个生物分子可以包括DNA、RNA、核酸适配体、抗原、抗体、蛋白质等。
出口350是连接到通道部分330的出口，目标材料已经被过滤掉的流体通过出口350排出。第二连接部分340可以进一步设置在通道部分330与出口350之间。第二连接部分340可以形成为锥形结构，并可以形成为在从通道部分330到出口350的方向上变窄的结构。
生物芯片300可以包括在入口310与出口350之间的第一和第二流体阻力部分360和365以控制流体的速度、流体的流线的分布等。换句话说，生物芯片300可以降低在通道部分330中（更特别地，在反应部分370中）流动的流体的速度，或者将反应部分370中流体的速度保持在特定范围内。生物芯片300还可以将反应部分370中的流体的流线密度保持在特定范围内。因而，生物芯片300可以引起在反应部分370的整个区域上的均匀的反应，并可以增大反应效率和反应可再现性。
图10A是根据本发明实施例的包括在生物芯片中的反应部分371的示意性平面图，图10B是反应部分371的示意性截面图。
参照图10A和10B，反应部分371可以包括基板373以及设置在基板373上并能够与目标材料反应的多个生物分子375。多个生物分子375可以以二维阵列布置在基板373上。多个生物分子375可以包括核酸、糖或蛋白质。例如，生物分子375可以包括DNA、RNA、核酸适配体、抗原、抗体、酶、酶底物、酶抑制剂、受体、受体配位体等。
应当理解，这里描述的实施例应当仅以描述性的含义来理解而不是为了限制的目的。对每个实施例内的特征或方面的描述应当通常被认为可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。
本申请要求于2011年9月26日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2011-0096983的权益，其公开内容通过引用全部结合于此。

Claims (18)

1.一种流体控制装置，包括：
入口，流体通过该入口引入；
通道部分，连接到所述入口；
出口，连接到所述通道部分，所述流体通过该出口排出；
第一连接部分，连接所述入口和所述通道部分并形成为锥形结构；以及
第二连接部分，连接所述通道部分和所述出口并形成为锥形结构，
其中，至少一个流体阻力部分设置在所述入口和所述出口之间，并且允许流体在所述流体阻力部分周围以及仅在所述流体阻力部分的表面与限定所述通道部分的壁之间流动，其中所述入口和所述出口之间的所有流体阻力部分中的每个包括靠近所述流体控制装置的两侧的内侧壁的两端，以及
所述流体阻力部分被配置成降低所述流体的速度并允许所述流体的流线在所述通道部分中均匀地分布。
2.如权利要求1所述的流体控制装置，其中所述流体阻力部分形成为菱形、三角形、非菱形的四边形、圆形、椭圆形、扇形或流线形。
3.如权利要求1所述的流体控制装置，其中所述通道部分的宽度W与长度L的比在从3:1至100:1的范围。
4.一种过滤器，包括：
入口，包括目标材料的流体通过该入口引入；
通道部分，连接到所述入口；
过滤部分，设置在所述通道部分内并过滤所述目标材料；
出口，连接到所述通道部分，所述流体通过该出口排出；
第一连接部分，连接所述入口和所述通道部分并形成为锥形结构；以及
第二连接部分，连接所述通道部分和所述出口并形成为锥形结构，
其中，至少一个流体阻力部分设置在所述入口和所述出口之间，并且允许流体在所述流体阻力部分周围以及仅在所述流体阻力部分的表面与限定所述通道部分的壁之间流动，其中所述入口和所述出口之间的所有流体阻力部分中的每个包括靠近所述过滤器的两侧的内侧壁的两端，以及
所述流体阻力部分被配置成降低所述流体的速度并允许所述流体的流线在所述通道部分中均匀地分布。
5.如权利要求4所述的过滤器，其中所述至少一个流体阻力部分设置在所述入口和所述过滤部分之间的空间及所述过滤部分与所述出口之间的空间的至少一个中。
6.如权利要求4所述的过滤器，其中所述流体阻力部分形成为菱形、三角形、非菱形的四边形、圆形、椭圆形、扇形或流线形。
7.如权利要求4所述的过滤器，其中所述通道部分的宽度W与长度L的比在从3:1至100:1的范围。
8.如权利要求4所述的过滤器，其中所述过滤部分包括多个过滤单元。
9.如权利要求8所述的过滤器，其中所述多个过滤单元的每个包括：
第一部分，包括在第一方向上突出的多个突起；和
第二部分，与所述第一部分间隔开以面对所述第一部分，并包括在第二方向上、即朝向所述第一部分突出的多个突起，该第二部分的多个突起对应于所述第一部分的多个突起。
10.如权利要求9所述的过滤器，其中所述多个过滤单元的每个还包括设置在所述第一部分和所述第二部分之间的第三部分，第一流体排出通道形成在所述第一部分与所述第三部分之间，第二流体排出通道形成在所述第二部分与所述第三部分之间。
11.如权利要求9所述的过滤器，其中所述过滤部分包括多个过滤序列，所述多个过滤序列包括所述多个过滤单元。
12.一种生物芯片，包括：
入口，包括目标材料的流体通过该入口引入；
通道部分，连接到所述入口；
反应部分，设置在所述通道部分内并与所述目标材料反应；
出口，连接到所述通道部分，流体通过该出口排出；
第一连接部分，连接所述入口和所述通道部分并形成为锥形结构；以及
第二连接部分，连接所述通道部分和所述出口并形成为锥形结构，
其中，至少一个流体阻力部分设置在所述入口与所述出口之间，并且允许流体在所述流体阻力部分周围以及仅在所述流体阻力部分的表面与限定所述通道部分的壁之间流动，其中所述入口与所述出口之间的所有流体阻力部分中的每个包括靠近所述生物芯片的两侧的内侧壁的两端，以及
所述流体阻力部分被配置成降低所述流体的速度并允许所述流体的流线在所述通道部分中均匀地分布。
13.如权利要求12所述的生物芯片，其中所述至少一个流体阻力部分设置在所述入口与所述反应部分之间的空间及所述反应部分与所述出口之间的空间中的至少一个中。
14.如权利要求12所述的生物芯片，其中所述流体阻力部分形成为菱形、三角形、非菱形的四边形、圆形、椭圆形、扇形或流线形。
15.如权利要求12所述的生物芯片，其中所述通道部分的宽度W与长度L的比在从3:1至100:1的范围。
16.如权利要求12所述的生物芯片，其中所述反应部分包括能够与所述目标材料反应的多个生物分子。
17.如权利要求16所述的生物芯片，其中所述多个生物分子布置为二维阵列。
18.如权利要求16所述的生物芯片，其中所述多个生物分子包括核酸、糖或蛋白质。
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