CN103068486B - 用于微流体分析系统中的芯片组件 - Google Patents

Abstract

一种用于诸如膜片钳设备的微流体分析系统中的芯片组件（100），包括：具有外壁（105）的芯片（102）；载体结构（104），其包括用于容纳芯片（102）的孔径（110），所述孔径（110）限定内壁（107），其中所述芯片（102）被布置在所述孔径（110）中，其中在所述芯片（102）的外壁（105）与所述孔径（110）的内壁（107）之间存在液密密封（106）。所述芯片（102）可通过诸如UV固化粘合剂的接合材料（106）被密封和接合到载体结构。芯片（102）中的通孔（108）与载体结构（104）中的通孔（110）对准。还公开了一种用于制造该芯片组件（100）的方法。

Description

用于微流体分析系统中的芯片组件

技术领域

本发明涉及用于微流体分析系统中的芯片组件以及用于制造该芯片组件的方法。在也称为微孔板的载体板中的传感器芯片的集成是本发明尤其关注的。芯片组件的实施例可以提供所谓的芯片上实验室装置，其在单个芯片上集成实验室功能。可以在单个载体上包括多个芯片的阵列的芯片组件可通过建立电生理学测量配置（其中细胞膜形成围绕测量电极的高电阻性密封）应用于用于确定和/或监测包含离子通道的结构（通常为包含脂膜的结构，诸如细胞）中的离子通道的电生理学特性的方法，使得可以确定并监测流过细胞膜的电流。芯片组件例如用于分析包括糖萼的细胞膜的电生理特性的方法中。芯片组件可用于用于研究细胞膜中的电事件的设备中或形成该设备的部分，所述设备诸如为用于执行用于研究生物膜中的离子转移通道的膜片钳技术的设备。

背景技术

在医学和生物研究中广泛使用生物系统的微流体分析，以评估试剂和样品的各种组合的相互作用。已经开发出所谓的微孔板，其为具有多个用作小测试管的井的平板。这样的微孔板已经变成分析研究和临床诊断测试实验室中的标准工具。

现有技术文件WO01/25769公开了一种具有通过晶片处理技术形成的集成测量电极和集成参考电极的测量位点的阵列。所述电极适于通过一个电极传送离子并通过另一个电极接收离子而传导它们之间的电流。在测量位点，在具有0.1-10μm的直径的孔径上将细胞保持在位，该孔径在基底上形成，基底可由硅、塑料、纯二氧化硅和诸如石英和耐热玻璃的其他玻璃或掺杂选自于Be、Mg、Ca、B、Al、Ga、Ge、N、P、As中的一种或多种掺杂剂的二氧化硅制成。认为硅是优选的基底材料。

国际专利公开WO03/089564公开了一种基本平面的基底，即，用于包括糖萼的细胞膜的电生理特性的膜片钳分析的芯片，其中所述基底包括具有限定孔径的壁的孔径，所述壁适于在与细胞膜接触时形成吉伽封口（gigaseal）。

美国专利6,758,961公开了一种测量装置，其使得能够在平面载体上定位细胞和囊泡（vesicle）。测量装置包括Si/SiO₂芯片，其可以从可商业获得的Si晶片制得。

用于微流体分析系统中的硅芯片的尺寸目前至少部分由用于制造其的方法中的限制所支配。特别是，用于从二氧化硅晶片切割芯片的技术要求特定的芯片尺寸，以确保芯片的高灵敏度测试物品支持面积的纯度。

尽管上述公开代表了微流体分析系统领域中的各种成就，仍存在进一步发展的需要。为了促进制造并减少用于高精度制造芯片的诸如硅的昂贵材料的量，本发明尤其关注在载体板上对芯片的安装。

本发明的实施例的目的

本发明的实施例的目的为提供用于微流体分析系统中的芯片组件，其中可以最小化用于制造芯片自身的高成本材料的量。本发明的实施例的另一个目的是提供一种用于微流体分析系统中的芯片组件，其中芯片可以以容易的方式集成到例如载体板或微孔板的载体中。

发明内容

在第一方面，本发明因此提供一种用于微流体分析系统的芯片组件，其包括：

-具有外壁的芯片，

-载体结构，其包括限定内壁的孔径；

其中，所述芯片被固定到载体结构上，其中在所述芯片与所述载体结构之间存在液密密封，并且其中，在芯片中形成有孔，所述孔被布置为与所述载体结构中的孔径基本共轴。

可设置多个孔。至少一个孔优选与载体结构中的孔径流体连通。为了进行微流体分析，尤其是膜片钳分析，可通过芯片中的孔方便地施加抽吸，以将细胞固定在芯片上的适当位置。因此可以认识到，所述孔优选是提供从芯片的一个表面到其另一个表面（例如，从芯片的上表面到其下表面）的通路的通孔。在这样的情况中，载体结构优选将包含液体或气体的微流体流的第一域与可能基本干燥的第二域分离。可以在两个域中都设置电极，以确定跨越细胞和通过孔的电阻、离子流或电压差。

在本文中，术语“共轴”应理解为，芯片中的或通过芯片的孔与载体结构中的孔径至少部分重叠，以提供来自朝向芯片组件的各侧的两个域（例如，芯片组件（和/或芯片和/或载体结构）的上侧朝向第一域，并且芯片组件（和/或芯片和/或载体结构）的下侧朝向第二域）之间的液体和/或气体的连通路径。在一些实施例中，芯片中的孔的中心轴可能因此从孔径中的中心轴偏移，而在其他实施例中，两个轴可以一致。

芯片优选通过接合材料被固定到载体结构，所述接合材料将芯片接合到载体结构，并在芯片与载体结构之间形成液密密封。在一个实施例中，将芯片安装到载体结构的顶部，其中沿着芯片的周界，即在芯片周界附近沿其外壁和/或沿其下表面，提供接合和密封材料。

在另一个实施例中，芯片可具有外直径，其小于载体结构中的孔径的直径。芯片的外壁与孔径的内壁之间的所得到的周围间隙可以通过用于将芯片接合到载体结构的接合材料密封。因此将认识到，芯片可以被集成到载体中，而不是被置于载体的表面上。其一个优点在于，可以在载体结构处布置电极或传感器元件，其否则将必须被安装到芯片自身上或集成到芯片自身中，从而可以减小芯片的尺寸。减小芯片尺寸的益处在于，用于微流体分析所需的精度要求芯片以高精度并通常以较昂贵的材料（诸如硅）制造，从而减小芯片尺寸减少了整体材料和制造成本。

在第二方面，本发明提供一种制造用于微流体分析系统的芯片组件方法，所述芯片组件包括：

-具有外壁的芯片，在芯片中设置有孔；

-载体结构，其包括限定内壁的孔径；

所述方法包括以下步骤：

-将所述芯片固定到所述载体结构，其中将所述孔布置为与所述载体结构中的孔径基本共轴；以及

-在所述芯片与所述载体结构之间形成液密密封。

根据本发明第二方面的方法的实施例获得根据第一方面的芯片组件，因此实现了上述益处和优点。

在第三且最一般的方面，本发明提供一种用于微流体分析系统中的芯片组件，其包括芯片和用于支持芯片的载体结构，所述载体结构包括孔径，其中，所述芯片以这样的方式被固定到所述载体结构，使得所述芯片覆盖所述载体结构中的孔径，其中在所述芯片与所述载体结构之间设置液密密封。

在本发明第一、第二和第三方面的实施例中，芯片可由硅、塑料、纯二氧化硅和诸如石英和耐热玻璃的其他玻璃或可选地掺杂选自于Be、Mg、Ca、B、Al、Ga、Ge、N、P、As中的一种或多种掺杂剂的二氧化硅制成。硅是用于芯片的目前优选的基底材料。

这里，载体结构还称为载体板或微孔板。载体优选由不同于芯片的材料的材料制成，诸如由金属氧化物（如氧化铝）、陶瓷、玻璃、石英或塑料材料制成。在本发明的优选实施例中，载体结构的材料的特征在于相比于用于将以高精度制造的芯片的材料的成本的显著更低的成本。载体结构不需要以高精度制造，因此可对载体结构应用较不昂贵的材料。

孔径的内壁可在周围环绕或包围芯片的外壁。由硅制成的芯片的实施例优选是方形的、矩形的、三角形的或六边形的，以允许从标准硅晶片切割它，所述硅晶片的晶体结构促进了线性切割。然而，可预想包括圆形的其他形状。载体的孔径优选具有芯片的形状，但是当在芯片与载体之间可以设置液密密封的情况下，可以采用其他形状。在使用中，即在微流体分析期间，载体优选将包含液体或气体的微流体流的第一域与第二域分离。

优选基本为平面的芯片的上表面可被配置为支持测试物品以用于对其的电化学分析，所述测试物品例如包含离子通道的结构，诸如包含脂膜的结构，诸如细胞。因此可以在测试物品经受与物品接触的流体时进行电化学分析。因此可以理解，芯片能够传导电流和/或能够允许离子通过它，例如通过其中形成的孔或孔径，从而可以在芯片两侧上的两个域之间建立电连接。

例如，根据本发明的芯片组件可应用于：膜片钳分析；其他类型的电化学分析，其中从干的域分离湿的域；库尔特计数仪；流式细胞仪；微流体分析系统，其中在芯片的单侧上设置电极，例如用于在固定的或移动的细胞上执行测量；用于例如单个细胞的质量确定的微型悬臂（cantilever）分析。

附图说明

图1示出用于膜片钳分析中的微流体系统；

图2-6示出根据本发明的芯片组件的各个实施例；

图7-9示出用于对根据本发明的芯片组件施加接合材料的分配井的实施例；

图10示出在载体上包括芯片的阵列的根据本发明的芯片组件的实施例；以及

图11-13示出根据本发明的方法的实施例。

具体实施方式

现在将参考附图进一步描述本发明的实施例，所述实施例仅以示意的方式给出，而不限制所附权利要求的范围。

图1示出如WO03/089564（其在此通过引用并入）公开的、对在凸起103处被密封到芯片102的细胞120进行膜片钳分析中所用的芯片102，所述凸起103形成吉伽封口。芯片102被附接到或集成到载体（图1未示出），其将在芯片的第一侧上的微流体流域122与在其相反侧上的第二域分离。细胞的直径大约为5-20μm，诸如大约10μm。在芯片102上形成孔108，通过该孔可以施加抽吸以将细胞120固定到芯片上的适当位置。可以在两个上述域都设置电极（未示出），以确定跨越细胞和通过孔108的电阻、离子流或电压差。

图2-6示出根据本发明的芯片组件100的各个实施例，其包括芯片102和载体结构104，所述载体结构104例如可以包括载体板或微孔板。芯片102被容纳在载体结构104的孔径110中。芯片102的直径略小于孔径110的直径，从而在芯片102的外壁105与载体结构104的内壁107之间存在间隙。芯片102被布置在孔径110中，其中在芯片102的外壁105与所述孔径110的内壁107之间存在液密密封106。

在图2-6中所示的实施例中，在芯片102中形成孔108，用于将测试物品固定到其上，以例如用于膜片钳分析，以如上参考图1所述。在该实施例中，孔108是通孔。

在本发明的优选实施例中，密封106还形成用于将芯片102接合到载体结构104的接合材料。

接合材料优选以液态施加到芯片102与载体结构104之间的间隙并随后固化为固态或高粘性状态，以形成芯片102与载体结构104之间的永久接合。已经发现，当在制造芯片组件100期间，从一个或多个分配井将接合材料分配到孔径中并通过毛细作用使其流入芯片102与载体结构104之间的间隙中时，可实现在芯片102的外壁105与载体结构104的内壁107之间均匀分布结合材料106。

为了使得接合材料在毛细作用下在间隙中均匀分布，优选选择接合材料106，使得：在固化其之前，在载体结构104与周围大气（例如大气空气）之间的界面的界面能密度大于在载体结构104与接合材料106之间的界面的界面能密度。最优选地，载体结构与接合材料之间的界面的界面能密度和芯片与接合材料之间的界面的界面能密度之和小于接合材料与周围大气（例如大气空气）之间的界面的界面能密度。这里，术语“界面能密度”可以理解为表面张力，即，每单位长度的力。

另外发现，接合材料的粘度影响材料在毛细作用下流动并均匀分布在芯片102与载体结构104之间的间隙中的能力。在本发明的优选实施例中，接合材料在固化其之前在施加温度（例如在室温或在升高的分配温度）下具有在1到100000mPa s之间的粘度，诸如在5到50000mPa s之间，诸如在10到1000mPa s之间，诸如在50到500mPa s之间，更优选在150到400mPa s之间。在将芯片安装到载体结构的顶部的情况中，毛细作用对于分布粘合剂没有显著的作用，因此通常可应用更高的粘度。更具体是，已经发现在1000到200000mPa s之间的粘度是最有用的，优选在50000到150000mPa s之间的粘度，诸如大约100000mPa s。

另外，为了在施加接合材料期间实现对其的均匀分布，在固化接合材料之前，当置于在大气压（即1巴）下的大气空气中时，接合材料优选形成小于90度的与载体结构的接触角。

接合材料可以例如选自于：热熔胶、丙烯酸可UV固化粘合剂、以及基于环氧树脂的可UV固化粘合剂。例如，可以施加下面粘合剂中的一种：

-基于丙烯酸的可UV固化的粘合剂，其在20-25摄氏度具有大约150mPa s的粘度；

-基于环氧树脂的可UV固化的粘合剂，其在20-25摄氏度具有大约400mPa s的粘度；

-基于丙烯酸的可UV固化的粘合剂，其在20-25摄氏度具有大约300mPa s的粘度。

在其中将芯片安装到载体结构的顶部的实施例中，可以施加在分配温度是非液态的粘合剂。已经发现热固化的基于环氧树脂的粘合剂是有用的，诸如一元（one-component）或二元热固化的基于环氧树脂的粘合剂，或腈基丙烯酸酯粘合剂。这些类型的粘合剂优选选择为在分配温度具有大约1000到200000mPa s的粘度，诸如优选大约100000mPa s或大约50000mPa s，诸如1到200000mPa s之间，诸如5到100000mPa s之间，诸如10000到100000mPa s之间，诸如35000到75000mPa s之间，诸如40000到60000mPa s之间。

为了确保在微流体分析生物物质（如细胞）期间的生物兼容性，可使用可生物兼容的接合材料。可施加湿气和/或热量以加强接合。

在图2和3的实施例中，载体结构104的孔径110在孔径中的深度处形成基本等于芯片102的厚度的卡圈112，其中芯片102的下表面113的缘落在卡圈112上。芯片102的上表面115与载体结构104的上表面101齐平，以避免边缘或槽口，其可能以不希望的方式收集微流体流域122（参考图1）中的检验流体，或者其可能造成不希望的流旋涡。在图2的实施例中，接合材料106完全被包含在芯片102与载体结构104之间的间隙中，低于载体结构104的上表面的水平，而在图3的实施例中，已经提供了略微多余的接合材料106，从而其凸起到载体结构的上表面101的水平上方。这样的凸起在这样的程度是可接受的：在微流体流域122中的检验流体的流未被阻挡，并且其不允许收集流体。由于在图2和3的实施例中提供了卡圈112，芯片102的下表面113相对于载体结构104的下表面109的水平处于升高的水平。卡圈112使得能够相对于载体结构104精确定位芯片102。

图4示出包括载体结构204的实施例的芯片组件100，其中芯片被布置在由载体结构204的倾斜上表面206形成的井的底部处的孔径210中。芯片102的下表面113与载体结构204的下表面205齐平，以允许通过如下文参考图11－13所述的根据本发明第二方面的方法的实施例组装芯片和载体结构。在图6的实施例中，载体结构104的厚度超过芯片102的厚度，从而芯片102的上表面115处于低于载体结构104的上表面101的水平。

图5示出本发明第三方面的实施例，其中芯片102被安装为使得其下表面113基本位于载体结构104的上表面101上，并且接合材料106沿芯片102的下缘密封。芯片102中的通孔108被布置为与载体104中的孔径110基本同轴，以用于对如图1大体所示置于孔108处的测试物品（诸如细胞）进行微流体分析，例如膜片钳分析。

为了在图2-4和6的实施例中使得接合材料106可以均匀分布在芯片102与载体结构104和204之间的间隙中，可以如图7-9所示对载体结构104、204设置一个或多个分配井114、116、118。可以将诸如注射器的用于施加接合材料的外部装置置于分配井114、116、118中或其上，从而液体接合材料可以在毛细作用下流入并填充芯片102与载体结构104、204之间的间隙。在图7的实施例中，在载体结构中的孔径110的一个边缘处设置单个分配井114，而在图8的实施例中，在孔径110的一个角处设置单个分配井116。如图9所示，可以在孔径110的各个边缘部分设置多个分配井118。在最终的产品中，当接合材料106已经固化，芯片102与载体结构104、204之间的间隙与填充有接合材料的载体中的至少一个分配井114、116、118连通。

在本发明的其他实施例中，可将芯片102压装到载体结构104中。例如，接合材料可由可模压材料制成，其在将芯片102置入载体结构中的孔径110、210之前沿载体结构104、204的内壁107被施加。随后，可将芯片102压装到由形成接合材料的可模压材料形成的包装中。

如图10所示，本发明的芯片组件可被设置为被容纳在载体结构104、204的各个孔径中的芯片的阵列。例如，可在单个载体结构上设置总共128个或更多的芯片102。

为了进行微流体分析，可将芯片102和载体104、204布置为将第一域（122）（参见图1）与通过由芯片支持的测试物品（诸如通过细胞120）的第二域（未示出）分离。载体结构104可以有利地支持多个电极，所述电极能够通过由电极中的一个传送离子并由电极中的另一个接收离子而生成它们之间的电流。例如，芯片102可被配置为保持包含离子通道的结构并将在包含离子通道的结构的第一侧上限定的第一域与在包含离子通道的结构的第二侧上限定的第二域分离。载体可被配置为支持电极中的第一电极与第一域122电解接触并支持电极中的第二电极与第二域电解接触。

在图10的实施例中，电极的各个组优选与每个芯片102关联，从而每个芯片提供单独的测量位点。

本发明的实施例可用于以高通量和可靠性并在关于细胞或细胞膜受到的影响是实际情况的条件下确定或监测流过诸如细胞膜的包含离子通道的结构的电流。从而，可以相信确定的结果（例如作为通过例如各种测试化合物影响细胞膜的结果的离子通道活动中的变化）是适当的影响的真实表现而不是由测量系统引入的伪影，并且可以用作在给定条件下研究与细胞膜的导电性或电容相关的电生理现象的有效基础。

这是因为，利用可逆电极直接测量通过一个或多个离子通道的电流，所述可逆电极的特征如下，通常为作为测量电极和参考电极的银/卤化银电极，诸如氯化银电极。

本发明的实施例不仅可用于细胞膜上的测量，还可用于诸如人工膜的其他含离子通道的结构的测量。本发明允许同时且独立地在离子转移通道和膜上执行诸如电生理测量的若干测试。本发明的基底构成完整的且容易处理的微系统，其仅使用少量的支持液体（与细胞等压的生理盐水，即，通常具有150毫摩尔NaCl或另一种合适的盐的同渗容摩（osmolarity））和少量的测试样品。

通常，本发明的实施例还可以尤其应用于如在WO01/25769和WO03/089564（其在此通过引用并入）中公开的使用领域。

芯片102的直径，即图7中的尺寸e和f，可以在0.1到2mm之间，诸如在0.5到1.5mm之间，诸如大约1mm。在方形实施例中，尺寸e和f相同；然而在芯片102的矩形实施例中它们不同。载体结构104、204中的孔径110、210的直径，即图7中的尺寸c和d，优选比芯片102的直径大大约10-30%，在实施例中诸如在0.2到2.5mm之间，诸如在0.8到1.5mm之间，诸如大约1.2mm，其中芯片直径大约为1mm。在这样的实施例中，施加总体积大约为1-2μl的接合材料以将芯片附接并密封到载体结构。

载体结构104、204与芯片102可具有大体相同的厚度，虽然在图2-4、6和11-13中将其示出为具有不同的厚度。该厚度优选小于2mm，诸如在0.3到0.6mm之间，诸如大约0.5mm。

凸起芯片面积，即芯片的上表面和下表面的表面面积，优选最多5mm²，诸如最多3mm²、2mm²、1.5mm²或1mm²，以最小化由于精度要求将用于制造芯片的硅或其他昂贵材料的使用。

可通过晶片切割技术或通过诸如隐形切割（stealth dicing）的切割将芯片切割为希望的尺寸。可例如根据WO03/089564（其在此通过引用并入）中公开的原理和示例制造芯片。优选，通过激光切割从Si晶片切割芯片，已经发现这构成尤其良好地适于小尺寸的芯片（即，具有最多5mm²的凸起面积的芯片）的方法。

图11-13示出根据本发明第二方面的方法的实施例，其中芯片102被布置在孔径中，并且其中在芯片的外壁与孔径的内壁之间形成液密密封。

通常，图11-13中所示的方法包括以下步骤：

-在以接合材料填充所述间隙之前将条带（tape）附接到载体结构的一侧；以及

-在已经以接合材料填充间隙之后除去所述条带。

在以接合材料填充间隙之前将芯片安装到孔径中。可以在将条带附接到载体结构之前或之后安装所述芯片。

图11示出具有孔径110的载体结构104。将优选为粘合条带300的条带附接到载体结构104的一侧，使得其粘合侧朝向上方，即朝向孔径110。如图12所示，随后将芯片102置于孔径中，使得芯片的外壁与载体结构的内壁之间存在间隙。从而，芯片102的下表面位于条带300的粘合侧上，从而条带相对于载体结构104间断地固定芯片102，直到已经施加了接合材料106。如图13所示，随后如上面参考图7-9所述那样将接合材料106填充并分布到间隙中。随后固化接合材料106，并在最后的步骤中，除去条带300以获得最终产品。在优选实施例中，粘合剂在固化接合材料期间失去其粘合性。例如，条带的粘合剂可以是在曝光于UV光时丧失其粘合能力的一种，从而其在通过UV照射固化接合材料时从载体结构分离。

Claims (4)

1.一种用于微流体分析系统中的芯片组件，所述微流体分析系统用于确定和/或监测包含离子通道的结构中的离子通道的电生理学特性，所述芯片组件包括：

-具有外壁和下表面的芯片，所述芯片限定周界，

-载体结构，其具有上表面并包括限定内壁的孔径；

其中，所述芯片通过接合和密封材料被固定到所述载体结构的顶部，其中，所述接合和密封材料在所述芯片与所述载体结构之间形成液密密封，其中，所述芯片被安装为使得其下表面基本位于所述载体结构的所述上表面上，其中所述接合和密封材料沿所述芯片的周界被沿着所述芯片的外壁设置，且在所述芯片的周界附近沿着所述芯片的所述下表面设置，并且其中，在所述芯片中形成有孔，所述孔被布置为与所述载体结构中的孔径基本共轴。

2.根据权利要求1所述的芯片组件，其中，所述芯片具有0.1-2mm的直径。

3.根据权利要求1所述的芯片组件，其中，所述芯片的上表面和下表面中的每个具有最多5mm²的面积。

4.一种制造用于微流体分析系统中的芯片组件的方法，所述微流体分析系统用于确定和/或监测包含离子通道的结构中的离子通道的电生理学特性，所述芯片组件包括：

-具有外壁和下表面的芯片，所述芯片限定周界，在所述芯片中设置有孔；

-载体结构，其具有上表面并包括限定内壁的孔径；

-接合和密封材料，用于在所述芯片与所述载体结构之间形成液密密封；

所述方法包括以下步骤：

-通过所述接合和密封材料将所述芯片固定到所述载体结构的顶部，其中将所述孔布置为与所述载体结构中的孔径基本共轴，所述芯片的下表面基本位于所述载体结构的所述上表面上；其中，在上述固定芯片的步骤中，所述接合和密封材料沿所述芯片的周界被沿着所述芯片的外壁设置，且在所述芯片的周界附近沿着所述芯片的所述下表面设置，以在所述芯片与所述载体结构之间形成液密密封。