CN104998700A - 具有磁性颗粒的多隔室设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有阀样结构（3）的微流体设备，可以输运磁性颗粒通过该阀样结构而最少量地输运流体。这允许对磁性颗粒的顺序处理。

Description

具有磁性颗粒的多隔室设备

本申请是申请日为2008年12月16日、申请号为200880127256.1、发明名称为“具有磁性颗粒的多隔室设备”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及具有用于流体和磁珠处理的集成专用阀样结构（valve-like structure）的微流体系统和设备，以及包含使用这种设备和系统的方法。

背景技术

磁性载体在体外诊断中广泛地被使用，用于目标浓度提升（up-concentration）和目标提取。目标可以是细胞、细胞一部分、蛋白质、核酸等。目标结合到磁性颗粒，且随后这些与目标在其中悬浮的流体分离。之后可以进行另外的步骤，例如存储、生物化学处理或者探测。

关于对微流体系统的述评，参考“N. Pamme, magnetism and microfluidics, Lab Chip, 2006, 6, 24–38”。当前系统一般依赖于许多不同过程以使用微泵和微阀来操纵流体和磁珠，例如用于磁性颗粒的清洗步骤以及用于缓冲置换（buffer replacement）。每个步骤由此在整个过程中引入出现误差的可能性。这些过程也会借鉴包括化学、分子生物学、医学以及其他的许多不同学科。因此将期望以最低的成本、高的可靠性以及最大的操作简易性，把诊断中使用的各种过程集成在单个系统内。

发明内容

本发明提供了新颖的具有专用阀样结构的微流体系统和设备，以及针对它们的使用的相应方法。这些系统和设备可以使用于各种技术应用，诸如微观合成、探测、诊断等。提供了磁性颗粒的阀功能，其中该阀功能择优地在该微流体设备内没有侧通道，导致低成本、易于处理的盒（cartridge）。

根据本发明的设备为多隔室设备，其中在不同隔室之间输运磁性载体而最少量地输运流体。为了将磁性载体与周围流体分离，该设备的通道可以装有特殊的屏障（barrier）材料，该屏障材料允许磁性颗粒通过但是阻止流体通过。这可以通过使用可变形材料和/或通过阀样结构中的疏水成分或改性来实现。在根据本发明的一个实施例的设备和系统中，磁性颗粒通过磁性致动被集中在阀样结构的边界处并且通过施加在颗粒上的磁力被拖动经过该阀样结构。阀样结构可以顺序安装从而增强颗粒和流体的分离。

根据本发明的设备可以是多隔室设备。另外，在根据本发明的多隔室设备中实施的微流体系统（其中在不同隔室之间输运磁性载体而最少量地输运流体）可以构思为使得，使用或者不使用根据本发明的阀样结构，流体可以独立于颗粒的输运而被提供到一个或多个隔室。藉此，流体可以被提供经过另一通道，该另一通道可以装有或者未装有根据本发明的阀样结构并且可包含微流体系统中通常使用的另外的阀和通道。

附图说明

图1为具有隔室1、隔室2、屏障通道3、流体入口端4、预处理单元5（在那里例如试剂被添加到流体）、并行通道6、预处理单元7（其中例如细胞被过滤掉且另外的试剂可以被添加）以及公共预处理单元9的设备的草图。隔室2经由通道6和预处理单元7用流体填充。

图2为具有虚拟通道和隔室的平面微流体设备。流体流可以经由通过两个玻璃衬底的局部亲水化形成的虚拟通道观察到。虚拟隔室1用磁珠的悬浮液填充（其使得该流体被着以棕色，使得在此实验中颗粒的位置可以容易地被监测）并且虚拟隔室2用水填充。两个隔室通过疏水屏障来分隔。

图3为平面微流体设备，其中磁珠通过利用磁力从第一隔室输运到第二隔室。该图示出磁性颗粒存在于该第二隔室内部。

图4为不具有含有清洗区域的物理通道的平面微流体设备的示意性图示。箭头代表通道的部分，溶剂可以从这些部分被引入通道或者从通道移除。虚拟通道和清洗区域通过两个玻璃衬底的局部亲水化来形成。一个虚拟通道（1）用分散在流体内的磁性颗粒填充，另一个通道（3）和清洗区域（2）用清洗流体填充。磁珠从一个通道被拖动越过顺序安装的阀样结构（此情形下为疏水屏障）并且通过清洗区域，进入下一个通道；共同迁移的溶剂在每个清洗区域（2）内被稀释。

图5为用于集成核酸测试的微流体设备的示意性图示，a）无阀样结构以及b）有阀样结构。

设备a）和b）均包含：隔室（1），其具有样品入口（进）以及样品出口或排出口（出），含有包含核酸的细胞材料的样品被引入该隔室（1）内；隔室（2），在该隔室（2）内发生细胞溶解并且核酸被释放；隔室（3），在该隔室（3）内核酸例如通过PCR被扩增；隔室（4），在隔室（4）内核酸例如通过抗体捕获而被探测。

设备b）附加地包含根据本发明的阀样结构（用中断的线代表），隔室通过该阀样结构被分离。隔室（2）和（3）进一步包含子隔室，在使用之前或者之后磁性颗粒可以存储在该子隔室内。应指出，阀样结构存在于不同子隔室的入口处在本发明中是可选的。

具体实施方式

在本发明的一个实施例中，提供了用于从流体样品传递磁性颗粒通过阀样结构的方法，该方法包含步骤：

（a）提供一种设备，该设备包含通过阀样结构连接的至少两个隔室，其中该阀样结构可在受到磁性致动时允许所述磁性颗粒通过，以及其中该阀样结构在不存在磁力时防止两种流体的混合，

（b）用包含磁性颗粒的流体样品填充至少两个隔室的第一隔室，

（c）施加将所述磁性颗粒拖动越过阀样结构的磁力，将磁性颗粒从至少两个隔室的第一隔室传递到第二隔室。

在优选实施例中，阀样结构包含粘弹性介质，其中该粘弹性介质选自气体、流体、可变形固体或其组合。

在另一优选实施例中，阀样结构包含疏水屏障以及磁力驱动颗粒越过疏水屏障。

图2和3示出根据本发明包含疏水屏障的平面设备。图2示出位于隔室1内的具有磁性颗粒的悬浮液（其使流体着以棕色），而隔室2用水填充。在图3中，磁性颗粒已被驱动颗粒越过疏水屏障进入隔室2，藉此仅少量的来自隔室1的液体与该磁性颗粒一起被输运。

在另一优选实施例中，阀样结构包含可变形障碍物（obstruction）并且磁力驱动该颗粒通过该可变形材料。

在又一优选实施例中，该方法附加地包含步骤（b）和（c）之间的下述两个步骤：

- 通过磁性致动将磁性颗粒集中靠近阀样结构，

- 通过用磁力致动使颗粒通过该阀样结构。

在又一优选实施例中，第一隔室用包含磁性颗粒的样品流体填充并且第二隔室用另一流体填充。

在根据本发明的方法的又一优选实施例中，第一隔室中的流体以及第二和/或另外隔室中的流体至少部分地来自相同的源。

在本发明的更优选实施例中，第一隔室中的流体以及第二和/或另外隔室中的流体至少部分地来自相同的源，其中该源为生物样品。

至少部分地来自相同的源的第一隔室中的流体以及第二和/或另外隔室中的流体可以通过这样的方法得到，该方法包含在根据本发明的方法的步骤a）至c）之前的下述步骤：

- 将流体样品分为部分I和部分II，

- 将磁性颗粒添加到所分开的流体样品的部分I并输运到所提供的设备的至少两个隔室的所述第一隔室，

- 进行对所分开的流体样品的部分II的预处理，以及

- 将所分开的流体样品的部分II输运到所提供的设备的所述第二隔室。

上述这些附加步骤也可以在这样的方法中执行，这些方法使用不具有根据本发明的阀样结构的设备。

在更优选实施例中，附连到磁性颗粒的目标与磁性颗粒从第一隔室共同输运到第二隔室。

在另一更优选实施例中，在颗粒从第一隔室到第二隔室的输运期间，在颗粒进入第二隔室之前阀样结构致使颗粒失去第一隔室的共同输运流体的实质部分。

在另一更优选实施例中，小于10%，优选地小于5%，更优选地小于1%，最优选地小于0.1%的第一隔室中含有的流体与磁性颗粒一起被输运到第二隔室内。

在再一更优选实施例中，磁性颗粒和第一隔室的共同输运流体的体积之间的比率大于0.05，甚至更优选0.1以及特别优选地0.2，并且最为特别优选地大于1。

本发明的另一实施例为用于执行根据本发明的方法的设备，该设备包含通过阀样结构连接的至少两个隔室，其中该阀样结构在不存在磁力时防止两种流体的混合。

本发明的优选实施例是用于执行根据本发明的方法的设备，该设备包含通过阀样结构连接的至少两个隔室，其中该阀样结构在受到磁力致动时允许磁性颗粒通过。

在优选实施例中，阀样结构包含粘弹性介质，其中粘弹性介质选自气体、流体、可变形固体或其组合。

在优选实施例中，阀样结构包含疏水屏障。

在优选实施例中，阀样结构包含含有至少两个疏水表面的毛细通道。

在另一优选实施例中，由疏水屏障分离的隔室是紧密靠近的。在本发明的上下文中“是紧密靠近的”限定为通过长度小于10mm，优选地为0.05mm至3mm，更优选地为0.5mm至3mm的疏水屏障分离。不希望受任何理论限制，认为这个范围窗口促进当第一流体内的被团聚在一起成为本体的磁性颗粒触及第二流体时，液体连接（也称为流体颈部）出现在两种流体之间。令人惊奇地，液体连接产生两种流体之间最小的交叉污染，这或许是因为（i）磁性颗粒本体作为插塞位于通道内部，以及（ii）因为流体连接似乎非常迅速夹断。夹断是指液体连接断开并且从阀区域退回到腔内的现象。夹断优选地在通过之后快速地发生，从而使第一流体携带到第二流体最小化。然而夹断应该不要太快速地发生，从而允许越过阀的高的颗粒输运量。

磁性颗粒的实际传递由两个步骤组成：（1）通过磁性致动将磁性颗粒收集和集中在接近阀样结构的区域中；（2）将磁性颗粒拉入阀样结构的屏障区域。在步骤（1）中，在接近阀样结构的位置处（磁性颗粒通过磁性致动被收集和集中在那里），流体腔的形状优选地为具有曲率半径的凸形。曲率半径利于磁性颗粒的收集和集中，产生在流体弯月面上施加高压力的聚焦磁性颗粒本体。当本体呈盘状形状时，颗粒被收集和集中处的流体腔区域的曲率直径优选地等于或者小于磁性颗粒本体的直径。

在另一优选实施例中，阀样结构包含可变形障碍物。

在更优选实施例中，粘弹性材料形成可变形障碍物并且粘弹性材料选自包含油、凝胶或者可变形聚合物或其组合的群组。

本发明的另一实施例涉及一种系统，该系统包含根据本发明的设备且进一步包含磁源。

在更优选实施例中，磁源可选自包含电磁体、集成电流线、永磁体和机械运动的永磁体或者电磁体的群组。

本发明的另一实施例涉及一种系统，该系统包含根据本发明的设备且进一步包含探测单元。

本发明的另一实施例为将根据本发明的设备或者根据本发明的系统用于探测生物目标。

本发明的优选实施例是将根据本发明的设备或者根据本发明的系统用于选自包含下述的群组的生物化学测定：结合/拆开测定、夹心法测定、竞争测定、置换测定以及酶法测定。

本发明的另一优选实施例是将根据本发明的设备或者根据本发明的系统用于选自包含下述的群组的方法：传感器复用、标签复用以及隔室复用。

在另一实施例中，第一隔室潜在地在诸如过滤之类的预处理之后用样品流体填充，并且第二隔室用来自分离的贮存器的流体填充。第二隔室例如用从盒内部或者从盒外部供应的缓冲流体填充。然而还可能的是第一隔室和第二隔室用经不同预处理过的该样品流体填充。

这绘示于图1。隔室1用经预处理5之后的流体填充。隔室2用经预处理7之后的相同流体填充。该微流体设备可以包含或者可以不包含一个或多个根据本发明的阀样结构，并且可以包含或者可以不包含在微流体系统中通常使用的其他阀。

在根据本发明的方法、设备或者系统的特别优选的实施例中，阀样结构稳定地置于该设备内。

在根据本发明的方法、设备或者系统的另一优选实施例中，多个阀样结构顺序地安装在至少两个隔室之间。按此方式，微流体设备或者系统举例而言可以配备有附加清洗区域，该附加清洗区域可以分离地被供应清洗流体。每个清洗区域因此用于进一步限制从第一通道或腔到第二通道或腔的共同迁移/溢出的溶剂的量。

本发明另一实施例是将这样的阀样结构用于微流体系统或者设备中，该阀样结构在不存在磁力时防止两种流体的混合并且该阀样结构在受到磁力致动时允许磁性颗粒通过。

下述定义适用于根据本发明的设备、方法和系统。

此处提到的阀样结构是这样的空间，在不存在磁力时，流体无法通过该空间，但是根据本发明的磁性颗粒可以利用磁力被驱动通过该空间。阀样结构的阀功能通过包含在其中的粘弹性介质实现，该粘弹性介质选自气体、流体、可变形固体或其组合。在粘弹性介质为气体或者流体的情形下，阀样结构包含限定气体或者流体的位置的附加材料或特征，例如基本上固定气体/流体或者流体/流体界面的机械结构或者区域，例如机械固定结构和/或该设备内的表面能量转变。阀样结构也可包含可变形固体，该可变形固体用作可变形粘弹性流障碍物。

磁性颗粒的实际传递由两个步骤组成：（1）通过磁性致动将磁性颗粒收集和集中在接近阀样结构的区域；（2）利用施加在颗粒上的磁力将磁性颗粒拉入最初由粘弹性材料占据的空间。磁性颗粒首先分散于其中的流体将留在后面，这导致磁性颗粒的提取、分离或者某种自清洁。由于物理现实的结果，当然不可能彻底避免一定量的流体与磁性颗粒一起被输运通过该阀样结构。然而，通过仔细设计通道/隔室以及阀的几何形态，可以最小化这种共同输运。

用于根据本发明的阀样结构的粘弹性材料可以例如选自从致密的（例如流体或者固体）到轻的（例如空气），以及从弹性的（例如，诸如PDMS之类的塑料）到无弹性和粘性的（例如凝胶，或者疏水油）。如上所述的具有相似物理化学和机械属性的材料也可以在本发明中用作粘弹性材料。

在油或者另一液体的情形下，可以使用弯月面固定以确保包含粘弹性材料的阀样结构稳定地位于设备内。弯月面固定可以通过这样的区域实现，该区域基本上固定气体/流体或者流体/流体界面的接触线，例如具有变化的表面法线取向的机械结构（例如边缘）和/或表面能量的转变（例如从高到低表面能量，例如从亲水到疏水）。

就本发明而言的通道或者隔室是这样的空间，根据本发明的设备、系统或者方法中使用的流体在所述空间中被限制到某区域。这种通道或者隔室的几何形态可以采用任何合适的形式，诸如，举例而言样品被收集在其中供进一步处理的圆形或者矩形区域以及连接前述区域的线性通道。该通道可以通过技术人员已知的各种方法移植到衬底材料内，这些方法例如蚀刻、铣削、压花、成型、印制等。

可替换地，通道可以以“虚拟通道”或者也以“虚拟隔室”的形式存在。这种虚拟通道包含表面属性不同于衬底的周围表面的区域，使得流体基本上被限制在通道内。例如，这种虚拟通道可以由玻璃表面制成，该玻璃表面用十八烷基三氯硅烷或其他硅烷，或者可以部分氟化或完全氟化的碳氢化合物的疏水层来功能化。这些层举例而言可以随后用掩模来蚀刻以获得虚拟通道。虚拟通道理想地适合于与电润湿技术组合。虚拟通道技术的另外优点为使得对于大面积处理和后续切片而言能够提供根据本发明的设备的低成本生产过程。

用于生产根据本发明的设备或者系统的衬底材料的选择没有特别限制。然而，这种衬底材料在用于根据本发明的应用的条件下必须是有作用的。这种衬底材料的实例是有机和无机材料，化学和生物稳定的材料，例如玻璃、陶瓷、诸如聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、PET等之类的塑料。衬底可含有附加特征和材料，诸如光学特征（例如用于光学读出的窗口）、磁性特征（例如增强磁性颗粒的致动的材料）、电学特征（例如用于检测、致动和/或控制的电流线）、热学特征（例如用于热控制）、机械特征（例如用于盒稳定性）、标识特征等。

共同输运材料可以是目标和/或另外材料（例如报告基团），该共同输运材料可以通过诸如共价键合、范德瓦尔斯相互作用、离子相互作用、疏水相互作用、氢键、络合等的化学或者物理手段附连到磁性颗粒。用于共价键合的化学连接体可以是但是不限于核酸、缩氨酸、碳水化合物、碳氢化合物、PEG，它们可以利用诸如酰胺键、二硫键、酯键或者链接化学之类的各种化学策略来附连。生物分子附连策略的实例可以选自但不限于抗体、蛋白质－蛋白质相互作用、蛋白质-核酸相互作用、分子和/或细胞一部分和/或整个细胞之间的相互作用。取决于所期望的提取类型，表面化学和表面结合生物化学基团可以被选择以用于将目标或者目标类别非特异性以及特异性结合到磁性颗粒。技术人员将能够选择出适合于目标的这些公知方法中的一种。特异性生物分子附连方法的实例是将例如通过PCR获得的核酸通过与互补寡核苷酸杂化而结合到磁性颗粒。这些寡核苷酸可以与在PCR引物上发现的特定序列互补，使得仅扩增原子核类酸被捕获。

此处的目标可以是适合于附连到磁性颗粒的任何化学或者生物实体。因此，目标可以是诸如小的有机分子、药物、激素、聚缩氨酸、蛋白质、抗体、聚核酸、碳水化合物的分子，或者也可以是化学试剂。目标也可以是更大的生物实体，诸如微生物、动物细胞或人体细胞，例如血细胞、组织细胞或癌症细胞、植物细胞、细菌细胞、真菌细胞、病毒，或者前述的片段或部分，诸如细菌细胞壁的片段、类似病毒的颗粒、病毒衣壳的片段等。

样品或者样品流体指定包含目标的流体，其后者将在此处进一步讨论。所述样品或者样品流体可以原样地依据本发明而使用，或者可以从在先样品得到并且可以可选地已经预处理。因此，如果样品在依据本发明来使用之前或者期间通过技术人员已知的任何方法被分为所述样品的一个或多个部分，其所得到的流体将另外称为样品或者样品流体，无论它们包含与原始样品相同的物质还是只包含其部分。

预处理技术对于技术人员而言是已知的且不限于特定技术。预处理技术的实例举例而言为加热、溶化、分馏（例如通过离心、过滤、倾析、色层分析等）、浓缩、用生物和/或化学试剂改性。

样品流体可包含溶解、溶化或者分散的固体或者类似固体的微粒，例如细胞。

如上所述的样品或者样品流体可以从各种源获得，所述源没有特别限制。这种源的实例可以是但是不限于生物来源的样品，所述源可以优选地是从患者得到的样品，更优选地即时现场（point of care）样品，来自食物、工业、临床和环境测试的样品。

可以在本发明中使用的生物来源的样品没有特别限制。用于这种样品的源的一些可能实例为体液，诸如血液或淋巴液、唾液、痰液、粪便、脱落物、汗液、皮肤分泌物、组织匀浆样品、来自实验室培养或者来自自然来源的细菌样品（诸如环境样品）。生物来源的样品也涵盖从体外过程获得的样品以及已在体外过程中改变（例如变异、功能化等）的生物材料。这些过程的实例为但不限于核酸扩增，经预处理或者未处理的细胞溶解产物、蛋白质提纯、蛋白质的化学和/或生物化学功能化，（例如诸如磷酸化、糖基化等），诸如FPLC、PAGE、超离心、毛细管电泳等的提纯方法。

在根据本发明的方法、系统或者设备中使用的磁性颗粒（MP）可以用作目标的载体。目标（其可以在探测之前被分解或者仍附连到MP）的探测可以通过技术人员已知的标准方法来完成。可替换地，报告分子可以附加地附连到MP（其可以选择性地被处理或者分解，藉此样品仍附连到MP，或者其仍附连到MP而被探测），可以用于通过技术人员已知的标准方法进行探测。

探测可以基于磁性颗粒本身的特定属性、基于目标或者基于通过上述附连手段而附连到颗粒或目标的报告基团。例如，探测技术可以基于但不限于比色法、发光、荧光、时间分辨荧光、光热干涉对比、瑞利散射、拉曼散射、表面等离子体激元共振、质量变化（例如通过MALDI）、石英晶体微量天平、悬臂、差分脉冲伏安法、通过非线性生成频谱的化学制图、光学变化、电阻率、电容、各向异性、折射率和/或纳米颗粒计数，基于诸如可见、IR或UV光的电磁辐射的透射、折射或者吸收的方法，，NMR，ESR。探测可以基于直接测量磁性颗粒或者附连到其或从其释放的目标的存在的方法。探测也可以基于间接的方法，该方法依赖于一种或多种次级报告分子的累加、释放或者改性，诸如FRET、ELISA、PCR、实时PCR、基于杂化的方法等。举例而言，对通过PCR获得的核酸的探测可以基于用报告基团标记的dNTP或PCR引物，使得仅扩增的核酸被探测。

改性的磁性颗粒的特定实例为：链霉MP:磁性颗粒可用生物活性层涂敷从而结合到其他物质。例如，磁性颗粒可以用链霉亲和素涂敷从而特异地结合到生物素或者用生物素标记的生物基团。免疫MP:磁性颗粒可用生物活性层涂敷从而结合到其他物质。例如，磁性颗粒可以用抗体涂敷从而特异地结合到抗原或者用抗原标记的生物基团。寡FITC:标记的引物可以在扩增期间使用从而在产物内建立标签。例如，FITC标记可以建立在寡核酸（oligonuleic）扩增产物内，这利于使用抗FITC抗体进行另外处理和探测。应指出，改性的磁性颗粒决不限于上述实例。

可替换地，磁性颗粒本身也可被用于探测目的。在这种情形下，用于探测颗粒的传感器可以是任何合适的传感器以探测传感器表面上或附近磁性颗粒的存在。探测可以基于颗粒的任何属性，例如经由磁性方法（例如磁阻、霍尔、线圈），光学方法（例如成像、荧光、化学发光、吸收、散射、渐逝场技术、表面等离子体激元共振、拉曼光谱等），声波探测（例如表面声波、体声波、悬臂、石英晶体等），电学探测（例如传导、阻抗、电流测定、氧化还原循环），其组合等。为了在一些上述方法中使用，磁性颗粒必须配备有例如荧光染料的另外的功能实体。这种改进的颗粒在市场上可购得或者在某些情况下在用于本发明之前该颗粒必须被改性。技术人员将知晓如何选择适合于所期望的探测方法的必要改性。

在根据本发明的方法、系统或者设备中使用的磁性颗粒的尺寸范围可以在3nm和10000nm之间，优选地在10nm和5000nm之间，更优选地在50nm和3000nm之间。

如根据本发明的方法、设备或系统中使用的电磁体也可以是多极磁体。经过多极磁体线圈的电流可以被控制为使得线性相位步进电机被实施以长距离地拖动所述珠越过每个所述多个阀样结构。按此方式，在读出设备中不需要机械运动的部分。理想地，分阶段的阀样结构几何形态可以与多极电磁体几何形态同步。

可以使或者不使传感器元件相对于生物传感器表面进行扫描来执行使用本文提到的探测方法的探测。测量数据可以作为端点测量结果被导出，以及通过动态地或者间歇地记录信号来导出。

目标或者探测用标签可以通过该检测方法而直接被探测。可替换地，颗粒、目标或标签可以在探测之前被进一步处理。进一步处理的实例为感兴趣的材料被添加或者目标或标签的（生物）化学或物理属性被修改以利于探测。

根据本发明的设备、系统或者方法包含至少两个由阀样结构分离的隔室。尽管如此，根据本发明的设备、系统或方法可包含多于两个隔室，这些隔室可以通过通道来连接从而获得隔室的串联或并联布置，藉此利用阀样结构相互分离而限定至少两个不同区域。然而，不一定所有隔室通过阀样结构与每个邻近隔室分离（例如比较图5b，其中将子隔室与隔室2和3分离的阀样结构是可选的）。

在优选实施例中，由阀样结构分离的隔室紧密靠近。两个腔紧密靠近的一个优点为磁性颗粒被高效地输运越过疏水阀。我们将高效的输运归因于（i）需要渡越的短的流体内距离，以及（ii）磁性颗粒本体的前部接触第二流体时被释放的界面能量。磁性颗粒本体与第二流体接触导致位于磁性颗粒本体前部的弯月面消失。结果，磁性颗粒可以高效地移动到第二流体内。

在一个实施例中该阀样结构包含疏水屏障。此屏障优选地实施在通道内，该通道的至少两个表面实质上是疏水的。最优选的是，两个对立放置的表面是疏水的。甚至更优选的是，整个通道是疏水的。对于圆形通道的情形（此情形中难以识别分离的表面），优选的是至少50%的通道表面是疏水的且这优选地分布成使得通道表面的两个相对象限是疏水的。我们惊讶地发现至少两个表面是疏水的通道在颗粒输运方面的性能显著优于具有一个疏水和一个亲水表面的通道。特别地在这些通道中夹断的平衡得到改善。特别地，流体的弯月面看上去在磁性颗粒本体的背部周围紧紧闭合。在磁性颗粒本体与第二流体合并之后不久发生夹断。据认为，弯月面在磁性颗粒本体背部周围的紧紧闭合确保了非常少量地将第一流体携带到第二流体内。

这种合并引起的夹断结合了两个重要属性：（i）磁性颗粒朝向第二流体的输运在合并时得到增强，因为与磁性颗粒本体前部相关联的界面能量被释放，以及（ii）弯月面在磁性颗粒本体后面紧紧夹断，这使得交叉污染低。

隔室可以独立地配备有附加子隔室，磁性颗粒可以存储在该附加子隔室内从而添加磁性颗粒到样品或者从样品移除磁性颗粒。再者，隔室可以独立地配备有例如用抗体改性的表面的特定附加特征，从而允许用于核酸的阵列的形式的使用捕获分子的ELISA类型测定。隔室还可具有用于添加干或湿形式的隔室特定试剂的特征，从而利于隔室内的（生物）化学过程。再者，设备或者系统可以整体或者部分地由适于与此处描述的探测或处理技术一起使用的材料组成。因此，这种材料举例来说可以是耐热的（例如用于PCR）或者是半透明的（例如用于光谱法）。

在根据本发明的方法、系统或者设备中，可以使用一种或者多种类型的磁性颗粒，所述磁性颗粒可以在它们组成材料方面各自不同并且/或者所述磁性颗粒可以用表面分子独立地改性从而与相应目标以及此处提到的探测和处理技术兼容。

在预处理中，可以使用此处提到的探测和处理技术（例如此处提到的PCR、ELISA、FRET、光谱方法以及其他方法），诸如缓冲剂、溶剂、添加剂和试剂的附加成分，所述附加成分常规地与这些技术一起使用且所述附加成分是技术人员所已知的。

根据本发明的设备、系统或者方法与例如结合/拆开测定、夹心法测定、竞争测定、置换测定、酶法测定等的若干种生物化学测定类型一起使用。根据本发明的系统或者设备可以探测分子生物目标。注意，分子目标经常确定例如细胞、病毒、或者细胞或病毒的片段，组织提取物等更大基团的浓度和/或存在。

根据本发明的方法、系统或者设备适合于传感器复用（即并行使用不同的传感器和传感器表面）、标签复用（即并行使用不同类型的标签）以及隔室复用（即并行使用不同的反应隔室）。

根据本发明的系统或者设备可以用作快速的、具有鲁棒性的且易于使用的即时现场生物传感器。根据本发明的系统或者设备可以是将与紧凑读取器仪器一起使用的一次性用品的形式，含有用于操纵磁性颗粒的一种或多种磁场产生装置和/或一种或多种探测装置。用于操纵和/或探测的装置也可以由外部设备提供。另外，本发明的设备、方法和系统可以在自动化高吞吐量测试中使用。在这种情况下，具有反应隔室的设备应具有适合自动化仪器的形状，例如与孔板设备或者比色皿设备类似的形状。根据本发明的设备或者系统因此也可以以立即可用系统的形式被提供，该系统类似于工具包，其中必要的（缓冲剂）试剂和磁性颗粒以干和/或湿的形式被合并在内。

除了分析应用之外，根据本发明的方法、系统或者设备可以用在片上实验室系统或者片上处理系统中用于合成的目的。分子以及反应类型没有特别限制，只要分子的反应基团和反应条件适合于片上实验室或者片上处理系统即可。技术人员将能够判定哪些条件与片上实验室或者片上处理设备兼容以及特别地与根据本发明的阀样结构兼容，使得在反应基团和根据本发明的阀样结构之间不发生反应。这样的合成的一些实例可以是聚核苷酸合成、多肽合成、结扎化学、链接化学或者通常可以在片上实验室或者片上处理设备中执行的其他化学改性。

另外的应用包括DNA分析（例如，通过PCR和高通量排序）、疾病的即时现场诊断、蛋白质组学、血细胞分离设备、生物化学测定、基因分析、药物筛选等。

实例：

根据本发明的设备或者系统的生产：

实例1

微流体设备是由覆盖有单层的十八烷基三氯硅烷或其他硅烷的玻璃衬底制成。掩模被覆盖在两个衬底的表面上并暴露于常压等离子体。两个衬底使用了镜像掩模布局。局部亲水化使得在玻璃板之间形成‘虚拟通道’。两个玻璃衬底使用双面带组装在一起，所述双面带用作两个玻璃衬底的间隔层。该带还用作与外部环境的液体密封，使得针对该虚拟通道实现了潮湿饱和的环境。这防止流体从虚拟通道进一步蒸发。一旦组装好，磁珠的水基分散被引入通道。

用于流体的物理通道和隔室可以通过各式各样的制作技术来生产，该技术包括诸如压花、成型、铣削、蚀刻、印制、密封、焊接、胶粘等的图案化和连接技术。

本发明的应用实例

实例2－两个隔室微流体系统：

流体为血液样品。在预处理单元9中，例如过滤该样品，优选地从干试剂添加缓冲盐以及其他试剂。在预处理单元5中添加磁性颗粒，磁性颗粒与样品在隔室1内被培养。在预处理单元7进行例如过滤样品的另外预处理。此流体例如通过毛细管输运而输运到隔室2。磁性颗粒输运经过屏障通道3。这些可以在隔室2内进一步反应，例如用于探测或者另外处理。

若干种定时顺序是可能的。在上述中，隔室2先用流体填充且此后磁性颗粒输运到隔室2内。还可能的是，磁性颗粒先移动到隔室2且此后流体被供应到隔室2。

实例3－三个隔室微流体系统：

三个隔室测定的实例如下（MP在此指代“磁性颗粒”）：

将免疫MP添加到样品。在第一隔室中，免疫MP捕捉细胞或者例如病毒的其他基团。此后MP通过阀样结构输运到第二隔室。这代表提取和浓度提升步骤。细胞随后溶解在第二隔室内。此后探针分子附连到溶解产物内的目标。例如寡生物素和寡FITC特异性地结合所释放的RNA。此后免疫MP被拉出第二隔室进入第一子隔室，并且链霉MP从第二子隔室释放到第二隔室内。第二子隔室通过阀样结构可连接到第二隔室。在第二隔室中，链霉MP结合到生物素化探针。此后链霉MP通过阀样结构输运到第三隔室。第三隔室配备有具有抗FITC抗体的传感器。可选地（干）试剂也存在于第三隔室内从而增强结合和检测过程。

实例4－四个隔室微流体系统：

在第一隔室中，将具有免疫MP1的试剂添加到样品。MP1上的捕获分子经由可分解连接体被耦合。MP1捕获细胞或者例如病毒的其他基团。此后MP1通过阀样结构输运到下一个隔室。这构成第一浓度提升步骤，其中体积例如从1ml减少到50μl。在第二隔室中，酶将细胞从MP1分解开。MP1从隔室移除到子隔室内。此后，免疫MP2从另一子隔室供应，藉此这些MP2不具有可分解连接体。MP2捕捉细胞。接着MP2通过阀样结构输运到下一个隔室，这代表第二浓度提升步骤，例如将体积从50μl减少到2μl。在第三隔室中，细胞被溶解。此后探针分子附连到溶解产物内的目标。例如寡生物素和寡FITC特异性地结合到所释放的RNA。此后免疫MP被从该隔室拉出进入子隔室，并且链霉MP从另一子隔室释放到第三隔室内。这些结合到生物素化探针。此后链霉MP通过阀样结构输运到第四隔室。在第四隔室中使用抗FITC抗体进行检测。

实例5－具有清洗通道的微流体设备

制造不具有含有清洗区域的物理通道的平面微流体设备，如图4所描绘。虚拟通道和清洗区域通过对两个玻璃衬底的局部亲水化来形成。一个虚拟通道（1）用磁性颗粒和有色流体（水中的酸性橙II钠盐II）填充，另一个通道（3）和清洗区域（2）用水填充。磁珠用永磁体从一个通道（1）拖动越过疏水屏障并经过清洗区域（2），进入下一个通道（3）；共同迁移的溶剂在每个清洗区域中被稀释，这可以从每次经过疏水屏障之后酸性橙II的浓度减少看出。

实例6－用于集成核酸测试的微流体设备

图5b）所代表的或者类似设置的设备可以用于集成核酸测试。样品被引导经过入口（进）。使用包含捕获分子（例如抗体）的磁性颗粒，将细胞捕获并且从隔室（1）输运到隔室（2），所述捕获分子是专门针对感兴趣细胞的。可选地上清液可以经由出口（出）被移除。在隔室（2）中，细胞被溶解，并且第一磁性颗粒被移除到分离的存储隔室内。随后，从另外存储隔室添加辨别核酸或者一类核酸材料的第二批次磁性颗粒。核酸随后与磁性颗粒被共同输运到隔室（3）内，在所述隔室内核酸材料可以从磁性颗粒释放，第二磁性颗粒可以被移除到存储隔室内，并且随后核酸被扩增（例如通过PCR）。包含仅仅辨别扩增核酸的捕获分子的第三种磁性颗粒然后被用于将扩增核酸共同输运到隔室（4）内，在该隔室（4）内扩增核酸被探测。

实例7－具有两个疏水表面的两个隔室之间的亲水通道。

已经用两种类型的设备进行实验：设备7.1，连接两个隔室的通道内存在两个疏水表面；以及设备7.2，含有用通道连接的两个隔室，该通道具有一个疏水表面和一个轻微亲水表面。

两个设备的底部部分是显微镜载玻片，全氟癸基三乙氧基硅烷（perfluorodecyl-tri-etoxysilane）的自组装单层（SAM）应用在该载玻片上。此SAM通过氧等离子体处理被部分地除去，留下亲水腔在疏水背景中作为岛的图案。对于设备7.1，顶部部分为已在Telfon? AF 1600中浸涂的PMMA的玻片。对于设备7.2，顶部部分为未处理的PMMA玻片。在两种设备中，顶部部分通过100μm厚的双面带与底部部分分离。

富氟的SAM具有约105°的接触角。未处理的PMMA具有约75°的接触角，而在Teflont AF 1600中浸涂的PMMA具有约115°的接触角。

使用如在较前实例中描述的通常程序。

在磁性颗粒与第二流体合并之后，流体连接在具有两个疏水表面的设备（7.1）中被夹断，且在具有一个疏水和一个亲水表面的设备（7.2）中不被夹断。因此可以得出结论，对于良好的夹断而言，顶部和底部部分二者的疏水性是优先的。

Claims (20)

1.用于从流体样品传递磁性颗粒通过阀样结构的方法，包含步骤：

（a）提供设备，该设备包含通过阀样结构连接的至少两个隔室，其中该阀样结构可在受到磁性致动时允许所述磁性颗粒通过，以及其中该阀样结构在不存在磁力时防止两种流体的混合，

（b）用包含磁性颗粒的流体样品填充所述至少两个隔室的第一隔室，

（c）施加将所述磁性颗粒拖动越过所述阀样结构的磁力，将磁性颗粒从所述至少两个隔室的第一隔室传递到第二隔室。

2.根据权利要求1的用于从流体样品传递磁性颗粒通过阀样结构的方法，其中该阀样结构为连接所述至少两个隔室的毛细通道的一部分。

3.根据权利要求1的用于从流体样品传递磁性颗粒通过阀样结构的方法，其中该阀样结构包含粘弹性介质，其中该粘弹性介质选自气体、流体、可变形固体或其组合。

4.根据权利要求1至3中任意一项的用于从流体样品传递磁性颗粒通过阀样结构的方法，其中该阀样结构包含疏水屏障，以及磁力驱动颗粒越过该疏水屏障。

5.根据权利要求1或4的用于从流体样品传递磁性颗粒通过阀样结构的方法，其中该阀样结构包含可变形障碍物，以及所述磁力驱动颗粒通过该可变形材料。

6.根据权利要求1至5的用于从流体样品传递磁性颗粒通过阀样结构的方法，其中该方法附加地包含步骤（b）和（c）之间的两个步骤：

- 通过磁性致动将磁性颗粒集中靠近该阀样结构，

- 通过用磁力致动使所述颗粒通过所述阀样结构。

7.根据权利要求1至6中任意一项的用于从流体样品传递磁性颗粒通过阀样结构的方法，其中该第一隔室由包含磁性颗粒的样品流体填充，以及所述第二隔室由另一流体填充。

8.根据权利要求1至7中任意一项的用于从流体样品传递磁性颗粒通过阀样结构的方法，其中附连到所述磁性颗粒的目标与所述磁性颗粒一起从所述第一隔室共同输运到所述第二隔室。

9.根据权利要求1至8中任意一项的用于从流体样品传递磁性颗粒通过阀样结构的方法，其中在颗粒从所述第一隔室到所述第二隔室的输运期间，在颗粒进入所述第二隔室之前该阀样结构致使颗粒失去所述第一隔室的共同输运流体的实质部分。

10.根据权利要求1至9任意一项的用于从流体样品传递磁性颗粒通过阀样结构的方法，其中所述磁性颗粒和所述第一隔室的共同输运流体的体积之间的比率大于0.05。

11.用于执行根据权利要求1至10中任意一项的方法的设备，包含通过阀样结构连接的至少两个隔室，其中该阀样结构在不存在磁力时防止两种流体的混合。

12.用于执行根据权利要求1至10中任意一项的方法的设备，包含通过阀样结构连接的至少两个隔室，以及其中所述阀样结构在受到磁力致动时允许磁性颗粒通过。

13.根据权利要求11或12的设备，其中所述阀样结构包含粘弹性介质，其中该粘弹性介质选自气体、流体、可变形固体或其组合。

14.根据权利要求11至13中任意一项的设备，其中所述阀样结构包含疏水屏障。

15.根据权利要求14的设备，其中所述阀样结构包含含有至少两个疏水表面的毛细通道。

16.根据权利要求11的设备，其中所述隔室是紧密靠近的。

17.根据权利要求11至16中任意一项的设备，其中所述阀样结构包含可变形障碍物。

18.一种系统，包含根据权利要求11至17中任意一项的设备且进一步包含选自包含电磁体、集成电流线、永磁体和机械运动的永磁体或电磁体的群组的磁源。

19.根据权利要求11至15中任意一项的设备或者根据权利要求18的系统在选自包含结合/拆开测定、夹心法测定、竞争测定、置换测定和酶法测定的群组的生物化学测定中的使用。

20.阀样结构在微流体系统或者设备中的使用，所述阀样结构在不存在磁力时防止两种流体的混合且所述阀样结构在受到磁力致动时允许磁性颗粒通过。