CN105636697B - 微流体盒装置和使用方法以及组件 - Google Patents

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Abstract

用以控制流体流过盒以用于流体样本化验的方法和系统，该化验用于检测目标分析物。在一个方面，该盒包括具有微流体通道网络的微流体装置、一个或多个储器和一个或多个可致动阀，所述可致动阀用于控制流体从储器流过微流体通道。在某些实施例中，该阀包括可变形膜片，该膜片能够在关闭构造和打开构造之间移动，在关闭构造中，该膜片密封微流体装置从而阻止流体流动，在打开构造中，该膜片移动远离该微流体装置以允许流体流过微流体通道。其它阀实施例使用易碎膜片或用户可移除膜片。

Description

微流体盒装置和使用方法以及组件
相关文件的交叉引用
本申请要求与2013年9月30日提交的美国临时专利申请第61/884,432号的优先权，其全部内容通过参见的方式纳入本文。
本申请涉及于2013年9月12日提交的PCT申请US2013/059517以及于2014年8月27日提交的美国非临时申请第14/470,860号，它们的全部内容都通过参见的方式纳入本文。
背景技术
微流体装置需要液体试剂源进行工作。典型地，对于乳状液基的系统，这些试剂储存在瓶中或管中，然后，由用户利用管道或连接器将所述瓶或管连接到该装置。此需要对管道和连接器进行复杂的操作，从而会由于泄漏或操作者失误造成可能的浪费。试剂泄漏和操作污染是系统操作中的相当大的变异源。
正由于它们的特性，微流体装置对几何上限制为小量度的流体的行为、精确控制和操作进行处理。为了驱动流体穿过各装置中的微量度特征部，必须提供动力以移动工作流体。各装置可以具有微泵或小量度外压源的特征，某些装置甚至利用毛细作用力或动电(electrokinetic)机构。产生流体运动的一种方法是使用伺服驱动注射泵。这些泵具有高流体容量，并且通常需要复杂的流体预备工作。该过程可能导致较长的校正时间和不稳定的流体瞬变现象。
如果使用微量度通道，则能够生产对体积数量级为皮升、速度超过每秒100000次的微滴的制造、处理、操作、会聚和检测具有优异控制能力的装置。待用于微流体装置的流体源通常定位成独立于该装置，诸如位于注射器中，在此处，流体随后通过管道被引入该微流体装置或者通过另一源引入另一装置。如果微流体装置具有多个流体输入和输出，所述流体输入和输出连接到具有多个用于管道输送的端口的任意注射器，则该装置的复杂度与制造、组装和运作的成本一起增加。
发明内容
在一个方面，提供一种用于微流体系统的盒，其中，试剂储存并包含在该盒中，位于密封储器中，以直到操作需要才流到微流体装置中。此允许长期储存包含有试剂的盒，同时保护试剂和微流体装置免于污染和降解。在操作中，通过将微流体装置保持到它的试剂源和废物储器附近，该盒减少了所需的试剂量。在一个方面，提供一种用于控制微流体盒装置的微流体通道中的流动的机构。该机构可以是直接一体形成到该盒的微流体装置上的阀。本文所述的装置的优势包括位于微流体系统中的阀，该阀具有简单的结构几何形状，允许阀特征和部件的生产具有好的成本效益。另一优势是非常小的体积，其相比于任何非一体的、脱离装置的阀，适于更小体积的流体用在微流体装置中的情形。
在某些实施例中，提供一种系统，该系统用于通过使用具有可变形膜片的阀而控制和调节在微流体装置中的相关联压力和流动。该可变形膜片的方法用于通过使用液体静压力驱动微流体装置中的流体流。通过使用用以驱动流体输送的可变形膜片来密封试剂团并且驱动试剂团，所要求保护的这种方法是具有新颖性的。
在某些实施例中，本发明涉及一种微流体装置的盒，该盒具有用户填充端口，用户填充端口用于按需要填充储器或者该装置的微流体通道。在一个方面，本发明的方法涉及用流体通过一个或者某种情形下两个或更多个填充端口而填充微流体装置的指定容积，包括设计者所需要的所有连接的通道和储器组件。在一个方面，所述方法在引入流体后，基本不在容积中留下残余空气，这是有利的，例如在以下情形中：所储存的试剂对存在的空气敏感，或者试剂是在存在空气时当经受典型的运输应力时会损坏的乳状液，或者在诊断终端使用系统中用于流体的分配方法要求在微流体装置中没有空气。
在一个方面，提供一种用于对生物样本中的目标分析物进行化验的微流体盒组件。在某些实施例中，微流体盒包括：盒外壳，其限定一个或多个储器，该一个或多个储器包括试剂储器，该试剂储器包含试剂；微流体基板，其附连到所述盒外壳，该微流体基板具有与所述一个或多个储器流体联通的多个微流体通道，所述多个微流体通道适于通过使用所述试剂而对所述样本中的所述目 标分析物进行化验；一个或多个阀，其与所述多个微流体通道流体连通，该一个或多个阀能够在关闭构造和打开构造之间致动，该关闭构造阻止流体流过微流体通道，该打开构造允许流体从一个或多个储器流过所述多个微流体通道；和一个或多个压力隔片，其与所述多个微流体通道流体连通，适于将压力引入所述多个微流体通道中，以便于流体以受控的方式流过所述多个微流体通道，以当所述一个或多个阀处于打开构造时，在流体流过所述多个微流体通道期间对该样本中的目标分析物进行化验。该一个或多个阀包括第一阀，第一阀定位成使得当处于关闭构造时，该第一阀将位于所述试剂储器中的试剂与所述多个微流体通道隔离，并且当处于所述打开构造时，该第一阀允许试剂流过所述多个微流体通道。在某些实施例中，该一个或多个储器还包括废物储器，所述废物储器与所述多个微流体通道流体联接，使得在化验终止期间，流体流过所述多个微流体通道进入所述废物储器。
在某些实施例中，该盒外壳包括第一板，第一板附连到盒主体的第一侧，该微流体基板附连到所述盒主体的与第一侧相对的第二侧，该第一板适于密封所述一个或多个储器或所述多个微流体通道中的至少一个，其中，该第一板包括用于填充一个或多个储器中的至少一个的一个或多个填充端口以及用于将压力引入所述多个微流体通道中的所述一个或多个压力隔片。在某些实施例中，该一个或多个储器包括样本储器，而该一个或多个填充端口包括与该样本储器和/或试剂储器流体连通的用户填充端口。该用户填充端口可以包括隔片，以允许通过该填充端口进行填充同时保持相应储器的密封。在一个方面，一个或多个储器包括第一试剂储器，该第一试剂储器是密封的，并且仅通过所述一个或多个阀中的一阀通向所述多个微流体通道，该第一试剂储器具有密封在其中的一种或多种试剂。一个或多个储器还可包括第二试剂储器，该第二试剂储器与所述多个微流体通道通过所述一个或多个阀中的第二阀以及位于该第一板中的所述一个或多个填充端口的试剂填充端口流体联接。在一个方面，该一个或多个压力隔片的每个包括膜片，该膜片限定在所述第一板和所述盒主体之间，使得用加压针刺穿所述隔片允许通过该针加压，同时保持所述多个微流体通道中的密封。该压力隔片包括聚合物膜片，该聚合物膜片适于使得在用该加压针刺穿之后保持对至少最小压力的密封，所述最小压力诸如是20psi或更大。
在一个方面，一个或多个阀适于在所述阀的可移动膜片运动时从关闭构造切换到打开构造。可移动膜片可以定位在盒主体和微流体基板之间，使得可移动膜片的偏转打开该阀，以允许流体从一个微流体通道流到邻抵该可变形膜片的另一微流体通道。一个或多个阀适于在该盒被加压或者在真空下通过所述一个或多个隔片被置于预定压力时从关闭构造切换到打开构造。
在某些实施例中，该盒包括适于将所述一个或多个阀保持在关闭构造的阀密封装置。该阀关闭装置可移除地附连到盒组件，使得当附连到盒组件时，该阀关闭装置将所述一个或多个阀保持在关闭构造，并且当从所述盒组件移除时，所述阀能够在所述盒加压时致动到打开构造。所述一个或多个阀的每个可以包括可移动膜片，该可移动膜片流体上密封所述多个微流体通道中相应阀所在的一个。该可移动膜片限定在该微流体基板和附连到该基板的盒主体之间，每个所述膜片能够通过所述盒主体中的致动孔触及，以便于关闭和打开所述阀。在某些实施例中，所述多个阀中的每个包括布置在该盒主体和包围该致动孔的该可移动膜片之间的一圈粘结剂，以在所述阀处于打开构造时保持所述多个微流体通道的密封。在某些实施例中，该可移动膜片由环氧基树脂联接在该盒主体和微流体通道之间。
在具有带可移动膜片的多个阀的实施例中，该阀关闭构件或装置可以构造为多叉装置，该多叉装置具有对应于所述多个阀的多个叉，每个叉从所述装置的臂延伸，所述臂构造为梁，所述梁设定一力，当所述装置附连到所述盒组件时，相应的叉以所述力压靠该阀。
在某些实施例中，微流体盒可以包括一个或多个阀，所述阀构造有易碎膜片，使得致动该阀包括用致动器装置来破裂该易碎膜片，以将相应阀切换到打开构造。可替换地，该盒可以包括一阀，该阀包括一层，该层诸如是聚合物层或箔层，其阻止该阀的致动，使得刺穿或移除该层允许将该阀致动为打开构造。在某些实施例中，该盒可以包括具有本文描述的任一阀构造的多个阀，任一阀构造包括多个阀构造的结合。
在某些实施例中，该微流体盒包括一个或多个储器，该一个或多个储器包括至少两个试剂储器，并且所述微流体通道包括联结到至少两个试剂储器的至少两个微流体通道，所述至少两个微流体通道与接头微流体通道形成接合部， 使得当所述一个或多个阀打开并且所述多个微流体通道被加压时在所述接头微流体通道中的流动在之前形成的所述两个或多个不同标记的微滴群之间切换，其中，所述多个微流体通道构造成允许微滴以交替方式从所述两个或多个入口通过所述微流体通道流向所述接头微流体通道。该盒还可以包括连接通道，该连接通道与所述两个微流体通道流体连通并且位于所述两个微流体通道之间，所述连接通道构造成允许连续相液体而不是微滴在各所述微流体通道之间流动。该盒组件可适于使得流体从所述一个或多个储器流过所述多个微流体通道和所述一个或多个阀，到达废物储器，而不穿过样本制备室或扩增室。
在某些实施例中，该盒包括一个或多个光学透明或半透明部分，以允许对流过所述微流体通道的流体的微滴的运动进行光学检测，并且/或者允许在流体的微滴流过所述微流体通道的运动期间通过所述半透明部分对所述目标分析物的指示物进行光学检测。
在某些实施例中，所述微流体盒包括：盒主体，限定一个或多个腔；第一板，粘结到所述盒主体的一侧；微流体基板，具有形成在其中的多个微流体通道，所述多个微流体通道布置在适合执行化验的网络中，其中，所述微流体基板粘结到该盒主体的相对侧，使得所述一个或多个腔密封在第一板和微流体基板之间，形成与该微流体基板的所述微流体通道流体连通的一个或多个储器；一个或多个阀，沿所述一个或多个储器以及微流体通道的至少一部分之间的流动路径布置，并且适于控制它们之间的流体流；以及至少两个压力端口，与所述多个微流体通道和/或储器流体连通，使得在所述至少两个压力端口之间的压差便于当输入所述盒中时流体流过所述多个微流体通道，以足以对所述样本中的目标分析物的进行化验。
定义
“样本”、“一个或多个样本”或“相关样本”是可以以单数形式和复数形式互换使用的术语，并且不是意在限制任何具体的数量，并且如本文中所使用的这些术语可以是用户希望从中采集信息的任意分子或物质。在执行化验期间，样本可以在尺寸、体积或容量上变大或变小(例如，分别通过膨胀或分隔)。由此，在执行化验期间，样本可以放大或细分一次或多次。在某些实施例中，该 样本包括核酸。
本文所使用的“流体”是能够自由流动的任意水相或亲脂相。两种或更多的流体可以以称为“共同流动”的方式流动，使得，每种流体流在该系统操作的范围或时段内沿相同方向为层流，但是使得它们基本不混合。注射到微滴中或从微滴中取出的流体和/或乳状液可以进一步包括一个或多个试剂、反应组分或相关样本，所述相关样本选自细胞(包括真核细胞或原核细胞，其包括但不限于选自人类、动物、植物、真菌、细菌、病毒、原生动物、酵母菌、霉菌、藻类、立克次氏体和朊病毒的细胞)、蛋白质、肽、核酸序列、寡核苷酸探针、聚合酶、缓冲剂、脱氧核苷酸、有机或无机药剂以及荧光燃料。
如本文所使用的“乳状液”是至少两种不溶或部分不溶的液体的稳定混合物。一般地，不溶液体倾向于分离为两个不同的相。由此，可以添加表面活性剂以通过减小所述至少两个不溶或部分不溶液体之间的表面张力来稳定该乳状液，和/或者稳定界面。例如，根据本发明的系统、方法和套件的乳状液可以包括位于不溶油中的多个水滴，所述不溶油诸如是氟碳油、硅油或烃油(包括但不限于石油和矿物油)，其中，水滴尺寸在直径方面为大约0.5微米至大约5000微米。除非另外说明，术语“流体”包括乳状液。
附图说明
图1示出了根据本发明的某些实施例的用于对目标分析物执行化验的系统的概览图，该系统包括试剂盒。
图2A至图2B示出了根据某些实施例的示例试剂盒的顶部和底部的视图。
图3A至图3B示出了根据某些实施例的示例试剂盒和用于运送到用户的相关包装。
图4A至图4B示出了根据某些实施例的示例试剂盒的盒主体和在该示例盒主体中形成的储器。
图5示出了根据某些实施例的试剂盒的微流体通道的示例性阀。
图6示出了可能在微流体装置中的阀附近发生的应力破裂。
图7A至图7D示出了根据某些实施例的用于试剂盒的微流体通道中的示例性阀。
图8A至图8B示出了根据某些实施例的可替换示例试剂盒。
图9A至图9C示出了根据某些实施例的用于试剂盒的微流体通道中的可替换示例性阀。
图10A至图10C示出了根据某些实施例的用于试剂盒的微流体通道中的可替换示例性阀。
图11A至图11B示出了根据某些实施例的用于试剂盒的微流体通道中的可替换示例性阀。
图12A至图12B示出了根据某些实施例的用于试剂盒的微流体通道中的可替换示例性阀。
图13示出了根据某些实施例的用于试剂盒的微流体通道端口中的示例性隔片。
图14A至图15B示出了根据某些实施例的用于试剂盒构造的粘结剂粘合应用的实例。
图16示出了根据某些实施例的在化验系统中的示例性试剂盒的概览图。
图17至图18分别示出了根据某些实施例的用于化验系统的盒接口和可替换试剂盒。
具体实施方式
本文提供了用于微流体盒系统的多个方面，包括但不限于这样的方法和结构，即该方法和结构用于控制储存在微流体盒中的试剂流体流以执行用于检测流体样本中目标分析物的化验。本文所述的方法、装置和系统可以以隔离的方式使用，或者适用于任何数量的不同微流体系统构造。在图1中示出了一个此类系统。应当意识到，图1的系统不是意图限制本发明。例如，图1的系统的各方面可以独立于该系统的其它方面使用，同时使用本文所述的创造性构造。
在一个或更多实施例中，该系统包括一微流体盒，该微流体盒具有微流体装置，该微流体装置具有适于执行化验的微流体通道网络，以及用于包含化验用试剂的一个或多个储器。在一个方面，该盒包括一个或多个可致动阀，所述阀将储存在所述一个或多个储器中的试剂隔离，直到化验过程中需要此试剂。该盒包括一个或多个用户填充端口，所述用户填充端口用于将所需要的流体样 本和任意酶通过一个或多个入口注射到该微流体通道网络中。该注射入口和微流体通道的平均临界尺寸可以是小于100μm以下、小于大约10μm、小于大约1μm、小于100nm、小于大约10nm等。该微流体装置的微流体通道设计成使得流过所述通道的试剂和流体样本形成一系列流体微滴和/或乳状液，根据具体化验的要求，在该微流体盒中处理这些流体微滴和/或乳状液。
此类过程可以包括步骤：通过混合一种或多种酶而制备流体样本；与试剂或各种其它流体混合；分离和扩增，当微滴流入微流体通道中时，执行每个所述步骤。这些过程是通过以下来执行的：精确地控制来自入口和所述一个或多个储器的微滴的流动，以控制指定的体积、流速、计时和温度，并且将各种组分按执行化验的所需要求而注射到每个微滴中。当注射到每个微滴或者离开每个微滴的体积可能为小于大约100μL、小于大约1μL、小于大约100nL、小于大约10nL、小于大约1nL等时，需要对通过各通道的流动进行精确的控制。在美国申请第14/470,860号、美国专利申请公开第2012/0132288号以及PCT公开第WO2012/135259号中进一步描述了使用流入微流体通道网络中的微滴进行化验的其它方面。
在US2011/0267457、US2011/0151578、US2011/0218123、US2012/0222748、US2011/0218123、2012/0222748、WO2012/135201、WO2012/135259、WO2014/043388、WO 2012/135327中描述了用于此类系统的示例性系统部件。
可以通过控制微滴、流体、乳状液和/或系统组分的各种因素而控制方向和容积率，这些因素包括但是不限于：中断在微滴和流体和/或乳状液之间的界面的机制(以下将进一步描述)；微滴的曲率和/或速度；在注射通道和/或微流体通道中相对于彼此的压力；微滴的表面张力；流体和/或乳状液的表面张力；注射入口的几何形状等如本领域普通技术任意所已知和理解的因素。以上因素可以在某些例子中导致力作用在该系统上，如以下描述的。
在一个实施例中，盒装置与微流体装置是一体的。如本文所使用的微流体装置是这样的装置，该装置以小量度提供了对液体或气体流体的确定性功能，所述小量度通常以体积度量，例如是毫升(mL)、微升(μL)、纳升(nL)、皮升(pL)、毫微微升(fL)体积等，或者通过物理量度进行度量，例如是毫米(mmμm)、微米(μm)、纳米(nm)等。各功能可以包括混合、分离、 分类、加热等。微流体装置可以包括作为用于将流体或样本从一点传送到另一点的器件的微流体通道，并且通常具有均匀的毫米级、微米级或纳米级横截面。此类装置典型地形成在一个或多个基板中，所述通道通过诸如光刻工艺等蚀刻工艺而形成。
各种方法和材料存在，并且将由本领域普通技术人员知道或理解以用于微流体通道及其网络的构造，例如在诸如美国专利第8,047,829号和美国专利申请公开第20080014589中所描述的，二者的全部内容通过参见的方式纳入本文。例如，微流体通道可以通过使用简单的管道构造，但是可以进一步涉及密封一个板片(slab)的表面，该板片包括通向第二平坦板片的敞开通道。可以形成微流体通道的材料包括硅、玻璃、诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)的硅酮和诸如聚(甲基丙烯酸甲酯)(称为PMMA或丙烯酸)、环烯烃共聚物(COC)、环烯烃聚合物(COP)的塑料。相同的材料也可以用于第二密封板片。用于这两个板片的材料的兼容组合取决于用于将它们密封在一起的方法。微流体通道可以按需要被包围在光学透明材料中以当样本流过该微流体通道时，按需要允许样本的光学激励(引起例如荧光)或者照明(引起例如选择性吸收)，并且允许光学检测来自样本的光的光谱属性。具有高透光率和低自体发光的此类光学透明材料的优选实例包括但不限于硼硅玻璃(例如商标名为SCHOTT 的玻璃(纽约州，埃姆斯佛德，Schott North America公司))，以及环烯烃聚合物(COP)(例如商标名为(肯塔基州，路易斯维尔，ZeonChemicals LP公司)。
各微流体过程发生在构造有各种专用功能的非常精细通道的流动网络中。典型地，用于微流体过程的流动网络通过在材料的基本平面的板上形成敞开通道、然后将该板密封到另一平坦表面上从而封闭各通道而实现。该组件称为“微流体装置”。典型的微流体系统将流体源和排放储器通过离散的管和连接器连接到该微流体装置。储器和用于驱动流体进入该系统的移动动力源独立于该微流体装置本身。用于本文所述的实施例的上下文是生物分析领域，更特别地是用于DNA测序的系统。然而，将会看到的是，本文的教示应用到微流体系统，特别地应用于使用昂贵的、易腐的或危险试剂的系统。具体地，乳状液基的微流体系统通常供应有特定试剂，所述试剂已经呈乳状形式。在这些情形下，储 存物靠近微流体装置、对整体流体路径的强环境密封和高度控制对设计稳定系统具有特别的有益效果。
图1示出了通过使用试剂盒100和盒接口装置200而对目标分析物进行化验的系统的概览图。该试剂盒包括可操作部1，该可操作部1能够插入盒接口装置200的接收部210中，该接收部210以用于与各种组件对接，以便于在可操作部110中执行化验。该盒当插入盒接口装置200中时可以由近部把手2来保持。在某些实施例中，该盒包括：微流体装置(例如微流体基板)，该微流体装置具有多个微流体通道；和通过一个或多个可致动阀而与微流体通道流体连通的一个或多个储器。在一个方面，一个或多个储器包含用于对输入该盒中的样本的目标分析物进行化验的试剂。在图2A至图2B中更详细地示出了此类盒的实例。
在一个方面，该盒设计为一次使用的一次性盒，其用于对盒接口装置中的单个分析物的目标分析物进行化验，该化验通常在几小时以内。该盒限定与一个或多个储器流体连通的微流体通道网络，使得经由微流体通道的受控流体流进行对输入该盒的流体样本中的目标分析物的化验。此类盒可以包括一个或多个压力端口，通过所述压力端口，控制压力以便于受控流体流过该微流体通道网络。
在某些实施例中，将该盒提供给用户，其中一个或多个储器预填充有适于具体化验的一种或多种试剂。储器可以预填充有试剂或者可以构造成允许用户在运行时用试剂填充该储器。
图2A示出了从该盒装置100的第一侧看得到的视图，而图2A示出了从该装置的相对侧或下侧看得到的视图。如上所述，该盒100包括微流体装置10，在该实施例中，该微流体装置10是一种基板，微流体通道通过诸如蚀刻基板而形成在该基板中。微流体装置10附连到盒外壳的下侧，该盒外壳限定与微流体通道流体连通的一个或多个储器。在该实施例中，该盒外壳由盒主体30和顶板34限定，该顶板34附连到该盒主体的与附连到微流体装置10的一侧相对的一侧。在一个方面，该盒主体包括粘结到顶板的多个特征，如可以参照图14A至图16进一步理解的。该盒主体至少部分地限定多个储器50，在所述多个储器50中可以包含有在进行化验时使用的流体，例如该流体是试剂、 酶或样本中的一个。储器可以是在盒主体的顶侧或底侧中的限定腔，使得顶板34或微流体基板10密封储器，或者该腔可以完全延伸穿过该盒主体，使得通过顶板34或微流体基板10的附连而密封该储器。盒主体和板可以由与任意流体兼容的任意合适材料制成，该盒主体和板可能与该任意流体接触，该任意流体例如是试剂或酶。盒主体可以由聚合物基材料、玻璃以及类似物或由粘结在一起的不同材料构造而成。该盒主体可以形成有一个或多个肋板31，如在图2B中的盒主体30的下侧上示出的肋板31。该一个或多个肋板通过提供用于粘结到微流体装置10的附加表面而便于附连到微流体装置10，如以下进一步讨论的。
在一个方面，盒外壳包括与微流体通道和/或该盒装置的储器流体连通的一个或多个填充端口，以允许用户将流体样本或一种或多种酶输入到该盒装置中，或者在某些实施例中，由易腐试剂填充该储器。在图2A至图2B中的实施例中，该顶板构造有与微流体通道流体连通的用户填充端口5，藉由所述用户填充端口5，用户可以例如通过将流体样本吸移到该装置而输入流体样本。顶板34也可以包括一个或多个用户填充端口6，用户填充端口6用以将酶输入到该盒中，以用于在化验过程中与流体样本混合，但是将会理解的是，填充端口可以位于该盒外壳中的其它不同位置处。该用户填充端口可以是打开的，或者包括隔片，经由该隔片，样本或酶可以通过移液管或者针管而注射到微流体装置中，以保持样本或酶所注入的室中所需的压力。
每个盒包括产品标签4，如在图2A中的盒的把手2中所示的。该产品标签可以列举该盒构造待所执行的化验、产品和生产商数据或者其它产品信息。每个盒也可以包括如条形码4等独特的机器可读标示符，该标示符定位成使得当该盒接收在盒接口200中时，在该盒接口200中的阅读器可以阅读该标示符，使得任何结果可以与正在试验的样本相关联，或者使得该界面装置可以基于对条形码的阅读而自动地执行特定次序的加压和流体流的光学检测以及光学目标检测。
在另一方面，该盒装置包括一个或多个可致动阀，所述可致动阀将储存在该盒的储器中的流体与微流体通道隔离(或者以其他方式将布置在微流体通道的第一部分中的流体和微流体通道的第二部分隔离)。该一个或多个阀构造成 与该盒的微流体通道流体连通，并且适于控制经由微流体装置各个部分的流体流，例如通过调节经由微流体装置的流体流的流体排量或压力方面来进行控制。如图2A至图2B所示，该盒可以包括位于微流体装置和盒主体之间的接口处的多个阀，使得对多个阀中的相应一个的致动使该阀在关闭构造和打开构造之间切换，该关闭构造阻止流体流过该阀，该打开构造便于流体流过该阀。
在某些实施例中，每个储器包括相关联的阀，该相关联的阀将由储器包含的流体与微流体通道隔离，直到需要使用该流体进行化验。一个或多个用户填充端口也可以与一个或多个阀相关联，以隔离通过该填充端口输入的流体，直到需要流动的时间。输入所述填充端口和/或从该储器进入微流体通道的流体的流动可能由于引入移动力而受影响。该移动力可以由多个机构供应，所述机构包括：例如通过膜片、臂或活塞移动而改变体积以便于流体流动的机构；或者引入压力的机构，例如加压针，该加压针通过将包括空气的流体引入而增大或减小压力。
经由微流体通道的流体流动可以通过使用一个或多个压力端口来控制微流体通道中的压力而进行控制。典型地，该一个或多个(例如，2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多)压力端口构造有隔片，隔片允许当由诸如针的压力引入构件刺穿时使每个阀保持压力。可以沿微流体通道网络分布压力端口，以允许按需要选择性地控制位于该网络的不同部分中的流体流动。在某些实施例中，该盒包括至少两个压力端口，在化验期间，所述压力端口保持为不同的压力，以从较高的压力向较低的压力提供移动力。盒接口系统可以使用用于监测流量的各种传感器和电子器件(例如高速照相机、液晶显示屏、光敏二极管)，并且该系统按需要调整压差以提供用于执行化验的的最佳流量。在一个方面，该盒包括一个或多个半透明部分，所述半透明部分允许光学检测正在移动通过微流体通道的流体流(例如微滴)，使得可以响应于流体流的特征的光学检测，而调整在一个或多个部分中的压力，以提供所需的流体流来进行化验。在某些实施例中，连续地调整多个压力端口以提供该网络中的不同微流体通道中的不同压差，以独立地控制不同通道中的流量，当微滴流在在不同通道之间交替的过程中组合这些通道时，此方案是特别有利的。
在图2A至图2B中所示的实施例中，盒100包括：多个压力隔片60(12 个带有隔片的总压力端口)，压力隔片与基板10的微流体通道经由相应的压力端口或通道而流体连通，所述压力端口或通道延伸穿过盒主体30；以及三个敞开的用户填充端口5、6。该盒可以包括：预填充有试剂的一个或多个储器，每个储器与微流体通道经由一个或多个试剂供应通道流体联接；一个或多个废物储器，所述废物储器在一个或多个微流体通道的下游位置处与微流体通道流体联接。所示的盒包括12个总试剂供应部和三个总废物储器。在特定方面，所描述的微流体盒构造允许所述储器相比于在常规化验处理装置中的试剂储器在尺寸上大幅减小。
在一个方面，该一个或多个阀构造成可致动的以允许流体以受控的方式流过微流体通道，以进行化验。该一个或多个阀构造成当致动构件移动时或者当由阀包含的流体加压时在关闭构造和打开构造之间致动。在另一方面，该盒装置还包括阀关闭构件，该阀关闭构件将所述一个或多个阀维持在关闭构造，以将该盒中的流体与相邻的微流体通道隔离。典型地，该阀关闭构件用以在将一个或多个储器填充试剂后，将所述一个或多个阀维持在关闭构造，使得该盒能够运送到用户预填充处，同时试剂维持在该储器中。该阀关闭构件可以以任意数量种方式构造，包括作为可移动机构(例如活塞、柱塞或杠杆)、可剥离层(例如粘结箔或者聚合物层)或者附连到该盒的可移动结构或构件，该可移动结构或构件将关闭力施加在每个阀上，如下文描述的。
在图2A至图2B的实施例中，该阀关闭构件包括多叉阀关闭构件或装置，其可移除地附连到该盒100，多个叉42的每个从侧向延伸臂43延伸到微流体通道的阀。在该实施例中，一个或多个阀包括可变形或可移动的膜片，使得每个叉42的脚部的定位接合该膜片将该阀保持在关闭构造中。可以通过参照图5中的阀而进一步理解该方面。多叉或多臂阀关闭构件包括用于每个阀的叉42，并且包括一个或多个附连机构，所述附连机构与位于该盒的一侧上的对应附连特征对接。此允许该关闭构件40可移除地安装在该盒100上，使得当安装在该盒100上时，该关闭构件40的叉42接合处于关闭构造的各阀。每个臂43将叉42连接到阀关闭装置的基座40，所述每个臂43是作为弹簧起作用的横杆，其设定叉42压靠阀20所用的力。由此，由该叉施加在每个阀上的力可以是受控的并且相应地通过构造该阀关闭装置而在各阀之间是不同的，或者可替换 地，该装置可以构造成使得大约相同的力施加在每个阀上。在图2A至图2B所示的实施例中，附连机构44包括一对弹性保持凸片，当插入位于该盒中的对应的凹口或开口中时，所述凸片弹性地向外偏转，使得阀关闭构件40牢固地卡扣到位，使得由该构件的每个脚部施加在相应阀上的力足以将该阀的可移动膜片保持在关闭构造中。可以通过用两个手指手动地将弹性可偏转保持凸片挤压在一起并且使阀关闭构件倾斜直到相对端可以从该盒的相对的一侧中作为附连特征的对应凹口取出，而实现阀关闭构件40的移除。
图3A示出了阀关闭构件41的可替换实例，该阀关闭构件41通过卡扣配合或摩擦配合固定到位。该阀关闭构件40包括位于一侧或两侧上的凸片41，用户可以使用凸片41来施加释放力，以实现阀关闭构件40的移除。典型地，阀关闭装置30用以在一盒中将一个或多个阀维持在关闭构造，该盒具有由诸如试剂的流体所预填充的一个或多个储器。虽然在某些实施例中，阀构造成向关闭构造偏置，直到盒100被加压，但是阀关闭构件40帮助确保阀在运输过程中保持关闭，因为该盒在常规运输中、特别是当由空运时可能经历大范围的压力和力。在某些实施例中，为了进一步确保阀关闭构件40在运输过程中保持就位，具有预填充储器和附连到其的阀关闭构件40的已组装盒100可以如图3B所示压缩包装45，以防止阀关闭构件40的意外移除。
在诸如图4A所示的某些实施例中，全部盒主体30可以由包括半透明部件的多个部件形成，或者可以用诸如环烯烃聚合物(COP)等半透明材料一体形成或模制。该盒主体可以按多种方法形成。该盒主体30限定多个储器，诸如图4B中所示的储器50。该构造允许盒主体30可以用于各种盒100中，以执行不同类型的化验。例如，虽然在图2A至图2B中所示的盒100包括多个储器，但某些盒可以需要仅使用一个填充有试剂的储器，以执行一种类型的化验，而其它特定的盒可以根据所需的化验类型来利用具有填充有一种或多种其它试剂的多个储器。在另一方面，盒100可以包含诸如橡胶插入件的各种插入件，该插入件改变由盒主体所限定的体积或流动路径，因此，允许相同的盒主体模型或设计用于不同的化验过程。
虽然一个或多个阀可以以各种不同的方式构造以允许受控的流体从中流过，但是在一个方面，这些阀构造有密封膜片，该密封膜片密封该阀并且隔离 经过该阀的流体流。该阀构造成使得阀的致动包括例如通过刺穿、断裂、变型、弯曲或移动膜片而使该膜片破裂，从而打开该阀以允许流体流过该阀并且流过位于该阀下流处的微流体通道。在某些方面，阀构造成朝向该关闭构造偏置，使得流体仅在当流体的压力大于最小压力时流动。此允许对具体化验所需的流体流的体积和速度的改善控制。
在一个方面，该阀构造成使得密封膜片22限定在微流体装置10和盒主体30之间，同时密封膜片的一部分保持暴露或能够接触以允许如上所述致动该阀。在图5所示的实例中，该阀包括可变形或柔性的膜片，该膜片诸如是柔性聚合物层，驻留在盒主体30的预定阀阱中，夹在盒主体30和微流体装置10之间。该盒主体30还包括致动孔32，该致动孔32允许密封膜片22运动，以允许该阀打开并且也允许密封膜片22由阀关闭构件接触，该阀关闭构件诸如是图2A中的阀关闭装置40的叉42。如图5所示，微流体通道可以限定成使得该通道经由位于该阀的上游的入口12延伸到该阀，并且从该阀经由出口14延伸到位于该阀下游处的微流体通道。当该密封膜片22平齐密封到该微流体装置的顶表面时，该膜片密封入口12中的流体，使其不能流过该出口14。通过用该阀关闭构件40的叉42的脚部将压力施加到膜片22，该阀保持在该关闭构造，即使位于该入口12中的流体压力增加时也是如此。一旦在运行过程中移除该阀关闭构件40，则该密封膜片22能够在关闭构造和打开构造之间移动，使得在入口12中的流体对该阀20的足够的加压导致膜片22向上弯曲或变形，由此允许流体从该入口12流过出口14并沿着微流体通道继续。通过按需调整经由一个或多个压力端口引入的压力，可以控制流体流动的速率。在一个方面，该阀20构造成使得即使当移除该阀关闭装置40时，该阀在20psi“保持”在关闭构造中(防止流过该阀)，并且当处于打开构造时“保持”100psi。但这些压力是实例的，应当理解各阀可以构造成按需保持在其它各种压力下(例如更高或更低的压力)。在该上下文中，“保持”意为在所示压力下防止流过该阀(即不失效、泄漏或破裂)。一旦移除该关闭构件或者在填充试剂储器之后，此可以防止意外流体流动，如下文中进一步描述的。
在一个方面，该盒装置包括位于一个或多个检测点处的一个或多个透明或半透明部分，以允许对流过微流体通道的流体进行光学检测并且/或者用于光学 检测。在某些实施例中，检测点包括由环烯烃聚合物(COP)制成的部分，以通过提高自动荧光属性而改善检测。虽然使用COP用于微流体装置由于其自动荧光属性而是有利的，但是当用作结构材料时，使用COP具有某些挑战，因为相比于其它各种基板材料，COP通常具有较小的强度和/或耐用性。例如，如果COP用作基板材料，当沿位于该基板中的通道定位通过沿横向于该基板的方向施加压力而致动的多个阀时，可能形成应力开裂S，如图6中所示。
图7A至图7D示出了示例性阀设计，该设计解决了这些挑战并且提供了对阀的改善的密封。图7A示出了一种阀，在该阀中，可变形膜片22构造有残余径向压缩，通过使用具有凹形的可变形膜片22可以实现此构造，该凹形朝向微流体装置10向外弯曲。虽然此处描述为凹形的，但是应当理解该膜片也可以是凸形的。由于膜片沿径向被过度填充，所以该膜片可以构造成当打开和关闭该阀时弹出(当凹形时)或弹入(凸形)。由膜片22提供的径向压缩量确定存在于入口12中的最小压力，然后可变形膜片22向上弓起，以使流体在膜片22下方流过并且流到出口14。此也减小了维持该阀为关闭状态所需的关闭力，由此，减小了由阀关闭构件施加到微流体盒的应力。
图7B示出了一阀20，该可变形膜片20由环氧基树脂层23安置或封装就位于阀内。此改善了阀20的密封，此可以允许该阀承受微流体通道中的更高的加压，而不会产生泄漏。改善的密封也减小了维持该阀为关闭状态所需的关闭力，由此，减小了由阀关闭构件施加到微流体盒的应力。
图7C示出了一实施例，其中该阀20由施加到可变形膜片20上的附加粘结层25密封。该粘结层25可以是箔层或聚合层，该层具有与附着到盒主体材料兼容的粘结剂。此可以与阀关闭构件结合使用，或者可以代替阀关闭构件使用。在使用前，用户会剥离并移除粘结层25，从而暴露可变形膜片20，以在盒加压时允许该膜片向外变形。盒主体30也可以由粘结剂24或将各部件粘合到一起的其它合适方法粘结到微流体室。这些特征改善了密封，使得减小了阀关闭构件的阀关闭力，从而减少了在微流体装置10中发生应力开裂的可能性。
图7D示出了另一示例性阀设计，在该阀设计中，一圈粘结剂26布置在围绕阀阱的圆槽中，在该阀阱中布置有可变形膜片22。当增大入口12中的流体压力时，阀20打开，膜片22向上挠曲以允许流体从入口12自由流到出口14 并且经过下游微流体通道。当膜片向上挠曲时，该圈粘结剂26将膜片的边缘固定到微流体装置的顶表面，以密封从入口12流到出口14中的流体，而不会泄漏。另外，粘结剂24可以用以将盒主体30粘合到微流体装置10以进一步改善密封。改善的密封减小了维持该阀为关闭状态所需的关闭力，由此，减小了由阀关闭构件施加到微流体盒的应力。微滴氢氟醚(HFE)或者其它合适类型的油穿过各阀的现场试验显示：该特定构造在打开构造时承受存在的HFE流体的80psi的压力，并且在关闭构造时承受存在的HFE流体的20psi的压力(不使用阀关闭装置)。虽然使用了HFE，但是应当理解可以使用其它各种合适类型的油。现场测试也显示图7A和图7B的阀构造具有相似压力范围内的密封能力。
图8A至图8B示出了根据本发明的实施例的试剂盒100’的另一实例。如图8A所示，盒装置100’包括位于盒装置的内侧101上的内置微流体装置10，该微流体装置预填充有微流体过程所需的一种或多种试剂。在某些实施例中，盒装置100构造成允许终端用户在使用时引入其它试剂，所述试剂包括但不限于待试验的样本，或者保存期限太短而不允许在生产时包装在该盒内的其它试剂。在使用前，储器102的内容物可以包括但是不限于DNA和其它生物物质、细胞或介质、溶剂、乳状液，或者是空的以在使用过程中适应废物的积累。图8以微流体装置10的微流体通道101位于该装置一侧上的视图示出了本发明的一个实施例；而图8B示出了该盒100’的另一侧，在该盒100’上布置有位于该盒装置的另一侧上的一个或多个敞开的试剂孔101。该盒也包括用于标识目的的独特条形码103。
在另一方面，可以使用根据其它各种构造的阀，包括可变形膜片、易碎膜片、可移动膜片或者易于由加压装置扎破的薄膜片。在某些实施例中，该阀包括可变形膜片，该可变形膜片将受压室和待驱动穿过微流体装置的工作流体分开。接合处是密封的使得受压室的工作流体不接触被驱动的工作流体。当将液体静压力施加到受压室时，该膜片变形，从而赋予用以驱动工作流体的压力；图5中示出了所述的这种类型的阀。可替换实施例用可透气体密封件代替该膜片，该可透气体密封件允许空气穿过但是防止液体泄漏。
在另一实施例中，该阀包括当储器中的流体受压时破裂的易碎膜片。图9A 至图9B示出了盒的预填充个体试剂储器113，和在使用时用以将已密封的试剂储器连接到压力源124和该盒的微流体装置的方案。如图9A所示，在预填充储器113中的试剂由位于压力侧上的易碎膜片114和位于通向微流体通道的过程侧上的易碎膜片115密封。在压力侧上，易碎膜片114仅在压力源待连接到的压力端口的位置处选择性地附着到用户可移除膜片111，使得当用户移除该可移除膜片时，它也撕开位于易碎膜片114中的压力端口122，如图9B所示。然后，该系统将该压力歧管124夹持到该盒，其将压力源连接到打开的压力端口122。增大的压力应用到该储器中的流体，直到在储器和微流体装置之间的密封件115开始变形123，然后如图9C所示破裂130。然后根据所需化验，而调整该压力源以将所需的试剂工作流提供到该系统中。
在另一实施例中，该盒包括密封在两个膜片之间的储器，所述膜片中的至少一个也限定这样的阀，即，通过该阀，试剂从储器流到微流体盒中。图10A至图10C示出了由两个膜片形成的个体储器，以及在使用时用于将密封的试剂连接到压力源以及该盒的微流体装置的方案。该试剂储器132由两个膜片132和134形成，这两个膜片132和134密封位于该储器132中的试剂。该密封件设计成保持该绝对系统最大压力，除了沿位于该储器和入口开口133之间的路径131之外，该入口开口133连接到微流体装置的通道。沿着该路径，可以使用专用的粘结剂或粘合剂来在使用前维持该储器的密封。在该实施例中，该密封的路径131作为阀20起作用。在使用时，通过当增大储器中的压力时破裂、通过外部施加热量，或者通过机械地移动该膜片，可以释放粘结剂。在所示实施例中，当如图10B所示，该盒加载到该系统中以使用时，压力源的空针140扎破该储器的各膜片中的一个，并且将压力151引入到该储器中，此又打开阀20。更具体地，当流体压力强迫该通道打开时，释放位于已密封通道131中的粘结剂，并且试剂从储器流到该微流体装置中，如图10C所示。
在另一实施例中，该盒包括预填充个体储器，该储器经由包括易碎通道的阀而与微流体通道流体联接。图11A至图11B示出了个体储器和用于连接移动压力以在使用时打开位于该储器和微流体通道之间的阀的相应方案。以刚性形式形成两个储器，一个储器是试剂储器165，另一个储器163仅包含空气。该储器作为加压通道起作用，可以将针或针状装置167引入该加压通道。这两 个储器也由易碎通道170连接，该易碎通道170在使用前被密封，但是可以通过使用该盒的系统的控制下由压力或其它作用打开。所图示的试剂储器已经连接到微流体装置164。当加载该盒时，附连到该压力歧管160的加压针167扎破加压储器163并且密封到该储器。可替换地，该储器可以由自密封隔片密封，压力歧管针会扎破该自密封隔片。然后，释放位于该易碎通道170中的粘结剂，并且通过该针所施加的压力打开该通道，最终为试剂储器加压，如图11B所示。然后通过增大的压力将该试剂推动到微流体装置164中。如果自密封隔片用作储器密封件，则该隔片可以在待移除该盒期间取出该加压针时帮助拭除(wipe)该加压针。
在另一实施例中，该盒包括微流体通道的一阀，该阀包括可移动膜片和阀关闭构件。如图12A至图12B的实例中所示出的，类似于图5和图7中所示的阀构造，该阀可以包括膜片，该膜片能够从关闭构造移动到打开构造，在关闭构造时，流体密封在入口12中，而在打开构造时流体自由地从入口12流到出口14。该可移动膜片22可以由附连到该微流体装置的盒主体抵着该微流体装置10的顶表面保持就位(或位于它们之间)，使得在关闭构造时(参见图12B)，该膜片将流体密封在入口12中，并且阻止流到出口14。当移动到打开构造时，膜片的一部分移动远离该微流体装置，使得流体从入口12并且经由出口14流到下游的微流体通道网络(参见图12A)。在某些实施例中，该可移动的膜片可以构造成使得该膜片保持密封，直到在该入口内达到特定流体压力。在运输之前填充试剂储器之后，为了便于关闭该阀20，或者确保该阀20保持关闭，该盒可以包括阀关闭致动器或构件46，该构件46将压力施加到膜片22，以将该阀20密封为关闭构造。为了在运行时致动该阀并且打开该阀，可以从该盒移动、取出或完全拆卸阀关闭构件46。阀关闭构件可以构造为如上所述的多臂装置的叉，或者构造为独立可移动棘爪或其它此类构件。在图12A中，该阀是打开的，并且流体可以穿过该微流体路径。在图12B中，该阀关闭构件或致动器46将阀膜片22压到入口孔12上，阻塞该流体路径。
在该实施例中，其上需要阀的该微流体路径分成两段。每个段在垂直于微流体平面延伸的一通道(典型地，一孔)中终止，该平面在该微流体路径处开始，并且在该装置的相对表面处终止。来自该路径的每个段的孔由单个膜片覆 盖，该膜片绕其边缘被密封。此可以产生袋状部，该袋状部包含两个孔，并且完成该微流体路径的两个段之间的连接。考虑到通常用于微流体装置中的非常小的流体量，最小化各孔的尺寸和间隔、连接各孔的未密封区域以及该阀结构的体积通常是有利的。该膜片可以由多种材料中的一种制成，所述材料包括橡胶和塑料或聚合物膜。在某些实施例中，膜片材料具有一定的弹性，使得该流体的流动压力可以变形并且将该膜片向外平移，以产生通过该阀的流动袋。该膜片可以使用粘结剂(例如，环氧基树脂、胶水或转移带)被密封、被焊接(例如通过激光焊接、热焊接或化学焊接)，或者可以使用附加片材来压缩该膜片，并且产生密封。
为了关闭该阀，阀关闭构件或致动器放置成抵靠连接这两个孔的袋状体。该作用可以阻塞由膜片产生的通路。该致动器可以由诸如塑料、金属或玻璃的硬材料制成，或者它可以由诸如橡胶的软材料制成。由致动器所施加的力的位置可以在一孔上或者在两孔之间，在施加在一孔上的情形中，该密封件被制成环绕该孔的端部的周界，在施加在两孔之间的情形中，在两个孔之间的通路必须以某种方式被密封。如果该阀由致动器弹性地变形，则移除这些致动器会重新打开该阀。如果该阀由致动器塑性变形，则该阀会保持永久关闭。
在具有多个阀的某些实施例中，该盒包括对应于所述多个阀的多个阀关闭构件。多个阀关闭构件或者装置可以是独立的，或者一体形成在单个阀关闭构件中,该单个阀关闭构件具有从其延伸的多个构件，如图2A至图2B中所示的。典型地，此类阀布置在位于该预填充储器和下游微流体通道之间的微流体通道中，然而，应当理解的是，此类阀可以用于其它各个位置，诸如需要控制流体流的微流体通道网络中的任何位置。
图13示出了根据某些实施例的用于盒装置的示例性隔片构造。隔片可以用在任意或所有的用于将压力引入该盒中并且保持所需压力的压力端口中。在某些实施例中，隔片也可以用在一个或多个用于将流体样本或者一种或多种酶引入到该盒中的用户填充端口中，同时在其它实施例中，用户填充端口可以保持敞开。在所示实施例中，隔片包括膜片62，该膜片62诸如是聚合物或橡胶盘，其能够由仪器针51刺穿以允许流体插入，但是足够厚以维持流体所插入的通道中的最小压力。
在一个方面，该盒主体和微流体装置10粘合在一起，使得该盒主体密封该装置10的微流体通道。可以执行粘合操作，使得已密封的微流体通道可以承受100psi的压力。可以使用各种合适的粘合介质和粘合方法将各个组件粘合在一起，粘合介质和粘合方法包括但不限于各种环氧基树脂、转移带、紫外固化粘结剂、胶水、激光焊接、聚异丁烯(PIBS)和溶剂粘合。
在图14A至图14B以及图15A至图15B中示出了可以用于组装各盒组件的示例性粘合方法。图14A至图14B示出了一种丝网印刷装置70，该丝网印刷装置70可以用以将复杂型式的粘结剂或转移带沉积在诸如顶板或微流体装置的平面部件上，以与对应几何形状的盒主体粘合。图15A至图15B示出了涂胶机器人72，该涂胶机器人72可以用以将胶水或粘结剂24自动地直接沉积在盒主体的接触该板和/或微流体装置10的表面上。
图16示出了一种系统，其中，罐或压力调节器210连接到微流体装置10以及计算机212，该计算机212通过盒接口装置的各种传感器获得数据，以控制PCR化验过程并且/或者分析结果。如图16所示，当该盒由该盒接口装置接收时，微流体装置10与各个盒接口组件220联接，盒接口组件220密封压力端口并且使压力端口与盒接口装置的压力供应部对齐。该盒接口装置包括罐或压力储器，该罐或储器联接到压力调节器210，该压力调节器210允许该系统精确地控制引入到该盒的微流体中的压力，从而控制微流体通道的一个或多个阀的可变形膜片之前的压力。当该盒被充分加压或膨胀以将一部分的入口压力赋予微流体装置工作流体(位于一膜片下方)上时阀的相应膜片移动穿过该室，由此导致流体流过该阀。当流体流动时，膜片以对应于流体偏移体积的体积变形。该系统可以是一体的，使得流体互连部将诸如压力调节器等驱动装置连接到该微流体盒装置，如图16所示。
在某些实施例中，该系统设计成使得流体直接一体形成到供消耗的微流体装置盒，该盒包含试剂用量，通过阀而与驱动压力室分开。此类阀可以包括本文所述的设计中的任一种，包括可变形膜片设计。此有效地允许试剂用量的密封递送和用于微流体流的驱动机构，该驱动机构是可精确受控的，并且易于一体形成到功能系统中。该盒设计有一个或多个压力端口，当该盒接合在如图17中所示的盒接口装置200中时，这些压力端口能够与压力源联接以与图18中 的示例性盒100”对接。该示例性盒100”包括：预填充有试剂的储器，储器与该盒的微流体通道通过一个或多个阀分开；压力端口61，该压力端口61用于将压力引入该盒，以便于受控的流体流过微流体通道；以及窗口121，通过该窗口121，可以监测流体流，并且/或者可以检测目标分析物。在某些实施例中，该盒接口包括：一个或多个传感器、电子器件，所述电子器件诸如是高速照相机、光学二极管；以及一个或多个压力针，所述针用于插入到该盒的压力端口。盒100’和盒接口200’构造成使得当盒100’插入到盒接口装置200”的接收部中时，各种传感器、电子器件和压力针在该盒上的预定位置处接合或对齐，以便于自动进行受控的化验过程。盒和盒接口部件的每个可以包括可释放附连和对准特征，以确保该盒适当地与一个或多个压力源以及所述一个或多个传感器对接，所述传感器例如是与光学检测窗口相邻的光学传感器。例如，该盒可以包括位于该盒每个角处的四个孔4，这四个孔4接收位于盒接口中的四个对应销钉204。应当理解的是，这是与位于盒接口装置200”中的盒100”相互作用并且对齐的一个实例，其它各种特征或方法可以用于根据本发明的实施例。
在一个方面，提供该盒以用于执行诸如级联化验等各种类型的化验的系统。在该实例中，示出了两阶段一体式乳状液基微流体系统，其中该系统可以用以执行包括第一阶段和第二阶段的级联化验，如以下将更详细讨论的。在该实例中的该系统用于执行各种功能，包括但不限于目标核酸选择和扩增、化验、检测和数据分析。然而，该系统、样本和试剂可以由此修改以执行任何类型的化验。
在该盒中的试剂储器可以设计成容纳多个移动动力源并且控制流体流。例如，而非限制的，一个方法是将加压空气或气体直接引入具有固定体积的储器，将储存在该储器中的流体通过与该微流体连通的另一开口挤出。另一方法会是使用能够延伸到该储器中的柱塞或活塞，以通过柱塞或活塞的受控运动而实现流体的正位移。又一方法是用弹性的隔离物构造固定的体积，储存在该隔离物的一侧上的试剂与微流体通道连通，而压缩空气或流体的受控源连接到该隔离物的另一侧上。
在某些方面，试剂储器密封到该微流体装置，允许去除可能泄露、引入污染物、夹带难以净化的空气或需要填装大体积试剂的任何管、连接器、或者中 间容器。将试剂密封到储器中，以在运输或处理期间进行保护，防止破裂，以在使用时打开并且驱动到该系统中。多密封件可以用以适应具体试剂所需要的密封程度，以及用于将试剂驱动到微流体装置中的方法。作为实例而非限制，这些密封件可以处于该试剂和用于移动压力的连接部之间，或者位于该试剂和微流体装置之间；所述密封件可以采取以下形式：机械阀或夹持元件、由所施加的热量释放的密封通道、由压力打开的密封通道、或者由压力破裂的易碎元件。
储器可以采取适合待储存试剂的数量的多种形式。例如且没有限制，100μL至100mL的大储器可以形成在刚性部分中，并且由层压件密封；100nL至50μL的较小储器可以形成为密封在两个层压件之间的囊；非常小的储器可以简单地为毛细管或者在两端处密封的通路。
过滤元件可以纳入该盒中，放置成在用户加载的试剂到达微流体装置之前过滤用户加载的试剂，或者过滤用于与试剂接触的气体，所述气体诸如是用于驱动流体流动的加压气体。如果试剂生产和盒填充过程不能充分地保证在具体试剂储器中没有存在有害微粒，则其他过滤元件也可以建在该微流体装置中。如果用于流体流的移动动力由加压气体的受控供应来提供，则该盒可以附加地包含放置在压力连接部和流体储器本身之间的过滤元件。
在一个方面，预填充有流体的盒而被运送，所述流体诸如是位于一个或多个储器中的一种或多种试剂，并且可以预填充有诸如HFE等其他各种合适的流体，在微流体通道中，具有或者没有表面活性剂。
应当理解的是，本文所描述的实例和实施例仅用于图示目的，并且鉴于此，各种修改和变化由本领域普通技术人员提出，并且包括在该申请的精神和范围以及所附权利要求的范围内。为了所有的目的，本文所引用的所有公开、专利以及专利申请的全部内容以参见的方式引入本文。

Claims (28)

1.一种用于对生物样本中的目标分析物进行化验的微流体盒组件，所述微流体盒包括：
盒外壳，所述盒外壳限定一个或多个储器，所述一个或多个储器包括试剂储器，所述试剂储器包含一种或多种自由流动或移动试剂；
微流体基板，所述微流体基板附连到所述盒外壳，所述微流体基板具有与所述一个或多个储器流体联通的多个微流体通道，所述多个微流体通道适于通过使用所述一种或多种试剂而对所述样本中的所述目标分析物进行化验；
一个或多个阀，所述一个或多个阀与所述多个微流体通道流体连通，所述一个或多个阀能够在关闭构造和打开构造之间致动，所述关闭构造阻止流体流过所述微流体通道，所述打开构造允许流体从所述一个或多个储器流过所述多个微流体通道；和
一个或多个压力隔片，所述一个或多个压力隔片与所述多个微流体通道流体连通，适于将压力引入所述多个微流体通道中，
其中所述多个微流体通道和所述一个或多个阀构造成使得将压力引入所述多个微流体通道允许所述盒组件内的流体以受控的方式自由流过所述多个微流体通道，以当所述一个或多个阀处于打开构造时，在流体流过所述多个微流体通道期间使用所述一种或多种试剂对所述样本中的所述目标分析物进行化验。
2.如权利要求1所述的微流体盒组件，其特征在于，所述一个或多个阀包括第一阀，所述第一阀定位成使得当处于所述关闭构造时，所述第一阀将位于所述试剂储器中的试剂与所述多个微流体通道隔离，并且当处于所述打开构造时，所述第一阀允许所述自由流动或移动试剂流过所述多个微流体通道。
3.如权利要求1所述的微流体盒组件，其特征在于，所述盒外壳包括第一板，所述第一板附连到一体形成的盒主体的第一侧，所述微流体基板附连到所述盒主体的与所述第一侧相对的第二侧，所述第一板适于密封所述一个或多个储器或所述多个微流体通道中的至少一个，其中，所述第一板包括用于填充所述一个或多个储器中的至少一个的一个或多个填充端口以及用于将压力引入 所述多个微流体通道中所述一个或多个压力隔片。
4.如权利要求3所述的微流体盒组件，其特征在于，所述一个或多个储器包括样本储器，并且在所述第一板中的所述一个或多个填充端口包括与所述样本储器流体连通的用户填充端口，其中所述一个或多个填充端口与所述一个或多个压力隔片分开。
5.如权利要求4所述的微流体盒组件，其特征在于，所述第一板的所述一个或多个填充端口包括与所述试剂储器流体连通的填充端口，以便于引入移动或自由流动流体试剂。
6.如权利要求4所述的微流体盒组件，其特征在于，所述填充端口包括隔片，以允许通过所述填充端口进行填充，同时保持相应储器的密封。
7.如权利要求3所述的微流体盒组件，其特征在于，所述一个或多个储器包括第一试剂储器，所述第一试剂储器是密封的，并且仅通过所述一个或多个阀中的一阀通向所述多个微流体通道，所述第一试剂储器具有密封在其中的一种或多种试剂。
8.如权利要求7所述的微流体盒组件，其特征在于，所述一个或多个储器还包括第二试剂储器，所述第二试剂储器与所述多个微流体通道通过所述一个或多个阀中的第二阀以及位于所述第一板中的所述一个或多个填充端口的试剂填充端口流体联接。
9.一种用于对生物样本中的目标分析物进行化验的微流体盒组件，所述微流体盒包括：
盒外壳，所述盒外壳限定一个或多个储器，所述一个或多个储器包括试剂储器，所述试剂储器包含试剂；
微流体基板，所述微流体基板附连到所述盒外壳，所述微流体基板具有与所述一个或多个储器流体联通的多个微流体通道，所述多个微流体通道适于通过使用所述试剂而对所述样本中的所述目标分析物进行化验；
一个或多个阀，所述一个或多个阀与所述多个微流体通道流体连通，所述一个或多个阀能够在关闭构造和打开构造之间致动，所述关闭构造阻止流体流过所述微流体通道，所述打开构造允许流体从所述一个或多个储器流过所述多个微流体通道；和
一个或多个压力隔片，所述一个或多个压力隔片与所述多个微流体通道流体连通，适于将压力引入所述多个微流体通道中，以便于流体以受控的方式流过所述多个微流体通道，以当所述一个或多个阀处于打开构造时，在流体流过所述多个微流体通道期间对所述样本中的所述目标分析物进行化验，
其中所述一个或多个压力隔片的每个包括膜片，所述膜片限定在所述盒外壳的第一板和盒主体之间，使得用压力针刺穿所述隔片允许通过所述针加压，同时保持所述多个微流体通道中的密封。
10.如权利要求9所述的微流体盒组件，其特征在于，所述压力隔片包括聚合物膜片，所述聚合物膜片适于使得在用所述压力针刺穿之后保持对至少最小压力的密封，所述最小压力是20psi或更大。
11.如权利要求3所述的微流体盒组件，其特征在于，所述一个或多个储器还包括废物储器，所述废物储器与所述多个微流体通道流体联接，使得在化验终止期间，流体流过所述多个微流体通道进入所述废物储器。
12.如权利要求1所述的微流体盒组件，其特征在于，所述一个或多个阀适于在所述阀的可移动膜片运动时从所述关闭构造切换到所述打开构造。
13.如权利要求12所述的微流体盒组件，其特征在于，所述一个或多个阀适于在所述盒被加压或者在真空下通过所述一个或多个隔片被置于预定压力时从所述关闭构造切换到所述打开构造。
14.如权利要求12所述的微流体盒组件，其特征在于，还包括：
适于将所述一个或多个阀保持在所述关闭构造的阀密封装置。
15.如权利要求12所述的微流体盒组件，其特征在于，阀关闭装置可移除地附连到所述盒组件，使得当附连到所述盒组件时，所述阀关闭装置将所述一个或多个阀保持在关闭构造，并且当从所述盒组件移除时，所述阀能够在所述盒加压时致动到打开构造。
16.如权利要求15所述的微流体盒组件，其特征在于，所述一个或多个阀中的每个包括可移动膜片，所述可移动膜片流体密封所述多个微流体通道中所述相应阀所在的微流体通道。
17.如权利要求16所述的微流体盒组件，其特征在于，所述可移动膜片限定在所述微流体基板和附连到所述基板的盒主体之间，每个所述膜片能够 通过所述盒主体中的致动孔触及，以便于关闭和打开所述阀。
18.一种用于对生物样本中的目标分析物进行化验的微流体盒组件，所述微流体盒包括：
盒外壳，所述盒外壳限定一个或多个储器，所述一个或多个储器包括试剂储器，所述试剂储器包含试剂；
微流体基板，所述微流体基板附连到所述盒外壳，所述微流体基板具有与所述一个或多个储器流体联通的多个微流体通道，所述多个微流体通道适于通过使用所述试剂而对所述样本中的所述目标分析物进行化验；
一个或多个阀，所述一个或多个阀与所述多个微流体通道流体连通，所述一个或多个阀能够在关闭构造和打开构造之间致动，所述关闭构造阻止流体流过所述微流体通道，所述打开构造允许流体从所述一个或多个储器流过所述多个微流体通道，其中所述多个阀中的每个适于在所述阀的可动膜片移动时从所述关闭构造切换到所述打开构造，所述多个阀中的每个包括可动膜片，所述可动膜片流体地密封所述多个微流体通道中所述相应阀所在的微流体通道，其中所述可动膜片限定在所述微流体基板和附连到所述基板的盒主体之间，每个所述膜片能够通过所述盒主体中的致动孔触及，以便于关闭和打开所述相应阀；
一个或多个压力隔片，所述一个或多个压力隔片与所述多个微流体通道流体连通，适于将压力引入所述多个微流体通道中，以便于流体以受控的方式流过所述多个微流体通道，以当所述一个或多个阀处于打开构造时，在流体流过所述多个微流体通道期间对所述样本中的所述目标分析物进行化验，
阀关闭装置，所述阀关闭装置可移除地附连到所述盒组件，使得当附连到所述盒组件时，所述阀关闭装置将所述一个或多个阀保持在所述关闭构造，并且当从所述盒组件移除时，所述阀能够在所述盒加压时致动到所述打开构造，
其中所述阀关闭装置包括多叉装置，所述多叉装置具有对应于所述多个阀的多个叉，其中所述叉中的每个从所述装置的臂延伸，所述臂构造为梁，所述梁设定一力，当所述装置附连到所述盒组件时，相应的叉以所述力压靠所述阀。
19.如权利要求17所述的微流体盒组件，其特征在于，所述多个阀中的每个包括布置在所述盒主体和包围所述致动孔的所述可移动膜片之间的一圈粘结剂，以在所述阀处于打开构造时保持所述多个微流体通道的密封。
20.如权利要求17所述的微流体盒组件，其特征在于，所述可移动膜片能够藉由环氧基树脂联接在所述盒主体和所述微流体通道之间。
21.如权利要求12所述的微流体盒组件，其特征在于，所述一个或多个阀中的每个阀包括易碎膜片，所述易碎膜片是易碎的，使得所述阀的制动包括藉由致动装置使所述易碎膜片破裂，以使相应的阀切换到所述打开构造。
22.如权利要求12所述的微流体盒组件，其特征在于，所述一个或多个阀中的每个阀包括箔层，所述箔层阻止所述阀的致动，使得刺穿或移除所述箔层允许将所述阀致动为打开构造。
23.如权利要求1所述的微流体盒组件，其特征在于，所述一个或多个储器包括至少两个试剂储器，并且所述微流体通道包括联结到所述至少两个试剂储器的至少两个微流体通道，所述至少两个微流体通道与接头微流体通道形成接合部，使得当所述一个或多个阀打开并且所述多个微流体通道被加压时在所述接头微流体通道中的流动在之前形成的所述两个或多个不同标记的微滴群之间切换，其中，所述多个微流体通道构造成允许微滴以交替方式从所述两个或多个入口通过所述微流体通道流向所述接头微流体通道。
24.如权利要求23所述的微流体盒组件，其特征在于，所述盒组件还包括连接通道，所述连接通道与所述两个微流体通道流体连通并且位于所述两个微流体通道之间，所述连接通道构造成允许连续相流体而不是微滴在各所述微流体通道之间流动。
25.如权利要求1所述的微流体盒组件，其特征在于，所述盒组件适于使得流体从所述一个或多个储器流过所述多个微流体通道和所述一个或多个阀，到达废物储器，而不穿过样本制备室或扩增室。
26.如权利要求3所述的微流体盒组件，其特征在于，所述盒壳体的第一板和/或所述微流体基板包括一个或多个光学透明或半透明的部分，以允许对流过所述微流体通道的流体的微滴的运动进行光学检测。
27.如权利要求3所述的微流体盒组件，其特征在于，所述盒壳体的第一板和/或所述微流体基板包括一个或多个光学透明或半透明的部分，以允许在流体的微滴流过所述微流体通道的运动期间通过所述半透明部分对所述目标分析物的指示物进行光学检测。
28.一种用于对生物样本中的目标分析物进行化验的微流体盒，所述微流体盒包括：
盒主体，限定一个或多个腔；
第一板，粘结到所述盒主体的一侧；
微流体基板，具有形成在其中的多个微流体通道，所述多个微流体通道布置在适合执行化验的网络中，其中，所述微流体基板粘结到所述盒主体的相对侧，使得所述一个或多个腔密封在所述第一板和所述微流体基板之间，形成与所述微流体基板的所述微流体通道流体连通并适于包含一种或多种自由流动或移动试剂的一个或多个储器；
一个或多个阀，沿所述一个或多个储器与所述微流体通道的至少一部分之间的流动路径布置，并且适于控制它们之间的流体流动；以及
至少两个压力端口，与所述多个微流体通道和/或储器流体连通，使得在所述至少两个压力端口之间的压差允许所述盒组件内的流体在输入所述盒中时以受控方式自由流过所述多个微流体通道，以足以对所述样本中的目标分析物的进行化验，
其中所述至少两个压力端口中的每个包括压力隔片，所述压力隔片经由相应的压力端口与所述多个微流体通道流体连通，其中所述压力隔片适于将压力引入所述多个微流体通道中，以便于流体以受控的方式流过所述多个微流体通道，以当所述一个或多个阀处于打开构造时，在流体流过所述多个微流体通道期间使用所述一种或多种试剂对所述样本中的所述目标分析物进行化验。
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