CN107405621B - 用于检测生物分子的微流体盒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测样品溶液中的生物分子的微流体盒(100)，包括：检测室(140)和基于CMOS的微芯片(142)，样品溶液通过进料通道(124)供应到检测室(140)且经分析的样品溶液通过出口通道(126)从检测室(140)排出，基于CMOS的微芯片(142)包括传感器区(144)和接触区(146)，传感器区(144)设置在检测室(140)中，接触区(146)与检测室(140)流体密封地分离，微芯片(142)的传感器区(144)包含用于电化学检测样品溶液中的生物分子的功能化测试位点(130)阵列，且其中，传感器区(140)中的每个测试位点(130)都具有自己的Σ‑Δ调制器(132)，Σ‑Δ调制器(132)用于在电化学检测时对测试位点(130)处产生的电信号进行模数转换。

Description

用于检测生物分子的微流体盒
技术领域
本发明涉及用于检测样品溶液中的生物分子的微流体盒(microfluidiccartridge)以及相关的检测方法。
背景技术
分子生物学的研究和诊断中的许多问题需要确定某些生物分子(例如样品中的某些核酸)的量或浓度。在本文的范围内，术语“核酸”在这里也包括核酸序列。
在这里，强大且快速的检测方法采用了使用所谓的DNA芯片的阵列技术，其能对核酸低聚物杂交事件进行表面灵敏检测。通常，在事实上已经是高度灵敏的检测之前，包括扩增步骤，在该扩增步骤中，待检测的核酸被复制，最终它们以高于所选择的检测方法的检测限值的浓度存在。
用于核酸的这种特异性扩增的不同方法在背景技术中是已知的，例如，聚合酶链式反应(PCR)。几乎在所有科学和医学领域PCR都已经变得普遍，包括法医学、产前诊断、肿瘤学，尤其是微生物诊断。PCR是一种酶促反应，其用于扩增基本上发生在微量的水性或液体反应混合物中的核酸。在反应中，混合物是含有核酸以及反应所需的引物、核苷酸和聚合酶的样品。通过加入缓冲液和优选的二价离子，根据普遍流行的各种应用类型的最佳反应条件调节反应混合物。
PCR基于不同温度下发生的三个步骤(变性、杂交和延伸)的多重重复循环。在每个循环中，要繁殖的核酸的数量大致加倍，从而可以以较少的循环次数实现显著的扩增。
PCR的更多细节和背景信息通常在实时PCR中，其中，在PCR反应进行期间确定核酸的数量。参考申请人的专利文献DE102011056606B3中的优选方法，该优选方法用于电化学检测DNA芯片上的测试位点处的核酸低聚物杂交事件，该文件的内容通过引用并入本申请中。
用于处理生物颗粒的微流体装置是已知的，例如，文献DE102010043030 A1。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种经济的微流体装置，能够容易地且快速地检测生物分子。
本发明提供了一种用于检测样品溶液中的生物分子的微流体盒，其具有：
–检测室，样品溶液通过进料通道供应到检测室，且经分析的样品溶液通过出口通道从检测室中排出；
–基于CMOS的微芯片，其包括传感器区和接触区，传感器区设置在检测室中，接触区与检测室流体密封地分离；
–微芯片的传感器区包含用于电化学检测样品溶液中的生物分子的功能化测试位点阵列；且
–传感器区中的每个测试位点都具有自己的Σ-Δ调制器，Σ-Δ调制器用于电化学检测时对测试位点处产生的电信号进行模数转换。
Σ-Δ调制器优选地为一阶Σ-Δ调制器，其输出作为数字化信号的对噪声和串扰不敏感的比特流。应当理解的是，为实现完全的模数转换，适当地进一步根据Σ-Δ技术的原理对Σ-Δ调制器输出的比特流进行处理，以在接触区的接触位置处提供经转换的输出信号。
在本发明的改进中，微流体盒还包括反应室，特别用于扩增样品溶液中的核酸，样品溶液可以从反应室通过进料通道供应到检测室。
反应室中的样品溶液优选地可加热至接近其标准沸点的目标温度，且反应室经由补偿通道与正常操作中无液体的压力室流体地连通，该反应室可加热至高于样品溶液的标准沸点的温度，且被设计成蒸发一定量的样品溶液，借助样品溶液中的气泡，该一定量的样品溶液通过补偿通道被推入压力室，从而在反应室中的样品溶液上产生气泡减少反压(gas-bubble-reducing counterpressure)。
微流体盒有利地还包括与反应室和检测室流体连通的集成的泵装置，集成的泵装置用于将样品溶液转移到反应室并从反应室转移指定量的样品溶液到检测室。该泵装置有利地还用于将泵装置中的过程流体供应给外部样品系统，且在用待检测的生物分子富集(enrichment)外部样品系统中的过程流体之后，将由此产生的样品溶液返回微流体盒，特别是反应室，并从反应室将指定量的样品溶液返回到检测室。
对于外部样品系统，微流体盒方便地提供有连接器，该连接器特别地形成为鲁尔连接器(Luer connector)。鲁尔连接器在医疗领域是管道系统的标准化连接系统，其中，连接器的密封通过连接部件的圆锥形设计(所谓的鲁尔锥)实现。为了固定该连接，鲁尔锥(Luer cone)包括具有联管螺母的螺纹且然后也被称为鲁尔锁。该连接关闭并打开半圈。术语“鲁尔连接器”还包括通过鲁尔锁的固定连接。
有利地，在微流体盒中形成有微通道系统，该微通道系统通过检测室和反应室从泵装置延伸到外部样品系统的连接器。在本申请的范围内，微通道或微流体通道的直径或最大横向尺寸特别地为0.5mm～3.2mm。
在有利的发展中，为了能够在微流体盒的反应室中执行PCR，包括可能集成的泵装置的微流体盒由适合PCR的塑料形成，特别是聚碳酸酯。这里，微流体盒例如可以通过增材制造方法(如3D打印)、成形工艺(如热冲压)或特别优选地通过注射成型工艺形成。
在一个优选的开发中，泵装置形成为用于将过程流体供应到微流体盒中的微通道系统的双注射器。这里，双注射器包括：
–圆筒形外部腔室，其限定了用于接收过程流体的储存器；
–圆筒形内部腔室，设置在外部腔室内且该通圆筒形内部腔室在其远端圆筒底面中包括出口孔，该出口孔用于与微流体盒中的微通道系统连接，且其经由通孔与外部腔室流体地连通；
–内活塞，其可在内部腔室中可轴向移动，在关闭位置关闭内部腔室侧的通孔，且在释放位置释放通孔，使流体从外部腔室流动到内部腔室；和
–环形活塞，其在外部腔室中朝向外部腔室的远端轴向移动；
i)其在近端储存位置，关闭用于过程流体的储存器；
ii)当内活塞处于其释放位置时，通过其向远端的移动，储存器中的过程流体经由通孔被推入内部腔室中；且
iii)在远端关闭位置，关闭外部腔室一侧的通孔，且以这种方式通过所述内活塞朝向近端的轴向移动使流体可以从微流体盒中的微通道系统返回内部腔室中。
本发明还包括采用所述类型微流体盒检测样品溶液中的生物分子的方法，其中：
–样品溶液通过进料通道供应到检测室，并移动到检测室中的基于CMOS的微芯片的传感器区上；和
–获得并分析电化学检测生物分子时在功能化测试位点处产生的信号，以检测样品溶液中的生物分子。
本发明方法的其它有利的步骤可以在下面的附图的描述中找到，特别是图1和图2的描述。
附图说明
以下参照附图说明本发明的优点和另外的示例性实施例，其中省略了尺寸和比例的描述，以便更清楚。图中：
图1为采用本发明的检测系统检测样品中的核酸的原理示意图；
图2示意性地图示了本发明的用于检测样品溶液中的生物分子的微流体盒的示例性实施例；
图3示意性地图示了沿着图2中的III-III线的微芯片的区域中的微流体盒的横截面；
图4为检测室和PCR室的区域中本发明微流体盒的一部分的俯视图；
图5图示了用于温度可控地处理样品溶液中的生物分子的微流体装置的一部分；
图6示意性地图示了可用作微流体盒中的泵装置的双注射器的横截面；
图7中的(a)-(c)图示了当供应/返回流体时，图6中的双注射器处于不同的状态；
图8中的(a)-(e)图示了当供应/返回流体时，多流体双注射器处于不同的状态。
具体实施例
图1图示了采用检测系统10检测样品系统90中的样品92中的某些核酸的原理。例如，样品92可以是样品管90中拭子(swab)末端上患者的拭子样品，且该样品92用于对MRSA菌株(耐甲氧西林金黄色葡萄球菌)进行微生物检查。
检测系统10包括具有过程流体22的泵装置20，该过程流体22在供给步骤中通过微通道系统30和打开阀80(流动方向32)供应给样品92。在通过微通道系统30的途中，过程流体22通过储存区70。在储存区70中，其接收此处提供的化学物质72，例如，在示例性实施例中暴露样品92中的DNA。检测系统10中的检测室40、反应室50和压力室60在供给步骤中还不起作用。
然后，在返回步骤中，通过裂解(lysing)样品92在样品系统90中产生的样品溶液借助泵装置20(流动方向34)返回检测系统10。这里，样品溶液通常一直被抽到泵装置20，以确保至少检测系统10中的反应室50中填充有样品溶液。在返回步骤之后，关闭外部样品系统90的阀门80，以使检测系统10中存在的限定的流体量(fluid volume)并获得封闭系统。
为了扩增待检测的核酸，在反应室50中进行聚合酶链式反应(PCR)。为此，所需化学物质52最初在蜡层下进行预组装和保护。扩增开始时，蜡层通过升高的温度而熔化，并以这种方式将PCR化学物质52加入到反应室50中的样品溶液中。在PCR期间，熔化的蜡仍然是流体或者被反应室50边缘区域中的多个储存器接收，以确保没有固化的蜡阻塞相邻的微通道30。
借助分配给反应室50的加热/冷却装置(未图示)产生PCR所需的反应室50的周期性温度分布(temperature profile)。通过压力室60在检测系统10中确保了PCR的受控过程，这在微流体系统中不是必然的结果。该压力室60经由补偿通道38与反应室50流体连通。如下面更详细地描述，压力室60在正常操作中是无液体的且通过分配给压力室的加热装置(未图示)使其温度保持在显著高于样品溶液的标准沸点的温度，例如TDK＝120℃。
在变性步骤中，在T≈96℃的温度下，反应室50中产生的气泡将少量的样品流压入压力室60中，由于压力室温度升高，其立即蒸发。由于蒸发时产生的气体体积大，在压力室60中迅速对反应室50中的样品溶液产生反作用力，从而大大减少了气泡的数量和尺寸。以这种方式，反应室50和压力室60形成用于抑制反应室50中的不期望的气泡的自调节子系统，并且，以这种方式确保PCR的控制良好的过程。
具体地，因为这里需要在发生反应的同时确定样品溶液中的核酸的量，因而在检测系统10中进行特定类型的PCR，其被称为实时PCR。相比于PCR结束时的纯终点测试(pureend-point determination)，实时PCR所测得的样品溶液中核酸的浓度更精确。在检测系统10中进行的实时PCR中，首先将扩增反应循环第一预定数量次，例如15个循环，以提高测量范围内的核酸的浓度。
随后，借助于泵装置20，将一定体积的具有扩增的核酸的样品溶液从反应室50转移到检测室40(流向36)。在检测室中设置有基于CMOS的微芯片的传感器区42，该传感器区包括功能化测试位点阵列，该测试位点用于电化学检测样品溶液中的核酸。在进行电化学检测时，测试位点各自产生电信号，电信号的大小构成了被转移的检测量中核酸的浓度的测量。文献DE102011056606B3描述一种优选的电化学检测方法，其公开内容通过引用并入本申请中。
随后，每次重复进行一次进一步的PCR循环，以进一步增加核酸的浓度，且在每个循环之后，将一定量的具有扩增的核酸的样品溶液从反应室50转移到检测室40，并电化学测定核酸的浓度。以这种方式，例如总共可进行30～40个PCR循环。在该过程结束时，为了确定终点，可以将另一较大的最终体积的样品溶液抽入检测室40中，并电化学检测核酸的浓度。
作为检测系统10的具体实施方式，图2示意性地图示了一个实施例，该实施例为用于检测样品溶液中的生物分子的微流体盒100的形式，其根据图1解释的原理构建。
除了所提供的化学物质和微芯片142之外，微流体盒100完全由聚碳酸酯形成，例如通过增材制造方法或注射成型方法。微流体盒100为用于经济地检测期望的核酸的一次性微流体盒，例如在MRSA筛查中。
关于与样品系统的连接，微流体盒100包括鲁尔连接器110，其例如可以与具有待分析的拭子样品92的样品管90连接。
对微流体盒100的改进为微通道系统120经由检测室140、具有由蜡层保护的PCR化学物质152的PCR室150和用于裂解化学物质172的储存器170，从泵装置200延伸到鲁尔连接器110。在其它实施方案中，裂解的化学物质172设置在另一位置处，例如在鲁尔连接器中或在样品管90中。
泵装置被设计成下面详细说明的双注射器200的形式，且成为聚碳酸酯盒100的不可缺少的部分。这里，双注射器200的外部腔室204被储存稳定地(storage-stably)预先填充期望的过程流体202，从而除了加热/冷却装置之外，微流体盒100包括检测所需的基本上所有的部件。
为了确定样品溶液中核酸的浓度，该微流体盒包括基于CMOS的微芯片142，在图2中，该微芯片142的轮廓用虚线标记。微芯片142包括设置在检测室140中的传感器区144和与检测室流体密封地分离的接触区146。为了更准确地解释，图3示意性地图示了沿图2中的线III-III的微芯片142的区域中的微流体盒100的横截面。
微芯片142的传感器区144例如包括按照八边形布置的109个功能化测试位点130，以电化学检测样品溶液中的待检测的核酸。这里，例如文献DE102011056606B3中描述了合适的检测方法。
为了特别好的读出结果，传感器区144中的每个测试位点130都配备有自己的一阶Σ-Δ调制器132，用于将测试位点130处产生的电信号进行AD转换。作为数字化信号，Σ-Δ调制器132输出对噪声和串扰不敏感的比特流，但是根据本身已知的Σ-Δ技术原理，在处理电路134中被进一步进行完全的AD转换处理，以产生最终的输出信号。输出信号可以在微芯片142的接触区146中的接触垫片136处被分接(tap)，并以常用的方式提供给分析和显示单元。
如图3所示，微芯片142的接触区146流体密封地(fluid-tightly)与检测室140分离，例如通过橡胶圈138或铸造复合物(casting compound)，在操作中检测室140包含样品溶液。
为了分析样品92，微流体盒100首先经由鲁尔连接器110与样品系统90连接，且如果阀门180尚未打开，则打开阀门180。现在，通过略微升高具有相关活塞杆的双注射器200的内活塞216(图7(b))，可以释放外部腔室和内部腔室206之间的通孔218。通过按压下橡胶圈214，所提供的过程流体202经由微通道系统120供应给样品92，因而储存器170中的过程流体接收裂解的化学物质172。
压下的橡胶圈214从外部腔室一侧封闭通孔218，从而通过具有活塞杆的内活塞216的进一步的轴向移动，通过裂解样品92产生的样品溶液可以返回微流体盒100的微通道系统120进入双注射器200的内部腔室206。在该状态下，包括PCR室150和检测室140的通道系统120填充有样品溶液。相比之下，经由补偿通道122与PCR室150流体连通的压力室160基本上不含液体。然后将外部样品系统90的阀门180关闭，以使检测系统中具有一定的封闭的流体量，用于随后的PCR。
为了进行PCR，微流体盒100可以例如用于热循环仪中，该热循环仪为PCR循环的温度步骤提供加热/冷却装置。特别地，在PCR室150中，通过熔化蜡层将PCR化学物质152加入到样品溶液中，并通过产生期望的周期性的温度分布进行PCR。此外，如下面更详细地描述的，通过将压力室160加热到高于样品溶液的沸点温度的温度TDK，抑制PCR室150中的气泡的形成，从而使PCR以可靠地和受控的方式进行。
在初始PCR循环预定数量次之后，通过可控地升高双注射器的内活塞216，具有扩增的核酸的一定量的样品溶液从PCR室150转移到检测室140。如DE102011056606B3中更详细地描述的，通过电化学检测微芯片142上的测试位点130处的核酸低聚物杂交事件，确定样品溶液中的核酸的期望浓度值。
在每个进一步的PCR循环之后，通过连续地升高内活塞216，进一步限定量的进一步扩增的样品溶液在不同情况下从PCR室150转移到检测室140，并确定核酸的浓度。例如，PCR室150的体积为30μl，且在初始PCR循环完成后进行15至25个循环，在每个PCR循环后，将1μl的量转移到检测室140。在该过程结束时，另外，更大的最终体积量的样品溶液被吸入检测室140，并确定浓度终点。应当理解的是，浓度测定还可以以更大的间隔进行，例如在每个第二个或每个第三个PCR循环之后进行。
图4图示了检测室140和PCR室150区域中的微流体盒100的具体设计，其为实施例的俯视图。在所述示例性的实施例中，PCR室150被分成多个连续布置的盘形子腔室154，图中仅仅图示了最后一个子腔室154。进料通道124从PCR室150或最后一个子腔室154通向检测室140，出口通道126从该检测室140延伸到双注射器200。
基于CMOS的微芯片142的轮廓再次以虚线标记。这里，具有测试位点130阵列的微芯片142的传感器区144设置在检测室140中并通过周向的铸造复合环139与具有接触垫片136的接触区146流体密封地分离。
图5再次详细地说明了用于抑制PCR室中的气泡的自调节子系统。所描述的原理不限于PCR中的应用，还可以用于其它温度控制的微流体处理操作，其中，样品溶液在样品溶液的标准沸点附近保持没有气泡。
图5图示了用于温度控制地处理样品溶液410的微流体装置400的一部分，这里用于进行上述核酸检测。微流体装置400包括反应室450，在该反应室450中具有核酸的样品溶液通过加热/冷却装置452可被加热到接近样品溶液410的标准沸点的目标温度。在上述实时PCR中，样品溶液410例如在变性步骤中加热至约96℃。
在微流体装置中，气泡不仅可以导致反应室450中的样品溶液中的温度差异大，而且还会导致样品溶液从反应室中压出且微流体系统中产生强烈的流体振荡。已经提出了几种措施来抑制微流体PCR系统中气泡的产生，例如反应室的特殊结构设计、反应室侧壁的表面处理、在增加的压力的条件下密封反应室、对样品溶液脱气和加入具有高沸点的试剂。
在这里使用的有利的解决方案中，通过反应室450与压力室460的流体耦合可抑制反应室450中的气泡，该压力室460在正常操作中无液体且其温度高于样品溶液410的标准沸点。如图5所示，反应室450经由补偿通道422与压力室460流体连通，借助加热装置462可将压力室460加热至温度TDK，该温度TDK显著高于样品溶液的标准沸点。在示例性实施例中，压力室的温度在110℃和130℃之间，例如TDK＝125℃。由于压力室的温度高于沸点温度，因而压力室460在正常操作中是无液体的。
不希望受到具体解释的束缚，气泡抑制的机理目前理解如下：在生物分子的温度控制处理中，例如上述PCR变性步骤，反应室450中产生气泡454，然后少量的样品溶液464被第一形成气泡经由补偿通道422压入压力室460中，由于压力室460中存在的高温，其立即被蒸发。蒸发产生的气体的体积比蒸发的流体的体积大1,000至2,000倍，从而使得压力室460中产生强大的压力增加，从而又导致反应室460中的压力增加，进而减少气泡的数量和尺寸，并阻碍气泡的进一步形成。根据目前的理解，这里的主要影响是蒸气压力增加和现存气体的体积被压缩。
由于产生的反压的强度随着蒸发的流体的增加而增加，因而随着流体量464因气泡而移动，这种方法导致样品溶液410中的气泡454自我调节。压力室460可以容易地集成到微流体系统中，并且，为了抑制气泡的形成，无需对反应室进行复杂设计、无需复杂地添加样品溶液或其它复杂的通常可以防止反应器壁上的气泡成核现象(nucleation)或者无论如何在添加样品溶液的情况下影响PCR的进展的方法。
为了将过程流体202供应到微流体系统，例如图2中的微通道系统120,140，150,170,180，有利地可使用双注射器200，其结构和功能原理将参考对图6的更详细的解释。
双注射器200包括两个同心布置的圆筒形腔室204,206，每个圆筒形腔室204,206中包括轴向可移动的活塞214,216。在本说明书中，双注射器200的端部包括出口孔210，该出口孔210被称为注射器或圆筒体的远端D，轴向相对端为近端P。更精确地，双注射器包括圆筒形外部腔室204，其限定了用于过程流体202的储存器208。圆筒形内部腔室206同轴设置在外部腔室204中，该圆筒形内部腔室206的远端用外部腔室204封闭。双注射器的出口孔210设置在内部腔室206远端的圆筒底面212中。两个圆筒形腔室204,206经由一组通孔218彼此流体连通，该通孔218形成在腔室204，206的远端区域中且沿圆周方向位于内部腔室和外部腔室的共享圆筒壁205中的同一轴向水平上。
轴向可移动的内活塞216包括在内部腔室206中，该轴向可移动的内活塞216包括夹紧元件222，该夹紧元件222位于内活塞216的近端且可从外部被单独适配的活塞杆240(图7(b))夹紧，以能够使内活塞216轴向上下移动(箭头220)。代替夹紧元件222，例如空腔还可以形成在内活塞216的近端侧，适当展开的活塞杆的远端接合在该空腔中。
如果内活塞216位于内部腔室206的远端处，则内活塞216从内部腔室的一侧通过轴向密封件224(例如橡胶密封件)封闭通孔218，从而没有流体从外部腔室204的储存器208流向出口孔210。因此，内活塞216的所述位置被称为关闭位置且图示在图7(a)中。
如果内活塞216稍微向近端侧移动升高，即沿着图6所示的方向，那么通孔218被释放且使流体经由内部腔室206从外部腔室204流向出口孔210。因此，内活塞216的该位置被称为释放位置且图示在图7(b)中。
环形密封外活塞包括在外部腔室204中，该环形密封外活塞围绕内部腔室206且在这里为橡胶圈214的形式，其朝向外部腔室的远端D轴向可移动(箭头230)。如图7(a)所示，在近端储存器的位置处，橡胶圈214封闭用于过程流体202的储存器208。在图7(c)所示的远端关闭位置，橡胶圈214从外部腔室204的一侧封闭通孔218，并且以这种方法，通过内活塞216朝向注射器的近端P轴向移动，使流体从微流体系统返回到内部腔室206。
在内活塞216的近端侧，可以设置储存器226用于接收化学物质。这里，化学物质最初定位在储存器226中，但是通过释放功能(例如可熔化的蜡覆盖物或磁性颗粒覆盖层)可以在期望的时间释放。
参考图7(a)至7(c)更详细地说明双注射器100的工作原理，设置在双注射器200的外部腔室204中的过程流体202供应到微流体系统中，其本身未图示。
在图7(a)所示的初始状态，内活塞216位于其远端关闭位置，且橡胶圈214位于其近端储存位置。外部腔室204的储存器208被储存稳定地预填充有所需的过程流体202。
如果过程流体202供应到微流体系统，那么内活塞216的夹紧元件222被适配的活塞杆240夹紧且升高到图7(b)所示的释放位置，其中通孔218释放流体，流体从外部腔室204的储存器208流向出口孔210。通过压下橡胶圈214，过程流体202可以完全地泵送到微流体系统(流向242)中。
如图7(c)所示，橡胶圈214与圆筒壁205中的通孔218的位置彼此协调，使得在其远端关闭位置，橡胶圈214从外部腔室的一侧关闭通孔218。
在这种状态下，可像普通的注射器那样通过在内部腔室206中轴向上下移动活塞杆240使用双注射器，且流体可在两个方向上移动。特别地，通过进一步升高内活塞216，即其朝向近端轴向移动，流体从微流体系统返回到内部腔室206中(流向244)。
以这种方式，例如，在图2所示的实施例中，通过裂解样品92而产生的样品溶液从样品管90返回到微流体盒100中的微通道系统中且最终进入双注射器的内部腔室206中。而且，当进行PCR时，在每个PCR循环之后，通过可控制地升高活塞杆240，少量流体连续地从PCR室150转移到检测室140。
使用这种双注射器，通过合适的设计，两种或者多种流体还可以供应到微流体系统中。图8图示了该多流体双注射器，其通过示例被设计用于将n＝2种流体供应到微流体系统。三种或更多种流体的扩展可以自由地来自以下描述。
而且，图8所示的双流体双注射器300包括两个同轴设置的圆筒形腔室304,306且因此构成双注射器。圆筒形外部腔室304限定了n＝2个储存器308-1,308-2，其用于接收待供应的流体302-1,302-2。
圆筒形内部腔室306同轴设置在外部腔室304中，该圆筒形内部腔室306在其远端被外部腔室304封闭。双注射器300的出口孔310设置在内部腔室306的远端圆筒底面中。
两个圆筒形腔室304,306经由n＝2组轴向间隔开的通孔318-1,318-2彼此流体连通。这里，每组通孔318-1,318-2由一组在内部腔室和外部腔室的共享圆筒壁305中在同一轴向水平上周向形成的通孔形成。
轴向移动的内活塞316包括在内部腔室306中，该内活塞316包括在其近端侧的夹紧元件322，单独适配的活塞杆可从外侧夹紧该夹紧元件322，从而能够轴向向上和向下(箭头320)移动内活塞316。这里也可以代替夹紧元件322，例如，形成在内活塞316的近端侧的空腔，适当展开的活塞杆的远端接合在该空腔中。
如果内活塞316位于内部腔室306的远端，如图8(a)所示的初始位置，那么具有周向橡胶密封件的内活塞316从内部腔室的一侧封闭n＝2组通孔318-1,318-2，使得流体不会从外部腔室304的储存器朝向出口孔310流动。因此，内活塞316的所述位置被称为关闭位置。
如果内活塞316稍微向近端移动，那么其最初只释放第一组通孔318-1且使第一流体302-1的流体从外部腔室304经由内部腔室306流动到出口孔310。内活塞316的所述位置被称为第一释放位置且图示在图8(b)中。通过进一步的向近端移动，内活塞316到达第二释放位置，在该第二释放位置处，第二组通孔318-2也从内部腔室一侧释放(参见图8(d))。
在一般情况下，存在n个轴向间隔的释放位置，在该释放位置处，内活塞316依次释放k＝1,…,n组(数字不断增加)通孔且使相应的流体从外部腔室流动到内部腔室。
n＝2个轴向间隔开且围绕内部腔室306的橡胶圈314-1,314-2包括在外部腔室304中，每个橡胶圈314-1,314-2朝向外部腔室的远端D轴向移动(箭头330-1,330-2)。如图8(a)所示，在近端储存位置，橡胶圈314-1,314-2各自关闭用于可供应流体302-1,302-2之一的储存器。
在远端关闭位置，第一橡胶圈314-1关闭第一组通孔318-1(参见图8(c))，而第二橡胶圈314-2在其远端关闭位置关闭第二组通孔318-2(参见图8(e))。
如果内活塞316位于其第一或第二释放位置，那么设置在第一或第二储存器中的流体可以通过朝向远端移动两个橡胶圈314-1,314-2或者仅仅移动第二橡胶圈314-2经由第一组或第二组通孔318-1,318-2被依次压入内部腔室306。如果两个橡胶圈314-1,314-2都进入它们的远端关闭位置，那么所有的通孔都是封闭的且通过向近端移动内活塞316可使流体从微流体系统返回到内部腔室306中。
从图8(a)所示的初始状态开始，内活塞316的夹紧元件322被适配的活塞杆夹紧且升高到第一释放位置(图8(b))。通过按压下两个橡胶圈314-1,314-2，第一过程流体302-1可完全被抽运到微流体系统中(流向342)。这里，由于流体的不可压缩性，这足以主动地朝向远端按压n个橡胶圈(这里是橡胶圈314-2)中最上面一个。所施加的压力经由不可压缩的第二过程流体302-2传递到第一橡胶圈314-1，从而使得两个橡胶圈以恒定的距离向远端移动，且在供应第一过程流体302-1时，储存器308-2的容积保持不变(参见图8(a)和8(c))。
如图8(c)所示，第一橡胶圈314-1与圆筒壁305中的第一组通孔318-1的位置彼此协调，以这种方式，在其远端关闭位置，第一橡胶圈314-1从外部腔室侧关闭第一组通孔318-1。
现在内活塞316可以进一步升高到第二释放位置(图8(d))，且通过按压下第二橡胶圈314-2可将第二过程流体302-2完全抽运到微流体系统中(流向344)。如图8(e)所示，这里，第二橡胶圈314-2与圆筒壁305中的第二组通孔318-2的位置彼此协调，从而使得在其远端关闭位置，第二橡胶圈314-2从外部腔室一侧关闭第二组通孔318-1。
由于所有橡胶圈314-1,314-2现在处于其远端关闭位置，通过使内活塞316和活塞杆轴向向上和向下移动，可像普通的注射器那样使用双注射器且流体可在两个方向上移动。特别地，通过进一步升高内活塞316，即朝向近端轴向移动，可以将流体从微流体系统移动到内部腔室306中(流向246)。
在具有n个环形活塞的多流体双注射器中，第一n-1个远端环形活塞不一定必须是密封的。例如，为了减少摩擦，双注射器300的环形活塞314-1对内部腔室或外部腔室的圆筒壁有一定余量，同时近端环形活塞314-2被密封，以稳定存储地关闭用于待供应流体302-1,302-2的储存器。实际上，流体不会通过环形活塞314-1的狭窄的允许间隙进行扩散或混合，或者扩散或混合在任何情况下都是可忽略的少。
在更简单的实施例中，也不需要有n个轴向间隔开的多组通孔和n个轴向间隔开的释放位置。相反，如果内部腔室经由位于轴向上的一组或多组通孔与外部腔室流体连通且内活塞在关闭位置关闭位于内部腔室一侧的一组或多组通孔以及在一个或多个释放位置可使流体从外部腔室流到内部腔室，这样就已经足够了。同样，在该更简单的实施例中，如果内活塞在相应的释放位置，通过外部腔室中的环形活塞朝向远端移动，提供在第K个储存器中的流体可以经由通孔被连续地压入内部腔室中。如果存在少于n组的通孔，那么不是n个环形活塞中的每个都必须关闭一组通孔，所以在它们的远端关闭位置中必须只能确保n个环形活塞从外部腔室一侧一起关闭一组或多组通孔，从而当所有n个环形活塞进入它们的远端关闭位置时，通过朝向近端轴向移动内活塞可将流体从微流体系统返回到内部腔室。

Claims (13)

1.一种用于检测样品溶液中的生物分子的微流体盒，具有：
–检测室，样品溶液通过进料通道供应到所述检测室，且经分析的样品溶液通过出口通道从检测室中排出；
–基于CMOS的微芯片，其包括传感器区和接触区，所述传感器区设置在所述检测室中，所述接触区与所述检测室流体密封地分离，所述接触区通过橡胶圈或圆周铸造复合环与所述检测室流体密封地分离；
–所述微芯片的所述传感器区包含用于电化学检测样品溶液中的生物分子的功能化测试位点阵列；且
–所述传感器区中的每个所述测试位点都具有自己的Σ-Δ调制器，所述Σ-Δ调制器用于电化学检测时对所述测试位点处产生的电信号进行模数转换。
2.根据权利要求1所述的微流体盒，其特征在于，所述微流体盒包括反应室，样品溶液通过所述进料通道从所述反应室可供应到所述检测室。
3.根据权利要求2所述的微流体盒，其特征在于，所述反应室中的样品溶液可加热到接近其标准沸点的目标温度，且所述反应室通过补偿通道与压力室流体地连通，在正常操作中所述压力室是无液体的，所述压力室可加热到高于所述样品溶液的标准沸点的温度且被设计成蒸发一定量的样品溶液，通过所述样品溶液中的气泡将一定量的样品溶液经由所述补偿通道推入所述压力室，且以这种方式，在存在于所述反应室中的所述样品溶液上产生气泡减少反压力。
4.根据权利要求2或3所述的微流体盒，其特征在于，所述微流体盒包括与所述反应室和所述检测室流体连通的集成的泵装置，集成的泵装置用于将所述样品溶液转移到所述反应室并从所述反应室转移指定量的样品溶液到所述检测室。
5.根据权利要求4所述的微流体盒，其特征在于，所述泵装置还被配置为将供应到所述泵装置中的过程流体供应到外部样品系统，且在所述外部样品系统中用待检测的生物分子富集所述过程流体之后，将由此产生的所述样品溶液返回到所述微流体盒，并从所述反应室将指定量的样品溶液返回到所述检测室。
6.根据权利要求5所述的微流体盒，其特征在于，所述微流体盒包括用于外部样品系统的连接器。
7.根据权利要求6所述的微流体盒，其特征在于，所述连接器为鲁尔连接器。
8.根据权利要求6所述的微流体盒，其特征在于，在所述微流体盒中，微通道系统形成为通过所述检测室和所述反应室从所述泵装置延伸到所述外部样品系统的所述连接器。
9.根据权利要求1所述的微流体盒，其特征在于，所述微流体盒由PCR适合的塑料形成。
10.根据权利要求4所述的微流体盒，其特征在于，包括集成的泵装置的所述微流体盒由PCR适合的塑料形成。
11.根据权利要求9或10所述的微流体盒，其特征在于，所述塑料为聚碳酸酯。
12.根据权利要求4所述的微流体盒，其特征在于，所述泵装置形成为用于将过程流体供应到所述微流体盒中的微通道系统的双注射器，所述双注射器包括：
–圆筒形外部腔室，其限定了用于接收过程流体的储存器；
–圆筒形内部腔室，其设置在所述外部腔室内且圆筒形所述内部腔室在其远端的圆筒底面中包括出口孔，所述出口孔用于与所述微流体盒中的所述微通道系统连接，且经由通孔与所述外部腔室流体连通；
–内活塞，其可在所述内部腔室中可轴向移动，在关闭位置关闭所述内部腔室一侧上的所述通孔，且在释放位置释放所述通孔，使流体从所述外部腔室流动到所述内部腔室；和
–环形活塞，其在所述外部腔室中朝向所述外部腔室的远端轴向移动，
i)在近端储存位置，关闭用于所述过程流体的储存器；
ii)当所述内活塞处于其释放位置时，通过其向远端的移动，所述储存器中的所述过程流体经由所述通孔被推入所述内部腔室中；且
iii)在远端关闭位置，从所述外部腔室一侧关闭所述通孔，且以这种方式通过所述内活塞朝向近端的轴向移动使流体从所述微流体盒中的所述微通道系统返回所述内部腔室。
13.一种采用权利要求1至12中任一项所述的微流体盒检测样品溶液中的生物分子的方法，其中：
–样品溶液通过进料通道供应到检测室，并移动到检测室中的基于CMOS的微芯片的传感器区上；和
–获得并分析电化学检测生物分子时在功能化测试位点处产生的信号，以检测样品溶液中的生物分子。
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