CN114829016A - 微流控温度控制系统 - Google Patents

Abstract

一种微流控系统，包括限定在所述微流控系统衬底中的微流控室；多个微流控通道，每个微流控通道流体连接到所述微流控室；以及多个温度控制装置。每个温度控制装置设置为与相应的一个微流控通道的壁接触，并且配置为加热或冷却所述微流控通道中的流体。一种用于操作微流控系统的方法，包括通过控制相应温度控制装置的操作，将多个微流控通道中的每个中的流体加热或冷却至相应的目标温度；控制从每个所述微流控通道进入所述微流控室的流体流动；以及使生物或化学反应发生在所述微流控室中或在与所述微流控室相邻的反应室中。

Description

微流控温度控制系统

优先权声明

本申请要求于2020年3月10日提交的序列号为62/987,467的美国临时申请的优先权，其内容通过引用整体并入本文。

背景技术

温度控制，诸如加热和冷却，是微流控芯片设计和制造中的相关参数。温度控制对于各种生物和化学反应都很重要，包括酶促反应，诸如聚合酶链式反应(PCR)、重组酶聚合酶扩增(RPA)、环介导等温扩增(LAMP)、定量PCR(qPCR)、液滴数字PCR(ddPCR)、脱氧核糖核酸(DNA)连接、核糖核酸(RNA)逆转录和其他反应。化学反应(例如染料标记、标签切割和二硫键还原)通常在受控温度下进行。微流控反应环境中的液体试剂通过微芯片或微电池的直接加热和冷却来加热和冷却，例如，使用Peltier(热电冷却)或电阻加热器以目标加热或冷却速率来加热和冷却。

发明内容

我们在此描述了一种能够有效、精确地控制系统中的流体温度的微流控系统。这些系统包括流体连接到微流控室的微流控通道。每个通道中的所述流体被独立加热或冷却到目标温度，并且所述目标温度下的所述流体流入所述微流控室。在一些示例中，生物或化学反应，诸如温度敏感反应，发生在所述微流控室中。在一些示例中，包含处于所述目标温度的所述流体的所述微流控室用作相邻反应室的温度调节器，在该反应室中发生生物或化学反应，诸如温度敏感反应。例如，这些微流控系统可用于聚合酶链式反应(PCR)测试。因为要加热或冷却的流体的体积相对于所述微流控室的体积小，所以加热或冷却是快速且节能的。该系统紧凑、便携，并且可以使用电池电源(例如来自可充电电池的电源)进行操作。这些紧凑型便携式系统的应用可包括对传染病(例如SARS-CoV-2、流感、艾滋病毒或其他传染病)进行现场或在家测试。

在一个方面中，微流控系统包括限定在所述微流控系统的衬底中的微流控室；多个微流控通道，其中每个微流控通道与所述微流控室流体连接；和多个温度控制装置。每个温度控制装置布置为与相应的一个微流控通道的壁接触，并且配置为加热或冷却所述微流控通道中的流体。

实施例可以包括以下特征中的一个或两个或更多个的任意组合。

所述微流控系统包括多个泵，每个泵配置为将流体从相应的一个微流控通道泵送到所述微流控室中。

所述微流控系统包括多个阀，每个阀沿着相应的一个微流控通道布置。

所述微流控系统包括配置为控制所述多个温度控制装置的操作的温度控制系统。所述温度控制系统配置为实现所述多个温度控制装置的闭环反馈温度控制。所述温度控制系统包括多个温度传感器，每个温度传感器设置成与相应的一个温度控制装置接触。所述温度控制系统包括一个或更多个微控制器或微处理器，其配置为基于来自相应的温度传感器的信号控制每个温度控制装置的操作。所述温度控制系统配置为独立于每个其他温度控制装置的操作来控制每个温度控制装置的操作。所述温度控制系统配置为由可充电电池供电。

所述温度控制装置中的至少一个包括：有源加热或冷却元件；以及设置在所述有源加热或冷却元件与各自微流控通道的壁之间的散热器。

所述温度控制装置中的至少一个包括电阻加热器、辐射加热器或热电加热或冷却装置中的一种或更多种。

所述微流控室的顶壁、所述微流控室的底壁或两者由光学透明材料形成。

所述微流控系统包括与所述微流控通道中的第一个相邻设置的次级通道，其中设置为与第一微流控通道的所述壁接触的所述温度控制装置配置为加热或冷却在所述次级通道中的材料。所述次级通道包含具有在目标温度下的熔点的材料。所述材料包括脂肪酸的组合。

所述微流控系统包括限定在所述微流控系统的所述衬底中的反应室，其中所述反应室与所述微流控室流体隔离。所述反应室和所述微流控室共享公共壁。所述反应室包括细长通道。所述反应室包括分支通道。所述微流控室与所述反应室的至少一部分重叠。

在一个方面，聚合酶链式反应(PCR)测试系统包括微流控系统，该微流控系统包括：限定在所述微流控系统的衬底中的微流控室；多个微流控通道，其中每个微流控通道与所述微流控室流体连接；和多个温度控制装置。每个温度控制装置设置为与相应的一个微流控通道的壁接触，并且配置为加热或冷却所述微流控通道中的流体。

PCR测试系统的实施例可以包括上述特征中的一种或两种或更多种的任意组合。

在一方面中，一种用于操作微流控系统的方法包括：通过控制相应温度控制装置的操作，将多个微流控通道中的每个中的流体加热或冷却至相应的目标温度。每个温度控制装置设置为与相应的微流控通道的壁接触，并且每个微流控通道流体连接到限定在所述微流控系统的衬底中的微流控室。所述方法包括控制从每个微流控通道进入所述微流控室的流体流动；并且使生物或化学反应发生在所述微流控室中或在与所述微流控室相邻的反应室中。

实施例可以包括以下特征中的一个或两个或更多个的任意组合。

控制从每个微流控通道进入所述微流控室的流体流动包括，控制多个泵的操作，每个泵配置为将流体从相应的一个微流控通道泵送到所述微流控室中。

控制从每个微流控通道进入所述微流控室的流体流动包括控制多个阀的操作，每个阀沿着相应的一个微流控通道设置。

将多个微流控通道中的每个中的流体加热或冷却至相应的目标温度包括，将所述多个微流控通道的每个中的流体加热或冷却至共同的目标温度。

将多个微流控通道中的每个中的流体加热或冷却至相应的目标温度包括，将所述微流控通道中的特定一个中的流体加热或冷却至第一目标温度，该第一目标温度不同于至少一个其他微流控通道的所述目标温度。

控制所述温度控制装置的操作包括，对于每个温度控制装置，实施所述温度控制装置的闭环反馈控制。所述温度控制装置的操作控制包括，对于每个温度控制装置，基于来自与所述温度控制装置接触设置的相应的温度传感器的信号来控制所述温度控制装置的操作。

控制所述温度控制装置的操作包括，独立于每个其他温度控制装置的操作来控制每个温度控制装置的操作。

控制所述温度控制装置的操作包括：控制第一温度控制装置，以将相应的微流控通道中的所述流体加热到变性温度(例如，95℃)；控制第二温度控制装置，以将相应的微流控通道中的所述流体加热到延伸温度(例如，72℃)；控制第三温度控制装置，以将相应的微流控通道中的所述流体冷却到退火温度(例如，55℃)。

所述方法包括从一个或更多个可充电电池向所述温度控制装置提供电力。

加热或冷却多个微流控通道中的每个中的流体包括：操作电阻加热器、辐射加热器或热电加热或冷却装置中的一种或更多种。

独立地控制从每个微流控通道进入所述微流控室的流体流动包括：控制与所述微流控系统的反应室相邻的流体流动，其中所述反应室与所述微流控室流体隔离。所述反应室包含生物样品。所述方法包括使流体流入或流过所述反应室。使流体流入或流过所述反应室包括使所述流体沿着细长的分支通道流动。使流体流入或流过所述反应室包括使试剂流入或流过所述反应室。

加热或冷却所述微流控通道中的特定一个中的流体包括：在次级通道包含的材料中引起相变，该次级通道设置为邻近所述微流控通道中的所述特定一个。

所述流体包括试剂。

所述微流控室包括生物样品。

在一方面中，一种进行PCR测试的方法包括：通过控制相应温度控制装置的操作将多个微流控通道中的每个中的流体加热或冷却至相应的目标温度。每个温度控制装置设置为与相应的微流控通道的壁接触，并且每个微流控通道流体连接到限定在微流控系统的衬底中的微流控室。所述方法包括控制从每个微流控通道进入所述微流控室的流体流动；并且使生物或化学反应发生在所述微流控室中或在与所述微流控室相邻的反应室中。

进行PCR测试的方法的实施例可以包括上述特征中的一种或两种或更多种的任意组合。

在一方面中，进行PCR测试的方法包括：控制第一温度控制装置，以将第一微流控通道中的流体加热到变性温度(例如，95℃)；使加热的流体从所述第一微流控通道流过微流控室并进入第五微流控通道；控制第五温度控制装置，以将所述第五微流控通道中的所述流体加热至变性温度(例如，95℃)；使加热的流体从所述第五微流控通道流过所述微流控室并进入第二微流控通道；将所述第二微流控通道中的所述流体冷却至大约或低于退火温度(例如，55℃)的温度；使冷却的流体从所述第二微流控通道流过所述微流控室并进入第三微流控通道；控制第三温度控制装置，以将所述第三微流控通道中的所述流体加热到退火温度(例如，55℃)；使加热的流体从所述第三微流控通道流过所述微流控室并进入第四微流控通道；控制第四温度控制装置，以将所述第四微流控通道中的所述流体加热到延伸温度(例如，72℃)；以及使加热的流体从所述第四微流控通道流过所述微流控室并流入所述第一微流控通道。

在一个实施例中，冷却所述第二微流控通道中的所述流体包括，控制第二温度控制装置，以将所述第二微流控通道中的流体冷却到大约或低于所述退火温度(例如，55℃)的温度。

在一方面中，进行实验的方法包括：控制第一温度控制装置，以将第一微流控通道中的流体加热到第一目标温度；使加热的流体从所述第一微流控通道流过微流控室并流入第二微流控通道；控制第二温度控制装置，以将所述第二微流控通道中的所述流体加热或冷却至第二目标温度；以及使所述流体从所述第二微流控通道流过所述微流控室，并且可选地流向所述第一微流控通道或第三微流控通道。

实施例可以包括以下特征中的一个或两个或更多个的任意组合。

所述第一目标温度和所述第二目标温度相同。

所述第一目标温度和所述第二目标温度不同。

来自所述第二微流控通道的加热流体流过所述微流控室，并流到所述第三微流控通道。所述方法包括：控制所述第三温度控制装置，以将所述第三微流控通道中的所述流体加热或冷却至第三目标温度；以及使加热的流体从所述第三微流控通道流过所述微流控室，并流入第四微流控通道。所述方法包括：控制第四温度控制装置，以将所述第四微流控通道中的所述流体加热或冷却至第四目标温度；以及使加热的流体从所述第四微流控通道流过所述微流控室，并流入第五微流控通道。所述方法还包括：控制第五温度控制装置，以将所述第五微流控通道中的所述流体加热或冷却至第五目标温度；以及使加热的流体从所述第五微流控通道流过所述微流控室，并流入第六微流控通道或流入所述第一微流控通道、所述第二微流控通道、所述第三微流控通道、所述第四微流控通道或所述第五微流控通道。

在一方面中，进行实验的方法包括：控制第一温度控制装置，以将第一微流控通道中的流体加热到第一目标温度；使加热的流体从所述第一微流控通道流过微流控室并流入第二微流控通道；控制第二温度控制装置，以将所述第二微流控通道中的所述流体冷却至第二目标温度(例如，室温)；以及将所述流体从所述第二微流控通道流到第三微流控通道而不经过所述微流控室；控制第三温度控制装置以将所述第三微流控通道中的所述流体加热到第三目标温度；以及使所述流体从所述第三微流控通道流过所述微流控室，并且可选地流向第一微流控通道或第四微流控通道。

在一个方面中，对核酸进行测序的方法包括：(a)控制第一温度控制装置，以将第一微流控通道中的试剂缓冲液加热到第一目标温度(例如，约60℃)；(b)将加热的试剂缓冲液从所述第一微流控通道流到微流控室，其中将标记的核苷酸添加到DNA分子中；(c)使洗涤缓冲液和成像缓冲液从第二微流控通道流入所述微流控室，其中所述洗涤缓冲液和/或所述成像缓冲液可选地由第二温度控制装置加热到第二目标温度；(d)对所述微流控室成像，从而检测所述标记的核苷酸；(e)控制第三温度控制装置，以将第三微流控通道中的裂解缓冲液加热到第三目标温度(例如，约50-60℃)；(f)将裂解缓冲液从所述第三微流控通道流入所述微流控室，从而去除所述标记的核苷酸的3'末端阻断基团；(g)将洗涤缓冲液从第二微流控通道流入所述微流控室和(h)重复步骤a)至g)直到确定所述核酸的序列。

这里描述的系统和方法可以具有以下优点中的一个或更多个。反应，例如PCR测试，可以用少量试剂完成。可以实现系统中所述流体的快速、节能和精确的加热和冷却。系统结构紧凑、成本低且便于携带。

在附图和以下说明中阐述了一个或更多个实施方式的细节。从说明和附图以及从权利要求中，其他特征和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是具有温度控制装置的微流控系统的示意图。

图2是图1的所述微流控系统的一部分的原理图。

图3是具有温度控制装置的微流控系统的原理图。

图4是微流控通道组件的侧视原理图。

图5是微流控系统的一部分的横截面原理图。

图6是微流控系统的示意图。

图7是流程图。

具体实施方式

我们在此描述了能够有效、精确地控制系统中的流体温度的微流控系统。这些系统包括流体连接到微流控室的微流控通道。每个通道中的所述流体被独立加热或冷却到目标温度，并且所述目标温度下的所述流体流入所述微流控室。在一些示例中，生物或化学反应(诸如温度敏感反应)发生在所述微流控室中。在一些示例中，包含处于所述目标温度的所述流体的所述微流控室用作温度调节器，用于相邻的反应室，在其中发生生物或化学反应(诸如温度敏感反应)。例如，这些微流控系统可用于聚合酶链式反应(PCR)测试。因为要加热或冷却的流体的体积相对于所述微流控室的体积小，所以加热或冷却是快速和节能的。该系统紧凑、便携，并且可以使用便携式电源(例如来自可充电电池或移动设备的电源)操作。这些紧凑型便携式系统的应用可包括对传染病(诸如SARS-CoV-2、流感或其他传染病)的现场或在家测试。

参考图1，微流控系统100包括衬底101，其中限定了微流控室102。所述微流控系统100还包括多个微流控通道104a、104b。每个通道104a、104b(统称为通道104)流体连接到所述微流控室102。所述通道104和所述微流控室102配置为接收流体，诸如液体或气体。例如，所述微流控室102可以是其中发生生物或化学微流控反应的反应室。泵105a定位成将流体从所述通道104a泵入所述微流控室，并且泵105b定位成将流体从所述通道104b泵入所述微流控室。在一些实施例中，每个泵由该泵的控制器独立控制。在一些实施例中，每个泵由控制所有泵的集中控制器控制。在一个具体示例中，一个泵连接到该系统(例如，连接到所述通道105b)。所述泵可以将所述流体从所述流体通道104b推到所述微流控室102，再推到所述通道104a。它还可以在相反的方向上推动所述流体，例如，它可以将所述流体通过所述微流控室102从通道104a推到通道104b。不同的试剂储存器可以可选地使用选择阀连接到所述通道104b。

所述微流控系统100包括温度控制装置108a、108b(统称为温度控制装置108或温度控制块(TCB)108)。每个温度控制装置108设置为与所述通道104中的相应一个的所述壁中的一个接触。每个温度控制装置108配置为加热或冷却相应的通道104中的流体。所述温度控制装置108可以是或包括电阻加热器、辐射加热器(例如，使用红外光、可见光或其他类型的辐射加热)、热电加热或冷却装置，诸如珀尔帖(Peltier)热电装置，或其他合适的加热或冷却装置。在图1的示例中，所述温度控制装置108延伸至相应的通道104的整个宽度。在一些示例中，所述温度控制装置108比所述通道104的宽度更宽或更窄。

所述微流控系统100的配置使该系统中的流体能够在进入所述微流控室102之前在所述通道104中加热或冷却到目标温度。因为包含在每个所述通道104中的流体体积与包含在所述微流控室102中的流体体积相比相对较小，因此可以快速有效地加热或冷却所述流体。

在一些实施例中，所述微流控系统的所述衬底101具有大约或小于80、70、60、50、40、30、20、10或5mm的长度，大约或小于80、70、60、50、40、30、25、20、15、10或5mm的宽度，和大约或小于5、4、3、2、1.5或1mm的高度。在一些实施例中，所述微流控室102具有大约或小于30、20、10、9、8、7、6、5、4、3、2或1mm的长度，大约或小于10、9、8、7、6、5、4、3、2、1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、或0.1mm的宽度，大约或小于200、150、100、80、70、60、50、40、30、25、20、15、或10μm的高度。在一些实施例中，所述微流控室102具有大约或小于10mm的长度、大约或小于1mm的宽度和大约或小于80μm的高度。在一些实施例中，所述微流控室102具有大约或小于5mm的长度、大约或小于0.5mm的宽度和大约或小于50μm的高度。在一些实施例中，所述微流控室102具有大约50nL～5000nL、100nL～800nL、125nL～800nL、100nL～4000nL、100nL～3000nL、100nL～2000nL或100nL～1000nL的体积。在一些实施例中，所述微流控室102具有大约或至少100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400或1500nL的体积。在一些实施例中，所述微流控室102具有大约或小于100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400或1500nL的体积。

在一些实施例中，每个通道104具有大约100nL～60000nL、100nL～50000nL、1000nL～8000nL、1250nL～8000nL、1000nL～40000nL、1000nL～30000nL，1000nL～20000nL或1000nL～10000nL的体积。在一些实施例中，每个通道104具有大约或至少1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000、10000、11000、12000、13000、14000或15000nL的体积。在一些实施例中，每个通道104具有大约或小于1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000、10000、11000、12000、13000、14000或15000nL的体积。在一些实施例中，所述通道的体积大约或至少比所述微流控室102的体积大5、6、7、8、9或10倍。在具有尺寸为40mm×25mm×1.5mm衬底101和尺寸均为20mm×5mm×0.5mm的通道104的所述微流控系统的具体示例中，所述微流控室102的体积约为1μL，并且每个通道104的体积约为50μL。

因为每个通道104的体积远小于具有所述微流控室的所述衬底101的尺寸(在该示例中，小30倍)，所以所述通道104中的热式质量比衬底101的热式质量少。因此，所述通道104中的所述流体可以通过相应的温度控制装置108加热或冷却，该加热或冷却的速率比所述微流控室102中的所述流体可以通过整个室102的加热或冷却装置加热或冷却的速率快得多。在一些实施例中，所述温度控制装置108连接到一个或更多个流体储存器(例如，大约或至少1、2、3、4、5、6、7、9或10个流体储存器，可选地带有一个或更多个选择阀)，其中所述流体可以被连续地泵入所述温度控制装置108，当所述流体通过所述温度控制装置时加热或冷却到所述目标温度，然后进入所述微流控室。

在微流控系统的另一个具体示例中，具有尺寸为10mm×20mm×1.5mm的衬底101和尺寸均为5mm×30mm×0.3mm的通道104。

在一些示例中，控制两个温度控制装置108，以将相应的通道104中的所述流体加热或冷却到相同的目标温度。通过控制所述泵105以在所述目标温度下提供交替的双向流体流动，可以精确地调节所述微流控室102中的温度以保持在所述目标温度。例如，所述通道104a中的所述流体通过所述温度控制装置108a加热或冷却到目标温度，然后泵入所述微流控室102。这种泵入所述微流控室102流体将流体从所述微流控室102推入所述通道104b，在所述通道104b中，该流体被所述温度控制装置108b加热或冷却到所述目标温度。然后将所述通道104b中的所述流体泵入所述微流控室102，将流体从所述微流控室102推回到所述通道104a中以再次加热或冷却至所述目标温度。所述流体(例如，液体或气体)泵入所述微流控室102的流速可以根据系统的需要进行调整。在一些实施例中，所述流速为大约或小于3000、2500、2000、1500、1000、250或50μl/min。在一些实施例中，所述流速为大约或大于2500、2000、1500或1000μl/min。在一些实施例中，可以调节所述流速以使能量效率最大化。在一些实施例中，温度传感器可用于检测所述微流控室102中的温度。控制器可用于基于来自所述温度传感器的信号调节所述流速和/或一个或更多个温度控制装置。

在一些示例中，可以操作所述微流控系统100以实现两个温度点热循环。在这些示例中，控制所述温度控制装置108a以将通道104a中的所述流体加热或冷却至第一温度，并且控制所述温度控制装置108b以将通道104b中的所述流体加热或冷却至不同于所述第一温度的第二温度。通过控制所述泵105以提供两个不同温度下的交替双向流体流动，所述微流控室102中的温度可以在两个不同温度之间循环。

例如，所述通道104a中的所述流体通过所述温度控制装置108a加热或冷却到所述第一温度，然后泵入所述微流控室102中(在第一箭头120a的方向上)。当处于第一温度的所述流体进入所述微流控室102时，所述微流控室102中的所述流体的温度朝着所述第一温度变化。将流体泵入所述微流控室102将流体从所述微流控室102推入所述通道104b，在所述通道104b中，该流体被温度控制装置108b加热或冷却至所述第二温度。然后将所述通道104b中的所述流体泵入所述微流控室102(沿第二箭头120b的方向)，将所述微流控室102中的所述流体的温度改变为第二温度，并将流体从所述微流控室102推回所述通道104a，以再次加热或冷却到第一温度。

流体的这种交替双向流动使得能够快速再加热或再冷却小体积的流体，从而使所述微流控室102中的温度能够以精确和高效的方式保持或循环。因为所述微流控系统100中的流体流动是双向的(例如，而不是流体进出该系统的单向循环)，所以试剂的总体积仍然低。例如，所述微流控系统100可以仅用足以满足所述微流控室102和通道104的体积的流体体积来操作。

图2显示了所述通道104的一部分的侧视图。所述温度控制装置108设置为与所述通道104的顶壁200接触。所述通道104的所述顶壁200由导热材料形成，使得由所述温度控制装置108产生的加热或冷却能力可以加热或冷却所述通道104中的流体。例如，所述通道104的所述顶壁200可以由塑料、玻璃、硅或其他合适的材料形成。

在图2的示例中，所述温度控制装置108包括有源加热或冷却元件202，诸如电阻或辐射加热器或热电加热或冷却装置。所述温度控制装置108也包括设置在所述有源加热或冷却元件202和所述通道104的所述壁200之间的散热器204。所述散热器204由具有高热容量的导热材料(诸如金属)形成。所述散热器204配置为将所述有源加热或冷却元件202产生的热容量或制冷量传递到所述通道104中的所述流体。在一些示例中，所述温度控制装置仅包括没有散热器的有源加热或冷却元件，使得所述有源加热或冷却元件直接设置在通道104的所述壁200上。

所述温度控制装置108的操作由温度控制系统210控制。所述温度控制系统210可以独立地控制所述微流控系统的所述温度控制装置108中的每个，例如温度控制装置108a，108b。所述温度控制系统210可以实现所述温度控制装置108的闭环反馈温度控制，以保持所述温度控制装置108的温度稳定在目标温度。

所述温度控制系统210包括温度传感器212(诸如热电偶)，配置为测量所述温度控制装置108的温度。在图2的示例中，所述温度传感器212设置在所述散热器204上。提供来自所述温度传感器212的指示所述散热器204的温度的信号给控制器214(诸如一个或更多个处理器或微控制器)。基于来自所述温度传感器212的所述信号，所述控制器214控制加热器驱动器216的操作。所述加热器驱动器216进而控制所述有源加热或冷却元件202的操作，使得在所述温度传感器212处达到目标温度。所述加热器驱动器216由电源218(诸如电池，例如可充电电池、交流电、基于移动设备的电源(例如，通过通用串行总线(USB)连接提供)或其他合适的电源)供电。

在一些实施例中，所述温度控制装置设计用于冷却所述流体。例如，冷却剂控制系统可以使冷却的液体冷却剂连续地循环通过围绕所述流体通道的冷却通道。所述冷却剂控制系统控制所述流体通道104周围的冷却剂流动以冷却所述流体。在一些实施例中，所述冷却剂控制系统可以将所述流体冷却到室温，0℃或4℃。在一些实施例中，一旦所述流体被冷却至室温，所述流体在泵入所述微流控室102之前(例如，在另一个温度控制装置中)被重新加热至目标温度。

再次参考图1，在一些示例中，所述微流控室102的顶壁、所述微流控室102的底壁或两者由光学透明材料(诸如透明塑料、二氧化硅，或其他合适的材料)形成。这种配置使得能够例如通过显微镜观察在所述室102中发生的反应。因为所述温度控制装置108设置在所述通道104上方而不是所述室102上方，所以所述室102的视野不会被遮挡。

在一些示例中，所述微流控室102是在其中发生生物或化学反应的反应室。所述流体可以是或包含反应物、试剂或两者。在一些示例中，所述微流控室102可以包含生物样品，诸如DNA，并且所述流体可以是或包含能够与所述DNA相互作用的试剂。例如，DNA可以固定在所述微流控室102的一个或更多个内表面上.

参考图3，微流控系统300包括多个微流控通道304a-304e。每个通道304a-304e流体连接到微流控室302。每个通道304a-304e具有相应的温度控制装置308a-308e。所述温度控制装置308a-308e的结构和操作例如如上文针对所述温度控制装置108所述。

在图3的所述微流控系统300中，每个通道304a-304e都具有相应的阀312a-312e，该阀可以打开或关闭以控制流体流入或流出所述通道。在一些示例中，泵(未示出)与每个通道302相关联并且定位为将流体从相应的通道304泵送到所述微流控室302中。在一些示例中，进出所述通道304的流体流动是通过所述阀312的打开和关闭来控制的被动流动。在一些示例中，可以使用多路阀来代替两个或更多个单独的阀。例如，所述阀312a-312c可以由单个三通阀代替。

所述微流控系统300的配置能够实现多级温度控制。每个温度控制装置308a-308e可以被控制以将相应的通道304a-304e中的所述流体加热或冷却到不同的目标温度。可以通过允许流体从含有处于期望温度的流体的所述通道304流入所述微流控室302来控制所述微流控室302中所述流体的温度。这种配置是有用的，例如，用于实现涉及不同温度设定点的多级反应。例如，所述微流控系统300可用于PCR测试，其中使用退火温度(例如，55℃)、延伸温度(例如，72℃)和变性温度(例如，95℃)。

在用于PCR测试的所述微流控系统300的操作示例中，控制所述温度控制装置308a和308e以分别将所述通道304a、304e中的流体加热到变性温度(例如，95℃)；控制所述温度控制装置308b以冷却所述通道304b中的流体，例如冷却到室温，或者冷却到大约或低于退火温度(例如，55℃)；控制所述温度控制装置308c以将所述通道304c中的流体加热到所述退火温度(例如，55℃)；并且控制所述温度控制装置308d以将所述通道304d中的流体加热到延伸温度(例如，72℃)。在操作中，流体流动由所述阀312单独控制，或与用于主动控制流体流动的泵组合控制。所述通道304a中的流体被温度控制装置308a加热到变性温度(例如，95℃)并且流过所述微流控室302并流入所述通道304e。在所述通道304e中，所述流体被所述温度控制装置308e重新加热到所述变性温度(例如，95℃)。然后将来自所述通道304e的具有所述变性温度(例如，95℃)的所述流体推过所述微流控室302并进入所述通道304b。在所述通道304b内，所述流体例如通过所述温度控制装置308b被冷却到例如室温，或者冷却到所述退火温度(例如，55℃)附近或低于所述退火温度(例如，55℃)。来自所述通道304b的冷却流体被推过所述微流控室302进入所述通道304c，在那里它被所述温度控制装置308c加热到所述退火温度(例如，55℃)。具有所述退火温度(例如，55℃)的所述流体从所述通道304c流过所述微流控室302并流入所述通道304d，在那里它被所述温度控制装置308d加热至所述延伸温度(例如，72℃)。该加热的流体流过所述微流控室302并流入所述通道304a。所述温度控制装置308a将所述通道304a中的所述流体加热回所述变性温度(例如，95℃)，以开始另一个热循环。

图4是所述微流控通道组件400的侧视图，所述微流控通道组件400构成微流控系统(诸如系统100、300)的一部分。所述通道组件400包括流体连接到微流控系统的微流控室的微流控通道404，例如，如针对系统100、300所描述的。所述通道组件400还包括次级通道412a、412b，该次级通道412a、412b设置在所述通道404的旁边和相对侧上(例如，在所述通道404的顶部和底部上)。所述通道404与各次级通道412a、412b共享其顶壁和底壁414a、414b。温度控制装置(未示出)设置在所述通道组件400的宽度的至少一部分上，并且配置为加热或冷却所述通道404和所述次级通道412a、412b中的一个或两个中的流体。在一些示例中，仅存在单个次级通道412。

所述次级通道412a、412b包含在目标温度下具有相变温度(例如，熔点)的材料或材料组合。例如，所述目标温度是所述微流控通道404中的所述流体将被加热或冷却时的温度。具有在所述目标温度下的相变温度的材料的相对大的储存器的存在为所述微流控通道组件400提供了高热容量。例如，所述次级通道412a、412b中的这种材料储存器可以防止所述微流控通道404中的所述流体的温度超过所述目标温度。所述次级通道412a、412b中的材料储存器的高热容量也可以充当热缓冲器，稳定所述微流控通道404中所述流体的温度波动。

在具体示例中，所述次级通道包含包括硬脂酸(具有69.3℃的熔化温度(Tm))和花生酸(Tm＝75.5℃)的组合物。通过以特定比例混合这两种脂肪酸，可以获得熔化温度为延伸温度(例如，72℃)的组合物。所述次级通道412a、412b中这种组合物的存在防止所述微流控通道404中的所述流体的温度超过所述延伸温度(例如，72℃)。其他比例的硬脂酸和花生酸可用于实现其他目标温度。其他组合物，诸如不同的脂肪酸，可用于实现其他目标温度。

图5是微流控系统500的一部分的横截面侧视图。所述微流控系统500包括衬底501，其中限定了微流控室502和反应室520。所述微流控室502和所述反应室520至少部分地彼此重叠并且共享公共壁505。在图5的示例中，所述公共壁505是所述微流控室502的所述顶壁和所述反应室520的所述底壁，使得所述反应室520直接位于所述微流控室502的上方。在一些示例中，所述反应室520直接位于所述微流控室502的下方，或者所述反应室520和所述微流控室502并排定位并共享侧壁。

所述微流控系统500包括与所述微流控室502流体连接的一个或更多个微流控通道504。每个通道504具有相应的温度控制装置508。所述温度控制装置的结构和操作例如如上文针对所述温度控制装置108所述。所述微流控系统500还可包括流体连接到所述反应室520的一个或更多个入口通道、出口通道或两者(未示出)。所述微流控室502和所述反应室520相互流体隔离，这意味着所述微流控室502不与所述反应室520流体联通。

在所述微流控系统500中，所述反应室520中发生反应(诸如生物或化学反应)。所述反应室520中的所述流体的温度控制是通过加热或冷却所述通道504中的流体，并且使该加热或冷却的流体流入所述微流控室502来提供的，例如，如上文针对图1所述。所述微流控室502和所述反应室520之间的热传递调节所述反应室520中所述流体的温度。所述公共壁505可以是薄的、导热的或两者兼有的，以促进有效的热传递。

在一些示例中，所述反应室102可以包含生物样品，诸如DNA。例如，DNA可以固定在所述反应室102的一个或更多个内表面上。所述反应室102中(例如，静止在或流过所述反应室102)的流体可以是或包含能够与所述DNA相互作用的试剂。

在所述微流控系统500中，可以控制所述反应室520中的温度，同时使流过所述反应室520的所述流体流动与用于温度控制的所述流体流动不同。在一些示例中，当在所述通道504和所述微流控室502之间提供流体流动时，所述反应室520可以处于静止状态(例如，很少或没有流动)。在一些示例中，通过所述反应室520的所述流体流动可以与所述通道504和所述微流控室502之间的所述流体流动具有不同的流速。在一些示例中，通过所述反应室520的所述流体流动可以是单向的，而所述通道504和所述微流控室502之间的流体流动是交替的双向流动。

参考图6，微流控系统600包括衬底601，其中限定了微流控室602。所述微流控室602在入口603a、603b处流体连接到一个或更多个微流控通道(未示出)，每个微流控通道具有相应的温度控制装置，例如，如上文针对所述微流控系统100所讨论的那样。细长的反应通道620也限定在所述衬底601中。在图6的示例中，所述反应通道620是分支通道。在一些示例中，所述反应通道620是单个细长通道。所述微流控室602和所述反应通道620至少部分地彼此重叠。在图6的示例中，所述微流控室602直接位于所述反应通道620上方。所述微流控室602和所述反应通道620彼此流体隔离，这意味着所述微流控室602不与所述反应通道620流体联通。

流体样品(例如，包括反应物)在所述入口624处被提供到所述反应通道620中。所述流体样品流过所述反应通道620并在出口622处离开所述反应通道620。反应发生在所述反应通道620中。在一些实施例中，622和624两者在反应(例如，qPCR)之前被密封。在一些实施例中，在每个反应循环中的一个或更多个步骤中通过入口624添加试剂。所述反应通道620中的温度控制是通过使加热或冷却的流体流入所述微流控室602来提供的，例如，如上文针对图1所述。所述微流控室602和所述反应通道620之间的热传递调节在所述反应通道620中的所述流体的温度。在一些实施例中，该系统或装置可以同时对两个或更多个样品(例如，2、3、4、5、6、7、8、9或10个样品)运行实验。

可以控制通过所述微流控室602的所述流体流动以在所述微流控室602内提供温度梯度。对于分支的反应通道620，该温度梯度使所述反应通道620的每个分支暴露于不同的温度。此配置在qPCR应用、实验测试或其他环境中可以是有用的。

在一些示例中，这里描述的所述微流控系统形成紧凑的便携式PCR测试系统的一部分。该系统可以由便携式电源(诸如电池(例如可充电电池)或移动设备)供电。该系统紧凑、重量轻且价格低廉。这些紧凑型便携式系统的应用可包括对传染病(诸如SARS-CoV-2、流感或其他传染病)进行现场或在家测试。

图7示出了用于操作微流控系统(诸如图1的所述微流控系统100)的示例过程。多个温度控制装置中的每个的操作由温度控制系统(700)控制。在一些示例中，所述温度控制系统实施所述温度控制装置的闭环反馈控制，例如，基于来自诸如温度传感器的传感器的信号。每个温度控制装置的操作导致相应的微流控通道中的流体加热或冷却到目标温度(702)。在一些示例中，每个通道中的所述流体加热或冷却到相同的目标温度。在一些示例中，至少一个通道中的所述流体加热或冷却到与至少一个其他通道的所述目标温度不同的目标温度。在一个具体示例中，控制所述温度控制装置以将相应的通道中的流体分别加热或冷却至所述变性温度(例如，95℃)、所述延伸温度(例如，72℃)和所述退火温度(例如，55℃)。在一方面，所述温度控制系统(700)基于用于期望反应(例如PCR或QPCR)的预设程序自动控制加热器驱动器216和/或泵105。

此外，因为所述微流控室102可以快速加热或冷却，这显著减少了运行实验(例如PCR或定量PCR)的时间。在一些实施例中，所述微流控室处的峰值变温速率(温度变化速率)可以是至少或大约为3、4、5、6、7、8、9或10℃/s。在一些实施例中，温度升高速率(例如，峰值或平均值)可以是至少或大约为3、4、5、6、7、8、9或10℃/s。在一些实施例中，温度降低速率(例如，峰值或平均值)可以是至少或大约为3、4、5、6、7、8、9或10℃/s。在一些实施例中，与不使用如本文所述系统的标准实验方案相比，如本文所述的系统可将时间显著减少大约或至少10％、20％、30％或40％。这是有利的，因为它为众多生物标志物(包括例如各种疾病，诸如SARS-CoV-2、流感、HIV或其他疾病的生物标志物)提供了甚至更快的测试。在一些实施方案中，本文所述的方法和系统仅需要大约或少于3、5、7、8、9、10或15分钟来完成QPCR(例如，持续30、35、40或45个QPCR循环)。在一些实施例中，本文所述的方法和系统仅需要大约或少于8分钟来完成QPCR(例如，持续30个周期)。

例如，通过一个或更多个泵、阀或两者的操作来控制从每个所述微流控通道流入微流控室的流体流动(704)。生物或化学反应发生在所述微流控室或不同的反应室中，其温度通过来自所述微流控室中的所述流体的热传递来调节(706)。

在一方面，还提供了用于各种反应(例如，PCR、QPCR、RPA、LAMP、ddPCR、DNA连接、逆转录和边合成边测序)的温度控制的系统、装置和/或方法。所述方法涉及以下步骤：控制第一温度控制装置以将第一微流控通道中的流体加热到第一目标温度；使加热的流体从所述第一微流控通道流过微流控室并进入第二微流控通道；控制第二温度控制装置以将所述第二微流控通道中的所述流体加热/冷却至第二目标温度；使具有所述第二目标温度的所述流体从所述第二微流控通道流过所述微流控室，从而将所述微流控室的温度改变为所述第二目标温度。这个过程可以重复多次直到实验完成。一个或更多个附加温度控制装置可用于不同的目标温度。

在一方面中，系统、装置和/或方法被设计用于PCR(例如，qPCR)。PCR的一个关键方面是热循环的概念：熔化核酸模板、将引物退火到产生的单链并延伸这些引物以产生双链核酸的新拷贝的交替步骤。在热循环中，PCR反应混合物可以从用于熔化所述DNA的高温重复循环到用于引物退火和延伸的较低温度。

在典型的PCR反应中，所述反应混合物在各种温度下针对规定的时间段理想地转变并准确地维持，温度循环频繁地重复多次。通常，出于几个原因，希望将样品温度快速改变为循环中的下一个温度。首先，化学反应的每个阶段都可能具有最佳温度。因此，在非最佳温度下花费较少的时间可能会改善所得产品。另一个原因是，在达到每个温育温度后，可能需要在每个温育温度下保持所述反应混合物的最短时间。这些最短温育时间可以确定完成一个周期所需的“最低”或最短时间。样品温育温度之间的任何时间转换都是加在该最小循环时间上的时间。由于涉及多个循环，这个额外的时间延长了完成扩增所需的总时间。

通常，PCR由一系列约20至约40次重复的温度变化(称为热循环)组成。在一些实施例中，有大约或至少20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39或40个循环。每个循环通常由两个或三个离散的温度步骤组成。在一些实施例中，循环之前通常在非常高的温度(例如，>90℃)下进行单个温度步骤，然后在结束时进行一次保持，以用于最终产品延长或短暂储存。在每个循环中使用的温度和它们应用的时间长度取决于各种参数，包括用于DNA合成的酶、反应中二价离子和dNTP的浓度，以及所述引物的解链温度(Tm)。各个步骤通常包括以下内容：

变性步骤：该步骤是所述循环中的第一步。所述变性温度可通过破坏互补碱基之间的氢键，导致双链DNA模板的熔化或变性，产生两个单链DNA分子。在一些实施例中，所述变性温度为约90～100℃或94～98℃。在一些实施例中，所述变性温度为约或至少90、91、92、93、94、95、96、97、98或99℃。在这个循环中，所述流体在所述温度控制装置中加热到所述变性温度，然后泵送到所述微流控室中，并且可选地泵送到第二温度控制装置中。

退火步骤：在下一步中，将反应温度降低至所述退火温度。所述退火温度允许将所述引物退火到每个单链DNA模板。所述反应混合物可典型地包括两个不同的引物：一个对应包含目标区域的两个单链互补序列中的每个。所述引物本身是单链序列，但比目标区域的长度短得多，仅在每条链的3'端互补非常短的序列。为所述退火步骤确定合适的温度至关重要，因为效率和特异性受所述退火温度的强烈影响。该温度必须足够低以使所述引物与所述链杂交，但又足够高以使杂交具有特异性，即所述引物应仅与所述链的完全互补部分结合，而不与其他任何地方结合。如果温度太低，所述引物可能结合不完全。在一些实施例中，所述退火温度为约50～65℃或50～60℃。在一些实施例中，所述退火温度为大约或至少50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64或65℃。在一些实施例中，在该步骤期间，所述流体(例如，来自流体储存器的流体或已冷却至室温的流体)在所述温度控制装置中加热至所述退火温度，然后泵送到所述微流控室，然后可选地进入第二温度控制装置。在一些实施例中，所述流体在温度控制装置中被冷却至所述退火温度，然后泵入所述微流控室。

延伸步骤：该步骤的温度取决于所使用的DNA聚合酶。在此步骤中，DNA聚合酶通过添加来自在5'到3'方向上与模板互补的所述反应混合物的游离dNTP，将dNTP的5'磷酸基团与新生的(伸长)DNA链末端的3'羟基缩合，合成与DNA模板链互补的新的DNA链。Taq聚合酶的耐热DNA聚合酶的最佳活性温度约为70-80℃。在一些实施例中，所述延伸温度为大约或至少70、71、72、73、74、75、76、77、78、79或80℃。在一些实施例中，在该步骤期间，所述流体在所述温度控制装置中加热到所述延伸温度，然后泵送到所述微流控室，然后可选地泵送到另一个温度控制装置中。

变性、退火和伸长过程构成一个循环。需要多个循环才能将DNA靶标扩增到数百万个拷贝。流体在所述温度控制装置中加热或冷却，并通过所述微流控室来回泵送，从而在每个循环期间快速改变所述微流控室中的温度。在一些实施例中，涉及大约或至少20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39或40个循环。

在一些实施例中，所述流体包括用于反应的试剂。为不同的反应(例如PCR、QPCR、RPA、LAMP、ddPCR、DNA连接、逆转录反应)选择所述试剂。在一些实施例中，所述流体包括200μM脱氧核苷酸混合物、0.1-0.5μM正向引物、0.1-0.5μM反向引物、0.05单位/μL、0.05单位/μL的Taq DNA聚合酶和/或0.1-0.5mM的MgCl₂。由于流体体积小，该系统还有效地将反应所需的试剂减少了大约或至少10％、20％、30％或40％。

在一些实施例中，当不同的反应循环需要两个或更多不同的温度时，可以使用一对温度控制装置。例如，温度控制装置308a和温度控制装置308e可以形成用于第一目标温度的对。温度控制装置308b和温度控制装置308d可以形成用于第二目标温度的对。所述流体从第一对的所述温度控制装置流入所述微流控室，然后流入第一对的另一个温度控制装置。如果需要保持高温(例如，变性温度)，这是特别节能的。当需要将温度调节到第二温度时，所述流体可以从第二对的所述温度控制装置流入所述微流控室，再流入第二对的另一个温度控制装置。在这些实施例中，第一对温度控制装置中的所述流体不被泵送到第二对温度控制装置中。由于同一对的两个温度控制装置设定为同一温度，并且所述流体只在同一对内进行交换，加热或冷却所述流体仅需少量能量，从而进一步提高了能源效率。此外，传统装置需要加热或冷却整个系统(例如，衬底101)，其比所述微流控室102中的所述流体具有更大体量。

在一些实施例中，该系统是便携式系统。在一些实施例中，整个系统的重量为大约或小于1、2、3、4、5、6、7、8、9或10kg。在一些实施例中，该系统是PCR芯片。

在一方面中，该系统、装置和/或方法被设计用于测序(例如，边合成边测序)。测序技术按照三个基本步骤工作：扩增、测序和分析。该过程从纯化的DNA开始。所述DNA被片段化并添加接头，其包含在扩增、测序和分析中充当参考点的片段。修饰的DNA被加载到形成所述微流控室102的表面的衬底(例如，玻璃)上。玻璃可以包含将片段隔开并缓解过度拥挤的纳米孔。每个纳米孔都包含寡核苷酸，这些寡核苷酸为所述接头连接提供了一个锚定点。一旦片段附着，称为集群生成的阶段就开始了。这一步制作了每个DNA片段的大约一千个拷贝，并通过桥式扩增PCR完成。接下来，将所述试剂缓冲液(包括例如引物和修饰的核苷酸)添加到所述微流控室102中。这些核苷酸具有可逆的3'荧光阻断剂，因此DNA聚合酶一次只能将一个核苷酸添加到所述DNA片段上。在每一轮合成之后，照相机拍摄所述微流控室102的照片。计算机通过荧光标签的波长确定添加了什么碱基，并为所述微流控室102上的每个点记录它。在每一轮之后，未结合的分子被冲走。然后使用化学去封闭步骤去除3'荧光末端阻断基团。该过程持续到完整的DNA分子被测序。

在用于边合成边测序的所述微流控系统300的操作示例中，所述温度控制装置308a、308b和308c被控制以分别将所述通道304a、304b、304c中的流体调节到目标温度。所述通道304a、304b、304c连接到不同的试剂储存器。所述DNA被固定在微流控室302中(例如，在微流控室302的玻璃表面上)。为了将荧光标记的核苷酸结合到DNA链中，试剂流体在所述304a通道中加热到约60℃，并泵入所述微流控室302。加热的流体只需加热DNA簇附着的几微米内的玻璃表面。它不需要加热整个玻璃衬底。然后所述洗涤缓冲液在室温下通过304b发送，然后所述图像缓冲液随后通过304b。簇的图像将在微流控室302中拍摄。然后在约50℃～60℃下将所述裂解缓冲液泵送通过通道304c，然后洗涤缓冲液通过通道304b。这些步骤形成一个测序循环。这个循环可以重复多次，直到确定所述DNA的序列。在一些实施例中，所述微流控室302由两片玻璃形成。由于所述微流控室302的两侧没有被加热板覆盖，因此可以从两侧拍摄图像并且可以同时对更多的DNA分子进行测序。

已经描述了主题的特定实施例。其他实施例在以下权利要求的范围内。

Claims (51)

1.一种微流控系统，包括：

微流控室，其限定在所述微流控系统的衬底中；

多个微流控通道，其中，每个微流控通道流体连接到所述微流控室；和

多个温度控制装置，其中，每个温度控制装置设置为与相应的一个微流控通道的壁接触，并配置为加热或冷却所述微流控通道中的流体。

2.根据前述权利要求中任一项所述的微流控系统，包括多个泵，每个泵配置为将流体从相应的一个微流控通道泵送到所述微流控室中。

3.根据前述权利要求中任一项所述的微流控系统，包括多个阀，每个阀沿着相应的一个微流控通道设置。

4.根据前述权利要求中任一项所述的微流控系统，包括温度控制系统，所述温度控制系统配置为控制所述多个温度控制装置的操作。

5.根据权利要求4所述的微流控系统，其中，所述温度控制系统配置为实现所述多个温度控制装置的闭环反馈温度控制。

6.根据权利要求4或5所述的微流控系统，其中，所述温度控制系统包括多个温度传感器，每个温度传感器设置成与相应的一个温度控制装置接触。

7.根据权利要求6所述的微流控系统，其中，所述温度控制系统包括一个或更多个微控制器或微处理器，所述微控制器或微处理器配置为基于来自相应的温度传感器的信号来控制每个温度控制装置的操作。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的微流控系统，其中，所述温度控制系统配置为独立于每个其他温度控制装置的操作来控制每个温度控制装置的操作。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的微流控系统，其中，所述温度控制系统配置为由可充电电池供电。

10.如前述权利要求中任一项所述的微流控系统，其中，所述温度控制装置中的至少一个包括：

有源加热或冷却元件；和

散热器，其设置在所述有源加热或冷却元件与相应微通道的所述壁之间。

11.根据前述权利要求中任一项所述的微流控系统，其中，所述温度控制装置中的至少一个包括电阻加热器、辐射加热器或热电加热或冷却装置中的一种或更多种。

12.根据前述权利要求中任一项所述的微流控系统，其中，所述微流控室的顶壁、所述微流控室的底壁或两者由光学透明材料形成。

13.根据前述权利要求中任一项所述的微流控系统，包括与所述微流控通道中的第一个相邻设置的次级通道，其中，设置为与所述第一微流控通道的所述壁接触的所述温度控制装置配置为加热或冷却所述次级通道中的材料。

14.根据权利要求13所述的微流控系统，其中，所述次级通道包含具有在目标温度下的熔点的材料。

15.根据权利要求14所述的微流控系统，其中，所述材料包括脂肪酸的组合。

16.根据前述权利要求中任一项所述的微流控系统，包括限定在所述微流控系统的衬底中的反应室，其中，所述反应室与所述微流控室流体隔离。

17.根据权利要求16所述的微流控系统，其中，所述反应室和所述微流控室共享公共壁。

18.根据权利要求16或17所述的微流控系统，其中，所述反应室包括细长通道。

19.根据权利要求18所述的微流控系统，其中，所述反应室包括分支通道。

20.根据权利要求16至19中任一项所述的微流控系统，其中，所述微流控室与所述反应室的至少一部分重叠。

21.一种聚合酶链式反应(PCR)测试系统，包括前述权利要求中任一项所述的微流控系统。

22.一种用于操作微流控系统的方法，所述方法包括：

通过控制相应温度控制装置的操作，将多个微流控通道中的每个中的流体加热或冷却至相应的目标温度，其中，每个温度控制装置设置为与相应的微流控通道的壁接触，并且其中，每个微流控通道流体连接到限定在所述微流控系统的衬底中的微流控室；

控制从每个微流控通道进入所述微流控室的流体流动；和

使生物或化学反应发生在所述微流控室中或在与所述微流控室相邻的反应室中。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，控制从每个微流控通道进入所述微流控室的流体流动包括：控制多个泵的操作，每个泵配置为将流体从相应的一个微流控通道泵入所述微流控室。

24.根据权利要求22或23中任一项所述的方法，其中，控制从每个微流控通道进入所述微流控室的流体的流动包括：控制多个阀的操作，每个阀沿着相应的一个微流控通道设置。

25.根据权利要求22至24中任一项所述的方法，其中，将多个微流控通道中的每个中的流体加热或冷却至相应的目标温度包括：将所述多个微流控通道中的每个中的所述流体加热或冷却至共同的目标温度。

26.根据权利要求22至25中任一项所述的方法，其中，将多个微流控通道中的每个中的流体加热或冷却至相应的目标温度包括：将所述微流控通道中的特定一个中的流体加热或冷却至第一目标温度，该第一目标温度不同于至少一个其他微流控通道的目标温度。

27.根据权利要求22至26中任一项所述的方法，其中，控制所述温度控制装置的操作包括：对于每个温度控制装置，实施所述温度控制装置的闭环反馈控制。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，控制所述温度控制装置的操作包括：对于每个温度控制装置，基于来自与所述温度控制装置接触设置的相应的温度传感器的信号来控制所述温度控制装置的操作。

29.根据权利要求22至28中任一项所述的方法，其中，控制所述温度控制装置的操作包括：独立于每个其他温度控制装置的操作来控制每个温度控制装置的操作。

30.根据权利要求22至29中任一项所述的方法，其中，控制所述温度控制装置的操作包括：

控制第一温度控制装置，以将相应的微流控通道中的所述流体加热至变性温度(例如，95℃)；

控制第二温度控制装置，以将相应的微流控通道中的所述流体加热至延伸温度(例如，72℃)；和

控制第三温度控制装置，以将相应的微流控通道中的所述流体冷却至退火温度(例如，55℃)。

31.根据权利要求22至30中任一项所述的方法，包括从一个或更多个可充电电池向所述温度控制装置供电。

32.根据权利要求22至31中任一项所述的方法，其中，加热或冷却多个微流控通道中的每个中的流体包括：操作电阻加热器、辐射加热器或热电加热或冷却装置中的一种或更多种。

33.根据权利要求22至32中任一项所述的方法，其中，独立地控制从每个微流控通道进入所述微流控室的流体流动包括：控制与所述微流控系统的反应室相邻的流体流动，其中，所述反应室与所述微流控室流体隔离。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述反应室包含生物样品。

35.根据权利要求33或34所述的方法，包括使流体流入或流过所述反应室。

36.根据权利要求35所述的方法，其中，使流体流入或通过所述反应室包括使所述流体沿着细长的分支通道流动。

37.根据权利要求35或36所述的方法，其中，使流体流入或通过所述反应室包括使试剂流入或通过所述反应室。

38.根据权利要求22至37中任一项所述的方法，其中，加热或冷却所述微流控通道中的特定一个中的流体包括：在次级通道包含的材料中引起相变，该次级通道设置为邻近所述微流控通道中的所述特定一个。

39.根据权利要求22至38中任一项所述的方法，其中，所述流体包括试剂。

40.根据权利要求22至39中任一项所述的方法，其中，所述微流控室包括生物样品。

41.一种进行PCR测试的方法，包括如权利要求22至40中任一项所述的方法。

42.一种进行PCR测试的方法，所述方法包括：

控制第一温度控制装置，以将第一微流控通道中的流体加热至变性温度(例如，95℃)；

使加热的流体从所述第一微流控通道流过微流控室并进入第五微流控通道；

控制第五温度控制装置，以将所述第五微流控通道中的流体加热至变性温度(例如，95℃)；

使加热的流体从所述第五微流控通道流过所述微流控室并进入第二微流控通道；

将所述第二微流控通道中的流体冷却至大约为退火温度(例如，55℃)或低于退火温度的温度；

使冷却的流体从所述第二微流控通道流过所述微流控室并进入第三微流控通道；

控制第三温度控制装置，以将所述第三微流控通道中的流体加热至退火温度(例如，55℃)；

使加热的流体从所述第三微流控通道流过所述微流控室并进入第四微流控通道；

控制第四温度控制装置，以将所述第四微流控通道中的流体加热至延伸温度(例如，72℃)；和

使加热的流体从所述第四微流控通道流过所述微流控室并进入所述第一微流控通道。

43.根据权利要求42所述的方法，其中，冷却所述第二微流控通道中的流体包括：控制第二温度控制装置，以将所述第二微流控通道中的流体冷却至大约为退火温度(例如，55℃)或低于退火温度的温度。

44.一种进行实验的方法，所述方法包括：

(a)控制第一温度控制装置，以将第一微流控通道中的流体加热至第一目标温度；

(b)使加热的流体从所述第一微流控通道流过微流控室并进入第二微流控通道；

(c)控制第二温度控制装置，以将所述第二微流控通道中的流体加热或冷却至第二目标温度；和

(d)使所述流体从所述第二微流控通道流过所述微流控室，并且可选地流向所述第一微流控通道或第三微流控通道。

45.根据权利要求44所述的方法，其中，所述第一目标温度和所述第二目标温度相同。

46.根据权利要求44所述的方法，其中，所述第一目标温度和所述第二目标温度不同。

47.根据权利要求44至46中任一项所述的方法，其中，来自所述第二微流控通道的加热的流体流过所述微流控室，并流至所述第三微流控通道，其中，所述方法还包括：

控制所述第三温度控制装置，以将所述第三微流控通道中的流体加热或冷却至第三目标温度；和

使加热的流体从所述第三微流控通道流过所述微流控室，并进入第四微流控通道。

48.根据权利要求47所述的方法，其中，所述方法还包括：

控制第四温度控制装置，以将所述第四微流控通道中的流体加热或冷却至第四目标温度；和

使加热的流体从所述第四微流控通道流过所述微流控室，并进入第五微流控通道。

49.根据权利要求48所述的方法，其中，所述方法还包括：

控制第五温度控制装置，以将所述第五微流控通道中的流体加热或冷却至第五目标温度；和

使加热的流体从所述第五微流控通道流过所述微流控室，并进入第六微流控通道或进入所述第一微流控通道、所述第二微流控通道、所述第三微流控通道、所述第四微流控通道或所述第五微流控通道。

50.一种进行实验的方法，所述方法包括：

(a)控制第一温度控制装置，以将第一微流控通道中的流体加热至第一目标温度；

(b)使加热的流体从所述第一微流控通道流过微流控室并进入第二微流控通道；

(c)控制第二温度控制装置，以将所述第二微流控通道中的流体冷却至第二目标温度(例如，室温)；和

(d)使所述流体从所述第二微流控通道流到第三微流控通道而不通过所述微流控室；

(e)控制第三温度控制装置，以将所述第三微流控通道中的流体加热至第三目标温度；和

(f)使所述流体从所述第三微流控通道流过所述微流控室，并且可选地流向所述第一微流控通道或第四微流控通道。

51.一种对核酸进行测序的方法，所述方法包括：

a)控制第一温度控制装置，以将第一微流控通道中的试剂缓冲液加热至第一目标温度(例如，约60℃)；

b)使加热的试剂缓冲液从所述第一微流控通道流到微流控室，其中，将标记的核苷酸添加到DNA分子中；

c)使洗涤缓冲液和成像缓冲液从第二微流控通道流入所述微流控室，其中，所述洗涤缓冲液和/或所述成像缓冲液可选地由第二温度控制装置加热至第二目标温度；

d)对所述微流控室成像，从而检测所述标记的核苷酸；

e)控制第三温度控制装置，以将第三微流控通道中的裂解缓冲液加热至第三目标温度(例如，约50～60℃)；

f)使裂解缓冲液从所述第三微流控通道流向所述微流控室，从而去除所述标记的核苷酸的3'末端阻断基团；

g)使洗涤缓冲液从所述第二微流控通道流入所述微流控室；和

h)重复步骤a)至g)直到确定所述核酸的序列。

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