CN1816393A - 微流体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微流体装置(1)，其包括至少一个一端口与封闭区(6)相连的微通道(2)，其特征在于，该装置还包括与封闭区相连的入口通路(8)和出口通路(9)，二通路之间可流出流体而不与微通道相接触，其中所述入口通路和出口通路的至少之一是可调控的，以调节微通道端口的压力，使其独立于微通道另一端口的压力。

Description

微流体装置
本发明涉及一种微流体装置及其应用。
在诸如生物分子或大分子的分析领域、生物技术、医学用途、化学分析或微电子等技术领域中，需要操作分析体积为1微升或更少量的产品样品。
这允许对极小量的样品进行操作，允许减少所使用的消耗物质用量(载体、标记等)，使对大量样品进行平行试验成为可能，使物质交换或热交换得到加速，以及输送时间得到减少。
目前已开发出称为“微流体装置”或也可称为“全微分析系统(microTAS)”的装置。这些装置通常包括微通道，该装置可对一个样品进行各种自动操作。
例如，微流体诊断装置使例如一滴血这样的样品被分配到微通道中从而进行样品前处理(如细胞裂解或DNA提取或蛋白提取)成为可能，可进行富集或分离(色谱分析、电泳分析)，随后利用各种技术对预定分子进行检测，如利用光学技术(荧光、发光、等离子共振)、电学或电化学技术(传导、循环电流分析)或电子技术(利用场效应晶体管、生物传感器、振动微机械结构等)。
在诸如DNA分析、细胞分选、化学化合物的合成、从一种或多种类中纯化或富集产品、传递热进行冷却或加热组分、核酸扩增反应等应用中，都可以采用这样的微流体装置。
通常，微流体装置可或多或少地包括平面支撑板，其通过雕刻、模制、热压或其它方法制得，尤其是通过电子技术得到。这种装置的制造方法实例在M.Madou的名为“Fundamentals of Microfabrication”，CRC Press，1997的著述中有描述。另一种微流体装置可包括非平面支撑板，例如薄而软的膜。微流体装置可选择性包括或多或少的圆柱形微通道。
用语“微流体装置”是用于描述涉及产品在至少一个微通道中进行输送的装置。用语“微通道”是用于描述一种通道，其长度上至少一部分的横截面的一端至另一端的垂直距离小于1毫米。
微通道可具有的表面积/体积之比大于1mm-1，优选为4mm-1，例如为10mm-1，或甚至为1μm-1。
术语“微通道”还包括纳米通道。
微通道可具有不变或可变的横截面。该横截面可以为，如圆形、长方形、方形或圆盘形。
当横截面为长方形时，微通道的厚度可为，如10μm-100μm，宽度为20μm-1mm，宽度尤其为20μm-500μm。
通常，微通道的长度可为1mm-50cm，尤其为1cm-10cm，进一步为2cm。
微通道的小型横截面带来很多问题，经常遇到的难题与润湿相关，与毛细作用力相关或与流体动力学阻抗相关。
在封闭装置中，样品中可能出现气泡，并会引起涡流(parasitic flow)，这是温度小幅度变化的结果。
在开放装置中，例如与一个或多个储液器连通的开发装置，存在着弯液面、蒸发和水平线不同，也可导致涡流。
为了避免形成涡流，可在微流体装置中引入微阀。但，该解决方案从生产角度而言很复杂，且不能完全克服前述缺陷，特别是与气泡有关的困难。
与微流体装置有关的另一个困难是难于控制流体。
US6 012 902公开了一种利用电场电渗透的微流体装置。该方法的一个限制是仅适用于导电液体，以及对微通道的表面电荷很敏感，微通道的表面电荷随着时间改变，尤其是在检测生物分子时。
已知的还有引入微泵的装置。例如，US 6 408 878公开了将隔膜泵引入微流体装置中。US6 296 020提出在微通道之间利用被动阀。这些装置的生产比较复杂、精细且昂贵。
还有提出将泵用于装置外部。例如，使用注射式微泵。尽管难以利用这些装置来控制小量，但可证明产生的流速太高或由于滞后作用而被阻碍。
也有提出利用蠕动泵的，但这会引起震动，将影响某些用途。
控制流动还可利用液体静压。但，该方法不易获得多种压力。
US2002/033193提出当该微通道充满液体时，通过控制来自微通道的空气的流动而远程开启和关闭通道：利用阀阻止空气流走，液体的流动也就受到阻止。像其中的微通道容纳了气体的所有装置一样，微小的温度变化会引起体积发生巨大变化，从而产生涡流。
在WO01/04909中，与微流体装置的通道相连通的一个或多个关闭的储液器中包含的气体中会产生压力脉冲。正如蠕动泵一样，这会使流体产生震动。且，由于高流体力学微通道通过微通道，因而达到平衡的时间较长，导致难于对流动进行动力控制。最终，气体温度发生微小改变会导致压力的改变，然后又会使流动性质发生变化，需要提供一种可很好调节温度的装置，这样的装置既复杂又昂贵。
WO01/88204公开了一种包括微通道的微流体循环系统，微通道的一端口通向反应室，反应室与双侧空气输送管相连，其中的一侧空气管与正压调节装置相连，另一侧空气管与负压调节装置相连。因此，流经侧面管的空气使反应腔室中反应产生的气体被排掉。该装置承担着在微流体装置中循环气体的作用。如前所述，在更通常的情况下微通道中含有液体，这导致弯液面的存在，因而促使难于控制的气泡产生，给微通道中的处理和输送操作的可重现性带来负效应。
本发明的目的在于提出一种能解决所有或部分前述缺陷的微流体装置，尤其使获得可重现的和可控的流动成为可能。本发明尤其涉及一种微流体装置，其中通过对微通道的至少一端口进行加压或减压而获得微通道内的流动。
因此，根据本发明的一个方案，本发明的主题是一种微流体装置，其包括至少一个微通道，该微通道的一端口与一腔室相联，其特征在于该装置进一步包括与所述腔室相连的入口通路和出口通路，在这两个通路之间可形成流体流而不与微通道相接触，入口通路和出口通路的至少一个是可控的，以调节微通道所述端口的压力，尤其使其独立于微通道另一端口的压力。
本发明能对微通道一端口的压力进行精确控制，因此通过控制入口通路和出口通路的至少之一而控制微通道中的流速，可能获得可重现的流动。
此外，在本发明的一个装置中，微通道中的流动在特征时间之后会停止，与现有微流体装置相比该特征时间较短，因此可更好地对微通道中的流动进行动力控制。
在本发明的一个实施方式中，前述入口通路和出口通路之间的流体可仅在腔室中出现。
因此，在一个实施方式中，如果可能，与微通道所含产品不同的流体通过腔室在入口通路和出口通路之间进行流通。
有利地，在入口通路和出口通路之间流通的流体为气体，而微通道内所含的产品为液体。
本发明尤其适用于控制微通道或微通道网络内的液体流，而不允许气体进入该微通道或该微通道网络，腔室内的气体压力通过液体被传递到相连的微通道。
入口通道和出口通路可直接通至腔室以使前述液体流进入腔室。或者，入口通路和出口通路不直接通至腔室，例如可通过单一管道与该腔室相连，前述液体流则不会进入腔室内。
腔室可被定义为形状较简单的容器，入口通路和出口通路经管道通向该容器。但，腔室的形状也可较复杂，有分支。腔室可以是封闭体，该封闭体一方面与液体入口孔相连，另一方面与液体出口孔相连，该封闭体还在其它地方与微通道的至少一端口相连。在入口孔和出口孔之间流动的液体的压力可以近乎瞬间达到平衡。用语“近乎瞬间”可理解为与所调节的微通道内输送产品的时间相比，达到平衡的时间很快。
根据本发明优选的实施方式，装置的单微通道或多微通道内全部充满液体。每个微通道的一端口可以通过管道与腔室相连，每个微通道和相应管道全部充满一种或多种液体。将气体输送到微通道内的风险也因此受到限制，气体的引入会为气泡的形成带来障碍。
连接腔室与相关微通道的各管道可以是柔性的或刚性的。
所述管道长度的至少一部分横截面可以比微通道的横截面大几个数量级10n，其中n≥1，优选n≥2。
所述管道在腔室和与之相连的微通道端口之间的横截面可以逐渐变窄。
微通道可以包括龟裂状部分，该部分可以为腔室的底部。
微流体装置可包括平板，在平板厚度内至少部分形成一个或多个腔室。在本发明的一个实施方式中，各腔室通过特别是固定在平板上的管道与微通道的一端口相连。
可以通过插入管道并通到管道端口的管将液体产品引入各腔室，可使微通道内形成气泡的风险降低。
单微通道或多微通道可以通过如下方法制得，如在包括两层叠放的平板的支撑板之上或之内进行蚀刻或模制、挤出或注射、热压或冷压，这两个平板中的一个形成微通道底部，另一个形成微通道顶壁。
当装置包括至少部分在平板上形成的一个或多个腔室时，后者优选独立于形成相连微通道的平板，以便更易于制造装置。
至少入口通路和出口通路之一的开口优选与相连腔室底部有一段非零距离，以使腔室内的液体上方存在气体，可利用入口通路和出口通路控制该气体的压力。
各腔室的体积可大于10mm3，例如为1cm3。腔室的体积可为一个范围值，如在10mm3至5ml之间。
在入口通路和出口通路之间的流体流，尤其是气体流可以是连续的，即随时间变化是固定不变的，并没有短时间的脉动。
还可能进行一次性操作如进行微通道或腔室的填充而瞬间干预流体。
有利地，入口通路和出口通路中的至少一个，尤其是出口通路的流体动力微通道损失显著低于微通道的损失，优选比微通道的流体动力损失低至少10倍，更优选低几个数量级10n，n≥2。
在本发明的一个实施方式中，通路中的至少一个——入口通路和/或出口通路包括加压或减压源，如气室、泵、膨胀阀等。或者，通路中的至少一个——入口通路和/或出口通路与外界环境的大气相连通，大气此时也被视为形成压力的压力源。
与入口通路和出口通路相连的压力源分别处于不同的压力，以使出口通路的压力低于入口通路的压力。出口通路和微通道端口之一可共用一压力源，尤其是大气。
优选地，入口通路和出口通路中的至少一个包括渐进式调控阀，尤其是电磁阀或针阀。
在本发明的一个实施方式中，入口通路和出口通路都包括相连的阀。
利用电磁阀控制入口通路和出口通路可尤其调节装置的动力以适应各种需求，而无需手动干预装置。
入口通路和/或出口通路中的至少一个优选与动力调控系统相连，该系统能将入口通路和/或出口通路中的至少一个控制成为与流体或压力有关的一项信息的函数。
该信息项可以例如通过压力传感器或流动或流速传感器进行传递。所述传感器可位于微通道处、腔室内或在入口通路和出口通路内。
前述信息项可尤其通过一系列的传感器，尤其是压力或流速传感器进行传递，这些传感器具有不同的操作范围，因此可测量大范围的压力或流速，尤其可使传感器从一个范围到另一个范围的转变成为可能。
也可以采用其它类型的传感器，如物种或分子检测器、荧光、电化学、吸收、等离子共振、循环电流计、电子或电动检测器、或生物传感器。
调控体系可尤其被设计为能调控入口通路和出口通路的电磁阀，并可包括处理单元，如计算机。
这需要采用高效自动化，如无需人为干预而替换产品样品和/或分离栅格，能将一系列操作连续进行，如分离、清洗、更换产品、引入样品和化学反应等。
该装置使得适当自动调控电磁阀，例如从测量装置中的液体或产品行为的一个或多个传感器带来反馈效应。
入口通路和出口通路可利用图像分析进行监测。尤其是，微通道内的流体可以通过摄像机进行观察，入口通路和出口通路可被调控为作为所观察到的微通道内产品流动的函数，例如使微通道内的所有流体停止流动或测量产品流速。
在本发明的一个实施方式中，微通道的各端与腔室相连，各腔室均与入口通路和出口通路相连，在该入口通路和出口通路之间可形成流体流。
在本发明的一个实施方式中，该装置包括多个微通道，其中至少两个微通道的各一个端口与腔室相连，各腔室均与入口通路和出口通路相连，在该入口通路和出口通路之间可形成流体流，至少通路之一——入口通路和/或出口通路是可控的，以调节相关微通道端口的压力。
前述微通道中至少有两个可以相互连接。
由于本发明能快速调节相连微通道内的流动，可易于分布产品，例如将一个通道内的产品的一部分x输送到第一微通道内，而将另一部分(1-x)输送到第二微通道内，部分x可在0至1之间变化。
尤其当该装置欲进行电泳或电色谱分析时，该装置可包括至少一个电极，优选包括至少两个电极。
当腔室包含用于分布到微通道的产品时，电极优选与产品相接触，后者通过导电液体与微通道相连通。
本发明还可用于多种用途中，例如，对微流体装置内产品中包含的物种进行诊断、分析、纯化或处理的方法，例如所述物种包含离子、原子、分子、大分子、生物大分子如核酸、肽、蛋白质或蛋白质聚集物、寡聚糖、糖肽、抗体、肝素(haptenes)，或细胞器、细胞、有机质、矿物质或有机矿物质颗粒、乳胶、胶束、泡囊(vesicules)或脂质体。
本发明还因此用于组合化学领域中或杂交或亲合性分析领域中。
本发明还用于从微流体装置包含的物种中合成新物种和/或改变产品或物种的理化性质。
或者，本发明还可用于高通量筛选或药物研究中。
本发明还可用于生产调味品。
本发明的装置可被用于进行分选、过滤、液/液提取、处理样品、色谱分析、电色谱分析或电泳分析。
本发明的装置可用于进行化学、生物或酶反应。
本发明可控制微通道内的流体，尤其当流体装置所涉及的某些液体或产品的量在操作中发生了变化，例如在化学反应之后，状态变化时，出现气泡时，如在发生电泳或电渗转移，蒸发或温度改变时。
本发明还受惠于并行采用大量微通道，从而可避免使用复杂而庞大的流体调控系统。
本发明的优势还体现在微通道内的产品粘度小，或当微通道较短，如为10cm或更短，甚或为5cm时，易于形成涡流，甚至在压力发生微小变化后，也会形成涡流。
更通常地，当该流动对性能尤其重要时，如在涉及两种互不相溶的流体(液/液)或高分辨分离的装置内时，本发明尤其适于控制流动。
本发明的微流体装置内还可进行热量转换和交换的方法。因此可使与第二微通道相邻的第一微通道内流通着用于加热或冷却第二微通道内产品的热或冷的液体。该热量的调节可通过调控第一微通道内的流速而进行。
根据本发明的另一方案，本发明的另一主题为一种微流体装置，其包括至少一个微通道，该微通道的各端分别与一腔室相连，各腔室又与入口通路和出口通路相连，入口通路和出口通路之间可形成流体流，入口通路和出口通路至少之一是可控的，以调节微通道端口的压力。
根据本发明的另一方案，本发明的另一主题为一种装置，其包括至少一个微通道，该微通道的一端口与一腔室相连，其特征在于，该腔室与入口通路和出口通路相连，在该二通路之间可形成流体流，入口通路和出口通路至少之一包括一渐进式调控阀，以调节微通道端口的压力。
根据本发明的另一方案，本发明的另一主题为一种微流体装置，其包括至少一个与腔室相连的微通道，该腔室与流体供给装置相连，且具有排出口以使来自于流体供给装置的流体离开腔室，供给装置是可调控的以调节微通道端口压力。
该排出口可由预定横截面的孔形成，如由针阀的孔构成。排出口优选为可调控的，可作为微流体装置特性的函数和微通道内流动的产品的函数。
本发明的另一个主题为微流体装置，其包括一个或多个微通道，其中至少一个微通道的一端口与一腔室相连，该腔室的体积比微通道的体积大5倍以上，优选比微通道的体积大几个数量级10n，其中n≥1，优选n≥2，其特征在于该装置进一步包括与腔室相连的入口通路和出口通路，在该二通路之间可形成流体流，入口通路和出口通路至少之一是可控的，以调节微通道端口的压力。
根据本发明的另一个方案，本发明的另一主题为微流体装置，其包括至少一个一端口与一腔室相连的微通道，其特征在于该装置进一步包括与腔室相连的入口通路和出口通路，在该二通路之间可形成流体流，入口通路和出口通路至少之一是可控的，以调节微通道所述端口的压力，出口通路包括一压力源，压力源由压力井(pressure well)构成，或直接或间接与压力井如大气相连。
根据本发明的另一个方案，本发明的另一个主题为微流体装置，其包括至少一个一端口与一腔室相连的微通道，其特征在于该装置进一步包括与腔室相连的入口通路和出口通路，在二通路之间可形成流体流，入口通路和出口通路至少之一是可控的，以调节微通道所述端口的压力，出口通路包括一压力源，压力源的压力或多或少是恒定的，至少当产品在微通道内流动时是恒定的。
根据本发明的另一个方案，本发明的另一个主题为微流体装置，其包括至少一个一端口与一腔室相连的微通道，其特征在于该装置进一步包括与腔室相连的入口通路和出口通路，在二通路之间可形成流体流，入口通路和出口通路至少之一是可控的，以调节微通道所述端口的压力，流体流的流速明显大于微通道内产品的流速，优选至少大10倍，更优选大几个数量级10n，其中n≥2。
根据本发明的另一个方案，本发明的另一个主题为微流体装置，其包括至少一个一端口与一腔室相连的微通道，其特征在于该装置进一步包括与腔室相连的入口通路和出口通路，在二通路之间可形成流体流，入口通路和出口通路至少之一是可控的，以调节微通道所述端口的压力，入口通路和出口通路中的至少一个，尤其是出口通路的流体动力损失明显小于微通道的损失，优选至少小10倍，更优选小几个数量级10n，n≥2。
根据本发明的另一个方案，本发明的另一个主题为微流体装置，其包括至少一个一端口与一腔室相连的微通道，其特征在于该装置进一步包括与腔室相连的入口通路和出口通路，在二通路之间可形成流体流，入口通路和出口通路至少之一具有流体动力损失，入口通路和出口通路至少之一是可调控的，以调节微通道所述端口的压力，使其独立于微通道另一端口的压力。
本发明的另一个主题为一种压力监测系统，其包括至少一个可与微通道一端口相连的腔室，其特征在于该系统包括与腔室相连的入口通路和出口通路，两个通路之间形成流体流而不与微通道接触，至少入口通路和出口通路之一是可控的，以调节微通道端口的压力。
本发明的另一个主题为一种压力监测系统，其包括至少一个可与微通道一端口相连的腔室，该系统被设计成能使微通道以模块方式与该系统相连，如可使该系统包括数目可被选择以满足微通道需求数目的模块。
该系统还可任选地包括至少一种用于调控微流体装置内除压力以外的参数如电压的模块。
根据本发明的另一个方案，本发明的另一个主题为独立于或与前述主题相联系的微流体装置，其包括：
-第一板，在其厚度内至少部分形成一个或多个腔室，
-至少一个密封元件，用于将至少一个腔室与外界隔离，
-一支撑板，其载有一个或多个微通道，该支撑板尤其包括两个叠放的平板，一个构成单微通道或多微通道的底部，另一个构成顶壁，该支撑板能被压到第一板上，各腔室以密封方式与微通道的一端口相连通。
在本发明的一个实施方式中，腔室通过固定在第一板上的柔性管道与微通道一端口相连通。该管道可被设计用于在安装的第一板和支撑板之间进行密封。
根据本发明的另一个方案，本发明的另一个主题是独立于或与前述主题相联系的微流体装置，其包括：
-微通道，
-通过管道与微通道一端口相连通的腔室，
-插入腔室内的管，该管或多或少地通至管道末端。
根据本发明的另一个方案，本发明的另一个主题是一种用于分离产品所包含的物质的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
-使所述产品循环通过如上定义的微流体装置的微通道或微通道网络，和
-监测微通道或微通道网络内所述产品的流速或微通道的端口之间的压力差。
根据本发明的另一个方案，本发明的另一个主题是一种监测化学反应或状态变化的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
-使所述产品循环通过如上定义的微流体装置的微通道或微通道网络，和
-监测微通道或微通道网络内所述产品的流速或微通道的端口之间的压力差。
本发明可以通过下述详述以及随后的非限定性示例性实施方式和附图得到更好的理解。
图1为本发明第一实施方式的微流体装置的示意性局部视图，该微流体装置包括一个单微通道。
图2以示意性和局部的方式描述了图1微流体装置的实施方式的一个变化形式。
图3以示意性和局部的方式描述了本发明另一个实施方式的微流体装置，该微流体装置包括以交叉结构排列的微通道。
图4A至图4C举例说明了当出口通路分别为关闭、半关闭和全关闭的情况下，响应入口通路开口达一秒时，与入口通路和出口通路相连的微通道一端口的压力变化。
图5以示意性和局部的方式描述了本发明的另一个实施方式的微流体装置。
图6为从图5装置的支撑板上方俯视的示意性局部视图，该支撑板上形成了微通道网络体系。
图7以示意性和局部的方式描述了其上形成了腔室的图5装置的平板。
图8为利用本发明分离DNA而获得的作为时间函数的DNA分离曲线的第一个实施例。
图9为相同方法重复三次而获得的作为时间函数的三个DNA分离曲线的第二个实施例。
发明的第一实施方式
图1描绘了本发明第一个实施方式的微流体装置，其包括微通道2，该微通道通过端口3与第一压力源4相连，微通道的另一端口5通过柔性管道7与封闭的腔室6相连。
腔室6中含有产品S，即实施例中所描述将被分配到微通道2中的液体。
腔室6一方面通过管道13与入口通道8相通，该入口通道8与第二压力源10相连，另一方面该腔室6通过管道14与出口通路9相连通，该出口通路与第一压力源4相连。
第一压力源4的压力为P1，第二压力源10包含压力为P2的气体。
应该注意的是，在本发明中，压力值与参照压力如大气压有关。
本发明的一种变化形式为压力P1或P2之一可自身响应大气压。在这种情况下，相应的压力源(例如压力源4)优选包括与大气相通的压力节气闸，该节气闸用于保护装置免受周围环境压力的影响。
在所述实施例中，压力P2高于压力P1。
利用与氮气缸16相通的压力调节器15使压力P2保持不变。
作为一种变化形式，压力源10可与压缩机的腔室相连。
电磁阀11被置于管道8的路径中以调节来自压力源10的气体的流速。
针阀12被置于管道9的路径中以便控制离开腔室6的气体的流速。
通过调节阀11和12的开口而形成入口通路8和出口通路9之间的腔室6中的气体流。
出口通路9使来自入口通路8的气体排出。
微通道2中产品S的流速I尤其可通过改变微通道2的端口3和5之间的压力P之差来调节。流速I可用下述近似式表示：
I＝r4P/8L
r为微通道的直径，L为微通道的长度。
该式可适用于圆形横截面的微通道，对于其它不同的横截面的通道，可通过Stokes方程而得到其它表达式。
与电路相似，压力P之差与流速I相关，其关系式为：
P＝RI
其中，R为微流体阻力，其表达式为下列近似式：
R＝8L/r4
在有关实施例中，与微通道有关的微流体阻力以Rc表示，与出口通路9有关的阻力以Rf表示，与入口通路8有关的阻力以Re表示。
在稳态条件下，通道中的流速Ic表示如下：
I c = P f R c
其中，Pf＝P1×RfRc/(RfRc+ReRf+ReRc)
应该注意，可通过改变阀11打开的程度调节流速Ic，也就是说，值Re可不断发生改变。
且，关闭阀11后(Re从有限值转换为无限值)，流动的特征停止时间为：
T = V 1 R C / { R C R f + 1 }
V1为腔室6所包含的气体的体积。
在已知装置中，产品腔室并不与出口通路或排出口相连，特征时间T约为(RcV1)。微通道阻力Rc较高，特征时间通常较长，可高至约几十分钟。
本发明的优点是可选择数值Rf，并使特征时间T降至较低数值，如几秒钟。
应该注意，计算Rf值时考虑进去的粘度是气体粘度，即比微通道2中的液体粘度低几个数量级。
在所述实施例中，电磁阀11与调控系统18相连，从而使电磁阀的开口被调控为压力信息的函数，该压力信息是通过测定腔室6内气体压力的压力传感器17所传递的。
因此使对腔室6的气体压力进行动力学控制成为可能。
调控系统18的设置方式可为使其将其它信息项，尤其是与微通道2中产品流有关的其它信息项纳入考虑中。
不违背本发明范围的情况下，针阀12可被电磁阀替代，电磁阀仍与调控系统相连，以便使装置1能完全被自动控制而无需使用者进行干预。
排出口对装置达到平衡所用的特征时间的作用示于图4A至4C。
图4A至4C描绘了时间函数压力的变化。
图4A相当于出口通路的针阀大开口的情形，图4B相当于半开的情形，图4C相当于关闭的情形。
在所有情形下，入口通路的电磁阀已打开1秒的时间。
在图4A中，可以看出腔室内的压力快速达到常数和稳定数值，当入口通路的电磁阀关闭后，在关闭时间比1秒还短的时间内，压力快速返回平衡状态。
在图4B中，可以看出采用效果较差的排出口，一方面，压力使压力传感器达到饱和，另一方面，返回平衡的时间需要10秒左右，这对于流体的调节不利。
最后，当针阀没有打开时，压力传感器在试验的全过程保持饱和状态，可见如果不进行排放，就不可能使通道内的流动停止。
在所述实施例中，仅微通道2的端口5经受了压力调控。
微通道2的端口3和5的压力可同时经受调控，这种情形并不背离本
发明的范围。
本发明的第二实施方式
图2描绘了类似于装置1的微流体装置，其包括通过端口3和5与腔室6和6’相连的微通道2。
腔室6，6’以与装置1相同的方式与入口通路8和8’以及出口通路9和9’相通。
两个入口通路8和8’与同一压力源10相连接，两个出口通路9和9’与同一压力源4相连接。
装置1’使微通道2内的产品S沿一个方向或另一个方向流动。
因此，为了使产品沿着箭头所指方向F流动，需关闭入口通路8’的电磁阀11’，打开出口通路9’的针阀12，因此，微通道的端口3处于压力P1之下。
然后，从入口通路8流向出口通路9的气流抵达腔室6，使腔室6的气压增加而导致产品S沿着箭头F的方向流动，这是微通道2的两个端口3和5之间存在压力差的结果。
为了使产品沿着另一个方向流动，即沿着箭头F’的方向流动，需关闭入口通路8的电磁阀11，而开通出口通路9的针阀12，在入口8’和出口9’通路之间的腔室6内形成了气流。
本发明的第三实施方式
图3描绘了本发明另一个实施方式的微流体装置40。
装置40尤其用于电泳分离中，其包括微流体单元41，其中微通道42-45以交叉结构排列。在所涉及的实施例中，微通道43和44相互延续。
微流体单元41在PDMS块上构建，所用PDMS为Dow corning的商品名Sylgard 184的产品，如Y.Xia，G.M.Whitesides，Angew.Chem.Int.Ed.37，550(1998)的实施例所描述。
PDMS块上开有小孔，以使微通道42-45的端口分别与连接块46上负载的腔室47-50相连通。
微通道端口之一可以与反应室相连。
腔室47-50通过管道54-57再经调控阀58-61与共同的压力源10相连，调控阀的商品名KV Automation 01 216 002 20。
压力源10的类型参照附图1的描述。
在腔室47-50和阀58-61之间，管道54-57与第二管道66-69相连接。
管道66-69控制排出，其可通过购自Upchurch Scientific的针阀62-65进行调节，所述针阀62-65与压力源4相通，如附图1所描述。
与装置1的方式相同，各腔室47-50与受到阀58-61调节的入口通路相连，以及与受到阀62-65调节的出口通路相连。
因此，气流可在阀58-61与相应的阀62-65之间形成。
管道54-57与压力传感器70-73相连，压力传感器70-73用于测量腔室47-50中的气压。
传感器75用于测定压力源10的压力。
电磁阀58-61通过调控系统18进行工作。
微流体单元41被放在倒置的显微镜80上，该显微镜为Zeiss Axiovert135，装有低倍数物镜(10X)。
可进行以下程序以估计装置的特征时间：
首先，通过调控器15调节压力源10的压力，使其相对于大气压为0.01-1bar之间，即103Pa-105Pa之间。
腔室49中部分填充过滤水，其中含有0.1％的商品名为Pluronic F127(BASF)的表面活性剂，以改善润湿度，通过毛细作用可填充通道42-45。
如果需要，为了加快操作或消除残余气泡，可对腔室49进行加压。
从显微镜向下观察，很容易观察到通道42-45已被充满，腔室48和50部分充满过滤水，腔室47部分充满含有颗粒的溶液(例如向水中加入1％的全脂牛奶，牛奶中所包含的油乳液成为流动标记)。
优选向腔室50填充的液面高于其它腔室47-49，腔室50作为参照物。
已发现，通过增加腔室47内的压力，使加了牛奶的水易于进入通道42，并易于以过预先设定的速度流动。
通过调节腔室47-50内的压力，使各腔室42-45内的产品在短的特征时间内随意开始流动或停止流动成为可能。
通过针阀62-65的作用，使随意增加或减少特征时间，如从几分钟至约1秒成为可能。
本发明的第四实施方式
该实施方式说明了图5至图7，微流体装置90包括平板91，在平板厚度内形成腔室92-95。各腔室经出口孔96-99通向平板91的底面。
微流体装置90进一步包括支撑板105，其中形成交叉构造的微通道100-103，侧面微通道101和102相互略微偏移，从图6可以看出。
支撑板105由两个叠放的平板106和107构成，其中之一的106形成微通道底部，而另一个107形成微通道的顶壁。
如图5所示，在平板91上安装支撑板105，各腔室92-95以封闭的方式经固定在平板91上的柔性管道110-113与支撑板105中的微通道100-103的一端口相连。
各管道110-113通向支撑板105内腔室115-118的底部，各腔室115-118与一个微通道的一端口相连。
可通过小直径柔性管120向各腔室92-95注入产品，该柔性管插入相应管道110-113内，柔性管通向管道末端，如图5所示。
管120通向管道110-113末端可使向腔室填充时避免气泡的形成。
管120可与微注射器121相连，该注射器含有被注入腔室的产品，或与微吸液管相连，通过吸入或升高压力吸液管可用于从样品容器如微滴定板中吸取样品。
用密封件122封住各腔室92-95。
将与入口通路124和出口125通路相连的管道123插入各腔室92-95中，以控制腔室内的压力。
各管120可与机电控制的夹持装置127相连，例如设计成使管变形而控制管120内的流速。
本发明的各种用途将在下面阐述。
第一应用实施例：通过电泳分离DNA
该用途利用前述第三实施方式的装置40进行。
将单元41置于放在显微镜80的台子上的磁性线圈内。
将如Doyle，Science，295，2237(2002)所述的TBE缓冲液中的磁性颗粒溶液引入腔室49中，通过略微增加腔室49的压力，使微通道42-45中充满该溶液。
当通道42-45被充满后，向磁性线圈通入电流而形成磁场。通道内产生由磁性柱构成的磁性网。
然后将TBE缓冲液引入腔室47和50中，并将所分析的DNA溶液引入腔室48中。
例如含48.5kbp(千碱基对)的λ噬菌体DNA和含166kbp的T4噬菌体DNA的DNA溶液从通道43和45内的腔室48向腔室50进行循环，腔室48内升压为0.1bar(104Pa)，腔室47和50内的升压较低，为0.02bar(2×103Pa)。
最后，将所有腔室内的压力都卸掉，在腔室47和49内放置电极，使二腔室之间形成电势差，利用该电势差使DNA移向通道44。
可选择的方式为，将电极放在腔室48和50内可阻止通道43和45内所含有的DNA在通道44内产生寄生的背景噪音，如C.S.Effenhauser，A.Manz，H.M.Widmer，Anal.Chem.65，2637(1993)中所述。
利用针阀，可使电极电解产生的气泡不干扰通道内的流体流而逸出。
从图8曲线所示的实施例可以看出，仅用了几分钟就分离出几个峰，而用传统凝胶电泳进行相同的分离，则需要花费12个小时左右。
且，全部操作可以重复数次，而无需对装置进行手工干预，仅通过控制调控体系18，按照要求或以预定程序化的方式即可完成。
本发明所获得的分离曲线具有良好重现性，如图9所示。
第二应用实施例：利用酶进行蛋白消化
在该应用实施例中，将负载胰岛素(tripsine)的载体磁性珠引入微通道中，利用磁铁使这些珠稳定不动，然后使需要消化的含蛋白质的产品通过微通道流通。
本发明可使产生的蛋白片段的运动得到精确调控，并使这些片段易于鉴定，如经过电泳或色谱分析，也可同质谱一同进行分析。
第三应用实施例：多相催化
在该应用实施例中，将催化剂固定在微通道的壁上或被磁铁固定的磁性珠上。
使产品与催化剂进行反应，然后通过微通道进行流通。
第四应用实施例：化学合成
装置40的交叉结构微通道网络可用于从两个微通道输送两种试剂，如从通道42和45向微通道的交叉处输送，然后观察那里发生的反应动力学。例如，另两个微通道43和44可用于移走反应产品。

Claims (25)

1.一种微流体装置(1，1’，40，90)，其包括至少一个微通道(2，42-45，100-103)，该微通道与腔室(6，6’，47-50，92-95)的一端口相连，其特征在于，该装置进一步包括与腔室相连的入口通路(8，8’，124)和出口通路(9，9’，125)，该两个通路之间形成流体流而不与微通道接触，至少通路之一——入口通路和/或出口通路是可控的，以调节该微通道端口的压力，使其独立于微通道的另一端口的压力。
2.如前述一项权利要求所述的装置，其特征在于，在入口通路和出口通路之间的腔室(6，6’，47-50，92-95)内流通的该流体与微通道(2，42-45，100-103)内所含的产品不同。
3.如前述一项权利要求所述的装置，其特征在于，在入口通路和出口通路之间流通的流体为气体。
4.如权利要求2和3之一所述的装置，其特征在于，微通道(2，42-45，100-103)内所含的产品为液体。
5.如前述各权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，微通道(2，42-45，100-103)的表面积/体积比大于1mm-1，优选为4mm-1，例如为10mm-1，甚至为1μm-1。
6.如前述各权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，腔室(6，6’，47-50，92-95)的体积为10mm3至5ml。
7.如前述各权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，在入口通路和出口通路之间流通的流体为连续的。
8.如前述各权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，入口通路和出口通路中的至少一个，尤其是出口通路的流体动力损失低于微通道的流体动力损失，优选比微通道的流体动力损失低至少10倍，更优选低几个数量级10n，n≥2。
9.如前述各权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，微通道通过管道(7)与腔室相连，而腔室优选全部填满一种或多种液体。
10.如前述各权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，入口通路和出口通路都包括压力互不相同的压力源(4，10)。
11.如前述各权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，出口通路和微通道的端口之一与共同的压力源(4)相连接。
12.如前述各权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，至少通路之一——入口通路和/或出口通路包括渐进式调控阀(11，11’，12，58-61，62-65)。
13.如前述一项权利要求所述的装置，其特征在于，该阀为电磁阀或针阀。
14.如前述各权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，至少通路之一——入口通路和/或出口通路与动力调控系统(18)相连，该系统能将入口通路或出口通路控制成为与流体或压力有关的一项信息的函数。
15.如前述一项权利要求所述的装置，其特征在于，该信息项通过一系列具有不同工作范围的传感器输送，尤其是通过压力或流速传感器输送。
16.如前述各权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，单微通道或多微通道可以在支撑板之上或之内通过如蚀刻、模制、挤出或注射、热压或冷压方式形成。
17.如前述各权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，各腔室通过管道与微通道的一端口相连通，液体产品是通过引入管道内且通向管道末端的管而被供应到各腔室内的。
18.如前述各权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，微通道的每一端口都与腔室相连，各腔室均与入口通路和出口通路相连，在该入口通路和出口通路之间可形成流体流。
19.如前述各权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，该装置包括多微通道，其中至少两个微通道的各一个端口与腔室相连，各腔室均与入口通路和出口通路相连，在该入口通路和出口通路之间可形成流体流，至少通路之一——入口通路和/或出口通路是可控的，以调节微通道端口的压力。
20.如前述各权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，该装置至少包括一个电极，优选包括两个电极。
21.如前述一项权利要求所述的装置，其特征在于，该电极被放置在腔室内，该腔室通过导电液体与微通道相连通。
22.如前述各权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，该装置包括至少部分在一个平板上形成的一个或多个腔室，该腔室优选与形成相关微通道的平板相分离。
23.前述各权利要求中任意一项所述的装置的下述应用之一：对装置内产品所含的物种进行诊断、分析、纯化或处理的方法、合成物种的方法、改变物种的物理或化学性质的方法、高通量筛选方法、或药物研究方法、色谱分析法、电色谱分析法、或电泳方法、或将热传递到装置内的方法。
24.一种用于分离产品中所含物质，或监测化学反应或状态变化的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
-使该产品循环通过权利要求1至22任意一项所述的微流体装置的微通道或微通道网络，和
-监测该微通道或微通道网络中产品的流速或微通道各端口之间的压力差。
25.一种压力监测系统，其包括至少一个可与微通道的一端口相连的腔室，该系统被设计成能使微通道以模块方式与该系统相连。
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