[发明专利]具有降低的峰值功耗的集成微流体器件

说明书

技术领域

本发明涉及集成微流体器件，其具有多个在衬底上的用于操纵流体 的腔室(chamber)、一定数量的用于加热所述腔室中的不同腔室的电 加热元件以及用于控制这些加热元件的控制器。

背景技术

微流体器件处于大多数生物芯片技术的核心，其用于流体样本的制 备及其随后的分析。这些样本可以例如是基于血液的。本领域技术人员 应当理解的是，样本溶液可以包含任意数量的物体，包括但不限于几乎 任何有机体的体液，比如血液、尿液、血浆、淋巴、唾液、肛门和阴道 分泌物、汗液和精液：哺乳动物的样本是优选的，并且人类的样本是特 别优选的；环境样本(例如空气、农业、水和土壤样本)；生物战剂样 本；研究样本(即在核酸的情况下，样本可以是扩增反应的产物，所述 扩增反应包括靶(target)和信号扩增)；纯化样本，例如纯化基因组DNA、 RNA、蛋白质等等；未纯化样本和包含细胞、细菌、病毒、寄生物或真 菌(的部分)的样本。

如本领域中所公知的，已经对样本进行了几乎任何实验操作。通常， 术语“生物芯片”或“片上实验室”等等指的是包括至少一个微流体部 件或生物传感器的系统，其快速而可靠地调控、运送、混合并且存储微 量的流体以便实现所希望的更大数量的物理、化学和生物化学反应。这 些器件提供了人类健康评估、基因筛查和病原体检测的可能性。此外， 这些器件具有许多用于操作和/或分析非生物样本的其他应用。生物芯片 器件已经正用来执行一系列任务，例如细胞裂解、材料提取、清洗、样 本扩增、分析等等。它们逐渐用来并行地执行若干制备和分析任务，例 如检测若干细菌疾病。因此，微流体器件和生物芯片已经包含许多部件， 这些部件的数量将随着器件变得更加有效并且更加通用而只会增加。

所述部件中的许多部件是用来感测或修改样本或流体的性质的电 部件，例如加热元件、泵浦元件、阀门等等，并且经常通过直接在器件 的衬底上制造薄膜电子器件来实现。可以被感测或修改的适当性质包括 但不限于：温度；流动速率或速度；压力、流体、样本或分析物的存在 或不存在、浓度、数量、迁移率或分布；光学特性；磁特性；电特性； 电场强度、配置或极性。

聚合酶链式反应(PCR)是一种常用于DNA扩增的方法。该技术需 要循环的温度步阶(temperature step)，其必须是温度上准确的以便允许 实现高效率扩增。当在实验室环境下考虑时，用于PCR的当前系统体积 大且费时，因此，向允许在片上实验室上集成的微型化热循环仪的转移 是非常吸引人的。同样希望的是，拥有在相同芯片上的运行独立的(实 时)PCR过程的多个腔室。

除了PCR之外，在许多生物技术应用中，需要一种允许在无需大的 器件外设以定位I/O管脚的情况下在(一次性)生物芯片或类似系统上成 本有效地制造(生物)化学处理模块的技术，所述(生物)化学处理模 块包括可以被并行且独立地处理的温控反应舱阵列。

为了允许实现准确的温度，必须使用温度控制系统。

研究用于一次性生物芯片(例如PCR热循环仪)的塑料是公知的。 生物和温度兼容塑料(例如聚丙烯和聚碳酸酯等)是用于容器/管格式的 宏观PCR热循环仪中的常见材料。这样的塑料与硅和玻璃相比典型地表 现出更差的热导率，这可能在流体中导致缓慢的热响应和不利的温度均 匀性。然而，其材料和处理(模具复制(mold replication))的成本低使 得其有希望用于一次性PCR芯片的批量生产。

美国申请20030008286中示出了一种用于多腔室独立热控制的热循 环仪，其使用了低成本可重复使用的或一次性微型化反应芯片。该设备 由塑料芯片或者类似低成本的材料制成，包括反应腔室阵列。在所有腔 室填充了反应物之后，将芯片紧压在衬底上，所述衬底典型地为印刷电 路板，在芯片与衬底之间存在一组温度平衡块。位于块与衬底之间的单 独控制的加热器和传感器允许每个腔室遵循其自身的单独的热协议，同 时与所有其他腔室和衬底良好地热隔离。后者停留在大的热沉上以便避 免随着时间的热漂移。

美国专利6043080记载了提供基于PCR的扩增腔室，其具有温度控 制器，用于加热反应以便实现热循环。可以将加热元件或温度控制块设 置在扩增腔室的外表面附近。通过改变提供给加热器的电流以达到反应 的特定阶段的所希望的温度来实现热循环。