[发明专利]用于DNA提取、扩增和分析的微流体设备和方法

说明书

发明领域

本发明涉及微流体样品处理装置、方法和系统。更特别地，本发明涉及具有带被凝胶支持的样品和试剂的微通道的微流体样品处理装置，以及使用微流体样品处理装置的完全集成的便携式DNA分析器。

现有技术的微流体装置有时也被称为“芯片实验室(lab-on-chip)”或“微全分析系统”，通常包括基底以及诸如微通道和口的微结构。这样的微流体装置的使用允许使用专用的微通道，专用的微通道的特征是多层例如硅、玻璃和聚合物的材料，因此允许缩小标准尺寸的设备，使其可以被容易携带。

与标准尺寸的相同类型的装置相比，这样的微流体装置具有各种优点，包括以下事实：仅需要十分少量的样品和试剂，所需要的分析时间更短，并且在其中进行的测试的灵敏度高于在它们的标准尺寸的同类产品中进行的测试。此外，更易于可能减少潜在的污染以及可携带性更强以便到达进行现场分析的现场。

诸如DNA指纹识别的方法通常会耗费约一天或在某些情况下长达一周，并且使用许多不同的装置来完成程序。因此，难以在犯罪发生后不久就利用DNA迅速得到如犯罪嫌疑犯的候选名单。然而，存在可以在这样的现有技术微流体装置中进行的各种操作，例如化学反应、合成、纯化、提取、制作和/或分析。因此，这些操作可以在许多分析领域和诊断领域中获得广泛应用，例如DNA指纹识别、基因分析、临床诊断、药物筛选和环境监测。

与微流体装置相关的制造方法提供了开发新颖的研究工具的吸引人的途径，因为它们引入了将不同的过程集成到一个装置中的可能性，这进而可以导致提高分析测量的可靠性的自动化系统。然而，在某些情况下，由于与不需要将装置耦合于诸如泵的辅助设备而将不连续量的样品从装置的一个区域成功输送至另一个区域相关的高度复杂性，因而已经证明难以进行集成。

现有技术的微流体装置或利用了这些微流体装置的系统通常全部需要外部的流体动力泵送，除了电泳分离以外，这可能是一种操作数微升流体的非常低效的方法，因为其需要过度的死体积。此外，现有技术装置通常包括基于溶液的技术，并且因此难以按照将提供对样品的稳定的电动力控制的方式来在微流体装置内制备和储存试剂，尤其是如果例如气泡进入系统或溶液干燥的话。

特别地，已经证明使用实际的输送机构来组合在单一芯片模块上以便从组织进行DNA提取和纯化、DNA扩增、样品分离和检测，使得各步骤可以由微流体连通的部件以连续方式施行的实际装置难以有效地制造和操作。有效且一致地定位不同的试剂，有效地设置用于接收实际的溶解的组织样品的界面以及用于将所提取的样品恒定地输送通过芯片的有效的输送机构都具有特定的困难。

例如，WO 99/64848描述了部分集成的微流体装置。通过电动力迁移率(电渗透)来在液体中进行运动并且特征是以电动力方式注入到进行电泳分离的凝胶中。检测通过荧光进行并且基于顺序的施用。然而，DNA提取和纯化仍然在芯片外进行。

US2003/190608描述了其中具有优良的DNA/RNA序列的珠被容纳在凝胶中并且以流体动力方式将样品泵送通过凝胶的系统。描述了包括热扩增的混合过程，但是使用泵经由储器来添加试剂，而不是将试剂定位在装置内。荧光检测在芯片上进行，但是未描述分离或对于此特定应用来说不需要分离。此外，DNA提取又是在芯片外进行。

US2005/161327是基于介电泳泵送而不是电动力泵送的装置。样品制备在装置外进行，试剂加入也在装置外进行，并且整个过程是基于溶液的。没有描述分离过程。

WO2007/133710描述了基于塞或微滴的溶液处理，并且主要集中于微滴操作过程，例如混合和分离。试剂并未被保持在装置上。

与将提取、扩增以及分离和检测集成在单一装置内相关的其中一个主要问题是集成损害了单个过程的已知的操作条件。重新优化操作条件是难以实现的，这是因为系统必须作为独立的复杂过程进行操作，在该过程中，单个过程之间的相互作用应是协调的。

由于这些原因和其他原因，已经证明难以获得在单一的芯片上进行提取和纯化、扩增、样品分离和检测的有效的微流体装置。

发明概述

根据本发明，提供了基于凝胶的整体式微流体样品处理装置，包括基底，基底具有多个微通道，以形成至少一个DNA提取室，所述至少一个DNA提取室与扩增室流体配合，扩增室进而与分离和检测通道流体配合；所述微通道容纳DNA提取材料和对于处理所述样品来说所必需的基于凝胶的试剂；装置还包括电接触(electrical contact)，电接触用于耦合至外部电源并且能够引起对整个装置中的所述基于凝胶的试剂和从所述样品提取的DNA的电动力操作。