专利名称：提供样本输入至结果输出处理的单体生物芯片以及制造方法
提供样本输入至结果输出处理的单体生物芯片以及制造方
法
背景技术：
微流体领域可被宽泛地定义为涉及较小流体量(一般是小于一毫升)的操作。在临床测定中使用微流体量的概念可代表日期回溯至1960年代晚期和1970年代早期的对于常规方法上的重大改进。尽管在这个领域的技术人员了解，小量分析可导致这样的便携式仪器，其要求较少的实验室空间、改进的精度和准确度、增加的吞吐量、减少的成本、且与真自动化(true automation)兼容，但是在那个时期所研发的系统较为简单且没有实现微流体的期望优势。一个早期系统是基于对1-10 μ I的样本和70-110μ I的试剂的分析，样本和试剂被转移并被混合在较小的离心转子中(Anderson, N.(1969).Computer interfaced fastanalyzers.Science 166:317-24;和 Burtis, C 等(1972).Development of a miniaturefast analyzer.Clinical Chemistry 18:753-61)。该转子可能是第一次报导的微流量生物芯片。在1990, Manz进一步特征化了微流体领域的理论基础，Manz创造了术语“微型全化学分析系统”或“ μ -TAS”，来定义他所认为的下一代微流体设备应是怎样的。Manz提出这样的设备应该能执行所有要求的样本处理步骤。Manz所陈述的目的帮助建立了微流体的现代时期中的主要目标:来给出整体(换言之，全部)集成的分析系统，在不需要操作人员干涉的情况下，能执行从样本的插入到结果的生成的一系列复杂的处理步骤。这展望了将一系列复杂的采样操作和处理步骤集成，这已导致短语“芯片上的实验室”的广泛采用。在第一次早期努力之后继续的是对于离心系统的工作，且导致了使用微流体致密盘驱动(compact disc drive)的夹层免疫测定的商用离心系统。然而,该系统并不是完全地集成的；且更准确地应该被称为一个工作站，其中试剂被机械地传递至致密盘，并自致密盘传递出。进一步，基于将样本通过捕集柱，免疫测定是非常简单的。尽管该系统使用微流体量来减少试剂成本，但所带来的是既没有实现提供全集成系统的微流体的展望、也没有实现集成一系列复杂的采样操作和处理步骤的微流体的展望。类似地，其他工作人员通过软雕(soft embossing)制造了聚甲基丙烯酸甲酯[PMMA]的自旋生物芯片，来从全血中分馏血浆。已经有自旋微流体生物芯片的应用，用于测量血浆样本中感兴趣的各种分析物。然而，这个设备是为简单分析测试而研发的，例如建立血液样本中感兴趣的分析物的量。样本并不经受一系列复杂的采样操作和处理步骤，且即使在近二十年的研发后，仍具有与已经建立的常规测定相关的可靠性问题。一般而言，基于⑶的生物芯片具有一些主要的缺点和限制。首先，它们不能实现充分的处理复杂度。这些生物芯片受限于相对简单的处理，诸如特定细胞分离(用作常规离心仪器的替代物)以及用于高吞吐量的免疫测定(用作常规测定的混合与培育的替代物)。其次，使用离心力作为流体运输的驱动是受限的。例如，旋转生物芯片的要求对于采样处理的方法提出了深刻的限制，样本必须被间接引入(要求人工干涉或附加仪器)或直接引入(如，血液收集管或拭子也要经受离心)。进一步，自旋生物芯片内的处理流是单向进行的，且该生物芯片的半径限制了可用于发生样本处理步骤的面积(限制处理复杂度的因素之—)o伴随地，基于⑶的生物芯片的替代物已经被研究。多组人员已经研究了基于使用SBS (生物分子筛选学会，微型板标准研究委员会，ANSI/SBS1，丹伯里，CT，2004)标准的微量滴定板的微流体生物芯片。SBS研究了微滴定板的一系列标准，包括尺寸(127.76乘85.48mm, 10，920.9mm2)、高度、和底部外缘尺寸和井的位置(well positions)。这些标准被商业企业和学术团体所采用，而不论所使用的制造工艺。微流体微量滴定板已经被研发用于多种处理，包括DNA提纯和蛋白质结晶。这些生物芯片要求引入之前的样本预处理，仅执行DNA提纯处理的两个步骤，且并不执行该处理的DNA产物的任何分析。类似地，其他组人员已经使用了基于SBS标准的矩形微流体板用于这样的任务:诸如纳升(nanoliter)量试剂的混合、活细胞显微过程中的介质交换、以及分配细胞和试齐U。又一些工作人员已经修改矩形生物芯片使其适于被用于机器人系统中用于高吞吐量地将试剂分配到井中。另一组研发了矩形生物芯片，用于通过井中井设备(well-1n-a-welldevice)中的生物信号放大进行蛋白质检测。在生物芯片的研究过程中，基于使用SBS格式的微流体特征的数个“集成流体通路”已经被商业化了。例如，生物芯片使用可为48个SNP中的每一个来询查48个样本的阵列进行单核苷酸多样性(SNP)。首先在微流体板外准备提纯的DNA和反应混合物、将该板放在控制器上、预先准备好(prime)该板、在该板上加载并混合试剂达45分钟以上、将该板放在PCR的热循环仪上、并将该板转移至荧光检测仪器，来进行这个处理。这些生物芯片要求引入之前的样本预处理，要求在芯片上样本处理过程中的数个手动步骤，不结合试剂、且不执行该处理的DNA产品的任何分析。类似的商用方法使用井板微流体技术,将微米级流槽(flow cel I)设备结合到SBS标准的井板中。这个处理要求数个预处理步骤，包括手动地引入感兴趣的蛋白质来涂覆微流体通道、灌注该通道、洗刷、手动准备感兴趣的细胞样本、将该细胞样本添加至微流体通道、并将该板放在工作站用于进一步处理与分析。已经应用了类似的方法，通过将上皮细胞暴露给各种化合物，来研究伤口治疗。这些生物芯片要求在引入之前的广泛的样本预处理。现有技术的微流体生物芯片中的大多是基于使用诸如硅或玻璃之类的材料来制造生物芯片。然而，硅和玻璃的生物芯片对于制造高容量的商业应用是极其昂贵的(对于单个生物芯片，成本高达数千美金)，且因此对于单次使用即弃是不实际的。另外，需要重复使用这些生物芯片的需要带来逐次之间的污染(人员识别和医疗诊断的问题)、如果生物芯片为在仪器中重复使用而制备所带来的与仪器复杂度相关的问题、以及如果生物芯片为在仪器外重复使用而制备所带来的与后勤(logistics)相关的问题。为了实现微流体的未被实现的潜力，所需要的是这样的微流体生物芯片和系统，它们能为一个或多个样本执行一系列复杂的处理步骤，与之并行的是，其中不需要操作人员干涉的完全集成的、样本输入到结果输出的系统的设置。然而，至今为止所研发的生物芯片仅执行了分析所需的步骤的子集，不能执行复杂的一系列处理步骤、且不能在单个设备上产生分析结果。进一步，这些生物芯片和系统使用了不宜于大规模生产的材料和方法。

发明内容
一般而言，在一个方面，此处描述的技术涉及生物芯片，其具有将从样本插入到结果产生的复杂过程中的所有步骤集合、在不需要操作人员干涉的情况下执行这些所有步骤。在一实施例中，根据本发明技术的生物芯片包括微流体和宏流体特征，它们由一系列处理步骤中的仪器子系统所作用。在另一个方面，该技术涉及用于制造复杂生物芯片使其包括高特征密度的方法。在一个实施例中，该方法包括塑料材料的注模来形成该生物芯片。在另一个方面，该技术涉及生物芯片，该生物芯片一旦被插入具有气动、热、高压、和光学子系统、和处理控制器的电泳仪器中，则会从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱(sizing profile)。该生物芯片包括:结合流体子组件和气动子组件的宏流体处理子组件。该宏流体处理子组件包括适于容纳样本的至少一个腔室。该流体子组件包括流体板、以及适于连接至热子系统的至少一个流体运输通道和扩增腔室。气动子组件适于连接至仪器的气动子系统、和连接至生物芯片的子组件。气动子组件包括气动板和一个或多个驱动线，从而根据来自所述处理控制器的指令来气动地驱动液体。该生物芯片还包括适于连接至仪器上的高压和光学子系统和处理控制器的分离与检测子组件。该分离与检测子组件包括分离通道和检测区，被放置为将来自每一个通道的信号传送至仪器上的光学子系统。该生物芯片是塑料的、静止的、和单体的，且流体和/或气动板的覆盖面积为约86mm乘128mm或更大(如，约100x150mm或更大、约115x275mm或更大、约115x275mm或更大、约140x275或更大、165x295或更大)。在另一个方面，该技术涉及生物芯片，该生物芯片一旦被插入具有气动、热、高压、和光学子系统、和处理控制器的电泳仪器中，则从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱(sizing profile)。该生物芯片包括:结合流体子组件和气动子组件的宏流体处理子组件。该宏流体处理子组件包括适于容纳样本的至少一个腔室。该流体子组件包括流体板、以及适于连接至热子系统的至少一个流体运输通道和扩增腔室。气动子组件适于连接至仪器的气动子组件、和连接至生物芯片的子组件。气动子组件包括气动板和一个或多个驱动线，从而根据来自所述处理控制器的指令来气动地驱动液体。该生物芯片还包括适于连接至仪器上的高压和光学子系统和处理控制器的分离与检测子组件。该分离与检测子组件包括分离通道和检测区，被放置为将来自每一个通道的信号传送至仪器上的光学子系统。该生物芯片是塑料的、静止的、和单体的，且流体和/或气动板的覆盖面积小于10，920.0mm2且并不符合SBS标准。在另一个方面，该技术涉及生物芯片，该生物芯片一旦被插入具有气动、热、高压、和光学子系统、和处理控制器的电泳仪器中，则从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱(sizing profile)。该生物芯片包括结合流体子组件和气动子组件的宏流体处理子组件。该宏流体处理子组件包括位于其中或其上的至少一个宏流体特征和能接收样本的腔室。该流体子组件包括流体板、和位于其中或其上的至少一个特征。该流体子组件还包括适于连接至热子系统的至少一个流体运输通道和扩增腔室。气动子组件适于连接至仪器的气动子组件、和连接至生物芯片的子组件。该气动子组件包括气动板、和位于其中或其上的至少一个特征。气动子组件还包括一个或多个驱动线，从而根据来自所述处理控制器的指令来气动地驱动液体。该生物芯片还包括适于连接至仪器上的高压和光学子系统和处理控制器的分离与检测子组件。该分离和检测子组件包括位于其中或其上的至少一个特征。该分离与检测子组件还包括分离通道和检测区，被放置为将来自每一个通道的信号传送至仪器上的光学子系统。该生物芯片是塑料的、静止的、和单体的，且流体、气动、和/或分离与检测子组件中的一个或多个特征的物理状态适于在25个或更多步骤(如，50或更多、100或更多、200或更多)的脚本化处理(scripted process)中改变。在一些实施例中，该脚本化处理步骤导致发生在该生物芯片中的两个或更多的结果处理步骤。在另一个方面，该技术涉及单体、静止的生物芯片，该生物芯片一旦被插入具有气动、热、高压、和光学子系统、和处理控制器的电泳仪器中，则从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱(sizing profile)。该生物芯片包括结合流体子组件和气动子组件的宏流体处理子组件。该宏流体处理子组件包括适于容纳样本的至少一个腔室。该流体子组件包括流体板，该流体板具有粘接在其上的顶部和底部图案化热塑板，从而在该板的每一侧上形成至少一个液体运输通道和适于连接至热子系统的扩增腔室。气动子组件适于连接至仪器的气动子系统、和连接至生物芯片的子组件。气动子组件包括具有粘接在其上的顶部图案化的热塑板的气动板，和一个或多个驱动线，从而根据来自所述处理控制器的指令来气动地驱动液体。该生物芯片还包括阀子组件，位于流体和气动子组件之间并连接至这两个子组件，和分离与检测子组件，适于连接至该仪器的高压和光学子系统和处理控制器。该分离与检测子组件包括至少一个分离通道，且还包括检测区，其被放置为将来自至少一个分离通道的每一个的信号传送至所述仪器上的光学子系统。这项技术的这个方面的一些实施例包括下面特征的一个或多个。宏流体、气动、流体、和分离与检测子系统中的一个或多个由塑料制成。在一些实施例中，该阀子系统包括至少一个弹性体阀。在一些实施例中，该阀子系统包括至少一个非弹性体阀。在一些实施例中，该分离与检测子组件被取向为使得在该分离与检测子组件中的样本的电泳在与通过流体板的大体的样本流动的方向相反的方向中进行。在各实施例中，该生物芯片包括被需要来处理该生物芯片中至少一个样本的所有试剂。在另一个方面，该技术涉及用于处理生理样本的系统。该系统包括生物芯片和处理控制器。该生物芯片一旦被插入具有气动、热、高压、和光学子系统、和处理控制器的电泳仪器中，贝1J从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱(sizing profile)。该生物芯片包括结合流体子组件和气动子组件的宏流体处理子组件。该宏流体处理子组件包括适于容纳样本的至少一个腔室。该流体子组件包括流体板，该流体板具有粘接在其上的顶部和底部图案化热塑板，从而在该板的每一侧上形成至少一个液体运输通道和适于连接至热子系统的扩增腔室。适于连接至所述仪器的气动子组件、以及连接至所述生物芯片子组件，的气动子组件，包括具有粘接在其上的顶部图案化热塑板的气动板、以及一个或多个驱动线，用于根据来自处理控制器的指令气动地驱动液体。该生物芯片还包括阀子组件，位于流体和气动子组件之间并连接至这两个子组件，和分离与检测子组件，适于连接至该仪器的高压和光学子系统和处理控制器。该分离与检测子组件包括至少一个分离通道，和检测区，被放置为将来自至少一个分离通道的每一个的信号传送至该仪器上的光学子系统。该仪器的处理控制器包括指令来执行25或更多的自动的脚本化处理步骤。在另一个方面，该项技术的特征在于制造生物芯片的方法。该方法包括注模流体板，来包括流体顶部表面、流体底部表面、和从流体顶部表面延伸至流体底部表面来将流体顶部表面连接至该底部表面的一个或多个通孔。流体顶部表面和底部表面各自包括多个微流体特征。该方法还包括注模气动板，来包括气动顶部表面、气动底部表面、和从气动顶部表面延伸至气动底部表面来将气动顶部表面连接至该底部表面的一个或多个通孔。气动顶部表面和底部表面各自包括多个微流体特征。该方法还包括将气动和流体板对齐来形成生物芯片，其中流体和/或气动板的覆盖面积为86mm乘128mm或更大，且流体板和/或气动板的多个微流体特征中的至少一个包括小于2度的斜度角(draft angle)。 在另一个方面，该项技术的特征在于用于在单体生物芯片中的至少一个未处理样本上执行从样本输入到结果输出的自动电泳的方法，该生物芯片具有与流体子组件和气动子组件液体相通的宏流体处理子组件。该方法包括:(a)将该至少一个未处理样本插入宏流体处理子组件中的腔室内；(b)将该生物芯片插入一仪器中，该仪器具有气动子系统、热子系统、高压子系统、光学子系统、和处理控制器，该处理控制器可接收预定处理脚本并通过读取该处理脚本和控制该气动子系统、热子系统、高压子系统、和光学子系统自动地实现该处理脚本；(C)激活该处理控制器来执行该处理脚本，该处理脚本包括指令来:(i)通过将来自该气动子系统的压力施加至气动子组件的阀线或与该气动子组件液体相通，来初始化该生物芯片；(ii)通过以下步骤从该未处理的样本中提纯DNA:将来自气动子系统的压力施加至宏流体处理子组件来释放存储在其中的试剂、将来自气动子系统的压力施加至被释放的试剂来形成来自未处理样本的细胞裂解物、施加来自气动子系统的压力将使裂解物通过流体子组件中的提纯过滤器进入容纳腔室来将裂解物中的DNA结合至该过滤器、施加来自气动子系统的压力从而释放存储于宏流体处理子组件中的水溶液流过提纯过滤器来从被结合的DNA中移除污染物；施加压力来使得空气流过该提纯过滤器从而干燥被结合的DNA，施加来自气动子组件的压力来释放存储于宏流体处理子组件中的洗提溶液从而从该提纯过滤器释放被结合的DNA，产生包含被提纯的DNA的洗出液；(iii)通过将来自气动子系统的压力施加至气动子组件，来将该洗出液传输至包含冻干的PCR反应混合物的重构腔室；(iv)将被重构的PCR反应混合物传输至流体子组件中的热循环腔室；(V)通过初始化热循环方案，施加热至该热循环腔室从而从该PCR混合物中产生带标签的扩增子(labeledamp I icons) ； (vi)通过将来自气动子系统中的压力施加至气动子组件,将该带标签的扩增子和存储于宏流体处理子组件中的甲酰胺试剂传输至流体子组件中的联结腔室(joiningchamber);该带标签的扩增子和甲酰胺试剂形成甲酰胺-PCR产品混合物；(vii)通过将来自气动系统的压力施加至气动子组件来传输该甲酰胺-PCR产品混合物，来将该混合物流动至ILS块状物腔室，用于与ILS块混合来产生分离与检测样本；(viii)通过施加来自气动系统的压力施加至气动子组件，将该分离与检测样本传输至流体子组件中的阴极腔室；(ix)通过施加来自高压子系统的电压来偏压阴极和阳极，来准备流体子组件的阳极与阴极用于该分离与检测的分离；(X)通过将来自气动子系统的压力施加至该气动子组件，将来自流体子组件中的胶状物试剂盒(gel reagent reservoir)的胶状物传输至该流体子组件的阴极腔室和废弃物腔室；(xi)通过将电压通过高压子系统施加至阴极和阳极，在分离通道中注射并分离该分离与检测样本；并且(xii)通过激活光学子系统中的激光，实现分离与检测样本的被分离的组分的荧光。该方法还包括自动检测被分离的组分的荧光信号，从而从至少一个未处理的样本中提供分离与检测样本。在另一个方面，该技术涉及用于为至少一个生理样本提供至少两种类型的样本输入到结果输出的系统。该系统包括静止的生物芯片和包含用于与该生物芯片交互的气动、热、高压、和光学子系统、和处理控制器的仪器。该静止的生物芯片包括结合流体子组件和气动子组件的宏流体处理子组件。该宏流体处理子组件包括适于容纳样本的至少一个腔室。该流体子组件包括流体板、以及至少一个流体运输通道和适于连接至热子系统的扩增腔室。适于连接至所述仪器的气动子系统、以及连接至所述生物芯片子组件，的气动子组件，包括气动板、以及一个或多个驱动线，用于根据来自处理控制器的指令气动地驱动液体。该生物芯片还包括适于连接至仪器上的高压和光学子系统和处理控制器的分离与检测子组件。该分离与检测子组件包括分离通道，和检测区，其被放置为将来自每一个通道的信号传送至仪器上的光学子系统。该生物芯片还包括用于样本处理的至少两个不同的路径。这至少两个不同路径中的每一个专用于不同的分析处理。该仪器的处理控制器包括一组指令来在不同的分析处理中处理该至少一个生理样本。在一些实施例中，该不同的分析处理是STR分析和单核苷酸多样性分析。在一些实施例中，不同的分析处理是多重扩增和DNA测序。在一些实施例中，不同的分析处理是STR分析和线粒体DNA测序。在一些实施例中，不同的分析处理是逆转录PCR和常规PCR。在一些实施例中，该不同的分析处理是DNA测序和单核苷酸多样性分析。在另一个方面，该技术涉及用于包含宏流体块和盖(cover)的生物芯片的试剂存储容器。该宏流体块包括具有顶端和底端的试剂存储腔室；结合至该底端的第一箔片密封；和粘接至该顶端的第二箔片密封。试剂被存储在箔片密封的腔室中，且通过施加气压通过盖以使顶部和底部箔片破裂、释放出试剂存储腔室中的内容物，试剂被释放。上述方面的各实施例可包括下面特征的一个或多个。在一些实施例中，该试剂存储容器连接至流体子组件。在一些实施例中，该试剂存储容器还包括置于该容器和流体子组件之间的间隔板，以使该间隔板的尺寸被选定为容纳破裂之前的第一箔片的膨胀。本技术存在众多优势，包括但不限于、至少没有操作人员干涉以及减少的制造成本。


通过参考以下结合附图的描述可更好地理解以上描述的本技术的优点连同其他优点。附图不一定是按比例绘制的，相反重点一般在于解说本技术的原理。图1是单个试管试剂存储与释放设备的实施例的侧视示意图。图2是包括在利用试剂存储释放破裂的5样本生物芯片组中所包括的间隔板的实施例的照片。图3是间隔板的一部分的截面示意图。图4是各种厚度的铝箔的破裂压力与腔室直径的对比关系的示图。图5是包括六个试剂存储腔室的试剂存储释放单元的透视示意图。图6是图5的试剂存储释放单元的俯视图，示出粘接至每一个腔室的顶端的顶部箔片。图7是示出在破裂后试剂存储释放单元的两个箔片的俯视图。图8是气动致动的弹性材料阀结构的实施例的俯视示意图。图9是图8的气动致动的阀结构的截面示意图。图10是具有PSA带的弹性薄膜阀的实施例的俯视图。图11是图10的阀的截面视图。
图12是具有刚性阀薄膜的气动致动的阀的实施例的俯视示意图。图13是图12的具有刚性阀薄膜的气动致动的阀的截面图。图14是被夹紧的弹性薄膜阀的实施例的俯视示意图。图15是图12的被夹紧的弹性薄膜阀的剖视图。图16是被用于根据本技术的生物芯片的实施例中的通气(vent)薄膜的截面示意图。图17是被用于根据本技术的生物芯片的另一个实施例中的通气(vent)薄膜的截面示意图。图18是根据本技术的生物芯片的实施例的气动板的俯视示意图，其中歧管和周围区域是展开的。图19是根据本技术的生物芯片的实施例的气动板的仰视示意图，其中歧管和周围区域是展开的。图20是根据本技术的生物芯片的实施例的流体板的透明视示意图，其中提纯区和周围区是展开的。图21是被用于施加受控力在生物芯片上的气动激活的圆柱体的照片。图22是对于由图21的气动激活的圆柱体施加至生物芯片的各压力，比较在每一个STR轨迹(locus)处的信号强度的柱状图。在该图中，对于每一个轨迹，施加了 75、112、187、224、299、和336psig的压力，为每一个压力记录信号强度(从左到右压力增加)。图23是根据本技术的注模生物芯片的实施例的俯视示意图。图24是根据本技术的生物芯片的流体层I的实施例的俯视示意图。图25是根据本技术的生物芯片的流体层2的实施例的俯视示意图。图26是根据本技术的生物芯片的气动层I的实施例的俯视示意图。图27是根据本技术的生物芯片的气动层2的实施例的俯视示意图。图28是包括了粘接至图25的第二流体板的图24的第一流体板的流体子组件的实施例的透明俯视示意图。图29是包括了粘接至图27的第二气动板的图26的第一气动板的气动子组件的实施例的透明俯视示意图。图30是通过将图29的气动子组件安装至图28的流体子组件形成的生物芯片的透明俯视示意图。图31是用于结合生物芯片的气动和热循环仪器的实施例的照片。图32是在根据本技术的生物芯片中的样本的PCR分析的STR曲线。图33是包括在根据本技术的流体子组件的实施例中的流体板的实施例的俯视示意图。图34是图33的流体板的仰视示意图。图35是示出该板的顶部和底部侧的特征的流体板的透明示意图。图36是用于安装至该流体板顶部的图案化薄膜的实施例的俯视示意图。图37是用于安装至该流体板底部的图案化薄膜的实施例的仰视示意图。图38是流体板的实施例的俯视示意图，具有示出单个样本通过流体板的路径的线。
图39是图38的流体板的俯视的展开示意图，示出通过提纯区的一部分路径。图40是图38的流体板的俯视的展开示意图，示出通过扩增区的一部分路径。图41是图38的流体板的俯视的展开示意图，示出通过分离与检测区的一部分路径。图42是包括在根据本技术的气动子组件的实施例中的气动板的实施例的俯视示意图。图43是图42的气动板的仰视示意图。图44是示出图42的气动板的顶部和底部侧的特征的流体板的透明示意图。图45是用于安装至该气动板顶部侧的图案化薄膜的实施例的俯视示意图。图46是用于安装至该气动板底部侧的图案化薄膜的实施例的仰视示意图。图47是被包括在宏流体处理子组件的实施例中的宏流体块的实施例的透明示意图。图48是宏流体块的盖的顶层的实施例的俯视示意图。图49是盖的顶层的实施例的仰视示意图。图50是盖的顶层的俯视透明示意图。图51是宏流体块的盖的第二层的另一个实施例的俯视示意图。图52是宏流体块的盖的第三层的另一个实施例的俯视示意图。图53是图52的盖的第三层的实施例的仰视示意图。图54是盖的第二层的俯视透明不意图。图55是压模的分离与检测生物芯片的实施例的俯视示意图。图56是用于样本的动电传输的交叉注入的分离与检测生物芯片的实施例的俯视示意图。图57是根据本技术的生物芯片的实施例的叠加的侧视示意图。图58是根据本技术的生物芯片组件的实施例的照片，且包括箭头来指示处理流的方向。图59是图58的生物芯片组件的照片。该生物芯片组件与光学子系统、热子系统、高压子系统和气动子系统、以及处理控制子系统交互。图60是为在根据本技术的生物芯片的实施例中的对照(control) ILS样本(用ROX荧光地作标签的片段)而产生的对照电泳图谱。图61是示出，在自动脚本之后，为一个口腔拭取样本而产生的STR片段的尺寸的电泳图谱。被用于对PCR反应混合物中的STR引物和ILS的每一个加标签的荧光染料被图示于不同面板(panel)中。在被标签的片段中的荧光被图示于顶部面板、JOE-标签的片段被图示于从上开始的第二面板中、TAMRA-标签的片段被图示于从上开始的第三面板中、且ROX-标签的ILS片段被图示于底部面板中。图62是根据本技术的流体子组件的流体层的实施例的俯视示意图。图63是图62的流体板的仰视示意图。图64是示出图62的顶部侧特征和图63的底部侧特征的流体板的透明示意图。
图65是注模流体板的实施例的照片。图66是用于安装至图65的流体板顶部侧的顶部图案化薄膜的实施例的俯视示意图。图67是用于安装至图65的流体板底部侧的底部图案化薄膜的实施例的仰视示意图。图68是流体板的实施例的俯视示意图，具有示出单个样本通过流体板的路径的线。图69是图68的流体板的俯视的展开示意图，示出通过提纯区的一部分路径。图70是图68的流体板的俯视的展开示意图，示出通过PCR部分的一部分路径。图71是图68的流体板的俯视的展开示意图，示出通过分离与检测区的一部分路径。图72是根据本技术的气动子组件的气动层的实施例的俯视示意图。图73是图72的气动板的仰视示意图。图74是示出图72和73的气动板的顶部和底部侧的气动板的俯视示意图。图75是注模气动板的实施例的照片。图76是用于安装至图75的注模气动板的顶部侧的图案化薄膜的实施例的俯视示意图。图77是表格，代表了用于在生物芯片上的自动处理的一部分的脚本化处理步骤和所得到的处理步骤的关系。图78是样本分流与稀释微流体通路的实施例的流程图。图79是示出在不同厚度下的数种材料的背景荧光的图。图80是汇总了用陷波滤波器和不用陷波滤波器收集的荧光数据的结果的表格。
具体实施例方式此处描述的生物芯片实现了微流体领域的基本目的:复杂处理中从样本插入到结果产生的所有步骤的集成在单个仪器中进行，不需要操作人员干涉。在一个方面中，我们在此呈现了新颖的生物芯片，该生物芯片被完全地集成并能执行样本输入到结果输出的分析，包括细胞裂解、NDA提纯、多重扩增、和电泳分析与检测来从法证样本中产生短串联重复(STR)文件；细胞裂解、NDA提纯、多重扩增、Sanger测序、超滤、和电泳分离与检测来从临床样本中产生DNA测序；核酸提纯、逆转录、多重扩增、Sanger测序、超滤、和电泳分离与检测来从生物威胁样本中产生DNA测序；以及核酸提纯、库创建、和单分子测序来从人体、细菌、和病毒临床与研究样本中产生染色体组NDA测序。可在本发明的生物芯片中执行的样本操作包括如下的组合:核酸提取；细胞裂解；细胞分离；差分细胞裂解；差分过滤；总核酸提纯；NDA提纯；RNA提纯；mRNA提纯；蛋白质提纯；核酸扩增前清洁；核酸扩增(如，单重和多重端点PCR、实时PCR、逆转录PCR、不对称PCR、嵌套式PCR，LATE PCR、降落PCR、数字PCR，滚环扩增、链取代扩增、和多重置换扩增);Y-STR扩增；微型-STR扩增；单核酸单核苷酸多态性分析；VNTR分析；RFLP分析；核酸扩增后清洁；核酸扩增前清洁；核酸测序(如，Sanger测序、焦磷酸测序和单分子核酸测序)；核酸测序后清洁；逆转录；逆转录前清洁；逆转录后清洁；核酸连接；SNP分析；核酸杂交；电泳分离与检测；免疫测定；结合实验；蛋白实验；酶学试验；质谱分析；以及核酸与蛋白质量化。
在表征生物芯片的结构和功能时，可考虑至少两类复杂度。样本数量复杂度是指在该生物芯片上所处理的独立样本的数量。处理复杂度是指每一个样本(和样本副产品)在该生物芯片上所经受的顺序操作的数量。本发明的生物芯片具有较高级别的样本数量和处理复杂度。在另一个方面，本发明的新颖的生物芯片将大量处理步骤集成从而获得完全集成的、样本输入到结果输出的系统。我们定义两个类别的生物芯片处理步骤从而来表达这些生物芯片的复杂度。脚本化处理步骤是被执行作为自动、计算机控制的脚本的结果的动作，该自动、计算机控制的脚本引起在生物芯片中或生物芯片上的特征上的直接动作且涉及与该生物芯片交互的仪器的各子系统。这些动作引起对于生物芯片中的特征的物理状态的变化(如，阀薄膜被移动为接近阀)、或对于生物芯片中的样本或空气的变化(如，样本中的荧光染料被激发，空气通过气动驱动)。此外，该动作可同时引起该生物芯片中的特征或该生物芯片中的样本的物理状态的变化(如，当热腔室被加热时，其中的样本也被加热)。该仪器子系统执行脚本化动作，且包括气动子系统，该气动子系统将压力施加在破裂箔片上、增加和减少阀上的压力、并推动液体、气体、和固体；高压子系统，该高压子系统将电流施加至电泳大分子；光学子系统，该光学子系统施加光来激发并检测电泳、定量、扩增、免疫测定、和化学试验中的样本；和热子系统，该热子系统施加热用于细胞裂解、核酸变性、电泳均勻性(electrophoretic uniformity)、热循环、和循环测序。即，每一个脚本化处理步骤是自动脚本的特定指令。脚本化处理步骤定义经由同仪器的子系统的接口发生在该生物芯片内或上的特征上的直接动作。该生物芯片特征可以是微流体、宏流体、或其组合，且脚本以所定义的顺序在所定义的位置作用于这些特征。例如，在该生物芯片上的给定阀的致动被考虑为单个脚本化处理步骤，即使需要对于仪器的一些改变作为先决条件来实现这个单个步骤(如，激活泵浦和驱动线来允许阀被关闭)。在量化预定处理步骤的数量时，诸如那些在PCR扩增(如，改性、退火和扩展中的很多直接重复的循环，各自由温度的变化来表征)中的直接重复的步骤被认为是单个循环中的步骤的数量。即，包括Hotstart 93° C达20秒(I步骤)、接着是31个循环的[93° C达4秒、56° C达15秒、和70° C达7秒](3步骤)、接着是70° C达90秒(I步骤)的最终扩展的PCR扩增反应代表了总共5个脚本化处理步骤。一个特征可在一个或多个脚本化处理步骤过程中被动作。在这个情况下,每一个独立工作算一个步骤；例如,如果给定阀在处理过程中被致动七次，这可算作7个步骤。可在独立样本的处理过程中并行地对数个特征进行动作。例如，如果在该生物芯片的腔室被加热时三个阀被致动，这可算作四个脚本化处理步骤(换言之，在生物芯片上或中的特征上执行的四个新的动作)。最后，一旦从处理中产生原数据，任何处理处理(如，颜色校正)或数据分析(如，等位基因分型或碱基判定(basecalling))不是脚本化处理步骤。本发明的生物芯片执行20、50、75、100、125、150、175、200、250、300、400、500、750、1000、或大于1000个脚本化处理步骤。结果处理步骤是脚本化处理步骤的结果，且包括液体样本贯穿生物芯片穿过通道、腔室、和过滤器与薄膜特征的移动；过滤器与薄膜特征的干燥、反应混合物的热循环；冻干试剂的再悬浮、各种液体的结合、液体的混合、液体的同质化、样本大分子通过各基体的电泳传输、和这些大分子的激发。它遵循脚本化处理步骤的数量将基本大于(或从不小于)结果处理步骤。例如，可能有必要关闭数个阀并改变数个驱动线气压(多个脚本化处理步骤)来引起流体塞从给定通道到相邻腔室的移动(单个结果处理步骤)。示例6和图77描述了对于一部分自动脚本而言，脚本和结果处理步骤之间的关系。本发明的生物芯片执行2，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，60，70，80，90，100，125，150，175，200，250、或大于 250
个结果处理步骤。全部处理步骤是脚本和结果处理步骤的和。全部处理步骤的数量越大，处理复杂度越大。本发明的生物芯片执行 25，50，75，100，125，150，175，200，250，300，400，500，750，1000, 1500, 2000、或大于2000个全部处理步骤。脚本、结果、和全部处理步骤是指单个样本的处理。如果在给定生物芯片上并行地处理多个样本，根据惯例，处理步骤的全部数量与就好像仅处理一个样本一样。类似地，如果串联地同样地处理多个样本(如，如果第一个样本通过该生物芯片，然后第二个样本跟随在其后，经受同样的处理)，处理步骤的全部数量与就好像仅处理一个样本一样。这些区别的重要性在于本发明的复杂度生物芯片是基于单个样本的一系列错综复杂的处理的，对比于执行相对较少数量的处理步骤但在少量或大量样本上进行重复的那些生物芯片。本发明的生物芯片允许上述两个或更多个功能的集成。相应地，无限数量的组合可被设计在生物芯片中，允许一组复杂的操作在该生物芯片上完成。处理复杂度将涉及基于上述微流体元件的多个操作。例如,本发明的生物芯片接收样本、加强裂解试剂的混合、通过混乱气泡裂解样本、过滤溶解产物、计量该溶解产物、将该溶解产物结合至硅薄膜、清洗该薄膜、从该薄膜中洗提核酸、同质化该洗出液来获得经提纯的DNA溶液、计量该DNA溶液、重新组成冻干的PCR反应混合物来获得PCR反应物、混合并同质化该反应混合物、计量该反应混合物、进行快速多重扩增、计量一部分所完成的PCR反应物、用该所计量的PCR反应物重新构成尺寸标准(sizing standard)来获得用于电泳的溶液、混合并均质化该溶液、将该溶液与用于电泳的试剂组合、将该材料注入电泳通道、进行电泳分离、基于荧光检测被分离的DNA片段、基于原始荧光数据产生电泳图谱、标识被处理的数据中的PCR峰值、并分析所找出(called)的峰值(如，为人类法证标识产生STR曲线、为诊断传染病产生多重曲线、或产生多重曲线来标识生物威胁介质(biothreat agent))。本领域技术人员将了解本发明的生物芯片可被设计为用本质上无限的处理复杂度来执行大量不同类型的分析。生物芯片设计的概览本发明的生物芯片是单体的且代表单个、孤立的结构。这些单体生物芯片包括很多组件部件，不过所有的部件，不论是微流体或宏流体，是直接且永久地附接的，不需要使用试管来将液体、固体、或气体从生物芯片的一个部分携载到另一个部分。单体生物芯片的优势在于，其可被放置在相应的仪器中作为一个单元，而不要求操作人员方面的任何技术技巧。进一步，没有连接试管，通过最小化泄露，增强了稳健性。优选地，本发明的单体生物芯片的主要组件是塑料。玻璃、石英、和硅晶片在本发明的生物芯片中没有或被最小化，因为它们太耗费成本来制造。优选的是所有组件(除了被插入的元件，诸如试剂、过滤器、薄膜、金属箔片、电极引脚、和电极条，以及诸如衬垫、压敏粘合剂(PSA)和带之类的组装材料)由塑料制成。还优选的是该生物芯片中的每一个样本路径是单独使用的；这防止了逐次之间的污染、简化了设计、并增强了使用的方便。因此，在一个方面，本发明提供了单次使用、可丢弃的塑料生物芯片。
我们基于用于在生物芯片中转移溶液的驱动机制来定义微流体生物芯片的宽泛的两个类别。离心微流体生物芯片具有圆形覆盖面积且旋转来提供离心力将流体从生物芯片中一处驱动至另一处。静止(或非离心)微流体生物芯片具有较广范围的覆盖面积(包括矩形和基本矩形的覆盖面积)且特征在于并不由生物芯片的转动提供的驱动。本发明的生物芯片是静止的，意味着它们不要求转动来产生离心力驱动流体通过生物芯片(尽管这些生物芯片一般可经受移动并可特定地经受平移运动)。替代地，本发明的生物芯片具有驱动装置，包括气动、机械、磁、和流体。对于液体运输和受控的液体流动，可使用各种方法。一个方法是正向位移泵浦，其中与液体或与插入的(interposing)气体接触的活塞，基于运动过程中该活塞位移的量，驱动液体准确的距离。这样的方法的一个示例为注射泵。另一个方法是使用被气动、磁、或以其他方式致动的集成的弹性薄膜。驱动流体并控制流速的优选方法在于，通过改变在液体的前部、后缘、或两个液柱弯月面上的压力，使用气动驱动来直接在液体本身上施加真空或压力。合适的压力(一般在0.05-300psig且通常在0.5-30psig范围内)被施加从而获得期望的流特性。通过选择流体通道的合适尺寸也可控制流动，因为流速与横跨液体的压力差分和第四功率的液压直径成比例，且与通道长度或流体塞和粘性反向地成比例。进一步，通过结合沿流体通道的通气薄膜，可控制流量并对齐平行的样本。本发明的生物芯片与单个仪器一起起作用来进行复杂的化学分析。此处描述的创新的生物芯片，通过消除了从仪器到仪器的样本转移、通过最小化或消除操作人员要求(单个机器，可使用合适的脚本和用户界面)改进使用便利，改进了处理效率和数据量、消除了任何操作人员动作的需要，改进了加固系统的能力(所有加固子系统可被结合至单个仪器中)、并减少了所要求的仪器以及被要求处理样本的实验室基本建设的成本。实际上，在一个实施例中，在单个仪器中具有生物芯片功能，可消除对于实验室环境的需要。该仪器提供完成样本处理所需的所有子系统。这些子系统包括高和低压电源子系统、热循环子系统、气动子系统、磁性子系统、机械子系统、超声子系统、光学子系统、加固子系统、处理控制子系统、和计算机子系统。仪器与生物芯片接口可包括一个或多个这些子系统，取决于微流体驱动和要在该生物芯片中执行的一系列处理。在此处的示例的情况下，生物芯片和仪器的接口是气动、电、光学、和机械的。由子系统尺寸、生物芯片尺寸、和吞吐量确定仪器的尺寸。仪器可重约10磅、25磅、50磅、100磅、150磅、200磅、或大于200磅。类似地，仪器的体积可以是0.5立方英尺、或1、2、4、6、10、15、20或大于20平方英尺。
进一步，本发明的生物芯片和仪器被设计为在常规实验室环境之外可操作。取决于应用，它们可被加固为经得住运输和极端温度、湿度、和在空气中的悬浮粒子。在办公室中、户外、在战场、在机场、在边境与港口、以及在现场护理(point-of-care)由非技术操作人员使用本发明可允许遗传技术在社会中的更广泛的应用。使用未被处理的样本进一步支持本发明的教导的较宽应用。下面描述的所创新的微流体系统、仪器、和生物芯片可以是单次使用或多次使用的。单次使用的可丢弃生物芯片的优势包括: 交叉污染的最小化。在多次使用的设备中，样本或样本的组分可出现在接下来清洗的设备中；残留物可污染接下来的分析。单次使用的可丢弃的设备本身没有残留样本。这部分地通过新颖的样本处理通道和制造其的方法实现，其中没有样本之间的通道通信。
.最小化技术要求。多次使用设备要求装置来清洗用过的设备并准备用于下一次再使用。本发明的这个单次使用即弃设备并没有受到这些要求的限制。.最小化操作人员要求。除了要求仔细地清洗并将用过的设备准备好用于下一次使用的技巧之外，必须通过插入设备或仪器，将试剂重新加载至多次使用设备中。通过将所有试剂结合至单次使用即弃设备，操作人员完全不需要操作或暴露于试剂。操作人员仅需要将样本插入该设备并按下启动按钮。其遵循的是，此处描述的创新生物芯片可由未被训练的或被最少地训练的操作人员所操作且可在一般实验室环境外被进行。在现场护理、战场、军队检查站、大使馆、对国家安全至关重要的地点、和世界的发展中地区的样本的分析可能在这些创新的生物芯片中进行。如施加至包括生物威胁检测在内的应用的样本的自治收集与分析，也得益于操作人员要求的最小化。描述基本消除了样本处理要求、进一步简化并拓宽分析方法的可能性的工作，被描述于在2010年2月3日提交的、名为“核酸提纯(Nucleic Acid Purification)”的美国专利申请系列号N0.12/699, 564的美国专利中，其通过参考全部并入此处。系统吞吐量的增加。技术和操作人员要求的最小化允许每单位时间所分析的样本数量的增加。特征的致密封装允许并行地处理单个样本，且使用较大的生物芯片进一步增加吞吐量。进一步，处理流的方向的逆转(如，电泳相比提纯与扩增)允许较小的、更紧凑的生物芯片和仪器。 成本的最小化。最小化劳动力要求以及开支的消除降低了成本。此处描述的创新的生物芯片具有大于SBS标准微量滴定板的尺寸。该生物芯片外观的覆盖面积为86乘以128或更大、100x150mm或更大、115x275，mm或更大、140x275或更大、和165x295或更大。还有，该创新的生物芯片包括小于10，920.0mm2的覆盖面积，这种覆盖面积这不符合SBS标准。本发明的教导允许设计与制造具有空前的样本数量复杂度和处理复杂度的生物芯片。对于生物芯片覆盖面积(footprint)的可能尺寸没有限制。可根据特定用户的需要和给定应用的要求，做出该覆盖面积。由于本发明的生物芯片的样本数量和处理复杂度增加，生物芯片的特征密度增力口。在这个上下文中，微流体特征被定义为所讨论的层的任何区域，无论是通过CNC-机器被切割或由注模所模制。特征密度是微流体特征与所讨论的层的表面积的比值。例如，示例5和6的生物芯片具有如下密度:流体层的顶部和底部，微流体特征分别占据的它们的约20.2%和6.6%的表面积。气动层的顶部和底部，微流体特征占据的它们的7.5%和8.8%的表面积。同样的生物芯片的16个样本版本基本占据了同样的覆盖面积，甚至具有更高的密度:对于流体层是19%和13.7%、对于气动层是18.3%和25%。层上的局部密度可以是60%或更高，示例4、5、和6的生物芯片的特定区具有在约3cm2的区域上的超过64%的局部密度。本发明的气动和流体生物芯片，由微流体特征占据了它们表面积的5，10, 15，20, 25，30, 40, 50, 60, 70, 80,和大于80%。宏流体特征也对于密度有贡献。本发明的生物芯片的特征本发明的生物芯片包括热塑层，其包含微流体特征，诸如一个或多个流体运输通道(它们可以是独立的、连接的、或连成网的)、通孔、对齐特征、液体和冻干试剂存储腔室、试剂释放腔室、泵浦、计量腔室、冻干的块状物重构腔室、超声腔室、结合与混合腔室、混合元件、薄膜区、过滤区、通气(venting)元件、加热元件、磁性元件、反应腔室、废弃物腔室、薄膜区、热转移区域、阳极、阴极、和检测区、驱动、阀线、阀结构、组件特征、仪器接口区域、光学窗、热窗、和检测区。该生物芯片还可包含宏流体特征，即，与上述所列的微流体特征一样类型的较大版本的特征。例如,该生物芯片可包含包住30微升液体的微流体试剂存储腔室、和容纳五毫升液体的宏流体试剂存储腔室。在本发明的生物芯片上的微流体和宏流体特征的结合允许给定生物芯片来满足宏流体和微流体处理要求。当要求相对较大容量的样本(诸如法证拭取或临床血液样本)要在微流体比例下被处理时，这具有优势。该生物芯片还可结合包括图案化薄膜的薄膜、间隔层、粘合层、弹性和非弹性层、和检测区。该生物芯片还可基于特定驱动机制(如，气动、机械、磁性、和流体驱动的致动线)，结合具有特征的层。注意，微流体生物芯片还可包含宏流体区，特别是为了处理法证、临床诊断、和生物威胁样本。本发明的生物芯片允许来自未被处理的生理样本的核酸、和其他生理组分被提纯、操作、和分析。未被处理的生理样本是由个人收集且然后未经任何中间处理步骤(但是在处理前，该样本收集设备可被作加标签和/或存储)就被插入生物芯片的样本接收腔室的生理样本。操作人员仅需要收集或以其他方式获得该样本、将该样本插入至装置、将该装置插入至仪器(该装置是否是之前就被置于该仪器中并不是必要的)、并按下启动按钮。在插入该装置前，不需要对于该样本的任何处理、操作、或修改一操作人员没有必要剪切拭子、打开血液试管、收集组织或生理流体、将样本转移至另一个容器、或将该样本暴露于试剂或条件(如，热、冷、振动)。因此，操作人员不需要具有在生理科学或实验室技术方面的广泛训练。任选地，本发明的生理芯片可接收被处理过的生理样本(如，用于后续提纯的细胞裂解物)，不过这样的应用可要求操作人员具有技术训练。实践中，使用无数种收集设备收集生理学样本，这些设备中的所有可与本发明的生理芯片一起被使用。该收集设备一般可商业地获得，不过也可为给定应用特别地设计和制造。对于临床样本，可获得各种商用拭子类型，包括鼻部、鼻咽、口腔、口部液体、粪便、扁桃腺、阴道、子宫颈、和伤口拭子。样本收集设备的尺寸和材料各异，且该设备可包括特定的柄、盖、划线(score)来帮助并引导断裂、和收集基质(matrices)。血液样本用广泛的各种商业可获得的各种容量的试管收集，这些试管中的一些包含添加剂(包含诸如肝素、柠檬酸盐、和EDTA之类的抗凝血剂)、真空来帮助样本导入、塞子来帮助针插入、和盖子来保护操作者免于暴露于该样本。组织和体液(如，唾液、化脓性材料、抽吸物)也被收集在一般不同于血液试管的试管中。这些临床样本收集设备一般被传送至综合性医院或商业临床实验室用于测试(尽管诸如喉部/扁桃体拭子的评估用于快速链状球菌测试之类的特定测试可在护理点就被执行)。环境样本可呈现为过滤器或过滤器盒(如，来自通气装置、悬浮微粒、或空气过滤设备)、拭子、粉末、或液体。法证证据的通常收集技术是使用拭子进行的。拭子商业地从Bode (Lorton,VA),Puritan(Guilford, ME) , Fitzco(Spring Park, MN) , Boca(CoralSprings, FL), Copan (Murrieta, CA) and Starplex (Etobicoke, ON,加拿大)获得。还可使用类似纱布的材料、可丢弃刷、或商业可获得的生理学采样箱来执行拭抹。法证样本可包含血液、精液、上皮细胞、尿液、唾液、粪便、各种组织、和骨头。在人体中所呈现的来自个人的生理学证据经常使用口腔拭子来收集。广泛使用的商业口腔拭子是SecurSwab (The BodeTechnology Group, Lorton, VA)。通过指令对象或操作人员将拭子放在内脸颊表面上的口中、并将拭子上下移动一次或数次，来收集口腔样本。本发明的生理芯片的另一个主要优势在于，并行地在多个样本上执行复杂处理的能力。重要的是应注意，生物芯片的灵活性允许使用同一组操作处理多个样本、或使用经裁剪的一组操作处理一个样本(或样本的子组)。此外，可在给定样本上进行数个独立的分析。例如，通过在经提纯的材料上，通过分离DNA且然后进行STR分析、SNP分析、和线粒体测序，可分析法证样本。类似地，在单个生物芯片上通过提纯核酸和蛋白质、和执行PCR、逆向录PCR、DNA测序、和免疫测定、允许(例如)给定示例对于大量病原体和细胞处理同时可被询查，可分析临床样本。此处，我们描述了对于各种所期望功能的各种解决方法和对于不同集成组织的解决方法。这些被提供用于说明而非进行限制，因为本领域技术人员能为多种用途对于各种生物芯片和仪器修改这些组件和集成技术。为生物芯片操作和数据分析要求一系列软件和固件。通过指令组件功能和执行仪器自我测试的软件和固件来控制仪器硬件。自动脚本控制仪器与生物芯片的所有交互，包括所有脚本化处理步骤的应用。分析软件执行原数据的处理(如，电泳图谱的色彩校正)和分析测试的结果(如，片段尺寸修剪、STR等位基因分型、DNA测序分析)。该仪器可包括图形用户界面，允许用户初始化该处理并通知用户处理状态。最终，该系统可存储相关分析比较器(如，来自感兴趣的个体的STR曲线或病原体的DNA测序)、或该系统可输出结果用于外部数据库匹配和进一步分析。生物芯片制造本发明提供了用于制造生物芯片的方法，该生物芯片是完全集成的、不要求任何预处理样本准备，不受限于任何SBS尺寸范围且可极大、不受限于微量滴定格式，结合了样本数量复杂度和处理复杂度。可从热塑性聚合物制成该生物芯片，该热塑性聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、环烯烃聚合物(C0P)、和环烯烃共聚物(C0C)、以及适于根据此处要求保护的新颖方法大量制造的其他合适的聚合物。该生物芯片可通过较大板(包括大于SBS标准板的那些)的CNC加工而被制造，且CNC加工的底板本身可被模制。该生物芯片还可通过较大板(包括大于SBS标准板的那些)的注模被制成。任选地，该生物芯片可被涂镀(可能先于、在过程中的中间步骤、或在组装之后)来增强性能。可应用广泛的涂层和处理。例如，暴露具有
0.5%牛血清白蛋白的通道减少了将呈现在该样本中的蛋白质结合至通道壁。诸如PFC502A(Cytonix, Beltsville, MD)之类的疏水性产品可被应用至通道、腔室、和阀从而最小化泡沫形成。类似地，气动和机械阀结构的弹性或非弹性薄膜可被涂镀或以其他方式被处理从而提供最佳密封性质。本发明的又一方面是生物芯片及制造它们的方法，解决了制造较大生物芯片的问题，来并行地执行一系列错综复杂的处理步骤从而允许多个样本在同一个生物芯片上被处理。无论该生物芯片由CNC-加工或注模制成，这个复杂度是通过将精细特征密集地一起封装在生物芯片的特定区中获得的，且在它们之间留有空间以允许粘接的同时最大化长宽t匕。注模的生物芯片被设计及制造以使它们是平的、经受最小的扭曲，在制造和粘接过程中具有所定义的收缩特性，且具有合适的对齐容限来支承允许处理步骤复杂度的特征。本发明的生物芯片包括数个子组件，包括流体子组件、气动子组件、阀子组件、宏流体处理子组件、以及分离与检测子组件。对于给定生物芯片而言，并不需要所有的子组件。例如，如果不要求宏流体样本量和芯片上试剂，则宏流体子组件并不是必须的。无论如何，本发明的生物芯片将一般地具有至少一个CNC -加工的、浮雕的、挤压的、或注模的层。单层将包含流体特征和控制特征二者，其被需要来将流体从生物芯片的一个区转移至另一区。在很多情况下，分开的流体层和控制层是优选的，允许增加的处理复杂度。该层或该多层可在一侧或两侧上具有特征；双侧特征的优势在于增加的处理复杂度、特征密度、和样本数量、减少的制造成本、以及易于组装。当使用多层时，可使用现有技术中的多个已知技术将它们粘接在一起，已知技术诸如是热粘接、溶剂粘接、粘合剂粘接、和超声焊接(参加Tsa0.C.-W.(2009).Bonding of thermoplastic polymer microfluidics.Microfluidicsand Nanofluidics 6:1-16)。考虑到微流体生物芯片中层的数量,可取的是使用允许期望的复杂度均得以实现的最小数量的层。最小化层数量减少了制造和组装的复杂度，且最终减少了制造该生物芯片的成本。本发明的生物芯片的制造的又一方面考虑到位于各子组件的顶部和底部上的各层。这些中间层(术语称为“薄膜”)的目的包括:将CNC-加工的或注模的层粘接至彼此、外部地密封CNC-加工的或注模的层、在仪器和层中的腔室之间提供热耦合、提供合适的光学特性从而允许通过仪器中的组件进行充分激发与检测、提供层间的管道、支撑薄膜、过滤器、和其他元件、并提供用于与注模层协作地阀配流(valving)的材料。非弹性薄膜材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、环烯烃聚合物、和环烯烃共聚物、丙烯酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、招、和三乙酸纤维素。弹性薄膜材料包括在Plastics:MaterialsandProcessing Third Edition(出处同上一参考文献)中所描述的各种橡胶(包括娃树脂)和热塑性弹性体。这些膜在厚度上从I微米到500微米。CNC-加工的或注模层和薄膜被结合在一起从而形成生物芯片，各层之间以及层上的流体通信由通孔提供。通孔是这样的特征，它们从给顶层的顶部到底部从而允许液体从一层移动至另一层。本质上通孔可采取任何形状且经常是圆柱形的。本发明的生物芯片提供大量通孔来确保样本数量复杂度和处理复杂度。例如,示例6的注模6-样本生物芯片和其16-样本的对应体包含如下通孔:
权利要求
1.一种生物芯片，所述生物芯片一旦被插入具有气动子系统、热子系统、高压子系统、和光学子系统以及处理控制器的电泳仪器中，就从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱(sizing profile),所述生物芯片包括: 与流体子组件和气动子组件连接的宏流体处理子组件，所述宏流体处理子组件包括适于接收样本的至少一个腔室； 所述流体子组件包括流体板、以及适于连接至所述热子系统的至少一个流体运输通道和扩增腔室； 所述气动子组件适于连接至所述仪器的气动子系统、以及连接至所述生物芯片子组件，所述气动子组件包括气动板以及一条或多条驱动线，用于根据来自所述处理控制器的指令气动地驱动流体； 分离与检测子组件，适于连接至所述仪器上的所述高压和光学子组件以及处理控制器，所述分离与检测子组件包括分离通道、且还包括检测区，所述检测区被放置为将来自每一个所述通道的信号发送至所述仪器上的所述光学子系统； 其中所述生物芯片是塑料的、静止的、和单体的，且所述流体板和/或气动板的覆盖面积是约86mmxl28mm或更大。
2.按权利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述流体和/或气动板的覆盖面积为约100x1 50mm 或更大。
3.按权利要求2所述的生物芯片，其特征在于，所述流体和/或气动板的覆盖面积为约115x275mm 或更大。
4.按权利要求3所述的生物芯片，其特征在于，所述流体和/或气动板的覆盖面积为约140x275或更大。
5.按权利要求4所述的生物芯片，其特征在于，所述流体和/或气动板的覆盖面积为约165x295或更大。
6.一种生物芯片，所述生物芯片一旦被插入具有气动子系统、热子系统、高压子系统、和光学子系统以及处理控制器的电泳仪器中，就从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱(sizing profile),所述生物芯片包括: 与流体子组件和气动子组件连接的宏流体处理子组件，所述宏流体处理子组件包括适于接收样本的至少一个腔室； 所述流体子组件包括流体板、以及适于连接至热子系统的至少一个流体运输通道和扩增腔室； 所述气动子组件适于连接至所述仪器的气动子系统、以及连接至所述生物芯片子组件，所述气动子组件包括气动板、以及一条或多条驱动线，用于根据来自所述处理控制器的指令气动地驱动流体； 分离与检测子组件，适于连接至所述仪器上的所述高压和光学子组件以及处理控制器，所述分离与检测子组件包括分离通道、且还包括检测区，所述检测区被放置为将来自每一个所述通道的信号发送至所述仪器上的所述光学子系统； 其中所述生物芯片是塑料的、静止、和单体的，且流体和/或气动板的覆盖面积小于10，920.0mm2且并不符合SBS标准。
7.一种生物芯片，所述生物芯片一旦被插入具有气动子系统、热子系统、高压子系统、和光学子系统以及处理控制器的电泳仪器中，就从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱(sizing profile),所述生物芯片包括: 与流体子组件和气动子组件相连的宏流体处理组件，所述宏流体处理子组件包括位于其中或其上的至少一个宏流体特征，还包括能接收样本的腔室； 所述流体子组件包括流体板、和位于其中或其上的至少一个特征，所述流体子组件还包括至少一个流体传输通道和适于连接至所述热子系统的扩增腔室； 所述气动子组件适于连接至所述仪器的气动子系统、以及连接至所述生物芯片的子组件，所述气动子组件包括气动板和位于其中或其上的至少一个特征，所述气动子组件还包括一条或多条驱动线，用于根据来自所述处理控制器的指令气动地驱动流体； 分离与检测子组件，适于连接至所述仪器上的所述高压和光学子组件以及处理控制器，所述分离与检测子组件包括位于其中或其上的至少一个特征，所述分离与检测子组件还包括分离通道和检测区，所述检测区被放置为将来自每一个所述通道的信号发送至所述仪器上的所述光学子系统； 其中所述生物芯片是塑料的、静止的、和单体的，且所述流体子组件、气动子组件、和/或分离与检测子组件中的所述一个或多个特征的物理状态适于在25个或更多个步骤的脚本化处理中变化。
8.按权利要求7所述的生物芯片，其特征在于，所述步骤的数量是50个或更多个。
9.按权利要求8所述的生物芯片，其特征在于，所述步骤的数量是100个或更多个。
10.按权利要求9所述的生物芯片，其特征在于，所述步骤的数量是200个或更多个。
11.按权利要求7所述的生物芯片，其特征在于，所述25个或更多个的脚本化处理步骤导致两个或更多个的结果处理步骤。
12.一种单体的、静止的生物芯片，所述生物芯片一旦被插入具有气动子系统、热子系统、高压子系统、和光学子系统以及处理控制器的电泳仪器中，就从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱(sizing profile),所述生物芯片包括: 与流体子组件和气动子组件连接的宏流体处理子组件，所述宏流体处理子组件包括适于接收样本的至少一个腔室； 所述流体子组件包括流体板，所述流体板具有粘接(bond)在其上的顶部和底部图案化热塑板，从而在所述板的每一侧上形成至少一个液体运输通道和适于连接至所述热子系统的扩增腔体； 所述气动子组件适于连接至所述仪器的气动子系统、以及连接至所述生物芯片的子组件，所述气动子组件包括具有粘接在其上的顶部图案化热塑板的气动板、以及一条或多条驱动线，用于根据来自所述处理控制器的指令气动地驱动流体； 阀子组件，位于所述流体子组件和气动子组件之间并连接至这两个子组件； 分离与检测子组件，适于连接至所述仪器上的所述高压和光学子组件以及处理控制器，所述分离与检测子组件包括至少一个分离通道、且还包括检测区域，所述检测区域被放置为将来自每一个所述通道的信号发送至所述仪器上的所述光学子系统。
13.按权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述分离与检测子组件是塑料的。
14.按权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述宏流体子系统、气动子系统、流体子系统、和分离与检测子系统是塑料的。
15.按权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述阀子组件包括至少一个弹性材料阀。
16.按权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述阀子组件包括至少一个非弹性材料阀。
17.按权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述分离与检测子组件被取向为使得在所述分离与检测子组件内样本的电泳在与通过所述流体板的大体样本流的方向相反的方向中进行。
18.按权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，处理所述至少一个样本所需的所有试剂被包含在所述生物芯片中。
19.按权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为约86mmxl28mm或更大。
20.按权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为约100mmx1 50mm或更大。
21.按权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为约115mmx275mm或更大。
22.按权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为约140mmx275mm或更大。
23.按权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为约165mmx295mm或更大。
24.按权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述生物芯片的覆盖面积小于约10，920.0mm2且并不符合SBS标准。
25.一种用于处理生理样本的系统,所述系统包括: 生物芯片和处理控制器，所述生物芯片一旦被插入具有气动子系统、热子系统、高压子系统、和光学子系统以及所述处理控制器的电泳仪器中，就从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱(sizing profile),所述生物芯片包括: 与流体子组件和气动子组件连接的宏流体处理子组件，所述宏流体处理子组件包括适于接收样本的至少一个腔室； 所述流体子组件包括流体板，所述流体板具有粘接在其上的顶部和底部图案化热塑片，从而在所述板的每一侧上形成至少一个液体运输通道和适于连接至热子系统的扩增腔体； 所述气动子组件适于连接至所述仪器的气动子系统、以及连接至所述生物芯片子组件，所述气动子组件包括具有粘接在其上的顶部图案化热塑板的气动板、以及一条或多条驱动线，用于根据来自所述处理控制器的指令气动地驱动流体； 阀子组件，位于所述流体子组件和气动子组件之间并连接至这两个子组件； 分离与检测子组件，适于连接至所述仪器上的所述高压和光学子组件以及处理控制器，所述分离与检测子组件包括至少一个分离通道、且还包括检测区，所述检测区被放置为将来自每一个所述通道的信号发送至所述仪器上的所述光学子系统；以及 其中所述仪器的所述处理 控制器包括用于执行25个或更多个的自动化的脚本化处理步骤的指令。
26.按权利要求25所述的系统，其特征在于，所述脚本化处理步骤导致2个或更多个的结果处理步骤。
27.一种制造生物芯片的方法，所述方法包括: 注模流体板，以包括流体顶部表面、流体底部表面、和从所述流体顶部表面延伸至所述流体底部表面来将所述流体顶部表面连接至所述底部表面的至少一个通孔，所述流体顶部表面和底部表面各自包括多个微流体特征； 注模气动板，以包括气动顶部表面、气动底部表面、和从所述气动顶部表面延伸至所述气动底部表面来将所述气动顶部表面连接至所述底部表面的至少一个通孔，所述气动顶部表面和底部表面各自包括多个微流体特征； 对齐所述气动板和流体板； 其中所述流体板和/或气动板的覆盖面积是86mmxl28mm或更大,且所述流体板和/或所述气动板的所述多个微流体特征中的至少一个包括小于2度的斜度角。
28.按权利要求27所述的方法，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为100x1 50mm 或更大。
29.按权利要求28所述的方法，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为11 5mmx275mm 或更大。
30.按权利要求29所述的方法，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为140mmx275mm 或更大。
31.按权利要求30所述的方法，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为16Smmx295mm 或更大。
32.按权利要求27所述的方法，其特征在于，所述生物芯片的覆盖面积小于10，920.0平方毫米且并不符合SBS标准。
33.按权利要求27所述的方法制成的生物芯片。
34.按权利要求33所述的生物芯片，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为IOOmmx 150mm或更大。
35.按权利要求34所述的方法，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为11 5mmx275mm 或更大。
36.按权利要求35所述的方法，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为140mmx275mm 或更大。
37.按权利要求36所述的方法，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为16Smmx295mm 或更大。
38.按权利要求33所述的方法，其特征在于，所述生物芯片的覆盖面积小于10，920.0平方毫米且并不符合SBS标准。
39.一种用于对单体生物芯片中的至少一个未处理样本执行从样本输入到结果输出的自动化电泳的方法，所述生物芯片具有与流体子组件和气动子组件流体连通的宏流体处理子组件，所述方法包括: 将所述至少一个未处理样本插入所述宏流体处理子组件中的腔室内； 将所述生物芯片插入一仪器中，所述仪器具有气动子系统、热子系统、高压子系统、光学子系统、和处理控制器，所述处理控制器可接受预定义处理脚本并通过读取所述处理脚本并控制所述气动子系统、热子系统、高压子系统、和光学子系统自动地实现所述处理脚本； 激活所述处理控制器来执行所述处理脚本，所述处理脚本包括多个指令，用于: 通过将来自所述气动子系统的压力施加至所述气动子组件的阀线或与所述气动子组件流体连通，来初始化所述生物芯片； 通过将来自所述气动子系统的压力施加至所述宏流体处理子组件来释放存储在其中的试剂、将来自所述气动子系统的压力施加至被释放的试剂来从所述未处理样本形成细胞裂解物、施加来自所述气动子系统的压力将所述裂解物通过所述流体子组件中的提纯过滤器拉入容纳腔室来将裂解物中的DNA结合至所述过滤器、施加来自所述气动子系统的压力以释放存储于所述宏流体处理子组件中的水溶液使其流过提纯过滤器从而从被结合的DNA中移除污染物、施加压力以使得空气流过所述提纯过滤器从而干燥被结合的DNA、施加来自所述气动子组件的压力来释放存储于所述宏流体处理子组件中的洗提溶液从而从所述提纯过滤器释放被结合(bind)的DNA，从而产生包含被提纯的DNA的洗出液，来从所述未处理的样本中提纯DNA ； 通过将来自所述气动子系统的压力施加至所述气动子组件，来将所述洗出液传输至包含冻干的PCR反应混合物的重构腔室； 将所述被重构的PCR反应混合物传输至所述流体子组件中的热循环腔室； 通过初始化热循环方案，施加热至所述热循环腔室从而从所述PCR混合物中产生带标签的扩增子(labeled amp I icons)； 通过将来自所述气动子系统中的压力施加至所述气动子组件，将所述带标签的扩增子和存储于所述宏流体处理子组件中的甲酰胺试剂传输至所述流体子组件中的联结腔室(joining chamber);所 述带标签的扩增子和甲酰胺试剂形成甲酰胺-PCR产物混合物；通过将来自所述气动系统的压力施加至所述气动子组件来传输所述甲酰胺-PCR产物混合物，以将所述混合物传输至ILS块状物腔室，用于与所述ILS块状物混合来产生分离与检测样本； 通过将来自所述气动系统的压力施加至所述气动子组件，将所述分离与检测样本传输至所述流体子组件中的阴极腔室； 通过施加来自所述高压子系统的电压以偏压阴极和阳极，来为该分离与检测的分离准备流体子组件的阳极与阴极； 通过将来自所述气动子系统的压力施加至所述气动子组件，将来自所述流体子组件中的胶状物试剂盒(gel reagent reservoir)的胶状物传输至所述流体子组件的阴极腔室和废弃物腔室； 通过将电压通过所述高压子系统施加至阴极和阳极，在分离通道中注射并分离所述分离与检测样本； 通过激活所述光学子系统中的激光器，实现分离与检测样本的被分离组分的荧光；以及 自动检测被分离组分的荧光信号，从而从至少一个未处理的样本中提供分离与检测样本结果。
40.一种用于为至少一个生理样本提供至少两种类型的从样本输入到结果输出的处理的系统，所述系统包括静止的生物芯片和仪器，所述仪器包括用于与所述生物芯片交互的气动子系统、热子系统、高压子系统、和光学子系统以及处理控制器，所述静止的生物芯片包括: 与流体子组件和气动子组件连接的宏流体处理子组件，所述宏流体处理子组件包括适于接收样本的至少一个腔室； 所述流体子组件包括流体板、以及适于连接至热子系统的至少一个流体运输通道和扩增腔室； 所述气动子组件适于连接至所述仪器的气动子系统、以及连接至所述生物芯片子组件，所述气动子组件包括 气动板、以及一条或多条驱动线，用于根据来自所述处理控制器的指令气动地驱动流体； 分离与检测子组件，适于连接至所述仪器上的所述高压和光学子组件以及处理控制器，所述分离与检测子组件包括分离通道、且还包括检测区域，所述检测区域被放置为将来自每一个所述通道的信号发送至所述仪器上的所述光学子系统； 所述生物芯片还包括用于样本处理的至少两个不同路径，所述至少两个不同路径的每一个专用于不同的分析处理；以及 其中所述仪器的处理控制器包括用于在不同的分析处理中处理所述至少一个生理样本的一组指令。
41.按权利要求40所述的系统，其特征在于，所述静止的生物芯片由塑料制成。
42.按权利要求40所述的系统，其特征在于，所述不同的分析处理是STR分析和单核苷酸多态性分析。
43.按权利要求40所述的系统，其特征在于，所述不同的分析处理是多通路扩增和DNA测序。
44.按权利要求40所述的系统，其特征在于，所述不同的分析处理是STR分析和线粒体DNA测序。
45.按权利要求40所述的系统，其特征在于，所述不同的分析处理是逆转录PCR和常规PCR。
46.按权利要求40所述的系统，其特征在于，所述不同的分析处理是DNA测序和单核苷酸多态性分析。
47.一种生物芯片的试剂存储容器，包括宏流体块和盖，所述宏流体块包括: 具有顶端和底端的试剂存储腔室； 粘接至所述底端的第一箔片密封； 粘接至所述顶端的第二箔片密封； 其中试剂被存储在箔片密封的腔室中，且通过经由所述盖施加气压以使顶部和底部箔片破裂、释放出所述试剂存储腔室中的所述内容物。
48.按权利要求47所述的容器，其特征在于，所述箔片密封中的一个或两个是带划痕的。
49.按权利要求48所述的容器连接至流体子组件。
50.按权利要求49所述的容器，其特征在于，所述试剂存储容器还包括间隔板，所述间隔板置于所述容器和所述流体子组件之间以使所述间隔板的尺寸调整为容纳破裂之前的第一箔片的膨胀 。
全文摘要
一种生物芯片，用于集合在不需要操作人员干涉的情况下执行从样本的插入到结果产生的复杂过程中的所有步骤。该生物芯片包括微流体处理组件(18、27、28、29)、流体子组件(1、2、3)、气动子组件(14、15、16)、和分离与检测子组件(32)，它们在一系列脚本化处理步骤中通过电泳仪器子系统起作用。还提供了用于通过注模制造高特征密度的这些复杂的生物芯片的方法。
文档编号G01N27/447GK103097883SQ201180023153
公开日2013年5月8日 申请日期2011年3月9日 优先权日2010年3月9日
发明者R·F·塞尔登, E·谭 申请人:网络百奥有限公司