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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf mikrofluide Vorrichtungen
und Systeme und Verfahren, diese zu verwenden. Insbesondere stellt die
vorliegende Erfindung Strukturen und Verfahren bereit, die die Integration
und/oder Isolation verschiedener Funktionen in einem Mikrochipsystem
gemäß der beigefügten Ansprüche vereinfacht.
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Hintergrund der Erfindung
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Mikrofluidics
besteht aus Verwenden von Mikrokanälen anstelle von Teströhrchen oder
Mikroplatten, um Analysen und Reaktionen auszuführen. Diese Mikrokanäle oder
Mikroschaltkreise sind erzeugt in Silicium, Quarz, Glas, Keramik
oder Plastik. Die Größe dieser
Kanäle
liegt in der Größenordnung
von Mikrometern, während
die Reaktionsvolumina in der Größenordnung
von Nanolitern oder Mikrolitern liegen. Das Prinzip einer mikrofluiden
Vorrichtungen ist es, Reaktionsmedien, die Reagenzien und Proben enthalten,
durch Zonen durchzuleiten, die den verschiedenen Schritten des Protokolls
entsprechen. Die Integration in ein einzelnes System von Reaktoren,
Probenbehandlung, Trennung und Miniaturdetektionssysteme in diese
mikrofluiden Systeme ermöglicht
die Automation komplexer Protokolle. Diese „Laboratorien auf Chips" haben es möglich gemacht, Ergebnisse
zu erhalten, die in Hinblick auf Reaktionsgeschwindigkeit, in Hinblick
auf Produktökonomie und
in Hinblick auf eine Miniaturisierung effizient sind, was die Entwicklung
kostbarer Vorrichtungen ermöglicht.
Komplexe Protokolle wurden integriert und automatisiert, einschließlich biochemischen
oder molekularbiologischen Protokolle, die oft extensive Manipulation
erfordern. Diese Manipulationen umfassen das Mischen von Reagenzien
und Proben, Regeln der Reaktionstemperatur, Ausführen von thermischer Zyklisierung,
Probenaufbereitung, Trennung durch Elektrophorese und Detektion
von Reaktionsprodukten.
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Wolley
at al. (Anal. Chem. 68: 4081–4086 (1996))
offenbart die Integration eines PCR-Mikroreaktors, eines Kapilarelektrophoresesystems
und eines Detektors in einer einzelnen Vorrichtung. Die PCR-Reaktion,
Trennung von PCR-Produkten durch Elektrophorese und Detektion von
PCR-Produkten wird automatisch ausgeführt. Diese Vorrichtung integriert
jedoch nicht das Mischen von Reagenzien und sie erlaubt nicht, dass
Protokolle im großen
Maßstab ausgeführt werden.
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Eine
Vorrichtung oder ein Substrat, das die Integration der Schritte
des Reagenzmischens und der enzymatischen Reaktion ermöglicht,
wurde beschrieben von Hadd et al. (Anal. Chem. 69, 3407–3412, (1997)).
Die Vorrichtung stellt eine Mikroschaltung von Kanälen und
Reservoirs bereit, die in ein Glassubstrat geätzt sind. Das Bewegen und Mischen
der Fluide findet durch Elektrokinetik statt.
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Mikrofluide
Systeme für
die Integration von Protokollen und von Analysen wurden beschrieben
in der internationalen Patentanmeldung WO98/45481. Eine der Schwierigkeiten
beim Implementieren dieser Vorrichtungen liegt in der Bewegung der
Fluide. Die Fluide werden allgemein durch Elektroosmose oder durch
Elektrokinetik bewegt, was ein Netzwerk von Elektroden und eine
Fluid-Kontinuität
erfordert. Andere Systeme verwenden Mikropumpen und Mikroventile,
die in dem mikrofluiden Substrat integriert sind. In der Mehrzahl
von Fällen
werden die Reaktionen ausgeführt,
während
sie in einem Mikroreaktor stationär sind und dann werden die
Fluide so bewegt von einem Reaktor zu einem anderen, an jedem Schritt
des Protokolls. Diese Systeme, die Elektroden, Mikroventile oder
Mikropumpen integrieren, sind sehr kostenintensiv und ihre Komplexität ermöglicht nicht
Anwendungen im großen
Maßstab
für simultanes
Behandeln einer großen
Anzahl von Proben. Eine der Hauptschwierigkeiten ist die Verteilung,
das Mischen und der Transport einer sehr großen Anzahl von Produkten parallel
oder in Reihe.
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So
gibt es eine Notwendigkeit für
Vorrichtungen, die eine Manipulation der Proben oder die Ausführungen
komplexer Protokolle ermöglichen,
in denen die Proben von einer Stelle zu einer anderen transportiert
werden unter Verwenden anderer als in der Technik bekannter Verfahren,
und die einfach zuverlässig
und kostengünstig
sind. Es gibt auch eine Notwendigkeit, eine Vorrichtung zu entwickeln,
umfassend ein mikrofluides Substrat, das die Manipulation einer
großen
Anzahl von Fluiden ermöglicht und/oder
ermöglicht,
dass eine große
Anzahl von komplexen Protokollen, insbesondere Protokolle, die eine
Temperaturbehandlung beinhalten, bei niedrigen Kosten ausgeführt wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung offenbart Strukturen und Verfahren, die die
Integration und/oder Isolation verschiedener Funktionen in einem
Mikrochipsystem vereinfachen, und ist beschrieben in den anhängenden
Ansprüchen.
In einer ersten Ausführungsform
wird die Integration der Funktionen durch einen Multi-Chip-Ansatz
mit einem gleitenden Linearventil erreicht. Die Chips sind über die
Ränder
verbunden und fluider Kontakt wird etabliert durch Verbindung von
Kapilarkanälen
an den verbindenden Rändern.
Die Chips sind so entworfen, dass die Verbindung der verschiedenen
Kanäle
erreicht werden kann durch Gleiten der Mikrochips gegeneinander. Gleiten
kann auch eine Kanalverbindung unterbrechen, wenn erwünscht. Die
Chips stehen in kontinuierlichem physikalischen Kontakt über den
ganzen Prozess.
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In
einer zweiten Ausführungsform
werden die Chips getrennt und wieder verbunden, um Kanalverbindungen
zu etablieren/unterbrechen. Der Basisentwurf des Mikrochips ist
noch derselbe wie in der ersten Ausführungsform. Der „Jogging"-Ansatz verringert
den Abrieb an den verbindenden Rändern. Spezifische
Oberflächenbeschichtungen
für die
verbindenden Ränder,
die dann darin unterstützen,
ein Leck zu verhindern und die Flüssigkeit in den Kapilarkanälen zu halten,
sind offenbart.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
den Entwurf und die Arbeitspositionen eines gleitenden Linear-Ventilsystems, umfassend
3 Mikrochips.
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2 zeigt
den Entwurf und die Arbeitspositionen eines 3-Chip-Systems ähnlich zu
jenem, das in 1 gezeigt ist, aber mit zusätzlichen
Merkmalen.
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3 zeigt
den Entwurf und die Arbeitspositionen eines 3-Chip-Systems ähnlich zu
jenem, das in 2 gezeigt ist, aber mit zusätzlichen
Merkmalen.
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4 zeigt
den Entwurf und die Arbeitspositionen eines gleitenden Linear-Ventilsystems, umfassend
2 Mikrochips.
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5 zeigt
ein Schritt-bei-Schritt-Beispiel des zwei-dimensionalen Jogging-Prozesses für Flüssigkeitstransfer
zwischen Mikrochips.
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6A–6D zeigt
verschiedene Entwürfe
von Miniaturventilen für
Mikrochipintegration.
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7A und 7B zeigen
integrierte Mikrochipentwürfe
unter Verwenden des Ansatzes mit gleitendem Linearventil über Randkontakt.
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8 zeigt
ein Verfahren zum Erzeugen sehr kleiner Löcher mit hohem Längenverhältnis in Glas.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt mikrofluide Vorrichtungen und Systeme
zur Integration und/oder Isolation verschiedener Funktionen in einem
Mikrochip und Verfahren zum Verwenden desselben wie in den beigefügten Ansprüchen beschrieben
bereit.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun beschrieben im Hinblick auf die beigeführten Zeichnungen, die
beim Veranschaulichen verschiedener Merkmale der Erfindung unterstützen. Jedoch
sollte anerkannt werden, dass die Zeichnungen nicht Beschränkungen
des Umfangs der vorliegenden Erfindung bilden. Durch alle Zeichnungen
hindurch repräsentieren gleich
nummerierte Teile dieselben Elemente der Erfindung. Zum Zwecke der
Kürze und
Klarheit zeigen die meisten Figuren nur einen Satz mikrofluider
Kanäle;
jedoch sollte anerkannt werden, dass typische mikrofluide Vorrichtungen
mehrfache Sätze
mikrofluider Kanäle
umfassen.
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In
einem Aspekt wird die Integration und/oder Isolation der verschiedenen
Funktionen in einem Mikrochipsystem erreicht unter Verwenden eines
gleitenden linearen Ansatzes. Gemäß einer besonderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die Integration und/oder Isolation
verschiedener Funktionen in einem Mikrochipsystem erreicht unter
Verwenden eines 3-Chip-Systems. Das System besteht aus drei mikro-fabrizierten
Chips, über
den Rand verbunden, in Fluid-Kommunikation miteinander. Einige der
Chips sind bewegbar, durch Gleitaktion, relativ zu den anderen,
um die Fluidwege wieder auszurichten oder zu verschließen. Die
drei Chips besitzen polierte Ränder,
die elastisch gegeneinander vorgespannt sind, um einen Verschluss
bei niedrigem Druck an den ineinandergreifenden Oberflächen zu
bewirken.
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In
einem ersten Beispiel eines 3-Chip-Ansatzes (1) enthält ein erster
Chip (Chip A, 100) einen einzelnen Probeneinlass-Anschluss 102.
Ein zweiter Chip (Chip B, 130) enthält eine Reaktionskammer 132 und
einen Katodenanschluss 134, während ein dritter Chip (Chip
C, 160) einen Standardtrennkanal 162 mit einem
Zwillings-T-Stück/Kreuz-Injektor.
In Position 1 (alle Fluidwege verbunden) wird die Matrix in den
Anodenanschluss 164 des dritten Chips eingeführt, wodurch
die Trenn- und Injektorregionen gefüllt werden. Dies würde von
Reinigen der Wells durch Saugen gefolgt werden. Probe und Reaktanten
werden zu dem Probeneinlass-Anschluss 102 des ersten Chips
gegeben, wodurch die Reaktionskammer 132 des zweiten Chips
gefüllt
wird. Der zweite Chip wird dann zur Position 2 bewegt, wodurch die
Reaktionskammer 132 vom Rest der Vorrichtung isoliert wird.
Chemische/biologische Reaktionen werden ausgeführt in der Reaktionskammer 132.
Nach dem Reaktionsprozess wird der zweite Chip zur Position 1 zurückgebracht, sodass
Reaktionsprodukte in den dritten Chip zur Injektion und Trennung
bewegt werden können.
Falls der Reaktionsprozess Temperaturänderungen beinhaltet, wird
wahrscheinlich ein Leck auftreten, an den Chipgrenzflächen, falls
die Reaktionskammer 132 vollständig mit Fluid gefüllt ist.
Um diesen Punkt zu vermeiden, kann entweder die Kammer unterbefüllt werden,
wodurch ein kleiner Luftraum für
eine Fluid-Expansion belassen wird, oder der Entwurf kann modifiziert
sein, um einen kleinen Kanal zu enthalten, um Druckausgleich bereitzustellen
(siehe 2–3).
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Im
zweiten Beispiel eines 3-Chip-Ansatzes (2) wurde
ein Druckausgleichkanal 204 hinzugefügt, zusammen mit zusätzlichen
Anschlüssen 236, 242, 244,
um das Reinigen der Vorrichtung zu vereinfachen. Der anfängliche
Prozess des Füllens
mit Matrix und Probe wird ausgeführt
wie zuvor. Nun wird, wenn der zweite Chip (Chip B 230)
zu Position 2 bewegt wird, die Reaktionskammer 232 mit
dem Druckausgleichkanal 204 an einem Ende verbunden und am
anderen Ende verschlossen. Das zweite Ende des Druckausgleichkanals
wird auch verschlossen. Der Druckausgleichkanal ist leer zu Beginn
und gleicht den Druckaufbau während
der Reaktion aus. Nach der Reaktion werden die Reaktionsprodukt-Injektion
und -trennung wie im ersten Beispiel oben ausgeführt.
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Im
dritten Beispiel eines 3-Chip-Ansatzes (3) werden
ein Probenreinigungskanal 366 und Anschlüsse 306, 336, 338, 342, 344 hinzugefügt, um das
Reinigen der Vorrichtung zu vereinfachen. Dieser Probenreinigungskanal
ist entweder oberflächen-modifiziert
oder gefüllt
mit einer monolithischen Einfangmatrix, oder gefüllt mit Medien, wie Einfangkugeln
(an die Wand gebunden oder magnetisch) während der ersten Schritte der
Matrix- und Probenbeladung. Reaktionsprodukte werden wieder mit dem
zweiten Chip (Chip B, 330) in Position 2 erzeugt. Als nächstes wird
der zweite Chip zur Position 3 bewegt, wo die Reaktionskammer 332 verbunden
ist mit dem Reinigungskanal 366. Die Inhalte der Reaktionskammer
werden in den Reinigungskanal bewegt, wo unerwünschte Produkte durch und aus
dem System laufen. Die erwünschten
Reaktionsprodukte werden dann von den Einfangmedien freigesetzt
und in die Reaktionskammer 332 zurückbewegt. Zuletzt wird der
zweite Chip zu Position 1 zur Probeninjektion und -trennung zurück gebracht.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die Integration und/oder Isolation
verschiedener Funktionen in einem Mikrochipsystem unter Verwenden
eines 2-Chip-Systems erreicht. Das System besteht aus zwei mikro-fabrizierten
Chips, an den Rändern
verbunden, in Fluid-Kommunikation miteinander. Einer der Chips ist
bewegbar, durch Gleitaktion, relativ zum anderen Chip, um die Fluidwege
wieder auszurichten oder zu verschließen. Die zwei Chips haben polierte Ränder, die
elastisch gegeneinander vorgespannt sind, um einen Verschluss bei
niedrigem Druck an den ineinandergreifenden Oberflächen zu
bewirken.
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In
einem Beispiel eines 2-Chip-Ansatzes (4) enthält ein erster
Chip (Chip B, 430) eine Reaktionskammer 432 und
vier kleine Reinigungsanschlüsse 436, 438, 442, 444.
Ein zweiter Chip (Chip C) enthält
zwei Probeneinlassanschlüsse 472, 474, einen
Standard-Trennkanal mit einem Zwillings-T-Stück/Kreuzinjektor 462,
einen Probenreinigungskanal 466, einen Druckausgleichkanal 494 und zwei
kleine Reinigungsanschlüsse 482, 484.
In Position 1 wird die Matrix in den Anodenanschluss 464 des
zweiten Chips eingeführt,
wodurch die Trennungs- und Injektorregionen gefüllt werden. Dies würde gefolgt
sein durch das Reinigen der Wells durch Saugen. Proben und Reaktanten
werden zum Probeneinlassanschluss 472 oder 474 des
zweiten Chips hinzugefügt,
wodurch die Reaktionskammer 432 des ersten Chips gefüllt wird.
Der Probenreinigungskanal 466 ist entweder Oberflächen-modifiziert,
vorgefüllt
mit monolithischer Einfangmatrix oder gefüllt mit Medien, wie Einfangkugeln
(an die Wand gebunden oder magnetisch) bei diesem Schritt. Der erste
Chip wird dann zur Position 2 bewegt, wodurch die Reaktionskammer 432 mit
dem Druckausgleichkanal 494 an einem Ende verbunden und
am anderen Ende verschlossen wird. Das zweite Ende des Druckausgleichkanals 494 wird
auch verschlossen. Chemische/biologische Reaktionen werden ausgeführt in der
Reaktionskammer. Als nächstes
wird der erste Chip bewegt zur Position 3, bei der die Reaktionskammer 432 mit
dem Reinigungskanal 466 verbunden wird. Die Inhalte der
Reaktionskammer 432 werden in den Reinigungskanal 466 bewegt,
wo unerwünschte
Produkte durch und aus dem System laufen. Die erwünschten
Reaktionsprodukte werden dann von dem Einfangmedium freigesetzt
und in die Reaktionskammer 432 zurückbewegt. Zuletzt wird der
erste Chip zur Position 4 zur Probeninjektion und -trennung bewegt.
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Abhängig von
den auszuführenden
Funktionen können
Flüssigkeiten
in einer Vielfalt von Arten bewegt werden, einschließlich Druck,
Vakuum, Kapillarwirkung, elektrisch, etc. Weil Verbindungen zwischen
den Chips linear sind, können
mehrfache parallele Strukturen für
einen vergrößerten Systemdurchsatz
ohne zusätzlich
gezählte
Teile mikro-erzeugt werden. Dieser Entwurf schließt nicht
die Verwendung von Glas- oder Plastikmaterialen, wiederverwendbaren
oder entsorgbaren Chips aus, und tatsächlich kann man die Systemanwendung
modifizieren durch Ändern
nur von einem der verbindenden Chips. Die Druckverschlusserfordernisse
an den Chip-zu-Chip-Grenzflächen sind
gering, in der Größenordnung
von 5–10
psi für
die viskose LPA-Matrix (da sie hinein gepumpt wird vom Anodenanschluss) und
sogar geringer für
Niedrig-Viskositäts-Fluide,
wie die Probe.
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Obwohl
ein linearer Entwurf oben vorgeschlagen wurde, sind eine Anzahl
von Variationen denkbar, einschließlich gestapelte Vorrichtungen
mit entweder Linear- oder
Rotationsantrieb. Alternativ können
Rotationsventile auch hinzugefügt
werden zur Spitze eines Mikrochips. Mehrfache Vorrichtungen können gestapelt
werden in einer 3D-Struktur, um eine Funktionalität und/oder
Parallelismus zu vergrößern.
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Funktionelle
Strukturen, wie jene, die zum Umsetzen, Mischen, Splitten, Leiten,
Hybridisieren, Konzentrieren, etc. verwendet werden, könnten eingebaut
werden. Verschlüsse
oder Beschichtungen können
verwendet werden, um Verschließdruck
oder Robustheit zu vergrößern. Kombinationen
von Substratmaterialien können
auch verwendet werden. Z.B. könnte
ein wiederverwendbares Glaschip gekoppelt werden an ein entsorgbares
oder Assay-spezifisches Plastikchip, oder vielleicht würden thermische
Reaktionen in einem Glaschip, das mit einem Plastikchip in Eingriff
steht, ausgeführt
werden; das Plastik würde
relativ isoliert bleiben auf Grund der niedrigen Wärmeleitfähigkeitseigenschaft
von Plastik. Die Kanaldimensionen der in Eingriff stehenden Chips
müssen
nicht übereinstimmen,
abhängig
von der Anwendung; falls große
Kanäle
mit kleinen Kanälen
in Eingriff stehen, sind Ausrichtungstoleranzen lockerer. Vorrichtungen
können
in Sätzen
erzeugt werden, um die Ausrichtung sogar einfacher zu machen. Elektroden,
Sensoren, Heizer, Antriebe, etc. könnten auch integriert sein.
In einigen Situationen kann eine der Vorrichtungen in einem System
entsorgbar sein, während
es die andere(n) nicht sind. Natürlich
könnte alles
entsorgbar sein. Man könnte
in Erwägung
ziehen, eine Probe in einem System von Vorrichtungen herzustellen
und dann eine der Vorrichtungen zu entfernen zur weiteren Verarbeitung,
Analyse oder Speicherung.
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Eine
Variation zum oben genannten gleitenden Linearventil-Ansatz ist
ein 2-dimensionaler(2D)-Jogging-Ansatz.
Dieser Ansatz bietet eine Lösung,
um fluide Verbindungen zwischen verschiedenen Chips in einer kontrollierten
Weise herzustellen oder zu unterbrechen. Im gleitenden Linearventilentwurf
kann eine fluide Kommunikation erzeugt oder zwischen verschiedenen
Kanälen
auf jedem Chip isoliert werden durch Gleiten von einem Chip gegen das
andere. Während
des Gleitprozesses bleiben die Chips in Kontakt miteinander, um
einen Verschluss bei niedrigem Druck beizubehalten und deshalb ein Leck
an den in Eingriff stehenden Oberflächen zu verhindern. Hydrophobes
Beschichten der in Eingriff stehenden Oberflächen von beiden Chips ist üblicherweise
hilfreich, wenn die Chips aus Glas erzeugt sind. Das 2D-Jogging-Konzept
besitzt den Vorteil, dass die Oberflächenspannung virtuelle Ventile
an den Rändern
der Chips erzeugt. Um eine fluide Kommunikation zwischen den am
Rand verbunden Chips zu isolieren, werden die zwei Chips voneinander weggezogen.
Oberflächenspannung
hält die
Flüssigkeit
(z.B. Wasser) innerhalb jeden entsprechenden Kanals ohne Leckbildung.
Die Chips können
bewegt werden zur nächsten
erwünschten
Position, fluide Verbindung wird wieder etabliert zwischen den Chips,
sobald ihre Ränder
in Kontakt kommen. Es gibt zwei Hauptunterschiede zwischen dem 2D-Jogging-Ansatz
und dem Gleiten. Im 2D-Jogging
müssen
die Chips nicht Kontakt miteinander halten. Dies führt zu einer
zusätzlichen
Integrationsflexibilität.
Die physikalische Haltbarkeit der Oberflächenbeschichtung ist auch von
geringerem Belang im Jogging-Ansatz, da kein Abreiben erfolgt, während die
Chips bewegt werden.
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Der
2D-Jogging-Ansatz für
Reaktantentransfer ist in 5 veranschaulicht.
Zwei Chips 530 und 560 wurden erzeugt und an den
Rändern
poliert. Eine dünne
Schicht von Cr/Au-Film wurde auf den polierten, in eingriff stehenden
Oberflächen
abgeschieden. Diese Chips wurden dann in eine Ethanollösung von Octadecanthiol
eingetaucht, um eine hydrophobe Monolagen-Beschichtung zu bilden
(Kontaktwinkel von größer als
90° für Wasser
wurden beobachtet). 2D-Jogging-Konzept wurde demonstriert durch Übertragen
einer wässrigen
Farbstofflösung
zwischen Kanälen
auf verschiedenen Chips. 5 zeigt Abschnitte der zwei
Chips und die Skalen für
jede Position sind nicht genau dieselben. Die gepunkteten Linien
heben die Ränder
der Chips hervor und eine einzelne gepunktete Linie an der Verbindung
der zwei Chips zeigt, dass die zwei Chips in physikalischem Randkontakt
miteinander stehen. Auf einem ersten Chip 530 wird ein
erster Kanal 532 mit einer Breite von 270 μm mit einem
Probenbeladungsanschluss 534 verbunden. Ein zweiter Kanal 542 wird
auch gezeigt auf demselben Chip 530. Auf dem zweiten Chip 560 wird
ein erster Kanal 562 mit einem Probenbeladungsanschluss 564 verbunden.
Ein zweiter Kanal 572 ist auch gezeigt auf demselben Chip 560.
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In
der Position 1A waren der erste und der zweite Chip in physikalischem
Kontakt miteinander, während
der erste Kanal 532 der Chips 530 mit dem ersten
Kanal 562 des Chips 560 ausgerichtet war. Alle
Kanäle
auf beiden Chips waren leer. In Position 1B wurde Farbstoff in den
Probenbeladungsanschluss 564 des ersten Kanals 562 auf
dem zweiten Chip 560 geladen, und dann zum ersten Kanal 532 auf
dem ersten Chip 530 übertragen.
Die zwei Chips wurden dann langsam auseinander gezogen, wie gezeigt
in Position 1C. Fluid-Verbindung wurde aufrecht erhalten über die
kurze Lücke.
Als die Chips weiter weggezogen wurden (Position 1D der 5),
wurde die Fluid-Verbindung unterbrochen und die Flüssigkeit
wurde zurück
in jeden entsprechenden Kanal durch Oberflächenspannung gezogen. Dann
wurde die relative Position der zwei Chips derart bewegt, dass der
erste Kanal 532 auf dem ersten Chip 530 ausgerichtet
und in physikalischen Kontakt mit dem zweiten Kanal 572 auf
dem zweiten Chip 560 war. Der Farbstoff wurde dann in den
zweiten Kanal 572 auf den zweiten Chip 560 übertragen.
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Tests
des 2D-Jogging-Ansatzes wurden auch erfolgreich mit entionisiertem
Wasser ausgeführt.
Verschiedene Beschichtungschemien (z.B. fluorierte Monolage, aus
Dampf abgeschiedenes Teflon) können
angewandt werden, um mit organischen Lösungen umzugehen und eine Oberflächenadsorption
derartiger Lösungen
zu verhindern.
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Die
Integration und/oder Isolation der verschiedenen Funktionen in einem
Mikrochipsystem können
erreicht werden unter Verwenden von Ventilen niedrigen Volumens,
die entworfen sind, um mit mikrofluiden Vorrichtungen kompatibel
zu sein. Dieser Ansatz ermöglicht
auch das Verschließen
fluider Abschnitte während
eines Wärmekreislaufs,
z.B. Amplifikation, oder zum Fluid-Leiten und -steuern in integrierten
Mikrochips.
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6A–6D zeigen
eine Vielfalt von Miniaturventilentwürfen zur Verwendung mit Mikrochips.
Diese Ventile bestehen aus zwei Hauptelementen: einer mikrofabrizierten
Vorrichtung (ein „Mikrochip") und einem kleinen
Laser oder einem herkömmlichen
maschinell bearbeiteten bewegbaren Teil. Der Mikrochip und das bewegbare
Teil sind elastisch gegeneinander vorgespannt. Die mikrofabrizierte
Vorrichtung kann aus Glas oder Plastik und der maschinell bearbeitete
Teil bevorzugt aus Plastik erzeugt sein. In den ersten drei Entwürfen (6A–6C)
sind die Ventile in oberem Kontakt mit den Löchern der Mikrochips. Im letzten
Entwurf (6D) dienen die Kanäle, die
an den Rändern
des Mikrochips enden, als Zugangslöcher und die Ventile stehen
in Endkontakt mit den Kanälen.
In jedem der Entwürfe
enthält
die bewegliche Ventilkomponente eine kleine maschinell bearbeitete
Rille (ähnlich
oder leicht größer im Querschnitt
zu den mikrofabrizierten Kanälen),
die verwendet wird, um zwei oder mehr Zugangslöcher in dem Mikrochip zu verbinden,
sehr ähnlich
dem Rotor in einem LC-Ventil. In den Rotationsentwürfen (6A und 6B)
kann die Rille ein allgemeines Loch mit einer beliebigen Anzahl
von radialen Löchern
verbinden oder sie kann konfiguriert sein, um benachbarte Löcher zu
verbinden. Mit dem Gleitentwurf (6C und 6D)
können
eines oder mehrere benachbarte Löcher
verbunden werden. In jeder Konfiguration können eines oder mehrere Löcher abgeschlossen
sein. In der Praxis kann die sich bewegende Ventil(e)-Komponente
als Teil des Instruments oder als Teil eines Mikrochipaufbaus konfiguriert
sein, obwohl der Antrieb wahrscheinlich Teil des Instrumentes sein
wird. Dieser Ventilansatz kann 10 bar Druck handhaben. Wir haben
einen 10 bar-Verschluss
beobachtet.
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7A und 7B zeigen
mikrofabrizierte Glasvorrichtungen („Mikrochips"), die in Verbindung mit
dem Randkontakt-Gleitventil, wie in 6D gezeigt
ist, steht. Drei Sätze
von Miniatursystemen sind gezeigt, obwohl zusätzliche Systeme zu einer Mikrochipvorrichtung
zugefügt
werden können.
Jedes System enthält
eine Reaktionskammer 32, eine Probenreinigungskammer 66,
einen Trennkanal mit einem Zwillings-T-Stück/Kreuzinjektor 62,
wie auch zwei Füll/Reinigungsanschlüsse 42 und 44.
All die Kanäle enden
an dem Rand des Mikrochips, wie in den in 1–4 gezeigten
Gleit-Linearventil-Entwürfen, und
dienen als Zugangslöcher.
Die Gleitventile stehen am Rand in Kontakt mit den Kanälen. Der
Mikrochip und das bewegbare Teil sind elastisch gegeneinander vorgespannt.
Das bewegbare Teil (Gleitventil) ist aus Plastik erzeugt und hält Verbindungsrillen,
wie gezeigt in 6D. Eines oder mehrere benachbarte Löcher können verbunden
werden (Position A oder C von beiden 7A und 7B)
und eines oder mehrere Löcher
können abgeschlossen
sein (Position B von beiden 7A und 7B).
Eine gereinigte Probe wird injiziert von der Reinigungskammer direkt
zum Trennkanal im in 7B gezeigten Entwurf, während sie
zuerst zum Probenbeladungsanschluss 61 des Trennteils übertragen
wird, dann in den Entwurf in 7A injiziert
wird. DNA-Amplifizierung, Probenreinigung
und -trennung wurden erfolgreich ausgeführt unter Verwenden dieser
Vorrichtungen.
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Schlüssel zu
den oben angegebenen Miniaturventilentwürfen, speziell jene, die in 6a–6C gezeigt
sind, sind Mikrochips mit sehr kleinen Zugangslöchern. Während es möglich ist, kleine Löcher in
Plastik zu drillen, ist es sehr schwierig, sehr kleine Löcher mit
hohem Längenverhältnis zu
fabrizieren (100 μm
quer × 1
mm tief) in Borofloat-Glas. Herkömmliches
Diamantendrillen und Ultraschallverfahren sind beschränkt auf
größere Durchmesser
und tiefere Löcher
werden schwieriger, wenn die Dimensionen schrumpfen. Obwohl Quarz mit
dem Laser gedrillt werden kann, überlebt
Borofloat-Glas den Prozess nicht.
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Es
gibt deshalb eine Notwenigkeit für
ein neues Verfahren zum Fabrizieren von Glaschips, die sehr kleine
Löcher
mit sehr hohen Längenverhältnissen
eingebaut haben, obwohl sie nicht willkürlich positioniert sind. Wir
stellen hier einen derartigen Prozess bereit, der speziell geeignet
ist für
kleine Löcher, die
in einer linearen Weise angeordnet sind.
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Das
Verfahren besteht aus einer Anzahl von Schritten, wie gezeigt in 8.
Zuerst werden Rillen an der Oberfläche einer Glasplatte fabriziert.
Die Rillen-Fabrikation kann erreicht werden durch eine Vielfalt
verschiedener Verfahren, einschließlich Sägen oder Ätzen. Alternativ können Glasstrukturen
mit gezogenen inneren Kanälen
verwendet werden. Als nächstes
werden kurze Streifen in Würfeln
herausgeschnitten derart, dass die Rillen (Kanäle) senkrecht zu dem geschnittenen
Rand orientiert sind. Dann werden einer (oder mehrere) dieser zu
Würfeln
geschnittenen Streifen auf dem Rand auf die Spitze gestellt und
rillenseitig gegen den zuvor abgeflachten Rand einer leeren Glasplatte
angeordnet. Als nächstes
werden diese zwei Stücke
bei hoher Temperatur miteinander verbunden, um einen integralen
Teil zu bilden, und dann beide Seiten überlappt, um Flachheit sicherzustellen.
Schließlich
ist diese Platte ausgerichtet und verbunden mit einer anderen Glasplatte,
die fluide Strukturen (Kanäle)
enthält,
um eine vollständige
mikrofabrizierte Vorrichtung zu bilden. Falls erforderlich können zusätzliche
Löcher
einer herkömmlicheren
Größe in eine
der zwei Platten vor dem schließlichen
Verbinden fabriziert werden. Man kann auch in Betracht ziehen, Rillen
auf beiden Seiten der Ausgangsplatte vor dem In-Würfel-Schneiden zu fabrizieren,
und dann an zwei leere Platten zu binden, falls zwei Spalten von
Löchern
erforderlich sind. Gezogene Strukturen können mehrfache Spalten auch
umfassen.
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Mögliche Anwendungen
für diese
Vorrichtungen und Integrationsverfahren (Gleiten und Joggen) sollten
umfassen, sind aber nicht beschränkt
auf die Gebiete der Genomics, Proteomics, Molecular Diagnostics
und auf Zellen basierenden Assays. Beispiele könnten Probenaufarbeitung und
-reinigung umfassen, PCR, Cycle Sequencing, Probenverdünnung, Probenkonzentration
und isotherme, Enzym- oder Ligandenbindungsassays. Mehrfache Reaktionsschritte
können
ausgeführt
werden und Proben könnten hergestellt
werden zur Detektion durch Massenspektroskopie. Zusätzlich sollten
Anwendungen in Gebieten außerhalb
der Life Sciences existieren.
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Es
ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche definiert
ist.