[发明专利]微流体和纳米流体装置、系统和应用

说明书

交叉参考

本申请要求2007年2月5日提交的美国临时申请号60/899,630“微流体和纳米流体装置、系统和应用(Microfluidic and nanofluidic devices，systems，andapplications)”的优先权，通过引用将该申请全文纳入本文。

有关联邦资助的研究的声明

本发明在以下一项或多项政府资助下完成：国防部授予的计划号W911SR-04-P-0047、NIH授予的资助号5R01HG003583、HSARPA授予的合同号NBCHC050133、HSARPA授予的命令号TTA-1-0014(协议号W81XWH-04-9-0012)。政府享有本发明的某些权利。

发明背景

过去，已经开发了设计不同的各种微流体装置，其目的常常是降低生物分析方法中对样品体积的要求、将多个步骤整合成自动化的过程、整合样品制备和分析、以及将样品的整个体积和各个步骤联系起来。

在没有按标准控制外形尺寸形状因素，上游和下游外部接口的特性，以及内部微流体通路的长度、横截面形状和直径的情况下，这类微流体装置常常互不相容，并且与现有的上游纯化和下游分析装置不相容。

尽管显微制造技术取得的进展使得可能在微升，甚至纳升或皮升水平进行分析，但首先获得的许多生物和环境样品的体积远远高于现有微流体分析装置的分析水平。

模块化微流体技术可以将移动的样品结合到微芯片上。虽然微流体领域的焦点是将多种功能整合到单个装置，但已通过另一种在多个装置上模块化地整合多种功能的方法达到该目的。这种模块化的理念基于以下技术，即简单地将两个连接器插接在一起以连接毛细管阵列(美国专利号6,551,839；美国专利申请号11/229,065；美国专利号6,190,616；美国专利号6,423,536；美国专利申请号09/770,412；美国专利号6,870,185；美国专利申请号10/125,045；美国专利申请号10/540,658；美国专利申请号10/750,533；美国专利申请11/138,018；通过引用将它们全文纳入本文)。除产生连接器外，阵列间的接口也产生真正的死容积为零的阀和路由选择器。本申请提供如何连接和断开含流体线路的微芯片与其他毛细管微芯片或阵列的指南，开发包含两个、三个或多个微芯片的新型微芯片设计，提供新功能，包括组分收集、新应用和设备设计。这种新技术称为模块化纳米流体(nanofluidic)技术，在模块化纳米流体技术中使用微芯片则称为“模块化微流体微芯片”或“模块化微芯片”。

模块化微流体微芯片在生命科学和医学中具有许多应用。模块化微芯片产生的装置可进行单项功能或局部聚集的群组功能。通过停靠两个微型装置和转移经加工的样品产生更复杂的过程。例如，一个微型装置可进行PCR扩增并清除一系列靶DNA，第二微型装置可进行循环测序反应，并可连接于进行DNA序列分析的第三装置。相似地，在蛋白质组学应用中，一个装置可进行第一维度的分离，第二装置进行第二正交分离。以“即插即用”方式连接装置的能力允许以不同速率、循环次数或通量独立进行这些过程。可准备多组模块化微芯片并在酒店中培育(incubated in hotels)。当样品制备过程中的一个步骤完成时，可将下一步骤的模块化微芯片停靠、加载和(如果需要)移动到酒店，以便进行下一个步骤。当样品制备完成后，模块化微芯片可与高通量CAE微芯片、质谱仪、流式细胞仪或其他分析设备接口相连。

模块化方法能够让大规模装置如自动化装置和机器人与纳米级样品制备和分析一同工作。现有机器人系统能够满足模块化操作的精确定位需求，这种精度需求远远低于微电子工业的需求。目前，分级(stage)和步进电动机目前的定位精度能够达到小于1μm，大于5μm的定位精度是相当常见的。模块化微芯片可影响广泛自动化能力，直接加速纳米装置的发展和使用。

模块化微流体方法可将基于微芯片的技术与自动化系统组合起来，产生完全自动化纳米样品制备方法并将其与许多类型的分析联系起来的技术平台。在本发明中，提供如何将本发明应用于开发DNA序列样品制备和分析、AFLP分析、PCR分析、MLVA分析、循环测序、用于基因分型的DNA片段分析和DNA测序的片段分析的例子。

在本发明中，提供如何连接微量级和纳米级装置以及如何在微芯片上进行样品制备和分析的指南。我们也教导如何连接行使专门化功能的不同微芯片，这些功能包括微芯片阀、反应器、流体移动、混合、进行不同的生化反应和分析方法。

发明内容