近年来，医药、生物工艺、化学和相关工业已越来越多地采用了 用于进行各种反应和分析的微小腔室和通道结构。这些结构的优点包 括小型化、空间上和试剂成本的节省，以及确保人们并行或串联地(即 一个接一个)进行大量反应而没有人为干扰。
到目前为止，微流控装置是用以实现micro-TAB(微总分析系统) 的最有前途的候选物。通常，在此方向上的所有尝试的特征表现在两 个方面：依赖对流体输送起作用的力和依赖用于引导流体流动的机 构。前者是指动力。后者是指阀，并构成了对许多基本操作必不可少 的逻辑或模拟调节器，所述基本操作例如流体的体积定量测量、流体 的混合、连接一套流体输入装置和一套流体输出装置、以足够紧的方 式密封容器(根据应用连接气体或流体通道)以便储存流体、控制流体 的流动速度。
作为动力，现有技术公开了多种解决方案，包括动电的和电渗输 送、机械微泵、外部压力、声能及向心力。本发明主要涉及、但不排 它地，为向心装置。因此，涉及利用向心力装置的部分现有技术的概 述包括：Yamaji等人(EP00392475 A2)和Takase等人(EP00417305 A1) 公开了一种基于旋转盘的流体样品分析仪；Kellogg等人(US6063589/ WO0187485 A2)和Mian等人(US6319469，US21055812 A1)公开的用 于在微流控系统中采用向心加速度以驱动流体移动的装置和方法； Kopf-Sill等人(US5160702)教导了一种具有改进的转子结构的分析仪； 和Gordon(US5892577，US6256088，US6339473)教导了一种用于进 行样品分析的装置和方法。
通过阀的使用而具有控制流体流动能力的装置在本领域中是公知 的，同时与其提供流体流动的实时控制和模拟调节的能力不同。作为 一个实例，一些阀具有以模拟方式控制流体流动的能力、与热水龙头 相似，一些阀的开关在开-闭状态之间切换而且反之亦然、这与灌溉调 节器相似，一些阀具有单一的开-闭转换、如同电子安全开关一样，或 者关-开转换，这与高压回路中的安全阀相似。
现有技术的微流控阀装置存在着每一个阀的高成本、以及能够实 现的集成尺度和复杂性的缺陷。不幸的是，在中级尺度范围内大多数 现有技术装置的可靠性是令人怀疑的。此外，由阀的部件件和阀的功 能导致的样品材料的变化，已加剧了其不可靠的性质，而且不能制造 出具有可重复结果的微分析装置。现有技术的阀装置的设计使得它们 的制造成本和复杂性，不适用于在“用后废弃型”和可大量制造的微 分析装置范围内成本有效地使用。
一些现有技术阀装置的概况如下所述：Unger等人的美国专利 US6408878(Unger)教导了弹性阀和泵系统，其中将第二弹性层粘接到 第一弹性层的顶面上，从而在第一和第二弹性层间的第二凹陷中形成 一个控制通道，同时将第一弹性层置于平面基底的上面，从而在第一 弹性层和平面基底间的第一凹陷中形成一个流动通道。不幸的是， Unger受制于设计的复杂性和制造的成本。除了阀的复杂性以外，基 于气压传动装置的控制系统不得不利用许多独立管线而被连接到各种 阀上，而且其多路技术(为了比装置上实际的阀具有更少的控制管线， 这是必需的)对回路的设计产生了影响并且需要精确的压力控制。
Kellogg等人的专利申请US6302134教导了一种在微流控阵列中 的热启动蜡阀(wax valve)。这种在微系统平台中的热启动蜡阀需要许 多微流控部件，例如耐热元件、温度传感元件、混合结构，以便形成 这些热启动的牺牲性蜡阀。除了在微流控回路上明显地占据表面以 外，Kellogg的阀进一步地需要电子的纺锤形设计的转子，能够将电 信号输送至微系统平台和从微系统平台输出电信号。Kellogg的阀的 要求及复杂性使得其不能实际地应用于微分析系统中。此外，由阀致 动产生的废弃物能够污染相关的样品。另外，通过热传导最初传递给 蜡的热量阻碍了毛细管。在此情况下，通过传导和对流也不可避免地 将热量传递给芯片和流体。这在大多数生物应用中是不期望的，其中 样品可能明显地被热量降解。
另一种现有技术的阀系统可在Kellogg等人的美国专利 US6134248(Kellogg‘248)中找到。Kellogg‘248教导了一种需要向心 加速度以驱动微流控系统中流体的毛细管微阀。Kellogg‘248的阀装 置仅能够用于具有向心加速度的装置中，而且也受制于其制造的难 度。
另一种现有技术的装置为Kellogg等人的US2002/0097632 A1 (Kellogg申请的)，其公开了一种双向流动的离心微流控装置。Kellogg 申请中的阀特别地提供了微系统平台，所述微系统平台用于当流体流 动是由旋转产生的离心力而激发时，在平台的表面上实现一种或多种 流体的有效混合。此种双向流动系统的使用仅限于离心驱动的微分析 系统内的混合系统。
许多其他现有技术的装置已试图改进用于微分析平台的阀装置， 例如Onishi等人(US5547472)教导了一种具有药物注射孔的导管； Derand等人(WO00102737 A1)(Derand)教导了聚合物阀。在Derand的 阀中使用的聚合物的一个重要特征是，阀是以可逆的方式从膨胀状态 到收缩状态而开闭或反之亦然，从而使聚合物的选择(及其生物相容性) 局限于特定类型的材料中。此外，可以预见在毛细管中有管塞，使得 装置的制造更加昂贵而且不适于大量生产，因为不得不要制造每一个 阀并将其置于回路中。
Larsson等人(WO99/58245)公开了一种微流控装置，其中通过具 有不同表面特征的装置不同表面控制流体的流动；McNeely等人 (US2002/0033193)公开了用于微流控流动控制的遥控阀， Williams(US2001/0054702 A1)教导了用于微流控结构中的阀，Parce等 人(US 6,379,974)教导了微流控装置和系统，其使用电动材料输送 系统以便选择性地控制和引导材料的输送。不幸的是，所有这些装置 遭遇到其控制系统的复杂性、设计、可靠性、高制造成本以及限定于 给定类型流体的应用。
现有技术装置中的另一种解决方法在Limon等人的美国专利号 US5869002(Limon)中示出，其中的分析卡片包含由易碎的隔板分隔的 相互分开的两个腔室，该隔板排列在分析卡片内并由吸收剂、优选塑 料制成，用于吸收具有至少预定波长的光能并将其转化为热能，而能 够去除易碎的隔板由此使得流体在两个腔室间连通。不幸的是，Limon 也具有一些缺陷。Limon的阀被限定于某些构型内而不适用于众多的 微分析平台。更重要的是，在Limon中需要的光能是如此的强烈而持 久，以致于使得邻接的腔室内相关的流体或样品产生了变化。为了克 服这种变化，Limon等人教导了在易碎的隔板周围使用凹腔，以保护 分析卡片中的液体循环避免过早或过度加热。Limon的阀装置也遭遇 了其构型的固定性以及对各种微分析平台、例如旋转盘或中等尺度装 置缺少适应性。不幸的是，Limon所要求的构型并不适合经济的制造 方法。
现有技术的微流控回路的另一个缺点是难以协调完全可程控和可 成构型的装置形式的灵活性与制造和操作形式的简单性。为了通过微 流控回路控制流体的流动而提供了阀。现有技术的方法依赖于主动部 件或者不能独立致动的被动部件，另外可依赖于相关流体或样品的性 质，出于成本和容易制造的原因，该主动部件仅能配备有限的数量。 现有技术中许多主动阀系统其特征也在于必须物理连接至装置上的控 制系统，通常该控制系统不能小型化(与Fluidigm，San Francisco，CA 的Topaz Crystallizer的压力控制组件相似)，并由此明显增加了装置的 复杂性、系统的集成度和轻便性。
现有技术的微流控回路的一个明显缺陷是在处理生物样品中的困 难。现有技术的装置受制于可污染相关样品、改变或破坏这些样品的 阀装置。
一些现有技术的集成于微流控回路中的微阀占据了芯片的很大表 面。这是在损害了装置的其它功能部件的情况下，使得回路的集成(每 单位表面的部件数)更小并由此使得芯片更昂贵。占据很大表面积的装 置需求损害了其在微流控回路中的使用。
现有技术的微流控回路的另一个缺点是阀部件的可靠性。现有技 术的装置常遭遇偶然性故障且最重要的是缺乏识别这些故障的反馈控 制。尽管在具有中等数量的阀的芯片(例如复杂性小的芯片)中可忽略 这一方面时，但对高集成的微流控装置的需求需要比现有技术所提供 的可靠性更高的基本功能部件，特别是阀装置。
现有技术的微流控阀的另一个缺点在于在几何学上窄的制造公 差、表面性能、材料的选择和制造方法的复杂性。对于一种复杂或具 有紧密公差或二者兼有的制造方法而言，增加集成级别(装置中的阀数 量)，可导致高的制造失误率，进一步提高了制造成本。
微流控的另一个特殊方面在于阀和整个回路所需的可随意处理 性。在本领域中公知的是，伴随着容量的降低，表面积与体积的比率 增加。由于一大部分样品与芯片和阀表面接触，这也意味着流体污染 问题要比在中等尺度的情况中更大。为了避免样品的污染，优选一个 阀应当针对单一类型的样品而使用，并且可只使用一次以避免样品浓 度的改变。依赖于可重复使用阀的阀调节方法在大多数微流控应用中 缺乏吸引力。
本发明满足了对于可变形、可靠且简单装置的需求，用以控制流 体的流动，以及各种其它的需求。
发明概述
本发明涉及微流控回路，其中通过使最初分离的两个微流控部件 流体连通从而控制流体流动。两个部件连通的时间和流体连通的位置 都是任意的，且均可从外部确定。因此，本发明描述了无限数量的优 选不可逆的阀，所有的阀最初为关闭状态，但可在任何时间及以任何 方式将其打开。
当一个阀关闭时，流体容纳于第一微流控部件中。阀一打开，就 能够确保流体与至少一个或多个另外的微流控部件连通。流体会否流 入另外的部件，流至多大程度及以多大速度流动，都依赖于作用于流 体的力和对通过阀部件对流体流动的阻碍。
在微流控回路中，通过机械微泵、电场、声能的应用、外部压力 或者向心力的使用可以实现流体的输送。本发明的阀独立于用于流体 输送的结构之外，并由此与用于流体输送的任何上述方法相一致，但 并不限于上述方法。通常，本发明的阀可以是打开的，但优选是不关 闭的。对于其中力的方向是不可逆的微流控回路而言、例如使用向心 力的装置情况，这一特点相对并不重要，而且通过适当设计回路及其 基本部件，能够在大多数其它情况下将其克服。
在本发明的范围内考虑到，为了“关闭”本发明的阀，可以将双 组分的“胶”分布在打开的阀相对的侧面上。对该胶的选择应在于无 需将两种组分混合的那些胶，同时该胶应具有合理的快速固化时间以 便密封阀的开口。该胶可以是Permabond制造的商品名V5004的市售 丙烯酸胶，其具有良好流动特性并且没有粘连丝。在本发明的范围内 可进一步地考虑到，具有生物相容性优点的另一种“胶”、例如纤维 蛋白胶等可用于封闭打开的阀。在本发明范围内可以考虑诸如tissuecol 的纤维蛋白胶。纤维蛋白胶包含两种组分，即包括在一侧上的纤维蛋 白和另一侧上的凝血酶。它们的接触产生了凝血剂反应而封闭阀。
在本发明的范围内也可以考虑，通过打开阀使得流体进入Tesla 阀的一个分支而阻挡流体通道。Tesla阀是一种流体二极管或有阀门的 管道，其允许在一个方向上容易流动但在另一个方向上流动被延滞而 形成稳妥地停止流动的旋涡或逆流，就好象机械阀被移动至关闭位置 一样。打开具有这种构型的本发明的阀使得流体进入分支之一，并由 此停止流体的流动，这与通过关闭阀的动作而实现的功能相同。
作为另一个实施例，本发明的阀可用于分配明显地改变了通道的 表面性能(例如使其具有更多或更少的疏水性)的流体。作为一种净效 应，这可产生另一种流体(例如水)不再进入输出通道的结果，而且对 于所关注的水的通道而言，输出通道可被认为是“关闭的”。
因此，在本发明的一个方面中，用于处理生物或化学流体的装置 包括第一基底和第二基底，第一基底包含许多第一中等尺度的流控部 件，第二基底包括与第一中等尺度的流体元部件相对应的第二中等尺 度的流控部件。在本发明的范围内可以考虑，本发明的装置可进一步 包含其它的基底层。根据本发明，这些其它的基底层可包含许多流体 通道、腔室和控制部件，例如透镜和滤波器。
在每一个基底层之间，材料层或穿孔层将许多第一中等尺度的流 控部件与许多第二中等尺度的流控部件、或者其它的纳米尺度或中等 尺度部件分开。材料层的结构可以是同质或异质的，例如包括多层和 涂层。根据本发明，材料层或穿孔层可由例如聚甲基丙烯酸甲酯、下 文中被称为PMMA的聚合化合物构成。在本发明的范围内可以考虑 使用其他材料，例如低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯 (LLDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙 烯(PE)、聚碳酸酯(PC)、二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)、 聚苯乙烯(PS)、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN)等。这些聚合物可以单独使用或相互组合使用。优选使用聚合 物，因为其易于使用和制造。可以清楚地是可采用其他选择，例如进 行或未进行另外表面处理的金属箔片，此选择与在应用中所使用的电 磁辐射产生装置的类型相联系。
材料层可进一步包含光学染料或其它类似材料或层，其具有对预 先选择的电磁辐射的吸收性能。可通过公知改变而出现吸收，如吸收 光滤波器中所使用的那样，例如加入金属箔或改变表面的光学特性(n： 折射率和k：消光系数)或利用其它表面特性、如粗糙度，从而使足够 量的预选定的电磁能量被吸收，其导致的结果即是穿孔。其它的技术 可使用光吸收小球，例如炭黑粒子、染料乳液、纳米晶体。此外，可 使用反射层、偏光改变层、波长位移层以增加电磁能量的有效吸收。
本发明的一个优点在于微流控回路中阀的极度紧密，从而使得用 于流体储存、培育和反应发生的表面积最大。通过调节光学系统的位 置、电磁辐射产生装置的能量和脉冲持续时间，也可使阀的尺寸在广 泛尺寸范围内适应于电路，降低至衍射极限或以下。当期望在微流控 回路中获得层流时，阀的截面应当大致与相互连通的毛细管的截面相 匹配。当期望混合时，优选阀具有与回路的流体截面明显不同的截面， 从而使湍流能够担当主动混合介质的作用。
本发明的阀本质上为低成本；特别是其具有零边际成本，因为装 置的成本不依赖于在回路本身上提供了多少阀。
本发明的阀具有一个死区容积(dead volume)，该死区容积在微流 控应用中可忽略不计，而且比本领域中的大多数其它的阀设计要小。 典型地，本发明的阀在实验室装置和工业制造的产品中都容易地打开 用以操作及搭建。
通过选择具有低渗透率的材料层，可使本发明的阀具有极端的流 体密封性。这样可使用本发明的阀用于化学试剂储存的密封件。许多 阀系统不能对蒸汽和流体提供足够的密封以使储存成为可能，例如基 于疏水破裂的阀系统、或基于流体上的校正毛细管张力的阀系统、或 基于聚合物形状的压力致动改变的阀系统。本发明的阀也可用于冻干 的分子、例如蛋白质的储存。实际上，当将盘于真空中加热时，可利 用材料层对水蒸汽的部分渗透性，用以通过冻结的化合物的升华来控 制水蒸气的损失。这就使得能对诸如药物化合物的分子以极小体积和 备用方式进行长期储存。分子可通过如下方式进行收集：通过材料层 中开启的阀，以溶剂溶解分子，然后利用该层上的第二个阀使其离开 储存腔。
根据本发明，提供了一种用于产生电磁辐射的电磁产生装置，该 辐射用于在与材料层的一部分相对应的位置上引导至材料层或穿孔层 上，所述材料层的部分位于来自许多对于中等尺度的流控部件和许多 第二中等尺度的流控部件的至少一对相应的中等尺度的流控部件之 间。电磁产生装置使得该对中等尺度的流控部件之间的位置处产生能 进行流体连通的穿孔。材料层的穿孔以限定性方式出现，所述方式依 赖于辐射的波长和强度，该辐射在一定的空间和时间内施加到装置 上，由此避免了相关流体或样品任何实质的变化。
在本发明的另一个方面中，一种用于多路传输生物或化学流体的 装置包括，包含一组输入毛细管的第一基底，包含与一组输入毛细管 相对应的一组输出毛细管的第二基底，位于第一基底和第二基底间的 材料层，所述材料层形成了每一输入毛细管和与之对应的每一输出毛 细管之间的界面，和用于产生电磁辐射的电磁辐射产生装置，该辐射 被引导至许多输入毛细管中的第一输入毛细管和许多输出毛细管中的 第一输出毛细管之间的界面处的材料层上。电磁产生装置使得界面处 的材料层上产生穿孔，该穿孔使得第一输入毛细管和第一输出毛细管 形成流体连通而不破坏或基本上不改变微流控网络内的生物样品或流 体。
多路传输能力满足了灵活、可程控的流体处理的需要。例如，可 在拟订的执行过程中对反应中所涉及的流体作出实时选择。
在本发明的另一个方面中，一种用于在向心装置中液体的体积定 量测量的装置包括，包含用于定量测量液体的第一中等尺度的流控部 件，第二中等尺度的流控部件和用于在第一位置将第一和第二流控部 件进行流体连通的流体连通装置。利用施加于液体上的向心力或其它 力，通过第一位置的选择，测定在第一流控部件中剩余的第一液体量 或传输至第二流控部件中第二液体量。
在本发明的另一个方面中，一种用于在向心力装置中液体的体积 定量测量的方法包括，将液体加载于第一中等尺度的流控部件中，使 第一流控部件和第二流控部件之间的第一位置处实现流体连通，旋转 向心力装置以使一部分液体从第一流控部件传输至第二流控部件中， 测定在第一流控部件中剩余的第一液体量或传输至第二流控部件中第 二液体量。
此方法具有可测量任意体积的优点，而不被限定于定量体积中的 不连续步骤。
在本发明的另一个方面中，一种用于将流体分成小部分的方法利 用旋转过程中出现的离心，通过确定穿孔位置的选择，从而将介质分 离成其构成的各小部分。
在本发明的另一个方面中，一种将向心装置中的液体样品从外部 径向位置移动到内部径向位置上的方法，包括将缓冲流体加载于第一 中等尺度流控部件中，将液体样品加载于第二中等尺度流控部件中， 穿过流控回路而形成在第一中等尺度流控部件和第二中等尺度流控部 件之间气密的流体连通，该流控回路在其一端由缓冲剂液体密封而另 一端由液体样品密封，使缓冲流体离开第一流控部件的同时旋转向心 装置以使缓冲流体离开第一流控部件。离开第一流控部件的缓冲剂的 移动迫使液体样品从外部径向位置移动至内部径向位置。
在本发明进一步的方面中，一种通过使液体样品从外部径向位置 移动到内部径向位置而在向心装置中进行洗涤步骤的方法，包括将缓 冲流体加载入第一中等尺度流控部件中，将液体样品加载入第二中等 尺度流控部件中，穿过流控回路而形成在第一中等尺度流控部件和第 二中等尺度流控部件之间气密的流体连通，该流控回路在其一端由缓 冲流体密封而另一端由液体样品密封，使缓冲流体离开第一流控部件 同时旋转向心装置，以使缓冲流体离开第一流控部件。离开第一流控 部件的缓冲剂的移动迫使液体样品从外部径向位置移动至内部径向位 置。
在本发明的另一个方面中，一种用于确定旋转装置的坐标系统中 拾取器的极线位置和径向位置的方法，包括利用拾取器在装置上检测 第一标记，利用拾取器在装置上检测第二标记，其中从第一标记到第 二标记的角距离为连续的或不连续的、可推导出的或不可推导出的、 拾取器的径向位置的非常量函数，记录第一标记和第二标记的检测之 间所经历的时间，由所经历的时间和旋转装置的旋转周期确定拾取器 的径向位置，使用与标记的检测和旋转装置的旋转周期对应的第一时 间和第二时间之间的差异，在第一时间确定拾取器的极线位置。
在本发明的另一个方面中，一种用于确定旋转装置的坐标系统中 拾取器的极线位置和径向位置的方法，包括记录拾取器在旋转装置上 检测到第一标记的第一时间，记录拾取器在旋转装置上检测到第二标 记的第二时间，其中从第一标记到第二标记的角距离为连续的或不连 续的、可推导出的或不可推导出的、拾取器的径向位置的非常量函数， 由第二时间和第一时间在时间的差异确定径向位置，同时确定旋转装 置的旋转周期，并且利用与标记的检测和旋转周期相对应的第三时间 和第四时间之间的差异而在第三时间确定拾取器的极线位置。
在本发明的另一个方面，一种处理生物和化学流体的方法，包括 提供包含许多第一中等尺度的流控部件的第一基底，提供包含许多与 第一中等尺度的流控部件对应的第二中等尺度的流控部件的第二基 底，提供将许多第一中等尺度的流控部件与许多第二中等尺度的流控 部件分离的材料层，在对应于材料层的一个部分的位置上将电磁辐射 引导至材料层上，该材料层的部分位于来自许多第一中等尺度的流控 部件和许多第二中等尺度的流控部件的至少一对相对应的中等尺度的 流控部件之间，在此位置上将材料层穿孔，其中材料层的穿孔形成了 在该对中等尺度流控部件之间的流体连通，而不破坏或基本上不改变 微流控网络中所相关的任何流体或样品。
在本发明的另一个方面中，一种处理生物或化学流体的处理盘包 括，包含许多第一中等尺度流控部件的第一基底，包含许多与第一中 等尺度流控部件相对应的第二中等尺度流控部件的第二基底，和将许 多第一中等尺度的流控部件与许多第二中等尺度的流控部件分离的材 料层。
由实施方案的详细描述及所附的附图，本发明的这些和其它的优 点、目的和特征将更加清晰。也可以理解的是，前面的一般描述和下 面的详细描述为示例性的且不会限定本发明的范围。
附图简述
由下面解释性实施方案的详细描述并结合所附的附图，将可更全 面地理解本发明的前述和其它特征和优点，在附图中：
图1A图解说明包含本发明盘的部件；
图1B图解说明包含本发明盘的部件，以可能构型示出了材料层 两面上的微流控部件；图2A图解说明本发明盘的一部分，其中通过 材料层在每一个顶部和底部将微流控部件分离；
图2B图解说明本发明盘的一部分，其中通过材料层在每一个顶 部和底部将微流控部件分离，且微流控部件的底部包含流体或样品；
图2C图解说明本发明盘的一部分，其中通过材料层在每一个顶 部和底部将微流控部件分离，同时底部的微流控部件包含流体或样 品，并且材料层被电磁辐射而穿孔；
图2D图解说明本发明盘的一部分，其中通过材料层在每一个顶 部和底部将微流控部件分离，底部的微流控部件包含流体或样品，并 且材料层被电磁辐射而穿孔，同时样品利用向心力从底部微流控腔室 移动至顶部的微流控腔室；
图2E图解说明本发明盘的一部分，其中通过材料层在每一个顶 部和底部将微流控部件分离，底部的微流控元件包含流体或样品，并 且材料层被电磁辐射而穿孔，同时样品利用向心力从底部微流控腔室 移动至顶部的微流控腔室；
图3A图解说明本发明阀的多路传输特性的几何形状设计；
图3B图解说明在一个实施方案中的多路传输单元和放射量测定 器的组合应用，其中将三种不同的流体测定剂量给料并收集到不同的 反应器中。此说明性的实施方案用图表示了酶的实验的过程控制，其 中以相同的方式测试特定底物上药物化合物对酶活性的抑制作用；
图4图解说明包含本发明的自测量实施方案的本发明盘的一半；
图5A图解说明本发明的自测量实施方案，其中要测量的盘位于 盘测量腔中；
图5B图解说明本发明的自测量实施方案，其中以允许流体排出 的方式用阀调节样品测量腔内的待测样品；
图5C、5D、5E、5F和5G图解说明本发明的自测量实施方案， 其中待测样品与含有弯液面的样品测量腔在一块，从而能实现随后样 品腔内已知量的测量；
图6是本发明回流技术方案的示意性的描述；
图7是图解说明本发明的光反馈的示意图；
图8是在材料层穿孔后穿过孔的能量的透过率的图表说明；
图9描述了样品目标上激光二极管的纳米堆积结构；
图10描述了发射到样品目标上的激光束的穿孔进入孔；
图11描述了发射到样品目标上的激光束的穿孔排出孔；
图12是加载到穿孔层中的红外染料的波长吸收光谱的图表描 述；
图13描述了材料层内红外染料的分布；
图14描述了生物实验中使用的微流控芯片；
图15图示了生物实验中冲洗数据的芯片；
图16图示了未曝光的滴流和曝光的滴流间的比例；和
图17图示了滴流实验的结果。
本发明详细描述
本发明提供了离心转子和微系统，特别是纳米尺度或中等尺度的 微流控阀技术平台以及其在提供向心力驱动的流体显微操作技术的许 多应用。出于说明的目的，附图以及描述中一般是指向心力系统。但 是，在本发明中公开的装置可等同地应用于依赖其他力而使流体传输 的微流控部件中。
处于本说明书的目的，术语“样品”将可理解为包含任意的液体、 溶液或混合物，其或者单独或者检测作为更复杂混合物的成分，或者 由前体物质合成而得。样品可进一步由包含珠子、纳米粒子、小球、 细胞等的悬浮液或乳液构成。
出于本说明书的目的，术语“流体连通”或“流体连接”用于定 义可通过操作相互连接的部件，以使部件间实现流体流动。在示例性 的实施方案中，微分析平台包含可旋转的平台，例如盘或实验的微流 控芯片，借助该平台通过盘转动而利用向心力启动盘上流体的流动， 同时利用泵启动实验芯片上的流体移动，并且利用材料层的穿孔实现 流体连通。
出于本说明书的目的，术语“材料层”或“穿孔层”用于定义部 件，该部件将各种微流控部件，例如腔室、通道和其它微流控元件隔 开，并通过电磁辐射的穿孔而使得这些微流控部件相互间处于流体流 通。
出于本说明书的目的，术语“生物样品”或“相关样品”或“生 物流体样品”可理解为是指任何生物衍生或合成的分析样品，包括但 不限于血液、血浆、血清、淋巴、唾液、眼泪、脑脊髓液、尿、汗液、 植物提取物、精液或任何此类样品的细胞或细胞组分。
出于本说明书的目的，术语“穿孔”用于定义这种穿孔层或材料 层的任何一部分的溶解，其是通过形成此类穿孔或材料层的任何此类 材料的降解或相变(转化为不同的固体聚集、液体、气体或等离子体状 态)或者化学解偶联而实现的。利用具有一定能量和波长的电磁辐射而 实现了穿孔，该辐射能够被此材料层或在其中所含或靠近该材料层的 添加剂吸收，从而在该层中产生通孔。
出于本说明书的目的，术语“烧蚀”是指热波喷射出已蒸发为等 离子的材料的快速过程。
出于本说明书的目的，术语“中等尺度”或“纳米级尺度”可理 解为是指能够包含流体、具有优选在次微米级至毫米级范围内的尺寸 的任何体积。
向心系统(例如离心机)的代表性应用采用了在其中心处具有旋转 轴的环形装置。出于解释的目的，附图及其描述通常是指此类装置。 其它的形状、包括椭圆形和矩形装置、不规则的表面和体积、以及旋 转轴线不经过中心的装置对于特定的应用而言也是有益的。
在本发明中用于解释目的的微流控装置是指一个盘，在一些实施 方案中它是围绕着给定的轴线旋转的。可进行的操作依赖于形状、材 料的组成和盘的复杂性。除了盘以外，微流控系统可包括一个或大于 一个设计成在盘上进行操作的外接部分，所述操作包括但不限于化 学、生物或生化流体的载入、信号的光学读取、放射性的测定、化验 的分析、相关化合物的测定、从盘将样品注入色谱仪或质谱仪中、将 盘曝光于X射线或γ或中子束中、将流体输送至盘或从盘中输出、从 一个盘将流体输送至另一个盘中。
在本发明的一个示例性实施方案中，外接部分包括拾取器，能够 将大量电磁辐射聚焦到盘一个点上的装置，和旋转装置。将盘和拾取 器设计成主要利用在预定的优选波长或波谱处的电磁辐射而相互作 用。下文中，该波长或波谱是指“读取波长”或“预定波长”。
在本发明的一个方面，提出了一种用于在微流控回路中实施用阀 调节的新型系统。其代表了一种完全可程控的(主动的)解决方法，其 中利用分布的阀系统控制流体流动，分布的阀系统是指给定阀的位置 是任意的而且阀本身延伸至全部微流控回路中。所述的阀通常限于开- 闭转换，即使可有将阀状态从开-闭恢复过来的方案且此处作为备注。 该系统的另一显著优点是可将大量的阀集成于回路中。
盘优选的实施方案包括一个环形微流控装置。围绕优选不与盘体 积相交的轴线旋转的矩形盘提供了特别的优点。为了实现与光盘技术 相关的市售产品的兼容性，盘可具有与市售产品相似或相同的尺寸。 同样地，具有与微孔板(well plates)或信用卡相同印迹的矩形盘特别适 用于自动处理和化合物的储存，包括盘间的流体传递，和从盘到在化 学和生化工业中使用的标准孔板的流体传递，以及从标准孔板到盘的 传递。
如图1A所示，在一个示例性的实施方案中盘100的内部结构包 括至少三层的叠层结构：顶面101、底面103和分离两个面101和103 的材料层105。为了实现在单一盘中的更高密度，可复制该叠层结构 以产生多基体(multi-base)的叠层结构。在这种构型中，面101、103 容纳于至少两个材料层105之间，同时其在两个表面上都具有微流控 部件，并且在其各自表面上可包含将各部件的流体连通的其他微流控 元件。
转到图1B，其示出了本发明的盘，其中顶面101包含微流控结 构110(其是将在下面描述的放射量测定器储存器)，而底面103包含相 应的微流控结构111(其是放射量测定器的毛细管出口)。可将许多微流 控结构引入到顶面101和底面103中。这些微流控结构通过材料层105 而隔离，并可通过材料层105的穿孔而使其相互实现流体连通。顶面 和底面101和103各自内所含的微流控结构110、111可互为镜像，或 者它们可以是由材料层105隔开的、依靠材料层105的穿孔而彼此具 有集成功能的不同结构。
A.材料层
多种材料适用于材料层105或穿孔层，包括但不限于薄聚合物箔 或金属箔。根据材料的性能和拾取器的特性，在微流控应用中的厚度 在约0.5至约100微米间变化。
在第一示例性实施方案中使用红外吸收聚合物箔，因为它们可以 简单和经济的手段而容易地穿孔。这些聚合物箔是由聚合的化合物构 成，例如可使用聚甲基丙烯酸甲酯、低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密 度聚乙烯(LLDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)、二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇 酯(PETG)、聚苯乙烯(PS)、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚萘二甲 酸乙二醇酯(PEN)等。
在本发明的范围内可以考虑单独或相互组合使用这些聚合的化合 物。在进一步的示例性实施方案中，可使用具有约2微米厚度的铜箔。 常规地制造出的铜箔用于电子工业中，特别是用于印刷线路板。薄的 金属箔、例如铜，在紫外光波长区域内表现出自然的吸收性，这在一 些示例性的实施方案中是有益的。
在本发明的范围内可进一步考虑将其它的材料用于材料层105， 例如因其熔点较低而考虑采用的蜡，及诸如纤维素的多糖等。在本发 明的范围内也可预料到，能够使用液晶聚合物作为材料层。
材料层105的选择由在拾取器波长处对大量光的吸收的需求所决 定。除了材料的选择以外，通过使用染料、涂层、表面处理而改变任 意此类材料的光学性能、或者利用适当的多层结构以实施光的干扰过 程，可实现大量的吸收。在本发明的范围内可以考虑在材料层中加入 具有所需光学性能的染料，例如由American Dye Source Inc.，USA制 造的红外染料ADS905AM，其化学式为C62H96N6SbF6，或者由Epolin Inc.，USA制造的红外染料Epolight 2057，其吸收光谱适于近红外源。 可进一步考虑以均匀分散或不均匀悬浮方式或乳液方式使用诸如 Epolight 2180、Epolight 2189的红外吸收溶液及碳黑填充剂(小球或颗 粒)。在本发明的范围内还可以考虑使用低于或高于红外的吸收光谱， 以与具有任意电磁辐射形式的材料层15相匹配。
在一个示例性的实施方案中，材料层105由PMMA所形成并加 入有约0.5重量％的红外染料ADS905AM。染料以不均匀小球的形式 悬浮在PMMA膜内。尽管该染料的悬浮体不能均匀地分散于整个材 料层，但其能充分地分散以产生预定波长的所需吸收。
在本发明的范围内可进一步考虑使用例如Epolight 2057、Epolight 2180、Epolight 2189等的其它染料以实现所需的光谱吸收。在本发明 的范围内也可以考虑使用除染料以外的其它具有光吸收性能的化合 物、例如炭黑，以实现所需的光谱吸收。
对材料层105其它的需求依赖于应用，并特别地涉及流体与相邻 材料的相互作用。其它需求的实例为耐腐蚀性、防止流体污染、缺少 或存在催化反应、电荷的积聚和/或电流的存在、生物相容性。
实现材料层105和两个面101、103的永久连接的方法包括在本 领域中公知的粘结或粘合(层压、热粘结、UV粘结、表面的等离子处 理、溶剂粘结、压力粘合剂、热粘合剂)。粘结的过程可以使用在其两 个面上用热固性膜处理的聚合物箔。这种箔是可从市场上购得的并且 近来制造该箔用于印刷线路板。此外，适宜作为基底的各种材料是可 现成得到的，包括加入了炭黑的聚酯和黑迈拉(black Mylar)。在第一 示例性实施方案中，材料层105显示无内部结构，消除了相对于面101、 103的材料层105的任何排列需要。
B.面
继续参照图1，面101、103包括含有流体的盘的微流控部件。 形成面101、103的基底的一个表面内的凹陷形成了微流控部件。中 等尺度的部件和通道、也称为毛细管或中等尺度的毛细管，可利用本 领域中公知的多种技术来提供，包括雕刻、氢氟酸湿蚀刻、浮雕、热 浮雕、机器微加工、激光烧蚀、机械加工或聚合物模塑。
在本发明的范围内可以考虑，通过在基底上印制此部件可形成例 如腔室和通道的微流控部件，其中这种印制的部件和基底形成了本发 明盘的面101、103。微流控结构的印制可通过丝网印制法或本领域内 公知的其他印制法来实现。
每一个中等尺度的部件包括能够包含流体的体积，其具有优选在 次微米至毫米的范围内的尺寸。在一个示例性的实施方案中，中等尺 度的部件可理解为微雕刻或印制在面101、103表面上并面对材料层105 的开式部件。面101、103可进一步包括其它的流体连接和部件，包 括专门的输入和输出端口以使流体到达中等尺度的网络、仪器、电池、 电连接和其它仪器。用于面101、103的适宜的材料包括玻璃、石英、 单基物、硅、聚合物、丙烯酸塑料和聚碳酸酯、环烯烃共聚物(COC)。 在本发明的范围内可以考虑，面101、103可集成光学部件和电学部 件，包括电机、导体、芯片、透镜和棱镜。考虑到拾取器聚焦到材料 层105上，在本发明的范围内也可以预料改变与材料层105接触的表 面，以使其特别地具有不同的光学性能。
在本发明的范围内可以预料使盘具有完全密封的面，其中与流体 接触的气体不能从该装置中离开。可使用这一特性处理高毒性化学物 和辐射性流体，并在真空中或者通常当外部的压力与内部压力不同(加 压反应)时，允许对盘进行操作。
出于本发明的目的，对于与拾取器波长相对应波长的光而言，形 成盘的面101、103基本上为透明的或者其选定的部分是透明的。根 据本发明，可将光学透镜和光学部件嵌入到面101、103中以便将光 波长引导至微流控网络内所期望的阀区域中。在本发明的范围内可以 预料到，为了通过拾取器发射的光的反射面而进行界面表面的光学测 量，或者用于具有与微流控元件中的流体更好的兼容性，面可具有与 材料层105不同的折射率。
面101、103其它的需求依赖于其应用，包括装置中流体的相互 作用或污染和对装置内流体的研究及其反应产生影响的光学性能。此 外，也要考虑大量制造的成本和容易性。
拾取器
拾取器包括一个光学装置以在拾取器波长处照射盘的材料层或多 个材料层。在一个示例性的实施方案中，可考虑使用这样的激光源， 通过光学元件(例如)并通过盘的一面，该激光源的光发射被聚焦在位 于材料层内部或在靠近光学元件的材料层上的焦点上。根据本发明， 对拾取器的一个要求是能够将足够量的电磁能量集中或聚焦在基底足 够小的表面区域上。因此，本发明的一个基本操作是在特定时间和位 置上材料层的穿孔，它是由拾取器提供的照射而产生的。用于发射的 优选波长是在光谱的红外、可见和紫外线部分中。在红外区域内的波 长是理想的，因为在生物应用中所使用的大多数生物样品-包括细胞和 流体不吸收近红外辐射，并因此基本上不会受到红外辐射的影响。
使用市场上可购得的从375nm以上开始、跨越大范围频率的二 极管，利用致密的和低成本的激光二极管，可以实现激光发射。在用 于商业化的致密光盘读取器的通用的激光二极管中的最大功率为约 200mW。由此技术实现的最高强度是在近红外区域。在一个示例性的 实施方案中，所使用的激光二极管为由JDS制造的OSRAM PL90_3。 在另一个示例性的实施方案中，所使用的激光二极管为由JDS Uniphase 制造的JDS SDL_6380A。虽然JDS二极管具有比OSRAM二极管低的 峰值功率，但其更好的热消散、更小的狭缝尺寸、更窄的远场发射和 更大的最大脉冲宽度提供了更佳的性能。在本发明的范围内可以考虑 使用其它激光源，例如q-开关的激光、脉冲二极管的固态激光(DPSS)、 二氧化碳激光、钛蓝宝石激光纤维激光、受激准分子激光器、闪光灯 等。
根据本发明，激光二极管主要以脉冲方式工作。假设操作的占空 因数足够短以使激光结合点适当地冷却，脉冲几何形状是可选择的以 将所需能量传递到预期目标上，同时使瞬间能量明显地变大。可使用 具有峰值功率输出最高达到约70W的市售激光二极管，甚至可使用具 有更昂贵解决方法的更高峰值率的激光二极管。
使用极短脉冲的一个特征是，沉积在基底中小的能量几乎不被传 递到样品和周围区域中。热波以有限的速度从穿孔部位传播出来。在 具有高强度的短脉冲过程中，输出的能量流比输入的能量流小，因此 剩余的能量聚集在限定的部位中，在局部温度内通过急剧升温而利用 效能快速地制造出穿孔。
典型地，利用由少量光学元件构成的单一光学系统实现光学聚 焦。为了实现照射到基底上的光束最佳的准直和定位，可以在不同方 向上移动一个元件，例如可利用在磁场内的线圈。通过考虑盘曝光的 需要，对光径作了优化。面的厚度可传入明显的彗形象差和象散，当 观察小的部位时，所述的彗形象差和象散有时难以校正。
在一个示例性实施方案中，光学系统由一个f＝6mm的MGGLC001 聚光透镜、一个由LiteOn制造的LiteOn CD拾取器构成，该拾取器具 有在从CD透镜前面25mm处的两个系统间的实焦点。这种特定构型 在10μs的曝光中在基底上聚集了约16μJ的光强度。此结构的有效能 量密度已证实对各种材料层的穿孔是完全足够的。利用一个针孔和由 Lasertechnik Berlin German制造的PEM 100高温计，能够测定并优化 有效准直至基底上的焦点的光能值。
上述构型提供了可用于本发明的拾取器结构，该拾取器可在市售 的CD装置中工作，具有在音频、视频和计算机数据储存中的应用， 同时通过利用适宜的光学系统处理在基底表面上反射光的部分，能够 在基底上聚焦激光。
在另一个示例性的实施方案中，拾取器可包含两个或多个光源， 仅其中的一个用于穿孔基底。利用可以是低能量、连续或半连续波 (QCW)发射的一个不同的光源，获得透镜的聚焦和拾取器位置的确 定。多个光源的使用使得可通过相同的光学系统对吸收并反射辐射的 基底进行选择，辐射的吸收用于基底的穿孔，辐射的反射用于确定基 底位置。
拾取器装置可进一步包括一个用于确定是否实现了在基底上电磁 辐射聚焦的光学系统。例如，如果利用傅科勒特(象散的)光学系统进 行分析，则基底的部分反射可用作的光学反馈机制。这种系统已在用 于CD和DVD介质的商业化的光学读出器中使用。
本发明中的拾取器与利用聚焦光束而操作显微镜物镜的装置相 似。这一操作，也公知地为用镊子摄取(tweezing)，能使操作者利用 由光波前面产生的电磁力夹持并移动单一物体，该光波基本上为会聚 的或发散的。
在本发明的范围内可以考虑，本发明的拾取器可以是适于一个或 多个不同目的的装置，所述目的例如包括利用材料层的穿孔的流体处 理的控制，粒子的用镊子摄取和在流体元件中所含样品的光学分析。 也应当注意到，拾取器不与微流控装置接触。这种潜力能够用于其中 必须要完全避免污染的那些应用中，例如所讨论的样品分析(从外到内 的污染)或处理有毒或放射性流体(从内到外的污染)。
材料层穿孔以打开阀
利用微流控网络的动态、实时结构控制和进行本发明的微流控处 理。通过使材料层的相对面上盘的面内微流控部件流体连通而实现这 一结构。通过流体从一个微流控部件移动到第二个微流控部件中、或 者通过在特定位置两种流体的接触，可使用此连接。前者是指流量开 关，第二个是指建立接触。
转到图2A-2E，图中示出了两个或多个微流控元件的连接。为了 实现流体连通，进行下述的操作：确定拾取器(未示出)或盘200的位 置，以便将电磁辐射的发射引导至发生穿孔的材料层205的位置上。 通过移动盘200或拾取器或者同时移动二者可以实现这种操作；将聚 焦系统(若存在的话)调节至使光点直径最小，而且将能量聚焦于材 料层205要穿孔的位置上；利用拾取器产生足够强度的电磁辐射，并 将其引导至材料层205上，该材料层位于盘200的顶面201和底面203 之内的微流控部件之间。这种辐射的强度，其有限的持续时间和其有 限的空间应用防止了或基本上避免了微流控网络内流体207(或样品)的 变化。能量沉积、特别是指材料层205吸收的部分能量，引起了材料 层205的穿孔(也称为钻孔)。
对流体207起作用的力，在优选实施方案中是向心力，其使得流 体207通过穿孔208的点，从一侧的微流控部件流向另一侧的微流控 部件中。穿孔208的点和产生的开口称为虚拟激光阀(VLV)。典型地， 这通常可使流体207进入下一个步骤中或并入微流控网络中邻近的流 体腔或通道。
通过不同的物理现象、例如烧蚀和融化、或者通过分子键的断裂 或松弛，产生基底或穿孔的钻孔。它们相对的重要性依赖于能量密度、 拾取器波长、脉冲的持续时间、材料层的组成、电磁辐射的极性、被 照射物体中热消散的现象、等离子波的发展以及邻近穿孔区域材料的 存在。烧蚀特别地是指热波喷射出被蒸发成等离子体的材料的快速过 程。熔化是通过液相的中间状态而产生，不可避免地会导致从被照亮 区域到面的部分热传递。
当使用另外的小固体沉积物撞击聚合物时，烧蚀和融化都可产生 气体、如CO2。这两种方法工业上均用于许多商业应用中，包括微机 械装置(MEMS)、聚合物激光钻孔和切割、金属钻孔和切割、和利用 烧蚀的表面处理。使用例如由Lambda-Physik制造的受激准分子激光 器的实际的和增长的经验表明，通过分子键的直接破坏，紫外激光射 击的势能可产生高质量的穿孔。这种类型的钻孔实现了高分辨率和高 质量的钻孔，其对本发明产生实际的益处以实现在盘上微流控部件的 大集成规模。
因为与面中微流控部件的尺寸相比穿孔的体积较小，通过打开阀 而被散射的全部材料的量是可以忽略的，基本不会影响或改变微流控 部件中的流体。由材料的爆破(blast)保护了拾取器，因为该爆破出 现在面内。正如在此所述，穿孔处理一般是不可逆的：穿孔时当打开 阀时将材料层205除去。根据本发明，通常不能使材料层205恢复以 便使得阀恢复到其关闭状态。尽管如此，本发明也可应用于其中将阀 关闭的构型中。一种如此的构型包括这样一种情况，其中可使气体流 过的液相聚合物在穿孔的位置或在另一个位置上进行聚合，所述另一 位置与处于气密性方式而阻止气流或流体移动的循环连接。利用热固 性材料和纤维蛋白胶或其它两组分密封试剂，能够实现相同的结果。 一种开关转换的不同设备使用了Tesla阀，该阀利用打开一个阀而被 打开。Tesla阀增加了对流体流动的阻抗，有效地实现了在给定方向上 阻止流体流动的结果。
材料层205和面101、103的光学特性决定了能量沉积的形态和 由拾取器提供的电磁辐射的需要。由聚合物形成的材料层205由于其 低热焓因而较有利：用于将聚合物从固体转变成流体所需的能量通常 比在金属的情况下所需的要小。结果，较小的能量密度即足以用作穿 孔。相反地，面201、203应当在拾取器波长处尽可能地透明，其光 学性能应能使聚焦的拾取器辐射既不会在到达基底表面前损失也不会 被吸收，从而使面材料或相邻的流体得以加热。可考虑的效果包括双 折射、表面的光学质量、光学厚度的均匀性。各种聚合物、包括在光 盘中使用的聚碳酸酯，在整个可见光谱内以及近红外范围内基本上都 是透明的，此外还表现出良好的表面光学质量。
本发明有利地提供了例如盘、腔室、通道、过滤器的部件及其光 学特性，它们具有许多种组成和表面涂层而适用于特殊的应用。部件 的组成可以是结构需求、制造方法和包括生物兼容性的试剂兼容性/耐 化学性能的函数。
特别地，所提供的本发明的部件例如面是由无机晶体或非晶体材 料、例如硅、二氧化硅、石英制成，或者由有机材料例如塑料、如聚 甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、乙腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸 酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、聚丙烯、含氟聚合物和茂金属制成。 热固性材料、如SU8和PDMS是一种可行的解决手段。对特殊应用 而言，对这些材料可进行表面改性。利用本领域中公知的方法可实现 表面改性，包括但不限于，硅烷化、离子注入和用惰性气体等离子体(也 就是能使穿行的电流产生离子化的气体)的化学处理。可将相同的方法 施加于材料层上，用于与流体接触的表面的完全处理。
在本发明的范围内可考虑由复合物、共聚物及这些材料的组合制 得盘部件，例如由具有嵌入到其中的光学透明玻璃表面的塑性材料制 成的部件，该光学透明玻璃表面包括例如盘的测量腔或透镜和镜面用 于将电磁辐射引导至材料层内的阀区域中以便对该层进行穿孔。
处理其它材料以外，优选本发明的盘及其不同的元件由热塑性塑 料制成，例如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、甲基丙烯酸甲酯和聚碳 酸酯，是由于其易于模塑、冲压和研磨。或者，此类部件可由二氧化 硅、玻璃、石英或热固性材料制成。
本发明的微分析流体处理系统是由设置在热塑性塑料基底上的一 种或多种这些材料的连续应用制作而成的。可以常规光盘(CD)方式， 以具有光学凹点的注塑、光学清晰的基极层或面制作本发明的盘。在 本发明的范围内可考虑使用在本领域中公知的其它制作或制造方法。 可进一步地考虑利用材料的这种相同连续应用制造采用本发明阀的微 流控芯片。
在材料层穿孔的同时，流体可接近材料层的上面、下面或者此两 个面或与其接触。在此情况下，在穿孔过程中沉积或产生的能量可被 传递给流体。除了极少数构型以外，与流体的热容量相比，传递的能 量是可以忽略的。在本发明的范围内可以考虑使用小于16μJ的光能打 开阀。如果进入基底烧蚀中的所有能量被一微升的水吸收，其温度将 仅升高约0.002摄氏度。
根据本发明，通过改变脉冲的持续时间或拾取器的聚焦性能，能 够改变阀的直径，同时这一特征能够有效地应用于有必要进行流体流 动调节的应用中，例如用于混合控制中，或者由不同尺寸的阀而对流 体流动阻力(包括其混合)具有不同影响的应用中。
在本发明的范围内可以考虑，对于热改变对样品或流体产生不利 影响的微流控结构和应用而言，可将热沉或加热泵的冷却表面结合到 微流控网络中以补偿任何的这种热改变。
多路输送操作
在本发明的一个方面中，利用阀的任意位置而执行应用流体流动 的逻辑推理。这能够在微流控装置中所进行的处理过程中的任一时刻 进行，一此即称为实时能力的特征。依赖于前述操作的结果的逻辑方 案是特别重要的。能够以最普通的方式进行这一操作的微流控部件在 下文中被称为多路器，与具有相同功能的数字电子工业中的部件相 似。
图3图解说明了多路器的一个实施方案，其包括一个在盘一个侧 面上的N输入毛细管303的矩阵，它与在盘另一个侧面上的M输出 毛细管305相对。在下文中，当它们在至少一个位置上仅被基底隔开 时，可以认为两个流控部件相互面对。因此，多路器使得一组或多组 输入与一组或多组输出实现液体相通。一组毛细管理解为是两个或多 个毛细管。
在图3A中示出了最简单的情况，其中在第一位置301处阀的开 启使得第一输入毛细管306和第一输出毛细管308连接。在已实现了 流体连通后，通过对流体施加一个力，可实现从输入毛细管306到输 出毛细管308实际的流体流通。这种力的实例包括旋转向心装置、对 输入毛细管306施加过压、或者对输出毛细管线308施加负压。适当 的通风设计(图中未示出)确保了在移动流体下游的流控部件中所含空 气的充分排出。
在面对毛细管的基质中的交叉点处使用多个阀，可以使多路传输 扩展到复杂性更高的级别中。阀确保了所期望的输入和输出毛细管间 的流体连通。
除了提供许多输入和输出间的连接以外，多路器也可同样较好地 应用于连接许多输入与单一的输出、或单一的输入与许多输出。由于 并非由其自身来保证在第一种情况下的均匀混合或在第二种情况下的 均匀分布，通过调节涉及不同阀操作的时间、通过合适的体积定量使 多路传输的阶段提前、或者通过引入中间多路输出网络，可稍微减少 可能的限制。
多路器主要是用于可程控的装置(例如本发明中所述的一种)中， 并且作为不同微流控部件间互相连接的网络。如果要将大量的输入通 道与大量的输出通道连接，尽管不是在所有可能的组合中，通过使其 分解成具有相对较低集成的不同阶段，可减少多路传输网络的实际尺 寸。
在一个示例性的实施方案中，参考图3B，其中示出了放射量测 定器和多路器的组合功能。在此实施方案中，本发明的盘安装有输入 孔312、313、314。利用多路传输基质层316使输入孔312、313、314 流体连通。多路传输的基质层316是由与放射量测定器单元317(在此 示意性地表示为所有的具有相同尺寸)流体连接的流体通道网构成。放 射量测定器单元317与分隔的(分离的)多路传输单元318流体连通， 该多路传输单元与反应腔310、311流体连通。
在此方案中，为了清楚地解释，未示出通风管线，尽管实质上它 们是必需的以便使流体移动至充满气体(在制造时密封在装置中的空气 或任何其它的惰性气体)的部件中。
此示例性的实施方案代表了普通的微流控设计以进行均一的化 验。这种化验可用于测量酶反应中化合物对底物的抑制，其中通过测 定适宜染料的荧光发射极性，实时地测量反应的动力学。在本发明的 范围内可考虑采用本领域内已知的许多其他化验，而对装置构型基本 无需作改变。
继续参照图3B，将酶用吸管移动到输入孔314中，将培养基用 吸管移动到输入孔313中，同时将所关注的化合物加入到输入孔312 中。无需知道吸管的移取量，而且输入孔的选择全部都是随意的。根 据本发明，阀320和阀321的打开使得相关化合物分布到任意选择的 一个放射量测定器中。此时，可使用更多的放射量测定器以便进行平 行操作，例如通过阀322的打开也可将化合物转移至与层317中不同 的多路传输部分相连的另一个放射量测定器中。利用相似的操作，通 过阀323和324的打开，将输入孔313中所含适宜的培养基转移至另 一个放射量测定器中，同时利用阀325和326的打开，将来自输入孔 314的酶带入放射量测定器层中。
输入孔和放射量测定器间的对应性由使用者实时地确定，同时允 许以最佳方式使得放射量测定器与根据除了被定量的和放射量测定器 体积之外的流体量的试剂相匹配。
通过打开放射量测定器层上的阀322、330、331，分隔的多路传 输层上的阀341、346、349以及确定反应腔311为废物反应腔的阀347， 其中随后在该废物反应腔中收集流体，从而将被充满的放射量测定器 引导至废物贮存槽，用以进行放射量测定器的漂洗。在本发明的范围 内可考虑将本发明的微流控盘配置成使得没有流体从微流控结构中排 出。
通过将所需量的培养基分发至反应腔310中而进行实际的化验， 该量是通过阀340位置的选择而确定的，同时反应腔的选择是通过打 开阀342和343而确定的。在由使用者确定的任意时刻，通过以相同 的逻辑打开阀348、344和345，可将化合物和酶加入到相同的反应腔 中。
很显然，通过打开其它的阀，在反应腔层中的另一个反应腔可充 满不同量的相同试剂，或者试剂(例如化合物或培养基)可由储存在输 入孔中的其它试剂代替以获得要测试和测量的不同反应。即使对于不 同的反应而言反应规程(例如分布的顺序)可以是不同的。
尽管具有明显的复杂性，但所有的操作已被减少成单一的过程， 该过程是在所需的位置处材料层上的一个阀的打开。
此过程不依赖于所含流体的类型，同时在处理过程中的任何时刻 均处于使用者的持续控制中。例如，在已开始进行反应后，可根据来 自荧光读出器的数据决定阻化剂的加入。
体积定量测量
在本发明的另一个方面中，使用任意位置的阀进行向心微流控部 件中流体的体积定量测量。相应的流控部件在下文中称为放射量测定 器400。
图4描述了用于放射量测定器400的示例性实施方案。它包括一 个细长的贮存槽401，该贮存槽具有基本上位于向心力装置的径向上 的最长轴。沿着此轴，接近旋转轴的装置的部分被称为上部，远离旋 转中心的部分被称为下部。根据要被定量测流体量的量以及在定量测 量方法中所预期的分辨率，设计放射量测定器的形状和体积。根据本 发明，通过在上部的一个入口(未示出)使流体充满贮存槽401中，同 时存在通风管线402以使流体进入。
转到图5A至5G，当旋转装置时，向心力使得流体移动进入贮存 槽501中的较低部分，如图5A所示。由503和504表示的毛细管构 成了放射量测定器500的两个不同的输出。其中的一个毛细管输出， 在特定情况下为503，用作漂洗管线。输出管线位于与包含放射量测 定器的面相对的面中，仅由材料层将其隔开。输出管线的总数依赖于 特定的应用或实施。
定量测量过程的第一操作在于排出流体505的一部分以定量地供 给漂洗管线503。通过在第一位置510使材料层穿孔而打开阀501从 而实现此排出，同时旋转向心装置来实现此结果。作为施加向心力的 结果，在由阀510限定的水平之上的任何流体505流入漂洗管线503 中并最终进入第一漂洗腔512。停留在贮存槽501中的流体505形成 了一个弯液面，如图5C所示。
通过生成与第二毛细管504管线相对应的第二阀515，可进行从 贮存槽501中抽取限定体积的流体505，该阀使得贮存槽501与第二 毛细管线504流体连通。通过旋转向心装置并施加向心力，在第二毛 细管线504中将在第一阀510和第二阀515间的放射量测定器中所含 的流体取出。贮存槽501中阀相对于弯液面514的位置，以及对贮存 槽501的几何形状的了解，使得能够测定被抽入到第二毛细管504中 的流体的体积，该流体流入第二定量供给腔516。
如附图中位置514所突出的那样，在中等尺度的流控部件中的流 体通常表现出一个明显的弯液面514，也就是流体的上液面通常不是 平的。这一特点随流体而变化并依赖于材料的表面张力、亲水性和疏 水性，由此使得弯液面的形状不可预知。本发明的一个优点是，体积 定量测量基本上不依赖于对弯液面形状的认知。在相同几何条件中并 与相同材料接触的相同流体，显示出相同的弯液面形状，使得定量测 量过程无需依赖于弯液面的形状。
单一的放射量测定器可用于在相同输出管线上各种流体的抽取。 图5F示出了在第三位置520上如何打开另外的一个阀，从而能够抽 取第二体积的流体而进入到微流控网络的下一个步骤中。将第二定量 测量的量输送到定量测量腔516中，如图5G所示。这被称为放射量 测定器的多溢出容量。
本发明的另一个方面是单一放射量测定器的多输出容量。相同的 放射量测定器可供应各种输出管线，以便通过在连接放射量测定器与 上述输出管线的适当位置处打开一个阀，可将相同的流体输送到输出 管线中。
定量测量可实时地发生于与流体处理相同的时间内。例如，在反 应出现的同时，根据由反应本身提供的反馈，通过随后的酸或碱的抽 取，放射量测定器的多输出容量可用于保持连续反应的pH值。
放射量测定器的另一个应用是利用离心进行的流体相分离。例 如，利用离心法和将可能的试剂(例如蔗糖或由Amersham制造的Ficoll) 加入到放射量测定器内，可将血液分离成其组成部分(血浆、淋巴细胞 和红血球)。开启位于分离界面附近或分离界面处的阀，可以适应性方 式将各种组分的放射量测定器分离成不同输出。可对包含细胞或溶菌 物的流体、乳液或粒子的悬浮液进行类似的分离。
当使用者需要时，流体的分配容量在混合中也具有积极作用。例 如，固相的化学个体在溶剂中的溶解依赖于其在液相中的浓度。可将 一定流体量分送到“虹吸管”形状的毛细管中，其中过流体量从位于 内径上的一个位置排出。可使该量的液体与固态的溶质接触足够长的 时间以出现扩散。随后，可通过阀将其他流体量取代先前的溶剂，保 持在适当的位置上，用于固相的另外溶解，但初始溶质浓度减少。这 一操作可被重复多次用于固相化学个体的反复稀释。
在向心装置中重定向
在向心装置中一个常规问题、特别是如果进行复杂的处理时，是 涉及向心力的单一方向性。给定固定的旋转轴，流体仅从内部移动到 外部的位置上，当流体的位置到达向心装置外部边缘时处理即被终 止。当待完成的过程包含大量步骤时，这一特征使得向心装置难以被 使用。这里，如下所述，“大量流体的径向位置”表示流体质心的径 向位置。
在本发明的一个方面，利用微流控回路中本发明阀的适当排列， 可克服上述限制。利用其自身的向心力使样品流体从外部移动至内部 的径向位置的过程称为回流。在使用另外的大量流体、在下文中称为 缓冲流体的势能而获得了所需的能量，该缓冲流体的唯一目的是提供 用于回流处理的能量。大量的缓冲流体可置于盘上任何径向处，而且 缓冲流体可具有任何的密度。全部能量的守恒迫使缓冲流体和样品流 体的特性、特别是缓冲流体和样品流体的不同的体积、密度、初始径 向位置和最终径向位置连接在一起。对于回流而言另一种可能性在于 使用其它的能量源、例如气压差或化学能。以与在下一个部分“由阀 激活的流体输送”所述的类似方式，可驱动一个瓶子以便向盘的内部 推动或拉动流体。例如，通过使大量流体压缩气体体积或使其减压， 利用由此所得的向心力本身可产生气体的过压或低压。在此情况下， 当向心力减弱时通过使流体避免向回移动，例如利用在流体的路径上 具有一个Tesla阀或相同功能的装置，就能够储存能量。当向心加速 度已降低并用于样品流体时，储存的能量随后可在稍后的时刻再收 集。
一个示例性的回流方法的实施方案由下述步骤构成，如图6所 示：将缓冲流体601加载于贮存槽602中。在缓冲流体601不参与任 何反应或处理的程度上，所使用的流体与盘的使用无关。因此，可在 盘制造阶段进行缓冲流体的加载。对于贮存槽602而言，一个重要的 要求是使其不透气，也就是使其密封以防止空气或气体自由地进入或 排出。样品液体610通过位置613流入样品贮存槽612中。对于此操 作而言，样品贮存槽612需要一个通风管线614。在这些情况下，样 品液体610通常不能流过毛细管615，因为即使打开阀616，收集在 流体物质下面的空气的存在，仍阻止了流体流入到其中。
如果已将阀617和618打开，则沿着流体连通回路打开第一阀603 可实现贮存槽602和612间的流体连通。，在合适情况下，可将称为 收集器的另外的贮存槽622用于收集样品液体610。当流体实现连通 时，其自身不会导致流体的移动，因为势能处于局部最小的，而防止 缓冲流体601流入第二毛细管604中。缓冲流体601和样品液体610 是完整单元从而确保了流体连通回路的气密性，同时将贮存槽602、612 设计成保持此气密性直到处理的结束。在位置605处第二阀的打开可 实现回流操作。通过旋转向心装置，启动了回流操作，从而对缓冲流 体601和样品液体610施加了与其质量和加速度a＝ω2*r成比例的力， 其中ω是装置的角速度而r是忽略了科里奥利力的流体的径向位置。
缓冲流体进入毛细管604的移动导致了流体连通回路中气体压力 的降低。对于适当的运动条件而言，这产生了吸取力，推动样品液体 610从位置615进入收集毛细管623中，同时使在收集器622中所含 气体通过贮存槽毛细管624进入贮存槽602中。吸取是由于在一部分 液体表面上气压的降低而对液体施加了一个力的过程。
当样品液体610到达收集器622时，向心力使其朝收集器622的 底部移动。贮存槽毛细管624的吸取不会施加于样品液体610上，但 会施加于流体质量上面的气体，从而在收集器622中所含样品液体610 不会进入贮存槽毛细管624中。
当全部的样品流体已被吸入到收集器622中时，流体连通回路就 不再是气密性的，同时通过通风管线614或通过入口管线613，大气 压力就会进入到贮存槽612、收集器毛细管623、收集器622、贮存槽 毛细管624和贮存槽602中。此时，随着向心装置依然旋转，缓冲流 体完全地移动到排出毛细管604中，回流操作的最终状态为样品流体 已从贮存槽602移动到收集器贮存槽622中。
回流操作允许在给定的向心装置中进行更长的处理。利用处于比 样品贮存槽612更小的径向位置的收集器贮存槽622，可将长的处理 分解为：通过将流体从内部移动至外部径向位置可径向第一系列的步 骤，可与样品贮存槽612相比，随后进行回流以将流体带入收集器贮 存槽622，在该点处可进行处理的剩余步骤，再次从内部移动至外部 径向位置。回流操作的数量通常仅由设置在盘上的缓冲流体的量及其 径向位置所限定。
样品贮存槽612、缓冲流体贮存槽602和收集器贮存槽622的相 对径向位置是任意的。但是，给定了一套相对径向位置将决定用于给 定质量样品流体的最小质量的缓冲流体。利用所需输入和输出端口的 形状可推动径向位置的选择。例如，可将输入端口分布成覆盖盘顶面 的矩形的矩阵，同时缓冲流体贮存槽可用于使输入的流体回流进入盘 上可实现的最小径向位置处的收集器中。通常可实现的最小直径与围 绕纺锤形支撑体的圆周一致。处理的输出通常是在最大径向位置实现 的，可使用相同的回流过程将处理的输出输送至均匀分布在装置顶面 上的矩阵中，包括在输入中使用的相同矩阵。
与回流相似的一个功能，其可以视同于回流，在于在生物和化学 试验过程中的漂洗步骤。通过在朝向盘内部的适当形状的贮存槽中所 含流体的吸出而进行漂洗过程，以便在漂洗后贮存槽能够仍然充满着 不会流出的液体。这一过程对于非均匀化验而言是特别恰当的，而且 能够利用已述的各种回流方法进行。在本发明的范围内可以考虑，缓 冲流体601可以是流体或气体。
拾取器的定位系统
本发明的一个方面涉及在给定位置上、相对于盘坐标系统的拾取 位置的设定和知识。此位置可被分解为聚焦位置、极线位置和径向位 置。这些方向是在具有与圆柱体轴线相对应的旋转轴线的旋转盘坐标 系统中拾取头的圆柱形坐标。
已描述了拾取头相对于底面的聚焦移动，同时利用聚焦光学元件 或光源之一或任何气体光学元件的“音圈”移动，可实现拾取头的聚 集动作。实际上，在标准的光盘驱动器中使用的聚焦机构与在径向中 透镜的微调动作一起来进行此操作。
利用前述的音圈与拾取器部件的粗位移，可以实现拾取器的径向 定位。不同类型的电机、包括线性电机、DC电机、伺服电动机和步 进电机可以实现此位移。围绕其轴线旋转盘而在拾取的给定时刻进行 极线定位。
一种传统的解决方法包括使用高分辨率的光学编码器：旋转编码 器用于极线定位而线性编码器用于径向定位。此外，储存在盘上的径 向和极线中的数字编码的信息可用于确定由下述现有技术所指示的光 点，每一个现有技术在此引入作为参考。Gordon(US6327031， US22085202 A1)教导了用于径向样品分析的装置和方法；Virtanen (US6030581)教导了在盘中的实验室；和Mian等人(US2001/0055812 A1) 教导了采用向心加速度驱动在具有板内(on-board)信息的微流控系统中 的流体移动的装置和方法。
在本发明的一个示例性实施方案中，提供了一种确定拾取头径向 和极线位置的方法，特别地，在盘的坐标系统中，使用时序信息来确 定径向和极线位置，该时序信息是根据来自旋转装置的标记所产生的 拾取而出现的信号测得的。拾取器测量(与在市售的CD驱动器拾取器 相同)从扫描的表面反射的光。
标记通常是基底上的一条线，该基底具有特定光学性能并具有作 为直径的函数而变化的极线位置。特定光学性能的实例为与围绕标记 的区域相比更高或更低的反射率。标记也可位于侧边上，而且可包括 充满了具有特殊光学性能的流体的毛细管，该特殊光学性能定义为包 括反射率、吸收率或荧光发射。反射率的变化可以被测定并且提供了 可记录时间的信号。这在本发明中被称为标记信号的时间。
如果在至少一个旋转周期中装置的旋转速度是常数，那么标记信 号提供了盘旋转周期的精确测量，并由此提供了其瞬时旋转速度的精 确测量。由旋转速度划分从标记信号出现所经过的时间，实质上是盘 相对于拾取器极线位置的测量。根据本发明，一种更简单的转换成极 坐标的解决方案因此为直线性标记，其中所有的点具有固定的极坐标 (极角度等于0)，前述比例乘以2π表示在给定时刻的极角度位置。
第二标记的加入可实现径向位置的测量，前提是二者间的极角度 差为径向位置的非常数函数。一个非常数函数的实例如下所述：
极坐标＝径向坐标*常数1+常数2
典型地，能够想象其它特定形状，也是非推导出的和不连续的或 具有锯齿形状，以便占据盘限定角度的区域，同时保持必须的瞬时的 拾取位置上的极线和径向坐标的判定。利用两个标记间的旋转周期和 时间差的知识，可以确定相对于第一标记的第二标记的极线位置。随 后，给定两个标记的形状，使用极线位置中的差异确定盘坐标系统中 拾取器的径向位置。
根据本发明，第二标记的性质与第一标记不同，从而在由拾取器 产生的信号的基础上可以区分两个标记。合适的性质包括反射、宽度、 结构、线的复制等。
此方法假设盘围绕一个固定和已知的轴旋转，限定了用于径向和 极线坐标的起点。在实际情况下，当将可移动盘安装在纺锤形支撑体 上，可移动盘易出现安装误差，而且实际的旋转轴不需要与所期望的 旋转轴相一致。可提供另外的标记以确定盘实际的旋转轴来解决这一 问题。更具体地，标记间时间差的测量可用于校验假设的轴位置。利 用多于两个已知形状的标记，标记之间的时间差包含了关于轴位置的 信息。通过使测得的时间差与在给定轴位置的基础上所期望时间差之 间的差异最小化，可以推断出轴的位置。
此方法也可用于围绕着位于装置圆周外的轴旋转的装置中。在矩 形盘的情况下，在盘上足量的标记基础上，不仅可确定拾取头相对于 盘的相对位置，而且可确定相对于旋转轴(包括旋转)的盘位置。所需 的标记数量依赖于所需的精确度。
温度的监测和控制
由于盘的结构，利用外部的加热或冷却源可控制其温度。其侧面 相对于辐射热、特别是在红外或微波光谱中的电磁辐射可具有透明或 吸收性能。已经认识到可使用除辐射以外的其它热交换机制，包括对 流的流体流动、耐热和传导。对于集成的微流控装置而言，以某一手 段来确定局部温度通常是较有用的。特别地，确定局部温度适用于快 速改变热循环，例如用于聚合酶链反应(PCR)所需要的热循环。
盘的两层结构也可提供两个相对的贮存槽：一个用于需要监测温 度的样品流体，第二个包含测温液体。在优选的实施方案中，测温液 体基于水或醇类。由于材料层的厚度，一般在两种液体物质间有较大 的导热性，因此测温液体的温度可大约等于样品液体的温度。通过测 量相对于参照温度下所具有体积的液体(相对)膨胀系数，可以经典温 度计的方式测量测温液体的温度。因此，毛细管内所含液体根据贮存 槽内液体的体积膨胀而移动，同时其位置的确定提供了温度的监测。
作为选择，拾取器的光照本身可用作流体的局部加热。通过将未 聚焦(off-focusing)的拾取器光线照射在大面积的材料层上，因此材 料层的吸收、或者如果选择流体则为温度计流体的吸收将能量以热形 式分散于样品流体中，产生了其温度的升高。
此外，通过评估毛细管中气-液界面反射率的变化，拾取器本身 也可用于监测毛细管中温度计流体弯液面的位置。利用上述聚焦反馈 机制可进行这种评估。
电连接
根据本发明，基底用于将电连接分布到微流控回路的不同部分和 位置上。假设基底为一个绝缘体，则可采用各种技术沉积导电材料的 薄层，包括金属、导电聚合物、导电墨水或石墨。利用照相平版印刷 技术，一些技术(例如金属的无电化学沉积)也可沉积特定形状和图案 的导体，产生电分布线。这些电线可用于产生电场，例如用于电泳， 或者用于为盘上的部件提供电能。盘自身上面可为电连接提供电能(微 电池)，或者可利用存在的磁场，由于盘的旋转，该磁场在导体上产生 一个电场，从而产生了电位差。特别地，磁场可用于在旋转的盘上产 生一个明显的电场，磁场用作或用于电流的产生或者用于产生一个明 显的电场，例如在诸如膜片钳技术、电压敏感的探针染料和电泳的规 程中所需要的那样。
作为选择，典型地在纺锤形支撑体上利用机械接触可使导体具有 电连接，随后通过与旋转轴同轴的导体或利用导电性液体连接，将该 机械接触利用电刷接触与装置的固定部分连接。
检测装置
本发明的一个目的是进行可程控的、灵活的和自动的流体处理。 在大多数应用中，反应产物的检测是指(一般地)对一个处理的可观察 到的数量结果的任何检测，这对装置的实际使用而言是重要的。
在本发明的装置中，通过利用装置中的读取器进行基底上的聚 焦，可将拾取器本身用于各种操作中。在拾取器的焦点上出现的材料 反射率信息不仅可用于阀和盘操作的范围内，而且可用于产生有关流 体处理的数据。
在本发明的另一个示例性实施方案中，可将反射的光线与拾取器 的位置(在空间上)结合，通过使用拾取器作为共焦点的显微镜以产生 图像。在旋转过程中通过改变拾取器的径向位置，并采集来自拾取器 的数据、例如通过数字化，可容易地构造二维图像。利用拾取器的聚 焦移动，同时改变拾取器与基底的距离，可构造三维图像(利用光学元 件的共焦点性能)。由于共聚焦光学系统可实现的低深度焦点，可采集 并储存流体(和流体中所含物体，该物体具有可检测的尺寸和光学性能) 的三维图像用于分析目的。例如用于流体中细胞的计算方法是可实现 的，而且该方法可明显地从体积扫描中获得益处以提高小体积样品中 所存在数据的统计学意义。
在本发明的另一个实施方案中，盘基本上是一个平面，典型地为 透明的、包含流体的薄基底，该基底可包括另外装置。这些另外的装 置可用于收集盘中所含流体的信息。这些装置可以是生物传感器、传 感器或组织、细胞和分子的阵列。例如标准孔板读数扫描仪可在大范 围电磁光谱内收集盘中所含流体光学性能的信息，其目的在于进行比 色分析、荧光检测和放射性照射的测量。
在另一个实施方案中，盘可用作光学介质，其中可采用集成在表 面上的棱镜、透镜或其它微光学部件，通过内部的反射收集并传递光 线。
另一种可能的读出技术依赖于在制造过程中带有发光染料的侧面 或基底材料的加载。将与试验相关联的放射活性转化成发光材料内的 光信号，光强度用作样品放射性的测量。通过将流体闪烁体加载到于 面对样品的微流控部件中可获得相同的结果，而且仅由基底将其区分 开。
在本发明的范围内可以考虑使用板外(off-board)的检测。实例 包括质谱、用伽马射线、X-射线或中子束的照射和色谱法。可将微流 控网络内的可移除部件、例如剥离MALDI靶箔等结合入本发明盘的 侧面内。可对这些剥离目标表面进行定位，从而使它们形成用于收集 相关的一种或多种样品的腔室的侧面。
混合
在微流控装置中，流体动力学典型地是由层流控制的。在此意义 上，混合-在宏观世界中由于不同的现象例如对流或涡旋运动因而较自 然-成为一个关键的问题。根据本发明，可以使用各种混合方法。通过 毛细管可将磁性珠子输送到流体中，并且当盘旋转时(或者利用一个可 变的磁场)利用静态磁场的存在从外部对其进行搅拌。另一种方法利用 材料层的弹性；使得材料层面对振动的贮存槽。可以不同的方式实现 振动：机械地或由外部的电场或磁场产生。
本发明的另一种方法利用旋转盘的角速度和方向，包括在共振的 旋转频率处产生振动和扭转的方式。
进一步的方法在于使用科里奥利(Coriolis)力以在盘的通道内产生 湍流。
作为选择，通过在沿着毛细管交替的方向上改变盘的旋转速度， 可以使流体循环。利用由压缩在贮存槽内的空气(或气体)产生的气流 的力，可以容易地获得相反的方向，而当盘的旋转速度降低时，所述 空气将储存的能量返回给流体。
作为选择，对于合适几何形状的微流控部件(例如，在毛细管中) 而言，单一的扩散是非常有效的。
阀也可在混合中具有积极作用。交替地将要混合的小量的两种流 体带入相同的贮存槽或毛细管中，增加了截面的表面积，并因此利用 扩散混合。通过使用放射量测量器的输出，可在毛细管内更换多种流 体的短插塞用于改进混合效果。
由阀激发的流体输送
本发明的阀具有可抵抗较大压差且具有气密性的显著特点。因 此，可以想象在一个面上具有气流的过压或低压，当阀被打开时，接 着会出现突然的气流。
利用一个包含挥发性流体的关闭的贮存槽，或者可选择地利用在 一种或多种组分间的反应而释放出气体、例如二氧化碳，能够容易地 形成气流的过压。在另一个实施方案中，利用向心力可产生压力，而 在限定的气体体积上压缩流体物质。在后一种情况下，当释放向心力 时，通过使流体进入限制流体向回移动的Tesla阀中，可使能量的储 存时间比向心力的持续时间更长。这种系统在下文中称为瓶。利用激 光可加热挥发的流体、例如水，以便利用辐射能量的传递产生给定量 的蒸汽。通过打开阀，瓶与其它回路的连接将在第二个回路中产生瞬 时的压力。利用多路连接，可使瓶与许多回路中的一个实现气动连接。 一旦将阀打开，瓶将被排气。
在第二回路中的流体可被连接到一个校准的毛细管中，其被称为 输出喷嘴，流体从芯片的表面排出。通过打开阀，迫使流体流过喷嘴， 并校正所产生的蒸汽量，这样能够避免化学制品的“喷出”。其结果 使从芯片表面排出定向的流体喷射。
可将样品盘叠置在另一个称作受体盘上，该受体盘具有一个与样 品盘的输出喷嘴相对应的输入喷嘴。输入喷嘴是与毛细管连接的孔并 能够收集流体。作为一种选择，在受体盘上的另一个瓶可用于利用文 丘里效应(Venturi effect)将流体吸入到毛细管中，或者通过具有低压的 真空瓶而将流体吸入到装置中。可采用相同的方法以便将流体传递至 具有不同形状和目的的装置、例如微滴定板、具有不同功能的微流控 装置、分析仪器或用于改变流体性能(例如流体温度)的任何装置中， 以及从该装置中输出流体。应当注意到，利用阀储存能量的技术，可 采用能以可控和所期望方式释放的能量，用以产生具有混合结果的瞬 时流体流动。
实施例
提供下述实施例以利用具有若干部件的特定选择和用于上述若干 变量的特定值，来说明本发明的方法和产品。如上所述，这些特定实 施例的许多变化是可能的。这些实施例仅为示例性的同时不是要限定 本发明。
实施例1
如图7所示，根据本发明进行了聚焦的光学反馈来评估在材料层 701上正确的定位。转到图7，光学反馈使用简易玻璃702(约0.199mm 厚)，该玻璃中途截取了少量百分比的从材料层701反射的光(通过用 于入射至基底上的光的相同光学系统)。通过一个48mm焦距的物镜将 来自材料层701的光成像在CCD706上。CCD706将激光点的实际形 状记录在材料层701上，并且甚至能够对材料层的表面和例如在材料 层附近的流体中漂浮的珠子进行成像。
在本发明的范围内可以考虑利用象散聚焦实现光学反馈。在本发 明的范围内可进一步地考虑根据装置(当前3.1mm)和CCD物镜(48mm) 中聚光器的焦距比例放大或缩小激光结点图像。CCD706也记录了具 有约20倍放大、具有0.3μm像素分辨率的约200×150微米区域的来 自材料层701的图像。在本发明的范围内可以考虑采用二极管(可能的 2×2矩阵的二极管以便也使用相同系统进行象散聚焦)来代替 CCD706，这基本上是因为与聚焦反馈相关联的速度问题(焦点的锁 定和跟踪)。
当使用例如盘或芯片的微流控平台工作时，很显然可通过这种反 馈方法粘附测定三个表面：平台与大气接触的面的外表面、面708的 内表面、在该面中平台与含于毛细管(或贮存槽)中的流体(流体或气体) 接触，和流体或材料层701间的界面。应当注意到，由于在激光波长 处材料层非常有限的透明度(对于10微米厚和在PMMA中 Epolight2057染料的浓度为1重量％的材料层而言，测得的透射为 0.02％)，不论在材料层701后的任何物质都不能影响激光的反射，但 仅在透射模式上是可测定的。
在低流量下工作，可证实通过相同的系统对基底的逐渐熔化和材 料层701的变化进行成像，从而经验性地评估光密度和椭圆形光点各 部分的温度。
延续此概念，可证实能够并且容易地测定本发明的阀是否被打 开。当对激光点进行准确聚焦时，暴露在激光辐射中的全部区域即被 烧蚀，而且在焦点处没有材料剩余，来通过反馈光学系统反射光。如 果材料未完全烧蚀，则残留在光学通道中形成材料层701的聚合物产 生可容易测量的反射。
可实时地确定本发明的阀是被正确地打开或其仍未被打开，并且 如果必要的话可重复打开步骤(例如在盘的下一个轮次中)。发现阀的 再现性好于1/1000，意指在流体通道中一千个阀中小于一个的阀可能 有问题(由光学检测证实的)。光学反馈考虑到了本发明阀的操作的质 量保证。
发现可根据反馈调节激光的发射，而非固定照射的能量，并以给 定功率进行对应的固定时间的穿孔。保持激光直到由材料层反射的光 消失，随后切断激光。光学反馈可有利地使激光辐射减少到最低，因 此降低了进入系统中的能量，使得样品的破坏或改变最小化。由于涉 及到激光结点的温度，该温度随着曝光时间而明显地升高，因此使用 光学反馈明显地改进了激光MTTF。使用光学反馈，能够增加激光的 峰值功率，降低平均照射脉冲宽度。这样甚至能进一步降低热传输区 域的尺寸(其直径于脉冲时间长度的平方根相一致)；这也可保证已正 确地打开了一个阀。
实施例2
本发明光学装置的性能可由下述实施例表现出其特征。光学配置 为在CD透镜和其全部出射孔的量合计为对应于1.6W的光学能量、 在10μs内释放的16μJ后光束的能量。正如所期望的那样，由于在光 学装置中的校准、匹配和反射，可降低最初6.2W的激光二极管的能 量。
当将8μm、加载有Epolight 2057、由Microchem制造的PMMA 材料层置于CD透镜的焦点上并形成第一次照射时，仅约6.7μJ从基 底射出而照射在位于材料层后的温度计上。忽略反射，预计该反射为 约4％，因此剩余的8.4微焦耳沉积于样品中。作为参考，如果能量均 匀地沉积在1微升水的样品中，其温度仅升高约0.0018℃。但是，该 能量足以使与阀区域(3pL)相对应的聚合物体积融化，计算后其为 7.5μJ。
在相同位置上的第二照射表示在材料层后面的温度计上所测得的 所有射束能量。此测量表明所有的光聚集在阀表面上，而且增加照射 的持续时间不能将能量释放于样品中，因为由于光穿过基底的阀，材 料层不再吸收光。
如图8所示，将上述这些结果与对应于DVD配置的数据相比较， 所述DVD装置使用了DVD光学拾取器。在此情况下，并未使光学配 置最佳化，而且由于未对准、误差和慧形象差，部分的激光能量未以 一个聚焦的点瞄准在材料层上。在此情况下，由于射束能量仍然撞击 未在低能量密度下蒸发的材料层，因而射束能量并未被全部储存。
实施例3
参考下述实施例可进一步理解本发明激光的性能。所使用的激光 射击源为OSRAM SPL PL_3二极管，其具有纳米堆积(nanostack)技 术。纳米堆积技术在于半导体芯片上许多离散的发射体的“垂直”或 外延的集成，这产生了二至三倍的最大功率。特定的二极管表现出距 离三个叠置的发射体200×10微米的缝隙，当将其限定在100ns的脉 冲宽度时，该发射体达到了约75W的光学输出。利用由Directed Energy Inc.制造的DEI PCX 7410二极管激光驱动器，使二极管产生脉冲，该 二极管激光驱动器能够在10A和5A下以CW方式覆盖20ns至1μs的 范围。为了达到超过10A的范围，使用DEI PCO 7120混合的OEM 驱动器。利用Tektroix TDS2014监控脉冲电压和电流以在二极管上重 建电源，并在二极管规格的基础上推断其光学输出。
聚光器和物镜可在非球面摄头(与在光盘系统中所使用的那些相 同)和优化成在近红外区域(700-1100nm)中操作的glass multiplets中选 取。利用由激光二极管驱动器触发的Melles Griot(MG)wincamD CCD 监测入射波束，该装置利用半反射的窗口中途截取光束。将光束对准 射入物镜中并由各种Logitech QC 4000Pro CCDs调节，所述装置监测 在物镜上射束点的尺寸、样品上的冲击点和从样品向后反射的光。
在优选的配置中，物镜是具有音圈致动器的CD透镜，其可通过 电流控制沿两个轴移动该音圈致动器。这种配置使得光学条件最佳化 并允许一次照射接一次照射地校验激光束是在光学装置中，而且也允 许激光二极管发射体的打印，其表示了如图9所示的样品上的纳米堆 积的结构。该纳米堆置的结构是可视的三种重叠的窄缝隙901、902 和903，它们对应于在试验中所使用的PL90-3激光二极管的三个发射 点。进行测试的样品为具有约20μm厚度的市售一次性袋的聚乙烯(PE) 薄膜。该薄膜特征在于炭黑的高加载。使用6.5mm物镜(NA＝0.615)MG 06GLC001和25.6mm聚光器(NA＝0.156)MG 06GLC004对样品进行曝 光，表现出基底穿孔的证据。二极管激光的参数为I＝10A，具有100 微秒的脉冲宽度，通过在前进方向中观察衍射环而不直接观察基底上 的激光点来进行聚焦。估计的脉冲的光学能量为低于3μJ，其是根据 二极管温度的上限和预期该二极管在特定的脉冲宽度范围内所出现的 能量降低。发现大多数的光是在基底后面测定并且未被样品材料吸 收。
穿孔的进入孔1001如图10所示。穿孔的出孔1101在图11中示 出。考虑到平均相对于短轴约52微米和相对于长轴约57微米的估算， 进入孔和出孔间的距离为约174微米。
实施例4
将由Microchem制造的、具有约950,000道尔顿分子量的PMMA 溶液溶解于11％的苯甲醚中，并旋转涂覆在硅基底上，对该基底进行 处理以分离所生成的膜。在约20℃下烘干薄膜大约24小时。旋转涂 覆技术产生了具有在4英寸晶片上约1微米均匀厚度的薄膜。由阿尔 法步骤(alphastep)测量的表面粗糙度为约39.6nm的平均粗糙度值和约 53.8nm的均方根粗糙度。PMMA膜的这些机械性由其相对于红外光 的总透明度而相匹配，从而使其对于激光辐射的曝光不会产生任何可 见效果。
利用加载约0.5重量％的ADS905AM制造另一种PMMA薄膜， 该材料是American Dye Source Inc.制造的一种红外染料，其吸收光谱 在图12中示出。该薄膜对视觉检测来说是光学完美的，但显微镜分 析揭示了染料未均匀溶解在PMMA中。根据显微镜分析发现，染料 是一种“乳液”形式或以不均匀的小球1301形式而分散的，如图13 所示。尽管该染料缺乏均匀性，但并没有观察到激光从加载有该染料 的薄膜中透射。
在40A下曝光于100ns的单一激光点时，加载染料的薄膜产生了 进入到染料小球中的能量损失。尽管表面上的不均匀的小球1301经 常发生爆炸，但在此曝光下并没有产生穿透。
若具有实施例3中所述结构，则在1KHz频率下曝光于多激光点 照射时，可观察到穿透。此穿透未达到20微米的样品深度；但激光 已开始穿过聚合物箔而透射。这种透射可能表示在照射区域中染料吸 收的下降。不受任何特定理论的限制，这种效果可以认为是由于热的 产生并随后的染料分子(C62H96N6SbF6)的热降解。
发现10μs持续时间和10A电流的单一激光射击产生了开口，仅 当精确聚焦时激光才经过该开口。用于产生与本实施例中相同的激光 射击的激光装置使用了市售的CD拾取器物镜，该物镜在小的能量下 需要手动聚焦而且使用了与在激光装置中相同的实验室级的25.6mm 的聚光器。孔径为约20-25微米(短轴)乘约30微米(长轴)。孔的形状 表现出在进入面上激光孔径形状的记忆。发现当激光聚焦不理想的时 候，孔通常不是通孔。还发现通过将激光射击射击增加到20微秒， 将可实现通孔。可以推断，假设激光是正确地聚焦，光学染料为均匀 地分散而且材料层为约8微米，在10A下10μs的激光射击足够用于 在这些条件下穿孔，
实施例5
设计下面的试验以使由VLV(有效激光阀)打开导致的不同生物样 品的破坏最大。利用下述方案实现这种操作：在给定体积的流体中使 阀的数量最大；使激光射击的能量提高至一个值，该值明显地高于除 原型/产品以外的值；使试验中所使用的生物样品的量最小，该样品未 遭受或受到VLV损害；和利用不同方式(冗余、校准试样和统计测试) 来评估假设的正确性和验证试验的连贯性。
第一物镜意味着大的VLV密度，和在短的时间内(小于30分钟) 打开大量VLV的能力。产生了100VLV/mm2至600VLV/mm2的矩阵， 后一数值对应于在公知参数内被激光破坏(切割)的基底的条件。
在所有的试验过程中，将激光的参数保持在等于100μs射击，产 生了160μJ的光学能量，基本上足够用于具有良好边缘的穿孔。
以公知浓度在样品中混合的荧光珠子，在大多数实验中用于稀释 的定量检查和样品恢复的效率。
在两个主要的结构中曝光样品：实验芯片内和所谓的“液滴”构 型内。所有情况下，材料层的厚度和染料加载量均相同。
以独特方式提呈数据：使校准试样平均并重正为1(100％)，独立 地用于校准样品上的珠子和生物的测量。每一个结果表示为当样品曝 光于阀时所收集的材料除以对应参照的未曝光样品的相对量。术语“损 失”与相对差别(REFVLV/REF)相对应，其在生物损失或损坏的情况 下为正数，而在曝光的样品具有比参考样品更多材料的情况下为负 数。
芯片试验的描述
除胰岛素原曝光以外，将1微米直径的YC羧酸化的荧光珠子(由 Polysciences，Warrington，PA，USA制造的Polybeads)加入到样品中， 从而在最终稀释后实现50珠/μL的浓度。珠子也用于定性地检验芯片 内的样品，同时利用荧光显微镜监测芯片漂洗。利用标准稀释技术制 造校准试样以及反面试样。
根据本实施例使用的试验芯片1400在图14中示出。其两个面的 不对准以及其中一个面充满了荧光珠子的实际情况，有助于在深度上 清理结构。如图14所示，利用一个在约5μL/min下工作的蠕动泵(未 示出，由Ismatec制造)，通过一个0.19或0.25mm内径的Tygon管道 系统将样品注入入口1401中。前面的试验已表明管道并不产生对样 品的损害。在每一个试验中使用新的管道以避免交叉污染。在大多数 情况下，芯片1400充满了没有气泡的流体；在存在气泡的极少情况 下，利用安装在显微镜上的照相机获得相片而进行的测量，来校正实 际的流体体积。芯片1400中的仅一个面、在此情况下第一面1402充 满了流体。
充液过程中一个重要的要求在于确定所有的流体均(样品)从芯片 1400的入口1401和出口1404中被去除。通过用滴管吸取并随后使用 显微镜检查在连接贮存槽中不存在珠子从而实现这一步骤。如果检测 出流体，用滴管将其从贮存槽中吸取出来直到没有珠子存在。通过其 自身来确定芯片1400的公称容积是非常困难的。由于芯片1400的设 计，充满了流体的贮存槽具有约3000×1400×50μm的公称容积。
作为芯片1400设计的结果，出现了两个不期望的现象：在一个 面上，由泵产生的对流体的压力可能非常大(反应腔截面和输入毛细管 截面间的比例为约80倍，意味着施加在反应腔中的基片上的力为施 加在毛细管基底上的80倍)。此外，材料层在深度上移动10μm，决定 了贮存槽的公称容积产生20％的变化。可以确定，当施加入口压力时 在填充过程中基片会移动。由于基片的移动，很大的压力施加在材料 层上，从而使其与相对的侧表面接触并确定了约两倍于公称容积的绝 对贮存槽容积。注意要在两个填充操作中等同地处理样品。
当芯片1400未曝光于有效激光阀(VLV)中时，漂洗过程包括通过 将50至400μL的缓冲流体输送到芯片1400中而去除样品。通过施加 正压而使缓冲流体进入入口1402中并从出口1404收集流体。当芯片 完全不含流体时，该漂洗过程典型地由一系列由数分钟隔开的此类操 作而完成。因为毛细管的截面，将漂洗速度限定在约50微升每分钟。 在毛细管中，此流量对应0.3m/s(1km/h)的流体速度。在芯片2200内 的流体速度几乎不能达到0.4cm/s，这解释了需要长漂洗过程(30分钟 至1小时)，以便顺序观测流体的珠子含量中大量的滴流-以及同样地 观测生物样品的浓度。
要保持用于曝光的芯片填充尽可能地与校准填充相同，并在珠子 含量分析中使用相同的标准。
在一些情况下在激光方向的“下游”进行VLV曝光。而在一些 情况下在“上游”进行。
曝光于VLV中的芯片1400的漂洗与前面解释的那个不同，因为 所有的四个入口均为流体连通。出口1404的接口与蠕动泵(独立通道) 连接并用缓冲流体供给。将流体速度保持在10μL每分钟至约40μL每 分钟。
在存在有珠子的实施例中，从每一个最终的eppendorf管中取出 的1μL的2个液滴并将其沉积在贴有标签的显微镜载物片上。使液滴 逐渐地蒸发，其结果包含于液滴内的所有珠子均被收集于较小周长内 的玻璃平面上。取得珠子的图像，并利用Scion软件包对珠子进行盲 算。在分析中系统地使用两个液滴以检查在处理中可能的错误。
液滴试验描述
前面试验过程的分析已表明通过简化实验消除系统误差的能力， 该简化的试验由样品制备、处理双液滴的流体的制备、单液滴阀的曝 光、双液滴的收集、珠子测量和生物处理组成。
液滴的曝光通常与芯片试验一起进行，以便利用一致性分析验证 结果。出于此原因，采用预防措施“均衡”所期望的结果(类似的最终 浓度)，样品的制备是相同的。
双液滴制备包括将1μL液滴置于一片约4×4mm2的材料层上，该 材料层利用其边角悬挂在玻璃支架上。利用一小滴水使边角附着在玻 璃上，该水滴在两个表面间产生引力。样品液滴具有圆形的形状并以 尖头使其沉积。使用此方法，液滴决不会到达材料层的边缘，也不会 到达任何其它材料的边缘。注意到，使用相同的缓冲流体/样品制造的 液滴是类似的并以确定其形状的一致的接触角而附着在材料层上。但 是，发现生物样品、其浓度和缓冲流体对液滴的形状产生了较大的改 变。在胰岛素原以7μg/μL处于水性缓冲流体中的情况下，液滴具有 约2mm2的接触面积，而对于具有约1E-6E.coli每μL的E-coli培养基 而言，液滴具有约1mm2的接触面积。
单液滴曝光包括任意地选择两个液滴中的一个并使其曝光于激光 辐射。由于液滴表面基本上与液滴体积成比例(利用1-2-3μL的液滴及 其摄像机图像进行测试)，对能够被打开的阀最大数量存在着整体的约 束，其数量由适宜的区域给出。
双液滴的收集包括去除带有来源于玻璃支架的液滴的材料层样 品，并将每一个样品置入eppendorf管中。利用inox clamp在管内漂 洗材料层并在每一次避免交叉污染的曝光前准确地清洗。最终 eppendorf管包含50至400μL的缓冲流体体积，将基片浸渍于其中。
利用珠子测试试验的过程，并且注意到，在VLV打开后，流体 进入小孔中并充满VLV体积。表面张力避免了使流体湿润与液滴相 对的表面。
采用上述操作，目的是测试耐氨比西林的大肠杆菌(E.Coli)的活 力的试验，揭示了虚拟激光阀的效果。在溶液中提供细菌用于测试目 的，并还是在溶液中返回用于评估。在不同的稀释度下，针对每一种 返回的样品进行三倍的平板接种，将最初的细菌浓度保持在培养缓冲 流体中约5E5 E-Coli/μL，同时将样品与处于相同缓冲流体中浓度为50 珠每μL的珠子混合。
试验芯片与在图14中所示的芯片1400类似，具有2000×2000μm 公称容积的反应腔。对芯片1400充液，冲液中无阻塞迹象并且在任 何相关的步骤中基本上没有明显的气泡。漂洗的方案由每一次100μL 的4个漂洗步骤组成，以便观察和测量样品中的珠子/E-Coli含量。
液滴试验进行四次，同时在将eppendorf管用于分析前，先从 eppendorf管中去除材料层。在数据组中存在两个反面样品以及两个校 验样品。假设在310nL体积(公称体积)并进行完善的漂洗，则对校验 样品进行稀释以产生芯片实验的相同菌群计数。
如下面的表1所示，使在两栏中的数据重新归一化至校验和校验 II的平均值。相应的数据分别为181.5菌群和43.3珠子，与预期值相 符合。
表1   菌群   珠子   校验样品1   101.9％   112.1％   反面样品1   0.0％   4.6％   NOVLV的芯片1   106.3％   87.9％   NOVLV的芯片2   41.3％   38.2％   NOVLV的芯片3   22.0％   30.1％   NOVLV的芯片4   16.0％   17.3％   VLV芯片1   87.1％   52.0％   VLV芯片2   29.2％   43.9％   VLV芯片3   13.8％   12.7％   VLV芯片4   15.4％   16.2％   校验样品2   98.1％   87.9％   反面样品2   0.0％   2.3％   VLV液滴1   56.2％   72.8％   NOVLV的液滴1   116.3％   83.2％   VLV液滴2   75.5％   102.9％   NOVLV的液滴2   86.5％   116.8％   VLV液滴3   67.8％   90.2％   NOVLV的液滴3   86.5％   99.4％   VLV液滴4   84.3％   97.1％   NOVLV的液滴4   66.1％   102.9％
在不同浓度下对菌群平板接种成两份，而且两个平板接种是相同 的。对于珠子使用相同的参数。
对珠子和菌群计数的校验和反面样品都是一致的。由于珠子计数 由包含约50个珠子的两个液滴的平均值产生，因此预期有10％的统 计误差。
NOVLV液滴可被认为是另一校验样品。在菌群方面其平均值为 89％，而在珠子方面其平均值为101％。
芯片漂洗数据在图15中示出。样品指的是100μL的数据点，该 数据点已转化为157μL的漂洗衰变常数。在珠子与菌群间没有显著的 差异，暗示漂洗基本上不依赖于要漂洗的颗粒的类型。预计有小于7％ 的样品保留在芯片中，由于这个值小于试验误差，因此结果不需要修 正。
通过使芯片成像来估测实际的芯片体积，并发现约为520nL。该 值包括毛细管和弯曲至面上的基片。该体积对应于167％。来自芯片 的整体计数为下述值：
整体参考数据                    185.67％
整体参考珠子                    173.41％
整体VLV数据                     145.45％
整体VLV珠子                     124.86％
NOVLV数据很好地与预期值相匹配。损失的测量来自于 VLV/NOVLV的比例，对于珠子而言损失为28％而对于细菌而言为 22％。珠子和细菌活力的降低表明E-Coli被VLV破坏，同样地也破 坏了珠子。利用液滴试验独立地证明了此结果。对于E-Coli和珠子而 言，未曝光的液滴和曝光的液滴的比例在图16中用图表示出。
当对液滴进行曝光时，数据表明珠子有10％的一致性损失 (consistent loss)。在这种意义上，E-Coli的损失相当于相对于未曝光 的液滴而言，平均有少于15％的E-Coli存在于曝光的液滴中。可以断 定，每一个10倍的阀似乎在芯片内减少了小于0.7nL的样品而在液滴 试验中减少了小于0.9nL的样品。因此对于E.Coli而言每阀有0.83nL 的损失而对于珠子而言每阀有0.79nL的损失。
实施例5
研究了虚拟激光阀对DNA质粒编码抗氨苄西林的破坏作用。通 过利用相同材料使细胞转染后测量细胞对氨比西林的抵抗力来确定此 抵抗力。提供TE缓冲流体中的高浓度样品DNA，并将样品与50珠 每微升浓度的珠子混合。在本实施例中使用的芯片为2000×2000μM 公称容积的反应腔，漂洗方案包括每一个为400μL的两个漂洗步骤。 液滴试验进行三次，在将Eppendorf管用于分析前，先从Eppendorf 去除基片。所使用的所有样品均稀释成400μL。
数据组中包括反面样品以及校验样品。稀释校验样品以产生芯片 试验相同的菌群计数，假定为310nL的体积(公称)并正确地漂洗。
根据在上述实施例中所述的一般过程，使在下面表2中示出的数 据重新归一化为校验样品。校验样品的对应计数为转染细胞的336菌 群。转染进行一式两份，并在“校验”、“NOVLV芯片1”、“VLV液 滴1”和“NOVLV液滴2”的情况下进行，一式两份的转染重复两次。
表2   校验   100％   反面样品   0.3％   NOVLV芯片1   304.5％   NOVLV芯片2   7.7％   VLV芯片1   188.1％   VLV芯片2   12.8％   VLV液滴1   83.3％   NOVLV液滴1   81.3％   VLV液滴2   67.6％   NOVLV液滴2   66.4％   VLV液滴3   44.0％   NOVLV液滴3   51.2％
反面样品与预期值相符合。此外，用400μL的体积代替100μL 的体积而进行芯片的漂洗，同时第二次漂洗步骤的数据与来自前述数 据的预期值相符合。
通过使芯片成像而估测物理芯片的体积，在由表2所述的尺度中 为165％，且芯片的整体计数如下所述：
整体参考数据                  312.20％
整体VLV数据                   200.89％
特别地，从未曝光的芯片中提取的DNA的量为所预期的约两倍 大的因数。重复转染步骤消除了对转染效率变化的假设，同时对于校 验样品和显性点(dominant point)也同样进行重复步骤。
在曝光的和未曝光的芯片间的面值定量(face value ration)指向 了35％的DNA损失，但是，曝光的样品具有与来自芯片几何体积的 预期值相一致的菌群计数率。
液滴试验的结果在图17中示出。其平均结果表明有3％的损失。
实施例6
本试验的组成为：制造一个VLV液滴、一个NOVLV液滴和7 毫克每微升的人体胰岛素原的1微升校验样品。将基片上的液滴浸渍 在50μL的缓冲流体中。由于流体与尖头材料间的亲和性明显高于预 期，出现了蛋白质与所用尖头的行为的一些问题。改变液滴的曝光以 避免液滴的背面与对位薄膜(parafilm)的可能接触。最终的eppendorf 管用于分析，其中仍含有曝光的基片样品。在该过程中未使用珠子。
使用约1.3μL的样品溶液用于HPLC注入，对于每一个eppendorf 而言HPLC重复进行三次。分析峰形，没有发现三个样品间存在差异 的证据。似乎没有出现样品蛋白质的变化或改变。使用四极的MS进 行进一步的分析并证实了HPLC的结论。
实施例7
通过利用不同激光射击脉冲宽度而改变照射能量，从而对基片填 料的最优化进行了研究，其目的是发现对于不同材料、厚度和吸收性 能的基片的穿孔限制。在有效的光采集和聚焦精度(由从基片向外反射 的光的分析的焦点的CCD成像)方面装置基本上得到最优化。一旦发 现这些限制条件，即使用相同的激光源但在较低强度下测量各种样品 的光吸收，并利用由Lasertechnik Berlin，Germany制造的PEM 100高 温计测量透过的能量。其数据在下面的表中给出，包括观察膜穿孔所 必需的最小激光持续时间(在相同条件下)。可以看到，最小激光穿孔 条件与基于基片吸收率和激光能量的预期是一致的，在所有试验中激 光点尺寸是相同的。
下面的表说明了在吸收性能和穿孔条件间的相互关系。通过在相 同条件下降低激光辐射的脉冲持续时间，已使在类型和浓度方面的不 同材料和不同染料降低辐射强度。一旦发现了穿孔的最小脉冲时间， 即通过将激光强度(精确地降低以避免层的穿孔或染料的损坏)与曾经 填充染料和未填充染料的理想材料比较，从而进行透射测量。从下面 的表中很显然材料和染料的加载对理想辐射条件下的穿孔限制产生了 影响。
表3 材料层   用于穿孔的最小脉冲   时间[μs]   膜透射率(％) 填充有0.1％ Epolin 2057的 10μm PMMA基片   15   66％ 填充有0.25％ Epolin 2057的 10μm PMMA基片   10   20％ 填充有1％ Epolin 2057的10μm PMMA基片   5   0.5％ 填充有炭黑的20μm PE   10   9％
尽管用依靠向心力的旋转平台描述了本发明的阀装置，但本领域 技术人员将可理解，这种阀可用于理想地需采用阀部件的任何微流控 装置上。同样地，可进一步理解到本发明的阀装置能适用于较大尺度 的分析装置，该装置对于较大阀而言具有增加的全部激光强度，例如 利用激光二极管棒。同样地，本领域技术人员将可理解，这种阀技术 甚至能够用于纳米技术范围内的较小尺度的装置中。实际上，很明显 可将电磁辐射降低至衍射极限点，同时阀可以使受照点的一部分。纳 米范围的阀可与所含材料层的分子结构相容。
尽管本发明装置内的材料层使用了具有特定光谱质量的染料，但 本领域技术人员可以理解的是，具有所需吸收性能的其它化合物或颗 粒可用于捕获电磁辐射，以便使材料层穿孔。同样地，可进一步理解 的是，具有所需吸收性能的膜或层也可用于捕获电磁辐射。
尽管在本发明装置中使用电磁辐射以使材料层穿孔，但本领域技 术人员可以理解的是，这种电磁辐射可用于阀调节目的的晶体结构升 华或熔化。
尽管在说明书和实施例中使用的本发明的阀涉及流体的阀调节， 但本领域技术人员可以理解的是，本发明的阀也可以用于气体或气态 流体的阀调节。同样地，可进一步理解的是，许多应用、例如燃料电 池、航天应用中的推力控制、用于燃烧等的混合控制，均可使用本发 明的用阀调节流体流量的技术。
尽管已描述了本发明的一些实施方案，但本领域技术人员应当理 解的是，前面仅利用实施例表示的内容仅是示例性的和非限制性的。 许多的变化和其他实施方案均处于本领域的普通技术范围内，并且可 以预料到它们是在由所附的权利要求及其等同物所限定的本发明的范 围内。在本申请中所引用的任何参考文献的内容在此引入作为参考。 可以选择那些文献中适宜的部件、过程及方法用于本发明及其实施方 案中。
相关申请的交叉引用
本申请要求2002年12月4日提交的、标题为“流体的可程控微 量控制用装置和方法”的美国临时申请№.60/430792的优先权，其全 部内容在此引入作为参考。