许多应用中都需要将液体涂抹在平面基板上。例如，该基板上可设置 有用来对液体内的元件进行检测的传感器或器件，并且/或者与液体内的元 件有选择地结合或反应。基板可包括固态的IC传感器芯片、载玻片、基因 和蛋白阵列、或其它化学固定或干燥于基板上的反应物。此类应用中存在 的问题之一就是如何能够将某种类型的液腔或流槽可靠便捷地固定在基板 上。
需要将液体涂抹在平面基板上的应用之一是在“芯片上的实验室” (lab-on-a chip，简称LOC)器件中。LOC器件使用微升及毫米-微米级别 的元件取代台式化学和生化仪器。与标准实验室系统相比，此类器件的优点 包括：减少了反应物的消耗、降低了废产物量、过程参数控制更加容易、增 加了反应时间、提高了化学分析的速度。
LOC系统的特点之一就是能够在一个平坦表面上同时进行多个独立的 实验。例如，一个典型的DNA寡核苷酸微阵列可包括形成网格图案的由50 至200个微米直径的由机械点样器点在基板上的点组成。该阵列可包括多 到数以千万计(例如30000)个各自独立的DNA探针序列并且同时进行数千个 试验。
任何检测的关键元素都包含生物化学捕获表面，例如将含有靶点的样 品与任何其他必要的反应物送至捕获表面的方法。通常反应物在静态液体 环境如微量测试孔中传送。近来，已经开发出各种在动力(通常为薄层)流 下的平面基板上传送液体的微系统。例如，参见Becker等人在“Talanta” 杂志上的文章“Polymer microfluidic devices”(56，267-287(2001))； Mastrangelo等人在Proc.IEEE，1769-1787(1998)上的文章 “Microfabricated devices for genetic diagnostics”；Bardell等人在 Proc.SPIE，4265，1-13(2001)上的文章“Microfluidic disposables for cellular and chemical detection-CFD model results and fluidic verification experments”；Hofmann等人在Anal.Chem.74， 5243-5250(2002)的文章“Three-dimensional microfluidic confinement for efficient sample delivery to biosensor surfaces”、“Application to immunoassays on planar optical waveguides”；Li等人在Crit.Rev. Biomed.Eng.31，423-488(2003)上的文章“Biology on a chip： microfabrication for studying the behavior of cultured cells”；以 及Erickson等人在Anal.Chim.Acta 507，11-26(2004)上的文章 “Integrated microfluidic devices”。目前的问题在于如何将液流槽按 照选定的检测技术(如电气或光学手段等)在如此小的尺寸下与这些基板集 成到一起。
用来处理多个样本的液流池装置或实验方案包括H.J.Rosenberg的美 国专利3,481,659，Elkins的美国专利3,777,283，G.Bolz等人的美国专 利4,338,024，Golias的美国专利4,505,557，Clatch的美国专利 6,165,739，Wilding等人的美国专利6,551,841等。
还有一些已经开始进入商用的具有多液流池的载玻片或在载玻片上产 生独立腔室的手段(例如，Fisher Scientific，Grace Bio-Labs)。目前已 经公开了各种为用户定制的由石英制成或由聚二甲基硅氧烷(PDMS)模制的 微升级流槽，以及同时培养三个完整芯片用来进行磁力识别实验的多孔、流 过式混成腔室。参见Malito等箸“ASimple Multichannel Fluidic System for Laminar Flow Over Planar Substrates”，NRL/MR/6179-06-8953； MR-8953，(2006)。
总体来说，上述装置器件的设计是依照其应用上的需要而确定的。例 如，这些装置可能会在一个显微镜载玻片上隔离出多个分离的容积，目的是 对多个样品同时进行分析(静态容积)。其它装置包含一个通道用来对单个 粒子进行分析。然而，总体来说，除了Clatch、Wilding、Covington和Malito 所公开的装置，这些装置都适于在受控的流速下进行检测。尽管Clatch和 Wilding的公开的装置可以用于并行监控不同的反应或检测条件，但据报道 这些装置都需要繁杂的半导体微型制造工艺方法，并且被设计为由一个单一 的来源取用反应物或是反应物通过不受控的毛细作用进行分配。Covington 的装置需要使用多层模板材料来形成多通道，并且没有公开将其装置与液 源连接的具体手段。
目前已经使用的方法和装置都其复杂的结构设计和制造方法的制约，不 适于大规模生产，而是作为廉价的一次性最终产品或是与标准工业生产的 阀泵组件兼容。例如，参见Jolley的美国专利4,704,255，Manns的美国 专利5,047,215，Shartle的美国专利5,627,041，Packard等人的美国专 利5,640,995，Zanzucchi等人的美国专利5,775,942。
大多数微液流系统的另一缺陷在于其复杂的结构和使用方法，不适于 作为能够由实验室技术人员象诸如标准微吸移管那样按常规组装并重复使 用的简单工具。Brevig等人所著名为“Hydrodynamic guiding for addressing subsets of immobileized cells and molecules in microfluidic systems”，BMC Biotechnology 2003，3：10(2005年9月19 日)的文章中公开了一种简易的入坞站(docking station)，可提供机械力 用来将平坦基板(例如载玻片)与单一的微液流池密封，无需使用任何粘接 剂或粘接手段。流孔也被设计为利用两股额外的导引液流能够主动引导液 流轨迹并且控制样品流的宽度。但是对导引液流的单个液流流速进行操控 又增加了外部液流控制要求的复杂性。另一缺陷在于该坞站只能对单一的 液流池进行操作，因此只能用于单一的检测。
液流装置的各层的组装，特别是用来将通道封闭的盖板，依赖于诸如 粘接剂、高压热接合、化学接合、热气焊接、超声焊接等手段。其中粘接 剂是主要的组装手段。
Covington等人的美国专利6,848,462公开了一种无粘接剂的微液流装 置，其具有多个微通道，由被称为模板层(stencil layers)控制，能够方 便变换为快速成型的不同类型的通道形状。但是该装置在结构上要求在高 压高温下在至少两个热塑面层之间压缩多个模板层。该装置的其它实物要 求使用定位销以便将各层材料准确定位。
等人的美国专利5,376,252和等人的美国专利 5,443,890利用弹性定位层或注射密封材料在常规压力下在至少两个盖板 之间形成封闭的微通道。上述两个公开文献中，必需首先在盖板上形成凹 槽和/或脊以便稳定弹性材料。这一设计的缺陷在于基板中通道的几何形状 必需永久性地固定下来。如果需要新的通道形状，就必需制作新的基板。
发明内容
本发明提供一种液流池，具有一个中央区域和至少两个液流口，与基 板连接，在支撑体和基板之间设置一可压缩层。该可压缩层在支撑体和基 板连接后对中央区域周围提供密封，形成液流槽。中央区域位于在支撑体内 铣出的平台内部。该平台的高度足够在平台与基板之间形成一定空间。可 压缩层可以位于平台内的一个槽沟中，或是位于平台周围。一般来说，可压 缩层由弹性材料构成。支撑体可具有一个下凹的用来接纳基板的台阶。平 台的高度被设置为能够在液流口之间的基板上提供层流。液流池可在支撑 板上设置支架使液流能够流过基板。液流池还可包括一个在液流池周围形 成的空间，用来接纳基板的电气连接。支撑体一般而言为透明材料，如塑 料。一般而言，基板为传感器芯片或载玻片。基板上可以设置一个以上的 液流池，提供一个液流池阵列。
附图说明
图1是液流池的一个实施例。
图2a是液流池的一个实施例。
图3是液流池的一个实施例。
图4是液流池的一个实施例。
图5是用于并行检测试验的多个集成液流池平台。

将液流池固定在平面基板上的装置和方法是出于对一种被称作为紧凑 微珠阵列传感器系统(compact Bead Array Sensor System，简称cBASSTM， 商标名)的磁标记生物传感器的检测盒的快速组装。这种生物传感器系统使 用微珠阵列计数器(Bead Array Counter，简称BARCTM，商标名)和相关技术 用来对蛋白质、细菌、病毒，以及核酸和毒素进行多重检测。在该生物传 感器中，使用磁性微珠对捕获到含有磁性微传感器阵列的受体微芯片上的 生物分子进行标记。参见以下文献：Baselt的美国专利5,981,297；Baselt 等著“A biosensor based on magnetoresistance technology”，Biosens. And Bioelectron.13，731-739(1998)；Edelstein等著“The BARC biosensor applied to the detection of biological warfare agent”， Biosens.Bioelectron.14，805(2000)；Miller等著“A DNA array sensor utilizing magnetic microbeads and magnetoelectronic detection”， J.Mag.Mag.Mat.225，138(2001)；Tamanaha等著“Magnetic method for DNA detection on an arrayed solid state device，Micro Total Analysis Systems 2001”，(Kluwer Academic Publishers，Boston，pp. 444-446)(2001))；Whitman等著“The BARC biosensor”，2001 NRL Review， p.99；以及Rife等著“Design and performance of GMR sensors for the detection of magnetic microbeads in biosensors”，Sensors and Actuators A 107，209-218(2003)。
BARCTM微芯片中的传感器是使用巨磁电阻(GMR)材料制作的微米级线状 结构。当磁珠位于GMR传感器之上时，电阻下降达到可检测的程度；磁珠越 多，下降越多。在BARCTM芯片上进行检测要求集成的液流池和层流条件。除 了提高对样本中的任何靶点的捕获和标记能力外，可以对层流进行调节，以 便对芯片表面上的微珠施加受控的液流力，从而有选择地将那些没有特别 标记捕获的靶点分子移除。参见以下文献：Sheehan等著“Detection limits for nanoscale biosensors”，Nano Lett.5，803-807(2005)和Rife等 的美国专利申请公开号20040253744。这种被称做流体力辨别(fluidic force discrimination，简称FFD)的独特检测步骤，极大的降低了无用的 背景信号，能够以极高的灵敏度和专一性迅速鉴别出捕获的生物分子而几 乎不需要或完全不需要样本处理。已经能够利用多种复杂样本基质如血液 和食品在20分钟内完成高度灵敏的多重DNA检测(<10fM)和免疫测定(<10 pg/mL)，不需要增扩或预浓缩步骤。
尽管使用磁标记和基于芯片的磁电检测使cBASSTM具有许多优点，但是 该检测独立于用来对磁珠进行计数的磁电机构，并且可以独立于磁电机构 对该检测进行优化。系统的进行由检测确定，其最终确定出有多少磁珠可用 于检测，并且磁珠标记的密度也可以利用光学显微术和粒子计数来确定。因 此，有必要开发出利用可用于将液流池固定在可与BARCTM传感器芯片或较简 单的、具有相似化学性的基板使用的平面检测基板上的方法和装置来进行 的检测。这样，不必消耗BARCTM原型微芯片就可以进行检测。此外，用一个 基板在不同液流下同时进行多个检测可以提高对检测规约进行优化的能 力。
因此，期待一种具有“压在一起”设计结构的液流池，其具有足够的 灵活性，能够集成到由一次性检测盒到试验性多通道检测平台的一系列装 置中。对于快速成型技术来说，控制通道的预留空间以便获取最优化的质 量传递条件，以及根据给定的传感器布局确定用来进行液流控制的通道几 何形状应该较为容易，且不会影响对将要进行检测的基板。集成的液流池 的工作还应该能够在不影响固定在基板上的其它元件如用来为嵌入的传感 器建立电连接的引线的情况下进行。该设计还应能够适合于利用层流和光 学检验在固态基板上进行的其它类型的检测。
这种“压在一起”组件主要由三个标准元件构成：1)支撑体，一般为 塑料，采用机加工的方式将集成结构液流池装入其中；2)弹性垫片，它当 作集成结构的液流池的侧壁并且在支撑体和平面基板之间形成不透水密 封；3)平面基板，可以是传感器芯片、载玻片等。本发明的关键特征在于 液流池的设计结构是与支撑体无关。该液流池的设计结构仅受到在与液流 池接触的平面基板上进行的检测反应的表面面积和位置的限制。对于IC微 芯片来说，其他方面的考虑因素可能包括芯片边缘的引线，在设计上必需 考虑将平台避开这些引线。因此，不论是对于用于显微观察的多通道平台 或是检测盒来说，基本设计和制造工艺都是相同的。另一特征在于，采用 了利用对硅酮(或类似弹性体)层的压缩形成不透水密封的实施例在解体后 完全可以再次使用。
总体过程起始于对液流池几何形状的设计，该设计可利用CAD程序如 AutoDesk 进行。为CNC铣床生成程序控制代码，使其能够在塑料 支撑体内自动铣出一个独立台面，形成集成液流池的基座。图1a是液流池 的侧向视图。图1b是液流池的俯视图。图1中所示的支撑体10具有一个 用来接纳基板70的接纳表面12。支撑体10具有一个平台20位于凹陷区 15中。集成液流池的基本结构具有一个硅酮(或类似弹性体)可压缩层(例 如，垫片)30，环绕于平台20周围。塑料支撑体10和平面基板70固定在一 起后，凹陷区15的深度减去平台的高度为液流池的内部容积的高度60。这 一高度经过精心测量，以确保达到适宜的液流池高度，以便为将要进行的 生化检测优化液流对质量传递条件。液流入口和出口80是在平台20上钻 出的孔，用来与外部引管连接或与在支撑体10内铣出的延伸通道连接。可 选地，可在支撑体10内加工出一个深度适宜的下凹台阶(图中未示)，使基 板70能够座于其中，以便于元件的对正。一般而言，可以制造一个模具，用 来浇注与液流池形状吻合的垫片。垫片的模具由铝块制成。垫片(如硅酮弹 性体)由该模具浇注。浇注完成后立即将硅酮垫片30置于平台20周围。将 平面基板70与支撑体10采用压紧配合或使用螺丝永久性在固定在支撑体 10上，完成组装。将基板70与硅酮垫片30接触并适当施加压力，在平台 20周围形成不透水密封。一般而言，液流池的高度范围大约在10微米至 1000微米之间。液流池的优选高度为大约100微米。可压缩材料用来对液 流池进行密封并充当液流池的侧壁。为了使结构完整并确保不透水密封，当 基板与支撑体压在一起时，独立式垫片30的壁厚有所增加但受到平面基板 的表面面积限制的约束，并且浇注的垫片30能够很好地贴合在平台20周 围。
图2a是液流池的第二实施例的侧视图。图2b是该液流池的俯视图。图 2a和图2b与图1的液流池相似，但支撑体10还包含一个升起的台阶17，位 于垫片30的周围，在接纳垫片30的支撑体10中形成一个凹槽。在支撑体10 中加工出一个深度适宜的下凹台阶75，使平面基板70能够座于其中，这样有 助于元件的对正。受到压力时，垫片30延伸并在升起的台阶17内稳定，使 垫片30能够稳固地坐落在平台20周围。本实施例不需要增加壁厚，因为升 起的台阶能够帮助保持结构的完整并确保不透水密封。图2还示出了基板 70上的芯片90。
在如图3a(侧视图)和图3b(俯视图)如示的第三实施例中，粘接层35(如 双面丙烯酸胶带)取代了硅酮弹性体垫片用来密封。该方法意味着集成液流 池为永久性组装结构，基板70将不能重复使用，而是成为一次性器具的一 个组成部分。本实施例的液流池包含：具有基板70接纳表面17的支撑体 10、位于支撑体10内具有一定深度的凹陷区15、至少两位于凹陷区15内 的液流口80。粘接层35位于接纳表面17上。粘接层35具有已知的厚度。基 板70与粘接层35连接。支撑体10与基板70连接后，粘接层35在凹陷区 15周围形成密封。凹陷区的深度加上粘接层的厚度限定了液流池的高度。
在如图4a(侧视图)和图4b(俯视图)如示的第四实施例中，与其他实施 例不同，垫片30自身形成一个液流池。支撑体10具有一个用来接纳基板 70的接纳表面15。具有一定深度的凹陷区15位于接纳表面15内。凹陷区 15内至少有两个液流口80。凹陷表面内具有一可压缩板37(一般为弹性材 料)，该可压缩板37的高度大于凹陷表面15的深度。可压缩板37至少具 有两个液流口82，与支撑体10的凹陷区15的液流口对正。可压缩板37具 有位于液流口82之间的开放通道39。开放通道39位于可压缩板37面对基 板70一面的表面上。开放通道39具有一定深度。当基板70与支撑板10 连接接纳表面15时，可压缩板37被压缩。可压缩板37被压缩后开放通道 39的深度就是液流池的深度。本实施例的优点之一在于可以在支撑体的凹 陷区内放置具有不同液流池高度和几何形状的可压缩板，例如可以设计为 正地形的蛇形通道。本领域技术人员可以理解，只要将不同的可压缩板插 入凹陷区就可迅速地由一种液流池结构变为另一种液流池结构。
图5所示的第五实施例是一种用来在显微镜下进行的并行检测试验的 多个集成的液流池平台。如图所示，其结构就是在一个塑料支撑体上加工 出多个集成液流池。每个液流池都可以采用前述任何一个实施例中的液流 池。可在支撑体中铣出微通道的延伸将这些液流池连接起来。可使用双面 丙烯酸胶带在微通道延伸上固定一个塑料盖板，将这些通道封闭。
支撑体内的脊部的深度可以是垫片厚度的一半，以便提供足够的支撑 使垫片就位。一般来说，支撑体内的脊部的深度应足以使垫片就位。脊部 和平台之间的通道的宽度最好稍稍大于垫片的宽度，使垫片在受到压缩时 的膨胀能有一定空间。本领域技术人员应理解，液流池的设计是为了尽量 在采样基板上形成均匀的层流。
用来实现不透水密封的弹性体硅酮垫片一般而言与模具中生产出来的 通道具有相同的形状。垫片形成液流池的侧壁。垫片应有足够的高度，以 便在自立形平台和基板之间能够形成保形接触。垫片应具有足够的高度，使 其能受到轻微的压缩并在支撑体与基板之间形成不透水密封。当样本基板 与样本盒被压在一起时垫片被压缩。
可利用CNC铣床实施对本发明的制造。该集成式液流池独一无二、结 构简单，使其他一些复杂昂贵的制造工艺如硅显微机加工、压花热塑、注 塑、或激光消融法不再必要。对玻璃或硅的显微机加工十分昂贵且不易组 装，激光消融过于缓慢且仅限于相对较小的构造，压花和注模热塑都要求 昂贵且只能用于一种设计结构的母模。
本发明的特征之一在于液流池的设计独立于支撑体。液流池的设计仅 受到将要安装该液流池的平面基板上检测反应的表面积和位置的约束。对 于IC芯片来说，可能还要考虑芯片边缘引线的存在，因为设计时平台必需避 开这些引线。因此，不论对于用于显微观察的多液流池平台还是检测盒，基 本设计和制造工艺都是一样的。
支撑体、平面基板和弹性硅酮垫片在需要压缩硅酮层形成不透水密封 的实施例中都是可以重复使用的。只要是在部件的寿命期间内，塑料支撑 体可无限次重复使用。弹性硅酮垫片可使用数周。受到压缩的弹性硅酮垫 片既是不透水密封，同时又构成了集成液流池的内壁分界。组装不需要粘 合剂。可由快速成型技术将硅酮如聚二甲基硅氧烷或PDMS进行快速浇注(数 分钟)。参见Duffy等著“Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane)”，Anal.Chem.70，4974-4984。
弹性硅酮垫片内的平台的中部表面可加工出附加结构，改善平坦前缘 的片状抛物线型流曲线。参见Tamanaha等著“Magnetic method for DNA detection on an arrayed solid state device”，Micro Total Analysis Systems 2001，(Kluwer Academic Publishers，Boston，pp. 444-46)(2001)。这种能力，例如，会在实验中改进生化分析中的质量传递 条件或微液流通道中的被动混合机制。
整个系统在接受不同类型的平面基板方面通用性很好。如果将显微镜 载玻片作为平面基板，可以使用合适的底座(如果自下方照明使用丙烯酸，如 果使用同轴照明使用铝)。如果使用盒式传感器IC芯片，可用螺丝或将正 确安装的芯片压紧在PCB板上或采用压紧配合。
本系统兼容与所有的光学观察机构：荧光、冷光、白光等。到集成液 流池的液体连接可与支撑体中镗出的管路或微通道延伸连接，参见图7。本 方法适于制造可回收和一次性器件。
该技术完全可以扩展到若干技术领域，例如小型物化分析、生物反应 器、化学、电化学、药理学和生物传感器等领域。
对于本领域普通技术人员来容易理解，尽管本发明的动机在于在典型 实验室的能力范围内建立制造方法，没有理由拒绝将方法由更为高级的程 序取代，例如采用LIGA和相关的MEMS制造技术使用塑料以外的其他材料 (例如硅、铝等)生产具有亚微米尺寸级别的系统。此外，本说明书中描述 了使用CNC铣削技术的制造方法。如欲大规模生产检测盒、多槽平台等，可 以采用热塑注模的方式生产本装置。最后，本说明书描述了单一的一对进/ 出口用来使液流通过集成液流池。仍然可以使用更多的液流进/出口实现对 液流池内样品流的流体动力引导。