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CN106461697A - 用于样品制备和分析的微流体装置、系统和方法 - Google Patents

用于样品制备和分析的微流体装置、系统和方法 Download PDF

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CN106461697A
CN106461697A CN201580024734.6A CN201580024734A CN106461697A CN 106461697 A CN106461697 A CN 106461697A CN 201580024734 A CN201580024734 A CN 201580024734A CN 106461697 A CN106461697 A CN 106461697A
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Abstract

本文提供了可用于样品制备和/或分析的微流体装置、系统和方法。微流体装置可包括第一通道，其具有一系列(n个)室，每个室具有第一体积(v)。第一通道可在第一通道的相对端部包括一个或多个阀，其对第一通道进行流体隔离。微流体装置还可包括与第一通道流体连通的第二通道。第二通道可包括至少一个第二室，其具有总第二体积，其至少等于第一通道的总体积(n*v)。第二通道可在第二通道的相对端部包括一个或多个阀，其使得第二通道与第一通道流体隔离。

Description

用于样品制备和分析的微流体装置、系统和方法
交叉参考
本申请要求2014年3月13日提交的美国临时专利申请第61/952,829号的优先权，其全文通过引用结合入本文。
技术背景
解析整个人类基因组的目标使得人们对用于快速脱氧核糖核酸(DNA)测序的技术，无论是小规模还是大规模应用，都产生了兴趣。重要的参数是测序速度，可以在单次测序运行过程中读取的序列长度，以及产生序列信息所需的核酸模板量。大规模基因组项目目前太过于昂贵，实际上无法针对大量对象(例如，患者)进行。此外，随着人类疾病的基因基础知识的增加，对于临床应用可负担得起的精确、高通量DNA测序的需求会不断增加。用于确定单一核酸分子的碱基对序列的实际方法，特别是具有高速度和长读取长度的那些，可以提供所需的检测能力。
核酸测序是可以用于提供核酸样品的序列信息的工艺。此类序列信息对于对象的诊断和/或治疗可能是有用的。例如，对象的核酸序列可用于对基因疾病进行鉴定、诊断和潜在开发治疗。作为另一个例子，对于病原体的研究可产生用于传染性疾病的治疗。
存在可用于对核酸进行测序的方法。但是，此类方法是昂贵的，并且可能无法在一定的时间内并且以一定的精确度来提供序列信息，而这对于对象的诊断和/或治疗是必需的。
发明内容
用于核酸测序的样品制备可采用克隆扩增(clonal amplification)，并且可能涉及两个或更多个阶段，包括核酸纯化和之后的文库制备。用于核酸纯化的方法是高度相异的，反应了核酸源的多样性(例如，血液、新鲜组织、防腐的福尔马林固定石蜡包埋组织、抽吸物、擦拭物、培养细胞或者环境样品)。用于从纯化的核酸进行文库制备的方法也是相异的，反应了核酸测序应用的多样性(例如，全基因组测序、靶向外显子测序、或者mRNA测序)。这些复杂的过程通常由高度受训的科学家和技术人员在实验台上工作进行。这部分是由于这些过程的自动化需要使用液体处理实验室机器人，这是巨大、昂贵且难以编程的。随着测序成本快速下降，样品制备成本已经成为测序项目整体成本的重要因素。因此，对于成本低廉的自动化样品制备存在不断增加的需求。本文提供了可用于采用微流体的样品制备的方法和装置。
本文的一个方面提供了微流体装置。微流体装置可包括第一通道，其具有一系列(n个)室，每个室具有第一体积(v)。第一通道可在第一通道的相对端部包括阀，其对第一通道进行流体隔离。此外，微流体装置还可包括与第一通道流体连通的第二通道。第二通道可包括至少一个第二室，其具有总第二体积，其至少等于第一通道的总体积(n*v)。此外，第二通道可在第二通道的相对端部包括阀，其使得第二通道与第一通道流体隔离。
在一些实施方式中，微流体装置还可包括与第一通道和第二通道流体连通的第三通道。第三通道可包括至少一个第三室，其具有总第三体积，其至少等于第一通道和第二通道的体积之和(2n*v)。在一些实施方式中，第一通道、第二通道和第三通道中的至少两个可以基本相互平行。在一些实施方式中，第一通道和第二通道可以基本相互平行。
在一些实施方式中，微流体装置还可至少包括流体层、致动层和夹在流体层与致动层之间的弹性层。在一些实施方式中，弹性层可以由热塑性弹性体形成。在一些实施方式中，弹性层可以是基本不含聚二甲基硅氧烷的。
在一些实施方式中，至少一个阀可包括：在弹性层中的隔膜；使得所述至少一个阀的入口和出口选择性隔离的阀座；以及致动层中的室。室可以供给正压或负压，使得隔膜朝向阀座或远离阀座移动。在一些实施方式中，隔膜可以是可变形或者可致动的。在一些实施方式中，所述至少一个阀还可包括销，其在所述室内可相对于隔膜移动。利用至少部分由销供给的正压，可以使得隔膜朝向阀座移动。在一些实施方式中，利用由销供给的正压和由致动层供给的流体正压，可以使得隔膜可朝向阀座移动。
在一些实施方式中，至少一个室可包括：弹性层中的隔膜；流体层中的流体室；以及致动层中的室。室可以供给正压或负压，使得隔膜变形，以实现流体流动或者在流体室中混合。在一些实施方式中，所述至少一个室还可包括销，其在所述室内可相对于隔膜移动。利用至少部分由销供给的正压，可以使得隔膜是可移动的。在一些实施方式中，利用销供给的正压和致动层供给的流体正压，可以使得隔膜是可移动的。
在一些实施方式中，第一通道中的n个室中的第一子组可以与第一温度区热连通，和/或第一通道中的n个室中的第二子组可以与第二温度区热连通。在一些实施方式中，第一温度区和第二温度区可以是不同的温度区。在一些实施方式中，第一温度区和第二温度区可以是独立可控的。在一些实施方式中，第一通道中的n个室中的第三子组可以与第三温度区热连通。
在一些实施方式中，n可以至少等于1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16或更大。在一些实施方式中，n可以至少等于3。在一些实施方式中，n可以至少等于6。在一些实施方式中，在第一通道和第二通道的相对端部的阀的帮助下，第一通道和第二通道可以是相互可隔离的。在一些实施方式中，微流体装置还可包括与第一通道和第二通道选择性流体连通的多个井。至少所述多个井的子组可用于装纳用于生物样品制备或分析的试剂。在一些实施方式中，总第二体积可以基本等于第一通道的总体积。
本文的另一个方面提供了用于样品制备或分析的系统。系统可包括微流体装置，其包括第一通道，其具有一系列(n个)室，每个室具有第一体积(v)。第一通道可在第一通道的相对端部包括阀，其对第一通道进行流体隔离。微流体装置还可包括与第一通道流体连通的第二通道。第二通道可包括至少一个第二室，其具有总第二体积，其至少等于第一通道的总体积(n*v)。此外，第二通道可在第二通道的相对端部包括阀，其使得第二通道与第一通道流体隔离。此外，系统还可包括控制器，其经编程以致动处于第一通道和第二通道的相对端部的阀，从而调节流动通过第一通道和第二通道的流体。
在一些实施方式中，微流体装置还可包括与第一通道和第二通道流体连通的第三通道。第三通道可包括至少一个第三室，其具有总第三体积，其至少等于第一通道和第二通道的体积之和(2n*v)。在一些实施方式中，第一通道、第二通道和第三通道中的至少两个可以基本相互平行。在一些实施方式中，第一通道和第二通道可以基本相互平行。
在一些实施方式中，微流体装置可以至少包括流体层、致动层和夹在流体层与致动层之间的弹性层。在一些实施方式中，弹性层可以由热塑性弹性体形成。在一些实施方式中，弹性层可以是基本不含聚二甲基硅氧烷的。在一些实施方式中，至少一个阀可包括：在弹性层中的隔膜；使得所述至少一个阀的入口和出口选择性隔离的阀座；以及致动层中的室。室可以供给正压或负压，使得隔膜朝向阀座或远离阀座移动。在一些实施方式中，隔膜可以是可变形或者可致动的。在一些实施方式中，至少一个阀还可包括销，其在所述室内可相对于隔膜移动。利用至少部分由销供给的正压，可以使得隔膜可朝向阀座移动。
在一些实施方式中，至少一个室可包括：弹性层中的隔膜；流体层中的流体室；以及致动层中的室。室可以供给正压或负压，使得隔膜变形，以实现流体流动或者在流体室中混合。在一些实施方式中，所述至少一个室还可包括销，其在所述室内可相对于隔膜移动。利用至少部分由销供给的正压，可以使得隔膜是可移动的。在一些实施方式中，利用由销供给的正压和由致动层供给的流体正压，可以使得隔膜是可移动的。
在一些实施方式中，第一通道中的n个室中的第一子组与第一温度区热连通，和/或第一通道中的n个室中的第二子组与第二温度区热连通。在一些实施方式中，第一温度区和第二温度区可以是不同的温度区。在一些实施方式中，第一温度区和第二温度区可以是独立可控的。在一些实施方式中，第一通道中的n个室中的第三子组可以与第三温度区热连通。
在一些实施方式中，n可以至少等于1、2、3、4、5、6、8、9、10、11、12、13、14、15、16或更大。在一些实施方式中，n可以至少等于3。在一些实施方式中，n可以至少等于6。在一些实施方式中，在第一通道和第二通道的相对端部的阀的帮助下，第一通道和第二通道可以是相互可隔离的。
在一些实施方式中，微流体装置还可包括与第一通道和第二通道选择性流体连通的多个井。至少所述多个井的子组可用于装纳用于生物样品制备或分析的试剂。在一些实施方式中，总第二体积可以基本等于第一通道的总体积。
在一些实施方式中，系统还可包括与微流体装置流体连通的传感器阵列。传感器阵列可包括个体传感器，其检测对于样品或其衍生物相关的反应或反应产物进行指示的信号。在一些实施方式中，每个个体传感器可分别包括至少两个电极，其位于珠的德拜层(Debye layer)中，其在传感期间具有样品或其衍生物，其中，所述至少两个电极检测信号。在一些实施方式中，信号可对应于与样品或珠相关联的阻抗。在一些实施方式中，控制器可经编程，从而将来自微流体装置的样品或其衍生物的流导向到传感器阵列，以及促进信号的检测，所述信号指示反应或反应产物。
本文的另一个方面提供了微流体装置。微流体装置可包括：流体层，其具有与流体入口和流体出口流体连通的流体室；致动层，其具有可在致动层中移动的销；以及流体层和致动层之间的隔膜。隔膜可以由热塑性弹性体形成，和/或，在向隔膜施加正压之后，隔膜在流体室中可以是可变形的。可以通过朝向隔膜移动的销以及致动层中的流体正压的组合，来供给正压。
在一些实施方式中，隔膜可以是基本不含聚二甲基硅氧烷的。在一些实施方式中，销可以是在致动层中可单轴移动的。在一些实施方式中，可以通过接触隔膜和朝向隔膜移动的销来供给正压。在一些实施方式中，微流体装置还可包括位于流体层中的阀座。在向隔膜施加了正压之后，隔膜可以是与阀座可致动接触的。接触可以使得流体入口与流体出口流体隔离。
本文的另一个方面提供了包括多个微流体装置的系统。所述多个微流体装置中的个体微流体装置可包括：流体层，其具有与流体入口和流体出口流体连通的流体室；致动层，其具有可在致动层中移动的销；以及流体层和致动层之间的隔膜。隔膜可以由热塑性弹性体形成，和/或，在向隔膜施加正压之后，隔膜在流体室中可以是可变形的。可以通过朝向隔膜移动的销以及致动层中的流体正压的组合，来供给正压。
本文的另一个方面提供了用于生物样品制备或分析的方法。方法可以包括：提供微流体装置，其具有第一通道，其具有一系列(n个)室，每个室具有第一体积(v)。第一通道可在第一通道的相对端部包括阀，其对第一通道进行流体隔离。此外，微流体装置可以具有与第一通道流体连通的第二通道。第二通道可包括至少一个第二室，其具有总第二体积，其至少等于第一通道的总体积(n*v)。第二通道可在第二通道的相对端部包括阀，其使得第二通道与第一通道流体隔离。该方法还可包括：将在第一通道的n个室中的生物样品或其衍生物的流，从第一通道导向到第二通道，或者从第二通道导向到第一通道。
在一些实施方式中，微流体装置还可包括与第一通道和第二通道流体连通的第三通道。第三通道可包括至少一个第三室，其具有总第三体积，其至少等于第一通道和第二通道的体积之和(2n*v)。在一些实施方式中，对生物样品或其衍生物的流进行导向还可包括：将生物样品或其衍生物的流从第一通道或第二通道导向到第三通道，或者反之亦可。
在一些实施方式中，方法还可包括：将生物样品或其衍生物的流从微流体装置导向到与微流体装置流体连通的传感器阵列。传感器阵列可包括个体传感器，其检测指示样品或其衍生物相关联的反应或反应产物的信号。在一些实施方式中，方法还包括使用个体传感器，来检测指示生物样品或其衍生物相关联的反应或反应产物的信号。在一些实施方式中，信号可对应于与生物样品或珠相关联的阻抗，所述珠在信号检测期间与生物样品相联接。
通过如下详细描述，本领域技术人员将更容易理解本文的其他方面和优点，其中，仅显示和描述了本文的示意性实施方式。如即将意识到的，本文可以有其它不同的实施方式，而其若干细节可以在各种显见的方面发生变化，而不会背离本文。因此，附图和描述在其本职上应当视作是说明性的而不是限制性的。
通过引用纳入
将本说明书中提到的所有发表物、专利和专利申请以其全文形式纳入本文作为参考，就好像将各篇单独的发表物、专利或专利申请具体地和单独地通过引用纳入本文一样。
附图说明
所附权利要求书中具体说明了本发明的新特征。通过参见如下(采用了本发明原理的)示意性实施方式中的详细描述，将更好地理解本发明的特征和优点，其中，在所附的附图(也称作“图”和“附图”)中：
图1是本文的多层软光刻(MSL)数字气动微流体(DPM)装置的照片；
图2示意性显示DPM系统；
图3示意性显示本文的装置的阀；
图4示意性显示本文的装置的分开的层；
图5示意性显示本文的装置的层；
图6示意性显示本文的双致动阀；
图7显示用于热循环的双致动阀的俯视图；
图8显示图7的阀的背侧图；
图9显示设计成适用于双致动阀的芯片；
图10A示意性显示本文的微流体装置；
图10B显示流体图案(第一面)，以及通孔位置；
图10C显示气动图案(第一面)，以及通孔位置；
图11示意性显示本文的微流体装置的阀和泵送方案；
图12示意性显示在外部磁体的帮助下俘获顺磁性珠；
图13示意性显示在受控温度下孵育1至6个体积；
图14示意性显示DPM芯片的例子，其中，流体层特征用黑线表示，气动层特征用灰线表示，孔用双圈表示；
图15示意性显示图14所示的芯片的中央处理器；
图16示意性显示三种数字混合过程；
图17示意性显示两个中央流处理器，它们共享相同的轨道和气动控制通道；
图18示意性显示高度平行的微流体结构，其可适用于在输入样品上进行8种不同反应孵育，之后是反应池(例如，并行到串行转换)和延长的孵育(例如，核酸杂交)；
图19示意性显示用于芯片操作的电路试验板系统；
图20示意性显示芯片界面的分解图；
图21示意性显示通过顶歧管的组装系统；
图22是通过顶歧管的组装系统的照片；
图23示意性显示整合了传感器芯片的本文的DPM芯片的俯视图；
图24示意性显示整合了传感器芯片的本文的DPM芯片的分解图；
图25示意性显示整合了传感器芯片的本文的DPM芯片的侧视图和底视图；
图26示意性显示以编程方式或者其他方式适用于执行本文方法的计算机系统；
图27显示混合在本文的DPM芯片中的样品的例子；
图28显示本文的DPM芯片中的磁性珠捕获的例子；以及
图29显示本文的DPM芯片中的PCR反应的例子。
图30A至30F示意性显示示例性传感器芯片及其使用。
具体实施方式
虽然本文显示和描述了本发明的实施方式，但本领域技术人员显然了解这些实施方式仅以举例方式提供。本领域技术人员在不背离本发明的情况下可以作出多种改变、变化和取代。应理解，可实施本文所述的本发明实施方式的各种替代形式。
如本文所述，微流体装置可以提供用于样品制备的实验室机器人的有用替代，因为微流体装置减小了反应大小和试剂消耗，同时这些过程还是自动化的。但是，尽管开发了许多微流体技术，微流体系统的成功商业化是稀少的。一些现有的微流体系统需要浇铸多层液体聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物，这相比于注塑或热浮雕是较为昂贵的工艺。PDMS自身相比于替代的热塑性物质和热塑性弹性体材料是昂贵的。此外，PDMS对于气体、水和水溶性小分子是高度可透过的。这意味着用于此类装置的泵和阀可能需要是(用水或油进行)液压致动，而不是用空气致动。在许多情况下，这些装置与某些化学品是不相容的，或者可能经过表面处理才是可用的。总的来说，这些特性增加了微流体装置的成本，同时还明显限制了它们的使用。
其他微流体技术遭遇类似的高制造成本和/或使用限制了它们的使用的阻隔物的问题。因此，仍然需要低成本、通用且便于使用的微流体技术。
本文所用术语“样品”通常指的是生物样品。生物样品的例子包括核酸分子、氨基酸、多肽、蛋白质、碳水化合物、脂肪或病毒。在一个例子中，生物样品是包含一种或多种核酸分子的核酸样品。
本文所用术语“核酸”通常指的是包含一个或多个核酸亚基的分子。核酸可以是脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)或其变化形式。核酸可以包括选自下组的一个或多个亚基：腺苷(A)、胞嘧碇(C)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和尿嘧啶(U)，或其变化形式。核苷可以包括A、C、G、T或U，或其变化形式。核苷可以包括可结合到生长的核酸链中的任意亚基。此类亚基可以是A、C、G、T或U，或者一种或多种互补A、C、G、T或U，或者嘌呤的互补(即，A或G，或其变化形式)或嘧啶的互补(即，C、T、或U，或其变化形式)。在一些例子中，核酸可以是脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)或其衍生物或变化形式。核酸可以是单链核酸或者双链核酸。在一些情况中，核酸分子是环状的。
本文所用术语“核酸分子”、“核酸序列”、“核酸片段”、“寡核苷酸”和“多核苷酸”通常指的是核苷的聚合物形式，其可以具有各种长度，无论是脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)，或者类似物。寡核苷酸通常包括4个核苷酸碱基的特定序列：腺嘌呤(A)；胞嘧啶(C)；鸟嘌呤(G)；和胸腺嘧啶(T)(尿嘧啶(U)替代胸腺嘧啶(T)，当多核甙酸是RNA时)。因此，术语“寡核苷酸序列”是多核苷酸分子的字母表示；或者，术语可用于多核苷酸分子自身。该字母表示可以输入到具有中央处理单元的计算机的数据库中，并用于生物信息学应用，例如，功能基因组学和同源性搜索。寡核苷酸可包括一个或多个非标准核苷酸、核苷酸类似物和/或改性核苷酸。
本文所用术语“试剂”通常指的是可被采用用于样品制备或分析的一种或多种物质。样品制备可以包括样品加工。样品制备的一个例子是核酸扩增反应，例如，聚合酶链反应(PCR)。用于核酸扩增反应的试剂的例子包括一种或多种引物和聚合物，以及辅助因子(例如，镁或锰)。
本文所用术语“聚合酶”通常指的是能够催化聚合反应的任意酶。聚合酶的例子包括但不限于核酸聚合酶。聚合酶可以是聚合化酶。在一些情况下，使用转录酶或连接酶(即，催化键的形成的酶)。
数字气动微流体装置
本文提供了可用于生物样品制备和/或分析的微流体装置。本文的系统可用于生物和/或化学传感系统的上游，例如本文其他地方所述的传感器芯片。可以在微流体装置中整合传感功能，例如，在相同插件(cartridge)上，或者其可以与微流体装置是分开的。传感系统可用于感应各种生物物质或者生物和/或化学反应。例如，传感系统可感应核酸、蛋白质、抗原和抗体。传感系统可以包括一个或多个个体传感器，并且可以位于微流体装置的下游。传感系统可以如本文其他地方所述，和/或如PCT专利申请号PCT/US2011/054769，PCT专利申请号PCT/US2012/039880，PCT专利申请号PCT/US2012/067645，PCT专利申请号PCT/US2014/027544，PCT专利申请号PCT/US2014/069624以及美国专利申请号13/481,858所述，其全文分别通过引用结合入本文。
本文相比于常规微流体芯片技术提供了各种优势，包括但不限于：(i)用于芯片上的气动膜泵和阀的优异低成本弹性体，(ii)低成本、大容量芯片制造方法，(iii)预配置的板上试剂，以及(iv)灵活加工不连续体积的数字构造。总的来说，这些材料、方法和设计可以生产低成本、低用户负担、高度功能化微流体芯片，其能够单步混合组分，级联任意数量的连续操作，在约为4～100℃的温度下进行孵育反应，热循环和加工用于核酸纯化的磁性珠。这些装置能够实现在多种生物医药应用中，成本低廉且工作流有效地方式利用微流体技术，包括用于测序技术的不同样品和文库制备方法。
图1显示本文的多层软光刻(MSL)装置的例子，其可以进行细胞裂解，核酸(例如，DNA)纯化，以及核酸扩增(例如，PCR)。该装置可用于加工各种类型的样品，例如，血液样品。例如，该装置可用于进行来自血液的核酸扩增。
本文提供了紧凑、成本低廉且工作流有效的数字气动微流体(DPM)芯片系统，其能够进行宽范围的多步骤分子生物学方案，包括用于下一代测序(NGS)的靶向文库制备。如图2所示，DPM芯片可以在制造过程中装置应用特定试剂，并用可去除的粘合剂膜200密封。在膜去除205之后，终端用户可以在芯片中装载样品(例如，少量血液或纯化DNA)和任意其它试剂(例如，带条形码的衔接体)，之后将其放入仪器中210。仪器可以致动芯片并保持不被污染，因为所有的样品、试剂和废弃物都可能容纳在芯片内。
本文的DPM微流体装置的结构基于整体式膜阀构造。如图3所示，DPM装置包括三层结构，其中，两层图案化硬层围绕了中心未图案化弹性膜。在一些实施方式中，图案化硬层由注塑环烯烃聚合物(COP)制得。在一些情况下，硬层不是由蚀刻的玻璃制造的。在一些情况下，弹性体膜是由热塑性弹性(TPE)膜制造的。在一些实施方式中，膜不包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
图3显示一般状态下关闭(normally closed)的阀。致动层可包括：孔、通道和室，用于传递使得膜偏折的真空或正压。致动层可以是气动层，从而供给：(i)流体正压和/或流体负压(真空)；(ii)正压(例如，在施加了机械销之后)；或者(iii)正压与正或负流体压的组合。顶部流体层可以包括孔、通道和室，用于试剂/样品储存和流体流动。在气动层中施加真空可拉动膜向下远离流体层中的阀座(如所示)，从而打开阀，而施加正压可以使得膜偏折向上抵靠住阀座，切断流动。
图3显示本文的装置的示例性阀。阀可以是隔膜阀，例如芯片上的微型阀。顶部流体层300可以承载输入和输出通道305和阀体，所述阀体包括被阀座310(例如，宽约为50-200μm)分隔开的两个半圆截面(例如，直径约为500-1000μm)。底部气动层315可以承载气动通道，其与圆形室相连，所述圆形室具有与顶部半圆截面相同的直径。在三层夹层中心的未图案化弹性体膜320可以通过经由气动通道施加正压向上偏折，或者可以通过经由启动通道施加的真空向下偏折。当向上偏折时，膜可以形成抵靠住阀座的紧密密封，切断通过阀的流体。当膜向下偏折时，阀打开，因为流体可以流动通过膜与阀座之间产生的空间。本文的实施方式可以与美国专利第8,584,703号所述的特征和构造相结合，其全文通过引用结合入本文，以得到更多实施方式。
可以在相同装置上制造一般状态下打开或者一般状态下关闭的阀。图3显示一般状态下关闭的示例性阀的结构，其包括阀座，所述阀座阻碍了流体层中的流动，除非通过施加到气动层的真空使得膜主动缩回。(未示出的)一般状态下打开的阀省略了阀座，并且可以包括圆顶形流体侧阀体，以增强阀密封并使关闭(加压)状态下的死体积最小化。
图4显示用于制造图1装置的示例性方法。层1 400(射流)和层3 410(气动)可以包括在一侧上图案化的硬热塑性物质(通常是COP)，并且可以具有通孔作为输入/输出端口或井。层2 420可以包括夹在层1和3之间的未图案化的弹性体膜。层1和3可以通过注塑制造，或者可以通过热压浮雕之后通过CNC机械加工进行钻孔制造。层1可以具有两层子层和/或在单层的每一侧上具有不同开口，这里显示为顶部井430和射流(fluidics)440。类似地，层3可以具有两层子层和/或在单层的每一侧上具有不同开口，这里显示为底部井450和气动顶部460。可以通过许多方法完成弹性体膜与热塑性硬表面的粘附，这取决于膜的组成。在一些实施方式中，膜可以包括苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)或者其他热塑性弹性体，表面可以通过氧等离子体处理活化，并且可以通过在适中温度(例如，约100℃)层叠来组装夹层结构。
如图5所示是组装的示例性芯片500的示意图。芯片500具有流体层510、气动层520和其间的TPE膜530。图5是示例性DPM处理器芯片的三维CAD模型，其可以被用于产生用于注塑芯片的流体层和气动层的CNC-机械加工的铝模具。在该例子中，特征深度和通道宽度这两者都是100μm(在两层中都是这样)，以及阀和泵直径分别是750μm和2mm。一般状态下打开的阀的阀座宽度是150μm。层厚度都是1.2mm，以及整体芯片横向尺度是60mm x 38mm。
弹性体膜的特性(所述弹性体膜也可具有流体通道的底表面或底板、阀和泵的功能)对于装置的性能会是重要的。膜可以是与芯片中加工的试剂、酶和核酸化学相容的，并且对于高至100℃的温度(例如，对于热循环)是稳定的，同时对于用于致动泵和阀的加压空气保持几乎不可透过。因此，在一些情况下，本文提供的DPM芯片包括TPE膜。TPE是结合了橡胶的弹性与热塑性物质的热成形能力的聚合物材料。不同于热固性聚合物(例如PDMS)，TPE可以被挤出、注塑和热浮雕，这都有助于低成本批量生产。此外，TPE材料不会如同用于微流体中的其他材料那么昂贵。TPE可以是嵌段共聚物，其中“硬”聚合物和“橡胶状”聚合物分隔成不同但是连接的微观域。硬组分在高温下的软化可实现热成形。可获得具有宽范围的各种机械和化学性质的TPE组成的多样性。TPE的非限制性例子包括：热塑性聚氨酯、苯乙烯热塑性弹性体、阴离子型三嵌段共聚物、基于聚烯烃的热塑性弹性体、含卤素的基于聚烯烃的热塑性弹性体、动态硫化弹性体热塑性掺混物、聚醚酯弹性体、基于聚酰胺的弹性体、离聚物热塑性弹性体、以及基于聚丙烯酸酯的热塑性弹性体。TPE的其他例子参见《热塑性弹性体》(第三版，编著：Holden,H.R.Kricheldorf,R.P.Quirk,Hanser，2004)所述，其全文通过引用结合入本文。
TPE组合物可以为微流体提供关键优势，此类优势包括降低的气体可透过性和易于粘结。相比于类似厚度和机械模量的PDMS膜，TPE膜可以提供降低的气体和小分子可透过性。该性质允许使用空气压力来致动膜泵和阀，因为透过进入流体层的空气是可忽略不计的。使用空气压力可以显著地降低终端用户设定工作(用户负担)以及仪器使用成本和复杂度。TPE膜的降低的小分子可透过性(和低可提取性)特性还可以增加它们在分子生物学应用中的化学相容性。
TPE固有的如同粘合剂般的性质可以简化三层芯片结构的组装。这是因为仅在施加中等压力和温度的情况下，TPE膜可以牢固地粘合以及有效地粘结低表面能热塑性表面。在一些情况下，稳定的三层芯片能够在热循环温度(例如，100℃)耐受超过30psi的气动压力，并且可以使得装置夹层结构通过廉价的商业层叠机进行简单组装。此外，可以通过UV-臭氧(UVO)处理容易地对热塑性和TPE层的表面和粘结性质进行改性。
双致动和销阀
本文还提供了具有双致动和/或销阀的装置。双动阀可以增加气动致动和机械致动(例如，用销推动膜)。可以采用正压(例如，加压气体，如空气)或负压(例如，真空)来帮助气动致动。气动致动和(例如，用销的)机械致动可以是同时的，或者可以以交替和依次的方式进行(例如，气动致动之后机械致动，或者反之亦可)。在一些情况下，双动阀没有替代气动致动。参见显示示例性销阀的图6，流体层600和气动层605可以具有布置在其间的挠性膜610。可以靠着流体层615和/或气动层620放置歧管，通过其对销625或者其他机械元件进行致动。歧管可以具有O型环630，其可以保持气动压力(例如，真空)，并且销可以滑动通过O型环。在图6中没有显示流体通道和气动通道。
例如，一般状态下关闭的阀635具有销625，其滑动通过O型环630。销可以向膜施加额外压力，使得膜密封抵靠住阀座。这种阀构造可用于在例如热循环过程中对阀进行密封。
也可用机械销来增强(不具有阀座的)泵640。这里，销可以使得膜脱离与气动室的底部的任意不合乎希望的附着。销的这种使用还可有助于防止膜与热循环相关的粘着，因为在暴露于超过约75℃的温度之后，膜会与室底部粘着。当发生这种粘着时，泵明显钝化(故障)，因为膜不再能够通过气动压力向上偏折。
也可用机械销来增强一般状态下打开的645(圆顶)阀。这里，销可以使得膜从流体(圆顶)室的顶部脱离。这种实践方式可以利用TPE膜的附着的优势，并且实现液体试剂在芯片中的储存。这种策略可以允许(例如，连接到储存储器的)阀在芯片使用之前保持关闭(例如，持续数个月)。可以通过在合适温度(例如，90℃)下施加气动压力，实现制造过程中的稳定关闭。从而可以使得阀保持关闭，直到通过销使得膜机械偏折。
图7显示用于热循环的示例性双致动阀的俯视图。在一些情况下，气动致动阀可能在热循环过程中提供不足的密封能力。可以以机械方式向阀膜施加更高的关闭作用力。通过压力和/或真空与机械作用力来致动两个指示的阀700，通过可移动的销705来传递机械作用力。可以通过小的气动圆柱体来致动销，所述小的气动圆柱体可以向阀膜供给大且精确的作用力。销可以通过气动侧孔达到膜。可以通过O型衬垫710保持压力和/或真空，所述O型衬垫710接触芯片底部并提供销周围的气密密封。
图8显示图7的阀的背侧图。歧管的背侧上的额外衬垫800可以为销805提供气密密封。销可以滑动通过衬垫到达芯片中的致动阀。硅酮真空脂可用于减小摩擦。
图9显示设计成适用于双致动阀的芯片。主处理器具有：(i)芯片的加压区段外的vSO和vS1阀，(ii)在阀vL和vR处适用的机械致动以及(iii)孤立的热循环泵P0-P4。
DPM芯片构造和运行
本文通过描述两种芯片构造以及芯片的运行例子，来阐述本发明的原理。但是这些仅仅是详细实施方式，而不限制本发明的范围。在本文的DPM芯片的第一个例子中，图10A显示示例性微流体装置的复合示意图，该微流体装置包括三层：流体层、弹性层(膜)和气动层。流体层和气动层可以由硬的热塑性材料(例如，环烯烃聚合物(COP))制造。膜层可以由弹性体层制得，其厚度是例如约为50微米(μm)至500μm。膜层可以夹在两层硬层之间，其厚度可以是例如约为0.5-5毫米(mm)。可以由其他硬材料制造流体层和/或气动层，包括：玻璃、熔融二氧化硅和硅，或者装置可以完全由弹性体材料制造。装置可以具有不止三层(例如，4、5、6、7、8、9或10层，或者更多层)。流体层和气动层都可具有第一图案化表面(其包括通道、阀或泵室)以及第二未图案化表面。在一些情况下，第一表面和第二表面都是图案化的。特征深度可以约为10-500μm，以及通道宽度可以约为10-500μm。此外，流体层和气动层可以承载通孔，所述通道使得第一面上的通道与第二面连接。图10B和10C显示流体和气动(第一面)图案，以及通孔位置的例子。可以使得流体与气动的图案化第一表面朝向膜，来组装装置。
分别地，可以通过流体层和气动层的第二(朝外)面上的通孔终端来制造流体和气动与芯片的连接件。流体层通孔可以起到含流体井或者储器的作用，并且为装置提供输入和/或输出端口。可以通过应用气动歧管(未示出)来对它们进行减压或加压。加压可用于进行聚合酶链反应(PCR)或者其他类型的核酸扩增反应。气动层通孔可以起到气动端口的作用，将装置的泵和阀连接到外部压力源和真空源(未示出)。
参见图10A-10C，装置的中心区段(包括泵P1-P8、阀V1-V9和井W1-W3)起到通用目的流体处理器的作用，其能够进行：高至6个反应组分的混合，升高温度下的孵育反应、热循环反应和采用磁性颗粒(例如，珠)的核酸(DNA和RNA)纯化。中央处理器可以与两个输入/输出系统流体连接，其供给反应组分、试剂、珠和清洗溶液等，以及提供通向废物储器的路径。这两个系统(称作试剂轨道或简称为轨道)，共同地包括阀V10-V25和井W4-W19。
图11显示微流体装置的示例性阀和泵送方案。通过阀1100控制流动，如上文所述，该阀能够允许流动或者切断流动。此外，图11显示具有所谓的流通阀1105的阀结构的装置。流通阀在没有X的箭头所示的方向保持打开。在该构造中，阀座仅调节垂直方向(到达井或者离开经)的流动，如所示。图11还显示装置泵1110，其可以是没有阀座的大的阀。还显示了井1115和通道1120。
参见图10A-C，泵P1-P8负责装置中的泵送和混合功能。在该示例性设计中，泵P1-P6具有相同结构并且当它们各自的膜经由通过它们各自的气动控制线施加的真空下拉时，保持相同的流体体积。当施加正压时，泵可以将其流体体积排出进入流体连接的相邻通道中。在这种排空的状态下，泵可以提供流体切断功能，类似于本文所述的(具有阀座的)阀。
在一个例子中，图10A-C的装置可用于对两个体积进行数字式混合。假定装置的初始(和默认)状态下，所有的泵和阀都是关闭的。参见图10B，可以通过如下方式，用泵P1-P6来混合高至5个相同的、小的、离散(数字式)体积。例如，可以通过打开阀V3和V13，然后打开P1，将第一离散体积(V)从W7吸入P1。然后可以通过关闭V3，然后同时关闭P1并打开P2，将P1中的体积转移到P2。接着，可以通过打开阀V1和V3，然后打开P1，将第二离散体积(V)从W7吸入P1。此时，可以通过首先关闭V1和V3，以及然后同时关闭P1和打开P3，使得相邻阀(P1和P2)中的两个离散体积混合。该动作可迫使P1的内含物流动通过P2，在P2中产生对流。结果是，如今停留在P2和P2中的两个体积非常好地混合(例如，最大浓度梯度不超过10％、5％、3％、1％、0.5％或0.1％)。该过程可以重复1次或多次循环，通过如下方式使得两个体积进一步简单混合：使得图案传送到右边(通过余下的阀，直到且含P6)并回到左边(直到且含P1)。
在另一个例子中，图10A-C的装置可用于对3-5个体积进行数字式混合。参见上文所述工艺的简单改进，可以以类似的方式对3-5个离散体积进行混合。例如，可以分别将3、4或5个离散体积首先装载到P1-P3、P1-P4或P1-P5中。在所有这些情况下，至少一个泵会保持空置，以允许使用相似的混合模式。例如，在3个体积的情况下，P4、P5和P6保持空置，可以通过(a)关闭P1和打开P4，(b)关闭P2和打开P5，(c)关闭P3和打开P6来混合(初始在P1-P3)中的3个体积。然后可以颠倒该模式，以相反方向继续混合。
在另一个例子中，图10A-C的装置可用于对6个体积进行数字式混合。在该情况下，首先填充P1-P6，以及采用P7进行混合，P7设计成具有等于P1-P6总和的内部体积(6V)。可以通过打开V6-V9，以及然后(近乎)同时关闭P1-P6和打开P7，来实现将P1-P6中的6个体积转移到P7。可以通过(近乎)同时打开P1-P6和关闭P7，来实现将P7中的6V体积转移回到P1-P6。
图10A-C的装置可用于纯化磁性珠，其可以包括如下操作：混合、清洗、干燥和洗脱，其中，洗脱可以包括如下操作：重悬、再俘获、分离、珠去除和转移。
可以通过如下方式完成基于磁性珠的核酸纯化：在含有盐以及低分子量聚乙二醇(PEG)或醇(乙醇或异丙醇)的浆料中，混合等体积的磁性珠(例如，羧酸化聚合物顺磁性珠)。在上文相对于图10A-C所述的示例性装置中，可以采用上文所述过程的简单改进，来混合1、2、3或6体积的含核酸溶液与等体积的珠溶液。例如，可以通过如下方式在P1-P6中完全处理1体积或2体积：使得它们分别与1体积或2体积的珠溶液混合。这是因为，4个或2个泵分别保持初始空置，从而允许进行上文所述的混合方案。在另一个例子中，可以在P7的帮助下，对3体积的核酸混合物进行混合：首先用额外3体积的珠溶液完全填充P1-P6，然后在P1-P6和P7之间混合，如上文所述。在另一个例子中，可以在P7和P8的帮助下对6体积的核酸混合物进行混合：首先用(相对于占据P1-P6的核酸溶液等体积的)珠溶液填充P7，以及通过将P1-P6(6V)和P7(6V)转移到P8(12V)中，再回过去，从而在(P1-P6)与P7和P8之间进行混合。可以采用阀V3、V4和V6-V9，来完成这些转移。
在完成混合之后，可以对磁性珠进行清洗和干燥。如图12所示，可以在外磁体的帮助下，在P6中俘获磁性珠。可以通过如下方式完成磁性俘获：将(初始停留在P1-P6、P7或P8中的)混合的磁性珠溶液泵送通过P1-P6，穿过磁体1200，到达右轨道中的目标废物井(井W12-19)。一旦珠集中在P6中，可以将珠清洗溶液(例如，70％的EtOH)从一个轨道泵送到例如P7，转移到P1-P6，然后通过P1-P5泵送到右侧废物井。类似地，可以以相同方式，通过泵送来源于另一轨道井的空气，对珠进行干燥。
在清洗和/或干燥之后，可以从珠洗脱结合的核酸。洗脱可以涉及如下步骤序列：(a)重悬，(b)再俘获，(c)分离，(d)珠去除，和(e)转移。
对于重悬，在去除了磁体的情况下，P6中经干燥的珠可以与1体积的洗脱缓冲液(例如，Tris-EDTA(TE)缓冲液)混合，从珠释放核酸，例如从P5泵送进入P6。在合适的情况下，可以通过P5和P6之间的额外相互转移，来实现额外的重悬。
对于再俘获，可以通过与P6相邻重新布置磁体，来再俘获P6中的珠。
对于分离，将P6中含有释放的核酸的洗脱物溶液转移到P5，将珠留在P6中。这样就完成了洗脱。
对于珠去除，可以通过如下方式从P6洗出余留在P6中的珠：首先去除磁体，然后将珠去除溶液(例如，TE或稀NaOH)泵送进入P6，然后到废物。
对于转移，可以将P5中的洗出液转移到产物输出井，例如，井W3。或者，可以将其留在一个处理泵(P1-P6)中，从而可以使其与其它试剂混合用于进一步加工。
图10A-C的装置可用于温度受控的孵育。泵P1-P6可以在受控温度下孵育1至6个体积。如图13所示，这可以通过对芯片的顶表面和/或底表面进行加热和/或冷却(例如，电阻加热器或热电偶珀耳帖加热泵)来完成。分成2个或更多个热控制区提供了对于核酸扩增(例如，PCR)的额外灵活性(如下文所述)。
图10A-C的装置可用于核酸扩增，例如PCR。参见图13，对于多步骤核酸扩增(例如，2步骤PCR)占据1个或2个泵体积的反应可以通过如下方式在两个温度之间快速热循环：例如，将温度区一(“温度区1”)保持在退火温度(例如，约为65℃)；将温度区三(“温度区3”)保持在变性温度(例如，约为95℃)；以及在P1或P2(或者这两者)与P5和P6(或者这两者)之间转移反应。在该情况下，温度区二(“温度区2”)可以作为温度区一和温度区三之间的热隔离区域。或者，可以通过如下方式将三温度区用于三步骤核酸扩增(例如，三步骤PCR)：将温度区二保持在中间延伸温度(例如，约为72℃)，以及将反应合适地置于泵P1-P6之间。或者，可以将三个温度区维持在相同温度，并且这三者一起在退火温度和变性温度(或者退火温度、延伸温度和变性温度)之间循环。在该情况下，反应可以是保持固定的或者在泵P1-P6间循环。
分子生物学方案可以是多步骤过程，包括如下一种或多种：(i)混合和/或孵育，(ii)纯化，以及(iii)热循环操作。图14示意性显示能够提供这些功能的示例性通用DPM芯片构造，DPM芯片的中央处理器区域如图15所示。装置包括三个模块化子部分：左侧I/O轨道、中央处理器和右侧I/O轨道。左侧和右侧I/O轨道分别包括8个流体输入/输出端口(分别是储器L1-L8和R1-R8)，以及与它们相关的一般状态下关闭的控制阀(未标出)。一起地，左侧轨道和右侧轨道为中央处理器提供了对用于试剂输入和/或废物输出的16个流体端口的可及性。中央处理器可以包括一个或多个分支，如图14和15所示的示例性装置具有3个分支：(i)主处理器分支，其包括6个相同的一般状态下打开的“单体积”泵(P0-P5)和3个I/O端口，2个用于样品输入(储器S1、S2)和1个用于产物输出(储器P)以及它们相关的一般状态下关闭的控制阀(未标出)；(ii)P6泵阵列分支，其包括6个一般状态下打开的泵的阵列；以及(iii)P7泵阵列分支，其包括12个一般状态下打开的泵的阵列。三个分支中的每一个装在左侧和右侧，通过一般状态下关闭的阀(vTL、vTR、vP6L、vP6R、vP7L、vP7R)允许每个分支选择性地连接到另一个分支、左侧I/O轨道或右侧I/O轨道或者使得它们是隔离的。注意到，不同于可单独致动的P0-P5，泵阵列P6和P7中的泵并行操作，因为它们的致动控制线是连结的。泵阵列P6可以设计成装纳P0-P5的内含物，以及泵阵列P7可以设计成装纳P0-P5加上泵阵列P6的内含物。如本文所述，该构造可同时促进多组分(例如，6组分)混合和基于磁性珠的DNA纯化。
本文提供的DPM芯片构造的模块化特性可促进多处理器芯片(其中，多个中央处理器共享共用的I/O轨道)。该装置可以实现例如单一芯片上的多样品(例如，4、8或16个样品)的并行处理。
可以在图14和图15所示的芯片上进行涂底。涂底(priming)是可用于不同作用的、通常同时进行的制备过程，例如(i)去除空气，以及(ii)对芯片通道、阀和泵进行清洗。当试剂和样品首先从它们各自的储器泵送进入芯片时，第一个动作(去除空气)会是重要的，因为芯片初始充满了空气，可以将其转移。第二个动作(清洗)使得反应组分和(在完成给定步骤之后可能留在芯片通道、阀和泵中的)产品的交叉污染最小化。可以通过从储器到另一芯片位置中的废物储器的反复泵送，来对试剂或样品进行涂底。例如，参见图14，L1中的试剂可以通过将其泵送进入P0，使其从P0转移到P5，然后离开到R1，来对其进行涂底。或者，如果主处理器运载了不能被丢弃的反应产物的话，仍然可以通过将P0的内含物泵送回到左侧轨道中的不同储器，来对L1中的试剂进行涂底。
可以在图14和图15所示的芯片上进行流体转移和混合。DPM装置可以对由每个相同的“单体积”泵P0-P5限定的离散(数字式)流体体积进行加工。图16显示三种示例性数字式混合过程，包括：1:1单体积混合1600，6体积混合1605，以及12体积混合1610。虚线框表示泵关闭，以及实线框表示泵打开(填充)。箭头表示流体流动方向。试剂显示为泵的暗灰色填充，以及样品显示为泵的亮灰色填充。参见图14、图15和图16(1600处)，描述了示例性混合过程。例如，如果试剂停留在L1中以及样品(例如核酸样品)停留在S 1中，则可以混合试剂和样品。在此类情况下，所有的泵和阀可以是初始关闭的，以及可以使用如下程序来混合试剂和样品的体积(例如，等量单个体积)：其中，在程序的每个步骤之后，一般状态下关闭的阀(但不是泵)可以被重新设定为关闭状态：(i)可以通过打开L1的控制阀(vTL)和P0来装载试剂，得到由P0将试剂从L1拉入P0所产生的抽吸；(ii)可以通过关闭P0和打开P1来移动试剂，得到P0中的试剂同时从P0排出并转移进入P1；(iii)通过打开S 1的控制阀(vTL)和P0来装载样品，得到P0将样品拉入P0所产生的抽吸(现在样品和试剂停留在相邻泵P0和P1中)；以及(iv)可以通过如下方式进行混合：关闭P0和打开P2，然后关闭P1和打开P3，然后关闭P2和打开P4，然后关闭P3和打开P5，使得P0中的样品被推动通过P1进入P2，产生样品和试剂的混合。混合可以重复任意次数(例如，2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多次)。应理解的是，上述示例性程序可用于混合任意两种流体，包括两种试剂流体和两种样品流体。除此之外，上文所述的混合过程可以被扩展至高达5种单独组分和/或泵体积。
如图16所示(1605)，可以采用泵阵列P6来完成6种组分/泵体积的混合。泵阵列P6和P7可以分别作为统一的6X和12X体积泵。P6可以通过P0-P5与P6之间的相互转移来实现P0-P5内含物的混合。类似地，在另一个例子中，泵阵列P7可用于进行(初始分别位于P0-P5和泵阵列P6中的)两个6体积组分的1:1混合。例如，该形态可用于例如使用PEG和/或NaCl缓冲液来从位于P0-P5中的6体积反应混合物纯化物质。对于图16所示的方案(1610)，可以通过如下方式对核酸进行纯化：(i)将等体积的磁性珠浆料(例如，2X珠结合缓冲液中的6泵体积的磁性珠)装载到P6中；以及(ii)通过P0-P5、泵阵列P6和泵阵列P7之间的相互泵送，混合P6中的磁性珠与P0-P5中的核酸。一旦完成混合，可以通过如下方式在P5中俘获磁性珠：将混合物泵送通过P5到达右手试剂轨道中的废物端口，同时在P5下方放置高强度磁体。
在上文所述的示例性芯片构造中，单体积混合模式可以在主处理器中采用多达5个(单)泵体积，通过用给定组分填充合适数量的泵，以1:1的比例混合5种不同组分，或者以不同比例(1:1，1:2，1:3等)混合较少组分。单体积混合模式足够灵活，以向大多数核酸处理反应，例如用于末端修复、连接或A加尾的那些提供混合。这还足以进行链式组合连续反应(例如，多达4个连续反应)的方案，每个步骤均增加体积。在另一个例子中，6体积混合模式可以通过采用泵阵列P6将该灵活性扩展至5个连续反应和第六个混合体积。最后，如本文中另一个例子所述，采用泵阵列P7的12体积混合模式可用于从6体积反应开始用磁性珠来促进核酸纯化。
图17显示示例性DPM芯片，其具有平行中央流体处理器，并且显示两个(或者更多个，例如，3、4、5、6、7、8、9、10或更多个)中央流体处理器是如何能够共享相同的轨道和气动控制通道。在该情况下，对于多个输入样品的相同平行加工，多个流体处理器可以以锁步(lock-step)方式进行操作。对于图17所示的示例性DPM芯片的适当操作，需要两个水平(无相互作用)的气动控制通道(未示出)。
图18显示并行-串行反应转换的例子以及示例性高度平行的微流体构造的示意图，其可适用于在输入样品上进行8种不同反应孵育，之后是反应池(例如，并行到串行转换)和延长的孵育(例如，核酸杂交)。8种反应可分别包括：反应缓冲液、核酸、第一酶和第二酶。图18所示的示例性构造可用于例如进行16种不同限制酶(第一组8种酶和第二组8种酶)的断裂步骤。
微流体系统
如本文所述，DPM芯片可以通过正压致动(来关闭泵和阀)以及通过真空致动(打开泵和阀)。作为图14所示的示例性装置的补充并且对其进行参照：(i)可以对主处理器泵P0-P4进行温度控制用于热循环(和其他温度相关反应)；以及(ii)高强度磁体可以与芯片的底侧接触或不接触，从而有助于P5中磁性珠的收集。图19和图20示意性显示能够接收本文所述的DPM芯片及其组件的示例性系统，其中，相同附图标记表示相同元件。可以将系统构建在铝基底歧管1900上，其与芯片1905的底表面匹配。如图20所示，基底歧管载有通孔2000和用于衬垫2005的口袋，这产生了与芯片底侧气动端口的气密密封。
基底歧管1900还可包括容纳加热器2010的口袋和用于可移动磁体2015的通孔，通过致动器垂直定位。可以通过铝斜面1915经由闩和翼形螺钉(未示出)，将芯片1905压到衬垫2005上。最后，可以放置可去除的透明聚碳酸酯顶歧管1920(其承载了气密密封衬垫和透明的氧化铟锡(ITO)加热器)与芯片的顶侧1905接触。如下文所述，顶歧管可用于热循环。压力和真空可以经由安装在基底歧管任一侧上的计算机控制的电磁阀1925通向芯片泵和阀。电磁阀1925可以经由(未示出的)挠性管连接到歧管的底侧。除了在正压和真空之间进行选择之外，电磁阀1925可以连接到例如P4和P5(如图14所示)，并且可以在(未示出的)两个不同限流器之间切换，以控制这些泵在打开和关闭状态之间转换的速率。可以由(未示出的)分开的泵箱来提供正压和真空。可以在适当的正压(例如，30psi正压)和适当的负压(例如，-13.5psi真空)水平下操作芯片。
图21和图22显示当在示例性系统中的芯片的俯视图，相同附图标记表示相同元件。在图21中，芯片的流体通道表示为黑线2100。芯片可以包括顶部和底部加热器2105，它们可以分别放置在泵P0-P4上方和下方，并用衬垫2110密封。此外，可以放置屏蔽的磁体2115，使其左边缘位于P5的中心，用于收集磁性珠。底侧加热器组件2105可以在一个或多个泵(例如，如图14所示的泵P0-P4，去除了顶歧管)下方是视觉可见的。顶侧和底侧加热器可以是任意合适的加热器。例如，底侧加热器可以是如下堆叠，其(从上到下)包括：铜加热分布块(具有热电偶)、螺旋状加热其PC板、聚碳酸酯间隔块和闭孔泡沫层，以提供垂直柔顺性。热电偶和PC板加热器线圈可以通过基底歧管中的小孔垂直向下进入。在另一个例子中，顶侧加热器可以是氧化铟锡(ITO)加热器。该顶侧ITO加热器可以包括玻璃或蓝宝石基材，其背侧涂覆有薄的透明ITO传导膜和金属电极。可以将小的热电偶(未示出)胶合到其背侧，以及热电偶和加热器线圈(未示出)可以通过气密通过孔离开顶歧管。为芯片提供两侧加热的两个加热器(例如用于快速热循环)可以通过连接到计算机的两个可编程比例-积分-微分(PID)控制器和H-桥进行控制。控制器可以用载有内部热电偶(其测量内部芯片温度)的芯片进行校准。
可以在加热(例如，热循环)过程中加热顶歧管，以使得温度引发的气泡生长最小化。可以通过顶歧管的右侧上的装配(fitting)来完成加压，以及矩形密封衬垫2120可以维持与芯片顶表面的气密密封。系统组件，例如电磁阀、磁体致动器和加热器全都可以通过计算机进行控制。在一些情况下，计算机可以运行LabView软件，其包括能够读取含有电磁阀和芯片子系统的命令的文件的脚本注释器。
本文的方法、阀、芯片和/或系统的其他特征包括：(i)使得阀泄漏和泵/阀死体积最小化；(ii)使得TPE膜蠕变和/或粘着(例如，热循环过程中的情况)最小化；(iii)使得气泡产生(例如，热循环过程中的情况)最小化；(iv)芯片上的试剂储存；以及(v)可靠的NGS文库制备，其涉及多重酶反应、基于磁性珠的核酸扩增和热循环。
膜阀和泵功能会取决于弹性体膜的特征几何形貌与粘弹性性质的复杂相互作用，这进而会取决于其化学组成、制造条件(在该情况下，挤出)、厚度和工作温度。具体来说，阀或泵的密封或关闭的程度(分别)会取决于弹性体膜与阀或泵流体侧主体(例如，在一般状态下打开的阀的情况下的圆顶，或者在一般状态下关闭的阀的情况下的阀座)的顺应程度。对于任意给定的膜的膜模量，这会取决于垂直变形距离(特征深度)、阀体直径(较大的直径产生较小的应力)和/或膜厚度(较薄的膜变形所需的作用力较小)。可以通过有限元建模(FEM)来指导膜阀和泵的涉及，但是精确的模拟会取决于现有的精确材料参数(例如，储存模量、损耗模量、和损耗角正切(tan delta，δ)，这对于每种新的弹性体组成，可以通过例如动态机械热分析(DMΤA)来确定)。
DPM芯片阀和泵的设计可以出于下列目的进行优化：(i)功能产出；(ii)使得泄漏和死体积最小化；或者(iii)高温膜操作。因素(ii)和(iii)都会影响热循环过程中的性能。例如，泄漏会阻碍热循环泵(例如，图14所示的P0-P4)的最大化加压，以及高温下的膜故障使得泵失灵。对于(iii)，明显的温度诱发的蠕变(永久变形)可能导致热循环过程中(和之后的)泵故障。类似地，热循环过程中增加的COP-TPE粘着会使得泵不能运行，这是由于打开或关闭状态下的与泵体结构的明显不可逆粘着导致的。具体来说，(例如，在95℃)SEBS TPE的硬苯乙烯组分的软化会起到同时促进该温度范围内的蠕变和粘着的作用。
如本文所述，简易的芯片组件是本文所述的装置的一个关键优势。在一些情况下，可以通过增加的层叠温度、压力和时间(它们全都可以促进更紧密的分子结合，并且在一些情况下，可以促进两个表面的相互扩散)来促进TPE膜与低表面能热塑性物质(例如COP)的粘附。此外，经由UV-臭氧(UVO)处理的表面制备对于COP表面和TPE膜的粘附具有相反作用，增加的COP表面的UVO暴露增加了COP-TPE粘附，而增加的TPE膜表面的UVO暴露降低了COP-TPE粘附。为了优化产率，COP-TPE粘附可以表征为如下的函数：(a)UVO处理时间(例如，约为0-10分钟)，以及(b)层叠温度(例如，约为25-250℃)、压力(约为1-50PSI)和进料速率(约为10-100mm/分钟)。整体芯片粘结质量可以通过如下方式进行定性评估：(i)层叠之后的粘结夹层结构中的任意空穴或空气袋的数量和尺寸，(ii)将组装的芯片手动撬开所需的作用力，(iii)将TPE膜从COP表面剥开所需的作用力(剥离测试)，以及(iv)卡住的(故障)阀和/或泵的数量。
可以对泵和阀的几何形貌进行优化。流体和气动层可以设计和制造成具有各种阀和泵体形状(平坦、圆顶)、深度(例如，约为100-250μm)、直径(例如，约为0.5-2mm)、阀座宽度(例如，约为100-300μm)和阀座表面凹陷距离(例如，约为0-50μm)。这些可以与具有不同组成和厚度的TPE膜组装成芯片，如本文所述。在组装之前，可以使用例如显微镜(例如，3D光学轮廓显微镜(Zeta-20光学轮廓仪))来检查注塑泵、阀和通道特征，这可以确保通过模具制造(CNC机械加工)和注塑过程，将3D CAD模型几何形貌精确地转换成实际特征几何形貌。
可以通过室温和热循环温度(例如，约为60-95℃)下的泄漏和死体积来表征组装的装置中的阀和泵。通过低功率放大倍数下的食物染色可以容易地观察定性性能(泄漏和未扫过的死体积)。泄漏可以通过测量通过封闭泵和阀的流量与施加的流体压力之间的关系来进行定量表征。例如，可以通过测量1:1混合状态下的DNA溶液与TE的混合比，来定量表征有效的未扫过的死体积。这可以通过采用双链DNA特异性荧光(Qubit)化验来测量初始和最终DNA浓度来完成。
在一些实施方式中，TPE膜合适高温下的操作。例如，SEBS TPE的最高工作温度会由苯乙烯(硬)组分的熔化温度确定，这接近95℃(玻璃转化温度，Tg)。在一些情况下，这对于热循环应用是不够的，所述热循环应用通常是约为95-99℃的温度下使得核酸变性。例如，可以通过如下方式来改性SEBS TPE的性质：(i)与其他聚合物，例如无规共聚物聚丙烯(rcPP，Tg＝134℃)掺混；以及(ii)通过电子束诱导的交联。为了完成(i)，可以产生具有不同厚度(例如，约为100μm或250μm)的含不同量的rcPP(例如，约为0重量％、5重量％、10重量％和15重量％)的TPE膜。为了完成(ii)，可以将膜暴露于电子束辐射，剂量约为60-240千戈瑞(kGy)。此外，可以使用非SEBS TPE材料，例如，热塑性氨基甲酸酯(TPU)。
可以通过视觉检查泵活动的方式定性监测热循环过程中芯片泵的性能，以及通过确定热循环之后留在泵中的流体体积的方式定量监测热循环过程中芯片泵的性能。可以通过例如用显微镜(例如，Zeta-20光学轮廓显微镜)通过拆开经热循环的芯片并检查膜表面的任何明显变形(例如，特征高度>10μm)，来评估温度诱发的蠕变。泵和阀中的过度粘着可通过热循环过程中观察阀和泵功能之后拆开芯片来确定蠕变量来进行表征。此外，可以使用遮光UVO(或者其他等离子体)处理和/或向TPE膜和/或泵体选择性施加特氟龙AF(液体特氟龙Teflon)，来选择性降低热循环条件下的COP-TPE粘附。此外，DMTA仪器(例如，Q800DMTA仪器)可用于表征膜的温度依赖性机械性质，以及采用所附的软件(例如，SolidWorks FEM软件)来表征模型阀和泵功能。
在一个例子中，泵可在如下(芯片-内部)温度曲线下进行至多40个循环之后正常运行：在95℃持续2分钟，之后，以95℃持续10秒、60℃持续1-10分钟的循环模式进行40次循环。
在一些实施方式中，在本文的微流体芯片中，在热循环过程中没有形成气泡。可以使得温度诱发的气泡成核最小化。气泡引发温度(例如，泡核沸腾的起始)会与环境压力、溶质组成、溶解的空气、是否存在不溶性(碎屑)颗粒、以及容器壁的物理性质相关。可以优化这些因素来使得气泡形成最小化。
在一些情况下，在高于约75℃的温度，气泡会快速生长。使得反应在75-95℃之间的耗时最小化可以使得气泡的形成最小化。图29所示的例子显示，在一些情况下，顶部和底部加热器需要约30秒将它们从退火温度转变为变性温度。该时间会受到加热器消散的最大功率的限制。此外，加热器可就最大功率消散进行设计。相反地，可以通过从经加热的芯片区域的热质量的被动热传输来确定冷却所需的时间。
约为1-10微米的表面粗糙度可以促进来自微观未润湿颗粒/容器表面的俘获空气的膨胀以及水蒸气气泡成核。与明显疏水性的TPE膜(例如COP流体阀体)结合，这些不规则性可以俘获空气微气泡，该微气泡同时会发生膨胀和促进热循环温度下的水蒸汽气泡的成核。因此，本文的装置表面可设计成是光滑的，粗糙度小于约10微米、小于约5微米、小于约1微米、小于约0.5微米、小于约0.1微米、小于约0.05微米、或者小于约0.01微米。
此外，可以通过如下方式减少或消除热循环温度下的气泡形成：(a)调节温度过渡时间，(b)调节润湿和溶质，(c)调节特征光滑性，或者(d)使用主动除泡器。
为了使得加热时间最小化，可以确定顶部和底部加热器的最大功率消散限值，并分别在它们的限值或接近它们的限值下运行。如果由于现有的密度限制无法明显降低过渡时间，可以将加热器设计成具有增加的横截面传导路径(例如，对于底部PCB加热器的铜轨迹厚度和宽度，以及对于顶部加热器的更厚的ITO膜)。为了同时优化加热和冷却时间，可以通过如下方式减小芯片的有效热质量(热容量)：减小COP流体和气动层的厚度(例如，减小约50％)和/或在两个层中研磨掉外部表面上与一个或多个泵(例如，如图14所示的泵P0-P4)一致的矩形截面。此外，可以评估结合了厚度降低的(例如，100μm而不是250μm)的TPE膜的芯片的热性能。例如，热系统的SolidWorks FEM建模可以指导此类优化。
具有6-10范围的亲水性-亲脂性平衡(HLB)的表面活性剂可以作为润湿剂，其可以使得亲水性芯片表面上的空气保持性最小化。可以用表面活性剂例如Span20(HLB＝8.6)、Span40(HLB＝6.7)、Brij52(HLB＝5.3)和BrijL4(HLB＝9.0)评估热循环性能，它们的热循环相容性在静态和动态涂覆条件下表征。对于静态涂覆，例如，可以将80％的EtOH中1％的表面活性剂泵送到主处理器中，在接近TPE Tg(95-134℃)退火数小时，之后进行热循环测试。对于动态涂覆，可以直接将表面活性剂添加到缓冲液(例如，最终浓度范围为0.01-1％)。此外，高沸点热循环相容性试剂例如丙三醇和PEG可以添加到热循环缓冲液中，以提升它们的沸点并防止形成气泡。
在一些情况下，增加的模具特征光滑度可以通过如下方式增加最大(不含气泡)芯片运行温度：产生具有增加的特征光滑度水平的芯片模具，这是通过如下方式实现的：(i)对交替的图案/光栅极进行机械加工以及减小的步阶尺寸，(iii)抛光，以及(iv)镍涂覆(例如，膜厚度为10-25μm)。
在一些情况下，通过装配具有疏水性膜的泵(例如，图14所示的泵P0-P4)，芯片可以具有主动脱气/去除气泡能力。例如，混合的特氟龙AF-PDMS膜可以在热循环条件下提供有效的气体去除，具有最少水分损失。
主动除泡器的采用可能会涉及顶歧管的改性，以提供：(i)顶侧加热器和膜之间的间隙，以及(ii)与膜的顶表面的真空紧密密封界面(O型环)，而不是对于整个芯片表面的正压。膜可以同时提供热循环之前的脱气能力以及热循环过程中的气泡去除。
在一些实施方式中，本文的系统具有如下特点：(i)在高至40次扩增循环(芯片内温度曲线为95℃持续2分钟，之后是40次循环的95℃持续10秒、60℃持续1-10分钟循环)下视觉可忽略的核酸扩增(例如PCR)反应体积的位移，以及(ii)相同反应下，常规热循环产率的2X扩增内(一次理想核酸扩增(例如PCR)循环)的扩增(例如PCR)产物产率。
装配预装载试剂的芯片可提供明显的用户负担减轻。在一些实施方式中，可以装纳酶和/或缓冲液、磁性珠(例如，浆料)和含乙醇清洗溶液。这可以通过COP-PTE粘附现象的开发产生“半永久性封闭”(SPC)阀来实现。在本文的DPM芯片中结合半永久性封闭的阀可以防止(在制造过程中沉积在芯片储器中的)液体试剂在储存过程中永久地泄漏到芯片通道中。
可以用过施加交替的温度和/或压力曲线，来操纵阀中的COP-TPE粘附。因此，可以稳定化关闭状态，从而在各种环境条件下，在没有施加控制(正)压力的情况下，使其保持稳定和不发生泄漏一段延长的时间段(例如，长达一年)。可以通过在制造过程中施加第一压力和/或温度曲线来激活所谓的“半关闭”状态，并且当芯片待用时通过施加第二温度和/或压力曲线来得以反转。可以通过如下方式完成仪器中运行时的反转：例如，放置小的局部化加热器(例如，封装在基底歧管中)与在左边和右边的试剂轨道中合适的阀接触，向泵控制线施加真空，和/或相储器施加正压。还可以通过使用本文所述的销阀来完成反转。
可以用本文所述的TPE组合物和阀设计来实现半永久性关闭(SPC)状态。这可以通过如下方式完成：使得阀经受关闭和打开温度和/或压力曲线跨度：约为25-100℃，和对于关闭约为5-30PSI(对于打开为真空)，以及施加时间约为1-24小时(关闭)和约为30秒至5分钟(打开)。SPC阀结构可以提供：(i)较大的膜-阀体接触面积和/或(ii)微图案化(粗糙化)接触表面，其增加了接触面积并从而强化粘附(例如通过模具上的CNC机械加工标记容易地提供粗糙化)。此外，可以通过如下方式稳定化SPC阀的关闭状态：(i)COP阀结构的局部增加的UVO处理，和/或(ii)TPE膜局部减少的UVO处理。这可以是在UVO处理过程中，在遮光板的帮助下完成的。最后，在SPC阀中可以使用各种TPE组合物，具有或者不具有增粘剂(例如，C5脂族和/或C9芳族烃树脂)。但是，使用任意此类粘附强化的TPE膜会需要芯片与两种不同PTE膜片组装，一种用于正常阀操作，以及具有增加粘附的一种用于SPC阀。
作为半永久性关闭阀的改进或替代，可以在酶溶液在试剂储器中冻干/冷冻干燥的情况下使用干燥试剂。这样的话，终端用户通过添加水(或者TE或乙醇清洗溶液)使得酶再水合。可以通过经由高体积泵阵列(例如，图15所示的P7阵列)将添加的水往复泵送进入和离开储器，来促进再水合。
在一些情况下，本文所述的装置在芯片上储存了磁性珠溶液。在一些情况下，可以在小于1小时内沉淀1μm(或更大)直径的珠，成为堆积状态并且在约为24小时之后难以重悬。在一些情况下，可以通过如下方式反转长期和短期沉淀：(i)在致动之前对芯片进行涡旋或搅动，和/或(ii)采用高体积泵阵列(例如，图15所示的P7阵列)进行高流量往复芯片上的泵送进入/离开珠溶液储器。在一些情况下，(iii)对珠储器下面的膜进行(气动或机械)致动，使得封装的珠可以重复地从其表面弹导发射进入溶液。
测序文库制备
靶向富集是数种NGS文库制备方法中的一种，并且可用于PCT专利申请号PCT/US2011/054769、PCT专利申请号PCT/US2012/039880、PCT专利申请号PCT/US2012/067645、PCT专利申请号PCT/US2014/027544、PCT专利申请号PCT/US2014/069624和美国专利申请号13/481,858所述的测序装置和方法，其全文分别通过引用结合入本文。在一些情况下，DPM芯片可用于Ion AmpliSeqTM靶向富集文库制备，下文将其描述为示意性实施例。示例性IonAmpliSeqTM方案从11-21次循环的高度复合PCR反应开始(这取决于引物池复杂性)，之后是部分消化(末端修复)和衔接子连接反应，没有任何中间纯化和/或浓缩步骤。向生长的反应体积中可以依次添加总计7种酶和DNA组分。连接反应之后可以跟有基于AMPure(AM纯)磁性珠的清洁步骤。然后可以将经过清洗和干燥的珠直接混合到第二PCR反应中，这同时扩增了靶向序列和添加了额外的“平衡”序列，这可用于最终标准化步骤。标准化可依赖于抗生蛋白链菌素涂覆的磁性珠，并且限制生物素化DNA探针的数量，所述生物素化DNA探针特异性地杂交至扩增子的平衡序列，从而在珠上固定确定量的扩增子池。在清洗之后，可以从TE-糖原缓冲液中的珠去杂交(洗脱)最终的、标准化的扩增子。
将Ion AmpliSeqTM方案(或者任意其他方案)适用于DPM加工会涉及反应体积的减少和将混合比调节为量化(数字)值，例如1:1、1:2等。例如，起始PCR反应可包括三种组分体积：V(1)4μL 5X Ion AmpliSeq HiFi Mix(离子AmpliSeq HiFi混合)，V(2)4μL 5X IonAmpliSeq Primer Pool(离子AmpliSeq引物池)，以及V(3)12μL DNA模板。HiFi混合和引物池的最终浓度会是20μL反应体积中的1X。在DPM加工的情况下，加工可以描述为数字单元或泵体积(V、2V、3V等)；V是单个(打开/填充)泵中所含的流体体积，可以是例如约为0.3μL。V(1)和V(2)的一比一混合会产生2V(1.2)(2体积的组分1和2)，都是一半(2.5X)浓度。在一些情况下，可以排出这些体积中的一个(泵送到废物储器)，留下1V(1.2)。然后添加单体积的第三组分(模板DNA)会产生2体积的完全反应(2V(1.2.3))，其中，试剂浓度(1和2)再次减半为1.25X。因此，在该例子中，HiFi混合和引物的最终浓度比小试规模方案(benchprotocol)中高25％。可以通过用合适的缓冲液对两种试剂进行预稀释(从5X到4X)，将这些最终浓度向下调节至1X，使得在上述例子中DPM加工的反应与三种例外情况的小试规模反应在化学上一致。
在第一种例外情况下，最终DNA目标浓度从1X降低至0.83X。第二种情况，反应体积从20μL减少到0.6μL。第三种情况，引物(池)质量、聚合酶质量和dNTP质量都减少约25倍的因子(4/0.15＝26.7)。因此，扩增产物(扩增子)的最大可能量(质量)也减少类似因子。
在一些情况下，DPM芯片的右边和坐标I/O轨道可装纳多种Ion AmpliSeqTM试剂(例如，高至13种)，并且提供废物储器(左边轨道)以及废物和空气储器(右边轨道)。对于每种样品的特定DNA试剂(例如，样品DNA和带条形码的衔接体)可分别输入到处理器特定储器(例如，图14所示的S0和S1)，以及可以从输出储器(例如，图14所示的P)去除产物。
整合传感器芯片的DPM芯片
本文的微流体阀和装置可整合一个或多个传感器芯片。本文的微流体阀和装置可以为传感器芯片提供一种或多种流体物质和/或从传感器芯片去除一种或多种流体物质。此外，本文提供的微流体阀和装置可以制备用于反应的样品和/或试剂，和/或在传感器芯片中感应此类反应。因此，传感器芯片可以包括一个或多个流体通道，其能够从本文所述的微流体阀和装置接收/输出一种或多种流体物质。此类流体通道可以与本文所述的微流体阀和装置流体连接。此外，本文所述的DPM芯片可以包括一个或多个传感器芯片。该传感器芯片可以是DPM芯片的固定、永久性特征(例如，不可从DPM芯片去除)或者可以是可添加/可去除特征。
传感器芯片的例子参见PCT专利申请号PCT/US2011/054769、PCT专利申请号PCT/US2012/039880、PCT专利申请号PCT/US2012/067645、PCT专利申请号PCT/US2014/027544、PCT专利申请号PCT/US2014/069624和美国专利申请号13/481,858所述，其全文分别通过引用结合入本文。
传感器芯片可包括一个或多个传感器，其可以布置成阵列，例如传感器阵列。传感器阵列可包括包含了多个传感器的基本平坦基材。在一些情况下，传感器可包括一个或多个相同电极和/或不同电极。在一些情况下，传感器可以包括一对电极。可以使用传感器(例如经由电极)来检测一种或多种物质(例如，核酸、蛋白质、抗体、缩氨酸、小分子等)和/或感兴趣的反应，例如与核酸测序反应相关的引物延伸反应过程中的核苷酸引入。感兴趣的反应的其他例子包括：受体-配体结合反应、抗体-抗原结合反应、核酸杂交反应，蛋白质-蛋白质相互作用、酶反应等。传感器可以是任意合适类型的电传感器或光传感器，其能够感应物质和/或感兴趣的反应。在一些情况下，传感器(例如，纳米桥传感器)可以作为pH或电荷传感器，此类传感器的例子参见题为“BIOSENSOR DEVICES,SYSTEMS AND METHODS THEREFOR(生物传感器装置、系统及其方法)”的美国专利公开申请号US 2012/0138460所述，其全文通过引用结合入本文。该传感器可检测与物质和/或感兴趣的反应相关的pH变化(例如，局部pH变化)或者电荷变化(例如，局部电荷变化)。
在一些情况下，传感器(例如，纳米针传感器)可作为电荷、导电率和/或电阻传感器。该传感器可检测与物质和/或感兴趣的反应相关的电荷变化(例如，局部电荷变化)、导电率变化(例如，局部导电率变化)、电阻变化(例如，局部电阻变化)。此类传感系统如PCT专利申请号PCT/US2011/054769，PCT专利申请号PCT/US2012/039880，PCT专利申请号PCT/US2012/067645，PCT专利申请号PCT/US2014/027544以及美国专利申请号13/481,858所述，其全文分别通过引用结合入本文。在一些情况下，传感器可作为热传感器或者电容传感器。该传感器可检测与物质和/或感兴趣的反应相关的热变化(例如，局部热变化)或者电容变化(例如，局部电容变化)。应理解的是，传感器可经由一种或多种特性感应物质和/或感兴趣的反应，例如，电荷和电阻、导电率和电荷、导电率和电阻、传导率、电荷和电阻等。
感应物质和/或感兴趣的反应可基于以下至少一种：局部pH变化、局部电阻变化、局部热检测、局部电容变化、局部电荷浓度(或其变化)以及局部导电率变化。在一些实施方式中，传感器可以通过如下方式感应物质和/或感兴趣的反应：感应物质和/或感兴趣的反应的一种或多种试剂或产物的局部电导率变化(例如，检测指示局部电导率变化的信号)、局部电阻变化、局部电容变化和/或局部电荷浓度(或其变化)。在一些实施方式中，物质和/或感兴趣的反应的一种或多种试剂或产物可以与载体(珠、颗粒或者其他类型的表面)相联接。在此类情况下，传感器可以通过如下方式感应物质和/或感兴趣的反应：感应载体或与载体相连的物质的局部电导率变化(例如，检测指示局部电导率变化的信号)、局部电阻变化、局部电容变化和/或局部电荷浓度(或其变化)。在一些实施方式中，载体可以是磁性载体(例如，磁性珠或颗粒)，在感应过程中，其可以与传感器磁性固定相邻或者处于其附近。在一些实施方式中，载体可以是在感应过程中与传感器静电固定相邻或者处于其附近的载体。在一些实施方式中，物质和/或感兴趣的反应的一种或多种试剂或产物可以与传感器表面相联接。在此类情况下，传感器可以通过如下方式感应物质和/或感兴趣的反应：感应载体的局部电导率变化(例如，检测指示局部电导率变化的信号)、局部电阻变化、局部电容变化和/或局部电荷浓度(或其变化)。在一些情况下，传感器可以在(i)物质或者感兴趣的反应的一种或多种试剂和/或产物；(ii)与传感器相关的载体；(iii)与载体或传感器相关的物质或者感兴趣的反应的一种或多种试剂和/或产物；和/或(iv)传感器的德拜长度(例如，德拜层)内感应物质和/或感兴趣的反应。
例如，感兴趣的反应可以是核酸测序反应，例如合成测序反应。在该合成测序反应中，模板核酸可以通过如下方式进行测序：将引物与模板核酸杂交，并以模板导向方式经由聚合酶的作用，用核苷酸延伸引物(例如，使核苷酸纳入至模板核酸)。传感器芯片的传感器可以在其发生时和/或发生之后感应核苷酸纳入事件，其中，从传感器获得的信号可用于产生模板核酸的序列。不同的核苷酸(例如，具有包含腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)或胸腺嘧啶(T)的碱基的核苷酸)可以与模板核酸以依次方式接触(例如，流入芯片中)，从而每个感应到的核酸纳入事件可被鉴定为特定核苷酸的纳入。
感应核苷酸纳入事件可基于以下至少一种：局部pH变化、局部电阻变化、局部热检测、局部电容变化、局部电荷浓度(或其变化)以及局部导电率变化。在一些实施方式中，传感器可以通过如下方式感应核苷酸纳入事件：感应纳入了核苷酸的模板核酸的局部电导率变化(例如，检测指示局部电导率变化的信号)、局部电阻变化、局部电容变化和/或局部电荷浓度(或其变化)。在一些情况下，模板核酸可以与载体(例如，珠、颗粒或者其他类型的表面)联接。在该情况下，传感器可以通过如下方式感应核苷酸纳入事件：感应模板核酸分子和/或载体的局部电导率变化(例如，检测指示局部电导率变化的信号)、局部电阻变化、局部电容变化和/或局部电荷浓度(或其变化)。在一些情况下，模板核酸可与传感器的表面连接。在该情况下，传感器可以通过如下方式感应核苷酸纳入事件：感应模板核酸分子和/或传感器的局部电导率变化(例如，检测指示局部电导率变化的信号)、局部电阻变化、局部电容变化和/或局部电荷浓度(或其变化)。在一些情况下，传感器可以在(i)模板核酸；(ii)与核酸模板相连且靠近传感器的载体；(iii)与载体或传感器相连的模板核酸；和/或(iv)传感器的德拜长度(例如，德拜层)内感应核苷酸纳入事件。
传感器芯片可具有组合核酸扩增和核酸测序的能力。在一些实施方式中，该传感器芯片可包括传感器阵列，其中，阵列的每个位置包括可在阵列的给定位置俘获具有目标核酸的载体的一个或多个特征。例如，传感器芯片可包括磁性阵列，其可以通过磁作用力在多个阵列位置俘获具有模板核酸的磁性珠和颗粒。在另一个例子中，传感器芯片可包括电极阵列，其可以在多个阵列位置静电俘获具有模板核酸的载体。在另一个例子中，模板核酸可以在阵列位置固定至传感器的表面或者阵列表面。每个阵列位置还可包括一个或多个电极，其能够产生电场和/或具有本文其他地方所述的传感器的功能。与载体相关或者在阵列位置与传感器/阵列表面固定的模板核酸分子可以在测序之前克隆扩增，例如，在由阵列位置的一个或多个电极所产生的电场的帮助下进行。电场可以使得扩增试剂(例如，引物、核苷酸、聚合酶等)集中/隔离到阵列位置。在扩增之后，克隆扩增的模板核酸可以进行核酸测序反应并如本文其他地方所述进行测序。阵列位置处的电极还可产生电场，其可以使得核酸测序反应试剂(例如，测序引物、核苷酸、聚合酶等)集中/隔离到阵列位置。
在完成扩增/测序反应之后，载体/核酸可以从阵列脱离，任选地对载体和阵列进行分离和清洗，以及载体和/或阵列之后再次用于另一轮扩增和/或测序。可以通过例如去除/反转用于保持载体固定的磁场和/或电场来完成载体从阵列的脱离。作为补充或替代，也可以使用能够传递足够的作用力来克服用于保持载体固定的磁作用力和/或静电作用力的流体流动和/或其他类型的场(例如，外部磁场、外部电能)来使得载体与阵列脱离。当核酸与阵列或传感器直接相关联时，在不存在载体的情况下，可以用合适的试剂或能量(例如，酶试剂、化学试剂、热能等)，来处理阵列或传感器，以去除结合的核酸。
示例性传感器芯片如图30A-30F示意性所示。如图30A所示，传感器芯片3000可包括基材3001上的传感器阵列，所述基材3001可包括传感器的阵列(例如纳米传感器)的位置3002，其可以与传感器芯片3000内所限定的微流体通道流体连通。如图30A所示，基材3001可以构造成基本平坦的基材。阵列的每个传感器位置3002可以包括磁性元件3010以及电极元件3005和3007。磁性珠的位置可以通过磁性元件3010和/或电极元件3005和3007布置在每个传感器位置3002。磁性元件3010可以形成局部磁场，以及电极元件3005和3007可以形成局部电场，从而将磁性珠布置在阵列的每个传感器位置3002。此外，磁场和/或电场可以产生限制区域，其可用于将试剂隔离和/或几种到阵列的传感器位置3002。
如图30B所示，可以将包含模板核酸3040(例如，DNA、DNA片段、RNA、RNA片段)的样品传递到系统3000中。在一些情况下，可以经由与阵列相关的微流体通道来引入模板核酸3040，这可能在本文其他地方所述的微流体装置和阀的帮助下进行。如图30B所示，阵列可包括磁性珠3020，其经由磁性元件3010和/或电极元件3005和3007固定到阵列。磁性珠3020可以与能够与模板核酸3040杂交的引物相关联，从而使得模板核酸3040被珠3020俘获并联接。可以使用其他方法来联接模板核酸3040，例如，共价键、离子相互作用、双极相互作用、范德华力、疏水性相互作用等。
作为替代，模板核酸3040与磁性珠3020的结合可以独立于传感器芯片3000和磁性珠3020进行，然后经由流动提供到传感器芯片3000。通过磁性元件3010提供的磁场和/或通过点击3005和/或3007提供的静电相互作用可以在将磁性珠3020提供到传感器芯片3000时俘获它们，从而它们分别固定到传感器芯片3000的传感器位置3002。可以通过流动将磁性珠3020提供到传感器芯片，这可能是在本文其他地方所述的微流体阀和装置的帮助下进行的。作为替代或补充，引物可以与阵列结合和/或与阵列相关，并用于在阵列表面上或者附近俘获核酸3040。
如图30C所示，可以同时、在之前或者在之后，将试剂3060(例如，聚合酶、脱氧核苷三磷酸(dNTP)和额外引物)引入到传感器芯片3000。在一些情况下，可以经由流动通过与传感器芯片相关的微流体通道来引入试剂3060，经由流动使得试剂3060与磁性珠3020接触。可以经由本文其他地方所述的微流体阀和装置，向传感器芯片3000提供流动的试剂和/或从传感器芯片3000去除流动的试剂。经由来自合适阵列元件的磁作用力和/或静电作用力，当经由流动使得试剂3060与磁性珠3020接触时，使得磁性珠3020固定在传感器位置3002。
如图30D所示，可以用试剂3060和在合适的温度条件下，对与磁性珠3020相关的模板核酸3040进行克隆扩增，从而在磁性珠3020的表面上产生扩增的核酸3045。可以使用任意合适的扩增方法(包括聚合酶链反应(PCR)、引物延伸反应、等温扩增或者其他技术)来完成克隆扩增。
如图30E所示，可以在模板核酸3040的扩增之后，对磁性珠3020进行清洗3080，去除未结合的扩增子3055和试剂3060。经清洗的磁性珠3020包括与传感器位置3002相关的扩增核酸3045的克隆组。可以通过任意合适的方法完成清洗3080，例如，用缓冲溶液进行清洗，其流速足以去除溶液中未结合的扩增子3055和试剂，但是不足以将磁性珠3020从它们在阵列上的相应位置3002冲走。可以经由本文其他地方所述的微流体阀和装置，向传感器芯片提供清洗流体。
如图30F所示，然后可以使得试剂(例如，聚合酶、引物、dPTP等)的等分试样3070(例如经由流动)与传感器阵列接触，从而引物与扩增核酸3045接触，经由聚合酶的作用使得dPTP结合到磁性珠3020的扩增的核酸3045中。分别具有不同dNTP(例如，A、T、C或G的)试剂的等分试样3070可以以单独循环引入(例如，循环1＝A，循环2＝T等)，其中，可以在每次循环之间存在缓冲液的清洗步骤，以帮助减少来自未结合的核苷酸的污染可能性。用于测序反应的聚合酶可以是与用于扩增反应相同类型的聚合酶，或者可以是不同类型的聚合酶，并且可以在引入dNTP之前进入或者与dNTP一起引入。传感器芯片3000的传感器可以检测每次dNTP循环过程中的核苷酸纳入事件，将从传感器获得的信号用于测序扩增的核酸3045，进而用于测序原始的模板核酸3040。
传感器可以通过例如电极3005和3007中的一个或两个，来感应核苷酸纳入事件(例如，检测其指示信号)。在一些情况下，电极3005和3007可以通过如下方式感应核苷酸纳入事件：感应磁性珠3020和/或与磁性珠3020相关的扩增核酸(或者其他核酸)3045的局部电阻变化、局部电荷变化和/或局部导电率变化。可以通过例如，直接测量局部电阻变化或者测量指示了局部电阻变化的信号来实现传感。在一些情况下，传感器可以在磁性珠3020和/或与磁性珠3020相关的扩增核酸3045的德拜长度(例如，德拜层)内感应电阻。还可以通过直接测量局部电荷变化或者局部电导率变化或者指示它们中的一种或多种的信号，来感应核苷酸纳入事件。传感器可以在磁性珠3020和/或与磁性珠3020相关的扩增核酸3045的德拜长度(例如，德拜层)内感应电荷变化或者导电率变化。
在一些情况下，可以在没有传感器芯片3000的情况下完成模板核酸3040的克隆扩增。在此类情况下，可以将包含克隆扩增的核酸3045的磁性珠3020提供到传感器芯片3000，其中，通过磁性元件3010提供的磁场和或通过电极3005和/或3007提供的电场将磁性珠3020固定在一个或多个传感器位置3002。然后可以如上文所述，在扩增的核酸3045上完成测序反应和感应核苷酸纳入事件。
图23显示结合了传感器芯片2300(例如，上文所述的示例性传感器芯片3000)的示例性微流体DPM芯片的俯视图。DPM芯片包括12个流体储器R1-R12，2个泵P1-P2，和13个阀v1-v13。集成芯片可以使得流体以任意顺序从储器流过传感器芯片。在(未示出的)一些情况下，DPM芯片可构造成进行混合，核酸扩增(例如PCR)或者任意其他制备用于由感应芯片进行感应的样品所需的分子生物学操作。
参见图24，其中相同附图标记表示相同元件，示例性DPM芯片具有流体层2400、膜层2405和气动层2410。DPM芯片经由流体界面沉淀2420、界面块2425和芯片界面衬垫2430整合有传感器芯片组件2415。如图25所示是组装系统的额外视图，包括缩略图2500、侧视图2510和底视图2520，其中，显示了DPM芯片2530和传感器芯片组件2540。
控制系统
本文提供了计算机控制系统，其编程或者以任意其他方式配置成执行本文的方法和系统。图26显示计算机系统2601，其编程或者以任意其他方式配置调节采用本文提供的微流体装置和系统的样品加工和/分析。计算机系统2601可以对样品加工的各个方面进行调节，例如，热流动(例如，加热或冷却)、流体流动、流体混合、流体分离和反应(例如，核酸扩增)。
计算机系统2601包括中央处理器单元(CPU，本文也称作“处理器”和“计算机处理器”)2605，其可以是单核或者多核处理器，或者用于并行处理的多个处理器。计算机系统2601还包括存储器或者存储位置2610(例如，随机存取存储器、只读存储器、闪存)，电子存储单元2615(例如，硬盘)，用于与一个或多个其他系统通讯的交互界面2620(例如，网络适配器)，以及周边装置2625，如缓存、其他存储器、数据存储器和/或电子显示器适配器。存储器2610、存储单元2615、界面2620和周边装置2625与CPU 2605经由通信总线(实线)(如母板)连通。储存单元2615可以是用于储存数据的数据储存单元(或者数据仓库)。在通信界面2620的帮助下，计算机系统2601可以与计算机网络(“网络”)2630操作连接。网络2630可以是因特网、互联网和/或外联网，或者与因特网连通的互联网和/或外联网。在一些情况下，网络2630是电子通信和/或数据网络。网络2630可以包括一个或多个计算机服务器，其能够进行分布式计算，例如云计算。在一些情况下，在计算机系统2601的帮助下，网络2630可以执行对等网络，这可以使得与计算机系统2601连接的装置作为客户端或者服务器。
CPU 2604可以执行一系列机器可读取指令，其可以嵌入到程序或者软件中。可以将指令储存在存储器位置，例如存储器2610。CPU 2605进行的操作的例子可以包括提取、解码、执行和回写。
储存单元2615可以储存文件，例如驱动、文库和保存的程序。储存单元2615可以储存用户产生的程序和记录的会议，以及与程序相关的输出。储存单元2615可以储存用户数据，例如，用户配置和用户程序。在一些情况下，计算机系统2601可以包括位于计算机系统2601外部(例如位于通过内联网或因特网与计算机系统2601连通的远端服务器)上的一个或多个额外数据储存单元。
计算机系统2601可以经由网络2630与一个或多个远端计算机系统连通。例如，计算机系统2601可以与用户的远程计算机系统连通。远程计算机系统的例子包括个人电脑(例如，便携式PC)、平板或平板式PC(例如，iPad，Galaxy Tab)，电话、智能手机(例如，iPhone，安卓设备，)或者个人数字助理。用户可以通过网络2630到达计算机系统2601。
可以通过机器(例如，计算机处理器)可执行代码来执行本文所述的方法，所述可执行代码储存在计算机系统2601的电子储存位置，例如存储器2610或者电子存储单元2615。机器可执行或者机器可读取代码可以以软件的形式提供。在使用过程中，处理器2605可以执行代码。在一些情况下，可以从存储单元2615找回代码，并储存在存储器2610上，用于被处理器2605易于触及。在一些情况下，可以排除电子存储单元2615，将机器可执行指令存储在存储器2610上。
可以用具有适于执行代码的处理器的机器对代码进行预编译和配置，或者可以在运行时期间被编译。可以以编程语言提供代码，所述编程语言可以选择为能够以预编译或实时编译的方式执行代码。
本文所提供的系统和方法的方面，例如计算机系统2601可以嵌入程序中。技术的各个方面可以被认为是“产品”或者“制造的制品”，其通常是机器(或处理器)可执行代码和/或相关数据的形式，其承载在或者嵌入机器可读取介质类型中。机器可执行代码可以储存在电子存储单元中，例如，存储器(例如，只读存储器、随机存取存储器、闪存)或者硬盘。“存储”类型介质可以包括如下任意或者全部：计算机或者处理器等的有形存储器或其相关模块，诸如各种半导体存储器、磁带驱动器以及磁盘驱动器等，其可以在任意时刻为软件编程提供非临时存储。软件的全部或部分有时可以通过因特网或各种其它电信网络传送。此类传送可以例如实现将软件从一台计算机或者处理器装载到另一台计算机或者处理器，例如从管理服务器或主机计算机到应用服务器的计算机平台。因此，可承载软件元素的另一类介质包括光波、电波和电磁波，例如通过有线和光纤陆线网络以及各种空中链路用于穿透局部装置之间的物理界面。承载此类波，例如有线或无线链路或者光纤链路等的物理元素也可被认为是承载软件的介质。除非另有说明，否则如本文所述的有形“存储”介质，诸如计算机或机器“可读介质”的术语是指参与向处理器提供指令以用于执行的任何介质。
因此，机器可读介质(例如计算机可执行代码)可以采取许多形式，包括但不限于有形存储介质、载波介质或物理传输介质。非易失性存储介质包括例如光盘或磁盘，诸如任何计算机等中的任何存储设备，诸如可以用于实现附图中所示的数据库等。非永久性储存介质包括动态存储器，例如，此类计算机平台的主存储器。有形过渡介质包括同轴光缆、铜线和光纤件，包括在计算机系统内的母线的线。载波传输介质可以采取电信号或电磁信号，或者诸如在射频(RF)和红外(IR)数据通信期间产生的声波或光波的形式。因此，常用形式的计算机可读取介质包括例如，软盘、软碟、硬盘、磁带、任意其他磁性介质、CD-ROM、DVD或DVD-ROM、任意其他光学介质；穿孔卡纸片、任意其他具有孔图案的物理储存介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM以及任意其他存储芯片或筒；载波传输的数据或指令，光缆或连接件用于从可以读取编码和/或数据的计算机传输此类载波或者任意其他形式的媒体。许多这些形式的计算机可读取媒介可用于将一个或多个指令的一个或多个序列运载到处理器进行执行。
实施例
实施例1-反应混合和孵育
图27显示反应体积混合的结果。将具有黄色或蓝色食用染料的溶液放在井中，如图16所示(在图16中，黄色呈现为亮灰色，以及蓝色呈现为暗灰色)。2700显示了单体积混合的一般结果。在该实验中，对储器L2和S1中的蓝色或黄色食用染料分别进行涂底并引入到P1和P0中，然后如上文所述进行混合。图27还显示了6体积混合2705(在[P0-P5]与P6之间往复传输6个泵体积)和12体积混合2710(在[P0-P5]+P6与P7之间往复传输12个泵体积)的结果。在每种情况下，混合的体积近似是相同颜色，表明良好混合。
RPA(重组酶聚合酶扩增)反应证实了芯片的化学相容性。RPA反应-Mg++放入储器LR2中，以及Mg++放入储器S1中。两种组分以1:1进行混合，并在芯片中孵育10分钟。将产物泵送到储器P并回收。用荧光试验确定双链DNA含量。结果表明，在芯片中混合且孵育了10分钟的RPA扩增反应与常规微管中进行的反应水平近似相同(对于微流体反应为368ng/μL，对于微管为434ng/μL)。
实施例2-磁性珠加工和DNA纯化
如图28所示并参见图14所示的示例性装置，可以通过位于芯片下方的高强度磁体来俘获超顺磁性珠2800(Seradyne Speedbeads，1μm双壳超顺磁性聚合物珠)。珠俘获涉及将珠结合反应从左到右依次泵送通过P5到右边I/O轨道中的废物储器，在升高位置中，P5下方具有外磁体。通过在与泵P4或P5相连的气动控制线中(计算机控制)插入空气流限流器，促进了有效的珠俘获。例如，泵P4的限流器减缓了当P4的控制线从真空切换为正压时，P4的膜从打开转变为关闭状态。泵膜速度的这种下降导致通过P5的线性流体速度的下降，降低了P5中的珠上的水力拖曳，允许更多时间来进行珠俘获。一旦俘获在P5中，可以以类似的方式来清洗和干燥珠，通过泵送清洗缓冲液(例如，70-90％的EtOH)，以及然后泵送空气通过P5到废物。可以通过如下方式从经清洗和干燥的珠洗脱俘获的核酸：用洗脱缓冲液(例如，TE)填充P5，以及任选地，通过磁体在下方，在P4和P5之间往复泵送，使得俘获的珠“团”破裂。然后可以在P5中再次俘获经洗脱的珠，以及可以将(含有核酸的)洗出液泵送到产物输出储器(P)或者泵送回到P4进行进一步加工。执行如上所述过程(例如，珠俘获、清洗、干燥和洗脱)的效率近似为小试规模参照实验的80％，所述工作台参照实验采用初始珠结合λ相DNA和7％的PEG8000，2.5M的NaCl珠结合溶液，Seradyne Speedbeads。
实施例3-温度控制和热循环
如本文所述并参见图14所示的示例性装置，可以对主处理器的P0-P4区域的顶表面和底表面两者进行加热，以提供恒温(等温)孵育或者这些泵中组件的反应的热循环。图29显示示例性系统的PCR热循环温度曲线，包括由置于芯片膜的流体侧上的P2和P3之间的热电偶监测的内部芯片温度。显示底部加热器设定点、顶部加热器设定点、底部加热器热电偶、顶部加热器热电偶和内部芯片热电偶的轨迹，它们分别显示相似时间标度上的温度变化。这些结果显示60℃至95℃转变的升温时间和降温时间都近似为40秒。系统中的冷却是被动的，因为芯片的底表面的块体紧紧夹住较大块的室温铝基底歧管。在40次PCR循环没有观察到芯片结构的脱层或变形，证实了COP-TPE粘结在热循环过程中是稳定的。
虽然本文显示和描述了本发明的优选实施方式，但本领域技术人员显然了解这些实施方式仅以举例方式提供。不旨在将本发明限于说明书内所提供的具体例子。尽管已经参考上述说明书对本发明进行了描述，本文实施方式的描述和阐述并不意味着在构成限制。本领域技术人员在不背离本发明的情况下可以作出多种改变、变化和取代。此外，应理解的是，本文的所有方面不限于本文中其具有各种条件和变量的特定描述、构造或相对比例。应理解，本文所述的本发明实施方式的各种替代形式可用于实施本发明。因此，预期本发明还覆盖了任意此类替代方式、改进方式、变化形式或者等价形式。这意味着所附的权利要求书限定了本发明的范围，并且覆盖了这些权利要求书范围中的方法和结构及其等价形式。

Claims (61)

1.一种微流体装置，所述装置包括：
第一通道，所述第一通道具有一系列的(n个)室，每个室具有第一体积(v)，其中，所述第一通道在所述第一通道的相对端部包括阀，其对所述第一通道进行流体隔离；以及
与所述第一通道流体连通的第二通道，其中，所述第二通道包括至少一个第二室，所述至少一个第二室的总第二体积至少等于所述第一通道的所述总体积(n*v)，其中，所述第二通道在所述第二通道的相对端部包括阀，其流体隔离了所述第二通道与所述第一通道。
2.如权利要求1所述的微流体装置，所述微流体装置还包括与所述第一通道和所述第二通道流体连通的第三通道，其特征在于，所述第三通道包括至少一个第三室，所述至少一个第三室的总第三体积至少等于所述第一和第二通道体积的总和(2n*v)。
3.如权利要求2所述的微流体装置，其特征在于，所述第一通道、第二通道和第三通道中的至少两个基本相互平行。
4.如权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，所述第一通道和第二通道基本相互平行。
5.如权利要求1所述的微流体装置，所述微流体装置还至少包括流体层、致动层和夹在所述流体层与所述致动层之间的弹性层。
6.如权利要求5所述的微流体装置，其特征在于，所述弹性层是由热塑性弹性体形成的。
7.如权利要求5所述的微流体装置，其特征在于，所述弹性层基本不含聚二甲基硅氧烷。
8.如权利要求5所述的微流体装置，其特征在于，所述阀中的至少一个包括：
a)所述弹性层中的隔膜；
b)阀座，其选择性地隔离了所述阀中的所述至少一个的入口和出口；以及
c)所述致动层中的室，该室供给正压或负压，从而使得所述隔膜朝向所述阀座或者远离所述阀座移动。
9.如权利要求8所述的微流体装置，其特征在于，所述隔膜是可变形和可致动的。
10.如权利要求8所述的微流体装置，其特征在于，所述阀中的所述至少一个还包括销，所述销可在所述室内朝向所述隔膜移动，其中，利用至少部分由所述销供给的正压，所述隔膜可朝向所述阀座移动。
11.如权利要求10所述的微流体装置，其特征在于，利用由所述销供给的正压和由所述致动层供给的流体正压，所述隔膜可朝向所述阀座移动。
12.如权利要求5所述的微流体装置，其特征在于，所述室中的至少一个包括：
a)所述弹性层中的隔膜；
b)所述流体层中的流体室；以及
c)所述致动层中的室，该室供给正压或负压，从而使得所述隔膜变形，以实现流体室中的流体流动或混合。
13.如权利要求12所述的微流体装置，其特征在于，所述室中的所述至少一个还包括销，所述销可在所述室内相对于所述隔膜移动，其中，利用至少部分由所述销供给的正压，所述隔膜是可移动的。
14.如权利要求13所述的微流体装置，其特征在于，利用由所述销供给的正压和由所述致动层供给的流体正压，所述隔膜是可移动的。
15.如权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，(i)所述第一通道中的所述n个室中的第一子组与第一温度区热连通，以及(ii)所述第一通道中的所述n个室中的第二子组与第二温度区热连通。
16.如权利要求15所述的微流体装置，其特征在于，所述第一温度区和第二温度区是不同的温度区。
17.如权利要求15所述的微流体装置，其特征在于，所述第一温度区和第二温度区是独立可控的。
18.如权利要求15所述的微流体装置，其特征在于，所述第一通道中的所述n个室中的第三子组与第三温度区热连通。
19.如权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，n至少等于3。
20.如权利要求19所述的微流体装置，其特征在于，n至少等于6。
21.如权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，在所述第一通道和所述第二通道的相对端部处的所述阀的帮助下，所述第一通道和第二通道是相互可隔离的。
22.如权利要求1所述的微流体装置，所述微流体装置还包括多个井，所述多个井与所述第一通道和所述第二通道选择性流体连通，其特征在于，所述多个井的至少一个子组用于装纳用于生物样品制备或分析的试剂。
23.如权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，所述总第二体积基本等于所述第一通道的所述总体积。
24.一种用于样品制备或分析的系统，所述系统包括：
微流体装置，所述微流体装置包括：(i)第一通道，所述第一通道具有一系列的(n个)室，每个室具有第一体积(v)，其中，所述第一通道在所述第一通道的相对端部包括阀，其对所述第一通道进行流体隔离；以及(ii)与所述第一通道流体连通的第二通道，其中，所述第二通道包括至少一个第二室，所述至少一个第二室的总第二体积至少等于所述第一通道的所述总体积(n*v)，其中，所述第二通道在所述第二通道的相对端部包括阀，其流体隔离所述第二通道与所述第一通道；以及
控制器，其经编程以致动位于所述第一通道和所述第二通道的所述相对端部处的所述阀，从而调节流动通过所述第一通道和所述第二通道的流体。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述微流体装置还包括与所述第一通道和所述第二通道流体连通的第三通道，其中，所述第三通道包括至少一个第三室，所述至少一个第三室的总第三体积至少等于所述第一和第二通道体积的总和(2n*v)。
26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述第一通道、第二通道和第三通道中的至少两个基本相互平行。
27.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述第一通道和第二通道基本相互平行。
28.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述微流体装置还至少包括流体层、致动层和夹在所述流体层与所述致动层之间的弹性层。
29.如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述弹性层是由热塑性弹性体形成的。
30.如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述弹性层基本不含聚二甲基硅氧烷。
31.如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述阀中的至少一个包括：
a)所述弹性层中的隔膜；
b)阀座，其选择性地隔离所述阀中的所述至少一个的入口和出口；以及
c)所述致动层中的室，该室供给正压或负压，从而使得所述隔膜朝向所述阀座或者远离所述阀座移动。
32.如权利要求31所述的系统，其特征在于，所述隔膜是可变形和可致动的。
33.如权利要求31所述的系统，其特征在于，所述阀中的所述至少一个还包括销，所述销可在所述室内相对于所述隔膜移动，其中，利用至少部分由所述销供给的正压，所述隔膜可朝向所述阀座移动。
34.如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述室中的至少一个包括：
a)所述弹性层中的隔膜；
b)所述流体层中的流体室；以及
c)所述致动层中的室，该室供给正压或负压，从而使得所述隔膜变形，以实现流体室中的流体流动或混合。
35.如权利要求34所述的系统，其特征在于，所述阀中的所述至少一个还包括销，所述销可在所述室内相对于所述隔膜移动，其中，利用至少部分由所述销供给的正压，所述隔膜是可移动的。
36.如权利要求35所述的系统，其特征在于，利用由所述销供给的正压和由所述致动层供给的流体正压，所述隔膜是可移动的。
37.如权利要求24所述的系统，其特征在于，(i)所述第一通道中的所述n个室中的第一子组与第一温度区热连通，以及(ii)所述第一通道中的所述n个室中的第二子组与第二温度区热连通。
38.如权利要求37所述的系统，其特征在于，所述第一温度区和第二温度区是不同的温度区。
39.如权利要求37所述的系统，其特征在于，所述第一温度区和第二温度区是独立可控的。
40.如权利要求37所述的系统，其特征在于，所述第一通道中的所述n个室中的第三子组与第三温度区热连通。
41.如权利要求24所述的系统，其特征在于，n至少等于3。
42.如权利要求41所述的系统，其特征在于，n至少等于6。
43.如权利要求24所述的系统，其特征在于，在所述第一通道和所述第二通道的相对端部处的所述阀的帮助下，所述第一通道和第二通道是相互可隔离的。
44.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述微流体装置还包括多个井，所述多个井与所述第一通道和所述第二通道选择性流体连通，其中，所述多个井的至少一个子组用于装纳用于生物样品制备或分析的试剂。
45.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述总第二体积基本等于所述第一通道的所述总体积。
46.如权利要求24所述的系统，所述系统还包括与所述微流体装置流体连通的传感器阵列，其特征在于，所述传感器阵列包括个体传感器，其检测指示所述样品或其衍生物相关的反应或反应产物的信号。
47.如权利要求46所述的系统，其特征在于，所述个体传感器各自包括至少两个电极，其位于珠的德拜层中，其在传感期间具有所述样品或其衍生物，其中，所述至少两个电极检测所述信号。
48.如权利要求47所述的系统，其特征在于，所述信号对应于与所述样品或所述珠相关联的阻抗。
49.如权利要求46所述的系统，其特征在于，对所述控制器经编程，从而(i)将来自所述微流体装置的所述样品或其衍生物的流导向到所述传感器阵列，以及(ii)促进对所述信号的检测，所述信号指示所述反应或反应产物。
50.一种微流体装置，所述装置包括：
流体层，所述流体层具有与流体入口和流体出口流体连通的流体室；
致动层，所述致动层具有销，所述销可在所述致动层中移动；以及
所述流体层和所述致动层之间的隔膜，其中，所述隔膜是由热塑性弹性体形成的，以及其中，在向所述隔膜施加了正压之后，所述隔膜是在所述流体室中可变形的，该正压是由朝向所述隔膜移动的所述销以及所述致动层中的流体正压的组合供给的。
51.如权利要求50所述的微流体装置，其特征在于，所述隔膜基本不含聚二甲基硅氧烷。
52.如权利要求50所述的微流体装置，其特征在于，所述销在所述致动层中可单轴移动。
53.如权利要求50所述的微流体装置，其特征在于，通过所述销接触所述隔膜并朝向所述隔膜移动来供给所述正压。
54.如权利要求50所述的微流体装置，所述微流体装置还包括所述流体层中的阀座，其特征在于，所述隔膜是可致动的，从而在向所述隔膜施加所述正压之后接触所述阀座，该接触使得所述流体入口与所述流体出口流体隔离。
55.一种系统，所述系统包括多个微流体装置，其中，个体微流体装置包括：(i)流体层，所述流体层具有与流体入口和流体出口流体连通的流体室；(ii)致动层，所述致动层具有销，所述销可在所述致动层中移动；以及(iii)所述流体层和所述致动层之间的隔膜，其中，所述隔膜是由热塑性弹性体形成的，以及其中，在向所述隔膜施加了正压之后，所述隔膜是在所述流体室中可变形的，该正压是由朝向所述隔膜移动的所述销以及所述致动层中的流体正压的组合供给的。
56.一种用于生物样品制备或分析的方法，所述方法包括：
(a)提供微流体装置，所述微流体装置具有：(i)第一通道，所述第一通道具有一系列的(n个)室，每个室具有第一体积(v)，其中，所述第一通道在所述第一通道的相对端部包括阀，其对所述第一通道进行流体隔离；以及(ii)与所述第一通道流体连通的第二通道，其中，所述第二通道包括至少一个第二室，所述至少一个第二室的总第二体积至少等于所述第一通道的所述总体积(n*v)，其中，所述第二通道在所述第二通道的相对端部包括阀，其流体隔离所述第二通道与所述第一通道；以及
(b)将所述生物样品或其衍生物的流(i)在所述第一通道的所述n个室之间导向，(ii)从所述第一通道导向到所述第二通道，或者(iii)从所述第二通道导向到所述第一通道。
57.如权利要求56所述的方法，其特征在于，所述微流体装置还包括与所述第一通道和所述第二通道流体连通的第三通道，其中，所述第三通道包括至少一个第三室，所述至少一个第三室的总第三体积至少等于所述第一和第二通道体积的总和(2n*v)。
58.如权利要求57所述的方法，其特征在于，(b)还包括将所述生物样品或其衍生物从所述第一通道或第二通道导向到所述第三通道，或者反之亦可。
59.如权利要求56所述的方法，所述方法还包括将所述生物样品或其衍生物的流从所述微流体装置导向到与所述微流体装置流体连通的传感器阵列，其特征在于，所述传感器阵列包括个体传感器，其检测指示所述样品或其衍生物相关的反应或反应产物的信号。
60.如权利要求59所述的系统，所述系统还包括使用所述个体传感器，来检测指示所述生物样品或其衍生物相关的反应或反应产物的所述信号。
61.如权利要求60所述的系统，其特征在于，所述信号对应于与所述生物样品或珠相关联的阻抗，所述珠在所述信号的检测期间与所述生物样品相联接。
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