TW200413097A - Microfluidic device with thin-film electronic devices - Google Patents

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玖、發明說明： C 明所屬領城]1 發明領域 本發明係有關於具有薄膜電子元件的微流體元件。 L· ittr ^SL^lg" ]1 發明背景 在基因體學、蛋白質體學及細胞分析上的快速發展已 將生物工藝學部分推向發展出較快、更有效率而能分析生 物學樣品的元件。因此，該生物工藝學部分已針對因操控 及分析樣品而朝向小型化微流體元件（經常稱為晶片實驗 室（labS_on_a-chip))之發展有實質的成果。此些元件可分析 小體積的液體樣品而能提供更經濟地使用試劑及樣品，且 在某些實财可蘭性地加速分析。這些元魏進行人類 的=康評估、基因_及病原體_而提供未來能例行且 相當低成本地在臨床環境或田野中非常快速地進行程序的 =性。此外，這些元件具有許多其它對非生物樣品的操 匕及/或分析之應用。 —些微流體元件裝配在使用電路的微流體餘中以處理 u。可絲此些微流體元件，使得由該電路所提供的電 :件能在射處理樣品。在某些實例中，該些電元件可包 的:Γ二搶中加熱流體而例如加速化學或酵素反應 的速革。在其它貫财，該些電元 埸的命托 ^ ^ J匕枯使用來形成電 ¥1極，以在㈣移動帶電荷分子及/或流體。但是，隨 者非书小的流體臉，電元件可用之空間變成受限制而無法 200413097 各自獨立地控制電元件。因此，由於需選擇一個在另一個 上之元件型式以利用可獲得之有限空間，故需妥協在該流 體艙中的處理能力。 與有限空間相關之問題在溫度控制上特別明顯。例 5 如，可能想要在一微流體元件中、在一艙内或一組緊密間 隔開的艙中、在不同的溫度下進行二種或多種反應。在該 可獲得的空間内，除了與配置足夠數目的熱控制元件相關 之問題外，由於在該些反應間不足的熱絕緣，一個反應的 溫度會干擾將其它緊密間隔開的反應維持在想要的溫度之 10 能力。當反應溫度非常不同時，此絕緣問題會變成更嚴重。 利用較大的距離來空間地分隔該些反應可改善在該些反應 間的熱絕緣，但是其代價為減少艙的密度，因此減低該微 流體元件的容量。 【發明内容】 15 發明概要 本發明提供一種用來分析樣品的微流體元件。該微流 體元件包括一用來接收樣品的基材部分，其可至少部分定 出一艙的輪廊。該基材部分包括一具有一表面的基材。該 基材部分亦包括眾多在該基材上毗連著該表面形成之薄膜 20 層。該些薄膜層可形成眾多的電子元件。至少二個電子元 件每個皆由該些薄膜層的不同組來形成。該至少二個電子 元件可包括：1)一溫度控制元件，其可用來在該艙中控制 流體的溫度；及2)其它電子元件，其可安裝來感應或修改 在艙中的流體性質。 7 200413097 圖式簡單說明 第1圖為一由控制器所控制的生物晶片之具體實施例 圖’该生物晶片包括一熱控制元件陣列。 第2圖為用來在生物晶片中封閉迴路控制溫度的方法 5 之具體實施例圖。 第3圖為一生物晶片的具體實施例之部分平面圖，該晶 片具有由一熱控制元件陣列定出輪廓之經分隔開的熱控制 區域。 第4圖為來自第3圖的生物晶片之二個熱控制區域的片 10 斷圖。 第5圖為來自第3圖的生物晶片之熱控制區域的截面 圖，其通常沿著第4圖的線5_5採截。 第6圖為包含在生物晶片中的熱控制區域之部分截面 圖〇 15 第7圖為第6圖之熱控制區域的具體實施例截面圖，其 中加熱裝置與上層溫度感應器共用一薄膜層。 第8圖為第6圖之熱控制區域的另一個具體實施例截面 圖其中加熱裝置與上層溫度感應器由個別的薄膜層形成。 第9圖為一生物晶片之具體實施例的片面截面圖，該晶 片/、有此疋出可區別的熱區域輪廓之隔熱部件。 第10圖為一隔熱部件之具體實施例的片面截面圖，其 由延伸進入該基材部分的通道定出輪廓。 第11圖為形成一具有下層及上層薄膜電子元件之基材 部分的方法之具體實施例流程圖。 8 200413097 第12圖為在使用下層及上層電子元件之眾多艙中，用 來控制樣品處理溫度的方法之具體實施例流程圖。 第13圖為具有一調準用來與典型的控制裝置配對之經 整合的微流體卡匣之微流體系統的等視軸圖，根據本發明 5 的一個具體實施例，裝配該控制裝置使其可在樣品處理及/ 或分析中對該配對的卡匣施加電力及控制操作。 第14圖為第13圖的卡匣及控制裝置之經選擇的視野之 片斷截面圖。 第15圖為第13圖的卡匣及控制裝置圖，其闡明根據本 10 發明之具體實施例的流體、樣品、電力、數位訊息及偵測 訊號的移動情況。 第16圖為闡明根據本發明之具體實施例的第13圖之卡 匣及控制裝置的典型操作方法之流程圖。 第17圖為第13及15圖之卡匣的更細部圖式，其闡明進 15 行第16圖之方法的流體網路。 第18圖為強調第17圖之卡匣在負載樣品期間的有效區 域圖。 第19圖為強調第17圖之卡匣在過濾器堆疊上分離核酸 之樣品處理期間的有效區域圖。 20 第20圖為強調第17圖之卡匣在從過濾器堆疊釋放核酸 且在該卡厘的分析部分中濃縮該經釋放的核酸期間的有效 區域圖。 第21圖為強調第17圖之卡匣在該經濃縮的核酸與放大 試劑之平衡且將其傳送至在分析部分上的放大艙期間之有 9 200413097 效區域圖。 第22圖為強調第17圖之卡匣在核酸於選擇性放大後傳 送至在分析部分上的分析艙期間的有效區域圖。 第23圖為根據本發明之具體實施例包含在第13及17圖 5 的卡匣中之分析部分的平面圖，其從卡匣的外部觀看且顯 示出該分析部分之經選擇的方位。 第24圖為根據本發明之具體實施例的第23圖之分析部 分的片斷截面圖，其通常沿著第23圖之線24-24觀看，且顯 示出接附至第13及17圖之卡匣的流體處理部分。 10 第25-31圖為一基材在其修改以產生顯示於第24圖的 分析部分期間的片斷截面圖。 第32圖為根據本發明之具體實施例，一流動連接二個 毗連一基材表面而形成的流體腔之通道圖，其中該通道在 表面處進及出該基材而沒有連通該基材的相反表面。 15 第33-35圖為一基材在其修改以產生第32圖的通道期 間之片斷截面圖。 第36圖為第35圖之通道的經修改形式之片斷截面圖。 第37圖為一混合艙的具體實施例平面圖，其可使用闡 明在第33-35圖中之基材修改的變化形在分析部分中形成。 20 第38圖為第24圖之經選擇的觀點之更細部圖，其根據 本發明之具體實施例闡明該經選擇的薄膜層相對於一分析 艙與一由基材定出輪廓的通道之配置圖。 L實施方式3 較佳實施例之詳細說明 10 200413097 本發明提供一種使用具有薄膜電子元件陣列之微流體 元件來微流體處理樣品之系統（包括方法及裝置）。該陣列可 包含在一至少部分定出該微流體元件之流體腔輪廓的基材 部分中。可將該些電子元件陣列配置成該些電子元件能在 5 流體腔中參與樣品的處理及/或監視。讓基材部分可包括一 基材及一在該基材上形成之眾多薄膜層。對每個元件來 說，該些薄膜層可使用不同的層組來形成至少二個薄膜電 子元件。該至少二個薄膜電子元件通常以堆疊的關係(相對 於該基材表面）配置，以便至少一個電子元件能配置在另一 10 個電子元件的上方。例如，熱控制元件（諸如加熱器或溫度 感應器）尤其可配置在至少一個其它元件（諸如另一個熱控 制元件、電極或換能器）下。在某些實例中，該陣列的二個 或多個電子元件可由一通常垂直於該基材表面延伸的線來 貫穿。因此，電子元件可相對於微流體處理艙而更有效率 15 地配置，而能在如何操控樣品上有更大的彈性。再者，可 以更和協的空間關係來配置參與相關的微流體處理方面之 元件（諸如加熱器/冷卻器及溫度感應器），以修改及感應實 質上相同流體體積的溫度。 亦可提供一些能各自獨立定址而用來熱控制的電子元 20 件。這些熱控制元件可容易地穿越該基材部分而定出可區 別的熱區域或範圍之輪廓。在某些具體實施例中，加熱器/ 冷卻器及温度感應器可一起操作以提供一封閉的迴路溫度 控制。因此，該基材部分可包括能接收數位命令的控制電 子設備，而與該基材部分的不同區域之想要的溫度設定點 11 200413097 相符合，而與該基材部分的外部不同。該些控制電子設備 可在一封閉迴路中以數組加熱器/冷卻器及感應器來作 用，以達成及維持想要的設定點。 在某些具體實施例中，該些可區別的熱區域能由熱控 5 制部件（亦即，導熱器及/或絕緣器）來隔熱。該些熱控制部 件可由基材及/或由在該基材上形成的薄膜層定出輪廓。例 如，導熱器可包括分離的散熱器，其可促進熱從下層加熱 器朝向上層流體艙傳輸。典型的絕熱器可包括：1)一絕熱 層，其可配置在下層基材與在其上面形成之薄膜電子元件 10 間；或2)—通常不連續地配置在毗連的流體腔或熱區域間 之基材或薄膜。因此，可以任何合適的關係結合熱控制元 件及部件，以在該樣品處理期間對艙溫提供較大的彈性及 控制。 在下列各節中進一步提供一些觀點：（I)電子元件之控 15 制及配置；（II)以一經整合的卡匣進行微流體分析；（III)微 流體系統；（IV)樣品；及(V)分析。 I.電子元件之控制及配置 此節描述一微流體系統，其包括一可用來處理及/或分 析樣品之薄膜電子元件陣列；參見第1-12圖。該陣列實質 20 上可為一、二或三維。此外，該陣列可包括一熱控制元件 及相關的熱控制部件之安排，其能各自獨立地控制緊密間 隔開且毗連該陣列配置之流體區域的溫度。 第1圖為一用於樣品分析的微流體系統50圖。系統50 可包括一電連接至微流體元件或生物晶片54之控制器或控 12 制羞置52。該控制器可對該微流體元件提供一來自使用者 的缸作指南或可以預定的操作指南為主。該微流體元件可 接收‘品（或其經部分處理的形式），然後可在一微流體艙中 處理及分析樣品，以分析該樣品的狀況（諸如分析物之存 在）。 控制器52可包括一電源供應器、一處理器及一使用者 面。控制器52可輸送電力至在生物晶片54板上的電力元 件56(啫如FETS)，如顯示在58。此外，控制器52可使用1/〇 、、泉60來將訊息輸送至生物晶片54且從晶片接收訊息。再 1〇 本 控制裔52可藉由從時鐘線62傳送時鐘脈衝來協調由元 件54進行的電子操作。 15 20 生物晶片54包括一樣品處理部分料，其具有一薄膜電 2兀件66陣列及-個或乡個絲來容減體且錢著該些 包子tl件配置⑽(無顯示）。@此，電子元件％可配置成靠 近送(些城雜’以便每個f子元件可感應或修改在流體搶 的樣品/流體性質，亦即，可與該樣品/流體互相作用。可感 應或修改的合適性質包括（但是非為限制）溫度；流速(速 度）’壓力樣品（或分析物财在/缺乏、濃度、量、 遷移率或分佈；光學特徵；_徵；電場、配置或極 ;光學特徵；電特徵；及/或磁特徵。 溥膜：子7L件通常包括任何由一層或多層在該基材上 成之4膜層所提供的電子元件。該些元件為電子型，因 它广包含在具有電子開關元件的電子電路系統中。每個 物電子兀件可由_組薄膜層定出輪靡。該組可具有一或 13 多層。在某些具體實施例中，二個或多個薄膜電子元件每 個可由不同的薄膜層組定出輪廓。該些不同組可不重疊（亦 即，並無層共用）或可共用一或多層。合適的薄膜電子元件 尤其可包括用來施加電場的電極、感應器、換能器、以光 5孥為基礎的元件、以聲學為基礎的元件(諸如以壓電為基礎 的振盪器，用來施加超音波能量）、以電場為基礎的元件及 M磁場為基礎的元件。該些感應器尤其可為溫度感應器（熱 電偶、熱敏電阻(熱阻元件）、P-N接合、負反饋能帶隙感應 器等等）、光感應器（例如光二極體或其它光電子元件）、壓 1〇力感應器（例如，壓電元件）、流體流速感應器（例如，以感 應壓力或來自加熱元件之熱損失速率為準）及電感應器。於 此，生物晶片54包括一熱控制元件陣列（亦即，加熱器砧及 溫度感應器70)。加熱器68(或冷卻器）及溫度感應器7〇可如 顯示般以交替列方式配置。但是，如更完整地描述在下列， 15可合適地安排任何一、二或三維的電子元件。 生物晶片54亦可包括電連接至電力元件56及電子元件 66的控制電子設備72。該些控制電子設備可從控制器52接 收操作指南及從電子元件66(諸如來自溫度感應器7〇)輸出 訊说⑽π在74)。此外，該些控制電子設備可送出輸入訊號 2〇 (颁不在76)至電力元件56。該些輸入訊號可對電子元件 66(諸如加熱器68)決定時間、週期及/或供應的電力大小（顯 示在78) 口此忒些控制電子設備？^可形成一封閉迴路（或 ’其中該些控制電子設備與一組感應及修改電 子兀件66接合，以達成想要的設定點。例如，生物晶片54 14 200413097 可具有一封閉迴路的溫度控制，其中將該樣品處理部分64 的區域或範圍想要之溫度或設定點傳遞至控制電子設備 72 ’而透過1/0線60從控制器52接收相符合的數位命令。於 此實例中，控制電子設備72會在合適的時間及週期開啟生 物曰B片的加熱器，部分以從相關的溫度感應器所接收之訊 號為準。此可將溫度維持在接近設定點。再者，生物晶片 控制電子設備72可至少部分或完全包含在控制器52中。 第2圖為在生物晶片的熱控制區域中封閉迴路控制溫 度的方法80之具體實施例。此方法可避免與使用配置在生 1〇物晶片内密切鄰近感應器之加熱器來過度加熱溫度感應器 有關的問題。在施加能量至加熱器後其能沒有任何延遲地 平衡，使得該感應器可感應到快速的溫度增加，且亦可快 速地關掉加熱器。然而，使用方法8〇，該系統可以穩定的 方式穩定地接近目標溫度。 15 方法80可使用熱控制區域所要的目標溫度與低於該目 標溫度的臨限溫度來進行。臨限溫度定義為觸發加熱的感 應溫度。該臨限溫度可預先設定，亦即，由使用者輸入或 其它方面預先規定。在開始時，溫度感應器可感應該熱控 制區域的溫度，顯示在82。然後，將該感應溫度與臨限溫 20度比較（顯示在84)，以決定該感應溫度是否低於臨限溫度。 若否，則再次感應溫度，顯示在82(通常在任意或預定的延 遲週期後）。再者，若溫度低於臨限溫度，可計算將感應溫 度增加至目標溫度所需的能量，顯示在86。其次，可施加 與該經計算的能量相符合之能量量（顯示在88)至配置 15 200413097 熱控制區域中的加熱元件（諸如電阻器）。在中斷一段合適的 延遲時間後（顯示在89)，可藉由感應溫度而循環該方法，顯 示在82。在某些具體實施例中，施加至加熱元件的能量量 可與在感應及目標溫度間之差異無關。 5 第3圖為一具有由熱控制元件陣列定出輪廓之熱控制 區域92的生物晶片90之具體實施例圖。熱控制區域92經分 隔，以便每個區域可各自獨立地調整至不同溫度（由T1、 T2、T3等等表示）。該些熱控制區域可以通常與基材98的表 面96(熱控制元件在其上面形成）平行之陣列而排列在生物 10晶片90的基材部分94内。熱控制區域92可與在不同流體艙 下之區域及/或與在一個流體艙下之不同區域相符合。 第4圖為第3圖的生物晶片9〇之熱區域92的放大圖。每 個熱區域92可置於由一阻流物1〇6與一基材部分94定出輪 廓的流體艙102，104下面。每個流體艙可串列或並列安裝以 15進行個別處理。在該些流體艙的典型用途上，每個艙可在 各自獨立控制的溫度下使用來分析核酸（諸如DNA)。例 如，該核酸可並列在不同溫度下分析，以獲得不同的選擇 性程度。艙102，104可彼此分隔或可使用流體路徑1〇8來流 體連通。該流體路徑可延伸進入或經過基材98及/或其可由 20 阻流物106定出輪廓。 每個熱區域可藉由在基材98上形成之薄膜110於基材 部分中定出輪廓（至少部分）。薄膜11〇可形成加熱器及溫度 感應為’以控制該熱區域的溫度。一個或多個用來在艘中 產生電場的電極112可由一置於該艙下面而放在該熱區域 16 200413097 上面的；！膜形成。$些電極可例如使用來移動或集中 荷分子(諸如DNA)以料分析纽。婦電極可各自獨立 地定址且可提供能量。 第5圖為來自生物晶片9〇的熱控制區域％及上層搶搬 之截面圖。熱區域92的薄膜11〇可在區域92内定出一加熱器 輪廓。例如，電阻層114可包含在一使用導電層ιΐ6的熱控 5 10 15 20 制包路中，以在艙1G2巾提供—絲電阻加熱流體的薄膜電 阻益118。溫度感應||12〇可配置成密切接近電阻⑽卜感 應。器120可由-層或多層配置在基材％之表面外上而在加 ‘、、、。。下或上之可區別的薄膜層來形成，如將更完整地描述 在下列。再者（或此外），該感應器可配置在該基材内（如顯 :於本文），例如可藉由摻雜—半導基材而形成一p_N接 合。（感應器120以虛線外框顯示，以指示出其可有彈性地 放置）。電極112通常可配置在薄膜電阻器118上。該些電極 可使用電通道124(其可將電極112導電地連接至圖樣叫接 收來自導電圖樣122的電壓訊號。絕緣層126可置於任何合 適的層之下®或上面，以尤其可提供熱、化學及/或電: 緣。絕緣層則更詳細描述在下列。 第6圖為生物晶片之熱控制區域或熱區域13〇的部分截 面圖。控繼域m包括—基材部分132及—連接至該基材 部分的阻流物m。該基材部分及該阻流物每個能至少部分 疋出-可包含流體且可處理樣品之搶136的輪廊。 基材部分132可包括眾多在基材98上（亦即，在表面96 上且與纽連)形叙薄膜層138。該㈣膜層可定出可區 17 200413097 別的熱控制元件及部件之輪廓，每個可使用一層或多層薄 膜層。例如，基材部分132可包括一毗連著基材98形成之下 層絕緣層或絕熱隔板140。該絕熱隔板或熱層可由任何其它 能比基材98更有效率地絕熱的合適添加層來形成。再者， 5該絕熱隔板可不為一薄膜層，而是為一從基材形成之場氧 化物層（例如，當該基材為矽時）。基材部分132亦可包括一 用來熱控制之電子元件的元件層142 (也就是說，加熱器、 冷卻器及/或溫度感應器）。元件層142可在基材表面及絕緣 層140上。另一絕緣層（鈍化層ι44)可在元件層142上以電及/ ^ 10或化學地保護該元件層遠離流體艙Π6的流體成分。再者， 導熱層146可在其它層上。導熱層146可促進熱能更有效率 地在元件層142與流體艙136間傳輸。在某些具體實施例 中‘熱層146可由導電金屬或金屬合金(諸如黃金、鈾、 鋁鋼及/或其類似物）形成。此外，導熱層146可包含在使 15用導電圖樣之電路（參見第5圖）中，以提供至少一個電極 112 〇 如使用於本文’名稱”在上層”及”在下層，，描述一通常相 鲁 對於基材所定出的空間關係。因此，薄膜層及薄膜電子元 2〇件在该基材及基材表面上。此外，各別的薄膜層可以其鄰 L至基材為準而彼此在上層或在下層。在上層的元件或薄 膜層比起拍符合的下層元件及層則離基材較遠，而較接近 ’ 在該些元件上層的流體艙。 ”第7圖為生物晶片的熱控制區域15〇之具體實施例截面 圖。熱控制區域150包括上述描述於第6圖的熱控制區域13〇 18 之熱控制it件。特別是，S件層142包括下層及上層熱控制 元件加熱杰1U及溫度感應器154。於此，該些熱控制元 件以垂直’’或堆疊的安排配置，亦即，通常垂直於基材98 的^面96延伸之線可貫穿每個元件。更通常來說，基材部 分可具有一呈垂直或堆疊安排之任何合適的電子元件，包 括任何描述在上述或在下列的第II及III節之元件。例如，導 -層】46’亦包括-在每個加熱器152及溫度感應器上之 電極112。 10 加熱器152及溫度感應器154可共用_薄膜層。加熱器 152可由—電阻薄膜層158定出輪廓。電阻薄膜層158亦可藉 由14上層熱電偶層16()形成—熱電偶接合而定出部分溫 度感應器154之輪廓。《阻薄膜層158與熱電偶層16〇可由一 電絕緣層162部分地分隔，而形成—開口 164(於此，層 158’160可接觸而形成_熱電偶接合165)。為了在熱電偶接 15 a 165處毛展出特徵為溫度相依的電壓，層158，160可由 不同的材料形成，諸如可區別的金屬或金屬合金。在熱電 偶接口 165處I展之溫度相依性電壓已熟知或可經驗地決 定。（為了簡化圖像，於此或在第㈣中並錢示出延伸至 及/或來自加熱為、及熱電偶的導電體）。 20 第8圖為熱控制區域17 0的另一個具體實施例之截面 圖兵第7圖之熱控制區域150比較，熱控制區域Π0包括-兀件層172纟中在下層加熱器174與上層溫度感應器口6間 之/專膜層並不’、用。於此，加熱器Π4可由電阻層178定出 輪靡且由絕緣層18〇與感應⑸调隔開。該溫度感應器之 19 413097 熱電偶接合182可使用二層不同的層l84，i86來形成，如描 述在上文的熱電偶接合165。 文服沒墩應為154或176(上述描述）可連接至二級溫 f感應器（無顯*)。二級溫度感應ϋ可作為-漏電路，用 5來將主要感應器溫度與熟知或較不變的溫度比較。此補償 f路（亦稱為，，冷接合”)可電連接至對主要溫錢應器或熱 =偶接合有貝獻之層，以便將該熱電偶接合與補償電路以 所Γ來連結。隨著此安排，貫穿該熱電偶接合與補償電路 1〇制1出之結合電壓與在這二個感應器間之溫度差異成比 列4二級溫度感應器可包括（但是非為限娜I” 熱敏電阻器(電阻型溫度感應器)、-負反饋能帶隙感 二P-N接合等等。該補償電路可感應周溫或該生物晶 月的另一個溫控制區域。 15 20 二控舰域15〇及17()二者與垂直安排的加熱器及感應 :超過其它加熱器/感應器安排的優點。例如，配置 2仃於基材表面的加熱ϋ及麵以加熱及錢不同的 積。因此，溫度控制會較不準確。在其它實例中， 加熱為及感應器可結合在單—電阻層中，其可作為一電阻 t熱辑及—減電阻11。但是，此會提供-較不敏感且 較不準確的溫度調節方法。通f來說，熱控制區域即7〇 允許直接電力調整熱控制元件，其可補償：D在生物晶片 上變化的寄生性電阻；2)以溫度、環境及/或組成物為準的 材料性質之變化；及/或3)尤其是來自其它來源之雜訊。此 外，熱控制區域15〇,17〇可藉由避免過多的電力輸入（因此過 20 200413097 高的電阻器溫度）來增加電阻加熱器的生命週期。再者，可 有效地使用區域150，170來製造及維持一氣泡一段預定的 時間週期’例如以產生氣泡閥。該加熱器巧*迅速地產生一 氣泡，然後提供一經小心控制之額外的加熱，以維持氣泡 5 而沒有浪費輸入至該加熱器的電力。 第9圖為一具有能定出可區別的熱區域192,194輪廓之 隔熱部件的生物晶片190區域之截面圖。每個熱區域 192，194可各自獨立地包括可定址的加熱器196，198(或冷卻 器），例如，如可各別由電阻層2〇〇與導電體2〇2,204定出輪 10 廓。該些導體可在每個熱區域192，194中與電阻層形成可區 別的電路，以加熱配置在每個加熱器上的流體艙136之可區 別的區域。可由能作為導熱器及絕緣器的部件來促進在熱 區域192，194間之熱隔離。熱傳導可由散熱器2〇6,2〇8提供。 孩些散熱為可由導熱(及電）材料形成，如上述描述於第6圖 15中之熱區域130的散熱器146。此外，該些散熱器可彼此間 隔開（如顯示在210)，以便熱可有效率地垂直傳導(相對於基 材表面），但是較無效率地水平傳導（在熱區域192，194之 間）。鈍化層212、電阻層196及其它薄膜層可在該些熱區域 間延伸，或若適當的話可在該些區域間有間斷。可由絕緣 20層214來控制在熱區域192，194與基材98間之垂直絕緣，如 上所述之第6圖的絕緣層140。該絕緣層可以每個熱區域的 平均操作溫度為準及/或可藉由在該些熱區域間之平均溫 度差來安裝。例如，熱區域192可安裝成較高的溫度區域而 熱區域194如為較低的溫度區域。於此實例中，可在熱區域 21 200413097 192下有益地更絕緣，以便指揮較大量的熱進入搶i36。因 此，絕緣層214在此熱區域中存在於基材卯與加熱器丨％之 間。相較之下，毗連的熱區域194在加熱器198下可缺乏絕 緣層214，或該絕緣層可較薄。結果，從熱區域192傳送至 5熱區域194的熱可更有效率地分流至基㈣而避免過度加 熱區域194。 第ίο圖為一具有另一型式的隔熱部件之生物晶片22〇 的截面部为。流體艙222,224由邊壁226(其由阻流物134定出 輪廓）分隔，但是熱可經由下層基材98在艙間傳送。因此， 10熱隔離可由各別在薄膜層138及基材98中形成之開口 228,229提供。該些開口亦可安排成在流體艙間之流體路 徑。由基材及薄膜層定出輪廓之流體軌跡路徑的進一步觀 點則更詳細描述在下列第II節中。 第11圖為形成-分析樣品用之生物晶片元件的方法 15 230 。 在232處提供基材。該基材可為_半導體，諸如石夕(例 如單曰曰石夕），或可為一絕緣體，諸如玻璃或陶曼。合適的 基材之進一步實例則提供在下列第III節中。 可在該基材内形成一經摻雜的基材元件，顯示在Μ4。 4的基材凡件通常為由擴散製程形成之半導體元 件例如，P-及N-#雜。該半導體元件可包括電晶體、赃§、 °版或’、匕半。這些半導體元件典型可形成較高 Ϊ度的元件，諸如開關料、訊號處理4、類比元件、 ι輯兀件及/或暫存器。再者，如描述在下列，該些半導體 22 200413097 元件可由在基材上（而非在該基材内）形成之摻雜薄膜層形 成。 、曰 其次，可在該基材上形成一薄膜電子元件(及部件），而 在該基材表面及該經摻雜的基材元件上，顯示在说。可相 5繼地形成該些薄膜元件，其中先形成下層元件（顯示在 238)，接著形成上層元件，顯示在24〇。例如，首先可形成 一下層薄膜元件，諸如一加熱電阻器。此加熱電阻器可安 裝成能加熱一部分的基材、能定義出該基材部分(及容納流 體/樣品的上層艙)之溫度。在240處形成之上層薄膜元件可 10為任何配置成毗連至該欲處理樣品的元件，例如，一如上 所述以電、磁、聲音或熱設計為主的元件。在步驟238,24〇 中製造之電子元件可共用一些薄膜層，諸如第7圖的層 158。在某些具體實施例中，該些薄膜電子元件可包括半導 體元件。例如，可在該基材（諸如玻璃基材）上形成一多晶石夕 15層且選擇性地摻雜。如使用於本文，薄膜電子元件不包含 其它可讓這些裝置起作用的電子電路部分，諸如延伸至及 來自薄膜電子元件的導電層。 可在該基材及薄膜層中形成用來在該生物晶片之流體 艙間規劃出流體軌跡的流體進料路徑，如顯示在242。在某 20些具體實施例中，該些流體進料路徑可同時形成而作為該 薄膜元件。用來規劃流體轨跡而形成流體進料路徑的進一 步觀點則描述在下列第II節中。 第12圖為在串列的生物晶片艙中使用下層及上層電子 元件來溫度控制分子（或樣品）處理之方法250。可將分子（諸 23 5 如DNA分子或其它核酸分子）輸入第—搶，顯示在攻。可 :動包含下層加熱器的第一封閉迴路溫度控制系統，以將 弟-驗π至第-溫度，顯示在254。此第一溫度可為第一可 程控的溫度曲線或甚至H溫度的順序（諸如該使用於 DNA放大的順序）。在此安排順序的溫度期間或之後，可啟 動上層電極的第-陣列以集中該些分子，顯示在256。此集 中可把分子放在搶内或從射移動該些分子。再者，該集 中可相繼地將該些分子移動至在如由第—陣列的電極定出 輪廓之艙内的不同區域。可在第二搶中重覆步驟252、Μ 10 及咖(各別顯示在258、26()及262)，以在每個搶中連續處理 該些分子。 Π.丛二亍微流體分析 節4田述包含一經整合的微流體元件（以卡匣形式） 之微流體系統，其可用來處理及/或分析樣品。此節亦包括 使用及7L件的方法。該卡昆及方法的額外觀點則描述在下 列第III節中。再者， 知述在下列的卡匣及方法之觀點可使 用在描述於第中之任何樣品，及/或可使用在描述於第 V節中之任何分析。 第13 15圖為用來處理及分析樣品之微流體系統310 0的具體貫施例，特別是包含核酸的樣品。第13及14圖各別 為該系統的等視軸圖及戴面圖。第15圖為系統310的表示 圖，其闡明該系統之經選擇的觀點。系統31〇包括-控制裝 2及纟二正a的卡匣314(其可安裝來電連接至控制裝 )在第13及14圖中顯示出將卡匣3ι4排列及放置成可 24 200413097 由控制裝置接收，因此可安裝在其中。如使用於本文，名 10 稱’’卡匣’’描述一小的模組化單元，其設計成可安裝在較大 的控制裝置中。如使用於本文，名稱，，可安裝在”說明該十 匣已可合適地與該控制裝置配對，此通常藉由將該卡匣至 少部分地插入該控制裝置。因此，控制裝置312可包括一能 配對地接受卡匣314的凹槽316，例如，此可透過一電介雨 (其玎透過在卡匣314上之電接觸墊318與位於凹槽316中相 符合的接觸結構320間之接觸而形成）來連接（參見第14 圖）。再者，控制裝置312可使用任何其它合適的結構（導電 地、電容地及/或誘導地）與卡厘314電接合。控制裝置312 可具有任何合適的尺寸，例如，小到足以由手握住，或大 到需在工作台面上或地板上使用。 15 一一 *衣力乂口j對卞匣314輸送及接收控制訊 號’以在卡㈣4中控制處理。在某些具體實施例中，卡厘 314包括H則電子設備。隨著此些電子設備，控制裝置 可接收來自卡㈣4而能由控制裝置312使用的訊號，以測 定分析結果。該控制裝置可監視及控制在卡㈣的條件(諸 如溫度、流速、壓力料），透過與在卡_之電子元件的 20 或㈣賴相連接㈣絲。再者(或此外）， =波置:可從在卡£上的訊息儲存元件讀取 :列)，^^關於卡_訊息，諸如由該卡_包含的試 :二==的分析、可接受的樣品體積或型式及/ 在下列_節中的輪入及輪出線，尤其包括電^ 25 200413097 料輸入線、火脈衝線、資料輸出線及/或時鐘線。 控制裝置312可參與分析資料的最後處理，或可將分析 資料傳送至另一個元件。控制裝置312可解釋結果，諸如多 資料點分析（例如’來自測試核酸與受體陣列之黏結（參見下 5列）)及/或資料的數學及/或統計學分析。再者（或此外），控 制裝置312可將分析資料傳送至另一個元件，諸如集中式實 體（centralized entity)。因此，控制裝置312可在傳送前將分 析資料編碼。 控制裝置312包括一^可處理數位訊息的控制器322(參 10 見第15圖）。該控制器通常可輸送及接受電訊號，以協調由 控制裝置312及卡匣314進行之電、機械及/或光學啟動，此 可由雙頭箭號的324、326、328顯示。 控制裝置312可透過使用者介面330與使用者通連（顯 示在第15圖的326)。該使用者介面可包括鍵盤墊332(參見第 15 13圖）、螢幕334、鍵盤、觸控板、滑鼠及/或其類似物。該 使用者介面典型地允許使用者輸入及/或輸出資料。例如， 可使用輸入的資料來發出開始處理樣品、停止樣品處理、 輸入用於不同處理的參數值(諸如時間、溫度、欲進行的分 析物等等）及/或其類似物的訊號。輸出的資料(諸如處理階 20段、卡匣參數、測量結果等等）尤其可顯示在螢幕334上、 送至印出元件（無顯示）、貯存在板上的記憶體中及/或送至 另一個數位元件（諸如個人電腦）。 控制裝置312亦可包括一個或多個含有卡匣314的光 學、機械及/或流體介面（參見第14及15圖）。光學介面336可 26 200413097 將光輸送至卡匣314及/或從其接收光。當兮 田必卞匣與-岳 置312配對時，光學介面336可與卡匣314的光學透明品二 338排在一起（參見第14圖及下列討論）。因此，光風介面區域 可作為-具有-個或多個發射器及债測器的侦制面3 3 6 5接收來自卡匣的光學訊息。此光學訊息可與由在卡，以 理所產生的分析結果有關。再者（或此外），光學介^面I]内處 包含-些樣品處理觀念，例如，可提供一能用於=36可 學反應、瓦解樣品、加熱樣品等等的光源。 一化 1ϊ何貫例中， 光學介面336之操作可由控制器322指揮且伴隨著由| 10 322接收之相符合的測量（如顯示在第15圖的3 工 口 因此允許 來自光學介面336的度量可經電子處理及貯存。控制裝置 m可包括-個•健子㈣關械介面（無料），例如 以提供或調整在卡匣中的壓力。典型的控制裝置312之機械 介面尤其可包括-個或多個閥螺線管、控制閥螺線管的闕 15調節器、注射器幫浦、近程聲納及/或氣流式壓力來源。在 某些具體貝施例中，该控制裝置可包括一個或多個將該控 制咸置動地連接至邊卡g的流體介面。例如，該控制裝 置可包括一可貯存流體且可將流體輸送至卡匣的流體貯存 器。但是，顯示於此的控制裝置312並無安裝成能流動地連 20接至卡匣314。反而是，在此具體實施例中，卡匣314在操 作期間為一封閉或分隔的流體系統，亦即，一流體網路， 其在接收樣品後實質上無流體加入該網路或從其中移出。 在微流體系統中的光學偵測、機械及流體介面之進一步觀 點則描述在下列第III節中。 27 200413097 可適當地安裝及定出卡匣314的尺寸規格。在某些具體 貝施例中，卡匣314為可棄換式，亦即，意欲使用一次來分 析個I叩或一組樣品（通常為相同的樣品）。卡匣3可具 有一由欲進行的分析物、欲操控的流體體積、該卡匣的非 5 ’瓜肢肢積寺專所指定之尺寸。但是，卡匣314典型地足夠小 而可容易以一隻手抓住及操控（或較小）。 卡匣314典型地包括至少二個結構上及功能上可區別 的構件：一流體處理部分342及一分析（或晶片）部分344。流 妝處理部分可包括一外罩345，其可與控制裝置形成一外在 W的機械介面例如以操作閥及幫浦。該外罩可定出内部流體 腔的結構輪麼。外罩345實質上亦可定出該卡_外部結構 之輪廓，因此可提供一由使用者掌握而處理的表面。分析 部分344可例如在流體處理部分342的外部或内部表面上固 疋地連接至流體處理部分342。例如，當光學地測量（諸如 15以光學介面336)結果時，分析部分344可合適地以外部接 附。當電測量結果或當該流體處理部分342具光學透明性 捋，可合適地使用内部及/或外部接附。分析部分344典型 地亦可流動地連接至流體處理部分342(如描述在下列），以 允許流體在這二個部分間交換。 2〇 因此，流體處理部分342可安裝成能接收來自卡匣外部 的流體、貯存流體及將流體輸送至在流體處理部分342及分 析部分344二者中的流體腔（例如，可藉由機械地驅動流體 流動）。因此，流體處理部分可定出一流體網路346的輪廓， "、具有一戶、貝上比相付合的分析部分344之流體網路（或流 28 200413097 體空間）348大的流體容量（體積）。每個流體網路可具有一流 體腔，或更典型來說，多個流動連接的流體腔，通常為由 流體導管連接的艙。 流體處理部分342包括一樣品輸入位置或埠350。樣品 5 輸入位置350通常可從外部輸入，但是可在將樣品導入該位 置後密封。卡匣314顯示出可包括一個樣品輸入位置350， 但是在流體處理部分342中可包含任何合適數目的樣品輸 入位置。 流體處理部分3 42亦可包括一個或多個試劑貯存器（或 10 流體儲存艙)352，以攜帶載體試劑（參見第15圖）。試劑貯存 器352每個皆可外部輸入，以允許在已製造出該流體處理部 分後負載試劑。再者，一些或全部的試劑貯存器352可在製 造期間負載試劑。載體試劑通常包括任何可包含在卡匣314 的樣品處理、分析及/或一般操作中之流體溶液或混合物。 15 流體處理部分342亦可包括一個或多個額外的艙，諸如 預處理艙354及/或廢料艙356。預處理艙354及廢料艙356僅 可例如經由樣品輸入位置350及/或試劑貯存器352内部地 使用，或一個或多個由使用者外部地使用。預處理艙可為 流體通路，其可安裝來修改該樣品之組成（其通常會與流體 20 流協同）。例如，此些通路可將分析物（諸如核酸)與輸入樣 品分隔，亦即，將分析物至少部分地與廢棄材料或該樣品 的廢棄部分分隔，如描述在下列。流體處理部分的進一步 觀點則描述在下列第III節中。 在較佳的具體實施例中，該流體處理部分342與事實上 29 200413097 卡匣314的全部流體腔會在用戶存取邊處密封（除了樣品輸 入350外）。可產生此密封以避免可能的試劑污染、以保証 安全性及/或以避免流體從流體處理部分342流失。某些試 劑及/或產生自預處理及/或其它處理的處理副產物有毒或 5 其它方面對使用者有危險（若該試劑或副產物漏出及/或與 使用者接觸時）。再者，某些試劑非常昂貴，因此以最少的 量提供在卡匣314中。因此，較佳的卡匣成品314為一經整 合、密封、可棄換式的卡匣，其僅具有一用來輸入樣品350 的流體介面、一電介面318及可選擇的機械、光學及/或聲 10 學介面。 可安裝分析部分344,以在流體處理部分342中分離出 核酸後，能在流體網路348中進一步處理該核酸。因此，分 析部分344依賴電子設備或電子電路系統358，其可包含薄 膜電子元件以便可容易控制接收自流體處理部分342的核 15 酸處理。相較之下，在分析部分344中的大流體流可藉由將 流體從流體處理部分342機械地驅動而流經分析部分344並 返回部分342而調節。 該分析部分的電子電路系統358可包括薄膜電子元 件，以修改及/或感應流體及/或分析物性質。此些薄膜元件 20 的典型角色可包括濃縮該經分離的核酸、將該些核酸移至 不同的反應艙及/或分析位置、控制反應條件（諸如在放大、 與受體雜交、雙股核酸變質等等期間）、及/或其類似物（亦 參見第III節）。該些薄膜元件可與該流體網路348的任何區 域操作性地連接。該操作性地連接可包括與流體直接接觸 30 200413097 5 10 15 20 (例如’與電極），或藉由—鹿士'夕 膜層（參見下犯 層將流翻關的絕緣薄 's 1 °在任—實例中’該操作性配置的元件可配 置=近該基材表面（參見下列）。該電子電 及基材的進-步觀點則描述在此節下方及在_節中。曰 分析部分344的電子電路系統358至少部分可藉接至控制裝置312來控制。例如，顯示於第15圖，控制哭322可經由接觸結構32G與配置在相314的流體處理部分342上之接觸触8連接(顯示在328)。依次，接觸触8可子電路系統358電連接，如顯示在360。-個或多個額㈣ 積體電路（或介面電路)可電連接至接觸墊318中間物而至帝路糸統358，例如，以允許電路系統358具有較大的複雜,1 及/或以最小化在切314上可區別的接觸塾（或位置)數 目。因此接觸财單獨或舆該些介面電路組合而形 成-能將該些電子設備電連接至該控㈣（當該卡匿裳入 該控制裝置中時）的連接電路。接觸墊亦可與攜帶在# 3M中（例如，在频處理物辦，如㈣之電子訊息儲 存兀件362連接。該訊㈣存元件可貯存與卡㈣目關的訊 息，諸如流體網路結構、貯存的成分、分析物容量、分析 物參數及/或其類似物。在另—個具體實施例中，接觸墊训或其它電連接結構可配置在分析部分W上，而取代（或額 外）包含在流體處理部分342中。 、 分析部分344典型地可料錢在㈣網路348中進行 核酸處理，至少部分藉由操作電路系統358。於此，流體網 路348顯示出可包括三個功能區域：濃縮器说、放大搶娜

31 200413097 及分析搶368。如更詳細地描述在下列，這些功能區域每個 皆可包含電極以使核酸滯留及釋放（因此濃縮)容易，及/或 可直接朝向電極的子設備移動。濃縮器364及搶遍’遞可 由可區別的腔/通路定出輪靡’例如，如為一串聯的腔陣列 5 (如顯示）。再者，這些功能區域可部分或完全重疊(例如， 全部由一個艙提供）。 可各自獨立地控制每個搶（或在每個舱内之區域）的溫 度(參見上述第I節）。因此’每個餘或搶區域可於不同的溫 度’以在每個艙或區域中提供例如最理想的樣品處理。豸 _ 10溫度可經固定，而諸如用於核酸雜交反應；或可變化，而 諸如用於在核酸放大期間的熱循環。 可安裝浪縮裔364以濃縮接收自預處理艙354的核酸。 濃縮器364之電極可施加正的電偏壓，同時讓流體從流體處 理部分342通過濃縮器，而返回在流體處理部分342中的廢 料艙356。因此，濃縮器364可在眾多的分隔位置處流動地 連接至流體處理部分342(參見第17、23圖），而讓該濃縮器提 供作為一導管。該導管可允許傳送(在二個流體處理部分之 鲁 貯存器間）實質上大於該濃縮器的流體容量之流體體積。此 處理步驟可移除流體，且尤其可藉由移除帶正電荷、未帶 2〇 笔何或彳政弱帶負電何的材料來部分純化該些核酸。 放大艙366可使用來從该些經濃縮的核酸中複製一個 或多個目標核酸（或許多核酸），其使用一放大反應來增加分 析敏感度。放大反應通常包括任何可增加目標核酸（或包含 在該些目標物種内之範圍）的總分子數之反應，此通常會造 32 200413097 5 10 15 成富含目標核酸(相對於總核酸）。能複製]〇>^八、&DNA轉 錄RNA及/或進行引子的直接模板連接之酵素可調節該放 大反應。視所使用的方法及酵素而定，該放大可包括熱循 環(例如，聚合酶連鎖反應(PCR)或連接酶鏈反應(LCR))或 可為等溫(例如’股置換放大(SDA)或以核酸順序為基礎的 放大(NASBA))。在這些方法之任何一種中，可由加熱器來 决疋在知366中的,皿度控制，諸如包含在電路系統中的 薄膜加熱②。可在放大期間標定核酸以使偵測容易，此可 例如藉由摻人經標定㈣子或核㈣。引子或核㈣可以 染料^射性同位素或特定_結成員來標定，如描述在 下列弟III即中且編列在表1+。再者，核酸可以個別的處理 ==°，藉由終止轉換酶、引子伸展、親和力試劑、核 W料專等）或在輸人樣品前狀。例如，當省略放大步驟 Γ則此個別的標定合適，因為在輸人的樣品中包含足夠 里的目標核酸。

20 /式户—368可根據順序母體(咖巾的特定順序、長度i 者來進行-分離或辨別核酸之處理步驟。在某此具f 貫施例中，兮八4 N 該受許可/刀㈣包括—種或多種核_之特定受體。 ::二：ΐ任何能特別黏結合目標核酸的藥劑。娜 :物耸：|股核酸、胜肽核酸、抗體、化學化合物1 二:t:。該些受體可配置在陣列中’通常在定義的位1 二：：：，以便目標核酸對受體之-_結可在则 放大d的位置處產生―可制訊號。因此，當使用來 令’忒經放大的核酸（目標物）可與每個受體接觸以測讀

33 200413097 黏結。受體陣列可配置成最近於能在陣列之受體上電濃縮 該些目標的電極，如進一步描述於下列。在另一個具體實 施例中，該分析艙可例如使用電泳及/或層析法根據尺寸來 分離目標核酸。再者（或此外），該分析艙可提供非不能移動 5的受體（諸如分子指標探針）及/或可提供一能沒有受體而偵 測的位置。 光學介面336可在分析部分344的任何合適位置處測量 樣品處理。例如，光學介面可包括個別的發射器_偵測器 對，而如上所述般用來在放大艙366中監視核酸之放大，及 10用來在分析艙368中處理後偵測該經放大的核酸之黏結及/ 或位置。再者（或此外），該光學介面可透過晶片流體網路348 來監視流體移動。 第15圖顯不流體（試劑及/或樣品）在樣品處理期間移經 流體網路346及348的典型方向，其由粗箭號指出，如顯示 15在37〇。通常來說，流體從試劑貯存器352流經樣品輸入位 置350及預處理艙354而至廢料艙356及分析部分344(參見 下列）。從流體處理部分342輸入分析部分344的流體可流回 至廢料驗356，或可移動至在分析部分中的其它流體腔。 第16圖為一流程圖，其闡明_用來操作具有控制裝置 2〇 312的卡S314 ’以在樣品中分析目標核酸的典型方法380。 首先在卡E3U的樣品輸入位置35〇處，例如利用注射將 樣品引進（負載），如顯示在382。其次，將含有此樣品的卡 £包連接至控制裝置314(如顯示在38句，例如藉由將該卡n 與凹槽316配對而電接觸。如在386處指出，此負載及連接 34 可以類倒順序來進行’亦即’該樣品可在已連接至臀制 裂置後引進該切。然後，可啟動該切關始處理，如 顯示在谓。該何可由使用者經由使用者介面330輸入、 藉由將該卡錢接至雜制裝置、藉由引進-樣品及/或其 麵似方法來啟動。在啟動後，預處理該樣品，如顯示在390。 該預處理典型地為將該樣品移動至預處雜354，且處理該 樣品以釋放及分離賊(當需料），如進—步描述在下列。 該些經分漏《通常可藉由顧鶴而流動而移至在分 析部分344中的濃縮器364,且滚縮，如齡在392。若需要 時’可使用能把有興趣__為目標之引子，選擇性地 放大該些經濃縮的核酸’如顯示在394。其次，可例如藉由 將-文體或讀陣列與該些經放大的核酸接觸來分析該些 經玫大的滅，如顯示在396。然後可光學及/或電债測分 析結果，如顯示在398。 第17圖為一典型的自身包含之流體網路4〇2的更細部 表示圖’该網路由各別在卡匣314的流體處理部分342與分 析部分344中互相連接之流體網路346,348形成 。該些艙由 長方形或由圓形表示。連接該些艙的通道4〇4則由平行線表 示。如所顯示’通道4〇4於該些管道穿越在二個部分間之介 面405的位置處流動地連接流體處理部分342與分析部分 344。閥406由實心，，領結”(封閉的閥）或由未填滿的領結（打 開的閥，參見下列）表示。該些閥典型地可經電啟動，因此 可包連接（無頭示）至控制裝置312。再者（或此外），該些閥 可藉由在控制裝置312上之電啟動的閥螺線管/調節器機械 35 200413097 地操作。典型的閥包括螺線管閥及單一用途閥。選擇性氣 體排出孔408則由在管道終端的細長方形表示（例如，參見 在分析鈿368上的排氣口）。合適的閥及排氣口則進一步描 述在第III節中。 5 第17圖顯示出該卡匣已準備好接收樣品且已被啟動。 因此，該卡匣已在試劑貯存器352中預載入試劑，如由點描 代表流體而顯示。預載入的試劑貯存器352可攜帶具有合適 的pH、緩衝容量、離子強度、溶劑組成物等等之清洗溶液 410,412。一個或多個貯存器352亦可攜帶一溶解試劑414， 10其可包括例如促溶劑、高或低離子強度的緩衝液、一個或 多個離子或非離子清潔劑、有機溶劑及/或其類似物。再 者，一個或多個貯存器352可包括一放大混合物，諸如PCr 混合物416，或任何其它混合物（包括一種或多種放大試 劑）。通常來說，可使用任何能選擇性地與有興趣的核酸雜 15 交之核酸作為一放大試劑。 卩《1混合物416通常包括一合適的緩衝液、河8+2、用來 遙擇性放大目標核酸的特定引子、dNTPs、熱穩定的聚合酶 及/或其類似物。可例如如上所述般以染料或生物素來標定 一個或多個引子及/或dNTPs。PCR混合物416可以任何其它 20 合適的放大混合物置換，以由該卡匣所執行的放大方法為 準。再者，為了分析RNA，PCR混合物可包括一逆轉錄酶 酵素。再者，一分離的貯存器可提供一使用RNA作為模板 來進行互補DNA之合成的試劑（通常在放大之前）。 可安裝一試劑貯存器352以基於機械驅動的流體流來 36 200413097 輸迗/瓜脰。例如，試劑貯存器352的結構可為一可收縮的袋 子而在母们‘子上具有彈力或其它能發揮正壓力的彈筈 :構再者试劑貯存器松可以一氣體加壓。諸如此的加 壓機制’可操作閥梅以選擇性地控制從每個貯存器來傳送 5 "式d第111節彳田述額外產生機械驅動的流體流之典型機制。 卡E3H包括—些用來進行不同功能的内部艙。該些内 部艙包括廢料艙356，於此實例中，二個廢料搶標為A及B。 廢料心356接收來自試劑貯存器352(及來自樣品輸入器 的流體’因此可包括排氣口顿以允許氣體從該些廢料舱排 10出。内部艙（通路）可包括一樣品艙418、一過濾器堆疊420 及晶片艙364、366、368。將樣品艙418及過濾器堆疊420安 裝成可各別接收及預處理樣品（如進一步描述在下列）。分析 艙368可藉由一調節排氣口 422排氣，亦即，一可控制排氣 口 408的閥406。該些内部艙及/或通道4〇4的一些或全部皆 15可裝填合適的流體，例如作為卡匣製造的零件。特別是， 可裝填分析部分344的艙/管道。相同地，在卡匣啟動前可 不裝填某些搶及/或管道。 第18圖為在負载樣品期間卡匣314中流體移動的啟動 區域。於此（及在第19-22圖中），粗點描表示啟動區域，然 20而淡點描表示在卡匣別處的貯存器中之試劑或廢料。在樣 品輸入位置350處’載入樣品（諸如以液體為基礎的樣品）及 由樣品驗418接收，此通常遵循一以424指出的路徑。可負 載的樣品體積於此由在樣品艙418上的排氣口 408，及由樣 品艙418的容量所限制。一旦填滿樣品艙418，排氣口 4〇8會 37 200413097 提供-限制引進其它樣品的反壓。再者(或此外卜可將電或 光學流體感應器（無顯示)放置在樣品搶418内或繞著該搶放 置’以當到達樣品容量時可發射出訊號。在樣品艙下游 的閱426可防止該樣品同時流到過渡器堆疊樣’或該樣品 可從樣品輸入位置350直接备番 直接負細Η—堆疊JL，例如， 藉由透過廢料艙A排出。 該樣品可為任何合適的形式，例如，可為 實 ίο 即 第IV節中的任何樣品。但是，可安裝描述於此的卡昆呈於 實施例Μ析«427’因此該些樣品通常包含核酸= '，DNA及/或RNA)或猜想有攜帶核酸。核酸427可攜帶在 組織或生物粒子中、可在來自於此的萃取物中及/或可” 分或元全純化。細胞428、病毒及細胞器為典型的生物粒 子。所負載的樣品體積可為任何合適的體積，以樣品的可 用度、小體積的處理容易性、左 15或懷量等等為準。在樣。。中富含的目標核酸及/ 第19圖顯示出在樣品預處理期間於卡㈣巧 動的啟動區域。溶解試劑314可沿著路徑似ϋ由打„ ㈣、432、434㈣進°因此，該溶解試劑典型地可將樣α 與其核酸427從樣品艙418«至W堆疊420。過量的I 20體可帶至廢料搶Α。通常可安裝過渡器堆疊以進行核酸二 離，亦即，經由至少三種功能的任何—種或全部來至少: 樣品廢棄材料部分分離：粒子過濾、從樣品釋放_及;^ 留釋放的核酸。廢棄材料於此尤其定義為任何不 趣 的核酸相符合之樣品衍生組分、複體、集料或微粒。典^ 38 的廢棄材料可包括細胞或病毒的殘骸、完整的細胞或病毒 粒子、細胞薄膜、細胞質組分、可溶的非核酸材料、不溶 的非核酸材料、不感興趣的核酸及/或其類似物。廢棄材料 亦可為樣品衍生的流體，可移除其來濃縮該些核酸。 過濾可為任何由過濾器進行之尺寸選擇過程，其可機 械地保留細胞、粒子、殘骸及/或其類似物。因此，該過濾 器堆疊可局限該樣品粒子(細胞、病毒等等）以中斷處理，亦 可移除會干擾下游處理及/或流體在卡匣流體網路402中流 動之微粒狀物質。合適於此第一功能的過濾器可包括小孔 W薄膜、纖維過濾器、窄通道及/或等等。在該過濾器堆疊中 可包含一個或多個過濾器。在某些具體實施例中，該過濾 器堆疊包括-串列的過濾器，而在該串列内沿著流體流動 方向具有減低的排阻極限。此串列安排會減低速率，因為 過濾器變成由粒子阻塞。 … 15 保留在過濾器堆疊420上之樣品可接受一處理，以在該 樣品中從未處理及/或較少使用的形式中釋放出核酸427。 再者（或此外）’該釋放處理可在樣品滯留在過濾器堆疊上之 刖進打。該處理可改變細胞表面、核及/或粒腺體薄膜的完 整性及/或尤其可解聚亞細胞結構。典型的釋放處理可包括 20壓力改、交（例如，音波或超音波/脈衝或由通道變窄來產生壓 力降(如在法國出版社(Frenchpress)中））；溫度偏移（加熱及 /或冷卻），電處理，諸如電壓脈衝；化學處理，諸如以去垢 劑、促溶劑、有機溶劑、高或低鹽等等；在流體腔内的凸 出物（諸如釘狀物或尖銳的邊緣）；及/或其類似物。於此， 39 200413097 核酸427可在從攜帶核酸的細胞428釋放後顯示出。 核酸坪留通常在過濾器下游執行。核酸滞留可由黏結 可逆的核酸427之滞留基材執行。合適於此第二功能的滯留 基材尤其可包括小珠、粒子及/或薄膜。典型的滞留基材可 5包括正電荷樹脂（離子交換樹脂）、經活化的二氧化矽及/或 其類似物。一旦保留核酸427，可讓其它溶解試劑或清洗溶 液移動通過該經保留的核酸427，以沖走未受保留的污染 物。 第20圖為在從過濾器堆疊420中釋放核酸427與於分析 10部分344的濃縮艙364中濃縮該經釋放的核酸427期間，在卡 匣314中流體移動的啟動區域。流體從清洗溶液八沿著流體 路徑436經由樣品艙418及過濾器堆疊420流（顯示在41〇)至 可區別的廢料艙(廢料艙B)。為了開始沿著路徑436流動， 關閉閥430及434，而閥432仍然打開且打開閥438及44〇。可 15安裝清洗溶液A以釋放保留在過濾器堆疊4 2 〇中的核酸4 2 7 (參見第19圖）。因此，可根據核酸427由在過濾器堆疊中的 滞留基材保留之機制來配製清洗溶液A。釋放保留的核酸用 之清洗溶液尤其可改變流體的pH、離子強度及/或介電常 數。典型的清洗溶液可包括一高或低pH、高或低離子強度、 20有機溶劑及/或等等。預處理可提供來自樣品的核酸之第一 步驟 >辰Ifg及純化。 釋放的核酸427可在濃度艙364處進一步濃縮（及純 化）。濃縮艙364典型地可在分析部分344中形成，且包括一 個或典型地多個電極。在該經釋放的核酸輸入濃縮艙364前 40 200413097 或§此進行之時，該些電極的至少一個可施加電偏壓（正）。 結果，流經濃縮艙364的核酸427可被吸引至電極且由正偏 壓電極保留。攜帶核酸427的大流體及其它清洗溶液A可繼 縯至廢料艙B。因此，核酸427可經濃縮且可藉由滯留在潭 5縮艙364中而進一步純化。此核酸427的濃度可允許分析部 刀344 /、有體積非常小的流體腔，例如，該發生處理的腔具 有少於約_微升的流體容量。電極結構、數目、配置及塗 佈物的進一步觀點則描述在下列。 第21圖顯示在經濃縮的核酸傳送至分析部分344之放 10大艙366期間，於卡匣314中流體移動的啟動區域。如所顯 示’流體典型地從艙352(容納PCR混合物416)沿著流體路經 442流至放大艙366。為了沿著路徑442啟動流動，當該保留 的正偏壓從在濃縮艙364中的電極移除時，關閉閥438及 440 ’且打開閥444及排氣閥422。PCR混合物416可藉由流 15體流動而攜帶核酸427。再者，可授予在放大艙366中的電 極一正偏壓（參見下列），以將核酸427電泳地傳送至預載入 PCR混合物416的放大艙366。在任一實例中，可限制過量 流體流出放大驗366及進入分析搶368，例如，可藉由電或 光學感應器（無顯示）來監視在連結通道446中之流體程度， 20 且適時地發出訊號來關閉排氣閥422。在某些具體實施例 中，濃縮艙364首先可在核酸427移動至放大艙366之前與 PCR混合物416平衡。例如，PCR混合物416可在移除於濃縮 艙364中的保留正偏壓及打開排氣閥422前，直接透過打開 的閥440至廢料艙B。位於放大艙366中之核酸427可例如藉 41 200413097 由等溫培育或熱循環來放大，以選擇性地增加在核酸427當 中有興趣的核酸目標物（或目標區域)447之量，或在某些實 例中，可保持未放大。 第22圖顯示出在該經放大的核酸447傳送至分析部分 5 344的分析艙368期間，於卡匣314中流體移動的啟動區域。 流體沿著流體路徑448從容納清洗溶液B的艙352中流至分 析艙368。流體路徑448可藉由打開閥450及排氣閥422而啟 動。過度填充的分析艙368可例如藉由在排氣閥422上的排 氣口 408來限制；或尤其可由一監視流體位置且能發出訊號 10關閉閥45〇的感應器來限制。如上所述，核酸427及經放大 的目標核酸447可藉由流體流動及/或使用配置在分析艙 368中的電極來電泳地傳送（參見下列）。在某些具體實施例 中’放大艙366首先可藉由關閉排氣閥422及打開閥44〇、45〇 而與清洗溶液B平衡，因此指揮清洗溶液b經由放大艙 15 366、濃縮艙364而進入廢料艙B。再者（或此外），經放大的 核®变447可電泳地傳送至預載入分析溶液的分析搶368。 可在分析艙368中分析經放大的目標核酸447(及經分 球的核酸427)。例如，分析搶368可包括一個或多個用來鑑 狀/或定量核酸之經定位的受體（-位置陣列），如描述在 20第III節中。可藉由在分析餘遍中配置成靠近受體的電極來 輔助經放大的核酸447與受體之雜交作用。該些電極可以相 繼的方式來施加正偏壓，以指揮該些經放大的核 酸至該陣 列的各別成S (或子群)。在電泳地移動該經放大的目標核酸 447至該陣列的許多或全部位置以允許特定的 黏結或雜交 42 200413097 作用後，未黏結或未雜交的核酸可經電泳及/或藉由流體流 動而移除（於此無顯示）。 第23及24圖顯示出分析部分344之經選擇的觀點，其各 別為從卡匣314外部觀看的平面及截面。分析部分344包括 5 一基材部分458。基材部分458至少部分定出該分析部分的 流體腔輪廓。該基材部分可包括一基材460。該基材部分亦 可包括電子電路系統358及/或在基材上形成且配置成靠近 基材的表面462之薄膜層。該電路系統的薄膜電子元件與網 路348的流體腔每個可配置成靠近該基材的共同表面，以便 10該些電子元件可緊密地與該流體網路的區域平行及/或與 其有流體接觸。因此，可安裝該薄膜裝置以修改及/或感應 在流體網路348中的流體（或樣品/分析）性質。典型可用做基 材460的材料為矽，典型為單晶矽。其它合適的基材材料及 性質則描述在下列第III節中。 15 流體網路348或一個或多個流體腔之經流動連接的流 體空間可在靠近基材的表面462處，使用基材部分458與阻 流物463合作地定出輪廓。該流體空間可決定用來在基材部 分與阻流物間容納流體的總流體容量。名稱"合作地定出_ 廓’’意謂著該流體空間（或其流體腔）實質上（或完全地）配置 20在基材部分458與阻流物463之間。阻流物463可為任何能透 過阻障物來防止流體實質上從流體網路348或其腔逃逸出 或引出該元件之結構。防止流體實質上從卡匣引出意謂著 大滴、小滴或流體流不會穿透過該阻流物而離開該元件。 因此’該阻流物可無能將流體網路348流動地連接至該元件 43 5 的區域外部之開口。緣卩且肌柳外〜风切肥抬、封〜在由 流物與基材部分間之接合處所定出的輪廓周 ^ 乂防止流 立貫質上在接合處從卡匣中引出。典型來說，謗阻、、令物亦 會限制流體網路348的蒸發損失。 10 可如下形成流體網路348。基材460的表面462及/或兩 路系統358可定出流體網路348的基礎壁464之輪廓。可在= 面462及基礎壁464上方配置一經圖案化的通道層4的，以定 出側壁468的輪廓。通道層466可由任何合適的材料形成， 包括（但是非為限制）負或正光阻(諸如SU-8或PLP)、聚醯亞 胺、乾薄膜（諸如杜邦理斯通(DuP〇ntRist〇n))及/或玻璃。用 來圖形化通道層466的方法可包括光微影光刻程序、顯微機 械處理、鑄模、壓印、雷軸刻及/或其類似的方法。遮蓋 物470可配置在通道層466上且與基底4料間隔開，以密封與 電子電路系統358間隔開之流體網路348的頂端區域（參見 15 第24圖）。遮盍物470可為一與通道層466分隔開的構件(諸如 一黏結或其它方面接附至通道層466的層），或可與通道層 466整體地形成。在任一實例中，阻流物仆3可包括一逆著 流體移動密封且跑出卡匣之相對立的邊壁471。當分析物透 20 過該遮蓋物光學地偵測時，遮蓋物47〇可例如為透明的玻璃 或透明的塑膠。再者，例如，當分析物用電偵測時，遮蓋 物470可為光學不透明。流體網路348可包括空間可區別的 艙364、366、368(如上所述），以進行可區別的方法；及/ 或可在共用的流體腔中進行可區別的方法。 可在基材460的表面462上形成及由其攜帶至少一電路 44 系統358的薄膜部分。 出-個或多個w 系統典型地包括至少部分地定 一 电子$路輪摩的薄膜層。該電料 _，其可在流體網路348中 == mtr1節)通常可透過在基材上（“在表面匕^ pm衣3^成的半導體電路系統（包括訊號處理電路 系、、先)“接至電接觸塾474(參見第 n:f上可控制—較大數㈣電極：= 件。在g的具體實施例中，接㈣474諸如以 路電連接至接觸318。 All 、包極472可具有任何合適的組成物、分佈及塗佈物。合 適於電極472的材料有導電材料，諸如金屬、金屬合金或金 屬衍生物。典型的電極材料包括黃金、鈾、銅、銘、鈦、 、烏至屬石夕化物及/或其類似物。電路系統说可沿著流體 網路348的基礎464，於-個或多位置處包含電極。例如， 15如顯示於此，電極可配置成眾多分隔開的單元，而沿著通 迢/艙以單一縱列（如在濃縮器364中）及/或以二維陣列（如在 艙366,368中）排列。再者（或此外），電極472可為細長或具 有任何其它合適的形狀或許多形狀。每個電極472可以各別 的基礎來施加電偏壓（正或負），以便核酸可由電極吸引或排 20斥，或該電極可無施加電偏壓。電偏壓可以任何合適的空 間及時間方式，藉由控制裝置312及/或卡匣314來進行控 制’以想要的核酸滯留及/或指揮性移動為準。電極472可 塗佈一滲透層以允許電極可在流體腔中存取流體及離子， 而排除較大的分子（諸如核酸)與電極直接接觸。此直接接觸 45 200413097 會化學地損傷該些核酸。合適的電極塗佈物尤其可包括水 凝膠及/或溶膠-凝膠，且可利用任何合適的方法（諸如濺 鑛、旋轉塗佈等等）來塗佈。典型的塗佈材料尤其可包括聚 丙烯酿胺類、璦脂膠糖類及/或合成的聚合物類。 5 刀析部分344可流動地連接至流體處理部分342。此連 接可使用任何合適的介面通路（或單一通路）來連結卡匱的 /瓜體網路346,348。&流體連接可讓流體相對於流體腔安排 出路徑，亦即，出及/或入該流體腔的路徑。 流體網路346,348可由基材46〇及/或阻流物463空間地 1〇分隔開。當由基材460分隔開時，該介面通路可延伸過基材 460(通常在基材460的表面462與相反表面476之間），以連結 該些流體網路。該介面通路可描述為一進料結構，以定出 流體移動路徑的輪廓。再者（或此外），一個或多個介面管道 可繞著基材460的邊緣478延伸（第23圖），以連接至流體網路 I5 346(第17-22圖）。例如，該介面管道可延伸過通道層楊及/ 或遮蓋物47G，但是逆著實質上來自卡^的流體出口密封。 在另一個具體實施例中，流體網路346,348可由阻流物463 二間地分隔開而非基材460，且某些或全部的介面管道再次 延伸過阻流物463以流動地連接至流體網路346。 2〇 在所描述的具體實施例中，該介面通路（標為480a至 480e)會延伸通過在相反的基材表面間之基材46〇 (參見第 22-24圖）。介面通路480可將該流體處理部分的任何流體腔 流動地連接至流體網路348的流體腔，此通常可藉由直接連 結至二個部分的流體導管或艙。例如，介面通路4如可將試 46 劑貯存器352連接至分析部分344的艙(364-368)、將艙分析 部分連接至廢料艙、預處理艙420連接至分析部分的艙、將 二個或多個分析部分的艙彼此連接（無顯示）、將樣品輸入位 置350直接連接至分析部分的艙（亦無顯示）及/或尤其將分 5析部分的艙連接至閥及/或排氣口（諸如閥-排氣口 422)。該 分析部分之每個各別的腔可直接連接至任何合適數目的介 面通路480。於此，濃縮艙364有三個（480a-480c)，而放大 舱366及分析艙368每種各有一個（分別為480d及480e)。 第24圖顯示出介面通路48〇e如何將分析部分344流動 地連接至^體處理部分342。安裝介面通路48〇e以沿著流體 路徑482從分析艙368將流體攜帶至閥-排氣口 422(參見第22 圖）。該介面通路可將流體攜帶至流體處理部分342的通道 (或眾多通道)404。每個通道404可透過流體歧管484(其可在 流體處理部分342中導引流體至一個或多個通道4〇4)連接 15至介面通路480，且在分析部分344中連接至一個或多個流 體腔。因此，分析部分344可例如藉由使用黏著劑486來固 定地連接至流體歧管484。 介面通路可具有一會沿著其長度改變的直徑（通常平 行於流體流動的方向來測量）。例如，介面通路48〇e在該通 20道末端區域處與基材46〇之表面462毗連的直徑會比在由基 材460所定出輪廓的中間區域内之直徑還小，以形成一用來 安排流體路徑的開口 488。該開口可藉由將流體導至流體腔 及/或從其導出來安排流體路徑。開口 488典型地毗連一流 體腔。該流體腔可至少部分地由該阻流物定出輪廓，可安 47 衣其以便無法將流體局部地從时引 即，直接通過該阻流物而出去。該流體二件，亦 阻流物之間合作騎出輪廓。該開σ可包括二精與 (或板狀物)492的周圍區域，其 >成突出物 460。開口488·任何合適的越，、==至觸基材 米的直徑。♦咖侧基==^至刚微 10 ΓΓΓ。厚朗㈣㈣糊_恤度及_ 第25-31圖為典型使用來製造分析部分的方法以在分 斤邛刀344中逐步形成介面通路480e、開口 488及八4 3 Ί ⑽及分析艙 1 ^ °財法包括薄膜沉積及圖形化步驟。於此，圖形化通 15常指為在例如選擇性將該薄膜層之區域曝露至光後圖形化 來移除該薄膜層的方法。 第25圖頦示出一合適於分析部分的起始材料：—實質 上平坦的基材460，其具有相對的表面462,476。描述於此 的方法可以一薄的矽基材來進行，例如厚度約〇1至2毫米 20 Q ^ jr; 1 . 一 米。該基材可在加入薄膜層49〇期間及/或之後 (但疋典型地在之前）於表面462處改質， 以包含N-及p-摻雜 區域（其可形成電晶體、FETS、雙極元件及/或其它半導體 電子元件（無顯示））。 第26圖為在基材46〇的表面462上塗佈及圖形化薄膜層 48 200413097 49〇後之分析部分。薄膜層携可包括任何合適於使用來形 成及/或保護電路純358的導電部分薄膜。薄膜層可由導 電材料(例如，以形成電極及在元件間之導電連接）、半導許 材料（例如’以使祕及P-掺雜材料來形成電晶體）及/或^ 5緣材料(例如’鈍化層）來形成。薄膜層可利用習知的方法來 塗佈及圖案化。可圖案化至少—層於薄膜層柳，以定出開 口 488周圍494之輪廓。 第27圖為在未圖案化的通道層條已配置在薄膜層例 及開口 上後之分析部分。可塗佈一適當厚度的通道芦 1〇 4% ’典型的厚度約卜細微米，更典型為2-刚微米或^ 為5-50微米。通道層496(及阻流物）用的典型材料則描述在 上述。 第28圖為在姓刻遮罩498已加入至基材偏的相反表面 476後之分析部分。可塗佈—具適當厚度的㈣遮罩層，且 15在局部區域（或區域)處選擇性地移除而定出開口 的輪 廓。開口50G可具有任何合適的直徑，但是典型的直徑大於 開口 488之直徑。開口 500可配置成與開口 488相對，以便孔 洞500可投射到薄膜層上而在該基材中形成可圓周地圍 繞開口 488之相符合的通道或通孔5〇1。 20 帛29®為在介面職48Ge之歸區域形錢，且在移 除姓刻遮罩视後之分析部分。基材偏通常可從表面桃沿 著由孔洞500定出的體積(參見第28圖）直角地姓刻以產生通 道50卜可使用任何合適賴刻程序來形成介面通路她的 基材部分。但是’典魏使料歧應，轉子。 49 200413097 一層或多層的薄膜層49〇可作為蝕刻終止處，以便形成突出 物區域492。在餘刻後，該遮罩可從相反表面476剝除或遺 留在該表面上。 第30圖為在已選擇性移除該未圖案化的通道層496之 區域而形成經圖案化的通道層466後之分析部分。該選擇性 移除可利用任何適當的方法來進行 ，例如，光圖形化層496 接著頒影该經光圖案化的《或雷射燒除。 第31圖為在接附遮蓋物470後，但是在將該分析部分經 由歧& 484固定至流體處理部分342前 ίο 之完成的分析部分 3 4 4 '、、、二物470了利用任何合適的方法接附至阻流物々μ， 諸女可以黏著劑、施加熱及壓力、陽極黏結、音波焊接及/ 或習知的方法。 第32圖為一在分析部分5〇4中形成的晶片内通路 部分夺_ 15 不回。日日片内的通路502可經由開口 488從表面462輸 曰及弓I出基材46G ’而沒有延伸至相反的表面。因此， 片内的通路5〇2可與在卡昆部分風344間延伸之介面通 48〇有區別 曰ΰ 20 分々％ _ J曰曰片内的通路502可使用來安排在由基材部 秤 B作地定出輪廓的艙5 06與阻流物5 0 8間之流體路 再者（或此外），晶片内的通路可使用來混合流體（參見 )以進行反應或分析及/或其類似物。 第33 1 -5圖為使用典型的方法在分析部分504中逐步形 曰片内的通路5〇2。材料及製程步驟通常如描述於上述 圖。λλ· 、 。。昂33圖為在薄膜層490已於基材460的表面462卜 形成且緩11安儿t / 、司木化而形成多個開口 488後之製造階段。第34 50 200413097 為在基材460上於開口 488下異向性蝕刻以形成一基材凹槽 或溝槽510後之分析部分。再者，溝槽$ 1〇可藉由等向性蝕 刻來形成。在任一實例中，蝕刻劑可經由開口 488進入基材 460來側蝕薄膜層490,因此可連結配置在每個開口 488下的 5局部凹槽512，以形成溝槽510。因此，開口 488典型地經緊 始、地間隔開，而足以允許在基材46〇蝕刻期間可流動地連接 凹槽512。第35圖為在使用阻流物5〇8形成艙5〇6後之分析部 分504。於此，阻流物508包括通道層466，以定出艙側壁及 遮盍物470的輪廓，以密封艙5〇6的頂端。一個或多個由薄 10膜層490定出輪廓且使用來形成溝槽51〇的開口狀8可由通 道層466阻擋。例如，於此的中央開口已由通道層仆6密封， 如顯示在514。 第36圖顯示出具有歧管通道別的分析部分训。歧管 通逼518為-橫穿基#的通路，其可流動地連接至二個或多 15個在薄膜490中的開口488。於此，開口概可將歧管通道518 流動地連接至二個艙506。但是，歧管通道518可流動地連 接至任何在分析部分的流體網路中之合適數目的腔。歧管 通逼518可使用來從流體處理部分342接收(或輸送)流體，例 如以將流體輸送至-個或二個仙6;或可接收流體。歧管 2〇通道518亦可使用來讓流體在驗5〇6之間傳導，如第μ圖所 私出。用來形成歧管通道518的典型方法為在形成於第_ 中之溝槽510後遵循概述在第27_31圖中之程序。 帛·顯包妓錢532时析部分训之上視 平面片斷圖。混合艙532具有—類似於第34圖的溝槽510之 51 溝槽534,其可在眾多開口 536處於薄膜層下形成(於此顯示 2六個輸入口及一個輸出口）。溝槽534從分析部分53〇的流 體網路藉由眾多的輸入通道538,54〇進料，其可沿著由箭號 所礼出的路徑將流體攜入輸入口。每個溝槽可使用插入幾 可牟〜著溝槽來將流體（通常為可區別的流體）導入溝槽 534，以允許在溝槽内將來自眾多通道的流體混合。該經混 合的流體在輸出口 536處流出溝槽534(顯示在542)，以將流 體導回該分析部分530的流體網路之輸出通道544。在另一 個具體實施例中，可連接任何合適的輸入及輸出通道數目 1〇 以經由任何合適的開口 536數目來混合艙532。 第38圖更詳細地顯示出分析部分344之經選擇的部 分，特別是薄膜層490。典型的薄膜可包括場氧化物(F〇x) 層552(從基材460形成）及一配置在阳又層552上之磷考酸 鹽玻璃(PSG)層554。FOX層552可提供一絕熱隔板以熱絕緣 15加熱效應。PSG層554可從開口 488處拉回（顯示在555)，以 避免流體與PSG層接觸，因其可能有腐蝕效應。因此，psG 層554可疋出一經保遵的開口輪廓，其直徑大於流體-接觸 開口 488。该些；4膜亦可包括一由任何合適的電阻材料形成 的電阻層556，諸如钽鋁(TaAl)。電流從連接導體（其可由任 20何適當的導電材料形成，諸如鋁或鋁合金（無顯示）)通過電 阻層556。該電阻層會產生熱，其尤其可藉*F〇x層552與 基材460絕緣。可以一或多層鈍化層558來遮蓋這些薄膜。 合適於鈍化層的材料尤其可包括氮化矽（Si3N4)或碳化石夕 (SiC)。於此，並無顯示額外可配置在基材表面上及/或下之 52 200413097 電子電路糸統部件，老如電極、電晶體及二極體。 ιιι/^ΜΜΛΑ 微流體系統可提供用來操控及/或分析樣品。微流體系 統通常包括用來接收、操作及分析非常小體積的流體(液體 5 及/或氣體)樣品之元件及方法。該些小體積可由一個或多個 流體通路攜帶，其至少一個典型地具有一在約0.1至500微 米之間（或更典型地，少於約100微米或50微米）的橫截面維 度或深度。該微流體元件可具有任何合適的總流體容量。 因此，在微流體元件内的一個或多個區域處之流體可具有 10 層流而含有最小的紊流，一般特徵為低雷諾(Reynolds)數。 流體腔可在微流體元件内流動地連接。流動地連接或 流動地連結通常意謂著在元件内存在有一用來在腔間流體 傳遞路徑。該路徑可每次打開或可由打開及關閉的閥控制 (參見下列）。 15 不同的流體腔可在微流體元件内攜帶及/或容納流體 且可由该元件圍繞。該攜帶流體的腔可為通路。該通路尤 其可包括任何已定出輪廓之路徑或導管，其可用來安排流 體在微流體元件内的移動路徑，諸如通道、處理搶、孔洞 2或表面（例如’親水性、帶電荷等等）。容納流體以將其傳遞 至通路或可接收來自通路的流體之腔稱為艙或貯存器。在 =實例中，艙及貯存器亦可為通路，以允許流體流經搶 ，貯存器。在微流體元件内流動連接之趙腔可形成一流 2路或流體空間（其可分核未分支）。如描述於本文，該 <級7〇件可包括單-流動連接的流體網路或眾多個別而 53 200413097 未連接的流體網路。可安裝該具有眾多個別的流體網路之 元件，以同時及/或相繼地接收及操縱眾多樣品。 該些艙可廣泛地分類為終端及中間艙。終端餘通常定 義為流體在流體網路内移動的起始點或終點。此些舱可與 外部環境接合(例如，在元件製造或製備期間接收試劑）或可 僅從在微流體元件内的流體路徑接收流體。典型的終 可作為接收及/或貯存該經處理的樣品、試劑及/或廢料用之 貯存器。終端艙可在樣品分析之前及/或期間負载流俨。中 ίο 間艙在流體網路中具有中間位^，因此可在樣品分^期間 作為處理、反應、測量混合等等通路。 、 微流體元件可包括-個或多個幫浦以推及/或好體 ^流體組分通職體網路。每個心尤其可為—經域驅 動(經壓力調節）的幫浦或電動幫浦。機械驅動的幫浦 15 =力作用而將流體推經該網路1壓力可由彈力、㈣ 乳肢（内部或外部地提供至系統） 式簦、、€ ^ 勹運注射态幫浦、氣流 舞力f 或其綱_。再者（或此外），該經 i力.驅動的幫浦可藉由負壓力（亦即 柄 壓力的區域）而起作用。電動⑽向減低 電泳、，幫浦可使用電場藉由 20 及,、電毛細作狀類财絲促進流體 卿動。在某些具體實施财，該幫浦可為由 =2的微幫浦，尤其例如具峨提供動力的移 之乂隔膜為基礎的幫浦。 括任=述於料微流體元件可包含―㈣。關通常包 。可控制流體流過流體網路的機制，其尤其可為雙向 54 200413097 閥、檢查閥及/或排氣口。例如，可使用閥來阻擋或准許流 體流過該流體通路（亦即，作為二元開關）及/或以調節流體 流動速率。因此，該閥之操作可選擇性地啟動流體網路的 一部分、可分隔流體網路的一個或多個部分、及/或尤其可 5 選擇欲執行的處理步驟。因此，可放置及操作該些閥來輸 送流體、試劑及/或來自流體腔的樣品至想要的流體網路區 域。合適的閥尤其可包括可移動的隔膜或薄膜、可壓密或 可移動的通路壁、球閥、滑動閥、瓣閥、氣泡閥及/或不能 相混合的流體。此些閥可由螺線管、馬達、壓力（參見上述）、 10 加熱器及/或其類似物操作。 合適的閥可為在基材上（或中）與薄膜電子元件（參見下 歹J)一起利用習知的製造方法形成之微閥。該微閥尤其可藉 由靜電力、壓電力及/或熱膨脹力驅動，且可具有内部或外 部螺線管。靜電閥可包括例如多晶矽薄膜或可操作來遮蓋 15 在基材中所形成的孔洞之聚醯亞胺懸臂支架。壓電閥可包 括逆著閥螺線管膨脹之外部（或内部）壓電盤或束。熱膨脹閥 可包括一由隔膜黏結之密封的壓力艙。加熱該艙可造成該 隔膜逆著閥底座膨脹。再者，熱膨脹閥可包括一氣泡閥。 該氣泡閥可藉由一加熱器元件來形成，其可加熱流體以在 20 通路中形成氣泡以便該氣泡可阻礙流體流過該通路。中斷 加熱則氣泡會塌陷而允許流體流動。該微閥可為可逆的（亦 即，能關閉及打開二者）或可為實質上不可逆的（亦即，僅能 打開或關閉的單一用途閥）。典型的單一用途閥為一在流體 通路中（例如，在聚醯亞胺層中）的熱敏感阻塞。此阻塞可在 55 200413097 加熱後被破壞或改性而允許流體通過。 可使用排氣孔例如來釋放由輪入流體腔的流體所產生 之置換氣體。合適的排氣孔可包括允許氣體通過但是限制 親水性液體通過之疏水性薄膜。典型的排氣口為—夠瑞泰 5 克斯(GORETEX)薄膜。 & + 可安裝如描述於本文之微流體元件以進行或提供三個 步驟：輸入、處理及輸出。這些步綠通常依序進行以獲得 樣品，但是當將眾多樣品輸入元件時則可不同步地進 1 輸入允許微流體元件的使用者可從外部世界將樣品引 10進微流體元件。因此，輸入需要—在外部世界與該元件間 之介面。因此，該介面典型地可為一埠、及可為一隔板、 一閥及/或其類似物。再者（或此外），該樣品可在該元件内 從試劑合成地形成。該試劑可由使用者或在元件製造期間 1弓丨進。在較佳的具體實施例中，該些試劑可在製造期間引 15 進且密封進入該元件或卡匣。 然後處理所輸入的樣品。該處理可包括任何能修改樣 品的物理或化學性質（諸如樣品組成物、濃度及/或溫度)之 樣品操控或處理。該處理可將輸入樣品修改成一在樣品中 如更適合於分析分析物的形式、可經由反應來詢問該樣品的 觀點、可濃縮樣品、可增加訊號強度及/或可將樣品轉換成 可债測形式。例如，該處理可萃取或釋放(例如，從細胞或 病毋）、7刀離、純化、遭縮及/或讓輸入樣品富含⑽如，藉 由放大)-種或多種分析物。再者（或此外），該處理可處理 樣品或其分析物，以物理、化學及/或生物學地修改該樣品 56 ^/、析物例如，該處理可包括以染料標定；或與酵素 二：才、”析忒劑或其它反應性材料反應而化學地改質該 、析物。同樣地或再者，該處理可包括將該樣品/分析 #、勿予％理或化學條件或藥劑處理。典型的條件或 5 包括荷爾蒙類、病毒、核酸(例如’藉由轉移）、加 熱、幸虽射、超音波、光、電壓脈衝、電場、粒子輕射、去 垢d PH及/或離子條件。騎（或此外），該處理可包括分 析物-選触配置。可襲性地配置分析物之典型的處理步 1〇 2包括毛細管電泳、層析法、吸附至親和力基質、特定黏 ° 们或夕個經配置的受體(諸如藉由雜交作用、受體配 位基又互作用等等）、藉由分類(例如，根據測量訊號)及/或 其類似物。 可在樣品處理後進行輸出。微流體元件可使用於分析 及’或製備目的。因此，該輸出步驟通常包括從微流體元件 15獲得之任何與樣品相關的訊號或材料。 與樣品相關的訊號可包括一可偵測而直接及/或間接 與經處理的樣品相關之訊號，其可從或由微流體元件測 1。該可偵測訊號尤其可為類比及/或數位值，單一或多重 的值、時間相依或時間無關的值(例如，穩定狀態或終點值) 20及/或平均或分佈值(例如，暫時及/或空間）。 該可偵測訊號在其它偵測方法當中可以光學及/或電 4貞測。該可偵測的訊號尤其可為一光學訊號，諸如吸收、 發光（螢光、電致發光、生物發光、化學發光）、繞射、反射、 散射、圓二色光譜及/或施光性。合適的螢光方法尤其可包 57 200413097 括螢光共振能量傳送(FRET)、螢光壽命(]?1；1)、螢光強度 (FLINT)、螢光偏振(Fp)、總内部反射螢光(TIRF)、螢光相 關的光譜(FCS)、在光漂白後之螢光回收(FRAp)及/或螢光 /舌化的、、、田胞刀類（FACs)。光學訊號可以一非位置性的值或 5 一組值來測量；及/或可具有空間訊息 ，例如，如使用影像 方法來測量，諸如以電荷耦合裝置。在某些具體實施例中， 孩可偵測的訊號可例如為一由在板上的光二極體產生之光 電子成唬。其它可偵測的訊號可藉由表面電漿共振、核磁 共振、電子自旋共振、質譜儀及/或其類似物來測量。再者 10 (或此外），該可偵測的訊號可為電訊號，亦即，一經測量的 電壓、電阻、電導、電容、電力等等。典型的電訊號可例 如牙越細胞薄膜來測量，而作為分子黏結情況(諸如核酸雙 股形成、党體配位基交互作用等等）及/或其類似物。 在某些具體實施例中，可使用該微流體元件來製備樣 15 可輸出之樣品相關的材料包括任何在處理後可排出該 元件之化予或生物學化合物、聚合物、集料、混合物、組 合物）及/或有機體。此樣品相關的材料尤其可為輸入樣品之 經化學修改(合成）、生物學修改、純化及/或經分類的衍生 物。 2〇 該微流體元件可包括用來處理（及儲存）流體及用來進 行刀析之可區別的結構部分，如例示在第II節。可安裝這些 1 =進仃可區別的處理及/或餘步驟。該流體處理部分 二部分分別地形成，且可比該分析部分的流體網路 I間具有更三維的流體網路或流體空間。該流體處 58 200413097 理部分可具有一含有任何合適體積的流體搶，包括一個或 多個流體容量為數十或數百微升至最高約五毫升或更多的 艙。 該流體處理部分可包括一樣品輸入位置（埠）以接收樣 5 品；及多個流體貯存器以容納及輸送試劑及/或接收廢料。 流體處理部分可按規格尺寸切割成些許大於該流體體積， 在某些實例中，此體積大於一微升或一毫升。此外，該流 體處理部分可包括一由一個或多個流體通路所形成之預處 理位置，以將有興趣的分析物與廢棄材料分離，例如，可 10 將分析物（諸如核酸)從包含一個或多個細胞的樣品中分離 出。該流體處理部分通常可定出一非平面的流體網路或流 體空間之輪廓。在非平面或三維流體網路中，該流體網路 的一個或多個部分可配置成從任何共同平面皆大於二毫米。 該分析部分可提供一發生最後樣品處理及/或測量分 15 析訊號的位置。可安裝該分析部分以操控及分析較小的樣 品體積，其通常具有少於約50微升的流體艙，較佳為少於 約10微升，更佳為少於約1微升。 該分析部分可與該流體處理部分區別，亦即，其由可 區別的構件形成而不與流體處理部分共用。因此，該分析 20 部分可分別地形成，然後接附至該流體處理部分以流動地 連接該部分的流體腔。 該分析部分可包括一基材部分及一阻流物。該電子電 路系統可至少部分或至少實質上配置在基材部分與阻流物 之間。該基材部分可合作地以該阻流物於靠近該基材部分 59 2表面處定出—流體空間的輪廓。該電子電路系統可包括 兔子電路（或電路）的薄膜部分或層，其中該薄膜層亦可配置 成罪近基材的表面。靠近或最近於該表面的結構較近於該 5基材表面而非該基材的相反表面。 基材的電性質可決定該電子電路系統（特別是固態電 子開關兀件）是否可相對於該基材及阻流物配置。該基材可 為半導體’以便該電子電路系統的某些部分可在基材内 例如藉由N-及p-摻雜而產生。再者，該基材可為一絕緣體。 於此實例中’全部的電子電路系統可外部地攜帶至基材。 〇合適的基材通常為在相對的表面對上呈平坦狀或為平面， 例如以使薄膜沉積容易。該基材可至少實質上為無機物， 包括如為矽、砷化鎵、鍺、玻璃、陶瓷、氧化鋁及/或其類 似物。 該薄膜電子電路系統包括薄膜或薄膜層。該電子電路 系統的每層薄膜層尤其可在電路系統的操作上扮演一直接 或輔助的角色，亦即，導電、絕緣、電阻、電容、閘及/哎 保護角色。保護及/或絕緣角色可提供電絕緣、化學絕緣以 15 20 防止受流體調節的腐蝕及/或其類似物。該些薄膜層之，声 可少於約100微米、50微米或20微米。再者（或此外）上“ 膜層之厚度可大於約10奈米、20奈米或50奈米。此薄膜。 形成一些電子元件，其描述為電子的乃因為它們可由八析 部分的電子電路系統來電子地控制。可安裝該雷 %件以 修改及/或感應在分析部分的流體腔内之流體性皙。 貝0因此， 该薄膜層的電子元件及部分可配置在基材與該分析1 ^ 60 5 :㉞網路或腔間。典型的 如，電_')、冷命器、幫浦 括;極、加熱器(例 改的性質尤1 次寺4。Q此，該經修 置、分二_^=2,或流雜腔内之分佈或位 品組分之富含量”…亲^刀析物相對於相關的樣 度。再者(或此外)二二二流體分離或流體/分析物溫 析物的條件或位久二置庫可監視或感應流體及/或分 流逮感應器、爾二 10 感應器、電流感應器、電壓應十流體感應器、光學 類似物。結合-修改與—感庳=、分析物感應器及/或其 15 路比較:可變：部:中:電子電路系統與線性反應的電 極體等等)及固態電子開:電元件(電， 2〇 系統可連接至及/或可包括/轉。因此，該電子電路 合，尤其包括電力/地線=合適的輸人及輸出線組 出線及/或時鐘線。電力輪入線、火脈衝線、資料輸 件。資料輸入線可提供能指=電力至修改及感應元 安巢這些Γ、:線可外部或内部地供應至晶片。可 應元件。資料輪別的資料組而啟動修改及/或感 料，例如，來自0 _收來自分析部分的電路系統之資 出的速率，可提件的數位資料。根據資料輸入及輸 早—資料輸入/輸出線或眾多資料輸入/ 61 200413097 矜出、、、乳低資料速率，則單一資料輸入/輸出線即足夠；作 咼勺速率（例如，以驅動幕多並列的薄膜元件），則需要 i卞或夕條貝料輸入線及個別的資料輸入/輸出線。時鐘線 可提供製程的時序，諸如從一控制器傳送及接收資料 ;下列）。 ^ ίο 15 20 可女微流體元件，以由_控制裝置或控制哭抑 制。因此，該微流體元件可例如導電地、電容地及/或電^ 地電連接至控制器。該控制器可提供上述描述的任何輪入 及/或輸出線。此外，該控制器可提供—使用者介面、化 =、可提供一個或多個伯測器及/或可提供—機械： ^的控㈣功能包括操作及/或提供閥、幫浦 n光源、加熱器、冷卻器及/或等等，以修 在微流體元件巾n樣品及/或分析物/ 1應 牛=體元件、流體處理部分、分析部分及控制器之進 π點尤其描逑在上述如節中。 IV·樣忌 安褒如描述於本文的微流體系統以處 通常包括任何有興趣而可 ’-品 斜，以为析有興趣的材料( 的材 的目的。該樣品通常呈右__ 以修改其而用於製備 統修改之有興趣的性質(例如:::統:量或可有利地由系 養等等）。該樣品可包括任:、分類、衍生、人工培 物、萃取物、複體、粒子、^物/聚合物、集料、混合 有興趣的分析物及/或材；田胞及/或其組合。該些 次材枓可形成任何樣品部分，例如，在 62 200413097 樣品中為主要、較少或微量的組分。 該樣品（及因此包含在其中的分析物）可為生物學的樣 品。生物學樣品通常包括細胞、病毒、細胞萃取物、由細 胞產生或相關的材料、候選或熟知的細胞調節劑及/或其人 5 類製造之變異。細胞可包括來自任何單細胞或多細胞有機 體之真核及/或原核生物細胞，且可為任何型式或型式組。 由細胞產生或細胞相關的材料尤其可包括核酸（DNA或 RNA)、蛋白質（例如，酵素、受體、控制因子、配位基、結 構蛋白質等等）、荷爾蒙類（例如，核荷爾蒙類、前列腺素、 10 白三稀素類、氧化氮、環核苷酸類、胜肽荷爾蒙類等等）、 碳水化合物類（諸如單-、二-或多醣類、聚醣、糖蛋白類等 等）、離子（諸如鈣、鈉、鉀、氯、鋰、鐵等等）及/或其它新 陳代謝產物類或細胞引進的材料。 生物學樣品尤其可為臨床樣品、研究樣品、環境樣品、 15 法醫樣品及/或工業樣品。臨床樣品可包括任何能獲彳于用來 診斷及/或預報目的之人類或動物樣品。典型的臨床樣品可 包括血液（血清、全血或細胞）、淋巴、尿、排泄物、胃成分、 膽汁、精液、黏液、陰道抹片、腦脊髓液、唾液、汗水、 淚水、皮膚、頭髮、組織活體組織切片、抽吸液、外科樣 20 品、腫瘤及/或其類似物。研究樣品可包括任何與生物學及 /或生理醫學的研究有關之樣品，諸如人工培養細胞或病毒 (野生型、經設計型及/或尤其是突變型）、其萃取物、部分 或完全純化的細胞材料、分泌自細胞的材料、與藥物篩選 相關的材料等等。環境樣品尤其可包括來自土壤、空氣、 63 水、植物及/或人類製造的結構而欲根據生物學觀點分析戈 操控之樣品。 該樣品可為非生物的樣品。該非生物樣品通常包括任 何不定義為生物學樣品的樣品。該非生物樣品可分析任何 5 合適的無機或有機化合物、聚合物及/或混合物之存在/缺 乏、程度、尺寸及/或結構。合適的非生物樣品可包括環境 樣品（諸如來自土壤、空氣、水等等的樣品）、合成製造的材 料、工業衍生的產物或廢棄材料及/或其類似物。 該些樣品可為固體、液體及/或氣體。該些樣品可在弓| 10進微流體系統之前經預處理或可直接引進。在系統外部的 預處理可包括化學處理、生物學處理(培養、荷爾蒙激素處 理等等）及/或物理處理（例如，以熱、壓力、輻射、超音波 擊穿、與流體混合等等）。可在引進微流體元件前或後將固 體樣品(例士口，組織、土壤等等）溶解或分散在流體中，及/ 15或可在微流體系統内將有興趣的分析物從固體樣品釋放進 入流體。液體及/或氣體樣品可在系統外預處理及/或可直接 引進。 V.分奸 20 用仞〉讀糸、统來分析（分析/試驗）一輸入樣品的觀 可利賴流《統來分析任何合適的生物學或非生物 板口口觀點。合適的觀點可盥一 ，、種或多種由樣品所攜帶的分 析物相關的性質。此此性皙^f 4 —貝了包括存在/缺乏、程度（諸如 =自質在細财之表概料）、尺寸、結構、活性 (，者如酵素或生物學活性）、 皰内之場所、細胞表現型及 64 200413097 /或其類似性質。結構可包括一級結構（尤其諸如核□酸或蛋 白質順序、聚合物結構、異構物結構或化學改質）、二級或 三級結構（諸如局部的對摺或較高級數的對摺）及/或四級結 構（諸如分子間交互作用）。細胞表現型與細胞狀態、電活 5 性、細胞形態、細胞移動、細胞同一性、通訊基因（reporter gene)活性及/或其類似性質有關。 微流體分析可測量一個或多個核酸之存在/缺乏或程 度。每個經分析的核酸可顯現為單一分子或，更典型為眾 多分子。該些眾多分子可相同或實質上相同及/或可共用一 10 區域，其通常有二十或更多個連續的鹼基相同。如使用於 本文，核酸(核酸物種)通常包括一核酸聚合物或多核苔酸， 其形成如為一共價連結的單體次單位鏈。該些單體次單位 可形成多核糖核酸類（RNA)及/或聚去氧核糖核酸類 (DNA)，包括任何或全部的鹼基腺嘌呤、金雀花素、鳥嘌 15 吟、尿。密σ定、胸。密ϋ定、次黃σ票呤、黃嗓呤或肌□。再者（或 此外），該些核酸可為天然或合成的衍生物，例如，包括經 曱基化的鹼基、胜肽核酸、經硫取代的骨架及/或其類似 物。核酸可為單、雙及/或三股，且可為野生型，或重組、 缺失、嵌入、反轉、再排列及/或其點突變體類。 20 核酸分析可包括試驗一樣品，以測量一種或多種核酸 物種(DNA及/或RNA)在樣品中存在/缺乏、量、尺寸、主要 順序、完整性、改質及/或股性（strandedness)。此些分析可 提供基因型訊息及/或尤其可從特別的基因或基因區域來 測量基因表現。 65 200413097 基因型訊息可使用來鑑別及/或定量在樣品中的微生 物，諸如引起疾病的物種。典型的引起疾病之生物尤其可包 括（但是非為限制）病毒，諸如HIV、肝炎病毒、狂犬病、流 行性感冒、CMV、疱疹病毒、乳頭瘤病毒類、鼻病毒類；細 菌’諸如金黃色葡萄球菌（S· aureus)、產氣莢膜梭狀芽孢桿菌 10 (C. perfringens)、腸炎弧菌（v parahaem〇lyticus)、鼠傷寒沙 門氏桿菌（S· typhimurium)、炭疽桿菌（B anthrads)、肉毒桿 菌（C.botulinum)、大腸桿菌(E.c〇u)等等；真菌，諸如尤其包 含在念珠菌屬（Candida)、球孢子菌屬（c〇ccidi〇ides)、芽生黴 菌屬（biast〇myces)、組織漿菌屬（Hist〇plasma)、麴菌屬 (ASpergillus)、接合菌綱(Zyg⑽、梭黴屬㈣⑽麵)及 毛It芽抱菌屬（Trich〇Sporon)中的那些；及原蟲，諸如逢原蟲 (Plasmodia)(例如，活潑癍蟲(p咖㈣、鐮狀癔蟲(p &响腿） 15 及四日兩頭瘇蟲（R malariae)等等）、腸蘭伯氏鞭毛蟲（G. lamblia) ^ E. Histolitica ^ (Cryptosporidium)AN. fow^i。該分析可測定例如人類、動物、植物、食物、土壤 或水疋否傳*或攜帶特別的微生物。在某些實例巾，該分析 亦可提供·特職存在崎定訊息。 20 基口 3L刀析可包括用於臨床或法醫分析的基因筛選， Η如以特別的基因區域存在/缺乏、複製品數目及/ 或顺序。基因師選可合適於產前或產後診斷，例如以筛選 、生夹L別基因性疾病及/或單核㈣同質多形類，·或 找出。基因碎選亦可於患者保養上使用來輔助醫 生例如，以導引藥物選擇、對患者的忠告等等。法醫分 66 200413097 析尤其可使用基因型分析例如來鑑別人類、來測定該人是 否存在於犯罪現場或來測定出身。在某些具體實施例中， 核酸可攜帶及/或可分析單一核酸同質多形類。 微流體系統可使用於基因表現分析，定量地(表現性的 量）或定性地(表現性存在或缺乏）。基因表現分析可例如使 ίο 用逆轉錄_素直接在RNA上、或在互獅DNA(其使用 RNA^i^作為模板來合成）上進行。互補的可在微流體 元件内合成，諸如描述於第„節中的具體實施例，例如，在 分析部分中或在該元件外部（亦即，在輸人樣品之前）。 15 表現性/刀析尤其可有益地用於醫療目的或研究目的。 例如，可使用各制基因或組之表現性分析（曲線)來測 定或預測個人的健康、導引藥物之選擇或其它處理等等。 再者(或料），表現性可在研究應心㈣，諸如通訊基因 二析、篩選姆㈣，蝴一、㈣、抗 體、細菌等等之資料庫)及/或其類似物。 該分析可包括允許測量分析物的性質之處理步驟。此 處理步驟可包括標定、放大、黏結至受體及/或等等。 可進打《以提高該分析物的偵測能力。合適的 20 心咖，叫财光學靖 姻先團、發色團、能量轉移基團等等）、特⑽ 貝侧S，諸如生物素、異岐洋地黃衫 鐵料. 參見表υ及/或其類似物。與標籤 、絨寺寺’ 應(例如’核酸模板化的複製:：::由酵素反 及/或甲基化仙而進行；或可蛋白㈣酸化作用 飞了化孥、生物學或物理地（尤其 67 200413097 例如，光或熱催化）進行。 對核酸分析來說，可進行放大以提高核酸偵測的敏感 度。該放大可為任何能選擇性增加目標核酸物種的富含量 (數目分子）或一在目標物種内之區域的方法。該放大可包括 5 熱循環(例如，聚合酶連鎖反應、連接酶鏈反應及/或其類似 物）或可為等溫（例如，股置換放大）。該放大的進一步觀點 則描述在上述第II節中。 受體黏結可包括將一分析物（或一由分析物存在而模 板化或產生之反應產物）與可特別黏結該分析物之受體接 10 觸。該（些）受體可例如以一陣列接附至一微流體腔，或可在 其中具有一固定位置，或可遍及該腔而分佈。特定的黏結 意謂著該黏結對在混合物中意欲的拍擋具有高度選擇性， 其通常會排除黏結至在混合物中的其它部分。特定的黏結 之特徵為黏結係數小於約1〇_4Μ，及較佳的特定黏結係數小 15 於約10_5M、10_7M或1〇-9Μ。合適於受體分析物交互作用之 典型特定的黏結對則編列在下列表1中。 表1.典型的特定黏結對 第一 SBP成員 第二SBP成員 生物素 抗生物素蛋白或抗生蛋白鏈菌素 抗原 抗體 破水化合物 外源凝集素或壤水化合物受體 DNA 反向DNA ;蛋白質 酵素基材 酵素；蛋白質 組胺酸 NTA(氮川三醋酸） IgG 蛋白質A或蛋白質G RNA 反向或其它RNA ;蛋白質 68 樣品分析（特別是在樣品中核酸分析物之分析）的進一 步觀點則描述在上述第II節中。 姊一咸k於上文提出之公告包括多個可區別之本發明的具 知例。雖，然這些具體實施例每個皆已以特定的形式揭 5示，如揭示及闡明於本文的特定具體實施例並不視為一限 7觀念’而可有許多變化。因此，此公告的主要事件包括 多種揭示於此之元件、部件、功能及/或性f的全部新顆及 不明顯的組合及次組合。類似地，若該些申請專利範圍敘 述一”或"第-"元件或其相等物時，應該了解的是此些申請 W專利範圍包括併入一個或多個此元件，既不需要也不排除 一種或多種此些元件。 【圖式簡單說明】 第1圖為-由控制器所控制的生物晶片之具體實施例 圖，该生物晶片包括一熱控制元件陣列。 15 f2®為絲在生物晶片中關迴路控制溫度的方法 之具體貫施例圖。 第3圖為一生物晶片的具體實施例之部分平面圖，該晶 片具有由-熱控制元件陣列定出輪廓之經分隔開的熱控制 區域。 0 第4圖為來自第3圖的生物晶片之二個熱控制區域的>} 斷圖。 第5圖為來自第3圖的生物晶片之熱控制區域的截面 圖，其通常沿著第4圖的線5-5採截。 第6圖為包含在生物晶片中的熱控制區域之部分截面 69 200413097 圖。 第7圖為第6圖之熱控制區域的具體實施例截面圖，其 中加熱裝置與上層溫度感應器共用一薄膜層。 第8圖為第6圖之熱控制區域的另一個具體實施例截面 5 圖，其中加熱裝置與上層溫度感應器由個別的薄膜層形成。 第9圖為一生物晶片之具體實施例的片面截面圖，該晶 片具有一能定出可區別的熱區域輪廓之隔熱部件。 第10圖為一隔熱部件之具體實施例的片面截面圖，其 由延伸進入該基材部分的通道定出輪靡。 10 第11圖為形成一具有下層及上層薄膜電子元件之基材 部分的方法之具體實施例流程圖。 第12圖為在使用下層及上層電子元件之眾多艙中，用 來控制樣品處理溫度的方法之具體實施例流程圖。 第13圖為具有一調準用來與典型的控制裝置配對之經 15 整合的微流體卡匣之微流體系統的等視軸圖，根據本發明 的一個具體實施例，裝配該控制裝置使其可在樣品處理及/ 或分析中對該配對的卡匣施加電力及控制操作。 第14圖為第13圖的卡匣及控制裝置之經選擇的視野之 片斷截面圖。 20 第15圖為第13圖的卡匣及控制裝置圖，其闡明根據本 發明之具體實施例的流體、樣品、電力、數位訊息及偵測 訊號的移動情況。 第16圖為闡明根據本發明之具體實施例的第13圖之卡 匣及控制裝置的典型操作方法之流程圖。 70 200413097 第17圖為第13及15圖之卡匣的更細部圖式，其闡明進 行第16圖之方法的流體網路。 第18圖為強調第17圖之卡匣在負載樣品期間的有效區 域圖。 5 第19圖為強調第17圖之卡匣在過濾器堆疊上分離核酸 之樣品處理期間的有效區域圖。 第20圖為強調第17圖之卡匣在從過濾器堆疊釋放核酸 且在該卡匡的分析部分中濃縮該經釋放的核酸期間的有效 區域圖。 10 第21圖為強調第17圖之卡匣在該經濃縮的核酸與放大 試劑之平衡且將其傳送至在分析部分上的放大艙期間之有 效區域圖。 第22圖為強調第17圖之卡匣在核酸於選擇性放大後傳 送至在分析部分上的分析艙期間的有效區域圖。 15 第23圖為根據本發明之具體實施例包含在第13及17圖 的卡匣中之分析部分的平面圖，其從卡匣的外部觀看且顯 示出該分析部分之經選擇的方位。 第24圖為根據本發明之具體實施例的第23圖之分析部 分的片斷截面圖，其通常沿著第23圖之線24-24觀看，且顯 20 示出接附至第13及17圖之卡匣的流體處理部分。 第25-31圖為一基材在其修改以產生顯示於第24圖的 分析部分期間的片斷截面圖。 第32圖為根據本發明之具體實施例，一流動連接二個 毗連一基材表面而形成的流體腔之通道圖，其中該通道在 71 200413097 表面處進及出該基材而沒有連通該基材的相反表面。 第33-35圖為一基材在其修改以產生第32圖的通道期 間之片斷截面圖。 第36圖為第35圖之通道的經修改形式之片斷截面圖。 5 第37圖為一混合艙的具體實施例平面圖，其可使用闡 明在第33-35圖中之基材修改的變化形在分析部分中形成。 第38圖為第24圖之經選擇的觀點之更細部圖，其根據 本發明之具體實施例闡明該經選擇的薄膜層相對於一分析 搶與一由基材定出輪廟的通道之配置圖。 10 【圖式之主要元件代表符號表】 50…微流體系統 78…輸入訊號 52…控制裝置 79···封閉迴路 54…生物晶片 80···方法 56…電力元件 90···生物晶片 58…輸送電力 92…熱控制區域 60"·Ι/Ο 線 94…基材部分 62…時鐘線 96…表面 64…樣品處理部分 98…基材 66…薄膜電子元件 102…流體艙 68…加熱器 104…流體艙 70…溫度感應器 106…阻流物 72…控制電子設備 108…流體路徑 74…接收輸出訊號 110…薄膜 76…送出輸入訊號 112···電極 72 200413097 114···電阻層 116···導電層 118···薄膜電阻器 120…溫度感應器 122···導電圖樣 124···電通道 126···絕緣層 130···熱區域 132···基材部分 134···阻流物 136…搶 138···薄膜層 140···絕熱隔板 142···元件層 144···鈍化層 146···導熱層 150···熱控制區域 152…加熱器 154···溫度感應器 158···電阻薄膜層 160…熱電偶層 162…電絕緣層 164…開口 165…熱電偶接合 170···熱控制區域 172···元件層 174···加熱器 176···溫度感應器 178···電阻層 180···絕緣層 182···熱電偶接合 184…層 186···層 190···生物晶片 192···熱區域 194···熱區域 196…加熱器 198···加熱器 200···電阻層 202···導電體 204···導電體 206…散熱器 208…散熱器 210···間隔 212···鈍化層 214…絕緣層 220…生物晶片 222···流體艙 73 200413097 224…流體艙 226…邊壁 228…開口 229…開口 230···方法 250···方法 310…微流體系統 312···控制裝置 314···經整合的卡匣 316···凹槽 318···電接觸墊 320···接觸結構 322…控制器 324…雙頭箭號 326…雙頭箭號 328…雙頭箭號 330…使用者介面 332…鍵盤墊 334…螢幕 336…光學介面 338…光學透明區域 342…流體處理部分 344…分析部分 345…外罩 346···流體網路 348···流體網路 350···樣品輸入位置 352…試劑貯存器 354···預處理艙 356…廢料艙 358···電子電路系統 360···電連接 362···訊息儲存元件 364···濃縮器 366···放大艙 368…分析艙 370···流體方向 380···方法 402···流體網路 404…通道 405···介面 406…閥 408…氣體選擇排出孔 410…清洗溶液 412···清洗溶液 414…溶解試劑 416."PCR混合物 418…樣品艙

74 200413097 420···過濾器堆疊 422···調節排氣口 424···路徑 426…閥 427···核酸 428···細胞 429···路徑 430…閥 432…閥 434···閥 436···流體路徑 438···閥 440···閥 442…流體路徑 444…閥 446…通道 447···核酸 448···流體路徑 450…閥 458…基材部分 460…基材 462···表面 463···阻流物 464…基礎壁 466…通道層 468···側壁 470···遮蓋物 471···相反邊壁 472···電極 474···電接觸墊 476···相反表面 478…邊緣 480···介面通路 480a…介面通路 480b…介面通路 480c···介面通路 480d…介面通路 480e…介面通路 482···流體路徑 484…歧管 486…黏著劑 488···開口 490…薄膜層 492…突出物 494…周圍 496…通道層 498…蝕刻遮罩 500···開口 75 200413097 501···通孔 534…溝槽 502···晶片内通路 536…開口 504···分析部分 538···通道 506…艙 540···通道 508···阻流物 542···流出 510…溝槽 544…輸出通道 512…凹槽 552…場氧化物(FOX)層 514···密封 554…磷-矽酸鹽玻璃(PSG)層 516···分析部分 555···拉回 518…歧管通道 556…電阻層 530···分析部分 558…鈍化層 532…混合艙 76

Claims (1)

1. 200413097 拾、申請專利範圍： 5 •種用來分析樣品的微流體元件，其包括··一基材部 刀，其可至少部分定出一用來接收樣品的艙之輪廓，該 基材部分包括一具有表面的基材及眾多在基材上毗連 著表面形成的薄膜層，該薄膜層可形成眾多的電子元 件，该至少二個電子元件每個可由一不同組的薄膜層形 成，该至少二個電子元件包括··丨）—溫度控制元件，其 可用來在艙中控制流體的溫度；及2)其它電子元件，其 了女裝在搶中以感應或修改流體的性質。 10 •如申明專利範圍第1項之元件，其中該其它電子元件選 自於由下列所組成之群：電極、感應器、換能器、以光 學為基礎的it件、以聲學為基礎的元件、以電場為基礎 的元件及㈣場為基礎的元件；及其巾它電子元件 15 包括眾多的電子元件，安裝此眾多元件每種以修改或感 應在艙的區域中的流體性f，安裝該溫度控制元件以控 制在區域中的流體溫度。 3.如:請專利範㈣丨狀元件，其中該溫度控制元件包 括：夕配置成可各自獨立地控制驗的不同區域之溫度 20 的電子元件’該些U的溫度控制元件每個皆包括一薄 膜電阻加熱器及-溫度感應器，該薄膜電卩且加熱器及溫 度感應器為不同的元件。 二種用來分析樣品的微流體元件，其包括1材部分， ::::部分定出用來容納流體的腔之輪摩，該基材部 刀 具有表_肺，且可定義出—it常垂直於表 77 4. 200413097 面的線及眾多在基材上毗連著表面形成之薄膜電子元 件，可安裝每個電子元件以感應或修改在腔中的流體性 質，該至少二個電子元件可由該線貫穿。 5. 如申請專利範圍第4項之元件，其中該至少二個電子元 5 件的至少一個為電極，及其中該至少二個電子元件的至 少一個為一薄膜電阻加熱器及該至少二個電子元件的 另一個為溫度感應器。 6. 如申請專利範圍第5項之元件，該溫度感應器包括一熱 電偶接合。 10 7.如申請專利範圍第4項之元件，其中該至少二個電子元 件包括一可區別的加熱器及一溫度感應器。 8.如申請專利範圍第4項之元件，其中該薄膜電子元件可 由眾多薄膜層形成，該薄膜層的至少一層包含在該至少 二個電子元件的多於一個中。 15 9.如申請專利範圍第8項之元件，該至少一層薄膜層可形 成一加熱器與該至少二個電子元件的溫度感應器部分。 10. —種用來分析樣品的微流體元件，其包含一基材部分， 其可至少部分定出一用來容納流體的腔之輪廓，該基材 部分包括一具有表面的基材且可定義出一通常垂直於 20 表面延伸的線及眾多在基材上毗連著表面形成之薄膜 層；且對每個元件來說，可使用不同的薄膜層組來定義 出一電子元件對，每個電子元件可操作來感應或修改在 腔中的樣品性質，及其中該線可貫穿該電子元件對。 11. 如申請專利範圍第10項之元件，更包含一接附至基材 78 部分的阻流物，其可部分定出該流體腔的輪廓。 12. 如申請專利範圍第10項之元件，該電子元件選自於： 電極、感應器、換能器、以光學為基礎的元件、以聲學 為基礎的元件、以電場為基礎的元件及以磁場為基礎的 5 元件。 13. 如申請專利範圍第10項之元件，該性質選自於由下列 所組成之群：溫度、光學特徵、電特徵、磁特徵、速度、 量、濃度、分佈及遷移率。 14. 一種用來分析樣品之微流體元件的製造方法，其包括： 10 在基材上此連該基材的表面形成眾多薄膜層，該薄膜層 可形成眾多薄膜電子元件，該至少二個電子元件的每個 可從不同的薄膜層組來形成；及將阻流物接附至基材以 形成一用來容納流體的腔，其中可安裝該至少二個電子 元件的每個以感應或修改在腔中的流體性質。 15 15.如申請專利範圍第14項之方法，安裝阻流物以防止流 體從腔中經由阻流物引出微流體元件。 16.如申請專利範圍第14項之方法，更包含製造一可從微 流體元件外部進入的電介面之步驟，該電介面可電連接 至該眾多薄膜電子元件。 20 17.如申請專利範圍第14項之方法，該表面可定義出一通 常垂直於表面延伸的線，該線貫穿最少二個電子元件。 18. —種使用微流體元件來分析樣品的方法，其包括：將該 樣品引進腔；及操作眾多可區別的薄膜電子元件以便每 個電子元件可感應或修改在腔中的樣品性質，該電子元 79 200413097 件可由在基材上形成的眾多薄膜層提供，該至少二個電 子元件的每個可由不同的薄膜層組來提供。 19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該基材具有一表 面，可與其毗連而形成薄膜層，該表面可定義出一通常 5 垂直於表面延伸且貫穿至少二個電子元件的線，及其中 該不同的組並不重疊。 20. —種用來分析樣品的微流體元件，其包括一基材部分， 其可至少部分定出一具有眾多用來處理樣品之區域的 艙之輪廓，該基材部分包括一具有表面的基材，且在基 10 材上毗連表面形成眾多薄膜層，該薄膜層可提供眾多用 來控制在艙中的流體溫度之溫度控制元件，該控制元件 毗連艙的每個區域而包括至少一個溫度感應器及至少 一個加熱器，將每個溫度控制元件安裝成可各自獨立地 控制，以便能對艙的每個區域提供不同的熱區域，其中 15 每個溫度控制元件皆包含在封閉迴路中，該封閉迴路包 括一安裝來接收溫度設定點的控制電子設備，及一安裝 來在該控制電子設備之控制下提供該溫度控制元件能 量之電力元件。 20 80