專利名稱：用于分析流體樣品的微流控芯片的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種微流控芯片(microfluidic chip)，該微流控芯片能夠精確并快 速地檢測流體樣品內的微量目標物的存在。更具體地，本發明涉及一種用于分析流體樣品 的微流控芯片，該微流控芯片具有通道結構，該通道結構包括樣品入口、第一貯藏器、第二 貯藏器、第一反應部分、第二反應部分和阻滯部分，其中，樣品入口用于通過其供應樣品，第 一貯藏器用于在其內主要地存儲樣品，第二貯藏器用于在其內次要地存儲樣品，在第一反 應部分中目標物與標記物(label)相結合，在第二反應部分中標記的目標物經歷諸如抗 原-抗體反應的特定反應，阻滯部分位于第一反應部分和第二反應部分之間，用于降低樣 品的流速。
背景技術：
流體樣品的分析廣泛應用在化學和生物工程領域，以及應用在醫藥領域中，用于 使用患者的血液和體液來臨床地診斷疾病。為了對流體樣品進行更方便有效的分析，已經 開發并利用了各種小型診斷裝置。具體地，芯片實驗室(lab-on-a-chip)是將諸如分離、過 濾、混合、標記、分析、清洗等各種實驗室功能集成在小型單個芯片上的裝置。當流體樣品穿過芯片上形成的微通道時，流體樣品能夠經歷實驗室機制并且最終 通過(例如)熒光標記物來被檢測到，熒光標記物指示與芯片上固定的抗體的反應。因此， 快速得到精確分析結果的最重要的技術因素之一是通過使用這種小型化的芯片，從而控制 流體樣品穿過芯片上形成的微通道的運動。使流體穿過芯片上的微通道移動的驅動力可以由小型電動機產生或者可以借助 毛細管現象。在芯片利用毛細管現象作為主要驅動力的情況下，流過微通道的流體表現出 不規則和非均勻的移動圖案，特別是在微通道的高度非常低或者變窄時。這些不規則和非 均勻的移動圖案是由于與上下壁和左右壁與流體交互作用的差別而導致產生的，并且對檢 測和分析流體樣品中微量包含的目標物造成大的阻礙。另外，當形成尺寸為數十微米的閉合通道時，不容易在沒有損失的情況下均勻地 處理通道的邊緣部分，由此造成大規模生產時尺寸和質量出現問題。通道結構中的這種微 小差異干擾了流體流，從而導致不一致的分析結果。為了克服這類問題，2007年7月23日提交的韓國專利申請No. 10-2007-0073659 提出了一種芯片，在該芯片中，通道的一對內側壁中的一個與比通道凹陷得更深的延伸部 分相鄰，使得流體穿過通道，只與另一個內側壁交互作用。2007年7月23日提交的韓國專利申請No. 10-2007-0073657提出了只通過微通道
結構而不使用過濾紙或多孔隔膜來有效去除雜質，由此快速用微量的流體樣品進行定量和 定性分析。 然而，當采用與上述技術相關的無壁(wall-free)微流控芯片時，必須在每個步 驟適當控制流體的流動。例如，如韓國專利申請No. 10-2007-0073657中提出的，當流體樣品通過樣品入口供應到貯藏器時，流體樣品在流體壓力和毛細管現象的作用下移動到微通道中，伴隨著對樣品(例如，血液)的雜質過濾。相比之下，當流體直接引入微尺寸的微通道時，填充貯藏 器的流體具有足夠大的壓力以使其在整個延伸部分擴散。因此，其妨礙了韓國專利申請 No. 10-2007-0073659所提出的無壁效應，從而造成分析結果出現錯誤。反應部分通常被設置成這樣的區域，在該區域中，將諸如熒光材料的標記物結合 到目標物上，并且標記的目標物經歷諸如抗原-抗體反應的特定反應，從而激活標記物。 為了進行精確的定量和定性分析，必須將樣品滯留在反應部分中足夠長的時間，以使其與 (例如)抗體充分反應。因此，除非流體在流過反應部分期間被可控制地延遲，否則在對流體內的目標物 進行定性和定量分析的過程中會出現錯誤。即，必須降低在反應部分中的流體的流速。此 時，如果將反應樣品混合，則會進一步地增大反應效率。由本發明發明者對微流控無壁芯片進行的深入和徹底的研究，成功地防止在將樣 品引入微通道時樣品泄露到延伸部分中，并且對流體的流速進行了足夠的延遲，使得流體 可以在其內充分反應并伴隨著反應樣品的混合。從而完成了本發明。
發明內容
技術問題本發明的一個目的在于提供微流控無壁芯片，在該芯片中，當流體樣品通過樣品 入口供應到貯藏器之后，在其壓力和毛細管現象的作用下，流體樣品被驅動從而進入微通 道時，防止了流體由于貯藏器內的流體壓力而泄露到延伸部分，因此保證了無壁效應。本發明的另一個目的在于提供一種微流控無壁芯片，在該芯片中，防止了樣品快 速穿過反應部分，因此使得目標物能夠在反應部分中滯留足夠長的時間，以與檢測材料進 行反應。本發明的又一個目的在于提供一種微流控無壁芯片，在該芯片中，在分析樣品通 過微通道期間適當處理反應樣品，從而實現更有效的分析。技術方案根據本發明的一個方面，本發明提供了一種用于分析流體樣品的微流控芯片，所 述微流控芯片具有通道結構，所述通道結構包括樣品入口，用于通過其供應所述樣品；第 一貯藏器，用于在其內主要地存儲所述樣品；第一反應部分，其中目標物與標記物結合；第 二反應部分，其中標記的目標物經歷特定反應，例如抗原_抗體反應；以及阻滯部分，位于 所述第一反應部分和所述第二反應部分之間，用于降低所述樣品的流速。根據本發明的另一個方面，本發明提供了一種用于分析流體樣品的微流控芯片， 所述微流控芯片具有通道結構，所述通道結構包括樣品入口，用于通過其供應所述樣品； 第一貯藏器，用于在其內主要地存儲所述樣品；第二貯藏器，用于在其內次要地存儲所述樣 品；第一反應部分，其中，目標物與標記物結合；以及第二反應部分，其中標記的目標物經 歷特定反應，例如抗原_抗體反應。根據本發明的又一個方面，本發明提供了一種用于分析流體樣品的微流控芯片， 所述微流控芯片具有通道結構，所述通道結構包括樣品入口，用于通過其供應所述樣品； 第一貯藏器，用于在其內主要地存儲所述樣品；第二貯藏器，用于在其內次要地存儲所述樣品；第一反應部分，其中目標物與標記物結合；第二反應部分，其中標記的目標物經歷特定 反應，例如抗原-抗體反應；以及阻滯部分，位于所述第一反應部分和所述第二反應部分之 間，用于降低所述樣品的流速。有益效果 如上所述，本發明的微流控芯片被設計用于在將樣品引入微通道中時防止流體樣 品泄露到延伸部分，從而賦予延伸部分足夠的無壁效應。另外，本發明的微流控芯片使得樣 品能夠在反應部分中滯留足夠長的時間來與反應物反應，并且施加足夠的混合效果。因此，本發明的微流控芯片保證了在無容量損失的情況下精確并快速地對微量樣 品進行定性和定量分析。
圖1為本發明無壁微通道的工作原理的概念視圖。圖2為本發明第一實施例的微流控芯片的示意性平面圖。圖3為第一貯藏器和第二貯藏器的工作原理的概念視圖。圖4為本發明第二實施例的微流控芯片的示意性平面圖。圖5為阻滯部分的工作原理的概念視圖。圖6為本發明第三實施例的微流控芯片的示意性平面圖。圖7為位于阻滯部分后部的傾斜面的最小值的概念視圖。
具體實施例方式
現在應該參照附圖，其中，在不同的附圖中，使用相同的參考標號指定相同或相似 的組件。如本文所使用的術語“閉合通道”旨在表示由芯片內的上、下、右和左內壁形成的 管狀結構，該管狀結構被設計用于使流體從其流過而不泄露到外部。如本文所使用的術語“無壁通道”旨在表示一個通道，在該通道中，一對內側壁中 的一個內側壁與比通道凹陷得更深的延伸部分相鄰，使得流體經過通道時，只與另一個內 側壁交互作用，這是因為由于流體與上下壁和流體與左右壁的交互作用之間的差異(圖 1)，導致流過微通道的流體表現出不規則和非均勻的移動圖案。至于更多的細節，可以參照 韓國專利申請 No. 10-2007-0073659。[實施例1]如圖2所示，本發明第一實施例的用于分析流體樣品的微流控芯片具有通道結 構，該通道結構包括樣品入口 11、第一貯藏器12、第二貯藏器13、第一反應部分14以及第 二反應部分15，其中，樣品入口 11用于通過其供應樣品，第一貯藏器12用于在其內主要地 存儲樣品，第二貯藏器13用于在其內次要地存儲樣品，在第一反應部分14中目標物與標記 物結合，在第二反應部分15中標記的目標物經歷諸如抗原_抗體反應的特定反應。在該通道結構中，第一貯藏器是用于容納通過入口供應的流體樣品的腔體，第二 貯藏器是次要地也是用于存儲樣品的腔體。樣品從第二貯藏器移動，穿過通向反應部分的 無壁微通道。微通道的可適當控制的高度，使得能夠在樣品從其通過期間，在不使用過濾紙 或多孔隔膜的情況下，過濾掉樣品的雜質，因此使樣品的容積損失率最小。
微通道的高度取決于所使用的樣品種類。例如，當使用量小于100升的全血時，可 以將通道高度設置為約1至20米的范圍，以過濾掉諸如紅細胞和白細胞的雜質。至于更多 的細節，可以參照韓國專利申請No. 10-2007-0073657。然而，當樣品在填充第一貯藏器之后，樣品被引入到寬度為數微米或數十微米的設置有延伸部分的無壁微通道時，如在前的專利申請所公開的，由于填充貯藏器的樣品的 壓力(P = gh)和表面張力，導致樣品可能泄露到與微通道相鄰的延伸部分。這妨礙了無壁 功能，最終造成分析結果出現錯誤。為了避開這個問題，根據本發明的第一實施例，在與樣品入口連接的第一貯藏器 與通向反應部分的無壁微通道之間設置了另外的貯藏器。在該次要貯藏器的上側設置孔 18，該孔18用于將空氣從貯藏器通風到外部。在樣品完全填充第一貯藏器之后填充次要貯 藏器時，在兩個貯藏器之間的流體壓力(FdPF2)抵消，在此期間，流入無壁微通道的樣品的 壓力(F3)得以適當控制，從而防止樣品漏入延伸部分(圖3)。另外，樣品通過第二貯藏器還有將具有彎月液面(meniscus)樣品均質混合的優 勢。如圖2所示，在貯藏器底部形成各種圖案16，以改進混合效果。直到樣品從第二貯藏器流出為止，樣品一直是通過閉合通道流動的。形成閉合通 道不需要密封工作。可以通過簡單地組裝上基底和下基底來得到閉合通道。在通過第二貯藏器之后，樣品被驅動并且流向第一反應部分，在第一反應部分中 樣品與諸如熒光材料的標記物反應，然后流向第二反應部分，在第二反應部分中樣品經歷 諸如抗原-抗體反應的特定反應。在第一反應部分中帶有(例如)熒光材料標記物的所關 注的目標物與(例如)第二反應部分中的抗體反應，并且結合在目標物上的標記物被激活。 被激活的諸如熒光材料的標記物被獨立裝置(例如，光電檢測器)檢測，以供定性和定量分 析。如圖2所示，在反應部分底部上可以形成各種圖案17，以增大反應材料的表面及并且改 進混合效果。[實施例2]參照圖4，將如圖所示地描述本發明第二實施例的用于分析液體樣品的微流控芯 片。如圖4所示，微流控芯片具有通道結構，該通道結構包括樣品入口 21、第一貯藏器22、 第一反應部分23、第二反應部分24以及阻滯部分25，其中，樣品入口 21用于通過其供應樣 品，第一貯藏器22用于在其內主要地存儲樣品，在第一反應部分23中目標物與標記物結 合，在第二反應部分24中，標記的目標物經歷諸如抗原-抗體反應的特定反應，阻滯部分25 位于第一反應部分和第二反應部分之間，用于降低樣品的流速。在該實施例中，在樣品通過入口供應并填充貯藏器之后，樣品通過無壁微通道流 入第一反應部分。然后，當樣品立即從用于標記反應的第一反應部分前進至用于特定反應 (例如，抗原-抗體反應)的第二反應部分時，樣品可能移動得太快，以致于不能保證特定反 應，從而導致在對目標物進行定性和定量分析時出現錯誤。因此，必須延遲樣品進入第二反 應部分的進程。為此，根據本發明的該實施例，在第一反應部分和第二反應部分之間設置了用于 降低流體流速的阻滯部分。如圖5所示，阻滯部分具有從第一反應部分向著阻滯部分變得 上升的傾斜面，以及向著第二反應部分變得下降的傾斜面或垂直面。樣品沿著傾斜面從第 一反應部分的微通道前進至阻滯部分。在到達阻滯部分的傾斜面或垂直面之后，樣品前進至第二反應部分的微通道。由于阻滯部分具有腔體構造和大容積，因此其表現出阻滯和混合這兩方面的效果。阻滯部分的傾斜面的傾斜角和形狀可以發生變化，這取決于流動通路表面的親水 性以及樣品的特性。優選地，阻滯部分傾斜面具有小于用于指示流動通路表面的親水性的 接觸角的傾斜角，該傾斜角在5至60C的范圍內。例如，如果傾斜角超過該角度范圍的上限，則不能向流體施加足夠的驅動力，從而 流動停止。另一方面，如果傾斜角太小，則流體沒有在阻滯部分中停留足夠長的時間而前進 至第二反應部分，因此只產生了不充分的阻滯效果或者需要長度大的流動通路。另外，阻滯部分優選地比微通道高約3倍至20倍。如果阻滯的高度小于下限，則 只得到不充分的阻滯效果。另一方面，如果高度大于上限，則流體前進地太慢。位于阻滯部 分后部的傾斜面的角度優選地大于傾斜角41，該傾斜角41由在阻滯部分中變窄部分處流 動界面的前端與后端之間的距離和阻滯部分的高度限定，并且小于90 (圖7)。如有必要，則 可以設置一個或多個阻滯部分。像實施例1 一樣，該實施例可以在貯藏器和反應部分的底 部上形成有各種圖案，以增大用于特定反應的表面積并且改進混合效果。[實施例3]如圖6所示，根據本發明的用于分析流體樣品的微流控芯片具有通道結構，該通 道結構包括樣品入口 31、第一貯藏器32、第二貯藏器33、第一反應部分34、第二反應部分 35以及阻滯部分36，其中，樣品入口 31用于通過其供應樣品，第一貯藏器32用于在其內主 要地存儲樣品，第二貯藏器33用于在其內次要地存儲樣品，在第一反應部分34中目標物與 標記物結合，在第二反應部分35中，標記的目標物經歷諸如抗原-抗體反應的特定反應，阻 滯部分36位于第一反應部分和第二反應部分之間，用于降低樣品的流速。由第一實施例和第二實施例的組合造成的該實施例適于防止流向反應部分微通 道的樣品泄露到延伸部分(歸因于設置了第二貯藏器)，并且適于阻滯樣品通過反應部分 (歸因于設置了阻滯部分)。采用這種通道結構，根據本發明的第三實施例的微流控芯片可 以有效地運用微通道的無壁功能，并且在反應部分處給予樣品足夠的反應，由此保證對流 體樣品更精確的分析。至于其它組分和圖案元件，可以參考以上實施例。雖然為了舉例說明的目的已經公開了本發明的優選實施例，但是本領域的技術人 員應該理解的是，在不脫離如所附權利要求書公開的本發明的范圍和精神的情況下，各種 更改、添加和替換是可行的。
權利要求
一種用于分析流體樣品的微流控芯片，所述微流控芯片具有通道結構，所述通道結構包括樣品入口，用于通過其供應所述樣品；第一貯藏器，用于在其內主要地存儲所述樣品；第二貯藏器，用于在其內次要地存儲所述樣品；第一反應部分，其中目標物與標記物結合；以及第二反應部分，其中標記的目標物經歷特定反應，例如抗原-抗體反應。
2.根據權利要求1所述的微流控芯片，其中，所述第一反應部分和所述第二反應部分 分別包括沿著其一對內側設置的延伸部分，所述延伸部分比所述通道凹陷得更深。
3.一種用于分析流體樣品的微流控芯片，所述微流控芯片具有通道結構，所述通道結 構包括樣品入口，用于通過其供應所述樣品； 第一貯藏器，用于在其內主要地存儲所述樣品； 第一反應部分，其中目標物與標記物結合；第二反應部分，其中標記的目標物經歷特定反應，例如抗原-抗體反應；以及 阻滯部分，位于所述第一反應部分和所述第二反應部分之間，用于降低所述樣品的流速。
4.根據權利要求3所述的微流控芯片，其中，所述第一反應部分、所述第二反應部分和 所述阻滯部分分別包括沿著其一對內側設置的延伸部分，所述延伸部分比所述通道凹陷得 更深。
5.一種用于分析流體樣品的微流控芯片，所述微流控芯片具有通道結構，所述通道結 構包括樣品入口，用于通過其供應所述樣品；第一貯藏器，用于在其內主要地存儲所述樣品；第二貯藏器，所述第二貯藏器用于在其內次要地存儲所述樣品；第一反應部分，其中目標物與標記物結合；第二反應部分，其中標記的目標物經歷特定反應，例如抗原-抗體反應；以及 阻滯部分，位于所述第一反應部分和所述第二反應部分之間，用于降低所述樣品的流速。
6.根據權利要求5所述的微流控芯片，其中，所述第一反應部分、所述第二反應部分和 所述阻滯部分分別包括沿著其一對內側設置的延伸部分，所述延伸部分比所述通道凹陷得 更深。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的微流控芯片，其中，所述微通道的高度在1米至 20米的范圍內，并且所述樣品是包括全血的體液。
8.根據權利要求1至6中任一項所述的微流控芯片，其中，所述貯藏器具有形成在其底 部上的圖案。
9.根據權利要求1至6中任一項所述的微流控芯片，其中，所述反應部分具有形成在其 底部上的圖案。
10.根據權利要求1、2、5和6中任一項所述的微流控芯片，其中，所述第二貯藏器具有形成在其上側的孔。
11.根據權利要求3至6中任一項所述的微流控芯片，其中，所述阻滯部分的高度比所 述微通道的高度高3至20倍。
12.根據權利要求3至6中任一項所述的微流控芯片，其中，所述阻滯部分具有從所述 第一反應部分到所述阻滯部分變得上升的傾斜面，以及與所述第二反應部分連接的傾斜面 或垂直面。
13.根據權利要求12所述的微流控芯片，其中，位于所述阻滯部分的前部位置的所述 傾斜面的傾斜角在5至60度之間。
14.根據權利要求12所述的微流控芯片，其中，位于所述阻滯部分的后部位置的所述 傾斜面的角度大于由所述阻滯部分處的流動界面的前端與后端之間的距離和所述阻滯部 分的高度限定的傾斜角，并且小于90度。
全文摘要
本發明公開了一種微流控芯片，該微流控芯片能夠精確并快速檢測流體樣品內微量目標物的存在。其具有通道結構，該通道結構包括樣品入口，用于通過其供應樣品；第一貯藏器，用于在其內主要地存儲樣品；第二貯藏器，用于在其內次要地存儲樣品；第一反應部分，其中目標物與標記物結合；第二反應部分，其中標記的目標物經歷諸如抗原-抗體反應的特定反應；以及阻滯部分，位于第一反應部分和第二反應部分之間，用于降低樣品的流速。
文檔編號G01N35/00GK101868730SQ200880117187
公開日2010年10月20日 申請日期2008年11月21日 優先權日2007年11月22日
發明者張準根, 樸俊河, 樸志英, 李昌燮, 林泫昌, 鄭燦一, 鄭玹朱 申請人:數字生物科技株式會社
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