微液體處理裝置及其使用方法

專利名稱：微液體處理裝置及其使用方法
技術領域：
本發明涉及一種在微通道中通過由高能光源例如激光產生的蒸氣泡處理液體的系統和方法。本發明還涉及該系統和方法的各種應用。
背景技術：
在最近的15年中，人們對于使所謂“分析微系統”中的化學生物分析自動化愈發感興趣并付諸努力。多個重疊術語例如微TAS(微型全分析系統)、芯片實驗室(Lab-on-a-chip)、生物芯片和生醫微機電系統(bioMEMS)已被建議用于描述該技術。盡管這些術語各不相同，但是它們的目的都是為了制造出快速且具有成本效益的化學生物分析系統。
這些系統的發展面臨很多挑戰，其中最根本的挑戰是以可重復的適時精準控制方式在微系統中處理液體試劑。隨著時間的推移，已出現了若干種微泵送方案。
其中一種泵送方案是基于電滲流/力(EOF)，并且首先與毛細管電泳有關。EOF現象產生于溶液中的離子和微通道壁上固定離子點之間的相互作用。在應用沿微通道的電場時，該相互作用導致微通道中的液體呈網狀流向其極性和壁的電荷相同的電極。在使用二氧化硅表面的情況下，由于酸性硅烷醇基的電離使壁的電荷帶負電，并且EOF向陰極運送微通道內物質。使用EOF泵送的微系統例如由Manz等人描述過。
EOF泵雖然在電泳分離系統中很有用，但是并不總是適用于基本泵送，因為它們趨于影響它們所移動的液體樣本并且趨于被該液體樣本影響。同樣，由于EOF系統依賴于連接外部電極以接觸微通道內液體，這將對將施加在單個基底上的EOF毛細管的數目實施限制。EOF泵送的另一個缺點在于由于電解形成氣泡。不希望出現的電流路徑即微通道液體中的氣泡將顯著影響或者實際停止泵送，因為電流可能會由于氣泡的阻塞而減小甚至中斷。
另一種泵是所謂的容積式泵或膜式泵，其中的致動導致液體并且因而液流中的壓差。這種致動可以通過例如壓電元件、氣動裝置、磁力、靜電力等若干裝置和光-熱致動實現。
光-熱致動在US 2003 0021694(Yevin)中有所說明，其中利用由激光通過光纖加熱液體而產生的氣泡來實現毫微泵送。加熱位置是離散的并且通過手動插入光纖完成耦合。
其它利用光-電致動的泵送方法在US 5602386、US 5186001、US5649423和US 6071081中有所說明。
US 5602386涉及一種光驅動致動器，其中，從光源發出的光通過光纖引入介質中，并且所述光在該介質中被吸收。光能的吸收使介質膨脹從而驅動致動器。US 5602386需要光引入裝置的靜態定位和笨重的機械閥。
US 5186001涉及一種基于利用光源加熱封閉室內的氣體的微型致動器，所述壁具有在加熱氣體時膨脹并且在氣體冷卻時收縮的柔性部分。該柔性部分的運動用于致動。US 5186001具有與上述類似的缺陷，并且它包括具有用作往復活塞的可運動部分封閉室。
US 5649423涉及一種具有毛細管力密封的微型線性致動器。來自光纖的光被吸收在微型線性致動器中，所述吸收使致動器內的液體蒸發。該蒸發使致動器中的壓力增大，并且所述壓力使致動器的活塞移動。US 5649423包括完全封閉的作用于機械活塞的工作液體。
US 6071081涉及一種微型泵，其中，利用激光進行脈動加熱使得泵室內的氣泡膨脹或收縮。氣泡的動作用作壓力源，并且通過位于泵室入口和出口的止回閥調節通過該泵的流動。US 6071081包括靜態(離散)熱源和機械入口及出口閥。
Jun等人描述了一種微型裝配式泵，其利用移動或膨脹的通過一排電加熱器形成的氣泡使液體通過微通道移動。
US 6283718涉及一種基于氣泡的微型泵，該泵包括一個圓錐形室，通過例如利用來自金屬加熱元件或流過較窄微通道中的導電液體的電流的歐姆加熱進行加熱而在該室附近形成蒸氣泡。
US 6513968涉及一種通過利用離散熱源如光源產生氣泡和通過借助于溫度梯度使氣泡在液體中移動而混合液體的方法。氣泡的運動使液體混合。
總而言之，現有技術中的泵送方案都有若干缺陷。通常它們具有較低程度的使用靈活性，因為新的分析應用常常需要新的設計，并且因此需要生產新的生物芯片，這是一個費時且昂貴的過程。通常會遇到公開的泵的致動器組件和微系統的其它組件例如檢測系統、用于例如接觸離散熱源的電子組件和微系統內的生物試劑之間不兼容的問題。微系統周圍缺少空間也是一個問題，因為微系統周圍的多數設備都不適于等比縮小。微系統和外部控制裝置接合是一個較大的挑戰，并且趨于需要大量人工操作而且是重要的錯誤源。
最后，每個微系統的高昂成本價是防止一次性微系統成為經濟可行的現代醫學診斷和藥物篩選方案的主要障礙。

發明內容
本發明涉及一種在微系統中處理液體的普通方案，其中，相同的可移動光源例如激光用于例如泵送、調節溫度、混合、標記、激發熒光等一個或多個過程和熱循環。
本發明的一目的是提供一種用于分析的靈活的一次性微系統。
本發明的另一目的是提供一種無需機械和/或電連接到驅動系統上的利于微液體處理和反應的系統。
本發明的另一目的是獲得一種微型泵送系統，該系統具有允許將微型泵送系統用于若干應用的靈活結構。
本發明的另一目的是提供一種微型泵送系統，其中，一個泵送光源可用于處理多個微通道中的液體。
本發明通過一種在至少一個保持一種或多種工作液體的微通道內的所述一種或多種工作液體中產生液流的微泵送系統實現上述和其它目的，該系統包括-保持至少一個包括至少一個具有第一表面部分的第一段和至少一個具有第二表面部分的第二段的微通道的基底，-適于發出光束的光源，-使光束和基底之間產生相對運動的裝置，該移動裝置適于在至少一個光束將照射第一表面部分的第一位置和光束將照射第二表面部分的第二位置之間移動，因而響應微通道的各表面部分的照射分別在微通道的第一和第二段中形成至少一個作用于液體的蒸氣泡。
根據本發明的第二方面，通過一種在至少一個微通道中產生液流的方法實現上述和其它目的，該方法包括提供至少一個保持至少一個微通道的基底，從至少一個光源發出至少一個光束，-使所述至少一個光束和所述至少一個基底之間產生相對運動，因此所述至少第一光束在第一位置照射第一表面部分并在第二位置照射第二表面部分，-響應第一表面部分的照射在所述至少第一段中形成至少一個第一蒸氣泡，-響應第二表面部分的照射在所述至少第二段中形成至少一個第二蒸氣泡，所述至少第一和第二蒸氣泡分別作用于微通道的第一和第二段中的液體，以便在微通道內產生流動。
所述基底可以是任何適合于保持一個或多個微通道的基底，例如包含玻璃比如熔融石英、硅、如聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者環烯烴共聚(COC)等聚合物材料的基底。
相對的通道壁之間的距離可以選擇成在0.1μm(微米)-1mm(毫米)之間，例如在0.1μm-1μm、1μm-10μm、10μm-50μm、50μm-100μm、100μm-200μm、200μm-500μm或者0.5mm-1mm之間。
“蒸氣泡”指通過蒸發微通道中的液體形成的氣泡。所蒸發的液體的蒸汽可以構成蒸氣泡中的分子的至少25％，例如至少40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％、97.5％、99％或99.5％，例如所述分子的至少99.9％。優選地，蒸氣泡中的分子的至少100％來自所蒸發的液體的分子。
在一優選實施例中，蒸氣泡膨脹到足以阻塞氣泡所在處的液流通過微通道橫截面。進一步優選地，蒸氣泡不會相對于其形成的位置移動，除非蒸氣泡將受光束的引導在微通道內持續移動。
液體可以容納在微泵送系統的一個或多個部分中，例如在系統的一個或多個微通道中，因此液體被基本封閉在通道內。
光束在從第一位置移動到第二位置時可以連續照射微通道，從而產生至少一個從第一段行進到第二段的蒸氣泡。微通道的工作液體將沿與光束移動方向相同的方向流動。因而通過控制光束的移動，可以在微通道中實現雙向處理，例如雙向泵送。
光束連續照射微通道或者其至少一個表面部分可以微通道內的液體加熱到過熱狀態，從而在微通道內形成蒸氣泡。通過沿通道連續移動光束，在所形成的蒸氣泡內形成溫度梯度，并使蒸氣泡在光束經過后在較冷區域收縮和/或破裂并且隨著光束的照射在液體蒸發并因而膨脹的過熱區域膨脹。膨脹的蒸氣泡將在通道內形成壓力脈沖并在脈沖發生前置換液體體積。
照射在表面部分上的光束的能量密度優選地選擇成足夠高，以使得部分液體的蒸發基本瞬時完成。快速而均勻的蒸發將形成用于保護通道段內的其余液體不被加熱的保護性蒸汽層。這種現象就是公知的“膜態沸騰”。
可選地，也可以照射微通道的離散段，因此可以響應照射第一表面部分的光束形成至少一個第一蒸氣泡，并響應照射第二表面部分的光束形成至少一個第二蒸氣泡。因此，微通道段的順序照射使蒸氣泡順序形成。而且當通道的離散段被照射時，通過控制光束確保雙向性。可以實施該實施例以允許所述至少第二蒸氣泡在所述第一蒸氣泡破裂前膨脹。因而可以控制所產生的流動的方向并且例如將所述第一蒸氣泡用作限流裝置而抑制回流。因此，例如將液體體積從例如一個貯存器泵送到另一個貯存器同樣可以像利用微通道的連續照射可獲得的泵送那樣便利。
可以設想的是，這里公開的構形同樣可以通過利用微通道的連續或離散照射而獲得。
根據本發明的另一實施例或另一方面，提供一種在微通道內泵送液體的微型泵送系統，該系統包括-保持至少一個包括至少一個具有第一表面部分的第一段和至少一個具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-適于發出光束的光源；和-用于使光束相對于基底移動的裝置，該移動裝置適于在至少一個光束將照射第一表面部分的第一位置和光束將照射第二表面部分的第二位置之間移動，因而響應微通道的各表面部分的照射分別在微通道的第一段中形成至少一個作用于液體的第一蒸氣泡和在微通道的第二段中形成至少一個作用于液體的第二蒸氣泡，其中，所述至少第二蒸氣泡在所述至少第一蒸氣泡破裂之前形成，以便產生泵送作用/以便使液體沿從所述第一段到所述第二段的方向移動。
根據本發明的另一實施例和另一方面，提供一種在微通道內泵送液體的方法，該方法包括以下步驟-提供保持至少一個包括至少一個具有第一表面部分的第一段和至少一個具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-從光源發出光束；和-使光束和基底之間產生相對運動，因此光束在第一位置照射第一表面部分并在第二位置照射第二表面部分，-響應第一表面部分的照射在所述至少第一段中形成至少一個第一蒸氣泡，-響應第二表面部分的照射在所述至少第二段中形成至少一個第二蒸氣泡，其中，所述至少第二蒸氣泡在所述至少第一蒸氣泡破裂之前形成，以便產生泵送作用。
所述微通道可以具有由光束順序照射的一個或多個區域，每個區域都包括將由光束順序或連續照射的多段。因此，例如可以通過在一個通道中具有多個彼此連續的泵送區域而提高泵送效果。
此外，一個區域可以被光束照射多次。因此，例如可以從通道排出多個液滴，其中，響應各區域的照射排出各液滴。
微通道中的一個區域可以沿任一方向被連續或順序照射多次。因此，該系統可以是雙向的，因而，例如可以在一個時間點沿一個方向并且在另一時間點沿相反方向產生流動。
此外，設想可以例如通過為連接到所述系統上的任一可編程記憶裝置例如計算機編程而由用戶設定各分開區域的照射順序和在特殊區域中將進行的操作。
可在一預定距離內產生在包含特定泵送通道的微系統中的流動，因此其中產生流動的區域可以覆蓋1μm-1cm(厘米)的微通道長度，例如在1μm-10μm、10μm-50μm、50μm-100μm、100μm-200μm、200μm-500μm、500μm-1mm、1mm-5mm或者5mm-1cm之間。此外，可以在一預定距離內產生在包含特定泵送通道的微系統中的流動，因此其中產生流動的區域可以覆蓋至少1μm的長度，例如至少10μm、25μm、50μm、75μm、100μm、250μm、500μm、1mm、5mm、1cm、5cm或者50cm，例如至少100cm。
同樣地，其中的液體體積將被置換的部分微通道可以具有至少1μm的長度，例如至少10μm、25μm、50μm、75μm、100μm、250μm、500μm、1mm、5mm、1cm、5cm或者50cm，例如至少100cm。
可以在通道壁內通道壁和通道內液體的交界處產生熱量，或者可以通過提供對于從光源發出的光束光學透明的通道壁而在通道內液體中直接產生熱量。
在一優選實施例中，至少部分基底對于從光源發出的光束的波長是透明的。當例如用硅作基底材料時，優選地將波長范圍從700nm到3000nm的遠紅外線激光用作光源。當基底材料為例如在可見波長范圍內透明的玻璃或塑料時，使用中心波長例如為632nm(納米)、635nm、670nm、680nm或720nm的紅光激光二極管。
為了改善光能向熱能的轉換，至少一個將由光束照射的微通道的表面部分包括一個用于吸收光能的吸光材料。該吸光材料可以是任何易于吸收從光源發出的光能并且同時在照射期間對材料的溫度升高不敏感的材料，例如氮化鋁，或者尤其是當將硅用作基底材料時的摻雜硅如摻硼硅或摻磷硅，或者包含提高特定波長或多個波長的吸收率的添加劑的聚合物(例如可從市場購得的來自US Clearweld或US Epolin的產品)。該吸光材料可以形成確保通道壁的熱阻足夠低以允許大量熱量傳送到通道的通道壁的一體部分。因而可將吸光材料用作加熱板以加熱通道內的液體。吸光材料可以吸收較窄光譜區中的光，或者可以完全不透光并且能吸收從紫外到中紅外的任何波長的光。
而且，基底可以是吸光材料，和/或吸光材料可以作為基底。
吸光材料可以被涂抹、噴涂、沉積或點綴在通道壁上，并且可以在通道壁上形成一鄰近層或者被吸收到通道壁中。微系統的微通道可以由第一基底和第二基底形成，所述第一基底對于所述光束是透明的，而所述第二基底對于所述光束具有較高水平的吸收率。
優選地，吸光材料選擇成在吸光材料中吸收照射通道壁的光束的強度的至少1％，例如至少2％、3％、4％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或99％，例如光束的強度的至少99.99％。
術語“液體”應該被廣義地解釋，并且作為非限制性示例包括均勻液體、懸浮液即含有顆粒物質如微粒或細胞的液體、含有小氣泡的液體、含水液體、有機液體、兩相系統及疏水性液體和親水性液體。
在一優選實施例中，因為當液體的溫度升高到其沸點時溶解的氣體可以在微通道中沉積為氣泡，所以使用一種脫氣液體，即含有最少的溶解氣體的液體。當應用本發明時，沉積的氣泡可能是不被希望的。當在具有疏水通道壁的微通道系統中使用含水的液體時，使液體脫氣是尤其重要的，因為氣泡可以粘附在通道壁上并且隨時間而堆積。脫氣的替換和/或補充手段可以是在液體中加入除垢劑。
蒸氣泡可通過成核作用形成在液體中，或者可以通過使從通道壁輸送至用于形成蒸氣泡的液體的部分液體膜態沸騰而形成蒸氣泡。
光束的光能可以在通道壁附近沒有吸光材料的情況下被吸收在液體中，或者光束可以被同時吸收在液體和通道壁附近的吸光材料中。如果只有液體將吸收光束的光能，優選地所述液體在所述光束的波長下的吸收率為至少0.1，例如至少是0.5、1、2、3、4、5、6、8、9、10、15、20。可通過標準分光光度計測量該吸收率。如果測得的吸收率高于1.5，那么本領域技術人員將知道怎樣將液體稀釋成獲得在0.1和1.5之間的稀釋液體吸收率，并用稀釋樣本的吸收率乘以稀釋因數以獲得適合的吸收率。
術語“工作液體”用于描述在微型泵送系統中的主要液體，因此例如是任何化學或生物活性液體或者任何含有顆粒物質的液體。
術語“緩沖液體”用于描述容納在微通道系統中的液體但不涉及在微通道系統中所表現的任何化學或生物活性。緩沖液體可選擇為特別適于用作蒸氣泡形成液體和/或根據液體的流動性質特別地選擇。優選地，緩沖液體不與工作液體相混合。
通常且尤其在生物系統中，微通道中的液體是對熱敏性的，所以既不通過成核作用也不通過膜態沸騰加熱該液體以形成蒸氣泡是不可取的。因此，在本發明的一優選實施例中，如上所述通過響應光照使至少部分緩沖液體膜態沸騰或者通過響應光束照射的成核作用在緩沖液體中形成蒸氣泡。緩沖液體可包含在微通道中，至少位于將形成蒸氣泡的區域中。
在另一實施例中，至少部分待加熱液體-或者是工作液體或者是緩沖液體-可以保持在與微通道相連的空腔中以例如在微通道和該空腔之間形成連接，微通道的表面部分為該空腔的表面部分。因此，空腔的表面部分由光束光照，并且熱量耗散到表面部分的吸光材料中或者直接耗散到空腔內的液體中。例如，當微通道中的工作液體包括具有預定直徑的熱敏細胞的懸浮物時，空腔的尺寸可以選擇成確保這些熱敏細胞中沒有一個進入空腔，同時蒸氣泡形成以便在微通道中作用于工作流體。可選地，空腔中的至少部分液體可以是緩沖液體。
因此空腔可以有朝向微通道的開口，該開口小于將由微通道中的工作液體傳送的細胞，以防止這些細胞受到熱損傷，例如被超過37℃的溫度破壞。可選地，空腔包含甚至可以通過薄膜與微通道隔離的緩沖液體。
微系統中的液流通常可以是層狀流動液體，同樣地，所產生的流動將通常是層狀的。這可以用于使工作液體和緩沖液體的層流分別在微通道中流動而基本不會產生混合。因此，可以在無需提供特別的空腔和無需加熱工作液體的情況下在緩沖液體中形成蒸氣泡。
在一優選實施例中，液流的雷諾數最多為100，例如最多為10、5、1、0.5或0.01，例如最多為0.001。雷諾數Re是液體慣性應力和粘性應力的比值，并定義為Re=v-Dv,]]>其中v是液體在微通道中的平均線速度，D是微通道的直徑或平均橫截面尺寸，而v是工作溫度下的液體動粘度。
使用緩沖液體的另一個優點是緩沖液體的特性可以適用于緩沖液體的特殊應用而無需考慮液體的其它性能，例如用于特定細胞的懸浮液的適宜性。因此，在例如蒸發特性、蒸氣泡形成特性、表面張力、熱傳遞性、特定波長的吸收等方面緩沖液體可以工程化。
緩沖液體可以容納在整個微系統中或者微通道的至少一段可以包含緩沖液體。微通道的一段可以包含緩沖液體和工作液體，而另一段可以只包含緩沖液體。例如，微通道的端段可以包含緩沖液體。
具有分開的包含一種或多種緩沖液體的微通道段的優點是避免緊鄰熱敏液體加熱緩沖液體。在一優選實施例中，一個或多個包含緩沖液體的微通道段為端段，因此緩沖液體作為活塞作用于工作液體。
在微系統中通常需要加熱至少部分工作液體，尤其是當使用化學或生物流體時、當反應將被監控或者甚至通過在微系統內達到某個溫度而變得容易時等。
所以，根據本發明的另一方面，微通道系統包括
-保持至少一個包括至少一個具有第一表面部分的第一段的微通道的基底；-適于發出光束的光源；和-用于控制光束的參數的光束控制裝置，其中，該光束控制裝置適于控制光束的參數以加熱所述微通道內的液體。
根據本發明的另一方面，提供一種在微通道中加熱液體的方法，該方法包括-提供保持至少一個具有至少一個第一段的微通道的基底；-從光源向所述至少第一段發出光束；和-控制光束的參數以加熱微通道內的液體。
因而通過由光束加熱液體而進行微通道內液體的加熱。耗散在液體中的熱量取決于多個因素，例如光束參數、空腔壁和/或形成部分壁的吸收裝置的熱傳遞性、待加熱液體的熱容等。
通過根據液體和微系統的細節選擇合適的光束參數，可以在待加熱液體中獲得預定溫度。如上所述，可以例如通過相對于形成蒸氣泡所需的功率減少光束的功率而加熱液體。無論是通過成核作用還是通過膜態沸騰，加熱至少部分液體所需的能量密度和/或脈沖寬度可以低于在液體中形成蒸氣泡所需的能量密度多個數量級。蒸發或加熱液體所需的功率取決于若干參數，例如微通道的實際尺寸、保持微通道的基底、微通道內的液體和蒸氣泡的形成和/或加熱的方式。
光束的能量密度通常可在0.001mw(毫瓦)/μm2(平方微米)-10w(瓦)/μm2范圍內，例如在0.001mw/μm2-0.1mw/μm2、0.1mw/μm2-1mw/μm2、1mw/μm2-50mw/μm2、50mw/μm2-250mw/μm2、250mw/μm2-500mw/μm2、0.5w/μm2-1w/μm2或者1w/μm2-10w/μm2的范圍內。光束的能量密度可以為至少0.001mw/μm2，例如至少0.001mw/μm2、0.01mw/μm2、0.1mw/μm2、1mw/μm2、10mw/μm2、50mw/μm2、100mw/μm2、250mw/μm2、500mw/μm2、1w/μm2或者至少5w/μm2，例如至少10w/μm2。
設想可以通過進行一組其中光能密度可變的簡單試驗選擇適合于給定應用的光能密度，并且在適當的蒸氣泡形成和/或混合和/或加熱發生時觀察不同光能設定的結果并選擇光能密度。此外可視化裝置如光顯微鏡或熒光顯微鏡可用于評價光能密度設定的結果。此外熒光或彩色液體可用于使混合或蒸氣泡成形可視，并且例如包含熒光液體標記或含有熒光微粒的液體的區域可用于使泵送和/或閥作用和/或混合和/或加熱的結果可視。
為了由同一光源在不同的時間點和/或不同的系統部分加熱液體和/或形成蒸氣泡，可提供光束控制裝置以控制的光源參數。因此可以控制光束參數例如功率、脈沖寬度、能量密度和光束相對于微通道的速度，從而光束控制裝置可控制光束參數以加熱微通道中的液體。設想光束控制裝置也可以控制用于形成蒸氣泡的光束的參數，從而允許例如不同的微通道段的不同設計。
因此可以將光束的能量密度、功率和/或脈沖寬度控制成足以將各微通道段中至少部分液體加熱到低于該液體的沸點的溫度因而在液體中基本沒有蒸氣泡形成，但是還加熱到足以使例如特殊的反應或過程發生的溫度，例如核酸擴增過程比如在三個低于沸點的不同溫度下(在約90-95℃下變性/解鏈、在約50-65℃下退火并且最后在70-80℃下聚合)發生的聚合酶鏈式反應(PCR)。
例如，待加熱液體可以包括含引物、核酸、核苷酸單磷酸酯和具有聚合酶活性的酶的核酸(NA)擴增混合物。
可使用選自聚合酶鏈式反應(PCR)、鏈置換擴增(SDA)、連接-連接-滾環擴增(L-RCA)及它們的組合/改變的技術實現NA擴增。這些方法對于本領域技術人員是公知的，并且例如由Sambrook等人描述過。
此外，根據本發明在微系統中實現核酸(NA)擴增過程的方法包括以下步驟a)提供微型泵送系統；
b)在微通道的一段內提供NA擴增混合物，所述NA擴增混合物包括引物、核酸、核苷酸單磷酸酯和具有聚合酶活性的酶；c)用光源加熱NA擴增混合物以解開雙鏈DNA；d)冷卻NA擴增混合物以使引物退火至核酸上；e)允許具有聚合酶活性的酶延伸引物。
步驟c)-e)可以重復多次。
為了監控工作液體的溫度，可使用熱電堆元件例如紅外檢測器以檢測液體的溫度。在一優選實施例中，將熱電堆元件定位成例如從液體的加熱部分發出的中紅外(MIR)光通過用于引導光束的同一條物理光路被傳送至熱電堆元件，只是分光器可以將部分被傳送的MIR光傳送至熱電堆而不是傳送到光源中之外。
使光束和基底之間產生相對運動的移動裝置可以包括移動基底的裝置、和/或移動光源的裝置和/或移動光束的裝置。基底可以例如設置在一似光盤系統(Compact Disc like system)中，其中，使基底在光源前方旋轉，該光源可以沿旋轉方向的橫向例如徑向移動。
移動光束的裝置包括用于光束的偏轉和/或衍射的裝置，例如(反射)鏡，棱鏡、光柵、全息圖等。
移動裝置可進一步或可選地包括馬達例如步進馬達，該步進馬達例如和反射鏡相連以形成檢流計；或者優選地該移動裝置包括壓電元件，并用壓電效應使用于偏轉和/或衍射的裝置器運動。可選地，磁彈性可用于使所述偏轉或衍射元件產生所述運動。可選地，可使用上述移動裝置(步進馬達或者壓電或磁彈元件)以使光源和微系統基底之間產生相對位移。
為了控制照射微通道表面部分的光束，可設置控制裝置以控制使光束和基底之間產生相對移動從而可以控制光束穿過的路徑。
控制移動裝置的控制裝置還可包括光束控制裝置。
此外，可以設置聚焦裝置以使光束在選定位置聚焦。該聚焦裝置可以適于使光束聚焦在多于一個的平面中，因而易于實現由同一光源順序驅動多個泵送通道。
光束聚焦的選定位置可以是微通道的表面部分，或者微通道中的位置。聚焦裝置可以由聚焦控制裝置控制，并且優選地適于控制兩個或三個平面中的焦點。因此，焦點可以例如在任一平面內沿通道的長度移動，例如加熱液體或者使蒸氣泡沿微通道長度移動。
控制移動裝置的控制裝置還可包括聚焦控制裝置。
通過控制移動裝置的速度和/或光源的能量密度可以控制微通道中液體的速度。但是，將有優選的、取決于例如微泵送系統的特別設計、微通道尺寸等的能量密度。
蒸氣泡的產生可以使液體上的壓力在10-10atm(大氣壓)-50atm的范圍內，例如在10-10atm-10-6atm、10-6atm-10-5atm、10-5atm-10-4atm、10-4atm-10-3atm、10-2atm-10-1atm、10-1atm-1atm、1atm-5atm、5atm-10atm的范圍內，或者在10atm-50atm的范圍內。
由根據本發明的泵送產生的通過微通道橫截面積的流速范圍為0.001pL(微微升)/min(分)-100mL(毫升)/min，例如0.001pL/min-0.01pL/min、0.01pL/min-0.1pL/min、0.1pL/min-1pL/min、1pL/min-10pL/min、10pL/min-100pL/min、1nL(納升)/min-10nL/min、10nL/min-100nL/min、100nL/min-1μL(微升)/min、1μL/min-10μL/min、10μL/min-100μL/min、100μL/min-1mL/min、1mL/min-10mL/min，或者在10mL/min-100mL/min的范圍內。
還可使蒸氣泡的尺寸適合于特別的系統和/或目的。因此可以通過控制光源的能量密度和/或選定段的照射期間控制蒸氣泡的尺寸。蒸氣泡的存續時間可以為最多10小時，例如最多每5小時、1小時、30分鐘、10分鐘、5分鐘、1分鐘、30秒、10秒、1秒、0.1秒、0.01秒、1毫秒、0.1毫秒、0.01毫秒、1微秒或者0.1微秒，例如最多0.01微秒。
例如為了在微通道中獲得閥效應，光源在一特定段上的能量密度和/或照射期間，例如光束的脈沖寬度，可以選擇成形成其尺寸與微通道尺寸相對應的蒸氣泡。因此蒸氣泡填充通道并且因而在通道內產生限流。
在本發明的另一實施例中，所設置的微閥系統包括
-保持至少一個包括至少一個具有第一表面部分的第一段和至少一個具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-適于發出光束的光源；和-用于使光束相對于基底移動的裝置，該移動裝置適于在至少一個光束將照射第一表面部分的第一位置和光束將照射第二表面部分的第二位置之間移動，因而響應微通道的各表面部分的照射在微通道的第一段中的液體內形成至少一個第一蒸氣泡和在微通道的第二段中的液體內形成至少一個第二蒸氣泡，其中，第一和第二蒸氣泡適于通過使兩個蒸氣泡的形成或破裂波動或交替而維持通道中的限流。優選的是，微閥的作用使得微通道內液體基本沒有斷層。
根據本發明的另一實施例或另一方面，提供一種閉合微系統中的微閥的方法，該方法包括-提供保持至少一個包括至少一個具有第一表面部分的第一段和至少一個具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-從光源發出光束；和-使光束和基底之間產生相對運動，因此光束在第一位置照射第一表面部分并在第二位置照射第二表面部分，-響應第一表面部分的照射在所述至少第一段中形成至少一個第一蒸氣泡，-響應第二表面部分的照射在所述至少第二段中形成至少一個第二蒸氣泡，其中，所述至少第一和第二蒸氣泡適于通過使所述蒸氣泡的形成或破裂波動或交替而維持通道中的限流以閉合閥。
因而可以在例如兩個相鄰的微通道段內形成兩個波動的蒸氣泡，其中，可以控制波動以便在所述通道中維持至少一個蒸氣泡限制。
例如可以通過照射相應的微通道段表面部分以交替加熱蒸氣泡的第一和第二邊緣部分而維持蒸氣泡。
微閥的作用使得微通道內液體基本沒有斷層是優選的。
優選地，該閥是一種常開閥，通過照射包括該閥的微通道的一段或多段以便在通道中形成蒸氣泡限制而閉合該閥。可以通過允許所維持的蒸氣泡破裂而打開該閥。
可以通過所述移動裝置控制至少一個光源以便在多個微通道中產生流動。可以控制該移動裝置以照射多個微通道的多個表面部分，從而在該多個微通道中產生液流。
該至少一個光源可以是激光，例如氣體激光、固態激光，例如激光二極管，或者該光源可以是發光二極管(LED)、氙氣燈或具有足夠強度的白熾燈泡。可以以脈沖模式或連續模式操作激光或LED，可以利用機動區截制或偏轉裝置調節氙氣燈或白熾燈泡。
在本發明的一實施例中，微通道中的兩個蒸氣泡的相鄰部分之間的距離為至少1微米，例如至少5微米、10微米、15微米、20微米、25微米、30微米、40微米、50微米、75微米、100微米、150微米、200微米、300微米、400微米、500微米、750微米、1000微米、1.5毫米、2毫米、3毫米、4毫米或者5毫米，例如至少10毫米。
在本發明的另一實施例中，微通道中的兩個蒸氣泡的相鄰部分之間的距離應該為最多10毫米，例如最多5毫米、3毫米、1毫米、750微米、500微米、250微米、150微米、100微米、75微米、50微米、25微米、10微米或5微米，例如最多1微米。
為了例如通過熒光通道或貯存器或塞子定位系統或者為了測量微通道中的液體流速，可以標記微系統中的特定位置以估計例如泵送的絕對容積排量通常是重要的。因此，在一優選實施例中，微型泵送系統可以包括至少一個用于保持待注入所述至少一個微通道的標記液體的貯存器，和連接所述至少一個貯存器和所述至少一個微通道的至少一段的連接孔。標記液體可以例如為熒光液體、彩色液體或含有熒光微粒的液體。優選的熒光液體具有和工作液體基本相同的流動特性。
蒸氣泡的形成還可以用于混合在微通道中流動的多種液體，因為微通道結構中的混合幾乎只依賴由擴散引起的混合。
根據本發明的另一實施例或另一方面，提供一種在微通道中混合多種液體的微型混合系統，該系統包括-保持至少一個包括至少一個具有第一表面部分的第一段和至少一個具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-適于發出光束的光源；和-用于使光束相對于基底移動的裝置，該移動裝置適于在至少一個光束將照射第一表面部分的第一位置和光束將照射第二表面部分的第二位置之間移動，因而響應微通道的各表面部分的照射在微通道的第一段中的第一液體內形成至少一個第一蒸氣泡和在微通道的第二段中的液體內形成至少一個第二蒸氣泡，從而增加第一和第二液體之間的邊界表面面積并因此增加擴散引起的混合。
根據本發明的另一實施例或另一方面，提供一種在微通道中混合至少一種第一和第二液體的方法，該方法包括-提供保持至少一個包括至少一個具有第一表面部分的第一段和至少一個具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-從光源發出光束；和-使光束和基底之間發生相對運動，因此光束在第一位置照射第一表面部分并在第二位置照射第二表面部分，-響應第一表面部分的照射在所述第一段中的至少一種第一液體內形成至少一個第一蒸氣泡，-響應第二表面部分的照射在所述第二段中的至少一種第二液體內形成至少一個第二蒸氣泡，從而增加所述第一和第二液體之間的邊界表面面積，以獲得所述至少第一和第二液體的由例如擴散引起的混合。
此外，形成在第一液體中的蒸氣泡可以適于從第一液體延伸到第二液體中，并且反之亦然，從而進一步增加第一和第二液體之間的邊界表面面積。因此，在較短的通道長度上實現混合。混合時間可以在1微秒-10小時的范圍內，例如在1微秒-10微秒、10微秒-100微秒、100微秒-1毫秒、1毫秒-10毫秒、10毫秒-100毫秒、100毫秒-1秒、1秒-30秒、30秒-1分鐘、1分鐘-10分鐘、10分鐘-30分鐘、30分鐘-1小時、1小時-5小時或5小時-10小時的范圍內。
此外，混合時間可以為最多10小時，例如最多每5小時、1小時、30分鐘、10分鐘、5分鐘、1分鐘、30秒、10秒、1秒、0.1秒、0.01秒、1毫秒、0.1毫秒或0.01毫秒，例如最多1微秒。
混合室的容積可以為至少10-17立方米，例如至少10-16立方米、10-15立方米、10-14立方米、10-13立方米、10-12立方米、10-11立方米、10-10立方米、10-9立方米、10-8立方米、10-7立方米，例如至少10-6立方米。
混合室的容積可以為最多10-6立方米，例如最多10-7立方米、10-8立方米、10-9立方米、10-10立方米、10-11立方米、10-12立方米、10-13立方米、10-14立方米、10-15立方米或10-16立方米，例如最多10-17立方米。
熱反應器的容積可以為至少10-17立方米，例如至少10-16立方米、10-15立方米、10-14立方米、10-13立方米、10-12立方米、10-11立方米、10-10立方米、10-9立方米、10-8立方米或10-7立方米，例如至少10-6立方米。
熱反應器的容積可以為最多10-6立方米，例如最多10-7立方米、10-8立方米、10-9立方米、10-10立方米、10-11立方米、10-12立方米、10-13立方米、10-14立方米、10-15立方米或10-16立方米，例如最多10-17立方米。
設想可以沿微通道在待混合的第一和第二液體中交替形成多個蒸氣泡。因此可以形成基本呈正弦曲線或鋸齒形的第一和第二液體的界面，并保持較大的界面面積，因而易于混合至少所述第一液體和第二液體。
可以通過控制微通道的所述至少第一和第二液體之間的距離而控制驅動流體靜壓。
可以以具有通過混合室或熱反應器的恒定流速的連續模式在熱反應室中進行混合和加熱，或者該恒定流速可用于間歇模式，在該間歇模式中，在在混合室24中進行混合的期間或/和在在熱反應器中進行加熱的期間使流動停止。混合和調節溫度的期間根據實際應用而定。
應該理解的是，這里所公開的任何實施例都可以以多種方式組合以便構成任何可能的微型泵送系統。因此，可以獲得包括多個泵送系統、混合系統和閥系統等的微型泵送系統，并且同樣可以通過任意組合處理液體的方法包括產生流動、混合、加熱、通風等而對微型泵送系統中的液體進行任何處理。


下面將參考

本發明的實施例，其中圖1示出基于形成單個蒸氣泡的一般泵送原理；圖2a-c示出基于形成單個蒸氣泡的一般泵送原理的動態特征；圖3示出基于形成若干個分開的蒸氣泡的一般泵送原理；圖4示出在其壁上具有吸光材料的微通道的橫截面圖；圖5示出具有用于形成蒸氣泡的空腔的微通道的橫截面圖；圖6a和6b示出其中的蒸氣泡形成在緩沖液體中的微通道的橫截面圖；圖7示出如何能將緩沖液體區從貯存器注入微通道中；圖8示出在微通道的緩沖液體區中形成蒸氣泡；圖9示出將標記液體注入微通道的液體中的機構；圖10a和10b示出用于在混合室內混合兩種液體的微通道系統；圖11a示出由蒸氣泡形成的液體閥的實施例，其中，兩個蒸氣泡順序形成；圖11b示出由一個蒸氣泡形成的液體閥的實施例，其中，該蒸氣泡被持續保持；圖12a和12b示出或者利用光束擴展透鏡或者通過在整個熱反應器區域上進行連續掃描而提供熱反應器的兩種模式；圖13示出包括混合器和熱反應器的本發明系統；圖14a示出包含多個-n個-單獨的分析系統的本發明系統，其中每個系統都和毛細管電泳通道相連；圖14b示出包含多個-n個-單獨的分析系統的本發明系統，其中每個系統都和毛細管電泳通道相連并且所有系統都與一共用通道連通；
圖15是所記錄的運動中的激光驅動泵的運動圖的一組時間量度；圖16是觀察到的圖15中運動的示意圖；和圖17是示出在微通道內的液體中的氣泡在每單位時間內的行進距離的坐標圖。
具體實施例方式
圖1示出基于形成單個蒸氣泡的一般泵送原理。光源1發射光束2，該光束2被引向微通道4壁上的吸光材料3。保持微通道4的基底可以是硅，而吸光材料3可以是氮化鋁。該微通道4充滿有在光束加熱吸光材料處蒸發并形成蒸氣泡5的水性液體。通過允許光束2在吸光材料3上從A移動到B，蒸氣泡5將沿著與光束2的移動方向相同的方向移動，從而迫使微通道4的液體沿著與光束2的移動方向相同的方向移動。光源1的光束2由適合于使光束移動的裝置6引導，該裝置6優選地為由壓電致動器驅動并由計算機系統(未示出)控制的硅鏡。所以，通過計算機系統可以用光束2照射至少部分微系統的任何位置。
圖2a-c示出如圖1所示的基于形成單個蒸氣泡的一般泵送原理的動態過程特征。在圖2a中，光束在點A附近加熱微通道的壁，并形成一局部蒸氣泡。該蒸氣泡還太小以致不能在微通道內產生液體的單向流動。在圖2b中，光束已經沿位置B的方向移動，并且蒸氣泡已經膨脹到阻擋液體流經微通道。蒸氣泡沿光束移動方向膨脹，并因而迫使微通道的液體沿該方向移動。在圖2c中，光束已經更加接近點B了，并且仍然在迫使液體沿同一方向流動，在液體中所產生的流動如圖中大箭頭所示。隨著微通道的壁開始冷卻，在蒸氣泡的最接近位置A的部分中開始蒸汽凝結，同時減小蒸氣泡。蒸氣泡的收縮沿從A向B的方向拉動蒸氣泡左側的液體。
圖3示出基于形成多個分開的蒸氣泡的一般泵送原理。此圖是光源1的光束已照射了從點A到點B的4個不同的位置后的微通道4的縱向橫截面圖的快照。在每一位置處都形成有蒸氣泡。左側的蒸氣泡7是最先形成的蒸氣泡，并且已開始凝結和因而收縮。該蒸氣泡左側的液體由于收縮被拉向該蒸氣泡。而右側相鄰的蒸氣泡已達到其最大容積并阻塞了微通道。從左側開始數第三個蒸氣泡仍然在膨脹，并且正迫使其右側的液體沿從A到B的方向移動。第四個蒸氣泡8剛剛形成，并且剛剛開始沿從A到B的方向向其右側擠壓液體。新的蒸氣泡或者可以形成在沿微通道4的新位置處，例如不在位置A和B之間，或者可以再次形成在位置A和B之間。
圖4示出在其一壁上具有吸光材料3的微通道4的橫截面圖。該微通道4形成在第一基底9和由第二基底10保持就位的吸光材料3之間。由于第二基底10對于光束2的波長是透明的，所述光束將通過第二基底10傳播并由緊鄰微通道4的吸光材料3吸收。將吸光材料3中形成的能量傳導到通道的液體中，液體在充足的光束能量下蒸發并形成蒸氣泡(該蒸氣泡在該圖中未示出)。
圖5示出適于處理敏感細胞的微系統的橫截面圖，所述微系統具有包括限定在兩個鄰接的基底9和10中的空腔或溝槽11的微通道4。包括溝槽11的微通道4充滿有包含熱敏顆粒物質例如生物細胞12的液體。液體中的細胞12如果暴露在超過37℃的溫度下將會被破壞。所以通過使光束2照射在鄰近溝槽11的吸光材料3上并利用溝槽中的液體蒸發形成蒸氣泡5而在空腔或溝槽中形成蒸氣泡5。溝槽被設計為足夠窄以便將細胞12基本保持在微通道橫截面的較寬部分中。在該實施例中，通過膜態沸騰產生蒸氣泡5是優選的，因為應該將最少的熱能傳導給液體中的細胞12。
圖6a示出微系統13中的微通道4的縱向橫截面，其中蒸氣泡5形成在緩沖液體14中。緩沖液體14與熱敏液體15層疊(平行流動)，該熱敏液體例如可包含熱敏試劑如抗體、細胞或酶。通過朝緊鄰緩沖液體14的基底10的吸光材料(未示出)照射光束2而形成蒸氣泡5，從而形成蒸氣泡5并將多數熱能引入緩沖液體14中。圖6a中的蒸氣泡5還沒有阻礙液體流過微通道，但是當它膨脹到具有對應于通道尺寸的尺寸時，它將阻擋液體的流動。
圖6b示出圖6a中實施例的一替換方案，其中，緩沖液體14經由位于蒸氣泡形成位置左側的入口16被引入，并經由位于蒸氣泡形成位置右側的出口17離開微通道。被保護的熱敏液體15在由形成在緩沖液體14中的蒸氣泡的泵送作用下沿大箭頭所示方向繼續流動，但是基本不受緩沖液體14中的蒸氣泡形成的影響。
圖7示出如何將緩沖液體區或段19從充滿緩沖液體14的貯存器18注入微通道4內的液流中，所述液流如箭頭所示。充滿有緩沖液體14的貯存器18與微通道4流體連通，并通過在緩沖液體14中形成蒸氣泡5將緩沖液體區19注入液流。
圖8示出在充滿有工作液體20的微通道4中的緩沖液體區19內形成蒸氣泡5。該緩沖液體區19已如圖7所示從緩沖液體貯存器18排入微通道4的工作液體20中。光束2照射緩沖液體區19中的給定位置19，從而在緩沖液體區19內形成蒸氣泡5。這種方法的優點在于微通道的工作液體20不會暴露在高溫下。可以將多個緩沖液體區19注入工作液體20，并且該緩沖液體區19可用于處理工作液體的操作。
圖9示出將標記液體21注入微通道4內工作液體20中的機構。類似于圖7和圖8所述的緩沖液體區19的注入，可以將標記液體21從充滿有標記液體21的貯存器18注入工作液體20。標記液體21可以是例如包含熒光分子或其它易于檢測到的實體的液體。可以將標記液體21注入工作液體以便例如使微通道內的流動可視和/或測量微通道內的流速和/或測試系統的泄漏情況。通過在貯存器18或與容納工作液體20的微通道4流體連通的通道內形成蒸氣泡5將標記液體21注入工作液體20。通過向通道壁的吸光部分3、貯存器壁照射光束2并因此產生足以使緊鄰被照射的通道壁段的標記液體21蒸發的熱量而形成蒸氣泡5。可選地，可通過直接照射由透明基底保持的標記液體(未示出)而形成蒸氣泡。當蒸氣泡形成在標記液體區22中時，標記液體將被推入工作液體20中。箭頭所示的工作液體流將使標記液體區22通過微通道4移動。
圖10a和10b示出在時間t＝t1和t＝t2時在混合室24內混合兩種液體的通道系統23。第一液體25從第一貯存器27流出，第二液體26從第二貯存器28流出。該流動(箭頭所示)可利用本發明的泵和泵送方法例如通過利用光源的光束2產生蒸氣泡或者通過傳統的泵送裝置如活塞泵、EOF泵、流體靜壓、毛細流動等產生。第一液體25和第二液體26會合、層疊并形成邊界層29，第一液體中的分子可以通過該邊界層擴散到第二液體中，反之亦然。在混合室24中邊界層29的有效面積可通過形成4個限制液體流動并增加邊界層29的長度的蒸氣泡5而增加。通過在t＝t2時改變蒸氣泡5在混合室的位置可使混合效率相對于t＝t1時刻進一步提高。優選地在兩個或多個蒸氣泡位置-如圖10a中位置和圖10b中位置-之間輪換。該輪換可以最多每5分鐘進行一次，例如最多每1分鐘、30秒、10秒、1秒、0.1秒、0.01秒或0.001秒，例如最多每0.0001秒進行一次。
蒸氣泡5通常可以形成在混合室24內的任一位置處。在本發明的一實施例中，優選地使蒸氣泡5定位成使混合室24內的邊界層29的面積最大。
圖11a示出由蒸氣泡形成的液體閥30的實施例，兩個蒸氣泡31和32順序形成，即一個接一個地形成。工作液體沿箭頭方向流過微通道段33，并且如果閥打開，該工作液體還會流過微通道段34、35。通過在微通道段35內順序形成至少兩個彼此相鄰的蒸氣泡31和32而生成液體閥。通過用來自激光二極管36(該適于使光束移動的裝置未示出)的光束2加熱微通道壁形成蒸氣泡，因而使緊鄰微通道壁的液體蒸發。光束2以離散模式在對應于蒸氣泡31的位置和對應于蒸氣泡32的位置之間移動。在線性增加的時間序列t1、t2、t3、t4、t5、t6中，光束2將在時間t1、t3和t5時加熱鄰近蒸氣泡31的微通道壁。在時間t2、t4和t6時，光束2將加熱鄰近蒸氣泡32的微通道壁。圖11a是閥的實施例的快照，其中蒸氣泡31仍然膨脹成足以阻塞通過微通道段35的流動，但該蒸氣泡正在收縮。另一方面，蒸氣泡32正在膨脹，但還未膨脹成足以阻塞所述液流。優選地，兩個蒸氣泡的動態特征是其中一個總是阻塞通過相關微通道段的流動。無需過多的試驗本領域技術人員便能確定操作閥的相關參數，例如兩個蒸氣泡之間的距離和形成蒸氣泡的適時動態特征。
圖11b示出由單個蒸氣泡5形成的液體閥30的另一實施例，該蒸氣泡5被持續保持。作為圖11a中實施例的一替換方案，可以通過由來自激光二極管36的光束2(該適于使光束移動的裝置未示出)持續保持的單個蒸氣泡阻塞微通道段35內的流動。可以通過沿其中應形成和保持蒸氣泡的微通道4的壁持續掃描光束2而保持蒸氣泡5。如果不掃描緊鄰蒸氣泡5的壁，光束2可順序加熱微通道壁的同一位置，如果通道壁如此吸收了足夠的能量，蒸氣泡將保持充分膨脹以阻塞通過微通道4段的流動。
圖12a和12b示出或者利用光束擴展透鏡38或者通過在整個熱反應器區域上進行連續掃描而提供熱反應器37的兩種模式。工作液體20從貯存器18流到熱反應器37。在該熱反應器中，例如結合使用光束擴展透鏡38和激光二極管36(該適于使光束移動的裝置未示出)通過激光加熱工作液體20。光束擴展透鏡38可以是微系統的一部分，例如和微系統一體化或安裝在該微系統上。通過使用光束擴展透鏡38，光束2的能量將被吸收到較大區域2a中，并且由于較低的光能密度而產生較低的溫度增長。較大部分的工作液體20被適度地加熱，而沒有導致熱反應器37中的工作液體20的局部蒸發。
圖12b示出熱反應器37的一實施例，其中通過用光束2在整個熱反應器37上進行迅速掃描39而將光束2的能量分布在熱反應器上。
在本發明的一實施例中，工作液體20在加熱過程中流過熱反應器37，因此熱反應器37可以連續模式工作。在一替換實施例中，在加熱過程中使工作液體20在熱反應器37中停止，即不流過熱反應器37，這樣熱反應器可以間歇模式工作。可以利用普通閥或根據本發明的閥30使通過熱反應器37的流動停止。
因為溫度調節對于獲得良好的化學反應可重復性較關鍵，所以熱反應器37有多種應用。PCR混合物的熱循環是熱反應器的一種非常有利的應用。將PCR混合物泵送入熱反應器37中，并且可以上述間歇模式使用熱反應器37。所謂的熱循環在熱反應器37中進行。在一次循環中，首先將PCR混合物加熱到90-95℃，然后允許其冷卻到55-65℃，并且最后使溫度升至75℃。一次熱循環通常導致所選的DNA序列的濃度加倍。熱循環通常重復15-30次，這可以差不多1,000,000倍地增加所選DNA序列的濃度。
圖13示出包括混合器和熱反應器的本發明系統。兩種工作液體25和26分別從貯存器27、28流出。可以利用吸光材料3通過根據本發明的泵送作用或者可選地利用兩個吸光材料40、41通過單獨的貯存器產生的泵送作用而產生所述液流。兩種工作液體層疊，從而在它們之間形成邊界層29。層疊的工作液體流入混合室24，并且如上所述進行混合。混合液體流入熱反應器37，并且用作為光源的激光二極管36(該適于使光束移動的裝置未示出)和例如光束擴展透鏡38進行加熱。可以使圖13中示出的微系統在恒定流速下以連續模式工作，或者可以間歇模式使用該微系統，在該間歇模式中，在在混合室24中進行的混合過程中或/和在在熱反應器37中進行的加熱過程中使流動停止。用于混合和調節溫度的時間期間由實際應用所確定。
在該實施例中，來自激光二極管36的光束用于泵送兩種工作液體25、26以混合這些液體和在熱反應器37中加熱這些液體。此外，激光二極管36的光束2可用于檢測工作液體中的分子。在熒光檢測中，激光二極管36可提供用于激發熒光分子的光束，在吸光率測量中，激光二極管36可以提供將被吸收到工作液體中的光。
通常，在微通道、混合室或熱反應器中都可以進行檢測。
圖13可用于進行擴增核酸分子如DNA的PCR過程。貯存器27可以容納含有用于進行PCR過程的相關試劑的工作液體25，貯存器28可以容納含有可能或可能沒有被致病菌感染的病人的液體樣本的工作液體26。如果病人被感染了，液體樣本中將有致病菌的DNA。使液體樣本和用于進行PCR過程的試劑層疊、在混合室24內混合并在熱反應器37中進行熱循環。工作液體20可含有例如Sambrook等人所描述的PH緩沖劑及引物對、聚合酶、三磷酸核苷酸和鹽，該引物有益于擴增致病菌DNA是已知的。
如圖14a所示，若干個通道系統可以設置在同一微系統上或同一微系統中。此處存在多個-n個-單獨的通道系統，其中每個通道系統都與毛細管電泳通道42相連(只示出了通道系統1的毛細管電泳通道)，n為整數。類似于圖13，通道系統包括混合室24和熱反應器37。從各自的貯存器流出的兩種工作液體25和26層疊并流入混合室24。經過混合室24后，它們流入熱反應器37，并且兩液體的混合物隨后流入CE-通道42和微通道之間的裝載交叉部43。可利用毛細管電泳通道43注射并分離該交叉部中的小體積混合物。可利用作為激勵源的激光二極管36例如在檢測位置44處進行熒光檢測。實際熒光可通過光檢測器例如光電倍增管、光電二極管、雪崩光電二極管、CCD攝像機(照相機)和/或等同設備進行測量。沒有分離的液體流入廢棄物容器。
在本發明的一實施例中，優選地例如利用本發明的蒸氣泡閥或其它類型的閥使微通道的和CE通道42相交的部分中的流動停止。
混合室24、熱反應器37和毛細管電泳(CE)的組合通常對于遺傳分析尤其對于PCR過程非常有用。可在CE微通道42中分離PCR過程的擴增產物，并且可在檢測位置44處檢測熒光PCR產物即擴增的DNA序列。
其它通道系統1、2......n可以是同一微通道中的單獨的通道系統。單獨的通道系統的數目通常可以至少為2，例如至少3、4、5、10、15、20、25、30、50、75、100、200、500、1,000、5,000、10,000、20,000或者至少30,000，例如至少50,000個單獨的通道系統。
對于每個微系統，激光二極管36都能在各自的單獨的通道系統中進行泵送、混合、熱處理和/或閥動作(圖14a中未示出)。
圖14b示出包含多個-n個-單獨的通道系統的本發明系統，其中每個系統都與毛細管電泳微通道相連并且所有系統都與一共用的微通道45連通。該微系統非常適用于所謂的高效能篩選，在該篩選中，篩選例如大量的候選藥物以便與例如受體產生特殊反應。試劑工作液體25可以包含熒光標記受體，并且多種樣本工作液體例如46、47和48可以包含單獨的藥物以使得一種工作液體包含一種候選藥物。多種樣本工作液體46、47和48在各自的混合室內和試劑工作液體25混合，并且可以保持在各自的熱反應器中。最后，將各反應產物裝載到單獨的CE微通道中，分離該反應產物，并通過熒光檢測確定限制在熒光標記受體上的候選藥物的量。
也可以使用多個單獨的通道系統使工作液體標準化，并用其余的通道系統進行分析。
本發明的微系統和方法可以用于例如高效能篩選或診斷分析，或者用于例如組合化合物庫的合成。
本發明的微系統和方法可用于例如通過檢測基因突變或遺傳多態性即動植物和微生物遺傳材料中的可變核苷酸序列而檢測遺傳疾病。遺傳多態性包括選自單核苷酸多態性(SNP)、可變數目的串連重復多態性、散落性重復DNA、插入、重復、缺失、擴增、重排、SNP的組合、短串連重復、雙核甘酸重復序列、有間隙的重復DNA及其組合的多態性。可以例如通過核酸擴增和觀察多性態引起的核苷酸大小或序列的不同來區別可變核苷酸序列。
本發明的微系統和方法可用于任何現有生物學物質例如任何生物有機體的診斷，包括i)哺乳動物細胞，包括人的細胞和真核細胞，或者它們的一部分，ii)病毒，包括哺乳動物病毒、人體病毒和真核病毒，或者它們的一部分，和/或iii)寄生物，包括哺乳動物寄生物，人體寄生物和真核寄生物，在正常的生理條件下，或者在可被診斷為疾病、病疫、綜合征、缺乏癥的條件下，或者在其它潛在的可治療、可特征化或可診斷的條件下，所述細胞、病毒和/或寄生物形成人體或動物身體的一部分。此外，本發明的微系統和方法可用于還不是現有技術的一部分的任何其它生物學物質的診斷。下面給出細胞、病毒和寄生物的示例。
還可以將診斷方法引向目標物質，例如微生物有機體如酵母菌和真菌、粘液菌以及一般的微生物，并且尤其是致病的微生物。下文將給出微生物的示例。而且在這種情況下本領域技術人員知道怎樣使這些微生物目標有機體和顯示所述目標有機體的特征的試劑匹配。
本領域技術人員通常知道怎樣使用或配制特別用于任何有用的目標物質的試劑。本領域技術人員還將任意地獲得普通或專科醫學及生物化學教科書和參考手冊。
根據本發明的優選試劑包含抗原和/或免疫定子，這種定子包括用于與相應的抗原接觸并且抗原也反之與其接觸的抗體和單克隆抗體。當分析對應于特殊抗原的抗體或者當篩選人體病菌有機體例如潛在的致命病毒或病菌微生物時，這可能是最關心的問題。
根據本發明的診斷方法可用于診斷嚴重混合型免疫缺乏癥(severecombined immune deficiency)，DiGeorge綜合征，MHCI型缺乏癥，MHCII型缺乏癥，威斯科特-奧爾德利希(Wiskott-Aldrich)綜合征，普通變異型免疫缺陷病，X連鎖的血丙種球蛋白缺乏癥，X連鎖高免疫球蛋白M(X-linked hyper-IgM)綜合征，選擇性免疫球蛋白A(IgA)和/或免疫球蛋白M(IgG)缺乏癥，吞噬細胞缺乏癥，補體缺乏癥，天然殺傷(NK)細胞缺陷，X連鎖淋巴組織增生綜合征，共濟失調毛細血管擴張癥，以及各種自免疫淋巴組織增生疾病。本領域技術人員知道怎樣選擇能夠直接或間接地診斷上述疾病的試劑。
根據本發明提供的另一優選方法，可以檢測到特殊的細胞改變和/或改變的細胞分化。
例如在人感染人免疫缺損病毒(HIV)期間可以提及CD4細胞的改變數量。許多細胞和亞細胞事件可以通過對由多種細胞表達的特定細胞決定簇，或CD抗原的檢查來監測，這些細胞包括皮層胸腺細胞、郎格罕氏(Langerhans)細胞、樹狀細胞、B細胞以及它們的亞型，包括慢性淋巴細胞白血病中的B細胞、T細胞和活化的T細胞以及它們的前體、輔助T細胞和炎性T細胞、細胞毒素T細胞、胸腺細胞、單核細胞、白細胞、淋巴細胞、巨噬細胞、多能造血細胞、嗜曙紅細胞、嗜堿細胞、嗜中性粒細胞、天然殺傷細胞、血小板、大腦及外周神經細胞、血管平滑肌細胞、腸上皮細胞、平滑肌細胞、血管、骨髓基質細胞、骨髓細胞、粒性白細胞、脊髓單核細胞和小結樹狀細胞。
根據本發明的另一優選方法可以檢測或診斷不良致病微生物的存在，例如屬于下列種屬的微生物，如木糖氧化無色桿菌(Achromobacterxylosoxidans)、乙酸鈣不動細菌(Acinetobacter calcoaceticus)、衣氏放線菌(Actinomyces israelii)、嗜水單胞菌(Aeromonas hydrophilia)、產堿桿菌屬(Alcaligenes)、亞利桑那沙門菌(Arizona hinshawii)、炭疽桿菌(Bacillus anthracis)，芽孢桿菌(Bacillus cereus)、脆弱擬桿菌(Bacteroides fragilis)、產黑素擬桿菌(Bacteroides melaninogenicus)、百日咳博德特氏菌(Bordetella Pertussis)、回歸熱包柔氏螺旋體(Borreliarecurrentis)、布魯氏菌屬(Brucella)、肉芽腫鞘桿菌(Calymmatobacteriμm granulomatis)、胚胎彎曲桿菌腸亞種(Campylobacter fetusssp.Intestinalis)、胚胎彎曲桿菌空腸亞種(CarnPylobacter fetusssp.Jejuni)、衣原體屬(Chlamydia)、紫色色桿菌(Chromobacter riμmviolaceμm)、檸檬酸細菌屬(Citrobacter)、肉毒梭菌(Clostridiμmbotulinμm)、產氣莢膜梭菌(Clostridiμm perfringens)、艱難梭菌(Clostridiμm difficile)、破傷風梭菌(Clostridiμm tetani)、白喉棒桿菌(Corynebacteriμm diphteriae)、棒桿菌屬(Corynebacteriμm)、伯氏考克斯氏體(Coxiella burnetti)、遲鈍愛德華氏菌(Edwardsiella tarda)、嚙蝕艾肯菌(Eikenella corrodens)、腸桿菌屬(Enterobacter)、豬丹毒丹毒絲菌(Erysipelothrix rhusiopathiae)、大腸桿菌(Escherichia coli)、腦膜膿毒性黃桿菌(Flavobacteriμm meningosepticμm)、土拉熱弗朗西斯氏菌(Francisella tularensis)，具核梭桿菌(Fusobacteriμm nucleatμm)、陰道加德納氏菌(Gardnerella vaginalis)、杜氏嗜血菌(Haemopbilusducreyi)、流感嗜血菌(Haemophilus influenzae)、肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneμmoniae)、軍團菌(Legionella)、問號鉤端螺旋體(Leptospira interro gans)、單核細胞增生利斯特氏菌(Listriamonocytogenes)、摩拉氏菌屬(Moraxella)、牛分枝桿菌(cobacteriμmbovis)、麻風分枝桿菌(Mycobacteriμm leprae)、結核分枝桿菌(Mycobacteriμm tuberculosis)、支原體屬(Mycoplasma)、淋病奈瑟氏球菌(Neisseria gonorrhoeae)、腦膜炎奈瑟氏球菌(Neisseriameningitidis)、諾卡氏菌屬(Nocardia)、多殺巴斯德氏菌(Pasteurellamultocida)、大消化球菌(Peptococcus magnus)、類志賀鄰單胞菌(Plesiomonas shigelloides)、變形菌屬(Proteus)、普羅威登斯菌屬(Providencia)、銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、鼻疽假單胞菌(Pseudomonas mallei)、類鼻疽假單胞菌(Pseudomonaspseudomallei)、立克次氏體屬(Rickettsia)、沙門氏菌(Salmonella)、沙雷氏菌屬(Serratia)、痢疾志賀氏菌(Shigella dysenteriae)、小螺菌(Spirillμm minor)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)、腐生葡萄球菌(Staphylococcussapropbyticus)、念珠狀鏈桿菌(Streptobacillus moniliformis)、鏈球菌屬(Streptococcus)、無乳鏈球菌(Streptococcus agalactiae)、肺炎鏈球菌(Streptococcus pneμmoniae)、釀膿鏈球菌(Streptococcus pyogenes)、斑點病密螺旋體(Treponema carateμm)、蒼白密螺旋體(Treponemapallidμm)、極細密螺旋體(Treponema pertenue)、脲支原體(Ureaplasmaurealyticμm)、霍亂弧菌(Vibrio cholerae)、副溶血弧菌(Vibrioparahaemolyticus)、小腸結腸炎耶爾森氏菌(Yersinia enterocolltica)和鼠疫耶爾森氏菌(Yersinia pestis)。
用本發明的微系統和方法可檢測到的樣本中存在的病毒實例是腺病毒、沙粒病毒、星狀病毒、崩芽病毒(Bunyaviruses)(漢垣病毒)、巨細胞病毒、杯狀病毒、EB病毒(Epstein-Barr)、包括埃博拉(Ebola)病毒的線狀病毒、甲肝病毒、乙肝病毒、丙肝病毒、包括1型和2型人單純皰疹病毒的皰疹(Herpes)病毒、粘液病毒、乳頭瘤病毒、乳多空病毒、細小病毒、細小核糖核酸病毒、披膜病毒(風疹病毒)、副粘病毒和正粘病毒、脊髓灰質炎病毒、痘病毒、呼腸孤病毒、棒狀病毒、包括人免疫缺損病毒(HIV)的逆轉錄病毒、淋巴結病相關病毒(LAV)，和人嗜T-淋巴細胞(Hμman T-lymphotropic)病毒(HTLV)，包括它們的任一派生物HTLV-I、HTLV-II和HTLV-III。
因此，用本發明的系統和方法可以檢測任何例如引起感染疾病的細胞，病毒或寄生物，這些疾病例如后天免疫缺損綜合征、放射菌病、腺病毒感染炭疽熱、細菌性痢疾、肉毒中毒、布魯氏菌病、念珠菌病、蜂窩組織炎、軟下疳、霍亂、球孢子菌病、普通感冒、結膜炎、膀胱炎、皮膚真菌病、白喉、心內膜炎、細菌感染(bacterial)、會厭炎、丹毒、類丹毒、腸胃炎、生殖器泡疹、鼻疽(Glanders)、淋病、肝炎、網狀內皮細胞真菌病、膿皰病、傳染性的單核血球病癥、流行性感冒、軍團病、麻瘋病、犬鉤端螺旋體癥、萊姆關節炎、類鼻疽、柔腦膜炎、流行性腮腺炎、諾卡菌病、非淋球菌尿道炎、品他病、瘟疫、肺炎球菌肺炎、脊髓灰質炎、原發性非典型肺炎、假膜性小腸結腸炎、產后濃毒病、狂犬病、回歸熱、逆轉錄酶病毒感染、風濕熱、落基山斑疹熱(Rocky Mountain spotted fever)、風疹、麻疹、猩紅熱、葡萄球菌感染皮膚綜合征、鏈球菌咽炎、梅毒、破傷風、中毒性休克綜合征、弓形體病、結核、兔熱病、傷寒、斑疹傷寒、陰道炎、水痘、乳疣瘤、百日咳、雅司病和黃熱病。
本領域技術人員知道怎樣通過接種后在來自個體的樣本中測試所述個體的抗體應答，從而測試疫苗的功效。這樣，易于測試下述疫苗的功效白喉類毒素、破傷風類毒素、百日咳疫苗、脊髓灰質炎病毒疫苗、麻疹疫苗、流行性腮腺炎疫苗、風疹疫苗、流行性感冒疫苗、結核菌苗(BacilleCalmetteGu rin或者BCG)、狂犬病疫苗、傷寒疫苗、霍亂疫苗和黃熱病疫苗。
示例為了檢驗光驅動微型泵所要求的功能性，本發明實的施例的結構如下一個500mW、808nm的SONY激光二極管(SLD322V)和接連到計算機控制系統上的限流環路布置在一起，因此可以進行精確的定時。用焦距f＝8mm、出口光闌為5mm的標準校準透鏡校準激光二極管；因此校準后的光束(雖然由于激光二極管的不對稱而不是圓形的)的直徑被限制為5mm。所述校準后的光束以45度角照射在涂敷有激光級金屬的介質鏡(808nm-Ferroperm Optics，丹麥)上。該鏡是由具有1:20傳動裝置的1.8度步進馬達構成的檢流計的一部分；該鏡同樣可以以0.09度的分度沿任一方向傾斜。然后利用焦距f＝20mm、直徑d＝16mm的透鏡將校準和偏轉后的激光束聚焦在微流體芯片上。
該傾斜的鏡位于距離聚合物芯片50mm處，同時聚焦透鏡位于距離該芯片20mm處。通過所述設置，足以獲得12mm長的仍然聚焦且因而可使用的激光束。
使計算機控制系統適時地和步進馬達一起驅動激光，該馬達可以在一給定的時間段內在給定的時間和地點沿流體通道發出激光。
微流體系統由瑞士Weidmann Plastics所提供的注射成形聚碳酸酯芯片組成。通道結構由20-200μm米寬、8和14mm長、50μm深并且通過1000μm的圓形貯存器連接的凹槽通道構成。通過將蓋件安裝(利用粘膠劑)到通道結構上形成該微流體回路。該蓋件由2mm厚的其上施加有能抵抗815℃高溫的耐熱層(由美國PlastiKote進行“熱噴涂”專業噴涂)的玻璃制成。只在一側上施加該耐熱層，并且該側面對聚合物通道結構-因而形成第四通道壁。液體通路通過利用400μm的孔從相對側通過聚合物芯片而形成，該孔貫穿聚合物進入1000μm的貯存器。
利用注射器向芯片注入甲醇，然后將該芯片與前述激光系統放在一起，因此激光束可以從下方射出-穿過玻璃蓋件并且分別在與所選擇的流體通道部分直接相連處在所施加的熱層中被吸收。通過安裝有帶有固定的IR-過濾器的數字攝像機的顯微鏡觀察該微流體通道。
用甲醇進行測試；將激光調節成以大約300mW的光輸出功率工作，因為即使在最小的1毫秒脈沖寬度下，可獲得的全功率500mW也顯得過大。將檢流計設定成在1秒的時間量度內移動2mm的距離。將激光設定成每38毫秒發出2毫秒脈沖，這等于5％的占空因數，并且實際上是在沿寬度為100μm的2mm通道長度的每100μm處。一旦進行上述測試，就可以通過所述攝像機檢測并捕捉清楚及連續的流動。在發出產生持久的氣泡的激光的過程中釋放出少量收集或溶解的氣體。這些氣泡以固定流速明顯地與周圍的液體一起通過通道流動，因而證明了當驅動系統返回到其起點或者暫時中斷時，連續流動跟隨激光束方向并且突然停止。進一步的測試表明，可以通過使循環反向而使反向泵送如本發明的說明書中所述的那樣工作。
從捕捉的運動圖計算出的泵送速度是1500μm/s，并且因而計算出的對應的體積流速是7.5nL/s。
圖15是所記錄的運動圖的一組時間量度。5個量度-每個間隔100ms-示出在400ms期間行進了600μm的挾帶空氣泡。
圖16是利用電影攝像機記錄的觀察到的運動的圖形再現。5個量度-每個間隔100ms-圖示出在400ms期間行進了600μm的挾帶空氣泡。
圖17是表示每單位時間內的行進距離的坐標圖。可通過圖示點畫出一直線說明流速是恒定的。
參考資料Manz等人A.Manz，C.S.Effenhauser，N.Burggraf，D.J.Harrison，K.Seiler，和K.Fluri，“用于使化學分析系統小型化的電滲泵送和電泳分離”，J.Micromech，Microeng.，vol.4，PP.257-265，1994。
Sambrook等人分子克隆法實驗室手冊第三版，1卷和2卷，Sambrook等人，2001，Cold Spring Harbor實驗室出版社。
Jun等人“在微通道內利用穿越的氣泡進行微小規模的泵送”，Thomas K.Jun和Chang-jin Kim。
US 2003 0021694US5,186,001US5,602,386US5,649,423US6,071,081US6,283,718US6,513,968
權利要求
1.一種用于在至少一個保持液體的微通道內產生液流的微型泵送系統，該系統包括-保持至少一個包括至少一個具有第一表面部分的第一段和至少一個具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-適于發出光束的光源；和-使光束和基底之間產生相對運動的移動裝置，該移動裝置適于在至少一個光束將照射第一表面部分的第一位置和光束將照射第二表面部分的第二位置之間移動，因而響應微通道的各表面部分的照射分別在微通道的第一和第二段中形成至少一個作用于液體的蒸氣泡。
2.一種如權利要求1所述的微型泵送系統，其特征在于，光束在從第一位置移動到第二位置時連續照射微通道，從而產生至少一個從第一段行進到第二段的蒸氣泡。
3.一種如權利要求1所述的微型泵送系統，其特征在于，響應照射第一表面部分的光束形成至少一個第一蒸氣泡，并且響應照射第二表面部分的光束形成至少一個第二蒸氣泡。
4.一種如權利要求3所述的微型泵送系統，其特征在于，在所述至少第一蒸氣泡破裂之前形成所述至少第二蒸氣泡。
5.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，所述微通道具有一個或多個將被光束順序照射的區域，每個區域都包含多個將被光束順序或連續照射的微通道段。
6.一種如權利要求5所述的微型泵送系統，其特征在于，一個區域被光束照射多次。
7.一種如權利要求6所述的微型泵送系統，其特征在于，所述區域沿任一方向被連續或順序照射多次。
8.一種如權利要求6所述的微型泵送系統，其特征在于，所述系統是雙向工作的。
9.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，所述微通道的至少一個表面部分包含用于吸收光能的吸光材料。
10.一種如權利要求1-9中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，光能被直接吸收在受照射段內的液體中。
11.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，所述蒸氣泡形成在液體中。
12.一種如權利要求11所述的微型泵送系統，其特征在于，通過響應光束照射使至少部分液體膜態沸騰而形成蒸氣泡。
13.一種如權利要求1-7中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，所述蒸氣泡形成在緩沖液體中。
14.一種如權利要求13所述的微型泵送系統，其特征在于，通過響應光照射的部分緩沖液體的膜態沸騰形成蒸氣泡。
15.一種如權利要求13或14所述的微型泵送系統，其特征在于，通過響應光束照射的成核作用形成所述蒸氣泡。
16.一種如權利要求13-15中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，所述緩沖液體保持在與微通道相連的空腔中，該微通道的表面部分為該空腔的表面部分。
17.一種如權利要求16所述的微型泵送系統，其特征在于，所述空腔具有朝向所述微通道的開口。
18.一種如權利要求17所述的微型泵送系統，其特征在于，所述開口小于將由微通道內液體傳送的細胞。
19.一種如權利要求13-18中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，產生的流動是層狀的。
20.一種如權利要求19所述的微型泵送系統，其特征在于，所述緩沖液體和所述液體為所述微通道內的層狀流動液體。
21.一種如權利要求13-20中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，所述微通道至少一段包含緩沖液體。
22.一種如權利要求21所述的微型泵送系統，其特征在于，所述微通道的端段包含緩沖液體。
23.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，還包括用于控制光束的參數的光束控制裝置。
24.一種如權利要求23所述的微型泵送系統，其特征在于，所述光束控制裝置適于控制光束的參數以加熱微通道內的液體。
25.一種如權利要求24所述的微型泵送系統，其特征在于，所述光束具有足以將至少部分液體加熱到低于所述液體的沸點的溫度的能量密度。
26.一種如權利要求24或25所述的微型泵送系統，其特征在于，用于加熱大量液體的能量密度低于用于使氣泡成形的能量密度。
27.一種如權利要求24-26中任一項所述的微型泵送系統，還包括用于檢測液體溫度的熱電堆元件。
28.一種如權利要求27所述的微型泵送系統，其特征在于，所述熱電堆元件包括紅外檢測器。
29.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，還包括用于控制使光束和基底之間產生相對運動的裝置的控制裝置。
30.一種如權利要求23和29所述的微型泵送系統，其特征在于，所述控制裝置包括所述光束控制裝置。
31.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，所述使光束相對于基底運動的裝置包括移動基底的裝置。
32.一種如權利要求1-31中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，所述使光束相對于基底運動的裝置包括移動光源的裝置。
33.一種如權利要求1-32中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，所述使光束相對于基底運動的裝置包括移動光束的裝置。
34.一種如權利要求33所述的微型泵送系統，其特征在于，所述移動光束的裝置包括用于光束的偏轉或衍射的裝置。
35.一種如權利要求31-33中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，所述移動裝置包括馬達。
36.一種如權利要求31-35中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，所述移動裝置包括壓電元件。
37.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，還包括用于使光束聚焦在選定位置的聚焦裝置。
38.一種如權利要求37所述的微型泵送系統，其特征在于，所述選定位置為微通道的表面部分。
39.一種如權利要求37所述的微型泵送系統，其特征在于，所述選定位置為微通道內的位置。
40.一種如權利要求37-39中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，所述聚焦裝置由聚焦控制裝置控制。
41.一種如權利要求29或40所述的微型泵送系統，其特征在于，所述控制裝置包括所述聚焦控制裝置。
42.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，通過控制移動裝置的速度控制液體的速度。
43.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，通過控制光源的能量密度控制液體的速度。
44.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，通過控制光源的能量密度和/或選定段的照射期間控制蒸氣泡的尺寸。
45.一種如權利要求44所述的微型泵送系統，其特征在于，選擇光源能量密度和/或光源照射期間以形成其尺寸與微通道尺寸相對應的蒸氣泡。
46.一種如權利要求45所述的微型泵送系統，其特征在于，在兩個相鄰的微通道段中形成兩個波動的蒸氣泡，控制波動以便在所述通道中維持至少一個蒸氣泡限制。
47.一種如權利要求45所述的微型泵送系統，其特征在于，通過照射相應的微通道段表面部分以交替加熱蒸氣泡的第一和第二邊緣部分而維持蒸氣泡。
48.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，通過所述移動裝置控制至少一個光源，以便在多個微通道中產生流動。
49.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，控制所述移動裝置以照射多個微通道的多個表面，以便在該多個微通道中產生液流。
50.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，所述光源為激光。
51.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，還包括至少一個用于保持待注入所述至少一個微通道的標記液體的貯存器，和連接所述至少一個貯存器和所述至少一個微通道的至少一段的連接孔。
52.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，所述微通道包含待混合的至少一種第一液體和第二液體，其中，響應至少一個第一段的第一表面部分的照射在所述至少第一液體中形成至少一個第一蒸氣泡，該蒸氣泡適于延伸到所述第二液體中，因而增加第一液體和第二液體之間的邊界表面面積。
53.一種如權利要求52所述的微型泵送系統，其特征在于，響應至少第二段的第二表面部分的照射在所述至少第二液體中形成至少第二蒸氣泡，該蒸氣泡適于延伸到所述至少第一液體中，因而增加第一液體和第二液體之間的邊界表面面積。
54.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，其特征在于，通過控制所述微通道的所述至少第一段和第二段之間的距離而控制驅動流體靜壓。
55.一種用于在微通道內泵送液體的微型泵送系統，該系統包括-保持至少一個包括至少一個具有第一表面部分的第一段和至少一個具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-適于發出光束的光源；和-用于使光束相對于基底移動的裝置，該移動裝置適于在至少一個光束將照射第一表面部分的第一位置和光束將照射第二表面部分的第二位置之間移動，因而響應微通道的各表面部分的照射分別在微通道的第一段中形成至少一個作用于液體的第一蒸氣泡和在微通道的第二段中形成至少一個作用于液體的第二蒸氣泡，其中，所述至少第二蒸氣泡在所述至少第一蒸氣泡破裂之前形成，以便產生泵送作用/以便使液體沿從所述第一段到所述第二段的方向移動。
56.一種微閥系統，包括-保持至少一個包括至少一個具有第一表面部分的第一段和至少一個具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-適于發出光束的光源；和-用于使光束相對于基底移動的裝置，該移動裝置適于在至少一個光束將照射第一表面部分的第一位置和光束將照射第二表面部分的第二位置之間移動，因而響應微通道的各表面部分的照射在微通道的第一段中的液體內形成至少一個第一蒸氣泡和在微通道的第二段中的液體內形成至少一個第二蒸氣泡，其中，該第一和第二蒸氣泡適于通過使所述至少兩個蒸氣泡的形成或破裂波動而維持通道中的限流。
57.一種如權利要求56所述的微閥系統，其特征在于，通過控制光源的能量密度和/或選定段的照射期間控制蒸氣泡的尺寸。
58.一種如權利要求57所述的微閥系統，其特征在于，選擇光源的能量密度和/或照射期間以形成至少一個其尺寸與微通道尺寸相對應的蒸氣泡。
59.一種如權利要求56-58中任一項所述的微閥系統，其特征在于，所述第一和第二蒸氣泡是相同的蒸氣泡，通過照射微通道的相應表面部分以交替加熱蒸氣泡的第一和第二邊緣部分而維持所述蒸氣泡。
60.一種用于在微通道內混合多種液體的微型混合系統，該系統包括-保持至少一個包括至少一個具有第一表面部分的第一段和至少一個具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-適于發出光束的光源；和-用于使光束相對于基底移動的裝置，該移動裝置適于在至少一個光束將照射第一表面部分的第一位置和光束將照射第二表面部分的第二位置之間移動，因而響應微通道的各表面部分的照射在微通道的第一段中的第一液體內形成至少一個第一蒸氣泡和在微通道的第二段中的液體內形成至少一個第二蒸氣泡，從而增加第一和第二液體之間的邊界表面面積。
61.一種用于在微通道內加熱液體的熱反應器系統，該系統包括-保持至少一個包括至少一個具有第一表面部分的第一段的微通道的基底；-適于發出光束的光源；和-用于控制光束的參數的光束控制裝置，其中，該光束控制裝置適于控制光束的參數以加熱所述微通道內的液體。
62.一種如權利要求61所述的系統，還包括用于檢測液體溫度的熱電堆元件。
63.一種如權利要求62所述的系統，其特征在于，所述熱電堆元件包括紅外檢測器。
64.一種如權利要求61-63中任一項所述的系統，其特征在于，所述液體包含核酸擴增混合物，包括引物、核酸、核苷酸單磷酸酯和具有聚合酶活性的酶。
65.一種包括一個或多個如權利要求1-64所述的微系統的微系統。
66.一種在至少一個微通道內產生液流的方法，該方法包括提供至少一個保持至少一個微通道的基底，從至少一個光源發出至少一個光束，-使所述至少一個光束和所述至少一個基底之間產生相對運動，因此所述至少第一光束在第一位置照射第一表面部分并在第二位置照射第二表面部分，-響應第一表面部分的照射在所述至少第一段中形成至少一個第一蒸氣泡，-響應第二表面部分的照射在所述至少第二段中形成至少一個第二蒸氣泡，所述至少第一和第二蒸氣泡分別作用于微通道的第一和第二段中的液體，以便在微通道內產生流動。
67.一種如權利要求66所述的方法，包括當從所述第一位置向所述第二位置移動時連續照射微通道從而產生至少一個從所述第一段向所述第二段移動的蒸氣泡的步驟。
68.一種如權利要求67所述的方法，其特征在于，響應照射所述第一表面部分的光束形成至少一個第一蒸氣泡，并且響應照射所述第二表面部分的光束形成至少一個第二蒸氣泡。
69.一種如權利要求68所述的方法，其特征在于，所述至少第二蒸氣泡在所述至少第一蒸氣泡破裂前形成。
70.一種如權利要求66-69中任一項所述的方法，其特征在于，所述微通道具有一個或多個將被光束順序照射的區域，每個區域都包括多個將被光束順序或連續照射的微通道段。
71.一種如權利要求70所述的方法，其特征在于，一個區域被光束照射多次。
72.一種如權利要求71所述的方法，其特征在于，所述區域沿任一方向被連續或順序照射多次。
73.一種如權利要求71所述的方法，其特征在于，所述系統是雙向工作的。
74.一種如權利要求71-73任一項所述的方法，其特征在于，所述微通道的至少一個表面部分包含用于吸收光能的吸光材料。
75.一種如權利要求71-74任一項所述的方法，其特征在于，光能被直接吸收在受照射段內的液體中。
76.一種如權利要求71-75任一項所述的方法，其特征在于，所述蒸氣泡形成在液體中。
77.一種如權利要求76所述的方法，其特征在于，通過響應光束照射使至少部分液體膜態沸騰而形成蒸氣泡。
78.一種如權利要求71-77任一項所述的方法，其特征在于，所述蒸氣泡形成在與微通道中的液體相連的緩沖液體中。
79.一種如權利要求78所述的方法，其特征在于，通過響應光照射的部分緩沖液體的膜態沸騰形成蒸氣泡。
80.一種如權利要求72或78所述的方法，其特征在于，通過響應光束照射的成核作用形成所述蒸氣泡。
81.一種如權利要求78-80中任一項所述的方法，其特征在于，所述緩沖液體保持在與微通道相連的空腔中，該微通道的表面部分為該空腔的表面部分。
82.一種如權利要求81所述的方法，其特征在于，所述空腔具有朝向所述微通道的開口。
83.一種如權利要求82所述的方法，其特征在于，所述開口小于將由微通道內液體傳送的細胞。
84.一種如權利要求71-83中任一項所述的方法，其特征在于，產生的流動是層狀的。
85.一種如權利要求78-84中任一項所述的方法，其特征在于，所述緩沖液體和所述液體為所述微通道內的層狀流動液體。
86.一種如權利要求78-85中任一項所述的方法，其特征在于，所述微通道至少一段包含緩沖液體。
87.一種如權利要求86所述的方法，其特征在于，所述微通道的端段包含緩沖液體。
88.一種如權利要求66-87中任一項所述的方法，還包括通過光束控制裝置控制光束的參數。
89.一種如權利要求88所述的方法，其特征在于，所述光束控制裝置適于控制光束的參數以加熱微通道內的液體。
90.一種如權利要求89所述的方法，其特征在于，所述光束具有足以將至少部分液體加熱到低于所述液體的沸點的溫度的能量密度。
91.一種如權利要求89所述的方法，其特征在于，用于加熱大量液體的能量密度低于用于使蒸氣泡成形的能量密度。
92.一種如權利要求89或90所述的方法，還包括通過熱電堆元件檢測液體溫度。
93.一種如權利要求92所述的方法，其特征在于，所述熱電堆元件包含紅外檢測器。
94.一種執行核酸擴增過程的方法，包括以下步驟a)提供如權利要求1-56中任一項所述的微型泵送系統；b)在微通道的一段內提供核酸擴增混合物，所述核酸擴增混合物包括引物、核酸、核苷酸單磷酸酯和具有聚合酶活性的酶；c)用光源加熱核酸擴增混合物以解開雙鏈DNA；d)冷卻核酸擴增混合物以使引物退火至核酸上；e)允許具有聚合酶活性的酶延伸引物。
95.一種如權利要求94所述的方法，還包括重復步驟c)-e)。
96.一種如權利要求66-93中任一項所述的方法，還包括通過控制裝置控制用于使光束相對于基底運動的裝置。
97.一種如權利要求66或96所述的方法，其特征在于，所述控制裝置包括光束控制裝置。
98.一種如權利要求66-97中任一項所述的方法，其特征在于，用于使光束相對于基底運動的裝置包括移動基底的裝置。
99.一種如權利要求66-93中任一項所述的方法，其特征在于，用于使光束相對于基底運動的裝置包括移動光源的裝置。
100.一種如權利要求66-93中任一項所述的方法，其特征在于，用于使光束相對于基底運動的裝置包括移動光束的裝置。
101.一種如權利要求100所述的方法，其特征在于，所述移動光束的裝置包括用于光束的偏轉或衍射的裝置。
102.一種如權利要求98-101中任一項所述的方法，其特征在于，所述移動裝置包括馬達。
103.一種如權利要求98-102中任一項所述的方法，其特征在于，所述移動裝置包括壓電元件。
104.一種如權利要求66-103中任一項所述的方法，還包括通過調節聚焦裝置使光束聚焦在選定位置。
105.一種如權利要求104所述的方法，其特征在于，所述選定位置為微通道的表面部分。
106.一種如權利要求104所述的方法，其特征在于，所述選定位置為微通道內的位置。
107.一種如權利要求104-106中任一項所述的方法，還包括通過聚焦控制裝置控制所述聚焦裝置。
108.一種如權利要求97或107所述的方法，其特征在于，所述控制裝置包括所述聚焦控制裝置。
109.一種如權利要求66-108中任一項所述的方法，還包括通過控制所述移動裝置的速度控制液體的速度。
110.一種如權利要求66-109中任一項所述的方法，其特征在于，通過控制光源的能量密度控制液體的速度。
111.一種如權利要求66-110中任一項所述的方法，還包括通過控制光源的能量密度和/或選定段的照射期間控制蒸氣泡的尺寸。
112.一種如權利要求111所述的方法，其特征在于，選擇光源能量密度和/或光源照射期間以形成至少一個其尺寸與微通道尺寸相對應的蒸氣泡。
113.一種如權利要求112所述的方法，還包括在兩個相鄰的微通道段中形成兩個波動的蒸氣泡，控制波動以便在所述通道中維持至少一個蒸氣泡限制。
114.一種如權利要求113所述的方法，其特征在于，通過照射相應的微通道段表面部分以交替加熱蒸氣泡的第一和第二邊緣部分而維持蒸氣泡。
15.一種如權利要求66-114中任一項所述的方法，其特征在于，通過所述移動裝置控制從至少一個光源發出的至少一個光束，以便在多個微通道中產生流動。
116.一種如權利要求66-115中任一項所述的方法，其特征在于，所述移動裝置控制所述至少一個光束以照射多個微通道的多個表面部分，從而在該多個微通道中產生液流。
117.一種如權利要求66-116中任一項所述的方法，其特征在于，所述光源為激光。
118.一種如權利要求66-117中任一項所述的方法，還包括通過經由連接至少一個貯存器和至少一個微通道的至少一個位置的連接孔將標記液體從至少一個用于保持該標記液體的貯存器注入所述至少一個微通道而標記在所述至少一個微通道中的至少一個位置。
119.一種如權利要求66-118中任一項所述的方法，其特征在于，所述微通道包含待混合的至少第一液體和第二液體，其中，通過響應所述至少第一段的第一表面部分的照射在所述至少第一液體中形成至少第一蒸氣泡并且響應所述至少第二段的第二表面部分的照射在所述至少第二液體中形成至少第二蒸氣泡以增加所述至少第一液體和第二液體之間的邊界表面面積而混合所述第一液體和第二液體。
120.一種如權利要求119所述的方法，其特征在于，多個蒸氣泡分別沿所述微通道的預定混合長度段順序形成在所述第一和第二液體中。
121.一種如前述權利要求中任一項所述的微型泵送系統，還包括通過控制所述液體通道的所述至少第一段和第二段之間的距離而控制驅動流體靜壓。
122.一種在微通道內泵送液體的方法，該方法包括以下步驟-提供保持至少一個包括至少一個具有第一表面部分的第一段和至少一個具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-從光源發出光束；和-使光束和基底之間產生相對運動，因此光束在第一位置照射第一表面部分并在第二位置照射第二表面部分，-響應第一表面部分的照射在所述至少第一段中形成至少一個第一蒸氣泡，-響應第二表面部分的照射在所述至少第二段中形成至少一個第二蒸氣泡，其中，所述至少第二蒸氣泡在所述至少第一蒸氣泡破裂之前形成，以便產生泵送作用。
123.一種如權利要求122所述的方法，其特征在于，通過移動基底、光源和/或光束獲得所述相對運動。124.一種閉合微系統中的微閥的方法，該方法包括-提供保持至少一個包括至少一個具有第一表面部分的第一段和至少一個具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-從光源發出光束；和-使光束和基底之間產生相對運動，因此光束在第一位置照射第一表面部分并在第二位置照射第二表面部分，-響應第一表面部分的照射在所述至少第一段中形成至少一個第一蒸氣泡，-響應第二表面部分的照射在所述至少第二段中形成至少一個第二蒸氣泡，其中，所述至少第一和第二蒸氣泡適于通過使所述蒸氣泡的形成或破裂波動而維持通道中的限流以閉合該閥。
125.一種如權利要求124所述的方法，其特征在于，通過控制光源的能量密度和/或選定段的照射期間控制蒸氣泡的尺寸。
126.一種如權利要求125所述的方法，其特征在于，選擇光源的能量密度和/或照射期間以形成至少一個其尺寸與微通道尺寸相對應的蒸氣泡。
127.一種如權利要求123-126中任一項所述的方法，其特征在于，所述第一和第二蒸氣泡是相同的蒸氣泡，通過照射微通道的相應表面部分以交替加熱蒸氣泡的第一和第二邊緣部分而維持所述蒸氣泡。
128.一種如權利要求123-127中任一項所述的方法，還包括通過允許所維持的蒸氣泡破裂而打開所述閥的步驟。
129.一種在微通道中混合至少一種第一液體和第二液體的方法，該方法包括-提供保持至少一個包括至少一個具有第一表面部分的第一段和至少一個具有第二表面部分的第二段的微通道的基底；-從光源發出光束；-使光束和基底之間發生相對運動，因此光束在第一位置照射第一表面部分并在第二位置照射第二表面部分，-響應第一表面部分的照射在所述第一段中的至少一種第一液體內形成至少一個第一蒸氣泡，-響應第二表面部分的照射在所述第二段中的至少一種第二液體內形成至少一個第二蒸氣泡，從而增加所述第一和第二液體之間的邊界表面面積，以獲得所述至少第一和第二液體的混合。
130.一種如權利要求129所述的混合方法，還包括重復所述沿微通道在多段內形成第一和第二蒸氣泡的步驟的步驟。
131.一種在微通道中加熱液體的方法，該方法包括-提供保持至少一個包括至少一個第一段的微通道的基底；-從光源發出朝向所述至少第一段的光束；和-控制光束的參數，從而加熱微通道內的液體。
132.一種如權利要求131所述的方法，還包括使光束聚焦在選定位置的步驟。
133.一種如權利要求132所述的方法，其特征在于，所述選定位置為微通道的表面部分。
134.一種如權利要求132所述的方法，其特征在于，所述選定位置為微通道內的位置。
135.一種如權利要求131-134中任一項所述的方法，還包括用于控制聚焦裝置的聚焦控制裝置。
136.一種如權利要求131-135中任一項所述的方法，其特征在于，還包括檢測液體溫度的步驟。
137.一種如權利要求136所述的方法，其特征在于，通過與所述微通道相連的熱電堆元件確定液體溫度。
138.一種如權利要求137所述的方法，其特征在于，所述熱電堆元件包括紅外檢測器。
139.一種在微型泵送系統中處理液體的方法，包括一種或多種如權利要求66-138所述的方法。
全文摘要
本發明提出通過可移動光束產生的氣泡在微通道系統中處理液體的裝置和方法。特別地，該裝置涉及微通道系統中的泵、閥、混合器和熱反應器以及這些裝置組合而成的較大系統。該方法涉及該裝置的準備和操作。
文檔編號F04B19/24GK1697925SQ03824190
公開日2005年11月16日 申請日期2003年8月14日 優先權日2002年8月15日
發明者T·烏辛 申請人:麥莫斯弗羅有限公司