微量化學芯片和反應裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微量化學芯片，該微量化學芯片是通過將其安裝于用于生物組分微量分析的分析裝置中來使用的，所述生物組分包含于測試樣品中，所述測試樣品是來源于生物體的樣本;或者，該微量化學芯片是通過安裝于用于化學微量合成的反應裝置如微量反應器中來使用的，所述化學微量合成是顯示藥理學效果的生物組分等有用物質的化學微量合成。
[0002]發明背景
[0003]為了通過顯色度來對作用于樣本中基質的酶的反應量或對基質的量進行定量而使用微量生物芯片，所述顯色度取決于被酶或基質著色的試劑。在這點上，通過使用μ?級那樣的痕量的例如血液、尿液等來源于生物體的樣本的測試樣品，來利用酶的特定基質選擇性。另外，在yM級下進行以下操作時使用微量反應器芯片:利用包含酶的膜和電極將酶的反應量轉化為電信號以對基質的量進行的定量分析;DNA萃取及其聚合酶鏈反應(PCR)擴增；或離子濃度測量;核酸、糖、蛋白質或肽的微量合成等。
[0004]微量生物芯片和微量反應器等微量化學芯片具有作為反應通道的通道狀微細流路，該微細流路使經過加壓、注入并且流動的樣本和/或試劑進行混合、反應、分離和檢測。根據常規的微量化學芯片，幾十至幾百微米的微細流路利用切割或蝕刻而形成于例如不銹鋼基材、娃基材、石英基材和玻璃基材等無機基材中以及樹脂基材或橡膠基材等有機基材中。
[0005]由不銹鋼基材、硅基材或石英基材構成的微量化學芯片由于其原材料十分堅硬，相互結合的基材難以發生形變，因而難以進行切割加工以形成微細流路，所以難以大規模制造、價格昂貴且缺乏泛用性。由玻璃基材構成的微量化學芯片必須通過以下步驟來制造:向玻璃基材的原材料表面依次施涂絡等金屬和光致抗蝕劑;通過使光致抗蝕劑曝光來刻印微細通道的圖案;使光致抗蝕劑顯影;利用氫氟酸來進行化學蝕刻；以及去除光致抗蝕劑。因此，該繁瑣的步驟具有費力的工藝，導致難以精確地形成微細流路，且不適合大規模制造。
[0006]另一方面，專利文獻1披露了一種由有機基材制成的微量化學芯片，該有機基材由高透明度的塑料樹脂形成。因為樹脂基材和橡膠基材易于成形或切割，通過將這些基材利用粘合劑進行粘合或通過熱封來形成的微量化學芯片適合大規模制造。特別是，由透明樹脂基材制成的微量化學芯片可用于光學系統分析。
[0007]由于有機基材不容易因水溶性樣本和/或溶解金屬的試劑如氫氟酸等強酸或水溶性化學試劑而劣化，所以由有機基材制成的微量化學芯片是化學穩定的。但是，因為形成有流路的樹脂片或橡膠片是通過粘合劑來粘合或通過加熱來密封的，所以微量化學芯片具有的較低的粘合強度。因此，當高壓樣本和/或試劑流入流路時，粘合的基材無法承受壓力而會在彼此的粘合處發生破裂，所以微量化學芯片是物理上脆弱且容易破裂的。即使對樣本和/或試劑施加較低的壓力以避免微量化學芯片的破裂來使樣本或試劑流入微細、分叉和復雜圖案的流路中，樣本或試劑也難以抵達流路的末端。因為粘合劑的介入或過熱會導致粘合劑外流至流路中、折射率波動、或熱變形和扭變，所以具有利用粘合劑來粘合或通過熱封來結合的流路的透明樹脂制微量化學芯片難以在流路上具有均勻的透明度，而透明度對于精細光學系統分析是重要的。
[0008]現有技術文獻
[0009]專利文獻
[0010]專利文獻1:日本專利特開第2006-218611號公報。
【發明內容】
[0011]本發明所要解決的技術問題
[0012]本發明是為了解決上述技術問題而完成的發明，其目的在于提供一種簡便而緊湊的微量化學芯片，該微量化學芯片中切實地形成有微細流路，使來源于生物體的珍貴而少量的樣本和/或痕量的稀釋試劑流過該流路；即使在低溫至高溫的條件下通過加壓使流體試樣流過也不發生破裂;使流體試樣能夠精確、切實地依照要求流過流路;使樣本的有用物質如生物組分能夠被精確、簡便、快速地分析，并使有用物質能夠發生反應;且可以進行高成品率、大規模且均勻的制造。本發明的另一個目的在于提供一種使用該微量化學芯片的反應裝置。
[0013]解決技術問題的方法
[0014]為了達到上述目的而開發的微量化學芯片包括:橡膠片，所述橡膠片具有貫通的流路，所述貫通的流路通過使選自樣本和試劑的加壓流體試樣流入來使它們發生化學反應;基材片，選自金屬、陶瓷、玻璃和樹脂的所述基材片將橡膠片夾在中間并與橡膠片的兩面通過直接結合或由硅烷偶聯劑而介在的化學鍵來結合;和在基材片中開孔的、用于將流體試樣注入流路的孔和用于將流體試樣從流路排出的孔。
[0015]在微量化學芯片中，橡膠片與基材片通過在減壓和/或加壓的條件下形成的化學鍵來結合。
[0016]在微量化學芯片中，橡膠片和基材片通過在減壓之后加壓和/或加熱的條件下形成的化學鍵來結合。
[0017]在微量化學芯片中，橡膠片和/或基材片在它們的結合面上進行活化處理。
[0018]在微量化學芯片中，夾在基材片之間的多片橡膠片通過堆疊而構成。
[0019]在微量化學芯片中，最外層的基材片夾在板狀夾具之間，且與橡膠片一起固定以防止流體試樣的滲漏。
[0020]在微量化學芯片中，橡膠片由硅橡膠制成。
[0021]在微量化學芯片中，由硅橡膠制成的橡膠片和基材片通過在它們的結合面中的至少任何一個面上進行電暈放電處理、等離子體處理和/或紫外線照射處理來進行活化，并通過直接結合來結合。
[0022]在微量化學芯片中，由硅橡膠或非硅橡膠制成的橡膠片與基材片通過在它們的結合面中的至少任何一個面上進行電暈放電處理、等離子體處理和/或紫外線照射處理來進行活化，并通過由具有氨基和/或烷氧基的硅烷偶聯劑而介在的化學鍵來結合。
[0023]在微量化學芯片中，基材片由選自聚碳酸酯樹脂、環烯烴樹脂、聚對苯二甲酸乙二醇酯樹脂、丙烯酸樹脂和環氧樹脂中的至少一種的樹脂制成;硅烷偶聯劑具有氨基和烷氧基。
[0024]在微量化學芯片中，橡膠片的流路的至少一個側面用涂料進行涂覆。
[0025]—種微量化學芯片的制造方法，包括以下步驟:流路形成步驟，其中，流路通過貫通橡膠片而形成在橡膠片中，所述流路通過使選自樣本和試劑的加壓流體試樣流入來使它們發生化學反應;開孔步驟，在選自金屬、陶瓷、玻璃和樹脂的基材片中形成用于將流體試樣注入流路的孔和用于將的流體試樣從流路排出的孔;結合步驟，在將橡膠片夾在基材片之間的同時，通過直接結合或由硅烷偶聯劑而介在的化學鍵來將基材片結合至橡膠片的兩面上。
[0026]微量化學芯片的制造方法，其中，橡膠片通過減壓下的化學鍵與基材片相結合。
[0027]—種反應裝置，包括:微量化學芯片，所述微量化學芯片包括:橡膠片，所述橡膠片具有貫通的流路，所述貫通的流路通過使選自樣本和試劑的加壓流體試樣流入來使它們發生化學反應;基材片，選自金屬、陶瓷、玻璃和樹脂的所述基材片將橡膠片夾在中間并與橡膠片的兩面通過直接結合或由硅烷偶聯劑而介在的化學鍵來結合;和在基材片中開孔的、用于將流體試樣注入流路的孔和用于將的流體試樣從流路排出的孔;加壓器，所述加壓器與用于將流體試樣注入流路的孔相連，通過在流體試樣注入后對其加壓來使流體試樣流入流路;和用于安裝微量化學芯片的裝置主體。
[0028]發明效果
[0029]在本發明的微量化學芯片中，橡膠片和基材片通過基于直接結合或由硅烷偶聯劑的單分子而介在的化學分子間鍵合而產生的強力粘合，在它們的除了流路區域以外的結合面上進行可靠的結合。因此，切實地形成了微細流路，該流路不會泄漏痕量的來源于生物體的珍貴樣本和/或痕量的稀釋試劑，且能夠通過加壓而使這些物質流動。
[0030]在微量化學芯片中，寬度為0.5μπι?5mm的微細流路精確地形成于橡膠片中，該流路具有直線與曲線相組合的線型形狀，或具有在流路末端或中間擴展、匯聚或分叉的復雜圖案形狀。盡管具有這種微細流路，當樣本和/或試劑的流體試樣通過加壓被注入流路中并在其中流動時，橡膠片與基材片之間的粘合也不會破壞，因此不會發生微量化學芯片的破
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[0031]在微量化學芯片中，即使在液態或氣態樣本和/或試劑這樣的流動物通過從正常大氣壓加壓至約5個大氣壓來被注入微細流路的情況下，或者在從凍結溫度或更低溫度升溫至80°C、通常為從20°C至80°C這樣的從低溫至高溫的范圍內注入微細流路同時進行反復加熱和冷卻的情況下，流路也不會由于橡膠片的彈性而破裂。
[0032]通過微量化學芯片，樣本和/或試劑能夠被切實和精確地注入所需的流路。結果是微量化學芯片可以在短時間內對樣本中的有用物質如生物組分等進行精確而簡便的分析以及使這些有用物質發生反應。
[0033]微量化學芯片通過橡膠片上的微細流路而盡可能避免了樣本與橡膠片之間的接觸，并可以防止樣本和/或試劑的污染和吸附。
[0034]當微量化學芯片被用過并丟棄時，不會由于其它樣本或試劑的沾染而產生污染，且因此其可以取得可靠的結果。
[0035]微量化學芯片具有簡單的組件和從幾毫米至幾十厘米的尺寸極小的方形外部形狀。盡管尺寸小，但微量化學芯片仍包括多個串行、并行或分叉的流路，且可具有注入口和排出口。因此，微量化學芯片可提供多種功能，從而可以通過多個串行或并行的工序來進行反應。所以，通過使用便攜式分析裝置而不是大型分析裝置，不僅可以在室內而且可以在室外進行多個定性或定量分析。而且，可以將用于微量化學芯片中的分析試劑和反應試劑的量限制在較小的量。另外，由于廢液的量比通過利用燒瓶或試管來進行的分析或反應所產生的廢液的量要少得多，因此微量化學芯片有利于環保。
[0036]根據微量化學芯片的制造方法，可以利用例如激光束加工等簡單的工藝而無需光致抗蝕劑的顯影蝕刻來在橡膠片中形成微細流路。橡膠片和基材片簡便且牢固地結合在一起，該結合相比于利用粘合劑進行的粘合要強得多，因為通過橡膠片與基材片在除了流路區域以外的區域的接觸而直接形成了醚鍵的化學分子間結合;并且在其間形成了由被施涂、噴涂或浸漬的硅烷偶聯劑的單分子而介在的共價鍵;并且在其間形成了基于氫鍵和/或靜電引力而介在的化學分子間結合。這種分子粘合不需要像熱塑性樹脂的熱封這樣的高溫加熱，且可以通過短時間在低于熱封溫度的溫度下進行加熱就足以形成。因此，不會發生限制光學分析精確度的折射率波動或熱變形和扭變。
[0037]本方法非常簡便且具有較短的處理過程，且可以大規模制造高質量、均一、低成本、高成品率的微量化學芯片。
[0038]根據本發明的反應裝置，通過使用裝入裝置主體中的微量化學芯片，可以在短時間內對包含于來源于痕量的生物體的珍貴樣本和/或痕量的稀釋試劑中的有用物質如生物組分進行精確而簡便的微量分析和/或微量合成。
【附圖說明】
[0039]圖1是顯示本發明微量化學芯片的制造過程的示意性透視圖。
[0040]圖2是顯示本發明其它微量化學芯片的制造過程的示意性透視圖。
[0041 ]圖3是顯示使用本發明微量化學芯片時的狀態的透視圖。
[0042]圖4是顯示本發明實施例3的其它微量化學芯片的制造過程的示意性透視圖。
【具體實施方式】
[0043]在下文中，將詳細闡述本發明的實施方式，但本發明的范圍不受這些實施方式所限。
[0044]參照圖1，圖1顯示了作為本發明一實施方式的微量化學芯片1的制造過程，微量化學芯片1裝有橡膠片20，該橡膠片20具有撓性且堆疊在遮蓋用金屬基材片10與底面支承用金屬基材片30之間。
[0045]通道狀的流路26通過貫通橡膠片20的兩個面而在橡膠片上形成。流體試樣即液態或氣態試樣和/或試劑通過加壓而流入流路26并在此處發生化學反應。流路26從作為起點末端的流體試樣注入部21a、21b開始延伸;在這些注入部的下游匯聚;分叉成從該處延伸至流體試樣排出部22a的分支通道和從該處延伸至流體試樣排出部22b、22c的主通道;且在主通道的下游分叉而延伸至作為終點末端的流體試樣排出部22b、22c。橡膠片20的上面24和下面25的流路26區域以外的表面被活化。