專利名稱：用于生物化學(xué)分析的液滴操縱裝置，制造所述裝置的方法與微流體分析系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的目的在于提供用于生物化學(xué)分析的液滴操縱裝置，制造這樣的裝置的方法，以及使用這樣的裝置的微流體分析系統(tǒng)。
當(dāng)前，新技術(shù)使得微米尺度與納米尺度的系統(tǒng)的設(shè)計獲得可能，甚至到達相當(dāng)復(fù)雜的水平。理想的是，所述系統(tǒng)具備各種功能，且能被運用于多種領(lǐng)域，比如生物學(xué)與生物化學(xué)領(lǐng)域。尤其是，蛋白質(zhì)學(xué)(與蛋白質(zhì)辨識與研究相關(guān)的活動)試圖使用這些新技術(shù)來減小要操作的樣本的體積，以及減少污染。其目的在于，例如在進行光譜分析之前，總體上控制材料的顯微操縱。
在這樣的微系統(tǒng)中，關(guān)鍵的問題是，在測量中對液體流動的控制，因為所述材料，例如蛋白質(zhì)，脫離流體的支撐就不能被操縱。因此，本發(fā)明涉及到微流體領(lǐng)域，更一般地，涉及在微米尺度或納米尺度的系統(tǒng)中的流動，在所述系統(tǒng)中，被操作的樣本可能受到電場或復(fù)雜的物理或化學(xué)性質(zhì)的器壁效應(yīng)，且在所述系統(tǒng)中，表面積/體積比的提高具有重要意義。
在所述領(lǐng)域中，系統(tǒng)尺度的縮小產(chǎn)生空間減小、反應(yīng)時間或者交換時間變短，并有可能將多個具有不同功能的模塊，比如輸送模塊、處理模塊、分析模塊，集成到例如同一片硅晶片上(tranche desilicium)。
為了運輸液體，通?？梢杂袃煞N流體移動方式連續(xù)的流體泵吸，以及標(biāo)定的微量液體移動。標(biāo)定的微量液體移動具有許多優(yōu)點。事實上，它可以允許非常小的液體量，且可以對微量流體流量加以適當(dāng)?shù)目刂?，而連續(xù)流體泵吸的特點在于恒定的流量。而且，所述方式的移動還允許各種各樣的同步，這些同步例如允許實現(xiàn)液體的混合。為了以標(biāo)定的微量液體移動方式實現(xiàn)流體移動，我們知道有不同的作用方式使用氣動作用，表面聲波，利用雙向電泳效應(yīng)，利用電浸潤，以及電介質(zhì)上電浸潤(EWOD)。后一種作用方式技術(shù)上的實現(xiàn)比較簡單，且可以控制流量，實現(xiàn)導(dǎo)電液體的標(biāo)定量在電極網(wǎng)中的循環(huán)。
美國專利US 6 565 727以及Cho等人的出版物《數(shù)字微流量系統(tǒng)的微粒分離與濃度控制》(Particle separation and concentrationcontrol for digital microfluidic systems)尤其為人所知，它們描述了如上所述通過電浸潤移動液滴。然而，在這三個出版物中描述的裝置具有集成有電極的下部與集成有反電極的上部，液滴在所述兩個部分之間的部分移動。所述上部尤其使裝置變得體積更大且更復(fù)雜。
此外，被操作的樣本通常十分珍貴，且具有極其少的量。因此需要優(yōu)化樣本的操作，在輸送過程中對材料進行化學(xué)處理或者與材料相互作用。需要兩個相對的基片或單個基片的所述已知的連續(xù)微流體移動系統(tǒng)，無論是否利用反電極，都無法實現(xiàn)所述優(yōu)化。事實上，尤其是Cho等人的出版物《數(shù)字微流量系統(tǒng)的微粒分離與濃度控制》(Particle separation and concentration control for digitalmicrofluidic systems)中，提出了一種通過在液滴輸送過程中電極與液滴的直接相互作用，允許與液滴進行物理相互作用，而非化學(xué)相互作用的裝置。因此，在Cho等人的裝置中，不可能具有優(yōu)化樣本操作所必要的化學(xué)相互作用。
事實上，由于為了限制移動時的摩擦與滯后作用，移動需要一個或多個疏水材料的軌道，因此所述優(yōu)化變得極為棘手。這種移動軌道的疏水性尤其可以在輸送過程中阻止與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或相互作用。
這里，應(yīng)該注意到，通常人們更普遍關(guān)注的是移動軌道相對于任何液體的非浸潤性質(zhì)。當(dāng)液體為水性，這比如通常是例如操作蛋白質(zhì)時，相對于水的非浸潤性質(zhì)與浸潤性質(zhì)分別是疏水性與親水性。疏水性材料是不被水浸潤的材料，而親水性材料則為被水浸潤的材料。通常，通過液滴1與表面2之間的接觸角θ來表征浸潤性(見圖1a到1d)。有時候使用浸潤系數(shù)。浸潤系數(shù)定義為上述角度的余弦。因此，完全浸潤對應(yīng)于浸潤系數(shù)等于1，因此θ＝0°。另外，完全不浸潤性對應(yīng)于浸潤系數(shù)等于-1，因此θ＝180°。因而，對于相對于一種液體的浸潤系數(shù)趨于1(不一定需要等于1)的材料，如圖1a所示，我們稱該材料對該液體是浸潤的。而對于對一種液體的浸潤系數(shù)趨于-1(不一定需要等于-1)的材料，如圖1b所示，我們稱該材料對該液體不浸潤。圖1c與圖1d示出了一些中間情況，分別是浸潤(θ＜90°)或不浸潤(θ＞90°)。
對液體不浸潤的材料，尤其是疏水材料，另外還是對于移動不可缺少的材料，這些材料帶來的問題是，這些材料的表面性質(zhì)將阻礙化學(xué)處理區(qū)在表面的生成，原因是這些材料的特性為表面能低。如果試圖使所述材料的表面局部功能化以允許對被操縱的液體進行化學(xué)處理，則結(jié)果就將不太可靠，難以控制且極其不夠完美。另一種可選擇的方法是令對液體不浸潤的材料變得更為粗糙，這種方法是不可考慮的，因為這種方案會使材料喪失有利于輸送液體的能力。因此，需要使用一種能夠局部浸潤的材料層，即需要針對移動保持非浸潤特性，同時建立用于功能化的浸潤區(qū)或具有高浸潤性的區(qū)域。
在應(yīng)用到所考慮的材料為疏水材料的特殊情況下，我們得知主要有兩種傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，通過在疏水材料中形成開口來形成一個局部疏水層，而所述開口成為分布在疏水層中的親水區(qū)。第一種技術(shù)(圖5)也被Cho等人使用在《數(shù)字微流量系統(tǒng)的微粒分離與濃度控制》(Particle separation and concentration control for digitalmicrofluidic systems)中，在該技術(shù)中，在基片上淀積疏水材料層后，淀積含有表面活化劑的光敏樹脂層，所述表面活化劑是能夠提高表面相對于液體的浸潤性的化學(xué)物質(zhì)。所述技術(shù)具有的問題尤其在于對疏水材料的最終污染，且因此使得這種材料移動液體的能力喪失。在第二種技術(shù)(圖6)中，在基片上淀積疏水材料層后，在淀積光敏樹脂之前，首先借助于等離子體對疏水材料層進行表面修整，從而改變其疏水性質(zhì)，即令其變得具有較少的疏水性。所述技術(shù)的問題也在于對疏水材料表面性質(zhì)的最終改變。
以這種技術(shù)，要么，形成的開口，進而親水區(qū)，不足夠干凈與精確，有可能存在疏水性淀積，因此不適合形成化學(xué)功能化區(qū)；要么，疏水區(qū)的性質(zhì)遭到改變，疏水特性減弱，因此不適合移動液體。在應(yīng)用這些技術(shù)在對輸送的液體非浸潤的層中實現(xiàn)浸潤區(qū)的境況下，可以有同樣的評價。
因此，需要一種方法，可以使非浸潤的輸送軌道變成為相對于輸送的液體局部浸潤，尤其是，當(dāng)液體為包含水的溶液時，變?yōu)椴糠钟H水，從而既保持輸送液滴的能力，同時也允許在所述液滴的輸送過程中對液滴進行化學(xué)處理或者與液滴發(fā)生化學(xué)反應(yīng)相互作用。
更一般地，需要一種可靠的溶劑，能減少上述缺點，尤其能對移動進行優(yōu)化，以及生產(chǎn)優(yōu)化的移動軌道。
因此，本發(fā)明的目的在于減少這些缺點。為此，第一方面，本發(fā)明涉及一種利用電浸潤在移動平面上操縱液滴的裝置，其包括至少一個電浸潤移動軌道，且其能在輸送液滴的同時對其進行化學(xué)處理或者與之發(fā)生化學(xué)相互作用。
所述移動軌道包括至少兩個位于電絕緣基片上的叉指型電極，所述電極覆蓋有電介質(zhì)絕緣層。所述絕緣基片、電極、電介質(zhì)絕緣層的整體被相對于被操縱液滴局部浸潤的層覆蓋。
一種實施變型涉及到對含有水的液滴的操縱，所述局部浸潤層因此為局部親水層。
在本說明書的其余部分中，為了簡化敘述，非浸潤，局部浸潤或浸潤層或材料等詞，分別用來表示相對于被操縱的液滴為非浸潤、局部浸潤或浸潤的層或材料。
在另一種實施變型中，根據(jù)本發(fā)明的裝置包括至少一個與第一電極不同的反電極。所述反電極可以為接地線(ligne de masse)，其因此位于局部浸潤層的上面、下面或內(nèi)部。
在一種實施變型中，可以與前述實施方式相結(jié)合，該裝置包括與第一軌道相對且與其分開的第二軌道，從而在第一軌道與第二軌道之間形成要由與被輸送的液滴不可混溶的電絕緣流體填充的空間，第二軌道包括與這樣形成的空間直接接觸的非浸潤層。所述第二軌道的該非浸潤層可能為局部浸潤。所述非浸潤層還可能覆蓋有上層，該上層為電絕緣的、半導(dǎo)電的或?qū)щ姷摹?br> 在另一種實施變型中，第二軌道包括一個或多個位于非浸潤層與所述上層之間的反電極。所述軌道也可能包括電介質(zhì)絕緣層，其位于所述非浸潤層與所述反電極之間。
可能，與裝置的前述各實施變型相組合，第一軌道和/或第二軌道的局部浸潤層包括非浸潤區(qū)和浸潤區(qū)，浸潤區(qū)為功能化活性區(qū)。
在另一種實施變型中，在本發(fā)明的平面中操縱液滴的裝置包括兩個軌道由一空間分開的軌道，該空間用于充填與被輸送的液滴不可混溶的電絕緣流體。第一軌道包括有電絕緣層或基片，其上設(shè)置至少兩個叉指型電極。在該整體組件上設(shè)置非浸潤層。第二軌道包括局部浸潤層。第一軌道和/或第二軌道的局部浸潤層包括非浸潤區(qū)與浸潤區(qū)，浸潤區(qū)為功能化的反應(yīng)性區(qū)。
在所述實施變型中，第一軌道還可能包括位于電極與非浸潤層之間的電介質(zhì)絕緣層。還可能，這一實施變型的裝置包括位于所述非浸潤層的上面、下面或者嵌在所述非浸潤層中的接地線。
在一種實施變型中，第二軌道包括電絕緣的、半導(dǎo)電的或?qū)щ姷纳蠈印?br> 與該裝置的各實施變型相組合，更好的是，第一軌道的電絕緣的基片為透明的，例如是玻璃基片。
更好地是，在一個或多個上述實施變型中，浸潤區(qū)是被生物化學(xué)功能化的，具有生物化學(xué)活性。
所述浸潤區(qū)優(yōu)選為在非浸潤區(qū)中的開口。構(gòu)成非浸潤層和/或局部浸潤層的非浸潤區(qū)的非浸潤材料優(yōu)選為四氟乙烯聚合物。
因此，本發(fā)明的裝置可以更好地用來操作液滴，利用電浸潤在平面上，在單一軌道上或在相對的雙軌道之間輸送液滴，利用或不利用反電極，在液滴通過化學(xué)功能化區(qū)時，對液滴進行化學(xué)操作。從而獲得所要的優(yōu)化效果在輸送過程中，在微系統(tǒng)中集中以后的分析的預(yù)備處理，從而避免了昂貴且體積微小的樣本的污染與損失，同時還考慮到了微流體的前述約束條件。
第二方面，本發(fā)明涉及上述裝置的制造方法，其中，第一軌道或第二軌道局部浸潤層的形成方法來自在微電子領(lǐng)域用來制造金屬圖案的稱為“剝離(lift off)”的技術(shù)。如已經(jīng)得知的，所述“剝離”技術(shù)如果說其能允許非浸潤層在最后步驟中淀積，從而避免有害的表面處理，然而，其卻不能適用于在這樣的非浸潤性材料尤其是疏水材料比如四氟乙烯聚合物上形成圖案，因為這種技術(shù)將不能在所述非浸潤材料中獲得干凈而精確的浸潤區(qū)。因此，根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及到上述裝置的制造方法，其中，第一軌道或第二軌道的局部浸潤層的形成包括如下步驟通過在基片上淀積光敏材料、光刻，然后對光敏材料顯影，來形成感光材料制作的掩模；在掩模上淀積非浸潤材料；至少一次溶解前退火(recuit)；溶解掩模；至少一次溶解后退火。
在一種實施變型中，溶解前退火溫度低于溶解后退火溫度。
在另一種實施變型中，在第一次溶解前退火之后，至少有另一次溫度高于第一次的退火。
在另一種實施變型中(可以與上述實施變型相組合)，在第一次溶解后退火之后，至少有另一次溫度高于第一次的退火。
在掩模的溶解之后，可以進行漂洗。
在另一種實施變型中，淀積的非浸潤材料為四氟乙烯聚合物。
因此，本發(fā)明的方法可以更好地形成局部浸潤層，局部浸潤層含有適合化學(xué)功能化，干凈且精確的浸潤區(qū)，局部浸潤層并含有能保持輸送液滴所必須的高度的非浸潤性質(zhì)的非浸潤區(qū)。事實上，非浸潤材料層在最后的步驟中被淀積，不受到表面處理的影響，因此不會被改變其表面特性。
最后，根據(jù)第三方面，本發(fā)明涉及液體樣本的微流體分析系統(tǒng)，其包括至少一個液體樣本準(zhǔn)備裝置，其被耦合到至少一個上述的根據(jù)本發(fā)明所述的液滴操縱裝置，所述液滴操縱裝置本身被耦合到至少一個樣本分析裝置。
更好地是，準(zhǔn)備裝置包括一個或多個容器或裝載臺。
還更好地是，分析裝置是質(zhì)譜分析儀、熒光探測器、UV或者IR輻射探測器。
根據(jù)本發(fā)明的所述系統(tǒng)可以集成在微系統(tǒng)中，所述微系統(tǒng)自身中集成有一個或多個通常人工進行的實驗室操作，被稱之為微實驗室。
因此，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)能通過集成在微實驗室中的制備合輸送任務(wù)的自動化，在制備樣本之后分析液體樣本，然后以標(biāo)定的微量液體移動方式向分析器輸送。因此，其能更好地減少樣本受污染與損失的風(fēng)險，且能減少反應(yīng)時間。
本發(fā)明的其它特征與優(yōu)點將在閱讀下面關(guān)于裝置的實現(xiàn)與方法的實施的優(yōu)選變型后顯得更為清晰完整，所述實施變型以非限制性的舉例形式給出，且參考以下


-圖1a到1d示意性示出了表面相對于液滴的非浸潤性質(zhì)或浸潤性質(zhì)。
-圖2a到2r示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的不同實施變型(垂直于液滴移動方向的切面圖)。
-圖3示意性示出了液滴在第一種實施變型的裝置的軌道上的移動。
-圖4示意性示出了液滴在第二種實施變型的裝置的軌道上的移動。
-圖5示意性示出了在樹脂中使用表面活化劑，根據(jù)傳統(tǒng)光刻技術(shù)在非浸潤材料中形成開口的方法。
-圖6示意性示出了用等離子體修整表面，根據(jù)傳統(tǒng)光刻技術(shù)在非浸潤材料中形成開口的方法。
-圖7示意性示出了根據(jù)本發(fā)明在非浸潤材料中形成開口的方法的實施變型，-圖8示意性示出了浸潤區(qū)的化學(xué)功能化，
-圖9示意性示出了樣本液滴在移動過程中的化學(xué)處理，-圖10示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)實施變型，圖2a至2r示意性示出了本發(fā)明裝置的不同實施變型(垂直于液滴移動方向的切面圖)。
在所述圖2a至2n中，裝置包括至少一個具有基片1的軌道，基片優(yōu)選為透明的，但不一定為透明的，例如，用派熱克斯玻璃(Pyrex)制成。叉指型電極2位于基片1之上。叉指型電極的概念將在以后參考圖3與圖4明確。
電介質(zhì)絕緣層3位于電極2上，例如由氧化物或聚合物構(gòu)成。非浸潤層4位于所述電絕緣層3上，其通過在非浸潤材料4中形成浸潤開口5的方法變?yōu)榫植拷櫍龇椒▽⒃谝院髤⒖紙D7詳細描述。
在圖2a至2d的實施變型中，所述裝置包括由層1、2、3、4構(gòu)成的單一軌道。圖2的裝置能利用電浸潤實現(xiàn)移動，且不需要反電極，所述移動將在以后參考圖3獲得解釋。圖2b表示的裝置分別示出了位于局部浸潤層4(圖2b)之上的，被嵌入局部浸潤層4中而不被其覆蓋的(圖2c)，或者被嵌入局部浸潤層中且被局部浸潤層4覆蓋(圖2d)的接地線6形式的反電極。圖2b至圖2d的裝置利用接地線作為反電極，能利用電浸潤實現(xiàn)移動，這一移動將在以后參考圖4獲得描述。
圖2e與隨后的附圖示出了不同的實施變型，其中添加了一個由非浸潤層7形成的第二軌道，非浸潤層7本身還被覆蓋有一層或電絕緣、或半導(dǎo)電、或?qū)щ姷纳蠈?。所述第二軌道與第一軌道相對設(shè)置，墊塊9的使用能維持移動空間10，所述移動空間要用與被輸送液滴不可混溶的電絕緣流體填充。
注意，為了利用電浸潤實施移動，充填空間10的流體實際上必須為電絕緣。而且，為了不與被輸送液滴相互作用，流體實際上必須不得與液體相混溶。當(dāng)液滴為水性溶液的情況下，可以涉及例如空氣或油。
具體地，圖2f至圖2h示出了分別基于圖2b至圖2d裝置的實施變型，在其中添加了一個如上所述的第二軌道。
在圖2i所示裝置的實施變型中，第二軌道還包括一個或多個被夾在非浸潤層7與上層8之間的反電極11。因此，與圖2f至2h裝置相反的是，由于反電極出現(xiàn)在第二軌道上，不再使用接地線。然而，移動方式與圖2f至2h的相同。
圖2j至2l的實施變型(與液滴移動方向垂直的切面圖)分別直接源自圖2f至2h的實施變型，不同之處如下通過在非浸潤材料7中形成浸潤開口5的方法，第二軌道的非浸潤層7變?yōu)榫植拷?，所述方法將在以后參考圖7進行描述。
圖2m描述了基于前面圖2e所描述的實施變型的實施變型，不同之處在于通過在非浸潤材料7中形成浸潤開口5的方法，第二軌道的非浸潤層7變?yōu)榫植拷?，所述方法將在以后參考圖7進行描述。
實施變型2n源自圖2i的實施變型，有兩處不同通過在非浸潤材料7中形成浸潤開口5的方法，第二軌道的非浸潤層7變?yōu)榫植拷?，其方法將在以后參考圖7進行描述；而且，為了允許浸潤開口5的生物化學(xué)功能化同時不與所述反電極11發(fā)生相互作用，類似于第一軌道中出現(xiàn)的電介質(zhì)絕緣層的電介質(zhì)絕緣層12被夾在局部浸潤層7與所述反電極11之間。
圖2o所描述的實施變型涉及具有兩個軌道的裝置。第一軌道與上述實施變型的第一軌道具有不同，不同之處在于構(gòu)成所述軌道的非浸潤層4并非局部浸潤在所述非浸潤層4中沒有形成任何浸潤開口。而且，在所述非浸潤層4本身為電絕緣的情況下，所述實施變型不需要在叉指型電極2與非浸潤層4之間有電介質(zhì)絕緣層。這種情況尤其是疏水層是諸如四氟乙烯聚合物這樣的材料的情況。然而，在實踐中，只有當(dāng)層厚度較大(微米級厚度)，這種材料才真正電絕緣。同樣，在圖2o的非浸潤層4的厚度不夠的情況下，可以在叉指型電極層2與非浸潤層4之間夾入如其它圖所示的層3的類型的電介質(zhì)絕緣層。
在非浸潤層4上有接地線6，用作反電極。所述實施變型中的第二軌道與圖2j至2m實施變型的第二軌道相同。
在圖2p至2q的各實施變型中，非浸潤層4并非局部浸潤，因為其不包括開口5。這些實施變型因此分別源于圖2k至2l的實施變型，并具有如前所述的不同(層4完全為非浸潤，而在圖2k至2l的實施變型中，該層為局部浸潤)。
最后，圖2r的實施變型重新采用了圖2a、2e與2m的移動方式，即不使用反電極，且如在圖2o至2p的實施變型中一樣，其第二軌道中有非浸潤層7，由于具有浸潤開口5，所述非浸潤層7為局部浸潤的。在第一軌道上具有非浸潤層4，由于不具有任何浸潤開口，所述非浸潤層4完全為非浸潤的。此外，如圖2o的變型一樣，在所述非浸潤層4本身為電絕緣的情況下，該實施變型不需要在叉指型電極2與非浸潤層4之間具有電介質(zhì)絕緣層，這種情況尤其是疏水層為注入四氟乙烯聚合物這樣的材料的情況。然而，同樣，在實踐中，只有當(dāng)層厚度較大(微米級厚度)，這種材料才真正為電絕緣。同樣，在圖2r的非浸潤層4的厚度不夠的情況下，可以在叉指型電極層2與非浸潤層4之間夾入如其它圖所示的層3類型的電介質(zhì)絕緣層。
圖3示意性示出了根據(jù)一實施變型，液滴在裝置軌道上的移動。該圖被分為兩部分。在上方部分(示意圖A，B，C)，考慮到簡化與解釋方便，裝置的圖解為局部俯視圖，沒有顯示位于液滴15合淀積1、2、3和4之間的非浸潤層或局部浸潤層和電介質(zhì)絕緣層。在下方部分(示意圖A’，B’，C’)中，裝置示意圖為在液滴移動方向上的側(cè)面剖視圖。
更具體地，裝置為圖2a所示的類型，即具有單一軌道。然而，涉及液滴移動的以下解釋可以更普遍地適用于圖2a，2e，2m與2r的情況，也就是具有叉指型電極、沒有反電極、可能有第二上平面的軌道上的移動。
裝置因此需要多個叉指型電極(1、2、3、4)，它們位于可能為透明的電絕緣基片10上。電介質(zhì)絕緣層11與非浸潤層12位于所述叉指型電極層之上。所述非浸潤層12根據(jù)其所在的結(jié)構(gòu)(見相關(guān)的圖2)可以為局部浸潤，這并不影響下面與移動有關(guān)的說明。液滴15最初位于電極2上(步驟A)。通過在電極3與電極1，2，4之間形成電位差，液滴移動到電極3上(步驟B)。為了把其移動到電極4上，在電極4與電極1、2、3之間形成電位差。以此類推。
圖4示意性示出了另一種實施變型的裝置軌道上的液滴移動。同樣，所述圖被分為兩部分。在上方部分(示意圖A，B，C)中，與圖3相似，同樣考慮到簡化與解釋方便，裝置的示意圖是局部俯視圖，沒有顯示出介于液滴15與電極1、2、3、4之間的非浸潤層或局部浸潤層以及電介質(zhì)絕緣層。在下方部分(示意圖A’，B’，C’)中，裝置示意圖為在液滴移動方向上的側(cè)面剖視圖。
更具體地，所示的裝置對應(yīng)于如前面圖2b所描述的具有單一軌道以及作為反電極的接地線的裝置。然而，下面對在所述裝置上移動液滴的說明也適用于圖2c，2d，2f，2g，2h，2j，2k，2l，2o，2p，2q的情況。
該裝置包括叉指型電極(1、2、3、4)層，這些電極位于一個可能為透明的電絕緣基片10上。在所述電極層上方是電介質(zhì)絕緣層11，在所述電介質(zhì)絕緣層11上方，是非浸潤層12。所述非浸潤層12根據(jù)其所在的結(jié)構(gòu)(見圖2)可以為局部浸潤。在所述非浸潤層(可能為局部浸潤)12上方，是接地電極(electrode de masse)或接地線。
液滴15最初位于電極2上(步驟A)。通過在電極3與電極1，2，4與接地電極之間形成電位差后，液滴移動到電極3上(步驟B)。為了把液滴移動到電極4上，在電極4與電極1、2、3與接地電極之間形成電位差，以此類推。
如果用位于上平面中的反電極替換接地電極或接地線(圖4i與4n的情況)，上面有關(guān)圖4的說明依然適用。
所述方法能令本發(fā)明裝置中一個軌道的非浸潤層變?yōu)榫植拷?，下面參考圖7描述該方法，并參考圖5與圖6回顧一下現(xiàn)有技術(shù)。
圖5示意性示出了根據(jù)借助表面活化劑的傳統(tǒng)光刻技術(shù)，在非浸潤材料中形成開口，使其變得局部浸潤的方法的步驟。在步驟(a)，在基片1上電極非浸潤材料層2。在步驟(b)，在非浸潤層2上淀積含有表面活化劑的樹脂層3。表面活化劑能夠提高非浸潤層相對于樹脂的浸潤性，因而其能夠把樹脂附著所述非浸潤層上。在步驟(c)，更確切的說是在光刻步驟中，層3經(jīng)受UV射線照射。如果層3是所謂的正性樹脂，則紫外射線將引起曝光區(qū)大分子的斷裂，這就使這些區(qū)域在將在步驟(d)中使用的顯影溶劑(solvant de révélation)中溶解性增大，相反，未曝光的部分則將產(chǎn)生聚合。這就是通過顯影步驟(d)的結(jié)果產(chǎn)生的效果。樹脂的顯影伴隨著對北曝光的非浸潤材料的侵蝕，因此在非浸潤層2中出現(xiàn)區(qū)域或者開口4(步驟(e))。這種技術(shù)由于在樹脂中使用表面活化劑，具有最終改變非浸潤材料表面特性的風(fēng)險。
圖6示意性示出了根據(jù)借助等離子體的傳統(tǒng)光刻技術(shù)，在非浸潤材料中形成開口的方法的步驟。這一技術(shù)與上述技術(shù)的不同之處在于，其包括一個補充步驟，即在淀積樹脂層之前，使非浸潤層2經(jīng)受氬等離子體(plasma-argon)射線照射(步驟(b))。正是這種射線將改變非浸潤層2的表面特性，而在上述技術(shù)(圖5)中，則是樹脂中的表面活化劑發(fā)揮了這種作用。接下來的步驟((c)、(d)、(e)、(f))分別與圖5的步驟(b)、(c)、(d)、(e)、(f)相同。結(jié)果與借助表面活化劑的傳統(tǒng)光刻技術(shù)相同，即，存在最終改變非浸潤層2的表面特性的風(fēng)險。
下面參考圖7描述本發(fā)明的方法。該方法是上述裝置的一個或多個軌道的生產(chǎn)方法，其中，局部浸潤層的形成首先包括通過在基片1上淀積光敏材料層2(步驟(a))、光刻(步驟(b))，以及光敏材料顯影(步驟(c))而形成光敏材料掩模的步驟。在圖7所描述的實施變型中，負性樹脂被作為光敏材料使用，即，對于這種光敏材料，UV射線將引起曝光區(qū)的聚合反應(yīng)，因此非曝光區(qū)在顯影劑中的溶解度增大。因此，步驟(b)中未曝光的區(qū)域在步驟(c)消失，而在步驟(b)中曝光的區(qū)域在步驟(c)中留下來，圖中以數(shù)字2標(biāo)記。選用負性樹脂當(dāng)然不是對本發(fā)明的限制。對于使用正性樹脂的情況，本發(fā)明的方法的考慮與上述完全相同。
步驟(c)后是步驟(d)，即淀積非浸潤材料層3。
例如，對于光刻步驟，可以使用具有如下參數(shù)的樹脂-AZ4562樹脂-在AZ 351B中顯影在淀積非浸潤材料3的步驟(d)之后，是第一退火步驟。根據(jù)所選用的材料(例如四氟乙烯聚合物)，可以在50℃進行5分鐘的退火。更好地是，但并非必須，所述退火之后進行另一次補充退火。所述另一次補充退火可以是溫度為110℃，同樣持續(xù)5分鐘的退火工藝。
在疏水材料比如四氟乙烯聚合物的具體情況下，在這一階段，材料中留下的溶劑極少。但是，需要在樹脂掩模2溶解后實施第二退火(步驟(e))。事實上，在疏水材料的退火溫度下，樹脂產(chǎn)生聚合反應(yīng)，這使得其難以被去掉。因此會在基片上留下樹脂痕跡。所述痕跡在隨后的溶解步驟中，具有難去除，甚至不可能被去除的風(fēng)險，這將可能改變局部浸潤層(在對水浸潤的情況下，為部分親水)的表面特性開口可能變得不完全非浸潤(對于對水非浸潤的情況，為疏水)。這就是為什么在實施第二退火步驟前，首先需要在例如丙酮中，例如用30到40秒鐘來溶解樹脂。更好地是，但并非必須，在所述溶解步驟之后，進行漂洗步驟，例如用酒精漂洗。
最后實施第二退火步驟，例如(根據(jù)所選材料)在170℃下持續(xù)5分鐘的退火，這是為了令可能存在于疏水材料中的溶劑完全消失。也可能，為了在基片上獲得非浸潤性材料的均勻表面與最大的粘附度，可進行另一次補充退火，例如在330℃下持續(xù)15分鐘的退火。
這樣，本發(fā)明的方法可以有利地在非浸潤材料中形成局部浸潤層。這種結(jié)果是通過在非浸潤材料中形成開口而獲得的，所述開口成為適于化學(xué)或生物化學(xué)功能化的浸潤區(qū)。非開口區(qū)依然為完全非浸潤，且保持輸送液滴所必須的高度的非浸潤特性。尤其，與技術(shù)現(xiàn)狀相反，非浸潤材料層在方法的最后一步才被淀積，這就使其無需經(jīng)受表面處理(使用表面活化劑或氬等離子體的技術(shù))本發(fā)明的裝置因此包括至少一個通過在非浸潤層中形成浸潤開口而變?yōu)榫植拷櫟膶樱缛缜八?。所述浸潤區(qū)能夠被化學(xué)活化和功能化(圖8)，以在以后與被操縱的液滴起反應(yīng)(圖9)。因此，借助于含有允許實現(xiàn)功能化的試劑的液滴，利用如前所述的液滴移動原理使海美歐功能化的區(qū)域活化。
尤其如圖8中所示(圖8的表現(xiàn)形式與圖3與圖4上部一樣，是局部俯視圖，也就是沒有顯示在叉指型電極與液滴之間的各電介質(zhì)絕緣與非浸潤層)，來自電極1的含有允許實現(xiàn)功能化的試劑的液體15移動至電極2上，可功能化的區(qū)域5的上方，然后，在對該區(qū)域5進行化學(xué)活化和功能化后，液滴到達電極3。
在圖9中(圖9的表現(xiàn)形式與圖3與圖4上部一樣，是局部俯視圖，也就是沒有顯示在叉指型電極與液滴之間的各電介質(zhì)絕緣與非浸潤層)，圖示了在軌道上移動的液滴15首先位于電極1上，然后經(jīng)過電極2(功能化區(qū)5位于電極2之上)，在與功能化區(qū)的反應(yīng)之后，以被改變的狀態(tài)到達電極3上。
圖10示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的一種實施變型。該系統(tǒng)包括一個或多個待分析液體的樣本準(zhǔn)備裝置1，一個或多個根據(jù)本發(fā)明如前所述的液滴操縱裝置2，以及一個或多個輸出分析裝置3。準(zhǔn)備裝置1可以例如包括一個或多個容器或裝載臺。分析裝置3可以為例如質(zhì)譜分析儀，熒光探測器或UV輻射探測器。根據(jù)本發(fā)明的裝置2位于所述系統(tǒng)中央，上游與一個或多個準(zhǔn)備裝置1耦合，下游與一個或多個分析裝置3耦合。
根據(jù)本發(fā)明所述的系統(tǒng)還可可以集成到微系統(tǒng)中，所述微系統(tǒng)自身集成有一個或多個通常人工進行的實驗室操作。這樣的系統(tǒng)被稱之為微實驗室。
現(xiàn)在，在本發(fā)明實施裝置例子的基礎(chǔ)上，將描述兩個功能化的例子。所述裝置包括派熱克斯玻璃(Pyrex)基片，具有一百納米左右厚度的鎳質(zhì)叉指型導(dǎo)電電極，通過離心作用淀積的約一微米的SU8樹脂層，以及電介質(zhì)絕緣層。最后，該裝置包括四氟乙烯聚合物的疏水層，其同樣通過離心作用淀積在前面所述的樹脂層之上。
親合力反應(yīng)器的例子未被疏水層覆蓋的區(qū)域會經(jīng)過表面處理，將其轉(zhuǎn)化為活性表面，例如接枝了抗生蛋白鏈菌素(Streptavidine)的NH2支持表面。
這樣，使用這種包含所述功能化區(qū)的裝置，含有例如蛋白質(zhì)的液滴在功能化區(qū)上沿電極路徑移動，其在功能化過程中對上述接枝表面具有親合力的感興趣分子(某些蛋白質(zhì)，比如生物素(biotine))將固定在這些表面上。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)結(jié)束時，液滴繼續(xù)其在裝置中的行程。然后，專用混合物(例如變性劑緩沖劑混合物)通過這些區(qū)域，釋放所述感興趣的分子(例如通過破壞非共價相互作用)并將其帶走。這樣，該裝置就可以將感興趣的分子分離出來。
分解(消化)反應(yīng)器的例子在該裝置中，未被疏水層覆蓋的區(qū)域會經(jīng)過表面處理，目的是將其轉(zhuǎn)化為活性表面，例如接枝了胰蛋白酶(trypsine)的NH2支持表面。
這樣，在具有這樣的功能化區(qū)的這個裝置上，沿電極路徑移動的液滴被固定在處理區(qū)上，且感興趣的特定分子(例如蛋白質(zhì))與接枝表面反應(yīng)，反應(yīng)的結(jié)果是分子被分割(例如通過用胰蛋白酶消化獲得肽)。然后，液滴繼續(xù)其在裝置中的行程。該裝置允許例如為了進行質(zhì)譜分析，分析預(yù)先用特定的酶進行了分割的長鏈分子。
本發(fā)明的裝置、方法與系統(tǒng)可允許以一種完全能與其它補充功能在上游或下游集成的架構(gòu)實現(xiàn)微系統(tǒng)的基礎(chǔ)組件，所述為系統(tǒng)用于把液滴從一個功能化區(qū)移動至另一個功能化區(qū)。因此可以設(shè)計出僅僅通過連接關(guān)系彼此區(qū)分并區(qū)分所實現(xiàn)的生物化學(xué)操作的專門微系統(tǒng)。
本發(fā)明的所有以上描述僅僅以舉例形式給出，并非對本發(fā)明的限制。尤其是，對于非浸潤層或者局部浸潤層，四氟乙烯聚合物材料的選用并不是對本發(fā)明的限制。在有效地非浸潤(尤其是但不限于對水不浸潤，也就是疏水)這個意義上，四氟乙烯聚合物是合適的選擇。更一般地，人們會對具有生物適合性(不吸收被輸送的材料，也不與被輸送的材料混合，不引起化學(xué)反應(yīng)，不拋棄材料)的非浸潤材料感興趣。因此從上述理由來看，材料應(yīng)是中性，且同時表面特性具有均質(zhì)性。
同樣，本發(fā)明選擇硅或派熱克斯玻璃(Pyrex)作為基片材料，這當(dāng)然也不是對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明裝置的制造方法中，正性樹脂或負性樹脂的選用也是一樣的情況。還應(yīng)注意到，是在本發(fā)明的裝置的制造方法中，退火步驟的溫度與持續(xù)時間并非對發(fā)明的限制，而是基本根據(jù)所選的非浸潤材料來決定。同樣，用于溶解的丙酮與用于漂洗的酒精的使用也不是對本發(fā)明的限制。其它一切適用于溶解與漂洗的產(chǎn)品都可以被使用。
此外，本說明書中提到的在給定方向上的移動的例子不是對本發(fā)明的限制。當(dāng)然可以想到能把液滴移動至軌道上任意位置的移動矩陣。移動的可能性基本取決于電極的幾何布局。電極矩陣事實上可以允許獲得矩陣形式移動。同樣，說明書中所舉例的電極形狀當(dāng)然也不是對本發(fā)明的限制。其它可以令電極相互交叉的形狀都適用。
此外，在集成系統(tǒng)比如在本發(fā)明的系統(tǒng)中，移動裝置上游的準(zhǔn)備裝置的舉例清單當(dāng)然不是窮盡性的，因此不是對本發(fā)明的限制。移動裝置下游的分析裝置的清單也是一樣。
最后，說明書中給出的局部浸潤層的浸潤區(qū)的功能化的例子，以及由這些功能化區(qū)對液滴進行的處理的例子，并不是對本發(fā)明的限制。廣言之，人們會關(guān)心分子的分離、分類與分割，而不管是什么分子?？梢韵氲嚼没瘜W(xué)和/或生物化學(xué)反應(yīng)的其他操作。
權(quán)利要求
1.一種利用電浸潤在移動平面上操縱液滴的裝置，包括至少一個軌道，且特征在于，所述軌道包括-具有上表面的電絕緣基片，-具有上表面與下表面的至少兩個第一導(dǎo)電電極，所述電極通過其下表面被放置于所述電絕緣基片的上表面上，各個所述第一電極與所述第一電極中的另一電極相互指狀交叉，-具有上表面與下表面的電介質(zhì)絕緣層，所述電介質(zhì)絕緣層通過其下表面被放置于所述第一電極的上表面之上，-具有上表面與下表面的局部浸潤層，所述局部浸潤層通過其下表面被放置于所述電介質(zhì)絕緣層的上表面之上。
2.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，其包括至少一個與第一電極不同的反電極。
3.按照權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述不同的反電極是位于所述局部浸潤層的上表面上面或者下面或嵌于所述局部浸潤層中的接地線。
4.按照權(quán)利要求1至3中任意一項所述的裝置，其特征在于，其包括與第一軌道相對且與其分開的第二軌道，從而在第一軌道與第二軌道之間形成空間，所述第二軌道包括非浸潤層，所述非浸潤層具有在所述空間的一側(cè)的下表面和在所述空間的另一側(cè)的上表面。
5.按照權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述第二軌道的所述非浸潤層為局部浸潤。
6.按照權(quán)利要求4與5中任意一項所述的裝置，其特征在于，所述第二軌道包括電絕緣、半導(dǎo)電或?qū)щ姷纳蠈?，其位于所述非浸潤層的上表面一?cè)。
7.按照權(quán)利要求4與6中任意一項所述的裝置，其特征在于，第二軌道包括一個或多個位于所述非浸潤層與所述上層之間的反電極。
8.按照權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述第二軌道包括位于所述非浸潤層與所述反電極之間的電介質(zhì)絕緣層。
9.按照權(quán)利要求1至8中任意一項所述的裝置，其特征在于，第一軌道和/或第二軌道的局部浸潤層包括非浸潤區(qū)和浸潤區(qū)，所述浸潤區(qū)為功能化反應(yīng)區(qū)。
10.利用電浸潤在兩個移動平面之間操縱液滴的裝置，包括被一個空間分開的兩個軌道，其特征在于，-第一軌道包括i.具有上表面的電介質(zhì)絕緣基片，ii.具有上表面與下表面的至少兩個第一電極，所述電極通過其下表面被放置于所述電絕緣基片的上表面上，各個所述第一電極與所述第一電極中的至少另一電極相互指狀交叉，iii.具有下表面與上表面的非浸潤層，所述非浸潤層在所述第一電極的上表面一側(cè)；-第二軌道包括具有上表面與下表面的局部浸潤層，第一軌道和/或第二軌道的所述局部浸潤層包括非浸潤區(qū)和浸潤區(qū)，所述浸潤區(qū)為功能化反應(yīng)區(qū)。
11.按照權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述第一軌道包括位于所述第一電極的上表面與所述非浸潤層的下表面之間的電介質(zhì)絕緣層。
12.按照權(quán)利要求10至11中任意一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括位于所述非浸潤層的上表面上面或者下面或嵌于所述非浸潤層中的接地線。
13.按照權(quán)利要求10至12中任意一項所述的裝置，其特征在于，所述第二軌道包括電絕緣、半導(dǎo)電或?qū)щ姷膶?，其位于所述非浸潤層的上表面一?cè)。
14.按照權(quán)利要求1至13中任意一項所述的裝置，其特征在于，所述第一軌道的所述電絕緣基片為透明的。
15.按照權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述第一軌道的電絕緣基片為玻璃基片。
16.按照權(quán)利要求9至15中任意一項所述的裝置，其特征在于，所述浸潤區(qū)為所述非浸潤區(qū)中的開口。
17.按照權(quán)利要求9和16中任意一項所述的裝置，其特征在于，所述浸潤區(qū)是生物化學(xué)功能化的和具有生物化學(xué)活性的。
18.按照權(quán)利要求1至17中任意一項所述的裝置，其特征在于，所述非浸潤層和/或所述局部浸潤層的非浸潤區(qū)對于水為非浸潤的，因此為疏水性，而所述浸潤區(qū)則對于水為浸潤的，即為親水性。
19.按照權(quán)利要求1至18中任意一項所述的裝置，其特征在于，所述非浸潤層和/或局部浸潤層的所述非浸潤區(qū)為四氟乙烯聚合物。
20.按照權(quán)利要求1至29中任意一項所述的裝置的制造方法，其中，第一軌道或第二軌道的局部浸潤層的形成包括-通過在基片上淀積光敏材料、光刻，然后使所述感光材料顯影，形成光敏材料掩模的步驟；-在所述掩模上淀積非浸潤材料的步驟；-至少一個在溶解前退火的步驟；-溶解所述掩模的步驟；-至少一個溶解后退火的步驟。
21.按照權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，溶解前退火步驟的退火溫度低于溶解后退火步驟的退火溫度。
22.按照權(quán)利要求20與21中任意一項所述的方法，其特征在于，在所述掩模上淀積非浸潤材料的步驟為淀積四氟乙烯的聚合物的步驟。
23.液體樣本的微流體分析系統(tǒng)，其特征在于包括-至少一個具有至少一個出口的液體樣本準(zhǔn)備裝置，-至少一個按照權(quán)利要求1至19中任意一項所述的液滴操縱裝置，液滴操縱裝置的一個入口被耦合到所述準(zhǔn)備裝置的一個出口，該液滴操縱裝置具有至少一個出口，-至少一個分析裝置，其一個入口被耦合到所述液滴操縱裝置的一個出口。
24.按照權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述準(zhǔn)備裝置包括一個或多個容器或裝載臺。
25.按照權(quán)利要求23與24中任意一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述分析裝置是質(zhì)譜分析儀、熒光探測器或UV輻射探測器。
26.按照權(quán)利要求23至25中任意一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)被集成在微實驗室中。
全文摘要
本發(fā)明首要目的在于提供一種利用電浸潤在移動平面上操縱液滴的裝置，其包括至少一個移動軌道。所述移動軌道包括電絕緣基片，兩個或多個交叉指型導(dǎo)電電極位于所述基片表面。所述電極覆蓋有一電介質(zhì)絕緣層，所述電介質(zhì)絕緣層本身被局部浸潤層覆蓋。本發(fā)明還涉及上述裝置的生產(chǎn)方法，其中，局部浸潤層的形成包括通過在基片上淀積光敏材料、光刻步驟和光敏材料的顯影而形成光敏材料的掩模，在掩模上淀積非浸潤材料，至少一次溶解退火，溶解掩模，以及至少一次溶解后退火。本發(fā)明最后涉及對液體樣本的微流體分析系統(tǒng)，其包括至少一液體樣本準(zhǔn)備裝置，其被耦合到至少一個根據(jù)本發(fā)明的液滴操縱裝置，所述液滴操縱裝置本身則被耦合道至少一樣本分析裝置。
文檔編號B01L99/00GK101031362SQ200580024079
公開日2007年9月5日 申請日期2005年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月4日
發(fā)明者讓-克里斯托夫·弗利爾, 弗朗西絲·卡倫, 皮埃爾·塔伯利爾, 克里斯蒂安·德倫 申請人:里爾科學(xué)技術(shù)大學(xué), 國家科研中心