專利名稱：化學反應盒、其制造方法和化學反應盒驅動系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及化學反應盒，更具體地，涉及這樣一種化學反應盒，其中溶液的合 成、溶解、檢測、分離或類似的操作，按照指定的規(guī)程可以容易地在低成本下執(zhí)行， 而不會產生操作者之間的誤差。
背景技術：
傳統(tǒng)上，試管、燒杯、移液管或類似的儀器，己經普遍用于處理諸如溶液的合 成、溶解、檢測、分離或類似的操作。例如，如

圖1所示，物質A和物質B分別收 集在容器1和容器2例如試管或燒杯中。接著，將這些物質倒入容器3，例如試管 或燒杯中，這些物質被混合或攪動生成物質C。物質C在這種方式下的合成，例如， 可以通過發(fā)光、發(fā)熱、變色、顏色對比或類似的現象進行觀察。
另外，對混合物質進行滲濾、離心分離或類似的操作，來分離和提取目標物質。
而且，使用玻璃儀器，如試管或燒杯，進行諸如溶解之類的處理，例如，使用 有機溶劑進行溶解。并且，在檢測過程中，如圖1所示，將容器1中的受試物質A 與容器2中的試劑注入容器3中，觀察它們的反應結果。
另一方面，對于生物分析儀之類的裝置，例如，使用由柔性材料制成的扁平袋， 如日本未審査專利申請No. 2002-365299中所描述的。
圖2是上述日本未審査專利申請No. 2002-365299中所述的生物芯片的結構圖。 圖2(a)是剖視圖，圖2(b)是平面圖。在邊緣密封的扁平的血液收集袋41的中心部 分是魚形的袋。魚形袋的開口用橡膠塞42密封。
在血液收集袋41中，按照從塞42到后部的順序形成收集袋43、預處理區(qū)44、 接合部45以及廢液貯存器47。為了進行血液收集，塞42插入注射器(未圖示)中， 其中注射器的針頭穿過塞42。為了進行血液收集，塞42插入注射器(未圖示)中，其中注射器的針頭穿過塞42。
為了進行血液收集，伸在注射器外部的針頭的針尖插入受檢測人的身體中。血 液收集袋41的鉤52被拉出，使血液收集在收集區(qū)43。血液收集后，從血液收集袋 41中抽出注射器。接著，如圖3所示，血液收集袋41夾在旋轉輥61和62之間， 將生物芯片從收集區(qū)43朝預處理區(qū)44擠壓，將收集的血液送到預處理區(qū)44。
當輥61和62運轉并開始擠壓袋48時，袋48中的溶液沖開閥49，流入預處 理區(qū)44。接著，袋50中的溶液以同樣的方式流入預處理區(qū)44。當預處理區(qū)44中 的指定過程結束時，輥繼續(xù)轉動，將處理過的血液送到接合部45.
DNA芯片46布置在接合部45中進行雜交。在預處理區(qū)44處理完的多余血液 或溶液被C存在廢液貯存器47中。利用布置在外部的閱讀裝置對執(zhí)行雜交的DNA 芯片46的狀況進行觀察。
但是，使用燒杯、移液管或類似儀器的傳統(tǒng)方法存在一些問題，例如，操作復 雜，不同操作者之間差別大，并需要花費大量的時間和工作。
另外，血液收集袋的問題還在于，它不容易用于移動液體，因為這些袋缺乏彈性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種化學反應盒、該化學反應盒的制造方法和一種化 學反應盒驅動系統(tǒng)，所述的化學反應盒能容易地完成指定的操作規(guī)程而不同操作者 之間沒有差別，該化學反應盒是密封的和一次性的，并具有針對病毒和危險藥物的 安全結構。
附圖的簡要說明
圖1表示現有技術中的處理方法；
圖2是現有技術中血液收集袋的結構圖3表示血液收集袋的操作方法；
圖4是本發(fā)明化學反應盒的一個實施例的結構圖5顯示的是操作狀態(tài)；
圖6代表另一個操作狀態(tài)；圖7是本發(fā)明另一個實施例的結構圖8表示有關流體通道加壓方法的一個實施例；
圖9表示有關流體通道加壓方法的另一個實施例；
圖IO表示有關流體通道加壓方法的又一個實施例;
圖11表示本發(fā)明另一個實施例的結構圖12表示加壓的方法；
圖13表示流體通道形狀的一個具體的例子；
圖14表示另一個加壓的方法；
圖15表示又一個加壓的方法；
圖16表示再一個加壓的方法；
圖17是本發(fā)明另一個實施例的結構圖18表示流體通道或室的形狀；
圖19表示具有分層結構的彈性體；
圖20表示反應室的檢測方法；
圖21表示盒的另一個實施例的結構圖22表示盒的又一個實施例的結構圖23表示盒的再一個實施例的結構圖24表示盒的入口的實施例的結構圖25表示與基體材料有關的圖26表示與注射和接合有關的方法；
圖27是盒的另一個實施例的結構圖28是盒的又一個實施例的結構圖29表示樣品的吸入方法；
圖30是盒的另一個實施例的結構圖31表示室的形狀的一個實施例；
圖32顯示了將被處理的物體；
圖33表示能使細胞均勻化的一個實施例；
圖34是盒的另一個實施例的結構圖35是盒的又一個實施例的結構圖36是盒的再一個實施例的結構圖；圖37表示與彈性體和基體之間的接合部有關的一個實施例； 圖38是盒的另一個實施例的結構圖39是本發(fā)明的化學反應盒的一個實施例的結構圖； 圖40是本發(fā)明的化學反應盒的另一個實施例的結構圖； 圖41是本發(fā)明的化學反應盒的又一個實施例的結構圖； 圖42表示流動通路加壓方法的另一個實施例； 圖43表示有關流體通道加壓方法的又一個實施例；
圖44表示對于一個室有6個流體通道形成的一個實施例，其中形成有三個開/
關閥；
圖45表示輥的形狀的另一個實施例；
圖46表示輥的形狀的又一個實施例；
圖47表示使用具有凸出部分的輥的一個實施例；
圖48表示本發(fā)明的化學反應盒的一個實施例的主要部分；
圖49表示本發(fā)明另一個實施例的主要部分；
圖50表示本發(fā)明又一個實施例的主要部分；以及
圖51表示本發(fā)明再一個實施例的主要部分。
具體實施例方式
下面參考附圖詳細地解釋本發(fā)明。圖4是本發(fā)明化學反應盒的一個實施例的結 構圖。圖4(a)是透視圖，圖4(b)是的彈性體的底視圖。圖4(c)是沿Z-Z'的剖視 圖。化學反應盒IOO包括由密封的彈性橡膠或類似材料制成的彈性體110，以及由 硬材料制成的用于確定位置和維持形狀的平板狀基體(剛性體基體)120。
粘彈性體或塑性體可以用作盒的彈性體110 (但是，彈性體被用作實施例的一 個例子)。
如圖4(b)所示，在彈性體110的底面形成用于容納溶液的孔(下面稱為"室") 111和112 (其均為從表面凹下的凹腔)，用于反應的室(也稱為"反應室")113、 用于貯存廢液的室(也稱為"廢液貯存器")114以及連通這些室的流體通道115。
如圖4(c)所示，除了流體通道以外的彈性體110的其余部分和平面狀粘合區(qū) 116，粘合在基體120的表面上，從而形成室和流體通道被彈性體110和基體120 密封的結構，用于防止溶液泄露到外部。下面對具有這種結構的盒中的溶液的轉移進行解釋。物質(下面稱為"溶液"，
因為將溶液作為例子)A和溶液B事先注入在盒100中形成的室111和112中。溶 液是在注射器針頭117直接插入彈性體110后利用注射器118注射的，如圖4(c) 所示。由于彈性體IIO是由彈性材料制成的，因此當注射器針頭117抽出時，針孔 將自己閉合。為了完全密封孔，在注入溶液后，對針孔填充粘結劑或類似的物質。 然而，也可以利用加熱溶解來密封孔。
如圖5所示，從盒100的左端上方向下壓輥130到一定程度，將室lll壓扁。 接著，如果輥130旋轉，并從位置l向右移動，如圖6(a)所示，貯存在室lll中的 溶液A被向右壓出。溶液A通過流體通道115輸送到反應室113。室113中的空氣 被送出到廢液貯存器114中。
如果輥130繼續(xù)轉動并運動到圖6(b)中所示的位置2,室112中的溶液B被送 出。溶液B通過流體通道115流入反應室113。在這種情況下，當輥130向下壓時， 流體通道115中輥經過的部分也被壓扁，相應地變成一個防止回流的閥，從而防止 溶液B流回到室111中。
當溶液A和溶液B進入反應室113時，它們被混合并發(fā)生反應。這里的反應是 指，例如，混合、合成、溶解、分離或類似的過程。
使用這些盒能檢測，例如，二惡英、DNA或類似的物質。
另外，如果輥130轉動并從圖6(c)所示的位置3運動到位置6之后，輥130 沿相反方向轉動并運動到圖6(d)所示的位置7時，可以容易地將溶液混合。 通常，輥130在一個方向(一個路徑)結束旋轉運動。
這些盒可以以小的尺寸、輕的重量和低的成本進行制造。而且，處理規(guī)程，如 物質的混合、合成、溶解、分離或檢測，可以容易地在盒中進行，而不會在不同操 作者之間產生差別。
另外，本發(fā)明的盒是密封的和一次性的。它可以安全地處理病毒、危險藥物或 類似的物質。例如，可以安全地和可靠地在此盒中進行工廠廢水和濃縮廢水的處理 (一系列的處理，如中和、蒸餾、取樣、混合以及比色測定)、廢水流入的江河或 類似地方的氰檢測、從血液或患病部分提取DNA或蛋白質，或者類似的過程。
注意，這些解釋僅是用于表示某些適當的實施例，以便例證本發(fā)明。因此，本 發(fā)明并不限于上述實施例。相反，在不偏離本發(fā)明的精神和實質特征的情況下，可 以做出很多其它的替代和修改。(1) 如圖7所示，不但可以形成分別用于溶液A和B的室111和112，為了 貯存清洗液或干燥空氣，也形成通向流體通道115的室141和142。
(2) 如圖8所示，利用盒外部的外力對流體通道向下加壓，不但可以利用輥 進行，而且可以利用致動器進行，所述致動器沿垂直方向對注射器151施加力，其 中圖7所示的室112或類似的結構，也可以被致動器直接加壓，從而可以壓出室112 中的溶液。
(3) 如圖9所示，可以使用多個致動器實現泵送，其中如果壓下注射器151 后再壓下寬的注射器152，就可以沿箭頭(向右)方向壓出溶液153。
(4) 如圖IO所示，如果具有控制單個動作能力的多個致動器排列成陣列，并 向下壓，它們也可以被用于具有一般用途流體通道的盒。
(5) 在流體通道的正上方的彈性體110的表面上具有凸出部分161，如圖 ll(a)、 ll(b)和ll(c)所示。甚至當流體通道的寬度、形狀或數量變化時，它們可 以被壓扁和可靠地密封，其中剛性基體120非常有助于精確地維持位置。
(6) 如果輥的寬度小于盒的寬度，如圖12(a)所示，彈性體110的周圍區(qū)域 可能趨于形成翹曲，在這種情況下，如圖12(b)所示，利用加壓支架171事先將周 圍區(qū)域壓住。
(7) 如圖13(a)所示，在彈性體110的室與流體通道之間形成非常窄的連接 部分，使在所述室中的溶液更容易流出，但，由于諸如粘度阻力之類的因素并不允. 許流體通道中的溶液進入此室。或者，如圖13(b)或(c)所示，可以形成膜閥用于連 接部分?；蛘?，如圖13(d)所示，閥可以被室內溶液的壓力打開，從而將溶液壓出。
(8) 如圖14所示，可以使用加壓件180，其形狀是中心膨脹(彎曲)，像一 個桶，而不是使用圓柱形輥?；蛘撸鐖D15所示，可以使用球形的加壓件190?；?者，如圖16所示，可以使用基于吸水繪圖紙方法的加壓件200，其具有大曲率半徑 的圓弧形狀。如果加壓件200沿圖16所示的右方向旋轉，則溶液可以沿箭頭方向 壓出。
(9) 如圖17(a)所示，如果一開始形成的反應室113是薄的反應室，在施加 壓力時其沿厚度方向膨脹，就不需要排出反應室113中的空氣。因此，在盒100的 彈性體110中不必具有貯存廢液的室。
(10) 關于流體通道115 (或室)的截面形狀，如果如圖18(a)所示角是直角， 則從上方加壓時流體通道115被壓扁，如圖lS(b)所示，而溶液趨于殘存在角上。因此，如圖18(c)所示，角應具有半徑為R的曲度。如果流體通道115的高度為H， 寬度為W，則希望R為H或W的十分之一或更大。如圖18(d)所示，希望與基體120 的連接角也具有半徑為R的曲度，如圖18(d)所示。
(11) 可以對流體通道115的壁表面進行表面處理，如果溶液是在水中溶解的， 則形成疏水性表面；如果溶液是油性的，則形成親水性表面，用于防止溶液的粘附。 或者，可以涂覆Teflon (注冊商標)涂層，或者使用Teflon (注冊商標)橡膠作 為彈性體110的材料。
(12) 彈性體IIO可以具有兩層或多層。例如，如圖19的示意圖(圖19(a) 是彈性體110的底視圖，圖19(b)是彈性體110的剖視圖)所示，在第一層110a 中形成室210和211，而在第二層110b中形成室220。另外，形成流體通道212， 用于連接第一層110a的室210和第二層110b的室220，從而使這些室在三維上處 于緊湊方式。
(13) 形成反應室113，以便可以用于檢測反應物質的光、電壓、電流或熱量 等等。例如，整個彈性體可以做成透光的或不透光(不透明)的?；蛘?，僅將光測 量部分做成透明的。如果將除了光測量部分以外的部分做成不透明的，則貯存在這 些室中的反應物就能免受光照射?；蛘?，整個彈性體可以由絕緣體形成，而一部分 由導電的彈性體(含有碳或類似的物質)形成。
為了觀察反應物質發(fā)出的光，如圖20(a)所示，彈性體110由透明材料制成， 其中通過閱讀裝置230讀出反應物質發(fā)出的光進行觀察。彈性體110不必是整體透 明的。相反，僅僅光測量部分透明是足夠的。這里，可以嵌入玻璃室或類似的結構。
如果檢測電壓或電流，或者如果進行電泳，如圖20(b)所示，設置導體231和 232，用以直接從反應室113拾取檢測信號?；蛘?，如圖20(c)所示，在需要的時候 從外部插入電極233和234。
(14) 如圖21所示，在彈性體110上形成出口 235，用于建立一種結構，從 而在利用輥130向下加壓時，將反應物質從出口 235壓出到外部。在這種情況下，
希望僅僅將安全的物質用作被排出的反應物質。
(15) 如圖22所示，可以在彈性體110的上表面上形成圓弧形的楔形面241， 其中如果板狀加壓板240從上方垂直向下加壓，則溶液沿箭頭方向排出。
(16) 如圖23所示，加壓蓋242和基體120可以利用鉸鏈243連接，使加壓 蓋242可以自由地打開或關閉，從而在加壓蓋242關閉時能排出溶液。(17) 如圖24所示，為注射樣品在入口形成凹下部分250。當注射器針頭117 插入或拔出時，注射劑被泄露并粘附在注射入口。但是，如圖24(b)所示，泄露的 注射劑251由于注射劑的粘度或表面張力而殘留在凹下部分250的底面，不會從盒 中排出。這在注射液體(例如血液)本身有危害時是有用的。注射器針頭117的拔 出軌跡252自動閉合。
(18) 彈性體的制造材料可以是，例如，硅橡膠、PDMS (聚二甲基硅氧垸)、 天然橡膠及其聚合物、丙烯酸橡膠、聚氨酯橡膠或類似的材料。這些材料不必是完 美的彈性體，可以是具有粘彈性特征的樹脂或塑性體，如凝膠。如果材料幾乎是塑 性地變形，則甚至在圖18(b)的情況下也難以形成間隙。
(19) 作為基體120的材料，可以使用玻璃、金屬、硬樹脂、可以彎曲的剛性 體或者類似的材料。如果使用可以彎曲的剛性體，如圖25(a)和25(b)所示，將盒 放置在硬板或桌面260上施加壓力，或者盒100從上方和從下方夾在兩個輥130中 間。
(20) 為了在溶液注射到室111、室112或類似的結構之后密封注射入口，可
以使用加熱或粘合劑。
或者，如圖26(a)和26(b)所示，將彈性體110的頂面朝下，其中室轉而朝向 上，將溶液注射到室中。此后，使用基體120蓋住室，如圖26(b)所示。
(21) 彈性體110與基體120的結合，除了利用粘結方式以外，可以利用吸附 (對于PDMS、玻璃或類似的材料)、超聲波、加熱、等離子處理、振動或類似的方法。
(22) 適于在盒中檢測的物質是生物分子、有機物、無機物或者活的有機體， 如細菌、病變部分、細胞或類似的物質。
(23) 對于反應室中的提取過程，可以使用磁珠、二氧化硅珠、二氧化硅過濾 器、單塊(monolith)過濾器、抗體、酶、枝狀分子(dendrimer)或類似的物質 作為提取手段。注意，通過振動源對磁珠提供振動以分散磁珠，例如，所述振動施 加于盒的外部。
(24) 對于安全性，希望將凝固反應物事先注射到廢液貯存器中。
(25) 由于剛性基體固定在盒上，因此當施加外力或當進行測量時可以確定精 確的位置。并且，如圖27(a)所示，可以采用鉤或用于該鉤的孔270，用于當從外 部施加力時固定一個位置。圖27(b)是盒固定在工作臺271上時的側視圖(剖視圖)，其中圖27(a)中的孔270與安裝在工作臺271上的定位銷272對齊。 另外，如圖28所示，可以為這些活動如測量設置定位標記273。
(26) 如圖29所示，可以使用輥130注射樣品。換言之，如圖29(a)所示， 在插入注射器針頭117之后，向下壓的輥130轉動著從注射入口向后邊運動，如圖 29(b)所示，從而使樣品吸入室lll中(圖29(c))。
樣品吸入后，如圖29(d)所示，拔出注射器針頭117，輥113向上抬起并返回 到原始位置，或者壓下單獨提供的第二輥，將吸入的樣品朝后邊傳送。
如果樣品的粘度足夠大，在圖29(d)所示的位置利用輥的非回流閥效應移送盒 中的樣品，而不拔出注射器針頭117。
(27) 對于上述混合，可以在室113中設置突起(或壁)280，用于分離和攪 動，如圖30所示。
(28) 室的形狀可以是諸如六邊形的多邊形、菱形、圓形等等的形狀，如圖 31 (a) 、 31 (b)和31 (c)所示。
(29) 本發(fā)明的盒不但可以處理溶液，也可以處理生物細胞。如圖32所示， 將靶細胞放置在反應室113中，而將貯存在另一個室中的藥劑供應并提供給細胞， 從而可以觀察細胞培養(yǎng)或反應。
本發(fā)明的盒還用于無細胞系統(tǒng)的蛋白質合成。
(30) 三角形的突起290，其表面具有葉片，如圖33 (a)所示，裝在基體120 上。接著，如圖33(b)所示，將輥130從左轉到右，并從右又反轉回到左，從而利 用研磨葉片將室113中的細胞均勻化。
(31) 本發(fā)明具有，例如，如下的應用
(a) 確定血液中葡萄糖濃度的葡萄糖傳感器，其中盒是密封型的并能進行安 全測試；
(b) 測量NOx或二惡英；
(c) 檢測頭發(fā)、水或食物中的微量元素，如鎘、氰化物、砷化物和汞，其中 盒是密封型的并能使用諸如比色法之類的方法安全地檢測農藥、有毒物質或類似的 物質；
(d) 使用雜交方法檢測或鑒別生物聚合物，如DNA或脂A，或者使用抗原-抗
體反應檢測或鑒別蛋白質；
(e) 在檢測過程中使用電泳方法檢測或鑒別DNA、 RNA或蛋白質；(f) 使用諸如HPLC之類的色譜法檢測分子；
(g) 基于使用紫外光、可見光或類似光線的光譜學檢測分子；
(h) 使用電化學測量方法測量物質的化學反應或變化，即，使用諸如阻抗方
法的電化學測量方法定性地或定量地檢測物質的化學反應，如氧化-還原反應，或
者導電率的變化；以及
(i) 使用flow site meter法，利用熒光等通過鑒別細胞，如淋巴細胞，檢 測或分離細胞、血小板或類似的成分；
(32) 為了基因的PCR擴增(聚合酶鏈式反應)，將金屬300嵌入基體120 中，如圖34所示，其中金屬300的溫度升高或降低是通過珀爾帖加熱器310控制 的，從而便于熱交換和簡化PCR擴增。
(33) 如圖35所示，將小的加壓機構320，如剛性體、PZT、形狀記憶金屬合 金、致動器或類似的裝置埋入盒100中，其中加壓機構320被驅動并受到致動器321 或類似裝置的外部壓力，致動器321或類似的裝置向下施加壓力并部分地關閉流體 通道。
(34) 對于用光來檢測反應室113中的反應物質，可以使用埋在盒100中的光 波導330，如圖36所示。
(35) 原始的彈性體或盒的物質的形狀，可以使用加工工藝進行制造，如銑削、 光成形以及濕或干蝕刻。這些室的制造，不但可以利用圖4所示的片層粘合，而且 可以整體注射成形。注射成形的模具是使用諸如銑削、光成形或蝕刻的方法制造的。
(36) 彈性體110和基體120的密封，不但可以通過粘合，而且可以通過彈性 變形或配合結構。在圖37所示的配合結構中，在彈性體110和基體120之間的接 合區(qū)端面上形成直角三角形的互補齒341和342，如圖37(a)所示。這些齒嚙合在 一起，如圖37 (b)所示。注意，這些齒在流體通道或室的整個周圍區(qū)域形成。
這種嚙合的特征是，當彈性體110被向下壓時，彈性體110難以水平膨脹。如 果沿著室或流體通道設置突起，如圖37 (c)所示，可以簡單地密封室或流體通道。
另外，用于部分關閉流體通道或室以及移動或阻塞流體通道或室中的流體物質 的外部作用力，不但可以是機械力，也可以是空氣壓力。
并且如圖38所示，在盒的一個位置(入口)可以形成楔形部分350，其首先 接觸圓柱輥。如果設置楔形部分350，使輥130僅僅沿一個方向，即圖38 (a)和 38 (b)中向右的方向移動，就足以將將溶液移動到右側。如果盒沒有楔形入口，輥130需要沿兩個方向運動，即向下方向和向右方向，如圖38 (c) 、 38 (d)和 38 (e)所示。
圖39表示本發(fā)明的另一個實施例。圖39 (a)是平面圖，圖39 (b)是室(A、 B、 C、 D、 E和G)以及凸出部分(圖39(a)的陰影部分)的局部剖視圖，圖39(c) 是Z-Z'剖視圖。為了簡化，溶液A的室稱為室A，溶液B的室稱為室B (下面將相 同的原理應用到C、 E和G)。
注意，如上文所述實施例的情況一樣，化學反應盒100是由彈性體110 (如密 封的和彈性的橡膠)和板狀基體120 (由剛性材料制成)形成的?；w120的材料 以及彈性體110和基體120之間的連接，也與上述實施例的情況相同。
用于裝溶液的室A到F，每一個都是朝表面凹下的凹腔，是在彈性體110的底 面形成的，如圖39 (b)所示。凸出部分161是在朝表面凹下的室(A、 B、 C、 E和 G)部分的上部形成的(這個凸出部分在圖39(a)中是陰影)。
將血液注射到室A中，將用于溶解血液的溶液試劑注射到室B中，將用于捕獲 諸如DNA的生物聚合物的磁珠注射到室C中。室D是反應室，其中施加了磁場(未 圖示)。將清洗液注射到室E中，而將緩沖液體注射到室G中。室H是終產品室， 含有在反應室D中反應的液體。室F是廢液貯存器。
在這些室中形成流體通道115，用于連通它們。室A和B是在凸出部分形成區(qū) 域(下面稱為"凸出區(qū)")形成的，通過流體通道115a和115b連接到室C，室C 也形成在凸出區(qū)。室C通過流體通道115c連接到室D，室D是沒有凸出部分的區(qū)域 (下面稱為"凹下區(qū)")。另外，在凸出區(qū)形成的室E和G，通過流體通道115d 和115e連接到室D。并且，在凹下區(qū)形成的室H通過在凸出區(qū)形成的流體通道115f 連接到室D。在凹下區(qū)形成的室F通過在凸出區(qū)形成的流體通道115g連接到室D。
彈性體110的每個室以及除流體通道以外的平坦部分粘合在基體120的表面 上，如圖39(c)所示，從而使這些室和流體通道被彈性體IIO和基體120密封，由 此形成一個防止溶液泄露到外部的結構。
下文，將解釋上述結構盒中的溶液轉移操作。
如上所述，血液、溶液試劑、清洗液以及緩沖液體，分別預先注射到在盒100 中形成的室A、 B、 E和G中。將表面帶有正電荷的磁珠預先注射到室C中。注射(未 圖示)是利用，例如，注射器完成的，其中所述注射器的針頭直接插入彈性體110 中。由于彈性體IIO是由彈性材料制成的，如果注射器針頭拔出，則針孔自行閉合。在溶液注射之后，將針孔用粘合劑或類似物質填充，使孔完全密封，但針孔也可以 利用加熱溶解進行密封。
在上述結構中，如圖39(d)所示，輥130在盒100的左端從上方向下壓到一定 程度，將凸出區(qū)壓扁，如果輥130轉動并沿右向從位置l運動到位置2，如圖39(a) 所示，則分別預先被注射到室A和B中的血液和試劑溶液被向右側擠出。
結果，預先注射到室A中的血液通過流體通道115a流入預先注射有磁珠的室 C，同時預先注射到室B的試劑溶液通過流體通道115b流入室C，血液和試劑溶液 在此處混合。血液中的DNA被捕獲在室C中的磁珠表面上。
接著，輥130轉動并從位置2運動到位置3，使室C中混合的血液、試劑溶液 和磁珠通過流體通道115c流入室D。將磁場施加在室D中，使磁珠被捕獲。
接著，輥130轉動并從位置3運動到位置4，從而將流體通道115f壓扁，阻 塞進入室H的流動。并且，輥130轉動并從位置4運動到位置5。結果，預先注射 到室E中的清洗液流入室D清洗磁珠。這種清洗液通過流體通道115g流入裝廢液 的室F (通向室H的流體通道115f己經被壓扁和關閉)。
接著，輥130轉動并從位置5運動到位置6，使預先注射到室G中的緩沖液體 通過流體通道115e流入室D(通向室F的流體通道已經被輥130壓扁和關閉)。接 著，加熱室D，將己經被磁珠捕獲的DNA釋放。釋放的DNA與緩沖液體通過流體通 道115f流入室H，成為最終產品。
圖40是圖39結構的另一個實施例。與圖39的差別在于，取代廢液室F，在 反應室D的排出口形成循環(huán)流體通道115h,使廢液流回到室A中。輥130的運動以 及注射劑在這些室中通過流體通道的流入和流出操作，與圖39相同。這種結構使 室或流體通道中的內部壓力不會增大，因而可使液體平穩(wěn)地轉移。廢液室F的空間 不再需要，從而可減少盒所占的空間。
圖41表示另一個實施例的例子，其中盒中不形成圖39所示的凸出部分。整個 盒為平的形狀，其中輥130的長度受到限制，使輥130在盒上的X-Y范圍內運動。 注意，室A、 B、 C、 E和G分別裝有與圖39中的相同的注射劑，并且室D和H也以 相同的方式運作。
在上述結構中，輥130在盒IOO左側從上方向下壓室A和B，使室A和B被壓 扁，如圖41所示，如果輥130轉動并沿右向從位置l運動到位置2，則分別預先注 射到室A和B中的血液和試劑溶液被向右側擠出。結果，預先注射到室A中的血液通過流體通道115a流入室C，同時預先注射 到室B的試劑溶液通過流體通道115b流入預先注射有磁珠的室C，血液和試劑溶液 在此處混合。
接著，輥130轉動并從位置2運動到位置3，使室C中混合的血液、試劑溶液 以及用于捕獲DNA的磁珠通過流體通道115c流入室D。將磁場施加在室D中，使磁 珠被磁場捕獲。
接著，輥130轉動并從位置3運動到位置4，從而將流體通道115f壓扁，阻 塞進入室H的流動。并且，輥130轉動并從位置4運動到位置5。結果，預先注射 到室E中的清洗液流入室D，用于清洗磁珠。這種清洗液通過循環(huán)流體通道115h 流入室A (通向室H的流體通道115f已經被壓扁和關閉)。
接著，輥130轉動并從位置5運動到位置6，使預先注射到室G中的緩沖液體 通過流體通道U5e流入室D (通向循環(huán)通道115e的流體通道已經被壓扁和關閉)。 接著，加熱室D，將己經被磁珠捕獲的DNA釋放。釋放的DNA與緩沖液體通過流體 通道115f流入室H，成為最終產品。
利用盒外部的外力向下壓流體通道，不限于輥。如圖42所示，油、水、空氣 或類似的物質可以預先注射到流體通道115i中用于加壓，從而利用致動器(未圖 示)壓凸出部分161，尖端A'膨脹，壓扁流體通道115。
圖43表示對室或流體通道加壓機構的另一個實施例，其中包括室或流體通道 的基體120，截面為凸出形狀的彈性體110，以及含有彈性體110并使此彈性體的 凸出部分伸出的剛性體121，三者組合在一起，彈性體110的凸出部分受輥、致動 器或類似裝置的壓制，將上述流體通道或室壓扁。如圖所示，剛性體121也作為致 動器的限位器。
注意，通向每個室的流體通道115的數量是任意的。圖44中形成6個流體通 道，其中如圖42或43所示的三個凸出部分161 (用于阻塞流體通道)成為打開和 關閉的旋塞闊。
圖45表示有槽的輥130a，其中槽131形成在圓柱輥130上。盒上形成的凸出
部分或室的位置可以以多種方式組合。
圖46表示具有凸出部分的輥130b，其中是在圓柱輥130上相應地具有凸出部 分。即使盒是平的，外力也可以部分地施加在盒上，如同圖39 (b)所示的凸出部 分那樣。如圖47所示，可以將區(qū)域分成Y1和Y2，其中凸出部分(a)和凸出部分(b) 用于施加壓力。在此結構中，具有凸出部分的輥130b從左端開始轉動，并從位置 X1運動到位置X2，將位于Y1區(qū)域的室A的液體壓出到室C中，并且也將液體壓回 到位于Y2區(qū)域的室B。
注意，上述實施例中所示的盒在特殊情況下具有如下問題
(1) 例如，如果進行基因擴增，則需要加熱或冷卻。如果采用微粒子與DNA 結合的樣品，則可以對它們施加振動。但是，難以將熱量或振動傳遞到由厚材料制 成的盒，諸如管上。
(2) 如果盒由薄玻璃制成，當盒內部殘存含有病毒的溶液時，在拋棄盒時造 成危害。另外，玻璃結構的盒價格貴。
下文所述的實施例能解決這些問題。甚至這種化學反應盒能被快速地加熱或冷 卻，也能向這種盒傳遞足夠的振動。此外，加熱、冷卻或振動對相鄰位置的影響也 小。這種盒還安全并且便宜。
圖48表示與這種盒有關的實施例的主要部分。這種盒的結構，適合于基于PCR 方法的基因擴增，或者用于磁性顆粒與DNA結合的樣品。注意，下面的描述僅僅涉 及特性。除了特性以外的特征與上述實施例的相同，因此，省略這些特征的解釋。
在圖48中，200a是一個動作裝置，允許使其尖端接觸盒的彈性膜110a，并且 通過珀爾帖(Peltier)元件或類似的元件加熱或冷卻室A (例如，圖4(b)中的反 應室113)中的樣品，或者通過音圈或壓電元件提供振動。在下面的實施例中，這 個動作裝置稱為外夾具。注意，樣品是指DNA、磁性顆粒或類似的物質以及溶液。
彈性膜110a的形成部分是局部的，并限制在室A的上部，外夾具200a與其接 觸。這部分彈性膜110a比彈性體的其它部分薄，并且其厚度為lmm或小于lmm。最 佳的厚度"t"，例如，是0. 1到lmm。
下文將解釋這種結構的操作。將樣品注射到盒的室A中。將盒中的流體通道或 類似的結構阻塞，升高室A中的內部壓力。彈性膜110a保持在拉伸狀態(tài)。
注意，內部壓力并不僅限于室A的局部，而是可以升高盒中所有室和流體通道 中的內部壓力。
將外夾具200a的尖端壓下，并利用升高的內部壓力粘附在彈性膜110a的表面。
根據處理程序，可以將樣品加熱、冷卻或振動。
在基于PCR法的基因擴增處理中，重復進行加熱和冷卻。由于彈性膜110a薄，并且通過粘附的彈性膜110a直接對樣品進行加熱和冷卻，因此反響遠快于傳統(tǒng)的 間接加熱和冷卻法。
在這種方式下，如果僅僅是目標室上部的彈性體是由lrnm或小于lmm的薄膜形 成的，而且薄膜上粘附有外夾具200a，則加熱和冷卻或振動可以施加在樣品上。由 于加熱和冷卻僅僅直接作用在樣品上，幾乎沒有透射，幾乎不影響其它部分，因此 可以實現高速響應。而且，振動僅僅直接作用在樣品上，幾乎沒有透射，幾乎不影 響其它部分。
注意，本發(fā)明并不限于上述實施例。例如，如圖49所示，室A的內部壓力可 以由外夾具的下壓(或介入)產生。在這種情況下，在室A中以相同方向形成的入 口流體通道115j和出口流體通道115k，同時被輥130 (作為旋塞閥)壓扁，將室A 密封，接著外夾具200a壓到彈性膜上，從而升高室A的內部壓力。
如圖50 (a)所示，在外夾具200a接觸區(qū)域的周圍彈性部分中可以形成凹槽 110b，以便減少傳遞到其它部分上的熱量或振動?；蛘撸鐖D50 (b)所示，可以 在凹槽中埋入由隔熱材料或絕振材料制成的填充件llOc。
或者，如圖51所示，彈性膜可以由透明膜形成。如果使用透明膜，可以利用 閱讀裝置400通過透明膜的窗口 (彈性膜110a)觀察DNA雜交過程中的熒光。如果 樣品被加熱，可以通過窗口射入激光，不使用外夾具。
除非彈性膜110a起皺或不含有氣泡，室的內部壓力幾乎是大氣壓。
為了捕獲DNA， 二氧化硅珠或類似的材料可以用于磁珠。在這種情況下，可以
使用小于珠的過濾器捕獲珠本身。
盒與外夾具之間的垂直關系可以與此實施例相反。換言之，盒的頂和底可以顛
倒，使外夾具從下面壓向彈性膜110a。
對彈性體施加壓力，并不限于利用如上述實施例所示的輥對盒的整個范圍加 壓。外部力可以從容器的外部施加，部分地關閉流體通道、室或同時部分地關閉二 者，從而流體通道或室內的流體物質可以運動或被阻塞。
起到這種作用的泵或閥并不是限于外部力，還可以使用在盒外部的外泵或者由 形狀記憶合金或類似材料制成的內閥。
由于上述結構的盒是密封的和一次性的，因此它們相對病毒或危險藥物是一個 安全性結構。另外，從實際角度看，這些盒非常有用，因為它們可以使化學反應或 類似過程的預定規(guī)程，可以簡單地實現，而不存在操作者之間的差別。
權利要求
1.一種化學反應盒驅動系統(tǒng)，其中所述化學反應盒是用于進行樣品的化學反應的化學反應盒，包括由剛性基體和彈性體形成的容器，其中形成兩個或多個室，這些室是連通的，或者被布置成可以通過流體通道連通，當來自所述容器外部的外力作用于所述彈性體上時，使所述流體通道、所述室或者二者部分地關閉，從而使所述流體通道或所述室中的流體物質可以移動或被阻塞；其特征在于，所述化學反應盒的流體通道、室或該二者通過機械裝置來部分地閉合，用于吸入樣品或者用于移動或阻塞所述流體通道或室內的流體物質；
2. 如權利要求1所述的化學反應盒驅動系統(tǒng)，其特征在于，使用一個或多個圓柱輥、球、桶形加壓件、圓弧形加壓件或板狀加壓板，所述機械裝置向所述彈性 體、所述粘彈性體或所述塑性體加壓。
3. 如權利要求1所述的化學反應盒驅動系統(tǒng)，其特征在于，利用在一個或多個維度上操作的至少一對致動器，通過所述機械裝置驅動一個剛性體，對所述彈性 體、所述粘彈性體或所述塑性體加壓。
4. 如權利要求1所述的化學反應盒驅動系統(tǒng)，其特征在于，加壓機構，如致 動器、剛性體、PZT或形狀記憶合金被埋在所述容器中，用于提供所述的機械裝置， 并且所述加壓機構與外部驅動聯合使用，用于部分地關閉流體或室。
全文摘要
本發(fā)明使提供一種化學反應盒成為可能，該化學反應盒使預定的規(guī)程容易地完成，而不會在操作者之間產生差別，并且該化學反應盒是密封的和一次性的，并具有針對病毒和危險藥物的安全結構。本發(fā)明的盒用于執(zhí)行樣品的化學反應，包括由剛性基體和彈性體形成的容器，其中在所述容器中形成兩個或多個室，這些室是連通的或者其被布置成可以通過流體通道連通，并且通過從所述容器外部對所述彈性體施加外力，部分地關閉所述流體通道、所述室或上述二者，從而能移動或阻塞所述流體通道或室中的流體物質。
文檔編號B01J19/00GK101301632SQ20081000437
公開日2008年11月12日 申請日期2004年11月10日 優(yōu)先權日2004年11月10日
發(fā)明者佐藤紗綾, 關直樹, 片倉久雄, 田名綱健雄 申請人:橫河電機株式會社