專利名稱：化學(xué)反應(yīng)盒、其制造方法和化學(xué)反應(yīng)盒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化學(xué)反應(yīng)盒，更具體地，涉及這樣一種化學(xué)反應(yīng)盒，其中溶液的合 成、溶解、檢測(cè)、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(huì)產(chǎn)生操作者之間的誤差。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，試管、燒杯、移液管或類似的儀器，己經(jīng)普遍用于處理諸如溶液的合 成、溶解、檢測(cè)、分離或類似的操作。例如，如

圖1所示，物質(zhì)A和物質(zhì)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(zhì)倒入容器3，例如試管 或燒杯中，這些物質(zhì)被混合或攪動(dòng)生成物質(zhì)C。物質(zhì)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(duì)比或類似的現(xiàn)象進(jìn)行觀察。
另外，對(duì)混合物質(zhì)進(jìn)行滲濾、離心分離或類似的操作，來分離和提取目標(biāo)物質(zhì)。
而且，使用玻璃儀器，如試管或燒杯，進(jìn)行諸如溶解之類的處理，例如，使用 有機(jī)溶劑進(jìn)行溶解。并且，在檢測(cè)過程中，如圖1所示，將容器1中的受試物質(zhì)A 與容器2中的試劑注入容器3中，觀察它們的反應(yīng)結(jié)果。
另一方面，對(duì)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(qǐng)No. 2002-365299中所描述的。
圖2是上述日本未審査專利申請(qǐng)No. 2002-365299中所述的生物芯片的結(jié)構(gòu)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(yù)處理區(qū)44、 接合部45以及廢液貯存器47。為了進(jìn)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(jìn)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(jìn)行血液收集，伸在注射器外部的針頭的針尖插入受檢測(cè)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(zhuǎn)輥61和62之間， 將生物芯片從收集區(qū)43朝預(yù)處理區(qū)44擠壓，將收集的血液送到預(yù)處理區(qū)44。
當(dāng)輥61和62運(yùn)轉(zhuǎn)并開始擠壓袋48時(shí)，袋48中的溶液沖開閥49，流入預(yù)處 理區(qū)44。接著，袋50中的溶液以同樣的方式流入預(yù)處理區(qū)44。當(dāng)預(yù)處理區(qū)44中 的指定過程結(jié)束時(shí)，輥繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jìn)行雜交。在預(yù)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(duì)執(zhí)行雜交的DNA 芯片46的狀況進(jìn)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(fù) 雜，不同操作者之間差別大，并需要花費(fèi)大量的時(shí)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(dòng)液體，因?yàn)檫@些袋缺乏彈性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種化學(xué)反應(yīng)盒、該化學(xué)反應(yīng)盒的制造方法和一種化 學(xué)反應(yīng)盒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述的化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)盒是密封的和一次性的，并具有針對(duì)病毒和危險(xiǎn)藥物的 安全結(jié)構(gòu)。
附圖的簡(jiǎn)要說明
圖1表示現(xiàn)有技術(shù)中的處理方法；
圖2是現(xiàn)有技術(shù)中血液收集袋的結(jié)構(gòu)圖3表示血液收集袋的操作方法；
圖4是本發(fā)明化學(xué)反應(yīng)盒的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖5顯示的是操作狀態(tài)；
圖6代表另一個(gè)操作狀態(tài)；圖7是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖8表示有關(guān)流體通道加壓方法的一個(gè)實(shí)施例；
圖9表示有關(guān)流體通道加壓方法的另一個(gè)實(shí)施例；
圖IO表示有關(guān)流體通道加壓方法的又一個(gè)實(shí)施例;
圖11表示本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖12表示加壓的方法；
圖13表示流體通道形狀的一個(gè)具體的例子；
圖14表示另一個(gè)加壓的方法；
圖15表示又一個(gè)加壓的方法；
圖16表示再一個(gè)加壓的方法；
圖17是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖18表示流體通道或室的形狀；
圖19表示具有分層結(jié)構(gòu)的彈性體；
圖20表示反應(yīng)室的檢測(cè)方法；
圖21表示盒的另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖22表示盒的又一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖23表示盒的再一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖24表示盒的入口的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖25表示與基體材料有關(guān)的圖26表示與注射和接合有關(guān)的方法；
圖27是盒的另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖28是盒的又一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖29表示樣品的吸入方法；
圖30是盒的另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖31表示室的形狀的一個(gè)實(shí)施例；
圖32顯示了將被處理的物體；
圖33表示能使細(xì)胞均勻化的一個(gè)實(shí)施例；
圖34是盒的另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖35是盒的又一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖36是盒的再一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；圖37表示與彈性體和基體之間的接合部有關(guān)的一個(gè)實(shí)施例； 圖38是盒的另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖39是本發(fā)明的化學(xué)反應(yīng)盒的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖； 圖40是本發(fā)明的化學(xué)反應(yīng)盒的另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖； 圖41是本發(fā)明的化學(xué)反應(yīng)盒的又一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖； 圖42表示流動(dòng)通路加壓方法的另一個(gè)實(shí)施例； 圖43表示有關(guān)流體通道加壓方法的又一個(gè)實(shí)施例；
圖44表示對(duì)于一個(gè)室有6個(gè)流體通道形成的一個(gè)實(shí)施例，其中形成有三個(gè)開/
關(guān)閥；
圖45表示輥的形狀的另一個(gè)實(shí)施例；
圖46表示輥的形狀的又一個(gè)實(shí)施例；
圖47表示使用具有凸出部分的輥的一個(gè)實(shí)施例；
圖48表示本發(fā)明的化學(xué)反應(yīng)盒的一個(gè)實(shí)施例的主要部分；
圖49表示本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的主要部分；
圖50表示本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的主要部分；以及
圖51表示本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例的主要部分。
具體實(shí)施例方式
下面參考附圖詳細(xì)地解釋本發(fā)明。圖4是本發(fā)明化學(xué)反應(yīng)盒的一個(gè)實(shí)施例的結(jié) 構(gòu)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?；瘜W(xué)反應(yīng)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(shí)施例的一 個(gè)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(yīng)的室(也稱為"反應(yīng)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(jié)構(gòu)，用于防止溶液泄露到外部。下面對(duì)具有這種結(jié)構(gòu)的盒中的溶液的轉(zhuǎn)移進(jìn)行解釋。物質(zhì)(下面稱為"溶液"，
因?yàn)閷⑷芤鹤鳛槔?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(dāng)注射器針頭117抽出時(shí)，針孔 將自己閉合。為了完全密封孔，在注入溶液后，對(duì)針孔填充粘結(jié)劑或類似的物質(zhì)。 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(zhuǎn)，并從位置l向右移動(dòng)，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(yīng)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(zhuǎn)動(dòng)并運(yùn)動(dòng)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(yīng)室113。在這種情況下，當(dāng)輥130向下壓時(shí)， 流體通道115中輥經(jīng)過的部分也被壓扁，相應(yīng)地變成一個(gè)防止回流的閥，從而防止 溶液B流回到室111中。
當(dāng)溶液A和溶液B進(jìn)入反應(yīng)室113時(shí)，它們被混合并發(fā)生反應(yīng)。這里的反應(yīng)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(cè)，例如，二惡英、DNA或類似的物質(zhì)。
另外，如果輥130轉(zhuǎn)動(dòng)并從圖6(c)所示的位置3運(yùn)動(dòng)到位置6之后，輥130 沿相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)并運(yùn)動(dòng)到圖6(d)所示的位置7時(shí)，可以容易地將溶液混合。 通常，輥130在一個(gè)方向(一個(gè)路徑)結(jié)束旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
這些盒可以以小的尺寸、輕的重量和低的成本進(jìn)行制造。而且，處理規(guī)程，如 物質(zhì)的混合、合成、溶解、分離或檢測(cè)，可以容易地在盒中進(jìn)行，而不會(huì)在不同操 作者之間產(chǎn)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(xiǎn)藥物或 類似的物質(zhì)。例如，可以安全地和可靠地在此盒中進(jìn)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(cè)定)、廢水流入的江河或 類似地方的氰檢測(cè)、從血液或患病部分提取DNA或蛋白質(zhì)，或者類似的過程。
注意，這些解釋僅是用于表示某些適當(dāng)?shù)膶?shí)施例，以便例證本發(fā)明。因此，本 發(fā)明并不限于上述實(shí)施例。相反，在不偏離本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)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(duì)流體通道向下加壓，不但可以利用輥 進(jìn)行，而且可以利用致動(dòng)器進(jìn)行，所述致動(dòng)器沿垂直方向?qū)ψ⑸淦?51施加力，其 中圖7所示的室112或類似的結(jié)構(gòu)，也可以被致動(dòng)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(gè)致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)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(gè)動(dòng)作能力的多個(gè)致動(dòng)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(dāng)流體通道的寬度、形狀或數(shù)量變化時(shí)，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(jìn)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。或者，如圖13(d)所示，閥可以被室內(nèi)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(gè)桶，而不是使用圓柱形輥?；蛘?，如圖15所示，可以使用球形的加壓件190。或 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(zhuǎn)，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(yīng)室113是薄的反應(yīng)室，在施加 壓力時(shí)其沿厚度方向膨脹，就不需要排出反應(yīng)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(guān)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(shí)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(yīng)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(duì)流體通道115的壁表面進(jìn)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(cè)商標(biāo))涂層，或者使用Teflon (注冊(cè)商標(biāo))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(yīng)室113，以便可以用于檢測(cè)反應(yīng)物質(zhì)的光、電壓、電流或熱量 等等。例如，整個(gè)彈性體可以做成透光的或不透光(不透明)的?；蛘撸瑑H將光測(cè) 量部分做成透明的。如果將除了光測(cè)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(yīng)物就能免受光照射?；蛘?，整個(gè)彈性體可以由絕緣體形成，而一部分 由導(dǎo)電的彈性體(含有碳或類似的物質(zhì))形成。
為了觀察反應(yīng)物質(zhì)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(yīng)物質(zhì)發(fā)出的光進(jìn)行觀察。彈性體110不必是整體透 明的。相反，僅僅光測(cè)量部分透明是足夠的。這里，可以嵌入玻璃室或類似的結(jié)構(gòu)。
如果檢測(cè)電壓或電流，或者如果進(jìn)行電泳，如圖20(b)所示，設(shè)置導(dǎo)體231和 232，用以直接從反應(yīng)室113拾取檢測(cè)信號(hào)?；蛘?，如圖20(c)所示，在需要的時(shí)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(jié)構(gòu)，從 而在利用輥130向下加壓時(shí)，將反應(yīng)物質(zhì)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(zhì)用作被排出的反應(yīng)物質(zhì)。
(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(guān)閉，從而在加壓蓋242關(guān)閉時(shí)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(dāng)注射器針頭117 插入或拔出時(shí)，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(huì)從盒 中排出。這在注射液體(例如血液)本身有危害時(shí)是有用的。注射器針頭117的拔 出軌跡252自動(dòng)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(gè)輥130中 間。
(20) 為了在溶液注射到室111、室112或類似的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)合，除了利用粘結(jié)方式以外，可以利用吸附 (對(duì)于PDMS、玻璃或類似的材料)、超聲波、加熱、等離子處理、振動(dòng)或類似的方法。
(22) 適于在盒中檢測(cè)的物質(zhì)是生物分子、有機(jī)物、無機(jī)物或者活的有機(jī)體， 如細(xì)菌、病變部分、細(xì)胞或類似的物質(zhì)。
(23) 對(duì)于反應(yīng)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(zhì) 作為提取手段。注意，通過振動(dòng)源對(duì)磁珠提供振動(dòng)以分散磁珠，例如，所述振動(dòng)施 加于盒的外部。
(24) 對(duì)于安全性，希望將凝固反應(yīng)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(dāng)施加外力或當(dāng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)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(dāng)從外 部施加力時(shí)固定一個(gè)位置。圖27(b)是盒固定在工作臺(tái)271上時(shí)的側(cè)視圖(剖視圖)，其中圖27(a)中的孔270與安裝在工作臺(tái)271上的定位銷272對(duì)齊。 另外，如圖28所示，可以為這些活動(dòng)如測(cè)量設(shè)置定位標(biāo)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(zhuǎn)動(dòng)著從注射入口向后邊運(yùn)動(dòng)，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(dú)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(yīng)移送盒 中的樣品，而不拔出注射器針頭117。
(27) 對(duì)于上述混合，可以在室113中設(shè)置突起(或壁)280，用于分離和攪 動(dòng)，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(xì)胞。如圖32所示， 將靶細(xì)胞放置在反應(yīng)室113中，而將貯存在另一個(gè)室中的藥劑供應(yīng)并提供給細(xì)胞， 從而可以觀察細(xì)胞培養(yǎng)或反應(yīng)。
本發(fā)明的盒還用于無細(xì)胞系統(tǒng)的蛋白質(zhì)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(zhuǎn)到右，并從右又反轉(zhuǎn)回到左，從而利 用研磨葉片將室113中的細(xì)胞均勻化。
(31) 本發(fā)明具有，例如，如下的應(yīng)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(jìn)行安 全測(cè)試；
(b) 測(cè)量NOx或二惡英；
(c) 檢測(cè)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(cè)農(nóng)藥、有毒物質(zhì)或類似的 物質(zhì)；
(d) 使用雜交方法檢測(cè)或鑒別生物聚合物，如DNA或脂A，或者使用抗原-抗
體反應(yīng)檢測(cè)或鑒別蛋白質(zhì)；
(e) 在檢測(cè)過程中使用電泳方法檢測(cè)或鑒別DNA、 RNA或蛋白質(zhì)；(f) 使用諸如HPLC之類的色譜法檢測(cè)分子；
(g) 基于使用紫外光、可見光或類似光線的光譜學(xué)檢測(cè)分子；
(h) 使用電化學(xué)測(cè)量方法測(cè)量物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)或變化，即，使用諸如阻抗方
法的電化學(xué)測(cè)量方法定性地或定量地檢測(cè)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，如氧化-還原反應(yīng)，或
者導(dǎo)電率的變化；以及
(i) 使用flow site meter法，利用熒光等通過鑒別細(xì)胞，如淋巴細(xì)胞，檢 測(cè)或分離細(xì)胞、血小板或類似的成分；
(32) 為了基因的PCR擴(kuò)增(聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng))，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?duì)柼訜崞?10控制 的，從而便于熱交換和簡(jiǎn)化PCR擴(kuò)增。
(33) 如圖35所示，將小的加壓機(jī)構(gòu)320，如剛性體、PZT、形狀記憶金屬合 金、致動(dòng)器或類似的裝置埋入盒100中，其中加壓機(jī)構(gòu)320被驅(qū)動(dòng)并受到致動(dòng)器321 或類似裝置的外部壓力，致動(dòng)器321或類似的裝置向下施加壓力并部分地關(guān)閉流體 通道。
(34) 對(duì)于用光來檢測(cè)反應(yīng)室113中的反應(yīng)物質(zhì)，可以使用埋在盒100中的光 波導(dǎo)330，如圖36所示。
(35) 原始的彈性體或盒的物質(zhì)的形狀，可以使用加工工藝進(jìn)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(jié)構(gòu)。在圖37所示的配合結(jié)構(gòu)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(bǔ)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(gè)周圍區(qū)域形成。
這種嚙合的特征是，當(dāng)彈性體110被向下壓時(shí)，彈性體110難以水平膨脹。如 果沿著室或流體通道設(shè)置突起，如圖37 (c)所示，可以簡(jiǎn)單地密封室或流體通道。
另外，用于部分關(guān)閉流體通道或室以及移動(dòng)或阻塞流體通道或室中的流體物質(zhì) 的外部作用力，不但可以是機(jī)械力，也可以是空氣壓力。
并且如圖38所示，在盒的一個(gè)位置(入口)可以形成楔形部分350，其首先 接觸圓柱輥。如果設(shè)置楔形部分350，使輥130僅僅沿一個(gè)方向，即圖38 (a)和 38 (b)中向右的方向移動(dòng)，就足以將將溶液移動(dòng)到右側(cè)。如果盒沒有楔形入口，輥130需要沿兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，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(gè)實(shí)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(jiǎn)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(yīng)用到C、 E和G)。
注意，如上文所述實(shí)施例的情況一樣，化學(xué)反應(yīng)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(shí)施例的情況相同。
用于裝溶液的室A到F，每一個(gè)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(gè)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(yīng)室，其中施加了磁場(chǎng)(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(chǎn)品室， 含有在反應(yīng)室D中反應(yīng)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(gè)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(gè)防止溶液泄露到外部的結(jié)構(gòu)。
下文，將解釋上述結(jié)構(gòu)盒中的溶液轉(zhuǎn)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(yù)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(yù)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(zhì)填充，使孔完全密封，但針孔也可以 利用加熱溶解進(jìn)行密封。
在上述結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)并沿右向從位置l運(yùn)動(dòng)到位置2，如圖39(a) 所示，則分別預(yù)先被注射到室A和B中的血液和試劑溶液被向右側(cè)擠出。
結(jié)果，預(yù)先注射到室A中的血液通過流體通道115a流入預(yù)先注射有磁珠的室 C，同時(shí)預(yù)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(zhuǎn)動(dòng)并從位置2運(yùn)動(dòng)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(chǎng)施加在室D中，使磁珠被捕獲。
接著，輥130轉(zhuǎn)動(dòng)并從位置3運(yùn)動(dòng)到位置4，從而將流體通道115f壓扁，阻 塞進(jìn)入室H的流動(dòng)。并且，輥130轉(zhuǎn)動(dòng)并從位置4運(yùn)動(dòng)到位置5。結(jié)果，預(yù)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(jīng)被壓扁和關(guān)閉)。
接著，輥130轉(zhuǎn)動(dòng)并從位置5運(yùn)動(dòng)到位置6，使預(yù)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(jīng)被輥130壓扁和關(guān)閉)。接 著，加熱室D，將己經(jīng)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(chǎn)品。
圖40是圖39結(jié)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)施例。與圖39的差別在于，取代廢液室F，在 反應(yīng)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(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)使 室或流體通道中的內(nèi)部壓力不會(huì)增大，因而可使液體平穩(wěn)地轉(zhuǎn)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(gè)實(shí)施例的例子，其中盒中不形成圖39所示的凸出部分。整個(gè) 盒為平的形狀，其中輥130的長(zhǎng)度受到限制，使輥130在盒上的X-Y范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。 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(yùn)作。
在上述結(jié)構(gòu)中，輥130在盒IOO左側(cè)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(zhuǎn)動(dòng)并沿右向從位置l運(yùn)動(dòng)到位置2，則分別預(yù)先注 射到室A和B中的血液和試劑溶液被向右側(cè)擠出。結(jié)果，預(yù)先注射到室A中的血液通過流體通道115a流入室C，同時(shí)預(yù)先注射 到室B的試劑溶液通過流體通道115b流入預(yù)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(zhuǎn)動(dòng)并從位置2運(yùn)動(dòng)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(chǎng)施加在室D中，使磁 珠被磁場(chǎng)捕獲。
接著，輥130轉(zhuǎn)動(dòng)并從位置3運(yùn)動(dòng)到位置4，從而將流體通道115f壓扁，阻 塞進(jìn)入室H的流動(dòng)。并且，輥130轉(zhuǎn)動(dòng)并從位置4運(yùn)動(dòng)到位置5。結(jié)果，預(yù)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(jīng)被壓扁和關(guān)閉)。
接著，輥130轉(zhuǎn)動(dòng)并從位置5運(yùn)動(dòng)到位置6，使預(yù)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(jīng)被壓扁和關(guān)閉)。 接著，加熱室D，將己經(jīng)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(chǎn)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(zhì)可以預(yù)先注射到流體通道115i中用于加壓，從而利用致動(dòng)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(duì)室或流體通道加壓機(jī)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)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(dòng) 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(dòng)器的限位器。
注意，通向每個(gè)室的流體通道115的數(shù)量是任意的。圖44中形成6個(gè)流體通 道，其中如圖42或43所示的三個(gè)凸出部分161 (用于阻塞流體通道)成為打開和 關(guān)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(yīng)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(jié)構(gòu)中，具有凸出部分的輥130b從左端開始轉(zhuǎn)動(dòng)，并從位置 X1運(yùn)動(dòng)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(shí)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(jìn)行基因擴(kuò)增，則需要加熱或冷卻。如果采用微粒子與DNA 結(jié)合的樣品，則可以對(duì)它們施加振動(dòng)。但是，難以將熱量或振動(dòng)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(dāng)盒內(nèi)部殘存含有病毒的溶液時(shí)，在拋棄盒時(shí)造 成危害。另外，玻璃結(jié)構(gòu)的盒價(jià)格貴。
下文所述的實(shí)施例能解決這些問題。甚至這種化學(xué)反應(yīng)盒能被快速地加熱或冷 卻，也能向這種盒傳遞足夠的振動(dòng)。此外，加熱、冷卻或振動(dòng)對(duì)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(guān)的實(shí)施例的主要部分。這種盒的結(jié)構(gòu)，適合于基于PCR 方法的基因擴(kuò)增，或者用于磁性顆粒與DNA結(jié)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(shí)施例的相同，因此，省略這些特征的解釋。
在圖48中，200a是一個(gè)動(dòng)作裝置，允許使其尖端接觸盒的彈性膜110a，并且 通過珀?duì)柼?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(yīng)室113)中的樣品，或者通過音圈或壓電元件提供振動(dòng)。在下面的實(shí)施例中，這 個(gè)動(dòng)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)阻塞，升高室A中的內(nèi)部壓力。彈性膜110a保持在拉伸狀態(tài)。
注意，內(nèi)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(nèi)部壓力。
將外夾具200a的尖端壓下，并利用升高的內(nèi)部壓力粘附在彈性膜110a的表面。
根據(jù)處理程序，可以將樣品加熱、冷卻或振動(dòng)。
在基于PCR法的基因擴(kuò)增處理中，重復(fù)進(jìn)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(duì)樣品進(jìn)行加熱和冷卻，因此反響遠(yuǎn)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(biāo)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(dòng)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(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)。而且，振動(dòng)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(shí)施例。例如，如圖49所示，室A的內(nèi)部壓力可 以由外夾具的下壓(或介入)產(chǎn)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(shí)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(nèi)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(dòng)?；蛘?，如圖50 (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(nèi)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(guān)系可以與此實(shí)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(duì)彈性體施加壓力，并不限于利用如上述實(shí)施例所示的輥對(duì)盒的整個(gè)范圍加 壓。外部力可以從容器的外部施加，部分地關(guān)閉流體通道、室或同時(shí)部分地關(guān)閉二 者，從而流體通道或室內(nèi)的流體物質(zhì)可以運(yùn)動(dòng)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(nèi)閥。
由于上述結(jié)構(gòu)的盒是密封的和一次性的，因此它們相對(duì)病毒或危險(xiǎn)藥物是一個(gè) 安全性結(jié)構(gòu)。另外，從實(shí)際角度看，這些盒非常有用，因?yàn)樗鼈兛梢允够瘜W(xué)反應(yīng)或 類似過程的預(yù)定規(guī)程，可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)，而不存在操作者之間的差別。
權(quán)利要求
1.一種化學(xué)反應(yīng)盒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中所述化學(xué)反應(yīng)盒是用于進(jìn)行樣品的化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)盒，包括由剛性基體和彈性體形成的容器，其中形成兩個(gè)或多個(gè)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(dāng)來自所述容器外部的外力作用于所述彈性體上時(shí)，使所述流體通道、所述室或者二者部分地關(guān)閉，從而使所述流體通道或所述室中的流體物質(zhì)可以移動(dòng)或被阻塞；其特征在于，所述化學(xué)反應(yīng)盒的流體通道、室或該二者通過機(jī)械裝置來部分地閉合，用于吸入樣品或者用于移動(dòng)或阻塞所述流體通道或室內(nèi)的流體物質(zhì)；
2. 如權(quán)利要求1所述的化學(xué)反應(yīng)盒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，使用一個(gè)或多個(gè)圓柱輥、球、桶形加壓件、圓弧形加壓件或板狀加壓板，所述機(jī)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(quán)利要求1所述的化學(xué)反應(yīng)盒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，利用在一個(gè)或多個(gè)維度上操作的至少一對(duì)致動(dòng)器，通過所述機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)一個(gè)剛性體，對(duì)所述彈性 體、所述粘彈性體或所述塑性體加壓。
4. 如權(quán)利要求1所述的化學(xué)反應(yīng)盒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，加壓機(jī)構(gòu)，如致 動(dòng)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(jī)械裝置， 并且所述加壓機(jī)構(gòu)與外部驅(qū)動(dòng)聯(lián)合使用，用于部分地關(guān)閉流體或室。
全文摘要
本發(fā)明使提供一種化學(xué)反應(yīng)盒成為可能，該化學(xué)反應(yīng)盒使預(yù)定的規(guī)程容易地完成，而不會(huì)在操作者之間產(chǎn)生差別，并且該化學(xué)反應(yīng)盒是密封的和一次性的，并具有針對(duì)病毒和危險(xiǎn)藥物的安全結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的盒用于執(zhí)行樣品的化學(xué)反應(yīng)，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(gè)或多個(gè)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(duì)所述彈性體施加外力，部分地關(guān)閉所述流體通道、所述室或上述二者，從而能移動(dòng)或阻塞所述流體通道或室中的流體物質(zhì)。
文檔編號(hào)B01J19/00GK101301632SQ20081000437
公開日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2004年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月10日
發(fā)明者佐藤紗綾, 關(guān)直樹, 片倉久雄, 田名綱健雄 申請(qǐng)人:橫河電機(jī)株式會(huì)社