CN103097883A - 提供样本输入至结果输出处理的单体生物芯片以及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种生物芯片，用于集合在不需要操作人员干涉的情况下执行从样本的插入到结果产生的复杂过程中的所有步骤。该生物芯片包括微流体处理组件（18、27、28、29）、流体子组件（1、2、3）、气动子组件（14、15、16）、和分离与检测子组件（32），它们在一系列脚本化处理步骤中通过电泳仪器子系统起作用。还提供了用于通过注模制造高特征密度的这些复杂的生物芯片的方法。

Description

提供样本输入至结果输出处理的单体生物芯片以及制造方法

背景技术

微流体领域可被宽泛地定义为涉及较小流体量（一般是小于一毫升）的操作。在临床测定中使用微流体量的概念可代表日期回溯至1960年代晚期和1970年代早期的对于常规方法上的重大改进。尽管在这个领域的技术人员了解，小量分析可导致这样的便携式仪器，其要求较少的实验室空间、改进的精度和准确度、增加的吞吐量、减少的成本、且与真自动化（true automation）兼容，但是在那个时期所研发的系统较为简单且没有实现微流体的期望优势。一个早期系统是基于对1-10μl的样本和70-110μl的试剂的分析，样本和试剂被转移并被混合在较小的离心转子中（Anderson,N.(1969).Computer interfaced fastanalyzers.Science 166:317-24;和Burtis,C等(1972).Development of aminiature fast analyzer.Clinical Chemistry 18:753-61）。该转子可能是第一次报导的微流量生物芯片。

在1990，Manz进一步特征化了微流体领域的理论基础，Manz创造了术语“微型全化学分析系统”或“μ-TAS”，来定义他所认为的下一代微流体设备应是怎样的。Manz提出这样的设备应该能执行所有要求的样本处理步骤。Manz所陈述的目的帮助建立了微流体的现代时期中的主要目标：来给出整体（换言之，全部）集成的分析系统，在不需要操作人员干涉的情况下，能执行从样本的插入到结果的生成的一系列复杂的处理步骤。这展望了将一系列复杂的采样操作和处理步骤集成，这已导致短语“芯片上的实验室”的广泛采用。

在第一次早期努力之后继续的是对于离心系统的工作，且导致了使用微流体致密盘驱动（compact disc drive）的夹层免疫测定的商用离心系统。然而，该系统并不是完全地集成的；且更准确地应该被称为一个工作站，其中试剂被机械地传递至致密盘，并自致密盘传递出。进一步，基于将样本通过捕集柱，免疫测定是非常简单的。尽管该系统使用微流体量来减少试剂成本，但所带来的是既没有实现提供全集成系统的微流体的展望、也没有实现集成一系列复杂的采样操作和处理步骤的微流体的展望。

类似地，其他工作人员通过软雕（soft embossing）制造了聚甲基丙烯酸甲酯[PMMA]的自旋生物芯片，来从全血中分馏血浆。已经有自旋微流体生物芯片的应用，用于测量血浆样本中感兴趣的各种分析物。然而，这个设备是为简单分析测试而研发的，例如建立血液样本中感兴趣的分析物的量。样本并不经受一系列复杂的采样操作和处理步骤，且即使在近二十年的研发后，仍具有与已经建立的常规测定相关的可靠性问题。

一般而言，基于CD的生物芯片具有一些主要的缺点和限制。首先，它们不能实现充分的处理复杂度。这些生物芯片受限于相对简单的处理，诸如特定细胞分离（用作常规离心仪器的替代物）以及用于高吞吐量的免疫测定（用作常规测定的混合与培育的替代物）。其次，使用离心力作为流体运输的驱动是受限的。例如，旋转生物芯片的要求对于采样处理的方法提出了深刻的限制，样本必须被间接引入（要求人工干涉或附加仪器）或直接引入（如，血液收集管或拭子也要经受离心）。进一步，自旋生物芯片内的处理流是单向进行的，且该生物芯片的半径限制了可用于发生样本处理步骤的面积（限制处理复杂度的因素之一）。

伴随地，基于CD的生物芯片的替代物已经被研究。多组人员已经研究了基于使用SBS（生物分子筛选学会，微型板标准研究委员会，ANSI/SBS1,丹伯里,CT,2004）标准的微量滴定板的微流体生物芯片。SBS研究了微滴定板的一系列标准，包括尺寸（127.76乘85.48mm,10,920.9mm²）、高度、和底部外缘尺寸和井的位置（well positions）。这些标准被商业企业和学术团体所采用，而不论所使用的制造工艺。微流体微量滴定板已经被研发用于多种处理，包括DNA提纯和蛋白质结晶。这些生物芯片要求引入之前的样本预处理，仅执行DNA提纯处理的两个步骤，且并不执行该处理的DNA产物的任何分析。

类似地，其他组人员已经使用了基于SBS标准的矩形微流体板用于这样的任务：诸如纳升(nanoliter)量试剂的混合、活细胞显微过程中的介质交换、以及分配细胞和试剂。又一些工作人员已经修改矩形生物芯片使其适于被用于机器人系统中用于高吞吐量地将试剂分配到井中。另一组研发了矩形生物芯片，用于通过井中井设备（well-in-a-well device）中的生物信号放大进行蛋白质检测。

在生物芯片的研究过程中，基于使用SBS格式的微流体特征的数个“集成流体通路”已经被商业化了。例如，生物芯片使用可为48个SNP中的每一个来询查48个样本的阵列进行单核苷酸多样性（SNP）。首先在微流体板外准备提纯的DNA和反应混合物、将该板放在控制器上、预先准备好（prime）该板、在该板上加载并混合试剂达45分钟以上、将该板放在PCR的热循环仪上、并将该板转移至荧光检测仪器，来进行这个处理。这些生物芯片要求引入之前的样本预处理，要求在芯片上样本处理过程中的数个手动步骤，不结合试剂、且不执行该处理的DNA产品的任何分析。

类似的商用方法使用井板微流体技术，将微米级流槽（flow cell）设备结合到SBS标准的井板中。这个处理要求数个预处理步骤，包括手动地引入感兴趣的蛋白质来涂覆微流体通道、灌注该通道、洗刷、手动准备感兴趣的细胞样本、将该细胞样本添加至微流体通道、并将该板放在工作站用于进一步处理与分析。已经应用了类似的方法，通过将上皮细胞暴露给各种化合物，来研究伤口治疗。这些生物芯片要求在引入之前的广泛的样本预处理。

现有技术的微流体生物芯片中的大多是基于使用诸如硅或玻璃之类的材料来制造生物芯片。然而，硅和玻璃的生物芯片对于制造高容量的商业应用是极其昂贵的（对于单个生物芯片，成本高达数千美金），且因此对于单次使用即弃是不实际的。另外，需要重复使用这些生物芯片的需要带来逐次之间的污染（人员识别和医疗诊断的问题）、如果生物芯片为在仪器中重复使用而制备所带来的与仪器复杂度相关的问题、以及如果生物芯片为在仪器外重复使用而制备所带来的与后勤（logistics）相关的问题。

为了实现微流体的未被实现的潜力，所需要的是这样的微流体生物芯片和系统，它们能为一个或多个样本执行一系列复杂的处理步骤，与之并行的是，其中不需要操作人员干涉的完全集成的、样本输入到结果输出的系统的设置。然而，至今为止所研发的生物芯片仅执行了分析所需的步骤的子集，不能执行复杂的一系列处理步骤、且不能在单个设备上产生分析结果。进一步，这些生物芯片和系统使用了不宜于大规模生产的材料和方法。

发明内容

一般而言，在一个方面，此处描述的技术涉及生物芯片，其具有将从样本插入到结果产生的复杂过程中的所有步骤集合、在不需要操作人员干涉的情况下执行这些所有步骤。在一实施例中，根据本发明技术的生物芯片包括微流体和宏流体特征，它们由一系列处理步骤中的仪器子系统所作用。

在另一个方面，该技术涉及用于制造复杂生物芯片使其包括高特征密度的方法。在一个实施例中，该方法包括塑料材料的注模来形成该生物芯片。

在另一个方面，该技术涉及生物芯片，该生物芯片一旦被插入具有气动、热、高压、和光学子系统、和处理控制器的电泳仪器中，则会从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱（sizing profile）。该生物芯片包括：结合流体子组件和气动子组件的宏流体处理子组件。该宏流体处理子组件包括适于容纳样本的至少一个腔室。该流体子组件包括流体板、以及适于连接至热子系统的至少一个流体运输通道和扩增腔室。气动子组件适于连接至仪器的气动子系统、和连接至生物芯片的子组件。气动子组件包括气动板和一个或多个驱动线，从而根据来自所述处理控制器的指令来气动地驱动液体。该生物芯片还包括适于连接至仪器上的高压和光学子系统和处理控制器的分离与检测子组件。该分离与检测子组件包括分离通道和检测区，被放置为将来自每一个通道的信号传送至仪器上的光学子系统。该生物芯片是塑料的、静止的、和单体的，且流体和/或气动板的覆盖面积为约86mm乘128mm或更大（如，约100x150mm或更大、约115x275mm或更大、约115x275mm或更大、约140x275或更大、165x295或更大）。

在另一个方面，该技术涉及生物芯片，该生物芯片一旦被插入具有气动、热、高压、和光学子系统、和处理控制器的电泳仪器中，则从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱（sizing profile）。该生物芯片包括：结合流体子组件和气动子组件的宏流体处理子组件。该宏流体处理子组件包括适于容纳样本的至少一个腔室。该流体子组件包括流体板、以及适于连接至热子系统的至少一个流体运输通道和扩增腔室。气动子组件适于连接至仪器的气动子组件、和连接至生物芯片的子组件。气动子组件包括气动板和一个或多个驱动线，从而根据来自所述处理控制器的指令来气动地驱动液体。该生物芯片还包括适于连接至仪器上的高压和光学子系统和处理控制器的分离与检测子组件。该分离与检测子组件包括分离通道和检测区，被放置为将来自每一个通道的信号传送至仪器上的光学子系统。该生物芯片是塑料的、静止的、和单体的，且流体和/或气动板的覆盖面积小于10,920.0mm²且并不符合SBS标准。

在另一个方面，该技术涉及生物芯片，该生物芯片一旦被插入具有气动、热、高压、和光学子系统、和处理控制器的电泳仪器中，则从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱（sizing profile）。该生物芯片包括结合流体子组件和气动子组件的宏流体处理子组件。该宏流体处理子组件包括位于其中或其上的至少一个宏流体特征和能接收样本的腔室。该流体子组件包括流体板、和位于其中或其上的至少一个特征。该流体子组件还包括适于连接至热子系统的至少一个流体运输通道和扩增腔室。气动子组件适于连接至仪器的气动子组件、和连接至生物芯片的子组件。该气动子组件包括气动板、和位于其中或其上的至少一个特征。气动子组件还包括一个或多个驱动线，从而根据来自所述处理控制器的指令来气动地驱动液体。该生物芯片还包括适于连接至仪器上的高压和光学子系统和处理控制器的分离与检测子组件。该分离和检测子组件包括位于其中或其上的至少一个特征。该分离与检测子组件还包括分离通道和检测区，被放置为将来自每一个通道的信号传送至仪器上的光学子系统。该生物芯片是塑料的、静止的、和单体的，且流体、气动、和/或分离与检测子组件中的一个或多个特征的物理状态适于在25个或更多步骤（如，50或更多、100或更多、200或更多）的脚本化处理（scripted process）中改变。在一些实施例中，该脚本化处理步骤导致发生在该生物芯片中的两个或更多的结果处理步骤。

在另一个方面，该技术涉及单体、静止的生物芯片，该生物芯片一旦被插入具有气动、热、高压、和光学子系统、和处理控制器的电泳仪器中，则从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱（sizing profile）。该生物芯片包括结合流体子组件和气动子组件的宏流体处理子组件。该宏流体处理子组件包括适于容纳样本的至少一个腔室。该流体子组件包括流体板，该流体板具有粘接在其上的顶部和底部图案化热塑板，从而在该板的每一侧上形成至少一个液体运输通道和适于连接至热子系统的扩增腔室。气动子组件适于连接至仪器的气动子系统、和连接至生物芯片的子组件。气动子组件包括具有粘接在其上的顶部图案化的热塑板的气动板，和一个或多个驱动线，从而根据来自所述处理控制器的指令来气动地驱动液体。该生物芯片还包括阀子组件，位于流体和气动子组件之间并连接至这两个子组件，和分离与检测子组件，适于连接至该仪器的高压和光学子系统和处理控制器。该分离与检测子组件包括至少一个分离通道，且还包括检测区，其被放置为将来自至少一个分离通道的每一个的信号传送至所述仪器上的光学子系统。

这项技术的这个方面的一些实施例包括下面特征的一个或多个。宏流体、气动、流体、和分离与检测子系统中的一个或多个由塑料制成。在一些实施例中，该阀子系统包括至少一个弹性体阀。在一些实施例中，该阀子系统包括至少一个非弹性体阀。在一些实施例中，该分离与检测子组件被取向为使得在该分离与检测子组件中的样本的电泳在与通过流体板的大体的样本流动的方向相反的方向中进行。在各实施例中，该生物芯片包括被需要来处理该生物芯片中至少一个样本的所有试剂。

在另一个方面，该技术涉及用于处理生理样本的系统。该系统包括生物芯片和处理控制器。该生物芯片一旦被插入具有气动、热、高压、和光学子系统、和处理控制器的电泳仪器中，则从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱（sizing profile）。该生物芯片包括结合流体子组件和气动子组件的宏流体处理子组件。该宏流体处理子组件包括适于容纳样本的至少一个腔室。该流体子组件包括流体板，该流体板具有粘接在其上的顶部和底部图案化热塑板，从而在该板的每一侧上形成至少一个液体运输通道和适于连接至热子系统的扩增腔室。适于连接至所述仪器的气动子组件、以及连接至所述生物芯片子组件，的气动子组件，包括具有粘接在其上的顶部图案化热塑板的气动板、以及一个或多个驱动线，用于根据来自处理控制器的指令气动地驱动液体。该生物芯片还包括阀子组件，位于流体和气动子组件之间并连接至这两个子组件，和分离与检测子组件，适于连接至该仪器的高压和光学子系统和处理控制器。该分离与检测子组件包括至少一个分离通道，和检测区，被放置为将来自至少一个分离通道的每一个的信号传送至该仪器上的光学子系统。该仪器的处理控制器包括指令来执行25或更多的自动的脚本化处理步骤。

在另一个方面，该项技术的特征在于制造生物芯片的方法。该方法包括注模流体板，来包括流体顶部表面、流体底部表面、和从流体顶部表面延伸至流体底部表面来将流体顶部表面连接至该底部表面的一个或多个通孔。流体顶部表面和底部表面各自包括多个微流体特征。该方法还包括注模气动板，来包括气动顶部表面、气动底部表面、和从气动顶部表面延伸至气动底部表面来将气动顶部表面连接至该底部表面的一个或多个通孔。气动顶部表面和底部表面各自包括多个微流体特征。该方法还包括将气动和流体板对齐来形成生物芯片，其中流体和/或气动板的覆盖面积为86mm乘128mm或更大，且流体板和/或气动板的多个微流体特征中的至少一个包括小于2度的斜度角（draft angle）。

在另一个方面，该项技术的特征在于用于在单体生物芯片中的至少一个未处理样本上执行从样本输入到结果输出的自动电泳的方法，该生物芯片具有与流体子组件和气动子组件液体相通的宏流体处理子组件。该方法包括：(a)将该至少一个未处理样本插入宏流体处理子组件中的腔室内；(b)将该生物芯片插入一仪器中，该仪器具有气动子系统、热子系统、高压子系统、光学子系统、和处理控制器，该处理控制器可接收预定处理脚本并通过读取该处理脚本和控制该气动子系统、热子系统、高压子系统、和光学子系统自动地实现该处理脚本；(c)激活该处理控制器来执行该处理脚本，该处理脚本包括指令来：(i)通过将来自该气动子系统的压力施加至气动子组件的阀线或与该气动子组件液体相通，来初始化该生物芯片；(ii)通过以下步骤从该未处理的样本中提纯DNA：将来自气动子系统的压力施加至宏流体处理子组件来释放存储在其中的试剂、将来自气动子系统的压力施加至被释放的试剂来形成来自未处理样本的细胞裂解物、施加来自气动子系统的压力将使裂解物通过流体子组件中的提纯过滤器进入容纳腔室来将裂解物中的DNA结合至该过滤器、施加来自气动子系统的压力从而释放存储于宏流体处理子组件中的水溶液流过提纯过滤器来从被结合的DNA中移除污染物；施加压力来使得空气流过该提纯过滤器从而干燥被结合的DNA，施加来自气动子组件的压力来释放存储于宏流体处理子组件中的洗提溶液从而从该提纯过滤器释放被结合的DNA，产生包含被提纯的DNA的洗出液；(iii)通过将来自气动子系统的压力施加至气动子组件，来将该洗出液传输至包含冻干的PCR反应混合物的重构腔室；(iv)将被重构的PCR反应混合物传输至流体子组件中的热循环腔室；(v)通过初始化热循环方案，施加热至该热循环腔室从而从该PCR混合物中产生带标签的扩增子（labeled amplicons）；(vi)通过将来自气动子系统中的压力施加至气动子组件，将该带标签的扩增子和存储于宏流体处理子组件中的甲酰胺试剂传输至流体子组件中的联结腔室（joining chamber）；该带标签的扩增子和甲酰胺试剂形成甲酰胺-PCR产品混合物；(vii)通过将来自气动系统的压力施加至气动子组件来传输该甲酰胺-PCR产品混合物，来将该混合物流动至ILS块状物腔室，用于与ILS块混合来产生分离与检测样本；(viii)通过施加来自气动系统的压力施加至气动子组件，将该分离与检测样本传输至流体子组件中的阴极腔室；(ix)通过施加来自高压子系统的电压来偏压阴极和阳极，来准备流体子组件的阳极与阴极用于该分离与检测的分离；(x)通过将来自气动子系统的压力施加至该气动子组件，将来自流体子组件中的胶状物试剂盒（gel reagent reservoir）的胶状物传输至该流体子组件的阴极腔室和废弃物腔室；(xi)通过将电压通过高压子系统施加至阴极和阳极，在分离通道中注射并分离该分离与检测样本；并且(xii)通过激活光学子系统中的激光，实现分离与检测样本的被分离的组分的荧光。该方法还包括自动检测被分离的组分的荧光信号，从而从至少一个未处理的样本中提供分离与检测样本。

在另一个方面，该技术涉及用于为至少一个生理样本提供至少两种类型的样本输入到结果输出的系统。该系统包括静止的生物芯片和包含用于与该生物芯片交互的气动、热、高压、和光学子系统、和处理控制器的仪器。该静止的生物芯片包括结合流体子组件和气动子组件的宏流体处理子组件。该宏流体处理子组件包括适于容纳样本的至少一个腔室。该流体子组件包括流体板、以及至少一个流体运输通道和适于连接至热子系统的扩增腔室。适于连接至所述仪器的气动子系统、以及连接至所述生物芯片子组件，的气动子组件，包括气动板、以及一个或多个驱动线，用于根据来自处理控制器的指令气动地驱动液体。该生物芯片还包括适于连接至仪器上的高压和光学子系统和处理控制器的分离与检测子组件。该分离与检测子组件包括分离通道，和检测区，其被放置为将来自每一个通道的信号传送至仪器上的光学子系统。该生物芯片还包括用于样本处理的至少两个不同的路径。这至少两个不同路径中的每一个专用于不同的分析处理。该仪器的处理控制器包括一组指令来在不同的分析处理中处理该至少一个生理样本。在一些实施例中，该不同的分析处理是STR分析和单核苷酸多样性分析。在一些实施例中，不同的分析处理是多重扩增和DNA测序。在一些实施例中，不同的分析处理是STR分析和线粒体DNA测序。在一些实施例中，不同的分析处理是逆转录PCR和常规PCR。在一些实施例中，该不同的分析处理是DNA测序和单核苷酸多样性分析。

在另一个方面，该技术涉及用于包含宏流体块和盖（cover）的生物芯片的试剂存储容器。该宏流体块包括具有顶端和底端的试剂存储腔室；结合至该底端的第一箔片密封；和粘接至该顶端的第二箔片密封。试剂被存储在箔片密封的腔室中，且通过施加气压通过盖以使顶部和底部箔片破裂、释放出试剂存储腔室中的内容物，试剂被释放。

上述方面的各实施例可包括下面特征的一个或多个。在一些实施例中，该试剂存储容器连接至流体子组件。在一些实施例中，该试剂存储容器还包括置于该容器和流体子组件之间的间隔板，以使该间隔板的尺寸被选定为容纳破裂之前的第一箔片的膨胀。

本技术存在众多优势，包括但不限于、至少没有操作人员干涉以及减少的制造成本。

附图说明

通过参考以下结合附图的描述可更好地理解以上描述的本技术的优点连同其他优点。附图不一定是按比例绘制的，相反重点一般在于解说本技术的原理。

图1是单个试管试剂存储与释放设备的实施例的侧视示意图。

图2是包括在利用试剂存储释放破裂的5样本生物芯片组中所包括的间隔板的实施例的照片。

图3是间隔板的一部分的截面示意图。

图4是各种厚度的铝箔的破裂压力与腔室直径的对比关系的示图。

图5是包括六个试剂存储腔室的试剂存储释放单元的透视示意图。

图6是图5的试剂存储释放单元的俯视图，示出粘接至每一个腔室的顶端的顶部箔片。

图7是示出在破裂后试剂存储释放单元的两个箔片的俯视图。

图8是气动致动的弹性材料阀结构的实施例的俯视示意图。

图9是图8的气动致动的阀结构的截面示意图。

图10是具有PSA带的弹性薄膜阀的实施例的俯视图。

图11是图10的阀的截面视图。

图12是具有刚性阀薄膜的气动致动的阀的实施例的俯视示意图。

图13是图12的具有刚性阀薄膜的气动致动的阀的截面图。

图14是被夹紧的弹性薄膜阀的实施例的俯视示意图。

图15是图12的被夹紧的弹性薄膜阀的剖视图。

图16是被用于根据本技术的生物芯片的实施例中的通气（vent）薄膜的截面示意图。

图17是被用于根据本技术的生物芯片的另一个实施例中的通气（vent）薄膜的截面示意图。

图18是根据本技术的生物芯片的实施例的气动板的俯视示意图，其中歧管和周围区域是展开的。

图19是根据本技术的生物芯片的实施例的气动板的仰视示意图，其中歧管和周围区域是展开的。

图20是根据本技术的生物芯片的实施例的流体板的透明视示意图，其中提纯区和周围区是展开的。

图21是被用于施加受控力在生物芯片上的气动激活的圆柱体的照片。

图22是对于由图21的气动激活的圆柱体施加至生物芯片的各压力，比较在每一个STR轨迹（locus）处的信号强度的柱状图。在该图中，对于每一个轨迹，施加了75、112、187、224、299、和336psig的压力，为每一个压力记录信号强度（从左到右压力增加）。

图23是根据本技术的注模生物芯片的实施例的俯视示意图。

图24是根据本技术的生物芯片的流体层1的实施例的俯视示意图。

图25是根据本技术的生物芯片的流体层2的实施例的俯视示意图。

图26是根据本技术的生物芯片的气动层1的实施例的俯视示意图。

图27是根据本技术的生物芯片的气动层2的实施例的俯视示意图。

图28是包括了粘接至图25的第二流体板的图24的第一流体板的流体子组件的实施例的透明俯视示意图。

图29是包括了粘接至图27的第二气动板的图26的第一气动板的气动子组件的实施例的透明俯视示意图。

图30是通过将图29的气动子组件安装至图28的流体子组件形成的生物芯片的透明俯视示意图。

图31是用于结合生物芯片的气动和热循环仪器的实施例的照片。

图32是在根据本技术的生物芯片中的样本的PCR分析的STR曲线。

图33是包括在根据本技术的流体子组件的实施例中的流体板的实施例的俯视示意图。

图34是图33的流体板的仰视示意图。

图35是示出该板的顶部和底部侧的特征的流体板的透明示意图。

图36是用于安装至该流体板顶部的图案化薄膜的实施例的俯视示意图。

图37是用于安装至该流体板底部的图案化薄膜的实施例的仰视示意图。

图38是流体板的实施例的俯视示意图，具有示出单个样本通过流体板的路径的线。

图39是图38的流体板的俯视的展开示意图，示出通过提纯区的一部分路径。

图40是图38的流体板的俯视的展开示意图，示出通过扩增区的一部分路径。

图41是图38的流体板的俯视的展开示意图，示出通过分离与检测区的一部分路径。

图42是包括在根据本技术的气动子组件的实施例中的气动板的实施例的俯视示意图。

图43是图42的气动板的仰视示意图。

图44是示出图42的气动板的顶部和底部侧的特征的流体板的透明示意图。

图45是用于安装至该气动板顶部侧的图案化薄膜的实施例的俯视示意图。

图46是用于安装至该气动板底部侧的图案化薄膜的实施例的仰视示意图。

图47是被包括在宏流体处理子组件的实施例中的宏流体块的实施例的透明示意图。

图48是宏流体块的盖的顶层的实施例的俯视示意图。

图49是盖的顶层的实施例的仰视示意图。

图50是盖的顶层的俯视透明示意图。

图51是宏流体块的盖的第二层的另一个实施例的俯视示意图。

图52是宏流体块的盖的第三层的另一个实施例的俯视示意图。

图53是图52的盖的第三层的实施例的仰视示意图。

图54是盖的第三层的俯视透明示意图。

图55是压模的分离与检测生物芯片的实施例的俯视示意图。

图56是用于样本的动电传输的交叉注入的分离与检测生物芯片的实施例的俯视示意图。

图57是根据本技术的生物芯片的实施例的叠加的侧视示意图。

图58是根据本技术的生物芯片组件的实施例的照片，且包括箭头来指示处理流的方向。

图59是图58的生物芯片组件的照片。该生物芯片组件与光学子系统、热子系统、高压子系统和气动子系统、以及处理控制子系统交互。

图60是为在根据本技术的生物芯片的实施例中的对照(control)ILS样本（用ROX荧光地作标签的片段）而产生的对照电泳图谱。

图61是示出，在自动脚本之后，为一个口腔拭取样本而产生的STR片段的尺寸的电泳图谱。被用于对PCR反应混合物中的STR引物和ILS的每一个加标签的荧光染料被图示于不同面板（panel）中。在被标签的片段中的荧光被图示于顶部面板、JOE-标签的片段被图示于从上开始的第二面板中、TAMRA-标签的片段被图示于从上开始的第三面板中、且ROX-标签的ILS片段被图示于底部面板中。

图62是根据本技术的流体子组件的流体层的实施例的俯视示意图。

图63是图62的流体板的仰视示意图。

图64是示出图62的顶部侧特征和图63的底部侧特征的流体板的透明示意图。

图65是注模流体板的实施例的照片。

图66是用于安装至图65的流体板顶部侧的顶部图案化薄膜的实施例的俯视示意图。

图67是用于安装至图65的流体板底部侧的底部图案化薄膜的实施例的仰视示意图。

图68是流体板的实施例的俯视示意图，具有示出单个样本通过流体板的路径的线。

图69是图68的流体板的俯视的展开示意图，示出通过提纯区的一部分路径。

图70是图68的流体板的俯视的展开示意图，示出通过PCR部分的一部分路径。

图71是图68的流体板的俯视的展开示意图，示出通过分离与检测区的一部分路径。

图72是根据本技术的气动子组件的气动层的实施例的俯视示意图。

图73是图72的气动板的仰视示意图。

图74是示出图72和73的气动板的顶部和底部侧的气动板的俯视示意图。

图75是注模气动板的实施例的照片。

图76是用于安装至图75的注模气动板的顶部侧的图案化薄膜的实施例的俯视示意图。

图77是表格，代表了用于在生物芯片上的自动处理的一部分的脚本化处理步骤和所得到的处理步骤的关系。

图78是样本分流与稀释微流体通路的实施例的流程图。

图79是示出在不同厚度下的数种材料的背景荧光的图。

图80是汇总了用陷波滤波器和不用陷波滤波器收集的荧光数据的结果的表格。

具体实施方式

此处描述的生物芯片实现了微流体领域的基本目的：复杂处理中从样本插入到结果产生的所有步骤的集成在单个仪器中进行，不需要操作人员干涉。在一个方面中，我们在此呈现了新颖的生物芯片，该生物芯片被完全地集成并能执行样本输入到结果输出的分析，包括细胞裂解、NDA提纯、多重扩增、和电泳分析与检测来从法证样本中产生短串联重复（STR）文件；细胞裂解、NDA提纯、多重扩增、Sanger测序、超滤、和电泳分离与检测来从临床样本中产生DNA测序；核酸提纯、逆转录、多重扩增、Sanger测序、超滤、和电泳分离与检测来从生物威胁样本中产生DNA测序；以及核酸提纯、库创建、和单分子测序来从人体、细菌、和病毒临床与研究样本中产生染色体组NDA测序。

可在本发明的生物芯片中执行的样本操作包括如下的组合：核酸提取；细胞裂解；细胞分离；差分细胞裂解；差分过滤；总核酸提纯；NDA提纯；RNA提纯；mRNA提纯；蛋白质提纯；核酸扩增前清洁；核酸扩增（如，单重和多重端点PCR、实时PCR、逆转录PCR、不对称PCR、嵌套式PCR,LATE PCR、降落PCR、数字PCR,滚环扩增、链取代扩增、和多重置换扩增）;Y-STR扩增;微型-STR扩增;单核酸单核苷酸多态性分析;VNTR分析；RFLP分析;核酸扩增后清洁;核酸扩增前清洁;核酸测序（如，Sanger测序、焦磷酸测序和单分子核酸测序）;核酸测序后清洁;逆转录;逆转录前清洁;逆转录后清洁;核酸连接;SNP分析;核酸杂交;电泳分离与检测;免疫测定;结合实验;蛋白实验;酶学试验;质谱分析;以及核酸与蛋白质量化。

在表征生物芯片的结构和功能时，可考虑至少两类复杂度。样本数量复杂度是指在该生物芯片上所处理的独立样本的数量。处理复杂度是指每一个样本（和样本副产品）在该生物芯片上所经受的顺序操作的数量。本发明的生物芯片具有较高级别的样本数量和处理复杂度。

在另一个方面，本发明的新颖的生物芯片将大量处理步骤集成从而获得完全集成的、样本输入到结果输出的系统。我们定义两个类别的生物芯片处理步骤从而来表达这些生物芯片的复杂度。脚本化处理步骤是被执行作为自动、计算机控制的脚本的结果的动作，该自动、计算机控制的脚本引起在生物芯片中或生物芯片上的特征上的直接动作且涉及与该生物芯片交互的仪器的各子系统。这些动作引起对于生物芯片中的特征的物理状态的变化（如，阀薄膜被移动为接近阀）、或对于生物芯片中的样本或空气的变化（如，样本中的荧光染料被激发，空气通过气动驱动）。此外，该动作可同时引起该生物芯片中的特征或该生物芯片中的样本的物理状态的变化（如，当热腔室被加热时，其中的样本也被加热）。

该仪器子系统执行脚本化动作，且包括气动子系统，该气动子系统将压力施加在破裂箔片上、增加和减少阀上的压力、并推动液体、气体、和固体；高压子系统，该高压子系统将电流施加至电泳大分子；光学子系统，该光学子系统施加光来激发并检测电泳、定量、扩增、免疫测定、和化学试验中的样本；和热子系统，该热子系统施加热用于细胞裂解、核酸变性、电泳均匀性（electrophoretic uniformity）、热循环、和循环测序。即，每一个脚本化处理步骤是自动脚本的特定指令。

脚本化处理步骤定义经由同仪器的子系统的接口发生在该生物芯片内或上的特征上的直接动作。该生物芯片特征可以是微流体、宏流体、或其组合，且脚本以所定义的顺序在所定义的位置作用于这些特征。例如，在该生物芯片上的给定阀的致动被考虑为单个脚本化处理步骤，即使需要对于仪器的一些改变作为先决条件来实现这个单个步骤（如，激活泵浦和驱动线来允许阀被关闭）。

在量化预定处理步骤的数量时，诸如那些在PCR扩增（如，改性、退火和扩展中的很多直接重复的循环，各自由温度的变化来表征）中的直接重复的步骤被认为是单个循环中的步骤的数量。即，包括Hotstart 93°C达20秒（1步骤）、接着是31个循环的[93°C达4秒、56°C达15秒、和70°C达7秒](3步骤)、接着是70°C达90秒（1步骤）的最终扩展的PCR扩增反应代表了总共5个脚本化处理步骤。一个特征可在一个或多个脚本化处理步骤过程中被动作。在这个情况下，每一个独立工作算一个步骤；例如，如果给定阀在处理过程中被致动七次，这可算作7个步骤。可在独立样本的处理过程中并行地对数个特征进行动作。例如，如果在该生物芯片的腔室被加热时三个阀被致动，这可算作四个脚本化处理步骤（换言之，在生物芯片上或中的特征上执行的四个新的动作）。最后，一旦从处理中产生原数据，任何处理处理（如，颜色校正）或数据分析（如，等位基因分型或碱基判定（base calling））不是脚本化处理步骤。本发明的生物芯片执行20、50、75、100、125、150、175、200、250、300、400、500、750、1000、或大于1000个脚本化处理步骤。

结果处理步骤是脚本化处理步骤的结果，且包括液体样本贯穿生物芯片穿过通道、腔室、和过滤器与薄膜特征的移动；过滤器与薄膜特征的干燥、反应混合物的热循环；冻干试剂的再悬浮、各种液体的结合、液体的混合、液体的同质化、样本大分子通过各基体的电泳传输、和这些大分子的激发。它遵循脚本化处理步骤的数量将基本大于（或从不小于）结果处理步骤。例如，可能有必要关闭数个阀并改变数个驱动线气压（多个脚本化处理步骤）来引起流体塞从给定通道到相邻腔室的移动（单个结果处理步骤）。示例6和图77描述了对于一部分自动脚本而言，脚本和结果处理步骤之间的关系。本发明的生物芯片执行2,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,60,70,80,90,100,125,150,175,200,250、或大于250个结果处理步骤。

全部处理步骤是脚本和结果处理步骤的和。全部处理步骤的数量越大，处理复杂度越大。本发明的生物芯片执行25,50,75,100,125,150,175,200,250,300,400,500,750,1000,1500,2000、或大于2000个全部处理步骤。脚本、结果、和全部处理步骤是指单个样本的处理。如果在给定生物芯片上并行地处理多个样本，根据惯例，处理步骤的全部数量与就好像仅处理一个样本一样。类似地，如果串联地同样地处理多个样本（如，如果第一个样本通过该生物芯片，然后第二个样本跟随在其后，经受同样的处理），处理步骤的全部数量与就好像仅处理一个样本一样。这些区别的重要性在于本发明的复杂度生物芯片是基于单个样本的一系列错综复杂的处理的，对比于执行相对较少数量的处理步骤但在少量或大量样本上进行重复的那些生物芯片。

本发明的生物芯片允许上述两个或更多个功能的集成。相应地，无限数量的组合可被设计在生物芯片中，允许一组复杂的操作在该生物芯片上完成。处理复杂度将涉及基于上述微流体元件的多个操作。例如，本发明的生物芯片接收样本、加强裂解试剂的混合、通过混乱气泡裂解样本、过滤溶解产物、计量该溶解产物、将该溶解产物结合至硅薄膜、清洗该薄膜、从该薄膜中洗提核酸、同质化该洗出液来获得经提纯的DNA溶液、计量该DNA溶液、重新组成冻干的PCR反应混合物来获得PCR反应物、混合并同质化该反应混合物、计量该反应混合物、进行快速多重扩增、计量一部分所完成的PCR反应物、用该所计量的PCR反应物重新构成尺寸标准（sizing standard）来获得用于电泳的溶液、混合并均质化该溶液、将该溶液与用于电泳的试剂组合、将该材料注入电泳通道、进行电泳分离、基于荧光检测被分离的DNA片段、基于原始荧光数据产生电泳图谱、标识被处理的数据中的PCR峰值、并分析所找出（called）的峰值（如，为人类法证标识产生STR曲线、为诊断传染病产生多重曲线、或产生多重曲线来标识生物威胁介质（biothreat agent））。本领域技术人员将了解本发明的生物芯片可被设计为用本质上无限的处理复杂度来执行大量不同类型的分析。

生物芯片设计的概览

本发明的生物芯片是单体的且代表单个、孤立的结构。这些单体生物芯片包括很多组件部件，不过所有的部件，不论是微流体或宏流体，是直接且永久地附接的，不需要使用试管来将液体、固体、或气体从生物芯片的一个部分携载到另一个部分。单体生物芯片的优势在于，其可被放置在相应的仪器中作为一个单元，而不要求操作人员方面的任何技术技巧。进一步，没有连接试管，通过最小化泄露，增强了稳健性。

优选地，本发明的单体生物芯片的主要组件是塑料。玻璃、石英、和硅晶片在本发明的生物芯片中没有或被最小化，因为它们太耗费成本来制造。优选的是所有组件（除了被插入的元件，诸如试剂、过滤器、薄膜、金属箔片、电极引脚、和电极条，以及诸如衬垫、压敏粘合剂（PSA）和带之类的组装材料）由塑料制成。还优选的是该生物芯片中的每一个样本路径是单独使用的；这防止了逐次之间的污染、简化了设计、并增强了使用的方便。因此，在一个方面，本发明提供了单次使用、可丢弃的塑料生物芯片。

我们基于用于在生物芯片中转移溶液的驱动机制来定义微流体生物芯片的宽泛的两个类别。离心微流体生物芯片具有圆形覆盖面积且旋转来提供离心力将流体从生物芯片中一处驱动至另一处。静止（或非离心）微流体生物芯片具有较广范围的覆盖面积（包括矩形和基本矩形的覆盖面积）且特征在于并不由生物芯片的转动提供的驱动。

本发明的生物芯片是静止的，意味着它们不要求转动来产生离心力驱动流体通过生物芯片（尽管这些生物芯片一般可经受移动并可特定地经受平移运动）。替代地，本发明的生物芯片具有驱动装置，包括气动、机械、磁、和流体。对于液体运输和受控的液体流动，可使用各种方法。一个方法是正向位移泵浦，其中与液体或与插入的（interposing）气体接触的活塞，基于运动过程中该活塞位移的量，驱动液体准确的距离。这样的方法的一个示例为注射泵。另一个方法是使用被气动、磁、或以其他方式致动的集成的弹性薄膜。驱动流体并控制流速的优选方法在于，通过改变在液体的前部、后缘、或两个液柱弯月面上的压力，使用气动驱动来直接在液体本身上施加真空或压力。合适的压力（一般在0.05-300psig且通常在0.5-30psig范围内）被施加从而获得期望的流特性。通过选择流体通道的合适尺寸也可控制流动，因为流速与横跨液体的压力差分和第四功率的液压直径成比例，且与通道长度或流体塞和粘性反向地成比例。进一步，通过结合沿流体通道的通气薄膜，可控制流量并对齐平行的样本。

本发明的生物芯片与单个仪器一起起作用来进行复杂的化学分析。此处描述的创新的生物芯片，通过消除了从仪器到仪器的样本转移、通过最小化或消除操作人员要求（单个机器，可使用合适的脚本和用户界面）改进使用便利，改进了处理效率和数据量、消除了任何操作人员动作的需要，改进了加固系统的能力（所有加固子系统可被结合至单个仪器中）、并减少了所要求的仪器以及被要求处理样本的实验室基本建设的成本。实际上，在一个实施例中，在单个仪器中具有生物芯片功能，可消除对于实验室环境的需要。

该仪器提供完成样本处理所需的所有子系统。这些子系统包括高和低压电源子系统、热循环子系统、气动子系统、磁性子系统、机械子系统、超声子系统、光学子系统、加固子系统、处理控制子系统、和计算机子系统。仪器与生物芯片接口可包括一个或多个这些子系统，取决于微流体驱动和要在该生物芯片中执行的一系列处理。在此处的示例的情况下，生物芯片和仪器的接口是气动、电、光学、和机械的。由子系统尺寸、生物芯片尺寸、和吞吐量确定仪器的尺寸。仪器可重约10磅、25磅、50磅、100磅、150磅、200磅、或大于200磅。类似地，仪器的体积可以是0.5立方英尺、或1、2、4、6、10、15、20或大于20平方英尺。

进一步，本发明的生物芯片和仪器被设计为在常规实验室环境之外可操作。取决于应用，它们可被加固为经得住运输和极端温度、湿度、和在空气中的悬浮粒子。在办公室中、户外、在战场、在机场、在边境与港口、以及在现场护理（point-of-care）由非技术操作人员使用本发明可允许遗传技术在社会中的更广泛的应用。使用未被处理的样本进一步支持本发明的教导的较宽应用。

下面描述的所创新的微流体系统、仪器、和生物芯片可以是单次使用或多次使用的。单次使用的可丢弃生物芯片的优势包括：

·交叉污染的最小化。在多次使用的设备中，样本或样本的组分可出现在接下来清洗的设备中；残留物可污染接下来的分析。单次使用的可丢弃的设备本身没有残留样本。这部分地通过新颖的样本处理通道和制造其的方法实现，其中没有样本之间的通道通信。

·最小化技术要求。多次使用设备要求装置来清洗用过的设备并准备用于下一次再使用。本发明的这个单次使用即弃设备并没有受到这些要求的限制。

·最小化操作人员要求。除了要求仔细地清洗并将用过的设备准备好用于下一次使用的技巧之外，必须通过插入设备或仪器，将试剂重新加载至多次使用设备中。通过将所有试剂结合至单次使用即弃设备，操作人员完全不需要操作或暴露于试剂。操作人员仅需要将样本插入该设备并按下启动按钮。其遵循的是，此处描述的创新生物芯片可由未被训练的或被最少地训练的操作人员所操作且可在一般实验室环境外被进行。在现场护理、战场、军队检查站、大使馆、对国家安全至关重要的地点、和世界的发展中地区的样本的分析可能在这些创新的生物芯片中进行。如施加至包括生物威胁检测在内的应用的样本的自治收集与分析，也得益于操作人员要求的最小化。描述基本消除了样本处理要求、进一步简化并拓宽分析方法的可能性的工作，被描述于在2010年2月3日提交的、名为“核酸提纯（Nucleic AcidPurification）”的美国专利申请系列号No.12/699,564的美国专利中，其通过参考全部并入此处。

·系统吞吐量的增加。技术和操作人员要求的最小化允许每单位时间所分析的样本数量的增加。特征的致密封装允许并行地处理单个样本，且使用较大的生物芯片进一步增加吞吐量。进一步，处理流的方向的逆转（如，电泳相比提纯与扩增）允许较小的、更紧凑的生物芯片和仪器。

·成本的最小化。最小化劳动力要求以及开支的消除降低了成本。

此处描述的创新的生物芯片具有大于SBS标准微量滴定板的尺寸。该生物芯片外观的覆盖面积为86乘以128或更大、100x150mm或更大、115x275,mm或更大、140x275或更大、和165x295或更大。还有，该创新的生物芯片包括小于10,920.0mm²的覆盖面积，这种覆盖面积这不符合SBS标准。本发明的教导允许设计与制造具有空前的样本数量复杂度和处理复杂度的生物芯片。对于生物芯片覆盖面积（footprint）的可能尺寸没有限制。可根据特定用户的需要和给定应用的要求，做出该覆盖面积。

由于本发明的生物芯片的样本数量和处理复杂度增加，生物芯片的特征密度增加。在这个上下文中，微流体特征被定义为所讨论的层的任何区域，无论是通过CNC-机器被切割或由注模所模制。特征密度是微流体特征与所讨论的层的表面积的比值。例如，示例5和6的生物芯片具有如下密度：流体层的顶部和底部，微流体特征分别占据的它们的约20.2%和6.6%的表面积。气动层的顶部和底部，微流体特征占据的它们的7.5%和8.8%的表面积。同样的生物芯片的16个样本版本基本占据了同样的覆盖面积，甚至具有更高的密度：对于流体层是19%和13.7%、对于气动层是18.3%和25%。层上的局部密度可以是60%或更高，示例4、5、和6的生物芯片的特定区具有在约3cm²的区域上的超过64%的局部密度。本发明的气动和流体生物芯片，由微流体特征占据了它们表面积的5,10,15,20,25,30,40,50,60,70,80,和大于80%。宏流体特征也对于密度有贡献。

本发明的生物芯片的特征

本发明的生物芯片包括热塑层，其包含微流体特征，诸如一个或多个流体运输通道（它们可以是独立的、连接的、或连成网的）、通孔、对齐特征、液体和冻干试剂存储腔室、试剂释放腔室、泵浦、计量腔室、冻干的块状物重构腔室、超声腔室、结合与混合腔室、混合元件、薄膜区、过滤区、通气（venting）元件、加热元件、磁性元件、反应腔室、废弃物腔室、薄膜区、热转移区域、阳极、阴极、和检测区、驱动、阀线、阀结构、组件特征、仪器接口区域、光学窗、热窗、和检测区。该生物芯片还可包含宏流体特征，即，与上述所列的微流体特征一样类型的较大版本的特征。例如，该生物芯片可包含包住30微升液体的微流体试剂存储腔室、和容纳五毫升液体的宏流体试剂存储腔室。在本发明的生物芯片上的微流体和宏流体特征的结合允许给定生物芯片来满足宏流体和微流体处理要求。当要求相对较大容量的样本（诸如法证拭取或临床血液样本）要在微流体比例下被处理时，这具有优势。

该生物芯片还可结合包括图案化薄膜的薄膜、间隔层、粘合层、弹性和非弹性层、和检测区。该生物芯片还可基于特定驱动机制（如，气动、机械、磁性、和流体驱动的致动线），结合具有特征的层。注意，微流体生物芯片还可包含宏流体区，特别是为了处理法证、临床诊断、和生物威胁样本。

本发明的生物芯片允许来自未被处理的生理样本的核酸、和其他生理组分被提纯、操作、和分析。未被处理的生理样本是由个人收集且然后未经任何中间处理步骤（但是在处理前，该样本收集设备可被作加标签和/或存储）就被插入生物芯片的样本接收腔室的生理样本。操作人员仅需要收集或以其他方式获得该样本、将该样本插入至装置、将该装置插入至仪器（该装置是否是之前就被置于该仪器中并不是必要的）、并按下启动按钮。在插入该装置前，不需要对于该样本的任何处理、操作、或修改—操作人员没有必要剪切拭子、打开血液试管、收集组织或生理流体、将样本转移至另一个容器、或将该样本暴露于试剂或条件（如，热、冷、振动）。因此，操作人员不需要具有在生理科学或实验室技术方面的广泛训练。任选地，本发明的生理芯片可接收被处理过的生理样本（如，用于后续提纯的细胞裂解物），不过这样的应用可要求操作人员具有技术训练。

实践中，使用无数种收集设备收集生理学样本，这些设备中的所有可与本发明的生理芯片一起被使用。该收集设备一般可商业地获得，不过也可为给定应用特别地设计和制造。对于临床样本，可获得各种商用拭子类型，包括鼻部、鼻咽、口腔、口部液体、粪便、扁桃腺、阴道、子宫颈、和伤口拭子。样本收集设备的尺寸和材料各异，且该设备可包括特定的柄、盖、划线（score）来帮助并引导断裂、和收集基质（matrices）。血液样本用广泛的各种商业可获得的各种容量的试管收集，这些试管中的一些包含添加剂（包含诸如肝素、柠檬酸盐、和EDTA之类的抗凝血剂）、真空来帮助样本导入、塞子来帮助针插入、和盖子来保护操作者免于暴露于该样本。组织和体液（如，唾液、化脓性材料、抽吸物）也被收集在一般不同于血液试管的试管中。这些临床样本收集设备一般被传送至综合性医院或商业临床实验室用于测试（尽管诸如喉部/扁桃体拭子的评估用于快速链状球菌测试之类的特定测试可在护理点就被执行）。环境样本可呈现为过滤器或过滤器盒（如，来自通气装置、悬浮微粒、或空气过滤设备）、拭子、粉末、或液体。

法证证据的通常收集技术是使用拭子进行的。拭子商业地从Bode(Lorton,VA),Puritan(Guilford,ME),Fitzco(Spring Park,MN),Boca(Coral Springs,FL),Copan(Murrieta,CA)and Starplex(Etobicoke,ON,加拿大)获得。还可使用类似纱布的材料、可丢弃刷、或商业可获得的生理学采样箱来执行拭抹。法证样本可包含血液、精液、上皮细胞、尿液、唾液、粪便、各种组织、和骨头。在人体中所呈现的来自个人的生理学证据经常使用口腔拭子来收集。广泛使用的商业口腔拭子是SecurSwab(The Bode Technology Group,Lorton,VA)。通过指令对象或操作人员将拭子放在内脸颊表面上的口中、并将拭子上下移动一次或数次，来收集口腔样本。

本发明的生理芯片的另一个主要优势在于，并行地在多个样本上执行复杂处理的能力。重要的是应注意，生物芯片的灵活性允许使用同一组操作处理多个样本、或使用经裁剪的一组操作处理一个样本（或样本的子组）。此外，可在给定样本上进行数个独立的分析。例如，通过在经提纯的材料上，通过分离DNA且然后进行STR分析、SNP分析、和线粒体测序，可分析法证样本。类似地，在单个生物芯片上通过提纯核酸和蛋白质、和执行PCR、逆向录PCR、DNA测序、和免疫测定、允许（例如）给定示例对于大量病原体和细胞处理同时可被询查，可分析临床样本。此处，我们描述了对于各种所期望功能的各种解决方法和对于不同集成组织的解决方法。这些被提供用于说明而非进行限制，因为本领域技术人员能为多种用途对于各种生物芯片和仪器修改这些组件和集成技术。

为生物芯片操作和数据分析要求一系列软件和固件。通过指令组件功能和执行仪器自我测试的软件和固件来控制仪器硬件。自动脚本控制仪器与生物芯片的所有交互，包括所有脚本化处理步骤的应用。分析软件执行原数据的处理（如，电泳图谱的色彩校正）和分析测试的结果（如，片段尺寸修剪、STR等位基因分型、DNA测序分析）。该仪器可包括图形用户界面，允许用户初始化该处理并通知用户处理状态。最终，该系统可存储相关分析比较器（如，来自感兴趣的个体的STR曲线或病原体的DNA测序）、或该系统可输出结果用于外部数据库匹配和进一步分析。

生物芯片制造

本发明提供了用于制造生物芯片的方法，该生物芯片是完全集成的、不要求任何预处理样本准备，不受限于任何SBS尺寸范围且可极大、不受限于微量滴定格式，结合了样本数量复杂度和处理复杂度。

可从热塑性聚合物制成该生物芯片，该热塑性聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、环烯烃聚合物（COP）、和环烯烃共聚物（COC）、以及适于根据此处要求保护的新颖方法大量制造的其他合适的聚合物。该生物芯片可通过较大板（包括大于SBS标准板的那些）的CNC加工而被制造，且CNC加工的底板本身可被模制。该生物芯片还可通过较大板（包括大于SBS标准板的那些）的注模被制成。任选地，该生物芯片可被涂镀（可能先于、在过程中的中间步骤、或在组装之后）来增强性能。可应用广泛的涂层和处理。例如，暴露具有0.5%牛血清白蛋白的通道减少了将呈现在该样本中的蛋白质结合至通道壁。诸如PFC 502A(Cytonix,Beltsville,MD)之类的疏水性产品可被应用至通道、腔室、和阀从而最小化泡沫形成。类似地，气动和机械阀结构的弹性或非弹性薄膜可被涂镀或以其他方式被处理从而提供最佳密封性质。

本发明的又一方面是生物芯片及制造它们的方法，解决了制造较大生物芯片的问题，来并行地执行一系列错综复杂的处理步骤从而允许多个样本在同一个生物芯片上被处理。无论该生物芯片由CNC-加工或注模制成，这个复杂度是通过将精细特征密集地一起封装在生物芯片的特定区中获得的，且在它们之间留有空间以允许粘接的同时最大化长宽比。注模的生物芯片被设计及制造以使它们是平的、经受最小的扭曲，在制造和粘接过程中具有所定义的收缩特性，且具有合适的对齐容限来支承允许处理步骤复杂度的特征。

本发明的生物芯片包括数个子组件，包括流体子组件、气动子组件、阀子组件、宏流体处理子组件、以及分离与检测子组件。对于给定生物芯片而言，并不需要所有的子组件。例如，如果不要求宏流体样本量和芯片上试剂，则宏流体子组件并不是必须的。无论如何，本发明的生物芯片将一般地具有至少一个CNC-加工的、浮雕的、挤压的、或注模的层。单层将包含流体特征和控制特征二者，其被需要来将流体从生物芯片的一个区转移至另一区。在很多情况下，分开的流体层和控制层是优选的，允许增加的处理复杂度。该层或该多层可在一侧或两侧上具有特征；双侧特征的优势在于增加的处理复杂度、特征密度、和样本数量、减少的制造成本、以及易于组装。当使用多层时，可使用现有技术中的多个已知技术将它们粘接在一起，已知技术诸如是热粘接、溶剂粘接、粘合剂粘接、和超声焊接（参加Tsao.C.-W.(2009).Bonding of thermoplasticpolymer microfluidics.Microfluidics and Nanofluidics 6:1-16）。考虑到微流体生物芯片中层的数量，可取的是使用允许期望的复杂度均得以实现的最小数量的层。最小化层数量减少了制造和组装的复杂度，且最终减少了制造该生物芯片的成本。

本发明的生物芯片的制造的又一方面考虑到位于各子组件的顶部和底部上的各层。这些中间层（术语称为“薄膜”）的目的包括：将CNC-加工的或注模的层粘接至彼此、外部地密封CNC-加工的或注模的层、在仪器和层中的腔室之间提供热耦合、提供合适的光学特性从而允许通过仪器中的组件进行充分激发与检测、提供层间的管道、支撑薄膜、过滤器、和其他元件、并提供用于与注模层协作地阀配流（valving）的材料。非弹性薄膜材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、环烯烃聚合物、和环烯烃共聚物、丙烯酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、铝、和三乙酸纤维素。弹性薄膜材料包括在Plastics:Materialsand Processing Third Edition(出处同上一参考文献)中所描述的各种橡胶（包括硅树脂）和热塑性弹性体。这些膜在厚度上从1微米到500微米。

CNC-加工的或注模层和薄膜被结合在一起从而形成生物芯片，各层之间以及层上的流体通信由通孔提供。通孔是这样的特征，它们从给顶层的顶部到底部从而允许液体从一层移动至另一层。本质上通孔可采取任何形状且经常是圆柱形的。本发明的生物芯片提供大量通孔来确保样本数量复杂度和处理复杂度。例如，示例6的注模6-样本生物芯片和其16-样本的对应体包含如下通孔：

注意，“S&D”是指“分离与检测”。放在一起，6-样本生物芯片（不包括宏流体处理子组件）的这些部件包含929个通孔且该16-样本组件包含2747个通孔。本发明的生物芯片包含50,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1500,2000,2500、或大于2000个通孔。当考虑全部的微流体特征（包括通孔）时，本发明的生物芯片具有1000,2000,3000,4000,5000,7500,10,000或更多的特征。

在每一层上具有大量特征，本发明的生物芯片的层必须被合适地与所有层还有仪器接口的各点对齐。对齐中的因素考虑到了粘接过程中、且特定地在热粘接过程中、零件的收缩；由于零件的不同收缩加剧了对齐问题。本发明的生物芯片被设计和组装以考虑到不同收缩。为了易于组装，具有最多特征的零件被用作收缩标准。换言之，其被设计为，在粘接之后，其尺寸是被要求与仪器进行接口的尺寸。所有其他零件的尺寸被比例缩放为，在粘接后，它们与该标准板对齐。

通过合适地选取接口特征的尺寸并合适地放置接口特征，实现在仪器接口点处的对齐。例如，本发明的气动接口包括数打端口。替代在生物芯片的整个气动层上扩散，它们集中在中间。尽管气动层整体是收缩的，气动接口区越小，收缩越少。此外，生物芯片具有用于组装的对齐特征，其包括结合在流体与气动层中的对齐孔。为了将流体层与气动层对齐，结合销被插入气动层和流体层的相对应的对齐孔中。确保合适地放置在仪器中的对齐特征包括仪器中的导件（guide），该导件位于气动层中（其不在流体层中），导件中有气动接口特征。尽管可估算出零件收缩，谨慎的是测量实际组装过程后的收缩。例如，示例5的气动板和流体板各自收缩达(在X和Y方向分别是-0.063%,0.116%)和(0.151%和0.401%)，且气动板被增加尺寸达(0.214%,0.285%)%来补偿这个不同的收缩。

通过最小化要被对齐的零件的数量来管理层与层的对齐和生物芯片与仪器的对齐。例如，本发明的生物芯片的CNC-加工的或注模的气动和流体板一般在其两侧上均有特征。这将需要组装的零件数量减半。

与对齐特征合作，必须与另一层的特征配合的给定层的特征被设计为具有容限。特定地，阀特征（如示例2中所描述地那样）要求气动特征与流体腔室和阀座对齐。此外，气动层中的通孔将宏流体处理子组件中的腔室的输出与流体层中的相应输入孔相连接。一般而言，当需要对齐两个通孔时，通孔之一被制成在直径上大0.5mm来确保获得两个通孔的对齐。

本发明的生物芯片代表了封闭系统，其中样本被插入且被密封在该生物芯片中、且没有液体逃出该生物芯片（即，在样本处理一开始被包含在该生物芯片中的处理试剂，在样本处理完成时也被包含在该生物芯片中，且当生物芯片被移除时被从仪器中移除）。来自气动驱动线的空气进入该生物芯片且空气通过通气薄膜离开该生物芯片。本发明的封闭系统生物芯片没有将操作人员暴露于样本或化学物品、和重要的安全特征，并且简化了仪器，因为无论是未被使用的或者被使用的试剂必须被存储在仪器中。

微流体特征的注模展现出很多挑战，因为大量精细特征必须呈现在复杂的完全集成的生物芯片中。这些微流体特征有时与宏流体特征仪器呈现在给定部分，进一步增加了注模的挑战。此处我们公开了特定类型生物芯片的设计考虑的特定解决方法，但是本领域技术人员将能应用这些特定解决方法来制造用于特定功能的多种类型的生物芯片。这些示例中的设计考虑有：几何形状方面的，诸如在精确注模中的收缩和形状稳定性、生物芯片的平面度、生物芯片的扭曲、最小特征尺寸、特征密度、和合适的长宽比。将在注模处理的环境中描述本发明的生物芯片的注模零件的设计特征。注模是用于制造塑料零件的工艺，其中模具在压力下被夹住以适应熔化的塑性注入和冷却的工艺。塑性颗粒（颗粒状树脂）被馈入注模机器中，接着是合适的着色剂。树脂落入注入桶，在其中树脂被加热至熔点并通过往复螺旋或冲压设备被注入模具中。熔化的塑料被包含在模具中，且气动或机械压力被施加从而确保模具中的所有腔室被充填。塑料被允许在模具中冷却，模具被打开，且用弹出销来弹出塑料零件。整个工艺是循环的，且循环时间从十到100秒之间变化，这取决于所需要的冷却时间。

模具包括两个主要组件，注模和弹出模。塑料树脂通过注模中的浇注口进入模具；浇口衬瓦被相对于注射桶的喷口而紧密地密封从而允许熔化的塑料从该桶流向模具腔。浇口衬瓦通过被加工在板的面内的通道（或滑道）引导熔化的塑料进入腔图像（cavity image）。熔化的塑料流入一个或多个入口并进入腔内几何形状从而形成所期望的零件。模具一般被设计为所完成的零件可靠地留存在模具被打开始的注塑模顶杆侧。然后当被弹出时，零件自由下落。可用包括CNC掩模和放电加工在内的加工方法的组合来制造模具。

设计用以注模的该创新生物芯片的总体方法包括：

·层的数量的减少。通过在各层的两侧上均制造特征，将注模层的数量减少为一个流体层和一个气动层。部分地通过对流体和气动线加以路径安排，使得横跨彼此的通道被路径安排在各层的两侧上。在一些情况下，需要上-下过渡。这被最小化，因为垂直过渡引起较大的压降和通道传导力的减小。已经设计了允许通气和过滤器薄膜的超声焊接的特征。经焊接的特征的结合允许注模层被消除。

·特征密度的增加。增加通道和特征的封装密度减少了注模层的数量和尺寸、减少了收缩并改进了对齐性质。在示例5的生物芯片的气动层的气动歧管区图44、61中，例如，通道的节距是1.0mm，且10个通道位于1cm²的区中。通过研发密封通道的热粘接步骤，达成这个密度,尽管通道之间的壁较窄（0.5mm）。通过使用具有均匀表面和低表面粗糙度的粘接夹具完成具有精细节距和较窄壁的热粘接特征来确保平面度。进一步，使用两个粘接滚筒并设置为0.0005”容限地相平行，来确保在给定注模组件或子组件上的精细特征的一致结合。最后，在整个滚筒上的在0.25°C范围内的温度均匀性也确保了组件或子组件上的一致粘接。

·斜度角的最小化。特征的垂直侧已经被轻微地倾斜来便于从模具中释放零件。注模中的斜度角一般为2–7°。所使用的本发明的注模板甚至是更小的0.5%的斜度角；斜度角越小，注模特征封装地更为密集。为了容纳这些较小的斜度角，相比在注模工艺中，弹出销被放置地更为接近微流体特征。

·通孔。通过入口在注模中的合适放置，流痕/焊接线的数量被减少。此外，被模制的零件上的较大的开口特征被最小化，因为这难以支撑特征尺寸且树脂在较大特征周围流动。

·壁厚度。在整个设计中维持在特征底部（feature floor）处的1.0mm壁厚和特征之间的0.5mm的壁厚。

·平面度和扭曲。已经采取了合适的层厚度和特征之间的过渡从而最小化厚度。所得到的板的平面度被特征化，并且进行了对于注模工艺的调整从而最小化零件内应力。通过修改弹出销的位置，调整扭曲的被模制的板的面积。此外，不平坦的区域的精加工改进了平面度。

·特征长宽比。高长宽比的特征已经被最小化且长宽比已经被保持在低于2。较高长宽比的特征趋向于放置所模制的零件从模具工具中被有效地弹出。

·弹出特征。弹出销位置已经被最小化且仅占据模具的弹出位置一半。弹出销在零件的表面上产生局部形变，这进而可导致被不佳地粘接或完全没有被粘接的区。调节每一个弹出销在模具中的行进（travel），从而最小化可重复的零件弹出所需要的行进。

·注模收缩。树脂的注模上的收缩充分被特征化来容纳收缩。进一步，通过调整模制温度和保持时间进一步精细地调节收缩。调整气动和流体零件的收缩，从而注模板中的所有特征被对齐在所定义的容限中。

·块料成型。上述方法应用于模制平面的板（如，流体板、气动板、和宏流体处理盖板）。为了模制更高体积的块，诸如宏流体处理块，这些方法在长宽比方面被修改为一般大于2。对于块料成型，小于1°C的斜度角被结合至设计中且允许从所模制的零件上进行有效的销钉移除同时最大化较大腔室的容积。

通过提供可实现将从样本到插入到结果的产生的一系列复杂的处理步骤，在单个仪器中进行且不需要操作人员干涉，本发明的完全集成的生物芯片实现了微流体的潜力。另外，这些创新的生物芯片可以是可丢弃的且被有成本效益地制造。

示例

示例1.试剂存储与释放

本发明的生物芯片需要试剂来进行各种处理，且这些试剂必须与生物芯片材料、和它们所要被保留的操作和环境条件相兼容。

可以多种方式将本发明的试剂引入该生物芯片。首先，可手动地将试剂添加至该生物芯片，一般是在使用前不久。手动添加的优势在于，生物芯片不需要持有该试剂达延长的时间段，最小化了生物芯片上长期稳定性的需要。手动装载的劣势在于操作人员必须具有技术培训且专业，试剂可被不正确地放置从而不能到的合适的处理，且试剂放置可能是污染源。放置的第二个方法是通过将试剂存储在仪器中的容器内或靠近仪器的容器内；然后试管或其他导管在所期望的处理时间将试剂转移至该生物芯片。这个方法的优势在于放置试剂容器一次可允许该系统的多次分析过程。劣势在于需要仪器中的很多的转移导管、折损通过导管的流量（例如由于干燥在导管上的残留试剂）、打开仪器的需要、允许损坏或污染的潜在危险、仪器尺寸的相对增加以允许试剂存储用于多个分析过程、以及需要具有技术培训且专业的操作人员。

优选的方法是将试剂存储在生物芯片内，预装载的试剂成为该生物芯片的集成部分且对操作人员而言基本不可接触。这个方法的优势在于操作人员从不需要与试剂接触或要求技术培训或者是专业的，且，如果该生物芯片是封闭系统，最小化了污染的潜在危险。进一步，仪器接收该生物芯片不过没有必要被打开来放置各试剂试管或筒。当与确保芯片上试剂不与仪器接触的驱动系统相组合时，该生物芯片是封闭系统，进一步确保了易于使用且同时最小化了污染的可能性。

为了在芯片上存储试剂，它们必须与它们所接触到的所有芯片材料兼容，且在需要时它们必须能由处理过程接触到。我们将满足这些要求的一个方法术语表达为“试剂存储与释放（RSR）”，表示试剂被存储并隐遁（sequestered）在该生物芯片上被在处理过程中在需要时按需被释放。

RSR的方法包括硬质泡沫塑料衬垫包装、试管内试管结构（其中包含试剂的试管被插入生物芯片试剂盒中）、和单个试管结构（其中试剂被直接填充至该生物芯片试剂盒）。致动方法包括基于压力的方法（其可任选地涉及使用有划痕的（scored）箔片）、基于销钉的方法（其中机械地或气动地致动销钉刺穿箔片密封）、和机械方法（其中仪器组件在所存储的试剂上施加压力）。

硬质泡沫塑料衬垫包装。在这个方法中，被铝箔密封的硬质泡沫塑料或粘性封装（stick package）被用于存储试剂。机械力被施加在封装上从而将内容物释放至试剂箱中。

试管中试管结构。在这个方法中，试剂收集管由热塑性材料制成，且在试剂填充前箔片封装被施加在试管底部、在填充后第二箔片封装被施加至试管顶部。然后被密封的试剂收集管被插入生物芯片的合适的试剂腔室内。层压铝密封箔片的广泛选择可用于热密封。这些箔片特征在于聚合物热密封表面层压至薄铝膜。用于保护的被用在铝箔上的涂层被选择为抵抗试剂本身、热、和刮磨。保护涂层还可用作热密封表面。

单个试管结构。在这个方法中，生物芯片中的腔室本身就是存储媒介（vehicle）。在这个方法中，优势在于，生物芯片相对较小（因为试管中试管需要附加壁）且更易于制造。图1示出单个试管RSR方法。箔片密封（101）被粘接（热粘接、通过超声焊接、或通过粘合剂）至每一个试剂存储腔室（102）的顶部和底部。首先粘接底部箔片、填充液体试剂（用102的阴影表示）、且然后粘接顶部箔片、密封试剂存储腔室。顶盖（103）包含气动驱动线，提供所需要的压力来使得箔片破裂。冻干的试剂（104）也可被存储在箔片之间。

为破裂顶部和底部箔片所需的压力使得试剂快速地流出试剂腔室。为了减少试剂流，在腔室的底部制造流量控制口。这些控制口的直径尺寸选定为允许在所施加的箔片破裂压力下的期望的流量。阀和通气薄膜也可被用于控制流体流量并使液体排队（queue），如示例2中所述。此外，当SRS腔室经受气动驱动压力时，在破裂之前，箔片必须具有足够空间来扩展。为了符合这个空间要求（对于25微米厚度和8mm直径的箔片，约1mm），RSR间隔板被设计为提供用于破裂的扩展空间。RSR间隔板还提供了接口来耦合试剂腔室的较大直径（在这个情况下是8mm）出口和生物芯片的入口孔的较小直径（0.5到1mm），且在具有角度（taper）的两个接口之间过渡试剂流。该入口孔可以是在气动子组件中的通孔，其通向流体子组件中的特征、或该入口孔可直接耦合至流体子组件或分离与检测子组件。图2是用于5-样本生物芯片的间隔板105的照片，示出RSR过渡106来耦合要求RSR破裂的液体试剂腔室。常规过渡107将被用于混合和保持的处理腔室（不过不是试剂存储，因为它们不需要扩展空间）耦合至生物芯片的入口孔。图3是RSR过渡106的截面图，其中RSR过渡106包括RSR腔室接口108、锥形接续器部分109、和生物芯片接口110。还示出了常规过渡107，其是处理腔室和另一个生物芯片子组件之间的通孔过渡。间隔板通过压力敏感的粘合剂和机械紧固件被附连至试剂腔室。其他形式的附连包括使用带有或不带有粘合剂、螺钉、热熔胶棒（heat staking）、和铆钉的垫圈。

箔片的气动破裂是优选的方法，因为它仅需要气动用于致动。箔片密封是由气动压力破裂的，气动压力经由生物芯片中的气动驱动线传递至试管的顶部。在这个配置中，施加至试管腔室的压力被施加在顶部箔片上，导致其破裂。一旦破裂，压力直接施加至在试管中的试剂。这进而导致底部箔片破裂且释放出溶液用于处理。在选择用于气动破裂的箔片时必须考虑若干因素。为了与气动破裂相兼容，破裂压力对于生物芯片的结构必须是合适的，且被生物芯片所容忍。对于通过热粘接、溶剂粘接、和粘合剂粘接的本发明的生物芯片，期望的破裂压力约20-500psig。10-500微米的薄的箔片对于这个目的是合适的，优选为10-30微米。

图4示出对于粘接至直径2-8mm的腔室的12微米（实线）和18微米（虚线）的铝箔的气动破裂压力。对于破裂所需要的压力随着增长的箔厚度而增加、且随着增长的腔室/箔片直径而减少。每一点示出破裂所需的平均压力（对于2mm的直径，n=2、对于3mm的直径，n=6、对于4mm的直径，n=10、对于5mm的直径，n=9、对于6mm的直径，n=10、对于7mm的直径，n=4、且对于8mm的直径，n=4）。破裂压力还受到箔片材料类型的影响。

任选地，薄箔片的划痕允许破裂压力的减少；箔片上各种尺寸和形状的划痕也可被利用。例如，达各种深度的线、大叉、和圆圈的激光或机械拉模划痕可被用于进一步调节破裂压力。图5示出具有六个腔室（每一个具有8mm直径和50mm高度）的RSR单元。25微米的铝箔经受激光刻划（划在中间4.5mm长的大叉，深度约10微米）且使用热熔机（heat staker）被热粘接至该单元。首先放置底部箔片，在每一个腔室中填充具有食用色素的液体试剂、然后粘接顶部箔片（图6）。

通过将2ml的试剂填充并密封到图6的腔室中，执行试剂腔室的两侧破裂。用于密封腔室的箔片被刻划（划在中间4.5mm长的大叉，深度约10微米）从而实现32psig的标称破裂压力。每一个腔室被附连至RSR间隔板，该间隔板进而被附连至微流体通道。微流体通道的输出被通气薄膜密封来允许来自破裂的空气出去，但不会阻塞从腔室中被释放出来的流体。盖被紧固至腔室顶部。盖将6个腔室中的每一个耦合至气动驱动线。气动系统被配置为一次仅对一个腔室施加压力。气动驱动压力被逐渐增加直到液体被观察到流入微流体通道为止，且这个压力被记录。用32psig±3psig的压力来破裂测试中所使用的所有24个箔片（4RSR单元）。图7示出破裂后的箔片。箔片材料、刻痕深度和配置、以及破裂压力被协作地选择以避免箔片的碎片在破裂过程中变得分离、潜在地阻塞试剂的离开通道。此处公开的被刻痕的箔片没有产生分离的箔片碎片。

在第二个实验中，试剂腔室被填充并用上述刻痕箔片填充密封。该腔室附连至RSR间隔板，该间隔板附连至微流体通道。每一个微流体通道的输出被通气薄膜密封。盖被紧固至腔室顶部，且45psig的压力被同时施加至所有试剂腔室达1秒。所有的箔片破裂且试剂被观察到流入微流体通道并停止在通气薄膜处。通道中的液体包括单个气塞（plug）、没有泡沫。

这些实验展示了RST，包括在腔室中的试剂密封、密封箔片的气动破裂、用腔室直径和刻痕控制破裂压力、试剂过渡至微流体通道、和用通气薄膜使试剂排队。

RSR的相关方法使用了机械而非气动压力来破裂该箔片。在这个方法中，在每一个由箔片密封的试剂收集管的顶部和底部制造尖锐的塑料销钉（金属销钉可被插入以实现相同的目的）。在所要求的处理时间，两个箔片均可由销钉刺破、释放试剂。

示例2.生物芯片中的流量控制

本发明的生物芯片包括热塑层，其包含精细特征，且要求液体流量的控制从而执行产生分析结果所需要的一组处理步骤。要求使用流量控制元件的流体功能包括：

-经由生物芯片中的通道，将流体从一个特征引导流向另一个特征。驱动线、阀、和通气薄膜的脚本使用引导液体和空气流过生物芯片中的特定通道和特征。例如，提纯过滤器（图39、12）由流体通道连接至试剂与处理腔室。用示例5的DNA结合步骤、洗涤、干燥、洗提步骤来描述液体流的顺序和控制流入流出提纯过滤器的阀。在这些步骤中，使用若干个通气薄膜、阀（图39、46、47、43、42、和44）和气动驱动线来引导流体流过这个腔室。

-腔室的密封。诸如热循环和循环测序之类的特定反应要求提升的温度。在这样的设置中高集成度密封是重要的，因为当该反应被加热时腔室中流体的压强增加。较差的密封将导致流体漏出腔室且将允许反应中的气体放气并产生泡沫。密封腔室最小化了这些问题并改进反应效率。例如，示例5和6的热循环腔室在热循环处理过程中由阀V13和V14所密封（图40、52、和53）。

-相互混合。相互混合(reciprocal mixing)是基于将两个液体压向空气压载（airballast）并释放压力允许反向流动的用于混合的方法。通过将要混合的溶液“来回”移动，重复的应用以及减少所施加的压力，完成混合。这个方法被图示在示例6的生物芯片中，其使用空气腔室（图70,610）作为弹簧，当流体被压向它时一开始被流体压缩、然后当压力释放时将流体推回去。这个空气腔室，在相互混合过程中，由阀V13（图69、52）密封，其中施加从0到15psig线性增加、然后从15到0psig的压力。在混合后，打开V13允许被混合的溶液流入PCR腔室。

-使得通气薄膜排队-在给定生物芯片中并行地处理多个样本的流速变化可源自各因素，包括样本粘性（如，DNA内容）的差异和通道尺寸（和因此引起的导通力）的变化。排队功能的使用容纳通过生物芯片中的并行通道的流体流或多个样本中的变化。在这个方法中，对于给定步骤所需要的最大可能时间被用作步骤时间。较早到达通气薄膜的样本将停止并等待，直到具有较慢流速的其他样本到达排队点。这个方法，通过确保多个样本被同步，提供了容限来同时处理多个样本。在示例5和6“转移至热循环腔室”中通过使用通气薄膜（图40和图69、100）和阀（V29）（图40和图69、99）来实施流体的排队，从而对多个样本在相同位置停止PCR溶液。用于同步多个样本的可选的但是更为复杂的方法，是分别控制每一个样本并结合检测特征（如，光学、热、化学、机械），当给定样本到达生物芯片上的给定点时允许脚本接收反馈。

-计量腔室—在整个处理过程中，溶液在多个情况下被计量。在示例5和6中的计量的示例是“洗出液计量”步骤，采用了计量腔室（图40和70，8）、阀V12（图40和70，51）、和通气薄膜VM（图40和70，100）。

-溶液的联结，其间具有空气塞。在样本处理过程中，存在这样的情况，其中来自两个不同输入且由空气分隔的两个分离的流体塞需要被组合。这个步骤的示例是“PCR产物和甲酰胺的联结”步骤。在这个步骤中，联结腔室（图41和71,78）、通气薄膜、和阀（图41、部件100、56、81）被使用。联结功能使用上述元件来将每一个流体塞接收至腔室中、移除流体之间的空气、并允许所联结的流体塞继续前进。在这个步骤中，使用阀来停止液体和空气流。使用空气薄膜来使得流体塞之间的空气出去。

-废弃物腔室的填充。生物芯片中的废弃物腔室被设计为接收过量溶液，特别是在计量步骤过程中。废弃物处理的示例是“计量甲酰胺”步骤。在这个步骤中，废弃物腔室（图41和71，77）包括具有通气薄膜来密封整个顶部表面的通气薄膜的腔室和阀V15（图41和71，54）。该阀和废弃物设计容纳体积可变的过量流体且可包含空气泡（以及因此的不连续的流体塞的样本）。使用完全通气的废弃物腔室允许出现在液体塞中的空气被弹出，且使用阀允许废弃物被引导至腔室中并被密封。

-被动的样本分流。使用被动的差分导通力特征来分流由空气分离在两个路径中的两个流体流可能是有利的。在这个设计中，单个流体路径分流为以通气的腔室终止的两个流体路径。通过沿第一通道的流体路径结合被动流量限制，第一通道的流导通力相对第二通道的被极大地减少。流量限制产生阻力，且流向分流的液体将在较高导通力的通道中流动直到通气的腔室被填充且通气薄膜被完全润湿。无论哪一种发生，这个流量通道的限制较高且附加液体流入第二通道（不管流量限制元件为何）。这个设计被用于基于导通力来两个路径之间被动地控制流体流量。当通道中的两个液体由空气塞分离时，这是特别有用的；第一流体流向第一路径且第二流体被转向第二路径。

-宏流体腔室的通气。示例5和6的“混沌冒泡”导致大容量的溶液的显著搅动（significant agitation）。混沌冒泡的裂解液必须被包含在腔室中防止试剂离开该生物芯片并结束在仪器中，同时大量空气必须耗尽来允许足够的空气流来帮助冒泡。通过在盖中使用通气薄膜完成此举，该通气薄膜用作流体流的阻碍物但允许空气从混沌冒泡中被耗尽。对于任何理由，使用类似的设计来通气任何经受混沌冒泡或大量的（substantial）空气流的腔室。

-驱动线的隔离——通气薄膜还被结合在盖中和生物芯片的其他部分，从而将仪器的驱动线与生物芯片中的流体隔离。

阀配流结构

上述功能依赖于两个流量控制结构：阀和通气薄膜。生物芯片使用阀用于流量控制来停止或允许在通道中的流体流动。阀可以是被动或主动的，且被动阀包括嵌入聚合化胶状物（in-line polymerized gel）、被动塞、和疏水阀。主动阀结构包括机械（热力气动的和形状记忆合金）、非机械（水凝胶、溶胶-凝胶、和冰）、和外部（模块内置、气动、和非气动）阀。气动和机械阀结构还可使用弹性或非弹性薄膜。无论哪一种情况，可处理薄膜以提供最佳的密封性质。

可在本发明的生物芯片中使用很多类型的阀结构，且可将若干种类型结合在独立的生物芯片中。主要基于易于制造以及易于组装至仪器来选择阀结构。例如，由杆控制的、致动生物芯片特征的机械阀，在具有错综复杂的机械队列和控制机制的仪器中是合适的。类似地，基于蜡的局部熔化的阀要求具有受控的特定加热机制的仪器。在示例5和6中，该仪器能进行错综复杂的气动控制，且基于气动致动结合阀类型（下述）。其他气动和非气动（如，机械、液体、蜡、电）致动机制和相应的阀可被用在该创新的生物芯片中。

在图8中示出气动致动的弹性材料阀结构的俯视图。该俯视图示出压敏粘合剂（PSA）带和用于常开阀的弹性薄膜。在图9中示出，控制流体和空气的气动致动阀的截面图。阀结构的组件包括阀薄膜202、阀座203、气动腔室204、流体腔室205、双侧PSA带206、流体通孔208、流体通道209、和气动通道210。通过组装3个组件来制造这个阀：

流体子组件。这个子组件包含流体209（液体或空气）流的通道。这个通道由穿透至表面的一组通孔208所打断。在该表面上，这些通孔形成阀组件的阀座203。通过在热塑板中用CNC加工通道和通孔（图33）并用薄塑料膜覆盖两侧来制造。在这个情况下，薄膜塑料是被粘接的热塑膜。该膜本身已经被CNC加工图案化，且具有包括与经CNC加工的层上的相应特征对齐的通孔在内的特征，从而提供通路至流体夹心层（fluidic sandwich layer）。类似地，流体和气动层中的相同特征还可通过注模被制造。

气动子组件。这个子组件将仪器的气动驱动耦合至流体子组件来气动地驱动流体子组件中的流体并且气动地激活生物芯片中的阀。气动通道210将气动驱动耦合至阀腔室。通过在热塑板的两侧的每一侧上CNC加工通道和腔室（图44）来制造这个子组件。这个薄塑料膜中的特征包括与被CNC加工的层上的相应特征对齐的通孔，从而提供至气动夹心层的通路。热力地完成粘接，不过还可超声地、带有溶剂、且使用粘合剂地执行粘接。类似地，流体和气动层中的相同特征还可通过注模被制造。

阀子组件—这个子组件位于气动子组件和流体子组件之间。在这个构造中，阀子组件包括0.005”厚的弹性薄膜202。当被气动地激活时，这个层将偏斜从而控制流体层中的流体（包括空气）流。使用顶部压敏粘合层206来将该薄膜附连至顶部气动层。使用底部压敏粘合层来将该薄膜层206附连至流体层。通过激光切割来图案化压敏层。还可通过包括冲切或钻孔在内的方法图案化压敏层。弹性薄膜是0.005”–0.015”厚，且材料可以是诸如硅树脂之类的橡胶。

通过将这三个子组件组装在一起构建阀。通过热粘接将流体子组件和气动子组件紧固在一起。类似地，通过使用多个机械紧固件（包括螺丝、铆钉、热熔机、和超声焊接）可将气动和流体板紧固在一起。

这些阀是常开的。流体将流过流体层中的通道、上达通孔、进入阀本体、流出第二通孔并回到流体层中的通道。当压力施加至气动通道时，压力偏转了阀薄膜并将这个薄膜推向阀座和阀气动腔室的底板。此举密封了通孔之间的路径并使得流停止通过阀。阀结构结合了具有较高程度柔量的薄膜和PSA元件，它们的压缩容纳了被粘接的两个零件的平面度上的任何局部改变。这个容纳增强了围绕阀形成有效密封的能力。

进行实验来评估这个阀密封压力。阀的气动通道连接至气动驱动，VD。一定容量的染色液体（水）被装载至耦合至该阀的流体通道的一部分中。流体通道的输入连接至另一个气动驱动FD。VD的压力被设置且在实验中保持不变。FD的压力被逐渐增加直到观察到流体流入通道中。流体开始流动时的压力是对于给定阀密封压力的阀的破裂压力。5、15、和22psig的阀密封压力的阀的破裂压力分别是3、13.5、和20psig。这个数据显示，大于流体驱动压力2psig的气动密封压力对于密封是可接受的。在示例5和6的生物芯片中，对于大多数处理步骤，阀密封压力被设置为一样的压力（22psig）。这对于同时控制多个阀以及用于控制高达18psig压力的流量通道是有效的。尽管固定的阀驱动压力对于大多数功能而言是充足的，可变系统允许阀压力增加（对于其中流体驱动压力要求较高的情况）和减少（在打开阀前）从而最小化当阀薄膜被激活时流体的任何搅动。

当阀在真空处理步骤过程中被使用且流体是通过阀的抽出流体（drawfluid）时，还需要将真空施加在流体和气动线上以维持阀处于打开位置。为了关闭这个阀，如上施加压力。

尽管在示例4、5、和6中的生物芯片中所有的阀都处于常开配置，在这个示例中的这些阀和若干类型的阀可被设计为常闭的配置。例如，图10是常闭操作的PSA带和弹性薄膜阀的俯视图。图11是常闭操作的PSA带和弹性薄膜阀的截面视图。这个发明的构造与图8和9的阀构造不同之处在于，其中阀座被提升，从而在未被激活的状态中，它们与阀薄膜层紧密接触。在制造和组装过程中，在拉紧的情况下，放置制造时就带有阀座的阀薄膜。为打开阀，施加真空来将阀薄膜拉离阀座。注意，这个示例中的所有阀（除了图10和11中的结构）是常开的。对于一些应用，结合一次使用阀可能是有利的，比如没有被设计为在检验处理过程中重复打开和关闭、但是例如，处于打开状态中开始处理且在检验处理过程中关闭一次。

图12中示出带有处于常开配置的刚性阀薄膜的气动致动的阀的俯视图。在图13中示出，控制流体和空气的具有刚性阀薄膜的气动致动阀的截面图。阀结构的组件包括阀薄膜202、阀座203、气动腔室204、流体腔室205、流体通孔208、流体通道209、和气动通道210。通过组装3个组件来制造这个阀：

流体子组件。这个子组件包含流体（液体或空气）流的通道。这个通道由穿透至表面的一组通孔208所打断。这些通孔形成阀组件的阀座203。可选地，可沿流体板的顶部侧来路径安排这个通道且当它穿过阀时被打断。通道末端形成这个组件的阀座。通过在热塑材料中注模该通道和通孔制成这个组件。在这个情况下，阀薄膜202是被粘接的薄膜热塑膜。这个结构的流体腔室205制作成在有效密封完全偏转情况下刚性薄膜的形状。

气动子组件。这个子组件将仪器的气动驱动耦合至流体子组件来气动地驱动流体子组件中的流体并且气动地激活生物芯片中的阀。气动通道将气动驱动耦合至阀腔室。通过以热塑材料注模该通道和腔室特征来制成这个子组件（图72和73）。这个薄塑料膜中的特征包括与被注模的层上的相应特征对齐的通孔，从而提供至气动子组件的通路。热力地完成粘接，不过还可超声地、带有溶剂、且使用粘合剂地执行粘接。

阀子组件。这个子组件位于气动子组件和流体子组件之间。在这个构造中，该阀组件包括薄热塑膜。该膜可以是10到250微米厚。在示例6中，使用了40微米、50微米、和100微米的热塑膜。当被气动地激活时，这个层偏斜从而控制流体层中的流体（包括空气）流。通过将这三个子组件组装在一起构建阀。热力地或通过溶剂将流体子组件和气动子组件粘接在一起。可选地，还可使用双侧粘合剂来将顶部和底部组件粘合在一起。薄热塑材料、刚性阀薄膜被集成至流体层，这在生物芯片组装过程中有极大优势。

这些阀是常开的。流体流过流体层中的通道、上达通孔、进入阀本体、流出第二通孔并回到流体层中的通道。当压力被施加至气动通道时，压力偏转了刚性阀薄膜并将该薄膜推向阀座和阀流体腔室的底板，从而封锁通孔之间的路径并使得流体停止流过阀。

通过使用上述方法用100微米的薄膜制造阀，进行实验来评估阀密封压力。阀的气动通道连接至气动驱动VD。一定容量的染色液体（水）被装载至耦合至该阀的流体通道的一部分中。流体通道的输入连接至另一个气动驱动FD。FD的压力被设置且在实验中保持不变。VD的压力被逐渐从高水平的80psig减小直至观察到通道内流体流过。需要保持1、2、3、4和5psig的FD的阀密封压力分别是14.6,28,54,65.5,和81.5psig。用在这个阀构造中的刚性薄膜要求较高压力施加来密封流体流。将阀薄膜厚度从100微米减少至50微米和40微米基本减少了密封流体流动的压力的要求。对于其中流体被从通道中抽出的真空操作，真空被施加至阀将其维持在打开位置。

图14示出夹持的、常开的弹性薄膜阀的俯视图。在图15中示出，控制流体和空气的气动致动阀的截面图。阀结构的组件包括阀薄膜202、阀座203、气动腔室204、流体腔室205、流体通孔208、流体通道209、气动通道210、和压缩环212。通过组装3个子组件来制造这个阀。这个结构的优势在于非常简单且不需要PSA带。

流体子组件—这个子组件包含流体209（液体或空气）流的通道。这个通道由穿透至表面的一组通孔208所打断。在该表面上，这些通孔形成阀组建的阀座203。通过在热塑板中用CNC加工通道和通孔（图33）并用薄塑料膜覆盖两侧（图36和图37）来制造。在这个情况下，薄膜塑料是被粘接的热塑膜。该膜本身已经被CNC加工图案化，且具有包括与经CNC加工的层上的相应特征对齐的通孔在内的特征，从而提供通路至流体夹心层（fluidic sandwichlayer）。类似地，流体和气动层中的相同特征还可通过注模被制造。一组阀薄膜压缩环被形成在流体腔室212周围。

气动子组件—这个子组件将仪器的气动驱动耦合至流体子组件来气动地驱动流体子组件中的流体并且气动地激活生物芯片中的阀。气动通道210将气动驱动耦合至阀腔室。通过在热塑板的两侧的每一侧上CNC加工通道和腔室（图12）来制造这个子组件。这个薄塑料膜中的特征包括与被CNC加工的层上的相应特征对齐的通孔，从而提供至气动夹心层的通路。热力地完成粘接，不过还可超声地、带有溶剂、且使用粘合剂地执行粘接。类似地，流体和气动层中的相同特征还可通过注模被制造。一组阀薄膜压缩环被形成在气动腔室211周围。流体和气动腔室的压缩环彼此相符且彼此对齐。

阀子组件-这个子组件位于气动子组件和流体子组件之间。在这个构造中，阀子组件包括0.005”厚的硅树脂薄膜202。当被气动地激活时，这个层将偏斜从而控制流体层中的流体（包括空气）流。

通过将这三个子组件组装在一起构建阀。通过热粘接将流体子组件和气动子组件紧固在一起。类似地，通过使用多个机械紧固件（包括螺丝、铆钉、热熔机、和超声焊接）可将气动和流体板紧固在一起。气动和流体层被粘接从而压缩环（212）之间的薄膜层被压缩。压缩度范围从5%到60%，且随着阀薄膜的硬度和厚度变化。当气动驱动被密封在气动腔室中且流体不会从流体腔室漏出时，这个压缩度是足够的。

通气结构

该装置的微流体组件使用通气薄膜来通气并用作流体流过的阻碍物。基于被传输的液体的表面张力和表面自由能，选择示例5和6的生物芯片中所使用的通气薄膜。当表面张力和表面自由能两者之间存在显著差异时，固体表面和液体之间的接触角较高且液滴将被从薄膜表面上排斥且并不缠结薄膜。另一个考虑是通过薄膜的空气流速。其必须足够高以允许空气的未受限制的通气。一般，对于给定材料，表面自由能和表面张力之间的差异随着孔径大小减少而增加，然而，空气流速反向成比例于孔径大小。例如，水的表面张力为73达因/cm、异丙醇22达因/cm、且对于油30达因/cm。

用在生物芯片中的通气孔包括用如下项制成的那些：聚四氟乙烯（PTFE）、在医用通气和气体过滤中广泛使用的材料。它是惰性材料，其提供良好的流通性质和较高的耐化学性。这个薄膜类型的切割形状的尺寸不稳定性可导致在过度模制中机器人操作的困难。PTFE与伽马或电子束杀菌相兼容，因为当材料暴露于致电离辐射时，断链引起集成度的损失；聚偏二氟乙烯（PVDF）是耐用材料，其提供良好的流通性质和较宽的耐化学性。在自然和超疏水形式中都可用；超高分子量的聚乙烯（UPE）最近进入医学通气和气体过滤市场。它是自然地疏水材料，提供良好的流通性质和较宽的耐化学性；被处理为疏水的改性的丙烯酸薄膜是通气应用的经济的选择。它是疏油的、疏水的、和化学兼容的。

图16示出用在示例5的生理芯片中的通气薄膜配置的截面视图。通气薄膜（图16,213）被结合至这样的结构，将该薄膜通过热粘接放置在气动和流体层之间。图17示出用在示例6的生理芯片中的通气薄膜配置（图17，213）的截面视图。在这个通气薄膜配置中，该通气薄膜，用焊筋（weld ridge）被焊接至流体层。

示例3.生物芯片接口

本发明的生物芯片与仪器交互。该仪器提供用于完成样本分析所需的所有子系统，包括高压和低压电源子系统、热循环子系统、气动子系统、磁性子系统、机械子系统、光学子系统、加固子系统、处理控制子系统、和计算机子系统，如图58中所示。仪器与生物芯片接口将包括一个或多个这些子系统，取决于微流体驱动和要在该生物芯片中执行的一系列处理。在此处的示例的情况下，生物芯片和仪器的接口是气动、电、光学、和机械的，如下：

气动子系统接口。

该气动子系统通过气动歧管耦合至该生物芯片。图18示出示例5的生物芯片的气动歧管区域，且包括一系列气动端口，位于气动板的顶部侧面上。五种类型的端口被结合在气动接口：

低流量驱动。使用低流量端口来提供气动用于阀的激活和驱动流体通过生物芯片。

高流量驱动。使用高流量端口来提供处理所需的空气，所述处理诸如是通过冒泡和干燥提纯薄膜来搅动，需要高达19SLPM的流量。端口尺寸被放大来最小化压力降。

高压驱动。使用该端口来提供用于筛基质填充所需的高达400psig。

冷凝端口。通过仪器内机械泵产生的冷凝可任选地被通过气动接口被驱动至生物芯片的腔室内。

仪器测试端口。测试端口可被结合至仪器气动系统的用于测试的气动歧管内，并确定仪器的气动歧管与生物芯片的气动歧管的对齐。

气动端口被置于阵列中，具有34个低流量端口和7个高流量端口。部分地基于以下考虑选择这个气动歧管的位置：

最小化接口位置的表面积。气动接口区越是紧凑，注模过程中的局部收缩和扭曲就越少影响到接口，从而允许改进的对齐。

将所有气动端口收集在单个接口位置。采用这个方法来简化仪器，对于被加固且可在实验室外被使用的系统而言这是一项优势。一般，单个接口将被放在生物芯片覆盖面积的中间，不过也可位于生物芯片的端部。可选地，将多个接口分布在生物芯片上。在示例5和6的生物芯片中，气动端口位于一个位置的中间来允许仪器和生物芯片之间的紧凑耦合点。相比具有分散的端口或所有端口位于生物芯片的极端部，歧管的这个组织和放置简化了生物芯片内气动线的路径安排。这还增加了歧管与气动端口之间的对齐的容限，并且简化了仪器内气动管道的路径安排。

基于特征密度的在生物芯片上的端口的位置-在流体和气动板上存在特征密度较低的区域。最佳的是可能时将气动歧管放在这些区域中。一般而言，生物芯片上空间的最佳利用（即，所有微流体和宏流体特征的合理封装）对于最大化给定尺寸的生物芯片的特征密度和处理复杂度而言是重要的。在示例5和6的生物芯片中，气动端口位于气动层的顶部侧上。类似地，气动端口还可位于流体层的底部侧上且可通过芯片夹持件被耦合至该仪器。端口的准确位置由特征密度、功能用途、和易于设计方面被确定。在示例5和6的生物芯片中，热循环区位于流体子组件的底部侧，要求来自上述的夹持压力来建立与热循环仪的充分的热接触。相应地，位于中间的气动端口位于气动子组件的顶部侧，以使单个夹持机制可用于同时与生物芯片热力地且气动地交互。

封闭系统—如上所述，本发明的生物芯片是封闭系统，从而所有液体在处理过程中以及处理后位于该生物芯片中。通气薄膜（如示例2中所述）被用于阻碍流体不经意地从生物芯片流入仪器的气动歧管中。

作为气动流和气动歧管的说明，将对于驱动示例5的“裂解步骤”给出宏流体处理子系统中流体的方法。为了实现这个步骤，裂解驱动线DL1（图39,68）被激活来驱动裂解液从裂解试剂腔室（图39,20）进入拭子腔室（图39,19）。处理控制器激活仪器上的螺线管继电器，螺线管继电器将所期望的压力施加在气动接口的驱动线DL1端口上（图39，20）。空气通过位于DL1端口的气动接口（图18，301）处、以及气动板的气动通道（图18，302）被驱动至气动板中的微流体接口端口（图19，303）。这个接口端口引导气动驱动压力通过宏流体处理块中的气动通道（图47，26）并进入宏流体处理子组件的盖（图48，27）。该盖进而沿通道（图48和53，304）将气动驱动引导至裂解试剂腔室（图47，20）。总之，所得到的步骤是将裂解试剂从裂解试剂腔室通过流体子组件，且最终，至拭子腔室（图20，20）。

类似地，如果腔室中的试剂如示例1中所示地由箔片密封，则气动驱动被施加在两步骤动作中，其中第一部步骤是产生脉冲来破裂箔片、且第二步骤类似于上述非-RSR说明。

高压子系统接口

高压子系统通过一组电极销和线束耦合至该生物芯片。可选地，还可制造一组被蚀刻的薄金属电极。在这个设置中，通过压入配装在生物芯片中，电极销被插入阳极和阴极。电极销与位于气动子组件顶部的电极条做出接触，且也可通过压入配装被插入。通过位于该仪器上的一组弹簧压载的电极，这个电极条耦合至该仪器。该电极条是由铍铜合金（BeCu）制成，这是一种可被制造成多种组件的高性能金属。其机械和电性质使其成为EMI/RFI屏蔽产品的理想材料。还可由其他材料制造这个电极条。

光学子系统接口

如专利申请系列号Nos.12/396,110、被公开为2009/00229983、名为"Ruggedized Apparatus for Analysis of Nucleic Acid and Proteins"，和专利申请系列号12/080,745、被公开为2009/0020427、名为“Plastic Microfluidic Separationand Detection Platforms”两者中所描述地，且这两者通过参考并入此处，激光器通过芯片夹持件中的开口被耦合至气动-阀-流体叠层（示例5和6）的分离与检测窗口。使用一组光电二极管以便能在分离与检测生物芯片中的各道（lanes）中找到道。

热子系统接口

热循环仪和生物芯片被放置为使得热循环腔室位于TEC元件中间，如申请系列号12/080,746、公开为2009/0023603、名为“Methods for Rapid MultiplexedAmplification of Target Nucleic Acids”中所描述地那样，该专利通过参考并入此处。要求90lbs的夹持力来获得热循环腔室与TEC之间的良好接触从而准确地产生温度循环曲线。通过夹持臂和硅树脂板的压缩产生夹持压力。夹持臂施加下推所要求的压力在该硅树脂板上。

进行实验来评估有效热转移所需要的夹持力。使用气动激活的圆柱体（图21，305）来施加受控力在PCR生物芯片上（图21，401）。在力的每一个值，根据标准协议进行PCR（参见，See,Giese,H.,等(2009)."Fast multiplexedpolymerase chain reaction for conventional and microfluidic short tandem repeatanalysis."J Forensic Sci 54(6):1287-96，通过参考并入此处），且分析STR曲线。数据显示，在低于75lbs的力处，产生了不一致的STR曲线。当施加高于75lbs的力时，观察到一致且有效的放大（图22）。

分离与检测子组件耦合至芯片夹持件上的加热器以维持50°C的温度。温度均匀性是重要的，且生物芯片在加热器板上的夹持有助于温度均匀性的建立与维持。

机械对齐

为了将所有的生物芯片与仪器接口对齐，该生物芯片被放置在该仪器的芯片夹持件上，该夹持件包含一组机械对齐导件。这些导件在±0.020”范围内的生物芯片的接口特征与该仪器的对齐。该导件将该芯片对准位于气动板边缘附近的三个位置、靠近角落来定位起点与走向。在这个配置中，导件具有切口以仅定位面对气动层（这最小化了流体和气动板层之间的略微不对齐的任何效果）。

示例4.CNC-加工的生物芯片，接收并混合DNA与PCR试剂，且对于十六个样本在17分钟内同时进行16-路扩增反应

图23的PCR生物芯片401模制为片状形式且被成功地测试用于快速多路PCR。该生物芯片是25mmx75mmx1.1mm厚。如Giese,H.,等(2009)."Fastmultiplexed polymerase chain reaction for conventional and microfluidic shorttandem repeat analysis."J Forensic Sci 54(6):1287-96中所描述地，该系统允许对来自人体DNA（6pg的DNA，基本是检测的单副本极限）的单个基因组等价物的STR片段上的多路扩增。

基于这个结果，生物芯片（覆盖面76.2mmx127mm）被设计且由CNC-加工来制造。流体层1（图24,403）和流体层2（图25，404）、气动层1（图26，405）和气动层2（图27，406）由CNC加工从热塑板制成。通过将流体层1（图24,403）、流体层2（图25，404）和未图案化的薄热塑膜组装并热粘接，制成流体子组件（图28，407）。通过热粘接气动层1（图26，405）、气动层2（图27，406）制成气动子组件（图29，408）。通过将流体子组件（图28，407）粘接至气动子组件（图30，409）并结合如示例2中所描述的弹性、常开阀子组件，制成生物芯片组件（图30，409）。

为了测试该生物芯片，制备足够用于16个样本扩增的160微升PCR试剂主混合物，并将其插入CNC-加工的生物芯片的主混合物试剂盒（图28，410）中。9.3微升的DNA（总模板1ng）被插入每一个样本孔（图28，411）中。该生物芯片被连接至气动/热循环仪器中（图31）。进行具有如下步骤的自动脚本：

·初始化。所有阀是关闭的。

·排列样本和试剂。通过对驱动线DR（图28，419）施加1psig，PCR试剂被气动地驱动进入生物芯片的PCR计量腔室中（图28，412）。计量9微升体积的主混合物。通过对驱动线DS（图28，418）施加1psig，每一个道的样本被排列在通气薄膜处。

·移除多余的PCR试剂。通过打开阀WV（图28，413）和对驱动线DR（图28，419）施加1psig，使多余的PCR主混合物流入试剂废弃物腔室（图28，414），藉此从分配通道移除多余的PCR主混合物。通过关闭阀WV（图28，413）封闭试剂废弃物腔室（图28，414），且使得驱动线DR（图28，419）不活动。

·移动试剂进入联结腔室（JC）。通过打开阀RV（图28，416）并对DR（图28，418）施加1psig的气动驱动压力达30秒，PCR主混合物被气动地驱动进联结腔室（图28，415）。试剂阀RV（图28，416）被关闭且使得DR（图28,418）不活动。

·移动样本进入联结腔室（JC）。通过打开阀SV（图28，415）并对DS（图28，419）施加1psig的气动驱动压力达30秒，样本被气动地驱动进联结腔室（图28，415）。样本和PCR主混合物在联结腔室中被联结在一起来形成PCR溶液。阀SV（图46，415）被关闭且使得驱动线DS（图46，419）不活动。

·移动PCR溶液进入混合腔室（MC）。通过打开阀JCV（图28，420）和RV（图28，416）并对DR（图28，418）施加1psig的压力达30秒，PCR溶液进入混合腔室（图28，421）。

·将样本与试剂混合。通过打开阀RV（图28,416；阀JCV已经被打开）且对于DR（图28，418）施加从0-15psig线性增加然后从15-0psig的驱动力（超过30秒），将PCR溶液驱动至空气腔室AC（图28，422），藉此进行相互混合。这被重复2次。阀JCV（图28，420）和RV（图28，416）被关闭且使得DR（图28，418）不活动。

·移动PCR溶液进入PCR腔室（PC）。通过打开阀PV1（图28，424）、PV2（图28,425）、JCV（图28,420）和RV（图28，416）并对驱动线DR（图28，418）施加0.5psig的压力达30秒，将PCR溶液移动至PCR腔室（图28，423）。阀PV1（图28，424）、PV2（图28，425）、JCV（图28，420）和RV（图28，416）被关闭。

·热循环。阀PV1(图28,424)和PV2(图28,425)被关闭，且进行需要17分钟的具有28个循环方案（cycle protocol）的热循环。

·取回PCR产物。阀OV1(图4.6,426),PV1(图28,424),PV2(图28,425),JCV(图28,420)和RV(图28,416)被打开。使用移液器尖头来从端口OP(图29,427)取回PCR产物。从16个生理样本中取回PCR产物。

结果。随着脚本的执行，从每一个通道中移除、且在Genebench上分离并检测PCR反应。图32中示出这个反应的代表性STR曲线。

示例5完全集成的生物芯片的CNC加工，该生物芯片使用自动脚本提纯核酸、扩增经提纯的NDA、电泳分离经扩增的DNA并产生STR曲线

接收5个口腔拭子并产生STR曲线的静止、单体塑料生物芯片包括如下零件：

流体子组件—这个子组件在生物芯片中转移并处理流体、与气动子组件、宏流体处理子组件、阀子组件、和分离与检测子组件交互。通过在COP板的顶部和底部侧上用CNC加工出一组互连的通道和腔室，来制造该流体子组件的流体板。该流体板具有尺寸276mmx117mmx2.5mm。图33示出流体板1的顶部侧、图34示出流体板1的底部侧、且图35示出流体板1的透明视图，示出从两个侧面所见的特征。通过加工具有2.5mm厚度的注模坯件，来制造经CNC-加工的流体板。该板的顶部侧和底部侧由图案化的薄塑料膜所覆盖。图36示出顶部图案化薄膜2且图37示出底部图案化薄膜3；该薄膜具有100微米厚度。在流体板的顶部和底部均有特征的优势在于，仅需要一个流体板用以组件（不然需要两个板）。一般而言，最小化组件中的板的数量是主要优势，其使得零件的对齐更直接可靠，最小化了不同的扭曲和收缩的效应、且藉此允许在减少的成本的更有效的组装。

该生物芯片中的通道可被表征如下：1)样本处理通道。每一个待分析的口腔拭子对应于进行DNA提纯、PCR扩增、分离与检测、以及被要求进行这些核酸操作的所有处理步骤的一组独特通道。对于每一个样本而独特的一组通道并不与其他样本的各组通道相通。换言之，样本之间通道并不相通且各通道并不共享涉及其他样本的腔室（阳极腔室外的）、过滤区、或薄膜区，藉此保持每一个样本的纯度并避免疏忽的样本混合或交叉污染。特定气动驱动线分流为同时驱动多个样本，但是气动地完成该驱动，保持每一个样本的整体性。另外，每一个样本的一组独特通道是封闭的路径；仅来自气动驱动线的空气进入该生物芯片，且仅通过通气薄膜的空气离开该生物芯片—液体试剂由生物芯片提供且液体不离开该生物芯片。图38示出单个样本通过流体板的路径4。图39示出这个路径4通过提纯区5的展开视图，图39示出这个路径4通过扩增区6的展开视图，且图41示出这个路径4通过分离与检测区7的展开视图。重要的是注意电泳的方向与提纯和扩增的方向相反。通过将样本通过到就在下方的分离与检测层的流体层中的通孔，来帮助这个方向变化。2)胶状物处理通道。使用这些通道，在分离与检测的准备中用筛基质和缓冲液填充该分离与检测子组件。即，从共同的试剂箱填充该通道。在提纯、扩增、和预先电泳完成后，每一个分离通道经由对于样本特定的阴极来接收独特的样本。每一个样本具有独特的阴极腔室和分离通道，且所有的样本共享单个阳极腔室，电泳试剂通过该阳极腔室被装载。

流体板包括特定的过滤区、提纯薄膜区、和若干类型腔室，包括计量腔室、重构腔室、混合腔室、联结腔室、废弃物腔室、和阴极和阳极腔室。这些腔室和区域同通道对齐且具有由所需要的功能所确定的形状与尺寸。例如，试剂计量腔室（图40，8）被表征为不同的尺寸和体积，其大于阴极腔室（图41，9）或重构腔室（图40，10）。

这些通道、腔室、和过滤与薄膜区被覆盖，在这个情况下，是通过粘接薄热塑膜（CNC-加工的或注模的板也可形成盖）被覆盖的。薄膜-流体层-薄膜的夹层用术语表达为“流体子组件”。

这些膜本身已经由CNC加工图案化，且本发明的薄膜还可由包括冲切、或钻孔和激光切割在内的数种工艺图案化。这些薄膜具有包括通孔在内的特征，该通孔与CNC加工的流体层上的相应特征对齐从而提供至流体层的特征的通路。例如，样本从流体层通过底部图案化的薄膜上的通孔到达分离与检测子组件。在将顶部和底部薄膜粘接至板前，还结合有附加元件，用以包括微粒过滤（图39，11）、DNA提纯（图39,12）、和通气（图41，13）的功能。通过热力地完成将图案化薄膜粘接至流体板，不过还可超声地、用溶剂、且使用粘合剂，来执行。可增加板和膜上的特征来帮助粘接方法；例如，可将能量引导器脊放在超声焊接的位置处。

气动子组件-这个子组件将该仪器的气动驱动（如示例3中所描述的）耦合至流体子组件、宏流体处理子组件、阀子组件、和分离与检测子组件，从而气动地驱动该生物芯片中的流体和激活该生物芯片中的阀。通过对位于COP板两侧中每一侧上的互连的一系列气动驱动线进行CNC加工来制造这个子组件。一些驱动线是对于样本特定的且其他涉及诸如胶状物填充之类的对于样本不特定的功能。图42示出气动板14的顶部侧、图43示出气动板14的底部侧、且图44示出气动板14的透明视图，示出两个侧面上的特征。该气动板具有尺寸276.7mmx117.3mmx2.50mm。通过加工具有2.5mm厚度的注模坯件，来制造经CNC-加工的气动板。该气动板的顶部侧覆盖有图案化的薄的塑料膜15（图45）。气动板的底部侧覆盖有完整无缺的薄膜16，且这个膜的特定区在粘接之后被切割（图46）从而允许从阀组件通到该板。图案化和未图案化的薄膜均具有100微米的厚度。可在粘接前（如在顶部气动膜的情况下）或粘接后（如在底部气动膜的情况下）切割图案。选择在粘接后图案化的步骤的理由是，因为在粘接后易于移除较大的切割区。通过热力地完成将薄膜粘接至气动板，不过还可超声地、用溶剂、和使用粘合剂，来执行。可增加板和膜上的特征来帮助粘接方法；例如，可将能量引导器脊放在超声焊接的位置处。最后，气动板还可具有流体特征，反之亦然。这可能是有用的，例如如果，流体板上的特征饱和，且气动板仍有可用空间。在这个情况下，由于气动板在整个生物芯片中的位置以及气动板的大部分特征是气动的这样的事实，气动板仍被称为气动板。不论它们的位置，气动线和通道仅包含空气。反之，流体特征可包含液体和空气。

薄的塑料膜中的特征包括通孔，该通孔与CNC加工的气动层上的相应特征对齐来提供至气动层的直接通路、或是经由气动层至流体层的间接通路。例如，宏流体处理子组件的腔室中的试剂，在往流体子组件途中，流过气动子组件（薄膜和气动板）。通过热力地完成将图案化薄膜粘接至气动板，不过还可超声地、用溶剂、和使用粘合剂，来执行。

阀子组件-这个子组件位于气动子组件和流体子组件之间。其包括弹性材料，该弹性材料当被气动地激活时，将变形，藉此停止流体层中的流体（包括空气）流动。该子组件包括可被偏转的弹性膜，不过示例2中描述的任意阀子组件可被结合。

气动-阀-流体的叠层-通过组装气动子组件、阀子组件、和流体子组件、且将叠层热粘接在一起，制成这个子组件。通过将通气薄膜（图44,17）放置在流体子组件（图35，13）的通气特征、和气动子组件的对应特征之上，通气薄膜被结合至这个子组件中。该通气薄膜形如单个条，被用于同时覆盖多个样本的通气特征。一个通气薄膜条被应用于覆盖很多通气区域。一般而言，零件数量的减少允许易于组装，不论是手动或自动。两个子组件的粘接还可热、超声地，用溶剂、且使用粘合剂，来执行。可增加板和膜上的特征来帮助粘接方法；例如，可将能量引导器脊放在超声焊接的位置处或附加结合层可被用于帮助热粘接。

宏流体处理子组件—这个子组件包括两个主要元件：宏流体块和盖。这个子组件接收样本、提供试剂至该生物芯片、并用作微流体和宏流体量和处理之间的接口，如申请系列号12/699,564、名为"Nucleic Acid Purification"中进一步描述的，其通过参考并入此处。图47示出宏流体块18，其带有拭子19、裂解液20、乙醇21、洗出溶液22、和洗提溶液23的试剂腔室，和用于裂解物保持24、洗提均质化25的流体处理腔室，空气58、TTE59、和甲酰胺60的腔室。块的尺寸是102.8mmx50.5mmx74.7mm。宏流体块使用0.14-3.0ml的体积且与气动子组件和盖交互。块的侧部包括气动驱动线26；这些源自气动子组件的气动接口并穿过其到块。从该块，驱动线穿至盖。尽管包括在这个示例5中描述的实施例在内的一些实施例，包含宏处理子组件，不是根据此处描述的技术的所有生物芯片包括宏处理子组件。例如，DNA样本或提纯的细胞可被诸如包括气动子组件和由阀子组件连接的流体子组件的生物芯片中。

图48-54示出该盖。该盖包括三层。图48示出盖层127的顶部，图49示出盖层127的底部，且图50示出盖层127的透明示图。图51示出盖层228。图52示出盖层329的顶部，图53示出盖层329的底部，且图54示出盖层329的透明示图。所组装的盖的尺寸为50.8mmx118.4x4.5mm。该盖用于将气动驱动线从块的侧部带至宏流体腔室的顶部来帮助试剂转移、气泡、和流体处理。该盖还具有与拭子腔室30和洗出液保持腔室31相关联的通气特征。通气薄膜将腔室隔离，其中它们不允许流体逸出同时允许空气逸出至正常压力。这还用于将拭子保持到位。任选地，拭子帽或盖可结合锁定机制来将该样本保持到位。

通过CNC加工热塑材料来制造该宏流体块和盖组件。可选地，可通过注模和压缩注模与挤压来制造这些零件。为了模制，宏流体处理块长宽比大于2，且小于1°C的斜度角被结合至设计中。通过使用衬垫和螺丝的夹持，该宏流体块被附连至该盖。使用双侧PSA，该块被附连至气动子组件。可选地，通过溶剂和热粘接可制成块附件。

宏流体处理的附加方法，在共同待审的申请系列号12/699,564、名为"Nucleic Acid Purification”中所描述，且该专利通过参考并入此处。宏流体处理组件为生物芯片的应用提供很大的（substantially）柔性。基于所执行的样本处理的类型，可易于修改液体试剂和它们的体积。可修改拭子腔室来接收各种样本，包括不同类型的拭子、血液样本、和环境样本。在特定环境下，采用对于气动-阀-流体叠层的最少改变可做成这些变化；例如，仅改变叠层中的冻干的块状物可允许将在不同样本类型上执行的完全不同的扩增试验。

分离与检测子组件—这个子组件被用于核酸的分离与检测，且包括16个微通道，每一个微通道具有注入和分离部分。在塑料生物芯片中的分离与检测的详细描述在申请系列号12/080,745,、公开为2009/0020427、名为"PlasticMicrofluidic Separation and Detection Platforms"中可找到相似描述，该专利通过参考并入此。样本注入的两种方法已经被使用，压力加载和交叉注入（crossinjection）。图55示出用于压力注入的分离与检测生物芯片32。通过将分离与检测的样本气动地驱动至动电注入的分离柱（separation column）的起点，来完成此举。对于所有通道而言，阴极和阳极之间的分离通道的截面积尺寸（90微米宽且40微米深）和通道的长度（24cm）是一样的。通过在薄热塑板上压印来制成这个子组件。可选地，通过挤出或注模制成该组件。在被压印的板中制造通孔来提供从微流体子组件至通道的通路。通过在通道上粘接薄的热塑板来覆盖这些通道。

图56示出将用于分离与检测的样本动电传输至动电注入的分离柱的起点处的交叉注入的分离与检测生物芯片33。该生物芯片的尺寸是77.7mmx276mmx376微米。对于所有通道而言，阳极和交叉注入件（cross-injector）之间的分离通道的截面积尺寸（90微米宽且40微米深）和通道的长度（25cm）是一样的。在这个子组件中，16个通道中的六个是活动的。每个通道的分离长度（交汇和激励/检测窗口之间的距离）是从16到20cm长。阴极壁和注入件之间的通道的截面积被调整，以使阴极和交汇之间的所有电阻、和因此的电场在偏压下基本相同。这确保了，无论样本被载入哪一个分离通道，样本所经历的电场是一样的。所有通道的交汇处电压是基本相同的。样本注入的样本入口通道和样本废弃物臂都是2.5mm长。两个通道之间的偏移是500微米。通过在薄热塑板上压印来制成这个子组件。可选地，可通过挤出或注模制成该组件。在被压印的板中制造通孔来提供从微流体子组件至通道的通路。通过溶剂粘接另一个薄的热塑板来覆盖各通道。可选地，可通过热粘接或热辅助的溶剂粘接连接板。

使用粘合带，分离与检测子组件（无论是压力装载或交叉注入的形式）被附连至流体子组件，且这些子组件被取向为在分离与检测生物芯片中流动的核酸被引导至于NA提纯与扩增相关的方向。换言之，核酸以与提纯与PCR扩增过程中流体的大多流量相反的方向在分离与检测子组件中进行通过。通过使用子组件的相反侧实现的反向允许复杂的生物芯片具有极大地减少的长度。图57示出如何将所有的层—宏流体盖27、28、和29；宏流体块18、具有顶部和底部膜13、15、和16的气动层；阀子组件层；具有顶部和底部膜1、2、和3的流体层；以及分离与检测生物芯片32或33层叠在一起从而形成生物芯片。图58是生物芯片组件34的照片，箭头示出处理流的方向。

参看图39和41，为了进行生物芯片上的处理，测试前，下述试剂被加载至宏流体处理子组件中：

·裂解液（图39，20），550微升-离液盐基的试剂，用于裂解细胞并从样本中释放DNA。

·乙醇（图39，21），550微升-与裂解液仪器，裂解细胞并帮助DNA结合至基于二氧化硅的提纯过滤器。

·水溶液（图39，22），3ml-基于乙醇的试剂，用于清洗该提纯过滤器从而移除蛋白质和其他生理材料来产生纯的DNA。

·洗提溶液（图39，23），300微升-基于Tris-EDTA的试剂，其将提纯的DNA从提纯过滤器中释放并稳定该DNA。

·TTE缓冲液（图41，58），1.6ml-基于Tris-Taps-EDTA的试剂，用于电泳。

·甲酰胺（图41，59）150微升-改性溶液，用于稀释PCR产物来制备样本用于分离与检测。通过以约1:4（从1：50到1：1.5）来混合样本和甲酰胺，没有必要执行加热或快速冷却来实现改性。除去常规的加热/冷却步骤简化该仪器。

参看图40和41，测试前，下述冻干试剂被加载至流体子组件中：

·PCR块状物，图40,10—冻干的PCR反应混合物。

·内道（尺寸）标准（ILS）块状物，图41，35—冻干的DNA片段，被荧光地标签来允许扩增的片段的电泳迁移率与分子量相关。

这个方法的优势在于，所有冻干的试剂位于一个子组件中。当填充冻干块状物的条件（低湿度且静态）相比填充液体的条件有极大不同且要求更高时，这允许改进的供应链管理。因此，液体和冻干试剂可被分别地且并行地填充。任选地，包含等位基因梯和ILS片段的冻干块状物可被插入顶部块状物腔室35用于进行STR分析。

测试前，以下试剂被加载在生物芯片的分离与检测部分中：

·筛基质（图55,36和图56,36）—高分子量线性聚丙烯酰胺溶液，用于DNA的电泳筛分。

该生物芯片被插入单个、完全集成的仪器中，该仪器包含下列子组件（图59），如美国专利申请系列号12/396,110,名为Ruggedized Apparatus for Analysisof Nucleic Acid and Proteins,公开为2009/0229983(见，比如段65-76);美国专利申请系列号12/080,746名为Methods for Rapid Multiplexed Amplification ofTarget Nucleic Acids,公开为2009/0023602(见，比如段54和56-67):美国专利申请系列号12/080,751名为Integrated Nucleic Acid Analysis,公开为2009/0059222(见，比如段139-144)；美国专利申请系列号12/080,745,名为Plastic Microfluidic Separation and Detection Platforms,公开为2009/0020427(见，比如段95)中所描述的，所有专利通过参考全部并入此处。该子系统包括：

气动子系统-气动和真空泵通过一组槽（tank）和电磁阀被连接至气动歧管（图44,61，如示例4中所描述）。这个歧管，通过气动接口，进而连接至生物芯片的气动端口。电磁阀由处理控制器所控制。

热子系统-基于珀耳帖的热循环系统耦合至生物芯片的热循环腔室（图35，62）来快速地循环这些通道中的反应。如示例4中所提到的，夹具施加压力至扩增区从而允许与热循环仪的充分热传递。反应温度和停留时间受控于处理控制器。

高压子系统-高压电源耦合至分离生物芯片的阳极（图55，63）和阴极（图55,64）部分。注意，阳极电极穿过阳极部分（图44,65和图35,65）处的气动和流体板，且阴极电极被结合在流体板和气动板中的阴极部分内（图44,66和图35,66）来获得到分离与检测生物芯片的通路。施加高压产生沿通道的电场以实现预先电泳、样本注入、和分离与检测。该高压子系统受控于处理控制器。

光学子系统—光学系统耦合至位于生物芯片内的分离与检测生物芯片的激励与检测窗口（图55,67和56,67）。注意，光通过气动和流体板上的开口窗（参看图44,38和图35,37）。光学系统包括被用于从分离通道中被标签的DNA片段中引起荧光的激光器。使用一组分色镜来分离荧光的波长组分。使用一组光电增倍管来检测荧光信号。使用一组光学组件来在激光器和分离与检测生物芯片之间、分离与检测生物芯片与检测器之间传递光（激光激发和发射的荧光）。该光学子系统受控于处理控制器。

处理控制器—基于计算机的控制器，可接收预先定义的处理脚本并通过读取脚本以及相应地控制各子系统自动地实现该脚本。注意，计算机还可按需执行数据处理和数据分析。

可如下执行从样本输入到结果输出的处理。从施主处收集五个拭子。通过将Bode Secur-拭子的头部压向脸颊内部（像制造者教导的那样）来收集拭子。5个拭子的每一个被插入生物芯片的拭子腔室中的一个，该生物芯片被置于仪器内，且初始化自动处理脚本来实现从拭子输入到结果输出的分析。进行具有如下步骤的自动脚本：

·初始化。通过在阀线上施加压力来关闭生物芯片上的所有阀。用20psig的压力致动示例5中的阀来关闭并被通气至大气来打开。例外是阀V3（图39，41），通过施加-11psig的真空，该阀被维持在打开位置。为了简化，基于阀相对于气动板的位置（即使阀实际位于阀组件中）来做出阀的附图标记。

·裂解。通过打开阀V1（图39，39）并对于驱动线DL1（图39,68）施加3psig的压力达30秒且然后施加5.5psig压力达60秒，来从裂解试剂腔室（图39，20）气动地将550微升的裂解液装载至拭子腔室（图39，19）。阀V1（图39，39）被关闭且使得驱动线1（图39，68）不活动。通过打开阀V2（图39，40）并对于驱动线2（图39,69）施加5.5psig的压力达30秒，来从乙醇试剂腔室（图39，21）气动地将550微升的乙醇装载至拭子腔室（图39，19）。

·混沌起泡。通过打开阀V2（图39，40）并对驱动线2（图39，69）施加5.5psig的气动驱动压力达30秒，空气被气动地驱动进拭子腔室（图39，19）。阀2（图39，40）被关闭且使得驱动线2（图39，69）不活动。被驱动至拭子腔室的空气通过裂解液起泡，这混沌地将裂解试剂和拭子头搅动。这裂解了细胞并释放了DNA。

·排列。通过将阀V3（图39,41）保持在打开位置同时向驱动线3（图39,70）施加-7psig的真空达30秒来传递该裂解物，裂解物从拭子腔室（图39，19）被拉出通过特定过滤器（图39，11）进入保持腔室（图39,24）。阀3（图39，41）被关闭且使得驱动线3（图39，70）不活动。

·NDA结合。通过打开阀V4（图39,42）和一组阀V5（图39,43）并施加5psig的压力至驱动线DL3（图39,70）达60秒，来自保持腔室（图39，24）的裂解物被气动地驱动通过提纯过滤器（图39，12）并进入拭子腔室（图39,19）。阀V4（图39，42）和V5（图39，43）被关闭且使得DL3（图39，70）不活动。裂解物中的DNA被结合至提纯过滤器（图39,12）。注意，在裂解物的产生和处理之后，该拭子腔室还用作废弃物腔室；这个双重用途消除了在宏流体块上另一个较大体积腔室的需要。如果期望留存裂解物，则来自每一个样本的分开的废弃物腔室可任选地被包括。

·洗涤。通过打开阀V5（图39,43）和V6(图39,46)并向驱动线DL4（图39,71）施加13psig的气动压力达90秒，洗涤溶液从洗涤试剂腔室（图39,22）通过提纯过滤器（图39,12）被气动地驱动至拭子腔室（图39,19）。阀V5（图39，43）和V6（图39，46）被关闭且使得DL4（图39，71）不活动。3ml的洗涤溶液流过提纯过滤器来移除污染和来自被结合的DNA的特定碎片。两个附加洗涤允许清洁相邻通道。

·干燥。通过打开阀V5（图39,43）和V6（图39,46）并向驱动线DL4（图39,46）施加13psig的压力达185秒，空气从提纯过滤器（图39,12）被气动地驱动出来并进入拭子腔室（图39,19）。阀V5和V6被关闭且使得DL4（图39，71）不活动。空气部分地到完全地干燥了提纯过滤器。

·洗提。通过打开阀V6（图39,46）、V7（图39，45）、和V8（图39,47）并向驱动线Dl5（图39,72）施加5psig的压力达120秒，洗提缓冲液从洗提试剂腔室（图39,23）被气动地驱动通过提纯过滤器（图39,12）并进入洗提保持腔室（图39，25）。阀V6（图39,46）、V7（图39,45）、和V8（图39,47）被关闭且使得DL5（图39,72）不活动。300微升的洗提缓冲液穿过提纯过滤器（图39,12）来释放被结合至该提纯过滤器的经提纯的DNA。

·均质化。通过打开阀V6（图39，46）、和V8（图39,47）并对驱动线DL4（图39，71）施加5psig的气动驱动压力达60秒，空气被气动地驱动进洗提保持腔室。阀V6（图39，46）和V8（图39，47）被关闭且使得DL4（图39，71）不活动。被驱动至该洗提保持腔室的空气通过洗出液起泡来搅动并均质化洗出液中的DNA。任选地，如果期望留存经提纯的DNA的样本，洗出液的一部分可被引导至存储腔室或位于存储过滤器上。

·洗出液计量。通过打开阀V10（图39,48）并向DL6（图39，73）施加1psig的压力达40秒，洗出液被从洗出液保持腔室（图39,25）气动地驱动至洗出液计量腔室（图40，8）。阀V10（图39，48）被关闭且使得DL6（图39，73）不活动。每一个洗出液填充计量腔室并停止在通气薄膜处。通过打开阀V10（图39，48）、和V11（图40,50）并对驱动线DL7（图40，49）施加2psig的压力达25秒，过量洗出液被气动地驱动回到洗提保持腔室。阀V10（图39，48）和V11（图40，50）被关闭且使得DL7（图40，49）不活动。

·重构PCR块状物。通过打开阀V11（图40，50）、和V12（图40,51）并对驱动线DL7（图41，49）施加2psig的压力达25秒、然后0.4psig达30秒、然后0.6psig达60秒，洗出液被气动地从洗出液计量腔室（图40,8）驱动至PCR块状物腔室（图40,10）。阀V11（图40，50）和V12（图40，51）被关闭且使得（图41，49）不活动。20.5微升的所计量的洗出液被传递来重构包含冻干PCR反应混合物的块状物从而为扩增产生PCR混合物。

·传递至热循环腔室。通过打开阀V11(图40,50),V12(图40,51),V13(图40,52),和V14(图40,53)，并向驱动线DL7（图40,49）施加逐渐增加的驱动压力测序，首先0.2psig达30秒、然后0.4psig达30秒、然后0.6psig达30秒，PCR反应混合物从块状物腔室（图40,10）被气动地驱动至热循环腔室（图40，62）。阀V11(图40,50),V12(图40,51),V13(图40,52),和V14(图40,53)被关闭且使得DL7（图40，49）不活动。PCR反应混合物被传递至热循环腔室且停止在排列通气薄膜处。

·热循环。三十一个循环方案被施加来在热循环腔室（图40,62）循环该反应物从而产生加标签的扩增子。（见See,Giese,H.,等(2009)."Fast multiplexedpolymerase chain reaction for conventional and microfluidic short tandem repeatanalysis."J Forensic Sci 54(6):1287-96,和申请测序号12/080,746,公开为2009/0023603,名为"Methods for Rapid Multiplexed Amplification of TargetNucleic Acids,"两者均通过参考并入此处）。循环条件如下：热启动93℃x20秒，接着是以下的31个循环(93℃x4秒,56℃x15秒,以及70℃x7秒)接着是最后扩展（extension）70℃x90秒。

·计量PCR产物。通过打开阀V11(图40,50),V12(图40,51),V13(图40,52),V14(图40,53)、和V30(图41,111)，并向驱动线DL7（图40,49）施加逐渐增加的驱动压力测序，首先0.2psig达30秒、然后0.4psig达30秒、然后0.6psig达45秒，PCR产物从热循环腔室（图40,62）被气动地驱动至PCR计量腔室（图41，74）。阀V11(图40,50),V12(图40,51),V13(图40,52),V14(图40,53)、和V30(图41,111)被关闭且使得DL7（图40，49）不活动。PCR产物流入计量腔室并停止在通气薄膜处。

·计量甲酰胺。通过向驱动线DL8（图41,75）施加1psig的压力达50秒，甲酰胺从甲酰胺试剂腔室（图41，60）被气动地驱动至甲酰胺计量腔室（图41,76）。使得驱动线DL8（图41，75）不活动。在这个步骤中，第六个甲酰胺的体积被计量（图41,77），用于重构块状物来产生对照样本。甲酰胺流入计量腔室并停止在通气薄膜处。通过打开阀V15（图41,54）并向驱动线DL8（图41,75）施加3psig的压力达180秒，过量的甲酰胺从甲酰胺腔室被气动地驱动至废弃物腔室。阀V15（图41，54）被关闭且使得DL8（图41，75）不活动。所有的过量甲酰胺试剂腔室和驱动线被转移至废弃物腔室。

·结合PCRC产物与甲酰胺。通过打开阀V18(图41,57),V17(图41,80)和V20(图41,81)并向DL9分别施加0.2、0.3、0.4、和0.5psig达30、30、30、和30秒的这样的4个步进驱动曲线，所计量的PCR产物从PCR计量腔室（图41,74）被气动地驱动至联结腔室（图41,78）。阀V18(图41,57),V17(图41,80)和V20(图41,81)被关闭且使得DL9（图41,79）不活动。通过打开阀V16(图41,55)和V20(图41,81)并向驱动线DL8（图41，75）施加渐增的0.2、0.4、和0.6psig的压力达30、30、和60秒，所计量的甲酰胺从甲酰胺计量腔室（图41,76）被气动地驱动至联结腔室（图41,78）。阀V16（图41，55）和V20（图41，81）被关闭且使得DL8（图41，75）不活动。联结腔室允许源自两个独立流的所计量的PCR和所计量的甲酰胺被组合来形成用于分离与检测的样本。

·重构ILS块状物。通过打开阀V16(图41,55)和V19(图41,56)、并且向驱动线DL8(图41,75)施加0.2、0.4、和0.6psig的渐增压力达30、30、和60秒，用于分离与检测的样本被气动地驱动至ILS块状物腔室（图41,35）。阀V16（图41，55）和V19（图41，56）被关闭且使得DL8（图41，75）不活动。包括4.1微升的PCR产物和16.4微升的甲酰胺的用于分离与检测的样本，在腔室中重构了ILS块状物用于产生分离与检测样本。

·重构对照+ILS块状物。通过打开阀V16和V20、并向驱动线DL9施加0.2、0.4、和0.6psig的渐增压力达30、30、和60秒，第六个被计量的甲酰胺体积被气动地驱动至对照+ILS块状物腔室（图41，83）。V16和V20被关闭且使得DL9不活动。20.5微升的甲酰胺在腔室中重构了块状物来产生分离与检测样本。

·将样本注入分离通道。通过打开阀V21(图41,86)和V22(图41,87)并且向驱动线DL8（图41,74）施加逐步步进的曲线0.4、0.6、1.0、1.5、和2.0psig分别达30、30、30、和30秒，6个分离与检测样本从块状物腔室（图41,35和82）被气动地驱动通过去气泡腔室（图41，83）来填充阴极腔室（图41，84）和样本废弃物腔室（图41，85）。（图41，86）和V22（图41，87）被关闭且使得DL8（图41，74）不活动。通过施加4400V电压来偏压阴极（图55和56，63）和阳极（图55和56，64）达35秒，样本中的DNA从阴极腔室（图41，84）被注入该生物芯片的分离部分（图56和图55，88）。

·分离与检测DNA。通过打开阀V25(图41,91),V24(图41,90),V26(图41,95),V27(图41,96),和V28(图41,97)并向驱动线DL10（图41,98）施加达2psig的压力达240秒，TTE从TTE试剂盒（图41，59）被气动地驱动来填充阴极（图41，84）并且填充TTE废弃物腔室（图41，92，93，和13）。阀V25(图41,91),V24(图41,90),V26(图41,95),V27(图41,96),和V28(图41,97)被关闭且使得DL10（图41，98）不活动。通过阴极的TTE流替代了阴极中的样本。当6400V被施加来偏压阴极（图55和56，63）和阳极（图55和5.24，64）达30分钟时，被注入S&D生物芯片（图55）的分离部分中的DNA行进至生物芯片的分离部分（图56，88）。光学系统也被激活来在激励和检测窗口处实现激光引起的荧光激励和检测。激光被设置为200mW且实现了5Hz的数据收集率。荧光信号通过引导路径行进至光电倍增管。在此处，荧光被转换为由系统软件记录的信号。

在上面概括的脚本化处理步骤后，产生电泳图谱（图60和61）。对于对照ILS样本（用ROX荧光地作标签的片段）而产生对照电泳图谱（图60）。x-轴代表数据收集计数，每一个计数表示带标签的片段到达检测区的时间。用箭头表示数个尺寸标准，且相比高分子量片段，低分子量片段迁移更快速且更容易被检测（即，相对图的左侧）。Y-轴示出每一个峰值的相对荧光单元（rfu）。图61示出为一个口腔拭取样本产生的STR片段的尺寸。被用于对PCR反应混合物中的STR引物和ILS的每一个荧光染料被图示于不同面板（panel）中。在被标签的片段中的荧光被图示于顶部面板、JOE-标签的片段被图示于从上开始的第二面板中、TAMRA-标签的片段被图示于从上开始的第三面板中、且ROX-标签的ILS片段被图示于底部面板中。对于图60，x-和y-轴表示的也一样。从样本插入到电泳图谱产生的整个过程需要约90分钟且大致215个脚本化处理步骤。很多处理步骤可被缩短、且期望的话可在少于45分钟时间内执行这个过程。

示例6完全集成的生物芯片的注模，该生物芯片使用自动脚本提纯核酸、扩增经提纯的NDA、电泳分离经扩增的DNA并产生STR曲线。

这个生物芯片类似示例5的生物芯片，通过注模制造流体和气动板。接收5个口腔拭子并产生STR曲线的静止、单体塑料生物芯片包括如下零件：

流体子组件-这个子组件在生物芯片中转移并处理流体、与气动子组件、宏流体处理子组件、阀子组件、和分离与检测子组件交互。通过COP的注模被制造，在热塑板的顶部和底部侧均具有一组互连的通道、腔室、和薄膜与过滤器特征。图62示出流体板601的顶部侧、图63示出流体板601的底部侧、且图64示出流体板601的透视图，示出两个侧面上的特征。图65示出注模的流体板601的照片。注模的流体板具有尺寸276mmx117mmx2.5mm。该板的顶部侧和底部侧由图案化的薄塑料膜所覆盖。图66示出顶部图案化薄膜602且图67示出底部图案化薄膜603。

图68示出在注模的流体板中的单个样本的流通路径。样本流路径4穿过提纯部分（图68，5）、PCR部分（图68,6）和分离与检测部分（图68,7）。提纯部分、PCR部分、和分离与检测部分的扩展视图分别被图示于图69、70、和71。注模的流体板具有微粒过滤器区（图69，11）、提纯薄膜区（图69，12）、和若干类型的腔室，包括计量腔室（图69,8）、重构腔室（图69，10）、联结腔室（图70，78）、废弃物腔室（图70，92,93，和94）和阴极（图71，84）和阳极（图64，65）。

流体板的顶部和底部侧被覆盖有图案化的塑料膜，并通过溶剂粘接被连接。还可通过超声地、热力地、且使用粘合剂，来执行图案化薄膜粘接至流体板。可增加板和膜上的特征来帮助粘接方法；例如，可将能量引导器脊放在超声焊接的位置处。薄膜具有100微米厚度且由CNC加工制成；任选地，其可通过冲切、或激光切割来制造。这个薄塑料膜中的特征包括与被注模的层上的相应特征对齐的通孔，从而提供至气动夹心层的通路。粘接至薄膜前，通过热焊接，提纯薄膜（图69，12）、微粒过滤器（图69,11）和通气薄膜被附连至这个子组件。类似地，通过超声焊接和热熔机，可将这些薄膜和过滤器连接。

气动子组件—这个子组件将仪器的气动驱动耦合至流体子组件（如示例4中所描述）来气动地驱动流体子组件中的流体并且气动地激活生物芯片中的阀。通过COP的注模制造这个子组件，在热塑板的顶部和底部侧均具有一组互连的通道、腔室、和薄膜与过滤器特征。图72示出气动板的顶部侧、图73示出气动板的底部侧、且图74示出气动板的透明视图，示出从两个侧面所看的特征。图75示出注模的气动板的照片。注模的气动板具有尺寸277.6mmx117.7mmx2.50mm。在粘接之后，所有的气动子组件特征与流体子组件特征对齐。板的顶部侧由具有通孔允许至该板的通路的图案化薄塑料膜所覆盖。图76示出顶部的图案化的薄膜。当代表阀子组件的图案化的薄膜通过溶剂粘接被安装时，板的底部侧被覆盖；该薄膜通过CNC加工被图案化。该薄膜具有100微米的厚度。在粘接前或后，图案被切割。在将顶部和底部薄膜粘接至气动板之前，粘接通气薄膜（图68，17）。通过溶剂完成将薄膜安装至气动板，不过还可超声地、热力地、和使用粘合剂，来执行。

宏流体处理子组件和分离与检测子组件与示例5中描述的一样。在这个生物芯片中，阀组件是40微米、50微米、或100微米厚的薄的热塑膜。气动致动的刚性阀层（在示例2中描述）分离了气动和流体组件。当被气动地激活时，这个层偏斜从而控制流体层中的流体（包括空气）流。

通过将气动组件溶剂粘接至流体子组件，制成气动—阀—流体叠层子组件。当溶剂粘接至流体层时，气动板的底部侧上的腔室和通道被密封。通过使用衬垫和螺丝的夹持，该宏流体块被附连至该盖。使用双侧PSA带，该块被附连至气动子组件。可选地，通过溶剂和热粘接可制成块附件。最后，使用PSA带，分离与检测子组件被附连至流体子组件，且这些子组件被取向为在分离与检测生物芯片中流动的核酸被引导至于NA提纯与扩增相关的方向。

为了测试该生物芯片，如示例5中所示装载液体和冻干的试剂，且将该生物芯片插入示例5的被完全集成的仪器中。从施主处收集五个口腔拭子，且5个拭子中的每一个被插入该生物芯片的拭子腔室之一。进行具有如下步骤的自动脚本：

·初始化。通过在所有阀线上施加75psig压力来关闭生物芯片上的所有阀。例外是阀V3，通过施加-11psig的真空，该阀被维持在打开位置。为了简化，基于阀相对于气动板的位置（即使阀实际位于阀组件中）来做出阀的附图标记。

·裂解。通过打开阀V1（图69，39）并对于驱动线DL1（图69,68）施加3psig的压力达30秒且然后施加5.5psig压力达60秒，来从裂解试剂腔室（图39，20）气动地将550微升的裂解液装载至拭子腔室（图69，19）。阀V1（图69，39）被关闭且使得驱动线1（图69，68）不活动。通过打开阀V2（图69，40）并对于驱动线2（图69,69）施加5.5psig的压力达30秒，来从乙醇试剂腔室（图69，21）气动地将550微升的乙醇装载至拭子腔室（图69，19）。

·混沌起泡。通过打开阀V2（图69，40）并对驱动线2（图69，69）施加5.5psig的气动驱动压力达30秒，空气被气动地驱动进拭子腔室（图69，19）。阀2（图69，40）被关闭且使得驱动线2（图69，69）不活动。被驱动至拭子腔室的空气通过裂解液起泡，这混沌地将裂解试剂和拭子头搅动。这裂解了细胞并释放了DNA。

·排列。通过将阀V3（图69,41）保持在打开位置同时向驱动线3（图69,70）试剂-7psig的真空达30秒，裂解物从拭子腔室（图69，19）被来处通过特定过滤器（图69，11）进入保持腔室V3（图69，24）。阀3（图69，41）被关闭且使得驱动线3（图69，70）不活动。

·NDA结合。通过打开阀V4（图69,42）和一组阀V5（图69,43）并施加5psig的压力至驱动线DL3（图69,70）达60秒，来自保持腔室（图69，24）的裂解物被气动地驱动通过提纯过滤器（图69，12）并进入拭子腔室（图69,19）。阀V4（图69，42）和V5（图69，43）被关闭且使得DL3（图69，70）不活动。裂解物中的DNA被结合至提纯过滤器（图69，12）。注意，在裂解物的产生和处理之后，该拭子腔室还用作废弃物腔室；这个双重用途消除了在宏流体块上另一个较大体积腔室的需要。如果期望留存裂解物，则来自每一个样本的分开的废弃物腔室可任选地被包括。

·洗涤。通过打开阀V5（图69,43）和V6(图69,46)并向驱动线DL4（图69,71）施加13psig的气动压力达90秒，洗涤溶液从洗涤溶液腔室（图69，22）通过提纯过滤器（图69，12）被气动地驱动至拭子腔室（图69，19）。阀V5（图69，43）和V6（图69，46）被关闭且使得DL4（图69，71）不活动。3ml的洗涤溶液流过提纯过滤器来移除污染和来自被结合的DNA的特定碎片。两个附加洗涤允许清洁相邻通道。

·干燥。通过打开阀V5（图69,43）和V6（图69,46）并向驱动线DL4（图69,46）施加13psig的压力达185秒，空气从提纯过滤器（图69，12）被气动地驱动出来并进入拭子腔室（图69,19）。阀V5和V6被关闭且使得DL4（图69，71）不活动。空气部分地到完全地干燥了提纯过滤器。

·洗提。通过打开阀V6（图69,46）、V7（图69，45）、和V8（图69,47）并向驱动线DL5（图69,72）施加5psig的压力达120秒，洗提缓冲液从洗提试剂腔室（图69，23）被气动地驱动通过提纯过滤器（图69，12）并进入洗提保持腔室（图69，25）。阀V6（图69,46）、V7（图69,45）、和V8（图69,47）被关闭且使得DL5（图69,72）不活动。300微升的洗提缓冲液穿过提纯过滤器（图69,12）来释放被结合至该提纯过滤器的经提纯的DNA。任选地，一部分洗出液可被引导至过滤器用于存储作为留存样本。在这个情况下，过滤器将被结合至该机制中，并允许其从生物芯片上移除。

·均质化。通过打开阀V6（图69，46）、和V8（图69,47）并对驱动线DL4（图69，71）施加5psig的气动驱动压力达60秒，空气被气动地驱动进洗提保持腔室。阀V6（图69，46）和V8（图69，47）被关闭且使得DL4（图69，71）不活动。被驱动至该洗提保持腔室的空气通过洗出液起泡来搅动并均质化洗出液中的DNA。

·洗出液计量。通过打开阀V10（图69,48）并向DL6（图69，73）施加1psig的压力达40秒，洗出液被从洗出液保持腔室（图69，25）气动地驱动至洗出液计量腔室（图70，8）。阀V10（图69，48）被关闭且使得DL6（图69，73）不活动。每一个洗出液填充计量腔室并停止在通气薄膜处。通过打开阀V10（图69，48）、和V11（图70,50）并对驱动线DL7（图70，49）施加2psig的压力达25秒，过量洗出液被气动地驱动回到洗提保持腔室。阀V10（图69，48）和V11（图70，50）被关闭且使得DL7（图70，49）不活动。

·重构PCR块状物。通过打开阀V11（图70，V11）并对DL7（图71,49）线性地施加从0到15psig的驱动压力超过15秒，洗出液从洗出液计量腔室（图70，8）被气动地驱动至PCR重构与相互混合腔室（图70，610）。（图70,610）的腔室被设计为容纳冻干的PCR块状物、允许PCR块状物的重构、以及PCR块状物的相互混合。腔室的体积大约是洗出液体积的2.2倍，洗出液的体积由洗出液计量腔室（图70，8）所定义。PCR块状物被放置并位于腔室的输入侧。该腔室的输出用阀密封。洗出液和阀V13（图71，52）之间的空气被压缩，允许洗出液移动至腔室中并与冻干的PCR块状物相接触。通过将DL7的压力维持在15psig达60秒，允许该块状物重构。11.5微升的所计量的洗出液被传递来重构包含冻干PCR反应混合物的块状物从而为扩增产生PCR混合物。

·PCR溶液的相互混合-通过在超过15秒的时间将驱动线DL7的压力线性地从15psig减少至0psig，PCR溶液（即，用洗出液重构的PCR块状物）然后被从PCR重构和相互混合腔室（图70，10）移动回到洗出液计量腔室（图70，8）。洗出液和阀V13（图71，52）之间的空气被压缩，且用作空气弹簧来将PCR混合物压向移动至计量腔室（图71，8）。通过线性地将DL7的驱动压力在超过15秒时间从0psig线性增加至15psig、然后超过15秒时间从15psig到0psig，PCR混合物被互相混合。阀V12（图70，49）被关闭且使得驱动线DL7（图70，49）不活动。

·传递至热循环腔室。通过打开阀V11(图70,50),V13(图70,52),和V14(图70,53)，并向驱动线DL7（图70,49）施加逐渐增加的驱动压力测序，首先0.2psig达30秒、然后0.4psig达30秒、然后0.6psig达30秒，PCR反应混合物从洗出液计量腔室（图70，8）被气动地驱动至热循环腔室（图70，62）。阀V12（图70，51）和V14（图70，53）被关闭且使得DL7（图70，49）不活动。PCR反应混合物被传递至热循环腔室且停止在排列通气薄膜处。

·热循环。三十一循环方案被施加来循环热循环腔室（图70，62）中的反应物从而产生加标签的扩增子。循环条件如下：热启动93℃x20秒，接着是以下的31个循环(93℃x4秒,56℃x15秒,以及70℃x7秒)接着是最后扩展（extension）70℃x90秒。

·计量PCR产物。通过打开阀V11(图70,50),V13(图70,52),和V14(图70,53)、和V30(图71,111)，并向驱动线DL7（图70,49）施加逐渐增加的驱动压力测序，首先0.2psig达30秒、然后0.4psig达30秒、然后0.6psig达45秒，PCR产物从热循环腔室（图70,62）被气动地驱动至PCR计量腔室（图71，74）。阀V11(图70,50),V13(图70,52),V14(图70,53)、和V30（图71，111）被关闭且使得DL7（图70，49）不活动。PCR产物流入计量腔室并停止在通气薄膜处。

·计量甲酰胺。通过向驱动线DL8（图71,75）施加1psig的压力达50秒，甲酰胺从甲酰胺试剂腔室（图71，60）被气动地驱动至甲酰胺计量腔室（图71,76）。使得驱动线DL8（图71，75）不活动。在这个步骤中，第六个甲酰胺的体积被计量（图71,77），用于重构块状物来产生对照样本。甲酰胺流入计量腔室并停止在通气薄膜处。通过打开阀V15（图71,54）并向驱动线DL8（图71,75）施加3psig的压力达180秒，过量的甲酰胺从甲酰胺腔室被气动地驱动至废弃物腔室。阀V15（图71，54）被关闭且使得DL8（图71，75）不活动。所有的过量甲酰胺试剂腔室和驱动线被转移至废弃物腔室。

·结合PCRC产物与甲酰胺。通过打开阀V18(图71,57),V17(图71,80)和V20(图71,81)并向DL9（图71，79）分别施加0.2、0.3、0.4、和0.5psig达30、30、30、和30秒的这样的4个步进驱动曲线，所计量的PCR产物从PCR计量腔室（图71,74）被气动地驱动至联结腔室（图71,78）。阀V18(图71,57),V17(图71,80)和V20(图71.81,81)被关闭且使得DL9（图71,79）不活动。通过V20(图71,81)并向驱动线DL8（图71，75）施加渐增的0.2、0.4、和0.6psig的压力达30、30、和60秒，所计量的甲酰胺从甲酰胺计量腔室（图71,76）被气动地驱动至联结腔室（图71,78）。阀V20（图71，81）被关闭且使得DL8（图71，75）不活动。联结腔室允许源自两个独立流的所计量的PCR和所计量的甲酰胺被组合来形成用于分离与检测的样本。

·重构ILS块状物。通过打开阀V20（图71，81）并在超过15秒的时间上线性地增加DL8（图71，75）的驱动压力从0到15psig，用于分离与检测的样本从联结腔室（图71，78）气动地驱动至ILS块状物腔室（图71，635）和ILS+对照块状物腔室（图71，682）。样本和阀V21（图71，86）之间的空气被压缩，允许样本移动至腔室中并与冻干的ILS块状物相接触。通过将DL8（图71，75）的压力维持在15psig达60秒，允许该块状物重构。11.5微升的被计量的样本被传递用于重构包含冻干内道标准的块状物从而产生分离与检测样本。

·分离与检测溶液的相互混合—通过在超过15秒的时间将驱动线DL8（图71，75）的压力线性地从15psig减少至0psig，PCR溶液（即，用计量的甲酰胺和计量的PCR产物重构的ILS块状物）然后被从ILS重构和相互混合腔室（图71，635）移动回到联结腔室（图71，78）。洗出液和阀V13（图71，52）之间的空气被压缩，且用作空气弹簧来将分离与检测样本压向移动至甲酰胺计量腔室（图71，76）。通过线性地将DL8（图71，75）的驱动压力在超过15秒时间从0psig线性增加至15psig、然后超过15秒时间从15psig到0psig，分离与检测样本被互相混合。使得驱动线DL8（图71，75）不活动。

·将样本注入分离通道。通过打开阀V21(图71,86)和V22(图71,87)且向驱动线DL9（图71,79）施加渐进的压力0.4、0.6、1.0、1.5、和2.0psig分别达30秒，这5个分离与检测样本从联结腔室（图71,78）、且对照样本从甲酰胺计量腔室（图71，76）被气动地驱动通过ILS块状物腔室（图71，635和682）（现在用作去起泡腔室）来填充阴极腔室（图71,84）和样本废弃物腔室（图71,85）。阀V21（图71，86）和V22（图71，87）被关闭且使得DL8（图71，74）不活动。通过施加4400V电压来偏压阴极（图55和56，63）和阳极（图55和56，64）达35秒，样本中的DNA从阴极腔室（图71，84）被注入该生物芯片的分离部分（图55和图56，88）。

·分离与检测DNA。通过打开阀V25(图71,91),V24(图71,90),V26(图71,95),V27(图71,96),和V28(图71,97)并向驱动线DL10（图71，98）施加达2psig的压力达240秒，TTE从TTE试剂盒（图71，59）被气动地驱动来填充阴极（图71，84）并且填充TTE废弃物腔室（图71，92，93，和13）。V25(图71,91),V24(图71,90),V26(图71,95),V27(图71,96),和V28(图71,97)被关闭且使得DL10（图71，98）不活动。通过阴极的TTE流替代了阴极中的样本。当6400V被施加来偏压阴极（图55和56，63）和阳极（图55和56，64）达30分钟时，被注入S&D生物芯片（图55）的分离部分中的DNA行进被注射向下至生物芯片的分离部分。光学系统也被激活来在激励和检测窗口处实现激光引起的荧光激励和检测。激光被设置为200mW且实现了5Hz的数据收集率。荧光信号通过引导路径行进至光电倍增管。在此处，荧光被转换为由系统软件记录的信号。

如上所述，为样本和遵循下述脚本化处理步骤的控制，产生了电泳图谱。从样本插入到电泳图谱产生的整个处理需要大约90分钟。很多处理步骤可被缩短、且期望的话可在少于45分钟时间内执行这个过程。

图77示出对于过程的一部分，脚本化处理步骤与结果处理步骤之间的关系。使用图77的10个步骤脚本，洗出液从洗出液保持腔室（图39，25）被气动地驱动，引起被计量的体积进入洗出液计量腔室（图39，8）。包括5个阀和驱动线状态的脚本化步骤将洗出液从保持腔室移动至计量腔室。接下来的5个脚本化步骤将多余的洗出液移除并将这个容量推入保持腔室。因此，这10个脚本化处理步骤（在阀和驱动线上增加和减少压力）对应于两个结果处理步骤（样本从洗出液保持腔室移动至洗出液计量腔室、以及过量样本回到洗出液保持腔室的移动）。

示例7.样本分流来消除核酸量化的需要

在给定样本（无论是法证样本、临床样本、或生物威胁样本）中的核酸的量，是高度地可变的。在特定核酸操作中，反应条件要求特定范围的输入核酸是有效的。在实验室中，经常通过在给定操作前进行核酸量化步骤解决这个问题。对于微流体应用已经解决了核酸量化问题，如专利申请系列号12/816,370、名为"Improved Methods for Forensic DNA Quantitation"中所描述的那样，该专利通过参考并入此处。

本发明提供了另一个方案来解决在微流体生物芯片中要求特定范围的核酸的问题。这个方法并不涉及量化，取而代之的是基于将给定样本稀释一倍或多倍来提供2或更多核酸浓度用于分析、优选地并行分析。使用接触样本来举例说明本发明。接触样本是包含在表面暴露于人体后留存在表面上的细胞（主要是上皮细胞）的法证样本。它们包括指纹、在衣物（如，衬衫衣领）上找到的皮肤细胞、和在易拉罐开口或饮水杯边缘找到的口腔上皮细胞。从接触NDA样本中恢复出来的DNA的量是高度地变化的。接触样本一般包含一直到100ng的DNA、且大多数接触样本包含0.5-10ng的DNA。因此，接触样本系统将处理包含0.5-100ngDNA的拭子。

尽管可能大部分接触样本包含少于10ng的DNA，必须用这样的期待来处理未知的接触样本：DNA的全部200倍的范围必须被正确地处理。在手动扩增系统中，扩增0.5ng是合理的不过扩增100ng就不合理。因此，在手动系统中，在扩增前，从接触样本中提纯出的DNA一般要被量化。本发明的微流体生物芯片，通过将提纯的DNA分流至流体子组件中的两个液份，允许接触样本在没有量化的情况下被处理。被洗出的DNA的一个液份被纯地扩增（假设少于10ng的DNA存在于扩增混合物中）而另一个被稀释20倍（假设5-100ng的DNA存在于反应混合物中）。纯的和稀释的液份，被独立但并行地，扩增和分离与检测。纯的样本允许在至少0.05-10ng的提纯的DNA范围上的有效扩增，且稀释的样本允许在至少1-200ng提纯的DNA范围上的有效扩增；可被试验的DNA内容的整个范围有效地被扩展了至少40,000倍。

样本分流微流体被如下地结合至示例5和6的生物芯片中。使用相同的DNA提纯方案，DNA被稀释在20微升的体积中。在这个体积下，洗出液保持腔室被从宏流体处理子系统中移除，且20微升的洗出液保持腔室被放置在流体子组件的流体板上。在那个板上，20微升的提纯的DNA被引导至并行的路径：

·在纯液（neat）路径中，12微升的DNA在计量腔室被计量、转移至PCR块状物重构腔室、并被转移至PCR腔室用于扩增。腔室可被略扩展来容纳约10微升的重构的反应混合物。

·在稀释路径中，约2微升的DNA被计量且与38的μl被计量的洗提溶液结合。然后将所稀释的溶液转移至块状物重构腔室、并转移至PCR腔室用于扩增。

·在扩增后，两个溶液被并行地处理通过分离与检测。

图78中示出样本分流与稀释微流体通路（microfluidic circuit）的流程图。任选地，提纯的DNA样本可被分流为多于两个液份用于后续处理，且稀释的样本可被进一步稀释来产生附加液份用于处理。对于接触样本，这样的稀释不必要，不过特定的法证、临床诊断、和生物威胁样本可包含过多DNA且它们的分析必须通过处理三个或更多液份来完成。

示例8.塑料背景荧光

用热塑材料制成分离与检测生物芯片。当被暴露于激光激励时，热塑聚合物自发荧光来产生由检测系统检测并处理的背景噪声。这个自发荧光劣化了实际信号峰的信号噪声比，这增加了系统检测的限制。用于分离与检测的常规S&D生物芯片由玻璃或使用衬底制成，这些材料相比塑料衬底展现出较少的每单元厚度的自发荧光。在用塑料衬底执行激光引发荧光检测时，必须做出若干考虑：

(1)选择展现出较低自发荧光的塑料材料—环烯烃共聚物（COC）和环烯烃聚合物（COP）热塑材料被用于制造被用在示例5和6中的分离与检测生物芯片。相比其他聚合物，这些热塑材料展现出在可见光波长范围内的本身较低的自发荧光。

(2)减少由激光激励的塑料衬底的厚度-所使用的材料的厚度受限于结构忍受胶状物填充压力（可超过350psig）的能力。通过在188微米厚的热塑板中浮雕通道特征、然后粘接另一个188微米厚的热塑板来覆盖这些通道，制成示例5和6中所用的生物芯片。通过将若干衬底（塑料188nm,塑料376nm,硼硅酸玻璃0.7nm,和硼硅酸玻璃1.4nm）放在Genebench光学检测仪器的分离与检测窗口上，进行实验来测量玻璃和塑料衬底上的背景荧光。（一般地参见，申请系列号No.12/080,745,公开为2009/0020427名为"PlasticMicrofluidic Separation and Detection Platforms"）200mW的激光激励可被施加至衬底且信号被收集。图79示出了低荧光塑料（188微米和376微米厚）和硼硅酸玻璃（0.7mm和1.4mm厚）的背景荧光。数据显示塑料薄膜的背景荧光4到7倍地低于0.7mm和1.4mm厚的硼硅酸玻璃的背景荧光。

(3)结合过滤器来减少背景辐射-尽管一般背景荧光较低，塑料在约596nm没有表现出较高的自发荧光。这个辐射峰是Raman荧光的结果，一般在由488nm激光器激励塑料时产生。这个峰的频谱显示其集中在约569nm且全波宽度为5nm。通过使用中心波长约570nm且其中的拒斥频带约5到10nm的陷波过滤器，可消除这个Raman荧光。进行实验来评估通过使用陷波滤波器消除Raman塑料荧光对于信号噪声比的改进。在没有陷波滤波器的情况下进行一组3次分离与检测过程，且在PMT盒的输入处安装了陷波滤波器的情况下进行另一组。图80汇总了数据的结果。数据显示，该滤波器将黄色通道的峰对峰噪声从67减少至39相对荧光单元（rfu）。该过滤器还将绝对信号强度从1520减少至1236rfu，信号噪声比整体从23改进到32。在其中检测极限极为重要的设置中（如，法证接触样本的分析、和当病原体数量较低时，在给定疾病早期的对于传染物的诊断），在集成和不集成仪器的光学系统中，陷波滤波器是有用的。

示例9完全集成的生物芯片的设计，该生物芯片使用自动脚本，从临床全血样本中提纯核酸、扩增被提纯的DNA、对被扩增的DNA进行Sanger测序、超滤被测序的DNA、且电泳地分离被超滤的DNA且产生多路DNA测序

在血液的胞外组分中可能存在诸如葡萄球菌、链球菌、和小肠结肠炎耶尔森菌(Yersinia enterocolitica)之类的病原体。接收2个血液样本并从给定病原体的8个基因座产生DNA测序的静止的、单体的塑料生物芯片，包括气动-阀-流体叠层、宏流体处理子组件、和分离与检测子组件。该生物芯片类似于示例6的注模生物芯片，修改如下所述，且基于自动脚本，如下地进行该处理：

宏流体子组件包括12个腔室，在DNA提纯处理过程中，保持预先装载的试剂或用作保持/反应腔室。使用一个腔室来接收血液收集试管；六个腔室被预先充填3mL的洗涤溶液、100微升的细胞悬浮溶液、450微升的裂解液、550微升的无水乙醇、2微升的洗涤缓冲液、2000微升的去离子的水、和400微升的洗提缓冲液。

该生物芯片组接收标准的3cc vacutainer试管（用于分离试验，血液被收集在包含合适的抗凝血剂的试管中）。血液收集试管被插入在该生物芯片中，底部垫有橡胶塞。当用户按下仪器上的开始按钮时，提纯处理被初始化。在该仪器中，血液收集试管被压在位于血液收集试管腔基座的两个空心销轴上。空心销轴刺穿橡胶垫，且血液收集试管被气动地加压以5psi驱动血液从血液收集试管通过过滤器（诸如Leukosorb介质B,Pall Corporation,Port华盛顿,纽约）中的具有8微米标称孔径的通孔来从血液中移除白细胞。该流动（flowthrough）流经0.2微米聚碳酸酯轨迹蚀刻膜（SPI-Pore^TM Track-Etch Membrane,StructureProbe,Inc.,West Chester,PA）的单层通路，来将细菌通过捕捉集中在该薄膜上，且这个流动被引导至废弃物腔室。

重悬浮溶液（100微升）被施加在该轨迹蚀刻膜的表面上，重新悬浮留存在该轨迹蚀刻膜上的病原体，并产生浓度的病原体悬浮（还可包括残余白细胞）。这个悬浮物被气动地驱动进裂解腔室。如示例5和6中一样，所有量均是成比例地较小，执行DNA提纯。离液裂解试剂被驱动进入裂解腔室、且空气被气动地驱动进入裂解/废弃物腔室来实现裂解物的混沌起泡。通过混沌起泡，来自乙醇盒的乙醇被驱动进入裂解/废弃物并被混合。裂解物/乙醇混合物气动地驱动进入保持腔室并通过提纯薄膜并进入裂解/废弃物腔室。该薄膜经受一系列三次洗涤、移除未被结合的材料和残余的裂解液。然后该过滤器被空气干燥。20.5微升的洗提溶液从洗提溶液箱被气动地驱动通过提纯薄膜至洗出液保持腔室。这个较小的容量确保了被隔离的核酸的较大部分在后续的扩增反应中被扩增。

洗出液从洗出液保持腔室被气动地驱动至洗出液计量腔室，且过量的洗出液被气动地驱动回到洗出液保持腔室中。该洗出液从洗出液计量腔室气动地驱动至PCR块状物腔室中。20.5微升的所计量的洗出液被传递来重构包含冻干PCR反应混合物的块状物从而为扩增产生PCR混合物。该块状物包含图5和6的那些一样的组分，例外是人类STR引物对（每一对中的一个是被荧光地标签的）被替换为一组80个引物对（每一对中没有一个是被标签的）。这80个引物对代表了10个病原体每一个的8个特定基因座，病原体包括葡萄球菌、链球菌、和小肠结肠炎耶尔森菌（如果期望的话，更多组基因座是可能的）。被重构的PCR反应混合物从块状物腔室气动地驱动进入热循环腔室并停止在排列通气薄膜处。三十一个循环扩增方案被施加，来在热循环腔室内循环该反应物。本质上如示例5和6中一样地执行所有的脚本和处理步骤。

PCR产物从热循环腔室被气动地驱动进入PCR计量腔室并停止在通气薄膜处。在联结腔室中，六微升的PCR产物与94微升的去离子水混合。联结腔室允许源自两个独立流的所计量的PCR和所计量的甲酰胺被组合来形成用于分离与检测的样本。被稀释的PCR产物被联结腔室被驱动被分流至8个计量腔室，每一个保持11微升并由通气薄膜排列。八个样本中的每一个被驱动至测序（sequencing）块状物重构腔室。八个块状物是Sanger反应混合物的稍微不同的版本（基于使用用染料标签的终止子，这样每一个延伸产物含有对应于在该测序位置处的基体的单个荧光标签），每一个块状物包含一组独特的测序引物—对于所感兴趣的十个病原体的每一个的基因座的一个。对于给定病原体，特定基因座的一个引物对在块状物一中、第二个在块状物二中，等；这个放置确保了从每一个块状物中为给定病原体而产生单个DNA测序。被重构的测序反应混合物从块状物腔室被气动地驱动至热测序循环腔室（就位于第二热循环仪上）并停止在排列通气薄膜处；每一个循环腔室保持10微升。循环测序如下地进行：95℃达15秒、接着是30个循环的[95°C达5秒、50°C达10秒、且60°C达25秒]。对于八个测序反应的每一个（对于两个血液样本，现在是全部16个），在超滤的准备中，在联结腔室内，10微升的测序反应产物与100微升的去离子化水相混合。

通过提纯测序产物来移除干扰分离的对于测序必须的离子（和之前的PCR反应物），可极大地改进电泳分离性能。可采用各种方法，包括超滤，其中较小的离子/引物/未被结合的染料标签被驱动通过过滤器，将期望的产物留在过滤器上，然后可被洗提并直接应用于分离与检测。超滤介质，包括聚醚砜和再生纤维素“机织”过滤器，还有轨迹蚀刻薄膜，其中具有高度均匀的尺寸的小孔被形成于极薄（1-10μm）的薄膜中。后者具有的优势在于在过滤器的表面上收集尺寸大于孔径尺寸的产物，而不是在表面下某个深度捕捉产物。

因此，被稀释的测序产物被驱动通过超滤过滤器。过滤器诱捕Sanger测序产物但允许离子和稀释的测序缓冲物通过。过滤器上的材料，通过气动驱动的200μl的去离子化的水通过过滤器来进一步移除离子和缓冲物。最终，被清洁的Sanger测序产物，通过气动地驱动的10μl的去离子化水进入过滤器腔室，从过滤器被稀释，来重悬Sanger测序产物。然后洗出液被气动地驱动进入联结腔室。甲酰胺从甲酰胺试剂腔室被气动地驱动进入甲酰胺计量腔室。甲酰胺流入计量腔室并停止在通气薄膜处。过量的甲酰胺从甲酰胺腔室气动地驱动进入废弃物腔室。十微升的被计量的超滤的产物从计量腔室被气动地驱动进入联结腔室。被计量的甲酰胺从甲酰胺计量腔室被气动地驱动进入联结腔室。联结腔室允许所计量的超滤的PCR产物和所计量的甲酰胺（源自两个独立流的）被组合来形成用于分离与检测的样本。如示例5和6中那样进行电泳，差别在于生物芯片被加热至60°C。注入电压和次数、以及分离电压和次数都与示例5和6中一样。处理这两个血液样本从而它们产生16通道的产物用于分离与检测。一般而言，每个样本的分离通道的数量等于为所评估的一个病原体所询查的基因座和引物对的最大数量。

光学系统被激活来实现激光引发的荧光激励与检测。激光被设置为200mW且实现了5Hz的数据收集率。在色彩校正后，自动碱基调用物从包含十个病原体之一的道中产生测序，对于这十个病原体，在扩增和测序块状物中分别引入了扩增和测序引物。每一道产生了经测序的约500bp。

基于临床样本类型和要被标识的病原体，可用很多方式修改该生物芯片。例如，诸如弗朗西斯氏菌(Francisella tularenis）和沙眼衣原体之类的特定细菌将它们的生命周期中很大一部分花费在哺乳动物细胞中。一些是专性细胞内有机体，其他是任选的细胞内产物。对于血液内这样的细胞内细菌的DNA提纯处理类似于上述方法，但有个主要差异。在将全部血液施加并通过细胞分离过滤器时，由过滤器诱捕的白细胞包含感兴趣的DNA。该过滤器被洗涤、在100微升中重悬、并经受胍盐基的提纯，如示例1中所描述的那样，相应减少试剂量。

如果期望的话，可设计装置来初始化地裂解白细胞（渗透地，例如），利用相对于细菌而言，哺乳动物细胞相对易于裂解的优势。在这个设置中，释放出完整的细胞内细菌，且基于通过细菌捕捉过滤器并被洗涤来进行细胞提取。然后如上所述地提纯细菌的DNA。类似地，可在没有细胞分离的情况下裂解全部血液、允许细胞外或细胞内细菌或病毒DNA被提纯。

尽管已经描述了本发明的若干个实施例，本领域技术人员可理解，可在不背离本发明范围的情况下，对于所示和所述细节做出各种改变。

Claims (50)

1.一种生物芯片，所述生物芯片一旦被插入具有气动子系统、热子系统、高压子系统、和光学子系统以及处理控制器的电泳仪器中，就从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱（sizing profile），所述生物芯片包括：

与流体子组件和气动子组件连接的宏流体处理子组件，所述宏流体处理子组件包括适于接收样本的至少一个腔室；

所述流体子组件包括流体板、以及适于连接至所述热子系统的至少一个流体运输通道和扩增腔室；

所述气动子组件适于连接至所述仪器的气动子系统、以及连接至所述生物芯片子组件，所述气动子组件包括气动板以及一条或多条驱动线，用于根据来自所述处理控制器的指令气动地驱动流体；

分离与检测子组件，适于连接至所述仪器上的所述高压和光学子组件以及处理控制器，所述分离与检测子组件包括分离通道、且还包括检测区，所述检测区被放置为将来自每一个所述通道的信号发送至所述仪器上的所述光学子系统；

其中所述生物芯片是塑料的、静止的、和单体的，且所述流体板和/或气动板的覆盖面积是约86mmx128mm或更大。

2.如权利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述流体和/或气动板的覆盖面积为约100x150mm或更大。

3.如权利要求2所述的生物芯片，其特征在于，所述流体和/或气动板的覆盖面积为约115x275mm或更大。

4.如权利要求3所述的生物芯片，其特征在于，所述流体和/或气动板的覆盖面积为约140x275或更大。

5.如权利要求4所述的生物芯片，其特征在于，所述流体和/或气动板的覆盖面积为约165x295或更大。

6.一种生物芯片，所述生物芯片一旦被插入具有气动子系统、热子系统、高压子系统、和光学子系统以及处理控制器的电泳仪器中，就从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱（sizing profile），所述生物芯片包括：

与流体子组件和气动子组件连接的宏流体处理子组件，所述宏流体处理子组件包括适于接收样本的至少一个腔室；

所述流体子组件包括流体板、以及适于连接至热子系统的至少一个流体运输通道和扩增腔室；

所述气动子组件适于连接至所述仪器的气动子系统、以及连接至所述生物芯片子组件，所述气动子组件包括气动板、以及一条或多条驱动线，用于根据来自所述处理控制器的指令气动地驱动流体；

分离与检测子组件，适于连接至所述仪器上的所述高压和光学子组件以及处理控制器，所述分离与检测子组件包括分离通道、且还包括检测区，所述检测区被放置为将来自每一个所述通道的信号发送至所述仪器上的所述光学子系统；

其中所述生物芯片是塑料的、静止、和单体的，且流体和/或气动板的覆盖面积小于10,920.0mm²且并不符合SBS标准。

7.一种生物芯片，所述生物芯片一旦被插入具有气动子系统、热子系统、高压子系统、和光学子系统以及处理控制器的电泳仪器中，就从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱（sizing profile），所述生物芯片包括：

与流体子组件和气动子组件相连的宏流体处理组件，所述宏流体处理子组件包括位于其中或其上的至少一个宏流体特征，还包括能接收样本的腔室；

所述流体子组件包括流体板、和位于其中或其上的至少一个特征，所述流体子组件还包括至少一个流体传输通道和适于连接至所述热子系统的扩增腔室；

所述气动子组件适于连接至所述仪器的气动子系统、以及连接至所述生物芯片的子组件，所述气动子组件包括气动板和位于其中或其上的至少一个特征，所述气动子组件还包括一条或多条驱动线，用于根据来自所述处理控制器的指令气动地驱动流体；

分离与检测子组件，适于连接至所述仪器上的所述高压和光学子组件以及处理控制器，所述分离与检测子组件包括位于其中或其上的至少一个特征，所述分离与检测子组件还包括分离通道和检测区，所述检测区被放置为将来自每一个所述通道的信号发送至所述仪器上的所述光学子系统；

其中所述生物芯片是塑料的、静止的、和单体的，且所述流体子组件、气动子组件、和/或分离与检测子组件中的所述一个或多个特征的物理状态适于在25个或更多个步骤的脚本化处理中变化。

8.如权利要求7所述的生物芯片，其特征在于，所述步骤的数量是50个或更多个。

9.如权利要求8所述的生物芯片，其特征在于，所述步骤的数量是100个或更多个。

10.如权利要求9所述的生物芯片，其特征在于，所述步骤的数量是200个或更多个。

11.如权利要求7所述的生物芯片，其特征在于，所述25个或更多个的脚本化处理步骤导致两个或更多个的结果处理步骤。

12.一种单体的、静止的生物芯片，所述生物芯片一旦被插入具有气动子系统、热子系统、高压子系统、和光学子系统以及处理控制器的电泳仪器中，就从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱（sizing profile），所述生物芯片包括：

与流体子组件和气动子组件连接的宏流体处理子组件，所述宏流体处理子组件包括适于接收样本的至少一个腔室；

所述流体子组件包括流体板，所述流体板具有粘接（bond）在其上的顶部和底部图案化热塑板，从而在所述板的每一侧上形成至少一个液体运输通道和适于连接至所述热子系统的扩增腔体；

所述气动子组件适于连接至所述仪器的气动子系统、以及连接至所述生物芯片的子组件，所述气动子组件包括具有粘接在其上的顶部图案化热塑板的气动板、以及一条或多条驱动线，用于根据来自所述处理控制器的指令气动地驱动流体；

阀子组件，位于所述流体子组件和气动子组件之间并连接至这两个子组件；

分离与检测子组件，适于连接至所述仪器上的所述高压和光学子组件以及处理控制器，所述分离与检测子组件包括至少一个分离通道、且还包括检测区域，所述检测区域被放置为将来自每一个所述通道的信号发送至所述仪器上的所述光学子系统。

13.如权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述分离与检测子组件是塑料的。

14.如权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述宏流体子系统、气动子系统、流体子系统、和分离与检测子系统是塑料的。

15.如权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述阀子组件包括至少一个弹性材料阀。

16.如权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述阀子组件包括至少一个非弹性材料阀。

17.如权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述分离与检测子组件被取向为使得在所述分离与检测子组件内样本的电泳在与通过所述流体板的大体样本流的方向相反的方向中进行。

18.如权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，处理所述至少一个样本所需的所有试剂被包含在所述生物芯片中。

19.如权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为约86mmx128mm或更大。

20.如权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为约100mmx150mm或更大。

21.如权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为约115mmx275mm或更大。

22.如权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为约140mmx275mm或更大。

23.如权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为约165mmx295mm或更大。

24.如权利要求12所述的生物芯片，其特征在于，所述生物芯片的覆盖面积小于约10,920.0mm²且并不符合SBS标准。

25.一种用于处理生理样本的系统，所述系统包括：

生物芯片和处理控制器，所述生物芯片一旦被插入具有气动子系统、热子系统、高压子系统、和光学子系统以及所述处理控制器的电泳仪器中，就从至少一个样本产生核酸测序或筛选图谱（sizing profile），所述生物芯片包括：

与流体子组件和气动子组件连接的宏流体处理子组件，所述宏流体处理子组件包括适于接收样本的至少一个腔室；

所述流体子组件包括流体板，所述流体板具有粘接在其上的顶部和底部图案化热塑片，从而在所述板的每一侧上形成至少一个液体运输通道和适于连接至热子系统的扩增腔体；

所述气动子组件适于连接至所述仪器的气动子系统、以及连接至所述生物芯片子组件，所述气动子组件包括具有粘接在其上的顶部图案化热塑板的气动板、以及一条或多条驱动线，用于根据来自所述处理控制器的指令气动地驱动流体；

阀子组件，位于所述流体子组件和气动子组件之间并连接至这两个子组件；

分离与检测子组件，适于连接至所述仪器上的所述高压和光学子组件以及处理控制器，所述分离与检测子组件包括至少一个分离通道、且还包括检测区，所述检测区被放置为将来自每一个所述通道的信号发送至所述仪器上的所述光学子系统；以及

其中所述仪器的所述处理控制器包括用于执行25个或更多个的自动化的脚本化处理步骤的指令。

26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述脚本化处理步骤导致2个或更多个的结果处理步骤。

27.一种制造生物芯片的方法，所述方法包括：

注模流体板，以包括流体顶部表面、流体底部表面、和从所述流体顶部表面延伸至所述流体底部表面来将所述流体顶部表面连接至所述底部表面的至少一个通孔，所述流体顶部表面和底部表面各自包括多个微流体特征；

注模气动板，以包括气动顶部表面、气动底部表面、和从所述气动顶部表面延伸至所述气动底部表面来将所述气动顶部表面连接至所述底部表面的至少一个通孔，所述气动顶部表面和底部表面各自包括多个微流体特征；

对齐所述气动板和流体板；

其中所述流体板和/或气动板的覆盖面积是86mmx128mm或更大，且所述流体板和/或所述气动板的所述多个微流体特征中的至少一个包括小于2度的斜度角。

28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为100x150mm或更大。

29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为115mmx275mm或更大。

30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为140mmx275mm或更大。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为165mmx295mm或更大。

32.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述生物芯片的覆盖面积小于10,920.0平方毫米且并不符合SBS标准。

33.由权利要求27所述的方法制成的生物芯片。

34.如权利要求33所述的生物芯片，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为100mmx150mm或更大。

35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为115mmx275mm或更大。

36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为140mmx275mm或更大。

37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述流体板和/或气动板的覆盖面积为165mmx295mm或更大。

38.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述生物芯片的覆盖面积小于10,920.0平方毫米且并不符合SBS标准。

39.一种用于对单体生物芯片中的至少一个未处理样本执行从样本输入到结果输出的自动化电泳的方法，所述生物芯片具有与流体子组件和气动子组件流体连通的宏流体处理子组件，所述方法包括：

将所述至少一个未处理样本插入所述宏流体处理子组件中的腔室内；

将所述生物芯片插入一仪器中，所述仪器具有气动子系统、热子系统、高压子系统、光学子系统、和处理控制器，所述处理控制器可接受预定义处理脚本并通过读取所述处理脚本并控制所述气动子系统、热子系统、高压子系统、和光学子系统自动地实现所述处理脚本；

激活所述处理控制器来执行所述处理脚本，所述处理脚本包括多个指令，用于：

通过将来自所述气动子系统的压力施加至所述气动子组件的阀线或与所述气动子组件流体连通，来初始化所述生物芯片；

通过将来自所述气动子系统的压力施加至所述宏流体处理子组件来释放存储在其中的试剂、将来自所述气动子系统的压力施加至被释放的试剂来从所述未处理样本形成细胞裂解物、施加来自所述气动子系统的压力将所述裂解物通过所述流体子组件中的提纯过滤器拉入容纳腔室来将裂解物中的DNA结合至所述过滤器、施加来自所述气动子系统的压力以释放存储于所述宏流体处理子组件中的水溶液使其流过提纯过滤器从而从被结合的DNA中移除污染物、施加压力以使得空气流过所述提纯过滤器从而干燥被结合的DNA、施加来自所述气动子组件的压力来释放存储于所述宏流体处理子组件中的洗提溶液从而从所述提纯过滤器释放被结合（bind）的DNA，从而产生包含被提纯的DNA的洗出液，来从所述未处理的样本中提纯DNA；

通过将来自所述气动子系统的压力施加至所述气动子组件，来将所述洗出液传输至包含冻干的PCR反应混合物的重构腔室；

将所述被重构的PCR反应混合物传输至所述流体子组件中的热循环腔室；

通过初始化热循环方案，施加热至所述热循环腔室从而从所述PCR混合物中产生带标签的扩增子（labeled amplicons）；

通过将来自所述气动子系统中的压力施加至所述气动子组件，将所述带标签的扩增子和存储于所述宏流体处理子组件中的甲酰胺试剂传输至所述流体子组件中的联结腔室（joining chamber）；所述带标签的扩增子和甲酰胺试剂形成甲酰胺-PCR产物混合物；

通过将来自所述气动系统的压力施加至所述气动子组件来传输所述甲酰胺-PCR产物混合物，以将所述混合物传输至ILS块状物腔室，用于与所述ILS块状物混合来产生分离与检测样本；

通过将来自所述气动系统的压力施加至所述气动子组件，将所述分离与检测样本传输至所述流体子组件中的阴极腔室；

通过施加来自所述高压子系统的电压以偏压阴极和阳极，来为该分离与检测的分离准备流体子组件的阳极与阴极；

通过将来自所述气动子系统的压力施加至所述气动子组件，将来自所述流体子组件中的胶状物试剂盒（gel reagent reservoir）的胶状物传输至所述流体子组件的阴极腔室和废弃物腔室；

通过将电压通过所述高压子系统施加至阴极和阳极，在分离通道中注射并分离所述分离与检测样本；

通过激活所述光学子系统中的激光器，实现分离与检测样本的被分离组分的荧光；以及

自动检测被分离组分的荧光信号，从而从至少一个未处理的样本中提供分离与检测样本结果。

40.一种用于为至少一个生理样本提供至少两种类型的从样本输入到结果输出的处理的系统，所述系统包括静止的生物芯片和仪器，所述仪器包括用于与所述生物芯片交互的气动子系统、热子系统、高压子系统、和光学子系统以及处理控制器，所述静止的生物芯片包括：

与流体子组件和气动子组件连接的宏流体处理子组件，所述宏流体处理子组件包括适于接收样本的至少一个腔室；

所述流体子组件包括流体板、以及适于连接至热子系统的至少一个流体运输通道和扩增腔室；

所述气动子组件适于连接至所述仪器的气动子系统、以及连接至所述生物芯片子组件，所述气动子组件包括气动板、以及一条或多条驱动线，用于根据来自所述处理控制器的指令气动地驱动流体；

分离与检测子组件，适于连接至所述仪器上的所述高压和光学子组件以及处理控制器，所述分离与检测子组件包括分离通道、且还包括检测区域，所述检测区域被放置为将来自每一个所述通道的信号发送至所述仪器上的所述光学子系统；

所述生物芯片还包括用于样本处理的至少两个不同路径，所述至少两个不同路径的每一个专用于不同的分析处理；以及

其中所述仪器的处理控制器包括用于在不同的分析处理中处理所述至少一个生理样本的一组指令。

41.如权利要求40所述的系统，其特征在于，所述静止的生物芯片由塑料制成。

42.如权利要求40所述的系统，其特征在于，所述不同的分析处理是STR分析和单核苷酸多态性分析。

43.如权利要求40所述的系统，其特征在于，所述不同的分析处理是多通路扩增和DNA测序。

44.如权利要求40所述的系统，其特征在于，所述不同的分析处理是STR分析和线粒体DNA测序。

45.如权利要求40所述的系统，其特征在于，所述不同的分析处理是逆转录PCR和常规PCR。

46.如权利要求40所述的系统，其特征在于，所述不同的分析处理是DNA测序和单核苷酸多态性分析。

47.一种生物芯片的试剂存储容器，包括宏流体块和盖，所述宏流体块包括：

具有顶端和底端的试剂存储腔室；

粘接至所述底端的第一箔片密封；

粘接至所述顶端的第二箔片密封；

其中试剂被存储在箔片密封的腔室中，且通过经由所述盖施加气压以使顶部和底部箔片破裂、释放出所述试剂存储腔室中的所述内容物。

48.如权利要求47所述的容器，其特征在于，所述箔片密封中的一个或两个是带划痕的。

49.如权利要求48所述的容器连接至流体子组件。

50.如权利要求49所述的容器，其特征在于，所述试剂存储容器还包括间隔板，所述间隔板置于所述容器和所述流体子组件之间以使所述间隔板的尺寸调整为容纳破裂之前的第一箔片的膨胀。

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