生物芯片及相关自动分析器和方法

摘要

本发明提供一种生物芯片，包括：(a)多个卡，每个卡具有在其中延伸通过的多个卡孔径，每个相应卡孔径具有一个或更多个横截面积；以及(b)多个衬垫，至少一个衬垫位于两个相邻卡中间，每个衬垫具有在其中延伸通过的多个孔径。至少一些衬垫孔径可以具有大于至少一个相邻卡孔径的面积的面积。衬垫孔径和卡孔径的不同组合限定了多个流体流动通道。此处还提供制备和使用生物芯片的方法。

说明书

相关申请

本申请权利要求于2008年4月25日提交的美国临时专利申请序列号No.61/047,788的益处或优先权，此处以引证的方式并入其全部内容，如同在此进行了完整阐述一样。

技术领域

本发明涉及生物芯片及其自动分析器。

背景技术

大规模、多样品、并行生物化学化验的自动仪器和使用生物信息学技术的系统集成是用于改善低和高通过量分析和诊断领域的关键因素。生物芯片技术变得越来越流行，生物芯片的一个主要目的是研究环境以及临床诊断中用于生物学参数的多样品的有效和经济的测量。

发明内容

本发明的实施例涉及生物芯片、生物芯片分析器以及制备和分析生物芯片的方法。

在一些实施例中，生物芯片包括：多个卡，每个卡具有在其中延伸通过的多个卡孔径，且每个相应卡孔径具有一个或更多横截面积；以及多个衬垫，至少一个衬垫位于两个相邻卡中间。卡和衬垫具有在其中延伸通过的多个孔径。至少一些衬垫孔径可以具有比至少一个相邻卡孔径的横截面积大的横截面积。衬垫孔径和卡孔径的组合限定了多个流体流动通道。

在生物芯片的一些实施例中，衬垫可以是柔性的且卡可以是刚性的。卡和衬垫可以在叠层中可释放地附着且保持在一起以限定微流体流动通道。至少一些流动通道可以具有基本沿着其整个长度交替的基本水平和基本垂直片段的重复模式(pattern)，其中至少一个水平片段与该叠层生物芯片的每一层处相应卡的上或下表面相关，该相应卡限定接触流动测试样品的水平测试表面。

在其他实施例中，一个衬垫可以固定到一个卡以限定完整衬垫/卡对，一个衬垫孔径对准于一个相应的卡孔径。在使用中多个衬垫/卡对可以可释放地啮合且保持在一起以限定多个流体流动通道。

根据本发明的实施例的生物芯片还可以包含配置有衬垫孔径阵列的衬垫，基本所有或所有的衬垫孔径具有相同的形状和大小，且卡可以配置有卡孔径阵列，基本所有或所有的卡孔径具有相同的形状和大小。衬垫孔径可以具有盒型形状，且卡孔径可以基本为长度尺寸大于宽度尺寸的矩形。

在其他实施例中，具有多个卡的生物芯片配置为使得至少一些卡包括在上和下表面至少之一上接触其上流动的样品的的至少一种生物活性材料和/或涂层，且不同的卡可以具有不同的生物活性涂层和/或材料以执行多种分析。

在一些实施例中，生物芯片可以具有多个不同的分析站，每个卡上至少一个，且多个流体流动通道可以是流体隔离的且配置成分析多个不同的样品。

在特定实施例中，提供具有多个分离的微流体流动通道的生物芯片，该多个分离的微流体流动通道可以配置成并发可流动地接收多个不同样品，一个样品通过每个微流体流动通道，由此相应样品与多个不同分析站接触，在对准的衬垫孔径露出的上或下表面上的卡的区域中，每个卡上具有至少一个分析站。

本发明的附加实施例包括生物芯片，该生物芯片包括多个可释放可啮合叠层卡，相邻卡之间具有至少一个衬垫，且衬垫和卡的层限定微流体流动通道。通道可以向上或向下延伸对应于第一卡的厚度的第一距离，沿着第一卡的基本水平的表面横向延伸第二距离，该第二距离对应于第一衬垫孔径的宽度，然后向上或向下延伸对应于第二卡的厚度的第三距离，然后沿着第二卡的基本水平的表面横向延伸第四距离，该第四距离对应于第二衬垫孔径的宽度。

生物芯片的衬垫孔径可以具有盒型形状且卡孔径可以具有盒型形状。在一些实施例中，卡孔径可以具有矩形形状，卡孔径的宽度尺寸是衬垫孔径的宽度尺寸的一小部分，且卡孔径的长度尺寸与衬垫孔径的长度尺寸基本相同。层叠的卡和衬垫可以限定密闭空间的微流体流动通道，其中每个通道配置为使得流体可以通过通道基本垂直地行进第一距离，基本水平地行进第二距离，基本垂直地行进第三距离且基本水平地行进第四距离。在这种实施例中，一个或更多的卡可以包含一种或更多的生物活性涂层和/或材料。

本发明的一些其他实施例涉及生物芯片组件。组件包括具有基本盒型形状孔径阵列的柔性衬垫以及固定到柔性衬垫的基本刚性的卡。卡可以具有其上的生物活性材料和/或涂层以及基本矩形形状的卡孔径阵列，卡孔径的矩形形状的宽度尺寸小于衬垫孔径的宽度尺寸。衬垫位于卡上方，使得相应的衬垫孔径位于相应的卡孔径上方，卡孔径位于衬垫孔径的边缘附近。衬垫孔径之下的卡的表面通过衬垫孔径露出且可用于接触流体样品。

本发明的实施例中还提供生物芯片，该生物芯片具有此处描述的多个生物芯片组件，该多个生物芯片组件具有层叠关系且布置为使得相邻第一和第二生物芯片组件配置有具有位于第一衬垫孔径左侧附近的第一卡孔径的第一生物芯片组件以及具有位于第二衬垫孔径右侧附近的第二卡孔径的第二生物芯片组件。生物芯片还配置有具有预定光学和/或电学可读标记的卡的表面。

本发明的另外其他实施例包括具有多个可层叠卡/衬垫部件的生物芯片，每个卡/衬垫部件具有相对的上和下表面以及在其中延伸通过的多个孔径，可层叠部件对准，使得孔径限定微流体流动通道。至少一些通道具有交替的基本水平和基本垂直的表面，至少一些水平表面限定一个或更多分析站。

本发明的另外其他实施例涉及自动或半自动分析器。分析器包括：(a)具有多个微流体流动通道的生物芯片，该多个微流体流动通道通过多个可释放附着卡延伸，至少一些卡具有生物活性剂和/或材料；(b)卡分离和支撑部件，配置成从生物芯片的可释放附着卡获得一个卡且将获得的卡移动到读取站；(c)读取站的读取器，配置成在读取站中与获得的卡通信且获得卡的至少一个分析站的信号；以及(d)控制电路，配置成引导分离部件和读取器的自动操作。

该系统还可以包括与读取器通信的分析器，该分析器程序地分析至少一个分析站的获得信号。

该系统还可以包括与生物芯片的上部和下部连通的流体输送系统，用于使得流体样品和/或溶液流过生物芯片。

生物分析器还可以包括控制电路，该控制电路包含控制器，该控制器配置成引导信号读取器从包含预定可读标记的每个卡的区域获得信号，该标记可用于确认卡的身份和/或真实性且可选地在卡不被确认时阻断操作以由此防止未授权生物芯片的使用。

本发明的其他实施例包括制作生物芯片的方法，包含：(a)提供第一刚性卡，该卡具有在其中延伸通过的卡孔径阵列，该第一卡具有至少一种生物活性材料和/或涂层；以及(b)将第一衬垫附着到第一卡以形成第一卡/衬垫对(例如通过共成型、粘合剂附着、摩擦啮合、夹具等)，第一衬垫具有在其中延伸通过的衬垫孔径阵列，且衬垫孔径具有比卡孔径更大的横截面积，使得衬垫孔径交叠卡孔径，卡孔径位于衬垫孔径的一个边缘附近，在衬垫孔径之下露出第一卡的表面，且限定微流体流动通道的水平表面。制作本发明的生物芯片的方法还包含重复步骤(a)和(b)多次以产生多个卡/衬垫对以及组装对以产生具有微流体流动通道的多层可释放附着层叠生物芯片，该微流体流动通道具有交替的基本水平和基本垂直的表面。

在本发明的制作方法的一些实施例中，第一卡/衬垫对可以配置有位于第一衬垫孔径左边附近的第一卡孔径，且第二相邻卡/衬垫对可以配置有位于第二衬垫孔径右边附近的第二卡孔径，以限定具有交替的基本水平和基本垂直表面的微流体流动通道。

本发明的其他实施例包括在单个生物芯片中分析多个样品的自动化方法，包含：a)将多样性流体样品引入到自动生物分析器的流体输送系统；b)使得多样性流体样品流过具有多个可释放附着卡/衬垫对的生物芯片，每个卡/衬垫对具有在其中延伸通过的对准孔径阵列，其中孔径组限定了微流体流动通道，每个卡包含卡孔径附近的通道中的至少一个分析站；c)顺序地获得和向信号读取器呈现生物芯片的卡，该信号读取器配置成选择性地啮合卡的至少一个分析站且从分析站获得信号；d)选择性地啮合相应卡的至少一个分析站且从分析站获得信号；以及e)分析获得的(多个)信号。

生物芯片的至少一个卡可以包含接触其上流过的流体样品的上和下表面其中至少之一上的至少一种生物活性材料和/或涂层。这种生物活性材料和/或涂层可以是但不限于抗体、抗原、核酸、肽核酸、配体、受体、抗生物素蛋白、生物素、蛋白质A、蛋白质G、蛋白质L、用于酶的底物和其任意组合。

在一些实施例中，生物活性材料可以是抗原且如果形成抗原/抗体复合物则检测出信号。在其他实施例中，生物活性材料可以是抗体且如果形成抗原/抗体复合物则检测出信号。在其他实施例中，生物活性材料可以是核酸或肽核酸，且如果形成杂交复合物则检测出信号。

本发明的实施例涉及能够组装在可伸缩配置中以包括可选的多个(x个)卡和衬垫(例如，卡/衬垫对)的生物芯片，其中x是从1到100,000的整数。选择可以基于所需测量或应用由用户或OEM商做出。生物芯片可以作为工具包提供，其中卡、衬垫或卡/衬垫对可以由销售商或终端用户组装。生物芯片还可以包含多个(y个)卡孔径，其中y是从1到100,000的整数，依赖于卡的大小，典型地介于1至约1536之间。另外，生物芯片还可以包含多个(z个)衬垫孔径，其中z是从1到100,000的整数，同样，依赖于衬垫的大小，典型地介于1至约1536之间。

在生物芯片的其他实施例中，多个卡其中的每个卡可以具有相同数目的卡孔径，且在一些实施例中，多个衬垫其中每个衬垫可以具有相同数目的衬垫孔径。在特定实施例中，每个卡的卡孔径的数目可以等于每个衬垫的衬垫孔径的数目。

应当注意，尽管没有具体陈述，此处描述的本发明的实施例的特征可以是方法、系统、计算机程序或其组合。下面将进一步描述上述和其他实施例。

当阅读下文中本发明的附图和详细描述时，本领域技术人员应意识到本发明的其他特征、优点和细节，所述描述仅用于本发明的说明。

附图说明

图1A是根据本发明的实施例的生物芯片的卡的立体图。

图1B是图1A示出的卡的顶视图。

图2A是根据本发明的实施例的生物芯片的衬垫的立体图。

图2B是图2A中示出的衬垫的顶视图。

图3A是根据本发明的实施例的衬垫和卡对的立体分解图。

图3B是根据本发明的实施例包含图3A中示出的衬垫和卡对的生物芯片组件的立体图。

图3C是图3B中示出的生物芯片组件的顶视图。

图4是根据本发明的实施例以叠层关系示出的图3B的多个生物芯片组件的部分分解透视图。

图5A是根据本发明的实施例的层叠生物芯片组件组成的生物芯片的透视图。

图5B是图5A中示出的生物芯片的正视图。

图6是图5中示出的生物芯片的放大透视图，示出根据本发明的实施例可以流过不同流动通道的不同样品。

图7A-7C是可用于形成生物芯片的立体图。图7A说明根据本发明的实施例形成衬垫和卡生物芯片组件。图7B说明根据本发明的实施例对准和层叠衬垫和卡对。图7C说明堆叠在一起的图7B的对准卡。

图8是说明根据本发明的流体通道的生物芯片的放大剖面图。

图9是图8中示出的生物芯片的放大的部分侧视图，说明了根据本发明的实施例通过流动通道的流体样品的示例性流动方向。

图10A是图6中示出的生物芯片组件之一的顶视图，说明了根据本发明的实施例的卡的分析站的后曝光条件。

图10B是图10A的生物芯片组件的放大的部分顶视图，示出根据本发明的实施例与流体样品示例性反应的分析站之一。

图11是生物芯片的透视部分剖视图，示出根据本发明的实施例的生物芯片内的两个相邻流体流动通道。

图12是图11中示出的实施例的剖视图的放大透视图，说明根据本发明的实施例限定生物芯片的流动通道的交替边的对准衬垫孔径和卡孔径。

图13生物芯片的一部分的示意，说明根据本发明的实施例的一个流动通道。

图14是说明根据本发明的实施例位于生物芯片支架中适当位置且与流体输送系统连通的示例性生物芯片的示意。

图15A是根据本发明的实施例的支撑件的示例的顶视图。

图15B是图15A中示出的示例性支撑件的立体图。

图16A是图15A和15B中示出的支撑件的顶视图，根据本发明的实施例，该支撑件保持卡(和衬垫)。

图16B是图16A中示出的支撑件和卡的立体图。

图17是自动或半自动生物芯片分析器系统的示意性说明，说明根据本发明的实施例，图15A和15B中示出的支撑件与图14中示出的支撑体连通。

图18是示出根据本发明的实施例的自动生物分析器的示意性说明。

图19是根据本发明的实施例配置有免疫测定的生物芯片的示意性说明。

图20是根据本发明的实施例配置为提供核酸杂交化验的生物芯片的示意性说明。

具体实施方式

此后将参考附图更详细地描述本发明，附图中示出本发明的实施例。不过，本发明可以以很多不同形式实施且不应解读为限制于此处提出的实施例；而是，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，且向本领域技术人员完全传达本发明的范围。

贯穿附图，相同的标号表示相同的元件。在附图中，为清晰起见，某些线、层、部件、元件或特征的厚度可以放大。在使用时，除非明确声明，虚线说明可选特征或操作。

此处使用的术语学仅用于描述特定实施例的目的，且并不旨在限制本发明。当在此使用时，除非语境明确指明，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”旨在也包括复数形式。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包含”及其动名词形式指定陈述的特征、整体、步骤、操作、元件部件和/或其分组或组合的存在，但是不排除一个或更多特征、整体、步骤、操作、元件部件和/或其分组或组合的存在或添加。

当在此使用时，术语“和/或”包括相关列举项目的任意和所有可能组合或其中一个或更多个，且当以备选(“或”)解释时则缺少组合。

而且，当在此使用时，诸如“在X和Y之间”和“约在X和Y之间”的短语应理解为包括X和Y。而且，诸如“约在X和Y之间”可以意味着“在约X和约Y之间”。而且，诸如“约从X到Y”意味着“从约X到约Y”。

而且，当在此使用时，当引用可测量值时，诸如描述本发明的任意样品、流速、成分或试剂以及任意计量、时间、温度等时，术语“约”意味着包含约±20％或更低的变化，例如具体数量的±10％、±5％、±1％、±0.5％或甚至±0.1％。

除非定义，此处使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域技术人员通常理解的相同意义。还应当理解，诸如在常用词典中定义的术语应理解成具有与说明书和权利要求书的语境中一致的意义，且除非此处明确定义，不应理解为理想化的或过于正式的意义。为简洁和/或清晰起见，不详细描述公知的功能或构造。

应当理解，当称元件位于另一元件“上”、“附着”、“连接”、“耦合”、“接触”另一元件等时，它可以直接位于另一元件上，附着、连接、耦合和/或接触其他元件，或者可以存在中间元件。相反，当称一个元件“直接在...上”、“直接附着”、“直接连接”、“直接耦合”或“直接接触”另一元件时，则不存在中间元件。本领域技术人员还应当意识到，对于与另一特征“相邻”布置的结构或特征的引用可以具有交叠相邻特征或相邻特征之下的部分。

诸如“下方”、“下面”“下”、“上方”、“上”等空间相对术语此处可用于简单描述元件或特征与其他(多个)元件或(多个)特征的关系，如图所示。应当理解，空间相对术语旨在包含使用和操作时附图中示意的取向之外的装置的不同取向。例如，如果附图中的装置倒置，描述为其他元件或特征的“下方”或“之下”的元件则将取向为在其他元件或特征“上方”。因而示例性术语“下方”可以包含上方和下方两个取向。装置可以具有其他取向(旋转90度或其他取向)且此处使用的空间相对描述符应相应地理解。类似地，除非明确指定，术语“向上”、“向下”、“垂直”、“水平”等此处仅用于解释目的。

应当理解，尽管此处可以使用术语第一、第二等来描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，这些元件、组件、区域、层和/或部分不应被这些术语限制。而是，这些术语仅用于从其他、组件、区域、层和/或部分区分一个元件、组件、区域、层和/或部分。因而，此处讨论的第一元件、组件、区域、层和/或部分可以命名为第二元件、组件、区域、层和/或部分，而不偏离本发明的教导。除非明确指明，操作(或步骤)的顺序不限于权利要求或附图中示出的顺序。

术语“生物芯片”表示具有布置在和/或位于一个或更多基板上的一个或更多分析站的装置，该装置允许在相同的时间和/或不同的时间典型地经由装置中流体通道的可流动通过量，针对一种或更多流体样品(例如微量试样)执行一种或更多分析。流体测试样品可以基本是气体或液体形式，但是典型地是液体。测试样品可以包括流体中的固态或颗粒物质。在一些实施例中，可流动通过量是(多个)高流速的高通过量条件。流速可以从针对单一流通化验(例如，样品缓慢地经过通道且不需要培养)的约1μl每分钟到针对一些化验的约10ml每分钟(或更多)。生物芯片典型地配置成同步接收和测试多个不同样品且对这些样品执行多种不同的分析。

“流体流动通道”表示通过生物芯片的连续或非间断的流体路径或通道，在生物芯片的任一端或者顶部或底部具有开口(例如入口和出口)，以允许流体从样品入口位置流入从其通过并流至样品排出位置。“微流体”流动通道是适应典型地介于微升和纳升流体之间的小流体容量的微型化的流体流动通道。微流体流动通道典型地可以保持或容纳微升量级的量(例如，微升或更少，例如，从纳升到微升)的如上所述的气体或液体形式的流体。在一些实施例中，每个通道例如可以保持从亚微升(例如约0.1μl)到约100μl的容量。在一些实施例中，例如，通道可以保持约1μl至约10μl的容量。例如，如果一个通道保持2μl的液体，则它可以处理约40μl的样品以测试20种分析物。

术语“卡”表示典型地提供一个或多个分析站的生物芯片的基板。卡可以包含在未组装时防止弯曲的刚性材料或基本刚性材料(例如具有足够的刚性以在自由空间维持其形状)。卡可以是任意合适的几何配置或形状，且具有任意适当的一个或多个厚度。卡可以包含任意合适的材料，例如，金属、玻璃、陶瓷、聚合物或其组合，且可以是不透明的、半透明的或透明的。卡可以由单一材料的单层基板形成，或者由相同或不同材料基板的叠层或多层配置形成。聚合物可以是热塑性聚合物，例如聚苯乙烯。卡典型地是单层单片基板，厚度介于约0.2mm至约15mm之间，且更典型地介于1mm至12mm之间。卡可以包含以基板的矩阵形式形成和/或应用或涂覆在其主表面上的生物活性剂，以限定所述卡上用于分析一个或更多不同样品的一个或更多个分析站。

术语“生物活性”包括术语“生物反应”并且表示当目标分析物(例如组分、抗原、抗体、细菌、病毒、配体、蛋白质污染物、毒素和/或其他材料)在测试样品中存在时，单独地或在与另一试剂结合且暴露于测试样品时将形成化学反应和/或以外观或另一光学或电学可读或可检测方式发生变化的试剂或材料或复合物。例如参见美国专利No.6,924,107，其内容通过引用结合于此，如同进行了完整阐述一样。

术语“衬垫”表示生物芯片与一个或多个卡协作以限定相邻卡之间的基本流体密闭的部件。衬垫可以是任意合适的材料，例如，聚合物、橡胶和金属。衬垫可以具有与相邻卡基本相同、更大或更小的厚度。在一些实施例中，衬垫由弹性可压缩材料形成。在一些实施例中，热塑性弹性体(包括但不限于和)和/或硅化橡胶可用于制造衬垫。

现在转向附图，图1A和1B说明具有卡孔径11的示例性卡10。卡孔径11可以以任意方式布置。如图所示，孔径11以对准的列12c和行12r的阵列12的形式布置。在适当的位置(如下面进一步讨论，当组装时)，孔径11可以限定不同的部分且分离流动通道或可以协作以形成单个或多个流动通道。如图所示，卡10可以具有基本矩形的形状，但是也可以使用其他形状。

图1A说明卡10的至少一个主表面14可以包括与分析测试站18s一起形成测试表面18的至少一种生物活性材料15。材料15可以任意合适的方式应用或集成。例如，材料15可以在卡的基板上形成或者位于所述基板上或者作为其上的涂层。因而，卡10或其部分可以使用生物活性剂或材料15涂覆、覆盖、浸渍、气相沉积、充满、电镀、渗透和/或嵌入。材料15还可以通过收缩塑料包装或粘合性可附着条或片进行施用。

材料15可以位于基本所有或所有的一个或两个主表面上或上方或者在一个或更多孔径11附近选择性地施用。应当理解，一个或多于一个的分析站18s可以位于卡的任一表面(例如，顶部、底部)上或者位于卡的顶部和底部主表面上。在一些实施例中，第一生物活性剂或材料可以在卡的第一表面上存在且第二生物活性剂或材料可以在相同卡的第二表面上存在。在某些实施例中，卡在包含生物活性剂或材料的溶液中浸润或浸湿，使得在卡的上和下(顶部和底部)表面上且在排列孔径的表面上存在生物活性剂或材料。

相同的材料15可应用于整个主表面15或相应卡的每个孔径11附近或者不同的材料15或材料组合可以以任意组合应用于相应主卡表面14上的不同孔径位置。材料15可以集成或应用于相对的主表面(未示出)。生物芯片50(图4、5A、5B)上的每个卡10可以具有相同或不同的材料。

图1B说明每个孔径11可以具有基本相同的宽度“W”和长度“L”，且每个孔径11可以具有相同的几何形状，例如，盒形，典型地为矩形形状，其长度尺度大于宽度尺寸，不过也可使用反向配置或不同形状和尺寸。(多个)卡孔径11的宽度可以称为“CW”。在特定实施例中，卡10具有介于0.2mm至12mm的厚度10t(图1A)。

图2A和2B说明具有孔径21的衬垫20。衬垫孔径21可以以任意方式布置。如图所示，孔径21以对准列22c和行22r的阵列22配置。在适当的位置(如下面进一步讨论，当组装时)，孔径21可以与至少一个相邻卡10协作以限定不同且分离的流动通道部分或者可以协作以形成单个或多个流动通道。

图2B说明每个孔径21可以具有基本相同的宽度“W”和长度“L”，且每个孔径21可以具有相同的几何形状，例如，盒形，典型地为方形或矩形形状。如果是矩形，形状可以是宽度尺寸(W)大于长度尺寸(L)，不过也可使用反向配置或不同形状和尺寸。在特定实施例中，衬垫20可以具有介于约0.1mm和约12mm且典型地可以介于约0.1mm至约10mm的厚度20t(图2A)。(多个)衬垫孔径21的宽度也称为“GW”。

在一些实施例中，上面结合卡10讨论的材料15可以替代地或者另外地应用于衬垫20的内表面上(例如，当组装时面对卡的表面上)。

图3A说明了衬垫20可以附着到相应卡10使得孔径11、21对准。衬垫和卡20、10可以定义衬垫卡对或生物芯片组件30。衬垫卡对或组件30可以是集成的，例如，非可拆卸或可释放地附着在一起。在一些实施例中，在不需要拆卸两个部件10、20的条件下分析衬垫和卡对30的测试站18s。如图3B和3C所示，测试表面站18s是露出的或位于卡孔径11附近的衬垫孔径21下方。卡孔径11可以小于交叠的衬垫孔径21。

在一些实施例中，至少一些衬垫孔径21(例如，由L和W限定)具有大于卡孔径11的面积(例如由L和W限定)。根据特定应用，一些衬垫孔径21的面积可以比至少一些卡孔径11的面积至少大约5％，典型地大10％，例如，大约15％至约200％之间，还可以大以下数值：约20％、约25％、约30％、约35％、约40％、约45％、50％、60％、70％、80％、90％、100％。

在衬垫/卡对30的某些实施例中，典型地，全部或基本全部的衬垫20的衬垫孔径21的主要部分可以具有基本相同的形状和/或大小。而且，在一些实施例中，典型地，全部或基本全部的卡10的卡孔径11的主要部分可以具有基本相同的形状和/或大小。衬垫孔径21的面积大于卡孔径11的面积，由此面对流过微流体流动通道的流体样品露出每个卡14的基本水平表面，其中通过图4、5A和5B中示出的生物芯片50中对准每个衬垫/卡对的孔径创建该流体流动通道。

卡10或衬垫21中的孔径11、21的形状可以是任意形状(例如，盒形、矩形、椭圆形、圆形等)。在示例性实施例中，衬垫孔径21具有盒形，且卡孔径11具有矩形形状，其宽度尺寸(CW)小于衬垫孔径的宽度尺寸(GW)。如图3C所示，衬垫20与相应卡10的附着使得(盒形)衬垫孔径21在(矩形)卡孔径11的相应一个上的对准，使得，衬垫20之下的卡的(水平)表面14和矩形卡孔径11的一部分或全部在(盒形)衬垫孔径21的窗口或开口中露出，由此限定卡10上的分析站18s和(微)流体流动通道75的一部分(图9)。

图4、5A和5B说明衬垫/卡对30可以一起组装到叠层中以形成具有流体流动通道75(图8、9)的三维或四维生物芯片50。衬垫/卡对30可以被压缩在一起以限定多个不同的流体样品可从中通过的多个流体流动通道75，其中这种通道75可以配置成彼此分离和隔离以最小化或防止具有相同流体样品的不同通道的污染。在其他实施例中，一组孔径11、21可以与另一组彼此流体连通以形成较大的流体流动通道(未示出)。

图6说明每个卡110可以限定不同的测试(例如包含不同的材料15)，使得生物芯片50可以实施很多不同的测试60n，例如测试n＝1至n，此处示为10个测试(例如10个卡)。而且，在生物芯片50的X-Y位置(行和列)中流体连通的每组孔径75s可以限定不同的样品流动通道75，允许相对较大数目的测试样品70n经过生物芯片50，其中n＝1至通道75的数目，在此处示为96(8列和12行，8×12)。

有利的是，选择用以形成生物芯片50的生物芯片组件30可以针对用户和/或所需测试而定制。这样，生物芯片组件30可以独立或在相关组中提供到测试站或者预组装以形成所需的测试工具集或生物芯片50。

在一些实施例中，生物芯片50可以包含多个(x个)卡10和衬垫20，其中x是从2至100,000的整数。例如，x可以是3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、75、100、150、200、250、300、350、400、450、500、1000、10,000、20,000、30,000、40,000、50,000、60,000、70,000、80,000、90,000或100,000，包括此处陈述的数值之间的任意数值但不限于此。

而且，生物芯片可以包含多个(y个)卡孔径11，其中y是从1至约100,000的整数，典型地介于2至1,536之间。另外，生物芯片可以包含多个(z个)衬垫孔径21，其中z是从1至约100,000的整数，典型地也介于2和1,536之间。例如，y和/或z可以是3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、1000、1500或2000，包括此处陈述的数值之间的任意数值但不限于此。

图7A-7C说明可用于形成生物芯片50的一系列操作。在一些实施例中，卡10可以被清洁且涂敷生物活性材料15，诸如试剂，例如，抗体、或抗原、或其他所需材料。相应的衬垫20可以附着到卡10以形成衬垫/卡对30。对30被对准并层叠以形成生物芯片50。卡10和衬垫20和/或衬垫卡对30可以保持在无菌环境或封装中以阻止或确保在制造过程中没有污染。在一些实施例中，衬垫20布置在相应卡10上方，使得衬垫孔径21位于相应卡孔径11上方，使得卡孔径11位于或保持在衬垫孔径21的边缘附近，且卡14的基本水平的表面露出且可用于与流体样品或溶液70接触。

图8和9说明在一些实施例中，流体流动通道75具有基本沿着相应通道75的整个长度延伸的交替的基本水平75h和基本垂直片段75b的重复模式。流动通道75通过来自不同卡和衬垫对30的经对准卡11和衬垫孔径21的组75s限定。

如图9的顶部卡所示，与卡10的上表面14相关的至少一个水平片段75h限定接触或接近流过流动通道75的流体测试样品70的水平测试表面18或分析站18s。这种配置可以在层叠的生物芯片50的每一层中重复。

在本发明的一些实施例中，流动通道75配置成向上或向下延伸对应于第一卡10的厚度10t的第一距离，沿着第一卡的基本水平的表面横向延伸第二距离，该第二距离对应于第一衬垫孔径的宽度(GW)，然后向上或向下延伸对应于第二卡的厚度10t的第三距离，且然后沿着第二卡的基本水平的表面横向延伸第四距离，该第四距离对应于第二衬垫孔径的宽度(GW或第二GW)，其中每个通道配置成使得流体将基本垂直地行进第一距离、基本水平地行进第二距离、基本垂直地行进第三距离且基本水平地行进第四距离。

图10A和10B说明卡10的表面18s将产生信号，该信号是光学和/或电学可读指示器，该指示器是样品中条件或组分存在与否的阳性或阴性指示。也就是说，例如，当样品流体70流过通道75时，样品中的抗原和/或抗体将与(多个)测试站18s的卡10的表面上的相应抗原和/或抗体反应。卡10的(平坦)顶面14在测试站18s产生可以被光学或电学检测或读取的信号。

图11和12说明生物芯片50的部分剖视图。参考图12，如通道75的左边和右边的圆圈所示，不同卡10的孔径的取向在流体通道75的边上交替。即，如图所示，流体通道75由卡10和衬垫20的不同层限定，一个卡孔径11位于流体通道75的左手边11l且下一相邻卡孔径11位于流动通道75的右手边11r，对准于衬垫孔径21的相应外边缘。

为了形成交替配置，衬垫和卡对30可以组装以不同地对准于衬垫孔径。也就是说，第一卡10可以组装到相应衬垫20，使得卡孔径11位于右边11r，位于衬垫孔径21的右边的外边缘下方且与之对准。第二卡10可以组装到相应衬垫20中，使得卡孔径11位于左边11l，其外边缘位于衬垫孔径21的左边缘下方且与之对准。因而，生物芯片50可以包含多个生物芯片组件30，该多个生物芯片组件30具有层叠关系且布置为使得相邻第一和第二生物芯片组件30配置有第一生物芯片组件30₁和第二生物芯片组件30₂以形成如图11和12所示的(微)流体流动通道，其中该第一生物芯片组件30₁具有位于第一衬垫孔径21的左边附近的卡孔径11，且该第二生物芯片组件30₂具有位于第二衬垫孔径的右边附近的卡孔径。

图13说明层叠的卡10限定的示例性流动路径75。图13还说明生物芯片50的每个流动通道75在一端(示为下端)与流体入口140(用于流体样品70)且在另一端与流体出口150(进入废物贮藏器或其他存储容器)流体连通。

在图6中，生物芯片50可以具有包含预定电学和/或光学可读标记200的表面。这种标记200可以在卡10或生物芯片50的制造过程中布置在卡上或卡中，和/或这种标记200可以在制造之后以条形码、彩色码、符号、水印、图标和/或微芯片形式布置在卡10上或卡10中，以具有使用自动读取器或分析器通信的安全“电子握手”或接口。标记200的位置可以使得它不易被肉眼察觉，且可以在卡与卡10和生物芯片与生物芯片50之间变化。标记200的位置可以经由批量编码或制造商编码等而电子关联。标记200可以具有任意形式或用于冗余的多种形式，例如，条形码、便签、图版、刻痕、蚀刻印记等。这些标记200例如可用于识别卡10和/或包含卡的生物芯片50的其他特性(例如，叠层中的顺序或位置、卡上存在的(多种)生物活性剂或(多种)材料的识别、样品的测试状态和/或信号的分析等)和/或确认卡或包含卡10、衬垫20或组装的芯片50的生物芯片真实性。这些标记200可以布置在任意位置(例如，顶部、底部、边缘、衬垫下方、衬垫上、测试表面18s上)且还可以存在于相同的卡10、衬垫20或生物芯片50上的多个位置。

标记200可以在测试初始时或者在组装卡10之前视觉、光学和/或电子可读以确认其上测试的类型和/或芯片的真实性以帮助控制伪造产品和/或不正确的测试。例如，电子检测器或读取器400(例如，参见图18)可以询问一个或更多卡10且识别卡或芯片是否是授权或是认证的卡或芯片。读取器还可以配置成在检测出未授权卡或芯片时警告用户且甚至可以编程为阻止这种卡或生物芯片的分析或明确放弃认证有问题的测试结果。这可以允许临床医生或实验技术人员或其他用户再次测试样品或证实测试结果而不是依赖于可能出错的测试分析。

图14说明生物芯片支撑体205。如图所示，支撑体205包括尺寸经过调整且配置成在其内安全固定生物芯片50的支撑外壳210。外壳21包括两面、三面或四面上的直立壁211。流射组件225位于生物芯片50上方的外壳之上。如本领域技术人员已知，流射组件225可以无缝啮合到顶部衬垫20且可以使得(多种)流体样品70流过生物芯片50。在一些实施例中，外壳210可以包括横向延伸的突出部分215，该突出部分可以缩回以允许卡10或卡/衬垫对30的每次一个的拆解。依赖于生物芯片50中的卡的数目可以在测试与测试或用户与用户之间变化，在使用中生物芯片50的高度可以变化。流射组件225保持在生物芯片50的上表面与一个或更多流体通道75流体连通，且可以垂直调节以适应生物芯片50的高度的变化。

图15A和15B说明支撑部件260的一个示例，该支撑部件260配置成保持相应卡10或卡/衬垫对30且向检测站400s(图18)的电子读取器或检测器400顺序地呈现卡10或卡/衬垫对30，以用于查询、信号检测和/或分析。支撑部件260可以包括保持卡10或卡/衬垫对30的相对边缘的两个间隔开的臂261、262，而不视觉阻碍用于检测/分析的测试分析表面18。如图所示，在卡10下方，支撑部件260可以在中间打开且可以闭合或部分闭合。图16A和16B说明卡在支撑部件260上适当的位置。

图17说明当支撑部件260与外壳205协作以连续释放和获得卡或衬垫对30时支撑部件260的示例性操作。支撑部件260可以与驱动系统275交互，诸如与在站之间移动装置的带或连接驱动、传送器或线性制动器交互。支撑部件260可以取向为基本水平或在外壳206下方在轨道平台上滑动，以获得卡10或卡/衬垫对且检索卡10或卡/衬垫对30且将其呈现给检测站400s(图18)。支撑部件260可以具有原位置260h，在非激励周期它处于该位置。支撑部件260可以以其他取向向检测器/读取器呈现卡10或卡/衬垫对30。外壳210还可以从顶部而不是底部释放卡或对10或者可以在使用之后转向以从一边(未示出)分配卡10和/或卡/衬垫对30。

因而，图17在右边说明了空支撑件，说明根据本发明的一个实施例，如箭头所示，与突出部分215的缩回协作，该空支撑件被自动插入到固定到流体输送系统的生物芯片中，使得生物芯片的单个卡10和/或卡衬垫对30释放到支撑部件260上，用于呈现给信号读取器400。然而，如图18所示，自动分析器300不限于示出的配置，可以使用其他外壳拆解和运输装置和配置。

在一些实施例中，在读取过程中，衬垫20可以去除或保留与相应卡集成。另外，生物芯片50可以具有一层处的“虚构”卡或“虚构”表面或者在一个或每个卡层的光学或电学可读标记以如上所述提供真实性确认标记和测试标识符。

图18说明自动或半自动分析器300。如图所示，分析器300包括流射组件225，该流射组件225具有与生物芯片50的通道流体连通的顶部调适器228以及与生物芯片的通道75流体连通的底部调适器229。顶部调适器228可以与并联注射阵列228s以及一个或更多废物贮藏器228w连通。底部调适器229可以具有与生物芯片流动通道75的入口连通的不同流体通道。底部调适器229可以与(多个)流体源流体连通，流体源例如是样品、试剂、缓冲剂和/或废液。分析器300包括读取或检测站400s的信号读取器或检测器400。信号读取器或检测器400可以包括CCD(电荷耦合装置)仪器和诸如滤波器和透镜的与卡10的测试表面18s光学连通的光学电路。可以使用其他信号读取器或检测器，诸如但不限于光学图像识别系统、强度、亮度、放射能、磁力、质量、荧光或颜色检测器等(或不同类型的信号检测器和读取器的组合)。系统300可以包括收集使用过的卡或卡/衬垫对30的生物芯片废物处理装置299，使得用户可以避免与之接触。生物芯片支撑体260可以包含卡10且向读取器/检测器400呈现卡10。信号读取器400可以包括分析不同测试站的信号的分析器或者分析器可以是远程的。分析器可以包括将检测信号与用于每个测试的阳性或阴性条件关联的信号程序库(未示出)。生物芯片卡10和/或卡/衬垫对30以及读取器400可以协作以基于材料15和/或样品70将样品和测试与卡10上的测试站18s的位置和测试类型电子关联。

信号读取器400可以选择性地啮合生物芯片50的卡10中的全部或选定的部分分析站18s并且检测和/或获得来自分析站18s的信号。信号读取器可以与控制电路350交互，该控制电路350配置成引导分析器300的自动操作以顺序地获得一个卡且向信号读取器呈现获得的卡且分析获得的信号。在生物芯片50的一个或多于一个的卡10包含此处描述的预定光学和/或电学可读标记的实施例中，分析器300的控制电路350可以包含控制器，该控制器配置成引导信号读取器从包含这种标记的卡的(多个)区域获得信号。

卡/衬垫对30可以可释放地附着在层叠生物芯片中，使得一个或更多卡可以单独、相继或者以任意顺序或组合从生物芯片去除。而且，第一卡/衬垫对可以配置有位于第一衬垫孔径21的左侧附近的第一卡孔径11，且第二卡/衬垫对可以配置有位于第二衬垫孔径21的右侧附近的第二卡孔径11等等，用于连续交替卡/衬垫对以限定具有交替的基本水平和基本垂直的表面的(微)流体流动通道75。为了在组装/层叠过程中获得所需的层取向，卡和衬垫对30可以相同方式组装，而不管其在组装/叠层中的后续位置如何(例如，不考虑卡孔径相对于衬垫孔径的取向)。在组装过程中，一个卡和衬垫对30可以相对于下一相邻对30旋转180度以交替地在相应衬垫孔径21的左手边或右手边布置卡孔径。如果实验员或终端用户希望组装装置，组件取向标记可被标记在卡/衬垫对上以帮助合适的取向。

图19说明一个示例性实施例，其中可以在流过生物芯片50的微流体流动通道75的样品中检测到目标抗体，形成抗原/抗体复合物，作为固定到卡10的测试表面18s的抗原的抗体捕获以及通过该抗原/抗体复合物的可检测标记抗体的后续捕获的结果。

图20说明另一示例性实施例，其中可以在流过微流体流动通道75的样品中检测到目标核酸，形成核酸杂交复合物，作为目标核酸和固定到生物芯片50的卡10的表面18s的探针核酸之间的杂交以及杂交复合物的后续检测的结果。

本发明的其他实施例包括分析暴露于生物芯片中的多个分析站的多个样品的自动化方法，该方法包含：a)将多样性流体样品引入到自动分析器的流体输送系统；b)使得多样性流体样品流过具有多个可释放附着卡/衬垫对的生物芯片，卡/衬垫对中的每一个具有在其中延伸通过的孔径的对准阵列，其中孔径组限定微流体流动通道，其中生物芯片的至少一个卡包含在上和下表面至少之一上的接触流过的样品的至少一种生物活性剂或材料，每个卡包含所述试剂和/或材料，限定了卡孔径附近的通道中的至少一个分析站；c)连续获得生物芯片的卡且向信号读取器呈现生物芯片的卡，该信号读取器配置成选择性地啮合卡的至少一个分析站且获得来自分析站的信号；d)选择性地啮合相应卡的至少一个分析站且获得来自该分析站的信号；以及e)分析获得的信号。

在包括多个卡的层叠的生物芯片中，一个或更多个不同的卡可以包含不同的生物活性剂或材料，使得可以在相同的生物芯片中执行多种不同的分析。这种生物芯片还可以包含多个微流体流动通道，使得可以针对相同生物芯片50中的多个不同分析物测试多种不同的样品。

本发明的生物活性剂或材料的非限制性示例包括抗体、抗原、核酸、肽核酸、配体、受体、抗生物素蛋白、链霉亲合素、生物素、蛋白质A、蛋白质G、蛋白质L、用于酶的底物、抗-抗体、毒素、肽、寡核苷酸及其任意组合。

生物活性剂或材料可以直接附着到卡上和/或生物活性剂或材料可以经由诸如PEG(聚乙二醇)、EDC(N-3-二甲基氨基丙基-N’-碳酰二亚胺盐酸盐)、戊二醛等链接物间接附着到卡上。如本领域所已知，生物活性剂还可以通过生物素、抗生物素蛋白、多熔素、BSA(牛血清白蛋白)等中间层附着到卡上。本发明的生物活性剂或材料还可以提供到流体溶液中的分析站，例如用以检测分析站的反应。

在一些实施例中，生物活性材料可以是抗体或抗体片段，且如果形成抗原/抗体复合物，则检测出信号。在这种实施例中，作为示例，第一抗体或抗体片段可以经由本领域中的各式各样的附着规程标准直接或间接附着到生物芯片的卡。然后流体测试样品经过生物芯片的微流体流动通道，使得样品接触包含固定的第一抗体或抗体片段的卡上的分析站。如果在测试样品中存在特异于固定的第一抗体或抗体片段的抗原，则抗原将被固定的第一抗体或抗体片段结合(即，“捕获”)，使得形成固定在卡上的抗原/抗体复合物。包含可检测标记的第二抗体或抗体片段的流体然后流过微流体流动通道。可检测标记的第二抗体或抗体片段也特异于第一固定抗体结合的抗原，且因此将结合到捕获的抗原，由此在分析站固定可检测标记的第二抗体或抗体片段。在卡的后续分析中，根据此处描述的方法在分析站检测固定的可检测标记的第二抗体，且本领域中公知这种检测。分析测试的结果是，测试样品包含目标抗原(例如，阳性)。

在一些实施例中，生物活性材料可以是抗原，且如果形成抗原/抗体复合物，则检测出信号。在这种实施例中，作为示例，抗原(例如，肽、多肽、定义抗原决定基的氨基酸序列)经由本领域中的各式各样的附着规程标准直接或间接附着到生物芯片的卡。然后流体测试样品经过生物芯片的微流体流动通道，使得样品接触包含固定的抗原的卡上的分析站。如果在测试样品中存在特异于固定的抗原的抗体，则样品中的抗体被固定的抗原结合(即，“捕获”)，使得形成固定在卡上的抗原/抗体复合物。包含特异于从其获得测试样品的物种的抗体的可检测标记的抗抗体或抗体片段的流体然后经过微流体流动通道。可检测标记的抗体或抗体片段将结合被抗原捕获的固定抗体，由此在分析站固定可检测标记的抗体或抗体片段。在卡的后续分析中，根据此处描述的方法在分析站检测固定的可检测标记的抗体，且本领域中公知这种检测。分析测试的结果是，测试样品包含目标抗体(例如，阳性)。

在一些实施例中，生物活性材料可以是核酸或肽核酸，且如果形成核酸杂交复合物，则检测出信号。在这种实施例中，作为示例，核酸(例如，寡核苷酸)或肽核酸(PNA)经由本领域中的各式各样的附着规程标准直接或间接附着到生物芯片的卡。然后流体测试样品经过生物芯片的微流体流动通道，使得样品接触包含固定的核酸或PNA的卡上的分析站。如果在测试样品中存在互补的核酸[完全互补或足够部分互补以在化验的条件(例如，高度精确、中等精确或较不精确，这些术语在本领域中已知)下形成杂交复合物]，样品中的核酸将杂交到固定的肽核酸或PNA(即，被其“捕获”)，使得形成固定在卡上的杂交复合物。在卡的后续分析中，根据此处描述的方法在分析站检测固定的可检测标记的抗体，且本领域中公知这种检测。分析测试的结果是，测试样品包含(例如正)目标核酸。在一些实施例中，固定的杂交复合物可被检测，因为测试样品中的核酸被改性以包含可检测信号(例如，荧光、化合光、辐射能、电化学监测、酶监测、磁监测、质谱分析等)。

描述可以在本发明的生物芯片中实施的各种化验的上述示例并不旨以任意方式表示限制。如果目标分析物可以被可附着到卡上的相应生物活性剂捕获，且分析物可以通过上面列出的检测方法或其他方法其中之一检测，则可以根据本发明的实施例对生物芯片执行化验。生物芯片可用于实施任意类型的直接免疫化验、间接免疫化验、竞争性结合化验、中和化验、诊断化验和/或生物化学化验。例如，出生以前和/或新生TORCH化验中，对于弓形虫病、风疹、细胞巨化病毒、单纯疱疹病毒特异的抗原和/或抗体可以附着到卡上，用于捕获IgG和IgM抗体和/或对应于人类血清中的病原体的病毒抗体。作为另一示例，对于人类B型和C型肝炎具有特异性的抗体和/或抗原可以附着到卡上，用于检测对于病毒的表面和核心抗原和/或人类血清样品中的抗原具有特异性的抗体。另一示例，底物固定在卡上且流体样品在固定的底物上经过以检测对于固定底物特异性作用的酶。可以检测这种酶活性的产品，使得对于存在目标酶的测试样品的阳性识别。

可以根据本发明的实施例的方法和装置检测、识别和/或量化的病原体、感兴趣的试剂和/或污染物的非限制性示例包括使得人类或动物中的传染病的大多数病原体、食源性病原体以及用作生物恐怖活动的病原体。生物芯片还可用于检测可用于诊断大多数传染病和其他疾病和条件(例如，甲状腺功能、孕烯、癌症、心脏病、自身免疫疾病、过敏症、治疗药物监测、药物滥用测试等)的抗体和蛋白质。本领域技术人员将容易理解，根据本发明的实施例的方法和生物芯片还可用于检测、识别和/或量化样品(突变，诸如插入、删除、替换、重排等，以及等位基因变异(例如，单核苷酸多态性))中的特定核酸。本发明的实施例的基于核糖核酸的化验还可用作诊断学(例如，检测样品中病原体的核酸)。在一些实施例中，细胞色素P450基因和血凝因子基因的突变被检测和/或识别。本发明的实施例的生物芯片还可以通过将PNA样品的标记复合混合物杂交到覆盖有寡核苷酸或cDNAc的互补链的卡来判断RNA转录体的级别。

上面是本发明的说明且不应理解为其限制。尽管描述了本发明的一些示例性实施例，本领域技术人员应当意识到，在本质上不偏离本发明的新颖教导和优点的条件下，示例性实施例中的很多修改是可行的。因此，所有这些修改旨在包括在如权利要求限定的本发明的范围内。本发明有下面的权利要求以及包括在其中的权利要求的等价限定。