SE REVELA UN SISTEMA DE MANIPULACION DE FLUIDOS A ESCALA MICROSCOPICA (10) QUE PERMITE EL TRASIEGO EFICIENTE DE CANTIDADES DESDE NANOLITROS HASTA PICOLITROS DE UNA MUESTRA DE FLUIDO DESDE EL ENTORNO CONCENTRADO ESPACIALMENTE DE UN CHIP MICROFABRICADO PARA DISPOSITIVOS DE ANALISIS O RECOGIDA FUERA DEL CHIP (23) PARA REALIZAR POSTERIORMENTE LA MANIPULACION Y EL ANALISIS DE LA MUESTRA FUERA DEL CHIP.

EL SISTEMA DE MANIPULACION DE FLUIDOS (10) ESTA FABRICADO EN FORMA DE UNO O MAS CANALES (12), EN CUALQUIER FORMATO ADECUADO, DISPUESTO EN UN CUERPO O SUSTRATO DE MICROCHIP DE SILICE, POLIMERO U OTRO MATERIAL NO CONDUCTIVO ADECUADO, O DE ACERO INOXIDABLE, METAL NOBLE, SILICIO U OTRO MATERIAL CONDUCTIVO O SEMICONDUCTIVO ADECUADO. EL SISTEMA DE MANIPULACION DE FLUIDOS DE MICROCHIPS (10) INCLUYE UNO O MAS ORIFICIOS DE SALIDA (16) INTEGRADOS CON EL EXTREMO DE UNO O MAS CANALES (12) PARA REALIZAR CONSECUTIVA O SIMULTANEAMENTE EL ANALISIS O LA RECOGIDA DE LA MUESTRA FUERA DEL CHIP. EL ORIFICIO U ORIFICIOS DE SALIDA (16) PUEDEN CONFIGURARSE, POR EJEMPLO, COMO CONEXION DE ELECTROPULVERIZACION PARA EL TRASIEGO DE UNA MUESTRA DE FLUIDO A UN ESPECTROMETRO DE MASAS (23)

Sistema de microescala para manipulación de líquidos.

Campo de aplicación del invento

Este invento se refiere a sistemas de microescala para manipulación de líquidos y en particular a dichos sistemas fabricados en un dispositivo de microescala.

Antecedentes del invento

Los desarrollos recientes en las técnicas de microfabricación han permitido la integración de herramientas microminiatura para análisis bioquímicos dentro de un dispositivo diminuto. Los sistemas de tratamiento químico completo, tales como cámaras de reacción, tubos capilares para separación y sus correspondientes depósitos de electrodo, así como ciertos tipos de detectores, se pueden consolidar en un microchip de, por ejemplo, un cristal de sílice o sílice fundido. Dichos "laboratorios en un chip"., en principio, permiten una utilización y una manipulación eficaces de cantidades diminutas de material. Una vez que se han llevado a cabo los procedimientos previstos, los componentes procesados están disponibles en el chip en una forma concentrada espacialmente que es adecuada para realizar operaciones analíticas adicionales. Como los componentes de la muestra están en volúmenes del orden de nanolitros, las operaciones subsiguientes se deberían llevar a cabo preferiblemente sobre el mismo dispositivo. (Véase comunicación de Effenhauser y colaboradores, Análisis Químico, 67; págs. 2284-2287, 1955). Sin embargo, esta restricción permite una utilización menos que eficaz de ciertos poderosos instrumentos de análisis, tal como un espectrómetro de masas.

Se resalta que el documento US-A-5.376.252 describe un sistema de microescala para manipulación de líquidos, que comprende un sustrato que tiene un canal formado en el mismo. Además, se hace notar que el documento WO 96/12546 A1, publicado el 2 de mayo de 1996, describe un dispositivo de columna plana miniaturizado para uso en un aparato de separación de fase líquida.

Sumario del invento

El invento provee un sistema de acuerdo con las reivindicaciones independientes de sistema que se adjuntan, así como un método de acuerdo con las reivindicaciones de método que se adjuntan.

El invento está destinado a sistemas de microescala para manipulación de líquidos que permite el trasiego eficaz de cantidades de nanolitros o de otras cantidades de una muestra de fluido desde un ambiente concentrado espacialmente o un dispositivo de microescala, tal como un chip microfabricado, a dispositivos de recogida o de análisis "fuera del chip" sin un aumento en el volumen de la muestra. El sistema para manipulación de fluidos del invento se fabrica en la forma de uno o más canales capilares practicados en un cuerpo o sustrato, que podrían fabricarse de un material no conductor adecuado tal como sílice o un polímero de plástico, un metal noble, o un material semiconductor como el silicio. El dispositivo de microescala del invento incluye una o más lumbreras de salida integrales con un extremo de uno o más de los canales para un análisis o recogida en chip consecutivos o simultáneos de una muestra aplicada. La lumbrera o lumbreras de salida se podrían configurar, por ejemplo, para transferir una muestra de un análisis por espectrometría de masas por electroaspersión (en adelante ESI/MS), para análisis químico por espectrometría de masas con ionización a la presión atmosférica (en adelante APCI/MS), para espectrometría de masas con desorción e ionización con láser asistida por matriz (en adelante MALDI/MS), para análisis por resonancia magnética nuclear (en adelante NMR), para manipulación de muestras de aspersión asistida mecánica o hidráulicamente, para transferencia a un sistema de detección fuera de chip, tal como fluorescencia por electroquímica, por conductividad o inducida con láser, para la obtención de fracciones específicas, por ejemplo, en tubos capilares para obtención de muestras o en membranas de obtención de muestras. La muestra se trasiega por gotículas, por aspersión o por una corriente, según se desee, o como sea adecuado para el instrumento o dispositivo que recibe la muestra trasegada. El fluido trasegado está en forma de un líquido.

Los canales del microdispositivo se podrían ordenar en cualquier formato que permita el tratamiento secuencial o simultáneo de muestras líquidas. En una realización del invento, los canales están dispuestos en una forma en paralelo y espaciados, representando cada canal un sistema de microanálisis independiente que tiene su propia lumbrera de introducción y su propia lumbrera de salida de muestras. En otra realización, los canales del dispositivo de microescala están dispuestos en un patrón circular, como los radios de una rueda. En el centro del patrón circular, todos los canales pueden converger en una lumbrera de salida formada integralmente en una cara frontal del dispositivo de microescala. La lumbrera de salida está destinada a establecer una interfaz con un dispositivo externo, tal como un espectrómetro de masas o una membrana, que recibe muestras a través de la lumbrera de salida para su análisis.

En cualquier realización, cada canal podría incluir contactos eléctricos, de tal manera que se pueda establecer un camino de circuito eléctrico a lo largo del canal. Por ejemplo, un contacto eléctrico podría estar en el lado de entrada de un canal y otro contacto eléctrico podría estar en el lado de salida. En una disposición alternativa, se puede completar un circuito eléctrico mediante un contacto externo, más allá del extremo de salida del canal. Por ejemplo, si la lumbrera de salida de un canal se usa como una fuente de electroaspersión para un espectrómetro de masas, el orificio de toma de muestras del espectrómetro de masas puede servir como electrodo contador. Las muestras se pueden trasegar fuera del chip para su análisis subsiguiente mediante la conmutación de la corriente eléctrica secuencialmente a cada canal en el chip. Al final del análisis, se puede desechar el chip. De ese modo, el invento alivia las manipulaciones tales como el lavado a presión, y elimina los problemas del traslado de las muestras entre series, al mismo tiempo que provee un uso eficaz del espectrómetro de masas o de otro dispositivo para análisis y/u obtención de muestras.

Las muestras se pueden introducir en un canal del dispositivo de microescala del invento por una variedad de métodos, por ejemplo, por presión, por inyección electrocinética, o por otra técnica, y luego se puede aplicar una corriente eléctrica y/o una caída de presión para causar que los componentes de la muestra se desplacen a lo largo del canal. Los canales podrían funcionar solamente para el trasiego de fluidos, por ejemplo, a un espectrómetro de masas, o bien los canales podrían servir como entornos para diversos tipos de manipulaciones de muestras, por ejemplo, para operaciones de micropreparación o de análisis, tales como electroforesis capilar (en adelante CE) o la reacción en cadena de la polimerasa (en adelante PCR), o para llevar a cabo cualquier tipo de química de muestras. Los canales podrían llenarse con material de membrana o de empaquetadura para efectuar la preconcentración o el enriquecimiento de muestras o para otras etapas de tratamiento, tales como la desalación. Además, son posibles otras modificaciones de componentes de muestras, por ejemplo, mediante enzimas que están vinculadas de forma covalente a las paredes de los canales o podrían incluir oíros componentes, tales como partículas magnéticas, de tal manera que cuando se aplique un campo magnético, las partículas magnéticas retengan en posición al material de empaquetadura. Las partículas magnéticas se pueden usar también para mezclar eficazmente fluidos dentro de los canales, usando un campo magnético externo. Se podría emplear también un filtro micromecanizado u otra estructura estacionaria para sujetar en posición al material de empaquetadura. Alternativamente, las estructuras estacionarias se pueden micromecanizar, fundir o conformar de otro modo en la superficie de un canal para proveer una zona de gran superficie que pueda hacer las veces de material de empaquetadura. Otro método de aplicación de muestras es un soporte de múltiples muestras miniaturizadas como un sistema híbrido micromecanizado a las lumbreras de entrada de los canales.

Una muestra se puede introducir en un canal en una zona corta de iniciación o puede llenar por completo todo el canal. El llenado de solamente una pequeña parte del canal con la muestra es preferible cuando se vaya a llevar a cabo una separación sobre chip de los componentes de la muestra, tal como una electroforesis o una cromatografía. El llenado de todo el canal con la muestra...

1. Un sistema microescala para manipulación de líquidos, que comprende:

un sustrato que tiene uno o más canales formados integralmente en el mismo, cuyos uno o más canales terminan en una o más lumbreras de salida en una superficie exterior de dicho sustrato para el trasiego de una cantidad en microescala de una muestra líquida que se desplaza en dichos uno o más canales de dicho sustrato por gotículas, aspersión o corriente; y

un sistema externo de análisis y/o de recogida que tiene una admisión que está próxima - pero separada - de dichas una o más lumbreras de salida de dicho sustrato para recibir dicha cantidad en microescala de una muestra líquida.

2. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que dichos uno o más canales cruzan más de un plano principal de dicho sustrato.

3. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato comprende múltiples canales contenidos dentro de un único plano principal de dicho sustrato.

4. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 3, en el que dicho sustrato comprende planos múltiples paralelos de dichos planos principales, cada uno conteniendo múltiples de dichos canales.

5. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que al menos una de dichas una o más lumbreras de salida está situada en un primer plano principal de dicho sustrato que es diferente de un segundo plano principal paralelo a través de dichos uno o más canales.

6. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato es un material de grado óptico.

7. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato es un material no conductor.

8. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato es un material conductor.

9. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que se han cortado rebajos en dicha superficie exterior entre lumbreras de salida adyacentes.

10. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que dicho sistema externo de análisis y/o de recogida es un sistema de análisis y dicha superficie exterior de dicho sustrato es una superficie no humidificadora.

11. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, que comprende dos o más de dichas lumbreras de salida, en el que una parte de una superficie de dicho sustrato entre dos de dichas lumbreras de salida está rebajada.

12. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que dicho sistema externo de análisis y/o de recogida es un sistema de análisis, y dichas una o más lumbreras de salida se han formado mediante un estrechamiento progresivo de dichos uno o más canales.

13. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, que comprende dos o más de dichos canales en dicho sustrato, en el que dos de dichos canales terminan en una de dichas una o más lumbreras de salida.

14. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, que comprende además medios para la introducción de muestras en el interior de dichos uno o más canales.

15. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que una región de dicho sustrato adyacente a dichos uno o más canales está destinada a llevar a cabo operaciones químicas de muestras u operaciones de preparación u operaciones analíticas en una cantidad en microescala de una muestra de fluidos y para trasegar una muestra de fluidos desde dicha región al interior de dichos uno o más canales.

16. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato comprende además un depósito o lumbrera de admisión fijada a dicho sustrato y destinada a trasegar un fluido al interior de dichos uno o más canales.

17. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato tiene uno o más primeros canales formados integralmente en el mismo para conducir una muestra líquida y uno o más segundos canales para conducir un fluido adicional.

18. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 17, en el que dichos uno o más segundos canales convergen con uno o más de dichos primeros canales en una lumbrera de salida común.

19. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que dichas una o más lumbreras de salida se han fabricado integralmente con dicho sustrato.

20. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que dichas una o más lumbreras de salida se han fabricado por separado de dicho sustrato y se han fijado a dichos términos de dichos canales.

21. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que dicho sistema externo de análisis y/o de recogida es un sistema externo de análisis de espectrómetro de masas.

22. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 21, en el que dicho trasiego de una cantidad en microescala de una muestra líquida de dicho sustrato es por ionización por electroaspersión.

23. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que dicho sistema externo de análisis y/o de recogida es uno o más sistemas de recogida.

24. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que dicho sistema externo de análisis y/o de recogida es un sistema de análisis, y una parte de una superficie de dicho sustrato alrededor de dichas una o más de dichas lumbreras de salida está recubierta con un material para prevenir la humidificación de superficies por dicha muestra líquida que sale de dichas una o más lumbreras de salida.

25. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que dicho sistema externo de análisis y/o de recogida es un sistema de análisis, y dicho sustrato es un material no humidificador de superficies.

26. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que dicha lumbrera de salida está recubierta de metal.

27. El sistema microescala para manipulación de líquidos de la reivindicación 1, en el que una superficie interior de uno de dichos uno o más canales está recubierta con un material diferente de dicho sustrato.

28. Un método para procesar cantidades en microescala de un líquido, que comprende las etapas de:

proveer un sistema microescala para manipulación de líquidos que comprende un sustrato que tiene uno o más canales integrados en dicho sustrato, cuyos uno o más canales terminan en una o más lumbreras de salida de una superficie exterior de dicho sustrato;

cargar una muestra líquida en el interior de dichos uno o más canales;

causar que dicha muestra líquida se desplace en dicho canal en la dirección de dicha lumbrera de salida; y

causar que dicha muestra líquida salga de dicho sustrato a través de dicha lumbrera de salida de dicho canal y transferir dicho sustrato por gotículas, aspersión o corriente a un sistema externo de análisis y/o de recogida, cuyo sistema tiene una admisión que está próxima, pero separada, de dicha lumbrera de salida.

29. El método de la reivindicación 28, en el que dicho sistema externo de análisis y/o de recogida es un espectrómetro de masas y se causa que dicha muestra líquida se trasiegue a dicho espectrómetro de masas mediante ionización por electroaspersión.

30. El método de la reivindicación 28, en el que dicho sistema externo de análisis y/o de recogida es un sistema de análisis y se causa que dicha muestra líquida se trasiegue a dicho sistema externo de análisis por nebulización neumática o ultrasónica.

31. El método de la reivindicación 28, en el que dicho sistema externo de análisis y/o de recogida es un espectrómetro de masas y se causa que dicha muestra líquida se trasiegue a dicho espectrómetro de masas por ionización química.

32. El método de la reivindicación 28, en el que se causa que dicha muestra líquida se trasiegue a dicho sistema externo de análisis y/o de recogida por ionización de desorción por láser asistida por matriz.

33. El método de la reivindicación 28, en el que dicho sistema externo de análisis y/o de recogida es para la detección por fluorescencia inducida por láser.

34. El método de la reivindicación 28, en el que, en dicha etapa de causar que dicha muestra líquida salga de dicho sustrato, dicho sistema microescala para manipulación de líquidos está estacionario en relación con dicho sistema externo de análisis y/o de recogida.

35. El método de la reivindicación 28, en el que, dicho sistema externo de análisis y/o de recogida es un sistema de análisis y en dicha etapa de causar que dicha muestra líquida salga de dicho sustrato, dicho sistema microescala para manipulación de líquidos se mueve en relación con dicho sistema externo de análisis.

36. El método de la reivindicación 28, en el que, antes de dicha etapa de causar que dicha muestra líquida salga de dicho sustrato, dicha muestra líquida o un componente de dicha muestra líquida son detectados en dicho canal.

37. El método de la reivindicación 28, en el que dicho sustrato comprende además un dispositivo para separar una muestra líquida en componentes de dicha muestra y dicho método comprende además la etapa de separar dicha muestra en componentes de dicha muestra.

38. El método de la reivindicación 37, en el que dicho dispositivo para separar una muestra líquida en componentes de dicha muestra está integrado en dicho sustrato.

39. El método de la reivindicación 37, en el que dicho dispositivo para separar una muestra líquida en componentes de dicha muestra está unido de forma desechable a dicho sustrato.

40. El método de la reivindicación 37, en el que dicho uno de dichos uno o más canales comprende dicho dispositivo para separar una muestra líquida en componentes de dicha muestra.

41. El método de la reivindicación 28, en el que dicho sustrato comprende además un dispositivo para causar la digestión de una muestra y dicho método comprende además la etapa de digerir dicha muestra.

42. El método de la reivindicación 28, en el que dicho sustrato comprende además un dispositivo para desalar una muestra y dicho método comprende además la etapa de desalar dicha muestra.

43. El método de la reivindicación 28, en el que dicho sustrato comprende además un dispositivo para preconcentrar una muestra y dicho método comprende además la etapa de preconcentrar dicha muestra.

44. El método de la reivindicación 28, en el que dicho sistema externo de análisis y/o de recogida es un sistema de análisis y dicho sustrato comprende además un dispositivo para llevar a cabo la aglutinación por afinidad sobre una muestra y dicho método comprende además la etapa de llevar a cabo la aglutinación por afinidad sobre dicha muestra.

45. El método de la reivindicación 28, en el que dicho sistema externo de análisis y/o de recogida es un sistema de análisis y dicho sustrato comprende además un dispositivo para cromatografía de exclusión de tamaño y dicho método comprende además la etapa de llevar a cabo la cromatografía de exclusión de tamaño sobre dicha muestra.

46. El método de la reivindicación 28, en el que dicho sustrato tiene uno o más primeros canales formados integralmente en el mismo para conducir muestra líquida, y uno o más segundos canales para conducir un fluido adicional.

47. El método de la reivindicación 46, en el que, en dicho sustrato, dichos uno o más segundos canales convergen con uno o más de dichos primeros canales en una lumbrera de salida común.

48. El método de la reivindicación 46, en el que dichos uno o más segundos canales de dicho sustrato conducen un fluido adicional que se añade a dicha cantidad en microescala de una muestra líquida de tal manera que dicho fluido adicional funciona como una envoltura de fluido.