Reactor químico microfabricado.

Un reactor quimico microfabricado, que comprende:

una carnara de reacción de manguitos (42;

240) construida de:

un material seleccionado entre el grupo que consiste en materiales ceramicos, metales,

aleaciones metalicas, materiales compuestos y sus combinaciones; o uno o mas materiales nobasados en silicio, con la condición de que los materiales no sean polimeros;

incluyendo dicha camara de reacción de manguitos (41, 240) una ranura (42; 243) en la misma para recibirun inserto (105) o un tubo (45; 245) que contiene una mezcla de reacción (46) y

al menos un calentador (57; 65; 70; 246) acoplado con dicha cámara de reacción de manguitos paracalentar la mezcla de reacción.

Reaclor químíco mícrofabrícado El Gobíerno de los Eslados Unídos líen e derechos en la presenle ínvención de acuerdo con el N° de Contrato W7405-ENG-48 enlre el Departamenlo de Energla de los Estados Unidos y la Universidad de California para la operación de Lawrence Uvermore National Laboralor y .

Antecedentes de la invención La presente invención se refiere a instrumentos para el control de la reacción química y la detección de los reaccionantes que participan y los produclos resullanles, en particular a instrumentos microfabricados integrados para llevar a cabo reacciones químicas de microescala que implican el control preciso de parámelros de las reacciones y más particularmente a disposilivos de manguitos basados en silicio o no basados en silicio como cámaras de reacción para reacciones quimicas y que se pueden utilizar en matrices grandes de cámaras individuales para una unidad de microrreacción de alto rendimiento.

Generalmenle, los instrumentos acluales para llevar a cabo la sínlesis química a Iravés del conlrol lérmico y el ciclado son muy grandes e ineficaces (sobre mesa) , y con frecuencia trabajan por medio de calenlamiento y enfriamienlo de una gran masa térmica (por ejemplo, un bloque de aluminio) . En los últimos años, los esfuerzos se han dirigido a la miniaturización de estos instrumentos por medio del diseño y la construcción de cámaras de reacción de materiales de silicio y basados en silicio (por ejemplo, silicio, nitruro, silicio policristalino) que lienen calenladores inlegrados y enfriamiento por medio de convección a Iravés del silicio.

Actualmente se conocen bien las tecnologías de microfabricación e incluyen melalizado por bombardeo, deposición de electrodos, deposición de vapor de baja presión, fotolitografía y grabado al aguafuerte. Se pueden aplicar eslos y procesos similares a la fabricación de cámaras de reacción y sus elemenlos de conlrol lales como calenladores, termopares, detectores, sensores, electrodos y otros dispositivos que se pueden usar para deteclar y conlrolar los parámetros de reacción. Ejemplos incluyen películas magnéticas, películas lermoeléctricas y películas eleclroactivas para la manipulación de reaclivos. Las técnicas de fabricación adicionales incluyen evaporación, extrusión, moldeo, sinterización, inyección, conformación, extracción, laminado, etc. y se pueden usar para microfabricar las cámaras de reacción a partir de una variedad de materiales apropiados. Los disposilivos microfabricados están formados, por ejemplo, por sustralos cristalinos, lales como silicio y arseniuro de galio, pero pueden eslar formados por maleriales no cristalinos, tales como vidrio, cerámica, melales o delerminados polímeros. Se puede controlar de forma precisa la forma de los dispositivos de silicio cristalino, por ejemplo, ya que las superficies sometidas a grabado al aguafuerte son generalmente planos de cristal, y los materiales cristalinos se pueden unir por medio de procesos tales como fusión a temperaluras elevadas, unión anódica, o mélodos asistidos por campo.

La tecnología de microfabricación monolítica ahora permile la producción de dispositivos eléctricos, mecánicos, electromecánicos, ópticos, qulmicos y térmicos, incluyendo bombas, válvulas, calenladores, mezcladores y deleclores para cantidades de microlilro y nanolilro de gases, líquidos y sólidos. De igual forma, ahora se pueden producir sondas óplicas de guía de ondas y sensores de ondas flexurales de ullrasonidos en una microescala. La inlegración de estos dispositivos microfabricados para dar lugar a un sislema individual permite la producción por loles de inslrumenlos analílicos basados en reactores de microescala. Dichos microinstrumentos inlegrados se pueden aplicar a reacciones bioquímicas, químicas inorgánicas u orgánicas para llevar a cabo diagnósticos biomédicos y ambienlales, así como el procesado biotecnológico y la detección.

La operación de dichos microinstrumentos integrados se automatiza de manera sencilla, y debido a que el análisis se puede llevar a cabo in situ, la contaminación es muy reducida. Debido a los lamaños inherentemenle pequeños de dichos dispositivos, el calentamiento y el enfriamienlo puede ser extremadamente rápido. Estos disposilivos tienen un requisilo de alimentación eléctrica muy bajo y pueden ser alimenlados por medio de balerías o por medio de acoplamiento electromagnético, capacitivo, inductivo u óptico.

Los volúmenes pequeños y las relaciones elevadas de área superficial con respecto a volumen de los instrumentos de reacción microfabricados proporcionan un elevado nivel de control de los parámetros de la reacción. Los calentadores pueden producir el ciclado o el aumento de temperaturas; mientras que se pueden producir cambios sonoquímicos y sonofísicos en las estructuras de conformación por medio de transductores de ultrasonidos; y las polimerizaciones se pueden generar por medio de la radiación óptica incidente.

Las reacciones de sintesis, y especialmente las reacciones en cadena de sintesis tales como la reacción en cadena de polimerasa (PCR) , se adaptan particularmente bien a los instrumentos de reacción de microfabricación. PCR puede ampliar selectivamente una molécula individual de ADN (o ARN) de un organismo por medio de un factor de 10' a 109. Este procedimiento bien establecido requiere la repetición de ciclos de calentamiento (desnaturalización) y enfriamiento (atemperado) en presencia de una molécula diana de ADN original, prímeros de ANO específicos, trifosfatos de desoxinucleótidos y enzimas de ADN polimerasa y cofactores. Cada ciclo produce el doblado de la secuencia de ADN diana, lo que conduce a una acumulación exponencial de la secuencia diana.

El procedimiento de PCR incluye: 1) procesar la muestra para liberar las moléculas de ADN diana en el interior de un ., extracto bruto; 2) adición de una disolución acuosa que contiene enzimas, tampones de trifosfatos de desoxiribonucleótido (dNTPS) y primeros de oligonucleótido; 3) ciclado térmico de la mezcla de reacción entre dos o tres temperaturas (por ejemplo, 90-96, 72 Y 37-55 'C) ; y 4) detección del ADN ampliado. Se pueden incorporar en el procedimiento PCR etapas intermedias, tales como la purificación de los productos de reacción y la incorporación de primeros de plegado de superficie, por ejemplo.

Un problema con las técnicas de laboratorio PCR normalizadas es que las reacciones de PCR se pueden contaminar o pueden verse inhibidas por la introducción de una molécula individual extraña de contaminante de ADN, tal como a partir de los experimentos previos, u otros contaminantes, durante las transferencias de reactivos de un recipiente a otro. De igual forma, normalmente los volúmenes de reacción PCR usados en las técnicas de laboratorio normalizadas son del orden de 50 microlitros. Un ciclo térmico consiste normalmente en cuatro etapas: calentamiento de una muestra hasta una primera temperatura, mantenimiento de la muestra a la primera temperatura, enfriamiento de la muestra hasta una segunda temperatura más baja y mantenimiento de la temperatura a esa temperatura más baja. Normalmente, cada una de estas etapas de un ciclo térmico requiere aproximadamente un minuto, y de este modo para completar cuarenta ciclos, por ejemplo, se requieren aproximadamente tres horas. De este modo, debido al volumen normalmente usado en los procedimientos de laboratorio normalizados, el tiempo implicado, asl como a las posibilidades de contaminación durante las transferencias de reactivos de un recipiente a otro, existe claramente la necesidad de microinstrumentos capaces de llevar a cabo el procedimiento e PCR.

Recientemente, se ha reducido el tiempo de ciclado para llevar a cabo la reacción PCR llevando a cabo la reacción PCR en tubos capilares y usando un calentador de aire forzado para calentar los tubos. También, se ha desarrollado recientemente un reactor microfabricado integrado para reacciones quimicas in situ, que es especialmente ventajoso para reacciones bioqulmicas que requieren un ciclado térmico de alta precisión, en particular manipulaciones basadas en ADN tales como PCR, ya que las dimensiones pequeñas de micro instrumentación favorecen tiempos de ciclado rápidos. Este reactor microfabricado se describe y reivindica en la Solicitud relacionada de EE.UU. N' de Serie 07/938.106, presentada el 31 de agosto, 1992, titulada "Reactor Microfabricado", cedida al mismo cesionario. De igual forma, se ha desarrollado una cámara de micro-reacción ópticamente integrada y ópticamente calentada, que se puede utilizar, por ejemplo, en el reactor microfabricado integrado de la Solicitud relacionada N' de Serie 07/938.106, para su uso en reactores quimicos y se describe y reivindica en la Solicitud... [Seguir leyendo]

1. Un reactor químíco mícrofabrícado, que comprende:

una cámara de reacción de manguitos (42; 240) construida de:

un material seleccionado entre el grupo que consiste en materiales cerámicos, metales, aleaciones metálicas, materiales compuestos y sus combinaciones; o uno o más materiales no basados en silicio, con la condición de que los materiales no sean poli meros;

incluyendo dicha cámara de reacción de manguitos (41, 240) una ranura (42; 243) en la misma para recibir un inserto (105) o un tubo (45; 245) que contiene una mezcla de reacción (46) y al menos un calentador (57; 65; 70; 246) acoplado con dicha cámara de reacción de manguitos para calentar la mezcla de reacción.

2. El reactor químico microfabricado de la reivindicación 1, en el que la cámara de reacción de manguitos está construida de uno o más materiales no basados en silicio y en el que los materiales no basados en silicio están seleccionados entre el grupo que consiste en materiales cerámicos, metales, aleaciones metálicas, materiales compuestos y sus combinaciones.

3. El reactor quimico microfabricado de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en el que dicha cámara de reacción de manguitos comprende un material cerámico, y el calentador comprende un metal acoplado al material

cerámico.

4. El reactor qulmico microfabricado de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el calentador comprende al menos una pelicula tenmoeléctrica.

5. El reactor químico microfabricado de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que además comprende al menos una pelicula electroactiva acoplada a dicha cámara de reacción de manguitos para controlar los reactivos eléctricamente activos de la mezcla de reacción.

6. El reactor químico microfabricado de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que además comprende al menos una pellcula magnética acoplada a dicha cámara de reacción de manguitos para controlar los reactivos magnéticos y paramagnéticos de la mezcla de reacción.

7. El reactor químico microfabricado de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicha cámara de reacción de manguitos incluye al menos una ventana óptica (55, 56, 136) .

8. El reactor químico microfabricado de la reivindicación 7, que además comprende un detector óptico (137) para detectar un producto de la mezcla de reacción a través de la ventana (136) .

9. El reactor químico microfabricado de la reivindicación 8, que además comprende:

(a) un sistema de lectura de datos (139) conectado al detector (137) ; y

(b) un controlador de instrumento conectado al sistema de lectura de datos.

10. El reactor químico microfabricado de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que además comprende al menos una modalidad de detector (137) ubicada en posición adyacente a dicha cámara de reacción de manguitos, en el que la modalidad de detector está seleccionada entre el grupo que consiste en modalidades de detección óptica, electroquímica, electroqueminiscencia, magnética y capacitiva.

11. El reactor químico microfabricado de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que además comprende al menos un elemento microfabricado adyacente a dicha cámara de reacción de manguitos para detectar un producto en la mezcla de reacción.

12. El reactor químico microfabricado de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, que además comprende una agrupación de cámaras de reacción de manguitos y una agrupación de modalidades de detección adyacentes para proporcionar el control de retroalimentacíón de un proceso de reacción en dichas cámaras de reacción de manguitos.

13. El reactor químico microfabricado de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que la cámara de reacción de manguitos está construida para recibir directamente la mezcla de reacción por medio de un tubo (45) o por medio de un inserto (105) que contiene la mezcla de reacción.

14. El reactor químico microfabricado de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, que además comprende un tubo O inserto (105) para albergar la mezcla de reacción, en el que el inserto (105) está construido para introducirse en el interior de dicha cámara de reacción manguitos (50) .

15. El reactor químico microfabricado de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el que dicha cámara de reacción de manguitos (50) íncluye una primer ventana óptica (55, 56) Y en el que el inserto (105) incluye una segunda ventana óptica (106) que está alineada con la primera ventana cuando el inserto se coloca en la cámara de reacción de manguitos.

16. El reactor químíco microfabricado de la reivindicación 15, en el que la segunda ventana está provista de una tira de ensayo.

17. El reactor químíco microfabricado de una cualquiera de las reivindicación 13 a 16, en el que el inserto comprende

un polímero o vidrio.

18. El reactor químico microfabricado de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, que tiene un manguito de reacción y un revestimiento o un inserto.

19. El reactor químico microfabricado de la reivindicación 18, que comprende un revestimiento (105) en el interior de dicha cámara de reacción de manguitos, en el que el revestimiento comprende un polímero o vidrio.

20. El reactor químico microfabricado de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, que además comprende una agrupación de dichas cámaras de reacción de manguitos interconectadas por medía de una tubería para

proporcionar un sistema de reacción de flujo continuo.

21. El reactor químico microfabricado de una cualquiera de las reacciones 1 a 19, en el que el manguito de reacción está construido para insertarse en el interior de un instrumento (90) construido para albergar una agrupación de dichas cámaras de reacción de manguitos.

22. El reactor químico microfabricado de la reivindicación 20 o 21, en el que la agrupación de cámaras de reacción

de manguitos está conectada a una agrupación de microelectroforesis.

23. El reactor quimico microfabricado de la reivindicación 22, que además comprende una agrupación de microinyectores que conectan la agrupación de las cámaras de reacción de manguitos con la agrupación de microelectroforesis.

24. El reactor químico microfabricado de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 23, en el que dicha cámara de reacción de manguitos comprende al menos dos sustratos y en el que cada uno de los dos sustratos tiene un espesor dentro del intervalo de 0, 1 a 1, 0.

25. El reactor químico microfabricado de la reivindicación 24, en el que cada uno de los sustratos tiene una longitud dentro del intervalo de 5 a 50 mm y una anchura dentro del intervalo de 2 a 10 mm.

26. Un aparato para controlar la temperatura de una mezcla de reacción presente en un tubo (45) O inserto (105) , comprendiendo el aparato una mejora como se cita en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 25, en el que:

a) la cámara de reacción de manguitos es un manguito de reacción (50) que comprende al menos dos sustratos (51, 52) que definen una ranura (54) entre ellos para recibir el tubo o inserto, en el que los sustratos está construidos a partir de un material seleccionado entre el grupo que consiste en materiales cerámicos, metales, aleaciones metálicas, materiales compuestos, o sus combinaciones; y b) al menos un calentador es un calentador resistivo depositado sobre al menos uno de los sustratos.

27. El aparato de la reivindicación 26, en el que al menos uno de los sustratos comprende un material cerámico, y en el que el calentador comprende una película depositada sobre el material cerámico.

28. El aparato de la reivindicación 26 ó 27, en el que cada uno de los sustratos comprende un material cerámico, y en el que el aparato incluye al menos un calentador depositado sobre cada uno de los sustratos cerámicos.

29. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 26 a 28, en el que cada uno de los sustratos tiene un espesor dentro del intervalo de 0, 1 a 1, 0 mm.

30. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 26 a 29, que además comprende:

31. El aparto de una cualquiera de las reivindicaciones 26 a 30, en el que cada uno de los sustratos comprende un material cerámico, y en el que el aparato incluye al menos un calentador depositado sobre cada uno de los sustratos

a) un sistema (139) de lectura de datos conectado al detector (132) ; y b) un controlador de instrumento (138) conectado al sistema de lectura de datos.

cerámicos.

32. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 26 a 31, que además comprende una agrupación de dichos manguitos de reacción y un instrumento para albergar los manguitos, en el que el instrumento incluye elementos de control para controlar individualmente la operación de cada manguito.

33. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones 26 a 32, que además comprende una agrupación de dichos manguitos de reacción y una agrupación de detectores adyacentes para proporcionar el control de retroalimentación de un proceso de reacción en los manguitos.

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