專利名稱：：毛細管阻塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種具有一個或多個亞毫米尺寸的流體通道的系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于化學(xué)、生物化學(xué)、分子細胞生物學(xué)，并且經(jīng)常被稱為微觀流體系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：本發(fā)明所涉及的系統(tǒng)通過建立一個電生理學(xué)的測量結(jié)構(gòu)可用于在包括類脂膜結(jié)構(gòu)的等離子體通道內(nèi)監(jiān)控等離子通道的電生理學(xué)特性，該類脂膜包含諸如細胞結(jié)構(gòu)，其中細胞膜形成一個圍繞測量電極的高阻力封閉，使得有可能測定并監(jiān)控流經(jīng)細胞膜的電流。該系統(tǒng)能夠構(gòu)成用于執(zhí)行修補鉗技術(shù)的儀器的一部分，該技術(shù)在研究例如離子傳輸通道及生物膜中應(yīng)用。膜片修補的電絕緣及由于在電壓鉗條件下進行修補的離子通道的研究的通常觀念，在Neher，Sakmann和Steinback(1978)的“TheExtracellularPatchClamp，AMethodForResolvingCurrentsThroughIndividualOpenChannlelsInBiologicalMembranes”，PflügerArch.375；219-278中描述。人們發(fā)現(xiàn)，通過將含有乙酰膽堿(ACh)的移液管壓靠肌細胞膜的表面，人們能夠看見電流內(nèi)的離散跳動，該跳動是由于受乙酰膽堿刺激的離子通道的張合導(dǎo)致的。但是，研究者受工作所限，即移液管的玻璃與膜片之間的密封電阻(10-50MΩ)相對通道的電阻(10GΩ)小很多。由這種密封導(dǎo)致的電噪聲與電阻相反，從而其足夠大，以至流經(jīng)離子通道的電流不分明，其導(dǎo)電性小于乙酰膽堿通道的電流的導(dǎo)電性。它也禁止移液管內(nèi)電壓鉗位的值不同于由大電流流經(jīng)密封部導(dǎo)致的槽內(nèi)的電壓鉗位值。隨后可以發(fā)現(xiàn)，通過火琢玻璃移液管并通過提供吸力給移液管的內(nèi)部，很高電阻(1至100GΩ)的密封能夠隨細胞表面獲得，從而呈數(shù)量級地將噪聲減少至某水平，在該水平大部分生物通道的影響能夠被研究并極大擴展了研究所基于的壓力范圍。這種改進的密封被稱為‘十億密封’，且該移液管被稱為‘修補移液管’。關(guān)于十億密封的更詳細的描述可以參見O.P.Hamill，A.Marty，E.Neher，B.Sakmann&F.J.Sigworth(1981)“Improvedpatch-clamptechniquesforhighresultioncurrentrecordingsfromcellsandcell-freemembranepatches”，PflügersArch.391；85-100。由于它們在修補鉗技術(shù)的研發(fā)工作，Neher和Sakmann在1991年在生理和醫(yī)藥領(lǐng)域獲得了諾貝爾獎。離子通道是膜貫通蛋白質(zhì)，它對跨越細胞膜輸送的無機離子起催化作用。該離子通道參與各種生成且定時的作用電位，突觸傳遞，激素分泌，肌肉收縮等過程。很多藥理試劑通過離子通道的調(diào)整發(fā)揮特定效應(yīng)。包括抗癲癇化合物，如苯妥英和lamotrigine的例子，該化合物阻斷腦內(nèi)壓敏Na+通道，抗高血壓的藥物，如硝苯吡啶與硫氮草酮，它們阻斷平滑肌細胞內(nèi)的壓敏Ca2+通道，以及優(yōu)降糖與甲苯磺丁脲的胰島素分泌刺激物，它們阻斷胰臟內(nèi)調(diào)節(jié)三磷酸腺苷的K+通道。除了從化學(xué)上引導(dǎo)離子通道活性的調(diào)節(jié)外，修補鉗技術(shù)使得科學(xué)家能夠完成與壓敏通道的操作。該技術(shù)包括調(diào)整修補移液管內(nèi)電極的極性并改變含鹽合成物以減少槽液內(nèi)自由離子的濃度。修補鉗技術(shù)代表了生物學(xué)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的主要發(fā)展，因為它能夠?qū)崿F(xiàn)對流經(jīng)單個離子通道蛋白質(zhì)的離子流的測量，也能夠?qū)崿F(xiàn)對響應(yīng)藥物照射的單個離子通道活性的研究。簡言之，在標準修補鉗中，使用一個薄的(直徑接近0.5-2μm)玻璃移液管。該修補移液管的尖端壓靠細胞膜的表面。該移液管尖端緊密封住細胞膜并隔離由移液管孔所限定的膜的微小修補中的少量離子通道蛋白質(zhì)。這些通道的活性能夠被單獨測量(‘單通道紀錄’)或可選擇地，該修補能夠被破裂，允許進行整個細胞膜通道活性的測量(‘整個細胞結(jié)構(gòu)’)。進入細胞內(nèi)部用于實現(xiàn)整個細胞測量的高導(dǎo)電性能夠通過在移液管內(nèi)施加負電壓通過破裂膜片而獲得。如上所述，用于單通道電流的修補鉗測量的一個重要要求是細胞膜與玻璃微量移液管尖端之間的高電阻密封的確定，以便限制離子在兩個表面之間的空間內(nèi)移動。典型地，需要超過1GΩ的電阻，因此體接觸區(qū)被稱為‘十億密封’。十億密封的形成需要細胞膜與移液管玻璃彼此緊密接近。因而，當組織中相鄰細胞之間，或培養(yǎng)細胞與它們基質(zhì)之間的距離通常在20-40nm數(shù)量級(Neher，2001)內(nèi)時，十億密封內(nèi)的細胞膜與移液管玻璃之間的距離被預(yù)測在埃(即10-10m)范圍內(nèi)。該十億密封的生理化學(xué)特性并不知道。然而，十億密封可以在細胞膜之間形成，多種玻璃類型包括石英、鋁硅酸鹽和硼硅酸鹽(Rae和Levis，1992)，這表示玻璃的專門化學(xué)組合物并不重要。細胞膜由夾有糖蛋白的雙層磷脂構(gòu)成，所述糖蛋白承擔(dān)包括用作各種試劑的受體的多種功能。糖蛋白所生成的膜片通常包括肽和甘油部分，它們脫離細胞膜延伸到細胞外間隙，形成圍繞該夾層的所謂的‘外被多糖’層，所述層達到20至50nm高度并產(chǎn)生鄰近夾層的充有電解液的腔室。因而，外被多糖形成了一個親水的且?guī)ж撾姾傻膮^(qū)域，該區(qū)域構(gòu)成細胞與其含水環(huán)境之間的間隙。從修補夾鉗方法論的近來發(fā)展已看出用平面基質(zhì)(如硅片)的引用取代了傳統(tǒng)的玻璃微觀移液管(例如，見WO01/25769，Mayer，2000)。典型的微觀流體系統(tǒng)包括一泵和借助一流體通道連接到泵上的測量儀器。在一些系統(tǒng)中，泵與測量儀器都是具有幾微米數(shù)量級的尺寸。已知使用這種系統(tǒng)必須施加外部壓力直至幾個大氣壓以便填充該系統(tǒng)。當起初存在于系統(tǒng)內(nèi)的空氣被液體替換的過程中，該填充受限。由于流體通道的亞毫米尺寸，由于通道內(nèi)流體的表面張力所施加的力變得越來越重要，并能夠在填充過程中產(chǎn)生問題。一些已知的微觀流體系統(tǒng)包括一個控制作用于測量系統(tǒng)上的壓力的外部泵。在一些已知的微觀流體系統(tǒng)中，泵整體形成，或與微觀流體系統(tǒng)緊密聯(lián)系。這種泵作為微動泵是已知的。在某些情況下，測量儀器內(nèi)的氣流阻力與相互連接的流體通道的體積相比很大。這意味著填充過程需要極長的持續(xù)時間，特別是用于排出最初存在于流體能道內(nèi)的氣體。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種微觀流體系統(tǒng)，包括一具有一入口和一出口的通道；設(shè)置在入口和出口之間的第一膜片，該膜片包括一半徑在0.1至50μm范圍內(nèi)的孔，入口與出口彼此水力連通，于是流體能夠沿著通道從入口到出口流動。有利地，該系統(tǒng)還包括用于在入口和出口之間產(chǎn)生壓差的壓力裝置，借此，由于流體在該孔上所產(chǎn)生的表面張力，使得使用中的流體在通道內(nèi)的流動在第一膜片上停止，直至該壓力裝置在入口和出口之間產(chǎn)生一個大于孔上所產(chǎn)生的表面張力的壓差。本發(fā)明利用小孔或口內(nèi)液體表面的表面張力所施加的壓力。本發(fā)明通過引入流體路徑中基于毛細管力的液體阻塞，因而解決或減少了大部分微觀流體系統(tǒng)填充過程中的固有問題。方便地，第一膜片包括多個孔，雖然在某些實施例中，該第一膜片可以僅包括一個孔。有利地，該壓力裝置包括一個泵設(shè)備；該系統(tǒng)還包括在入口與出口之間設(shè)置的封閉的第一容積；與第一容積水力連通的第二容積；該泵設(shè)備與第一和第二容積水力連通，用于泵送流體通過該系統(tǒng)或用于在第一和第二容積之間施加一個液壓差，該第一膜片設(shè)置在出口和第一容積之間。在某些情況下，有利地是可以具有一個系統(tǒng)，其包括多于一個膜片。方便地，該系統(tǒng)還包括一個第二膜片，該第二膜片包括一個半徑在0.1至50μm范圍內(nèi)的孔，且該第二膜片設(shè)置在入口與第一容積之間。本發(fā)明最佳且最有利的特征從所附的從屬權(quán)利要求中會很清楚。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種形成微觀流體系統(tǒng)的膜片，該系統(tǒng)包括一個具有一入口和一出口的通道；設(shè)置在入口與出口之間的第一膜片，該膜片包括一半徑在0.1至50μm范圍內(nèi)的孔，入口與出口彼此水力連通，于是流體能夠沿著通道從入口到出口流動。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種用于進行電生理學(xué)測量的設(shè)備，該設(shè)備包括一個微觀流體系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個具有一入口和一出口的通道；設(shè)置在入口與出口之間的第一膜片，該膜片包括一半徑在0.1至50μm范圍內(nèi)的孔，入口與出口彼此水力連通，于是流體能夠沿著通道從入口到出口流動。根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了一種填充一包括微觀流體系統(tǒng)的方法，該方法包括一具有一入口和一出口的通道；設(shè)置在入口和出口之間的第一膜片，該膜片包括一半徑在0.1至50μm范圍內(nèi)的孔，入口與出口彼此水力連通，于是流體能夠沿著通道從入口到出口流動。圖1a和1c顯示了硅膜片12內(nèi)所形成的單個孔的橫截面，其中硅膜片12的厚度L比孔半徑r小很多。圖1中膜片下面的區(qū)域充滿液體，而膜片上面的區(qū)域則充滿空氣。該液體與空氣被一球殼形液面13分開。膜片表面和與膜片接觸點上的液面切線之間形成角度θ。液面的自由能由F＝σ·S給出，其中σ是表面張力常數(shù)，而S是表面積。特別是對于水而言，σ＝0.073J/m2。由表面張力所施加的壓力由自由能F相對體積V的導(dǎo)數(shù)得出。直徑r的孔所形成的水表面具有球殼形形狀，因為該形狀在給定體積下具有最小的表面積。該球殼的體積為V=13·π·r3·(1-x)2·(2-x)(1-x2)32]]>球殼的表面積為S=2·π·r2·1-x1-x2]]>其中x＝cos(θ)。液滴所施加的壓力為p＝σ·dS/dV，給出p=2·σr·P(θ)]]>而由因式P(θ)所決定的無窮小角被限定為P(θ)=3·sin(θ)5-4·cos(θ)]]>特定壓力P0＝2·σ/r也可以被限定。在圖2中繪出的函數(shù)P(θ)在近似于θ＝37°時有最大值，在近似θ＝-37°時有最小值。在±180°的角中，當壓力為零，相當于孔和最接近膜表面的位置要么全濕要么全干。在表面張力對圍繞孔的液體流不起作用的位置，該液體流是不受阻礙的。該狀態(tài)被稱為孔的打開狀態(tài)。在其它位置，水的彎液面在孔(或者微孔)的邊緣定位。這相應(yīng)于圍繞θ＝0°的角區(qū)間。在此情況下，液流被阻止，孔用作膜片頂和底側(cè)的密封。該狀態(tài)被稱為孔的密封狀態(tài)。如果最初設(shè)備是干的，如果膜限定孔的內(nèi)表面是親水的，則隨后膜片一側(cè)上的空間在低于P0很多的壓力下逐步充滿液體，孔會自動到達密封狀態(tài)并阻止流體。分析如下位置很重要，即膜片下面的區(qū)域充滿液體，膜片上面的區(qū)域充滿空氣，孔位于密封狀態(tài)。如果壓力從零開始逐步增加，密封在兩個位置會破裂。第一種情況是液體/膜表面的接觸角τ大于37°。彎液面將會保持穩(wěn)定直至θ角達到37°，相當于P0的壓力。在該點彎液面將會變得不穩(wěn)定，且該不穩(wěn)定會繼續(xù)增加直至彎液面的頂側(cè)被沖開。在τ小于37°的第二種情況中，相當于親水材料，密封將保持直至θ角達到τ，相當于P0·P(τ)的壓力。在該點，彎液面不再定位于孔的邊緣，彎液面將開始展開于膜片頂表面。如果壓力從零逐步減少，密封將被兩種相似的位置破壞。第一種情況是180°-τ＞37°。液體表面隨后會穩(wěn)定，直至θ角達到-37°，相當于-P0的壓力。在該點，液體表面將不穩(wěn)定，氣泡將會在孔下方尺寸持續(xù)增大。在第二種情況180°-τ＜37°中，相當于非常親水的材料，密封將會保持，直至θ角達到180°-τ，相當于-P0·P(180°-τ)的壓力。在該點，液面將變得不穩(wěn)定，空氣將會展開于膜底部表面上。密封所能經(jīng)受的最大壓力被稱為正負保持壓。該正保持壓因而是τ＞37°的P0，及τ＜37°的P0·P(τ)，該負保持壓是180-τ＞37°的P0，及180-τ＜37°的P0·P(180°-τ)。當液體是水，且膜片是玻璃(τ＝14°)或有機玻璃(PMMAτ＝70°)時，通常計算出的保持壓在下表中顯示。接觸角采自標號1。表1.用于玻璃膜上的水的保持壓表2.用于有機玻璃膜上的水的保持壓對于其它的孔形狀可以重復(fù)上述計算，但會得出同樣的基本結(jié)果。增加膜厚度L并不能改變孔的保持壓。更圓的孔截面也給出同樣的基本結(jié)果，但是卻具有比孔的最窄點更大的有效孔半徑。有效半徑的數(shù)值取決于膜片表面材料的接觸角。膜片上一排相同的孔具有與單個孔相同的保持壓，但是對于氣體或液體卻具有更大流導(dǎo)的優(yōu)點。因而成排的孔是更佳選擇，因為它在打開狀態(tài)下能提供受更少阻擋的流體，并因而在打開與密封狀態(tài)之間產(chǎn)生一更大的反差。如果成排的孔的直徑有變化，那么保持壓將由更大的孔所確定。圖3a至3d顯示了據(jù)本發(fā)明的各種結(jié)構(gòu)密封狀態(tài)的膜片30的橫截面。在這些結(jié)構(gòu)中，膜片34下面的空間是濕的，而膜片34上面的空間則充滿空氣。液體與空氣被細線36所示的液面分開。在圖3a和3b中，膜片的頂側(cè)38是干的。在圖3a中，從后面有一正壓，在圖3b中從后面有一負壓。在這些情況下，設(shè)備會有上述表1和表2所示的保持壓。在圖3c和3d中，膜片的頂側(cè)38是濕的。如果密封狀態(tài)被事先破壞，液體已經(jīng)通過設(shè)備，則上述情況可能發(fā)生。在圖3c中，從后面有一負壓，設(shè)備能夠保持與圖3b的狀態(tài)相同的壓力。在圖3d中卻并不是這種情況，此時從后部會施加一正壓。液滴會呈現(xiàn)在膜片的頂側(cè)38上，并具有與成排孔的全部尺寸相當?shù)闹睆?。該液滴的表面張力仍能夠保持與該液滴的半徑相一致的些許正壓。例如，如果孔排列具有100×100μm的面積，則液滴將會具有50μm數(shù)量級的半徑，且對于玻璃表面，將能夠保持接近20mbar的正壓。有利地，膜片材料由適于微觀布圖的親水材料形成，如氧化硅，氮化硅，玻璃，硅石，礬土，氧化鋁或丙烯酸。由于兩側(cè)弄濕所引起的設(shè)備功能性減小能夠通過用疏水材料，如(非限定)PTFE或PDMS隨意涂敷膜片的預(yù)定干側(cè)，且保持預(yù)定濕側(cè)親水而得到更好結(jié)果。當膜片由氮化硅形成時，膜片的厚度最好落在50至400nm范圍內(nèi)，當膜片由氧化硅形成時，厚度最好在1至20μm，由玻璃或硅石形成時，厚度在2至200μm范圍內(nèi)，由鋁或塑料材料形成時，厚度在5至500μm范圍內(nèi)。有利地，孔的半徑落在0.1至50μm范圍內(nèi)。在需要100至1000mbar范圍壓力的系統(tǒng)中，孔的半徑可以落在1至50μm范圍內(nèi)。對于由氧化硅形成的膜片，最好孔半徑在1至3μm范圍內(nèi)。當膜片由塑料材料形成時，孔的半徑會落在25至100μm范圍內(nèi)。本發(fā)明現(xiàn)在將通過實施例并結(jié)合附圖進行進一步描述，其中圖1a是根據(jù)本發(fā)明的膜片的示意性圖，顯示了形成膜片部分的孔；圖1b和1c也是示意性圖，顯示了圖1a中不同的可能形狀的孔；圖2是一曲線圖，顯示了用于圖1a中所示膜片的由因子P(θ)而變的無窮小角；圖3a至3d是根據(jù)本發(fā)明的各種結(jié)構(gòu)密封空間的膜片的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的微觀流體系統(tǒng)；圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的微觀流體系統(tǒng)的示意圖；圖6a，6b和6c是形成據(jù)本發(fā)明的微觀流體系統(tǒng)部分的膜片的示意圖，該膜片包括一個孔陣列；圖7是根據(jù)本發(fā)明的包括一入口和一出口的微觀流體系統(tǒng)的示意圖；圖8a和8b是根據(jù)本發(fā)明的微觀流體系統(tǒng)另一實施例的示意圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的微觀流體系統(tǒng)再一實施例的示意圖，其中膜片由硅石形成；圖10是根據(jù)本發(fā)明的單塊集成在一硅片上的，一電生理學(xué)測量過程中的孔，一電滲流體泵，兩個膜片，電整合的示意圖；圖11顯示根據(jù)本發(fā)明所制造的膜片的掃描電子顯微照片。具體實施例方式參見圖4，根據(jù)本發(fā)明的微觀流體系統(tǒng)通常由標號40表示。該系統(tǒng)特別適合與一外部泵一起使用。該系統(tǒng)40包括一個測量儀器1和一泵2，在此實施例中泵2是一外部氣體壓力泵。測量裝置1和泵2通過一個流體通道4相互連通。根據(jù)本發(fā)明該系統(tǒng)40還包括一個膜片3。膜片3的存在意味著液體能夠經(jīng)膜片3導(dǎo)入，但是在填充過程完成時，膜片3會封閉該系統(tǒng)的入口。這需要確保泵的正常操作，否則可能會短路。在某些情況下，泵2與測量儀器1的氣流阻力與互相連通的通道4的體積相比要大，從而導(dǎo)致填充過程需要過長時間。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的第二實施例在圖5中通常由標號50表示。在該實施例中，系統(tǒng)50包括一個將液體導(dǎo)入系統(tǒng)50的膜片5。該系統(tǒng)50還包括一個泵6，例如一電滲泵設(shè)備，及一個測量儀器7，儀器7借助一相互連通的通道8連接到泵6上。根據(jù)本發(fā)明該系統(tǒng)50還包括一第二膜片9，該膜片9用作包含在系統(tǒng)50內(nèi)的空氣的出口，該出口允許空氣從系統(tǒng)排出。一旦填充過程完成，兩個膜片5，9將封閉系統(tǒng)50，使微泵6對測量系統(tǒng)施加壓力?，F(xiàn)在參見附圖6a，6b和6c，根據(jù)本發(fā)明的膜片通常由標號10表示。膜片10包括成排的穿透孔11。膜片內(nèi)的孔的定位可以是任意的，只要膜片保持其機械穩(wěn)定性。因此，不需要將孔11精確定位在膜片10中。膜片的厚度對于膜片的功能并不重要，但是通常應(yīng)該盡可能地小以便確保一個通過膜片的低流阻，而且同時要確保機械穩(wěn)定性及易于制造。由于保持壓被最大孔的半徑確定，因而應(yīng)該選擇孔的半徑，使得它們與特定的微觀流體系統(tǒng)中所需要的流體靜壓力相適合，所述微觀流體系統(tǒng)結(jié)合有膜片。圖7顯示根據(jù)本發(fā)明的膜片15，它插入具有一入口14和一出口16結(jié)構(gòu)的通道中。液體能夠以一過壓流入一入口14，該過壓小于設(shè)備的正保持壓，迫使液體前部的空氣通過膜片孔。當液體表面接觸到膜片時，設(shè)備封閉，使得被壓力驅(qū)使的敷貼進行而不與空氣體積有關(guān)，所述空氣體積在某些情況下會影響到敷貼的成功。以一個大于正保持壓的數(shù)值將一短壓力脈沖(0.1-10秒)施加到入口14上將會破壞該封閉，并且使液體通過膜片。如果限定體積的液體已經(jīng)流入被外部氣體壓力或借助其它氣流驅(qū)動的入口14，液體將繼續(xù)通過設(shè)備，直至整個有用的液體都已通過膜片進入出口。當空氣再次接觸膜片時，設(shè)備將回到封閉狀態(tài)，使得壓力所驅(qū)動的敷貼在出口16區(qū)域產(chǎn)生功效。圖8a顯示一更復(fù)雜的流體系統(tǒng)，它具有一入口17，一封閉體積18，一出口19，一第一膜片20，一第二膜片21，一泵設(shè)備22，和一測量儀器或其它需要泵23的流體系統(tǒng)。類似這樣的結(jié)構(gòu)是最佳的，如果設(shè)備22和23的物理尺寸是這樣小以致其中的表面張力和高流阻使得它難以填充封閉體積18。填充后，需要兩個膜片19和20進入封閉狀態(tài)，以便能夠使泵22作用于測量儀器23。為了填充封閉體積18，大量液體應(yīng)當被引入入口17，所述液體具有與封閉體積18加上一些特別考慮導(dǎo)系統(tǒng)中的間隙的相同的體積，以保證在所有情況下都有足夠的液體用于填充。應(yīng)當將低于膜片20的正保持壓的氣壓以足夠長時間施加到入口17上，以允許液體接觸膜片21，20。其后，一大于膜片20的正保持壓的短壓力脈沖(0.1-10秒)應(yīng)當被施加以便促使液體通過膜片20的孔。隨后，一小于膜片20的負保持壓的正壓力應(yīng)當保持在入口17上，以便將液體轉(zhuǎn)入封閉體積18。體積18內(nèi)的空氣將通過第二膜片21排出。在某些點液體將會接觸第二膜片21，使其進入封閉狀態(tài)。在此處，左側(cè)的過量液體將會存在于入口通道17內(nèi)。在填充泵22和測量儀器23內(nèi)的液體系統(tǒng)的其它部分后，氣壓應(yīng)該保持于該入口。這將確保入口17內(nèi)的過量液體轉(zhuǎn)入泵22和儀器23。當該轉(zhuǎn)換完成后，設(shè)備20會進入其封閉狀態(tài)，完成填充過程。在圖8b中，顯示了另一實施例，其中流體系統(tǒng)具有一入口17，一封閉體積18，一出口19，一膜片21，一泵設(shè)備24，和一測量儀器或要求泵23的其它流體系統(tǒng)。為了填充封閉體積18，在連接到泵設(shè)備之前，大量液體應(yīng)該被導(dǎo)入入口17。所述液體應(yīng)當具有與封閉體積18加上專門考慮了系統(tǒng)內(nèi)的間隙的體積相同的體積，以確保在所有情況下能夠有充分的液體用于填充。隨后應(yīng)當連接泵設(shè)備，且位于膜片21的負與正保持壓之間范圍內(nèi)的氣壓現(xiàn)在能夠被泵設(shè)備施加在測量儀器23上。通常膜片材料能夠是適于微觀布圖的親水材料，如氧化硅、氮化硅、玻璃、硅石、礬土、氧化鋁，丙烯酸。膜片內(nèi)的孔能夠使用激光研磨、微鉆、噴砂處理，用高壓水流，用照相平版印刷技術(shù)或用其它的用于微觀制造的技術(shù)制造。圖9顯示一優(yōu)選實施例，其中具有孔的膜片使用標準MEMS技術(shù)(見標號2)限定在一硅襯底上。該結(jié)構(gòu)包括硅襯底24，膜片25和由平版印刷所限定并蝕刻入膜片26的微孔26。該實施例通過如下過程可以被制造1)初始材料是具有100表面的硅片。2)硅的一個表面涂敷感光樹脂，包含有位置和直徑的圖案通過暴露于UV光中而轉(zhuǎn)印到感光樹脂上。3)孔圖案轉(zhuǎn)印到使用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)而進行的深度電抗離子蝕刻(DRIE)或先進的硅蝕刻(ASE)的硅上，結(jié)果產(chǎn)生具有1-50μm深度的豎直微孔。4)使用低壓化學(xué)蒸氣沉積法(LPCVD)將硅表面涂敷氮化硅。5)硅片的另一側(cè)(底側(cè))涂敷有感光樹脂，包含有在氮化硅內(nèi)限定開口的膜片的圖案通過暴露于UV光中被轉(zhuǎn)印到感光樹脂。6)使用電抗離子蝕刻(RIE)將氮化硅從硅片被感光樹脂內(nèi)的開口所限定區(qū)域的底側(cè)上蝕刻掉。7)硅片在KOH溶液中被各向異性地蝕刻，從而導(dǎo)致在硅片的底側(cè)上形成錐形開口。蝕刻時間限定了硅片頂側(cè)上殘余硅膜片的厚度?？蛇x擇地，摻硼能夠用于限定蝕刻的中止，從而對厚度給予更好的控制。8)氮化硅通過濕化學(xué)蝕刻被移走，用于在160°的磷酸中。9)或通過熱氧化或用LPCVD將硅涂敷上氧化硅。可選擇地，襯底也能通過如下過程制造1)初始材料是具有100表面的硅片。2)使用低壓化學(xué)蒸氣沉積法(LPCVD)將硅表面涂敷氮化硅。3)硅片底側(cè)涂敷感光樹脂，包含有氮化硅中的開口限定的膜片的圖案通過暴露于UV光中被轉(zhuǎn)印到感光樹脂上。4)使用電抗離子蝕刻(RIE)將氮化硅從硅片被感光樹脂內(nèi)的開口所限定區(qū)域的底側(cè)上蝕刻掉。5)硅片在KOH溶液中被各向異性地蝕刻，從而導(dǎo)致在硅片的底側(cè)上形成錐形開口。蝕刻時間限定了硅片頂側(cè)上殘余硅膜片的厚度?？蛇x擇地，摻硼能夠用于限定蝕刻的中止，從而對厚度給予更好的控制?？蛇x擇地，硅能夠通過硅片的整個厚度被蝕刻，僅在頂表面上留下氮化硅作為一薄的膜片。6)硅片的頂表面涂敷有感光樹脂，包含有微孔位置與直徑的圖案通過暴露于UV光中被轉(zhuǎn)印感光樹脂。7)微孔圖案轉(zhuǎn)印到使用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)而進行的深度電抗離子蝕刻(DRIE)或先進的硅蝕刻(ASE)的硅上，結(jié)果產(chǎn)生具有1-50μm深度的豎直微孔。8)或通過熱氧化或用等離子體加強的化學(xué)蒸氣沉積法(PECVD)或用LPCVD將硅涂敷上氧化硅?？蛇x擇地，襯底也能通過如下過程制造1)初始材料是具有100表面，且在頂表面下1-50μm設(shè)置有埋入氧化層的硅絕緣體(SOI)。2)使用低壓化學(xué)蒸氣沉積法(LPCVD)將硅表面涂敷氮化硅。3)硅片底側(cè)涂敷感光樹脂，包含在氮化硅中的開口所限定的膜片的圖案通過暴露于UV光中被轉(zhuǎn)印到感光樹脂上。4)使用電抗離子蝕刻(RIE)將氮化硅從硅片被感光樹脂內(nèi)的開口所限定區(qū)域的底側(cè)上蝕刻掉。5)硅片在KOH溶液中被各向異性地蝕刻，從而導(dǎo)致在硅片的底側(cè)上形成錐形開口。埋入的氧化層將用作各向異性蝕刻的蝕刻中止，從而導(dǎo)致膜片厚度被氧化的深度所限定。6)硅片的頂表面涂敷有感光樹脂，包含有微孔位置與直徑的圖案通過暴露于UV光中被轉(zhuǎn)印感光樹脂上。7)微孔圖案使用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)用深度電抗離子蝕刻(DRIE)或先進的硅蝕刻(ASE)轉(zhuǎn)印到硅上，結(jié)果深的豎直孔直至埋入氧化層的深度。8)埋入氧化層的暴露區(qū)域通過RIE，濕的氫氟酸(HF)蝕刻，或HF蒸氣蝕刻被移走。這將確保硅片中頂和底開口之間的接觸。9)或通過熱氧化或用等離子體加強的化學(xué)蒸氣沉積法(PECVD)或用LPCVD用氧化硅涂敷硅?？蛇x擇地，襯底也能通過如下過程制造1)初始材料是具有100表面，且在頂表面下1-50μm設(shè)置有埋入氧化層的硅絕緣體(SOI)。2)硅片底側(cè)涂敷感光樹脂，包含在硅中的開口所限定的膜片的圖案通過暴露于UV光中被轉(zhuǎn)印到感光樹脂上。3)使用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)用深度電抗離子蝕刻(DRIE)或先進的硅蝕刻(ASE)將膜片圖案轉(zhuǎn)印到硅上，結(jié)果深的豎直孔洞直至埋入氧化層的深度。4)硅片的頂表面涂敷有感光樹脂，包含有微孔位置與直徑的圖案通過暴露于UV光中被轉(zhuǎn)印感光樹脂上。5)微孔圖案使用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)用深度電抗離子蝕刻(DRIE)或先進的硅蝕刻(ASE)轉(zhuǎn)印到硅上，結(jié)果深的豎直孔直至埋入氧化層的深度。6)埋入氧化層的暴露區(qū)域通過RIE，濕的氫氟酸(HF)蝕刻，或HF蒸氣蝕刻被移走。這將確保硅片中頂和底開口之間的接觸。7)或通過熱氧化或用等離子體加強的化學(xué)蒸氣沉積法(PECVD)或用LPCVD用氧化硅涂敷硅?？蛇x擇地，襯底也能通過如下過程制造1)初始材料是薄的例如由聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚酰亞胺、聚丙烯、環(huán)氧樹脂或聚乙烯制成的聚合物片，并具有5-100μm的厚度。2)薄片襯底應(yīng)當懸掛在塑料或其它適當材料的框架上。3)襯底內(nèi)的微孔是使用激光研磨、微鉆、噴砂處理，或用高壓水流制造的。4)襯底至少在圍繞微孔的區(qū)域通過低能等離子體加強化學(xué)蒸氣沉積法涂敷有氧化硅、玻璃或硅石?？蛇x擇地，襯底也能通過如下過程制造1)初始材料是由環(huán)氧樹脂或丙烯酸固化的UV薄片，例如SU-8。薄片應(yīng)該具有5-100μm的厚度。2)薄片襯底應(yīng)當懸掛在塑料或其它適當材料的框架上。3)襯底通過具有包含微孔位置與直徑的標準照相平版印刷術(shù)玻璃掩模暴露于UV光中。4)襯底浸入顯影溶劑中，該溶劑將未暴露于UV光的區(qū)域內(nèi)的襯底聚合物移走，從而導(dǎo)致微孔穿透該薄片。5)襯底至少在圍繞微孔的區(qū)域通過低能等離子體加強化學(xué)蒸氣沉積法涂敷有氧化硅、玻璃或硅石。可選擇地，襯底也能通過如下過程制造1)初始材料是玻璃薄片，例如硼硅酸玻璃或硼硅酸鹽。2)薄片底側(cè)涂敷感光樹脂，包含有限定開口的膜片的圖案通過暴露于UV光中被轉(zhuǎn)印到感光樹脂上。3)在底側(cè)用HF蒸氣或用HF水溶液蝕刻掉玻璃，而前側(cè)被保護，使薄片變薄直至所選區(qū)域內(nèi)的厚度為2-50μm。4)薄片的頂表面涂敷有感光樹脂，包含有微孔位置與直徑的圖案通過暴露于UV光中被轉(zhuǎn)印感光樹脂上。5)微孔圖案使用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)用深度電抗離子蝕刻(DRIE)或先進的硅蝕刻(ASE)轉(zhuǎn)印到硅上。這會導(dǎo)致深的豎直孔直至從底側(cè)開口的孔洞的深度，從而確保薄片兩側(cè)之間的接觸?？蛇x擇地，襯底也能通過如下過程制造6)初始材料是玻璃薄片，例如硼硅酸玻璃或硼硅酸鹽。7)薄片底側(cè)涂敷感光樹脂，包含有限定開口的膜片的圖案通過暴露于UV光中被轉(zhuǎn)印到感光樹脂上。8)在底側(cè)用HF蒸氣或用HF水溶液蝕刻掉玻璃，而前側(cè)被保護，使薄片變薄直至所選區(qū)域內(nèi)的厚度為2-50μm。9)薄片的頂表面被聚焦離子束在限定微孔位置與直徑的圖案內(nèi)沖擊，從而弱化該區(qū)域內(nèi)的玻璃材料。10)用HF蒸氣或用HF水溶液蝕刻玻璃。暴露于聚焦離子束的區(qū)域?qū)⒈缺∑Ｓ鄥^(qū)域更快地蝕刻，導(dǎo)致在頂表面與從底側(cè)開口的腔之間形成微孔，從而確保薄片兩側(cè)之間的接觸。可選擇地，襯底也能通過如下過程制造11)初始材料是玻璃薄片，例如硼硅酸玻璃或硼硅酸鹽。12)薄片底側(cè)涂敷感光樹脂，包含有限定開口的膜片的圖案通過暴露于UV光中被轉(zhuǎn)印到感光樹脂上。13)圖案使用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)用深度電抗離子蝕刻(DRIE)或先進的硅蝕刻(ASE)轉(zhuǎn)印到玻璃上。這將膜片限定在薄片的頂表面內(nèi)，薄片具有2-100μm的厚度。14)薄片的頂表面涂敷有感光樹脂，包含有微孔位置與直徑的圖案通過暴露于UV光中被轉(zhuǎn)印感光樹脂上。15)微孔圖案使用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)用深度電抗離子蝕刻(DRIE)或先進的硅蝕刻(ASE)轉(zhuǎn)印到硅上。這導(dǎo)致深的豎直孔直至從底側(cè)開口的孔洞的深度，從而確保薄片兩側(cè)之間的接觸?？蛇x擇地，膜片能夠通過使用一相似的過程被獨自限定在氮化硅內(nèi)。使用上面提及的硅技術(shù)制造本發(fā)明的主要優(yōu)點在于它有可能將其與硅微觀流體系統(tǒng)整合在一起。作為例子我們在此要證明本發(fā)明如何能夠被整合入具有易于填充目的的用來做電生理學(xué)測量的硅基設(shè)備。在參考文獻3中，公開了一設(shè)備的說明書，該設(shè)備包括一孔，該孔具有對單元的高阻力封閉，一個電滲流體泵，該泵用于對孔施加吸力，具有捕獲并操縱單元的用途。該孔能夠以與本發(fā)明相同的方式限定在硅膜內(nèi)。在參考文獻4中，公開了一種基于硅技術(shù)的電滲泵設(shè)備。該設(shè)備能夠以與本發(fā)明相同的方式作為硅膜內(nèi)的成排孔被制造。圖10顯示了用于進行電生理學(xué)測量的孔，電滲流體泵，和根據(jù)本發(fā)明單片集成在一硅片27上的兩個系統(tǒng)的集成。該硅片系統(tǒng)是圖9所示系統(tǒng)的一個實施例。硅的底側(cè)用限定層28的通道和包含有一電化學(xué)電極29的底板封閉。片28和29可選擇地制造成一體。片27、28和29能夠結(jié)合或粘結(jié)在薄片大小上或一單獨的模具水平面上。為了使硅片適當?shù)夭僮饕逊忾]的體積30，其應(yīng)當被液體充填；由膜片31形成填充入口；由膜片37形成的排出出口應(yīng)當被封閉。膜片31有一液體最初引入的入口通道32。膜片31的孔半徑為1.5-4μm。膜片可選擇地涂敷有疏水材料。電滲流體泵33具有一頂側(cè)流體系統(tǒng)34，它包括一液體入口和一電化學(xué)電極。泵33的孔半徑為0.2-0.7μm。進行電生理學(xué)測量的孔35包括膜片內(nèi)半徑為0.3-1.0μm的單個孔。流體系統(tǒng)36包括有一用于單元的入口和至少一電化學(xué)電極。膜片37具有一排出通道38，最初容納在封閉體內(nèi)的空氣通過該通道38能夠排出。膜37的篩孔半徑為1.5-4μm。膜片可選擇地涂敷有疏水材料。膜片31、37、泵33和限定了孔35的膜片能夠由厚度為1-50μm的同樣膜片制造。電化學(xué)電極39和41能夠包括在封閉體積30內(nèi)，并與底板29內(nèi)的通孔接觸以接觸襯墊40和42。圖11顯示了根據(jù)本發(fā)明所制造的膜片的掃描電子顯微照片。膜片具有一在380μm厚的硅片上借助各向異性蝕刻制造的14μm厚的硅膜。3.5μm半徑的孔是用深度電抗離子蝕刻(DRIE)蝕刻的。包含內(nèi)部孔的硅表面涂敷有一薄層氧化硅(石英)。如圖7所示的該設(shè)備包裝在其頂和底側(cè)具有流體通道的塑料殼體中。通過將帶有少量孔雀綠染料的20μl水在設(shè)備頂側(cè)加入到通道而測試該設(shè)備。+50mbar的氣壓隨后施加10秒，以便填充通道，直至液體到達膜片。增大的吸力或壓力在30或60秒時間內(nèi)被施加。用顯微鏡監(jiān)控密封狀態(tài)的破損。在最高壓力/吸力所用的破損被記錄后，第二個最高壓力/吸力所用的破損明顯隨著特定設(shè)備的下限的也被記錄。施加壓力/吸力30或60秒后所獲結(jié)果之間，或由設(shè)備的任一側(cè)填充所獲結(jié)果之間似乎沒有任何差別。因而結(jié)果就僅關(guān)于是否使用壓力或吸力分組。根據(jù)圖3a情況，對于正壓的結(jié)果在表3中概括。表3經(jīng)試驗得出的正保持壓在所有被測的13個硅片中，100mbar的壓力對于封閉性能沒有影響。給定100mbar下限，在150mbar時，在一個硅片中，封閉破損等等。根據(jù)圖3b中的情況，對于負壓的結(jié)果在表4中概括。表4經(jīng)試驗得出的負保持壓當使用圖8a和圖10所示的設(shè)備時，封閉性能在膜片兩側(cè)都濕的情況下非常重要。使用如下協(xié)議完成試驗。1)含孔雀綠的水10μl被引入入口，用+50mbar的壓力10秒，以確保液體表面到達膜片。2)3秒鐘300mbar氣壓脈沖隨后作用于入口，以確保液體流過設(shè)備。3)用+50mbar的壓力作用于入口5分鐘，以確保整個可獲得的液體體積都已流過設(shè)備進入出口，使設(shè)備封閉。4)根據(jù)圖3d中的情況，對8個不同的硅片，用增大的正壓作用在出口，同時監(jiān)控封閉的破損并順序再填充入口。其結(jié)果在表5中概括。5)根據(jù)圖3c中的情況，對6個不同的硅片，用增大的負壓作用在出口，同時監(jiān)控封閉的破損。其結(jié)果在表6中概括。表5經(jīng)試驗得出的兩側(cè)都濕時的正保持壓表6經(jīng)試驗得出的兩側(cè)都濕時的負保持壓總之，試驗數(shù)據(jù)顯示保持壓與理論預(yù)測非常一致。如預(yù)測的膜片具有小接觸角時，所測量的負保持壓大于正保持壓。表3和表4中的正與負保持壓之間的比值能夠用于推算膜片的接觸角是τ＝11°，這與由氧化硅制成的膜片非常一致。膜片兩側(cè)都是濕的試驗顯示，如預(yù)測，正與負保持壓之間存大很大差別。這使得設(shè)備更適用于需要負保持壓的應(yīng)用中，而且小的正保持壓仍能被施加。在這些情況下，設(shè)備通過用疏水材料涂敷膜片預(yù)定的干側(cè)而改進。參考文獻[1]BiomaterialsPropertiesDatabase，UniversityofMichigan，ContactDr.WilliamJ.O’Brien，Director(FAX313-647-5293).QuintessencePublishing1996.http//www.lib.umich.edu/libhome/Dentistry.lib/Dental_tables/Contangle.html[2]Madou，M.，“FundamentalsofMicrofabrication”，2ndEd(December2001)CRCPress；ISBN0849308267.InternationalPatentPublicationNo.WO02/29402.PendingPatentapplication，J.Kutchinsky，R.Taboryski，M.Bech，F(xiàn)ilingdate02.10.01.權(quán)利要求1.一種微觀流體系統(tǒng)，包括一具有一入口和一出口的通道；設(shè)置在入口和出口之間的第一膜片，該膜片包括一半徑在0.1至50μm范圍內(nèi)的孔，入口與出口彼此水力連通，于是流體能夠沿著通道從入口到出口流動。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于在入口和出口之間產(chǎn)生壓差的壓力裝置，由此，由于流體在該孔上所產(chǎn)生的表面張力，使得使用中的流體在通道內(nèi)的流動在第一膜片上停止，直至該壓力裝置在入口和出口之間產(chǎn)生一個大于孔上所產(chǎn)生的表面張力的壓差。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，第一膜片包括多個孔。4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，該壓力裝置包括一個泵設(shè)備，該系統(tǒng)還包括在入口與出口之間設(shè)置的封閉的第一體積，與第一體積水力連通的第二體積；該泵設(shè)備與第一和第二體積水力連通，用于泵送流體通過該系統(tǒng)或用于在第一和第二體積之間施加一個液壓差，該第一膜片設(shè)置在出口和第一體積之間。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，還包括一個第二膜片，該第二膜片包括一個半徑在0.1至50μm范圍內(nèi)的孔，且該第二膜片設(shè)置在入口與第一體積之間。6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的系統(tǒng)，還包括多個第二體積。7.根據(jù)權(quán)利要求4，5或6中任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，該第二體積或每個第二體積包括一第二入口。8.根據(jù)權(quán)利要求4，5，6或7中任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，該第二體積或每個第二體積包括一第二出口。9.根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，該第二膜片包括多個孔。10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，該膜片或每個膜片包括一親水材料。11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，該膜片或每個膜片由氧化硅，氮化硅，玻璃，硅石，礬土，氧化鋁或丙烯酸形成。12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由硅石形成。13.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，該膜片或每個膜片在至少一側(cè)上涂敷有疏水材料。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述疏水材料包括PTFE或PDMS。15.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，當膜片由氮化硅形成時，該膜片或每個膜片的厚度最好落在50至400nm范圍內(nèi)，當膜片由氧化硅形成時，厚度最好在1至20μm，當膜片由玻璃或硅石形成時，厚度在2至200μm范圍內(nèi)，當膜片由鋁或塑料材料形成時，厚度在5至500μm范圍內(nèi)。16.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，該孔或每個孔的半徑落在0.1至50μm范圍內(nèi)。17.一種膜片形成如權(quán)利要求1-16中任一權(quán)利要求所述的微觀流體系統(tǒng)。18.一種膜片形成如權(quán)利要求1-16中任一權(quán)利要求所述的微觀流體系統(tǒng)的一部分。19.一種用于進行電生理學(xué)測量的設(shè)備，包括根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)。20.一種填充根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)的方法。21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中該填充過程借助氣壓被外部控制。22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中該壓力是用0.1至10秒持續(xù)的脈沖施加的。23.基本如上文所述的參見附圖的系統(tǒng)。24.基本如上文所述的參見附圖的方法。全文摘要一種微觀流體系統(tǒng)包括一個具有入口(32)和出口(38)的通道；第一膜片(31)設(shè)置在入口(32)和出口(38)之間，并包括一個半徑在0.1至50μm范圍內(nèi)的孔，該入口(32)和出口(38)彼此水力連通，于是流體能夠沿著該通道從入口移動至出口。文檔編號F15C5/00GK1774629SQ200480009952公開日2006年5月17日申請日期2004年2月23日優(yōu)先權(quán)日2003年2月21日發(fā)明者R·塔伯里斯基,J·庫欽斯基申請人:索菲昂生物科學(xué)有限公司