Патент на изобретение №2171467
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) МИКРОРЕАКТОР ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО И ГЕНЕТИЧЕСКОГО ТЕСТИРОВАНИЯ
(57) Реферат: Изобретение относится к прикладной физике и химии и может быть использовано в конструкции интегрированной микрочиповой системы для тестирования. Предложен микрореактор, содержащий кремниевый микрочип, проточную реакционную камеру, микрофлюидную систему с подложкой, электронагреватель и термодатчик, подключенные к программному регулятору с образованием системы автоматического регулирования температуры в реакционной камере. Основание и боковые стенки реакционной камеры выполнены в подложке микрофлюидной системы, другое основание реакционной камеры выполнено в виде фторопластового защитного слоя, с помощью которого реакционная камера герметично прикреплена к микрочипу через изолирующий слой. При этом на микрочипе со стороны, противоположной изолирующему слою, образован полый игольчатый радиатор соосно с реакционной камерой, в подложке выполнены капилляры, проходящие сквозь реакционную камеру для подачи и отвода реакционной смеси, а электронагреватель и термодатчик расположены во фторопластовом защитном слое по периметру основания реакционной камеры. При этом микрочип и полый игольчатый радиатор могут быть выполнены в виде одной детали с помощью избирательного травления кремниевой пластины, а подложка микрофлюидной системы может быть выполнена из полиметилметакрилата. В результате повышается отвод тепла, снижается инерционность, повышается точность результатов измерений. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. Изобретение относится к прикладной физике и химии и может быть использовано в конструкции интегрированной микрочиповой системы для химического и генетического тестирования. Наиболее эффективно его использовать в аппаратуре, предназначенной для проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР), анализа микропроб органических загрязнений окружающей среды, при проведении судебно-медицинских экспертиз и т.п. Известно устройство для химического и генетического тестирования, содержащее термостат со штативом для микропипеток из прозрачного материала, заполненных реакционной смесью. Боковые стенки термостата выполнены с возможностью прилегания к микропипеткам и снабжены линзами по месту расположения анализируемых проб для их оптического контроля. Термостат снабжен системой программного регулирования температуры с управляющим воздействием с помощью электронагревателя (US 5241363, G 01 N 21/01, 21/31, 1993). Такая конструкция является громоздкой, в том числе в отношении объема реакционной смеси, что не только не позволяет тестировать пробы объемом менее 1 мкл, но и создает инерцию, затрудняющую точное регулирование температуры по заданной программе. Кроме того, масляное покрытие существенно затрудняет возможность микросенсорного контроля анализируемой пробы. Данная конструкция не обеспечивает проточного режима тестирования, при этом анализируемая проба является большой. Наиболее близким к заявляемому является микрореактор, для химического и генетического тестирования, содержащий кремниевый микрочип, в котором образованы проточные реакционная и детекционная камеры, микрофлюидную систему с подложкой, электронагреватель и термодатчик, подключенные к программному регулятору с образованием системы автоматического регулирования температуры в реакционной камере (WO 9850154, PCT/US 98/09337, B 01 L 3/00, B 01 L 7/00, G 01 N 27/00, 1998). Однако, известный микрореактор обладает неравномерностью и низкой точностью воспроизведения программного режима регулирования температуры в реакционной камере, что особенно нежелательно при генетическом тестировании, поскольку типовой температурный режим данного вида тестирования предусматривает быстрый нагрев пробы до 90oC и охлаждение до 50oC. Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и равномерности регулирования температуры в термокамере микрореактора. Решение указанной технической задачи состоит в том, что в конструкцию микрореактора для химического и генетического тестирования, содержащую кремниевый микрочип, проточную реакционную камеру, микрофлюидную систему с подложкой, электронагреватель и термодатчик, подключенные к программному регулятору с образованием системы автоматического регулирования температуры в реакционной камере, вносятся следующие изменения: 1) основание и боковые стенки реакционной камеры выполнены в подложке микрофлюидной системы; 2) другое основание реакционной камеры выполнено в виде фторопластового защитного слоя, с помощью которого реакционная камера герметично прикреплена к микрочипу через изолирующий слой; 3) на микрочипе со стороны, противоположной изолирующему слою, образован полый игольчатый радиатор соосно с реакционной камерой; 4) в подложке выполнены капилляры, проходящие сквозь реакционную камеру для подачи и отвода реакционной смеси; 5) электронагреватель и термодатчик расположены во фторопластовом защитном слое по периметру основания реакционной камеры. Причинно-следственная связь внесенных изменений с решением поставленной технической задачи заключается в том, что отвод тепла с помощью радиатора повышает скорость теплообмена. Это имеет следствием снижение инерционности, а потому и повышение точности воспроизведения программного режима терморегулирования. Полая форма радиатора и расположение электронагревателя по периметру основания реакционной камеры обеспечивают равномерное распределение в ней температуры как при нагреве, так и при охлаждении. Расположение термодатчика по периметру основания реакционной камеры обеспечивает упреждающее измерение отклонения температуры от заданной программой, в том числе под действием помехи. Эта идея подтверждена результатами физического и математического моделирования. При технической реализации предлагаемой конструкции кремниевый микрочип и полый игольчатый радиатор технологично выполнить в виде одной детали с помощью избирательного травления кремниевой пластины. При этом достигается также достаточно высокая теплопроводность радиатора. Электронагреватель может быть выполнен из никеля. Однако, наиболее надежным является выполнение электронагревателя и резистивного термодатчика из карбида кремния, в том числе в варианте одновременного использования SiC-нагревателя в качестве термодатчика. Для электрической изоляции электронагревателя и термодатчика технологично нанести на соответствующую сторону микрочипа изолирующий слой нитрида кремния. Подложка микрофлюидной системы может быть выполнена из полиметилметакрилата. На фиг. 1 изображена схема расположения элементов микрореактора; на фиг. 2 – блок-схема системы программного регулирования температуры в реакционной камере. Микрореактор для химического и генетического тестирования (фиг. 1) содержит кремниевый микрочип 1, сторона которого, используемая для прикрепления к ней реакционной камеры, защищена изолирующим слоем 2 из нитрида алюминия. Реакционная камера 3 размером 1,5×1,5×0,1 мм с электронагревателем 4 и термодатчиком 5, расположенными по периметру ее основания во фторопластовом защитном слое 6, выполнена с помощью микрофрезерования таким образом, что ее основание и боковые стенки расположены в полиметилметакрилатовой подложке 7 микрофлюидной системы. При этом реакционная камера 3 с помощью защитного слоя 6, служащего одним из ее оснований, герметично прикреплена к стороне микрочипа 1, покрытой изолирующим слоем 2. В подложке 7 выполнены капилляры 8 и 9, проходящие сквозь реакционную камеру 3 для подачи и отвода реакционной смеси. На микрочипе 1 со стороны, противоположной изолирующему слою 2, образован полый игольчатый радиатор 10 соосно с реакционной камерой 3. Элементы 1 и 10 выполнены в виде одной детали с помощью избирательного травления кремниевой пластины. Внутри реакционной камеры 3 расположен оптический микросенсор 12 для контроля за ходом реакции. Возможно использование других типов микросенсоров (например, микросенсора pH), а также установка их на выходной магистрали реакционной камеры 3. Электронагреватель 4 и термодатчик 5 подключены к программному регулятору 13 (фиг. 2) с образованием системы автоматического регулирования температуры в реакционной камере 3. При работе с микрореактором реакционную смесь вносят в камеру 3 и/или прокачивают ее в циклическом режиме. При этом осуществляют повторяющиеся циклы программного изменения температуры в реакционной камере с детектированием контролируемого микросенсором 12 изменения физико-химического параметра. По результатам испытания, проведенного на модели предлагаемого микрореактора, установлено, что точность программного регулирования температуры в реакционной камере при пропорционально-интегральном алгоритме управления составляет в установившемся режиме  0,4oC по всему объему реакционной камеры 3, а время регулирования – от 0,5 до 1,0 с. Внесенные изменения в конструкцию позволяют реализовывать режим нагрева и охлаждения со скоростью от 50 до 150oC/с, что превосходит вышеуказанные технические характеристики известного устройства.
Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 30.06.2002
Извещение опубликовано: 20.11.2004 БИ: 32/2004
|
||||||||||||||||||||||||||
