專利名稱：微流體系統(tǒng)的入口與毛細(xì)管通道的連接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微流體系統(tǒng)領(lǐng)域，并且更具體地涉及包括毛細(xì)管通道和用于接收流體的入口的微流體系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于微流體技術(shù)的使用，使得在化學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步。術(shù)語“微流體”通常被用于表示具有通道和腔室的系統(tǒng)或裝置，所述通道和腔室被構(gòu)造成具有至少一個(gè)橫截面尺寸諸如深度、寬度、或直徑小于毫米的。例如，微流體通道和腔室形成流體通道網(wǎng)絡(luò)，其允許非常微量的材料的運(yùn)輸、混合、分離和/或檢測(cè)。微流體裝置是特別有利的，因?yàn)樗鼈兪沟脤?duì)小的樣本尺寸進(jìn)行各種不同的測(cè)量，例如化學(xué)的、光學(xué)的測(cè)量等等，以及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的高吞吐量處理過程成為可能。由于微流體裝置中使用了小通道尺寸和流體體積，因此存在影響流體在微流體裝置中流動(dòng)的因素，這些因素在流體更大規(guī)模的流動(dòng)中是次要的。例如，流體的諸如表面張力、粘度等等物理性能相比于大規(guī)模的流動(dòng)所具有的這些性能能夠?qū)α黧w力學(xué)產(chǎn)生更大的影響。從US 2005/0133101A1中已知了一種微流體系統(tǒng)，其具有用于存儲(chǔ)從外部注入的流體的入口儲(chǔ)存腔。流動(dòng)通道將儲(chǔ)存腔與反應(yīng)腔相連接。由固有的毛細(xì)現(xiàn)象產(chǎn)生了移動(dòng)流體所必須的驅(qū)動(dòng)力，使得無需外部驅(qū)動(dòng)力。

發(fā)明內(nèi)容
在微流體裝置中，能夠自發(fā)地填充液體的裝置通常是合乎需要的，也就是說，填充速度完全是或者至少主要地是由裝置和流體例如樣品流體的特性所決定。一旦填充過程被啟動(dòng)，填充速度不會(huì)受到使用者的影響是合乎需要的。例如，當(dāng)使用微流體分析裝置時(shí)，通常樣品首先是按量計(jì)算地獲取，其遠(yuǎn)多于并且不相符于微流體分析裝置的測(cè)量范圍。例如，樣品流體可以在微流體系統(tǒng)的前端單元或者模塊中獲取，其例如可以被壓力所驅(qū)動(dòng)。消除與微流體系統(tǒng)的壓力驅(qū)動(dòng)部分和毛細(xì)驅(qū)動(dòng)部分的連接相關(guān)的界面現(xiàn)象將會(huì)是合乎需要的。對(duì)于微流體裝置的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)部分消除施加于將要引入到毛細(xì)管部分中的流體上的壓力也將是合乎需要的。獲得具有用于在壓力作用下接收流體的入口且具有能自發(fā)地填充流體的毛細(xì)管通道的微流體系統(tǒng)同樣是合乎需要的。為了更好地考慮一個(gè)或多個(gè)這些關(guān)注，在本發(fā)明的第一方面，提供了一種微流體系統(tǒng)，包括-用于接收流體的入口；-毛細(xì)管通道；-用于使過量流體流出的出口；以及-用于將所述入口連接到所述毛細(xì)管通道的儲(chǔ)存器；
其中，所述儲(chǔ)存器形成從所述入口到所述出口的第一通道；所述儲(chǔ)存器形成從所述入口到所述毛細(xì)管通道的進(jìn)口的第二通道；以及所述第一通道的流體阻力足夠地小，以使當(dāng)流體在所述入口處在壓力作用下被接收時(shí)實(shí)現(xiàn)所述毛細(xì)管通道的所述進(jìn)口處的壓力降低。壓力的降低是通過儲(chǔ)存器的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。特別地，壓力被降低而不采用主動(dòng)壓力降低裝置。壓力驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)所受到的流體阻力是利用壓力差除以流速而獲得的，也就是說 R.ffi#= ΔΡ/Φ。流體阻力的單位是1 s/m3。給定了流體的性質(zhì)，則流體阻力分別完全取決于儲(chǔ)存器或者毛細(xì)管通道的幾何參數(shù)。例如，具有矩形橫截面的儲(chǔ)存器通道或者一般而言槽道的流體阻力大約是R流體=12 η L/h3w (1-0. 63(h/w)),其中η表示流體的動(dòng)態(tài)粘度，L表示槽道的長(zhǎng)度，h表示槽道的高度，以及w表示槽道的寬度，h小于或等于W。因此，一般而言，足夠的低流體阻力能夠通過相應(yīng)的通道或者槽道的足夠大的橫截面來實(shí)現(xiàn)。術(shù)語“橫截面”的意思是橫截面區(qū)域。這個(gè)橫截面區(qū)域是可以被流體所填充的區(qū)域，也就是說，尤其是流體沿著相應(yīng)的通道或者槽道流動(dòng)的最大可用區(qū)域。這個(gè)區(qū)域可以沿著給定的橫截面是連續(xù)的，或者其可以包括兩個(gè)或更多個(gè)分開的部分。例如，當(dāng)儲(chǔ)存器充滿了多孔過濾器材料時(shí)，由于過濾材料的流體移動(dòng)，因此橫截面被減小。此外，由于過濾材料形成儲(chǔ)存器內(nèi)壁，因此橫截面區(qū)域會(huì)被分開。由于儲(chǔ)存器沿著第一通道的流體阻力取決于沿著第一通道的橫截面的尺寸大小和幾何形狀，因此必須根據(jù)橫截面的幾何形狀對(duì)外形尺寸進(jìn)行選擇。通過對(duì)儲(chǔ)存器外形尺寸的適當(dāng)選擇，特別是通過相對(duì)于毛細(xì)管通道和/或第二通道的外形尺寸對(duì)儲(chǔ)存器的第一通道的外形尺寸進(jìn)行選擇，例如，從入口處填充儲(chǔ)存器的任何受壓力驅(qū)動(dòng)的流體的流動(dòng)能夠被阻止進(jìn)入到毛細(xì)管通道中。例如，由于相對(duì)于毛細(xì)管通道的阻力而言儲(chǔ)存器的阻力是微不足道，因此流體將僅僅流過而不會(huì)填充毛細(xì)管通道。任何多余的流體被迫使通過出口離開儲(chǔ)存器。因此，由于第一通道，或者特別是第一通道的位于第一和第二通道的共用部分上游處的所述部分的足夠的低流體阻力，使得在毛細(xì)管通道的進(jìn)口處形成壓力降低。因此， 毛細(xì)管通道可以自發(fā)地進(jìn)行填充。術(shù)語“填充毛細(xì)管通道”意味著完全地或者至少到達(dá)定義限度地，例如到達(dá)微流體裝置的一個(gè)位置地，填充毛細(xì)管通道。沿著第一通道的儲(chǔ)存器的流體阻力的級(jí)數(shù)可能會(huì)局部地發(fā)生變化，并且例如不必要是線性的。例如，至少在第一通道的一個(gè)或者多個(gè)部分上，相應(yīng)部分的流體阻力可以是足夠的低，以使得流體阻力的總的效果是在毛細(xì)管通道的進(jìn)口處形成壓力降低。例如，第一通道的橫截面在它從入口到出口的流程中發(fā)生變化。也就是說，橫截面的剖面沿著第一通道并非是恒定不變的。例如，至少在第一通道的一個(gè)或更多個(gè)部分中，橫截面是足夠大的，從而使得總體而言，沿著第一通道變化的橫截面的作用是提供足夠的低流體阻力，并且因此， 實(shí)現(xiàn)在毛細(xì)管通道的進(jìn)口處的壓力降低。例如，第一通道，它從入口到出口的流程中具有的橫截面剖面足夠地大以便于當(dāng)流體在入口處在壓力作用下被接收時(shí)，在毛細(xì)管通道的進(jìn)口處提供壓力降低。這意味著第一通道的流體阻力是足夠的低。特別地，第一通道可以具有橫截面剖面，其在第一通道從入口到出口的流程中至少局部足夠地大以便于當(dāng)流體在入口處在壓力作用下被接收時(shí)，在毛細(xì)管通道的進(jìn)口處提供壓力降低。例如，毛細(xì)管通道是利用毛細(xì)管作用力來輸送流體的毛細(xì)管通道。例如，微流體系統(tǒng)包括微流體裝置。例如毛細(xì)管通道是用于將流體輸送到微流體系統(tǒng)的微流體裝置的毛細(xì)管通道。例如，入口是用于接收在壓力作用下的流體的入口。由于壓力降低或者甚至是壓力消除，樣品流體在壓力驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入微流體系統(tǒng)的執(zhí)行對(duì)毛細(xì)管通道的填充的影響是微不足道的。此外，所述填充不依賴于微流體系統(tǒng)的取向，并且因而例如不依賴于包括微流體系統(tǒng)的手持設(shè)備的取向。出口例如是溢流口。例如，出口通向外部。例如，第二通道至少具有與第一通道共用的上游部分。也就是說，第一通道部分地或者全部地包括第二通道。例如，在第一通道從入口到出口的流程中，第二通道的下游部分可以分叉出來。下文中，將對(duì)具有第一通道的足夠的低流體阻力的儲(chǔ)存器的構(gòu)造設(shè)計(jì)的多個(gè)例子進(jìn)行說明。例如，第一通道的位于毛細(xì)管通道的進(jìn)口的下游處和/或第一和第二通道的共用部分的下游處的那部分的流體阻力可以是足夠的低，以便于在第一通道的這個(gè)部分的上游端，并且因而在毛細(xì)管通道的進(jìn)口處提供壓力降低。例如，毛細(xì)管通道的進(jìn)口可以被設(shè)置在第一和第二通道的所述共用部分的下游端，或者第一和第二通道可以在通道的共用部分的下游分開。在兩種情況下，毛細(xì)管通道進(jìn)口處的壓力都將等于或者小于通道的共用部分的下游端的壓力。足夠的低流體阻力可以通過足夠大的橫截面剖面來實(shí)現(xiàn)。另外地和/或可選擇地，從位于通道的共用部分下游的第一通道分出來的第二通道的一部分可以具有一定的流體阻力，其例如比通道的共用部分的和/或第一通道的位于通道的共用部分下游的那部分的流體阻力高。然后，第一通道尤其是在第一通道的所述下游部分的流體阻力將是足夠的低，以便于使得第二通道的位于通道的共用部分下游的所述部分能夠在毛細(xì)管通道的進(jìn)口處提供壓力降低。同樣地，第一通道的位于通道的共用部分下游的那部分的稍高些的流體阻力可以仍然是足夠的低，以便于在毛細(xì)管通道的進(jìn)口處提供所需的壓力降低。術(shù)語“壓力降低”可以包括壓力消除，也就是說，壓力的減小以使得能夠在毛細(xì)管通道的進(jìn)口處提供非受壓的流體。例如，壓力降低是用于防止流體在壓力作用下進(jìn)入毛細(xì)管通道的壓力降低。通過壓力降低或者消除實(shí)現(xiàn)毛細(xì)管通道的自發(fā)填充是可行的。在壓力作用下進(jìn)入儲(chǔ)存器的流體將朝著出口的方向流過通道進(jìn)口，而不會(huì)被迫進(jìn)入通道。因而，儲(chǔ)存器可以是當(dāng)流體在入口處在壓力作用下被接收時(shí)用于在毛細(xì)管通道的進(jìn)口處提供非受壓流體的壓力降低腔，例如壓力消除腔。例如，儲(chǔ)存器的第一和/或第二通道不是微流體通道。特別地，所述通道可以具有在每個(gè)方向上都大于1毫米的橫截面尺寸。因此，例如儲(chǔ)存器可以容納大量的用于提供到至少一個(gè)毛細(xì)管通道中的流體。
本發(fā)明有用的細(xì)節(jié)在從屬權(quán)利要求中被提出。在一個(gè)實(shí)施例中，第一通道的流體阻力比第二通道和毛細(xì)管通道的流體阻力小。 例如，特別地，第一通道的位于第一和第二通道的共用部分上游的那部分的流體阻力比第二通道的位于第一和第二通道的共用部分上游的那部分和/或毛細(xì)管通道的流體阻力小。 例如，第一通道的流體阻力比第二通道的位于第一和第二通道的共用部分上游的那部分和 /或毛細(xì)管通道的流體阻力小。例如，入口被設(shè)置在毛細(xì)管通道進(jìn)口的上游，并且出口被設(shè)置在毛細(xì)管通道進(jìn)口的下游。例如，毛細(xì)管通道從儲(chǔ)存器的第一通道分叉出來。例如，從入口到出口的第一通道包括儲(chǔ)存器從進(jìn)口的上游延伸到出口的部分，并且其具有比毛細(xì)管通道更低的流體阻力和 /或更大的橫截面。例如，出口具有比毛細(xì)管通道的進(jìn)口更大的橫截面。在一個(gè)實(shí)施例中，壓力降低允許毛細(xì)管通道能夠大體利用毛細(xì)管力進(jìn)行填充。特別地，壓力降低可以允許毛細(xì)管通道主要利用毛細(xì)管力或者僅僅利用毛細(xì)管力進(jìn)行填充。 因此，毛細(xì)管通道被消除了作用于流體入口處的壓力。例如，微流體系統(tǒng)還包括微流體裝置，其中毛細(xì)管通道被設(shè)置成用于將流體輸送到裝置。例如，毛細(xì)管通道被設(shè)置成利用毛細(xì)管作用力進(jìn)行流體的輸送。因此，實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)管通道的自發(fā)式填充和流體的輸送。由毛細(xì)管作用力對(duì)流體進(jìn)行的輸送僅僅取決于通道和樣品流體的特性，并且因此是一條實(shí)現(xiàn)自發(fā)式填充的非常穩(wěn)定的方式。額外的致動(dòng)裝置或者泵裝置可以被省去。通常情況下，微流體系統(tǒng)可以包括多于一條的毛細(xì)管通道，并且每個(gè)毛細(xì)管通道可以包括多于一個(gè)的微流體裝置。毛細(xì)管通道或者通道可以形成用于包括一個(gè)或多個(gè)微流體裝置的微流體網(wǎng)絡(luò)的輸入端。在一個(gè)實(shí)施例中，毛細(xì)管通道的進(jìn)口可被來自第一和第二通道的共用部分的流體所潤(rùn)濕。例如，毛細(xì)管通道的進(jìn)口被設(shè)置在儲(chǔ)存器上，以便被流過第一通道和/或填充第一通道的流體所潤(rùn)濕。特別地，毛細(xì)管通道的進(jìn)口可以被來自儲(chǔ)存器的尤其是來自第一和第二通道的共用部分的非受壓流體所潤(rùn)濕。也就是說，對(duì)毛細(xì)管通道進(jìn)口的潤(rùn)濕無需壓力作用。例如，當(dāng)?shù)谝缓偷诙ǖ赖墓灿貌糠直涣黧w充滿時(shí)，第二通道的剩余上游部分可以被流體潤(rùn)濕。因此，通過潤(rùn)濕作用，流體可以從第一和第二通道的共用部分被輸送至毛細(xì)管通道的進(jìn)口處。在一個(gè)實(shí)施例中，毛細(xì)管通道進(jìn)口可被處于第二通道的位于第一和第二通道的共用部分的上游和/或入口的上游的那部分中的流體在不存在壓力的情況下所潤(rùn)濕。特別地，在毛細(xì)管通道的進(jìn)口處不存在潤(rùn)濕阻礙部。因此，毛細(xì)管通道可以自發(fā)地被非受壓流體所填充。在一個(gè)實(shí)施例中，儲(chǔ)存器的環(huán)繞并且形成毛細(xì)管通道進(jìn)口的內(nèi)表面區(qū)域具有大體均勻的可潤(rùn)濕性。例如，儲(chǔ)存器的沿著第二通道連續(xù)延伸的壁沿著第二通道是可被充分地均勻地潤(rùn)濕，并且包括所述內(nèi)表面區(qū)域。因此，到達(dá)環(huán)繞毛細(xì)管通道進(jìn)口的內(nèi)表面區(qū)域的非受壓液體可以自發(fā)地潤(rùn)濕毛細(xì)管通道的進(jìn)口，并且利用毛細(xì)管作用力進(jìn)入毛細(xì)管通道。在一個(gè)實(shí)施例中，過濾材料將第一通道與毛細(xì)管通道的進(jìn)口相分隔。因此，第二通道的至少一部分延伸通過過濾材料。也就是說，第二通道的不同于第一通道的一部分是由過濾材料形成的。過濾材料減小了第二通道的所述部分的橫截面。此外，過濾材料可以提高
6第二通道的所述部分的可潤(rùn)濕。例如，過濾材料可以被設(shè)置成通過沿毛細(xì)管通道進(jìn)口的方向的潤(rùn)濕來輸送流體。例如，儲(chǔ)存器的第一部分可以形成第一通道，并且儲(chǔ)存器的第二部分可以包含過濾材料并且可以形成第二通道的位于第一和第二通道的共用部分上游的部分。 過濾材料可能也存在于第一通道中，特別地，存在于第一和第二通道的共用部分中。過濾材料可以與儲(chǔ)存器的壁整體地形成。例如，將第一通道與毛細(xì)管通道的進(jìn)口相分隔的過濾材料提高了第二通道的流體阻力。例如，第一通道的位于第一和第二通道的共用部分下游的部分中沒有過濾材料可以使第一通道的流體阻力變得足夠地低，以便于實(shí)現(xiàn)在毛細(xì)管通道進(jìn)口處的所述壓力降低。 另外，將第一通道與毛細(xì)管通道的進(jìn)口相分隔的過濾材料可以防止包含在流體中的氣泡到達(dá)毛細(xì)管通道的進(jìn)口。在一個(gè)實(shí)施例中，第一通道可供包含在流體中的氣泡通過。因此，存在于流體中的氣泡會(huì)通過出口而被除去。這便于將流體供應(yīng)到毛細(xì)管通道中。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二通道的共用部分包括被動(dòng)壓力閥。術(shù)語“被動(dòng)壓力閥”描述了通道中需要一定程度壓力以便于被流體所注滿的部分。在被動(dòng)壓力閥被注滿之后，其對(duì)于流體阻力的影響可忽略不計(jì)。被動(dòng)壓力閥可以保證在毛細(xì)管通道的自發(fā)式填充啟動(dòng)之前，例如在前端單元中存在充足的最低量的流體，前端單元被設(shè)置成將流體傳送通過入口到達(dá)儲(chǔ)存器。因此，在一定范圍內(nèi)，毛細(xì)管通道的自發(fā)式填充不會(huì)依賴于樣品流體的量，例如，或者是用戶動(dòng)作的程度。例如，微流體系統(tǒng)的前端可以是樣本獲取單元和/或流體樣本提純裝置。例如，微流體系統(tǒng)的前端單元可以包括指示器，其用于向使用者指示在前端單元中存在充足的最低量的樣品流體。在一個(gè)實(shí)施例中，被動(dòng)壓力閥包括表面潤(rùn)濕阻礙部，也就是說，具有與周圍表面相比不同并且尤其是具有更低可潤(rùn)濕性的區(qū)域。當(dāng)流體是極性流體時(shí)，表面潤(rùn)濕阻礙部例如是疏水的阻礙部。在一個(gè)實(shí)施例中，被動(dòng)壓力閥包括幾何形狀的潤(rùn)濕阻礙部，例如幾何形狀的流體表面牽制阻礙部。例如，幾何形狀的潤(rùn)濕阻礙部可以包括具有大于90°的半開度角的壁的邊緣。特別地，阻礙部可以包括相對(duì)的壁的邊緣，每個(gè)邊緣具有大于90°的半開度角。如果流體彎月面到達(dá)幾何形狀限定的具有大于90°半開度角的邊緣，其相對(duì)于潤(rùn)濕表面的接觸角不再是恒定的。只要不施加驅(qū)動(dòng)壓力，彎月面就被固定到或者被牽制到零毛細(xì)管壓力的邊緣上。因此，牽制效果可被用于控制儲(chǔ)存器的填充性能。流體的前緣被固定在牽制阻礙部上，直到達(dá)到突破壓力或是另一個(gè)流體的前緣從相反的方向到達(dá)阻礙部，并且與所固定的一個(gè)前緣相結(jié)合。在一個(gè)實(shí)施例中，第一通道的位于第一和第二通道的共用部分下游的一部分包括被動(dòng)壓力閥。進(jìn)而，有助于儲(chǔ)存器的完全填充直至到達(dá)被動(dòng)壓力閥。被動(dòng)壓力閥的突破壓力可以是足夠的低，以便于保證毛細(xì)管通道可以仍然大體在毛細(xì)管作用力的作用下被填充。 如果流體在過高的壓力下被接收，被動(dòng)壓力閥將允許流體通過并且到達(dá)出口，例如或者到達(dá)儲(chǔ)存器的更為下游部分。在一個(gè)實(shí)施例中，另外的毛細(xì)管通道的進(jìn)口可以被設(shè)置在儲(chǔ)存器上，儲(chǔ)存器形成了從入口到該另外的毛細(xì)管通道的進(jìn)口的第三通道，第三通道至少具有與第一通道共用的上游部分。例如，第三通道可以具有與第一和第二通道共用的上游部分。在一個(gè)實(shí)施例中，第一毛細(xì)管通道的進(jìn)口和該另外的毛細(xì)管通道的進(jìn)口被被動(dòng)壓力閥所分隔。如同上文中所述的，這具有與存在于第一和第二通道的共用部分中的、與第一毛細(xì)管通道的進(jìn)口相關(guān)的被動(dòng)壓力閥相同的優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，相應(yīng)的另外的毛細(xì)管通道的一系列的進(jìn)口可以被設(shè)置在儲(chǔ)存器上，并且例如可以被相應(yīng)的被動(dòng)壓力閥所分隔。從而，一系列的毛細(xì)管通道分別可以被自發(fā)地填充。在本發(fā)明的第二方面中，提供了一種填充毛細(xì)管通道的方法，包括如下步驟-在儲(chǔ)存器的入口處在壓力作用下接收流體；-使所述流體流入所述儲(chǔ)存器的第一通道，所述第一通道從所述入口延伸至所述儲(chǔ)存器的出口；-使所述流體通過所述儲(chǔ)存器的第二通道到達(dá)所述毛細(xì)管通道的所述進(jìn)口，所述第二通道從所述入口延伸至所述毛細(xì)管通道的所述進(jìn)口，所述進(jìn)口被設(shè)置在所述儲(chǔ)存器上；以及-通過所述第一通道的足夠的低流體阻力減小所述毛細(xì)管通道的所述進(jìn)口處的流體的壓力。壓力的減小可利用儲(chǔ)存器的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。特別地，壓力被減小而不采用主動(dòng)減壓裝置。例如，第二通道至少具有與第一通道共用的上游部分。到達(dá)毛細(xì)管通道進(jìn)口的流體可以進(jìn)入毛細(xì)管通道。例如，毛細(xì)管通道利用毛細(xì)管作用力被填充。本發(fā)明的這些和其它方面將根據(jù)下面描述的實(shí)施例而變得清楚并被參照下面描述的實(shí)施例予以闡明。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的微流體系統(tǒng)的儲(chǔ)存器和毛細(xì)管通道的示例性結(jié)構(gòu)。圖2是示出了圖1中的微流體裝置的示意圖。圖3示出了具有過濾器的微流體裝置的可選實(shí)施例。圖4是示出了圖3中的微流體裝置的示意圖。圖5是具有過濾器的微流體裝置的另一個(gè)實(shí)施例。圖6至8示出了具有疏水性表面潤(rùn)濕阻礙部的微流體裝置的另一個(gè)實(shí)施例中的毛細(xì)管通道的填充。圖9示出了具有幾何形狀的潤(rùn)濕阻礙部的微流體裝置的另一個(gè)實(shí)施例。圖10是具有脫泡腔的微流體裝置的另一個(gè)實(shí)施例的剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1中，圖示出了將微流體系統(tǒng)的入口 12連接到毛細(xì)管通道14的儲(chǔ)存器10的幾何結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)存器10具有包括側(cè)壁16、頂壁和底壁18的矩形橫截面。圖1中，出于示意性的目的頂壁未被示出。入口 12被設(shè)置在儲(chǔ)存器10的前壁上。出口 20被設(shè)置在儲(chǔ)存器10的后壁上。例如，入口 12和出口 20具有相應(yīng)的橫截面，其小于儲(chǔ)存器10的橫截面。入口 12例如連接到用于樣品流體捕獲或提純的前端模塊。樣品流體在入口 12處被儲(chǔ)存器10接收，并開始填充儲(chǔ)存器10。毛細(xì)管通道14的進(jìn)口 22被設(shè)置在一個(gè)側(cè)壁16上。儲(chǔ)存器10的包括環(huán)繞著進(jìn)口 22的區(qū)域M的內(nèi)壁16，18具有大體均勻的可潤(rùn)濕。例如，樣品流體是與儲(chǔ)存器10的內(nèi)壁具有一定接觸角的水性流體。毛細(xì)管通道14被設(shè)計(jì)成允許利用毛細(xì)管作用力輸送流體。當(dāng)儲(chǔ)存器10被填充至進(jìn)口 22時(shí)，流體將接觸并潤(rùn)濕進(jìn)口 22。任何多余的樣品流體將通過出口 20流出儲(chǔ)存器10。毛細(xì)管通道14的橫截面比垂直于從入口 12到出口 20的流體流向的儲(chǔ)存器10的橫截面要小很多。由于相對(duì)于毛細(xì)管通道的流體阻力而言儲(chǔ)存器的可忽略不計(jì)的流體阻力，因此在壓力作用下被接收的流體將流過進(jìn)口 22，而不會(huì)在壓力作用下進(jìn)入毛細(xì)管通道 14。因此，儲(chǔ)存器10的低流體阻力實(shí)現(xiàn)了壓力降低。這阻止了加壓流體進(jìn)入毛細(xì)管通道 14。因而，毛細(xì)管通道的進(jìn)口 22可由來自儲(chǔ)存器的非受壓流體所潤(rùn)濕。因此，毛細(xì)管通道 14僅利用毛細(xì)管作用力即可自發(fā)地填充。圖2示意性地示出了安裝有圖1中儲(chǔ)存器10和毛細(xì)管通道14的微流體系統(tǒng)。箭頭表示流體從前端單元沈通過入口 12流入儲(chǔ)存器10、從儲(chǔ)存器10通過進(jìn)口 22并通過毛細(xì)管通道14流入微流體裝置觀、以及從儲(chǔ)存器10的出口 20流出。例如，流體從前端單元 26到儲(chǔ)存器10的入口 12的流動(dòng)可以由壓力所驅(qū)動(dòng)。微流體裝置28包括例如用于對(duì)流體進(jìn)行化學(xué)的、光學(xué)的或其它的測(cè)量的傳感器或分析裝置。如同從圖1和圖2中可以看到的，儲(chǔ)存器10形成了從入口 12到出口 20的具有均勻橫截面的第一通道。出口 20例如是向外部排放的。此外，儲(chǔ)存器形成了從入口 12到毛細(xì)管通道14的進(jìn)口 22的第二通道。在這個(gè)例子中，第二通道與第一通道的上游部分相重合。在這個(gè)例子中，第一通道，尤其是第一通道在進(jìn)口 22和出口 20之間延伸的后部部分具有足夠的低流體阻力，以當(dāng)流體在壓力下在入口 12處被接收時(shí)能夠在進(jìn)口 22處提供壓力降低效果。在可以由前端單元沈確保的一定壓力范圍內(nèi)，儲(chǔ)存器10還從入口 12處提供了進(jìn)口 22處的壓力消除。因此，儲(chǔ)存器10是壓力消除腔。雖然儲(chǔ)存器10形成了從入口到出口的通道，但是這個(gè)通道不是微流體通道，并且不存在流體從入口 12到出口 20的毛細(xì)管輸送。因?yàn)橥ǖ赖牧黧w阻力主要取決于橫截面尺寸，儲(chǔ)存器10和毛細(xì)管通道14的橫截面尺寸可以容易地改變，以確保儲(chǔ)存器10的流體動(dòng)力學(xué)阻力相對(duì)于毛細(xì)管通道14的流體動(dòng)力學(xué)阻力是微不足道的。圖3示出了微流體系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，其中儲(chǔ)存器10包括設(shè)置在第二部分IOb頂部的第一部分10a。儲(chǔ)存器10的第一部分IOa形成了從入口 12到出口 20的第一通道，其中所述入口 12被設(shè)置在第一部分IOa的一端的頂壁18上，所述出口 20被設(shè)置在第一部分 IOa的后壁上。第一通道具有矩形的橫截面。儲(chǔ)存器10的第二部分IOb通過與入口 12相對(duì)的矩形開口 30而連接至第一部分 IOa0第二部分IOb具有圓柱形形狀，矩形開口 30被設(shè)置在第二部分IOb的頂壁上。毛細(xì)管通道14的進(jìn)口 22被設(shè)置在第二部分IOb的側(cè)壁上。儲(chǔ)存器10的第二部分IOb被過濾器的多孔過濾材料32所填滿。儲(chǔ)存器從入口 12 通過第一部分10a、通過開口 30、并且通過過濾材料32到達(dá)毛細(xì)管通道14的進(jìn)口 22從而形成第二通道。第一通道和第二通道在它們各自的上游起始部分具有共用的短的部分。過濾材料32增大從矩形開口 30朝向進(jìn)口 22的第二通道的下游部分的流體阻力。沿著儲(chǔ)存器的第一部分IOa從入口 12到出口 20的第一通道的相對(duì)低的流體阻力因而當(dāng)流體在入口 12處在壓力作用下被接收時(shí)提供了進(jìn)口 22處的壓力消除。因此，儲(chǔ)存器10是用于從毛細(xì)管通道14中的毛細(xì)管流中將輸入壓力消除的壓力消除腔。由于其多孔的結(jié)構(gòu)，過濾材料32是極好的流體吸收體。因此，通過開口 30進(jìn)入第二部分IOb中的流體將被輸送到毛細(xì)管通道的進(jìn)口 22。毛細(xì)管通道的進(jìn)口 22由來自儲(chǔ)存器的，尤其是來自由過濾材料32所填充的儲(chǔ)存器部分的非加壓流體所潤(rùn)濕。圖4示意性地示出了圖3中的流體線路。儲(chǔ)存器的第一部分IOa形成了從入口 12 到出口 20處的第一通道，并且這個(gè)第一通道的上游部分與第二通道相重合，所述第二通道從入口 12通過儲(chǔ)存器第二部分IOb中的過濾器的過濾材料32到達(dá)毛細(xì)管通道的進(jìn)口 22。 由于過濾器，該線路尤其適合于小的壓力驅(qū)動(dòng)流。圖5示出了另外的實(shí)施例，其類似于圖3中的實(shí)施例。然而，形成從頂部入口 12到后壁上的出口 20的第一通道的第一部分IOa在儲(chǔ)存器的第二部分IOb的過濾材料32中形成了空腔。在入口 12處被接收并且沿著空腔流動(dòng)的流體將在空腔的側(cè)壁和后壁處潤(rùn)濕過濾材料32。過濾材料32將被潤(rùn)濕直至其飽和，并且流體將潤(rùn)濕毛細(xì)管通道14的進(jìn)口 22。 過量的流體將沿著朝向出口 20的第一通道簡(jiǎn)單地流過過濾材料32。如圖3和圖4中所示， 從入口 12通向出口 20的第一通道和從入口 12通向毛細(xì)管通道14的進(jìn)口 22的第二通道具有共用的上游部分。如圖3和圖4中所示，過濾材料32將第一通道與進(jìn)口 22相分隔。在圖5所示的實(shí)施例中，第一通道、第二通道和毛細(xì)管通道14處于同一平面上，并且例如各自的頂壁具有相同的高度。因而，上述結(jié)構(gòu)可以只須通過在基部例如基板中形成儲(chǔ)存器10和毛細(xì)管通道14，并且利用形成頂壁且具有入口 12的頂板覆蓋所述基板制成。例如，基板是由塑料材料制成?？蛇x擇地，基部可以由各種不同種類的材料制成，例如鋁、銅、 或者鐵；硅；或者玻璃。此外，基部可以是印刷電路板等等。頂板可以由與基部相同的或者不同的材料制成。作為圖5中結(jié)構(gòu)的替代，儲(chǔ)存器的第一部分IOa也可以在基底或者基部中形成，而無需在過濾材料32中形成空腔。例如，第一部分IOa可以被設(shè)置在儲(chǔ)存器的第二部分IOb 的與進(jìn)口 22相對(duì)的側(cè)面上，或者在不同側(cè)面位置。不包含空腔的盤狀或者圓柱狀的過濾材料22更易于被制造。圖6至圖8示出了微流體系統(tǒng)的另外實(shí)施例，其具有類似于圖2中的儲(chǔ)存器10和毛細(xì)管通道14。但是，第一疏水性表面潤(rùn)濕阻礙部34被設(shè)置在第一和第二通道的上游共用部分中。第二疏水性表面潤(rùn)濕阻礙部36被設(shè)置在通向出口 20的第二通道的下游部分中。 阻礙部34，36形成疏水止擋部，其形成被動(dòng)壓力閥。在儲(chǔ)存器10的內(nèi)壁的區(qū)域34和36處， 表面能與儲(chǔ)存器10內(nèi)壁的周圍相比是不同的。例如，阻礙部34和36可以由儲(chǔ)存器10的底壁和頂壁的疏水性表面區(qū)域構(gòu)成。阻礙部34，36可以如下文中所述的進(jìn)行制造。起初，利用表面處理方法對(duì)儲(chǔ)存器各個(gè)壁的整個(gè)表面進(jìn)行處理，以便于使所述表面親水化。表面處理方法例如是等離子、吸附、或者化學(xué)方法或者現(xiàn)有技術(shù)中其它任何已知的方法。然后，疏水區(qū)域被制備，例如，通過將諸如聚四氟乙烯涂層等聚合物涂層刷到所述壁的相應(yīng)部分上。這產(chǎn)生了基于不同表面能的表面潤(rùn)濕阻礙部。在入口 12處接收的流體38將首先潤(rùn)濕阻礙流體流動(dòng)的、位于第一阻礙部34上游
10的儲(chǔ)存器10的部分。在流體一定的突破壓力下，實(shí)現(xiàn)了突破，其如同圖7中所示出的那樣， 并且流體可以通過第一阻礙部34。現(xiàn)在，流體可以進(jìn)一步沿著第二通道流動(dòng)，并且潤(rùn)濕位于阻礙部34和36之間的毛細(xì)管通道的進(jìn)口 22。毛細(xì)管通道的進(jìn)口 22可由來自儲(chǔ)存器的非受壓流體所潤(rùn)濕。因而，毛細(xì)管通道14可以如圖8中所示的那樣自發(fā)地填充。例如，流體可以填充儲(chǔ)存器直至到達(dá)第二阻礙部36。第二阻礙部36可能需要與第一阻礙部34相比相等的、更低的或是更高的突破壓力。所述突破壓力例如是足夠的低，從而不會(huì)影響毛細(xì)管通道的填充。圖9示出了微流體系統(tǒng)的更進(jìn)一步的實(shí)施例，其具有與圖2中相類似的儲(chǔ)存器。但是，兩個(gè)毛細(xì)管通道14設(shè)置在儲(chǔ)存器10的側(cè)壁16上。因此在圖6中，通過表面潤(rùn)濕阻礙部34形成被動(dòng)壓力閥，而在圖9中，被動(dòng)壓力閥是由幾何形狀的潤(rùn)濕阻礙部40所形成。每個(gè)幾何形狀的潤(rùn)濕阻礙部40是由形成在儲(chǔ)存器10的相對(duì)的壁例如側(cè)壁16上的邊緣42所形成的。邊緣42具有大于90°的半開度角。如同圖9中所示的那樣，流體38 的彎月面被固定或牽制到邊緣42。這個(gè)牽制作用被用于控制儲(chǔ)存器10的潤(rùn)濕行為。流體在零毛細(xì)管壓力作用下被固定到阻礙部40上，直至達(dá)到突破壓力。毛細(xì)管通道的進(jìn)口 22 可被來自儲(chǔ)存器的大體非受壓的流體所潤(rùn)濕。突破壓力例如是足夠的低，從而不會(huì)影響毛細(xì)管通道的填充。如圖9中所示的那樣，第一側(cè)壁16具有在每個(gè)齒上包括通向相應(yīng)的毛細(xì)管通道14 的進(jìn)口的鋸齒形結(jié)構(gòu)。由于幾何形狀的潤(rùn)濕阻礙部的牽制作用，因此一系列的毛細(xì)管通道 14可以一個(gè)接著一個(gè)地自發(fā)地進(jìn)行填充。通過確保在開始毛細(xì)管通道的填充之前，在阻礙部前面的儲(chǔ)存器中存在足量的流體，圖4至圖8、以及圖9中的阻礙部就能夠?qū)崿F(xiàn)毛細(xì)管通道的無隙填充。因此，毛細(xì)管通道的自發(fā)的并且是無隙的填充是可實(shí)現(xiàn)的。因而，在一定的范圍內(nèi)，毛細(xì)管通道的填充不取決于用戶動(dòng)作的比率。例如，即使在用于將流體供給到入口 12的取樣單元中收集了足量的樣品流體，例如流體收集裝置的緩慢壓縮，諸如使用者所進(jìn)行的切換，也可能會(huì)導(dǎo)致緩慢的流體供給。如果自發(fā)式填充啟動(dòng)過早的話，這可能會(huì)導(dǎo)致流體量的不足。包括有被動(dòng)壓力閥的儲(chǔ)存器可以防止自發(fā)式填充的過早啟動(dòng)。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的包括微流體系統(tǒng)的手持裝置的一部分，其與圖4中的那個(gè)相類似。例如，手持裝置是一種具有拭子的用于分析所收集流體的手持設(shè)備。例如，流體是唾液。為了便于從拭子釋放唾液，需要施加作用力。例如，拭子被加壓以將唾液釋放到圖 10中圓柱形裝置左邊的接收孔43中。流體通過第一過濾器44被過濾，并且通過過濾器44 進(jìn)入儲(chǔ)存器10。因此，過濾器44被放置在儲(chǔ)存器的入口 12處。因?yàn)榱黧w是從拭子在壓力作用下被釋放，所以流體在壓力作用下在入口 12處被接收。通向廢料腔46的出口 20設(shè)置在儲(chǔ)存器10的相對(duì)的一端。因此，儲(chǔ)存器10的第一部分IOa形成了從入口 12到出口 20的第一通道。由于這個(gè)第一通道大的橫截面，因此流體壓力被減小。在儲(chǔ)存器10的第一部分 IOa沿著第一通道具有相同橫截面時(shí)，儲(chǔ)存器10的第二部分IOb被設(shè)置成在第一部分IOa 的側(cè)壁上緊鄰著第一部分。第二部分IOb中充滿了過濾器的過濾材料32。過濾材料32將第一通道與毛細(xì)管通道14的進(jìn)口 22相分隔，毛細(xì)管通道14的進(jìn)口 22形成在儲(chǔ)存器的第一部分IOa的外壁和其中形成有毛細(xì)管通道14的基底或者基部48之間。過濾材料例如是多孔且親水的材料，以使其易于充滿水狀流體。例如，過濾器是玻璃纖維墊。
由于儲(chǔ)存器的第一部分IOa的低流體阻力，以及由于儲(chǔ)存器的第二部分IOb中過濾材料32的相對(duì)高的流體阻力，因此位于毛細(xì)管通道14的進(jìn)口 22處的壓力從入口 12處的壓力被消除。因而，毛細(xì)管通道14將被流體自發(fā)地填充。此外，可能包含在入口 12處所接收的流體中的氣泡將通過過濾材料32，并且將在出口 20處離開儲(chǔ)存器10并進(jìn)入廢料腔46。因而，儲(chǔ)存器10是壓力消除腔，同時(shí)也是脫泡腔。由于毛細(xì)管通道的進(jìn)口完全與儲(chǔ)存器的第一通道相分離，因此其能夠保證沒有氣泡會(huì)到達(dá)進(jìn)口 22。此外，形成從入口 12到通向廢料腔46的出口 20的第一通道的儲(chǔ)存器的第一部分IOa的相同橫截面確保用于將氣泡引導(dǎo)至廢料腔的連續(xù)通道。例如，過濾材料32可以另外浸漬有至少一種物質(zhì)，例如化學(xué)物質(zhì)，用于在流經(jīng)過濾材料的流體中分解所述物質(zhì)。儲(chǔ)存器10形成從入口 12通過過濾材料32到達(dá)毛細(xì)管通道的進(jìn)口 22的第二通道。 因?yàn)榈谝煌ǖ篮偷诙ǖ谰哂泄灿蒙嫌尾糠?，所以保證了當(dāng)流體到達(dá)過濾材料32時(shí)，儲(chǔ)存器10中存在一定量的流體。這便于毛細(xì)管通道14的無隙填充，以及使得填充過程不取決于用戶動(dòng)作的頻率或者所處理樣品流體的量。由于毛細(xì)管通道14的進(jìn)口 22的潤(rùn)濕被保證，所以當(dāng)儲(chǔ)存器10被填充時(shí)，毛細(xì)管通道14的填充可以不依賴于微流體系統(tǒng)的取向。當(dāng)微流體系統(tǒng)是手持裝置的一部分時(shí)，因此，利用通過毛細(xì)管通道14填充的微流體裝置進(jìn)行的分析所得出的結(jié)果不依賴于手持裝置被握持的方式。盡管本發(fā)明已經(jīng)通過附圖及先前的描述進(jìn)行了詳細(xì)顯示和描述，這種顯示和描述將被認(rèn)為是說明性的或者示例性的，而不是限制性的。本發(fā)明不局限于所公開的實(shí)施例。本發(fā)明的微流體系統(tǒng)可以被應(yīng)用于各種系統(tǒng)和工藝過程中，例如用于DNA分析 (諸如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和高通量測(cè)序)、蛋白質(zhì)組學(xué)、噴墨打印機(jī)、血液-細(xì)胞分選設(shè)備、生化試驗(yàn)、化學(xué)合成、遺傳分析、藥物篩選、電色譜、表面微加工、激光切除，以及疾病的直接護(hù)理點(diǎn)診斷的微流體系統(tǒng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)踐要求保護(hù)的本發(fā)明時(shí)通過研究附圖、公開內(nèi)容和所附權(quán)利要求，就能夠理解和實(shí)現(xiàn)對(duì)所公開的實(shí)施例的其它變形。此外，微流體系統(tǒng)或者方法中的每個(gè)公開的實(shí)施例的所有公開的部件和特征能夠與微流體系統(tǒng)或者方法中的所有其他的公開的實(shí)施例的所公開的部件和特征相結(jié)合或者相互替代，除非其中這些部件或者特征互相排斥。相互間不同的從屬的權(quán)利要求中所限定的特定手段并不表示這些手段的結(jié)合不能被用于獲益。在權(quán)利要求中，“包括” 一詞不排除其它元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個(gè)” 不排除多個(gè)。權(quán)利要求中的任何參考符號(hào)不應(yīng)當(dāng)被解釋為限制其范圍。
權(quán)利要求
1.一種微流體系統(tǒng)，包括-用于接收流體的入口(12)；-毛細(xì)管通道(14)；-用于使過量流體流出的出口 00)；以及-用于將所述入口(12)連接到所述毛細(xì)管通道(14)的儲(chǔ)存器(10)；其中，所述儲(chǔ)存器(10)形成從所述入口(1 到所述出口 00)的第一通道；所述儲(chǔ)存器(10)形成從所述入口(1 到所述毛細(xì)管通道(14)的進(jìn)口 0 的第二通道；以及所述第一通道的流體阻力足夠地小，以使當(dāng)流體在所述入口(1 處在壓力作用下被接收時(shí)實(shí)現(xiàn)所述毛細(xì)管通道(14)的所述進(jìn)口 02)處的壓力降低。
2.如權(quán)利要求1所述的微流體系統(tǒng)，其特征在于，所述第一通道的流體阻力比所述第二通道和所述毛細(xì)管通道(14)的流體阻力小。
3.如權(quán)利要求1或2所述的微流體系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力降低允許大體通過毛細(xì)管作用力填充所述毛細(xì)管通道(14)。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的微流體系統(tǒng)，其特征在于，所述毛細(xì)管通道(14)的所述進(jìn)口 0 可被來自所述第一和第二通道的共用部分的流體所潤(rùn)濕。
5.如權(quán)利要求1-4之一所述的微流體系統(tǒng)，其特征在于，環(huán)繞并且形成所述毛細(xì)管通道的所述進(jìn)口 02)的所述儲(chǔ)存器(10)的內(nèi)表面區(qū)域04)具有大體均勻的可潤(rùn)濕性。
6.如權(quán)利要求1-5之一所述的微流體系統(tǒng)，其特征在于，過濾材料(32)將所述第一通道與所述毛細(xì)管通道(14)的所述進(jìn)口 02)相分隔。
7.如權(quán)利要求1-6之一所述的微流體系統(tǒng)，其特征在于，所述第一通道可由包含在所述流體中的氣泡通過。
8.如權(quán)利要求1-7之一所述的微流體系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二通道的共用部分包括被動(dòng)壓力閥(34 ；40)。
9.如權(quán)利要求8所述的微流體系統(tǒng)，其特征在于，所述被動(dòng)壓力閥包括表面潤(rùn)濕阻礙部(34)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的微流體系統(tǒng)，其特征在于，所述被動(dòng)壓力閥包括幾何形狀的潤(rùn)濕阻礙部00)。
11.如權(quán)利要求1-10之一所述的微流體系統(tǒng)，其特征在于，位于所述第一和第二通道的所述共用部分下游處的所述第一通道的一部分包括被動(dòng)壓力閥(36 ；40)。
12.一種填充毛細(xì)管通道的方法，包括如下步驟-在儲(chǔ)存器(10)的入口(12)處在壓力作用下接收流體；-使所述流體流入所述儲(chǔ)存器(10)的第一通道，所述第一通道從所述入口(1 延伸至所述儲(chǔ)存器(10)的出口 OO)；-使所述流體通過所述儲(chǔ)存器(10)的第二通道到達(dá)所述毛細(xì)管通道(14)的所述進(jìn)口 (22)，所述第二通道從所述入口(1 延伸至所述毛細(xì)管通道(14)的所述進(jìn)口(22)，所述進(jìn)口 0 被設(shè)置在所述儲(chǔ)存器(10)上；以及-通過所述第一通道的足夠的低流體阻力減小所述毛細(xì)管通道(14)的所述進(jìn)口 02) 處的流體的壓力。
全文摘要
本發(fā)明涉及微流體系統(tǒng)，并且更具體地涉及具有毛細(xì)管通道(14)和用于接收流體的入口(12)的微流體系統(tǒng)，以及填充毛細(xì)管通道(14)的方法。所提供的是微流體系統(tǒng)，其具有用于接收流體的入口(12)、毛細(xì)管通道(14)、用于使過量流體流出的出口(20)、以及用于將入口(12)連接到毛細(xì)管通道(14)的儲(chǔ)存器(10)。儲(chǔ)存器(10)形成從入口(12)到出口(20)的第一通道，以及從入口(12)到毛細(xì)管通道(14)的進(jìn)口(22)的第二通道。第一通道的流體阻力足夠地低，以便當(dāng)流體在入口(12)處在壓力作用下被接收時(shí)，在毛細(xì)管通道(14)的進(jìn)口(22)處實(shí)現(xiàn)壓力降低。
文檔編號(hào)B01L3/00GK102215967SQ200980145466
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2009年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月13日
發(fā)明者G·J·費(fèi)爾赫奇斯, J·H·馬斯, M·H·E·范德貝克, M·朔爾滕 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司