CN101248356A - 能减少气泡的微流测试系统 - Google Patents

Abstract

一种作为部分微流测试系统的用于测试液体的贮存器，其包括配置为容纳待测试液体的测试室。液体入口流通地配接至测试室以允许液体进入到测试室中。气体出口流通地配接至测试室以允许气体排出测试室。气体出口具有比液体入口的高度更高的高度，以至于在转动测试室时，通过气体出口将气体排出测试室外，从而减少或者阻止存在于在液体中的气泡。

Description

能减少气泡的微流测试系统

发明领域

本发明大体涉及在减小微流中的气泡时用于操纵微流的系统。

发明背景

由于多种考虑因素，正日益普遍地使用微流系统获取化学或生物信息。例如，当以微流量实施时，可使用非常少的液体实现复杂的生物化学反应。由于这些测试体系中所需要的特殊液体量是很小的，通常属于毫微公升一类的，可极大减少所使用的试剂和分析物的量。与常规测试系统相比，试剂和分析物在量上的减少可极大减少与微流测试相关的成本。

此外，在微流系统中，反应的响应时间通常要快的多，致使减少了特殊测试体系所需的综合时间。而且，在测试期间使用或者产生挥发性或危险性物质时，以微流量执行反应可增加测试体系的安全性而且还可减少在测试完成后需要特定安置的危险性物质的数量。

在微流测试日益普遍时，在一些领域中与微流测试相关的技术还存在问题。特别是，已经发现当通过在微流测试取样器之上或者之内形成的各种微通道和室向心地操纵液体时，在液体中可形成或者生成气泡并且气泡会干扰要对液体执行的测试。这种干扰有多种形式。例如，当液体被传送到要进行光学分析的光学测试室时，液体中气泡的存在可损害光学测试的精确度。此外，当期望液体与涂抹在测试室表面的反应物化学反应时，存在的气泡可减少液体和反应物之间的相互作用。

因此，当期望在广范围的应用中使用微流测试系统时，在液体的微流操纵中存在的气泡所带来的缺陷还存在问题。

发明概要

已经意识到在减少或者阻止液体中的气泡的存在时，发展用于在微流级向心地操纵液体的系统是有利的。本发明提供了作为部分的微流测试系统的用于测试液体中的贮存器(reservoir)，其包括可配置为容纳待测试液体的测试室。液体入口可流通地配接至测试室以允许液体进入测试室。气体出口可流通地配接至测试室以允许气体排出测试室之外。气体出口具有比液体入口的高度更高的高度，以至于当转动测试室时，通过气体出口将气体排出测试室，从而减少或者阻止存在于液体中的气泡。

根据本发明的另一方面，提供了用于减少或阻止存在于待测试微流液体中的气泡的方法，该方法包括下列步骤：通过处于第一高度的液体入口将液体向心地操纵进测试室；并且当液体进入测试室时，通过处于比第一高度更高的第二高度的气体出口将气体排出。

详细的描述结合以实例说明的附图遵循本发明的特征，通过其将明白本发明的附加特征和优点。

附图简述

图1是根据本发明的实施例的包含测试贮存器的示例性微流测试取样器的示意性底部视图；

图1A是沿着图1的截面A-A观看的、图1的微流测试取样器的测试室的倒转的边缘的截面图；以及

图1B是在转动测试取样器期间示出的、图1A的测试室的倒转的边缘的截面图；

图2是图1至图1B的微流测试贮存器的部分透视图；

图3A是根据本发明的另一实施例的测试贮存器的示意性顶端截面图；以及

图3B是沿图3的截面B-B观看的、图3的测试室的边缘的截面图。

优选实施例详述

在公开和描述本发明的特定实施例之前，应知由于在某些程度上可变化，本发明不限制于在本文中公开的特定工艺和物质。还应知由于本发明的范围仅被附属权项和其等同项限定，本文使用的用语仅用于描述特定实施例并不想用来限制。

在描述和要求本发明的权益时，将使用下面的用语：

除了上下文明确指出，单数形式“一个”、“该”和“所述”包括复数指代。

如在本文中使用的，应知用语“测试取样器”或者“取样器”(“coupon”)指的是被使用于向心测试体系中测试一个或多个微流的装置。在本发明利用的测试取样器可包括但是不限制为由聚乙烯(甲基丙烯酸甲酯)(“PMMA”)、聚苯乙烯(“PS”)、氰化甲烷-丁二烯-苯乙烯(“ABS”)、聚碳酸酯等形成的盘形装置。当没有如此限制时，这些盘在外观上类似于众人公知的光盘(“CD”)。

如在本文中使用的，应知用语“被动阀”(passive valve)指的是不具有活动零件的静态阀，其作为流体阀主要是其几何配置。

如在本文中使用的，应知用语“毛细管阀”指的是在两个或者更多具有至少一个尺寸小于约1毫米的毛细管通道和/或贮存器之间存在接头的被动阀。

如在本文中使用的，应知用语“微流的”和“微流”指的是在将流体限制在具有至少尺寸小于约1毫米的几何通道、通路或贮存器的系统中操纵的流体。类似地，应知用语“微流通道”或者“微通道”指的是具有至少尺寸小于约1毫米的通道。

应知在附图中示出的各种特征是为了说明但是没有以任何方式限制本发明。特别是，各种流体在图中以阴影线表示。所绘制的用于标识流体存在的阴影线不将本发明限制为任何特定类型的流体或者物质，即使所使用的阴影线符合在各种领域努力标识特定流或物质的那些技术人员所使用的阴影线。

在本向心取样器中利用的各种微通道和贮存器可以各种方式形成取样器。在一个实施例中，使用常规轧压技术可在盘的表面加工出这些特征。在轧压后，例如、薄聚合体膜的覆层可被应用到每个通道和/或贮存器上以封闭各个通道和/或贮存器。除该方法之外，可设想可用本领域的那些普通技术人员所公知的、包括注模技术的各种方式形成测试取样器的几何特征。

另外，在本文中示意地示出各种贮存器的相对级别的流体以有助于理解本发明，并且不提供被包含在贮存器或者通道中的流体或者液体实际量的准确标识。并且，应知取决于重力、向心力等作用到流体上的净力，包含在通道、贮存器或室内的液体可能被迫使偏向通道、贮存器或室的另一侧或者另一通道、贮存器或室。因此，事实是流体在图中示出为具有向任意特定方向倾向的“上”表面不符合在通道、贮存器或室中的流体的实际倾向。

现在将向在图中说明的示例性实施例做参照，并且在本文中将使用特定的语言描述。不应理解因此不想限制本发明的范围。对于本领域普通技术人员可能做出的对在本文中说明的发明性特征的变更和进一步修改、以及如本文中说明的本发明的原理的附加应用，这些都在本发明的范围内考虑。

本发明提供了在减小或者除去存在于液体中的气泡时用于在微流级操纵液体的系统。本发明可用于改善在微流级实行的制造和测试工艺以及其它相关工艺。得益于本发明的测试工艺的实例包括微流生物、酶、免疫以及化学化验体系。有几个原因值得在微流级上执行这种测试。在其它原因中，这样的系统一般利用测试流体的量远少于在常规系统中使用的，其优点在于缩减的成本、快速的反应时间以及减小的产生和/或使用生物危害物质。

在详细解释本发明提供的贮存器或测试室和系统的特征之前，图1说明了一般具有可包括本发明的测试室的微流测试取样器10。在不要求时，测试取样器具有约8厘米的直径并且可具有约5毫米的厚度(即图1A中的T)。在本发明的一个实施例中，测试取样器具有约12厘米的直径并且具有小于约2毫米的厚度。在多个常规微流测试系统中已利用这样的测试取样器。

测试取样器10包括包含液体14并且可流通地配接至包括液体测试室(在图1A、1B和2中的22)的贮存器16的流体容器12。测试室22可形成部分或者基本上全部的流体贮存器16。微通道20可将流体容器流通地连接至贮存器。可为毛细管阀的被动阀18可流通地安置在微通道20之内并且可被利用控制液体14从容器12到流体贮存器的混合室16的流动。在工作中，液体可被保持在容器中直到取样器以特定的速度转动，在此期间毛细管阀被设计释放液体以允许液体流进测试室中。一旦被传送到测试室中，液体经受化学、光学或者其它测试体系；或者经受有益于制造努力的各种处理。

被利用在本测试取样器中的各种微通道和贮存器可以各种方式形成在取样器中。在一个实施例中，使用常规轧压技术可将这些特征加工在盘的上表面或下表面。轧压后，例如为薄聚合体膜(没在图中示出)的覆层可被应用到每个通道和贮存器上以封闭每个通道或者贮存器。除该方法之外，可设想可以本领域的那些普通技术人员公知的各种方法形成测试取样器的几何特征。

被动阀或者毛细管阀18可配置为当取样器10以特定的目标转动速度或者更大的速度转动时允许液体14从流体容器12中流出。由于这样的被动阀相对简单的操作以及通常不需要的活动部分或者控制电路来张开或关闭阀，这就是它们的优点。

在本发明中的实施例中利用的被动、毛细管阀基于转动诱发的流体压力的使用，当超过特定压力时，其足以克服趋向阻止液体流动的毛细管力。当液体从窄截面的微通道流入大截面的微通道时，完全或部分地弄湿包含它们的微通道的内表面的液体受到流动阻力。相反，没有弄湿这些表面的液体不易从大截面的微通道流入小截面的微通道。毛细管压力根据被谈论的两个微通道的大小、流体的表面张力以及流体在微通道的物质上接触角度而变化。

被利用在本发明中的微通道的大小一般小于约1毫米，并且通常为约500微米或者更小。通过改变毛细管阀截面尺寸、位置以及沿各种测试取样器的流体流构件的径向方向上的延伸，发展了以转动相关的方式释放流体流的毛细管阀。在例如专利号为6143248的美国专利的公布中详细地讨论类似于在本文中被利用的那些毛细管阀系统。

在本发明的一个实施例中，贮存器16可作为部分的微流测试系统用于测试液体14。如在图1A和2中详细示出的，贮存器可包括配置为容纳待测试液体的主测试室22。液体入口24可流通地配接至测试室以允许液体(在图2中由方向标号25示意性示出)进入测试室中。气体出口26可流通地配接至测试室以使气体(在图1A中由气泡28示意性示出)排出测试室。在图2中由方向标号29示意性示出气体28的排出。

气体出口26具有比液体入口24的高度(在图1A中的H₂)更高的高度(在图1A中的H₁)。如此，在液体14通过液体入口进入测试室22后，气体28通过气体出口被排出测试室。通过在不同的高度确定液体入口和气体出口的方向，本发明减少或阻止了在液体进入测试室后气泡的形成。通过减少或阻止测试室中存在的气泡，可极大改善对液体进行测试的真实性和准确性。

为了说明本发明，在图1A示出的液体入口24的高度H₂和气体出口26的高度H₁是从盘10的最低表面10a处测量的。然而，应知如在本文中使用的“高度”这一用语被用于指在两个或者更多物体之间的相对高度，至于“更高的”高度，应理解为相对于重力向量(在图2中F_g)的更高。取决于转动盘的转动速率，重力可助于液体在例如本文中讨论的那些系统中的行为。结果，在检查气泡的行为时，两个或者更多部分的系统的对于垂直重力向量的相对高度有时是相关的。这样，在示出的实施例中，由于重力相对于重力向量向下压迫液体，在液体14中形成或者存在的气泡对于重力向量被迫使向上。

除重力之外，或者在有些情况除重力之外，本发明可利用向心力阻止或减少存在于液体14中气泡28。如在图2中示出的，在以逆时针或者顺时针方向转动包含测试室22的测试取样器(没有在图2中示出)时，逐渐显现出由F_c示出的向上作用于液体的向心力。这些向心力是除在F_g示出的重力之外的力并且通常在量上大于重力。当转动测试室时，两个力作用于液体的结果是在液体进入测试室后液体中形成或者已经存在的任何潜在的气泡28(在图1A中的28)被迫使向上和径向向内，并且通过在图2中的方向标号29所示出的气体出口26逐步排出。

当在本文中讨论的气体出口26作为允许气泡通过其被排出测试室22的部分路径时，应知气体出口还可被利用排干测试室中的液体14。例如，在对液体执行完测试后，可通过气体出口排干或者排出到废液贮存器(没有示出)或者盘10上的另一位置。这样，气体出口不限制为提供仅用于气体流动的路径。

图1B说明了实例配置，在其中液体14经受到由测试取样器10的转动诱发的向心力。如本领域的那些普通技术人员所理解的，当作用于液体的向心力克服了向下作用于液体的重力时，液体开始“钉”靠测试室22的外壁22a。在极端情况下(没有示出)，液体可以几乎垂直的倾向钉靠室的外壁。这样，随着盘的转动速度的增加，向心力越来越在液体中的净力(net force)中占主导作用并且不管对液体向下作用的重力，液体被压迫向外壁。

在各种配置中，液体入口24和气体出口26可形成在测试取样器10之内或者之上。在图1A中说明的实施例中，气体出口可形成在测试室的最高截面，与测试取样器的上表面10b齐平。液体入口可形成在测试室的最低截面，与测试取样器的下表面10a齐平。这样，使用常规的轧压技术(在盘的相对侧或者相对表面执行)，不需要加工盘的内部截面，可形成液体入口和气体出口。另外，出口微通道30可流通地配接至测试室16的气体出口26。入口微通道32可流通地配接至测试室的液体入口24。在一个实施例中，出口微通道和入口微通道均可至少部分地对齐在其上或者其内安置测试室的测试取样器(例如，从测试取样器的转动中心径向向外延伸的轴线)的径向轴线。

可如此配置测试室22以至于当液体14被包含在室中时可对其执行各种测试。例如，在一个实施例中，测试室可至少部分透明，以便于对液体执行光学测试。在本发明的一个方面中，一旦液体进入测试室中，至少部分的测试室的内表面可用被配置为与液体有化学反应的反应物处理。然而，测试室的形状和大小也可改变，在本发明的一个实施例中，测试室基本为圆柱形。在对液体可执行的各种类型测试中，减少或者除去存在于液体中的气泡将提高测试工艺。

应知取决于特定测试体系所需要的配置，在图1中示出的示例性测试取样器10可包含各种其它流体容器、微通道、贮存器和测试室。例如，当仅示出将液体传送到测试贮存器16的微通道20时，可修改本发明以至于两个或更多的微通道都能将不同的液体传送到贮存器，并且因此传送到贮存器的测试室22。而且，可修改本发明以至于液体114在被测试室22容纳之前通过其它测试室。这样，本发明可被包含进需要各种流次序事件的测试体系，而各种液体在变化的时期穿过部分的盘。

在工作中，本发明还提供用于减少或阻止存在于待测试微流液体14中的气泡的方法。参照图1A，该方法包括将液体通过处于第一高度H₂的液体入口24向心地操纵进测试室16的步骤。该方法还包括当液体进入测试室后，通过处于比第一高度更高的第二高度H₁的气体出口26排出气体28的步骤。可以改变测试液体所采取的各种顺序，在本发明的一个方面中，向心地操纵液体的步骤和排出气体的步骤可大致同时执行。

本发明还提供用于形成微流测试室22的方法，该测试室减少或除去进入其中的存在于液体14中的气泡28。该方法包括将入口微通道32附着到处于第一高度H₂的液体入口24以将测试室流通地连接微流系统(没有示出)并且允许将液体引入测试室的步骤。该方法包括将气体出口26在比液体入口的第一高度更高的第二高度H₁处附着到测试室，以至于当液体通过液体入口进入测试室后，气体通过气体出口被排出测试室的步骤。

现在转到图3和图3B，在本发明的一个实施例中，贮存器16b被提供以作为部分的微流测试系统用于测试液体(在图3B的14)。贮存器可包括配置为容纳待测试液体的测试室22b。液体入口24b可流通地配接至测试室以允许液体通过入口微通道32b进入测试室中。气体出口26b(在图3B中没有示出)可流通地配接至测试室以允许通过出口微通道30b将气体排出测试室。应注意到在最小向心力下示出图3B中的液体14的倾向；这样液体简单地从液体入口24b被充入室体22b。

测试室具有至少三倍于液体入口的深度“d”的深度“D”。如在本文中讨论的其它实施例中，当液体14通过液体入口24b进入测试室22b，气体通过气体出口26b排出测试室，从而当液体进入测试室后减少或阻止存在于其中的气泡。

可成比例地改变液体入口24b的深度“d”和测试室22b的深度“D”。在一个实施例中，液体入口的深度可从约100微米变化到约1000微米。测试室的深度可从大约2毫米变化到大约10毫米。在本发明的一个方面中，液体入口的深度大约为500微米并且测试室的深度大约为5毫米。在一个实施例中，测试室的深度至少四倍于液体入口的深度。这样，一般而言，测试室具有足够大于液体入口的深度的深度。

如在图3中示出的，本发明的一个实施例中，液体入口24b和气体出口26b均可流通地配接至测试室的径向向内侧上的贮存器16b或测试室22b(在图3中没有示出)。其关系通过标识贮存器16b被分成两个半部分的分界线34说明：径向向内半部分36和径向向外半部分38。通过在室的径向向内半部分36上形成液体入口和气体出口(或者将它们配接至径向向内半部分)，作用于测试室22b中的液体14的向心力导致液体被钉靠室的径向最外向壁并且允许气体通过室的径向最向内壁退出室。

在本文中讨论的测试取样器10被提供作为系统的实例，在该系统中本发明可被包含并且通常设计用于转动来操纵在本文中讨论的微流。在图中没有示出本发明所利用的用于转动或者旋转测试取样器的机构。应知本领域中的那些普通技术人员可设计能以适于本方法的转动速度转动现有测试取样器的多种可转动的装置。

另外，当期望本发明可被利用在各种测试体系中时，本文没有详述特定测试体系，应相信在本领域中的那些普通技术人员容易地将本发明包含进各种测试体系中。特别是，可设想本领域中的一名普通技术人员可将本发明可有利地包含进利用多个流体贮存器、测试室、微通道、试剂等的测试体系，以执行多个阶段的测试和多个流次序事件。可设想当两个或者更多流体被先后引入单个测试室中时，本发明可特别有效地减少或阻止存在的气泡。

应知上面提到的布置是本发明原理的说明性应用。已在图中示出本发明并且在上文结合发明的示例性实施例描述了本发明，在没有偏离本发明的精神和范围的情况下，可设计出多个修改和备选布置。对于本领域中的那些普通技术人员明显的是在没有偏离在权利要求中阐述的本发明的原理和概念的情况下，可进行多种修改。

Claims (10)

1.一种作为部分微流测试系统的用于测试液体的贮存器，包括：

测试室，其配置为容纳待测试液体；

液体入口，其流通地配接至所述测试室以允许液体进入所述测试室；以及

气体出口，其流通地配接至所述测试室以允许气体排出所述测试室；

所述气体出口具有比所述液体入口的高度更高的高度，使得当所述测试室转动时，所述气体通过所述气体出口排出所述测试室，从而减少所述液体中气泡的存在。

2.如权利要求1所述的贮存器，其特征在于，所述测试室被安置在配置为向心地操纵所述液体的可转动测试取样器之上或者之内。

3.如权利要求2所述的贮存器，其特征在于，所述可转动测试取样器具有小于约2毫米的厚度。

4.如权利要求1所述的贮存器，其特征在于，所述气体出口形成在所述测试室的最上端截面中，并且所述液体入口形成在所述测试室的最下端截面中。

5.如权利要求1所述的贮存器，其特征在于，还包括流通地配接至所述测试室的气体出口的出口微通道，以及流通地配接至所述测试室的液体入口的入口微通道，所述出口微通道和入口微通道均至少部分地与将所述贮存器安置在其上或其中的测试取样器的径向轴线对齐。

6.如权利要求1所述的贮存器，其特征在于，所述测试室至少部分透明，以便于对所述液体执行光学测试。

7.一种用于减少或者阻止待测试微流液体中的气泡的存在的方法，包含以下步骤：

通过在第一高度处的液体入口将所述液体向心地操纵进入测试室；并且

当所述液体进入所述测试室后，通过在比第一高度更高的第二高度处的气体出口排出气体。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，向心地操纵所述液体的步骤和排出所述气体的步骤大致同时执行。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述气体出口形成在所述测试室的最上端截面中，并且所述液体入口形成在所述测试室的最下端截面中。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述测试室至少部分透明，以便于对所述液体执行光学测试。

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