专利名称：具有两个回转阀元件的微流控阀的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及微流控实验技术，用于对在具有微流控结构的基体上的物质进行化学、物理和/或生物分析、分离或合成。本发明具体地涉及与微流控组件相关联的阀，更具体而言，涉及适用于为分析目的来控制液体试样流动的阀的组成部件。
背景技术：
对于生物流体处理系统有正在增长的需求，这产生了对小的流控阀的需求。这种微型化的微流控设备必须满足各种要求，例如低的死角体积(dead volume)和横截面尽可能不变的短的流路。这一般导致性能特性的提高。例如与使用带螺纹连接的阀相比，本领域中足够的方法是使用耦合到回转阀元件的微流控片，该回转阀元件用于流控制在片内执行的微流控过程。例如在US 2003/0015682 A1中公开了减小死角体积的一种方案。由于所要分析的大量试样和组分，在本领域中也在尽力减少分析时间。这些努力已导致例如在EP 1162464 A1或WO 01/84143 A1所示的并行和更加节约时间的过程，但也导致了系统和所执行过程的更高的复杂度，从而导致控制开销增大。具体而言，耦合和流控制是在例如EP 03104413.4(还未公开)中所示的微流控设备技术领域中最新发展的重要问题。增加微流控设备所执行的过程的复杂度，通常不利地导致更大量的互连被实现、切换和/或流控制。在US-A-5,616,300中描述了HPLC阀。从US2003/0015682和US2003/0116206已知微流控阀。
发明内容
本发明的一个目的是提供对微流控设备的改进控制，尤其是流控制。通过独立权利要求来解决该目的。通过从属权利要求来示出优选实施例。
根据本发明，通过适合于与微流控设备耦合的微流控阀的组成部件来实现所述目的。该组成部件包括具有与微流控设备的第一接口的第一回转阀元件。微流控设备包括至少一个端口。组成部件的特征在于具有与微流控设备的第二接口的第二回转阀元件。第二回转阀元件位于第一回转阀元件的通孔或凹入内。在本申请中通孔被理解为具有任何形状的任何种类的孔或开口。实施例可以包括以下中的一个或多个。微流控设备的端口可以被接口流控制。流动穿过端口的液体可以被密封或耦合到微流控设备的流路。每个阀元件可以流控制微流控设备的端口或其他端口。例如为了将由第一回转阀元件流控制的第一端口与由第二回转阀元件流控制的第二端口耦合，只需要通过流路来跨接比第一回转阀元件的直径更短的距离。这保证了具有更高集成的微流控结构的微流控设备，该结构具有最小的死角体积并由此而具有改进的性能特性。
根据本发明的实施例，阀元件可共轴旋转。要由阀元件流控制的端口可以布置在微流控设备上的两个同心圆中。外圆可以赋予第一回转阀元件，而内圆可以赋予第二回转阀元件。
实施例还可以包括以下中的一个或多个。优选的是所述通孔是圆筒孔。第二回转阀元件至少部分具有圆柱形并通过间隙配合位于第一回转阀元件内。间隙配合容易得到并且表现得就像用于第二回转阀元件的轴承一样。因此第二回转阀元件的形状可以像轴一样。优选的是第一回转阀元件至少部分具有中空圆柱的形状。中空圆柱能够容易得到，例如通过车加工和钻孔。
实施例还可以包括以下中的一个或多个。至少一个阀元件具有用于与致动器耦合的耦合部分，具体而言是台阶。由此，可以容易地调节阀元件。优选的是阀元件适合于通过在任何旋转方向上分别或同时地使所述阀元件共轴旋转而被驱动。有利的是可以实现阀元件的多种设置。第二回转阀元件包括中心盲孔或通孔。通孔可以连接到另一个流路。接口适合于与微流控设备的端口相互作用以对其进行流控制和/或密封。为此，阀元件的接口包括至少一个流体引导特征，例如槽。槽优选地在阀元件基本平坦的接触表面中刮出、研磨、成型或类似地形成。平坦表面可以靠着微流控设备的表面以密封端口。
本发明还涉及一种组件，用于利用多通道切换阀来操纵液体。该组件包括微流控设备，具体而言包括微流控片。阀可以与微流控设备相互作用以流控制端口。所述组件的特征在于所述阀通过微流控设备和如上所述的任何设计中的组成部件来实现。实施例可以包括以下中的一个或多个。端口耦合到微流控设备的流路。组成部件包括至少两个阀元件。阀元件的平坦表面可以靠着靠近端口的微流控设备的表面以流控制端口。多个端口被所述阀密封、切换、或耦合，以实现要利用该设备执行的复杂的微流控过程。
实施例还可以包括以下中的一个或多个。与流体引导特征的接口、阀元件以及微流控设备实现了所述阀。微流控设备可以是一次性的部件，例如便宜生产的微流控塑料片。可以将尺寸必须十分精确的阀元件靠着或压靠着许多不同的片，或者更确切地说是靠着片的表面以靠近耦合到片的端口。优选的是微流控设备适合于分析和/或分离液体的组分，具体而言是通过微流控流路内或附近的检测区域。通过该组件的阀可以容易地控制该过程。
通过结合附图参考对优选实施例的以下更详细的说明，将容易认识并更好地理解本发明实施例的其他目的和许多附带优点。实质上或功能上相等或相似的特征用相同的标号引用。
图1示出了微流控阀组成部件的三维视图；图2示出了微流控阀的另一组成部件的接口的前视图；图3示出了具有微流控结构，具体地说是具有流路和组合柱管的微流控片的示意布局；图4A和4B示出了如图3所示的微流控片的详细视图，以及在两种不同设置下的微流控阀的示意的组成部件；图5A、5B和5C示出了沿图3的线A-A、B-B和C-C所取的图3设备的不同横截面视图；以及图6示出了另一组成部件的三维示意图，以及图3的微流控片的部分示出的三维布局。
具体实施例方式
图1示出了具有第一回转阀元件103和第二回转阀元件105的微流控阀的组成部件101。阀元件103和105具有可以耦合到微流控设备(未示出)的第一接口107和第二接口109。
在本实施例中，第二回转阀元件105位于第一回转阀元件103的圆筒孔111内。优选的是第一回转阀元件103可以包括任何种类的通孔来代替圆筒孔111。在另一个优选实施例中，圆锥形地形成通孔，并从而圆锥形地形成第二回转阀元件105。
因此，第二回转阀元件105可以至少部分具有圆锥的形状，以配合装入第一回转阀元件103的圆锥通孔中。
在本实施例中，第二回转阀元件105至少部分具有圆柱形，或更确切地说是轴状。第二回转阀元件105和第一回转阀元件103的圆筒孔111构成间隙配合113。间隙配合113具有用于第二回转阀元件105的轴承的功能。
接口107和109每个都包括基本上平坦的接触表面115和117。第一回转阀元件103的表面115包括包含第一槽121的第一流体引导特征119。第二回转阀元件105的表面117包括包含另外三个槽125的另外三个流体引导特征123。槽121和125沿着围绕第一回转阀元件103和第二回转阀元件105的旋转轴的同心圆的60°左右的扇区布置。元件103和105可绕其中心轴共轴旋转。表面115和117每个都与元件103和105的中心轴成直角。
第一回转阀元件103包括直径比第一接口107的直径更大的主体127。第一回转阀元件103部分具有带圆柱表面131的中空圆柱129的形状。圆柱129的直径在第一回转阀元件103的圆周台阶133处加宽。主体也具有带圆柱表面135的中空圆柱的形状，但是具有比中空圆柱129更大的壁厚。第一回转阀元件103的主体127使得组成部件101的操纵和耦合更容易。
第一回转阀元件103的主体127和第二回转阀元件105包括用于与致动器(未示出)耦合的耦合部分137。在本实施例中，该耦合部分包括第一回转阀元件103的主体127的台阶139。台阶139可以与致动器上相应的突出部或突起配合。致动器可以在至少一个旋转方向(用箭头141表示)上向第一回转阀元件103施加旋转转矩。第一回转阀元件103可以包括第二台阶，用于使第一回转阀元件103在相反的旋转方向上旋转。在实施例中，第二回转阀元件105可以包括被旋转的相应特征。耦合部分137可以包括任何其他用于耦合的特征，例如槽、凹槽和螺纹等等。元件103和105可以在仅仅一个或任一个旋转方向上同步或异步旋转。例如，第二回转阀元件105可以在仅仅从第一设置到第二设置的一个方向上被旋转调节60°，然后又回来，因为各个槽在第二回转阀元件105的表面117中是旋转对称布置的。因此，槽的120°旋转产生相同的设置。
图2示出了与微流控阀的组成部件101相似的另一组成部件143的前视图。因此，仅仅描述不同之处。
组成部件143的第一回转阀元件103包括两个附加的带有槽147的流体引导特征145。槽147是环形的。在第一回转阀元件103的表面115中180°旋转对称地并在不同直径的圆中插入槽147和121。因此，槽的180°旋转产生相同的设置。
微流控阀的端口可以布置在三个不同圆上。布置在第一圆上的端口可以被第二回转阀元件105的槽125流控制，布置在第二圆上的端口可以被第一回转阀元件103的槽147流控制，布置在第三圆上的端口可以被第一回转阀元件103的槽121流控制。由此，可以实现具有许多要被控制的互连的高度集成和复杂的流控回路。
组成部件143的第二回转阀元件105包括中心盲孔151，以避免表面117的磨损和未限定的情况以及任何泄漏。
第二回转阀元件105的槽125的长度等于第一回转阀元件103的槽121的长度。因为阀元件103和105的不同直径，其必须旋转不同的角度来调节槽121和125。与第一回转阀元件103的槽121相应的端口由此可以彼此相对靠近地布置。这有利地产生短的流路和低的死角体积。通过独立地旋转阀元件103和105，可以使调节阀元件103和105的槽121和125的旋转角各个都分别适合于槽121和125的长度。
图3示出了微流控片201的示意布局，其示出作为微流控组件202的部分用于利用多通道切换阀204来操纵液体的微流控结构，具体地说就是流路和分析柱管。
微流控片201可以包括或由任何材料组成，优选的是柔性材料，例如塑料或确切地说是任何聚合材料。在另一个优选实施例中，微流控片201包括聚酰亚胺。
图4A和4B示出了如图3所示的微流控片201的详细视图，以及在两种不同设置下的微流控阀204的组成部件203。组成部件203包括每个都由虚线表示的第一阀元件207和第二阀元件205，这两个阀元件与微流控片201一起来实现多通道切换阀204。元件205和207适合于密封和/或耦合微流控片201的一个或多个端口，在本实施例中是12个端口209至231。
图3、4A和4B示出了可以用组件202来执行的高度集成和并行化的过程，用于与多通道切换阀204一起来操纵液体。
图5A、5B和5C示出了沿图3的线A-A、B-B和C-C所取的图3设备的不同横截面视图。
图6示出了组成部件203的三维示意图，以及图3至5的微流控片201的部分示出的三维布局。
元件205和207具有基本上圆柱的形状，其中第一阀元件207具有基部上中空圆柱的形状。第二阀元件205布置在第一阀元件207的中空圆柱的开口内。同心元件205和207适合于分别旋转。元件205和207中的每个都包括与基本平坦的表面232的接口，该表面232具有至少一个流体引导特征，例如槽233至241，以流控制微流控片201的端口。每个接口包括槽233至241(在图4A和4B中用虚线表示)中的至少一个，以耦合和/或控制微流控片201的端口209至231内的流量。微流控片201包括表面242，用于与靠近端口的阀元件的接口的基本平坦的接触表面232耦合。
可以通过使元件205和207沿着其圆柱的中间轴旋转来对其进行调节。在本实施例中，微流控片201的端口209至231布置在环上，或布置在等边六边形的角点上(端口213至223)。
微流控片201包括第一组合柱管243、第二组合柱管245、喷射尖端247和耦合到喷射尖端247的流路249。流路249包括耦合到第一分析端口209和第二分析端口211的分叉251。
下面参考图3至6来描述微流控片201的布局和可用微流控片201执行的过程。
微流控片201包括三层，顶层253、中间层255和底层257。
顶层253包括组合柱管243和245。中间层255包括如图5B所示带有分叉251的流路249。底层257包括两个流路259和261，每个都耦合到微流控片201的入口端口213或215以及出口端口217或219。入口端口213和215是双端口，每个在微流控片201的顶侧上和底侧上具有两个开口。这两个开口被微流控片201的中间层255隔开。出口端口217和219位于微流控片201的顶侧上，并可以通过微流控片201的中间层255和顶层253中的孔来实现。
入口端口213和215可以在微流控片201的底侧处耦合到两个纳米泵。流入的液体可以从微流控片201的底侧通过微流控片201的底层中的流路259和261，流到微流控片201的顶侧上的出口端口217和219。
流路249在中间层255中实现。第一组合柱管243和第二组合柱管245在顶层253中实现。第一组合柱管243和第二组合柱管245跨过流路249的分叉251。这是可能的，因为中间层255将这些流路隔开了。
下面，参考图4A来示例性地描述元件205和207的第一设置中的流路。在图中用虚线相连的端口在此第一设置中经由槽233至241而被耦合。
第一组合柱管243可以经由试样入口端口221、经由第二阀元件205的槽233、并经由入口端口213，向上游耦合到微流控试样供给设备(未示出)。试样入口端口221可以由穿过微流控片201的所有层253、255和257的孔来实现。试样入口端口221可以在微流控片201的底侧处耦合到试样供给设备。第一组合柱管243可以经由第一柱端口225、经由第一阀元件207的第二外槽235、经由第一废料端口229、经由废料流路263、并经由微流控片201的底侧处的废料出口端口223向下游耦合到废料容器。废料流路263在微流控片201的中间层255中实现，并耦合到废料出口端口223。废料容器可以耦合在微流控片201的底侧，或者耦合到废料出口端口223。废料出口端口223可以通过穿过微流控片201的所有层253、255和257的孔来实现。
上述流路可以用于将试样注入到第一组合柱管243。
第二组合柱管245可以经由微流控片201的顶侧处的第二入口端口215、经由第二阀元件205的内槽239、经由第二出口端口219、经由流路261、并经由微流控片201的底侧处的第二入口端口215向上游耦合到例如纳米泵。第二组合柱管245可以经由第二柱管端口227、经由第一阀元件207的第二外槽237、经由第二分析端口211、经由流路249的分叉251、经由流路249、并经由微流控片201的喷射尖端247向下游耦合到实验室装置(未示出)。
从如图4B所示的阀元件205和207的设置所产生的流路和过程相反地运转。
上述流路可以用于利用本领域公知的组合柱管来分析液体。
微流控片201适合于并行执行两个过程。
元件205和207可以适合于与多于或少于六个的端口相互作用。例如，微流控片201的布局可以被转换来与一个六端口和一个十端口的多通道切换阀相互作用。
在另一个优选实施例中，微流控片201可以具有检测区域(例如光检测区域)来分析微流控片201内的液体，例如流路249内的液体。
在另一个优选实施例中，第二阀元件包括通孔271(用虚线图示)来代替或附加到中心盲孔151，并且微流控片201包括中心端口273。端口273可以被作为替代或同时通过通孔271供给液体，或者可以连接到废料容器来实现其他微流控回路。
在另一个优选实施例中，微流控片201包括至少一个孔275以相对于组成部件203来对准微流控片201，具体而言是对准微流控片201的端口。在图3中微流控片201包括两个孔275。微流控片201可以通过孔275配合到两个销子(未示出)，以对准微流控片201。组成部件203可以自由旋转，但是定位在对销子不变的位置中。
在另一个优选实施例中，第二回转阀元件位于第一回转阀元件的凹入内和/或与其相邻，该凹入代替如上所述的通孔。第一回转阀元件可以具有例如半中空圆柱的形状。在此示例中，该半中空圆柱的半圈内侧实现了该凹入。该凹入可以具有任何其他形状。
最后，在优选实施例中，组成部件203包括多于两个彼此自由旋转的阀元件。除此之外，微流控组件可以包括多于一个包括组成部件203的阀。
权利要求
1.一种适合于与微流控设备耦合的微流控阀(204)的组成部件(101、143、203)，所述微流控设备具有耦合到所述微流控设备的流路(243，245，249，259，261，263)上的至少一个端口(209，211，213，215，217，219，221，223，225，227，229，231)，所述组成部件(101、143、203)包括第一回转阀元件(103、207)和第二回转阀元件(105、205)，所述第一回转阀元件(103、207)具有与所述微流控设备的第一接口(107)，所述第二回转阀元件(105、205)具有与所述微流控设备的第二接口(109)并位于所述第一回转阀元件(103、207)的通孔或凹入内。
2.如权利要求1所述的组成部件，其中所述阀元件(105、205，103、207)中的至少一个包括至少一个以下特征用于与致动器耦合的耦合部分(137)，具体而言是台阶(139)；中心孔(151)；通孔(271)；至少一个流体引导特征(119，123、145)，具体而言是插入所述阀元件(105、205，103、207)的所述接口(107，109)中；至少一个槽(121，125、147、233，235，237，239，241)，具体而言是所述流体引导特征(119，123、145)的一部分；至少一个基本平坦的接触表面(115，117)，具体而言是所述阀元件(105、205，103、207)的所述接口(107，109)的一部分。
3.如权利要求1所述的组成部件，其中所述通孔是圆筒孔(111)，并且其中所述第二回转阀元件(105、205)至少部分具有圆柱形并通过间隙配合位于所述第一回转阀元件(103、207)内，其中具体而言所述第一回转阀元件(103、207)至少部分具有中空圆柱的形状。
4.如权利要求1所述的组成部件，其中所述阀元件(105、205，103、207)可共轴旋转，具体而言是适合于通过由所述致动器在任何旋转方向上分别或同时地使所述阀元件(105、205，103、207)共轴旋转而被驱动。
5.如权利要求1所述的组成部件，其中所述阀元件(105、205，103、207)的所述接口(107，109)适合于与所述微流控设备的所述端口相互作用，所述端口具体而言是12个端口(209，211，213，215，217，219，221，223，225，227，229，231)。
6.一种组件，用于利用包括微流控设备在内的多通道切换阀(204)来操纵液体，所述微流控设备具体而言是微流控片(201)，其中所述微流控设备适合于与所述阀(204)相互作用并包括至少一个端口(209，211，213，215，217，219，221，223，225，227，229，231)，其中所述端口(209，211，213，215，217，219，221，223，225，227，229，231)被所述阀(204)流控制，具体而言是被密封、切换、或耦合，其中所述微流控设备包括耦合到所述端口(209，211，213，215，217，219，221，223，225，227，229，231)的至少一个微流控流路(243，245，249，259，261，263)，其中所述阀(204)通过所述微流控设备和如权利要求1所述的组成部件(101、143、203)来实现。
7.如权利要求6所述的组件，其中所述阀通过所述接口(107，109)、通过所述阀元件(105、205，103、207)的所述接口(107，109)的流体引导特征(119，123、145)、并通过所述微流控设备来实现。
8.如权利要求6所述的组件，其中所述微流控设备包括用于与靠近所述端口(209，211，213，215，217，219，221，223，225，227，229，231)的所述阀元件(105、205，103、207)的所述接口(107，109)的基本平坦的接触表面(115，117、232)耦合的表面(242)。
9.如权利要求6所述的组件，其中所述微流控设备适合于分析和/或分离液体的组分，具体而言是通过所述微流控流路(249)内或与其靠近的检测区域(269)进行。
10.如权利要求6所述的组件，其中第一组合柱管(243)和第二组合柱管(245)跨过所述流路(249)，具体而言是跨过所述流路(249)的分叉(251)。
全文摘要
本发明公开了一种适合于与微流控设备耦合的微流控阀(204)的组成部件(101、143、203)，所述微流控设备具有耦合到所述微流控设备的流路(243，245，249，259，261，263)上的至少一个端口(209，211，213，215，217，219，221，223，225，227，229，231)，所述组成部件(101、143、203)包括第一回转阀元件(103、207)和第二回转阀元件(105、205)，所述第一回转阀元件(103、207)具有与所述微流控设备的第一接口(107)，所述第二回转阀元件(105、205)具有与所述微流控设备的第二接口(109)并位于所述第一回转阀元件(103、207)的通孔内。
文档编号F15C5/00GK1700018SQ200510059909
公开日2005年11月23日 申请日期2005年3月30日 优先权日2004年5月22日
发明者马丁·博伊尔勒, 弗里德黑尔姆·科赫 申请人:安捷伦科技有限公司