用于旋转地驱动液流的液体处理装置及使用该装置的方法与流程

本发明涉及一种具有旋转轴的液体处理装置，该装置可围绕该旋转轴旋转以驱动该装置中的液流；以及用于控制上游室和下游室之间的液流的液流控制单元。本发明还涉及一种用于驱动这种装置中的液流的系统和驱动液流的方法。

背景技术：

可围绕旋转轴旋转以驱动装置内的液流的装置称为离心式液体处理装置。通常，需要以允许装置的不同部分差异地启动和停止流动的方式控制这些装置中的液流。换句话说，通常这些装置需要液流控制单元(也称为“阀”)来控制液体的流动，特别是在期望的时间点启动液体流出上游室时。离心式液体处理装置中的阀的设置包括牺牲阀、毛细管阀和毛细管虹吸阀。牺牲阀具有需要从外部与装置进行某些相互作用以打开(“牺牲”)阀的缺点。虽然可以通过控制装置的转速来“打开”毛细管阀和毛细管虹吸阀，但是毛细管阀和毛细管虹吸阀依靠表面张力效应来分别保持在表面张力屏障之后的液体或通过毛细作用将液体吸入虹吸管中。因此，这些阀需要仔细选择用于装置中的阀区域的材料。此外，毛细管阀和毛细管虹吸阀需要将该装置的速度限制在特定范围以便操作所述阀。具体地，毛细管阀只能在克服表面张力屏障的一定转速下保持“闭合”，并且毛细管虹吸阀需要该装置充分减速，使得毛细管作用力可以将液体吸入虹吸管中。

应该理解任何提及的液体容纳结构(例如，室或管)的填充水平是指液位朝旋转轴线径向向内移动。类似地，应该理解任何提及的液体容纳结构(例如，室或管)的填充水平是指液位远离旋转轴径向向外移动。

应该理解，所有提到“结构a设置在结构b的径向内侧”的描述应被理解为结构a与该装置的旋转轴之间的距离小于结构b与该装置的旋转轴之间的距离。

同样地，应该理解，所有提到“结构a设置在结构b的径向外侧”的描述应被理解为结构a与该装置的旋转轴之间的距离大于结构b与该装置的旋转轴之间的距离。

应该理解，任何提及的结构径向向内延伸应认为是指该结构朝旋转轴延伸。同样地，应该理解，任何提及的结构径向向外延伸应认为是指该结构远离旋转轴延伸。

技术实现要素：

在本发明的第一方面，液体处理装置具有旋转轴，所述装置围绕所述旋转轴旋转以驱动所述装置中的液流。所述装置包括通气上游室和不通气室，所述上游室包括出口端口，所述不通气室包括入口端口以从所述上游室的出口端口接收液体且包括位于所述入口端口的径向外侧的出口端口。所述装置还包括通气下游室，所述下游室包括从不通气室的出口端口接收液体的入口端口。下游管将不通气室的出口端口连接至下游室的入口端口，并且包括位于不通气室的出口端口的径向内部的弯曲部。将上游室的出口端口连接至不通气室的入口端口的上游管包括位于不通气室的入口端口的径向外侧的部分。

随着液体流入不通气室，不通气室的出口端口一被液体填充，空气就被捕获在不通气室中的液位的径向内侧，并且随着液体继续流入不通气室时，不通气室中的气体压力随着不通气室的液位而升高直到气体压力与不通气室的入口端口处的离心压力平衡(并且下游管中的液柱因此升高以平衡出口端口处的压力)。当所述装置接着减速时，离心压力降低，并且凭借室中的气体压力来驱动液体通过不通气室的入口端口和出口端口。如果已经建立了足够的气体压力，则这将推动下游管中的液柱穿过弯曲部并且位于不通气室中的液位的径向外部，此时由于虹吸效应的结果，任何离心力将导致不通气室通过出口端口排空，通过不通气室的入口端口吸取液体，从而从上游室吸取液体。通过使连接上游室和不通气室的上游管配置有位于不通气室的入口端口的径向外侧的弯曲部，随着装置减速，通过气体使液体位移来增加上游管中的液柱，从而防止气体逃离上游。为免生疑问，管或其它结构中的液柱应该理解为是指管或结构中的液体的净径向范围，更一般地，与体积内径向位置处的液体体积相关联的液柱可以看作位于径向位置的径向内侧的体积的净径向范围。

当然应该理解的是，上游室的出口端口位于不通气室的入口端口的径向内侧和下游室的入口端口的径向内侧，以确保可以将液流从上游室离心驱动至下游室。同样，应该理解，术语“通气”和“不通气”用于使得通气室连接至该装置外部的大气或闭合的空气回路，从而压力可以随着液体分别流入通气室的入口端口和从通气室的出口端口流出而平衡。相反，不通气室既不连接至外部空气也不连接至闭合的空气回路，使得一旦液体填充不通气室的入口端口和出口端口，则流入和流出不通气室中的各个流速的任何差异会导致不通气室中的压力改变。换句话说，在不通气室中，流入或流出不通气室的唯一流体流动路径是经由该装置的液流回路的一个或多个液体端口部分。

例如，在一些实施例中，上游管包括倒虹吸管，倒虹吸管包括位于不通气室的入口的径向外侧的弯曲部。倒虹吸管可将上游室的出口端口连接至不通气室的入口端口，即，从一个延伸至另一个。

在本发明的第二方面，液体处理装置具有旋转轴，该装置可围绕该轴旋转以驱动该装置中的液流。该装置包括通气上游室和不通气室，该通气上游室包括出口端口，该不通气室包括入口端口以从上游室的出口端口接收液体并且包括位于入口端口的径向外侧的出口端口。该装置还包括通气下游室，所述下游室包括从不通气室的出口端口接收液体的入口端口。下游管将不通气室的出口端口连接至下游室的入口端口，并且包括位于不通气室的出口端口的径向内侧的弯曲部。通气上游室，不通气室，上游管和下游管被配置为使得在操作中，至少在液体流过所述下游管的弯曲部之前，不通气室中的液位维持在不通气室的入口端口的径向外侧。为了促进产生足够的气体压力以实现这一目的，在一些实施例中，径向地位于不通气室的入口端口和出口端口之间的不通气室的体积可以超过位于出口的径向内侧的不通气室的体积的五分之一，优选三分之一或甚至一半。在一些实施例中，不通气室包括液体保持部分，并且该装置被配置成至少部分地填充液体保持部分。径向地位于不通气室的入口端口和出口端口之间的不通气室的液体容纳部分的体积可以超过不通气室的体积的五分之一，优选三分之一。通过使不通气室的液位维持在不通气室的入口端口的径向外侧，平衡不通气室内侧的气体压力的两条液柱相对于彼此偏移，使得液体中产生气体压力的上游液柱可以通过下游管中径向偏移的下游柱来平衡。这意味着相比在推动液体穿过弯曲部之前可能能够使液体保留在下游管中的位置，下游管中的弯曲部可以置于径向更外侧。特别地，这使得将弯曲部定位在通气上游室的液位的径向外侧，从而使得比可比较的毛细管虹吸设计在径向上更紧凑的设计成为可能。

应该理解，在一些实施例中，在相同的实施例中组合第一和第二方面。此外，某些实施例的以下特征同样适用于这两个方面。

在一些实施例中，通气上游室、不通气室、上游管和下游管被配置成使得在液体流过下游管的弯曲部(只要液体流经不通气室的入口即可)之后，不通气室的液位维持在不通气室的出口的径向内侧。以这种方式，当上游室的液体流出，允许上游室完全排空时，虹吸效应得以维持。在其它实施例中，优选下游管中的液柱破裂，阻止液体从上游室流出，从而重新设定流控制。

在一些实施例中，不通气室、上游管和下游管被配置成使得在操作中，在液体流过下游管的弯曲部之前，维持通气上游室的液位。通过使液体保留在上游室中，维持不通气室入口端口处的液柱。这在该设置的径向范围方面能够节省空间并且还可以减小不通气室的尺寸。例如，当将上游室填充至其填充水平面时(例如，通过上游室中的溢流特征或其它等分特征，或通过从上游结构或该装置的外部接收的液体限定量，例如通过特定的测量器具或指示，来限定)，不通气室的体积(或被配置成填充至一体积)可以小于上游室中的液体体积。

应该理解，考虑到该装置的径向几何形状和离心驱动的流，术语“液位”应该理解为液体体积或柱的径向向内的面，并且通过组合表面张力效应和离心力而成形，即，液体和气体之间几何学上通常不平坦的界面。上述“操作”指的是在正常操作条件下的操作，特别是在液体存在于不通气室中时实际实施例中应用的最大或设计转速下的操作，例如当所述装置以高达或者以1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000或10000转/分钟的速度旋转时。具体地，在一些实施例中，上述不通气室的最大填充水平维持高达或者维持为每分钟7000转/分钟的速度。

在一些实施例中，所述下游管和所述上游管被配置成将通过所述不通气室的出口端口的流速限制为小于通过不通气室的入口端口的流速。这有助于维持不通气室的液位。例如，在一些实施例中，上游管的液压阻力不超过下游管的液压阻力。

在一些实施例中，径向地位于不通气室的入口端口和出口端口之间的不通气室的体积超过不通气室体积的五分之一，优选三分之一。类似地，特别是在液体至少最初限制为仅填充不通气室的入口端口和出口端口之间的一部分圆周范围的情况下，径向位于不通气室的入口端口和出口端口之间的不通气室的液体容纳部分的体积可以超过不通气室的体积的五分之一，优选三分之一。

在一些实施例中，不通气室从不通气室的出口端口径向向外延伸，以将沉积物捕获在不通气室中，限定将液体和/或沉积物保持在不通气室内部的体积。有利地，这使得能够在单一结构中进行相分离的液流控制。在一些实施例中，上游管径向向外延伸至弯曲部且从弯曲部径向向内延伸，并且所述液体处理装置包括沉积室，所述沉积室连接至弯曲部以捕获上游管中的沉积物。有利地，这能够在不通风室的上游进行沉积而不会堵塞且一旦能够流动就会进一步使流入不通气室中的液体至少富集较轻相。例如，沉积室可以由在弯曲部的区域中径向向外延伸的上游管的径向外壁形成。在一些实施例中，不通气室的一部分沿着与经由不通气室的半径形成锐角的方向从不通气室的出口端口径向向外延伸。有利地，通过适当地选择不通气室的角度和尺寸，可以增加沉积效率，减少分离较密相和较轻相所需的时间。

在一些实施例中，液体处理装置包括多个液流控制单元，每个单元包括如上所述的相应的通气上游室、不通气室、上游管和下游管。每个单元被配置成以不同的转速填装下游管(即，使液体在下游管中推进至离心力将液流驱动至下游通气室的入口的点)。以这种方式，通过控制转速可以以相应的液经通过各个单元的下游管(并且因此通过每个不通气上游室流出)的顺序来控制液流。

应该理解，在一些实施例中，可以存在一个以上的多个/组的液流控制单元，并且总的液流控制单元组中的一些可以以相同的速度来填装。在一些实施例中，一些或所有单元之间可以共享通气下游室(例如，可以存在由所有下游管直接或经由歧管进给的单个通气下游结构)，或者该装置的每个单元可以具有一个通气下游室。

在一些实施例中，该装置为微流体装置，特别是微流体离心装置。术语微流体在本文中用于表示尺寸最小的装置或液体处理结构，例如，深度或宽度小于1mm，例如，微米、数十微米或数百微米的量级。

在一些实施例中，该装置包括一种或多种试剂，所述一种或多种试剂设置在不通气室内，位于所述不通气室的入口端口的径向外侧。一种或多种试剂可以处于干燥或凝胶状态或嵌入支撑材料(例如膜)中。这些试剂的实例为抗体、酶、酶底物、缀合颗粒、乳胶珠、纳米颗粒、抗凝剂、缓冲液、裂解剂、着色剂、染料等。在一些实施例中，该装置包括一种或多种试剂，其设置在不通气室内，在不通气室的出口端口的径向外侧。

当液体与不通气室中的一种或多种试剂接触时，试剂悬浮在液体中。在进一步处理步骤(例如可能发生在下游室中)之前或者在下游室下游的液体处理结构中混合液体可能是有利的。在一些实施例中，无论是配置成盘状或其它方式，通过在基底中形成液体处理结构(通道、管等)，例如通过注射成型或冲压基底来制造该装置。然后通过将聚合物膜粘合至这样的表面上来密封基底：在该表面中限定液体处理结构，且具有用于流体进入液体处理装置的适当的切口。在其它实施例中，可以通过将可以(例如，协同地)限定相应的液体处理结构的两个基底粘合在一起，或者通过两个基底之间的粘合膜的夹层来形成该装置。下面将参照附图更详细地描述这一点。

在其中一种或多种干试剂设置在不通气室中的实施例中，可以通过以下步骤将一种或多种干试剂施加至所述装置上，首先将含有所述试剂的液滴施加至相关基底，在基底与其对应物(聚合物膜或另一基底)粘合的区域将形成不通气室。然后使液滴干燥，从而将干试剂留在基底上。

可替换地，可以将含有一种或多种试剂的溶液施加至吸收材料体上，然后使其干燥，在材料上留下干试剂。然后可以将材料插入基底中，在基底与其对应物粘合之前或之后会形成不通气室的区域中。

在一些实施例中，不通气室包括第一部分和第二部分。不通气室的径向外壁径向向内延伸至弯曲部并且从弯曲部径向向外延伸，从而将第一部分与第二部分分离。出口端口设置在第一部分中。不通气室的入口端口可以设置成邻近第一部分，使得在经由入口端口进入不通气室时，液体进入第一部分并开始填充第一部分。

在一些实施例中，不通气室的第一部分的体积可以超过不通气室的体积的五分之一，优选三分之一。

如上所述，第一和第二部分的优点在于，随着液体进入不通气室(特别是第一部分)，不通气室(第一部分)中的液体的填充水平较快升高且相比如果不通气室具有相同的周向和径向范围但未分离成第一和第二部分(即，如果液体至少最初不被约束为仅填充不通风室的一部分的周向范围)会达到的液体的填充水平，也达到径向更内侧。这可能有利于促进液体与设置在不通气室中的所有的一种或多种试剂接触。另一种选择(代替所述的设置具有第一部分和第二部分的不通气室)是使不通气室变窄，即，具有较小的周向范围和相对较大的径向范围。但是，第二个选项将占用更多的径向空间，例如，如果该装置为盘，则可能会受到限制。应该意识到，液体可以进入或可以不进入第二部分。

上述结构(不通风室的径向外壁进行向内延伸至弯曲部并且从弯曲部径向向外延伸)可以用于计量明确定义的液体体积。在一些实施例中，第一部分为计量部分，第二部分为溢流部分，并且壁中的弯曲部位于不通气室的入口端口的径向外侧。可以将该结构描述为溢流结构。

当液体流入不通气室并且液体填充不通气室(特别是计量部分)时，计量部分的填充水平升高(即，径向向内移动)。一旦填充水平达到室的径向外壁中的弯曲部的径向位置，液体就从计量部分溢出至溢流部分中，并且明确限定的液体体积保持在计量部分中。只要在任何一个时间存在于不通气室中的液体体积不超过计量部分和溢流部分的组合体积，则(计量部分中)明确限定的液体体积可以与溢流部分中的液体分离。这在需要特定混合比例(例如，液体与试剂或稀释剂比例)的液体(因此需要特定的液体体积)的应用中是理想的。

在一些实施例中，一种或多种试剂(例如干试剂)可以设置在不通气室的第一部分中。

不通气室可以被配置为促进液体混合，例如液体与干试剂混合。在一些实施例中，不通气室的径向外壁的第一部分沿着第一周向方向径向向内远离出口端口倾斜，以连接至不通气室的第一侧壁，并且不通气室的径向外壁的第二部分沿与第一周向方向相对的第二圆周方向径向向内远离出口端口倾斜，以连接至不通气室的第二侧壁。以这种方式，不通气室的径向外壁可以形成“v”形，不通气室的出口端口处于“v”的顶点处。该结构可促进改善液体的均匀性。例如，在液体已经与一种或多种干试剂混合的实施例中，该“v”型结构可以改善试剂在整个液体中的分布的均匀性。然而，在不通气室中没有试剂存在的实施例中，该结构也可能是有利的。例如，连接至出口管的“v”或“u”出口可以促进且改善不通气室中包含的液体的排空，这在需要限制或计量非常小体积的液体(微升及以下)时是特别有利的。这样的设置也可以促进通过出口捕获的试剂的排出(例如，沉积在外壁上，或者甚至较高粘度的液体(例如裂解的血液)。相比其中液体或试剂的一部分可能捕获在出口之间的壁上的等径外壁，出口处的相关的小倾斜可能是有利的。“v”形或“u”型特征的终止不需要侧壁，特别是当有多个出口时。

在一些实施例中，不通气室包括位于入口端口的径向外侧的至少一个附加端口，且下游管将每个出口端口和所述至少一个附加出口端口连接至下游室。下游管可以包括共用管部分，其一端连接至下游室并且另一端分支成多个管部分，每个管部分连接至不通气室的相应的出口端口。

该结构可以改善液体的混合，并且在液体已经与一种或多种试剂(例如设置在不通气室中)混合的实施例中，该结构可以改善试剂在整个液体中的分布的均匀性。通过在多个不同点处从不通气室提取液体并将其组合在管中，改善再悬浮试剂在液体中的均匀性。但是，其中不通气室包括至少一个附加端口的实施例不受不通气室中存在一种或多种试剂所限。在不存在这样的试剂的实施例中，不通气室的多个端口仍然可以促进液体的均匀性。

在一些实施例中，该装置包括限定旋转轴线且被配置为连接至旋转元件以驱动该装置旋转的特征。例如，该装置可以为离心盘，例如，微流体盘。所述装置为盘状或其它方式，可包括中心孔，该中心孔被配置成与驱动系统的主轴接合，所述主轴连接至用于驱动所述主轴旋转的电机，所述主轴转而驱动所述接合装置的旋转。

在本发明的第三方面中，提供一种用上述装置处理液体的系统。该系统包括电机和控制器，所述电机用于连接至所述装置以使装置围绕旋转轴旋转，所述控制器用于控制所述电机。所述控制器被配置成：以第一速度驱动所述电机以使所述装置旋转，从而用来自所述上游室的液体填充所述不通气室并且压缩捕获在所述不通气室中的气体；以不同于第一速度的第二速度驱动电机，或使所述电机停止，使液体流过下游管的弯曲部；并继续驱动电机使液体从上游流至下游室。在一些实施例中，第二速度小于第一速度。在一些实施例中，第二速度大于第一速度。此外，所述控制器可以以与第二速度相同或不同于的速度，例如，以小于第一速度的速度，继续旋转。

在本发明的第四方面，提供一种用装置处理液体的方法。所述装置具有旋转轴，所述装置围绕所述旋转轴旋转以驱动所述装置中的液流，并且包括：通气上游室，所述上游室包括出口端口；不通气室，所述不通气室包括从所述上游室的出口端口接收液体的入口端口，并且包括位于入口端口的径向外侧的出口端口；上游管，所述上游管将上游室的出口端口连接至不通气室的入口端口；通气下游室，所述下游室包括从不通气室的出口端口接收液体的入口端口；以及下游管，所述下游管将不通气室的出口端口连接至下游室的入口端口，并且包括位于不通气室的出口端口的径向内侧的弯曲部。该方法包括使所述装置以第一速度旋转从而用来自所述上游室的液体填充不通气室并且压缩捕获在不通气室中的气体，同时使所述不通气室的液位维持在所述不通气室的入口端口的径向外侧；通过使所述装置停止或使所述装置以不同于第一速度的第二速度旋转而使液体流过下游管的弯曲部，并继续使装置旋转以使液体从上游室流向下游室。在一些实施例中，至少在液体流过所述下游管的弯曲部之前，液位维持在不通气室的入口的径向外侧。在一些实施例中，第二速度小于第一速度。在一些实施例中，第二速度大于第一速度。可以以与第二速度相同或不同的速度，例如以小于第一速度的速度，继续旋转。

在一些实施例中，该方法包括当液体流经所述不通气室的入口时在液体流过所述下游管的弯曲部之后，维持所述不通气室的出口的径向内侧的液位。在一些实施例中，该方法包括在液体流过下游管的弯曲部之前，维持通气上游室的液位。在一些实施例中，通过不通气室的出口端口的流速可以设置成不超过通过不通气室的入口端口的流速。在一些实施例中，按上文所述配置该方法中使用的装置。

在本发明的第五方面，制造具有如上所述的多个液流控制单元的液体处理装置的方法包括设计每个单元使得下游管以不同的转速填装，并制造包括所设计的单元的装置。

附图说明

现在结合附图，通过示例的方式描述本发明的具体实施例以阐述本发明的各方面，其中：

图1展示具有液流控制装置的液体处理装置；

图2a至图2g展示液流控制装置的操作；

图3展示液流控制装置的变型；

图4a、图4b和图4c展示具有多个液流控制装置以对液流进行排序的相应装置；

图5展示液流控制装置的具体配置；

图6展示用于驱动液体处理装置中的液流的系统；

图7展示用于驱动液体处理装置中的液流的方法；

图8展示组合液流控制和沉积的液流控制装置的变型；

图9展示图8的变型的具体配置；

图10展示其中一种或多种试剂设置于所述装置中的液流控制装置的变型；

图11展示其中可以计量液体体积的液流控制装置的变型；且

图12展示液流控制装置的另外的具体配置。

具体实施方式

参考图1，设置成围绕旋转轴102旋转以产生由箭头104示意性地指示的离心力的液体处理装置100包括用于控制上游室108和下游室110之间的液流的液流控制装置106。上游室108和下游室110都是通气的，即，其连接至包围液体处理装置100的大气或连接至装置100的空气回路，例如，闭合的空气回路，以允许气体在室108和110之间流动，从而使由从一个室流动至另一个室的液体引起的任何压力差均衡。

液流控制装置106包括不通气室112，不通气室112通过上游管114连接至上游室108且通过下游管116连接至下游室110。上游管114从上游室108的出口端口118延伸至不通气室112的入口端口120，并且形成位于入口端口120的径向外侧的弯曲部122。下游管116从不通气室112的出口端口124延伸至下游室110的入口端口126，且形成位于出口端口124的径向内侧的弯曲部128。出口端口118位于入口端口120的径向内侧，入口端口120位于出口端口124的径向内侧，出口端口124位于入口端口126的径向内侧。因此，上游管114可视为倒虹吸管，并且下游管116可视为虹吸管。应该理解，入口端口126的径向定位有助于完全排空不通气室112，但是入口端口126可以同样地进一步向内定位。

在下面的描述中，如下定义的若干径向位置(即，与旋转轴102的径向距离)将是有用的：

r1：上游室108中的液位；

r2：上游管114中的弯曲部122的顶部(径向最外侧部分)

r3：不通气室112的入口端口120；

r4：不通气室112的出口端口124；

r5：下游管116的弯曲部128的顶部(径向最内侧部分)；以及

r：不通气室112内的液位。

现在参考图2a至图2f描述液流控制装置106的操作。在初始状态(图2a)中，装置100处于静止状态，上游室108填充有限定体积的液体。液体的体积可以通过上游室108中的溢流特征、上游室108中的另一等分特征、由更上游的液体处理结构接收的限定体积或从该装置外部施加至室108的限定的液体体积(例如，使用对应的液体施加器，例如尺寸适当的毛细管)来限定。

在第二状态(图2b)中，装置100以第一速度旋转以驱动液体通过上游管114从上游室108流出并流入不通气室112。随着液体填充不通气室的出口端口124，通过液体填充出口端口124和下游管116的相邻部分，不通气室112与空气回路或与下游室110连通的大气环境隔离。结果，随着不通气室112中的气体压力增加，不通气室112(以及在弯曲部128和出口端口124之间的下游管116的部分)的液位升高。

在第三状态(图2c)中，响应于持续旋转(例如以第一速度旋转)，不通气室112中的液位升高至由上游室108和上游管114中的液体施加的离心压力与不通气室112中的气体压力平衡的点，不通气室112中的气体压力也转而与下游管116中的液柱施加的离心压力平衡。可以由下游管116中的液柱提供的最大离心压力由不通气室112的液位和弯曲部128的顶部的径向位置确定，并且与r²-r5²成比例。同样地，由于上游室108和上游管114中的液体引起的最大离心压力与r3²-r1²成比例。因此，对于能够使由上游管114中的液柱引起的任何气体压力在稳态下平衡的下游管116的液柱，r²-r5²≥r3²-r1²。

作为近似值，该不等式假设上游室108中的液位是恒定的，严格来说不是在液体从上游室108流出的情况下，除非上游室108被配置为保持水平r1。然而，在其中上游室108的切向横截面面积大于不通气室112的切向横截面面积的实施例中，室108中液位的下降将小于室112中液位的对应增加，从而使其成为合理近似。在一些实施例中，根据需要，为了设计目的，可以将上游室108中液位的下降和/或下游室112中液位的对应增加以及对上游管114中的液体体积的校正加入上述计算中。

在需要使压力处于稳态平衡的实施例中，上游室108、下游室110、不通气室124以及上游管114和下游管116被配置成使得当压力平衡时该不等式(或其更准确的版本)保持处于稳态，即设计上游室108、入口120、顶部128的填充水平的径向位置以及不通气室124的配置以使液流控制装置106的预期操作速度(液体以该预期操作速度保持在下游室110的上游)满足不等式。当然，应当意识到，每个这样的设计将适合对应的操作速度范围。可以使用上述近似计算创建合适的设计，更准确的计算考虑如上所述的液位变化的校正，模拟和/或误差原型。在一些实施例中，操作速度可以为1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000或9000转/分钟。考虑到液流控制装置106为动态系统，在对应的操作速度不满足不等式的一些实施例中，液流控制装置106仍然可以起到在给定时间保持液流直到达到稳态的作用，因此将作为延迟而不是截止阀。

虽然不通气室112的上游和下游的液柱当然必须与不通气室112内的气体压力平衡，且因此必须提供相同的离心压力，但是可以看出，下游离心压力由从弯曲部128的顶部至不通气室的液位的径向距离以及各个径向位置的平均值确定，而上游离心压力由上游室108的液位与入口端口122之间的径向距离和各个径向位置的平均值确定。因此，可以看出，在不通气室112的填充水平位于入口端口120的径向外侧(由于为了预期的操作速度对液体控制装置106进行适当设计的结果)的实施例中，在不会立即填装下游管116的情况下，弯曲部128的顶部的径向位置可以选择为位于上游室108的液位的径向外侧(r3>r1)。这与直接连接到上游室108的出口端口118的常规虹吸管(例如常规的毛细管虹吸阀)相反。因此可以看出，这样的实施例使得离心式体处理装置上的液体处理结构能够以径向更密集的方式布置，从而节省了所述装置上的径向固定空间。

在上述第三状态下，液体保持在下游室110的上游，大部分位于上游室108中。在第四状态(图2d)中，改变速度以便填装下游管。为了填装下游管116，下游管116中的液体穿过弯曲部128并且从不通气室112的液位径向向外移动，从而由于装置100的持续旋转引起的离心力使液体虹吸至下游室110。

在一些实施例中，装置100的转速在第四状态下相对于第三状态的速度下降。随着该装置的速度下降，上游管114和下游管116中的液柱施加的离心压力与速度下降成比例地下降。随着速度下降，不通气室112中的气体压力超过新的离心压力，并且通过气体在不通气室112中膨胀将液体推回到上游管114和下游管116中，从而随着室112中的液位降低而达到新平衡。起初，随着气体膨胀，上游管和下游管中的液柱增加，因为下游管116的液体前沿的径向位置朝弯曲部128径向向内移动，并且上游管114中的液体前沿朝弯曲部122径向向外移动。在速度下降至下游管116中的液体前沿穿过弯曲部128的径向最内部点移动的范围的时间点上，通过下游管116中液柱的增加不能平衡速度的任何进一步下降。这是因为下游管116的液体前沿开始穿过弯曲部128径向向外移动。

随着液体前沿继续径向向外移动，不通气室112中的气体的任何进一步膨胀将使下游管116中的液柱进一步下降，使得从改点开始，从不通气室112中的气体向上膨胀将驱动下游管116中的液流，即使没有进一步降低装置的速度也是如此。

转向上游管114，只要不通气室112中的膨胀气体不使上游管的液体前沿穿过弯曲部122移动，则由于不通气室112中的气体膨胀引起的液体前沿的移动导致液柱增加，使得气体不能逃逸至上游室108。在液流控制装置106中的液体和气体以准稳态方式在状态之间移动的实施例中，只要最大上游离心压力与最大下游离心压力平衡或超过最大下游离心压力，即r2²-r1²≥r²-r5²，同时忽略r1和r作为近似值的变化，倒虹吸形状的上游管就可以防止气体从上游逃逸。然而，注意液流控制装置106是动态系统，特别是在速度相对较快变化的情况下，倒虹吸管状将在任何情况下降低气体从上游逃逸的可能性，因为气体膨胀至上游管会导致上游液柱增加。

随着不通气室中气体膨胀填装下游管116，即，下游管中的液体前沿沿不通气室的液位径向向外移动，装置100的进一步旋转以离心虹吸的方式驱动管116中的液流，从而达到第五状态(图2e)。在第五状态中，液体流入下游室110，使不通气室112排空并降低不通气室112中的气体压力。同时，离心力继续驱动液体从上游室108流至不通气室112，填充不通气室112并增加气体压力。根据具体实施例和应用，包括装置100的其它部分的液体处理功能，与第四状态(或任何前述状态)的速度相比，在排空上游室108时第五状态下的速度可以相同、更高或更低。

在期望完全排空上游室108的实施例中，将流入和流出不通气室的相对流速设计成，通过确保流入速率足够大，使得不通气室112不会提前流干，从而使得不通气室112在上游室108排空之前不会完全清空。确保这一点的一个方法是使流入速率等于或大于流出速率。为此，在一些实施例中，上游管114的液压阻力小于下游管116的液压阻力。在这些实施例中，将最终达到第六状态(图2f)，其中上游室108排空并且大部分液体已经转移至下游室110，在该点停止流动。在位于入口端口120的径向外侧的上游管114中可以捕获一些残留的液体，并且在不通气室112中可以捕获一些残留的液体，除非出口端口124设置在不通气室112的径向最外侧方位。如果需要，可以考虑将这些捕获的体积用于确定流往下游的体积，以及下游管的任何部分中捕获的任何液体体积。在一些实施例中，不捕获这些体积，但是随着液体从下游管116流至下游室110时，通过吸取将其转移至下游室110。

在一些实施例中，如上所述，通过降低装置100旋转的速度将下游管116填装于第四状态。在其它实施例中，通过提高装置100在可替换的第四状态下旋转的速度来填装下游管(图2g)。随着速度提高，另外的液体将流入不通气室112中，使液位进一步升高。所导致的增加的压力进一步将液体驱动至下游管116中，增加液柱以平衡压力。不通气室112的液位升高使可用于平衡气体压力的下游液柱下降，但固定在出口端口118和入口端口120之间(即，r3和r1之间)的上游液柱不下降。因此，如果充分提高速度，使得不通气室中的气体压力超过下游管116中的液柱可能产生的离心压力，则下游管116中领先的液体前沿与弯曲部的顶部相交。此时，气体压力将进一步径向向外驱动液体前沿。当液体前沿穿过不通气室112中的液位的径向位置时，下游管中沿下游方向的另外的液流由离心力驱动，并且液流控制装置处于第五状态(图2e)，在一些实施例中最终转变为如上所述的第六状态(图2f)。在一些实施例中，通过将速度提高至不通气室的液位达到不通气室的入口的点来填装下游管。

在阅读了一些实施例及其操作的上述描述之后，技术人员会明白如上所述的液流控制装置的设计中涉及的设计原理。特别地，本领域技术人员会明白，在径向位置r1、r2、r3和r的相互作用中存在较大的设计自由度。应当明白，r取决于不通气室的设计以及装置的操作速度，不通气室的横截面可以变化，例如，深度或宽度径向变化。进一步地，在速度变化足够快从而使动态效果变得较为重要的设置中设计自由度上升。例如，只需要在填装下游管所需的时间才需要阻止或减少气体从上游逃逸，从而在动态设置中放松对弯曲部122的径向位置r2的要求。另外，如上参照图2g所述，特别是在通过压力增加来填装下游管116并且在排空上游室108之前不需要降低速度的实施例中，液流控制装置106可以设计成在上游管114中没有u形弯曲部122。例如，在一些实施例中，上游管114可以配置有如图3所示的弯头弯曲部。

参考图4a、图4b和图4c，一些实施例将多个液流控制装置106组合在单个装置100中。在一些实施例中，装置100被配置为盘状，其具有中心定位特征200以与用于旋转装置100的驱动系统的主轴接合。应该明白，该配置不仅可应用于具有多个液流控制装置106的装置，而且可应用于仅具有单个这种装置的装置。装置100包括液体储存器202，液体储存器202连接至第一上游室108以将液体供应至第一上游室。上游室108通过溢流管210连接至另外的上游室108，另外的上游室108由另一溢流管210连接至另一溢流室108等等。最后的上游室108通过最后的溢流管210连接至废物室204。在一些实施例中，上游室108和溢流管210设置在相同的相应的径向位置。

每个上游室108连接至相应的液流控制装置106，并且可以注意到，相应的流量控制装置106的下游管116的弯曲部128位于溢流管210径向外侧，因此上游室108的填充水平容易向外。这使得每个液流控制装置106能够部分地设置在相邻的上游室108之间，特别是不通气室112和出口管116部分地突出至相邻的上游室108之间的空间中。以这种方式，提供径向范围紧凑的结构。

每个液体控制装置106的出口管116连接到出口歧管206，出口歧管206转而由气体和液体交换歧管212连接至液体接收室208。可以看出，在这些实施例中，下游室110以液体接收歧管的形式提供，液体接收歧管通过另一歧管连接至液体接收室。随着液体在装置中流动，液体交换歧管212使得气体能够从废物室204、歧管206和液体接收室208逃逸至储存器202，并且充当液体接收歧管206和液体接收室208之间的管。例如，液体交换歧管212的横截面尺寸可以使得其不被液体完全填充，从而在气体向内逃逸的同时，液体可以径向向外流动。当然，同样可能存在其它通风方式。

在一些实施例中，如图4a所示，根据参考图1、图2a至图2g的上述描述的实施例来配置液流控制装置，并且上游管被配置为倒虹吸管。在一些实施例中，如图4b所示，根据如上面参考图3描述的实施例来配置液流控制装置，并且上游管配置有弯头。在一些实施例中，根据另外的实施例来配置液流控制装置，并且上游管既不是倒虹吸管，也不是弯头配置，但是例如具有直管段。在一些实施例中，直管段从上游室108的出口端口118径向向外延伸。在一些实施例(未展示)中，上游管沿着上游室108的出口端口118的径向轮廓，且在一些实施例中，上游管从不通气室112的出口端口118径向向外螺旋至入口端口120。

基于上述原理，液流控制装置106被设计成使得相应的出口管以不同的相应的转速填装。以这种方式，通过控制转速，可控制按由液流控制装置106的设计限定的顺序从上游室108分配液体的时间。例如，可以将液流控制装置设计成使得每个液流控制装置106的出口管116以不同的相应的转速填装，或者可以将出口管116的子组设计成填装相应的组。当然，在一些实施例中，液流控制装置106可以被配置成全部以相同的转速进行填充。可以调节以影响填装特性的设计参数包括不通气室112的体积(其与给定转速下的压力和不通气室112的液位负相关)、不通气室112的入口端口120的径向位置r3(与给定转速下的离心压力正相关)和出口管116的弯曲部128的顶部的径向位置r5(与给定转速下的下游管116中的液柱产生的离心压力负相关)。

在操作中，随着所述装置旋转，设置在储存器202中的液体流入第一上游室108，并且从第一上游室108经由溢流管210流入随后的上游室108，且任何多余的液体流入废物室204中。结果，在每个上游室108中提供限定好的液体等分试样。如上所述，该装置以一定的速度旋转，使得所有不通气室112填充至这样的水平：不通气室112中的气体压力与由上游管114和下游管116中的液体施加的相应的离心压力平衡。然后，在从上游室108的又一个已识别的上游室中分配液体的时间点，改变速度以填装对应的一个或多个出口管116并将对应的一个或多个上游室排空至液体接收歧管206。然后，再次改变速度以填装一个或多个剩余的出口管116，以便从对应的一个或多个上游室108等分配液体。

参考图5，在一些具体实施例中，液体储存器302连接至上游室108以用液体填充上游室108。排气连接件304和306确保液体可以自由地流入和流出上游室108。上游室108由扩展至漏斗形室的上游管114形成，漏斗形室延伸到肩部308，该肩部308用作溢流器，液体可以从上游室108溢出到下游的液体处理结构。以这种方式，限定上游室108的液体的一组体积。如上所述配置上游管114和下游管116。此外，下游管116从不通气室112的径向最外侧方位径向向外延伸，以便于完全排空不通气室112。通过室的圆形形状进一步促进不通气室112完全排空。在出口端口154的区域中。为了以径向紧凑的方式使不通气室112设有相对较大的体积，不通气室112包括第一部分310，第一部分310沿径向延长，连接至第二部分312，第二部分312以l形配置沿大致切线方向延长。应当明白，这些特征可同样应用于本文所述的任何其它实施例。

在一些实施例中，无论是以盘状还是其它方式配置，都通过在基底中形成液体处理结构(通道、管等)，例如通过注塑成型或冲压基底，来制造装置100。在一些实施例中，液体处理结构包括尺寸为微流体液体处理结构的液体处理结构。然后通过将聚合物膜粘合至这样的表面上来密封基底：在该表面中限定液体处理结构，且具有用于流体进入液体处理装置的适当的切口，例如根据需要提供或收回液体。在其它实施例中，可以通过将可以(例如，协作地)限定相应的液体处理结构的两个基底粘合在一起，或者通过在基底之间的粘合膜的夹层来形成该装置，这对于本领域技术人员将是显而易见。对于本领域技术人员来说，进一步显而易见的是，虽然已经以液流控制装置106下游的非常简单的液体处理结构描述了上述实施例，但是下游结构可以具有任何期望的复杂性和实现功能，例如混合、等分或含有用于检测和/或测量的液体，例如荧光、浊度、吸收、表面等离子体共振或其它效果。

参考图6，用于驱动根据上述各种实施例的装置100中的液流的系统400包括装置接合特征402，例如具有用于接合装置100的对应特征(例如，被配置为类似于上述的接合特征200)的主轴的加载弹簧的叉子、托盘和毂设置，或用于接合装置100的任何其它设置(例如，如cd或dvd驱动器中常见的)。接合特征402连接至电机404，电机404由控制器406控制，控制器406被配置为实现转速协议以根据如上所述驱动、开始、停止和排列液流。

上面已经描述了驱动装置100中的液流的详细方法。参考图7，现在提供例如由控制器406实现的用于驱动和/或排列液流的方法的概述。在第一步骤502，旋转该装置以驱动液体从上游室114流至不通气室112，从而在不通气室112中产生压力并使不通气室112中的液位升高。压力升高直至不通气室112中的气体压力与入口端口120和出口端口124处的离心压力之间达到平衡，从而使不通气室112的液位保持在入口端口120的径向外侧。

当将液体分配至下游室110时，在步骤504改变转速以填装下游管。如上所述，可以提高或降低速度。任一种情况均会打乱步骤502达到的压力平衡，导致填装出口管116。

在步骤506继续旋转，以将液体从上游室108转移至下游室110。通过填装下游管116，连续旋转的速度可以从步骤504开始不变，可以提高或降低，或可以随时间而变化。在一些实施例中，不通气室112中的液位维持在出口端口124的径向内侧，以确保完全排空上游室108。在具有要按顺序排空的多个上游室108的实施例中，控制方法可循环回到步骤504，并根据如上所述以填装下一个下游管116(或下一组下游管116)的方式改变速度。在506中，步骤504可以重复进行，直到所有上游室108都被排空。

参考图8和9，现在描述具有沉积或相分离集成功能的液流控制装置的实施例。在这些实施例中，不通气室112包括从出口端口124径向向外延伸的沉积部分810。因此，如上所述，当液体保持在不通气室112中时，可以使用两种或更多种相液体，例如来自上游室108的血液在离心力的影响下会沉积在不通气室中，并且较重的相沉降在沉积部分810中。沉积部分810的尺寸适于容纳所有较重相，例如，使血液样品的细胞材料离开与期望流向下游的较轻相(例如，血浆)接触的出口端口124。在血液的例子中，沉积部分810的尺寸可因此为在操作速度下容纳例如保持在不通气腔112中的液体的总体积的60％(与预期的血细胞比容上限对应)。参考图7，在步骤502期间发生沉积。

为了将较轻相(例如，血浆)提取至下游室110，改变旋转速度，例如减速，如上文参考图7的步骤504所述。减速的优点在于，除了通过出口124排出较轻相，通过使气体膨胀还使得上游管114中的液体向上游移位。通过设置该装置，特别是管114和116，使得来自不通气室的流出速率比流入速度更快，可将下游管116设置成在来自上游管114的液体到达之前流干，从而随着液流控制装置有效地复位，将分离的较轻相和上游液体隔离。可替换地，该装置可以被设置成使得来自上游管114的任何液体不会过度地污染较轻相，例如通过将上游室108中的起始液体设置为适当的体积。

为了减少堵塞上游管114和/或从上游室108和可能的上游管114的流移除较重相的风险，在一些实施例中，可以在上游管114的径向外部方位，位于上游管114中的径向外侧的弯曲部820处提供沉积室830。具体参考图9，沉积室830可以由管114的径向外壁在径向向外扩展的弯曲部820的区域中形成。

此外，具体参考图9，沉积部分810相对于径向方向(相对于旋转轴4/特征200限定)成锐角。特别地，沉积部分810沿着与通过不通气室的半径形成锐角的方向从不通气室的出口端口径向向外延伸。相对于径向方向的角度减小了细胞在液体内必须行进至外壁上的沉积物的距离，从而有利于沉降。

参考图10，在一些实施例中，装置100可以包括设置在不通气室112中的一种或多种干试剂1000。图10所示的结构结合了参考图1描述的若干特征。相同的部件用相同的附图标记来标记，并且这里不再对相同部件进行重复描述。

一种或多种试剂可以为，例如，抗体、酶、组合颗粒(乳胶珠，纳米颗粒)、裂解剂或着色剂，并且设置成在入口端口120的径向外侧。随着液体进入不通气室，该一种或多种干试剂悬浮在液体中。

上游室108和下游室110各自连接至空气回路1002，从而气体压力可以随着液体流入或流出上游室和下游室的相应的入口端口和出口端口而平衡。空气回路1002还可以连接至其它通风的液体处理结构和/或装置100外部的大气。

参考图11，在一些实施例中，不通气室112可以包括第一部分1100和第二部分1102。不通气室112的径向外壁径向向内延伸至弯曲部1104，然后从弯曲部径向向外延伸，从而将第一部分1100与第二部分1102分离。出口端口124设置在第一部分1100中。入口端口120设置成邻近第一部分，使得在经由入口端口120进入不通气室112时，液体进入第一部分1100并开始填充第一部分。在一些实施例中，壁中的弯曲部1104在入口端口120的径向外侧。随着液体填充第一部分1100，第一部分的液位升高，即径向向内移动。一旦液位达到弯曲部1104的径向位置，液体就从第一部分1100溢出至第二部分1102中。因此，明确限定体积的液体(等于第一部分的体积)被保持在第一部分1100中，并且如果在任何一个时间不通气室中的液体体积不超过第一和第二部分的组合体积，则明确限定体积的液体可以与不通气室112中的剩余液体分离。然后，该明确限定的体积可以经由出口端口124从不通气室112转移出去。

在一些实施例中，如上所述，可以将一种或多种试剂，例如干试剂设置在不通气室112中。在不通气室112包括第一部分1100和第二部分1102的实施例中，可以将一种或多种试剂设置在第一部分中。

应该理解，上述各种实施例的许多特征可以以若干不同的方式组合。参考图12，描述了图1示意性展示的结构的实现，该结构结合参考图10和11描述的若干特征。相同的部件用相同的附图标记来标记，并且这里不再对相同部件重复描述。

参考图12，上游室108，下游室110和不通气室112各包括多个支柱1200，(为了清楚起见)在图12中标记其中的一些实例。上游室108和下游室110连接至空气回路1002。

不通气室112包括第一部分1100和第二部分1102。不通气室的径向外壁中的弯曲部1104将第一部分1100与第二部分1102分离。入口端口120设置成邻近第一部分1100。

上游管114从弯曲部122径向向内延伸到顶部1210，然后再次径向向外径向连接至不通气室112。顶部1210设置成在上游室108的径向最外侧方位的径向内侧和在上游室108的径向最内侧方位的径向外侧。该顶部1210具有延迟液体从上游室108转移至不通气室112直到上游室108中存在最小体积的液体的作用，并根据如下操作。当液体(从未展示的上游的液体处理结构)转移至上游室108时，液体进入上游管114。随着上游室108中液体的填充水平升高，上游管114中的液体水平也升高至与上游室108中的液体的填充水平相同的径向位置。因此，当上游室108的液位108达到顶部1210的径向位置时，液体将仅克服上游管114中的顶部1210并流入不通气室112。这样，一旦在上游室108中存在最小体积的液体，液体就仅流入不通气腔112。

不通气室包括多个出口端口124a-f，出口端口124a-f设置在不通气室112的第一部分1100中。下游管116包括共用管部分116a，其一端连接至下游室110的端口126。共用管部分116a的另一端分支成多个管部分，所述管部分各自连接至不通气室112的相应的出口端口。如上所述，该结构促进试剂与液体的混合。应该理解，如图12所示，不通气室可以具有多个出口124a-f，但不一定具有第一部分和第二部分，和/或可能具有或可能无需具有设置在不通气室112中的一种或多种试剂。

下游管116的弯曲部128处于与上游管114的顶部1210相同的径向位置。这是为了确保在不通气室中的液位升高至入口端口120的径向位置，因此在上游室108和下游管116之间形成连续的液柱的不太可能的情况下，在预期的时间之前(即在使该装置停止、加速或减速以便将液体从不通气室112转移至下游室110中之前)液体不会转移至下游室110。

下游室110包括第一部分1204和第二部分1206。下游室的径向外壁径向向内延伸至弯曲部1208并且从弯曲部径向向外延伸，从而将第一部分与第二部分分离。

液体以与上述参考图1-11所描述的类似的方式流经图12所示的结构。因此，这里不再赘述。为了说明而不是限制的目的，已经在具体实施例发明进行了上述描述。上述特征的许多修改和组合以及替代方案对于本领域技术人员将是显而易见的，并且将落在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

例如，虽然上文已经参考描述通道形状的管的附图来对管进行说明，但是应该理解，术语“管”覆盖提供将液体从该装置的一部分运输或输送至另一部分的流动路径的设置。因此，如上所述的用于上游管114(或下游管116)的具有弯曲部的管可以为，例如，以附图中示意性描述的弯曲通道，或者更一般地，以可以容纳液体，具有入口和出口，并且成形或配置成使得从入口流至出口流动的液体首先径向向外(或分别地向内)流动至拐点，然后径向向内(或者，向外)流动的任何结构实现。因此，在各种实施例中描述的上游管和下游管由其功能和实现该功能所必需的形状或配置来限定，而不是由超出实现相应的所述功能所必需的任何特定形状或配置来限定。

尽管上面已经参照描绘某些形状因素的室的图来对室进行了说明，但是应该理解，本发明不限于此，并且所描述的室可以采取任何合适的形状或配置，例如，深度可变、明显延长从而类似于通道(例如蛇形或曲折通道)、由通道或腔的网形成、包含支柱、包括互连的体积等。因此，在本文各实施例中描述的上游室、下游室和不通气室不受超出实现分别描述的如下功能所需的任何特定的形状或配置的限制：向不通气室提供液体、从不通气室接收液体、并且包含由于接收液体导致的位移而加压的气体。

对于上文所述的需要控制驱动系统的方法，可以以软件、硬件或其组合来实现控制步骤，并且可能涉及单个硬件部件，该单个硬件部件比如，通用处理器或专用集成电路，或以任何方式分布在若干处理器和集成电路之间。驱动系统的部件可以设置在单个装置中，或者可以分布在若干装置之间。