流体处理装置和处理流体的方法与流程

本发明涉及用于处理液体的装置和方法，尤其涉及能够对流体行进动态控制，以控制液体通过连接管道从入口腔室到出口腔室的流动的装置和方法。

背景技术：

离心微流体涉及在转动系统内处理皮升至毫升范围内的液体。这种系统主要是用于离心机转子内或代替离心机转子的一次性聚合物筒，其目的是使实验室过程自动化。在这种情况下，可以在微流体筒内实施标准实验室过程，例如移液，离心，混合或等分。为此，筒包含用于引导流体的管道以及用于接收液体的腔室。筒经受预定序列的转动频率，即频率协议，使得包含在筒内的液体可以借助于离心力被引导到相应的腔室中。

离心微流体主要应用于实验室分析和移动诊断。到目前为止，筒的最常见的实现方式是在特定处理装置中使用的离心微流体盘。这种筒已知，例如，名称为“盘上实验室”，“实验室盘”，“cd上实验室”等。其他形式，如微流体离心管，其名称为“实验室管”，可用于已有标准实验室装置的转子中。

必须在离心微流体筒中执行的一个基本操作是通过阀有针对性地保持和释放液体。问题在于以限定的转动频率将液体从第一流体腔室(入口腔室)传输到第二流体腔室(出口腔室)中，或者以限定的转动频率将液体保持在第一腔室内。

从现有技术中已知在使用单片集成阀时在离心-微流体系统中实施这种基本操作。

[1]描述了一种毛细管虹吸管阀。毛细管虹吸管阀由s形管道组成，第一腔室通过s形管道连接到第二腔室。虹吸管的顶点在第一腔室内位于径向低于液位的点处。在转动速度增加的情况下，离心力将主导毛细管的压力。如果转动速度下降到低于切换频率，则毛细管力将径向向内抽吸液体，使得液体通过顶点，并且在虹吸管的下降分支上抽吸液体，使得液体径向地穿过第一腔室内的液面。如果再次增加转动频率，则由此填充的虹吸管可以排空，其中液体从第一腔室进入到第二腔室中。

[2]公开了一种离心式气动阀。离心式气动阀基于当液体通过离心压力压入空气体积时在所述封闭空气体积内产生的气动反压力。在这种情况下，第一腔室内的液体通过细管道连接到非通气的第二腔室内的空气体积，所述细管道径向地朝向外部。当离心压力达到切换频率时，液体和空气之间的界面的瑞利-泰勒不稳定性产生，使得液体径向向外流入第二腔室中，而空气从第二腔室径向向内移动到第一腔室中。

[3]描述了一种具有可溶解膜的离心式气动阀，其中与[2]中描述的离心式气动阀相比，空气体积已经用可溶解的膜封闭。一旦液体已经从第一腔室传输到第二腔室中，则膜将溶解并且可能打开来自第二腔室的流出管道。

[4]描述了一种液压阀，液压阀使用非通气的第一腔室，待切换的液体位于该非通气的第一腔室内。通过增加离心压力，封闭在第一腔室内的空气体积膨胀，直到最终液体通过径向延伸的管道传输到第二腔室中。

在[5]中描述一种时间控制阀，其中以毛细管方式进行润湿的纸带通过润湿可溶解膜按时间顺序打开通气孔。打开的膜使先前封闭的空气体积通气，因此排空管道的被离心驱动的液体。液体管道本身包含第二可溶解膜，该第二可溶解膜通过即刻通气的空气体积的现在缺少的原始反压力被润湿，并将打开。

水表阀从[6]中已知。利用水表阀，来自第一腔室的液体随着时间的推移将排空到第二腔室中，同时由阻力元件离心地按压。填充液位一个接一个地释放另外的腔室的通气，其中随后通过利用通气消除先前存在于封闭的空气体积内的负压力来离心地推进液体。

[7]描述了一种真空/压缩阀，其中第一腔室或第二腔室的通气孔通过熔化石蜡打开，以便随后将液体从第一腔室离心地切换到第二腔室中。

从[8]已知一种热气动阀，其中第一腔室内的封闭空气体积被加热，该第一腔室通过管道连接到第二腔室内的液体。由于理想的气体膨胀，来自第二腔室的液体被移入第二管道并进入第三腔室。

从[9]已知热传输方法，其中改变一个或多个腔室内具有的温度，以产生真空，以便在过程阵列内的选定方向上抽吸液体。

从[10]和[11]中还已知流体结构，流体结构能够将液体体积分成许多局部体积；根据[11]，使用布置在流体腔室之间的若干虹吸结构，以便控制液体在腔室之间的流动。

技术实现要素：

本发明的目的是提供能够以很少的成本处理液体的替代装置和方法。

该目的通过根据权利要求1所述的流体处理装置和根据权利要求17所述的方法实现。

流体处理装置包括：

流体结构，包括入口腔室、出口腔室和将入口腔室与出口腔室流体连通的连接管道，

其中，在第一状态下，入口腔室完全填充至少一种液体或部分地填充有至少一种液体并且部分地填充有可压缩介质，并且出口腔室至少部分地填充有可压缩介质，

其中入口腔室和出口腔室中的一个包括这样的通气管道，使得用于可压缩介质的所述腔室的通气的流动阻力/体积的乘积达到至少入口腔室和出口腔室中的另一个是通气的，和

致动装置，用于基于第一状态致动流体结构，以便由于入口腔室和出口腔室的不同压力平衡速率而导致在入口腔室内的可压缩介质和出口腔室内的可压缩介质之间的至少30pa的压差，不同压力平衡速率由于不同的流动阻力/体积的乘积导致，

从而切换实施到连接管道中的阀装置，使得液体从入口腔室进入出口腔室，或者因此暂时抵消由致动导致的从入口腔室进入出口腔室的流动。

实施例提供了一种流体处理方法，包括：提供相应的流体处理装置，并且致动流体结构，以便由于入口腔室和出口腔室的不同的压力平衡速率而导致入口腔室内的可压缩介质和出口腔室内的可压缩介质之间的至少为30pa的压差，从而切换实施到连接管道中的阀装置，使得液体从入口腔室进入出口腔室，或者因此暂时抵消由致动导致的从入口腔室流入出口腔室的流动。

实施例基于以下发现：通过提供经由连接管道彼此连接的两个不同地通气的流体腔室，可以处理液体。已经发现，如果两个腔室中的一个具有至少为(牛顿乘以秒除以平方米)(以下也称为较大的流动阻力/体积的乘积)的通气的流动阻力/体积的乘积，则通过致动这种流体结构，可以在入口腔室内的可压缩介质与出口腔室内的可压缩介质之间产生至少30pa或更大的压差。在实施例中，这使得能够切换在连接管道内实施的阀装置。在实施例中，这使得能够暂时抵消由致动导致的从入口腔室通过连接管道进入出口腔室中的流动。

附图说明

下面将参考附图更详细地解释本发明的实施例，其中：

图1a和1b示出了用于说明本发明的基本原理的示意图；

图2示出了用于切换液体的根据实施例的流体结构的示意图；

图3a至3d示出了用于说明图2所示实施例的操作模式的示意图；

图4a和4b示出了用于说明液体的延时泵送的实施例的示意图；

图5a和5b示出了替代实施例的示意图；和

图6和7示出了用于说明具有流体动态流量控制的液体处理装置的实施例的示意性侧视图。

具体实施方式

在通过附图说明本发明的实施例之前，首先将解释一些一般的基本方面。

图1a示出了具有体积v1的流体腔室1的基本设计，该体积v1完全或部分地填充有可压缩流体2。腔室1内的压力通过温度的函数p(t)(例如，通过加热/冷却)确定，或通过体积的函数p(v)(例如通过压缩/膨胀)确定。流体腔室1通过无阻力的流体管道3连接到点b。因此，点b中的压力等于流体腔室1内的压力。流体腔室1连接到流体管道4，流体管道4具有流体阻力r2且在其端部(点a)处具有压力p1。在该配置中，规定从腔室1到点a处具有压力梯度，压差将通过在流体管道4中/上具有流动阻力r2的流体管道4而平衡。所述基本设计是本发明实施例的基础并且可以被认为是一个核心元件。点b可以集成到任何流体网络中，以便例如，借助于b点的压力和/或时间压力曲线，控制过程，过程例如为流体阀的切换或流体的泵送。

在实施例中，腔室1可以是入口腔室或出口腔室。在本发明的实施例中，点b可以由连接管道的开口形成，该开口通向相应的腔室。在实施例中，具有流体阻力r2的流体管道4可以代表流体腔室的通气管道，通气管道具有较大的流动阻力/体积的乘积。

本发明的实施例基于以下发现：通过过程的设计和流体阻力r2的大小的设计以及通过流体腔室1的尺寸，可以利用暂时压力平衡过程的动力学，以便在点b内产生可用于流体网络的压力条件，例如作为压力阀的切换信号。

在实施例中，压力的暂时变化是由具有限定的通气流动阻力r的通气腔室内的温度变化导致的。为了在一定时间(t1)内保持由温度变化导致的压差，阻力r可以很大或者可以获得大体积的腔室。因此，实施的决定性量是流动阻力和可用的腔室的体积的乘积，即流动阻力/体积的乘积。具体时间t1很重要，该原因有两个。首先，由于体积内的温度变化需要一定的时间，其次，因为切换需要一定的时间来致动。

在实施例中，点b可以通过连接管道和另外的通气流体腔室来实现。另一流体腔室可以通过具有几乎为零的流动阻力的通气开口通气，或者通过通气管道通气，另一个流体腔室的流动阻力/体积的乘积小于流体腔室1的流动阻力/体积的乘积的四分之一。已经发现，这样的比率可能是有利的，以便通过相应的致动实现30pa或更高的足够高的压差。

这里的通气意味着与环境的流体地连接。通气管道所连接的“环境”在本文中可理解为意指体积比系统内的总体积大至少2倍的体积。环境可以是大气或通过较小的流体阻力连接到大气，使得热变化基本上不会导致与切换相关的环境中的压差。

图1b示出了将上述原理应用于可以在流体模块内形成的流体结构，这将在后面参考图5和图6进行说明。图1b中所示的流体结构包括第一流体腔室10、第二流体腔室12和连接管道14。第二腔室通过包括流动阻力r2的通气管道18连接到点a。点a可以处于环境压力下。第二腔室12包括较大的流动阻力/体积的乘积。第一腔室10也是通气的，例如，通过具有流动阻力r1的通气管道16通气。或者，第一腔室也可以通过通气开口通气，使得通气的流动阻力几乎为零。

第二流体腔室的流动阻力/体积的乘积至少为另外，在实施例中，所述流动阻力/体积的乘积至少是另一流体腔的流动阻力/体积的乘积的四倍。v2×r2≥v1×r1适用，其中v2是第二流体腔室12的体积，r2是第二流体腔室12的通气流动阻力，v1是第一流体腔室10的体积，r1是第一流体腔室10的通气流动阻力。如果例如因为另一个流体腔室没有通过管道通气但通过具有较大的横截面的开口通气，另一个流体腔室的通气的流动阻力几乎为零，则流动阻力/体积的乘积之间的所述比率被认为是满足的。以这种方式，在操作期间可以在流体腔室10和12内实现不同的压力平衡速率，通过该压力平衡速率可以在恒定的转动频率下进行切换或者可以进行液体的延时泵送。

除非另有说明，否则这里的流动阻力应理解为表示对可压缩介质(通常为空气)的流动的阻力。流体管道的流体阻力rfl可以计算为

其中η是可压缩介质(空气)的粘度，i是流体管道的长度，a是流体管道的横截面积。cgeometry是几何相关因子，本领域技术人员熟悉不同管道的横截面的相应几何因子。例如，对于矩形管道横截面，cgeometry由以下限定：

这里，as由as＝h/w(h＝流体管道的高度，w＝流体管道的宽度)限定，αi由限定。

为了计算流动阻力，特别是在使用上述等式计算流动阻力时，请参考[12]。

这里的流动阻力/体积的乘积应理解为表示腔室的体积与和腔室相关联的用于可压缩介质的通气管道的流动阻力的乘积。

在操作期间，将液体引入入口腔室，使得入口腔室完全填充液体或者部分地填充液体或者部分地填充有可压缩介质，出口腔室至少部分地填充有可压缩介质。这代表了第一非致动状态。可压缩介质通常是空气；但是，也可以使用其他气体。例如，液体可以是水溶液、全血或血清或具有相当水平粘度的液体。

在所述第一状态的基础上，致动流体结构，使得在两个流体腔室内的可压缩介质中的压力之间产生至少30pa的压差。

在实施例中，连接管道14包括阀装置，例如虹吸管阀或毛细管阀。在这样的实施例中，例如，在第一状态中，包括流体结构的转动体可以以转动速度转动，在该转动速度下，阀装置防止液体通过连接管道从入口腔室进入出口腔室。在第一状态的基础上，然后可以通过加热或冷却来进行致动。在实施例中，第二腔室12代表入口腔室，腔室10代表出口腔室。在这样的实施例中，与出口腔室内的可压缩介质相比，加热可导致在入口腔室内的可压缩介质中产生过压，使得阀装置将被切换并且液体将从入口腔室进入出口腔室。在实施例中，第二腔室12代表出口腔室，第一腔室10代表入口腔室。在这样的实施例中，与入口腔室内的可压缩介质相比，可以通过冷却在出口腔室内的可压缩介质中产生负压，使得阀装置将被切换并且液体将从入口腔室中抽出进入出口腔室。

在实施例中，相应的加热可以以≥0.1k/s或≥0.5k/s的加热速率进行。在实施例中，相应的加热可以以≥0.1k/s或≥0.5k/s的平均加热速率进行。平均加热速率可以由可压缩介质从温度t1加热到温度t2期间的加热速率的平均值来限定，其中t1＜t2。在实施例中，相应的冷却可以以≥0.1k/s或≥0.5k/s的冷却速率进行。在实施例中，相应的冷却可以以≥0.1k/s或≥0.5k/s的平均冷却速率进行。平均冷却速率可以由可压缩介质从温度t2冷却到温度t1期间的冷却速率的平均值来限定，其中t1＜t2。已经发现，相应的加热速率和冷却速率能够实现合适的致动，从而能够产生足够的压差。在实施例中，流体结构(流动阻力和体积)可以设计成使得可以以0.5k/s至5k/s或0.5k/s至10k/s的平均加热速率和/或平均冷却速率实现相应的压差。

在实施例中，可以通过加热或冷却环境空气来整体地执行可压缩介质的加热或冷却。因此不需要设计用于实现局部加热/冷却的昂贵的加热/冷却结构。

在实施例中，可以在入口腔室和/或出口腔室内局部地实现加热或冷却，这实现了节能操作。

在实施例中，致动装置设计成通过可压缩介质的机械压缩或减压来实现压差。例如，致动装置可以设计成使入口腔室内的液体受到力，通过该力，液体通过连接管道从入口腔室被驱动到出口腔室中。由于入口腔室和出口腔室的压力平衡速率不同，因此如果腔室12是入口腔室，则入口腔室内的可压缩介质可以被减压，或者如果腔室12是出口腔室，则出口腔室内的可压缩介质可以被压缩。结果，可以暂时抵消由致动导致的从入口腔室到出口腔室的流动。暂时应理解为，所述抵消发生这样的时间，直到由于不同的压力平衡速率产生的入口腔室和出口腔室之间的压差相等。换句话说，在这样的实施例中，致动装置可以配置成使入口腔室内的液体经受这样的力，使得与出口腔室内具有的压力相比，入口腔室内的液体具有作用在其上的过压，通过在入口腔室和出口腔室内的可压缩介质中导致的压差暂时减小过压。结果，从入口腔室到出口腔室的流动减少。

在实施例中，可以通过增加流体结构转动的转动频率来使液体受到力。例如，在第一状态中，转动频率可以是零或足够低，使得由于表面张力，在连接管道通向出口腔室的点处不会发生液体进入出口腔室的流动。从这样的第一状态开始，转动频率可以例如以≥1hz/s的增加速率增加，以便致动流体结构。

在本发明的实施例中，流体结构形成在流体模块内，该流体模块代表转动体或可以插入转动体中。本发明的实施例包括驱动装置，该驱动装置配置成使流体模块并因此使流体结构转动。

因此，本发明的实施例提供用于液体通过管道的受控排放和受控引导的装置、流体模块和方法，并且特别地，这种装置、流体模块和方法适合于液体在离心机转子内的时间切换泵送。实施例在稳定过程内例如通过整体集成的阀(集成到连接管道中的阀)，实现这样的基本操作，使得不需要额外的部件或材料，这将极大增加筒的成本，例如，在材料成本或附加结构设计和连接技术(装配)方面的成本。

实施例基于以下发现：通过使用经由连接管道连接的通气流体腔室，可以以恒定的转动频率在特定的径向距离上泵送液体，流体腔室和它们的通气被配置成使得在流体腔室中具有不同的压力平衡速率。这种不同的压力平衡速率可以通过不同的流动阻力/体积的乘积来实现。因此，本发明的实施例提供了用于泵送液体的装置、流体模块和方法，用于泵送液体的装置、流体模块和方法能够在特定径向距离上以恒定的转动频率进行时间控制的切换和/或泵送。其他实施例能够实现液体的延迟的依赖时间的泵送。

图2示出了离心-微流体系统内的流体结构的实施例，离心-微流体系统内的流体结构的实施例代表流体开关。流体结构被致动，使得与入口腔室相比，在出口腔室内产生负压，通过该负压，液体被抽出入口腔室并进入出口腔室。流体结构包括通气的入口腔室20、通气的出口腔室22、连接管道24、入口腔室的通气管道26和出口腔室的通气管道28，连接管道24流体地连接入口腔室20和出口腔室22并且包括虹吸管。通气管道分别在径向内部区域中通向腔室20和22。连接管道24通向入口腔室20的径向外部区域并通向出口腔室22的径向内部区域。

对应于图1a中的点a和b的位置由图2中的虚线箭头示出。在每种情况下，通气管道联接到环境压力p0，使得在点a处具有环境压力p0。通气管道26包括流体阻力r1，通气管道28包括流体阻力r2，并且通气管道24包括流体阻力r3。适用r3＜＜r2，因此与r2相比，r3可忽略不计。此外，适用r1＜＜r2，使得出口腔室22的流动阻力/体积的乘积大于或等于入口腔室20的流动阻力/体积的乘积的四倍。流体结构可围绕转动中心r转动。

如图2所示，入口腔室20填充液体和空气，空气作为可压缩流体的实例。入口腔室20通过连接管道24连接到出口腔室22，连接管道24包括径向向内延伸的管道部分24a，该管道部分24a比入口腔室20内的液体的填充液位进一步径向向内延伸。因此连接管道24中在(虹吸管的)转动下形成势差。

切换操作的过程示意性地示于图3a到3d中。在图3a所示的第一阶段1期间，离心系统在第一温度(例如，75℃)下以恒定的转动频率(例如，5hz)转动。液体不能克服势差，液体最初将保留在入口腔室20内。这代表流体结构的第一非致动状态。

在所述状态的基础上，在图3b所示的第一阶段2期间，在给定时间点温度降低到例如55℃。在这种情况下，假设温度快速下降，例如温度以≥0.1k/s或≥0.5k/s的速率下降。结果，转动系统内的空气以及因此在腔室20和22内的空气将根据理想气体方程压缩。由于腔室20和22内的空气的热压缩，在环境(压力p0)和腔室20和22之间将产生压力梯度，压力梯度的时间曲线取决于管道24、26和28的流体阻力和腔室20和22的体积；流体管道和腔室在其体积和/或流动阻力方面配置成使得实现所描述的功能。

因为两个通气管道都具有流体阻力(即，由于发生粘性耗散)，所以通过通气管道不能立即提供用于压力平衡的空气。因此，在出口腔室22内产生压力分布p1(t)，并且在入口腔室20内产生压力分布p2(t)，由于通气管道的不同流动阻力，这也导致从入口腔室20到出口腔室22的压差：|p1(t)-p2(t)|＞0.由于条件r2＞＞r1和r2＞＞r3，所以入口腔室20内的压力平衡将相对较快地发生，但是出口腔室22内的压力平衡将相对于此需要更长的时间，因此由于流动阻力，压力平衡不能立即发生，所以在入口腔室20和出口腔室22之间产生暂时的压差。例如，＞＞这里可以理解为至少为4的因子。

利用由此产生的暂时压力梯度，以克服腔室20和22之间的液体势差，即，以激活开关。在该示例中，由于压力平衡的不同动力学，腔室之间的压差p1(t)-p2(t)将导致液体的弯液面克服现有的离心力被吸入连接管道24中并且被抽吸通过虹吸管的顶点。然后，因为连接管道24总体上呈现径向梯度，所以这将导致在转动下入口腔室20完全排空到出口腔室22中。所述阶段3在图3c中示出。换句话说，由于短期压差，液体克服离心力被吸入连接管道24中，并且当弯液面(入口腔室20中的填充液位)通过顶点时，入口腔室20由于p1(t)-p2(t)与离心压力的相互作用将被排空，离心压力将在此时及时按比例增加。

假设r2＞＞r3，可以在第一近似中忽略阻力r3。在该情况中的另一个假设是连接管道24内的液体的粘性耗散小于通气管道28内的空气的粘性耗散。

图3d显示了三个阶段期间的转动频率和温度。在三个阶段期间转动频率是恒定的。作为驱动装置，可以使用离心机，离心机的转动频率不需要可调节到不同的频率并且离心机的转动方向不需要是可逆的。在第二阶段期间温度降低。相应的温度控制可以通过加热/冷却装置实现，加热/冷却装置配置成加热或冷却整个转动体或整个流体模块，在流体模块中形成流体结构。为此，可以提供相应的加热和/或冷却板或辐射加热和/或冷却。

在参考图2描述的实施例中，出口腔室22具有(至少6700(n·s)/m^2的)较大的流动阻力/体积的乘积。

在可替换的实施例中，流体结构与图2中所示的结构的不同之处在于，入口腔室20包括较大的流动阻力/体积的乘积，例如，通气管道26和28的流动阻力被交换。然后，入口腔室20的流动阻力/体积的乘积将比出口腔室22的流动阻力/体积的乘积高(≥4倍)。在这样的实施例中，在阶段1的基础上，通过升高温度，可在流体结构内产生过压，在入口腔室20内的过压将比在出口腔室22内的过压更缓慢地平衡。因此，在入口腔室20和出口腔室22之间进而又产生压差，借助于压差可以克服连接管道内的虹吸管，从而液体从入口腔室20被驱动到出口腔室22中。

下面将参考图4a和4b描述可替换的实施例。

图4a示意性地示出了离心微流体系统内的流体结构，流体结构包括通气的入口腔室50、通气的出口腔室52和连接管道54，连接管道54将入口腔室50流体地连接到出口腔室52。入口腔室50相对于转动中心r比出口腔室52向内进一步径向定位，即，连接管道54呈现径向梯度，使得液体可以通过连接管道54从第一腔室50离心地被驱动到第二腔室52中。然而，连接管道54不包括虹吸管形式的势垒。

具有流体阻力r1的入口腔室的通气管道56联接到环境并通向入口腔室50的径向内部区域，并且具有流体阻力r2的出口腔室的通气管道58连接到环境并通向出口腔室52的径向内部区域。包括流体阻力r3的连接管道54通向入口腔室50的径向外部区域并通向出口腔室52的径向内部区域。出口腔室52的流动阻力/体积的乘积至少为关于流体阻力，适用以下条件：r1＜＜r2和r3＜＜r2，使得出口腔室52的流动阻力/体积的乘积大于入口腔室50的流动阻力/体积的乘积的四倍或是入口腔室50的流动阻力/体积的乘积的四倍。流体结构可围绕转动中心r转动。对应于图1a中的点a和b的位置由图4a中的虚线箭头表示。

如图4a所示，在操作期间，在第一非致动状态下，出口腔室52填充空气，空气作为可压缩介质的示例。入口腔室50部分地填充有液体并且部分地填充有空气体积。或者，入口腔室50也可以完全填充液体。在第一阶段1期间，入口腔室50内的液体的压力以及入口腔室50和出口腔室52内的空气压力等于环境压力。例如，在第一阶段期间，流体结构可以是静止的，即不转动。在第一阶段期间，液体的表面张力可以防止所述液体进入连接管道54或防止从连接管道54进入出口腔室52。

在图4b中所示的第二阶段2期间，系统在短时间内被加速到例如5hz的转动。在这种情况下，离心力作用在液体上，并且泵送机构由产生的离心压力引发。这里，液体以特定的体积流量s1流过连接管道54并进入出口腔室52中，从而将出口腔室内存在的空气体积压缩δv。这导致出口腔室52内的压力从p(v)增加到p(v-δv)。与环境相比，产生的压力梯度导致空气通过出口腔室的通气管道以特定的体积流量s2流入环境。在出口腔室52内，产生压力p1(t)，当假定r2＞＞r3和r2＞＞r1时，在第一近似中，压力p1(t)特别依赖于r2以及液体性质(例如，粘度)和空气性质。因此，得到的体积流量s1和s2取决于p1(t)，因此取决于r2。换句话说，可以在将液体从入口腔室50泵送到出口腔室52中的步骤中通过设定阻力r2以调节通过，以便实现例如泵送的延迟。因此，可以通过选择流体阻力，尤其是通过选择通气管道的流体阻力来调节流速，并因此调节将入口腔室排空到出口腔室中的延迟。

换句话说，为了在将液体从入口腔室泵送到出口腔室时实现延迟，在图4所示的实施例中，总空气阻力可以等于或大于因子与总液体阻力的乘积，该因子可以是4。总空气阻力是空气在离开出口腔室时所抵抗的阻力，并且总液体阻力是液体在流入出口腔室时遇到的阻力。

在作为图4所示实施例的替代方案的实施例中，入口腔室50可具有较大的流动阻力/体积的乘积，例如，通气管道56和58的流动阻力交换。在这样的实施例中，在将流体结构加速到较高转动频率期间，在入口腔室50内产生负压，负压抵消作用在液体上的离心力，并因此减少液体从入口腔室50通过连接管道54进入出口腔室52的流动。

连接管道相对于液体的流动阻力可以远低于流体腔室的通气管道的流动阻力，流体腔室的通气管道具有相对于可压缩介质的较大的流动阻力/体积的乘积。在这些情况下，可以认为连接管道的流动阻力可以忽略不计。

在其他实施例中，连接管道相对于液体的流动阻力也可以大于流体腔室的通气管道的流动阻力，该流体腔室的通气管道具有相对于可压缩介质的较大的流动阻力/体积的乘积。图5a示出了一个实施例，其中连接管道14a相对于液体的流动阻力被调整，以便能够(多次)传送部分液体体积。这里，从入口腔室50进入出口腔室52的流动一直存在，直到出口腔室52内具有的负压和/或入口腔室50内具有的过压已经平衡。随后，流动结束，并且残留液体可能保留在入口腔室50内。可以重复该过程。在该过程中待传输的液体体积可以通过负压和/或过压来设定。因此，可以进行限定子体积的多次传输。

图5b示出了一个实施例，其中连接管道14b相对于液体的流动阻力适于实现液体从入口腔室20到出口腔室22的延迟传输。这里的连接管道14b包括虹吸管阀，该虹吸管阀具有下游流动阻力。最初，在液体不会从入口腔室20传输到出口腔室22的情况下，可以使用在较宽范围内的转动频率。虹吸管阀防止所述传输。通过出口腔室22内的后续负压和/或入口腔室20内的过压，虹吸管阀的管道可以被润湿。然而，此时，没有液体从入口腔室20传输进入出口腔室22。随后，可以通过增加转动频率来控制液体从入口腔室到出口腔室中的排空。因此，与通过没有任何流动阻力的虹吸管阀连接到出口腔室的第二入口腔室组合，可以通过以出口腔室22内具有的负压和/或在入口腔室内具有的过压从第二入口腔室直接传输液体，并且通过直到转动频率增加才从第一入口腔室20传输液体，来实现液体到出口腔室中的顺序切换。

在实施例中，连接管道因此可以由若干部段组成，例如具有相对于液体的较小的流动阻力的第一部分，以及具有相对于液体的较大的流动阻力的第二部分。

在所描述的实施例中，不同的流动阻力/体积的乘积基本上由通气管道的不同流动阻力实现。在替代实施例中，不同的乘积可以替代地或另外地通过不同的体积来实现。例如，通气管道可以具有基本相同的流动阻力，并且一个腔室的体积可以是另一个腔室的体积的至少四倍。在可替换的实施例中，流动阻力和腔室体积可以不同，以便获得乘积之间的相应比率。

在实施例中，可以设置多个入口腔室，多个入口腔室通过连接管道与出口腔室流体地连接。连接管道可以通向共用连接管道，共用连接管道通向出口腔室。入口腔室、连接管道和出口腔室可以配置成实现关于多个入口腔室和出口腔室的所述效果。

本发明的实施例尤其可以应用于离心微流体的领域，离心微流体涉及处理在毫微微升至毫升范围内的液体。因此，流体结构可具有微米范围内的合适尺寸，以处理相应体积的液体。特别地，本发明的实施例可以应用于离心-微流体系统，例如已知名称为“盘上实验室”。

每当在本文中使用表达“径向”时，意味着相对于转动中心r的径向，转动体可围绕转动中心r转动。因此，在离心场内，远离转动中心的径向方向径向下降，并且朝向转动中心的径向方向径向上升。因此，其起点比其端部更靠近转动中心的流体管道径向下降，而其起点比其端部更远离转动中心的流体管道径向上升。包括径向上升部分的管道因此包括径向上升和/或径向向内延伸的方向部件。显然，这种管道不需要精确地沿径向线延伸，而是可以与径向线成角度或以弯曲的方式延伸。

通常，在本发明的实施例中，各个流体管道的不同流动阻力(流体阻力、液压阻力)可以通过不同的流动横截面实现。在替代实施例中，也可以通过其他方式实现不同的流动阻力，例如，不同的管道长度，集成到管道中的障碍物等。如果涉及流动阻力之间的比较，除非另有说明，则可以认为所指的是针对相同流体的流动阻力。如果在此提及流体管道，则意味着如下结构，该结构的从流体入口到流体出口的长度尺寸比限定流动横截面的一个或多个尺寸大，例如大于5倍或大于10倍。因此，流体管道可以具有针对流体的流动阻力，该流体从流体入口流到流体出口以流过流体管道。相反，这里的流体腔室是如下腔室，该腔室可具有其中不出现相关的流动阻力的尺寸。

本文所用的表述液体和/或液相还包括含有固体成分，如悬浮液和生物样品，的液体，这对本领域技术人员来说是显而易见的。

参照图6和7，现在将描述可以使用本发明的离心-微流体系统的示例。

图6示出了具有转动体的形式的流体模块110的装置，装置包括基板112和盖114。基板112和盖114在俯视图中可以是圆形的并且具有中心开口，通过该中心开口，转动体110可以借助于共用的连接装置116安装到驱动装置120的转动部分118。转动部分118在驱动装置120的固定部分122上枢转。驱动装置120可以是传统的离心机，例如，传统的离心机可以具有可调节的转动速度、或cd或dvd驱动器。可以提供控制装置124，控制装置124配置成控制驱动装置120，使转动体110实现不同的转动频率的转动。对于本领域技术人员显而易见的是，控制装置124可以例如通过相应编程的计算装置或由专用集成电路实现。控制装置124还可以被配置为在用户进行手动输入时控制驱动装置120以导致转动体的必要转动。在任何情况下，控制装置124可以配置成控制驱动装置120以使转动体经受必要的转动，以便实现如本文所述的本发明的实施例。作为驱动装置120，可以使用仅具有一个转动方向的传统离心机。

转动体110包括必要的流体结构。必要的流体结构可以通过盖114内、基板112内或基板112和盖114内的空腔和管道形成。在实施例中，例如，可以在基板112内形成流体结构，而填充开口和通气开口形成在盖114内。在实施例中，结构化基板(包括填充开口和通气开口)布置在顶部，盖布置在底部。

在图7所示的替代实施例中，流体模块132插入转子130中并与转子130一起形成转动体110。每个流体模块132可包括基板和盖，盖又可以具有在其中形成的相应的流体结构。由转子130和流体模块132形成的转动体110可以借助于由控制装置124控制的驱动装置120进行转动。

如图5和6所示，流体模块和/或转动体可围绕其转动的转动中心又由r表示。

在本发明的实施例中，包括流体结构的流体模块和/或转动体可以由任何合适的材料形成，例如塑料，例如pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)，pc(聚碳酸酯)，pvc(聚氯乙烯)，或pdms(聚二甲基硅氧烷)，玻璃等。转动体110可以被视为离心微流体平台。在优选的实施方案中，流体模块和/或转动体可以由热塑性塑料形成，如pp(聚丙烯)，pc，cop(环烯烃聚合物)，coc(环烯烃共聚物)或ps(聚苯乙烯)。

因此，本发明的实施例使得能够实现可以以恒定转动频率操作的切换机构。可以通过选择流体阻力、流体粘度、加热/冷却速率和借助于转动频率来设定开关的激活。

在本发明的实施方案中，可以根据每种情况下相同流体(例如空气)的相应阻力来确定流动阻力/体积的乘积之间的比率。

在实施例中，不需要改变测试载体的表面。除了切换之外，动态通气的原理也可以用于延迟功能。例如，具有较高粘度的第一流体(例如水)进入具有用于第二低粘度流体(例如空气)的通气的腔室的流动可能受到通气管道的流体阻力的影响。可以使第一流体流入腔室的流动最小化。可以在较低转动速度下基本上更精确地设定体积流量，并且对于具有高粘度水平的流体，在流体管道内不存在气泡或斑块形成的风险。基本原理适用于高润湿性和非润湿性液体。可以通过适当地选择系统内的和用于更高粘度的液体的流体阻力来使用基本原理。

与毛细管虹吸管阀相比，根据本发明的切换原理因此不基于当低于切换频率时支配离心压力的毛细管压力。因此，切换原理不仅适用于以下液体材料组合，在该液体材料组合中，接触角度小于90，使得不需要通过向液体中添加添加剂或通过表面涂层产生小于90的这样的接触角度，通过向液体中添加添加剂或通过表面涂层产生小于90的这样的接触角度可能不与要集成的(生物化学)过程兼容，和/或可能极大增加系统的结构设计和连接技术的成本。另外，本发明的实施例不需要可变的转动速度，可变的转动速度可能不是所有处理装置都能够实现的。

与离心式气动阀相反，根据本发明，切换原理不需要终端封闭的空气体积，使得不需要在流体网络内作为最后的切换操作的集成操作。此外，对于离心式气动阀，需要可变的转动速度，这对于本发明来说不是必需的。

与包含可溶解膜的离心式气动阀相反，本发明既不需要可变的转动速度，也不需要适合于溶解水溶性膜的液体。因此，可以防止膜的可能的溶液产物与液体混合。在本发明的实施例中，可以避免增加的结构设计和连接技术的成本，从而不依赖于终端腔室，这些成本由这种可溶解的膜产生。

对于例如在[4]中描述的液压阀，需要封闭的空气体积，使得阀不能自由地集成到流体网络中，这是本发明不需要的。另外，根据[4]，开关在高离心压方面不稳定，这可能是应用所需要的(例如，血浆分离)。

与[5]中描述的时间控制阀相比，本发明可以明显减少支出。不需要每个阀集成纸带和两个可溶解的膜，这导致大量的结构设计和连接技术的成本。即使使用这种时间控制阀，切换原理在恒定的转动速度下起作用，切换时间由纸带的尺寸和膜的溶解性能限定，并且不允许例如，通过改变温度曲线进行随后的适应。此外，切换原理需要额外的辅助液体，这必须预先存储或由用户添加。利用本发明，这些措施不是必需的。

另外，对于水表阀(见[6])，切换原理需要额外的辅助液体，额外的辅助液体必须预先存储或由用户添加。即使启用在恒定转动速度下的操作，频率协议、液体和几何形状也必须非常精细地调整，以便辅助液体不会被吸入通气管道，并且一旦填充液位下降到通气开口下方，通气管道就不会完全脱湿。该开关可仅用于封闭的空气体积，因此它不能自由地集成到流体网络中。而且，与这种阀相比，本发明的实施例明显包括更少的成本并且能够实现更大的使用灵活性。

对于如[7]所述的真空/压缩阀，切换原理需要一种制造过程，其中熔融石蜡可以高精度地定位并固化，并且其中盘可以进一步被加工，从而使结构设计和连接技术的成本大大增加。此外，开关致动需要局部加热源，局部加热源可以熔化石蜡(主动开关)。这增加了处理装置的复杂性。即使功能是以恒定的转动速度设定的，开关对于高离心压力也不稳定，高离心压力可能是应用所需要的(例如，血浆分离)。另外，开关可以仅用于封闭的空气体积，使得开关不能自由地集成到流体网络中。而且，与这种阀相比，本发明的实施例明显包括更少的成本并且能够实现更大的使用灵活性。

对于从[8]中已知的热气动阀，切换原理需要较大的单独的空气体积，较大的单独的空气体积占据有限的盘上的宝贵空间。此外，需要封闭的空气体积，使得阀不能自由地集成到流体网络中。处理装置必须允许局部加热，这使处理装置更复杂和昂贵。而且，与这种阀相比，本发明的实施例明显包括更少的成本并且能够实现更大的使用灵活性。

下面将简要说明流体结构的几何形状的典型值。

在图2和3中所示的实施例的典型实现方式中，出口腔室的通气管道可具有100μm×100μm的横截面且长度为30mm。出口腔室的体积可以达到900μl，入口腔室的体积可以达到500μl。连接管道可以具有300μm×300μm的横截面且长度为10mm。入口腔室的通气管道可具有600μm×600μm的横截面且长度为30mm。压差的相关量|p1(t)-p2(t)|可能大于5mbar。

在图4a和4b中所示的实施例的典型实现方式中，出口腔室的通气管道可具有50μm×50μm的横截面且长度为30mm。出口腔室的体积可以达到900μl，入口腔室的体积可以达到500μl。连接管道可以具有300μm×300μm的横截面且长度为10mm。入口腔室的通气管道可具有600μm×600μm的横截面且长度为30mm。

因此，实施例提供了由腔室的尺寸和由温度变化导致的管道的流体阻力确定的切换机构。因此，由流体的平衡过程的动力学触发的切换机构可以由于体积的局部或全部变化和/或恒定转动频率下的压力变化而实现。另外，在一个实施例中，第一流体从入口腔室到出口腔室的流动可受到腔室体积的选择和流体阻力的影响，从而实现延迟开关。

尽管在每种情况下借助于装置的特征或方法的特征描述了本发明的特征，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，相应的特征也可以分别是方法或装置的一部分。因此，装置可以在每种情况下配置为执行相应的方法步骤，并且装置的相应功能可以表示相应的方法步骤。

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