微流体装置的制作方法

本发明涉及微流体装置，特别是包括用于在潮湿条件下进行感测的传感器的装置。

背景技术：

已知各种微流体装置和传感器。诸如由wo99/13101和wo88/08534公开的传感器以干燥状态提供，并且施加到装置的液体测试样品通过毛细管流动传输到装置内的传感器区域。其他类型的传感器是已知的，例如包括离子选择性膜的离子选择性传感器。

另一示例由wo2009/077734提供，其公开了一种用于产生两亲分子层的设备，现在参照图1简要讨论。

图1示出了可用于形成两亲分子层的设备1。设备1包括具有分层结构的主体2，所述主体包括非导电材料的基板3，所述基板支撑另一非导电材料层4。凹部5形成在另一层4中，特别地，作为孔穿过另一层4延伸到基板3。设备1还包括在主体2上方延伸的盖子6。盖子6是中空的并且限定腔室7，除了入口8和出口9之外，腔室7是封闭的，入口8和出口9均由穿过盖子6的开口形成。腔室7的最下壁由另一层4形成。

在使用中，将水溶液10引入腔室7中，并且横跨凹部5形成两亲分子层11，以将凹部5中的水溶液10与腔室7中的剩余体积的水溶液分离开。使用封闭的腔室7使得水溶液10非常容易地流入和流出腔室7。如图1所示，这可以简单地通过使水溶液10流过入口8来完成，直到腔室7被充满。在此过程中，腔室7中的气体(通常是空气)被水溶液10置换并通过出口9排出。

该设备包括电极装置，以允许横跨两亲分子层11测量电信号，这允许该装置用作传感器。基板3具有沉积在基板3的上表面上并在另一层4下方延伸到凹部5的第一导电层20。第一导电层20位于凹部5下面的部分构成电极21，电极21也形成凹部5的最下表面。第一导电层20延伸到另一层4的外部，使得第一导电层20的一部分被暴露并构成触点22。

另一层4具有沉积在其上并在盖子6下方延伸到腔室7中的第二导电层23，第二导电层23位于腔室7内部的部分构成电极24。第二导电层23延伸到盖子6的外部，使得第二导电层23的一部分被暴露并构成触点25。电极21和24与凹部5和腔室7中的水溶液电接触。这允许通过将电路连接到触点22和25来测量两亲分子层11两端的电信号。

实际上，图1的装置可以具有许多这种凹部5的阵列。每个凹部设置有两亲分子层11。此外，每层可以设置有纳米孔，以允许其他分子穿过该层(这影响所测量的电信号)。例如，每个膜提供一个纳米孔。发生这种情况的程度部分地取决于施加到膜上的介质中的纳米孔的浓度。

wo2012/042226公开了一种分析设备，其包括向传感器提供两亲性膜和纳米孔的装置。提供两亲性膜和纳米孔的步骤通常在最终用户使用该装置之前进行。然而，其缺点在于消费者一方需要额外的步骤，并且还需要提供具有包括阀和供应储存器的复杂流体布置的设备。此外，设置供用户使用的这种传感器可能容易出错。风险在于：即使系统设置正确，它也会变干，从而可能会损坏传感器。风险还在于：样本室中的过量流率可能导致传感器损坏。对于更紧凑的装置而言，这种风险增加，使得样本输入端口更靠近传感器(因此系统损失的机会减少，从而降低流过装置的流率)。

因此，期望向用户提供处于“即用”状态的装置，其中两亲性膜和纳米孔预先插入并保持在潮湿条件下。更一般地，还期望提供一种装置，其中传感器设置在潮湿条件下，例如在检测分析物之前在潮湿条件下提供给用户或由用户提供。

技术实现要素：

以“即用”状态提供的典型纳米孔装置包括两亲性膜阵列，每个膜包括纳米孔并且跨过含有液体的孔。wo2014/064443公开了这种装置和制造方法。将待分析的测试液体施加到两亲性膜的上表面。然而，以“即用”状态提供的装置还需要考虑另外的因素，即传感器不会变干，即液体不会通过两亲性膜从孔中损失，这可能导致性能损失或损坏传感器。解决传感器变干问题的一种解决方案是在两亲性膜的表面上为装置提供缓冲液，使得通过膜的表面的任何蒸发最小化，并且在膜的任一侧提供的液体可以具有相同的离子强度以减少任何渗透作用。在使用中，可以从两亲性膜的表面除去缓冲液，并引入待分析的测试液体以接触表面。当装置含有缓冲液时，如何去除它以及如何引入测试液体成为了问题。由于存在缓冲液，即传感器设置在“湿润状态”，干毛细管通道提供的毛细管力不能用于将测试液体吸入传感器。可以使用泵来置换缓冲液并引入测试液体，但是这会导致装置的复杂性和成本增加。

包括一个或多个离子选择性膜的离子选择性电极装置通常在使用前通过具有已知离子浓度的溶液进行校准。离子选择性膜可以设置在连接流体入口的毛细管流路中，通过该流体入口可以引入校准溶液并使其通过毛细管作用流过离子选择性电极。此后，可以置换校准溶液并使分析物溶液流过电极以进行测量。在用于测量离子的大型台式装置中，例如可以采用蠕动泵来置换液体。然而，对于简单的一次性装置，更期望不太复杂的解决方案。

在其他装置中，可以在毛细管通道中提供一对电极，通过毛细管作用将第一测试液体吸入毛细管通道中，以进行电化学分析。在测量第一测试液体之后，可能期望测量第二测试液体。然而，因为毛细管力不再可用，需要额外的力干预以便在引入第二测试液体之前移除第一测试液体。

本发明旨在至少部分地减少或克服上述问题。

根据本发明的一方面，提供了一种用于分析测试液体的微流体装置，其包括以下特征中的至少一个：传感器，设置在感测室中；流路，包括连接到所述感测室用于分别使液体进入和离开所述感测室的感测室入口和感测室出口，和样本输入端口，与所述感测室入口流体连通；液体收集通道，位于所述感测室出口下游；流路中断部，位于所述感测室出口和所述液体收集通道之间，防止液体从上游流入所述液体收集通道，从而可以通过完成所述样本输入端口和所述液体收集通道之间的流路来激活所述装置；调理液，从所述样本输入端口填充到所述流路中断部，使得所述传感器被液体覆盖并且未暴露于气体或气/液界面；其中，装置被配置成使得在装置激活之后，传感器保持未暴露于气体或气/液界面，并且将一个或多个体积的测试液体分别施加到输入端口的湿润表面提供足够的净驱动力以将所述一个或多个体积的测试液体引入装置中并将缓冲液体置换到液体收集通道中。

根据本发明的第一方面，提供了一种流体装置(例如，微流体装置)，其包括一个或多个以下元件：传感器，设置在感测室中；液体入口和液体出口，连接到感测室，用于分别使液体进入和离开感测室；样本输入端口，与液体入口流体连通；液体收集通道，位于感测室出口下游；流路中断部，位于液体出口和液体收集通道之间，防止液体从上游流入液体收集通道；缓冲液，从样本输入端口填充到感测室，以及填充感测室并从液体出口填充到流路中断部；激活系统，可操作以完成液体出口和液体收集通道之间的流路，使得传感器保持未暴露于气体或气/液界面。也就是说，传感器上的液体既不是完全也不是部分地被气体置换(液体中可能存在溶解的气体或微气泡，但这些气体的存在并不意味着被短语“未暴露于气体或气/液界面”排除在外)。

在一些实施例中，本文提供的装置配置成在完成流路时避免感测室的自由排放。

在一些实施例中，装置是用于检测分析物的电化学装置，并且传感器包括电极。

在一些实施例中，电极可以是离子选择性的。

在一些实施例中，样本输入端口、感测室入口和液体收集通道被配置为当流路完成时避免感测室的自由排放，并且其中输入端口被配置为使得其为待施加到装置的测试液体呈现湿润表面。

在一些实施例中，本文提供的装置配置成使得在完成流路之后并且在将一定体积的测试样本添加到样本输入端口之前，输入端口处的压力等于液体收集通道处的压力，从而使液体处于均衡状态。

在一些实施例中，样本输入端口被配置成使得向所述端口添加一定体积的测试液体提供足够的净驱动力以将一个或多个体积的测试液体引入装置中并将缓冲液体置换到收集通道中。

在一些实施例中，样本输入端口、感测室入口和液体收集通道被配置成使得当操作激活系统以完成流路时，传感器保持未暴露于气体或气/液界面，同时装置被倾斜。

在一些实施例中，感测室入口和液体收集通道被配置为平衡毛细管压力和流动阻力，以在流路完成时避免感测室的自由排放。

在一些实施例中，本文提供的装置还包括堰，可以通过向样本输入端口提供液体来移位流体通过该堰，但是防止了样本室的排放。

在一些实施例中，本文提供的装置还包括填充有流体的注液储存器。可以将流体引入流路中，例如用于对流路中一定体积的液体进行微调。激活系统可操作以从注液储存器引入流体以完成液体出口和液体收集通道之间的流路。

在一些实施例中，本文提供的装置还包括用于样本输入端口的可移除密封件。

在一些实施例中，样本输入端口和密封件被配置成使得密封件的移除提供了注液动作以将缓冲液保持在输入端口中并且将湿润表面呈现给待施加的测试液体。

在一些实施例中，注液动作从液体收集通道或注液储存器抽取流体。

在一些实施例中，流路中断部包括闭合阀；所述激活系统包括用于打开阀的机构。阀可以是疏水阀。

在一些实施例中，流路中断部包括流动障碍物；所述激活系统包括用于移除所述流动障碍物或迫使液体流过所述流动障碍物的机构。

在一些实施例中，传感器可包含单个孔。替代地，传感器可包括包括孔阵列，其中每个孔包括液体，并且其中，横跨每个孔的表面设置膜，以将所述孔中包含的液体与缓冲液分离。

在一些实施例中，每个膜还包含纳米孔。

在一些实施例中，膜是离子选择性的。

在一些实施例中，膜是两亲性的。

在一些实施例中，纳米孔是生物纳米孔。

根据本发明的另一方面，提供了一种用测试液体填充根据前述实施例中任一项所述的微流体装置的方法，所述方法包括以下步骤中的一个或多个：操作激活系统以完成流路；通过样本输入端口将测试液体引入装置中，以便将缓冲液从感测室置换到液体收集通道中；停止引入测试液体，使得传感器保持未暴露于气体或气/液界面。

在一些实施例中，装置还包括用于样本输入端口的可移除密封件，并且所述方法还包括：移除可移除密封件并对样本输入端口注液，使得在引入测试液体的步骤之前通过缓冲液体填充输入端口。

在一些实施例中，注液步骤包括通过样本输入端口向装置提供额外的缓冲液来冲洗装置。

在一些实施例中，注液步骤包括将流体从装置内部抽吸到样本输入端口中。

在一些实施例中，将多个离散体积的测试液体连续施加到样本输入端口，以便连续地将缓冲液体置换到液体收集通道中。

根据一个实施例，提供了一种用于分析测试液体的微流体装置，其包括一个或多个下列特征：传感器，设置在感测室中；流路，包括连接到所述感测室用于分别使液体进入和离开所述感测室的液体入口和液体出口，和样本输入端口，与液体入口流体连通；液体收集通道，位于液体出口下游；流路中断结构，位于感测室出口和液体收集通道之间，其中流路中断结构配置成可在第一状态下操作以防止上游液体流入液体收集通道，或可在第二状态下操作完成样本输入端口和液体收集通道之间的流路；调理液，包含在从样本输入口连接到流路中断结构的流路中，使得传感器被液体覆盖并且未暴露于气体或气/液界面；其中样本输入端口和液体收集通道的尺寸被配置成使得在装置激活之后(即，从第一状态改变到第二状态)，传感器保持未暴露于气体或气/液界面，并且将一个或多个体积的测试液体分别施加到输入端口的湿润表面提供足够的净驱动力以将所述一个或多个体积的测试液体引入装置中并将缓冲液体置换到液体收集通道中。

根据一个实施例，提供了一种用于分析测试液体的微流体装置，其包括一个或多个下列特征：传感器，设置在感测室中；流路，包括连接到所述感测室用于分别使液体进入和离开所述感测室的液体入口和液体出口，和样本输入端口，与液体入口流体连通；液体收集通道，位于液体出口下游；流路中断结构，位于感测室出口和液体收集通道之间，其中流路中断结构被配置为防止上游液体流入液体收集通道；调理液，包含在从样本输入口连接到流路中断结构的流路中，使得传感器被液体覆盖并且未暴露于气体或气/液界面。

根据一个实施例，提供了一种用于分析测试液体的微流体装置，其包括一个或多个下列特征：传感器，设置在感测室中；流路，包括连接到所述感测室用于分别使液体进入和离开所述感测室的液体入口和液体出口，和样本输入端口，与液体入口流体连通；液体收集通道，位于液体出口下游；流路中断结构，位于感测室出口和液体收集通道之间，其中流路中断结构被配置为完成样本输入口与液体收集通道之间的流路；调理液，包含在从样本输入口连接到流路中断结构的流路中，使得传感器被液体覆盖并且未暴露于气体或气/液界面；其中，样本输入端口和液体收集通道的尺寸被配置成使得传感器保持未暴露于气体或气/液界面，并且将一个或多个体积的测试液体分别施加到输入端口的湿润表面提供足够的净驱动力以将一个或多个体积的测试液体引入装置中并将缓冲液体置换到液体收集通道中。

附图说明

下面参照示例性附图描述本发明，其中：

图1示出了可用于形成两亲分子层的现有技术设备；

图2示出了微流体装置的示例；

图3示出了电路的示例性设计；

图4a示出了对应于图2的微流体装置的装置的示意图；

图4b示出了沿着图4a的装置的流路的示意性截面；

图5a是例如图2或图4的装置的感测室和周围连接的示意性截面；

图5b示出了其中激活的装置倾斜以促使装置中的流体排入废物收集通道中的场景；

图5c示出了入口和出口之间的高度差；

图5d至5f示出了感测室的场景；

图6是替代构造的微流体装置的示意性平面图；

图7和8示出了本发明的示例性实施例；以及

图9示出了用于将移液管引导至样本输入端口的引导通道的示例性设计。

具体实施方式

本公开允许使用“湿传感器”(即，在潮湿环境中起作用的传感器)的微流体装置在传感器保持湿润的状态下生产和储存，直到需要它为止。这通过提供具有“非激活”状态和“激活”状态的装置有效地实现，在“非激活”状态中，传感器保持湿润但是装置不能使用，在“激活”状态中，可以使用装置。换句话说，“非激活”状态可以是样本输入端口和液体收集通道之间的流路未完成的状态，如下所述。相反，“激活”状态可以是样本输入端口和液体收集通道之间的流路完成的状态。当考虑纳米孔传感器时保持传感器湿润的特别益处(见下文更多细节)是确保孔液不会通过膜逸出。膜非常薄，且传感器对水分损失非常敏感。水分损失可以在孔液和膜之间产生例如电阻气隙，从而破坏设置在孔中和样本中的电极之间的电路。水分损失还可以用于增加孔液的离子强度，这可能影响纳米孔两端的电位差。电位差对测量信号有影响，因此任何变化都会对测量值产生影响。

在任何情况下，本发明的装置可以长时间保持在“非激活”状态，直到需要它为止。在此期间，例如，装置可以被运输(例如从供应商运送到最终用户)，这是因为即使装置处于非标准方位(即装置未用于执行其正常功能的方位)时，“非激活”状态是稳健的并且能够将传感器保持在湿润状态。这是可能的，因为非激活状态将包含传感器的装置内部容积与周围环境密封开。内部容积(下面称为“饱和容积”)充满液体。没有任何气隙和/或气泡意味着，即使装置被移动，传感器也没有可能与气体/空气界面相交(其可能损坏传感器的功能)。此外，甚至在激活状态下，即使装置被激活然后不使用，装置也能够长时间将传感器保持在湿润状态。

图2示出了微流体装置30的示例的俯视截面视图，其中插图示出了微流体装置的包括样本输入端口33的部分的侧剖视图。微流体装置30包括用于容纳传感器的感测室37。

感测室37设置有传感器，该传感器未在图2中示出。传感器可以是用于分析液体样本的部件或装置。例如，传感器可以是用于检测液体样本中存在的单个分子(例如，生物和/或化学分析物，例如离子、葡萄糖)的部件或装置。用于检测生物和/或化学分析物(例如，蛋白质、肽、核酸(例如rna和dna))和/或化学分子的不同类型的传感器是本领域已知的，并且可以用于感测室中。在一些实施例中，传感器包括膜，所述膜配置成允许离子从膜的一侧流动到膜的另一侧。例如，膜可包含纳米孔，例如蛋白质纳米孔或固态纳米孔。在一些实施例中，传感器可以是上面参照图1所讨论的类型，描述于wo2009/077734中，其内容通过引用并入本文。在使用时，传感器连接到电路。传感器可以是直接在电极表面上提供的或在与下面的电极接触的离子溶液上提供的离子选择性膜。

传感器可包括电极对。可以对多个电极中的一个进行功能化以检测分析物。其中一个或多个电极可涂覆有选择性渗透膜，例如nafiontm。

图3中示出了这种电路26的示例性设计。电路26的主要功能是测量在公共电极第一主体和电极阵列的电极之间产生的电信号(例如，电流信号)。这可以仅仅是测量信号的输出，但原则上还可以涉及对信号的进一步分析。电路26需要足够灵敏以检测和分析通常非常低的电流。举例来说，开放膜蛋白质纳米孔通常可以在1m盐溶液的情况下通过100pa至200pa的电流。所选择的离子浓度可以变化，并且可以在例如10mm和2m之间。一般而言，离子浓度越高，电位或化学梯度下的电流越高。膜两端施加的电位差的大小也将影响穿过膜的电流，并且通常可选择为50mv和2v之间的值，更通常为100mv和1v之间的值。

在该实施方式中，电极24用作阵列电极，电极21用作公共电极。因此，电路26相对于本身处于虚拟地电位的电极21向电极24提供偏置电压电位并且将电流信号提供给电路26。

电路26具有偏置电路40，所述偏置电路连接到电极24并且布置成施加偏置电压，所述偏置电压有效地出现在两个电极21和24之间。

电路26还具有连接到电极21的放大器电路41，用于放大出现在两个电极21和24之间的电流信号。通常，放大器电路41由两个放大器级42和43组成。

连接到电极21的输入放大器级42将电流信号转换为电压信号。

输入放大器级42可以包括跨阻抗放大器，例如配置为具有，例如500mω的高阻抗反馈电阻器的反相放大器的静电计运算放大器，以提供放大通常具有数十至数百pa量级大小的电流信号所需的增益。

替代地，输入放大器级42可以包括开关积分放大器。这对于非常小的信号是优选的，因为反馈元件是电容器并且几乎无噪声。此外，开关积分放大器具有更宽的带宽能力。然而，由于在发生输出饱和之前必须重置积分器，所以积分器确实具有时滞。该时滞可以减少到大约微秒，因此如果所需的采样率要高得多，则没有太大影响。如果所需带宽较小，则跨阻抗放大器更简单。通常，在每个采样周期结束时对开关积分放大器输出进行采样，然后是复位脉冲。可以使用其他技术来采样积分的开始，从而消除系统中的小误差。

第二放大器级43对第一放大器级42输出的电压信号进行放大并滤波。第二放大器级43提供足够的增益以将信号升高到足以在数据获取单元44中进行处理的电平。例如，在第一放大器级42中具有500mω反馈电阻的情况下，给定100pa量级的典型电流信号，则第二放大器级43的输入电压将为50mv量级，并且在这种情况下第二放大器级43必须提供50的增益，以将50mv信号范围提高到2.5v。

电路26包括数据获取单元44，其可以是运行适当程序的微处理器，或者可以包括专用硬件。在这种情况下，偏置电路40简单地由反相放大器形成，反相放大器提供有来自数模转换器46的信号，所述数模转换器可以是专用装置或者是数据获取单元44的一部分并且根据从软件加载到数据获取单元44中的代码提供电压输出。类似地，来自放大器电路41的信号通过模数转换器47供应给数据采集卡40。

电路26的各种部件可以由单独的部件形成，或者任何部件可以集成到公共半导体芯片中。电路26的部件可以由布置在印刷电路板上的部件形成。为了处理来自电极阵列的多个信号，电路26基本上通过复制每个电极21的放大器电路41和a/d转换器47来修改，以允许并行地从每个凹部5获取信号。在输入放大器级42包括开关积分器的情况下，它们将需要数字控制系统来处理采样-保持信号和重置积分器信号。数字控制系统被最方便地配置在现场可编程门阵列器件(fpga)上。此外，fpga可以包含与标准通信协议(即usb和以太网)进行接口所需的类似处理器功能和逻辑。由于电极21保持接地，实践中将其设置为由电极阵列共用。

在这样的系统中，诸如多核苷酸或核酸的聚合物、诸如蛋白质的多肽、多糖或任何其他聚合物(天然的或合成的)可以通过适当大小的纳米孔。在多核苷酸或核酸的情况下，聚合物单元可以是核苷酸。因此，分子通过纳米孔，同时监测纳米孔两端的电特性，并获得作为通过纳米孔的特定聚合物单元的特征的信号。因此，该信号可用于鉴定聚合物分子中的聚合物单元的序列或确定序列特征。可以进行各种不同类型的测量。这包括但不限于：电气测量和光学测量。《美国化学会志(j.am.chem.soc.)》2009,1311652-1653公开了一种涉及荧光测量的合适光学方法。可能的电气测量包括：电流测量、阻抗测量、隧道测量(ivanovap等人，(《纳米快报(nanolett.)》)2011年1月12日；11(1):279-85)和fet测量(国际申请wo2005/124888)。光学测量可以与电气测量相结合(sonigv等人，《科学仪器评论(revsciinstrum.)》2010年1月；81(1):014301)。测量可以是跨膜电流测量，例如测量流过孔的离子电流。

聚合物可以是多核苷酸(或核酸)、多肽(如蛋白质)、多糖或任何其他聚合物。聚合物可以是天然的或合成的。聚合物单元可以是核苷酸。核苷酸可以是包括不同核碱基的不同类型的核苷酸。

纳米孔可以是跨膜蛋白孔，选自例如mspa、lysenin、α-溶血素、csgg或其变体或突变。

多核苷酸可以是脱氧核糖核酸(dna)、核糖核酸(rna)、cdna或本领域已知的合成核酸(例如，肽核酸(pna)、甘油核酸(gna)、苏糖核酸(tna)、锁核酸(lna)或具有核苷酸侧链的其他合成聚合物)。多核苷酸可以是单链的、双链的或包含单链区和双链区。通常，cdna、rna、gna、tna或lna是单链的。

在一些实施例中，本文描述的装置和/或方法可用于鉴定任何核苷酸。核苷酸可以是天然存在的或人工的。核苷酸通常含有核碱基(本文中可缩写为“碱基”)、糖和至少一个磷酸基团。核碱基通常是杂环的。合适的核碱基包括嘌呤和嘧啶，更具体地是腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、尿嘧啶和胞嘧啶。糖通常是戊糖。合适的糖包括但不限于核糖和脱氧核糖。核苷酸通常是核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸。核苷酸通常含有单磷酸盐、二磷酸盐或三磷酸盐。

核苷酸可包括受损或表观遗传的碱基。可以标记或修饰核苷酸以充当具有不同信号的标记。该技术可用于鉴定碱基的缺失，例如多核苷酸中的无碱基单元或间隔基。

在考虑修饰或损伤的dna(或类似系统)的测量时特别有用的是考虑补充数据的方法。提供的附加信息允许区分大量的基础状态。

聚合物也可以是除多核苷酸之外的一类聚合物，该类聚合物的一些非限制性示例如下。

聚合物可以是多肽，在这种情况下，聚合物单元可以是天然存在的或合成的氨基酸。

聚合物可以是多糖，在这种情况下聚合物单元可以是单糖。

装置中提供的用于将传感器保持在湿润状态的调理液可以是与装置兼容的任何液体(例如，不会对传感器的性能产生不利影响的液体)。仅作为示例，当传感器包括蛋白质纳米孔时，对于本领域普通技术人员明显的是，调理液应不含使蛋白质变性或失活的试剂。调理液可以例如包括缓冲液，例如离子液体或离子溶液。调理液可含有缓冲剂以维持溶液的ph。

传感器是需要保持在“湿润状态”的传感器(即被液体覆盖的传感器)。传感器可包括膜，例如离子选择性膜或两亲性膜。可以是两亲性的膜可以包括离子通道(例如纳米孔)。

可以是两亲性的膜可以是脂质双层或合成层。合成层可以是二嵌段或三嵌段共聚物。

膜可包括离子通道，例如离子选择性通道，以用于检测阴离子和阳离子。离子通道可从已知的离子载体(例如，缬氨霉素、短杆菌肽和14冠4衍生物)中选择。

返回图2，感测室具有液体入口38和液体出口39，用于分别使液体进出感测室37。在图2的插图中，在装置30的截面中示出了入口38与样本输入端口33流体连通。样本输入端口33被配置为用于将样本引入(例如输送)到微流体装置30，以例如用于测试或感测。当装置30处于其非激活状态时，可以提供密封件33a(例如塞子)以密封或关闭样本输入端口33，从而避免任何流体通过样本输入端口33进入或流出。这样，密封件33a可以在非激活状态下设置在样本输入端口33内。优选地，密封件33a是可移除和可更换的。样本输入端口可以理想地位于感测室附近，例如，如图2所示，其中该端口直接设置在感测室处。这通过减小流路的容积来减少需要施加到装置的样本液体的体积。

感测室37的出口39的下游是液体收集通道32。液体收集通道可以是废物收集容器，并且用于接收已经从感测室37排出的流体。在收集通道32的最下游端(例如端部)是通气端口58，以允许在收集通道32从感测室接收液体并被液体填充时排出气体。

在图2所示的示例中，感测室37的上游是可选的液体供应端口34。一旦装置30处于其激活状态，液体供应口使得有机会将液体(例如缓冲液)供应到装置中。如果需要，它还可以用于输送更大体积的样本，并且在输送新样本之前从感测室37中大量冲洗/灌注先前的样本。

如下面更详细描述的，装置被配置成在样本输入端口处接受样本，所述样本随后在没有外力或压力的帮助下(例如，通过如下所述的毛细管压力)被主动吸入感测室中。这使得用户无需在施加的正压下将测试液体引入装置。

在图2中，装置30处于非激活状态。这通过设置阀31和在样本输入端口33上设置密封件33a来实现，阀31配置成处于关闭状态，所述关闭状态是不允许流体在液体收集通道32和感测室37之间流动的状态，密封件33a密封或关闭样本输入端口33。在非激活状态下，如图2所示，流动通过感测室37是不可能的。处于关闭状态的阀31是用作感测室37的液体出口39和液体收集通道32之间的流路中断部的结构，以防止上游液体(例如，来自感测室37的液体)流入液体收集通道32。类似地，处于关闭状态的阀31是用作供应端口34和感测室37之间的流路中断部的结构，以防止上游液体(例如，通过供应端口引入的液体)流入感测室37。这样，感测室37与供应端口34和废物收集容器(为液体收集通道32形式，其可以通向大气)隔离开。此外，设置密封样本输入端口33的塞子33a确保了感测室37被完全隔离。塞子33a还可以用于另外的目的：当被移除时，它可以在入口38中产生“抽吸”，确保在移除塞子33a时端口33变湿润(并因此准备好接收样本流体)。这样，塞子33a提供注液动作。注液动作可以从液体收集通道或单独的注液储存器(参见下面的示例)抽吸流体(例如，间接地，将流体置换到感测室37中，进而被置换到入口38和端口33中)。

在一些实施例中，阀31有双重功能。例如，如图2所示，阀31可以配置成使其作用于激活系统的状态。激活系统可以完成液体出口39和液体收集通道32之间的流路(以及供应端口34和感测室37之间的流路)。此外，如下面更详细讨论的，这种激活在不排出感测室37的液体的情况下发生。也就是说，传感器37在激活后保持未暴露于气体或气/液界面。在图2的示例中，这通过使阀31在阀座31a内(从所示的方位)旋转90°来实现。这导致阀的通道31b完成液体出口39和液体收集通道32之间以及缓冲液体输入端口34和感测室37之间的流路中断部36。在该激活状态下，液体可以从缓冲液供应端口34(这里也称为“清洗端口”)流过感测室37并进入液体收集通道32。然而，如下文结合图5a至5f更详细地讨论的那样，这种流动不会自由发生。

其结果是，在将阀31转动到图2所示的位置之前，感测室37可以预先填充调理液(例如缓冲液)。应当注意，根据本发明，调理液的类型没有特别限制，但应根据传感器35的性质是适合的。假设已插入塞子33a并且感测室37被适当地填充以使得没有气泡，则传感器没有机会与可能损害传感器的气/液界面接触。这样，可以稳健地操作装置30，而不用担心损坏传感器本身。

图4a示出了与图2的装置对应的装置30的示意图。在图4中，流体通道简单地示出为线。此外，阀31示出为感测室37上游和下游的两个单独的阀31。这是为了清楚起见，但是在一些实施例中，可能期望具有如图所示两个单独的阀31。

图4b示出了沿着流路的图4a的装置的示意性截面。在流路可能不是图4b所示方式的线性的意义上，这可能不是“真实的”截面。尽管如此，该示意图对于理解装置30中的液体可用的流路是有用的。特别地，可以看到上游缓冲液供应/清洗端口34通过上游阀31与感测室分离。可以看到另一下游通气端口58通过下游阀31与感测室37分离。因此，明显的是，感测室37可以填充有流体并且与上游端口34和下游端口58隔离。此外，通过在样本输入端口33上提供密封，感测室可以被完全隔离。

考虑图4a和4b中所示特征的比例也是有益的。

清洗端口34和样本输入端口33可以具有类似的设计，因为两者都被配置为接收待输送到装置30的流体。在一些实施例中，端口33和/或34可设计成适应于液体输送装置(例如移液管吸液头)的使用，以将液体引入所述端口。在优选实施例中，两个端口都具有约0.4至0.7mm的直径，这允许将流体芯吸到端口中，同时还限制了装置30自由排出液体的可能性(下面更详细地讨论)。相反，下游通气端口58的尺寸不太重要，因为在常规使用中，并不打算接受液体输送装置(例如移液管)或输送液体。

传感器的尺寸可以变化，并且取决于传感器中设置的感测元件(例如纳米孔或离子选择性电极)的类型和数量。传感器35的尺寸可以是大约8×15mm。如上所述，它可以是感测通道阵列，具有包含具有纳米孔的膜的微观表面几何结构。

装置30的“饱和容积”是这样的容积，例如，当塞子33a存在以密封样本输入端口33且阀31配置成关闭状态时，连接在阀31之间的可以填充有液体且被密封并与周围环境隔离的流路容积，对于阀31，一个阀控制液体出口39和液体收集通道32之间的流动，另一个阀控制缓冲液输入端口34和感测室37之间的流动。在一个实施例中，饱和体积可以是约200μl，其可以根据本文描述的装置中的流路的设计而变化。然而，更小的体积是更优选的(例如，以减小所需样本的尺寸)，并且优选地饱和体积为20μl或更小。在其他配置中，可能不需要提供清洗端口34(和连接到感测室37的流体路径)，在这种情况下，饱和体积将从密封的样本输入端口33延伸到感测室37并经过液体出口39到流路中断部36。

相反，期望液体收集通道32具有比饱和体积更大的体积，例如，至少3倍大的体积，例如，至少4倍大、至少5倍大、至少10倍大或至少15倍大，因此它可以在若干个测试和冲洗循环中收集从饱和体积中排出的液体。在一个实施例中，液体收集通道32可具有2000μl的体积，液体收集通道的水力半径通常为4mm或更小。

阀31的尺寸不是特别重要(并且，如下所述，可以设置替代的流动通道中断部)。它们起隔离与塞子33a连接的饱和体积的作用。

此外，即使在激活状态下，装置也能够抵抗感测室37变干燥。下面参照图5a讨论这一点，其是根据一个实施例的感测室37以及例如图2或图4的装置30的周围连接的示意性截面。

在图5a中，传感器35设置在感测室37中。感测室液体入口38连接在感测室37的上游，以便于呈现(即，在图2和图4中尽管液体入口38示出为从上方进入感测室37，但是图5a中的位置变化不影响下面分析的结果)。图5a示出了在液体入口到达感测室37之前的直径的另一收缩部38a。这可以是例如由于输入端口33的扩大以便于样本收集/提供。感测室37的下游是通向液体收集通道32的液体出口39。

在图中，显示了若干个参数和尺寸。高度(以米为单位)用符号h表示。曲率半径(以米为单位)由符号r表示。管状部件的半径(以米为单位)由符号r表示。表面张力(以n/m为单位)由符号γ表示。液体密度(以kg/m³为单位)用符号ρ表示。流速(以m³/s为单位)由符号q表示。液体/气体弯月面与装置30壁的接触角(以度为单位)由符号θ表示。下标“i”用于表示入口处的条件，下标“c”用于表示收缩部的条件，下标“o”用于表示出口处的条件。

所描绘的系统中的流体行为由毛细管和/或拉普拉斯气泡压力和poiseuille压降控制以限制流速。众所周知，弯月面处的毛细管压力可用以下公式计算：

公式1

其中r1和r2是垂直方向的曲率半径。在管，诸如毛细管的情况下，曲率半径r1与曲率半径r2相同，并且曲率半径通过以下公式与管的半径相关：

公式2

此外，在矩形通道中，r1与r2不同，曲率半径由下列公式给出：

公式3

其中，a是例如矩形截面的宽度，b是矩形截面的高度。

对于不可压缩的牛顿流体，假设在恒定圆形截面的管道中未加速的层流比其直径长得多，压力损失可以根据hagen-poiseuille公式计算：

公式4

其中μ是液体的粘度(以n.s/m²为单位)，l是发生流动的管的长度(以米为单位)，r是管的半径(以米为单位)。

最后，根据以下公式计算静压：

公式5

ph＝ρgh

其中g是重力加速度(9.81m/s²)，h是流体柱的高度。

图5b示出了一种场景，其中激活的装置30倾斜以促使装置30中的流体排入液体收集通道32。当考虑流体是否将保留在入口38(即样本输入端口33)的开口处时，可以理解入口处的毛细管压力(pci)必须等于或大于出口处的毛细管压力与入口和出口不处于同一高度而产生的静水压力的任何差异的总和，(高度差在图5b和下面的公式中表示为δh)以避免自由排水。这在以下公式中列出：

pci≥pco+ρg.δh

根据该公式，结合公式1和2，可以推导出自由排放之前的最大高度差δh(假设入口和出口处的接触角θ相同)：

替换相关变量的典型值(例如ri＝0.4mm，r0＝3.0mm，θ＝82°，ρ＝1000kg/m³，γ＝0.072n/m)，表明可在入口去湿之前实现约为4mm的高度差。

进一步考虑这一点，并且如图5c所示，如果高度差超过该临界值，则输入端口33处的弯月面将退回到感测室的入口。在弯月面从该入口分离(即允许气体进入感测室37)之前的极限中，弯月面将具有最大曲率半径，等于入口的半径(忽略任何收缩部38a)。在这种情况下，接触角θ将为零，因此非排放场景描述为：

pci≥ph+pco

并且在极限中：

同样，使用上述典型值，这表明感测室的入口与下游弯月面和废物出口之间的允许高度差可以是36mm的量级。其结果是，即使入口端口33本身不保持湿润，感测室37也不太可能在正常使用中去湿，因为这是相当大的高度差，其指示不寻常的倾斜量。

此外，感测室不太可能通过从入口滴出而去湿。如图5d所示，先前考虑的场景的另一个极端是在液体开始从入口滴下之前的极限。同样，在这种情况下，弯月面的曲率半径(此时在另一个方向上)等于入口毛细管自身的曲率半径。在这种情况下，假设δh是入口弯月面和出口弯月面之间的高度差，并且出口被抬高以促使流出入口，非滴下场景描述为：

pci≥ph-pco

并且在极限中：

再次，替换典型值表明最大允许δh为37mm的量级。再一次，这处于使用中正常处理的可容范围内。

因此，从以上分析可以看出，一旦装置30从非激活状态切换到激活状态，液体传感器35将在正常条件下保持湿润。此外，即使输入端口33变得去湿，这也不一定会导致传感器暴露于气/液界面，因为该界面很可能被固定在感测室37的入口处。

还可以考虑这种稳定性如何影响将样本输送到感测室37的能力。在图5e中，考虑了将流体从“水洼”芯吸到输入端口33中的第一极端。在这种情况下，用于吸入流体的毛细管压力通过入口(具有长度l)中的层流损失来平衡：

应用典型值(包括μ＝8.9x10^-4n.s/m²和l＝3mm)，可以得到25μl/s的流速。当样本体积低时，这是足够的，例如在总体积为约200μl的微流体装置中。

在另一个极端中，如图5f所示，样本可以作为液滴(例如来自手指的血滴或来自移液管的液滴)供应到输入端口33。在这种情况下，驱动力是液滴的拉普拉斯气泡压力：

对于1mm的液滴，压力约为144帕(使用典型值)。与水洼芯吸场景相比，2d近似表明这大约20倍大，因此对于相同的粘性阻力可以预期大约500μl/s的流速。

其结果是，可以看出，装置30(例如入口38和出口39以及液体收集通道32的尺寸)不仅可以配置成在感测室37中稳健地保持润湿状态，而且也可以容易地操作以将流体吸入感测室37中。当已经供应样本时，装置30返回到新的均衡，其中装置将不会去湿/排干。也就是说，装置30被配置为避免感测室37的自由排放。特别地，样本输入端口33、感测室入口38和液体收集通道32被配置为避免这种排放，使得当操作激活系统以完成感测室37下游的流路时，即使在装置30倾斜时，传感器35仍保持未暴露于气体或气/液界面。换句话说，感测室入口33和液体收集通道32因此配置成平衡毛细管压力和流动阻力，以避免在流路完成时感测室37的自由排放。

在考虑如何配置感测室入口和液体收集通道以平衡毛细管压力和流动阻力时，考虑装置实际上如何工作是有帮助的。通过完成液体出口和液体收集通道32之间的流路来实现装置注液到其“激活状态”。下游收集通道和样本输入端口处的毛细管压力是平衡的，使得在装置激活后，气体不会被吸入样本入口端口，并且样本输入端口向测试液体呈现湿润表面。如果液体收集通道处的毛细管压力大于样本输入端口处的毛细管压力，则装置将在激活后排放，缓冲液被吸入收集通道。

在装置激活之后并且在添加测试液体之前，可以认为装置处于均衡状态，即其中输入端口处的压力等于下游收集通道处的压力。在该均衡状态下，液体保留在感测室中，并且气体不被吸入所述输入端口，使得输入端口向待引入装置的测试液体呈现湿润表面。该装置被配置成确保力的平衡以使得感测室保持充满液体并且该液体(至少部分地)保留在入口、出口和液体收集通道中。如果通过改变液体的位置(而不向系统添加或从系统去除液体)来扰乱均衡，则推动恢复到该均衡。当液体移动时，它将产生新的气/液界面。因此，这种力的平衡和均衡的恢复将通过这些界面处的毛细管力被有效地控制。

理想地，力的平衡使得在激活或添加一定体积的液体之后，液体填充样本输入端口并呈现湿润表面。然而，在激活/灌注之后可能需要一些调整，以便在样本输入端口处提供湿润表面。在任何情况下，入口端口配置成使得在将测试液体添加到所述端口之后，输入端口处的毛细管压力小于下游收集通道处的毛细管压力。这提供了将测试液体吸入所述装置的驱动力，从而将液体从感测室移动到液体收集通道中。这一直持续到样本输入端口和液体收集通道处的压力再次达到均衡为止。该驱动力可以通过改变施加到输入端口的一定体积的液体的形状来提供，如公式1所示，其中施加到端口的一定体积的流体(例如图5f中所示的具有特定曲率半径)“坍塌”到端口，从而降低有效弯曲率并提供拉普拉斯压力(例如由于测试液体的体积的压头，也可能存在总驱动压力的其他分量，当该体积被引入装置中时，其会随时间减少)。液体入口直径有利地小于液体收集通道的直径，使得流体位于输入端口处和传感器上，并且液体作为连续相而不是由气体分离的离散相存在于装置中。

随后可以将另外体积的样本施加到装置，以进一步从感测室中置换缓冲液。这可以重复多次，使得缓冲液从感测室中的传感器移除并被测试液体替换。从传感器完全置换缓冲液所需的次数将由装置的内部体积、所施加的测试样本的体积以及可实现的驱动力的程度来确定。

因此，在该特定实施例中，可以例如通过使用移液管将测试液体吸入装置中并置换缓冲液，而无需使用者施加额外的正压力。这简化了测试液体到装置施加。出人意料且有利地，本发明提供了一种可以以“湿润状态”提供的装置，其中液体可以通过仅将另一种液体施加到装置而从装置中移出。

此外，上述分析仅考虑线性配置。图6是替代配置的示例性微流体装置30的示意性平面图。在这种配置中，在室37的出口39下游的废物收集通道32设置在扭曲或弯曲路径中，以将通道32保持在距样本输入端口38限定的最大半径内。这样的配置允许大长度(并且因此大体积)的废物收集通道32，同时将下游弯月面的最大距离保持在最大半径内。该最大允许半径由输入端口38和下游弯月面之间的允许高度差决定，该高度差不会导致感测室37排放。换句话说，纯粹的线性布置将导致弯月面在一定量的使用之后达到最大允许高度差，但是在弯曲布置中，弯月面被转移回到更靠近输入端口33，因此未达到临界条件。这是因为弯曲布置使下游弯月面保持更靠近输入端口，需要更大的倾斜角度以获得相同的高度差(对于下游通道中任何给定量的液体，假设通道的尺寸不变，只有通道的路径改变)。

此外，即使样本输入端口33确实去湿，装置30也可以是可操作的，以便使系统重新处于激活状态。在图2和4的示例中，可以通过样本输入端口33直接向入口38供应额外的液体。替代地，可以通过从出口39和感测室37将液体抽吸回到入口38和样本输入端口33中来促进再润湿。另一种替代方案是通过缓冲液供应端口34提供额外的流体。

然而，在其他实施例中，至少图2实施例的阀31的下游部分可以被省略，并且由另一形式的流路中断部代替。例如，下游废物通道32可以通过表面处理(例如疏水性物质)与饱和体积隔离，这将有效地形成对上游液体的屏障，直到通过注液或冲洗动作引发的强制流动去除所述中断部。这种表面处理实际上是疏水阀。实际上，中断部36可以是可由激活系统移除或克服的任何流动障碍物。

图7和8是本文描述的装置的示例性实施例。

图7示出了装置30，其中移液管90用于向输入端口33提供样本。在该示例中，端口33居中地设置在感测室37中的传感器上方。在该示例和图8的示例中，提供了图2中所示类型的阀31(即，打开和关闭样本室37的上游和下游通道的单个阀)。

在图8中，装置30的主图像示出了样本输入端口上存在塞子或密封件33a。展开的图像示出塞子33a被移除，露出下面的样本输入端口33。在该示例中，样本输入端口33设置在包含传感器35的感测室37的最上游端。这是有利的，因为在上游清洗端口58关闭的激活状态下，通过迫使样本通过端口33可以快速填充样本室37，以便置换已经位于样本室下游的缓冲液(即由于关闭的清洗端口58，所以上游置换是不可能的)。

现在讨论本发明的微流体装置30的一些操作场景(即，如图8所示)。

在第一种配置中，阀31打开，样本端口33也打开(即不存在塞子33a)。清洗端口/缓冲液供应端口34关闭。在这种配置中，移液管可以用在通气端口38处以抽出所有液体，包括从样本池中抽出液体。替代地，如果液体被供应到该端口，则它将流体置换通过废物储存器32到感测室37中并从样本端口33流出。

在另一种配置中，阀31和样本输入端口33是打开的，并且通气端口58是密封的。在这种场景下，移液管可以将流体提供到清洗端口34中，从而迫使流体通过样本池进入样本室37(即达到饱和体积)并且向下游进入储存器32。如果样本输入端口33已经去湿，那么这也会导致其变湿。替代地，如果移液管用于排出液体，则感测室和装置的上游部分可以排出液体。

在另一种配置中，阀31、清洗端口34和通气端口58都是打开的。在该配置中，可以将移液管供应到样本输入端口33以将样本提供到感测室中。替代地，如果移液管用于从样本输入端口33排出液体，则感测室37可以排出液体。如果这是缓慢完成的，也可以从废物储存器32中抽回液体。

在另一种场景下，阀31和清洗端口34打开，而通气端口58关闭。在这种场景下，如果需要，可以通过样本输入端口33施加流体以迫使流体流出清洗端口34。替代地，从样本输入端口33提取液体将经由清洗端口将空气吸入到样本池中。

在另一种配置中，阀31和通气端口58打开，而清洗端口34关闭。在这种场景下，供应到样本输入端口33的流体可以更快地推入样本池中，而没有流体从清洗端口溢出。替代地，如果快速完成，在这种场景下从样本输入端口33提取流体将使样本池和下游废物储存器排出液体。

在另外两种配置中，阀31关闭。在一些配置中，关闭阀31可以将上游清洗端口34连接到下游废物储存器32，同时隔离感测室(即，在图2的布置中，上游清洗端口34并未如此连接到下游废物储存器32，但增加阀通道31b的长度可导致这种连接)。当进行这样的连接时，可以从通气端口58填充废物(即，使得任何液体从清洗端口34溢出)或者从清洗端口34填充废物(即，使得任何液体从通气端口58溢出)。此外，可以通过从清洗端口34或通气端口58中的任一个(假设另一个是打开的)抽出液体来清空废物。

图9示出了从装置90的一部分的样本输入端口92延伸的引导通道91的示例性设计。引导通道从端口向外逐渐变细，并用于将施加到通道的移液管吸液头100引导到样本输入端口。引导通道也朝向样本输入端口向下倾斜，这有助于移液管吸液头移动到所述端口。一旦移液管吸液头被引导到样本输入端口，使用者就能够将液体样本从移液管吸液头施加到端口。套环93用于界定通道的区域，并用作直接施加于样本输入端口的移液管吸液头的支撑件。由于端口的尺寸(例如，直径可以是1mm或更小)，使用者将移液管吸液头直接定位在样本输入端口本身可能是具有挑战性的。如果需要，向外逐渐变细的通道区域为使用者提供了更大的目标区域，以便将移液管吸液头定位和引导到样本输入端口。

通过示例方式提供了前面的描述。