压差辅助排水系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年4月15日提交的美国临时专利申请us62/657,834的优先权，依赖于其全部公开内容，并将其全部公开内容通过引用并入本文。

背景技术：

技术领域。本发明通常涉及关于酶或微生物的测量或测试系统和方法，更具体地涉及排水系统及其排水方法。

现有技术的描述。如图1-2c所示，几乎所有的微流体装置或单元a具有液体入口12和液体出口13，液体入口12和液体出口13经由微流体通道16连通。图1是芯片、基底或板b上的一系列微流体单元a的简化的俯视图。通常，将微流体单元a承载在支撑多个微流体单元a的芯片、基底或板b上或其中。在图1的示例中，在共同的板b上承载十二个微流体单元a。在x轴线上的两个相邻的微流体单元之间的空间距离由尺寸变量x'表示。类似地，在y轴线上的两个相邻的微流体单元之间的空间距离由尺寸变量y'表示。这些尺寸变量x'、y'以及板b上承载的微流体单元a的数量取决于设计者和制造者的偏好。

图2a-c是一系列微流体单元a的高度简化的侧视图。周围环境11和底部增压室14是分开的。底部增压室14中的压力p1低于周围环境(或周围压力)中的压力p0，将空气从下部增压室14中拉出或抽出通过真空系统15而产生该情形。

微流体通道16可以是笔直的路径，或是螺旋形或蛇形或任何其他合适的模式。参见例如2017年4月6日公开的us2017/0097345，其全部公开内容通过引用并入本文。在使用时，小段液体将沿着微流体通道16顺流而下，并沿着从其相关联的入口12朝向其出口13的方向移动。通常将该液体段称为液体塞17。微流体装置a的正确运行取决于液体塞17通过其微流体通道16的有效且成功的运动。压差是沿微流体通道16驱动液体塞17的最常用方法之一。这通常涉及在入口12和出口13之间创建压差——以出口13侧低于大气压的形式(图2a-c)，或以入口12侧高于大气压(图6a-c)的形式，或与周围大气条件无关的简单压差的形式。

如图1-2c和6a-c的示例所示，当多个微流体单元a共存于同一芯片或板b上时，可观察到每个单元a都有其自己的液体入口12和出口13。在图2a的示例中，到四个示意性示出的微流体单元a的入口12暴露在相对较高的压力p0下。出口13通常暴露在相对较低的压力p1下，其中p0代表周围大气压力。该压差(p0＞p1)促使每个单元a中的液体塞17朝它们各自的出口13行进。同样地，在图6a的示例中，到四个示意性示出的微流体单元a的入口12暴露在顶部增压室19中相对较高的压力p2下。出口13通常暴露在相对较低的压力p0下，其中p0再次代表周围大气压力。如在前面的示例中一样，压差(p2＞p0)激励每个单元a中的液体塞17朝它们各自的出口13行进。

然而，在使用公共板b上的一些但不是全部的微流体单元a的情况下，当使用压差来驱动液体塞17通过它们各自的通道16时会出现问题。图2b和6b示出了该问题，其中由于没有液体塞，从左起的第三个单元a中的入口12和出口13连通。通过没有液体塞17的多个单元a，图2c和6c也示出了该问题。结果是，对于单元来说，没有塞17的微流体通道16是打开的，并且穿过其中的空气的自由流动阻止了压差的适当形成。在任何给定的特定单元中没有液体塞的可能的原因包括：(1)在实验过程期间的任何时候未使用过特定的一个或多个单元；和(2)使用了一个或多个特定单元，然而液体塞17比其他单元a中的塞17更早出来(排空)。不管原因是什么，在一个单元a(图2b、6b)或多个单元a(图2c、6c)中没有液体塞17的结果是：所有其余的单元a的入口12和出口13处的压力很快达到平衡，从而导致所有运输的液体塞17停止流动并被困在各自的通道16中。一个或多个液体塞17的停滞是非常不希望的。

因此本领域中需要微流体装置排水的改进的方法和系统，其将避免液体塞17发生停滞。

技术实现要素：

本发明涉及用于解决上述问题的方法和相关的排水系统，使得无论在每个微流体单元中是否存在液体塞，都可以在入口和出口之间保持压差。

根据本发明的第一方面，提供了用于促使至少一个液体塞通过微流体通道朝向出口运动的排水系统。该系统包括基座。盖可操作地连接到基座。增压室与基座和盖中的其中一个相关联。半渗透层布置在基座和盖之间。半渗透层配置为对流经微流体通道的空气提供气动阻力。

根据本发明的第二方面，提供了用于促使至少一个液体塞通过微流体通道朝向出口运动的排水系统。该系统包括基座。盖铰接地连接到基座以在打开位置和关闭位置之间摆动。增压室与基座和盖中的其中一个相关联。配件从增压室延伸。软管附接到配件。泵可操作地连接到软管以在软管中生成负压和/或正压。半渗透层布置在基座和盖之间。半渗透层配置为对流经微流体通道的空气提供气动阻力。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于微流体装置排水的方法。该方法包括将微流体孔板放置在容纳台上的步骤。板具有至少一个微流体单元。单元包括入口和出口以及在各自的入口和出口之间延伸的微流体通道。该方法进一步包括在相对于微流体单元的入口和出口之一处定位的增压室中生成压差。并且，该方法还包括抵靠出口按压半渗透层以对流经微流体通道的空气提供气动阻力。

本发明的系统和方法通过压差提供了方便、可靠和成本经济的方式来驱动液体塞通过微流体单元。压差可以通过任何方便的方法生成，并且可以通过负压(即真空)或正压来操作压差。

附图说明

当结合以下详细描述和附图考虑时，将更容易理解本发明的这些和其他特征和优点，其中：

图1是支撑在共用的承载板上的一系列微流体单元的简化的俯视图；

图2a-c是现有技术排水系统的示意图，其描绘了三种不同的运行情况，并且其中真空从底部抽出以建立压差；

图3a-c是与图2a-c相当的示意图，然而由于包括半渗透层而示出了某些运行情况中改善的功能，并且其中从底部增压室抽出真空建立了压差；

图4a是替代实施例中的排水系统的示意图，该排水系统包括相对薄的半渗透层，该半渗透层具有由疏松多孔区域包围的致密多孔区域，并且其中从底部增压室抽出的真空建立了压差；

图4b是如图4a所示的示意图，但是示出了半渗透层相对厚的替代实施例；

图5示出了另一替代实施例，其中通过使用柱特征对半渗透层进行局部压缩来创建较高密度区域；

图6a-c是现有技术排水系统的示意图，其描绘了三种不同的运行情况，并且其中从顶部增压室引入正压以建立压差；

图7a-c是与图6a-c相当的示意图，然而由于包含半渗透层，示出了某些运行情况下改善的功能，并且其中从顶部增压室引入正压以建立压差；

图8a是根据本发明的一个实施例的排水装置的顶视图，示出了处于关闭状态的盖；

图8b示出了图8a的排水装置的底部视图；

图8c是图8a的排水装置的前视图；

图8d是图8a的排水装置的右侧视图；

图8e是图8a的排水装置的等轴侧视图；

图8f是大体上沿图8a的8f-8f线的剖视图；

图9是图8e中的排水装置的等轴侧视图，但示出了处于打开状态的盖和爆炸形式的微流体板和半渗透层，并且还示出了可操作地连接的气动泵，

图10a是用于本发明的排水系统和方法的示例性微流体板的局部放大图；

图10b是横向穿过如图8e所示的排水装置的基座的横截面视图；

图11是如图9中的透视图，但具有在基座上方的布置为运行位置的示例性的板和半渗透层。

具体实施方式

本发明涉及解决上述问题的方法和相关的排水系统，使得无论在每个微流体单元中是否存在液体塞，都可以在入口和出口之间保持压差。

本发明的系统和方法在图3a-c中示意性示出，其中局部可压缩的半渗透层21与板b上承载的一个或多个微流体单元a的出口13形成牢固的接触。半渗透层21提供空气流动阻力(根据压缩变化)，使得在几个入口12和出口13之间可以选择性地建立压差。也就是说，半渗透层21配置为对流经一个或多个微流体通道16的空气提供气动阻力。如图3a例示，当所有单元a在其各自的微流体通道16中具有液体塞17时，压差可以保持，并且因此可以驱动每个通道16中的液体塞17通过微流体通道16朝向其出口13。在一个微流体通道16(图3b)或多个微流体通道16(图3c)中没有液体塞的情况下，压差仍然可以保持，使得将驱动其余的一个或多个通道16中的一个或多个液体塞17通过相应的一个或多个微流体通道16朝向相应的一个或多个出口13。

半渗透层21可以是吸收液体的结构，使得排出的液体塞17最终被该层21吸收，直到达到其吸收容量为止。在达到半渗透层21的吸收容量之后，继续添加液体将引起沉淀物，该沉淀物聚集在半渗透层21下方的增压室底部14中。可替代地，半渗透层21可配置为不吸收液体的元件，在这种情况下排出的液体穿过并直接地聚集在增压室底部14中。

因此，图3表示出一种情形，其中半渗透层21放置在出口13下方以通过抵抗空气流动而保持有利的压差，而不管一个或多个通道16是否打开。这个半渗透层21可以吸收液体以保留来自出口的液体，或者不吸收液体，在这种情况下液体排到半渗透层21下方的增压室并由其收集。图3a示出了同时存在于所有通道16中的液体塞17在压差下被驱动，该压差是通过将底部增压室14(其与周围环境隔离)与负压或真空系统15接通而创建的。图3b和3c示出了即使打开一个或多个通道16(即，没有液体塞17是一个或多个通道16)时，仍可以保持入口12和出口13之间的压差以驱动存在的液体塞17朝向出口13。

图4a和4b示出了具有不同厚度的半渗透层21a、21b。在图4a中示出了相对薄的半渗透层21a，而在图4b中半渗透层21b是相对厚的。半渗透层21a/b的相对厚度影响附近的通道出口13与半渗透层21a/b的最底部边界之间的距离31。自然而然地，如图4b所示，相对厚的半渗透层21b将具有较大的距离31。半渗透层21a/b的厚度可以在例如约0.1mm至约25mm之间的范围内。

在某些预期的实施例中，半渗透层21a/b是不均匀的。也就是说，可以将半渗透层21设计成在出口13附近具有较高的密度32或某些其它处理以提供更高的空气流动阻力。在不均匀的半渗透层21的这个实施例中，在远离出口13的区域中可以存在较低的密度33或其他处理以提供较高的液体吸收容量。

转到图5，示出了另一替代实施例，其中可根据需要在出口13附近的局部区域中通过柱43生成半渗透层21的较高密度区域32。柱43可以是锥形的(即，通常是圆锥形的)或直的(即，圆柱形的)或穹顶状或任何其他有用的形状。在图5中，柱43的远端示出为削去顶端的尖端的形式示出，其具有平行于半渗透层21的相对平坦的表面，因此给予柱43以大致截头圆锥形的形状。在某些预期的实施例中，柱尖端的形状可以是穹顶状的(半球形)或构造成具有一些其他有利的形状以促进其功能。柱43的尖端位于半渗透层21的底下，在出口13下方直接对准。因此，半渗透层21夹在出口13和柱43的中间。通过在柱43和出口13之间的轻微力，在尖端附近挤压半渗透层21以创建半渗透层21的较高密度区域32，并因此得到更高的空气流动阻力。通过改变柱43的顶部与通道16的出口13之间的距离31，可以控制期望的气流阻力。距离31可以通过设计来设定，或者在某些实施例中可以通过手动压力来设定，该手动压力可以允许受操作员操纵的气流阻力的动态调制。如图8f、9和10b所示，当有一系列出口13时，可以使用一系列柱43，使得在每个出口13下方的半渗透层21中可以创建较高密度区域32。

如前所述，通过降低出口13所处的下部或底部增压室14中的压力p，或者可替代地通过增加入口12所处的顶部增压室19中的压力p0，可以生成压差。图3a-c示出了通过将底部增压室14连通到真空发生器15，在底部增压室14中创建负压(即真空)或低压区域p。图7a-c示出了通过将顶部增压室19(入口12所处的地方)连通到压力发生器18，在入口12和出口13之间生成压差。在后一种配置中，顶部增压室19处的压力p3将大于周围环境11(或下部增压室14)的压力p0。

在图7a-c中，半渗透层21放置在出口13下方以保持压差，而不管一个或多个通道16是否打开。半渗透层21可以是吸收液体的，以从出口13抽离液体，或者是不吸收的，在这种情况下液体由半渗透层21下方的增压室14聚集。图7a示出了所有通道16中的液体塞17在压差下被驱动，该压差通过顶部增压室19(其与周围环境或底部增压室14隔离)与压力产生系统18连通而生成。图7b和7c示出了即使当一个或多个通道16是打开(即，不存在液体塞17)时，仍可以保持入口12和出口13之间的压差以驱动液体塞17朝向出口13。

图8a-f示出了根据本发明的实施方式的示例性排水装置的多个视图，该示例性排水装置配置为实施图3a-c的示意性设计。这些视图中的排水装置采用具有基座80和铰接盖82的蛤壳状结构的形式。在图8a-f的所有视图中，盖82示出为处于关闭状态。如图8f中最佳可见，底部增压室14集成到基座80中。配件或接头84与底部增压室14连通，以使能够连接导管或软管54(图9)。

图9是图8a-f的示例性排水装置的透视图，但是示出了处于打开状态的盖82。从该图中可以看出，该装置可能配备有闩锁特征或扣钩系统。自然而然地，这种闩锁特征可以采取许多不同的形式。然而，如图9和11所示，示例性的闩锁特征具有附接到盖82的摆动边缘的公部件86和配合至基座80的母部件或容纳部件88。当盖82关闭时(图8f)，两个配合部件86、88互锁以将盖82保持在下面的安全位置。

软管54的一端可操作地连接到配件84。软管54的另一端连接到气动泵55。在该示例中，气动泵55示出为简单的、手动的波纹管装置，然而实际上气动泵55可以是能够在一个或多个微流体单元a的入口12和出口13之间创建合适的压差的任何形式的装置或布置。返回到图示的示例，气动泵55包括真空阀配件15和正压阀配件18。这些各自的配件15、18对应于图3a-c和7a-c的示意图。当通过压缩波纹管以致动气动泵55时，通过选择性地移动配件15和配件18之间的软管54的连接，可以在软管54的内部创建负压或正压。在图9中，软管54示出为附接于真空阀配件15，因为如图3a-c的每个图一样，在该示例中的蛤壳装置配置有底部增压室14。在另一示例(未示出)中，该装置可以配置有顶部增压室19，在这种情况下，软管54反而将附接于正压阀配件18。

图9还以爆炸图的形式示出了带有示例性半渗透层21的示例性微流体96孔板b，半渗透层21摆放于板b和一系列柱52之间，柱52像石笋一样从基座80中的升高的容纳台延伸。优选地，柱43与板b的各自的出口完全对准。如在该视图中清楚所见，盖82的内表面可配置有一系列负载分配元件58。负载分配元件58用于将微流体阵列单元b和半渗透层21锁定在装置内的适当位置，使得柱52将与出口13正确对准，从而当盖82关闭时，更均匀地分配向下的压力通过夹在中间的组件。

图10a是可用于本发明的排水系统和方法的板b的一种示例性样式的局部放大图。板b示出为支撑多个微流体单元a，每个微流体单元a具有在各自的入口12和出口13之间延伸的蛇形微流体通道16。这里示出的示例性的板b是由密歇根州安阿伯市的optofluidicbioassay，llc设计的商标为的微流体96孔板。尽管测试数据已表明产品特别适合在本发明的排水系统和方法中使用，但可以预期的是，其他样式和来自其他制造商的板b也有可能在本发明的排水系统和方法中表现良好。

图10b是横向穿过如图8e所示的排水装置的基座80的横截面视图。截面线穿过底部增压室14并沿配件84轴向切割。在升高的容纳台中示出了向上延伸的一系列柱43。柱43与微流体板(未示出)的出口13对准。板b可类似于图9和10a中示出的板。将多个气孔61策略性地布置为穿过顶部、邻近柱43。如最终通过配件84离开的方向箭头所示，空气孔61提供通向底部气室14的空气循环路径。

图11是如图9中的透视图，但示例性的板b和半渗透层21设置在基座80上方的操作位置。在该视图中，盖82打开，盖82内部的负载分配元件58作为直线布置的肋清晰可见。自然而然地，在本发明的精神和范围内，排水装置可以采取许多不同的形式。

本发明包括在单个微流体装置b上的多个独立的微流体单元a中的入口12和出口13之间创建并保持压差的方法和排放系统，以便驱动微流体单元a中的液体塞17朝向它们各自的出口13，而不管一个或多个微流体单元a是否打开。排水系统包括具有一些或所有提到的属性的前述的半渗透层21。在某些实施例中，通过改变施加到半渗透层21上的压力(如图5中所示)或改变半渗透层21的区域密度(如图4a-b中所示)或两者并施，可以改变空气流经一个或多个微流体通道16的气动阻力。应进一步理解的是，本发明不受负压(真空)和/或正压生成系统或任何其他这种辅助或周围特征的性质和设计的限制。此外，可以预期的是，负压和/或正压生成系统可以连通到一个或多个子腔室，每个子腔室仅服务于出口13的一小部分。

通过在入口12和出口13之间的压差(该压差仅由连通到底部增压室14的一个真空系统或仅连通到顶部增压室19的一个压力发生系统生成)，该方法提供了一种简单的方法来将多个独立的微流体单元a(和通道16)中的液体塞17朝向它们各自的出口13驱动。

已经根据相关法律标准描述了前述发明，因此该描述是示例性的而不是限制性的。对所公开的实施例的变化和修改对于本领域技术人员而言可能变得显而易见并落入本发明的范围内。