流体过滤装置和组件的制作方法

流体过滤装置和组件的制作方法
【专利摘要】一种流体提纯装置和组件，在提纯层中包括用于待提纯的流体的入口、用于处理后的流体的分离出口和浓缩出口，其中，提纯层包括以图案布置的多个提纯单元，并且其中，浓缩出口的横截面小于入口的横截面。
【专利说明】流体过滤装置和组件
[0001]本发明的领域
[0002]本发明涉及一种流体提纯(refining，提炼，精炼)组件，特别地，涉及这样一种装置，即，其能与微制造(microfabricat1n，精密制造)技术相兼容，并且能应用在微流体和其他相关技术的领域中，并且能在更大体积量的情况下操作。
[0003]背景
[0004]微流体的领域关注几何地被约束于小(通常亚毫米)尺寸的流体的行为、控制和操作，并且更典型地关注毫升规模(等级，scale)、微升规模、纳升规模或甚至更小规模的体积的流体。人们可能希望对所有规模的流体施加的共同处理操作，包括浓缩、分离、混合和反应处理。
[0005]在近几十年，小型化技术已经发展，其特别地在化学和生物技术领域中已经使得现在常用的芯片实验室式(lab-on-a-chip)装置出现。例如，已经知晓了微化学装置和微机电系统(MEMS)(诸如生物微机电装置)。
[0006]但是，将设计成用于相对较大体积的流体的传统流体处理系统直接小型化以便在微流体领域中使用的做法并不总是可行的，在所述做法中，所述系统将被典型地设置在作为芯片实验室式装置的芯片上。将离心处理作为实例:离心处理涉及圆板，并且包括复杂的机械和电气系统，它们仅可容易地用来处理至少几十毫升规模的相对较大体积的流体。对于微流体(其中流体的体积通常在微升或纳升规模)，这种装置将是不经济的。从物理工程的观点，可能也极难于将传统离心系统直接小型化成芯片规模的装置。
[0007]样本的浓缩和分离是临床化验和生物医学分析所不可缺少的。在近二十年内，对用于这些应用的细胞分级和隔离的需要已经增加，以用于分子诊断、癌症治疗、和生物技术应用。因此，已经开发了用于小/微体积的流体的浓缩/分离的可替代系统，其涉及不同机构。在这些系统之中，一些系统利用机械原理，诸如力、几何等;并且另一些系统利用多物理学耦合方法，例如磁场、电场、光学等。
[0008]为了浓缩目的，通过利用细胞大小、形状和密度的差别，已经开发了各种薄膜结构微浓缩器，诸如通过使用用于分离流体组分的离子径迹蚀刻(1n track-etching)技术形成的超滤薄膜或纳米多孔薄膜。参见例如，R.V.Levy和M.W.Jorni tz的“Types ofFiltrat1n(过滤的类型)” ,Adv.B1chem.Engin./B1techno1.，2006年第98卷，第1-26页，以及S Metz ,C Trautmann,A Bertsch和Ph Renaud^ uPolyimide microf luidic deviceswith integrated nanoporous filtrat1n areas manufactured by micromachiningand 1n track technology(通过微机加工和离子径迹技术制造具有整体形成的纳米多孔过滤区域的聚酰亚胺微流体装置)”，Journal of Micromechanics and Microengineering(微观力学和微观工程学杂志)，2004，14:8。更甚至的是，已经发明了具有多个膜(薄膜)的MEMS过滤模块，参见:Rodgers等人，MEMS Filter Module(MEMS过滤模块)，US 2005/0184003A1。
[0009]但是，由于在这种薄膜(膜)中存在“死角(dead-ends)”，对于具有这种平坦薄膜结构的微过滤器来说，堵塞是常见的，并且在具有多个膜的那些微过滤器中可能甚至更加严重。此外，具有平坦薄膜结构的微过滤器要求专业的制造过程，这导致难以将这种薄的功能薄膜结合到芯片实验室系统上。
[0010]为了消除薄膜过滤器中的死角，开发了所谓的“横向流(cross-flow)”过滤器，参见例如:F ο s t e r等人的M icrofabricated cross flow filter and method ofmanufacture(微制造的横向流过滤器及制造方法)，US2006/0266692A1以及Iida等人的Separating device, analysis system,separat1n method and method formanufacture of separating device(分离装置、分析系统、分离方法以及用于分离装置的制造的方法)，EP1457251A1。在他们的发明中，过滤屏障经常被制成为具有任意形状，具有简单的几何形状轮廓，即，方形、梯形、甚至新月形。屏障的这些非流线形轮廓将导致过多的流阻，这降低了过滤效率。此外，由于在这些任意几何形状轮廓中存在方形拐角部或尖端(月角，cusps)，所以在实际应用中容易出现堵塞，原因在于靶细胞或靶粒子可具有相当大的可变形性和粘性。
[0011]FR 2576805关注一种过滤装置，其包括至少一个过滤模块，并且其中，每个过滤模块均包括过滤材料。过滤材料例如是来自于天然织物材料或合成织物材料或金属或任意合适的织物纤维、毡制品等的多孔薄膜。这种过滤材料将容易被所过滤的流体中的任何杂质和颗粒堵塞。存在对这样的流体提纯组件的需求，所述流体提纯组件改进现有技术、并例如具有以下特征:
[0012]-较小的压力损失，
[0013]-不堵塞，
[0014]-高度地可分级(scalable)
[0015]在本说明的上下文中，术语“提纯”将意味着所有类型的流体处理，诸如流体的分类、分离、浓缩、或过滤，所述流体包括颗粒、多相流体、或其它流体。
[0016]本发明的目的
[0017]本发明的目的是提供一种流体提纯组件，其改善了流体流动、并且平衡了流过组件的压力和体积。
[0018]本发明的目的通过权利要求的特征实现。
[0019]在一个实施方式中，一种流体提纯装置在提纯层中包括用于待提纯的流体的入口、用于处理后的流体的分离出口和浓缩出口，其中，提纯层包括以图案布置的多个提纯单元，并且其中，提纯层在浓缩出口处的横截面小于在入口处的横截面。
[0020]系统内的三叶虫式(Trilobite)单元之间的距离将总是显著大于最大的进入颗粒。这意味着，复合液遇到的第一装置是与典型的薄膜式过滤器完全相反的类型。在典型薄膜式过滤器中，复合液内的颗粒将遇到孔隙(pore)，所述孔隙显著地小于液体中的最大颗粒，并且其将在很大程度上阻碍流体流。在三叶虫式系统中，流不会被阻碍，并且因此，压力损失将减少。
[0021 ]在本发明的一个实施方式中，横截面面积的减小与流过分离出口的流体的体积成比例。以这种方式，流体流和压力平衡相比于现有技术得到了改善。
[0022]提纯单元可被设置成根据颗粒尺寸与通道尺寸之间的关系而在彼此之间具有距离，以便进一步增强流动特征和颗粒分离。
[0023]提纯单元可被设置成根据待处理的流体的速度分布(velocityprofile)而在提纯单元之间具有距离，以便避免提纯单元下游出现再循环区域(recirculat1n reg1n)。在提纯单元之间的大距离以及流体的大流量的情况下，可能产生气泡，所述气泡能捕获颗粒，因此引起颗粒采用与预期路径不同的路径，因而减少了提纯装置的有效性。提纯单元之间的距离应与流速平衡。
[0024]在一个实施方式中，提纯单元以规则的图案分布在提纯层上。图案可在多种不同的规则图案之中选择，并且例如是六边形紧密排列(close packed)图案、立方紧密排列图案、随机紧密排列等的一个层。
[0025]在另一实施方式中，提纯层被成形为对称的梯形(等腰梯形)，并且入口被布置在梯形的宽底处，并且浓缩出口被布置在梯形的短底处。限定提纯层的完整层可具有期望的形状，或者提纯层中的提纯单元的图案的轮廓具有期望的形状，例如被成形为对称的梯形(等腰梯形)。在后一种情况下，入口和浓缩出口可被限定在提纯单元的图案的轮廓内或轮廓处。
[0026]本发明的目的还通过一种流体提纯组件实现，该流体提纯组件包括用于待提纯的流体的入口、用于提纯后的流体的至少分离出口和浓缩出口、提纯层、收集层和覆盖层，其中，提纯层包括以图案布置的多个提纯单元，其中，图案的轮廓被成形为对称的梯形(等腰梯形)，并且其中，入口被布置在梯形的宽底处，并且至少一个出口被布置在梯形的短底处。
[0027]流出浓缩出口之外的流体流被构造成被减少到最小量的流，以便使三叶虫式系统被构造所要浓缩的颗粒的浓度最大化。此浓缩在处于360度暴露时发生，以使最大可能的流最大化。该系统首先分离出最大的颗粒，而不会引起对流动方向或对颗粒的任何直接干扰。
[0028]在一个实施方式中，一种用于在如上所述的流体提纯装置中使用的流体提纯单元可包括:一个输出流通道;面向朝向进入流体的上游方向的一个钝头鼻部部分;面向下游方向的一个屏障部分;屏障部分包括一系列的屏障元件和夹设的间隙；屏障元件具有基于流线型设计的祸轮叶片状形状(turbine blade-like shape)，并且夹设的间隙限定屏障通道，屏障通道提供输入流通道与输出流通道之间的流体连通;发生屏障流，其中屏障流与主流之间的角大于90度。
[0029]现在将通过参考附图更详细地描述本发明。
[0030]图1示出了流体提纯装置的提纯层的实例。
[0031]图2示出了提纯层的另一实例。
[0032]图3示意性地示出了用于在流体提纯装置中使用的提纯单元的实例。
[0033]图4示出了提纯组件的元件的实例，在所述提纯组件中使用了本发明的提纯层和提纯单元。
[0034]图5a和图5b示意性地示出了流体提纯组件的实例。
[0035]图1中所示的提纯层10被设计成流体提纯装置的一部分，该流体提纯装置包括用于待提纯的流体的入口 11、用于处理后的流体的分离出口(未示出)和浓缩出口 13。提纯层10还包括以图案布置的多个提纯单元14。提纯层的横截面在本实施方式中被成形为对称的梯形(等腰梯形)，其中，入口布置在梯形的宽底处，并且浓缩出口布置在梯形的短底处。因此，浓缩出口处的横截面比入口处的横截面小。在这个实例中，提纯层和提纯单元14的图案的轮廓具有相同的形状，但是如上述，形状可以不同。例如，提纯层10可具有矩形形状，而提纯单元14的图案的轮廓的形状可以是梯形。
[0036]流体流入到入口 11中，并且沿提纯层10流动。在沿提纯层10流动期间，流体经过提纯单元14，在提纯单元处，进行提纯处理。当流体的流通过提纯单元14中的每一个时，小颗粒(即，具有比提纯单元的特征提纯尺寸更小的尺寸)将被提纯单元14截留/捕获，流和小颗粒中的一些将从该位置处通过分离出口而流出。剩余的流体和颗粒通过浓缩出口 13离开提纯层10和流体提纯装置。分离出口被设计为允许尽可能大的量的流体离开，以便使提纯装置可浓缩的颗粒的浓度最大化。但是，离开浓缩出口 13的流体的量应足够大，以便允许流体流在提纯层10上大体上恒定。这通过提纯层10的区域上的横截面的减小而被方便地实现。因此，该系统首先分离出最大的颗粒，而不会对流动方向或对颗粒造成任何直接的干扰。
[0037]图2示出了提纯层20的另一实例。在本实施方式中，提纯层20被成形为圆环形(doughnut)，具有圆形外周边和位于中心的圆形开口。入口 11沿外周边的周边布置，浓缩出口 13被布置在中心中的圆形开口处。此外，在本实施方式中，浓缩出口21处的横截面因此比入口 13处的横截面小。
[0038]图3示意性地示出了用于在流体提纯层和装置中使用的提纯单元30的实例。提纯单元30利用两种分离技术，即离心力和横向流死角过滤，的组合。
[0039]如图所示，提纯装置30包括待处理的流体进入的入口流31、鼻部部分32、屏障元件
34、出口流动通道36和浓缩后的流38。
[0040]鼻部部分32是实心的部分，形成提纯单元的面向入口流31的上游半部，并且多孔屏障部分33由多个涡轮叶片状屏障元件或翼片34(所述屏障元件或翼片之间具有夹设的屏障通道39)形成。应当指出的是，该装置中的屏障元件34优选地采取涡轮叶片状形状，但是，其它流畅的形状(诸如圆形、椭圆形等)也可适用。优选地，屏障部分33延伸通过大约180度的角度，如图3中看到的，从=90度延伸到= 270度。
[0041]整个提纯单元是近椭圆柱体形状的，其中它的长轴与通过入口31进入的流体的流对齐。因此，提纯装置30的鼻部部分32最初呈现为面向进来的流体的钝头体(blunt body)，所述钝头体使得流在屏障的两侧上分为两支并通过。应当指出的是，钝头体可以是任何的拟圆柱(cy I indroids )，为圆柱体或椭圆柱体。
[0042]所有的流线型屏障元件34相切于提纯单元的椭圆而定位在内部。
[0043]屏障通道流出现在由相邻的元件34夹设形成的夹设间隙39中，其中通道39中的流的方向形成钝角、与椭圆柱体在每个相应屏障通道的入口处的法线方向相反。如与上述的通道一样，围绕提纯单元和位于通道内的流之间的角为优选地至少90度的角。而且，钝角可根据由主流和穿透流的速度矢量所夹的角测得，如图4中的8所标记的。
[0044]滤液(f i I trate)聚集到装置30的中心，并且通过出口流通道孔36而退出，在所述出口流通道孔处，滤液可然后通到例如收集层(如下面所描述的)。
[0045 ]对于低雷诺数的流，在给定均勾速度u O的流的情况下，围绕椭圆形的提纯单元的局部速度分布可根据势流理论(potential flow theory)(参见1.G.Currie.Fundamentalmechanics of fluids(基础流体力学)，第二版，McGraw-Hill:纽约，1993。)，即:_u0( 1+b/a)sin sin2+(b/a)cos2，其中参数a、b分别是屏障的长轴和短轴，被定义为局部位置相对于进入流的角度。应注意的是，该角度大于90度。
[0046]由于提纯单元30的椭圆柱状，由流所经历的离心力的结果是，高流速粒子通常具有比低速颗粒更加远离提纯单元的轨迹。颗粒速度是由包围颗粒的载体流体的速度所决定的。进而，围绕颗粒的局部流体速度强烈地耦合到被供给的流体的流速。因此，颗粒保留在主流中的概率随着被供给的流体的流速增加而增加。小颗粒(甚至比障碍物之间的间隙更小的颗粒)由于离心力而可能会保留在高流体速度的主流中。
[0047 ]当包含固体组分(诸如，例如血细胞)的流入流体围绕提纯单元32、33通过时，具有更高质量的更大细胞37因而由于这些效果而倾向于被迫远离屏障通道39的入口、并且倾向于通到剩余物出口 38。相反，具有更低质量的更小细胞35可保持更接近提纯单元和屏障通道的入口的表面，并且因此使得能够被迫使通过元件34之间的通道39。
[0048]由于通道39相对于围绕屏障33的流体流所成的钝角，通过通道39的流是反向流，该反向流包括相对于围绕屏障33的主流动方向的朝向上游的成分。应该注意的是，所述反向流是由提纯单元的几何形状设计而引起，而不是由流体流本身引起。
[0049]为了防止堵塞，屏障元件34的形状相对于所穿过的流的方向收敛发散。这产生了推动颗粒远离小颗粒入口区域的相反的压力梯度。
[0050]为了使涡流和低流速区域(所述涡流和低流速区域两者均可降低分离效率)的产生最小化，提纯单元具有流线型的形状。鼻部部分32被成形以使在屏障通道39的方向上的流速最大化。
[0051]从这个描述中，将清楚的是，提纯层(例如如图1和/或2中所示)中的单元(诸如图3中的单元30)的尺寸、单元之间的距离、翼片的尺寸以及待分离出的颗粒尺寸是相关的。单元之间的距离与颗粒尺寸相关，并且单元尺寸、翼片尺寸以及翼片之间的间隙是密切相关的、并且可根据提纯装置的使用来选择。
[0052]图4示出了提纯组件的元件的实例，所述提纯组件中使用了本发明的提纯层和提纯单元。
[0053]多个提纯单元41布置在提纯层42中。提纯层的形状可以是如图1中所描绘的梯形、或其它合适的形状。在该图中，提纯层包括被组装到扇形部分43中的多个梯形形状的提纯层。多个扇形部分43被组装到圆板、并且被布置在层状结构44中，所述层状结构构成圆柱形流体提纯组件45。布置在一起的两个提纯装置将提供一个输入部和三个输出部。人们可使用两个提纯装置来分离和分类三种不同的颗粒尺寸，并且通过增加更多的装置，可分类出更多种的颗粒/物质。
[0054]在一个装置的情况下，系统将提供两个输出部，从而将进入流体提炼到较小程度。人们得到了两种尺寸的颗粒之间的分离。或者，人们也可将它看作成提纯流体、并且通过移除颗粒中的大于一定尺寸的一些颗粒而使它更加纯净。
[0055]图5a和图5b示意性地示出了流体提纯组件40、40’的两个实例。这两个流体提纯组件是非常相似的，并且类似的部件具有相同的参考标号。流体提纯组件40、40’中的每一个均包括用于待提纯的流体的入口 41、用于提纯后的流体的分离出口 42和浓缩出口 43。组件40包括提纯层46、收集层48和覆盖层47。提纯层46包括以图案布置的多个提纯单元44，其中，该图案的轮廓被成形为对称的梯形(等腰梯形)。在这个实例中，流体提纯组件和所有三个层也被成形为对称的梯形，并且提纯单元的图案的轮廓被布置在提纯层内、具有比提纯层的周边小的周边。如可在图中看到的，入口41被布置在梯形的宽底处或宽底附近，并且出口被布置在梯形的短底处或短底附近。
[0056]在使用中，待提纯的流体流入到入口41中，并且沿提纯层46流动。当流体沿提纯层46流动时，流体经过提纯单元44，如上所述，在所述提纯单元处进行提纯处理。随着流到达各个提纯单元44，小颗粒(S卩，具有比提纯单元的特征提纯尺寸更小的尺寸)将通入到提纯单元的内部中，在所述内部处，存在用于允许流体流入到收集层48中的通道。收集层48包括用于接收来自于提纯单元44的流体的收集空间49。在本实施方式中，收集空间49被形成为位于收集层中的凹部，具有与提纯层46中的提纯单元的图案的轮廓的形状和尺寸相对应的形状和尺寸。然后，流体将沿收集层48流动，朝向并通过分离出口 42。未流过所述提纯单元44的剩余流体和颗粒将通过浓缩出口 43离开提纯层10和流体提纯装置。如针对图1所描述的，分离出口被设计成允许尽可能大量的流体流离开，以便使流体提纯装置可浓缩的颗粒的浓度最大化，同时在提纯层46的长度上保持大致恒定的流体流。
[0057]图5b的提纯组件附加地具有多个支撑元件45，所述多个支撑元件布置在收集层48的收集空间中、并具有与所述收集空间的深度对应的高度。支撑元件45的形式可以是墩、柱、或适合于保持收集层48与提纯层46之间的均匀间距的其它元件。
【主权项】
1.流体提纯装置，包括提纯层，所述提纯层具有用于待提纯的流体的入口、用于处理后的流体的分离出口和浓缩出口，其中，所述提纯层包括以图案布置的多个提纯单元，并且其中，所述浓缩出口的横截面小于所述入口的横截面。2.根据权利要求1所述的流体提纯装置，其中，横截面面积的减小与流过所述分离出口的流体的体积成比例。3.根据权利要求1或2所述的流体提纯装置，其中，所述待提纯的流体包含颗粒。4.根据权利要求3所述的流体提纯装置，其中，所述提纯单元被设置成根据颗粒尺寸与通道尺寸之间的关系而在所述提纯单元之间具有距离。5.根据前述权利要求中任一项所述的流体提纯装置，其中，所述提纯单元被设置成根据待处理的流体的速度分布而在所述提纯单元之间具有距离，以避免所述提纯单元下游产生再循环区域。6.根据前述权利要求中任一项所述的流体提纯装置，其中，所述提纯单元以规则的图案分布在所述提纯层上。7.根据前述权利要求中任一项所述的流体提纯装置，其中，所述提纯层被成形为对称的梯形(等腰梯形)，并且其中，所述入口被布置在该梯形的宽底处，并且所述浓缩出口被布置在该梯形的短底处。8.根据权利要求1-7中任一项所述的流体提纯装置，其中，所述提纯层中的所述提纯单元的图案的轮廓被成形为对称的梯形(等腰梯形)，并且其中，所述入口被布置在该梯形的宽底处，并且所述浓缩出口被布置在该梯形的短底处。9.根据权利要求1-8中任一项所述的流体提纯装置，其中，所述提纯单元在所述提纯层中所布置的图案是紧密排列的六边形图案。10.流体提纯组件，包括用于待提纯的流体的入口、用于提纯后的流体的至少分离出口和浓缩出口、提纯层、收集层和覆盖层，其中，所述提纯层包括以图案布置的多个提纯单元，其中，所述图案的轮廓被成形为对称的梯形(等腰梯形)，并且其中，所述入口被布置在所述梯形的宽底处，并且至少一个出口被布置在所述梯形的短底处。11.一种用于在根据权利要求1-9中的任一项所述的流体提纯装置中使用的流体提纯单元，所述流体提纯单元包括:一个输出流通道;面向上游方向的一个钝头鼻部部分，所述上游方式是朝向进入的流体的方向；面向下游方向的一个屏障部分;所述屏障部分包括一系列的屏障元件和夹设的间隙；所述屏障元件具有基于流线型设计的涡轮叶片状形状，并且所述夹设的间隙限定屏障通道，所述屏障通道提供输入流通道与所述输出流通道之间的流体连通;发生屏障流，其中所述屏障流与主流之间的角大于90度。12.用于流体提纯的方法，包括: -将流体引入入口中，流体沿包括以图案布置的多个提纯单元的提纯层流动、并且流向用于处理后的流体的分离出口和浓缩出口， -流体的一部分流过所述分离出口，并且剩余流体流过所述浓缩出口。13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述提纯层在所述浓缩出口处的横截面小于在所述入口处的横截面。14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，横截面面积的减小与流体的流过所述分离出口的部分的体积成比例。15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述流体的流过所述分离出口的部分包括尺寸小于预定分离尺寸的颗粒。16.根据权利要求12-15中任一项所述的方法，其中，将所述方法用于流体的过滤。
【文档编号】B01L3/00GK105848782SQ201480058461
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年10月24日
【发明人】埃里克·本特森·埃格兰
【申请人】三叶虫创新股份有限公司