CN101309754A - 微流体设备和用于构建微流体设备的方法 - Google Patents

微流体设备和用于构建微流体设备的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微流体设备(1)和用于构建微流体设备(1)的方法，所述微流体设备(1)包括位于壳体(2)内部的袋(3)，其中袋(3)由柔性材料制成且袋(3)附接到安装件(4)上。本发明的目的在于简化包括位于壳体内部的袋的微流体设备的结构，并简化该微流体设备的安装。这通过安装件(4)是壳体(2)的永久固定的部分来实现。也通过构建微流体设备的方法实现，其中，首先，将所述安装件固定在所述壳体内部，然后将所述袋附接到已固定的安装件。

Description

微流体设备和用于构建微流体设备的方法
技术领域
本发明涉及一种微流体设备和用于构建微流体设备的方法，所述微流体设备包括位于壳体内部的袋，其中袋由柔性材料制成且袋附接到安装件上。
背景技术
微流体设备用于微流体系统，其中少量流体通过流动管道泵送，所述流动管道通常制成小直径的小管或制成刻在板表面上的通道。通过该微流体系统，例如可以分析流体中物质的浓度。该分析通常基于化学反应，其中添加试剂给被分析的流体样品。试剂与样品流体一起反应，从而获得可检测的反应产物。由于观察到的样品流体和试剂的量非常小，微流体设备的污染可以完全改变这种分析的结果。分析的质量也取决于所需流体的准确剂量。
US 4796788描述了所谓的“箱中袋”包装物，所述包装物用于不容易在重力情况下流动排出的产品。包括两个固定分接头(tap)的可更换袋固定在纤维箱内部。袋由三层塑料薄膜制成，所述塑料薄膜在其球形边缘处密封在一起。当袋从其扁平制成状态膨胀，产生了两个分开的室：产品室和压力室。为了将产品分配出已填充的产品室，将压力引入到压力室上，从而产品被挤出产品室。
EP 0415691B1显示了另一箱中袋装置，其中帽设备密封袋嘴，以维持袋嘴部分的无菌和卫生状况。袋嘴固定到内和外袋，内和外袋均安装在容器内。此外，袋嘴暴露给容器的外部环境，容器环绕用于液体存储的袋。
发明内容
本发明的目的在于简化包括位于壳体内部的袋的微流体设备的结构，并简化该微流体设备的安装。
根据本发明，这通过安装件是壳体的永久固定的部分来实现。
壳体内部的袋指定为存储流体，如液体或气体。尤其是在微流体设备用于分析目的时，于是试剂存储在袋中。由于袋是柔性的，它可以改变容积。这意味着当袋中没有液体时，那么袋是扁平形的。当流体存储在袋内时，那么它具有比扁平形状态更大的容积。袋通过安装件固定在壳体内。袋至少在袋的一个位置处固定，而它还可以改变其容积。当安装件是壳体的一部分时，袋不必包括单独的安装件。安装件安放在壳体的内壁处。这意味着由壳体环绕的袋可以固定到安装件上，以便袋在壳体内保持在一定位置处。也可以将安装件一次固定在壳体不同位置处，例如面对面布置的壁的两个不同位置处。然而，优选为仅使用一个安装件。这使得该设备的构建更容易且更便利。同样，不同尺寸的袋可以附接到相同的安装件上。不含有安装件的袋在被存储时也具有优势，因为与含有安装件的这些袋相比它们需要更少的存储空间。
在特别优选的实施例中，安装件是分接头。通过分接头，可以在壳体内部和外部之间提供连通。这意味着优选的安装件具有至少两种功能。它将袋固定在壳体内，同时它允许与壳体外的外围流体系统的流体连通。分接头可以从袋内部将流体向外部引导，且以相反的方向从外部向内部引导以填充袋。作为壳体内部的固定部分的分接头提供接口，所述接口独立于壳体内部的已安装的袋。这意味着可以在袋固定之前将外围流体系统连接到分接头。这确保便利而有效的工作状况。当进行分析时，那么可以准备好每一件事情且可以在最后步骤中安装袋。因而，微流体设备的使用变得更灵活。
有利地，袋由单个柔性材料片制成。用于待生产的袋的单个材料片减少了生产袋操作的部分。该片也可以由涂层覆盖。通过涂层，在酸性或侵蚀性介质填充在袋内时袋变得更耐久。在正常使用中，仅袋的内侧与这种介质接触。这意味着仅在材料片的一侧上涂层就足够了。例如，柔性材料片是聚合物片。
优选地，安装件焊接到片的中心上，且所述片围绕安装件折叠。这简化了微流体设备的安装。片的中心是跨过片从一边到另一边的对角线彼此相交的位置。这意味着当片折叠时，两个面对面布置的边线将接触。结果，不需要附加的切削程序来生成袋。
在优选实施例中，袋具有焊接的边。焊接是密封袋边的合适的程序。当袋的边线折叠在一起时，可以产生边。在焊接过程期间，没有产生可能污染袋的内容物的微粒。当需要不同几何形状的袋时，可以独立于袋的形状使用相同的焊接用具。
有利地，袋和安装件焊接在一起。当袋必须安装在壳体的安装件处时，焊接是确保安装件和袋之间气密性的合适方式。焊接也是具有少时间花费的时间效率高的制造步骤，从而可以容易地适应安装件开口的不同几何形状、袋尺寸等。当选择塑料用于袋的材料时，需要少量的热影响，以将袋容易地固定到安装件。当袋也通过焊接制造时，相同的焊接用具也可以用于将袋和安装件固定在一起。当使用更少的技术构建微流体设备时，该制造更有效。
根据优选特征，安装件和壳体的壁制成整体。这意味着袋和壳体在安装之后直接接触。与壳体成整体的壳体内集成安装件避免了可能在壳体壁和安装件之间发生的泄漏问题。同样，减少了制造微流体设备的步骤。用于固定安装件、检查安装件的正确位置和检验安装件和壳体之间的密封连接的制造步骤不再需要。
在优选实施例中，过滤器位于将袋内部与壳体外部连接的流体连接内。过滤器可以安装在袋的开口内、安装件内、壳体的开口的壁之间、安装在壳体处的连接管道内或任何其它适当的位置。过滤器用于小微粒的去除，所述小微粒可能阻塞微流体设备中的微通道。如果微流体设备用于医学目的，过滤器提供无菌流体的额外安全性。
有利地，壳体包括压力室。这意味着壳体设计为承受一定压力每单位面积，如压力箱。与大气压力相比，压力可以为过压或负压。壳体内部保持并按压袋的过压可以将袋中的介质挤出。相反，负压将从微流体设备外部将介质吸入袋内。与其它挤出和吸入介质的方法相比，例如用影响袋的在袋周围的机械方式，压力室是便利的方案，可以通过改变压力值以简单的方式控制。
在本发明的进一步发展中，袋包括多个储存器。实践中，需要不同类型的试剂来分析样品。将这些试剂存储在单独的储存器中是便利的，但使用公共壳体内的同一袋实现。在仅一个壳体中，可得到优选为用于同一分析的几种试剂。不同的储存器，这意味着袋的不同室，可以通过使用一个制成的袋产生。储存器例如通过将袋的两个面对面的侧壁焊接在一起而彼此隔开，其中焊接线距袋的边一定距离。用一个焊接线生成两个储存器。
有利地，储存器各固定到壳体的一个安装件。为了避免储存器之间的互相影响，对每个储存器指定一个单独的安装件。当壳体是透明的时，可以看到每个储存器中不同类型试剂的量。因而，不需要附加的用于检测袋的填充量的设备，且每种试剂可以流入和流出储存器而不影响其它试剂。
根据本发明，本发明的目的还通过构建微流体设备的方法实现，其中，首先将安装件固定在壳体内部，然后将袋附接到固定的安装件。
当袋附接到安装件时，壳体和安装件已经是一个单元。在将袋固定到壳体内的安装件之前，袋可以完全制成。由于袋的材料是柔性的，袋可以附接到任何类型的安装件。仅需要一个制造步骤来将袋插入壳体，即通过将袋固定到安装件。这在安装件构造为分接头时尤其有利。在此情况下，在壳体外部的分接头上的塞紧的设备不需要进一步的装配。每件事都可以事先准备好。当微流体设备用于具有不同类型袋和不同袋尺寸的不同类型分析时，这尤其有利。
特别优选地，袋由单个柔性材料片制成，其中片折叠，且折叠片后彼此接触的片的边界线彼此接合。由于制成的袋应当包括限定的容积，在仅使用一片材料时可以实现较少的不规则性。在折叠之前，片的边界线可以通过切割机或激光器非常精确地切割。当片为矩形形状时，具有四个边线。当片折叠时，面对面的边线彼此连接，留下可以焊接制成袋的三个边线。
在优选实施例中，该方法包括通过焊接将袋固定在安装件上的步骤。焊接是将袋固定到安装件的有效方式。当使用真空模塑或吹气成型过程时，除了将袋固定到安装件之外，该过程形成了袋的形状。
有利地，袋由吹气成型或真空模塑制成。这是生成袋的有效方式。
附图说明
为了更好地理解本发明并显示本发明如何实现，附图图示了优选的实施例。在附图中：
图1显示了微流体设备的第一实施例的截面图，
图2显示了微流体设备的第二实施例的截面图，
图3.1、3.2和3.3显示了袋如何从单个柔性材料片制成，
图4显示了焊接到壳体上的箱形袋，
图5显示了具有已安装的过滤器的流体连接件的截面图，和
图6显示了微流体设备的第三实施例的截面图，该微流体设备的袋包括多个储存器。
具体实施方式
在图1中，显示了微流体设备1的第一实施例。微流体设备1包括壳体2，在此壳体2由固态材料制成，例如塑料或玻璃。在壳体2内部安装有袋3。袋3由柔性材料制成，例如塑料薄片。袋3固定到安装件4，安装件4是壳体2的部分。安装件4是壳体2的单独部分且在袋3附接到安装件4之前附接到壳体2。在构建该微流体设备1的过程中，袋3可以焊接到壳体2。在焊接期间由于热影响，在安装件4的接触区域中袋3将熔化，因而袋3将固定在安装件4处。袋3和壳体2彼此直接接触。
安装件4在此构造为分接头。这意味着诸如液体或气体的流体5可以流动通过安装件4处的第一开口6。安装件4的该开口6与袋3中的第二开口7对应，二者均与壳体2中的第三开口8对应。结果，来自壳体2外部的流体可以向壳体2内部流入袋3中。其它方式也是可行的，即袋内部的流体可以通过开口6、7、8向壳体2外部流动且流出微流体设备1。流体5的流动方向取决于壳体2内部和外部的压力状况。
微流体设备1用于化学分析，尤其用于分析流体中物质的浓度。从而一定量作为试剂的流体5与待分析的另一流体反应。因而，微流体设备1连接到管道系统，在图1中显示了一个连接管道9。管道系统可以在管道内具有一定的压力水平。借助于该压力，可以将流体移动通过管道系统。袋3内部的流体5是否离开袋3取决于压力室10内部的压力相对于壳体2外部管道系统中存在的压力。压力室10由壳体2环绕，壳体2包括用于压力介质13的进口11和出口12。压力介质13为例如液体或气体，例如其中气体压力值至少可以通过压力室10的进口11和出口12处的控制装置控制。如果压力室内部的压力高于管道9内部的压力，由于袋3的柔性材料由周围的压力介质13压缩，于是流体5将离开袋3。此外，在流体5具有高粘度的情况下，它将流入袋3外部的管道系统。取决于压力室10内部的受控压力，流体5可以以受控的方式挤出。可以实现恒定的流率。因而，微流体设备1可以同时用作液体存储和液体泵。
在优选实施例中，分接头具有一个开口。分接头也可以包括两个或更多的开口，例如在不同的方向上。当分接头的至少一个开口布置在重力轴线的方向时，如图1所示，那么需要较少的能量来填充袋3。当袋3装满时，那么没有流体5将自动流出。当在袋3外部需要流体5时，由于流体5的流出量取决于环绕袋3的力，于是可以获得精确的剂量。该力可以非常精确地控制且因而获得受控的流出量。由于安装件4完全安装在壳体2内部，最小化压力室10的泄漏可能性。
图2图示了本发明的第二实施例，其中相同的元件由与图1所示相同的附图标记表示。在该优选实施例中，安装件4不是固定在壳体2处的单独的部分，而是壳体2和安装件4是整体。优选地，安装件4是壳体2的集成部分。这显示了图2是优选实施例的一个可行的示例。在此，安装件4和袋3焊接在一起。在此，袋3的开口7比图1更宽。与图1相比，安装件4和袋3的接触区域以不同的方式选择。在图1中，接触区域定向为水平方向，而在图2中接触区域定向为垂直方向。在图2中，壳体2的一个壁14是可移动的。当壁14向袋3移动时，袋3内部的流体5可以挤出。壁14机械地减少袋3的容积。应当理解的是，图1和2所示的特征可以彼此组合。
图3.1、3.2和3.3示意性地图示了袋3如何从单个柔性材料片15制成。图3.1中，片15具有矩形形状，带有四个边界线16、17、18、19。在片15的中心处生成袋3的开口7，例如通过切割或激光切割。在处理该预制片15的第一步骤中，片15如图3.2所示折叠。边线17与面对面的边的边线19接触，且边线16和18分别折叠到自身上。生成了新的线20，线20不是边线，而是包括开口7的折叠线。在进一步的制造步骤中，边线16、17/19和18焊接形成袋3。在图3.3中，在横截面图中显示了三个焊接边21、22和23以及开口7。
图4图示了进一步的实施例，其中箱形袋3直接焊接到壳体2上。在此情况下，安装件4和壳体2的壁制成为整体，从而安装件4与壳体2的壁相同，而不制成为如图2的台阶形轮廓。为了制造袋3，使用柔性材料片15，例如弹性体。片15沿片15的边24焊接到壳体2上。随后，片15例如通过真空模塑或吹气成型过程成形，在此为箱形，这给出了袋3的轮廓。通过使用真空模塑过程也可以实现任何其它的形状。然而，箱形具有这样的优势：压力室10内部的空间可以最优地使用。袋3的开口7与壳体2的开口6对应，且一起生成了从袋3内部到壳体2外部的流体连接件25。
图5显示了微流体设备1的进一步特征。过滤器26位于流体连接件25内部。进入或离开袋3的流体5将通过该过滤器26。流体连接件25具有扩展的内径，与流体连接件25朝袋3和朝壳体2外部的开口相比，这增加了过滤器面积。在小微粒由过滤器截留时，这具有优势。因而，过滤器的面积对进一步的流体5的通过来说足够宽。在图5中，过滤器26通过与袋3接触的部分的两部分产品插入到微流体设备1中。第一部分27是例如安装件4，而第二部分28是例如壳体2的壁。过滤器26通过夹紧固定在该两部分27、28之间。
在图6中，给出了微流体设备1的进一步实施例。袋3由单个柔性材料片15制成，在此为聚乙烯，且包括四个储存器29、30、31、32。储存器29和30、30和31、31和32分别通过焊接线33彼此隔开。每个储存器29-32固定到单独的安装件4，安装件4是壳体2的一部分。每个安装件4构造为分接头，它经由袋3的四个开口7和流体连接件25将储存器29-32的内部区域连接到管道系统。在此，显示了四个单独的安装件4。也可以制造包括多个安装件4的单件，所述单件在一个加工步骤中固定到壳体2。具有多个储存器29-32的袋3也可以以一个加工步骤固定到安装件4。由于储存器29-32由单件材料制成，这可以毫无疑问地实现，从而含有用于分接头的开口7的袋3侧以限定距离彼此准确地成一线。在一个步骤中，开口7之间的所有的线20可以固定到几个安装件4。
显而易见的是，前述和显示的其它特征可以与图6所示的实施例组合，例如，环绕袋3的压力室10与储存器29-32组合。当该压力室10用于同时从几个储存器29-32挤出流体5时，每个储存器29-32也挤出相同量的流体。这使得精确配量便利。当不希望某储存器挤出时，那么该储存器或多个存储器可以例如通过壳体2外部的管道系统处的控制装置阻塞。
所述的微流体设备1优选为“一次性系统”。这意味着在例如一个部分污染或失效时，通常更换整个微流体设备1。由于微流体设备1的简化结构，也可以仅更换微流体设备1的单个部分，如袋3、流体5和/或壳体2。
应当理解的是，图1到6所述和所示的所有特征是优选实施例，它们可以以多种方式组合生成进一步的实施例，本发明覆盖这种进一步的实施例。

Claims (15)

1.一种微流体设备(1)，所述微流体设备(1)包括位于壳体(2)内部的袋(3)，其中所述袋(3)由柔性材料制成且所述袋(3)附接到安装件(4)，其特征在于，所述安装件(4)是壳体(2)的永久固定部分。
2.根据权利要求1所述的微流体设备，其特征在于，所述安装件(4)是分接头。
3.根据权利要求1或2所述的微流体设备，其特征在于，所述袋(3)由单个柔性材料片(15)制成。
4.根据权利要求3所述的微流体设备，其特征在于，所述安装件(4)焊接到所述片(15)的中心，且所述片(15)围绕所述安装件(4)折叠。
5.根据权利要求1到4任何一项所述的微流体设备，其特征在于，所述袋(3)具有焊接的边(21-24)。
6.根据权利要求1到5任何一项所述的微流体设备，其特征在于，所述袋(3)和所述安装件(4)焊接在一起。
7.根据权利要求1到6任何一项所述的微流体设备，其特征在于，所述安装件(4)和所述壳体(2)的壁制成为整体。
8.根据权利要求1到7任何一项所述的微流体设备，其特征在于，过滤器(26)位于流体连接件(25)内部，流体连接件(25)将袋(3)的内部与壳体(2)的外部相连。
9.根据权利要求1到8任何一项所述的微流体设备，其特征在于，所述壳体(2)构成压力室(10)。
10.根据权利要求1到9任何一项所述的微流体设备，其特征在于，所述袋(3)包括多个储存器(29-32)。
11.根据权利要求10所述的微流体设备，其特征在于，所述储存器(29-32)各固定到壳体(2)的一个安装件(4)上。
12.一种构建微流体设备(1)的方法，所述微流体设备(1)包括位于壳体(2)内部的袋(3)，其中所述袋(3)和壳体(2)通过安装件(4)彼此固定，其特征在于，首先，将所述安装件(4)固定在所述壳体(2)内部，然后将所述袋(3)附接到已固定的安装件(4)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述袋(3)由单个柔性材料片(15)制成，其中将所述片(15)折叠且将在折叠片(15)之后片(15)的彼此接触的边界线(16、17、18、19)彼此接合。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过焊接将袋(3)固定在安装件(4)上的步骤。
15.根据权利要求12到14任何一项所述的方法，其特征在于，所述袋(3)通过吹气成型或真空模塑制成。
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