CN101641157A - 毛细管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种毛细管通道，包括定义宽度的第一对相对壁和定义深度的第二对相对壁，其中所述通道具有10－100的纵横比，纵横比定义为所述通道的宽度和深度之比，并且其中所述第二对相对壁中至少一个壁的内表面是粗糙的。所述毛细管优选地包括在传感器内。

Description

毛细管
技术领域
本发明涉及一种毛细管，尤其一种适于改善流动的毛细管通道。
背景技术
在体外诊断仪器(IVD)中使用其内液流受控于毛细管流力的小通道(channel)变得越来越普遍。仅有几十到几百微米大小的通道意味着样品和试剂的容量可以减至最小(通常为几微升(μL)，籍此降低成本、仪器复杂性和测试次数。其结果是制造被简化以提供增加的利润和极好的可重复性，这两者都重要，因为市场主要需求一次性装置。这种装置理想地适合由非专业操作者在病人身边使用及在现场护理(PoC)应用中使用，尤其适合在其中化学反应涉及在免疫测定格式下使用抗原/抗体反应的应用中使用。
在图1所示的一种典型装置2中，一种流体样品(例如生物流体样品，如血液)从样品进口4引入到装置2中。流体样品在毛细管力作用下被吸入第一试剂微通道6，并在随后引起运动以便在最终经由第二试剂微通道10到达装置2的传感器区域12之前混合液体和/或固体试剂，例如在混合曲径8内进行混合。该运动例如可以通过气流(压力或真空)、使用“指状泵”的液压运动、或电气或静电装置实现。混合曲径8并不是必需的，但是包括混合曲径8可用于使得通过让待混合物质经过一简单限流孔进行的混合加快实现，尽管不那么有效。
以前，制造这种一次性装置的最常用方法是注塑。逐渐地，优选的制造方法是利用压敏粘合剂(PSA)对适宜形状或冲切的板材进行层叠以形成几毫米宽和几十至几百微米深的直线通道。这种纵横比(宽度和深度之比)在10至100的范围内的通道的一个问题是流体往复运动(例如用以促进脱水试剂的混合、多次表面干燥及随后的再湿润)易于形成气泡或充气空隙，而这会不利地干扰在样品/试剂的混合物运动到传感器区域时产生的信号。
这种气泡的形成常常是形成通道的各表面的疏水性和亲水性不同的结果。图2所示毛细管通道14具有第一部分16和第二部分18，其中第二部分18比第一部分16宽。气泡的形成可能发生在流体样品20进入毛细管通道时。在点(a)流体进入毛细管通道的较宽部分，在点(b)流体形成一弯液面。当流体沿着毛细管通道运动时，流体和毛细管通道壁之间的接触由于通道的形状和表面能的变化而增加，导致在点(c)形成不想要的气泡22。
因此，在矩形毛细管内，通道边缘是直线的情况下，边缘的毛细管力表现为明显大于通道中心的毛细管力。这促使流体“追赶”远在大量流体之前的边缘，使得在通道的中心形成气泡。
这种气泡的形成在一定程度上可以通过使用合适化学制品涂敷相关表面来减轻矩形毛细管边缘出现的增强的毛细管作用，以使得相关表面的“可润湿性”和液体流体平坦(even out)。然而，这又将另外一个或多个步骤引入装置制造，由此使得成本和复杂性增加，并且用于改变表面性质的材料可能会干扰流体的成分以及随后的分析物检测动力学，特别是当它们再溶解于在其上流过的流体中时。
作为替代，一些IVD的开发者试图通过改变表面形态来改善表面的可润湿性，以促进微观水平的毛细管作用，例如，通过添加微米大小的柱、峰或台阶。参见US 2005/0136552中关于这个方法的例子。这种粗糙表面的增加可以通过例如其中对各部件进行注塑的模具微机械加工而很容易地实现。
然而，如果一次性装置由冲切板材制造，而不采用复杂的多步热成型或压纹预处理，那么实现对粗糙表面的引入要困难的多。这类复杂的多步方法就一次性层叠装置的成本来说高的惊人。因此本领域仍然存在解决在形成为层叠结构的毛细管通道中气泡的形成问题的要求。
发明内容
因此，本发明提供了一种毛细管通道，包括定义宽度的第一对相对壁和定义深度的第二对相对壁，其中通道具有10-100的纵横比，纵横比定义为通道的宽度和深度之比，并且其中第二对相对壁中至少一个壁的内表面是粗糙的。
附图说明
本发明现将参照附图进行描述，在附图中：
图1示出包括了根据现有技术的毛细管通道的传感器；
图2示出一种常规毛细管通道；
图3示出根据本发明的一种宽度大于深度的毛细管通道；
图4示出本发明的一种毛细管通道；
图5-7示出根据本发明的毛细管通道壁内的间断；以及
图8示出一种包括了本发明的毛细管通道的传感器。
具体实施方式
图3示出根据本发明的毛细管通道14。毛细管通道14包括定义宽度的第一对相对壁24和定义深度的第二对相对壁26，其中宽度大于深度。图4示出本发明的毛细管通道14的横截面，其中第二对相对壁26的两个壁的内表面都是粗糙的。虽然第二对相对壁26的任一个或两个壁可以是粗糙的，但优选两个壁都是粗糙的。当流体样品由点(a)经由点(b)运动至(c)时，粗糙的表面最大限度地减少或防止气泡的形成。
在一个形成层叠结构的典型装置中，通道14内切入隔板，例如，冲切入塑料薄膜层。隔板典型地具有50-500μm的厚度。适合的材料包括聚酯(如Mylar，Melinex)或者聚碳酸酯(如Lexan)。随后使用PSA在两个由类似于隔板的材料形成的平面基板(“盖”)之间层叠该隔板，从而形成所需的流动路径。于是在本发明的一个优选的实施例中，毛细管通道包括层叠结构，其中第一对相对壁由两个平面基板构成，第二对相对壁由两个平面基板之间夹着切入隔板的通道构成。
本发明的毛细管通道优选地具有1-5mm的宽度，所述通道同样优选地具有10-500μm的深度。所述通道宽度大于深度，并且具有10-100的纵横比，纵横比定义为所述通道的宽度与深度之比。
已经发现能够通过粗糙化第二对相对壁26的表面使得毛细管通道中的流动。粗糙化可使用现有技术实现，例如在第二对相对壁26上添加小的脊、台阶或“齿”，即PSA层叠隔板的冲切边缘。
出人意料的是，当大量样品流经通道时，粗糙的表面截留了少量的流体和/或空气，这显得在大量流体返回通道时促进通道中心的流体流动，以将大气泡的形成减至最低。令人惊讶的是对更窄或更浅表面的粗糙化具有期望的效果。
本发明的一个优点在于第一对相对壁不需要被粗糙化，并且优选地这些壁的内表面是平滑的。然而，如果希望的话，第一对相对壁的一个或两个内表面同样可以被粗糙化。
表面粗糙化将一个或多个间断引入另外的光滑表面。粗糙表面可能包括正方形、矩形、圆形和/或三角形间断。间断可以是凸起或凹陷。间断往往具有1-2000μm的高度(或深度)。优选地，间断在每10-2000μm重复一次。粗糙表面的可能形状在图5、6和7中示出。图5示出了一个正方形或矩形的对称重复模式，优选每10-2000μm重复。图6示出了一个正方形或矩形的非对称重复模式，优选每10-2000μm至少包含一个正方形或矩形。图7示出了一个三角形的对称重复模式，可以是竖直的三角形或“锯齿形”，并优选每10-2000μm重复。间断的角部分，例如锯齿顶部或正方形间断底部的内角或凹口，可以是圆角的(例如具有小的内部和外部的弯曲，而不是类似三角形或正方形角的“尖”角)。对这些角进行圆角化将进一步改善通道的流动特性。优选圆角部分具有0.1-1mm的半径。
虽然优选多个间断，但是单个间断(凹口)若被设置在临近室14出口的瓶颈处便已足够。更优选的，两个间断设置为彼此相对。
不希望受理论束缚，本发明被认为按照四种可能的方式工作，部分或所有这些方式将有助于在任何特定情况下流动的可靠性：
第一，粗糙的表面意味着在毛细管通道边缘的流体需要行进更远，即流入流出各个间断，而不是沿边缘直线流动，而这一距离的增加减缓了边缘的流体，而没有减缓中心的流体。
第二，粗糙表面通过干扰常见于毛细管壁上的增强的毛细管作用而减少了但未消除样品追赶隔板边缘。于是混合室内气泡的形成被抑制。实践中，为了看到它们的有利效果，粗糙表面并不是必须要被充满。实际上，这些凹口困住的少量空气破坏了常见于壁上的增强的毛细管作用。在流体在充填混合室时确实追赶边缘的情况下，当流体运动终止时，“缓慢”流体(flow“slug”)的中心部分继续向前运动，以达到流体边缘的水平。这种效果足够强大，使得有时中央液体部分最终超过边缘的流体，从而提出“凸弯液面”效应。这可能是流体样品前沿上表面张力作用的结果。
第三，当流体流动是“往复”时，它促进了少量流体在隔板间断之间保留，使“可润湿的”通道的边缘平坦。
第四，当气泡确实形成时，它们往往被困在(填充空气的)间断中并在流体运动期间保持静止。于是抑止气泡转移至有流体样品的读数室。气泡大概是被驱使与凹槽中的空气结合，以最小化与液体的接触面积。同样，这是表面张力效应。气泡可能被驱使从间断中取代流体，并插入间断以呈现较小的流体表面积。
在一个优选的实施例中，本发明的毛细管通道被引入传感器。图8示出了一个与图1所示传感器类似的传感器，不同之处在于图8中的传感器包括了本发明的毛细管通道14，作为其中第二对相对壁26的内表面是粗糙的第二试剂的微通道10。
可与本发明中的毛细管通道14结合的合适传感器可以是在WO90/13017、WO2004/090512和WO2006/079795中所公开的传感器。
因此，本发明还提供了使用在此定义的毛细管通道作为传感器中的流体样品保留元件的应用。本发明还提供了用于检测流体样品中的分析物的传感器，传感器包括基板、用于与分析物结合的试剂、用于照射试剂的辐射源、具有热电或压电元件的能够将受照射试剂所产生的能量转变为电信号的换能器、与换能器电子通信的电极、以及能够将电信号转变为分析物浓度的指示的处理器，其中基板包括了如这里所述的毛细管通道。

Claims (13)

1、一种毛细管通道，包括定义宽度的第一对相对壁和定义深度的第二对相对壁，其中所述通道具有10-100的纵横比，所述纵横比定义为所述通道的宽度和深度之比，其中所述第二对相对壁中至少一个壁的内表面是粗糙的。
2、根据权利要求1所述的毛细管通道，其中所述第二对相对壁的两个壁的内表面都是粗糙的。
3、根据权利要求1或2所述的毛细管通道，其中所述第一对相对壁不是粗糙的。
4、根据前述任一权利要求所述的毛细管通道，其中所述通道具有0.1-10mm的宽度。
5、根据前述任一权利要求所述的毛细管通道，其中所述通道具有10-1000μm的深度。
6、根据前述任一权利要求所述的毛细管通道，包括层叠结构，其中所述第一对相对壁由两个平面基板形成，所述第二对相对壁由夹在所述两个平面基板之间的切入隔板的通道形成。
7、根据前述任一权利要求所述的毛细管通道，其中粗糙表面包括正方形、矩形和/或三角形间断。
8、根据权利要求7所述的毛细管通道，其中所述间断每10-5000μm重复。
9、根据权利要求7或8所述的毛细管通道，其中所述间断具有1-2000μm的高度。
10、根据权利要求7至9任一权利要求所述的毛细管通道，其中间断的角部分是圆角。
11、使用根据前述任一权利要求所述的毛细管通道作为传感器中的流体样品保存元件。
12、一种用于检测流体样品中分析物的传感器，其中所述传感器包括如权利要求1至10任一权利要求所述的毛细管通道。
13、根据权利要求12所述的传感器，其中传感器包括基板、用于与分析物结合的试剂、用于照射试剂的辐射源、具有能够将受照射试剂所产生的能量转变为电信号的热电或压电元件的换能器、与换能器电子通信的电极、以及能够将电信号转变为分析物浓度指示的处理器，其中基板包括如权利要求1至10任一权利要求所述的毛细管通道。
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