CN101715553A - 用于流体装置或微流体装置的连续虹吸阀 - Google Patents

Abstract

使用同径向布置的连续虹吸结构的方法和装置，所述连续虹吸结构由各通过毛细阀分隔的虹吸阀组成，以节省流体系统中的径向空间。在向旋转平台施加接连的向心加速度和减速度时，连续虹吸阀允许连续地分配流体系统中的液体。

Description

用于流体装置或微流体装置的连续虹吸阀

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年3月2日在美国专利局提交的美国临时申请No.60/904372的优先权，该申请通过参考完全合并于此。

技术领域

本发明涉及一种流体装置。更具体但不专门地，本发明涉及用于流体装置的连续虹吸阀。

背景技术

在用于诸如免疫测定、核酸分析、生物化学测试、化学测试和样品制备的应用的基于离心的流体系统的领域中，控制流体经由旋转转子而从流体腔的释放是非常重要的功能。这是因为必须经常在适当的时间，或并行或连续地将不同的试剂混合在一起。

对此问题的解决方案包括取决于旋转频率的爆破阀、标准虹吸管或机械阀。一般地，爆破阀不够可靠，因而具有有限的实际应用。正如将在此处描述的，标准虹吸管(在腔中间)工作可靠，但它利用转子的径向尺寸中的宝贵空间。所有类型的机械阀都必定需要转导系统，转导系统是复杂的且不如虹吸管可靠。

向心力通常用于将少量的液体移入微通道中(US 2005/0202471A1；WO 2006/093978 A2)。因为向心力不受液体在pH值、盐浓度方面的特征的影响，并且较小程度地受到粘度的影响，所以它是能用于将复杂的液体样品，诸如生物样品移入微通道中的有价值的力。

复杂功能在微流体平台上的集成需要若干可控阀。大部分用于向心流体平台中的阀是毛细阀(WO 98/07019)。这些阀在经由盘的旋转由转子施加的精确向心加速度下爆裂。阀爆裂取决于流体系统的几何和表面特征。通过调节和优化它们的几何特征以及它们的表面和距中心的距离，人们能将液体顺序地从腔/贮液器移动到其它的腔/贮液器。液体约束取决于施加到系统的重力。当向心重力高于毛细力时，毛细阀不能阻止系统内的液体运动。

有些任务，诸如细胞溶菌和核酸提取，在程序开始时，可能需要非常高的向心加速度。取决于重力的毛细阀将在此高向心加速度期间爆裂。因此，毛细阀不能用于费力地(robustly)迟滞进入此系统中的下游腔中的液体。解决此问题的方式是使用虹吸阀。虹吸阀工作如下：倒置的U形通道将指定的上游分配腔/贮液器连接到下一下游接收腔/贮液器。倒置U形的顶部(或顶部弯曲部)朝着转子的中心(径向向内)定向并高于存在于上游腔中的液体的高度。倒置的U形通道必须是亲水的并且足够小，以提供毛细力。在高向心加速度期间，向心力阻止毛细力启动虹吸管(即，经过倒置U形的顶部高度并前进到上游腔的底部以下)。当向心加速度降低到毛细力之下时，虹吸管被启动。在启动之后，较高的向心加速度将把液体从上游腔/贮液器移动到下游腔/贮液器。

在包括从全血中分离等离子体的应用中，已在离心流体装置中使用单个虹吸阀(Scott和Burtis，1973，AnalyticalChemistry，45：327A-339A)。此外，已将它们用作屏障以确保转子上以及转子中的一连串试管的并行、同时填充(US专利5409665)，以将来自保持腔的稀释缓冲液输送到下游腔中(US专利5693233)。更近以来，设计了一种包括虹吸管的转子，用于在第一腔与第二腔之间输送预测量体积的液体(US专利6752961)。此转子使用顺序的交替旋转和停止来实现等离子体与全血的分离、稀释以及向一连串分离的反应试管中的分配。

发明内容

本发明目的

本发明的非限制性目的是提供一种使用同径向布置的虹吸结构的方法，所述虹吸结构各通过流体系统中的毛细阀分隔。此方法能够节省径向空间。此节省的径向空间例如能用于在流体装置上增加更多的特征。

本发明的非限制性目的是提供虹吸结构，在连续的向心加速度和减速度应用于旋转平台时，所述虹吸结构能顺序地分配流体系统中的液体。通过连续虹吸结构的长度和数量能控制连续的流体分配。

本发明的非限制性目的是提供一种使用同径向布置的虹吸结构的装置，所述虹吸结构各通过流体系统中的毛细阀分隔。此装置能够节省径向空间。此节省的径向空间例如能用于在流体装置上增加更多的特征。

本发明的概要

根据本发明的一方面，提供一种向心流体装置，该装置包括：流体网络，其包括上游腔、下游腔和连续虹吸阀管，该连续虹吸阀管置于上游腔与下游腔之间并在连续虹吸阀管的每个各自的相对端部处与上游腔和下游腔流体连通，该连续虹吸阀管包括一连串通过阀结构分隔的同径向的虹吸阀，其中当向该流体网络施加向心力时，网络内的流体沿下游的方向流动。

根据本发明的另一方面，提供一种向心流体装置，该装置包括：流体网络，其包括上游腔、下游腔和连续虹吸阀管，该连续虹吸阀管置于上游腔与下游腔之间并在连续虹吸阀管的每个各自的相对端部处与上游腔和下游腔流体连通，该连续虹吸阀管包括一连串通过阀结构分隔的同径向的虹吸阀，指定的上游虹吸阀与相邻的下游虹吸阀经由置于其之间的阀结构而直接流体连通，其中当向所述流体网络施加向心力时，所述网络内的流体沿下游的方向流动。

根据本发明的另一方面，提供一种向心流体装置，该装置包括：流体网络，其包括上游腔、下游腔和至少一个置于它们之间并与它们流体连通的虹吸阀，该虹吸阀包括与毛细阀流体连通的虹吸结构，用于阻止低重力下的流体移动；其中(a)当向流体网络施加向心力时，上游腔中的流体流入虹吸结构中；(b)当向心力大于这至少一个虹吸阀的毛细力时，流体在虹吸结构内流动一段距离，该距离由虹吸结构中的流体压力来确定，该虹吸结构中的流体压力等于上游腔内的流体压力；(c)当向心力小于毛细力时，流体流到毛细阀并从而被停止；以及(d)当随后的向心力大于毛细力时，毛细阀被冲破，而流体朝着下游腔流动。

根据本发明的又一方面，提供一种向心流体装置，该装置包括：流体网络，其包括上游腔、下游腔和连续虹吸阀管，该连续虹吸阀管置于上游腔与下游腔之间并在连续虹吸阀管的每个各自的相对端部处与上游腔和下游腔流体连通，该连续虹吸阀管包括一连串通过毛细阀分隔的连续虹吸阀，用于阻止低重力下的流体移动；其中(a)当在所述流体网络上施加向心力时，所述上游腔中的流体流入第一虹吸阀中；(b)当向心力大于该第一虹吸阀的毛细力时，流体在虹吸阀内流动一段距离，该距离由虹吸阀中的流体压力来确定，该虹吸阀中的流体压力等于上游腔内的流体压力；(c)当向心力小于毛细力时，流体流到第一毛细阀并从而被停止；以及(d)当随后的向心力大于毛细力时，第一毛细阀被冲破，而流体朝着后续的虹吸阀流动。

根据本发明的另一方面，提供一种用于向心促动的流体网络的连续虹吸阀管，该流体网络具有上游腔和下游腔，该管包括一连串通过毛细阀分隔的同径向的虹吸阀，该连续虹吸阀管能够连接到上游腔和下游腔。

一种用于连续分配向心促动的流体系统中的流体的方法，包括：(a)提供流体网络，该流体网络包括上游腔、下游腔和连续虹吸阀管，该连续虹吸阀管置于上游腔与下游腔之间并在连续虹吸阀管的每个各自的相对端部处与上游腔和下游腔流体连通，所述连续虹吸阀管包括通过毛细阀分隔的至少一个上游虹吸结构和至少一个下游虹吸结构；(b)将流体放置于上游腔内；(c)在流体网络上施加向心力，以便将流体从所述上游腔移置到这至少一个上游虹吸结构中；(d)将向心力降低到毛细力的强度之下，从而移动虹吸结构中的流体，直到该流体到达毛细阀为止；以及(e)将向心力增加到毛细力以上，从而冲破该毛细阀。在一实施例中，此方法进一步包括：(f)降低向心力以便在冲破毛细阀之后，所有流体灌注到这至少一个下游虹吸结构。

根据本发明的又一方面，提供一种用于顺序分配向心促动的流体系统中的流体的方法，该方法包括：提供流体网络，该流体网络包括上游腔、下游腔和连续虹吸阀管，该连续虹吸阀管置于上游腔与下游腔之间并在连续虹吸阀管的每个各自的相对端部处与上游腔和下游腔流体连通，所述连续虹吸阀管包括一连串通过阀结构分隔的同径向的虹吸阀；将流体放置于上游腔内；以及在流体网络上施加向心力，以便将流体从所述上游腔移置到该连续虹吸阀管中。

根据本发明的另一方面，提供一种用于顺序分配向心促动的流体系统中的流体的方法，该方法包括：提供流体网络，该流体网络包括上游腔、下游腔和至少一个置于它们间并与它们流体连通的虹吸阀，所述虹吸阀包括与毛细阀流体连通的虹吸结构，用于阻止低重力下的流体移动；将流体放置于上游腔内；以及在流体网络上施加向心力，以便将流体从所述上游腔移置到该虹吸阀中。

根据本发明的又一方面，提供一种用于顺序分配向心促动的流体系统中的流体的方法，该方法包括：提供流体网络，该流体网络包括上游腔、下游腔和连续虹吸阀管，该连续虹吸阀管置于上游腔与下游腔之间并在连续虹吸阀管的每个各自的相对端部处与上游腔和下游腔流体连通，所述连续虹吸阀管包括一连串通过毛细阀分隔的连续虹吸阀，用于阻止低重力下的流体移动；将流体放置于上游腔内；以及在流体网络上施加向心力，以便将流体从所述上游腔移置到该连续虹吸阀管中。

标准虹吸系统与作为本发明的目的的上述连续阀系统之间的非限制性差别是：对于标准虹吸系统而言每个虹吸阀之间需要中心腔。

标准虹吸系统与上述连续阀系统之间的非限制性差别在于：所提供的一连串的虹吸阀以同径向的方式布置。

全文的参考文献通过参引完全合并与此。

参照附图，在阅读下文仅作为示例给出的本发明的非限制性示例实施例的非限制性描述之后，本发明的其它目的、优点和特征将变得更加明显。

附图说明

由此已对本发明进行了一般性的描述，下面将对仅作为示例显示本发明示例性实施例的附图进行参照，并且在图中：

图1示出了连接第一和第二腔的标准虹吸阀与根据本发明示例性实施例的连续虹吸阀的对比；

图2是根据本发明示例性实施例的流体装置的透视图；

图3是图2的部分3的放大视图；

图4是根据本发明示例性实施例的流体网络的示意图；

图5是图2的流体装置的分解视图；

图6是根据本发明示例性实施例的流体装置的分解的示意性横剖视图；

图7A到图7J是根据本发明示例性实施例的处于工作中的连续虹吸阀系统的连续视图；以及

图8示出了用于控制图7A到图7J的连续虹吸阀系统中的液体的流动的旋转轮廓。

具体实施方式

总体而言，本发明提供通过毛细力和向心力驱动的连续微型阀，用于控制液体从一腔到另一腔的微通道中的移置。本发明还提供能够实现复杂集成到向心流体平台中的耐用被动阀。在一特定的非排它性示例中，此平台能用于专门用于生物测定、化学化验和诊断化验的微全分析系统(μTAS)。

此外，本发明提供一种用以控制向心促动到微通道中的液体的微小体积的方法。更确切地，本发明使用虹吸阀来实现液体从一个贮液器/腔到另一腔/贮液器的顺序输送。更具体地，本发明提供能够向旋转平台应用连续的向心加速度和减速度的连续虹吸阀，以便在没有不必要的阀爆裂的风险的情况下顺序地分配液体。

该连续虹吸结构由彼此通过毛细阀(或止挡部)分隔的虹吸阀构成。当第一高向心加速度施加于系统时，一旦虹吸导管中的液位到达上游腔中的液位，则阻止来自上游腔的液体进入第一虹吸阀中。当向心加速度降低到毛细力的强度之下时，虹吸导管中的液体通过毛细力移动，直到它到达第一毛细阀(止挡部)为止，其中液体在该第一毛细阀处停止。在第二高向心加速度期间，第一止挡部爆破，但由于高向心加速度，第二虹吸阀没启动。第二虹吸阀的启动仅当向心加速度再次减小时发生。任何随后的虹吸管的启动都基于相同的原理发生。

这样，在本发明中，分别通过毛细阀分隔的同径向布置的虹吸结构避免了对每个虹吸阀(此处指“标准虹吸阀”)之间的腔的需求，从而节省了径向空间。

本发明提供一种虹吸管(或虹吸阀)和毛细阀的布置结构，用于以最小化径向表面面积的方式依赖于旋转循环地释放向心流体平台内的液体。这通过使用流体通道的向心力和毛细作用来实现。与中间具有腔的标准虹吸管相比，此布置结构的益处在于它更紧凑并且在旋转和停止的循环期间，它节省径向尺寸上的面积(见图1)。换言之，在旋转和停止的循环期间，这种虹吸管和毛细阀的布置结构比标准虹吸设计更好地保存液体的势能。当需要以特定次数使液体试剂从上游位置释放以用于在向心流体装置上的下游使用时，此能力是重要的。

总体参照图1，本发明描述一种用以通过使用同径向虹吸结构和毛细阀来控制流体从转子上的上游腔向下游腔的释放的系统，所述同径向虹吸结构和毛细阀能通过使用旋转和停止的交替循环来控制流体系统中的液体的移动(如图7A-7J和图8中所示，以及如将参照图7A-7J和图8描述的)。更具体地，图1示出了将上游出口或分配腔连接到下游入口或接收腔的标准虹吸阀与根据本发明的非限制性实施例的连续虹吸设计的对比。首先，对两个系统，在半径R1处对腔C1进行填充。对于标准虹吸设计，旋转-停止-旋转的循环使液体能在半径R2处从C1前进到C2，然后在半径R3处前进到C3。对于连续虹吸设计，相同的旋转-停止-旋转的循环使液体能在半径R2处仅从C1移动到C2。因此，虹吸结构的同径向布置避免了对于每个虹吸阀之间的腔的需求，从而节省径向空间。在必须限制转子直径的基于离心的微型流体系统中，这是特别重要的。该系统是简单的，并且不需要复杂的外部执行机构。

基本操作原理

应注意的是基本操作原理主要基于毛细渗透和阀作用的原理。在图示的示例中，通过暴露于氧等离子体来增加虹吸管的壁的表面能量。这能实现水溶液到虹吸管中的自发毛细渗透。毛细阀是这样的结构，即：在此处液体的接近前部经历接触角的显著增加，从而液体移动被停止。当在虹吸导管中产生高于毛细力的重力时，液体朝着转子的中心移置到虹吸导管中，直到虹吸导管内的液柱的压力等于上游腔中的液体的压力为止。当重力减小到毛细力占优势的点时，液体灌注虹吸管并到达第一毛细阀(前述的止挡部或阻断器)。在低旋转速度下，此阀抑制液体并避免第二虹吸管的任何不必要的灌注。随后的高旋转将冲破第一毛细阀并迫使液体进入第二虹吸管的导管中以达到压力平衡。因此，旋转和停止的循环将顺序灌注连续虹吸系统的不同虹吸阀。考虑到重力均匀地施加到处于距中心相同距离的任何液柱，无论施加到系统的重力的强度和持续时间如何，在进入上游腔的液柱与进入虹吸导管中的液柱之间都能达到平衡。然后在旋转和停止序列期间，在旋转系统上能实现诸如细胞碎片净化的需要高速离心的步骤。

流体装置

图2显示了根据本发明示例性实施例的流体装置10。在此具体实施例中，流体装置是微流体向心装置。

在本示例中，微流体向心装置10是包括以旋转盘12的形式的转子的微流体向心平台。该旋转盘12包括用于接收现有技术中已知的旋转致动器(未示出)的中心孔14，该旋转致动器能沿由箭头16所示的方向旋转该旋转盘12。旋转盘12包括主体或平台18，该主体或平台18包括以微流体网络20(对于此非限制性示例)的形式的流体网络。在此非限制性示例中，具有两个微流体网络20；当然，在本发明的范围内也能设想更多个或更少的数量。此外，在本发明的范围内能设想更多或更少数量的虹吸结构。

转向图3，微流体网络20包括上游分配腔22、位于径向向外的下游接收腔24和其间的连续虹吸阀管26。分配腔22和接收腔24分别是纵向弯曲结构，其在盘12的周边28附近形成在盘12的本体18中。

连续虹吸阀管26包括一连串的连续虹吸阀结构30A、30B、30C和30D，这些虹吸阀结构实际上是导管26的部分。虹吸阀30A、30B、30C和30D是倒置的U形管道或导管并且通常是同径向的。

每个虹吸阀30A、30B、30C和30D分别包括以各自的入口虹吸导管(32A、32B、32C、32D)和各自的出口虹吸导管(34A、34B、34C、34D)的形式的各自的第一和第二分支。每个虹吸阀30A、30B、30C和30D包括分别形成在其相邻的入口虹吸导管(32A、32B、32C、32D)与出口虹吸导管(34A、34B、34C和34D)之间的各自的弯曲部(即，倒置U形的顶部)36A、36B、36C和36D。虹吸阀30A、30B和30C分别通过各自的弯曲部38、40和42接连下一个邻近的虹吸阀，即30B、30C和30D。更具体地，弯曲部38形成在导管34A与32B之间，弯曲部40形成在导管34B与32C之间，而弯曲部42形成在导管34C与32D之间。连续虹吸阀管26包括入口孔44，该入口孔44形成在虹吸导管32A的自由端处并定位在分配腔22内，其位于径向向外的壁46(与分配腔22的位于径向向内的壁48相对)附近。出口孔50形成在连续虹吸阀管26的相对端处并与接收腔24流体连通。具体地在此示例中，出口孔50定位在腔24的位于径向向内的壁52(与位于径向向外的壁54相对)附近。

这样，连续虹吸阀管26在入口孔44与出口孔50之间具有蜿蜒或蛇形构造，从而分别限定径向向内的弯曲部36A、36B、36C和36D以及径向向外的弯曲部38、40和42。径向向内的弯曲部36A、36B、36C和36D基本沿相同的内侧圆弧A1(见图2)定位，而径向向外的弯曲部38、40和42基本沿相同的外侧圆弧A2(见图2)定位。

连续虹吸阀管26还包括阀结构56、58和60，所述阀结构是毛细阀并且分别定位在弯曲部38、40和42处并与弯曲部38、40和42相连续。实际上，这些以盘的形式的毛细阀56、58和60分别扩大了弯曲部38、40和42的空间结构。这样，连续虹吸阀30A、30B、30C和30D通过毛细阀56、58和60分隔。

在此具体示例中，每个毛细阀56、58和60直接连接在连接相邻阀的每个U形构造的底部处，即弯曲部38、40和42处。然而，本领域中的人员可在本发明的范围内对此设计进行修改。例如，毛细阀能连接到虹吸阀的侧向分支(入口或出口导管)。

应理解的是此处术语导管、虹吸导管、虹吸、虹吸阀、虹吸管仅用于指示的目的，以便更容易描述所示的结构，并不限制本发明的功能。因此，在如此处所述的本发明的上下文内，虹吸阀30A、30B、30C和30D具有虹吸和阀的双重功能。此外应理解的是分支的入口和出口导管以及置于每个虹吸阀30A、30B、30C和30D之间的弯曲部形成了与阀结构(诸如毛细阀)相连续的各自的虹吸结构。此外应理解的是一连串的虹吸阀包括至少两个虹吸阀。如果具有两个虹吸阀，则第二虹吸阀无需包括阀结构，这样此第二虹吸阀可仅是虹吸结构。对于虹吸阀30D而言，情况正是如此，由于虹吸阀30D直接倒空到下游腔24中，所以它不包括阀结构。考虑到本发明的虹吸阀可以包括前面有阀而后面没有阀的虹吸结构(诸如图中的虹吸阀30D)的事实，也使用术语“虹吸阀”。当然，上述内容在附图中清晰地示出。术语“虹吸阀”也指没有本发明所增加的附加阀的标准虹吸管(虹吸结构)。

在一个具体的非限制性示例中，连续虹吸阀管26为1mm宽和0.1

mm深；上游分配腔22和下游接收腔24分别为0.6mm深；毛细阀56、58和60的直径为2mm，深为0.3mm；而整个盘12的直径是120mm。

在图2和图3中所示的实施例中：连续虹吸阀管26包括四个虹吸阀30A、30B、30C和30D；第一入口导管32A构造为朝着径向向内的弯曲部36A吸引流体；而最后的出口导管34D通常比其它导管32A、34A、32B、34B、32C、34C和32D长，以便延伸到下游腔24。当然在本发明的范围内也能设想其它构造。

例如，图4显示了根据本发明示例性实施例的微流体网络200的另一构造。

微流体网络200包括上游分配腔222、下游接收腔224以及其间的连续虹吸阀管226。

连续虹吸阀管226包括虹吸结构或虹吸阀230A、230n和230D。以虚线显示的虹吸阀230n表示在第一虹吸阀230A与最后的虹吸阀230D之间能分别包括更多或更少数量的虹吸阀。虹吸阀230A包括具有入口孔244的入口导管232A，该入口孔244与腔222流体连通并定位在腔222的径向向外的壁246处。此导管232A(与导管32A相对)构造为相对于腔222沿径向向外的方向朝着第一径向向内的弯曲部300吸引流体，该弯曲部300不包括毛细阀，诸如分别位于弯曲部303和304处的阀301和302。

因此，在本发明的范围内能设想本发明的流体网络和连续虹吸阀管的各种构造。

应注意的是本发明的向心流体装置能包括平台，这样该装置是平台或多个相似平台，这些装置也可包括一平台和一致动器(未示出，但在现有技术中是已知的)或多个此平台和一致动器或可替代地具有多个驱动器的多个此平台。

旋转盘

参照图5，将对平台或旋转盘12进行更详细地描述。在此示例中，旋转盘12实际上是分层的盘组件。

因此，旋转盘组件12装配三个机械加工盘构件，即第一盘构件70、第二盘构件72和第三盘构件74以及一对胶粘构件，即第一胶粘构件76和第二胶粘构件78。

盘构件70用作盖并具有用于液体输入和空气输出的钻孔80。第一胶粘构件76分别用于粘结第一盘70和第二盘72。第一胶粘构件76包括限定各自的蜿蜒、蛇形或弯曲构造的切口82。当装配该组件12时，此蜿蜒构造的开口82用于限定连续的虹吸阀管26。第二盘构件72具有机械加工的毛细阀开口84，所述开口84将限定毛细阀56、58和60。第二盘构件72还包括入口孔85和出口孔86，该入口孔85和出口孔86在与切口82界面连接时分别提供入口孔44和出口孔50。第一胶粘构件76和第二盘构件72还包括对应于孔80的各自的孔87和88，用于使液体在不同层之间的流动。第二胶粘构件78分别粘结第二盘构件72和第三盘构件74并且分别包括弓形的上游形成部90和下游形成部92，所述上游形成部90和下游形成部92分别与上游腔凹槽94和下游腔凹槽96互补，所述上游腔凹槽94和下游腔凹槽96被机械加工到第三盘74中，用于分别限定上游腔22和下游腔24。在另一实施例中，形成部90和92是开口，而腔22和24形成在凹槽94和96与第二盘72之间。类似地，连续虹吸管26和毛细阀56、58和60形成在盘70与72之间(在第二胶粘构件78插入或以其它方式打开的情况下)。最后，盘构件70、72和74以及胶粘构件76、78包括各自的和互补的中心孔98、100、102、104，这些中心孔一起形成中心盘孔14。

在一个实施例中，在装配之前，将第一盘70和第二盘72暴露于氧等离子体，用于增加其表面能量并使水溶液向连续虹吸阀管26中自发渗透。

在一个非限制性示例中，第一盘构件70和第二盘构件72各为0.6mm厚，而第三盘构件74为1.2mm厚，第一胶粘构件76和第二胶粘构件78各为0.1mm厚。

盘12能通过几种技术制造，所述技术包括但不限于显微机械加工、热压印、注射成型、照相平版印刷术、化学腐蚀、激光焊接、超声结合、热结合和化学结合。

用作微流体平台的盘12能以本发明范围内的其它合适的构造或结构设置。具有各种机械加工结构、切口或开口的多种盘构件能够界面连接以形成本发明的微流体网络。

例如，图6是分别包括第一构件114、第二构件116和第三构件118的分解的盘组件112的示意性横剖视图(未按比例绘制)。第一盘构件114具有限定有凹槽122的机械加工底面120，当第一盘构件114与第二盘构件116和第三盘构件118装配在一起时，该凹槽122将提供连续虹吸阀管。第二盘构件116包括穿过其本体的开口124，所述开口124在第一盘构件114与第三盘构件118之间限定毛细阀。第二盘构件116还可包括其它开口125以提供入口或出口的例子。最后，第三盘构件118在其顶面128中包括机械加工凹槽126，当第三盘构件118装配到第一盘构件114和第二盘构件116时，所述凹槽126限定上游腔和下游腔。在本发明的上下文内，这些盘构件114、116和118能通过现有技术中已知的各种方式粘附到一起。应理解的是图6的部件以虚线显示以便描绘实施例而不是显示同心性。

当然，在本发明的范围内也可设想多种其它的平台结构、构造和制造过程。

非限制性应用

本发明可用于任何明确需要不同流体通过通道的顺序流动的应用。例如，如果DNA微阵列固定在一通道或腔中，则人们可能要执行杂交步骤，在该杂交步骤中，在循环1中，使酶标的互补DNA流过通道。在循环2中，人们可能要利用缓冲溶液洗涤。最后，在循环3中可接着使用专用于所用酶的基质溶液。另一应用可以是DNA的净化。人们可在通道中使用玻璃珠(用于捕获DNA)。能进行含有具有杂质的DNA、一种或多种洗涤缓冲液容积以及洗提缓冲液的样品的顺序流动。

本发明通过下文的非限制性示例进一步详细示出。

示例1：用于控制流体释放的虹吸阀在向心流体平台中的连续布置结构。

图7A到图7J示出了工作中的本发明。相应的旋转轮廓的非限制性示例也在图8中示出。更具体地，图8示出了用于通过使用诸如连续虹吸阀管26的连续虹吸微流体结构来控制液体L从上游腔22向下游腔24中的释放的旋转轮廓。

在1500RPM的旋转产生向心加速度，该向心加速度使液体前部行进通过毛细阀。在大约24秒(见图7J和图8)之后，来自上游腔22的大部分的液体L能输送到下游腔24。在此示例中，演示了总共五个旋转和停止的循环。可并入此系统中的循环的数量受液体前部(F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10)的“拉动”其后面的液体L的增加量的能力限制。

在此方面，图7A显示了2秒时的液体前部F1；图7B显示了5秒时的液体前部F2；图7C显示了6秒时的液体前部F3；图7D显示了8秒时的液体前部F4；图7E显示了10秒时的液体前部F5；图7F显示了12秒时的液体前部F6；图7G显示了14秒时的液体前部F7；图7H显示了16秒时的液体前部F8；图7I显示了18秒时的液体前部F9；图7J显示了24秒时的液体前部F10。

材料和方法：

盘的设计通过使用来自Solidworks Corporation(Concord，Massachusetts，美国)的SolidWorks 2005计算机辅助设计软件来实现。用于演示连续虹吸概念的旋转盘通过使用从U-Tech Media Corporation(Taiwan)购买的标准光盘(CD 1.1mm厚)和数字通用光盘(DVD 0.6mm厚)来构造。盘通过使用来自T-Tech Inc.(Norcross，Georgia，美国)的QuickCircuit 5000计算机数值控制系统来进行机械加工。使用来自Flexcon Inc.(Spencer，Massachusetts，美国)的称为Flexmount DFM200 Clear，V-95 150 Poly H-9 V-95-4的100微米厚的转印胶粘剂来将盘粘结在一起。利用来自Graphtec America(Santa Ana，California，美国)的CE2000-60切绘机对此胶粘剂进行切割以限定微流体通道。使用来自Desert Laminator(Palm Springs，California，美国)的“Sidewinder”大轧辊压片机来将盘组件压在一起。对旋转支架进行装配以旋转和测试如前所述和所示的设计(Jia等人，2006，Sensors ActuatorsB，114：173-181)。它由型号为PMB21B-00114-00的伺服电动机、型号为PC3406Ai-001-E的驱动器以及ToolPAC控制软件组成。所有产品由Pacific Scientific(Rockford，Illinois，美国)制造。将待测试的微流体盘放在联接到电动机轴的铝压盘上并通过塑性螺钉锁定在适当的位置。

利用安装在旋转支架上的视觉系统，我们能够(在旋转的同时)实时观察到盘上感兴趣的区域的连续彩色图像并将所捕获的帧存储在计算机上。数字视频记录系统由Basler(德国)制造的分辨率为640×480像素的型号为A301bc的摄像机组成；每秒最大能够捕获80帧。Computar(日本)牌的10倍变焦镜头安装在该摄像机上并聚焦在用于旋转盘的表面上。将来自PerkinElmer(Fremont，California，美国)的型号为MVS-4200的闪光灯设定为6μs的持续时间并用于在盘旋转时帮助捕获盘的清晰图像。将由Banner(Minneapolis，Minnesota，美国)制造的型号为D10的回射式光纤传感器布置在旋转盘的边缘的右上方。为了生成同步信号，将一白色方形标志(2mm×2mm)放在盘的边缘上并对齐，使得当旋转盘上的感兴趣的微流体结构进入摄像机的视野时，该白色方形标志立即落在从光线传感器发射的光点之下。因而，只要此方形出现在传感器的光束之下，就向视频采集板发送脉冲，然后该视频采集板立即触发摄像机和闪光灯以每转获取一个图像帧。

程序：

盘12是如先前参照图5所述的三个机械加工的聚碳酸酯盘和两个切割的胶粘剂的分层组件。

将盘12的不同部件对准并压在一起以形成组件。盘12的所有流体表面都是亲水的。上游腔22填充染有红色食用色素的水。将图8中示出的旋转轮廓应用于填充后的盘12。

结果：

连续虹吸阀30A、30B、30C、30D通过毛细阀(或“止挡部”)56、58、60分隔。观察到上游腔22中的液体L沿连续虹吸阀管26以图7A-7J中所示的顺序前进。当第一高向心加速度施加于系统时，一旦在液体前部F 1处，虹吸导管中的液位到达上游(分配)腔22中的液体L的液位T(见图7A和图8的2秒处)，则来自上游腔22的液体L阻塞在第一虹吸阀30A(在导管32A中，位于弯曲部36A的边界处)中。当向心加速度降低到虹吸阀30A的毛细力的强度之下时，其中的液体L通过毛细力移动经过弯曲部36A并通过出口导管34A，直到它到达第一毛细阀56为止，液体在该毛细阀56处被停止。参照图7B和图8的5秒处，液体前部F2处于包括阀56的弯曲部38的边界处。在第二高向心加速度期间，第一止挡部或阀56被液体L冲破，即穿过，但由于高向心加速度，第二虹吸阀30B没启动(见图7C和图8的6秒处)。换言之，当液体前部F3处于腔22中的液体L的液位T时，液体前部F3停止在入口导管32B内(在弯曲部36B的边界处)。仅当向心加速度再次减小时，发生第二虹吸阀32B的启动。因此，参照图7D和图8的8秒处，液体L经由弯曲部36B流入导管34B中并停止(F4)在第二毛细阀58处。任何随后的虹吸阀(在此情形中为30C和30D)的启动基于与图7E、7F、7G、7H、7I、7J和图8从9到24秒中所示的步骤中示出的相同原理发生。使图7I、7J和图8从17到24秒中示出的旋转序列更长，以允许将所有液体L吸入连续虹吸阀管26中，从而填充下游接收腔24。

技术人员将容易理解的是：上文提出的针对不同循环的离心次数不是关键的，并且可在不改变此处详述的总体概念的情况下进行修改。

结论

通过应用旋转/停止的多重循环能够控制液体在盘上从上游腔向下游腔的向下游的流动。通过使用上述的连续虹吸毛细阀设计(即，连续虹吸阀管)来减小两个腔之间的径向距离(相对于标准虹吸设计)。

应注意的是本领域中的技术人员能在本发明的范围内以其它方式对此处所述的各种装置和方法的各种特征进行组合，由此以提供其它未示出的实施例。

应理解的是本发明就其应用而言不限于附图中所示和上文所述的构造和部件的细节。本发明能具有其它实施例并且能以各种方式实施。此外应理解的是此处所用的语句或术语是为了描述而非限制的目的。因此，尽管上文已通过本发明的实施例对其进行了描述，但是在不偏离本发明的精神、范围和特征的情况下能对本发明进行修改。

Claims (78)

1.一种向心流体装置，包括：

流体网络，所述流体网络包括上游腔、下游腔和连续虹吸阀管，所述连续虹吸阀管被置于所述上游腔与所述下游腔之间并在所述连续虹吸阀管的每个各自的相对端部处与所述上游腔和所述下游腔流体连通，所述连续虹吸阀管包括一连串通过阀结构分隔的同径向虹吸阀，

其中当向所述流体网络施加向心力时，所述网络内的流体沿下游的方向流动。

2.根据权利要求1所述的向心流体装置，其中所述流体网络形成在可旋转平台中。

3.根据权利要求2所述的向心流体装置，其中所述可旋转平台包括盘。

4.根据权利要求3所述的向心流体装置，其中所述盘包括若干界面连接的盘构件构成的组件。

5.根据权利要求2所述的向心流体装置，进一步包括用于旋转所述可旋转平台的致动器。

6.根据权利要求1所述的向心流体装置，其中所述下游腔相对于所述上游腔径向向外定位。

7.根据权利要求1所述的向心流体装置，其中所述连续虹吸阀管在其一个所述端部处包括入口，所述入口与所述上游腔流体连通。

8.根据权利要求7所述的向心流体装置，其中所述上游腔包括一对相对壁，一个所述壁相对于另一所述壁径向向外，且所述入口定位在所述径向向外的壁附近。

9.根据权利要求1所述的向心流体装置，其中所述连续虹吸阀管在其一个所述端部处包括出口，所述出口与所述下游腔流体连通。

10.根据权利要求9所述的向心流体装置，其中所述下游腔包括一对相对的壁，一个所述壁相对于另一所述壁径向向内，且所述出口定位在所述径向向内的壁附近。

11.根据权利要求1所述的向心流体装置，其中所述连续虹吸阀管包括蜿蜒构造。

12.根据权利要求1所述的向心流体装置，其中所述虹吸阀包括大体倒置的U形构造。

13.根据权利要求1所述的向心流体装置，其中所述阀结构包括毛细阀。

14.根据权利要求1所述的向心流体装置，其中所述虹吸阀与所述阀结构成一体。

15.根据权利要求1所述的向心流体装置，其中所述虹吸阀包括各自的虹吸结构，且所述阀结构被置于所述虹吸结构之间。

16.根据权利要求1所述的向心流体装置，其中一所述虹吸结构包括一对相邻的管道分支以及置于所述管道分支之间的弯曲部。

17.根据权利要求16所述的向心流体装置，其中所述弯曲部相对于所述一对管道分支径向向内。

18.根据权利要求16所述的向心流体装置，其中指定的虹吸结构经由另一弯曲部而与下一相邻的虹吸结构相连续。

19.根据权利要求18所述的向心流体装置，其中每个所述阀结构定位在各自的所述另一弯曲部处。

20.根据权利要求19所述的向心流体装置，其中所述阀结构与所述另一弯曲部相连续。

21.根据权利要求16所述的向心流体装置，其中所述另一弯曲部相对于置于所述相邻管道分支之间的所述弯曲部径向向外。

22.根据权利要求1所述的向心流体装置，其中所述装置包括微流体装置。

23.根据权利要求22所述的向心流体装置，其中流体网络包括微流体网络。

24.一种向心流体装置，包括：

流体网络，所述流体网络包括上游腔、下游腔和连续虹吸阀管，所述连续虹吸阀管被置于所述上游腔与所述下游腔之间并在所述连续虹吸阀管的每个各自的相对端部处与所述上游腔和所述下游腔流体连通，所述连续虹吸阀管包括一连串通过阀结构分隔的虹吸阀，指定的上游的所述虹吸阀与相邻的下游的所述虹吸阀经由一置于它们之间的所述阀结构而直接流体连通，

其中当向所述流体网络施加向心力时，所述网络内的流体沿下游的方向流动。

25.根据权利要求24所述的向心流体装置，其中所述流体网络形成在可旋转平台中。

26.根据权利要求25所述的向心流体装置，其中所述可旋转平台包括盘。

27.根据权利要求26所述的向心流体装置，其中所述盘包括若干界面连接的盘构件构成的组件。

28.根据权利要求25所述的向心流体装置，进一步包括用于旋转所述可旋转平台的致动器。

29.根据权利要求24所述的向心流体装置，其中所述下游腔相对于所述上游腔径向向外定位。

30.根据权利要求24所述的向心流体装置，其中所述连续虹吸阀管在其一个所述端部处包括入口，所述入口与所述上游腔流体连通。

31.根据权利要求30所述的向心流体装置，其中所述上游腔包括一对相对的壁，一个所述壁相对于另一所述壁径向向外，且所述入口定位在所述径向向外的壁附近。

32.根据权利要求24所述的向心流体装置，其中所述连续虹吸阀管在其一个所述端部处包括出口，所述出口与所述下游腔流体连通。

33.根据权利要求32所述的向心流体装置，其中所述下游腔包括一对相对的壁，一个所述壁相对于另一所述壁径向向内，且所述出口定位在所述径向向内的壁附近。

34.根据权利要求33所述的向心流体装置，其中所述连续虹吸阀管包括蜿蜒构造。

35.根据权利要求24所述的向心流体装置，其中所述虹吸阀包括大体倒置的U形构造。

36.根据权利要求24所述的向心流体装置，其中所述阀结构包括毛细阀。

37.根据权利要求24所述的向心流体装置，其中所述虹吸阀与所述阀结构成一体。

38.根据权利要求24所述的向心流体装置，其中所述虹吸阀包括各自的虹吸结构，且所述阀结构被置于所述虹吸结构之间。

39.根据权利要求24所述的向心流体装置，其中一所述虹吸结构包括一对相邻的管道分支以及置于所述管道分支之间的弯曲部。

40.根据权利要求39所述的向心流体装置，其中所述弯曲部相对于所述一对管道分支径向向内。

41.根据权利要求39所述的向心流体装置，其中指定的虹吸结构经由另一弯曲部而与下一相邻的虹吸结构相连续。

42.根据权利要求41所述的向心流体装置，其中每个所述阀结构定位在各自的所述另一弯曲部处。

43.根据权利要求42所述的向心流体装置，其中所述阀结构与所述另一弯曲部相连续。

44.根据权利要求39所述的向心流体装置，其中所述另一弯曲部相对于置于所述相邻管道分支之间的所述弯曲部径向向外。

45.根据权利要求24所述的向心流体装置，其中所述一连串虹吸阀同径向布置。

46.根据权利要求24所述的向心流体装置，其中所述装置包括微流体装置。

47.根据权利要求46所述的向心流体装置，其中流体网络包括微流体网络。

48.一种向心流体装置，包括：

流体网络，所述流体网络包括上游腔、下游腔和至少一个置于所述上游腔和所述下游腔之间并与所述上游腔和所述下游腔流体连通的虹吸阀，所述虹吸阀包括与毛细阀流体连通的虹吸结构，用于阻止低重力下的流体运动；

其中(a)当在所述流体网络上施加向心力时，所述上游腔中的流体流入所述虹吸结构中；(b)当所述向心力大于所述虹吸阀的毛细力时，流体在所述虹吸结构内流动一段距离，所述距离由所述虹吸结构中的流体压力来确定，所述虹吸结构中的流体压力等于所述上游腔内的流体压力；(c)当所述向心力小于所述毛细力时，流体流到所述毛细阀并因此被停止；以及(d)当随后的所述向心力大于所述毛细力时，所述毛细阀被冲破，流体朝着所述下游腔流动。

49.根据权利要求48所述的向心流体装置，其中所述流体网络形成在可旋转平台中。

50.根据权利要求49所述的向心流体装置，其中所述可旋转平台包括盘。

51.根据权利要求49所述的向心流体装置，进一步包括用于旋转所述可旋转平台的致动器。

52.根据权利要求48所述的向心流体装置，其中所述虹吸阀包括大致U形的构造。

53.根据权利要求48所述的向心流体装置，其中所述装置包括微流体装置。

54.根据权利要求53所述的向心流体装置，其中流体网络包括微流体网络。

55.一种向心流体装置，包括：

流体网络，所述流体网络包括上游腔、下游腔和连续虹吸阀管，所述连续虹吸阀管被置于所述上游腔与所述下游腔之间并在所述连续虹吸阀管的每个各自的相对端部处与所述上游腔和所述下游腔流体连通，所述连续虹吸阀管包括一连串通过毛细阀分隔的连续虹吸阀，用于阻止低重力下的流体运动；

其中(a)当在所述流体网络上施加向心力时，所述上游腔中的流体流入第一所述虹吸阀中；(b)当所述向心力大于第一所述虹吸阀的毛细力时，流体在所述虹吸阀内流动一段距离，所述距离由所述虹吸阀中的流体压力来确定，所述虹吸阀中的流体压力等于所述上游腔内的流体压力；(c)当所述向心力小于所述毛细力时，流体流到所述第一毛细阀并因此被停止；以及(d)当随后的所述向心力大于所述毛细力时，所述第一毛细阀被冲破，流体朝着随后的所述虹吸阀流动。

56.根据权利要求55所述的向心流体装置，其中所述流体网络形成在可旋转平台中。

57.根据权利要求55所述的向心流体装置，其中所述可旋转平台包括盘。

58.根据权利要求55所述的向心流体装置，进一步包括用于旋转所述可旋转平台的致动器。

59.根据权利要求55所述的向心流体装置，其中所述虹吸阀包括大致U形的构造。

60.根据权利要求55所述的向心流体装置，其中所述一连串虹吸阀是同径向的。

61.根据权利要求49所述的向心流体装置，其中所述连续虹吸阀管包括蜿蜒构造。

62.根据权利要求55所述的向心流体装置，其中所述装置包括微流体装置。

63.根据权利要求62所述的向心流体装置，其中流体网络包括微流体网络。

64.一种用于向心促动的流体网络的连续虹吸阀管，所述流体网络具有上游腔和下游腔，所述管包括一连串通过毛细阀分隔的同径向的虹吸阀，所述连续虹吸阀管能够连接到所述上游腔和所述下游腔。

65.一种用于顺序分配向心促动的流体系统中的流体的方法，包括以下步骤：

(a)提供流体网络，所述流体网络包括上游腔、下游腔和连续虹吸阀管，所述连续虹吸阀管被置于所述上游腔与所述下游腔之间并在所述连续虹吸阀管的每个各自的相对端部处与所述上游腔和所述下游腔流体连通，所述连续虹吸阀管包括通过毛细阀分隔的至少一个上游虹吸结构和至少一个下游虹吸结构；

(b)将流体放置于所述上游腔内；

(c)在所述流体网络上施加向心力，以便将流体从所述上游腔移置到所述至少一个上游虹吸结构中；

(d)将所述向心力降低到毛细力的强度之下，从而使所述虹吸结构中的流体移动，直到所述流体到达所述毛细阀为止；以及

(e)将所述向心力增加到所述毛细力之上，从而冲破所述毛细阀。

66.根据权利要求65所述的方法，进一步包括以下步骤：

(f)降低所述向心力，以便在冲破所述毛细阀之后，所有流体灌注所述至少一个下游虹吸结构。

67.一种用于顺序分配向心促动的流体系统中的流体的方法，包括以下步骤：

提供流体网络，所述流体网络包括上游腔、下游腔和连续虹吸阀管，所述连续虹吸阀管被置于所述上游腔与所述下游腔之间并在所述连续虹吸阀管的每个各自的相对端部处与所述上游腔和所述下游腔流体连通，所述连续虹吸阀管包括一连串通过阀结构分隔的同径向的虹吸阀；

将流体放置于所述上游腔内；以及

在所述流体网络上施加向心力，以便将流体从所述上游腔移置到所述连续虹吸阀管中。

68.根据权利要求67所述的方法，其中所述连续虹吸阀管中的流体被移置一段距离，所述距离由所述连续虹吸阀管中的流体压力来确定，所述连续虹吸阀管中的流体压力等于所述上游腔内的流体压力。

69.根据权利要求68所述的方法，进一步包括以下步骤：

降低施加在所述流体网络上的随后的向心力，以便小于所述连续虹吸阀管的毛细力，从而使流体能移置到所述至少一个毛细阀并因此被停止。

70.根据权利要求69所述的方法，进一步包括以下步骤：

增加随后的向心力，以便大于所述毛细力，从而使流体能冲破所述毛细阀并朝着所述下游腔移置。

71.一种用于顺序分配向心促动的流体系统中的流体的方法，包括以下步骤：

提供流体网络，所述流体网络包括上游腔、下游腔和至少一个置于所述上游腔和所述下游腔之间并与所述上游腔和所述下游腔流体连通的虹吸阀，所述虹吸阀包括与毛细阀流体连通的虹吸结构，用于阻止低重力下的流体运动；

将流体放置于所述上游腔内；以及

在所述流体网络上施加向心力，以便将流体从所述上游腔移置到所述虹吸阀中。

72.根据权利要求71所述的方法，其中将所述虹吸阀中的流体移置一段距离，所述距离由所述虹吸阀中的流体压力来确定，所述虹吸阀中的流体压力等于所述上游腔内的流体压力。

73.根据权利要求72所述的方法，进一步包括以下步骤：

降低施加在所述流体网络上的随后的向心力，以便小于毛细阀的毛细力，从而使流体能移置到所述毛细阀并因此被停止。

74.根据权利要求73所述的方法，进一步包括以下步骤：

增加随后的向心力，以便大于所述毛细力，从而使流体能冲破所述毛细阀并朝着所述下游腔移置。

75.一种用于顺序分配向心促动的流体系统中的流体的方法，包括以下步骤：

提供流体网络，所述流体网络包括上游腔、下游腔和连续虹吸阀管，所述连续虹吸阀管被置于所述上游腔与所述下游腔之间并在所述连续虹吸阀管的每个各自的相对端部处与所述上游腔和所述下游腔流体连通，所述连续虹吸阀管包括一连串通过毛细阀分隔的连续虹吸阀，用于阻止低重力下的流体运动；

将流体放置于所述上游腔内；以及

在所述流体网络上施加向心力，以便将流体从所述上游腔移置到所述连续虹吸阀管中。

76.根据权利要求75所述的方法，其中所述连续虹吸阀管中的流体被移置一段距离，所述距离由所述连续虹吸阀管中的流体压力来确定，所述连续虹吸阀管中的流体压力等于所述上游腔内的流体压力。

77.根据权利要求76所述的方法，进一步包括以下步骤：

降低施加在所述流体网络上的随后的向心力，以便小于所述连续虹吸阀管的毛细力，从而使流体能移置到所述至少一个毛细阀并因此被停止。

78.根据权利要求77所述的方法，进一步包括以下步骤：

增加随后的向心力，以便大于所述毛细力，从而使流体能冲破所述毛细阀并朝着所述下游腔移置。

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