CN102006936A - 用于微流体系统的阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于分别打开和闭合微流体系统的通道(3)的阀。根据本发明，阀包括：致动介质(2)，其随温度变化经受体积变化；和加热器装置(5)，用于在致动介质(2)中产生与致动介质(2)相对于通道(3)的距离相关的温度梯度；其中由于致动介质(2)的膨胀或收缩，通道(3)分别被闭合或打开。当激励加热器装置(5)以使得在离通道(3)较近的致动介质(2)中产生较高的温度并且在离通道(3)较远的致动介质(2)中产生较低的温度时，阀可以被闭合，且反之亦然。因此，提供这种用于微流体系统的阀，其在长期使用期间可以被可靠地致动。

Description

用于微流体系统的阀
技术领域
本发明涉及微流体系统领域，特别是涉及用于分别打开和闭合微流体系统的通道的阀。
背景技术
特别是用于快速数字诊断试验(RDT)的集成便携式微生物系统需要独立操作的微型阀来针对复杂和并行的功能控制液体样本的传输。然而，由于多层的制造步骤或对其进行操作需要外部压力源，所以常规的微型阀制造起来很麻烦。
这种系统中的关键元件是集成的主动阀，其优选地可以在没有外部泵的情况下致动，从而实现了用于定点照护/需要试验的便携式生化系统。这种系统通常基于聚乙二醇(PEG)或石蜡的熔化/结晶的热膨胀/收缩。然而，在几个切换循环之后，基于聚乙二醇(PEG)的熔化/结晶的热膨胀/收缩的微型阀的性能已经改变了，并且由于随机和无关联的结晶、典型地沿着晶粒边界形成空隙和裂缝以及PEG与衬底分层，再现性受到了限制。
根据WO2005/107947 A1，知道一种用于控制微流体设备中的流体流动的阀。该阀包括在衬底上形成的室、加热线圈以及室中包含的阀材料。当该阀要被闭合时，激活加热线圈以致使阀材料穿过颈部膨胀到室外并进入主通道，从而阻塞该通道。阀材料可以是能够通过加热线圈而导致熔化的石蜡。在熔化时，熔化的石蜡流入主通道中，其在该主通道中冷却并凝固。然而，该阀将仅仅为一个单个事件工作，这是因为石蜡将不会回到室中。
发明内容
本发明的目的是提供这种用于微流体系统的阀，其能够在长期使用期间被可靠地致动。
该目的是通过一种用于分别打开和闭合微流体系统的通道的阀而实现的，该阀包括：
致动介质，其随温度变化而经受体积变化；以及
加热器装置，用于在致动介质中产生与该致动介质相对于通道的距离有关的温度梯度；其中
由于致动介质的膨胀或收缩，所述通道分别被闭合或打开。
因此，本发明的重要特征在于，阀包括能够在致动介质中的至少一个方向上产生温度梯度的加热器装置。这意味着致动介质中的温度根据距离要通过该阀来闭合的通道的距离而变化。
大体上，致动介质可以在与通道直接接触的容器中提供，即该容器没有相对通道密封。然而，根据本发明的优选实施例，致动装置在相对通道密封的介质容器中提供。因此这可以确保，致动介质不会粘附到通道的壁上，并且因此可以从通道自动地移除以用于再次打开阀。
一般地，致动介质可以通过许多不同方式相对通道密封。然而，根据本发明的优选实施例，介质容器通过弹性膜来相对于通道进行密封。虽然遍及本说明书和权利要求使用了术语“膜”，但是这并没有暗示它必须是可渗透的。根据本发明另一优选实施例，膜所包括的厚度为从等于或大于50μm到等于或小于500μm，优选地从等于或大于100μm到等于或小于300μm。而且，特别优选的是，膜包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或由其制成。而且，优选的是，它对于含水流体是不可渗透的，并且对生物物种是惰性的。
加热器装置可以通过不同的方式设计。然而，根据本发明的优选实施例，加热器装置包括至少两个加热器，优选地包括超过两个加热器且最优选地包括四个或超过四个加热器。加热器可以通过多种方式布置。特别地，也可以使用一个或多个局部加热器与一个或多个外部加热器的组合。根据本发明的优选实施例，加热器装置的加热器沿着介质容器布置，优选地彼此横向相邻，并且与通道的距离逐步增加。特别地，加热器的布置以及容器的形式可以线性的或曲线的布置，其中后一种情况意味着容器不会遵从矩形形状而是某种弯曲形状，并且/或者加热器不是沿着直线而是沿着曲线布置。
加热器装置的加热器可以通过不同的方式来设计，特别地对于加热器以及对于驱动器和传感器，可以使用LTPS。根据本发明的优选实施例，加热器包括电阻性加热器元件(优选地如薄膜加热器元件)。这提供了电子方式致动该阀的可能性。这样，去除了用于阀致动的外部压力源的需要，这使得能够实现例如用于照护点试验的便携式生化系统。
一般地，对于阀来说，温度传感器或其它传感器不是必需的。然而，根据本发明的优选实施例，提供了至少一个温度传感器，优选地提供了多个温度传感器，以便特别地分别用于检测致动介质的温度或温度梯度。特别地针对这一点，根据本发明的优选实施例，提供了一种优选地为闭合反馈回路的反馈回路，用于控制致动介质的温度。特别地，这意味着，加热器装置的加热器可以根据由一个或多个温度传感器分别检测到的温度或温度梯度来激励。另一个可能的反馈回路是经由通道中的压力传感器。经由测量该压力，调整致动介质中的温度，例如以实现恒定压力或控制所述流动。
根据本发明的优选实施例，阀通过布置在微流体系统的通道中的流量计来控制。所述流动也可以通过测量流动相关属性(如温度、热、传导性、流过通道的粒子数量等)来间接测量。
而且，可以使用不同的致动介质。然而，根据本发明的优选实施例，提供这样的致动介质以使得当由于加热器装置的加热而改变温度时，其经受优选为可逆的相变(优选地从固体到液体)。这意味着根据本发明的该优选实施例，当由于加热器装置不再加热而引起温度下降时，将还会存在从液体到固体的可逆相变。典型地，这些相变也是从非结晶(液体)到结晶(固体)的转变，且反之亦然。其它相变为例如从液体到气体的转变(全氟化碳)，且反之亦然。
可以使用用于致动介质的相变的不同的温度区域。根据本发明的优选实施例，致动介质在从等于或大于30℃到等于或小于80℃，优选地从等于或大于40℃到等于或小于70℃的范围中经受相变。
根据本发明的另一优选实施例，使用相变材料(PCM)作为致动介质。特别地，以下材料是优选的：聚乙二醇(PEG)、盐氢化物、脂肪酸、酯、石蜡、十八烷和/或离子液体及其混合物。
优选地，可以使用这样的材料，利用它们可以实现从10％到30％的体积变化。而且，将相变的转变温度调节到期望的温度。用于调节转变温度的适合添加剂是例如三丙二醇的寡聚物或者专用有机溶剂，其优选地不会穿过比如由PDMS制成的膜的弹性膜而蒸发/扩散。
一般地，对于致动介质来说，仅仅需要一种材料。然而，根据本发明的优选实施例，致动介质包括具有不同相变温度，特别是具有不同熔化温度和/或不同的比热热容量的至少两种材料，其中这两种材料优选地彼此相邻布置。这样，可以进一步改进温度梯度的创建和良好受控的熔化/结晶前沿的形成。
当从液体进入结晶态时，例如PEG的一些材料展现出长的结晶时间(由于不足的成核位置形成)。晶体的成核和生长可以通过将成核部分(moiety)加入到致动介质来增强。例如，当使用两种类型的不同分子量(Mw)的PEG(Mw越大，熔化温度越高)并且由加热器产生的温度保持低于高Mw的PEG的Tm时，高Mw的PEG晶体充当低Mw的PEG的成核位置的作用。
上述目的进一步通过一种用于操作上述阀的方法来解决，该方法包括下述步骤：
以以下方式激励加热器装置：首先在致动介质的较接近通道的部分中产生较高的温度并且在致动介质的较远离通道的部分中产生较低的温度，并且随后，在致动介质的较远离通道的部分中也产生较高的温度，以便闭合阀
以及/或者
以以下方式激励加热器装置：首先在致动介质的较远离通道的部分中产生较低的温度并且在致动介质的接近通道的部分中产生较高的温度，并且随后，在致动介质的较接近通道的部分中也产生较低的温度，以便打开所述阀。
而且，同样优选的是，当加热器装置包括多个加热器并使用了弹性膜时，弹性膜的鼓胀通过被激励的加热器的数量和/或在致动介质中由加热器产生的温度来调节。阀的差压能力也可以以此方式来调节，这是因为可以调节致动介质的体积膨胀。
优选地在下面应用的一种或多种中使用一种包括上述阀的系统：
-用于分子诊断的微流体生物传感器；
-微流体生物传感器的集成部分，其特别地用于预放大或放大、过滤、混合和/或检测；
-对复杂生物化合物中蛋白质和核酸的检测，其特别地用于现场试验和/或用于在集中式实验室中诊断；
-医疗诊断，特别是针对心脏病学、传染病和/或肿瘤学的蛋白质诊断；
-食物诊断；
-环境诊断；以及
-代谢物组学。
-流控制
附图说明
本发明的这些和其它方面将根据下面描述的实施例而变得清楚并被参照下面描述的实施例予以阐明。
在图中：
图1a示出穿过处于打开状态下的、根据本发明的第一优选实施例的阀的示意性横截面，
图1b示出穿过处于闭合状态下的、根据本发明的第一优选实施例的阀的示意性横截面，
图2示出根据本发明的第二优选实施例的阀的示意性顶视图，
图3a示出了说明闭合根据本发明的第二优选实施例的阀的示意性顶视图序列，
图3b示出了说明打开根据本发明的第二优选实施例的阀的示意性顶视图序列；以及
图4示出根据本发明的第三优选实施例的阀的示意图。
具体实施方式
从图1a和图1b中，可以在示意性侧视图中看到根据本发明的第一优选实施例的阀。该阀包括容纳如聚乙二醇的致动介质2的介质容器1。在由PDMS制成并且具有100μm到300μm之间的厚度的弹性膜4的帮助下，介质容器1中的致动介质2相对于将通过阀分别来闭合和打开的室3而密封。
从图1a和1b可以进一步看出，提供一种包含两个加热器6的加热器装置5。这里所示出的优选实施例的加热器装置5中的加热器6被设计为薄膜加热器元件，使得阀能够电子地受控。通过致动这些加热器6，可以实现从固体/结晶到液体/非结晶的相变并且因此实现体积膨胀，从而导致通过对加热器装置5的加热器6进行加热来闭合通道3以及当加热器6不再被致动时打开通道3的可能性。
将参照图2和图3a、3b更详细地阐述用于闭合和打开通道3的这种方法，这些图示出了根据本发明的第二优选实施例的阀。这些图是这种阀的示意性顶视图，其大体上设计为图1a、b所示的阀，其中取代具有两个加热器6的加热器装置5的是，提供了4个加热器6。这样，甚至可以更精确地执行对致动介质2的加热并因此控制该阀。
图2是根据本发明的第二优选实施例的阀的示意性顶视图，其示出通道3包括具有间隙7的区域。根据本发明的第二优选实施例的介质容器1的宽度大约为250μm，并且其长度大约为1000μm。垂直于通道3且在间隙7之上开始，加热器装置5的加热器6以彼此相邻的方式横向提供，并且距离通道3的距离逐步增加。具有4个加热器6的加热器装置5沿着其中提供了致动介质2的介质容器1延伸。介质容器1在其一端在通道3的间隙7之上延伸。
如从图3a可以看出，闭合阀按下述实现：通过顺序地从右到左寻址加热器装置5中的加热器6，在介质容器1中产生固体致动介质2的熔化前沿，这是因为致动介质2的温度上升超过固体/液体相变的变换温度。由于致动介质2的熔化，其体积增加并且弹性膜4鼓胀进入到通道3的间隙7中。随着越来越多的致动介质2熔化，鼓胀增加，并且通道3的间隙7最终完全被充满，这意味着阀闭合通道3。
为了再次打开通道3，如从图3b可以看出，从介质容器1的左侧开始，顺序停止加热器装置的加热器6的加热。这样，致动介质2从左到右固化，并且因此致动介质2的体积减少。结果，弹性膜4进入通道的间隙7的鼓胀减少并且通道3最终再次被打开。
从图4可以看出根据本发明的第三优选实施例的阀的示意图。根据该实施例，除了致动介质2之外，还提供了第二致动介质9。致动介质2、8都是这样的介质：当由于加热而引起温度改变时，其经受从固体到液体的可逆相变。而且，这些致动介质包括具有不同相变温度，即不同熔化温度和不同比热热容量的两种材料。从图4可以看出，这两种材料彼此相邻地布置，其中一种致动介质2位于更加远离通道3的地方并且第二致动介质位于更靠近通道3的地方。这样，可以进一步改进温度梯度的创建和良好受控的熔化/结晶前沿的形成。
此外，根据本发明的第三优选实施例，提供两个温度传感器9用于检测致动介质2、8的温度梯度。将来自温度传感器9的温度信号馈送给控制加热器6的加热控制器10，所述加热器中的两个被提供用于一种致动介质2，并且所述加热器中的两个被提供用于第二致动介质8。因此，实现了闭合反馈回路11以便控制致动介质2、8的温度梯度。
此外，根据本发明的第三优选实施例，在通道3中布置流量计12。该流量计12也可以用于控制阀：将流量计信号馈送给加热控制器10，从而实现对加热器6的控制，并且因此实现有关通道3中的流动的、对致动介质2、8中的温度梯度的控制。
尽管在附图和前面描述中详细说明并描述了本发明，但是这种说明和描述被认为是说明性的或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实践所述要求保护的本发明时通过研究附图、公开内容和所附权利要求，就能够理解和实现对所公开的实施例的其它变形。在权利要求中，文字“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施这个起码的事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制其范围。

Claims (10)

1.一种用于分别打开和闭合微流体系统的通道(3)的阀，该阀包括：
致动介质(2)，其随温度变化而经受体积变化；以及
加热器装置(5)，用于在该致动介质中产生与该致动介质(2)相对该通道(3)的距离相关的温度梯度；其中
由于该致动介质(2)的膨胀或收缩，该通道(3)分别被闭合或打开。
2.根据权利要求1的阀，其中该致动介质(2)在介质容器(1)中提供，该介质容器通过弹性膜(4)而相对通道(3)密封。
3.根据权利要求1或2的阀，其中该加热器装置(5)包括至少两个加热器(6)，优选地超过两个加热器(6)，且最优选地四个或超过四个加热器(6)。
4.根据权利要求1至3中任一项的阀，其中提供至少一个温度传感器(9)，优选地提供多个温度传感器(9)，以用于分别检测该致动介质(2)的温度或温度梯度。
5.根据权利要求1至4中任一项的阀，其中提供了反馈回路(11)，优选地提供了闭合反馈回路(11)，以用于控制该致动介质(2)的温度。
6.根据权利要求1至5中任一项的阀，其中该阀由布置在该微流体系统的该通道(3)中的流量计(12)控制。
7.根据权利要求1至6中任一项的阀，其中提供这样的致动介质：使得当由于该加热器装置(5)的加热而改变温度时，经受优选地从固体到液体的优选为可逆的相变。
8.根据权利要求7的阀，其中该致动介质(2，8)包括具有不同相变温度，特别是不同熔化温度和/或不同比热热容量的两种材料，所述两种材料优选地彼此相邻布置。
9.一种用于操作根据权利要求1至8中任一项的阀的方法，该方法包括下述步骤：
以以下方式激励该加热器装置(5)：首先在该致动介质(2)的较接近该通道(3)的部分中产生较高的温度并且在该致动介质(2)的较远离该通道(3)的部分中产生较低的温度，并且随后，在该致动介质(2)的较远离该通道(3)的部分中也产生较高的温度，以便闭合该阀
以及/或者
以以下方式激励该加热器装置(5)：首先在该致动介质(2)的较远离该通道(3)的部分中产生较低的温度并且在该致动介质(2)的接近该通道(3)的部分中产生较高的温度，并且随后，在该致动介质(2)的较接近该通道(3)的部分中也产生较低的温度，以便打开该阀。
10.一种包括根据权利要求1至9中任一项的阀的系统，该系统被用在一种或多种下述应用中：
-用于分子诊断的微流体生物传感器；
-微流体生物传感器的集成部分，其特别地用于预放大或放大、过滤、混合和/或检测；
-在复杂生物化合物中对蛋白质和核酸的检测，其特别地用于现场试验和/或用于在集中式实验室中的诊断；
-医疗诊断，特别是针对心脏病学、传染病和/或肿瘤学的蛋白质诊断；
-食物诊断；
-环境诊断；
-代谢物组学；以及
-流控制。
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