CN102215967A - 微流体系统的入口与毛细管通道的连接 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微流体系统，并且更具体地涉及具有毛细管通道(14)和用于接收流体的入口(12)的微流体系统，以及填充毛细管通道(14)的方法。所提供的是微流体系统，其具有用于接收流体的入口(12)、毛细管通道(14)、用于使过量流体流出的出口(20)、以及用于将入口(12)连接到毛细管通道(14)的储存器(10)。储存器(10)形成从入口(12)到出口(20)的第一通道，以及从入口(12)到毛细管通道(14)的进口(22)的第二通道。第一通道的流体阻力足够地低，以便当流体在入口(12)处在压力作用下被接收时，在毛细管通道(14)的进口(22)处实现压力降低。
Description
技术领域
本发明涉及微流体系统领域，并且更具体地涉及包括毛细管通道和用于接收流体的入口的微流体系统。
背景技术
由于微流体技术的使用，使得在化学和技术领域已经取得了显著的进步。
术语“微流体”通常被用于表示具有通道和腔室的系统或装置，所述通道和腔室被构造成具有至少一个横截面尺寸诸如深度、宽度、或直径小于毫米的。例如，微流体通道和腔室形成流体通道网络，其允许非常微量的材料的运输、混合、分离和/或检测。微流体装置是特别有利的，因为它们使得对小的样本尺寸进行各种不同的测量，例如化学的、光学的测量等等，以及实现自动化的高吞吐量处理过程成为可能。
由于微流体装置中使用了小通道尺寸和流体体积，因此存在影响流体在微流体装置中流动的因素，这些因素在流体更大规模的流动中是次要的。例如，流体的诸如表面张力、粘度等等物理性能相比于大规模的流动所具有的这些性能能够对流体力学产生更大的影响。
从US 2005/0133101A1中已知了一种微流体系统，其具有用于存储从外部注入的流体的入口储存腔。流动通道将储存腔与反应腔相连接。由固有的毛细现象产生了移动流体所必须的驱动力，使得无需外部驱动力。
发明内容
在微流体装置中，能够自发地填充液体的装置通常是合乎需要的，也就是说，填充速度完全是或者至少主要地是由装置和流体例如样品流体的特性所决定。一旦填充过程被启动，填充速度不会受到使用者的影响是合乎需要的。
例如，当使用微流体分析装置时，通常样品首先是按量计算地获取，其远多于并且不相符于微流体分析装置的测量范围。例如，样品流体可以在微流体系统的前端单元或者模块中获取，其例如可以被压力所驱动。
消除与微流体系统的压力驱动部分和毛细驱动部分的连接相关的界面现象将会是合乎需要的。对于微流体装置的毛细驱动部分消除施加于将要引入到毛细管部分中的流体上的压力也将是合乎需要的。获得具有用于在压力作用下接收流体的入口且具有能自发地填充流体的毛细管通道的微流体系统同样是合乎需要的。
为了更好地考虑一个或多个这些关注，在本发明的第一方面，提供了一种微流体系统，包括：
-用于接收流体的入口；
-毛细管通道；
-用于使过量流体流出的出口；以及
-用于将所述入口连接到所述毛细管通道的储存器；
其中，所述储存器形成从所述入口到所述出口的第一通道；
所述储存器形成从所述入口到所述毛细管通道的进口的第二通道；以及
所述第一通道的流体阻力足够地小，以使当流体在所述入口处在压力作用下被接收时实现所述毛细管通道的所述进口处的压力降低。
压力的降低是通过储存器的结构来实现的。特别地，压力被降低而不采用主动压力降低装置。
压力驱动流体流动所受到的流体阻力是利用压力差除以流速而获得的，也就是说R流体＝ΔP/Φ。流体阻力的单位是Pa s/m3。给定了流体的性质，则流体阻力分别完全取决于储存器或者毛细管通道的几何参数。例如，具有矩形横截面的储存器通道或者一般而言槽道的流体阻力大约是：
R流体＝12ηL/h3w(1-0.63(h/w))，
其中η表示流体的动态粘度，L表示槽道的长度，h表示槽道的高度，以及w表示槽道的宽度，h小于或等于w。
因此，一般而言，足够的低流体阻力能够通过相应的通道或者槽道的足够大的横截面来实现。
术语“横截面”的意思是横截面区域。这个横截面区域是可以被流体所填充的区域，也就是说，尤其是流体沿着相应的通道或者槽道流动的最大可用区域。这个区域可以沿着给定的横截面是连续的，或者其可以包括两个或更多个分开的部分。例如，当储存器充满了多孔过滤器材料时，由于过滤材料的流体移动，因此横截面被减小。此外，由于过滤材料形成储存器内壁，因此横截面区域会被分开。
由于储存器沿着第一通道的流体阻力取决于沿着第一通道的横截面的尺寸大小和几何形状，因此必须根据横截面的几何形状对外形尺寸进行选择。通过对储存器外形尺寸的适当选择，特别是通过相对于毛细管通道和/或第二通道的外形尺寸对储存器的第一通道的外形尺寸进行选择，例如，从入口处填充储存器的任何受压力驱动的流体的流动能够被阻止进入到毛细管通道中。例如，由于相对于毛细管通道的阻力而言储存器的阻力是微不足道，因此流体将仅仅流过而不会填充毛细管通道。任何多余的流体被迫使通过出口离开储存器。因此，由于第一通道，或者特别是第一通道的位于第一和第二通道的共用部分上游处的所述部分的足够的低流体阻力，使得在毛细管通道的进口处形成压力降低。因此，毛细管通道可以自发地进行填充。术语“填充毛细管通道”意味着完全地或者至少到达定义限度地，例如到达微流体装置的一个位置地，填充毛细管通道。
沿着第一通道的储存器的流体阻力的级数可能会局部地发生变化，并且例如不必要是线性的。例如，至少在第一通道的一个或者多个部分上，相应部分的流体阻力可以是足够的低，以使得流体阻力的总的效果是在毛细管通道的进口处形成压力降低。例如，第一通道的横截面在它从入口到出口的流程中发生变化。也就是说，横截面的剖面沿着第一通道并非是恒定不变的。例如，至少在第一通道的一个或更多个部分中，横截面是足够大的，从而使得总体而言，沿着第一通道变化的横截面的作用是提供足够的低流体阻力，并且因此，实现在毛细管通道的进口处的压力降低。
例如，第一通道，它从入口到出口的流程中具有的横截面剖面足够地大以便于当流体在入口处在压力作用下被接收时，在毛细管通道的进口处提供压力降低。这意味着第一通道的流体阻力是足够的低。特别地，第一通道可以具有横截面剖面，其在第一通道从入口到出口的流程中至少局部足够地大以便于当流体在入口处在压力作用下被接收时，在毛细管通道的进口处提供压力降低。
例如，毛细管通道是利用毛细管作用力来输送流体的毛细管通道。例如，微流体系统包括微流体装置。例如毛细管通道是用于将流体输送到微流体系统的微流体装置的毛细管通道。
例如，入口是用于接收在压力作用下的流体的入口。由于压力降低或者甚至是压力消除，样品流体在压力驱动下进入微流体系统的执行对毛细管通道的填充的影响是微不足道的。此外，所述填充不依赖于微流体系统的取向，并且因而例如不依赖于包括微流体系统的手持设备的取向。
出口例如是溢流口。例如，出口通向外部。
例如，第二通道至少具有与第一通道共用的上游部分。也就是说，第一通道部分地或者全部地包括第二通道。例如，在第一通道从入口到出口的流程中，第二通道的下游部分可以分叉出来。
下文中，将对具有第一通道的足够的低流体阻力的储存器的构造设计的多个例子进行说明。
例如，第一通道的位于毛细管通道的进口的下游处和/或第一和第二通道的共用部分的下游处的那部分的流体阻力可以是足够的低，以便于在第一通道的这个部分的上游端，并且因而在毛细管通道的进口处提供压力降低。例如，毛细管通道的进口可以被设置在第一和第二通道的所述共用部分的下游端，或者第一和第二通道可以在通道的共用部分的下游分开。在两种情况下，毛细管通道进口处的压力都将等于或者小于通道的共用部分的下游端的压力。足够的低流体阻力可以通过足够大的横截面剖面来实现。
另外地和/或可选择地，从位于通道的共用部分下游的第一通道分出来的第二通道的一部分可以具有一定的流体阻力，其例如比通道的共用部分的和/或第一通道的位于通道的共用部分下游的那部分的流体阻力高。然后，第一通道尤其是在第一通道的所述下游部分的流体阻力将是足够的低，以便于使得第二通道的位于通道的共用部分下游的所述部分能够在毛细管通道的进口处提供压力降低。同样地，第一通道的位于通道的共用部分下游的那部分的稍高些的流体阻力可以仍然是足够的低，以便于在毛细管通道的进口处提供所需的压力降低。
术语“压力降低”可以包括压力消除，也就是说，压力的减小以使得能够在毛细管通道的进口处提供非受压的流体。
例如，压力降低是用于防止流体在压力作用下进入毛细管通道的压力降低。
通过压力降低或者消除实现毛细管通道的自发填充是可行的。在压力作用下进入储存器的流体将朝着出口的方向流过通道进口，而不会被迫进入通道。
因而，储存器可以是当流体在入口处在压力作用下被接收时用于在毛细管通道的进口处提供非受压流体的压力降低腔，例如压力消除腔。
例如，储存器的第一和/或第二通道不是微流体通道。特别地，所述通道可以具有在每个方向上都大于1毫米的横截面尺寸。因此，例如储存器可以容纳大量的用于提供到至少一个毛细管通道中的流体。
本发明有用的细节在从属权利要求中被提出。
在一个实施例中，第一通道的流体阻力比第二通道和毛细管通道的流体阻力小。例如，特别地，第一通道的位于第一和第二通道的共用部分上游的那部分的流体阻力比第二通道的位于第一和第二通道的共用部分上游的那部分和/或毛细管通道的流体阻力小。例如，第一通道的流体阻力比第二通道的位于第一和第二通道的共用部分上游的那部分和/或毛细管通道的流体阻力小。
例如，入口被设置在毛细管通道进口的上游，并且出口被设置在毛细管通道进口的下游。例如，毛细管通道从储存器的第一通道分叉出来。例如，从入口到出口的第一通道包括储存器从进口的上游延伸到出口的部分，并且其具有比毛细管通道更低的流体阻力和/或更大的横截面。
例如，出口具有比毛细管通道的进口更大的横截面。
在一个实施例中，压力降低允许毛细管通道能够大体利用毛细管力进行填充。特别地，压力降低可以允许毛细管通道主要利用毛细管力或者仅仅利用毛细管力进行填充。因此，毛细管通道被消除了作用于流体入口处的压力。
例如，微流体系统还包括微流体装置，其中毛细管通道被设置成用于将流体输送到装置。例如，毛细管通道被设置成利用毛细管作用力进行流体的输送。因此，实现了毛细管通道的自发式填充和流体的输送。由毛细管作用力对流体进行的输送仅仅取决于通道和样品流体的特性，并且因此是一条实现自发式填充的非常稳定的方式。额外的致动装置或者泵装置可以被省去。通常情况下，微流体系统可以包括多于一条的毛细管通道，并且每个毛细管通道可以包括多于一个的微流体装置。毛细管通道或者通道可以形成用于包括一个或多个微流体装置的微流体网络的输入端。
在一个实施例中，毛细管通道的进口可被来自第一和第二通道的共用部分的流体所润湿。例如，毛细管通道的进口被设置在储存器上，以便被流过第一通道和/或填充第一通道的流体所润湿。特别地，毛细管通道的进口可以被来自储存器的尤其是来自第一和第二通道的共用部分的非受压流体所润湿。也就是说，对毛细管通道进口的润湿无需压力作用。例如，当第一和第二通道的共用部分被流体充满时，第二通道的剩余上游部分可以被流体润湿。因此，通过润湿作用，流体可以从第一和第二通道的共用部分被输送至毛细管通道的进口处。
在一个实施例中，毛细管通道进口可被处于第二通道的位于第一和第二通道的共用部分的上游和/或入口的上游的那部分中的流体在不存在压力的情况下所润湿。特别地，在毛细管通道的进口处不存在润湿阻碍部。因此，毛细管通道可以自发地被非受压流体所填充。
在一个实施例中，储存器的环绕并且形成毛细管通道进口的内表面区域具有大体均匀的可润湿性。例如，储存器的沿着第二通道连续延伸的壁沿着第二通道是可被充分地均匀地润湿，并且包括所述内表面区域。因此，到达环绕毛细管通道进口的内表面区域的非受压液体可以自发地润湿毛细管通道的进口，并且利用毛细管作用力进入毛细管通道。
在一个实施例中，过滤材料将第一通道与毛细管通道的进口相分隔。因此，第二通道的至少一部分延伸通过过滤材料。也就是说，第二通道的不同于第一通道的一部分是由过滤材料形成的。过滤材料减小了第二通道的所述部分的横截面。此外，过滤材料可以提高第二通道的所述部分的可润湿。例如，过滤材料可以被设置成通过沿毛细管通道进口的方向的润湿来输送流体。例如，储存器的第一部分可以形成第一通道，并且储存器的第二部分可以包含过滤材料并且可以形成第二通道的位于第一和第二通道的共用部分上游的部分。过滤材料可能也存在于第一通道中，特别地，存在于第一和第二通道的共用部分中。过滤材料可以与储存器的壁整体地形成。
例如，将第一通道与毛细管通道的进口相分隔的过滤材料提高了第二通道的流体阻力。例如，第一通道的位于第一和第二通道的共用部分下游的部分中没有过滤材料可以使第一通道的流体阻力变得足够地低，以便于实现在毛细管通道进口处的所述压力降低。另外，将第一通道与毛细管通道的进口相分隔的过滤材料可以防止包含在流体中的气泡到达毛细管通道的进口。
在一个实施例中，第一通道可供包含在流体中的气泡通过。因此，存在于流体中的气泡会通过出口而被除去。这便于将流体供应到毛细管通道中。
在一个实施例中，第一和第二通道的共用部分包括被动压力阀。术语“被动压力阀”描述了通道中需要一定程度压力以便于被流体所注满的部分。在被动压力阀被注满之后，其对于流体阻力的影响可忽略不计。被动压力阀可以保证在毛细管通道的自发式填充启动之前，例如在前端单元中存在充足的最低量的流体，前端单元被设置成将流体传送通过入口到达储存器。因此，在一定范围内，毛细管通道的自发式填充不会依赖于样品流体的量，例如，或者是用户动作的程度。例如，微流体系统的前端可以是样本获取单元和/或流体样本提纯装置。例如，微流体系统的前端单元可以包括指示器，其用于向使用者指示在前端单元中存在充足的最低量的样品流体。
在一个实施例中，被动压力阀包括表面润湿阻碍部，也就是说，具有与周围表面相比不同并且尤其是具有更低可润湿性的区域。当流体是极性流体时，表面润湿阻碍部例如是疏水的阻碍部。
在一个实施例中，被动压力阀包括几何形状的润湿阻碍部，例如几何形状的流体表面牵制阻碍部。例如，几何形状的润湿阻碍部可以包括具有大于90°的半开度角的壁的边缘。特别地，阻碍部可以包括相对的壁的边缘，每个边缘具有大于90°的半开度角。如果流体弯月面到达几何形状限定的具有大于90°半开度角的边缘，其相对于润湿表面的接触角不再是恒定的。只要不施加驱动压力，弯月面就被固定到或者被牵制到零毛细管压力的边缘上。因此，牵制效果可被用于控制储存器的填充性能。流体的前缘被固定在牵制阻碍部上，直到达到突破压力或是另一个流体的前缘从相反的方向到达阻碍部，并且与所固定的一个前缘相结合。
在一个实施例中，第一通道的位于第一和第二通道的共用部分下游的一部分包括被动压力阀。进而，有助于储存器的完全填充直至到达被动压力阀。被动压力阀的突破压力可以是足够的低，以便于保证毛细管通道可以仍然大体在毛细管作用力的作用下被填充。如果流体在过高的压力下被接收，被动压力阀将允许流体通过并且到达出口，例如或者到达储存器的更为下游部分。
在一个实施例中，另外的毛细管通道的进口可以被设置在储存器上，储存器形成了从入口到该另外的毛细管通道的进口的第三通道，第三通道至少具有与第一通道共用的上游部分。例如，第三通道可以具有与第一和第二通道共用的上游部分。在一个实施例中，第一毛细管通道的进口和该另外的毛细管通道的进口被被动压力阀所分隔。如同上文中所述的，这具有与存在于第一和第二通道的共用部分中的、与第一毛细管通道的进口相关的被动压力阀相同的优点。在一个实施例中，相应的另外的毛细管通道的一系列的进口可以被设置在储存器上，并且例如可以被相应的被动压力阀所分隔。从而，一系列的毛细管通道分别可以被自发地填充。
在本发明的第二方面中，提供了一种填充毛细管通道的方法，包括如下步骤：
-在储存器的入口处在压力作用下接收流体；
-使所述流体流入所述储存器的第一通道，所述第一通道从所述入口延伸至所述储存器的出口；
-使所述流体通过所述储存器的第二通道到达所述毛细管通道的所述进口，所述第二通道从所述入口延伸至所述毛细管通道的所述进口，所述进口被设置在所述储存器上；以及
-通过所述第一通道的足够的低流体阻力减小所述毛细管通道的所述进口处的流体的压力。
压力的减小可利用储存器的结构来实现。特别地，压力被减小而不采用主动减压装置。
例如，第二通道至少具有与第一通道共用的上游部分。到达毛细管通道进口的流体可以进入毛细管通道。例如，毛细管通道利用毛细管作用力被填充。
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。
附图说明
图1示出了根据本发明的微流体系统的储存器和毛细管通道的示例性结构。
图2是示出了图1中的微流体装置的示意图。
图3示出了具有过滤器的微流体装置的可选实施例。
图4是示出了图3中的微流体装置的示意图。
图5是具有过滤器的微流体装置的另一个实施例。
图6至8示出了具有疏水性表面润湿阻碍部的微流体装置的另一个实施例中的毛细管通道的填充。
图9示出了具有几何形状的润湿阻碍部的微流体装置的另一个实施例。
图10是具有脱泡腔的微流体装置的另一个实施例的剖面示意图。
具体实施方式
图1中，图示出了将微流体系统的入口12连接到毛细管通道14的储存器10的几何结构。储存器10具有包括侧壁16、顶壁和底壁18的矩形横截面。图1中，出于示意性的目的顶壁未被示出。
入口12被设置在储存器10的前壁上。出口20被设置在储存器10的后壁上。例如，入口12和出口20具有相应的横截面，其小于储存器10的横截面。入口12例如连接到用于样品流体捕获或提纯的前端模块。样品流体在入口12处被储存器10接收，并开始填充储存器10。
毛细管通道14的进口22被设置在一个侧壁16上。储存器10的包括环绕着进口22的区域24的内壁16，18具有大体均匀的可润湿。例如，样品流体是与储存器10的内壁具有一定接触角的水性流体。毛细管通道14被设计成允许利用毛细管作用力输送流体。
当储存器10被填充至进口22时，流体将接触并润湿进口22。任何多余的样品流体将通过出口20流出储存器10。
毛细管通道14的横截面比垂直于从入口12到出口20的流体流向的储存器10的横截面要小很多。由于相对于毛细管通道的流体阻力而言储存器的可忽略不计的流体阻力，因此在压力作用下被接收的流体将流过进口22，而不会在压力作用下进入毛细管通道14。因此，储存器10的低流体阻力实现了压力降低。这阻止了加压流体进入毛细管通道14。因而，毛细管通道的进口22可由来自储存器的非受压流体所润湿。因此，毛细管通道14仅利用毛细管作用力即可自发地填充。
图2示意性地示出了安装有图1中储存器10和毛细管通道14的微流体系统。箭头表示流体从前端单元26通过入口12流入储存器10、从储存器10通过进口22并通过毛细管通道14流入微流体装置28、以及从储存器10的出口20流出。例如，流体从前端单元26到储存器10的入口12的流动可以由压力所驱动。微流体装置28包括例如用于对流体进行化学的、光学的或其它的测量的传感器或分析装置。
如同从图1和图2中可以看到的，储存器10形成了从入口12到出口20的具有均匀横截面的第一通道。出口20例如是向外部排放的。此外，储存器形成了从入口12到毛细管通道14的进口22的第二通道。在这个例子中，第二通道与第一通道的上游部分相重合。在这个例子中，第一通道，尤其是第一通道在进口22和出口20之间延伸的后部部分具有足够的低流体阻力，以当流体在压力下在入口12处被接收时能够在进口22处提供压力降低效果。在可以由前端单元26确保的一定压力范围内，储存器10还从入口12处提供了进口22处的压力消除。因此，储存器10是压力消除腔。
虽然储存器10形成了从入口到出口的通道，但是这个通道不是微流体通道，并且不存在流体从入口12到出口20的毛细管输送。因为通道的流体阻力主要取决于横截面尺寸，储存器10和毛细管通道14的横截面尺寸可以容易地改变，以确保储存器10的流体动力学阻力相对于毛细管通道14的流体动力学阻力是微不足道的。
图3示出了微流体系统的一个实施例，其中储存器10包括设置在第二部分10b顶部的第一部分10a。储存器10的第一部分10a形成了从入口12到出口20的第一通道，其中所述入口12被设置在第一部分10a的一端的顶壁18上，所述出口20被设置在第一部分10a的后壁上。第一通道具有矩形的横截面。
储存器10的第二部分10b通过与入口12相对的矩形开口30而连接至第一部分10a。第二部分10b具有圆柱形形状，矩形开口30被设置在第二部分10b的顶壁上。毛细管通道14的进口22被设置在第二部分10b的侧壁上。
储存器10的第二部分10b被过滤器的多孔过滤材料32所填满。储存器从入口12通过第一部分10a、通过开口30、并且通过过滤材料32到达毛细管通道14的进口22从而形成第二通道。第一通道和第二通道在它们各自的上游起始部分具有共用的短的部分。
过滤材料32增大从矩形开口30朝向进口22的第二通道的下游部分的流体阻力。沿着储存器的第一部分10a从入口12到出口20的第一通道的相对低的流体阻力因而当流体在入口12处在压力作用下被接收时提供了进口22处的压力消除。因此，储存器10是用于从毛细管通道14中的毛细管流中将输入压力消除的压力消除腔。
由于其多孔的结构，过滤材料32是极好的流体吸收体。因此，通过开口30进入第二部分10b中的流体将被输送到毛细管通道的进口22。毛细管通道的进口22由来自储存器的，尤其是来自由过滤材料32所填充的储存器部分的非加压流体所润湿。
图4示意性地示出了图3中的流体线路。储存器的第一部分10a形成了从入口12到出口20处的第一通道，并且这个第一通道的上游部分与第二通道相重合，所述第二通道从入口12通过储存器第二部分10b中的过滤器的过滤材料32到达毛细管通道的进口22。由于过滤器，该线路尤其适合于小的压力驱动流。
图5示出了另外的实施例，其类似于图3中的实施例。然而，形成从顶部入口12到后壁上的出口20的第一通道的第一部分10a在储存器的第二部分10b的过滤材料32中形成了空腔。在入口12处被接收并且沿着空腔流动的流体将在空腔的侧壁和后壁处润湿过滤材料32。过滤材料32将被润湿直至其饱和，并且流体将润湿毛细管通道14的进口22。过量的流体将沿着朝向出口20的第一通道简单地流过过滤材料32。如图3和图4中所示，从入口12通向出口20的第一通道和从入口12通向毛细管通道14的进口22的第二通道具有共用的上游部分。如图3和图4中所示，过滤材料32将第一通道与进口22相分隔。
在图5所示的实施例中，第一通道、第二通道和毛细管通道14处于同一平面上，并且例如各自的顶壁具有相同的高度。因而，上述结构可以只须通过在基部例如基板中形成储存器10和毛细管通道14，并且利用形成顶壁且具有入口12的顶板覆盖所述基板制成。例如，基板是由塑料材料制成。可选择地，基部可以由各种不同种类的材料制成，例如铝、铜、或者铁；硅；或者玻璃。此外，基部可以是印刷电路板等等。顶板可以由与基部相同的或者不同的材料制成。
作为图5中结构的替代，储存器的第一部分10a也可以在基底或者基部中形成，而无需在过滤材料32中形成空腔。例如，第一部分10a可以被设置在储存器的第二部分10b的与进口22相对的侧面上，或者在不同侧面位置。不包含空腔的盘状或者圆柱状的过滤材料22更易于被制造。
图6至图8示出了微流体系统的另外实施例，其具有类似于图2中的储存器10和毛细管通道14。但是，第一疏水性表面润湿阻碍部34被设置在第一和第二通道的上游共用部分中。第二疏水性表面润湿阻碍部36被设置在通向出口20的第二通道的下游部分中。阻碍部34，36形成疏水止挡部，其形成被动压力阀。在储存器10的内壁的区域34和36处，表面能与储存器10内壁的周围相比是不同的。
例如，阻碍部34和36可以由储存器10的底壁和顶壁的疏水性表面区域构成。阻碍部34，36可以如下文中所述的进行制造。起初，利用表面处理方法对储存器各个壁的整个表面进行处理，以便于使所述表面亲水化。表面处理方法例如是等离子、吸附、或者化学方法或者现有技术中其它任何已知的方法。然后，疏水区域被制备，例如，通过将诸如聚四氟乙烯涂层等聚合物涂层刷到所述壁的相应部分上。这产生了基于不同表面能的表面润湿阻碍部。
在入口12处接收的流体38将首先润湿阻碍流体流动的、位于第一阻碍部34上游的储存器10的部分。在流体一定的突破压力下，实现了突破，其如同图7中所示出的那样，并且流体可以通过第一阻碍部34。
现在，流体可以进一步沿着第二通道流动，并且润湿位于阻碍部34和36之间的毛细管通道的进口22。毛细管通道的进口22可由来自储存器的非受压流体所润湿。因而，毛细管通道14可以如图8中所示的那样自发地填充。例如，流体可以填充储存器直至到达第二阻碍部36。第二阻碍部36可能需要与第一阻碍部34相比相等的、更低的或是更高的突破压力。所述突破压力例如是足够的低，从而不会影响毛细管通道的填充。
图9示出了微流体系统的更进一步的实施例，其具有与图2中相类似的储存器。但是，两个毛细管通道14设置在储存器10的侧壁16上。因此在图6中，通过表面润湿阻碍部34形成被动压力阀，而在图9中，被动压力阀是由几何形状的润湿阻碍部40所形成。
每个几何形状的润湿阻碍部40是由形成在储存器10的相对的壁例如侧壁16上的边缘42所形成的。边缘42具有大于90°的半开度角。如同图9中所示的那样，流体38的弯月面被固定或牵制到边缘42。这个牵制作用被用于控制储存器10的润湿行为。流体在零毛细管压力作用下被固定到阻碍部40上，直至达到突破压力。毛细管通道的进口22可被来自储存器的大体非受压的流体所润湿。突破压力例如是足够的低，从而不会影响毛细管通道的填充。
如图9中所示的那样，第一侧壁16具有在每个齿上包括通向相应的毛细管通道14的进口的锯齿形结构。由于几何形状的润湿阻碍部的牵制作用，因此一系列的毛细管通道14可以一个接着一个地自发地进行填充。
通过确保在开始毛细管通道的填充之前，在阻碍部前面的储存器中存在足量的流体，图4至图8、以及图9中的阻碍部就能够实现毛细管通道的无隙填充。因此，毛细管通道的自发的并且是无隙的填充是可实现的。因而，在一定的范围内，毛细管通道的填充不取决于用户动作的比率。例如，即使在用于将流体供给到入口12的取样单元中收集了足量的样品流体，例如流体收集装置的缓慢压缩，诸如使用者所进行的切换，也可能会导致缓慢的流体供给。如果自发式填充启动过早的话，这可能会导致流体量的不足。包括有被动压力阀的储存器可以防止自发式填充的过早启动。
图10示出了根据本发明的包括微流体系统的手持装置的一部分，其与图4中的那个相类似。例如，手持装置是一种具有拭子的用于分析所收集流体的手持设备。例如，流体是唾液。为了便于从拭子释放唾液，需要施加作用力。例如，拭子被加压以将唾液释放到图10中圆柱形装置左边的接收孔43中。流体通过第一过滤器44被过滤，并且通过过滤器44进入储存器10。因此，过滤器44被放置在储存器的入口12处。因为流体是从拭子在压力作用下被释放，所以流体在压力作用下在入口12处被接收。通向废料腔46的出口20设置在储存器10的相对的一端。因此，储存器10的第一部分10a形成了从入口12到出口20的第一通道。由于这个第一通道大的横截面，因此流体压力被减小。在储存器10的第一部分10a沿着第一通道具有相同横截面时，储存器10的第二部分10b被设置成在第一部分10a的侧壁上紧邻着第一部分。第二部分10b中充满了过滤器的过滤材料32。过滤材料32将第一通道与毛细管通道14的进口22相分隔，毛细管通道14的进口22形成在储存器的第一部分10a的外壁和其中形成有毛细管通道14的基底或者基部48之间。过滤材料例如是多孔且亲水的材料，以使其易于充满水状流体。例如，过滤器是玻璃纤维垫。
由于储存器的第一部分10a的低流体阻力，以及由于储存器的第二部分10b中过滤材料32的相对高的流体阻力，因此位于毛细管通道14的进口22处的压力从入口12处的压力被消除。因而，毛细管通道14将被流体自发地填充。
此外，可能包含在入口12处所接收的流体中的气泡将通过过滤材料32，并且将在出口20处离开储存器10并进入废料腔46。因而，储存器10是压力消除腔，同时也是脱泡腔。由于毛细管通道的进口完全与储存器的第一通道相分离，因此其能够保证没有气泡会到达进口22。此外，形成从入口12到通向废料腔46的出口20的第一通道的储存器的第一部分10a的相同横截面确保用于将气泡引导至废料腔的连续通道。
例如，过滤材料32可以另外浸渍有至少一种物质，例如化学物质，用于在流经过滤材料的流体中分解所述物质。
储存器10形成从入口12通过过滤材料32到达毛细管通道的进口22的第二通道。因为第一通道和第二通道具有共用上游部分，所以保证了当流体到达过滤材料32时，储存器10中存在一定量的流体。这便于毛细管通道14的无隙填充，以及使得填充过程不取决于用户动作的频率或者所处理样品流体的量。
由于毛细管通道14的进口22的润湿被保证，所以当储存器10被填充时，毛细管通道14的填充可以不依赖于微流体系统的取向。当微流体系统是手持装置的一部分时，因此，利用通过毛细管通道14填充的微流体装置进行的分析所得出的结果不依赖于手持装置被握持的方式。
尽管本发明已经通过附图及先前的描述进行了详细显示和描述，这种显示和描述将被认为是说明性的或者示例性的，而不是限制性的。本发明不局限于所公开的实施例。
本发明的微流体系统可以被应用于各种系统和工艺过程中，例如用于DNA分析(诸如聚合酶链式反应和高通量测序)、蛋白质组学、喷墨打印机、血液-细胞分选设备、生化试验、化学合成、遗传分析、药物筛选、电色谱、表面微加工、激光切除，以及疾病的直接护理点诊断的微流体系统。
本领域技术人员在实践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。此外，微流体系统或者方法中的每个公开的实施例的所有公开的部件和特征能够与微流体系统或者方法中的所有其他的公开的实施例的所公开的部件和特征相结合或者相互替代，除非其中这些部件或者特征互相排斥。相互间不同的从属的权利要求中所限定的特定手段并不表示这些手段的结合不能被用于获益。
在权利要求中，“包括”一词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。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 (12)
1.一种微流体系统，包括：
-用于接收流体的入口(12)；
-毛细管通道(14)；
-用于使过量流体流出的出口(20)；以及
-用于将所述入口(12)连接到所述毛细管通道(14)的储存器(10)；
其中，所述储存器(10)形成从所述入口(12)到所述出口(20)的第一通道；
所述储存器(10)形成从所述入口(12)到所述毛细管通道(14)的进口(22)的第二通道；以及
所述第一通道的流体阻力足够地小，以使当流体在所述入口(12)处在压力作用下被接收时实现所述毛细管通道(14)的所述进口(22)处的压力降低。
2.如权利要求1所述的微流体系统，其特征在于，所述第一通道的流体阻力比所述第二通道和所述毛细管通道(14)的流体阻力小。
3.如权利要求1或2所述的微流体系统，其特征在于，所述压力降低允许大体通过毛细管作用力填充所述毛细管通道(14)。
4.如权利要求1-3之一所述的微流体系统，其特征在于，所述毛细管通道(14)的所述进口(22)可被来自所述第一和第二通道的共用部分的流体所润湿。
5.如权利要求1-4之一所述的微流体系统，其特征在于，环绕并且形成所述毛细管通道的所述进口(22)的所述储存器(10)的内表面区域(24)具有大体均匀的可润湿性。
6.如权利要求1-5之一所述的微流体系统，其特征在于，过滤材料(32)将所述第一通道与所述毛细管通道(14)的所述进口(22)相分隔。
7.如权利要求1-6之一所述的微流体系统，其特征在于，所述第一通道可由包含在所述流体中的气泡通过。
8.如权利要求1-7之一所述的微流体系统，其特征在于，所述第一和第二通道的共用部分包括被动压力阀(34；40)。
9.如权利要求8所述的微流体系统，其特征在于，所述被动压力阀包括表面润湿阻碍部(34)。
10.如权利要求8或9所述的微流体系统，其特征在于，所述被动压力阀包括几何形状的润湿阻碍部(40)。
11.如权利要求1-10之一所述的微流体系统，其特征在于，位于所述第一和第二通道的所述共用部分下游处的所述第一通道的一部分包括被动压力阀(36；40)。
12.一种填充毛细管通道的方法，包括如下步骤：
-在储存器(10)的入口(12)处在压力作用下接收流体；
-使所述流体流入所述储存器(10)的第一通道，所述第一通道从所述入口(12)延伸至所述储存器(10)的出口(20)；
-使所述流体通过所述储存器(10)的第二通道到达所述毛细管通道(14)的所述进口(22)，所述第二通道从所述入口(12)延伸至所述毛细管通道(14)的所述进口(22)，所述进口(22)被设置在所述储存器(10)上；以及
-通过所述第一通道的足够的低流体阻力减小所述毛细管通道(14)的所述进口(22)处的流体的压力。
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