CN102862944A - 微流体装置，微流体系统和用于输送流体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微流体装置，其包括：第一输入通道和第一输出通道，它们通过第一阀能够相互流体连接；第二输入通道和第二输出通道，它们通过第二阀能够相互流体连接；并且其中，第一通道中的至少一个通道通过T形阀能够与第二通道中的至少一个通道流体连接；并且用于控制所述阀的控制机构，其中，如此设计所述控制机构，从而在第一通道的一个通道中的第一流体和在第二通道的一个通道中的第二流体借助操作阀能够在所述第一或者第二通道中的一个通道中平行地形成层流。本发明也涉及一种微流体系统、一种用于输送流体的方法及其一种应用。

Description

微流体装置,微流体系统和用于输送流体的方法
技术领域
本发明涉及一种微流体装置、一种微流体系统、一种用于输送流体的方法以及一种应用。
现有技术
微流体装置特别是被用于控制流体。
专业出版物M. Unger et al Science 2000的第288页的第113至116段例如公开了一种微流体挤压阀（Quetschventil）形式的微流体装置，所述挤压阀由聚二甲基硅氧烷制成。
此外，文献WO 2009/149986 A1进一步公开了一种微流体挤压阀及其制造方法。所述挤压阀在此包括三个基片，其中，第三基片布置在第一和第二基片之间，并且由弹性材料构成。此外，第一基片与第三基片邻接，并且在与第三基片邻接的一侧上具有至少一个第一空隙。第二基片也与第三基片邻接、并且在与第三基片邻接的一侧上具有第二空隙。所述第一和第二空隙在此至少部分相对地布置。
文献US 2010/0018584 A1公开了一种微流体系统，其包括压电执行器，利用所述执行器可对导流通道的壁施加压力。如果操作压电执行器，微流体通道的壁就会发生变形，并且可监控或者说可影响流体的流动。
文献US 2005/0205816 A1公开了一种在形成层流的流体塑料结构中应用的可气动操作的微流体阀。所述微流体阀具有输入通道和输出通道，所述通道可利用一个共用的薄膜封闭。此外，所述薄膜可偏移到一个空隙中，并且借助另一通道可为该空隙提供压力。如果当前在输入通道中的流体压力大于在空隙中的压力，所述薄膜向空隙偏移，并且液体可从输入通道流入到输出通道中。如果如此地提高空隙中的压力，从而时该压力超过输入通道中的流体的压力，那么薄膜封闭输入通道和输出通道，并且再没有流体可从输入通道流入到输出通道中。
最后文献US 2009/0166203 A1公开了用于毛细管的电泳的微芯片。所述微芯片在此包括输入通道和分离通道。设计所述通道用于容纳通过试样源提供的试样。试样源布置在分离通道的一个端部上。输入通道和分离通道在此形成T形交叉部。此外，微芯片还包括与T形交叉部邻接布置的第一阀、分离通道和第二阀，所述第二阀布置在T形交叉部上。第二阀在此是一种二通阀。如果第二阀沿垂直方向被关闭，那么分离通道的第一端部和第二端部就不处于直接的流体连接中。如果第二阀沿水平方向被关闭，那么在分离通道的第一端部/第二端部与输入通道之间就不存在流体连接。然而在输入通道的第一端部和分离通道的第一端部之间却存在流体连接。类似地在输入通道的第一端部和分离通道的第二端部之间也存在流体连接。
发明内容
在权利要求1中定义了一种微流体装置，其包括第一输入通道和第一输出通道，它们通过第一阀可相互流体连接；其还包括第二输入通道和第二输出通道，它们通过第二阀可相互流体连接；并且其中，第一通道的至少一个通道通过T形阀与第二通道中的至少一个通道可流体连接；并且其包括用于控制这些阀的控制机构，其中，如此设计所述控制机构，即第一通道中的一个通道中的第一流体以及第二通道中的一个通道中的第二流体可借助操作这些阀在第一或者第二通道的一个通道中平行地形成层流。
在权利要求10中定义了一种微流体系统，其包括一种按照权利要求1至9中至少一项所述的微流体装置以及一种混合装置。
在权利要求13中定义了一种用于输送流体的方法，其特别适合用于按照权利要求1至9中至少一项所述的微流体装置，和/或适合用于按照权利要求10至12中至少一项所述的微流体系统，所述方法包括下述步骤：关闭第一输入通道或输出通道与第二输入通道或者输出通道之间的T形阀；打开第一输入通道和第一输出通道之间的第一阀，并且打开第二输入通道和第二输出通道之间的第二阀，其中，第一阀或者第二阀布置在T形阀的下游；为第一通道提供第一流体并且为第二通道提供第二流体；关闭第一和第二阀；打开T形阀；进一步为输入通道中的一个通道提供相应的第一或者第二流体，其中，提供了流体的输入通道是这样一种输入通道，即在该输入通道中T形阀布置在相应的第一或者第二阀的上游；平行地形成层流并且通过第一或者第二输出通道输出这两种流体。
在权利要求14中定义了一种按照权利要求1至9中至少一项所述的微流体装置的T形阀作为泵的应用。
关于输入通道和输出通道的名称在说明书中，特别是在权利要求书中不仅可分别理解为单独的通道，而且也可以理解为单个通道的一些不同的区段。其中，无论是输入通道还是输出通道不仅适用于输入流体，而且也适用于输出流体。
本发明的其中一个优点在于，能够提供一种可控制的微流体T形交叉部形式的微流体装置，所述T形交叉部需要尽可能小的流体容积。另一个优点是，例如为了在微流体系统中利用第二流体对第一流体进行分析，所需流体的总量较少。此外，在为微流体系统提供流体时可在很大程度上避免在微流体系统中形成或者出现气泡。最后，能够以简单和可靠的方式为微流体装置和微流体系统提供流体；同时要尽可能少地保持输入通道和输出通道的数量以及附加的阀的数量。
在从属权利要求中对本发明的其它的有利的改进方案进行了说明。
根据本发明的一个有利的改进方案，所述阀中的至少一个阀设计为可气动地操作。由此得到的优点是，因此能够以简单和可靠的方式控制所述阀。
根据本发明的另一种有利的改进方案，在T形阀的区域中，第一和第二通道中的至少一个通道具有特别是60°和130°之间的，优选75°和115°之间的，特别适合地是85°和95°之间的弯曲部。按照这种方式可达到输入通道和输出通道的对流动特别有利的布置方式，这样就能使这两种流体的平行的层流更加可靠。
根据本发明的另一种有利的改进方案，将第一阀布置在第一输入通道中并且将第二阀布置在第二输出通道中，或者将第一阀布置在第一输出通道中并且将第二阀布置在第二输入通道中。按照这种方式可达到微流体装置的高的灵活性，因为这两种阀能够相应地以所期望的要求进行布置，并且同时可将阀和通道的数量限制到最少。
根据本发明的另一种有利的改进方案，第一和第二通道通过隔片分流地布置在T形阀的区域中。按照这种方式可简单地并且同时可靠地允许隔开第一和第二通道。
根据本发明的另一种有利的改进方案，隔片具有50μm与500μm之间的、特别是100μm和300μm之间的、优选在150μm和250μm之间的、合适地基本上为200μm的宽度和/或高度。在此除了尽可能小的结构空间之外还能实现第一和第二通道的极为可靠的分流。
根据本发明的另一种有利的改进方案，第一和/或第二通道具有50μm和1000μm之间的、特别是200μm和600μm之间的、优选450μm和550μm之间的、合适地基本上为400μm的宽度。由此得到的优点是，结构空间因此一方面尽可能地小，然而同时在第一和第二通道中能有足够的流体流。
根据本发明的另一种有利的改进方案，第一和/或第二通道具有小于宽度的75%的、特别是小于宽度的66.7%的、优选小于宽度的60%的，特别是基本上为宽度的50%的深度。由此得到的优点是，结构空间因此一方面尽可能地小，然而同时在第一和第二通道中能有足够的流体流。
根据本发明的另一种有利的改进方案，所述阀中的至少一个阀设计为挤压阀。因此，至少一个阀可极为成本低廉地制造，并且可简单地进行操作。
根据按照权利要求10所述的微流体系统的另一种有利的改进方案，将T形阀设计为泵。按照这种方式例如T形阀不仅能混合流体，而且也能借助T形阀抽吸流体，这就节省了具有其它阀的通道，并且因此降低了微流体系统的制造成本。
根据微流体系统的另一种有利的改进方案，布置至少两个塑料层，并且在它们之间布置弹性薄膜，并且至少所述微流体装置的通道构造在至少两个塑料层中。按照这种方式可极为成本低廉地和紧凑地制造微流体系统。
附图说明
由下面借助附图对实施例的说明中得出本发明的其它特征和优点。其中特别是以示意性的形式示出了：
图1a是根据本发明的第一实施方式的微流体装置；
图1b是根据本发明的第二实施方式的微流体装置；
图2a-2c是图1a所示的实施方式的细节示图；
图3a-3b是根据本发明的第一实施方式的微流体装置的阀的俯视图或者说横截面图；
图3c-3d是根据本发明的第二实施方式的微流体装置的阀的俯视图或者说横截面图；
图4是本发明的第三实施方式的微流体系统的三维示图。
具体实施方式
图1a示出了根据本发明的第一实施方式的微流体装置。
图1a示出了一种微流体装置M。其中，微流体装置M包括第一输入通道1，所述第一输入通道通过第一阀6可与第一输出通道2流体连接。第一阀6通过第一气动输入管道5’可气动地操作。此外，根据图1a，微流体装置M还包括第二输入通道3。所述第二输入通道通过第二阀7可与第二输出通道4流体连接。第二阀7通过第二气动输入管道5’’也可气动地操作。在图1a中，第一输入通道1具有基本为90°的第一弯曲部12a。第二输出通道4也具有基本为90°的第二弯曲部12b。总之，第一输入通道1和第二输出通道4在根据图1的俯视图中为交叉形布置，其中，T形阀8布置在“交叉”的中心点的区域中。
第一输入通道1和第二输入通道4通过T形阀8的隔片11分开。T形阀8通过第三气动输入管道5’’’也可气动地操作。为了在其中不包围有气泡的情况下将第一通道1、2中的第一流体41和第二通道3、4中的第二流体42平行地形成层流，首先同时地或者替代地依次地为相应的第一或者第二输入通道1、3提供第一流体41或者第二流体42。其中，通过以下方式打开第一阀6和第二阀7并且关闭T形阀8，即借助相应的气动输入管道5为T形阀8提供压力。
在T形阀8的区域中，两个引导流体的第一和第二通道1、2、3、4通过T形阀8的隔片11被分开，也就是说在相应的第一和第二通道1、2、3、4中的两种流体41、42到目前为止没有混合。在第一和第二通道1、2、3、4中也不存在气泡。紧接着现在通过第一气动输入管道5’和第二气动输入管道5’’为第一阀6和第二阀7提供压力，并且由此关闭这些阀。T形阀8通过第三气动管道5’’’卸掉压力从而被打开。通过第一输入通道1为第一流体41提供压力进而通过T形阀8与第二流体42接触，而在第一和第二这两种流体41、42之间没有气泡或者不能形成气泡。然后能够通过第二输出通道4将第一和第二这两种流体41、42输出到另外的、例如用于在分析装置中进行分析的处理装置。通过这一措施能够使第一流体41和第二流体42相互平行地对准，并且尽管如此仍然保持相互分开。在这种做法中，第一流体41和第二流体42可以说依次地形成层流。也就是说，第一流体41和第二流体42平滑地相互贴靠，而不会导致涡流、不会形成气泡或者出现第一流体41与第二流体42基本上混合的情况。通过输出通道如此进行输出，从而第一流体41和第二流体42通过在第一流体41和第二流体42之间的无气泡的接触面基本上无充分混合并且相互平行地流动，也就是说，第一流体41和第二流体42平行地形成层流。
替代地，第二阀7可以保持打开，并且通过第二输入通道3可将第二流体42沿T形阀8方向向后推。如前所述，第一和第二流体41、42由此在T形阀8的区域中平行地形成层流，并且能够通过第二输出通道4输出到另外的处理装置中。
其中，也可相反地通过第一输出通道2或者通过第二输出通道4在与相应的T形阀8邻接的通道1或者说4中提供相应的第一或者第二流体41、42。与之相应地，在第一和第二这两个流体41、42平行地形成层流之后通过相应的另外的通道2、3将平行地形成层流的流体41、42输出到另外的处理装置中。
在图1b中基本上示出的是图1a中的微流体装置。与图1a的不同之处是，现在将第二阀6布置在T形阀8的下游。再次通过打开第一阀6和第二阀7为T形阀8或者相应地邻接的第一和第二通道2、4提供流体。为了使第一和第二这两个流体41、42平行地形成层流，再次关闭第一阀6和第二阀7并且打开T形阀8。然后第二流体42通过第二输出通道4朝向T形阀8向后推（nachschieben），并且在T形阀8的区域中与第一流体41接触。然后第一和第二流体41、42通过第一输出通道2输出到另外的处理装置中。替代地，第一阀6可以保持打开，从而第一流体41通过第一输入通道1，第二流体通过第二输出通道4向后推。然后，第一和第二流体41、42在T形阀8的区域中平行地形成层流，并且然后能够通过第一输出通道2输出到另外的处理装置中。
图2示出了图1a、1b的实施方式的细节示图。
在图2a中基本上示出了第一输入通道1和第二输出通道4的结构的俯视图。其中，第一输入通道1相对于第二输出通道4成直角布置，并且通过T形阀8与隔片11以宽度10间隔距离地并且流体地隔开，但是通过操作T形阀8可流体连接地布置。T形阀8又通过第三气动输入管道5’’’可气动地操作。其中，第一输入通道1具有预先设定的宽度9。
在图2b中，第一输入通道1具有基本上为90°的第二弯曲部12b。T形阀8和为T形阀8设置的第三气动输入管道5’’’布置在第二弯曲部12b的区域中。第二输出通道4通过隔片11与第一输入通道1隔开布置。然后，借助T形阀8在第二输出通道4中的第二流体42可从第二输出通道4溢出到具有第一流体41的第一输入通道1中，从而使得第一和第二这两种流体41、42平行地形成层流。
图2c基本上示出了根据图2b的输入和输出通道。与图2b的不同之处在于，第一输入通道1与第一输出通道2通过可气动地操作的第一阀6隔开地布置。
图3a至3d示出了根据本发明的第一和第二实施方式的微流体装置的阀的俯视图和横截面图。
图3a和图3b示出了第一阀6的结构的俯视图以及沿A-A切割线的横截面图。
在图3a中示出了第一阀6的俯视图。第一输入通道1和第二输出通道4通过隔片11隔开地布置以进行识别。通道1、4也像隔片11那样构造在第一聚合物层21中。在所述第一聚合物层上面设置薄膜形式的膜（Folie）22（参见图3b），所述膜被第二聚合物层23覆盖。在第二聚合物层23中布置有具有气动输入管道的圆形空隙5a。通过所述气动输入管道5可为空隙提供压力，从而在相应高的压力时将薄膜22从图3b中升起的位置平面地贴靠在隔片11上，并且因此这两个通道1、4相互流体地隔开。
图3a和3d示出了第一阀6的另一实施方式的俯视图和沿切割线A-A的横截面图。
与图3a、3b的不同之处在于，在图3c和图3d中布置有第三聚合物层24。第二聚合物层23在此完全包围住空隙5a，借助在横截面中更小的气动输入管道5可气动地为所述空隙提供压力。根据图3c和3d的第一阀6的功能原理在此基本上与图3a和3b的功能原理相同。可通过气动输入管道5为第二聚合物层23中的空隙5a提供压力。如果为空隙5a提供压力，只要在第一输入通道1中的流体的压力小于空隙5a中的压力，那么薄膜22就被压靠到隔片11上。然后，薄膜22就流体地将第一输入通道1与第二输出通道4隔开。如果进一步地提高第一输入通道1中的流体压力，直到该压力大于空隙5a中的压力，那么薄膜22就会升起，并且第一输入通道1与第二输出通道4处于流体连接之中，从而流体就可从第一输入通道1流入到第二输出通道4中。
图4示出了本发明的第三实施方式的微流体系统的三维图。
在图4中基本上示出了与图1a和1b相类似的微流体装置M的另一种实施方式的等轴视图。在图4的中间可以看到T形阀8，所述T形阀一方面与第一输出通道2连接，所述第一输出通道通过第一阀6与第一输入通道1连接；并且所述T形阀另一方面与第二输出通道4连接，所述第二输出通道通过第二阀7与第二输入通道3连接。分别通过第一、第二和第三气动输入管道5’、5’’、5’’’为第一、第二和T形阀6、7、8提供压力。此外，第一输出通道2和第二输出通道4在T形阀8的区域中分别具有基本上为90度的第一和第二弯曲部12a、12b，并且在俯视图中形成类似于图1a的“交叉”。为了使第一输入通道1中的第一流体41和第二输入通道2的第二流体42平行地形成层流，首先打开第一和第二阀6和7并且关闭T形阀8。按照这种方式也为第一和第二输出通道2和4相应地提供第一和第二流体41、42。紧接着关闭第一和第二阀6、7并且打开T形阀8。如果现在通过第二输入通道3进一步向后推第二流体42，那么第二流体42通过T形阀8溢出到第一输出通道2中，并且和第一流体41接触。然后第一和第二流体41、42平行地形成层流、也就是说相互平行对准地利用基本上无充分混合的接触面、并且在流动速度相同的情况下、并且基本上无气泡或者空气杂质地通过第一输出通道2离开微流体装置M。替代地，以相反的方式使第一阀6保持打开，其中，通过第一输入通道1向后推第一流体41，并且通过第二输出通道4向后推第二流体42。然后在T形阀8区域中第一和第二流体41、42平行地形成层流，并且通过第一输出通道2离开微流体装置M。
虽然前面借助优选的实施例对本发明进行了说明，但是本发明并不局限于此，而是可以多种方式进行修改。
例如可以这样的方式代替阀，即为了避免回流只可沿一个方向流过相应的通道。此外，也可以不仅仅气动地，而且替代地也可以电动地，例如借助压元件、特别是压电元件操作阀。

Claims (14)

1.微流体装置（M），其包括
第一输入通道（1）和第一输出通道（2），它们通过第一阀（6）能够相互流体连接；
第二输入通道（3）和第二输出通道（4），它们通过第二阀（7）能够相互流体连接；
并且其中，第一通道（1、2）中的至少一个通道通过T形阀（8）能够与第二通道（3、4）中的至少一个通道流体连接；并且
用于控制所述阀（6、7、8）的控制机构（S），其中，如此设计所述控制机构（S），从而在第一通道（1、2）的一个通道中的第一流体（41）和在第二通道（3、4）的一个通道中的第二流体（42）借助操作阀（6、7、8）能够在所述第一或者第二通道（1、2、3、4）中的一个通道中平行地形成层流。
2.按照权利要求1所述的微流体装置（M），其中，所述阀（6、7、8）中的至少一个阀设计成能够气动地操作的。
3.按照权利要求1和2中至少一项所述的微流体装置（M），其中，在T形阀（8）的区域中，所述第一和第二通道（1、2、3、4）中的至少一个通道具有特别是60度和130度之间的、优选75度和115度之间的、特别合适地是85度和95度之间的弯曲部（12a、12b）。
4.按照权利要求1至3中至少一项所述的微流体装置（M），其中，所述第一阀（6）布置在所述第一输入通道（1）中，并且所述第二阀（7）布置在所述第二输出通道（4）中，或者所述第一阀（6）布置在所述第一输出通道（2）中，并且所述第二阀（7）布置在所述第二输入通道（3）中。
5.按照权利要求1至4中至少一项所述的微流体装置（M），其中，所述第一和第二通道（1、2、3、4）通过隔片（11）流体隔开地布置在所述T形阀（8）的区域中。
6.按照权利要求5所述的微流体装置（M），其中，所述隔片（11）具有50微米与500微米之间的、特别是100微米与300微米之间的、优选150微米与250微米之间的、合适地基本上为200微米的宽度（10a）和/或高度（10b）。
7.按照权利要求1至6中至少一项所述的微流体装置（M），其中，所述第一和/或第二通道（1、2、3、4）具有50微米与1000微米之间的，特别是200微米与600微米之间的，优选450微米与550微米之间的，合适地基本上为400微米的宽度（9a）。
8.按照权利要求7所述的微流体装置（M），其中，所述第一和/或第二通道（1、2、3、4）具有小于宽度（9a）的75%的、特别是小于宽度（9a）的66.7%的、优选小于宽度（9a）的60%的、特别是基本上为宽度（9a）的50%的深度（9b）。
9.按照权利要求1至8中至少一项所述的微流体装置（M），其中，所述阀（6、7、8）中的至少一个阀设计为挤压阀。
10.微流体系统，其包括：
按照权利要求1至9中至少一项所述的微流体装置（M）以及一种混合装置。
11.按照权利要求10所述的微流体系统，其中，所述T形阀（8）设计为泵。
12.按照权利要求10至11中任一项所述的微流体系统，其中，布置有至少两个塑料层（21、22、23）以及一个布置在它们之间的弹性薄膜（22），并且其中至少所述微流体装置（M）的通道（1、2、3、4）构造在至少两个塑料层（21、23）中。
13.用于输送流体的方法，其特别是适合用于实施按照权利要求1至9中至少一项所述的微流体装置（M）和/或用于实施按照权利要求10至12中至少一项所述的微流体系统的方法，所述方法包括下述步骤：
- 关闭第一输入通道（1）或输出通道（2）与第二输入通道（3）或输出通道（4）之间的T形阀（8）；
- 打开所述第一输入通道（1）与所述第一输出通道（2）之间的第一阀（6），并且打开所述第二输入通道（3）与所述第二输出通道（4）之间的第二阀（7），其中，所述第一阀（6）或者第二阀（7）布置在所述T形阀（8）的下游；
- 为所述第一通道（1、2）提供第一流体（41），并且为所述第二通道（3、4）提供第二流体（42）；
- 关闭所述第一和第二阀（6、7）；
- 打开所述T形阀（8）；
- 进一步为所述输入通道（1、3）中的至少一个通道提供相应的第一或者第二流体（41、42），其中，提供了所述第一或者第二流体（41、42）的输入通道是这样一种输入通道，即在所述输入通道中所述T形阀布置在相应的第一或者第二阀（6、7）的上游，并且
- 平行地形成层流，并且通过所述第一或者第二输出通道（2、4）输出所述两种第一和第二流体（41、42）。
14.将根据权利要求1至9中至少一项所述的微流体装置（M）的T形阀（8）作为泵的应用。
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