CN103329081A - 用于流体样本分析的微流控装置 - Google Patents

Abstract

使用具有电容性触摸屏的可编程装置（2）作为在微流控装置（1）与所述具有电容性触摸屏的可编程装置（2）的处理器之间的接口用于流体样本的分析，该微流控装置（1）包括至少一个电极（10）和至少一个微通道（12），该微通道（12）包括用于引入样本的输入端（14）。

Description

用于流体样本分析的微流控装置

技术领域

本发明涉及用于流体样本分析的微流控（micro-fluidic）装置和包含这样的装置的流体样本分析系统。本发明也涉及具有电容性触摸屏的可编程装置，其包含处理器，所述处理器执行用于分析该样本和显示该分析结果的软件。

背景技术

微流控芯片在用于各种病理学检测的诊断领域被广泛使用。它们允许使用非常少容量的待分析样本快速地并且精确地在单个芯片上执行一个或多个分析。这些芯片，也被称为“生物芯片”（biochip）或者“芯片上实验室”（lab-on-a-chip）通常是一次性的并且需要与计算机或者其他装置的接口以便显示分析结果。

为了检测样本，使用不同的方法，其中有光学、磁的、电磁的、压电式、电阻性和电容性、安培和库伦检测方法。

检测信号于是被转换成电信号以经历处理（滤波、采样，等等）并且允许流体样本的特性被分析，例如其成分、温度、流体速度、粘滞度、传导率、PH等等。

不管使用何种检测方法，每个微流控芯片和其接口通常是为了特定的应用被研发，其限制了芯片的模块性和灵活性。

分析电子装置集成进众所周知的微流控芯片中使其价格上涨。而且该芯片是一次性的，因为由于其用于流体采样的微通道（micro-canaux）的小尺寸，将其消毒是困难的。

为了利用现有的技术来提高微流控装置的模块性，一些技术已被发展。文献US20060166357描述了微流控载体，其元件如阀、泵等等应当在微通道上施加压力，所述元件被外部元件如交互式触摸屏激活，通过所述激活，可以在通道上施加压力。特别地，载体与用于布莱叶盲文（Braille）写的装置一同运转，其可以通过简单的文本编辑程序被计算机控制。然而该触摸装置只用于命令的输入。

W02008117223描述了集成以矩阵方法排列的执行器和/或传感器的生物芯片，用于与微流控装置相互作用。由于由薄膜技术制造的晶体管的有源矩阵，每个执行器/传感器可以被单独地激活。然而结果的解释和分析在外部装置上被执行。此外，电子装置需要被直接集成到芯片上，这从而提高了生物芯片的制造成本。

发明内容

本发明的一个目的是提出用于流体样本分析的装置，其可以免除已知微流控芯片的局限。

本发明的另一个目的是提出比已知解决方案更模块化、灵活和更便宜的用于流体样本分析的装置。

按照本发明，这些目的尤其是通过按照权利要求1的微流控装置、通过按照权利要求6的具有电容性触摸屏的可编程装置、通过按照权利要求11的具有电容性触摸屏的可编程序装置的使用、通过按照权利要求12的用于流体样本分析的方法、通过按照权利要求13的计算机可读非暂时性数据存储装置以及通过按照权利要求14的系统来实现。

本发明使用作为在流体样本和分析工具之间的接口的具有电容性触摸屏的可编程装置的电容性检测方法。此处提出的想法是使用具有电容性触摸屏的可编程装置，例如触摸板，作为接口，并且也作为计算单元，用于微流控装置（例如微流控芯片）的分析。

可编程装置的电容性触摸屏可以比拟成作为输入端/输出端操作的外围设备，其可以被用作检测接口。事实上，具有电容性触摸屏的可编程装置现今是以工业量生产的并且对于大众消费市场是价格适中的。此外，这些装置享有增强的计算功率，具有强大的微处理器，并且由于微电子工业的进步而具有低能耗。

在一个变型实施例中，具有电容性触摸屏的可编程装置可以被配置用于允许不同类型的微流控装置的分析，或者相同类型或不同类型的多个微流控装置的分析。在另一个变型实施例中，多个具有电容性触摸屏的可编程装置可以被平行地使用并且彼此传送分析的结果。

不同于已知解决方案，这些已知解决方案需要传感器、与分析和/或显示单元的通信总线以及这样的分析和/或显示单元，由于具有电容性触摸屏的可编程装置的使用，本发明将这三种功能（检测、分析和显示）合而为一。

此外，在市场上已经存在的具有电容性触摸屏的可编程装置的使用，不仅使减少研发成本成为可能，而且还使其能够触及更大的市场。

附图说明

在由附图说明的描述中表示了本发明的实施例的示例，其中：

图1说明了与微流控装置相接的具有电容性触摸屏的可编程装置的剖面视图。

图2说明了具有电容性触摸屏的可编程装置以及微流控装置的等效电路图。

图3说明了具有电容性触摸屏的可编程装置的实施例的三维视图。

图4说明了按照本发明的微流控装置的实施例。

图5说明了与微流控装置相接的具有经修改的电容性触摸屏的可编程装置的另一个实施例的剖面视图。

具体实施方式

本发明涉及用于作为接口、作为用于分析样本的装置和用于显示分析结果的装置使用具有电容性触摸屏的可编程装置2、也就是说基于所谓的电容性技术的流体样本分析的微流体装置1。样本流体可以是液体，例如但非限制性地，血液、尿液、血清、血浆、唾液、分泌物，或者气体，例如但非限制性地，呼吸。

具有当前触摸屏的可编程装置主要基于两项技术：一项是电阻性的，另一项是电容性的。

电阻性技术在于迭放两个透明导电薄膜，其由微小的间隙隔开。在该装置上的动作期间，通过触摸该装置而被施加的压力造成上部薄膜的机械变形，并且使其进入与下部薄膜接触，从而在这两个薄膜间产生了电接触。电阻的测量使检测和定位接触成为可能。该技术的优点是如下的可能性：只要压力足以使上部薄膜充分地变形，使用物体以及手指。相反地，由于上部薄膜弱的机械阻力，这些类型的装置将有更容易被磨损和被划伤的倾向。

电容性技术在于埋入由ITO（氧化铟锡，Indium Tin Oxyde)构成的透明电极的两个阵列，第一个阵列由检测电极20构成，和第二个由激励电极22构成，其在图1中的剖面中可见，其中这两个阵列在触摸装置中被相互垂直地放置。在用手指或任何导电物体在装置的屏幕上触摸期间，由激励电极22所生成的电场被扰乱并且由激励电极22的阵列所供应的电荷的一部分穿过手指且进入地。电荷的不足于是被检测电极20的阵列检测到，该检测电极20的阵列通过处理器的偏置（biais）标识触摸的定位。

该技术相对于电阻性技术的优点是，没有装置屏幕的机械变形，因此这由于抗性玻璃的使用而随时间推移更加稳固。另一个值得注意的优点是同时检测多个触摸（“多触摸”）的可能性，其现在利用电阻性类型技术是不可能的。

按照本发明，具有采用电容性技术的触摸屏的装置2可以使用由微流控装置1导致的阻抗Z_sample的变动，其在图2中可见。在这种情况下，阻抗的变动，例如电容的变动，将不是通过手指的触摸而产生，而是通过放置于微流控装置1的两个电极10之间的表面121上的样本的成分或特性的变动而产生（图1和4）。

具有电容性触摸屏的可编程装置2有利地包含处理器，其执行软件用于实现微流控装置1的检测。该检测，由于存储在可编程装置2中的软件，使解释不足的电荷量并且从而分析流体样本成为可能。缺失的电荷量将根据在电容性触摸装置2上的位置和根据时间来被分析。此外，如果具有电容性触摸屏的可编程装置2也是“多触摸”的，那么其允许同时地以独立的方式为多个分析管理多个阅读区域。

按照本发明，微流控装置1被安排用于在具有电容性触摸屏的可编程装置2的显示表面24上直接相接，例如触摸板或多功能电话（“智能手机”），其将检测微流控装置1的存在，将根据待分析样本的成分来分析来自微流体装置1的信息，并且将把该分析的结果显示在电容性触摸屏上。

具有电容性触摸屏的可编程装置2有利地包含存储器，其执行软件用于分析在可编程装置2的电容性触摸屏上由微流控装置1引起的电荷变动并且用于推断流体样本的分析结果。

按照本发明，样本将首先被注入一次性的微流控装置1，然后被简单地放在阅读区域或表面28上，该阅读区域或表面28在具有电容性触摸屏的可编程装置2的显示表面4上被定义，在图3中可见。可编程装置的用于与微流控装置相接的该表面28包含表面26，其用于与微流控装置1的至少一个电极10相接。在微流控装置1被放置之前，表面26和28将被显示在可编程装置2上。具有电容性触摸屏的可编程装置可以包含多个表面28。

在根据待分析样本的成分分析了来自微流控装置1的信息之后，具有电容性触摸屏的可编程装置2显示分析的结果。

 微流控装置1包括用于与具有电容性触摸屏的可编程装置2相接的一个或多个电极10以及用于引入待诊断样本的至少一个微通道12的一个或多个输入端/输出端14或16（图4）。检测表面13位于微通道10的被以梳状方式迭放在电极阵列10上的部分内。待测试的分析物被安放在与检测区域13相对的、通道12的一个或多个表面121上。

微流控装置1是用后即丢弃的并且是一次性的。在一个实施例中，由于微制造方法，例如热成型方法，它由聚合物作为制造材料被实现，所述微制造方法被掌握并且非常适用于低成本工业生产。

在另一个变型实施例中，微流控装置1可以与外部电子装置相关联，用于信号放大或者用于开动其一个或多个部分，例如微阀、泵。

在一变型实施例中，微流控装置1由多个部分实现，其中一个可以是一次性的而另一个可以同样是一次性的，或者优选地是可重复使用的。在一个实施例中，微流控装置1包括用后即丢弃的部分，其具有用于待测试样本的一个或多个表面121以及电极和可重复使用并且用于安放在触摸屏上的中间装置。用后即丢弃的部分被以电的方式被插入和/或连接至中间装置，以便用后即丢弃部分的电极与中间装置的电极能够是电连接的。因而，中间装置与待测试的流体是不接触的，并且可以被重复使用。中间装置的电极从而与用后即丢弃部分的电路是电接触的，其阻抗取决于待测试的流体。该可变阻抗被触摸屏2的电容性电极检测。微流控装置1确保电极10和地线18的电接触，其允许重新闭合电荷循环电路。

在一个变型实施例中，流体直接与电容性屏幕相接触。这可以以不同的方式实现：

-在图5中说明的实施例中，通道、或者至少一个或多个凹槽25，被直接制造在屏幕内，以便减少电极/流体间距离，并且从而增强信号和/或减少噪声。微流体装置关闭通道或凹槽以与屏幕相接。分析物可以与微流体装置相接触；或者与触摸屏；或者同时与这两个表面相接触。

-在另一个未呈现的变型实施例中，在微流体装置的下表面之下制造了开放式的通道，其在被紧贴到屏幕未经修改的表面上时被关闭。

-在第三个实施例中，通道部分地被制造在屏幕内，并且部分地被制造在微流体装置内。

在图5的变型中，微流体装置1与具有经修改的电容性触摸屏的可编程装置2合作。在该示例中，触摸装置的表面包含一个或多个凹槽25，例如长方形、圆形或者例如行或阵列方式的通道形式的凹槽。这些凹槽直接被刻在或生产在覆盖触摸屏的玻璃的外表面24中，具有例如小于2毫米的深度。凹槽25允许安置待测试的分析物（液体或者气体的滴或珠），其被直接安放在微流体装置1的下表面之下的表面121上，该表面121在本示例中是平的。在另一个实施例中，待分析的液体被直接安放在经修改的电容性屏幕2上，例如直接安放到凹槽25中，或者在通过毛细现象将流体带入凹槽中的通道末端处。液体也可以在通道的末端处被引入到微流体装置中，并且通过毛细现象或者重力而流入刻在装置25的屏幕内的凹槽25中。

在一个未说明的变型实施例中，凹槽由位于平贴在触摸装置2的触摸表面上的板中的孔或盲孔构成，以便产生厚度余量，其允许产生足够深的凹槽，用于在触摸装置之上安置待测试的液滴。

在该厚度余量的板上产生，或者在触摸屏2上显示用于准确定位微流体装置1的标记也是可能的。

该装置因此更容易用于某些应用；足够的是，将一滴液体放置在微流体装置1的下表面之下的预定义的一个或一些位置处并且然后在相对触摸装置2的屏幕的正确位置处应用该微流体装置，以便在测试期间待测试的液滴处于该一个或多个为此效果所提供的凹槽25中。穿过微流体装置1提供通道也是可能的，以便通过毛细现象将被引入的液体（或者通过吸入将气体）带至与凹槽25相对的预定义的表面中的另一位置。

图5的微流体装置在一个未说明的实施例中也可以包括非平坦的下表面，例如具有与凹槽25相对的凹槽，以便能够接收更大容量的分析物，而不需要在装置2中刻太大的凹槽。

图2说明了在具有电容性触摸屏的可编程装置2和微流体装置1之间的接口的等效电路图：可编程装置2用示意图表示为电压发生器U_power，电容C₁和电阻R_read。具有电容性触摸屏的可编程装置2和微流控装置1之间的耦合用示意图表示为电容C₂。微流控装置1用示意图表示为阻抗Z_sample，其根据待分析样本可变，并且连接到地。

存储在具有电容性触摸屏的可编程装置2的存储器中的软件允许直接读取和分析在微流控装置1上被读取的数据，并且然后在装置2的电容性触摸屏上显示结果。于是该软件能够量化由微流控装置1产生的可编程装置2的阻抗的变动，并且从中确定待分析样本的一个或多个特性。

在一个变型实施例中，只要可编程装置2的电容性触摸屏的表面和其处理器的计算功率允许，该软件可以同时分析多个微流控装置1。

在一个变型实施例中，该软件允许操纵触摸屏控制装置，以便避免或者修改通常由该控制器实现的滤波，用于排除不是由用户手指产生的阻抗变动。在一变型实施例中，新的固件被装载在该控制器中。在一变型实施例中，软件允许避免或修改通常由装置2的操作系统执行的对触摸的软件处理，以及由触摸屏控制器执行的处理。

驱动电容性触摸屏的控制器可以以混合模式操作：“标准”模式和“（一个或多个）样本分析”模式。在“标准”操作模式中，控制器像在传统触摸装置中一样地运转，例如触摸板或者智能手机。它能够将有意的触摸（一个或多个手指）与无意的触摸（手掌、耳朵、脸颊等等）区分开。在“（一个或多个）样本分析”模式中，控制器能够在屏幕的一个或多个特定检测区中检测与微流体装置相接的屏幕的电荷变动。

在一个实施例中，只用于“样本分析”模式的额外控制器可以被实施为在“标准”模式下操作的传统控制器，用于处理信号。从一个模式到另一个模式的切换可以自动地或通过由装置2执行的接口软件手动地来进行。

电极和微流体装置1的阅读表面26以及其数目，可以根据所使用的微流控装置1来被配置。

该软件同样提供穿过具有电容性触摸屏的可编程装置2来直接输出结果数据的可能性。为此目的，可编程装置2包含用于向外部计算机输出分析结果的无线装置和/或有线装置，例如使用3G/4G，Wifi，蓝牙，USB或其他接口。

通过互联网或者其他通信模式输出的数据可以被业务熟练人员重释义和存储。数据可以在用户的账户上被编索引，用于回扫分析历史。

在一个变型实施例中，具有电容性触摸屏的可编程装置2也包含用于存储分析结构的装置。

在另一个变型中，分析结果将不被显示在可编程装置2的电容性触摸屏上，而是将被发送到外部装置，在所述外部设备上所述分析结果将被显示。

由于微流控装置1不包括或仅包括最小限度的检测电子装置，相比于其他集成系统制造成本被降低。用后即丢弃的部分可以从可能的外部电子部分中被去耦，以便减少前者的制造成本。

因为分析在现有的具有电容性触摸屏的可编程装置上被执行，例如触摸板或者智能手机，因此不需要开发任何专用的分析系统。此外，使用具有电容性触摸屏的可编程装置2以与微流控装置1相接是简单的诊断方法，其能够比更稳健但同样也更贵的装置吸引更广大的市场。

分析结果的数据采集、分析、显示的软件可以通过在线销售平台来使之商品化。多个软件包可以根据不同用户的需求（个人，医务人员，医生，人道主义组织）被市场化。

一个变型实施例中的微流控装置1包含电极的数目和/或形式的组合，其允许具有电容性触摸屏的可编程装置1来识别要执行的分析的一个类型或多个类型和/或识别微流控装置1的用户。在一个优选的实施例中，电极具有一维或二维条形码的形式。在另一个变型中，微流控装置1包含RFID标签，其可以被集成在可编程装置2中的RFID阅读器来读取。

在另一个变型实施例中，微流控装置1包括涂层，以有利于与流体样本的相互作用和分析。例如酶或者分子可以被事先提供在一个电极或多个电极10和/或一个微通道或多个微通道12上。更一般地，用于安放分析物的表面121，例如上面安放了表面121的电极，或者微通道12的另一部分，可以经历化学机能化（chemical functioning）操作。表面的化学机能化的目的是仅仅辨认将黏附在表面上的特定分子（包含在待分析样本中）。于是电容的变动是由于被识别和黏附的该特定分子（而不是位于样本中的其他物）。

在相同微流控装置1中的不同表面121可以有不同类型的机能化用于各自特定地对一类明确的分子反应，用于不同的分析。

在另一个变型实施例中，对流体样本的分析结果可以与来自可编程装置2的数据组合，所述可编程装置可以包含例如GPS模块，用于进行统计学分析和/或跟踪这些结果的地理学演变。

非穷举和非限制的本发明应用示例为：

-为糖尿病患者测量血液中的葡萄糖水平。

-测量水污染或者饮食污染（病毒、细菌）。

-酒精测试，用于通过血液或气息测量酒精水平。

-爆炸性物质的检测。

-自血液样本的过敏识别。

图中所用的参考数字：

1                    微流控装置

10                 电极

12    微通道

120   待测试的分析物容量

121   用于安放待测试样本的表面

13    检测表面

14    微通道的输入端

16    微通道的输出端

18    与地的电接触

2     具有电容性触摸屏的可编程装置

20    检测电极

22    激励电极

24    电容性触摸装置的显示表面

25    表面24中的凹槽或通道

26    电容性触摸装置的用于与微流控装置的至少一个电极相接的表面

28    电容性触摸装置的用于与微流控装置相接的表面

U_power  电容性触摸装置的电源电压

C₁      电容性触摸装置的电容

R_read   电容性触摸装置的电阻

C₂      在电容性触摸装置和微流控装置之间的耦合电容

Z_sample  流体样本的阻抗

Claims (21)

1.用于分析流体样本的微流控装置（1），包括：

-至少一个电极（10）；

-在所述电极附近处的至少一个表面（121），允许安放所述流体样本（120）；

其特征在于：

所述至少一个电极（10）被安排以当所述装置被放置在具有电容性触摸屏的可编程装置（2）的触摸屏上以允许分析所述流体样本时在所述触摸屏上产生电容的可测量变动。

2.权利要求1的微流控装置（1），其特征在于，所述表面（121）被建立在至少一个微通道（12）上，该微通道（12）包括用于引入所述样本的输入端（14）。

3.按照权利要求1或2之一的装置，通过微制造方法，所述装置由聚合物作为制造材料被实现。

4.按照权利要求1至3之一的装置，包括至少一个微阀和/或至少一个泵。

5.按照权利要求4的装置，被安排以与放大和/或开动所述至少一个微阀和/或所述至少一个泵的外部电子装置耦合。

6.按照权利要求1至5之一的装置，包括在所述微通道（12）的所述输入端（14）和所述输出端（16）之间的检测表面（13）。

7.按照权利要求1至6之一的装置，包括在与所述可编程装置（2）相对的所述微通道的侧上的至少一个所述电极（10）和在所述微通道（12）的相对侧上的至少一个所述电极（10）。

8.按照权利要求1至6之一的装置，包括至少一个与所述电极（10）相对的外部表面（121），其中所述样本为了测试被直接放置在该外部表面（121）上。

9.按照权利要求1至8之一的装置，允许安放所述流体样本（210）的所述表面（121）被化学机能化以允许待分析样本中所含的特定分子黏附。

10.权利要求1至9之一的装置，包括一次性的部分，其包括允许安放所述流体样本（120）的所述表面（121）以及与所述一次性部分电接触的中间装置，其用于被放置在所述触摸屏上。

11.具有电容性触摸屏的可编程装置（2），包括：

-至少一个显示表面（24），用于显示分析结果；

-所述显示表面（24）的至少一部分（28），用于与权利要求1至8之一的装置相接；

-至少一个处理器；

-存储器，其存储软件，所述软件可被所述处理器执行，以便分析由所述装置在所述表面上引起的电荷变动，并且用于从中推断所述样本的所述分析结果。

12.按照权利要求11的装置，其中所述软件包括用于配置所述至少一个表面（28）的位置和尺寸的代码部分。

13.按照权利要求11至12之一的装置，其中所述软件包括用于显示所述至少一个显示表面（28）以及在微流控装置（1）被安放在所述可编程装置（2）上之前用来与微流控装置（1）的至少一个电极（10）相接的至少一个表面（26）的代码部分。

14.按照权利要求11至13之一的装置，其中所述软件包括用于将所述结果输出到外部计算机的代码部分。

15.按照权利要求11至14之一的装置，其中所述软件包括用于存储所述结果的代码部分。

16.按照权利要求11至15之一的装置，由触摸板或触摸智能手机构成，该触摸板或触摸智能手机包括基于所述电容的变动来分析流体的程序。

17.按照权利要求16的装置，包括刻在所述显示表面（28）中的凹槽（25），用于接纳所述样本。

18.用于分析流体样本的方法，包括如下步骤：

-将所述样本安放于微流控装置（1）的表面（121）上；

-将所述微流控装置（1）安放在具有电容性触摸屏的可编程装置（2）的触摸屏上；

-分析由所述微流控装置（1）在所述电容性触摸屏上引起的电荷的变动，并且用于从中推断所述样本的分析结果；

-在所述电容性触摸屏上显示分析的结果。

19.权利要求18的方法，其中所述样本通过被引入到微流控装置的至少一个微通道（12）的输入端（14）中而被安放在所述表面（121）上。

20.计算机可读非暂时数据存储装置，包括由信息化的控制单元执行的指令，用于分析被引入到微流控装置（1）的至少一个微通道（10）的输入端（14）中的流体样本，该微流控装置（1）与具有电容性触摸屏的可编程装置（2）相接，其中所述指令使所述控制单元执行包括以下步骤的方法：

-分析由所述微流控装置（1）在所述电容性触摸屏上所引起的电荷的变动，以及从中推断所述样本的分析结果；

-在所述电容性触摸屏（2）上显示分析的结果。

21.一种系统，包括用于分析流体样本的微流控装置（1）和用于显示所述分析的结果的具有电容性触摸屏的可编程装置（2），其中该微流控装置（1）被安排以在所述触摸屏上根据所述流体样本修改电容电荷。

Images