CN103517762A - 对微流体装置的液体流顺序的控制 - Google Patents

Abstract

公开的实施例提供了用于通过以控制方式截留和释放液体体积之间的气体而响应于驱动力来对液体流进行定序的装置、系统和方法。在一个具体形式中，离心“磁盘实验室”装置设置为借助于离心力驱动液体流和定序，并且在一个具体形式中，径向向内的弯曲导管用于与流体体积之间的可控制截留和释放的气体的连接。

Description

对微流体装置的液体流顺序的控制

技术领域

本发明涉及液体处理，尤其但不排他地涉及通过在诸如“磁盘实验室”（lab ona disk）装置的微流体装置中的气体截留（gas entrapment）对液体进行定序。

背景技术

液体定序是旋转分析系统中的重要功能。标准系统利用有源元件（activeelements）打开阀门以便执行进入预定区域的连续液体流。在WO2010084190中对这种主动阀门实施的一个实例进行了描述。然而，优选的是消除对有源元件的使用以便使旋转分析系统的制造和使用简单化。

在专利申请WO2008106782描述了一个实例，在不使用有源元件的情况下执行液体定序的一种方法包括使用顺次的毛细管虹吸。然而，对于要在旋转定序中增加的每种新的液体而言，由于这种方法暗示在旋转协定（rotation protocol）中增加一种新的流体结构和一次停止，因此这种方法导致显著的复杂性。

因此，在没有有源元件并且当待定序的液体数量增加时不需要引入数量增加的结构和操作功能的情况下，在旋转分析系统中设置简化的液体定序将是有利的。

发明内容

在独立权利要求中陈述了本发明的多个方面。进一步地，在从属权利要求中陈述了附加特征。

在一些实施例中，设有用于处理液体的装置。该装置围绕旋转轴可旋转以驱动在该装置内部的液体流。该装置包括第一液体保持结构和第二液体保持结构，用于将液体供给到第一液体保持结构和第二液体保持结构的上游液体处理结构以及用于容纳来自第一液体保持结构的液体的下游液体处理结构。导管将第二腔室的出口连接至第一腔室的入口。导管包括从出口径向向内延伸到顶点（crest）并且从该顶点径向向外延伸到入口的弯曲部部分。这能够使气体截留（traped）在来自第一液体保持结构和第二液体保持结构的各自液体之间的弯曲部部分中，以使得液体保持在第二液体保持结构中直至通过第一液体保持结构排出截留气体，然后液体通过第一液体保持结构从第二液体保持结构流到下游液体处理结构。

非直觉地，发明人认识到，在无有源元件并且无复杂的结构或旋转协定特征的情况下，通过将气体截留在部分液体处理结构中，能够以有效的方式对液体流进行定序。从而设置了用于每种已定序的液体的具有适当形状的导管的简化结构，而且这还允许在该装置以恒定的旋转频率旋转的同时对液体定序。由于旋转的恒定速率能够使信噪比得以改进，后者在下游液体处理结构包括依据光学技术的光学检测结构（例如，样本中的抗原和固化在检测结构中的抗体之间的结合检测）的系统中是有利的。

在一些实施例中，该装置可以设置成利用不少于第二液体保持结构和导管（两者被填充到导管的径向最内点）的体积的阈值量的液体来填充第二液体保持结构。从而，当已经通过第一液体保持结构排放截留气体时，离心力倾向于将在邻近第二液体保持结构的导管前部中的液体至少推动到径向最内点（与第二液体保持结构中的液面的极限情况一致），以使得在来自毛细管力的小的额外贡献的情况下，在旋转频率期间确保虹吸作用。

如果液体量超出上述阈值，那么试图消除第二液体保持结构和导管中的任何液压头（liquid head）的离心力将倾向于推动来自第二液体保持结构液体横过导管的径向最内点和第二液体保持结构中的液面的径向向外处，以便在没有来自毛细管力的协助的情况下确保虹吸作用。

另一方面，液体量可以使得将导管和第二液体保持结构填充至较低水平面，然而，在该水平面处导管中的毛细管力足以使液体通过导管的径向最内点，以使该装置以小于截止频率（cut-off frequency）的旋转频率旋转时，能够确保虹吸作用。在这种情况下，通过毛细管力克服与相应的液压头相关的离心力。在一个具体实例中，截止频率可以是每秒30转。

在一些实施例中，该装置可以包括连接第一液体保持结构和第二液体保持结构以平衡在其间的压力的排放导管（vent conduit）。在不需要与用于每个液体保持结构的排放回路连接的情况下，这在两个液体保持结构之间提供了简单直接的压力平衡连接。

在一些实施例中，该装置包括用于将第一液体保持结构的另一个入口连接至第三液体保持结构的另一个出口的另一个导管，该另一个导管包括另一个入口和另一个出口径向向内延伸的另一个弯曲部部分。如上所述，这能够使气体截留在来自第一液体保持结构和第三液体保持结构的相应液体之间的另一个弯曲部部分。一旦液体通过第一液体保持结构从第二液体保持结构流出，那么另一个入口沿入口径向向外以将液体保持在第三液体保持结构中。这种布置能够通过将它们的各自的入口适当地布置在第一液体保持结构中而使得对三种（并且引申为任何数量）液体定序。同样地，顺序布置是可能的，其中，通过在液体保持结构的菊花链（daisy chain）之间的导管中的截留空气来保持液体，并且随着将液体排放进入到菊花链中的下一个液体保持结构中的入口点，液体通过菊花链中的一个液体保持结构行进。

在一些实施例中，在该装置以恒定的频率旋转时，该装置设置成使液体顺序地从第一液体保持结构和第二液体保持结构移动到下游液体处理结构。如上所述，在液体定序期间在恒定的频率下的旋转不但便于控制，而且可以提高集成到该装置中的光学检测技术中的信噪比。进一步地，当处理液体所需的加减速的数量降低时，该装置上的机械应力也降低。

在一些实施例中，进一步提供一种使用上述装置的液体处理系统，而且液体处理处理系统包括用于实施上述功能性的设备。

在一些实施例中，提供一种顺序地将液体从第一液体保持结构和第二液体保持结构移动到下游液体处理结构的方法。该方法包括利用液体填充第一液体保持结构和第二液体保持结构，以将气体截留在第一液体保持结构和第二液体保持结构之间的导管中。该方法进一步包括在将液体保持在第二液体保持结构中的同时使液体从第一液体保持结构移动到下游液体处理结构，然后在通过第一液体保持结构将截留气体从导管排出之后，使液体通过导管从第二液体保持结构移动到第一液体保持结构并且移向下游液体处理结构。

依据上述方式，实施例进一步包括第三液体保持结构充满液体并且气体截留在第一液体保持结构和第三液体保持结构之间的另一个导管中以对第三液体定序的方法。进一步地，该液体可以响应于在该方法步骤中以恒定量保持的恒定驱动力而在上述全部方法步骤中移动。例如，在驱动力是离心力的情况下，该装置将以恒定的旋转频率旋转。

下述实施例被进一步描述并且其可以与任何其它的上述实施例结合。

1.一种流体流定序系统，包括：流体定序腔室、至少一个附加流体腔室或通道和用于将第一液体注入到定序腔室以部分地填充腔室的设备，并且通过这种方式将气体截留在至少一个附加流体腔室或通道中，这样防止在至少一个附加流体腔室或通道中的至少一种第二附加液体的流动，直至将第一液体部分排出定序腔室，以释放截留在至少一个附加流体腔室或流体通道中的气体，以及用于控制在定序腔室中的液体流的设备，以便在将第一液体排出定序腔室之后至少一种附加流体按照顺序流动。

2.一种如条目1所述的系统，其中，用于注入第一液体的设备包括用于产生作用在液体上的离心力的设备。

3.一种如条目1或2中任一条所述的系统，其中，腔室限定在用于对液体定序的两个表面之间，所述两个表面相距小于1mm，优选相距小于0.5mm。

4.一种如条目1至3中任一条所述的系统，其中，连接定序腔室和待定序的其它腔室或通道的通道处于虹吸形式。

5.一种根据前述条目中的任一条所述的系统，包括：将第一离心力施加到定序腔室以将气体截留以便能够对液体定序，然后施加优选与第一离心力相同的第二离心力，以离心地将上游回路中的液体组成分开，接着不同于第一离心力和第二离心力的第三离心力以使液体能够流动到下游回路。

6.根据前述条目中的任一条所述的系统，其中，在单个下游回路或大量下游回路中对大量液体进行定序。

7.根据前述条目中的任一条所述的系统，其中，定序腔室是容器形式。

8.根据前述条目中的任一条所述的系统，其中，定序腔室是具有连接至其它通道的附加分支的通道形式。

对旋转流体装置进行进一步地描述，其包括：包括上游回路、下游回路和定序结构的流体网，所述定序结构包含通过连接通道连接到至少两个上游腔室的至少一个腔室，其中，从上游回路流入到定序结构中的液体流通过旋转在至少一个连接通道中产生了气体截留，从而气体截留防止至少一个上游腔室的液体流进入到定序结构中直至第一液体从定序结构流入到下游回路中。

其中，关于腔室或其它液体容纳结构使用术语“水平面”，应当理解这不必是指如在重力下的充满液体的腔室中观察到的平直水平面，而是只要这符合于液体容纳结构中的意义明确的液体量，术语就包括由于作用在液体上的离心力或由于表面张力效果而可以弯曲的弯曲水平面。“水平面”不限于液体保持腔室，而是限定了例如关于旋转中心的几何轨迹。

为了避免疑问，在本文中，术语“微流体”是指意味着包括诸如容器或通道的具有至少一个小于1mm的尺寸的流体元件的装置。该装置不必是圆盘形状，并且实际上，旋转轴不需要设置在该装置本身内，而是能够将该装置布置成放置在用于围绕未在该装置本身内的旋转轴使它旋转的转子中。

附图说明

参照附图并通过实例和说明并且非限制地对具体实施例进行以下描述。其中：

图1A至1I示意性地示出了对液体定序机构的实施；

图2示出了对整合在圆盘形盒体上的液体定序机构的实施；以及

图3示出了相应的驱动系统。

具体实施方式

参照图1A，一种用于处理液体的旋转装置包括上游液体处理结构21，当使该装置围绕轴10旋转时，上游液体处理结构21响应于离心压力通过相应导管51、52将液体供给至第一腔室31和第二腔室32。通过具有径向向内延伸至顶点并从该顶点径向向外延伸的弯曲部的导管41连接第一腔室31和第二腔室32。导管41将第二腔室32的出口连接至第一腔室31的入口。如下面详细描述的，当填充第一腔室31和第二腔室32时，导管41的弯曲部能够使气体截留在弯曲部中，以使得液体保持在第二腔室32中直至气体通过第一腔室31排出。通过导管53将腔室31连接至下游液体处理结构22。实际上，关于导管41的相应部分，腔室31和32各自都充当连通器。实际上，结果是连通器系统通过截留于每套连通器之间的中间气体相互作用。

现在参照图1B至1I，对在腔室31和32中的连续的液体流的原理进行描述，其中，图1B示出了其中上游液体处理结构21容纳液体61的初始构造。

参照图1C，当该装置围绕轴10旋转时，使第一腔室31和第二腔室32填充自上游液体处理结构21流出的液体61以在腔室31、32中提供液体体积62、63。在此阶段，由于作用在液体62上的离心压力，液体62还可以开始流入到下游液体处理结构22中。

该装置设置成使得当填充第一腔室31和第二腔室32时，气体71截留在连接第一腔室31和第二腔室32的导管41的弯曲部中。为此，相应地调整各自的流率。

进入到第一腔室31和第二腔室32中的流率取决于离心诱导压力和水动流阻。离心诱导压力取决于该装置的旋转速度、液体61的液体密度和液体61的液柱的质心的径向距离。出口通道的水动流阻取决于通道51、52的几何形状和表面性质以及液体61的粘度。流出腔室31、32的流率相似地取决于在这些腔室中的液面以及导管41和53的几何形状和表面性质。通过调整这些因素，能够控制流率以允许填充第一腔室31和第二腔室32，以便当液体62、63从每一侧流入导管41时将气体71截留在导管41中。

于是，由于腔室31、32和导管41充当一套串联的连通器，因此需要平衡作用于导管41中的弯曲部的任一侧的力。导管41中的毛细管力/压力、离心力/压力和气体71的压力促成施加在液体62、63上的力。

毛细管力取决于导管41和接触导管41的腔室31、32的尺寸、几何形状和表面性质，并且倾向于促使液体流入导管41中。当促使液体流入导管41中，由于导管41内部的气体71的体积的相应减少而产生的压力增加促使液体在相反方向上流出导管41。通过液体施加在弯曲部任一侧的离心压力取决于在弯曲部任一侧的液压头（在相应腔室31、32中的液柱的径向高度和导管41的相应腿部中的差异）。离心压力倾向于降低液压头并且因此能够根据相应的液面促使液体流入或流出导管41。

在图1C所示的构造中，继续填充腔室31、32直至在腔室31、32和导管41的所有部件中的液面都相同时的时间点。这相应于由于毛细管力和气体71的气体压力而使压力平衡的特定时刻，以便离心力驱使导管41的弯曲部任一侧上的相应液压头到达零。应当理解，这是填充过程的快照，并且实际上，基于流率和腔室几何形状，两个腔室不可能以相同的速率填充且不可能达到相同的水平面。

参照图1D，当进一步填充第一腔室31和第二腔室32时，在导管41的弯曲部的任一侧上的导管41中的液体62、63的水平面低于在第一腔室31和第二腔室32中的液体62、63的水平面。在该构造中，截留气体71的压力使在弯曲部任一侧上的液压头平衡，并且因此，在弯曲部两侧上的液压头（在每个腔室31、32中的水平面和导管41中的弯曲部的相应侧中的水平面之间的差异，而不是在腔室31、32中的绝对液面）是相同的。即使盒体改变它的旋转速度或即使盒体停止，液体63也可以通过截留在导管41中的气体71保持在腔室32中。

参照图1E，当将第一腔室31中的液体62通过通道53排出到下游液体处理结构22时，第一腔室31中的液体62的水平面降低并且液体62的液压头（在第一腔室31和导管41之间）下降。在导管41的一侧上的减小的液压头引起在导管41的相对侧上的液体63的液压头也减小。这是由于在弯曲部任一侧上的液压头必须与截留气体71的相同压力平衡，因此弯曲部任一侧的液压头是相同的。为减小与第二腔室32相关的液压头，来自第二腔室32的液体63流入导管41中并且流向导管弯曲部。当此情况发生时，第二腔室32中的液体63的水平面降低直至液体63的液压头与液体62的液压头再次达到平衡。

参照图1F，当将液体62排出第一腔室31时，气体71通过腔室31排出，以使得没有压力来平衡与液体63相关的液压头。图1F描绘了具体构造，其中液体63的体积填充导管41和腔室32以达到与导管41的径向最内点相应的水平面。然而，毛细管力倾向于将液体63吸入到导管41中。进一步地，任何保留在临近腔室31一侧的导管41中的液体在它流出导管时将负压施加在气体71上，从而将液体63进一步吸入到导管41中。如下面更详细的描述，液体63一进入导管41中以到达腔室32中的液面的径向向外的位置时，离心力就会起作用以将液体63虹吸到腔室31中。

由此可见，在上述理想情况下，在液体63的体积使得它填充腔室32和导管41以达到与导管41的径向最内点相应的水平面时，使腔室32排空到腔室31中的虹吸作用将确保由于毛细管作用而处于任何旋转频率下并且确保由于液体62而处于任何残余负压下。由于液体63的液压头将“推动（push）”液体63通过导管41的径向最内点以引起虹吸作用，因此实践中在不依靠准确的体积测量的情况下，能够通过将液体63的量增加超过该阈值，确保任何旋转频率下的排出。

即使体积稍低于阈值体积，假设液体63的体积低于阈值体积，如果导管41具有设计成克服与腔室31中的液体63的水平面上方的导管41中的液压头相关的离心力的尺寸、几何形状和表面性质，那么虹吸机制也仍然可实现。然而，与作用于在甚至较低的旋转频率下的任何可增长的液压头上的离心力相比，由于毛细管力通常较小，因此液体63的虹吸排出于是仅仅能够达到旋转的阈值频率。

另一方面，如果液体63的体积使得填充后的初始液压头大于能够由液体62的液压头平衡的液压头，那么在取消上述的定序动作的所需时刻之前能够推动液体63通过导管41。具体地，由于腔室32和与其相应的导管41的腿部都充满比阈值体积大的体积，因此一旦液体63行进达到导管41的径向最内点，就存在需要通过气体71的压力平衡的剩余液压头，并且因此如果液体63流入到腔室31中，那么液体62的液压头将被拖延。这意味着在这种情况下，在液体62上的液压头达到零之前，即在完全排出之前，液体63能够流入到腔室31中。对于被认为是成功的定序来说，在液体63中具有多少剩余液压头（和因此在液体62中的剩余液压头）是可接受的取决于多个因素，其包括确定液体63流入腔室31的速度和转速的导管几何形状和表面性质、截留气体的量（和由此在液体63开始流向腔室31而时在导管41中的液体62和63之间的距离）、液体62和63的混合程度以及在至对于给定申请来说可接受的下游液体处理结构22的液体62的流的端部处液体62和63之间的重合量（the amount of overlap）或混合量。

由此可见，对于在其中装置起着如上所述的对液体进行定序的作用的腔室31和导管41中的液体63而言存在体积范围。围绕阈值体积推动液体63通过导管41，以使得能够通过克服反向液压头的充足毛细管力或者能够通过适当尺寸的液压头而产生虹吸。然而，对于远低于阈值体积的体积来说，不能通过毛细管力克服液体63的反向液压头（adverse liquid head），或者出口处太大的液压头可以引起过早虹吸。阈值体积和对于体积变化的敏感性将以对于本领域技术人员来说显而易见的方式取决于初始体积和该装置的各个部分的构造（尺寸、几何形状和表面性质）。

同样地，应该理解上述附图更加示意性地表示了主要的相互作用，忽略了诸如在将腔室31的排空期间气体71的压力随着封闭液压头的下降而降低时气体71的从使腔室31和32完全填充的它的压缩状态膨胀的次级效应。在不影响上述定序操作的情况下，由于这种膨胀，气泡可以在使腔室31完全排空之前漏出导管41直至气体压力和液压头达到新的均衡。

参照图1G，在行进到导管41中的液体63径向地超过腔室32中的液面之后，虹吸作用将液体吸入到开始填充液体63的腔室31中。当用液体63填充腔室31时，液体63将开始跟随分配到下游液体处理结构22的液体62顺次通过导管53。

参照图1H，在没有中间气体体积的情况下，现在腔室31，32中填充有相同的液体63，并且由于离心力，因此腔室31，32用作具有在腔室31和32中的均衡液面的连通器。如图1I所示，当通过导管53继续排出液体63时，在腔室31和32两者中的液面也降低，直至它们完全排出（包括假设腔室31的端口处于导管41的径向最外点处的导管41）。

应该注意，以上描述是图示的一个具体实施例，并且可能有许多变型。例如，上游液体处理结构21不需要充满单一液体61，并且能够由不同腔室、储液器或通道组成。一个实例是具有两个上游腔室的上游液体处理结构，每个上游腔室具有不同性质的特定液体（例如缓冲液和稀释的血浆，或任何其它液体），每个腔室分别通过通道51和52各自连接至定序结构。这种布置导致两种不同液体的连续流型（在以上实例中，首先是缓冲液、然后是稀释的血浆或者任何其它液体的连续流）。

一些实施例设置有腔室31和32中的一个。具体地，在一个实施例中，在不需要腔室32和通道52的情况下，导管41将腔室31直接连接至上游回路21。在这种情况中，主要要求是：进入到腔室31中的液体62的流率将充分大于来自于上游回路21的进入导管41的液体61的流率，以产生如上所述的截留于导管41中的一定体积的气体71。在该后一种情况中，对于这种类型的流率来说，导管41的一小部分将由截留气体71填充并且因此能够使得对已经填充腔室31的液体62和自上游回路21的液体61进行液体定序。

由于通道横截面与流体阻力逆相关，因此通过将通道设计成具有不同横截面，可以易于获得对上述流率的控制。可选地，基于取决于径向位置的流率，可以通过在不同半径处设置通道来控制流率。

在一些实施例中，通过相应的通道替代上述腔室，将通道放置在限定位置中以便实现上述作用。

应当理解，由于通过进入到导管41中的液体62和63的位移压缩截留气体71，因此截留气体71将具有比腔室31，32中的压力（例如大气压）高的压力。

在一些实施例中，对超过两种的液体进行定序。多种连续流的一个实例在于使用具有与导管41类似性质的多个通道，多个通道并联设置（导致同一种流体结构，通道或者腔室）或者串联设置（通道连接至确定的流体结构，流体结构继而连接至另一个通道等等）。还设想将串联布置和并联布置结合以便实现更高数量的连续流。

上游液体处理结构21和下游液体处理结构22可以包含任何类型的液体处理布置，即分装单元、混合单元、微粒分离单元、检测结构或任何类型的流体功能结构。

特别地，在不改变装置的转速的情况下，能够利用上述实施例执行连续流。这在机械稳定性和信号采集稳定性都非常重要的多种检测应用中是有利的。

参照图2，现在对一个具体实施例进行描述，该实施例能够使得四种液体流被定序。圆盘形式的盒体100具有旋转轴110、内轮廓120和外轮廓130。当在特定的旋转协定下对盒体适当地操作时，盒体包含多种设计成执行分析功能的液体处理结构。

盒体100包括未在图2中示出的上游液体处理结构，其通过导管310、340和330分别连接至腔室210、230和220。进一步地，导管320还将上游液体处理结构连接至腔室210。液体处理结构能够包括但不限于分装结构（例如将特定液体输送到导管310、320、330、340）、混合结构、血浆分离结构和测量结构等。可以在于此描述的液体定序功能之前执行一系列不同的流体功能。

如现在所述，在预定的旋转协定的某一点处，在通道310、320、330和340中的液体开始从上游液体处理结构流入腔室210、220和230中。

用于第一液体的第一流径包括装入到腔室210中的导管310，腔室210具有通向下游液体处理结构的出口导管510。在图2示出的具体实施例中，下游液体处理结构包括自出口导管510供给并继而通过导管520连接至废料腔室240的检测腔室250。然而，在此所述的实施例不限于这种下游液体处理结构的特定设置。在不考虑由已定序的液体流入的下游液体处理结构的情况下，所述定序机构是可适用的，并且基于目前的应用易于采用其它下游液体处理结构。

用于第二液体的第二液体流径包括装入到腔室230中的导管340，腔室230继而通过导管430连接至腔室210，第二流径与上述第一流径在腔室210汇合。导管430构造成具有类似于上述导管41的径向向内的弯曲部，以便如上所述对从腔室230到腔室210的液体流进行定序。

用于第三液体的第三液体流径包括装入到腔室220的导管330，腔室220继而通过导管420连接至腔室210。导管420设置成类似于上述导管41以对从腔室220到腔室210的流体进行定序。第三流径与第一流径和第二流径通过导管510以及向前通过下游在腔室210汇合。

用于第四液体的第四液体流径包括装入到腔室210的导管320，第四液体流径从腔室210与第三液体流径、第二液体流径和第一液体流径通过导管510以及向前通过下游在腔室210汇合。从上游液体处理结构直接输入导管320，并且导管320设置有类似于上述导管41的径向向内的弯曲部，以对从上游液体处理结构的相关部分到腔室210的液体进行定序。

通过对所涉及的导管的几何尺寸和/或表面性质的适当设计，盒体100设置为使得流入到腔室210（从导管310、320、420和430）中的流入率大于经由导管510从腔室210的流出率。因此，只要液体从导管310、320、420或430中的一个流入到腔室210中，那么在腔室210中的液面将上升，并且如果没有进入到腔室210中的液体流入体而仅有通过导管510的液体流出体，那么腔室210中的液面仅降低。

自导管310、320、420和430进入到腔室210的端口设置为使得导管420的端口沿导管430的端口径向向外布置并且导管320的端口沿导管420的端口径向向外布置。如下详细描述的，这种径向端口位置的布置确定了液体流的顺序。另外地，在图2所示的具体实施例中，尽管从导管310进入到腔室210的端口沿上述其它端口径向向内布置，但这不限制液体的定序，并且在不背离现在所述的顺序的情况下，用于导管310的其它端口位置是同样可能的。

起初，导管310、340和330分别填充腔室210、230和220。采用不同的流率以使得气体截留在如与上所述的导管41一样的导管420和430中，并在相应导管的弯曲部中。同时，液体以一定速率从上游液体处理结构流入到通道320，以使得气体截留在从上游液体处理结构行进的液体和由于毛细管力从腔室210行进到通道320中的液体之间的导管320的径向向内的弯曲部内。在此阶段，在液体保持在导管320内的同时，液体从导管310填充腔室210，从导管340填充腔室230，并且从导管330填充腔室220。同时，液体可以以比流入到腔室210中的液体速率低的速率开始通过导管510从腔室210流动，或者导管510可以设有用于暂时阻塞从腔室210的流出的设备。

如本领域技术人员已知的，暂时阻塞的实例可以是定位在导管510中的毛细管虹吸布置，其借由相反的离心力在初始旋转的情况下阻塞导管510中的液体流并且允许液体在毛细管虹吸开始之后流动（随旋转频率的充分减小由于毛细管力而使液体行进通过虹吸顶点），随后，由于虹吸效应液体能够在导管510中自由流动。

无论来自腔室210的液体流出体是否初始停止，只要液体从导管310流入到腔室210中，腔室210中的液面就将上升（或至少保持恒定）。当从腔室310进入到腔室210的流入体停止时，通过导管510的流出体继续以使得腔室210中的液面随着盒体100继续旋转而开始降低。

当腔室210的液面降到低于将腔室210连接到导管430的端口时，在液体保持在腔室220和导管320中的同时，导管430中的截留气体排出并且从腔室230到腔室210的液体流动开始。将通过导管430的流入率设置成至少等于或者大于通过导管510从腔室210的流出率，并且因此腔室210中的液面随后保持稳定或再次上升直至通过导管430从腔室230到腔室210的液体流停止。

在此阶段，腔室210中的液面再次开始降低直至液面降低至导管420的端口以下或刚好低于导管420的端口，以使得在将液体保持在导管320中的同时，将截留在导管420中的气体排出并使得液体开始通过导管420从腔室220流到腔室210中，以至于对于来自腔室230的流动腔室210中的液面如上所述再次保持稳定或上升。

当从腔室220到腔室210的液体流停止，腔室210中的液面再次降低直至它到达导管320的端口，在此阶段排出在导管320中的截留气体并且液体开始从导管320流入腔室210中并且通过导管510向前流向下游。

如上所述，图2的实施例因而能够使第一液体、第二液体、第三液体和第四液体依次流入到公用定序腔室（腔室210），它们能够从公用定序腔室起依次向前流向下游（穿过导管510通过任何适当的下游液体处理结构）。从而，根据参照图1的上述原理，图2的实施例通过对通向公用定序腔室的各自端口和装入腔室中的导管的构造的适当布置利用公用定序腔室提供了对四种流体的定序。

重要地，上述液体流定序能够以恒定的旋转频率（和因此恒定的离心驱动力）实现并且不需要任何特别的旋转协定。如所述，当完成定序不需要恒定的旋转频率时，这有益于光学检测过程并且还允许将旋转协定设计成需要在盒体100上实施的液体处理功能。

明显地，上述实施例不限于任何特定的液体，液体可能是全部相同的或全部不同的或是其组合。然而，为了说明，四种液体的这种定序获得应用的实例是使用光学检测技术对样本中的抗体的进行检测。在该实例中，第一液体是用于检测结构250的初始冲洗并且还获取基线读数（baseline reading）的参照液体。第二液体是通过结合固化在检测结构250中的抗体而要被确定的包含物质（抗原）的样本，从而使得能够通过诸如荧光显微镜检测或表面等离子体共振的光学技术来检测该结合。第三液体是用于放大与检测结构中的抗体和抗原的结合相关的信号的放大物质，以促进结合时间的定量分析。第四液体是洗液以冲掉任何未结合的抗原和放大物，以便随后检测用于与初始获得的基线进行比较的信号。通常，用于最后的冲洗和初始冲洗/基线的液体将是相同的液体。当然，应当理解这仅是四种液体定序的具体实例，并且所述实施例适合于液体定序的任何应用，它利用四种或更多种或更少种待定序的液体。

在不需要任何有源元件、也不需要任何复杂的表面张力条件或任何特定的旋转频率协定的情况下，所述实施例能够使得液体（例如，图2实施例中的四种液体）的连续流从上游液体处理结构进入到下游液体处理结构。从而要强调的是，在不需要重复加速和减速（例如，如果采用一系列毛细管虹吸以对液体流定序）的情况下，在盒体以恒定的旋转频率旋转的同时，上述的液体流定序可以全部发生。（自然地，在液体定序期间旋转频率能够改变，但是这不需要获得上述流动液体的所需顺序）。在多种应用中，在液体的连续流动期间、尤其在使用光学检测的盒体中，始终以相同的旋转频率旋转盒体100存在显著的优势。在光学检测系统中，恒定的旋转频率可以有助于增强信噪比。

上述实施例采用在导管中的截留气体以定序和控制液体流。然而，需要确保在液体处理系统的其它区域中的压力均衡以确保不需要的压差不会阻碍围绕盒体100的液体流。为此，通过另外的导管620在径向向内的方向连接腔室210和220以设置排放导管，以使得两个腔室之间的压力能够总是均衡。相似地，还通过相似的排放回路610将腔室210连接至腔室230。另一个排放导管（未示出）将腔室210、220或230中的一个连接至大气压力或封闭的排放回路（一种能够使气体随着它被从上游流动到下游的液体替代而从下游区域移动到盒体周围的回路），以确保通过通道310、320、330和340来自上游流体结构的有效流动。同样地，通过排放导管630将废料腔室240连接至大气压力或排放回路，因而随着液体从腔室210流入到导管510中并继续流向下游，不但排放废料腔室240而且还排放导管510和520，并且还排放检测结构250。应当注意，上述实施例不限于任何围绕盒体100的压力均衡的具体方式，并且维持适当的压力条件以便不阻塞遍及盒体的液体流的多种方式对于本领域技术人员来说是显而易见的。

参照图3，用于驱动盒体100的驱动系统700（或者符合上述实施例的其它装置）包括用于控制驱动力的应用以驱动在盒体100或其它装置中的液体流的控制器710。在设置成借由离心力旋转以驱动液体流的盒体的具体实例中，系统700包括在控制器710的控制下的马达720，并且在一个具体实施例中，马达720联接至用于接合盒体100的内轮廓120的心轴。控制器710设置成依照预定进度控制驱动力，例如，分配液体围绕盒体100的初始旋转；接着是对导管510中的毛细管虹吸进行预先准备的短暂减速；随后是为了对如上所述盒体100中的液体定序而在恒定旋转频率下的再加速和旋转。

在有或没有表面张力模式的情况下，上述描述不限于平直的腔室和通道，并且还可以用于弯曲的结构和表面。在一些实施例中，另外的导管和腔室也用于对比上述液体流更多的液体流进行定序。

在根据离心微流体装置做出上述描述的同时，应当理解利用上述原理能够同样使用在旋转装置中的驱动力而非离心力。对于以上给出的实例，使用诸如离心力的体积力、重力或用于带电液体的电力或电场。其它定序结构可以与诸如压差的其它驱动力或其它设备一起使用。进一步地，在上述实施例为了实现阻塞液体流的目的而使用具有径向向内弯曲部的导管以截留气体的同时，本发明不限于此，并且同样能够使用用以实现阻塞液体流来截留气体的其它设备和导管几何形状。

实施例不限于微流体范围，而是同样能够设想到应用于例如宏观范围的其它范围。为了避免疑问，术语“微流体”在此是指意味着包括诸如储液器或通道的具有至少一个低于1mm的尺寸的流体元件的装置。

因此，本发明不限于上述具体实施例和实例而是由权利要求限定。

Claims (15)

1.一种用于处理液体的装置，所述装置围绕旋转轴可旋转以驱动在所述装置内的液体流，所述装置包括：

第一液体保持结构；

第二液体保持结构；

上游液体处理结构，其用于将液体供给到所述第一液体保持结构和所述第二液体保持结构；

下游液体处理结构，其用于容纳来自所述第一液体保持结构的液体；以及

导管，其将所述第二液体保持结构的出口连接至所述第一液体保持结构的入口，

所述导管包括从所述出口径向向内延伸到顶点并且从所述顶点径向向外延伸到所述入口的部分，从而能够使气体截留在来自所述第一液体保持结构和所述第二液体保持结构的各自的液体之间的所述部分中，以使得液体保持在所述第二液体保持结构中直至通过所述第一液体保持结构排出截留气体，然后液体通过所述第一液体保持结构从所述第二液体保持结构流到所述下游液体处理结构。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置设置成利用不少于所述第二液体保持结构和临近于所述第二液体保持结构的所述导管的一部分的体积的填充到处于所述导管的径向最内点的水平面的液体量来填充所述第二液体保持结构。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置设置成利用相当于所述导管和所述第二液体保持结构中的液面的液体量来填充所述第二液体保持结构，以使得作用在所述导管中的液体上的毛细管力足够于以比截止频率低的旋转频率吸引所述液体通过所述导管的径向最内点。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述截止频率是30Hz。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，包括连接所述第一液体保持结构和所述第二液体保持结构以平衡在其间的压力的排放导管。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，包括用于将所述第一液体保持结构的另一个入口连接至第三液体保持结构的另一个出口的另一个导管，所述另一个导管包括沿所述另一个入口和所述另一个出口径向向内延伸的另一个弯曲部部分，从而能够使气体截留在来自所述第一液体保持结构和所述第三液体保持结构的相应液体之间的所述另一个弯曲部部分中，其中，在液体通过所述第一液体保持结构从所述第二液体保持结构流出以沿所述另一个入口径向向内地保持所述第一液体保持结构中的液面的同时，所述另一个入口沿所述入口径向向外以将液体保持在所述第三液体保持结构中。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，所述装置设置成在所述装置以恒定的速率旋转的同时使液体顺序地从所述第一液体保持结构和所述第二液体保持结构移动到所述下游液体处理结构。

8.一种液体处理系统，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的装置，所述装置联接至马达和控制器，所述控制器联接至所述马达以控制所述装置的旋转来顺序地分配来自所述第一液体保持结构和所述第二液体保持结构的液体。

9.根据权利要求8所述的液体处理系统，所述控制器可操作为使所述装置以基本恒定的频率旋转，从而顺序地分配来自所述第一液体保持结构和所述第二液体保持结构的液体。

10.一种液体处理系统，其包括：

用于利用液体填充第一液体保持结构和第二液体保持结构以使气体截留在所述第一液体保持结构和所述第二液体保持结构之间的导管中的设备；

用于在将液体保持在所述第二液体保持结构中的同时使液体从所述第一液体保持结构移动到下游液体处理结构的设备；以及

用于在通过所述第一液体保持结构将截留气体从所述导管排出之后，通过所述导管和所述第一液体保持结构使液体从所述第二液体保持结构移动到所述下游液体处理结构的设备。

11.根据权利要求10所述的液体处理系统，进一步包括：

用于利用液体填充第三液体保持结构以使气体截留在所述第一液体保持结构和所述第三液体保持结构之间的另一个导管中的设备；

用于在将液体保持在所述第三液体保持结构中的同时使液体从所述第一液体保持结构和所述第二液体保持结构移动到所述下游液体处理结构的设备；以及

用于在通过所述第一液体保持结构将截留气体从所述另一个导管排出之后，通过所述另一个导管和所述第一液体保持结构使液体从所述第三液体保持结构移动到所述下游液体处理结构的设备。

12.根据权利要求10或11所述的液体处理系统，包括用于响应于基本上恒定的驱动力来移动来自所述第一液体保持结构和所述第二液体保持结构的液体的设备。

13.一种将液体从第一液体保持结构和第二液体保持结构顺序地移动到下游液体处理结构的方法，该方法包括：

利用液体填充所述第一液体保持结构和所述第二液体保持结构以使气体截留在所述第一液体保持结构和所述第二液体保持结构之间的导管中；

在将液体保持在所述第二液体保持结构中的同时使液体从所述第一液体保持结构移动到下游液体处理结构；以及

在通过所述第一液体保持结构将所述截留气体从所述导管排出之后，使液体通过导管和所述第一液体保持结构从所述第二液体保持结构移动到下游液体处理结构。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：

利用液体填充第三液体保持结构以使气体截留在所述第一液体保持结构和所述第三液体保持结构之间的另一个导管中；

在将液体保持在所述第三液体保持结构中的同时使液体从所述第一液体保持结构和所述第二液体保持结构移动到所述下游液体处理结构；以及

在通过所述第一液体保持结构将所述截留气体从所述另一个导管排出之后，使液体通过所述另一个导管和所述第一液体保持结构从所述第三液体保持结构移动到所述下游液体处理结构。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述液体响应于基本上恒定的驱动力而移动。

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