CN103764285B - 用于对流体进行充电的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开用于对流体进行充电的设备、系统及方法。对流体进行充电改进了微流体系统中流体的混合。通过在电离电极（20）与相对的接地电极（30）之间产生离子场（50）来执行充电。容纳流体的容器（40）定位在上述相对的电极之间并且离子场对容器中的流体（41）进行充电。

Description

用于对流体进行充电的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于对流体进行充电以改进例如微流体系统中流体混合的系统和方法。
背景技术
微流体技术（microfluidics）涉及处理小体积流体的微观尺度系统和设备。因为微流体技术能够精确并可重复地控制及分配小流体体积，具体是小于1μL的体积，所以在例如化学、生物和生物样品处理的技术领域中，微流体的应用能够显著地节约成本。在各种应用中，微流体技术的使用能够减少循环时间，缩短得到结果的时间（time-to-results）并提高处理量。另外，在各种应用中，微流体技术的引入能够增强系统集成和自动化。
鉴于微流体设备或其部件相对较小的尺寸，微流体系统涉及与宏观尺度流体系统不同的构造和设计。将宏观尺度设备的尺寸简单的按比例缩小到微流体尺寸通常来说并非是成功的设计方案。例如，微流体设备中的流体流动与宏观尺度尺寸设备中的流体流动物理上不同。这是因为流体流动趋向于层流化，表面通量和表面张力开始占主导地位，因此宏观尺度上所观察不到的物理效应在微流体尺度上变得重要。微流体尺度上的其他区别包括，举例来说，更快的热扩散，更大量地层流，显著的毛细管力以及显著的静电力。
发明内容
本文中公开的实施方式涉及配置成对容纳在流体容器中的流体进行充电的流体充电系统。该流体充电系统包括电离电极和接地电极。电离电极和接地电极定位成与流体容器邻近。电离电极和接地电极是相对的，使得流体容器定位在电离电极与接地电极之间。电离电极和接地电离配置成产生离子场，该离子场与容纳在流体容器中的流体接触，从而对该流体进行充电。
本文中公开的其他实施方式涉及用于对容纳在容器中的流体进行充电的方法。该方法包括在电离电极与接地电极之间产生离子场。容纳流体的容器定位成与电离电极和接地电极邻近并定位在电离电极与接地电极之间，使得流体容器定位在电离电极与接地电极之间。通过电离电极和接地电极产生的离子场与容纳在在流体容器中的流体接触，从而对该流体充电。
应当理解，本说明书中公开及描述的本发明不限于发明内容中公开的实施方式。
附图说明
通过参照附图，可以更好地理解本说明书中公开及描述的非限制性且非穷尽性的实施方式的各个特征和特性，在附图中：
图1为示出了包括产生离子场的电离电极和接地电极的流体充电系统的示意性侧视图；
图2为示出了包括电离电极、接地电极、流体容器以及与该流体容器流体连通的流体取样设备的流体充电系统的示意性侧视图；
图3a为包括十字形发射板和五个发射针的十字形电离电极的仰视图；图3b和图3c为图3a所示的电离电极的侧视图；图3d为图3a、图3b和图3c所示的电离电极的仰视立体图；
图4为包括十字形发射板和九个发射针的电离电极的仰视立体图；
图5a为包括环与十字形发射板和九个发射针的环与十字形电离电极的仰视图；图5b和图5c为图5a所示的电离电极的侧视图；图5d为图5a、图5b和图5c所示的电离电极的仰视立体图；
图6a为包括与电阻元件相连的图3a至图3d中所示的十字形电离电极的组件的仰视图；图6b为图6a所示的组件的侧视图；图6c为图6a和图6b所示的组件的仰视立体图；
图7a为包括与电阻元件相连的图4a至图5d所示的环与十字形电离电极的组件的仰视图；图7b为图7a所示的组件的侧视图；图7c为图7a和图7b所示的组件的仰视立体图；
图8为包括图6a至图6c所示的组件、接地电极以及位于邻近的电离电极与邻近的接地电极之间的流体容器的流体充电系统的示意性侧视图；
图9为定位成使得电离电极与流体容器的开放顶端邻近的图6a至图6c所示的组件的示意性俯视图；
图10为包括图7a至图7c所示的组件、接地电极以及位于邻近电离电极与邻近的接地电极之间的流体容器的流体充电系统的示意性侧视图；
图11为定位成使得电离电极与流体容器的开放顶端邻近的图7a至图7c所示的组件的示意性俯视图；
图12为包括静电发生器电源的流体充电系统的示意性侧视图；
图13为包括图3a至图3d所示的十字形电离电极和定位成穿过发射板的开放扇形区域的流体取样设备的流体充电系统的示意性侧视图；
图14为示出定位成穿过发射板的开放扇形区域的流体取样设备以及定位成使得电离电极与流体容器的开放顶端邻近的图6a至图6c所示的组件的示意性俯视图；
图15为示出定位成穿过发射板的开放扇形区域的流体取样设备以及定位成使得电离电极与流体容器的开放顶端邻近的图7a至图7c所示的组件的示意性俯视图；
图16为包括图3a至图3d所示的十字形电离电极和定位成穿过发射板的开放扇形区域的流体取样设备的流体充电系统的示意性侧视图；
图17为示出定位成穿过发射板的开放扇形区域的流体取样设备以及定位成使得电离电极与流体容器的开放顶端邻近的图6a至6c所示的组件的示意性俯视图；
图18为包括静电发生器和控制器的流体充电系统的示意性侧视图；
图19为包括封闭的流体容器、定位在流体容器内部且与流体容器邻近的电离电极以及定位在该流体容器外部且与流体容器邻近的接地电极的流体充电系统的示意性侧视图；
图20为电离电极组件的参数模型仰视图；
图21a为接地电极的仰视图；图21b为图21a所示的接地电极的侧视图；图21c为图21a和图21b所示的接地电极的参数模型俯视图；
图22为用于位于静电发生器与用于控制流体充电系统的远程PC之间的接口的电路图；
图23为用于位于静电发生器与用来控制流体充电系统的远程PC之间的接口的电路板布局图；以及
图24为图20所示的电极组件，图21a至图21c所示的接地电极，流体容器以及流体取样设备的参数模型仰视立体图。
在考虑到以下对根据本公开的各种非限制性和非穷尽性实施方式的详细描述的情况下，将理解上述细节以及其他细节。
具体实施方式
本说明书描述和图示了各种实施方式，以提供对所公开的设备、系统和方法的结构、功能、操作、制造以及使用的全面理解。应当理解，本文描述和图示的各种实施方式是非限制性和非穷尽性的。因此，本发明不受到本说明书中所公开的各种非限制性和非穷尽性实施方式的说明的限制。相反，本发明仅由权利要求来限定。结合各种实施方式图示和/或描述的特征和特性可以与其他实施方式的特征和特性组合。这样的修改和变型旨在包括在本说明书的范围内。因此，可以修改权利要求以引用由说明书明确或内在描述的或者由说明书明确或内在支持的任何特征或特性。另外，申请人保留修改权利要求以明确放弃可能出现在现有技术中的特征或特性的权利。因此，任何这样的修改符合35U.S.C.§112第一款和35U.S.C.§132(a)的规定。本文中公开和描述的各种实施方式可包括、由本文多种描述的特征和特性组成或者主要由本文多种描述的特征和特性组成。
被称为通过引用并入本文的任何专利、出版物或其他公开资料除非另有说明，其全部内容都并入本文，但是仅限于使并入的资料不与现有定义、表述或在本公开中阐述的其他公开资料冲突的程度。由此且在必要的程度上，本文所阐述的明确公开内容取代通过引用并入本文的任何冲突资料。被称为通过引用并入本文、但是与现有定义、表述或本文所阐述的其他公开资料相冲突的任何资料或其部分，将仅在所并入的资料与现有公开资料之间不发生冲突的程度上并入。申请人保留修改本公开的权利，以清楚引用通过引用并入本文任何主题或其部分。
本说明书中提到“各种实施方式”等意指结合该实施方式所描述的具体特征或特性包含在至少一个实施方式中。这样，在本说明书中词组“在各种实施方式中”等的使用不必须是指共同的实施方式，可以是指不同的实施方式。另外，具体特征或特性可以以任何适当方式结合在一个或多个实施方式中。因此，结合各种实施方式图示或描述的特定特征或特性可以整体或部分地与一个或多个其他实施方式的特征或特性相组合，而不受到限制。这样的修改和变型旨在包含在本公开的范围内。以这种方式，本说明书中描述的各种实施方式是非限制性和非穷尽性的。
在各种实施方式中，配置成对容纳在流体容器中的流体进行充电的流体充电系统包括电离电极和接地电极。电离电极和接地电极可定位成与该流体容器邻近。电离电极和接地电极可以是相对的，使得流体容器定位在电离电极和接地电极之间。电离电极和接地电极配置成产生离子场，该离子场与容纳在流体容器中的流体接触，从而对流体进行充电。
在各种实施方式中，一种用于对容纳在容器中的流体进行充电的方法包括在电离电极和接地电极之间产生离子场。容纳流体的容器可定位成与电离电极和接地电极邻近且位于电离电极与接地电极之间。通过电离电极和接地电极产生的离子场与容纳在流体容器中的流体接触，从而对该流体进行充电。本文中公开的设备、系统和方法可用于在各种流体中产生净电荷。
在本文中公开的设备、系统和方法中充电的流体在充电之后可以与其他流体混合。在本文中公开的设备、系统和方法中充电的流体所携带的净电荷可以在下游设备、系统和方法中提升流体的混合程度。例如，当在微流体系统中与不可溶混载体流体中的流体塞（fluidplug）或液滴混合时，携带净电荷的流体可以呈现改进的与其他可溶混流体的混合。以这种方式，净电荷可减少在微流体系统中观察到的不期望的静电效应，该静电效应会对流体混合造成不利地影响。
图1示出根据各种实施方式的流体充电系统10。流体充电系统10包括定位成与流体容器40邻近的电离电极20和定位成与流体容器40邻近的接地电极30。电离电极20通过电线70连接至电源60。接地电极30相对于电离电极20接地，如80处所示。电离电极20和接地电极30产生离子场50，该离子场50与容纳在流体容器40中的流体41接触，从而对流体41进行充电。电离电极20和接地电极30是相对的，使得流体容器41定位在电离电极20与接地电极40之间。电离电极20定位成与流体容器40的开放顶端邻近，这样便于离子场50与流体41的接触。
在各种实施方式中，流体充电系统包括一个或多个流体取样设备，该流体取样设备配置成从流体容器中取出流体，如下文描述和图示的那样。在各种实施方式中，流体取样设备可包括一个或多个管（例如毛细管），所述管配置成从流体容器中取出被充电的流体。在各种实施方式中，流体取样设备可包括一个或多个套，其中每个套围绕一个或多个管，上述管配置成从流体容器中取出被充电的流体，例如毛细管。在各种实施方式中，该一个或多个流体取样设备可与流体容器连续流体连通或者不连续流体连通。
在各种实施方式中，流体取样设备可配置成从流体容器中取出被充电的流体的小滴或分段塞。被充电的流体的取出和获得可以连续操作模式或分批操作模式执行。流体取样设备可包括，例如，公开号为2010/0304443和2010/0294048的美国专利申请中描述的设备，上述专利申请通过引用并入本文。公开号为2010/0304443和2010/0294048的美国专利申请中描述的设备可配置成从容器中取出分段的流体样品，其中该分段的流体样品由不溶混的载体流体围绕。
包括流体取样设备的流体充电系统还可包括至少一个机器人系统，以控制流体取样设备。机器人系统可控制取样设备的运动，以控制从流体容器获得样品。在各种实施方式中，用于通过流体采样设备取出被充电的流体的驱动力可通过一个或多个泵提供。公开号为WO2007/091229的国际专利申请中示出了示例性的泵，该国际专利申请通过引用并入本文。在各种实施方式中，流体取样设备可配置成利用公开号为2010/0120635的美国专利申请中描述的流体静力学虹吸效应来取出流体，该美国专利申请通过引用并入本文。
图2示出了流体充电系统10，其包括与流体容器40流体连通的流体取样设备45。流体取样设备45配置成从流体容器40取出流体41，其中被取出的流体41已通过离子场50充电。尽管图2示出了包括两个（2）流体取样设备45的流体充电系统10，但是应当理解在本文中公开的流体充电系统的各种实施方式中，也可采用一个（1）或者任意多个流体取样设备。
在各种实施方式中，电离电极包括发射板和与该发射板相连的一个或多个发射针。发射板可由导电金属材料例如不锈钢合金制成。发射针可由包括钨的金属或陶瓷材料制成。例如，发射针可包括碳化钨，例如由碳化钨或烧结碳化钨（金属陶瓷）复合材料制成的发射针。可替代地，例如，发射针可由包括钨的金属合金制成。
例如，发射针可通过焊接连接到发射板的公共侧。发射针可通过诸如铜焊、焊接和螺纹连接的其他连结技术连接到发射板的公共侧。例如，发射针可包括阳螺纹柱而发射板可包括相应的阴螺纹孔或通孔。发射针与发射板的螺纹机械连接可允许在不必更换发射板的情况下更换电离电极的发射针。
图3a至图3d示出根据各种实施方式的十字形电离电极120。十字形电离电极120可包括十字形发射板121和与该发射板121相连的五个（5）发射针125。十字形发射板121可包括第一构件122和第二构件124。第一构件122与第二构件124可以基本90度的角度相交。五个（5）发射针125可连接至发射板121的公共侧。该五个（5）发射针125分别位于第一构件122的相对端处，位于第二构件124的相对端处以及位于第一构件122和第二构件124的交点127处。图4示出包括十字形发射板121和七个（7）发射针125的电离电极120'。
图3a至图4中所示的电离电极120/120'可包括位于第二构件124相对端的通孔128。通孔128可配置成使电离电极120相对于流体充电系统中的其他部件例如流体容器、接地电极、流体取样设备、支承结构等进行安装。图3a至图4中所示的发射板121可具有整体式构造，发射板121由一块材料例如不锈钢制成。但是应该理解，在各种实施方式中，发射板可包括多个分离的段，例如第一构件和第二构件，其可利用诸如锡焊、铜焊、焊接及机械紧固等技术以冶金方式或机械地连结起来。
图5a至图5d示出了根据各种实施方式的环与十字形电离电极220。环与十字形电离电极220包括环与十字形发射板221和与发射板221相连的九个（9）发射针225。环与十字形发射板221可包括环形构件226、第一线性构件222以及第二线性构件224。第一线性构件222和第二线性构件224可以基本90度的角度相交，以形成十字形部分，并且该十字形部分在第一线性构件222和第二线性构件224的相反端处与环形构件226相交。九个（9）发射针225可连接至发射板221的公共侧，其中八个（8）发射针在环形构件226周围定位成彼此等距，而一个（1）发射针可定位在第一构件222与第二构件224的交点227处。
图5a至图5d中所示的发射板221可具有整体式构造，发射板221由一块材料例如不锈钢制成。但是应该理解，在各种实施方式中，发射板可以包括多个分离的段，例如环形构件、第一线性构件和第二线性构件，其可利用例如锡焊、铜焊、焊接及机械紧固等技术以冶金方式或机械地连结起来。
在操作中，传送至电离电极的电流集中在发射针的尖端处，并使包括周围空气或其他气态环境的原子和/或分子电离，从而产生离子云。离子云从发射针发射并根据静电的物理原理沿建立在电离电极与接地电极之间的静电场向接地电极移动。这样在电离电极与接地电极之间产生离子场。离子场的极性与提供给电离电极的电流的极性相同。尽管在本文附图中所示的离子场以正极性符号（+）表示，但是应该理解，在各种实施方式中，该离子场可以是负极性的。与离子场接触的材料也以与离子场相同的极性进行充电。
在各种实施方式中，流体容器可定位在电极之间并与上述电极邻近，使得离子场与容纳在流体容器中的流体接触，从而对该流体进行充电。发射针可连接至发射板的面对流体容器的开放顶端的一侧，这样便于通过电离电极产生的场与容纳在流体容器中的流体的接触，以对流体进行充电。尽管在本文中在一些附图中所示的电离电极定位成与流体容器的开放顶端邻近，但是应该理解，在各种实施方式中，电离电极可定位成与邻近开放或封闭的流体容器的任何区域或端部邻近，只要电离电极和接地电极相互定位成处于间隔开关系。
在各种实施方式中，发射板的形状和尺寸可取决于使用电离电极的流体充电系统。在各种实施方式中，与发射板相连的发射针的数量、尺寸和空间定向可取决于使用电离电极的流体充电系统。例如，容纳更大体积的待充电流体的更大流体容器会需要具有更大面对容器的表面面积和/或更多数量的发射针的发射板，以产生足够的离子场来对容器中的流体体积进行充电。另外，发射板的形状和尺寸可通过流体充电系统的其他部件例如流体容器和流体取样设备的尺寸和空间定向来控制，至少部分地控制。在各种实施方式中，流体充电系统可包括两个或更多离散电离电极。例如，包括多个电离电极的实施方式可与更大流体容器或多个流体容器一起使用。
在各种实施方式中，接地电极可由导电金属材料例如铝或铝合金制成。接地电极的形状和尺寸可取决于使用该接地电极的流体充电系统。在各种实施方式中，接地电极包括配置成放置流体容器并支承该流体容器的接地板。例如，环形接地板可具有与柱形流体容器的直径基本匹配的直径。
在各种实施方式中，流体容器可由非导电材料例如塑料或玻璃制成。流体容器可由非导电材料制成，从而防止电流形成从电离电极至容器的电弧，上述电流自电离电极至容器形成电弧会导致不期望的发生火花。另外，电离电极与接地电极之间存在导电材料可导致两电极之间的静电场畸变，以及所导致的离子场的畸变，这样会防止容器中流体的充电。因此，与电离电极和接地电极邻近以及位于电离电极与接地电极之间的所有其他系统部件（例如，流体取样设备，支承结构等等）可由非导电材料制成。
在各种实施方式中，电离电极可通过高压电缆与高压电源相连，该高压电缆使电流从高压电源传送至电离电极。在各种实施方式中，高压电缆可使高压电源连接至电阻元件，并且电阻元件可通过高压电导线连接至电离电极。以这种方式，电阻元件可串联地连接在高压电源与电离电极之间。电阻元件减少通过高压电源传送到电离电极的电流量，这会减小发生火花的可能性并提供稳定的离子发射。
图6a至图6c示出了根据各种实施方式的包括通过高压电导线73连接至电离电极120的电阻元件75的组件。电阻元件75还可连接至高压电缆71，该高压电缆71可使该组件连接至高压电源。以这种方式，电阻元件75可串联地连接在高压电源与电离电极120之间。图7a至图7c示出了根据各种实施方式的包括通过高压电导线73连接至电离电极220的电阻元件75的组件。电阻元件75还可连接至高压电缆71，该高压电缆71可使该组件连接至高压电源。以这种方式，电阻单元75可串联地连接在高压电源与电离电极220之间。
图8示出了根据各种实施方式的流体充电系统110。流体充电系统110包括电离电极120和接地电极130，其中电离电极120和接地电极130均定位成与流体容器140邻近。电离电极120可通过高压电缆171、电阻元件175和高压电导线173连接至电源160。接地电极130可相对于电离电极120电接地。电离电极120与接地电极130可产生离子场150，该离子场150与容纳在流体容器140中的流体141接触，从而对流体141进行充电。电离电极120和接地电极130可以是相对的，使得流体容器定位在电离电极120与接地电极140之间。电离电极120可定位成与流体容器140的开放顶端邻近，并且发射针125面对容器，这便于离子场150与流体141之间的接触。
图8示意性示出了电离电极120相对于流体容器140的垂直定位。图9示意性示出了电离电极120相对于流体容器140的水平定位。
图10示出了根据各种实施方式的流体充电系统210。流体充电系统210可包括电离电极220和接地电极230，其中电离电极220和接地电极230均定位成与流体容器240邻近。电离电极220可通过高压电缆271、电阻元件275和高压电导线273连接至电源260。接地电极230可相对于电离电极220电接地。电离电极220与接地电极230产生离子场250，离子场250与容纳在流体容器240中的流体241接触，从而对流体241进行充电。电离电极220和接地电极230可以是相对的，使得流体容器定位在电离电极220与接地电极240之间。电离电极220可定位成与流体容器240的开放顶端邻近，并且发射针225面对容器，这便于离子场250与流体241之间的接触。
图10示意性示出了电离电极220相对于流体容器240的垂直定位。图11示意性示出了电离电极220相对于流体容器240的水平定位。
在各种实施方式中，电源可包括静电发生器。静电发生器提供稳定且可控制的电流或电压，上述电流或电压可利用电离电极根据静电物理原理产生离子场。可使用在本文公开的各种实施方式中的静电发生器的示例包括可从菲舍尔抗静电技术有限公司（FraserAnti-StaticTechniquesLtd）得到的Frasermodel7300或Frasermodel7330静电发生器。(http://www.fraser-antistatic.co.uk/index.html)。图12示出了与图8所示的流体充电系统110相似的流体充电系统110'。流体充电系统110'可包括静电发生器165，该静电发生器165向电离电极120提供电流，以产生离子场150。接地电极130可通过电线181连接至位于静电发生器165上的接地凸起。
图13示出了包括流体取样设备145的流体充电系统110。流体取样设备145可配置成从流体容器140取出流体141，其中被取出的流体141已通过离子场150充电。流体取样设备145可包括与流体容器140流体连通的管。如图14所示，流体取样设备145可定位成穿过十字形电离电极120的发射板部分的开放扇形区域129。图15示出了定位成穿过环与十字形电离电极220的发射板部分的开放扇形区域229的类似的流体取样设备245。
图16示出了包括流体取样设备147的流体充电系统。流体取样设备147可配置成从流体容器140取出流体141，其中被取出的流体141已通过离子场150充电。流体取样设备147可包括套148，套148围绕与流体容器140流体连通的多个管149。如图17所示，流体取样设备147可定位成穿过十字形电离电极120的发射板部分的开放扇形区域129。流体取样设备147可包括例如公开号为2010/0304443和2010/0294048的美国专利申请中所描述的设备这样的流体取样设备，上述专利申请通过引用并入本文。
在各种实施方式中，流体充电系统可包括控制器，以控制电源例如静电发生器的电流和/或电压输出。控制器可包括硬件、软件或者软硬件的组合，其配置成对电源的电流和/或电压进行控制，使得稳定的离子场对容纳在流体容器中的流体进行充电，该流体容器定位在与电源的电流和/或电压输出相连的接地电极和电离电极之间。图18示出了包括与静电发生器165互联的控制器167的流体充电系统。静电发生器165的电压和/或电流输出可在166处测量并作为输出信号发送至控制器167。基于测得的电流和/或电压，控制器167可向静电发生器165发送输入信号，以调节输出至电离电极的电流和/或电压。
尽管未在图18中示出，但是也可测量其他系统参数并通过控制器167使用，以控制静电发生器或其他电源的电流和/或电压输出。例如，可在系统内的其他位置测量电流和/或电压并通过控制器167使用它们。另外，根据本文公开的实施方式，为了提供有效的离子场以对流体进行充电，可测量和使用诸如容器内流体体积、流体流速和/或流体压力等流体动态参数来控制静电发生器或其他电源的电流和/或电压输出。
在各种实施方式中，本文中公开的流体充电系统包括封闭的流体容器。图19示出了根据各种实施方式的流体充电系统310。流体充电系统310可包括定位在封闭的流体容器340内部且与该封闭的流体容器340邻近的电离电极320。接地电极330可定位在流体容器340外部且与该流体容器340邻近。电离电极320可通过电线370连接至电源360。如380处所指示的，接地电极330可相对于电离电极320接地。电离电极320与接地电极330产生离子场350，该离子场350与容纳在流体容器340中的流体341接触，从而对流体341充电。电离电极320与接地电极330可以是相对的，使得流体容器定位在电离电极320与接地电极340之间。流体充电系统310还可包括流体取样设备（未图示）。
尽管本文描述的流体容器示为没有流体连通口，但是应该理解，在各种实施方式中本文公开的流体充电系统可包括这样的开放或封闭的流体容器，该开放或封闭的流体容器包括除流体取样设备之外或代替流体取样设备的入口和/或出口。例如，流体容器可包括一个或多个入口，其用于向流体容器添加流体以替代被流体取样设备取出的被充电的流体。在各种实施方式中，添加至流体容器的流体流速可以与从流体容器取出的流体流速相等。以这种方式，流体容器可用作容纳稳态水平流体的充电贮存器。流体容器还可包括用于使流体从流体容器移除的一个或多个出口或排放口。
在各种实施方式中，流体取样设备可与流体分配设备流体连通，其中该流体分配设备配置成将被充电和/或混合的流体分配至诸如艾本德管（eppendorftube）、小瓶、烧杯、烧瓶、离心管、毛细管、低温小瓶、袋、通道、杯、器皿、微量滴定板、微型卡等容器。被充电的流体从流体容器到其他容器的输送可例如使用泵、流体静压、毛细管力等来完成。
在各种实施方式中，本文中公开的流体充电系统可用于向微流体处理网络与系统提供被充电的流体。被充电的流体可以与微流体处理网络或系统中的其他流体混合。流体在其中混合的微流体处理网络和系统在例如公开号为2005/0092681、2005/0272144、2008/0277494、2010/0015606、2010/0029512、2010/0109320和2010/0297748的美国专利申请中进行了描述，上述专利申请通过引用并入本文。本文中公开的流体充电系统可与微流体处理网络与系统（例如这些文件中公开的微流体处理网络与系统）流体连通。
在各种实施方式中，本文公开的流体充电系统可以用于向包括液桥（liquidbridge）的微流体处理网络提供被充电的流体。公开号为2008/0277494、2010/0015606、2010/0029512、2010/0109320和2010/0297748的美国专利申请描述了包括液桥的微流体处理网络和系统，上述专利申请通过引用并入本文。液桥是一种其中形成液体小滴的设备。在液桥内形成的液体小滴包裹在不溶混的载体流体内。通常，液桥通过与室相通的入口形成，其中该室填充有不溶混的载体流体。该载体流体不与通过入口流入室的流体小滴溶混。流体小滴膨胀直到它们足够大能够跨越与室相通的出口与入口之间的空间间隙。例如，通过调节流量或通过向第一流体小滴连结一个或多个另外的流体小滴实现小滴形成，从而导致在入口和出口之间形成不稳定的液桥，其随后从入口破裂。在与入口破裂之后，流体小滴进入出口，由来自室的载体流体围绕。在一些实施方式中，液桥生成小滴并还使小滴与液桥中的其他小滴融合。在一些实施方式中，利用前述的自动取样器来形成小滴。小滴形成之后，其然后被运送至液桥，在液桥处该小滴与其他小滴，例如主混合物、样品或任何其他合适的流体液滴相结合。
本文中公开的流体充电系统可配置成向液桥提供被充电的流体。例如，流体充电系统的流体取样设备可与液桥流体连通。在各种实施方式中，液桥可配置成使被充电的流体分割为小滴。在各种实施方式中，液桥可配置成使被充电的流体的小滴与其他流体的小滴（可以是未充电或被充电的，例如本文所描述的）混合，其中上述其他流体与该被充电的流体是可溶混的。如本文中所使用的，术语“小滴”是指在例如微流体处理网络或系统中的管道或室中的不溶混的载体流体中悬浮和/或流动的相对较小的微流体量或液体塞。
在各种实施方式中，配置成使从流体容器中取出的被充电的流体分割为小滴的液桥包括：与流体取样设备流体连通的第一入口、与不溶混流体的源流体连通的第二入口、出口以及室。入口和出口通向室并且可构造及定位以使得形成在第一入口与出口之间的流体小滴的流体不稳定性使从流体容器取出的流体分割成通过不溶混的流体分离的流体小滴。流体小滴可通过出口从室取出。
在各种实施方式中，配置成使从流体充电系统的流体容器中取出的被充电的流体与可与该被充电的流体溶混的一个或多个另外的流体混合的液桥包括：与流体取样设备流体连通的第一入口、与该一个或多个另外的流体的源流体连通的一个或多个另外的入口、出口以及室。所述入口和出口通向腔室并可构造及定位成使得形成在第一入口处的第一流体小滴与在该一个或多个另外的入口处形成的一个或多个另外的流体小滴接触并混合，从而形成混合流体的不稳定的索式桥（funicularbridge）。该不稳定的索式桥破裂，从而形成混合流体小滴，该混合流体小滴通过不溶混的载体流体分离。该混合流体小滴通过出口从室取出。由从流体容器取出的流体携带的净电荷改进了被充电的流体与该一个或多个另外的流体的混合。
在各种实施方式中，配置成使从流体充电系统的流体容器中取出的被充电的流体与可与该被充电的流体溶混的一个或多个另外的流体混合的液桥包括：室、一个或多个入口、第一出口以及第二出口。所述入口和出口可通向腔室。入口可与流体取样设备以及一个或多个另外的流体的源流体连通。入口可连续提供该一个或多个另外的流体和从流体容器取出的被充电的流体的流体小滴，其中小滴可通过不溶混的载体流体分离。第一出口可配置成能够取出进入室的不溶混的载体流体的一部分。所述入口和出口可构造及定位成使得通过入口输送的后面的小滴与室中在入口处形成的前面的小滴接触并混合，从而形成混合的流体小滴，该混合的流体小滴可通过第二出口从室取出，并通过不溶混的载体流体分离。由从流体容器取出的流体携带的净电荷改进了被充电的流体与该一个或多个另外的流体的混合。
对于分割液桥以及混合液桥的结构和操作在公开号为2008/0277494和2010/0029512的美国专利申请中有进一步的描述，上述专利申请通过引用并入本文。
在各种实施方式中，本文中公开的流体充电系统和方法可用于混合用于聚合酶链式反应（PCR）过程例如量化PCR（Q-PCR）过程、数字PCR（dPCR）过程或基因分型PCR（gPCR）过程的试剂。PCR是用于DNA样品扩增的技术。例如，Q-PCR是PCR的变型，其中DNA样品的扩增可被量化以获得关于样品中DNA的量的数据。典型的PCR反应（例如Q-PCR、dPCR或gPCR反应）包括反应物，该反应物包括：荧光双链结合型染料；Taq聚合酶；A、C、G和T型脱氧核苷酸；氯化镁；正向引物和反向引物；以及对象DNA。所有这些反应物都悬浮在水缓冲流体内。但是，反应物可以分成两大组：通用反应物和反应特异性反应物。通用反应物是对大多数PCR反应通用的反应物，包括：荧光双链结合型染料；Taq聚合酶；脱氧核苷酸A、C、G和T；以及氯化镁。反应特异性反应物包括正向引物和反向引物以及对象DNA。在各种实施方式中，可能期望的是将反应特异性反应物和通用反应物的微流体量相混合。
在各种实施方式中，通用PCR反应物的主混合物可利用本文中公开的流体充电设备、系统或方法来充电。流体充电系统中的流体容器可容纳通用PCR反应物的主混合物。流体取样设备可取出被充电的主混合物流体。该被充电的主混合物流体可以在下游操作中与一个或多个另外的流体混合，该一个或多个另外的流体包括样品和/或反应特异性反应物。例如，混合液桥或其他混合微流体系统可与流体取样设备流体连通，并且与包括反应特异性反应物的流体的源流体连通，其中该流体取样设备配置成取出被充电的主混合物。由主混合物所携带的净电荷可改进主混合物与流体的混合，从而实现在水缓冲流体中通用PCR反应物和反应特异性PCR反应物的更一致的悬浮。
在各种实施方式中，流体取样设备可与热循环仪设备中的容器、管道或者通道流体连通，其中该热循环仪设备用于根据PCR技术执行扩增反应。在各种实施方式中，流体取样设备可与热循环仪设备流体连通，该热循环仪设备配置成执行连续流动式PCR，例如公开号为2008/0280331、2010/009273、2010/0092987和2010/0304446的美国专利申请中描述的设备，上述专利申请通过引用并入本文。在各种实施方式中，可由微流体处理网络或系统提供流体取样设备与位于热循环仪设备中的容器或管道之间的流体连通，其中该微流体处理网络或系统可包括一个或多个液桥。
液桥系统可以通过例如管或通道流体连接至任何类型的分析设备。在各种实施方式中，液桥微流体系统使流体充电系统连接至热循环仪以对DNA样品执行PCR反应。示例性热循环仪和使热循环仪流体连接至液桥系统的方法在公开号为WO2005/023427、WO2007/091230和WO2008/038259的国际专利申请中进行了描述，上述专利申请通过引用并入本文。热循环仪可连接至光学检测设备，以检测PCR反应的产物。用于将设备连接至热循环仪的光学检测设备和方法在公开号为WO2007/091230和WO2008/038259的国际专利申请中进行了描述，上述专利申请通过引用并入本文。
本文中还提出一种利用小滴的静电充电来混合小滴的方法。在一些实施方式中，可以使被充电的小滴例如静态充电的小滴朝向第二小滴。该第二小滴可以是被充电的或未充电的。当被充电的小滴接近第二小滴时，其可以在等待的第二小滴中诱发电荷分离，或进一步诱发电荷分离。然后电荷分离可致使被充电的小滴和第二被充电或未充电的小滴变得更加相互吸引，从而便于两小滴的结合。另外，在第二液滴中诱发的电荷分离以及被充电的小滴的电荷可致使两小滴以比两小滴均未充电的情况更有效的方式进行混合。在一些实施方式中，被充电的小滴可与至少两个小滴结合以形成被充电的小滴，该至少两个小滴可以是被充电的或者未充电的。
实施例
实施例1
提供了一种流体充电系统，其用于对将与微流体系统中的其他流体混合的流体充电。该系统包括通过高压电缆连接至电离电极组件的Fraser7330静电发生器。该电离电极组件包括十字形电极，该十字形电极包括十字形不锈钢发射板和五个（5）钨发射针。电离电极通过高压导线连接至100兆欧姆电阻元件。该电离电极组件具有图20中所示的尺寸和配置（尺寸单位为毫米）。接地电极包括位于非导电的丙烯酸保持器内的环形铝静电接地板。接地电极具有图21a、图21b和图21c中所示的尺寸和配置（尺寸单位为毫米）。该接地电极连接至位于静电发生器上的接地凸起。
静电发生器使用固态电子器件和高频开关技术以提供来自24VDC电源的受控电流模式（至高1.1毫安）或受控电压模式（至高20千伏）下的稳定电力输出。静电发生器具有0-10V模拟控制器输入，该0-10V模拟控制器输入与远程PC运行LabVIEWTM控制程序(NationalInstrumentsCorporation,http://www.ni.com/)互联。静电发生器与远程PC通过具有数模转换能力的印刷电路板（PCB）互联。图22和图23分别示出了使静电发生器与远程PC互联的PCB的电路图和电路板布局。
图24示出了定位成与玻璃流体容器邻近的电离电极和接地电极。电离电极和接地电极是相对的，以使得流体容器位于电离电极与接地电极之间。玻璃流体容器具有与接地电极的直径基本匹配的外径，接地电极和保持器的尺寸被设定为能够放置流体容器并支承流体容器。四个（4）流体取样设备定位成穿过电离电极的发射板的开放扇形区域。四个（4）流体取样设备包括围绕管的套，其中该管配置成从流体容器取出流体。
实施例2
实施例1中描述的流体充电系统用来对第一流体充电。实施例1中描述的流体充电系统提供带有正的净电荷的第一流体。四个（4）流体取样设备从流体容器取出被充电的第一流体。四个（4）流体取样设备与包括液桥的微流体网络流体连通，例如在公开号为2008/0277494、2010/0015606、2010/0029512、2010/0109320和2010/0297748的美国专利申请中描述的微流体网络，上述专利申请通过引用并入本文。被充电的第一流体在液桥中与一个或多个另外的流体混合。被充电的第一流体与一个或多个另外的流体是可溶混的。正的净电荷改进了第一流体与一个或多个另外的流体在液桥中的混合。
实施例3
实施例1中描述的流体充电系统用于对包括主混合物的第一流体充电。实施例1中描述的流体充电系统提供带有正的净电荷的第一流体。四个（4）流体取样设备从流体容器取出包括主混合物的被充电的第一流体。四个（4）流体取样设备与包括液桥的微流体网络流体连通，例如在公开号为2008/0277494、2010/0015606、2010/0029512、2010/0109320和2010/0297748的美国专利申请中描述的微流体网络，上述专利申请通过引用并入本文。包括主混合物的被充电的流体在液桥中与两个另外的流体混合。这两个另外的流体包括DNA样品和反应特异性反应物，并且与包括主混合物的被充电的流体可溶混。正的净电荷改进了第一流体与该两个另外的流体在液桥中的混合。
包括主混合物、DNA样品和反应特异性反应物的混合流体用于执行扩增反应。液桥与热循环仪设备流体连通，其中该热循环仪设备配置成执行连续流动式PCR，例如公开号为2008/0280331、2010/009273、2010/0092987和2010/0304446的美国专利申请中描述的设备，上述专利申请通过引用并入本文。包括主混合物、DNA样品和反应特异性反应物的混合流体微流体地输送至热循环仪设备，在热循环仪设备处执行PCR扩增反应。
实施例4
被负充电的小滴可按如下方式形成。具有针的静电棒（SIMCO）定位在主混合孔之上，在孔上生成大电场。12-18kV的电压通常施加在50-80mm的距离上。这具有在水溶液内生成不同电荷密度的效果。使用正电荷发生器会在孔的顶部上产生更高浓度的负离子。由于一些酶，例如Taq酶是不带电的，故其保持不受电荷分离的影响。当从孔中移除小滴时，移除的流体来自上部负充电的含水区域，从而导致高度负充电的小滴。
本说明书已经参考各种非限制性和非穷尽性的实施方式撰写。但是，本领域普通技术人员应当认识到：在本公开的范围内，可以对任何公开的实施方式（或其部分）作出各种替换、修改或组合。因此，应当想到及理解的是，本公开涵盖了本文所没有明确描述的另外的实施方式。这些实施方式可以例如通过组合、修改或重组本文中描述的各种实施方式中所公开的步骤、部件、元件、特征、方面、特性、限制等来获得。按照35U.S.C.§112第一款和35U.S.C.§132(a)的规定，以这种方式，申请人保留在诉讼中修改权利要求以增加本文中各种地描述的特征的权利。

Claims (36)

1.一种流体充电系统，包括：
电离电极，定位成与流体容器邻近；
接地电极，定位成与所述流体容器邻近，所述流体容器定位在所述电离电极与所述接地电极之间；以及
流体取样设备，配置成从所述流体容器取出流体，
其中所述电离电极和所述接地电极配置成产生离子场，所述离子场对容纳在所述流体容器中的流体进行充电。
2.如权利要求1所述的流体充电系统，还包括与所述电离电极相连的电源。
3.如权利要求2所述的流体充电系统，其中所述电源包括静电发生器。
4.如权利要求1所述的流体充电系统，还包括与所述电离电极相连的电阻元件。
5.如权利要求1所述的流体充电系统，还包括：
电源，与所述电离电极相连；以及
电阻元件，串联连接在所述电源与所述电离电极之间。
6.如权利要求1所述的流体充电系统，还包括：
静电发生器，与所述电离电极相连；以及
电阻元件，串联连接在所述静电发生器与所述电离电极之间。
7.如权利要求1所述的流体充电系统，其中所述电离电极包括：
发射板；以及
与所述发射板相连的多个发射针。
8.如权利要求1所述的流体充电系统，其中所述电离电极包括：
不锈钢发射板；以及
与所述不锈钢发射板相连的多个发射针，所述发射针包括钨。
9.如权利要求1所述的流体充电系统，其中所述电离电极包括：
不锈钢发射板；以及
与所述不锈钢发射板相连的多个碳化钨或钨合金发射针。
10.如权利要求1所述的流体充电系统，其中所述接地电极包括铝或铝合金接地板。
11.如权利要求1所述的流体充电系统，其中所述电离电极包括：
发射板，呈十字形并包括第一构件和相交的第二构件；以及
至少五个发射针，在所述第一构件的相反端处、所述第二构件的相反端处以及所述第一构件与所述第二构件的交点处与所述发射板相连。
12.如权利要求1所述的流体充电系统，其中所述流体取样设备包括与所述流体容器流体连通的多个管。
13.如权利要求12所述的流体充电系统，其中所述电离电极包括：
发射板，呈十字形并包括第一构件和相交的第二构件；以及
与所述发射板相连的多个发射针，
其中至少一个管定位成穿过所述发射板的开放扇形区域。
14.如权利要求1所述的流体充电系统，其中所述流体取样设备包括多个套以及与所述流体容器流体连通的多个管，其中每个所述套围绕所述多个管中多于一个的管。
15.如权利要求14所述的流体充电系统，其中所述电离电极包括：
发射板，呈十字形并包括第一构件和相交的第二构件；以及
与所述发射板相连的多个发射针，
其中至少一个所述套定位成穿过所述发射板的开放扇形区域。
16.如权利要求1所述的流体充电系统，还包括液桥，所述液桥与所述流体取样设备流体连通。
17.如权利要求16所述的流体充电系统，其中所述液桥配置成对从所述流体容器取出的被充电的流体进行分割，并包括：
第一入口，与所述流体取样设备流体连通；
第二入口，与不溶混的流体的源流体连通；
出口；以及
室，其中所述多个入口和所述出口通向所述室并且构造及定位成使得，形成在所述第一入口与所述出口之间的流体液滴中的周期性流体不稳定性使从所述流体容器取出的所述被充电的流体分割成流体小滴，所述流体小滴通过所述不溶混的流体分离并通过所述出口从所述室取出。
18.如权利要求16所述的流体充电系统，其中所述液桥配置成使从所述流体容器取出的流体与一个或多个另外的流体混合，所述一个或多个另外的流体与从所述流体容器取出的所述流体可溶混，并且所述液桥包括：
第一入口，与所述流体取样设备流体连通；
至少一个另外的入口，与一个或多个另外的流体的源流体连通；
出口；以及
室，其中所述多个入口和所述出口通向所述室并构造及定位成使得形成在所述第一入口处的第一流体小滴与形成在所述至少一个另外的入口处的一个或多个另外的流体小滴接触并混合，从而形成不稳定的索式桥，所述索式桥破裂，从而形成混合的流体小滴，所述混合的流体小滴通过不溶混的载体流体分离并通过所述出口从所述室取出。
19.如权利要求18所述的流体充电系统，其中所述离子场对所述流体的充电改进了在所述液桥中从所述流体容器取出的所述流体与所述一个或多个另外的流体的混合。
20.如权利要求16所述的流体充电系统，其中所述液桥与热循环仪流体连通，所述热循环仪用于执行扩增反应。
21.如权利要求20所述的流体充电系统，其中所述流体容器容纳主混合物，所述主混合物被充电以改进所述主混合物与反应特异性反应物的混合。
22.一种对流体进行充电的方法，包括：
在电离电极和接地电极之间产生离子场，其中容纳流体的容器定位成与所述电离电极和所述接地电极邻近并且位于所述电离电极与所述接地电极之间，并且所述离子场对位于所述容纳流体的容器中的所述流体进行充电；以及
从所述容纳流体的容器取出被充电的流体。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述电离电极包括：
发射板；以及
与所述发射板相连的多个发射针。
24.如权利要求22所述的方法，其中所述电离电极包括：
不锈钢发射板；以及
与所述不锈钢发射板相连的多个发射针，所述发射针包括钨。
25.如权利要求22所述的方法，其中所述电离电极包括：
不锈钢发射板；以及
与所述不锈钢发射板相连的多个碳化钨发射针。
26.如权利要求22所述的方法，其中所述接地电极包括铝或铝合金接地板。
27.如权利要求22所述的方法，其中所述电离电极包括：
发射板，呈十字形并包括第一构件和相交的第二构件；以及
至少五个发射针，在所述第一构件的相反端处、所述第二构件的相反端处以及所述第一构件与所述第二构件的交点处与所述发射板相连。
28.如权利要求22所述的方法，还包括使从所述容纳流体的容器取出的所述被充电的流体与一个或多个另外的流体混合，所述一个或多个另外的流体与所述被充电的流体可溶混，其中所述离子场对所述流体的充电改进了所述被充电的流体与所述一个或多个另外的流体的混合。
29.如权利要求22所述的方法，其中通过与所述容纳流体的容器流体连通的流体取样设备取出所述流体。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述流体取样设备包括多个管，所述多个管配置成从所述容纳流体的容器取出被充电的流体。
31.如权利要求29所述的方法，其中所述流体取样设备包括多个套，其中每个套围绕多个管，所述多个管配置成从所述容纳流体的容器取出被充电的流体。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述电离电极包括：
发射板，呈十字形并包括第一构件和相交的第二构件；以及
与所述发射板相连的多个发射针，
其中至少一个套定位成穿过所述发射板的开放扇形区域。
33.如权利要求29所述的方法，还包括输送所述被充电的流体至液桥，所述液桥与所述流体取样设备流体连通。
34.如权利要求33所述的方法，还包括混合从所述容纳流体的容器取出的所述被充电的流体与一个或多个另外的流体，所述一个或多个另外的流体与所述被充电的流体可溶混，其中所述离子场对所述流体的充电改进了在所述液桥中所述被充电的流体与所述一个或多个另外的流体的混合。
35.如权利要求34所述的方法，其中所述容纳流体的容器包括主混合物，所述主混合物被充电以改进在所述液桥中所述主混合物与反应特异性反应物的混合。
36.如权利要求35所述的方法，还包括从所述液桥输送所述主混合物与反应特异性反应物的混合物至热循环器并执行扩增反应。
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