CN105203701A - 具有改进的流体结构的纸基化学测定装置 - Google Patents

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Abstract

一种化学测定装置包括亲水衬底以及从亲水衬底的第一侧延伸到亲水衬底的第二侧的一个或多个疏水结构。亲水衬底中的疏水结构形成从亲水衬底的第一侧延伸到亲水衬底的第二侧的流体屏障壁，所述流体屏障壁从第一侧和第二侧之间的垂直轴线偏离小于20°。

Description

具有改进的流体结构的纸基化学测定装置
技术领域
本公开总体上涉及化学测定装置，并且更特别地，涉及由具有嵌入疏水结构的亲水衬底形成的化学测定装置，所述嵌入疏水结构控制通过亲水衬底的流体流动。
背景技术
纸基化学测定装置包括由亲水衬底(如纸)、疏水材料(如蜡或相变墨)以及可以检测测试流体中的化学试样的一种或多种化学试剂制造的便携式生物医学装置、化学传感器、诊断装置和其它化学测试装置。这样的装置的普通例子包括测试流体(如血液、尿和唾液)的生物化学测试装置。装置是小的、轻质的和低成本的并且举例来说作为诊断装置在卫生保健、军事和国土安全中具有潜在的应用。为了控制液体流动通过多孔衬底(如纸)，装置包括由蜡、相变墨或另一合适的疏水材料形成的屏障，所述疏水材料穿透纸以形成流体通道和其它结构，所述流体通道和其它结构将流体引导到化学测定装置中的包含试剂的一个或多个部位。
由于蜡打印在纸上之后蜡通道的不受控回流，现有技术的纸质化学测定装置在流体特征分辨率和制造兼容性方面被限制。纸和蜡放置在回流烘箱中，其中蜡熔化并且穿透到纸中。图12A和图12B描绘现有技术的回流烘箱和现有技术的装置的生产期间的熔融蜡的散布。然而，熔融蜡倾向于以均匀方式通过纸散布，不仅通过纸的厚度而且沿着纸的表面方向横向地散布，这不能防止流体在横向方向上扩散，因此难以形成细线、特征和其它结构。另外，尽管纸基化学测定装置设计成低成本装置，但是需要独立烘箱和粘合剂来形成多层装置的现有制造工艺减小制造这些装置的效率并且增加污染和材料兼容性问题的可能性。因此，对多孔衬底内的疏水结构和多层化学测定装置的构造的改进将是有益的。
发明内容
在一个实施例中，已开发一种化学测定装置。所述化学测定装置包括第一亲水衬底，所述第一亲水衬底具有第一侧和第二侧，预定长度和宽度，以及不大于1毫米的厚度，以及第一疏水结构，所述第一疏水结构在所述第一亲水衬底中由疏水材料形成并且从所述第一侧到所述第二侧大致穿透通过所述第一亲水衬底的厚度，所述第一疏水结构形成所述第一亲水衬底中的流体屏障壁，所述流体屏障壁的表面延伸通过所述第一亲水衬底的厚度，从所述第一亲水衬底的所述第一侧和所述第二侧的垂线偏离小于20°。
在另一实施例中，已开发一种化学测定装置。所述化学测定装置包括第一亲水衬底，所述第一亲水衬底具有第一侧和第二侧，预定长度和宽度，以及不大于1毫米的厚度，以及在所述第一亲水衬底中由疏水材料形成的多个疏水结构，包括所述疏水材料的所述多个疏水结构中的每个疏水结构从所述疏水材料的多个布置中的一个布置从所述第一侧到所述第二侧大致延伸通过所述第一亲水衬底的厚度，在所述疏水材料以单一形状和尺寸穿透到所述第一亲水衬底中之前所述疏水材料的每个布置仅仅形成于所述第一亲水衬底的所述第一侧上，并且所述多个疏水结构中的最大疏水结构的最大面积与所述多个疏水结构中的最小疏水结构的最小面积的比率小于1.25。
附图说明
在结合附图进行的以下描述中解释化学测定装置的前述方面和其它特征。
图1是简化的单层化学测定装置的图示。
图2是亲水通道和疏水屏障的图示。
图3是描绘图1的化学测定装置中的流体通道的图示。
图4是由多个亲水衬底形成的化学测定装置的图示。
图5是在亲水衬底中形成疏水结构的装置的示意图。
图6是处于使用疏水材料将亲水衬底粘结在一起的配置的图5的装置的示意图，所述疏水材料形成衬底之一或两者中的疏水结构。
图7是形成亲水衬底中的疏水结构并且可选地将亲水衬底粘结在一起的另一装置的示意图。
图8是具有显示很大程度的横向变化的疏水壁的现有技术的化学测定装置的横截面图。
图9是具有显示小程度的横向变化的疏水结构的图1的化学测定装置的一个实施例的横截面图。
图10是显示大程度的面积变化的现有技术的孔眼疏水结构的阵列的图示。
图11是显示小程度的变化面积的孔眼疏水结构的阵列的图示。
图12A是用于生产图8和图10中所示的现有技术的实施例的现有技术的回流烘箱。
图12B是图12A的现有技术的回流烘箱中的具有高程度的疏水材料的横向散布的穿透型式的图示。
具体实施方式
为了本文中所公开的系统和方法的环境以及系统和方法的细节的一般理解，参考附图。在附图中，始终使用相似的附图标记来表示相似的元件。当在本文中使用时，词语“打印机”包含用树脂或着色剂在介质上产生图像的任何装置，如数字复印机、编书机、传真机、多功能机等。在下面的描述中，打印机还配置成将熔融蜡、相变墨或其它疏水材料淀积到多孔衬底(如纸)上。打印机可选地配置成将温度梯度和压力施加到衬底，其散布疏水材料并且使疏水材料能够穿透到多孔衬底中以形成控制通过衬底的液体(包括水)的毛细流动的通道和屏障。
当在本文中使用时，术语“亲水材料”和“亲水衬底”指的是吸收水并且能够经由毛细作用将水扩散通过材料的材料。亲水衬底的一个普通例子是纸，并且在一个具体实施例中，过滤纸(如纤维素过滤纸)或层析纸形成亲水衬底。亲水衬底由允许水和包括水的其它生物流体(如血液、尿、唾液和其它生物流体)扩散到衬底中的多孔材料形成。如下所述，疏水材料嵌入亲水衬底中以形成流体通道和控制流体通过亲水衬底扩散的其它疏水结构。
当在本文中使用时，术语“疏水材料”指的是抵抗附着到水并且基本上对通过毛细作用的水流不可渗透的任何材料。当嵌入多孔衬底(如纸)中时，疏水材料用作屏障以防止水通过包括疏水材料的衬底的部分扩散。疏水材料也用作包括水的许多流体(如血液、尿、唾液和其它生物流体)的屏障。如下所述，疏水材料嵌入多孔衬底中以形成通道和控制液体通过衬底的毛细扩散的其它疏水结构。在一个实施例中，衬底也包括用于测试流体样本的各种性质的生物化学试剂。疏水材料形成通道以将流体引导到衬底中的具有化学试剂的淀积物的不同位置。疏水材料也相对于通道中的流体是实质上化学惰性的，从而减小或消除疏水材料与流体之间的化学反应。流体的单个样本通过衬底中的通道扩散以与衬底的不同位置的不同试剂反应，从而提供用于对单个的流体样本执行多个生物化学测试的简单和低成本装置。
当在本文中使用时，术语“相变墨”指的是在室温下实质上为固体、但是在高温下软化和液化的一种类型的墨。一些喷墨打印机将液化相变墨滴喷射到间接图像接收部件(如旋转鼓或环形带)上以形成墨潜像。墨潜像转印到衬底(如纸片材)。其它喷墨打印机将墨滴直接喷射到打印介质(如纸片材或长形纸卷)上。相变墨是也是疏水材料的相变材料的一个例子。适合用于在亲水衬底中形成流体通道和其它疏水结构的相变墨的例子包括由康涅狄格州诺沃克(Norwalk)市的Xerox公司市售的固体墨。由于相变墨在形成为衬底上的打印图像之后形成固相，因此相变墨是可以在亲水衬底上形成通道和其它疏水结构以控制亲水衬底中的流体的毛细扩散的疏水材料的一个例子。
当在本文中使用时，术语“疏水结构”指的是部分地或完全延伸通过亲水衬底的厚度以控制通过亲水衬底的流体的流动的疏水材料的布置。疏水结构的例子包括但不限于流体屏障、流体通道壁、孔眼、保护屏障和由穿透亲水衬底的疏水材料形成的任何其它合适的结构。术语“孔眼”指的是在亲水衬底中形成圆形或其它封闭区域以接收流体样本并且将流体样本包含在孔眼内的一种类型的疏水结构。如下所述，装置施加温度梯度和压力以熔化形成于亲水衬底的表面上的疏水相变材料的层，从而以受控方式形成亲水衬底中的不同疏水结构。在一些实施例中，疏水结构形成于多个亲水衬底中并且疏水材料将衬底粘结在一起并且形成通过多个亲水衬底的流体路径。在化学测定装置中，疏水结构以形成包括流体通道、淀积部位、围绕亲水衬底的裸露部分的反应部位的疏水结构的预定型式布置，从而将多层装置中的两个或更多个亲水衬底粘结在一起，并且形成防止化学测定装置的污染的保护层。
下面描述装置的示例性实施例，其使用两个部件(如圆柱形旋转辊或板)施加温度梯度和压力以在亲水衬底中形成具有改善的结构形状和稳健性、结构尺寸和形状的减小变化的疏水结构，并且将衬底粘结在一起而不需要中间粘合层。当在本文中使用时，当提及在两个部件之间施加热和压力以形成亲水衬底中的疏水结构的装置中的部件时术语“接合”指的是部件与亲水衬底或衬底的叠层的一个表面之间的直接接触或通过中间层的间接接触。
当在本文中使用时，术语“板”指的是具有配置成接合衬底的一侧的表面的部件，其中至少接合衬底的板的表面的部分是大致平滑的和平面的。在一些实施例中，板的表面接合衬底的整个侧。如下所述，在结构形成单元的一些实施例中，两个部件是板。两个板将温度梯度和压力施加到一个衬底的两侧或衬底的叠层的任一端部。当一个板被加热以具有足够高以熔化疏水相变材料的一个或多个层的均匀表面温度时，疏水材料穿透衬底的一个或多个层以形成衬底中的疏水结构。当一个板被加热到高温而另一板保持在低温时，熔融疏水材料在比低温板更大的程度上朝着高温板流动。
当在本文中使用时，术语“停留时间”指的是一个或多个衬底的指定部分在结构形成单元中的部件之间花费的时间量。在结构形成单元中的部件是辊的实施例中，停留时间量与形成压合部的辊的表面面积和通过压合部的衬底的线速度相关。停留时间选择成使相变材料能够穿透衬底并且将衬底粘结在一起。选择的停留时间可以基于衬底的厚度和孔隙率、压合部中的温度梯度、压合部中的压力和将衬底粘结在一起的相变材料的粘性特性而变化。更大的辊典型地形成具有更大表面面积的压合部。因此，具有更大辊直径的粘结装置的实施例以更高的线速度操作以获得与具有更小直径的辊的其它实施例相同的停留时间。
在传统喷墨打印机中，相变墨转印到衬底的一侧，可选地在双面打印操作中将不同相变墨图像转印到衬底的两侧。打印机将相变墨滴散布在衬底的表面上，并且相变墨图像在打印介质的表面上冷却和固化以形成打印图像。然而下面所述的实施例将热和压力施加到衬底的表面上的相变墨或另一疏水材料以使疏水材料能够穿透通过衬底中的多孔材料，从而形成控制通过衬底的流体的扩散的通过衬底的厚度的三维屏障。
图1描绘包括亲水衬底104(或更简单地，“衬底”)和疏水结构的简化单层化学测定装置100，所述疏水结构包括形成通道(如通道116)和衬底104中的其它流体结构的流体屏障壁108和112。图1包括化学测定装置100的俯视图和沿着线180的部分剖视图。衬底104具有平面形状，具有第一侧132和第二侧136，预定长度140和宽度142，以及不大于1毫米的厚度144。在一个实施例中，亲水衬底104由具有大约0.1mm到0.2mm的厚度的纤维素过滤纸形成。基于疏水结构和放置在装置上的其它特征的长度和宽度尺寸选择化学测定装置的长度140和宽度142。例如，在图1中装置100具有大约3cm乘3cm的长度和宽度尺寸，但是不同的化学测定装置可以具有不同的尺寸和长度与宽度的比率。在一些实施例中更大的衬底(如纸的片材或卷)承载形成流体屏障壁108和112以及化学测定装置的阵列中的其它疏水结构的疏水材料的多个打印布置。更大的衬底然后被切割成类似于传感器100中的衬底104的更小的单独的衬底件。
如图1中所示，化学测定装置100包括多个疏水结构，所述疏水结构包括但不限于沿着衬底104的长度140和宽度142彼此分离预定距离以形成流体通道116的流体屏障壁108和112。使用流体屏障壁108作为疏水结构的例子，流体屏障壁108大致通过衬底104的整个厚度144从衬底104的第一侧132穿透到衬底104的第二侧136。
化学测定装置104中的疏水结构由淀积在衬底104的一侧上并且随后穿透衬底104以形成延伸通过衬底104的厚度144的疏水结构的疏水材料的一个或多个布置形成。在图1中，喷墨打印机或其它合适的淀积装置在衬底104的第一侧132上形成疏水材料的一个或多个布置。衬底104的表面上的疏水材料的布置的尺寸、形状和位置直接对应于在衬底104中由疏水材料形成的疏水结构的尺寸、形状和位置。例如，图1描绘形成于衬底104的第一侧132上的疏水材料的布置172和176。疏水材料的布置172和176的每一个以分别对应于流体屏障壁108和112的位置和长度的线性形状形成。布置172和176的每一个由具有在图1中为大约400μm的预定宽度186和对于衬底厚度的范围在50μm到400μm之间的预定厚度184的疏水材料形成，其中疏水材料的厚度与衬底的厚度成比例。
在化学测定装置100中，流体通道屏障108和112分别由穿透衬底104的疏水材料的布置172和176形成。在完成的化学测定装置100中，初始形成于疏水布置172和176中的疏水材料的大部分或全部被推压到衬底104中以形成疏水结构108和112。当疏水材料穿透衬底104时，疏水材料沿着衬底104的长度140和宽度142横向地散布到某种程度，但是横向散布的程度相比于现有技术的装置明显减小。相反地，形成每个疏水结构的疏水材料的大得多的部分从第一侧132朝着第二侧136穿透通过衬底104的厚度以形成比现有技术的装置具有更清晰限定的特征并且具有衬底104的更有效穿透的流体屏障壁和其它疏水结构。
使用图1作为例子，形成于衬底104的第一侧132上的疏水材料的布置172形成有大约400μm的宽度。疏水材料穿透衬底104以在第一侧132上形成具有大约670μm的最大宽度的疏水流体屏障壁108。参考进入亲水衬底中的疏水材料的流动和亲水衬底的厚度确定从疏水材料的打印布置172的宽度到疏水结构108的最大宽度的散布量。当在本文中使用时，术语“散布因数”(S)指的是对应于从形成于亲水衬底的表面上的疏水材料的布置的初始较窄宽度到由布置中的疏水材料形成的疏水结构的最后较宽宽度的散布程度的因数。从疏水材料的打印布置到疏水结构的宽度的绝对增加对应于衬底的厚度，更厚的衬底经历更大的散布程度。从以下方程经验地确定散布因数S：其中l1是在穿透亲水衬底之前的疏水材料的布置的宽度(图1中的宽度186)，l2是疏水结构的最大宽度(图1中的衬底104的第一侧132上的宽度146)，并且t是衬底的厚度(图1中的厚度144)。对于不同的纸厚度，散布因数S保持大致恒定，但是绝对散布程度受到亲水衬底的厚度影响。下面在图5至图7中描述的装置实施例能够以比现有技术的回流烘箱更低的散布因数形成疏水结构，现有技术的回流烘箱由于疏水材料通过回流烘箱中的亲水衬底的各向同性扩散而产生更高的散布因数。
在图1的示例性实施例中，值S为＝1.5，其小于2比1。相比之下，现有技术的传感器具有大得多的散布程度≈3.9。对于任何指定的衬底厚度，图1的化学测定传感器装置包括比现有技术的化学测定装置小得多的散布程度。给定S的特定值，在散布之后的疏水结构的最后宽度l2表示为：l2＝St+l1。对于化学测定装置100和450中的散布因数S＝1.5相比于现有技术的S’＝3.9，基于在一定范围的纸厚度上的固定宽度打印图案l1＝400μm，表1描绘以微米测量的绝对散布程度以示出散布的差异。
表1
如下所述，疏水结构的宽度稍稍朝着第二侧呈锥形，但是锥形的程度和疏水结构壁从相对于衬底的第一和第二侧的垂线的偏离是较小的。使疏水材料的布置能够穿透亲水衬底以形成具有上述性质的疏水结构的装置在下面更详细地进行描述。
图1中描绘的宽度比明显小于典型地大约大于3比1的现有技术的装置的比率，其中一个现有技术的装置从在具有大约200μm的厚度的衬底中具有300μm的初始宽度的疏水材料的打印行形成大约1000μm的宽度的通道壁。因此，即使在衬底104的第一侧132上的疏水材料的布置172和176比类似的现有技术的布置宽，衬底104中的相应疏水结构也比现有技术的装置窄和更好地限定。
形成疏水材料的更宽布置、同时仍然形成更窄和更好限定的疏水结构的能力是有利的，原因是更宽的疏水材料布置包括疏水材料的更大体积，这随后形成具有比现有技术更致密的配置的疏水结构。亲水衬底内的体积的第一分数由形成衬底的纤维材料(例如，呈纸的许多形式的纤维素)占据。当在本文中使用时，术语“空隙体积分数”指的是包括开孔和可以由另一流体(如空气、水或液化疏水材料)填充的其它空隙的亲水衬底的体积的分数。液化疏水材料随后返回固相以形成占据空隙的疏水结构。对于不同类型的亲水材料(如不同等级的纸)空隙体积分数不同，一些等级的高孔隙率过滤纸具有纸的总体积的20-25％的空隙体积分数。特定亲水衬底中的空隙体积分数形成疏水结构的密度的上限，原因是疏水结构中的疏水材料仅仅占据亲水衬底中的空隙。
化学测定装置100和450包括占据亲水衬底中的最大可用空隙体积分数的高比例的疏水结构。例如，在疏水结构108中对于疏水材料布置172的指定长度的初始体积和对于疏水结构108的指定长度的相应体积比之间的比率为：
其中wa和ha分别是疏水材料的布置的宽度和高度，并且ws和hs分别是由布置中的疏水材料形成的疏水结构的宽度和高度。在具有20％空隙体积分数的亲水衬底中，0.17(17％)的参数I对应于由疏水材料占据的可用空隙体积的大分数。疏水结构占据亲水衬底中可用于接收疏水材料的20％空隙体积分数的85％(17％/20％)。相比之下，现有技术的化学测定装置中的疏水材料经历大得多的散布程度，其不高效地填充亲水衬底的可用空隙，例如具有以下的体积比，
其中疏水材料仅仅占据可用空隙体积分数的41.5％(8.3％/20％)。现有技术的疏水结构留下衬底中的空隙体积分数的大得多的部分未被占据(例如，小于50％未被占据)，这增加现有技术的疏水结构中的空隙将使流体能够从流体通道漏出或以另外方式穿透疏水结构的可能性。然而，化学测定装置100和450中的疏水结构填充超过可用空隙体积的50％的空隙体积分数的更高比例，这产生更稳健的疏水结构，其相比于现有技术的化学测定装置不太可能包括间隙或将使流体能够通过流体屏障壁或其它疏水结构扩散的其它缺陷。
在图1的示例性实施例中，疏水结构172和176沿着衬底104的长度和宽度彼此分离以形成流体通道116。流体通道116由不包括疏水材料的衬底104中的亲水材料的一部分形成并且使流体能够通过衬底104中的亲水材料扩散。在图1中，流体通道116具有从靠近第一侧132的大约100μm(尺寸线148)变化到靠近第二侧136的大约130μm(尺寸线149)的宽度。通道116的宽度由于围绕通道116形成流体屏障壁108和112的疏水材料的散布型式而变化。在图1的实施例中，流体屏障壁108和112的侧均具有沿着通道116的宽度的大约15μm的横向变化，其产生从靠近第一侧132的通道116的最窄部分到第二侧136处的通道116的最宽部分的两个流体屏障壁108和112的大约30μm的总变化。形成流体通道的流体屏障壁的宽度的变化影响化学测定装置中的不同流体通道的实际宽度。例如，在现有技术的化学测定装置中，形成通道壁的疏水材料在比图1中的流体屏障壁108和112大得多的程度上横向地散布。在一个例子中，现有技术的装置包括具有宽度从355μm变化到765μm的流体通道，其大于现有技术的流体通道的最宽和最窄部分之间的2比1的比率。相比之下，图1中的流体通道116仅仅具有大约1.3比1的最大与最小宽度比率，甚至具有比现有技术的流体通道明显更窄的绝对宽度。由于通道壁中的疏水材料的横向散布引起的现有技术的装置的通道宽度的更大变化由于制造工艺的变化需要更大的通道宽度，在形成流体通道屏障的疏水材料实际上汇聚在一起以阻塞通道的情况下这将导致不可接受的大量阻塞通道。然而在图1的化学测定装置100中，流体屏障壁结构108和112具有宽度的明显更小变化，并且减小的变化能够使化学测定装置100形成有比现有技术的装置明显更窄、但是也有效地允许流体以受控方式通过亲水衬底104扩散的流体通道。
图2描绘形成于亲水衬底的表面上的疏水材料的布置、穿透衬底的相应疏水结构和形成于两个疏水结构之间的流体通道的照片图像。图2中的照片来自类似于图1的装置100的包括疏水流体屏障壁的化学测定装置的实际实施例。在图2中，图像204描绘形成于亲水衬底202的第一侧上的疏水材料(如相变墨)的布置208。疏水材料的布置208具有大约391μm的预定宽度212。图像216描绘布置208中的疏水材料已穿透衬底202以形成疏水结构(如流体屏障壁220)之后的亲水衬底的第一侧。流体屏障壁220具有大约654μm的最大宽度224。在图2中，图像228描绘在衬底202上彼此分离以形成流体通道的流体屏障壁220和具有大致相同宽度的另一流体屏障壁232。图像228属于衬底202的第一侧，其中流体屏障壁220和228具有最大宽度。流体通道具有靠近衬底的第一侧的大约103μm的宽度236。图像240从衬底的第二侧描绘相同的流体屏障壁220和224以及流体通道，其中流体屏障壁220和228具有最小宽度。在图像240中，流体通道具有大约131μm的宽度244。
图3描绘由于流体屏障壁108和112中的疏水材料的分布引起的通道116的宽度的变化。在图3中，流体屏障壁108和112描绘成分别具有在通道116的两侧上的内表面324A和324B。表面324A和324B的每一个从第一侧132的平面和第二侧136的平面之间的垂直轴线偏离，其中线308A和308B描绘垂直轴线。偏离角θ对应于衬底104中的疏水材料的横向散布的相对差异。例如，在图3中流体屏障壁108和112的每一个的横向散布为大约15μm，如尺寸线328所示。在具有沿着尺寸线144的厚度180μm的亲水衬底中，从垂线的偏离角θ被确定为：角θ可以基于不同的亲水衬底和疏水材料组分和厚度而变化，但是偏离角典型地小于20°。本文中所述的实施例中的偏离角明显小于由于疏水材料通过现有技术的装置中的衬底的大得多的散布程度而具有大约45°的偏离角的现有技术的疏水层。
尽管图3描绘具有平滑和线性形状的内表面324A和324B，但是本领域的技术人员将认识到图3是为了清楚起见的简化图示并且亲水衬底中的流体屏障壁和其它疏水结构的表面典型地具有形状的变化。例如，流体屏障壁108和112中的疏水材料穿透亲水衬底104以形成具有弯曲形状的通道壁324A和324B而不是图3中所示的线性表面。另外，疏水材料常常芯吸到亲水衬底104中的纤维和其它结构上，形成通道壁324A和324B的表面的变化。流体屏障壁的表面的曲率和变化由于化学测定装置100中的疏水材料的受控穿透而明显小于现有技术的装置。图8包括现有技术的化学测定装置的照片图像，描绘围绕流体通道的流体屏障壁的表面。图9包括化学测定装置100的实际实施例的照片图像，示出装置100中的流体屏障壁和其它疏水结构的改善结构特性。图8描绘具有流体通道816以及流体屏障壁824A和824B的现有技术的化学测定装置。流体屏障壁824A和824B从垂直轴线828偏离近似45°的角φ。图9描绘具有从亲水衬底904的第一侧932延伸到第二侧936的侧924A和924B的单个流体屏障壁908。图9中的流体屏障壁908的两侧924A和924B的偏离角θ为大约4.7°。
再次参考图1，在化学测定装置100的操作期间，流体样本放置在淀积部位154中，所述淀积部位形成于流体通道和反应部位(包括流体通道116和反应部位158和168)的径向阵列的中心。形成于衬底104中的疏水结构控制流体通过疏水材料的扩散以将来自中心淀积部位154的流体的部分引导到反应部位。例如，形成围绕通道116的流体屏障壁108和112的疏水材料不透液体样本以防止液体样本扩散到通道116之外到达衬底104中的区域120和124。另外，流体屏障壁108和112中的疏水材料具有相对于流体样本的低表面能，这防止流体样本附着到流体屏障壁108和112。因此，样本中的流体通过衬底104从淀积部位154通过通道116以受控方式扩散到反应部位158。在不同反应部位嵌入亲水衬底104中的化学试剂可以与流体反应以改变衬底104的颜色或以另外方式基于流体的化学组分生成分析结果。在化学测定装置100中，反应部位158、168和其它反应部位可选地包括不同化学试剂以使单个化学测定装置100对于单个流体样本执行多个测定。
图1的化学测定装置100包括单个亲水衬底，所述亲水衬底以两个自由度控制流体样本沿着衬底的长度和宽度的扩散。其它化学测定装置实施例由两个或更多个亲水衬底的叠层形成，所述亲水衬底的叠层以三个自由度控制流体样本通过沿着单独的衬底的长度和宽度并且在衬底之间形成的流体通道的扩散。多衬底化学测定装置中的堆叠衬底粘结在一起，每个衬底中的流体通道的相应区域与一个或两个相邻衬底中的流体通道对准以使流体能够通过衬底的整个叠层扩散。
图4描绘多衬底化学测定装置450。化学测定装置450包括体现为图4中的过滤纸的独立片材的四个亲水衬底454、458、462和466。装置层454-466形成多个亲水衬底的叠层并且疏水材料的层形成亲水衬底中的流体通道并且将亲水衬底粘结在一起。在一个实施例中，化学测定装置450是在衬底454中的淀积部位456处接收身体流体并且在衬底466中的一个或多个反应部位(包括反应部位468和470)处产生结果的生物医学测试装置。生物医学测试装置的普通例子包括测试血液样本以确定血糖水平和血液样本的其它性质的装置。
在化学测定装置450中，衬底的每一个包括由疏水材料形成的流体通道，并且衬底粘结在一起以形成装置450。在化学测定装置450的示例性例子中，层454是入口层，其具有由疏水材料形成的区域455和由裸纸衬底形成并且接收流体样本滴的淀积部位456。区域455中的疏水材料从一侧密封化学测定装置450并且控制放置在淀积部位456上的生物医学流体的扩散。层458和462均包括形成中间流体通道的疏水材料的图案，所述中间流体通道将来自入口层454的流体引导到层466中的不同测试部位。例如，测试部位468包括测试血液样本中的蛋白水平的化学试剂并且测试部位470包括测试血液样本中的葡萄糖水平的化学试剂。衬底层466上的疏水材料的图案形成屏障以防止测试部位之间的流体的扩散并且使衬底层466能够粘结到衬底层462。
如上所述，多衬底化学测定装置450包括使用相同疏水材料粘结在一起的多个衬底，所述疏水材料在单独的亲水衬底中形成流体通道和其它疏水结构。多衬底化学测定装置450不需要在现有技术的多衬底装置中需要粘结衬底的特定粘合材料或亲水衬底之间的附加中间粘合层。图4描绘来自装置405的衬底454和458的部分横截面图以示出将两个衬底层粘结在一起的疏水材料的结构。在衬底454中，疏水材料形成围绕流体淀积部位456的区域455。区域455中的疏水材料以类似于上面在化学测定装置100中描述的疏水结构的方式大致穿透衬底454的整个厚度。衬底458也包括形成通过衬底458的流体通道的疏水结构。图4描绘衬底458中的疏水结构482和488。
结构482和488中的疏水材料的第一部分穿透衬底458以形成流体屏障壁和其它疏水结构，分别如区域486和492中所示。结构482和488中的疏水材料的第二部分穿透到衬底454中，分别如区域484和490中所示。穿透衬底454的来自衬底458的疏水材料的部分将两个衬底粘结在一起。如图4中所示，相比于形成衬底458中的疏水结构的区域486和492中的疏水材料的较大体积，区域484和490中的疏水材料的较小部分将两个衬底粘结在一起。另外，疏水材料的一部分保持在衬底454和458之间以保持两个衬底之间的粘结。如图4中所示，区域484和490中的疏水材料的较小部分粘结衬底454和458，但是不阻塞流体通过流体入口区域465的扩散。因此，流体样本通过淀积部位区域456扩散到流体通道459，如箭头495所示。另外，与区域484和490重叠的衬底454的疏水结构455的部分中的疏水材料可以与来自衬底458的疏水材料合并以增加两个衬底之间的粘结的强度。剩余亲水衬底层462和466以类似方式彼此粘结并且粘结到衬底458。
图10描绘现有技术的化学测定装置中的孔眼结构的阵列。图10中的孔眼结构1000的阵列形成于熔化孔眼1000中的疏水材料的回流烘箱(如图12A中所示的烘箱)中。图10的装置中的熔融疏水材料扩散到衬底中，相比于图11中所示的阵列1100产生疏水材料的更大扩散程度。
图11描绘在类似于图1和图4的装置的化学测定装置中形成的孔眼结构的阵列，所述化学测定装置包括亲水衬底1104和孔眼结构(如孔眼1108)的二维阵列。如图11中所示，每个孔眼由疏水材料的环形布置形成，所述疏水材料形成围绕亲水衬底的内部圆形区域1112的流体屏障壁(如壁1110)。在图11的实施例中，环形孔眼壁完全封闭中心区域并且流体样本从衬底104的第一或第二侧的表面进入孔眼。在其它实施例中，孔眼壁包括用于流体通道的开口以使流体能够以类似于图1中的反应部位158和168的方式横向地通过亲水衬底进入孔眼。
理想地，相应的阵列1000和1100中的孔眼结构的每一个应当具有相同的尺寸和形状，但是实际实施例在孔眼结构的尺寸和表面面积上具有变化。图10中的孔眼结构1000的表面面积之间的变化水平大于图11的阵列1100。在现有技术的孔眼1000的阵列中，最小和最大孔眼之间的最大面积与最小面积的比率为1.35比1，孔眼的大阵列的面积的标准偏差为大约0.068。然而在孔眼1100的阵列中，相同最大面积与最小面积的比率为1.15比1，并且孔眼面积的标准偏差为大约0.038。
图11的阵列1100中的孔眼之间的变化的更窄范围改善来自测试的结果的一致性，所述测试使用包括图11的孔眼和其它类似结构的化学测定装置被执行。在许多化学测定装置中，每个孔眼内的亲水衬底的区域接收随后与流体样本反应的化学试剂。每个孔眼典型地接收相同量的试剂，但是如果内部孔眼面积由于孔眼壁中的疏水材料的散布的变化而明显小于或大于预定目标尺寸，则每个孔眼内的试剂的有效浓度也变化。因此，形成有更一致尺寸的图11的孔眼结构允许试剂在一个化学测定装置中的多个孔眼上和在生产运行中的不同化学测定装置之间的更均匀分配。试剂的更一致浓度允许化学测定装置(如使用孔眼阵列1100和其它合适的疏水结构的装置)在使用期间提供更一致的结果。
上面描绘的具有改善的疏水结构特性的单衬底和多衬底化学测定装置不使用图12A的现有技术的回流烘箱形成。相反地，装置以受控方式施加热和压力以在亲水衬底中形成上述的疏水结构。下面提供的实施例是可以用于形成图1、图4和图11的化学测定装置中的疏水结构的示例性装置。
图5描绘具有体现为第一圆柱形辊554和第二圆柱形辊558的两个部件的装置580，所述两个部件施加温度梯度和压力以形成上述的化学测定装置中的疏水结构。加热器524可操作地连接到第一圆柱形辊554以将第一圆柱形辊554的表面加热到比典型地保持接近环境温度的第二圆柱形辊558的表面高的温度(如70℃至140℃)。第一辊554和第二辊558在压合部556中彼此接合，并且具有承载疏水材料544的层的第一侧556的亲水衬底552在压合部566中在辊554和558之间移动。疏水材料544和衬底552的第一侧556接合较低温度的第二辊558，而衬底552的空白第二侧560接合较高温度的第一辊554。致动器532可操作地连接到辊554和558之一或两者并且在辊554和558之间施加压力，致动器532的一个实施例施加在800PSI到3,000PSI的范围内的压力。可选的清洁辊574从第二辊558的表面去除残余疏水材料。
在操作期间，辊554和558如所示旋转在过程方向534上移动衬底552。压合部566中的热和压力熔化疏水材料544并且使疏水材料能够穿透衬底552以形成疏水结构，如疏水结构528。较高温度的第一辊554和较低温度的第二辊558在压合部566中产生温度梯度。辊554和558以比现有技术的回流烘箱更加受控的方式将预定温度和压力施加到衬底。另外，辊554和558以受控速度旋转以使衬底552的每个部分能够保持在压合部566中持续预定停留时间，所述停留时间在不同操作配置中典型地在0.1秒到10秒的范围内。
在图5中，装置580施加热和压力以使疏水材料544能够穿透到衬底552中。压合部566中的高温和压力熔化固化疏水材料544并且液化的疏水材料水平地和竖直地散布到衬底552中的多孔材料中。液化的疏水材料的散布距离L由Washburn方程：提供，其中γ是熔融疏水材料544的表面张力，D是衬底552中的孔隙的孔隙直径，t是衬底在压合部中的停留时间，在此期间压合部中的温度梯度和压力减小疏水材料544的粘度，并且η是熔融疏水液体的粘度。表面张力γ和粘度η项从疏水材料544的性质经验地确定。孔隙直径D从形成衬底552的纸或其它亲水材料的类型经验地确定。当疏水材料和衬底移动通过在压合部566中产生的温度梯度时装置580对疏水材料的粘度η和时间t具有直接或间接控制。疏水材料(如蜡或相变墨)基于材料的温度和施加到疏水材料的压力过渡到具有变化粘度水平的液态。液化的疏水材料的粘度与材料的温度逆相关。相比于较冷侧556和较冷辊558，压合部中的温度梯度在更大程度上减小靠近侧560和第一辊554的较高温度区域中的疏水材料的粘度。因此，由于在温度增加时粘度减小，相比于较冷区域中的墨，温度梯度使温度梯度的较高温度区域中的墨穿透更长距离。
在本领域中众所周知，在压合部566中施加的压力也减小疏水材料544的有效熔化温度，使得熔化和减小压合部566中的疏水材料544的粘度水平所需的温度水平低于标准大气压下的熔化温度。一旦衬底552的一部分离开压合部566，压力和温度水平快速下降，这使疏水材料544能够以比图12A中所示的现有技术的回流烘箱更快速和受控的方式返回固化状态。压合部566中的衬底552的每个部分的停留时间也影响疏水材料544在液态下花费的时间量。
在压合部566中，温度梯度产生熔融疏水材料544的各向异性加热。相比于较冷侧556，在侧560上的第一辊554的较高温度在更大程度上减小疏水材料544的粘度η。因此，相比于疏水材料544沿着衬底552的长度的水平流动，温度梯度使疏水材料544能够朝着第二侧560以更长距离流动到衬底552的多孔材料中。在图5中，较长箭头520描绘疏水材料544通过衬底552中的多孔材料朝着高温侧560的较长流动距离L，而较短箭头524指示沿着衬底552的长度的较短流动距离。对于相变墨疏水材料，当墨朝着较高温度辊554穿透衬底552时，墨的减小粘度η使相变墨能够通过衬底从打印表面556穿透到第二侧560，这形成通过衬底552的整个厚度的相变墨的层。
装置580生成各向异性温度梯度和疏水材料544的液体流动图案以形成具有疏水材料544的流体通道屏障和其它结构，其具有沿着衬底552的长度的更小散布和通过衬底552从打印侧556到空白侧560的改善穿透，并且产生比现有技术装置的更高的密度和更小的变化的疏水结构。此外，相比于图12B中所示的具有各向同性温度分布的现有技术的回流烘箱，装置580中的各向异性温度梯度使疏水材料544能够在更大程度上穿透到衬底552中。屏障的更窄宽度允许产生具有更细特征细节的更小装置，并且也改善控制流体通过衬底的毛细扩散的流体通道的有效性。尽管在图3中详细地论述了Washburn方程和温度梯度，但是类似原理适用于下面描述的单层和多层化学测定装置形成装置。
图6描绘用装置580粘结两个衬底552和610的过程期间的装置580。在图6中，衬底662包括在图5中所示的操作期间形成的疏水结构528。在图6中所示的粘结过程期间，衬底552的第一侧656接合第二辊558，而第二侧560接合第二衬底610的第一侧606和疏水材料618的第二层。第二衬底610的空白侧612接合较高温度的第一辊554。
在操作期间，第一辊554和第二辊558接合堆叠衬底552和610并且在过程方向534上移动堆叠衬底。辊554和558之间的压合部中的温度和压力熔化疏水材料618的层。辊554和558之间的温度梯度使层618中的疏水材料能够熔化并且穿透衬底610。如图6中所示，相比于如箭头624所示的横向流动，熔融疏水材料的更大部分朝着较高温度的第一辊554流动，如箭头620所示。辊554和558之间的温度梯度使层618中的熔融疏水材料能够以类似于图5中的装置580的操作的方式朝着较高温度的第一辊554流动。
穿透衬底610的层618中的疏水材料的部分形成另一疏水结构630，如流体屏障或流体通道壁。层618中的熔融疏水材料的较小部分穿透衬底552，如箭头628所示，将两个衬底552和610粘结在一起。一些疏水材料保持在衬底552和610之间以保持粘结。疏水材料618的一部分在区域632中与屏障528中的疏水材料合并，这增加衬底552和610之间的粘结的强度。在衬底610中的流体结构形成和衬底552和610之间的粘结过程期间衬底552中的疏水屏障528保持大致完整。在图6的示例性例子中，装置580形成粘结衬底614并且衬底运输装置在过程方向534上以预定速度移动粘结衬底614。
图7描绘在用于化学测定装置的亲水衬底中形成疏水结构并且将多个亲水衬底粘结在一起的装置780的另一配置。装置780包括体现为装置780中的板的两个部件754和758，所述两个部件接合一个或多个亲水衬底以施加温度梯度和压力，从而形成衬底中的疏水结构并且将衬底粘结在一起。装置780包括加热器734，所述加热器可操作地连接到第一板754以将第一板的温度升高到预定水平(例如，70℃至140℃)，同时第二板758保持在较低温度。致动器768可操作地连接到板754和758之一或两者以围绕一个或多个亲水衬底一起移动板，从而熔化衬底上的疏水材料的布置以形成类似于图1、图4和图11的实施例中所示的结构的疏水结构。致动器768一起移动板以施加在800PSI到3,000PSI的范围内的压力持续在0.1秒到10秒的范围内的停留时间。在图7的配置中，装置780在单个操作中形成单个亲水衬底中的疏水结构并且将单个亲水衬底粘结到一个或多个附加亲水衬底的叠层。装置780可选地以“一次一个衬底”的方式将连续亲水衬底粘结到叠层以形成多层装置。
在图7中，装置780保持两个衬底752和762。衬底752包括形成于第一侧756上的疏水材料的布置744并且衬底752的第二侧760接合第一板754。第二衬底762包括接合第二板758的第一侧764和接合第一侧756和衬底752上的疏水材料的布置744的第二侧766。在一个实施例中，第二衬底762是防止第二板758被布置744中的疏水材料污染的牺牲或“载体”亲水衬底。随后通过剥离或另一机械分离过程从包括疏水结构的衬底752去除载体衬底762。在另一实施例中，第二衬底762包括先前已在装置780中形成的疏水结构并且装置780将附加衬底752粘结到一个或多个衬底的叠层以形成多衬底化学测定装置。在多衬底装置的形成期间，粘结到现有衬底的叠层的下一衬底层接合第一板734，而现有衬底的叠层接合第二板758。
在装置780的操作期间，致动器768一起移动板754和758以接合堆叠衬底752和756。如图7中所示，疏水材料的布置744响应装置780中的热和压力熔化。板754和758之间的温度梯度使布置744中的疏水材料能够熔化并且穿透衬底752。如图7中所示，相比于如箭头724所示的横向流动，熔融疏水材料的更大部分朝着较高温度的第一板754流动，如箭头722所示。板754和758之间的温度梯度使布置744中的熔融疏水材料能够以类似于图5和图6的装置580的方式朝着较高温度的第一板754流动。
穿透衬底752的层744中的疏水材料的部分形成另一疏水结构748，如流体屏障或流体通道壁。层744中的熔融疏水材料的较小部分穿透衬底762，将两个衬底752和762粘结在一起。在图7中，疏水材料728对应于熔化并且穿透第二衬底762的疏水材料744的较小部分，如箭头730所示。一些疏水材料保持在衬底752和762之间以保持粘结。

Claims (10)

1.一种化学测定装置，其包括：
第一亲水衬底，所述第一亲水衬底具有第一侧和第二侧，预定长度和宽度，以及不大于1毫米的厚度；以及
第一疏水结构，所述第一疏水结构在所述第一亲水衬底中由疏水材料形成并且从所述第一侧到所述第二侧大致穿透通过所述第一亲水衬底的厚度，所述第一疏水结构形成所述第一亲水衬底中的流体屏障壁，所述流体屏障壁的表面延伸通过所述第一亲水衬底的厚度，从所述第一亲水衬底的所述第一侧和所述第二侧的垂线偏离小于20°。
2.根据权利要求1所述的化学测定装置，其还包括：
第二亲水衬底，所述第二亲水衬底具有第一侧和第二侧，所述第二亲水衬底的第一侧接合所述第一亲水衬底的第二侧，并且所述第二亲水衬底具有另一预定长度、宽度和不大于1毫米的厚度；以及
第二疏水结构，所述第二疏水结构在所述第二亲水衬底中由疏水材料形成并且从所述第一侧到所述第二侧大致穿透通过所述第二亲水衬底的厚度，所述第二疏水结构形成所述第二亲水衬底中的另一流体屏障壁，所述另一流体屏障壁的表面延伸通过所述第二亲水衬底的厚度，从所述第二亲水衬底的所述第一侧和所述第二侧的垂线偏离小于20°。
3.根据权利要求1所述的化学测定装置，其中所述第一疏水结构大致包括在形成所述第一疏水结构之前形成的在所述亲水衬底的第一侧上形成为疏水材料的第一布置的疏水材料，并且对应于从所述疏水材料的第一布置的第一宽度到所述疏水结构的第二宽度的宽度增加的散布因数不超过3.0。
4.根据权利要求1所述的化学测定装置，其中所述第一疏水结构大致包括在形成所述第一疏水结构之前形成的在所述亲水衬底的第一侧上形成为疏水材料的第一布置的疏水材料，并且对应于从所述疏水材料的第一布置的第一宽度到所述疏水结构的第二宽度的宽度增加的散布因数不超过2.0。
5.根据权利要求1所述的化学测定装置，其中所述第一疏水结构中的疏水材料占所述亲水衬底的预定空隙体积分数的50％以上。
6.根据权利要求1所述的化学测定装置，其还包括：
第二亲水衬底，所述第二亲水衬底具有第一侧和第二侧，所述第二亲水衬底的第一侧接合所述第一亲水衬底的第二侧，并且所述第二亲水衬底具有另一预定长度、宽度和不大于1毫米的厚度；以及
第二疏水结构，所述第二疏水结构在所述第二亲水衬底和所述第一亲水衬底中形成以将所述第一亲水衬底和所述第二亲水衬底粘结在一起，所述第二疏水结构中的疏水材料从仅仅形成于第二亲水衬底的第一侧上的疏水材料的第二布置延伸并且穿透所述第一亲水衬底和所述第二亲水衬底两者。
7.根据权利要求6所述的化学测定装置，其中所述第二疏水结构从所述第一侧到所述第二侧大致穿透通过所述第二亲水衬底的厚度，所述第二疏水结构形成所述第二亲水衬底中的另一流体屏障壁，所述另一流体屏障壁的表面延伸通过所述第二亲水衬底的厚度，从所述第二亲水衬底的所述第一侧和所述第二侧的垂线偏离小于20°。
8.根据权利要求6所述的化学测定装置，其中所述第二亲水衬底大致包括过滤纸。
9.一种化学测定装置，其包括：
第一亲水衬底，所述第一亲水衬底具有第一侧和第二侧，预定长度和宽度，以及不大于1毫米的厚度；以及
在所述第一亲水衬底中由疏水材料形成的多个疏水结构，包括所述疏水材料的所述多个疏水结构中的每个疏水结构从所述疏水材料的多个布置中的一个布置从所述第一侧到所述第二侧大致延伸通过所述第一亲水衬底的厚度，在所述疏水材料以单一形状和尺寸穿透到所述第一亲水衬底中之前所述疏水材料的每个布置仅仅形成于所述第一亲水衬底的所述第一侧上，并且所述多个疏水结构中的最大疏水结构的最大面积与所述多个疏水结构中的最小疏水结构的最小面积的比率小于1.25。
10.根据权利要求9所述的化学测定装置，其中所述疏水材料的每个布置还包括：
具有预定内径和外径的所述疏水材料的环形布置，所述环形布置形成于所述第一亲水衬底的所述第一侧上以形成相应疏水结构中的孔眼。
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