CN107949537A - 用于微流体设备的无源泵 - Google Patents

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F·S·里格勒
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Abstract

本文公开了无源微流体泵。所述泵包括流体入口、吸收区域、将所述流体入口和所述吸收区域流体连接的阻力区域，以及封闭所述阻力区域、所述吸收区域或其组合的蒸发阻挡层。所述阻力区域可包括第一多孔介质和流体非导电边界，所述流体非导电边界限定流体流从所述流体入口通过所述第一多孔介质到所述吸收区域的路径。所述吸收区域可包括限定第二多孔介质的体积的流体非导电边界，所述第二多孔介质的尺寸被设定成吸收从所述阻力区域吸入的预定体积的流体。所述阻力区域和所述吸收区域可被配置成当所述流体入口与流体接触时，建立从所述流体入口通过所述阻力区域前进到所述吸收区域的毛细管驱动流体前缘。

Description

用于微流体设备的无源泵
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年9月4日提交的美国临时申请62/214,352的权益，该美国临时申请据此全文以引用方式并入本文。
关于联邦资助的研究或开发的声明
本发明是在政府支持下进行的，授权UL1TR001111，由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)提供资金。美国政府在本发明中享有部分权利。
背景技术
随着将许多诊断测试转移到使用地点的热切期望，微流体设备在保健、环境监测、食品安全和其他应用中的广泛使用具有令人难以置信的潜力。具体地讲，微流体系统处理少量液体的能力使其非常适用于许多生物分析应用。
尽管有许多优点，但是一些重大的技术难题阻止了微流体设备广泛应用于许多应用。例如，大多数微流体依靠笨重、昂贵的泵来引导和控制设备内的流体流。因为流体流的精确控制有利于许多应用，所以此类外部泵通常是需要的。例如，通过仔细控制/优化流体流，可以增加测试(例如，免疫测定)的灵敏度，从细胞培养物转移产物用于分析，以及使限制靶标与生物传感器中的固定识别分子结合的耗尽区的影响最小化。然而，对复杂和/或昂贵的外部仪器诸如泵的需要极大地限制了微流体测试在即时诊断、食品和水测试以及环境监测中的潜在用途，尤其是在低资源环境下。为了使这些微流体设备易于使用、更实惠并且在操作中更可靠，需要用于控制微流体设备内流体流的经改进的设备和方法。
发明内容
本文提供了微流体泵。所述泵(包括本文所述的混合泵和复合泵)制造简单，成本低廉，并且通过附接的微流体系统提供对流体流的简便和精确控制。另外，该泵是无源泵(即，不需要能量输入)，并且可被设计成一次性的、可生物降解的和/或易燃的。
无源微流体泵包括流体入口、吸收区域、将流体入口和吸收区域流体连接的阻力区域，以及封闭阻力区域、吸收区域或其组合的蒸发阻挡层。阻力区域可包括第一多孔介质和流体非导电边界，该流体非导电边界限定流体流从流体入口通过第一多孔介质到吸收区域的路径。吸收区域可包括流体非导电边界，该流体非导电边界限定第二多孔介质的体积，该第二多孔介质的尺寸被设定成吸收从阻力区域吸入的预定体积的流体。阻力区域和吸收区域可被配置成当流体入口与流体接触时，建立从流体入口通过阻力区域前进到吸收区域的毛细管驱动流体前缘。
可以选择阻力区域和吸收区域的尺寸和性质以提供被配置成当流体连接到微流体设备时产生期望的流体流量分布(例如，恒定、阶跃增加、阶跃减少、振荡、逐渐增加或逐渐减少)的无源泵。例如，在某些实施方案中，对通过阻力区域的流体流的阻力大于对通过吸收区域的流体流的阻力(例如，为其至少五倍，至少十倍或至少二十倍)。在这些实施方案中，当泵流体连接到微流体设备时，可以修改阻力区域的尺寸和性质以选择由该泵提供的流量。在某些实施方案中，当毛细管驱动流体从阻力区域前进通过第二多孔介质时，阻力区域被配置成提供1nL/min至100μL/min的流体流量。同样，可以修改吸收区域的尺寸和性质以选择预定体积的流体，该预定体积的流体将以由阻力区域确定的流量泵送。例如，吸收区域的尺寸被设定成吸收从阻力区域吸入的1μL至10mL(例如，10μL至10mL)的流体。在某些实施方案中，阻力区域可被配置成提供在10秒至7天(例如，从0.1分钟至90分钟)内能有效地将预定体积的流体输送到吸收区域的流体流量。
如果需要，本文所述的泵还可包括流动延时元件，该流动延时元件影响通过泵的流体流。例如，该泵还可包括可溶解溶质，该可溶解溶质设置在流体入口、阻力区域或其组合中。该泵还可包括可溶解膜，该可溶解膜形成对通过泵的元件的流体流的阻挡层。
蒸发阻挡层可封闭阻力区域、吸收区域或其组合。在一些情况下，蒸发阻挡层可封闭阻力区域。在一些情况下，蒸发阻挡层可封闭吸收区域。在某些实施方案中，蒸发阻挡层可封闭阻力区域和吸收区域两者。在蒸发阻挡层封闭吸收区域的情况下，泵还可包括操作性地联接到吸收区域的通风口(例如，以在吸收区域充满流体时允许压力均衡)。
在一些实施方案中，无源微流体泵还可包括第二(或更多)吸收区域。这种泵在本文称为“混合泵”。当流体连接到微流体设备时，此类泵可被设计成引起更复杂的流体流量分布。例如，在一些实施方案中，该泵该可包括第二阻力区域和第二吸收区域。第二吸收区域可与第一吸收区域并联或串联地流体连接。
例如，在一些实施方案中，第二吸收区域可与第一吸收区域并联地流体连接。在这些实施方案中，第二阻力区域可包括第三多孔介质和流体非导电边界，该流体非导电边界限定流体流从流体入口通过第三多孔介质到第二吸收区域的路径，并且第二吸收区域可包括流体非导电边界，该流体非导电边界限定第四多孔介质的体积，该第四多孔介质的尺寸被设定成吸收从第二阻力区域吸入的预定体积的流体。在某些情况下，该泵还可包括流动延时元件，该流动延时元件影响通过泵的流体流。例如，在一些实施方案中，该泵还可包括可溶解溶质，该可溶解溶质设置在第二阻力区域中。在一些实施方案中，该泵还可包括可溶解膜，该可溶解膜形成对从流体入口到第二阻力区域的流体流的阻挡层。
在一些实施方案中，第二吸收区域可与第一吸收区域串联地流体连接。在这些实施方案中，第二阻力区域可包括第三多孔介质和流体非导电边界，该流体非导电边界限定流体流从第一吸收区域通过第三多孔介质到第二吸收区域的路径；并且第二吸收区域可包括流体非导电边界，该流体非导电边界限定第四多孔介质的体积，该第四多孔介质的尺寸被设定成吸收从第二阻力区域吸入的预定体积的流体。在某些情况下，该泵还可包括流动延时元件，该流动延时元件影响通过泵的流体流。例如，在一些实施方案中，该泵还可包括可溶解溶质，该可溶解溶质设置在第二阻力区域中。在一些实施方案中，该泵还可包括可溶解膜，该可溶解膜形成对从第一吸收区域到第二阻力区域的流体流的阻挡层。
在一些实施方案中，混合泵可包括三个或更多个吸收区域。例如，混合泵可包括经由阻力区域并联地流体连接的三个或更多个吸收区域。混合泵还可包括经由阻力区域串联地流体连接的三个或更多个吸收区域。在一些情况下，混合泵可包括以并联和串联两种方式流体连接的吸收区域。例如，在一些实施方案中，混合泵可包括经由阻力区域并联地流体连接的两个或更多个吸收区域，以及经由阻力区域串联地流体连接的两个或更多个吸收区域。
形成本文所述的泵的区域的多孔介质可由任何合适的多孔材料形成。可根据许多因素来选择合适的多孔材料，包括将由泵运输的流体的种类(例如，含水流体或有机流体)和由泵引起的期望的流体流量分布。例如，在被配置成驱动水溶液流动的泵的情况下，多孔材料可包括多孔亲水性材料。在某些实施方案中，多孔材料可包括纤维素基质(例如，纸材、纤维素衍生物、织造纤维素材料、非织造纤维素材料或其组合)。在某些实施方案中，该泵可以是纸质的泵(即，多孔材料可包括纸材)。合适的纸材的示例包括但不限于层析纸、卡片纸、滤纸、牛皮纸、打印纸、包装纸、账簿纸、银行纸、债券纸、吸墨纸、绘图纸、青壳纸、棉纸、纸巾、蜡纸和摄影纸。
在一些实施方案中，本文所述的泵的多孔区域(例如，第一多孔介质和第二多孔介质)可以在单片基质材料中形成。在其他实施方案中，本文所述的泵的多孔区域(例如，第一多孔介质和第二多孔介质)包括彼此流体接触的单独的基质材料片(例如，彼此紧靠的单独的基质材料片)。在这些实施方案中，单独的基质材料片具有相同的厚度或不同的厚度。在一个示例中，形成第二多孔介质的基质材料片可以比形成第一多孔材料的基质材料片厚(即，形成吸收区域的多孔介质可以比形成阻力区域的多孔介质厚)。在一些情况下，形成第二多孔介质的基质材料片和形成第一多孔材料的基质材料片不是共面的。在某些情况下，吸收区域是非平面的。例如，如果需要，吸收区域可被折叠或弯曲成三维形状以减小吸收区域的占有面积(并且通过延伸，减少泵的总体占有面积)。
在一个实施方案中，吸收区域可以以可拆卸的方式连接到阻力区域。这样，可移除吸收区域(例如，一旦充满流体)，并且用新的吸收区域替换(例如，允许泵吸入另一体积的流体)。如果需要，可拆卸的吸收区域可用于例如收集多个流体部分以用于后续分析。
如果需要，本文所述的泵可在较大的微流体设备内整体地形成以提供对微流体设备内的流体的控制。在其他情况下，本文所述的泵可以是模块化的构造，并且被配置成易于附接到外部微流体设备。这样，本文所述的泵可以以“即插即用”的方式使用，以控制多种常规微流体设备中的流体流。在某些实施方案中，流体入口可被配置成与微流体通道流体连接。具体地讲，流体入口可具有便于泵与微流体设备(例如，外部微流体设备)附接的几何形状和构造。作为示例，流体入口可包括流体传导区域，该流体传导区域限定用于流体流至第一阻力区域的路径。流体传导区域可包括例如多孔介质，该多孔介质形成用于流体流至第一阻力区域的路径。流体传导区域还可包括提供用于流体流至第一阻力区域的路径的开放充气通道和/或导电材料(例如，玻璃珠、玻璃纤维和/或玻璃棉)。
本文还提供了包括本文所述的多个流体连接的泵或混合泵的复合泵。所述多个泵可并联地流体连接、串联地流体连接，或者与以并联和串联两种方式流体连接的泵流体连接。在一些实施方案中，多个泵可包括串联地流体连接的两个或更多个泵。在一些实施方案中，多个泵可包括并联地流体连接的两个或更多个泵。在某些实施方案中，多个泵可包括串联地流体连接的两个或更多个泵以及并联地流体连接的两个或更多个泵。
所述多个泵可以以任何合适的方式流体连接。在某些实施方案中，所述多个泵堆叠在平行平面中。任选地，复合泵还可包括一个或多个流动延时元件，该流动延时元件影响通过复合泵(例如，进入多个流体连接的泵中的至少一者)的流体流。例如，在一些实施方案中，该泵还可包括可溶解溶质，该可溶解溶质设置在复合泵中的泵的流体入口，复合泵中的泵的阻力区域或其组合中。在一些实施方案中，该泵还可包括可溶解膜，该可溶解膜形成对复合泵中的多个泵中的两个泵之间的流体流的阻挡层。
还提供了包括本文所述的一个或多个无源泵的微流体设备。示例性微流体设备可包括微流体通道和本文所述的泵(例如，泵、混合泵和/或复合泵)，所述微流体通道将流体入口流体连接到流体出口，所述泵流体连接到微流体通道的流体出口(例如，使得当流体入口与流体接触时，所述泵引起流体流通过微流体通道)。在一些情况下，泵的流体入口可与微流体通道的流体出口直接接触。在某些实施方案中，泵可被配置成以基本上连续的流量在至少0.1分钟(例如，至少0.5分钟、至少1分钟、至少5分钟、至少10分钟、至少30分钟、至少60分钟或更长时间)的时间段内驱动流体流通过微流体通道。在其他实施方案中，泵可被配置成以可变流量在至少10分钟(例如，至少30分钟、至少60分钟或更长时间)的时间段内驱动流体流通过微流体通道。可变流量可包括例如阶跃增加的流量或阶跃减少的流量。
还提供了使用本文所述的泵(包括混合泵和复合泵)的方法。本文所述的泵可用于引起流体流通过附接的微流体设备(例如，以实现设定体积的受控流量并且/或者实现通过设备的多个预定的流量)。因此，还提供了用于引起流体流通过微流体设备的方法，该方法包括将本文所述的泵流体连接到微流体设备的流体出口；并使微流体设备的流体入口与流体接触。在一些实施方案中，泵可直接连接到微流体设备的流体出口。在某些实施方案中，泵可被配置成以基本上连续的流量在至少0.1分钟(例如，至少0.5分钟、至少1分钟、至少5分钟、至少10分钟、至少30分钟、至少60分钟或更长时间)的时间段内驱动流体流通过微流体通道。在其他实施方案中，泵可被配置成以可变流量在至少10分钟(例如，至少30分钟、至少60分钟或更长时间)的时间段内驱动流体流通过微流体通道。可变流量可包括例如阶跃增加的流量或阶跃减少的流量。
所述泵(包括本文所述的混合泵和复合泵)也可用于过程控制应用。例如，本文所述的泵可用于确定微流体通道的流体阻力，以测量微流体通道的高度，从而量化多孔材料诸如纸材的性质(例如，渗透性)并且/或者量化未知流体的性质(例如，粘度)。
鉴于本文所述的泵的模块化特性，单独的模块化泵可轻易地组装以形成复合泵，以在微流体通道内提供预定的流体流量。因此，还提供了组装无源复合泵的方法，该无源复合泵被配置成在微流体通道内提供预定的流体流量。这些方法可包括将本文所述的一个或多个泵(在本文中称为“泵子单元”)流体连接到流体入口以形成无源复合泵，所述一个或多个泵被成形用于在与流体接触时引起特定的流体流量。每个泵子单元可包括阻力区域，该阻力区域包括：第一多孔介质和流体非导电边界，该流体非导电边界限定流体流从流体入口通过第一多孔介质到吸收区域的路径，以及吸收区域，该吸收区域包括限定第二多孔介质的体积的流体非导电边界，所述第二多孔介质的尺寸被设定成吸收从阻力区域吸入的预定体积的流体。任选地，每个泵子单元可封闭在蒸发阻挡层内。
在一些实施方案中，组装无源复合泵的方法可包括流体连接两个或更多个泵子单元。在一些实施方案中，所述方法可包括串联地流体连接两个或更多个泵子单元。在一些实施方案中，所述方法可包括并联地流体连接两个或更多个泵子单元。在某些实施方案中，所述方法可包括串联地流体连接两个或更多个泵子单元，以及并联地流体连接两个或更多个泵子单元。在某些实施方案中，流体连接泵子单元可包括堆叠泵子单元以形成流体入口。在这些实施方案中，流体入口可包括流体传导区域，该流体传导区域延伸穿过堆叠中的泵子单元并且限定用于流体流至每个泵子单元的第一阻力区域的路径。流体传导区域可包括例如多孔介质，该多孔介质形成用于流体流的路径。流体传导区域还可包括提供用于流体流的路径的开放充气通道和/或导电材料(例如，玻璃纤维或玻璃棉)。在一些实施方案中，所述方法还可包括将可溶解膜设置在堆叠中的泵子单元之间(例如，横切流体入口)以便形成对复合泵中的泵子单元之间的流体流的阻挡层。
附图说明
图1是示例性无源微流体泵的示意图。
图2是包括与第一吸收区域串联地流体连接的第二吸收区域的示例性混合泵的示意图。
图3是包括与第一吸收区域并联地流体连接的第二吸收区域的示例性混合泵的示意图。
图4A示出了预测通过具有已知固有性质的多孔材料的矩形带的流体流的一维数值方法模型的阶梯式方法的示意图。
图4B示出了图4A所示的阶梯式方法的对应的电路的示意图。
图4C示出了沿着图4A所示方法的传播方向的每个步骤所计算出的阻力Rtot、体积流量Q以及时间ttot的示例性结果。
图5示出了示例性成形组件和每种形状所期望的液体前缘的形状(左栏)以及作为润湿前缘位置的函数的润湿前缘的有效宽度的示意图(右栏)。
图6示出了根据一个实施方案的成形纸材组件的制造步骤的示意图。
图7示出了使用气隙作为流体非导电边界的图3所示的最终成形纸材组件的示意图。
图8示出了根据另一个实施方案的多个无源泵的制造步骤的示意图。
图9示出了具有变化流量的即时测试的实验数据(例如，通过使用注射器泵)。荧光强度是与微通道底部的微阵列点结合的靶标。结果显示出所增加的流量增加了结合速率(荧光强度对时间的斜率)，并且持续流动增加了诊断测试的灵敏度。
图10A示出了根据一个实施方案的附接到常规微流体通道的无源泵的示意图。
图10B示出了类似电阻电路的示意图。
图10C示出了所期望的流体流进无源泵，其中入口首先被润湿，然后流体沿着电阻颈杆向下流动并最终进入吸收区域。
图11示出了由具有不同颈杆阻力但在吸收区域中具有相同体积容量的相同多孔材料制成的四个无源泵(P1、P2、P3和P4)。由于吸收区域的尺寸都相同，所以这些泵中的每个泵都具有类似的体积容量。图11还包括P1、P2、P3和P4的体积流量分布曲线图(分别为4.5μL/min、2.3μL/min、1μL/min和0.5μL/min)。
图12示出了由相同的多孔材料制成但是具有不同尺寸的吸收区域的三个无源泵(P1、P2和P3)。由于电阻颈杆的尺寸都相同，所以这些泵中的每个泵都具有类似的颈杆阻力。图12还包括P1、P2和P3的体积流量分布曲线图。
图13A和图13B示出了被集成到用于即时诊断测试的组件中的无源泵的示意图。图13A是所组装的组件的分解图，而图13B是其透视图。
图14A和图14B示出了根据一个实施方案，在一定时间段内具有一种流量，在给定时间内具有第二较低流量，并且在给定时间内最终具有第三更低流量的泵的示意图。
图14C示出了沿着泵的各个点A至F处的流量对时间的关系。各个点在图14B中示出。
图15A示出了根据一个实施方案的流量阶跃减少的混合泵。沿着顶部吸收区域和底部吸收区域方向的流动是附加的。
图15B示出了图15A所示的泵的流量对时间的关系。在时间A处，顶部区域和底部区域都在泵送。在时间B处，底部区域饱和并停止泵送，但顶部区域继续泵送。在微通道中建立阶跃减少的体积流量。
图16A和图16B示出了根据另一个实施方案的具有两个吸收区域的混合泵，其中延时元件在连接端口(流体入口)和其中一个吸收区域之间延伸。该泵被设计成在一定时间段内以一种流量泵送，一旦延时消除，则以较高的流量泵送一段时间。
图16C示出了图16A和图16B所示的泵在时间A至F处的流量对时间的关系。
图17示出了根据一个实施方案的在入口垫的两侧上具有用于堆叠的开放端口的泵的示意图。
图18A示出了根据一个实施方案的具有可堆叠在一起的已知泵送轮廓的泵形状。
图18B示出了图18A所示的呈组装构型的泵。
图18C示出了图18B所示的构型在时间A至D处的示例性流量对时间的关系。
图19示出了类似于图18B所示的复合泵的可堆叠复合泵，该复合泵可堆叠在微流体通道的末端以获得对流动的倍增效果。
图20是比较单个微流体泵和两个无源泵堆叠形成的复合泵的作为时间的函数的体积流量的曲线图。
图21是比较两个不同的复合泵(每个复合泵包括两个堆叠的泵子单元(P1+P3堆叠和P2+P4堆叠))的作为时间的函数的体积流量的曲线图。P1、P2、P3和P4各自包括对流体流提供不同阻力的阻力区域。如图21所示，通过以不同的方式组合这些泵子单元，可生成复杂的可编程流体流量分布。
图22A和图22B示出了堆叠可发生在除微流体通道末端之外的端口处。使用这种方法，可制造包括可拆卸吸收区域的泵。在这些泵中，可轻易地替换吸收垫，使得阻力区域(颈杆)与微流体通道连接，并且浸泡垫甚至可用于后续分析。
图23示出了具有多孔材料的泵的制造步骤的示意图，该多孔材料在不同区域具有不同的厚度。在该实施方案中，多孔介质的不同层的表面可渗透流体，以形成比阻力区域更厚的吸收区域。
图24示出了泵的制造步骤的示意图，以在保持泵的原有性质的同时减小泵的占有面积。在这种情况下，多孔介质的不同层的表面可渗透流体。
图25示出了示例复合泵，该复合泵包括设置在复合泵的两个流体连接的泵子单元的流体入口之间的可溶解膜。当流体最初吸入泵时(进入第一泵子单元的流体入口)，通过附接的微通道的流体流量由Q1控制(面板A)。一旦膜被冲破，流体可吸入两个泵，并且通过附接的微通道的流体流量由Q1+Q2控制(面板B)。
图26示出了复合泵，该复合泵包括设置在复合泵的两个流体连接的泵子单元的流体入口之间的可溶解膜并且可流体连接到例如微流体通道或即时诊断测试。面板A示出了最终组件的分解图。面板B是示出了通过附接的微流体设备的作为时间函数的流体流量的曲线图。
图27示出了包括插在泵(P4)的入口区域和类似泵设备(P9)的入口区域之间的可溶解PVA膜(D1)的复合泵的实验流量分布。P9与泵类似，因为它具有入口区域和吸收区域，但是不具有阻力区域。
图28示出了具有相同形状但由具有不同固有性质的多孔材料(F4、F597、Chr1、F1、F6和F5)制成的泵的流量分布。
图29示出了如何使用成形多孔材料来测量微流体通道的阻力的基本示意图。
图30示出了可随着流体阻力的增加来制造的微通道的示例性长度范围的示意图。
图31示出了给定的无源泵和校准拟合的假想数据。该校准曲线可用于通过测量填充时间来测试给定微通道的阻力。
图32示出了附接到不同阻力(低、中、高)的微通道的给定无源泵的假想吸入数据，以及每个泵的多孔材料的毛细管压力和渗透性的最佳拟合。
具体实施方式
通过参考以下对本发明所公开的主题、附图和其中所包括的示例的具体方面的详细描述，可以更容易地理解本文所述的方法和设备。
在公开和描述本发明的设备和方法之前，应当理解，下面所描述的方面并非意图通过本文所述的具体设备和方法限制其范围，而是旨在作出说明。除了本文所示和所述的那些之外，设备和方法的各种修改形式也旨在落入本文所述的范围内。另外，虽然仅具体描述了本文所公开的某些代表性设备和方法步骤，但是即便没有具体叙述，设备和方法步骤的其他组合也旨在落入本文所述的范围内。因此，步骤、元件、部件或组分的组合可在本文明确提及或不那么明确提及；然而，即使没有明确说明，也包括步骤、元件、部件和组分的其他组合。
本文所用的术语“包含”及其变型形式与术语“包括”及其变型形式同义使用，并且为开放、非限制性术语。虽然术语“包含”和“包括”已在本文用于描述各种示例，但术语“基本上由……组成”和“由……组成”可用于代替“包含”和“包括”以提供本发明的更具体的示例并且也被公开。除在示例中或者另有说明的地方之外，在说明书和权利要求书中所使用的表达成分的量、反应条件等的所有数字应理解为根据有效位数和普通舍入方法来解释。
如具体实施方式和所附权利要求中所使用的，单数形式“一个”和“所述”包括复数指代，除非上下文另有明确说明。因此，例如，对“一种组合物”的提及包括两种或更多种这种组合物的混合物，对“一种试剂”的提及包括两种或更多种这种试剂的混合物，对“该组分”的提及包括两种或更多种这种组分的混合物，等等。
“任选的”或“任选地”是指随后描述的事件或情况可以发生或可以不发生，并且该描述包括所述事件或情况发生的实例和不发生的实例。
本文所用的“多个”或“多个”被定义为两个或多于两个。
可以理解，在整个说明书中，标识符“第一”和“第二”仅用于帮助区分本发明所公开的主题的各个部件和步骤。标识符“第一”和“第二”并非旨在暗示由这些术语修饰的部件或步骤的任何特定顺序、数量、优选性或重要性。
而且，在整个说明书中，引用了各种出版物。这些出版物的公开内容据此全文以引用方式并入本申请中以更全面地描述所公开内容所属领域的现状。本发明所公开的参考文献所包含的材料也单独且具体地通过引用方式并入本文，这些材料在引用文献所依据的句子中进行了讨论。
无源泵
本文提供了微流体泵。所述泵(包括本文所述的混合泵和复合泵)制造简单，成本低廉，并且通过附接的微流体系统提供对流体流的简便和精确控制。另外，该泵是无源泵(即，不需要能量输入)，并且可被设计成一次性的、可生物降解的和/或易燃的。
在图1中示意性地示出了示例性无源微流体泵。泵(100)可包括流体入口(102)、吸收区域(106)、将流体入口和吸收区域流体连接的阻力区域(104)，以及封闭阻力区域、吸收区域或其组合的蒸发阻挡层(108)。阻力区域(104)可包括第一多孔介质(110)和流体非导电边界(112)，该流体非导电边界限定流体流从流体入口(102)通过第一多孔介质到吸收区域(106)的路径。吸收区域(106)可包括流体非导电边界(114)，该流体非导电边界限定第二多孔介质(116)的体积，该第二多孔介质的尺寸被设定成吸收从阻力区域吸入的预定体积的流体。阻力区域和吸收区域可被配置成当流体入口与流体接触时，建立从流体入口通过阻力区域前进到吸收区域的毛细管驱动流体前缘。
可以选择阻力区域和吸收区域的尺寸和性质以提供被配置成当流体连接到微流体设备时产生期望的流体流量分布的无源泵。例如，在某些实施方案中，阻力区域的尺寸被设定为使得对通过阻力区域的流体流的阻力大于对通过吸收区域的流体流的阻力。在一些实施方案中，对通过阻力区域的流体流的阻力可以为对通过吸收区域的流体流的阻力的至少五倍(例如，至少十倍、至少十五倍、至少二十倍、至少二十五倍或至少五十倍)。在某些情况下，对通过阻力区域的流体流的阻力可以为通过吸收区域的流体流的阻力的五倍至一千倍(例如，五倍至五百倍、五倍至一百倍、五倍至五十倍、五倍至二十五倍、五倍至二十倍或者十倍至二十倍)。
在这些实施方案中，当泵流体连接到微流体设备时，可以修改阻力区域的尺寸和性质以选择由该泵提供的流量。在某些实施方案中，在毛细管驱动流体从阻力区域前进通过第二多孔介质时，阻力区域被配置成提供从1nL/min至100μL/min(例如，从100nL/min至100μL/min、从1μL/min至100μL/min或者从1μL/min至10μL/min)的流体流量。在某些实施方案中，阻力区域可被配置成提供在5秒至7天(例如，从0.1分钟至90分钟)内能有效地将预定体积的流体输送到吸收区域的流体流量。
在某些实施方案中，阻力区域可具有任何合适的横截面形状。例如，阻力区域可具有圆形、正方形或矩形横截面。阻力区域的横截面积(例如，在矩形横截面的情况下由宽度和高度定义)可根据需要改变。在一些实施方案中，阻力区域可具有至少0.005mm2的横截面积(例如，至少0.01mm2、至少0.05mm2、至少0.1mm2、至少0.5mm2、至少1.0mm2、至少1.5mm2、至少2.0mm2、至少2.5mm2、至少3.0mm2、至少3.5mm2、至少4.0mm2、至少4.5mm2、至少5.0mm2、至少5.5mm2、至少6.0mm2、至少6.5mm2、至少7.0mm2、至少7.5mm2、至少8.0mm2、至少8.5mm2、至少9.0mm2或者至少9.5mm2)。在一些实施方案中，阻力区域可具有10.0mm2或更小的横截面积(例如，9.5mm2或更小、9.0mm2或更小、8.5mm2或更小、8.0mm2或更小、7.5mm2或更小、7.0mm2或更小、6.5mm2或更小、6.0mm2或更小、5.5mm2或更小、5.0mm2或更小、4.5mm2或更小、4.0mm2或更小、3.5mm2或更小、3.0mm2或更小、2.5mm2或更小、2.0mm2或更小、1.5mm2或更小、1.0mm2或更小、0.5mm2或更小、0.1mm2或更小、0.05mm2或更小或者0.01mm2或更小)。阻力区域可具有从上述任何最小值到上述任何最大值范围内的横截面积。例如，阻力区域可具有0.005mm2至10.0mm2的横截面积(例如，从0.1mm2至10.0mm2或者从1.0mm2至10.0mm2)。
阻力区域可例如在流体入口和吸收区域之间拉伸不同的距离(限定阻力区域的长度)。在一些实施方案中，阻力区域可具有至少0.1cm的长度(例如，至少0.2cm、至少0.3cm、至少0.4cm、至少0.5cm、至少0.6cm、至少0.7cm、至少0.8cm、至少0.9cm、至少1cm、至少2cm、至少2.5cm、至少3cm、至少4cm、至少5cm、至少10cm、至少15cm、至少20cm或更长)。在一些实施方案中，阻力区域可具有25cm或更短的长度(例如，20cm或更短、15cm或更短、10cm或更短、5cm或更短、4cm或更短、3cm或更短、2.5cm或更短、2cm或更短、1cm或更短、0.9cm或更短、0.8cm或更短、0.7cm或更短、0.6cm或更短、0.5cm或更短、0.4cm或更短、0.3cm或更短或0.2cm或更短)。阻力区域可具有从上述任何最小尺寸到上述任何最大尺寸范围内的长度。例如，阻力区域可具有从0.1cm到25cm的长度(例如，从0.1cm到10cm或从0.5cm到5cm)。泵的阻力区域不一定非得是直的。例如，阻力区域可呈螺线型。
同样，可以修改吸收区域的尺寸和性质以选择预定体积的流体，该预定体积的流体将以由阻力区域确定的流量泵送。吸收区域可制成任何合适的形状。例如，吸收区域可具有圆形、扇形、三角形、正方形或矩形覆盖区。吸收区域也可具有非矩形的横截面。在一些实施方案中，吸收区域的尺寸可被设定成吸收从阻力区域吸入的1μL至10mL(例如，10μL到10mL)的流体。
在一些实施方案中，吸收区域可以以可拆卸的方式连接到阻力区域。这样，可移除吸收区域(例如，一旦充满流体)，并且用新的吸收区域替换(例如，允许泵吸入另一体积的流体)。如果需要，可拆卸的吸收区域可用于例如收集多个流体部分以用于后续分析。在一些实施方案中，一个或多个吸收区域可包括分析试剂(例如，有利于检测从阻力区域吸入的流体中所关注的分析物的试剂)。在其他实施方案中，吸收区域不包括分析试剂。
形成本文所述的泵的区域的多孔介质可由任何合适的多孔材料形成。可根据许多因素来选择合适的多孔材料，包括将由泵运输的流体的种类(例如，含水流体或有机流体)和由泵引起的期望的流体流量分布。例如，多孔材料必须基本上不溶于由泵运输的流体。可根据具体应用选择孔尺寸和特征(例如，疏水性、抗侵蚀性)。例如，多孔材料可被预制和切割以实现所需的形状，多孔材料可利用蜡或墨水进行印刷以形成流体非导电边界，或者其可被引入到模具中并适当地聚合。
多孔材料可被设想为贯串有互连孔的基体(即，骨架部分)。一般来讲，相对于多孔材料在本文所述的无源泵中的性能，多孔材料可表征为三个主要特征：有效孔隙度、毛细管压力和渗透性。对于给定多孔材料，这些特征是固有的，或者是该材料与吸入流体的关系所固有的。一组主要特征对于给定应用可能是有用的。给定多孔材料—具有一组主要特征—然后可成形用于期望的功能。
有效孔隙度：有效孔隙度在本文中被定义为流体可填充的体积的百分比。该值可通过测量使给定多孔材料饱和所需的流体体积来确定。所添加的流体体积与多孔材料的初始总空间体积的比率就是有效孔隙度。在理想材料中，所述比率等于多孔材料的空隙体积与总空间体积的比率，并且与所使用的流体无关。
毛细管压力：随着流体通过多孔材料吸入，在润湿前缘生成的毛细管压力(Pc)是多孔材料的平均孔尺寸(rm)、界面张力(γ)和吸入流体的润湿角度(θ)的函数。前者与流体无关，而后两者则与流体有关。对于给定半径的毛细管，已经利用公式4对毛细管压力进行了描述。
渗透性：渗透性是多孔材料允许流体流动能力的量度。这与材料的孔隙度相关，但也取决于孔的形状和连通性。给定的多孔材料具有固有的渗透性，并且根据材料的构成，基于流动方向的渗透性中可能存在各向异性。
可改变多孔材料中的基体、平均孔尺寸和孔密度，以在流体、孔隙度和渗透性给定的情况下实现所需的毛细管压力。作为示例，纤维素纸材通常具有约60％的孔隙度和2μm至30μm的平均孔尺寸(取决于具体的纤维素纸材)。纤维素纸材可实现10-12m2至10-16m2的渗透性以及1kPa至100kPa的毛细管压力(用于将水吸入纸材)。
各种各样的多孔材料大体上都是合适的。本领域已知的合适的多孔材料包括例如多孔聚合物膜、玻璃纤维、烧结玻璃、玻璃珠、气凝胶、干凝胶、开孔泡沫和各种纤维素基质(例如，纸材、纤维素衍生物、织造纤维素材料、非织造纤维素材料及其组合)。在一些实施方案中，多孔材料可以是柔性的。对于某些应用，希望多孔材料可被折叠、折皱或换句话讲机械成形以赋予泵三维结构。
在一些实施方案中，泵可被配置成驱动水溶液流动，并且多孔材料可包括多孔亲水性材料。在某些实施方案中，多孔材料可包括纤维素基质(例如，纸材、纤维素(例如，棉纤维)、纤维素衍生物诸如硝化纤维或醋酸纤维素、织造纤维素材料、非织造纤维素材料或其组合)。
在某些实施方案中，该泵可以是纸质的泵(即，多孔材料可包括纸材)。纸材廉价、易得、易于图案化、薄、重量轻并且在处理时对环境影响最小。另外，各种等级的纸材都是可用的，从而允许选择具有期望用于特定纸质设备的制造的重量(即，克重)、厚度和/或刚度和特征(即，孔隙度、疏水性和/或渗透性)的纸材基质。合适的纸材包括但不限于层析纸、卡片纸、滤纸、牛皮纸、打印纸、包装纸、账簿纸、银行纸、债券纸、吸墨纸、绘图纸、青壳纸、棉纸、纸巾、蜡纸和摄影纸。
在一些实施方案中，本文所述的泵的多孔区域(例如，第一多孔介质和第二多孔介质)可以在单片基质材料中形成。在其他实施方案中，本文所述的泵的多孔区域(例如，第一多孔介质和第二多孔介质)包括彼此流体接触的单独的基质材料片(例如，彼此紧靠的单独的基质材料片)。在这些实施方案中，单独的基质材料片具有相同的厚度或不同的厚度。在一个示例中，形成第二多孔介质的基质材料片可以比形成第一多孔材料的基质材料片更厚(即，形成吸收区域的多孔介质可以比形成阻力区域的多孔介质厚)。在一些情况下，形成第二多孔介质的基质材料片和形成第一多孔材料的基质材料片不是共面的。在某些情况下，吸收区域是非平面的。例如，如果需要，吸收区域可被折叠或弯曲成三维形状以减小吸收区域的占有面积(并且通过延伸，减少泵的总体占有面积)。
本文所述的泵内的流体非导电边界可根据例如将由泵运输的流体的种类以及泵的制造方法变化。作为示例，在泵被配置成驱动水溶液流动的情况下，流体非导电边界可包括图案化在多孔材料上/内的疏水材料(例如，浸渍在多孔材料内并且/或者涂覆在多孔材料上)，以使多孔材料的一部分具有疏水性，从而抑制水溶液通过多孔材料的运输。合适的疏水材料的示例包括例如可固化聚合物、天然蜡、合成蜡、聚合光致抗蚀剂、烷基烯酮二聚物、烯基琥珀酸酐、松香、硅树脂、氟化试剂、含氟聚合物、聚烯烃乳液、树脂和脂肪酸或它们的组合。
作为示例，流体非导电边界可通过将疏水材料(例如，蜡)图案化在多孔材料(例如，纸材)层上而形成。例如，可使用喷墨打印机将蜡材料图案化在多孔材料上。许多类型的蜡基固体油墨可商购获得，并且由于油墨提供了流体非导电边界位置的视觉指示，因此这些油墨在此类方法中尤其有用。然而，应当理解，用于形成流体非导电边界的蜡材料不需要油墨来发挥作用。可使用的蜡材料的示例包括聚乙烯蜡、烃酰胺蜡或酯蜡。一旦蜡被图案化，可加热多孔材料(例如，通过将材料蜡面朝上放置在温度为120℃的电热板上)并且冷却至室温。这允许蜡材料基本上渗透多孔材料的厚度，从而在多孔材料内形成流体非导电边界。
在其他示例中，流体非导电边界可包括流体不能流经的气隙。在其他示例中，流体非导电边界可包括邻接多孔材料的流体不可渗透的材料(例如，聚合物膜)。在其他实施方案中，可选择性地使多孔材料改性(例如，通过共价反应)以形成流体非导电边界。作为示例，在泵被配置成驱动水溶液流动的情况下，可通过利用疏水剂(诸如疏水硅烷)共价地使多孔材料(例如，纸材)改性从而使多孔材料的区域(纸材内的区域)具有疏水性。
任选地，本文所述的泵还可包括影响通过泵的流体流的流动延时元件。流动延时元件可用于在流体实际到达无源泵的入口区域之后的某个时刻开始期望的流量或暂时延迟流动的持续。例如，如果样品加载或试剂温育需要额外的时间，则这种级别的控制可能是期望的。流动延时元件的示例包括可溶解溶质和可溶解膜，所述可溶解溶质设置在流体入口、阻力区域或其组合中，所述可溶解膜形成对通过泵的元件的流体流的阻挡层。
在一些实施方案中，泵还可包括可溶解溶质，该可溶解溶质设置在流体入口、阻力区域或其组合中。例如，可在泵的流体入口和/或阻力区域中干燥变化量的溶质以延迟流体运输。当流体吸入到流体入口和/或阻力区域时，干燥的溶质将被溶解，根据溶质浓度增加该区域中溶液的粘度。因为多孔材料的给定片段的阻力与流经该多孔材料的液体的粘度成正比，所以溶解的溶质能够显著增加无源泵中的阻力并降低体积流量。
由于阻力区域通常是通过泵的流量的控制器，因此一旦阻力区域中的流体不再含有浓缩的溶质，则流量增加并且泵“开启”。当溶解的溶质到达无源泵的吸收区域时，润湿前缘的横截面积增大，从而减小了粘性塞的长度。这降低了对流体流的总体阻力，使流量朝着由不含溶质的流体的阻力区域的阻力所确定的极限增加。
可使用各种合适的溶质。例如，可基于各种设计考虑(包括流进泵的流体的种类)来选择合适的溶质。尽管溶质可以是在吸入流体中溶解的任何固体，但优选在储存条件下以干燥形式稳定存在的溶质。例如，在一些实施方案中，溶质可以是有机小分子(例如，糖诸如蔗糖)或聚合物(例如，聚乙烯醇)。可沉积变化量的溶质，溶质沉积的量影响通过泵的流体流上的冲击大小。例如，可通过将溶质的溶液施加到流体入口、阻力区域或其组合，并使溶剂蒸发，留下干燥的溶质，从而在流体入口、阻力区域或其组合中沉积溶质。
在一些实施方案中，泵可包括可溶解膜，该可溶解膜形成对通过泵的元件的流体流的阻挡层。例如，泵可包括可溶解聚合物膜(例如，聚乙烯醇膜)，该可溶解聚合物膜跨过泵内的流体流路径设置。例如，泵可包括覆盖流体入口的可溶解聚合物膜，该可溶解聚合物膜设置在流体入口和阻力区域或其组合之间以形成对通过泵的元件的流体流的临时阻挡层。
泵还可包括蒸发阻挡层(例如，不可渗透的聚合物膜)，该蒸发阻挡层封闭阻力区域、吸收区域或其组合。在一些情况下，蒸发阻挡层可封闭阻力区域。在一些情况下，蒸发阻挡层可封闭吸收区域。在某些实施方案中，蒸发阻挡层可封闭阻力区域和吸收区域两者。在蒸发阻挡层封闭吸收区域的情况下，泵还可包括操作性地联接到吸收区域的通风口(例如，以在吸收区域充满流体时允许压力均衡)。
如果需要，本文所述的泵可在较大的微流体设备内整体地形成以提供对微流体设备内的流体的控制。在其他情况下，本文所述的泵可以是模块化的构造，并且被配置成易于附接到外部微流体设备。这样，本文所述的泵可以以“即插即用”的方式使用，以控制多种常规微流体设备中的流体流。在某些实施方案中，流体入口可被配置成与微流体通道流体连接。具体地讲，流体入口可具有便于泵与微流体设备(例如，外部微流体设备)附接的几何形状和构造。作为示例，流体入口可包括流体传导区域，该流体传导区域限定用于流体流至第一阻力区域的路径。流体传导区域可包括例如多孔介质，该多孔介质形成用于流体流至第一阻力区域的路径。流体传导区域还可包括提供用于流体流至第一阻力区域的路径的开放充气通道和/或导电材料(例如，玻璃纤维或玻璃棉)。
混合泵
在一些实施方案中，无源微流体泵还可包括第二(或更多)吸收区域。这种泵在本文称为“混合泵”。当流体连接到微流体设备时，这种泵可被设计成引起更复杂的流体流量分布。例如，在一些实施方案中，该泵该可包括第二阻力区域和第二吸收区域。第二吸收区域可与第一吸收区域并联或串联地流体连接。
在图2中示出了示例性混合泵(200)，该混合泵包括串联地流体连接的第二阻力区域(204)和第二吸收区域(206)。在这些实施方案中，第二阻力区域(204)可包括第三多孔介质(210)和流体非导电边界(212)，该流体非导电边界限定流体流从第一吸收区域(106)通过第三多孔介质到第二吸收区域(206)的路径；并且第二吸收区域(206)可包括流体非导电边界(214)，该流体非导电边界限定第四多孔介质(216)的体积，该第四多孔介质的尺寸被设定成吸收从第二阻力区域吸入的预定体积的流体。在某些情况下，该泵还可包括流动延时元件，该流动延时元件影响通过泵的流体流。例如，在一些实施方案中，该泵还可包括可溶解溶质，该可溶解溶质设置在第二阻力区域中。在一些实施方案中，该泵还可包括可溶解膜，该可溶解膜形成对从第一吸收区域到第二阻力区域的流体流的阻挡层。
在图3中示出了包括示例性混合泵(300)，该混合泵并联地流体连接的第二阻力区域(304)和第二吸收区域(306)。在这些实施方案中，第二阻力区域(304)可包括第三多孔介质(310)和流体非导电边界(312)，该边界限定流体流从流体入口(102)通过第三多孔介质到第二吸收区域(306)的路径，并且第二吸收区域(306)可包括流体非导电边界(314)，该流体非导电边界限定第四多孔介质(316)的体积，该第四多孔介质的尺寸被设定成吸收从第二阻力区域吸入的预定体积的流体。在某些情况下，该泵还可包括流动延时元件，该流动延时元件影响通过泵的流体流。例如，在一些实施方案中，该泵还可包括可溶解溶质，该可溶解溶质设置在第二阻力区域中。在一些实施方案中，该泵还可包括可溶解膜，该可溶解膜形成对从流体入口到第二阻力区域的流体流的阻挡层。
在一些实施方案中，混合泵可包括三个或更多个吸收区域。例如，混合泵可包括经由阻力区域并联地流体连接的三个或更多个吸收区域。混合泵还可包括经由阻力区域串联地流体连接的三个或更多个吸收区域。在一些情况下，混合泵可包括以并联和串联两种方式流体连接的吸收区域。例如，在一些实施方案中，混合泵可包括经由阻力区域并联地流体连接的两个或更多个吸收区域，以及经由阻力区域串联地流体连接的两个或更多个吸收区域。
复合泵
本文还提供了复合泵，该复合泵包括本文所述的多个流体连接的泵或混合泵。当流体连接到微流体设备时，此类泵可被设计成引起更复杂的流体流量分布(可编程流量)。所述多个泵可并联地流体连接，串联地流体连接，或者与以并联和串联两种方式地流体连接的泵流体连接。在一些实施方案中，多个泵可包括串联地流体连接的两个或更多个泵。在一些实施方案中，多个泵可包括并联地流体连接的两个或更多个泵。在某些实施方案中，多个泵可包括串联地流体连接的两个或更多个泵以及并联地流体连接的两个或更多个泵。
所述多个泵可以以任何合适的方式流体连接。在某些实施方案中，所述多个泵堆叠在平行平面中。任选地，复合泵还可包括一个或多个流动延时元件，该流动延时元件影响通过复合泵(例如，进入多个流体连接的泵中的至少一者)的流体流。例如，在一些实施方案中，该泵还可包括可溶解溶质，该可溶解溶质设置在复合泵中的泵的流体入口，复合泵中的泵的阻力区域或其组合中。在一些实施方案中，该泵还可包括可溶解膜，该可溶解膜形成对复合泵中的多个泵中的两个泵之间的流体流的阻挡层。
微流体设备
还提供了一种微流体设备，该微流体设备包括本文所述的一个或多个无源泵。示例性微流体设备可包括微流体通道和本文所述的泵(例如，泵、混合泵和/或复合泵)，所述微流体设备将流体入口流体连接到流体出口，所述泵流体连接到微流体通道的流体出口(例如，使得当流体入口与流体接触时，所述泵引起流体流通过微流体通道)。在一些情况下，泵的流体入口可与微流体通道的流体出口直接接触。
在某些实施方案中，泵可被配置成以基本上连续的流量在至少0.1分钟(例如，至少0.5分钟、至少1分钟、至少5分钟、至少10分钟、至少30分钟、至少60分钟或更长时间)的时间段内驱动流体流通过微流体通道。在其他实施方案中，泵可被配置成以可变流量在至少10分钟(例如，至少30分钟、至少60分钟或更长时间)的时间段内驱动流体流通过微流体通道。可变流量可包括例如阶跃增加的流量或阶跃减少的流量。
使用方法
还提供了使用本文所述的泵(包括混合泵和复合泵)的方法。本文所述的泵可用于引起流体流通过附接的微流体设备(例如，以实现设定体积的受控流量并且/或者实现通过设备的多个预定的流量)。因此，还提供了用于引起流体流通过微流体设备的方法，该方法包括将本文所述的泵流体连接到微流体设备的流体出口；并使微流体设备的流体入口与流体接触。在一些实施方案中，泵可直接连接到微流体设备的流体出口。
在某些实施方案中，泵可被配置成以基本上连续的流量在至少0.1分钟(例如，至少0.5分钟、至少1分钟、至少5分钟、至少10分钟、至少30分钟、至少60分钟或更长时间)的时间段内驱动流体流通过微流体通道。在其他实施方案中，泵可被配置成以可变流量在至少10分钟(例如，至少30分钟、至少60分钟或更长时间)的时间段内驱动流体流通过微流体通道。可变流量可包括例如阶跃增加的流量或阶跃减少的流量。
所述泵(包括本文所述的混合泵和复合泵)也可用于过程控制应用。例如，本文所述的泵可用于确定微流体通道的流体阻力，以测量微流体通道的高度，从而量化多孔材料诸如纸材的性质(例如，渗透性)并且/或者量化未知流体的性质(例如，粘度)。
制造复合泵的方法
鉴于本文所述的泵的模块化特性，单独的模块化泵可轻易地组装以形成复合泵，以在微流体通道内提供预定的流体流量。因此，还提供了组装无源复合泵的方法，该无源复合泵被配置成在微流体通道内提供预定的流体流量。这些方法可包括将本文所述的一个或多个泵(在本文中称为“泵子单元”)流体连接到流体入口以形成无源复合泵，所述一个或多个泵被成形用于在与流体接触时引起特定的流体流量。每个泵子单元可包括阻力区域，该阻力区域包括：第一多孔介质和流体非导电边界，该流体非导电边界限定流体流从流体入口通过第一多孔介质到吸收区域的路径，以及吸收区域，该吸收区域包括限定第二多孔介质的体积的流体非导电边界，所述第二多孔介质的尺寸被设定成吸收从阻力区域吸入的预定体积的流体。任选地，每个泵子单元可封闭在蒸发阻挡层内。
在一些实施方案中，组装无源复合泵的方法可包括流体连接两个或更多个泵子单元。在一些实施方案中，所述方法可包括串联地流体连接两个或更多个泵子单元。在一些实施方案中，所述方法可包括并联地流体连接两个或更多个泵子单元。在某些实施方案中，所述方法可包括串联地流体连接两个或更多个泵子单元，并且并联地流体连接两个或更多个泵子单元。在某些实施方案中，流体连接泵子单元可包括堆叠泵子单元以形成流体入口。在这些实施方案中，流体入口可包括流体传导区域，该流体传导区域延伸穿过堆叠中的泵子单元并且限定用于流体流至每个泵子单元的第一阻力区域的路径。流体传导区域可包括例如多孔介质，该多孔介质形成用于流体流的路径。流体传导区域还可包括提供用于流体流的路径的开放充气通道和/或导电材料(例如，玻璃纤维或玻璃棉)。在一些实施方案中，所述方法还可包括将可溶解膜设置在堆叠中的泵子单元之间(例如，横切流体入口)以形成对复合泵中的泵子单元之间的流体流的阻挡层。
以非限制性说明的方式，下文给出了本公开的某些实施方案的实施例。
实施例
材料和方法
如上所述，本文所述的无源泵的吸收区域和阻力区域由多孔材料形成。该多孔材料可成形为提供特定应用所需的流体流的流量和体积。流体入口可由相同的多孔材料或其他材料构成，既可以是多孔的也可以是非多孔的。可选择这些材料以有利于将泵流体连接到外部流体源(例如，微流体设备)。流体入口原则上可适于将泵连接到任何人们希望通过其控制流体流量的流体源，包括但不限于微流体通道或管道。还准备了包括多个吸收区域的泵(本文称为“混合泵”)以及复合泵(包括多个流体连接的泵和/或混合泵的多泵组件)。如下所示，混合泵和复合泵可用于以各种预编程的流量泵送流体，这种泵送方式比在设定时间内以单一流量进行简单连续流动更为复杂。
对于原理论证实验，将层析纸(例如，Whatman#1层析纸)、滤纸和商业制备的硝化纤维膜用作制造泵部件的多孔材料。尽管以下示例参考了纸材，但应当理解，其他多孔材料(如上所述)也可用于制造本文所述的泵。激光切割在来自美国优利激光(Universal LaserSystems)的VLS3.60激光切割平台上执行；然而，成形多孔材料的其他方法也是合适的。为方便起见，使用思高牌(Scotch)热层合袋(信件尺寸和照片尺寸)，利用思高牌热层合机(2个辊，最大宽度9”)执行多孔材料的层合。根据所使用的热袋的要求改变层合机设置(3密耳与5密耳)。所使用的切绘机来自日图(Graphtec)(型号#CE6000-40)。透光的双轴取向聚苯乙烯膜(125μm)来自顾特服有限公司(Goodfellow,Inc.)。所使用的双面粘合剂来自3M公司。单面思高牌胶带来自3M公司。用于层合、切割和附接的其他方法同样适用。
在这些实验中所使用的吸入流体是掺有蓝色食用色素(酸性蓝9，超值牌什锦食用色素(Great Value))的去离子水，以有助于在流体的润湿前缘和/或滞后边缘进行视觉对比。可使用各种吸入流体，包括临床流体、环境水样、细胞培养基、饮料、食物匀浆以及含有各种溶质或颗粒的水溶液或有机溶剂。各种合适的纸材、多孔材料、涂层材料、机械和吸入流体可被组合用于其他实施方案。
通过多孔材料片段的建模流动
虽然不是完美的模拟，但是通过泵的流体流可以以类似的方式建模为电路，其中通过给定部件的体积流量(Q)等于跨过部件的压力差(ΔP)除以其流动阻力(Rt)(公式1)。在纸材和许多其他多孔材料的情况下，由于流体通过多孔材料的孔吸入的表面张力，在润湿前缘存在毛细管压力。这种毛细管压力作用于流体，以将其拉向多孔材料的未润湿区域(即，吸入)。流体与润湿前缘后面的多孔材料基体之间的相互作用阻碍了流动。因此，随着完全润湿的片段长度的增加，阻力也同样增加。对于给定的毛细管压力和增加的阻力，流量随时间推移减小
如图4A所示，我们可以通过将整个矩形片段沿着流体流的方向分成单独的阶梯并逼近每个阶梯的阻力和体积容量，从而在1D模型中对该流动进行建模。该一阶模型假定多孔材料在润湿前缘之后是完全饱和的，并且预测一组流体和多孔材料的润湿前缘的位置作为时间的函数。完全润湿的矩形片段的阻力Rp已经用公式2进行了描述，其中Lp、wp和hp是矩形片段的长度、宽度和高度。值μ和K分别是流体的粘度和流动的渗透性。给定片段的体积容量(有效空隙容积)Vc可利用公式3来描述，并且是纸材或其他材料的有效孔隙度。
Vc＝φhpLpwp 公式3
可以通过将湿纸的每个片段的电阻串联相加，来近似估计纸材的最多至润湿前缘的总电阻。另外，可以近似估计尚未打湿的第一片段的体积容量。可以通过使用计算出的压力差和流体源与润湿前缘之间的电阻来计算润湿前缘的给定位置处的体积流量，如公式1所述并且如图4B所示。压力差(ΔP)包括毛细管压力(在此模拟为给定纸材和流体的常数)以及任何附加压力源(流体静压力、其他拉普拉斯压力等)。可以通过使用计算出的体积流量来确定填充下一个片段的体积容量的时间来计算前缘将有效地在给定位置处的时间。体积流量(Q)、总电阻(Rt)和压力随后各自是一维润湿前缘位置的函数，如图4C所示。该模型表明其预测了给定长方形纸条的沃什波恩(Washburn)流的特征曲线，如图4C所示。图5示出了通过矩形和非矩形形状的吸入如何可以被表示为作为一维模型的润湿前缘位置的函数的润湿前缘的有效宽度。
无源泵的制造方法
图6示出了用于制造成形的层合纸泵的示例性方案，并且图7示出了根据图6中概述的方案组装的示例性泵。首先，使用切绘机在层合袋的一个面上切出孔(例如，3mm内径)。这些孔用于提供进入最终组件的入口区域的通道。针对给定层合袋来设定矩形Whatman色谱1纸材的尺寸，将其放置在袋中并穿过层压机(例如，使用5密耳设置)。在使层合板冷却之后，使用激光切割机从这些层合板切出设计的形状。将纸材设置在切割机中，使得入口区域的实际中心与要切割的形状的入口区域的预期位置匹配。然后，使用尽量避免纸材炭化的设置执行该切割。在这个阶段，这些叠合形状的纸材的边缘对大气环境是敞开的。
为了使蒸发最小化，并在流体吸入时仍然为空气提供逸出，可以对组件进行某些修改。例如，可以在纸材的边界周围保持气隙。组件中的纸材，包括气隙，可以从外部大气覆盖以使蒸发效应最小化，使得在这个密封只有一个小通风口来实现压力平衡。也可以使用防止从吸收区域和阻力区域蒸发的其他方法。对排气的需求同样可以取决于具体的设备设计和应用。
图8示出了用于制造成形的层合纸泵的替代方法。在图8中概述的方案涉及三个步骤，这不同于上文关于图6所示的方案所述的六个步骤。如步骤1所示，使用激光切割机从一张纸或其他多孔介质中切出泵阵列。将该阵列中的泵联接在一起，以使泵一起移动并保持它们相对于彼此的间距。在步骤2中，将切割好的纸材插入层合材料的袋中(或两张之间)，并将层合材料通过层压机。然后，在步骤3中，在每个泵中切出入口孔和通气孔，并且切出分隔每个泵的网格线。
在步骤1期间，在吸收区域和阻力区域周围并与其间隔开地限定纸的晕圈，以在形成流体非导电边界的多孔材料周围提供气隙。当切割通风开口时，晕圈的联接到吸收区域的部分被去除，这防止了晕圈与泵的吸收区域流体连通。气隙与通风开口连通。如图8所示，从单片多孔介质材料切出的泵可具有面积相同或不同的吸收区域，以及面积和/或长度相同或不同的阻力区域。
测量流量的方法
通过在入口区域添加流体(例如，45μL)并追踪作为时间函数的吸收来执行流动研究。在该实施例中使用的流体是含有酸性蓝9的去离子水。用iPhone拍摄了吸入成各种形状的延时视频，并且视频中包括了秒表以用作时间的绝对量度。使用ImageJ(http://imagej.nih.gov/ij/)来分析各个帧以测量在不同时间点从入口区域中心到润湿前缘的像素数量。了解相关形状的长度，从而将像素转换为毫米。对于每种形状，将实际位置与建模位置相对于时间的关系进行比较。在另一种方法中，通过将泵连接到微流体通道和/或管道并跟踪上游流体滞后边缘的位置来确定给定泵的流量分布。
本领域的技术人员将容易理解的是，可以使用各种方法例如光学或电化学方法来跟踪通过多孔介质的流体的吸入，包括但不限于在多孔介质中而不是在流体中(如上所讨论的)使用染料介质，以及在多孔介质内使用将在与流体相互作用时发射信号的电极。
示例性无源泵
成形多孔材料组件可以用作微流体设备的无源泵。无源泵不需要外部电源或管道将其连接到微流体设备。如果需要，可以在微流体设备上制造无源泵组件和/或将无源泵组件集成在微流体设备内以提供流体控制。或者，泵可以被配置成附接到单独的微流体设备。例如，可以以模块化的方式来构造泵(例如，作为单个一次性单元)，然后可以将泵流体连接到微流体设备。在这些情况下，例如，如果需要长时间的泵送(例如几天)，或者随着时间推移收集顺序样品来进行进一步的分析，则可以用新的泵来替换用过的泵。泵可以被制造成一次性的、可生物降解的和/或可燃的。另外，这些泵可以被设计成占据非常小的占有面积。
根据设计，泵可以提供nL/min至μL/min范围内的流量，并且可以被编程为在泵送固定体积的液体后停止流。这些可编程的泵是低成本的，并且可以采用“即插即用”方式与各种常规的微流体设备一起使用。例如，图9示出了为示例性即时荧光分析收集的实验数据，该分析是在使用常规注射泵提供的变化的流量下执行的。由固定在微通道底部的波导上的抗体微阵列的靶标结合斑点产生荧光强度。如图9所示，增加的流量使结合率(荧光强度相对于时间的斜率)增大。此外，持续流提高了诊断试验的灵敏度。这里描述的泵可以与即时试验中的微流体通道集成以产生与注射泵相同类型的流，并且在没有功率需求、额外费用和技术复杂性的情况下产生提高的灵敏度。
实施例1：为微流体设备产生稳定流速的单个泵
可将无源泵连接到微流体通道的出口。多孔材料中的流体的负毛细管压力可以导致压差，该压差驱动流体流从微通道入口处的贮存器通过微通道并进入泵中。无源泵可以由任何形状的多孔材料(诸如纸)形成，可以包括多达三个限定的区域：(a)连接到微通道的出口的流体入口(例如入口区域)，(b)阻力区域(例如电阻颈杆)，和(c)吸收区域。入口区域(a)被设计成提供用于到微流体通道的出口的可再现的连接。对于给定的多孔材料，电阻颈杆(b)的尺寸控制了流量。颈杆的电阻可以通过增加颈杆的长度和/或减小颈杆的横截面积来增加。对于具有矩形横截面的颈杆来说，这可以通过减小颈杆的厚度和/或减小颈杆的宽度来完成。吸收区域(c)的空隙体积控制了可被吸收的体积。泵工作的时间对应于可被吸收的体积和由颈杆限定的流量。在图10中，为吸收区域使用了圆形占有面积，但是包括但不限于三角形或径向片段的其他形状也是可能的。附接到传统微流体通道的示例性无源泵示于图10A中，并且用于该泵的模拟电路示于图10B中。希望的进入该泵的流体流在图10C中示出，其中入口区域首先被润湿，然后流体沿着电阻颈杆向下流动并最终进入吸收区域。
典型地，这些无源泵的流量可以被编程为介于低于1nL/min至大于100μL/min。为了使用这种基本泵设计达到最低的流量，可以将颈杆的阻力可以提高到高水平。只要该颈杆的阻力高于微通道的预期阻力，特定的泵设计将在各种不同几何形状的微通道中产生相同的流量。这有效地使其成为已知流体的“即插即用”泵。在这些情况下，该泵类似于理想的电流源。
为了使用基本泵设计达到最大的流量，可以将颈杆的阻力最小化。在微流体通道和吸收区域之间具有最小阻力区域的情况下，无源泵的体积流量可以取决于微通道的阻力。
颈杆阻力对体积流量的影响可以在图11中看出。实验上，使用层合Whatman#1色谱纸制造了具有不同颈杆阻力的四个无源泵(P1、P2、P3和P4)。测量了每个泵的体积流量分布曲线(分别为4.5μL/min、2.3μL/min、1μL/min和0.5μL/min)。由于吸收区域的尺寸都相同，所以这些泵中的每个泵都具有类似的体积容量。因为每个泵保持相同的体积(在流量分布曲线下的面积相同)，所以每个泵泵送不同的时间长度(时间长度随着颈杆阻力一起增加)。因为颈杆的阻力远大于吸收区域的阻力，所以一旦流体前缘到达吸收区域，体积流量就有效地保持恒定。
改变吸收区域的面积对体积流量的影响可以在图12中看出。由于电阻颈杆的尺寸都相同，所以这些泵中的每个泵都具有类似的颈杆阻力。颈杆的阻力仍远大于吸收区域的阻力。因此，一旦流体前缘到达吸收区域，体积流量就有效地保持恒定。图12显示，对于每个泵，流量实际上是相同的，但是每个泵吸收的体积(在流量分布曲线下的面积)和泵送的对应时间随着吸收区域面积的增加而增加。实验上，使用层合Whatman#1色谱纸制造了类似于图12所示的无源泵的无源泵，并且每个泵具有相同的电阻器尺寸。
图13A和图13B示出了显示可以如何将无源泵包括在即时诊断试验中的示意图。图13A示出了图13B所示的最终诊断试验的分解图。从底部到顶部，存在以下部件：捕获剂可以在其上被照亮的平面波导、具有作为微流体通道的开口的双面粘合剂层、充当具有入口孔和出口孔的微流体通道的顶部的膜、有孔的双面粘合剂，其将膜上微通道的入口孔和出口孔分别与入口贮存器(左侧)和无源泵(右侧)连接。
图13B的组件可以允许将样品装载在入口贮存器中，并且无源泵将引起该样品流动通过微流体通道并且穿过固定的捕获剂达到由泵的设计限定的体积和流量。这种被引起的流可以被编程为使捕获剂上的靶标耗尽层最小化并且使诊断试验的灵敏度最大化。可为其他应用使用类似的组件。
实施例2：无源泵的可编程时间延迟
本实施例通过实验演示了如何将时间延迟引入由无源泵组件产生的流量分布曲线。这样的流动延时可以用于在流体实际到达无源泵的入口区域之后的某个时刻开始期望的流量或暂时延迟流动的持续。例如，如果样品加载或试剂温育需要额外的时间，则这种级别的控制可能是期望的。可以在泵的流体入口和/或阻力区域中干燥变化量的蔗糖或聚乙烯醇(或功能上等同的材料)以延迟流体输送。当流体诸如水吸入到流体入口和/或阻力区域时，干燥的溶质将被溶解，根据溶质浓度增加该区域中溶液的粘度(表1)。可以选择不同的溶质，特别是使用除水以外的流体时；在该实施例中描述了在泵的阻力区域中干燥的蔗糖的使用。
表1：各种蔗糖溶液在20℃的粘度
％蔗糖(w/w) 粘度(cP)
0 1
20 1.94
40 6.15
50 15.4
60 58.37
由于湿纸的给定片段的阻力与液体的粘度成正比(公式2)，所以溶解的蔗糖能够显着增加无源泵中的阻力并降低体积流量。
由于颈杆被设计成流量的控制器，所以一旦颈杆中的流体不再含有浓缩的蔗糖，则流量增加并且泵“开启”。当溶解的蔗糖到达无源泵的吸收部分时，润湿前缘的横截面积增大，从而减小了粘性塞的长度。这降低了对流体流的总体阻力(公式2)，使流量朝着由不含蔗糖的流体的颈杆阻力所确定的极限增加。
实施例3：以减少的步骤改变流量的混合泵组件
对于一些应用，可以希望以给定时间泵送给定流量，然后在第二给定时间将流量降低到另一个流量。对于一些应用，还需要多个顺序的流量(增加或减少)。包括多个阻力区域和吸收区域的混合泵可以用来提供这样的流量。例如，多个吸收区域可以经由阻力区域串联地流体连接，如图14A和图14B所示。在该实施例中，当前缘位于泵入口区域和第一吸收区域的远端之间时，泵将产生的流量看起来与不具有区段C、D、E和F的泵相同。
一旦流体前缘到达第二阻力区域(C)，由于第二阻力区域相对于第一吸收区域(B)的阻力增加，流量将减小。一旦流体到达第二吸收区域(D)，流量将再次恒定。对于串联地流体连接的附加阻力区域/吸收区域，该流动行为将继续发生。
混合泵组件还可以包括经由阻力区域并联地流体连接的多个吸收区域。图15A和图15B示出了产生随着时间推移阶梯减小的流量的这种混合泵的实施例。在该实施例中，同一平面上的两个阻力区域从单个流体入口(入口区域)延伸。每个阻力区域流体连接到吸收区域。当流体流入泵并到达吸收区域时，从流体源到泵的时间依赖性流动实际上是每个吸收区域(R1和R2)中的时间依赖性流动的总和。图15B中所示的流量与时间的关系是针对图15A所示的泵。在时间A处，流体吸入到两个吸收区域(R1和R2)的多孔材料中。在时间B处，吸收区域1(R1)饱和并停止泵送，而另一个吸收区域(R2)继续泵送流体。这样的泵将产生体积流量，该体积流量在与流体入口流体连接的微通道阶梯减小。
实施例4：以增加的步骤建立流量的混合泵
混合泵也可以被设计成在一定时间段内以一种流量泵送，然后以更高的流量泵送一段时间。能够产生这种流量的泵可以包括经由阻力区域并联地流体连接的多个吸收区域。图16A至图16C示出了产生随着时间推移阶梯增大的流量的这种混合泵的实施例。该泵包括两个阻力区域，这两个阻力区域各自从单个流体入口(入口区域)延伸，流体连接到吸收区域。如果两个阻力区域的尺寸被设计成原本对流体流表现出不同的阻力，并且较低的阻力区域具有引入的时间延迟(例如，设置在电阻颈杆中的可溶解溶质，或设置在阻力区域和流体入口之间的可溶解聚合物膜，诸如聚乙烯醇膜)，混合泵将首先以较低的流量泵送(通过对流体流具有较大阻力的阻力区域)。然后，在产生延时的可溶解溶质溶解并且粘性塞从第二电阻区流出并进入吸收区域之后，流体将以较高的流量泵送。
实施例5：建立完全可编程的流的复合泵
代替使用在多孔材料的连续片材上设计有多个泵送区域的混合泵来实现可编程的流量，可以堆叠多个层合共面阻力区域和吸收区域(在本文中称为泵子单元)以形成单个复合泵。每个共面层内的各个泵子单元可以通过跨越堆叠子单元的高度的单个流体入口流体连接，如图17和图18A至C所示。
为了产生更复杂的流量分布曲线，可以将这些子单元泵堆叠在微流体通道的远端。这可以用于通过原本由于泵子单元之间的空间的物理限制或者由于需要将整个泵集成到特定的微流体设备中而可能不可能使用同一平面中的泵的集合的方式来附接子单元泵。产生时间延迟的溶质可以被集成到将在流动过程中稍后启动的适当子单元泵的阻力区域中。也可以通过在堆叠中的两个子单元泵之间(例如在堆叠泵组件的共面层之间的流体入口内)插入可溶解材料层(例如，聚乙烯醇膜)来产生时间延迟。在这种方法中，将流体引入流体路径中在可溶解材料层之后的部件将被延迟。
每个子单元泵的体积流量与时间的关系在这种设置中是递增的，以便改变微流体通道中的体积流量。图18A和图18B示出了堆叠的子单元泵的实施例。在该实施例中，子单元泵B、C和D在颈杆有时间延迟，以在不同的时间开始。由于流量与时间的关系是递增的，所以这个堆叠可以产生图18C所示的分布曲线。
泵组件也可堆叠，以便在最小的空间内实现最大的体积流量。图19示出了如何在微流体通道的末端堆叠示例性纸泵(N个子泵)以获得流动的倍增效果(N倍)。图20是比较单个微流体泵和堆叠形成复合泵的两个无源泵的作为时间的函数的体积流量的曲线图。图21是比较两个不同的复合泵(每个复合泵包括两个堆叠的泵子单元(P1+P3堆叠和P2+P4堆叠))的作为时间的函数的体积流量的曲线图。P1、P2、P3和P4各自包括对流体流提供不同阻力的阻力区域。通过以不同的方式组合这些泵子单元，可生成复杂的可编程流体流量分布。
而且，如图22A和图22B所示，可以在单个微流体通道上填充和更换泵。在该实施例中，可以容易地更换吸收区域，使得阻力区域与微流体通道连接，以保持恒定的流动。如果收集的流体是所关注的，那么填充的泵甚至可以用于随后分析在预定的时间间隔收集的样本。
实施例6：在特定区域内具有不同高度的泵
泵可以被制造成包括不同厚度的区域。因为多孔材料的阻力与垂直于流动方向的面积成反比，所以增加多孔材料某些区域的高度可能是有利的。例如，对于泵的吸收区域的高度高于阻力区域的高度可能是特别有用的，以使得当润湿前缘处于吸收区域时，泵更加恒定。图23示出了使用色谱纸作为多孔材料的实施例，但是这可以用于任何平面多孔材料。这里，设计被切割成一张纸，其中吸收垫的覆盖区的副本彼此平铺。在平铺的覆盖区之间，用激光切割机将多孔材料穿孔以便于折叠。在沿着折痕折叠之后，覆盖区与没有吸收垫的额外平铺覆盖区的情况相同，但吸收垫比泵中的其他区域更厚。在这个具体实施例中，在吸收垫的平铺占有面积的面之间没有障碍物。
实施例7：减小给定泵的占有面积的可折叠泵
可以修改泵的吸收区域的三维形状以减小给定泵的占有面积而不改变泵的输送特性。在这种情况下，多孔材料是色谱纸，并且在多孔材料的两个面上都有不透流体的层。这可能是有用的一种情况是如果吸收区域明显比泵的其他部分和/或其打算装入的容器要大。在像这样和其他的情况下，吸收区域可以折叠到其本身上以减小其占有面积(图24)。在不允许流体渗透的表面上，吸入的流体遵循流路，就好像它没有被折叠并且以相同的流量分布被泵送。
实施例8：使用可溶解膜的可编程延时
还可以使用可溶解膜引入时间延迟。在这些情况下，可以将可溶解膜设置在泵或复合泵中的多孔或非多孔材料的相邻部分之间(例如，在复合泵中的两个泵的流体入口垫之间)。尽管可溶解膜保持完整，但其可用作泵或复合泵的这些相邻部分之间(例如，在复合泵中的两个流体连接的泵的流体入口垫之间)的流体流的阻挡层。然而，一旦膜破裂，流体就可以在泵或复合泵的相邻部分之间流动。
用于含水流体的合适的可溶解膜可由聚乙烯醇(PVA)形成。PVA是一种水溶性聚合物，可以浇铸成膜/片材。可以从这些膜制成盘并将盘插入堆叠泵的入口区域之间。当暴露于PVA可溶于其中的溶剂时(例如，水)，膜将开始溶解。一旦膜破裂，流体就会进入堆叠泵的干燥区域。这有效地提供了在某些泵(处于延迟的下游的那些泵)打开之前的延迟时间。可以通过诸如调节膜的厚度的方法来控制该延迟时间。
图25示出了示例复合泵，该复合泵包括设置在复合泵的两个流体连接的泵子单元的流体入口之间的可溶解膜。当流体最初吸入泵时(进入第一泵子单元的流体入口)，通过附接的微通道的流体流量由Q1控制。一旦膜被冲破，流体可吸入两个泵，并且通过附接的微通道的流体流量由Q1+Q2控制。
图26示出了复合泵可以如何流体连接到例如微流体通道或即时诊断试验，该复合泵包括设置在复合泵的两个流体连接的泵子单元的流体入口之间的可溶解膜。面板A示出了最终组件的分解图。面板B是示出了通过附接的微流体设备的作为时间的函数的流体流量的曲线图。
图27示出了包括插在泵(P4)的入口区域和类似泵设备(P9)的入口区域之间的可溶解PVA膜(D1)的复合泵的实验流量分布。P9与泵类似，因为它具有入口区域和吸收区域，但是不具有阻力区域。在膜破裂之前，P4以大约1μL/min的速度驱动流体。一旦膜破裂，P9就被流体连接并且同样驱动流体。此时，体积流量明显增加。复合泵继续以此增加的流量泵送，直到P9饱和并停止驱动流体。此时，P4再次成为流体的唯一驱动器，并且体积流量恢复到大约1μL/min的流量。
实施例9：使用不同多孔材料制备的泵
泵可以由具有各种性质(例如毛细管压力、孔隙度和渗透性)的多孔材料制备。这些性质对流量分布有影响。例如，如果需要泵的占有面积是固定尺寸，则可以选择这些性质以实现给定流体/微通道的期望的流量分布。在其他实施例中，可以选择平均孔尺寸大于预期在流体中的颗粒的材料以避免堵塞。
图28示出了具有相同形状但由具有不同固有性质的多孔材料制成的泵的流量分布。在该实施例中，这些是具有不同平均孔尺寸和厚度的不同类型的纸材。使用了一系列沃特曼纸(F4：滤纸#4，F597：滤纸#597，Chr1：色谱纸#1，F1：滤纸#1，F6：滤纸#6，F5：滤纸#5)。这些纸材的基体由相同的材料(纤维素)制成。但是，这些纸材具有不同的平均孔尺寸、孔隙度和厚度。因此，它们具有不同的渗透性并产生独特的毛细管压力。这些多孔材料被结合到具有类似于图7所示的横截面的泵中。对于相同的泵占有面积，不同类型的纸材(具有其独特的性质)产生独特的流量分布。
在过程和质量控制中使用无源泵组件
所述泵(包括本文所述的混合泵和复合泵)也可用于过程控制应用。例如，本文所述的泵可用于确定微流体通道的流体阻力，以测量微流体通道的高度，从而量化多孔材料诸如纸材的性质(例如，渗透性)并且/或者量化未知流体的性质(例如，粘度)。
实施例10：量化未知流体粘度的微流体设备组
本文描述的无源泵可以与简单的微流体设备结合使用以确定未知流体的粘度。微流体设备可以包括将流体入口流体连接到流体出口的微流体通道。微流体通道可以包含预先加载的流体。已经充分表征用于吸入预先加载的流体的泵的流体入口可以流体连接到微流体设备的流体出口。可将未知流体添加到微流体设备的流体入口，并且使该设备启动以使预先加载的流体与无源泵接触。
无源泵将引起流体流入微流体通道。泵引起流体流动的速率将与对流体流的总阻力(总阻力是泵的阻力、预先加载的流体的塞的阻力以及未知流体塞的阻力的总和)成反比。为了使流量对未知流体的粘度敏感，总阻力应主要由未知流体流动的区域控制。这可以通过泵、预先加载的流体和微流体通道的适当设计来实现。阻力将与未知流体的粘度成正比。因此，可以测量泵送的速率和/或泵送的时间并且将其与校准曲线进行比较以量化未知流体的粘度。
实施例11：用于微流体设备的欧姆计
微流体设备通常被制造成具有一组尺寸以尝试产生期望的流体动力学。然而，尽管可以用计算模型来预测流体动力学，但是通常难以表征微流体设备来确定该设备是否被制造成最初指定的尺寸。测量微通道的流体阻力是确定其物理尺寸的一种方法。
无源泵可用于测量微流体通道的阻力，从而实现经济高效的质量控制。对于给定的泵，泵填充所需的时间取决于微流体设备的阻力。可以使用图29中示意性地示出的设置来测量微流体通道的阻力。
可以利用一组具有各种定量范围的无源泵来测试微流体通道。给定泵的定量下限取决于多孔材料的有效阻力/渗透性。如果泵的阻力明显大于微通道，则泵可能无法量化阻力，因为泵的阻力将占主导地位。如果通道的阻力明显高于润湿组件的阻力，则通道的阻力将是体积流量的主导控制因素。因此，无源泵填充所需的时间直接取决于微通道的阻力(图29的插图)。
图30示出了可以用传统技术制造的微通道的长度的示例性范围以及每个微通道的相应阻力量。根据通道的高度(50μm或100μm)和宽度(50μm或250μm)，图30所示的微通道的阻力可以在6×1011Nsm-5到4×1015Nsm-5的范围内。因为微通道的阻力是通道的长度、宽度和高度的函数，并且可以使用标准显微镜来确定长度和近似宽度，所以可以使用根据纸泵计算的阻力来量化通道的平均高度。例如，图31示出了给定的无源泵组件和校准拟合的数据。校准曲线随后可以被用于通过测量填充时间来测试给定微通道的阻力。
实施例12：量化给定多孔材料性质的微流体设备组
通过了解给定材料和流体的3维形状和三个特征性质即有效孔隙度(Por)、毛细管压力(Pc)和渗透率(K)，可以用一阶模型来描述流体在多孔材料诸如纸材中的流动。可以通过跟踪通过单个片段的流体流来确定毛细管压力和渗透率的乘积。但是，各个性质对于完全描述流动是必不可少的。
可以使用一组具有已知阻力的微流体通道来以快速、简单的测量来量化多孔材料的性质。使用微流体通道的已知阻力产生几组独特的吸入数据，可以为提供纸材或其他多孔材料的两个未知数(Pc和K)的解。可以将具有已知阻力的微流体通道放置在贮存器和纸材之间，向流体回路添加串联的已知阻力。然后可以使用最小二乘法来拟合这些独特的吸入数据组以识别最能描述纸材对给定流体的吸入的Pc和K值。图32示出了附接到不同阻力(低、中、高)的微通道的给定的无源泵的假想吸入数据，以及用于这组电阻器的纸材的毛细管压力和渗透率的最佳拟合。
这种用于确定微流体阻力的方法也可以用于纸材基质的过程控制，诸如预期用于纸基微流体的那些。可以使用一组具有不同阻力的微流体通道，所述阻力从比纸材的阻力低得多跨越到比纸材的阻力高得多，以用于测试不同批次的纸材。随后可以在该模型中使用收集的吸入数据用来预测给定的流体和纸材的Pc和K，并监测纸材的功能容量。
所附权利要求的设备、系统和方法的范围不受限于本文所述的具体设备、系统和方法，后者旨在作为权利要求的一些方面的举例说明。功能等同的任何设备、系统和方法旨在落入权利要求的范围内。除了本文显示和描述的那些之外，设备、系统和方法的各种修改形式也旨在落入所附权利要求的范围内。此外，虽然仅具体描述了本文所公开的某些代表性设备、系统和方法步骤，但设备、系统和方法步骤的其他组合即便没有具体叙述，也旨在落入所附权利要求的范围内。因此，步骤、元件、部件或成分的组合可在本文明确提及或不那么明确的提及，但是步骤、元件、部件或成分的其他组合即便没有明确陈述，也包括在内。
除非另有定义，否则本文所用的所有技术和科学术语的含义与所公开的发明所属领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中引述的出版物及其中引述的材料明确地以引用方式并入。

Claims (72)

1.一种无源微流体泵，包括：
(a)流体入口；
(b)阻力区域；
(c)吸收区域；和
(d)蒸发阻挡层，所述蒸发阻挡层封闭所述阻力区域、所述吸收区域或其组合；
其中所述阻力区域包括第一多孔介质和流体非导电边界，所述流体非导电边界限定流体流从所述流体入口通过所述第一多孔介质到所述吸收区域的路径；并且
其中所述吸收区域包括流体非导电边界，所述流体非导电边界限定第二多孔介质的体积，所述第二多孔介质的尺寸被设定成吸收从所述阻力区域吸入的预定体积的流体。
2.根据权利要求1所述的泵，其中所述第一多孔介质和所述第二多孔介质包括多孔亲水性材料。
3.根据权利要求2所述的泵，其中所述多孔亲水性材料包括纤维素基质。
4.根据权利要求3所述的泵，其中所述纤维素基质选自纸材、纤维素衍生物、织造纤维素材料、非织造纤维素材料及其组合。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的泵，其中所述阻力区域和所述吸收区域被配置成当所述流体入口与流体接触时，建立从所述流体入口前进到所述吸收区域的毛细管驱动流体前缘。
6.根据权利要求5所述的泵，其中所述阻力区域被配置成在所述毛细管驱动流体从所述阻力区域前进通过所述第二多孔介质时，提供介于1nL/min至100μL/min的流体流量。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的泵，其中对通过所述阻力区域的流体流的阻力大于对通过所述吸收区域的流体流的阻力。
8.根据权利要求7所述的泵，其中对通过所述阻力区域的流体流的所述阻力为对通过所述吸收区域的流体流的所述阻力的至少五倍。
9.根据权利要求7或8所述的泵，其中对通过所述阻力区域的流体流的所述阻力为对通过所述吸收区域的流体流的所述阻力的至少十倍。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的泵，其中所述流体入口被配置成与微流体通道流体连接。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的泵，其中所述流体入口包括流体传导区域，所述流体传导区域限定用于流体流至所述第一阻力区域的路径。
12.根据权利要求11所述的泵，其中所述流体传导区域包括多孔介质，所述多孔介质形成用于流体流至所述第一阻力区域的路径。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的泵，其中所述预定体积的流体介于1μL至10mL。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的泵，其中所述阻力区域被配置成提供在10秒至7天内能有效地将所述预定体积的流体输送到所述吸收区域的流体流量。
15.根据权利要求14所述的泵，其中所述阻力区域被配置成提供在0.1分钟至90分钟内能有效地将所述预定体积的流体输送到所述吸收区域的流体流量。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的泵，还包括流动延时元件，所述流动延时元件影响通过所述泵的流体流。
17.根据权利要求16所述的泵，其中所述流动延时元件包括可溶解溶质，所述可溶解溶质设置在所述流体入口、所述阻力区域或其组合中。
18.根据权利要求16所述的泵，其中所述流动延时元件包括可溶解膜，所述可溶解膜形成对流体流的阻挡层。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的泵，其中所述蒸发阻挡层封闭所述阻力区域。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的泵，其中所述蒸发阻挡层封闭所述吸收区域。
21.根据权利要求20所述的泵，还包括通风口，所述通风口操作性地联接到所述吸收区域。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的泵，其中所述第一多孔介质和所述第二多孔介质包括彼此流体接触的两个单独的基质材料片。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的泵，其中所述第一多孔介质和所述第二多孔介质具有不同的厚度。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的泵，其中所述第二多孔介质比所述第一多孔材料厚。
25.根据权利要求22至24中任一项所述的泵，其中所述第二多孔介质和所述第一多孔材料是不共面的。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的泵，其中所述吸收区域是非平面的。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的泵，其中所述吸收区域以可拆卸的方式连接到所述阻力区域。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的泵，其中所述泵还包括第二阻力区域和第二吸收区域。
29.根据权利要求28所述的泵，其中所述第二吸收区域与所述第一吸收区域并联地流体连接。
30.根据权利要求29所述的泵，其中所述第二阻力区域包括第三多孔介质和流体非导电边界，所述流体非导电边界限定流体流从所述流体入口通过所述第三多孔介质到所述第二吸收区域的路径；并且
其中所述第二吸收区域包括流体非导电边界，所述流体非导电边界限定第四多孔介质的体积，所述第四多孔介质的尺寸被设定成吸收从所述第二阻力区域吸入的预定体积的流体。
31.根据权利要求30所述的泵，还包括流动延时元件，所述流动延时元件影响通过所述泵的流体流。
32.根据权利要求31所述的泵，其中所述流动延时元件包括可溶解溶质，所述可溶解溶质设置在所述第二阻力区域中。
33.根据权利要求31所述的泵，其中所述流动延时元件包括可溶解膜，所述可溶解膜形成对从所述流体入口到所述第二阻力区域的流体流的阻挡层。
34.根据权利要求28所述的泵，其中所述第二吸收区域与所述第一吸收区域串联地流体连接。
35.根据权利要求34所述的泵，其中所述第二阻力区域包括第三多孔介质和流体非导电边界，所述流体非导电边界限定流体流从所述第一吸收区域通过所述第三多孔介质到所述第二吸收区域的路径；并且
其中所述第二吸收区域包括流体非导电边界，所述流体非导电边界限定第四多孔介质的体积，所述第四多孔介质的尺寸被设定成吸收从所述第二阻力区域吸入的预定体积的流体。
36.根据权利要求35所述的泵，还包括流动延时元件，所述流动延时元件影响通过所述泵的流体流。
37.根据权利要求36所述的泵，其中所述流动延时元件包括可溶解溶质，所述可溶解溶质设置在所述第二阻力区域中。
38.根据权利要求36所述的泵，其中所述流动延时元件包括可溶解膜，所述可溶解膜形成对从所述第一吸收区域到所述第二阻力区域的流体流的阻挡层。
39.根据权利要求1至38中任一项所述的泵，其中所述泵包括经由阻力区域并联地流体连接的三个或更多个吸收区域。
40.根据权利要求1至39中任一项所述的泵，其中所述泵包括经由阻力区域串联地流体连接的三个或更多个吸收区域。
41.根据权利要求1至40中任一项所述的泵，其中所述泵包括经由阻力区域并联地流体连接的两个或更多个吸收区域，以及经由阻力区域串联地流体连接的两个或更多个吸收区域。
42.一种复合泵，包括根据权利要求1至41中任一项所限定的多个流体连接的泵。
43.根据权利要求42所述的泵，其中所述多个泵包括串联地流体连接的两个或更多个泵。
44.根据权利要求42或43所述的泵，其中所述多个泵包括并联地流体连接的两个或更多个泵。
45.根据权利要求42至44中任一项所述的泵，其中所述多个泵包括串联地流体连接的两个或更多个泵以及并联地流体连接的两个或更多个泵。
46.根据权利要求42至45中任一项所述的泵，其中所述多个泵堆叠在平行平面中。
47.根据权利要求42至46中任一项所述的泵，还包括流动延时元件，所述流动延时元件影响进入所述多个流体连接的泵中的至少一个泵的流体流。
48.根据权利要求47所述的泵，其中所述流动延时元件包括可溶解溶质，所述可溶解溶质设置在所述泵的所述流体入口、所述泵的所述阻力区域或其组合中。
49.根据权利要求47所述的泵，其中所述流动延时元件包括可溶解膜，所述可溶解膜形成对所述多个泵中的两个泵之间的流体流的阻挡层。
50.一种微流体设备，包括微流体通道和根据权利要求1至49中任一项所限定的泵，所述微流体通道将流体入口流体连接到流体出口，所述泵流体连接到所述微流体通道的所述流体出口。
51.根据权利要求50所述的设备，其中所述泵的所述流体入口与所述微流体通道的所述流体出口直接接触。
52.根据权利要求50或51所述的设备，其中所述泵流体连接到所述微流体通道的所述流体出口，使得当所述流体入口与流体接触时，所述泵引起流体流通过所述微流体通道。
53.根据权利要求52所述的设备，其中所述泵被配置成引起流体流在至少10分钟的时间段内以基本上连续的流量通过所述微流体通道。
54.根据权利要求53所述的设备，其中所述泵被配置成引起流体流在至少30分钟的时间段内以基本上连续的流量通过所述微流体通道。
55.根据权利要求52所述的设备，其中所述泵被配置成引起流体流在至少10分钟的时间段内以可变流量通过所述微流体通道。
56.根据权利要求55所述的设备，其中所述泵被配置成引起流体流在至少30分钟的时间段内以可变流量通过所述微流体通道。
57.根据权利要求55或56所述的设备，其中所述可变流量包括阶跃增加的流量或阶跃减少的流量。
58.一种用于引起流体流通过微流体设备的方法，包括：
将根据权利要求1至49中任一项所限定的泵流体连接到所述微流体设备的流体出口；以及
使所述微流体设备的流体入口与流体接触。
59.根据权利要求58所述的方法，其中所述泵的所述流体入口与所述微流体设备的所述流体出口直接接触。
60.根据权利要求58至59中任一项所述的方法，其中所述泵被配置成驱动流体流在至少5分钟的时间段内以基本上连续的流量通过所述微流体设备。
61.根据权利要求60所述的方法，其中所述泵被配置成驱动流体流在至少30分钟的时间段内以基本上连续的流量通过所述微流体设备。
62.根据权利要求58至59中任一项所述的方法，其中所述泵被配置成驱动流体流在至少10分钟的时间段内以可变流量通过所述微流体设备。
63.根据权利要求62所述的方法，其中所述泵被配置成驱动流体流在至少30分钟的时间段内以可变流量通过所述微流体设备。
64.根据权利要求62或63所述的方法，其中所述可变流量包括阶跃增加的流量或阶跃减少的流量。
65.一种组装无源泵的方法，所述无源泵被配置成在微流体通道内提供预定的流体流量，所述方法包括将一个或多个泵子单元流体连接到流体入口以形成所述无源泵，所述一个或多个泵子单元被成形用于在与流体接触时引起特定的流体流量；
其中每个泵子单元包括阻力区域和吸收区域，所述阻力区域包括第一多孔介质和流体非导电边界，所述流体非导电边界限定流体流从所述流体入口通过所述第一多孔介质到所述吸收区域的路径；所述吸收区域包括流体非导电边界，所述流体非导电边界限定第二多孔介质的体积，所述第二多孔介质的尺寸被设定成吸收从所述阻力区域吸入的预定体积的流体。
66.根据权利要求65所述的方法，其中每个泵子单元被封闭在蒸发阻挡层内。
67.根据权利要求65至66中任一项所述的方法，其中所述无源泵包括两个或更多个流体连接的泵子单元。
68.根据权利要求67所述的方法，其中流体连接所述泵子单元包括串联地流体连接两个或更多个泵子单元。
69.根据权利要求67或68所述的方法，其中流体连接所述泵子单元包括并联地流体连接两个或更多个泵子单元。
70.根据权利要求65至69中任一项所述的方法，其中流体连接所述泵子单元包括串联地流体连接两个或更多个泵子单元以及并联地流体连接两个或更多个泵子单元。
71.根据权利要求65至70中任一项所述的方法，其中流体连接所述泵子单元包括堆叠所述泵子单元，使得所述泵子单元共享公共流体入口。
72.根据权利要求71所述的方法，还包括在所述堆叠中的泵子单元之间设置可溶解膜从而形成对流体流的阻挡层。
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