CN108027310A - 流体盒中的体积感测 - Google Patents

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Abstract

本公开描述了基于一次性盒子中的多个流体感测区域处存在或不存在流体来测量参数的方法和装置。在一个实施例中，流体装置包括：一次性盒子，其包括流体通道；仪器，其配置成接收一次性盒子，该仪器包括当一次性盒子被所述仪器接收时具有沿着流体通道间隔开的多个流体感测区域的至少一个传感器，每个流体感测区域配置成确定流体通道的相应部分处存在或不存在流体；以及控制单元，其配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体体积、体积位移、流体流率、流体速度或流体的气泡体积比当中的至少一个。

Description

流体盒中的体积感测
技术领域
本公开大体涉及用于测量一次性盒子内的流体样品的参数的方法和装置，并且更具体地涉及基于多个流体感测区域处存在或不存在流体来测量参数。
背景技术
对于生物样品的分析，通常希望使用很小的样品体积。因此，精确的体积测量对分析的准确性将至关重要。在即时检测(point-of-care testing，POCT)的应用中，生物样品的分析优选在一次性盒子中进行，其具有易于使用的优点并且避免了与其他样品的交叉污染。然而，感测盒子内的流体体积带来了新的挑战，特别是以高精度来测量小的体积。例如，盒子的复杂性限制了体积感测方法的可用选择。
通常，这些盒子使用无源方法比如容积室来确定用于分析的流体体积。这些无源方法的精度受到不可预知的变化比如用户操作(例如，容积室未被正确填充或包含气泡)的影响。这些变化在用户每次分析之前更换盒子的POCT应用中尤其普遍。
发明内容
本公开使用有源感测方法来确定流体体积。有源感测方法可以准确地测量分析所需的流体体积。然而，有源感测方法的硬件可能会增加盒子的复杂性和制造成本。对于生物分析中常见的1nL至1mL范围内的小样品体积，设计一种提供高精度且硬件复杂度低的盒子用的感测方法甚至更具挑战性。因此，本公开涉及一种用于测量和分析流体体积的新型且更有效的装置。
在一般示例性实施例中，一种流体装置包括一次性盒子，其包括被配置成接收流体流的流体通道；仪器，其被配置成接收一次性盒子，所述仪器包括当所述一次性盒子被所述仪器接收时具有多个沿着所述流体通道间隔开的流体感测区域的至少一个传感器，每个流体感测区域被配置成确定所述流体通道的相应部分处存在或不存在流体；以及控制单元，其被配置成(i)接收指示在每个流体感测区域处存在或不存在流体的信号，并且(ii)基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体体积、体积位移、流体流率、流体流速或气泡体积比中的至少一个。
在另一个实施例中，当所述一次性盒子被装置接收时，所述多个流体感测区域沿着所述流体通道的长度间隔开。
在另一个实施例中，当所述一次性盒子被装置接收时，所述多个流体感测区域沿着所述流体通道的宽度间隔开。
在另一个实施例中，所述多个流体感测区域每个位于不同的传感器上，所述不同的传感器被配置成测量所述流体通道的沿着所述流体通道的长度的相应部分处存在或不存在流体。
在另一个实施例中，所述多个流体感测区域每个位于同一个传感器上，并且所述流体通道具有贯穿一次性盒子的曲折形状，并且所述多个流体感测区域与汇聚到所述传感器的集中部分的流体通道的段对准。
在另一个实施例中，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定所述流体通道内的流体的体积位移，其中流过所述流体通道的流体依次沿着所述流体感测区域通过。
在另一个实施例中，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定所述流体通道内的流体的流体流率，其中流过所述流体通道的流体依次沿着所述流体感测区域通过。
在另一个实施例中，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定所述流体通道内的流体塞的体积，其中流过所述流体通道的流体依次沿着所述流体感测区域通过。
在另一个实施例中，所述流体通道具有已知的横截面面积，并且所述控制单元使用所述流体通道的已知横截面面积来基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体体积、体积位移、流体流率或流体流速当中的至少一个。
在一般的实施例中，一种流体装置包括：一次性盒子，其包括被配置成接收流体流的流体通道；仪器，被配置成接收所述一次性盒子，所述仪器包括当所述一次性盒子被所述仪器接收时具有沿着所述流体通道的长度间隔开的多个流体感测区域的至少一个传感器，每个传感器包括光发射器和光接收器；以及控制单元，被配置成基于在每个传感器中从相应的发射器到相应的接收器的光透射来确定在每个流体感测区域处存在或不存在流体，其中光透射的水平由流体感测区域中存在或不存在流体而被散射的光量来改变。
在另一个实施例中，控制器被配置成使用所述流体通道的至少一部分的表面粗糙度来确定每个流体感测区处存在或不存在流体，其中所述表面粗糙度改变了每个传感器中被散射的光量。
在另一个实施例中，所述控制器被配置成使用形成流体通道的至少一部分的材料的折射率来确定每个流体感测区域处存在或不存在流体，其中所述流体通道中材料的折射率与和流体的折射率之间的差异改变了每个传感器中被散射的光量。
在另一个实施例中，所述控制器被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体体积、体积位移、流体流率、流体流速或气泡体积比当中的至少一个。
在一般的实施例中，一种配置一次性盒子的方法包括：设计具有被配置成接收特定流体样品的流体通道的一次性盒子；使用具有与所述特定流体样品的折射率相匹配的折射率的材料来形成具有表面粗糙度的所述流体通道的至少一部分；并且当所述一次性盒子被接收在读取器仪器中用于测量时，将所述流体通道的所述一部分配置成与所述读取器仪器中的光发射器和光接收器对准。
在另一个实施例中，该方法包括对所述读取器仪器进行配置以基于从相应的发射器到相应的接收器的光透射来确定一次性盒子的所述流体通道中存在或不存在流体，其中光透射的水平由所述流体通道中存在或不存在流体时被散射的光量来改变。
在另一个实施例中，该方法包括将所述流体通道的一部分配置成沿着所述流体通道的宽度与所述多个光发射器和光接收器对准。
在另一个实施例中，该方法包括将所述流体通道的一部分配置成沿着所述流体通道的长度与多个光发射器和光接收器对准。
在另一个实施例中，该方法包括对所述读取器仪器进行配置以基于所述多个光发射器和光接收器中的每一处存在或不存在流体来确定流体的流体体积、体积位移、流体流率、流体速度或气泡体积比当中的至少一个。
在另一个实施例中，该方法包括设计具有贯穿所述一次性盒设计的曲折形状的流体通道，使得所述多个光发射器和光接收器中的每一个与所述一次性盒子中汇聚到所述传感器的集中部分的流体通道的段对准。
在另一个实施例中，该方法包括通过在对准前固定所述多个光发射器和光接收器之间的距离，允许在将所述多个光发射器和光接收器与所述盒子中的所述流体通道对准时的对准容差。
在一般实施例中，一种流体装置包括：流体通道，其被配置成接收流体流；多个流体感测区域，其沿着所述流体通道的长度间隔开，每个流体感测区域被配置成确定所述流体通道的沿着所述流体通道的长度的相应部分处存在或不存在流体；以及控制单元，其被配置成(i)接收指示在每个流体感测区域处存在或不存在流体的信号，并且(ii)基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体体积、体积位移、流体流率或流体流速当中的至少一个。
在另一个实施例中，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定所述流体通道内的流体的流体体积。
在另一个实施例中，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定所述流体通道内的流体的体积位移。
在另一个实施例中，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定所述流体通道内的流体的流体流率。
在另一个实施例中，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定所述流体通道内的流体的流体流速。
在另一个实施例中，所述控制单元使用所述流体通道的已知横截面面积来基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体体积、体积位移、流体流率或流体流速当中的至少一个。
在另一个实施例中，所述流体通道位于至少一部分由透明材料制成的一次性盒子上。
在另一个实施例中，所述多个流体感测区域每个位于不同的传感器上，所述不同的传感器被配置成测量所述流体通道的沿着所述流体通道的长度的相应部分处存在或不存在流体。
在另一个实施例中，所述流体感测区域被配置成使用(i)光学信号；(ii)电信号；(iii)声音信号；和(iv)热信号当中的至少一种来确定所述流体通道的沿着所述流体通道的长度相应部分处存在或不存在流体。
在一般的实施例中，一种流体装置包括：流体通道，其被配置成接收流体流；多个流体感测区域，沿着所述流体通道的宽度间隔开，每个流体感测区域被配置成确定所述流体通道的沿着所述流体通道的宽度的相应部分处存在或不存在流体；以及控制单元，所述控制单元被配置成(i)接收指示在每个流体感测区域处存在或不存在流体的信号，并且(ii)基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体通道内流体的气泡体积比。
在另一个实施例中，所述控制单元被配置成使用所述多个流体感测区域的宽度来确定所述流体通道内流体的气泡体积比。
在另一个实施例中，所述控制单元被配置成使用所述流体通道的长度来确定所述流体通道内流体的气泡体积比。
在一般的实施例中，一种监测经过流体通道的流体流的方法包括：将多个流体感测区域与一次性盒子的流体通道的长度或宽度对准，检测所述多个流体感测区域处存在或不存在流体，基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的参数，并且基于所确定的参数来控制经过所述一次性盒子的流体通道的流体。
在另一个实施例中，确定参数包括基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体体积。
在另一个实施例中，确定参数包括基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的体积位移。
在另一个实施例中，确定参数包括基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体流率。
在另一个实施例中，确定参数包括基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体流速。
在另一个实施例中，确定参数包括基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定的流体的气泡体积比。
在另一个实施例中，允许在通过固定多个流体区域之间的距离而使所述多个流体感测区域对准时的对准容差。
附图说明
现在将仅通过参考附图的例子进一步详细地解释本公开的实施例，其中：
图1根据本公开的实施例描绘了感测装置的示例实施例。在图1的示例实施例中，当流体进入流体通道时，传感器测量充满流体的通道的长度。流体体积由所测量的通道的长度和已知的通道的几何形状来确定。
图2根据本公开中的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图3A至3D根据本公开的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图4A到4D根据本公开的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图5A和5I根据本公开的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图6A和6B根据本公开的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图7A至图7F根据本公开的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图8A和8B根据本公开的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图9A至9E根据本公开中的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图10根据本公开中的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图11A至11D根据本公开的实施例描绘感测装置的示例实施例。
图12根据本公开的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图13A至13D根据本公开的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图14根据本公开中的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图15A至图15C根据本公开的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图16A至16J根据本公开的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图17A至图17C根据本公开的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图18A至图18E根据本公开中的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图19A至19E根据本公开的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
图20A至图20C根据本公开的实施例描绘了感测装置的示例实施例。
具体实施方式
本公开引用的所有参考文献全文引入作为参考，如同完全阐述的那样。除非另有定义，本公开所使用的技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解相同的含义。Hornyak,et al.,Introduction to Nanoscience and Nanotechnology,CRCPress(2008)；Singleton et al.,Dictionary of Microbiology and Molecular Biology3rd ed.，J.Wiley&Sons(New York,NY 2001)；March,Advanced Organic ChemistryReactions,Mechanisms and Structure 7th ed.,J.Wiley&Sons(New York,NY 2013)；以及Sambrook and Russel,Molecular Cloning:A Laboratory Manual 4th ed.,ColdSpring Harbor Laboratory Press(Cold Spring Harbor,NY 2012)为本领域技术人员提供了本申请中所使用的许多术语的一般指南。本领域技术人员将认识到可以用于本公开的实践中的与本公开所描述的那些相似或等同的许多方法和材料。实际上，本公开决不限于所描述的方法和材料。
如本公开所述，开发了各种感测设计来克服在使用很小样品体积分析样品并且特别是包括盒子时面临的一些挑战。
在一个实施例中，本公开提供了一种用于确定流体体积的有源感测方法，其中使用包括沿着流体通道的长度的一个或多个传感器的装置来确定流体体积。在另一个实施例中，本公开提供了一种包括沿着流体通道的长度以确定流体体积的一个或多个传感器的装置。在另一个实施例中，该装置用于测量流体流的体积位移。在另一个实施例中，该装置用于测量流体流率。在另一个实施例中，该装置用于测量流体流速。在另一个实施例中，该装置用于确定混合在流体中的气泡的体积比。
在一个实施例中，本公开提供了一种包括沿着流体通道的长度的多个传感器的装置。当流体进入通道时，传感器测量被流体充满的通道长度。在一个实施例中，根据测量的长度和已知的通道的几何形状，控制单元能够确定流体通道中的流体体积。在一个实施例中，本公开通过使用具有窄横截面的微流体通道以便延长用于测量的流体长度来提供感测小体积的高精度。在一个实施例中，通道宽度可以为约0.001mm至约0.05mm，约0.05mm至约1mm，或约1mm至约5mm；通道高度可以为约0.001mm至约0.01mm，约0.01mm至约0.5mm，约0.5mm至约1mm，或约1mm至约2mm。
在一个实施例中，一个或多个传感器具有与通道重叠的感测区域。在一个实施例中，当感测区域中存在与不存在流体时，传感器检测到两个不同水平的感测信号。信号从一个水平到另一个水平的转变表明流体流入或流出感测区域。在一个实施例中，感测区域具有等于、大于或小于流体通道的宽度的几何形状。在一个实施例中，每个传感器具有沿着通道长度的多个感测区域，并且能够检测与被流体填充的感测区域的数量对应的多个不同水平的感测信号。从一个水平到另一个水平的信号转变表示填充了更多或更少数量的感测区域的流体流。在一个实施例中，每个传感器具有沿着通道宽度的多个感测区域，并且能够检测多个不同水平的感测信号，这些感测信号对应于被流体填充的感测区域的数量。在一个实施例中，测量信号水平以确定流体流中的气泡体积比。
如本公开进一步披露的，可以使用各种实施例来测量流体塞(fluid plug)的体积，以及沿着感测通道移动的流体的体积位移、流体流率和流体流速。在另一个实施例中，可以使用感测区域的特定布置来改善超出流体通道的几何限制的体积感测的分辨率。在另一个实施例中，本公开提供了流体样品中气泡体积比的测量。
在一个实施例中，感测区域的几何形状被优化以增加传感器与流体通道之间的对准容差。在一个实施例中，感测区域的宽度可以稍大于与感测区域相互作用的通道宽度，以便增加沿通道宽度方向的对准容差。例如，感测区域宽度可以是通道宽度的200％，其具有通道宽度的±50％的对准容差。在其他实施例中，感测区域宽度可以在通道宽度的100％至300％，或通道宽度的300％至500％的范围内。在另一个实施例中，流体通道的几何形状被优化以最小化包含感测区域所需的传感器的面积。例如，在具有多个感测区域的传感器的实施例中，通道几何形状可以具有曲折形状以最小化传感器面积。
在一个实施例中，可以修改本公开以提供各种感测信号。例如，虽然不限于任何特定示例，但是可以有会在感测信号中使用的各种物理信号。例如，物理信号可以包括光信号、电信号、声信号和/或热信号。在一个实施例中，可以有更多的结构修改，包括例如流体通道是盒子的组成部件而传感器是与盒子分离的外部部件的实施例。或者例如流体通道和传感器均是盒子的组成部件的实施例。
本公开还涉及用于确定流体体积的试剂盒(kit)。例如，该试剂盒可用于实施本公开所描述的分析生物样品的方法。试剂盒是材料或组分的组合，包括至少一种本公开所描述的组合物。因此，在一些实施例中，试剂盒含有包含溶液和介质的组合物。
发明的试剂盒中配置的组分的确切性质取决于其预期的目的。例如，一些实施例被配置用于诊断疾病或病症的目的，或者作为总体治疗方案的一部分。在一个实施例中，该试剂盒被配置特别用于诊断哺乳动物受试者的目的。在另一个实施例中，该试剂盒被配置特别用于诊断人类受试者的目的。在更多的实施例中，试剂盒被配置用于兽医应用、诊断或治疗对象例如但不限于农场动物、家养动物和实验动物。
试剂盒中可以包括使用说明书。“使用说明书”通常包括描述在使用试剂盒的组分来实现期望结果比如分析生物样品中所采用的技术的切实描述。可选地，试剂盒还含有本领域技术人员将容易认识到的其他有用的组分，比如稀释剂、缓冲剂、药学上可接收的载体、注射器、导管、涂药器、移液或测量工具、包扎材料或其他有用的用具。
组装在试剂盒中的材料或组分可以以保留其可操作性和有用性的任何便利且合适的方式提供给实施者。例如，组分可以是溶解的、脱水的或冻干的形式；它们可以在室温、冷藏温度或冷冻温度下提供。这些组分通常包含在合适的包装材料中。如本公开所用的，短语“包装材料”是指用于容纳试剂盒的内容物的一种或多种物理结构，比如发明的组合物等。包装材料通过众所周知的方法构造，优选提供无菌、无污染的环境。如本公开所使用的，术语“包装”是指能够容纳各个试剂盒组分的合适的固体基质或材料，比如玻璃、塑料、纸、箔等。因此，例如包装可以是用于包含合适量的发明的含有溶液或介质的组合物的玻璃小瓶。包装材料通常具有标明试剂盒和/或其组分的内容和/或目的的外部标签。
上面描述的各种方法和技术提供了许多方式来实现本公开。当然，应当理解的是，根据本公开所描述的任何特定实施例不必可以实现所描述的所有目标或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，可以以实现或优化如本公开所教导的一个优点或一组优点的方式来实现本公开所描述的方法，而不必实现本公开可能教导或启示的其他目标或优点。此外，本领域技术人员将认识到来自不同实施例的各种特征的适用性。类似地，上面讨论的各种元素、特征和步骤以及每个这样的元素、特征或步骤的其他已知的等同物可以由本领域的普通技术人员混合和匹配以执行根据本公开所描述的原理的方法。
尽管已经在某些实施例和示例的背景下披露了本公开，但是本领域技术人员将会理解到，本公开的实施例超出具体披露的实施例而延伸到其他替代实施例和/或用途和修改及其等同物。
在本公开的实施例中已经披露了许多变形和替代元素。对于本领域的技术人员来说，更多的变形和替代元素将是显而易见的。在这些变形中，没有限制的是本公开所描述的组合物的组成模块的选择，以及可以诊断、预测或用其治疗的疾病和其他临床症状。
在一些实施例中，用于描述和要求保护本公开的某些实施例的表示成分的量，性质比如浓度、反应条件等的数字应被理解为在一些场合下被术语“约”修饰。因此，在一些实施例中，书面描述和所附权利要求书中阐述的数字参数是近似值，其可以根据特定实施例试图获得的期望性质而变化。在一些实施例中，数字参数应该根据所报告的有效数字的数量并通过应用普通凑整技术来解释。尽管阐述本公开的一些实施例的宽泛范围的数值范围和参数是近似值，但是在具体示例中阐述的数值是尽可能精确地报告的。在本公开的一些实施例中呈现的数值可能包含必然由其相应测试测量中发现的标准偏差导致的某些误差。
在一些实施例中，在描述本公开的特定实施例的背景下(特别是在下面的权利要求的背景下)中使用的术语“一”、“一个”和“该”以及类似的参考可以被解释为涵盖单数和复数形式。这里对数值范围的叙述仅仅旨在用作单独提及落入该范围内的每个单独值的速记方法。除非在此另有指示，否则每个单独的值都被并入到说明书中，就好像它在这里被单独列举一样。本公开所描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非在此另有指示或者与上下文明显矛盾。关于本公开中的某些实施例提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“比如”)的使用仅旨在更好地阐明本公开，而不是对本发明所要求保护的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应该被解释为指示对于本公开的实施来说必不可少的任何非要求保护的要素。
这里披露的本公开的替代元素或实施例的分组不应被解释为限制。每个组构件可以被单独地或者与该组中的其他构件或本公开中发现的其他元素一起被引用和要求保护。出于便利性和/或可专利性的原因，组中的一个或多个构件可以被包括在组中或从中删除。当发生任何这样的包含或删除时，说明书在这里被认为包含被修改的组，从而实现所附权利要求中使用的所有马库什组的书面描述。
这里描述了本公开的优选实施例，包括用于实现本公开的已知的最佳模式。在阅读前面的描述之后，那些优选实施例的变形对于本领域的普通技术人员将变得显而易见。预期普通技术人员可以适当地采用这样的变形，并且本公开可以以与这里具体描述的方式不同的方式实施。因此，本公开的许多实施例包括适用法律所允许的所附权利要求中所述主题的所有修改和等同物。此外，除非在此另有指示或者明显与上下文矛盾，否则上述元件在其所有可能的变形中的任何组合均包含在本公开中。
此外，贯穿本说明书已经参考了许多专利和印刷出版物。以上引用的参考文献和印刷出版物中的每一个在此通过引用整体单独并入。
应该理解的是，这里披露的公开内容的实施例是本公开的原理的说明。可以采用的其他修改可以在本公开的范围内。因此，作为示例而非限制，根据本公开的教导，可以利用本公开的替代配置。因此，本公开的实施例不限于如所示和所描述的那样。
提供以下实施例是为了更好地说明要求保护的公开内容，而不是将其解释为限制本公开的范围。在提及具体材料的范围内，这仅仅是为了说明的目的，并非旨在限制本公开。本领域技术人员可以开发等同的手段或反应物，而无需发挥创造性的能力，并且不偏离本公开的范围。
在一个实施例中，根据本公开的感测装置10包括多个传感器1001,1002,……,100n(n≥2)，如这里的图1所示。这些传感器1001,1002,100n沿着流体通道1000的长度定位。每个传感器1001,1002,100n检测在流体通道1000的重叠区域中是否存在流体。当流体进入流体通道1000时，传感器1001,1002,100n测量填充了流体的通道的长度。然后可以基于测量的长度和流体通道1000的已知几何形状来确定流体体积。
对于给定体积的流体，流体通道1000的横截面越窄，测量用的流体填充的流体通道1000的长度越长。因此，感测装置10的流体通道1000优选具有窄的横截面，从而可以实现小体积的高精度和高分辨率的感测。在一个实施例中，传感器1001,1002,100n可以检测当流体进入流体通道1000的重叠区域时的时间点。通过测量时间点，例如可以由已知的通道几何形状来确定流体的流体流率和流体流速。在优选的实施例中，感测装置10可以用于测量1nL至1mL范围内的流体体积。感测装置10优选使用在分析流体样品的盒子中。
在一些实施例中，感测装置10的每个传感器1001,1002,1000n具有检测通道中的流体的一个感测区域。图2在此示出了具有多个传感器2001,2002,……,200n的感测装置12的示例，每个传感器具有相应的感测区域2101,2102,……,210n。在所示的实施例中，感测区域2101,2102,210n与流体通道2000的整个宽度重叠，以检测流过流体通道2000的任何流体。可选地，感测区域2101,2102,210n中的任何一个或多个可以与流体通道2000的一部分例如顶部或底部重叠。
图3A至3D示出了传感器3001的操作的一种实施例。如图所示，感测装置14的传感器3001具有与一次性盒子的流体通道3000重叠的感测区域3011。当感测区域3011中没有流体时，传感器3001检测到一个信号水平A0，如图3A所示。当感测区域3011填充流体3002时，传感器3001检测另一个信号水平A1(A0≠A1)，如图3B所示。以这样的方式，当流体流入感测区域3011时，传感器3001测量到A0→A1的信号阶跃(图3C)，并且当流体流出感测区域3011时测量到A1→A0的信号阶跃(图3D)。
在各种实施例中，感测区域可以重叠信道宽度的不同部分。图4A至图4D示出了四个示例，其中感测装置16的感测区域4001与通道的全宽度(图4A)或部分宽度(图4B-4D)重叠。图4B至4D示出小于通道宽度的感测区域也可以用于该方法。
在其他实施例中，感测装置的每个传感器可以具有沿着通道的长度的多个感测区域，如图5A至5I所示。在图5A中，感测装置18的一个传感器5100沿流体通道5000的长度具有m个感测区域5101,5102...和510m(m≥2)(图5A)。传感器5100在感测区域中没有流体时检测到信号水平A0(图5B)。当流体样品5002进入通道并填满第一感测区域5101时(图5C)，传感器5100测量到与A0不同的信号A1(图5D)。当流体样品5002连续进入通道并填充感测区域5101和感测区域5102时(图5E)，传感器5100测量到信号水平A2(图5F)。当流体样品5002连续进入通道并填满感测区域5101至感测区域510m时(图5G)，传感器5100测量到信号水平Am(图5H)。一般来说，当k个感测区域(0≤k≤m)中存在流体时，传感器检测到信号水平Ak，其中k＝0,1,2,……,m，信号水平Ak彼此不同(图5I)。感测信号的强度可以用来确定有多少个感测区域正在检测流体。作为一个例子，该设计可以通过使用与检测流体的检测区域的数量成比例的检测信号来实现。
当流体在通道中流动并且从填充i个感测区域变为填充j个感测区域(0≤i≠j≤m)时，所公开的感测装置可以测量到Ai→Aj的信号阶跃。例如，当流体在通道中流动并且从填充两个感测区域流动到填充三个感测区域时，传感器5100测量到A2→A3的信号阶跃。在另一个示例中，当流体在通道中流动并且从填充三个感测区域流动到填充两个感测区域时，传感器5100测量A3→A2的信号阶跃。
对于某些应用，与每个具有一个感测区域的多个传感器的设计相比，具有多个感测区域的一个传感器的设计可以是有利的。例如，为了覆盖沿着通道长度的十个感测区域的测量，与使用每个具有一个感测区域的十个传感器的设计相比，一个设计是使用具有十个感测区域的传感器。具有多个感测区域的一个传感器的设计具有简化的感测硬件的优点。这个优点将在下面讨论的图17的示例中进一步详细说明。
在一个实施例中，流体通道具有1μm至1mm之间的通道宽度、1μm至1mm之间的通道深度、以及100μm至100mm之间的通道长度。对于这些示例，感测装置的最大体积在100fL至100μL的范围内。对于其他示例，流体通道的通道宽度在0.01μm至1μm之间，通道深度在0.01μm至1μm之间，通道长度在1μm至100μm之间。对于这些示例，感测装置的最大体积在0.0001fL至100fL的范围内。对于其他示例，流体通道具有1mm至10mm之间的通道宽度、1mm至10mm之间的通道深度、以及100mm至1000mm之间的通道长度。对于这些示例，感测装置的最大体积在100μL至100mL的范围内。在一个实施例中，通道宽度可以为约0.001mm至约0.05mm、约0.05mm至约1mm或约1mm至约5mm，通道高度可以为约0.001mm至约0.01mm、约0.01mm至约0.5mm、约0.5mm至约1mm或约1mm至约2mm。
在另一个实施例中，感测装置的每个传感器可以具有沿着通道的宽度的多个感测区域，如图6A和6B所示。在图6A中，感测装置20的传感器6100具有沿着流体通道6000的宽度的m个感测区域6101,6102,……,610m(m≥2)。类似于图5的示例，当感测区域中没有流体时，传感器6100检测信号水平A0，当在k个感测区域(0≤k≤m)中有流体时，检测到信号水平Ak。对于k＝0,1,2,……,m，信号水平Ak彼此不同(图6B)。利用这种配置，传感器的信号水平可以测量被流体填充的通道的宽度与未被流体填充的通道的宽度的比例，例如被气泡占据的宽度，如下面讨论的图15的示例所示。
在一个实施例中，可以将一个或多个上述传感器添加到流体盒或用于接收流体盒的装置。每个传感器可以电连接到控制单元，控制单元接着可以基于来自传感器的信号来控制流体流和/或提供用户反馈。例如，控制单元可以通过确定每个流体感测区域处存在或不存在流体，来确定特定流体样品的参数并且在已经经由流体通道转移适当量的流体时控制泵和阀以停止流体流和/或对流体样品进行测试。下面将更详细地讨论由控制单元确定的具体参数。
流体体积测量
本公开所描述的感测装置的特定实施例可以用于测量流体塞的体积。图7A至图7F示出这些实施例的示例，其包括具有多个十个传感器7001,7002,……,7010的感测装置22，每个传感器具有一个感测区域。如图7A所示，任意两个相邻传感器之间的通道长度是L1，并且任意两个相邻传感器之间的通道体积是V1。如图7B所示，具有体积V(V>0)的流体塞7100(沿着指示的方向)流入流体通道7000用于体积测量。
场景1：0<V<V1。当流体塞流过通道时(图7C)，传感器7002和传感器7001不能同时检测流体。这是因为流体塞的体积(V<V1)小于传感器7001和7002之间的通道体积(V1)。
场景2：V1≤V<2V1。当流体塞流经通道时(图7D)，传感器7002和传感器7001可以同时检测流体，但是传感器7003和传感器7001不能同时检测流体。
场景3：2V1≤V<3V1。当流体塞流过通道时(图7E)，传感器7003、传感器7002和传感器7001可以同时检测流体，但是传感器7004和传感器7001不能同时检测流体。
一般而言，对于(N-1)V1≤V<NV1(N＝2,3,4,……,9)的场景，当流体塞流过通道时，传感器700N,700(N-1),……,传感器7001可以同时检测流体，但是传感器700(N+1)和传感器7001不能同时检测流体。
在V≥10V1的场景下，当流体塞流经通道时，传感器7010,7009,……,7001都可以同时检测流体(图7F)。
通过监测传感器的感测信号，感测装置22可以以V1的分辨率测量在0到10V1范围内的流体塞的体积。
感测装置22也可以以本领域技术人员基于本公开将理解的其他方式操作。例如，流体塞可以按照图7所示的方向保持方向流动。通过增加传感器的数量，可以增加感测装置的可测量的体积范围。例如，感测装置22可以通过沿着通道使用100个传感器来测量0到100V1的体积范围。通过减小相邻传感器之间的通道体积V1，可以增加测量分辨率。例如，通过将相邻体积从V1减小到0.5V1，测量分辨率可以增加到0.5V1。
在所示的实施例中，感测装置22使用10个单独的传感器，每个传感器具有1个感测区域。类似的感测功能可以通过使用具有10个感测区域8001,8002,……,8010的1个传感器8000的替代感测装置24来实现，如图8A和8B所示。感测装置24通过监测填充流体的感测区域的数量来测量流体塞的体积，如图8B所示。
在以上两个示例中，体积测量的分辨率受限于两个相邻传感器或感测区域之间的体积V1。在本公开中还教导了感测设计的特定实施例以提高分辨率。图9A示出这些实施例的一个例子。感测装置26包括多个即十个传感器9001,9002,……,9010。两个相邻传感器之间的体积被设计成增量为1.1V1,1.2V1,1.3V1,……,1.9V1。当体积为1.5V1的流体塞9100流入通道时，传感器9005和传感器9006可以同时检测流体(图9B)，而传感器9006和9007不能同时检测流体(图9C)。当体积为1.6V1的流体塞9101流入通道时，传感器9006和传感器9007可以同时检测流体(图9D)，而传感器9007和9008不能同时检测流体(图9E)。以这样的方式，感测装置26可以区分具有1.5V1与1.6V1的体积的流体塞，从而实现0.1V1的测量分辨率。该测量分辨率小于感测装置24中的相邻传感器之间的最小体积(1.1V1)。
另外，通过考虑彼此之间具有一个传感器的两个传感器比如传感器9001和9003作为“相邻的”传感器，上述感测装置可以以0.2V1的分辨率测量流体塞体积。类似地，通过考虑彼此之间具有两个传感器的两个传感器比如传感器9001和9004作为“相邻的”传感器，该感测装置可以以0.3V1的分辨率测量流体塞的体积。
在更多的实施例中，感测装置可以包括具有多个感测区域的一个传感器。图10示出了包括具有多个即十个感测区域10001,10002,……,10010的一个传感器10000的感测装置28的一个示例。相邻传感器之间的通道体积是1.1V1,1.2V1,……,1.9V1。类似于图9A中的感测装置26，感测装置28也以0.1V1的分辨率测量1.0V1至1.9V1的体积范围。
在图7A的示例中，感测设计22上可测量的最大体积是10V1，其与传感器的数量或感测区域的数量成比例。为了测量更大的体积例如100V1，将需要具有更多传感器或感测区域的感测装置，例如具有100个感测区域。这种配置将显著增加硬件的复杂性。可以使用特定实施例来增加最大体积，而不使用太多的传感器和感测区域。图11A示出这些实施例的一个示例。感测装置30包括沿着通道长度的多个即六个传感器。在相邻的传感器11001和11002之间，通道体积是V0。其他相邻传感器例如传感器11002和11003之间的通道体积是V1(V0>V1)。当体积为V0的流体塞流过通道时，传感器11001和11002可以同时检测流体(图11B)。当体积为V0+V1的流体塞流过通道时，传感器11001,11002和11003可以同时检测流体(图11C)。当体积为V0+2V1的流体塞流经通道时，传感器11001,11002,11003和11004可以同时检测流体(图11D)。以这样的方式，这个传感器设计可以以测量分辨率为V1测量从V0到V0+4V1的体积。
类似地，具有多个即六个感测区域12001,12002,……,12006的一个传感器的感测装置32也可以以V1的分辨率测量从V0到V0+4V1的体积范围，如图12所示。在此示例实施例中，感测区域12001和12002之间的通道体积是V0，而其他相邻感测区域之间的通道体积是V1。
在一个实施例中，可以将一个或多个上述传感器添加到流体盒或用于接收流体盒的装置。每个传感器可以电连接到控制单元，控制单元接着可以基于来自传感器的信号来控制流体流和/或提供用户反馈。例如，控制单元可以通过确定每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定上面讨论的体积，并基于所确定的体积来控制泵和阀以停止流体流。
体积位移，流体流率，流体流速
本公开中的感测装置的特定实施例可以用于测量流体流的体积位移。图13A至13C示出了这些实施例的一个示例，其中感测装置34包括沿着通道长度的多个即十个传感器13001,133002,……,13010，并且每个传感器具有一个感测区域。两个相邻传感器之间的通道长度是L1，并且两个相邻传感器之间的通道体积是V1(图13)。如图13B所示，连续流体13000流过用于体积感测的通道。当流体流到达其感测区域时，传感器13001检测到时间点T1。当流体流到达其感测区域时，传感器13002检测到时间点T2。从时间T1到T2，流体流的体积位移是由传感器13001和13002之间的通道体积测量的V1。因此，时间点T1和T2之间的平均流体流率可以计算为QT1到T2＝V1/(T2-T1)。此外，如果流体通道具有固定的横截面面积S，则从T1到T2的平均流体流速可以计算为νT1到TN＝QT1到TN/S。通常，传感器1300N(N＝1,2,3,4,……,10)在流体流到达其感测区域时检测时间点TN。从T1到TN，流体的体积位移为(N-1)V1，平均流体流率为QT1到TN＝(N-1)V1/(TN-T1)。从T1到TN的平均流体流速可以计算为νT1到TN＝QT1到TN/S。
在其他实施例中，感测装置34可以包括具有多个感测区域的一个传感器，以测量流体的体积位移、流体流率和流体流速。图14示出了这些实施例的一个示例，其中感测装置36包括沿着通道长度具有多个即十个感测区域14001,144002,……,14010的一个传感器14000。两个相邻传感器之间的通道长度是L1，两个相邻的传感器之间的通道体积是V1。感测装置36可以以上面针对感测装置34所描述的相同的方式进行测量。
在一个实施例中，可以将一个或多个上述传感器添加到流体盒或用于接收流体盒的装置。每个传感器可以电连接到控制单元，控制单元接着可以基于来自传感器的信号来控制流体流和/或提供用户反馈。例如，控制单元可以通过确定每个流体感测区域处存在或不存在流体，来确定上面讨论的体积位移、流体流率和/或流体流速，并基于所确定的体积位移、流体流率和/或流体流速来控制泵和阀以停止流体流和/或对流体样品进行测试。控制器还可以记录何时获取信号的时间点，并使用时间点确定体积位移、流体流率和/或流体流速。
气泡测量
感测装置的特定实施例可以用于确定混合在流体中的气泡的体积比。图15A示出了一个示例实施例，其中感测装置38包括具有沿着流体通道15000的宽度(y轴)的多个即十个感测区域15101,15102,……,15110的一个传感器15100。每个感测区域具有相同的尺寸，并且仅与通道宽度的一个部分相互作用，检测感测区域是否填充空气(不含流体)与流体。通道沿着z轴具有固定的高度。因此，可以使用检测气体N1的感测区域的数量来估计气泡率，即：气泡率RB＝N1/N。N是感测区域的总数，并且在本例中等于10。
例如，含有多个气泡15201的流体15200流入通道。在时间t＝T1(图15B)，没有感测区域检测通道中的空气(N1＝0)。因此，气泡率RB(t＝T1)＝0/10＝0％。在时间t＝T2(图15C)，两个感测区域(15103,15108)检测通道中的空气(N1＝2)。因此，气泡率RB(t＝T2)＝2/10＝20％。
当流体连续流过通道时，传感器连续监测流体中气泡的体积比。体积比测量的精度可以通过使用沿着通道宽度的更多数量的感测区域来增加。
在一个实施例中，上述传感器中的一个或多个可以被添加到流体盒或用于接收流体盒的装置。每个传感器可以电连接到控制单元，控制单元接着可以基于来自传感器的信号来控制流体流和/或提供用户反馈。例如，控制单元可以通过确定每个流体感测区域处存在或不存在流体，来确定上面讨论的气泡测量并且基于所确定的气泡测量来控制泵和阀以停止流体流和/或对流体样品进行测试。
将盒子插入读取器仪器的对准容差
在特定实施例中，感测区域和流体通道的几何形状可以针对盒子分析进行优化。通常希望将一次性盒子插入读取器仪器中进行测量。在一个实施例中，感测装置40的传感器16001可以内置在读取器仪器中，而流体通道16000位于盒子上，如图16A所示。因此，需要在插入之后将流体通道16000与传感器16001正确地对准以实现精确的感测测量，如图16B所示。对准的容差有助于提高感测测量的可重复性。
考虑两种类型的对准容差。第一种类型是沿着通道宽度(y轴)的对准容差。图16C和图16D示出了根据感测区域16101是否覆盖通道16000的全部宽度而对准或未对准的感测装置的示例。为了提高对准容差，感测区域16010的宽度WS可以设计得比流体通道16000的宽度WC更宽，如图16E所示。以这样的方式，可以实现(WS-WC)在宽度方向上的对准容差，如图16F所示。
第二种类型是沿着通道长度(x轴)方向的对准容差。这对于具有两个或更多个感测区域或传感器的感测装置是特别重要的。在图16G中示出了具有两个传感器16001和16002的感测装置41的示例。两个传感器之间的距离L0在读取器仪器中被固定，因此在插入步骤期间保持固定。如果两个传感器之间的通道体积发生变化，则认为感测装置未对准。通过将流体通道16000设计成具有横截面面积A(图16H)，两个传感器之间的通道体积总是保持为常数V＝AL0。以这样的方式，感测装置默认很容易实现对准。图16I示出了流体通道具有非固定截面面积(A≠A')的更复杂的示例。然而，两个通道段可以设计成与两个感测区域对准以具有固定的横截面面积A。这两段的长度为LC。以这样的方式，两个传感器之间的总体积可以保持不变，同时允许沿着通道长度方向(x轴)的LC的对准容差，如图16J所示。
图17A至图17C示出了感测装置的实施例，以展示具有一个具有多个感测区域的传感器的感测装置与具有多个具有一个感测区域的传感器的感测装置的优点。图17A是具有六个传感器17001至17006的感测装置42，每个传感器分别具有一个感测区域。该设计具有六个感测区域17101至17106。图17B是具有一个具有六个感测区域17101至17106的传感器17007的感测装置44。使用一个传感器设计44有助于简化硬件配置。
图17C是具有一个具有六个感测区域17101至17106的传感器17008的另一个感测装置46。通过将流体通道布置成曲折形状，并且通过将感测区域布置在曲折形状的流动路径向内收敛的紧凑配置中，感测装置46实现了与图17B的示例相比更紧凑的传感器区域。当使用一个传感器来覆盖传感器区域时，传感器区域的可实现的尺寸受到传感器的医师实施例的限制。例如，如果光电二极管被用来测量感测装置中的光信号。光电二极管的表面积是有限的，因此将感测区域布置在紧凑尺寸内是有利的。
传感器结构
在特定实施例中，本公开所描述的感测装置可以具有额外的各种结构。例如，图18A示出了具有一个具有沿着流体通道18000的长度的多个即三个感测区域18101,18102和18103的传感器18100的感测装置40的示例。通道长度沿着x轴并且通道宽度沿着y轴。
图18B展示感测装置48的结构的一个示例实施例。在所阐述的实施例中，传感器18100是沿着z轴在通道的两侧处的感测对。流体通道18000位于一次性盒子上。感测对18100包括与一次性盒子分离的外部组件。感测区域由结合在盒子上的组件、与盒子分开的组件和/或结合在感测对上的组件限定。在一个实施例中，感测对包括光源和光检测器，感测信号是透射光的强度，并且感测区域由遮光孔限定。
图18C示出了感测装置48的结构的另一个示例实施例。在所阐述的实施例中，传感器18100包含沿着z轴在通道的一侧处的感测对。流体通道18000位于一次性盒子上。感测对18100是与一次性盒子分离的外部组件。在一个实施例中，感测区域由结合在盒子上的组件、与盒子分离的组件和/或结合在感测对上的组件限定。在一个实施例中，感测对包括光源和光检测器，感测信号是反射光的强度，感测区域由遮光孔限定。
图18D示出了感测装置48的结构的另一个示例实施例。在所阐述的实施例中，传感器18100包括沿着z轴在通道的两侧处的感测对。传感对18100和流体通道18000均位于一次性盒子上。在一个实施例中，感测区域由感测信号的有效区域或结合在一次性盒子上的组件限定。在一个实施例中，感测对包括一对电极，感测信号是电阻抗，并且感测区域由电绝缘层的孔限定。
图18E示出了感测装置48的结构的又一个示例实施例。在所阐述的实施例中，传感器18100包括沿着z轴在通道的一侧处的感测对。传感对18100和流体通道18000均位于一次性盒子上。在一个实施例中，感测区域由感测信号的有效区域或结合在一次性盒子上的组件限定。在一个实施例中，感测对包括一对电极，感测信号是流体中的电荷量，感测区域由电绝缘层的孔限定。
感测信号的物理性质
根据本公开描述的各种实施例，本公开所描述的感测装置可以使用不同的感测信号来检测通道中是否有流体。感测信号的例子包括但不限于光信号、电信号、声信号和热信号等。
在特定实施例中，感测信号可以是光学信号。例如，传感器可以包括一对光源和光检测器。光源发射与通道中的流体相互作用的光信号，然后由光检测器检测。感测区域被限定为光信号的有效区域和/或额外的光学孔径。当通道的感测区域中有流体时与没有流体时，检测到的光线具有不同的水平。光源的示例包括LED、激光二极管、灯泡、环境光等。光检测器的示例包括光电二极管、雪崩光电二极管、光电倍增管、CCD传感器、CMOS传感器等。检测到的光信号的示例包括透射光强度、吸收光强度、反射光强度、荧光强度、化学发光强度、光的偏振性等。在一个实施例中，光源是LED，光检测器是光电二极管，并且检测到的信号是透射/吸收光的强度。
在特定实施例中，感测信号可以是透射光。图19A至19C示出了利用透射光作为感测信号的感测装置50的一个示例。在该感测装置中，如图19B所示，传感器19001由光发射器19001-1和光检测器19001-2组成。感测区域19101由孔径限定，光可以穿过该孔径并与通道相互作用。来自发射器19001-1的光信号通过孔径，与流体通道相互作用，并在检测器19001-2中被测量，如图19C所示。检测器测量透射光的强度，并且感测装置使用该信号来确定在通道的感测区域中是否有流体与没有流体(例如空气)。
在特定实施例中，透射光信号的变化由流体样品的光吸收引起，如图19D中的感测装置51的示例中所示。当在通道的感测区域中没有流体(例如空气)时，检测器19001-2测量透射光强度A0。当通道填充流体时，检测器19002-2测量另一个透射光强度A1。通过选择合适的光波长，流体可以吸收很大一部分透射光。因此，检测到的信号A1小于A0。可检测的信号差(A0-A1)由流体所吸收的光量决定。
光吸收量可以通过比尔-朗伯定律(Beer-Lambert Law)确定:A＝εbc，其中A是光吸收量，ε是样品的衰减系数，b是光吸收的路径长度，并且c是样品中分析物的浓度。对于给定的样品(固定的ε和c)，光路长度b越长，被吸收的光量越高。
流体样品的实例包括例如水、生物流体(血液、血清、血浆、尿液等)、用缓冲液稀释的生物流体等。通过选择适合目标流体的光波长(增加衰减系数ε)，可以最大化光吸收并因此使可检测信号差(A1-A0)最大化。例如，血液样品强烈地吸收绿色波长(例如520-560nm)的光。因此，使用绿光波长会引起显著的信号差(A0-A1)。同时，通过增加沿z轴的通道高度(增加光路长度b)，可以增加吸收的光量，从而也增加可检测信号差(A1-A0)。另一方面，通过沿着z轴减小通道高度，光路长度将减小，从而减小可检测信号差(A1-A0)。
在其他特定实施例中，透射光的变化主要由通道内表面处的光散射引起，如图19E中的感测装置52所示。当从传感器的发射器19001-1向传感器的检测器19002-2透射光时，部分光在通道内表面(通道材料例如比如塑料或玻璃与通道内的内容物例如空气或流体之间的界面)被散射并且不被接收在传感器的检测器中。光散射水平越高，检测器中接收到的光量就越低，从而导致较低的测量信号水平。当通道的感测区域中没有流体例如通道中的空气或真空时，引入较高水平的光散射，因此检测器19001-2测量较低的透射光强度A0。当通道填充流体时，引入较低水平的光散射，因此检测器19002-2测量较高的透射光强度A1。传感器可以测量信号差(A0-A1)，以确定感测区域是否有流体或没有流体(例如充满空气)。
图20进一步示出了这种具有光散射的传感器设计如何工作。图20A示出了测量作为感测信号的透射光的感测装置53。来自传感器的发射器20001-1的光在通道的内表面20401和20402上垂直照射。当表面20401和20402非常光滑时，没有光散射，并且所有的光都可以透射到传感器的检测器20001-2，检测到高信号水平A'。图20B示出了类似的感测装置54，不同之处在于通道的内表面20401和20402具有一定的粗糙度。当通道材料具有不等于沟道中空气的折射率(n0)的折射率(n1)时，来自传感器的发射器20001-1的部分光在粗糙表面处被散射，并且传感器的检测器20001-2检测到下降的信号水平A0。对于比如塑料(折射率n1在1.3至1.7范围内)或玻璃(n1在1.4到1.7范围内)的通道材料，折射率与空气的不匹配(n0＝1.0)是显著的，因此存在显著的光散射在通道表面。当流体样品(n2在1.3至1.7范围内)进入通道时，如图20C所示，它代替了空气(n0＝1.0)，并减少了折射率与通道材料的不匹配(塑料n1＝1.3至1.7，或玻璃n1＝1.4至1.7)。因此，散射的光量减少，并且传感器的检测器测量增加的光信号A1(A1>A0)。在理想情况下，如果流体样品的折射率等于通道材料的折射率(n3＝n1)，则在界面处没有散射，并且传感器的检测器测量到A1的最大水平。
鉴于上文，在设计具有光散射的感测装置时，重要的是考虑通道的内表面的粗糙度并考虑通道材料以及流体样品的折射率。在一个实施例中，通道材料可以是塑料诸如环烯烃共聚物(COC，折射率接近1.53)、环烯烃聚合物(COP，折射率接近1.53)、聚碳酸酯(PC，折射率接近1.59)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，折射率接近1.49)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PEF，折射率接近1.60)、聚苯乙烯(PS，折射率接近1.6)以及本领域普通技术人员已知的其他塑料材料。在一个实施例中，感测装置设计适用于检测折射率(n2)在1.3至1.65范围内的各种流体样品，例如水、水中分析物溶液、体液(血液、尿液、泪液等)、溶剂中的体液溶液以及本领域技术人员已知的其他流体样品。在优选实施例中，感测装置具有粗糙度Sa在0.1nm至10nm的范围的通道内表面。在其他优选实施例中，感测装置具有粗糙度Sa在10nm至1μm的范围的通道内表面。在其他优选实施例中，感测装置具有粗糙度Sa在1μm至10μm的范围的通道内表面。在其他优选实施例中，感测装置具有粗糙度Sa在10μm至100μm的范围的通道内表面。
光散射设计与测量作为感测信号的光吸收的先前实施例显著不同。首先，具有光散射的传感器设计在通道中检测流体(替换空气或真空)时测量信号增加(A0<A1)，而具有光吸收的传感器设计测量信号减小(A0>A1)。其次，光散射的传感器设计中的信号差(A0-A1)的幅度主要取决于两个设计因素：通道内表面的表面粗糙度以及通道材料与通道内的折射率失配(空气对流体)。同时，光吸收的传感器设计中信号差(A0-A1)的幅度主要由另外两个因素决定：流体的衰减系数ε和光路长度(比如沿着图19中的z轴的通道深度)。
对于具有小流体通道尺寸的盒子应用，光路长度受通道尺寸限制，并且因此可测量信号差(A0-A1)的幅度受到限制。在这种情况下，具有光散射的传感器设计是有利的，因为其信号差(A0-A1)主要由表面粗糙度和折射率失配决定。因此，通过恰当地选择通道表面粗糙度并匹配通道材料和流体样品之间的折射率，即使是小的通道尺寸也可以引入显著的光散射。
在实际使用中，光吸收和光散射经常同时存在于感测装置中。通过设计通道尺寸、流体样品性质(衰减系数ε、样品c中的分析物浓度、折射率n2)、通道材料(折射率n1)、通道表面粗糙度(Sa)、光波长和本领域技术人员已知的其他性质可以优化它们对信号差(A0-A1)的相对影响。
在其他实施例中，感测信号可以是电信号。例如，传感器可以包括一对电极。由电极对产生的电场可以与通道中的流体相互作用。在一个实施例中，感测区域被限定为电场和/或绝缘孔径的有效区域。当在通道的感测区域中有流体时与没有流体时，在电极对处检测到的信号具有不同的水平。检测到的电信号的示例包括但不限于电阻抗(例如电阻、电容、电感)、AC/DC电流的幅值、AD/DC电压的幅值、电流/电压的频谱等。
在其他实施例中，感测信号可以是声学信号。例如，在一个实施例中，传感器包括一对声源和一个声检测器。来自声源的声信号与通道中的流体相互作用。在一个实施例中，感测区域被限定为声场和/或声孔的有效区域。当通道的感测区域中有流体时与没有流体时，检测到的信号具有不同的水平。检测到的声信号的示例包括但不限于声波的强度和/或声波的频率。
在其他实施例中，感测信号是热信号。例如，在一个实施例中，传感器包括一对热源和热检测器。来自源的热信号与通道中的流体相互作用。在一个实施例中，感测区域被限定为热通道和/或绝热孔的有效区域。当通道的感测区域中有流体时与没有流体时，检测到的信号具有不同的水平。检测到的热信号的示例包括温度。
以上在具体实施方式中描述了本公开的各种实施例。尽管这些描述直接描述了上述实施例，但是应该理解的是，本领域技术人员可以想到对这里示出和描述的特定实施例的修改和/或变形。落入本说明书范围内的任何这样的修改或变形也意图包括在其中。除非特别指出，否则发明人的意图是说明书和权利要求书中的词语和短语被赋予普通技术人员的普通和习惯的含义。
已经呈现了本申请人在提交本申请时已知的本公开的各种实施例的以上描述，并且旨在用于说明和描述的目的。本说明并非旨在穷尽本发明，也不将本发明限制于所公开的确切形式，并且根据上述教导可以进行许多修改和变形。所描述的实施例用于解释本公开的原理及其实际应用，并且使得本领域的其他技术人员能够以各种实施例以及适合于预期的特定用途的各种修改来利用本公开。因此，旨在本公开不限于公开的用于实现本公开所披露的特定实施例。
虽然已经示出和描述了本公开的特定实施例，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，基于本公开的教导，可以做出变形和修改而不偏离本公开及其更广泛的方面，因此所附权利要求将在其范围内涵盖在本公开的真实精神和范围内的所有这些改变和修改。本领域技术人员将理解，一般而言，本公开中使用的术语一般意图为“开放”术语(例如术语“包括”应被解释为“包括但不限于”，术语“具有”应被解释为“至少具有”，术语“包括”应被解释为“包括但不限于”等)。
本公开的其他方面
这里描述的主题的各方面可以单独使用或与本公开描述的其他方面中的任何一个或多个组合使用。根据本公开的第一方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，流体装置包括一次性盒子，所述一次性盒子包括被配置成接收流体流的流体通道，接收所述一次性盒子的仪器，所述仪器包括当所述一次性盒子被所述仪器接收时具有沿着所述流体通道间隔开的多个流体感测区域的至少一个传感器，每个流体感测区域被配置成确定所述流体通道的相应部分处存在或不存在流体，以及控制单元，其被配置成：(i)接收指示在每个流体感测区域处存在或不存在流体的信号，并且(ii)基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体体积、体积位移、流体流率、流体速度或气泡体积比当中的至少一个。
根据本公开的第二方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，当所述一次性盒子被所述仪器接收时，所述多个流体感测区域沿着所述流体通道的长度间隔开。
根据本公开的第三方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，当所述一次性盒子被所述仪器接收时，所述多个流体感测区域沿着所述流体通道的宽度间隔开。
根据本公开的第四方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，所述多个流体感测区域每个位于不同的传感器上，所述不同的传感器被配置成测量所述流体通道的沿着所述流体通道长度的相应部分处存在或不存在流体。
根据本公开的第五方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，所述多个流体感测区域每个位于同一个传感器上，并且所述流体通道具有贯穿所述一次性盒子的曲折形状，并且所述多个流体感测区域与汇聚到所述传感器的集中部分的流体通道的段对准。
根据本公开的第六方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体通道内的流体的体积位移，其中流过流体通道的流体依次沿着所述流体感测区域通过。
根据本公开的第七方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定所述流体通道内的流体的流体流率，其中流过流体通道的流体依次沿着所述流体感测区域通过。
根据本公开的第八方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定所述流体通道内的流体塞的体积，其中流过所述流体通道的流体依次沿着所述流体感测区域通过。
根据本公开的第九方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，所述流体通道具有已知的横截面面积，并且其中控制单元使用所述流体通道的已知横截面积来基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体体积、体积位移、流体流率或流体流速当中的至少一个。
根据本公开的第十方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，一种流体装置包括：一次性盒子，其包括被配置成接收流体流的流体通道；仪器，被配置成接收所述一次性盒子，所述仪器包括当所述一次性盒子被所述仪器接收时具有沿着所述流体通道的长度间隔开的多个流体感测区域的至少一个传感器，每个传感器包括光发射器和光接收器；以及控制单元，被配置成基于在每个传感器中从相应的发射器到相应的接收器的光透射来确定在每个流体感测区域处存在或不存在流体，其中光透射的水平由流体感测区域中存在或不存在流体而散射的光量来改变。
根据本公开的第十一方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，所述控制器被配置成使用所述流体通道的至少一部分的表面粗糙度来确定每个流体感测区域处存在或不存在流体，其中所述表面粗糙度改变了每个传感器中被散射的光量。
根据本公开的第十二方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，所述控制器被配置成使用形成所述流体通道的至少一部分的材料的折射率来确定每个流体感测区域处存在或不存在流体，其中所述流体通道中材料的折射率与和流体的折射率之间的差异改变了每个传感器中被散射的光量。
根据本公开的第十三方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，所述控制器被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体体积、体积位移、流体流率、流体流速或气泡体积比当中的至少一个。
根据本公开的第十四方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，一种配置一次性盒子的方法包括：设计具有被配置成接收特定流体样品的流体通道的一次性盒子；使用具有与所述特定流体样品的折射率相匹配的折射率的材料来形成具有表面粗糙度的所述流体通道的至少一部分；并且当所述一次性盒子被接收在读取器仪器中用于测量时，将所述流体通道的所述一部分配置成与所述读取器仪器中的光发射器和光接收器对准。
根据本公开的第十五方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，该方法包括对所述读取器仪器进行配置以基于从相应的发射器到相应的接收器的光透射来确定一次性盒子的所述流体通道中存在或不存在流体，其中光透射的水平由所述流体通道中存在或不存在流体时被散射的光量来改变。
根据本公开的第十六方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，该方法包括将所述流体通道的一部分配置成沿着所述流体通道的宽度与所述多个光发射器和光接收器对准。
根据本公开的第十七方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，该方法包括将所述流体通道的一部分配置成沿着所述流体通道的长度与多个光发射器和光接收器对准。
根据本公开的第十八方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，该方法包括对所述读取器仪器进行配置以基于所述多个光发射器和光接收器中的每一处存在或不存在流体来确定流体的流体体积、体积位移、流体流率、流体速度或气泡体积比当中的至少一个。
根据本公开的第十九方面，其可以与本公开列举的任何其它方面或方面的组合一起使用，该方法包括设计具有贯穿所述一次性盒设计的曲折形状的流体通道，使得所述多个光发射器和光接收器中的每一个与所述一次性盒子中汇聚到所述传感器的集中部分的流体通道的段对准。
根据本公开的第二十方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，该方法包括通过在对准前固定所述多个光发射器和光接收器之间的距离，允许在将所述多个光发射器和光接收器与所述盒子中的所述流体通道对准时的对准容差。
根据本公开的第二十一方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，一种流体装置包括：流体通道，其被配置成接收流体流；多个流体感测区域，其沿着流体通道的长度间隔开，每个流体感测区域被配置成确定所述流体通道的沿着所述流体通道的长度的相应部分处存在或不存在流体；以及控制单元，其被配置成(i)接收指示在每个流体感测区域处存在或不存在流体的信号，并且(ii)基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体体积、体积位移、流体流率或流体流速当中的至少一个。
根据本公开的第二十二方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定所述流体通道内的流体的流体体积。
根据本公开的第二十三方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定所述流体通道内的流体的体积位移。
根据本公开的第二十四方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定所述流体通道内的流体的流体流率。
根据本公开的第二十五方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定所述流体通道内流体的流体流速。
根据本公开的第二十六方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，所述控制单元使用所述流体通道的已知横截面面积来基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体体积、体积位移、流体流率或流体流速当中的至少一个。
根据本公开的第二十七方面，其可以与本公开所列的任何其他方面或方面的组合一起使用，所述流体通道位于至少一部分由透明材料制成的一次性盒子上。
根据本公开的第二十八方面，其可以与本公开列举的任何其它方面或方面的组合一起使用，所述多个流体感测区域每个位于不同的传感器上，所述不同的传感器被配置成测量所述流体通道的沿着所述流体通道的长度的相应部分处存在或不存在流体。
根据本公开的第二十九方面，其可以与本公开所列的任何其它方面或方面的组合结合使用，所述流体感测区域被配置成使用(i)光学信号；(ii)电信号；(iii)声音信号；和(iv)热信号当中的至少一种来确定所述流体通道的沿着所述流体通道的长度相应部分处存在或不存在流体。
根据本公开的第三十方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，一种流体装置包括：流体通道，其被配置成接收流体流；多个流体感测区域，沿着所述流体通道的宽度间隔开，每个流体感测区域被配置成确定所述流体通道的沿着所述流体通道的宽度的相应部分处存在或不存在流体；以及控制单元，所述控制单元被配置成(i)接收指示在每个流体感测区域处存在或不存在流体的信号，并且(ii)基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体通道内流体的气泡体积比。
根据本公开的第三十一方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，所述控制单元被配置成使用所述多个流体感测区域的宽度来确定所述流体通道内流体的气泡体积比。
根据本公开的第三十二方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，所述控制单元被配置成使用所述流体通道的长度来确定所述流体通道内流体的气泡体积比。
根据本公开的第三十三方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，一种监测经过流体通道的流体流的方法包括：将多个流体感测区域与一次性盒子的流体通道的长度或宽度对准，检测所述多个流体感测区域处存在或不存在流体，基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的参数，并且基于所确定的参数来控制经过所述一次性盒子的流体通道的流体。
根据本公开的第三十四方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，确定参数包括基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体体积。
根据本公开的第三十五方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，确定参数包括基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的体积位移。
根据本公开的第三十六方面，其可以与本公开列举的任何其它方面或方面的组合一起使用，确定参数包括基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体流率。
根据本公开的第三十七方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，确定参数包括基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体流速。
根据本公开的第三十八方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，确定参数包括基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定的流体的气泡体积比。
根据本公开的第三十九方面，其可以与本公开列举的任何其他方面或多个方面的组合结合使用，允许在通过固定多个流体区域之间的距离而使所述多个流体感测区域对准时的对准容差。

Claims (20)

1.一种流体装置，包括：
一次性盒子，其包括配置成接收流体流的流体通道；
仪器，其被配置成接收所述一次性盒子，所述仪器包括当所述一次性盒子被所述仪器接收时具有沿着所述流体通道间隔开的多个流体感测区域的至少一个传感器，每个流体感测区域被配置成确定所述流体通道的相应部分处存在或不存在流体；以及
控制单元，其被配置成：(i)接收指示在每个流体感测区域处存在或不存在流体的信号，并且(ii)基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体体积、体积位移、流体流率、流体流速或流体的气泡体积比当中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的流体装置，其中，当所述一次性盒子被所述仪器接收时，所述多个流体感测区域沿着所述流体通道的长度间隔开。
3.根据权利要求1所述的流体装置，其中，当所述一次性盒子被所述仪器接收时，所述多个流体感测区域沿着所述流体通道的宽度间隔开。
4.根据权利要求1所述的流体装置，其中，所述多个流体感测区域每个位于不同的传感器上，所述不同的传感器被配置成测量所述流体通道的沿着所述流体通道的长度的相应部分处存在或不存在流体。
5.根据权利要求1所述的流体装置，其中，所述多个流体感测区域每个位于同一个传感器上，所述流体通道具有贯穿所述一次性盒子的曲折形状，并且所述多个流体感测区域与汇聚到所述传感器的集中部分的流体通道的段对准。
6.根据权利要求1所述的流体装置，其中，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定所述流体通道内的流体的体积位移，其中流过所述流体通道的流体依次沿着所述流体感测区域通过。
7.根据权利要求1所述的流体装置，其中，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定所述流体通道内的流体的流体流率，其中流过所述流体通道的流体依次沿着所述流体感测区域通过。
8.根据权利要求1所述的流体装置，其中，所述控制单元被配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定所述流体通道内的流体塞的体积，其中流过所述流体通道的流体依次沿着所述流体感测区域通过。
9.根据权利要求1所述的流体装置，其中，所述流体通道具有已知的横截面积，并且所述控制单元使用所述流体通道的已知横截面面积来基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体体积、体积位移、流体流率或流体流速当中的至少一个。
10.一种流体装置，包括：
一次性盒子，其包括被配置成接收流体流的流体通道；
仪器，其被配置成接收所述一次性盒子，所述仪器包括当所述一次性盒子被所述仪器接收时具有沿着所述流体通道的长度间隔开的多个流体感测区域的至少一个传感器，每个传感器包括光发射器和光接收器；以及
控制单元，其被配置成基于在每个传感器中从相应的发射器到相应的接收器的光透射来确定每个流体感测区域处存在或不存在流体，其中光透射的水平由在流体感测区域中存在或不存在流体而被散射的光量来改变。
11.根据权利要求10所述的流体装置，其中，所述控制器被配置成使用所述流体通道的至少一部分的表面粗糙度来确定每个流体感测区域处存在或不存在流体，其中所述表面粗糙度改变了每个传感器中被散射的光量。
12.根据权利要求10所述的流体装置，其中，所述控制器被配置成使用形成所述流体通道的至少一部分的材料的折射率来确定每个流体感测区域处存在或不存在流体，其中所述流体通道中的所述材料的折射率与流体的折射率之间的差异改变了每个传感器中被散射的光量。
13.根据权利要求10所述的流体装置，其中，所述控制器配置成基于每个流体感测区域处存在或不存在流体来确定流体的流体体积、体积位移、流体流率、流体流速或气泡体积比当中的至少一个。
14.一种配置一次性盒子的方法，包括：
设计具有被配置成接收特定流体样品的流体通道的一次性盒子；
使用具有与所述特定流体样品的折射率相匹配的折射率的材料来形成具有表面粗糙度的所述流体通道的至少一部分；并且
当所述一次性盒子被接收在读取器仪器中用于测量时，将所述流体通道的所述一部分配置成与所述读取器仪器中的光发射器和光接收器对准。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，包括对所述读取器仪器进行配置以基于从相应的发射器到相应的接收器的光透射来确定所述一次性盒子的所述流体通道中存在或不存在流体，其中光透射的水平由当所述通道中存在或不存在流体时被散射的光量来改变。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，包括将所述流体通道的所述一部分配置成沿着所述流体通道的宽度与多个光发射器和光接收器对准。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，包括将所述流体通道的所述一部分配置成沿着所述流体通道的长度与多个光发射器和光接收器对准。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，包括对所述读取器仪器进行配置以基于所述多个光发射器和光接收器中的每一个处存在或不存在流体来确定流体的流体体积、体积位移、流体流率、流体流速或气泡体积比当中的至少一个。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，包括设计具有贯穿所述一次性盒子的曲折形状的流体通道，使得所述多个光发射器和光接收器中的每一个与所述一次性盒子中汇聚到所述传感器的集中部分的流体通道的段对准。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，包括通过在对准前固定所述多个光发射器和光接收器之间的距离，允许在将所述多个光发射器和光接收器与所述盒子中的所述流体通道对准时的对准容差。
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