CN108290154A - 可重新配置的微流体系统：均质分析 - Google Patents

Abstract

可重新配置的微流体系统基于通过疏水微流体通道连接的微流体腔的网络。每一个腔均被分类为储存器或节点，且包括压力端口，经由其可以施加气体压力。根据流体转移规则施加到储存器和节点的气体压力的顺序使得流体能够从系统中的任何储存器移动至任何其他储存器。此类系统适用于自动化的、多输入的、多输出的均质分析。

Description

可重新配置的微流体系统：均质分析

相关申请

本申请涉及2015年7月24日提交的“Reconfigurable microfluidic systems:Microwell plate interface（可重新配置的微流体系统：微孔板接口）”，US 14/808,933，以及2015年7月24日提交的“Reconfigurable microfluidic systems: Scalable,multiplexed immunoassays（可重新配置的微流体系统：可扩展、多路复用免疫分析）”，US14/808,939。

本申请要求2015年7月24日提交的美国申请序列号14/808,929的优先权且要求其权益，该文献的全部内容因此通过引用并入本文中。

技术领域

本公开大体涉及微流体系统。

背景技术

微流体系统操纵微升和更小规模体积的流体。除了许多其他的应用之外，喷墨印刷和生物化学分析是微流体的两个突出应用。移动、控制和混合微小量的液体的能力在生物化学中是有价值的，因为其允许利用给定量的起始材料完成更多的实验。与传统的微孔板相比较，与微流体通道关联的增加的表面与体积的比率也加速表面反应，一些种类的分析基于所述表面反应。

尽管在过去30年中在微流体方面实现了意义深远的进展，但仍存在改进的空间。例如制造像常规大小的阀一样可靠地打开和关闭的微流体阀仍然是一个挑战。需要微流体设备和微孔板之间接口的新方法。最后，微流体分析需要变得可扩展，以便能够在一个芯片上并行执行数百或者数千的分析。

附图说明

图1是在横截面中看到的可重新配置的微流体设备的图解。

图2示出从外部流体源装载图1的设备。

图3示出图1的设备至外部流体存储件的卸载。

图4A、图4B和图4C是在平面视图中看到的、示出图1的设备的操作的图解。

图5是在类似于图1的设备的设备的节点和储存器之间转移的流体体积的曲线图。

图6是在平面视图中看到的以步骤0至步骤6示出可重新配置的微流体设备的操作的图解。

图7是在横截面中看到的、包括用于清扫微流体通道的端口的可重新配置的微流体设备的图解。

图8是表示自动稀释实验的结果的吸收率的曲线图。

图9是包括压力定序器的可重新配置的微流体系统的图解。

图10A（横截面视图）和图10B（平面视图）是示出在可重新配置的微流体设备中的气体流动歧管的图解。

图11是用于均质分析的可重新配置的微流体设备的平面视图图解。

图12示出在图11的设备的单试剂输入、多输出操作中的步骤0至步骤2。

图13示出在图11的设备的单试剂输入、多输出操作中的步骤3至步骤5。

图14示出在图11的设备的多样本输入、多输出操作中的步骤0至步骤2。

图15示出在图11的设备的多样本输入、多输出操作中的步骤3和步骤4。

具体实施方式

可重新配置的微流体系统基于通过疏水微流体通道连接的微流体腔的网络。每一个腔均被分类为储存器或节点，且包括压力端口，可以经由其施加气体压力。根据流体转移规则施加到储存器和节点的气体压力的顺序使得流体能够从系统中的任何储存器移动至任何其他储存器。此类系统适用于自动化的、多输入的、多输出的均质分析。

可重新配置的微流体系统可以从这些基本的部件-储存器、节点和通道-设计以执行许多不同的微流体任务，包括均质和非均质分析和微孔板接口连接。系统可扩展成任何数目的流体输入和输出，且其能够操纵对于多路复用样本与分析物所必需的非常小的流体体积以执行多个同时发生的分析。

微流体腔是用于在微流体设备中积聚流体的内部体积。储存器是连接到仅一个微流体通道的微流体腔。节点是连接到多于一个微流体通道的微流体腔。最后，通道是在节点或储存器之间的微流体通路。在可重新配置的微流体系统中的每一个通道连接最多两个腔。也就是说，不存在通道交叉。

相比通道，节点被设计为对流体流动提供更低的阻力。腔或通道的流体流动阻力与其横截面面积的平方成反比。因此，可以经由不同的横截面面积设计在通道和储存器之间，或者在通道和节点之间的流动阻力差异。

储存器存储流体；例如样本或试剂。另一方面，节点不存储流体，除了在一系列流体转移步骤期间暂时地存储流体。为了使流体自动装载到储存器中、或从储存器卸载流体，储存器可以设置有从储存器延伸至玻璃瓶的小塑料管（作为简单的示例）。

可重新配置的微流体系统可以以多种方式实施，只要：提供储存器、节点、通道和压力端口；与在节点中相比，在通道中对流体流动的阻力更大；以及，通道是疏水的，以当压力在通道的两端处相等或者几乎相等时防止流体流动。典型的实施方式包括基底层、疏水流体层和气动层。

图1是在横截面中看到的可重新配置的微流体设备的图解。在图1中，微流体设备105包括基底层110、疏水流体层115和气动层120。在疏水流体层中的腔被标记为‘A’、‘B’和‘C’。腔A和B通过通道125连接，同时腔B和C通过通道130连接。腔A和C被分类为储存器，因为其各自连接到仅一个通道。腔B被分类为节点，因为其连接到多于一个通道；B连接到通道125和通道130两者。

压力源135、140和145分别经由气体管150、155和160分别连接到储存器A、节点B和储存器C。三个压力源中的每一个均能够提供至少两个不同压力：高压和低压。在附图中，标记‘H’和‘L’指的是压力源提供高压或低压的能力。压力源135也能够提供小于大气压力的压力；即，部分真空。在附图中，标记‘V’指的是该能力。作为示例，高压可以是大约2 kPa，低压可以是大约0 kPa，且部分真空压力可以是大约-6 kPa，其中，所有压力都是计示压力。

可能有制成类似微流体设备105的结构的若干不同方式。作为第一示例，基底110可以由玻璃、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、或塑料制成。疏水流体层115可以从PDMS制成。用于铸造PDMS以限定疏水微流体通道的模子可以利用用于乙烯基贴纸（vinyl decals）的可编程刀具生产，或者在诸如SU-8的基于环氧树脂的负性光刻胶中光刻地限定。在图案化的PDMS固化和从模子移除之后，其可以被结合至平坦基底。气动层120也可以由PDMS制成。气体管可以由聚醚醚酮（PEEK）配管制成，当在PDMS中的适当大小的孔中插入时，配管形成方便的密封。适于作为PDMS的替代物的疏水材料包括氟化乙丙烯（FEP）和聚四氟乙烯（PTFE）。

在示例设备中，通道125和130的横截面尺寸是大约100 μm ×大约300 μm。储存器A和C以及节点B的大小按照直径计在大约2 mm和大约4 mm之间。在储存器A和节点B之间的距离在大约5 mm和大约10 mm之间；在节点B和储存器C之间的距离与之大约相同。在典型设备中的腔的横截面面积是通道的横截面面积的大约100至400倍。因此，通道的流动阻力是腔的流动阻力的大约10,000至160,000倍。用于通道和腔的替代设计导致通道的流动阻力是腔的流动阻力的大约100倍或者大约1000倍。

制造类似微流体设备105的结构的第二种方式是热模压诸如环烯共聚物（COC）的疏水热塑性聚合物，之后通过溶剂-辅助层压来形成封闭的疏水通道。制造类似微流体设备105的结构的第三种方式是喷射模塑诸如COC的疏水聚合物。最后，在例如聚碳酸酯中形成的亲水性微流体通道可以经由化学表面处理变得疏水。毫无疑问，存在其他方式来制造包含通过疏水微流体通道连接的腔的结构。

图2示出从外部流体源装载图1的设备。在图2中，附图标记105-160指的是与图1中相同的物件。然而，在图2中，压力源135、140和145分别供应部分真空、低压和低压。供应管165将储存器A连接至处于大气压力的外部流体源170。当部分真空通过压力源135经由气体管150被施加到储存器A时，流体被从流体源170提取且积聚在储存器A中。因为被施加到节点B的气体压力高于被施加到储存器A的气体压力，所以在该情况中流体不从储存器A流动至节点B。

图3示出图1的设备至外部流体存储件的卸载。在图3中，附图标记105-160指的是与图1中相同的物件。然而，在图3中，压力源135、140和145分别供应低压、高压和高压。引流管175将储存器C连接至外部流体存储件180。流体存储件处于大气压力。当高压通过压力源145经由气体管160被施加到储存器C时，流体被从储存器C排出且积聚在流体存储件180中。因为被施加到节点B的气体压力与被施加到储存器C的气体压力相同，所以在该情况中流体不从储存器C流动至节点B。

在可重新配置的微流体系统中，通过施加到储存器和节点的气体压力差异来控制通过微流体通道的流体流动。通过疏水通道的流体流动表现出显著的阈值效应。起初，由于压力差异从通道的一端至另一端增加，所以没有流体流动。然而，一旦达到阈值压力差异，通过通道的流体流动速率与所施加的压力差异成比例增大。通道的疏水性设置阈值压力差异，且在系统中使用的“高”压和“低”压之间的差异被设计为大于疏水阈值压力。因此，当压力在通道的一端处“高”且在另一端处“低”时，流体在通道中迅速流动。

当没有施加压力差异时，疏水通道的疏水阈值压力防止在节点和储存器中的流体泄漏到通道中。阈值压力被设计为足够大以防止流体流动，所述流体流动可以由通过在储存器或节点中的流体的重量引起的流体动力学压力驱动，或者由在“高”和“低”之间切换所施加的压力时可能存在的残余压力差异驱动。因此，“疏水通道”被限定为表现出压力阈值的通道，当在通道的两端之间的压力差异小于设计压力时，所述压力阈值防止流体泄漏到通道中。在示例可重新配置的微流体系统中，通道被设计为具有大约1 kPa的疏水阈值压力。

在根据特定模式的系统中，通过切换施加到每一个储存器和节点的压力，实现在储存器和节点之间的流体转移。如下术语辅助用于可重新配置的微流体系统的流体转移规则的讨论。源头是流体从其转移的储存器或节点。终点是流体转移到其的储存器或节点。需要两种气体压力：高压和低压。

用于可重新配置的微流体系统的流体转移规则可以总结成如下步骤：

步骤0：施加低压至所有腔。

步骤1：施加高压至源头和通过通道连接到源头的任何腔，除了终点。施加低压至终点和连接到终点的任何腔，除了源头。

步骤2（可选的）：将源头切换回低压。该可选步骤的目的是在步骤1之后确保在所有通道中存在气隙（即，没有流体的区段）。当转移在步骤0处在源头腔中的非全部流体时，该可选步骤是有用的。

步骤3：返回到步骤0，以准备下一次流体转移操作。

如在下文中解释的，可以通过压力定序器来执行流体转移规则，所述压力定序器提供压力的必需顺序以完成任何期望的流体转移操作。两个示例示出流体转移规则如何用于执行常见的流体转移实验。第一示例展示了当流体从一个腔转移到另一个腔时的流动速率控制；第二示例展示了流体样本的自动稀释。

示例1：流动速率控制。

图4A、图4B和图4C是在平面视图中看到的、示出图1的设备的操作的图解。具体来说，图4A示出通过通道125和130连接的储存器A、节点B和储存器C的平面视图。在图4B和图4C中，标记‘A’、‘B’和‘C’被‘L’、‘L’和‘L’（图4B）和‘H’、‘L’和‘L’（图4C）代替。图4A用作用于图4B和图4C的说明（key）。在图4B和图4C中的‘H’和‘L’示出哪个腔具有施加到它们的高压和低压。在图4B和图4C中的阴影以及在图4C中的箭头示出流体从储存器A移动至节点B。

流体转移规则解释了在图4B和图4C中描绘的流体转移如何实现。规则的步骤0规定将低压施加到所有腔。图4B示出低压‘L’被施加到储存器A、节点B和储存器C。在图4B中的储存器A的阴影意思是储存器具有流体在其中，同时节点B和储存器C是空的。储存器A是源头。

流体转移规则的步骤1规定将高压施加到源头和通过通道连接到源头的任何腔，除了终点。进一步，将低压施加到终点和连接到终点的任何腔，除了源头。这是在图4C中描绘的情况。结果是从源头至终点的流体转移。

在所有其他状况相同的情况下，从源头转移至终点的流体的体积依赖于在流体转移规则的步骤1期间施加压力的时间量。进行实验以展示在类似于在图1-图4中示出的装置的装置中的流动速率控制。

图5是在类似于图1的设备的设备的储存器和节点之间转移的流体体积的曲线图。曲线图示出所转移的流体的体积（单位微升（μL））随在流体转移规则的步骤1期间施加压力的时间（单位秒）的变化。在曲线图上的六个黑点表示实验数据，而虚线是对数据的线性拟合。所观察到的流动速率是大约10 μL每秒。

在实验期间，即使与储存器A相比较，节点B和储存器C保持在相同低压处，也不存在流体至储存器C的泄漏。通过通道130的与节点B的流动阻力相比高的流动阻力，防止至储存器C的泄漏。

示例2：自动稀释。

图6是在平面视图中看到的，示出可重新配置的微流体设备的操作的图解。在图6中，同一设备605在标题‘步骤0’、‘步骤1’、…、‘步骤6’下示出七次。设备605在构造方面与图1-图4的设备类似，但是设备605具有四个储存器（610、615、620、625）和一个节点（630）。为了改善视觉清晰度，当其在标题‘步骤1’至‘步骤6’下示出时，用于设备的附图标记不再重复示出。每一个储存器均经由其自己的通道连接到节点630。例如，通道635将储存器610连接至节点630。其他通道不具有附图标记。储存器、通道和节点在不同的步骤期间以黑色、灰色或者白色绘出。黑色和灰色表示两种不同的流体，而白色表示没有流体。

如上文所述，流体转移规则以其基本形式在两种状态之间交替。第一状态是初始、静止状况，其中，所有腔处于低压。在第二状态中，流体从源头转移至终点。这两种状态在上文中被称为‘步骤0’和‘步骤1’。

图6使用“步骤”术语。然而，在图6中的‘步骤0’至‘步骤6’不旨在匹配流体转移规则的步骤。作为替代，‘步骤0’至‘步骤6’是在整个程序中的步骤，在所述程序期间，流体转移规则的步骤重复应用。

在图6中示出的程序的总体结果在于来自储存器610的一些流体被移动到储存器620，且来自储存器615的一些流体也被移动到储存器620。因此，在程序结束时，在‘步骤6’中，储存器620包含来自储存器610和615的流体的混合物。相当于储存器620包含通过来自储存器615的流体稀释的来自储存器610的流体。

一系列压力被施加到设备605的储存器和节点。在图6中，通过用于高压的标记‘H’和用于低压的‘L’来指示压力。步骤0示出储存器和节点都处于低压。储存器620和625及节点630不包含流体。储存器610和615包含通过黑色和灰色阴影指示的不同流体。

在步骤1中，高压被施加到源头储存器610，且低压被施加到终点节点630以及连接到终点的所有腔，除了源头。流体从源头流动至终点。尽管未示出，但是在步骤1之后，系统压力暂时地返回到初始状况，所有腔都如在步骤0中那样处于低压。在每一个所示步骤之前和之后，发生所有腔至低压处的重置。

在步骤2中，节点630是源头，且储存器620是终点。因此，高压被施加到源头及连接到其的所有腔，除了终点。低压被施加到终点。流体从源头流动至终点。

步骤3是流体转移规则的可选步骤2的示例。该步骤的目的是清扫在节点630与储存器610和620之间的通道。在通道中必须存在气隙，以便通道提供对流体流动的疏水屏障。在没有在步骤3中示出的操作的情况下，通道635和将节点630连接至储存器620的通道可在其中留有流体，这将使其疏水屏障无效。

在步骤3中，储存器610暂时地切换回低压，而所有其他压力保持与在步骤2中一样。这导致在通道635中留下的任何流体被送回到储存器610。如在下文中讨论的，存在完成该“通道清扫”功能的替代方式。在流体转移规则的一个周期中，在源头处的非全部流体被移动到终点的情形中，可能需要通道清扫。

步骤4、步骤5和步骤6类似于步骤1、步骤2和步骤3，除了流体从储存器615移动至储存器620，而不是从储存器610移动至620。因为从一个腔移动至另一个腔的流体的量能够通过施加压力的时间来控制，如在示例1中展示的，所以从储存器610移动到储存器620的流体与从储存器615移动到储存器620的流体的比率能够按照实验者的意愿调整。因此，可以通过选择施加到设备605的腔的压力的适当顺序来执行自动稀释。

当在源头腔中的仅一些流体被转移走时，用于清空通道的替代手段涉及连接到通道的专用气体管。图7是在横截面中看到的、包括用于清扫微流体通道的端口的可重新配置的微流体设备的图解。图7的设备几乎与图1的设备相同，除了设有气体管、压力端口和气体压力源，以使得能够在通道中形成气隙。

在图7中，微流体设备705包括基底层710、疏水流体层715和气动层720。在疏水流体层中的腔被标记为‘A’、‘B’和‘C’。储存器A和节点B通过通道725连接，而节点B和储存器C通过通道730连接。

压力源735、740和745分别经由气体管750、755和760分别连接到储存器A、节点B和储存器C。三个压力源中的每一个均能够提供至少两个不同的压力：高压和低压。

压力源775和780分别经由气体管785和790分别连接到通道725和730。相比通道，气体管提供对流体流动的更高屏障。在设备705的正常操作中，仅气体，决不是流体，在气体管中流动。

显而易见，如果图6的设备605配备有通道清扫气体管，如图7的气体管785和790，则步骤3（流体转移规则的可选步骤2）可被清扫步骤代替，在所述清扫步骤中，压力被施加到通道清扫气体管，而低压将被施加到系统中的所有腔。

进行实验以展示在类似于在图6中示出的装置的装置中的自动稀释。图8是表示自动稀释实验的结果的吸收率的曲线图。在自动稀释实验中，从光学吸收率测量值推断水溶液的浓度，其中，更高的吸收率对应更高的溶质浓度。（根据比尔定律，光学吸收率随浓度线性地变化）。在图8中的曲线图因此绘制表示测量的浓度的吸收率相对于目标、或预期浓度的关系。如果从源头溶质和溶剂储存器转移到终点储存器中的流体的量符合预期，则目标浓度是预期结果。

当不执行稀释时（“零稀释步骤”，“+”数据点标记符），吸收率2.00（任意单位）对应于目标浓度1.00（单位任意）。可以在一个稀释步骤中获得0.50和0.25的目标浓度：即，通过图6的步骤0至步骤6一次获得。以这种方式获得的数据被标记为“一个稀释步骤”，且在曲线图上利用“o”数据点标记符示出。

针对0.25和0.0625的目标浓度，示出在两个稀释步骤之后获得的最终数据（“两个稀释步骤（连续稀释）”、“x”数据点标记符）。在该情形中，图6的过程重复两次。以两种方式获得目标浓度0.25：使用一个稀释步骤或两个稀释步骤。如通过吸收率数据表示的，实际浓度在两种情形中几乎相同。

上文中讨论的示例1和2展示，根据流体转移规则施加到储存器和节点的气体压力的顺序使流体能够从可重新配置的微流体系统中的任何储存器移动至任何其他储存器。图9是包括压力定序器915的可重新配置的微流体系统905的图解。

在图9中，微流体设备910包括疏水储存器、节点和通道。这些结构在设备的微流体层中形成。每一个储存器和节点均经由诸如气体管920的气体管连接到压力定序器915。压力定序器915连接到压力源925和930。压力定序器915包括一组可编程气体阀。

定序器接收压力顺序数据940。该数据包括逐步的指令，其规定什么压力被施加到设备910中的每一个储存器和节点，以便执行特定流体转移操作。如在示例2中所示，通过重复流体转移规则的步骤，流体能够从可重新配置的微流体系统中的任何储存器移动至任何其他储存器。

在实验室实验中，压力定序器915被实施为一组电子地控制的气动阀，其使用在个人计算机上运行的LabVIEW软件（美国国家仪器公司）规划控制。对于该实验，手动计算出将流体从可重新配置的微流体设备中的一个储存器移动至另一储存器所必需的压力顺序数据。然而，可以写出图形软件程序，其允许用户选择源头和终点储存器，其中，程序然后通过重复应用流体转移规则生成适当的压力顺序数据。以这种方式，可以创建直觉系统，其允许用户在不需要理解流体转移规则或其他系统操作细节的情况下执行任意微流体实验。

可重新配置的微流体系统可以具有许多储存器和节点，尤其是针对并行生物化学分析设计的那些系统。一种类型的并行分析涉及在从一个样本获得的小体积流体上同时执行许多不同的生物化学实验。第二类型的并行分析涉及在其他方面相同的生物化学实验中，同时处理许多不同的流体样本。这些情形都涉及并行操作，在其中，储存器或节点的组在复杂的流体转移过程的步骤期间一起改变压力。

当可重新配置的微流体设备具有成组操作的储存器或节点时，相比为每一个储存器或节点指定分离的气体管，将气体流动歧管集成在设备的气动层中更方便。图10A（横截面视图）和图10B（平面视图）是示出在可重新配置的微流体设备1005中的气体流动歧管的图解。

在图10A中，标记为‘B’的方块箭头指示绘制图10B的角度。设备1005包括基底层1010、疏水微流体层1015和气动层1020。例如1030的虚线标示至微流体腔的通道，所述微流体腔在图10A中未示出，因为其不在页面的平面中。气体管1025经由气体流动歧管1035连接至腔1040和腔1045。通过气体管供应的任何气体压力一次加压两个腔。在图10B的平面视图中示出气体流动歧管的布局。气体流动歧管充当用于并行操作的成组腔的压力端口。

诸如上文中描述的那些的可重新配置的微流体设备的一个应用是均质分析。均质分析是涉及混合和读取过程的分析，但是其不要求经由分离或洗涤步骤处理样本。

图11是用于均质分析的可重新配置的微流体设备的平面视图图解。图11的设备类似于图1-4的设备；然而，其具有更多储存器、节点和通道。设备可以正如上面所描述的逐层构造；仅储存器、节点和通道的布局不同。在图11中示出的平面视图类似于在图4中的视图。图11的设备的对应的横截面视图未提供，但是将基本上是图1的更复杂的变型。

在图11中，腔被标记为‘A’、‘B’、‘C’、‘D’、‘E’、‘F’、‘G’、‘J’、‘K’、‘M’、‘N’、‘P’、‘R’、‘S’、‘T’和‘U’。（‘H’和‘L’不用作腔标记，以避免与其在图12-15中指示气体压力的使用混淆）。腔‘A’、‘B’、‘C’、‘D’、‘J’、‘K’、‘R’、‘S’、‘T’和‘U’被分类为储存器，因为其中每一个均连接到仅一个通道。腔‘E’、‘F’、‘G’、‘M’、‘N’和‘P’被分类为节点，因为其中每一个均连接到多于一个通道。

在一个示例均质分析中，储存器‘A’、‘B’和‘C’用作试剂源；因此在图中标记为‘试剂’。储存器‘D’和‘K’用作‘样本’源；储存器‘J’和‘K’积聚流体‘输出’；即，样本和试剂的混合物。

图11的设备通过首先将小量的试剂‘A’、‘B’和‘C’转移至储存器‘J’和‘K’来执行分析。（“试剂‘A’”是“存储在储存器‘A’中的试剂”的简写。）接下来，样本‘D’被转移至储存器‘J’，且样本‘K’被转移至储存器‘R’。在完成这些操作之后，储存器‘J’包含样本‘D’和试剂‘A’、‘B’和‘C’的混合物，同时储存器‘R’包含样本‘K’和试剂‘A’、‘B’和‘C’的混合物。

由于一个试剂分布在两个输出中，所以刚刚提到的试剂转移步骤可以被称为“单试剂输入、多输出”。类似地，由于两个样本被并行转移至两个输出，所以样本转移步骤可以被称为“多样本输入、多输出”。

图12和图13示出在图11的设备的单试剂输入、多输出操作中的步骤。图12和图13的‘步骤0’至‘步骤6’示出图11的设备；然而，腔标记‘A’、‘B’、‘C’等已经被分别指示所施加的气体压力高或低的压力标记‘H’和‘L’代替。在图12中，在图11中标记为‘A’的试剂储存器的阴影指示在储存器中存在流体。在下文的讨论中，图11用作识别各种储存器和节点的说明。

步骤0表示初始状况。试剂被存储在储存器A中，且所有腔都处于低压。步骤1示出将流体从储存器A转移至节点E所需要的压力模式。步骤2示出将流体从节点E转移至节点M所需要的压力模式。步骤3、4和5示出将流体分别从节点E和M跨设备并行转移至储存器J和R所需要的压力模式。在每一个步骤处的压力模式遵循上文中解释的流体转移规则。类似的步骤模式可以被用于将试剂从储存器B转移至储存器J和R。

图14和图15示出在图11的设备的多样本输入、多输出操作中的步骤。在图14中样本储存器D和K的阴影指示在储存器中存在流体，且在各个储存器中可以是不同流体。步骤0表示初始状况。样本被存储在储存器D和K中，且所有腔都处于低压。步骤1示出将流体分别从储存器D和K并行转移至节点E和M所需要的压力模式。步骤2、3和4示出将流体分别从节点E和M跨设备并行转移至储存器J和R所需要的压力模式。针对图14和图15的步骤2、3和4所示的压力模式与针对图13的相应地步骤3、4和5所示的压力模式相同，因为在两种情形中，期望的流体移动模式相同。

图11-图15的设备被设计为在两个样本上执行同时发生的实验，每一个实验使用三个试剂。设备因此被设计为带有两“排”和三“列”串联连接的节点。可以设计类似的设备以处理不同数目的样本和/或试剂。例如，利用j个样本和k个试剂的实验可以用具有j排和k列的设备并行执行。此处，“排”和“列”指示诸如在图11中示出的设备的拓扑布局。如果例如排或列不是直的，则设备的操作不受影响。

如通过上文中描述的示例展示地，可重新配置的微流体系统能够将流体从系统中的任何储存器移动至任何其他储存器。该能力有用地用于多种微流体应用，包括利用任意数量的样本和试剂的均质分析。

提供公开实施例的上述描述，以使任何本领域技术人员能够制造或使用本发明。对这些实施例的各种修改将对本领域技术人员容易地显而易见，且在不脱离本公开的范围的情况下，在本文中限定的原理可以被应用到其他实施例。因此，本公开不旨在受限于在本文中示出的实施例，而是与本文中公开的原理和新颖特征一致的最宽范围对应。

优选地包括本文中所述的所有元件、部分和步骤。应当理解，如对本领域技术人员将显而易见地，这些元件、部分和步骤中的任一个可以被其他元件、部分和步骤代替，或者一起删除。

宽泛地讲，本文至少公开了下述内容。可重新配置的微流体系统基于通过疏水微流体通道连接的微流体腔的网络。每一个腔均被分类为储存器或节点，且包括压力端口，经由其可以施加气体压力。根据流体转移规则施加到储存器和节点的气体压力的顺序使得流体能够从系统中的任何储存器移动至任何其他储存器。此类系统适用于自动化的、多输入的、多输出的均质分析。

构思

本文还至少呈现了如下构思。

1. 一种可重新配置的微流体系统，其包括：

通过疏水微流体通道连接的微流体腔的网络，其中：

储存器是各自连接到仅一个通道的腔，且节点是各自连接到两个或更多个通道的腔；

多个通道各自连接仅两个腔；

多个通道对流体流动的阻力大于节点对流体流动的阻力；以及

多个腔包括气体压力端口。

2. 根据构思1所述的可重新配置的微流体系统，多个通道对流体流动的阻力是节点对流体流动的阻力的至少100倍。

3. 根据构思1所述的可重新配置的微流体系统，多个通道对流体流动的阻力是节点对流体流动的阻力的至少1,000倍。

4. 根据构思1所述的可重新配置的微流体系统，多个通道对流体流动的阻力是节点对流体流动的阻力的至少10,000倍。

5. 根据构思1所述的可重新配置的微流体系统，所述腔在结合至基底层的疏水微流体层中形成，且所述腔通过结合至微流体层的气动层密封。

6. 根据构思5所述的可重新配置的微流体系统，所述微流体层由聚二甲基硅氧烷制成。

7. 根据构思5所述的可重新配置的微流体系统，所述微流体层由氟化乙丙烯制成。

8. 根据构思5所述的可重新配置的微流体系统，所述微流体层由聚四氟乙烯制成。

9. 根据构思5所述的可重新配置的微流体系统，所述气动层包括气体歧管，其充当用于两个或更多个腔的压力端口。

10. 根据构思1所述的可重新配置的微流体系统，其还包括流体配管，其将腔连接至维持在大气压力处的外部流体存储件。

11. 根据构思1所述的可重新配置的微流体系统，其还包括气体配管，其经由腔的气体压力端口将一个或多个腔连接至气体压力源。

12. 根据构思1所述的可重新配置的微流体系统，至少一个微流体通道具有气体压力端口。

13. 根据构思1所述的可重新配置的微流体系统，其还包括压力定序器，其包含一组气体阀，所述压力定序器通过气体配管连接至：高压气体源、低压气体源和至少一个腔。

14. 根据构思13所述的可重新配置的微流体系统，根据压力顺序数据，所述压力定序器将高气体压力和低气体压力施加至所述至少一个腔。

15. 根据构思14所述的可重新配置的微流体系统，多个疏水微流体通道对流体流动的疏水压力屏障小于在高气体压力和低气体压力之间的压力差异。

16. 根据构思14所述的可重新配置的微流体系统，所述压力顺序数据遵循流体转移规则，在其中，高气体压力被施加到流体从其转移的源头腔，且低气体压力被施加到流体被转移至其的终点腔，且高气体压力被施加到通过通道连接到源头腔的任何腔（除了终点腔），且低气体压力被施加到通过通道连接到终点腔的任何腔（除了源头腔），以及其中，高气体压力是大于低气体压力的压力。

17. 根据构思16所述的可重新配置的微流体系统，其中，所述网络包括j排和k列腔，j和k是正整数，在每一排或者每一列中的腔串联连接。

18. 根据构思1所述的可重新配置的微流体系统，其中，所述网络包括j排和k列腔，j和k是正整数，在每一排或者每一列中的腔串联连接。

19. 一种用于利用j个样本和k个试剂执行均质分析的方法，所述方法包括：利用压力顺序数据操作根据构思17所述的可重新配置的微流体系统，其导致j个样本中的每一个与k个试剂混合，由此产生j个输出溶液。

Claims (19)

1.一种可重新配置的微流体系统，其包括：

通过疏水微流体通道连接的微流体腔的网络，其中：

储存器是各自连接到仅一个通道的腔，且节点是各自连接到两个或更多个通道的腔；

多个所述通道各自连接仅两个腔；

多个所述通道对流体流动的阻力大于所述节点对流体流动的阻力；以及

多个所述腔包括气体压力端口。

2.根据权利要求1所述的可重新配置的微流体系统，多个所述通道对流体流动的阻力是所述节点对流体流动的阻力的至少100倍。

3.根据权利要求1所述的可重新配置的微流体系统，多个所述通道对流体流动的阻力是所述节点对流体流动的阻力的至少1,000倍。

4.根据权利要求1所述的可重新配置的微流体系统，多个所述通道对流体流动的阻力是所述节点对流体流动的阻力的至少10,000倍。

5.根据权利要求1所述的可重新配置的微流体系统，所述腔在结合至基底层的疏水微流体层中形成，且所述腔通过结合至所述微流体层的气动层密封。

6.根据权利要求5所述的可重新配置的微流体系统，所述微流体层由聚二甲基硅氧烷制成。

7.根据权利要求5所述的可重新配置的微流体系统，所述微流体层由氟化乙丙烯制成。

8.根据权利要求5所述的可重新配置的微流体系统，所述微流体层由聚四氟乙烯制成。

9.根据权利要求5所述的可重新配置的微流体系统，所述气动层包括气体歧管，其充当用于两个或更多个腔的压力端口。

10.根据权利要求1所述的可重新配置的微流体系统，其还包括流体配管，其将腔连接至维持在大气压力处的外部流体存储件。

11.根据权利要求1所述的可重新配置的微流体系统，其还包括气体配管，其经由所述腔的气体压力端口将一个或多个腔连接至气体压力源。

12.根据权利要求1所述的可重新配置的微流体系统，至少一个微流体通道具有气体压力端口。

13.根据权利要求1所述的可重新配置的微流体系统，其还包括压力定序器，其包含一组气体阀，所述压力定序器通过气体配管连接至：高压气体源、低压气体源和至少一个腔。

14.根据权利要求13所述的可重新配置的微流体系统，根据压力顺序数据，所述压力定序器将高气体压力和低气体压力施加至所述至少一个腔。

15.根据权利要求14所述的可重新配置的微流体系统，多个所述疏水微流体通道对流体流动的疏水压力屏障小于在所述高气体压力和所述低气体压力之间的压力差异。

16.根据权利要求14所述的可重新配置的微流体系统，所述压力顺序数据遵循流体转移规则，在其中，高气体压力被施加到流体从其转移的源头腔，且低气体压力被施加到流体被转移至其的终点腔，且高气体压力被施加到通过通道连接到所述源头腔的任何腔（除了所述终点腔），且低气体压力被施加到通过通道连接到所述终点腔的任何腔（除了所述源头腔），以及其中，高气体压力是大于低气体压力的压力。

17.根据权利要求16所述的可重新配置的微流体系统，所述网络包括j排和k列腔，j和k是正整数，在每一排或者每一列中的所述腔串联连接。

18.根据权利要求1所述的可重新配置的微流体系统，所述网络包括j排和k列腔，j和k是正整数，在每一排或者每一列中的所述腔串联连接。

19.一种用于利用j个样本和k个试剂执行均质分析的方法，所述方法包括：利用压力顺序数据操作根据权利要求17所述的可重新配置的微流体系统，其导致所述j个样本中的每一个与所述k个试剂混合，由此产生j个输出溶液。