CN110637228A - 具有可编程验证特征的微流体设备 - Google Patents

Abstract

一种用于光学读取在微流体设备中被编码的信息的方法，该微流体设备包括输入微通道、微流体模块和节点组。第一组的节点将输入微通道连接到微流体模块中的一个微流体模块，并且第二组的节点将微流体模块中的一个微流体模块连接到另一个微流体模块，以形成有序的一对微流体模块，其中第一组和第二组的节点具有不同的液体钉扎强度。加载到输入微通道中的液体使得液体有序地穿过每个微流体模块，其顺序由节点的液体钉扎强度决定。液体的通过产生光学可读的动态图案，该图案根据液体穿过装置的有序通过而演变。

Description

具有可编程验证特征的微流体设备

技术领域

本发明总体上涉及微流体设备领域。它还涉及用于这种设备的验证和/或安全特征，以及用于在微流体设备中光学读取、解码和编码这种特征的方法。在实施例中，这种方法被应用于用于诊断测试的测试设备，例如快速测试设备(例如，护理点测试设备和非处方测试)。

背景技术

微流体技术处理小体积的流体的精确控制和操纵，这些流体通常被限制在微型通道并且限制在通常在亚毫米范围内的体积。微流体的突出特征源自液体在微尺度上表现出的独特行为。微流体中的液体流动通常是层流的。通过制造侧向尺寸在微米范围内的结构，可以达到远远低于一纳升的体积。微流体设备通常是指用于泵送、取样、混合、分析和计量液体的微制造设备。

许多微流体设备具有用户芯片接口和封闭的流动路径。封闭的流动路径有助于将功能元件(例如，加热器、混合器、泵、UV检测器、阀等)集成到一个设备中，同时使与例如泄漏和蒸发有关的问题最小化。液体样品的分析通常需要一系列步骤(例如，过滤、试剂溶解、加热、洗涤、信号读取等)。

快速诊断测试(RDT)设备是用于快速简便的医学诊断测试的设备。它们通常允许在几个小时或更短的时间内获得结果。它们尤其包括护理点(POC)测试设备和非处方(OTC)测试装置。

护理点(POC)测试设备是用于护理点测试(还被称为床边测试)的设备。这种设备允许在护理点处或附近(例如，在患者护理的时间和地点)进行医学诊断测试。非处方(OTC)测试装置是类似的设备。但是，它们通常比POC设备更简单，并且通常可以在药房购买，以便人们自己进行测试，例如，在家中或不在医疗场所，而无需医疗人员的帮助。

这种测试设备通常是便携式的(例如，手持设备)，易于使用，制造成本低并且快速。因此，它们被世界卫生组织(WHO)视为抗击传染病以及其他疾病并且用于在这种疾病流行的国家中改进健康的一项重要技术。OTC设备经常用于例如监测治疗(例如，确保适当剂量的血液抗凝药)，用于监测血液中的葡萄糖，或用于检测体液中的滥用药物。

最广泛使用的诊断设备可能是所谓的“侧向流动测定法”，其依赖于纤维素条带，样品沿着该条带流动并与该条带上存在的试剂反应。这种设备还被称为剥离测试，通常以棒的形式提供，将其浸入液体中进行测试。如果样品中存在分析物，则条纹上会出现视觉提示，例如彩色信号。类似的测试设备用于检测疟疾、肝炎病毒、HIV、与心力衰竭相关的生物标志物等。

除疾病外，本文所考虑的测试设备通常用于检测特定状况，例如怀孕或排卵。

关于假冒或不适当出售这种测试装置，已经有许多报告和警报。例如，一些消息来源报道，已经售出假冒测试装置用于诊断利什曼病(Leishmaniasis)。此外，据报道，除其他欺诈外，还出售了假的怀孕测试装置、用于葡萄糖监测的假测试装置和假的人类免疫缺陷病毒(HIV)测试套件(最初被设计为测试怀孕或其他状况)。

世界卫生组织认为，假冒测试装置损害了对某些疾病的监控、检测和根除。对于大规模传染病，这尤其令人担忧，因为预防、治疗、发现和根除某些疾病通常需要协调一致的全球监控。通常，用于监控、检测和根除某些疾病的程序涉及不同类型的患者和医疗机构(例如，巡回站与医院)。因此，成立了名为IMPACT的工作组(http://apps.who.int/impact/en/)，以提供建议并提高人们对医疗产品假冒问题的认识。该工作组着重于假冒药品，并对在医疗产品包装中添加安全特征的常用方法提供了有用的建议。

不幸的是，这种安全特征在实践中经常被破坏。

发明内容

根据一方面，本发明体现为一种用于光学读取在微流体设备中被编码的信息的方法。微流体设备包括输入微通道、微流体模块和节点组。第一组的每个节点将输入微通道连接到微流体模块中的一个微流体模块。第二组的每个节点将微流体模块中的一个微流体模块连接到另一个微流体模块，以形成有序的一对微流体模块。第一组和第二组的节点具有不同的液体钉扎强度。该方法包括提供微流体设备，将液体加载到输入微通道中，以使液体以由每个节点的液体钉扎强度确定的顺序有序地通过每个微流体模块，使得该通路产生光学可读的动态图案，该图案根据穿过设备的通路的发展而变化。该方法还包括光学读取所产生的动态图案。

根据另一方面，本发明体现为一种用于在微流体设备中编码信息的方法。微流体设备包括输入微通道、微流体模块和节点组。第一组的每个节点将输入微通道连接到微流体模块之一。第二组的每个节点将一个微流体模块连接到另一个微流体模块，以形成有序的一对微流体模块。基于所提供的编码信息数据，第一组和第二组的节点可以被变更为具有不同的液体钉扎强度。该方法包括提供编码信息数据和微流体设备，以及通过基于所提供的编码信息数据变更节点的子集来对信息进行编码，以使得第一组和第二组的节点具有不同的液体钉扎强度。

现在将通过非限制性示例并参考附图来描述体现本发明的方法以及它们所依赖的微流体设备。

附图说明

图1是如实施例中使用的具有横向通道配置的微流体设备的俯视图，该微流体设备具有处于交叉开关配置的节点的可编程阵列，该设备是3D硅制的；

图2和图3示出了3D节点的俯视图，如在实施例中一样，其可以有利地用于图1的设备中。如图3所示，该节点包括液体钉扎结构，该液体钉扎结构可以由于在节点的腔体中适当地放置的润湿材料而被挫败(foiled)，从而激活节点；

图4是具有如图1所示的配置的原型设备的俯视图的照片(灰度级，出于描述目的，进行了高度对比)；

图5-图6是3D视图，示出了实施例中涉及的微流体设备的可能的制造方法，该制造方法依赖于注射成型技术；

图7A-图7D示出了三层设备(或其一部分)的分解图，如其他实施例所涉及的，其流动路径可以有利地在芯吸介质(例如，纸张)上实现；

图8示意性地描绘了根据图7A或图7B的设备的俯视图；

图9是如实施例中所涉及的另一种微流体设备的俯视图，其包括以交叉开关配置连接的八个微流体模块；

图10是图2的节点的变型的俯视图，其中，如实施例中所涉及的，节点分支成两个分配通道；

图11示意性地描绘了包括m个模块(m＝2、3，…，36)的设备，其中形成有光学可读介质，该介质包括横贯模块布置的材料斑点，如实施例所涉及的；

图12-图14描绘了包括隐藏图案的光学可读介质。图12示出了由于附加的可溶性斑点而如何可以将非可溶性斑点的图案隐藏在一般图案中。如在实施例中，可溶性斑点通过液体润湿其中布置有图案的模块的流动路径而被溶解和冲洗。如在实施例中，图13示出了在操作实际设备时针对单个模块捕获的一系列屏幕截图。图14示出了在不同模块中出现的非可溶性斑点的残留图案；

图15是示出了根据实施例的用于解码信息的方法的高级步骤的流程图，该信息特别地以非可溶性斑点的残留图案被编码，如图14所示；

图16示出了根据实施例的另一流程图，该流程图示出了如图14所示的用于通过光学可读介质对信息进行编码的方法的高级步骤；和

图17A-图17F示出了图14的一个更简单的变型，根据该变型，通过检测类似于图1的设备的微流体模块中由液体穿过编程序列的模块而引起的光学对比度的改变，来光学地读取动态图案。

附图示出了实施例中所涉及的设备或其部件的简化表示。附图中描绘的技术特征不一定按比例绘制。除非另外指出，否则附图中相似或功能相似的元件被分配了相同的附图标记。

具体实施方式

在此公开了本发明的详细实施例，用于描述和说明所要求保护的结构和方法，该结构和方法可以以各种形式实施，并且不旨在以任何方式穷举或限于所公开的实施例。在不脱离所公开的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择本文中使用的术语是为了最好地解释一个或多个实施例的原理，对市场上发现的技术的实际应用或技术上的改进，或者使本领域的其他普通技术人员能够理解本文中公开的实施例。如所描述的，可以省略众所周知的特征和技术的细节，以避免不必要地使本发明的实施例晦涩难懂。

说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括一个或多个特定特征、结构或特性，但是应当理解，这些特定特征、结构或特性对于本发明的每个公开的实施例可以是共同的或可以不是共同的。而且，这种短语本身不一定指任何一个特定的实施例。这样，当结合一个实施例描述一个或多个特定特征、结构或特性时，在适用的情况下，无论是否明确描述，与其他实施例相关联地影响这样的一个或多个特征，结构或特性在本领域技术人员的知识范围内。

在描述本发明的各个实施例时，可以参考组中的“每个”元件(例如，“具有m个节点的每个附加组从给定的输出微通道之一分支……”)；应该注意的是，单词“每个”的使用仅出于说明的目的，并且本发明的实施例可以使用少于所讨论的每个元件来实践，如权利要求中所述的。

为了不模糊本发明的实施例的公开，以下详细描述可以包含本领域中已知的某些处理步骤或操作，为了清楚地描述和说明，这些处理步骤或操作可以被组合。在某些情况下，可能没有详细描述和/或可能根本没有描述本领域中已知的某些处理步骤或操作。应当理解，本发明实施例的以下公开内容相对集中于其独特的元件、特征、结构或其特性。

以下详细描述被如下构造。首先，第1节描述了本发明的一般原理。第2节描述了可用于实现根据实施例的方法的设备。具体实施方式在第3节中描述。

在以下描述中，有时将速记符号用于数字参考。例如，可以使用符号“k20”(其中k＝1，...，6)代替数字参考120，...，620。因此，符号“k20”特别包含数字参考120、420和620，它们分别与如图1、图7和图10所描绘的不同的微流体设备1、4和6的微流体节点有关。

一般原则

首先描述本发明的一方面，其涉及一种用于光学读取在微流体设备k中被编码的信息的方法。

如在本方法中使用的微流体设备k(k＝1，…，6)包括具有至少一个在微米范围内的特征尺寸(例如，宽度或深度)的微通道和其他微流体特征，即通常在1μm至100μm之间。然而，这种设备的一些特定结构可以在纳米范围内或在毫米范围内。通常，设备整体上通常可以例如在厘米范围内。

这种设备k包括输入微通道k10和至少两个微流体模块k4l。该设备还包括微流体节点k20，其可以被分成两组，即第一组节点和第二组节点。每个组包括至少两个节点。

第一组的每个节点将输入微通道k10连接到至少两个微流体模块k4l中的相应一个微流体模块。每个这种节点从输入微通道k10分支，并且例如经由分配微通道k3l进一步分支到模块中的相应一个。因此，第一组的节点可以潜在地确保从输入微通道到其分支到的模块的流体连通。

第二组的每个节点连接所述至少两个微流体模块k41中的两个微流体模块的相应的有序对，以便潜在地允许液体通过给定的有序模块对。

现在，节点k20在第一组节点和第二组节点的每一个中具有不同的液体钉扎强度。因此，根据第一组和第二组节点的不同的液体钉扎强度，在输入微通道中引入的液体通过微流体模块的有序对的程度会有所不同。换句话说，节点的不同钉扎强度确定液体到达模块的顺序，即模块被激活的顺序。

节点的不同钉扎强度是由如下事实引起的，即，节点可以被变更，如以下详细描述的。因此，设备允许的有效连接取决于节点的变更状态。节点的液体钉扎强度是可变更的，意味着该设备是可配置的。换句话说，可以变更节点的事实允许基于节点的变更状态来配置微流体电路。即，可以通过适当地对节点进行编程来对微流体电路进行编程。结果，微流体模块k4l可以有效地连接，使得最初引入输入微通道中的液体可以穿过编程序列的模块。

假设模块的总数m大于2，即m＞2，则在实践中并非必须要达到设备的模块总数的全部。即，根据每个节点的实际钉扎强度，模块可以在一定时间之后被液体润湿，或者甚至完全不被液体润湿。然而，出于当前的目的，液体将以给定的顺序(根据节点的编程)有效地到达至少两个模块，以便实现填充这些模块的动态液体图案。

因此，在操作中，液体被加载在输入微通道k10中。然后，由于第一组的节点，加载的液体将到达设备k的至少两个模块中的一个或每个模块。然后，液体将到达至少两个模块中的另一个模块，或者甚至到达至少两个模块中的每个模块，直到第二组节点k20的钉扎强度所允许的程度。结果，液体可以穿过至少两个微流体模块k4l中的每一个。然而，液体到达模块的顺序由第一组和第二组中的每一个的节点k20的不同的液体钉扎强度确定。

因此，当液体到达有效连接的模块时，可以通过光学读取由液体引起的动态图案来检测在微流体设备中被编码的信息。由于液体穿过至少两个微流体模块k4l中的每一个的顺序，该图案动态地演变。

该方法允许对动态信息进行编码和光学读取以用于后续解码。借助设备k的可配置节点，可以对模块被激活的顺序进行编程，进而可以利用该顺序对设备上的动态代码进行编码。

至少，编码的信息通过模块被激活的顺序来反映，如图17A-图17F所示。在更复杂的实施例中，专用模块包括光学可读介质，该光学可读介质对相应的密钥进行编码，如图14所示。例如，密钥可以在微流体模块k4l的腔室中被点样。这样，可以对代码的一部分出现/消失的序列进行编程。

在所有情况下，编码信息具有特定的时间演化签名。这里可以利用检测该特定时间演化签名来检查例如设备的正确操作，以提供关于体验的实验上下文和/或出于安全目的的附加信息。

下面主要考虑安全应用。实际上，由于可以在设备的编程功能中对动态信息进行编码，因此很难模仿或伪造。因此，本发明的实施例可以有用地应用于防止使用伪造或假冒的设备或应用于检测伪造或假冒的设备，或应用于发信号通知欺诈设备，该欺诈设备包括例如已经使用的或者假冒的测试设备。与静态代码或根本没有代码(微流体设备，尤其是快速测试设备通常是这种情况)相比，时间演化签名带来了附加级别的安全性，因为代码的部分的数字根据由可编程节点确定的时间序列而改变。

实施该附加级别的安全性所需的微流体特征不会显着增加制造成本。但是，它们使假冒这种特征或对这些特征实现的代码进行反向设计变得更加困难。

时间签名可以进一步用于简单地验证设备的正确操作。例如，设备的正确功能意味着某种序列，即模块的某种填充顺序。例如，可以在该设备(或该类型的设备)的任何合适的标识符上，例如在与其一起提供的静态代码(例如条形码)中或者在随附文档中，对该正确的顺序进行编码。

另外，可以对其他信息进行编码，这不一定是或不是主要用于安全应用或用于检查目的。例如，可以检测关于测试的环境、时间、温度等的信息，接下来该信息被用于解译测试的结果。例如，沉积在模块中的斑点可以包括温度敏感指示器。

此外，可以利用可编程节点来功能化和定制设备。即，可以制造通用的微流体模板，其可以包括多个模块。然而，出于特定应用的目的，仅需要激活这些模块的子集是可能的。此外，可以想到的是，可以设计和批量制造多用途微流体设备模板，以节省大量成本。

本方法依赖于检测由液体填充的微流体模块以给定顺序引起的动态图案，该动态图案由微流体节点的钉扎强度确定。这可以被利用以解码在设备上被编码的信息。因此，在第3.3节中讨论了关于解码方法的本发明的实施例。

本发明的另一个相关方面涉及在微流体设备中编码信息的方法。即，基于某些编码信息数据，可以变更节点k20的子集，以允许节点在第一组和第二组的每一个中具有不同的液体钉扎强度。这种方法将在3.4节中被详细讨论。

2.微流体设备

该设备优选地形成在不同的平行层级上，该平行层级包括第一层级和第二层级。层级是设备的细分，即平行于其主平面的截面。假设微流体设备大约是平行六面体的体积，那么给定的层级可以视为该体积的平行六面体的截面。也就是说，如果设备具有N个层级(N＝2、3，…)，则可以将该设备视为装配在高度为h的平行六面体边界框中，其可以被划分为N个高度为h_i的连续的平行六面体体积部段，使得∑h_i＝h。然后，该设备的部件将基本上在这些体积部段的一个或另一个内部延伸，即在一个层级或另一个层级上延伸。

2.1节点架构

优选的节点架构如下：给定在设备的第一层级上限定的第一微通道k10、k11和在设备的第二层级上限定的第二微通道k3l，节点k20将第一和第二通道互连，以便潜在地允许两个通道之间的流体连通。本设备在实践中包括多个通道和多个节点，如图1、图4-图9所示。

设备k的一个或多个(优选地，所有的)互连节点被配置为多层级节点k20，其结构如下。多层级节点包括：入口端口k21、腔体k23、过孔k24和出口端口k25。如图2、图3或图7C和图7D所示，入口端口k21和腔体k23形成在设备k的第一层级上，腔体k23在顶部开口。入口端口k21从第一通道(即，输入微通道k10或输出微通道k1l中的一个输出微通道)分支。该端口通过其进入口与腔体k23连通。出口端口k25分支到第二层级上的第二通道。如在图1、图4-图8中所描绘的，第二通道是分配微通道k31，通向相应的模块k31。

接下来，过孔k24从腔体k23延伸到入口端口k21，以允许腔体k23与出口端口k25连通。过孔k24可以在第一和第二层级的中平面之间垂直地延伸，即，在位于设备的第一和第二层级之间的中间层级内。出口端口k25可以具有相当复杂的结构(如图2、图3和图10中所示)，或者作为变型，出口端口k25可以是限定过孔k24的下部的纯粹孔口(如图7A-图7D中所示)。

另外，腔体k23包括液体阻挡元件k22或被液体阻挡元件k22封闭。该元件通常被配置成防止填充入口端口k21的水性液体到达节点的出口端口k25。

腔体k23在顶部开口使得其易于制造；例如，通过刻蚀硅(Si)衬底的上部厚度，足以制造腔体123和输入微通道110(图1-图3)，如图1所示。如在实施例中那样，可从顶部容易地接近腔体，这简化了变更阻挡元件所需的操作。例如，如图3中所示，人们可以点样润湿材料129，或从顶部(在覆盖设备之前)去除(或以其他方式变更)液体阻挡元件122，以降低节点的钉扎强度。如果仅需要二进制开关，则可以变更阻挡元件，以便仅激活腔体123并使液体能够通过腔体123循环。最终，这允许水性液体进入腔体k23，然后到达节点k20的出口端口k25。

这样，实现了可变更的(例如，可激活的或可去激活的)多层级节点，其可以潜在地允许在位于设备的第一层级上的第一通道(例如，在微流体芯片的一侧上开槽)和位于设备第二层级的第二通道(例如，在芯片的另一侧开槽)之间的流体连接。另外，可以变更节点以改变节点的钉扎强度。最终，这使得可以基于腔体k23的(多个)阻挡元件的变更状态来配置(并且可能重新配置)3D微流体电路。

这种节点结构适合用于包括多个通道的多层级微流体电路中，如图1和图8所示。实际上，节点结构是容易地可重复的，因此，可以容易地获得多个这种节点。这种节点的结构特别适合以交叉开关配置并且与在设备的不同层级上的非平行通道一起实现。最终，这种节点可以有利地用于减少设备的占地面积。通过使用非平行通道(即该通道在将第一和第二层级分开的平面上的相应的投影是横向的)，确实可以显着减少设备的占地面积。尽管这种通道在不同的层级上，这种通道在下文中称为横向通道。为了使这成为可能并防止通道之间的短路，过孔k24从腔体k23向下延伸到出口端口k25，如图2、图3、图7C和图7D所示。即，过孔在第一层级和第二层级之间跨设备的中间层级延伸。这种设备因此可以被认为包括至少三个层级。

此外，过孔优选地从腔体k23的底侧(与其顶侧相反)向下延伸至出口端口k25，以简化制造。实际上，从腔的底侧打开过孔就足够了。

此外，在外层级之间施加中间层级使带有横向通道的设备的设计变得容易，因为中间层级防止了交叉点处的横向通道之间的短路。即，中间层级在设置有通道k10，k1l和K3l的外部层级之间延伸。由于横向通道通常在其相应的层级上是开口的(例如它们可以在材料层的上部厚度上被刻蚀、开槽或以其他方式形成)，因此中间层级可以封闭在下部层级上限定的通道并防止在上部层级限定的通道发生短路。

2.2设备架构

在下文中描述了微流体设备的各种示例，其依赖于如2.1节中所描述的节点结构，并且可以灵活配置(即，被编程，以便以给定顺序激活特定模块)。

这种设备k通常具有以下配置：它们包括输入微通道k10、具有m个分配微通道k3l的组、具有m个微流体模块k4l的组和具有m个节点k20的第一组，其中m≥2。微流体模块k4l分别与m个分配微通道k3l流体连通。

在本说明书中，诸如“流体连通”、“与…流体连通”或“流体地连接至”之类的术语指的是同一个概念，由此允许液体从一个部件通过通路、通道、过孔或任何其他适当设计的连接到达另一部件。现在，如果如上所述的微流体节点插入在流体路径上，则可以潜在地具有“流体连通”(或“流体连接”)。但是，启用流体连通的程度取决于节点的变更状态及其所产生的钉扎强度，如下所述。

第一组的m个节点k20分别从输入微通道k10分支，并进一步分支到分配微通道k3l中的相应一个。因此，节点k20可以潜在地确保从输入微通道到其分支到的分配微通道的流体连通。注意，如下所述，相反不一定成立，因为节点优选地是单向的。

例如，图1中的m＝4，其描绘了四个微流体模块141-144，每个模块分别由四个分配通道131-134连接。四个微流体模块141-144中的每个进一步分别连接到四个输出通道111-114。在图1中，第一组节点对应于具有m个节点的上部(水平)组，每个节点都从输入通道110分支，并进一步分支到相应的分配通道131-134。如图1所示，设备进一步包括在第一(上部)组之下的附加(水平)节点组。由附加节点组形成的超集称为“第二组节点”。

如图1至图3进一步所示，输入微通道k10可以例如包括m个接合点110J，并且第一组的m个节点中的每一个可以相应地在m个接合点110J中的相应一个结处从输入微通道110分支。类似地，每个附加组的节点在给定接合点11lJ(其中l＝1，…，4)处从输出通道11l分支。

可以考虑不同类型的节点，可以对其进行变更以调节流体连接。然而，节点优选地全部在功能上是相似的，如果不相同的话(取决于它们的变更状态)。

可以通过变更它们的一些节点来使微流体设备k功能化(并因此被定制)。在功能化之后，与节点k20的相应组的其余节点相比，节点k20的子集(但不是全部)被变更。由于该变更，第一组或第二组中的每一个中的节点k20可以表现出不同的液体钉扎强度。

作为第一组节点的变更的结果，在输入微通道k10中引入的液体可以到达m个微流体模块k4l中的一个或多个的程度也可以相应地变化。因此，这种节点有效地允许液体从输入微通道流向下游模块的程度取决于该节点的变更状态。结果，下游的微流体模块k4l可以例如在更长或更短的时间段之后被接触(即，被在输入微通道中引入的液体润湿)，或者完全不接触，这取决于第一组节点的钉扎强度。

类似的考虑适用于第二组的节点，并且特别地，适用于m个附加组的每一个中的节点，这潜在地允许液体从一个模块流向另一个模块。众所周知，这允许对微流体设备进行编程。

顺便提及，本发明的优选实施例使得可以在制造的最后阶段变更节点，或者甚至重新配置节点(以使设备可重新编程)。因此，在制造的中间阶段，设备的任何节点都不能变更。但是，我们要记住，如果所有节点均未变更，或者如果所有节点均以类似方式变更，则这些节点通常都具有相同的液体钉扎强度，并且无法获得该设备的特定功能。相反，对设备进行编程通常会导致仅在每个节点组中变更节点的子集(或者至少不以相似的方式变更每个组中的节点)，以通过模块区分液体动态，从而功能化和定制微流体设备。

在最简单的实施例中，节点被变更为以二进制方式起作用，例如，在可以通过液体或可以不通过液体的开关中。在这种情况下，微流体节点可以与晶体管开关或逻辑门进行比较。即，节点k20可以被配置为在其上钉扎液体或使液体通过。此外，可以将节点设计为“正常开启”，因此需要变更为关断，或者相反，可以将节点设计为“正常关断”，因此需要变更为开启。在变型中，可以变更节点k20，以使得能够通过其的液体具有不同的流速，以允许液体在不同的时间有效地到达模块。

另外，微流体电路可以是硬编码的，即，以不可重构的方式变更节点。然而，在实施例中，微流体设备可以保持至少部分可重新配置。

在本发明的上下文中，理想地可以希望依靠复杂的微流体回路，例如，在包括多个功能上不同的模块的回路中，该模块允许对设备进行编程以实现贯穿模块的任何流体序列。但是，这通常可能会导致非常复杂的架构和较大的设备占用面积。因此，依靠节点的类似交叉开关的配置具有显着的优势。这不仅可以减少设备的占用面积，而且还可以简化节点的编程。为此，最佳实践可以依赖于输入/输出通道和分配微通道的横向组。

现在，为了使其成为可能，人们有利地依赖于诸如在图1、图5-图7中描绘的多层级设备，其中在设备的不同层级上提供了不同的横向微通道组。然后，为了互连通道，可以优选地依赖于如上所述的3D节点，即，如具有从设备的不同层级分支的入口和分支到设备的不同层级的出口的那些3D节点。

这样，可以实现非并行微通道的复杂架构，其是可配置的(并且可能是可重新配置的)并且基于相同的初始微流体模板。一旦被定制，通常仅微流体模块的子集将被激活或保持激活。更一般而言，可以在不同时间激活不同的模块，应注意，已停用或未激活的模块可以被视为在最初将液体引入输入微通道后的无限时间段内激活的模块。否则，激活模块的时间(即，液体到达的时间)取决于与其连接的节点的液体钉扎强度。

另外，由于第二组的节点，模块可以被链接，以实现涉及液体将到达模块的给定顺序的序列。也就是说，相同的输入流可以依次到达一个给定的模块，然后又到达另一个给定的模块等。

可以实现的是，这在制造方面具有相当大的优势，因为可以设计多用途微流体设备模板，其潜在地使能多个应用(例如，流体反应、流体混合、光学检测等)，对于这些应用，只需要激活模块的一个子集，并且这是根据给定的顺序。如本文所讨论的，这是由于适当的节点架构和适当变更的节点而实现的。最后，由于相同的多用途微流体设备模板可以被设计和大规模制造，因此可以考虑相当大的成本节约。

如上所述，第二组节点优选地包括每个具有m个节点k20的m个子集，除具有m个节点k20的第一组以外，其还形成具有m个节点k20的m个附加组。总而言之，m个节点k20的m个附加组潜在地使液体穿过给定的有序模块对。在图1、4、8和9的每个示例中，第一组m个节点对应于从输入微通道k10分支的上部水平节点组，而第二组节点对应于每个具有m个节点k20的m个附加组，它们位于上部组的下方(其中，在图1、图4和图8中，m＝4；在图9中，m＝8)。

接下来，设备k可以包括具有m个输出微通道k11的组(1＝1，…，m)，每个输出微通道均连接到m个微流体模块k4l中相应一个的输出。m个输出微通道与m个附加节点组相关联。即，m个输出微通道k1l中的每一个分支到m个附加组中的相应一个的m个节点k20中的每个中。此外，每个附加组的每个节点分支到分配微通道k3l中的相应一个。换句话说，每个附加组的每个节点将输出通道k1l连接到分配通道k3l。

例如，在图1中，上部模块141的输出中的第一节点连接到第一分配通道131，第一分配通道131连接到同一模块141。模块141的输出中的第二节点连接到第二分配通道132，依此类推。即，第1个节点连接到第1个分发通道。在图8和图9中假设类似的配置(尽管下部通道在图9中被隐藏)。从这些示例中可以看出，分配通道优选地被嵌套，以减少占地面积。

现在，附加节点也被变更，以表现出不同的钉扎强度。例如，与该组的其余节点相比，可以变更m个附加组中的至少一个的m个节点的子集(即，不是全部)，以允许该组的节点具有不同的液体钉扎强度。结果，在输入微通道k10中引入的液体(在初始时间)穿过m个微流体模块k4l中的至少一对有序对。在操作中，实际启用的序列由以下节点的不同液体钉扎强度决定：(i)具有m个节点的第一组；以及(ii)m个附加组中的所述至少一个。当然，附加组中的其他组中的节点也可以变更，以实现更复杂的序列。

在诸如图1、图4、图8、图9所示的实施例中，设备全部总共包括每个具有m个节点k20的m+1个组，其分别对应于具有m个节点的第一组和由每个具有m个节点的m个附加组形成第二组。因此在这种情况下总共有m×(m+1)个可编程节点。这些节点中的每一个优选地被配置为钉扎液体或使其通过。

例如，如图1所示，每个输出微通道11l(l＝1，…，m)包括m个接合点11lJ。具有m个节点的每个附加组在相应接合点的层级处从输出微通道11l中的给定的一个输出微通道分支出来。也就是说，任何附加组的每个节点在m个接合点11lJ的相应一个接合点处从给定一个的输出微通道分支。在图4-图8的每个设备中采用类似的配置。

由于m个附加组中的每一个的每个节点分支到分配微通道k3l中的相应一个，因此，节点整体上可以潜在地允许微流体模块k4l的m²个有序对之间进行流体连通，但需遵守以下评论。

可以潜在地使能的m²个有序对源于以下事实：输入微通道分支到第一组的m个节点的每一个中，从而针对第一个模块(即有序对的第一个元件)提供了m种可能性。现在，任何模块的输出微通道都分支到附加组中相应组的m个节点中的每一个中，从而针对有序对中的第二个元件以及m个第一元件中的每一个产生m种可能性。因此，可以潜在地存在m²个有序模块对，它们可以进行流体连通(就m个组的2元组的数目而言，可以视为重复排列)。

现在，附加节点可以进一步被配置为允许多个模块序列，其中序列对应于模块的有序n元组。然而，在实践中有效地实现的流体序列的布置的数目通常(非常)小。实际上，每组节点通常将被编程为允许液体从中穿过以到达模块的减少的子集(通常，至多一个模块)。另外，根据节点和分配通道的精确结构，由于存在相应分配通道中的液体，尽管存在互连节点，给定模块排出的液体在物理上以后也不可能再重新进入同一模块。。

例如，假设一个模块排出的液体最多应到达一个不同的模块(到目前为止尚未使用，因此液体永远不会两次穿过同一模块)，第一个模块有m种可能性可以由液体到达，对于第二个模块存在m-1种可能性，以此类推，等等，这样总共有m！种流体序列的可能性。但是，实践中并非所有模块都需要开发，因此通常将启用更简单的序列。

例如，假设对于给定的应用有效地需要一对模块，例如，一个模块用于反应目的，另一模块用于检测目的。在那种情况下，需要在第一组(即，图1中的上部组)中激活单个节点，以允许液体到达反应模块。接下来，需要在反应模块的输出中激活单个节点，以允许液体到达检测模块。因此，例如，出于安全目的的验证，可以光学检测由穿过该对模块的液体形成的序列，并解码相应的时间签名。

作为另一个示例，图4示出了实际微流体设备(其具有与图1的设备相同的配置)的顶层的照片，其中强调了激活的节点。

启用的顺序如下：

在实践中，激活上部节点组中的第三个节点，这使得能够流体连接到第三分配通道(在图4中不可见，对应于图1中的通道133)，从而将液体引入到第三模块143中。从该模块143排出的液体到达输出通道113，进而到达从其分支的第三附加组的节点。

在第三附加组的节点(即，从顶部开始计数的第四组)中：仅激活第一节点，这将液体引入第一模块141，然后将液体引入输出通道111和第一组附加组的节点；以及

在第一附加组中(在上部组的下方)：仅激活第四节点，这将液体带入第四模块144；

在第四附加组中：仅激活第二节点，以使液体到达第二模块142；和

在第二模块142的输出中，在第二附加组中没有一个节点被逻辑激活，因为该模块是液体最后到达的模块。

相应地，最初引入输入通道110中的液体依次通过第三模块、第一模块、第四模块，最后通过第二模块。在这种情况下，有效地启用了四个不同模块的特定顺序，并且在此有效地利用了所有模块。在变型中，只有模块的一个子集可以被利用，并且可能以不同的顺序被利用。在所有情况下，可以光学地检测由穿过模块的液体形成的序列，并解码相应的时间签名。

注意，在图4的示例中，大多数节点未激活，并且分配通道最多激活一次(任何组中的第l个节点最多激活一次)，以避免短路。现在，我们注意到该设备的设计及其操作可以使得：即使重新激活互连节点，液体在物理上也无法再次进入同一模块。例如，在图1-图3中假定的设计可以防止这种情况。假设根据上部组中的第一节点的激活(称为第一激活节点)，模块141被启用。现在，即使模块141的输出中的第一个节点被激活(称为第二个激活节点)，以暂时允许液体通过第一分配通道131再次进入模块141，已经按照第一激活节点填充了通道131的液体也会防止来自第二激活节点的附加液体插入，尤其是在该示例中，在通道131中提供了收缩阀。因此，该设备可以被配置为防止液体短路。然而，如果在液体前部再次进入通道131的时刻液体已经离开通道131，则液体再次进入相同的模块是可能的。但是，这需要对液体段进行精确控制。

是否允许液体短路取决于节点和分配通道的确切结构，例如取决于通风口、阀等的可能存在。值得注意的是，可以有利地利用液体短路使得阻塞给定的模块中的液体。在某些情况下，例如出于检测目的，这可以是有用的。顺便提及，在芯吸介质上实现的设备中，通常不会出现短路的问题，因为芯吸介质的孔隙允许固有地排气。

因此，通常，即使通过适当地对节点进行编程可以避免短路，或者由于分配通道中残留的液体和设备的配置可以阻止短路，设备k也可以允许模块分支到任何模块(即，另一个模块，或者甚至是相同的模块)中。

现在，在典型情况下，不需要短路。而是，设备通常被配置用于给定模块有效地分支到不同的模块，如图4的情形那样，该不同的模块并不意味着在所述给定模块之前被激活。换句话说，设备通常被配置(即，编程)，以使液体可以连续到达一系列模块。这反映出每个分配通道最多只能激活一次，从而避免了液体短路方面的潜在问题。

总而言之，诸如图1至图9中所描绘的设备被制造为允许在初始时间在输入微通道k10中引入的液体通过一对或多对有序模块对。因此，液体可以通过一系列不同的模块k4l，其中序列将微流体模块k4l的有序对链接起来。在所有情况下，实际的液体路径取决于m×(m+1)个节点的变更状态。再次，人们理解，这种设计显然允许对微流体模块进行编程。

如前所述，节点k20优选地被配置为钉扎液体或使其通过，即，有效地用作关断-开启开关。优选地，无论设备的微流体节点属于第一(上部)组还是第二组(附加下部组)，设备的微流体节点如果不是在功能上全部相同(如附图所示)，则在功能上全部相似。这简化了设备的设计和编程。现在，可以考虑变型，其中节点是不同的。即，一些节点可以有效地充当二进制开关，而其他节点可以被更巧妙地配置为允许通过其的液体的不同流速产生复杂的液体顺序。

另外，如图10所示，节点可以具有两个(或更多个)出口端口，以使模块可以有效地分支成两个后续模块，并且可以通过单个互连节点来分支。如人们所理解的，可以设想许多变型。在所有情况下，都可以通过光学方式检测已编程的液体序列。

如图1、图4至图9所示，本公开的微流体设备k优选地包括处于交叉开关配置的节点。即，这种设备包括具有m个节点k20的m+1个组，其以交叉开关配置插入在入口通道和出口通道之间，被布置为m×(m+1)个节点的阵列。即，该阵列优选地是矩形的，以便形成每行具有m个节点的m+1个可识别的行的阵列，形成m个列，如图1和图4-图9的示例中。该阵列的每个节点都从水平通道分支到垂直通道，就像电子交叉开关包括在互连线的交叉图案的每个相交点处的开关一样。依靠这种阵列可以简化设备的设计，并使其更容易编程。

现在，在图1至图3的示例中，m个附加组的节点k20和分配微通道通常会阻止由模块k4l中的一个给定模块排出的液体稍后再次进入同一模块，假设连续向输入通道k10馈送液体，如前所述。然而，由于微流体模块通常只使用一次(在给定的实验中，与设备的潜在再利用无关)，因此在实践中几乎没有影响。因此，在交叉开关配置中，其中的节点充当开启-关断开关(如图1或图4所示)，这意味着对角线节点实际上很少使用，可以简单地省略。

因此，可以想到实施例，其涉及m×(m+1)-m＝m²的交叉配置(即，跳过对角线节点)。

类似地，由于特定的设计选择，例如，因为实践中潜在地连接特定的模块对是没有意义的，因此可以事前排除某些节点连接。在这方面，微流体模块通常将具有不同的功能。一组微流体模块可以特别包括以下一个或多个：光学检测室(被配置在设备中以便能够进行光学检测)；流体混合室；以及反应室。然而，本设备包括至少两个模块(以使得能够检测动态图案)，并且更可能地，它们可以包括3个、4个、8个或者甚至更多个模块。

例如考虑图9的微流体模板，其包括八个不同的模块。图9的设计是在“通用”微流体平台上的尝试，该平台涉及(从上到下)三个正交流动混合器541-543、两个微流体反应室544-545(本身是已知的)、混合器546(本身已知)和两个检测模块547–548(本身也已知)。这种芯片可以在试剂集成步骤期间通过选择将使用哪些部件来配置。例如，可以将该芯片模板配置为执行多重化验、多步反应等。

通常，正交流动混合器可以包括例如定向的通道，以形成沿不同方向出现的两个流动路径或分量，如下面进一步详细描述的。一个第一流动分量将液体带到感兴趣的表面(通常是试剂所在的位置)附近。第二流动分量将液体带到该表面上。在各种实施例中，为了简化设计，两个流动分量是正交的。因此，本发明概念中的至少一些(这些流动分量，它们在液体中溶解和分配试剂的方式)可以被称为“正交流动混合”。

为了光学检测的目的，设备的一侧(模块在其上)优选地被透光(例如透明)的盖体或盖覆盖。但是，对于在诸如纸张的毛细介质上实现的设备，情况并非一定如此。现在，优选地隐藏节点(不在透明窗口下方)。这样，用户无法通过视觉检查来猜测激活了哪些模块。类似地，可以隐藏后(分配)通道。因此，恶意用户无法预测和伪造正确的时间签名代码。

在变型中，节点可以是可见的。然而，例如，因为用于变更节点k20的钉扎强度的化学物质是不可见的，所以在视觉检查时无法检测到变更它们(以便具有不同的钉扎强度)的方式。另外，分配通道也可以被隐藏。然而，由于后者通常是嵌套的或具有可以是完全可预测的逻辑布置(例如，以降低占地面积)，所以最好是具有隐藏的节点k20或不可区分的节点k20。

如在图9的示例中进一步假设的那样，某些模块可以具有类似的功能，例如检测模块547-548。因此，某些连接可以通过设计被排除(例如，可以不需要潜在地连接两个检测室)。更一般地，可以不需要潜在地连接所有模块对。在那种情况下，附加节点组可以每组包括少于m个节点。例如，该设备可以包括m个附加组，每个附加组具有m-1个节点，以排除短路，如前所述。更一般地，只有特定的对可以潜在地通过节点连接。

概括地说，应当理解，微流体设备应该至少包括至少两个微流体模块，并且始终如一地包括具有至少两个节点的第一组(每个节点将输入微通道连接到模块中的相应一个模块)以及具有至少两个节点的第二组，以连接有效地需要连接的成对模块。如前所述，该第二组对应于由m个附加组形成的超集，与上述m×(m+1)节点配置相比，它可以具有数目减少的节点(<m)。第二组中的节点潜在地连接不同模块的有序对。现在，与先前的示例一致，可以变更第一组和第二组中的每一个的节点的子集，以允许节点在第一组和第二组中的每一个中具有不同的液体钉扎强度。结果，在输入微通道中引入的液体穿过两个微流体模块的至少一对有序对。实际启用的顺序由第一组和第二组中的每个的节点的不同液体钉扎强度决定。

然而，并且如本发明人所观察到的，与人们期望的相反，减少第二组中的潜在连接的数目实际上并未简化设备的设计。实际上，这甚至挑战了通用微流体芯片的概念。最终，在交叉开关配置中采用m×(m+1)个节点的设计也许更简单。此外，如前所述，m×(m+1)交叉配置可以提供更大的灵活性，因为人们可以希望利用短路并因此阻止液体在一个或多个模块中流动，例如，出于检测目的。

如图1-图3、图7所示，本微流体设备k的部件根据不同的平行层级布置。例如，由图1-图3的短划线和虚线的图案所示，输入微通道110和输出微通道11l被限定在设备的第一(顶部)层级上，而分配微通道13l被限定在第二(底部)层级上。每个层级可以由相应的层或由多个层来体现，如稍后参考图5-图7所讨论的。此外，在第一层级和第二层级(层)之间还包含中间层级(或层)，如前所述，节点的过孔在该层级上延伸。这种布置允许横向的3D通道配置，其中，例如，输入通道和输出通道两者都在第一层级上平行于第一方向布置，而分配通道被布置为平行于第二方向(横向于于第一方向)。这种横向通道配置允许设计通道的更紧凑的布置，进而实现减小占地面积的设备。在依赖于节点的交叉开关配置的实施例中，特别需要横向通道配置。

因此，如先前所述的3D节点有利地用于如图1、图4-图9所示的设备中，以便启用横向3D通道配置。例如，参照图2、图3、图7C和图7D，具有m个节点的m+1个组中的一些或(优选地)全部节点k20包括：入口端口、带有液体阻挡元件的腔体、过孔和出口端口，如前所述。

为简单起见，如图1-图9的示例所示，一个节点通常仅具有一个输入端口和一个输出端口。然而，可以设想更复杂的变型，其中一个节点具有例如两个输出端口，如图10所示。在那种情况下，单个节点激活允许同时激活两个模块。

在图1-图3和图10的示例中，液体阻挡元件是在腔123的进入口处形成的钉扎结构122。钉扎结构122被配置为在腔123的进入口处停止水性液体的液体填充前部(或至少阻止其前进)。这使得激活腔体特别简单。实际上，由于钉扎特征122正好布置在腔体的进入口处，因此可以方便地利用腔体中留空的空间来点样润湿材料129，或者以其他方式变更钉扎结构122，从而变更节点的钉扎强度。钉扎结构通常从顶部变更。仍然，该设备可以在以后的阶段被密封，例如，如本领域中通常的那样，通过用盖在顶部覆盖所有开口结构。

如图2、图3或图10所示，液体钉扎结构122优选地由腔体123的张开角度θ₁形成，该角度优选地在90°至160°之间。但是，如果使用疏水壁，则该角度可以在60°至90°之间。该张开角度是在输入端口处的液体的平均流动方向(即沿-y)与腔体123的在其进入口周围的一个或多个壁之间测量的，其中，这些壁在与(x，z)平行的平面中延伸，如图2所示。例如，该角度可以为90°，即由直壁(垂直于液体入口方向-y延伸)形成，入口端口通向该直壁。

在更复杂的设计中，该角度严格大于90°(例如，在110°至160°之间)。考虑到液体以增大的接触角填充入口端口的情况，例如在文丘里效应的情况下那样，增大(即腔体的入口处的加宽)增加了抵抗弯液面向腔体内传播的角度分量。。该角度的特别令人满意的值为135°。

在图2、图3和图10的示例中，腔123的进入口进一步具有宽度(沿轴线x测量)，该宽度小于其深度(沿z测量)。在进入口的每一侧上的腔体的壁被与进入口的宽度相对应的间隙间隔开。因此，所述壁在腔体中形成两个相对的张开角度θ₁，该角度分别在60°至160°之间。入口端口121可以例如沿着腔体123的主轴线(平行于轴线y)延伸，以允许进入口在腔体中居中。这样，在间隙的每一侧上形成两个横向边缘122，这又产生两个张开角度θ₁。此外，由于进入口的深度大于其宽度，因此在实践中，在腔体的进入口处被侧向钉扎的液体无法通过毛细作用(即，通过润湿腔体和入口端口的底部和相对的盖)来克服钉扎屏障。

最好是使进入口在腔体123的入口处居中。然而，在变型中，进入口可以侧向地(沿x方向)偏离中心，这可以仅导致部分液体钉扎。在其他变型中，可以使用其他钉扎结构(例如柱或其他微流体结构)来钉扎液体。

如图3所示，例如，由于润湿材料129在液体钉扎结构122处被点样，可以很容易地变更图2的节点。在操作中，尽管有液体钉扎结构122，该润湿材料允许填充入口端口121的水性液体到达出口端口125。润湿材料129可以例如包括润湿化学物质(其在钉扎结构122的位置处被点样)、或者润湿微粒、液体、染料、盐或表面活性剂。更一般地，这可以是任何材料，其残留材料(一旦干燥)可被诸如水或另一种水溶液之类的水性液体润湿。

在变型中，可以物理地(而不是化学地)变更液体钉扎结构122，以允许液体到达出口端口125。例如，可以将腔体的相对的进入口边缘122物理地变更为平滑张开角度，使得液体填充前部可以通过进入口并润湿腔体123。然而，这通常使得配置节点更加困难。

在图2和图10的示例中，默认情况下(即，默认为“关断”)禁用了腔体。在这种情况下，只有那些需要激活的节点才能被更改(以启用所需的有序模块对)，这由于有(在密封之前)顶部开口的腔体，因此可以轻松实现。

如图1-图3所示，相同(例如，水平)节点组120的节点的入口端口121可以具有不同的水力阻力。入口端口121的宽度以及因此腔体的进入口影响节点的钉扎强度。因此可以利用具有不同的水力阻力的入口端口来补偿到达相同组的节点的移位的入口端口的液体的流速的差异，无论是其是从输入通道110还是从任何输出通道11l分支出来的。例如，由于水力阻力特别取决于导管的几何形状，例如在文丘里效应的情况下，可以改变入口端口121的宽度和/或长度。

如图2、图3和图10进一步所示，节点120的出口端口125可以可选地包括流体流动收缩阀126，以防止由出口端口125分支的分配微通道13l中的水性液体到达过孔124。该阀126被提供以防止分配通道中的液体进入该节点。即，出口端口125的阀126的钉扎强度取决于流动方向。对于进入的流，其比微通道13l的在结13lJ处的层级处的部分(出口端口126在该处分支)具有更高的钉扎强度。阀126可以例如形成用于来自分支的分配通道13l的液体流的两个相对的张开角度，就像在腔体的进入口处的液体钉扎结构122一样。

如图2或图3所示，输出端口125在接合点13lJ的层级处分支至分配通道13l，该分配通道13l优选在该接合点13lJ的一侧包括流体流动收缩阀13lC。该附加阀迫使通过出口端口125排出的水性液体流向-y方向。但是，如图2所示，来自接合点的另一侧的水性液体可以通过阀13lC。因此，出口端口125和第二微通道13l的阀13lC用作二极管。这使得一列节点可以分支到同一分配微通道。同时，阀126阻止已经存在于该列中的液体(其可能来自较高的激活节点)进入节点(该节点因此是单向的)。

流体流动收缩阀13lC优选地由通道13l的不同形状的部段S1、S2形成，如图10所示。第一部段S1锥形化并通向第二部段S2，以便在第二部段中提供张开角度θ₂，第二部段S2的平均直径比第一部段大，该张开角度θ₂也可以在60°至160°之间。张开角度θ₂是在围绕收缩阀的出口通道13l的主纵向轴线(平行于y)和锥形部段S1通向的第二部段S2的一个或多个壁之间测量的。因此，来自第一部段S1的液体流被钉扎在第二部段S2的进入口处，而来自相反方向的液体流可以通过缩颈13lC。

图1假设在硅芯片中刻蚀的微流体结构。在设备的其他可能的设计中，可以使用注射成型技术来制造聚合物芯片，如图5和图6所示。如图7A-图7D所示，在其他变型中，芯吸介质可以用作形成所需的各种流动路径的基础。

图1和图4描绘了在硅中制造的3D微流体芯片，该芯片包括四个微流体模块(即，在这种情况下为空室，尽管已经沉积了黑色食用染料，以用于图4中的可见性目的)。在核心硅芯片的每一侧都对通道进行图案化，这些通道包括：输入通道110、在一侧的模块141-144和四个输出通道111-114、以及在另一侧的四个分配通道131-134。通孔124、131V-134V确保从一侧到另一侧的流体连通。20个路由节点被插入以提供对流动路径的完全控制。流动路径表面可以例如被硅烷化(三氯(辛基)硅烷)，以实现润湿表面。微通道深度约为20μm。微流体结构被芯片两侧的PDMS覆盖物覆盖。这种设备通常允许流体流速为1.5μm/min。

在图5一图7的示例中，微流体设备k(k＝2、3、4)包括两层、三层或更多层k1-k3，如前所述，这些层体现了设备的两个或更多个层级。即，通过多层来确保设备的多个层级。但是，我们注意到，设备中涉及的层级数(通常为三个)可以与实际使用的材料层数不同，取决于实际使用的制造方法，实际使用的材料层数可以更大或更小。

详细地，图5至图7中所示的每个设备都具有具有相同的结构的节点。在图6和图7中，节点的输入通道k10、输出微通道k1l、腔体k23和入口k21都形成在第一层k1中，而分配微通道k31则形成在第二层k2中。在图7A-图7D的设计中需要附加的中间层。然而，如图5所示，可以在单个注射成型步骤中形成微流体芯片。因此，本设备可以有效地涉及一层、两层、三层(或甚至更多)材料层，更不用说可能的覆盖/封盖层了。相比之下，图1的设备实质上涉及一个硅层，该硅层被适当地结构化并且然后在每一侧被封盖。

在图5中依赖于两个模具部件m1、m2，它们被适当地结构化，由此单个注射成型步骤就足以获得聚合物芯片2的直接制造。即，两个模具插件m1、m2被同时使用以用于成型。一个模具插件m1具有两个深度层级，即一个深度层级用于制造微通道，另一个深度层级用于制造过孔。

在图6中，两个层部件31、32是复合聚合物层，这要归功于两个模具插件m1、m2a而被获得。图6的模型插件m1与图5的插件m1基本相同，而m2a是m2的镜像对称。在这种情况下，涉及两个注射成型步骤。即，通过在每对模具部件m1、m1a和m2a、m2b之间注入材料来分别制造底层32和顶层31。随后将复合层31和32结合。即，一方面的顶层和过孔和另一方面的底层在两个独立的成型步骤中使用单个模具插件独立地制造。

在图7至图8的变型中，芯吸介质(如纤维/多孔介质，诸如纸或硝化纤维素材料)被用作形成流动路径的基础。流动路径的边界可以例如由诸如蜡的疏水材料形成(即，流动路径是蜡印的)。即，输入和输出通道、节点腔体和入口端口被限定在上层41上，而分配通道被限定在下层42上。

这里，节点420的过孔424形成在位于第一层41和第二层42之间的中间层43A、43B中。中间层43A、43B可以被设置为将第一层41和第二层42分隔开的薄聚合物膜。可以在该膜中在与腔体423相对应的位置处开孔，以限定过孔424，从而实现流体连通。可以设想两种不同的方法，分别在图7A和图7B中探讨，其中节点420可以通常是关断的(图7A，其中薄膜43A主要从下面密封每个腔体423)或通常是开启的(图7B，其中这里薄膜43B被冲孔以使每个腔体423开口)。

尽管在图7至图8的示例中使用了芯吸介质41、42，与图1中的硅或图5至图6中的聚合物材料相反，但是图1、图5–图6和图7A–图7B的比较示出，对于设备1-4b，仍然可以实现微通道和节点的类似图案。例如，在图7至图8中，每个腔体423被设置在设备的顶部层级(由层41体现)上。而且，腔体形成为顶层41中的通孔(以便在顶部处显着开口)。入口端口421使入口微通道410-414与相应腔之间的接合点处于第一层41上(还参见图7C、图7D)。出口微通道431-434被设置在较低层级中，在图7中由层42体现。在两层41、42之间插入了合适的聚合物薄膜43A、43B。经冲孔的孔424、431V-434V起到过孔的作用。过孔424的下边缘起到腔体的出口端口425的作用，该出口端口实现朝向较低的微通道431–434的流体连通。

插入的膜43A、43B可以仅在所选择的位置处被打孔，以激活相应的节点(如图7A所示)。也就是说，设备通常处于关断状态，并且在这种情况下所选择的节点被激活。在图7A中，膜43A的未被去除的部分起到液体阻挡元件的作用(见图8)，该液体阻挡元件在相应的节点处阻挡液体。

相反，在图7B中，在所有节点位置上冲孔薄膜43B，以允许该设备正常开启。这意味着在这种情况下，必须退激活一部分节点。为此，可以在腔体中添加液体阻挡元件422。该元件422可以例如由可变的疏水性屏障422形成，该疏水性屏障422被放置在腔体中或者作为从下方密封后者的膜。疏水屏障可以例如是插入腔体中的可去除物质(例如，蜡)。

现在，由于在制造阶段期间的自动化工艺，所有腔体都可以被系统地填充有这种疏水性屏障422。这样，可以正常关断设备。稍后，愿意定制微流体模板设备的操作者可以因此简单地去除所选择的疏水性屏障，使得用户仅需要更改那些需要有效地打开的节点。通常，人们可以寻求使用易于去除的液体阻挡元件422(诸如蜡)，其可以容易地熔化或简单地在适当的化学溶剂中稀释然后吸出。

图8示出了根据图7B的设备的俯视图。图8还可以认为是由图7A的设计产生的，其中黑盘对应于中间膜43A的未被去除的部分。取决于目标应用、所使用的材料以及激活的节点与未激活的(或退激活的)节点的所需比率，在图7A和图7B中示出的两种方法之一可以比另一个更合适。

图7A和图7B的两种方法都可以重新配置节点，因为可以随意插入和去除蜡补丁。可以在图7A的设备中容易地打出附加的孔，并且如果需要，可以例如使用蜡将一些孔密封。如图1或图4所示，还可以移除点样化学物质129并将其重新放置在设备中。然而，从原理上讲，如图4所示的重新配置芯片比如图7A和图7B所示的重新配置芯片更困难。

就尺寸而言，图1至图4-图6中所描绘的设备优选地被设计尺寸如下。输入微通道、分配微通道和输出微通道中的每个微通道的深度在10μm到100μm之间(该深度沿图1中的z轴测量)。所有通道(包括入口端口)的深度可以是例如大约20μm。另外，输入微通道、分配微通道和入口端口优选具有相似的深度。

通道的宽度(沿图1中的x轴或y轴测量)通常在10μm-200μm之间(最好在10μm-25μm之间)。但是，通道宽度在流体连接中并不起关键作用。入口端口具有优选在5μm至50μm之间的宽度。另外，在平行于(x，y)的平面中测量，过孔的平均直径通常在25μm至200μm之间(并且优选地在50μm至100μm之间)。施加相对较大的过孔尺寸，以免在过孔的层级上增加任何附加的水力阻力，并且不会损害流体连接。附带地，这还简化了过孔的制造。为了机械鲁棒性，其中形成过孔所在的(多个)中间层的厚度通常需要大于1nm，并且优选地大于1μm。

这种尺寸通常适用于芯片，即其核心芯片是用硅制造或注射成型的设备。依靠芯吸介质的设备(图7-图8)在尺寸上通常会有所不同。例如，蜡印设备的尺寸优选如下。蜡印的侧向通道壁的最小(平面内)宽度可以在300μm(印刷后)和850μm(在热处理后，由于蜡铺展)的量级。深度由芯吸介质的厚度(通常大于100μm)确定。在热处理之后，通道宽度(即，蜡印的侧向壁之间的平面内间隔)可以例如在100μm至1000μm之间，典型的标准偏差为50μm。如有必要，模块的腔室可以更宽。

在实施例中，微流体设备可以被实现为测试设备，即，通常被配置用于诊断测试的设备。即，微流体模块中的至少一个具有包括用于实现所述诊断测试的试剂的流动路径。诊断测试涉及医学诊断，并且更一般地涉及确定或分析医学问题或状况的原因或性质。这种测试设备尤其可以是便携式的手持设备，例如血糖仪、量油尺或用于检测一种或多种分析物(例如高半胱氨酸、C反应蛋白、糖化血红蛋白或HBA1C、HIV唾液检测、心脏标志物检测、过敏原或转基因生物检测、农药和污染物检测等)或妊娠检测。更一般而言，它可以是任何类型的快速诊断测试(RDT)设备，即用于快速简便的医学诊断测试的设备。RDT设备通常允许在几个小时或更短的时间内获得结果。它们尤其包括护理点(POC)测试设备和非处方(OTC)测试装置。此外，本文所理解的测试设备可以用于执行超出医学诊断的分析，例如用于检测水中的毒素等。本领域技术人员可以意识到，这种测试设备潜在地有许多应用。

在所有情况下，可以激活两个或更多个模块的序列，然后可以对其进行光学检测，例如用于验证或安全性目的的后续解码。相反，可以适当地对上述设备的节点进行编程，以实现期望的液体顺序。所有这些将在下一节中进行描述。

3.方法的优选实施例

3.1动态图案的检测

通常，本发明的检测方法依赖于光学读取由模块的液体填充引起的动态图案。如前所述，该图案根据液体通过微流体模块的顺序动态演化。

因此，信息可以与模块被激活的顺序相关联，如图17A-图17F所示。这些附图描绘了设备1在不同时间的操作，该设备类似于图1的设备(未示出分配通道，如图9所示)。在这种实施例中，通过检测微流体模块14l(l＝1，…，4)的光学对比度60A-60F的变化来光学读取动态图案。根据由节点的不同钉扎强度确定的序列，对比度的连续变化是由穿过微流体模块14l的液体引起的。

该序列与图4的序列相同，如先前在第2节中所描述的。最初，不存在液体(图17A)。然后，在时间t₁，液体被引入输入通道110(图17B)。然后在时间t₂，根据第一(上部)节点组中的第三节点的激活，液体填充第三模块(图17C)，从而引起可以检测到的对比度的改变。然后在时间t₃，根据第三附加组(即，从顶部开始的第四组)的第一节点的激活，液体填充第一模块(图17D)。这再次引起可以检测到的对比度的改变。该过程继续，在时间t₄，液体填充第四模块(图17E)，最后在时间t₅，液体填充第二个并且是最后一个的模块(图17F)。

注意，对比度的改变可以是由于液体润湿模块的流动路径所引起的颜色改变而引起的。如有必要，在模块中形成的流动路径可以包括在流动路径表面上布置的一些试剂(例如，静态斑点)，这些试剂最初是不可见的。然而，由于液体润湿模块的流动路径而引起的光学对比度的改变，试剂可以被显露出来。

在所有情况下，可以例如使用配备有智能手机或平板电脑的手持设备，、来检测序列(对应于图17的第三、第一、第四和第二模块)，该手持设备具有控制设备中嵌入的相机的通用或专用应用。在变型中，可以使用USB相机或专用或定制的光学设备来达到该目的。在其他变型中，由于光学传感器(例如安装在一次性芯片上的光电二极管阵列)而执行了光学检测，该光学传感器可以不同于用于对所读取的图案进行解码的(本地或远程)设备。

在更复杂的实施例中，检测方法可以涉及具有一个或多个微流体模块k4l的设备k，每个微流体模块包括光可读介质。该介质形成布置在模块的流动路径上的材料斑点的图案。这些图案可以在与模块的激活时间相对应的给定时间被检测到。现在参考图12至图14讨论这种实施例。

参照图12，设备k的至少一个模块k4l可以包括这种光学可读介质。材料斑点的图案61实际上可以包括由不同材料制成的斑点的不同子集。即，斑点51和斑点52由在待加载到输入通道中的液体中具有显著不同的溶解度的材料制成。在图12的示例中，斑点51的溶解度低于斑点52的溶解度，使得斑点52将首先被溶解，因此显露出残留图案62。斑点51、52优选地最初具有相同的颜色和对比度，因此这样就可以显露出最初位于图案61中的图案62，如图13的屏幕截图所示。

因此，在斑点52被溶解或溶在穿过模块k4l的液体中并被其冲洗后，可以光学读取由第一斑点51形成的残留图案62。斑点51实际上可以最初不可见，使得最初可见的图案可以对应于互补图案(即，由图案61减去图案62形成)。然而，由于斑点51的光学对比度的改变，该残留图案62最终可以被显露出来，该斑点51的光学对比度的改变是由液体润湿它们而引起的。仍然优选地，两种类型的斑点51、52是可见的，但是在视觉检查时，最初不能区分两种类型的斑点的对比度和颜色。

在其他变型中，仅涉及一种类型的斑点，这些斑点最初在视觉检查时无法检测到(以使其更难以伪造)。然而，可以检测到由液体引起的光学对比度的变化。

现在参考图14至图15，优选地在设备k的模块k4伸的两个或更多个中提供光学可读介质。在那种情况下，在斑点52被溶解在穿过其中的液体中并被其冲洗之后，人们可以寻求光学读取由每个模块中的残留斑点51(在不同的时间t_j)形成的残留图案62、62a。

实际上，如果需要的话，还可以光学地读取初始图案61、61a，如图14和图15所假定的。也就是说，在实施例中，初始图案61、61a和最终(残留)图案62、62a都可以形成可以被检测到的机器可读光学标签。可以在激活模块之前的任何时间(例如，全部同时)检测初始图案，而残留图案62、62a将在它们被显露了之后在不同的时间被读取。

所有旨在被光学读取的图案(起源于残留图案62、62a)都必须是机器可读和可解译的，以便确定相应事件的发生(即，模块被液体填充)，并且可能地，以便标识其中编码的信息。另外，这种图案61-62a优选地被设计以便例如通过智能电话或平板电脑便于进行光学检测。

在实施例中，图案以及它们出现的相对顺序被一起进行检测，而图案不需要对任何特定信息进行编码。优选地，图案将对附加信息进行编码。光学可读标签可以是例如一维或二维条形码，其编码关于例如设备ID、设备的类型、给定的设备功能类别、模块ID和/或公钥或私钥(用于身份验证)的信息等。

已知几种方法，这些方法允许根据所拍摄的图片来解译数字图像。例如，已经大规模地开发了这种技术，特别是用于移动应用，例如，用于解译2D条形码，或更一般地，用于图像识别。例如，必要时，基础算法可以涉及光学字符识别(OCR)。

例如，微流体模块的光学可读介质的残留图案62、62a可以编码相应的密钥62、62a，它们总共形成一组不同的密钥，如果需要的话，这些密钥可以由以初始图案61、61a编码的密钥来补足。这种密钥应与它们出现的顺序结合起来以光学方式读取和解译。为此，用于检测的设备可以需要存储关于所述密钥62、62a的光学读取信息以及关于它们被光学读取的顺序的顺序信息。顺序信息可以简单地是与图片、数字化形状或读取的形状的任何几何平移相关联的时间戳。例如，可以获取带时间戳的屏幕截图(即电影)，并将其存储在例如检测器的永久性存储器或非永久性存储器上。如果所获取的信息将被即时处理或传输，例如传递给服务器以进行进一步的处理(解码和验证)，则所读取的图案可以例如存储在设备的非永久性存储器上。

优选地，每个光学可读介质的斑点51、52根据二维格子布置，如图12-图14中所假定的，其中格子的每个单元包括的一个或多个材料斑点51、52。理想地，单元包括(至多)一个斑点，即第一材料的斑点或第二材料的斑点。第一斑点51和第二斑点52可以例如形成互补的图案，如假定的图12至图14所示。在这方面，我们注意到初始图案不必是对称的，相反，可以形成不完整的图案，以便在需要时对信息进行编码。

现在，格子的每个单元实际上可以包括多个材料斑点，以增加对比度，或更一般地，提高图案的可检测性。格子可以例如包括q×r个单元，其中q和r中的一个或每个通常大于或等于4，例如等于16。在所有情况下，根据二维格子布置斑点便于进行图案识别。如本发明人所观察到的，格子的连续单元之间的间距优选地大于或等于110μm，当在像素模板中点样液滴时，这实际上导致很少甚至没有误差。这一点将在下一节中详细讨论。下一节将讨论有关可能的格子、其结构及其制造的其他技术注意事项。

并非所有模块都需要配备有光学可读介质。例如，某些模块可以专门设计用于某种功能(例如，流动混合、反应)，这可能与可溶性斑点的存在不相容。同样，可溶性斑点可能会污染随后分支的模块。实际上，可溶性斑点可能会干扰给定模块或随后连接的模块的功能。对于被配置为用于诊断测试的测试设备的微流体设备，这可以尤其令人担忧。在那种情况下，一个或多个微流体模块k4l可以具有包括用于实现所述诊断测试的试剂的流动路径，即，其试剂旨在与加载的液体反应。在这种情况下，斑点51、52应该位于试剂的下游，以免干扰测试。

在连接了全部都包括试剂的几个模块的情况下，因此应首先，激活专用于测试的模块，即，在包括光学可读介质(具有可溶性斑点)的模块之前，将其激活。这样，根据由节点k20确定的顺序，加载的液体首先穿过包括试剂的每个模块，然后再穿过设备的其余模块。但是，我们注意到，具有可溶性材料的光学可读介质可以已经被设置在最后一个装有试剂的模块中，但仍在试剂的下游，以防止干扰。

3.2形成斑点材料的格子

通常将使用以下一种或多种材料来形成所需的流动路径：聚合物(例如SU-8聚合物)，二氧化硅，玻璃和芯吸介质(纤维素基材料，例如纸板、纸张等)。可以考虑其他材料，例如金属涂层。但是，金属涂层可能需要更复杂的制造方法(例如无尘室或复杂的过程)，或者需要有毒的前体。

如图11至图14中所示，格子优选是二维格子。形成图案61、62的斑点51、52优选地根据规则的格子(例如正方形或矩形格子)布置，该格子的整体尺寸很好地适合于模块室的宽度。斑点位于与格子的单元的子集相对应的位置处，以形成图案61、62。格子是单元的系统化布置，最实际地以行和列的形式。给定格子的每个单元优选地具有相同的尺寸，在这种情况下，格子沿方向x和y的步长a、b是恒定的。这简化了设计、制造和沉积过程。此外，步长a和b优选地相等，如图11和14中所假定的。

如果需要，可以通过在其中点样一个或多个液滴来填充单元，以增加斑点的大小和对比度。但是，如果每个单元只能点样一个液滴，则可以加快制造过程，这具有优化单元大小与液滴大小的优势，如下所述。

然而，例如在某些单元需要比其他单元大的情况下，可以设想变化的单元的网格，因为它们将被用于编码更多的关键信息，因此可能需要更多的光学对比度，或者更不容忍点样过程中的误差。因此，格子可以在一个或每个方向x和y上具有非恒定步长。因此，“格子”在这里将被广义地解释，它可以是具有恒定步长或不具有恒定步长并且其单元是可寻址的以使沉积过程自动化的任何种类的网格、格网或棋盘。

在变型中，可以使用一维格子。但是，在这种情况下，编码信息较差，更容易伪造。

如图11所示(对于n＝2或3)，格子和所得图案61、62可以具有纵横比，其中格子沿x的尺寸总体上大于沿y的尺寸。即，最大尺寸平行于流动路径的延伸的长度方向。进而，这允许优化可编码信息的密度，这在由于微通道或腔室的典型尺寸和形状因数而在微通道或腔室中提供流动路径的情况下尤其有利。在这方面，我们注意到微流体模块可以只限于腔室或通道。然而，可以使该腔室的宽度大于设备中通道的典型宽度，以容纳试剂和/或光学可读介质。如果需要，可以在同一腔室中提供多于一种的光学介质(形成不同的图案)，例如，以确保检测。

格子本身不需要物理地构造在模块的流动路径的表面上。当斑点图案在纤维素或任何其他可浸透的材料上被点样时，尤其如此。因此，图案61、62可以根据抽象格子以及在与该抽象格子的单元的中心相对应的位置处沉积的斑点形成。

然而，当在诸如聚合物、SiO₂、玻璃等的表面上形成流动路径时，则可以在表面上物理构造阵列的单元，以便于点样。当斑点51、52由不同材料形成时，第一斑点51可以位于与单元的子集(隐藏图案62、62a)相对应的位置处，而附加斑点52可以位于与格子的互补单元相对应的位置处，格子的互补单元即不同于单元的所述子集并构成第二不同子集的单元。与图12和14的描绘相反，第一和第二子集的并置不需要映射特定光学标签的整个格子，但是它可以这样做，如图12-图13所示。需要的是将图案62隐藏在初始图案61内，使得每个标签最少需要一个斑点52。然而，最简单的方法是将第一和第二子集设计为完美的互补子集，每次映射特定光学标签的整个格子，如图12所示。

在所有情况下，图案62(仅由不溶性斑点51组成)仅在可溶性斑点52在液体沿流动路径前进时被液体冲洗后才出现，如图13的屏幕截图所示。

在实施例中，格子的相邻单元之间的间距大于或等于110μm。超过此阈值，误差趋向于大幅减少，如下文进一步所述。

格子通常可以包括q×r个单元，其中q和r中的每一个通常大于或等于4。例如，如图12所示，可以使用5×4的格子。但是，优选地使用大格子，诸如16×5(未示出)。优选地，出于前面提到的原因，格子表现出纵横比，使得q(沿x)大于r(沿y)。通常，当喷墨点样图案61、62时，可以有利地使用16×r的格子。这使得可以有效地利用最新代的喷墨点样器，该喷墨点样器可以在一排中包括多达16个喷嘴的行。

使用网格允许向用户指示代码、密钥或任何指示被添加到设备。即使是简单的代码也可以构成足以抵制欺诈的技术屏障。另一层级的信息可以与制造批次ID有关。实际上，来自不同批次的诊断测试通常表现出略有不同的性能(例如，灵敏度、误差棒等)。特定批次的校准表可以用于使测试结果标准化，并且批次可以基于光学代码进行识别。必要时，代码可以受益于相对大量的单元(例如16×m)，特别是如果唯一ID被附加到单个模块上时。例如，具有100μm×100μm单元的16×16网格允许编码约100位/mm²。但是，如果仅需要编码几个八位字节，则可以不需要256位。在希望编码的信息(以及所需的安全等级)和每个设备可承受的制造时间之间需要权衡。在需要简单光学代码的变型中，仅一行斑点就足够了。

在实施例中，可以将格子物理地压印在设备上。即，根据格子，可以在模块的表面上(例如，在形成流动路径的表面上)形成结构。所述结构因此位于与格子的单元对应的位置。斑点51、52又被布置在这种结构之中或之上。

结构可以特别地体现为相对容易制造的腔体或井或岛。更一般地，可以考虑其他类型的结构，例如包括倾斜的壁。格子优选地仅包括一种类型的结构(例如，腔体或岛)，其优选地具有全部相同的尺寸，以简化设计、制造和沉积过程。

两个连续的结构优选地被间隙分开。间隙可以最简单地由凸起部分(或壁)组成以界定腔体，或由盲孔(或凹槽)组成以界定岛。这种间隙优选平均大于10μm。沿着两个连续单元之间的相关方向(即，方向x或y)在平面内测量间隙。最小10μm的间隙可简化光学读取并避免制造问题，特别是在点样器和理想单元的位置之间存在微小的不对齐的情况下。间隙确保点样像素之间的清晰度，并避免沉积的斑点51、52中的误差。由间隙(涉及拐角等)引起的毛细作用可防止液滴润湿其他单元并合并。

优选地，间隙大于25μm或者甚至50μm。最佳尺寸通常取决于结构的内部尺寸、液体样品的性质以及每个单元中被点样的液体液滴的数目等。在实施例中，间隙可以达到75μm，应注意的是，液滴的最大尺寸通常约为70μm。即使使用低成本的光学检测系统，大于25μm或50μm的间隙也确保良好的可读性。由于液滴在被喷墨喷嘴喷射时的大小通常约为70μm或更小，因此较大的间隙(例如75μm)确保液滴不会桥接两个相邻的岛。

通常，使用大约0.25mm的表面头距离来执行点样。一部分液滴可能会在液滴到达表面之前蒸发(例如，最多达20％，具体取决于环境相对湿度)。从大于1mm的距离进行点样会大大增加液滴蒸发的风险，并且当液滴从头部稍微倾斜地喷出时可能会造成问题。为了减轻这个问题，可以考虑更大的间隙(例如75μm)。如果由于表面上存在形貌而需要将点样器放置在距离表面较远的位置，则可以考虑更大的间隙(≥75μm)，但这通常将需要图案61、61a的较大占用面积，并且还可能会影响设备的成本。相反，如果喷墨点样器的头部离设备的表面太近，则液滴将以其最大尺寸降落到表面上，因此75μm的间隙就足以避免放置误差。

在实施例中，结构的平均深度大于或等于5μm。垂直于表面的平均平面测量平均深度。实践中，5μm的深度足以为点样材料提供令人满意的钉扎效果。但是可以考虑更大的深度。然而，结构应该优选地被设计为允许光学代码尽可能地与测试信号共面。以这种方式，可以使用同一焦平面光学读取测试结果和光学代码。因此，结构的平均深度通常应小于50μm。

结构的平均面内尺寸优选大于或等于100μm，更优选小于500μm。平行于表面的平均平面测量结构的平均平面内尺寸。根据例如针对结构选择的形状，结构的平均平面内尺寸对应于例如矩形或正方形的平均边或圆的直径。

联想到格子结构之间的间隙优选地大于10μm，因此，格子的步长或间距通常将大于110μm。如发明人所观察到的，当在像素模板中点样液体以形成斑点51、52时，确保这种最小步长导致几乎不存在错误或没有错误。可以通过以下事实来临时描述这一点：仍然可以容易地创建并精确地点样50μm至70μm的液滴，而由于液体的表面张力的竞争，创建和点样更小的液滴更加困难。

已经测试了各种尺寸的各种各样的点样材料、沉积表面和单元结构。当使用可浸透的材料时(上面没有任何结构的单元)，可以得到对比度很好的斑点。当使用构造为岛的单元时，用10μm的间隙(凹陷)隔开的100μm宽的岛可获得最佳结果。较大的间隙更可见，并且可能会妨碍图案识别；它们还影响光学可读介质的密度并因此影响其占地面积。但是，只要图案适合于视场，即使有较大的间隙，图案识别仍然应该是可能的。当使用构造为井或腔体的单元时，以10μm到25μm的间隙分开的100μm宽的井(腔体)可获得最佳结果。小间隙(例如10μm)已经产生令人满意的结果。较大的间隙也会导致良好的结果，但是会影响密度，进而影响占地面积。通常，井和岛结构都可以使用相同的单元尺寸和间隙尺寸。总而言之，井比岛更为优选，因为它们可带来更好的光学性能。

3.3用于对在微流体设备上被编码的信息进行解码的方法

根据另一个方面，本发明可以体现为一种用于对在微流体设备k中被编码的信息进行解码的方法，例如此处所描述的，如现在参考图15所述。

基本上，这种方法围绕根据在3.1节中已经描述的步骤光学读取S12-S16在设备k上被编码的信息。本质上，将检测动态图案，该图案涉及激活模块的特定顺序。随后，例如出于验证目的，所读取的动态图案中被编码的信息被解码S18。

步骤S12-S16可以例如使用手持设备或USB相机或任何专用或定制的光学设备执行，如第3.1节所述。除读取S14的残留图案62、62a之外，还可以在相应的模块被激活之前，也就是在干燥状态下，检测S12初始图案61、61a。如果必要，例如在检测由图案61-62a形成的光学可读介质之前，可以获取S10关于设备的更多信息。例如，在步骤S10，仅读取设备的包装上的条形码。

接下来，可以使用原位(例如，直接在手持设备或检测器处)或远程(将读取的数据发送到服务器进行验证)实现的任何合适算法，在步骤S18处，对所读取的各种图案中被编码的信息以及残留图案发生的顺序进行解码。

解码S18通常在使用设备1-6之后发生。可以需要光学读取和解码多个图案61、61a，62、62a。然后，所有图案都可以被包含在后续验证过程S18中。如果需要，如图14和图15所示，另外读取S10测试设备的包装上的条形码，以增强安全性。也就是说，在最初读取(在步骤S10)的数据对于解译随后检测到(S12–S16)的数据和验证测试可以是必要的意义上，一方面在步骤S10读取的数据以及另一方面在步骤S12–S16读取的数据可以是互补的。

通常，在验证步骤S18期间，可以将所读取的动态图案用于补充测试，以检查其有效性(从技术上来说)或其真实性(安全目的)。在实施例中，步骤S18包括基于解码的信息来认证微流体设备k。这里的认证意味着确定设备的真实性，并且应在广义上进行解释。该认证至少基于解码后的信息，但是在该步骤可以需要附加的用户和/或设备凭证。

认证可以进一步基于附加信息(例如设备k的标识符)，该附加信息随其提供并在步骤S10被扫描或读取。该附加信息可以通过例如附加的机器可读光学标签来提供。例如，它可以设置在设备、包装或其文档的表面上。该附加的光学标签可以特别地作为二维条形码提供在粘贴在设备的外表面上的标签上。在变型中，可以在设备的包装上或相关文档上提供该附加的光学标签。但是，直接在设备上提供该信息降低意外使用或恶意使用的风险。

验证步骤S18优选地利用在所读取的图案61、61a，62、62a中编码的密钥和关于获取隐藏密钥的顺序的顺序信息两者。要通过验证步骤，密钥必须与顺序信息一致。可以根据质询-响应算法来处理该验证，其中，例如，所读取的密钥组用作质询，而它们出现的顺序用作响应。例如，可以使用不同的哈希函数将密钥作为仅是预期顺序的哈希来获取。在变型中，在步骤S10处读取的初始信息用作质询，针对该质询读取的密钥组及其出现的顺序用作响应。可以考虑许多变型。

3.4在微流体设备中编码信息

根据最后一个方面，本发明可以体现为用于在微流体设备k中编码信息的方法，如第2节所述。

基本上，这种方法包括变更节点k20的子集，以允许节点k20在第一组节点和第二组节点的每一个中具有不同的液体钉扎强度。节点将按照模块连接的顺序进行变更。在实践中，为一批待制造的设备假定了给定的连接方案，该方案作为编码信息数据被提供，该数据作为输入被输入到工具，该工具随后相应地变更(例如，激活或去激活)节点。

另外，在需要光学可读标签的情况下，需要在一个或多个模块中将附加信息编码为图案61、61a、62、62a。这可以通过诸如图16中给出的方法来实现。在此，根据附加编码信息S20，图案61-62a被设计(S24)，然后被直接形成在设备上，例如，通过点样(S26-S28)元件51、52以形成图案61-62a。借助于本领域中通常已知的技术并且根据与本发明正交的方法，所需的信息在先前阶段中被生成(S20)并且被转换(S24)。

当元件51、52具有不同的化学组成(例如，形成互补图案的可溶性和不溶性元件)时，通常在不同的沉积步骤S26、S28中沉积它们。所述元件可以例如使用喷墨点样器或本身已知的针点样(pin-spotting)或翎管点样(quill-spotting)来点样。

3.5置换编码

具有n位的二进制编码方案产生个单独的代码，其中k是设置位数。现在，如实施例中那样，如果代码被划分为多个部分并且每个部分被印刷在相应的模块中，则可以按由节点的状态确定的顺序独立地改变代码的不同部分。这种方案在此被称为“置换编码”。在具有m个模块和m×(m+1)个节点的设备中，如果每个模块要使用一次，则如前面所述，存在m！个可以被编程的可能的流动路径。因此，可以从模块读取的单独的代码的数目为然后，读取器读取的等效位深度为n+log₂m！。因此，置换编码将log₂ml个有效的附加位添加到简单的二进制编码中。在每个模块的位数很少的情况下，代码复杂度会进一步增加。对于大n和小m，代码复杂度接近二进制编码。

另外，并且如前所述，确定改变块序列的节点阵列可以保持对观察者隐藏。仅当安全特征被填充有液体时才显露序列，该属性提高对假冒者的安全性等级。

置换编码需要用于节点激活的额外斑点的沉积，这可以潜在地增加代码写入时间和制造成本。当m＝1(二进制编码)时，给定批次的的总编码时间为其中k是设置位数，而a是点样一位所需的时间。然后，在的平均时间内对单个芯片进行编码。对于置换编码，m个额外的斑点被沉积。然后，对一批次进行编码的总时间变为平均时间为

如本发明人所观察到的，对于m≥9，置换编码的写入变得比二进制编码更快。对于m≤8，在64位读取代码以上，附加写入时间的影响可忽略不计。因此，可以适当地选择位写入参数，使得置换编码不会带来任何附加的时间成本，或者附加的时间成本可以忽略不计。

然而，置换编码的实现比二进制编码需要更多的空间。对于二进制编码，所需的区域与位数成线性比例，因此所需的代码面积为其中n是位数，d是位密度。

置换编码合并了附加的节点和微流体通道，其特征密度大大低于位密度。然后，所需的总面积为其中v是特征密度。

可以有利地考虑以用于实现有序代码的参数是空闲芯片面积。一旦确定了可用空间，就可以通过增加模块数目和每个模块的位数(其中模块包含一部分代码)来最大化代码复杂度。

尽管已经参考有限数目的实施例、变型和附图描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的前提下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。特别地，在不脱离本发明的范围的情况下，在给定的实施例、变型中所记载的或附图中所示的特征(类似于设备或方法的特征)可以与另一实施例、变型或附图中的另一特征进行组合或替换。因此，可以想到关于以上实施例或变型中的任何一个所描述的特征的各种组合，其仍在所附权利要求的范围内。另外，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行许多小的修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，意图是本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。另外，可以想到除上面明确涉及之外的许多其他变型。例如，各种材料可以用于微流体芯片，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、玻璃或金属晶片。作为另一示例，如本领域中已知的，可以考虑其他类型的阀，包括被动或主动微型阀。

Claims (24)

1.一种用于光学读取在微流体设备中被编码的信息的方法，所述方法包括：

提供所述微流体设备，所述微流体设备包括：

输入微通道；

至少两个微流体模块；以及

节点的两个组，节点的每个组具有至少两个节点，节点的所述两个组包括第一组和第二组，其中：

所述第一组的每个节点将所述输入微通道连接到所述至少两个微流体模块中的相应一个微流体模块，

所述第二组的每个节点连接所述至少两个微流体模块中的两个微流体模块的相应的有序对，并且

在节点的所述第一组和所述第二组的每个组中，节点具有不同的液体钉扎强度；将液体加载到所述输入微通道中，由此所述液体以由所述节点的所述不同的液体钉扎强度确定的顺序穿过所述至少两个微流体模块中的每个微流体模块；以及

光学读取由所述液体引起的动态图案，所述图案根据所述液体穿过所述至少两个微流体模块中的每个微流体模块的所述顺序动态地演变。

2.根据权利要求1所述的方法，其中光学读取所述动态图案包括：

光学读取所述动态图案包括检测所述至少两个微流体模块的光学对比度的变化，所述变化是在所述液体穿过所述至少两个微流体模块中的每个微流体模块时由所述液体引起的。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所提供的所述设备的所述至少两个微流体模块中的至少一个微流体模块包括：

光学可读介质，所述光学可读介质形成布置在其流动路径上的材料的斑点的图案，所述斑点在视觉检查时无法检测到；并且

光学读取所述动态图案包括检测所述斑点的图案的光学对比度的所述变化，所述变化是在所述液体润湿所述斑点的图案时由所述液体引起的。

4.权利要求1的方法，其中所提供的所述设备的所述至少两个微流体模块中的至少一个微流体模块包括：

光学可读介质，所述光学可读介质形成布置在其流动路径上的材料的斑点的图案，所述斑点包括第一材料的第一斑点和第二材料的第二斑点，其中所述第一材料比所述第二材料难溶于所加载的所述液体；并且

光学读取所述动态图案包括：在所述第二斑点开始溶解于在所述至少一个微流体模块中通过的所述液体并被在所述至少一个微流体模块中通过的所述液体冲洗之后，光学读取由所述第一斑点形成的残留图案。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，

所提供的所述设备的所述至少两个微流体模块中的每个微流体模块均包括光学可读介质，所述光学可读介质形成布置在其流动路径上的材料的斑点的图案；并且

光学读取动态图案包括：在所述第二斑点开始溶解于在所述微流体模块中的每个微流体模块中通过的所述液体并被在所述微流体模块中的每个微流体模块中通过的所述液体冲洗之后，光学读取由所述至少两个微流体模块的每个微流体模块中的所述第一斑点形成的残留图案。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，

光学读取所述动态图案还包括：光学读取初始图案，所述初始图案由所述至少两个微流体模块中的每个微流体模块中的所述第一斑点和所述第二斑点中的每个斑点形成。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所提供的所述设备的所述至少两个微流体模块的所述光学可读介质的所述残留图案对相应的密钥进行编码，所述相应的密钥形成一组不同的密钥，并且其中所述方法还包括：

存储关于所述相应的密钥的光学读取信息；以及

存储关于光学读取关于所述相应的密钥的信息的顺序的顺序信息。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，

所述至少两个微流体模块中的每个微流体模块中的每个光学可读介质的所述斑点根据二维格子进行布置。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，

所述格子的相邻单元之间的间距大于或等于110μm。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，

所述格子包括q×r个单元，其中q和r均大于或等于4。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，

所提供的所述设备的节点的所述两个组中的每个组的节点都隐藏在所述设备中，以使所述设备的用户看不到。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述至少两个组中的每个组的所述节点被配置为允许所述节点中的每个节点在其上钉扎液体或让液体通过。

13.权利要求1的方法，其中所提供的所述微流体设备包括：

一组m个分配微通道，m≥2；

一组m个微流体模块，所述m个微流体模块分别与所述m个分配微通道流体连通；以及

一组m个输出微通道，每个输出微通道被连接到所述m个微流体模块中相应一个微流体模块的输出，其中：

所述第一组包括m个节点，每个节点从所述输入微通道分支，并且进一步分支到所述分配微通道中的相应一个分配微通道，以建立所述输入微通道和所述分配微通道之间的流体连通，

所述第二组包括m个子集，每个子集具有m个节点，

所述m个输出微通道中的每个输出微通道分支到m个节点的所述m个子集中的相应一个子集的m个节点中的每个节点中，并且

在所述第一组的每个节点中以及所述第二组的节点的所述m个子集中的每个子集中，节点具有不同的液体钉扎强度，使得在所述输入微通道中引入的液体穿过所述m个微流体模块中的微流体模块的所述顺序根据以下被确定：所述第一组和所述m个子集的所述节点的所述不同的液体钉扎强度。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，

所提供的所述微流体设备被配置为用于诊断测试的测试设备；并且

所述m个微流体模块中的至少一个微流体模块具有流动路径，所述流动路径包括用于实现所述诊断测试的试剂。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，

根据由所述第一组和所述第二组中的每个组的所述节点的所述不同的液体钉扎强度确定的所述顺序，所加载的所述液体首先通过包括所述试剂的所述m个微流体模块中的所述至少一个微流体模块中的每个模块，然后再通过所述m个微流体模块中的其余模块中的每个模块。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，

所提供的所述设备的节点的所述第一组和节点的所述第二组一起形成m+1组m个节点，所述m+1组m个节点以交叉开关配置被布置为m×(m+1)个节点的阵列。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，

所提供的所述微流体设备包括不同的平行层级，所述不同的平行层级包括第一层级和第二层级，并且

所述输入微通道和所述输出微通道两者都被限定在所述第一层级上，而所述分配微通道被限定在所述第二层级上。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，

所述m+1组m个节点中的所述节点的至少一个子集包括：

在所述第一层级上形成的腔体，所述腔体在其顶侧开口；

在所述第一层级上的入口端口，所述入口端口从所述输入微通道或所述输出微通道中的一个输出微通道分支并且通过其进入口与所述腔体连通；

出口端口，分支到所述第二层级上的所述分配微通道中的一个分配微通道；以及

从所述腔体延伸到所述出口端口的通孔，以在所述腔体和所述出口端口之间建立流体连通，其中：

所述腔体包括液体阻挡元件，所述液体阻挡元件被配置成防止填充所述入口端口的水性液体到达所述出口端口。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，

所述通孔在所述设备的第三层级上从所述腔体的底侧向下延伸到所述出口端口，所述腔体的所述底侧被定位为与所述腔体的所述顶侧的位置相对，所述第三层级在所述第一层级和所述第二层级之间。

20.根据权利要求1所述的方法，还包括：

通过实施根据权利要求1所述的方法的所有步骤，光学读取在所述微流体设备中被编码的信息；以及

解码在所读取的所述动态图案中被编码的信息。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括：

基于所解码的所述信息，认证所述微流体设备。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，

认证所述微流体设备还基于所提供的所述设备的标识符。

23.根据权利要求20所述的方法，其中，

所提供的所述设备的所述至少两个微流体模块包括相应的光学可读介质，所述相应的光学可读介质对相应的密钥进行编码，从而形成一组不同的密钥，

光学读取信息包括光学读取关于所述相应的密钥的信息，并且其中，所述方法还包括：

存储关于所述相应的密钥的光学读取信息以及关于光学读取关于所述相应的密钥的信息的顺序的顺序信息；并且

解码信息包括解译所读取的所述至少两个密钥以及所述顺序信息。

24.一种用于在微流体设备中编码信息的方法，所述方法包括：

提供编码信息数据和微流体设备，所述微流体设备包括：

输入微通道；

至少两个微流体模块；以及

节点的两个组，节点的每个组具有至少两个节点，节点的所述两个组包括第一组和第二组，其中

所述第一组的每个节点将所述输入微通道连接到所述至少两个微流体模块中的相应一个微流体模块，

所述第二组的每个节点连接所述至少两个微流体模块中的两个微流体模块的相应的有序对，并且

节点的所述第一组和所述第二组中的每个组的所述节点都是可更改的，使得所述节点中的每个节点的液体钉扎强度能够被更改；以及

基于所提供的所述编码信息数据，更改所述节点的子集而不是全部节点，使得在节点的所述第一组和所述第二组的每个组中，所述节点具有不同的液体钉扎强度。