CN110650801B - 液体的离心气动式切换 - Google Patents

Abstract

用于将液体从液体保持区域(液体可被引入到该液体保持区域中)切换到下游流体结构中的流体模块包括至少两个流体路径，该至少两个流体路径以流体连通的方式连接液体保持区域与下游流体结构。两个流体路径中的一个包括虹吸通道。下游流体结构不被排气或仅经由排气延迟阻滞器被排气，使得当液体被引入液体保持区域中时，在下游流体结构中产生封闭的气体体积。通过设定由流体模块的旋转导致的离心压力与在气体体积中占主导的气动压力之间的关系，液体可以被保持在液体保持区域中，或者可以经由虹吸通道被转移到下游流体结构中，其中排气经由另一个流体路径进行。

Description

液体的离心气动式切换

技术领域

本发明涉及通过利用离心压力与气动压力的比率将液体从液体保持区域以离心气动的方式切换到下游流体结构的设备和方法。

背景技术

离心微流体处理旋转系统中皮升至毫升级的液体。这种系统通常是用在离心机转子中或代替离心机转子的一次性聚合物套筒，目的是使实验室过程自动化。这里，可以在微流体盒中实施标准的实验室过程，例如移液、离心、混合或分装。为此目的，所述套筒包括用于流体引导的通道以及用于收集液体的腔室。通常，这种被构造成用于处理流体的结构可以被称为流体结构。通常，这种套筒可以被称为流体模块。

套筒设有预定顺序的旋转频率、频率协议，以使得套筒内的液体可以通过离心力移动。离心微流体主要应用于实验室分析和移动诊断。到目前为止，最常见的套筒构造是离心式微流体磁盘，该离心式微流体磁盘被用在特定处理装置中并以“磁盘上实验室(Lab-on-a-disk)”、“实验室磁盘 (LabDisk)”、“光盘上实验室(Lab-on-CD)”等术语为人所知。诸如以“实验室管(LabTube)”的术语为人所知的微流体离心管的其它形式可以用在已经存在的标准实验室装置的转子中。

为了在可能的产品中使用流体基本操作，过程的鲁棒性和易处理性是最重要的。此外，当基本操作以整体方式实现时，这是有利的，使得不需要额外的部件或材料，这将由于材料成本或额外的设置和连接技术(组装) 而显著地增加套筒的成本。

特别地，需要切换液体作为用于执行处理链的基本操作以将顺序的流体处理步骤彼此分开。因此，为了使离心式微流体转子中的实验室过程自动化，切换过程是必不可少的。

一个示例是测量液体体积以产生分装试样，其中在测量步骤之后，液体前进到后续处理步骤。进一步的示例是培养和混合过程，在该过程中，在前进之前必须达到培养时间或完成混合过程。

在用于离心式微流体流体处理的套筒的开发中的一个重大挑战是使所包含的结构适应待处理的流体的特性的以及流体与所使用的套筒材料的相互作用。特别地，这导致需要用于切换流体的结构和方法，该结构和方法主要独立于流体的特性及其与套筒材料的相互作用。这尤其包括流体和套筒材料的以下特性：流体的表面张力、流体与所使用的套筒材料的接触角、流体的粘度和流体的化学成分。

微流体盒的开发的另一个挑战是制造要求。对生产公差提出高要求的结构导致更高的生产成本和在处理期间套筒的更高的发生故障的风险。这导致需要用于切换流体(特别是液体)的结构和方法，该结构和方法在其功能方面对于与生产相关的变化具有鲁棒性。此外，需要一种易于通过允许高生产精度的既定制造方法来生产的结构。特别是对于注射成型和注射压花的生产方法，需要用于切换流体的结构和方法，该结构和方法与例如所谓的毛细管阀相反能够在没有尖锐的几何形状过渡的情况下进行处理。

在离心微流体领域中，处理协议通常同时作用于套筒的所有流体结构上。通常，按顺序或并行运行的处理步骤的日益集成导致对可允许的处理协议的限制增加。为了仍然能够在离心式微流体盒上集成不同的流体操作，需要一种用于切换流体的结构和方法，对于该结构和方法，可以通过在宽限度内的合适配置来调节切换过程的发生的精确条件。

现有技术中已知在离心微流体平台上的不同类型的切换液体。有源结构和无源结构以及单片结构和非单片结构和方法的概述可以在Chem. Soc.Rev.2015英国皇家化学学会中的O.Strohmeier等人的文章“Centrifugal microfluidic platforms：Advanced unitoperations and applications”中找到。在下文中，将讨论进一步的现有技术，其涉及无源单片结构和相关方法，其切换原理尤其基于离心诱导的压力与气动压力之间的相互作用。

在Springer Verlag，Microfluid Nanofluid(2015)19，第1259-1269页中S.Zehnle等人的“Pneumatic siphon valving and switching in centrifugalmicrofluidics controlled by rotational frequency or rotational acceleration”描述了在离心微流体平台上切换液体的多种结构和相关方法。在此，在第一负压阀中，液体从第一非排气腔室被离心驱动，使得第一腔室内的气体膨胀并且在第一腔室内产生负压。液体通过排出通道被驱入到第二腔室中，该排出通道在径向外部端部处通向第二排气腔室中。由于其端部被排气的虹吸管也从排出通道分支出来，因此部分液体也被驱入到虹吸管中。在恒定的旋转频率下，产生填充液位的平衡，使得第二腔室中的填充液位等于虹吸管中的填充液位。随着旋转频率的增加，两个填充液位都会增加。如果虹吸管中的填充液位超过虹吸峰部，则液体将通过虹吸管被从第一腔室和第二腔室驱出，并可以被收集在第三排气腔室中。在所描述的负压阀的第二构造中，显示利用各个腔室之间的流阻的相应尺寸，虹吸峰部可以通过高的旋转加速度而不是在低的旋转加速度下达到。在DE 10 2013 215 002B3中也描述了相应的阀功能。

此外，在S.Zehnie等人的所述的论文中描述了另一种阀回路，其中，液体从第一腔室通过排出通道被以离心的方式驱入到第二腔室中并同时被驱入到分支虹吸管中。由于在该另外的阀回路中，第一腔室被排气而第二腔室未被排气，因此当将液体驱入到第二腔室中时，气体体积被封闭在第二腔室中并在第二腔室中被压缩。当旋转速度降低时，该气体体积膨胀，并将液体驱入到虹吸管中。在旋转速度的高延迟率和相应的流阻的相应尺寸下，足够的液体被驱入到虹吸管中以完全充满该虹吸管，使得可以将液体从第一腔室和第二腔室驱动通过虹吸管并将该液体收集在第三腔室中。该阀功能也在EP 2 817 519 B1中被描述。

此外，从DE10 2013 203 293B4中已知，上述称为另一阀回路的这种阀回路也可以可选地设有第二虹吸管，以便根据旋转速度的延迟率引导液体通过一个或两个虹吸管。

在S.Zehnle的论文中描述的所有阀回路都具有一个共同点，即液体被驱动通过的虹吸管的端部被排气。因此，仅用作收集腔室的第三腔室也被排气并且不联接至另一流体元件。除了作为收集腔室的功能之外，该收集腔室没有其他流体功能，并且不能通过任何类型的尺寸影响所述阀功能。

在Springer Verlag，Microfluid Nanofluid(2011)10第1279-1288页中 D.Mark等人的“Aliquoting on the centrifugal microfluidic platform based oncentrifugo-pneumatic valves”中描述了一种用于分装液体的结构，其中，在分装过程中，液体依次流动通过供应通道进入一系列测量通道中，其中液体通过所谓的离心气动阀被保留在该一系列测量通道中。在完成分装过程之后，通过增加旋转频率，在测量通道与连接到测量通道并沿径向方向位于更外侧的腔室之间切换离心气动阀，并且将液体分别转移到沿径向方向位于更外侧的腔室中。所述离心气动阀的操作原理包括两个互补效应。第一效应是，在填充相应的测量通道时，液体封闭测量通道与后续非排气目标腔室之间的连接通道，并且从而液体从测量通道到目标腔室的离心诱导转移导致存在于其中的气体的压缩。在目标腔室中产生的气动超压力阻止液体进一步流入到目标腔室中。第二个效应是，测量通道与目标腔室之间的连接通道代表在目标腔室的开口处的毛细管阀，该毛细管阀可以阻止液体进一步切换到目标腔室中。两种效应的总和构成了离心气动阀的操作原理。通过增加旋转频率，可以克服这两种效应，以便将液体转移到目标腔室中。在DE 10 2008 003 979 B3以及Lab Chip，2009，9，第3599-3603 页中D.Mark的“Centrifugo-pneumatic valve formetering of highly wetting liquids on centrifugal microfluidic platforms”中描述了相应的离心气动阀。

这种离心气动阀仅允许在液体到达目标腔室之前压缩由测量通道与目标结构之间的连接通道提供的低气体体积。因此，由于结构条件，切换频率被限制到低频率。同时，切换频率取决于液体特性，这是因为对于离心气动阀重要的毛细管阀效应取决于表面张力以及液体与套筒材料之间的接触角。此外，由所描述的离心气动阀的毛细管阀部分，可能导致需要将连接通道到急剧地过渡到目标腔室，这导致了额外的生产工作。

Royal Society of Chemistry 2015，Lab Chip，2015，15，第3250-3258 页中F.Schwemmer等人的“Centrifugo-pneumatic multi-liquid aliquoting- parallelaliquoting and combination of multiple liquids in centrifugal microfluidics”描述了由具有高流体阻力的流入通道、测量腔室、经由连接通道连接到测量腔室的压力腔室、和具有低流体阻力的排出通道组成的结构。该结构允许测量和后续推进液体体积。测量和切换过程的顺序如下：首先，要被测量的液体在高旋转频率下通过进入通道被引导到测量腔室中，直到所述测量腔室被完全充满为止。然后，填充径向连接到内部的通向压力腔室的连接通道，并将过量的液体引导到压力腔室中，该压力腔室具有用于该压力腔室的捕集器，使得液体不能再离开压力腔室。从液体进入测量腔室时开始被驱替的测量腔室和压力腔室中的气体体积会导致压力腔室中的气动压力升高。在通过进入通道填充结构完成之后，在第二步骤中，通过降低旋转频率将液体推进到后续流体结构。这是由于排出通道中的离心压力降到压力腔室中的气动超压之下而获得的，因此液体基本上是通过气动超压和其它发生的压力转移到排出通道中的。由于所选择的流体阻力，因此可确保转移基本上发生在排出通道中，而不是返回到进入通道中。在此，该结构可以具有虹吸管，该虹吸管在测量步骤期间能够确保液体尚未被推进到收集腔室中。在收集腔室被定位成在径向方向比测量腔室更靠近内侧的结构中，可以省略虹吸管。在WO 2015/049112 A1中也描述了相应的分装。

由于切换原理，这种离心气动分装仅适用于通过降低旋转频率来执行切换的过程链。在此之上，必须获得最小减速速度以便将液体转移到目标容积中，这导致对可使用的处理装置的限制。如果通过增加旋转频率来执行切换，则由于切换之前的处理要以低旋转频率运行，因此也不能使用离心气动分装。此外，离心气动分装对于压力腔室来说需要额外的空间，这可能会损失用于引入用于在套筒上的其它操作的结构。进入通道和排出通道之间的流体阻力的强烈差异的需要导致额外的生产需求，这是因为高流体阻力通过小的通道横截面获得，这因此对生产公差提出了高要求。

Sensors，2015年，第15卷第4658-4676页中的Wisam Al-Faqheri等人的“Development of a Passive Liquid Valve(PLV)Utilizing a Pressure EquilibriumPhenomenon on the Centrifugal Microfluidic Platform”描述了根据作用在进入腔室中的液体上的离心压力、作用在进入腔室中的液体上的毛细管压力和作用在排气腔室中的液体上的离心压力来切换液体。空气被封闭在进入腔室中的液体和排气腔室中的液体之间。通过增加旋转速度，克服了在进入腔室中产生的负压或在排放腔室中产生的超压，从而将液体从进入腔室通过流体通道输送到目标腔室中。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于切换液体的流体模块，以及具有这种流体模块的设备和使用这种流体模块的方法，其中所述流体模块是可单片集成的并且易于生产，几乎与液体和材料特性无关并且适于广泛的处理条件。

本发明的实施例涉及用于保持和特定地切换离心式微流体盒中的液体的流体模块、设备和方法。

实施例提供了一种用于将液体从液体保持区域切换到下游流体结构的流体模块，包括：

液体保持区域，液体可被引入到所述液体保持区域中；

至少两个流体路径，所述至少两个流体路径将液体保持区域以流体连通的方式连接到下游流体结构，

其中两个流体路径中的至少第一流体路径包括虹吸通道，其中所述虹吸通道的虹吸峰部在径向方向上位于所述液体保持区域的径向最远位置的内侧，

其中当液体被引入到液体保持区域中时，下游流体结构没有被排气或仅经由排气延迟阻滞器被排气，以使得当液体被引入到液体保持区域中时，在下游流体结构中产生封闭的气体体积或产生仅经由排气延迟阻滞器排放的气体体积，并且由流体模块的旋转所产生的离心压力与气体体积中占主导的气动压力的比率至少暂时地防止液体通过流体路径到达下游流体结构，

其中通过改变离心压力与气动压力的比率，能够使得液体通过第一流体路径至少部分地到达下游流体结构，并且气体体积通过两个流体路径中的第二流体路径被至少部分地排放到液体保持区域中。

本发明的实施例基于以下认识，即，在离心微流体平台上，通过使用相应的流体结构响应于液体保持区域的可以被离心诱导的填充，可以在下游(后续)流体结构中以及液体保持区域与后续流体结构之间的连接流体路径中生成相对于环境压力的气动差压，通过该气动差压，液体可以在适当的处理条件下被保持在液体保持区域中，直到由处理条件的适当改变诱导的液体可以被转移到后续流体结构中为止。在液体通过流体路径中的一个到下游流体结构中的这种转移期间，下游流体结构的排放可以通过流体路径中的另一个进行。通过相应的处理条件，例如旋转速度和/或温度，气动压力与离心压力之间的比率可以被设定或改变以便获得所述功能。

实施例还基于这样的认识，即，例如在液体保持区域的离心诱导填充过程期间，气体可以通过液体保持区域与下游流体结构之间的连接流体路径被驱替到下游流体结构中，并且仅由液体体积限制的所驱替的气体体积还可以通过连接流体路径的适当构造被任意选择，由此，液体被保持在液体保持区域中的处理条件以及使液体前进到下游流体结构中的处理条件可以在宽限度内被确定，并且主要与液体特性或盒材料特性无关。

在实施例中，液体可以通过在流体模块的旋转期间产生的离心压力经由径向下降的进入通道被引入到液体保持区域的流体腔室中。因此，由于当将液体引入到液体保持区域中时所使用的旋转，可以获得离心压力与气动压力之间的比率，这防止液体到达下游流体结构。在实施例中，进入通道还可连接到上游流体腔室。

在实施例中，两个流体路径中的第二流体路径是用于下游流体结构的排气通道，当液体被引入到液体保持区域中时，所述排气通道被液体封闭。因此，可以在将液体体积引入到液体保持区域中的同时封闭用于下游流体结构的排气通道，从而不需要单独的装置。

在实施例中，第一流体路径在径向外部区域中或在径向外端部处通入液体保持区域，使得液体保持区域可以经由第一流体路径被排放至少直到第一流体路径通入液体保持区域的区域。因此，可以从液体保持区域排放大部分液体或全部液体。

在实施例中，液体保持区域包括第一流体腔室，其中第一流体路径在第一流体腔室的径向外部区域中或在第一流体腔室的径向外端部处通入第一流体腔室。在这样的实施例中，当液体被引入液体保持区域中时，第一流体腔室可以不被排气或者可以仅经由排气延迟阻滞器被排气，使得当液体被引入液体保持区域时，产生封闭在第一流体腔室和下游流体结构中的气体体积或者产生仅经由排气延迟阻滞器排放的气体体积。

在实施例中，液体保持区域包括第一流体腔室和第二流体腔室，液体可通过由流体模块的旋转所产生的离心压力而被引入到第一流体腔室和第二流体腔室中，其中第一流体路径通入第一流体腔室中，并且第二流体路径通入第二流体腔室中，并且其中第二流体路径可由被引入到第二流体腔室中的液体封闭。在这样的实施例中，第一流体腔室和第二流体腔室可以经由连接通道以流体连通的方式连接，该连接通道的通入第一流体腔室的孔口被定位成在径向方向上比第一流体腔室的径向外端部更靠近内侧，使得当第一流体腔室中的液体的填充液位到达所述孔口并且封闭通入第二流体腔室的第二流体路径时，来自第一流体腔室的液体溢流到第二流体腔室中。这样的实施例可以允许：首先液体被保持在第一流体腔室中，并且仅通过添加可以是不同于第一液体的另外的液体，执行到下游流体结构中的切换。

在实施例中，第二流体路径包括虹吸通道。这允许关于第二流体路径的进入液体保持区域中的孔口的灵活性增加以及关于处理条件的灵活性增加，这是因为可以防止液体经由第二流体路径到达下游流体结构。在这样的实施例中，第二流体路径例如可以在液体保持区域的径向外部区域中通入液体保持区域。在这样的实施例中，第二流体路径的虹吸通道的峰部可以被定位成在径向方向上比第一流体路径的虹吸通道的峰部更靠近内侧。

在实施例中，第二流体路径包括虹吸通道，并且流体中间腔室在第二流体路径的虹吸通道的峰部与第二流体路径的进入液体保持区域中的孔口之间布置在第二流体路径中，其中当液体被引入到液体保持区域中时，流体中间腔室至少部分地填充有液体。液体中间腔室可以具有比液体保持区域的第一流体腔室小的容积。在实施例中，流体腔室的径向外端部位于第一流体路径的虹吸峰部的径向外侧。第一流体中间腔室允许更大量的液体在第二流体路径的虹吸通道的弯液面到达其峰部之前到达第二流体路径。

在实施例中，下游流体结构包括至少一个下游流体腔室，第一流体路径和第二流体路径通入该下游流体腔室。可选地，第一流体路径和第二流体路径也可以通入下游流体结构的不同腔室，只要确保在流体保持阶段期间存在第一流体路径和第二流体路径的通入下游流体结构的孔口之间的压力补偿。因此，可以将切换的流体收集在下游流体结构中。第一流体路径可以比第二流体路径更径向向外地通入下游流体腔室。因此，当液体到达下游流体结构或被转移到下游流体结构时，第二流体路径的进入下游流体腔室的孔口保持自由以便排气。下游流体腔室可以是第一下游流体腔室，其中下游流体结构可以包括第二下游流体腔室，该第二下游流体腔室经由至少一个第三流体路径以流体连通的方式连接到第一下游流体腔室。因此，可以实现允许联级切换的流体结构。

在实施例中，下游流体结构可以包括第一下游流体腔室和第二下游流体腔室，其中第一下游腔室经由第三流体路径和第四流体路径以流体连通的方式连接到第二下游流体腔室，其中至少第三流体路径包括虹吸通道，其中，当液体由于离心压力与气动压力的比率的改变而通过第一流体路径到达下游流体结构的第一下游流体腔室时，第三流体路径和第四流体路径被液体封闭，其中在第二下游流体腔室中产生封闭的气体体积或产生仅经由排气延迟阻滞器被排气的气体体积，并且离心压力与在第二下游流体腔室中的气体体积中占主导的气动压力的比率至少暂时地防止液体通过流体路径(具体地，第三流体路径和第四流体路径)到达第二下游流体腔室，并且其中可以通过改变离心压力与第二下游流体腔室中的气动压力的比率来实现：液体至少部分地通过第三流体路径到达第二下游流体腔室，并且气体体积通过第四流体路径从第二下游流体腔室进入液体保持区域。因此，可以实现能够进行级联切换的流体结构。

实施例提供了一种用于通过流体模块将液体从液体保持区域切换到下游流体结构中的设备，包括驱动装置和致动器，所述驱动装置被配置成向流体模块提供旋转，所述致动器被配置成实现离心压力与气动压力的比率的改变。在实施例中，致动器被配置成增加或减小流体模块的旋转速度，以便实现离心压力与气动压力的比率的改变。在实施例中，致动器被配置成通过降低下游流体结构中的温度和/或通过增加下游流体结构的体积和/ 或通过减少下游流体结构中的气体的量来减小下游流体结构中的气动压力。

实施例提供了一种通过使用如本文所述的流体模块将液体从液体保持区域切换到下游流体结构中的方法，包括：

通过旋转流体模块将至少一种液体引入液体保持区域中并将液体保持在液体保持区域中，以使得液体以由离心压力和气动压力控制的准静态平衡被保持在液体保持区域中；以及

改变离心压力与气动压力的比率，以便将液体通过第一流体路径至少部分地转移到下游流体结构中，并且通过两个流体路径中的第二流体路径将气体体积至少部分地排放到液体保持区域中。

在实施例中，将液体保持在液体保持区域中包括：在开始转移之前在下游流体结构中产生气动超压。在实施例中，改变离心压力与气动压力的比率包括增加流体模块的旋转速度、增加液体的流体静力高度和/或减小气动压力。在实施例中，将液体保持在液体保持区域中包括：在下游流体结构中产生负压，以便在不通过第一流体路径将液体转移到下游流体结构中的情况下，调节和保持液体保持区域以及第一流体路径和第二流体路径中的弯液面，其中改变离心压力与气动压力的比率包括：降低流体模块的旋转速度和/或降低下游流体结构中的气动压力和/或增加液体保持区域中的液体的流体静力高度。

在实施例中，改变所述比率包括：通过降低下游流体结构中的温度、增加下游流体结构的体积和/或减少下游流体结构中的气体的量来降低气动压力。

在实施例中，在液体通过第一流体路径的转移期间，第二流体路径不完全充满液体。在实施例中，当液体保持在液体保持区域中时，下游流体结构中的气体的量不会改变。

附图说明

以下将参考附图更详细地论述本发明的实施例。其中：

图1是根据一个实施例的基于超压进行切换的流体结构的示意图；

图2A-2E是用于示出了图1的实施例的操作模式的示意图；

图3A-3D是根据一个实施例的流体结构的示意图，其中下游流体结构包括液体容纳腔室和另一个腔室；

图4A-4D是根据一个实施例的流体结构的示意图，其中流体中间腔室布置在液体保持区域与下游流体结构之间的流体路径中；

图5A-5D是根据一个实施例的在流体路径的连接位置改变的情况下的流体结构的示意图；

图6是根据一个实施例的具有级联结构的流体结构的示意图；

图7A-7E是用于显示图6的实施例的操作模式的示意图；

图8A-8E是根据一个实施例的基于负压进行切换的流体结构的示意图；

图9是根据一个实施例的具有包括两个流体腔室的液体保持区域的流体结构的示意图；

图10A-10D是用于显示图9的实施例的操作模式的示意图；

图11A-11E是用于显示图9的实施例的当使用两种液体时的操作模式的示意图；

图12A和图12B是用于显示用于切换液体的设备的实施例的示意性侧视图；以及

图13A和图13B是流体模块的实施例的示意性俯视图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及一种用于离心气动式切换的微流体结构和用于离心气动式切换的方法，尤其是用于将液体从可以包括第一腔室的液体保持区域以离心气动的方式切换到后续流体结构或下游流体结构。这里，下游或后续(其中这些表述在本文中可互换使用)流体结构是指液体在处理液体的过程中从前方或上游(其中这些表述在本文中可互换使用)流体结构到达的流体结构，例如通道或腔室。在此，微流体结构可以包括经由至少两个流体路径连接到后续流体结构的第一腔室，其中在切换期间将液体转移到后续流体结构中所经过的流体路径至少被配置为虹吸管的形式。该结构和方法可以被构造成使得在液体转移路径的填充方向或逆着液体传送路径的填充方向的显著压力由离心压力或气动压力提供。离心压力和气动压力与其它压力相比占主导的切换可以被称为离心气动式切换。

在实施例中，可以使用气动超压和/或负压。

在使用超压的情况下，当用液体填充第一腔室时，气体被移位到后续流体结构中，由此在所述后续流体结构中产生气动超压。通过在宽限度内的适当设计，可以选择该气动超压，并且在其它未经修改的处理条件下，该气动超压显著地确定切换液体所需的旋转频率(切换频率)。在这种情况下，在切换过程之前，第一腔室中的离心诱导压力低于防止后续流体结构中的气动超压润湿虹吸管形通道的顶部所需的压力，其中在切换过程期间液体通过该气动超压被转移到后续流体结构中。这表示(准静态)平衡状态。通过经由切换频率增加盒的旋转频率，离心压力可以增加到切换压力以上，由此虹吸管被润湿并且启动液体到后续流体结构中的转移。可选地或组合地，可以增加液体的流体静力高度，以便例如通过经由上游流体结构将额外的液体添加到液体保持区域中来启动液体的转移。

在使用负压用于切换原理的情况下，在实施例中，首先，可以加热后续流体结构，使得容纳在该后续流体结构中的气体膨胀，并且该气体的一部分可以逸出。当液体随后被转移到液体保持区域中并且旋转频率增加时，流体连接路径中的液体可以与液体保持区域中的液体处于大致相同的径向高度。当降低温度并减小后续流体结构时，产生沿后续流体结构的方向作用的负压。然而，由于连接路径被构造为虹吸管形状，因此这增加了连接路径中的流体静力高度，使得在这种情况下，离心力阻止连接路径的进一步填充。这是负压条件下的(准静态)平衡状态。然后，通过进一步增加负压和/或通过减小离心压力，可以启动切换过程。

实施例提出了用于保持液体并通过处理条件的其它改变以及相关联的结构来启动切换过程的方法。所有结构和方法的共同之处在于，在转移期间可以使用液体保持区域与下游流体结构之间的第二流体连接，以使气体从下游流体结构逃逸到液体保持区域或液体保持区域的流体腔室中，或者使气体流入，由此可以减小到下游流体结构的气动压力差。

下面，将对本文所用术语的一些定义进行说明。

流体静力高度是指：在连续量液体中的液体位于两个点处的情况下离心盒中的两个点之间的径向距离。液体静压力是指两个点之间由离心力引起的压力差，该离心力是由于两点之间的流体静力高度引起的。微流体结构的有效流体阻力是驱动流体通过微流体结构的压力与产生通过微流体结构的液体流动的压力的商。分装意味着将液体体积分成若干单独的独立体积，即所谓的等分。

计量装置是从较大的液体中测量限定的液体量。切换频率是微流体盒的旋转频率，其中当超过该旋转频率时，液体从第一结构到第二结构的转移过程开始。虹吸通道是离心式微流体盒中的微流体通道或微流体通道的一部分，其中通道的入口和出口与旋转中心的距离大于通道的中间区域与旋转中心的距离。虹吸峰部是指距旋转中心的距离最小的微流体盒中的虹吸通道的区域。

排气延迟阻滞器是一种流体阻滞器，其中相对于环境压力气动压差占主导的流体结构通过该流体阻滞器被排气。在此，流体阻力至少高到使得仅考虑到通过流体阻滞器的排气，将差压减小一半至少花费0.5秒。这适用于排气期间的任何时间点。

当在实施例中提供用于下游流体结构的排气延迟阻滞器时，这些流体结构中的压降的时间过程可以被确定在于，例如，液体保持区域在离心和上游腔室与液体保持在其中的流体腔室之间的流体静力高度期间在恒定温度下被填充有液体，液体保持结构在准静态平衡中通过合适的照相机系统(例如，通过频闪观测仪曝光)被捕获。由旋转频率和流体静力高度，产生存在于后续结构中的气动超压。因此，也可以由该图像信息确定超压的降低速率，超压的降低速率可得出排气延迟阻滞器的大小。在其它实施例中，例如在负压下的切换期间，该方法可类似地使用，其中液体以特定频率和起始温度被填充，并且随后产生限定的快速冷却。由连接路径中形成的流体静力高度及其降低速率可再次得出排气延迟阻滞器的大小。

处于准静态流体状态的所有液体改变其在盒内的位置，在该盒中，所述液体直接依赖于处理条件而定位。这意味着在恒定处理条件下运行的流体结构之间的所有流体输送过程是独立的。此外，在处理条件在至多1秒内的改变期间，一旦处理条件的改变突然停止，作为处理条件改变序列的液体输送过程就减少其各自的一半。

液体供给路径是微流体结构，在执行本发明的方法时，来自液体保持区域的液体通过该微流体结构流入到一个或多个后续流体结构中。气体供给路径是微流体结构，在执行本发明的方法时，通过该微流体结构在后续流体结构与液体保持区域之间发生气体交换。液体容纳空间是微流体结构，该微流体结构提供在触发本发明的切换过程之后液体被转移到其中的空间。

这里，微流体盒是一种设备，例如包括允许如本文所述的液体处理的微流体结构的流体模块。离心式微流体盒是能够进行旋转的相应盒，例如呈可插入旋转体中的流体模块的形式或呈旋转体的形式。

如果在此提及流体通道，则这是如下所述的结构，其从流体入口到流体出口的纵向尺寸例如比限定流动横截面的(一个或多个)尺寸大5倍以上或10倍以上。因此，流体通道对于通过该流体通道从流体入口到流体出口的流动具有流动阻力。另一方面，流体腔室是具有在流过腔室期间与连接的通道相比出现的流动阻力可忽略的尺寸的腔室，其中所述流动阻力可以是例如连接到腔室的具有最小流动阻力的通道结构的流动阻力的1/100 或1/1000。

在更详细地讨论本发明的实施例之前，应当注意，本发明的示例可以特别地应用于处理皮升至毫升级的处理液体的离心微流体领域。因此，流体结构可以具有微米范围内的合适尺寸，以用于处理相应的液体体积。特别地，本发明的实施例可以应用于例如以“磁盘上实验室”的术语为人所知的离心式微流体系统。

如果在此使用术语“径向”，则其总是表示相对于旋转中心的径向，其中流体模块或旋转体可以围绕该旋转中心旋转。因此，在离心力场中，远离旋转中心的径向方向径向地下降，而朝向旋转中心的径向方向径向地上升。因此，其起点比其末端更靠近旋转中心的流体通道径向地下降，而其起点比其末端更远离旋转中心的流体通道径向地上升。因此，包括径向上升部分的通道包括径向上升或径向朝向内部延伸的方向部件。显然，这种通道不必精确地沿径向线延伸，而是也可以以与径向线成一定角度或以弯曲的方式延伸。

参考图12A、图12B、图13A和图13B，首先将描述可以使用本发明的离心式微流体系统或流体模块的示例。

图12A示出了具有呈旋转体10形式的流体模块的设备，该旋转体10包括基底12和盖14。图13A示意性地示出了旋转体10的俯视图。在俯视图中，基底12和盖14可以是具有中心开口15的圆形，其中旋转中心R布置在该中心开口15中，并且旋转体10可以通过该中心开口15经由公用安装装置16安装到驱动设备20的旋转部件18。旋转部件18以可旋转的方式被支撑在驱动设备20的静止部件22处。驱动设备20例如可以是具有可调旋转速度的传统离心机，或者也可以是CD或DVD驱动器。可以提供控制装置24，该控制装置24被配置成控制驱动设备20，以便为旋转体10提供具有不同旋转频率的旋转。控制装置24可以被配置成执行频率协议，以便获得这里所述的功能。对于本领域技术人员来说，控制装置24显然可以例如由分别编程的计算装置、微处理器或专用集成电路来实现。此外，控制装置24可以被配置成响应于用户的手动输入来控制驱动设备20，以便实现旋转体的必要旋转。在每种情况下，控制装置24可以被配置成控制驱动设备20，以便为流体模块提供必要的旋转频率，从而实施如本文所述的本发明的实施例。仅具有一个旋转方向的传统离心机可以用作驱动设备20。

旋转体10包括本文所述的流体结构。在图13A中，各个流体结构仅由梯形区域28a至28d被示意性地示出。例如，如图13A所示，多个流体结构可以在方位角方向上彼此相邻地布置而成，以便允许多种液体的并行处理。流体结构可以由盖14、基底12中或基底12和盖14中的腔体和通道形成。在实施例中，例如，流体结构可以形成在基底12中，而填充开口和排气开口形成在盖14中。在实施例中，结构化基底(包括填充孔和排气孔)布置在顶部处，而盖布置在底部处。

在图12B中所示的可选实施例中，流体模块32被并入在转子30中，并与转子30一起形成旋转体10。图13B示意性地示出了相应的流体模块的俯视图。流体模块32可以各自包括基底和盖，在所述基底和所述盖中可再次形成相应的流体结构。由转子30和流体模块32形成的旋转体10可以再次通过由控制装置24控制的驱动设备20提供旋转。

在图12和图13中，流体模块或旋转体可围绕其旋转的旋转中心由R表示。

在本发明的实施例中，流体模块或包括该流体结构的旋转体可由任何合适的材料形成，例如塑料，如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)、PVC(聚氯乙烯)或PDMS(聚二甲基硅氧烷)、玻璃或其类似物。旋转体10可被认为是离心式微流体平台。

如下面将论述的，在实施例中，控制装置24是一种致动器，该致动器可以调节驱动装置的旋转速度，以便启动液体的转移，即，实现影响液体的切换的离心压力与气动压力的比率的改变。在本发明的实施例中，致动器可另外包括一个或多个加热装置和/或冷却装置，该一个或多个加热装置和/或冷却装置用于控制流体结构的温度以启动液体的转移。例如，一个或多个温度控制元件40(加热元件和/或冷却元件)可以集成在旋转体中，如图 12A和12B所示。可选地或另外地，可以提供一个或多个外部温度控制元件42，通过该一个或多个外部温度控制元件42可以调节流体结构的温度。外部温度控制元件例如可以被配置成控制环境的温度，并因此也控制流体模块的温度。在这些实施例中，控制器可以被配置成控制温度控制元件40、 42，使得致动器可以包括控制器24和温度控制元件。

参照图1至图11，下面将描述流体模块(微流体盒)和形成在该流体模块 (微流体盒)中的流体结构的实施例。

图1示意性地示出了形成在流体模块50中的流体结构。流体模块50可围绕旋转中心R旋转。流体结构包括液体保持区域，该液体保持区域包括第一腔室52。包括上游腔室54的上游流体结构连接到第一腔室52，该上游腔室54经由径向下降的连接通道56连接到第一腔室52。在径向外部区域57 中，例如在径向外端部中，连接通道56通入第一腔室52中。第一腔室可经由上游腔室和连接通道56以离心的方式被填充。这里，应当注意，第一腔室也可以以离心方式以外的其它方式被填充，其中流体模块仅在填充之后旋转，以便获得离心压力与气动压力之间的平衡。

此外，流体模块50包括后续流体结构，该后续流体结构包括作为流体接收空间的流体腔室58和将第一腔室52以流体连通的方式连接到流体腔室58的两个流体路径60、62。流体路径62包括虹吸通道，该虹吸通道的虹吸峰部64沿径向方向位于第一腔室52的径向最外侧位置的内部。呈流体腔室58形式的后续流体结构或者不被排气，或者可以经由满足上述定义的排气延迟阻滞器66被排气。这种排气延迟阻滞器66可以可选地设置在这里描述但没有特别提及的所有实施例中。

在所示的实施例中，第一腔室与后续流体结构58之间的第一流体路径 60由从第一腔室52的径向内部区域(例如第一腔室52的径向最内侧点68)通向后续流体腔室58的径向内部区域(例如，后续流体腔室58的径向最内侧点 70)的通道构成。第一腔室52与后续流体腔室58之间的第二流体路径62连接在径向外部区域中，例如在第一腔室52的径向最外侧点72处连接到第一腔室52，并且经由虹吸峰部64通向径向外部区域，例如后续流体腔室58的径向最外侧点74。

径向斜面位于进入第一流体腔室52的两个流体路径60和62的相应孔口与进入后续流体腔室58的相应孔口之间。

本发明的方法的实施例包括将至少一种液体引入液体保持区域的第一腔室中。这种引入可以通过液体到第一腔室52中的离心诱导转移来进行。随后，可以进行液体保持区域(例如第一腔室52)中的液体的离心气动式诱导保持。随后，可以进行将液体切换到后续流体结构中，例如后续流体腔室58。在切换过程期间，液体的至少一部分通过至少一个流体路径(例如，流体路径62)从液体保持区域(例如，第一腔室52)被转移到后续流体结构(例如，流体腔室58)中。在切换过程中液体通过其被转移的流体路径在下面将被称为液体引导路径。在切换过程期间，气体(通常为空气)可以通过液体保持区域(例如，第一腔室52)与后续流体结构(例如，流体腔室58) 之间的至少另一个流体路径(例如，流体路径62)从后续流体结构被转移回到液体保持区域。允许这种情况的流体路径在下面将被称为气体引导路径。

在下文中，将基于图1中所示的流体模块50的操作参照图2A至图2E描述这种方法的实施例。图2A至图2E示出了当执行该方法时图1所示放热实施例的流体操作状态。为了清楚起见，在图2A至图2E中省略了流体结构的相应附图标记。

在图2A中所示的第一状态中，液体80位于第一腔室52上游的腔室54 中，并且位于上游腔室54与第一腔室52之间的连接通道56中。这里，上游腔室54的一部分在径向方向上比流体引导通道的虹吸峰部64更靠近旋转中心R。液体可以例如经由入口开口或经由另外的上游流体结构被引入到上游腔室54和连接通道56中。通过引入的液体80，未排出(或仅经由排气延迟阻滞器排出)的空气体积被封闭在第一腔室52、流体路径60和62以及下游流体腔室58中。换句话说，代表排放通道的流体路径60也通过液体保持区域内的液体80朝向大气被封闭。

如图2B中所示，随后，以离心方式被诱导的液体80从上游腔室54被转移到第一腔室52中，其中第一腔室52、后续流体结构58以及连接路径60、62中的气体被压缩，这是因为第一腔室52在该操作状态中未被排气或仅经由排气延迟阻滞器被排气。上游腔室54可以被排气，使得大气压力p_o可以在上游腔室54中占主导。在此，气体优选地经由气体引导路径60被转移到后续流体结构58中。第一腔室52与后续流体结构之间的流体路径60、62经由后续流体结构彼此连接，从而确保在流体路径中相同的气动超压占主导。在填充第一腔室52的同时，液体引导路径62也可以被填充有液体，但不会达到虹吸峰部64。

在第一腔室52和后续流体结构58中建立的气动超压Δp阻止第一腔室 52的以离心的方式诱导的填充以及流体引导通道62的填充，使得流体引导通道62中的虹吸峰部64不会被润湿，并且第一腔室52 内以及第一腔室52上游的腔室54中的液体被保持。因此，这些流体结构代表液体保持区域。

将液体保持在液体保持区域中被实现在于：

1)将液体转移到第一腔室52中减小了上游腔室52与第一腔室52之间的流体静力高度，由此减小了沿填充第一腔室52的方向作用的离心压力，并且

2)后续流体结构中的气动超压随着第一腔室52的填充的进行而同时升高，使得在适当的盒的旋转频率下，在沿填充液体引导路径62的方向作用的压力与阻止填充液体引导路径的压力之间产生平衡。相应的合适的旋转频率可以根据所使用的几何结构和液体的量被容易地确定。

在本文所描述的所有实施例中，当适当地选择腔室和流体引导通道的几何结构时，可以获得相对于其它压力源(例如，考虑到任意液体特性和盒材料特性的毛细管压力)占主导的离心压力和气动超压。这意味着，这些其它压力源不能实现与液体引导路径的填充状态的偏离，其中该液体引导路径的填充状态触发仅通过考虑气动超压和离心压力的平衡而产生的切换过程。根据本发明，如果所涉及的压力通过处理条件的微小特定变化而连续变化，则也可实现该平衡，其中将液体保持在液体保持区域(例如，第一腔室)中的定性状态被保持。换句话说，在将液体保持在准静态平衡的同时，在不触发切换过程的情况下，可以发生处理条件的微小变化。

从图2B中所示的平衡状态开始，通过经由切换频率或离心切换压力增加离心压力，可以获得切换过程。这可以例如获得在于：

1)增加旋转频率或

2)通过在前一流体结构中加入液体来增加流体静力高度。

通过增加离心压力，更多的液体从第一腔室52上游的腔室54被转移到第一腔室中，使得第一腔室52和液体引导路径62中的填充液位增加，并且流体引导通道62的虹吸峰部64 被填充，如图2C所示。

可选地，切换过程可通过减小后续流体结构中的气动超压来获得，以使得液体以恒定旋转频率从上游腔室54以气动诱导的方式被转移到第一腔室52中，并且由此填充液体引导路径62的虹吸峰部64。例如，通过降低后续流体结构中的温度、通过增加后续流体结构的体积或减少后续流体结构中的气体的量，可以实现降低气动超压。减少后续流体结构中的气体的量可以经由排气延迟阻滞器(例如图1中所示的排气延迟阻滞器66)来实现。

由于触发切换过程或切换过程的组合的所述过程条件变化，虹吸管形通道64在液体引导路径62中径向延伸到外部的一部分被填充，这增加了该通道中的流体静力高度。由第一腔室52和后续流体结构之间的流体静力高度产生的离心压力导致液体从第一腔室52转移到后续流体结构中，如图2C 至图2E所示。

在液体的转移期间，气体从后续流体结构经由至少一个气体引导路径 60被转移到第一腔室52中，这阻止由于液体到后续流体结构中的转移而形成的额外的气动超压，参见图2D。因此，可以以高于切换频率的固定旋转频率获得液体从第一腔室52到后续流体结构的完全转移，如图2E所示。在液体完全转移到下游流体腔室中之后，流体结构可以处于大气压力p_o。

通过适当选择腔室和流体引导路径的位置和几何结构，可以在宽限度内选择盒的切换压力和相关联的旋转频率(切换频率)。

下面将更详细地讨论其它实施例。由于结构与方法之间的依赖性，一起指示了由特征产生的实施例的方法的具体特征和细节。在不同实施例的描述中将重复部分描述的情况下，部分省略相同的部分，使得部分描述可应用于实施例。尽管所述实施例部分地仅示出了在在先流体结构和第一腔室之间的一个流体路径以及在第一腔室和后续流体结构之间的仅一个液体引导路径和一个气体引导路径，但这并不限制本发明的流体结构之间的可能连接路径的数量，而仅用于简化实施例的描述。

图3A示意性地示出了流体模块50的流体结构的实施例，其中，整个第一流体腔室52被填充有处于图3B中所示的准静态平衡状态的液体80。

在图3A中所示的实施例中，液体引导路径62和气体引导路径60两者都具有虹吸管形通道。同样，上游腔室54经由通入上游腔室54的径向外端部90的连接通道56以流体连通的方式连接到第一腔室52。液体引导路径62 和气体引导路径60可以如参照图1描述的实施例中那样通入第一腔室52和下游腔室58。液体引导路径62的虹吸峰部64沿径向方向布置在第一腔室的径向最内侧点的内部，并且气体引导路径60的虹吸通道的虹吸峰部92可优选地沿径向方向位于液体引导路径62的虹吸峰部64的内部。在该实施例中，除了表示液体接收空间或液体容纳腔室的下游流体腔室58之外，后续流体结构还包括另一单独的空间94。气体引导路径60与液体接收空间58的连接点(在所示实施例中为液体接收空间58的径向最内侧点)可优选地比液体接收空间58的径向最外侧点更靠近盒的旋转中心R，由此在转移期间占主导的离心力的影响下可防止气体引导路径60的连接点70被切换过程期间转移的液体80所润湿。与液体接收空间52分开的可选空间94特别地增加了后续流体结构的容积，由此当执行本发明的方法时，可以减小后续流体结构中的气动超压。在所示的实施例中，附加空间94经由流体路径96联接到气体引导路径60。流体路径96在孔口98处通入气体引导路径60，并且在孔口100处通入附加空间94。

在图3A至3D所示的实施例中，在先流体结构包括腔室54，该腔室54 的容积优选地包括第一腔室52的容积的一部分，并且该腔室54经由流体路径56连接到第一腔室52，该流体路径56与上游腔室54的连接点90比液体引导路径62中的虹吸管64的峰部更靠近盒的旋转中心R。在可选的实施例中，腔室54的容积也可大于第一腔室52的容积。再次，腔室54可以被排气，并且可以处于大气压力下。在前一腔室54与第一腔室54之间的流体连接路径 56的连接点57可以位于第一腔室52的任何位置处，并且不必布置在第一腔室52的径向外部区域中。

图3A至图3D中所示的气动背压虹吸阀的实施例被构造成用于压缩第一腔室的整个容积。图3B示出了在后续流体结构中的气动超压与在填充后续流体结构的方向上的压力之间存在平衡的操作状态。图3C示出了液体被从第一腔室转移到后续流体结构中的操作状态，图3D示出了液体的转移完成之后的操作状态。

在操作期间，液体80经由上游流体结构被引入到第一流体腔室52中。这里，流体结构被构造成使得第一流体腔室52被完全填充有液体80。通过引入的液体，气体体积被封闭在下游流体结构中。在图3B中，示出了液体 80被保持在第一腔室52中的状态。盒或流体模块可以以旋转频率ω₁旋转。液体位于在先流体结构的腔室54、第一流体腔室52以及液体引导路径62和气体引导路径60的径向向内延伸的多个部分中。由于在先流体结构处的液体弯液面与流体连接路径60和62中的弯液面102、104之间的流体静力高度差，离心压力沿填充流体连接路径60和62的方向作用。阻止填充具有距旋转中心R(即虹吸管和液体引导路径62)更大径向距离的虹吸管的压力(气动超压Δp和可能的其它压力，例如毛细管压力)与沿填充该虹吸管的方向作用的压力(离心压力和可能的其它压力)平衡。因此，液体处于准静态平衡。

通过液体弯液面102、104在流体连接路径60、62中的位置，可以使用用于确定第一腔室52和流体连接路径中的液体的量的尺寸的所述结构，由此可以获得所测量体积的高精确度。

从图3B中所示的状态开始，通过将旋转频率增加到大于ω₁的值(这导致离心压力在后续流体结构的方向上增加)，或者通过减小后续流体结构中的反压，可以填充液体引导路径62的虹吸峰部64。然后，如图3C所示，液体随后可以作用通过作用的离心力从第一腔室52被转移到液体接收空间 58中。在此过程期间，气体从液体容纳腔室58经由气体引导路径60被转移到第一腔室52中，这可阻止液体容纳腔室58中的气动超压的增加。在液体的这种转移期间，气体体积首先保持被封闭在后续流体结构或下游流体结构和第一腔室中，使得在后续流体结构或下游流体结构和第一腔室中气动超压Δp占主导，如图3C中所示。在完成液体的转移之后，经由连接通道56 利用先前流体结构进行对后续流体结构和第一腔室的气动超压的补偿。在液体转移之后，流体结构处于大气压力p_o，如图3D所示。

下面，将参照图4A至图4D描述在气体引导路径中设置压缩腔室容积的实施例。

图4A示出了形成在流体模块50中的流体结构，该流体模块50包括进入通道110、第一流体腔室52、液体引导路径62、气体引导路径60、下游流体腔室58和布置在气体引导路径60中的容积腔室112。进入通道110可再次以流体连通的方式联接到上游腔室(图4A中未示出)。因此，再次，与在先流体结构的流体连接可以由通道110提供，且通道110与第一流体腔室52 的连接点在液体引导路径62的虹吸峰部64的径向内侧。下游流体结构再次由表示液体容纳腔室的下游流体腔室58形成。

液体容纳腔室58在孔口点处连接到气体引导路径60。孔口点优选不位于液体容纳腔室58的径向最外侧位置处，例如在液体容纳腔室58的径向内部区域中或在径向最内侧位置70处。液体容纳腔室58还以流体连通的方式连接到液体引导路径62，优选地在液体引导路径62和第一流体腔室52之间的连接位置72的径向外侧。液体引导路径62可在径向外部位置处，例如在径向最外侧位置74处通入液体容纳腔室58。

在图4A中所示的实施例中，液体容纳路径62在径向外部区域中，例如径向最外侧位置72处通入第一流体腔室52，并且气体引导路径60也在径向外部位置，例如第一流体腔室52的图4A中左侧的区域的径向最外侧位置 116处通入第一流体腔室52。气体引导路径60包括虹吸通道，该虹吸通道的虹吸峰部92位于液体引导路径62的虹吸峰部64的径向内侧。容积腔室 112(也可以称为部分压缩腔室)布置在气体引导路径60的虹吸通道的径向上升部分中，其中气体引导路径60在孔口点118和120处通入部分压缩腔室 112。部分压缩腔室112优选地位于比液体引导路径62的虹吸峰部64距旋转中心更大的径向距离处。部分压缩腔室112可以通过气体引导路径60的一部分连接到第一流体腔室52，其中气体引导路径的这部分通入部分压缩腔室112的连接点优选地定位成比流体引导路径62的虹吸峰部64径向地更远离旋转中心。然后，孔口点120可经由包括虹吸峰部92的气体引导路径60 的虹吸通道连接到下游流体结构。

现在将参照图4B至图4D描述使用如图4A所示的流体结构的本发明方法的一个实施例。首先，以离心方式被诱导的液体可从上游流体结构(未示出)经由进入通道110被转移到第一流体腔室52中。在离心力的作用下，液体80沿径向内侧的方向从径向外侧填充第一腔室。由此，将第一流体腔室 52连接到后续流体结构(例如下游流体腔室58)的流体路径60和62被填充，并且气体(通常为空气)被下游流体结构和流体连接路径60和62中的液体80封闭。由于第一流体腔室52中的液体弯液面122与流体连接路径60和62中的弯液面102、104之间的流体静力高度的升高，液体在离心力的作用下被转移到部分压缩腔室112中，由此位于部分压缩腔室112的气体被驱替到后续流体结构中。由此，在部分压缩腔室112中生成阻止流体连接路径60和 62的进一步填充的气动超压Δp。在液体引导路径62的虹吸峰部64未被润湿并且第一流体腔室52中的液体的弯液面122位于液体引导路径62的虹吸峰部64的径向内侧的情况下，在朝向流体路径60和62的填充的方向上的压力与逆着流体路径60和62的填充的方向上的压力之间形成平衡。这种操作状态在图4B中被示出。通过液体80，气体体积被封闭在流体路径60、62和下游流体结构50中，在流体路径60、62和下游流体结构50中生成气动超压ΔP。由于第一流体腔室52被排气，所以第一流体腔室52在液体弯液面122上方的区域处于大气压力p_o下。

通过适当选择部分压缩空间112和下游流体结构的容积，可以几乎自由地选择在处于平衡中的后续流体结构中占主导的气动超压ΔP。

通过增加旋转频率，从图4B中所示的操作状态开始，离心压力可以在填充液体引导路径62的方向上增加，由此液体引导路径62的虹吸峰部64被填充，并且液体开始以离心诱导的方式被转移到后续流体结构58中。在实施例中，部分压缩腔室112具有比第一流体腔室52低的液体体积。由于液体从第一流体腔室52经由液体引导路径62转移到下游流体结构中，额外的气动超压在后续流体结构的封闭空间中被建立，这导致液体从部分压缩腔室112转移到第一流体腔室52中。一旦下游流体结构中的气动超压Δp超过在第一流体腔室52中作用在气体引导路径60上的液体静压力，气体就从后续流体结构58经由气体引导路径60并通过液体被转移到第一流体腔室52 中，其中该操作状态在图4C中示出。液体的转移完成后的操作状态在图4D 中被示出。

参考图5A至图5D，将描述流体路径的连接位置变化的实施例。图5A 中所示的流体结构示出了在选择第一流体腔室52与流体连接路径60和62 之间的连接位置时以及在构造气体引导路径60和流体连接路径60和62与下游流体结构58之间的连接时的变化选项的可能选择。

在实施例中，在先流体结构(例如，进入通道110和上游流体腔室54) 与第一流体腔室52之间的连接位置132可以位于第一流体腔室52的可自由选择的位置处。这同样适用于第一流体腔室52和后续流体结构58之间的连接路径60、62与第一流体腔室52的连接位置132、134。在气体引导路径60 中存在部分压缩腔室112的情况下，第一流体腔室52和部分压缩腔室112之间的连接的连接点132和180以及在部分压缩腔室112和后续流体结构58之间的连接点120、132也可以被自由选择。优选地，气体引导路径60的通入下游流体腔室58的孔口点136，即，液体目标容积，不位于液体目标容积的径向最外侧位置。另外，液体引导路径62与下游流体腔室58的连接位置 138可以被自由选择。连接位置134优选地位于第一流体腔室52的径向外部区域中，这是因为第一流体腔室52仅可以被排空到液体引导路径62上方的该连接位置。

基于图5B至图5D，将基于通过使用图5A中所示的流体结构的操作来描述本发明方法的实施例。首先，从上游流体结构(例如上游腔室54)以离心方式被诱导的液体被转移到第一流体腔室52和与第一流体腔室52连接的流体连接路径60和62中。这里，第一流体腔室52的填充液位从第一流体腔室52的径向最外侧点朝向位于径向更内侧的位置沿径向连续上升。在填充过程期间，第一流体腔室52内的气体被流入的液体驱替，由此气体被转移到第一流体腔室52和下游流体结构之间的流体连接路径60、62的连接部中，其中所述连接部还没有被液体润湿。因此，在第一流体腔室52的填充过程期间，只要第一流体腔室52中的填充液位径向地位于径向最内侧连接点的外侧，就可在第一流体腔室52与后续流体结构之间产生压力补偿。

如图5A所示，液体引导路径62与第一流体腔室52的连接位置134可以比气体引导路径60的连接位置132更靠近旋转中心R。此外，与由第一流体腔室52和流体连接路径60、62所能接收的液体相比，更多的液体可被转移到第一流体腔室52中并且到达位于径向更靠内侧的连接点(图5A中所示实施例的连接点134)的径向位置。在这种情况下，第一流体腔室52仍然可以被构造成没有任何另外的排气部，使得与后续流体结构中的气动超压Δp 不同的气动超压Δp1可以建立在由液体封闭的气体体积中，同时液体从上游流体结构被继续转移到第一流体腔室52中。此外，在填充第一流体腔室 52期间，气体引导路径60中的部分压缩腔室112可以被填充液体，由此气体被转移到后续流体结构中。通过在位于部分压缩腔室112的最内侧点的径向外部的位置处选择部分压缩腔室112和下游流体结构58之间的流体路径60的连接点120，一旦部分压缩腔室112中的液体的填充液位位于部分压缩腔室112的径向最内侧连接点的径向内侧，就可以在部分压缩腔室112中类似于第一流体腔室中的所述过程发生气体的压缩。

通过分别填充包括第一腔室52和部分压缩腔室112的液体保持区域，可以获得平衡状态，在该平衡状态中，液体的弯液面104位于液体引导路径60的虹吸管形区域的区域中，该区域径向地朝向内侧延伸，并且沿润湿虹吸峰部64的方向作用的压力(离心压力和可能的其它压力，例如超压Δp1)) 与阻止润湿作用的压力(后续流体结构中的气动超压和可能的其它压力)平衡。这种操作状态在图5B中被示出。

从图5B中所示的状态开始，类似于以上描述，通过增加离心压力或减小气动反压力，可以实现液体引导路径62的虹吸峰部64的润湿，由此启动将液体从第一流体腔室52转移到下游流体结构的液体目标空间58中。因此，第一流体腔室52中的液位可以下降到通入第一流体腔室52的进入通道 110的连接点130以下，从而第一流体腔室52被排气到大气压力p_o。如上参考图4A至图4D中描述的实施例所述，一旦下游流体结构中的气动超压超过作用在第一流体腔室52中的气体引导路径60上的流体静压力，来自后续流体结构的气体就可经由气体引导路径并通过液体而被转移到第一流体腔室中，其中该操作状态在图5C中示出。

由于在图5A至图5D中所示的实施例中，液体引导路径62和第一流体腔室52之间的连接点134位于第一流体腔室52的径向最外侧点的径向内侧，所以一旦第一流体腔室52中的液体弯液面122到达连接点134的径向位置，就可以停止转移。如图5D中所示，这可导致将液体保持在第一流体腔室52中，这通过利用不同液体多次使用相同的流体结构而导致在第一流体腔室52中混合所述不同液体的可能性。如果在第一步骤中，由流体结构限定的待稀释液体的体积在转移步骤之后保留在第一流体腔室中，并且在随后的步骤中，用于稀释的液体通过在先流体结构被转移到第一流体腔室中并且与待稀释液体混合，则这也可以用于产生稀释系列。为此目的，可以通过使所述结构级联，即通过径向向外偏移的所述结构的实例，提供下游流体结构。

图6示出了流体模块50中的级联流体结构的实施例。这里，级联流体结构本质上代表参照图3A至图3D和图4A至图4D描述的实施例的组合。这里，上游流体腔室54、连接通道56、第一流体腔室52、气体引导路径60、液体引导路径62和下游流体腔室58的设置对应于以上参照图3A至图3D描述的各个结构的设置。这些元件形成了图6中所示的级联流体结构中的第一切换结构。气体引导路径160、液体引导路径162和另一下游流体腔室158 形成第二切换结构。如图6所示，可选地，可以设置排气延迟阻滞器66。中间压缩腔室112被布置在气体引导路径160中。气体引导路径160、中间压缩腔室112和液体引导路径162的设置本质上可以对应于以上参照图4A 描述的气体引导路径60、中间压缩腔室112和气体引导路径62的设置。如图6所示，液体引导路径162可在径向外部区域(例如径向最外则位置)通入下游流体腔室58，并且可在径向外部区域(例如径向最外人位置)通入下游流体腔室158。气体引导路径160可在径向外部区域(例如，径向最外侧位置) 中通入下游流体腔室58，且可在径向内部区域(例如，径向最内侧位置)中通入下游流体腔室158。总而言之，流体路径160和162可径向倾斜，即，流体路径160和162的进入流体腔室158的孔口比流体路径160和162的进入流体腔室58的孔口在径向方向上更靠外。

因此，图6中所示的流体结构代表两个级联的切换结构，其中流体腔室58代表用于第一切换结构的下游流体结构和用于第二切换结构的液体保持区域。参考图7A至图7E，下面将描述用于液体的级联切换的本发明的方法的实施例。图7A至图7E示出了在用于通过使用排气延迟阻滞器66对液体进行级联切换的方法期间的流体过程的图示。图7A示出了第一切换结构的第一流体腔室52中的液体80。图7B示出了液体到第一切换结构的液体目标腔室58中的转移，同时示出了第二切换结构的第一流体腔室。图7C示出了第一切换过程的最终状态，其同时表示在开始第二切换过程之前的平衡状态。图7D示出了将液体转移到第二切换结构的液体目标腔室158中。图 7E示出了在液体的第二转移完成之后的最终状态。

在参照图7A至图7E所示的方法中，由于存在进展延迟阻滞器，所以可以实现第二切换过程。

首先，类似于上述方法，以离心方式被诱导的液体被转移到第一流体腔室52和流体连接路径60、62中，并且在第一流体腔室52和流体连接路径 60、62中占主导的气体被驱替到后续流体结构中，由此在第一流体腔室52 和流体连接路径60、62中产生气动超压，该气动超压阻止液体引导通道62 中的虹吸峰部64的进一步填充并因此被润湿。下游流体结构包括下游流体腔室58、流体路径160、162和下游流体腔室158。在第一流体腔室52优选地已经完全充满液体之后，达到图7A中所示的准静态状态。在润湿液体引导路径62的虹吸峰部64的方向上作用的压力与阻止该润湿的压力处于准静态平衡，由此下游流体结构中的气动超压在排气延迟阻滞器66上缓慢地减小。因此，在恒定旋转频率的情况下，或此外减小旋转频率的情况下，由于气动反压力的减小，因此可以获得液体引导路径62的虹吸峰部64的润湿以及与之相关联的启动到下游流体腔室58(即第一液体目标容积)中的转移过程。这种操作状态在图7B中被示出。此外，可选地或组合地，可以使用在此描述的用于启动切换过程的其它过程条件变化，例如通过降低温度来增加旋转频率或减小气动超压。

在第一转移过程期间，如上参照图3A至图3D所述，气体经由气体引导路径60通过第一流体腔室52被排放。在该第一转移过程期间，由于在转移过程中不必出现完全排气，因此在第二切换结构的后续流体结构中可以部分地保持仍然存在于第一气体驱替过程中的超压。这在图7C中通过保持在下游流体腔室158中的气动超压Δp示出。在以离心方式诱导的第一转移过程中，仍然类似于以上参照图4A至图4D描述的过程，第二切换结构的第一流体腔室(即，流体腔室58)和第二气体引导路径60的部分压缩腔室 112被填充有液体，并且先前容纳在第一流体腔室和部分压缩腔室112中的气体被驱替到下游流体结构158中。建立的气动超压Δp导致图7C中所示的准静态状态，其中阻止液体引导路径106的虹吸峰部164的润湿的压力与在润湿方向上作用的压力处于准静态平衡。由于在第二切换结构的后续流体结构158中的气动超压的连续缓慢排放(由于排气延迟阻滞器66)，再次，可以以恒定或减小的旋转频率获得液体引导路径162的虹吸峰部164的润湿，由此可以获得液体到下游流体腔室158(即，第二切换结构的液体目标结构)中的第二转移。在液体的这种转移期间，气体可从流体腔室158经由气体引导路径160被排放到流体腔室58中。液体的转移的操作状态在图7D 中示出。在完成液体到液体腔室158中的第二转移之后的操作状态在图7E 中被示出。

因此，参考图6至图7E，已经描述了级联切换结构的实施例。不必说，这里描述的其它实施例也可以被级联，其中任何过程条件变化可以用于启动这里描述的各个切换过程。尽管在所述实施例中描述了使用排气延迟阻滞器作为致动器的级联结构，但这不是强制性的。

通常，根据本发明，液体的转移通过改变离心压力与气动压力的比率来实现。该比率的改变可以以不同的方式发生。在实施例中，该比率可通过增加流体模块的旋转速度来改变。为此，例如，流体模块通过其旋转的驱动装置可以相应地由相应的控制装置来控制。可选地或另外地，可以减小气动压力以改变该比率。为此，可以设置排气延迟阻滞器，该排气延迟阻滞器可以被认为是被配置成减小气动压力的致动器。可选地或组合地，可以通过控制、特别是降低所封闭的气体体积的温度来减小气动压力。这可以通过控制整个流体模块或流体模块的封闭有气体体积的至少多个部分的温度来进行。为此，如上参考图12A和图12B所述，可以设置温度控制元件。可选地或组合地，可以通过增加下游流体结构的体积来获得气动压力的减小。下游流体结构可以包括例如一个或多个流体腔室，该一个或多个流体腔室的容积可以调节。

参照图8A至图8E，下面将描述在下游流体结构中使用负压(即，下游流体结构中的压力被减小到大气压力以下)的实施例。在这样的实施例中，可以通过使用温度和/或离心压力变化来进行切换。

如已经描述的，通过降低后续流体结构中的气体的温度，可以实现后续流体结构中的压力的温度受控降低，该压力的温度受控降低用于启动将液体从第一流体腔室转移到液体目标容积中。

如图8A所示，形成在流体模块50中的流体结构包括连接第一流体腔室202与在先流体结构(未示出)的进入通道200。第一流体腔室202可以经由流体路径204被排放。第一流体腔室202经由第一流体路径206和第二流体路径208连接到包括流体容纳腔室的下游流体结构210。第一流体路径206 包括具有虹吸峰部212的虹吸通道。在所示的实施例中，第二流体路径208 还包括虹吸通道，该虹吸通道的虹吸峰部214被布置成在径向方向上比第一流体路径206的虹吸峰部212更靠近内侧。第一流体路径206表示液体引导路径，而第二流体路径214表示气体引导路径。流体连接路径206和208 不必包括任何另外的腔室。液体引导路径212在径向外部区域中，优选地在径向最外位置处，连接到第一流体腔室。气体引导路径208在第一流体腔室202的在第一流体腔室202被填充时被液体润湿的区域中连接到第一流体腔室202。第一流体腔室的这种填充可以经由进入通道200以离心方式被诱导发生。流体路径206和208的孔口进入第一流体腔室202的可能位置由该方法中使用的腔室几何结构和液体的量造成。液体引导路径206的虹吸峰部212优选地在径向方向上位于在操作期间(特别是在第一处理步骤期间)由第一流体腔室中的液体的弯液面所达到的位置的内侧，其中在该第一处理步骤期间，液体被保持在表示液体保持区域的第一流体腔室202 中。如图gA所示，气体引导路径208可在径向内部区域中通入下游流体结构210，而液体引导路径206可在径向外部区域中通入下游流体结构210。

图8A中所示的流体结构表示如将在以下通过使用图gA中所示的流体结构对本发明的方法的实施例的描述中所说明的用于基于负压切换的离心气动式排放虹吸阀的流体结构。

在第一步骤中，以离心方式被诱导的液体从上游流体结构(未示出)通过进入通道200被转移到第一流体腔室202中。这里，液体也被转移到第一流体腔室202和径向向内延伸的后续流体结构210之间的虹吸管形连接路径206、208的区域中。从润湿连接路径206、208中的最后一个的连接点的时间起，流入连接路径中的另外的液体将容纳在连接路径中的气体驱替到下游流体结构中，这在处于恒定温度下的后续流体结构中产生超压，如图 8B所示。与大气压力不同的该超压可以是大气压力的一小部分，使得在引入期间产生可忽略的超压。

从图8B中所示的操作状态开始，优选地以恒定的旋转速度，例如通过降低环境温度或通过冷却与盒接触的元件，可以获得对后续流体结构210 的冷却，这导致如图8C所示的后续流体结构中的负压。因此，根据处理条件(例如，旋转频率、腔室和通道的几何结构、后续流体结构中的开始温度和结束温度等)，在流体引导路径206、208中的弯液面102、104与第一流体腔室202中的液体的弯液面122之间产生新的流体静力高度，这导致在填充液体引导路径206的虹吸峰部212的方向上的压力(在该实施例中，后续流体结构中的气动负压和可能的其它次要压力)和阻止该填充的压力(在该实施例中，由于变化的流体静力高度和可能的次要辅助压力而产生的离心压力) 之间的新的平衡，如图8C所示。从在这些过程条件下存在的操作状态开始，在随后的步骤中，液体引导路径206的虹吸峰部212的润湿可以通过减小离心压力来获得，例如通过降低旋转频率或通过进一步减小后续流体结构中的压力，例如通过进一步降低温度，并且由此将液体从第一流体腔室202 转移到下游流体结构210中。可选地或另外地，液体可被引导到流体腔室 202中以便润湿虹吸峰部，其中填充液位可被增加到虹吸峰部以上。在液体的转移期间，所转移的液体可以导致存在于后续流体结构210中的气体的压缩，使得在后续流体结构210中可以产生超压，这导致气体从下游流体结构经由气体引导路径208转移到第一流体腔室202中，如图8D所示。在下文中，第一流体腔室202经由液体引导路径206将其自身完全清空到下游流体结构中，如图8E所示。

在上述实施例中，液体保持区域包括第一流体腔室。在可选的实施例中，液体保持区域可包括多个流体腔室，所述多个流体腔室可经由一个或多个流体通道连接或不连接。

下面将参照图9论述其中液体保持区域包括多个流体腔室并且其中可以通过减小温度控制的压力来进行切换的实施例。

再次，在流体模块50中形成相应的流体结构。所述流体结构包括上游流体结构、液体保持区域和下游流体结构。液体保持区域包括第一流体腔室300和第二流体腔室302。第一流体腔室300和第二流体腔室302经由径向下降的连接通道304以流体连通的方式连接。上游流体结构包括上游流体腔室306，该上游流体腔室306在上游流体腔室306的相对于旋转中心R的径向外部区域中可包括腔室部分306a和306b，该腔室部分306a和306b允许测量液体体积。腔室部分306a经由流体通道308以流体连通的方式连接到第一流体腔室300，并且腔室部分306b经由流体通道310以流体连通的方式连接到第二流体腔室302。另一进入通道312可以流体连通的方式连接到第一流体腔室300。另一进入通道/排气通道314可以流体连通的方式连接到第二流体腔室302。图9中示意性地示出了排放口316。此外，可以设置另外的填充通道/排气通道318。

这里，应当注意，图9中所示的实施例中的上游流体结构也可仅由一个进入通道组成，该进入通道以流体连通的方式连接到第一流体腔室300 并允许第一流体腔室300的填充，例如从以流体连通的方式连接到相应进入通道的进入腔室的以离心方式诱导的填充。

如图9所示，第一流体腔室300 经由液体引导路径320连接到下游流体结构322，该下游流体结构322呈下游流体腔室的形式。第二流体腔室302 经由气体引导路径324连接到下游流体结构322。液体引导路径320包括具有虹吸峰部326的虹吸通道。在所示的实施例中，气体引导路径324还包括具有虹吸峰部326 的虹吸通道。腔室302中的弯液面与虹吸峰部322之间的可获得的流体静力高度差优选高于腔室300中的弯液面与虹吸峰部326之间要克服的流体静力高度差。

液体引导路径320在径向外部区域，优选地在径向外端部处，通入第一流体腔室300。气体引导路径328在径向外部区域中，优选地在径向外部端部处，通入第二流体腔室302。第一流体腔室300可以被构造成使得当用第一液体体积填充第一流体腔室300时，下游流体结构322保持经由气体引导路径324被排放到第二流体腔室302。图10A中示出了第一液体体积380 被引入到第一流体腔室300的这种操作状态。温度和/或旋转频率的变化仍然可以在不将液体切换到下游流体结构322中的情况下进行。对于毛细力可以忽略的情况，液体实际上以这种状态被存储在流体腔室300中。

如果例如经由通道308和/或312将又一液体体积引入第一流体腔室 300中，则第一流体腔室300中的液体体积上升，直到表示溢出的过量的体积经由连接通道304流入第二流体腔室302中。为此，进入第一流体腔室300 的连接通道的孔口被定位在比第一流体腔室300的径向外端部在径向方向上更靠近内侧的位置。溢流到第二流体腔室302中的过量液体体积382在径向外端部处气密地封闭通入第二流体腔室302的气体引导路径324。因此，在将液体体积380引入到第一流体腔室300中时，在液体引导路径322已经被气密地封闭之后，通向下游流体结构的流体路径320和324都被气密地封闭。这种操作状态在图10B中示出。

从该操作状态开始，如上文参照图8A至图8B所述，通过降低温度和相应地减小压力，可在下游流体结构322中生成负压，如图10C所示。此外，如参照图8A和图8E所述，随后，通过减小离心压力和/或通过进一步减小后续流体结构中的压力，可以实现液体经由液体引导路径320被转移到下游流体结构322中，如图10D所示。在此，液体引导路径320的虹吸通道被构造成使得例如当降低温度并由此引起压力降低时，仅该虹吸通道发生切换，使得优选地仅来自第一流体腔室300的液体而不是来自第二流体腔室 302的液体被转移。由于液体从第一流体腔室300的转移而导致的下游流体结构322中的潜在超压将液体从气体引导通道324压回到第二流体腔室302 中，由此空气可以以通过液体上升的气泡的形式通过第二流体腔室302逸出。因此，全部液体可从第一流体腔室300被转移到下游流体结构322中。

在强负压下，液体引导路径320以及气体引导路径324两者的虹吸通道都可以被填充有液体。由此，第一流体腔室300中的液体和第二流体腔室 302中的液体两者都将至少部分地被转移。通过随后将液体通过流体引导路径转移到腔室322中，腔室322中的负压可以至少部分地被补偿。通过转移超过负压的补偿的足够大量的液体，可以生成超压，这导致虹吸通道中的一个虹吸通道(在所示实施例中位于气体引导通道324中)中的液体的流动方向的反转，并且随后导致液体相变为气体，由此来自后续流体结构322 的气体被排放到腔室302中。

参照图9至图10D所述的构造可用于在切换到预定体积之前测量液体。低于目标体积的液体体积不被切换。

参照图9描述的流体结构也可用于添加第二液体，如以下参照图11A 至11E所述的。

这里，图11A对应于图10A的操作状态，其中第一液体体积380被引入第一流体腔室300中并且实际上被存储在第一流体腔室300中。如果第二液体通过进入通道310流入第二流体腔室302，则后续流体结构302被气密地封闭。另外，第二液体可以经由通道310仅流入第二流体腔室302中，或者以被分离的方式经由通道308和310流入第一流体腔室300和第二流体腔室 302。如图11B所示，可以在上游流体腔室300的腔室部分306a和306b中测量各自的供应体积。当第二液体流入第一流体腔室300和第二流体腔室302 时，第一液体和第二液体可以在第一流体腔室300中被混合。

如图11C至图11E所示，随后，液体可从第一流体腔室300被转移到下游流体结构322中，如上文参照图8A至图8E和10A至图10B所述。特别地，通过降低温度和相应地减小压力，液体可以被转移到下游流体结构中。

参照图9至图11E所述的流体结构尤其可用于将第一液体存储在流体保持区域的第一流体腔室中，而第二液体仍然通过另外的独立处理步骤经过。这些处理步骤通常可以自由地使用必要的旋转频率和温度，而不用经由液体引导路径320切换第一流体腔室300中的液体。在处理之后，第二液体可以被添加在第一流体腔室300和第二流体腔室302中。然后，通过降低温度，可以使所得液体混合物前进。

对于本领域技术人员来说，显而易见的是在所述负压的使用期间，流体保持区域的流体腔室也可以被分成三个或更多个腔室。在实施例中，除了经由下游流体结构和将流体腔室连接到下游流体结构的连接通道的连接之外，液体保持区域的不同腔室不必经由通道连接。

通常，在实施例中，液体引导路径通入后续流体结构的位于液体引导路径通入液体保持区域的流体腔室的位置的径向外侧的位置处的液体容纳腔室。换句话说，液体引导路径通常包括径向倾斜。因此，可以将液体从液体保持区域的相应腔室经由包括经由具有虹吸峰部的虹吸通道的液体引导路径转移到后续流体结构中，其中所述虹吸峰部被布置在液体引导路径的进入液体保持区域的流体腔室中的孔口的径向内侧。

在实施例中，下游流体结构可以包括至少一个液体容纳腔室，液体被转移到该液体容纳腔室中。在实施例中，液体保持区域可以包括至少一个流体腔室，液体从该至少一个流体腔室被转移到下游流体结构中。

在实施例中，流体结构被构造成使得离心压力和气动压力具有优先作用，而毛细力可以忽略不计。在实施例中，相应的流体路径可被构造为流体通道，其中腔室(例如，部分压缩腔室)可被布置在流体路径中。

因此，实施例提供了流体模块、设备和方法，其中两个流体连接路径被设置在液体在切换之前被保持在其中的腔室与液体在切换过程之后用于液体的目标结构之间。这允许用于切换液体的结构的与液体特性几乎无关的整体实现，同时选择性地超过或低于盒的高旋转频率。实施例提供了一种离心气动式排气虹吸阀，其包括位于离心测试载体上的流体结构。流体结构可以包括第一数量的腔室、后续流体结构以及将第一数量的腔室连接到后续流体结构的至少两个流体路径。在第一数量的腔室和后续流体结构之间的流体路径中的至少一个包括虹吸通道，其中从第一数量的腔室经由流体路径到后续流体结构的连接被布置成使得当用液体填充第一数量的腔室时，能够建立由液体封闭的气体体积导致后续流体结构或产生准封闭的气体体积的状态，其中，后续结构包括具有排气延迟阻滞器的排放装置。在这种流体结构的实施例中，虹吸通道设置在第一数量的腔室与后续流体结构之间的流体连接路径中的至少一个中，其中虹吸峰部位于虹吸通道通入其中的第一腔室的径向最外侧位置内。在这种流体结构的实施例中，后续流体结构不被排气。在实施例中，所述多个腔室可以包括一个腔室或多于一个腔室。

实施例提供了一种用于通过使用相应的离心气动式排气虹吸阀来保持和切换液体的方法，其中，一种或多种液体以由离心压力和气动压力占控制的准静态平衡被保持在液体保持区域(第一数量的腔室)中，使得仅通过改变作用的离心压力和/或气动压力就可以随后启动将至少一种液体从液体保持区域转移到后续流体结构中。在这种方法的实施例中，在液体从液体保持区域转移到后续流体结构中期间，气体从后续流体结构经由至少一个流体路径在液体保持区域的方向上被转移。在这种方法的实施例中，在液体从液体保持区域转移到后续流体结构中期间，在液体保持区域与后续流体结构之间的至少一个流体连接路径不完全被充满液体。在这种方法的实施例中，在液体被保持在液体保持区域中的同时，在后续流体结构中的气体的量不会被连接到环境的流体路径改变。在这种方法的实施例中，在开始传送之前，由于后续流体结构中的气动负压，液体保持区域中的液体被保持在后续流体结构中。在这种方法的实施例中，在开始转移之前，由于后续流体结构中的气动超压，液体被保持在液体保持区域中。

实施例可以包括所示示意性实施例的任何变化和组合，并且不受所述实施例的限制。

尽管以上基于方法或基于设备描述了本发明的实施例的特征，但是显然，所描述的设备特征也表示相应方法的特征，并且所描述的方法特征也表示能够被配置成提供相应功能的相应设备的特征。

因此，本发明的实施例提供了用于通过使用如本文所述的包括流体结构的离心气动式排气虹吸阀来切换液体的方法和设备。与现有技术相反，结合离心微流体领域中描述的方法，所述结构的实施例可以同时满足保持液体并稍后特定地切换液体的一体式操作的多个要求。实施例允许在离心式微流体盒中的所分配的流体结构的整体实现。实施例提供了构造该结构的选择，使得功能原理几乎独立于液体和盒材料特性。这特别包括液体与盒材料之间的接触角，以及液体的粘度和表面张力。实施例提供了进一步适应流体结构的选择，以便在宽限度内确定用于触发切换过程的必要处理条件。特别地，适应选项可以涉及自由选择被转移到后续流体结构中的气体体积和由此产生的气动超压的选项。

实施例提供了通过使用处理条件的不同变化来启动切换过程的选项。这特别包括处理期间的旋转频率、温度和等待时间(当使用排气延迟阻滞器时)。实施例通过借助于基于过程控制的温度变化提供了当旋转频率上升到阈值频率以上或当旋转频率下降到阈值频率以下时切换液体的选项。实施例提供了生产没有尖锐边缘(即，对生产方法(例如注射成型和注射压花)的要求低)的微流体结构的选项。本发明的实施例允许在切换过程之后避免在液体转移期间在流体目标体积中的强烈升高的气动压力。实施例提供使流体结构联级的选项。最后，实施例提供了多种用途的流体结构的选项，以便使液体一种接一种地被保持并且具体地切换所述液体。

本发明的实施例被构造成改变离心压力与气动压力的比率以便超过阈值，其中第一流体路径中的虹吸通道的虹吸峰部被越过，以使得可发生将液体从液体保持区域到后续流体结构中的转移。

本发明的实施例描述了流体结构和分配方法的变型例，其示出了用于影响在本发明的切换过程的开始方向或逆着本发明的切换过程的开始方向作用的压力的平衡的不同选项。本发明的实施例还基于以下所述知识，即所描述的切换原理可以例如通过在在先流体操作之后将液体引导到本发明的结构中，或者通过对所描述的切换结构进行联级，容易地与相同离心微流体平台上的其它操作组合。

Claims (18)

1.一种用于通过使用流体模块(50)将液体从液体保持区域(52、202、300、302)切换到下游流体结构(58、94、158、210、322)的方法，所述流体模块(50)包括：

液体保持区域(52、202、300、302)，液体(80)能够被引入到所述液体保持区域中；

至少两个流体路径(60、62、206、208、320、324)，所述至少两个流体路径将所述液体保持区域(52、202、300、302)以流体连通的方式连接到所述下游流体结构(58、94、158、210、322)，

其中所述至少两个流体路径中的至少第一流体路径(62、206、320)包括虹吸通道，其中所述虹吸通道的虹吸峰部(64、212、326)在径向方向上位于所述液体保持区域(52、202、300、302)的径向最远位置的内侧，其中所述虹吸峰部(64、212、326)是所述虹吸通道的与所述旋转中心的距离为最小的区域，

其中当所述液体(80)被引入到所述液体保持区域(52、202、300、302)中时，所述下游流体结构(58、94、158、210、322)没有被排气或仅经由排气延迟阻滞器(66)被排气，以使得当所述液体被引入到所述液体保持区域(52、202、300、302)中时在所述下游流体结构(58、94、158、210、322)中产生封闭的气体体积或产生仅经由所述排气延迟阻滞器(66)排放的气体体积，并且由所述流体模块(50)的旋转所产生的离心压力与所述气体体积中占主导的气动压力的比率至少暂时地防止所述液体通过所述流体路径(60、62、206、208、320、324)到达所述下游流体结构(58、94、158、210、322)；

其中通过改变所述离心压力与所述气动压力的比率，能够使得所述液体通过所述第一流体路径(62、206、320)至少部分地到达所述下游流体结构(58、94、158、210、322)，并且所述气体体积通过所述至少两个流体路径中的第二流体路径(60、208、324)被至少部分地排放到所述液体保持区域(52、202、300、302)中，

所述方法包括：

通过旋转所述流体模块(50)将至少一种液体(80)引入到所述液体保持区域(52、202、300、302)中并将所述液体保持在所述液体保持区域(52、202、300、302)中，以使得所述液体以由所述离心压力和所述气动压力控制的准静态平衡被保持在所述液体保持区域(52、202、300、302)中；以及

改变所述离心压力与所述气动压力的比率，以便将所述液体通过所述第一流体路径(62、206、320)至少部分地转移到所述下游流体结构(58、94、158、210、322)中，并通过所述至少两个流体路径中的第二流体路径将所述气体体积至少部分地排放到所述液体保持区域(52、202、300、302)中，

其中：

a)将所述液体保持在所述液体保持区域(52)中包括在开始转移之前，在所述下游流体结构(58、94、158)中生成气动超压，并且改变所述离心压力与所述气动压力的比率包括增加所述流体模块(50)的旋转速度、增加所述液体的流体静力高度和/或减小所述气动压力；或

b)将所述液体保持在所述液体保持区域中包括在所述下游流体结构(210、322)中生成负压，以便在不通过所述第一流体路径(206、320)将所述液体转移到所述下游流体结构(210、322)中的情况下调节和保持所述液体保持区域和所述第一流体路径(206、320)和所述第二流体路径(208、324)中的弯液面(102、104、122)，并且其中改变所述离心压力与所述气动压力的比率包括降低所述流体模块(50)的旋转速度和/或减小所述下游流体结构(210、322)中的气动压力。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，改变所述比率包括：

通过降低所述下游流体结构(210、322)中的温度、增加所述下游流体结构(210、322)的体积和/或减少所述下游流体结构(210、322)中的气体的量，来减小所述气动压力。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述液体通过所述第一流体路径(62、206、320)的转移期间，所述第二流体路径(60、208、324)不完全充满液体。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述液体被保持在所述液体保持区域(52、202、300、302)中时，所述下游流体结构(58、94、158、210、322)中的气体的量不会改变。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少两个流体路径中的第二流体路径(60、208、324)是用于所述下游流体结构(58、94、158、210、322)的排气通道，当所述液体被引入到所述液体保持区域(52、202、300、302)中时，所述排气通道被所述液体封闭。

6.根据权利要求1所述方法，其中，所述第一流体路径(62、206、320)在径向外部区域中或在径向外端部处通入所述液体保持区域(52、202、300、302)，其中所述液体经由所述第一流体路径(62、206、320)被排放至少直到所述第一流体路径(62、206、320)通入所述液体保持区域的区域。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述液体保持区域包括第一流体腔室(52、202、300)，其中所述第一流体路径(62、206、320)在所述第一流体腔室(52、202、300)的径向外部区域中或在所述第一流体腔室(52、202、300)的径向外端部处通入所述第一流体腔室(52、202、300)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，当所述液体被引入到所述液体保持区域中时，所述第一流体腔室(52)没有被排气或仅经由排气延迟阻滞器被排气，使得当所述液体被引入到所述液体保持区域中时，产生封闭在所述第一流体腔室(52)和所述下游流体结构(58、94)中的气体体积或产生仅经由排气延迟阻滞器被排放的气体体积。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述液体保持区域还包括第二流体腔室(302)，所述液体通过由所述流体模块(50)的旋转产生的离心压力被引入到所述第二流体腔室中，其中所述第一流体路径(320)通入所述第一流体腔室(300)中，而所述第二流体路径(324)通入所述第二流体腔室(302)中，并且其中所述第二流体路径(324)被引入到所述第二流体腔室(300)中的液体封闭。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一流体腔室(300)和所述第二流体腔室(302)经由连接通道(304)以流体连通的方式连接，所述连接通道(304)的通入所述第一流体腔室(300)的孔口被定位成在径向方向上比所述第一流体腔室(300)的径向外端部更靠近内侧，使得当所述第一流体腔室(300)中的液体的填充液位到达所述孔口并且封闭通入所述第二流体腔室(302)的第二流体路径(324)时，来自所述第一流体腔室(300)的液体溢流到所述第二流体腔室(302)中。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二流体路径(60、208、324)包括虹吸通道。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第二流体路径(208、324)在所述液体保持区域(52、202、302)的径向外部区域中通入所述液体保持区域(52、202、302)。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二流体路径(60、208、324)的虹吸通道的峰部(92、214、328)被定位成在径向方向上比所述第一流体路径(62、206、320)的虹吸通道的峰部(64、212、326)更靠近内侧。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，流体中间腔室(112)在所述第二流体路径(60)的虹吸通道的峰部(92)与第二流体路径(60)的进入所述液体保持区域(52)中的孔口(116、132)之间被布置在第二流体路径(60)中，其中当所述液体被引入到所述液体保持区域(52)中时，所述流体中间腔室(112)被至少部分地填充所述液体。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述下游流体结构包括至少一个下游流体腔室(58、210、322)，所述第一流体路径(62、206、320)通入所述下游流体腔室。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一流体路径(62、206)在比所述第二流体路径(60、208)在径向方向上更靠外侧处通入所述下游流体腔室(58、210)。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述下游流体腔室(58)是第一下游流体腔室，并且所述下游流体结构包括第二下游流体腔室(94、158)，所述第二下游流体腔室(94、158)经由至少第三流体路径(96、160)以流体连通的方式连接到所述第一下游流体腔室(58)。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一下游流体腔室(58)经由第三流体路径(160)和第四流体路径(162)以流体连通的方式连接到所述第二下游流体腔室(158)，

其中至少所述第三流体路径(160)包括虹吸通道，

其中当所述液体由于所述离心压力与所述气动压力的比率的改变而通过所述第一流体路径(62)到达所述下游流体结构的第一下游流体腔室(58)时，所述第三流体路径(160)和所述第四流体路径(162)被所述液体封闭，其中在所述第二下游流体腔室(158)中产生封闭的气体体积或产生仅经由排气延迟阻滞器被排放的气体体积，并且在所述第二下游流体腔室(158)中的气体体积中占主导的所述离心压力与气动压力的比率至少暂时地防止所述液体通过所述流体路径(160、162)到达所述第二下游流体腔室(158)，

其中通过改变所述第二下游流体腔室(158)中的离心压力与气动压力的比率，能够使得所述液体通过所述第三流体路径(160)至少部分地到达所述第二下游流体腔室(158)，并且所述气体体积从所述第二下游流体腔室(158)通过所述第四流体路径(162)被至少部分地排放到所述液体保持区域中。

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