CN111032204B - 用于在毛细驱动的流控系统中对流体进行混合的布置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种允许在毛细驱动的流控系统中使第一流体和第二流体以预定体积混合比混合的布置(100)。该布置(100)允许用该第一流体填充最初为空的混合室(110)。该布置随后允许从该混合室(110)中排空预定部分的第一流体，以便在该混合室(110)中形成空的空间。该布置随后允许用该第二流体填充该混合室(110)的空的空间，从而随时间允许预定体积的第一流体与预定体积的第二流体混合。

Description

用于在毛细驱动的流控系统中对流体进行混合的布置
技术领域
本披露涉及一种用于在毛细驱动的流控系统中对流体进行混合的布置。具体地，本披露涉及一种用于使第一流体与第二流体以预定体积混合比混合的布置。本披露进一步涉及一种包括该布置的诊断设备。
背景技术
微流控对在几何上被限制在很小的(通常是亚毫米的)范围内的流体的行为、精确控制和操纵进行研究。基于微流控的技术例如用于喷墨打印机喷头、DNA芯片以及芯片实验室技术。在微流控应用中，流体通常被移动、混合、分离或以其他方式处理。在许多应用中，使用被动流体控制。这可以通过利用在亚毫米管内产生的毛细力来实现。通过对所谓的毛细驱动的流控系统的精心设计，可以执行对流体的控制和操纵。
毛细驱动的流控系统可以用于将比如检测等化验操作以及样本预处理和样本制备集成在一个芯片上。对于这样的应用，经常感兴趣的是精确地混合两种或更多种流体，比如将样本流体与缓冲流体混合以便稀释样本流体。使两种流体混合的简单方法是使用简单的T型接头，并且允许两种流体在接头处汇合并随后混合。然而，在毛细驱动的流控系统中，当两种流体在这种T型接头中混合时，混合比将取决于流体的粘度。因为比如血液和血浆等生物流控样本的粘度在不同的个体之间变化，所以通过毛细驱动的流控系统对所述流体进行精确混合可能是具有挑战性的。因此，需要用于毛细驱动的流控系统中的改进的布置，该布置允许使第一流体与第二流体以预定体积混合比精确混合。
发明内容
示例性实施例提供了一种允许在毛细驱动的流控系统中使第一流体和第二流体以预定体积混合比混合的布置。该布置允许用该第一流体填充最初为空的混合室。该布置随后允许从该混合室中排空预定部分的第一流体，以便在该混合室中形成空的空间。该布置随后允许用该第二流体填充该混合室的空的空间，从而随时间允许预定体积的第一流体与预定体积的第二流体混合。该布置可以使用纯被动毛细驱动的流控部件、并因此无需主动部件来实现。
附图说明
上述以及另外的目的、特征和优点将通过以下参考附图对本文所述的实施例进行的说明性和非限制性的详细描述而更好地得到理解，其中相同的附图标记将用于类似的元件，在附图中：
图1a示出了根据本披露的实施例的毛细驱动的流控系统中的布置的示意性电路图。
图1b示出了沿图1a的剖面线1b-1b截取的图1a的布置的混合室的截面视图。
图2a展示了当混合室填充有第一流体时的图1a的布置。
图2b示出了沿图2a的剖面线2b-2b截取的图2a的布置的混合室的截面视图。
图3a展示了当混合室的主室已经排空第一流体时的图1a的布置。
图3b示出了沿图3a的剖面线3b-3b截取的图3a的布置的混合室的截面视图。
图4a展示了当主室已经充有第二流体时的图1a的布置。
图4b示出了沿图4a的剖面线4b-4b截取的图4a的布置的混合室的截面视图。
图5a展示了当第一流体和第二流体已经混合时的图1a的布置。
图5b示出了沿图5a的剖面线5b-5b截取的图5a的布置的混合室的截面视图。
图6示出了披露了当使用该布置将第一流体与第二流体混合时采取的一系列动作的流程图。
具体实施方式
目的是至少部分地解决上述问题，并且特别地是提供一种毛细驱动的流控系统中的用于使第一流体与第二流体以预定体积混合比混合的布置。
根据第一方面，提供了一种毛细驱动的流控系统中的用于使第一流体与第二流体以预定体积混合比混合的布置，该布置包括：
混合室，该混合室包括主室和一个或多个内室，所述主室通过相应的结构与该一个或多个内室中的每一个分隔开，每个结构包括至少一个开口，该至少一个开口允许在该主室与该一个或多个内室之间处于流体连通，并且该至少一个开口在使用期间被布置为在该至少一个开口中产生毛细压力，该毛细压力大于该主室中的毛细压力，
其中该混合室被布置为接纳第一流体，以便经由该相应的至少一个开口用该第一流体填充该主室和该一个或多个内室，
毛细泵，该毛细泵被布置为在该混合室的主室和一个或多个内室已经充有该第一流体之后从该主室中吸取流体，其中该毛细泵被布置为在毛细压力下进行操作以使该主室而非该一个或多个内室排空该第一流体，该毛细压力处于该主室的毛细压力与每个相应结构的至少一个开口中的毛细压力之间，并且
其中该混合室被布置为接纳第二流体，以便在该主室已经排空该第一流体之后用该第二流体填充该主室，使得该一个或多个内室中的第一流体和该主室中的第二流体能够通过该相应结构的至少一个开口混合。
该布置是有利的，在于其允许使第一流体与第二流体以预定体积混合比混合，而与第一流体和第二流体的粘度无关。这是通过依次用第一流体和第二流体分别填充预定体积来实现的，以便精确地计量相应的流体。由于预定的第一体积和第二体积构成混合室的单独的部分，因此一旦已经将第一流体和第二流体递送到混合室就开始混合过程。换句话说，混合过程是在第一流体和第二流体的宏观运动卡住之后开始的，导致粘度对混合的影响很小或没有。混合可以通过由将主室与一个或多个内室分隔开的结构所限定的开口进行。混合可以经由扩散或者经由外力干扰液体界面的主动混合或两者而进行。该布置的进一步优点是混合室可被布置为允许在其中进行诊断。因此，混合室可以是测量室或检测室。因此，相同的布置可以基本上用于对第一流体和第二流体进行计量、混合和测量。
根据一些实施例，每个结构限定多个开口。数量很多的开口是有利的，在于其增加了主室与一个或多个内室之间的界面的有效截面，从而允许通过多个开口使第一流体和第二流体更快地混合。
这些结构可以采用许多不同的形式。例如，每个结构可以是将主室与内室之一隔开的壁，其中该壁限定了使主室流控连接到内室的开口(即孔)。因此，结构可以是滤网。可替代地，结构可以是格栅。
根据一些实施例，每个结构包括多个支柱，并且其中在多个支柱之间形成多个开口。支柱可以通过蚀刻技术方便地实现，并且因此可以有利于比如钻孔等其他类型的开口。支柱可以有利地具有矩形截面，以便在结构与主室之间的相交处限定支柱之间的开口的尖角。尖角可以使得更好地保持相对于开口限定的气/液界面的位置。这允许在主室排空期间更精确地控制保留在混合室中的第一流体的体积。
根据一些实施例，每个结构的多个支柱彼此相距一定距离地等距布置，其中多个开口中的毛细压力取决于所述距离。如本领域技术人员容易认识到的，毛细压力还取决于在支柱之间形成的至少一个开口的高度。在一些实施例中，混合室具有均匀的高度。这暗示着在支柱之间形成的开口的高度将等于主室的高度和一个或多个内室的高度。可替代地，混合室的高度在不同区域中可以不同。例如，主室的高度可以大于至少一个开口的高度。
根据一些实施例，混合室在纵向方向上延伸，并且主室在所述纵向方向上沿混合室的整个长度延伸。这可能是有利的，在于其允许主室内的毛细力完全充满主室，同时允许至少一个开口内的毛细力充满内室。
根据一些实施例，主室沿纵向方向具有基本上均匀的截面，使得其中形成的毛细压力将是基本上恒定的。这可能是有利的，在于其允许使得该布置内使用的毛细压力的总体范围减小。对于具有沿混合室的相反的纵向侧设置的两个内室的实施例，使用均匀的截面的进一步的优点可以是经由开口在第一流体与第二流体之间的更高效的混合。由于相应的结构之间的距离恒定而导致更高效的混合，因此允许沿纵向方向跨越主室的恒定的扩散长度。可替代地，主室可以被设计为沿纵向方向具有不均匀的截面。在这种情况下，主室中的毛细压力将会根据弯液面(或气液界面)沿纵向方向的位置而变化。换句话说，主室内的毛细压力可以限定毛细压力的范围。只要是主室内的毛细压力的范围没有扩大到开口内的毛细压力以上、也没有下降到毛细泵的毛细压力以下，该布置仍然可以按预期操作。
根据一些实施例，混合室在纵向方向上延伸，并且混合室包括两个内室，每个内室通过包括至少一个开口的相应的结构与该主室隔开，其中两个内室沿该混合室的相反的纵向侧设置。以这种方式，使主室与一个或多个内室之间的界面尽可能大，从而允许通过一个或多个开口使得第一流体与第二流体更快地混合。此外，与混合室仅包括沿主室的一侧延伸的一个内室的情况相比，使用沿混合室的相对的纵向侧设置的两个内室允许使扩散距离减小两倍。
根据一些实施例，该布置进一步包括
第一储存器，该第一储存器用于保持该第一流体，并且被布置为向该混合室提供该第一流体，以便经由该相应的至少一个开口用该第一流体填充该主室和该一个或多个内室，以及
第一通道，该第一通道具有与该第一储存器处于流体连通的第一端、以及进入该混合室的主室中的第二端，其中该第一通道被布置为利用毛细力从该第一储存器中吸取流体，从而经由该相应的至少一个开口向该主室和该一个或多个内室提供该第一流体。
根据一些实施例，该毛细泵在其第一端处与该第一通道处于流体连通，并且其中该毛细泵被布置为在该混合室的主室、相应的至少一个开口和一个或多个内室已经充有该第一流体之后经由该第一通道从该主室中吸取流体。这样可能是有利的，在于其允许简化布置。将毛细泵连接到第一通道允许使用相同的微流控通道来向混合室提供第一流体，随后从混合室的主室中排空第一流体。毛细泵可以被布置为不仅容纳从混合室的主室中去除的第一流体，而且还容纳保留在第一储存器中的第一流体。这样可以减少流体在该过程的稍后阶段(比如在向主室提供第二流体的步骤期间)离开第一储存器进入混合室的风险。
根据一些实施例，该布置进一步包括流阻器，该流阻器被布置为在第一流体到达主室的时间与第一流体从第一储存器到达毛细泵的时间之间引入时间延迟，使得毛细泵在混合室的主室和一个或多个内室已经充有第一流体之后开始从主室中吸取流体。这可能是有利的，在于其进一步简化了布置，从而消除了对主室排空的开始进行主动控制的需要。
根据一些实施例，该布置进一步包括
第二储存器，该第二储存器用于保持第二流体并且被布置为向主室提供第二流体，以便在主室已经排空第一流体之后用该第二流体填充该主室；以及
第二通道，该第二通道流控连接到该第二储存器，该第二通道在第一单向阀处终止，该第一单向阀流控连接到第一通道的第二端，使得在主室已经排空第一流体之后，第二通道被布置为利用毛细力从第二储存器中吸取流体以向主室提供流体，以便用第二流体填充主室。这可能是有利的，在于其允许使用混合室的相同入口向混合室提供第二流体。这进一步有助于简化布置。
根据一些实施例，该第一通道包括具有第一端的第一部分以及具有第二端的第二部分，并且其中第一部分和第二部分经由第二单向阀彼此流控连接，第二单向阀被布置为在第二阀已经通过毛细泵排空第一流体时防止流体从第二部分到达第一部分。第二单向阀允许降低在用第一流体和第二流体填充混合室的步骤期间使流体以错误的方式无意中离开或进入的风险。具体地，一旦已经通过毛细泵从主室中去除第一流体、并且通过第二通道向第一通道的第二部分提供第二流体，则防止第二流体通过第二单向阀进入而无意中被泵入毛细泵。相反，第二流体将会被驱动进入混合室的主室中以代替先前被去除的第一流体。
根据一些实施例，该第二通道进一步包括第三阀，该第三阀被布置为在主室已经排空第一流体之后打开，以便允许在主室已经排空第一流体之后向主室提供第二流体。第三阀可能是有利的，在于其允许控制向主室提供第二流体的时间，而无需设定将第二流体施用到第二储存器中的时间。因此，第三阀允许第二储存器始终是充满的，从而通过第三阀方便地控制流体的流量。
根据一些实施例，第一通道在其第一端处进入主室，并且其中主室在主室的相反的第二端处进一步包括通风口，所述通风口被布置为允许主室与周围环境之间进行气体交换。通风口可能是有利的，在于其允许在流体进入并充满主室时去除所捕获的空气。同样地，一个或多个内室也可以连接到通风口，或者可替代地或附加地，包括单独的通风口，以用于在流体被驱动穿过至少一个开口进入内室时使空气从内室中逸出。通风口可以进一步充当阀，该阀在第二端处控制流出混合室的流量。例如，当第一流体和第二流体已经在混合室中混合时，阀可以被控制为打开，以便使混合流体继续行进，以在布置下游的毛细驱动的流控系统中进一步处理。
根据第二方面，提供了一种诊断设备，该诊断设备包括根据第一方面的布置。诊断设备可以是例如芯片实验室设备，其被布置为基于第一流体和第二流体中的一个或两者来执行测试。
第二方面总体上可以具有与第一方面相同的特征和优点。还应注意，除非另有明确说明，否则发明构思涉及所有可能的特征的组合。
现在将参考附图在下文中对示例性实施例进行更全面的描述。然而，这些发明构思可以通过许多不同的形式来实施，并且不应该被解释为局限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例以便获得彻底性和完整性，并且向技术人员充分传达发明构思的范围。
本文的实施例不限于上述实例。可以使用多种不同的替代方案、修改和等同物。因此，本披露不应局限于本文阐述的具体形式。本披露仅受所附权利要求的限制，并且除了上述之外的其他实施例在权利要求的范围内同样是可能的。
术语“流体”应解释为能够通过微流控系统由毛细力驱动的液相的物质。在这样的系统中，流体将形成液/气界面，在该界面处将形成毛细压力，以便驱动流体流过该系统。
术语“毛细压力”当在本文中用于指定为该布置的一部分时应被解释为通过该布置的所述部分驱动在流体中产生的毛细压力。将理解，在系统的一个部分或相同的部分中，不同的流体可能引起不同的毛细压力。相关术语“毛细力”应解释为流体与通道或导管的实心壁之间的力，所述力除其他因素外还与表面张力有关。如本领域所公知的，毛细压力可以与所述毛细力有关。
“混合”应作广义解释，以便涵盖以一种方式或另一种方式有助于流体之间混合的所有过程。这样的过程可以是在微观尺度上，比如布朗运动和分子扩散，但是也可以是在宏观尺度上，比如在不同区域之间输送宏观体积的流体。术语“主动混合”应理解为通过向系统添加另一种组分和/或附加能量而开始和/或维持的混合过程。
现在将参考图1a和图1b详细描述该布置，这些图分别以俯视图示出该布置和以侧视图示出该布置的混合室。还将参考图2a、图2b至图5a、图5b，这些图展示了当用于使第一流体与第二流体混合时处于不同时间位置的混合室。还将参考图6，示出了披露了与图2a、图2b至图5a、图5b中的相应的图相对应的步骤的流程图。
图1a和图1b示出了根据本披露的示例性实施例的在毛细驱动的流控系统中的布置100。该布置用于使第一流体和第二流体以预定体积混合比混合。第一流体和第二流体可以例如分别是比如盐溶液等缓冲溶液和血液。布置100可以例如在比如半导体芯片、塑料芯片或组合式半导体/塑料芯片等芯片上实现。该布置的部件例如可以对应于这种芯片上的蚀刻结构。该芯片可以用于芯片实验室应用的诊断设备以例如对样本流体进行诊断测试。该芯片可以用作独立芯片，或者可以用作要插入诊断设备的配合部以进行分析的盒。
该布置包括混合室110，该混合室包括第一室(本文中称为主室120)和一个或多个第二室(本文中称为内室130a、130b)。内室130a、130b相对于主室120布置，使得流体只能经由主室120进入和离开一个或多个内室130a、130b。在不同的实施例中，内室130a、130b的数量可以变化。例如，在一些实施例中，只有一个内室，而在所展示的实施例中，混合室具有两个内室130a、130b。具有一个以上内室的原因可能是用于增加主室120与一个或多个内室130a、130b之间的液体界面，因为这样将减少两种流体混合的时间。
主室和一个或多个内室可以用各种方式设置在混合室内。例如，原则上可以将图1a的混合室110分隔成左部和右部，并且将主室设置在左部中并将内室设置在右部中。然而，再次出于减少混合时间的原因，有利的是布置主室120和一个或多个内室130a、130b，以便使主室120与一个或多个内室130a、130b之间的界面尽可能大。进一步地，有利的是设计混合室110并且在其中布置主室120和一个或多个内室130a、130b，以使流体中的比如分子等成分需要扩散或行进以获得均匀混合物的距离最小化，因为这也将影响混合时间。在所展示的实施例中，这是通过将混合室110设计成具有细长形状来实现的，即，混合室110在纵向方向D上延伸。例如，混合室110可以是通道。进一步地，主室120沿混合室110的整个长度在所述纵向方向D上延伸，并且两个内室130a、130b沿混合室110的相反的纵向侧设置。这提供了主室120与两个内室130a、130b之间的大界面，同时，由主室和两个内室分别保持的流体中的成分需要扩散或行进以便实现均匀混合物的距离很小。
主室120沿纵向方向D具有基本上均匀的截面S，使得其中形成的毛细压力CP3将是基本上恒定的。主室120可以充当微流控通道，因此能够驱动其中的毛细流。毛细压力CP3将与主室120的截面S的面积有关(即为该面积的函数)。截面S分别取决于主室的宽度和高度。对于该布置的一些示例实施例，混合室的高度可以是基本上恒定的，并且对于这样的实施例，主室中的毛细压力与开口之间的相对差将分别取决于截面S的宽度和支柱之间的距离W。
一个或多个内室130a、130b中的每一个都通过相应的结构124a、124b而与主室120分隔开，每个结构限定至少一个开口126a、126b，该开口允许主室120与一个或多个内室130a、130b之间的流体连通。在示例实施例中，每个结构124a、124b限定多个开口126a、126b。开口126a、126b被布置为在至少一个开口126a、126b中产生毛细压力CP2，该毛细压力大于主室120中的毛细压力CP3。毛细压力CP2与至少一个开口126a、126b的面积有关。为了在至少一个开口126a、126b中获得大于主室120中的毛细压力CP3的毛细压力，至少一个开口126a、126b中的每一个的面积都因此应该(显著)小于主室120的截面S的面积。假设矩形截面S并且矩形开口126a、126b具有与矩形截面S相同的高度，则毛细压力CP3和CP2之间的关系将由截面S的宽度(即，主室120的宽度)和开口126a，126b的宽度限定。
结构124a、124b可以采取许多不同的形式，只要是它们用于限定至少一个开口126a、126b，该至少一个开口的尺寸用于产生比主室120中的毛细压力CP3大的毛细压力CP2。在所展示的实施例中，每个结构124a、124b为一排支柱128a、128b的形式，这些支柱从混合室110的底表面以直角延伸。因此，每个结构124a、124b包括多个支柱128a、128b，并且在多个支柱128a、128b之间形成多个开口126a、126b。每个结构124a，124b的多个支柱128a、128b彼此相距一定距离W地等距布置，其中多个开口126a，126b中的毛细压力CP2取决于所述距离W。支柱之间的距离W因此也是开口宽度W。
支柱128a、128b可以具有矩形的基部。这可以在由内室130a、130b保持的流体与由主室120保持的流体之间引起液体界面的明确限定的位置。因此，如所展示的，至少一个开口126a、126b中的每一个的开口宽度W和开口长度L足以形成长度足以建立毛细压力CP2的通道。如本领域技术人员将认识到的，至少一个开口126a、126b和支柱128a、128b的尺寸可以根据应用而不同。长度L可以例如被设计为使得所产生的支柱128a、128b不会变得太脆弱。多个支柱128a、128b具有矩形截面，以便在每个结构124a、124b与主室120之间的相交处在支柱128a、128b之间限定多个开口126a、126b的尖角。尖角可以使得更好地保持相对于开口126a、126b限定的气/液界面的位置。这允许在主室120排空期间更精确地控制保留在混合室110中的第一流体的体积。
流体可以在混合室110的第一端处进入混合室的主室120，如将在下面进一步描述的。主室110进一步包括在主室120的相反的第二端处的通风口AV。通风口AV被布置为允许在主室120与周围环境之间进行气体交换，以便避免空气被困在主室120中并且允许空气进入主室120。通风口AV被进一步布置为允许在内室130a、130b与周围环境之间进行气体交换。因此，当混合室110中填充有流体时，通风口AV允许从混合室110中去除空气。通常，通风口AV可以是封闭的系统(即混合室110)的将其连接到外部的一个或多个开孔。通风口AV可以进一步是比如毛细触发阀等阀，其控制在第二端处从混合室110流出的流体。
布置100进一步包括用于保持第一流体的第一储存器R1。第一储存器R1被进一步布置为将第一流体提供给混合室110，以便经由相应的至少一个开口126a、126b用第一流体填充主室120和一个或多个内室130a、130b。在使用布置100使第一流体和第二流体混合的过程中，用第一流体填充混合室110将构成第一步骤。通过第一通道C1a、C1b将第一流体提供给混合室110。第一通道C1a、C1b被布置为利用毛细力从第一储存器R1吸取流体。第一通道C1a、C1b具有与第一储存器R1处于流体连通的第一端以及进入混合室110的主室120的第二端。将第一流体提供到主室120，然后进一步从主室120经由相应的开口126a、126b提供进入内室130a、130b。因此，通过在第一通道C1a、C1b内形成的毛细力来驱动第一流体，以通过第一通道C1a、C1b流入混合室110的主室120中。当进入主室120时，进一步通过在主室120内形成的毛细力来驱动第一流体。主室120内的毛细力将与主室120的毛细压力CP3有关。
图2a和图2b展示了当填充有第一流体时的混合室110。在图2a和图2b中展示的情况将会在图6的流程图中的步骤S602已经完成的时间位置处发生。一旦混合室110已经完全充满第一流体，则去除混合室120内的一部分流体，作为使第一流体和第二流体混合的过程中的第二步骤的一部分。已去除的流体部分将是占据主室120的流体，而流体的其余部分将是占据内室130a、130b和至少一个开口126a、126b的流体。
为此目的，布置100进一步包括毛细泵CP。毛细泵CP被布置为在主室120和混合室110的一个或多个内室130已经充有第一流体之后从主室120中吸取流体。毛细泵CP在其第一端处与第一通道C1a、C1b处于流体连通，并且被布置为经由第一通道C1a、C1b从主室120中吸取流体。毛细泵CP可以用不同的方式进行设计。可能的最简单的毛细泵是具有足够容积以容纳需要置换的液体体积的微通道。然而，通常将毛细泵设计为包括从输入通道分支的多个平行通道。因此，可以增加毛细压力，并且进而增加泵送作用。
毛细泵CP被布置为在毛细压力CP1下进行操作，该毛细压力在主室120的毛细压力CP3与每个相应的结构124a、124b的至少一个开口126a、126b中的毛细压力CP2之间，即，CP3<CP1<CP2。以这种方式选择毛细泵的操作压力CP1允许从主室120有效地去除流体以排空主室120，同时防止内室130a、130b和至少一个开口126a、126b中存在的流体离开混合室110。只要是至少一个开口126a、126b中的毛细压力CP2大于主室120的毛细压力CP3且大于毛细泵CP的毛细压力CP1，流体就不会在毛细力的驱动下离开内室130a、130b。相反，将在一个或多个开口126a、126b的面向主室120的边缘处形成静止的液/气界面。因此，将理解，在主室120已经排空第一流体之后，第一流体也将存在于一个或多个开口126a、126b内。因此，保持在混合室中的第一流体的体积等于一个或多个内室130a、130b和至少一个开口126a、126b的体积之和。在图3a和图3b中进一步展示出这种情况，这些图展示了当已经将第一流体从主室120中去除时的混合室110。在图3a和图3b中展示的情况将会在图6的流程图中的步骤S604已经完成的时间位置处发生。在图3a中，气/液界面示出为直线。然而，实际上，由于表面张力与壁的相互作用而使得具有轻微的曲率，使得开口126a、126b中的流体的体积将略小于开口126a、126b的体积。
第一通道C1a、C1b中的毛细压力通常小于CP1，并且优选地还大于或等于CP3。这可以通过适当地选择第一通道C1a、C1b的比如截面面积等尺寸来实现。
所期望的是，直到混合室110已经完全充满流体之后才开始从主室120排空第一流体的步骤。为此目的，布置100可以进一步包括流阻器R，该流阻器被布置为在第一流体到达主室120的时间与第一流体从第一储存器R1到达毛细泵CP的时间之间引入时间延迟。这样可以确保除非主室120和混合室110的一个或多个内室130已经充有第一流体，否则毛细泵CP不会开始从主室120吸取流体。
从以上描述中将理解，流体将以两种方式通过第一通道C1a、C1b输送：首先从第一储存器R1到混合室110，然后从混合室110到毛细泵CP。然而，为了添加对流量的控制，第一通道C1a、C1b包括第二单向阀V2。具体地，第一通道C1a、C1b包括具有第一端的第一部分C1a以及包括第二端的第二部分C1b，并且其中第一部分C1a和第二部分C1b经由第二单向阀V2彼此流控连接。第二单向阀V2被布置为当第二阀V2已经通过毛细泵CP排空第一流体时防止流体从第二部分C1b到达第一部分C1a。稍后将进一步讨论第二单向阀V2。
布置100进一步包括第二储存器R2，该第二储存器用于保持第二流体并且被布置为向主室120提供第二流体，以便在主室120已经排空第一流体之后用第二流体填充主室120。
通过第二通道C2向混合室110提供第二流体，该第二通道被布置为利用毛细力从第二储存器R2中吸取流体。第二通道C2流控连接到第二储存器R2并且在第一单向阀V1处终止，该第一单向阀流控连接到第一通道C1a、C1b的第二端。由于第一通道C1a、C1b在从主室120中排空第一流体的步骤之后已经通过毛细泵CP排空第一流体，所以将允许第二流体通过第一通道C1a、C1b的第二部分C1b到达主室120。同时，防止第二流体通过第二单向阀V2进入而无意中被泵入毛细泵CP。相反，第二流体将被驱动进入混合室110的主室120中以代替先前被去除的第一流体。
第二通道C2可以进一步包括第三阀V3，该第三阀被布置为控制第二通道C2中的第二流体的流动。在主室120已经排空第一流体之后，可以控制第三阀V3打开。以这种方式，仅在主室120已排空第一流体之后，才可以将第二流体提供给主室120。第三阀可以是毛细触发阀，该毛细触发阀被布置为在触发流体到达阀(未示出)时打开。可替代地，第三阀V3可以通过替代方式(比如机电致动)来致动。
在主室120已经充有来自第二储存器R2的第二流体之后，混合通道110因此再一次填充有流体。然而，此时，混合室120容纳两种流体。最初从第一储存器R1提供的第一流体占据内室130a、130b和开口126a、126b，而随后从第二储存器R2提供的第二流体占据主室110。这在图4a和图4b中进一步示出，这些图示出了当填充有第一流体和第二流体时的混合室110。在图4a和图4b中展示的情况将会在图6的流程图中的步骤S606已经完成的时间位置处发生。
然后使一个或多个内室130a、130b中的第一流体与主室120中的第二流体通过相应的结构124a、124b的至少一个开口126混合。所得混合物将具有预定体积混合比，即一个或多个内室130a、130b和至少一个开口126a、126b的体积之和(即，第一流体的体积)与主室120的体积(即，第二流体的体积)之比。这在图5a和图5b中进一步展示，这些图示出了在第一流体和第二流体混合之后的混合室110。在图5a和图5b中展示的情况将会在图6的流程图中的步骤S608已经完成的时间位置处发生。
在此阶段，通道C1b以及第二储存器R2通常仍填充有第二流体。原则上，可能发生的是，通道C1b和第二储存器R2中的第二流体相对于第二流体对混合室110中的混合物进行稀释，从而使混合物富含第二流体。然而，如果沿纵向方向D的分子扩散足够慢从而使混合室110中的流体与通道C1b中的第二流体之间的界面区域在纵向方向D上受到限制，则此影响将被忽略。这可以通过将混合室110的体积设计为大于化验反应/检测所需的体积来实现，并且因此该界面处的较小体积将不会干扰反应/检测。可替代地，可以使用其他手段来阻止通道C1b中的第二流体的附加体积与混合体积接触。例如，可以使用主动阀(例如，机械阀)将混合室与C1b通道分隔开，或者可以通过外部压力引入不能混溶的流体(例如，油)而使混合室110与通道C1b中的第二流体隔离(例如，交叉结构)。
在允许流体在混合之后从混合室110流出以在下游进行进一步反应的应用的情况下，通常在一定体积的混合流体之后跟着是一定体积的第二流体。然而，如果混合流体的体积大于后续反应所需的体积，则第二流体的体积及其与混合流体的界面将不会干扰反应。
混合可以单纯地基于分子扩散。因此，可能有利地使得在结构中具有许多开口以实现第一流体和第二流体交汇处的较大的有效截面。为了加快混合过程，可以例如通过AC电渗透来实现主动混合。
上述的第一单向阀V1和第二单向阀V2被布置为当单向阀V1、V2没有填充有流体时防止流体沿着阀的输送方向之一经过。因此，在这些阀填充有流体的情况下，单向阀V1、V2可以允许沿两个方向输送流体穿过阀。
因此，将理解，在使用毛细泵CP排空主室110的步骤期间，第二单向阀V2不能防止第一流体从第二部分C1b流向第一部分C1a。第二单向阀V2仅在阀未填充有流体时阻止从第二部分C1b输送到第一部分C1a。在主室120已经排空之后，将出现这种情况。在排空主室120的步骤期间，空气将经由通风口AV被吸入主室120中以连续替代已去除的流体的体积。随着第一流体离开主室120并进入第一通道C1a、C1b，空气也将开始替代占据第一通道C1a、C1b的第一流体。当液/气界面到达第二单向阀V2时，该阀将变为充满空气的，因此能够防止流体在稍后沿相同方向穿过阀。因此，一旦已经通过毛细泵CP从主室120中去除第一流体、并且通过第二通道C2向第一通道C1a、C1b的第二部分C1b提供第二流体，则防止第二流体通过第二单向阀V2进入而无意中被泵入毛细泵CP。
第一单向阀V1类似于上文描述的第二单向阀V2。设置第一单向阀V1以防止当阀中未填充有流体时流体从第一通道C1a、C1b到达第二通道C2。因此，在填充混合室110的步骤期间以及在经由第一通道C1a、C1b排空主室120的后续步骤期间，防止第一流体进入第二通道C2。
单向阀V1、V2可以是比如机械阀、电动阀和热力阀等任何类型的微阀。具体地，单向阀V1、V2可以是基于突然的几何扩张的毛细阀。在这种阀中，沿第一方向通过阀进入的流体可以来自截面较小的第一阀通道，所述第一阀通道连接到截面比第一阀通道的截面更大的第二阀通道。当流体的液/气界面到达第一阀通道和第二阀通道之间的过渡处时，流体的运动将会由于毛细压力的突然下降而卡住。在相反的第二方向上进入的流体将从截面较大的第二阀通道流向截面较小的第一阀通道，由此将会允许通过毛细力连续驱动流体通过该阀。第三阀V3也可以是基于突然的几何扩张的毛细阀。然而，第三阀V3与第一单向阀V1和第二单向阀V2的不同之处可以在于，第三阀V3具有另外的入口，以允许用作触发流体的第二流体进入第三阀V3以触发该阀的打开以允许主流体穿过第三阀V3。
本文所述的实施例不限于上述实例。可以使用多种不同的替代方案、修改和等同物。例如，可以包括另外的阀，从而进一步改善布置的定时控制。此外，可以使用可替代的阀技术。因此，本披露不应局限于本文阐述的具体形式。本披露仅受所附权利要求的限制，并且在权利要求的范围内，除了上述实施例之外的其他实施例同样是可能的。

Claims (15)

1.一种毛细驱动的流控系统中的用于使第一流体和第二流体以预定体积混合比混合的布置(100)，该布置包括：
混合室(110)，该混合室包括主室(120)和一个或多个内室(130a，130b)，所述主室(120)通过相应的结构(124a，124b)与该一个或多个内室(130a，130b)中的每一个分隔开，每个结构包括至少一个开口(126a，126b)，该至少一个开口允许在该主室(120)与该一个或多个内室(130a，130b)之间处于流体连通，并且该至少一个开口在使用期间被布置为在该至少一个开口(126a，126b)中产生毛细压力(CP2)，该毛细压力大于该主室(120)中的毛细压力(CP3)，
其中该混合室(110)被布置为接纳第一流体，以便经由该相应的至少一个开口(126a，126b)用该第一流体填充该主室(120)和该一个或多个内室(130a，130b)，
毛细泵(CP)，该毛细泵被布置为在该混合室(110)的主室(120)和一个或多个内室(130a，130b)已经充有该第一流体之后从该主室(120)中吸取流体，其中该毛细泵(CP)被布置为在毛细压力(CP1)下进行操作以使该主室(120)而非该一个或多个内室(130a，130b)排空该第一流体，该毛细压力处于该主室(120)的毛细压力(CP3)与每个相应结构(124a，124b)的至少一个开口(126a，126b)中的毛细压力(CP2)之间，并且
其中该混合室(110)被布置为接纳第二流体，以便在该主室(120)已经排空该第一流体之后用该第二流体填充该主室(120)，使得该一个或多个内室(130a，130b)中的第一流体和该主室(120)中的第二流体能够通过该相应结构(124a，124b)的至少一个开口(126a，126b)混合。
2.根据权利要求1所述的布置，其中每个结构(124a，124b)限定多个开口(126a，126b)。
3.根据权利要求2所述的布置，其中每个结构(124a，124b)包括多个支柱(128a，128b)，并且其中在该多个支柱(128a，128b)之间形成该多个开口(126a，126b)。
4.根据权利要求3所述的布置，其中每个结构(124a，124b)的多个支柱(128a，128b)彼此相距一定距离(W)地等距布置，其中该多个开口(126a，126b)中的毛细压力(CP2)取决于所述距离(W)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的布置，其中该混合室(110)在纵向方向(D)上延伸，并且该主室(120)在所述纵向方向(D)上沿该混合室(110)的整个长度延伸。
6.如权利要求5所述的布置，其中该主室(120)沿该纵向方向(D)具有基本上均匀的截面(S)，使得其中形成的毛细压力(CP3)将是基本上恒定的。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的布置，其中该混合室(110)在纵向方向(D)上延伸，并且该混合室(110)包括两个内室(130a，130b)，每个内室通过包括至少一个开口(126a，126b)的相应的结构(124a，124b)与该主室(120)分隔开，其中该两个内室(130a，130b)沿该混合室(110)的相反的纵向侧设置。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的布置，进一步包括：
第一储存器(R1)，该第一储存器用于保持该第一流体，并且被布置为向该混合室(110)提供该第一流体，以便经由该相应的至少一个开口(126a，126b)用该第一流体填充该主室(120)和该一个或多个内室(130a，130b)，以及
第一通道(C1a，C1b)，该第一通道具有与该第一储存器(R1)处于流体连通的第一端、以及进入该混合室(110)的主室(120)中的第二端，其中该第一通道(C1a，C1b)被布置为利用毛细力从该第一储存器(R1)中吸取流体，从而经由该相应的至少一个开口(126a，126b)向该主室(120)和该一个或多个内室(130a，130b)提供该第一流体。
9.根据权利要求8所述的布置，其中该毛细泵(CP)在其第一端处与该第一通道(C1a，C1b)处于流体连通，并且其中该毛细泵(CP)被布置为在该混合室(110)的主室(120)、相应的至少一个开口(126a，126b)和一个或多个内室(130a，130b)已经充有该第一流体之后经由该第一通道(C1a，C1b)从该主室(120)中吸取流体。
10.根据权利要求9所述的布置，其中该布置进一步包括流阻器(R)，该流阻器被布置为在该第一流体到达该主室(120)的时间与该第一流体从该第一储存器(R1)到达该毛细泵(CP)的时间之间引入时间延迟，使得该毛细泵(CP)在该混合室(110)的主室(120)和一个或多个内室(130a，130b)已经充有该第一流体之后开始从该主室(120)中吸取流体。
11.根据权利要求8所述的布置，进一步包括：
第二储存器(R2)，该第二储存器用于保持该第二流体并且被布置为向该主室(120)提供该第二流体，以便在该主室(120)已经排空该第一流体之后用该第二流体填充该主室(120)；以及
第二通道(C2)，该第二通道流控连接到该第二储存器(R2)，该第二通道(C2)在第一单向阀(V1)处终止，该第一单向阀流控连接到该第一通道(C1a，C1b)的第二端，使得在该主室(120)已经排空该第一流体之后，该第二通道(C2)被布置为利用毛细力从该第二储存器(R2)中吸取流体以向该主室(120)提供流体，以便用该第二流体填充该主室(120)。
12.根据权利要求8所述的布置，其中该第一通道(C1a，C1b)包括具有该第一端的第一部分(C1a)以及具有该第二端的第二部分(C1b)，并且其中该第一部分(C1a)和该第二部分(C1b)经由第二单向阀(V2)彼此流控连接，该第二单向阀被布置为在该第二单向阀(V2)已经通过该毛细泵(CP)排空该第一流体时防止流体从该第二部分(C1b)到达该第一部分(C1a)。
13.根据权利要求11所述的布置，其中该第二通道(C2)进一步包括第三阀(V3)，该第三阀被布置为在该主室(120)已经排空该第一流体之后打开，以便允许在该主室(120)已经排空该第一流体之后向该主室(120)提供该第二流体。
14.根据权利要求8所述的布置，其中该第一通道(C1a，C1b)在其第一端处进入该主室(120)，并且其中该主室(120)在该主室(120)的相反的第二端处进一步包括通风口(AV)，所述通风口被布置为允许该主室(120)与周围环境之间进行气体交换。
15.一种诊断设备，包括根据权利要求1-14中任一项所述的布置。
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