CN111989153A - 在微流体系统中稀释、混合和/或等分两种液体 - Google Patents

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CN111989153A CN201980027904.4A CN201980027904A CN111989153A CN 111989153 A CN111989153 A CN 111989153A CN 201980027904 A CN201980027904 A CN 201980027904A CN 111989153 A CN111989153 A CN 111989153A
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Abstract

本发明涉及一种用于在使用微流体系统的情况下稀释、混合和/或等分两种液体（F1、F2）的方法，所述微流体系统包括至少两个泵腔（1、2），所述泵腔通过至少一条微流体通道（3）相互连接。所述至少一条通道（3）被如此设计，从而第一液体（F1）的至少一部分在泵送之后保留在所述通道（3）中。该方法包括以下步骤：首先，用第一液体（F1）填充所述泵腔（1）中的至少一个；接着通过所述通道（3）泵送所述第一液体（F1），其中，所述第一液体（F1）的一部分保留在所述通道（3）中。然后，测定所述第一液体（F1）的保留在所述通道（3）中的部分。最后，用第二液体（F2）冲洗所述通道（3）。

Description

在微流体系统中稀释、混合和/或等分两种液体
技术领域
本发明涉及一种在具有至少两个试样腔和至少一条通道的微流体系统中稀释、混合和/或等分两种液体的方法。
背景技术
对于不同的应用领域，使用微流体装置或系统，像比如微流体芯片。这种通常由塑料构造的流体装置例如可以用于分析的、制备的或诊断的应用，尤其是应用于医学中，并且用于分析具有微型化形式的高敏感性的试样溶液。微流体系统允许所执行的过程步骤的自动化和并行化。微流体系统例如可以以所谓的芯上型实验室系统（Lab-on-Chip-System）的形式使用，其中实验室的功能在一定程度上以信用卡格式组合。通过微型化，实验室过程可以直接在处理地点（兴趣点）取出试样时予以执行。
为了能够执行不同的过程而通常规定，将液体稀释、混合和/或等分以及分配到不同的体积上。按照传统方式，稀释、混合和/或等分，即根据份额的测定借助于微流体系统的固定的几何形状实现。
发明内容
本发明也涉及一种在使用微流体系统的情况下稀释、混合和/或等分两种液体的方法，该微流体系统包括通过至少一条微流体通道（下文简称为“通道”）彼此连接的至少两个泵腔。泵腔分别具有入口和出口，通过入口和出口能够以液体填充或排空泵腔，其中，其中一个泵腔的出口通过微流体通道与另一个泵腔的入口连接。泵腔中的至少一个设置用于将第一液体通过至少一条通道泵送到另一个腔中，已利用该第一液体填充该腔。为此，泵腔（下面简称为“腔”）可以具有膜片，该膜片在泵送时偏转并且将液体从腔中挤出。第一液体尤其是具有待研究的分析物的含水溶液。
在第一步骤中，用第一液体填充所述腔中的至少一个。第一液体尤其是待研究的试样溶液。接着，第一液体通过通道被泵送到另一腔。由于通道的这种设计，第一液体的一部分保留在通道中。优选地，在泵送之后，通道完全填充以第一液体。第一液体的保留在通道中的部分依赖于通道的设计、尤其依赖于其几何形状、形状和长度。通过选择通道，可以预先给定第一液体的保留在通道中的部分的体积。第一液体的保留在通道中的部分随后被测定。该测定可以纯原则上通过附加的部件来实现。然而优选地，为此使用通道的已知的几何形状、形状和长度，并且由此推断出第一液体的保留在通道中的部分的体积。
用第二液体冲洗所述第一液体的所述部分所在的同一条通道，从而混合所述第一液体和所述第二液体。在本文中，（贯通）冲洗意味着，第二液体流动通过微流体系统并且在此尤其流动通过通道。在此，第二液体可以被预留（vorhalten）在其他腔之一中并且然后被泵送到系统中。闭合回路特别适合于此，其中所述腔中的每个腔的出口与另外的腔中的一个腔的入口连接。这被称为周期性混合。这意味着，两种液体的混合可以通过在两个腔之间的交替的来回泵送来实现。替代地，第二液体可以从外部通过入口输送给微流体系统。为此可以使用外部装置、例如外部泵，其布置在所述微流体系统之外。可以调整冲入的第二液体的体积。第二液体尤其同样是含水溶液。结果，可以以简单的方式实现两种液体以限定的且可控的第一液体的体积和在冲洗时可调整的第二液体的体积进行的混合和/或稀释。可选地，随后还可以进行等分，即根据份额测定混合物。因此，可以实现第一液体的部分体积从总体积的特别简单的被动分离或去除。在此特别有利的是，动态混合允许在实验期间允许调整反应混合物和/或稀释程度（Verdünnungsstufe）。由此，可以根据第一液体的开始时总体现有的体积来选择稀释程度。
该方法也可以用于由多个泵腔和多条通道形成的微流体网络，通过所述多条通道将所述腔彼此连接。为此可以重复上述步骤。前述两个泵腔和连接这两个泵腔的通道可以理解为微流体网络的模块。微流体网络描述泵腔的和通道的上级结构，并且可以被认为是微流体系统的一部分。根据本方面，微流体网络具有多个开头所描述的模块。
各个模块可以不同地设计并且尤其是具有不同地设计的通道，第一液体的不同大小的体积于是保留在所述通道中。由此可以在给定的微流体网络中形成不同的混合比例和/或稀释程度。这具有的优点是，可以以限定的方式形成期望的稀释。此外，微流体网络也可以具有其他模块、腔和/或通道。上述模块可以被插入到已经存在的微流体网络中。
名称“第一”液体和“第二”液体在此应仅用于区分两种液体。在每次重复该方法时，相同或不同的液体可被选择为新的“第一”或“第二”液体，并且本发明不限于两种类型的液体。根据应用，第一液体以腔中的至少一个腔来填充根据以下可能性来选择：一方面，第一液体对应于通过泵送而转移到该（这些）腔中的初始的第一液体减去保留在通道中的第一液体的部分。另一方面，第一液体与在该方法的一次运行之后出现的第二液体的混合在该方法的重复中可以被视为新的第一液体。因此，可以实现进一步的混合或稀释。在两种可能性中，在重复该方法时，第二液体可以相应于初始的第二液体或者选择另一种第二液体。此外，在重复该方法时，可以选择另一条通道，通过该通道泵送该第一液体。如前所述，通道可以不同，并且因此不同的体积可以保留在不同的通道中。通过选择通道，可以实现不同的混合比例或稀释程度。
第一液体的和通道的表面效应主要负责在泵送之后使得第一液体的部分保留在通道中。在此，作为主要效果要提到（第一）液体本身的表面张力和（第一）液体与通道的与（第一）液体接触的表面之间的界面张力。表面效应优选导致通道中的（第一）液体的毛细效应。所述表面效应取决于通道的几何形状、形状和长度、通道的表面材料和液体本身。关于表面效应，含水第一液体可以等同于水，使得它们易于处理。根据本方面，至少一条通道被如此设计，从而在泵送之后由于表面效应而使液体的期望部分保留在通道中。优选地，泵送腔（即第一液体从其被泵送到连接通道中的腔）的体积与通道的体积之比处于1：2至1：10000之间的范围内，特别优选地处于1：5至1：1000之间的范围内。这些比例特别好地适合于使第一液体的一部分保留在通道中。泵腔的体积优选处于1µl到500µl之间的范围中，特别优选处于10µl到50µl之间的范围中。这些泵腔的体积特别良好适合于例如在分子诊断学中的典型的研究。
如已经描述的那样，测定第一液体的保留在通道中的部分。为此，一方面可以由通道的已知几何形状、形状和长度计算出通道的体积，并且由此推断出第一液体的保留在通道中的部分的体积。在用第一液体完全填充通道的情况下，第一液体的保留在通道中的部分的体积恰好对应于通道的体积。通道的体积通常是已知的，例如在制造时预先给定或通过测量来测定，因此在这种情况下，通道的体积等同于第一液体的保留在通道中的部分的体积。替代地，摄像机可以与分析单元一起使用，以便在考虑通道的几何形状、形状和长度的情况下测定第一液体的保留在通道中的部分的体积，其中，为此可以测定填充度。此外，借助于上述摄像机连同分析单元可以测定液体的稀释程度。所测定的数据，即因此第一液体的部分的体积和/或质量，可用于监控所需的混合比例和/或所需的稀释程度的实现情况。替代地或附加地，所测定的数据可用于测定第二液体的、对于实现所期望的稀释、混合和/或等分所需的体积。
根据一个方面，在泵送腔将第一流体已经泵送到另一个腔中之后，这些腔被排空。在此规定，第一液体即使在所述腔被排空之后也保留在所述至少一条通道中。接着，第二液体可以通过现在被排空的腔被引入到微流体系统中。由此，可以特别简单地实现第一液体与第二液体的混合或稀释。在排空之后，仅在微流体系统中存在保留在通道中的第一液体，该第一液体的体积是已知的。换句话说，第二液体在冲洗时可以仅与已知的第一液体在通道中混合，因为在排空之后并且在冲洗之前在所观察的微流体系统中不存在其他液体。在此需要说明的是，与前述的微流体网络相关联地，不必同时排空所有的泵腔，然而尽管如此仍可以在微流体网络中-也可以在通道之外-尤其也在腔中-存在其它液体。
计算机程序被设置用于执行该方法的每个步骤，尤其是当该计算机程序在计算设备或控制器上被执行时。计算机程序能够在传统的电子控制器中实现所述方法，而不必为此进行结构上的改变。为此，计算机程序被存储在能够机读的存储介质上。
通过在用于控制微流体系统的传统的电子控制器上运行所述计算机程序，获得如下一种电子控制器，该电子控制器设置用于在使用微流体系统的情况下稀释、混合和/或等分两种液体。
电子控制器可以是芯上型实验室（Lab-on-Chip）的一部分，也称为芯片实验室（Chiplabor），其包括前述微流体系统。此外，芯上型实验室具有用于控制流体流动的部件、用于实施实验室过程的部件和呈紧凑的结构形式的用于分析的部件。通过这种集成的结构形式，可以完全在芯上型实验室中研究试样溶液。可选地，芯上型实验室可以具有检测至少一条通道的摄像机和分析单元，该分析单元分析摄像机的信号。摄像机检测通道中的液体并且例如记录液体的荧光和/或浊度并且将其信号传递到分析单元上。分析单元由摄像机信号、即例如由荧光和/或浊度来测定液体的稀释程度。由此，可监控所期望的混合比例和/或所期望的稀释程度的实现情况。通过监控稀释程度，提供了一种反馈系统（反馈系统），通过该反馈系统可以控制或调节（一种或多种）液体的混合或稀释。此外，分析单元也可以测定第一液体的保留在通道中的部分的体积。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在下面的描述中进行详细解释。
图1a-d示出本发明的第一实施方式的示意图。
图2a-f示出本发明的第二实施方式的示意图。
图3a-i示出本发明的第三实施方式的示意图。
图4a-g示出本发明的第四实施方式的示意图。
图5示出了芯上型实验室的示意图，在该芯上型实验室上可以运行按照本发明的方法的实施方式。
具体实施方式
图1a-d示出了微流体系统的示意图。下面阐述微流体系统的基本概念，其可以视为用于微流体网络中的独立模块。子图1a-c分别示出了根据本发明的方法的第一实施方式的步骤。微流体系统具有第一泵腔1和第二泵腔2，这两个泵腔在该实施例中都相同地构造并且分别具有未示出的膜片，所述膜片在泵送时偏转并且将液体从相应的腔中挤出。在另外的实施例中，第一泵腔1和第二泵腔在结构、功能、体积和所包括的部件方面可以不同。这两个腔1、2通过微流体通道3彼此连接，其中所述微流体通道3将所述第一腔1的出口11与所述第二腔2的入口20相连接。泵腔1、2的体积例如为30µl，并且泵腔1、2的体积与通道的体积的比例为1：100。在图1a中，第一腔1通过其入口10填充以第一液体F1，该第一液体具有待研究的分析物并且是基于水的。第二腔2和通道3填充以第二液体F2。
在图1b中，第一腔1的膜片偏转，并且因此第一液体F1通过通道3被泵送到第二腔2中，并且在此第二液体F2从第二腔2和通道3被挤出。通道3被如此设计，使得第一液体F1的至少一部分在被泵送之后保留在通道3中。在此，尤其是表面效应、像比如第一液体F1自身的表面张力以及第一液体F1与通道3的与第一液体F1接触的表面之间的界面张力作用于第一液体F1并且引起通道3中的第一液体F1的毛细效应，由此将所述第一液体阻挡在通道3中。所述表面效应取决于通道3的几何形状、形状和长度、通道3的表面材料和液体F1本身。在本实施例中，通道3在被泵送之后完全填充以第一液体F1。
在图1c中，第二腔2通过其出口21被排空，其中，由于通道3的设计和起作用的表面效应，第一液体F1在排空之后还继续保留在通道3中。随后，第二液体F2通过第一腔1的入口10被引入到微流体系统中并且通过通道3冲洗，第一液体F1应当利用所述第二液体F2混合或稀释。在图1d中，第一液体F1和第二液体F2混合成第一混合物M1并且第一液体F1用第二液体F2稀释。因为通道3的几何形状、形状和长度是已知的并且该通道完全被第一液体F1填充，所以由此可以测定第一液体的体积，从而可以控制混合比例或稀释程度。此外，规定第一液体F1的或分析物的等分，即根据份额的测定。
在图1-4中，出于概览的原因，放弃用于控制液体流动的阀的示图。在下文中，相同的部件将由相同的附图标记表示，并且将省略其重复描述。名称“第一腔”和“第二腔”在此涉及其以第一液体F1和或第二液体F2的填充。在子图内部，为了更好的概览，固定的部件的附图标记仅在相应的子图a中标出并且能够转用到其他子图上。
图2a-f示出了微流体系统的示意图，其中第一腔1的出口11和第二腔2的出口21通过微流体通道3来连接，并且所述第一腔1的入口10和所述第二腔2的入口20通过另一条与所述微流体通道3相类似地构造的微流体通道3´来连接，使得所述微流体系统形成闭合的微流体回路。通道3与共同的出口30连接。通过入口10、20和共同的出口30，上述模块可以被装入到微流体网络中。腔1、2，入口10、20和共同的出口30可以被单独地操控。
子图2a-f分别示出根据本发明的方法的第二实施方式的步骤。在图2a中，第一腔1填充以第一液体F1，并且在第二腔2中预留有第二液体F2。在图2b中，第一液体F1从第一腔1被泵出到通道3´中并且通过出口30被泵出。在此，如前所述，第一液体F1的一部分存留在通道3中。在图2c中，两个腔1、2在泵送下交替地打开和关闭，使得第二液体F2通过通道3、3´在闭合回路中运动并且与保留在通道3中的第一液体F1混合。这一过程称为周期性混合。在限定的周期次数之后，如图2d中所示，两种液体F1和F2完全混合成具有限定的混合比例的混合物M1，并且将腔1、2闭合。混合物M1现在可以用于其他研究目的。在图2e和2f中示出，如何由混合物M1产生具有另外的混合比例的另一种混合物M2。与第一液体F1类似，第一混合物M1的一部分也保留在通道3、3´中。第二腔2经由入口20再次填充以第二液体F2。在其他实施例中，根据期望的混合比例，可以取而代之用第二液体F2填充第一腔1或者用第一液体F1填充第一腔1或第二腔2。随后，再次进行第二液体F2与第一混合物M1的周期性混合，该第一混合物在图2f中的限定的周期次数之后完全混合成第二混合物M2。
图3a-i示出了微流体网络的示意图，利用该微流体网络可以实现具有不同的稀释程度和混合比例的稀释系列。第一腔1的出口通过微流体通道3同时与第二腔2的入口20和第三腔4的入口40连接。第二腔2的出口21通过另一条类似于微流体通道3构造的微流体通道3´与第三腔4的出口41连接。另一条通道3´具有共同的出口30，其多次分支并且如此形成一种网络。共同的出口30的每个分支以及腔1、2、4都可以借助于开头所述的阀单独地操控。在共同的出口30的用附图标记31标出的部位处布置有未详细示出的旁路。通过该旁路能够至少冲洗共同的出口30。
子图3a-i分别示出根据本发明的方法的第三实施方式的步骤。在图3a中，第一腔1填充以第一液体F1，该第一液体在图b中通过通道3被泵送到第三腔4中，其中，第一液体F1的一部分保留在通道中。腔1填充以第二液体F2，并且该第二液体随后如在图3c中所示那样被泵送到第二腔2中，其中，在此第二液体F2的一部分也保留在通道中。在图3d中，进行第二液体F2与第一液体F1的周期性混合，如已经结合图2c所解释的那样，由此获得具有限定的混合比例和限定的稀释程度的第一混合物M1。如图3e中所示，第一混合M1通过出口30被导出到分支中的一条中并且然后可以被继续使用。随后，共同的出口30经由上述旁路冲洗，使得第一混合物M1除可忽略的一小部分之外从共同的出口30去除。在图3f中总结了多个步骤。在此，第一混合物M1的一部分保留在通道3´中，并且然后将其泵送到第二腔2中。此外，类似于图3a，第一腔1再次填充以第一液体F1并且类似于图3b，第一液体F1随后被再次泵送到第三腔4中。取决于所期望的混合比例和稀释程度，在另外的实施例中，可以取而代之使用第二液体F2。在图3g中，再次进行第一混合物M1与第一液体F1的周期性混合以获得第二混合物M2。然后，如在图3h中所示，将该第二混合物M2通过出口30导出到另一条分支中。重复上述步骤，以便用八种不同的混合物M1、…M8获得在图3i中示出的稀释系列，所述混合物分别具有不同的混合比例和不同的稀释程度。
图4a-g示出了用于执行Nested-PCR（嵌套式聚合酶链式反应）的微流体系统的示意图。在此，将一种前置放大器（Prä-Amplifikat）分到两条不同的反应线路上，并且将前置放大器的引物如此程度地稀释，使其在第二PCR中不再具有活性。给已经描述的第一腔1和第二腔2分别配设有另一腔5、6，在所述腔中存在冻干物L、也称为冻干珠（Lyobeads）。腔1、2、5、6通过微流体通道3彼此连接。在此，第一腔1和第二腔2共同形成回路。此外，第一腔1与其所属的腔5以及第二腔2与其所属的腔6分别形成子回路。为了实现所谓的往返式PCR，给所述第一腔1和第二腔2在其它实施例中可以配设有未示出的其它腔，从而三个腔分别形成一个单元。
子图4a-g分别示出根据本发明的方法的第四实施方式的步骤。首先，在图4a中例如以前置放大器的反应产物作为第一液体F1填充第一腔1。然后，第一液体F1在图4b中通过第一腔1与第二腔2之间的回路被泵送。在此，第一液体F1的一部分保留在通道3中。随后，用含水的第二液体F2冲洗微流体系统，如在图4c中所示。然后，如在图4d中所示，通过第一腔1的和第二腔2的循环泵将第一液体F1、即前置放大器和第二液体F2、即缓冲剂进行混合，从而产生混合物M1。可以通过重复如关于图3所描述的步骤来调整稀释程度。如果已经实现所期望的稀释程度，则将混合物M1泵送到腔5和6中，参见图4e。通过在第一腔1与所属的腔5之间的子回路中以及在第二腔2与所属的腔6之间的子回路中泵送混合物M1，将位于其中的冻干物L溶解在混合物M1中，参见图4f。如图4g所示，然后将获得的混合产物泵送到第一腔1以及第二腔中。随后，开始第二特定PCR。
图5示出了具有反馈系统（反馈系统）的芯上型实验室的示意图，在该反馈系统上可以运行根据本发明的方法的实施方式。微流体系统S由摄像机7检测，该摄像机记录液体的荧光和/或浊度。此外，设置有如下分析单元8，该分析单元获得摄像机信号。分析单元8由摄像机信号以算法的形式测定液体F1、F2的稀释程度和/或混合比例。如此长时间地重复上述用于改变稀释程度的步骤，直到已经实现所期望的稀释或所期望的混合比例并且这一点已经由分析单元8识别到。然后，分析单元7将释放信号传递到气动控制单元9，该气动控制单元控制微流体系统S并且开始后续的步骤，像比如继续导引所获得的混合物。此外，分析单元8测定对于所期望的稀释、混合和/或等分所需的第二液体F2的体积。第一，分析单元8可以将稀释程度与先前校准的稀释程度进行比较。第二，分析单元8可以在研究期间被校准。第一液体F1的保留在通道3中的部分的体积由通道3的几何形状、形状和长度予以测定，并且第二液体F2的体积要么在外部测量要么同样经由保留在通道3中的部分来测定。分析单元8由两种液体F1和F2的两个体积来计算稀释程度或混合比例，并且将它们与摄像机信号关联起来。第三，可以将具有已知稀释程度或混合比例的参考液体注入到第二腔2中。然后，分析单元8将两种液体F1和F2的混合物与参考液体进行比较。此外，分析单元8可以记录稀释程度或混合比例，然后可以将其导入到相应的试验的分析算法中。

Claims (10)

1.一种用于在使用微流体系统（S）的情况下稀释、混合和/或等分两种液体（F1、F2）的方法，所述微流体系统包括至少两个泵腔（1、2），所述泵腔通过至少一条微流体通道（3）相互连接，其中所述至少一条通道（3）被如此设计，使得第一液体（F1）的至少一部分在泵送之后保留在所述通道（3）中，
其特征在于以下步骤：
- 用第一液体（F1）填充所述泵腔（1）中的至少一个；
- 通过所述通道（3）泵送所述第一液体（F1），其中，所述第一液体（F1）的一部分保留在所述通道（3）中；
- 测定所述第一液体（F1）的保留在所述通道（3）中的部分；
- 用第二液体（F2）冲洗所述通道（3）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述第一液体（F1）的保留在所述通道（3）中的部分进行测定，以便监控所期望的混合比例和/或所期望的稀释程度的实现情况。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，测定所述第一液体（F1）的保留在所述通道（3）中的部分，以便测定对于所期望的稀释、混合和/或等分所需的第二液体（F2）的体积。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于所述通道的体积来测定所述第一液体（F1）的保留在所述通道（3）中的部分。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，借助于检测所述通道（3）的摄像机的信号来测定所述第一液体（F1）的保留在所述通道（3）中的部分。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述通道（3）在泵送之后完全地填充以所述第一液体（F1）。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在用所述第二液体（F2）冲洗所述通道（3）之前，将所述腔（1、2）排空，其中即使在所述腔（1、2）已经被排空之后，所述第一液体（F1）也保留在所述通道（3）中。
8.一种计算机程序，其被设置用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法的每个步骤。
9.一种能够机读的存储介质，在所述存储介质上存储有根据权利要求8所述的计算机程序。
10.一种电子控制器，所述电子控制器被设置用于在使用微流体系统的情况下借助于根据权利要求1到7中任一项所述的方法来稀释、混合和/或等分两种液体（F1、F2）。
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