CN112770842A - 用于引导液体通过多孔介质的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于引导液体通过多孔介质的设备，包括能够围绕旋转中心旋转的流体模块，并且包括流体腔室和流入结构。多孔介质设置在所述流体腔室中，以允许冲击在所述多孔介质的径向内部部分上的所述液体受离心力影响而向所述多孔介质的径向外部部分流动。所述多孔介质相对于所述流动在侧向上至少部分地与所述流体腔室的腔室壁间隔开，使得在所述多孔介质的所述径向内部部分与所述多孔介质的在所述多孔介质的外部的所述径向外部部分之间存在流体连接。所述流入结构配置为将所述液体受离心力影响而向所述多孔介质的所述径向内部部分的流入限制为第一流速，其中所述第一流速与通过所述多孔介质的最大可能流速的比率不大于二。

Description

用于引导液体通过多孔介质的设备和方法
技术领域
本公开涉及用于引导液体通过多孔材料的设备和方法，并且具体地涉及用于在离心微流体领域中使用离心力在径向向外方向上相对于旋转中心或旋转轴线引导液体通过多孔材料的设备和方法。
背景技术
离心微流体处理在旋转系统中飞升至毫升范围内的液体的处理。这种系统通常是由聚合物组成的一次性盒，其在离心机转子中使用或者代替离心机转子使用。开发这种盒的目的在于使实验室过程自动化。可以在微流体盒中实施标准实验室过程，诸如移液、离心、混合或等分试样，所述盒也可以称为流体模块。为此，盒包含呈流体流动通道形式的流体结构以及用于收集流体的腔室。通过给盒提供预定的旋转频率序列，即所谓的频率协议，盒中容纳的液体可以通过离心力移动。
离心微流体主要用于实验室分析和移动诊断。迄今为止，最常见的盒设计是离心微流体盘，其用于特殊处理装置中。这种盘被称为“盘上实验室(Lab-on-a-disc)”、“实验室盘(LabDisc)”或“CD上实验室(Lab-on-CD)”等。其他形式，诸如微流体离心管，可以用于已经存在的标准实验室装置的转子中。这种离心管例如以“实验室管(LabTube)”为名是已知的。
对于使用多孔介质作为固相的分析样品中的分析物的检测而言，生产成本低廉的既定测试被称为免疫层析快速测试(横向流动测试)。示例是使用妊娠检测测试条进行的妊娠测试。多孔介质具有高的表面积-体积比，并且因此特别适合用作表面键合反应的固相，诸如在免疫层析测试条上进行的那些。通过测试条的流量是由多孔介质的特性决定的，在普通测试条的情况下所述多孔介质可以由硝化纤维组成，并且可以通过选择多孔介质来对其进行微调。此外，多孔介质会经受与制造相关的变化，因此流速可能会根据批量或批次而有所不同。因此，在测试条中反应的生物分子所产生的孵育时间也会变化，这进而可能在读出期间产生不同的信号。因此，免疫层析测试条通常仅是定性的或半定量的。定量免疫层析快速测试系统需要较长的开发时间，并且由于质量变化可能容易出错。此外，由于在测试条中的孵育时间通常很短，因此只能使用具有快速反应动力学的生物分子。
为了开发可重复、高度灵敏和定量的免疫层析快速测试，流量不应取决于多孔介质的固有特性，而在理想情况下应当可通过外部可调力来控制。然而，将外部可调节流量控制集成到常规免疫层析快速测试中是不可能的。
在这种情况下，离心微流体平台可以提供通过多孔介质进行流量控制的可能性。具体地，存在两种方法来将将要流动通过的多孔介质整合到可绕旋转中心旋转的离心流体模块中。第一种方法包括使流体相对于旋转中心沿径向向外的方向流过多孔介质。第二种方法包括使流体相对于旋转中心沿径向向内的方向流过多孔介质。
允许液体在离心重力场中流过多孔介质的结构和方法是已知的。
Hyundoo Hwang等人，“盘上的纸：用离心力平衡毛细管驱动的流量(Paper on adisc:balancing the capillary-driven flow with a centrifugal force)”，芯片实验室，2011，3404-3406描述了一种集成概念，其中多孔介质被沿径向向内方向流过并且由于驱动力是多孔介质的毛细作用，其操作模式可与免疫层析测试条相比较。然而，所描述的概念允许通过抵消毛细作用力的离心力使通过多孔介质的毛细管驱动流减慢。色谱分离膜(硝化纤维)被作为多孔介质引入旋转盘中。膜条沿径向方向胶合到盘中。由于多孔介质的毛细作用，样品在径向向外的位置处加载并径向向内迁移，并且现在可以在相反的方向上进行离心减速、停止或推回。减速可能增加孵育时间，并且可能提供信号放大。此外，作者得出了物理模型以便以频率相关的方式预测膜的填充水平。所述模型可以用于计算在处理过程中对频率的连续调节，以实现通过膜的恒定流速，其中此处的限制因素也是多孔介质的毛细作用。
Sascha Lutz等人，“用于免疫化学参数的高度灵敏分析的完全集成的微流体平台(A fully integrated microfluidic platform for highly sensitive analysis ofimmunochemical parameters)”，分析者，2017，142，4206-4214描述了用于执行高度灵敏免疫测定的离心式流体模块。作为多孔介质，硝化纤维被用作捕获具有沿径向向内方向的毛细管流动的抗体的固相。在测定过程中，通过多孔介质的流速以5Hz的旋转频率不断旋转减速。在所述的流体模块中，除了用捕获抗体功能化的膜外，还使用所谓的废料纤维网来抽吸洗涤液体，除了将要分析的样品外，这些洗涤液体也通过硝酸纤维膜以毛细作用方式进行处理，并且在膜内径向吸收它们。
WO 2009/039239 A2描述了用于使用离心重力场中的横向流动单元来检测分析样品中的分析物的系统。将液体直接施加到多孔介质上。描述了两种不同的方法，第一种涉及径向向内(向内)流动通过多孔支撑材料，并且第二种涉及径向向外(向外)流动通过多孔介质。在第一种情况下，通过施加离心力使流动减速。在第二种情况下，离心地支撑毛细管驱动流。在两种情况下，将离心力和毛细力一起考虑。
US 2007/0054270 A1公开了包括一个或多个微通道结构的微流体设备。除其他外，描述了用于实验的具有珠粒填充的反应室。在此，反应室以形成均匀的珠粒柱的方式保持珠粒。珠粒填充物填充反应室的整个径向外部部分。反应室还提供了物理屏障，以防止液体在珠粒填充物的外部周围流动。因此，反应室代表密封设备。进行的实验的特征在于例如珠粒作为固相与作为表面键合反应溶解在液体中的物质的相互作用。利用所描述的设备，可以并行执行若干实验。
发明内容
仍然需要允许以很小的努力使受控的流从径向向内到径向向外流过多孔介质的设备和方法。
这个目标由根据权利要求1所述的设备和根据权利要求16所述的方法来解决。
本公开的示例提供了一种用于引导液体通过多孔介质的设备，所述设备包括：
流体模块，所述流体模块可围绕旋转中心旋转，并且包括流体腔室和流入结构，
多孔介质，所述多孔介质设置在所述流体腔室中，以允许冲击在所述多孔介质的径向内部部分上的所述液体受离心力影响而向所述多孔介质的径向外部部分流动，其中所述多孔介质相对于所述流动在侧向上至少部分地与所述流体腔室的腔室壁间隔开，使得在所述多孔介质的所述径向内部部分与所述多孔介质的在所述多孔介质的外部的所述径向外部部分之间存在流体连接，
其中所述流入结构配置为将所述液体受离心力影响而向所述多孔介质的所述径向内部部分的流入限制为第一流速，并且
其中所述第一流速与通过所述多孔介质的最大可能流速的比率不大于二。
本公开的示例提供了一种用于引导液体通过多孔介质的方法，所述方法包括：
提供流体模块，所述流体模块可围绕旋转中心旋转，所述流体模块包括流体腔室和流入结构，其中多孔介质设置在所述流体腔室中，以允许冲击在所述多孔介质的径向内部部分上的所述液体受离心力影响而向所述多孔介质的径向外部部分流动，其中所述多孔介质相对于所述流动在侧向上至少部分地与所述流体腔室的腔室壁间隔开，使得在所述多孔介质的所述径向内部部分与所述多孔介质的在所述多孔介质的外部的所述径向外部部分之间存在流体连接，其中所述流入结构配置为将所述液体受离心力影响而向所述多孔介质的所述径向内部部分的流入限制为第一流速，并且其中所述第一流速与通过所述多孔介质的最大可能流速的比率不大于二；以及
使所述流体模块围绕所述旋转中心旋转，以使所述液体通过所述流入结构流入到所述多孔介质的所述径向内部部分，并且引导所述液体通过所述多孔介质。
本公开的示例基于以下理解：通过熟练地利用离心微流体系统，可以以受控的方式将液体流引导通过多孔介质，使得至少一半的所述液体流被引导通过所述多孔介质。在示例中，液体流可以以受控的方式被引导通过多孔介质，而不会在所述多孔介质周围流动。在这种情况下，在其中布置有多孔介质而没有相对于流的完全侧向密封的流体腔室之前是流入结构，所述流入结构限制所述流入，其方式使得所述流入最多对应于通过所述多孔介质的最大可能流速的两倍。这确保了冲击在多孔介质的径向内部部分上的液体流的至少一半被引导通过多孔介质。包括流入结构、流体腔室和多孔介质的流体结构可以被进一步配置为使第一流速与通过多孔介质的最大可能流速的比率取较小值，诸如1或更小的值，在这种情况下，所有液体流都可以流动通过多孔介质。
本公开的示例基于以下认知：将多孔介质集成到离心微流体平台中可以容易地与同一离心微流体平台上的其他操作组合。在示例中，可以用最小的处理努力和精确的样品体积来实现血浆分离，随后进行等分试样和随后的稀释，然后与组分混合以进行随后的横向流免疫测定。多孔介质由于其大的表面积-体积比而用作用于表面键合反应的基质。
附图说明
以下参考附图更详细地解释本公开的示例。它们示出：
图1用于引导液体通过多孔介质的设备的示例的示意图；
图2用于引导液体通过多孔介质的设备的另一示例的示意图；
图3具有曲折流阻通道的流体结构的示例的示意性俯视图；
图4具有笔直流阻通道的流体结构的示例的示意性俯视图；
图5示出作为设计因子D的函数的流过多孔介质的液体的旁通量的图；
图6包括具有分配的流入结构的若干流体腔室的流体结构的示例的示意性俯视图；
图7包括沿流动方向在流体腔室中顺序布置的若干多孔介质的流体结构的示例的示意性俯视图；
图8具有包括虹吸管的流入结构的流体结构的示例的示意性俯视图；
图9具有径向内部等分结构的流体结构的示例的示意性俯视图；
图10具有径向外部等分结构的流体结构的示例的示意性俯视图；
图11具有设置在流体腔室的顶板上的多孔介质的流体结构的示例的示意性剖视图；
图12A具有设置在流体腔室的底部上的多孔介质的流体结构的示例的示意性剖视图；
图12B图12A的流体结构的示意性透视图；以及
图13A至图13D多孔介质的示例的示意性俯视图。
具体实施方式
以下使用附图来详细描述本公开的示例。应当注意，相同的元件或具有相同功能的元件被设置有相同或相似的附图标记，并且通常省略对设置有相同或相似的附图标记的元件的重复描述。具体地，相同或相似的元件可以各自被设置有具有带有不同小写字母或没有小写字母的相同数字的附图标记。具有相同或相似附图标记的元件的描述是可互换的。在以下描述中，描述了许多细节以提供对本公开的示例的更透彻的解释。然而，对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实现其他示例。所描述的各种示例的特征可以彼此组合，除非对应组合的特征互相排斥或者明确排除这种组合。
在进一步解释本公开的示例之前，提供在此使用的一些术语的定义。
流体模块：在其中形成流体结构的主体，所述主体可以被配置为旋转主体或用于旋转主体的插入件。流体模块的示例是呈离心微流体盘或微流体离心管形式的离心盒。
流体结构：在流体模块中形成并被配置为处理液体的凹槽、空腔和通道。离心微流体结构被配置为用于处理在旋转系统中飞升至毫升范围内的液体。
静压高度：离心流体模块中两点之间的径向距离(在这两点之间有连续量的液体)。
静压力：由于两点之间的静压高度、介质的密度和旋转频率而由离心力引起的两点之间的压力差。
毛细作用：液体与例如窄管或多孔介质中的毛细管接触的行为。这些效果是由液体本身的表面张力以及液体与固体表面之间的界面张力所引起的。
粘性耗散：由于内部剪切力而以热能形式在液体流中损失的能量。
渗透率：多孔介质对气体或液体的渗透性的定量参数。
免疫测定：生物分析方法，其使用特定的抗体-抗原反应来检测液相中的分析物。
孵育时间：可以发生特定反应、例如形成抗原-抗体复合物的时间。
固相：固体表面，例如用于分离吸附反应的表面。可以使用物质对表面进行功能化。
抗体：识别异物(抗原)并与之特异性结合的蛋白质。
抗原：被抗体识别并且可以与抗体特异性结合的异物。
分析物：存在于分析样品中并待检测的组分。
旁路：不遵循期望的流体路径的液体流动，例如在多孔介质上方或旁边而不是通过多孔介质的流动。
动态范围：仍待差分的最大信号与仍待差分的最小信号之间的比率(检测极限)。
免疫层析快速测试(横向流动测试)：物理化学分离方法，结合了薄层色谱和生化亲和反应。用于检测呈通常由膜组成的测试条形式的分析物的快速测试，所述测试条由于其毛细作用会将分析样品吸过测试条。
径向：当在本文中使用术语径向时，在每种情况下，径向是指相对于流体模块可围绕其旋转的旋转中心R。因此，在离心场中，远离旋转中心的径向方向是径向向外的，并且朝向旋转中心的径向方向是径向向内的。其起点比其终点更靠近旋转中心的流体通道是径向向下的，而其起点比其终点更远离旋转中心的流体通道是径向向上的。因此，包括径向上升部分的通道包括径向上升或径向向内延伸的方向分量。显然，这种通道不必精确地沿径向线延伸，而是可以与径向线成一定角度延伸或弯曲延伸。
虹吸管：如本文所用，虹吸管是指包括在径向上升的通道部分与径向下降的通道部分之间的局部径向最小值的流体通道。
本公开的示例涉及用于处理在离心作用下通过多孔介质的一种或多种液体的结构以及方法。流动方向是径向向外的。
图1示意性地展示了用于引导液体通过多孔介质的设备的示例，所述设备包括可绕旋转中心或旋转轴线R旋转的流体模块10。流体模块10包括流体腔室12和流入结构14。多孔介质16被设置在流体腔室12中。流体模块可围绕旋转中心R旋转，使得离心力引起液体流18通过流入结构14，所述液体流冲击在多孔介质的径向内部部分16a上，如图1中的箭头18所示。液体流18被流入结构限制在第一流速。多孔介质16被布置在流体腔室12中，使得液体通过离心力从径向内部部分16a到径向外部部分16b流过多孔介质16。多孔介质16的侧边缘与流体腔室的腔室壁间隔开，使得在流体腔室12的在径向上位于多孔介质16的内部的区域与流体腔室12的在径向上位于多孔介质16的外部的区域之间存在流体连接(旁路)。根据本公开，流入结构相对于通过多孔介质的最大可能流速限制了第一流速设定，使得至少50％的液体从部分16a向部分16b流过多孔介质。
在示例中，流入结构包括至少一个流阻通道和/或至少一个喷嘴，和/或至少一种多孔介质和/或至少一种珠粒填充物。在示例中，流入结构在距旋转中心的径向距离ri处通向流入腔室中，并且在距旋转中心的径向距离r2处通向流体腔室中，其中ri<r2。因此，流入结构径向下降，使得在旋转过程中，离心力可以引起液体流过流入结构。
流入结构为液体流提供了流动阻力，通过所述流动阻力将液体流限制在第一流速。因此，流入结构表示流动阻力元件，其流体入口可以通向流入腔室(空腔)，并且其流体出口通向流体腔室或与流体腔室流体联接。流入腔室可以平滑地合并到流动阻力元件中，或者甚至可以是阻力元件的一部分。在示例中，流动阻力元件可以由流入腔室中的多孔介质或珠粒填充物形成。在示例中，流动阻力元件可以由流入腔室的出口处的喷嘴形成。在示例中，流阻元件可以由通道形成，所述通道具有通向流入腔室的入口和通向流体腔室的出口。
例如，可以给出每体积流量的压降来定义阻力元件。如果以下情况适用，则元件可以算作用于流体结构的阻力元件：
Figure BDA0002984491660000091
其中
R：元件的流体阻力，
Δp：跨越元件的压降，
Q：通过元件的流速。
当阻力元件由流阻通道形成时，流体结构的每个部分都可以视为流阻通道的一部分，对于其流动截面ACh，以下情况适用：
Figure BDA0002984491660000092
换句话说，提供小于0.1mm2的流动截面的流体结构的任何部分都可以视为流阻通道的部件。
如将在下文详细解释的，根据本公开，形成流体结构使得满足以下等式：
Figure BDA0002984491660000093
其中QCh是通过流入结构的流速，Qmax,m是通过多孔介质的最大可能流量，并且D是设计因子。
Qmax,m可以通过达西定律计算，并且代表在施加的离心压力下在无旁路的情况下通过多孔介质的最大可能流量。根据所使用的阻力元件，通过实验计算或设置QCh。如果阻力元件是通道或喷嘴，则压降可以类似于哈根-泊肃叶定律来计算。关于压降的计算，可以参考例如M.Bahrami等人的“在任意截面的微通道中的充分发展的压降、层流(Pressure Dropof Fully-Developed,Laminar Flow in Microchannels of Arbitray Cross-Section)”，美国机械工程师协会会刊，第128卷，2006年九月，第1036至1044页；I.Schwarz等人的“用于稳健的离心微流体芯片上实验室系统的系统级网络仿真(System-level networksimulation for robust centrifugal-microfluidic lab-on-a-chip systems)”，芯片实验室，2016，16，第1873至1885页；M.Richter等人的“用于液体定量和流速测量中的应用的微通道(Microchannels for applications in liquid dosing and flow-ratemeasurement)”，传感器和执行器A：物理，1997，第62卷，发行1-3，第480-483页；以及H.Bruus的“理论微流体学”，2008，牛津大学出版社，牛津，第18卷，第4章，“液压阻力和顺从性”，第71-90页，其在这方面的教导在此通过引用并入。然后进而可以将压降用于计算流速。如果阻力元件是多孔介质或珠粒填充物，则可以应用达西定律。
由于这两个定律都是从纳维-斯托克斯方程派生的，并且仅在考虑了流体所流过的元件的相应几何形状的参数上有所不同，因此在计算流速比时，会截断液体的粘度。流量QCh和Qmax,m两者都被离心驱动。因此，在计算流速比时，角速度和密度也会被截断。因此，可以独立于流体性质和旋转频率来设计流体结构。
如有必要，可以使用流入结构的几何参数、转速和液体的流体性质来计算通过流入结构的流速。可替代地，可以通过检测在给定时间内通过流入结构的液体体积来测量流速。如果需要，还可以使用多孔介质和液体的参数来计算通过多孔介质的最大可能流速，或者可以通过实验来确定。
图2示意性地示出了用于引导液体通过多孔介质的设备的示例的侧视图，所述设备代表离心微流体系统。所述设备包括形成为旋转主体的流体模块20。可替代地，所述设备包括插入旋转主体20中的一个或几个流体模块10，如图2中的虚线所示。如本文所述的流体结构可以形成在流体模块10或20中。例如，流体模块可以包括基板和盖。旋转主体20可以是圆形的，具有中心开口，旋转主体20可以通过所述中心开口经由常规附接装置而附接到驱动设备24的可旋转部分22。可旋转部分22被可旋转地安装到驱动设备24的固定部分26。驱动设备24可以是例如可以包括可调节的转速的常规离心机，或者其可以是CD或DVD驱动器。可以提供控制装置30，所述控制装置被配置为控制驱动设备24以为旋转主体20提供不同旋转频率的一种或多种旋转。如对于本领域技术人员将显而易见的是，控制装置30可以例如由适当编程的计算装置或用户专用集成电路来实现。控制装置30还可以被配置为响应于来自用户的手动输入来控制驱动设备24以实现旋转主体的所需旋转。在任何情况下，控制装置30可以被配置为控制驱动设备24以向旋转主体提供所需的旋转，以便实现本公开的示例。驱动设备24可以是仅具有一个旋转方向的常规离心机。
流体模块10或20包括本文所述的流体结构，其可以由盖、基板中或基板和盖中的空腔和通道形成。例如，在示例中，可以在基板中形成流体结构，同时在盖中形成填充端口和通风口。在示例中，结构化基板(包括填充口和通风口)被设置在顶部，而盖被设置在底部。
在本公开的示例中，流体模块可以由任何合适的材料形成，诸如塑料，诸如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)、玻璃等。旋转主体20可以被认为是离心微流体平台。在优选的示例中，流体模块或旋转主体可以由热塑性塑料形成，诸如PP(聚丙烯)、PC、COP(环烯烃聚合物)、COC(环烯烃共聚物)或PS(聚苯乙烯)。
在示例中，所述设备可以进一步包括温度控制装置32，所述温度控制装置被配置为控制流体模块的温度。温度控制装置32可以被实现为外部加热装置，如图2所示。可替代地，加热装置可以被集成到流体模块或支撑流体模块的旋转主体中。在示例中，所述设备可以进一步包括检测装置34，所述检测装置被配置为检测液体与多孔介质的反应结果。例如，检测装置34可以被配置为光学地检测反应结果。例如，检测装置可以由相机来实现。在示例中，所述设备可以进一步包括用于检测关于液体粘度的信息的装置36。在示例中，装置36可以被配置为测量通过流入结构的流速，这进而是在给定转速下的粘度的量度。例如，装置36可以被配置成确定在给定时间内流过流入结构的液体的量。在示例中，装置36可以由相机形成。在示例中，所述装置可以被配置为根据检测到的粘度信息来调节旋转的旋转速度，以将通过流入通道的流速调节为预定流速。如图2所示，温度控制装置22以及装置34和36可以通过有线或无线方式通信地耦合到控制装置。控制装置30可以被配置为接收装置34和36的检测结果、基于装置34的结果来输出或显示关于反应结果的信息、并且基于装置36的结果来控制驱动装置24。此外，控制装置可以控制温度控制装置32以将流体模块的温度控制或调节到预定温度。为此，用于感测流体模块的温度的温度传感器可以进一步联接到控制装置30。
在下文中，特别参考作为流入结构的流阻通道来描述本公开的示例。以下教导同样适用于其他阻力元件。
在示例中，液体被离心地驱动从第一腔室通过流阻通道到第二腔室中的多孔介质上。液体润湿多孔介质，例如膜。膜充满液体，并且在膜中的液体中产生离心压力。在临界填充水平以下，毛细作用力将液体保持在膜中。高于临界填充水平，或在必要时完全填充，液体会径向向外流出膜。在这种情况下，调节通过流阻通道的流速，其方式使得在多孔介质上方或附近的液体仅在一定程度上发生流动或者完全不发生流动。
因此，只要液体润湿多孔介质，就可以实现通过多孔介质的流动，所述流动与毛细力无关并且可以被良好地控制。到现在为止，经由结构才可能在液体被从径向向内驱动到径向向外的情况下防止多孔介质的溢出，所述结构防止多孔介质周围的流动通过物理屏障并且因此代表密封设备。本公开消除了对密封设备的需要。可以在很宽的工作范围内精确调节流速，从而精确调节分析样品在多孔介质中的驻留时间。
图3示出了可围绕旋转中心旋转的流体模块的流体结构的示意性俯视图。流体结构包括第一流体腔室102、流阻通道103和第二流体腔室104。在图3所示的示例中，流阻通道103是曲折形的。流阻通道103的径向内端通向代表流入腔室的第一流体腔室102，并且流阻通道103的径向外端通向第二流体腔室104。多孔介质105被布置在第二流体腔室104中，其可以固定到第二流体腔室104的腔室壁的一侧。在所有其他侧面上，多孔介质可以与腔室壁间隔开。流体腔室102和104两者都可以通气。
流阻通道103径向下降，使得在绕旋转中心旋转时，位于第一流体腔室102中的液体106可以被离心力驱动通过流阻通道。由此将来自第一流体腔室的液体离心地驱动到多孔介质105的径向内部部分上。润湿多孔介质的液体充满多孔介质，并且在多孔介质中的液体中产生离心压力。高于临界填充水平或完全填充(如有必要)，液体将从多孔介质径向向外逸出。在本公开的示例中，流阻通道103的流体阻力由此可以被配置为使得在旋转下，从第一流体腔室102进入第二流体腔室104所产生的流速产生以下条件：如果来自流阻通道的全部液体流都沿径向向外方向流过多孔介质，那么粘性压力损失pDarcy产生，如果多孔介质沿其整个径向长度充满液体，则其最多是多孔介质中的液体的静压力phyd,mem的两倍。
在本公开的又一示例中，流阻通道103的流体阻力可以被配置为使得在旋转下，从第一流体腔室102进入第二流体腔室104所产生的流速产生以下条件：如果来自流阻通道的全部液体流都沿径向向外方向流过多孔介质，那么粘性压力损失pDarcy产生，如果多孔介质的元件(然而较小)沿所述元件(然而较小)的整个径向长度充满液体，则其最多是多孔介质的任何径向形成的元件(然而较小)中的液体的静压力phyd,mem的两倍。
如图3所示，多孔介质105可以在径向内部位置处设置有凹口107，以在旋转下将来自流阻通道103的液体流引导到多孔介质上。换句话说，凹口有助于多孔介质吸收液体，并且有助于防止液体直接沿着多孔介质流动。凹口边缘在径向向内方向上朝向与多孔介质105的两个径向延伸的边缘108、109的交点上升。
在液体已流过多孔介质105之后，液体可以通过出口110离开第二流体腔室104。
图4示出了可围绕旋转中心R旋转的流体模块的流体结构的另一示例。根据图4，笔直、径向下降的流阻通道113连接第一流体腔室102和第二流体腔室104。在第二流体腔室104中，提供多孔介质105，在所述示例中，多孔介质的径向内边缘没有凹口。图4进一步示出了将在下文讨论的数量。这些是多孔介质的径向内端的径向位置rin,m、进入第二流体腔室104中的流阻通道113的口部的径向位置r2以及因此液柱的径向外部位置、流阻通道113的长度lCh以及对应于处于第一流体腔室102的初始填充体积的80％处的液体106的液柱的径向内部位置的径向位置r1。初始填充体积可以对应于流体腔室和流阻通道最初被填充的体积。
在本公开的示例中，当流体模块围绕旋转中心R旋转时，发生液体流动通过集成在流体模块中的多孔介质，例如图4中的多孔介质105。流阻通道113调节从第一流体腔室102到第二流体腔室104的流速。
为了使液体在离心重力场中流过多孔介质105，并且使液体不围绕多孔介质105流动(旁路)，流体结构必须遵循以下条件：
Figure BDA0002984491660000141
其中
r1：处于初始填充体积的80％的液柱的径向向内位置
r2：液柱的径向向外位置
CR：用于计算流阻通道中的流体阻力的几何因子
lCh：流阻通道的长度
ACh：流阻通道的横截面积
D：设计因子
rin,m：旋转中心R与多孔介质的径向内端之间的径向距离
Am：多孔介质的横截面积
κ：多孔介质的渗透率
例如，对于流阻通道的正方形截面，几何因子CR为28.4，并且对于圆形通道为8π，大致对应于25.1。对于矩形阻力通道，CR计算如下：
Figure BDA0002984491660000142
其中
Figure BDA0002984491660000143
并且
Figure BDA0002984491660000144
在此，d表示通道的深度，并且w表示通道的宽度。特殊通道截面的其他几何因子可以在技术文献中找到。具体地，应当参考M.Richter等人的“用于液体定量和流速测量中的应用的微通道(Microchannels for applications in liquid dosing and flow-ratemeasurement)”，传感器和执行器A：物理，1997，第62卷，发行1-3，第480-483页。
方程(1)是从以下物理方程得出的：
用于流阻通道中的离心压力pcent的方程：
Figure BDA0002984491660000151
其中
ω：转速
ρ：流体密度
用于多孔介质中的液体中的静压力的方程：
Figure BDA0002984491660000152
其中lm是多孔介质在流动方向上的长度，即多孔介质的径向长度。
用于流阻通道中的粘性耗散的方程：
Figure BDA0002984491660000153
其中
QCh：通过流阻通道的流速
η：液体粘度
用于多孔介质中的粘性耗散的达西方程：
Figure BDA0002984491660000154
其中Q是通过多孔介质的流速。
假定填充的多孔介质用于计算。因此，不需要考虑毛细力。通过使多孔介质中的液体的静压力与由于通过多孔介质的流动所引起的粘性耗散相等来确定通过多孔介质的最大无旁路流速Qmax,m：
phyd，m＝pDarcy (7)
由于多孔介质中的液体中的静压力呈二次方增加，而由于粘性耗散引起的压力损失在多孔介质的径向长度上呈线性增加，因此两个方程根据膜的径向长度lm来推导并且在点lm＝0处相等。这确保了离心压力在多孔介质的整个长度上大于或等于粘性耗散。
Figure BDA0002984491660000161
其中
Figure BDA0002984491660000162
Figure BDA0002984491660000163
针对Qmax，m求解方程(8)，可以计算出在多孔介质的整个径向长度上的最大可能流速。通过多孔介质的最大可能流动的对应方程如下：
Figure BDA0002984491660000164
通过流阻通道获得的流速计算如下：
pcent＝pvisc (10)
将方程(3)和方程(5)代入方程(10)中并求解通道中的流速QCh，得出：
Figure BDA0002984491660000165
为了确保完全流动通过多孔介质，以下必须适用：
QCh≤Qmax，m (12)
通过使两个流速Qmax，m和QCh相等而定义过渡点。在过渡点处，多孔介质中液柱的离心压力等于多孔介质中的粘性耗散，这是由于由连接通道指定的流速以及理论上完全流动通过多孔介质而发生的。现在，如果在恒定流速下离心压力较小，则将发生在多孔介质周围的流动。
附加的定义的设计因子D允许稍后调节流速以满足特定的流体模块要求：
QCh＝D*Qmax，m (13)
通过针对D求解方程(13)，将获得以下结果：
Figure BDA0002984491660000171
在本公开的示例中，当至少一半的待处理液体流动通过多孔介质时，认为流体结构起作用。因此，选择小于或等于二的设计因子D。
将方程(9)和方程(11)插入方程(13)中得出上文针对结构设计的方程(1)。
针对D求解方程(1)并选择小于或等于二的设计因子，得出：
Figure BDA0002984491660000172
表1列出了根据方程(16)设计的流体模块操作范围的典型数量。
特性 操作范围 单位
流速Q 0.001至5 μl/s
渗透率κ 0.01至10 μm<sup>2</sup>
设计因子D 0＜D≤2 -
粘度 ＜300 mPa·s
图5示出了对于在0至3.5之间的设计因子关于施加量的旁路量，即由流入结构供应的液体的量。如果设计因子D大于临界设计因子D＝2，则多于一半的施加量会作为多孔介质上方或旁边的旁路而损失。在示例中，流体结构因此被设计成使得50％或更多的施加量流动通过多孔结构。
在上述计算中，使用径向位置r1，所述径向位置表示初始填充水平的80％的填充水平。例如，代替所述填充水平，径向位置ri可以用于计算，所述径向位置对应于流阻通道通向第一流体腔室(即流入腔室)的径向位置。如果对于径向位置r1满足上述条件，则在任何情况下对于径向位置ri也都满足。
在示例中，可以将流体结构设计成使得施加量的较大部分流动通过多孔介质。在示例中，设计因子D可以被选择为小于或等于1.5。在示例中，设计因子D可以选择为小于或等于1，使得整个施加量流动通过多孔介质。
在示例中，流体模块包括多个流体腔室，每个流体腔室在其中设置有多孔介质；以及与每个流体腔室相关联的流入结构，使得液体可以同时被引导通过若干多孔介质。流入结构可以将流限制为相等的流速，或者可以将流限制为不同的流速，使得液体以不同的流速通过不同的多孔介质。
在示例中，流体模块的流体结构因此可以并行操作以整合多孔介质。这种流体结构的示例如图6所示。第一流体腔室可以被配置为径向向内的流体储存器或若干互连的径向向内的流体储存器102a、102b、102c。径向向内的流体储存器102a、102b、102c可以经由分别互连流体储存器的径向外部部分的流体通道而连接。流体储存器102a经由流阻通道103a与多个第二流体腔室中的一个流体腔室104a流体连接，并且经由流阻通道103b与多个第二流体腔室中的另一流体腔室104b流体连接。流体储存器102b和102c中的每一个经由相应的流阻通道103c、103d流体地连接到相关联的第二流体腔室104c、104d。多孔介质105a至105d被设置在每个第二流体腔室中。因此，通过旋转其中形成有图6所示的流体结构的流体模块，可以通过多个多孔介质并行地驱动液体。在其他示例中，可以将不同数量的第二流体腔室连接到相应的储存器。在其他示例中，可以将非流体连接的储存器设置为第一流体腔室，使得可以将不同的液体引导通过多孔结构。流阻通道可以具有相同或不同的流动阻力。如果流阻通道具有不同的流动阻力，则可以在相同的旋转频率下并行实现不同的流速。
在示例中，若干多孔介质在流体腔室中顺序地径向向外布置。在图7中示出了一个这种示例，其中三个多孔介质105e、105f和105g在流体腔室102中顺序地径向向外布置。显然，在其他示例中，可以在流体腔室中布置不同数量的多孔介质。因此，如图7中的箭头120所示，可以顺序地流动通过任何数量的多孔介质105e至105g。这可以防止例如由于高离心压力而使径向膨胀的多孔介质变干。
在示例中，流入结构包括具有虹吸管的流阻通道，所述虹吸管具有径向上升的通道部分和位于径向上升的通道部分的下游的径向下降的通道部分。在这种示例中，可以在第一流体腔室与第二流体腔室之间使用流阻通道以传递液体。例如，图8示出了流体结构，其中流阻通道103e在第一流体腔室102与第二流体腔室104之间流体连接，所述流阻通道包括具有径向上升部分130a和径向下降部分130b的虹吸管130。多孔介质105被再次设置在第二流体腔室104中。这允许例如将额外的试剂132混合到第一腔室102中的液体106中，并且在混合过程之后将它们切换到多孔介质105上。在所示示例中，所述切换由虹吸管130实现。例如，所述切换可以通过将旋转频率从第一旋转频率改变为第二旋转频率来切换，以发动液体通过流阻通道103e的流动。在这方面，在第一旋转频率下，在围绕旋转中心R旋转期间作用在液体上的离心力可以防止液体被驱动通过流阻通道103e。然后可以至少暂时地将旋转频率降低到第二旋转频率，在第二旋转频率下以毛细管方式将液体跨虹吸管130的顶点抽吸，从而发动通过流阻通道103e的液体流。流阻通道中的毛细力可以此外通过表面处理进行调节，以防止虹吸管130的过早切换。
在示例中，流体模块具有包括多个输出的等分结构。等分结构在每个输出处提供液体的等分试样。等分结构的每个输出被流体地联接到不同的多个等分试样腔室中之一。多个流体腔室中的每一个经由相关联的流入结构而流体连接到不同的等分试样腔室。
图9和图10示出这种示例。图9示出了径向向内布置的等分结构150，并且图10示出了径向向外布置的等分结构。
如图9所示，等分结构150包括经由等分试样通道153流体连接到等分试样腔室154a、154b和154c的入口腔室152。等分试样腔室154a、154b和154c用于将液体106分成多个等分试样。等分试样腔室154a、154b和154c经由相应的径向下降的流体通道流体连接到等分试样腔室102e、102f和102g。等分试样腔室102e、102f和102g代表第一流体腔室，每个第一流体腔室经由相关联的流阻通道103a、103b和103联接到第二流体腔室104a、104b和104c。多孔介质105a、105b和105c被设置在第二流体腔室104a、104b和104c中的每一个中。液体可以从入口腔室离心分配到等分试样腔室154a、154b和154c，在这里它可以与不同的试剂132a、132b和132c混合，然后经由相应的流阻通道103a、103b和103c驱动通过相应的多孔介质105a、105b和105c。
根据图10，等分结构并且特别是等分结构的等分试样通道被径向向外布置。入口腔室152经由径向下降的通道160流体地连接到基本上方位延伸的等分试样通道162。等分试样腔室164a、164b和164c流体联接到等分试样通道162。等分试样腔室164a、164b和164c流体联接到相应的压缩腔室166a、166b、166c。此外，等分试样腔室164a、164b和164c经由径向向内(上升)的连接通道168a、168b和168c流体连接到等分试样腔室102e、102f和102g。通过以适当的旋转频率旋转流体结构，可以使液体106首先分配到等分试样腔室164a、164b和164c中，从而压缩压缩腔室166a、166b和166c中的空气。多余的液体也被收集在压缩腔室166a、166b和166c中，从而有助于另外增加压缩腔室中的空气的压缩。然后可以使用降低旋转频率和/或其他合适的措施，诸如加热，以使压缩腔室中的空气膨胀并驱动液体通过连接通道168a、168b和168c进入等分试样腔室102e、102f和102g中。在那里，流体可以再次与不同的试剂132a、132b和132c混合，然后经由相应的流阻通道103a、103b和103c被驱动通过相应的多孔介质105a、105b和105c。
在示例中，多孔介质被固定到流体腔室的腔室壁并且与流体腔室的至少一个另外的腔室壁间隔开，使得存在旁路路径。在示例中，多孔介质被固定到流体腔室的顶板。在示例中，多孔介质被固定到流体腔室的底部。在示例中，在流体腔室中设置引导结构以将液体引导到多孔介质的径向内部部分。在示例中，引导结构可以在从流入结构到流体腔室的过渡处包括凹口，所述凹口被配置为使用由待引导的液体的表面张力产生的力来将液体引导到多孔介质的径向内部部分。
图11示出了流体结构的示例的示意性剖视图，其中诸如多孔薄膜的多孔介质105被固定到流体腔室104的顶板180。流阻通道103具有比流体腔室104更低的深度，并且在面对顶板180的区域中通向流体腔室104。流体腔室104和通道103可以在从第一表面开始的基板中构造，所述表面被设置有形成顶板180的盖。流体腔室可以在基板中形成至第一深度，在所述第一深度处设置流体腔室的底部182。流体通道103可以在基板中形成为较小的深度。液体流由于表面张力而移动通过流体通道103并且沿着顶板180移动，并且冲击在多孔介质105的径向内部部分185上。如图11中可以看到的，多孔材料与底板182间隔开，使得存在旁路路径。
图12A示出了其中多孔材料被固定到流体腔室104的底部182的流体结构的示例的示意性剖视图。图12B示出了图12A的流体结构的示意性透视图。提供了用于在腔室底部182上引导液体106的流111的引导通道190，引导通道190被形成在倾斜地延伸到腔室底部的表面192中。引导通道192由表面192中的凹口形成。开放通道190将液体流111从流阻通道103引导到腔室底部182上，并且因此引导到多孔介质105上。
应当注意，在所述微流体结构中，与毛细力和离心力相比，重力可忽略不计。
在示例中，多孔介质的径向内部边缘具有带有凹口边缘的凹口，所述凹口边缘朝向相对于流动为侧向的多孔介质边缘径向上升。液体所遇到的多孔介质的径向内部区域位于多孔介质的侧向边缘之间，凹口边缘朝向侧向边缘径向升高。在不同的示例中，用于防止多孔介质周围的流动的多孔介质的径向内部凹口可以具有不同的几何形状。在图13A至图13D中示出四种可能的变型。在每种情况下，凹口边缘在径向向内的方向上朝向与多孔介质105的两个径向延伸的边缘108、109的交点S1、S2上升。根据图13A，凹口107具有圆形形状，其在凹口的中心处具有径向最大值。根据图13B，凹口具有三角形形状，在凹口的中心处也具有径向最大值。根据图13C，凹口107b在两个径向最大值之间具有径向最小值。根据图13D，凹口107c具有从凹口的中心处的径向最大值开始到交点S1、S2具有不同斜率的离散区域。
在本公开的示例中，流体结构被配置成使得来自流入结构的液体流在多孔介质的径向内部上居中或基本居中。在示例中，流体结构被配置成使得流体流在凹口上居中或基本居中。在示例中，流入结构可以被设置在多孔介质的径向内部部分的径向向内，并且面向所述径向内部部分以将液体流引导朝向所述部分。
在本公开的示例中，引导通过多孔介质的液体包含用于在多孔介质处的(生物)化学相互作用的反应混合物。例如，所述反应可以适用于(生物)化学反应或适用于检测生物分子，诸如具有固定抗体的金纳米颗粒或荧光颗粒。此外，液体可以包含待检测的分析物。此外，多孔介质可以浸渍有生物分子，诸如捕获抗体，来自液体的物质可以与生物分子结合。
在示例中，多孔介质代表用于表面反应的固相，其中所述多孔介质可以用诸如生物分子的反应性组分浸渍。在示例中，多孔介质代表用于表面附着反应的固相。
在示例中，可以提供光学读出系统以读出反应结果。为此，流体模块和系统的部分可以是透明的，以允许通过此类部分的光学读出。此外，在示例中，可以提供温度控制装置以在整个过程期间根据需要以受控的方式调节流体模块的温度。例如，这使得在整个流体模块上实现相等的物质结合率成为可能。
因此，在本公开的示例中，通过旋转流体模块向液体样品施加离心力来径向向外地实现液体样品或液体试剂沿着多孔介质(也可以称为多孔载体基质)的侧向移动。因此，本公开的示例使得能够进行横向流免疫测定。多孔介质可以具有平均孔径在0.05至250微米的范围内并且厚度在0.01mm至5mm的范围内的开孔结构。多孔材料可以包括开孔烧结材料、开孔聚合物、开孔陶瓷材料、开孔聚合物泡沫、开孔复合材料、天然或合成纤维、交联珠粒填充物或硝化纤维。
已经发现，本公开的示例可以减少或消除在提供通过多孔介质的流控制的上述已知系统中遇到的许多缺点，下文将提及其中的一些。在已知的系统中，流速取决于多孔介质的毛细作用，并且因此其中描述的方法总是受到多孔介质的有限的可变特性的限制。由于离心力只能使流减速而不能使流加速，因此流的最大可能的流速受到毛细力的径向向内的限制。因此，只能在有限的范围内处理非常缓慢地抽吸通过多孔介质的高粘性介质，因为与纯毛细管流相比，需要加快流速，以便缩短以用户友好的方式进行测试所需的时间。流速取决于已经在多孔介质中上升的液体的柱，并且因此在恒定的旋转频率下取决于时间。待处理的液体量受多孔介质的吸收能力的限制。通过引入所谓的废料纤维网(waste fiberweb)，可以增加吸收能力，但是纤维网需要额外的空间，并且多孔介质与废料纤维网之间的连接是流体模块之间流速变化的附加来源。WO 2009/039239 A2中描述的方法是不利的，因为液体被直接施加到多孔测试载体上并且通过随后施加离心力而移动。因此，样品体积受到多孔介质的液体容纳能力的严重限制，因为使用所述设备不可能进行连续液体施加。在流动方向径向向外的情况下，任何未被吸收的残留液体另外将通过随后的离心以不受控制的方式离心掉。因此，液体的量限于多孔介质的吸收能力。除了其他方面，当要施加较大量液体时，诸如较大的样品体积或例如在清洗期间发生的情况，这是不利的。此外，在施加到多孔介质的过程中，分析样品以不受控制的方式被多孔介质吸收。对于所描述的径向向内的流动方向，在这方面所指出的缺点再次适用。在US 2007/0054270 A1中，多孔介质是引入反应室中的珠粒填充物。需要密封以保持珠粒并确保完全流动。珠粒的直径越小，填充物的表面积-体积比越有利。然而，同时，用于保持较小的珠粒所需的密封件的制造努力会增加。同样，珠粒填充材料的存储通常是技术挑战。与宏观世界中的填充材料相比，用于微流体的珠粒填充材料由于蒸发效应而难以以液体形式储存。因此，必须采取详尽的预防措施来干燥珠粒填充材料，以确保珠粒表面的功能来防止单个珠粒在运输和储存过程中进入不是为这个目的而设计的通道或腔室中，并且在重构后获得均质的填充材料，即珠粒的均匀分布而没有形成空腔。
与已知技术相反，借助于在离心微流体领域中的根据本发明的示例的所描述的结构，如果液体润湿多孔介质，可以实现不依赖于毛细力、完全可控且完整(或取决于设计因子D的选择至少多于50％百分比)的流通过多孔介质。不需要密封设备将多孔介质整合到结构中。多孔介质可以容易地固定到流体腔室的顶板或底板。不管多孔介质的制造质量如何，都可以经由限流流阻通道和旋转频率的设计来精确地调节流速以及因此分析样品在多孔介质中的驻留时间。
因此，与毛细管驱动的流相比，孵育时间不仅可以延长，而且可以缩短。因此，本公开的流体模块首次使得有可能在合理的时间范围内以受控方式处理较大样品体积的粘性样品。可能不再需要稀释分析样品来降低粘度。这种可能性尤其基于三个因素，这些因素代表了优于其他系统的一般优势：
-在多孔介质中初始填充有待处理的液体之后，穿过多孔介质的流体路径长度保持恒定，因为不需要并且因此不提供另外的纤维网，诸如废料纤维网。
-通过多孔介质的流体路径长度对流速没有影响，并且因此可以根据需要选择是短还是长。
-流体的驱动力仅仅是离心力。因此，通过增加多孔介质中液体的离心压力，可以用将与低粘度液体相当的孵育时间来处理粘性液体。
此外，本公开的示例允许通过先前的粘度测量(在盘内部或在实验室外部)与随后的旋转频率调节来补偿分析样品之间的粘度变化，从而在整个测试中产生一致的孵育时间。
本公开的示例包括用于检测关于液体的粘度的信息的装置，其中所述设备被配置为根据检测到的关于粘度的信息来调节旋转的转速，以调节通过流入通道的流速。根据本公开，结构设计独立于流体特性和旋转频率。然而，这不适用于调节流速。这取决于流体性质和旋转频率。例如，在相同的频率下，高粘度流体比低粘度流体通过流体模块的流动更慢。因此，液体样品的粘度变化会影响所需的处理时间，并且从而影响生物分子在多孔介质中的驻留时间。如果粘度已知，例如通过实验确定或在流体模块上进行测量，则可以调节旋转频率以获得独立于样品的流速，例如与粘度无关的始终0.05μl/s的流速。因此，例如测定的变异系数可以显著降低。
具体地，使用多孔介质作为固相的测定，诸如横向流动测定，可以从中受益。一方面，由于可以延长低粘度分析样品的孵育时间，因此可以预期提高灵敏度。这消除了对具有快速反应动力学的反应物的需求，并且显著增加了可以使用的反应搭档的选择。另一方面，与已知方法相反，由于不需要废料纤维网，因此可以独立于膜的尺寸来选择样品体积，并且样品体积仅受外围微流体结构的设计的限制。此外，粘性样品可以不经稀释来处理。这两个优点增加了样品中低浓度分析物将结合在多孔介质的表面上的可能性。
另外，由于通过多孔介质(膜)的流动不是毛细管驱动的，因此本公开的示例允许通过减速至0Hz的旋转频率来第一次停止液体流动。这允许在整个测定过程中实现连续读出，这进而可以用于增加测定的动态范围，因为高分析物浓度可能导致测定过早终止。
此外，不同的液体可以被顺序地驱动通过多孔介质而无需额外的努力。因此，例如，可以在多孔介质上的(生物)化学相互作用之间或之后进行清洗步骤。
此外，特别是与已知的免疫层析快速测试相比，可以在受控条件下和在特殊的混合腔室中对试剂进行再水合处理，这与在连续流动下从纤维网上进行再水合处理相比，提高了测试的可重复性。同样，通过消除其他纤维网(样品、共轭纤维和废料纤维网)从而消除部件之间的互连表面，可以提高可重复性。
类似地，与横向流动测试条相比，可以将整个样品体积施加在多孔介质上，使得对于相同的结果需要总体更少的样品体积以及因此更少的试剂，因为没有液体残留在样品垫中。
此外，在所述过程结束时，例如通过使液体离心，可以容易地机械干燥多孔介质中的液体。与其中沿径向向内方向实现毛细管驱动流的已知过程相反，所述膜不会重新填充而是保持未填充，这为可能的后续光学评估提供了恒定的背景，并且防止生物分子在多孔介质上的可能的后续反应。
因此，本公开的示例提供了以下优点：
·在不需要密封设备的情况下，在有很少或几乎没有旁路的情况下可以完全控制润湿多孔介质、通过多孔介质的液体在径向向外方向上的流动。
·流动与多孔介质的材料特性(诸如渗透性和毛细力)脱离。
·通过多孔介质的流速仅由旋转频率和限流流阻通道控制。这允许将流速精确地调节到恒定水平，这进而允许精确设置孵育时间。
·避免在集成多孔介质周围的旁路流动的流体模块的设计与待处理的液体的粘度和密度无关，并且与所使用的旋转频率无关。
·最大样品体积不受多孔介质的吸收能力的限制，并且可以根据需要选择，无需其他多孔介质(样品、共轭物和废料垫)。
·可以在任何时间停止将液体施加到多孔介质，使得可以在停止状态下进行多孔介质的选择。
·无需额外的努力，即可以将不同的液体按顺序驱动通过多孔介质例如以实现清洗步骤。
·可以对多孔介质进行机械干燥(离心)，这在光学读出中产生均匀背景，并且防止随后在多孔介质中发生反应。
本公开的示例提供了一种用于离心微流体的流体模块，所述流体模块用于利用从径向向内到径向向外润湿所述多孔介质的液体来填充集成的暴露的多孔介质、流过所述多孔介质、并且排空所述多孔介质，所述流体模块由至少一个第一腔室组成，所述第一腔室被经由至少一个连接通道而连接到至少一个第二腔室。第二腔室包括至少一个多孔介质。连接通道的流体阻力被配置成使得在离心作用下，液体流过多孔介质，其中，在旋转下，从第一腔室到第二腔室的所产生的流速产生以下情况：如果流阻通道的全部流都从径向向内到径向向外流过多孔介质，那么粘性压力损失pDarcy将产生，如果多孔介质沿其整个径向长度充满液体，则其将最多是多孔介质中的液体的静压力phyd,mem的2倍。在这种流体模块中，在流阻通道后的引导通道结构可以将液体引导到多孔介质上。多孔介质可以在径向向内的位置处设置凹口，其中凹口边缘在与多孔介质的两个径向延伸的边缘的交点处朝向径向向内(相交方向)升高。所述结构可以使得第一腔室与第二腔室之间的连接通道被构造为虹吸管。上游粘度测量可以用于调节用于处理液体的旋转频率。液体(水相)可以代表在多孔介质处进行(生物)化学相互作用的反应混合物。
因此，本公开的示例涉及用于以受控方式在径向向外的方向上通过多孔介质来驱动液体的流体模块、设备和方法。在这方面，目的是以最小的处理努力来确保液体径向向外地流动通过多孔介质，并且防止或限制围绕多孔介质的流动，从而获得对通过多孔介质的流速的完全控制。根据出版物和专家陈述，连续地径向向外流动通过多孔介质具有明显的优势，但已被认为是不可控制和旁路的集成概念。
对本领域技术人员将显而易见的是，本文所用的术语“液体”或“液相”尤其包括含有固体组分的液体，诸如悬浮液、生物样品和试剂。
本公开的示例可以在离心微流体领域中具有特定应用，所述离心微流体涉及处理飞升至毫升范围内的液体。因此，流体结构可以具有在微米范围内的合适尺寸，以用于处理对应体积的流体。具体地，本公开的示例可以应用于离心微流体系统，诸如被称为“盘上实验室”的那些。
通常，在本公开的示例中，可以经由不同的流动横截面来实现相应的流体通道的不同的流动阻力(流体阻力、液压阻力)。在替代性示例中，还可以通过诸如不同的通道长度、集成到通道中的障碍物等的其他手段来实现不同的流动阻力。在指出了流动阻力之间的比较的情况下，除非另有说明，否则在每种情况下都应假定对相同流体的流动阻力。在本文中参考流体通道的情况下，这是指具有从流体入口到流体出口的比限定了流动横截面的一个或多个尺寸更大、例如大于5倍或大于10倍更大的长度尺寸的结构。因此，流体通道可以具有流动阻力，以从流体入口流动通过至流体出口。相反，本文的流体腔室是可以具有尺寸的腔室，使得其中不发生相关的流动阻力。
尽管已经在设备的上下文中将本公开的一些方面描述为特征，但是显而易见的是，这种描述也可以被认为是对对应处理特征的描述。尽管已经在方法的上下文中将一些方面描述为特征，但是显而易见的是，这种描述也可以被视为对设备的对应特征或设备的功能的描述。
在前面的详细描述中，已在示例中将各种特征部分地组合在一起以简化本公开。这种类型的公开不应被解释为所要求保护的示例具有比每项权利要求中明确陈述的更多特征的意图。相反，如以下所示权利要求书，本主题可以发现于比单个所公开的实施例的所有特征更少。因此，以下权利要求由此被结合到详细描述中，并且每个权利要求可以作为其自己的单独示例。尽管每个权利要求可以作为其自己的单独示例，但是应当注意，尽管权利要求中的从属权利要求与具有一个或多个其他权利要求的特定组合相关，但是其他示例也包括从属权利要求与任何其他从属权利要求的主题的组合或者任何特征与其他从属或独立权利要求的组合。除非指出不意图特定的组合，否则认为此类组合被涵盖。即使权利要求不直接依赖于独立权利要求，但是进一步旨在将所述权利要求的特征与任何其他独立权利要求的组合也包括在内。
上述示例仅是本公开原理的说明。应当理解，所描述的布置和细节的修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，意图是本公开仅由所附权利要求书限制，而不由出于描述和解释示例的目的而阐述的具体细节限制。

Claims (27)

1.一种用于引导液体通过多孔介质的设备，所述设备包括：
流体模块，所述流体模块能够围绕旋转中心旋转，并且包括流体腔室和流入结构，
多孔介质，所述多孔介质设置在所述流体腔室中，以允许冲击在所述多孔介质的径向内部部分上的所述液体受离心力影响而向所述多孔介质的径向外部部分流动，其中所述多孔介质相对于所述流动在侧向上至少部分地与所述流体腔室的腔室壁间隔开，使得在所述多孔介质的所述径向内部部分与所述多孔介质的在所述多孔介质的外部的所述径向外部部分之间存在流体连接，
其中所述流入结构配置为将所述液体受离心力影响而向所述多孔介质的所述径向内部部分的流入限制为第一流速，
其中所述第一流速与通过所述多孔介质的最大可能流速的比率不大于二。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述流入结构包括至少一个流阻通道和/或至少一个喷嘴和/或至少一种多孔介质和/或至少一种珠粒填充物，并且其中所述流入结构在距旋转中心的径向距离ri处通向流入腔室中，并且在距所述旋转中心的径向距离r2处通向所述流体腔室中，其中ri<r2。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述流入结构包括流阻通道，其中所述多孔介质和所述流阻通道配置为满足以下方程：
Figure FDA0002984491650000011
其中
D是设计因子，
CR是取决于所述流阻通道的截面的几何因子，
lCh是所述流阻通道的长度，
ACh是所述流阻通道的横截面积，
rin,m是所述多孔介质的所述径向内部部分与所述旋转中心之间的径向距离，
Am是所述多孔介质的垂直于所述流动的横截面积，并且
κ是所述多孔介质的渗透率。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述多孔介质和所述流阻通道被配置成使得D≤1.5或D≤1适用。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的设备，其中所述流入结构包括包含虹吸管的流阻通道，所述虹吸管具有径向上升的通道部分和位于所述径向上升的通道部分的下游的径向下降的通道部分。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的设备，其中所述多孔介质的所述径向内部部分包括带有凹口边缘的凹口，所述凹口边缘朝向所述多孔介质的相对于所述流动为侧向的边缘而径向上升。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中所述多孔介质是用于表面反应的固相、是用于表面附着反应的固相、被反应性组分浸渍和/或被生物分子浸渍。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中若干多孔介质被按顺序径向向外布置在所述流体腔室中。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中在所述流体腔室中设置引导结构以将所述液体引导到所述多孔介质的所述径向内部部分。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述引导结构在从所述流入结构到所述流体腔室的过渡处包括凹口，所述凹口被配置为借助于由待引导的所述液体的表面张力产生的力来将所述液体引导到所述多孔介质的所述径向内部部分。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备，其中所述流体模块包括多个流体腔室，每个流体腔室在其中设置有多孔介质；以及用于每个流体腔室的流入结构，使得液体可以同时被引导通过若干多孔介质，所述流入结构将所述流动限制为相等或不同的流速。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述流体模块包括：
等分结构，其包括多个输出，所述等分结构被配置为在每个输出处提供所述液体的等分试样，以及
多个等分试样腔室，每个等分试样腔室被流体联接到所述等分结构的出口，
其中每个所述流体腔室经由所关联的流入结构而流体连接到不同的等分试样腔室。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备，进一步包括：
温度控制装置，其被配置为调节所述流体模块的温度，
检测装置，其被配置为检测所述液体与所述多孔介质的反应结果。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的设备，包括驱动器，所述驱动器被配置为向所述流体模块提供所述旋转。
15.根据权利要求14所述的设备，进一步包括用于检测关于所述流体的粘度的信息的装置，所述设备被配置为根据所检测到的关于所述粘度的信息来调节所述旋转的转速，以调节通过所述流入通道的所述流速。
16.一种用于引导液体通过多孔介质的方法，所述方法包括：
提供流体模块，所述流体模块能够围绕旋转中心旋转，所述流体模块包括流体腔室和流入结构，其中多孔介质设置在所述流体腔室中，以允许冲击在所述多孔介质的径向内部部分上的所述液体受离心力影响而向所述多孔介质的径向外部部分流动，其中所述多孔介质相对于所述流动在侧向上至少部分地与所述流体腔室的腔室壁间隔开，使得在所述多孔介质的所述径向内部部分与所述多孔介质的在所述多孔介质的外部的所述径向外部部分之间存在流体连接，其中所述流入结构配置为将所述液体受离心力影响而向所述多孔介质的所述径向内部部分的流入限制为第一流速，并且其中所述第一流速与通过所述多孔介质的最大可能流速的比率不大于二；以及
使所述流体模块围绕所述旋转中心旋转，以使所述液体通过所述流入结构流入到所述多孔介质的所述径向内部部分，并且引导所述液体通过所述多孔介质。
17.根据权利要求16所述的设备，进一步包括停止所述流体模块的所述旋转以停止所述液体通过所述多孔介质的所述流动。
18.根据权利要求16或17中任一项所述的方法，进一步包括引导若干不同的液体按顺序通过所述多孔介质。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中提供所述流体模块包括提供流体模块，其中所述流入结构包括流入腔室以及将所述流入腔室与所述流体腔室流体连接并在距所述旋转中心径向距离r2处通向所述流体腔室中的流阻通道，所述流入腔室被填充有对应于初始液体体积的液柱，其中所述多孔介质和所述流阻通道被配置为满足以下方程：
Figure FDA0002984491650000041
其中
D是设计因子，
ri是当所述初始液体体积的80％在所述流入腔室中时所述液柱的径向内端，
CR是取决于所述流阻通道的截面的几何因子，
lCh是所述流阻通道的长度，
ACh是所述流阻通道的横截面积，
rin,m是所述多孔介质的所述径向内部部分与所述旋转中心之间的径向距离，
Am是所述多孔介质的垂直于所述流动的横截面积，并且
κ是所述多孔介质的渗透率。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中所述流入结构包括流阻通道，所述流阻通道包括虹吸管，所述虹吸管具有径向上升的通道部分和位于所述径向上升的通道部分的下游的径向下降的通道部分，所述方法包括将所述旋转的旋转频率在第一旋转频率与第二旋转频率之间改变，以发动所述液体通过所述流阻通道的流动。
21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括在所述流阻通道的上游的流入腔室中将试剂混合到所述液体中。
22.根据权利要求16至21中任一项所述的方法，其中所述多孔介质是用于表面反应的固相、是用于表面附着反应的固相、被反应性组分浸渍和/或被生物分子浸渍。
23.根据权利要求16至22中任一项所述的方法，包括将所述液体引导通过按顺序径向向外设置在所述流体腔室中的若干多孔介质。
24.根据权利要求16至23中任一项所述的方法，包括通过设置在所述流体腔室中的引导结构将所述液体引导到所述多孔介质的所述径向内部部分。
25.根据权利要求16至24中任一项所述的方法，包括将液体平行地引导通过若干多孔介质，每个所述多孔介质被设置在多个流体腔室中的流体腔室中，其中为每个流体腔室提供流入结构，所述流入结构将所述流动限制为相等或不同的流速。
26.根据权利要求25所述的方法，包括将所述液体等分成多个等分试样，并且通过不同的所述流入结构之一将每个等分试样引导进入多个流体腔室中。
27.根据权利要求16至26中任一项所述的方法，包括检测关于所述液体的所述粘度的信息，并且根据所检测到的关于所述粘度的信息来调节所述旋转的转速，以调节通过所述流入通道的所述流速。
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