CN113546699B - 用于分配流体的流体设备、装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方案涉及离心流体设备、装置和方法。公开的实施方案是流体设备以及相关的设备和方法，其可以将来自单个入口或多个入口(1)的流体样品经由其流体入口(49)分配到多个腔室(3)中。每个腔室具有流体出口(50)和气体出口(51)。已被分配的流体可以在离心压力下进一步分配到下游的流体模块，从而允许进行各种多重测定，包括核酸扩增检测。

Description

用于分配流体的流体设备、装置和方法

技术领域

本发明的一个实施方案涉及离心流体设备、装置和方法。

背景技术

在各种科学学科中，特别是在生物和化学科学中，以及在工业和医学中，有必要以流体形式进行各种测定和实验。例如，在生物学中，这些测定可以包括酶，免疫，代谢和/或诊断测定。诊断测定尤其在医学中特别重要，其中核酸扩增检测(NAAT)特别有用。依靠以水性形式进行的聚合酶链反应(PCR)技术，NAAT不仅能够诊断传染病，而且能够诊断遗传性病症和疾病的遗传易感性。这样，基于流体的测定不仅在基础研究中具有相关性，而且在工业和临床应用中也具有相关性。为此，基于流体的测定必须经常以多重化的形式进行，使得可能是流体(或流体中的悬浮液)的样品必须并行分析或并行进行多种不同的分析。例如，在医学诊断中，通常需要从患者获取组织样品(即血液，唾液)并对所述样品进行一系列同时检测。NAAT可以在所述样品上进行，并且在多重化时可以通过扩增样品内存在的特定致病性核酸材料来检测患者的样品是否有多种传染病。最初，这将需要由熟练的技术人员将样品手动分配成单独的等分试样，每个等分试样可以针对不同的病原体进行不同的核酸分析。这些检测的多重化允许一次筛选更多的病原体，但也增加了测定的复杂性，因为必须单独测定更多的等分试样，需要更多的时间和精力来完成。类似地，多种其他测定一旦它们被多重化就需要更多的时间和精力，而不管其执行的背景如何。因此，问题是试图获得更丰富和有用的多重测定结果，同时最大程度地减少工作量。

存在多种方法减少完成多重测定所需的工作量。一种这样的方法涉及微流体的使用，其通过允许更容易地处理少量流体来实现多重化能力。这样，可以将流体样品与试剂一起细分为更小的等分试样，从而可以对单个样品进行更多的实验。离心微流体技术尤其使流体易于分装。这些设备具有微流体入口，出口，腔室，通道和其他部件，其布置方式使得作用在样品内的液体上的离心力提供所需的压力，以促使这些液体通过微流体。在许多情况下，致动微流体设备所需的全部是使离心微流体设备在一组预定旋转频率下绕其旋转轴公转的原动力。这些离心微流体设备通常是盘形的并且通常具有一定程度的旋转对称性。这些离心微流体设备的许多实例在现有技术中是已知的。

在2003年3月4日授予Kellogg等人的美国专利号6,527,432公开了双向流动离心微流体设备。

在2003年10月14日授予Kellogg等人的美国专利号6,632,399公开了使用向心加速度来驱动微流体系统中的流体运动以进行生物流体测定的设备和方法。

在2004年4月13日授予Kellogg等人的美国专利号6,719,682公开了使用向心加速度来驱动微流体系统中的流体运动的电子主轴。

在2008年2月19日授予Tooke等人的美国专利号7,332,126公开并集成了微流体盘。

在2009年9月29日授予Ferren等人的美国专利号7,596,073公开了用于流体介导的盘激活和去激活的方法和系统。

在2012年7月17日授予Lee等人的美国专利号8,222,045公开了使用离心力的微流体设备、制造该微流体设备的方法以及使用该微流体设备的样品分析方法。

在2013年5月21日授予Peytavi的美国专利号8,444,934公开了一种可移动的微流体单元。

在2014年12月23日授予Fonseca的美国专利号8,916,112公开了液体分配和计量。

在2017年2月7日授予Peytavi等人的美国专利号9,562,262公开了一种流体向心设备。

在2018年6月19日授予Paust等人的美国专利号10,001,125公开了一种用于泵送液体的流体模块、设备和方法。

在2019年1月1日授予Kulinsky等人的美国专利号10,166,541公开了一种用于自动化介质交换的离心微流体平台。

前述现有技术方法和装置的缺点是微流体设备在中心处的机械接合。即，设备倾向于通过例如经由CD或DVD中发现的大的中心孔在其中心处施加扭矩来旋转。此外，在现有技术中发现的许多设备中，包括上述，通常使用微流体模块，其占据设备的一部分并且可以围绕设备上的旋转轴线复制，从而简化了设计。然而，考虑到大多数离心设备通过在其中心施加扭矩来旋转，很难将流体从盘上的一个位置分配到围绕旋转轴定位的每个相同的微流体模块。这种困难是由于具有不位于设备的旋转中心的单个入口的不对称性，这意味着并非所有模块都具有等效的入口通道，因此必须重新设计，这可能会浪费设备的空间，或经受模块之间的不一致的流体传输。因此，在必须经由单个入口将单个样品分配到位于盘周围的多个腔室的情况下，理想的是将所述入口定位在旋转中心，以保持对称性和功能性，并最大程度地使用微流体设备上的空间。

在现有技术中示出一些离心微流体设备，这些离心微流体设备试图经由单个入口将流体分配到围绕该设备的旋转轴线方位地布置的多个流体模块。

丁兆雄等人，“用于实时蛋白质测定和校准的在离心微流体平台上的在线分光光度计”，Lab on Chip 16.18(2016)：3604-3614公开了一种用于将样品从离心微流体盘上位于中心的单个腔室分配到围绕设备外围的多个测定腔室的装置和方法。在他们的装置中，中心腔室具有通向螺旋形通道的单个开口，该通道一次缠绕在盘上并终止于废物收集腔室。中心腔室稍微偏离中心，使得一旦盘旋转，流体就会通过离心力被迫进入通道。该盘具有通过单个入口装载样品的简便性，然而，通过仅利用来自中心腔室的单个出口，它确实尽可能有效地使用盘上的空间。例如，理想的是具有从中心储器发出的多个通道，以便最大化使用空间。然而，中心腔室的设计不允许这样做。

在美国专利号8,945,480中，描述了一种使用“分流”技术的设备，该设备允许将中心腔室中的流体沿着盘的外围分配到多个腔室中。该设备需要离心力以将样品细分为中心腔室内的子腔室，然后增加旋转频率以迫使细分后的液体通过阀沿着盘的外围进入各个腔室。这样的设备经受两个关键缺陷。首先，尽管理论上应当将中心腔室内的液体细分在中心腔室内的子腔室之间，这可以仅部分完成。即，取决于所使用的体积，可能存在在子腔室之间建立流体连续性的液膜。以这种方式，当旋转频率增加时，所有阀必须精确地同时爆破，以使每个子腔室中的液体分配到微流体盘的相应扇区。例如，如果甚至一个阀相对于其他阀过早地爆破，则子腔室之间的液体连续性上的表面张力会优先将所有液体吸入阀过早爆破的盘的扇区中。在较小的液体体积中，这尤其成问题，其中表面张力在物理上起着更重要的作用。以这种方式，这样的设计将需要极高水平的精度，而该方法学将需要精确地执行，使得该设计在实践中不容易可行。

其次，即使液体能够在中心腔室内被适当地细分，也将需要充分的离心力才能正常工作。这对应于升高的旋转频率，其可以大大高于在其他离心微流体设备和设计中发现的旋转频率。这进一步意味着从中心腔室分配液体所需的“分流”设计可能与其他有用的微流体模块不兼容，例如，这些微流体模块可能使用流体爆破阀。这限制了这种分配装置的适用性。

美国专利号9,186,671公开了类似于美国专利号8,945,480中和Ding等人中的设备的设备。所描述的一个实施方案与美国专利号8,945,480中描述的发明相似，原因在于其使用源自旋转微流体盘的离心力来迫使液体进入中心腔室的子腔室中，流体样品被装载到该中心腔室的子腔室中。出于在美国专利号8,945,480中叙述的相同原因，这种设计具有一系列固有的缺点。即，表面张力会阻碍流体的适当分配，并且适当分配所需的较高旋转频率可能与多种潜在的下游微流体模块不兼容。另一个实施方案类似于在Ding等人中描述的设备，原因在于从旋转中心移开的中心腔室进入到围绕该中心腔室成螺旋形的通道中，并连接到沿该通道的径向远端侧排列的腔室。如之前对于Ding等人所公开的设备所提到的，这种设计将妨碍有限的离心微流体设备空间的有效利用。

由于存在与转子机械地接合并将扭矩传递到设备的中心孔，当前在现有技术中已知的大多数离心流体设备并未最大化可用空间的利用。这不仅使空间利用效率低下，而且使得难以在不必多次装载的情况下围绕设备的旋转轴分配单个样品。对于确实允许从单个入口在芯片周围分配流体的那些设备，存在严重的缺点，这些缺点阻碍了它们的实用性。这些缺点包括无法使空间利用最大化，由于表面张力效应而难以正确分配流体，和可能与初始分配流体下游的微流体模块不兼容。

发明内容

在本发明的一个实施方案中，可绕旋转中心旋转的流体设备包括一个或多个第一流体入口；一个或多个比任何第一流体入口更远离旋转中心的第一腔室，每个第一腔室具有流体出口、气体出口和流体入口；和一个或多个第一通道，其中每个第一通道将中心腔室的流体入口流体连接到一个或多个第一流体入口，其中每个第一腔室的流体出口比第一腔室的流体入口或第一腔室的气体出口更远离旋转中心，其中第一腔室的流体出口具有比第一腔室的气体出口更高的流体流动阻力，其中第一腔室的气体出口具有比第一腔室的流体入口更高的流体流动阻力，并且其中，在将流体输入到第一流体入口中的情况下，流体通过一个或多个第一通道被驱动以经由每个流体入口进入每个第一腔室，填充每个第一腔室，同时不移动通过第一腔室的流体出口或气体出口。

在本发明的一个实施方案中，在流体设备中，对于每个第一腔室，第一腔室的流体入口的横截面积大于第一腔室的气体出口的横截面积，第一腔室的气体出口的横截面积继而大于第一腔室的流体出口的横截面积。

在本发明的一个实施方案中，在流体设备中，第一腔室的流体出口比第一腔室的气体出口到第一腔室的流体入口更靠近第一腔室的流体入口。

在本发明的一个实施方案中，在流体设备中，当第一腔室从第一腔室的流体出口过渡到第一腔室的气体出口时，第一腔室在第一腔室的流体出口和第一腔室的气体出口之间的壁在与旋转中心的距离上单调减小。

在本发明的一个实施方案中，在流体设备中，第一腔室的流体出口连接到第二通道，其中第二通道是流体阀，该流体阀流体连接到第三通道，其中第三通道遵循在相对于旋转中心沿方位角行进时离旋转中心更远移动的路径，在其相对于旋转中心的径向远端侧上被多个与其流体连接的第二腔室内衬，并终止于第三腔室，其中第二腔室在其相对于旋转中心的径向远侧部分被第四通道终止，其中所述第四通道是将每个第二腔室连接到单独的第四腔室的流体阀，该第四腔室比第二腔室更远离旋转中心，并且其中每个第四腔室都有气体出口，该气体出口相对于旋转中心位于其径向近端侧。

在本发明的一个实施方案中，在流体设备中，至少一个凹口沿着设备的边缘存在。

在本发明的一个实施方案中，用于分配流体的装置包括流体设备和旋转流体设备的装置。

在本发明的一个实施方案中，在该装置中，旋转流体设备的装置是电机。

在本发明的一个实施方案中，在该装置中，电机附接到转子，并由用于调节旋转频率的装置控制。

在本发明的一个实施方案中，在该装置中，转子具有至少一个突起，该突起可以与沿着流体设备的边缘存在的至少一个凹口机械地接合。

在本发明的一个实施方案中，一种用于分配流体的方法包括：通过一个或多个第一流体入口将流体引入到流体设备中；施加压力以驱动流体从一个或多个第一流体入口进入一个或多个第一通道；继续施加压力以驱动流体从第一通道经由其流体入口进入第一腔室，直到流体同时到达第一腔室的流体出口和气体出口；继续施加压力，使得流体被驱动通过一个或多个第一流体入口进入另一个第一通道并进入与其流体连接的第一腔室；继续施加压力直到每个第一腔室具有到达其流体出口和气体出口的液体；并且使流体设备在第一频率下旋转，该频率可以产生足够的离心力，从而使每个第一腔室中的流体被驱动径向向外通过第一腔室的流体出口并远离第一腔室的流体入口和气体出口。

在本发明的一个实施方案中，用于分配流体的方法还包括在第一频率下旋转流体设备以产生足够的离心力，使每个第一腔室中的流体被驱动通过第一腔室的流体出口，通过充当流体阀的第二通道，进入第三通道，并进入多个第二腔室，使得每个第二腔室被填充直到第四通道，该第四通道相对于旋转中心终止于其径向远端，超出的多余流体可以填充第二腔室，沿着第三通道进一步行进直到到达第三腔室；并且在高于第一频率的第二频率下旋转流体设备并产生足够的离心力，使每个第二腔室中的流体被驱动通过用作流体阀的第四通道进入单独的第四腔室，流体经由其气体出口置换存在于第四腔室内的任何气体。

本发明的实施方案的优点在于，可以将来自单个入口或一组入口的单个样品分配到相对于离心微流体设备的旋转通道以任何方位角定位的多个腔室。另一个优点是，由于流体的几何形状，所述从样品室中分配单个样品对于表面张力的影响是稳健的。另一个优点是，对表面张力的这种稳健性使得下游微流体模块的设计具有更大的灵活性，因为用于初始分配样品的压力不取决于离心力。另一个优点是，可以将不精确体积的流体插入设备的实施方案中，并通过施加不同水平的离心力在设备内精确地处理和分配流体。

所述下游微流体模块可以允许样品的进一步分配和分布，从而允许容易地建立多重化学、生物学或医学测定，或可以以流体形式进行的其他测定。这种易用性对最终用户(包括通常缺乏执行医学诊断所需技能的非专业人士和消费者)有利，并且可以促进即时诊断。

定义

在本说明书中，术语“离心流体设备”旨在表示流体网络，其中流体通过旋转流体网络的作用而被驱动。

在本说明书中，术语“样品”旨在表示在离心微流体设备内待处理的任何流体、溶液、混合物或悬浮液。

在本说明书中，术语“通道”旨在表示离心流体设备中的路径，该路径允许流体在离心流体设备腔室、通道或其他部件之间流动。

在本说明书中，术语“入口”旨在表示通向离心流体设备腔室或通道的开口，该开口允许流体进入所述腔室或通道。

在本说明书中，术语“出口”旨在表示通向离心流体设备腔室或通道的开口，该开口允许流体或气体离开所述腔室或通道。

在本说明书中，术语“爆破阀”、“流体阀”或“阀”可互换使用并且旨在表示离心流体设备的结构，其主要功能是防止流体在施加于流体上的阈值压力以下时流动，其中流体上的压力通常由离心流体设备的旋转产生。

在本说明书中，术语“流体连接”旨在表示两个或更多个离心流体设备部件的状态，包括但不限于腔室或通道，其可操作地互连以允许部件之间的流体流动。

附图说明

图1是离心流体设备的布局图。

图2是所述离心流体设备的透视图。

图3是所述离心流体设备以及用于致动流体设备的装置的透视图。

图4A、图4B和图4C描绘所述离心流体设备的中心腔室的填充。

图5A、图5B和图5C描绘从所述离心微流体设备内的中心腔室到下游的流体模块的流体分布。

图6A、图6B和图6C描绘将流体分配到所述离心微流体设备内的反应腔室中。

图7是离心流体设备的备选实施方案的布局图。

具体实施方式

本发明的实施方案旨在分配流体。为此，存在可用于产生本发明的实施方案的多种合适的方法和材料。可以选择这些材料和方法，以及所实施的任何表面涂层或设备处理，以适合各种应用，包括但不限于化学和生物学实验或测定以及医学诊断。

本发明的一个实施方案可以被制造为单个离心流体设备的两个分开的半部，该两个半部被与设备的旋转平面共面的平面平分。这些半部可以连接在一起，这允许在组装离心流体设备之前将试剂或测定材料装载到离心流体设备中。这些半部不需要由相同的材料制成，并且可以由适合于离心流体设备的预期应用的多种材料制成。因此，这些材料的选择取决于制造技术、结构规格和试剂兼容性以及其他参数。可以在示例性实施方案中使用的材料包括但不限于：聚苯乙烯，聚丙烯，聚碳酸酯，聚乙烯和丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)，玻璃，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，硅，二氧化硅和石英。取决于材料的选择，例如，可以使用具有适当材料的注射成型来产生离心流体设备半部，所述合适的材料包括但不限于聚苯乙烯，聚丙烯，聚碳酸酯，聚乙烯和丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)。这些半部也可以使用诸如热压纹的压纹技术来生产以将流体图案和部件从正极金属模具转移到热塑性材料中。也可以使用软光刻法生产半部：PDMS是一种可以浇铸并固化到所需流体系统的阳模中的合适的材料。可以按照常规方式使用硅晶片上的光致抗蚀剂或使用3D打印或铣削技术来实现具有三维特征的设计和图案，来生产用于此目的的模具。根据材料和应用，可以使用环氧树脂或胶水、超声波焊接、等离子或电晕处理或任何其他合适的方法将半部连接在一起。在连接之前，可以将试剂以干燥或液体形式装入任一或两个半部内的适当腔室中。如果为液体形式，则除其他加工技术外，还可将试剂进一步干燥，真空干燥或冻干，以促进最终组装的离心微流体设备的稳定性和一致性。还应注意，本发明的实施方案特别适用于离心微流体领域，其需要处理纳升至毫升量级的液体体积，并且因此，流体结构可具有用于处理相应体积的液体的合适尺寸。以下详细描述将用于说明本发明的示例性实施方案。

图1是呈圆柱形离心流体设备21形式的本发明的实施方案的布局图。离心流体设备21沿其外围具有凹口20以在旋转离心流体设备21时促进机械接合。离心流体设备21具有以离心流体设备21的旋转中心19为中心的第一流体入口1(也称，样品入口)。该样品入口通过一系列径向定向的第一通道2流体连接到中心腔室3，该径向定向的第一通道2连接到中心腔室3的流体入口49。每个中心腔室3具有流体出口50和气体出口51。在本发明的实施方案中，例如图1所示，可以将流体出口50定位成比气体出口51定位到流体入口49更靠近流体入口49。因此，当将流体装载到中心腔室3中时，它首先到达流体出口50并且然后将残留在腔室3中的任何气体排向气体出口51并通过气体导管4，气体导管4允许排出的气体离开离心流体设备21。流体出口50连接到第二通道5(也称，第一爆破阀)，该第一爆破阀连接到第三通道6，该第三通道6围绕旋转轴遵循方位角路线，该路线距旋转中心的径向距离逐渐增加。第三通道6相对于旋转中心19在其径向远端侧衬有计量腔室7，并终止于多余的流体腔室13。每个计量腔室7馈入用作爆破阀并位于计量腔室7相对于旋转中心19的径向远端侧的第四通道8(也称，第二爆破阀)。该第二爆破阀馈入反应腔室9。每个反应腔室9相对于旋转中心19在其径向近端侧具有气体出口24，该气体出口24与气体导管14连接，气体导管14继而连接到气体出口15，气体可以通过该出口15离开离心流体设备21。

图2是呈圆柱形离心流体设备21形式的本发明的实施方案的透视图。离心流体设备21的该视图强调在图1中的布局图中不能理解的结构方面。在本发明的一个实施方案中，通向中心腔室3的流体入口49的第一通道2的横截面积和流体入口49本身的横截面积大于中心腔室3的气体出口51的横截面积，该横截面积继而大于流体出口50的横截面积。这确保进入中心腔室3的流体在流体出口50和气体出口51处遇到比在流体入口49处更大的阻力。这继而确保一旦中心腔室3充满流体，与流过流体出口50或气体出口51相反，被供应到第一流体入口1的附加流体被驱动以移动到另一个空的中心腔室3中，从而连续地填充中心腔室3直到所有的腔室都被填充。第二通道5(也称，第一爆破阀)的横截面积大于通向反应腔室9的第四通道8(也称，第二爆破阀)的横截面积。在第一爆破阀具有较大的横截面积的情况下，它允许流体在较低的旋转频率(ω_低)下流动，而反应腔室的第二爆破阀不允许流体在相同的频率下流动。这确保液体在该频率下由计量腔室7计量，同时多余的流体前进至多余的流体腔室13，而不是流体立即流入反应腔室9并妨碍适当分配。

图3示出用于离心流体设备21的离心泵送的装置的示例性实施方案。具有用于机械接合的凹口20的流体设备21被装载到转子25上。该转子25具有与凹口20机械接合的突起30。转子25连接到电机26的驱动轴27。转子25可使用过盈配合、紧定螺钉、粘合剂或任何其他合适的方式紧固至驱动轴27。电机26由控制器模块29经由电连接28控制。控制器模块29可以被预编程为以一组预定速度驱动电机26。确定这些速度，使得驱动轴27、转子25和流体设备21全部在合适的频率下旋转以适当驱动流体设备21内的流体。这些频率可以凭经验确定并且将取决于离心流体设备21的尺寸、用于制造它的材料和方法以及将由离心流体设备21处理的样品的组成以及其他变量和参数而变化。控制器模块29可以是计算机、微控制器或能够设置电机26的速度的任何其他合适的装置。

图4A、图4B和图4C示出离心流体设备21的中心腔室3的填充。图4A示出三个中心腔室3中的第一个的填充。注意，由于腔室3是相同的，它们的填充顺序是随机的。样品经由样品入口装载并通过第一通道2和通过中心腔室的流体入口49进入中心腔室3，同时向样品入口施加压力。该压力可以经由注射器、移液器或任何其他合适的方式供应，并且可以是手动的或自动的。箭头指示样品流体进入中心腔室3时的总体运动。它继续这样做，并且在流体出口50比气体出口51到流体入口49更靠近流体入口49的实施方案中，流体将首先到达流体出口50并继续将中心腔室3中的所有剩余气体通过气体出口51排入并进入从离心流体设备21引出的气体导管4中。流体无法继续通过流体出口50，因为中心腔室3的通向气体出口51的部分呈现出较小的阻力的路径。一旦样品流体到达气体出口51，由于中心腔室3的变窄而在气体出口51处出现的表面张力和流动阻力的组合阻止进一步的流体流入中心腔室3。在这一点上，中心腔室3如图4B所示填充。在仍将压力和流体施加到样品入口的情况下，样品现在将采用阻力最小的路径，由于其较大的横截面积，该路径是通向剩余空中心腔室3的任一个的流体入口49的第一通道2。填充过程与剩余的中心腔室3重复，如同对第一中心腔室3所进行的，直到所有三个中心腔室3都被填充，如图4C所示。在图4C所示的阶段，不再向样品入口施加压力。

一旦样品流体被分配到中心腔室3中，就可以使用离心将其分配到下游的流体模块，而不管它们在流体设备21上相对于旋转中心19的方位角位置。离心分配的第一阶段在图5A、5B和5C中描绘。最初，如图5A所示，填充中心腔室3。然后旋转流体设备21，从0赫兹开始直到达到预定的旋转频率(ω_低)。在等于或高于该阈值频率时，中心腔室3中的流体施加足够的压力以流过第二通道5(也称，第一爆破阀)。然后，流体从中心腔室3穿过流体出口50和第一爆破阀被驱动，并进入下游第三通道6，如图5B所示。如图5C所示，在离心力的驱动下，流体继续流动通过第三通道6并随着其前进而充满计量腔室7。

图6A、6B和6C示出流体分配到反应腔室9的最后阶段。如图6A所示，计量腔室7被填充并且剩余的样品流体在离心压力下仍流动通过第三通道6。该阶段通常是短暂的，因为流体通常迅速流动通过第三通道6。不能被计量腔室7容纳的多余流体继续流动通过第三通道6，直到到达多余的流体腔室13，在该处收集。同时，计量腔室7保持充满，从而精确地分配流体，如图6B所示。在这一点上，离心流体设备21的旋转频率从ω_低增加到另一个更高的旋转频率，该较高的旋转频率也是预定的ω_高。在这个较高的旋转频率下，计量腔室7中的流体施加足够的压力以移动通过第二组第二爆破阀并进入反应腔室9，如图6C所示。当流体移动到反应腔室9中时，它将先前存在于反应腔室9中的气体通过气体出口24排入并进入气体导管14。该气体导管14为气体通过它们的气体出口24离开所有反应腔室9以向最终气体出口15移动提供共同的途径，该出口15允许排出的气体离开离心流体设备21。在此阶段，在反应腔室9充满分配样品的情况下，一旦满足适当的反应条件，即可开始进行多重分析。

图7是作为离心流体设备32的本发明的备选实施方案的布局图。该实施方案具有与另一离心流体设备21中的特征相同的特征，并且应当用于示出其中可以实现本发明的实施方案的许多方式中的一种。如在另一个离心流体设备21中一样，该流体设备32具有用于机械接合的凹口31和用于样品输入的流体入口33。该离心流体设备32具有大量的中心腔室37以及相关的流体入口46，流体出口47和气体出口48。存在通道34，其将流体从样品入口33引导至中心腔室37的流体入口46。还存在气体导管35，其允许通过中心腔室37的气体出口48排出的气体离开离心流体设备32。在流体出口47和第二流体通道38之间存在爆破阀36，其中第二流体通道38的功能是将流体引导至大量的计量腔室39、阀40和反应腔室41。相对于另一个离心流体设备21，这种增加的反应腔室41的数量可以提供增强的多重化能力，这可能需要更宽泛、更具体的测定，或具有技术性的复制品。如在另一个离心流体设备21中一样，该离心流体设备32中的第二流体通道38终止于多余的流体腔室44，并且每个反应腔室41具有气体出口42，该气体出口42馈入连接到气体出口43的共享气体导管45中。该离心流体设备32可以以与另一离心流体设备21类似的方式被离心泵送。具体地，它可以在较低的第一旋转频率(ω_低)下旋转以从中心腔室37径向向外朝下游流体结构驱动流体。一旦流体已经由计量腔室39计量，则离心流体设备32然后可以在第二更高的旋转频率(ω_高)下旋转以驱动来自计量腔室39的流体经过阀40并进入反应腔室41。此时，取决于必要的反应条件(即温度)，可以开始多重分析。

本发明的实施方案可以服务于大量工业应用。利用合适的制造技术，可以将多种试剂预装到离心流体设备的反应腔室中，从而可以进行多种多样的多重测定。这些测定可包括但不限于评估供水中的金属、化学和生物污染物，定量蛋白质浓度和核酸分析。关于核酸的分析，存在许多特定的应用。这些可能包括基因分型测定，可用于牲畜和农作物的选择性育种，刑事调查中的法医检测，遗传疾病的筛查以及家族关系的验证。此外，核酸分析可用于食品检测，其中其可用于检测食品中的生物污染物(即大肠杆菌，肠炎沙门氏菌)。核酸分析也可用于诊断农作物和牲畜的疾病。此外，支持核酸分析的本发明的实施方案可用于医学诊断，允许诊断各种病原体并允许对疾病暴发的快速公共卫生响应。可以通过例如将冻干的聚合酶链反应试剂预装载到离心流体设备的反应腔室中来实现这种用于核酸分析的测定。可以将负责检测不同核酸序列的不同引物组预装到单独的反应腔室中，从而在单个离心微流体设备中实现多重功能。因此，该技术对于学术研究、工业、医学和整个社会都将是有用的。

尽管已经将本发明描述为几个实施方案并且参考这些实施方案进行指定，不应出于限制目的考虑它们。存在许多落入本发明范围内的变更、置换和等同实施方案，并且对本领域普通技术人员而言将是显而易见的。所附的权利要求书旨在包括落入本发明的真实精神和范围内的所有这样的变更、置换和等同实施方案。在下面的权利要求中，附图标记不应解释为对权利要求的限制。

Claims (11)

1.一种可绕旋转中心(19)旋转的流体设备(21)，包括：

一个或多个第一流体入口(1)；

一个或多个比任何第一流体入口(1)更远离所述旋转中心(19)的第一腔室(3)，每个第一腔室(3)具有流体出口(50)、气体出口(51)和流体入口(49)；和

一个或多个第一通道(2)，其中每个第一通道(2)将第一腔室的流体入口(49)流体连接到一个或多个第一流体入口(1)，

其中每个第一腔室(3)均具有流体出口(50)，所述流体出口(50)比所述第一腔室的流体入口(49)或所述第一腔室的气体出口(51)更远离所述旋转中心(19)，

其中所述第一腔室的流体出口(50)具有比所述第一腔室的气体出口(51)更高的流体流动阻力，

其中所述第一腔室的气体出口(51)具有比所述第一腔室的流体入口(49)更高的流体流动阻力，并且

其中，在将流体输入到一个或多个第一流体入口(1)中的情况下，流体被驱动通过所述一个或多个第一通道(2)经由第一腔室(3)的流体入口(49)进入每个第一腔室(3)，填充每个第一腔室(3)，而不会移动通过所述第一腔室的流体出口(50)或所述第一腔室的气体出口(51)。

2.根据权利要求1所述的流体设备(21)，其中对于每个第一腔室(3)，所述第一腔室的流体入口(49)的横截面积大于所述第一腔室的气体出口(51)的横截面积，所述第一腔室的气体出口(51)的横截面积继而大于所述第一腔室的流体出口(50)的横截面积。

3.根据权利要求1所述的流体设备(21)，其中所述第一腔室的流体出口(50)比所述第一腔室的气体出口(51)到所述第一腔室的流体入口(49)更靠近所述第一腔室的流体入口(49)。

4.根据权利要求1所述的流体设备(21)，其中所述第一腔室的流体出口(50)连接到第二通道(5)，

其中所述第二通道(5)是流体阀，所述流体阀流体连接到第三通道(6)，

其中所述第三通道(6)遵循在相对于所述旋转中心(19)沿方位角行进时离所述旋转中心(19)更远移动的路径，并且在其相对于所述旋转中心(19)的径向远端侧上被多个与其流体连接的第二腔室(7)内衬，并终止于第三腔室(13)，

其中所述第二腔室(7)在其相对于所述旋转中心(19)的径向远端部分被第四通道(8)终止，

其中所述第四通道(8)是将每个第二腔室(7)连接到单独的第四腔室(9)的流体阀，所述第四腔室(9)比所述第二腔室(7)更远离所述旋转中心，并且

其中每个第四腔室(9)均具有气体出口(24)，所述第四腔室(9)的气体出口(24)相对于所述旋转中心(19)位于其径向近端侧。

5.根据权利要求1所述的流体设备(21)，其中至少一个凹口(20)沿着所述设备的边缘存在。

6.一种用于分配流体的装置，包括：

根据权利要求1所述的流体设备(21)；和

旋转所述流体设备的装置。

7.根据权利要求6所述的装置，其中旋转所述流体设备的装置是电机(26)。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述电机(26)附接到转子(25)并由用于调节旋转频率的装置控制。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述转子(25)具有至少一个突起(30)，所述突起(30)可以与沿着所述流体设备(21)的边缘存在的至少一个凹口(20)机械地接合。

10.一种用于分配流体的方法，包括：

通过一个或多个第一流体入口(1)将流体引入流体设备(21)；

施加压力以驱动流体从所述一个或多个第一流体入口(1)进入一个或多个第一通道(2)；

继续施加压力以驱动流体从第一通道(2)经由第一腔室(3)的流体入口(49)进入所述第一腔室(3)，直到流体同时到达所述第一腔室的流体出口(50)和所述第一腔室(3)的气体出口(51)，其中所述流体出口(50)比所述流体入口(49)或所述气体出口(51)更远离旋转中心(19)，其中所述流体出口(50)具有比所述气体出口(51)更高的流体流动阻力，并且其中所述气体出口(51)具有比所述流体入口(49)更高的流体流动阻力；

继续施加压力使得流体被驱动通过所述一个或多个第一流体入口(1)进入另一个第一通道(2)并进入与其流体连通的第一腔室(3)；

继续施加压力直到每个第一腔室(3)具有到达所述第一腔室(3)的流体出口(50)和所述第一腔室(3)的气体出口(51)的液体；和

在第一旋转频率下旋转所述流体设备(21)，所述第一旋转频率可产生足够的离心力，使每个第一腔室(3)中的流体被驱动径向向外通过所述第一腔室的流体出口(50)并远离所述第一腔室的流体入口(49)和所述第一腔室(3)的气体出口(51)。

11.根据权利要求10所述的分配流体的方法，还包括：

在所述第一旋转频率下旋转所述流体设备(21)以产生足够的离心力，使每个第一腔室(3)中的流体被驱动通过所述第一腔室的流体出口(50)，通过充当流体阀的第二通道(5)，进入第三通道(6)，并进入多个第二腔室(7)，使得每个第二腔室(7)被填充直到第四通道(8)，所述第四通道(8)相对于所述旋转中心(19)终止于其径向远端，超出的多余流体可以填充第二腔室(7)，沿着所述第三通道(6)进一步行进直到到达第三腔室(13)；和

在高于所述第一旋转频率的第二旋转频率下旋转所述流体设备(21)，并产生足够的离心力，使每个第二腔室(7)中的流体被驱动通过用作流体阀的第四通道(8)进入单独的第四腔室(9)，流体经由所述第四腔室(9)的气体出口(24)置换第四腔室(9)中存在的任何气体。

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