CN114728287A

CN114728287A - 用于对流体量进行操纵并且将其转移到微流体系统中的装置和方法

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Publication number: CN114728287A
Application number: CN202080082442.9A
Authority: CN
Inventors: M·布德; H·博特; A·德尔; E·维默尔
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2022-07-08
Also published as: EP4037835A1; WO2021063667A1; DE102019215030A1; US20220379307A1

Abstract

一种用于将样本（6）转移到微流体系统（16）中的装置（18）包括样本输入室（2），其中所述样本输入室（2）的第一子空间（v₁）通过过滤模块（3）与所述样本输入室（2）的至少一个第二子空间（v₂）隔开，其中所述第一子空间（v₁）形成压力室，所述压力室被设置用于输入所述样本（6），并且至少一个第二子空间（v₂）被设置用于将所述样本（6）提供给所述微流体系统（16）。

Description

用于对流体量进行操纵并且将其转移到微流体系统中的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于微流体系统的装置以及一种用于对流体量进行操纵的方法。

背景技术

微流体系统允许以高的敏感性对小的样本量进行分析。此外，过程的自动化、微型化和平行化允许手动步骤的减少以及由此引起的差错的降低。

用微流体系统，应该能够实现对于样本的“即时分析（Point-of-care Analyse）”。“即时分析”是快速的样本分析，其在没有复杂的及十分耗时的工作步骤的情况下够用并且更确切地说尤其在没有必须由受训人员在中央实验室中执行的工作步骤的情况下够用。这能够通过基于微流体技术的芯片实验室（LoC-）系统来实现。在此，值得追求的是，如此设计所谓的“世界到芯片接口（World-to-Chip-Interface）”，从而能够在简单的不易出错的过程中将所述样本转移到芯片上、也就是转移到微流体系统中。

LoC系统用于不同的应用情况。在基于微流体的、处于所谓的LoC筒中的通道和腔室的网络系统中，能够对不同的问题进行处理并且对不同的流程进行编程。LoC系统的可能的应用情况在“芯片上（on Chip）”的流程和过程方面、但是也在“宏观世界”中的样本提取及预处理方面彼此有别。特殊的焦点在设计LoC系统时尤其在于芯片的输入室、所谓的“世界到芯片接口”上。这个“世界到芯片接口”应该能够在能通用的并且为许多应用情况设计的系统上无损失地接纳并且处理不同种类的样本。

发明内容

在这里应该说明具有新颖地设计的样本输入室的微流体系统，所述样本输入室提供特别有利的样本处理可行方案。

这里所描述的装置优选是筒的一部分，所述筒典型的是LoC筒并且所述筒除了所描述的装置之外也具有微流体系统。所述装置包括用于输入样本的样本输入室，其中所述样本输入室通过过滤模块能够至少划分成第一子空间和第二子空间，其中所述第一子空间形成压力室，该压力室被设置用于输入样本并且所述第二子空间被设置用于将样本提供给微流体系统，其中所述第二子空间具有至少一个出口，所述出口将第二子空间与微流体系统连接起来。“压力室”尤其是指以下腔室，所述腔室如此流体密封地被封闭，从而在所述腔室中能够设定超过该腔室之外的压力的压力。为此，所述腔室能够流体密封地被封闭。优选所述腔室允许输入样本，而所述流体不可能从所述腔室中流出。比如，所述腔室为此包括能剌穿的膜片、尤其是隔膜或者仅仅沿着一个方向被流体贯穿流过的阀、像比如止回阀。

样本的典型的种类比如是来自以下物质和/或材料的样本：

-血液，

-尿液，

-黏膜的拭子，

-粪便样本，或者

-必要时用载体流体来稀释的、由前面所提到的物质和/或材料构成的样本。

在这里首先原则上要对所述样本输入室或者其结构进行描述。整个样本输入室典型地具有处于0.1ml[毫升]与10ml之间的容积。所述样本输入室优选具有处于1mm² [平方毫米]与2500mm²之间的横截面面积以及处于5mm[毫米]与50mm之间的深度。所述样本输入室通过过滤器被划分为所描述的子空间，使得所述子空间分别相应地小于整个样本输入室。

这里所描述的公开内容的核心是所述样本输入室，该样本输入室也能够被称为世界到芯片接口（Welt-zu-Chip）。这个样本输入室形成宏观“世界”（在所述宏观“世界”里样本被转交到微流体系统中）与用于处理所述样本的微流体系统之间的一种接口。

所述微流体系统的样本输入室设有空间v，该空间通过所述过滤模块或者所述过滤模块的过滤结构被划分成至少两个子空间、也就是被划分成第一子空间v₁和第二子空间v₂。

所述微流体系统能够被设计得非常灵活。通常它包括多条通道和/或另外的腔室，在所述腔室中实施反应和分析，所述微流体系统为所述反应和分析而设置。这比如也能够是以阵列的形式创建的多个腔室，在所述腔室中能够并行地实施多个不同的分析步骤。必要时另外的用于试剂的容器、泵送元件、阀等等也能够是所述LoC筒的组成部分。

此外，通过具有所描述的装置的LoC筒的所描述的结构和所述也在下面所描述的用于进行样本输入的方法，已经能够进行用于准备样本的主动的过滤或分离步骤，而不必通过主动的微流体元件、比如微型泵或微型阀已经实施了微流体的操作，也就是说这些步骤能够在微流体系统的外部、但是已经在所述芯片实验室系统的LoC筒的内部进行。

所述第一子空间优选被选择得小于有待处理的样本的样本量，以便保证样本材料的从v₁到v₂的转移。特别有利的是，所述第一子空间与样本的状态、比如所预料的且有待拦住的颗粒含量相匹配。

所述第二子空间优选处于样本输入室的出口与过滤模块之间。特别优选的是，所述第二子空间关于微流体系统的测量定向在使用微流体系统时布置在所述第一子空间的下方。

特别有利的是，所述样本输入室具有输入口，该输入口通过流体密封的盖结构相对于环境被封闭，其中所述流体密封的盖结构能够用用于输入样本的输入器件来如此被切开，从而将所述样本无污染地输入到所述样本输入室中。

此外，有利的是，所述流体密封的盖结构如此制作而成，从而用输入器件能够在所述第一子空间中构建压力。

所述盖结构能够被制作为一种人造的“隔膜”。人造的隔膜优选是有弹性的膜片，能够用插管来刺穿所述膜片，其中总是持续保证对于所述样本输入室的开口的流体密封的封闭。优选在用插管刺穿所述隔膜时产生的孔在重又移走所述插管时立即重又流体密封地封闭。只要所述插管保持刺穿所述隔膜，则存在所述插管的在隔膜处的流体密封的封闭状态。

借助于如此制作的盖结构和由此实现的相对于环境的密封，能够无污染地给所述腔室装填样本。

用于输入样本的输入器件优选包括所描述的插管并且特别优选也包括用于构建压力的器件、比如注射器。所述输入器件比如能够是注射器或者具有插管的吸移管。所述具有空间v_p的样本比如用插管被输入到样本所特有的腔室的、具有空间v₁上面部分中。一旦所述空间v₁完全用样本来填充，则在进一步添加试样时所添加的量就通过所述过滤模块被运送到第二子空间中。

借助于所述输入器件能够构建压力，该压力延续到所述（形成压力室的）第一子空间中。这种压力能够用于将样本输送或者挤压穿过过滤模块。所述盖结构如此制作而成，使得其经得住这种压力，从而不会通过所述输入口产生压力的降低。

与在传统的微流体的系统和/或筒中的处理相比，样本的人工输入允许施加明显更高的力或者压力，以用于对样本进行过滤，并且在与所述过滤模块中的合适的膜片或者合适的过滤器或合适的网纱的组合中能够就这样将样本材料为LoC系统准备好并且使其能够使用，所述样本材料在没有这个预先步骤的情况下不能在微流体系统中处理。尤其通过所描述的样本输入室，能够在将样本引入到微流体的通道系统中之前进行过滤步骤并且由此能够避免微流体的网状结构的堵塞。

所述过滤模块能够被制作成多层结构。

所述过滤模块能够包括一个或多个膜片，所述膜片被设置在微流体的、样本所特有的腔室的内部，所述腔室比如具有预过滤功能或均匀化功能，以用于提高能分析的样本输入材料或者生物化验的多样性。

如果所述样本通过过滤模块转移到第二子空间中，则按所述具有膜片、过滤器和/或网纱的过滤模块的结构来进行样本的过滤、混合或剪切。比如，能够去除特定尺寸的污物、实现蛋白质的选择性的键合或者通过机械的剪切使所述样本均匀。

此外优选的是，所述过滤模块以能更换的方式来设立。

优选所述过滤模块是与另外的微流体系统分开的构件，该构件在制造过程的范围内使用。优选（比如用注塑方法）首先制造所述另外的微流体系统（所述系统的除过滤模块之外的所有组件）。随后装入所述过滤模块。所述微流体系统中的过滤模块比如也能够被粘入。所述过滤模块也能够在后来更换，比如如果其具有框架并且所述过滤模块或者其框架被装入在所述样本输入室中的槽和/或轨道中。通过不同的过滤模块，能够为不同种类的样本而使此外相同的微流体系统个性化。

借助于所描述的系统，按样本的状态和所期望的目标状态，能够模块状地将相应的膜片或者过滤器或网纱组合并且串联起来并且就这样比如实现“梯度-尺寸过滤”。所描述的种类的微流体系统除了过滤模块之外能够统一地构成。通过对于合适的过滤模块的选择，能够对所述样本输入室进行很好的调整，以用于所期望地使用微流体系统。这相应于为特定的应用情况对样本输入室进行的一种协调。

此外优选的是，所述过滤模块被装入到所述样本输入室中的接纳部中。

这样的接纳部比如能够是所述样本输入室之中或之处的槽和/凹口和/或凸肩，在其处安放着所述过滤模块。

在实施变型方案中，也还能够将另一能放入的模块装入到所述样本输入室中，所述另一模块必要时也能够与所述过滤模块相连接。这样的另一能放入的模块比如能够是混合模块，该混合模块用于将样本混合或者使其均匀。

此外优选的是，所述样本输入室具有入口，通过该入口能够将流体输送到所述样本输入室中。

所述样本室的第二子空间v₂或者下面部分优选在至少两侧上通过微流体的通道与芯片实验室-筒相接触、也就是与至少一个入口和至少一个出口相接触。

优选所述至少一个入口用入口过滤器与样本输入室分开。

所述入口能够与微流体系统的另外的通道和/或腔室相连接，以用于将组分/流体从微流体系统返回输送到样本输入室或者第二子空间中。所述入口也能够具有接头，外部的组件、比如用于应该与样本混合的处理流体的储存容器能够被连接到所述接头上。

特别优选的是，所述装置具有通往样本输入室的连接管路，通过该连接管路能够进行从至少一个出口到至少一个入口的循环输送。所述连接管路不仅能够通入到v₁中而且能够通入到v₂中。

在入口中（或者在需要时在多个通道处），在需要时能够插入额外的多孔的/或网状的结构，该结构保证了对于样本的进一步的预处理（比如重新的过滤和/或均匀化）。

在这里也要说明一种用于使用所描述的装置的方法，其中将样本输入到所述样本输入室中，其中所述样本的样本量大于所述第一子空间。

为所描述的装置所描述的优点和设计方案特征能够运用并且套用到所描述的方法并且反之亦然。

所述样本量大于所述第一子空间，由此也保证，所述样本量穿过过滤模块并且到达第二子空间中并且由此也到达微流体系统的处理单元中。

特别有利的是，所述样本的样本分量穿过过滤模块被输送到所述样本输入室的第二子空间中。

这尤其通过以下方式来进行，即：所述第一子空间作为压力室起作用并且所述样本量大于所述第一子空间。所述样本分量的大小由此（大致）相应于样本量扣除第一子空间。

此外，在下述情况下所述方法是有利的，即：在所述样本分量穿过过滤模块之后对所述样本分量进行预处理，以用于在所述微流体系统中进行进一步的处理。

这样的预处理比如能够包括以下（子）步骤：

-对样本进行混合，

-对样本进行剪切，

-对样本进行过滤，

-对样本进行化学处理，等等。

此外，在下述情况下所述方法是有利的，即：在用所述输入器件输入样本时提供比能够用能自动化的输送器件提供给微流体系统或者在筒上所能够提供的最大工作压力要大的压力。

通过这种实施变型方案，也许也能够缩小所述微流体系统或者筒的输送器件或者直接将其设计得较小，因为必要的用于用过滤模块对样本进行过滤的压力根本不必由这个输送模块来构建。

通过这里所描述的微流体系统并且通过用这种微流体系统来实现的方法产生以下优点：

1）所描述的装置能够运用在已经存在的LoC平台上。由此产生另外的流体的可行方案，其不仅扩展了能组合使用的样本材料集合而且扩展了可能的能实施的化验。不必为此而调整流体学的核心。

2）所述按本发明的样本所特有的装置能够通过装入到样本输入室中的嵌入件或者直接在注塑件中实现。

3）通过比如借助于隔膜来封闭上部子空间v₁这种方式，可以将所述空间与环境隔绝并且此外允许借助于注射器来无污染地注入样本。

4）此外，通过所述用隔膜来封闭的空间在完全填满所述子空间v₁之后在进一步添加样本时引起样本穿过第一膜片/过滤器/网纱的结果。由此直接在进行人工的样本输入时进行（预）过滤。

5）通过借助于隔膜来封闭样本输入室并且借助于输入器件（插管、注射器等等）来人工加入样本这样的方式，在所述微流体系统上实现机械的样本输入及准备。通过在样本输入之内借助于注射器实施的人工步骤，可以产生比在纯微流体的系统中高的压力并且就这样允许使用另外的样本材料。

6）通过在进行人工的样本输入时所实施的主动的过滤或分离步骤，在将所述芯片输入到芯片实验室系统的处理单元中之前、也就是说在能够通过主动的微流体元件、比如微型泵或者微型阀实施微流体的操作之前就已经开始对于所述样本的处理。由此降低用于整个过程的时间需求，这引起易损的样本材料的分解风险的减少并且引起更快的结果。

7）模块状能更换的滤芯允许使用比如在颗粒大小和/或键合特性方面与最初的样本的状态相匹配的过滤器/膜片/网纱。

8）通过过滤膜的可能的更换以及由此结构大小中的变化，可以为不同的样本材料和应用情况来设计所述系统。

9）另外，在所描述的装置中也能够将多个过滤膜/过滤网组合起来或者先后布置并且由此实现按序的过滤。

10）通过经由至少两条微流体的通道（入口和出口）使所描述的、样本所特有的样本输入室与筒上的微流体系统相接触这种方式，可以将机械的样本准备步骤与微流体系统连接起来并且将所输入的液体引入到筒中，从而能够实现循环泵送并且由此实现混合过程。

11）此外，通过所描述的过程或者方法，能够将在所述LoC筒上预存放的试剂运送到样本输入室中。

12）通过所述腔室的微流体的入口（或者多个入口）处的、呈过滤模块（过滤器/膜片/网纱）的形式的、能模块状使用的多孔的结构，能够进一步对循环泵送的液体进行处理。除了比如用于实现梯度-尺寸过滤的重新过滤或者特定的组成部分的选择性的键合之外，通过对于合适的滤芯的选择，也能够使样本均匀。通过将组成部分挤压穿过筛状的膜片中的小孔这种方式，能够分开较大的样本组成部分、比如细胞块。

13）通过膜片的可能的更换，可以改变其功能并且由此比如调节样本的均匀化程度和/或过滤机制。由此提高能处理的样本原材料及在LoC系统中能实施的化验的数量。

14）通过不同的功能在一个构件中的组合，也可以在所描述的方法中实现化验的不同步骤并且将其组合起来。

附图说明

下面对所述微流体系统以及技术环境进行详细解释。附图涉及特别优选的实施例。其中：

图1示出了筒上的所描述的装置的示意性的结构；

图2a和图2b示范性地示出了用于将样本输入到所描述的装置中的第一种处理方式；

图3a到3d示范性地示出了用于将样本输入到所描述的装置中的第二种处理方式；

图4a到4d示范性地示出了用于将样本输入到所描述的装置中的第三种处理方式。

具体实施方式

图1示出了所提出的具有用于筒1的样本输入室2的装置18的基本草案。可以看出，所述筒1除了具有样本输入室2的装置18之外也还包括微流体系统16，在所述筒中实施真正的能够用所述微流体系统16实施的分析步骤。所述微流体系统16能够包括许多另外的通道7和另外的腔室8，它们在这里分别示范性地示出。所述样本输入室2的总空间被划分成第一子空间v₁和第二子空间v₂。所述两个子空间v₁和v₂通过（能更换的）过滤模块3来彼此分开，该过滤模块被装入到接纳部17中。（在这里所示出的）样本借助于（在这里同样未示出的输入器件11、比如借助于注射器）通过盖结构10来送到样本输入室2中。所述盖结构10能够是刺穿膜（隔膜），该刺穿膜将输入口15封闭。样本在此首先被送到所述第一子空间v₁中。如此制作的盖结构10保证无污染地装填所述样本输入室2并且向外对样本6进行防护。所述样本6通过样本输入室2的出口5从第二子空间v₂到达微流体系统16中，所述样本输入室2与第二子空间v₂邻接。在这里也示范性地示出，所述样本输入室2具有入口4，该入口设有入口过滤器13并且该入口通入到样本输入室2中或者尤其是通入到样本输入室2的第二子空间v₂中。所述入口4能够与连接管路12相连接，该连接管路同样与出口5相连接并且该连接管路实现从样本输入室2出来并且返回到样本输入室2中的循环输送。

通过借助于输入器件11在不需要微流体的泵送功能的情况下加入样本6这样的方式，将机械的样本准备模块安放到筒1的微流体系统16上。所述样本准备模块在此由样本输入室2结合过滤模块3来形成。所述过滤模块3（能模块状更换的过滤膜）能够实现不同的功能。通过两条通道（入口4和出口5）可以将试剂（样本和/或另外的流体9）转移到筒1的在这里所示出的微流体系统16中。因为所述入口4和出口5通过连接管路12来彼此连接，所以也能够在所述样本输入室2中循环泵送流体9。通过处于所述入口4及出口5处的另一膜片（在这里示范性地示出了所述入口4处的入口过滤器13），可以在首次预处理之后进一步对样本进行处理。尤其能够再次对样本6进行过滤、对其进行键合（binden）或者也使其均匀化，方法是：将其通过入口过滤器13并且/或者通过过滤模块3来输送。

此外，也可以将被预存放在筒1上的其他试剂通过入口4来转移到所述样本输入室2中并且比如与样本6混合。

结合图1所解释的附图标记在以下附图中部分地重复，以用于实现快速的定位、但是而后部分地不作重新解释。在这里，要相应地参照与图1相关的（示范性的）解释。

在图2a和2b中示出了用于对样本6进行过滤连同输入到装置18中的样本输入室2的流程。按照图2a，穿过盖结构10朝所述样本输入室2中进行输入。这用所述输入器件11来进行。此外，所述盖结构10保证向外对样本进行防护并且在所述用作压力室的第一子空间v₁中构建压力。

按照图2b通过所述过滤模块3对样本6进行过滤。在此，比如能够通过所述样本6的组成部分的尺寸对所述样本进行过滤并且/或者通过机械的剪切使其均匀化并且/或者在使用所述过滤模块3的相应的过滤膜（膜片/过滤器/网纱）的情况下实现所述样本6的特定的组成部分、像比如蛋白质的选择性的键合。在此，所述样本6到达样本输入室2的子空间v₂中并且而后能够用于进一步的处理。

图3a到3d示出了用所描述的微流体系统1或者用其样本输入室2对样本6进行尺寸过滤以及随后使其均匀化的组合式的范例流程。

在图3a中借助于作为输入器件11的注射器将样本6通过作为刺穿膜（比如隔膜）来制作的盖结构10无污染地添加到样本输入室2中。此外，所述盖结构10保证向外对样本6进行防护。

在图3b中通过能更换的、相应地选择的过滤模块3通过样本6的组成部分的尺寸对所述样本进行过滤，并且该样本到达第二子空间v₂中。比如在这里接下来滤出较大的有待滤出的组成部分、像比如血块、毛发或其他组成部分。这样的组成部分留在过滤模块3中。

在图3c中将处于子空间v₂中的经过过滤的样本6通过出口5转移到筒1上的在这里未示出的微流体系统16中。所述样本能够通过入口4必要时又被输送到样本输入室2中或者被输送到第二子空间v₂中。

在图3d中，通过所述入口4处的入口过滤器13使所述样本6均匀化。在这里比如细胞块被分开。多次的循环泵送引起完全均匀化的样本6或者样本液体，其能够用于在所述筒1上的微流体系统16中进行进一步处理。

在图4a到4d中示范性地示出了在样本6的颗粒尺寸方面对其进行过滤并且随后与在所述筒1上预存放的试剂进行混合的情况。

按照图4a公开了盖结构10，该盖结构被制作成刺穿膜（比如隔膜）。所述样本6可以借助于输入器件（比如注射器）来无污染地注入到样本输入室2中。此外，所述盖结构10保证向外对样本6进行防护。

按照图4b，所述样本6通过能更换的、相应地选择的过滤模块3通过样本的组成部分的尺寸来过滤并且到达第二子空间v₂中。较大的有待滤出的组成部分比如是血块、毛发或其他组成部分。这样的组成部分在此留在过滤模块3之上或者之处或者之中。

按照图4c所述样本6可以通过出口5来转移到筒1上的微流体系统16中。

按照4d将所述样本输入室2的入口4用于将经过过滤的样本与混合流体14（试剂）进行混合并且而后将这种样本混合物进一步在所述筒1上的微流体系统16中进行处理。

Claims

1.用于将样本（6）转移到微流体系统（16）中的装置（18），其包括样本输入室（2），其中所述样本输入室（2）的第一子空间（v₁）通过过滤模块（3）与所述样本输入室（2）的至少一个第二子空间（v₂）隔开，其中所述第一子空间（v₁）形成压力室，所述压力室被设置用于输入所述样本（6），并且至少一个第二子空间（v₂）被设置用于将所述样本（6）提供给所述微流体系统（16）。

2.根据权利要求1所述的装置（18），其中所述第一子空间（v₁）与样本的状态、比如所预料的且有待拦住的颗粒含量相匹配。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置（18），其中所述第二子空间（v₂）大于所述第一子空间（v₁）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置（18），其中所述第二子空间（v₂）具有至少一个出口（5），所述出口将所述第二子空间（v₂）与所述微流体系统（16）连接起来。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置（18），其中所述样本输入室（2）具有输入口（15），所述输入口通过流体密封的盖结构（10）相对于环境被封闭，其中所述流体密封的盖结构（10）能够用用于输入样本（6）的输入器件（11）来如此被切开，从而将所述样本（6）无污染地输入到所述样本输入室（2）中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置（18），其中所述流体密封的盖结构（10）如此制作而成，从而用输入器件能够在所述第一子空间（v₁）中构建压力。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置（18），其中所述过滤模块（3）被制作成多层结构。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置（18），其中所述过滤模块（3）以能更换的方式来设立。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置（18），其中所述过滤模块（3）被装入到所述样本输入室（2）中的接纳部（17）中。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置（18），其中所述样本输入室（2）具有入口（4），通过所述入口能够将流体（9）输送到所述样本输入室中。

11.根据权利要求10所述的装置（18），其中所述至少一个入口（4）用入口过滤器（13）与所述样本输入室（2）分开。

12.用于使用根据前述权利要求中任一项所述的装置（18）的方法，其中将样本输入到所述样本输入室（2）中。

13.根据权利要求12所述的方法，其中在输入时将所述样本（6）的样本分量（v_Pt）穿过所述过滤模块（3）输送到所述样本输入室（2）的第二子空间（v₂）中。

14.根据权利要求13所述的方法，其中在所述样本分量（v_Pt）穿过所述过滤模块（3）时对所述样本分量（v_Pt）进行预处理，以用于在所述微流体系统（1）中进行进一步处理。

15.根据权利要求12到14中任一项所述的方法，其中在用所述输入器件（11）输入样本（6）时提供压力，所述压力大于能够用能自动化的输送器件提供给所述微流体系统（16）的最大的工作压力。