CN1930480A - 微流体装置和使用该装置的诊断分析设备 - Google Patents

Abstract

提供一种微流体装置和包括该微流体装置的诊断分析设备。该微流体装置包括：微流体通过其流动并具有第一横截面和预定长度的入口部分；毗连入口部分以让来自入口部分的流体进入的流动延迟部分，该部分具有比入口部分的第一横截面大的第二横截面以降低通过毛细力由入口部分进入的流体的界面曲率和流体的流速，且该部分具有沿流体流动方向延伸的预定长度；毗连流动延迟部分以让来自流动延迟部分的流体进入的流动恢复部分，该部分具有比流动延迟部分的第二横截面小的第三横截面和预定长度。甚小体积的流体的流动可通过具有利用毛细力而不需要额外操作步骤和能量要求引起自然流动的特别设计的流道来定量调节。该微流体装置和诊断分析设备可容易地制造和控制。

Description

微流体装置和使用该装置的诊断分析设备

技术领域

本发明涉及一种微流体装置和使用该装置的诊断分析设备，更具体地说，涉及一种能够定量调节毛细流动中甚小体积的流体的微流体装置和一种使用该装置的诊断分析设备。

背景技术

用于引起和控制甚小体积的流体流动的微流控技术对于诊断分析装置的驱动是必需的。这种技术可以通过多种驱动法实现。一般的驱动法包括在流体注入部分加压的负压法、电渗法或通过应用微流道电压传导流体的电渗法和使用毛细力的毛细流动方法等。

美国专利号6,296,020公开了一种使用应用压力的负压法的微流体装置的一般性例子。美国专利号6,296,020公开的装置是一种使用被动阀控制流道的截面积并因此控制流道疏水性的疏水性流路装置。美国专利号6,637,463公开了一种包括多个具有压力梯度以均匀分布通过流道的流体的流道的微流体装置。

同时，利用微流道中自然发生的毛细现象的毛细流动方法优点在于：流体注入部分附近甚小体积的流体不需要额外装置就可以即刻自然地沿流道移动。因此，进行了大量研究以设计使用毛细流动方法的微流系统。美国专利号6,271,040公开了一种诊断生物芯片，其中不使用多孔物质而仅利用微流道中自然的毛细流动来传导样品，诱导与样品反应且用光学方法检测样品中的特别组分。美国专利号6,113,855公开了一种诊断设备，其中用于传导样品的六棱柱在两点间适当地排列以产生毛细力。

然而，这种常规微流体装置和使用该常规装置的诊断分析设备中，尽管需要设计能够减少总分析时间的微流道，该微流道在反应发生的部分中在特殊时间点降低流速以提供样品充足的反应时间，且在特殊时间点提高流速冲掉用于检测的反应产物，很少对这种微流道进行研究。

为处理该问题，可以考虑部分增强或减弱毛细管壁表面张力或部分改变毛细管壁表面自由能的方法。然而，这种方法需要额外的装置或操作。

发明内容

技术问题

本发明提供一种微流体装置，其中甚小体积的流体的流动可以通过具有利用毛细力而不需要额外操作步骤和能量要求引起自然流动的特别设计的流道来定量调节。该微流体装置可容易地制造和使用。本发明还提供一种使用该微流体装置的诊断分析设备。

技术方案

根据本发明的一个方面，这里提供一种具有微流体通过其流动的微流道的微流体装置，该装置包括：微流体通过其流动并具有第一横截面和预定长度的入口部分；毗连入口部分以让来自入口部分的微流体进入的流动延迟部分，该部分具有比入口部分的第一横截面大的第二横截面，以降低通过毛细力由入口部分进入的微流体的界面曲率和微流体的流速，且该部分具有在微流体流动方向延伸的预定长度；毗连流动延迟部分以让来自流动延迟部分的微流体进入的流动恢复部分，该部分具有比流动延迟部分的第二横截面小的第三横截面和预定长度。

流动延迟部分的预定长度可以比流动延迟部分的宽度小。

入口部分的第一横截面可以保持不变，流动延迟部分的第二横截面可以保持不变，且流动恢复部分的第三横截面可以保持不变。

入口部分纵长的壁和流动延迟部分横向的壁可以形成在45～90度范围内的角。

流动延迟部分的第二横截面可以具有与入口部分的第一横截面相同的高度和比入口部分第一横截面大的宽度。流动延迟部分的第二横截面的宽度可以比入口部分的第一横截面的宽度大三倍。

流动延迟部分的第二横截面可以具有与入口部分的第一横截面相同的宽度和比入口部分第一横截面大的高度。流动延迟部分的第二横截面的高度可以比入口部分的第一横截面的高度大两倍，且第二横截面的上表面与第一横截面的上表面可以在同一平面上。

流动延迟部分的第一横截面和流动恢复部分的第三横截面可以是相同的。

微流体装置可以进一步包括：来自流动恢复部分的微流体流入其中且具有第四横截面的流入部分；来自流入部分的微流体流入其中且具有从第四横截面到第五横截面变化的比第四横截面大的横截面和预定长度的横截面扩大部分；和具有与第五横截面基本相同的横截面的流动加速部分。

流动加速部分可以包括至少一个在横向方向间隔设置的且沿微流体流动的纵长方向延伸的加速壁，形成多个加速流道。

靠近横截面扩大部分的加速壁的前端所呈形状为：使得来自横截面扩大部分的流体可以容易地分支流入多个加速流道。

加速壁可以是在流动加速部分的纵长方向设置的薄板。

流动加速部分中的加速流道的表面可以进行亲水性处理。

流入部分可以是连接到检测单元的流道，所述检测单元中固定有与微流体反应的捕获抗体。

根据本发明的另一个方面，这里提供一种使用上述微流体装置的诊断分析设备。

本发明提供一种包括多个具有微流体通过其流动的微流道的微流体装置的诊断分析设备，该设备包括：微流体通过其流动的主流道；多个连接到主流道上并使来自主流道的微流体分支流入多个微流体装置的分支控制单元，其中每个分支控制单元包括：连接到主流道上且具有比主流道的横截面小的第一横截面的分流道；连接到分流道上以让来自分流道的微流体进入的流动延迟部分，该部分具有比分流道的第一横截面大的第二横截面，以降低通过毛细力由分流道进入的微流体的界面曲率和微流体的流速，且该部分具有在微流体流动方向延伸的预定长度；和来自流动延迟部分的微流体流入并具有比流动延迟部分的第二横截面小的第三横截面的流动恢复部分。

位于主流道上游的分流道可以具有比位于主流道下游的分流道更大的横截面积，以使得沿主流道流动的微流体能够几乎同时到达单个微流体流道。

可以在主流道的上游安置比在主流道的下游更多数目的分支控制单元，以使得沿主流道流动的微流体能够几乎同时到达单个微流体流道。

位于主流道上游的分流道可以比位于主流道下游的分流道更长，以使得沿主流道流动的微流体能够几乎同时到达单个微流体流道。

在主流道中纵长地安装至少一个加速壁以增加沿主流道流动的微流体的毛细力，从而使得微流体能够几乎同时到达单个微流体流道。

诊断分析设备可以进一步包括：分别连接到微流体装置上的出口微流道；分别连接到出口微流道的末端以阻止微流体流动的流动中断流道；和连接到流动中断流道上并通过出口微流道将微流体装置中的空气排出的排放流道。

每个微流体装置可以包括：微流体自相应的分流道流入其中且其具有第四横截面和预定长度的流入部分；毗邻入口部分以让来自入口部分的流体进入的流动延迟部分，该部分具有比入口部分的第一横截面大的第五横截面，以降低通过毛细力由入口部分进入的微流体的界面曲率和微流体的流速，且该部分具有在微流体流动的方向延伸的预定长度；和毗邻流动延迟部分以让来自流动延迟部分的微流体进入的流动恢复部分，该部分具有比流动延迟部分的第五横截面小的第六横截面和预定长度。

每个微流体装置可以包括：微流体自流动恢复部分流入其中且其具有第四横截面的流入部分；来自流入部分的微流体流入其中且具有从第四横截面到第五横截面变化的比第四横截面大的横截面和预定长度的横截面扩大部分；和具有与第五横截面基本相同的横截面的流动加速部分。

流入部分可以是连接到检测单元的流道，其中所述检测单元中固定有与流过流动恢复部分的微流体反应的捕获抗体。

有益效果

本发明提供一种微流体装置，其中甚小体积的流体的流动可以通过具有利用毛细力而不需要额外操作步骤和能量要求引起自然流动的特别设计的流道来定量调节。该微流体装置可容易地制造和使用。本发明还提供一种使用该微流体装置的诊断分析设备

附图说明

图1为常规微流道的示意图；

图2为毛细流动中压力分布变化随时间的图；

图3为表明取决于界面曲率变化的流动延迟模型的流动延迟原理的概念视图；

图4A为根据本发明第一实施方式的微流体装置的示意图；

图4B为根据本发明第二实施方式的微流体装置的示意图；

图4C为根据本发明第三实施方式的微流体装置的示意图；

图4D为根据本发明第四实施方式的微流体装置的示意图；

图5A～5F表明根据本发明实施方式具有多种横截面形状的微流体装置；

图6为显示图5A中所示的流动延迟模型的流动延迟的照片；

图7A为使用流动加速模型的微流体装置在毛细管中第一长度比维持不变而第二长度比增加时的示意图；

图7B为在图7A中界面位于的区域附近插入有内壁的流动加速模型的示意图；

图8A为当流动横截面积增加时压力分布随时间的图；

图8B为当流动横截面积增加时各个区域的流速随时间的图；

图8C为当内壁插入流动加速模型以提高界面压力时在区域(D1)附近流速随时间的图；

图9A为使用根据本发明第一实施方式的流动加速模型的微流体装置的示意图；

图9B和9C为根据本发明第二和第三实施方式的流动加速模型的示意图，其中，将多种形状的结构插入以增加毛细力；

图10为根据本发明第一实施方式的诊断分析设备的示意图，该装置使用根据本发明的流动延迟模型和流动加速模型；

图11为根据本发明第二实施方式的诊断分析设备的示意图，该装置包括使用根据本发明的流动延迟模型的流动分枝模型；和

图12为根据本发明第三实施方式，使用根据本发明的流动延迟模型、流动加速模型和流动分支模型的的多诊断分析设备。

具体实施方式

现在将根据附图更详细的描述本发明。

本发明涉及由于毛细现象流动的流体其流速在特别区域的有效降低或提高。总结描述压力变化与引起毛细流动的气-液界面的接触角之间关系的模型方程，且描述基于该模型方程流动延迟模型和流动加速模型的设计原理。

毛细流动由在气-液界面的压力不连续变化引起，当界面弯曲时所述毛细流动发生。界面曲率由气-液界面和固体壁表面之间的接触角(θ)，即在气-液界面和固体壁表面的三重临界点引起。通常，接触角(θ)指壁表面与气-液界面的液面之间的角。当液体比气体更靠近壁表面时，接触角(θ)为0～p/2，否则接触角为p/2～p。当液体流过的流道其横截面为长方形时，如果流道的角落效应和流动效应忽略，流体中压力变化可以表示为如下：

ΔP＝P_o-P_a＝γ(1/b+1/c)cosθ                          (1)

其中P_o为流体的起始压力、P_a为流体流动时的压力、b为流道深度、c为流道宽度(b＜c)且q为接触角。

图1为常规微流道的示意图。如图1所示的常规微流道按其深度和宽度各自在几十到几百微米的范围内制造。按他们对压力变化(ΔP)所起作用的程度，‘b’可以指第一长度，‘c’可以指第二长度。界面的压力变化(ΔP)取决于界面位置(a)，且产生的压力梯度ΔP/a引起流体流动。流体的流动属于层流区。压力梯度、流道壁的阻力、∏、和流速、V满足下面的关系式：

V＝(ΔP/a)*∏                                         (2)

在具有长方形横截面的流道中，阻力，∏，可以通过第一长度(b)和第二长度(c)表示为如下：

$\mathrm{\Π}=\frac{b^2}{3}-\frac{2^6{b}^3}{{\mathrm{\π}}^{5}c}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n^5}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{n\π}}{2}\right)\tanh \left(\frac{\mathrm{n\πc}}{2b}\right)---\left(3\right)$

假设在伪法线状态下，可以得到下述用于界面位置的常微分方程式。

$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dt}}=V---\left(4\right)$

当流道具有如图1所示的连续长方形横截面时，可以得到界面位置的理论解、流速和压力分布。图2为2b＝50mm、2c＝200mm、Y＝0.07N/m和q＝p/3时毛细流动中压力分布随时间的图。图2中，压力曲线的斜率为负值的部分与液体区域对应、压力没有变化的部分与气体区域对应，且压力曲线突然改变的点与界面位置对应。应液体区域压力变化产生的流动转移界面位置，且随界面位置的转移压力曲线的斜率变得越平滑。相应地，界面位置转移速度随时间减小。

构建根据本发明的流动延迟模型的要旨是减少压力变化(ΔP)，尤其是，通过弯曲毗邻第一或第二长度的壁表面的一部分以有效控制界面曲率的特别区域的流动延迟。图3为表明取决于界面曲率变化的流动延迟模型的流动延迟原理的概念视图。如图3所示，在半圆界面情况下，引起界面处压力变化(ΔP)的界面曲率与界面在和壁表面的接触点的切线与界面正向(ei)之间的角的余弦成比例。在这种情况下，当壁表面是直的时，界面在壁表面的接触点的切线与界面正向(ei)之间的角等于界面和壁表面之间的接触角(θ)。界面曲率，即界面在壁表面的接触点的切线与界面正向(ei)之间的角可以通过图3中的δθw204或δθi202改变。为了通过δθi202改变角，壁表面组成材料的热力学状态也改变，因此在设计流道时需要在特殊壁表面进行额外的步骤。同时，为了通过弯曲流道壁表面利用δθw204改变角，利用例如光刻的方法可以容易地制造这种流道，不需要额外步骤。前一种通过利用δθi202改变角来改变界面曲率的方法与壁表面的物理性质相关联，具有有限的应用，而后一种通过利用δθw204改变角来改变界面曲率的方法具有广泛的应用。在本发明种使用后一种方法。

图4A为使用根据本发明第一实施方式的流动延迟模型的微流体装置的示意图。图4B为使用根据本发明第二实施方式的流动延迟模型的微流体装置的示意图。在根据本发明第一实施方式的微流体装置中使用了具有通过改变微流道的第二长度得到的弯曲壁表面的流动延迟模型。在根据本发明第二实施方式的微流体装置中使用了具有通过改变微流道的第一长度得到的弯曲壁表面的流动延迟模型。如图4A和4B所示，微流体装置10和10a分别包括：微体通过其流动且其各自具有第一横截面和预定长度的入口部分11和11a；分别毗邻入口部分11和11a以让来自入口部分11和11a的微流体进入的流动延迟部分13和13a，流动延迟部分13和13a各自具有比入口部分11和11a的第一横截面大的第二横截面，以降低通过毛细力由入口部分11和11a进入的流体的界面曲率，从而降低微流体的流速；分别毗邻流动延迟部分13和13a以让来自流动延迟部分13和13a的微流体进入的流动恢复部分15和15a，流动恢复部分15和15a各自具有比流动延迟部分13和13a的第二横截面小的第三横截面和预定长度。

毛细流动在入口部分11和11a与流动延迟部分13和13a之间相应的延迟边界区域12和12a延迟。延迟毛细流动的作用通过延迟边界区域12和12a维持。通过延迟边界区域12和12a的毛细流动流过流动延迟部分13和13a到达各自的流动延迟部分13和13a与流动恢复部分15和15a之间的恢复边界区域14和14a。当毛细流动到达恢复边界区域14和14a时，界面曲率增加且流体开始恢复起始的流速。当流体流过流动恢复部分15和15a时起始的流速完全恢复。

在上述实施方式中，弯曲壁表面末端的流动恢复部分15和15a设计为具有与入口部分11和11a相同的流动截面积。这使得通过流动延迟模型的毛细流动在特殊区域特殊时间点暂时延迟流动，以恢复流体进入流动延迟模型前的起始流速，从而满足流动延迟模型的目的。如上所述，这种流动延迟作用可以通过改变壁表面的角实现。

当微流体装置的壁表面如图4A和4B所示进行90度弯曲时，为防止毛细流动的停止，环绕流体的四面中的至少一面是形成为平面的。通常，流动延迟部分13(13a)的长度要比其宽度小以保证连续流动。另外，虽然在上述实施方式中，入口部分11(11a)的第一横截面、流动延迟部分13(13a)的第二横截面和流动恢复部分15(15a)的第三横截面具有固定的形状，第一、第二和第三横截面的形状可以在流体流动方向变化。沿其纵长方向延伸的入口部分11(11a)的壁垂直于流动延迟部分13(13a)在其横向方向的壁而形成。如图4A所示第一实施方式中，第二横截面具有与第一横截面相同的高度，且有比第一横截面宽三倍的宽度。如图4B所示的第二实施方式中，第二横截面具有与第一横截面相同的宽度，且有比第一横截面高两倍的高度，其中第二横截面的上表面与第一横截面的上表面齐平。

虽然，在图4B所示的实施方式中，其中弯曲壁表面是通过改变第一长度而形成的，且仅仅弯曲一面而其它三面保持是直的，以保证足够的亲水性用于连续毛细流动，流动延迟部分可以通过只改变第二长度，以在保持第一长度的同时获得弯曲壁表面而形成。流动延迟作用可以通过改变各部分的面积控制。换句话说，当毛细流动连续通过更多延迟边界部分12(12a)，由于流动截面积的增加，可以得到大的流动延迟作用。因此，通过间歇性形成具有大宽度和小长度的流动延迟部分来获得弯曲壁表面以重复产成流动延迟作用是有利的。换句话说，设计流动延迟模型时，有利的是形成多个短流动延迟部分，而不是形成一个长流动延迟部分。在这种情况下，可以通过改变流动延迟部分的数目获得定量流动延迟作用。

图4C为根据本发明第三实施方式的微流体装置的示意图。在根据本发明第三实施方式的微流体装置中，串联连接了两个流动延迟模型。在图4中，将‘b’添加到表示第一实施方式中描述的组成元件的附图标记中。通过第一流动延迟模型16，然后通过第二流动延迟模型17，将入口部分11b中引起的毛细流动延迟。第一流动延迟模型16的流动恢复部分15b用作第二流动延迟模型17的入口部分。通过串联连接两个流动延迟模型16和17，可以控制流动延迟作用。

图4D为根据本发明第四实施方式的微流体装置的示意图，其中具有图4B所示结构的各个流动延迟模型排列成2×2的阵列。在图4D中，将‘c’添加到表示第一实施方式描述的组成元件的附图标记中。流动延迟模型可以具有多种形状，例如图4D中所示的六面体形、圆柱形等。流动延迟作用可以通过改变流动延迟模型的大小、数目和间隔控制。

图5A～5F表明根据本发明实施方式的微流体装置的多种横截面形状。在这些实施方式中，改变连接于长方形微流道的延迟边界部分、流动延迟部分和恢复边界部分的形状和大小，以控制流动延迟作用。在图5A所示的流动延迟模型中，如上述图4A～4C表明的第一～第三实施方式描述的，延迟边界部分以直角从入口部分的两个侧壁延伸，且流动延迟部分具有长方形形状。在图5B中的流动延迟模型中，一个延迟边界部分以直角从靠近入口部分的一个侧壁延伸，且另一个延迟边界部分以交错的形式以直角从第一边界部分下游的相对的侧壁延伸，使得流动通过微流道任何一侧的延迟边界部分交替地延迟。图5B中的流动延迟模型产生比图5A中的流动延迟模型小的延迟作用。在图5C中的流动延迟模型中，一个延迟边界部分以锐角从靠近入口部分的一个侧壁延伸，且另一个延迟边界部分以交错的形式以锐角从第一边界部分下游的相对侧壁延伸。流动延迟部分具有梯形形状。因为入口部分与延迟边界部分形成锐角，所以图5C中的流动延迟模型的流动延迟作用大于图5B中的流动延迟模型。在图5D～5F中的流动延迟模型中，流动延迟部分具有比图5A～5C中的流动延迟模型的流动延迟部分窄的宽度。相应地，图5D～5F中的流动延迟部分的延伸部分的横截面积小于图5A～5C中的流动延迟部分的横截面积。因此，图5D～5F中的流动延迟模型的流动延迟作用小于图5A～5C中的流动延迟模型的流动延迟作用。

图6为显示图5A中的流动延迟模型的流动延迟作用的照片，所述流动延迟模型通过联合具有凹陷设计的第一板和平直的第二板而被制造。尤其是，在制造符合流动延迟模型的形状的具有凹陷设计的模子后，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)浇入模子中得到具有凹陷设计的第一板。第一板打孔得到用于从外面注入流体的进口孔和将流体排放到外面的出口孔。第一板和由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成的第二板进行表面处理以控制他们的亲水性，然后结合在一起。表面处理后，第一板具有56°的水接触角，PMMA形成的第二板具有75°的水接触角。

将通过在超纯水中溶解染料Procion Red MX-5B(Aldrich化学有限公司)制备的溶液注入具有图5A中的结构的流动延迟模型。如上所述，注入流动延迟模型的流体的流动在通过流动延迟模型时延迟。参照图6，通过流动延迟模型入口部分到达延迟边界区域的流体的速度显著降低(图6中的‘起始’阶段拍摄的照片)。当流体通过延迟边界区域时，维持流动延迟作用(图6中在1分40.00秒和2分7.57秒时拍摄的照片)。然而，当流体到达恢复边界区域14(14a)时，流动延迟作用不再发生，恢复流体在入口部分的起始流速(图6中在2分7.60秒和2分7.63秒时拍摄的照片)。流体需要0.5秒，从2分7.63秒到2分8.13，流过恢复边界部分14(14a)到达流动恢复部分。通过比较流动延迟部分中的延迟时间，即2分7.57秒，可以证实流动延迟部分中的流动延迟作用。

在图6中的流动延迟模型中，流体没有完全充满流动延迟部分且自然地流入恢复边界区域，因此导致流动延迟部分中有空气。通常，流动延迟部分中的空气不会影响流体的流动。然而，图5D的流动延迟模型中没有混入空气。

本发明的另一个目的是提供一种流动加速模型，通过所述的流动加速模型加速特别区域的毛细流速。通过上面公式(2)，明显的是当界面位置(a)值减小时毛细流速增大。相应地，当DP值不变，在界面位置转移时的速度随时间降低。通过增加与界面位置(a)的增加值一致的DP可以提高毛细流的流速。然而，只有少数方法可以用来达到该目的。然而，在设计用于诊断设备的微流道时，需要在微流道中的特别区域加速流动而不增加在界面位置转移时的速度。在这种情况下，本发明中开发的流动加速模型可以提供强大的效能。下面的公式用作本发明中的流动公式，该公式是基于其中连接具有不同横截面的两个微流道的微流体装置中的质量守恒。

V₁*b₁*c₁＝V₂*b₂*c₂                                   (5)

其中V₁表示在区域(D1)的流速、V₂表示界面位于的区域(D2)的流速。通过公式(5)，清楚的是可以通过增加V₂或增加毛细管中第一长度比(b₂/b₁)或第二长度比(c₂/c₁)来增加V₁。然而，因为根据公式(2)V₂是可变的，所以限制了增加V₂，但是第一长度比(b₂/b₁)或第二长度比(c₂/c₁)是可以自由改变的。根据本发明的流动加速模型的设计特点集中到第一长度比(b₂/b₁)或第二长度比(c₂/c₁)的影响上。

图7A为使用第一长度比维持不变而第二长度比增加的流动加速模型的微流体装置的示意图。当界面进入第二长度增加的区域时，第一长度比维持不变以减小流动中的即时延迟。这里，应该指明第二长度比(c₂/c₁)的增加导致毛细压力和流速的减小。为处理这些现象，本发明提供一种具有在界面所处的区域插入内壁的流动加速模型。图7B中表明了根据本发明的这种流动加速模型的实例。参照图7B，当内壁的值增加，DP增加且流速增加。然而，如果插入太多内壁，则壁的阻力增加且流速降低。换句话说，插入根据内壁厚度改变的最佳数目的内壁使得V₁最大化。根据内壁厚度的内壁最佳数目可以利用公式(5)理论性地估算。

图8A为在a₁＝2000mm、2b₁＝50mm、2c₁＝200mm、2b₂＝2000mm、2c₂＝2000mm、g＝0.07N/m和q＝p/3时压力分布随时间的图。尤其是，在图2所示的用于简单直流道的计算条件下，维持a₁＝2000mm，且长度在毛细管第二长度的方向增加了十倍。图8A中，压力在具有较小流体横截面积的区域(D1)突然改变，且在具有较大流体横截面积的区域(D2)缓慢改变。两个区域D1和D2间的压力梯度比与两个区域D1和D2间的流体横截面积比和阻力比成反比。在图8A的计算条件下，阻力项的变化相对小，因而压力梯度比特定为大约10∶1。两个区域间的流速比与两个区域间的面积比成反比。相应地，维持具有较小横截面积的区域D1的流速为具有较大横截面积的区域D2的流速的10倍。与图2中的结果相比，在图8A的条件下，由于增加的横截面积，界面压力减小，且在区域D2的压力梯度变得平缓。然而，在区域D1的压力梯度变得陡峭。

图8B为各个区域的流速随时间的图。在图8B中，虚线表示在没有流体横截面积改变的图2的条件下的计算结果，实线表示横截面积增加10倍的条件下的计算结果。横截面积的增加导致在界面位置转移处的流速V₂的减小，且维持区域D₁的流速V₁在相对大的值。换句话说，增加的毛细流动的横截面积的作用是抑制具有较小横截面积区域的流速的减小。

图8C为当内壁插入流动加速模型以提高界面压力时在区域(D1)流速随时间的图。计算条件与适用于图8A中的结果的计算条件一样，且插入n个各具有10□厚度的内壁。通过图8C，很清楚的是由于内壁的插入，界面压力增大且区域D1的流速V₁增大。然而，当插入太多内壁时，壁的阻力增大且流速减小。如图8C所示，当插入20个内壁时，流速增大遍及整个时间间隔。然而，当插入40个内壁时，流动加速模型中起始流速增大，但是由于增加的内壁阻力达到低于当t＝1没有内壁插入时的水平，流速突然减小。

特定条件下插入内壁的最佳数目可以利用本发明中使用的方程模型计算。结果如图8D所示。计算条件与适用于图8C中的结果的计算条件一样，且结果在t＝1时获得。参照图8D，为使流速V₁最大化的内壁的最佳数目根据内壁的厚度变化。另外，当内壁厚度减小时，流速进一步增加。通过结果的理论分析发现，插入最小厚度的内壁可能增加界面压力并同时使内部阻力最小化，因此在加速流动中最有效。然而，内壁的最小厚度由制造最小厚度内壁的方法限制。因此，在本发明中，考虑到制造微流道的困难设计了流动加速模型。

图9A为使用根据本发明第一实施方式的流动加速模型的微流体装置的示意图。参照图9A，使用根据本发的流动加速模型的微流体装置20包括微流体通过其流动且具有第一横截面的流入部分21、微流体自流入部分21流入的横截面扩大部分22，所述横截面扩大部分22具有从第一横截面到第二横截面变化的比第一横截面大的横截面和预定长度，以及具有与第二横截面基本相同的横截面的流动加速部分23，该部分包括至少一个在横向方向间隔设置的且沿流体流动的纵长方向上延伸的加速壁24，形成多个加速流道26。

为使流过横截面扩大部分22的流体分支进入多个流道，靠近横截面扩大部分22的加速壁24的前端25具有锐利的形状。用于增加毛细力的加速壁24为沿流动加速部分23的纵长方向设置的薄板。流动加速部分23由加速壁24分成至少两个加速流道25。流动加速部分23中的流道表面可以处理为亲水的。

在上面结构中，由流入部分21引起的毛细流动继续通过横截面扩大部分22流向多个加速流道26。因为单个加速流道具有小的横截面面积，所以加速流道的毛细力是大的。多个加速流道的布置增加整个流动横截面积，并增加毛细力。因此，从横截面扩大部分22流入加速流道26的流速增加到比当没有加速流道26形成时更高的水平。结果是流入部分21的流速显著增加。

为使毛细流动的阻力最小化，优选的是，插入的加速壁24的厚度较小，且位于横截面扩大部分22和加速流道26连接区域的加速壁24的前端25具有锐利的三角形形状。为抑制毛细流动的阻力，流入部分21和横截面扩大部分22之间的连接部分及横截面扩大部分22的加速流道26之间的连接部分是圆的。

图9B和9C为根据本发明第二和第三实施方式的流动加速模型的示意图，其中，将多种形状的结构插入以增大毛细力。在图9B和9C中，将‘a’和‘b’分别添加到表示与图9A中表明的第一实施方式中的元件对应的组成元件的附图标记中。如图9B和9C所示，插入代替加速壁24的例如环形或长方形结构等的多种形状的结构以增加流动加速模型中的毛细力。这种结构可以制造成由流道底表面到顶表面延伸的柱形或由流道底表面到预定高度延伸的形状。

图10为根据本发明第一实施方式的诊断分析设备的示意图，该设备使用了根据本发明的流动延迟模型和流动加速模型。参考图10，根据本发明第一实施方式的诊断分析设备1包括通过其将用于分析的样品由外部注入的样品注入单元101、反应单元102、流动延迟模型110和111、检测单元103和流动加速模型120。

在反应单元102中，事先包含结合有荧光染料的侦测抗体。捕获抗体事先固定到检测单元103的内表面。通过诊断分析设备1的样品注入单元101供给的样品流过微流道进入反应单元102。在反应单元102中，样品中的抗原与结合有荧光染料的侦测抗体反应并形成抗原-抗体-染料复合物。为确保足够的反应时间，包括了流动延迟模型110和111。在反应单元102中的反应时间根据流动延迟模型110和111的设计控制。因为反应单元102中结合有荧光染料的抗体没有固定，所以由反应单元102中的反应结果衍生的抗原-抗体-染料复合物通过微流道转移到检测单元103。抗原-抗体-染料复合物与固定到检测单元103表面的捕获抗体反应，并固定于检测单元103中。利用流动延迟模型110和111控制检测单元103中的反应时间。检测单元103中的反应完成后，样品移用到流动加速模型120。由于流动加速模型120的功能，微流道中的样品流速在流动加速模型之前增加。结果是多余的物质和非特异性结合的抗原-抗体-染料复合物从检测单元103去除。

本发明的另一个目的是提供流动分支模型，通过所述的分支流动模型，少量流体分支以均匀流入多个使用上述流动延迟技术的微流体装置。如上所述，使用具有弯曲部分的微流道，毛细流动可以定量延迟。当分支单流股流体以使其流入多个微流道时，通过延迟靠近分支点的支流可以更长时间均匀地控制支流流过微流道的速度。

图11为根据本发明第二实施方式的诊断分析设备的示意图，该设备包括使用根据本发明的流动延迟模型的流动分枝模型。参照图11，包括多个具有微流体通过其流动的微流道的微流体装置的诊断分析设备1a包括微流体沿其流动的主流道30和多个连接到主流道30上并使主流道40的微流体分支以便流入多个微流体装置的分支控制单元40。每个分支控制单元40包括：连接到主流道30上并具有比主流道30的横截面小的第一横截面的分流道41；连接到分流道41上的流动延迟部分42，所述流动迟延部分42具有比分流道41的第一横截面大的第二横截面以减小通过毛细力流过分流道41的微流体的界面曲率和微流体的流速，且该部分具有在微流体流动方向延伸的预定长度；和微流体通过流动延迟部分42流入其中并具有比流动延迟部分42的第二横截面小的第三横截面的流动恢复部分43。

在上面结构中，自另一个微流体装置或通过入口部分31外部供给的流体转移到主流道30。转移到主流道30的流体分支流入分支控制单元40并通过分支控制单元转移到利用流动延迟模型构建的微流体装置210。位于更远离入口部分31的分支控制单元40提供更大的延迟作用。因此，当流体通过主流道30到达出口部分32时，所有流过单个分流道41的支流几乎充分地到达相应的微流体装置210。使用上述流动分支模型，通过入口部分31注入的单流股流体可以被均匀地分支以流过多个微流道。在本发明的实施方式中，为使由沿主流道30流动的微流体分支出的支流几乎同时到达相应的微流体装置210，在主流道30的上游要比在主流道30的下游安置更多数目的分支控制单元40。然而，为使由沿主流道30流动的微流体的支流几乎同时到达相应的微流体装置，位于主流道30上游的分流道41构造有比位于主流道下游的分流道41更大的横截面积。作为选择，位于主流道30上游的分流道41构造有比位于主流道下游的分流道41更长的长度。另外，为增加微流体沿其流动的主流道30中的毛细力以使支流能够几乎同时到达相应的微流体装置，可以在主流道30的纵长方向安装至少一个加速壁。

图12为根据本发明第三实施方式的使用根据本发明的流动延迟模型、流动加速模型和流动分支模型的多诊断分析设备的示意图。参照图12，根据本发明第三实施方式的多诊断分析设备1b包括样品通过其供给的样品注入单元301、主流道330、连接到主流道330上的分流道341、相当于微流体装置的诊断单元310、连接到诊断单元310上的出口微流道50、分别位于分流道341和诊断单元310之间的流动延迟模型320、连接到出口微流道50末端以停止微流体流动的流动中断流道60和连接到流动中断流道60且通过出口微流道50将微流体装置中的空气向外排出的排放流道70。

每个相当于诊断单元310的微流体装置可包括根据本发明的流动加速模型。尤其是，该流动加速模型包括：来自分流道341的微流体流入其中并具有第四横截面的流入部分313；来自流入部分313的微流体流入其中并具有从第四横截面到第五横截面改变的比第四横截面大的横截面和预定长度的横截面扩大部分314和具有与第五横截面基本相同的横截面，并包括至少一个在横向方向间隔设置的且沿微流体流动的纵长方向延伸的加速壁，形成多个加速流道的流动加速部分315。

在上面结构中，通过样品注入单元301供给的样品转移到主流道330。转移到主流道330的样品通过分流道341转移到是微流体装置的诊断单元341。从各个流动延迟模型320延伸出的微流道343连接到相应诊断单元310的入口311上。诊断单元310的出口312连接到相应的出口微流道50。当沿主流道330流动的样品到达主流道330的末端332时，沿分流道341流动的样品的支流几乎同时到达相应的诊断单元310，使得样品可以均匀地分布到诊断单元310。排放流道70连接到出口微流道50以使诊断单元310中的空气通过出口71从设备中排出。为防止诊断单元310中的样品进入排放流道70，流动中止流道60各自插入到出口微流道50与排放流道70之间。因为流动中止流道60具有大的横截面而出口微流道50具有窄的宽度，所以样品在流动中止流道60中停止流动。

通过用不同的微流体装置代替多个诊断单元310，可以实现在一类流体上同时执行例如免疫反应、聚合酶链式反应(PCR)和DNA杂交反应等的多种功能的多功能微流体装置。

本发明中制造的微流道可以通过结合具有凹陷设计的板和具有隆起或凹陷设计的板制造。这些板可以由例如聚合物、金属、硅、玻璃和印刷电路板(PCB)等的各种材料形成，并优选聚合物。用于本发明的聚合物涉及塑料，例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)、COC(环烯烃共聚物)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PA(聚酰胺)、PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PPE(聚苯醚)、PS(聚苯乙烯)、POM(聚甲醛)、PEEK(聚醚酮)、PTFE(聚四氟乙烯)、PVC(聚氯乙稀)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PBT(聚对苯二甲酸丁酯)和FEP(氟化乙烯丙烯)等。这些材料广泛的应用到造型工艺中，例如注射成型、热模成型和浇铸等。列举的材料是惰性的、易于处理、便宜的而且是任意处理的，所以适于制造微流道。

在根据本发明的制造微流道方法中，制造与微流道形状相当的具有隆起设计的型板，利用型板铸造具有凹陷设计的第一板，且制造可能是平板的第二板或具有隆起或凹陷设计的第二板。两个板的表面进行亲水处理，且将具有凹陷设计的第一板结合到第二板。

虽然在上文所描的述实施方式中至少将一个加速壁安装在流动加速部分，倘若通过增加流动加速模型的横截面积，使所述横截面积大于入口部分的横截面积，加速流动，则不需要在流动加速部分安装加速壁。

虽然在上述实施方式中，描述了具有长方形横截面的微流体装置，长方形横截面形状只是用于说明目的，微流体装置可以具有例如环形横截面形状的多种横截面形状。

如上所述，在根据本发明的微流体装置和使用该装置的诊断分析设备中，甚小体积的流体的流动可以通过具有利用毛细力而不需要额外操作步骤和能量要求而引起自然流动的特别设计的流道来定量调节。该微流体装置和诊断分析设备可容易地制造和使用。

虽然参考其示范性的实施例对本发明进行了详细说明和描述，本领域技术人员应当理解，在不偏离所附权利要求中阐明的本发明的精神和范围内可以对其形式和细节进行各种修改。

Claims (26)

1、一种具有微流体通过其流动的微流道的微流体装置，该装置包括：

入口部分，微流体通过其流动并具有第一横截面和预定长度；

流动延迟部分，毗连入口部分以让来自入口部分的微流体进入，具有比入口部分的第一横截面大的第二横截面，以降低通过毛细力由入口部分进入的微流体的界面曲率和微流体的流速，且具有在微流体流动方向延伸的预定长度；和

流动恢复部分，毗连流动延迟部分以让来自流动延迟部分的微流体进入，且具有比流动延迟部分的第二横截面小的第三横截面和预定长度。

2、按照权利要求1的所述的微流体装置，其中，流动延迟部分的预定长度小于流动延迟部分的宽度。

3、按照权利要求1的所述的微流体装置，其中，入口部分的第一横截面保持不变，流动延迟部分的第二横截面保持不变，且流动恢复部分的第三横截面保持不变。

4、按照权利要求1所述的微流体装置，其中，入口部分纵长的壁和流动延迟部分横向的壁形成在45～90度范围内的角。

5、按照权利要求1所述的微流体装置，其中，流动延迟部分的第二横截面具有与入口部分的第一横截面相同的高度和比入口部分第一横截面大的宽度。

6、按照权利要求5所述的微流体装置，其中，流动延迟部分的第二横截面的宽度比入口部分的第一横截面的宽度大三倍。

7、按照权利要求1所述的微流体装置，其中，流动延迟部分的第二横截面具有与入口部分的第一横截面相同的宽度和比入口部分第一横截面大的高度。

8、按照权利要求7所述的微流体装置，其中，流动延迟部分的第二横截面的高度比入口部分的第一横截面的高度大两倍，且第二横截面与第一横截面的上表面在同一平面上。

9、按照权利要求1所述的微流体装置，其中，流动延迟部分的第一横截面和流动恢复部分的第三横截面相同。

10、一种使用如权利要求1所述的微流体装置的诊断分析设备。

11、按照权利要求1所述的微流体装置，进一步包括：

流入部分，来自流动恢复部分的微流体流入其中，且具有第四横截面；

横截面扩大部分，来自流入部分的微流体流入其中，且具有从第四横截面到第五横截面变化的比第四横截面大的横截面和预定长度；和

流动加速部分，具有与第五横截面基本相同的横截面。

12、按照权利要求11所述的微流体装置，其中，流动加速部分包括至少一个在横向方向间隔设置的且沿微流体流动的纵长方向延伸的加速壁，形成多个加速流道。

13、按照权利要求11所述的微流体装置，其中，靠近横截面扩大部分的加速壁的前端所呈形状为：使得来自横截面扩大部分的流体可以容易地分支流入多个加速流道。

14、按照权利要求12所述的微流体装置，其中，加速壁为在流动加速部分的纵长方向上设置的薄板。

15、按照权利要求11所述的微流体装置，其中，对流动加速部分中的加速流道的表面进行亲水性处理。

16、按照权利要求11所述的微流体装置，其中，流入部分是连接到检测单元的流道，所述检测单元中固定有与微流体反应的捕获抗体。

17、一种使用如权利要求11所述的微流体装置的诊断分析设备。

18、一种包括多个具有微流体通过其流动的微流道的微流体装置的诊断分析设备，该设备包括：

微流体通过其流动的主流道；和

多个连接到主流道上并使来自主流道的微流体分支流入多个微流体装置的分支控制单元，

其中，每个分支控制单元包括：

分流道，连接到主流道上且具有比主流道的横截面小的第一横截面；

流动延迟部分，连接到分流道上以让来自分流道的微流体进入，具有比分流道的第一横截面大的第二横截面以降低通过毛细力由分流道进入的微流体的界面曲率和微流体的流速，且具有在微流体流动方向延伸的预定长度；和

流动恢复部分，来自流动延迟部分的微流体流入其中，并具有比流动延迟部分的第二横截面小的第三横截面。

19、按照权利要求18所述的诊断分析设备，其中，位于主流道上游的分流道具有比位于主流道下游的分流道更大的横截面积，以使得沿主流道流动的微流体能够几乎同时到达单个微流体流道。

20、按照权利要求18所述的诊断分析设备，其中，在主流道的上游安置比在主流道的下游更多数目的分支控制单元，以使得沿主流道流动的微流体能够几乎同时到达单个微流体流道。

21、按照权利要求18所述的诊断分析设备，其中，位于主流道上游的分流道具有比位于主流道下游的分流道更长的长度，以使得沿主流道流动的微流体能够几乎同时到达单个微流体流道。

22、按照权利要求18所述的诊断分析设备，其中，在主流道中纵长地安装至少一个加速壁，以增加沿主流道流动的微流体的毛细力，从而使得微流体能够几乎同时到达单个微流体流道。

23、按照权利要求18所述的诊断分析设备，进一步包括：

出口微流道，分别连接到微流体装置上；

流动中断流道，分别连接到出口微流道的末端以停止微流体流动；和

排放流道，连接到流动中断流道上并通过出口微流道将微流体装置中的空气向外排出。

24、按照权利要求18所述的诊断分析设备，其中，每个微流体装置包括：

入口部分，来自相应的分流道的微流体流入其中，且具有第四横截面和预定长度；

流动延迟部分，毗邻入口部分以让来自入口部分的流体进入，具有比入口部分的第一横截面大的第五横截面以降低通过毛细力由入口部分进入的微流体的界面曲率和微流体的流速，且具有在微流体流动的方向延伸的预定长度；和

流动恢复部分，毗邻流动延迟部分以让来自流动延迟部分的微流体进入，具有比流动延迟部分的第五横截面小的第六横截面和预定长度。

25、按照权利要求18所述的诊断分析设备，其中，每个微流体装置包括：

流入部分，来自流动恢复部分的微流体流入其中，且具有第四横截面；

横截面扩大部分，来自流入部分的微流体流入其中，且具有从第四横截面到第五横截面变化的比第四横截面大的横截面和预定长度；和

流动加速部分，具有与第五横截面基本相同的横截面。

26、按照权利要求25所述的诊断分析设备，其中，流入部分是连接到检测单元的流道，所述检测单元中固定有与流过流动恢复部分的微流体反应的捕获抗体。

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