具有零死體積的混合器和混合方法
【專利摘要】本發明涉及一種微流體系統，其包括：閉合的可膨脹的體積；柔性膜；表面，其包括至少一個通道以用于將該表面的第一側流體地耦接到位于該表面第二側上的該閉合的可膨脹體積。可膨脹體積由柔性膜限定，當在可膨脹體積中不存在流體時，該柔性膜閉合所述第二通道開口，其中部分所述通道包括定向閥，該定向閥被設計成在流體流入到該閉合的可膨脹體積內時打開且在流體在相反方向中流動時關閉，以允許通過迫使流體沿著不同于流體進入該閉合的可膨脹體積所經過路徑的路徑流出該閉合的可膨脹體積而促進混合。本發明還涉及使用這種微流體系統的方法。
【專利說明】具有零死體積的混合器和混合方法
[0001]相關申請
本申請是于2010年4月16日提交的申請號為201080017772.6、發明名稱為“具有零死體積的混合器和混合方法”的中國專利申請的分案申請。
技術領域
[0002]本發明涉及一種微流體系統，包括:
用于混合流體的閉合的可膨脹體積；
柔性膜，其允許在閉合的可膨脹體積中進行混合。
[0003]本發明還涉及包括這種微流體系統的設備。
[0004]本發明還涉及使用這種微流體系統的方法。
【背景技術】
[0005]從US2005/0019898A1中獲知上文所提及的微流體系統的一種實施例。本文獻描述了一種包括腔室的流體混合設備，該腔室包含兩個膜片區。膜片區通過兩個混合囊袋的充脹和收縮而移進和移出腔室，從而在腔室內生成流體移動。混合是通過操作混合囊袋和膜片區而獲得的流體移動所導致的。該已知設備的缺陷在于，可改進混合且混合囊袋和用于充脹和收縮混合囊袋的相關聯的裝置占據體積。除了利用另一流體(空氣)來驅替(這需要另一流體源和額外的密封措施)之外，不能從混合腔室移除流體。
[0006]US 2007/0053796 Al中公開了一種具有可變體積儲集器的盒。該盒包括:被配制成混合不同溶液以產生成品溶液的混合部件；以及一個或多個通道，該通道提供混合部件與位于該盒中的一個或多個腔室之間的液體連通。該混合部件可包括多個彼此液體連接的可變體積儲集器。一個或多個可變體積儲集器可至少部分地由位于混合通道中的開口上的柔性構件來限定。
[0007]W0 02/41994 A2中公開了一種含量測定設備，其用于執行流體相化學含量測定。所述含量測定設備包括用于支承測試基底的裝置、用于接收流體樣品的樣品腔室和至少一個流體控制設備，該至少一個流體控制設備用于控制流體進入到樣品腔室內和/或從樣品腔室流出的移動。其中該流體控制設備包括與樣品腔室流體連通的流體輸出腔室和可移位的柔性膜，該柔性膜的位移改變了輸出腔室的體積以允許和/或限制輸出部與樣品腔室之間的流體流動。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在于提供一種具有改進的混合特征的微流體系統。根據本發明，這個目的利用根據權利要求1所述的微流體系統來實現。
[0009]本發明是基于以下認識:具有一種通道，通過該通道，一種或多種流體可進入閉合的可膨脹體積(由柔性膜閉合)，當待混合的流體通過通道運輸到可膨脹體積內時，在可膨脹體積內在膜附近形成混純流型(chaotic flow pattern)。混純流型導致進入可膨脹體積的流體的有效混合。本發明能均勻化進入閉合的可膨脹體積的單種流體或者混合的兩種或兩種以上的不同流體。對于本發明而言，均勻化和混合被認為是由術語混合所表示的單個概念。在一優選實施例中，在可膨脹體積填充流體時，由于膜膨脹所致的柔性膜中出現的張力傾向于朝向通道(流體通過該通道進入該可膨脹體積)將流體推回。對于將流體推回的這種傾向而言，無需外部致動。但是，可利用柔性膜或不利用柔性膜來施加外部致動。可根據特定混合品質的需要經常重復可膨脹體積的填充和排空，填充程度可根據需要改變(視應用而定)以使得相同的設計可用于不同的體積。
[0010]因此，相比上文所述的現有技術中所得到的混合，根據本發明的微流體系統提供改進的混合。此外，本發明并不需要儲集器、排氣(通過移動流體來置換氣體)或額外體積。通過使得閉合體積可膨脹，無需額外體積且所有流體可回收到系統內而無需排氣或使用置換流體。
[0011]本發明的額外優點在于，根據本發明的設備是緊湊的。當在閉合的可膨脹體積中無流體時，死體積基本上為零。
[0012]根據本發明的微流體系統的一實施例的特征在于，柔性膜覆蓋第二通道開口。
[0013]此實施例具有以下優點:可膨脹體積完全由柔性膜限定，允許簡單且容易地組裝根據本發明的微流體系統。或者，柔性膜可在通道中位于第二通道開口處。
[0014]根據本發明的微流體系統的另外實施例的特征在于，柔性膜是有彈性的。
[0015]此實施例具有以下優點:膜通過膨脹生成力，該力傾向于將流體從可膨脹體積推出。這意味著在(單循環)混合之后，為了從可膨脹體積移除流體，單獨的流體致動并非絕對必需的。
[0016]根據本發明的微流體系統的特征在于，微流體系統包括到閉合的可膨脹體積的多個通道。此實施例的優點在于，允許不同于利用單個通道可得到的那些混沌流型的混沌流型。
[0017]根據本發明的微流體系統的特征在于，多個通道中通道的至少一個包括定向閥。
[0018]此實施例具有以下優點:將該表面的第一側流體地耦接到該閉合的可膨脹體積的多個通道中的至少一個通道(而并非全部通道)配備有定向閥，這允許通過迫使流體沿著不同于流體進入該可膨脹體積所經過路徑的路徑流出而促進混合。
[0019]根據本發明的微流體系統的另一實施例的特征在于，通道的幾何形狀適于促進混入口 ο
[0020]此實施例具有允許促進混合的優點。用于促進混合的熟知結構為所謂的魚骨形結構，其導致流場依賴于流向而旋轉。
[0021]根據本發明的微流體系統的另一實施例的特征在于，閉合的可膨脹體積包括用于促進混合的結構。
[0022]此實施例具有允許促進混合的優點。由在腔室底部上方的一個或多個凹槽(充當通道的延伸開口)來形成能與諸如魚骨形結構(參看前述實施例)的結構可選地進行組合的可能性。
[0023]根據本發明的微流體系統的另一實施例的特征在于，柔性膜被預成形以促進混入口 ο
[0024]此實施例具有允許促進混合的優點。預成形的柔性膜的一實施例為，預成形為折疊袋(也被稱作風箱(faltenbalg))的膜。此外，膜可在下面的意義上預成形，S卩，其并不關于將流體連通到該閉合的可膨脹體積的一個或多個通道的一個或多個開口對稱。
[0025]本發明的目的還利用包括根據前述實施例中任一實施例的微流體系統的設備來實現。
[0026]包括根據本發明的微流體系統的設備將受益于前述實施例中的任一實施例。
[0027]根據本發明的設備的一實施例的特征在于，該設備為盒，該盒可插入到儀器內以通過盒來起作用。
[0028]此實施例具有以下優點:盒(例如用于分子診斷的盒)有時需要流體混合。因此，包括根據本發明的微流體系統的盒將受益于本發明的前述實施例中任一實施例。
[0029]根據本發明的設備的另一實施例的特征在于，該設備為用于分子診斷的設備。
[0030]此實施例具有以下優點:用于分子診斷的設備可需要流體混合。因此，潛在地包括根據前述實施例的盒的這種設備將受益于本發明的前述實施例中的任一實施例。
[0031]本發明的目的進一步通過混合流體的方法來實現，該方法包括以下步驟:
提供微流體系統，該微流體系統包括:
表面，其包括至少一個通道以用于將表面的第一側流體地耦接到位于表面的第二側上的閉合的可膨脹體積，該通道包括將表面的第一側流體地耦接到該通道的第一通道開口和將該通道流體地耦接到該閉合的可膨脹體積的第二通道開口，該可膨脹體積由柔性膜限定，當在可膨脹體積中不存在流體時，柔性膜閉合第二通道開口 ；
將流體從表面的第一側運輸到閉合的可膨脹體積，從而使得閉合的可膨脹體積膨脹；使所運輸的流體從閉合的可膨脹體積返回到表面的第一側，從而使得閉合的可膨脹體積返回到其原始體積。
[0032]根據本發明的方法的一實施例的特征在于，根據需要經常重復運輸和返回的步驟來實現所期望的混合水平。
[0033]此實施例具有以下優點:可通過進行多個混合循環來重復混合直到已實現了所期望的混合水平。
【附圖說明】
[0034]圖1示意性地示出微流體系統；
圖2示意性地示出包括多個通道的根據本發明的微流體系統；
圖3示意性地示出包括定向閥的根據本發明的微流體系統；
圖4示意性地示出根據本發明的方法的實施例。
【具體實施方式】
[0035]圖1示意性地示出微流體系統。圖1a示意性地示出微流體系統I的側視圖。微流體系統I包括表面5，表面5包括第一側10和第二側15。表面5還包括通道20。通道20包括將表面
5的第一側10流體地耦接到通道20的第一通道開口 25。通道20還包括將通道20流體地耦接到閉合的可膨脹體積35的第二通道開口 30。膜40覆蓋第二通道開口 30且限定可膨脹體積
35。或者，能像氣球那樣膨脹且位于第二通道開口 30處或位于第二通道開口 30中的膜(未圖示)將適合于形成混沌流動。微流體系統I還包括通道45以用于將待混合的流體朝著通道20和閉合的可膨脹體積35運輸。圖1示出微流體系統I，其處在流體通過通道45和通道20朝向閉合的可膨脹體積35運輸的時刻。在進入閉合的可膨脹體積35之后，流體以混沌流型流動。這是通過通道20進行傳遞且膜40迫使流體在可膨脹體積35所占據的體積上展開的影響下所造成的結果。由箭頭50來指示混沌流型。通過從通道到幾乎無限制的腔室的過渡部中的細長流場來引入混沌流型。一旦流體離開通道且進入可膨脹體積，在主流向改變的同時，在垂直于通道中主流向的方向上膨脹的可膨脹體積適于形成混沌流型。在通道到可膨脹體積內的開口并不置于可膨脹體積的對稱軸線處的情況下尤為如此。直徑為通道直徑大約10倍的膜將適于形成混沌流動，特別是在膨脹狀態下如果可膨脹體積的高度是通道高度的5至10倍的情況下尤為如此。對于本發明的所有實施例而言，將第一側10流體地耦接到可膨脹體積35的該通道可適于促進混合。通道可例如包括一個或多個突起(未圖示)。流經通道的流體必須沿著突起流動，因此，與圖1a所示的本發明的基本實施例相比促進了混合。另一選擇是，在閉合的可膨脹腔室內，在朝向柔性膜的表面上具有結構。該結構影響流體流動和因此影響混合。這些結構可用于形成關于柔性膜膨脹的不對稱性。此外，結構類似于魚骨形結構，也可使用這種結構。上述選擇也可以任何組合方式使用。
[0036]圖1b示出與圖1a相同的設置。但在本圖中，微流體系統I被示出為處于流體從閉合的可膨脹體積35通過通道20和通道45流動的時刻。隨著流體從可膨脹體積35流動，減小了體積大小。在附圖中，此情形由以下事實示出:膜40現幾乎直接位于第二通道開口 30的上方。此示出了當在閉合的可膨脹體積35中不存在流體時，由體積35占據的空間基本上為零。因此，根據本發明的混合設備具有幾乎為零的死體積。因此，該設備是緊湊的。此外，根據本發明的微流體系統I并不需要昂貴的材料或致動裝置。因此，可廉價地生產根據本發明的微流體系統I。
[0037]圖1c示出圖1a所示的設置的頂視圖。待混合的流體通過通道45和通道20朝向閉合的可膨脹體積35運輸。在可膨脹體積35內流體的影響下，膜40膨脹，如由箭頭55所示。可依賴于從彈性到粘彈性的要求來改變膜40的機械性質。在非彈性體設計中，在進入可膨脹體積35的流體的影響下，膜40的膨脹并不導致膜40的合力作用于流體上，從而將流體朝向通道20推回。在那種情況下，需要單獨致動流體來從可膨脹體積35移除流體。但是如果膜40為彈性的，則膜40膨脹將會導致膜40的合力作用于流體上，從而將流體朝向通道20推回。在那種情況下，為了從可膨脹體積35移除流體，單獨致動并非絕對必需的。
[0038]圖2示意性地示出包括多個通道的根據本發明的微流體系統。在本圖中的大部分元件與圖1所示的元件相同。相同的元件被給予相同的附圖標記。但在本圖中，根據本發明的微流體系統I包括將表面5的第一側10流體地耦接到閉合的可膨脹體積35的多個通道20a_d。具有多個通道促進了混合效果。不同的通道20a_20d能夠可選地連接到不同的供應通道(如在本圖中的通道45)，從而允許混合來自不同源(在本圖中未圖示)的流體。在那種情況下，在本圖中如通道45的一個或多個通道將存在于根據本發明的設備中，其中那些通道中的一個或多個耦接到本圖中如通道20a-20d的一個或多個通道(該一個或多個通道耦接到可膨脹體積)。換言之，單個供應通道可連接到將流體連通到閉合的可膨脹體積(未圖示)的多個通道。在那種情況下，單個供應通道分出流體地耦接到閉合的可膨脹體積的多個通道。可存在多個這樣的供應通道。簡言之，一個選擇是具有本圖的‘淋浴頭’配置，其中單個供應通道45分出耦接到可膨脹體積35的多個通道20a-20d。另一選擇是，具有多個供應通道45。這些多個供應通道45中的一個或多個可分出多個通道20a至20d。
[0039]圖3示意性地示出包括定向閥的根據本發明的微流體系統。在本圖中的大部分元件與圖2所示的元件相同。相同的元件被給予相同的附圖標記。但在本圖中，通道20a和通道20d分別包括定向閥。通道20a包括定向閥60a且通道20d包括定向閥60d。在本實施例中，定向閥已被設計為柔性構件(翼片)，其在流體流入到可膨脹體積內時打開且在流體在相反方向中流動時關閉。定向閥的另一實例由腔中的球來形成，腔中的球允許流體在一個方向中傳遞且當流體壓力位于相反方向時關閉。定向閥的這些和另外的實例是本領域技術人員已知的。由于定向閥60a和60d的結果，流體可通過通道20a和通道20d進入可膨脹體積35。但是流體不能通過相同通道離開可膨脹體積35。通過使用通道(一并參看圖2)和/或通過在一個或多個通道(而非所有通道20)(參看本圖)中使用定向閥，可實現不同的流型，其中的每一個流型具有其自己的混合特征。取決于特定應用的混合要求，多個通道20或定向閥60的需要性或可購性，能夠選擇合適的設計。
[0040]圖4示意性地示出根據本發明的方法的實施例。在步驟65中，提供根據本發明的實施例中任一實施例的微流體系統。之后，在步驟70中，待混合的流體朝向閉合的可膨脹體積且運輸到閉合的可膨脹體積內。在進入可膨脹體積的流體的影響下，可膨脹體積膨脹。由于流體通過通道進入到可膨脹體積且由于存在限定可膨脹體積的柔性膜，因此在可膨脹體積內形成混沌流型，從而導致流體混合。在柔性膜的彈性特征所致的合力的影響下，或在單獨致動的影響下，流體于是從可膨脹體積返回。這在步驟75中進行。根據本發明的方法的實施例，步驟70和步驟75可根據需要經常重復來獲得所期望的混合水平。在本圖中，這一點已經由虛線箭頭80示出。
[0041]應當指出的是，上述實施例是說明本發明的而非限制本發明，且本領域技術人員將能夠在不偏離所附權利要求的范圍的情況下設計許多替代實施例。在權利要求中，置于括號之間的任何附圖標記不應被理解為限制該權利要求。詞語“包括”并不排除權利要求中所列出的元件或步驟之外的其它元件或步驟的存在。在元件之前的詞語“一”并不排除多個這樣的元件的存在。在列舉若干裝置的系統權利要求中，這些裝置中的若干裝置可由計算機可讀軟件或硬件的同一個項目來實施。在相互不同的附屬權利要求中陳述特定措施的簡單事實并不表示不能使用這些措施的組合來取得益處。
【主權項】
1.一種微流體系統(I)，包括: 用于混合流體的閉合的可膨脹體積(35); 柔性膜(40)，其允許在該閉合的可膨脹體積(35)中進行混合， 其特征在于， 所述微流體系統(I)還包括: 表面(5)，其包括多個通道(20a，20b, 20c, 20d)以用于將所述表面(5)的第一側(10)流體地耦接到位于所述表面(5)的第二側(15)上的該閉合的可膨脹體積(35)，所述通道(20a, 20b, 20c, 20d)包括將所述表面(5)的第一側(10)流體地耦接到所述通道(20a，20b, 20c, 20d)的第一通道開口(25)和將所述通道(20a，20b, 20c, 20d)流體地耦接到所述閉合的可膨脹體積(35)的第二通道開口(30)，所述可膨脹體積(35)由所述柔性膜(40)限定，當在所述可膨脹體積(35)中不存在流體時，所述柔性膜(40)閉合所述第二通道開口(30)，其中部分所述通道(20a，20b, 20c, 20d)包括定向閥(60a，60d)，該定向閥被設計成在流體流入到該閉合的可膨脹體積內時打開且在流體在相反方向中流動時關閉，以允許通過迫使流體沿著不同于流體進入該閉合的可膨脹體積所經過路徑的路徑流出該閉合的可膨脹體積而促進混合。2.根據權利要求1所述的微流體系統(I)，其中所述柔性膜(40)覆蓋所述第二通道開口(30)。3.根據權利要求1或2所述的微流體系統(I)，其中所述柔性膜(40)是彈性的。4.根據權利要求1至3中任一項所述的微流體系統(I)，其中所述通道(20a，20b,20c,20d)的幾何形狀適于促進混合。5.根據權利要求1至4中任一項所述的微流體系統(I)，其中所述閉合的可膨脹體積(35)包括用于促進混合的結構。6.根據權利要求1至5中任一項所述的微流體系統(I)，其中所述混合膜(40)被預先成形以促進混合。7.—種包括根據權利要求1至6中任一項所述的微流體系統(I)的設備。8.根據權利要求7所述的設備，其中所述設備為盒，所述盒可插入到儀器內以通過所述盒來起作用。9.根據權利要求7所述的設備，其中所述設備為用于分子診斷的設備。10.一種用于混合流體的方法，其包括以下步驟: 提供(65)微流體系統(I)，所述微流體系統(I)包括: 表面(5)，其包括多個通道(20a，20b, 20c, 20d)以用于將所述表面(5)的第一側(10)流體地耦接到位于所述表面(5)的第二側(15)上的閉合的可膨脹體積(35)，所述通道(20a，20b, 20c, 20d)包括將所述表面(5)的第一側(10)流體地耦接到所述通道(20a，20b,20c, 20d)的第一通道開口(25)和將所述通道(20a，20b, 20c, 20d)流體地耦接到所述閉合的可膨脹體積(35)的第二通道開口(30)，所述可膨脹體積(35)由柔性膜(40)限定，當在所述可膨脹體積(35)中不存在流體時，所述柔性膜(40)閉合所述第二通道開口(30)，其中部分所述通道(20a, 20b, 20c, 20d)包括定向閥(60a, 60d)，該定向閥被設計成在流體流入到該閉合的可膨脹體積內時打開且在流體在相反方向中流動時關閉，以允許通過迫使流體沿著不同于流體進入該閉合的可膨脹體積所經過路徑的路徑流出該閉合的可膨脹體積而促進混合； 將流體從所述表面(5)的第一側(10)運輸(70)到所述閉合的可膨脹體積(35)，從而使得所述閉合的可膨脹體積(35)膨脹； 使所運輸的流體從所述閉合的可膨脹體積(35)返回(75)到所述表面(5)的第一側(10)，從而使得所述閉合的可膨脹體積(35)返回(75)到其原始體積。11.根據權利要求10所述的方法，其中根據需要來經常重復所述運輸(70)和返回(75)步驟以實現所期望的混合水平。
【文檔編號】B01F13/00GK105921066SQ201610304117
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2010年4月16日
【發明人】R.溫伯格弗里德爾, R.C.德吉爾, P.H.布馬
【申請人】皇家飛利浦電子股份有限公司