用于便携微流泵送的真空电池系统技术方案

一种流体芯片，使用真空空隙来存储真空势，该真空势用于结合了仿生真空肺的受控微流体泵送。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对相关申请的交叉引用本申请要求2014年9月17日递交的美国临时专利申请62/051,678的优先权和利益，该临时专利申请在此通过引用的方式整体引入。关于联邦资助的研究人员发展的声明不适用计算机程序附录的参考引入不适用受版权保护的内容的通知本专利文献中的内容的一部分受美国和其他国家的版权法下的版权保护。当它呈现于美国专利商标局的可公开获得的文件或记录中时，该版权的所有者不反对任何人对专利文献或者专利披露内容的传真复制，但是除此之外该版权的所有者保留所有版权。版权所有者并不因此放弃它的任何权利以使这个专利文献保密，包括但不限于根据37C.F.R.§1.14的权利。
技术介绍
1.
这个说明书一般地属于诊断感测系统，更特别地属于被动诊断感测系统。2.背景讨论低成本、无电源、便携和受控的微流泵送是下一代一次性现场医疗诊断芯片所需要的决定性的特征。理想地，泵送系统应该使得一次性芯片能够在基础设施(即，训练有素的技术人员、电源或设备)可能薄弱的地方执行现场检测。而且，泵送系统应该提供与通常在中央实验室中完成的常见的定量分析技术(比如酶联免疫吸附测定(ELISA)或者聚合酶链反应(PCR))兼容的平台。优选地，泵送系统也应该具有良好的光学特性，使得可以使用各种类型的光学检测。最后，它应该是简单的和足够鲁棒的，使得它可以只需最少的训练或者无需训练即可操作。微流体泵送基本上是一种在微型流体系统中驱动流体流动的方法。取决于泵送是否使用外部动力源，微流体泵送通常可以被分成两种主要类型：主动泵送或被动泵送。主动泵送的例子包括注射泵、蠕动泵、膜片气动阀、离心泵、电介质上电润湿(EWOD)、电渗、压电泵和表面声波驱动方法。典型地，与被动系统相比，主动泵送系统具有更精确的流控制和通常更大的流量。但是，对外部动力源、外围控制系统或者机械部件的需要使得装置更庞大、更复杂或者成本更高。这些障碍使得主动泵送系统对于低成本一次性现场系统而言远远不可行。在被动泵送中，有两种主要类型：毛细泵送或者脱气泵送。这两种类型被称为被动式是因为该系统典型地不需要动力源或者外围设备进行泵送，因此它们对于低成本现场测定而言是理想的。对于毛细系统，侧流测定(例如，怀孕试纸测试)是一种普遍的商业实例。这些测定使用纤维材料来吸入体液以进行免疫测定。但是，不透明的或者反射性的纤维可以阻碍光路，或者在荧光检测中导致更高的背景噪声。这些原因使得透射型光学检测(比如荧光、相位对比和暗场显微镜)难以在试纸形式的毛细管中进行。也存在塑料形式的毛细泵送。葡萄糖测试条是这种类型的一种非常常见的商业实例。这些测试条将血液吸入塑料狭缝中以进行电化学检测。但是，由于毛细力取决于几何形状，因此在设计上具有内在限制。例如，通道不能太厚，并且因此具有大直径的深的(毫米尺度)光学透明井与毛细管设计不兼容。流体通道也不能太宽，因为气泡可能容易被截留。周期性结构已经被用来防止气泡被截留，但是这些结构使得流体区域不平坦并且不适于光学检测，因为它们可以导致过度散射(例如，在暗场显微镜或者全内反射显微镜中)。而且，常常需要特别的表面处理步骤以使表面亲水/疏水，并且流体速度对液体中的表面张力差高度敏感。最后，在所有毛细管形式中，具有完全的死端加载或者用以去除气泡的后脱气处理是不可能的。死端加载在核酸扩增应用中是有用的，因为它防止了蒸发。但是，死端加载在毛细管系统中无法完成，因为总是需要一个用于空气的出气口。如果涉及升高的热过程(比如PCR中的热循环)，则死端加载和气泡去除至关重要，因为气泡可以膨胀并且导致装置中的液体的灾难性的逐出。使用脱气泵送，流体流当气包扩散进入周围的可透气预抽真空硅树脂材料(比如聚二甲基硅氧烷(PDMS))中时被驱动。它类似于浸泡在水中的干海绵，但是不是水而是空气被扩散进抽了真空的硅树脂中并且吸引流体运动。脱气加载的主要优点是加载死端腔的能力、具有大的光学清晰度和允许在设计几何形状上更灵活，因为深的和宽的结构可以被无气泡地加载。但是，主要缺点是缺乏流控制，以及当装置从真空中取出时流率的快速指数衰减。
技术实现思路
本说明书包括使用便携的和低成本的泵送方案的医疗诊断测定，该泵送方案使用了真空电池系统，其在空隙真空电池腔中预先存储真空势，并且在可透气肺状结构上卸载该真空以更精确地驱动流体。另一个方面是流体芯片，该流体芯片使用真空空隙来存储真空势，该真空势用于结合了仿生真空肺的受控流体泵送。与用于数字扩增测定的常规脱气泵送相比，该芯片在流体控制的四个关键方面展现了显著的进步，包括：更可靠和稳定的流，具有小大约8倍的在加载时间上的偏差以及对于慢得多的和稳定的在流率上的指数衰减而言高达5倍的在衰减时间常数上的增加；高达大约2小时的可靠的泵送而不需要任何外部电源或者额外的外围设备；高达大约10倍的增加了的加载速度，具有至少140μl的大加载能力；通过改变真空电池体积或者真空肺表面积而调整流和增大流动一致性。在一个实施例中，本专利技术的泵送系统被配置用于一步样本制备和数字扩增，并且直接从一步中的人类全血样本(从大约10至大约105拷贝数DNA/μl)中展示了病原体DNA(耐甲氧西林金黄色葡萄球菌)的定量检测。该技术的另外的方面将被在本说明书的后续部分中展示出，其中该详细说明是为了完全披露该技术的优选实施例的目的，而不是对其做限制。附图说明参考下面的附图，本文中说明的技术将被更完全地理解，其中这些附图仅仅是为了说明性的目的：图1是使用根据本说明书的真空电池泵送机构的医疗诊断感测系统的透视图。图2A显示了根据本说明书的死端井和相应的交叉指状空气通道的特写视图。图2B显示了表示本说明书的真空电池系统的电路原理图。图3显示了图1的流体芯片的侧剖视图。图4A至4C分别显示了基于真空电池的诊断感测系统在充载、储存和卸载操作阶段的简化示意图的侧视图。图5A至5C分别显示了基于真空电池的诊断感测系统在充载、储存和卸载操作阶段的透视图。图6A是通过改变从真空中取出装置与加载之间的时间间隔而显示本说明书的系统与常规的脱气系统之间在流动速度上的效果的曲线图。图6B是显示从图6A中提取出的加载时间的标准偏差的比较的曲线图。图7A是显示流量相对时间的曲线图。图7B是显示电池体积相对于加载所需时间的曲线图。图8A和图8B分别显示了8肺对和4肺对的特写示意图。图9A显示了对于变化的肺对数量流量相对于时间的曲线。图9B显示了加载时间相对于肺对数量的曲线。图10是对于不同肺对数量和块脱气而言流率相对于加载后的经过时间的曲线图。图11是对于不同肺对数量和块脱气而言流率的时间常数的曲线图。图12A至图12F显示了反应的实际荧光图像(对比度已调整)和与核酸浓度的相关性。图13是平均时间强度的曲线图，显示了阳性光斑强度在10分钟内增加到可检测水平。图14是显示真空电池系统的检测范围的曲线图。图15显示了根据本说明书的真空电池芯片的简化二维扩散模型。图16显示了图15中的虚线的模拟压力分布。图17A是显示对于不同肺结构而言随时间推移而数字化的井的数量的曲线图。图17B是显示对于不同电池体积而言加载所有井所需要的时间的曲线图。图18A和图18B是通过改变加载时间间隔而图示在数字化速度上的变化的曲线图。具体实施方式图1图示了以流体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于便携流体泵送的系统，其特征在于，所述系统包括：芯片；空隙，所述空隙设置在所述芯片内；所述空隙包括被配置成随着使所述芯片经受真空状态而存储真空的体积；真空通道，所述真空通道被连接到所述空隙并与所述空隙连通；流体通道，所述流体通道邻近所述真空通道设置使得材料的薄可透气壁被设置在所述流体通道和所述真空通道之间；所述流体通道和真空通道彼此不物理连接；以及容器，所述容器用于将所述芯片保持在所说的真空状态；其中随着所述芯片从所述容器中的真空状态的脱离，所述空隙内存储的真空被动地吸引空气穿过所述薄可透气壁进入所述空隙中以将流体样本推动进所述流体通道中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.17 US 62/0516781.一种用于便携流体泵送的系统，其特征在于，所述系统包括：芯片；空隙，所述空隙设置在所述芯片内；所述空隙包括被配置成随着使所述芯片经受真空状态而存储真空的体积；真空通道，所述真空通道被连接到所述空隙并与所述空隙连通；流体通道，所述流体通道邻近所述真空通道设置使得材料的薄可透气壁被设置在所述流体通道和所述真空通道之间；所述流体通道和真空通道彼此不物理连接；以及容器，所述容器用于将所述芯片保持在所说的真空状态；其中随着所述芯片从所述容器中的真空状态的脱离，所述空隙内存储的真空被动地吸引空气穿过所述薄可透气壁进入所述空隙中以将流体样本推动进所述流体通道中。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述真空通道包括多个真空通道，并且所述流体通道包括多个流体通道；以及所述真空通道与所述多个流体通道指状交叉以形成薄可透气壁的真空肺。3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述真空肺被配置成通过允许空气扩散穿过所述流体通道与所述真空通道和空隙之间的薄可透气壁而模拟肺泡气体交换。4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述肺被配置成控制穿过所述薄可透气壁的气体扩散，从而调节所述流体通道中的流体的流动性质。5.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述流体通道还包括串联连接的多个死端井；以及所述流体样本被配置成被顺序地吸入所述多个死端井中。6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：多个辅助真空通道，所述多个辅助真空通道与所述多个死端井指状交叉以在所述死端井与辅助真空通道之间形成第二组薄可透气壁；以及其中随着所述芯片从所述真空状态的脱离，空气被穿过所述第二组薄可透气壁吸入以推动所述流体样本进入所述多个死端井中。7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：辅助空隙，所述辅助空隙连接到所述辅助真空通道；所述辅助空隙包括被配置成随着使所述芯片经受真空状态而存储真空的体积；其中随着所述芯片从所述真空状态的脱离，所述辅助空隙内存储的真空吸引空气穿过所述第二组薄可透气壁以推动所述流体样本进入所述多个死端井中。8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：池，所述池连接到所述流体通道；其中随着所述芯片从所述真空状态的脱离，流体被从所述入口推动沿着所述流体通道进入所述池中。9.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：池，所述池连接到所述流体通道；以及入口，所述入口设置在所述芯片中；所述入口被连接到所述流体通道并与所述流体通道连通，并且被配置成接收样本流体；其中随着所述芯片从所述真空状态的脱离，流体被从所述入口推动并且顺序地穿过所述多个死端井、所述池和所述多个流体通道。10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述芯片包括：可透气材料的第一层；所述第一层包括所述真空通道、流体通道和空隙中的一个或者多个；以及第二层，所述第二侧覆盖于所述第一层上以封闭所述真空通道、流体通道和空隙中的一个或者多个。11.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述芯片包括多个层；以及所述真空通道、流体通道和空隙中的一个或者多个被设置在分离的层上。12.一种芯片上的便携流体泵送的方法，其特征在于，包括：提供芯片，所述芯片包括被设置在所述芯片内的空隙、真空通道和流体通道，所述真空通道被连接到所述空隙并与所述空隙连通，所述流体通道被邻近所述真空通道设置使得材料的薄可透气壁被设置在所述流体通道和所述真空通道之间；施加真空到所述芯片以充载所述芯片以在所述空隙内存储真空；储存所述芯片以保持所述真空；将所述芯片从所述真空中卸载；将流体样本施加在所述芯片上的位置处；以及作为所述空隙内存储的真空的结果，被动地吸引空气穿过所述薄可透气壁进入所述空隙中以推动所述流体样本进入所述流体通道中。13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，储存所述芯片以保持所述真空包括将所述芯片置于真空密封袋中。14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，卸载所述芯片包括打开所述真空密封袋以破坏所述真空。15.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述真空通道包括多个真空通道，并且所述流体通道包括多个流体通道；以及所述多个真空通道与所述多个流体通道指状交叉以形成薄可透气壁的真空肺。16.如权利要求15所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢克·李，叶尔嘉，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US