微流体装置中连续、电容式液体流动监测制造方法及图纸

一种包括可用液体(5)填充的微通道(11,11a)的微流体芯片(10)，该微通道(11,11a)包括一对电极(21,22,21a,22a)和该对电极(21,22,21a,22a)之间限定的液体流动路径(12)，其中每个电极(21,22,21a,22a)沿着该流动路径(12)延伸并在操作中平行于填充所述微通道(11,11a)的液体(5)的方向，以及连接到所述电极(21,22,21a，22a)中的每一个的电路并且该电路被配置为经由所述电极(21,22,21a,22a)在操作中连续地测量由连续填充流动路径(12)的液体(5)浸润的作为时间函数的电极(21,22,21a,22a)电容。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】微流体装置中连续、电容式液体流动监测
技术介绍
本专利技术一般涉及微流体领域，具体涉及配备有电极的微流体芯片，以对芯片中的液体(例如用于即时诊断的微流体)进行测量，以及相关的系统和流量监测方法。微流体技术涉及小体积流体的行为、精确控制和操作，这些流体通常被限制在微米长度的通道和体积通常在亚毫升范围内。微流体的突出特点来源于液体在微米长度范围内显示的特殊行为。微流体中的液体流动通常是层流。通过制造横向尺寸在微米范围内的结构可以达到远低于1纳升的体积。大尺度限制的反应(通过反应物的扩散)可以加速。最后，平行的液体流可能被精确和可重复地控制，允许在液体/液体和液体/固体界面产生化学反应和梯度。更详细地说，微流体中典型的流体体积范围为10-15L至10-4L，并且通过具有10-7m至10-4m的典型直径的通道(或微通道)传输、循环或更一般地移动。在微观尺度上，流体的行为可以不同于更大的宏观尺度，例如表面张力，粘性能量耗散和流体阻力可能成为流体流动的主要特征。例如，在微流体中，比较流体动量和粘度影响的雷诺数可能会降低到流动行为变成层流而非湍流的程度。另外，在微观尺度上，由于在低雷诺数流动中没有湍流，所以流体不必如微尺度那样乱流混合，并且相邻流体之间的分子或小颗粒的界面运输通常通过扩散发生。因此，某些化学和物理流体性质(例如浓度，pH值，温度和剪切力)可能变得确定。这使得可以在单步和多步反应中获得更均匀的化学反应条件和更高等级的产物。微流体装置通常指微制造装置，其用于泵送、取样、混合、分析和计量液体。大多数微流体装置是密封的并且具有用于通过它们泵入和排出液体的入口/出口。然而，一些微流体装置(例如所谓的“微流体探针”)可以扫描表面并将表面的选定区域上的液体定位，而不需要密封流路。用于即时诊断的微流体装置是指非技术人员、患者附近或野外以及可能在家中使用的装置。现有的即时诊断设备通常需要将样品加载到设备上并等待预定的时间直到可以读取信号(通常是光学或荧光信号)。该信号来源于(生物)化学反应并涉及样品中分析物的浓度。这些反应需要时间并且很难实施，因为它们需要最佳时机、样品的流动条件和试剂在装置中的精确溶解。反应涉及脆弱的试剂如抗体。设备中可能会产生气泡，导致测试无效。另外，设备中的碎片可能会阻塞液体流动。在液体必须以平行流动路径分流的装置中，在相同的流速下可能不会发生填充，并且这会使测试偏差或无效。另外由于制造问题，一些测试失败。此外，用于即时诊断的微流体装置通常是不透明的(以保护试剂免受光照)并且通常太小而不允许光流监测，这将需要体积庞大且昂贵的光学系统和/或先进的图像处理算法。代替使用主动泵送装置，微流体装置是已知的，其使用毛细作用力来移动微流体装置内的液体样品。这使得该设备操作更简单并且更便宜，因为不需要集成泵或外部泵。但是，制造过程中的微粒、污染和其他问题可能会影响毛细管填充装置。
技术实现思路
根据本专利技术的一个实施例，一种微流体芯片，其包括可用液体填充的微通道，所述微通道包括一对电极以及限定在所述电极之间的液体流动路径，其中每个所述电极在操作中沿着所述流动路径延伸并平行于填充微通道的液体的方向，以及电路，其连接到每个电极并且被配置为在操作中经由电极连续地测量连续填充流路的液体浸湿的电极的时间函数的电容。根据本专利技术的另一个实施例，附图说明图1示出根据实施例的用于监测微流体芯片中的液体的方法的概略步骤的流程图；图2是根据实施例的包括纵向电极和与其连接的电路的微流体芯片的俯视图，用于执行连续的电容测量；图3示出了表示典型地经由该装置测量的电容的曲线图2.突出显示芯片检测、液体检测和终点检测等可检测事件；图4示出了根据实施例的系统中涉及的流量监测装置的分解图，其可以进一步包括移动装置。插图显示了微通道表面和液体前沿在毛细结构的格子上前进的细节；图5是表示在实施例中电容测量中涉及的电容器的充电和放电期间的电压以及相关量的曲线图；图6和图7分别示出了如在实施例中所涉及的用于利用微控制器和两个微通道测量电容的方法的示意图和相应的流程图；以及图8表示根据实施例的装置测量的各种液体的电容曲线的图。附图示出了涉及实施例的设备或其部分的简化表示。在附图中描绘的技术特征不一定按比例绘制。除非另有说明，附图中的相似或功能相似的元件已经被分配了相同的附图标记。具体实施方式如介绍中所概述的那样，用于即时诊断的微流体装置的填充是至关重要的；它有时会出错。这在最坏的情况下可能导致错误的诊断。在最好的情况下，填充设备失败需要用另一个设备重新进行测试。正如本专利技术人已经认识到的那样，当液体填充这种装置的微通道时能够连续监测液体将是有利的，以便在出现问题时尽快警告使用者。如引言中进一步所述，一些微流体装置是已知的，其使用横跨微通道放置的电极，用于例如使用电容测量来检测电极附近的液体的存在。然而，可以认识到，散布几对电极以创建用于液体填充的检查点不足以精确地跟踪微流体装置的填充状态。事实上，填充的潜在失败点太多了；减少的一组电极甚至可能会引起误导，因为建议适当地进行填充，而在最后一对电极之后填充会失败。因为它也可以实现，所以乘以电极对的数量不是可行的选择，因为每个电极需要单独的接触垫。更多的垫需要更多的空间，并导致更大的设备。这样的设备最终会丧失便携性并且制造成本更高。正如本专利技术人也已经意识到的那样，对监测分钟数量的液体的流量有更普遍的需求。事实上，微流体装置仅处理微升样品，这些装置中的流速可小至1纳升每秒或更少。因此，监测流量的高精度将是非常有利的，即使横向电极无法实现这一点。在做出了上述观察之后，本专利技术人设计了依赖于连续电容测量的装置和系统，通过纵向电极，其中电极的电容随着它们被连续填充微通道的流动路径的液体而浸湿而改变。以下详细说明本专利技术的优选实施例。以下描述的结构如下。首先描述一般实施例和概述变体(第1节)。接下来的部分将介绍具体的实施方案和技术实施细节(第2节和第3节)。参考图2和图4，首先描述本专利技术的一个方面，其涉及微流体芯片10。后者特别包括可以填充有液体5的微通道11(或微通道部分)。微通道11包括一对电极在电极21、22之间限定液体流动路径12。每个电极21、22沿着流动路径延伸并平行于液体的方向(在图2中垂直向上)，如后者在操作中填充微通道。此外，提供连接到电极21、22中的每一个的(芯片上)电路。该电路可以特别地包括适当地连接到电极的电连接器41-44a，以将电信号传送到处理器单元，这将在后面描述。芯片上电路通常被配置为能够通过电极21、22连续测量连续填充流动路径12的液体浸湿的电极的时间函数的电容。电极21,22是纵向电极。即，它们纵向延伸在电极21,22之间限定的流动路径12的每一侧上。“纵向”电极21,22在下文中指的是沿流动路径(与横向电极相反)延伸的电极，即平行于液体5在液体5填充流动路径时的方向，并且与通道的实际形状无关(其可以是直通道，如图2的示例中那样，或者不是)。使用纵向电极21,22允许在操作中连续监测液体5的进程，这继而允许相关反馈(例如指示)及时地提供给操作芯片10的用户，如下面详细讨论的。“连续测量”意味着以通常介于1ms和1s之间的频率重复测量电容的变化。如稍后参照图5-7所解释的，频率取决于RC时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微流体芯片，包括：可用液体填充的微通道，所述微通道包含：一对电极；和限定在电极之间的液体流动路径，其中每个电极在操作中沿着流动路径并且平行于填充的微通道的液体的方向延伸，以及电路，其连接到每个电极并且被配置为在操作中经由电极连续地测量通过连续填充流动路径的液体浸湿的电极的时间函数的电容。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.04 US 14/932,3931.一种微流体芯片，包括：可用液体填充的微通道，所述微通道包含：一对电极；和限定在电极之间的液体流动路径，其中每个电极在操作中沿着流动路径并且平行于填充的微通道的液体的方向延伸，以及电路，其连接到每个电极并且被配置为在操作中经由电极连续地测量通过连续填充流动路径的液体浸湿的电极的时间函数的电容。2.如权利要求1所述的微流体芯片，其中，每个所述电极与流动路径并排在流动路径的旁边在平面内图案化。3.如权利要求1或2所述的微流体芯片，其中，每个电极的宽度在10-500μm之间，电极之间的间隙在10-1000μm之间。4.如权利要求1-3中任一项所述的微流体芯片，其中，所述微通道包括毛细结构的格子，后者用作无源毛细管泵，并且其中所述电极跨过所述格子延伸。5.如权利要求1-4中任一项所述的微流体芯片，其中，该芯片包括两个微通道，每个微通道包括：一对电极；和液体流动路径，所述液体流动路径限定在所述一对电极之间，所述一对电极沿着所述流动路径延伸并且平行于在操作中填充所述每个微通道的液体的方向，并且其中，所述电路连接到每对电极并且被配置为在操作中经由每对电极测量作为时间函数连续填充每个流路的液体的电容。6.如权利要求1-5中任一项所述的微流体芯片，其中，所述电路包括位于所述芯片的边缘处的电连接器，所述芯片具有允许将所述芯片插入到监控装置中的形状因数，所述电连接器被构造成允许在将所述芯片插入到监控装置中时直接插入所述芯片。7.一种微流体测量系统，包括：根据权利要求6所述的微流体芯片；和流量监测装置，其被配置为允许电连接到微流体芯片的电路。8.根据权利要求7所述的微流体测量系统，其中，流量监测装置进一步包括数据处理单元，该数据处理单元被配置为在操作中监测作为经由芯片的电路测量的被连续填充流动路径的液体浸湿的电极的时间函数的电容，并且其中：数据处理单元包括模数转换器；以及数据处理单元用低级语言的计算机程序指令编程以监视电容，该语言足够低级以允许模数转换器的时钟频率大于或等于1MHz。9.根据权利要求7-8中任一项所述的微流体测量系统，其中，流量监测装置进一步包括数据处理单元，该数据处理单元被配置为在操作中监测由经由芯片的电路测量的连续填充流动路径的液体浸湿的电极的电容的斜率。10.根据权利要求7-9中任一项所述的微流体测量系统，其中，数据处理单元进一步被配置为在操作中监测电容的斜率的变化。11.根据权利要求7-10中任一项所述的微流体测量系统，其中：电极被配置在微通道中，从而用于数据处理单元能够在操作中作为所述电容的斜率的所述变化的一部分来检测一个或多个以下事件：检测芯片插入在流量监测装置中；检测进入微通道的液体；并检测到达微通道末端的液体。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·德拉马尔什，Y·特米兹，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US