用于合并两个液体体积的方法、流体结构和用于实施该方法的微流控芯片技术

本发明专利技术涉及一种用于控制一种或多种流体的流体结构。流体管路(12、32、62、82、122)具有沿流动方向(13)延伸的保持区段(20、40、70、90)，流体管路在该保持区段中具有狭窄区域(24、44、74、94、134、170)和在横向上邻接的宽阔区域(26、46、76、96、136、172)，其中，狭窄区域在至少一个垂直于流动方向的第一方向上具有比宽阔区域的最小的侧壁间距hw更小的侧壁间距he。本发明专利技术还涉及一种用于合并至少两个液体体积的方法，在其中使第一液体(140)通过流体管路输送到保持区段的狭窄区域或宽阔区域中，紧接着将事先通过缓冲介质(146)与第一液体分开的第二液体(150)输送到保持区段处，而缓冲介质通过宽阔区域或狭窄区域旁经第一液体从保持区段输出。

Methods for merging two liquid volumes, fluid structures and microfluidic chips for the implementation of the method

The present invention relates to a fluid structure for controlling one or more fluids. Fluid lines (12, 32, 62, 82, 122) with (13) extending along the flow direction of the keep section (20, 40, 70, 90), fluid pipeline has a narrow region in the holding section (24, 44, 74, 94, 134, 170) and in the broad horizontal region adjacency the (26, 46, 76, 96, 136, 172), among them, the narrow area in at least a first direction perpendicular to the flow direction than side wall spacing he minimum lateral wall spacing smaller HW wide area. The invention also relates to a method for merging at least two of the volume of liquid, in which the first liquid (140) transported to the narrow area to keep the section or wide area by fluid lines, then will advance through the buffer medium (146) and second separate liquid first liquid (150) transported to keep section at however, a buffer medium through the wide area or narrow area beside the first liquid from keeping the output section.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于合并两个液体体积的方法、流体结构和用于实施该方法的微流控芯片
本专利技术涉及一种用于合并两个液体体积的方法和用于根据该方法控制一种或多种流体的流体结构、尤其微流体结构，该流体结构具有流体管路，流体管路限定流动方向和在各侧通过侧壁限制的垂直于流动方向的横截面。本专利技术还涉及一种微流控芯片(mikrofluidischerChip，微流体芯片)，其具有基底、用于基底的覆盖部和在基底中的这种流体结构。最后，本专利技术涉及一种系统，其由流体结构或微流控芯片连同第一流体和第二流体组成，根据本专利技术的方法使它们在流体结构或微流控芯片中合并。
技术介绍
这种类型的流体结构、尤其微流体结构用于处理部分地非常小的在几ml的范围至在μl范围内的液体量。这种结构中的流体管路具有的横向尺寸在几mm或更低的范围内。液体在这种流体结构中在流经系统内经处理，即，通过产生压力差(过压和/或负压)输送通过流体管路。对此，除了微流控芯片之外，在技术上使用要求很高的控制设备或操作设备，其与微流控芯片联接或者在其中置入微流控芯片。这种流体结构的应用各式各样。由文献US5972710A例如已知一种流体结构，其具有扩散通道，扩散通道具有V形轮廓，在其中样品和检测液体合并成平行的层流，以便借助于扩散过程检测样品中的颗粒。文献US2011/0100476A1公开了一种微流控结构，其具有阀，该阀由在流体通道中的可熔化的结构形成。该可熔化的结构用于在外部能量输入的情况下持久地锁闭流体通道。在文献DE60007128T2中介绍了一种微流控系统的阀，其包括具有障碍物的流体通道。障碍物由智能聚合物形成，该智能聚合物在外部能量输入的情况下改变体积并且由此改变通过通道的流体流。文献US2013/0167958A1研究了一种在流体逻辑管路中的微流控结构。微流控结构尤其包括用于控制在载体介质中的气体或液体小泡的支路。在文献US2004/0195539A1中说明了一种流体管路的微流控的阀，该流体管路在基底中以通道的形式构造并且在阀的部位处具有通道收缩部。通道利用自粘性的覆盖薄膜闭合。阀在初始状态中打开并且可通过为自粘性的薄膜加压在收缩部的区域中持久闭合。此外，说明了阀可如何紧接着通过在通道收缩部的区域中的基底材料借助于从外部压入的凸模的变形再次打开。文献US2012/0103103427A1研究了一种具有流体通道的微流控结构，流体通道沿流动方向相继地形成有宽阔区段和狭窄区段。并行流经流体通道的两种流体在该结构中可选地集中、混合或在分开的路径中引导。文献US2007/0286774A1研究了一种具有流体通道的微流控装置，流体通道构造在基底中并且覆盖有薄膜。在通道中构造有至少2个区段，液体由于毛细现象流入其中。两个区段彼此间隔开，从而很细的流在它们之间中断。通过这种结构总地更好地控制通道内的很细的流。在处理流体时的一特别的问题在于液体的聚集。为此，已知这样的流体管路结构，其具有至少两个流体输入管路和一个离开部，它们在T形交叉点的区域中彼此会聚。在此，难点是应保证来自两个输入管路的受限体积的液体柱(还称为“液体塞”)为了合并还同时到达T形交叉点。这需要例如借助于复杂的阀切换和液体柱的精确的位置监测进行大范围地流体控制，通过这样来控制输送压力并且由此调节液体柱的位置。位置监测例如借助于光栅实现，光栅精确地测量何处存在两个液体柱的开端和末端。在没有这种调节的情况下，可在液体柱之间围有气体缓冲部，其使流体管路内的液体柱始终彼此分开。在液体柱由于空气夹杂而分开的情况下，例如妨碍了液体的充分混合，或者干扰了传感装置的功能性。基本目标是将控制或调节限制到必需的最小程度上。尤其应避免在微流控芯片处的复杂的预防措施，例如可运动的阀部件，因为在此还应关注尽可能低的制造成本。因此，文献DE102009048387B3说明了用于合并两种液体的另一途径。其中说明的微流控结构包括流体管路，其在横向于流动方向的一部位处加宽成流体腔。流体腔的加宽和表面如此获得，即，通过流体腔导引的第一液体体积分布到流体腔的整个横截面上。此外，另一输入管路通到流体腔中的保持位置中，该另一输入管路如此构造，即，此处输送的第二液体体积停在保持位置的区域中，直至该第二液体体积被经过的第一液体体积接纳，并且，两个液体体积以合并的方式从流体腔输出。该结构在确定的流体前提下(润湿特性)提供了一种替代的被动的流体控制，其可放弃复杂的阀切换和/或其他的主动的流体控制。由D.Itoh等所著的文献“Droplet-basedmicrofluidicsensingSystemforrapidfishfreshnessdetermination”(发表于SensorsandActuatorsB171-172(2012)，第619-626页)已知一种完全类似的流体结构。在此说明的微流体结构包括仅仅一个输入管路和一个输出管路以用于处理两种或多种分开输送的液体柱(塞)。液体柱(塞)通过输入管路并且通过气泡彼此分开地同样输送给横向上加宽的流体腔，流体腔的体积无论如何大于到达的第一液体柱的体积。流体腔如此构造，即，液体仅润湿相对而置的侧部壁部中的一个。由此释放出旁路，来自在液体柱之间的气体缓冲部的气体可通过旁路漏出。因此，在继续的输送压力的作用下，第二液体柱追上继续粘附在侧部壁部处的第一液体并且与之以合并的方式从流体腔输出。然而，这需要的另一条件是，两个液体的总体积足以润湿加宽的合并腔的两个壁部。最后提到的两种流体结构不需要复杂的阀切换和流体控制并且因此在构想上更简单，然而它们具有的缺点是，它们不能在所有的情况下、尤其不能针对润湿性的液体和具有高的表面张力的液体保证过程可靠的过程，因为液体由于毛细管力倾向于前拉或后拉到狭窄流体管路中。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于提供一种简单的流体结构，其适合于工艺可靠地合并通过缓冲介质彼此间隔开地输送的流体，该流体可选地比缓冲介质更强或更弱地润湿流体管路的侧壁。该目的通过具有权利要求1的特征的方法、具有权利要求3的特征的流体结构、具有权利要求16的特征的微流控芯片以及具有权利要求21的特征的系统实现。根据本专利技术，开头提到的流体结构的流体管路具有沿流动方向延伸的、没有另外的输入管路和输出管路的保持区段，流体管路在保持区段中具有狭窄区域和关于流动方向在横向上邻接的宽阔区域，其中，狭窄区域在至少一个垂直于流动方向的第一方向(第一横向方向)上具有比宽阔区域的最小的侧壁间距hw更小的侧壁间距he。与之相应地，该目的还通过开头提到的类型的微流控芯片实现，在其中流体管路以通道的形式构造在基底中并且由覆盖部闭合，其中，在保持区段中的通道分成狭窄区域和宽阔区域。特别优选地，在此，宽阔区域具有比狭窄区域更大的通道深度。该设计方案可特别简单且因此成本有利地制成。此外，优选地，第一横向方向垂直于与覆盖部相对而置的通道底部，即，狭窄区域的侧壁间距he通过通道深度来确定。因此，保持区段通常沿纵向分成两个横向于流动方向(横向上)相邻的并且流体连接的区域，其中，一个区域在至少一个垂直于流动方向的空间方向(即，第一横向方向)上窄于在空间方向上的另一区域。该配置确保，比包围液体的缓冲介质更弱或更强地润湿流体管路的侧壁并且到达保持区段的第一液体在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在具有流体管路(12、32、62、82、122、172、192、312、412、522)的流体结构中合并至少两个液体体积的方法，该流体管路限定流动方向(13)和在各侧通过侧壁限制的、垂直于所述流动方向(13)的横截面并且具有沿流动方向(13)延伸的、没有另外的输入管路和输出管路的保持区段(20、40、70、90、210、320、420)，所述流体管路(12、32、62、82、122、172、192、312、412、522)在该保持区段中包括具有体积Ve的狭窄区域(24、44、74、94、134、174、194、324、424、534)和关于流动方向在横向上邻接的具有体积Vw的宽阔区域(26、46、76、96、136、176、196、326、426、536)，其中，所述狭窄区域(24、44、74、94、134、164、174、194、324、424、534)在垂直于所述流动方向(13)的至少一个第一方向上具有比所述宽阔区域(26、46、76、96、136、176、196、326、426、536)的最小的侧壁间距hw更小的侧壁间距he，该方法可选地具有以下步骤：a)将具有体积VFl1的第一液体(140)通过流体管路(122)输送到所述保持区段中，并且在此由于毛细管力输送到所述狭窄区域(134)中，b)紧接着将事先通过缓冲介质(146)与所述第一液体(140)分开的、具有体积VFl2的至少一种第二液体(150)通过相同的流体管路(122)输送到所述保持区段中，而使所述缓冲介质(146)通过所述宽阔区域(136)旁经所述第一液体(140)从所述保持区段输出，直至所述至少一种第二液体(150)到达所述第一液体(140)，并且使两种或所有液体以合并的方式从所述保持区段输出，其中，适用的条件是：VFl1<Ve，并且VFl1+VFl2>Ve，或者c)将具有体积VFl1的第一液体(540)通过所述流体管路(522)输送到所述保持区段中并且在此由于毛细管力输送到所述宽阔区域(536)中，d)紧接着将事先通过缓冲介质(546)与所述第一液体(540)分开的、具有体积VFl2的至少一种第二液体(550)通过相同的流体管路(522)输送到所述保持区段中，而使所述缓冲介质(546)通过所述狭窄区域(534)旁经所述第一液体(540)从所述保持区段输出，直至所述至少一种第二液体(550)到达所述第一液体(540)，并且使两种或所有液体以合并的方式从所述保持区段输出，其中，适用的条件是：VFl1<Vw，并且VFl1+VFl2>Vw。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.10 DE 102015204235.91.一种用于在具有流体管路(12、32、62、82、122、172、192、312、412、522)的流体结构中合并至少两个液体体积的方法，该流体管路限定流动方向(13)和在各侧通过侧壁限制的、垂直于所述流动方向(13)的横截面并且具有沿流动方向(13)延伸的、没有另外的输入管路和输出管路的保持区段(20、40、70、90、210、320、420)，所述流体管路(12、32、62、82、122、172、192、312、412、522)在该保持区段中包括具有体积Ve的狭窄区域(24、44、74、94、134、174、194、324、424、534)和关于流动方向在横向上邻接的具有体积Vw的宽阔区域(26、46、76、96、136、176、196、326、426、536)，其中，所述狭窄区域(24、44、74、94、134、164、174、194、324、424、534)在垂直于所述流动方向(13)的至少一个第一方向上具有比所述宽阔区域(26、46、76、96、136、176、196、326、426、536)的最小的侧壁间距hw更小的侧壁间距he，该方法可选地具有以下步骤：a)将具有体积VFl1的第一液体(140)通过流体管路(122)输送到所述保持区段中，并且在此由于毛细管力输送到所述狭窄区域(134)中，b)紧接着将事先通过缓冲介质(146)与所述第一液体(140)分开的、具有体积VFl2的至少一种第二液体(150)通过相同的流体管路(122)输送到所述保持区段中，而使所述缓冲介质(146)通过所述宽阔区域(136)旁经所述第一液体(140)从所述保持区段输出，直至所述至少一种第二液体(150)到达所述第一液体(140)，并且使两种或所有液体以合并的方式从所述保持区段输出，其中，适用的条件是：VFl1<Ve，并且VFl1+VFl2>Ve，或者c)将具有体积VFl1的第一液体(540)通过所述流体管路(522)输送到所述保持区段中并且在此由于毛细管力输送到所述宽阔区域(536)中，d)紧接着将事先通过缓冲介质(546)与所述第一液体(540)分开的、具有体积VFl2的至少一种第二液体(550)通过相同的流体管路(522)输送到所述保持区段中，而使所述缓冲介质(546)通过所述狭窄区域(534)旁经所述第一液体(540)从所述保持区段输出，直至所述至少一种第二液体(550)到达所述第一液体(540)，并且使两种或所有液体以合并的方式从所述保持区段输出，其中，适用的条件是：VFl1<Vw，并且VFl1+VFl2>Vw。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述缓冲介质(146，546)为气体缓冲介质。3.一种流体结构，适应于根据上述权利要求中任一项所述的方法控制一种或多种流体，该流体结构具有流体管路(12、32、62、82、122、172、192、312、412、522)，该流体管路限定流动方向(13)和在各侧通过侧壁限制的、垂直于流动方向(13)的横截面，其特征在于，所述流体管路(12、32、62、82、122、172、192、312、412、522)具有沿流动方向(13)延伸的、没有另外的输入管路和输出管路的保持区段(20、40、70、90、210、320、420)，所述流体管路(12、32、62、82、122、172、192、312、412、522)在该保持区段中具有狭窄区域(24、44、74、94、134、174、194、324、424、534)和关于所述流动方向在横向上邻接的宽阔区域(26、46、76、96、136、176、196、326、426、536)，其中，所述狭窄区域(24、44、74、94、134、164、174、194、324、424、534)在垂直于所述流动方向(13)的至少一个第一方向上具有比所述宽阔区域(26、46、76、96、136、176、196、326、426、536)的最小的侧壁间距hw更小的侧壁间距he。4.根据权利要求3所述的流体结构，其特征在于，构造有在所述狭窄区域(24、44、74、94、134、164、174、194、324、424、534)和所述宽阔区域(26、46、76、96、136、176、196、326、426、536)之间、呈沿流动方向(13)延伸的凸肩(28、48、78、98、178、328、428)的形式的横向过渡部。5.根据权利要求4所述的流体结构，其特征在于，所述狭窄区域(24、44、74、94、134、164、174、194、324、424、534)构造在所述凸肩(28、48、78、98、178、328、428)的高台和相对而置的侧壁区段之间，其中，所述第一方向垂直于所述高台。6.根据权利要求3至5中任一项所述的流体结构，其特征在于，所述流体管路(12、32、62、82、122、172、192、312、412、522)具有沿流动方向(13)在所述保持区段(20、40、70、90、210、320、420)上游的进入区段(18、38、68、88、208、318、418)和沿流动方向(13)在所述保持区段(20、40、70、90、210、320、420)下游的排出区段(22、42、72、92、212、322、422)，其中，所述进入区段(18、38、68、88、208、318、418)和所述排出区段(22、42、72、92、212、322、422)沿第一方向无级地过渡到所述保持区段(20、40、70、90、210)的狭窄区域(24、44、74、94、134、164、174、194)或所述保持区段(210、320、420)的宽阔区域(176、196、326、426、536)中。7.根据权利要求6所述的流体结构，其特征在于，所述进入区段(18)和/或所述排出区段(22)在垂直于所述流动方向(13)的第一方向上具有侧壁间距hin和hout，其等于所述狭窄区域(24)的侧壁间距he。8.根据权利要求6所述的流体结构，其特征在于，所述进入区段(38、68、88、208)在...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·拉塔，T·舒克，M·巴斯勒，P·施庞，M·霍尔茨基，A·布赖特鲁克，R·贺默里奇，
申请(专利权)人：弗劳恩霍夫应用研究促进协会，
类型：发明
国别省市：德国,DE