无阀流体切换流量芯片及其用途制造技术

本发明专利技术提供了一种包括流体流动屏障结构或配置的无阀微流体流量芯片。本发明专利技术进一步提供了在无阀微流体流量芯片中具有增加的流体输送控制的系统和方法。所述系统和所述方法可以用于目前的无阀微流体流量芯片以及当前可用的无阀微流体流量芯片。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】无阀流体切换流量芯片及其用途援引加入PCT申请表作为本申请的部分与本说明书同时提交。本申请主张在同时提交的PCT申请表中确定的权益或优先权的每一项申请都通过引用以其整体且为了所有目的而并入本文。政府支持声明本专利技术是在政府的支持下根据由美国环境保护局颁发的合同第EP-D-15-007号下提出的。政府在本专利技术中有一定权利。联合研究协议声明主题和所要求的专利技术是由或代表加州伯克利的HJ科技公司和加州伯林盖姆的ProteinFluidics公司在名称为“HJ公司和ProteinFluidics公司之间的开发协议”的联合研究协议下提出的。所公开的主题是由或代表在所要求的专利技术的有效提交日期或在有效提交日期之前生效的联合研究协议的一方或多方开发的，并且所要求的专利技术是由或代表联合研究协议的一方或多方提出的，并且所要求的专利技术是因为在联合研究协议的范围内进行的活动而提出的。
技术介绍
使用无阀流体切换的基于疏水通道网络的可重构微流体系统可以用于多种应用。由于疏水屏障的坚固性和各种流体输送事件的要求，这种技术的实施遇到了挑战。目前已知的可重构微流体系统利用连接孔和通道之间的疏水屏障（HPB）来控制流体运动。装置使用连接到孔的直通道以及用于流体控制的过程，这些过程实施三种压力：高、低和真空，其中，低压力在名义上是大气压力，高气体压力将流体从源孔通过连接通道移动到目的地孔，并且在这种输送过程中，目的地孔保持在低压（大气）。在将流体从源孔移动到目的地孔的压力循环步骤结束时，已经将连接通道排空，以在源孔和通道之间重新建立疏水屏障。
技术实现思路
在一个方面中，提供了一种无阀微流体流量芯片。在一些实施例中，流量芯片包括由微流体通道连接的一个或多个微流体腔网络，其中，储器是各自只与一个通道连接的腔，并且节点是各自连接到两个或两个以上的通道的腔；其中：i）第一多个通道各自只连接两个腔；ii）第二多个通道包括一个或多个流体流动屏障结构或配置；以及iii）多个腔包括气体压力端口。在一些实施例中，第一多个通道和第二多个通道可以是相同的、不同的或部分相同的（例如重叠）。在一些实施例中，所述一个或多个流体流动屏障结构或配置位于腔与通道的接口处或附近。在一些实施例中，一个或多个流体流动屏障结构或配置将流体流动的通道阻力或移动流体所需的压力增加至少约20%，例如至少约25%、30%、35%、40%、45%、50%或更多，例如与没有流体流动屏障结构或配置的通道相比。在一些实施例中，微流体通道中的一个或多个是疏水的或包括疏水涂层。在一些实施例中，一个或多个流体流动屏障结构或配置包括通道、肋和/或非线性路径的收缩或变窄。在一些实施例中，一个或多个流体流动屏障结构或配置包括选自由蛇形或S曲线几何结构、接合点、鱼骨或分离通道组成的组的几何结构。在一些实施例中，一个或多个流体流动屏障结构或配置包括位于与通道一致的位置的空隙（例如密封腔）。在一些实施例中，腔中的一个或多个或复数个不是圆柱形的，并且包括位于腔与一个或多个通道的接合点处的凹曲度，使得腔形成从腔向一个或多个通道延伸的半岛（例如腔的形状是莲花垫）。在一些实施例中，腔中的一个或多个或复数个包括进入腔的一个或多个通道的垂直入口，使得在通道进入腔的情况下，几何结构会出现急剧变化（例如约90°，例如不是渐变的或喇叭形的）。在一些实施例中，对节点进行配置，使得入口（例如输入、输送）通道和出口（例如输出、分析）通道接合点位于不同的竖直平面，例如在输入通道在节点的一侧进入并且输出通道从节点的中心退出的情况下。在一些实施例中，在入口通道和出口通道之间创建区域，当在输送过程中排空腔时，该区域可以保留一定数量的流体。在一些实施例中，流量芯片包括疏水流体层（115），该疏水流体层包括选自由聚丙烯（PP）、环烯烃聚合物（COP）、环烯烃共聚物（COC）组成的组的一种或多种聚合物；含氟聚合物，诸如聚四氟乙烯（PTFE）、氟化乙丙烯（FEP，六氟丙烯和四氟乙烯的共聚物）、全氟烷氧基聚合物树脂（PFA）；以及硅酮聚合物，诸如聚二甲硅氧烷（PDMS）。在一些实施例中，可以通过使用添加剂、表面涂层或表面改性对聚合物进行改性，以提高其疏水性。在一些实施例中，腔中的一个或多个或复数个各自可以与多达4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个或16个通道连接。在一些实施例中，一个或多个网络中的每个网络都包括输入/输出通道，该输入/输出通道具有比微流体通道的流体流动阻力更高的流体流动阻力。在一些实施例中，每个流量芯片都可以包含以规则间隔间隔开的多个网络，其中，网络的数量、间距和密度由行业标准定义，诸如美国国家标准协会（ANSI）实验室自动化和筛选学会（SLAS）4-2004（R2012）。在进一步的方面中，提供了无阀微流体系统。在一些实施例中，系统包括在上面和在这里所描述的流量芯片，其中，系统包括压力定序器，该压力定序器包括一组气体阀，压力定序器通过气动传递通道连接到：（1）高气体压力气体源；（2）中间气体压力气体源；（3）低压力气体源；以及可选地（4）部分真空压力气体源；并且连接到流量芯片内的至少一个腔。在一些实施例中，系统包括：a）流量芯片，该流量芯片包括：由微流体通道连接的一个或多个微流体腔网络，其中：储器是各自只连接到一个通道的腔，并且节点是各自连接到两个或两个以上的通道的腔；其中：i）第一多个通道各自只连接两个腔；ii）第二多个通道具有比节点的流体流动阻力更高的流体流动阻力；以及iii）多个腔包括气体压力端口；以及b）包括一组气体阀的压力定序器，该压力定序器通过气动传递通道连接到：（1）高气体压力气体源；（2）中间气体压力气体源；（3）低压力气体源；以及可选地（4）部分真空压力气体源；并且连接到流量芯片内的至少一个腔。在一些实施例中，第一多个通道和第二多个通道可以是相同的、不同的或部分相同的（例如重叠）。在一些实施例中，压力定序器配置为根据压力顺序数据将高气体压力、中间气体压力、低气体压力和可选地部分真空压力施加到至少一个腔，其中，高气体压力大于中间气体压力，中间气体压力大于低气体压力，并且低气体压力大于部分真空气体压力，并且部分真空压力小于大气压力。在一些实施例中，压力定序器配置为将气体压力和部分真空的组合同时施加到至少一个腔。在一些实施例中，第二多个通道包括一个或多个流体流动屏障结构或配置。在一些实施例中，一个或多个流体流动屏障结构或配置位于腔与通道的接口处或附近。在一些实施例中，与没有流体流动屏障结构或配置的通道相比，一个或多个流体流动屏障结构或配置将流体流动的通道阻力或移动流体所需的压力增加至少约20%，例如至少约25%、30%、35%、40%、45%、50%或更多。在一些实施例中，微流体通道中的一个或多个是疏水的或包括疏水涂层。在一些实施例中，一个或多个流体流动屏障结构或配置包括通道、肋和/或非线性路径的收缩或变窄。在一些实施例中，一个或多个流体流动屏障结构或配置包括选自由蛇形或S曲线几何结构、接合点、鱼骨或分离通道组成的组的几何结构。在一些实施例中，一个或多个流体流动屏障结构或配置包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无阀微流体系统，其包括：/na）流量芯片，所述流量芯片包括由微流体通道连接的一个或多个微流体腔网络，其中，储器是各自仅连接到一个通道的腔，并且节点是各自连接到两个或两个以上的通道的腔，其中：/ni）第一多个所述通道各自仅连接两个腔；/nii）第二多个所述通道具有比所述节点的流体流动阻力大的流体流动阻力；以及/niii）多个所述腔包括气体压力端口；以及/nb）压力定序器，所述压力定序器包括一组气体阀，所述压力定序器由气动传递通道连接到：（1）高气体压力气体源；（2）中间气体压力气体源；（3）低压力气体源；以及可选地（4）部分真空压力气体源；并且连接到所述流量芯片内的至少一个腔。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180430 US 62/664,7001.一种无阀微流体系统，其包括：
a）流量芯片，所述流量芯片包括由微流体通道连接的一个或多个微流体腔网络，其中，储器是各自仅连接到一个通道的腔，并且节点是各自连接到两个或两个以上的通道的腔，其中：
i）第一多个所述通道各自仅连接两个腔；
ii）第二多个所述通道具有比所述节点的流体流动阻力大的流体流动阻力；以及
iii）多个所述腔包括气体压力端口；以及
b）压力定序器，所述压力定序器包括一组气体阀，所述压力定序器由气动传递通道连接到：（1）高气体压力气体源；（2）中间气体压力气体源；（3）低压力气体源；以及可选地（4）部分真空压力气体源；并且连接到所述流量芯片内的至少一个腔。


2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压力定序器配置为根据压力顺序数据将高气体压力、中间气体压力、低气体压力和可选地部分真空压力施加到至少一个腔，其中，所述高气体压力大于所述中间气体压力，所述中间气体压力大于所述低气体压力，并且所述低气体压力大于所述部分真空气体压力，并且所述部分真空压力小于大气压力。


3.根据权利要求1至2中任一项所述的系统，其中，所述压力定序器配置为将气体压力和部分真空的组合同时施加到至少一个腔。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述第二多个所述通道包括流体流动屏障结构或配置。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述流体流动屏障结构或配置位于所述腔与所述通道的接口处或附近。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，与没有流体流动屏障结构或配置的通道相比，所述流体流动屏障结构或配置将通道的流体流动阻力和移动流体所需的压力增加至少20%。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，所述微流体通道中的一个或多个是疏水的或包括疏水涂层。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述流体流动屏障结构或配置包括所述通道、肋和/或非线性路径的收缩或变窄。


9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中，所述流体流动屏障结构或配置包括选自由蛇形或S曲线几何结构、接合点、鱼骨或分离通道组成的组的几何结构。


10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，所述第一多个中的一个或多个构件和所述第二多个中的一个或多个构件是相同的。


11.一种用于将一定量的液体从微流体腔网络中的起源或源腔移动到目的地腔的系统，其中，所述起源或源腔和所述目的地腔由无阀微流体通道分开，所述无阀微流体通道的流体流动阻力大于所述源腔的流体流动阻力，所述系统包括：
容器，所述容器用于容纳流量芯片并且与流量芯片接合，所述流量芯片包括所述微流体腔网络；
压力定序器，所述压力定序器包括一组气体阀并且配置为连接到用于在微流体腔中产生高气体压力的第一气体源、用于在微流体腔中产生低压力的第二气体源和用于在微流体腔中产生中间气体压力的第三气体源，其中，所述高气体压力大于所述低压力，所述中间气体压力小于所述高气体压力，但是大于所述低压力，并且当所述源腔基本上排空所述液体时，所述中间气体压力不够大，不足以克服所述微流体通道中的流体流动阻力，其中，所述压力定序器可以将任何压力状态施加到任何腔；以及
控制器，所述控制器配置为指导所述压力定序器：
（a）将所述高气体压力施加到通过第一通道连接到所述起源或源腔的任何腔（除了所述目的地腔），同时将所述低气体压力施加到通过第二通道连接到所述目的地腔的任何腔（除了所述起源腔），以将所述一定量的液体的部分从所述起源或源腔移动通过所述微流体通道，并且到达所述目的地腔，以及
（b）在将所述一定量的液体完全从所述源腔去除之前，将中间气体压力施加到所述起源或源腔，其中，所述中间气体压力足够大，以将（a）后剩余的所述一定量的液体的至少一些推到所述目的地腔，但是避免将气体引入所述微流体通道。


12.根据权利要求2至11中任一项所述的系统，其中，所述压力定序器配置为施加一种或多种压力模式，这些压力模式选自由恒定压力、脉动压力、增加的斜坡压力和减少的斜坡压力组成的组。


13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述压力定序器配置为施加脉动压力和占空因数在约1%到约90%的范围内的脉冲宽度调制（PWM）。


14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述压力定序器配置为在从约10毫秒到约1秒的范围内的上升和/或下降时间内施加增加的和/或减小的斜坡压力。


15.根据权利要求11至14中任一项所述的系统，其中，所述微流体通道中的一个或多个是疏水的或包括疏水涂层。


16.一种无阀微流体流量芯片，所述流量芯片包括由微流体通道连接的一个或多个微流体腔网络，其中，储器是各自仅连接到一个通道的腔，并且节点是各自连接到两个或两个以上的通道的腔；其中：
i）第一多个所述通道各自仅连接两个腔；
ii）第二多个所述通道包括流体流动屏障结构或配置；以及
iii）多个所述腔包括气体压力端口。


17.根据权利要求16所述的流量芯片，其中，所述第一多个中的一个或多个构件和所述第二多个中的一个或多个构件是相同的。


18.根据权利要求16至17中任一项所述的流量芯片，其中，所述流体流动屏障结构或配置位于所述腔与所述通道的接口处或附近。


19.根据权利要求16至18中任一项所述的流量芯片，其中，与没有流体流动屏障结构或配置的通道相比，所述流体流动屏障结构或配置将通道的流体流动阻力和移动流体所需的压力增加至少20%。


20.根据权利要求16至19中任一项所述的流量芯片，其中，所述微流体通道中的一个或多个是疏水的或包括疏水涂层。


21.根据权利要求16至20中任一项所述的流量芯片，其中，所述流体流动屏障结构或配置包括所述通道、肋和/或非线性路径的收缩或变窄。


22.根据权利要求16至21中任一项所述的流量芯片，其中，所述流体流动屏障结构或配置包括选自由蛇形或S曲线几何结构、接合点、鱼骨或分离通道组成的组的几何结构。


23.根据权利要求16至22中任一项所述的流量芯片，其中，多个所述腔不是圆柱形的，并且包括位于所述腔与一个或多个通道的所述接合点处的凹曲度，使得所述腔形成从所述腔向一个或多个通道延伸的半岛。


24.根据权利要求16至23中任一项所述的流量芯片，其中，所述流量芯片包括疏水流体层（115），所述疏水流体层包括选自由聚丙烯（PP）、环烯烃聚合物（COP）、环烯烃共聚物（COC）组成的组的一种或多种聚合物；含氟聚合物，诸如聚四氟乙烯（PTFE）、氟化乙丙烯（FEP，六氟丙烯和四氟乙烯的共聚物）、全氟烷氧基聚合物树脂（PFA）；以及硅酮聚合物，诸如聚二甲硅氧烷（PDMS）。


25.根据权利要求16至24中任一项所述的流量芯片，其中，多个所述节点各自可以与多达4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个或16个通道连接。


26.根据权利要求16至25中任一项所述的流量芯片，多个所述节点包括与输入通道的第一接合点和与输出通道的第二接合点，其中，所述第一接合点和所述第二接合点位于不同的竖直平面中。


27.根据权利要求16至26中任一项所述的流量芯片，其中，多个所述腔包括进入所述腔的一个或多个通道的垂直入口，使得所述通道进入所述腔的位置的几何结构发生急剧变化。


28.根据权利要求16至27中任一项所述的流量芯片，其中，一个或多个网络中的每个网络都包括输入/输出通道，所述输入/输出通道具有比所述微流体通道的流体流动阻力大的流体流动阻力。


29.一种无阀微流体系统，所述系统包括根据权利要求16至28中任一项所述的流量芯片，其中，所述系统包括压力定序器，所述压力定序器包括一组气体阀，所述压力定序器通过气动传递通道连接到：（1）高气体压力气体源；（2）中间气体压力气体源；（3）低压力气体源；以及可选地（4）部分真空压力气体源；并且连接到所述流量芯片内的至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·F·克罗姆维尔，W·托伊，L·Y·哈勒，O·霍克斯哈，B·邓斯通，H·焦，
申请(专利权)人：蛋白流控技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US