СМЕСИТЕЛЬ С НУЛЕВЫМ МЕРТВЫМ ОБЪЕМОМ И СПОСОБ СМЕШИВАНИЯ
MIXER WITH ZERO DEAD VOLUME AND METHOD OF MIXING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к микрофлюидной системе, содержащей:
- закрытый расширяющийся объем для смешивания текучих сред;
- гибкую мембрану, позволяющую смешивать текучие среды в закрытом расширяющемся объеме.
Изобретение дополнительно относится к устройству, содержащему такую микрофлюидную систему.
Изобретение дополнительно относится к способу использования такой микрофлюидной системы.
Уровень техники изобретения
Вариант осуществления микрофлюидной системы, упоминаемой выше, известен из патентной заявки США 2005/0019898 A1. Этот документ описывает устройство смешивания текучих сред, содержащее камеру, имеющую две диафрагменные области. Диафрагменные области перемещаются внутрь камеры и наружу посредством накачивания и откачивания двух смешивающих полостей, чтобы создавать движение текучей среды внутри камеры. Смешивание является результатом движения текучей среды, получающегося при работе смесительных полостей и диафрагменных областей. Недостаток известного устройства состоит в том, что смешивание требует улучшения и что смесительные полости и сопутствующее средство для накачивания и откачивания смесительных полостей занимают объем. Текучая среда не может быть удалена из смесительной камеры, кроме как замещением ее другой текучей средой (воздухом), которая требует другого источника текучей среды и дополнительных мер герметизации.
Картридж, имеющий резервуары переменного объема, раскрыт в патентной заявке США 2007/0053796 А1. Картридж содержит смесительный компонент, выполненный с возможностью смешивания различных растворов, чтобы создавать раствор продукта, и один или более каналов, обеспечивающих соединение по жидкости между смесительным компонентом и одной или более камерами в картридже. Смешивающий элемент может содержать множество резервуаров переменного объема, соединенных по жидкости друг с другом. Один или более резервуаров переменного объема могут, по меньшей мере, частично, определяться гибким элементом, расположенным поверх отверстия в смесительном канале.
Устройство анализа для выполнения гомогенно-фазового анализа раскрывается в публикации WO 02/41994 А2. Упомянутое устройство анализа содержит средство поддержки испытательного вещества, камеру пробы для приема пробы текучей среды и, по меньшей мере, устройство управления текучей средой для управления движением текучей среды в камеру пробы и/или из нее, в котором устройство управления текучей средой содержит камеру выпуска текучей среды, по текучей среде соединенную с камерой пробы, и гибкую перемещаемую диафрагму, перемещение которой изменяет объем камеры выпуска, так чтобы позволить и/или ограничить поток текучей среды между камерами выпуска и пробы.
Сущность изобретения
Задача изобретения состоит в том, чтобы создать микрофлюидную систему с улучшенными характеристиками смешивания. В соответствии с изобретением эта задача осуществляется с помощью микрофлюидной системы, соответствующей п. 1 формулы изобретения.
Изобретение основано на установлении того факта, что имеется канал, через который одна или более текучих сред поступают в закрытый расширяющийся объем, закрытый гибкой мембраной, и когда текучие среды, которые должны смешиваться, поступают через канал в расширяющийся объем, вблизи мембраны внутри расширяющегося объема создается хаотическая структура потока. Хаотическая структура потока приводит к эффективному смешиванию текучей среды, поступающей в расширяющийся объем. Изобретение обеспечивает гомогенизацию одной текучей среды, поступающей в закрытый, расширяющийся объем, или смешивание двух или более различных текучих сред. Для изобретения гомогенизация и смешивание расцениваются как единое понятие, обозначенное термином "смешивание". В предпочтительном варианте конструкции напряжение, возникающее в гибкой мембране в результате расширения мембраны, по мере того, как расширяющийся объем заполняется текучей средой, имеет тенденцию выталкивать текучую среду обратно в канал, через который текучая среда поступила в расширяющийся объем. Для этой тенденции выталкивания текучей среды обратно никакое внешнее воздействие не требуется. Однако внешнее воздействие может быть приложено с помощью или без помощи гибкой мембраны. Заполнение и опустошение расширяющегося объема могут повторяться так часто, как требуется для определенного качества смешивания, причем степень заполнения может быть различной, в зависимости от необходимости, так что одна и та же конструкция может использоваться для различных объемов в зависимости от применения.
Следовательно, микрофлюидная система, соответствующая изобретению, обеспечивает улучшенное смешивание по сравнению со смешиванием, получаемым на предшествующем уровне техники, описанном выше. Кроме того, изобретение не требует резервуара, удаления газа, который вытесняется движущейся жидкостью, или дополнительного объема. Делая закрытый объем расширяющимся, никакой дополнительный объем не требуется, и вся текучая среда может возвращаться в систему без отведения или использования перемещающейся текучей среды.
Дополнительное преимущество изобретения состоит в том, что устройство, соответствующее изобретению, компактно. Когда в закрытом, расширяющемся объеме отсутствует текучая среда, мертвый объем, по существу, равен нулю.
Вариант осуществления микрофлюидной системы, соответствующей изобретению, отличается тем, что гибкая мембрана закрывает второе отверстие канала.
Этот вариант осуществления обладает тем преимуществом, что расширяющийся объем полностью определяется гибкой мембраной, позволяя получить простой и легкий сборочный узел микрофлюидной системы, соответствующей изобретению. Как вариант, гибкая мембрана может располагаться в канале на втором отверстии канала.
Дополнительный вариант осуществления микрофлюидной системы, соответствующей изобретению, отличается тем, что гибкая мембрана упруга.
Этот вариант осуществления имеет то преимущество, что мембрана после расширения создает силу, имеющую тенденцию выталкивать текучую среду из расширяющегося объема. Это означает, что на текучие среды не требуется абсолютно никакое отдельное воздействие, чтобы перемещать текучую среду из расширяющегося объема после (одиночного цикла) смешивания.
Микрофлюидная система, соответствующая изобретению, отличается тем, что микрофлюидная система содержит множество каналов, ведущих в закрытый расширяющийся объем. Этот вариант осуществления обладает тем преимуществом, что он позволяет получить хаотические структуры потоков, отличающиеся от тех, которые могут быть получены с помощью одиночного канала.
Микрофлюидная система, соответствующая изобретению, отличается тем, что, по меньшей мере, в одном из каналов из множества каналов содержится направляющий распределитель.
Этот вариант осуществления имеет то преимущество, что обеспечение, по меньшей мере, одного, но не всех каналов из множества каналов, связывающих по текучей среде первую сторону поверхности закрытого расширяющегося объема, направляющим распределителем позволяет улучшить смешивание, вытесняя текучую среду из расширяющегося объема по пути, отличающемся от пути, по которому текучая среда поступила в расширяющийся объем.
Дополнительный вариант осуществления микрофлюидной системы, соответствующей изобретению, отличается тем, что геометрия канала выполнена с возможностью улучшения смешивания. Этот вариант осуществления обладает тем преимуществом, что позволяет улучшить смешивание. Известной конструкцией для улучшения смешивания является так называемая "елочная" конструкция, которая приводит к вращению области потока в зависимости от направления потока.
Дополнительный вариант осуществления микрофлюидной системы, соответствующей изобретению, отличается тем, что закрытый расширяющийся объем содержит конструкцию для улучшения смешивания.
Этот вариант осуществления обладает тем преимуществом, что позволяет улучшить смешивание. Возможность, которая может, при желании, быть дополнительно объединена с такой конструкцией, как елочная конструкция, (смотрите предыдущий вариант осуществления), создается одной или более канавками в днище камеры, которые действуют как расширенные отверстия канала. Дополнительный вариант осуществления микрофлюидной системы, соответствующей изобретению, отличается тем, что гибкой мембране предварительно придается определенная форма, чтобы улучшить смешивание.
Этот вариант осуществления имеет то преимущество, что он позволяет улучшить смешивание. Одним из вариантов осуществления предварительно сформованной гибкой мембраны является мембрана, предварительно сформованная как сложенный мешок, также называемая "сильфон". Кроме того, мембрана может быть предварительно сформована в том смысле, что она несимметрична относительно отверстия или отверстий канала или каналов, пропускающих текучую среду в закрытый расширяющийся объем.
Задача изобретения дополнительно осуществляется с помощью устройства, содержащего микрофлюидную систему, соответствующую любому из предшествующих вариантов осуществления. Устройство, содержащее микрофлюидную систему, соответствующую изобретению, может извлекать пользу из любого из предшествующих вариантов осуществления.
Вариант осуществления устройства, соответствующий изобретению, отличается тем, что устройством является картридж, причем картридж может вставляться в инструмент для совместной работы с картриджем.
Этот вариант осуществления имеет то преимущество, что картриджи, например, те, которые использовались при молекулярной диагностике, иногда требуют смешивания текучих сред. Следовательно, картридж, содержащий микрофлюидную систему, соответствующую изобретению, может получать пользу от любого из предшествующих вариантов осуществления изобретения. Дополнительный вариант осуществления устройства, соответствующего изобретению, отличается тем, что устройство является устройством для молекулярной диагностики.
Этот вариант осуществления имеет то преимущество, что устройство для молекулярной диагностики может требовать смешивания текучих сред. Следовательно, такое устройство, потенциально содержащее картридж, соответствующий предшествующему варианту осуществления, может получать пользу от любого из предшествующих вариантов осуществления изобретения.
Задача изобретения дополнительно реализуется способом смешивания текучих сред, содержащим этапы, на которых:
- обеспечивают микрофлюидную систему, содержащую:
поверхность, содержащую, по меньшей мере, один канал для соединения по текучей среде первой стороны поверхности с закрытым расширяющимся объемом на второй стороне поверхности, причем канал содержит первое отверстие канала, по текучей среде соединяющее первую сторону поверхности с каналом, и второе отверстие канала, по текучей среде соединяющее канал с закрытым расширяющимся объемом, причем расширяющийся объем определяется гибкой мембраной, закрывающей второе отверстие канала, когда в расширяющемся объеме нет никакой текучей среды;
- переносят текучую среду от первой стороны поверхности в закрытый расширяющийся объем, за счет чего закрытый расширяющийся объем, таким образом, расширяется;
- возвращают перенесенную текучую среду из закрытого расширяющегося объема к первой стороне поверхности, возвращая, таким образом, закрытый расширяющийся объем к его первоначальному объему.
Вариант осуществления способа, соответствующего изобретению, отличается тем, что этапы переноса и возвращения повторяются так часто, как необходимо, чтобы достигнуть требуемого уровня смешивания.
Этот вариант осуществления обладает тем преимуществом, что смешивание может повторяться, проходя множество циклов смешивания, пока не будет достигнут требуемый уровень смешивания.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематическое изображение микрофлюидной системы;
Фиг. 2 - схематическое изображение микрофлюидной системы согласно изобретению, содержащей множество каналов;
Фиг. 3 - схематическое изображение микрофлюидной системы согласно изобретению, содержащей направляющий распределитель;
Фиг. 4 - схематическое изображение варианта осуществления способа согласно изобретению.
Подробное описание вариантов осуществления
На фиг. 1 схематично представлена микрофлюидная система. На фиг. 1a схематично представлен вид сбоку микрофлюидной системы 1, соответствующей изобретению. Микрофлюидная система 1 содержит поверхность 5, причем поверхность 5 содержит первую сторону 10 и вторую сторону 15. Поверхность 5 дополнительно содержит канал 20. Канал 20 содержит первое отверстие 25 канала, по текучей среде соединяющее первую сторону 10 поверхности 5 с каналом 20. Канал 20 дополнительно содержит второе отверстие 30 канала, по текучей среде соединяющее канал 20 с закрытым расширяющимся объемом 35. Мембрана 40 закрывает второе отверстие 30 канала и определяет расширяющийся объем 35. Альтернативно, мембрана, способная расширяться подобно воздушному шару и помещенная на или внутри второго отверстия 30 канала (не показано), должна быть подходящей, чтобы создавать хаотический поток. Мультифлюидная система 1 также дополнительно содержит канал 45 для перенесения текучей среды, которая должна смешиваться, к каналу 20 и закрытому расширяющемуся объему 35. На фиг. 1 показана микрофлюидная система 1 в момент, в который текучая среда переносится через канал 45 и канал 20 в направлении закрытого расширяющегося объема 35. После попадания в закрытый расширяющийся объем 35 текучая среда движется, имея хаотическую структуру потока. Это является результатом прохождения через канал 20 и влияния мембраны 40, давящей на текучую среду, чтобы распределить ее по объему, занятому расширяющимся объемом 35. Хаотическая структура потока указывается стрелками 50. Хаотическая структура потока вводится посредством вытянутой области прохождения потока в переход от канала к фактически бесконечной камере. Расширяющийся объем, который расширяется в направлении, перпендикулярном основному направлению потока в канале, при том, что в то же время одновременно основное направление потока изменяется, когда текучая среда выходит из канала и поступает в расширяющийся объем, является подходящим для формирования хаотической структуры потока. Это особенно справедливо, если отверстие канала в расширяющийся объем находится не на оси симметрии расширяющегося объема. Мембрана с диаметром, приблизительно в 10 раз большим диаметра канала, должна быть подходящей для создания хаотического потока, особенно если высота расширяющегося объема в расширенном состоянии в 5-10 раз выше, чем высота канала. Для всех вариантов осуществления изобретения каналы, по текучей среде соединяющие первую сторону 10 с расширяющимся объемом 35, могут быть выполнены с возможностью улучшения смешивания. Канал может, например, содержать один или более выступов (не показаны). Текучая среда, протекающая через канал, должна двигаться вдоль выступов, в результате чего смешивание улучшается по сравнению с основным вариантом осуществления изобретения, показанного на фиг. 1a. Другой вариант должен иметь структуры внутри закрытой расширяющейся камеры на поверхности, обращенной к гибкой мембране. Такие структуры влияют на поток текучей среды и, следовательно, на смешивание. Такие структуры могут использоваться для создания асимметрии относительно расширения гибкой мембраны. Кроме того, может также использоваться структура, похожая на елочную структуру. Упомянутые выше варианты могут также использоваться в любой комбинации.
На фиг. 1b показана та же самая установка, что и на фиг. 1a. Однако на этом чертеже микрофлюидная система 1 показана в момент, в который текучая среда протекает из закрытого расширяющегося объема 35 через канал 20 и канал 45. По мере того, как текучая среда течет из расширяющегося объема 35, размер объема уменьшается. На чертеже это показано тем, что мембрана 40 теперь фактически находится непосредственно поверх второго отверстия 30 канала. Это показывает, что в закрытом расширяющемся объеме 35 не существует никакой текучей среды и пространство, занимаемое объемом 35, по существу, является нулевым. Поэтому смесительное устройство, соответствующее изобретению, имеет фактически нулевой мертвый объем. Следовательно, устройство компактно. Кроме того, микрофлюидная система 1, соответствующая изобретению, не требует дорогих материалов или средства для приведения в действие. Как результат, микрофлюидная система 1, соответствующая изобретению, может быть произведена дешево.
На фиг. 1с приведен вид сверху установки, показанной на фиг. 1a. Текучая среда, которая должна смешиваться, переносится через канал 45 и канал 20 в направлении закрытого расширяющегося объема 35. Под влиянием текучей среды внутри расширяющегося объема 35 мембрана 40 расширяется, как указано стрелками 55. Механические свойства мембраны 40 могут изменяться в зависимости от требований, от упругих до вязкоупругих. В неупругой конструкции расширение мембраны 40 под влиянием текучей среды, поступающей в расширяющийся объем 35, не приводит к появлению равнодействующей силы воздействия мембраны 40 на жидкость, выталкивающей текучую среду обратно в направлении канала 20. В этом случае необходимо отдельное приведение текучей среды в движение, чтобы удалить текучую среду из расширяющегося объема 35. Однако, если мембрана 40 будет упругой, расширение мембраны 40 приведет к появлению равнодействующей силы мембраны 40, воздействующей на текучую среду, выдавливая текучую среду обратно в направлении канала 20. В этом случае никакое отдельное приведение в движение не является абсолютно необходимым, чтобы удалить текучую среду из расширяющегося объема 35.
На фиг. 2 схематично показана микрофлюидная система, соответствующая изобретению, содержащая множество каналов. Большинство элементов на этом чертеже идентичны элементам, показанным на фиг. 1. Идентичным элементам присвоены идентичные ссылочные позиции. Однако на этом чертеже микрофлюидная система 1, соответствующая изобретению, содержит множество каналов 20a-d, по текучей среде соединяющих первую сторону 10 поверхности 5 с закрытым расширяющимся объемом 35. Наличие множества каналов улучшает эффект смешивания. Различные каналы 20a-20d могут, как вариант, присоединяться к различным каналам подачи (подобно каналу 45 на этом чертеже), позволяя смешивать текучие среды, поступающие от различных источников (не показаны на этом чертеже). В этом случае в устройстве, соответствующем изобретению, должны присутствовать один или более каналов, подобных каналу 45 на этом чертеже, чтобы соединить один или более этих каналов с одним или более каналами, соединенными с расширяющимся объемом, как каналы 20a-20d на этом чертеже. Другими словами, одиночный канал подачи может быть соединен с множеством каналов, подающих текучую среду в закрытый расширяющийся объем (не показан). В этом случае одиночный канал подачи разветвляется на множество каналов, по текучей среде связанных с закрытым расширяющимся объемом. Может присутствовать множество таких каналов подачи. Короче, один вариант должен иметь конфигурацию "насадки для душа" на этом чертеже, в которой одиночный канал 45 подачи разветвляется на множество каналов 20a-20d, соединяющихся с расширяющимся объемом 35. В другом варианте должны иметься многочисленные каналы 45 подачи. Один или более этих многочисленных каналов 45 подачи могут разветвляться на множество каналов 20a-20d.
На фиг. 3 схематично представлена микрофлюидная система, соответствующая изобретению, содержащая направляющий клапан или распределитель. Большинство элементов на этом чертеже идентичны элементам, показанным на фиг. 2. Идентичным элементам присвоены идентичные ссылочные позиции. Однако на этом чертеже канал 20a и канал 20d каждый содержит направляющий распределитель. Канал 20a содержит направляющий распределитель 60a, и канал 20d содержит направляющий распределитель 60d. В настоящем варианте осуществления направляющие распределители были разработаны как гибкие элементы (откидные створки), которые открываются, когда текучая среда протекает в расширяющийся объем, и которые закрываются, когда текучая среда протекает в противоположном направлении. Другой пример направляющего распределителя формируется шаром в полости, который позволяет текучей среде проходить в одном направлении, и закрывается, когда давление текучей среды происходит в противоположном направлении. Эти и дополнительные примеры направляющих распределителей должны быть известны специалистам в данной области техники. В результате действия направляющих распределителей 60a и 60d текучая среда может поступать в расширяющийся объем 35 через канал 20a и канал 20d. Однако текучая среда не может покинуть расширяющийся объем 35 через те же самые каналы. Используя каналы (см. также фиг. 2) и/или используя направляющие распределители в одном или более, но не во всех каналах 20 (см. настоящий чертеж), могут быть достигнуты различные структуры потока, каждая из которых имеет свои собственные характеристики смешивания. В зависимости от требований к смешиванию при конкретном применении, желательности или допустимости множества каналов 20 или направляющих распределителей 60, может быть выбрана соответствующая конструкция.
На фиг. 4 схематично представлен вариант осуществления способа, соответствующего изобретению. На этапе 65 обеспечивается микрофлюидная система, соответствующая любому из вариантов осуществления изобретения. Затем, на этапе 70 текучая среда, которая должна смешиваться, переносится в направлении и внутрь закрытого расширяющегося объема. Под влиянием текучей среды, поступающей в расширяющийся объем, расширяющийся объем расширяется. По мере того, как текучая среда поступает в расширяющийся объем через канал и из-за наличия гибкой мембраны, определяющей расширяющийся объем, хаотическая структура потока устанавливается внутри расширяющегося объема, приводя в результате к смешиванию текучей среды. Под влиянием равнодействующей силы, возникающей за счет упругих характеристик гибкой мембраны или за счет отдельного приведения в движение, текучая среда затем возвращается из расширяющегося объема. Это делается на этапе 75. Согласно варианту осуществления способа, соответствующего изобретению, этап 70 и этап 75 могут повторяться так часто, как это может понадобиться, чтобы получить требуемый уровень смешивания. На данном чертеже это обозначается пунктирной стрелкой 80.
Следует отметить, что упомянутые выше варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, и специалисты в данной области техники смогут разработать многочисленные альтернативные варианты осуществления, не отступая от объема приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения любые ссылочные позиции, помещенные между круглыми скобками, не должны рассматриваться как ограничение требования. Слово "содержащее" не исключает присутствие элементов или этапов, отличных от перечисленных в формуле изобретения. Единственное число элемента не исключает присутствия множества таких элементов. В системе, заявляющей несколько средств, некоторые из этих средств могут осуществляться одной и той же позицией считываемого компьютером программного обеспечения или аппаратурного обеспечения. Простой факт, что определенные меры повторяются во взаимно зависимых различных пунктах формулы изобретения, не указывает, что комбинация этих мер не может использоваться для достижения преимущества.