МИКРОНАСОС ИЛИ НОРМАЛЬНО ЗАКРЫТЫЙ МИКРОКЛАПАН
MICROPUMP OR NORMALLY CLOSED MICROVALVE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к микроклапану и/или микронасосу для применения в биосенсоре, к микрофлюидному устройству, к применению такого устройства и к микрофлюидному элементу. Изобретение главным образом относится к микрофлюидному картриджу для диагностического применения. Микрофлюидный картридж может быть введен в параллельную пневматическую контактную пластину пневматического прибора, контактная пластина взаимодействует с микрофлюидным картриджем и между пневматическим прибором, система для приведения в действие жидкостью внутри микрофлюидного картриджа, содержащего такой картридж и такую контактную пластину, и относится к пневматическому прибору.
ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Биосенсоры применяют для обнаружения молекул и/или ионов, таких как белок, лекарственные средства, ДНК, РНК, гормон, глюкоза, инсулин, фермент, грибки, бактерии и т.д. в биологическом образце. Сенсор может быть применен для диагностического применения, но, например, также лекарственные средства, либо терапевтического или наркотического характера, могут быть обнаружены, например, в крови, моче или слюне.
Такие тесты разрабатывают для применения в самых разных обстоятельствах: например, на момент ухода в медицинских целях или в любом желаемом месте для профилактики наркомании (DOA), например на обочине дороги. Во всех случаях требуется прочное, надежное и чувствительное устройство, которое должно иметь низкую стоимость, так как его необходимо утилизировать после измерения.
Проведение такого биохимического анализа требует определенной степени обработки жидкости, по меньшей мере, образец жидкости должен быть введен в чувствительное устройство, предназначенное для привязки молекул-мишеней к поверхности датчика. Термин «жидкость» относится к текучей среде и может относиться к жидкости, газу и их комбинации. В зависимости от вида анализа разрабатывают более или менее сложные микрофлюидные системы. Поскольку образец сам по себе является зараженным, он не должен входить в контакт с прибором и должен безопасно храниться внутри, например, картриджа во время и после измерения.
Имело место сосредоточение на разработке полностью интегрированных на чипе микрофлюидных биохимических систем или систем лаборатория на чипе. Проблемой в этих микрофлюидных системах является манипуляция жидкостей из различных реакционных камер и в различные реакционные камеры, для которых, как правило, необходимы микроприводы, такие как насосы и клапаны. Накачивание насосом и клапанное управление может быть осуществлено различными способами, общее представление о концепциях микроклапана приведено в Oh & Ahn и обзор микронасосов приведен в Laser & Santiago (K.W. Oh & CH. Ahn, «Обзор микроклапанов », J. Micromech. Microeng. 16 (2006) R13 - R39 и D.J. Laster & J.G. Santiago, «Обзор микронасосов», J. Micromech. Microeng. 14 (2004) R35-R64).
Надежное хранение (био)химических реагентов имеет важное значение для интегрированных картриджей в медицинской диагностике или других областях применения. Например, влажные реагенты не могут испаряться и/или просачиваться во время хранения. Они не должны контактировать или иметь ограниченный контакт с кислородом или окружающим воздухом, несущим бактерии и грибки. Нормально закрытый клапан является предпочтительным. Следовательно, проблемой в микрофлюидных системах, основанных на активной обработке жидкости с помощью микроприводов, то есть индивидуально адресуемых клапанов и насосов, является хранение жидкостей перед применением устройства, такого как чип или картридж. Для предотвращения нежелательного потока жидкости и перемешивания жидкости, когда чип/картридж не применяется, то есть не функционирует, камеры реагентов должны быть герметично закрыты. В дополнение, для длительного срока хранения необходима герметизация высокого качества, то есть низкое проникновение летучих компонентов, и отсутствие утечки в течение длительного периода времени при повышенной температуре, в то время как картридж не присутствует в (аналитическом) приборе, так что механическое герметизирующее устройство не может быть приведено в действие. Другая особенность заключается в том, что при применении таких уплотнений камеры реагентов должны легко открываться с помощью средств, присутствующих в картридже и приборе. Для низкой стоимости и сложности предпочтительным является не требовать дополнительных элементов, таких как механическое прокалывание или локальный нагрев для разрушения уплотнений, но требуется применение средств приведения в действие жидкостью для приведения в действие жидкостью. Указанный клапан или микронасос изображен на фиг. 1. Диафрагму закрывают механически с помощью нажатия на нижнюю часть диафрагмы в барокамере с применением привода. Привод перемещается вперед и назад в микронасосе. В качестве клапана, он нормально открыт до тех пор, пока не закроется приводом. Проблемой с таким клапаном или микронасосом является выравнивание привода и камеры давления или отверстия (обозначено как «1»), особенно при наличии нескольких клапанов.
Различные документы, описывающие клапаны и их применение.
Патент США №2010137784 (A1) описывает односторонний клапан, содержащий седло и мембрану, имеющую внутреннюю часть, которая находится над седлом, при этом при использовании внутренняя часть мембраны селективно отклоняется от седла таким образом, что создается путь жидкости с одной стороны мембраны на другую так, чтобы открыть клапан, и при этом внешняя периферийная часть мембраны жестче, чем внутренний отсек, настолько, что отклонение мембраны существенно ограничено только внутренней частью. Односторонний клапан может быть применен в насосе для инфузионной системы. Этот документ не описывает нормально закрытые клапаны. Мембрана является перфорированной. Клапан зависит от давления жидкости для приведения в действие клапана. Кроме того, применение двухсоставной мембраны является довольно сложным.
Патент США №2010171054 (A1) описывает интегрированную систему микроклапана, содержащую по меньшей мере первое ответвление жидкости и микроклапан, управляемый регулятором давления в канале управления. Микроклапан предназначен для управления потоком жидкости в первом ответвлении жидкости. Расположение ограничителя потока находится между портом управления и каналом управления, чтобы дать предопределенную характеристику отклика включения и выключения микроклапана. Предпочтительно расположение ограничителя потока содержит выкачивающий канал и наполняющий канал, расположенные параллельно. Каждый канал содержит обратный клапан и ограничитель потока, которые могут иметь различные ограничения потока для передачи различных характеристик включения и выключения микроклапана.
Этот документ не описывает нормально закрытый клапан. Наполнение и выкачивание являются необходимыми для работы клапана. Система не является надежной без источника энергии, например, давление должно поддерживаться на достаточном уровне для удерживания клапана в закрытом положении.
Документ №US 2007275455 (A1) описывает микрофлюидное устройство, оснащенное клапаном, микрофлюидное устройство клеточной культуры, также раскрыта система, содержащая эти устройства. Микрофлюидное устройство, оснащенное клапаном, содержит подложку, микроканал, через который жидкость может перемещаться из одного местоположения в другое в пределах устройства, и пневматический микроклапан, предназначенный для переключения между открытым и закрытым положениями для управления потоком жидкости через микроканал. Микроклапан состоит из трех гибких мембран, одна из которых реагирует на пневматическое давление, приложенное к клапану, а две другие деформируются для получения более герметичного канала поперечного сечения. Устройство клеточной культуры обеспечивает клапанное управление, которое позволяет управлять загрузкой клеток в отдельный карман устройства и обменом компонентами клеточной культуры в кармане.
Патент США №2007237686 (A1) описывает предоставляемые мембранные клапаны и конструкции удерживающего клапана для микрофлюидных устройств. Демультиплексор может быть применен для направления конструкций удерживающего клапана. Мембранные клапаны и конструкции удерживающего клапана применяют для формирования пневматических логических схем, в том числе процессоров.
Патент США №2010151565 (A1) описывает картридж для определения присутствия, отсутствия и/или количества нуклеотидной последовательности в образце, содержащем одну или более последовательностей нуклеиновых кислот. Картридж содержит первый компонент и второй компонент, выполненные с возможностью присоединения друг к другу, первый компонент, содержащий по меньшей мере первое отверстие для жидкости и первую поверхность герметизации, и второй компонент, содержащий по меньшей мере второе отверстие для жидкости и вторую поверхность герметизации. При соединении первого и второго компонентов первое и второе отверстия для жидкости находятся в жидкостной связи, и первая и вторая герметизирующие поверхности являются подвижными относительно друг друга для герметизации жидкости между первым и вторым отверстиями для жидкости. Изобретение отличается тем, что картридж содержит средства смещения для смещения второй герметизирующей поверхности в направлении первой поверхности герметизации.
Патент США №2010078584 (A1) описывает клапанное устройство, содержащее подложку и эластичную мембрану, при этом мембрана соединена, по меньшей мере, около области клапана с подложкой. Подложка содержит первый канал и второй канал, оба из которых оканчиваются в области клапана, первый канал, имеющий в области клапана первую торцевую поверхность канала, и второй канал, имеющий в области клапана вторую торцевую поверхность канала, причем площадь первой торцевой поверхности канала существенно больше, чем площадь второй торцевой поверхности канала.
Недостаток настоящих микроклапанов заключается в том, что они не могут выдерживать давление более 1 бар. Кроме того, настоящие микроклапаны не могут быть применены при повышенной температуре.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является предоставление микроклапана, микронасоса, микрофлюидного устройства, применения такого устройства, микрофлюидного элемента или биосенсора, биореактора или микросистемы полного анализа, содержащей такой микроклапан.
Изобретение относится к нормально закрытому микроклапану для применения в микрофлюидном устройстве, содержащему седло клапана, выпускное отверстие, впускное отверстие и один или более гибких предварительно растянутых или предварительно сжатых сепараторов, предпочтительно мембран или диафрагм, при этом один или более гибких предварительно растянутых или предварительно сжатых сепараторов расположены так, что предварительное натяжение или предварительное сжатие прижимает один или более сепараторов к седлу клапана в нормально закрытом положении. В качестве сепаратора может быть применена неперфорированная мембрана или диафрагма. Это является преимуществом, так как функционирование микроклапана не зависит от давления жидкости для приведения в действие клапана и, кроме того, приводит к более надежному закрытому состоянию.
Такой клапан может быть применен в качестве микрофлюидного элемента, в микронасосе, в микрофлюидном устройстве и т.д. Варианты осуществления настоящего изобретения могут, например, применяться в любом биозондировании, где необходимы быстрые, чувствительные и дешевые исследования. Он также может быть применен в картриджах для диагностического применения и в медико-биологической науке.
Таким образом, настоящее изобретение предоставляет клапан для применения в химическом сенсоре, биосенсоре, биореакторе, в том числе в микрофлюидном устройстве для обнаружения молекул/ионов, а также в системе, такой как микросистема полного анализа. Такие биосенсоры, биореакторы и системы, как правило, имеют систему отбора проб, одну или более камер реагентов, соединяющие их микрофлюидные каналы и по меньшей мере один клапан в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
По существу, варианты осуществления настоящего изобретения могут преодолеть один или более из указанных выше недостатков и/или проблем, без ущерба для его других желаемых характеристик.
Клапан в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения может быть применен в картриджах и не может иметь практически никакой утечки, что является существенным улучшением по сравнению с клапанами, известными из уровня техники. Эксперименты с данной конструкцией не выявили отказов вследствие утечки клапанов (>100 картриджей были протестированы).
Повышенная надежность предполагается в основном за счет предварительного растяжения или предварительного сжатия мембранного клапана, т.е. мембрана прижимается к седлу клапана, при этом источник питания не требуется. Факультативно, мембрана может быть дополнительно прижата к седлу клапана. Применение давления на стороне мембраны, удаленной от седла клапана, дополнительно увеличивает давление утечки клапана, например давлений, создаваемых в канале.
Картридж может содержать одну или более систем отбора проб, контейнер, такой как контейнер реагентов, фильтр, насос, смесительную камеру, камеру реактора. Картридж может быть одноразовым картриджем.
Например, настоящее изобретение может предоставить клапан, который может быть применен в одном варианте осуществления в протоколе автоматизированного обогащения. Протокол может быть реализован с помощью диагностического устройства, например, в форме картриджа, который содержит клапан и предназначен для опционального выделения, идентификации и/или очистки патогенной генетической информации, такой как ДНК или РНК, или патогенного белка, антител или части антител, полученных от патогенов, патогенных липидов, патогенных клеточных мембран или их части, вируса или его части, и т.д. из образца жидкости, такого как образец жидкости организма, например 0,1-10 мл или 1-5 мл полного образца крови, образца мочи, образца слюны, образца спермы, мокроты, образца экссудата раны, образца слезы, образца выдыхаемого воздуха и т.д. Другие образцы могут быть получены из воздушных или водных образцов, таких как загрязненные образцы воздуха или воды. Картридж может содержать, например, фильтр. Фильтр может, например, отфильтровывать исходные патогены или их части, после селективного лизиса клеток, такого как лизис клеток млекопитающих, рептилий или птиц, или клеток насекомых. Например, средства для очистки могут быть предоставлены и после очистки, средства предусмотрены таким образом, что патогены могут быть лизированы на фильтре и генетическая информация, такая как ДНК или РНК, могла быть элюирована для дальнейшей очистки и, возможно, усиления, например, с помощью ПЦР. Применение большого объема образцов жидкости, таких как образцы крови, в сочетании с фильтрационным подходом, требует надежных клапанов, которые предусмотрены в вариантах осуществления настоящего изобретения, которые могут выдерживать давление более 1 бар. Эти высокие давления необходимы для получения достаточной длительности производственного цикла.
Предварительно растянутая или предварительно сжатая мембрана в вариантах осуществления настоящего изобретения герметично контактирует с седлом клапана, когда клапан находится в нормально закрытом положении. Например, герметичный контакт может изолировать камеру реагента от канала. Особенностями клапана в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения могут быть одна или более из следующих: предварительно растянутая или предварительно сжатая гибкая мембрана или диафрагма и соответствующее седло клапана;
- клапан обычно закрыт и поэтому подходит для хранения реагентов;
- чтобы открыть клапан, сила, такая как вакуум, применяется на внешней стороне (противоположной стороне канала для жидкости) мембраны (пневматического привода);
- факультативно, клапан является частью насоса и/или другого микрофлюидного элемента; и
- предварительное растяжение или предварительное сжатие сепаратора может опционально быть объединено с применением давления на сепаратор в закрытом положении, которое обеспечивает очень надежный клапан, который не протекает при применении давления порядка 0,5-2 бар.
При увеличении размера, например высоты, ширины или толщины седла клапана, мембрана может быть дополнительно предварительно растянута или предварительно сжата, повышая устойчивость к утечкам в закрытом положении, тем самым дополнительно повышая надежность.
Чтобы обеспечить это увеличение сопротивления утечкам, гибкая мембрана может в примере изобретения быть приклеена к корпусу клапана слоем двусторонней клеевой ленты, находясь в предварительно растянутом или предварительно сжатом положении.
В качестве альтернативы, независимое изобретение содержит микроклапан, содержащий корпусную часть, мембрану и седло клапана, корпусная часть имеет впускной канал и выпускной канал, и при этом впускные и выпускные каналы входят в камеру вокруг седла клапана под углом относительно к плоскости мембраны между 45° и 135°, предпочтительно между 75° и 105°, более предпочтительно между 80° и 100°, например 90°, т.е. по существу перпендикулярно. Корпус клапана может быть выполнен из одного или более слоев материала, такого как пластик, одним из примеров которого является полиметилметакрилат, и по меньшей мере часть впускного и выпускного каналов образована с помощью сквозного соединения в корпусе клапана.
Настоящее изобретение также содержит систему, такую как микросистема полного анализа, содержащую один или более клапанов в соответствии с любым из вариантов осуществления настоящего изобретения, микрофлюидный элемент по любому из вариантов осуществления настоящего изобретения или микрофлюидное устройство в соответствии с любым из вариантов осуществления настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Эти и другие аспекты изобретения будут дополнительно объяснены со ссылкой на графические материалы, на которых:
На фиг. 1 изображен схематический поперечный разрез клапана существующего уровня техники.
На фиг. 2 изображен пример микрофлюидного устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3 изображен пример микрофлюидного устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, содержащего клапан по любому из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4 изображен пример микрофлюидного устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, содержащего клапан по любому из вариантов осуществления изобретения.
На фиг. 5 а, b изображен пример двух структурированных слоев устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 6а - 1 изображены схематические поперечные сечения одного из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 7а, b представлена фотография картриджа и представлена таблица в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Диафрагменный клапан или мембранный клапан, как это предусмотрено в вариантах осуществления настоящего изобретения, содержит корпус клапана с двумя или более портами, диафрагмой (или мембраной) и «седло» или место, на котором диафрагма закрывает клапан. Мембранный клапан может управляться с помощью привода.
Диафрагменный насос или клапан мембранного насоса, как это предусмотрено в вариантах осуществления настоящего изобретения, представляет собой поршневой насос, применяющий сочетание возвратно-поступательного действия диафрагмы или мембраны, и соответствующего клапана, такого как обратный клапан для перекачки жидкости.
Жидкость описывается агрегатным положением, содержащим молекулы или частицы, которые могут протекать мимо друг друга, например жидкость, газ, плазма, и их комбинации.
Жидкость организма следует толковать в широком смысле, и она содержит жидкость или газ, полученные из живого или мертвого существа. При этом, не ограничиваясь людьми или млекопитающими, но, включая любые существа, которые могут нести патоген, такие как позвоночные и беспозвоночные, такие как птицы, млекопитающие, рептилии, грызуны, насекомые, рыбы, моллюски.
Как использовано в описании и формуле изобретения, слово «сепаратор» относится к тому элементу, который отделяет жидкостный отсек от других отсеков. Чтобы достичь этого, сепаратор предпочтительно не перфорирован. В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения сепаратор является цельным слоем без отверстий, которые не позволяют жидкости проходить через слой из жидкостной камеры к другому элементу, например, за пределы микроклапана.
В соответствии с настоящим изобретением «предварительно растянутый» означает, что сепаратор находится в натянутом положении, когда клапан готов к работе, и в положении покоя, т.е. в клапане, прежде чем он приводится в действие. Предварительное растяжение может быть достигнуто с помощью седла клапана, которое расширяет сепаратор, когда он установлен в клапане, и/или сепаратор может быть натянут или расширен до приведения его в положение на седле клапана.
В соответствии с настоящим изобретением «предварительно сжатый» означает, что сепаратор находится в сжатом положении, когда клапан готов к работе, и в положении покоя, т.е. в клапане, прежде чем он приводится в действие. Предварительное сжатие может быть достигнуто с помощью седла клапана, заставляя сепаратор сжиматься, когда он установлен в клапане, и/или сепаратор может быть установлен в сжатом положении, когда он вводится в местоположение на седле клапана.
Поэтому как для предварительного натяжения, так и для предварительного сжатия сепаратор имеет упругий потенциал в нормально закрытом и пассивном положении.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение будет описано в отношении конкретных вариантов осуществления и со ссылкой на некоторые графические материалы, но изобретение не ограничивается этим, а только формулой изобретения. Описанные чертежи являются только схематическими и не являются ограничивающими. Размеры некоторых элементов на чертежах могут быть преувеличены и не изображены в масштабе для иллюстративных целей. При рассмотрении форм существительных в единственном числе, следует понимать, что это включает их формы во множественном числе, если что-либо другое специально не оговорено.
Термин «содержащий», используемый в формуле изобретения, не следует интерпретировать как ограничивающий по отношению к средствам, перечисленным впоследствии; он не исключает других элементов или этапов. Таким образом, объем выражения «устройство, содержащее средства А и В» не должен быть ограничивающим по отношению к устройствам, состоящим только из компонентов А и В. Это означает, что по отношению к настоящему изобретению только имеющие значение компоненты устройства являются А и В.
Кроме того, термины первый, второй, третий и т.п., в описании и в формуле изобретения, используют для отличия подобных элементов и не обязательно для описания последовательного или хронологического порядка. Следует понимать, что термины, использованные таким образом, являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах и что варианты осуществления изобретения, описанные в этом документе, способны работать в других последовательностях, чем те, что описаны или показаны в этом документе.
Кроме того, термины верх, низ, над, под и т.п., в описании и формуле изобретения используют в описательных целях и не обязательно, для описания взаимного расположения. Следует понимать, что термины, использованные таким образом, являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах и что варианты осуществления изобретения, описанные в этом документе, способны работать в других ориентациях, чем те, что описаны или показаны в этом документе.
Настоящее изобретение относится к нормально закрытому клапану, который факультативно удерживается в закрытом положении без приложения внешней силы. Для обеспечения дополнительной надежности может быть применена внешняя сила.
В соответствии с первым аспектом настоящее изобретение относится к нормально закрытому микроклапану для применения в микрофлюидном устройстве, содержащему седло клапана, выпускное отверстие, впускное отверстие и один или более гибких предварительно растянутых или предварительно сжатых сепараторов, предпочтительно мембран или диафрагм, и один или более гибких предварительно растянутых или предварительно сжатых сепараторов, расположенных так, что предварительное натяжение или предварительное сжатие прижимают один или более сепараторов к седлу клапана в нормально закрытом положении.
Среди прочего преимуществами является то, что если давление не применяется для удержания клапана в закрытом положении, то нормально закрытый клапан закрыт и пассивен, то есть без дополнительного питания и, следовательно, не зависит от батареи или другого источника питания. Это лучше, чем конструкции из известного уровня техники, которые требуют применения принудительной закрывающей силы, что будет означать, что они требуют источника питания и не являются пассивными устройствами. Кроме того, микроканалы могут быть выполнены в виде сквозных соединений в корпусе клапана, и такую конструкцию отверстий легче обрабатывать с применением традиционных методов МЭМС или макротехнологий, таких как литье под давлением.
В качестве сепаратора может быть применена неперфорированная мембрана или диафрагма. Это имеет то преимущество, что функционирование микроклапана не зависит от давления жидкости для приведения в действие клапана и, кроме того, приводит к более надежному закрытому состоянию.
Клапан может быть применен в картридже, особенно в одноразовом картридже, таком как диагностический картридж. Там где применяется детектор, он может быть размещен на плате с клапаном, но предпочтительно он находится за пределами картриджа, что облегчает разработку и осуществление. Это означает, что может быть выполнен дорогой и/или сложно устроенный блок детектирования настольного размера, в то время как картридж имеет малый размер и является одноразовым.
Выпускное отверстие и впускное отверстие предназначены для обеспечения прохождения жидкости в таком количестве, которое требуется применением.
В примере настоящий клапан имеет одну или более полостей, канал, корпусную часть, уплотнение, например уплотнительное кольцо, клей, регулятор расхода, например ограничитель потока, контроллер и раму. Ввиду функциональности настоящий клапан выполнен с полостью или контейнером, или тому подобным для хранения жидкости или прохождения жидкости через него. Могут присутствовать одна или несколько полостей. Полость также может быть применена в качестве реакционной камеры и/или камеры обнаружения. Обычно различные части настоящего устройства, такие как полости, клапаны, регуляторы и т.д., соединены одним или несколькими каналами, обеспечивающими прохождение жидкости. Обычно каналы являются микроканалами, то есть имеющими диаметр 1-100 мкм. Клапан обычно имеет корпусную часть, такую как твердое тело, обычно выполненную из пластмассы или тому подобного, но не ограничивается ими. Для того чтобы выполнять различные функции и/или для хранения жидкости, детали клапана имеют один или несколько герметизирующих элементов. Обычно различные слои соединены с помощью клея, например, двухсторонним клеевым слоем или слои могут склеиваться по своей природе и/или с добавлением клеев. Для целей потока может быть обеспечен один или более регулятор потока, например ограничитель. Кроме того, может присутствовать контроллер, предназначенный для выполнения различных требуемых функций. Контроллер может быть встроенным микроконтроллером. Микроконтроллер может питаться от бортового источника энергии, такого как батарея, или может содержать фотоэлектрический или солнечный элемент, или любое другое устройство извлечения энергии.
В одном примере предлагаемый клапан дополнительно содержит корпусную часть, при этом седло клапана имеет ширину меньше, чем ширина одного или более гибких предварительно сжатых или предварительно растянутых сепараторов, например мембран или диафрагм, а каждый из сепараторов имеет области большего размера, чем седло клапана. Таким образом, сепаратор, например мембрана или диафрагма, полностью покрывает клапан, может быть прижат к седлу клапана плотно, предотвращая утечку, может быть предварительно сжат или предварительно растянут в достаточной степени, и по- прежнему может работать под действием внешних сил, таких как давление, которое может быть (относительно) отрицательным.
В примере микроклапан дополнительно содержит средства для герметичного крепления корпусной части к области каждого из одного или более гибких предварительно сжатых предварительно растянутых сепараторов, например мембран или диафрагм, при этом область является большей, чем седло клапана. В одном варианте осуществления предпочтительно, средства для герметичного крепления являются двухсторонней клеевой лентой. Такое герметичное крепление обеспечивает более длительный срок хранения и позволяет применять более высокое давление, тем самым, например, повышая функциональность.
В независимом примере, который может быть применен с настоящим изобретением или с другими типами мембран, чем те, что описаны в этом документе, клапан снабжен корпусом, который имеет впускной канал, и выпускной канал, и седло клапана, и мембрану, при этом впускной и выпускной каналы входят в камеру вокруг седла клапана под углом по отношению к плоскости мембраны между 45° и 135°, предпочтительно между 75° и 105°, более предпочтительно между 80° и 100°, например 90°, т.е. по существу перпендикулярно. Такие каналы могут быть выполнены в виде сквозных соединений и, следовательно, могут быть выполнены обычными полупроводниками или МЭМС обработкой. Таким образом, обеспечение такой более прочной конструкции снижает риск ее повреждения, увеличивает ее срок хранения и уменьшает утечки.
В одном примере настоящий клапан имеет отверстие, предназначенное для обеспечения приложения внешней силы, по меньшей мере, содействия при открытии микроклапана. Таким образом, клапан может быть приведен в действие и выполнять различные функции. Отверстие может быть предназначено для применения с настольным детектором.
В примере отверстие предназначено для обеспечения применения давления к стороне одного или более гибких предварительно сжатых или предварительно растянутых сепараторов, например мембран или диафрагм, которые удалены от стороны, которая создает контакт с седлом клапана. Давление жидкости предпочтительно является вакуумом. Давление жидкости обычно обеспечено средствами, такими как насосы, присутствующие в настольном детекторе, который находится под устройством, содержащим предлагаемый клапан, например, во время обнаружения.
В примере высота седла клапана в 1,1 -5 раз больше первой высоты выпускного отверстия, предпочтительно в 1,2 - 2,5 раз, например в 1,5-2 раз. Посредством увеличения высоты седла клапана сепаратора, например мембрана или диафрагма, более жестко прикреплена к седлу, тем самым увеличивается срок хранения и предотвращается утечка. В дополнение, клапан может работать при более высоких давлениях. Экспериментальным путем было установлено, что высота не должна быть слишком большой для того, чтобы достичь желаемого эффекта, отчасти высота зависит от типа применяемой мембраны. Если увеличение высоты является небольшим, то наблюдается незначительный эффект. Экспериментальным путем было установлено, что значительный эффект наблюдается при увеличении высоты на 20% или более.
В примере сепаратор, например мембрана или диафрагма, содержит материал, выбранный из группы, содержащей эластомер, такой как ПДМС, натуральный и синтетический каучук, насыщенный и ненасыщенный каучук и термопластические пластмассы.
-2
-2
Эластомер является, например, полимером со свойством вязкоупругости (разговорный оборот «эластичность»), как правило, имеющей особенно низкий модуль упругости и большую деформацию при пределе текучести в сравнении с другими материалами. Модуль упругости может быть меньше, чем 1 МНм, таким как 0,5 МНм. Термин, который получен из эластичного полимера, часто применяется взаимозаменяемо с термином каучук, хотя последний является предпочтительным, когда речь идет о вулканизационных каучуках. Каждый из мономеров, которые связаны с образованием полимера, как правило, изготовлен из углерода, водорода, кислорода и/или кремния. Эластомеры, как правило, являются аморфными полимерами, существующими выше их температуры стеклования, так что возможно значительное сегментарное движение. При температуре окружающей среды каучуки, таким образом, являются относительно мягкими (Е~3 МПа) и деформируемыми. Основным видом применения является применение для уплотнений, клеев и формованных гибких частей.
Примерами эластомеров являются ненасыщенные каучуки, которые могут быть вулканизированы при помощи соединений серы, такие как природный полиизопрен, такие как цис-1,4-полиизопрен натуральный каучук (NR) и транс-1,4-полиизопрен, гуттаперча, синтетический полиизопрен (IR - изопреновый каучук), полибутадиен (BR - бутадиеновый каучук), хлоропреновый каучук (CR), полихлоропрен, неопрен, байпрен и т.д., бутилкаучук (сополимер изобутилена и изопрена, IIR), галогенированные бутилкаучуки (хлор бутилкаучук: CIIR, бром бутилкаучук: BIIR), стирол-бутадиеновый каучук (сополимер стирола и бутадиена, SBR), нитрильный каучук (сополимер бутадиена и акрилонитрила, NBR), также называемый Buna N каучук, гидрированный нитрильный каучук (HNBR), такой как Therban и Zetpol, насыщенные каучуки, которые не могут быть вулканизированы при помощи соединений серы, такой как ЕРМ (этиленпропиленовый каучук, сополимер этилена и пропилена) и EPDM (этилен-пропилен-диеновый каучук, тройной сополимер этилена, пропилена и диенового компонента), эпихлоргидриновый каучук (ECO), полиакриловый каучук (АСМ, ABR), силиконовый каучук (SI, Q, VMQ), фторсиликоновый каучук (FVMQ), фторэластомеры (FKM и FEPM), такие как Viton, Tecnoflon, Fluorel, Aflas и Dai-El, перфторэластомеры (FFKM), такие как Tecnoflon PFR, Kalrez, Chemraz, Perlast, полиэфирные блок-амиды (РЕВА), хлорсульфированный полиэтилен (CSM), (Hypalon), этиленвинилацетат (EVA). Другими различными типами эластомеров являются: термопластичные эластомеры (ТРЕ), например Elastron, термопластичные вулканизаты (TPV), например Santoprene TPV, термопластичный полиуретан (TPU), и термопластичный алкен (ТРО). Другими примерами являются белки, такие как резилин и эластин, полисульфидный каучук. Кроме того, возможны комбинации вышеуказанных материалов.
В одном примере предлагаемого клапана сепаратор, например мембрана или диафрагма, предварительно растянут до удлинения в более чем от 1 и до 10 раз от исходного размера, предпочтительно от 1,05 и до 7 раз, более предпочтительно от 1,1 и до 5 раз, например от 1,25 и до 2 раз. В зависимости от типа сепаратора, например мембрана или диафрагма, применяют сепаратор, например мембрана или диафрагма, могут быть предварительно растянуты до удлинения на 5% больше и до приблизительно 700% больше. Чтобы получить улучшение, необходимо предварительное растяжение, предпочтительно применяется 5% или более. Слишком большое предварительное растяжение происходит в типичных границах материала, материал может разрушиться и т.п. или деформироваться, что в результате приведет к открытию клапана, что является нежелательным. Экспериментально наилучшие результаты получаются, когда сепаратор, например мембрана или диафрагма, растягивается от 10% до 100%, например 20% или более.
Согласно второму аспекту изобретение относится к микрофлюидному элементу, такому как микрофлюидный насос, содержащий клапан согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. При работе в качестве насоса, средства для возвратно-поступательного движения сепаратора, например, мембраны или диафрагмы, выполнены (например, последовательное применение вакуума) в сочетании с односторонним клапаном. Поскольку настоящий клапан особенно подходит для применения при повышенной температуре и/или для снижения утечки, специально предусмотрены микрофлюидные элементы, направленные на такое применение.
В соответствии с третьим аспектом изобретение относится к микрофлюидному устройству, содержащему не более четырех слоев, содержащему слой покрытия, первый структурированный слой, находящийся под слоем покрытия, промежуточный слой, находящийся под первым структурированным слоем, и второй структурированный слой, находящийся под промежуточным слоем, и один или более клапанов, предпочтительно один или более клапанов в соответствии с изобретением.
В соответствии с примером осуществления настоящего изобретения предоставлен микрофлюидный картридж для размещения на параллельной пневматической контактной пластине пневматического прибора. Картридж содержит трехмерный канал для жидкости, в котором жидкость будет переноситься с помощью пневматической перекачки пневматическим прибором. Кроме того, микрофлюидный картридж содержит гибкий сепаратор, например мембрану или диафрагму, при этом гибкий сепаратор охватывает плоскости, и при этом гибкий сепаратор создает внешнюю поверхность картриджа. Кроме того, трехмерный канал для жидкости пространственно определен в трех измерениях внутренними стенками картриджа и гибким сепаратором, например мембраной или диафрагмой, при этом гибкий сепаратор, например мембрана или диафрагма, находится в основном положении или положении покоя, когда нет давления или вакуума, применяемого к гибкому сепаратору, например мембране или диафрагме. Гибкий сепаратор, например мембрана или диафрагма, пневматически перпендикулярно отклоняется от основного положения к плоскости гибкого сепаратора, например мембраны или диафрагмы, в двух направлениях, когда картридж размещен на параллельной пневматической контактной пластине.
Другими словами, жидкость не перемещается на плоской поверхности, но перемещается вдоль трехмерного канала для жидкости.
Кроме того, гибкий сепаратор, например мембрана или диафрагма, может быть пневматически отклоняющимся в областях, которые являются частью внешней поверхности картриджа. Другими словами, в первой области гибкий сепаратор, например мембрана или диафрагма, перекрывает канал для жидкости, в котором первая область является частью внешней поверхности картриджа. В соответствии с этим примерным вариантом осуществления гибкий сепаратор, например мембрана или диафрагма, может дополнительно расширяться во второй области по внешней поверхности картриджа, так что сепаратор, например мембрана или диафрагма, не доступен извне картриджа в этом втором участке.
Кроме того, «основное положение гибкого сепаратора, например мембраны или диафрагмы» описывает ситуацию, в которой ни давление, ни вакуум не применяются к гибкому сепаратору, например мембране или диафрагме. Исходя из этой ситуации, гибкий сепаратор, например мембрана или диафрагма, может отклоняться в сторону внутренней части картриджа и также может отклоняться от картриджа. Это может быть, например, видно на фиг. 2, на которой верхнее и нижнее отклонение гибкого сепаратора, например мембраны или диафрагмы, в различных положениях вдоль сепаратора приводит к желаемому переносу жидкости. Другими словами, гибкий сепаратор, например мембрана или диафрагма, является отклоняющимся в двух направлениях, а именно в направлении канала для жидкости и от канала для жидкости.
Картридж, который может в этом и любом другом варианте быть, например, одноразовым картриджем, позволяет пневматическое приведение в действие, которое осуществляется посредством двусторонней пневматической взаимосвязи между пневматическим прибором и картриджем, взаимосвязь которых формируется гибким сепаратором, например мембраной или диафрагмой. Для удешевления и повышения надежности картриджа, в прибор встроены пневматические приводы. Приведение в действие жидкости, которая содержится в канале для жидкости внутри картриджа, достигается отклонением гибкого сепаратора, например мембраны или диафрагмы, который может быть прикреплен к основной поверхности картриджа. Таким образом, когда картридж прикреплен к отсеку или вставлен в отсеки пневматической контактной пластины, которые образованы гибким сепаратором, например мембраной или диафрагмой картриджа и частями пневматической контактной пластины. Давление в этих отсеках, давление которых можно генерировать отдельным пневматическим прибором, определяет отклонение гибкого сепаратора, например мембраны или диафрагмы, который, в свою очередь, приводит в действие жидкость, с помощью которой происходит движение.
Этот микрофлюидный картридж имеет преимущество высокой мощности и большого хода пневматического привода, в то же время картридж остается простым и дешевым, что позволяет легкое введение другого физического переноса через контактную пластину, такого как тепло или акустическая вибрация.
Кроме того, большое количество приводов может быть легко интегрировано в плоской пневматической контактной пластине, так как для пневматического привода отсутствует необходимость индивидуальной фиксации, такой как трубчатое соединение.
Другими словами, так как трубчатые пневматические элементы и давление элементов, генерирующих вакуум, не присутствуют в микрофлюидном картридже и не присутствуют в соответствующих соединительных контактных пластинах, большое количество приводов может быть легко интегрировано в контактную пластину. Другими словами, предоставлен плоский микрофлюидный картридж, который, будучи соединенным с плоской пневматической контактной пластиной, позволяет удобное и надежное пневматическое приведение в движение жидкости в картридже без необходимости установки трубок внутри картриджа. Кроме того, это может быть легко применено для большого количества пневматических элементов, а также для упрощения интеграции тепловых, акустических или других контактных пластин в той же плоскости.
Термин пневматические элементы в этом и любом другом варианте осуществления изобретения описывает положение, в котором гибкий сепаратор, например мембрана или диафрагма, приводится в действие пневматически, то есть клапанами и насосами, или в более общем смысле, областями взаимодействия. Кроме того, преимуществами настоящего изобретения является гибкость изменения положения и возможность быть размещенными в непосредственной близости.
Это может рассматриваться как характеристика предлагаемого микрофлюидного картриджа для осуществления приведения в действие жидкости в картридже с помощью пневматического прибора. Факты, что при пневматическом приведении в движение применяется гибкий сепаратор картриджа, например мембрана или диафрагма, и что пневматические камеры под сепаратором, например мембраной или диафрагмой, имеют двухстороннюю сборку, имеют важное значение. Это означает, что разделительная плоскость между картриджем и пневматическим прибором пересекает пневматическую камеру.
Другими словами, когда картридж удален, пневматические каналы подачи, пневматические каналы и пневматические камеры открыты. Камеры под мембранами образованы комбинацией картриджа и контактной пластины на приборе. Когда картридж поднимают, давление больше не передается к мембране, в отличие от трубок, которые не применяются для приведения в действие мембраны в соответствии с настоящим изобретением, при этом гибкие трубки закреплены механически.
Микрофлюидный картридж может быть применен в комбинации с пневматическим прибором, который содержит каналы подачи для пневматического приведения в движение и который содержит по существу плоскую контактную пластину в микрофлюидном картридже, который содержит канал для жидкости. Каналы для жидкости удерживаются гибким слоем, например сепаратором, таким как мембрана или диафрагма, который может быть приведен в действие сразу после того, как картридж помещается в прибор. При перемещении гибкого сепаратора, например мембраны или диафрагмы, вверх и вниз объем смещается внутри картриджа и сепаратор, например мембрана или диафрагма, может перекрыть каналы для обеспечения функции клапана в канале для жидкости.
Ход отклонения сепаратора, например мембраны или диафрагмы, основан на высоте между положением сепаратора, например мембраны или диафрагмы, при прикосновении к пневматической контактной пластине пневматического прибора, как можно видеть, например, на следующих фиг. 7а, 7b и/или положением при прикосновении к подложке камеры на верхней части сепаратора, например мембраны или диафрагмы в картридже (функции управления).
Другими словами, микрофлюидный картридж содержит гибкий сепаратор, например мембрану или диафрагму, покрывающий путь жидкости. Таким образом, гибкий сепаратор, например мембрана или диафрагма, покрывает всю систему каналов для жидкости, которая может содержать несколько путей жидкости. Сплошная внешняя поверхность не обязательно должна быть везде. Но также возможен вариант осуществления, в котором гибкий сепаратор, например мембрана или диафрагма, составляет всю внешнюю поверхность картриджа. Тем не менее, гибкий сепаратор, например мембрана или диафрагма, всегда присоединен к картриджу. После вставки картриджа в пневматический прибор, сепаратор, например мембрана или диафрагма, локально отклоняется пневматикой на приборе так, что жидкость перемещается вдоль пути жидкости в картридже. Сепаратор, например мембрана или диафрагма, локально всасывается из направления или толкается в направлении картриджа для создания изменения объема в пути жидкости и под сепаратором, например мембраной или диафрагмой, с которым изменяется объем жидкости, проходящей через картридж. Кроме того, картридж может содержать стенки, которые вместе с гибким сепаратором, например мембраной или диафрагмой, определяют изменение объема, через который можно переносить жидкость. Таким образом, изобретение позволяет перенос жидкостей в микрофлюидном картридже при помощи относительно простой контактной пластины между картриджем и прибором для обработки картриджа. Вместо интерфейсных пневматических трубок, интерфейсная плата между картриджем и прибором сформирована гибким сепаратором, например мембраной или диафрагмой, который отклоняется прибором таким образом, что жидкость переносится внутри картриджа.
Так как картридж не содержит пневматических или электрических элементов, он может быть произведен дешевым и надежным способом.
Гибкий сепаратор, например мембрана или диафрагма, в сочетании с контактной пластиной приводит к возможности фиксации картриджа на контактной пластине только пневматическими силами. Следовательно, нет необходимости в любых других средствах фиксации, как, например, винтах и т.п., помимо пневматических сил, создаваемых пневматическим прибором. По этой причине пневматическая контактная пластина называется параллельной контактной поверхностью. Другими словами, отклонение гибкой мембраны создается в замкнутой пневматической системе, которая содержит картридж и контактную пластину, и отклонение, в свою очередь, приводит к фиксации. Всасывание мембраны создает фиксацию.
Картриджи для настольной диагностики должны содержать все реагенты, необходимые для диагностики, и должны иметь возможность храниться в течение длительного времени без ухудшения конечного диагностического результата. Диагностический результат должен предпочтительно быть получен в течение максимум 20 минут. Это означает, что картридж должен быть обеспечен не только всеми реагентами, но также должен быть разработан для выполнения микрофлюидных операций, необходимых для диагностики и для безопасного хранения реагентов в течение длительного времени. Обнаружение предпочтительно не выполняется в самом картридже, так как это делает картридж более дорогостоящим. Лучше иметь весьма сложное и современное, и точное устройство обнаружения вместо того, которое располагается в настольном диагностическом оборудовании и имеет доступ к картриджам через окошко. Окошко может применяться для оптического, инфракрасного, ультрафиолетового, радиоактивного излучения, или для электрических, пневматических или магнитных методов обнаружения.
Если картридж содержит источник питания для поддержания целостности реагента, это означает, что срок службы картриджа уменьшается, и существует риск того, что картридж будет применен после того, как энергопитание будет исчерпано, что может привести к неправильному диагнозу - потенциально опасной для жизни ситуации, связанной с ответственностью за неисправности медицинской продукции.
Даже если источник питания применяется во время хранения реагента для поддержания целостности, предпочтительным является, если ситуация отсутствия питания по-прежнему не наносит ущерб, то есть что есть запасной механизм, который тем не менее сохраняет целостность реагента даже после разрядки батареи.
Срок службы батареи может быть увеличен путем концентрации энергии, и это должно быть включено в качестве опции для картриджей.
Для поддержания целостности настоящее изобретение предлагает нормально закрытый клапан, который защищен от открытия с помощью предварительного натяжения или предварительного сжатия сепаратора клапана, например мембраны или диафрагмы, которое прижимает сепаратор, например мембрану или диафрагму, к седлу клапана. Это обеспечивает свободный от питания, то есть пассивный, безопасный нормально закрытый клапан, который может быть применен для предотвращения деградации реагента. В примере боковое давление может быть приложено к сепаратору, например мембране или диафрагме, для дополнительного повышения безопасности. Это может потребовать источника питания в картридже. В примере картридж предварительно запрессован, и в этом случае источник питания не требуется. В еще одном примере сепаратор, например мембрана или диафрагма, сжимается.
Вышесказанное также относится к биореакторам.
В одном примере настоящее устройство дополнительно содержит один или более клапанов в соответствии с изобретением. Таким образом, достигаются упомянутые преимущества.
В одном примере настоящее устройство содержит один или более контейнеров, имеющих объем 0,1-10 мл, предпочтительно 0,5-5 мл, такой как 2-3 мл. Контейнеры могут быть, например, контейнерами реагентов, контейнерами для отходов, реакционными камерами и т.д.
В одном примере настоящее устройство содержит микрофлюидный элемент в соответствии с изобретением, и/или прибор для забора проб, и/или одно или более устройств обработки. Прибор для забора проб может быть предусмотрен для забора проб и/или введения образца в картридж. Кроме того, одно или несколько устройств обработки, таких как аналитические устройства, функциональные устройства и т.д., могут быть предоставлены в целях обнаружения или тому подобного. Обычно образец должен быть обработан, например необходимо провести реакцию, должна иметь место фильтрация, должно происходить разделение и т.д. В другом примере также присутствует (электронный) блок управления.
В одном примере настоящее устройство содержит один или более фильтров, микропривод, такой как насос, уплотнение, вход, выпускное отверстие, впускное отверстие и средства смещения. Указанное сопоставимо с настоящим клапаном.
В одном примере настоящее устройство является одним или более из: биосенсора, картриджа, например картриджа для диагностики.
В примере осуществления настоящее устройство имеет форму одноразового картриджа, факультативно в упаковке, где упаковка может быть вакуумной или находится под давлением, и/или необязательно содержит дополнительное уплотнение для поддержания давления. Предпочтительно устройство является одноразовым, т.е. применяемым один раз, обычно в комбинации со столом. Дополнительно средство поддержания давления/вакуума может быть предусмотрено, чтобы увеличить срок хранения.
В одном примере настоящее устройство имеет окошко обнаружения для размещения детектора рядом с микрофлюидным устройством, чтобы обеспечить обнаружение присутствия, отсутствия и/или количества, одной или более молекул и/или ионов, таких как белок, лекарственное средство, ДНК, РНК, нуклеиновая кислота, последовательность нуклеиновой кислоты, клеточная мембрана или фрагменты клеточной мембраны, клеточная органелла, антитело, гормон, глюкоза, инсулин, фермент, грибок, бактерии, такие как патогенные бактерии, вирусы клеточных культур, а также магнитная частица. Предпочтительно обнаружение происходит на образце крови, таком, какчеловеческая. Также может быть проверена другая жидкость организма человека.
В соответствии с четвертым аспектом изобретение относится к применению для обнаружения, например присутствия, отсутствия и количества и/или выделения, и/или очистки одной или более молекул и/или ионов, таких как белок, лекарственное средство, генетическая информация, такая как ДНК, РНК, нуклеиновая кислота, последовательность нуклеиновой кислоты или белка, такого как гормон, инсулин, фермент или другие молекулы, такие как глюкоза, или организмов, таких как грибки, бактерии, такие как патогенные бактерии, вирусы, клеточные культуры, в массиве или в количественном анализе.
В соответствии с пятым аспектом изобретение относится к системе, содержащей один или более клапанов в соответствии с изобретением, микрофлюидных элементов в соответствии с изобретением, микрофлюидных устройств в соответствии с изобретением.
Настоящее изобретение будет далее объяснено со ссылкой на прилагаемые фигуры, и описание будет в основном включать образцовые предварительно растянутые мембраны, но объем настоящего изобретения не ограничивается таким образом, а только формулой изобретения.
На фиг. 1 изображен схематический поперечный разрез клапана из существующего уровня техники. Клапан содержит корпус с каналами в нем и клапанную камеру. Мембрана образует часть клапана и показана в среднем уплотнении клапанной камеры. Привод (см. стрелку) применяет давление, чтобы согнуть мембрану и прижать ее к седлу клапана. Область, обозначенная пунктирным кругом и номером (1), относится к слабым местам в конструкции, по этой причине конструкция является причиной утечки, в особенности в обозначенной зоне. Слева направо виден (закрытый) канал.
В этой конструкции максимальное давление, которое может быть применено на клапанах, в основном определяется утечкой между корпусом клапана и мембраной. Было установлено, что это в основном вызвано положением впускного и выпускного каналов, в зависимости от конструкции. Когда каналы расположены непосредственно над мембранным слоем, картридж может быть легко отодвинут локально и в результате утечки увеличивается давление в окружающих областях, которые находятся в вакууме для закрепления картриджа на настольном детекторе. На фиг. 2 изображен пример микрофлюидного устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. В этом отношении верхний слой (210) (покрытия) показан, например, как односторонняя лента. Под верхним слоем присутствует структурированный слой (220), такой как литой или лазерный структурированный слой. Структурированный слой содержит корпус клапана и может быть изготовлен из такого материала, как полиметилметакрилат, который может быть отлит и/или машинно обработан либо механически, либо электрически, либо химически. Под структурированным слоем может находиться двухсторонняя клеевая лента (не показана). Ниже присутствует второй структурированный слой (230). Структурированные слои обеспечивают большую часть функциональности устройства, включая седло клапана. Под вторым структурированным слоем присутствует уплотнительный элемент (240), такой как гибкая мембрана или диафрагма. Гибкая мембрана может быть изготовлена из материалов, указанных выше. Мембрана также образует часть клапана, показанную в середине. Мембрана не является пористой или перфорированной, то есть она функционирует в качестве сепаратора. Мембрана имеет область, большую, чем седло клапана. Мембрана предпочтительно предварительно сжата так, что положительное усилие прижимает мембрану к седлу клапана в его нормальном и пассивном положении. Это может быть достигнуто путем формирования мембраны с выпуклой частью или куполом, обращенными к седлу клапана, как показано на фиг. 2. Размер купола выбран так, чтобы в его исходном положении купол прижимался к седлу клапана. Таким образом, купол перекрывает седло клапана, не требуя, таким образом, дополнительного источника питания. Пунктирная стрелка указывает на факультативное приложение давления/вакуума, чтобы открыть клапан, или на факультативное приложение давления для обеспечения дальнейшего давления на мембрану и улучшения уплотнения. Сплошные стрелки указывают направление потока жидкости через клапан в открытом положении. Горизонтальная пунктирная линия указывает на разделительную линию между настоящим устройством и настольным устройством обнаружения.
Пример показывает, что настоящее устройство имеет сплошное основание. Как следствие, применять вакуум легче, без утечки, а в дополнение мембрана может быть прикреплена проще и плотнее. Настоящее микрофлюидное устройство факультативно предназначено для размещения на настольном устройстве (290) и для взаимодействия с настольным устройством (290), где настольное устройство обеспечивает дополнительные функции, такие как давление/вакуум, диагностика и т.д.
Выпускное и впускное отверстия размещены по существу перпендикулярно и в другом положении по сравнению, например, с известным уровнем техники в соответствии с фиг. 1, влияние внешних сил, таких как вакуум, уменьшается или даже отсутствует, и таким образом достигается намного лучшее предотвращение утечки.
Настольное устройство 290 на фиг. 2 может содержать один или более перекачивающих средств, которые управляют настоящим устройством пневматически.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения предоставлен картридж, имеющий на один слой меньше в сравнении с картриджами из известного уровня техники. Мембранный слой, такой как каучуковый слой, становится нижним слоем новой конструкции картриджа. Мембрана не является пористой или перфорированной, то есть она функционирует в качестве сепаратора так, чтобы он уплотнял клапан с внешней стороны. Картриджи с четырьмя слоями, из которых два являются структурированными (слой каучуковой ленты - слой полиметилметакрилата - слой покрытия), предусмотрены таким образом. Дополнительным преимуществом является то, что контактная поверхность между картриджем и настольным устройством обнаружения может быть теперь выполнена из материала, который может быть легко очищен, например металла. Металло- (на настольном устройстве) каучуковое соединение (на картридже) обеспечивает герметичность. В связи с этим обеспечена надежная контактная поверхность, которую можно использовать снова и снова. Эксперименты показали отсутствие эффекта «старения» (например, каучукового слоя). Дополнительным преимуществом является то, что давление, которое может быть применено безопасно (без утечки) на клапанах, значительно выше (от ~ 1 до 3 бар) и что это давление может быть легко увеличено до 5 бар или даже больше. Повышенное давление обеспечивает дополнительные функциональность, улучшенное время обработки и т.д.
Дополнительным преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является то, что новая конструкция картриджа и/или его новое применение легко разработать и произвести вследствие того, что предоставлена стандартизированная и общая платформа, обеспечивающая множество конструкций и применений. Вследствие этого настоящая конструкция относится к универсальным технологиям картриджей, которые обеспечивают интеграцию различных сложных протоколов, гибкую конструкцию и быструю разработку прототипа. Изобретатели показали, что новые конструкции могут быть реализованы и испытаны в течение 1 недели. Другими словами, настоящее изобретение относится к универсальному прибору, являющемуся прототипом настольного прибора с низкой стоимостью, принимающего картриджи для выполнения различных протоколов, и обеспечивающего различные функции, такие как перемешивание, накачивание, фильтрацию и нагрев, если это необходимо и/или желательно.
Настоящий дизайн обеспечивает усовершенствование картриджа, которое улучшает надежность технологии и уменьшает количество компонентов в картридже.
На фиг. 3 изображен пример микрофлюидного устройства в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, содержащего клапан в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Подобно фиг. 2, представлены: верхний слой (310), первый структурированный слой (320), второй структурированный слой (330), мембрана (340) и стол. Структурированные слои обеспечивают корпус клапана и могут быть изготовлены из такого материала, как полиметилметакрилат, который может быть отлит и/или обработан либо механически, либо электрически, либо химически. Под первым структурированным слоем может присутствовать двухсторонняя клеевая лента (не показана). Первый и второй структурированные слои образовывают корпус клапана. Структурированные слои обеспечивают большую часть функциональности устройства, содержащего седло клапана. Дополнительно указано, что седло (350) клапана обычно формируется из того же материала, что и второй структурированный слой. Под вторым структурированным слоем расположен уплотнительный элемент (340), такой как гибкая мембрана или диафрагма. Для достижения этой цели мембрана не является перфорированной или пористой, т.е. она действует как сепаратор. В этом варианте осуществления мембрана предварительно растянута так, что мембрана прижимается к седлу клапана в исходном положении для того, чтобы клапан был нормально закрытым. С помощью взаимодействия между седлом клапана и фиксирующими средствами для мембраны последние могут оставаться в предварительно растянутом положении. Так как мембрана предварительно растянута, она герметизирует пространство, возможно содержащее жидкость. Таким образом, создается устройство для хранения. Гибкая мембрана может быть изготовлена из материалов, указанных выше. Мембрана имеет область, большую, чем седло клапана. Для улучшения уплотнения между корпусом клапана и мембраной мембрана может быть прикреплена ко второму структурированному слою. Мембрана предпочтительно предварительно растянута так, что положительная сила прижимает мембрану к седлу клапана в его нормальном и пассивном положении. Пунктирная стрелка указывает на факультативное приложение давления/вакуума, чтобы открыть клапан, или на факультативное применение давления для обеспечения дополнительного давления на мембрану и улучшения уплотнения. Сплошные стрелки указывают направление потока жидкости через клапан в открытом положении. Горизонтальная пунктирная линия указывает на разделительную линию между настоящим устройством и настольным устройством обнаружения.
Пример показывает, что настоящее устройство имеет сплошное основание. Как следствие, применять вакуум легче, без утечки, а в дополнение мембрана может быть прикреплена проще и плотнее. Настоящее микрофлюидное устройство факультативно предназначено для размещения на настольном устройстве (390) и взаимодействия с ним, при этом настольное устройство обеспечивает дополнительную функциональность, такую как давление/вакуум, диагностика и т.д. Настольное устройство (390) на фиг. 3 может содержать одно или более перекачивающих средств, которые приводят в действие настоящее устройство пневматически.
Выпускное и впускное отверстия размещены по существу перпендикулярно и в другом положении по сравнению, например, с известным уровнем техники в соответствии с фиг. 1, влияние внешних сил, таких как вакуум, уменьшается или даже отсутствует, и таким образом достигается намного лучшее предотвращение утечки. Кроме того, как показано в этом примере, выпускное отверстие и впускное отверстие клапана, по существу, перпендикулярны к главной плоскости клапана, основная плоскость клапана перпендикулярна к фигуре, клапан намного более надежен, и утечка предотвращена. Настоящий клапан, содержащий жидкость, может храниться в течение более 6 месяцев без какой-либо наблюдаемой утечки. Это является значительным улучшением.
На фиг.4 изображен пример микрофлюидного устройства согласно изобретению, содержащего клапан в соответствии с изобретением. Сходно с фиг. 3, представлены: верхний слой (410), первый структурированный слой (420), второй структурированный слой (430), мембрана (440) и настольное устройство (490). Дополнительно указано, что седло (450) клапана обычно формируется из того же материала, что и второй структурированный слой. Седло клапана дополнительно увеличивается в размере, то есть в толщину или высоту, дополнительным слоем 451. Это увеличивает предварительное растяжение мембраны (440). Таким образом, достигается лучшая герметизация. Для достижения этой цели мембрана не является перфорированной или пористой, т.е. она действует как сепаратор. Дополнительный слой может быть обеспечен слоем ленты, который может быть нанесен на второй структурированный слой, а затем сам может быть структурирован при изготовлении локальным структурирующим лазером. Лента может иметь полиэтилентерефталатный защитный слой, присутствующий на его верхней части. Для улучшения уплотнения между корпусом клапана и мембраной мембрана может быть прикреплена ко второму структурированному слою. Описание других деталей такое же, как и для деталей по фиг. 3.
Фиг. 5а, b, с является примером двух структурированных слоев устройства в соответствии с настоящим изобретением. При этом можно наблюдать различные детали, например каналы (521), сквозные отверстия (523), устройство (524, 534) для забора образцов, камеры (522, 532) реагентов, фильтр (537), выпускные/впускные отверстия (532), камера (536) отходов и клапаны (538). Два слоя размещены вместе так, что каналы и контейнеры в одном слое сообщаются друг с другом. Обычно слои структурированы путем литья и/или лазером. Дополнительно указываются молекулы (590) для анализа, такие как ДНК.
На фиг. 6а-h изображен неограничивающий схематический чертеж клапана согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Сутью этих примеров является клапан, содержащий седло клапана и гибкую мембрану, которая предварительно растянута вокруг, например, седла клапана для герметизации камеры реагентов от канала. Для достижения этой цели мембрана не является перфорированной или пористой, т.е. она действует как сепаратор. Основными характеристиками является то, что клапан содержит седло клапана и гибкую мембрану, при этом клапан нормально закрыт и поэтому подходит для хранения реагентов. Для того чтобы открыть клапан, к внешней стороне (то есть к стороне, противоположной каналу для жидкости) мембраны (например, пневматический привод) применяется механическая сила, такая как вакуум. Этот механизм может быть объединен с факультативным приложением давления к гибкой мембране в закрытом положении, чтобы сделать очень надежный клапан, который не протекает при применении давления порядка 0,5-2 бар. Эксперименты (проверено >100 картриджей) не имели отказов вследствие протекания клапанов.
На фиг. 6а-d изображены схематические поперечные сечения клапанов в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Слева (фиг. 6а) изображено поперечное сечение клапана в закрытом (верхнем) и открытом (нижнем) положении (фиг. 6 с). Чтобы открыть клапан, прикладывается механическая сила, такая как вакуум, к отверстию под мембраной (640). Для достижения этой цели мембрана не является перфорированной или пористой, т.е. она действует как сепаратор. Нисходящее движение мембраны ограничено верхней поверхностью отверстия в настольном устройстве 690 обнаружения. Это предотвращает чрезмерную нагрузку на мембрану, когда клапан открыт. Чрезмерное растяжение может вызвать пластическую деформацию или утечку, что приводит к сокращению силы потери, когда мембрана освобождается. Справа (фиг. 6b, d) изображены сечения, перпендикулярные каналу.
Такие картриджи могут быть созданы путем прокатывания вместе структурированных слоев, таких как лазерные структурированные полиметилметакрилатные слои (620) для образования тела клапана, крепежных слоев, таких как двухсторонние слои ((650) Nitto 5015Р) пленки и мембраны, такой как каучуковый слой ((640), латекс). Седло клапана может быть создано локальным лазерным структурированием слоя ленты, такого как полиэтилентерефталатный защитный слой, присутствующий на слое ленты (651). Эта дополнительная часть (651) седла клапана может быть выполнена при формировании второго структурированного слоя (650). Когда во время создания устройства удаляют защитный слой, полиэтилентерефталат локально остается позади в верхней части седла клапана.
На фиг. 6е-h (верхний левый к правому нижнему) изображен схематический поперечный разрез клапана в соответствии с дополнительными вариантами осуществления настоящего изобретения. Слева (фиг. 6е) изображено поперечное сечение клапана в закрытом (верхнем) и открытом (нижнем) положениях (фиг. 6g). В данном примере каналы проходят параллельно с плоскостью мембраны. Справа (фиг. 6f, h) показано сечение клапана в закрытом (верхнем) и открытом (нижнем) положениях, при этом дополнительные впускные и выпускные каналы формируются перпендикулярно или под углом к мембране клапана. Эти каналы, проходящие параллельно плоскости мембраны, могут быть образованы посредством механической обработки или гравирования травлением соответствующих поверхностей первого и второго слоев, как описано выше. Эти каналы, проходящие под углом или перпендикулярно плоскости мембраны, могут быть образованы как сквозные соединения через корпус клапана, например, с помощью лазерного структурирования, гравирования травлением или других форм механической обработки. В примерах показано, как впускной и выпускной каналы входят в камеру клапана, образованную между мембраной и седлом клапана.
На фиг. 6i-l (сверху слева вниз направо) изображены два других варианта осуществления клапана. Слева (фиг. 6i, k) изображено поперечное сечение клапана с одним впускным/выпускным каналом, расположенным в седле клапана в закрытом (верхнем) и открытом (нижнем) положениях. Справа (фиг. 6j, 1) впускной и выпускной каналы находятся в седле клапана, которое похоже на описанное выше. Эти каналы, идущие параллельно плоскости мембраны, образованы между верхним слоем корпуса (650) клапана и слоем (610) покрытия. В этих примерах клапан состоит из предварительно растянутой мембраны (640), жидкостной части (650) с каналами и седлом клапана, клеящего вещества для связывания мембраны и верхнего слоя (610), для герметизации каналов.
Фиг. 7а, b изображена фотография настоящего картриджа и настоящего настольного устройства обнаружения, в котором картридж помещается в настольное устройство обнаружения, указанное стрелкой, и удерживается на месте вакуумом, который может быть применен как для удержания картриджа на месте, так и для открытия клапана(ов).