УЛУЧШЕНИЯ В БАЛАНСИРОВКЕ ПОТОКА ИЛИ ПО ОТНОШЕНИЮ К НЕМУ
IMPROVING BALANCING FLOW OR RELATIVE TO IT

Настоящее изобретение относится к улучшениям в балансировке потока или по отношению к нему при наличии множества каналов и, в частности, к балансировке потока в микрожидкостных устройствах. Микрожидкостные устройства стали полезным инструментом для работы с микрообъемами биологических и химических образцов, таких как растворы белков или ДНК.
Большое количество сложных биохимических реакций и/или процессов могут быть проведены в микрожидкостных устройствах. В некоторых случаях может быть полезно иметь более одного потока в микрожидкостном устройстве для манипулирования биологическими реакциями и/или процессами на разных стадиях их протекания. Поэтому часто очень желательно разделять поток жидкости из одного микрожидкостного канала на несколько каналов на микрожидкостном чипе. В дополнение, также в равной степени желательно объединять различные потоки жидкости из двух или более микрожидкостных каналов в один канал. Однако, разделение или объединение потоков жидкости из одного или нескольких каналов в другие каналы является затруднительным для управления в микрожидкостных устройствах.
Управление и балансировка скоростью потоков жидкости в микрожидкостных устройствах обычно достигается с использованием сети внутренних микрожидкостных резисторов. Такие внутренние резисторы обеспечивают некоторую степень контроля для разделения потока жидкости из одного микрожидкостного канала во множество каналов. Однако, процесс производства микрожидкостных чипов, содержащих такие внутренние резисторы, часто очень трудоемок и дорог ввиду того факта, что указанные внутренние микрожидкостные резисторы должны быть произведены или откалиброваны с очень высокой степенью точности, а различия между чипами и сериями чипов должны быть минимальными. Даже небольшие вариации в внутренних микрожидкостных резисторах могут оказывать влияние на пропорции жидкости, протекающей из главного микрожидкостного канала в соответствующие каналы или из нескольких каналов в один главный канал.
Хотя поток, контролируемый давлением, обычно используют в микрожидкостных устройствах, особенно когда требуется высокая стабильность потока, скорости потоков жидкости остаются неизвестными. Поэтому, для контроля и балансировки скоростей потоков жидкости внутри микрожидкостного устройства указанные скорости потоков жидкости должны тщательно определяться.
С учетом этого уровня техники было создано настоящее изобретение.
В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается устройство управления потоком жидкости в группе каналов для жидкости на микрожидкостном чипе, где указанное устройство содержит: два или более резисторов, установленных перед указанным чипом, при этом каждый резистор, установленный выше по потоку, сконфигурирован для обеспечения сопротивления на конце канала для жидкости выше по потоку; два или более резисторов, установленных после указанного чипа, при этом каждый резистор, установленный ниже по потоку, сконфигурирован для обеспечения сопротивления на конце канала для жидкости ниже по потоку, при этом величины сопротивлений выбраны для управления частью жидкости, которая протекает через каждый канал для жидкости.
Обеспечение двух или более резисторов, расположенных выше и ниже по потоку, в частности является полезным для приложения локального сопротивления на концы канала для жидкости выше и ниже по потоку, что позволяет изменять разность давлений вдоль канала для жидкости и осуществлять модификацию скорости потока жидкости через указанный канал. Более того, поскольку указанные резисторы установлены на указанном устройстве, а не на указанном чипе, тот же набор резисторов может быть использован с множеством чипов, когда указанные чипы последовательно размещены в указанном устройстве.
Размещение указанных резисторов внутри указанного устройства, а не интегрирование их на указанном чипе, обеспечивает существенные преимущества по сравнению с конфигурацией, предполагающей их размещение на чипе. Размещение резисторов вне чипа позволяет размещать внутри указанного устройства чипы с пониженными требованиями к технологическим допускам. Таким образом, вариабельность чипов будет с меньшей вероятности оказывать влияние на функционирование указанного устройства в целом, поскольку в указанном устройстве могут использоваться в течение периода его эксплуатации множество различных чипов, каждый из которых имеет немного отличную конфигурацию. Однако, указанные резисторы, расположенные вне чипа, будут постоянными и поэтому смена чипа будет оказывать меньшее влияние на калибровку указанного устройства в целом. Более того, указанные резисторы, размещенные вне чипа, могут иметь намного большие размеры, чем резисторы, которые могут легко размещаться на указанном чипе. В результате, влияние любого сопротивления на самом чипе будет незначительным по сравнению с внешними резисторами или резисторами, расположенными вне чипа.
Указанное устройство согласно настоящему изобретению оптимизировано для использования со сложной сетью каналов для жидкости, которая включает два или более впускных патрубка и два, или более выпускных патрубка. Каналы для жидкости внутри этой сети могут объединяться и разделяться в зависимости от необходимости. В то время как настоящее изобретение может осуществлять управление и обеспечивать баланс указанных потоков при любой конфигурации каналов для жидкостей, наиболее эффективным является его использование, когда существует по меньшей мере один участок в сети каналов, который имеет меньшее количество каналов для жидкости, чем количество впускных патрубков или выпускных патрубков.
В некоторых вариантах осуществления, указанное устройство дополнительно содержит соединительный блок (коллектор) для размещения указанного чипа и его взаимодействия с указанными резисторами.
Величины сопротивлений, обеспечиваемые указанными резисторами, расположенными как выше, так и ниже по течению, могут быть большими по сравнению с внутренними сопротивлениями указанных каналов для жидкости. Это приводит к тому, что указанные величины сопротивлений указанного канала сами по себе становятся независимыми от потока вдоль этого канала. Это приводит к тому, что при производстве не требуется очень жесткая система контроля допусков в отношении каналов для жидкости. В этом контексте, термин "большие" означает по меньшей мере в несколько раз больше или в десять раз больше, чем у внутренних сопротивлений. Например, указанные внешние резисторы могут быть в 3, 10, 20, 30, 50, 100 или даже в 1000 раз больше внутренних сопротивлений канала для жидкости.
В некоторых вариантах осуществления, количество резисторов, расположенных выше по потоку, превышает количество резисторов, расположенных ниже по потоку. В качестве альтернативы, количество резисторов, расположенных ниже по потоку, превышает количество резисторов, расположенных выше по потоку. В еще одном варианте осуществления, количество резисторов, расположенных выше по потоку, может быть равно количеству резисторов, расположенных ниже по потоку,.
Количество резисторов, расположенных выше и ниже по потоку, в указанных каналах для жидкости может обеспечивать точные и предсказуемые потоки жидкости. Указанные точные и предсказуемые потоки жидкости в указанных каналах для жидкости могут быть, в частности, полезными для осуществления и управления реакциями, такими как, например, химический или биологический синтез. Кроме того, комбинация резисторов, расположенных выше и ниже по потоку, может обеспечивать средство управления одним или более потоками жидкости в указанных каналах для жидкости.
В некоторых вариантах осуществления, может осуществляться варьирование потоков жидкости в диапазоне 0,1-10000 мкл/час с оптимальным управлением потоками жидкости в области 100 мкл/час. Эти потоки жидкости могут быть получены посредством приложения избыточного давления к набору впускных патрубков, отрицательного давления к набору выпускных патрубков или посредством комбинации избыточного и отрицательного давлений. Прикладываемые разницы давлений могут быть в диапазоне от 0 до 2000 кПа, или они могут превышать 50,100, 200, 1000 кПа. Прикладываемые разницы давлений могут быть менее 2000 кПа, 500 кПа, 200 кПа или 100 кПа.
Настоящее изобретение будет более подробное описано далее только посредством примеров со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
На Фиг. 1 изображено устройство в соответствии с настоящим изобретением, использующим чип с двумя впускными патрубками и двумя выпускными патрубками;
На Фиг. 2 изображено устройство в соответствии с настоящим изобретением, использующим чип с тремя впускными патрубками и двумя выпускными патрубками; и
На Фиг. 3 изображен обобщенный пример устройства в соответствии с настоящим изобретением, использующим чип общего вида.
Настоящее изобретение относится к сети резисторов, расположенных выше и ниже по потоку, для управления и балансировки одного или более потоков жидкости внутри микрожидкостного устройства.
Со ссылкой на Фиг. 1, в настоящем описании обеспечивается устройство 10 управления потоком жидкости в группе каналов для жидкости 23, 25 на чипе 20. Указанные потоки жидкости проходят через указанное устройство 10 в направлении, помеченном стрелкой F. В примере указанного устройства, проиллюстрированного на Фиг. 1, присутствует два резистора 12, расположенных выше по потоку. Каждый резистор 12, установленный выше по потоку, сконфигурирован для обеспечения сопротивления на конце соответствующего канала для жидкости 23, расположенном выше по потоку. Этот пример указанного устройства 10 также содержит два резистора 14, расположенных ниже по потоку, которые сконфигурированы для обеспечения сопротивления на конце соответствующего канала для жидкости 25, расположенном ниже по потоку. Величины сопротивлений выбраны для управления частью жидкости, которая протекает через каждый канал для жидкости.
Указанный чип 20, проиллюстрированный на Фиг. 1 сконфигурирован для объединения двух каналов для жидкости выше по потоку 23 в участке объединения 26. Указанный участок объединения 26 позволяет смешиваться жидкостям из двух каналов для жидкости выше по потоку 23. Указанная жидкость потом разделяется в участке разделения 27 для обеспечения потока жидкости в два канала для жидкости 25 ниже по потоку.
Величины сопротивлений, обеспечиваемые внешними резисторами 12, 14, расположенными выше и ниже по потоку, являются большими по сравнению с внутренними сопротивлениями каналов для жидкостей 23, 25, так что влияние указанных внутренних сопротивлений на поток жидкости вдоль каналов для жидкости существенно снижено / ослаблено. В результате, указанные расположенные вне чипа резисторы, расположенные выше и ниже по потоку, раскрытые в настоящем изобретении, могут быть использованы с микрожидкостными чипами с большими допустимыми отклонениями.
Если не указано иное, используемый в настоящем описании термин "допустимое отклонение" относится к ошибочному сопротивлению, например, в части канала для жидкости. Например, допустимое отклонение сопротивления может составлять 1,5,10,20,40 или 50%. Примером большого допустимого отклонения для чипа может быть отклонение в 5% или более. В противоположность этому, примером малого допустимого отклонения для сопротивления указанного чипа может быть отклонение в 5% или менее.
Указанные величины сопротивлений или резисторов могут иметь диапазон от 0,001 кПа/(мкл/час) до 100 кПа/(мкл/час).
Указанное устройство 10 дополнительно содержит соединительный блок 16, который сконфигурирован для размещения указанного чипа 20 с эффективным соединением с резисторами 12, расположенными выше по потоку, и резисторами 14, расположенными ниже по потоку. Указанный соединительный блок 16 содержит углубление в поверхности указанного устройства 10, которое имеет форму, подходящую для приема указанного чипа 20.
Резисторы могут иметь цилиндрического поперечное сечение, которое может иметь диаметр между 10 и 1000 мкм, или указанный диаметр может составлять 10, 100,250,500 или 750 мкм. Указанный диаметр резистора может быть менее 1000,750, 500 или 250,100 или 50 мкм. Примером резистора может быть капиллярный резистор. В качестве альтернативы, резисторы могут иметь прямоугольное сечение как после прокатывания или литья из ролика для прокатки.
В некоторых вариантах осуществления, указанные резисторы могут иметь длину от 1 до 1000 мм, или указанная длина может достигать 250, 500 или 750 мм. Указанные резисторы могут быть менее 1000, 750, 500, 250 или 100 мм в длину.
Комбинация резисторов, расположенных выше и ниже по потоку, сконфигурирована для управления и балансировки скорости потока в различных каналах для жидкости в указанном чипе 20. В некоторых вариантах осуществления, может обеспечиваться разница давления между впускными патрубками и выпускными патрубками используемого устройства, как правило от 0 кПа до 2000 кПа, вдоль каналов для жидкости для обеспечения скорости потока жидкости в диапазоне от 0,1 до 10000 мкл/час, например 100 мкл/час, вдоль каналов для жидкости. Комбинация резисторов, представленных выше по потоку, может быть использована для эффективного управления относительными потоками жидкости на верхних концах каналов для жидкости. Когда потоки жидкости проходят вдоль каналов для жидкости, тогда используется комбинация резисторов, расположенных ниже по потоку, для уравновешивания потоков жидкости на нижних концах каналов для жидкости. Комбинация резисторов, расположенных выше и ниже по потоку, используется для настройки общих потоков жидкости. Точные и предсказуемые потоки жидкости внутри микрожидкостного чипа могут быть особенно полезны для выполнения и контроля реакций, таких как химический или биологический синтез, или, например, для разделения и анализа компонентов в жидкости.
В настоящем изобретении может быть обеспечена группа каналов для жидкости 23, расположенных выше по потоку, и каналов для жидкости 25, расположенных ниже по потоку. Разделение каналов для жидкости в микрожидкостном чипе может быть обеспечено для разделения или анализа биологических компонентов, таких как белки или нуклеиновые кислоты, в указанных потоках жидкости. И наоборот, два или более каналов для жидкости могут быть объединены вместе, чтобы смешивать биологические или химические компоненты, или обеспечить вспомогательную жидкость для последующего разделения и анализа потоков жидкости.
Два резистора 12, расположенных выше по потоку, могут обеспечивать контролируемую скорость потока вдоль канала для жидкости. Затем поток жидкости временно объединяется и затем разделяется на два разных канала для жидкости ниже по течению. Относительные значения резистора 14, расположенного ниже по потоку, определяют пропорцию жидкости, которая течет в каждом из каналов для жидкости 25, расположенных ниже по потоку. Это может обеспечить воспроизводимость и стабильность потоков жидкости внутри микрожидкостного чипа, что может быть важным инструментом для анализа компонентов в потоке жидкости.
На Фиг. 2 показан другой пример того, как устройство 10 может быть сконфигурировано для управления тем, как каналы для жидкости 23, расположенные выше по потоку, и каналы для жидкости 25, расположенные ниже по потоку, объединяются на микрожидкостном чипе 20 в виде потоков жидкости, протекающих через устройство 10 в направлении, указанном стрелкой F. На Фиг. 2, указанный чип 20 снабжен тремя каналами для жидкости 23, расположенными выше по потоку, которые объединены вместе через два участка объединения 26, чтобы обеспечивать один канал для жидкости, который затем разделяется в участке разделения 27, чтобы обеспечить два последующих канала для жидкости 25. Эта конфигурация каналов для жидкости может быть использована для объединения двух реагентов и затем для обеспечения потока маркера из третьего входного патрубка. Объединенный поток затем может быть разделен, чтобы обеспечить два отдельных выходных потока. Указанное разделение эффективно контролируется значениями резистора 14, расположенного ниже по потоку.
1
2
n
1
2
m
На Фиг. 3 приведен общий вид указанного устройства 10, сконфигурированного для работы с универсальным чипом 20. В таком устройстве обеспечивается группа резисторов, расположенных выше по потоку, индивидуально обозначенных как R, R, …, R и обозначенная в общем виде как резисторы 12, расположенные выше по потоку, а также группа резисторов, расположенных ниже по потоку, индивидуально обозначенных как R', R', …, R' и обозначенная в общем виде как резисторы 14, расположенные ниже по потоку. Во время эксплуатации устройства потоки жидкости протекают через указанное устройство в направлении, указанном стрелкой F. Количество резисторов 12, 14, используемых в любой конкретной ситуации, будет определяться количеством каналов для жидкости, присутствующих в указанном чипе 20. Указанное устройство 10 будет снабжено максимальным количеством резисторов, которые могут быть применимы в приложениях, предусмотренных для указанного устройства 10. Например, входная и выходная группы могут включать 2, 3, 5, 10, 20 или даже 100 резисторов.
В некоторых решениях, не проиллюстрированных на прилагаемых чертежах, указанное устройство 10 может содержать набор соединений (коллектором), связывающих резисторы и указанную сеть каналов.
В принципе, следует иметь в виду, что количество каналов для жидкости, расположенных выше и ниже по потоку, внутри микрожидкостного чипа может существенно варьироваться с учетом предосторожности отсутствия замкнутых контуров. Указанные каналы для жидкости особенно полезны для работы с жидкостями, например, для объединения, смешивания и разделения потоков жидкостей. Сеть резисторов, расположенных выше и ниже по потоку, позволяет получать точные и контролируемые потоки жидкости в микрожидкостных чипах с невысокими допусками в отношении резисторов.
Кроме того, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что хотя настоящее изобретение было описано посредством примеров со ссылкой на несколько вариантов осуществления, оно не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления, и что альтернативные варианты осуществления могут быть созданы без выхода за рамки настоящего изобретения, охарактеризованного в прилагаемой формуле изобретения.