用於微流體系統的閥的製作方法

2023-12-09 13:20:31

專利名稱：用於微流體系統的閥的製作方法
技術領域：
本發明涉及微流體系統領域，特別是涉及用於分別打開和閉合微流體系統的通道 的閥。
背景技術：
特別是用於快速數字診斷試驗(RDT)的集成可攜式微生物系統需要獨立操作的 微型閥來針對複雜和並行的功能控制液體樣本的傳輸。然而，由於多層的製造步驟或對其 進行操作需要外部壓力源，所以常規的微型閥製造起來很麻煩。這種系統中的關鍵元件是集成的主動閥，其優選地可以在沒有外部泵的情況下致 動，從而實現了用於定點照護/需要試驗的可攜式生化系統。這種系統通常基於聚乙二醇 (PEG)或石蠟的熔化/結晶的熱膨脹/收縮。然而，在幾個切換循環之後，基於聚乙二醇 (PEG)的熔化/結晶的熱膨脹/收縮的微型閥的性能已經改變了，並且由於隨機和無關聯的 結晶、典型地沿著晶粒邊界形成空隙和裂縫以及PEG與襯底分層，再現性受到了限制。根據W02005/107947 Al，知道一種用於控制微流體設備中的流體流動的閥。該閥 包括在襯底上形成的室、加熱線圈以及室中包含的閥材料。當該閥要被閉合時，激活加熱線 圈以致使閥材料穿過頸部膨脹到室外並進入主通道，從而阻塞該通道。閥材料可以是能夠 通過加熱線圈而導致熔化的石蠟。在熔化時，熔化的石蠟流入主通道中，其在該主通道中冷 卻並凝固。然而，該閥將僅僅為一個單個事件工作，這是因為石蠟將不會回到室中。

發明內容
本發明的目的是提供這種用於微流體系統的閥，其能夠在長期使用期間被可靠地 致動。該目的是通過一種用於分別打開和閉合微流體系統的通道的閥而實現的，該閥包 括致動介質，其隨溫度變化而經受體積變化；以及加熱器裝置，用於在致動介質中產生與該致動介質相對於通道的距離有關的溫度 梯度；其中由於致動介質的膨脹或收縮，所述通道分別被閉合或打開。因此，本發明的重要特徵在於，閥包括能夠在致動介質中的至少一個方向上產生 溫度梯度的加熱器裝置。這意味著致動介質中的溫度根據距離要通過該閥來閉合的通道的 距離而變化。大體上，致動介質可以在與通道直接接觸的容器中提供，即該容器沒有相對通道 密封。然而，根據本發明的優選實施例，致動裝置在相對通道密封的介質容器中提供。因此 這可以確保，致動介質不會粘附到通道的壁上，並且因此可以從通道自動地移除以用於再 次打開閥。一般地，致動介質可以通過許多不同方式相對通道密封。然而，根據本發明的優選實施例，介質容器通過彈性膜來相對於通道進行密封。雖然遍及本說明書和權利要求使用 了術語「膜」，但是這並沒有暗示它必須是可滲透的。根據本發明另一優選實施例，膜所包括 的厚度為從等於或大於50 μ m到等於或小於500 μ m，優選地從等於或大於100 μ m到等於或 小於300μπι。而且，特別優選的是，膜包括聚二甲基矽氧烷(PDMS)或由其製成。而且，優選 的是，它對於含水流體是不可滲透的，並且對生物物種是惰性的。加熱器裝置可以通過不同的方式設計。然而，根據本發明的優選實施例，加熱器裝 置包括至少兩個加熱器，優選地包括超過兩個加熱器且最優選地包括四個或超過四個加熱 器。加熱器可以通過多種方式布置。特別地，也可以使用一個或多個局部加熱器與一個或 多個外部加熱器的組合。根據本發明的優選實施例，加熱器裝置的加熱器沿著介質容器布 置，優選地彼此橫向相鄰，並且與通道的距離逐步增加。特別地，加熱器的布置以及容器的 形式可以線性的或曲線的布置，其中後一種情況意味著容器不會遵從矩形形狀而是某種彎 曲形狀，並且/或者加熱器不是沿著直線而是沿著曲線布置。加熱器裝置的加熱器可以通過不同的方式來設計，特別地對於加熱器以及對於驅 動器和傳感器，可以使用LTPS。根據本發明的優選實施例，加熱器包括電阻性加熱器元件 (優選地如薄膜加熱器元件)。這提供了電子方式致動該閥的可能性。這樣，去除了用於閥 致動的外部壓力源的需要，這使得能夠實現例如用於照護點試驗的可攜式生化系統。一般地，對於閥來說，溫度傳感器或其它傳感器不是必需的。然而，根據本發明的 優選實施例，提供了至少一個溫度傳感器，優選地提供了多個溫度傳感器，以便特別地分別 用於檢測致動介質的溫度或溫度梯度。特別地針對這一點，根據本發明的優選實施例，提供 了一種優選地為閉合反饋迴路的反饋迴路，用於控制致動介質的溫度。特別地，這意味著， 加熱器裝置的加熱器可以根據由一個或多個溫度傳感器分別檢測到的溫度或溫度梯度來 激勵。另一個可能的反饋迴路是經由通道中的壓力傳感器。經由測量該壓力，調整致動介 質中的溫度，例如以實現恆定壓力或控制所述流動。根據本發明的優選實施例，閥通過布置在微流體系統的通道中的流量計來控制。 所述流動也可以通過測量流動相關屬性(如溫度、熱、傳導性、流過通道的粒子數量等)來 間接測量。而且，可以使用不同的致動介質。然而，根據本發明的優選實施例，提供這樣的致 動介質以使得當由於加熱器裝置的加熱而改變溫度時，其經受優選為可逆的相變(優選地 從固體到液體)。這意味著根據本發明的該優選實施例，當由於加熱器裝置不再加熱而引 起溫度下降時，將還會存在從液體到固體的可逆相變。典型地，這些相變也是從非結晶(液 體)到結晶(固體)的轉變，且反之亦然。其它相變為例如從液體到氣體的轉變(全氟化 碳)，且反之亦然。可以使用用於致動介質的相變的不同的溫度區域。根據本發明的優選實施例，致 動介質在從等於或大於30°C到等於或小於80°C，優選地從等於或大於40°C到等於或小於 70°C的範圍中經受相變。根據本發明的另一優選實施例，使用相變材料(PCM)作為致動介質。特別地，以下 材料是優選的聚乙二醇(PEG)、鹽氫化物、脂肪酸、酯、石蠟、十八烷和/或離子液體及其混 合物。優選地，可以使用這樣的材料，利用它們可以實現從10%到30%的體積變化。而且，將相變的轉變溫度調節到期望的溫度。用於調節轉變溫度的適合添加劑是例如三丙二 醇的寡聚物或者專用有機溶劑，其優選地不會穿過比如由PDMS製成的膜的彈性膜而蒸發/ 擴散。一般地，對於致動介質來說，僅僅需要一種材料。然而，根據本發明的優選實施例， 致動介質包括具有不同相變溫度，特別是具有不同熔化溫度和/或不同的比熱熱容量的至 少兩種材料，其中這兩種材料優選地彼此相鄰布置。這樣，可以進一步改進溫度梯度的創建 和良好受控的熔化/結晶前沿的形成。當從液體進入結晶態時，例如PEG的一些材料展現出長的結晶時間(由於不足的 成核位置形成)。晶體的成核和生長可以通過將成核部分(moiety)加入到致動介質來增 強。例如，當使用兩種類型的不同分子量(Mw)的PEG (Mw越大，熔化溫度越高)並且由加熱 器產生的溫度保持低於高Mw的PEG的Tm時，高Mw的PEG晶體充當低Mw的PEG的成核位 置的作用。上述目的進一步通過一種用於操作上述閥的方法來解決，該方法包括下述步驟以以下方式激勵加熱器裝置首先在致動介質的較接近通道的部分中產生較高的 溫度並且在致動介質的較遠離通道的部分中產生較低的溫度，並且隨後，在致動介質的較 遠離通道的部分中也產生較高的溫度，以便閉合閥以及/或者以以下方式激勵加熱器裝置首先在致動介質的較遠離通道的部分中產生較低的 溫度並且在致動介質的接近通道的部分中產生較高的溫度，並且隨後，在致動介質的較接 近通道的部分中也產生較低的溫度，以便打開所述閥。而且，同樣優選的是，當加熱器裝置包括多個加熱器並使用了彈性膜時，彈性膜的 鼓脹通過被激勵的加熱器的數量和/或在致動介質中由加熱器產生的溫度來調節。閥的差 壓能力也可以以此方式來調節，這是因為可以調節致動介質的體積膨脹。優選地在下面應用的一種或多種中使用一種包括上述閥的系統_用於分子診斷的微流體生物傳感器；-微流體生物傳感器的集成部分，其特別地用於預放大或放大、過濾、混合和/或 檢測；_對複雜生物化合物中蛋白質和核酸的檢測，其特別地用於現場試驗和/或用於 在集中式實驗室中診斷；-醫療診斷，特別是針對心臟病學、傳染病和/或腫瘤學的蛋白質診斷；-食物診斷；-環境診斷；以及_代謝物組學。-流控制


本發明的這些和其它方面將根據下面描述的實施例而變得清楚並被參照下面描 述的實施例予以闡明。在圖中
圖Ia示出穿過處於打開狀態下的、根據本發明的第一優選實施例的閥的示意性 橫截面，圖Ib示出穿過處於閉合狀態下的、根據本發明的第一優選實施例的閥的示意性 橫截面，圖2示出根據本發明的第二優選實施例的閥的示意性頂視圖，圖3a示出了說明閉合根據本發明的第二優選實施例的閥的示意性頂視圖序列，圖3b示出了說明打開根據本發明的第二優選實施例的閥的示意性頂視圖序列； 以及圖4示出根據本發明的第三優選實施例的閥的示意圖。
具體實施例方式從圖Ia和圖Ib中，可以在示意性側視圖中看到根據本發明的第一優選實施例的 閥。該閥包括容納如聚乙二醇的致動介質2的介質容器1。在由PDMS製成並且具有100 μ m 到300 μ m之間的厚度的彈性膜4的幫助下，介質容器1中的致動介質2相對於將通過閥分 別來閉合和打開的室3而密封。從圖Ia和Ib可以進一步看出，提供一種包含兩個加熱器6的加熱器裝置5。這裡 所示出的優選實施例的加熱器裝置5中的加熱器6被設計為薄膜加熱器元件，使得閥能夠 電子地受控。通過致動這些加熱器6，可以實現從固體/結晶到液體/非結晶的相變並且因 此實現體積膨脹，從而導致通過對加熱器裝置5的加熱器6進行加熱來閉合通道3以及當 加熱器6不再被致動時打開通道3的可能性。將參照圖2和圖3a、3b更詳細地闡述用於閉合和打開通道3的這種方法，這些圖 示出了根據本發明的第二優選實施例的閥。這些圖是這種閥的示意性頂視圖，其大體上設 計為圖la、b所示的閥，其中取代具有兩個加熱器6的加熱器裝置5的是，提供了 4個加熱 器6。這樣，甚至可以更精確地執行對致動介質2的加熱並因此控制該閥。圖2是根據本發明的第二優選實施例的閥的示意性頂視圖，其示出通道3包括具 有間隙7的區域。根據本發明的第二優選實施例的介質容器1的寬度大約為250 μ m,並且 其長度大約為1000 μ m。垂直於通道3且在間隙7之上開始，加熱器裝置5的加熱器6以彼 此相鄰的方式橫向提供，並且距離通道3的距離逐步增加。具有4個加熱器6的加熱器裝 置5沿著其中提供了致動介質2的介質容器1延伸。介質容器1在其一端在通道3的間隙 7之上延伸。如從圖3a可以看出，閉合閥按下述實現通過順序地從右到左尋址加熱器裝置5 中的加熱器6，在介質容器1中產生固體致動介質2的熔化前沿，這是因為致動介質2的溫 度上升超過固體/液體相變的變換溫度。由於致動介質2的熔化，其體積增加並且彈性膜 4鼓脹進入到通道3的間隙7中。隨著越來越多的致動介質2熔化，鼓脹增加，並且通道3 的間隙7最終完全被充滿，這意味著閥閉合通道3。為了再次打開通道3，如從圖3b可以看出，從介質容器1的左側開始，順序停止加 熱器裝置的加熱器6的加熱。這樣，致動介質2從左到右固化，並且因此致動介質2的體積 減少。結果，彈性膜4進入通道的間隙7的鼓脹減少並且通道3最終再次被打開。從圖4可以看出根據本發明的第三優選實施例的閥的示意圖。根據該實施例，除了致動介質2之外，還提供了第二致動介質9。致動介質2、8都是這樣的介質當由於加熱 而引起溫度改變時，其經受從固體到液體的可逆相變。而且，這些致動介質包括具有不同相 變溫度，即不同熔化溫度和不同比熱熱容量的兩種材料。從圖4可以看出，這兩種材料彼此 相鄰地布置，其中一種致動介質2位於更加遠離通道3的地方並且第二致動介質位於更靠 近通道3的地方。這樣，可以進一步改進溫度梯度的創建和良好受控的熔化/結晶前沿的 形成。此外，根據本發明的第三優選實施例，提供兩個溫度傳感器9用於檢測致動介質 2、8的溫度梯度。將來自溫度傳感器9的溫度信號饋送給控制加熱器6的加熱控制器10， 所述加熱器中的兩個被提供用於一種致動介質2，並且所述加熱器中的兩個被提供用於第 二致動介質8。因此，實現了閉合反饋迴路11以便控制致動介質2、8的溫度梯度。此外，根據本發明的第三優選實施例，在通道3中布置流量計12。該流量計12也 可以用於控制閥將流量計信號饋送給加熱控制器10，從而實現對加熱器6的控制，並且因 此實現有關通道3中的流動的、對致動介質2、8中的溫度梯度的控制。儘管在附圖和前面描述中詳細說明並描述了本發明，但是這種說明和描述被認為 是說明性的或示範性的而非限制性的；本發明不限於所公開的實施例。本領域技術人員在 實踐所述要求保護的本發明時通過研究附圖、公開內容和所附權利要求，就能夠理解和實 現對所公開的實施例的其它變形。在權利要求中，文字「包括」不排除其它元件或步驟，並 且不定冠詞「一」或「一個」不排除多個。在相互不同的從屬權利要求中敘述某些措施這個 起碼的事實並不表示這些措施的組合不能被有利地使用。權利要求中的任何參考符號不應 當被解釋為限制其範圍。
權利要求
1.一種用於分別打開和閉合微流體系統的通道⑶的閥，該閥包括 致動介質(2)，其隨溫度變化而經受體積變化；以及加熱器裝置(5)，用於在該致動介質中產生與該致動介質(2)相對該通道(3)的距離相 關的溫度梯度；其中由於該致動介質(2)的膨脹或收縮，該通道(3)分別被閉合或打開。
2.根據權利要求1的閥，其中該致動介質(2)在介質容器(1)中提供，該介質容器通過 彈性膜⑷而相對通道⑶密封。
3.根據權利要求1或2的閥，其中該加熱器裝置(5)包括至少兩個加熱器(6)，優選地 超過兩個加熱器(6)，且最優選地四個或超過四個加熱器(6)。
4.根據權利要求1至3中任一項的閥，其中提供至少一個溫度傳感器(9)，優選地提供 多個溫度傳感器(9)，以用於分別檢測該致動介質(2)的溫度或溫度梯度。
5.根據權利要求1至4中任一項的閥，其中提供了反饋迴路(11)，優選地提供了閉合 反饋迴路(11)，以用於控制該致動介質(2)的溫度。
6.根據權利要求1至5中任一項的閥，其中該閥由布置在該微流體系統的該通道(3) 中的流量計(12)控制。
7.根據權利要求1至6中任一項的閥，其中提供這樣的致動介質使得當由於該加熱 器裝置(5)的加熱而改變溫度時，經受優選地從固體到液體的優選為可逆的相變。
8.根據權利要求7的閥，其中該致動介質(2，8)包括具有不同相變溫度，特別是不同熔 化溫度和/或不同比熱熱容量的兩種材料，所述兩種材料優選地彼此相鄰布置。
9.一種用於操作根據權利要求1至8中任一項的閥的方法，該方法包括下述步驟以以下方式激勵該加熱器裝置(5)首先在該致動介質(2)的較接近該通道(3)的部 分中產生較高的溫度並且在該致動介質(2)的較遠離該通道(3)的部分中產生較低的溫 度，並且隨後，在該致動介質(2)的較遠離該通道(3)的部分中也產生較高的溫度，以便閉 合該閥以及/或者以以下方式激勵該加熱器裝置(5)首先在該致動介質(2)的較遠離該通道(3)的部 分中產生較低的溫度並且在該致動介質(2)的接近該通道(3)的部分中產生較高的溫度，並 且隨後，在該致動介質(2)的較接近該通道(3)的部分中也產生較低的溫度，以便打開該閥。
10.一種包括根據權利要求1至9中任一項的閥的系統，該系統被用在一種或多種下述 應用中-用於分子診斷的微流體生物傳感器；-微流體生物傳感器的集成部分，其特別地用於預放大或放大、過濾、混合和/或檢測； -在複雜生物化合物中對蛋白質和核酸的檢測，其特別地用於現場試驗和/或用於在 集中式實驗室中的診斷；-醫療診斷，特別是針對心臟病學、傳染病和/或腫瘤學的蛋白質診斷；-食物診斷；-環境診斷；-代謝物組學；以及-流控制。
全文摘要
本發明涉及一種用於分別打開和閉合微流體系統的通道(3)的閥。根據本發明，閥包括致動介質(2)，其隨溫度變化經受體積變化；和加熱器裝置(5)，用於在致動介質(2)中產生與致動介質(2)相對於通道(3)的距離相關的溫度梯度；其中由於致動介質(2)的膨脹或收縮，通道(3)分別被閉合或打開。當激勵加熱器裝置(5)以使得在離通道(3)較近的致動介質(2)中產生較高的溫度並且在離通道(3)較遠的致動介質(2)中產生較低的溫度時，閥可以被閉合，且反之亦然。因此，提供這種用於微流體系統的閥，其在長期使用期間可以被可靠地致動。
文檔編號F16K99/00GK102006936SQ200880117265
公開日2011年4月6日 申請日期2008年11月18日 優先權日2007年11月22日
發明者C·J·巴克豪斯, D·J·布羅爾, E·皮特斯, R·庫爾特, R·彭特曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司