CN102740975A - 微流体系统中的流体混合和递送 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于在微流体系统中混合和递送流体的系统及方法。在一些实施方案中，所述流体可以包含能参与一个或更多个化学或生物学反应的试剂。一些实施方案涉及使用一个或更多个排放阀以可控地流动和/或混合微流体系统中的流体部分的系统及方法。有利地，流体控制如流体流动次序和/或流速的改变，可通过打开或关闭一个或更多个排放阀和通过施加以基本上恒定的压力操作的单一流体流动源(如真空)来实现。这可简化预期用户对装置的操作和使用。

Description

微流体系统中的流体混合和递送

技术领域

一般性描述了用于在微流体系统中混合和递送流体的系统和方法。在一些情况下，所述流体包含可参与一种或更多种化学或生物反应的试剂。

背景技术

对流体的操作在诸如化学、微生物和生物化学等领域起重要作用。这些流体可以包括液体或气体并且可向化学或生物过程提供试剂、溶剂、反应物、或清洗剂。虽然有多种微流体方法和装置(如微流体测定)能够提供廉价的、灵敏的、以及精确的分析平台，但是流体操作——如多种流体的混合、样品引入、试剂的引入、试剂的储存、流体的分离、废弃物的收集、用于片外分析(off-chip analysis)的流体提取、以及将流体从一个片向另一个的转移——可增加成本和复杂度的水平。因此，本领域中能够在微流体系统中降低成本、简化应用、和/或提高流体操作的改进将是有益的。

发明内容

一般性描述了用于在微流体系统中混合和递送流体的系统和方法。在一些情况下，本发明的主题涉及：互相关联的产品、针对具体问题的替代解决方案、和/或一个或更多个系统和/或制品的多种不同用途。

在一组实施方案中，提供了一系列方法。在一个实施方案中，方法包括提供一种装置，所述装置包括：主通道；容纳第一流体的第一分支通道；容纳第二流体的第二分支通道，其中所述第一分支通道和第二分支通道在交叉处连接并且与所述主通道流体连接；和位于第一分支通道的一部分与主通道的一部分之间的排放阀。所述方法涉及致动排放阀，使得第一流体和第二流体基本上同时流进交叉处，并使至少部分第一流体和第二流体混合以产生混合流体。

在另一实施方案中，方法包括提供装置，所述装置包括：容纳第一流体的上游通道部分，容纳与所述第一流体不同的第二流体的下游通道部分，以及布置在所述上游通道部分和所述下游通道部分之间的排放阀。当所述第一通道部分和第二通道部分彼此流体连通时，在基本上不使所述第一流体流动的情况下使第二流体在下游通道部分中流动。所述方法还包括在第一流体流动以后使第二流体从上游通道部分向下游通道部分流动。

在另一组实施方案中，提供了一系列装置。在一个实施方案中，装置包括：入口、出口、与入口流体连通的上游通道部分、与出口流体连通的下游通道部分、以及位于下游通道部分和上游通道部分之间的排放阀。第一流体储存在上游通道部分和下游通道部分的至少之一中，并且所述装置是密封的并且被构造和布置成为在首次使用前使第一流体在所述装置中储存至少一个小时。

在另一实施方案中，所述装置包括入口、出口、在入口和出口之间的主通道、在入口和出口之间沿着主通道串行布置的第一排放阀和第二排放阀。

在结合附图考虑时，根据以下对本发明的多种非限制性实施方案的详细描述，本发明的其他优点和新颖特征会变得明显。在本发明的说明和通过引用而并入的文献之间存在矛盾或不一致的公开内容时，以本发明的说明为准。当两个或更多个通过引用而并入的文献彼此之间存在矛盾或不一致的公开内容时，以具有在后的有效日期的文献为准。

附图说明

将参考附图，以示例的方式来描述本发明的非限制性实施方案，所述附图是示意性的而且并不是意在按比例绘制。在附图中，所示出的每个相同或基本相同的部件通常用单一的附图标记表示。出于清楚的目的，没有将每个图中每个部件都标注出来，在示出对于能够使本领域的普通技术人员理解本发明不是必需的地方，也没有将本发明每个实施方案的每个部件都示出。附图中：

图1包括根据一组实施方案的包括有多个排放阀的装置的示意图；

图2A至图2F包括根据一组实施方案的可以在本文所述的装置中使用的排放阀的横截面示意图；

图3A至图3D包括根据一组实施方案的包括一个或更多个排放阀的通道的示例性示意图；

图4A至图4I包括根据一组实施方案的分支通道的示意图；

图5A至图5B包括根据一组实施方案的在装置通道中的流体塞(fluidplug)的示意图；

图6A至图6C包括根据一组实施方案的在装置通道中的流体塞的不同布置的示例性示意图；

图7包括根据一组实施方案的包括多个检测区域的装置的示例性示意图；和

图8包括根据一组实施方案的作为时间函数的混合流体累积体积的图。

具体实施方案

本说明书一般性公开了用于在微流体系统中混合和递送流体的系统及方法。在一些实施方案中，流体可以包括能够参与一或更多种化学或生物学反应的试剂。一些实施方案涉及使用使流体的部分在微流体系统中可控地的流动和/或混合的一个或多个排放阀的系统和方法。排放阀可以包括例如与流体位于其中的微流体通道流体连通的端口，并且可以通过在端口开口上方布置密封物或从端口开口去除掉密封物来致动。在一些实施方案中，密封物可以包括阀机构，例如可操作地与和端口流体连通的管相关联的机械阀。一般地，打开排放阀使端口能够用作排放口。当端口用作排放口时，位于排放阀一侧上的流体流动，而相对于第一流体位于排放阀另一侧上的流体保持静止。当阀关闭时，端口不再用作排放口，并且位于排放阀两侧的流体都可通过系统向出口流动。有利地，可通过开启或关闭一个或更多个排放阀和通过施加在基本上恒定的压力下操作的单一流体流动源(如真空)来实现流体控制如流体流动次序和/或流速的改变。这可以简化预期用户对装置的操作和使用。

可致动排放阀以控制微流体系统中流体的运动。例如，流体可以串行储存在通道中，并且在关闭沿着通道布置的排放阀后，流体可以顺序地朝通道的出口流动。在一些情况下，流体可以存储在单独的、交叉的通道中，并且在关闭排放阀后，流体会一起朝交叉点流动。该组实施方案例如可以用于在流体一起流动时使其可控地混合。例如，可通过排放阀致动的时间安排来控制递送的时间安排和所递送的流体体积。

有利地，上述排放阀可以在不收缩阀所操作的微流体通道的横截面情况下来操作，如在现有技术中的某些阀中可能出现的那样。这种操作模式可有效防止穿过阀的泄漏。而且，因为可使用排放阀，所以本文描述的一些系统和方法不需要使用某些内部阀，所述内部阀例如由于其高花费、制造复杂性、脆性、与混合的气体和液体系统的有限兼容性、和/或在微流体系统中的不稳定性而可能成为问题。通过使用外部阀如排放阀，采用宏观尺度的(而不是微观尺度的)机械特征，它们一般制造较为廉价并且在操作时更加稳健。此外，本文描述的外部阀对异质流体(如气/液组合)和包含气泡、液滴、和/或颗粒的流体作用良好。

在某些实施方案中，在本文描述的系统中使用的流体可储存在系统自身中。虽然外部阀可控制试剂递送的时间安排，但操作一些这样的系统不需要注入液体试剂。在不向流体源做出外部连接的情况下操作系统的能力可极大地简化操作。

本文所描述的制品和系统可廉价地生产，并且在一些情况下可以是一次性的。此外，在某些实施方案中，因为没有复杂的机械特征，所以可以快速地制造本文描述的制品和系统。这些优点使得能够测试和实施多种配置，这对于很多的化学和生物系统(如生物测定)可能都是合适的。下面更加详细地描述其他优点。

本文描述的系统和方法可以在多个领域中找到应用。在一些情况下，系统及方法可用于多个微流体系统如微流体即时现场护理(point-of-care)诊断平台、微流体实验室化学分析系统、细胞培养或生物反应器中的流体控制系统等当中控制流体的流动和混合。在一些期望廉价、稳健、一次性微流体装置的情况下，本文描述的制品、系统以及方法可能特别有用。本文描述的流体控制可用于进行任意合适的化学和/或生物学反应。作为一个特定实例，本文描述的流体控制可用于控制使用不稳定的反应前体的抗体测定中的试剂输送，例如在实施例部分中所描述的银溶液测定。

本文描述的制品、系统以及方法可与以下所描述的那些相结合：2004年12月20日提交的发明名称为“Assay Device and Method”的国际专利公开号WO2005/066613(国际专利申请序号PCT/US2004/043585)；2005年1月26日提交的发明名称为“Fluid Delivery System and Method”的国际专利公开号WO2005/072858(国际专利申请序号PCT/US2005/003514)；2006年4月19日提交的发明名称为“Fluidic Structures IncludingMeandering and Wide Channels”的国际专利公开号WO2006/113727(国际专利申请序号PCT/US06/14583)；2008年5月1日提交的发明名称为“Fluidic Connectors and Microfluidic Systems”的美国专利申请序号12/113,503；2008年8月22日提交的发明名称为“Liquid containment forintegrated assays”的美国专利申请序号12/196,392；2009年4月22日提交的发明名称为“Flow Control in Microfluidic Systems”的美国专利申请序号12/428,372；2008年12月18日提交的发明名称为“Reagent Storagein Microfluidic Systems and Related Articles and Methods”的美国专利申请序号61/138,726；以及2009年2月2日提交的发明名称为“Structures forControlling Light Interaction with Microfluidic Devices”的美国专利申请序号61/149,253；所述文献中的每一篇均以所有的目的通过引用全文并入本文。

下面描述包括排放阀和其他部件的一系列示例性装置。

图1包括根据一组实施方案的包括一个或更多个排放阀和一种或更多种流体的装置的示例性示意图。在图1所描述的这组实施方案中，装置10包括具有入口14、出口15、上游部分16、以及下游部分18的通道12。通道还可以容纳至少在上述上游通道部分和下游通道部分中的至少一部分中的流体，例如第一流体20。除了第一流体或代替第一流体，通道还可以容纳第二流体22。在储存多种流体的实施方案中，流体可以通过一个或更多个不可混溶的隔开流体塞(例如，隔开流体如气体(如空气)或油)来彼此隔开。在一些情况下，所述装置(包括任意入口、出口以及排放阀)被密封，并且被构造和布置成用于在预期用户首次使用装置前储存流体(如流体20和22中的任一者或两者)。

如图1示意性地示出的，第一流体20和第二流体22彼此不直接接触。例如，通道中的第一和第二流体可通过与第一和第二流体都不可混溶的第三流体21隔开。例如，在一组实施方案中，流体20和22可以都是被布置在它们之间的气体塞隔开的液体。在另一实施方案中，流体20和22是被与它们都不可混溶的第三液体隔开的液体。当使用多于两种的流体时，可以使用气体和液体的任意合适组合来隔开通道内的流体的多个部分。

装置10还可以包括布置在上游通道部分与下游通道部分之间的排放阀24。如在本文中所使用的，“排放阀”是指一种阀，其包括与通道流体连通的端口和可以操作为打开或关闭上述端口的结构，其中排放阀将通道内部暴露于通道内部的外部环境，或将通道内部相对于通道内部的外部环境密封。示例性的外部环境如可以包括周围环境(如空气)和容纳流体(如加压或未加压的气体)的储器。

图2A至图2F包括排放阀的示例性横截面的示意性示出。在图2A至图2B所示出的这组实施方案中，排放阀24A布置成靠近通道12，排放阀包括与通道流体连通的端口26A。此外，排放阀包括可以通过致动器30A来移动的密封物28A(例如盖)。在图2A中，打开排放阀，使得通道12经端口26A暴露于周围环境32。在图2B中，关闭排放阀，使得通道12经密封物28A与周围环境32隔离。如在图2C-图2D中的示意性实施方案中所示出的，排放阀24B包括为能够阻挡端口26B的开口的塞形式的密封物28B。在一些实施方案中，密封物28B可以是可变形的。

如在图2E-2F的示意性实施方案中所示出的，排放阀24C包括与限定允许流体流动的通道(如，微流体通道)的管33可操作地关联的阀机构31。管附接至板35，当所述板35压靠在微流体基底(如外表面27)上时，可形成不漏流体的密封物。密封物可以使用压缩的垫圈或O形环37，或下面更详细描述的任意其他合适的部件来形成。作为一个替代方案，管可以压入配合至端口中。如图2E至图2F所示，阀与端口26C流体连通。阀可通过致动阀机构31来打开或关闭。如图2E所示，当上述阀打开时，管33中的流体可自由穿过阀机构流动。在这些以及其他实施方案中，通道12在管的另一端暴露于环境39并且与其流体连通。如图2F所示，当阀关闭时，管33中的流体不再能自由流过阀机构；因此，通道12在管的另一端与环境39隔开并且不再与其流体连通。应当理解，环境39可以是任意合适的环境，包括周围环境(如管可以向空气开发)和容纳流体(如压缩空气或氮气的气体)的储器。

本领域普通技术人员能够选择待用于具体应用的合适致动机构和/或密封物。可与管或其他合适的排放阀部件可操作地关联的的阀机构的非限制性示例包括膜式阀、球阀、闸阀、蝶阀、截止阀、针阀、管夹阀、提升阀、或管夹阀。阀机构可通过任意合适的手段来致动，包括螺线管、马达、通过手、或通过液压\气压。此外，可使用任意合适的密封物。在一些实施方案中，密封物可以包括橡胶或其他弹性材料，这些材料在一些情况下可以选择为与系统中的一种或更多种流体相容。合适的密封物包括但不限于天然橡胶、热塑性塑料、合成橡胶(如含氟聚合物、氯丁橡胶、腈、聚硅氧烷、含氟聚硅氧烷等)，或这些物质的组合。在一些实施方案中，密封物可以附贴到或一体式形成在排放阀表面上。在一些情况下，密封物可以包括位于排放阀表面上的唇形结构(未示出)，其设计成与装置表面上的对应凹口啮合(或反之亦然)，使得当排放阀处于关闭位置时，唇形结构与凹口啮合以形成密封。

在一些情况下，可以电子致动一个或更多个排放阀。例如在一些实施方案中，传感器可以与能够响应系统内确定的信号来打开或关闭排放阀的致动器和/或微处理器可操作地关联。在一些情况下，排放阀可基于指定的时间安排来电子致动，例如，通过由微处理器执行的预设定程序指定的时间安排。应当理解，本文公开的任意合适的控制系统和技术可能可与其他没有具体地描述的控制系统组合提供，以提供其他或另外的功能性。

在一些情况下，排放阀可布置成使端口的位置靠近微流体通道的至少一部分(例如在其上方)。例如，在一些实施方案中，端口可以包括将通道内部与其中形成所述通道的装置的外表面27连接的开口，如图2A-图2B所示。尽管图2A-图2B示出了直接靠近外部表面27的端口的开口，但是在其他实施方案如图2C-图2D所示的实施方案中，端口的开口可通过中间通道29连接至通道内部。在一些实施方案中，通道形成在制品内，并且端口可以形成为沿着基本上在制品平面之外的方向延伸。例如，在一些实施方案中，端口可通过将孔钻进其中形成通道的基底的顶表面中来形成。在其他实施方案中，端口可以使用模腔中的销而模制到通过注入模制制造的基底中，例如如在实施例1中描述的。

上述排放阀可以用于控制通道系统内流体的运动。回到图1，可向出口92施加真空(出口15关闭，或在出口92关闭的情况下向15施加真空)，其可以将流体22沿着箭头52的方向推向出口。当阀24打开时，可以通过排放阀将流体从通道外环境中吸引到通道内部，并且进入通道中。例如，当外部环境中的流体为周围空气时，空气可以通过排放阀的开口进入通道内部。在一些情况下，这种来自外环境的流体与通道系统内的流体混合。例如在其中位于排放阀24处的流体21是气体的实施方案中，进入通道的周围空气可与流体21混合。

在一些情况下，如当排放阀的端口与周围空气流体连接时，流体21或靠近流体20的任意其他流体的流动阻力可小于流体20本身的流动阻力，并且在这些情况下，甚至当在流体20的下游施加真空源时，流体20也可以在通道内部基本保持静止。这可允许在流体20基本上不流动的情况下而使流体22流过通道的下游部分。当排放阀24关闭时，周围空气不能再通过排放阀吸进通道中，并且流体20沿着箭头52的方向输送穿过通道12。

在一些实施方案中，本文描述的装置包括多个排放阀。装置可以包括例如沿着主通道入口和出口之间的主通道串行布置的多个排放阀。例如，在图1中示出的这组实施方案包括任选的第二排放阀34，其位于入口14和出口15之间，并沿着通道12与阀24串行布置。

在一些情况下，装置可以包括一个或更多个分支通道，即在交叉点与装置的另外通道交叉的通道。例如，在一些实施方案中，装置包括包含第一支通道的第一上游部分和包含第二支通道的第二上游部分。在一些情况下，上述第一和第二支通道可以彼此交叉。此外，一个或更多个分支通道可与下游通道部分流体连接。在一些情况下，装置可包括与主通道流体连通的一个或更多个分支通道，它们中的任一个都可以容纳一种或更多种储存在其中的流体(如在首次使用前)。例如，在图1所示这组实施方案中，装置10任选包括从主通道12上分支的通道36和/或38。通道36和通道38在任选的排放阀34的位置处相交，并且与通道12的下游部分(如下游部分18)流体连接。在一些实施方案中，每个分支通道还可以包括分支通道。例如，在装置中可以包括从通道36分支的通道40、通道42、以及通道44中的任一个。此外，在一些情况下，在装置中可以包括从通道38分支的通道46、通道48、以及通道50中的任一个。任选地，一个或更多个排放阀可以与一个或更多个分支通道关联。下面更加详细地描述排放阀和通道的另外的布局以及与其有关的功能性。

在一组实施方案中，上游通道部分(如主通道的上游通道部分)可用作第一分支通道，并且装置还可包括第二分支通道，其中第一分支通道和第二分支通道在交叉处连接并与下游通道部分流体连接。在图1所示这组实施方案中，主通道12的上游部分16可以用作第一分支通道，而通道36和通道38中的任一个或两者可作为第二(或第三)分支通道。

本文描述的通道布局可用于在任意合适的配置中储存流体。分支通道中的任一个都可以容纳代替或除了可容纳在主通道内的流体之外的一种或更多种流体。例如，第一流体可以容纳在主通道中，第二流体可以容纳在第一分支通道中。在一些情况下，第三流体可以容纳在第二分支通道中，等等。例如，在图1所示这组实施方案中，上游部分16可以容纳任选的流体60，任选的分支通道36可以容纳任选的流体62，并且任选的分支通道38可以容纳任选的流体64。此外，任选的分支通道40、分支通道42以及分支通道44可以分别容纳任选的流体66、流体68以及流体70，并且任选的分支通道40、分支通道42以及分支通道44可以分别容纳任选的流体72、流体74以及流体76。在一些情况下，在首次使用前可以将一种或更多种这样的流体储存或密封在装置中。

排放阀可以布置在装置内的任意合适的位置。在一些情况下，排放阀布置在两种流体(如两种储存的流体)之间。例如，在图1所示这组实施方案中，排放阀24布置在第一流体20和第二流体24之间。作为另外的或替代方案，任选的排放阀34可布置在任选的第三流体60、和第一流体20和/或第二流体22之间。在一些情况下，排放阀布置在第一分支通道部分和主通道的一部分之间。例如，排放阀可布置在两个或更多个通道的交叉处，例如在分支通道和主通道的交叉处。例如，在图1中，任选的排放阀34布置在通道12和任选的通道36和通道38的交叉处。此外，任选的排放阀78布置在任选的通道40、通道42、通道44以及通道36的交叉处。在一些情况下，一个或更多个排放阀可以布置在分支通道的一部分处。例如，在图1中，分支通道46、分支通道48以及分支通道50分别包括排放阀80、排放阀82以及排放阀84，它们布置在分支通道的非交叉部分处。

还提供了输送和/或混合流体的方法。在一组实施方案中，方法包括：使一种或更多种流体流动，同时保持一种或更多种其他流体基本上静止。例如，在图1所示这组实施方案中，可向通道12施加压力梯度，如通过向出口(例如，在出口92关闭的情况下向出口15，或在出口15关闭的情况下向出口92)施加负压。当排放阀24处于打开位置时，压力梯度可使流体22沿着箭头52的方向流经通道12。如本文所描述，这可以在流体20基本上不流动的情况下发生。在一些实施方案中，周围空气(具有比通道12中的流体20更小的流体流动阻力)可通过排放阀24吸入，使得流体20基本上保持静止。在一些实施方案中，来自第一流体流动的部分的通道上游的部分的第二流体可以通过致动上游通道部分和下游通道部分之间的排放阀以使得所述阀关闭来进行输送。例如，在图1中，当排放阀24处于关闭位置并且上游的入口(如入口14)或排放阀(如排放阀34)打开时，压力梯度可以使得流体20沿着箭头52的方向流经通道12。

也可以使用本文描述的系统和方法来控制流体流动的时间安排。例如，在一些实施方案中，流体22和流体20可以基本上同时输送穿过通道12(例如，通过在关闭排放阀24后施加真空)。在另外的实施方案中，流体22和流体20可顺序地输送穿过通道12(如通过在关闭排放阀24前施加真空，从而输送流体22，然后关闭排放阀24来输送流体20)。通过关闭位于负压源和所希望的在通道内流动的流体之间的适当排放阀，这些方法通常可用于控制任意通道内的任意流体的流动。例如，如果期望输送任选流体62，则可以在出口15和排放阀24、排放阀34、排放阀94关闭(并且流体62上游的阀，如排放阀78保持打开)时向出口92施加负压。在一些情况下，这种输送在位于容纳在分支通道中的任意流体上游并包括入口或排放阀的其他分支通道如分支通道16和分支通道38处于关闭位置时，或者在不包括其他分支通道如分支通道16和分支通道38的装置中发生。使用这些或其他的方法，流体可以在特定的和预定的时间点、以特定的次序输送到流体系统中期望的位置(如反应位置)，以实施反应或其他流体过程。此外，本文描述的制品和方法可允许将第一组过程和第二组过程分开。例如，可将两种或更多种流体在一个或更多个反应区内混合的时间与样品在反应区孵育的时间分开，因为这些过程中的每一个都可以独立地控制。本文还提供了另外的优点和示例。

本发明还提供了将两种或更多种流体混合的方法。在一些情况下，混合过程可以涉及使用分支通道。在一些实施方案中，方法包括提供装置，所述装置具有：主通道、容纳第一流体的第一分支通道、以及容纳第二流体的第二分支通道，其中第一分支通道和第二分支通道在交叉处连接并且与主通道流体连接。在一些实施方案中，第一分支通道可以包括主通道的位于交叉处上游的部分。例如，在图1中示出的这组实施方案中，主通道可以包括通道12，而第一分支通道可以包括上游部分16(容纳流体60)，并且第二分支通道可以包括通道36(容纳流体62)。在一些情况下，第一分支通道和第二分支通道都偏离主通道的方向。例如，在图1中，主通道可以包括通道12，其中第一分支通道包括通道36(容纳流体62)，并且第二分支通道包括通道38(容纳流体64)。在一些实施方案中，装置可以包括布置在第一分支通道的一部分与主通道的一部分之间的排放阀。在一些情况下，排放阀可以布置在第一分支通道和第二分支通道的交叉处。例如，在图1中，排放阀34布置在通道12、通道38和通道36的交叉处。在一些实施方案中，排放阀可以布置在分支通道交叉处的上游。例如，在图1中，任选的排放阀94布置在通道36上，通道36和通道38交叉处的上游。在一些情况下中，装置可以包括布置在第二分支通道的一部分和主通道的一部分之间的排放阀。在图1中，排放阀34布置在第二分支通道38和主通道12之间。此外，任选的排放阀96布置在第二通道38的一部分和主通道12之间。

在一些实施方案中，混合的方法可以包括致动至少一个排放阀且同时在装置中两个开口(例如入口和出口)之间提供压力梯度，以使第一流体和第二流体流到两个或更多个通道的交叉处中。第一流体和第二流体流到交叉处中的流动可以基本上同时发生。在一些情况下，可使向交叉处输送的每种流体的至少一部分混合以产生混合的流体。可以致动单个排放阀以引起两种或更多种流体的流动。例如，在图1中，当排放阀34关闭(并且不存在任选的排放阀94和96)时，只要流体62、流体60和流体64中每一个上游的至少一个入口或排放阀打开，则流体62、流体60和流体64中的两种或更多种就可朝通道12、通道36和/或通道38的交叉处流动。作为另一实例，当任选的排放阀78关闭(假设在阀78和压力梯度源之间的其他排放阀也都关闭)，只要流体66、流体68、和流体70中每一个上游至少一个的入口或排放阀打开，则流体66、流体68、和流体70中的两种或更多种就可向通道40、通道42和/或通道44的交叉处输送。

在一些实施方案中，装置可以包括：主通道、容纳第一流体的第一分支通道、容纳第二流体的第二分支通道，其中第一分支通道和第二分支通道在交叉处连接并与主通道流体连接。第三流体可以任选提供在主通道中，例如其可在分支通道的下游处。排放阀可布置在第一分支通道的一部分与主通道的一部分之间(例如，在第一通道与第二通道的交叉处，或沿着主通道)。对系统的操作可以包括致动排放阀、使第一流体和第二流体基本上同时流进交叉处和使至少部分第一流体和第二流体混合以产生混合的流体。在一些实施方案中，在主通道中的第三流体可以在第一流体和第二流体基本上不流动的情况下在致动排放阀(或一系列排放阀)之前流动。在第三流体在主通道中流动后(例如，朝着反应位置或装置的其他部分)，可以致动布置在第一分支通道的一部分和主通道的一部分之间的排放阀以允许第一流体和第二流体流动，如以上描述的。在一些情况下，在主通道的出口处施加基本上恒定的真空，并且通过排放阀的致动的时间安排来实现第三流体、第二流体以及第一流体的流动的时间安排。在一些情况下，对系统的操作可以包括：在致动排放阀后等待预定的时间以允许预定量的混合(例如，使得并不是所有的第一和第二流体都允许被结合)，和然后打开排放阀以阻止分别位于第一分支通道和第二分支通道中的剩余的第一流体和第二流体流进主通道。相应地，预定的混合量的第一流体和第二流体可以通过这种进行时间安排的方法递送到主通道。

在一些实施方案中，致动多个排放阀以使两种或更多种流体朝通道交叉处流动。例如，在图1中，排放阀94和96可以都关闭(例如基本上同时关闭)，这可以使流体62和64朝通道36和38的交叉处流动(如基本上同时流动)。入口14(如果存在的话)也可保持关闭。流体可因压力梯度的存在而流动，所述压力梯度例如可通过在出口92处施加基本恒定的负压并保持流体和出口92之间的其他入口、出口或排放阀的关闭来形成。此外，可关闭排放阀80、82和84(基本上同时)以使流体72、74和76朝通道38的部分98流动(基本上同时)。在一些实施方案中，流体基本上同时到达共同区域(如交叉处、混合区等)。两种或更多种流体基本上同时朝共同区域的输送和/或递送可用于实现两种流体的有效混合，例如，通过使两种或更多种流体之间的共同表面面积最大化。此外，基本上同时将两种或更多种流体输送到共同区可以有助于输送基本上等体积的两种或更多种流体，如下面将要详细讨论的。这在需要精确体积流体的混合中很重要。在一些情况下，基本上同时将两种或更多种流体递送到共同区可有助于避免在混合流体和系统中的其他流体之间形成气泡，如以下将详细描述的。

在一些情况下，可以任选择装置的一个或更多个参数，以使得通过装置输送的两种或更多种流体基本上同时在装置的区域内彼此接触。例如，在一些情况下，选择至少两个通道(例如两个分支通道，分支通道和一个主通道等)的横截面积、待混合流体的粘度、待混合流体的相对体积、容纳待混合流体的通道的线性长度、所施加压力的量、以及从每一种流体到交叉点的距离，使得在向两个通道中的每一个施加相等的压力时，它们中的流体基本上同时流进交叉处或其他共同区域。

为了控制系统内的混合，控制系统中流体的流速可能是有用的。例如，如果一种流体(如图1中流体62)在另一种流体(如图1中流体60)之前到达共同区域(如排放阀)，则可能出现问题。在这些情况下，混合可能没有如预期那样发生。例如，在一些情况下，在第二流体(如流体60)之前到达排放阀34的第一流体(如流体62)可填充排放阀并有效捕获在排放阀和第二流体前端之间的隔开流体塞的气泡。在这种情况下，流体62的一部分将被分开并沿主通道向下流动而不与流体60混合。在一些实施方案中，这可以导致将反应区或其他分析区暴露于第一体积的未混合试剂(例如流体62中的试剂)，然后是隔开流体塞的一段，然后是基本上不可再现的流体60和流体62的混合物。在这种情况下，在反应区中发生的化学或生物反应可能是不可再现的。

在不希望受理论约束的情况下，发明人相信以下理论可用于更好地理解流速、通道尺寸以及在通道系统中流动的流体的粘度之间的关系。不可压缩的均匀粘性流体(如牛顿流体)在管中通过压力的层流可用泊肃叶定律描述，其表达如下：

$Q=\frac{\mathrm{\π}{R}^4}{8\mathrm{\η}}\·\frac{\mathrm{\ΔP}}{L}$ (方程1)

其中Q是体积流速(例如以m³/s计)，R是管的内径(m)，ΔP是管中的压强变化(Pa)，η是动态流体粘度(Pa·s)，并且L是管的长度(m)。为了将非圆形管归纳成任意的封闭通道，该方程可以表示为：

$Q=\frac{A{R}_H^2}{8\mathrm{\η}}\·\frac{\mathrm{\ΔP}}{L}$ (方程1b)

其中A是通道的横截面积并且R_H是水力半径，R_H＝2A/P，其中P为通道参数。对于圆形管，

对于具有宽度w和深度d的矩形通道，

当进行多种流体的受控混合时，重要的是考虑影响每种单独流体流动的因素。在设计为使ΔP，η，

和L相等的系统中，两种流体应当以类似的方式流动，并且应当可实现流体的可再现混合。当这些参数中的一个或一些针对流体而不同时，系统应该设计成消除这些不同。

在一些实施方案中，待混合的两种或更多种流体具有基本相同的体积。两种或更多种流体还可具有相似的粘度，并且可以布置在具有相似通道截面的通道中。在一些情况下，一种或更多种隔开流体塞在待混合流体前界面和流体将在其中混合的交叉处(例如，混合室)之间的体积对于两种试剂可以是类似的。当流体开始朝着交叉处移动时，这可帮助确保流体基本上同时到达交叉处。这些以及其他参数可以允许将将两种或更多种流体基本上同时递送到共同区域，因此得到可重复的混合。

在其中第一流体具有第一体积并且第二流体具有与第一体积不同的第二体积的一些实施方案中，较小体积流体的速度可相对于较大体积流体增加，原因是相对较小体积流体表现出相对较小的流体流动阻力(对于液体尺度如1/L的流动动力学阻力，L是流体段的长度；假定相同通道尺寸和粘度，较短的流体段将比较长的流体段流得更快)。由于其可以导致加入相对较大量的较小体积流体，所以相对于较大体积流体这可以导致与期望混合比的偏差。这种行为可以是自放大的，因为由于较小体积的流体移动较快，所以其体积不成比例地减小，导致了进一步的速度增加。为了克服这种可能的问题，可以选择通道的横截面，或可以选择待混合流体的粘度，使得在通道存在相等的流体流动阻力。例如，为了增加较小体积流体的流动阻力，可以将较小体积流体布置在具有比容纳有较大体积流体的横截面小的横截面的通道中以匹配较大体积流体的总阻力。作为另外的或替代方案，可以增加较小体积流体的粘度来增加其流体流动阻力以匹配较大体积流体的总阻力。

在一些情况下，可通过使用具有相对少量的表面粗糙度的通道来增强通道内流体的输送和/或混合。在每种液体储存位置和混合室之间的通道表面的不均匀性(如粗糙度变化、通道表面的瑕疵、通道表面的化学沉淀物等)可影响流体部分和分割流体塞(如液体块)之间的界面的前进。因此，在本文描述的一些实施方案中，通道表面具有相对低的表面粗糙度。通道表面可具有例如小于约5μm的均方根(RMS)表面粗糙度。在另外的实施方案中，RMS表面粗糙度可以小于约3μm、小于约1μm、小于约0.8μm、小于约0.5μm、小于约0.3μm、或小于约0.1μm。

向流体添加湿润剂也可以促进流体在通道中的可再现前进。湿润剂可以稳定流体和隔开流体塞之间的界面和/或降低通道表面上的不均匀性的影响。在一些实施方案中，湿润剂可以选为使其不与流体中的一种或更多种组分(例如试剂)不利地反应。合适湿润剂的实例包括但不限于非离子清洁剂(例如聚环氧乙烷衍生物如Tween 20和Triton，脂肪醇)、阴离子清洁剂(十二烷基硫酸钠以及具有较短或较长烷链的相关清洁剂如葵基硫酸钠或十八烷基硫酸钠，或者脂肪酸盐)、阳离子清洁剂(季铵阳离子如十六烷基三甲基溴化铵)、两性离子清洁剂(如十二烷基甜菜碱)和全氟清洁剂(例如，Capstone FS-10)。

作为另外的或替代方案，可以用有利于流体流动的抑制或增强的物质(例如，疏水试剂或亲水试剂)来处理通道的表面。

在一些实施方案中，可通过使用通道内流体相对快的流速来防止不可预知的流体行为。流速可依赖于以下因素：待输送流体的粘度、待输送流体的体积、容纳流体的通道的截面积和/或横截面形状、压力梯度、以及其他因素。在一些情况下，通道内的至少一种流体以至少约1mm/s、至少约5mm/s、至少约10mm/s、或至少约15mm/s、至少约25mm/s、或至少约100mm/s的线性流速输送。在一些实施方案中，线性流速可以为约1mm/s至约100mm/s、约5mm/s至约100mm/s、约10mm/s至约100mm/s、约15mm/s至约100mm/s、约1mm/s至约25mm/s、约5mm/s至约25mm/s、约10mm/s至约25mm/s、或约15mm/s至约25mm/s。不同的流速可根据装置中待输送流体和/或待实施过程而在不同时间点实现。例如，在一组实施方案中，可能期望在第一步骤期间样品相对较慢(例如0.5mm s^-1)地流过反应区，但在第二步骤期间两种流体以相对较高的流速(例如0.5mm s^-1)在混合区域中混合。本文描述的排放阀和其他制品以及方法可以任选地与在2009年4月22日提交的发明名称为“FlowControl in Microfluidic Systems”的美国专利序号12/428,372(其通过引用并入本文)中描述的系统和方法结合使用，以在装置的操作期间控制和实施这样的流速和流速变化。在装置中实施的程序的两个不同过程步骤期间所施加的两个线性流速具有例如大于1倍、5倍、10倍、15倍、20倍、25倍、30倍、40倍、或50倍的差异。例如，15mms^-1相对高的线性流速比0.5mm s^-1相对低的线性流速快30倍。在一些情况下，使用一个或更多个排放阀来实现这种流体控制，任选地，甚至在一个或更多个步骤期间基本上恒定地向装置施加压力源或减压源(例如，真空)时。

如本文所描述的，两个或更多个通道的交叉处可以包括混合区域。该区域可用于促进从多个通道向交叉处流动的多种流体的混合。在一些实施方案中，混合区可以具有比在混合区交叉的第一或第二(或第三通道、第四通道等)通道(例如分支通道)的横截面积大的横截面积。例如，混合区域可具有为与混合区交叉的最大通道平均横截面积的至少1.2倍、至少1.5倍、至少1.7倍、至少2倍、至少3倍、或至少5倍的平均横截面积。交叉处的包括相对大的体积的混合室可以有助于例如补偿两种或更多种流体到达两个或更多个通道交叉处的时间偏差。

然而，在另外一些实施方案中，在本文所描述的装置中存在相对较小的混合区。例如，混合区可具有与混合区交叉的最大通道平均横截面积相比小于5倍、小于3倍、小于2倍、小于1.7倍、小于1.5倍、或小于1.2倍的平均横截面积。在一些情况下，混合区具有和与混合区交叉的最大通道平均横截面积基本相同的平均横截面积。

在一些情况下，混合区可以包括排放阀。例如，排放阀的端口可提供多种流体在其中混合的体积。在一些实施方案中，部件(例如通道、排放阀部件(例如端口)、混合区等)的横截面积、长度、或其他参数可以择为使得在使两种或更多种流体在部件内流动之后实现期望的混合结果。例如，在一些实施方案中，排放阀(例如排放阀的端口、或排放阀的连接主通道与排放阀开口的中间通道)的体积可以选择为使得在两种或更多种流体在排放阀中的停留时间内可以实现两种或更多种流体的完全混合。排放阀的体积(包括任意中间通道)可以为例如小于约50μL、小于约20μL、小于约10μL、小于约5μL、小于约3μL、小于约1μL、小于约0.1μL、小于约0.01μL、小于约10nL、或小于约1nL。其他体积是也可以的。

在层流环境(其对于大多数微流体系统而言很普遍)中，试剂的混合大多数依赖于扩散。在这种情况下，试剂之间的混合随试剂沿着通道一起流动而逐渐增加。在这些情况下，主通道(例如在混合发生的排放口与使用混合试剂的点(如反应区)之间)的长度可以选择为使得在两种或更多种流体在通道中的停留时间内可以实现两种或更多种流体的完全或充分混合。

还可以通过增加待结合流体在通道中的停留时间来提高基于扩散的混合。在一些情况下，可向系统增加孵育步骤。例如，在出口92处施加基本恒定的真空并且在排放阀34上游具有待结合的两种流体的系统(排放阀34、24和15关闭)中，这些流体可通过打开排放阀15(或任选地打开排放阀24)而在通道12中孵育。通过打开排放阀15(或24)，空气将会优先通过排放阀15(或24)朝出口92吸入，由此允许流体保持在通道12中的适当位置。在充分孵育后，可关闭排放阀15(或24)，由此使流体流进反应区86中。有利地，如在这些或其他实施方案中所述的，可实现对流体流动的控制，甚至在向装置施加基本上恒定的真空或其他流体流动源时。

在一些实施方案中，在全部体积的流体流到交叉处或混合区之前，可以截断一种或更多种流体向交叉处或其他适当混合区中的流动。这可以通过例如当流体的部分处于排放阀相反侧上的通道中时打开排放阀来实现。例如，流体的第一部分可以位于底下通道的第一通道部分中，而流体的第二部分可以位于底下通道的第二通道部分中，第一通道部分与第二通道部分位于排放阀的相反侧上。当排放阀打开且同时流体在其端口下方时，如果在外部环境中流体的流体流动阻力小于排放阀下方剩余的流体部分的流体流动阻力，则从外部环境向通道内部的流体(如环境空气)可以通过端口输送并进入通道内部。例如，通过向通道引入一段空气，可以将容纳在通道中的流体分成由气体段隔开的第一和第二部分。

图3A-3D包括可通过致动排放阀切断流体流动的方法的示意图。在图3A-3D所示这组实施方案中，通道100包括入口102、出口104、和排放阀106。此外，通道100含有流体108。在图3A-3D中流体流动的方向用箭头表示。在图3A中，排放阀106打开，当向出口104施加负压时，使外部流体经排放阀106流进通道中。在图3B中，排放阀106关闭而入口102打开，使流体108穿过通道100朝出口104流动。在图3C中，在流体108完全通过排放阀106之前打开排放阀106，使外部流体穿过排放阀的端口并进入通道中，将段110和流体108隔开。重复该过程可从最初的单流体产生多个流体段。例如，在图3D中，通过关闭和打开排放阀106四次，已经从流体108产生了流体段110、111、112和113。这些方法可用于产生具有待选长度、体积、或其他适当性质的一个或更多个流体部分。

在一些情况下，相比于单流体段的情况，从单流体段产生一系列流体段或部分可提高流体中两种或更多种组分的混合。例如，如可在分段的流动中观察到的，已知流体段中的组分(例如颗粒、试剂或其他实体)在段的线性流动期间在段内经历再循环。在一些实施方案中，容纳两种或更多种待混合组分的流体可穿过排放阀下方，并且可以打开和关闭排放阀以产生多个流体部分，例如以提高每个流体部分中两种或更多种组分的混合。该特征在其中不存在湍流的系统(例如在许多微流体系统)中可特别有利。

打开和关闭排放阀以产生分隔的流体部分在混合情况以外也可有用。已经显示在特定的情况下，单试剂的多塞比单个长塞更为优选，所述情况例如为在2005年1月26日提交的发明名称为“Fluid Delivery System andMethod”的国际专利申请公开号WO2005/072858(国际专利申请序号PCT/US2005/003514)的国际专利(其以所有目的通过引用并入本文)中描述的那些。作为一个特定实例，在一些实施方案中，相比与单个较长的流体部分，多个清洗流体部分可以提供更好的表面清洗或冲洗。

在一些情况下，可以使用将单个流体部分分成两个或更多个流体部分来产生用于在混合区域或其他区域内混合的合适流体体积。例如，在一些情况下，第一分支通道可包括第一流体，并且第二分支通道可包括具有显著比第一流体大的体积的第二流体。第一和第二流体可向第一分支通道和/或第二分支通道和主通道交叉处流动。在一些实施方案中，在使整个体积的第一流体和/或第二流体通过交叉处之前，可以打开第一分支通道或第二分支通道中的至少一个排放阀，使得将第一流体和/或第二流体分成第一段和第二段。在另外的实施方案中，在使整个体积的第一流体和/或第二流体通过交叉处之前，可打开第二分支通道中的至少一个排放阀，使得将第二流体分成较小的段(例如，以匹配第一流体的体积)。可以只将第二流体段之一递送到交叉处以与第一流体的部分或全部结合。在一些情况下，这些以及其他方法可允许将相等或其他合适体积的第一流体和第二流体递送到主通道、混合区域、反应区域或任意其它合适的目的地(例如，当第一和第二流体基本上被同时递送到共同区域时)。因此，在一些实施方案中，第一流体的一部分(而不是全部)和/或第二流体的一部分(而不是全部)结合到一起以形成用于或递送到合适目的地的混合流体。

在图4A-4B中示意性的描述了用于向共同区域(例如两个或更多个通道的交叉处)递送基本上相同体积的多种流体的方法的一个实例。在图4A中，主通道200包括出口202，并在排放阀208处与分支通道204和206流体连接。分支通道204包括入口210并容纳流体212，而分支通道206包括入口214并容纳流体216。在图4A中，流体212的体积基本上比流体216的体积更小。在图4A中，排放阀208打开，从而在向出口施加负压之后允许外部流体流过排放阀和主通道200(如箭头所示)。在图4B中，排放阀208关闭，而入口210和214打开，从而在施加负压之后使流体212和216朝出口202流动。在这一组实施方案中，流体的粘度和通道204和206横截面尺寸选择为使流体212和216基本上同时在通道204和206的交叉处彼此接触。在图4C中，在流体212和216完全通过通道204和206的交叉处之前打开排放阀208，从而产生容纳基本上相等部分的流体212和流体216的混合流体段218.

在一些实施方案中，可通过以任意次数打开和关闭排放阀208来产生混合流体的多个部分。例如，当流体212和216没有同时在分支通道交叉处初始彼此接触时，这些实施方案可能有用。在一些这样的情况下，混合流体的第一部分可包含比第二流体多的第一流体，而后续的混合流体部分可包含基本上相同量的第一流体和第二流体。在一些情况下，混合流体的第一部分对于下游过程没有用，因此可以将其从装置的主通道或其他区域递送走。例如，可将不想要的混合液的第一部分导向通往废弃物收集区的分支通道。流体流动可任选通过使用一个或更多个阀(例如外部阀)结合本文描述的方法来控制。然后可将混合液的一个或更多个后续部分(其对下游过程可能有用)递送到装置的主通道或其他区域(例如反应区)。

在图4D-4I显示了一种用于递送混合流体(或任意其它流体)的一部分的方法。如在图4D-4I中示出的实施方案所示的，包括具有出口220的分支通道215。该出口可与真空源可操作地关联，所述真空源与出口202可操作地关联。例如，管(未示出)可以将每个出口和真空源连接。在一些情况下，阀机构(未示出)与管可操作地关联。每个出口都配有单独的控制阀。为了使流体212和216结合以形成混合流体，在出口202打开而出口220关闭(图4D)的情况下运行系统。关闭排放阀208(图4E)以开始混合，然后打开排放阀208以只将流体218的第一部分递送到主通道220(图4F)中。在混合部分在主通道中之后，致动与出口可操作地关联的阀机构(没有显示)以终止真空和出口202之间的流体连通，而允许真空和出口220之间的流体连通(图4G)。由于此时真空在出口220处运行，所以可将流体218从主通道递送到分支通道215(图4H)中。然后可致动与出口可操作地关联的阀机构以允许真空和出口202间的流体连通，同时终止真空和出口220间的流体连通(图4I)。

将单个流体部分分离成两个或更多个流体部分可以提供除混合流体和产生流体段外的其他优点。例如，在一些情况下，当流体的后缘到达排放阀时，液体的轻微爆裂可朝排放阀(如朝排放阀中的端口、朝与排放阀关联的致动器等)喷射。在一些情况下，喷射的流体可干扰外部阀机构。虽然在一些情况下这对排放阀的功能没有立即的影响，但是其可能随时间导致性能的降低，例如流体组分(例如化学品)对排放阀的污染。在重复使用所述机构(例如进行多个试验)时，这种污染可改变外部阀机构的正常功能。本发明人已经在本发明的上下文中发现，在一些实施方案中，通过在所有流体通过阀下方的通道之前打开排放阀(例如，以形成多个流体段)，几乎没有或没有后缘到达排放阀，也没有流体喷射发生。

在一些实施方案中，可使用本文公开的系统、装置、以及方法来进行一个或更多个化学和/或生物反应。本文描述的装置可以包括可用于这些以及其他目的(例如血液样品分析)的另外的部件。在一些情况下，装置可以包括反应区，所述反应区可以位于例如主通道的下游。图1中示出的这一组实施方案包括主通道12下游的任选反应区86。反应区可以与主通道的出口(如图1的出口15)流体连接。反应区可以用作如化学和/或生物反应可在其中发生的空间。在一些实施方案中，试剂和/或催化剂可以布置在反应区内(如固定在反应区的壁上)。例如，在一些实施方案中，可以将结合配体(binding partner)布置在反应区(例如在表面上，或包含在反应区中的实体之上或之中)。可以用在本文所描述装置中的示例性反应区提供在2006年4月19日提交的发明名称为“Fluidic StructuresIncluding Meandering and Wide Channels”的国际专利公开号WO2006/113727(国际专利申请序号PCT/US06/14583)；2008年5月1日提交的发明名称为“Fluidic Connectors and Microfluidic Systems”的美国专利申请序号12/113,503；2008年8月22日提交的发明名称为“Liquidcontainment for integrated assays”的美国专利申请序号12/196,392中；它们都通过引用并入本文。

此外，在一些实施方案中，可以包括例如位于反应区下游的流体废弃物室。流体废弃物室可以用于例如提供其中可容纳已用流体的体积，使得它们在装置操作期间不流进负压源(例如真空)中。例如，图1示出的这组实施方案包括废弃物室88，废弃物室88在流体从反应区86流出之后保持流体。可以用在本文所描述装置中的示例性废弃物容纳区域提供在2008年8月22日提交的发明名称为“Liquid containment for integratedassays”的美国专利申请序号12/196,392中；其通过引用并入本文。

在图1所示的这组实施方案中，可以在例如出口15、点90和出口92中任一处施加负压。例如，在一些情况下，图1中的流体22可以包含样品(例如血液样品)。样品可以通过多种方法引入系统中。可以用于本文所描述装置的用于样品引入的示例性方法和制品提供在2008年5月1日提交的发明名称为“Fluidic Connectors and Microfluidic Systems”的美国专利申请序号12/113,503；2008年8月22日提交的发明名称为“Liquidcontainment for integrated assays”的美国专利申请序号12/196,392中；其通过引用并入本文。样品可以首先流进反应区86，然后流进废弃物容纳区88。反应区可以已经与能检测反应区内组分性质的检测器相关联。在一些情况下，样品穿过反应区可允许样品的一种或更多种组分(例如试剂)与反应区内的一种或更多种组分(例如抗体)之间的相互作用(例如结合)。在一些实施方案中，反应区的组分在首次使用前可以是储存在反应区中的干燥试剂的形式。这种相互作用可以形成产物如结合对复合物。在一些情况下，这种相互作用单独产生待通过与微流体系统关联的检测器检测的信号。在另一些情况下，为了得到待通过检测器检测的准确信号，用一种或更多种试剂处理产物。例如，流体可以包含与样品的抗原相互作用的经标记的抗体。这种相互作用可允许标记产物或放大来自产物的信号。

在一些实施方案中，将样品和/或试剂在反应区孵育一段时间。当采用异质亲和反应时，例如，样品中的物质将结合至固定在反应区表面上的捕获探针。充足的孵育时间可以通过例如控制样品流过反应区所需的时间来获得。从排放阀到真空源的系统流速可以取决于系统中具有最高相对粘度的流体穿过最小横截面积的通道的流速(例如作为流速瓶颈)。在一些实施方案中，一种或更多种系统性质可以选择为使得能够实现流体(例如样品)在反应区中的期望停留时间。可以调节参数以实现停留时间的控制，所述参数的实例包括但不限于：样品自身的体积，其可由样品的可得性决定(例如用于使用指尖采血(fingerpick)的测定的血液液滴的体积)，或根据用户的方便决定；样品的粘度；向系统出口施加的压力差(Δp)(用于施加负压)或向系统入口施加的压力差(用于施加正压)；以及流速瓶颈的几何形状(例如横截面积、长度等)和位置的改变。在一些实施方案中，系统参数可以选择为使得两种或更多种流体在系统的一个或更多个混合区(如排放阀)中的混合的时间与样品在反应区中的孵育时间相互独立。

在一些情况下，系统参数可以选择为使得两种或更多种流体可以混合之后在预定的时间段内接触反应区。例如，在一些实施方案中，混合流体可以在使混合流体中的两种或更多种流体混合后的10分钟内接触反应区。例如，当混合流体中的一种或更多种组分在相对短的时间内分解和/或丧失其效力时，这样的实施方案是有用的。作为一个特定实例，在一些实施方案中，可以将银盐溶液与还原剂混合以产生可以在混合后的10分钟内有效利用的活性银溶液。多种还原剂已经由摄影行业开发并可以用在本文描述的实施方案中。一些最常用还原剂包括：对苯二酚、氯对苯二酚、邻苯三酚、甲氨基酚、4-氨基苯酚和菲尼酮。

可以看出，具有独立于样品孵育时间的混合条件和时间安排是有用的(使得较长的孵育不导致较长的混合时间)。本文描述的排放阀和方法的优点变得明显。在一些情况下，流体系统的某些组件如反应区通道的尺寸、引导流体流动所施加的压力等可以设计用于提供在反应区中所需要的任意样品孵育时间，并且试剂的混合时间通过一个或更多个排放阀控制。

应当理解，多种流体可以与本文描述的装置关联使用(例如设置、流动、储存)。在一些实施方案中，一种或更多种流体可以包括待分析的样品。例如，在一些情况下，流体可以包括全血。在一些情况下，流体可以包括试剂(例如抗体流体)、清洗流体或任意其他合适的流体。在一些情况下，流体可以包括金属溶液。例如流体可以包括可形成胶体悬浮体的金属颗粒(银、金等)悬浮体。在一些情况下，流体可以包括还原剂，例如对苯二酚。在一些实施方案中，一种或更多种流体可以是化学或生物测定的一部分。

通道中的每一种流体都可以具有基本相似或不同的化学性质。例如，在一些实施方案中，在通道中的第一流体可以包含待分析的样品(例如血液)而第二流体包含清洗溶液，所述冲洗溶液例如可以用于准备下游部分以供第三流体通过。在一些实施方案中，第一流体包含用于化学和/或生物反应的第一试剂，并且第二流体包含用于化学和/或生物反应的与第一试剂不同的第二试剂。

此外，通道中的每一种流体可以具有基本相似或不同的物理性质。例如，在一些实施方案中，通道中的第一和第二流体具有基本上不同的粘度。在向通道施加压力之后，粘度的不同可以导致流速的不同。

如本文指出的，在一些实施方案中，在首次使用装置之前和/或将样品引入装置中之前，本文所描述的微流体系统包含储存试剂。储存试剂的使用可以简化用户对微流体系统的使用，因为其使用户为操作装置而必须进行的步骤的数目最小化。这种简化可以允许未经训练的用户(例如，即时现场护理场所中的那些)使用本文描述的微流体系统。微流体系统中的储存试剂对于设计为进行免疫测定的装置特别有用。

如本文所使用的，“在首次使用本装置前”指装置商业销售后到预期用户首次使用装置前的时间。首次使用可以包括需要用户操作装置的任意步骤。例如，首次使用可以涉及一个或更多个步骤，例如刺穿封闭的入口以将试剂引入装置中、连接两个或更多个通道以在通道间产生流体连通、样品分析之前装置的准备工作(例如向装置中装入试剂)、向装备中装入样品、装备区中样品的准备、进行样品的反应、检测样品等。在上下文中，首次使用并不包括制造或装置制造者实施的其它准备或装量控制步骤。本领域的普通技术人员清楚在该上下文中首次使用的含义，并将能够容易地确定本发明装置已经或还没有经历首次使用。在一组实施方案中，本发明的装置在首次使用后可以丢弃，并且这在这种装置首次使用时尤其明显，因为在首次使用后使用该装置通常是不合实际的。

试剂可以以流体和/或干燥形式储存和/或设置在装置中，储存/设置的方法可以取决于具体的应用。例如，试剂可以作为液体、气体、凝胶、多个颗粒、或膜的形式储存和/或设置。试剂可以布置在装置任意合适部分中，其包括但不限于通道中、储器中、表面上以及膜中或膜上，其可以任选为试剂储存区的一部分。试剂可以以任意合适的方式与微流体系统(或系统部件)关联。例如，试剂可以交联(例如，共价地或离子地)、吸收、吸附(物理吸附)到微流体系统内的表面上。在一个具体的实施方案中，通道的全部或一部分(例如流体连接器的流体路径或装置基底的通道)涂有阻凝剂(例如肝磷脂)。在一些情况下，在首次使用之前和/或向装置中引入样品前将液体容纳在装置的通道或储器中。

在一些实施方案中，干试剂储存在微流体装置的第一段中并且湿试剂储存在微流体装置的第二段中。作为一个替代方案，装置的两个分开的段都可以包含干试剂和/或湿试剂两者。在一些情况下，第一和第二段在首次使用之前和/或向装置中引入样品之前可以相互流体连通。在另一些情况下，所述段在首次使用之前和/或首次向装置重引入样品之前不相互流体连通。在首次使用期间，储存试剂可以从装置的一段到达另一段。例如，在第一和第二段经流体路径(例如流体连接器，如在2008年5月1日提交的发明名称为“Fluidic Connectors and Microfluidic Systems”的美国专利申请序号12/113,503；2008年8月22日提交的发明名称为“Liquidcontainment for integrated assays”的美国专利申请序号12/196,392中更详细描述的；它们都通过引用并入本文)连接之后，为流体形式的储存试剂可以从装置的第一段到达第二段。在另一些情况下，利用流体使作为干燥物质储存的试剂水合，然后经第一和第二段的连接而从第一段到达第二段。在又一些情况下，利用流体使作为干燥物质储存的试剂水合，但不经第一和第二段的连接从第一段到达第二段。

通过在试剂储存区中的每种试剂之间保持不可混溶的流体(隔开流体)，可以从试剂储存区顺序递送储存流体且同时避免任意的储存流体之间接触。可以向反应区施加隔开储存试剂的任意不可混溶流体而不改变反应区的条件。例如，如果在反应区的一个检测区发生了抗体-抗原结合，则可以向该位置提供空气，而对已经发生的结合具有最小的影响或没有影响。

如本文所描述的，在微流体系统中储存试剂可允许以特定顺序分配试剂以用于下游过程(例如放大反应区中的信号)。在期望暴露于试剂特定的时间的情况下，微流体系统中每一种流体的量可以与试剂暴露于下游反应区的时间量成比例。例如，如果第一种试剂的期望暴露时间为第二种试剂的期望暴露时间的两倍，则通道中第一试剂的体积可以是通道中第二试剂体积的两倍。如果在使试剂从通道向反应区流动中施加基本上恒定的压力差或流体流动源，并且如果流体的粘度相同或相似，则每一种流体在特定点(例如反应区)处的暴露时间与流体的相对体积成比例。也可以改变诸如通道几何形状、压力或粘度的因素以改变来自通道的特定流体的流速。用户也可以利用本文描述的排放阀和其他制品以及方法在储存后(例如首次使用时)对储存流体进行操作。

此外，这种按顺序储存试剂、尤其是放大试剂的策略可适于多种化学过程。例如，可以使用产生光信号(例如吸光率、荧光、化学发光或闪光、电化学发光)、电信号(例如电阻、通过无电过程产生的金属结构的导电性或阻抗)、或磁信号(例如磁珠)的多种放大化学过程来允许检测者检测信号。

试剂可以以不同的时间量储存在微流体系统中。例如，试剂可以储存长于1小时、长于6小时、长于12小时、长于1天、长于1星期、长于1个月、长于3个月、长于6个月、长于1年、或长于2年。任选地，微流体系统可以用合适的方式处理以延长储存。例如，可以将其中包含储存试剂的微流体系统真空密封、储存在黑暗环境中、和/或低温储存(例如在2℃至8℃或低于0℃的条件下冷藏)。储存的长度取决于一个或更多个因素如所用的具体试剂、储存试剂的形式(湿的或干的)、用于形成基底和覆盖层的尺寸和材料、粘附基底和覆盖层的方法、以及整体处理或储存装置的方式。

在一些实施方案中，任意的入口、出口、和/或排放阀在首次使用前可以是密封的。密封入口、出口、和/或排放阀可以防止设置或储存在装置中的流体蒸发和/或污染。可以刺穿、移除、或破坏入口、出口、和/或排放阀上的密封物以允许外部流体进入入口和/或排放阀中。作为一个特定的实例，在一些实施方案中，排放阀24和入口14可以在首次使用前密封，然后可以穿透、移除、或破坏这些密封物以允许外部流体进入。在一些实施方案中，排放阀只有在从其移除盖后才致动。此外，出口15(或口90或出口92)可以在首次使用前密封，并且穿透、去除、或破坏以随后立即施加负压(如真空)或允许通气(例如在向入口施加正压的情况下)。

在一个具体实施方案中，装置10可以用于对人类IgG进行免疫测定，并且可以使用用于信号放大的银增强剂。在将含有人类IgG的样品从通道12递送到反应区(例如流体22)之后，可以发生人类IgG和储存的干试剂(抗人类IgG)之间的结合。这种结合可以在接近反应区的检测区(例如包括检测器)中形成结合对复合物。然后来自通道12上游部分的储存试剂可以流过该结合对复合物。储存流体之一(例如流体20)可以包含特异性与待检测抗原(如人类IgG)特异性结合的金属胶体溶液(如金辍合的抗体)。这种金属胶体可以提供用于在检测区表面沉积不透明材料如金属层(例如，许多银粒)的接触表面。金属层可以通过使用两组分系统来形成。在一些情况下，金属前体(例如银盐溶液)可以包含在储存于通道36中的流体62中，并且还原剂(例如对苯二酚或上文列出的其他还原剂)可以包含在储存于通道38中的流体64中。这两种组分(其可以在混合后产生信号放大)彼此反应，并且只能作为混合物维持几分钟。因为这个原因，它们被分别储存并且它们直到流动将两种溶液流朝靠近排放阀34的交叉处驱动时才可彼此混合。当向出口92施加负压并且排放阀24和34关闭时，银盐和对苯二酚溶液最终在接近排放阀34的交叉处合并，在该处随着它们沿着通道12流动而可以缓慢混合(例如，由于扩散)，并随后流过反应区。因此，如果在反应区中发生抗体-抗原反应，由于存在与抗原-抗体复合物缔合的催化剂金属胶体，所以流经该区域的金属前体溶液可导致不透明层(例如银层)的形成。不透明层可包括干扰一种或更多种波长的光的透光率的物质。例如，通过测量穿过反应区的一部分(例如曲折通道)的透光率相比穿过不包含抗体或抗原的区域的一部分的透光率的减少，可以对在微流体系统中形成的任意不透明层进行光学检测。作为一个替代方案，可以通过测量随着膜在检测区的形成透光率作为时间函数的变化来获得信号。与不形成不透明层的技术相比，不透明层可以增加测定的灵敏度。

尽管主要描述了免疫测定，但是应当理解，本文描述的装置可以用于任意合适的化学和/或生物学反应，并且可以包括例如涉及蛋白质或其他生物分子(例如DNA、RNA、糖类)、或非天然存在的分子(例如适体、合成氨基酸)之间的亲和反应的其他固相测定。

通道中流体的流动可以通过合适的方法来实现。在一些实施方案中，流动通过在其中容纳流体的通道内建立压力梯度来实现。这种压力梯度可以通过例如向通道一端(例如通道的出口)施加负压来建立。施加负压的示例性方法包括但不限于向出口连接真空泵、从与出口连接的注射器吸取空气、或任意其他合适的方法。

压力梯度也可以通过在一个或更多个排放阀处施加正压力并在出口处施加相对较小的压力(如环境压力)来建立。例如在图4A-4C中，出口202可以暴露于环境压力。高于环境压力的正压力可以通过打开的排放阀208来施加(只要入口210和214保持关闭)，这将导致流体沿图4A中显示的箭头方向流动。如图4B所示，可以关闭排放阀208并将入口210和214朝高于环境压力的压力打开。为了使混合流体塞如图4C所示那样移动，可以关闭入口210和214且同时将208朝正压力再次打开。正压力的使用可涉及关闭与装置关联的所有排放阀，但是在期望流动路径上的那些除外。任意排放阀的关闭都可以是不漏流体的。正压力例如可以经由泵、使用重力、或任意其他合适的方法来施加。

在某些实施方案中，在向通道系统初次施加流体流动源后，为从流体流动源(例如真空或泵)引导流体流动所施加的压力在实施装置中的过程(如反应)期间基本保持恒定，甚至在致动本文所描述的阀和/或其他组件时也是如此。然而，流体在通道中的线性流速可以改变，并可以通过多种方法来控制，如在以下文献中描述的那些：2009年4月22日提交的发明名称为“Flow Control in Microfluidic Systems”的美国专利申请序号12/428,372；其通过引用并入本文。在另一些实施方案中，来自流体流动源的压力可以在装置操作期间改变。

在一些实施方案中，化学和/或生物学反应涉及结合。不同类型的结合可以在本文所描述的装置中发生。术语“结合”是指表现出相互亲合力或结合能力的相应分子对之间的相互作用，通常为特异性或非特异性结合或相互作用，包括生物化学、生理学、和/或药理相互作用。生物学结合定义了发生在分子对(包括蛋白质、核酸、糖蛋白、碳水化合物、激素等)之间的一种相互作用。具体实例包括：抗体/抗原、抗体/半抗原、酶/底物、酶/抑制剂、酶/辅因子、结合蛋白/底物、载体蛋白/底物、凝集素/碳水化合物、受体/激素、受体/效应物、核酸互补链、蛋白质/核酸抑制物/诱导物、配体/细胞表面受体、病毒/配体等。

在一些情况下，在通道中可以发生多相反应(或分析)。例如，结合配体可以与通道表面结合，并且互补的结合配体可以存在于流体相中。术语“结合配体”是指可以与具体分子结合的分子。生物学结合配体是实例；例如，蛋白质A是生物学分子IgG的结合配体，反之亦然。同样，抗体是抗原的结合配体，反之亦然。在另一些情况下，在通道中可以发生单相反应。例如，结合配体两者都可以存在于流体相中(例如在双流体层流动系统中)。可以在曲折通道系统中进行的典型反应的非限制实例包括化学反应、酶反应、基于免疫的反应(例如抗原-抗体)，以及基于细胞的反应。

装置可由任意合适的材料制成。材料的非限制实例包括聚合物(例如聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、PMMA、PFFE、环烯烃共聚物(COC)和环烯烃聚合物(COP))、玻璃、石英、以及硅。本领域的普通技术人员可以基于以下方面来容易地选择合适的材料：例如，其刚度、对通过其的流体的惰性(例如，被降解的自由度)、在具体装置使用的温度下的坚固性、和/或对光的透明度/不透明度(例如在紫外区和可见光区中)。在一些实施方案中，基底的材料和尺寸(如厚度)选择为使得基底基本上不透过水汽。

在一些情况下，微流体基底包括两种或更多种材料的组合，例如上面列举的材料。例如，装置的通道可以由第一材料(如聚二甲基硅氧烷)形成，并且可以使用由第二材料(例如聚苯乙烯)形成的盖来密封通道。在另一实施方案中，装置的通道可以以聚苯乙烯或其他聚合物形成(例如，通过注塑成型法)并且可使用生物相容性带来密封通道。可以使用多种方法来密封微流体通道或通道的部分，包括但不限于使用粘合剂、胶合、粘结、焊接(如超声波)或通过机械方法(如夹合)。

通道可以具有任意截面形状(圆形、半圆形、椭圆形、半椭圆、三角形、不规则形状、方形或矩形等)并可以被覆盖或不覆盖。在通道被完全覆盖的实施方案中，通道的至少一部分可以具有完全封闭的横截面，或者整个通道沿着其整个长度被完全封闭(除了其入口和出口外)。通道还可以具有至少2∶1、更通常至少3∶1、5∶1、或10∶1或更高的纵横比(长度∶平均横截面尺寸)。开放的或部分开放的通道(如果存在)可包括有助于控制流体输送的特征，例如结构特征(细长的凹痕)、和/或物理或化学特征(疏水性对亲水性)或可以对流体施加力(例如包含力)的其他特征。通道中的流体可以部分地或完全填充通道。在一些情况下，在其中使用开放的通道的情况下，流体可以保持在通道中，例如，利用表面张力(例如凹形或凸形弯液面)。

尽管在一些实施方案中本发明的系统可以是微流体的，但在某些实施方案中，本发明并不限于微流体系统，而是可以涉及其他类型的流体系统。本文所使用的“微流体”是指包括具有小于1mm的横截面尺寸和至少为3∶1的长度与最大横截面尺寸之比的至少一个流体通道的装置、设备或系统。本文所使用的“微流体通道”是指符合这些标准的通道。

通道的“横截面尺寸”(例如直径)是垂直于流体流动方向测量的。本发明组件中的大多数流体通道具有小于2mm、并且在一些情况下小于1mm的最大横截面直径。在一组实施方案中，包含本发明实施方案的所有流体通道均为微流体的或具有不大于2mm或1mm的最大横截面尺寸。在另一组实施方案中，包含本发明实施方案的通道的最大横截面尺寸小于500微米、小于200微米、小于100微米、小于50微米、或小于25微米。在一些情况下，通道的尺寸可以选择为使流体能够自由流过制品或基底。通道的尺寸还可以选择为例如允许流体在通道中具有一定的体积的或线性流速。当然，通道的数目和通道的形状可以通过本领域普通技术人员所知的任意方法改变。在一些情况下，可以使用多于一个的通道或毛细管。

在一些情况下，在完成微流体通道系统的制造之前将试剂布置在通道中。如果设计为具有封闭通道的系统具有还没有完全封闭的通道，则微流体系统就没有完成。如果通道的至少一部分具有完全封闭的横截面，或者如果整个通道沿着其整个长度被完全封闭(除了其入口和出口外)，通道就是封闭的。

湿试剂通常在系统的通道已经完全被覆盖之后储存在微流体系统中。可以将待储存在系统中的流体试剂引入通道的入口中，并且在用流体至少部分填充通道之后，可以密封通道的入口和/或出口，例如，以保留流体并防止来自外源的污染。

本文所使用的术语“测定”(determining)一般指物质(例如，反应位置中的)的、例如定量或定性的测量和/或分析，或者是物质存在或不存在的检测。“测定”还可以指对两种或更多种物质之间的相互作用的、例如定量或定性的测量和/或分析，或者对相互作用存在或不存在的检测。

可以使用多种测定(例如测量、定量、检测、以及定性)技术。测定技术可以包括基于光学的技术如透光、吸光、光散射、光反射以及视觉技术。测定技术还可以包括发光技术如光致发光(例如荧光)、化学发光、生物发光、和/或电发光。本领域普通技术人员知道如何根据所使用的测定技术来修改微流体装置。例如，对于包括用于测定的化学发光物质的装置，可优选不透明和/或深色背景。对于使用金属胶体的测定，可优选透明背景。此外，任意合适的检测器都可以与本文描述的装置一起使用。例如，可以使用简化的光学检测器，以及常规的分光光度计和光阅读器(例如96孔平板阅读器)。

实施例

以下实施例意在举例说明本发明的一些实施方案，但没有例示本发明的全部范围。

实施例1

描述用于制造微流体通道系统的方法。

利用计算机辅助设计(CAD)程序设计通道系统，例如在图1A和1B中显示的那些。微流体装置通过使用在SU8光刻胶(MicroChem，Newton，MA)制得的母模的快速原型成型而以聚(二甲基硅氧烷)Sylgard184(PDMS，Dow Corning，Ellsworth，Germantown，WI)形成。母模在硅晶片上产生并且用于在PDMS中复制负片(negative pattern)。母模包含两层SU8，即具有～70μm厚度(高度)并限定免疫测定区域中的通道的一层，以及第二厚度(高度)为～360μm且限定试剂储存和废弃物容纳区域的第二层。另一个母模设计成带有具有33μm厚度(高度)的通道。母模用(十三氟-1，1，2，2-四氢辛基)三氯硅烷(ABC-R，德国)来硅烷化。根据制造商的指示混合PDMS并倾倒在母模上。聚合(4小时，65℃)之后，将PDMS复制品从母模上剥离并且使用具有锋利边缘(直径1.5mm)的不锈钢管材在PDMS上冲压接入端口。为了完成流体网络，使用平坦基底(如玻璃载片、硅晶片、聚苯乙烯表面、PDMS平板或胶带)作为覆盖物并且贴靠PDMS表面放置。该覆盖物通过范德华力固定在位，或者使用粘合剂固定至微流体装置。

在另一些实施方案中，微流体通道通过注塑成型而以聚苯乙烯、环烯烃共聚物或其他热塑性材料制成。该方法为本领域普通技术人员所知。注塑成型腔的体积可以由被确定模制制品厚度的中空框架隔开的底表面和顶表面限定。对于包括通道特征和/或在制品两个相反侧上的其他微尺度元件的制品，模制腔的底表面和顶表面可以包括突起的特征，其在制品的任一侧上形成通道特征。对于仅在制品的一侧包括通道特征的制品，只有模制腔的顶表面或底表面包括这样的特征。贯穿制品整个厚度的通孔可以由横贯腔的销产生，所述销嵌在腔的一个或更多个表面中并且与另一侧接触。例如，销可仅从顶表面、仅从底表面或者从顶表面和底表面两者延伸。当所述腔填充有增压的熔融塑料且随后冷却时，形成具有在一侧或两侧上的通道以及用作连接件或入口和出口的孔的制品。为了完成流体网络，向制品的表面施加胶带以密封通道。

实施例2

该实施例描述对微流体系统中流体运动的控制，该微流体系统包含引入至少一个排放阀以控制流体运动的单通道。图5A至5B包括在本实施例中描述的系统的示意图。

在图5A中所示的系统包括单通道，在其中制有入口、出口、排放阀。如实施例1中所述，该系统通过注塑成型制成。单通道302配置成使流体部分304和流体部分306沿着箭头308的方向流动。在该实验中使用水用于流体部分304和306，并且这些流体部分通过空气塞隔开。通道包括排放阀310和排放阀310上游的入口312。在整个实验期间，在通道出口314处施加以基本上恒定的-40kPa压力的真空操作以在微流体通道中提供压降。

当排放阀310打开时，它作为优先的排放口，这意味着空气流过阀以取代通过出口离开的流体。不管入口打开或者关闭，位于排放阀310上游的流体(包括在阀310和入口312之间的流体)都不流动。当排放阀310关闭时，只要入口312打开，通道中所有的流体都流动。以该方式，排放阀310用于控制在微流体通道中的流体递送。注意，当排放阀310和入口312都关闭时，没有流体流经通道(但是由于施用真空时的液体膨胀，观察到一些运动)。

在图5B中所示的系统包括引入三个排放阀的单通道。单通道320配置成使流体部分322、324、326以及328沿箭头308的方向流动。通道包括入口330和排放阀332、334和336。如图5A所述的系统一样，在通道出口340处施加真空以在微流体通道中提供压降。

在一个实验中，打开排放阀332，并且在向出口340施加真空之后，仅有流体322输送穿过通道320。随后，关闭排放阀332且打开阀334，导致只有流体324输送穿过通道320。接下来，关闭排放阀332和334且打开阀336，此时流体326输送穿过通道。最后，关闭排放阀332、334和336且打开入口330，导致流体部分328输送穿过通道。

在另一组实验中，同时输送多个流体穿过通道。在一种情况下，在首次使用之前，关闭排放阀332，但是打开阀334。在向出口340施加真空之后，流体部分322和324同时沿箭头308的方向输送穿过通道320。在另一实验中，在首次使用之前，关闭排放阀332和334，但是打开阀336。在向出口340施加真空之后，流体部分332、324和326同时沿箭头308的方向输送穿过通道320。最后，在一个实验中，关闭所有的排放阀，并且打开进口330，在向出口340施加真空之后，导致流体部分322、324、326和328的同时输送。

该实施例表明：可以通过打开或关闭一个或更多个排放阀和通过在装置的整个使用过程中施加以基本上恒压的压力操作的单一流体流动源(例如真空)，可以在装置中实现流体控制，包括流体塞的时间安排。

实施例3

该实施例描述了在微流体系统中的流体移动控制，该微流体系统多个通道和控制流体移动的至少一个排放阀。图6A至6C包括在该实施例中所述的系统的示意性图示。在图6A中示出的装置中，将微通道410流体连接至在排放阀416处交叉的两个通道分支412和424。微通道410容纳流体418。另外，流体420和422分别储存在分支412和414中。将通道410连接至出口424，同时将分支412和414分别连接至入口426和428。该装置中的所有流体均通过气体塞(与流体418、420和422不可混溶)隔开。

将在整个实验期间以基本上恒定的-40kPa压力的真空操作的真空连接至出口424。起初，打开排放阀416，其使流体418沿箭头408的方向流过微通道410并且使空气流过排放阀416。即使进口426和428打开，流体420和422也不移动。在流体418离开出口424之后，由于消除了由流体418导致的压降，所以穿过排放阀416的气体流速增加。接下来，关闭排放阀416。在关闭排放阀之后，流体420和422在排放阀416处混合以产生混合流体430(在图6B中示出)。

在另一组实验中，顺序地而非同时输送流体420和422穿过排放阀416。在第一个实验中，即在图6C中示出的实施方案中，在输送流体418穿过出口424后，关闭排放阀416和进口426两者(同时打开进口428)。通过关闭进口426，由于气体不能进入进口426，所以流体420在分支412中基本上保持静止。另一方面，随着气体输送穿过入口428，所以流体422输送穿过分支414和关闭的排放阀416。

该实施例表明：通过打开或关闭一个或更多个排放阀和通过在装置的整个使用过程中施加以基本上恒压的压力操作的单一流体流动源(例如真空)，可以在装置中实现流体控制，包括流体塞的混合和时间安排。

实施例4

该实施例描述了使用分支通道系统来进行测定，其中完成通过将银化学镀沉积到金颗粒上来产生光学可检测信号。图7包括在该实施例中使用的测定装置300的示意性图示。在该实施例中使用的测定一般性描述于2004年12月20日提交的发明名称为“Assay Device and Method”的国际专利公开号WO2005/066613(国际专利申请号No.PCT/US2004/043585)中；其以所有目的通过引用全文并入本文。

装置包括反应区510、废弃物容纳区512和出口514。反应区包括50微米深和120微米宽、全长175mm的微流体通道。装置还包括微流体通道516和通道分支518和520(分别具有入口519和521)。通道516和分支518和520为350微米深且500微米宽。另外，通道516长390mm，并且分支518和520各自长360mm。该反应区和微流体通道如实施例1中所述那样制成。在密封通道之前，将抗-PSA抗体附着至反应区510的段中的装置表面。

在首次使用之前，将装置装入液体试剂。将以下液体序列装入通道516中：2微升水塞542、2微升缓冲溶液塞541、20微升包含用胶体金标记的抗-PSA抗体的水溶液塞526、1微升缓冲溶液塞524。该流体塞序列使用移液管通过入口539装入。包含银盐溶液的流体528使用移液管通过端口519装入分支通道中。包含还原溶液的流体530通过端口521装入分支通道520中。图7中所示的每个流体均通过空气塞与其他流体隔开。端口514、519、521、536、539和540用可容易移除或刺穿的胶带密封。这样，在首次使用前将流体储存在装置中。

在首次使用时，端口514、519、521、536、539和540未密封。将容纳10微升样品血液(522)的管544连接至端口539和540。这在反应区510和通道516之间形成流体连接，否则它们是未连接的并且在首次使用前彼此没有流体连通。向端口514施加-40kPa的真空。样品522沿着箭头538的方向流到反应区510中。当流体经过反应区时，样品522中的PSA蛋白被固定在反应区壁上的抗-PSA抗体俘获。样品耗费五分钟经过反应区，之后在废弃物容纳区512中被俘获。能够用于本文所描述装置的示例性废弃物容纳区提供在2008年8月22日提交的发明名称为“Liquidcontainment for integrated assays”的美国专利申请序号12/196,392中；其通过引用并入本文。

流体524、526、541和542在样品之后通过反应区510流向废弃物容纳区512。这导致流体524沿着箭头538的方向输送到反应区510。当流体524通过反应区时，它冲走剩余的未结合的样品组分。当流体526通过反应区时，金标记的抗-PSA抗体与在反应区壁上俘获的PSA结合(以形成三明治型免疫复合物)。流体541和542沿反应区流动并进一步冲洗反应区的任何未结合的试剂组分。最后的洗涤流体542(水)冲走能够与银盐反应的盐(即氯化物、磷酸盐、叠氮化物)。

银能够沉积在俘获的金颗粒上以增加胶体的尺寸而放大信号。在一些实施方案中，信号可以通过光学手段(如光密度)记录。为了完成这个，流体528和530混合以产生活性银溶液。流体528和530的体积比为约1∶1。为了引发流体528和530的混合，关闭排放阀536且同时保持在514处施加的真空，导致流体528和530同时向排放阀536流动。仅在最后的前一流体542已经离开反应区之后才关闭真空阀以引发混合。在一个实验中通过利用胶带密封端口536来进行关闭。在另一实验中，将与电磁阀(SMC V124A-6G-M5，未示出)可操作地关联的管(未示出)连接至具有O型环密封件(tight fit)的排放阀536。与本文关于图2E至2F所描述相似的方式启动电磁阀以密封端口(并且随后关闭以打开端口的密封)。流体528和530在排放阀536处相互混合，产生粘度为约1×10^-3Pa s的活化银溶液。排放阀536下方的微流体通道的横截面积大约为通道518和520的横截面积的两倍。10秒后，打开排放阀536。此时，大约55％的两种流体528和530已混合，并且剩余的流体528和530分别留在通道518和520中。

活化银溶液流过反应区510以提供用于沉积的银。因为混合溶液仅稳定数分钟(通常少于10分钟)，所以在反应区510中使用之前进行的混合少于1分钟。另外，为了在胶体上实现银的可再现沉积，控制产生活化银溶液的试剂混合以及活化银溶液递送至反应区之间的时间安排，使得它们在多个实验之间一致。

当使流体流过系统时，在通道516和反应区510中的流体流速的控制很重要。由于反应区的横截面积相对小，所以它用作瓶颈，控制系统中的总流速。当反应区容纳流体时，在通道516中的流体的线性流速为约0.5mms^-1。从分支通道518和520流到主通道516中的流体可能没有以该流速可再现地混合，原因是一个流体可比另一流体流得更快，导致不相等的流体528和530部分混合。另一方面，当反应区含空气时，在通道516和分支通道518和520中的流体的线性流速为约15mms^-1。在此较高的流速下，在分支通道518和520中的流速相等并且是可再现的(当排放阀536关闭时)，从而产生可再现的混合。由于该原因，排放阀536直到流体542通过反应区到达废弃物容纳区才被关闭。当流体542离开反应区510时可以以视觉(通过眼)来确定。作为一个替代方案，布置光学检测器以测量通过反应区510的一部分的透光率，如在2004年12月20日提交的发明名称为“Assay Device and Method”的国际专利公开号WO2005/066613(国际专利申请序号No.PCT/US2004/043585)中所详细描述的；其通过引用并入本文。

在图7中显示的微流体系统设计为使排放阀536和反应区510之间的通道体积大于混合的活化银溶液的预期体积(即在排放阀536关闭时行进到通道516中的流体528和530组合部分)大。这确保了基本上所有的混合都以相对高的线性流速进行(因为此时在反应区510中没有流体，而是只有空气)，并且在活化溶液到达反应区之前进行。该配置有助于促进可再现的以及相等的混合。

对于在该实施例中描述的测定，在反应区中维持数分钟(例如2分钟至10分钟)活化银混合物的流动是重要的。在第一个实验中，装入45微升体积的流体528和530，其部分用于混合(产生总计55微升的活化银溶液)。这个体积的结合流体在反应区内具有大约300秒的停留时间。然而，该相对小体积的流体的使用可能造成挑战。当使用长度相对短的流体段528和530时，可能相对难以确保两种流体以1∶1的比例混合。段长度的小变化可以产生不均匀的两种流体的流速，与较长的段相比，较短的段展现出相对高的流速(由于相对小的流动阻力)。该效果可产生混合比例的偏离。

为了表征该效果，进行第二组实验，其中将45微升体积的银盐溶液和45微升体积的还原溶液混合以产生90微升体积的活化银溶液。已发现，相对于还原溶液，银盐溶液流得稍快(由于多种原因：包括由于在化学组成方面的差别引起的在制剂方面的稍许差别和由于用于通道制造的加工技术的偏差引起的在通道横截面方面的稍许变化)，因此在施用真空时，表现出稍微较快的通过其分支的流速。图8包括已进入混合通道的银盐溶液(点线)和还原溶液(实线)的体积(微升)作为在银盐溶液与还原溶液初始接触之后经过的时间的函数的图。该流速差别通过图8中从t＝0秒至t＝9秒的线的微小斜率差别示出。在t＝9秒时，段长度的绝对差变得重要，并且银盐溶液(具有较快的流速，并且因此在其分支中保留较短的流体段)相对于还原性溶液流得甚至更快。该效果通过银盐曲线(相对于线性外推)的向上趋势以及还原性溶液曲线向下的趋势示出。

另外，已观察到，如果流体528和530试剂之一的后缘到达排放阀536，流体的轻微爆破向着排放阀536中的孔顶部喷射。已发现该流体开始与外部阀机构接触。虽然这没有可立即观测到的对阀效率的影响，但是它导致不想要的阀污染。以这种方式(例如，进行多次实验)重复使用阀可改变阀的正常功能。通过在所有的流体528和530混合之前重新打开排放阀536确保了流体528和530的后缘都不到达排放阀526，并且没有流体喷射发生。因此，通过将过量的试剂装入分支518和520(以确保在流动期间在流体528和530的长度之间没有大的变化)，并且通过在重新打开排放阀536之前使用不超过大约2/3体积的储存试剂，在整个混合步骤期间保持了一致的混合比例且同时避免了在排放阀536中的流体喷射/外部阀机构的污染。根据特定试剂组的流动行为，阀可在多个完成阶段重新打开。

本实施例表明，在装置的整个使用过程中，通过打开或关闭一个或更多个排放阀以及通过以基本上恒定的压力操作的单一流体流动源(例如，真空)可以在装置中实现流体控制(包括试剂的混合，流速的改变以及流体流动的时间安排)以进行测定。本示例还示出在装置中控制待混合的各流体塞的流速的重要性。

虽然本文已描述以及阐明的本发明的一些实施方案，但是本领域普通的技术人员将容易预见各种其他方法和/或构造用于执行功能和/或获得结果和/或本文所描述的一个或更多个优点，并且每个这样的变化和/或修饰认为在本发明的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易地领会所有的参数、尺寸、材料以及构造，本文所述的意为示例性的并且实际的参数、尺寸、材料和/或构造将取决于具体的应用或用于使用的本发明的教学。本领域的技术人员将识别(或者能够确定使用仅仅只是常规实验)许多等同的本文所描述的本发明的具体的实施方案。因此，应理解出现的上述实施方案仅仅用于示例并且在附加的权利要求及其等同的范围内，本发明可以不像具体描述和权利要求的那样熟练进行。本发明指导每个个别的本文所描述的特性、系统、物、材料、试剂盒和/或方法。另外，如果这些特性、系统、物、材料、试剂盒和/或方法不相互矛盾，两个或更多个这样的特性、系统、物、材料、试剂盒和/或方法的任意组合包括在本范明的范围内。

在说明书和权利要求中所使用的不定冠词“一个(种)”，除非明确的说明相反，否则应理解为“至少一个(种)”。

在说明书和权利要求中所使用的短语“和/或”应理解为意指如此结合的要素“两者之一或者两者都有”，即在一些情况下要素结合存在并且在其他情况下不结合存在。除了通过“和/或”短语具体确定的要素之外的其他要素可任选地存在，无论涉及或者不涉及那些具体确定的要素，除非有明确相反的指示。因此，作为一个非限制性例子，当用于与开放性表述如“包含”结合时，“A和/或B”在一个实施方案中可以指A而没有B(任选地包括除了B的要素)；在另一实施方案中指B而没有A(任选地包括除了A的要素)；在又一实施方案中，指A和B(任选地包括其他要素)；等。

在说明书和权利要求中所使用的“或(或者)”应理解为如上述定义的与“和/或”相同的含义。例如，当分开列表中的项目时，“或(或者)”或“和/或”应以包含性理解，即，不但包含多个要素或要素列表和任选的另外没有列出的项目中的至少一个，而且包括多于一个的要素。当用于权利要求时，除非另有相反的清楚指示，术语“只有”如“只有一个”或“确切的一个”或“由......组成”将指包含多个要素或要素列表中的一个确切要素。一般地，当在排他性术语之前时，所述本文所使用的术语“或(或者)”应只被理解为指排他性选择(即一个或者另一个而不是两者)，如“任意一个”、“之一”、“只有之一”或“确切的一个”。当在权利要求中使用“基本上由......组成”应具有用于专利法领域的通常的含义。

在说明书和权利要求中所使用的短语“至少一个”，在指代一个或更多个要素的列表时，应理解为指选自所列元素中任一个或更多个要素的至少一个要素，而不一定包括每个或每一个在所列要素中具体列出的元素中的至少一个并且不排除所列要素中的要素的任意组合。该定义还允许任选地存在除短语“至少一个”所指的所列元素中具体确定的要素之外的要素，无论涉及或不涉及具体确定的这些要素。因此，作为非限定性例子，A和B中的“至少一个”(或者，等同地，“A或B中的至少一个”，或者，等同地，“A和/或B中的至少一个”)在一个实施方案中可以指至少一个，任选地包括多于一个，A，没有B存在(并且任选地包括除B之外的要素)；在另一实施方案中，指至少一个，任选地包括多于一个，B，没有A存在(并且任选地包括除A之外的要素)；在又一实施方案中，指至少一个，任选地包括多于一个，A，并且至少一个，任选地包括多于一个，B(并且任选地包括其他要素)；等。

在权利要求以及上述的说明书中，所有的连接词，如“包含”、“包括”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”等应理解为开放式的，即意指包括但不限于。只有连接词“由......组成”和“基本上由......组成”可以分别是封闭性的或半封闭性的连接词，如在美国专利局专利审查手册(2111.03节)中详细解释的。

Claims (44)

1.一种方法，包括：

提供装置，所述装置包括：

主通道；

容纳第一流体的第一分支通道；

容纳第二流体的第二分支通道，其中所述第一分支通道和所述第二分支通道在交叉处连接并且流体连接至所述主通道；和

布置在所述第一分支通道的一部分与所述主通道的一部分之间的排放阀；

致动所述排放阀；

使所述第一流体和所述第二流体基本上同时流进所述交叉处；和

使至少部分所述第一流体和所述第二流体混合以产生混合流体。

2.一种方法，包括：

提供装置，所述装置包括：

容纳第一流体的上游通道部分；

容纳与所述第一流体不同的第二流体的下游通道部分；

布置在所述上游通道部分与所述下游通道部分之间的排放阀；

当所述第一流体与所述第二流体彼此流体连通时，在基本上不使所述第一流体流动的情况下使所述第二流体在所述下游通道部分中流动；和

在所述第二流体流动以后，使所述第一流体从所述上游通道部分向所述下游通道部分流动。

3.一种装置，包括：

入口；

出口；

与所述入口流体连通的上游通道部分；

与所述出口流体连通的下游通道部分；

布置在所述上游通道部分与所述下游通道部分之间的排放阀；和

储存在所述上游通道部分和所述下游通道部分中的至少之一中的第一流体，其中所述装置是密封的并且被构造和布置成用于在首次使用前将所述第一流体在所述装置中储存至少一个小时。

4.一种装置，包括：

入口；

出口；

在所述入口和所述出口之间的主通道；和

在所述入口与所述出口之间沿所述主通道串行布置的第一排放阀和第二排放阀。

5.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述通道中的至少之一是微流体通道。

6.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中使所述第一流体和/或所述第二流体流动包括向容纳所述第一流体和/或所述第二流体的所述通道施加压力梯度。

7.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中使所述第一流体和/或所述第二流体流动包括向容纳所述第一流体和/或所述第二流体的所述通道的一端施加真空。

8.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述第一流体为液体。

9.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述第一流体为气体。

10.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述第二流体为液体。

11.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述第二流体为气体。

12.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述流体中的至少之一包括全血。

13.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述装置包括：

包括第一分支通道的上游通道部分；和

包括第二分支通道的上游通道部分，其中所述第一分支通道和所述第二分支通道在交叉处连接并且流体连接至下游通道部分。

14.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，还包括使所述第一流体和所述第二流体基本上同时流进所述交叉处。

15.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，还包括使至少部分所述第一流体和所述第二流体混合以产生混合流体。

16.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中在所述第一流体的储存期间所述第一分支通道和第二分支通道与所述主通道流体连通。

17.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述装置包括储存在所述第一分支通道中的第二流体。

18.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述第一流体包括金属溶液。

19.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述第二流体包括还原剂。

20.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中容纳在所述通道中的所述流体在首次使用前在所述通道中储存至少一个小时。

21.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中通过与所述第一流体和所述第二流体两者不可混溶的第三流体将所述第一流体与所述第二流体分隔开。

22.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述阀布置在所述第一流体和所述第二流体之间。

23.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述阀布置在所述第一流体与所述第三流体之间。

24.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述阀设置在所述第一分支通道的一部分处。

25.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述阀设置在所述第二分支通道的一部分处。

26.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述第一和所述第二流体具有基本上不同的粘度。

27.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，还包括在将所述第一流体和所述第二流体混合后的10分钟内使混合的第一流体和第二流体与反应区接触。

28.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述上游通道部分为第一分支通道，所述装置还包括第二分支通道，其中所述第一分支通道和第二分支通道在交叉处连接并且流体连接至所述下游通道部分。

29.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述第一分支通道和第二分支通道的交叉处包括混合区，所述混合区具有比所述第一分支通道或所述第二分支通道的横截面积大的横截面积。

30.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述混合区包括排放阀。

31.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中使至少部分所述第一流体和所述第二流体混合包括湍流混合。

32.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述主通道足够长以允许所述第一流体和所述第二流体经扩散完全混合。

33.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，还包括设置在所述交叉处下游的反应区中的结合配体。

34.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述流体中的至少之一包含用于化学反应和/或生物学反应的试剂。

35.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述第一流体包含用于化学反应和/或生物学反应的第一试剂，并且所述第二流体包含用于所述化学反应和/或生物学反应的与所述第一试剂不同的第二试剂。

36.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述一种或更多种试剂参与多相亲和反应。

37.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中在基本上不使所述第一流体流动的情况下使所述第二流体在所述下游通道部分中流动包括致动所述排放阀以使所述阀打开。

38.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中在所述第二流体流动后使所述第一流体从所述上游通道部分向所述下游通道部分流动包括致动所述排放阀以使所述阀关闭。

39.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，还包括通过致动所述排放阀以使所述阀打开来将气体段引入靠近所述排放阀的通道。

40.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中将气体段引入所述通道中包括：将容纳在所述通道中的流体分成被所述气体段分隔开的第一部分和第二部分。

41.根据上述权利要求中任一项所述的装置或方法，其中所述第一分支通道和所述第二分支通道中至少之一的所述横截面积选择为使得在向所述第一分支通道和第二分支通道施加相等的压力时，所述第一流体和所述第二流体基本上同时流进所述交叉处。

42.根据上述权利要求中任一项所述的方法，包括在基本上不使所述第一流体和所述第二流体流动的情况下，在致动所述排放阀之前使第三流体在主通道中流动。

43.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述主通道的所述出口处施加基本上恒定的真空，并且通过所述排放阀的致动的时间安排来实现对所述第三流体、所述第二流体、以及所述第一流体的流动进行时间安排。

44.根据上述权利要求中任一项所述的方法，包括在致动所述排放阀之后等待预定的时间以允许所述至少部分所述第一流体和所述第二流体以预定量混合，然后打开所述排放阀以停止分别在所述第一分支通道和所述第二分支通道中剩余的所述第一流体和所述第二流体的流动，由此向所述主通道递送预定混合量的所述第一流体和所述第二流体。

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