用于从流体分离气泡的装置的制作方法

本发明涉及用于从流体、特别是从流体系统中的流体、更特别地是从微流体系统中的流体分离气泡的装置和方法。本发明还涉及适用于“即时检验”(POC)应用的“芯片实验室”(LOC)的领域。

背景技术：

即时检验(POCT)是指在患者身边进行实验室诊断，即不是在中心实验室进行的诊断，而是例如在医院、在执业医师的实践中或在药房中进行的诊断。POCT也可能在家或救护车中进行。在更广泛的意义上，POCT也用于其他应用领域中的分析方法，例如在食品和环境分析中。

用于POC检验的设备通常基于微技术系统，特别是芯片实验室系统。芯片实验室(LOC；或微芯片)在单个装置例如芯片上集合了一个或多个实验室功能。通常，LOC系统指的是微流体系统，微流体系统意味着微升的、甚至低至小于皮升的流体体积在直径为几纳米或微米的通道中移动、反应、被测量等。

在微流体系统中，流体内的气泡形成构成了主要的关注问题。气泡可以影响流体的流动特性，例如气泡会部分地或完全地阻塞导管或以多种其他方式干扰流体的测量的精度、例如流体体积的确定，或由于散射效应等干扰对样品的光学评价。

流体内的气泡形成可能由于气体成分而引起，例如溶解在其中的氧气或氮气。通常，LOC中使用的样品、试剂等在其被使用之前以低温存储。然后，临到测量之前对其加温。随着温度的升高，溶解在样品中的气体组分的饱和溶解度降低并产生气泡。此外，作为示例，通过将水加热至沸点以上或者通过溶解被冷冻干燥的或冻干的试剂会产生气泡。通过冷冻干燥的试剂产生气泡是由于包含有空气的这些试剂的多孔结构而导致的。这些空气在溶解后作为气泡或多个气泡留在流体中。

已经提出了如何在LOC系统中防止这些气泡妨碍测量的多种解决方案。一种可能的方案是从流体中移除气泡或将气泡保持在LOC的特殊区域中，从而避免气泡与诸如光学系统或电极之类的灵敏元件相接触。这种装置被本领域技术人员称为“气泡捕集器”。

在EP 1 855 114 A1中描述了复合式气泡捕集器。此气泡捕集器布置在微通道的内表面上。被捕获的气泡将彼此相接触并趋于变成大气泡。此外，EP 1 855 114 A1涉及一种气泡捕集器，该气泡捕集器不仅捕获存在于液体流中的气泡，而且捕获存在于微通道中的未被液体推出而是作为气泡停留在微通道的内表面的一部分上的气体部分。已经存在于微通道内表面的一部分上的这些气泡可以通过吸附存在于液体中的气泡而容易地长大。然而，所述气泡捕集器需要气泡塌陷并从而形成大气泡。大气泡的形成在能量上是优选的，即小气泡试图通过塌陷至较大的气泡来减小它们的表面。因此，当流体用在微流体系统内并产生稳定的泡沫时，即当小气泡不聚结成更大的实体而仍然是多个小气泡时，此系统受到限制。在流体含有表面活性物质的情况下，通常会形成这样的泡沫。表面活性物质降低了气体与流体之间的界面张力，使得气泡稳定且不聚结。EP 1 855 114 A1中公开的气泡捕集器基本上依赖于小气泡聚结成大气泡，因此具有有限的功效。

因此，本发明的目的是提供一种即使在流体含有有效量的表面活性物质的情况下也能改善气泡从流体的分离的气泡捕集器。

技术实现要素：

该目的通过根据权利要求1所述的气泡捕集器和包括该气泡捕集器的流体系统、特别是芯片实验室系统来实现。本发明的优选实施方式受各个从属权利要求的限制。此外，提出了一种允许容易且廉价地从流体分离气泡的方法。

根据本发明，提供了一种用于从流体分离气泡的装置(气泡捕集器)，该装置包括腔室以及将流体引入和引出所述腔室的导管(分别为输入导管和输出导管)，而腔室的内壁的几何形状被设计成使得在腔室内产生连续流并且至少一个区域产生不连续流，使得气泡在该区域中保留在腔室内壁处，并且因此与从腔室流出的流体分离。

根据本发明，不连续流的流速(速度)的减小必须达到下述水平：其中气泡对内壁的吸附力高于将气泡拖入流出的流中的力。在这些情况下，在流体持续流过腔室并随后流出腔室的同时，流体中的气泡的至少一部分，优选地流体中的至少大部分气泡，保持在腔室的内壁处至少一段时间。由此，气泡与流出的流分离。因此，在本发明的上下文中，气泡的分离意味着气泡穿过腔室的流动的任何至少暂时中断。

与连续流相比，不连续流中所需的速度减小可尤其取决于流体和气体组分的性质以及腔室的内壁的表面结构和材料。然而，本领域技术人员可以使用常规手段来确定与连续流相比的不连续流中最有效的速度减小以及达到期望的速度减小的手段。

根据本发明的腔室凭借其几何形状可以产生至少一个具有层流的区域和至少一个具有混沌流的区域。关于本发明的术语“混沌流”包括复杂的层流、混沌层流或甚至湍流。优选地，不连续流包括混沌流，而连续流是层流。在混沌流的区域内，产生其中流体的流动减慢到几乎静止的“死水”的至少一个区域或空间区域(体积)。优选地，“死水”区域与具有高速的连续流相邻。优选地，“死水”的区域与腔室的内壁相邻。产生与具有高速的连续流相邻的至少一个具有低速的区域(“死水”区域)使得能够将气泡引导至这些区域中，并且在这些区域与内壁相邻(优选地相接触)的情况下，气泡保留在内壁处。

优选地，如果腔室的至少一个横截面超过输入导管和/或输出导管的横截面，优选地超过输入导管的横截面，则在腔室内获得具有不连续流和/或混沌流的至少一个区域。腔室优选地包括一系列的两个或更多个不同横截面。在本发明的上下文中，横截面是指垂直于连续流的横截面。

在平面图中，腔室优选地包括至少一个具有包括至少一个非线形部分的边界(内壁、优选地侧壁或侧向壁)的平面。因此，在此实施方式中，此平面优选地包括至少一个具有曲线(曲率)的部分。优选地，输入导管和/或输出导管都在此至少一个平面内。延伸穿过室并连接输入导管和输出导管的连接线可以是直线、曲线或多边形样条曲线。在平面图中，腔室可以包括一系列尺寸和/或形状不同的不同平面。然而，腔室也可以垂直于具有相同平面的平面图延伸。

根据本发明，腔室的至少一个部分可以具有复杂的三维几何形状，特别是基于碗形、锥体、柱体、圆环体或其组合的三维几何形状。在优选实施方式中，腔室包括至少一个具有关于轴线不对称的几何形状的部分，其中，该轴线由该部分内的连续流表示。在另一优选实施方式中，腔室包括至少一个具有关于轴线对称的几何形状的部分，其中，该轴线由该部分内的连续流表示。

根据本发明的装置特别适合作为流体系统、特别是微流体系统中的气泡捕集器。因此，本发明的一方面是包括根据本发明的气泡捕集器的微流体系统。此系统优选是即用型系统，即其预填充有样品分析所需的至少一种试剂或所有试剂。在具体实施方式中，这些试剂中的至少一种是表面活性物质(表面活性剂)，特别是蛋白质比如白蛋白，或是酶、特别是DNA聚合酶。在具体实施方式中，所述试剂中的一些或所有试剂是PCR(聚合酶链式反应)或实时PCR所需的试剂，并且其中所述试剂中的一种试剂是表面活性物质。

优选地，即用型装置含有冻干物。

微流体系统，特别是当作为即用系统提供时，优选是一次性的，即其在使用后被处理掉。

具体实施方式

如上所述，根据本发明的一方面，提供了一种腔室，该腔室的几何形状产生了包括至少一个具有连续流的区域和至少一个具有不连续流的区域的流体流。根据本发明的此方面，腔室几何形状因此产生至少一个具有层流的区域和至少一个具有混沌流的区域。腔室内的流速可以变化。

在本发明的上下文中，腔室是流体系统内的任何腔体，该腔体的内壁包括垂直于连续流的相对于输入导管在该方向上的相应延伸部分更大的至少一个尺寸。

根据本发明，术语“连续流”被定义为不包括失速部分的流。根据本发明，术语“不连续流”被定义为包括失速部分的流，该失速部分优选地由腔室的几何形状引起的混沌流而产生。失速部分(“死水”的空间区域)优选地与内壁相接触。

腔室的几何形状优选地产生具有不同流速的区域，特别是至少一个具有高流速的区域和至少一个具有低流速的区域。优选地，连续流包括具有高流速的区域，并且不连续流包括具有低流速的区域，该具有低流速的区域优选地与腔室的内壁相邻或相接触。

在本发明的一个具体实施方式中，连续流的流速与不连续流的流速之比为至少2:1，优选地为至少5:1，更优选地为至少10:1，更优选地为至少15:1，更优选地为至少25:1，甚至更优选地为至少35:1，最优选地为至少50:1。

在具体实施方式中，连续流的流速在大约1mm/s与大约20mm/s之间的范围内。就水基流体而言，连续流的速度为至少1mm/s，更优选地为至少5mm/s，甚至更优选地为至少7mm/s，最优选地为至少10mm/s。最大流速优选地为25mm/s。不连续流的流速可以不大于1mm/s，优选地不大于0.7mm/s，最优选地不大于0.5mm/s。在最优选实施方式中，不连续流的流速为大约0mm/s或甚至0mm/s。优选地，这种高流速和低流速的区域彼此相邻。在本文中，术语相邻指的是在距离Δx中获得速度差Δv，使得Δv/Δx在5mms^-1/mm与25mms^-1/mm之间的范围中，优选地在10mms^-1/mm与20mms^-1/mm之间的范围中，最优选地在12mms^-1/mm与15mms^-1/mm之间的范围中。

在本发明的一个实施方式中，腔室内的具有不连续流或低流速的至少一个区域分别相对于整个腔室的百分比大小为至少1％，优选地为至少5％，更优选地为至少10％，最优选地为至少20％。

在本发明的另一方面，分别在腔室的入口和出口处的输入导管或输出导管的横截面积、特别是输入导管横截面积与腔室的最大横截面积之比为至少1:2，优选地为至少1:10，更优选地为至少1:25，甚至更优选地为至少1:50。优选地，腔室几何形状包括一系列的至少2个、优选地至少5个、更优选地至少10个不同的横截面。腔室的一系列变化的横截面可以有助于产生不同的流速，并且由此形成连续/不连续流。

腔室的横截面面积可以具有任何形状，例如正方形的、梯形的、矩形的、多边形的、圆形的、椭圆形的或其任何组合。术语“圆形的”包括具有弯曲边界的所有形状，特别是圆形、卵形(椭圆形)、双曲线形状以及抛物线形状。

导管，特别是腔室的输入导管和/或输出导管，优选地为微通道。微通道是横截面直径小于5mm，优选地小于3mm，最优选地小于1mm的通道。

对导管的横截面尺寸或形状没有限制。导管的横截面面积可以是例如约0.01mm²至约4.0mm²，优选地为约0.15mm²至约1.5mm²，最优选地为约0.2mm²至约0.7mm²。导管可以具有一致的横截面形状和/或尺寸，但是其形状和尺寸也可变化。

根据本发明的腔室在至少一个平面图中包括一个具有边界的平面，该边界包括至少一个非线形部分。非线形例如是圆形或椭圆形。非线形部分可以是圆的、弯曲的或弧的至少一部分、凸形凸出部，凹形凸出部等。

腔室的平面图的非线形部分可以基于圆形形状、特别是圆形或卵形、或任何其他非线形形状或其组合。优选地，非线形部分由非线形形状构成。由非线形形状“构成”的图形意味着该图形可以由并排的或交叠的非线形形状构成(描述)。然而，在输入导管和/或输出导管的区域中，腔室的平面图可以包括线形部分。

在优选实施方式中，腔室的与输入导管相邻的内壁可以包括相对于输入导管的小于90°的角度。这种几何形状提供了腔室的入口处的不连续性，经由该入口可以获得具有“死水”区域的不连续流。

腔室的至少一个平面图可以包括非线形部分和线形部分。在特别优选的实施方式中，平面图由非线形部分构成。在本发明的特定实施方式中，腔室包括仅具有非线形部分的平面图，即腔室的所有平面仅由非线形部分构成。

如果圆形适于描述平面的几何形状(并排或交叠，参见上文)，则圆形可以具有相同的半径或不同的半径。在优选的实施方式中，圆形的半径小于10mm，优选地5mm，最优选地0.5mm至1.7mm。

在本发明的优选实施方式中，至少两个交叠的圆形形状，特别是圆形，描述了腔室的非线形部分的至少一个平面。一个圆形形状的中心与另一个圆形形状的中心之间的距离可以为从0.1mm至2mm，优选地为0.3mm至1.5mm，更优选地为0.3mm至1mm。如果可以使用多于两个的圆形形状，则各个中心之间的距离可以相同或者它们可以是不同的。

圆形形状、特别是圆形的中心可以落于在腔室的输入导管和输出导管之间延伸的轴线或通道上。然而，在本发明的优选实施方式中，圆形形状的中心在此通道之外。圆形的中心与轴线之间的距离可以为2mm或更小，特别是在0.1mm至1.5mm之间，更特别地在0.1mm与1mm之间。

在腔室的平面图中，圆形形状或圆形部分可以在腔室的一侧或两侧上延伸。圆形形状可以关于在输入导管与输出导管之间延伸的轴线不对称地或对称地布置。优选地，圆形形状或各个形状可以不对称地布置。在另一优选实施方式中，圆形形状或各个形状可以对称地布置。

在本发明的另一方面，腔室的至少一个部分可以具有基于非线形(即弯曲)的三维体的三维几何形状。优选地，所述三维几何形状指的是非立方体，例如碗形、锥体、柱体、圆环体等或其组合。优选地，本体由优选地具有不同直径的两个或更多个圆环体构成。另一优选实施方式是由碗形构成的部分。这些环或碗形可以交叠。在最优选实施方式中，腔室是基于柱体的。柱体优选地具有不规则形状。

最优选地，腔室的三维几何形状基于两个或更多个、特别是三个或更多个、更特别是五个或更多个相邻的具有圆形横截面的柱体。这些柱体可以具有不同的体积或相同的体积；优选地它们具有相同的体积。柱体可以交叠或并排布置；优选地它们交叠。在优选实施方式中，柱体可以相对于从输入导管延伸至输出导管的轴线不对称地布置。在另一优选实施方式中，柱体可以关于从输入导管延伸至输出导管的轴线对称地布置。在平面图中，柱体可以布置在轴线的两侧。

腔室的体积可以不大于150mm³，优选地不大于70mm³，最优选地不大于25mm³。在最优选实施方式中，腔室的体积可以是5mm³至25mm³。

在本发明的又一方面，提供了包括上述腔室的流体系统、尤其是微流体系统、特别是芯片实验室(LOC)系统。在一个实施方式中，LOC可以预填充有样品分析所需的至少一种或所有试剂。优选地，这些试剂中的至少一种是表面活性物质，即蛋白质比如白蛋白，或酶比如DNA聚合酶。更优选地，这些试剂用于进行PCR反应。优选地，所述室预先填充有试剂，特别是填充有冻干试剂。

根据本发明的术语“冻干物”或“冻干试剂”是冷冻干燥的产物。冻干物的溶解过程通常导致气泡的形成。特别地，如果冻干物含有至少一种表面活性物质，则冻干物的溶解过程通常导致形成稳定的泡沫。

根据本发明的腔室可以通过铣削、激光照射、铸造、平版打印、三维打印、注射模制、接合技术/工艺、超声波密封、UV粘合剂、溶剂接合等制造。此外，根据本发明腔室可以由选自下述的材料制成：包括PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)、PEEK(聚醚醚酮)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)、PVC(聚氯乙烯)、聚硅氧烷、烯丙基酯树脂、环烯烃聚合物、硅橡胶及其他有机化合物，以及硅、氧化硅膜、石英、玻璃、陶瓷及其他无机化合物。

在另一特定实施方式中，根据本发明气泡捕集器不需要外部功率供给，例如电流、电压、压力等，以便从流体中分离气泡。因此，根据本发明的气泡捕集器是“被动的”。

在本发明的再一方面，提供了根据本发明的用于从流体样品中分离气泡的方法。此方法包括以下步骤：将样品传递通过连接至分析装置的气泡捕集器，其中，在气泡捕集器中形成样品的连续流和具有不连续流的至少一个区域(优选包括死水区域)，其中，流出气泡捕集器的样品中的气泡被保留，其中，气泡在不连续流的区域中被吸附在气泡捕集器的内壁处。在优选实施方式中，该方法可以包括使样品与作为芯片实验室系统的一部分的筒体(cartridge)相接触的步骤。特别地，上述装置可以用于执行该方法。

根据本发明的方法的特征还在于，腔室内的流产生不同流速的区域，特别是至少一个具有高流速的区域和至少一个具有低流速的区域。优选地，连续流包括具有高流速的区域，并且不连续流包括具有低流速的区域，该具有低流速的区域优选地与腔室的内壁相邻或相接触。在优选实施方式中，具有高流速的区域与至少一个具有低流速的区域彼此相邻。

根据本发明的方法，不连续流的流速(速度)的减小必须达到下述水平：其中气泡对内壁的吸附力高于将气泡拖入流出的流中的力。在这些情况下，在流体持续流过腔室并随后流出腔室的同时，流体中的气泡的至少一部分，优选流体中的至少大部分气泡，保持在腔室的内壁处至少一段时间。由此，气泡与流出的流分离。

此外，根据本发明的方法在一个具体实施方式中的特征在于，连续流的流速与不连续流的流速之比为至少2:1，优选地为至少5:1，更优选地为至少10:1，更优选地为至少15:1，更优选地为至少25:1，甚至更优选地为至少35:1，最优选地为至少50:1。

在根据本发明的方法的具体实施方式中，连续流的流速在大约1mm/s与大约20mm/s之间的范围内。就水基流体而言，连续流的速度为至少1mm/s，更优选地为至少5mm/s，甚至更优选地为至少7mm/s，最优选地为至少10mm/s。最大流速优选地为25mm/s。不连续流的流速可以为不大于1mm/s，优选地不大于0.7mm/s，最优选地不大于0.5mm/s。在最优选实施方式中，不连续流的流速为大约0mm/s或甚至0mm/s。优选地，这种高流速和低流速的区域彼此相邻。在本文中，术语相邻是指在距离Δx中获得速度差Δv，使得Δv/Δx在5mms^-1/mm与25mms^-1/mm之间的范围中，优选地在10mms^-1/mm与20mms^-1/mm之间的范围中，最优选地在12mms^-1/mm与15mms^-1/mm之间的范围中。

在根据本发明的方法的优选实施方式中，不连续流包括混沌流或湍流。在根据本发明的方法的另一优选实施方式中，不连续流包括至少一个死水区域。

前述描述以及示例性实施方式的以下描述不表示对某些实施方式或特征的放弃。

附图说明

将参照如附图中所示的具体实施方式更详细地阐述本发明，在附图中：

图1示出了第一实施方式中的根据本发明的装置，其中，图1a是平面图，并且图1b是立体图；

图2示出了第二实施方式中的根据本发明的装置的平面图；

图3示出了根据图2的装置的不同几何形状的平面图；以及

图4示出了布置在芯片实验室系统上的图1和图2的装置。

示例

图1示出了根据本发明的用于从流体分离气泡的装置的第一实施方式。为了进行实验研究，通过铣削制造了具有多种腔室几何形状的聚碳酸酯芯片。芯片由两个半壳构成，这两个半壳由于盒的高度而均从2mm开始被构造为半壳，此外腔室在两个半壳之间划分。

图1a示出了腔室1以及输入导管2和输出导管3的平面图，而图1b示出了腔室1以及输入导管2和输出导管3的立体图。图1至图4中的输入导管2和输出导管3的宽度为0.5mm。

在腔室的入口和出口处可以增加斜坡，使得没有液体保持停留在该腔室中。在每个腔室后面是具有10μl的体积的五边形观察室。观察室被平放，其中高度为1mm，使得从腔室前进的气泡大致位于平面中，并且可以被良好地观察到。

对于装置的变型，主要是改变圆形形状的半径。这伴随着关于平面图具有云朵形的整体形状的整个腔室的尺寸的改变。此外，在结构的入口和出口(分别为输入导管和输出导管)处尝试了两种不同形式的侧壁。表1给出了可能的几何形状的概述。其中，R是圆形形状的半径，d₁和d₂是一个圆形形状的中心与导管中心之间的距离，d₃和d₄是一个圆形形状的中心与另一圆形形状之间的距离，这两圆形形状均放置在同一个轴线上，阿尔法1(α₁)和阿尔法2(α2)以及l₁和l₂是样条曲线的尺寸，这样引起两种不同形式的侧壁。

表1：第一实施方式的可能几何形状的示例

芯片半壳由Silpuran 4200连接，其中，Silpuran是注册商标并且是指硅橡胶化合物。第一实施方式的装置向上敞开，使得可以在此引入冻干物。在实验中，每个装置装载两个冻干物。珠状部中的一个珠状部容纳有引物(primer)，其余珠状部都容纳有剩余的试剂。冻干组合物包含以下组分：

导管结构位于结构化的聚碳酸酯板的底部处并且被双面PCR板和非结构化的板密封。此处，芯片与内径为2.1mm且外径为4mm的硅树脂导管相接触。对于实验过程而言，使用来自Pharmacia Fine Chemicals公司的蠕动泵“Peristaltic Pump P-1”。使用Peristaltic Pump P-1，根据导管内径的选择，可以获得约1ml/h至大约500ml/h的流速，泵速可无级调节。用显微镜以2至4的放大倍数观察导管结构。对于多种冻干物的溶解，选择以下实验参数：

溶剂： HPLC-水

溶剂体积： 20μl

泵送率： 2.6μl/s

HPLC水用作溶剂，因为其常常在生物化学中制备试剂时使用。

应指出的是，随着腔室尺寸的增大，一方面，穿过根据本发明的第一实施方式的装置的流的高度增加，另一方面观察到混沌流的增大趋势。

图2和图3示出了根据本发明的用于从流体分离气泡的装置的第二实施方式。在平面图中，根据本发明的第二实施方式的装置是直径为2.5mm的圆形形状以及横截面直径为0.7mm的导管，所述导管与所述圆形形状的切线相交。此后，导管向上偏移0.25mm，并且圆形形状与导管的下轮廓切向连接，从而形成喷嘴。在图3的几何形状1中提供了该过程。对于第二几何形状，导管再次向上偏移0.25mm。由于喷嘴的稍端被固定至导管，因此喷嘴的打开角度也将改变。该方案继续直到图3的几何形状8。此策略的基本思想在于，主要是在根据本发明的装置的第二实施方式中引起气泡保持效果的喷嘴。进一步的实验以与上述相同的方式进行。

因此，应指出的是，第一腔室几何形状显示出在曲线上方具有低流速的明显的(pronounced)区域。由于导管朝向腔室中心的迁移，这些低流速变小，并且在第五几何形状处不再出现。腔室越来越均匀地被流穿过。在第一腔室几何形状中，在根据本发明的装置的第二实施方式的倒圆中形成涡流，并且腔室在高度上被完全流动穿过。在第三几何形状和第四几何形状中，这些涡流不再发生，并且腔室在上部四分之一部分中不再被流穿过。另外，可以观察到从第五腔室几何形状开始，腔室在其宽度上越来越少地被流穿过。在实验的评测中，发现所有的腔室几何形状以类似的方式有效地保持气泡。

图4示出了根据本发明的布置在芯片实验室系统中的设备的第一实施方式和第二实施方式。根据本发明的装置的第一实施方式和第二实施方式的腔室位于PCR腔室的正前方。第一实施方式和第二实施方式的气泡保持效果用于PCR的优化执行。由于本发明的腔室使气泡与流出的流分离，因此没有气泡进入PCR腔室。因此，确保了PCR的最佳功能。