順序遞送流體體積和相關(guān)的設(shè)備、系統(tǒng)和方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求下列待決申請的權(quán)益:
[0003] (a)于2013年1月22日提交的美國臨時(shí)申請?zhí)?1/755, 134 ;
[0004] (b)于2013年4月3日提交的美國臨時(shí)申請?zhí)?1/808, 106 ;
[0005] (c)于2013年6月7日提交的美國臨時(shí)申請?zhí)?1/832, 356 ;
[0006] (d)于2013年8月1日提交的美國臨時(shí)申請?zhí)?1/861,055 ;
[0007] (e)于2013年8月20日提交的美國臨時(shí)申請?zhí)?1/867,941 ;
[0008] (f)于2013年8月20日提交的美國臨時(shí)申請?zhí)?1/867, 950 ;
[0009] (g)于2013年8月20日提交的美國臨時(shí)申請?zhí)?1/868, 006 ;
[0010] 所有上述申請?jiān)诖送ㄟ^引用整體并入本文。此外,通過引用被并入的在申請中所 公開的部件和實(shí)施方式的特征可以與在本申請中公開和要求保護(hù)的各種部件和特征相結(jié) 合。
技術(shù)領(lǐng)域
[0011] 本技術(shù)大體上涉及基于毛細(xì)的設(shè)備,用于執(zhí)行化學(xué)過程和相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)和方法。 特別是,若干個(gè)實(shí)施方式是針對將兩種或多種流體順序遞送到兩種或更多種流體的多孔芯 上。
【背景技術(shù)】
[0012] 側(cè)流條測試("LFT"或"LFTs")已被確定為非常適合在低資源環(huán)境中的現(xiàn)場護(hù)理 ("P0C")所使用的診斷技術(shù)。具有流體運(yùn)輸?shù)陌l(fā)生是由于條材料的毛細(xì)(capillary)壓 力(而不是通過使用栗),LFT是完全的一次性、快速、方便且實(shí)惠的。許多LFT已經(jīng)被發(fā)展 并在有限的資源條件下成功被使用,其應(yīng)用包括懷孕測試和疾病診斷。LFT的基本功能是將 關(guān)注的物質(zhì)(例如,分析物)與可視標(biāo)記相混合(例如,與抗體綴合的金納米顆粒),并通過 固定的捕獲分子(例如抗體)在檢測線捕獲分析物-標(biāo)記復(fù)合物。盡管LFT的簡單性使得 它們非常適合用作POC工具,但是通常將它們限制為執(zhí)行可以在單個(gè)化學(xué)步驟中實(shí)施的測 試。此外,LFT作為臨床相關(guān)的診斷工具的使用時(shí),由于LFT模式的有限分析靈敏度,而可 被限制在具有尚($父尚)濃度的目標(biāo)。
[0013] 多孔膜被通常用于常規(guī)的LFT和流經(jīng)盒。這樣,通過LFT的流體的流動(dòng)通常通過 膜(側(cè)向或橫向地)芯吸到吸收墊上而發(fā)生。免疫測定法利用這樣的多孔膜系統(tǒng)測量和分 析來分析物樣品。對產(chǎn)生流動(dòng)的芯吸的依賴大大限制了在測定條件上的控制。具體地,側(cè) 流測定往往局限于樣品(和緩沖液)被添加到樣品墊的單個(gè)步驟,并且該樣品通過毛細(xì)作 用(即,芯吸)沿著墊流動(dòng)。毛細(xì)作用提供了所需的力以提供流體從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的 幾乎連續(xù)的流動(dòng),造成以干燥形式存儲(chǔ)的試劑沿著設(shè)備被運(yùn)輸并通過包含有固定的捕獲分 子的區(qū)域。這些設(shè)備通常如有色納米顆粒那樣僅限于簡單的單次檢測化學(xué)成分,而不如酶 擴(kuò)增那樣提供多步-檢測化學(xué)成分可能的靈敏度。它們也是很少量化的。
[0014] 微流體系統(tǒng),包括用于緩沖液、樣品和試劑的流動(dòng)的開放流體通道可本身被制造 的復(fù)雜得多,并且可以使用它們來實(shí)施非常大量的流體處理步驟。這種微流體系統(tǒng)通常包 括復(fù)雜一次性的,這導(dǎo)致不可避免的每次測試的高制造成本,并需要昂貴的外部栗和閥來 移動(dòng)流體。盡管微流體設(shè)備在它們執(zhí)行的功能上可以本身是非常靈活的,但是它們本身也 是復(fù)雜和昂貴的。此外,已經(jīng)被制造的以支持復(fù)雜的功能的設(shè)備通常本身相當(dāng)復(fù)雜。例如, 目前開發(fā)了一些聚合物層壓盒,其包含多達(dá)23個(gè)不同的層,其中每一個(gè)必須單獨(dú)被制造并 與其它結(jié)合。
【附圖說明】
[0015] 本公開內(nèi)容的許多方面通過參照以下附圖可被更好地理解。附圖中的部件不一定 按比例繪制。相反地,重點(diǎn)應(yīng)被放在清楚地示出本公開的原理上。
[0016] 圖1A-1D是一系列基于毛細(xì)的流體系統(tǒng)的時(shí)間推移的正視圖。
[0017] 圖2是對應(yīng)于圖1A-1D中所示的流體系統(tǒng)的電路模型。
[0018] 圖3示出了圖1A-1D中所示的對于有限的流體源而言流體前緣的移動(dòng)作為時(shí)間的 函數(shù)的圖表。
[0019] 圖4是四個(gè)流體設(shè)備的俯視圖,每一個(gè)包括不同的源材料。
[0020] 圖5示出了對于每一個(gè)在圖4中所示的流體系統(tǒng)的可濕潤長度的變化的圖表。
[0021] 圖6是對應(yīng)于圖4中所示的流體系統(tǒng)的電路模型。
[0022] 圖7示出了不同于圖4所示的流體系統(tǒng)的毛細(xì)壓力差的圖表。
[0023] 圖8A-8B是根據(jù)本技術(shù)被配置的二維紙網(wǎng)絡(luò)的一系列時(shí)間推移的視圖。
[0024] 圖9是對應(yīng)于圖8A中所示的流體系統(tǒng)的電路模型。
[0025] 圖10是對應(yīng)于圖8B中所示的流體系統(tǒng)的電路模型。
[0026] 圖11A-11B是根據(jù)本技術(shù)被配置的一維紙網(wǎng)絡(luò)的一系列時(shí)間推移的視圖。
[0027] 圖12A-12B是對應(yīng)于圖12A-12B中所示的流體系統(tǒng)的電路模型,假定為非理想流 體源。
[0028] 圖13A-13B是對應(yīng)于圖12A-12B中所示的流體系統(tǒng)的電路模型,假定為理想流體 源。
[0029] 圖14是根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式被配置的具有理想流體源的順序遞送設(shè)備的透視 側(cè)視圖。
[0030] 圖15A-1?是圖14所示的順序遞送設(shè)備的一系列時(shí)間推移的側(cè)視圖。
[0031] 圖16是在圖14中所示的順序遞送設(shè)備的流體體積耗盡的百分比相對時(shí)間的圖 表。
[0032] 圖17是根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式被配置的具有非理想流體源的順序遞送設(shè)備的透 視側(cè)視圖。
[0033] 圖18A-18C是具有非理想流體源的順序遞送裝置的一系列時(shí)間推移的側(cè)視圖。示 出了由于源間距不足所造成的泄漏流。
[0034] 圖19示出了對于在圖18A-18C中所示的流體流動(dòng)的流動(dòng)體積耗盡的百分比相對 于時(shí)間的計(jì)算模型。
[0035] 圖20A-20C是具有非理想流體源顯示順序流體遞送而無泄漏的順序遞送設(shè)備的 一系列時(shí)間推移的側(cè)視圖。
[0036] 圖21示出了迀移時(shí)間和排出時(shí)間相對于流體出口間隔之間的用于排出與液體出 口間隔之間的差異的計(jì)算模型。
[0037] 圖22A-22B是根據(jù)本技術(shù)被配置的控制設(shè)備在激活前和激活后的側(cè)視圖。
[0038] 圖23是根據(jù)本技術(shù)被配置的在激活前控制設(shè)備的一系列的時(shí)間推移的側(cè)視圖。
[0039] 圖24是根據(jù)本技術(shù)被配置的在激活后控制設(shè)備的一系列的時(shí)間推移的側(cè)視圖。
[0040] 圖25A-25B是根據(jù)本技術(shù)被配置的控制設(shè)備在激活前和激活后的側(cè)視圖。
[0041] 圖26A-26B是根據(jù)本技術(shù)被配置的控制設(shè)備在激活前和激活后的側(cè)視圖。
[0042] 圖27是根據(jù)本技術(shù)被配置的在激活前控制設(shè)備的一系列的時(shí)間推移的側(cè)視圖。
[0043] 圖28是根據(jù)本技術(shù)被配置的在激活后控制設(shè)備的一系列的時(shí)間推移的側(cè)視圖。
[0044] 圖29A-29E是根據(jù)本技術(shù)被配置的具有不同長度的流體遞送通路的若干實(shí)施方 式。
[0045] 圖30示出了激活延遲相對玻璃纖維長度的圖表。
[0046] 圖31A-31F是根據(jù)本技術(shù)被配置的控制裝置的時(shí)間推移的俯視圖。
[0047] 圖32A-32C是根據(jù)本技術(shù)被配置的包括多個(gè)控制設(shè)備的流體設(shè)備的部分的側(cè)視 圖。
[0048] 圖33是根據(jù)本技術(shù)被配置的包括多個(gè)控制設(shè)備的流體設(shè)備的部分的俯視圖。
[0049] 圖34A-34B是根據(jù)本技術(shù)被配置的廢物移除系統(tǒng)的頂部透視圖。
[0050] 圖35A-35B是根據(jù)本技術(shù)被配置的廢物移除系統(tǒng)的另一實(shí)施方式的頂部透視圖。
[0051] 圖36A-36C是根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式被配置的具有體積-測量元件的通道的一系 列的時(shí)間推移的側(cè)視圖。
[0052] 圖37是根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式被配置的體積-測量元件的透視圖。
[0053] 圖38和39示出了根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式被配置的各種體積-測量元件所遞送的 流體的體積的圖表。
[0054] 圖40A是根據(jù)被技術(shù)的實(shí)施方式被配置的處于打開位置的基于毛細(xì)的設(shè)備的俯 視圖。
[0055] 圖40B是根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式被配置的在流體已經(jīng)被添加后處于關(guān)閉位置的 圖40A的基于毛細(xì)的設(shè)備的一系列的時(shí)間推移的俯視圖。
[0056] 圖41A-41D示出了根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式被配置的具有多個(gè)通道的基于毛細(xì)的 設(shè)備的一系列的時(shí)間推移的俯視圖。
[0057] 圖42是根據(jù)本技術(shù)被配置的處于打開位置的基于毛細(xì)的設(shè)備的俯視圖。
[0058] 圖43是根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式被配置的致動(dòng)器的側(cè)透視圖。
[0059] 圖44是根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式被配置的被耦合到可溶解的通道的致動(dòng)器的透視 圖。
[0060] 圖45A是在將遞送通路耦合到通道之前致動(dòng)器和遞送通路的透視圖
[0061] 圖45B是致動(dòng)器的放大圖,示出了被耦合到可溶解的通道的遞送通路。
[0062] 圖46是根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式被配置的包含致動(dòng)器的流體系統(tǒng)的頂部透視圖。
[0063] 圖47是根據(jù)本技術(shù)的另一實(shí)施方式被配置的致動(dòng)器的側(cè)透視圖。
[0064] 圖48A-48D示出了根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式被配置的分子測定系統(tǒng)的正視圖。
[0065] 圖49-49C示出了根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式被配置的分子測定系統(tǒng)的正視圖。
[0066] 圖50A-50D示出了根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式被配置的包括化學(xué)熱源的分子測定系 統(tǒng)的正視圖。
[0067] 圖51-54示出了根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式被配置的用于選擇性蒸發(fā)的各種系統(tǒng)的 側(cè)視圖。
[0068] 圖55示出了基于掩模大小的濃度圖案的俯視圖。
[0069] 圖56A-56B是根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式被配置的用于優(yōu)先流和濃度的設(shè)備的俯視 圖。
[0070] 圖57-68是根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式被配置的檢測設(shè)備的透視圖。
[0071] 圖69是根據(jù)被技術(shù)的另一實(shí)施方式被配置的檢測設(shè)備的透視圖。
[0072] 圖70是根據(jù)本技術(shù)的另一實(shí)施方式被配置的檢測設(shè)備的透視圖。 具體實(shí)施例
[0073] 本技術(shù)描述了用于處理、分析、檢測、測量,以及分離流體的各種設(shè)備、系統(tǒng)和方 法。該設(shè)備可被用于執(zhí)行這些對微流體規(guī)模、以及對流體和試劑運(yùn)輸?shù)目刂频奶幚?。在?實(shí)施方式中,例如,具有輸入?yún)^(qū)域和接收區(qū)域的多孔接收元件,被放置在該接收元件的輸入 區(qū)域內(nèi)的第一流體源和第二流體源;其中,第一流體源被放置在第二流體源和接收區(qū)域之 間,并且其中,當(dāng)?shù)谝缓偷诙黧w源與輸入?yún)^(qū)域流體連接時(shí),該設(shè)備被配置成將第一流體和 所述第二流體無泄漏地順序遞送到接收區(qū)域。
[0074] 該技術(shù)的若干個(gè)實(shí)施方式的特定細(xì)節(jié)在下面參照圖1A-70被描述。通常與基于毛 細(xì)的設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)診斷、免疫測定等相關(guān)聯(lián)的描述公知的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的其它細(xì)節(jié)并沒有 在以下公開中闡述,以避免不必要地模糊技術(shù)的各種實(shí)施方式的描述。許多細(xì)節(jié)、尺寸、角 度和其它圖中所示的特征僅僅是說明該技術(shù)的【具體實(shí)施方式】的。因此,其他實(shí)施方式可以 具有其它細(xì)節(jié)、尺寸、角度和特征,而不脫離本技術(shù)的精神或范圍。因此,本領(lǐng)域普通技術(shù)人 員將相應(yīng)地理解,該技術(shù)可具有其他具有附加元件的實(shí)施方式,或該技術(shù)可以具有其它實(shí) 施方式,而沒有以下參考圖1A-70所示出和描述的若干特征。
[0075] I.宙義
[0076] 如本文所用,"多孔元件"或"多孔膜"是指多孔膜(例如,芯、通道、立柱、墊、遞送 通路,等等),通過它們,流體可通過毛細(xì)作用行進(jìn),如紙、硝化纖維素、尼龍、玻璃纖維,等 等。除非上下文明確要求,否則,多孔元件可以是二維或三維的(當(dāng)除了其長度和寬度外還 考慮其高度時(shí))。此外,多孔膜可以是單層或者可以包括兩個(gè)或更多個(gè)膜層。雖然在一些實(shí) 施方式中特定術(shù)語可以被使用(例如,"芯"、"通道"、"立柱"、"墊"、"遞送通路",等),但是 應(yīng)當(dāng)理解的是,使用不同的多孔元件還是在本技術(shù)的范圍內(nèi)。
[0077] 如本文所用的,"濕潤區(qū)分"是指能夠通過與分離的流體接觸而被濕潤,無需在初 始濕潤的點(diǎn)混合流體。例如,如果兩個(gè)輸入立柱在物理上分開,則它們是濕潤區(qū)分的,使得 每個(gè)立柱可與分離的流體貯存器接觸。通道可被制成濕潤區(qū)分的,通過各種方式,包括,但 不限于,通過區(qū)分邊緣(例如,切割為分離的通道)以及通過不可滲透的屏障分離。
[0078] 如本文所使用的,"理想流體源"或"基本理想流體源"是指是釋放到多孔基體的過 程中表現(xiàn)出可忽略的毛細(xì)反壓的流體源。一種理想的流體源的這樣一個(gè)例子是井源。"非 理想流體源"是指釋放到多孔基體的過程中表現(xiàn)出不可忽略的毛細(xì)反壓的流體源。
[0079] 如本文所使用的,兩維紙網(wǎng)絡(luò)("2DPN")是指包括至少兩個(gè)相互連接的濕潤區(qū)分 的芯、通道,和/或立柱的系統(tǒng)。一維紙網(wǎng)絡(luò)("1DPN")是指僅包括單個(gè)芯、通道,或立柱的 系統(tǒng)。"偽-1DPN"是指直接被耦合到一個(gè)或多個(gè)流體源的單個(gè)芯、通道或立柱。(例如,未 經(jīng)在其間的濕潤區(qū)分立柱)。
[0080] II.物理原理
[0081] 1.毛細(xì)-驅(qū)動(dòng)流動(dòng)和電路之間的關(guān)系
[0082] 圖1A-1D是流體系統(tǒng)100的時(shí)間推移的正視圖,其包括與理想流體源104的一端 流體連接的芯102。理想流體源104包含流體F的有限體積。如圖1A-1D,流體F從理想 流體源102通過毛細(xì)作用流經(jīng)芯102。流體F流經(jīng)芯102的流量Q受到兩個(gè)相對的力的影 響:(1)拉動(dòng)流體F進(jìn)入芯102的芯102的毛細(xì)壓力P p,以及(2)阻止流體流經(jīng)芯102的孔 的粘性阻力Rv。各種阻力Rv取決于流體柱106的濕潤長度L,并且由R v= yL/KWH(其中 μ是流體動(dòng)態(tài)粘度,κ是滲透率,W是芯102的寬度,H是芯102的高度)。隨著越來越多 的流體F是占據(jù)了芯102,流體柱106的長度L增大,使得流體柱106的長度L是時(shí)間t的 函數(shù)。由于粘性阻力R v取決于濕潤的長度值L(t),粘性阻力Rv從而也取決于時(shí)間(即,Rv =μ L ⑴ / κ 冊)。
[0083] 在圖1A-1D中所示的毛細(xì)-驅(qū)動(dòng)流動(dòng),也可通過類比被描述為簡單電路。例如,如 在圖2中所示的電路模型200,由毛細(xì)力或重力產(chǎn)生的壓力P p能夠類比為電壓,流體流動(dòng)的 流量Q可以被類比為電流,以及粘性阻力Rv可以被類比為電阻。大氣壓力(即,P = O)作 用于所有流體-空氣界面并能夠被類比為電接地。由理想液體流104施加的毛細(xì)反壓匕也 可以被表示作為接地,因?yàn)?,對于理想的流體源,毛細(xì)反壓是可以忽略的,因此基本上是零。 此外,正如在電路中的歐姆定律(即,I = V/R)涉及的電流I與電壓V和電阻R,達(dá)西定律 的一維形式(即,Q = P/R)同樣將流體流動(dòng)的流量Q與驅(qū)動(dòng)壓力P和粘性阻力R相關(guān)聯(lián)。 下面的方程式可以來自對電路模型200的評(píng)估:
[0086] 其中,ε是多孔材料的孔隙體積。
[0087] 在圖3所示的曲線中示出了流體系統(tǒng)100的可濕性長度隨時(shí)間的變化。在浸透過 程中恒定的毛細(xì)壓力P p和上升的電阻R R使流體前緣隨時(shí)間變緩慢(L 2口 t),直到流體源 104被耗盡。在方程式2(L2Dt)中發(fā)現(xiàn)的縮放比例與描述一維驅(qū)動(dòng)浸透的盧卡斯-沃什 伯恩(Lucas-Washburn)表達(dá)完全匹配。因此,電類比對于理解在多孔材料中的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)流 動(dòng)的基本概念上是有用的。
[0088] 2.非理想流體源和毛細(xì)反壓
[0089] 基于圖1A-1D的推導(dǎo)假設(shè)由理想流體源材料組成的流體源在從源釋放流體過程 中施加可忽略不計(jì)的反壓。如圖4-7所示,雖然也可以使用非理想流體源材料,但非理想源 材料的選擇可影響流體釋放到芯的總量和流體行進(jìn)通過芯的流量。
[0090] 圖4是分別包括不同的流體源404a_404d的四種流體系統(tǒng)400a_d的俯視圖,每 個(gè)都被流體連接到硝化纖維素芯402a-d。圖4示出了每一個(gè)流體系統(tǒng)400a-d -次芯吸在 每個(gè)系統(tǒng)中已經(jīng)停止。此外,每個(gè)流體源404a-404d最初持有相同體積的流體。流體系統(tǒng) 400a包括井404a (理想流體源)(未示出),流體系統(tǒng)400b包括玻璃纖維流體源404b (非 理想),流體系統(tǒng)400c包括纖維素流體源404c (非理想),和流體系統(tǒng)400d包括硝化纖維 素流體源404d(非理想)。如圖4所示,在利用井源404a(理想流體源)的流體系統(tǒng)400a 中,流體的所有體積被釋放(由流體系統(tǒng)400a的可濕潤長度L指示)。由于是非理想流體 源,玻璃纖維源404b也釋放了流體的所有體積,而纖維素流體源404c和硝化纖維素流體源 404d保留了大量百分比的流體。在圖5中的圖表示出,盡管玻璃纖維流體源404b完全被排 出,但釋放的速率比利用井源404a(理想流體源)的流體系統(tǒng)慢。當(dāng)使用硝化纖維素流體 源404c時(shí),發(fā)生井狀(理想的)遞送直至硝化纖維素流體源變?yōu)榧s50%耗盡,在該點(diǎn)遞送 很快停止。此外,盡管被遞送的纖維素流體源電路404c較硝化纖維素流體源404d