顺序递送流体体积和相关的设备、系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求下列待决申请的权益：
[0003] (a)于2013年1月22日提交的美国临时申请号61/755, 134 ;
[0004] (b)于2013年4月3日提交的美国临时申请号61/808, 106 ;
[0005] (c)于2013年6月7日提交的美国临时申请号61/832, 356 ;
[0006] (d)于2013年8月1日提交的美国临时申请号61/861,055 ;
[0007] (e)于2013年8月20日提交的美国临时申请号61/867,941 ;
[0008] (f)于2013年8月20日提交的美国临时申请号61/867, 950 ;
[0009] (g)于2013年8月20日提交的美国临时申请号61/868, 006 ;
[0010] 所有上述申请在此通过引用整体并入本文。此外，通过引用被并入的在申请中所 公开的部件和实施方式的特征可以与在本申请中公开和要求保护的各种部件和特征相结 合。
技术领域
[0011] 本技术大体上涉及基于毛细的设备，用于执行化学过程和相关联的系统和方法。 特别是，若干个实施方式是针对将两种或多种流体顺序递送到两种或更多种流体的多孔芯 上。
【背景技术】
[0012] 侧流条测试（"LFT"或"LFTs"）已被确定为非常适合在低资源环境中的现场护理 ("P0C"）所使用的诊断技术。具有流体运输的发生是由于条材料的毛细（capillary)压 力（而不是通过使用栗），LFT是完全的一次性、快速、方便且实惠的。许多LFT已经被发展 并在有限的资源条件下成功被使用，其应用包括怀孕测试和疾病诊断。LFT的基本功能是将 关注的物质（例如，分析物）与可视标记相混合（例如，与抗体缀合的金纳米颗粒），并通过 固定的捕获分子（例如抗体）在检测线捕获分析物-标记复合物。尽管LFT的简单性使得 它们非常适合用作POC工具，但是通常将它们限制为执行可以在单个化学步骤中实施的测 试。此外，LFT作为临床相关的诊断工具的使用时，由于LFT模式的有限分析灵敏度，而可 被限制在具有尚（$父尚）浓度的目标。
[0013] 多孔膜被通常用于常规的LFT和流经盒。这样，通过LFT的流体的流动通常通过 膜（侧向或横向地）芯吸到吸收垫上而发生。免疫测定法利用这样的多孔膜系统测量和分 析来分析物样品。对产生流动的芯吸的依赖大大限制了在测定条件上的控制。具体地，侧 流测定往往局限于样品（和缓冲液）被添加到样品垫的单个步骤，并且该样品通过毛细作 用（即，芯吸）沿着垫流动。毛细作用提供了所需的力以提供流体从一个点到另一个点的 几乎连续的流动，造成以干燥形式存储的试剂沿着设备被运输并通过包含有固定的捕获分 子的区域。这些设备通常如有色纳米颗粒那样仅限于简单的单次检测化学成分，而不如酶 扩增那样提供多步-检测化学成分可能的灵敏度。它们也是很少量化的。
[0014] 微流体系统，包括用于缓冲液、样品和试剂的流动的开放流体通道可本身被制造 的复杂得多，并且可以使用它们来实施非常大量的流体处理步骤。这种微流体系统通常包 括复杂一次性的，这导致不可避免的每次测试的高制造成本，并需要昂贵的外部栗和阀来 移动流体。尽管微流体设备在它们执行的功能上可以本身是非常灵活的，但是它们本身也 是复杂和昂贵的。此外，已经被制造的以支持复杂的功能的设备通常本身相当复杂。例如， 目前开发了一些聚合物层压盒，其包含多达23个不同的层，其中每一个必须单独被制造并 与其它结合。
【附图说明】
[0015] 本公开内容的许多方面通过参照以下附图可被更好地理解。附图中的部件不一定 按比例绘制。相反地，重点应被放在清楚地示出本公开的原理上。
[0016] 图1A-1D是一系列基于毛细的流体系统的时间推移的正视图。
[0017] 图2是对应于图1A-1D中所示的流体系统的电路模型。
[0018] 图3示出了图1A-1D中所示的对于有限的流体源而言流体前缘的移动作为时间的 函数的图表。
[0019] 图4是四个流体设备的俯视图，每一个包括不同的源材料。
[0020] 图5示出了对于每一个在图4中所示的流体系统的可湿润长度的变化的图表。
[0021] 图6是对应于图4中所示的流体系统的电路模型。
[0022] 图7示出了不同于图4所示的流体系统的毛细压力差的图表。
[0023] 图8A-8B是根据本技术被配置的二维纸网络的一系列时间推移的视图。
[0024] 图9是对应于图8A中所示的流体系统的电路模型。
[0025] 图10是对应于图8B中所示的流体系统的电路模型。
[0026] 图11A-11B是根据本技术被配置的一维纸网络的一系列时间推移的视图。
[0027] 图12A-12B是对应于图12A-12B中所示的流体系统的电路模型，假定为非理想流 体源。
[0028] 图13A-13B是对应于图12A-12B中所示的流体系统的电路模型，假定为理想流体 源。
[0029] 图14是根据本技术的实施方式被配置的具有理想流体源的顺序递送设备的透视 侧视图。
[0030] 图15A-1?是图14所示的顺序递送设备的一系列时间推移的侧视图。
[0031] 图16是在图14中所示的顺序递送设备的流体体积耗尽的百分比相对时间的图 表。
[0032] 图17是根据本技术的实施方式被配置的具有非理想流体源的顺序递送设备的透 视侧视图。
[0033] 图18A-18C是具有非理想流体源的顺序递送装置的一系列时间推移的侧视图。示 出了由于源间距不足所造成的泄漏流。
[0034] 图19示出了对于在图18A-18C中所示的流体流动的流动体积耗尽的百分比相对 于时间的计算模型。
[0035] 图20A-20C是具有非理想流体源显示顺序流体递送而无泄漏的顺序递送设备的 一系列时间推移的侧视图。
[0036] 图21示出了迀移时间和排出时间相对于流体出口间隔之间的用于排出与液体出 口间隔之间的差异的计算模型。
[0037] 图22A-22B是根据本技术被配置的控制设备在激活前和激活后的侧视图。
[0038] 图23是根据本技术被配置的在激活前控制设备的一系列的时间推移的侧视图。
[0039] 图24是根据本技术被配置的在激活后控制设备的一系列的时间推移的侧视图。
[0040] 图25A-25B是根据本技术被配置的控制设备在激活前和激活后的侧视图。
[0041] 图26A-26B是根据本技术被配置的控制设备在激活前和激活后的侧视图。
[0042] 图27是根据本技术被配置的在激活前控制设备的一系列的时间推移的侧视图。
[0043] 图28是根据本技术被配置的在激活后控制设备的一系列的时间推移的侧视图。
[0044] 图29A-29E是根据本技术被配置的具有不同长度的流体递送通路的若干实施方 式。
[0045] 图30示出了激活延迟相对玻璃纤维长度的图表。
[0046] 图31A-31F是根据本技术被配置的控制装置的时间推移的俯视图。
[0047] 图32A-32C是根据本技术被配置的包括多个控制设备的流体设备的部分的侧视 图。
[0048] 图33是根据本技术被配置的包括多个控制设备的流体设备的部分的俯视图。
[0049] 图34A-34B是根据本技术被配置的废物移除系统的顶部透视图。
[0050] 图35A-35B是根据本技术被配置的废物移除系统的另一实施方式的顶部透视图。
[0051] 图36A-36C是根据本技术的实施方式被配置的具有体积-测量元件的通道的一系 列的时间推移的侧视图。
[0052] 图37是根据本技术的实施方式被配置的体积-测量元件的透视图。
[0053] 图38和39示出了根据本技术的实施方式被配置的各种体积-测量元件所递送的 流体的体积的图表。
[0054] 图40A是根据被技术的实施方式被配置的处于打开位置的基于毛细的设备的俯 视图。
[0055] 图40B是根据本技术的实施方式被配置的在流体已经被添加后处于关闭位置的 图40A的基于毛细的设备的一系列的时间推移的俯视图。
[0056] 图41A-41D示出了根据本技术的实施方式被配置的具有多个通道的基于毛细的 设备的一系列的时间推移的俯视图。
[0057] 图42是根据本技术被配置的处于打开位置的基于毛细的设备的俯视图。
[0058] 图43是根据本技术的实施方式被配置的致动器的侧透视图。
[0059] 图44是根据本技术的实施方式被配置的被耦合到可溶解的通道的致动器的透视 图。
[0060] 图45A是在将递送通路耦合到通道之前致动器和递送通路的透视图
[0061] 图45B是致动器的放大图，示出了被耦合到可溶解的通道的递送通路。
[0062] 图46是根据本技术的实施方式被配置的包含致动器的流体系统的顶部透视图。
[0063] 图47是根据本技术的另一实施方式被配置的致动器的侧透视图。
[0064] 图48A-48D示出了根据本技术的实施方式被配置的分子测定系统的正视图。
[0065] 图49-49C示出了根据本技术的实施方式被配置的分子测定系统的正视图。
[0066] 图50A-50D示出了根据本技术的实施方式被配置的包括化学热源的分子测定系 统的正视图。
[0067] 图51-54示出了根据本技术的实施方式被配置的用于选择性蒸发的各种系统的 侧视图。
[0068] 图55示出了基于掩模大小的浓度图案的俯视图。
[0069] 图56A-56B是根据本技术的实施方式被配置的用于优先流和浓度的设备的俯视 图。
[0070] 图57-68是根据本技术的实施方式被配置的检测设备的透视图。
[0071] 图69是根据被技术的另一实施方式被配置的检测设备的透视图。
[0072] 图70是根据本技术的另一实施方式被配置的检测设备的透视图。 具体实施例
[0073] 本技术描述了用于处理、分析、检测、测量，以及分离流体的各种设备、系统和方 法。该设备可被用于执行这些对微流体规模、以及对流体和试剂运输的控制的处理。在一 实施方式中，例如，具有输入区域和接收区域的多孔接收元件，被放置在该接收元件的输入 区域内的第一流体源和第二流体源；其中，第一流体源被放置在第二流体源和接收区域之 间，并且其中，当第一和第二流体源与输入区域流体连接时，该设备被配置成将第一流体和 所述第二流体无泄漏地顺序递送到接收区域。
[0074] 该技术的若干个实施方式的特定细节在下面参照图1A-70被描述。通常与基于毛 细的设备、生物医学诊断、免疫测定等相关联的描述公知的结构和系统的其它细节并没有 在以下公开中阐述，以避免不必要地模糊技术的各种实施方式的描述。许多细节、尺寸、角 度和其它图中所示的特征仅仅是说明该技术的【具体实施方式】的。因此，其他实施方式可以 具有其它细节、尺寸、角度和特征，而不脱离本技术的精神或范围。因此，本领域普通技术人 员将相应地理解，该技术可具有其他具有附加元件的实施方式，或该技术可以具有其它实 施方式，而没有以下参考图1A-70所示出和描述的若干特征。
[0075] I.宙义
[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、垫、递送 通路，等等），通过它们，流体可通过毛细作用行进，如纸、硝化纤维素、尼龙、玻璃纤维，等 等。除非上下文明确要求，否则，多孔元件可以是二维或三维的（当除了其长度和宽度外还 考虑其高度时）。此外，多孔膜可以是单层或者可以包括两个或更多个膜层。虽然在一些实 施方式中特定术语可以被使用（例如，"芯"、"通道"、"立柱"、"垫"、"递送通路"，等），但是 应当理解的是，使用不同的多孔元件还是在本技术的范围内。
[0077] 如本文所用的，"湿润区分"是指能够通过与分离的流体接触而被湿润，无需在初 始湿润的点混合流体。例如，如果两个输入立柱在物理上分开，则它们是湿润区分的，使得 每个立柱可与分离的流体贮存器接触。通道可被制成湿润区分的，通过各种方式，包括，但 不限于，通过区分边缘（例如，切割为分离的通道）以及通过不可渗透的屏障分离。
[0078] 如本文所使用的，"理想流体源"或"基本理想流体源"是指是释放到多孔基体的过 程中表现出可忽略的毛细反压的流体源。一种理想的流体源的这样一个例子是井源。"非 理想流体源"是指释放到多孔基体的过程中表现出不可忽略的毛细反压的流体源。
[0079] 如本文所使用的，两维纸网络（"2DPN"）是指包括至少两个相互连接的湿润区分 的芯、通道，和/或立柱的系统。一维纸网络（"1DPN"）是指仅包括单个芯、通道，或立柱的 系统。"伪-1DPN"是指直接被耦合到一个或多个流体源的单个芯、通道或立柱。（例如，未 经在其间的湿润区分立柱）。
[0080] II.物理原理
[0081] 1.毛细-驱动流动和电路之间的关系
[0082] 图1A-1D是流体系统100的时间推移的正视图，其包括与理想流体源104的一端 流体连接的芯102。理想流体源104包含流体F的有限体积。如图1A-1D，流体F从理想 流体源102通过毛细作用流经芯102。流体F流经芯102的流量Q受到两个相对的力的影 响：（1)拉动流体F进入芯102的芯102的毛细压力P p，以及（2)阻止流体流经芯102的孔 的粘性阻力Rv。各种阻力Rv取决于流体柱106的湿润长度L，并且由R v= yL/KWH(其中 μ是流体动态粘度，κ是渗透率，W是芯102的宽度，H是芯102的高度）。随着越来越多 的流体F是占据了芯102,流体柱106的长度L增大，使得流体柱106的长度L是时间t的 函数。由于粘性阻力R v取决于湿润的长度值L(t)，粘性阻力Rv从而也取决于时间（即，Rv =μ L ⑴ / κ 冊）。
[0083] 在图1A-1D中所示的毛细-驱动流动，也可通过类比被描述为简单电路。例如，如 在图2中所示的电路模型200,由毛细力或重力产生的压力P p能够类比为电压，流体流动的 流量Q可以被类比为电流，以及粘性阻力Rv可以被类比为电阻。大气压力（即，P = O)作 用于所有流体-空气界面并能够被类比为电接地。由理想液体流104施加的毛细反压匕也 可以被表示作为接地，因为，对于理想的流体源，毛细反压是可以忽略的，因此基本上是零。 此外，正如在电路中的欧姆定律（即，I = V/R)涉及的电流I与电压V和电阻R，达西定律 的一维形式（即，Q = P/R)同样将流体流动的流量Q与驱动压力P和粘性阻力R相关联。 下面的方程式可以来自对电路模型200的评估：
[0086] 其中，ε是多孔材料的孔隙体积。
[0087] 在图3所示的曲线中示出了流体系统100的可湿性长度随时间的变化。在浸透过 程中恒定的毛细压力P p和上升的电阻R R使流体前缘随时间变缓慢（L 2口 t)，直到流体源 104被耗尽。在方程式2(L2Dt)中发现的缩放比例与描述一维驱动浸透的卢卡斯-沃什 伯恩（Lucas-Washburn)表达完全匹配。因此，电类比对于理解在多孔材料中的毛细驱动流 动的基本概念上是有用的。
[0088] 2.非理想流体源和毛细反压
[0089] 基于图1A-1D的推导假设由理想流体源材料组成的流体源在从源释放流体过程 中施加可忽略不计的反压。如图4-7所示，虽然也可以使用非理想流体源材料，但非理想源 材料的选择可影响流体释放到芯的总量和流体行进通过芯的流量。
[0090] 图4是分别包括不同的流体源404a_404d的四种流体系统400a_d的俯视图，每 个都被流体连接到硝化纤维素芯402a-d。图4示出了每一个流体系统400a-d -次芯吸在 每个系统中已经停止。此外，每个流体源404a-404d最初持有相同体积的流体。流体系统 400a包括井404a (理想流体源）（未示出），流体系统400b包括玻璃纤维流体源404b (非 理想），流体系统400c包括纤维素流体源404c (非理想），和流体系统400d包括硝化纤维 素流体源404d(非理想）。如图4所示，在利用井源404a(理想流体源）的流体系统400a 中，流体的所有体积被释放（由流体系统400a的可湿润长度L指示）。由于是非理想流体 源，玻璃纤维源404b也释放了流体的所有体积，而纤维素流体源404c和硝化纤维素流体源 404d保留了大量百分比的流体。在图5中的图表示出，尽管玻璃纤维流体源404b完全被排 出，但释放的速率比利用井源404a(理想流体源）的流体系统慢。当使用硝化纤维素流体 源404c时，发生井状（理想的）递送直至硝化纤维素流体源变为约50%耗尽，在该点递送 很快停止。此外，尽管被递送的纤维素流体源电路404c较硝化纤维素流体源404d