CN111867731B - 微流体装置和用于处理液体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于处理液体（105）的微流体装置（100）。所述微流体装置（100）具有带气动腔（115）的至少一个气动基本（110）和带用于容纳液体（105）的流体腔（125）的流体基板（120）。流体腔（125）与气动腔（115）对置布置。此外，微粒体装置（100）还具有柔性膜（130），所述柔性膜布置在气动基板（110）和流体基板（120）之间。柔性膜（130）构造用于将至少部分延伸进入流体腔（125）的流体室（135）与至少部分延伸进入气动腔（115）的气动室（140）流体地彼此分开。微流体装置（100）还包括用于施加第一气动压力到气动室（140）上的第一气动通道（145）和用于施加第二气动压力到气动室（140）上的第二气动通道（150）。

Description

微流体装置和用于处理液体的方法

技术领域

本发明涉及按照独立权利要求所述类型的一种装置或一种方法。

背景技术

在微流体装置中处理液体时，有待处理的液体的流动情况可能十分重要。为了影响在微流体装置中的液体的流动情况，微流体装置可以成形用于，利于促进生成特定的流动情况。

DE US 9463460说明了微流体装置的微通道的不同的几何实施方式，它们可能在处理液体时利于形成由最初的两个层流构成的一个湍流。

发明内容

在这个背景下，用在此提出的解决方案提出了按照独立权利要求所述的一种微流体装置和一种方法。通过在从属权利要求中阐述的措施实现了在独立权利要求中说明的装置的有利的扩展设计和改进方案。

液体可以有利地借助气动压力加以处理、例如加以传递或混合。微流体装置为此包括柔性膜，所述柔性膜借助气动的致动可以开始振动运动。通过膜的振动可以使液体运动并且可以有针对性地产生有待处理的液体的限定的湍流的流动情况。视应用情形而定，微流体装置可以用于处理一种或多种不同的液体。同时处理多种液体可以例如用于混合液体。有针对性地设定有待处理的液体的流动情况对多个微流体的和诊断性的应用而言是有利的。在此处提出的解决方案中，设定流动情况有利地借助施加气动压力尽可能与微流体装置的几何形状无关地进行，由此使微流体装置和相应的方法能多样化地使用和组合。因此有利地能特别有效地处理液体。此外还能通过借助柔性膜有针对性地设定有待处理的液体的地点和时间上受限的湍流的流动情况有利地最小化在有待处理的液体中的空气泡的形成。在此可以有利地在腔中进行液体的处理、例如混合，这实现了紧凑的构造方式。此外，伴随在相同的微流体腔中有针对性地设定分层的和湍流的流动分成的和涡流的流动地处理液体可能是有利的，以便例如从液态的病人样本、例如血中，通过缓冲器混合和析出血细胞或循环肿瘤细胞，并且紧接着在分层流动中经重力推动地或者通过施加磁场富集和分离。

提出了一种用于处理至少一种液体的微流体装置。该微流体装置具有至少一个气动基板、流体基板、柔性膜和第一气动通道及第二气动通道。气动基本包括气动腔。流体基板包括用于容纳液体的流体腔。流体腔与气动腔对置布置。柔性膜布置在气动基板和流体基板之间。柔性膜构造用于，将至少部分延伸进入流体腔的流体室和至少部分延伸进入气动腔的气动室流体地彼此分开。第一气动通道构造用于将第一气动压力施加到气动室上并且第二气动通道构造用于将第二气动压力施加到气动室上。

微流体装置可以例如涉及用于也称为“芯片上的实验室系统”的芯片实验室的装置。芯片实验室可以指的是这样一种微流体系统，在该微流体系统中，宏观实验室的整个功能可以安装在芯片实验室筒的一个例如信用卡大小的塑料基板上并且复杂的生物、诊断、化学或物理过程可以微型化地在该微流体系统中运行。借助微流体装置可以例如在芯片上提供或运输液体。有待处理的液体可以例如指的是液体试剂，如含盐类的溶液、含乙醇的溶液或水溶液，或者可以指的是除垢剂或干试剂，如冻干物质或盐类。借助柔性膜的偏转可以至少部分挤压液体或者可以例如打开或关闭阀。微流体装置包括气动基板和流体基板。为此，微流体装置可以具有聚合的多层结构，其由至少两个聚合物基板构成，所述聚合物基板例如通过柔性膜分成气动平面和流体平面，即气动基板和流体基板。也可以取代聚合物使用其它合适的材料用于基板。气动基板和流体基板备选也可以一体地成形。柔性膜可以是聚合物膜，例如热塑性弹性体。柔性膜可以构造用于，响应用于处理液体的气动压力施加地振动或振荡。通过这种振动可以在液体中在对置的流体室中有利地产生湍流的流动情况。通过第一或第二气动通道施加的第一或第二气动压力，可以涉及能借助气动压力介质、例如压缩空气或氮气产生的压力。第一和第二气动压力可以例如具有相同的或不同的压力水平。例如可以通过施加第一气动压力和不同于第一气动压力的第二压力产生限定的压差，以便使柔性膜为了处理液体而开始振动的或振动的运动。

第一气动通道和/或第二气动通道按照一个实施方式可以通入气动腔。第一和第二气动压力例如可以通入气动腔的气动室。第一和第二气动压力因此例如可以通过将流体的压力介质导入到气动腔中而被特别有效地施加，以便使膜开始振动运动。

此外，第一气动通道和/或第二气动通道按照一个实施方式可以导引通过气动腔的与膜对置的盖。气动腔为此可以例如具有聚合物覆盖层作为盖，盖可以例如也是气动基板的一部分。盖可以成形用于在与膜对置的侧面上微流体地封闭气动腔。可以极为简单地创建相应的通道。

按照另一个有利的实施方式，第一气动通道和第二气动通道在气动腔的彼此对置的侧面处通入到气动腔中。这例如是有利的，以便能这样来施加第一和/或第二气动压力，使得柔性膜例如借助在气动室中施加一个关于流体室的压力的负压或超压而同时朝气动室或流体室的方向拱曲，从而例如借助压力将液体导入到流体腔中。当气动通道彼此尽可能远地间隔开地通入到气动腔中时，膜的一个尽可能大的区段可以被导引通过气动通道的压力介质扫过并且因此开始振动。第二气动通道备选可以居中地通入气动腔。为此，第二气动通道例如居中地布置在气动腔的与膜对置的侧面上并且导引通过气动腔的盖。第二气动通道的这种布置可以例如有利于柔性膜通过在第一和第二气动通道之间产生压差而特定地偏转。

第一和/或第二气动通道按照一个实施方式可以具有小于0.5 mm²的横截面积。当流过第一和/或第二气动通道的气动压力介质、例如压缩空气，通过相应的横截面积例如从喷嘴流入气动室中时，有利地可以特别有效地达到柔性膜的振动。因此可能有利于通过柔性膜的振动生成液体的涡流和波动，这可能对处理液体、例如混合液体是有利的。

按照一个实施方式，微流体装置此外还包括用于将所述液体或至少另一种液体导入到流体室中的流体毛细管。该流体毛细管可以通入流体室。该流体毛细管可以例如与柔性膜成一个扁平的角地或者平行于柔性膜地通入到流体室中。流体毛细管可以例如也用于将液体从流体室导出，或者流体室可以具有另一个输出开口。

按照一个实施方式，第一气动通道可以包括气动毛细管。该气动毛细管可以成形用于，将压力沿着膜导入到气动室中。气动毛细管可以例如与柔性膜成一个扁平角地通入到气动室中。气动毛细管为此可以例如具有一个空腔。气动毛细管可以例如导引通过气动基板或者通过流体基板。第一气动通道还可以例如具有导入例如形式为流体的压力介质的压力的开口，其中，该开口布置在气动基板的与膜对置的侧面上。形式为流体的压力介质的压力可以沿着膜导入到气动室中，压力介质例如是压缩空气或氮气的形式。这个实施方式是有利的，因为当压力介质以扁平的角或者在松弛的膜的平面中导入到气动室中时，能特别有效地达到柔性膜的振动。

流体基板可以具有通入流体腔的凹槽。在此，膜可以偏转进入该凹槽，以便形成气动毛细管作为布置在气动基板和膜之间的可变的区域。气动毛细管因此可以构造成这样一个区域，在该区域中，柔性膜没有与气动基板连接并且可以离开这个气动基板地偏转。通过偏转的膜的复位力可能有利地利于振荡。

按照另一个有利的实施方式，流体毛细管可以通入凹槽，其中，膜将第一气动通道流体地与流体毛细管分开。有利的是，凹槽通入流体腔，因为凹槽的没有用作气动毛细管的区域按照这个实施方式也可以用作导引液体的通道。在此，膜可以将凹槽的导引液体的区域与凹槽的形成气动毛细管的区域分开，这实现了紧凑的构造方式。

按照一个实施方式，微流体装置还可以包括压力装置。该压力装置可以与第一气动通道和第二气动通道联接。压力装置可以构造用于，将第一气动压力施加到第一气动通道上并且将第二气动压力施加到第二气动通道上。因此可以有利地借助压力装置，例如通过导入作为压力介质的流体、如压缩空气或氮气，来施加气动压力。借助压力装置可以例如将第一气动压力施加到第一气动通道上，第一气动通道例如可以具有一个特定的压力水平，该压力水平关于流体腔中的压力例如是负压或超压。第二气动压力在压力水平上可以对应第一驱动压力或者具有不同的压力水平，以便在气动室中产生压差，这有利地实现了对液体的特别快速和有效的处理。可以使用公知的用于产生压力的装置作为压力装置。压力装置可以例如包括至少一个泵。

按照一个实施方式，压力装置可以构造用于，将关于流体腔中的压力的第一负压作为第一气动压力施加到第一气动通道上并且将关于流体腔中的压力的第二负压作为第二气动压力施加到第二气动通道上。在此，第二负压可以具有不同于第一负压的压力水平，以便促成由于第一和第二负压而朝气动腔的方向拱曲的膜的振动。当在第二气动通道处的第二气动压力例如具有比第一气动通道处的第一气动压力更高的压力水平时，可以通过所产生的压差使流体的压力介质沿着柔性膜从第二气动通道流往第一气动通道。由此可以使柔性膜运动并且视所施加的压差而定开始振动或振荡。

此外，按照一个实施方式，压力装置可以构造用于，将关于气动腔中的压力的负压作为第一气动压力施加到第一气动通道上和/或将关于气动腔中的压力的负压作为第二气动压力施加到第二气动通道上。由此可以通过柔性膜拱曲进入气动腔而促使流体室扩大，以便将所述或者至少另一种液体导入到气动室中。因此可以有利地借助在气动室中的负压使相应的液体例如从相邻的流体腔渗入到流体室中，例如以便将所述液体与另一种液体混合。

此外还有利的是这样一种实施方式，在该实施方式中，压力装置构造用于，将关于流体腔中的压力的第一超压作为第一气动压力施加到第一气动通道上并且将关于流体腔中的压力的第二超压作为第二气动压力施加到第二气动通道上。第二超压可以具有不同于第一超压的压力水平，以便促使由于第一和第二超压而朝着流体腔的方向拱曲的膜振动。在这个实施方式中，通过借助设定所施加的第一气动压力和第二气动压力的压差来设定膜的振动，可以有利地避免液体起泡，这在结合诊断方法处理液体时可能是有利的。

此外，还提出了一种用于在使用柔性膜的情况下处理至少一种布置在流体室中的液体的方法。膜构造用于，将至少部分延伸进入流体腔的罗提示和至少部分延伸进入气动腔的气动室流体地彼此分开。所述方法还包括施加第一气动压力到气动室上的至少一个步骤和施加第二气动压力到气动室上的一个步骤。第二气动压力可以不同于第一气动压力，以便为了处理至少一种液体而促使膜振动。这是有利的，以便通可以过膜的运动、例如膜的振动或振荡的影响来影响至少一种有待处理的液体的流动情况。因此例如能有针对性地、例如有针对性地在时间上、静态地并且以限定的强度借助设定压差来设定分层的和湍流的流动。由此可以例如特别有效地完成两种液体的混合，特别是很难混合的液体的、诸如有不同的极性或高粘度的液体的混合。

按照一个实施方式，所述方法还可以包括将一个关于气动腔中欧冠的压力的负压作为第一气动压力施加到气动室上。在这个步骤中，还可以额外或备选地将一个关于气动腔中的压力的负压作为第二气动压力施加到气动室上，以便通过柔性膜进入气动腔的拱曲促使流体室变大，从而将至少一种液体导入到流体室中。因此可以有利地特别快速和有效地将液体导入到流体室中，例如以便将流体室中导入的液体与另一种液体或预存的干试剂混合。此外，可以取代负压地也施加超压作为第一和/或第二气动压力。当液体具有特别小的液体体积时，这例如是有利的。液体在这种情况下可能由于膜的振动也起泡沫。当最大化液体的表面以处理液体是主要目标是，这可以例如对扩散推动的过程或结合机制有利。

附图说明

在此所提出的解决方案的实施例在附图中示出并且在随后的说明书中加以详细阐释。图中：

图1是按照一个实施例的用于处理液体的微流体装置的示意图；

图2a至2e是按照一个实施例的用于处理液体的微流体装置的示意图；

图3a至3d是按照一个实施例的用于处理液体的微流体装置的示意图；

图4a至4d是按照一个实施例的用于处理液体的微流体装置的示意图；

图5a至5c是按照一个实施例的用于处理液体的微流体装置的示意图；

图6是按照一个实施例的用于处理液体的微流体装置的示意图；

图7是按照一个实施例的用于处理液体的微流体装置的示意图；

图8是按照一个实施例的用于处理液体的微流体装置的示意图；

图9是按照一个实施例的用于处理液体的微流体装置的示意图；

图10是按照一个实施例的用于处理液体的微流体装置的示意图；并且

图11是按照一个实施例的用于在使用柔性膜的情况下处理布置在流体室中的液体的方法的流程图。

具体实施方式

在对本发明的有利的实施例的随后的说明中，为在不同的附图中示出的并且相似地作用的元件使用相同的或相似的附图标记，其中，取消了对这些元件的重复说明。

图1示出了按照一个实施例的用于处理液体105的微流体装置100的示意图。示出了微流体装置100的横截面视图。微流体装置100包括带气动腔115的气动基板110和带用于容纳液体105的流体腔125的流体基板120。流体腔125与气动腔115对置布置。此外，微流体装置100还包括柔性膜130，该柔性膜布置在气动基板110和流体基板120之间。柔性膜130构造用于，将至少部分延伸进入流体腔125的流体室135与至少部分延伸进入气动腔115的气动室140彼此流体地分开。在图1中示出了在松弛状态下的柔性膜，在松弛状态下，柔性膜130居中地布置在流体腔125和气动腔115之间。此外，微流体装置100还包括用于施加第一气动压力到气动室140的第一气动通道145和用于施加第二气动压力到气动室140的第二气动通道150。

按照在此示出的实施例，微流体装置100可选包括压力装置155，该压力装置与第一气动通道145和第二气动通道150联接。压力装置155构造用于，施加第一气动压力到第一气动通道145上并且施加第二气动压力到第二气动通道150上。柔性膜130可以通过施加关于第一气动通道145和第二气动通道150的限定的压差而开始振动地或振荡地运动，例如通过施加第一气动压力和不同于第一气动压力的第二气动压力。柔性膜130因此可以借助气动的致动通过偏转例如将液体105从流体室135挤出，或者打开或关闭阀。通过膜130的振动，液体105在与气动室140对置的流体室135中经历湍流的流动情况。可以有利地有针对性地在时间上、静态地并且以限定的强度来设定分层的或者湍流的流动。这一点有利地实现了微流体装置100的大的灵活性，特别是因为对液体105的湍流、涡流或横向流动的限定的设定尽可能与微流体装置100的几何形状无关地仅可以通过限定的压差加以控制。有控制地设定液体105的流动情况，实现了在捕获分子和结合分子之间在时间、地点和强度相关的特性上的不同的结合条件。由此例如能有效地混合液体105。液体105的混合有利地不需要在不同的腔之间的来回泵送，而是可以在单个腔中即流体腔125中发生。这导致了在微流体装置100上的面积相关的节省并且可以特别是在极难混合的液体105中、例如有高粘度、有不同的极性或者仅有局部可混合性的液体105中或者针对干试剂在水溶液中的溶解有利地提高了混合的效率。液体105的混合可以由此例如也在扩散推动的过程中被加速，这可以实现更快的诊断。

气动腔115按照在此示出的实施例具有与膜130对置的盖160。第一气动通道145和第二气动通道150通过盖160导入到气动腔115中并且在气动腔115的彼此对置的侧面上通入到气动腔115中。

此外，微流体装置100按照在此所示的实施例包括用于将液体105导入到流体室135中的流体毛细管165。

微流体装置100可以例如结合医学诊断系统使用，或者结合芯片实验室、即所谓的芯片上的实验室（Lab-on-Chip）使用。如在此所示那样，微流体装置100可以具有由气动基板110、流体基板120和柔性膜130构成的多层结构，其中，膜130将气动腔115和流体腔125流体地彼此分开。通过这种布置可以将微流体装置100的基本功能提供用于微流控。气动基板110和流体基板120可以例如是聚合物基板并且相应地由塑料制成，例如由热塑性塑料，如由PC、PA、PS、PP、PE、PMMA、COP或者COC制成，此外，多层结构也可以包括玻璃。集成在气动基板110和流体基板120之间的并且能自由活动的膜130可以例如是弹性体，例如由TPU或TPS制成的热塑性弹性体，或者膜130可以由热胶膜制成。此外，膜130还可以具有阻隔膜或密封膜，例如具有由聚合的密封层和保护层以及阻隔层或诸如EVOH、BOPP的其它高阻隔层构成的市面上常见的聚合物复合膜，聚合的密封层和保护层例如由PE、PP、PA或PET制成，并且阻隔层例如由蒸镀的铝制成，或者具有铝复合膜，该铝复合膜带有由诸如PP、PE、丙烯酸胶粘剂或聚氨酯胶粘剂之类的聚合物制成的多层的密封层。激光透射焊、超声焊、热压焊、粘接、夹紧或类似的工艺适合作为用于微流体装置100的这种多层结构的接合过程。此外，贮存器，例如气动腔115和流体腔125，可以具有涂层，例如带有Al、Al₂O₃或者SiO₂。通过借助压力装置155在气动腔115和气动室140的气动的平面中施加一个负压，可以使柔性膜130偏转并且使液体105渗入。

微流体装置100的至少包括气动基板110、流体基板120和柔性膜130的多层结构，可以例如具有0.5至5 mm的厚度。膜130作为聚合物膜可以例如具有5至300 μm的厚度。作为弹性的TPU膜，膜130可以例如具有50 μm至2 mm的厚度。第一气动通道145和/或第二气动通道150按照一个实施例可以具有小于0.5 mm²的横截面积。借助施加在第一气动通道145和第二气动通道150上的第一和第二气动压力，可以在气动腔115和气动室140的气动平面中例如产生0.1至5 bar的压差。

图2a至2e示出了按照一个实施例的用于处理液体105的微流体装置100的各一个示意图。作为处理的示例，示出了通过在液体105中有针对性地产生湍流而有效地混合液体105，所述湍流可以借助在微流体装置100中的负压差产生。在图2a、2b、2c和2e中分别示出了微流体装置100的各一个横截面视图，其中，例如示出了液体105的处理的各一种另外的状况。在图2d中例如在图2c所示的处理液体105的状况的俯视图中示出了由微流体装置100吸收的液体105的流动情况。

图2a示出了微流体装置100。按照在此所示的实施例，液体105处在流体腔125的流体室135中。液体105可以为此例如是预存的或者已经导入的液体试剂，例如含盐类或含乙醇的溶液或水溶液，或者是病人样本、例如血。液体105可以例如通过流体毛细管165导入或者已经导入到流体室135中。流体室135被液体105填充仅大约一半。在所示状况下，膜130没有通过气动室140中的压差可以看到的形式为拱曲或振动的偏转，通过膜130彼此分开的气动室140和流体室135几乎一样大。

图2b示出了微流体装置100的处理液体105的另一种状况。除了已经处在流体室135中的液体105外，在此还通过流体毛细管165将另一种液体205导入到流体室中。液体205的渗入通过在气动室140中将关于流体室135中的压力的一个负压作为第一气动压力施加在第一气动通道145处实现。作为气动压力可以例如将流体的压力介质导入到气动室140中。负压也额外可以作为第二气动压力施加在第二气动通道150处。通过所产生的负压使柔性膜130偏转并且使来自相邻的腔的液体205的液体体积渗入。通过第二种液体205的渗入，可以视液体105和205的可混合性而定形成两个相，如在此处所示的状况中那样。

图2c示出了液体105和205的混合作为在微流体装置100中的处理的状况。在第二气动通道150处施加一个关于在流体室135中的压力的负压作为第二气动压力。第二气动压力具有比第一气动压力更高的压力水平。在此，第一气动压力同样小于在流体室135中的压力。通过在气动通道145、150之间的正在产生的压差使气动压力的压力介质、例如空气或氮气沿着柔性膜130从第二气动通道150流入到第一气动通道145中。柔性膜130因此开始运动并且视所施加的压差而定开始振动或振荡。这在此通过拱曲的膜130的波形的偏转示出。在气动室140中的和气动腔115中的负压相对有环境压力的流体室135和流体腔125继续存在，因而柔性膜130还保持偏转进入气动腔115。流体室135因此变大并且膨胀进入气动腔115，而气动室140则由于膜130的偏转变小。为了使膜130处于振动运动，也可以以如下方式产生压差，即，在第二气动通道150处施加一个有比在第一气动通道145处施加的第一气动压力更低的压力水平的气动压力。压力介质在这种情况下沿相反的方向通过柔性膜130流动。

图2d示例性地示出了在与流体腔125的流体室135中的液体105混合时液体205的流动情况。两种液体105、205的混合由此示出，即，在流体室135中，液体205用一些点示出，其中，所述点表明液体105的点。在此所示的状况对应在之前图2c中所示的混合状况，但在此示出了流体室135的俯视图，以便示出在液体105与由于压差而振动的膜混合时液体205的流动情况。柔性膜的振荡直接传递给流体腔125并且使处于其内的两种液体105、205同样开始运动。这在此通过涡旋206示例性地示出。因此可以进行液体105、205的极为有效的、在时间和地点上有控制的混匀，混合的结果在随后的图2e中示出。通过借助施加第一气动压力到第一气动通道上以及不同于第一气动压力的第二气动压力到第二气动通道150上来施加特定的压差，也可以由湍流形成涡旋效应205，涡旋效应进一步提高了混合效率。

图2e示出了在微流体装置100中处理液体的结果。示出了在流体室135中混匀的液体207。液体207是在先前的图2b至2d中在微流体装置100中的两种液体混匀的结果。膜130在此处所示的实施例中由于在气动室140中的负压而拱曲并且部分够到气动腔115的盖160，因而流体室135随液体207膨胀到气动腔115中并且将气动室140挤入到气动腔115的上方的角落区域中。

图3a至3d示出了按照一个实施例的用于处理液体105的微流体装置100的示意图。示出了干试剂305、即所谓的珠粒在作为液体105的液体试剂中通过在液体105中有针对性借助压差产生湍流而有效地溶解和紧接着混合的各一种状况。分别在微流体装置100的横截面视图中示出了所述状况。

图3a示出了微流体装置100，带有预存的珠粒作为在流体室135中的干试剂305。干试剂305通过柔性膜130固定，也没有施加压缩空气作为气动室140中的气动压力或者负压的压力介质。微流体装置100在此处所示的实施例中用于有效地溶解干试剂305，其中，在此示出了还在液体处理开始之前的初始状况。

图3b示出了处理液体105的另一种状况。示出了液体105通过流体毛细管165渗入到流体室135中，并且在那里与正在溶解的干试剂350开始混合。通过以施加压缩空气的形式将在气动室140中的关于流体室中的压力的负压作为第一和第二气动压力施加到第一气动通道145和到第二气动通道150上，使柔性膜130偏转并且使形式为液体试剂的液体105从相邻的腔渗入。干试剂305开始至少在表面处溶解。

图3c示出了在微流体装置100的另一个处理阶段中液体105与干试剂305的混合。为了加快干试剂305的溶解并且紧接着使浓度均匀分布，柔性膜130通过在第一气动通道145和第二气动通道150之间产生的压差而开始振动。这导致了干试剂305在液体105中的有效和加快的溶解与混合，相应地不再看得到干试剂305的初始形状。干试剂305溶解并且进一步与液体105混合。

图3d示出了在微流体装置100中处理液体的结果。形式为珠粒的干试剂借助膜130的振动溶解并且与导入的液体混合至完全溶解并达到干试剂的均匀分布的浓度，因而作为混合的结果产生了液体306。由湍流的和分层的流动情况构成的限定的组合有利地使得能通过膜130的气动的致动在相同的腔中即流体室135中执行液体、干试剂、磁珠、循环肿瘤细胞和病人样本在唯一一个微流体腔即流体腔135中的混合、富集和分离过程。

图4a至4d示出了按照一个实施例的用于处理液体105的微流体装置100的示意图。在微流体装置100的横截面视图中，示出了处理液体105的各一种状况，其中，在此示出了在处理液体105时基于通过由压差引起的湍流输入热能而使得液体105中的气泡形成暂时减少。在许多例如可以在使用微流体装置100执行的芯片实验室应用中，有必要局部加热所使用的液体试剂，即液体105，例如用于聚合酶链式反应、杂交、qPCR或实时PCR。通过热能输入使包含在液体105的液体体积中的空气的气体可溶性降低，其中，形成了单个较大的空气泡。这些较大的空气泡可以通过定时地设定湍流也例如在聚合酶链式反应期间再次溶解或最小化。这在随后的图4a至4d中示例性地示出。

图4a示出了在局部加热液体105之前在微流体装置100中处理液体105的初始状况。液体105处在流体室135中，柔性膜130沿气动腔115的方向拱曲。

图4b示出了在液体105中由于局部加热410液体栓（Flüssigkeitsplug）、即液体的特定的液体体积、如液体105的在此处在流体室135中的液体体积引发的起泡405。通过例如在聚合酶链式反应中、阵列杂交、qPCR或者实时PCR中局部加热410液体栓体，液体105的气体可溶性降低，这表现为在流体室135中的起泡405。这些在起泡405时产生的小气泡可以在紧接在处理液体105的读取、检测和评估时引起一些问题。通过使用微流体装置100可以有利地避免或减少起泡405，如在随后的两个图4c和4d中所示那样。

图4c示例性地示出了，如何能在使用按照一个实施例的微流体装置100处理液体105时避免或减少因局部加热410产生的小气泡。通过在液体105中可控地设定湍流，主要可以再次减少和明显减小较大的气泡。在液体105中设定湍流借助设定柔性膜130的振动完成。膜130的振动可以通过气动室中在第一气动通道145和第二气动通道150之间产生的压差，通过流体的压力介质从第一气动通道145经由柔性膜130到第二气动通道150的流动作为压差效应加以设定。柔性膜130的振动在本图中例如通过膜的偏转示出。

图4d示出了在微流体装置100中处理液体105的结果。在此示出了处理液体105的结果，膜130不再具有振动，膜沿气动腔115的方向偏转，并且尽管由于局部加热410，在液体105中几乎不再存在大的气泡，如在图4b中示出的那样。减少或避免起泡在紧接着读取诊断方法中提供了巨大的优点，针对所述诊断方法来处理液体105。在诸如微流体装置100这样的微流体系统中的空气泡的起因也可以是在干试剂或珠粒中所包含的空气，所述空气在珠粒溶解时才以起泡的形式出现。此外，在诸如微流体装置100这样的微流体系统中的空气即使在用液体105填充通道之后总是有很小一部分留在系统中。因此有利的是，也暂时在处理液体105时使用膜130的振动，以便持久地抑制系统引起的起泡，即使液体105未被局部加热。

图5a至5c示出了按照一个实施例的用于处理液体105的微流体装置100的示意图。微流体装置100的横截面分别示出了一种处理状况。液体105在此在处理时发泡。小的液体体积的发泡通过用过压差对柔性膜加负完成，即借助膜130通过气动的致动的振动完成。可以通过使较大的空气泡发泡并且因此包含在内的空气更好地在液体105的液体体积中溶解，而使液体105发泡，以便能通过设定湍流来最小化空气泡的形成，这在紧随液体105的处理的结合机制中或者紧接着的读取或检测中可能是有利的。此外，可以完成液体105的发泡，以便通过可控地设定液体105的流动情况在很小的液体体积下在同时很高的气体或空气份额下推进泡沫形成，以便因此保证最大化有待处理的液体105的表面。这为由扩散推动的进程提供了若干优势或者当仅液体105的最小的样本体积可用时利于结合机制，最小的样本体积基于有待检测的结合分子的小的浓度而不能进一步稀释。在随后的图5a至5c中例如示出了液体105的这种发泡。

图5a示出了带有在微流体装置100的流体室135中的很小的液体体积的液体105。液体105的液体体积具有较高的气体或空气份额。示出了在发泡之前处理液体105的初始状况。膜130通过在气动室140中关于流体室135的压力的超压沿流体腔120的方向偏转。气动室140中的超压可以通过施加作为在第一气动通道145处的第一气动压力和/或作为在第二气动通道150处的第二气动压力的超压产生。

图5b示出了液体105通过借助气动室140中关于流体室135中的压力的超压对柔性膜130加负荷而发泡。通过将超压作为第一气动压力施加到第一气动通道145上并且将不同于第一气动压力的超压作为第二气动压力施加到第二气动通道145上，即通过施加有一定压差的超压，柔性膜130偏转并且开始振动或振荡，如通过膜130的偏转所示那样。液体105以这种方式视压差而定以不同的强度发泡，这在此通过液体105中的小的空气泡示出。

图5c示出了液体105的发泡的另一个处理相。紧接着膜130在超压下的振动的是施加负压。为此，将一个关于流体室135中的压力的负压作为第一气动压力施加到第一气动通道145。此外，可以将一个负压作为第二气动压力施加到第二气动通道150，由此可以达到膜130沿气动腔115方向的均匀的偏转，如在此所示那样。通过所施加的负压和膜130的偏转，使液体105的泡沫505进一步在流体室135中扩散并且准备用于进一步的微流体处理。加快形成泡沫可能对由扩散推动的进程或结合机制有利，当最大化液体105的表面是主要目标时。当仅最小的样本体积作为液体105可供使用并且这个样本体积基于样本的有待检测的DNA的小的浓度而不能被进一步稀释时，可能例如是这样的情况。

图6示出了按照一个实施例的用于处理液体的微流体装置100的示意图。示出了带有气动腔115的气动基板110和带有流体腔125的流体基板120，以及在微流体装置100的横截面视图中的柔性膜130。流体室可以对应流体腔125并且气动室对应气动腔115。没有示出进出流体腔125的流体通道。流体腔125例如可以装备有用于填充的进入的通道和离开的通道。

按照在此所示的实施例，第一气动通道145和第二气动通道150通入气动腔115。第二气动通道150导引通过气动基板110并且居中地在与膜130对置的侧面上通入气动腔115。

第一气动通道145按照在此所示的实施例包括气动毛细管605。该气动毛细管605成形用于将压力沿着膜130导入到气动室中。气动毛细管605相应地在与膜相同的平面中或平行于膜130的平面地或者至少与膜130成极为扁平的角地导引。按照一个实施例，膜130提供了气动毛细管605的底部。因此气动毛细管605可以成形为在气动基板110中的槽。在此，气动毛细管605设计成第一气动通道145的通入气动腔115的区段。第二气动通道150可以备选包括相应的气动毛细管605。

第一气动通道145和/或第二气动通道150的横截面积按照一个实施例小于0.5mm²。当可以通过第一气动通道145和/或第二气动通道150导入到气动腔115的气动室中的流体的压力介质、例如压缩空气的绕流，通过有很小的横截面、例如横截面积不大于0.5mm²、例如为0.2 mm²的气动毛细管605完成时，可以特别有效地达到柔性膜130的振动。压缩空气在这种情况下从喷嘴进入到气动腔115并且有利于产生涡流和振荡。

此外，如在此所示那样，当气动毛细管605靠近柔性膜130的平面地通入到气动腔115中，因而空气与柔性膜130成扁平的角或平行于柔性膜地进入气动腔115时，可以特别有效地达到柔性膜130的振动。

图7示出了按照一个实施例的用于处理液体的微流体装置100的示意图。在此所示的实施例对应在之前的图6中示出的实施例，不同之处在于形成了气动毛细管以将第一气动通道145与气动腔115流体地连接。按照这个实施例，气动毛细管通过膜130偏转进入流体基板120的凹槽705而成形。凹槽705可以是空腔、特别是槽。气动毛细管按照在此所示的实施例仅当膜130偏转进入凹槽705时才成形。气动毛细管因此构造成一个可变的区域，在该区域中，柔性膜130没有与气动基板110连接并且可以从气动基板110起偏转进入流体基板120中的凹槽705。这可以例如通过施加超压到第一气动通道145上完成，在图7所示的状况中，柔性膜130松弛并且气动毛细管没有形成。当在气动通道145、150中有和在流体腔125中一样的压力或更小的压力时，例如出现这种状况。在随后在图8中所示的状况中，柔性膜130偏转进入凹槽705、即空腔或槽，并且气动毛细管形成。通过将比在流体腔125处更大的压力施加到气动通道145、150上，可以达到这种状况。在流体基板120中的凹槽705可以与用于填充流体腔125的进入或离开的通道一致。这意味着，柔性膜130在施加超压在第一气动通道145处时可以偏转进入导引流体的通道。通过在此所示的气动毛细管的可能的成形方案，可以特别有效地达到柔性膜130的振动。凹槽705按照一个实施例从流体基板120的与第一气动通道145对置的区域起延伸直到流体腔125。按照一个实施例，膜130在松弛的状态下在凹槽705的区域中松垮地贴靠在气动基板110的与凹槽705对置的表面上。凹槽705的关于膜130处在流体基板120侧的区域，通过膜130与凹槽705的一个关于膜130处在气动基板110侧的区域分开并且因此与第一气动通道145分开。

图8是按照一个实施例的用于处理液体的在图7中示出的微流体装置100的示意图。在此所示的状况中，示出了柔性膜130拱曲进入流体基板120内的凹槽705中，由此形成了气动毛细管605。假设在流体腔125和凹槽705中存在压力p0，例如大气压力，那么例如可以通过在第一气动通道145上施加p1＞p0的超压来达到这种状况。在一个实施方式中，在第二气动通道150处施加第二压力p2＜p1。这样的优点是，产生了从第一气动通道145通过气动毛细管605进入气动腔140的空气流，由此可以特别有效地达到柔性膜130的振动。膜130的偏转可以包括膜130由于施加第一气动压力到第一气动通道145上的振动。通过膜130的复位力能以这种方式利于产生振荡。也可以这样设定压力情况，使得柔性膜130在振动的过程中周期性地再次完全贴靠到气动基板110上并且气动毛细管605因此仅瞬时形成。系统因此在图7和图8所示的状况之间摇摆。基于柔性膜130进入槽705的偏转，压力介质可以通过第一气动通道145导入到气动室140。压力p2也可以小于p0，这基本上对应施加真空到第二气动通道150上。

图9示出了按照一个实施例的用于处理液体的微流体装置100的示意图。示出了在之前的图8中所示的实施例的另一种状况。施加第一气动压力到第一气动通道145上可以借助导入流体的压力介质、例如压缩空气完成。在此，可以这样来设定压缩空气的空气流，使得如在此所示那样，在柔性膜130处或柔性膜下方形成了离散的空气体积或空气泡905。这个空气体积或空气泡905然后可以突然地，例如以在1和20 Hz之间的频率朝着由气动腔115和流体腔125构成的腔室的方向逸出，因而柔性膜130在所述腔室中周期性地振动。因此没有如在图8中示出那样形成连贯地从第一气动通道145通往气动腔115的气动毛细管，而是仅形成了气动毛细管的一个朝流体腔125的方向运动的区段。

图10示出了按照一个实施例的用于处理液体的微流体装置100的示意图。除了在流体基板120中成形有空腔或槽705之外，在此所示的实施例对应图7所示的实施例。微流体装置100还额外具有用于将液体导入到流体腔125的流体室中的流体毛细管165，其中，该流体毛细管165在第一气动通道145和流体腔125之间延伸的区段在此同时履行凹槽705的功能。此外还示出了用于将液体从流体腔125的流体室导出的输出通道1005。

按照在此所示的实施例，流体毛细管165通入凹槽705或者构成了凹槽705，其中，膜130将与通过膜130的偏转形成的气动毛细管605连接的第一气动通道145流体地与流体毛细管165分开。空腔，在此为凹槽705，因此可以在气动毛细管605成形期间同时也用作导引液体的通道，以便用液体填充流体腔125。这种实施方案有利地实现了紧凑的构造方式。按照一个实施例，柔性膜130在松弛状态下沿着凹槽705的盖和流体毛细管165延伸。在流体毛细管165的区域中，柔性膜130按照一个实施例固定在气动基板110处。在凹槽705的区域中，柔性膜130按照一个实施例在松弛状态下能脱落地贴靠在气动基板110上，因而通过第一气动通道145导入的压力介质使柔性膜130可以偏转到凹槽705中并且因此进入气动腔115。

图11示出了按照一个实施例用于在使用柔性膜的情况下处理布置在流体室中的液体的方法1100的流程图。在此可以涉及如借助之前的附图所说明那样的膜。膜构造用于，将至少部分延伸进入流体腔的流体室和至少部分延伸进入气动腔的气动室流体地彼此分开。所述方法1100包括施加第一气动压力到气动室的至少一个步骤1101和施加第二气动压力到气动室的步骤1103，其中，第二气动压力不同于第一气动压力，以便为了处理液体而促成膜的振动。

所述方法1100还可以包括将关于气动腔中的压力的一个负压作为第一气动压力施加到气动室和/或将一个关于气动腔中的压力的负压作为第二气动压力施加到气动室的步骤1105，以便通过柔性膜拱曲进入气动腔而促使流体室扩大，从而将液体导入流体室。步骤1105可选在步骤1101之前和/或步骤1103之后执行。

按照一个实施例，实施步骤1105，以便将液体导入流体室，并且紧接着实施步骤1101和步骤1103，以便将预存在流体室中的液体或者预存在流体室中的干试剂借助柔性膜的振动与在步骤1105中导入的液体混合。随后重新实施步骤1105，以便维持或重新引发由柔性膜的拱曲造成的流体室的扩大

按照另一个实施例，实施步骤1105，以便将液体导入到流体室中。紧接着执行步骤1101和步骤1103，以便借助柔性膜的振动在液体中产生湍流，从而减少或避免液体内的空气泡的形成。

按照另一个实施例，也进行步骤1101和步骤1103，以便借助柔性膜的振动使预存在流体室中的有很小的液体体积和较高的空气份额或气体份额的液体发泡。在这种情况下，紧接着实施步骤1105，以便借助柔性膜的拱曲引发流体室的扩大，从而使所产生的泡沫能扩散。

若实施例在第一特征和第二特征之间包括连词“和/或”，那么这可以理解为，该实施例按照一个实施方式既具有第一特征也具有第二特征并且按照另一个实施方式要么仅具有第一特征要么仅具有第二特征。

Claims (14)

1.用于处理至少一种液体（105；205、207；305、306）的微流体装置（100），其中，所述微流体装置（100）具有至少下列特征：

带有气动腔（115）的气动基板（110）；

带有用于容纳液体（105；205、207；305、306）的流体腔（125）的流体基板（120），其中，流体腔（125）与气动腔（115）对置布置；

柔性膜（130），所述柔性膜布置在气动基板（110）和流体基板（120）之间，并且构造用于将至少部分延伸进入流体腔（125）的流体室（135）与至少部分延伸进入气动腔（115）的气动室（140）流体地彼此分开；和

用于施加第一气动压力到气动室（140）上的第一气动通道（145）和用于施加第二气动压力到气动室（140）上的第二气动通道（150）；

其中，所述第一气动通道（145）和所述第二气动通道（150）通入所述气动腔（115）。

2.按照权利要求1所述的用于处理至少一种液体（105；205、207；305、306）的微流体装置（100），其中，所述第一气动通道（145）和所述第二气动通道（150）导引通过所述气动腔（115）的与所述柔性膜（130）对置的盖（160）。

3.按照权利要求1所述的用于处理至少一种液体（105；205、207；305、306）的微流体装置（100），其中，所述第一气动通道（145）和所述第二气动通道（150）在所述气动腔（115）的彼此对置的侧面处通入到所述气动腔（115）中，或者其中，所述第二气动通道（150）居中地通入所述气动腔（115）。

4.按照前述权利要求中任一项所述的用于处理至少一种液体（105；205、207；305、306）的微流体装置（100），其中，所述第一气动通道（145）和/或所述第二气动通道（150）具有小于0.5 mm²的横截面积。

5.按照权利要求1所述的用于处理至少一种液体（105；205、207；305、306）的微流体装置（100），带有用于将至少一种液体（105；205；305）导入到所述流体室（135）中的流体毛细管（165）。

6.按照权利要求1所述的用于处理至少一种液体（105；205、207；305、306）的微流体装置（100），其中，所述第一气动通道（145）包括气动毛细管（605），并且其中，所述气动毛细管（605）成形用于将压力沿着所述柔性膜（130）导入到所述气动室（140）中。

7.按照权利要求5所述的用于处理至少一种液体（105；205、207；305、306）的微流体装置（100），其中，所述流体基板（120）具有通入所述流体腔（125）的凹槽（705），其中，所述柔性膜（130）能偏转进入所述凹槽（705），以便形成气动毛细管（605）作为布置在所述气动基板（110）和所述柔性膜（130）之间的可变的区域。

8.按照权利要求7所述的用于处理至少一种液体（105；205、207；305、306）的微流体装置（100），其中，所述流体毛细管（165）通入所述凹槽（705），其中，所述柔性膜（130）将所述第一气动通道（145）流体地与所述流体毛细管（165）分开。

9.按照权利要求1所述的用于处理至少一种液体（105；205、207；305、306）的微流体装置（100），带有压力装置（155），所述压力装置与所述第一气动通道（145）和所述第二气动通道（150）联接并且构造用于将第一气动压力施加到所述第一气动通道（145）上和将第二气动压力施加到所述第二气动通道（150）上。

10.按照权利要求9所述的用于处理至少一种液体（105；205、207；305、306）的微流体装置（100），其中，所述压力装置（155）构造用于，将关于所述流体腔（125）中的压力的第一负压作为第一气动压力施加到所述第一气动通道（145）上并且将关于所述流体腔（125）中的压力的第二负压作为第二气动压力施加到所述第二气动通道（150）上，其中，第二负压具有不同于第一负压的压力水平，以便促成因第一和第二负压朝着所述气动腔（115）的方向拱曲的柔性膜（130）的振动。

11.按照权利要求9所述的用于处理至少一种液体（105；205、207；305、306）的微流体装置（100），其中，所述压力装置（155）构造用于，将关于所述气动腔（115）中的压力的负压作为第一气动压力施加到所述第一气动通道（145）上和/或将关于所述气动腔（115）中的压力的负压作为第二气动压力施加到所述第二气动通道（150）上，以便通过所述柔性膜（130）的进入所述气动腔（115）的拱曲促使所述流体室（135）变大，从而将至少一种液体（105；205；305）导入到所述流体室（135）中。

12.按照权利要求9所述的用于处理至少一种液体（105；205、207；305、306）的微流体装置（100），其中，所述压力装置（155）构造用于，将关于所述流体腔（125）中的压力的第一超压作为第一气动压力施加到所述第一气动通道（145）上并且将关于所述流体腔（125）中的压力的第二超压作为第二气动压力施加到所述第二气动通道（150）上，其中，第二超压具有不同于第一超压的压力水平，以便促成因第一和第二超压朝着所述气动腔（115）的方向拱曲的柔性膜（130）的振动。

13.用于使用如权利要求1-12中任一项所述的用于处理至少一种液体（105；205、207；305、306）的微流体装置来处理布置在流体室（135）中的至少一种液体（105；205、207；305、306）的方法（1100），其中，所述方法（1100）包括至少下列步骤：

将所述第一气动压力施加（1101）到气动室（140）上；和

将所述第二气动压力施加（1103）到气动室（140）上，其中，第二气动压力不同于第一气动压力，以便为了处理至少一种液体（105；205、207；305、306）而促使柔性膜（130）振动。

14.按照权利要求13所述的用于处理布置在流体室（135）中的至少一种液体（105；205、207；305、306）的方法（1100），带有将关于在气动腔（115）中的压力的负压作为第一气动压力施加到气动室（140）上和/或将关于气动腔（115）中的压力的负压作为第二气动压力施加到气动室（140）上的步骤（1105），以便通过所述柔性膜（130）进入所述气动腔（115）的拱曲促使所述流体室（135）扩大，以便将至少一种液体（105；205；305）导入到所述流体室（135）中。

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