CN116171379A - 用于分析组分的h-型过滤器装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的设备。该设备包括一个或多个微流体装置。每个微流体装置包括：样品通道，样品通道具有样品入口端口，以用于以第一流速将包括一种或多种组分的样品流体流引入到细长的分配通道中，辅助通道，辅助通道具有辅助入口端口，以用于以第二流速将辅助流体流引入到细长的分配通道中。分配通道被配置为实现组分从样品流体流到辅助流体流的横向分配。每个微流体装置还包括：两个或更多个毛细通道，两个或更多个毛细通道设置在分配通道的下游并且与分配通道流体连通，至少一个出口端口，至少一个出口端口设置在毛细通道中的每一个毛细通道的下游。样品入口端口和/或出口端口还包括位于通道和对应的端口之间的扩展特征部，由此扩展特征部包括邻近通道的锥形部分和邻近端口的弯曲部分。该设备还包括：可切换压力源，可切换压力源被配置为控制通过通道的流体的流动；以及检测器，检测器被配置为按顺序地或同时地检测和测量微流体芯片上的毛细通道和/或出口端口中的每一个毛细通道和/或出口端口中的所述组分或每种组分中的至少一种生物物理特性。

Description

用于分析组分的H-型过滤器装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的装置和方法，特别是涉及一种用于按顺序地或同时地测量每种组分的至少一种生物物理特性的方法。本发明还涉及在启动芯片上的微流体回路(micro fluidic circuit)方面的改进，特别地，本发明涉及用于优化微流体回路的毛细填充(capillary filling)的方法和设备，以提高样品测量的准确度和/或精确度。

背景技术

微流体系统用于流体样品的操作、处理或分析。在分析系统中，测量通常用视觉系统或吸收/荧光显微镜以光学的方式进行，并且测量在流体流动或静止时进行。一种众所周知的分析微流体技术是使用H-型过滤器构型的扩散分级(diffusional sizing)。

在扩散分级中，测量在流体流动时持续地进行。微流体扩散分级(Microfluidicdiffusional sizing，MDS)是一种用于根据颗粒在微流体层流中扩散的程度来测量颗粒尺寸的方法。分子扩散率的微米级测量已经被证明是一种用于确定蛋白质的尺寸并且将基于标记的方法和非标记的方法的优点结合在一起的高度灵敏的方法。

微流体装置中的检测区域通常由流体通道的扩展部组成。这旨在增加给定区域中可用于光学检测的流体的体积，从而提高系统的灵敏度。已知常见的微流体装置在预充(priming)或气泡形成期间容易发生空气滞留，这会导致不准确和/或不精确的测量。

微流体系统非常便携，成本效益高，并且可以很容易地被集成到感测平台中，感测平台在个性化医疗中具有潜在的应用。能够处理大量样品是分析用户的共同要求。对于这种处理量要求的解决方案是在单独的微流体回路上并行运行多个样品。为了在所有回路上进行光学检测，需要同时或几乎同时对所有回路进行观察，这需要复杂且昂贵的光学系统。

因此，需要提供一种帮助制造商降低生产和开发成本的设备和方法。特别地，希望提供一种降低进行测量所需的设备的复杂性的设备和方法。

此外，还希望提供合适的通道几何形状，合适的通道几何形状通过使由芯片材料引起的背景信号的量最小化和使对于给定光学检测区域可用的检测体积最大化来增加光学准确度和灵敏度。因此，需要为操作者提供成本效益高的方法来执行样品的光学检测。

另外地或替代地，由于背景信号会干扰样本测量并且由此会导致不准确和/或不精确的测量，因此用户通常会在测量期间考虑背景信号。例如，微流体装置内的高的信号与背景噪声比会使样品的样品测量失真，并且导致样品的不准确和/或不精确的检测或分析。

在当前的过程中，样品流体流和空白流体流可以被装载到具有H-型过滤器构型的微流体装置中。在微流体装置内存在使样品流体流和空白流体流接触的汇合点。例如，如果辅助流体流在样品流体流之前到达汇合点处，则可能形成空气阱，并且由此这将使微流体芯片存在缺陷。

因此，希望提供一种合适的方法和设备，以在样品测量期间考虑背景信号，从而提高在微流体装置内检测样品的准确度、精确度和灵敏度。因此，需要为操作者提供一种解决方案，以将流体装载到微流体装置中，并且从样品测量中减少或去除背景信号。

此外，还希望提供一种合适的方法和设备来用流体填充微流体回路或装置，以避免或降低在微流体回路的通道内形成气泡的风险。

本发明就是在这种背景下产生的。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的流动设备。该设备包括一个或多个微流体装置。每个微流体装置包括：样品通道，样品通道具有样品入口端口，以用于以第一流速将包括一种或多种组分的样品流体流引入到细长的分配通道中；辅助通道，辅助通道具有辅助入口端口，以用于以第二流速将辅助流体流引入到细长的分配通道中。分配通道被配置为能够实现组分从样品流体流到辅助流体流中的横向分配。每个微流体装置还包括：两个或更多个毛细通道，两个或更多个毛细通道设置在分配通道的下游并且与分配通道流体连通；至少一个出口端口，至少一个出口端口设置在毛细通道中的每一个毛细通道的下游。样品入口端口和/或出口端口还包括位于通道和对应的端口之间的扩展特征部，由此扩展特征部包括邻近通道的锥形部分和邻近端口的弯曲部分。该设备还包括：可切换压力源，可切换压力源被配置为控制通过通道的流体的流动；以及检测器，检测器被配置为按顺序地或同时地检测和测量微流体芯片上的毛细通道和/或出口端口中的每一个毛细通道和/或出口端口中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

在设备包括多个微流体装置的实施例中，该设备可以组合有每个微流体装置的一些方面。例如，来自每个装置的辅助通道可以源自作为一个整体对设备进行供应的单个辅助通道。此外，微流体装置中的毛细通道可以在该装置的单个出口端口处进行组合。另外地或替代地，出口端口在同一设备内的多个装置之间可以是共用的。这仅适用于检测器在毛细通道和/或检测室中进行检测，而不是在端口中进行检测的实施例。单个真空源可以连接到设备，并且如果所有装置设置有单个出口端口，这就更容易实现。

扩展特征部被设计为将样品流体流和辅助流体流结合在一起，而没有气泡。

在一些实施例中，设备还可以包括流动引导部，流动引导部围绕样品入口端口和/或出口端口中的每一个出口端口的周边的至少一部分延伸。

在一些实施例中，辅助入口端口还可以包括位于辅助通道和对应的入口端口之间的扩展特征部。

在一些实施例中，辅助入口端口可以包括围绕辅助入口端口的周边的至少一部分延伸的流动引导部。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的流动设备，该设备包括多个微流体装置，每个装置包括：样品通道，样品通道具有样品入口端口，以用于以第一流速将包括一种或多种组分的样品流体流引入到细长的分配通道中；辅助通道，辅助通道具有辅助入口端口，以用于以第二流速将辅助流体流引入到细长的分配通道中，其中，分配通道被配置为能够实现组分从样品流体流到辅助流体流中的横向分配；两个或更多个毛细通道，两个或更多个毛细通道设置在分配通道的下游并且与分配通道流体连通；出口端口，出口端口设置在毛细通道中的每一个毛细通道的终止点处；可切换压力源，可切换压力源被配置为控制通过通道的流体的流动；以及检测器，检测器被配置为按顺序地或同时地检测和测量微流体装置上的毛细通道和/或出口端口中的每一个毛细通道和/或出口端口中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的方法。方法可以包括以下步骤：以第一流速将包括一种或多种组分的样品流体流引入到细长的分配通道中；以第二流速将辅助流体流引入到分配通道中，在分配通道中提供一种或多种组分从样品流体流到辅助流体流中的横向分配，直到达到稳态分配；将稳态流体流的至少一部分分到分配通道下游的两个或更多个毛细通道中；在达到所述稳态分配之后，在预定时间使流体的流动停止；以及按顺序地或同时地测量微流体芯片上的毛细通道中的每一个毛细通道中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

本发明提供了一种主要通过使用扩散分级对流体中的样品进行分析的方法和装置，尽管其他技术也是适用的。样品可以是血液样品、血浆样品、血清样品、脑脊液样品、尿液样品、唾液样品、痰样品或任何其他含水样品。

所述方法在包括一个或多个H-型过滤器和流体控制系统的装置上执行，流体控制系统能够使流动停止，从而能够在稍后的时间执行分析。这是有利的，因为这为操作者提供成本有效的方法来执行样品的光学检测。此外，本发明的设备和方法还可以有助于降低制造商的生产和开发成本。该方法还降低了进行测量所需的设备的复杂性，因为测量是按顺序地进行。本发明的方法使得能够将多个H-型滤光器安装在芯片上，所有H-型滤光器能够由一个或多个光学系统接近，一个或多个光学系统按顺序地对来自每个H-型滤光器的每个毛细流进行处理。

在一些实施例中，该设备可以用于对组分(诸如生物分子)进行表征，其中，生物分子是蛋白质、肽、外来体、抗体或其抗体片段、核苷酸(诸如DNA或DNA片段、RNA或mRNA)、蛋白质结合分子(诸如蛋白接头)、多糖、抗体、多肽、多核苷酸。在一些实施例中，抗体是同种抗体(allo-antibody)、自身抗体或针对外部抗原产生的抗体。在本文中的术语“同种抗体”是指在器官移植领域中识别外来分子(如HLA)的抗体。

在一些实施例中，生物分子是多个生物分子混合物。在一些实施例中，生物分子可以是亲和试剂(affinity reagent)，诸如抗体、单域抗体或适体。在一些实施例中，多个生物分子混合物包含抗体和抗原。在一些实施例中，可以对多个生物分子混合物中的一个生物分子进行标记，或者可以对至少两个或更多个生物分子进行标记。在一些实施例中，可以对抗体或其他亲和试剂进行标记，以便检测感兴趣的其他生物分子。标记可以是荧光标记或潜在标记。在一些情况下，例如当感兴趣的抗体与样品中的其他抗体混合时，优选的对抗原进行标记。

在本说明书的上下文中，术语“使流体的流动停止”意味着通过所有通道(包括分配通道和毛细通道)的流速大致为零。这意味着基本上没有大量流体流(bulk fluid flow)通过装置的任何通道。在一个实施例中，这通过消除入口端口和出口端口之间的外部施加的任意压力差来实现。根据所进行的检测，仍然可能发生非常低水平(每小时1nl-100nl的范围内)的移动，并且这种非常低水平的移动与检测体积相比可以忽略不计。组分的横向分配可以在分配通道中继续进行。例如，扩散仍然可以继续，但是由于稳态流体流已经在分配通道的端部处分开，因此每个下游毛细通道中的浓度保持恒定。为了使流体的流动“停止”，大量流动必须比由扩散引起的横向变化小一个数量级。

毛细通道设置在分配通道的下游，使得样品的分析可以在分配通道的端部之外的位置处进行。在毛细通道内对样品进行分析是有利的，因为检测步骤不受组分的横向分配或分开步骤的干扰，分开步骤可以在使流动停止时在分配通道中继续进行。组分的生物物理特性可以在其自然状态下测量，这是因为执行该方法不需要标记。

例如，可以在毛细通道内分析组分的扩散率。通过在分配通道的端部之外对毛细通道内的组分的扩散特性进行分析，用户将了解到扩散过程不会影响检测，并且由此测量将更加准确。

以下是五种可能的检测方法：对组分进行后分开标记，该后分开标记可能需要在分配通道之外和检测区域之前添加染料；对一种或多种组分的固有荧光进行检测；对一种或多种组分的吸收率进行检测，对一种或多种组分的散射量进行检测，并且在分开前用染料对样品进行预标记。

在检测一种或多种组分的固有(或内部)荧光的情况下，该方法可以包括：例如对天然蛋白质上的芳香残基(诸如色氨酸)的荧光进行检测。在这种方式中不需要标记，因为检测的是天然蛋白质的荧光。

另外地或替代地，可以用染料对样品进行预标记，即在样品分开之前可以用染料对样品进行预标记。预标记的优点是，与固有荧光或吸收率测量相比，预标记通常能够实现更灵敏的检测。此外，由于分析可以在溶液中进行，因此预标记适用于这些方法中的任一种。在溶液中进行测量比在变性凝胶中或表面上进行分析更能代表生物条件。

毛细通道内的检测可以在分配通道的端部之外进行，例如在储存部中进行，以使得能够收集更大的检测体积，而这可以提高检测感兴趣的组分的灵敏度。

该方法可以用于执行至少一种组分的多个开始-停止分析。这是有利的，因为这种方式使得能够进行延时实验。特别是，这可以在长期时间尺度上对蛋白质的尺寸进行监测，例如用于聚集研究或研究缓慢的相互作用、组装或分离过程。

使流体的流动停止可以发生在从分析开始以来的任意预定时间处，并且这种停止的持续时间介于10秒到5小时之间。在一些实施例中，使流体的流动停止可以发生10秒、30秒，或者可以发生1分钟、2分钟、4分钟、5分钟、7分钟或10分钟。如果小分子(0.5nm)的通道或室检测进行，使流体的流动停止可能低至10秒。另外地或替代地，如果用于收集更大体积的更大分子(30nm)(较慢的流速)的检测室(端口检测)进行得很好，则在预定时间使流体的流动停止可以长达5分钟。另外地或替代地，在预定时间使流体的流动停止可以长达5小时，以用于后续的缓慢过程，诸如聚集反应。

如本发明所公开的，除非另有说明，术语“端口”是指可以从外部接近微流体装置的位置。换句话说，端口提供了芯片和周围环境之间的界面。

端口检测并不是普遍适用的，原因有很多，包括：气泡的存在对检测的影响；端口内存在浓度梯度，并且存在在样品之前流过的不期望的材料。然而，通过谨慎选择端口的几何形状，这些问题中的一些可以被克服，使得端口检测成为优选的检测方案。使用端口检测的优点在于，在端口中存在相当大体积的流体，并且由此样品信号与来自装置本身材料的背景信号的比率增加，即，与装置内的其它几何形状相比，端口的背景检测较少，因为光学元件将遇到更少的形成装置的塑料。

由于该装置通过毛细作用进行填充，并且流体流被严格地控制以使流动能够停止和开始，因此在样品之前的不期望的材料的体积是已知的并且是恒定的。因此，该装置提供了可以以相对简单的方式进行校正的检测读数中的系统误差。此外，在样品之前的不期望的材料的体积可以非常小(诸如nl体积)，并且可能不会明显影响检测读数。

与不需要或不期望进行毛细填充的类似几何形状相比，有利于毛细填充所需的通道尺寸使得系统体积非常小。这反过来使得不期望的材料的体积最小化，从而使得该材料的贡献在所检测的信号中所占的比例更小。

启动停止的预定时间的选择取决于所需的检测的状态。如果在分析开始后相对较短的时间内执行该停止，那么在停止时分析仍在进行。相反，如果在分析开始后一段时间执行该停止，则可能已经达到稳态状态，在该稳态状态中，横向扩散已经发生并且达到了平衡状态。

稳态分配可以通过扩散或电泳发生。稳态分配可以被定义为组分在流体流中的分配以恒定的速率发生，也就是说，一旦达到稳态分配，给定界面(通量)上的原子(或摩尔)的数量随时间是恒定的。

如本发明所公开的，除非另有定义，术语“通量”是指每单位面积的特性的流量。在一些实施例中，稳态分配具有恒定的通量。

检测器可以按顺序地或同时地直接测量微流体芯片上的毛细通道中的每一个毛细通道中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性，或者检测器可能需要用于分配的代替物的测量，并且根据代替物的测量推断所述组分或每种组分的生物物理特性。

在一些实施例中，同时地测量可以包括提供至少两组检测器来同时测量微流体芯片上的毛细通道中的一种或多种组分的生物物理特性。

在一些实施例中，按顺序地测量可以包括：提供检测器来测量毛细通道中的组分的生物物理特性，随后移动同一检测器来测量另一毛细通道中的一种或多种组分的生物物理特性。

在一些实施例中，使样品流体流和辅助流体流流动通过分配通道的步骤是通过建立分配通道上的压力梯度而引起。可以设置压力源(真空压力源或正压力源)以诱导样品流体和辅助流体在均匀/恒定的压力驱动下流动到微流体芯片中。在一些实施例中，压力源可以是泵。

在一些实施例中，第一流速和第二流速可以大致相同。样品通道中的第一流速和辅助通道中的第二流速可以相同，以提供样品流体流和辅助流体流通过分配通道的恒定流速。替代地，通过样品通道和辅助通道的第一流速和第二流速可以不同。

在一些实施例中，毛细通道中的每一个毛细通道的一部分可以被布置为蛇形或曲折构型。紧密致密的毛细通道提高了灵敏度和信噪比。在一些实施例中，蛇形或曲折构型增加了流动面积，在该流动面积上可以进行测量以用检测器对组分进行检测。这可以是有利的，因为蛇形或曲折构型提供了用单个检测点进行检测的毛细通道的更大体积，并且由此可以提高用于检测感兴趣的组分的灵敏度。此外，毛细通道的曲折构型也可以有助于减少或消除通道内的气泡。

在一些实施例中，样品通道和/或辅助通道中的每一个样品通道和/或辅助通道的一部分被布置为蛇形或曲折构型。

在一些实施例中，可以使毛细通道的曲折部分的每个部段或区域之间的间隔最小化。在一些实施例中，毛细通道的曲折部分的部段或区域之间的间隔可以是恒定的，或者该间隔可以沿着毛细通道的整个曲折区域变化。在一些实施例中，曲折部分包括蛇形构型。在一些实施例中，曲折区域包括螺旋构型。

在一些实施例中，使流体的流动停止的步骤可以通过使用可释放阀来实现。压力释放阀可以被设置为平衡流动装置上的压力。例如，压力释放阀可以被设置为平衡样品通道、辅助通道、分配通道和/或下游的毛细通道。

通道的“芯片上”阻力可以被设置为控制通过通道的流体的流动。在一些实施例中，在分配通道下游提供的阻力可以大于在分配通道上游提供的阻力。与分配通道上游的阻力相比，在分配通道下游提供更大的阻力有助于减少或避免样品粘附效应。

在一些实施例中，在分配通道上游提供的阻力可以大于在分配通道下游提供的阻力。上游阻力可能是决定分配通道内的流动平衡的主导因素。因此，在下游可能只有最小的阻力。使芯片上阻力最小化是重要的，因为芯片上阻力所需的小的几何形状很难制造。

在一些实施例中，样品通道、辅助通道、分配通道或两个或更多个下游毛细通道的阻力可以由以下中的一个或多个确定：通道的横截面积、通道的纵横比、通道的长度和/通道的表面粗糙度。

在一些实施例中，用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的方法还可以包括：与两个或更多个毛细通道流体连通并且位于两个或更多个毛细通道下游的两个或更多个端口。毛细通道中的每一个毛细通道还可以包括端口，该端口与毛细通道流体连通并且位于毛细通道的下游。

在一些实施例中，用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的方法还可以包括：与两个或更多个毛细通道流体连通并且位于两个或更多个毛细通道下游的两个或更多个检测室。

在一些实施例中，用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的方法还可以包括以下步骤：按顺序地或同时地测量微流体芯片上的端口中的每一个端口中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

在一些实施例中，组分的检测可以在从外部可接近的端口中进行，端口用于提取样品或添加其他组分。

与毛细通道中的量相比，端口中的感兴趣的组分的量可能更高。因此，对端口中的组分进行测量可以提供更高的检测灵敏度。

在一些实施例中，用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的方法还可以包括以下步骤：按顺序地或同时地测量微流体芯片上的检测室中的每一个检测室中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

在一些实施例中，用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的方法还可以包括在使流体的流动停止的步骤期间的孵化步骤。

在一些实施例中，用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的方法还可以包括以下步骤：向端口提供另一种组分。另一种组分可以是染料，该染料可以被添加到端口内的组分中，以用于感兴趣组分的信号放大目的。染料可以是荧光标记、酶标记或DNA标记。此外，染料可以是强散射体。添加到端口中的组分中的染料可以与感兴趣组分相结合，并且需要孵化步骤或热循环步骤来进行放大。

在一些实施例中，用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的方法还可以包括以下步骤：测量一种或多种组分的扩散系数、电泳迁移率、扩散电泳迁移率或热电泳迁移率。

在一些实施例中，一种或多种组分的横向分配通过扩散发生。根据本发明的设备和方法在层流态下进行操作。在层流中，流体流很少或没有混合。溶液中的组分可以通过扩散进行移动，但是大量流体不会混合。横向扩散可以实现流体动力学半径的测量以及组分的其他生物物理特性的推断。

在一些实施例中，用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的方法还可以包括确定样品流体流中的组分中的至少一种组分的扩散系数。

根据本发明的另一方面，提供了一种操作根据如上所述的芯片上的微流体分析的方法，该方法包括以下步骤：将辅助流体提供到辅助端口中；使得回路通过毛细作用进行填充；对毛细通道中的至少一个毛细通道中的背景信号进行检测；将待分析的样品流体流引入到分配通道中；在分配通道中提供一种或多种组分从样品流体流到辅助流体流中的横向分配，直到到达稳态分配；将稳态流体流的至少一部分分到分配通道下游的两个或更多个毛细通道中，在毛细通道中的至少一个毛细通道中对与待分析的样品相关的样品信号进行检测；以及通过去除背景信号对所检测的样品信号进行校正。

替代地，该方法可以包括以下步骤：对毛细通道中的至少一个毛细通道中的背景信号进行检测；将样品提供到样品端口中；使得回路通过毛细作用进行填充；将待分析的样品流体流引入到分配通道中；在分配通道中提供一种或多种组分从样品流体流到辅助流体流中的横向分配，直到到达稳态分配，将稳态流体流的至少一部分分到分配通道下游的两个或更多个毛细通道中，在毛细通道中的至少一个毛细通道中对与待分析的样品相关的样品信号进行检测；以及通过去除背景信号对所检测的样品信号进行校正。

经由单个输入口将流体引入到回路中，在整个系统中流动的流体将空气从所有通道中排出。这确保了系统中没有被困住的气泡。这是非常重要的，因为气泡会堵塞微流体通道。同时通过两个分开的入口引入流体会有气泡被困住滞留在样品和系统流体通道以及分配通道之间的连接部处的风险，从而阻止流体按照预期汇聚在一起。

通过在整个微流体回路中引入系统或辅助流体，可以在出口处对背景信号进行检测，使得能够对样本信号进行校正以去除背景信号，从而提高所获得的数据的质量。因此，优选的用辅助流体预充回路。此外，在几乎没有扩散的情况下，优选的用辅助流体而非样品流体预充回路，因为预充流体可能导致毛细通道、检测室或出口端口中的附加信号，该附加信号记录了已经扩散到辅助流体中的样品的量。

通过考虑毛细通道中的至少一个毛细通道中的背景信号，可以将在第一毛细通道中测量的样品粘附与在其他毛细通道中测量的样品粘附的总和进行比较。

与现有技术的系统相比，该方案可以减少所使用的流体的体积，在现有技术的系统中，过量体积的系统流体通过该回路冲洗。在该方案中，在引入样品之前使用的系统流体的体积与微流体回路的体积相等。该体积可以在120nl的区域内。这在系统流体昂贵或供应有限的情况下是有用的。

在一些实施例中，使用通过过量的系统流体进行冲洗的方法，系统流体通常是水或含水溶液，例如缓冲液。在一个实施例中，系统流体是磷酸盐缓冲盐水(PBS)。在另一实施例中，辅助流体是具有表面活性剂(诸如吐温20(PBST))的磷酸盐缓冲盐水。然而，如果可以使用较小体积的系统流体，那么可以更容易地进行为给定样品流体定制的系统流体的方案，诸如提供粘度与样品流体的粘度相匹配的系统流体。替代地或附加地，这在用多个不同的系统流体重复进行相同测试的情况下是有利的。例如，用不同pH值的多种系统流体重复进行测试。

在一些实施例中，辅助流体的粘度可以与样品流体的粘度相匹配，反之亦然。例如，辅助流体的粘度可以为样品流体的粘度的20％、10％或5％以内。特别地，系统流体可以是人类血清或血浆。在另一实施例中，系统流体可以是对人类血清或血浆的粘弹性和光学特性以及人类血清或血浆的离子浓度和pH进行模拟的缓冲溶液。

在另一实施例中，可以通过在实验之前和之后记录每个端口的流体填充水平和总荧光来测量样品流体的粘度和背景信号，例如，用背反射光的z-扫描和检测区域(诸如端口)的内容物的荧光测量来测量样品流体的粘度和背景信号。填充水平的差异给定了离开和/或进入每个端口的体积，并且可以与几何芯片阻力一起对粘度进行计算。粘度和背景信号可以一起被确定，并且被用于对任意实验的背景进行校正。这种校正也可以针对不同的回路实施，其中，粘度和背景信号在一个回路中确定，并且校正在一个或多个其他回路中实现。

在一些实施例中，负压力可以同时地或以交错的方式施加在通道上，使得在前一通道的测量、分析和/或检测完成时，一个通道中的组分的“扩散”完成。因此，这是有利的，因为这使得后续的微流体装置/回路在读取之前使得到达其最终状态的等待时间更短。因此，这减少或降低了通道内的液体蒸发的风险。

在本文公开的本发明的另一方面中，提供了一种用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的流动设备，该设备包括装置，该装置包括：样品通道，样品通道用于以第一流速将包括一种或多种组分的样品流体流引入到细长的分配通道中；辅助通道，辅助通道用于以第二流速将辅助流体流引入到细长的分配通道中，其中，分配通道被配置为能够在达到稳态分配之后实现组分从样品流体流到辅助流体流中的横向分配；两个或更多个毛细通道，两个或更多个毛细通道设置在分配通道的下游并且与分配通道流体连通，使得已经达到的稳态流体流的至少一部分移动到毛细通道中的每一个毛细通道中；可切换压力源，可切换压力源被配置为控制通过通道的流体的流动；以及检测器，检测器被配置为按顺序地或同时地检测和测量装置上的毛细通道中的每一个毛细通道中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

装置可以是流体装置。在一些实施例中，该装置可以是微流体芯片。

在本文公开的本发明的另一方面中，提供了一种用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的流动设备，该设备包括：样品通道，样品通道用于以第一流速将包括一种或多种组分的样品流体流引入到细长的分配通道中；辅助通道，辅助通道用于以第二流速将辅助流体流引入到所述细长的分配通道中，其中，分配通道被配置为能够在达到稳态分配之后实现组分从样品流体流到辅助流体流中的横向分配；两个或更多个毛细通道，两个或更多个毛细通道设置在分配通道的下游并且与分配通道流体连通，使得已经达到的稳态流体流的至少一部分移动到毛细通道中的每一个毛细通道中；可切换压力源，可切换压力源被配置为控制通过通道的流体的流动；以及检测器，检测器被配置为按顺序地或同时地检测和测量微流体芯片上的毛细通道中的每一个毛细通道中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

在一些实施例中，由于通道的尺寸和构型，上游和/或下游阻力可以仅提供在微流体芯片上。在一些实施例中，分配通道下游的阻力的值大于分配通道上游的阻力的值。这可能是有利的，因为毛细通道的曲折构型可以用作检测区。此外，较小的上游阻力使得能够通过辅助端口和样品端口实现快速预充。此外，较小的上游阻力降低了样品粘附在回路的上游部分中的风险。样品粘附的低风险是有益的，因为粘附到通道表面的样品可能不会流动到检测区域中，并且由此测量的信号可能低于预期的信号。阻力的值可以受到形状构型和/或通道的宽度、高度和长度的影响。

例如，通道(样品通道、辅助通道和/或毛细通道)的宽度可以介于15μm到100μm之间，或者可以是20μm、μ、30μm、35μm或40μm。通道的高度可以介于15μm到100μm之间，或者可以是20μm、25μm、30μm、35μm或40μm。通道的长度可以介于10mm到200mm之间，或者可以是15mm、20mm、25mm、30mm或35mm。上游阻力的值可以介于10毫巴/(μl/min)到1000毫巴/(μl/min)之间，或者可以是60毫巴/(μl/min)、70毫巴/(μl/min)、80毫巴/(μl/min)、90毫巴/(μl/min)、100毫巴/(μl/min)、110毫巴/(μl/min)、120毫巴/(μl/min)、130毫巴/(μl/min)、140毫巴/(μl/min)、150毫巴/(μl/min)、160毫巴/(μl/min)、170毫巴/(μl/min)、180毫巴/(μl/min)、190毫巴/(μl/min)、200毫巴/(μl/min)、210毫巴/(μl/min)、220毫巴/(μl/min)、230毫巴/(μl/min)或240毫巴/(μl/min)。下游阻力的值可以介于20毫巴/(μl/min)到2000毫巴/(μl/min)之间，或者可以是125毫巴/(μl/min)、150毫巴/(μl/min)、175毫巴/(μl/min)、200毫巴/(μl/min)、225毫巴/(μl/min)、250毫巴/(μl/min)、275毫巴/(μl/min)、300毫巴/(μl/min)、325毫巴/(μl/min)、350毫巴/(μl/min)、375毫巴/(μl/min)、400毫巴/(μl/min)、425毫巴/(μl/min)、450毫巴/(μl/min)、475毫巴/(μl/min)、500毫巴/(μl/min)、525毫巴/(μl/min)、550毫巴/(μl/min)、575毫巴/(μl/min)、600毫巴/(μl/min)、625毫巴/(μl/min)、650毫巴/(μl/min)或670毫巴/(μl/min)。

由微流体装置的通道提供的总阻力可以用于确定通过通道的流体的流速。在一些实施例中，该装置的阻力可以被调节，使得该阻力能够在给定的施加压力下使流体有足够的流速通过分配通道。足够的流速可以是指扩散通道中的扩散量导致可准确测量的扩散系数的流速。例如，可以施加的真空压力可以介于0巴到1巴之间。另外地或替代地，介于0巴到10巴之间的正压力可以被施加到入口。在装置内提供“芯片上”阻力可能是有利的，因为这有助于控制流体流入和流出通道。

在另一实施例中，分配通道下游的毛细通道的宽度可以大约为20μm，分配通道上游的样品和/或辅助通道的宽度可以大约为25μm，并且通道的高度可以大约为40μm。分配通道上游的样品和/或辅助通道的长度可以大约为12mm。分配通道下游的毛细通道的长度可以大约为28mm。上游阻力可以大约为60毫巴/(μl/min)，下游阻力可以大约为300毫巴/(μl/min)。

多个微流体装置之间的不同阻力会导致通过微流体装置中的每一个微流体装置之间的通道的流速分布的差异，包括有多少辅助流体和样品流体流过微流体芯片，以及有多少流体可以在扩散通道之后流过。为了在多个微流体装置上提供一组更加均匀的阻力，可以对每个微流体芯片进行预先测量或批次表征的阻力值，以针对通过通道网络的流速的任何变化对所测量的尺寸进行校正。

在一些实施例中，可以提供具有扩散通道的不同几何形状和/或不同阻力值的不同微流体芯片，使得对于相同的压力，可以测量不同范围的扩散系数。

在一些实施例中，检测器可以被配置为移动以聚焦于芯片内的各个检测位置。

在一些实施例中，检测器可以是光学检测器，光学检测器可以被配置为对感兴趣的组分的荧光进行测量。

在一些实施例中，扩散通道与样品通道、辅助通道和毛细通道可以一起形成H-型过滤器。

在一些实施例中，毛细通道中的每一个毛细通道的一部分可以被布置为蛇形或曲折构型。

在一些实施例中，流动设备还可以包括端口。该端口可以是入口端口或者出口端口。该端口可以设置在样品流体入口或辅助流体入口上。每个端口都是微流体系统的特征。每个端口可以设置有敞开的几何形状，使得样品流体的弯液面提供端口体积的上限。这提供了与封闭的端口相比的优点，封闭的端口可能使气泡困住。入口端口和出口端口可以设置有对应的几何形状。端口可以具有相同的几何形状。这些端口可以设置有环形圈，该环形圈可以有助于耗散否则会存在于出口端口上的梯度。

在一些实施例中，毛细通道中的每一个毛细通道还包括端口。在端口中测量组分的浓度、量或扩散率可能是有利的，因为这可以为测量提供更多的体积，从而增加灵敏度，从而提供更准确的读数。

在一些实施例中，流动设备还可以包括检测室。在一些实施例中，微流体装置还可以包括检测室。在一些实施例中，毛细通道中的每一个毛细通道还可以包括检测室。在一些实施例中，检测室可以是端口。例如，检测可以发生在入口端口、出口端口或入口端口和出口端口两者处。如果入口端口和出口端口的几何形状相似，或者甚至相同，这可以有助于进行检测，这是因为入口和出口处的端口的贡献将基本上相同，因此可以从数据中去除。

在一些实施例中，本文公开的微流体芯片可以具有多个检测区域。检测区域可以是检测室(诸如检测端口)和/或检测区域可以是通道的蛇形或曲折部分(诸如毛细通道的蛇形或曲折部分)。

在一些实施例中，装置(即微流体装置)可以被设置为深色(诸如黑色)以减少背景光和荧光。

另外地或替代地，装置(诸如微流体装置)可以涂覆有抗粘附涂层，以减少或防止样品粘附，从而提供良好的灵敏度。大约100万个分子/mm²可以实现约1nM的灵敏度。涂层可以是但不限于以下中的一种或多种：乙氧基化聚山梨醇酯、或聚环氧丙烷、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷的非离子表面活性剂。在一些实施例中，抗粘附涂层是乙氧基化的聚山梨醇酯。

在一些实施例中，该装置可以包括主动位置测定引导部(诸如一个或多个基准点)，该主动位置测定引导部可以用于发现端口内和/或通道的曲折部分内的检测位置，即X、Y和/或Z位置。在一些实施例中，位置测定引导部可以是一个或多个端口本身或流体回路本身的任意其他特征。

在一些实施例中，主动位置测定引导部可以被配置为在出口端口内对检测位置进行定位。在一些实施例中，用于在出口端口内对检测位置进行定位的位置测定引导部可以是出口端口。在出口端口中的每一个出口端口处使用主动位置测定引导部可能是有利的，因为主动测定引导部可以对出口端口的精确检测位置进行更准确地定位。然而，找到每个出口端口的位置可能是耗时的过程。

另外或替代地，一个或多个端口也可以用于确定微流体装置上的特定位置。

在一些实施例中，检测器可以设置在分配通道的上游，检测器被配置为检测和测量样品通道中的每种组分的至少一种生物物理特性。随后同一检测器可以被移动到分配通道的下游，以检测和测量毛细通道中的每种组分的至少一种生物物理特性。

在一些实施例中，流动设备还可以包括第二检测器，第二检测器可以被配置为检测和测量所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。第一检测器可以设置在分配通道的上游，第二通道可以设置在分配通道的下游。

在一些实施例中，流动设备还可以包括设置在分配通道上游的第二检测器，第二检测器被配置为检测和测量样品通道中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

通过在分配通道的上游设置第二检测器，可以考虑背景信号以提供准确的测量。系统的背景信号在辅助通道内测量，背景信号可以从毛细通道中的样本信号测量中去除。通过去除背景信号可以校正毛细通道处的所检测到的信号样本。

在一些实施例中，流动设备可以设置有共焦检测器。微流体装置内的检测区域可以具有用于共焦检测光斑的合适尺寸，该共焦检测光斑在每个维度上包含例如数百微米。在端口中使用共焦检测器可以意味着对流中的生物分子的检测与液体填充高度无关，但是仍然有大量的检测体积可用于检测。共焦检测器可以被配置为检测和测量端口内和/或一个或多个通道的曲折部分内的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。共焦光斑还可以在每个维度中包含数百纳米。这对于更小的位置依赖性和进一步减少背景光可能是有利的。较大的共焦光斑有利于测量更多的荧光分子，这可以提高检测灵敏度。

一个或多个检测器可以是检测系统的一部分。检测系统可以布置在流动设备上，以用于对样品流中的感兴趣的生物分子进行检测。检测器可以具有用于(可选地同时)荧光读取的多个波长。例如，两种颜色(红色647nm和绿色488nm)激励，发射集中在约670nm、680nm、690nm、700nm(替代地：长通滤波高于660nm或670nm)或集中在约510nm、520nm、530nm、540nm(或者：长通滤波高于500nm或510nm或520nm)。

背景信号源可以包括但不限于：来自辅助流体、芯片材料和更广泛的光机械系统的荧光、吸收、反射和散射。此外，不同的系统流体可以具有不同的背景信号水平。例如，水中的蛋白质具有低的背景信号，但可能是不合适的。相反，优选的是对辅助流体和样品流体进行指数匹配，使得例如粘度的差异不影响读数。因此，尽管血清具有高水平的背景，但可以优选的是使用血清作为辅助流体(有时被称为系统流体)。替代地，可以优选的是使用与样品流体共享一些物理特性的辅助流体。具体地，辅助流体可以具有与样品流体基本上相同的折射率、离子浓度、pH和/或粘度。

在一些实施例中，可以提供一种通过考虑背景信号和样品粘附通过H-型滤波器进行准确测量的方法。该方法可包括以下步骤：在样品通道处对系统的背景信号进行测量，从毛细通道中的每一个毛细通道处的测量中去除背景信号，以导出具有分配比的背景校正的测量结果。对在样品通道中测量的样品信号进行测量，并将该测量与毛细通道中的每一个毛细通道中的信号和/或背景信号的总和进行比较，以作为浓度测量的校正机制，并且用于确定样品粘附的水平。

在一些实施例中，检测器被配置为确定距离毛细通道的曲折部分的边缘至少一个通道宽度的区域中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

将检测器定位在距离毛细通道的曲折部分的边缘至少一个通道宽度处的位置避免了在设备内对芯片进行高度精确定位的必要性。

在一些实施例中，毛细通道的曲折部分可以包含长度大致相等的上游部分和下游部分，并且其中，检测器可以被配置为测量上游部分中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

检测器可以定位在流体通道的曲折部分的上游部分(即，相比曲折区域的端部更靠近曲折区域的起点)，以最大限度地检测未受蛋白质粘附影响的样品。因此，这可能导致用于测量的更多的流体体积靠近入口通道。在一些实施例中，根据本发明中任一方面的流动设备可以进一步包括用户界面。用户界面被配置为对装置(诸如微流体装置)进行检测。在一些实施例中，用户界面可以具有显示面板。

当使用时，包括多个微流体芯片的芯片板可以被插入到用户界面中，该用户界面对已经被使用的微流体芯片进行检测。显示面板随后向用户显示该信息。

在一些实施例中，标签(诸如NFC标签)可以用于在用户界面上定义并且显示已经被使用的通道。附加地或替代地，NFC标签或其他标签可以用于存储校准数据，以用于本文所公开的阻力校正。

根据本发明的另一方面，提供了一种芯片，包括：多个并联的微流体回路，每个回路包括：从系统流体入口端口开始的系统流体入口通道，系统流体可以通过该系统流体入口端口引入到回路中；从样品流体入口端口开始的样品流体入口通道，样品流体可以通过该样品流体入口端口引入到回路中；其中，样品入口端口包括位于样品入口通道和对应的入口端口之间的扩展特征部，其中，扩展特征部包括邻近通道的锥形部分和邻近端口的弯曲部分；与系统流体通道和样品流体通道流体连通的分配通道；在出口端口中终止的两个出口通道，其中，出口通道与分配通道流体连通；其中，通道中的每一个通道的最大宽度或高度不大于50μm；每个回路还包括在出口端口中的每一个出口端口处用于真空源的连接部。

在一些实施例中，扩展特征部的弯曲部分的半径介于0.05mm到0.4mm之间。在一些实施例中，扩展特征部的弯曲部分的半径可以大于0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm或0.35mm。在一些实施例中，扩展特征部的弯曲部分的半径小于0.4mm、0.35mm、0.3mm、0.25mm、0.2mm、0.15mm或0.1mm。

在一些实施例中，扩展特征部的弯曲部分的半径为0.2mm。

在一些实施例中，样品端口还可以包括围绕样品入口端口的周边的至少一部分延伸的流动引导部。在一些实施例中，每个入口端口包括围绕入口端口的周边的至少一部分延伸的流动引导部。在一些实施例中，每个出口端口包括围绕出口端口的周边的至少一部分延伸的流动引导部。

在一些实施例中，每个入口端口包括位于每个入口通道和对应的入口端口之间的扩展特征部，其中，扩展特征部包括邻近通道的锥形部分和邻近端口的弯曲部分。在一些实施例中，每个出口端口包括位于每个出口通道和对应的出口端口之间的扩展特征部，其中，扩展特征部包括邻近通道的锥形部分和邻近端口的弯曲部分。

该芯片可以特定于微流体方案，其中，通道被选择为使得毛细填充是可能的，因为毛细力占主导地位。通道的最大尺寸被选择为使得通道在该方案中进行操作。本文公开的本发明的目的之一是确保回路的快速填充，以提高装置的效率。例如，该回路应该能够在少于5分钟，优选地介于5秒到90秒之间完成毛细填充。

扩展特征部也可以被有益地设计为使得其为样品流体(当被引入时)提供更平坦/光滑的弯液面，从而避免气泡被困住在两个弯液面之间。具有陡峭端部的直毛细管更加趋于将气泡困住在弯液面之间。

此外，扩展特征部具有从通道向端口扩展的锥形部分，然后具有当锥形部分到达端口时从锥形部分的端部进一步扩展的弯曲或圆角部分。圆角部分被成形为沿着半径介于0.05mm到0.4mm之间的圆的半径。这使得端口能够在毛细力的作用下进行填充，否则流体会在到达通道和端口之间出现的横截面面积的大阶梯时停止。在没有扩展特征部的圆角部分的情况下，在扩展特征部的锥形部分和端口之间会有阶梯过渡。

这可能导致弯液面在该点处被钉扎(pinning)，从而可能导致气泡形成。这在样品入口处特别值得关注，因为优选的操作方案是使用系统流体填充整个芯片，并且随后引入样品。在没有扩展特征部的圆角部分的情况下，在样品流体通道的开始处的扩展特征部附近、在样品流体和系统流体之间可能形成气泡。这些气泡可能足以堵塞样品入口通道，而这可能阻止样品流体进入分配通道。即使通道没有被气泡完全堵塞，并且样品流体确实成功地流动到分配通道中，气泡也会干扰分配通道下游的检测。

从扩展特征部的圆角部分到端口中的流动效率进一步通过提供流动导向部来辅助，该流动导向部围绕端口的周边的至少一部分延伸并且进一步用于改善端口和通道之间的流体流动，以用于为端口的周边周围的流体提供初始流动路径。如果端口具有圆形横截面，则流动引导部可以是环形件。环形件的尺寸可以被选择为紧密地符合通道的尺寸。流动引导部可以不围绕端口的整个周边设置，而是可以仅设置在端口的邻近通道入口点的区域中。

提供流动引导部也有助于出口端口中的流体的均匀性。流动引导部提供了优选的流动路径，端口沿着该流动路径开始填充。一旦流动引导部被填充，端口的剩余部分将被填充，并且在端口上不会有明显的浓度梯度。当信号应该在端口中检测时，这一点是重要的。

系统流体通道、样品流体通道、分配通道和两个出口通道可以采用经典的H-型过滤器构型。

在分配通道中，样品流体与系统流体发生接触，并且分配通过扩散进行。

在出口通道处提供压力管理连接部降低了污染的风险，如果在入口处提供连接部以推动流体通过回路而不是从出口进行抽吸，则会存在污染的风险。

在一些实施例中，通道中的每一个通道可以设置有涂层，该涂层被配置为既防止样品粘附又能够实现回路的有效填充。

涂层的选择对于实现所需的快速填充而不会因蛋白质粘附而使样品劣化是至关重要的。

在一些实施例中，通道的最大尺寸为40μm。

在一些实施例中，通道的与通道的最大尺寸垂直的范围达到25μm。

对尺寸进行严格地控制以使整个芯片能够在合理的时间范围内(即在一分钟内)实现毛细填充。例如，25μm×40μm的通道构型可以在1分钟内填充，但如果将25μm的尺寸增加到30μm，则填充时间会太长。

此外，当尺寸改变时，回路的体积也将显著改变，从而导致较大通道的填充时间更长。较小的通道导致较高的流体动力学阻力，这可能会降低操作期间扩散通道中的流体流速。

减小通道的尺寸会减小通道壁的表面积，但会增加表面体积比，并且由此会增加发生表面粘附的风险。

提供具有小的横截面面积的通道有助于有效的毛细填充，同时也确保端口检测是可行的选择，因为整个芯片可以在引入样品之前填充有系统流体，并且系统流体的体积仍然足够低，以至于系统流体不会影响在出口端口中进行有意义的测量。

在一些实施例中，涂层可以是亲水性的。在一些实施例中，涂层可以是疏水性的。

在一些实施例中，辅助流体或样品流体可以包含溶剂或添加剂(诸如表面活性剂或乙醇)，溶剂或添加剂用于减小流体和通道表面之间的接触角。低的接触角有利于帮助毛细预充。

在一些实施例中，芯片包括八个微流体回路。为了本发明的目的，本领域技术人员将理解的是，可以在一个芯片上提供任意数量的微流体回路。例如，芯片可以包括多于八个的微流体回路。或者，芯片可以包括少于八个的微流体回路。

在一些实施例中，每个出口端口可以是敞开的端口。提供的敞开的端口在预充期间阻止流体的流动。此外，在敞开的端口内没有压力积聚。流体的流动速度先前已经被扩展特征部减慢，但是流动可以通过提供敞开的端口完全阻止，特别是在样品通道和辅助通道之间和/或辅助通道和毛细通道之间的预充过程中通过提供敞开的端口完全阻止。

在一些实施例中，扩展特征部可以被配置为包含至少一种试剂。试剂可以通过邻近扩展特征部的端口提供。

这使得芯片能够实现完全自主的填充，因为芯片将填充有系统流体，直到系统流体到达包括试剂的扩展特征部。随后试剂将接触系统流体，并且一旦扩展特征部完全填充有系统流体和试剂的混合物，毛细作用流将与来自扩展特征部的试剂共同填充芯片。

在本发明的上下文中，除非另有说明，术语“试剂”也可以指样品流体。

在一些实施例中，至少一个出口端口的扩展特征部可以被配置为当样品流体流和辅助流体流在扩展特征部的边缘处彼此接触时形成样品流体流和辅助流体流的混合物。样品流体和辅助流体在扩展特征部的边缘处的接触确保流体之间没有空气，并且因此，在通道内不会产生气泡。

在一些实施例中，系统流体通道可以设置有亲水性涂层。提供亲水性表面涂层确保表面被系统流体润湿，从而确保在将系统流体装载到系统流体通道中的过程中不会夹带气泡。

在一些实施例中，设置在分配通道上游的通道可以设置有亲水性涂层。另外地或替代地，设置在分配通道下游的通道可以设置有疏水性涂层。

在一些实施例中，样品流体通道可以设置有亲水性涂层。提供亲水性表面涂层确保表面被样品流体润湿，从而确保在将样品流体装载到样品流体通道中的过程中不会夹带气泡。

在一些实施例中，微流体装置的通道中的每一个通道可以设置有端口，并且端口的表面可以被粗糙化。

在一些实施例中，系统流体通道可以设置有端口，系统流体可以通过端口装载到系统流体通道中，并且其中，端口的表面可以被粗糙化。在一些实施例中，样品流体通道可以设置有端口，样品流体可以通过该端口提供，并且系统流体可以通过毛细作用与样品流体汇聚，而不会在流体之间形成气泡，并且其中，端口的表面可以被粗糙化。

使端口的表面粗糙化可以确保系统流体均匀地移动到端口中。

在一些实施例中，真空源是泵，诸如注射泵或活塞泵、旋转泵、隔膜泵或蠕动泵。

根据本发明的另一个方面，提供了一种启动根据本发明的前一方面所述的芯片上的微流体回路的方法。方法包括以下步骤：使用系统流体经由系统流体通道对整个微流体回路进行毛细填充；对通道或端口中的至少一个通道或端口中的背景信号进行检测；通过样品流体通道引入包含待分析的样品的流体；将真空连接到出口，以通过微流体回路抽吸流体；在出口通道中的至少一个出口通道中对与待分析的样品相关的样品信号进行检测；以及通过去除背景信号对所检测的样品信号进行校正。

经由单个输入口将流体引入到回路中，在整个系统中流动的流体将空气从所有通道中排出。这确保了系统中没有被困住的气泡。这是非常重要的，因为气泡会堵塞微流体通道。同时通过两个分开的入口引入流体会有气泡被困住滞留在样品和系统流体通道以及分配通道之间的连接部处的风险，从而阻止流体按照预期汇聚在一起。

通过在整个微流体回路中引入系统流体，可以在出口处对背景信号进行检测，使得能够对样本信号进行校正以去除背景信号，从而提高所获得的数据的质量。

与现有技术的系统相比，该方案减少了所使用的流体的体积，在现有技术的系统中，过量体积的系统流体通过该回路冲洗。在该方案中，在引入样品之前使用的系统流体的体积与微流体回路的体积相等。该体积可以在10nl到250nl的区域内，例如为120nl。这在系统流体昂贵或供应有限的情况下是有用的。

在当前实践中，使用通过过量的系统流体进行冲洗的方法，系统流体通常是水。然而，如果可以使用较小体积的系统流体，那么将更容易地进行为给定样品流体定制的系统流体的方案，诸如提供粘度与样品流体的粘度相匹配的系统流体。替代地或附加地，这在用多个不同的系统流体重复进行相同测试的情况下是有利的。例如，用不同pH值的多种系统流体重复进行测试。

在一些实施例中，整个芯片将在主实验之前填充有辅助流体(例如缓冲溶液或水)，以能够进行背景测量。这有助于提高样品检测的准确性，因为背景值可以从样品测量结果中去除。

此外，本文公开的芯片使得能够在整个芯片上进行背景测量，并且避免气泡困住的风险。因此，本文所述的本发明能够实现微流体回路的无气泡填充，这有助于提高微流体回路的性能可靠性以及提高样品测量的准确性。

附图说明

现在将仅通过示例的方式并且参照附图进一步且更具体地对本发明进行描述，在附图中：

图1示出了根据本发明的用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的流动装置；

图2提供了根据图1的用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的流动装置的替代实施例；

图3示出了根据图1的用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的流动装置的替代实施例；

图4示出了根据本发明的具有H-型过滤器构型的流动装置；

图5A示出了诸如毛细通道的流体通道的实施例；

图5B示出了根据图5A的流体通道的实施例；

图5C示出了诸如毛细通道的流体通道的替代实施例；

图6示出了根据本发明的微流体回路；

图7示出了根据图6的微流体回路的替代实施例；

图8示出了根据本发明的具有扩展特征部和流动导向部的端口；

图9A至图9E示出了根据本发明的用户界面；

图10A至图10B示出了微流体芯片中的基准点；

图11A示出了端口的几何形状和沙漏形激励轮廓的实施例；

图11B示出了荧光辐射等高线图；

图12提供示出了最大荧光功率贡献的曲线图；以及

图13提供示出了芯片端口的焦点/Z位置范围内获取的荧光信号和背反射激励信号的曲线图。

具体实施方式

本文公开的本发明提供了一种用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的设备和方法。组分可以被称为生物分子。组分的示例可以是但不限于：蛋白质、肽、外来体、抗体或其抗体片段、核苷酸(诸如DNA或DNA片段、RNA、siRNA或mRNA)或多糖。

如本文所定义的，除非另有说明，术语“生物物理特性”是指组分的可以使用生物物理技术(诸如荧光光谱或微流体扩散分级(MDS))来测量或检测的物理和/或化学特性。可以测量的生物物理特性的示例可以是但不限于：组分的流体动力学半径、扩散率、分子量、电荷、等电点、结合亲和力、亲和力、浓度、质量通量、浓度通量和/或扩散速率。

参照图1，提供了一种用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的流动设备8。流动设备8包括装置10。装置10可以是微流体装置。如图1所示，样品入口端口11被设置为用于将样品装载到装置10中。装置10包括样品通道12，该样品通道用于以第一流速将包括一种或多种组分的样品流体流引入到细长的分配通道16中。

辅助入口端口13被设置为用于将辅助流体装载到辅助通道14中。辅助流体例如可以是缓冲溶液或者可以是水。辅助通道14被设置为用于以第二流速将辅助流体流引入到细长的分配通道16中。此外，上游附加阻力通道15可以被设置在样品通道12和/或辅助通道14处，以有助于控制流体流的流速。辅助入口端口13也可以用于获取辅助流体的初始读数。

辅助入口端口13和样品入口端口11具有敞开的(即无盖的)几何形状。这减少了可用于滞留气泡的位置。此外，分配通道16、样品通道12和辅助通道14都设置有涂层。涂层本身是疏水性的，但涂层比形成通道的未经处理的材料更加具有亲水性。在将涂层设置到通道上时，入口端口11、13也涂覆有一层涂层，这层涂层使得通道比没有涂层时的通道更具有亲水性。涂层被选择为有助于装置10的毛细填充。尽管为端口设置涂层仅仅是通道的涂覆过程的人为影响，但是当流体通过端口并进入通道时，在整个过程中设置涂层可以避免涂覆表面和未涂覆表面之间的界面。

分配通道16被配置为能够在达到稳态分配之后实现组分从样品流体流到辅助流体流中的横向分配。

如图1所示，样品通道12和辅助通道14的一部分被布置为蛇形或曲折构型20。样品通道12和辅助通道14的曲折构型可以有助于减少或消除样品和/或辅助通道12、14内的气泡。

两个或更多个毛细通道18设置在分配通道16的下游并且与该分配通道流体连通，使得已经到达的稳态流体流的至少一部分移动到毛细通道18中的每一个毛细通道中。毛细通道18中的每一个毛细通道的一部分被布置为蛇形或曲折构型20。紧密致密的毛细通道提高了灵敏度，降低了信噪比。在一些情况下，蛇形或曲折构型20增加了流动面积，在该流动面积上可以进行测量以用检测器对组分进行检测。这可以是有利的，因为该蛇形或曲折构型提供了用单个检测点进行检测的毛细通道的更大体积，并且由此可以提高用于检测感兴趣的组分的灵敏度。此外，毛细通道18的曲折构型20也可以有助于减少或消除通道内的气泡。

如图1所示，分配通道16内的流体被分到至少两个毛细通道18中。毛细通道18中的每一个毛细通道可以包括扩散和/或未扩散的流体流。每个毛细通道18还可以包括被布置在蛇形构型20中的检测区或检测区域，在上述检测区或检测区域中，可以使用检测器对扩散和/或未扩散的样品流体流进行检测。

此外，为每个毛细通道18设置附加阻力通道22。附加阻力通道22被配置为在芯片上提供阻力。通道的“芯片上(On-chip)”阻力可以被设置为控制通过通道的流体的流动。上游阻力可能是决定分配通道内的流动平衡的主导因素。因此，在下游可能只有最小的阻力。使芯片上阻力最小化是重要的，因为芯片上阻力所需的小的几何形状很难制造。

每个毛细通道18还包括出口端口26，在出口端口处，可以进行样品流体流的检测，或者另外在入口端口11、13处已经进行初步检测的情况下进行样品流体流的检测。对出口端口26内的组分的检测可以是有利的，因为出口端口26中的可用组分的量较大，从而使得灵敏度增加。在一些情况下，在出口端口26处可以检测到背景信号。获取背景信号可以是有用的，因为背景信号可以使样品信号被校正，从而改进所获得的数据的质量。

出口端口26是敞开的并且被涂覆以使出口端口比未涂覆的材料更具亲水性。涂层材料本质上可以是疏水性的，但是形成通道和端口的材料更加疏水，并且由此使对通道进行涂覆的效果是增加通道的亲水性。出口端口26具有敞开的几何形状，并且出口端口的比例被选择为确保出口端口停止毛细填充。端口26的几何形状还可以被选择为使得来自端口26的蒸发不会对设备8的使用产生显著影响。

出口端口26具有喇叭形入口，在该喇叭形入口中，毛细通道在接近出口端口26时逐渐变宽。出口端口26包括环形圈，并且流体优先流动通过喇叭部并且围绕环形圈流动。在不想受到理论限制的情况下，这种构型似乎减少或甚至根除了出口端口26内的浓度梯度。这又意味着出口端口26的检测读数是端口26的全部内容物的真实表示，而不仅仅是梯度上的快照(snap shot)。

环形圈具有40m的高度，该高度与馈入到出口端口26中的微流体通道的高度相等。这确保了没有可以为气泡的收集提供位置的步骤。流体沿着通道流动，通过喇叭形开口向外扩散，并且随后围绕环形圈流动，从而迫使否则可能被困住的空气离开。随后流体作为整体继续流动到出口端口26中，从而使空气均匀地移位，使得不会形成气泡。

端口可以通过钻孔制造，也可以通过模制制造。端口的功能应该与端口的制造方法无关。

参照图1，可以设置可切换压力源(在附图中未示出)，并且该可切换压力源被配置为控制通过流体通道12、14、16、18的流体的流动。压力源可以是泵，诸如注射泵或压力泵。压力泵可以连接到样品流体通道12和/或辅助流体通道14，以提供用于使流体流沿着通道移动的正压力源。替代地或附加地，注射泵可以连接在设置在毛细通道18处的出口端口26处，以使流体流沿着流体通道移动。

可以在设置设备时设置检测器(在附图中未示出)。检测器可以被配置为按顺序地或同时地检测和测量微流体芯片上的毛细通道18中的每一个毛细通道中的该组分或每种组分中的至少一种生物物理特性。附加地或替代地，检测器可以被配置为按顺序地或同时地检测和测量微流体芯片上的出口端口26中的每一个出口端口中的该组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

可以在分配通道16的上游设置第二检测器(在附图中未示出)。第二检测器可以被配置为检测和测量样品通道12中的该组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

通过在分配通道的上游设置第二检测器，可以考虑背景信号以提供准确的测量。系统的背景信号在辅助通道内测量，背景信号可以从毛细通道中的样本信号测量中去除。通过去除背景信号可以校正毛细通道处的所检测到的信号样本。

微流体装置的几何形状可以是特定的构型，使得分配通道的长度和宽度以及总的芯片阻力适合于典型生物分子(诸如流体动力学半径介于1至20nm之间的蛋白质)的尺寸范围。使用真空泵可以实现装置内的压力差，在该装置中，可以实现介于-50至-1000毫巴之间的压力差。分配通道宽度必须与sqrt(Dt)相当，其中，t表示在分配通道中花费的时间，即t＝L/v，L表示扩散通道的长度，v表示给定芯片阻力R和压力差dp的平均流体速度，D表示典型蛋白质的扩散系数。

仅作为示例，分配通道的宽度可以介于5μm-100μm之间，或者可以大于30μm、32μm、34μm、36μm、38μm、40μm、42μm、44μm、46μm或48μm。在一些情况下，分配通道的宽度可以小于50μm、48μm、46μm、44μm、42μm、40μm、38μm、36μm、34μm或32μm。例如，分配通道的宽度大约为40μm。分配通道的长度可以介于1mm-100mm之间，或者可以超过5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm或45mm。在一些情况下，分配通道的长度可以小于50mm、45mm、40mm、35mm、30mm、25mm、20mm、15mm或10mm。例如，分配通道的长度约为23mm。微流体装置的总阻力可以介于20毫巴/μl/min-2000毫巴/μl/min之间，或者也可以超过100毫巴/μl/min、150毫巴/μl/min、200毫巴/μl/min、250毫巴/μl/min、300毫巴/μl/min、350毫巴/μl/min、400毫巴/μl/min或450毫巴/μl/min。在一些情况下，微流体装置的总阻力可以小于500毫巴/μl/min、450毫巴/μl/min、400毫巴/μl/min、350毫巴/μl/min、300毫巴/μl/min、250毫巴/μl/min、200毫巴/μl/min或150毫巴/μl/min。例如，微流体装置的总阻力大约为250毫巴/μl/min。

微流体装置可以被设置为深色(诸如黑色)以减少背景光和荧光。微流体装置(可以是塑料的)可以通过注射成型技术制造。微流体装置可以用着色剂和/或添加剂(例如炭黑)制成黑色。

本发明公开的用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的方法可以在如图1所示的流动设备上进行。该方法包括以下步骤：以0.01至10μl/min范围内的第一流速将包括一种或多种组分的样品流体流引入到细长的分配通道中；以第二流速将辅助流体流引入到分配通道中，在分配通道中提供一种或多种组分从样品流体流到辅助流体流中的横向分配，直到达到稳态分配；将稳态流体流的至少一部分分到分配通道下游的两个或更多个毛细通道中；在达到稳态分配之后，在预定时间使流体的流动停止；以及按顺序地或同时地测量微流体芯片上的毛细通道中的每一个毛细通道中的该组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

样品流体流和辅助流体流被装载到可以包括芯片上阻力的H-型过滤器的两侧。可以设置压力源(真空压力源或正压力源)以诱导样品流体和辅助流体在压力驱动下流动到芯片中。样品通道和毛细通道的阻力有助于控制样品流。一旦在分配通道和下游的毛细通道中达到了扩散平衡，就可以停止流动并且进行光学检测。

可以使用停止构件来使流体的流动停止。停止构件可以被设置为使流体的流动停止，同时保持平衡状态。仅作为示例，可释放阀可以设置在装置上以停止流体流动。压力释放阀被设置为平衡芯片上的压力。可释放阀的示例可以是压力释放阀。压力释放阀可以被设置为平衡流动装置上的压力。例如，压力释放阀可以被设置为平衡样品通道、辅助通道、分配通道和/或下游的毛细通道。为了确保能够达到组分的稳态分配，用户可以设定预定时间，以使得能够在停止流体流动之前达到一种或多种组分的稳态分配。

样品流的检测可以在分配通道的端部以外的位置进行，诸如在毛细通道中进行。检测器可以是光学检测器。检测器可以是高分辨率摄像机或光电倍增管。

可以实施附加的操作模式来执行多个开始-停止分析，以执行时间进程实验。另一种操作模式可以是在流动被停止时以及在随后的分析之前执行处理步骤，诸如孵化步骤。

参照图2，提供了根据本发明设置的设备8的实施例。设备8包括装置10，诸如微流体装置。如图2所示，样品端口11被设置为用于将样品装载到装置10中。装置10包括样品通道12，该样品通道用于以第一流速将包括一种或多种组分的样品流体流引入到细长的分配通道16中。

辅助入口端口13被设置为用于将辅助流体流装载到辅助通道14中。辅助通道14被配置为用于以第二流速将辅助流体流引入到细长的分配通道16中。分配通道16被配置为能够在达到稳态分配之后实现组分从样品流体流到辅助流体流中的横向分配。

两个或更多个毛细通道18设置在分配通道16的下游并且与该分配通道流体连通，使得已经到达的稳态流体流的至少一部分移动到毛细通道18中的每一个毛细通道中。毛细通道18中的每一个毛细通道的一部分可以被布置为蛇形或曲折构型20。

如图2所示，一个或多个上游检测室30、32被设置在分配通道16的上游。一个或多个上游检测室可以用于在样品与辅助流体相遇之前提供样品的初始读数，以及在辅助流体与样品相遇之前提供辅助流体的初始读数。这有助于对检测系统进行校准，因为辅助流体(可能是清水)的读数应该是已知的。例如，上游样品检测室30设置在样品通道12上，并且上游辅助检测室32设置在辅助通道14上。

如图2所示，一个或多个检测室34可以设置在分配通道16的下游，并且与毛细通道18流体连通。检测器可以被设置为对下游检测室34中的每一个下游检测室中的稳态流体流的至少一部分进行检测。可以在微流体芯片上的下游检测室34中的每一个下游检测室中按顺序地或同时地测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性。

此外，为每个毛细通道18设置附加阻力通道22。附加阻力通道22被配置为在芯片上提供阻力。

毛细通道18还包括出口端口26，在出口端口处，可以进行样品流体流的检测。使用检测器对出口端口26内的组分的检测和分析可以是有利的，因为出口端口26中的可用组分的量较大，从而使得灵敏度增加。出口端口26内检验的流体流随后可以被收集以供进一步分析或被用户丢弃。

参照图3，提供了如本文所公开的根据本发明的装置10的替代实施例。如图3所示，样品端口11被设置为用于将样品装载到装置10中。装置10包括样品通道12，该样品通道用于以第一流速将包括一种或多种组分的样品流体流引入到细长的分配通道16中。辅助入口端口13被设置为用于将辅助流体流装载到辅助通道14中。辅助通道14被配置为用于以第二流速将辅助流体流引入到细长的分配通道16中。分配通道16被配置为能够在达到稳态分配之后实现组分从样品流体流到辅助流体流中的横向分配。

两个或更多个毛细通道18设置在分配通道16的下游并且与该分配通道流体连通，使得已经到达的稳态流体流的至少一部分移动到毛细通道18中的每一个毛细通道中。毛细通道18中的每一个毛细通道的一部分被布置为蛇形或曲折构型20。

出口端口26设置在毛细通道18的下游并且与该毛细通道流体连通。使用检测器对组分的检测和分析可以在出口端口26内进行。

如图4所示，设置了用于将样品装载到装置10中的样品端口11。此外，设置了包括样品通道12的装置10，该样品通道用于以第一流速将包括一种或多种组分的样品流体流引入到细长的分配通道16中。辅助入口端口13被设置为用于装载辅助流体流。辅助通道14被设置为用于以第二流速将辅助流体流引入到细长的分配通道16中。使用真空压力或正压力将样品流体流和辅助流体流分别装载到样品通道12和辅助通道14中。

分配通道16被配置为能够在达到稳态分配之后实现组分从样品流体流到辅助流体流中的横向分配。样品通道12的一部分以及辅助通道14的一部分被布置为蛇形或曲折构型20。

两个或更多个毛细通道18设置在分配通道16的下游并且与该分配通道流体连通，使得已经到达的稳态流体流的至少一部分移动到毛细通道18中的每一个毛细通道中。毛细通道18中的每一个毛细通道的一部分被布置为蛇形或曲折构型20。出口端口26设置在毛细通道18的下游并且与该毛细通道流体连通。

如图4所示，组分的检测可以在毛细通道18中进行，更具体地，可以在毛细通道18的曲折区域20内进行。

使用图4所示的装置，用户可以通过考虑背景信号对组分进行准确测量。背景信号源可以包括但不限于：来自辅助流体、芯片材料和更广泛的光机械系统的荧光、吸收、反射和散射。

如图4所示的装置10的背景信号可以使用检测器在辅助通道14处进行测量。特别地，背景测量可以在辅助通道14的曲折区域14处进行。该背景信号随后可以从在下游的毛细通道18处进行的测量中去除，以导出背景校正的测量结果。

为了考虑背景信号和样品粘附，需要执行以下步骤。在样品通道12处，特别是在样品通道12的曲折区域20处对系统的背景信号进行测量。随后可以从在下游的毛细通道18处进行的测量中去除该背景信号，以导出具有分配比的背景校正的测量结果。对在样品通道12的曲折区域20处测量的信号进行测量，并且将该测量与在毛细通道18的曲折区域20处的下游进行的测量的总和进行比较，以便检查样品粘附。通过考虑背景信号，用户能够对样品的浓度测量进行校正。

参照图5A至图5C，提供了流体通道的检测区域44的图示。流体通道可以是样品通道、辅助通道和/或毛细通道。检测区域44(可以是光学检测区域)可以由微流体通道的紧密间隔的部段48来创建。检测区域可以是曲折构型44的形式，如图5A和图5B所示。图5A所示的几何形状可以显著降低流体通道内的气泡滞留的风险。这种几何形状显著地提高了流体流内的组分测量的准确度。通道的包括曲折构型的一部分可以形成芯片上的流动阻力网络的一部分。

当包括一种或多种组分的流体流进入检测区域44时，可以通过设置在芯片上的压力释放阀在检测区域44内停止流体流。可以设置检测器(在附图中未示出)对流体通道的曲折区域44内的一种或多种组分进行检测，如图5A和图5B所示，可以选择曲折区域44的检测区部46。优选地，检测器是光学检测器。

流体通道的曲折部分44的每个部段或区域48之间的间隔可以紧密地在一起。在一些实施例中，通道的曲折部分44的部段或区域48之间的间隔可以是恒定的，或者该间隔可以沿着通道的整个曲折区域44变化。在一些实施例中，曲折部分包括蛇形构型。

曲折部分44的每个部段48之间的间隔大约为10μm至50μm，或者可以为10μm至30μm。在一些示例中，每个部段48之间的间隔可以大于10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm或45μm。在一些示例中，每个部段之间的间隔可以小于50μm、45μm、40μm、35μm、30μm、25μm、20μm或15μm。可选地，每个部段之间的间隔大约为30μm。

部段或区域48之间的更紧密的间隔通过使由芯片材料引起的背景信号的量最小化和使对于给定光学检测区部46可用的检测体积最大化来增加光学准确度和灵敏度。为了避免芯片相对于光学系统进行高精确度定位的需要，光学照明或检测被很好地保持在检测区域内，如图5A中的检测区部46所示。

参考图5B，提供了流体通道(诸如毛细通道)的检测区域44的替代实施例的图示，其中，图5B示出了可以将检测区部46移动得更靠近检测区域44的入口端部50。样品粘附可以沿着通道发生，因此在检测区域44的出口端部51处的样品粘附将比在检测区域44的入口端部50处的样品粘附更多。因此，在检测区域44的入口端部50附近设置检测区部46可以最大限度地检测未受蛋白质粘附影响的样品。

此外，流体通道(可以是毛细通道、样品通道或辅助通道)的一部分可以包括螺旋构型52，如图5C所示。螺旋构型52的每个部段48之间的间隔可以为10μm至50μm，或者该间隔可以大于10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm或者45μm。在一些示例中，螺旋构型52的每个部段48之间的间隔可以小于50μm、45μm、40μm、35μm、30μm、25μm、20μm或15μm。

可选地，螺旋构型52的每个部段48之间的间隔大约为30μm。本领域技术人员将理解的是，可以提供曲折区域的任意形状或构型，以增加光学准确度和灵敏度。

本文公开的本发明提供了一种包括多个微流体回路的微流体芯片。本发明还涉及一种用于对微流体芯片进行毛细填充的方法。如本文所公开的，除非另有说明，组分可以被称为生物分子。组分的示例可以是但不限于：蛋白质、肽、外来体、抗体或抗体片段、核苷酸(诸如DNA或DNA片段、RNA、siRNA或mRNA)或多糖。

如本文所定义的，除非另有说明，术语“生物物理特性”是指组分的可以使用生物物理技术(诸如荧光光谱或微流体扩散分级(MDS))来测量或检测的物理和/或化学特性。可以测量的生物物理特性的示例可以是但不限于：组分的流体动力学半径、扩散率、分子量、电荷、等电点、结合亲和力、亲和力、浓度、质量通量、浓度通量和/或扩散速率。

参照图6，提供了芯片8。芯片8包括多个并联的微流体回路10。微流体回路或微流体装置10可以毛细填充有一种或多种流体流，诸如样品流体流和/或辅助流体流。每个微流体回路或装置10包括从系统流体入口端口13开始的系统流体入口或辅助入口通道，系统流体可以通过该系统流体入口端口引入到回路10中。每个微流体回路或装置10还可以包括从样品流体入口端口11开始的样品流体入口通道12，样品流体可以通过该入口端口引入到回路或装置10中。

每个入口端口11、13包括围绕入口端口11、13的周边的至少一部分延伸的流动引导部。回路10还可以包括位于每个入口通道12、14和对应的入口端口11、13之间的扩展特征部80，由此扩展特征部80包括邻近通道的锥形部分和邻近端口的弯曲部分。

如图6所示的扩展特征部80可以设置在每个通道和对应的端口之间，这有助于在端口-通道连接部处形成用于润湿液体的突出的液体-空气界面。扩展特征部具有从通道向端口扩展的锥形形式。这使得端口能够在毛细力的作用下进行填充，否则流体会在到达通道和端口之间出现的直径的大阶梯时停止。这种效果进一步通过提供环形“流动引导部”来辅助，环形“流动引导部”进一步通过为流体提供围绕端口周边的初始流动路径将流体吸入到端口中。如果端口具有圆形横截面，则流动引导部可以是环形件。环形件的尺寸可以被选择为紧密地符合通道的尺寸。流动引导部可以不围绕端口的整个周边设置，而是可以仅设置在端口的邻近通道入口点的区域中。

设置分配通道16，并且该分配通道与系统流体或辅助通道14和样品流体通道12流体连通。分配通道16还与在出口端口26中终止的两个毛细或出口通道18流体连通。样品入口通道12以及系统或辅助流体入口通道14与分配通道16以及毛细或出口通道18可以一起形成H-型过滤器构型。

通道12、14、16、18中的每一个通道的最大宽度或高度可以不大于100μm或90μm、80μm、70μm、60μm或50μm。在某些情况下，通道中的每一个通道的最大宽度或高度可以不大于5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm或50μm。此外，本文所公开的微流体回路还包括在出口端口26中的每一个出口端口处用于真空源的连接部。

参照图6，提供了一种用于用一种或多种流体流(诸如样品流体流和/或辅助流体流)对微流体回路或装置进行毛细填充的芯片或流动设备8。流动设备8包括装置10。如图6所示，样品入口端口11被设置为用于将样品装载到装置10中。装置10包括样品通道12，该样品通道用于以第一流速将包括一种或多种组分的样品流体流引入到细长的分配通道16中。

入口端口13被设置在系统流体入口通道14上，以用于将辅助流体装载到系统流体入口通道14中。系统流体或辅助流体例如可以是缓冲溶液或者可以是水。辅助通道14被设置为用于以第二流速将辅助流体流引入到细长的分配通道16中。此外，上游附加阻力通道可以被设置在样品通道12和/或辅助通道14处，以有助于控制流体流的流速。辅助入口端口13也可以用于获取辅助流体的初始读数。

辅助或系统入口端口13和样品入口端口11具有敞开的(即无盖的)几何形状。这减少了可用于滞留气泡的位置。此外，分配通道16、样品通道12和辅助通道14都设置有涂层。涂层本身是疏水性的，但涂层比形成通道的未经处理的材料更加具有亲水性。在将涂层设置到通道上时，入口端口11、13也涂覆有单层涂层，单层涂层使得通道比没有涂层时的通道更具亲水性。涂层被选择为有助于装置10的毛细填充。尽管为端口设置涂层仅仅是通道涂覆过程的人为影响，但是当流体通过端口并进入通道时，在整个过程中设置涂层可以避免涂覆表面和未涂覆表面之间的界面。

分配通道16被配置为能够在达到稳态分配之后实现组分从样品流体流到辅助流体流中的横向分配。

样品流体入口通道12和系统流体入口通道14的一部分可以被布置为蛇形或曲折构型20。样品通道12和辅助通道14的曲折构型可以有助于减少或消除样品和/或辅助通道12、14内的气泡。

如图6中所示的，两个或更多个毛细通道18设置在分配通道16的下游并且与该分配通道流体连通，使得已经到达的稳态流体流的至少一部分移动到毛细通道18中的每一个毛细通道中。毛细通道18中的每一个毛细通道的一部分被布置为蛇形或曲折构型20。紧密致密的毛细通道提高了灵敏度，降低了信噪比。在一些情况下，蛇形或曲折构型20增加了流动面积，在该流动面积上可以进行测量以用检测器对组分进行检测。这可以是有利的，因为该蛇形或曲折构型提供了用单个检测点进行检测的毛细通道的更大体积，并且由此可以提高用于检测感兴趣的组分的灵敏度。此外，毛细通道18的曲折构型20也可以有助于减少或消除通道内的气泡。

如图6所示，分配通道16内的流体被分到至少两个毛细通道18中。毛细通道18中的每一个毛细通道可以包括扩散和/或未扩散的流体流。每个毛细通道18还可以包括被布置在蛇形构型20中的检测区或检测区域，在上述检测区或检测区域中，可以使用检测器对扩散和/或未扩散的样品流体流进行检测。

此外，可以为每个毛细通道18设置附加阻力通道。附加地或替代地，可以为每个样品流体通道和/或每个系统流体或辅助入口通道设置附加阻力通道。附加阻力通道22可以被配置为在芯片上提供阻力。通道的“芯片上”阻力可以被设置为控制通过通道的流体的流动。上游阻力可能是决定分配通道内的流动平衡的主导因素。因此，在下游可能只有最小的阻力。使芯片上阻力最小化是重要的，因为芯片上阻力所需的小的几何形状很难制造。替代地或附加地，下游阻力可以超过上游阻力。

每个毛细通道18还包括出口端口26，在出口端口处，可以进行样品流体流的检测，或者另外在入口端口11、13处已经进行初步检测的情况下进行样品流体流的检测。对出口端口26内的组分的检测可以是有利的，因为出口端口26中的可用组分的量较大，从而使得灵敏度增加。在一些情况下，在出口端口26处可以检测到背景信号。获取背景信号可以是有用的，因为背景信号可以使样品信号被校正，从而改进所获得的数据的质量。

至少一个出口端口26设置在毛细通道18的下游并且与该毛细通道流体连通。使用检测器对组分的检测和分析可以在出口端口26内进行。

出口端口26是敞开的并且被涂覆以使出口端口比未涂覆的材料更具亲水性。涂层材料本质上可以是疏水性的，但是形成通道和端口的材料更加疏水，并且由此使对通道进行涂覆的效果是增加通道的亲水性。出口端口26具有敞开的几何形状，并且出口端口的比例被选择为确保出口端口停止毛细填充。端口26的几何形状还可以被选择为使得来自端口26的蒸发不会对芯片8的使用产生显著影响。

出口端口26具有扩展特征部80，该扩展特征部为喇叭形部分，在该喇叭形部分中，毛细通道18在接近出口端口26时逐渐变宽。变宽分两部分进行：第一部分是从通道向外的直边锥形，第二部分是弯曲部分，当通道到达端口时，该弯曲部分进一步增加横截面。该弯曲部分被形成为半径为0.2mm的圆的圆弧，尽管该圆的半径可以介于0.05mm至0.4mm之间。出口端口26包括环形圈，并且流体优先流动通过喇叭部并且围绕环形圈流动。在不想受到理论限制的情况下，喇叭形入口的弯曲部分和环形圈的组合似乎减少或甚至根除了出口端口26内的浓度梯度。这又意味着出口端口26的检测读数是端口26的全部内容物的真实表示，而不仅仅是梯度上的快照。

环形圈具有40m的高度，该高度与馈入到出口端口26中的微流体通道的高度相等。这确保了没有可以为气泡的收集提供位置的步骤。流体沿着通道流动，通过喇叭形开口向外扩散，并且随后围绕环形圈流动，从而迫使否则可能被困住的空气离开。随后流体作为整体继续流动到出口端口26中，从而使空气均匀地移位，使得不会形成气泡。

端口可以通过钻孔制造，也可以通过模制制造。端口的功能应该与端口的制造方法无关。

此外，端口可以是亲水性的。通过对端口进行亲水性改性，引入到端口中的含水试剂将与润湿液体的突出界面无缝融合。这消除了芯片操作中的气泡的引入。装载端口的底部的粗糙度可以被增强/设计为将装载的试剂均匀地散布或吸入到端口中。

参照图6，可以设置可切换压力源(在附图中未示出)，并且该可切换压力源被配置为控制通过流体通道12、14、16、18的流体的流动。压力源可以是泵，诸如注射泵或压力泵。压力泵可以连接到样品流体通道12和/或辅助流体通道14，以提供用于使流体流沿着通道移动的正压力源。替代地或附加地，注射泵可以连接在设置在毛细通道18处的出口端口26处，以使流体流沿着流体通道移动。

可以在设置设备时设置检测器(在附图中未示出)。检测器可以被配置为按顺序地或同时地检测和测量微流体芯片上的毛细通道18中的每一个毛细通道中的该组分或每种组分中的至少一种生物物理特性。附加地或替代地，检测器可以被配置为按顺序地或同时地检测和测量微流体芯片上的出口端口26中的每一个出口端口中的该组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

可以在分配通道16的上游设置第二检测器(在附图中未示出)。第二检测器可以被配置为检测和测量样品通道12中的该组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

通过在分配通道的上游设置第二检测器，可以考虑背景信号以提供准确的测量。系统的背景信号在辅助通道内测量，背景信号可以从毛细通道中的样本信号测量中去除。通过去除背景信号可以校正毛细通道处的所检测到的信号样本。

如图6所示的装置10的背景信号可以使用检测器在辅助通道14处进行测量。该背景信号随后可以从在下游的毛细通道18处进行的测量中去除，以导出背景校正的测量结果。

为了考虑背景信号和样品粘附(诸如蛋白质粘附)，需要执行以下步骤。在样品通道12处，特别是在样品通道12的曲折区域20处对系统的背景信号进行测量。随后可以从在下游的毛细通道18处进行的测量中去除该背景信号，以导出具有分配比的背景校正的测量结果。对在样品通道12的曲折区域20处测量的信号进行测量，并且将该测量与在毛细通道18的曲折区域20处的下游进行的测量的总和进行比较，以便检查样品粘附。通过考虑背景信号，用户能够对样品的浓度测量进行校正。

如图7所示，提供了可以毛细填充有一种或多种流体流的微流体回路或微流体装置10的替代实施例。每个微流体回路或装置10包括从系统流体入口端口13开始的系统流体入口或辅助入口通道，系统流体可以通过该系统流体入口端口13引入到回路10中。每个微流体回路或装置10还可以包括从样品流体入口端口11开始的样品流体入口通道12，样品流体可以通过该入口端口11引入到回路或装置10中。

每个入口端口11、13包括围绕入口端口11、13的周边的至少一部分延伸的流动引导部。回路10还可以包括位于每个入口通道12、14和对应的入口端口11、13之间的扩展特征部80，由此扩展特征部80包括邻近通道的锥形部分和邻近端口的弯曲部分。

设置分配通道16，并且分配通道16与系统流体或辅助通道14和样品流体通道12流体连通。分配通道16还与在出口端口26中终止的两个毛细或出口通道18流体连通。样品入口通道12以及系统或辅助流体入口通道14与分配通道16以及毛细或出口通道18可以一起形成H-型过滤器构型。

微流体回路内的流体通道12、14、18的一部分包括延迟区域90，该延迟区域可以用于延迟用一种或多种流体流对一个或多个通道进行毛细填充。例如，样品入口通道12、系统入口通道14和/或毛细通道18可以包括延迟区域90。延迟区域90可以用于将毛细填充引导到微流体回路上的优选通道中。这即使在引入试剂的情况下也能够实现无污染的参照测量。当在完成微流体回路的自主填充之前引入试剂时，毛细通道18内的延迟区域90也可以用作试剂的容纳区域。持续的毛细填充将保持从各种通道抽取试剂，同时延迟或容纳区域90仍然阻止任何试剂进入微流体回路上的参照测量位置。

参照图8，示出了包括流动引导部82的端口26，该流动引导部围绕端口26的周边的至少一部分延伸。另外地或替代地，端口可以是入口端口。如图8所示，端口26还包括位于通道(在这种情况下为图8所示的毛细通道18)和对应的端口26之间的扩展特征部80。扩展特征部80包括邻近通道18的锥形部分86和邻近端口26的弯曲部分84。

参照图9A至图9E，提供了包括用户界面98的仪器92的示例，用户界面98被配置为传送存在于芯片板94上的多个微流体芯片96中的每一个芯片中的流体中的一种或多种组分的一种或多种生物物理特性的测量结果。

包括多个微流体芯片96的芯片板94被配置为插入到仪器92中，该仪器被操作以对芯片板94上已经被使用的微流体芯片96进行检测。用户界面，特别是位于仪器92上的显示面板98随后可以向用户显示该信息。显示器提供关于每个微流体芯片96的信息。该信息可以是关于每个微流体芯片96是否已经被使用以及因此每个微流体芯片是否可以被用于下一实验的二进制指示。在一些情况下，显示器还可以显示在实验期间使用的板94的图像。

仪器92还可以包含读取器模块(在附图中未示出)，该读取器模块被配置为检测和读取位于芯片板94上的唯一认证标记，诸如条形码。可以在芯片板上使用其他形式的唯一认证码：例如，对于每个芯片板94唯一的一组独特数字、批次码、QR码、或者字母和数字的组合。替代地，认证标记可以存储在NFC或RFID标签上。如果芯片板94已经过了有效期，仪器92可以向用户显示该信息，如图9E所示。

示例

以下示例适用于如本文公开的本发明的一个或多个方面和实施例。

主动位置测定

参照图10A和图10B，装置可以包括设置在装置或微流体芯片上的一个或多个基准点100。基准点100可以用于确定装置内的特定特征的检测位置(即X、Y和/或Z位置)，诸如一个或多个端口的位置和/或一个或多个通道的曲折部分的位置。基准点100的拍摄图像如图10A所示，基准点测定算法的输出如图10B所示。内圈101和外圈103的直径分别大约为0.96mm和1.04mm。

基准点测定算法的实现可以如下：用摄像机对芯片的基准点进行光学成像，随后使用图像处理算法来识别所捕获的图像中的基准点的位置(以下称为基准点位置检测算法)。另一种算法使用锐度度量给出焦点的数值指示(以下称为焦点测定算法)。十字形特征或圆形特征可以被用于定位算法。

焦点测定算法将边缘梯度处理应用于基准点的所捕获的图像，以显示像素与像素之间的变化幅度。如果图像是散焦的，像素与像素之间的差异将小于图像聚焦时的像素与像素之间的差异。所得到的边缘梯度处理中的像素的总和随后给出相对焦点的稳健指示。

基准点位置检测算法还将边缘梯度应用于基准点的输入图像。基准点的圆形特征的两个边缘被用于识别图像中的基准点。随后将预期直径的合适模板圆与图像进行卷积。卷积的结果将在基准点的中心处产生峰值。通过对峰值周围的像素的直方图进行分析并且将该直方图与整个图像中的像素的直方图进行比较，可以计算所得到的峰值的置信度；具有高置信度的结果将具有所检测的峰值周围的大多数高值像素，而具有低置信度的结果将具有高值像素的更宽的空间分布。

基准点检测算法可以在距离预期中心位置±400μm的偏移范围内、在准确度大约为10μm的横向中心位置处对基准点进行稳健地检测。

定位准确度从根本上受成像系统的光学分辨率的限制，而不是受算法的限制，并且可以通过增加透镜的分辨率来提高。

除了基准点，还可以找到芯片上的其他特征的位置，例如通道的出口端口或特定部分。对通道的一个或多个出口端口或特定部分的位置，例如检测室或检测通道进行自主地测定可以是有利的，因为这使得实现光学检测器与芯片上的检测特征的位置最佳对准。

检测位置微调

在一些示例中，可以对检测区域的明场或荧光图像进行拍摄以提供质量检查。这意味着用户或设备可以利用明场图像来调整光学检测器的位置。光学检测器可以是荧光检测器。在一些实施例中，检测器可以是光电倍增管(Photo multiplier Tube，PMT)检测器。使用PMT检测器可能是有利的，因为PMT检测器是高灵敏度的。检测位置微调可以被用于避免异常，诸如划痕、灰尘和沉积物。避免这种异常使得能够实现信号的更精确的测量。可以使用摄像机来拍摄明场或荧光图像。摄像机的使用可以是有利的，因为摄像机可以在不需要扫描区域的情况下提供图像。

在识别到极端异常(诸如气泡、纤维或大划痕等)时，质量检查也可以用于丢弃测量数据。

共焦检测

在一些情况下，微流体装置上的检测区域，例如检测端口或检测室可以具有对于直径为100nm-1mm的(共焦)检测光斑来说足够大的直径。在端口中使用共焦检测意味着检测测量结果可以与端口的流体填充高度无关，同时仍然有足够的机会获得大的检测体积。

在一些示例中，样品流体的荧光信号可以在微流体装置的出口端口或检测室处测量。与检测室或通道相比，在微流体装置的出口端口处可能存在样品的更大体积。

通过对荧光流体的增加的厚度进行缩放，例如，大约为1.2mm与150μm，荧光信号的强度可以提高8倍。

如本文所公开的，除非另有说明，术语“共焦”是指使用优化的透镜和孔径组合来控制样品中的对在检测器处测量的总荧光功率有贡献的区域。对这些值进行适当地设置减少了液体表面附近的贡献，使得液体体积的不确定性以及液体高度的不确定性对预计的尺寸比的影响可以忽略不计。决定该荧光检测体积的横向和轴向范围的两个参数是由物镜收集的荧光锥体的半角(这取决于其数值孔径(numerical aperture，NA))以及焦平面中的检测孔的图像的半径。

所检测的荧光信号源集中在物镜的焦平面中的检测孔的图像周围。孔和物镜NA可以被认为是在端口中产生位置加权的采样。大部分出口端口要么没有被采样，因为激励射线从未到达过出口端口处，要么对总检测功率的贡献很低。也许最重要的是，在本文描述的光学参数下，在距离焦平面不到1mm处，功率贡献下降到1％(0.01)以下。

参照图11A，示出了显示端口的预期几何形状和近似沙漏形的激励轮廓的示意图。如图11A所示，S是基板102的上表面；Z-0是激励轮廓的腰部位置；d是液体样品的深度。如图11B所示，所得到的荧光辐射的等高线图示出了检测体积是如何受到约束的。在这种情况下，光束废弃物(beam waste)被定位在基板102的上方，以减少来自基板的背景信号。还期望避开水-空气界面104并且具有尽可能大的检测体积，以捕获尽可能多的荧光分子。

在一些实施例中，基板102可以由光学透明材料制成。基板102也可以由弹性材料制成。基板102可由以下材料中的一种或多种制成：聚合物、热塑性塑料、氟塑料、玻璃、熔融石英、环烯烃共聚物(COC)、环烯烃聚合物(COP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和/或聚碳酸酯。

仅作为示例，端口的直径可以介于100μm到25mm之间，或者端口的直径可以高于100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1mm、5mm、10mm、15mm或20mm。在某些情况下，端口的直径可以小于25mm、20mm、15mm、10mm、5mm、1mm、900μm、800μm、700μm、600μm、500μm、400μm、300μm或200μm。典型地，端口的直径可以是0.8mm、1.2mm或2mm。

端口的高度可以介于200m到5mm之间，也可以高于300m、400m、500m、600m、700m、800m、900m、1mm、2mm、3mm或4mm。在某些情况下，端口的高度可能小于5mm、4mm、3mm、2mm、1mm、900μm、800μm、700μm、600μm、500μm、400μm或300μm。典型地，端口的高度可以介于0.8mm到2mm之间。

共焦光斑的Z-深度(由辐射下降到1/e²的距离给出)可以介于200nm到2mm之间。优选地，Z-深度是与端口高度类似的尺寸，但是小于端口高度，诸如最大为端口高度的0.8倍或端口高度的0.5倍或端口高度的0.3倍或端口高度的0.1倍。优选地，Z-深度约为400um。

粘度匹配

辅助流体的粘度可以与样品流体的粘度相匹配。例如，辅助流体的粘度可以被选择为样品流体的粘度的20％、10％、5％或1％以内。如果样品通道阻力和辅助通道阻力的几何形状部分相同，则将样品流体和辅助流体的粘度进行匹配使得样品流体和辅助流体的流速实现平衡。

通过提供粘度介于1.2cP到2cP之间的辅助流体，可以模拟人类血清样品。在一些情况下，流体的粘度可以是1.6cP。在一些情况下，可以在PBS或水中(优选地为PBS)中提供约14％的甘油来模拟人类血清。当执行样品的稀释时，优选的在溶液中对样品流体和辅助流体进行稀释，使得样品流体和辅助流体的粘度在大约20％、10％、5％或1％范围内保持不变。例如，人类血清样品流体可以在PBS或水(优选地为PBS)中的5％-10％的人类血清白蛋白(human serum albumin，HSA)的溶液中进行稀释，或者辅助流体(例如14％的甘油)可以在PBS或水中的14％的甘油中进行稀释。使用甘油产生粘度匹配的流体是有利的，因为甘油具有足够的惰性并且容易获得。

将样品流体和辅助流体的粘度进行匹配并且将样品流体和辅助流体在能够保持粘度基本上不变的其它流体中进行稀释的优点是，样品流体和辅助流体的粘度在稀释后也是相同的，并且由此(1)与使用低粘度流体(诸如PBS)进行操作相比，样品流体和辅助流体的相对流速不变，以及(2)样品在大致均匀的粘度场中扩散。

粘度校正

可以通过在实验之前和之后记录每个端口的填充水平和总荧光来测量样品流体(没有荧光探针)的粘度和背景信号(诸如荧光背景信号)，例如，用背反射激励光的z-扫描和检测区域(诸如端口)的内容物的荧光测量来测量样品流体(没有荧光探针)的粘度和背景信号(诸如荧光背景信号)。填充水平的差异给出了离开或进入每个端口以及与几何芯片阻力一起的体积，可以计算芯片的通道中的每一个通道中的粘度。粘度和背景信号可以一起用于校正包括荧光探针的实验的背景。注意的是，除非微流体芯片的每个通道具有完全相同的几何形状，否则执行粘度校正并不容易。换句话说，仅仅将在一个通道中测量的裸背景荧光值从在另一通道中测量的样品荧光中去除是不可能的。

样品流体的粘度也可以通过对两个入口端口(其中，辅助端口的影响可以忽略不计)中的平均荧光与出口端口的平均荧光进行比较来确定。如果样品流体的粘度低于辅助流体的粘度，则下游的荧光高于上游的荧光，反之亦然。所测量的粘度也可以与荧光值一起用于背景校正。

在任意情况下，所测量的尺寸都可以根据所测量的或所预测的粘度值进行校正。

运行时间调整

总运行时间可以根据所测量的或所预测的粘度进行调整，如以下的表1所示。

表1-根据所测量的或所预测的不同流体动力半径R_h的粘度进行调整的总运行时间

最小运行时间-最大运行时间介于10秒-10小时之间

典型的运行时间大约为1分钟-15分钟

Z-扫描

为了找到检测端口内的最佳位置以检测荧光信号的最大量，可以执行Z-扫描。在这种情况下，可以提供形成微流体装置底部的薄膜。随后可以通过光学检测器执行Z-扫描，同时记录背反射激励光，从而找到形成芯片底部的薄膜的位置。

如果对薄膜的Z-位置一无所知，可以选择大的扫描范围。在近似已知薄膜的Z-位置的情况下(例如根据基准点位置的测量结果)，可以选择小的扫描范围。在基准点Z-位置未知的一个示例中，Z-扫描范围可以是1mm到1.5mm或1mm到5mm。如果已经通过基准焦点测定算法确定了近似焦点位置，如果要定位薄膜位置，则通常的扫描范围为200μm到400μm。如果要测量液体-空气界面，那么这不可避免地需要介于1mm到1.5mm之间的更长的扫描范围(Z-扫描曲线图，见下文)。

为了在薄膜上方定位最佳检测位置，当测量荧光样品时，共焦光学元件的焦点定位相对于定位的芯片薄膜位置进行，即当Z＝0(参考位置)时，并且这可以通过扫描端口并且测量背反射激励(BRE)光来识别。焦点位置可以高于或低于Z＝0位置，即Z_焦点＝+/-dz。

参照图12，该曲线图示出了最大的荧光功率贡献在距薄膜-液体界面约0.200mm处。因此，为了使来自端口的荧光信号最大化，Z_焦点的位置应该为约0.2mm，并且将取决于光学系统和共焦光斑的目标尺寸。

在某些情况下，检测端口中的液体体积可能会不可避免地发生变化。因此，可以使用对0.2mm最佳值的微小调整或偏移(即，将焦点移动到靠近薄膜的表面)以减少液体高度变化的影响。使用较小偏移的优点是减小了所得到的荧光信号的方差。然而，结果是，检测体积也可能减小。可能存在这种取舍可能是有利的情况：特别是对于集中的和/或明亮的样本，如果取舍是多个端口/回路之间的方差减小，则检测体积的减小可能不是问题。使用比最佳偏移更高的偏移似乎没有优点。因此，z-位置范围为-0.2mm到0.2mm。在某些情况下，z-位置范围可以介于-1mm到+5mm之间。

液位

参照图13，提供示出了在填充有荧光流体的芯片端口的焦点/Z位置范围内获取的荧光信号和背反射激励信号的曲线图。可以分析图13所示的曲线图，以确定端口中的液位。

具有最高强度的BRE峰是来自空气-薄膜界面的反射，该BRE峰用于相对于芯片对焦点进行准确地定位。第二个强度较低的BRE峰是来自液体-空气界面的反射。荧光信号在这两个BRE峰之间的位置处显示出最大值。

这两个峰之间的距离为光路长度(optical path length，OPL)，该光路长度可以通过乘以液体/材料的折射率直接转换为液体深度/填充高度/厚度。样品的折射率范围为1.33(水)到1.37(人类血清)。

填充高度确定的准确度取决于BRE信号的信噪比(以及由此取决于测定两个峰位置的能力)，该信噪比受到激励辐射和测量持续时间以及液体的折射率估计的限制。

填充高度的确定可以使得能够确定流体动力学阻力，并且随后确定通道的粘度或几何特性。附加地或替代地，确定填充高度还可以提供质量检查过程，诸如检查液体的泄漏、堵塞和/或干燥。

预先测量或批次表征的阻力值

多个微流体装置之间的不同阻力会导致通过微流体装置中的每一个微流体装置之间的通道的流速分布的差异，包括有多少辅助流体和样品流体被拦下以经过微流体芯片，以及有多少流体可以在扩散通道之后流过。为了在多个微流体装置上提供一组均匀的阻力，可以对每个微流体芯片进行预先测量或批次表征的阻力值，以针对通过通道网络的流速的任何变化对所测量的尺寸进行校正。该信息可以以任何标记格式(诸如NFC标签或激光标记，例如QR码)被存储。附加地或替代地，每个单独回路的阻力值可以在实验之前、期间或之后进行测量，并且所记录的值可以用于对所测量的尺寸进行校正。这些阻力值可以以任何标记格式(诸如NFC标签或激光标记)被存储。

仪器辅助预充

本文公开的仪器可以给芯片小的压力脉冲，以便克服通过毛细作用穿过通道移动的液体-空气界面的牵制和/或阻滞。因此可以获得更高的预充成功率。

在将辅助流体移液到辅助端口后，辅助流体进行毛细填充，直到样品端口中的步骤由于流动引导部的几何形状而阻止毛细流动。这可以在样品流体接触井的底部时防止样品流体和辅助流体接触并且形成没有空气的连接部，井将空气环滞留在端口的底部周围。在正压脉冲在出口端口中的真空中运行之前，正压(50毫巴-1000毫巴)脉冲(0.05秒-5秒)施加到出口端口，该正压脉冲在样品辅助端口处融入两个流体界面，而不会在流体路径中产生有问题的气泡。因此，显而易见的是，反向压力脉冲在微流体中的阻止步骤之后融入流体，以实现无气泡的界面连接。

条款

1.一种芯片，包括：多个并联的微流体回路，每个回路包括：从系统流体入口端口开始的系统流体入口通道，系统流体可以通过该系统流体入口端口引入到回路中；从样品流体入口端口开始的样品流体入口通道，样品流体可以通过该样品流体入口端口引入到回路中；其中，每个入口端口包括围绕入口端口的周边的至少一部分延伸的流动引导部；每个回路还包括：位于每个入口通道和对应的入口端口之间的扩展特征部，其中，扩展特征部包括邻近通道的锥形部分和邻近端口的弯曲部分；与系统流体通道和样品流体通道流体连通的分配通道；在出口端口中终止的两个出口通道，其中，出口通道与分配通道流体连通；其中，通道中的每一个通道的最大宽度或高度不大于50μm；每个回路还包括在出口端口中的每一个出口端口处用于真空源的连接部。

2.根据条款1所述的芯片，其中，扩展特征部的弯曲部分的半径介于0.05mm到0.4mm之间。

3.根据前述条款中任一项所述的芯片，其中，扩展特征部的弯曲部分的半径为0.2mm。

4.根据前述条款中任一项所述的芯片，其中，每个出口端口包括围绕出口端口的周边的至少一部分延伸的流动引导部。

5.根据前述条款中任一项所述的芯片，其中，通道中的每一个通道设置有涂层，该涂层被配置为既防止样品粘附又能够实现回路的有效填充。

6.根据前述条款中任一项所述的芯片，其中，通道的最大尺寸为40μm。

7.根据前述条款中任一项所述的芯片，其中，通道的与通道的最大尺寸垂直的范围为25μm。

8.根据前述条款中任一项所述的芯片，其中，涂层是亲水性的。

9.根据前述条款中任一项所述的芯片，其中，涂层是疏水性的。

10.根据前述条款中任一项所述的芯片，其中，芯片包括八个微流体回路。

11.根据前述条款中任一项所述的芯片，其中，每个出口端口是敞开的端口。

12.根据前述条款中任一项所述的芯片，其中，扩展特征部被配置为包含至少一种试剂。

13.根据前述条款中任一项所述的芯片，其中，系统流体通道设置有亲水性涂层。

14.根据前述条款中任一项所述的芯片，其中，样品流体通道设置有亲水性涂层。

15.根据前述条款中任一项所述的芯片，其中，系统流体通道设置有端口，系统流体可以通过端口装载到系统流体通道中，并且其中，端口的表面能够被粗糙化。

16.根据前述条款中任一项所述的芯片，其中，真空源是泵。

17.一种启动根据条款1至16中任一项所述的芯片上的微流体回路的方法，方法包括以下步骤：使用系统流体经由系统流体通道对整个微流体回路进行毛细填充；对通道或端口中的至少一个通道或端口中的背景信号进行检测；通过样品流体通道引入包含待分析的样品的流体；将真空连接到出口，以通过微流体回路抽吸流体；在出口通道中的至少一个出口通道中对与待分析的样品相关的样品信号进行检测；以及通过去除背景信号对所检测的样品信号进行校正。

其他条款

1.一种用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的方法，方法包括以下步骤：以第一流速将包括一种或多种组分的样品流体流引入到细长的分配通道中；以第二流速将辅助流体流引入到分配通道中；在分配通道中提供一种或多种组分从样品流体流到辅助流体流中的横向分配，直到达到稳态分配；将稳态流体流的至少一部分分到分配通道下游的两个或更多个毛细通道中；在达到稳态分配之后，在预定时间使流体的流动停止；以及按顺序地或同时地测量微流体芯片上的毛细通道中的每一个毛细通道中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

2.根据条款1所述的方法，其中，使样品流体流和辅助流体流流动通过分配通道的步骤是通过建立分配通道上的压力梯度而引起。

3.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，第一流速和第二流速大致相同。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，毛细通道中的每一个毛细通道的一部分被布置为蛇形或曲折构型。

5.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，使流体的流动停止的步骤通过使用可释放阀来实现。

6.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，在分配通道上游提供的阻力大于在分配通道下游提供的阻力。

7.根据条款1至5所述的方法，其中，在分配通道下游提供的阻力大于在分配通道上游提供的阻力。

8.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，样品通道、辅助通道、分配通道或两个或更多个下游的毛细通道的阻力由以下中的一个或多个确定：通道的横截面积、通道的纵横比、通道的长度或通道的表面粗糙度。

9.根据前述条款中任一项所述的方法，还包括与两个或更多个毛细通道流体连通并且位于两个或更多个毛细通道下游的两个或更多个端口。

10.根据前述条款中任一项所述的方法，还包括与两个或更多个毛细通道流体连通并且位于两个或更多个毛细通道下游的两个或更多个检测室。

11.根据条款8所述的方法，还包括以下步骤：按顺序地或同时地测量微流体芯片上的端口中的每一个端口中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

12.根据条款9所述的方法，还包括以下步骤：按顺序地或同时地测量微流体芯片上的检测室中的每一个检测室中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

13.根据前述条款中任一项所述的方法，还包括在使流体的流动停止的步骤期间的孵化步骤。

14.根据条款12所述的方法，还包括以下步骤：向一个或多个端口提供另一种组分。

15.根据前述条款中任一项所述的方法，包括以下步骤：测量一种或多种组分的扩散率、电泳迁移率、扩散电泳迁移率或热电泳迁移率。

16.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，一种或多种组分的横向分配通过扩散发生。

17.根据条款13至14所述的方法，还包括确定样品流体流中的组分中的至少一种组分的扩散系数。

18.一种操作根据前述条款中任一项所述的芯片上的微流体分析的方法，方法包括以下步骤：对毛细通道中的至少一个毛细通道中的背景信号进行检测；将待分析的样品流体流引入到分配通道中；在分配通道中提供一种或多种组分从样品流体流到辅助流体流中的横向分配，直到到达稳态分配；将稳态流体流的至少一部分分到分配通道下游的两个或更多个毛细通道中；在毛细通道中的至少一个毛细通道中对与待分析的样品相关的样品信号进行检测；以及通过去除背景信号对所检测的样品信号进行校正。

19.一种用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的流动设备，设备包括：样品通道，样品通道用于以第一流速将包括一种或多种组分的样品流体流引入到细长的分配通道中；辅助通道，辅助通道用于以第二流速将辅助流体流引入到细长的分配通道中，其中，分配通道被配置为能够在达到稳态分配之后实现组分从样品流体流到辅助流体流中的横向分配；两个或更多个毛细通道，两个或更多个毛细通道设置在分配通道的下游并且与分配通道流体连通，使得已经达到的所述稳态流体流的至少一部分移动到毛细通道中的每一个毛细通道中；可切换压力源，可切换压力源被配置为控制通过通道的流体的流动；以及检测器，检测器被配置为按顺序地或同时地检测和测量微流体芯片上的毛细通道中的每一个毛细通道中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

20.根据条款19所述的流动设备，其中，扩散通道与样品通道、辅助通道和毛细通道一起形成H-型过滤器。

21.根据条款19到20所述的流动设备，其中，毛细通道中的每一个毛细通道中的一部分被布置为蛇形或曲折构型。

22.根据条款19至21所述的流动设备，还包括端口。

23.根据条款19至22所述的流动设备，还包括检测室。

24.根据条款19到23所述的流动设备，还包括设置在分配通道上游的第二检测器，第二检测器被配置为检测和测量样品通道中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

鉴于本公开，本发明的各种其他方面和实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

本文使用的“和/或”将被视为具有或不具有另一个的两个指定特征或组分中的每一个的具体公开。例如，“A和/或B”将被视为以下每一项中的具体公开：(i)A、(ii)B以及(iii)A和B，就像每一项在此单独列出。

除非上下文另有指示，上述特征的描述和定义不限于本发明的任何特定方面或实施例，并且同等地应用于所描述的所有方面和实施例。

本领域技术人员将进一步理解的是，尽管已经参照多个实施例以示例的方式对本发明进行了描述，但是本发明并不限于所公开的实施例，并且可以在不脱离所附权利要求中所定义的本发明的范围的情况下构建替代实施例。

Claims (20)

1.一种用于测量一种或多种组分的至少一种生物物理特性的流动设备，所述设备包括：

一个或多个微流体装置，每个装置包括：

样品通道，所述样品通道具有样品入口端口，以用于以第一流速将包括一种或多种组分的样品流体流引入到细长的分配通道中，

辅助通道，所述辅助通道具有辅助入口端口，以用于以第二流速将辅助流体流引入到所述细长的分配通道中，

其中，所述分配通道被配置为实现所述组分从所述样品流体流到所述辅助流体流中的横向分配；

两个或更多个毛细通道，所述两个或更多个毛细通道设置在所述分配通道的下游并且与所述分配通道流体连通，

至少一个出口端口，所述至少一个出口端口设置在所述毛细通道中的每一个毛细通道的下游；

其中，所述样品入口端口和/或所述出口端口还包括位于所述通道和对应的端口之间的扩展特征部，由此所述扩展特征部包括邻近所述通道的锥形部分和邻近所述端口的弯曲部分；

可切换压力源，所述可切换压力源被配置为控制通过所述通道的流体的流动；以及

检测器，所述检测器被配置为按顺序地或同时地检测和测量所述微流体芯片上的所述毛细通道和/或所述出口端口中的每一个毛细通道和/或出口端口中的所述组分或每种组分中的至少一种生物物理特性。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述毛细通道中的每一个毛细通道的一部分被布置为蛇形或曲折构型。

3.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述样品通道和/或所述辅助通道中的每一个样品通道和/或辅助通道的一部分被布置为蛇形或曲折构型。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括设置在所述分配通道上游的第二检测器，所述第二检测器被配置为检测和测量所述样品通道中的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述通道中的每一个通道的最大宽度或高度不大于100μm。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述扩展特征部的所述弯曲部分的半径介于0.05mm到0.4mm之间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括围绕所述样品入口端口和/或所述出口端口中的每一个出口端口的周边的至少一部分延伸的流动引导部。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述辅助入口端口还包括位于所述辅助通道和对应的入口端口之间的扩展特征部。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述辅助入口端口包括围绕所述辅助入口端口的周边的至少一部分延伸的流动引导部。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述微流体装置还包括主动位置测定引导部，所述主动位置测定引导部被配置为在所述端口内和/或所述通道的曲折部分内对检测位置进行定位。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述主动位置测定引导部被配置为在所述出口端口内对检测位置进行定位。

12.根据权利要求10至11所述的设备，其中，所述主动位置测定引导部是基准点。

13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述通道中的每一个通道设置有涂层，所述涂层被配置为既防止样品粘附又能够实现回路的有效填充。

14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述通道的最大尺寸为40μm。

15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述通道的与所述通道的最大尺寸垂直的范围达到25μm。

16.根据权利要求13至15所述的设备，其中，所述涂层是亲水性的。

17.根据权利要求13至15所述的设备，其中，所述涂层是疏水性的。

18.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，每个出口端口是敞开的端口。

19.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述端口的表面能够被粗糙化。

20.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述检测器是共焦检测器，所述共焦检测器被配置为检测和测量所述端口内和/或曲折部分内的所述组分或每种组分的至少一种生物物理特性。

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