КАРТРИДЖ ДЛЯ БЫСТРОГО ОТБОРА ПРОБЫ Российский патент 2019 года по МПК G01N33/48 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к способу и к картриджу для обработки жидкой пробы. Более того, он относится к микрофлюидному устройству и к пресс-форме для литья под давлением, для микрофлюидного устройства с литьем под давлением.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В WO 2013/024381 A1 раскрыт картридж, в котором пробную текучую среду вводят во впускное отверстие. Дальнейшее продвижение пробной текучей среды в камеры для проб обеспечивается за счет открытия воздуховыпускного отверстия.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Представляется выгодным получить картридж для обработки жидкой пробы, например, пробы крови, который можно легко использовать в ежедневных применениях, например, в больницах и/или в офисах врачей общей практики.

Эта задача решается созданием картриджа по п. 1 формулы изобретения, прибора по п. 13 формулы изобретения, способа по п. 14 формулы изобретения, пресс-формы литья под давлением по п. 17 и микрофлюидного устройства по п. 18. Предпочтительные варианты воплощения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно первому аспекту вариант воплощения изобретения относится к картриджу для обработки жидкой пробы, в частности, к жидкости, такой как капля крови, кровяная плазма, слюна, моча или другая жидкость. Картридж содержит следующие компоненты:

- впускное отверстие, через которое пробу можно размещать или принимать;

- камеру для хранения, в которой на промежуточном этапе можно хранить пробу;

- первый капиллярный канал, который в дальнейшем называют «впускным капиллярным каналом», и который соединяет впускное отверстие с камерой для хранения;

- камеру для обработки, в которой происходит обработка пробы;

- второй капиллярный канал, который в дальнейшем называют «подающим капиллярным каналом», и который соединяет камеру для хранения с камерой для обработки.

- элемент для регулирования потока, адаптированный для внешнего управления таким образом, чтобы пробу можно было бы вытягивать из камеры для хранения к камере для обработки, без какого-либо активного откачивания.

Как обычно, термин «картридж» означает заменяемый элемент или блок, с помощью которого пробу можно подавать на устройство для обработки. В случае биочувствительной системы, устройство обычно может называться «анализатором» или «считывающим устройством». Оно содержит жидкостную систему, в которую пробу можно отбирать из окружающей среды. Картридж обычно представляет собой одноразовый компонент, который используют только один раз для одной пробы.

Предпочтительно, чтобы размер камеры для хранения был таким, чтобы в него помещалось требуемое количество пробы, то есть достаточным для намечаемой обработки.

Термины «капиллярный канал» и «давление капиллярного всасывания» относятся к эффекту «капиллярности», который основан на молекулярном взаимодействии между внутренними поверхностями картриджа и жидкой пробой, имеющейся в распоряжении: так называемые капиллярные силы. В контексте настоящего изобретения, упомянутые капиллярные силы обычно будут применяться (но не исключительно) к водной жидкой пробе, например, к пробе всей крови или (чистой) воды. Этот означает, что, если имеется такая жидкая проба, она будет пассивно захватываться втягивающими капиллярными силами, вытягивающими жидкость во флюидальную систему. Под пассивными понимают то, что никакой другой «активный» откачивающий механизм не используется (такой как, например, механизм за счет механического средства всасывания или за счет открытия клапана к некоторому источнику с пониженным давлением газа, или под действием силы тяжести, и т.д.). В особенности, в случае очень небольших объемов пробы является выгодным использовать «пассивное» или «автономное» заполнение, поскольку остановку течения потока можно осуществлять очень точно, с контролем геометрических параметров в картридже. Активный поток может повлечь за собой сложное измерение состояния заполнения, а со временем, и обратную подачу информации на механизм откачки.

Перенос текучей среды в жидкостной колонне под действием капиллярных сил вызван перепадом давлений между двумя местоположениями в жидкости близко к обеим поверхностям колонны, с окружающей средой (в контексте настоящего изобретения, обычно воздухо). Для удобства используют масштаб относительного давления, где давление окружающего воздуха (который, как предполагается, преобладает рядом с обеими поверхностями снаружи колонны) задано на уровне нуля (уровень отсчета). В этом смысле, капиллярное давление, вызывающее заполнение структуры, - это математически говоря, отрицательное давление. По всему данному тексту, выражения «большее (или меньшее) давление капиллярного всасывания» используют для обозначения отрицательного капиллярного давления, с большим (или меньшим) абсолютным значением.

Обработка в камере для обработки, как правило, может представлять собой любой вид желаемой манипуляции с жидкой пробой, имеющейся в распоряжении. Она может, например, содержать механическое, химическое и/или биологическое преобразование жидкой пробы. Является предпочтительным, чтобы обработка содержала измерение, с помощью которого можно было выявить параметры жидкой пробы. Обработка также может включаать в себя анализ для определенных аналитов, с использованием биомолекулярного способа (испытания).

Подающий капиллярный канал может прямо или косвенно соединять камеру для хранения с камерой для обработки (т.е., через дополнительные компоненты, такие как часть впускного капиллярного канала).

Кроме того, конструкция перечисленных компонентов может быть такова, что упомянутое первое давление капиллярного всасывания (оказываемое впускным капиллярным каналом и камерой для хранения) ниже, чем второе давление капиллярного всасывания (т.е. давление, оказываемое подающим капиллярным каналом и камерой для обработки).

Условие, состояще в том, что «давление капиллярного всасывания, оказываемое впускным капиллярным каналом и камерой для хранения, ниже, чем давление капиллярного всасывания, оказываемое подающим капиллярным каналом и камерой для обработки», означает, что проба автономно перемещается (или может перемещаться) от резервуара и вплоть до камеры для обработки лишь под действием капиллярных сил (если ее течение не предотвращено закрытием элемента для контроля потока).

С помощью «элемента для контроля потока» можно гарантировать, что пробу сначала отбирают посредством впускного капиллярного канала и камеры для хранения, и что ее лишь после этого (т.е., после того, как подавление продвижения завершилось открытием элемента для контроля потока) направляют к камере для обработки. Элемент для контроля потока может быть создан многими различными способами, включая конструкции микрофлюидных клапанов, известных из уровня техники. В предпочтительном варианте воплощения элемент для контроля потока содержит слой или лист материала (или «фольги»), который исходно закрывает отверстие вентиляционного клапана, и который можно прорвать или передвинуть для открытия отверстия. Фольга, которую можно прорвать, может быть изготовлена очень рентабельно, и в частности, она пригодна для сменного картриджа, который используют только один раз. Фольга может быть, например, прорвана или удалена путем механической, химической, термической, оптической и/или электромагнитной операции. Механическая операция может, например, содержать прокалывание фольги некоторым кончиком или лезвием, или выдавливание фольги некоторым поршнем. Химическая операция может содержать растворение фольги в химическом реагенте. Термическая и оптическая операции могут содержать расплавление фольги путем нагрева или облучения. Электромагнитная операция может содержать перемещение фольги (из закрытого в открытого положения) с помощью электрических и/или магнитных сил.

Согласно второму аспекту вариант воплощения изобретения относится к способу для обработки жидкой пробы, причем упомянутый способ содержит следующие этапы:

a) вытягивания пробы первыми капиллярными силами в камеру для хранения, когда элемент для контроля потока закрыт, причем продвижение пробы из камеры для хранения к камере для обработки можно контролируемым образом подавить с помощью упомянутого элемента для контроля потока;

b) открытия вышеупомянутого элемента для контроля потока для продвижения пробы вторыми капиллярными силами, более мощными, чем первые капиллярные силы, в камеру для обработки;

c) обработки пробы в камере для обработки.

Способ в общем виде содержит этапы, которые можно выполнять в картридже, имеющем вид, описанный выше. Поэтому, разъяснения, представленные для картриджа, аналогично верны также и для способа, и наоборот. В частности, вытягивание пробы в камеру для хранения можно осуществлять через впускное отверстие и последующий впускной капиллярный канал. Дополнительно или как вариант, продвижение пробы может происходить через подающий капиллярный канал.

Описанный картридж и способ обладают преимуществом, состоящим в обеспечении удобного и надежного управления пробами пользователем, поскольку упомянутую пробу сначала отбирают в камеру для хранения, и лишь затем направляют в камеру для обработки. Следовательно, этап отбора можно выполнять независимо от этапа обработки. В частности, отбор пробы может быть оптимизирован для достижения минимальной продолжительности. В то же время, надежный и автономный перенос пробы к камере для обработки гарантируется, благодаря связи между давлениями капиллярного всасывания, оказываемыми в области отбора пробы и в области обработки пробы. Кроме того, заполнение самой камеры для обработки и последующая обработка под контролем устройства/агализатора могут оказаться срочными процессами. И даже больше, сама обработка может потребовать задействования устройства/анализатора, например, для нагрева, перемешивания, манипулирования магнитными шариками, управления камерой, детектирования. Поэтому, важно, чтоы перенос пробы к камере для обработки осуществлялся лишь, когда картридж находится под контролем устройства, то есть, когда он был вставлен в него.

В дальнейшем будут описаны различные предпочтительные варианты воплощения изобретения, которые могут быть реализованы в сочетании с картриджем, а также способом (даже если они описаны здесь подробно лишь для одного картриджа или способа).

Желаемая связь между давлениями капиллярного всасывания, соответственно, во впускной части и обрабатывающей части картриджа может быть достигнута различными мерами, например, за счет подходящей подготовки поверхности соответствующих компонентов. В предпочтительном варианте воплощения характеристики поверхности (приводящие к соответствующему углу жидкостного контакта для капиллярных элементов) являются (приблизительно) одинаковыми по всему картриджу.

Как правило, капиллярные давления связаны с кривой (кривыми) мениска жидкости (закон Лапласа). Для данных углов контакта, эти кривые зависят от геометрии канала и угла жидкостного контакта (закон Юнга-Лапласа). Для канала с приблизительно прямоугольным поперечным сечением капиллярное давление зависит от высоты и ширины канала. Так, относительные величины давлений капиллярного всасывания, соответственно, во впускной части и обрабатывающей части картриджа могут быть спроектированы путем подбора подходящих размеров канала. В частности, форма и размеры поперечного сечения подающего капиллярного канала могут быть выбраны отлично от формы поперечного сечения резервуара, вследствие чего достигается желаемое соотношение давлений капиллярного всасывания.

Относительные давления капиллярного всасывания определяют НАПРАВЛЕНИЕ потока: так, в ходе впуска пробы, проба течет через впускное отверстие для пробы и капиллярный впускной канал в камеру для хранения. После открытия вентиляционного клапана, накопленная жидкость направляется в камеру (камеры) для обработки. Это возможно, главным образом, поскольку давление всасывания резервуара (требуемое для впуска пробы) меньше, чем капиллярное всасывание подающего капиллярного канала и камеры (камер) для обработки.

Скорости потока важны для выполнения требований для времени заполнения. Скорости потока зависят от гидравлического сопротивления различных элементов и от перепада давлений, вызванного капиллярностью. Гидравлическое сопротивление зависит, опять-таки, от формы поперечного сечения, например, канала, хотя иным образом, нежели капиллярное давление. Кроме того, гидравлическое сопротивление зависит от длины канала, тогда как давление не зависит.

В абсолютных значениях, поперечное сечение подающего капиллярного канала обычно составляет примерно 100×100-200×200 микрометров². Камера для хранения обычно имеет 500-700 микрометров в глубину, ее ширина и длина бывают значительно больше, и ее выбирают для вмещения ряда объемов жидкостей, включающих в себя обычно 1-50 микролитров. При наличии этих размеров, всасывание, осуществляемое камерой для хранения, очень приближенно находятся в пределах значений в 3-4 раза превышающих всасывание, осуществляемое подающим каналом.

Для обеспечения короткого времени заполнения камеры для хранения, несмотря на ее относительно низкое давление всасывания, является предпочтительным, чтобы впускной капиллярный канал имел низкое сопротивление потоку, например, за счет ее конструирования, насколько возможно, короткой. Иными словами, вход камеры для хранения размещают, насколько возможно, близко к впускному отверстию. Обычно длина, составляющая 1-2 мм, может привести к достаточно низкому времени отбора пробы для пробы крови.

В другом варианте воплощения подающий капиллярный канал ответвляется от впускного капиллярного канала, т.е., вход подающего капиллярного канала размещают где-то между началом впускного капиллярного канала (у впускного отверстия) и его концом (у камеры для хранения). Таким образом, пробу, которую направляют в камеру для обработки, отбирают где-то между впускным отверстием и камерой для хранения. Таким образом, реализуется принцип обратной очередности («Last In First Out», LIFO, «последнее поступление - первый отпуск»), т.е., жидкая проба, которая была отобрана последней (а следовательно, находится между впускным отверстием и камерой для хранения), первой направляется к камере для обработки. Это имеет такое преимущество, что наличие пробы на входе подающего капиллярного канала гарантируется, даже при наименьшем количестве пробы, обеспечивая, таким образом, безошибочное продвижение к камерам, как только вентиляционный клапан камер открывается. Более того, то, что у подающего капиллярного канала вход находится между впускным отверстием и входом камеры для хранения, дает возможность регулировать баланс между временем отбора пробы и временем продвижения за счет регулирования, соответственно, давления капиллярного всасывания впускной части и обрабатывающей части. Является предпочтительным, чтобы вход подающего капиллярного канала был расположен на внутреннем участке, в диапазоне примерно 10-90%, а наиболее предпочтительно, примерно 20-80% от протяженности впускного капиллярного канала.

Камера для хранения может быть ограничена, по меньшей мере, частично, прозрачным окном. Корректное заполнение камеры для хранения вплоть до определенного минимального требуемого уровня пользователь тогда может легко проконтролировать путем визуального наблюдения, с обеспечением, таким образом, положительной обратной связи касательно безошибочного выполнения технологии отбора пробы (= детектирования пригодности пробы, sample adequacy indication, SAI)

Картридж может содержать (не обязательно), по меньшей мере, один комплект штифтовых структур для временного удержания фронта жидкости в пределах внутренних углов камеры для хранения. Это может быть полезным для предотвращения образования ненадлежаще сформированного фронта жидкости, что может привести к неоднозначности суждения о понятии «пригодность пробы», взятой пользователем или устройством анализатора.

Дополнительно или в качестве альтернативы, могут быть добавлены метки, указывающие на пороги для минимального и максимального заполнения. Фактическое размещение пробы по отношению к таким отметкам может быть, например, визуально проконтролировано пользователем в вышеупомянутом варианте воплощения, в котором камера для хранения ограничена прозрачным окном, через которое можно наблюдать метки индикатора.

Предпочтительно, чтобы камера для хранения и/или камера для обработки могла быть соединена с отверстием, т.е., с отверстием, через которое среда, исходно заполняющая камеру для хранения или камеру для обработки (обычно воздух), может выходить, оставляя место для жидкой пробы, поступающей в соответствующую камеру. Такое отверстие может быть регулируемым (не обязательно), причем регулируемость отверстия (отверстий) означает, что закрытие и открытие отверстия (отверстий) можно регулиовать снаружи, например, пользователем или устройством/анализатором. Отверстие (отверстия) исходно может быть, например, закрыто лентой, которая может быть прорвана или содрана пользователем для открытия отверстия (отверстий), обеспечивая выход воздуха, и поступление пробы текучей среды в соответствующую камеру. В частности, контроль продвижения пробы с помощью анализатора полезен для срочной обработки или анализа пробы под контролем анализатора.

Следует отметить, что упомянутое выполнение (исходно закрытого) отверстия, которое соединено с камерой для обработки, можно использовать для повышения давления газа в канале обработки, как только очень небольшое количество жидкости попадает в подающий капиллярный канал, которое останавливает поток, как только это давление уравновешивает давление капиллярного всасывания, осуществляемое подающим каналом. Следовательно, отверстие вентиляционного клапана функционирует как «элемент для контроля потока» в настоящей заявке.

В конкретном варианте воплощения камера для хранения может быть соединена с постоянно открытым отверстием, тогда как камера для обработки соединена с регулируемым отверстием, которое исходно закрыто.

Картридж или, по меньшей мере, части внутренних поверхностей выпускного отверстия, впускного капиллярного канала, камеры для хранения, подающего капиллярного канала и/или камеры для обработки могут быть изготовлены (не обязательно) из гидрофильного материала или подвергнуты заданной обработке (такой как нанесение покрытия), чтоб сделать поверхность гидрофильной.

Предпочтительно, чтобы камера для обработки могла быть сконструирована для обеспечения оптических измерений. Это может быть, в частности, достигнуто путем снабжения камеры для обработки одним или более прозрачными окнами или стенками. Весь картридж может быть сделан (не обязательно) из такого прозрачного материала, как полистирол, COC, COP, поликарбонат. Камера для обработки может быть, в частности, сконструирована для обеспечения измерения путем нарушенного полного внутреннего отражения (FTIR), как оно более подробно описано в WO 2008/155716.

Изобретение дополнительно относится к устройству для обработки пробной текучей среды в картридже согласно любому из вариантов воплощения, описанных выше, причем упомянутое устрйоство содержит:

- детектор адекватности пробы для определения того, что заданное количество пробы было отобрано картриджем.

- привод открывания, который может открывать элемент для контроля потока картриджа, если детектор пригодности пробы определил заданное количество пробы.

детектор адекватности пробы может, например, содержать на оптическом устройстве, таком как фотодиод, датчик изображения и/или световой барьер, посредством которого можно выявить продвижение пробы в камере для хранения за пределами заданного порога.

Конечно, устрйоство может дополнительно содержать другие компоненты, служащие для (важных) функций, таких как нагрев, перемешивание, магнитный запуск или детектирование. Это в значительной степени зависит от типа обрабатывающего устрйоства, которое предназначено для этого.

Привод открывания может содержать, например, по меньшей мере, один из следующих элементов:

- инструмент для механического прорыва (например, прокалывания) фольги;

- нагревательный блок для термического разрушения (например, расплавления) пленки;

- источник света для облучения пленки, что также обычно приводит к разрушению пленки (например, под действием плавления).

Предпочтительно, чтобы продолжительность вытягивания жидкой пробы в камеру для хранения на этапе a) способа было короткой. В абсолютных значениях, предпочтительно, чтобы продолжительность вытягивания жидкой пробы в камеру для хранения на этапе a) согласно способу составляла примерно менее пяти секунд, а наиболее предпочтительно, примерно менее трех секунд. Короткие периоды времени на заполнение камеры для хранения повышают удобство для пользователя, которому приходится применять картридж, а также, в зависимости от способа заполнения, для взятия пробы у пациента (например, если проба передается непосредственно при взятии крови из пальца). Более того, короткое время заполнения снижает риск ошибок, которые могут возникнуть из-за неверных или неумелых действий пользователя.

Наличие отверстия, которое соединено с камерой для обработки, может быть, в частности, использовано для инициирования продвижения пробы на этапе b) по способу путем открытия упомянутого отверстия.

Как правило, описанный картридж пригоден, по меньшей мере, для двух случаев использования с отсутствие каких-либо изменений его конструкции:

В первом случае использования, пробу забирают в картридж путем приведения картриджа к «участку тела», где создается доступ к очень мелким каплям пробы (например, к крови, отбираемой из пальца, из залечиваемой раны, ушной мочки, и т.д.). Взятие пробы приостанавливают, когда пользователь визуально наблюдает, что было отобрано достаточное количество пробы (SAI). Заполненный картридж затем помещают в такое устройство, как анализатор. Является предпочтительным, чтобы простое введение картриджа в устройство воспринималось как сигнал для устройства, что можно начинать обработку. Анализатор подготавливается, например, для обработки и начинает «продвигать» пробу к камере (камерам) детектирования, когда это требуется.

Во втором случае использования, картридж сначала вставляют в такое устройство, как анализатор. Элемент для контроля потока камеры для обработки еще закрыт. Пробу затем приближают к комбинации устройство/картридж. Пользователь может остановить «подачу» пробы, когда он визуально наблюдает, что было взято достаточное количество пробы, или когда устройство выявляет это (например, оптически) и дает сигнал пользователю. Пользователь и/или устройство может затем подать сигнал на устройство, который может начать обработку (например, приготовления к анализу). Анализатор может, например, готовиться к обработке и начинать «продвижение» пробы к камере (камерам) для обработки, когда это необходимо.

Согласно другому аспекту вариант воплощения изобретения относится к пресс-форме для литья под давлением для изготовления упомянутого картриджа, по меньшей мере, с одним каналом, полученного литьем под давлением термопластичного материала. Пресс-форма для литья под давлением содержит первый корпус пресс-формы и второй корпус пресс-формы, помещенные в контакт друг с другом вдоль линии сопряжения, для создания полости, в которой картридж формируют литьем под давлением, причем:

- первый корпус пресс-формы снабжен первым выступом, который соответствует первой части канала микрофлюидного устройства;

- второй корпус пресс-формы снабжен вторым выступом, который соответствует второй части упомянутого канала.

Более того, микрофлюидное устройство имеет следующие признаки:

- упомянутые первый и второй выступы, соответственно, первого и второго корпуса пресс-формы, контактируют друг с другом (когда пресс-форма скомпонована для применения) по линии сопряжения, соединяя первую и вторую части канала.

- первый корпус пресс-формы и/или второй корпус пресс-формы содержит дополнительный выступ для создания флюидального элемента, который компенсирует возможное препятствие для потока, налагаемое линией сопряжения.

Термин «корпус пресс-формы» означает часть пресс-формы для литья под давлением, которая содержит область поверхности, которая приводится в контакт с термопластичным вводимым материалом и, таким образом, влияет на конечную форму изготавливаемого продукта. Пресс-форма для литья под давлением обычно содержит два или более корпуса пресс-формы, которые могут быть скомпонованы, с образованием закрытой полости, которая заполняется исходно расплавленным вводимым материалом, который впоследствии затвердевает.

Первый корпус пресс-формы может быть (не обязательно) «вставлен», то есть частично или полностью вмещен во второй корпус пресс-формы.

«Выступ» корпуса пресс-формы, как правило, относится к элементу или структуре, расположенной в области поверхности, которая приводится в контакт с термопластичным вводимым материалом, вследствие чего этот элемент или структура определяет часть формы изготовленного продукта. Обычно такой «выступ» будет представлять собой возвышение в более или менее плоское местное окружение, вследствие чего он создаст некоторый вид углубления или отверстия в изготовленном продукте.

Вышеупомянутый «флюидальный элемент» относится к любому виду элемента, структуры или компонента с геометрией, которая влияет на поток текучей среды через канал, в котором расположен флюидальный элемент, способом, описанным выше (т.е., так, чтобы возможное препятствие для потока, налагаемое линией сопряжения, было скомпенсировано). Флюидальный элемент представляет собой пассивный компонент, поскольку его воздействие на поток порождается почти только его геометрией.

Изобретение дополнительно относится к микрофлюидному устройству, в частности, к картриджу, который может быть получен литьем под давлением с помощью вышеописанной пресс-формы для литья под давлением.

Более того, изобретение относится к микрофлюидному устройству, которое содержит, по меньшей мере, один канал, который пересекается линией сопряжения, образованной различными корпусами пресс-формы для литья под давлением, используемой для изготовления микрофлюидного устройства. Устройство может представлять собой, в частности, микрофлюидное устройство вида, описанного выше, и/или картридж согласно любому из вариантов воплощения, описанных в данной заявке. Оно характеризуется тем, что его канал содержит флюидальный элемент, который компенсирует возможное препятствие для потока, налагаемое линией сопряжения.

Представленные выше микрофлюидные устройства созданы на основе той же концепции, что и пресс-форма для литья под давлением, т.е., обеспечения флюидального элемента, который компенсирует возможное препятствие для потока, вызванное линией сопряжения. Поэтому, разъяснения и варианты воплощения, обеспеченные для одного из микрофлюидных устройств, аналогично верны для другого микрофлюидного устройства и пресс-формы для литья под давлением, и наоборот.

Экономически и технологически выполнимое изготовление пластичных продуктов достигается путем литья под давлением, с использованием, по меньшей мере, двух корпусов пресс-формы. Типичность этого подходов состоит в том, что эти линии сопряжения возникают вдоль границ, где корпуса пресс-формы сходтся, причем эти линии могут дать более или менее четкую переходную ступень в результирующем продукте. Применительно к изготовлению микрофлюидных устройств, такая переходная ступень может помешать текучей среде течь, если она возникнет в канале устройства. Вышеописанные микрофлюидные устройства и пресс-форма для литья под давлением обладают преимуществом, состоящим в преодолении этой проблемы за счет введения дополнительного флюидального элемента в поврежденный канал, у линии сопряжения.

В дальнейшем будут описаны различные предпочтительные варианты воплощения, которые могут быть реализованы в сочетании с приведенными выше микрофлюидными устройствами и пресс-формой для литья под давлением (даже если они описаны подробно только для одного из этих вариантов воплощения).

Согласно одному предпочтительному варианту воплощения флюидальный элемент может быть сконструирован таким образом, чтобы он способствовал или поддерживал течение (например, водной) текучей среды от первой до второй части канала. Является наиболее предпочтительным, чтобы флюидальный элемент был сконструирован так, чтобы он способствовал или поддерживал течение текучей среды только в этом направлении, а не в обратном направлении. В последнем случае, элемент текучей среды действует как разновидность «диода» относительно поддерживаемого направления потока текучей среды.

В другом варианте воплощения дополнительный выступ, который генерирует флюидальный элемент в продукте, полученном литьем под давлением, сконструирован в виде расширения первого выступа на первом корпусе пресс-формы. Этот означает, что первый выступ имеет некоторый стандартный или базовый размер, который увеличивается, по меньшей мере, в ограниченной области, за счет вышеупомянутого расширения. Стандартный или базовый размер первого выступа может, например, соответствовать каналу в изготовленном продукте, имеющем постоянное (или имеющее иную регулярную форму) поперечное сечение (упомянутое поперечное сечение по определению измеряется перпендикулярно заданному направлению потока в канале). В этом случае, «расширение» соответствует уширение результирующего канала.

Является предпочтительным, чтобы вышеупомянутый дополнительный выступ в форме расширения мог иметь такие размеры, чтобы при переходе от первой до второй части канала происходило уменьшение поперечного сечения, вне зависимости от линия сопряжения (т.е., вне зависимости от конкретного изменения в поперечном сечении, которое вызвано линией сопряжения, -в отклонении от идеального случая отсутствия каких-либо изменений, -благодаря обычным допускам, применяемым при изготовлении). Поэтому, текучая среда, поступающая на конец части канала, которая образована в виде дополнительного выступа, всегда будет продолжать втекать в последующую вторую часть канала, будучи вытягиваемой капиллярными силами.

Согласно дальнейшему развитию вариантов воплощения с дополнительным выступом в форме расширения, упомянутое расширение сконструировано для создания непрерывного увеличения поперечного сечения первой части канала, вплоть до сопряжения со второй частью канала. Следовательно, на флюидальном элементе, который образован в виде дополнительного выступа, не возникает никаких внезапных, ступенчатых изменений поперечного сечения канала, что обеспечивает течение текучей среды без остановки на флюидальном элементе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие аспекты изобретения станут ясными и будут освещены со ссылкой на варианты воплощения, описанные ниже.

На чертежах:

Фиг. 1 показывает вид сверху на полученную литьем под давлением базовую часть картриджа согласно варианту воплощения изобретения;

Фиг. 2 показывает картридж полностью после добавления крышки;

Фиг. 3 иллюстрирует профиль давления в картридже по Фигуре 2 в ходе и после заполнения камеры для хранения;

Фиг. 4 иллюстрирует профиль давления в подающем патрубке картриджа по Фигуре 2 после заполнения резервуара;

Фиг. 5 иллюстрирует профиль давления в подающем патрубке картриджа по Фигуре 2 после выполнения заполнения камер детектирования;

Фиг. 6 показывает на виде сверху на полученную литьем под давлением базовую часть картриджа обозначение линии сопряжения, полученную вследствие литья под давлением;

Фиг. 7 показывает расширенный вид сверху на флюидальный элемент картриджа по Фигуре 6;

Фиг. 8 показывает вариант воплощения пресс-формы для литья под давлением на схематическом поперечном сечении, на позиции, соответствующей пунктирной линии VIII-VIII по Фигуре 6.

Сходные номера ссылок на Фигурах относятся к идентичным или аналогичным компонентам.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

Картриджи с внутренними (микро-) флюидальными системами используются для переноса небольших проб биологических текучих сред, например, крови или слюны, к подходящему обрабатывающему прибору, такому как оптический детектор. Применительно к ежедневному использованию в больничных условиях или в офисах врачей общей практики, является предпочтительным, чтобы такие картриджы выполняли, по меньшей мере, одно из следующих требований:

- время впуска пробы должно быть коротким. Является предпочтительным, чтобы оно занимало не более нескольких (например, 3) секунд, из-за ограниченного терпения конечного пользователя, для точного выравнивания входа для пробы с каплями пробы;

- впуск пробы должен быть «изначально правильным»;

- время заполнения камер детектирования должно быть коротким, например, в пределах порядка одной минуты;

- объем должен быть небольшим. Дополнительные функции, такие как резервуар и индикация пригодности пробы, не должны потреблять дополнительный объем или время.

Здесь предложен вариант воплощения картриджа, который обращается, по меньшей мере, к некоторым из этих целей, причем упомянутый картридж обладает, по меньшей мере, одним из следующих конструкционных признаков:

- он имеет камеру для хранения для содержания пробы после ее отбора и до проведения анализа. Размеры камеры для хранения выбирают таким образом, чтобы они имели давление капиллярного всасывания, достаточно большое для обеспечения коротких периодов заполнения, но достаточно малое для обеспечения коротких периодов заполнения камер детектирования, поскольку заполнение камер замедляется из-за обратного всасывания резервуара;

- вход камеры для хранения пробы находится близко к впускному отверстию для пробы, для обеспечения короткого времени заполнения камеры для хранения пробы;

- профиль капиллярного давления от впускного отверстия для пробы до камеры для хранения пробы и от камеры для хранения пробы до камер детектирования спроектирован таким образом, чтобы жидкость всегда могла течь автономно, т.е. от области с более низким давлением капиллярного всасывания до области с более высоким давлением капиллярного всасывания;

- безошибочное заполнение камер и необходимость лишь в небольшом объеме пробы обеспечиваются за счет размещения входа подающего капиллярного канала камеры детектирования между впускным отверстием для пробы и камерой для хранения пробы (с реализацией, таким образом, принципа обратной очередности);

- индикатор пригодности пробы (sample adequacy indicator, SAI) обеспечивается на камере для хранения пробы. В сочетании с вышеупомянутым расположением подающего канала, положительный сигнал о SAI также означает, что подающий капиллярный канал камеры детектирования надлежащим образом увлажнен для дополнительного заполнения (поскольку SAI достигается лишь после достижения входа подающего капиллярного канала). Данные SAI могут быть считаны пользователем и/или by детектором устройства, таким как анализатор. Поскольку SAI находится близко к впускному отверстию, для необходимого переноса текучей среды между фактическим моментом «достаточности пробы» и его индикацией, нет никакой задержки во времени.

Конкретный вариант воплощения картриджа для отбора и обработки среды пробы может содержать, по меньшей мере, один из следующих компонентов и признаков:

- впускное отверстие для пробы;

- камеру для хранения;

- первый капиллярный канал («впускной капиллярный канал»), связывающий впускное отверстие для пробы с камерой для хранения;

- камеру детектирования (или, в более общем виде, «камеру для обработки»);

- второй капиллярный канал («подающий капиллярный канал»), связывающий впускной капиллярный канал с камерой детектирования, причем один конец подающего капиллярного канала расположен между отверстием для ввода пробы и камерой для хранения;

- (капиллярное) пониженное давление камеры для хранения, является более низким, чем пониженное давление в камере детектирования;

- камера для хранения содержит окно, через которое можно наблюдать ее заполнение.

Фигура 1 схематически показывает полученную литьем под давлением базовую часть 11 согласно варианту воплощения картриджа 10, которая сконструирована согласно вышеприведенным принципам. Фигура 2 показывает полный картридж 10, который получен после добавления крышки 30 поверх базовой части 11. Является предпочтительным, чтобы компоненты картриджа 10 были по возможности сконструированы так, чтобы это было совместимо с существующими технологиями, например, с технологией Magnotech®, разработанной заявителем.

Является предпочтительным, чтобы базовая часть 11 была изготовлена литьем под давлением из прозрачного пластика (например, полистирола, поликарбоната, COP, COC, и т.д.). Флюидальную (микрофлюидальную) систему создают в поверхности базовой части 11 в ходе литье под давлением. Основные компоненты этой флюидальной системы будут теперь описаны в той последовательности, в какой через них проходит жидкая проба в ходе использования картриджа 10.

Жидкую пробу, такую как несколько микролитров крови (например, взятую непосредственно из пальца, или полученную через шприц или пипетку) извлекают в картридж 10 через воронкообразное впускное отверстие 12 для пробы, расположенное не передней стороне базовой части 11.

Это впускное отверстие 12 через первый или «впускной капиллярный канал» 13 соединено с камерой 14 для хранения. Камера 14 для хранения достаточно велика для вмещения такого количества пробы, которого достаточно для соответствующей последующей технологии детектирования. Камера 14 для хранения содержит, по меньшей мере, два комплекта штифтовых структур 21, которые предотвращают преждевременное течение жидкости вдоль ребер резервуара, для обеспечения того, чтобы фронт жидкости был сформирован надлежащим образом и мог быть использован для надежного считывания данных индикатора пригодности пробы (SAI), т.е., пользователь может проверить, что было вытянуто достаточное количество пробы, если уровень пробы находитя между этими структурами. Кроме того, камера 14 для хранения соединена вентиляционным каналом с первым 19 отверстием вентиляционного клапана, которое позволяет воздуху выходить из камеры для хранения. Первое 19 отверстие вентиляционного клапана может быть исходно закрыто или постоянно открываться, например, через отверстие в базовой 11 части.

Обеспечен второй или «подающий капиллярный канал» 15, который ответвляется от впускного 13 капиллярного канала и ведет к удлиненному заднему концу базовой 11 части, в которой расположены две параллельные камеры 16 детектирования (в данном случае, две). Точка разветвления этого подающего 15 капиллярного канала расположена приблизительно в середине (т.е., примерно на 50%) длины впускного 13 капиллярного канала, хотя также могут быть выбраны и другие позиции. Поперечные сечения каналов 13 и 15 сконструированы таким образом, чтобы обеспечить скорейшее заполнение. Впускной 13 капиллярный канал может, например, иметь поперечное сечение примерно 500 мкм × 250 мкм, тогда как подающий 15 капиллярный канал имеет поперечное сечение примерно 200 мкм × 200 мкм.

Выходы камер 16 детектирования соединены через вентиляционный 17 канал со вторым 18 отверстием вентиляционного клапана, в передней секции базовой части 11. Это второе 18 отверстие вентиляционного клапана должно контролируемым образом открываться, для обеспечения выхода воздуха из камеры детектирования таким образом, чтобы проба могла втекать через подающий 15 капиллярный канал в камеры детектирования 16. В качестве альтернативы, вентиляционный клапан может открываться на местоположение 20, которое может быть в большей мере доступно для механизма в устройстве/анализаторе.

Фигура 2 показывает готовый картридж 10 после добавления крышки 30 (например, покрывного ламината) поверх базовой 11 части. Крышка 30 закрывает каналы и камеры в базовой 11 части, завершая, таким образом, внутреннюю флюидальную систему картриджа. Только открытие снаружи этой флюидальной системы осуществляется за счет исходного впускного 12 отверстия и вентиляционного 19 клапана.

Является предпочтительным, чтобы крышка 30 была прозрачной, для обеспечения визуального обзора камеры 14 для хранения. Оно может также содержать эталонное разметочное устройство (не показано), которое служит в качестве направляющей для глаза, для проверки, было ли отобрано достаточное количество пробы. Более того, крышка 30 может быть проколота в позициях отверстий 18 и/или 20 и 19 вентиляционных клапанов для обеспечения регулируемого выхода воздуха из соответствующих камер. В частности, первое 19 отверстие вентиляционного клапана, соединенное с камерой 14 для хранения, может быть сначала проколото для обеспечения впуска пробы и заполнения камеры для хранения (если она уже не была открыта сразу с начала). Затем, второе 18 и/или 20 отверстие вентиляционного клапана, соединенное с камерами 16 детектирования, может быть проколото после того, как картридж 10 был перемещен к устройству детектирования, и если выявление пробы в камерах 16 детектирования 16 должно начаться.

В зависимости от предполагаемого способа заполнения картриджа пробой (например, путем отбора пробы из пальца, через пипетку, и т.д.), крышка 30 может точно не заканчиваться на конце базовой части 11 вблизи впускного отверстия 12 (как показано на Фигуре 2), но не на конечном расстоянии от кая (спереди, либо позади него).

Является предпочтительным, чтобы базовая 11 часть была гидрофилизирована, для придания ей низкого угла смачивания, который допускает капиллярный поток. Заполнение капиллярным потоком является автономным, дешевым, надежным и относительно простым для воплощения. Крышка 30, напротив, может быть (не обязательно) гидрофобной.

Как правило, существуют два основных случая использования для картриджа 10. В первом случае, картридж заполняют за пределами устройства. Затем идут соответствующие этапы, если устройство представляет собой, например, анализатор для проб крови:

- картридж приводят в контакт с каплями крови;

- когда индикатор проба пригодности пробы подает свой визуальный сигнал, картридж отделяют от капель крови;

- картридж вставляют в анализатор;

- пользователь сообщает анализатору, что взятие пробы завершено, например, закрывая крышку, или нажимая на кнопку;

- анализатор начинает готовить анализ;

- анализатор приводит в действие перенос пробы к области детектирования;

- анализатор выявляет, была ли камера детектирования образца заполнена надлежащим образом.

- анализатор выполняет анализ и создает отчеты о результатах.

Во втором случае использования картридж заполняют, когда он связан с устройством. Затем осуществляют соответствующие этапы, например, для анализатора:

- картридж вставляют в анализатор;

- картридж приводят в контакт с каплями крови;

- когда индикатор пригодности пробы подает свой визуальный сигнал, палец с каплей крови вынимают из входа картриджа;

- пользователь сообщает анализатору, что взятие пробы завершено, например, закрывая крышку или нажимая на кнопку;

- как сказано выше: анализатор начинает подготавливать анализ, приводит в действие перенос пробы к области детектирования, выявляет, была ли камера детектирования образца заполнена надлежащим образом, выполняет анализ и сообщает о результатах.

В дальнейшем, давления, задействованные в обычном способе с использованием картриджа 10, разъясняются более подробно, применительно к Фигурам 3 и 4.

Фигура 3 иллюстрирует профиль капиллярного давления в картридже 10 согласно Фигуре 2 на позициях вдоль впускного канала в ходе и после заполнения камеры для хранения. Давления p капиллярного всасывания обозначены как отрицательные, т.е., окружающая среда (капля пробы) находится при нулевом (эталонном) давлении. Горизонтальная ось отображает расстояние или объем вдоль канала (не в масштабе).

Как и на первом этапе заполнения, каплю пробы при окружающем давлении «0» (например, кровь, взятую из пальца) приводят в контакт со впускным 12 отверстием для пробы в позиции «A». Капля крови должна быть больше, чем минимально требуемое количество крови (обычно примерно 3 мкл). Камера 14 для хранения должна быть больше, чем максимальный размер пробы (в показанном примере он может составлять примерно 15 мкл). Под действием капиллярной силы, проба всасывается во впускной 13 капиллярный канал. Она движется через позицию «B» в камеру 14 для хранения (позицию «C»). Проба поддерживается в состоянии движения в камеру для хранения, из-за капиллярного пониженного давления p_C в упомянутой камере относительно значения «0». Размеры камеры 14 для хранения и впускного 13 капиллярного канала, соединяющего точку C камеры для хранения с окружающей средой (в точке A) должны быть таковы, что заполнение минимальным количеством пробы можно осуществить в течение короткого времени (предпочтительно, примерно менее 3 с). Это является важной причиной, почему впускной 13 капиллярный канал должен быть коротким, и почему камера 14 для хранения находится близко к впускному 12 отверстию.

Пониженное давление p_C в камере 14 для хранения не может быть повышено слишком сильно для сокращения времени заполнения, поскольку на последней стадии это давление будет конкурировать с заполнением камер детектирования. Подающий 15 капиллярный канал к камерам 16 детектирования (ведущий от точки B к точке D) не заполняется жидкостью в ходе фазы впуска, поскольку отверстие вентиляционных клапанов (18 и 20) камер детектирования еще закрыты.

Впуск пробы продолжается до того, как контакт капли пробы с впускным 12 отверстием прерывается пользователем в момент, когда он наблюдает, что имеется достаточное количество пробы. Пользователь может видеть жидкость внутри камеры 14 для хранения через окно, которое предпочтительно расположено на позиции, соответствующей минимальному требуемому количеству пробы («индикатор пригодности пробы» SAI). Штифтовые структуры 21 внутри камеры для хранения заставляют жидкость иметь фронт, перпендикулярный направлению потока, обеспечивая надежное считывание данных SAI. При достижении метки 3 мкл, пользователь может прекратить предоставлять пробу. Начиная с этого момента, в точке A никакая проба не течет во впускное отверстие для пробы. Столб жидкости продолжает течь, пока фронт во впускном канале не достигнет местоположения с капиллярным давлением, равным капиллярному давлению p_C в резервуаре.

Фигура 3 иллюстрирует профиль капиллярного давления от впускного 12 отверстия для пробы в точке A через впускной 13 капиллярный канал в точке B, до камеры 14 для хранения в точке C. Позиция «21» приблизительно согласуется со штифтовыми структурами 21 при минимальном объеме (V_min). Заштрихованная область представляет собой область, где имеется жидкость, при наличии точного минимального объема. Давления на обеих сторонах хранилища для пробы равны пониженному давлению p_C в камере для хранения.

Камера 14 для хранения имеет несколько меньшее капиллярное пониженное давление p_C (отрицательное давление), чем во впускном отверстии (p_A). Это служит для легкого втягивания пробы внутрь впускного отверстия. Как видно из Фигуры 3, наибольшее капиллярное пониженное давление p_B (при наименьших размерах канала) имеется во впускном капиллярном канале в точке B.

После завершения впуска пробы, картридж может быть помещен в анализатор, который может принимать на себя контроль надлежащего заполнения камер 16 детектирования. Однако, тот же процесс также может быть выполнен, когда картридж уже находится в анализаторе, до и в ходе впуска пробы.

При наличии картриджа с надлежаще заполненной камерой 14 для хранения в анализаторе, анализатор должен инициировать заполнение камер 16 детектирования. Этот процесс управляется компьютерной программой и может быть сам по себе приведен в действие по сигналу, посылаемому пользователем (например, кнопкой, рычагом, закрытием крышки) или анализатором (например, обнаруживающим наличие пробы).

Фактическое приведение в действие заполнения происходит за счет открытия отверстия вентиляционного клапана, например, в позиции 20 (или у отверстия 18 вентиляционного клапана) за счет прокалывания покрывающей фольги прокалывающим элементом, имеющимся в анализаторе. Поскольку вход в подающий 15 капиллярный канал расположен в точке B между позициями A и C, проба у этого входа всегда присутствует (принцип LIFO).

Фигура 4 иллюстрирует профиль давления в картридже 10 по Фигуре 2 на позициях вдоль подающего канала к камерам детектирования, после заполнения резервуара и до и в ходе исходной фазы заполнения камер детектирования. Для простоты, давления 15 подающего капиллярного канала и 16 обработки/камеры детектирования представлены одним элементом с давлением p_D.

Заштрихованная область отображает местоположение жидкости после этапа впуска пробы, описанного выше. Соответствующие капиллярные давления для заполнения подающего 15 капиллярного канала представляют собой пониженное давление p_B в упомянутом канале, несколько большее, чем пониженное давление p_C в камере 14 для хранения, и пониженное давление p_D, которое опять-таки несколько больше. Хотя в направлении C-B-D существует капиллярное перепад давлений, фактическое заполнение B, а впоследствии и D, не происходит, поскольку за счет сжатия воздуха в подающем канале и камерах детектирования выросло противодавление, поскольку вентиляционные каналы 18 и 20 еще закрыты.

После открытия вентиляционного клапана 18 или 20, проба движется дальше в подающий канал по направлению к камерам детектирования. Размеры, а следовательно, и давления спроектированы таким образом, чтобы время заполнения каналов и камер удовлетворяло определенным требованиям. Обратное всасывание, осуществляемое камерой 14 для хранения, не должно быть слишком большим. Поток пробы останавливается при достижении прекращения течения текучей среды во всех камерах.

Фигура 5 показывает профиль капиллярного давления из камеры 14 для хранения в точке C через впускной капиллярный канал к подающему 15 капиллярному каналу (в точке B) и камеры детектирования 16 в точке D. Капиллярные давления опять-таки обозначены как отрицательные (всасывание). Должна быть заполнена, по меньшей мере, заштрихованная область (подающий канал и камеры детектирования). Объем этой область определяет минимальный объем V_min.

При наличии слишком маленького объема пробы, фронт жидкости со стороны резервуара попадает в канал после позиции B. В этом случае, проба не достигает прекращения текучей среды в одной или более камерах детектирования, что приводит к невоспроизводимым результатам. При избытке пробы, некоторая часть пробы будет оставаться в камере для хранения и в части выпускного отверстия.

Итак, был описан вариант воплощения картриджа для обработки жидкой пробы, например, для выявления компонентов в пробе крови. Картридж содержит флюидальную систему со впускным отверстием, ведущим через впускной капиллярный канал к камере для хранения. Более того, подающий капиллярный канал ведет из камеры для хранения к камере детектирования. Конструкция картриджа такова, что давление капиллярного всасывания, оказываемое впускным капиллярным каналом и камерой для хранения, меньше давления капиллярного всасывания, оказываемого подающим капиллярным каналом и камерой детектирования. Более того, является предпочтительным, чтобы камера для хранения была расположена близко к впускному отверстию, для обеспечения короткого времени подачи.

Следует отметить, что описанная конструкция картриджа предназначена для использования небольшого объема пробы, например, примерно менее 3 мкл. Это является выгодным, поскольку это менее инвазивно для пациента и занимает более короткое время для получения пробы. Прием пробы осуществляется за счет резкого снижения мертвого объема в переднем конце картриджа. В идеале, после заполнения камер, только подающий канал содержит избыток. Входной канал и резервуар затем становятся пустыми или почти пустыми (для надежности последних стадий заполнения камеры).

Как было упомянуто выше, является предпочтительным, чтобы базовая 11 часть описанного картриджа была изготовлена путем литья под давлением. Типичный процесс (микро-) литья под давлением содержит перенос термопластичного материала в форме гранул из бункера в нагретый барабан, вследствие чего он становится расплавленным и мягким. Материал затем продавливается под давлением внутрь полости пресс-формы, где он подвергается воздействию внешнего давления в течение определенного времени, для компенскции усадки материала. Материал затвердевает, поскольку температура пресс-формы падает ниже температуры стеклования полимера. По истечении достаточного времени, материал змерзает в форме пресс-формы, и его извлекают, и этот цикл повторяют. Типичный цикл длится от нескольких секунд до нескольких минут.

Пресс-формы, изготавливаемые для (микро-) литья под давлением, могут состоять из фиксированной детали и одной или более движущихся деталей, в зависимости от конструкции. Готовые детали могут быть извлечены из пресс-формы с помощью выталкивающих штифтов, которые можно контролировать гидравлически и электрически. Для пресс-форм, используемых в (микро-) литье под давлением, особенно для микрофлюидальных применений, микрополости могут быть образованы на вкладыше, который затем вставляют в основной корпус пресс-формы. Вообще говоря, в технологиях изготовления пресс-форм, где желательны различные высоты элементов или различные качества обработки поверхности, пресс-форма может быть изготовлена с вкладышами. Тогда как основную пресс-форму обычно изготавливают из стали, вкладыши могут быть изготовлены из других материалов, в зависимости от используемой технологии.

В результате введения вышеупомянутых вкладышей, разница высот может иметь место из-за допусков, что приводит к образованию линии сопряжения между вкладышем и основным корпусом, что, в свою очередь, может породить разница высот на прессуемой детали. Это сопряжение вкладыша обычно не бывает предпочтительным, и является нежелательным для микрофлюидальных рабочих характеристик. Сопряжение вкладыша может действовать как ограничитель для текучей среды для микрофлюидного устройства.

Ввиду вышесказанного, предложен микрофлюидальный признак на сопряжении вкладыша или линия сопряжения, которая не зависит от разности высот и не действует как препятствие для текучей среды. Этот подход будет в дальнейшем разъяснен применительно к примеру картриджа, описанного выше, хотя он может быть аналогично применен во многих других ситуациях, а также для изготовления других продуктов.

Фигура 6 показывает вид сверху в перспективе базовой 11 части картриджа 10 (как было описано выше) в качестве конкретного примера микрофлюидного устройства с несколькими функциями, такими как каналы, реакционные камеры, ограничители для текучей среды, и т.д. Пунктирная линия TL обозначает границу отдельного вкладыша в пресс-форме для литья под давлением, используемого для получения всего устройства. Граница вкладыша в пресс-форме приводит к образованию линии построения на продукте, и упомянутая линия в дальнейшем называется «линией сопряжения» TL. Эта линия сопряжения TL может возвышаться или быть углублена в пластике, в зависимости от сочетания пресс-форма-вкладыш и от допусков пресс-формы и/или вкладыша. Как видно, микрофлюидальный канал 15 пересекает эту линию сопряжения TL вкладыша, приводя к сопряжению канала, вызванному выравниванием и допусками по выравниванию для обеих частей пресс-формы.

Фигура 7 показывает расширенный вид сверху области вокруг канала 15 у линии сопряжения TL. Канал 15 содержит первую часть 15a, которая расположена в пределах пунктирной области и, таким образом, образованной вкладышем в ходе литья под давлением. У линии сопряжения TL эта первая часть 15a канала проходит через нее ко второй части 15b канала 15. Кроме того, видно, что «флюидальный элемент» FE расположен на конце части 15a первого канала, а упомянутое флюидальный элемент имеет треугольную форму, которая соответствует непрерывному повышению поперечного сечения канала 15 в направлении потока (фигурная стрелка) вплоть до линии сопряжения TL. В частности, ширина флюидального элемента FE в направлении x повышается в направлении потока от (номинальной) ширины w_ch части 15a первого канала до ширины w_FE у линии сопряжения TL. Аналогичное повышение размеров флюидального элемента FE возникает в направлении z.

Иными словами, флюидальный элемент FE состоит из треугольного геометрического элемента с размерами на границе (на линии сопряжения), большими, по сравнению с каналом после сопряжения с вкладышем, для ширины и высоты сопряжения. В конкретном случае размеры канала после линии сопряжения TL могут составлять примерно 200 мкм в ширину и в высоту. Глубина и ширина w_ch канала до линии сопряжения TL может составлять примерно 250 мкм, а ширина w_FE у сопряжения - примерно 550 мкм.

Геометрический элемент треугольной формы может быть выбран, поскольку он минимизирует объем в каналах. Однако, это не является обязательным для функционирования элемента. Размеры таковы, что допуски вкладыша в пресс-форме во всех направлениях более мелкие, по сравнению с разницей в размерах до и после сопряжения. Также возможны и другие разновидности этого элемента.

Описанный флюидальный элемент FE позволяет существовать безошибочному автономному потоку через границу вкладыша микрофлюидных устройств с сопряжениями вкладышей. Как показано в примере, геометрический элемент треугольной формы может быть встроен в микрофлюидальный канал устройства.

Фигура 8 схематически показывает вариант воплощения пресс-формы 50 для литья под давлением в поперечном сечении на позиции, соответствующей пунктирной линии VIII-VIII по Фигуре 6 (сечения через материал заштрихованы, виды сбоку на компоненты - нет). Видно, что пресс-форма для литья под давлением содержит:

- первый 51 корпус пресс-формы, который в дальнейшем называется «вкладышем», поскольку он вмещается во второй 52 корпус пресс-формы. Из-за допусков компонента, существует более или менее четкое отклонение от идеального, гладкого сопряжения между первым и вторым корпусами пресс-формы вдоль «линии сопряжения» TL, где эти корпуса соединяются;

- упомянутый второй 52 корпус пресс-формы;

- третий 53 корпус пресс-формы.

Три корпуса 51, 52, 53 пресс-формы вместе образуют полость, в которой базовая 11 часть картриджа может быть образована путем литья под давлением.

Вкладыш 51 имеет несколько выступов, простирающихся в полость, которые генерируют углубления в полученном картридже. В частности,

- выступ P19 порождает отверстие 19 вентиляционного клапана,

- выступ P13 порождает впускной 13 капиллярный канал,

- выступ P15a порождает первую часть канала 15,

- выступ P15b порождает вторую часть канала 15.

Более того, выступ P15a увеличен за счет дополнительного выступа PFE, который порождает флюидальный элемент FE в конечном картридже 10.

Итак, был описан способ, который применим в ситуации технологий создания пресс-форм, и особенно в технологиях создания пресс-форм, где желательны различные высоты геометрических элементов, причем пресс-форму изготавливают с вкладышами. В результате наличия этих вкладышей, может появиться разность высот. Предложено добавить микрофлюидальный геометричекий элемент у сопряжения вкладыша, который не зависит от разности высот и не действует как ограничитель текучей среды.

Изобретение, среди прочего, применимо в микрофлюидальных системах, которые имеют разнообразные и широко распространенные применения. Некоторые примеры систем и процессов, в которых может быть задействована описанная технология, включают в себя анализ ДНК (например, полимеразную цепную реакцию и высокопроизводительное определение последовательности аминокислотных остатков), протеомику, струйные принтеры, оборудование для разделения клеток крови, биохимические испытания, химический синтез, генетический анализ, лекарственный скрининг, электрохроматографию, микрообработку поверхности, лазерную абляцию и непосредственную диагностику у постели больного.

Тогда как изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в вышеупомянутом описании, такую иллюстрацию и описание следует считать иллюстративными или примерными, а не ограничительными; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами воплощения. Другие видоизменения для раскрытых вариантов воплощения могут быть поняты и воплощены специалистами в данной области техники при реализации заявленного изобретения из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов, а единственное число не исключает множественности. Одиночный процессор или другой блок может выполнять функции нескольких объектов, перечисленных в формуле изобретения. Сам факт, что определенные меры перечислены в отличных друг от друга зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что нельзя успешно использовать сочетание этих мер. Компьютерная программа может быть сохранена/распределена на подходящем носителе, таком как оптический носитель данных или твердотельный носитель данных, обеспечиваемый вместе или как часть другого аппаратного оборудования, но также может быть распределена и в других формах, например, через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы. Никакие обозначения ссылок в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие объем.

Изобретение относится к картриджу для обработки жидкой пробы, например, для выявления компонентов в пробе крови. Картридж содержит флюидальную систему с впускным (12) отверстием, ведущим через впускной (13) капиллярный канал в камеру (14) для хранения. Подающий (15) капиллярный канал ведет из камеры (14) для хранения в камеру (16) детектирования. Конструкция картриджа такова, что впускной (13) капиллярный канал, который соединяет впускное (12) отверстие с камерой (14) для хранения, имеет давление капиллярного всасывания, достаточно высокое для введения некоторой пробы из впускного отверстия в камеру для хранения, без необходимости в каком-либо дополнительном давлении. Кроме того, элемент (18, 19, 20) картриджа для контроля потока адаптирован для внешнего управления таким образом, чтобы пробу можно было вытягивать из камеры (14) для хранения в камеру (16) для обработки без какого-либо активного откачивания. Технический результат: обеспечение удобного и надежного управления пробами, ускорение получения проб. 5 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Картридж (10) для обработки жидкой пробы, содержащий:

- впускное (12) отверстие, выполненное с возможностью размещения через него пробы;

- камеру (16) для обработки, в которой обеспечивается обработка пробы;

- камеру (14) для хранения, выполненную с возможностью хранения пробы в промежуточном положении, имеющую давление (p_C) капиллярного всасывания для хранения;

- впускной (13) капиллярный канал, который соединяет впускное (12) отверстие с камерой (14) для хранения, имеющий впускное (p_B) давление капиллярного всасывания, причем впускное (p_B) давление капиллярного всасывания и давление (p_C) капиллярного всасывания для хранения обеспечивают перемещение пробы из впускного отверстия в камеру для хранения без необходимости какого-либо дополнительного давления;

- подающий (15) капиллярный канал, который соединяет камеру (14) для хранения с камерой (16) для обработки, причем подающий (15) капиллярный канал и камера (16) для обработки имеют капиллярное (p_D) давление подачи; при этом давление (p_D) капиллярного всасывания подачи обеспечивает введение пробы из камеры (14) для хранения в камеру (16) для обработки, и давление (p_с) капиллярного всасывания для хранения ниже, чем давление (p_D) капиллярного всасывания подачи;

- элемент (18, 19, 20) для контроля потока, выполненный с возможностью такого внешнего управления, чтобы пробу можно было вытягивать из камеры (14) для хранения в камеру (16) для обработки без какого-либо активного откачивания;

при этом впускной капиллярный канал (13) и подающий капиллярный канал (15) имеют общую часть канала, которая служит как для отбора пробы в камеру (14) для хранения, так и для снабжения камеры (16) для обработки; и часть подающего капиллярного канала (15), которая не является общей с впускным капиллярным каналом (13), ответвляется от впускного капиллярного канала (13).

2. Картридж (10) по п. 1, в котором размеры камеры для хранения оптимизированы, чтобы иметь давление капиллярного всасывания для хранения, обеспечивающее время заполнения камеры для хранения менее чем около 5 с, предпочтительно менее 3 с и обеспечивающее время заполнения камеры для обработки меньше, чем установленный временной предел.

3. Картридж (10) по п. 1, в котором элемент (18) для контроля потока дополнительно выполнен с возможностью предотвращения прохода пробы в камеру (16) для обработки, когда проба входит в картридж (10) через впускное (12) отверстие, и для направления снабжения камеры (14) для хранения, хотя упомянутое давление капиллярного всасывания для хранения ниже, чем давление капиллярного всасывания подачи.

4. Картридж (10) по п. 1, в котором форма поперечного сечения подающего капиллярного канала (15) отлична от формы поперечного сечения впускного капиллярного канала (13).

5. Картридж (10) по п. 1, в котором впускной капиллярный канал (13) короче, чем камера (14) для хранения и/или подающий капиллярный канал (15).

6. Картридж (10) по п. 1, в котором длина впускного капиллярного канала (13) составляет примерно менее 5 мм, предпочтительно, примерно менее 3 мм.

7. Картридж (10) по п. 1, в котором вход подающего капиллярного канала (15) выполнен в стенке камеры (14) для хранения и находится вблизи соединения по текучей среде между впускным капиллярным каналом (13) и камерой (14) для хранения.

8. Картридж (10) по п. 1, в котором камера (14) для хранения, по меньшей мере, частично ограничена прозрачным окном.

9. Картридж (10) по п. 1, в котором камера (14) для хранения содержит по меньшей мере один комплект штифтовых структур (21) и/или по меньшей мере одну метку для надежной индикации адекватности пробы.

10. Картридж (10) по п. 1, в котором элемент (18) для контроля потока представляет собой отверстие, открываемое контролируемым образом.

11. Картридж (10) по п. 1, в котором камера (16) для обработки выполнена с возможностью оптических измерений, в частности, для FTIR-измерений или измерений рассеянного света.

12. Картридж по п. 1, в котором по меньшей мере один из каналов (13, 15) дополнительно пересекается линией сопряжения (TL), образованной различными корпусами (51, 52) пресс-формы для пресс-формы (50) для литья под давлением, используемыми для изготовления микрофлюидного устройства,

причем упомянутый канал (13, 15) содержит флюидальный элемент (FE), который компенсирует возможное препятствие для потока, создаваемое линией сопряжения (TL).

13. Прибор для обработки пробной текучей среды в картридже (10), содержащий:

- картридж по п. 1;

- детектор адекватности пробы для определения того, что установленное количество пробы было отобрано картриджем (10);

- привод открывания, который может открывать элемент (18) для контроля потока картриджа (10), если детектор адекватности пробы определил установленное количество пробы.

14. Способ для обработки жидкой пробы в картридже, согласно которому применяют картридж по п. 1 и осуществляют, по меньшей мере, следующие этапы, на которых:

a) вытягивают пробу первыми капиллярными силами в камеру (14) для хранения, когда элемент (18) для контроля потока не приведен в действие;

b) приводят в действие элемент (18) для контроля потока для продвижения пробы вторыми капиллярными силами из камеры (14) для хранения в камеру (16) для обработки;

c) обрабатывают пробу в камере (16) для обработки.

15. Способ по п. 14, согласно которому продолжительность вытягивания на этапе a) меньше, чем продолжительность продвижения на этапе b).

16. Способ по п. 14, согласно которому продолжительность вытягивания на этапе a) составляет примерно менее 5 с, предпочтительно примерно менее 3 с.

17. Пресс-форма (50) для литья под давлением для изготовления картриджа (10) по п. 1, причем пресс-форма содержит первый корпус (51) пресс-формы и второй корпус (52) пресс-формы, приводимые в контакт друг с другом по линии сопряжения (TL) для создания полости, в которой с помощью литья под давлением формируют картридж, в которой:

- первый корпус (51) пресс-формы имеет первый (P15a) выступ, соответствующий первой части (15a) по меньшей мере одного из каналов (13, 15) картриджа (10);

- второй корпус (52) пресс-формы имеет второй (P15b) выступ, соответствующий второй части (15b) этого канала (13, 15);

при этом:

- упомянутые первый и второй выступы (P15a, P15b) контактируют друг с другом по линии сопряжения (TL), соединяя первую и вторую части (15a, 15b) канала (15);

- первый и/или второй корпус (51, 52) пресс-формы содержит дополнительный выступ (PFE) для создания флюидального элемента (FE), который компенсирует возможное препятствие для потока, создаваемое линией сопряжения (TL).

18. Картридж (10) для обработки жидкой пробы, полученный литьем под давлением с помощью пресс-формы (50) для литья под давлением по п. 17.