用于微流体应用的流量控制器组件以及用于并行地执行多 个实验的系统 技术领域 本发明涉及一种微流体流量控制器组件， 并且涉及一种用于并行地执行多个实验 的系统， 特别是用于并行地执行多个微流体实验的系统。
背景技术 当要进行多个化学实验时， 目前的一般惯例是并行地进行这些实验以便节省时 间。 另外， 出于效率、 安全、 降低成本和节省空间的原因， 利用少量试剂在较小反应器中小规 模地进行这样的实验。 这种小型化的实验导致对在这样的小型实验中所使用的器材的特殊 要求。
在那些小型化的实验 ( 在本领域中通常称为 “微流体实验” ) 中， 流体试剂在每个 反应器中的流速 (flow rate) 相当低， 例如当流体为小于每分钟 1 毫升的液体时， 流体试剂 在每个反应器中的流速通常甚至小于每分钟 1 微升。当流体为气体时， 例如气体流速小于 100Nml/ 分钟的气体时， 经常产生小于 50Nml/ 分钟的流速。对这么小的流量的控制需要专 用器材 (equipment)。
当那些小型化的实验并行地进行时， 流体试剂的流量 (flow) 通常必须在多个反 应器上均匀地分布， 或者必须以流速的预定比率分布。由于常规流量控制器通常笨重且昂 贵， 所以例如在 WO99/64160 中已经提出了使用被动流量控制器， 例如用于流量控制的毛细 管。 然而， 毛细管已经证明难以进行标定， 这是因为其对于流体流的阻力对于毛细管的内径 和长度相当敏感。由于制造公差， 已经证明需要经过繁杂的工艺才能获得具有恰好的预期 流动阻力的毛细管。另外， 毛细管为易碎器材， 因此对于实验室人员来说其是难以操作的。
WO99/64160 另外公开了一种用于控制毛细管中的流速的方法， 从而使其成为主动 流量控制器而非被动流量控制器。在该方法中， 通过对毛细管进行加热而使流体经过毛细 管的流速改变。 这就使流体的粘度降低， 从而毛细管对于流体流的阻力减小， 并且经过毛细 管的流速增大。质量流传感器测量加热器下游的流速。质量流传感器的测量数据被用于控 制系统的反馈回路中。
该方法可以克服毛细管具有的某些标定的问题， 但是仍遗留了毛细管易碎的问 题。另外， 难以将加热器和传感器安装在毛细管上。这是极为不利的， 由于不同实验中的预 期流型 (flow regime) 存在差异或者不同实验中的流体试剂的粘度存在差异， 所以通常对 于每一次新的实验都必须配备新的毛细管。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于微流体应用的改进的流量控制器组件， 以及一种用 于并行地执行多个实验的改进的系统。
利用根据权利要求 1 的流量控制器组件并利用根据权利要求 11 和 16 的用于执行 并行实验的系统来实现上述目的。在根据本发明的流量控制器组件中以及在采用同样总体思路的系统中， 微流体芯 片设置为具有经过其中的通道。 所述微流体芯片中的所述通道具有与公知系统中的毛细管 相似的功能 ： 对于流体流提供预定阻力， 与实验平台的其它部分中的流动阻力相比， 所述预 定阻力优选为相对较高。
所述微流体芯片能够由玻璃 ( 例如硼硅酸盐玻璃 )、 石英、 计算机芯片类二氧化 硅、 金属等等制成。其比总体上长且细并且松软的毛细管更易于操作。所述微流体芯片还 远比毛细管更为坚固。微流体芯片可以例如从 Micronit， NSG Precision Cells Inc. 和 MicroLIQUID 商购得到。微流体芯片被用于例如诊断试验、 毛细管电泳、 DNA 测序或细胞计 数。 通常， 那些微流体芯片与芯片座集合在一起， 所述芯片座使得易于将流体供应管线和流 体排放管线连接到所述微流体芯片。 这就有助于快捷且容易地实现所述流量控制器和所述 并行实验系统的架设。
根据本发明的所述流量控制器组件进一步包括热能传送器。这可以是加热器、 冷 却器或者能够进行加热以及冷却的设备。 所述热能传送器适于对所述微流体芯片中的所述 通道的至少一部分进行加热和 / 或冷却。通过这样做， 经过所述通道的该部分流动的任何 流体也被加热和 / 或冷却， 从而使其粘度发生改变。由于流体的粘度是确定对于通道的流 体流的阻力的参数之一， 因此经过该通道的流体流的流速同样受到影响。 通常而言， 如果所 述通道被加热， 则流体的粘度将降低， 并且流速将加快。当所述通道被冷却时， 则相反。该 原理用于主动地控制经过根据本发明的所述流量控制器组件中的所述通道的流速。 在主动流量控制器 ( 例如根据本发明的控制器 ) 中， 对实际流速进行测量， 并且将 所述实际流速与预期流速的预设数值进行比较。 如果测得的流速和预期流速之差超过特定 阈值， 则采取动作减小该差。 所述阈值的数值取决于特定应用 ； 在某些应用中所述阈值可以 为零， 因此在所架设的流量控制器组件中并不存在真实阈值。 在其他应用中， 所述阈值可以 例如为预期流速的 5％。在那种情况下， 处于所述预期流速的最佳数值周围 +5％到 -5％的 带宽之内的测得的流速并不引起所述热能传送器的热输出的改变。因此， 在权利要求 1 中 提到的所述预设预期流速可以要么为某一数值要么为某一范围。
所述热能传送器能够设计为循迹导线 (tracing wire)， 所述循迹导线毗邻所述通 道而设置或者毗邻所述通道的一部分而设置。 所述循迹导线能够附接到所述微流体芯片的 外侧， 或者所述循迹导线能够嵌入所述微流体芯片中。微流体芯片通常由两层基片构成。 在一层中， 所述通道例如由 ( 微 ) 机械加工制成或者由刻蚀制成。所述通道在一侧的整个 长度上是开放的。第二层基片覆盖所述第一层， 并且在其整个长度上使所述通道闭合。当 然， 所述通道的入口和出口仍然开放。循迹导线可以设置在所述第一基片层和第二基片层 之间。代替循迹导线， 能够使用沉积在所述层中的一层或两层上的金属循迹。还可以使用 沉积在所述微流体芯片的外侧上的金属。
可替代地或额外地， 所述微流体芯片可以通过将其设置在热流体中或者毗邻热流 体进行设置而被加热或冷却， 所述热流体是流动的或者静止的。所述微流体芯片还可以包 括用于使所述热流体穿过的第二通道。
可替代地或额外地， 冷却能够借助于珀耳帖元件 (Peltier element) 而得以实现。
为测量所述实际流速， 将流量传感器设置在根据本发明的所述流量控制器组件 中。在实践中， 利用时差测距 (time-of flight) 原理的流量传感器已经成为一个适合的选
择。在这样的传感器中， 在所述通道的第一位置处， 对于流体给出标记。在所述第一位置下 游的第二位置处， 检测所述标记的经过。记录在所述第一位置处施加所述标记和在所述第 二位置处检测所述标记之间流逝的时间。 因为所述第一位置和所述第二位置彼此的距离是 已知的， 所以能够从所记录的时间流逝来计算所述流速。
在特别有利地实施方案中， 时差测距流量传感器利用热脉冲作为标记。在这样的 实施方案中， 热脉冲元件设置为在第一位置处毗邻所述通道。所述热脉冲元件能够例如为 具有电阻的导线， 所述导线附接到所述微流体芯片， 或者所述热脉冲元件能够包括沉积在 所述微流体芯片上或所述微流体芯片中的金属。 通过将所述导线或金属沉积物连接到电源 就能够产生热脉冲。所述热脉冲元件的该实施方案适合于集成到所述微流体芯片的设计 内。所述热脉冲由热脉冲传感器进行检测， 所述热脉冲传感器毗邻所述微流体芯片中的所 述通道而设置在第二位置处， 并且位于与所述热脉冲元件相距已知距离的下游。
在有利实施方案中， 壳体设置为能够容放所述微流体芯片， 并且还可以容放所述 流量控制器组件的其它元件。 优选地， 该壳体是气密的， 从而如果试剂——例如为气体或液 体形式——发生某种逸出 ( 例如由于泄漏而逸出 )， 就降低了安全风险。优选地， 所述壳体 是绝热的。这就提高了所述流量控制器的精度和响应时间。
在优选实施方案中， 所述壳体具有指示器， 所述指示器指示微流体芯片是否存在。 在优选实施方案中， 所述壳体具有连接器， 用于连接流体供应管线和 / 或流体排放管线。 所述流量控制器组件能够包括多个微流体流量控制器。
在用于并行地执行多个实验 ( 或者大体上为化学反应 ) 的系统中， 设置了根据本 发明的流量控制器组件。该流量控制器组件连接到至少一个流体试剂源。所述系统进一步 包括多个反应器， 所述反应器经由所述流量控制器组件连接到所述流体试剂源。
在可能实施方案中， 设置了根据本发明的多个流量控制器组件， 每一个流量控制 器组件包括单个微流体流量控制器。在该实施方案中， 所有流量控制器组件连接到所述流 体试剂源。所述流量控制器组件中的每一个都连接到单个反应器。
在不同的可能实施方案中， 设置了单个根据本发明的流量控制器组件， 所述流量 控制器组件包括单个微流体流量控制器。在该实施方案中， 所有流量控制器组件连接到所 述流体试剂源。所述流量控制器组件连接到多个反应器。
在另外的可能实施方案中， 设置了单个根据本发明的流量控制器组件， 所述流量 控制器组件包括多个微流体流量控制器。在该实施方案中， 流量控制器组件连接到所述流 体试剂源。所述微流体流量控制器中的每一个都连接到单个反应器。
在另外的可能实施方案中， 设置了多个根据本发明的流量控制器组件， 所述流量 控制器组件包括多个微流体流量控制器。在该实施方案中， 所述流量控制器组件连接到所 述流体试剂源。所述微流体流量控制器中的每一个都连接到单个反应器。
上述实施方案也可以进行组合。 这些实施方案中的任意一个都可以包括多个流体 试剂源。
所述系统可以包括系统控制单元， 所述系统控制单元连接到所述系统的独立的微 流体流量控制器的数据控制单元。
可以设想， 对于所述系统中的所有微流体流量控制器， 所述预设预期流速都是相
同的。还可以设想， 所述预期流速按照预定比值在所述系统的全部所述微流体流量控制器 上进行分布， 所述预定比值例如为 1 ∶ 2 ∶ 3 ∶ 4……。
在用于并行地执行多个实验 ( 或者大体上为化学反应 ) 的系统 ( 其包括根据本发 明的多个微流体流量控制器和 / 或流量控制器组件 ) 中， 可以共用某些元件。例如， 可以具 有热能传送器， 所述热能传送器作用在所述系统中的多个通道上。也可以存在系统数据控 制单元， 所述系统数据控制单元从多个流量传感器接收流速测量数据， 并且 / 或者调节多 个热能传送器的热输出。还可以将多个微流体芯片设置在单个壳体中。 附图说明
将参考附图对本发明进行更为具体的解释， 在附图中显示了本发明的非限制性实 施方案。附图显示了 ：
图 1 为可商购的微流体芯片的实例 ；
图 2 为根据本发明的微流体流量控制器的第一实施方案 ；
图 3 为根据图 2 中的流量控制器组件具有壳体的实施方案 ；
图 4 为根据本发明的流量控制器组件的第二实施方案 ； 图 5 为图 4 中的实施方案的变型 ；
图 6 为反应系统中采用的根据本发明的流量控制器组件 ；
图 7 为用于使用根据本发明的流量控制器组件进行多个并行实验的反应系统 ；
图 8 为用于使用根据本发明的流量控制器组件进行多个并行实验的反应系统的 第二实施方案 ；
图 9 为根据本发明的反应系统的第三实施方案 ；
图 10 为将本发明所使用的微流体芯片设置在壳体中的另一个可能实施方案 ；
图 11 为微流体芯片的壳体的又一个实施方案， 该微流体芯片能够用于根据本发 明的流量控制器组件中。
具体实施方式
图 1 显示了可商购的微流体芯片 10 的实例。该芯片 10 包括通道 11， 通道 11 具有 通道入口 12 和通道出口 13。芯片 10 包括第一基片层 14 和第二基片层 15。
在该实例中， 微流体芯片 10 由硼硅酸盐玻璃制成。然而， 本发明中所使用的微流 体芯片还可以由其它材料制成， 例如不同类型的玻璃、 石英、 二氧化硅 ( 例如， 用于电子芯 片的材料或者与其相似的材料 ) 或金属。
在图 1 的实例中， 通道 11 在第一基片层 14 中被刻蚀或者被 ( 微 ) 机械加工。通 道 11 在其整个长度上开放， 因为这是在第一基片层 14 中形成通道 11 的最便利方式。 然后， 通过在第一基片层 14 的顶部上设置第二基片层 15， 通道 11 在其整个长度上闭合。基片层 14、 15 随后彼此联结 (bond)， 使得流体不能够从通道 11 逸出到第一基片层 14 和第二基片 层 15 之间的界面内。基片层 14、 15 彼此的联结能够例如通过胶合、 焊接等得以实现。联结 工艺的最佳选择将例如取决于基片层的材料以及微流体芯片上的压力要求。
通道入口 12 和通道出口 13 在图 1 的实例中设置在芯片 10 的顶部处。然而， 它们 还能够设置在芯片 10 的四个侧面中的一个侧面或更多侧面处并且 / 或者设置在芯片 10 的底部处。 图 2 显示了根据本发明的微流体流量控制器的第一实施方案。
图 2 显示的微流体芯片 10 包括用于容放流体流的通道 11。流体可以是气体、 液 体、 气体和液体的组合物、 凝胶等等。
通道 11 具有通道入口 12， 通道入口 12 可以连接到流体源， 例如处于压力之下的大 量气体或液体。该通道还具有通道出口 13， 通道出口 13 可以连接到另外的流体导管， 该流 体导管将流体抽取到使用流体的地点 ( 像如反应器 ) 或消耗流体的地点。
根据本发明的微流体流量控制器包括热能传送器 20。实际中， 芯片 10 具有循迹 导线 21， 在该实例中， 循迹导线 21 在通道 11 的两侧上沿着通道 11 的一部分延伸。循迹导 线 21 具有电阻， 这使得循迹导线 21 在电流经过其流动时升温。循迹导线 21 优选为在基片 层 14、 15 之间嵌入微流体芯片 10 中。其可以是例如胶合到基片层 14、 15 中的至少一个基 片层的实际导线， 但是其还可以由例如借助于化学蒸气沉积法而沉积在基片层 14、 15 中的 一个基片层上的金属制成。
作为替代或额外地， 循迹导线也能够设置在微流体芯片 10 的外表面上。
在图 2 的实例中， 循迹导线 21 沿着通道 11 延伸。然而， 其也可以按照不同图案 ( 例如按照网格 ) 进行铺设。
循迹导线 21 具有连接点 23。在这些点 23 处， 可以附接连接导线 24。连接导线 24 使循迹导线 21 与热控制器 22 连接。热控制器 22 控制热能传送器 20。
作为替代或额外地， 热能传送器 20 能够具有珀耳帖元件， 从而也可以实现对通道 11 的冷却。
可以设置热传感器 ( 在图 2 中未示出 )， 其测量流过通道 11 的流体的温度， 或者例 如在邻近通道 11 的微流体芯片的表面的温度。
微流体流量控制器进一步包括流量传感器 30。 在该实例中， 流量传感器 30 利用时 差测距原理对经过通道 11 的流体流的流速进行测量。
为此目的， 流量传感器 30 已经具有热脉冲元件 31。该热脉冲元件 31 毗邻通道 11 而设置。在该实例中， 热脉冲元件具有两个热主动部件 31a、 31b， 热主动部件 31a、 31b 设置 在通道 11 的每一侧上。然而， 热脉冲元件也可以设置在通道 11 的一侧上， 或者热脉冲元件 也可以至少部分地在通道 11 周围延伸。
热脉冲元件 31 设计为在通道 11 中的流体中产生热脉冲， 例如热量脉冲。
在热脉冲元件 31 的下游， 在与热脉冲元件 31 相距一定距离处设置有热传感器 32。 该热传感器 32 检测由热脉冲元件 31 产生的热脉冲的经过。由于热脉冲元件 31 和热传感 器 32 之间的距离是已知的， 所以通道中的流体中的热脉冲抵达热传感器 32 所花费的时间 指示了通道 11 中的流体的流速。
流量传感器 30 由传感器控制单元 33 控制。 该传感器控制单元具有计时器， 该计时 器确定由热脉冲元件 31 产生热脉冲和由热脉冲检测器 32 检测热脉冲之间所流逝的时间。 该时间流逝称为 “时差” 。
由热脉冲元件产生的连续的热脉冲可以全部具有相同的强度和长度， 但是这些热 脉冲在强度和 / 或长度上也可以不相同。当两个连续脉冲之间的时间短于脉冲抵达热脉冲 检测器所耗费的时间时， 这是特别有用的。通过识别每一个脉冲的强度和 / 或长度， 流量传
感器控制单元就能够计算出属于每一个单独脉冲的正确时差。
在该实例中， 流量传感器 30 设置在热能传送器的毗邻通道 11 而设置的那部分的 下游。然而， 流量传感器 30 也能够设置在其上游。在热能传送器的毗邻通道 11 而设置的 那部分的上游和 / 或下游也可以存在多个流量传感器 30。在先进的实施方案中， 一个流量 传感器设置在热能传送器的毗邻通道 11 而设置的那部分的上游， 并且一个流量传感器设 置在其下游。在该实施方案中， 可以监测热能传送器 20 对于经过通道 11 的流速的影响。
代替按照时差测距原理工作的流量传感器或者除了该流量传感器之外， 可以采用 其它类型的流量传感器。
微流体流量控制器还包括对微流体流量控制器进行控制的数据控制单元 40。 数据 控制单元 40 借助于第一数据连接件 41 连接到流量传感器 30。该第一数据连接件 41 允许 数据控制单元从流量传感器 30 接收流量测量数据。
数据控制单元进一步包括第二数据连接件 42。该第二数据连接件 42 使数据控制 单元 40 与热能传送器 20 连接。数据控制单元 40 适合于控制热能传送器 20 的热输出。
用于热能传送器 20 的控制器 22 和 / 或流量传感器控制单元 33 可以集成在数据 控制单元 40 中， 或者可以与其分离。 另外， 流量传感器组件可以进一步包括第二热传感器 ( 未显示 )， 该第二热传感器 用于监测穿过通道 11 的流体的温度。利用来自该传感器的数据来确保当热能传送器对通 道 11 中的流体进行加热或冷却时在通道中的流体中不出现非预期的温度水平。例如， 如果 流体已知在特定温度之上降解， 则该第二传感器能够将数据提供到数据控制单元， 该数据 控制单元转而防止热能传送器使通道中的流体升温到高于该降解温度的温度。 该特征还有 助于防止由于系统错误而产生非预期的加热或冷却， 例如当预期流速设定到由该系统所不 能达到的数值 ( 例如， 极低或极高 ) 时， 或者当由于系统故障而不能将足够的流体供应到微 流体芯片时。
根据本发明的微流体流量控制器的操作如下。
在数据控制单元中进行设定预期流速。该预期流速可以是用于流速的数值 ( 例 如： 每分钟 0.1ml)， 或者流速范围 ( 例如， “在每分钟 0.05ml 与每分钟 0.15ml 之间” 或者 “每分钟 0.1ml+/-10％” )。
流体经由通道入口 12 进入微流体流量控制器， 并且穿过微流体芯片 10 中的通道 11。流量传感器 30 测量通道 11 中的流体的流速。由流量传感器 30 获得的流量测量数据 经过第一数据连接件 41 传送到数据控制单元 40。
在数据控制单元 40 中， 将所测得的流速与预设的预期流速进行比较。如果所测得 的流速不同于预期流速的预设数值或者落在预设流速范围之外， 则采取动作使流速适应。
流速的这种适应通过起动热能传送器 20 而得以实现。如果所测得的流速低于预 期流速或低于最小预期流速， 则热能传送器为流量通道提供额外的热量。 以此方式， 微流体 芯片的通道中的流体的粘度降低， 并且通道中的流体的流速加快。替代粘度改变或者除了 粘度改变之外， 其它效应也可以在改变流速时发挥作用， 例如流体和 / 或通道的热膨胀。
如果所测得的流速高于预期流速或高于最大预期流速， 则热能传送器为流量通道 提供较少的热量， 或者甚至主动地对通道进行冷却。 以此方式， 微流体芯片的通道中的流体 的粘度升高， 并且通道中的流体的流速减慢。 替代粘度改变或者除了粘度改变之外， 其它效
应也可以在改变流速时发挥作用， 例如流体和 / 或通道的热膨胀。热能传送器能够通过减 少热输出而供应较少的热量。冷却能够例如借助于珀耳帖元件而得以实现。
在可能的实施方案中， 以迭代步骤 (iterating steps) 完成流速的适应。热输出 例如改变为使循迹导线升温 1 摄氏度， 然后确定对于流速的影响。如果流速未被足够地加 快， 则循迹导线 21 被另外升温 1 摄氏度， 并且再次对流速进行测量。这样重复直到获得预 期流速， 或者直到流速处于预期范围之内。
如果流速处于预期数值处或者预期范围之内， 则热能传送器的热输出修改为使流 体的温度不改变太多。
图 3 显示了根据图 2 中的流量控制器组件具有壳体 50 的实施方案。
在图 3 的实例中， 热控制器 22、 传感器控制单元 33 和数据控制单元设置在壳体 50 外部。然而， 这些零件中的一个或者更多个还可以设置在壳体 50 内部。
壳体 50 是绝热的。这减少了组件的热量散失。这就使得流速的控制更为准确且 有效。 当提高了良好的绝热时， 由于散失到环境中的热量减少， 热能传送器的热输出有效地 用于对通道中的流体进行加热或冷却。这样还使得流量控制器组件的响应时间缩短 ： 更快 地获得预期流速。 在图 3 的实施方案中， 壳体 50 具有连接器 51， 连接器 51 使流体供应管线 16 容易 地连接到微流体芯片 10 的入口 12， 并且使流体排放管线 17 容易地连接到微流体芯片 10 的 出口 13。
有利地， 壳体 50 是气密的且 / 或液体密封的。在此情况下， 如果微流体芯片 10 发 生泄漏， 以及 / 或者在微流体芯片 10 和流体供应管线 16 之间的连接发生泄漏， 以及 / 或者 在微流体芯片 10 和流体排放管线 17 之间的连接发生泄漏， 则气体或液体不会逸出壳体。
在图 3 的实施方案中， 设置有指示器 52。指示器 52 指示壳体 50 中是否存在微流 体芯片 10。在该实例中， 指示器安装为使其能够围绕轴线 53 枢转。指示器 52 被弹簧偏压， 使得当壳体中不存在微流体芯片 10 时， 指示器的尖端接近壳体 50 的外部面。在图 3 中以 虚线显示了指示器 52 的这一位置。当微流体芯片 10 插入壳体 50 中时， 其向外推动指示器 52。在图 3 中以实线显示了这一位置。
当然， 这只是能够如何实现指示器的一个实例， 该指示器对壳体 50 中是否存在微 流体芯片 10 进行显示。例如， 还可以为壳体 50 设置窗口， 通过该窗口可以直观地检查是否 存在微流体芯片 10。其它选择例如是， 通过在壳体 50 中设置微流体芯片 10 来对开关进行 操作， 例如， 该操作使电路闭合从而使灯 ( 例如 LED) 开启。
图 4 显示了根据本发明的流量控制器组件的第二实施方案。
在图 4 的实施方案中， 与前述实施方案一样， 微流体芯片 10 设置在壳体 50 中。微 流体芯片 10 还包括入口 12、 出口 13 和从入口 12 延伸到出口 13 的通道。壳体具有连接器 51， 连接器 51 使流体供应管线 16 联接到微流体芯片 10 的入口 12， 并且使流体排放管线 17 联接到微流体芯片 10 的出口 13。另外， 设置有时差测距型流量传感器 30， 与前述实施方案 一样。然而， 在图 4 的实施方案中， 使用了不同类型的热能传送器。
在图 4 的实施方案中， 设置有用于热流体的存储器 60。 该存储器 60 借助于热流体 供应管线 61 和热流体排放管线 62 而与壳体 50 的内部流体连通。热流体存储器 60 中的热 流体的温度由热控制器 22 进行控制。热流体泵 63 设置并布置为使得热流体能够经过如箭
头 TF 所示的回路而循环， 该回路包括存储器 60、 热流体供应管线 61、 壳体 50 的内部以及热 流体排放管线 62。
操作时， 热流体存储器 60 至少部分地填充有热流体， 该热流体是能够将热量传送 到物体的流体， 或者是这样的流体 ： 热量能够从物体传送到该流体。 在存储器 60 中， 热流体 被加热或冷却到预期温度。为此目的， 热流体存储器 60 具有加热器和 / 或冷却器。热控制 器 22 控制存储器 60 中的温度。
热控制器 22 使得热流体存储器 60 的加热器或冷却器将热流体的温度达到预期温 度。泵 63 使得热流体经过包括存储器 60、 热流体供应管线 61、 壳体 50 的内部以及热流体 排放管线 62 的回路而循环。以此方式， 热流体还在微流体芯片上流动， 从而对微流体芯片 10 进行加热或冷却， 并且利用其同样对微流体芯片的通道 11 中的流体进行加热或冷却。
微流体芯片的通道中的流体的粘度随着温度的改变而改变， 并且通过粘度的改 变， 通道中的流体的流速也改变。 替代粘度改变或者除了粘度改变之外， 其它效应也可以在 改变流速时发挥作用， 例如流体和 / 或通道的热膨胀。
图 5 显示了图 4 中的实施方案的变型。在该变型中， 热流体并非自由地流过壳体 50， 而是流过通路 64。该通路 64 设置在壳体 50 内部， 使得流过通道 64 的热流体能够对微 流体芯片 10 的通道 11 中存在的任何流体进行加热或冷却， 例如通过对微流体芯片 10 进行 加热和 / 或冷却而实现此点。 图 6 显示了反应系统中采用的根据本发明的流量控制器组件。在图 6 的实例中， 使用了根据图 2 的流量控制器组件， 但是本领域技术人员将清楚， 也可以使用根据本发明 的流量控制器组件的其它实施方案。
在根据图 6 的反应系统中， 设置有流体试剂源 70。该源借助于流体供应管线 16 而与流量控制器组件的通道 11 流体连接。流体排放管线 17 连接到流量控制器组件的出口 13， 并且连接到反应容器 71， 反应容器 71 在该实例中具有固定床 73。然而， 反应容器 71 可 以为适合于待执行反应的任何类型。因此， 流体排放管线 17 在流量控制器组件和反应容器 71 之间提供了流体连通。流体流或试剂以及反应产物由箭头 F 指示。
反应产物从反应容器 71 经过反应产物排放管线 72 而被移除。该管线可以将反应 产物例如带到在线分析器、 用于离线分析的收集点、 废弃物或选择阀。
在图 6 的系统中， 使用流量控制器组件控制试剂从源 70 到反应容器 71 的流速。
通常而言， 流体试剂源 70 会被加压， 以便使流体试剂流动到反应容器 71。 然而， 还 可以使用产生流体流的其它方式， 例如采用电位差。
图 7 显示了用于进行多个并行实验的反应系统， 其中使用了根据本发明的流量控 制器组件 1。在图 7 的实例中， 使用了根据图 2 的流量控制器组件， 但是本领域技术人员将 清楚， 也可以使用根据本发明的流量控制器组件的其它实施方案。
在根据图 7 的系统中， 存在单个流体试剂源 60， 以将试剂供应到并行设置的反应 容器 71、 74、 75、 76。存在根据本发明的单个流量控制器组件以对流动到反应容器的流速进 行控制。试剂产物排放管线 72、 77、 78、 79 从各个反应容器 71、 74、 75、 76 排放反应产物。
流量控制器组件如上所述地进行操作， 并且控制流体试剂从源 70 到并行反应器 的流速。如果对于所有反应容器流量控制器的下游的流体流的阻力都相同， 则经过所有反 应容器的流速将至少基本相等。
图 8 显示了用于进行多个并行实验的反应系统的第二实施方案， 其中使用了根据 本发明的流量控制器组件。
在该实施方案中， 每一个反应容器具有其自身配套的流量控制器组件 1。 在图 8 的 实例中， 使用了根据图 2 的流量控制器组件， 但是本领域技术人员将清楚， 也可以使用根据 本发明的流量控制器组件的其它实施方案。流量控制器组件不必全部等同。例如， 可以使 用不同的微流体芯片， 其中通道 11 具有不同的长度和 / 或直径。
流体试剂 ( 气体、 液体、 凝胶等 ) 通过单个流体试剂源 70 进行供应。流体试剂从 流体试剂源 70 经由与反应容器 71、 74、 76 配套的流量控制器组件 1 流动到反应容器 71、 74、 76 中的一个容器。 在图 8 的实例中， 反应容器为固定床反应器， 但是也可以替换为适合于实 验的任何其它类型的反应器。例如， 来自不同源的试剂可以被供应到反应器内。
在图 8 的实例中， 反应产物排放管线 72、 77、 79 分别从反应容器 71、 74、 76 将反应 产物带到选择阀 90。 根据选择阀 90 的设定， 来自反应容器的反应产物要么到达在线分析器 91 要么到达废弃物 92。
本领域技术人员将清楚， 选择阀 90、 在线分析器 91 和废弃物 92 的这种配置还可以 与根据本发明的流量控制器组件的其它实施方案以及 / 或者根据本发明的反应系统的其 它实施方案组合地进行使用。另外， 在另一方面， 可以将图 8 的实施方案中的一个或更多个 反应容器的反应产物直接引导到废弃物和 / 或在线分析器， 或者例如引导到用于离线分析 的收集点。
在图 8 的实施方案中， 流量控制器组件设置在公共壳体 50* 中。当然， 每一个流量 控制器组件也可以设置在单独壳体中， 或者每一个流量控制器组件也可以设置在单独壳体 中并且这些单独壳体一起设置在另外的公共壳体中。
在图 8 的实施方案中， 每一个流量控制器组件的数据控制单元 40 借助于数据连接 件 43、 44、 45 连接到单个系统控制单元 80。例如为了得到流动到各单独反应容器 71、 74、 76 的单独流体流的预期流速比值， 系统控制单元 80 对各单独流量控制器组件的动作进行协 调。
图 9 显示了根据本发明的反应系统的第三实施方案。
在图 9 的实例中， 反应系统包括供应流体试剂的单个源 70。还可以存在多个试剂 源。不同源可以将不同试剂供应到不同的反应容器或不同反应容器组。此外或作为替代， 单个反应容器可以从不同源接收不同试剂。
在图 9 中， 箭头 F* 指示离开流体排放管线 17 的流体流。出于清楚的原因， 图9中 并未显示流体流被排放到其中的反应容器。反应产物从反应容器例如排放到在线分析器、 用于离线分析的收集点或者排放到废弃物。
该系统进一步包括多个微流体芯片 10。 每一个微流体芯片具有用于容放流体流的 通道 11。流体供应管线 16 在流体试剂源 70 和微流体芯片 10 之间提供流体连通。
微流体芯片 10 设置在公共壳体 50* 中。每一个微流体芯片 10 还可以设置其自身 的壳体中， 或者还可以设置多个壳体， 每一个壳体容放一个或更多微流体芯片 10。 在此情况 下， 所有壳体不必包含相同数量的微流体芯片 10。
该系统进一步包括热能传送器。在该实例中， 使用了根据图 4 的热能传送器。在 该实施方案中， 热流体经过热流体存储器 60、 热流体供应管线 61、 公共壳体 50*、 热流体排放管线 62 和热流体泵 63 而循环。
热传感器 25 测量公共壳体 50* 中的温度。该数据被提供到热控制单元 22。有利 地， 壳体 50* 具有连接器 26， 连接器 26 使热传感器 25 容易地连接到热控制单元 22。热控 制单元 22 连接到系统控制单元 80， 从而使由热传感器 25 提供的那些数据能够使用在该系 统的整个控制中。
微流体芯片 10 的每一个都具有对于图 2 描述的并且同样用于其它实施方案中的 类型的时差测距流量传感器。该流量传感器具有热脉冲元件 31。该热脉冲元件 31 毗邻通 道 11 而设置。在该实例中， 热脉冲元件具有两个热主动部件 31a、 31b， 热主动部件 31a、 31b 设置在通道 11 的每一侧上。然而， 热脉冲元件也可以设置在通道 11 的一侧上， 或者热脉冲 元件也可以至少部分地在通道 11 周围延伸。
热脉冲元件 31 设计为在通道 11 中的流体中产生热脉冲， 例如热量脉冲。
在热脉冲元件 31 的下游， 在与热脉冲元件 31 相距一定距离处设置有热传感器 32。 该热传感器 32 检测由热脉冲元件 31 产生的热脉冲的经过。由于热脉冲元件 31 和热传感 器 32 之间的距离是已知的， 所以通道中的流体中的热脉冲抵达热传感器 32 所花费的时间 指示了通道 11 中的流体的流速。
流量传感器 30 由传感器控制单元 33 控制。 该传感器控制单元具有计时器， 该计时 器确定由热脉冲元件 31 产生热脉冲和由热脉冲检测器 32 检测热脉冲之间所流逝的时间。 该时间流逝称为 “时差” 。
在该实施方案中， 传感器控制单元 33 设置在公共壳体 50* 的外部。连接器 34 在 热脉冲元件 31 和传感器控制单元 33 之间以及在热脉冲传感器 32 和传感器控制单元 33 之 间提供了容易的连接。
传感器控制单元 33 连接到系统控制单元 80， 使得来自传感器的数据能够为该系 统的整个控制所使用。
系统控制单元 80 还连接到热流体存储器 60。基于系统控制单元 80 从热传感器 25 以及从流量传感器接收到的数据， 系统控制单元 80 控制存储器 60 中的热流体的温度， 因 此经过微流体芯片中的通道 11 的流速能够受到控制。
为此目的， 系统数据控制单元包括系统数据处理单元， 该系统数据处理单元适合 于确定在每一个通道中所测得的流速与用于该通道的预设的预期流速之差， 并且适合于调 节热能传送器的热输出以便获得或维持预期流速。在该实例中， 热能传送器的输出的控制 通过控制热流体存储器 60 中的热流体的温度而进行。
可以使用其它热能传送器来替代根据图 4 的热能传送器。如图 4 和图 9 所示的热 能传送器在设计上是简单的， 但是其并不允许对公共壳体 50* 中存在的不同微流体芯片进 行单独的流量控制。例如， 作为替代 ( 或者此外 )， 每一个微流体芯片可以具有如图 2 所示 的连接到热控制器 22 的循迹导线 21。 还可以使用图 5 所示的类型的热能传送器， 其要么具 有由该系统中的多个或所有微流体芯片 10 穿过的单个通路， 要么具有用于该系统中的每 一个单独的微流体芯片 10 的分离通道。
图 10 显示了将本发明所使用的微流体芯片 10 设置在壳体 50 中的另外的可能实 施方案。
壳体 50 具有凹口 59， 用于容放本发明中所使用的微流体芯片 10。壳体包括入口57， 入口 57 设置为与微流体芯片的入口 12 对准。同样， 壳体 50 包括出口 58， 出口 58 设置 为与微流体芯片的出口 13 对准。优选地， 例如 O 型圈的密封元件设置在入口 57 周围以及 出口 58 周围， 从而当微流体芯片设置在壳体中时， 这些密封元件被紧密地挤压在壳体和这 * 样的体芯片之间。分别经由螺钉 54 以及通道 57 和通道 58*， 流体供应管线能够连接到入 口 57， 并且流体排放管线能够连接到出口 58。
盖子 55 设置为在微流体芯片 10 设置在凹口 59 内部时封闭该凹口。优选地， 盖子 55 铰接地连接到壳体 50， 使得其能够围绕销 56 旋转。
图 11 显示了用于能够使用在根据本发明的流量控制器组件中的微流体芯片的壳 体的又一个实施方案。在该实施方案中， 已经设置了公共壳体 50*， 用于容放多个微流体芯 片。在该壳体中已经设置了多个凹口 59。每一个凹口适合于容放单个微流体芯片， 正如图 * 9 的实施方案一样。 因此， 对于壳体 50 中的每一个凹口， 均设置了螺钉 54、 入口 57、 出口 58 * * 和通道 57 和通道 58 。另外， 每一个凹口具有盖子 55， 所述盖子 55 铰接地连接到壳体 50*。
图 10 和图 11 的实施方案能够与上述的流量控制器组件的所有实施方案进行组 合。