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WO2001028682A1 - Sistema electromagnetico para la manipulacion de fluidos - Google Patents

Sistema electromagnetico para la manipulacion de fluidos Download PDF

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WO2001028682A1
WO2001028682A1 PCT/ES2000/000383 ES0000383W WO0128682A1 WO 2001028682 A1 WO2001028682 A1 WO 2001028682A1 ES 0000383 W ES0000383 W ES 0000383W WO 0128682 A1 WO0128682 A1 WO 0128682A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cartridge
membrane
technology
fluids
electromagnets
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/ES2000/000383
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Antonio Ivorra Cano
Ivan Erill Sagales
Abdelhamid Errachid
Jordi Aguilo Lobet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Original Assignee
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC filed Critical Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority to AU77908/00A priority Critical patent/AU7790800A/en
Publication of WO2001028682A1 publication Critical patent/WO2001028682A1/es
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
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    • B01L3/502738—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by integrated valves
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    • G01N35/1095—Devices for transferring samples or any liquids to, in, or from, the analysis apparatus, e.g. suction devices, injection devices for supplying the samples to flow-through analysers
    • G01N35/1097—Devices for transferring samples or any liquids to, in, or from, the analysis apparatus, e.g. suction devices, injection devices for supplying the samples to flow-through analysers characterised by the valves

Definitions

  • Electromagnetic system for fluid handling.
  • the present invention allows to create iiistrumentation applicable to chemical analysis and chemical synthesis.
  • the proposed technology allows the realization of systems formed by a reading device, which in certain applications will simply act as a controller, and a card or cartridge that will be inserted into said equipment.
  • the cartridge has a series of ducts and cavities constructed from a laminar structure. One or several areas are covered with an elastic membrane that in turn contains various areas with ferromagnetic material or permanent magnets.
  • the reader has a set of electromagnets that are activated from an electronic system when the cartridge is inserted. These electromagnets are arranged so that they act selectively on each of the magnetic areas, causing deformations at specific points of the elastic membrane.
  • valves or suction pumps allowing the circulation of fluids inside the cartridge, the suction of external fluids, or the expulsion of fluids outwards.
  • a typical application of the system will be the realization of portable equipment that allows the analysis of fluids by electronic sensors and requires a process of calibration or previous preparation of the sample.
  • the system is a simple, economical and compact alternative to existing ⁇ -TAS systems. In addition, it allows the manipulation of moderate volumes and unpurified liquids (eg blood).
  • FIGS 1, 2, 3 and 4 allow to understand the construction and operation of the basic elements of this technology.
  • the system of deposits and conduction channels is formed from holes and incisions made in the intermediate plate (2).
  • Figure 3 shows a top and bottom view of the plate.
  • the plates (2) and (3) will preferably be constructed with rigid materials
  • the intermediate plate (2) can be manufactured from a uniform plate by a machining process or by a chemical attack after a photolithographic process. It is also possible to resort to the injection of the material (plastic) into a mold.
  • the number and size of internal deposits and channels can be increased if intermediate layers are added and, in this way, there will be different channel heights with which these can be crossed.
  • the use of multiple layers can also be used to simplify the manufacturing process. If the upper channels are made on the lower surface of the upper plate it will only be necessary to work one of the surfaces of each layer. It is possible to construct the ducts from longitudinal cuts in the plate when it is limited by an upper and a lower plate. This method can be useful when precision is required in the duct section.
  • Structures equivalent to the proposal can be made by accumulating different layers of material, avoiding the process of joining between plates.
  • the material of the different layers is photocurable, the formation of ducts will be carried out by a photolithographic process after curing the lower layers.
  • the existence of one or several membranes of elastic material is one of the key elements in the operation of the structure.
  • the elastic layer (1) completely covers the upper surface of the cartridge and is fixed to the intermediate plate (2) by means of an adhesive, an adherent sheet on both sides or by welding between both materials. Fixing should not be done on the entire surface.
  • the membrane In certain areas (14, 15 and 16) the membrane must be able to separate and, therefore, there must be no connection with the intermediate plate (2).
  • Figure 4 shows a possible pattern of union between the membrane and the plate, in the areas (14, 15 and 16) the membrane is free. In the case that a sheet of adherent material is used, this figure would correspond to its appearance.
  • the membrane will separate from the intermediate plate due to tensile forces in the presence of sufficiently strong magnetic fields. This is achieved by fixing ferromagnetic material (6, 7 and 8) on the membrane.
  • ferromagnetic material (6, 7 and 8) on the membrane.
  • Some solutions are: material introduction ferromagnetic in the composition of the membrane, fixation by means of adhesive plates of ferromagnetic material (Fe-Ni alloys) and deposition of filings of ferromagnetic material and subsequent covering with a material that allows the movement of the membrane.
  • the cores of a set of electromagnets, belonging to the reading equipment are located a short distance from the active elements of the cartridge (valves and pumps).
  • the tanks (12 and 13) are insulated by the valves (14 and 15), note that the flexible membrane obstructs the ducts ( Figure 2).
  • the pumping process begins by opening the valve (14), for this it is necessary that the reading equipment apply a sufficient current to the electromagnet (9), so that the lower ferromagnetic material (6) forces the lifting of the elastic membrane and the duct is no longer clogged
  • the membrane will be lifted in the area (15) by applying current in the electromagnet (10). This fact will cause the suction of the fluid, initially air, through the channel (17).
  • the valve (14) will be closed, stop applying current on (9): the elasticity of the membrane will perform this work.
  • the valve (16) will open and no more current will be applied to (10), whereby the fluid will be pushed to the reservoir (13) through the conduit (18). Finally, the valve (16) will be closed and a new cycle will be started if necessary.
  • the flow is discrete, in each cycle a fixed amount of fluid is transferred.
  • the amount transferred depends on the volume that forms when the membrane rises in the area (15), if it is possible to narrow the survey, it is possible to limit this volume.
  • the height stop may be the core of the electromagnet, but, also, an intermediate plate can be placed attached to the cartridge at its ends.
  • valve (16) is not absolutely necessary in the scheme proposed In the described components, ferromagnetic material without permanent magnetization is used as a magnetic field sensitive material.
  • the use of permanent magnets is a more expensive and complex alternative but requires lower excitation currents and allows the 'active' closing of the valves: with the proper polarity of current, the electromagnet will push the elastic membrane towards the plate.
  • the shape of the cartridge in this case is flat, similar to a card, but there is the possibility of adopting other geometries using the processes and elements that have been described.
  • valves as selector devices. In this case, the valves remain fully open or closed for a relatively long period of time. If these same valves are activated by short pulses, it is possible to partially restrict fluid circulation.
  • the sensors may be external, that is, they will be part of the structure of the reader but not of the cartridge.
  • optical sensors These are capable of providing many important parameters: absorption spectrum, reflection spectrum, attenuation ... It will be interesting to obtain optical parameters of the fluid in certain cavities of the cartridge, for example: the fluid to be analyzed will be mixed with a reagent and the resulting color will determine the degree of presence of a specific chemical species To obtain this information with external sensors, some areas will be created in the cartridge that allow the passage of light, without significant losses, in the spectral region of interest.
  • Figure 8 corresponds to a sectional cut of a possible optical window, in which the fluid is It is limited by two transparent plates, (43 and 44). schematize the related devices in the light source reader equipment (39), converging lenses (40) and sensor (41)
  • the liquid to be analyzed is absorbed by the duct (34 ) thanks to the suction created by the pump formed with the elements (23, 24 and 25)
  • the expulsion of fluids occurs through the duct (35) after leaving the valve (25)
  • This fluid can be air that will empty chamber and ducts, calibration liquid to calibrate ISFETs periodically, or liquid to be analyzed
  • the components are mounted on a printed circuit board (31) that will adapt as an intermediate layer, as described in the previous section. Part of this board will be used as a connector (28)
  • FIG. 9 presents a general scheme of the circuitry and components of the reader equipment
  • the electromagnets (49) are excited from a control circuit (48) that responds to the orders of the microcontroller (microprocessor)
  • the sequence of orders will follow a program stored in memory and, in certain cases, it may be modified depending on some events, keyboard press, end of the measurement, command from external equipment
  • the data represented in the viewer will correspond to the information obtained through the internal detectors of the card or through external systems ( 50) (optical system)
  • the signals are extracted from the cartridge through the connector (54) It is also possible to introduce signals or power currents into the card with the same connector
  • the number of electromagnets (49) and optical windows (50) shown in the figure is not significant, it depends on the structure of the cartridge.
  • the power supply can be provided by any of the usual methods in electronics: batteries, rechargeable batteries, mains adapter ... (The option of rechargeable batteries is especially interesting in portable equipment.)
  • Figure 10 shows the possible external appearance of the reading equipment.
  • conduits, cavities, tanks, pumps, valves, optical windows and electronic components The methodology to integrate different components in rigid substrate has been described: conduits, cavities, tanks, pumps, valves, optical windows and electronic components. From these elements, it is possible to build a wide range of analysis and synthesis systems without this involving inventive activity. In fact, it would be enough to imitate the FIA (flow injection analysis) systems that are currently carried out from discrete components.
  • FIA flow injection analysis
  • Figure 1 External appearance of a cartridge that allows the transfer of liquids between two internal tanks. It is constructed with two plates of rigid material (2 and 3) and a membrane of elastic material (1). The ferromagnetic elements (6, 7 and 8) are fixed to the membrane. The holes (4 and 5) allow the entry and exit of air.
  • Figure 2 Longitudinal section of the cartridge in the axis formed by the pump elements (14, 15 and 16).
  • the valves (14 and 16) allow the circulation of the fluid through the channels (17 and 18) when sufficient current flows through the corresponding electromagnets (9 and 11).
  • the suction / compression element is activated by the central electromagnet (10).
  • Figure 3 Appearance of the intermediate plate (2, in the previous figures) in a top view (left) and a lower view (right).
  • Figure 4 Joint pattern between the flexible membrane and the intermediate plate.
  • Figure 5 External appearance of a cartridge that includes electronic components (38) in the circulation duct. Fluid (26) enters the cartridge through the conduit (34) due to the suction caused by the pump (23, 24 and 25) when the corresponding valve (22) is open. The fluid is expelled (27) through the conduit (35).
  • the valves (22, 21 and 20) select the fluid that circulates through the card: external fluid, internal fluid (reservoir 36) or air (19)
  • the printed circuit board (31), on which the components are located, has a connector (28)
  • Figure 6 Longitudinal section of the cartridge of Figure 5 by the axis formed by the elements (22, 23, 24 and 25)
  • the adapter (37) allows the connection of the external ducts (34 and 35)
  • Figure 7 Fluidic diagram of the structure of the cartridge of figure 5
  • Figure 8 Cut of the longitudinal section of an optical window
  • the radiation from the light source (39) passes through the chamber in which the fluid is located (45) and is led to the sensor element (41)
  • Transparent sheets (43 and 44) do not prevent the circulation of radiation in the spectral regions of interest
  • FIG 9 Electrical block diagram of the reader equipment
  • the microcontroller follows a program stored in memory to activate the electromagnets (49) by means of a control circuit (48)
  • the cartridge detectors (55) provide information to the microcontroller through the connector (54) , after conditioning the signals (47) Also, information can be obtained through optical systems (50)
  • the equipment can be connected to external elements through communications interfaces (52 and 53)
  • Figure 10 External appearance of a portable reader equipment The cartridge is inserted into the groove (56)
  • FIG. 1 An illustrative example is that of Figures 1, 2, 3 and 4
  • the cartridge has been made with two transparent methacrylate plates of 70 mm by 40 mm and thicknesses of 5 mm and 10 mm The union between them is done by means of an adhesive.
  • intermediate plate (2) has been machined from the original plate
  • the width and depth of all the channels is 1 mm and the height of the protuberances (valves 14 and 16) is 1 mm
  • the tanks (12 and 13) are cylindrical and its diameter is 10 mm
  • the air inlet (4) and air outlet (5) have a diameter of 2 mm
  • the elastic membrane is a sheet of latex with 0.2 mm thickness
  • the fixation to the intermediate plate (2) has been made by a thin sheet of adhesive material on both sides. This sheet has been previously cut according to the pattern in figure 4
  • the material of the ferromagnetic elements is the same as that found in the mobile element of the commercial relays (Fe-Ni alloy). Squares of 4 have been obtained. mm side and 0.8 mm thick by machining a uniform Fe-Ni plate (circumferences are shown in the figure) These squares have been fixed to the membrane by means of an adhesive
  • the reader equipment, controller in this case has a structure made of methacrylate that is placed on the cartridge and places the cores of the electromagnets at 1.5 mm from the ferromagnetic elements
  • the electromagnets have been extracted from 52 ⁇ commercial relays
  • the excitation of the electromagnets is carried out with currents of 150 ⁇ A following the sequence previously described (the time between operations of a cycle is 0.2 seconds, so the total cycle duration is 1.2 sec)
  • the currents are injected by an electronic circuit controlled by a computer through its parallel port
  • FIG. 5 A second example is shown in Figures 5, 6 and 7
  • the cartridge measurements are 120 mm by 70 mm.
  • the rigid top plate (30) has a thickness of 10 mm, the printed circuit (32) 1 mm; the bottom plate (32) 5mm; and the closure (33) 5mm.
  • the calibration solution tank (36) is a 20mm diameter and 20mm high cylinder made of PVC and connected in its lower part to the valve (21).
  • the inlet (34) and outlet ducts (35) are Teflon tubes with external diameter of lmm, the connection to the cartridge has been made using silicone.
  • the control equipment is equivalent to the previous one, it only differs in the dimensions due to the inclusion of three more electromagnets.
  • the electronic components that are placed in the internal chamber (38) are a reference electrode and an ISFET (pH sensitive semiconductor device)
  • the external connectors (28) are connected to an ISFETometer that passes the data obtained to the computer through a port of communications
  • This same computer presents the data on the screen, after processing, and is responsible for controlling the electromagnets.
  • the sample (26) circulates through the chamber with sensors (38), but periodically a small amount of calibration liquid is circulated to fix a point on the line that relates pH to the measurement obtained by the ISFETometer, that is, it helps to the computer to provide a correct value.

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Abstract

La tecnología propuesta permite la realización de sistemas formados por un equipo lector, que en determinadas aplicaciones simplemente actuará como controlador, y una tarjeta o cartucho que se introducirá en dicho equipo. El cartucho dispone de una serie de conductos y cavidades construidos a partir de una estructura laminar. Una o diversas áreas estám cubiertas con una membrana elástica que a su vez contiene diversas áreas con material ferromagnéticoo imanes permanentes. El lector posee un conjunto de electroimanes que son activados desde un sistema electrónico cuando el cartucho es introducido. Estos electroimanes están dispuestos de forma que actúen selectivamente sobre cada una de las áreas magnéticas, provocando deformaciones en puntos concretos de la membrana elástica. Dichos puntos actuarán como válvulas ó bombas de succión, permitiendo la circulación de fluidos en el interior del cartucho, la succión de fluidos externos, o la expulsión de fluidos hacía el exterior.

Description

TÍTULO
Sistema electromagnético para la manipulación de fluidos.
SECTOR DE LA TÉCNICA Área de la técnica: fluídica y control electrónico.
Áreas de aplicación. La presente invención permite crear iiistrumentación aplicable al análisis químico y la síntesis química.
ESTADO DE LA TÉCNICA. La utilización de sistemas automatizados en el control de pequeños volúmenes de fluido (del orden o inferiores a lml) cada vez adquiere mayor importancia en el sector de los análisis químicos y bioquímicos (diagnóstico clínico, control ambiental, control de procesos industriales...). Las ventajas que caracterizan este planteamiento son: disminución de costes laborales, reducción de las cantidades de reactivos necesarios, obtención de datos en un tiempo inferior y mayor repetibilidad.
Dispositivos robóticos convencionales han sido adaptados para realizar las operaciones típicas en un laboratorio químico: pipeteado, manipulación de muestras, mezcla de soluciones... Los sistemas así obtenidos son excesivamente costosos y voluminosos, y esto los ha limitado a ensayos clínicos muy específicos en los que se manipula un gran número de muestras.
Resulta especialmente interesante aplicar un sistema de manipulación de fluidos en la medición de parámetros químicos mediante sensores (electrodos selectivos a iones, biosensores, sensores ópticos...). Estos sensores requieren que la muestra sea conducida a una superficie activa y, en la mayoría de casos, requieren un proceso de calibración previo o posterior, es decir, debe ponerse en contacto la superficie activa con fluidos de composición conocida. Actualmente es posible automatizar estos procesos mediante válvulas, bombas peristálticas y otros componentes discretos. Es así como se construyen los sistemas FIA (Flow Injection Analysis). Pero, nuevamente, se obtienen sistemas voluminosos y relativamente complejos para el personal no cualificado. Existe la necesidad de obtener equipos portátiles y sencillos que permitan realizar análisis clínicos baratos y en breve tiempo. Esto ha motivado la aparición de equipos en los que la muestra es introducida en una tarjeta o cartucho, generalmente desechable, que contiene los sensores y que a su vez contiene algún contenedor con líquidos de calibración. Cuando el cartucho es introducido en el equipo portátil, mediante determinadas técnicas como la ruptura de contenedores, la capilaridad o bien la conducción de fluidos por circuito externo, diferentes líquidos (generalmente la muestra y un único líquido de calibración) son conducidos de forma automática a las superficies activas que transmiten las señales correspondientes al equipo, a través de conectores situados en el cartucho. Las siguientes patentes corresponden a este tipo de sistemas: US5096669, WO9744672, US5293770, US4436610, US5325853.
Al inicio de la década de 1990 se planteó la posibilidad de integrar diferentes componentes de laboratorio en un mismo dispositivo y en formato miniaturizado. Es lo que se ha dado en conocer como "Miniaturized Total Analysis Systems" o "μ -TAS" (ver "Miniturized Total Chemical Analysis Systems: a Novel Concept for Chemical Sensing" A.MANZ et al. Sensors and Actuators, Bl (1990) 244-248). Desde entonces, han aparecido multitud de componentes (válvulas, bombas, filtros, capilares . ) susceptibles de ser integrados en un único dispositivo con el objetivo de lograr lo que viene siendo popularmente conocido como "lab-on-a-chip". Estos componentes basan su principio de funcionamiento en diferentes fenómenos: piezoelectricidad, fuerza electrostática, deformaciones térmicas, electrokinesis... Únicamente la electrokinesis parece estar aportando unos resultados satisfactorios cuando se pretende realizar un sistema completo (ver patente US5858195), pero, en cualquier caso, estos sistemas suelen ser únicamente validos para volúmenes de líquidos muy inferiores a 1 μl y la presencia de cualquier impureza en la muestra los puede hacer totalmente inservibles.
DESCRIPCIÓN DE LA INVECIÓN BREVE DESCRICIÓN DE LA INVENCIÓN El problema técnico planteado consiste en el desarrollo de una tecnología que permita la construcción de sistemas fluídicos integrados para pequeños volúmenes del orden de centenares de μl. Diferentes procesos típicos en un laboratorio químico (conducción, mezcla, filtrado...) deberán poderse llevar a cabo en una tarjeta o cartucho de coste reducido. El sistema debe facilitar las tareas de análisis mediante sensores (electroquímicos, ópticos, térmicos...).
En los sistemas micro-fluídicos integrados (lab-on-a-chip) existentes, la fuerza que permite la conducción de los fluidos es creada en el mismo substrato en el que se realiza la conducción, a partir de energía externa en forma de electricidad. Una alternativa es aplicar la fuerza desde el exterior del substrato. La solución que aquí se propone, y en la que reside gran parte de la novedad de la presente invención, consiste en hacer que determinadas partes del sistema de canales de conducción resulten deformadas al aplicar un campo magnético desde el exterior. Esto permite crear válvulas y bombas integradas en el substrato.
La tecnología propuesta permite la realización de sistemas formados por un equipo lector, que en determinadas aplicaciones simplemente actuará como controlador, y una tarjeta o cartucho que se introducirá en dicho equipo. El cartucho dispone de una serie de conductos y cavidades construidos a partir de una estructura laminar. Una o diversas áreas están cubiertas con una membrana elástica que a su vez contiene diversas áreas con material ferromagnérico o imanes permanentes. El lector posee un conjunto de electroimanes que son activados desde un sistema electrónico cuando el cartucho es introducido. Estos electroimanes están dispuestos de forma que actúen selectivamente sobre cada una de las áreas magnéticas, provocando deformaciones en puntos concretos de la membrana elástica. Dichos puntos actuarán como válvulas o bombas de succión, permitiendo la circulación dé fluidos en el interior del cartucho, la succión de fluidos externos, o la expulsión de fluidos hacia el exterior. Una aplicación típica del sistema será la realización de equipos portátiles que permitan el análisis de fluidos mediante sensores electrónicos y requieran un proceso de calibración o preparación previa de la muestra. El sistema es una alternativa sencilla, económica y compacta a los sistemas μ-TAS existentes. Además, permite la manipulación de volúmenes moderados y líquidos no purificados (ej. sangre).
DESCRIPCIÓN DETALLADA Canales de conducción, bombas v válvulas.
Las figuras 1, 2, 3 y 4 permiten comprender la construcción y el funcionamiento de los elementos básicos de esta tecnología. Se presenta el desarrollo de un cartucho en el que es posible desplazar un líquido entre depósitos internos, de (12) hasta (13).
El sistema de depósitos y canales de conducción se forma a partir de orificios e incisiones realizados en la placa intermedia (2). La figura 3 muestra una vista superior y otra inferior de la placa. Las placas (2) y (3) se construirán preferentemente con materiales rígidos
(PVC, cerámicas, vidrio...) y se unirán firmemente. El método de unión dependerá del material de las placas; algunos de los más comunes son: adhesivos, soldadura de plásticos (ultrasonidos) y soldadura anódica. La placa intermedia (2) puede fabricarse a partir de una placa uniforme mediante un proceso de mecanizado o mediante un ataque químico tras un proceso fotolitográfico. También es posible recurrir a la inyección del material (plástico) en un molde.
El número y tamaño de depósitos internos y canales puede aumentarse si se añaden capas intermedias y, de este modo, existirán diferentes alturas de canales con lo cual estos podrán cruzarse. La utilización de múltiples capas también puede usarse para simplificar el proceso de fabricación. Si los canales superiores se realizan sobre la superficie inferior de la placa superior sólo será necesario trabajar una de las superficies de cada capa. Es posible construir los conductos a partir de cortes longitudinales en la placa cuando esta queda limitada por una placa superior y otra inferior. Este método puede ser útil cuando se requiere precisión en la sección del conducto.
Estructuras equivalentes a la propuesta pueden realizarse mediante la acumulación de diferentes capas de material, evitando el proceso de unión entre placas. Por ejemplo, si el material de las diferentes capas es fotocurable, la formación de conductos se realizará mediante un proceso fotolitográfico después de curar las capas inferiores.
Entre las diferentes placas, obstruyendo parcial o totalmente los conductos, es posible situar capas de material que realicen alguna función físico-química (tamizado, filtrado, osmosis, catalización...).
La existencia de una o diversas membranas de material elástico (ej. látex) es uno de los elementos clave en el funcionamiento de la estructura. En este caso, la capa elástica (1) cubre totalmente la superficie superior del cartucho y se encuentra fijada a la placa intermedia (2) mediante un adhesivo, una lámina adherente por ambas caras o mediante una soldadura entre ambos materiales. La fijación no debe realizarse en toda la superficie. En determinadas áreas (14, 15 y 16) la membrana debe poderse separar y, por tanto, no debe existir ningún tipo de unión con la placa intermedia (2). La figura 4 muestra un posible patrón de unión entre la membrana y la placa, en las áreas (14, 15 y 16) la membrana es libre. En el caso de que se utilice una lámina de material adherente, esta figura correspondería a su aspecto. La membrana se separará de la placa intermedia debido a fuerzas de tensión en presencia de campos magnéticos suficientemente intensos. Esto se logra fijando material ferromagnético (6, 7 y 8) en la membrana. Algunas soluciones son: introducción de material ferromagnético en la composición de la membrana, fijación mediante adhesivos de placas de material ferromagnético (aleaciones Fe-Ni) y deposición de limaduras de material ferromagnético y posterior cubrimiento con un material que permita el movimiento de la membrana. Cuando el cartucho es introducido en el equipo lector, en algunas aplicaciones puede que esté de forma permanente, los núcleos de un conjunto de electroimanes, pertenecientes al equipo lector, quedan situados a poca distancia de los elementos activos del cartucho (válvulas y bombas). En el caso expuesto (figuras 1, 2, 3 y 4) los electroimanes (9, 10 y 11) se sitúan sobre la válvula (14), el elemento de succión/compresión (15) y la válvula (16) respectivamente. Estos tres elementos forman la bomba que permite el trasvase de fluidos si se aplican corrientes a los electroimanes en una secuencia adecuada.
Inicialmente, los depósitos (12 y 13) se encuentran aislados por las válvulas (14 y 15), obsérvese que la membrana flexible obstruye los conductos (figura 2). Además, es posible sellar los depósitos para evitar pérdidas de fluido por evaporación añadiendo unos adhesivos sobre los orificios (4 y 5) que serán extraídos por el usuario antes de introducir el cartucho.
El proceso de bombeo se inicia abriendo la válvula (14), para ello es necesario que el equipo lector aplique una corriente suficiente al electroimán (9), de forma que, el material ferromagnético inferior(6) fuerce el levantamiento de la membrana elástica y el conducto deje de estar obstruido. Tras este paso, se levantará la membrana en el área (15) aplicando corriente en el electroimán (10). Este hecho provocará la succión del fluido, inicialmente aire, a través del canal (17). Seguidamente, se cerrará la válvula (14) dejando de aplicar corriente sobre (9): la elasticidad propia de la membrana realizará este trabajo. Instantes después, se abrirá la válvula (16) y se dejará de aplicar corriente sobre (10), con lo que, el fluido será empujado hasta el depósito (13) a través del conducto (18). Finalmente, se cerrará la válvula (16) y se iniciará un nuevo ciclo si es necesario.
Una característica interesante de este tipo de bombas es el hecho de que el flujo es discreto, en cada ciclo se trasvasa una cantidad fija de fluido. La cantidad trasvasada depende del volumen que se forma al elevarse la membrana en el área (15), si se consigue acotar el levantamiento es posible acotar este volumen. El tope en altura puede ser el núcleo del electroimán, pero, también, puede situarse una placa intermedia sujeta al cartucho en sus extremos.
Es posible modificar la geometría de los elementos constituyentes de la bomba, pero también es posible modificar su estructura. Añadiendo uno o más elementos de succión/compresión (activados secuencialmente), puede evitarse el uso de las válvulas, puesto que su función únicamente es evitar el reflujo y mejorar la eficiencia De hecho, la válvula (16) no es absolutamente necesaria en el esquema propuesto En los componentes descritos, se utiliza material ferromagnético sin imanación permanente como material sensible al campo magnético. El uso de imanes permanentes es una alternativa más costosa y compleja pero exige menores corrientes de excitación y permite el cierre 'activo' de las válvulas: con la adecuada polaridad de corriente, el electroimán empujará la membrana elástica hacia la placa. La forma del cartucho en este caso es plana, parecido a una tarjeta, pero existe la posibilidad de adoptar otras geometrías utilizando los procesos y elementos que se han descrito.
En el siguiente apartado, se muestra la utilización de las válvulas como dispositivos selectores. En este caso, las válvulas permanecen totalmente abiertas o cerradas durante un periodo de tiempo relativamente largo. Si estas mismas válvulas son activadas mediante pulsos cortos es posible restringir parcialmente la circulación del fluido.
Integración de componentes electrónicos.
Se ha mencionado que una de las aplicaciones más importantes de la tecnología propuesta es el análisis de fluidos mediante sensores electrónicos. En un gran número de casos, los sensores podrán ser externos, es decir, formarán parte de la estructura del lector pero no del cartucho. Especialmente interesante es el caso de los sensores ópticos. Estos son capaces de proporcionar bastantes parámetros importantes: espectro de absorción, espectro de reflexión, atenuación... Interesará obtener parámetros ópticos del fluido en determinadas cavidades del cartucho, por ejemplo: se mezclará el fluido a analizar con un reactivo y el color resultante determinará el grado de presencia de una determinada especie química Para obtener esta información con sensores externos, se crearán unas áreas en el cartucho que permitan el paso de la luz, sin perdidas importantes, en la región espectral de interés. Esto se conseguirá escogiendo adecuadamente los materiales de las diferentes capas u horadando (leterminadas capas en estas áreas de interés. El resultado puede definirse como ventana óptica. La figura 8 corresponde a un corte en sección de una posible ventana óptica, en esta el fluido se encuentra limitado por dos placas transparentes, (43 y 44). También, se esquematizan los dispositivos relacionados en el equipo lector fuente de luz (39), lentes convergentes (40) y sensor (41)
En otros casos, interesará que sensores y componentes electrónicos estén integrados en el cartucho Las figuras 5, 6 y 7 muestran un cartucho en el que se han integrado componentes electrónicos (38), considérese que se trata de un electrodo de referencia (Ag- AgCl) e ISFETs sensibles a pH El cartucho se introduce parcialmente en el equipo lector, dejando el deposito de líquido de calibración (36) y los conductos (34) y (35) en el exterior El líquido a analizar es absorbido por el conducto (34) gracias a la succión creada por la bomba formada con los elementos (23, 24 y 25) La expulsión de fluidos se produce por el conducto (35) tras abandonar la válvula (25) Mediante las válvulas (20, 21 y 22) es posible seleccionar el fluido que circulará por la cámara en la que se encuentran los sensores (38) Este fluido puede ser aire que vaciará cámara y conductos, líquido de calibración para calibrar los ISFETs periódicamente, o líquido a analizar
Los componentes se montan sobre una placa de circuito impreso (31) que se adaptara como capa intermedia, tal y como se ha descrito en el apartado anterior Parte de esta placa se utilizara como conector (28)
Equipo lector
El equipo lector o controlador, presenta las características comunes en cualquier equipo de medida Únicamente, es destacable la presencia de electroimanes y la circuitería de control asociada Su realización resultará evidente para aquellos que dispongan de conocimientos y habilidades en el diseño de circuitos
La figura 9 presenta un esquema general de la circuitería y componentes del equipo lector Los electroimanes (49) son excitados desde un circuito de control (48) que responde a las órdenes del microcontrolador (microprocesador) La secuencia de órdenes seguirá un programa almacenado en memoria y, en deteiminados casos, podra ser modificado en función de algunos eventos pulsación de teclado, fin de la medida, comando desde equipo extemo Los datos representados en el visor corresponderán a la información obtenida mediante los detectores internos de la tarjeta o mediante sistemas externos (50) (sistema óptico) Las señales son extraídas del cartucho a través del conector (54) También es posible introducir señales o corrientes de alimentación en la tarjeta con el mismo conector El número de electroimanes (49) y ventanas ópticas (50) mostrados en la figura no es significativo, depende de la estructura del cartucho.
La corriente de alimentación puede ser proporcionada por cualquiera de los métodos habituales en electrónica: baterías, baterías recargables, adaptador de red... (La opción de las baterías recargables es especialmente interesante en los equipos portátiles.)
La figura 10 muestra la posible apariencia externa del equipo lector.
Capacidades de la tecnología
Se ha descrito la metodología para integrar diferentes componentes en substrato rígido: conductos, cavidades, depósitos, bombas, válvulas, ventanas ópticas y componentes electrónicos. A partir de estos elementos, es posible construir una amplia gama de sistemas de análisis y síntesis sin que esto implique actividad inventiva. De hecho, bastaría con imitar los sistemas FIA (flow injection analysis) que en la actualidad se realizan a partir de componentes discretos.
EXPLICACIÓN DETALLADA DE LOS DIBUJOS
Figura 1: Apariencia extema de un cartucho que permite el trasvase de líquidos entre dos depósitos internos. Está construido con dos placas de material rígido (2 y 3) y una membrana de material elástico (1). Los elementos ferromagnéticos (6, 7 y 8) están fijados a la membrana. Los orificios (4 y 5) permiten la entrada y salida de aire.
Figura 2: Corte longitudinal del cartucho en el eje formado por los elementos de la bomba (14, 15 y 16). Las válvulas (14 y 16) permiten la circulación del fluido por los canales (17 y 18) cuando circula suficiente corriente por los electroimanes correspondientes (9 y 11). El elemento de succión/compresión es activado por el electroimán central (10). Figura 3: Apariencia de la placa intermedia (2, en las figuras anteriores) en una vista superior (izquierda) y otra inferior (derecha).
Figura 4: Patrón de unión entre la membrana flexible y la placa intermedia. Figura 5: Apariencia externa de un cartucho que incluye componentes electrónicos (38) en el conducto de circulación. El fluido entra (26) en el cartucho por el conducto (34) debido a la succión provocada por la bomba (23, 24 y 25) cuando la válvula correspondiente (22) esta abierta. El fluido es expulsado (27) por el conducto (35). Las válvulas (22, 21 y 20) seleccionan el fluido que circula por la tarjeta: fluido externo, fluido interno (depósito 36) o aire (19) La placa de circuito impreso (31), sobre la que se sitúan los componentes, dispone de un conector (28)
Figura 6 Corte longitudinal del cartucho de la figura 5 por el eje formado por los elementos (22, 23, 24 y 25) El adaptador (37) permite la conexión de los conductos extemos (34 y 35) Figura 7 Esquema fluídico de la estructura del cartucho de la figura 5
Figura 8 Corte de la sección longitudinal de una ventana óptica La radiación proveniente de la fuente de luz (39) atraviesa la cámara en la que se encuentra el fluido (45) y es conducida al elemento sensor (41) Los elementos ópticos, lentes convergentes (40), guian la radiación para una mayor eficiencia Las láminas transparentes (43 y 44) no impiden la circulación de la radiación en las regiones espectrales de interés
Figura 9 Esquema eléctrico de bloques del equipo lector El microcontrolador sigue un programa almacenado en memoria para activar los electroimanes (49) mediante un circuito de control (48) Los detectores del cartucho (55) proporcionan información al microcontrolador a través del conector (54), después de acondicionar las señales (47) También, puede obtenerse información mediante sistemas ópticos (50) El equipo puede conectarse a elementos externos mediante interfaces de comunicaciones (52 y 53) Figura 10 Apariencia externa de un equipo lector portátil El cartucho es introducido en la ranura (56)
EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Un ejemplo ilustrativo es el de las figuras 1, 2, 3 y 4 El cartucho se ha realizado con dos placas de metacrilato transparente de 70 mm por 40 mm y grosores de 5 mm y 10 mm La unión entre ambas se realiza mediante un adhesivo La placa intermedia (2) ha sido mecanizada a partir de la placa original La anchura y profundidad de todos los canales es de 1 mm y la altura de las protuberancias (válvulas 14 y 16) es 1 mm Los depósitos (12 y 13) son cilindricos y su diámetro es 10 mm Los orificios de entrada (4) y salida de aire (5) tienen un diámetro de 2 mm
La membrana elástica es una lámina de látex con 0,2 mm de espesor La fijación a la placa intermedia (2) se ha realizado mediante una fina lámina de material adhesivo por ambas caras. Esta lámina ha sido cortada previamente según el patrón de la figura 4
El material de los elementos ferromagnéticos es el mismo que se encuentra en el elemento móvil de los relés comerciales (aleación Fe-Ni) Se han obtenido cuadrados de 4 mm de lado y 0,8 mm de espesor mecanizando una placa uniforme de Fe-Ni (en la figura se representan circunferencias) Estos cuadrados se han fijado a la membrana mediante un adhesivo
El equipo lector, controlador en este caso, dispone de una estructura realizada en metacrilato que se sitúa sobre el cartucho y sitúa los núcleos de los electroimanes a 1,5 mm de los elementos ferromagnéticos Los electroimanes han sido extraídos de relés comerciales de 52Ω
La excitación de los electroimanes se realiza con corrientes de 150 μA siguiendo la secuencia que anteriormente ha sido descrita (el tiempo entre operaciones de un ciclo es 0,2 segundos con lo que la duración total del ciclo es 1,2 seg ) Las corrientes son inyectadas por un circuito electrónico controlado por un ordenador a través de su puerto paralelo
Un segundo ejemplo se muestra en las figuras 5, 6 y 7 En este caso las medidas del cartucho son 120 mm por 70 mm. La placa rígida superior (30) tiene un grosor de 10 mm, el circuito impreso (32) 1 mm; la placa inferior (32) 5mm; y la de cierre (33) 5mm. El depósito de solución de calibración (36) es un cilindro de 20mm de diámetro y 20 mm de altura realizado en PVC y conectado en su parte inferior a la válvula (21). Los conductos de entrada (34) y salida (35) son tubos de teflón con diámetro externo de lmm, la conexión al cartucho se ha realizado mediante silicona. El equipo controlador es equivalente al anterior, únicamente se diferencia en las dimensiones debido a la inclusión de tres electroimanes más. Los componentes electrónicos que se sitúan en la cámara interna (38) son un electrodo de referencia y un ISFET (dispositivo semiconductor sensible al pH) Los conectores externos (28) se conectan a un ISFETometro que pasa los datos obtenidos al ordenador mediante un puerto de comunicaciones. Este mismo ordenador presenta los datos en pantalla, tras un procesamiento, y se encarga del control de los electroimanes. Normalmente la muestra (26) circula por la cámara con sensores (38), pero periódicamente se hace circular una pequeña cantidad de líquido de calibración para fijar un punto en la recta que relaciona pH con la medida obtenida por el ISFETometro, es decir, ayuda al ordenador a proporcionar un valor correcto.
El resto de dimensiones, tiempos y características son equivalentes a los del caso anterior.
Estos ejemplos corresponden a equipos de demostración. Las medidas especificadas y los métodos de construcción no son necesariamente óptimos.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Tecnología para la fabricación de sistemas fluídicos integrados caracterizada por la utilización de una o más membranas elásticas con material ferromagnético fijado a ellas, de forma que, al aplicar campos magnéticos extemos, se producen deformaciones en la membrana que conducen a la apertura o cierre de conductos o a la creación o desaparición de cavidades.
2. Tecnología según la reivindicación 1 caracterizada por utilizar imanes permanentes como material ferromagnético.
3 Tecnología según la reivindicación 1 caracterizada porque la membrana elástica se fija parcialmente a una estructura compuesta por capas, en las que como mínimo una de ellas presenta orificios y/o incisiones para formar conductos y cavidades.
4. Válvula realizada según la tecnología de la reivindicación 3 caracterizada por la obstrucción de un conducto por la membrana en ausencia de campo magnético, pero que al aplicar un campo magnético suficientemente intenso sobre el elemento ferromagnético asociado, la membrana se separa permitiendo la circulación del fluido hacia uno o varios conductos.
5. Bomba realizada según la tecnología de la reivindicación 3 caracterizada por la presencia de una o más cavidades, conectadas por conductos, que aumentan o disminuyen su volumen en función del campo magnético aplicado y su legalización.
6. Bomba según la reivindicación 5 caracterizada por la presencia de una o más válvulas según la reivindicación 4.
7 Cartucho realizado según la tecnología de la reivindicación 3 caracterizado por la presencia de al menos uno de los siguientes elementos: válvula según la reivindicación 4, bomba según la reivindicación 5, o bomba según la reivindicación 6.
8. Cartucho según la reivindicación 7 caracterizado por la presencia de una o más láminas que incluyen pistas conductoras que permiten añadir componentes eléctricos en el interior del cartucho, en contacto o no con los fluidos, y permiten crear conectares en el exterior
9. Cartucho según la reivindicación 7 caracterizado porque, en una o más áreas, una radiación luminosa puede acceder a fluidos internos y las radiaciones resultantes por absorción, reflexión o fluorescencia pueden» captarse desde el exterior.
10. Controlador de sistemas fabricados según la reivindicación 1 caracterizado por la presencia de uno o más electroimanes, situados cerca de las zonas magnéticamente sensibles de la membrana, que son excitados eléctricamente respondiendo a ordenes y siguiendo una determinada secuencia de ejecución.
11. Lector de parámetros químicos caracterizado por la presencia de un controlador según la reivindicación 10 y uno o más de los siguientes elementos: conexión a los detectores u otros componentes eléctricos integrados en la estructura de capas o sistema de medida óptico.
12. Lector de parámetros químicos según la reivindicación 11 caracterizado porque incluye una ranura en la que debe introducirse, total o parcialmente, un cartucho según las reivindicaciones 8 o 9.
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