流体注射 联邦赞助研究
实 现 本 发 明 的 各 个 方 面 的 研 究 至 少 部 分 地 由 授 予 号 为 DBI-0649865 和 DMR-0820484 的国家科学基金会赞助。美国政府拥有本发明中的某些权利。
相关申请
本申请要求由 Weitz 等于 2009 年 6 月 26 日提交的标题为 “流体注射” 的申请号 为 61/220,847 的美国临时专利申请的优先权， 该美国临时专利申请通过引用合并于本文。
技术领域 本发明总体涉及用于控制流体的系统和方法， 在一些情况下涉及用于使流体流入 其他流体中和 / 或从其他流体中流出的系统和方法。
背景技术 为了对流体进行输送、 产品制造、 分析等， 操作液体以形成期望结构的流体流、 不 连续的流体流、 液滴、 颗粒、 分散体等是一项研究得较好的技术。 液滴微流体用于各种目的， 包括化学和生物系统的高通道通过量分析。
在很多应用中， 若干种流体必须以特定顺序进行组合。已有的方法描述了通过下 述方式来获得该结果 ： 分别将多种流体乳化为液滴， 并且使得液滴在液滴可被凝聚的位置 处接触， 从而组合所述流体。在示范对于多对液滴的液滴聚合时， 很难控制。
发明内容
本发明总体涉及用于控制流体液滴的系统和方法， 并且在一些情况下涉及用于使 流体流入其他流体中和 / 或从其他流体中流出的系统和方法。本发明的主题在一些情况下 包括相关联的产品、 解决特定问题的可替换方案、 和 / 或一个或多个系统和 / 或物品的多种 不同应用。
在另一方面， 提供了一种方法。在该方面中， 该方法包括提供第一流体和第二流 体， 该第二流体与第一流体在界面处相接触， 其中第一和第二流体基本上不混合， 并且第一 流体和第二流体中的至少一个不是包含在运载流体内的流体液滴。 该方法还包括向界面施 加电场以足以分裂界面的至少一部分， 以及使第二流体的至少一部分流入第一流体中。
在另一方面， 提供了一种方法， 该方法包括提供第一流体和和第二流体， 该第二流 体在界面处与第一流体相接触， 其中第一流体和第二流体基本上不混合， 并且第一流体和 第二流体中的至少一个不是包含在运载流体内的流体液滴。 该方法还包括向界面施加电场 以足以分裂该界面的至少一部分， 以及将第二流体的至少一部分移出而进入第一流体中。
在又一个方面， 提供了一种方法。 在该方面， 该方法包括将电场施加到第一流体与 容纳在通道内的第二流体之间的界面， 并且向容纳在通道内的第二流体施加压力以足以使 得第二流体的至少一部分进入第一流体。
在一组实施例中， 该方法包括以下行为 ： 提供微流体系统， 该微流体系统包括第一微流体通道和第二微流体通道， 该第二微流体通道在相交处接触第一微流体通道， 在第 一微流体通道中提供第一流体并且在第二微流体通道中提供第二流体， 以及向界面施加电 场， 以推动第二流体进入第一微流体通道。 在一些情况下， 第一流体和第二流体可在相交处 内至少部分地彼此接触， 以限定流体界面。在某些情况下， 在不存在电场的情况下， 并不推 动第二流体进入第一微流体通道。
在另一组实施例中， 该方法包括以下行为 ： 提供微流体系统， 该微流体系统包括第 一微流体通道和第二微流体通道， 该第二微流体通道在相交处接触第一微流体通道， 在第 一微流体通道中提供第一流体并且在第二微流体通道中提供第二流体， 以及向界面施加电 场， 以推动流体从第一微流体通道进入第二微流体通道中。 在一些实施例中， 第一流体和第 二流体可在相交处内至少部分地彼此接触， 以限定流体界面。 根据一些实施例， 在不存在电 场的情况下， 并不推动第一流体进入第二微流体通道。
在又一组实施例中， 该方法包括以下行为 ： 提供微流体系统， 该微流体系统包括第 一微流体通道和第二微流体通道， 该第二微流体通道在相交处接触第一微流体通道， 在第 一微流体通道中提供第一流体并且在第二微流体通道中提供第二流体， 以及推动第二流体 进入第一微流体通道。至少在一些实施例中， 第一流体和第二流体可在相交处内至少部分 地彼此接触， 以限定流体界面。在某些情况下， 当向界面施加电场时， 可至少部分地防止第 二流体进入第一微流体通道。
在再一组实施例中， 该方法包括以下行为 ： 提供微流体系统， 该微流体系统包括第 一微流体通道和第二微流体通道， 该第二微流体通道在相交处接触第一微流体通道， 在第 一微流体通道中提供第一流体， 并且在第二微流体通道中提供第二流体， 以及推动流体从 第一微流体通道进入第二微流体通道。在一些实施例中， 第一流体和第二流体可至少部分 地在相交处内彼此接触， 以限定流体界面。在某些实施例中， 当向界面施加电场时， 可至少 部分地阻止流体进入第二微流体通道。
在又一方面中， 提供了一种微流体装置。 在一组实施例中， 该装置包括第一流体通 道、 在相交处与第一流体通道流体连通的第二流体通道、 以及第一电极和第二电极， 该第一 电极和第二电极定位于第一流体通道或第二流体通道的通常相对的侧面上， 其中该第一流 体通道、 第二流体通道、 第一电极和第二电极布置成使得一个平面与这些中的每一个相交。
在另一组实施例中， 微流体装置包括第一微流体通道、 在相交处与第一微流体通 道接触的第二微流体通道、 以及第一电极和第二电极， 该第一电极和第二电极定位于第一 微流体通道和第二微流体通道的相对侧上。在一些实施例中， 第二微流体通道经由孔口连 接到相交处， 该孔口具有不大于第二微流体通道的平均横截面尺寸的大约 90％的面积。
在另一组实施例中， 该微流体装置包括第一微流体通道、 在相交处接触第一微流 体通道的第二微流体通道、 以及第一电极和第二电极， 该第一电极和第二电极定位于第一 微流体通道的相同侧上。 在某些情况下， 第二微流体通道经由孔口连接到相交处， 该孔口具 有不大于第二微流体通道的平均横截面尺寸的大约 90％的面积。
在又一方面上， 提供了一种物品。根据一组实施例， 该物品包括微流体通道， 该微 流体通道包括具有第一液滴类型的第一多个液滴以及具有第二液滴类型的第二多个液滴， 第二液滴类型能与第一液滴类型区分开， 第一液滴类型和第二液滴类型在微流体通道内限 定了重复图案， 该重复图案重复至少两次并且具有包括多于一个液滴的重复单元。根据在结合附图考虑时进行的本发明的各种非限制性的实施例的下列详细说明， 本发明的其他优点和新颖性特征将变得更加明显。 在本说明书和通过引用合并的文件包括 冲突和 / 或不一致的公开内容的情况下， 本说明书应当核对 (control)。 如果通过引用所合 并的两个或更多申请包括相对于彼此冲突和 / 或不一致的公开内容， 则较晚提交的申请应 当核对。 附图说明
将结合所附的附图通过举例的方式来描述本发明的非限制性实施例， 所述附图是 示意性的且没有按比例绘制。在这些附图中， 所图示的每个相同或几乎相同的元件一般用 一个附图标记表示。为了清楚的目的， 在图示对于使所属领域的普通技术人员理解本发明 不是必需的情况下， 不是每个元件都在每个附图中被标识， 也并不是所示出的本发明的每 个实施例的每个元件都被标识。在这些附图中 ：
图 1 示出了根据本发明的一个实施例的用于使流体流入另一流体中和 / 或从另一 流体中流出的系统 ；
图 2A、 2B 和 2C 示出了根据本发明的另一个实施例的注射之前、 注射期间和注射之 后的液滴 ； 图 3 示出了根据本发明的又一实施例的用于使流体流入另一流体和 / 或从另一流 体中流出的系统 ；
图 4A-4B 图示了本发明的各种实施例， 包括根据本发明的又一实施例的第一流体 的液滴图案和第二流体的液滴图案 ；
图 5A-5B 示出了根据本发明的再一实施例的用于使流体流入另一流体中和 / 或从 另一流体中流出的系统 ；
图 6 示出了根据本发明的一个实施例的液滴尺寸分配图 ；
图 7A-7B 是在本发明的其他实施例中注射量的控制图 ；
图 8A-8B 示出了根据本发明的另一实施例的流体注射 ；
图 9A-9B 示出了本发明的用于液滴注射的另一实施例 ；
图 10A-10D 图示了根据本发明的又一实施例的流体注射的电子控制 ；
图 11A-11C 图示了根据本发明的再一实施例的液滴形成 ；
图 12A-12C 图示了本发明的又一实施例的压力测量 ； 以及
图 13A-13B 图示了本发明的再一实施例中的传感器。
具体实施方式
本发明总体涉及用于控制流体的系统和方法， 在一些情况下涉及用于使流体流入 其他流体中和 / 或从其他流体中流出的系统和方法。例如， 流体可被注入到容纳在流体通 道内的液滴中， 或者流体可被注入到流体通道中以形成液滴。 在一些实施例中， 电极可用来 向一个或多个流体通道施加电场， 例如靠近至少两个流体通道的相交处施加电场。 例如， 通 过电场促进， 可将第一流体推动到第二流体中和 / 或从第二流体中推出。电场在一些情况 下可破坏第一流体与至少一种其他流体之间的界面。被推动到第二流体中和 / 或从第二流 体中推出的第一流体的诸如体积、 流速等的性质可通过控制流体和 / 或流体液滴的各种性质 ( 例如， 流体液滴的曲率 ) 和 / 或控制所施加的电场来进行控制。
现在参照图 1 提供一个示例性实例。但是， 应知晓的是， 在本发明的其他实施例中 也能预料到包括图 1 中所图示的一个实施例的其他实施例， 下面将进行详细论述。在图 1 的实例中， 图示了用于使第一流体 ( 例如通道内的流体 ) 流入第二流体 ( 例如流体液滴 ) 中和 / 或从第二流体中流出的系统。图 1 示出了具有液滴源 210 的系统 200， 液滴 220 从该 液滴源流入第一通道 230 中。流体源 235 与第一通道 230 相交， 该流体源 235 用于例如通 过使用聚流技术和其他技术 ( 如以下详细描述的 ) 来控制液滴在第一通道 230 中的流动。 图 1 还示出了电极 250 和第二通道 240， 第二通道在相交处 260 与第一通道 230 相交。电极 250 位于靠近相交处 260 的第一通道 230 并且与第二通道 240 相对的一侧上。随着液滴流 过相交处 260， 在液滴与第二通道 240 中的可注射流体之间形成流体界面。电极 250 产生 电场， 该电场可破坏液滴与可注射流体之间的界面， 从而使得流体从第二通道流入液滴中， 进而形成液滴 235。然而， 在不存在电场的情况下， 不发生界面破坏， 从而来自第二通道 240 的流体不会进入液滴 220 中。 包含可注射流体的液滴 225 随后离开相交处 260， 例如流入收 集通道 270 中。
在本发明的某些方面中， 诸如在此所描述的那些系统可用于进行注射到流体中的 流体注射和 / 或从流体 ( 例如从容纳流体的通道、 从流体液滴等 ) 中取出流体的流体取出。 如上面实例中所描述的， 这些操作可通过破坏限定在第一流体与第二流体之间的界面而在 第一流体上进行。应知晓的是， 流体注射和 / 或流体取出可包括流体的仅一部分。但是， 在 一些情况下， 可在两个方向上进行流体交换 ； 也就是说， 在第二流体的一部分可被抽到第一 流体中的同时， 第一流体的一部分可被注射到第二流体中。 同样， 界面的破坏可包括破坏界 面的一部分或整个界面。 还应知晓的是， 根据该实施例， 流体交换可包括注射到流体中的流 体注射和 / 或从流体中取出流体的流体取出。
因此， 在一些方面， 本发明涉及用于将两种或更多种流体合并或聚合到一种流体 ( 例如来自流体通道的流体可被注射到流体液滴中 ) 中的系统和方法。 例如， 在一组实施例 中， 在该两种或更多种流体通常例如由于成分、 表面张力、 液滴尺寸、 有无表面活性剂等而 不能合并或聚合的情况下， 两种或更多种流体可被合并或聚合到一种液滴中。 例如， 一种流 体可被注射到一个或更多个流体液滴中。在某些微流体系统中， 在没有在此所公开的用于 合并或聚合流体的系统和方法的一些情况下， 液滴的表面张力相对于液滴的尺寸还可阻止 发生合并或聚合。合并或聚合流体液滴的其他实例在由 Link 等人于 2004 年 4 月 9 日提交 的国际专利申请 PCT/US2004/010903 中有描述， 该专利申请通过引用合并于本文。
在一些实施例中， 第一通道与第二通道在第一通道和第二通道相遇的相交处 ( 例 如图 1 中所示 ) 流体连通。如图 1 所示， 第一通道可被指定为 “主” 通道 ( 通道 230)， 而第 二通道可被指定为 “侧通道” ( 通道 240)。然而， 应知晓的是， 在其他实施例中， 其他通道结 构是可能的， “主” 通道和 “侧” 通道仅仅是用于说明的目的。通常， 如在此所使用的， 该 “主” 通道和 “侧” 通道均可容纳流体， 主通道是在电场关闭时流体在其中流动的通道， 具有将主 通道中的流体与侧通道中的流体分离的界面， 而 “侧” 通道保持在界面分裂时流动的流体。 典型地， 用于传送第一流体的 “主” 通道连续穿过相交处， 而用于传送第二流体的 “侧” 通道 终止于相交处， 尽管 “主” 通道并不需要是线性的。但是， 该 “主” 和 “侧” 通道不必具有如图 1 中所示的 T 形结构。 在本发明的其他实施例中， 例如， 侧通道可与出口通道对齐， 各通道可连接成 “Y” 形结构或三维结构等。图 5A-5B 中示出了 “Y” 形结构的一个非限制性实施例。
在一些情况下， 第一通道或主通道可具有随着通道接近相交处基本上不改变的横 截面积 ( 也就是说， 限定成垂直于通道内的流体流动 )。 然而， 在其他例子中， 横截面积可随 着第一通道接近相交处而增加或减少 ( 也就是说， 收缩 )。例如， 第一通道的横截面积可在 接近相交处时减少。
第二通道可在沿着第一通道的任一点处的相交处与第一通道相交。 在第一通道与 第二通道之间的相交点处， 第二通道在一些实施例中可经由孔口而与第一通道相遇， 即在 第一通道的相交处的第二通道的一部分可具有比引到至相交处的第二通道的横截面积小 的横截面积。然而， 在其他实施例中， 可不存在孔口， 或者第二通道的横截面积在一些情况 下甚至相对更大。该孔口可具有任何形状， 例如圆形、 椭圆形、 三角形、 矩形等， 并且可定位 在第二通道中的任何适当位置中， 例如处于第二通道的端部处或侧部上， 例如图 9 中所示。
如在此所描述的， 相交处的几何形状可影响第一通道中流体与第二通道中流体之 间的流体交换。 孔口所具有的平均横截面尺寸可小于大约 100 微米， 小于大约 30 微米， 小于 大约 10 微米， 小于大约 3 微米， 小于大约 1 微米， 小于大约 300 纳米， 小于大约 100 纳米， 小 于大约 30 纳米， 小于大约 10 纳米等等。 该孔口在一些情况下可具有不大于通道的平均横截 面尺寸的大约 90％的横截面积， 在一些情况下， 该面积为该通道的平均横截面尺寸的至多 大约 80％、 至多大约 70％、 至多大约 60％、 至多大约 50％、 至多大约 40％、 至多大约 30％、 至多大约 20％、 或至多大约 10％。该孔口可与第一通道的相交壁齐平 ( 即孔口可由第一通 道壁的一部分的缺口所限定 )。 图 2 示出了一个非限制性实例， 可替代地， 在一些情况下， 孔 口可处于伸入第一通道中的位置。 在一些实施例中， 设置一个或多个电极， 该一个或多个电极向第一通道和第二通 道的相交处施加电场。在一些情况下， 电极可被定位成使得电极产生包含相交处或者至少 靠近该相交处的电场最大值。例如， 电极可定位成在第二通道与第一通道相交的位置处产 生电场或电场最大值， 或可定位成使得在通道中两种流体之间的界面受到适当的电场。电 极可相对于通道以各种构型定位。 在一些实例中， 电极可基本上与第二通道相对地定位。 可 替代地， 电极可基本上定位到第二通道的一侧。 在一些实施例中， 电极可定位在第二通道上 方或下方 ( 例如处于该装置的另一层中 )。
在一些情况下， 设置多个电极。 例如， 两个电极可基本上定位于第一通道或第二通 道的相同侧或相对侧上。在一些例子中， 两个电极可定位在第一通道和第二通道二者的相 对侧上。在图 1 中示出了一个实施例的电极定位于相同侧上的实例， 而在图 9 中示出了一 个电极定位于相对侧上的实施例。在一些实施例中， 第一电极和第二电极可定位成使得一 个平面与这两个电极相交。在一些情况下， 电极可定位成与一个或多个通道共面 ( 例如， 如 图 1 中所示 )， 例如以使得第一流体通道、 第二流体通道和电极被定位成使得一个平面与它 们中的每一个相交。
再次参照图 9， 图 9A 示出了一实例系统的显微照片， 而图 9B 是该实例系统的示意 图。 在该实例中， 系统 700 包括第一电极 710 和与第一电极 710 共面的相反的第二电极 720。 在图 9B 的实例中， 在使用期间， 电极 710 是正极， 而电极 720 是负极。然而， 在其他实施例 中， 电极 710 可以是负极， 而电极 720 可以是正极。在该附图中， 电极 710 和 720 定位在第 一主通道 730 与第二侧通道 740 之间的相交处 750 的相对侧上。电极可定位成使得如图 9B
中所示在这些电极之间产生的电场在第一通道 730 与第二通道 740 之间的相交处对中， 或 者使得在本发明的其他实施例中这些电极可定位成偏心构型。如在此所示的， 产生从正电 极 710 到负电极 720 的电场线 715。由于电极的位置， 电场线 715 从电极 710 穿过相交处 750 而到达电极 720。因而， 通过控制电极之间的电压， 可控制相交处 750 处的电场。还如 图 9B 所示， 第一通道 730 填充有第一流体， 而第二通道 740 填充有第二流体 ( 为了清楚的 目的， 在此示出为不同的阴影 )。如在此所论述的， 来自第二通道 740 的第二流体可被注射 到第一通道 730 中， 和 / 或被注射到第一通道 730 内的液滴中 ( 未示出 )。
现在参照图 8B 来说明这种系统的一个应用实例。在该附图中， 第一通道 750 内的 流体从第二通道 760 扩散出的流体旁边流过， 并且穿过受控地施加的电场 ( 例如通过电极 施加的电场， 在图 8 中未示出 )， 来自第二通道 760 的一部分流体在液滴 770 经过第一通道 750 与第二通道 760 的相交处 765 时被注射到容纳在第一通道 750 内的液滴 770 中。如之 前所论述的， 可通过控制施加到相交处的电场强度和 / 或诸如在此所描述的其他因素来控 制注射到液滴中的流体量。例如， 在一组实施例中， 如果不经由电极施加电场， 则不发生流 体注射， 或者可至少部分地通过控制施加到相交处的电场来控制从第二通道 760 注射到第 一通道 750 中的流体量。
在此所论述的电极可由任何适当材料制成， 如果存在两个或更多个电极， 则这些 电极可由相同或不同的材料形成。电极材料的非限制性实例包括金属、 非金属、 半导体、 石 墨、 导电聚合体和类似物。电极可具有用于施加电场的任何形状。在一些情况下， 电极可具 有基本上矩形的形状。如另一个例子， 电极可以是细长的并且具有限定为最靠近第一通道 与第二通道之间的相交处的电极区域的尖端。在一些实施例中， 电极的尖端可具有类似于 第二通道宽度的宽度。在其他实施例中， 电极的尖端可具有基本上大于第二通道宽度的宽 度。电极形状可以是平直的、 V 形的、 或任何其他适当的形状， 诸如在此所论述的形状。
在一些情况下， 电极的尖端可构造成使得如之前所论述的例如在相交处或相交处 附近产生电场最大值。例如， 电极可被构造成使得电场梯度在期望的界面分裂方向上被最 优化。在一些例子中， 例如在使用多级电极的情况下 ( 例如， 在此相对于图 3 所论述的 )， 电极可被构造为使一个或多个电极与一个或多个通道之间的干涉最小化 ； 例如， 通过使第 一界面暴露于由用于暴露位于与第一界面所暴露的电场位置不同的位置处的第二界面的 电极所施加的电场的非故意暴露最小化。在一些实施例中， 使电极尖端的尺寸减少可使得 通过电极尖端施加的电场更加集中地施加， 以便一个或多个界面并不是非故意地暴露于电 场， 和 / 或暴露于相对较弱的电场强度。这在一些例子中是有益的， 例如在期望减少多个注 射系统之间的距离的情况下。
在一些实施例中， 由电极产生的电场通过使用电场发生器而产生， 该电场发生器 即能够产生可例如经由一个或多个电极向流体施加的电场的装置或系统。例如， 电场发生 器可包括电压电源和一个或多个电极。
电压电源包括电池、 壁电流 (wall current)、 燃料电池或类似物， 并且各种各样的 电压电源是可从市场上获得的。电场发生器可产生交流电场 ( 也就是说， 交流电场相对于 时间周期性变化， 例如正弦曲线、 锯齿形、 正方形等等 )、 直流电场 ( 即， 该直流电场相对于 时间为常数 )、 脉冲场等。电场发生器可被构造和布置成在容纳于通道或微流体通道内的 流体内形成电场。根据一些实施例， 电场发生器可与包括通道的流体系统一体形成或者独立于该包括通道的流体系统。正如在此所使用的， “一体形成” 是指彼此一体形成的元件的 各部分以在没有切割或破坏元件中至少一个的情况下元件不能被人工地彼此分开的方式 连接在一起。 此外， 在一些情况下， 电场可例如通过计算机或自动化装置的帮助而被自动控 制。
如所提及的， 在一些例子中， 电场被施加到第一通道与第二通道之间的相交处 ； 例 如， 电场可被施加到第一通道与第二通道之间的相交处。根据该实施例， 可连续地、 周期地 或间歇地施加电场， 并且电场可以是直流的、 交流的等等。 例如， 在相交处暴露于电场时， 流 体液滴可被推动进入或穿过该相交处。电场可被施加， 以破坏形成于流体液滴与例如第二 通道中的流体之间的界面， 例如如上所述， 从而使得发生从第二通道交换到第一通道中的 流体交换。如另一个实例， 通过控制电场， 来自第二通道的流体可被推动到第一通道中， 以 产生容纳在第一通道内的一个或多个新液滴。
施加给电极的电压可以是用于破坏流体界面的任何适当的电压。例如， 电压可介 于 0.1V( 伏特 ) 与 10000V 之间， 介于 0.1V 与 1000V 之间， 介于 0.1V 与 300V 之间， 介于 0.1V 与 100V 之间， 介于 0.1V 与 50V 之间， 介于 0.1V 与 30V 之间， 介于 0.1V 与 10V 之间等。所施 加的电压可以被连续地、 脉动地、 间歇地、 随机地施加， 等等。脉冲可以是直流的或交流的， 具有任何适当的频率， 例如， 该频率为赫兹、 千赫或兆赫范围中的频率等。 例如， 在一个实施例中， 所施加的电场可以是脉动的。例如， 电场可在流体液滴存 在于相交处时施加， 但在其他时候不施加。 在另一个实施例中， 在流体液滴处于第二通道之 前时施加电场。例如， 可施加足够长时间的电场， 以用于特定流体量的注射和 / 或取出， 例 如， 电场可在流体液滴处于第二通道之前时开一段时间关一段时间。
通过例如经由电场发电机在电极上施加电压， 可产生电场， 如图 9B 所示， 该电场 被展示为从正电极经过负电极的电场线。 电场线可例如在流体从第二通道注射到第一通道 期间在与流动相同的方向上穿过流体之间的界面。在其他实施例中可使用其他角度。电极 可定位成将电场对中于相交处上， 或者偏离该中心， 例如从而产生沿流动通道方向的电场 分量。
在本发明的一些方面， 正如所述的， 用于注射第一流体和 / 或从第二流体取出第 一流体的方法包括 ： 形成第一流体与第二流体之间的界面， 破坏该界面 ( 例如使用电场 )， 以使得在第一流体与第二流体之间不存在障碍 (barrier)， 并允许第一流体与第二流体之 间的流体传递。例如， 在第一流体与第二流体之间的界面 ( 例如第二通道内的流体与定位 于与第二通道相交处的第一通道中的液滴之间 ) 被破坏时， 流体可从第一流体流到第二流 体、 从第二流体流到第一流体或者两者兼而有之 ( 例如通过两种流体相对于彼此的扩散或 对流 )。举例来说， 通过控制第一通道与第二通道之间的压差， 流体可被推动优先地在一个 方向上或者另一个方向上 ( 例如朝着液滴， 也就是注射， 或者远离液滴， 也就是取出 ) 流动。
因此， 在某些情况下， 两种流体之间的界面的至少一部分可被破坏， 以允许发生两 种流体之间的流体流动。在一些实施例中， 界面的至少一部分可由使用如在此所描述的电 极而施加的电场被破坏。电场可例如为直流电场、 交流电场、 脉冲场等。
在不希望受任何理论限制的情况下， 应相信的是， 电场的施加使得用于破坏界面 的作用力 ( 例如， 剪切力、 机械作用力、 例如库伦力的电作用力等 ) 变得比用于保持界面的 作用力 ( 例如， 表面张力、 表面活性剂分子成线状 (alignment) 和 / 或位阻等 ) 大。 例如， 电
场破坏流体界面所利用的一种可能的机理是在每种流体中由电场所引起的偶极 - 偶极间 的相互作用可导致流体由于它们的局部相反负荷而变得朝向彼此电吸引， 从而破坏至少一 部分界面， 进而导致在流体之间形成流体连接， 这可用于注射、 取出、 混合等。 电场破坏流体 界面所利用的另一种可能的机理是电场可直接在流体上产生一个作用力， 从而导致聚合。
例如， 在一组实施例中， 要被注射到通道中的流体可例如通过使用被定位成将电 场施加到相交处或该相交处附近的电极而进行的电场施加而被直接加电荷。 如一个特定的 实例， 例如如图 8A 中所示， 在第一通道内的液滴接近第一通道与第二通道的相交处时， 该 液滴可被至少部分极化。该极化可在这些流体之间产生吸引力， 这可使得它们变得彼此吸 引， 并且在一些情况下合并。在一些情况下， 这些流体可被至少部分地传导， 并且这些流体 可被包围或包含在隔离流体内， 该隔离流体例如为油， 其可使得流体在所施加的电场内呈 现电荷或电荷分离。
在一些实施例中， 该流体界面可在抵达某一阈值电场强度之后分裂。阈值电场强 度可以是任何能够使界面分裂的任何最小值， 并且可以通过应用而改变。 例如， 诸如容纳在 通道内的流体粘性或密度、 通道内的流体流速、 通道的几何形状 ( 例如尺寸或大小 )、 通道 在相交处相遇的角度、 存在施加到流体的其他作用力等因素对于一个特定的应用可影响阈 值电场强度。用于分裂界面的电场强度的非限制性实例包括的电场强度大于大约 0.01V/ 微米， 大于大约 0.03V/ 微米， 大于大约 0.1V/ 微米， 大于大约 0.3V/ 微米， 大于大约 1V/ 微 米， 大于大约 3V/ 微米， 大于大约 10V/ 微米等。应知晓的是， 这些范围之外的值同样也可以 应用于一些情况中。在一些情况下， 流体传送量可基本上是与高于阈值电压的电压相关的 常数。在其他实施例中， 界面分裂量通常随着电场强度的增加而增加。 该界面的控制和分裂的非限制性实例如下。 通常， 界面的控制取决于以下因素， 诸 如通道内流体的性质 ( 例如它们的粘性或密度 )、 流体界面处的流体曲率、 通道的尺寸 ( 这 影响它们在界面处的曲率 )、 通道相交处的尺寸或类似因素。 现在参照一个具有在相交处相 遇的第一和第二通道的系统来描述两种流体之间的界面控制和分裂的一个实例， 其中第一 (“主” ) 通道承载流体液滴， 而第二 (“侧” ) 通道承载要被注射到流体液滴中的流体， 和/ 或用于从流体通道中取出流体。
作为一个非限制性的实例， 第一通道中的流体液滴例如在第一通道和第二通道在 相交处相遇时可以与第二通道中的流体形成流体界面。在一些情况下， 第一通道中的流体 液滴可充分大， 以使得流体液滴与第一通道的壁相接触 ； 在一些情况下， 第一通道的宽度可 影响流体液滴的曲率半径。在某些实施例中， 通过第二通道与第一通道在相交处的横截面 积 ( 例如， 在第二通道的孔口或喷嘴处， 如果存在一个孔口或喷嘴的话， 在其接触第一通道 时 )， 第二通道中的流体在与第一通道的界面处的曲率半径可至少部分地受到控制。 也就是 说， 随着第一和第二通道之间的孔口或相交处的横截面积减少， 第二通道中流体的曲率半 径随着其接触第一通道中的流体而减少。在一些情况下， 第二通道中流体的曲率半径可至 少部分地通过下述方式被限定 ： 对第二通道内的流体加压以使得该流体至少部分地从孔口 或界面伸入到第一通道中。
作为其非限制性实例， 参照图 2A， 在附图中显示出流体液滴 300 在第一通道 310 中 从左向右流动。在该实例中也显示出流体 320 从第二通道 330 伸出， 其中第二通道具有孔 口 340。应注意的是， 如图 2 中所示， 该孔口处于第二通道 330 的渐缩部分的端部处 ； 该孔
口不必具有与通向孔口的流体通道相同的尺寸或平均直径。在该实例中， 容纳在第一通道 310 内的流体液滴的曲率半径 R1 比从第二通道 330 进入第一通道 310 的流体的曲率半径 R2 大。如图 2A 所示， 流体液滴和流体因而彼此接触， 从而形成界面 350。
在图 2B 中， 如在此所论述的， 流体液滴与进入的流体之间的界面可通过将该界面 暴露于适当的电场而分裂。应相信的是， 在不希望被任何理论限制的情况下， 电场的施加 可改变流体在流体之间的界面处的偶极矩， 其可以至少足以破坏该界面的表面张力而使这 些流体分离， 因而分裂该界面而使这些流体分离并且允许发生流体交换。 在一些情况下， 如 在此所论述的， 界面的尺寸和 / 或形状还可通过控制这些流体之间的界面处的电场而被控 制； 例如， 较强的电场可增加这些流体之间的界面处的流体的偶极矩变化， 这因而可改变分 裂量、 分裂阈值和 / 或能够在流体液滴和进入的流体之间交换的流体量。还应注意的是， 流 体液滴 300 仅仅通过举例的方式而被使用 ； 在其他实施例中， 来自第二通道 330 的流体可被 直接注射到第一通道 310 中， 也就是说， 不存在第一通道 310 内的流体液滴 300。在一些情 况下， 这可导致在第一通道内产生新的流体液滴。
根据本发明的各实施例， 通过控制诸如各种流体的流体压力、 电场强度、 通道形 状、 通道相交处的性质等因素， 可控制流体液滴与来自第二通道 330 的流体之间的流体交 换的方向。 作为一个特定的非限制性实例， 在一些情况下， 可通过控制这些流体的压力或相 对压力来控制流体交换。例如， 在不希望受任何理论限制的情况下， 应相信的是， 通过控制 流体的曲率半径以便 ( 第一通道中 )R1 大于 ( 第二通道中 )R2， 例如通过控制流体液滴的压 力 p1 小于第二通道中的流体压力 (p2)， 流体可从第二通道流到流体液滴中。 因而， 在本实例 中， 第二通道中的流体可在界面分裂之后流入流体液滴中或者 “被注射” 到流体液滴中。但 是， 在其他情况下， 例如， 如下所论述的， 该压力可被控制成使得 R2 大于 R1， 流体替代地可从 流体液滴中取出而进入第二通道中。
如所提到的， 可通过控制压力 ( 或相对压力 ) 和 / 或施加到该界面的电场来控制 这些流体之间的界面。 在某些实施例中， 电场的控制可提供界面的电控制， 例如是否控制流 体向通道中和 / 或通道内的流体液滴中的注射和 / 或控制流体从通道中和 / 或通道内的流 体液滴中的取出， 或者在控制流体向通道中和 / 或通道内的流体液滴中的注射和 / 或控制 流体从通道中和 / 或通道内的流体液滴中的取出时。例如， 通过调制该电场， 可调整这两种 流体之间的界面位置。举例来说， 与如图 10A 中所示的没有电场 ( 或者较弱电场 ) 时相比， 如图 10B 中所示， 界面的位置可在施加电场时较高。在一些实施例中， 界面的位置还可例如 通过控制施加给这些电极的电压而被动态地控制。
作为一个特定的非限制性实例， 现在参照图 10C， 当施加给这些电极的电压被调整 从而调整在这些电极之间产生的施加给流体界面的电场强度时， 界面的位置相应地做出响 应， 如图 10D 中所示 ( 示出了该非限制性实例中界面的位置 )( 应注意的是， 图 10C 和 10D 均采用相同的比例 )。因而， 通过控制施加给界面的电场， 同样可控制界面的位置。如所提 到的， 在一些实施例中， 通过对施加给布置在界面周围的这些电极的电压来控制电场， 例如 通过控制电压的强度或极性， 和 / 或 ( 例如， 如果是交流电场的话 ) 控制该电压的振幅、 频 率等来控制电场。 例如， 通过使用较高的电压， 这些流体之间的界面可较远地延伸到第一通 道中， 从而允许较大体积被注射到流体液滴中， 而较小的电压可用于使得界面不较远地延 伸到该通道中， 从使得较小量的流体被注射到液滴中。 在一些实施例中， 该界面位置还可以适当的频率被调整， 例如以可与液滴形成率或通过界面的通过率相匹配的频率， 从而允许 分别控制要被注射到每个液滴中的体积量。
此外， 在某些实施例中， 如果电场被充分地增大或控制， 流体界面可足够远地延伸 到第一通道中， 以使得来自第二通道的流体脱落而进入第一通道中， 形成新的液滴。参照 图 11A 和 11B 来论述该过程的一个实例。在图 11A 中， 在没有电场 ( 或不充足的电场 ) 被 施加给产生在第一通道 910 与第二通道 920 之间相交处的界面 930 时， 第二通道内的流体 和第一通道内的流体之间的界面不被分裂， 因而第二通道内的流体并不易于流到第一通道 中， 也就是说， 液滴的产生处于 “不工作” 。但是， 在图 11B 中， 在通过使用电极 915 所产生的 施加电场 ( 由电场线 950 标识 ) 的作用下， 这些流体之间的界面可被延伸到第一通道中。
在适当的条件下 ( 例如， 第一通道内的流体流动的较快速率 )， 界面 930 可被相当 远地延伸到第一通道 910 中， 例如如图 11B 中所示。在一些情况下， 该界面如此远地延伸以 使得该界面被分裂， 使得第二通道 920 内的一些流体作为不连续的液滴进入第一通道 910。 重复该过程可用于在第一通道 910 内产生多个流体液滴。应注意的是， 由于该过程被电子 控制， 在一些情况下可实现快速的液滴产生。例如， 在一些情况下可产生每秒至少大约 10 个液滴， 在其他情况下， 在这种方式下可产生每秒至少大约 20 个液滴， 每秒至少大约 30 个 液滴， 每秒至少大约 100 个液滴， 每秒至少大约 200 个液滴， 每秒至少大约 300 个液滴， 每秒 至少大约 500 个液滴， 每秒至少大约 750 个液滴， 每秒至少大约 1000 个液滴， 每秒至少大约 1500 个液滴， 每秒至少大约 2000 个液滴， 每秒至少大约 3000 个液滴， 每秒至少大约 5000 个 液滴， 每秒至少大约 7500 个液滴， 每秒至少大约 10000 个液滴或者每秒更多个液滴。因此， 在一些实施例中， 通过控制电场， 可在通道内产生单独的流体液滴。此外， 通过调整诸如流 体内的电压、 流速和 / 或压力， 可控制因而在通道内形成的液滴量。
在另一组实施例中， 电场的应用可以是反向的， 其中该电场施加用于停止或减少 液滴的产生， 而不是用于产生液滴。例如， 在一些情况下， 诸如那些在此所论述的流体液滴 系统可用于产生液滴。 该流体液滴系统可例如通过使用流动集中技术或如在此所公开的其 他技术来产生液滴。在不施加电场时， 可形成液滴 ； 然而， 在例如使用电极施加足够大的电 场时， 流体界面可收缩， 这可改变或抑制液滴的形成。
例如， 在图 11C 中， 在第一通道 910 内的第一流体与第二通道 920 内的第二流体之 间的界面处， 液滴可在不存在电场的情况下产生， 例如由于推动第二流体进入第一通道中 的第二通道内的运动和压力， 例如从而形成液滴 ( 例如， 如果第一和第二流体基本上是不 相混的 )。然而， 在施加适当电场的情况下， 如在该图中通过电极 915 之间的电场线 950 所 示出的， 所施加的电场使得第一通道 910 与第二通道 920 之间的界面 930 运动 ； 在该情况 下， 界面 “向上游” 运动到第二通道 920 中并且远离第一通道 910， 从而减缓或抑制进入第一 通道 910 内的第一流体中的第二流体液滴形成。因此， 在另一组实施例中， 电场的施加可用 于部分地或完全地阻止第二流体进入第一流体。此外， 一个类似的系统可用于阻止流体从 第一通道中被取出而进入第二通道中 ； 也就是说， 在不存在电场 ( 或者不充足的电场 ) 的情 况下， 流体可被从第一通道取出而进入第二通道中， 但是在施加适当电场的情况下， 这些流 体之间的界面移动以使得流体不能从第一通道取出而进入第二通道中。
在一些方面中， 流体可被注射到流体通道 ( 例如以容纳在通道内的流体液滴中的 形式 ) 中， 在一些情况下， 这可使得所注射的流体与流体液滴内的其他流体发生混合。在某些实施例中， 本发明广泛地预想到用于将流体例如注射到流体液滴中的各种系统和方法。 应理解的是， 在此描述中包含将流体从第二通道 “注射” 到第一通道中， 被注射的流体可被 注射到容纳在第一通道内的液滴中和 / 或注射到容纳在第一通道内的流体中， 从而例如形 成新的液滴。因此， 在一些实施例中， 使用在此所论述的第一通道、 第二通道和电极的流体 注射可用于产生来自第二通道的流体的新液滴， 这些新的液滴可分别容纳在第一通道内的 流体内部。
例如， 在一组实施例中， 该流体可通过使用例如微针、 喷头、 孔口、 管或其他这样的 装置的针而注射到流体液滴中。在另一组实施例中， 流体使用流体通道在流体液滴接触流 体通道时被直接注射到流体液滴中。 例如， 在某些实施例中， 容纳流体的第一通道可被第二 通道在相交处相交。 来自第二通道的流体例如使用这些通道中的一个或两个内部的适当压 力 ( 例如泵 ) 可被注射到第一通道中。例如， 在容纳在第一通道内的液滴穿过相交处时， 来 自第二通道的流体可被推动进入该相交处， 从而进入该液滴并导致了流体从第二通道注射 入该液滴。
在某些实施例中， 通过控制诸如流体的相对压力、 相交处中液滴的停留时间、 流体 的粘度、 施加给界面的电场等性质， 可控制所注射的流体量。例如， 现在参见图 2B 和 2C， 流 体液滴 300 与来自第二通道 330 的流体进行流体连通， 从而流体可从第二通道 330 流到液 滴 300 中。但是， 随着流体液滴 300 运动穿过第一通道 310， 流体液滴 300 与来自第二通道 330 的流体之间的剪切增加， 并且可导致流体液滴从第二通道 330 脱离 ( 图 2C)。在一些情 况下， 如图 2C 中所示， 第一通道 310 中的流体与第二通道 330 中的流体之间的界面可通过 流过相交处的液滴的剪切作用而被修复。
可被注射和 / 或取出的流体量可以是任何适当的量， 这取决于实施例。例如， 所注 射和 / 或取出的量可小于大约 10 微升， 小于大约 1 微升， 小于大约 100 纳升 (nanoliter)， 小于大约 10 纳升， 小于大约 1 纳升， 小于大约 100 纳升， 小于大约 10 纳升， 小于大约 1 纳升 等。在一些情况下， 流体可在第一通道中流体处于运动时 ( 即， 流动通过第一通道 ) 被注射 和 / 或取出。在其他情况下， 流体可在第一通道中流体保持静止时被注射和 / 或取出。例 如， 第一通道中的压力可被控制， 以使得将液滴推动到第一通道与第二通道之间的相交处。 第一通道内的压力和 / 或流体流动然后被降低， 以使得该液滴在相交处保持静止， 从而使 得期望量的流体被注射到液滴中和 / 或从液滴中取出。然后， 一旦期望量的流体已经被运 输走， 压力可被增加和 / 或流体流动可被控制， 以推动液滴远离相交处。
在一些情况下， 第二通道可例如被配置有泵或其他压力控制装置， 以使得例如在 不依赖界面的曲率半径差异等的情况下， 流体可例如被强制地从第一通道注射到流体液滴 中和 / 或从流体液滴取出而进入第一通道中。
第一通道内的流体液滴的流速在一些实施例中可通过下述因素被决定， 如上所 述， 这些因素诸如为第一通道中流体液滴与第二通道中流体之间的压力或压差、 一个通道 或两个通道中的流体压力、 第一通道与第二通道之间孔口的尺寸、 第一通道与第二通道之 间的相交角度等。 该流体压力可使用任何适当的技术进行控制， 例如使用泵、 虹吸压力等进 行控制。
如所提到的， 所注射和 / 或取出的流体量可使用任何适当的技术进行控制， 例如 通过控制各种流体的压力、 按容积计的流速、 所施加的电场强度等进行控制。例如， 在一些实施例中， 第一通道中流体的流速可用于控制所注射和 / 或取出的流体量。应相信的是， 这 可由于第一通道中流体的流速控制第一通道中流体液滴的流速而得到控制， 这从而控制了 液滴存在于相交处和 / 或暴露于第二通道的流体中的时间量。
在另一组实施例中， 这些流体之间的压力和 / 或压差可用于控制所注射和 / 或取 出的流体量。例如， 通过使压力平衡， 可使这些流体之间的流动最小化， 与此同时可通过流 体之间的适当压差而推动流体流入液滴或通道中或者从液滴或通道中流出。例如， 相对于 第一通道， 可增加第二通道中的压力， 以使得发生流体流入第一通道中， 例如流入第一通道 内的液滴中。
在一些实施例中， 两个流体之间的流体交换量可通过控制第一流体在第二流体附 近的停留时间而进行控制， 例如通过控制流体在位于第二通道之前的第一通道中的停留时 间。作为一个非限制性的实例， 液滴在位于第二通道之前的第一通道中的停留时间可通过 改变流体在第一通道中的流速而进行控制。 也就是说， 相对于第二通道， 通过减缓流速或者 甚至停止流体在第一通道中的流动， 可实现较长的停留时间。 同样， 通过增加流体在第一通 道中的流速可实现较短的停留时间。
在另一组实施例中， 例如在液滴位于第一通道与第二通道的相交处中时改变所施 加电场的持续时间。例如， 为了使得在第一通道和第二通道中的流体之间进行交换的流体 较多， 界面可被分裂较长时间。为了使得流体交换量较少， 界面可被分裂较少时间。 在一组实施例中， 在此所描述的系统和方法可用于在第一通道和第二通道之间传 送流体。 例如， 第一通道中的第一流体可与第二通道中的第二流体形成界面。 如图 5A-5B 中 所示， 第一流体和第二流体之间的界面的分裂可允许在两种流体之间进行流体交换。在图 5A 中， 容纳第一流体的第一通道 600( 流动方向由通道中的箭头表示 ) 连接到具有静止的 第二流体的第二通道 610。当电极 630 处于 “不工作” 状态 ( 或者处于不足以分裂界面 620 的电压下 ) 时， 两种流体被界面 620 所隔开。在图 5B 中， 电极 630 处于 “工作” 状态 ( 即处 于至少足以分裂界面 620 的电压下 )， 从而导致界面 620 分裂并且允许第二通道 610 中的第 二流体流到第一通道 600 中。在一些情况下， 两个通道之间的流体流动可例如通过将压力 施加给第一通道或第二通道、 减少第一通道或第二通道上的压力等而被促进。 如上所述， 使 用例如将界面暴露于电场的方法可分裂界面。
作为另一个实例， 在一些情况下， 与第一通道相交的第二通道的几何形状可影响 流体注射和 / 或取出。在不希望受任何理论限制的情况下， 应相信的是， 由于第二通道中的 流体流入流体液滴中的流速通常与第二通道的流体动阻力成相反的关系， 可以实现这种控 制。在一些情况下， 通过第二通道的最窄收缩， 该性质可受到控制。例如通过选择适当的通 道尺寸和 / 或通过控制通道内流体的压力， 可控制流速。在一些实施例中， 例如， 流速可小 于大约 1 毫米 / 秒， 小于大约 100 微米 / 秒， 小于大约 10 微米 / 秒， 小于大约 1 微米 / 秒， 小于大约 100nm/ 秒， 小于大约 10nm/ 秒， 小于大约 1nm/ 秒等。
在某些实施例中， 正如所提到的， 第二通道可用于从与第二通道相交的第一通道 的流体中取出流体。 在一些情况下， 第一通道中的流体可被控制， 以具有比第二通道内的流 体高的压力。这可通过多种方式来实现。在一些情况下， 例如， 第一通道中流体液滴的曲率 半径以及第二通道中流体的曲率半径可被控制， 以使得流体液滴的曲率半径小于与第一通 道相交的第二通道中流体的曲率半径。 例如， 可在第一通道内控制流体液滴， 从而产生具有
较小曲率半径的流体液滴。在另一实施例中， 第二通道的横截面积 ( 或第二通道的孔口的 横截面积 ) 可被增加， 以使得从第二通道进入第一通道的流体的曲率半径相对于第一通道 中的液滴较大。
在一些情况下， 通道的内部可被修改以改变通道的润湿性。例如， 通道 ( 诸如第 二通道 ) 可被修改， 以使得从第二通道进入第一通道的流体可在第二通道内部采用负曲率 ( 即， 凹入结构， 凹入被限定为与从第二通道伸入第一通道中相反地取出而进入第二通道 中 )。在这种情况下， 例如第二通道能将流体从第一通道的流体 ( 例如容纳在第一通道内 的液滴 ) 中快速取出。用于控制或改变表面的亲水性或疏水性的技术的例子在 Abate 等于 2009 年 2 月 11 日提交的名称为 “具有受控润湿性的包括微流体通道的表面” 的国际专利申 请 PCT/US2009/000850 中公开， 该国际专利申请通过引用合并于此。
在一些实施例中， 一种系统可包括多个通道和 / 或电极。这种系统例如可用于例 如连续地进行多个注射 / 取出操作。例如， 图 3 示出了说明流体注射到流体液滴中的时间 次序。在该图中， 多个注射系统可串联布置。这些注射系统中的每一个可容纳要被注射到 通道中的相同或不同的流体。 例如， 在某些情况下， 单个流体液滴可随着其流动通过通道而 例如使用多个注射系统被注射多种不同的流体。 作为另一个实例， 在一些实施例中， 第一组 流体液滴可被注射第一流体， 而第二组流体液滴可被注射第二流体。 作为一个特定的非限制性实例， 图 3 示出了电极 400、 405 和 410， 其中电极 400 和 405 处于 “不工作” 状态 ( 即， 零电场或者低于至少足以分裂界面的阈值量的电场 )。电极 410 处于 “工作” 状态， 从而施加足以分裂界面的电场。已经流过包含染色流体的通道 430 和 432 的流体液滴 420， 被注射有染色流体， 这是因为可分别将电场施加到通道 435 与通道 430 和 432 的相交处的电极 400 和 405 处于 “不工作” 状态。然而， 由于电极 410 处于 “工 作” 状态， 流体液滴 420 在处于通道 435 和通道 434 的相交处时从通道 434 注射染色流体。
用于进行多种注射的其他结构对于本领域技术人员来说是显而易见的。 多种注射 可用于产生例如流体液滴的组合库， 其中每种流体液滴具有在诸如注射物质、 注射量 ( 即， 浓度、 体积等 )、 注射时间 ( 即， 在不同的时间段 ) 等性质方面可区分开的注射独特组合。
本发明的另一方面通常涉及容纳在通道 ( 诸如微流体通道 ) 内的多种液滴类型。 通过使用诸如在此所描述的系统， 液滴可被控制在通道内部以例如基于颜色、 大小、 包含在 多个液滴中的一些形体等而被区分开。 因而， 作为一个特定的实例， 多个液滴中的一些液滴 可被注射， 以形成第一液滴类型的第一多个液滴以及第二液滴类型的第二多个液滴， 第二 液滴类型可例如通过使用染色而与第一液滴类型区分开。 其他实例的可能的适当区别特征 包括 ： 成分、 浓度、 密度等 ； 光学性质， 诸如透明， 不透明、 折射率等 ； 或者电学性质， 诸如电 容、 导电性、 电阻等。
在一组实施例中， 使用在此所述的系统和方法， 通道内部的任一随意形式的液滴 可例如随意、 随机、 编为重复顺序等地进行注射。例如， 液滴可以按交替方式 ( 例如在第一 液滴类型和第二液滴类型之间 ) 或者如图 4A 和 4B 中所示的方式进行注射， 流体液滴可以 较长的重复图案或任意图案进行注射， 从而在一个重复单元内包含任何数量的液滴 ( 该重 复单元在通道内重复至少两次， 以产生重复图案 )， 例如重复单元具有 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 12、 15、 20 个或更多个液滴。 例如， 图 4A 图示了一个实施例， 其中两个相邻的液滴被注射 染料， 之后跟随三个未被注射染料的液滴， 从而形成 5 个液滴的重复单元 ； 在图 4B 中， 图示
了 15 个液滴的重复单元。
此外， 根据某些实施例， 通过使用超过两种类型的液滴， 可在通道中产生液滴的更 多复杂次序。 例如， 通道可包含多个注射点， 例如， 正如之前所述的， 注射可被控制以产生具 有第一液滴类型的第一多个液滴、 具有第二液滴类型的第二多个液滴以及具有第三液滴类 型的第三多个液滴。在其他实施例中， 甚至可以产生更多液滴类型， 例如第四液滴类型、 第 五液滴类型、 第六液滴类型等。这些液滴可以任何适当的图案布置， 包括任意、 随机或重复 的图案 ( 这可具有限定出具有重复图案的重复单元的任何数量的液滴 )。
在另一方面， 通道内的压力可通过使用诸如在此所描述的那些系统而被确定。例 如， 通过确定第一通道与第二通道之间的流体平衡， 可确定这些通道之间的压力或压差。 第 一通道中的第一流体和第二通道中的第二流体之间的流体界面的尺寸或形状至少部分地 是这些通道之间的压差的函数。 通过确定界面的性质， 例如通过确定界面的曲率半径， 可确 定该界面的任一侧上的这些通道内的压力。
作为一个特定的实例， 第一通道和第二通道可在相交处相交。第一通道可容纳第 一连续液体。 当来自第二通道的流体在相交处进入第一通道时， 可形成流体界面。 通过从第 二通道形成的流体， 连续相内的压力可由于第一通道的部分或完全阻塞而波动。为了测量 压力波动， 诸如拉普拉斯传感器的传感器可定位于第一通道中且位于相交处的上游， 例如， 如具有第一通道 800、 第二通道 810 和传感器 815 的图 13 所示。在该实例中， 第二通道 810 用于将流体注射到第一通道 800 中， 在这种情况下， 在通道 810 内产生了新液滴 820。如图 13A 所示， 在循环的早期， 形成的液滴至少部分地阻塞第一通道 800， 导致第一通道中的压 力升高以及传感器 815 的界面 840 向上移动。但是， 如图 13B 中所示， 当液滴 820 从第二通 道分离时， 压力被释放， 使得界面 840 在传感器 815 中向下移动。因为经由第二通道产生的 液滴以周期循环在第一通道中产生， 该传感器的界面周期性地上下波动。通过跟踪界面位 置很多个循环， 在液滴形成期间可确定或定量化第一通道内的压力波动。在实例 4 中可看 到这种确定的实例。
例如， 在循环的早期， 当形成的液滴部分或完全阻塞第一通道时， 相交处的上游处 的第一通道内存在通常向上斜的压力， 正如拉普拉斯传感器所记录的。在阻塞第一通道和 第二通道的相交处的孔口之后， 增加的压力撞击在形成的液滴上， 使得液滴变窄并且最终 压紧以形成隔离的液滴 ； 该情况与快速压力降低相一致。
在本发明的各个方面， 在此所公开的流体系统还可包括液滴形成系统、 传感系统、 控制器和 / 或液滴分类和 / 或分离系统， 或者这些系统的任意组合。这些系统和方法可以 任何适当的次序定位， 这取决于特定的应用， 在一些情况下， 可使用给定类型的多个系统， 例如两个或更多个液滴形成系统， 两个或更多个液滴分离系统等。 作为不止一个实例， 本发 明的系统可被布置以形成液滴、 稀释流体、 控制液滴内的型体 (species) 浓度、 将液滴分类 以选择那些具有期望浓度的型体或实体 ( 例如， 均包含一个反应物分子的液滴 )、 合并单独 的液滴以导致包含在单独的液滴中的型体之间的反应、 确定一个或多个液滴中的一个或多 个反应和 / 或一个或多个反应率等。根据本发明可实施很多其他布置。
本发明的一个方面涉及用于产生被液体包围的流体液滴的系统和方法。该流体 和液体可在一些情况下是基本上不相溶的， 也就是说， 在所关心的时间范围内是不相溶的 ( 例如， 将流体液滴运输穿过特定系统或装置所花费的时间 )。在某些情况下， 液滴均可具有基本上相同的形状或尺寸， 进一步描述如下。 该流体还可包含其他型体， 例如某些分子型 体 ( 例如， 进一步论述如下 )、 细胞 (cell)、 颗粒等。
在一组实施例中， 在被液体包围的流体上可产生电荷， 这可导致将流体在液体内 分离成单独的液滴。在一些实施例中， 流体或液滴可存在于通道 ( 例如微流体通道 ) 中或 者其他狭窄空间中， 该其他狭窄空间例如通过限制流体相对于液体的运动便于向流体施加 电场 ( 其可以是 “AC” 或交流电， “DC” 或直流电等 )。因而， 该流体可作为液体内的一系列 单独的带电荷的和 / 或导电的液滴存在。在一个实施例中， 施加在流体液滴上的电作用力 可以足够大以使得液滴在液体内运动。在一些情况下， 施加在流体液滴上的电作用力例如 可用于引导液体内液滴运动到通道或微流体通道内的期望运动， 或者可用于引导液体内液 滴在通道或微流体通道内的期望运动 ( 例如在此所进一步描述的 ) 等等。
通过使用任何适当的技术， 例如通过将流体置于电场 ( 可以是 AC、 DC 等 ) 内， 和/ 或通过导致发生使得流体具有电荷的反应 ( 例如化学反应、 离子反应、 光催化反应等 )， 可 在液体内的流体中产生电荷。在一个实施例中， 流体是电导体。如在此所使用的， “导体” 是 具有至少大约 18 兆欧 (MOhm 或 MΩ) 水导电率的材料。包围流体的液体可具有小于流体的 导电率。 例如， 液体相对于流体可以是绝缘体， 或者至少是 “漏电的绝缘体” ， 即， 液体可至少 部分地电隔离流体至少一段短的时间。本领域技术人员能够鉴别流体的导电率。在一个非 限制的实施例中， 流体可以是基本上亲水的， 而包围流体的液体基本上是疏水的。
在一些实施例中， 电场由电场发生器产生， 即一种能够产生可向流体施加电场的 装置或系统。该电场发生器可产生 AC 电场 ( 也就是说， 相对于时间周期性地改变的电场， 例如正弦曲线、 锯齿形、 正方形等 )、 DC 电场 ( 即相对于时间不变的电场 )、 脉冲电场等。电 场发生器可被构造和布置成用于在容纳在通道或微流体通道内的流体内部产生电场。 根据 一些实施例， 电场发生器可结合到或者独立于包含通道或微流体通道的微流体系统。
用于产生合适电场 ( 其可以是 AC、 DC 等 ) 的技术对于本领域技术人员来说是公 已知的。例如， 在一个实施例中， 电场通过将电压施加在一对电极上而产生， 该一对电极可 定位于流体系统上或者嵌衬在流体系统内 ( 例如， 限定通道或微流体通道的基底内 )， 和/ 或定位在流体附近， 以使得电场的至少一部分与流体相互作用。这些电极可由本领域技术 人员所已知的任何适当的一种或多种电极材料形成， 所述材料包括但并不限于 ： 银、 金、 碳、 铂、 铜、 钨、 锡、 镉、 镍、 氧化锡铟 (“ITO” ) 等， 以及它们的组合。在一些情况下， 可使用透明 或基本上透明的电极。 在某些实施例中， 电场发生器可构造并布置 ( 例如定位 ) 用于产生适 于向流体施加的电场， 该电场为至少大约 0.01V/ 微米， 在一些情况下， 至少大约 0.03V/ 微 米， 至少大约 0.05V/ 微米， 至少大约 0.08V/ 微米， 至少大约 0.1V/ 微米， 至少大约 0.3V/ 微 米， 至少大约 0.5V/ 微米， 至少大约 0.7V/ 微米， 至少大约 1V/ 微米， 至少大约 1.2V/ 微米， 至少大约 1.4V/ 微米， 至少大约 1.6V/ 微米， 或者至少大约 2V/ 微米。在一些实施例中， 可 使用甚至更高的电场强度， 例如至少大约 2V/ 微米， 至少大约 3V/ 微米， 至少大约 5V/ 微米， 至少大约 7V/ 微米， 或者至少大约 10V/ 微米或更大。
在另一方面， 本发明涉及用于使得一种以上的流体发生混合的系统和方法。 例如， 在本发明的各实施例中， 如上所述， 可使得两个或更多个流体液滴合并或聚合， 然后在所合 并的液滴内， 然后使得来自两个或更多个原始流体液滴的该两种或更多种流体混合。应注 意的是， 当两个液滴合并或聚合时， 液滴内的完全混合并不立刻发生。 代替的是， 例如， 所聚合的液滴可首先由第一流体区域和第二流体区域形成。在一些情况下， 该流体区域可保持 为分离区域， 例如由于流体液滴内的内部 “反向旋转” 的流动， 从而导致不均匀的流体液滴。
但是， 在其他情况下， 可允许流体液滴内的流体区域彼此混合、 反应或相互作用， 从而产生混合的流体液滴或部分混合的流体液滴。该混合可通过自然方法而发生， 例如通 过扩散 ( 例如通过这些区域之间的界面 )， 通过流体相互反应， 通过液滴内的流体流动 ( 即 对流 ) 等。但是， 在一些情况下， 这些区域的混合可通过流体液滴外部的某些系统而被增 强。例如， 流体液滴可经过一个或多个可使得液滴改变其运动速度和方向的通道或者其他 系统。方向改变可改变液滴内的对流模式， 从而使得流体至少部分地进行混合。
混合到液滴中的流体的其他实例在由 Link 等于 2004 年 4 月 9 日的国际专利申请 PCT/US2004/010903 中有描述， 该国际专利申请通过引用合并于本文。
在另一组实施例中， 可通过能够导致流体产生单独液滴的方式通过改变通道的尺 寸而由通道内的液体所包围的流体产生流体液滴， 例如使用流动集中的方法。该通道例如 可以是相对于流动方向扩张的通道， 例如以使得流体不粘着到通道壁上而形成单独的液 滴， 或者是相对于流动方向变窄的通道， 例如以使得流体被迫聚合成单独的液滴。 在其他实 施例中， 内部阻塞还可用于导致发生液滴形成。 例如， 挡板、 脊、 柱等等可用于以使得流体聚 合成流体液滴的方式分裂液体流。
产生由液体所包围的流体液滴的其他实例在 Link 等于 2004 年 4 月 9 日提交的国 际专利申请 PCT/US2004/010903 中有描述， 以及在 Stone 等于 2003 年 6 月 30 日提交的国 际专利申请 PCT/US03/20542 且在 2004 年 1 月 8 日公布的 WO 2004/002627 中有描述， 上述 国际专利申请均通过引用合并于本文。
在一些实施例中， 流体液滴均可具有基本上相同的形状和 / 或尺寸。例如通过测 量液滴的平均直径或其他特征尺寸可确定该形状和 / 或大小。如在此所使用的术语 “确定” 通常是指例如定量地或者定性地分析或测量型体， 和 / 或检测型体的存在与否。 “确定” 还 可以指例如定量地或定性地分析或测量两个或更多型体之间的相互作用， 或者检测相互作 用的存在与否。适当技术的实例包括但并不限于 ： 光谱法， 诸如红外线、 吸收光谱、 荧光、 紫 外线 (UV)/ 可见光、 傅里叶转换红外光谱 (FTIR) 或拉曼光谱 (Raman) ； 重力测量技术 ； 椭圆 对称法 ； 压电测量法 ； 免疫测定法 ； 电化学测量法 ； 光学测量法， 诸如光密度测量法 ； 圆二色 光谱法 ； 光散射测量法， 例如类似电的光散射法 ； 偏振测定法 ； 折射法 ； 或浊度测定法。
多个或一系列液滴的 “平均直径” 是液滴中每一个的平均直径的算术平均值。 本领 域技术人员例如通过使用激光散射、 微观检验或其他已知的方法能够确定多个或一系列液 滴的平均直径 ( 或者其他特征尺寸 )。在非球形的液滴中的液滴直径是在整个表面上结合 的液滴的算术限定的平均直径。液滴 ( 和 / 或多个或一系列液滴 ) 的平均直径可例如小于 大约 1mm， 小于大约 500 微米， 小于大约 200 微米， 小于大约 100 微米， 小于大约 75 微米， 小 于大约 50 微米， 小于大约 25 微米， 小于大约 10 微米， 或者在一些情况下小于大约 5 微米。 平均直径还可以是至少大约 1 微米， 至少大约 2 微米， 至少大约 3 微米， 至少大约 5 微米， 至 少大约 10 微米， 至少大约 15 微米， 或者在某些情况下至少大约 20 微米。
在本发明的某些实施例中， 流体液滴可包含附加的实体、 细胞、 颗粒、 气体、 分子 等， 该实体例如是其他化学的、 生化的或者生物的实体 ( 例如， 溶于或悬浮于流体中 )。 在一 些情况下， 如上所述， 液滴均可以具有基本上相同的形状或大小。在某些情况下， 本发明提供了液滴的生产， 该液滴中基本上包含有基本上同一数量的具有型体 ( 即， 分子、 细胞、 颗 粒等 ) 的实体。例如， 多个或一系列液滴中的大约 90％、 大约 93％、 大约 95％、 大约 97％、 大约 98％、 或大约 99％或更多均可包含相同数量的具有特定型体的实体。例如， 例如如上 所述， 所产生的大量流体液滴均可包含 1 个实体、 2 个实体、 3 个实体、 4 个实体、 5 个实体、 7 个实体、 10 个实体、 15 个实体、 20 个实体、 25 个实体、 30 个实体、 40 个实体、 50 个实体、 60 个 实体、 70 个实体、 80 个实体、 90 个实体、 100 个实体等， 其中这些实体是分子或高分子、 细胞、 颗粒等。在一些情况下， 这些液滴均可独立地包含大范围的实体， 例如， 少于 20 实体、 少于 15 实体、 少于 10 实体， 少于 7 个实体， 少于 5 个实体或者在某些情况下少于 3 个实体。在一 组实施例中， 在包含流体液滴的液体中， 其中一些包含令人感兴趣的型体， 而且其中一些并 不包含令人感兴趣的型体， 流体液滴可被筛选或者分类出那些包含型体的流体液滴， 进一 步描述如下 ( 例如， 使用荧光法或例如如上所述的其他技术 )， 在一些情况下， 液滴可被筛 选或分类出包含特定数量或范围的例如之前所述的有令人感兴趣型体的实体的那些液滴。
在另一方面， 本发明涉及用于将流体液滴分裂成两个或更多个液滴的系统和方 法。流体液滴例如如之前所述可被液体包围， 并且流体和液体在一些情况下基本上是不互 混的。通过分裂原始流体液滴而产生的两个或更多个液滴均可具有基本上相同的形状和 / 或大小、 或者该两个或更多个液滴可具有不同的形状和 / 或大小， 这取决于用于分裂原始 流体液滴的条件。
根据一组实施例， 流体液滴可使用施加的电场而被分开。电场可以是 AC 场、 DC 场 等。在该实施例中， 流体液滴可具有比周围液体更大的导电性， 而在一些情况下， 流体液滴 可以是电中性的。在一些实施例中， 由原始流体液滴产生的液滴具有近似相等的形状和 / 或大小。 在某些实施例中， 在所施加的电场中， 电荷可被推动以从流体液滴的内部迁移到将 被分配在其上的表面， 这因此可取消在液滴的内部施加的电场。 在一些实施例中， 流体液滴 表面上的电荷还可经受由所施加的电场所引起的作用力， 这导致具有相反极性的电荷沿相 反方向迁移。电荷迁移在一些情况下可导致液滴被拉开成两个单独的流体液滴。施加给流 体液滴的电场可例如通过使用如上所述的技术 ( 例如通过电场发生器的反应等 ) 而产生。
将流体液体分开成两个液滴的其他实施例在由 Link 等于 2004 年 4 月 9 日提交 的国际专利申请 PCT/US2004/010903 ； 由 Link 等于 2003 年 8 月 27 日提交的美国临时专 利申请 60/498,091 ； 由 Stone 等于 2003 年 6 月 30 提交的并在 2004 年 1 月 8 日公开为 WO 2004/002627 的国际专利申请 PCT/US03/20542 中有描述， 其中每个申请均通过引用合并于 本文。
在一组实施例中， 流体液滴可通过在液滴上产生电荷 ( 如之前所述 ) 而被引导， 并 且通过使用所施加的电场而控制液滴， 该电场可以是 AC 场、 DC 场等。举例来说， 如果需要 将流体液滴引导到特定区域， 电场可被选择性地施加或移除 ( 或者可施加不同的电场 )。 在 一些实施例中， 在基本上没有改变包含流体液滴的液体的流动的情况下， 可根据需要选择 性地施加或者移除电场。
但是， 在其他实施例中， 通过改变包含液滴的液体的流动， 流体液滴可在本发明的 流体系统内进行筛选或分类。 例如， 在一组实施例中， 流体液滴可通过将包围流体液滴的液 体引导到第一通道、 第二通道等而被控制或分类。
在本发明的某些方面， 设置一些传感器， 所述传感器可检测和 / 或确定流体液滴的一个或多个特征， 和 / 或包含流体液滴的流体系统 ( 例如包围流体液滴的液体 ) 的一部 分的特征， 以使得确定流体液滴的一个或多个特征。可相对于液滴确定并可在本发明中使 用的特征可由本领域技术人员辨识。这些特征的非限制性实例包括荧光性、 光谱学 ( 例如 光学的、 红外线、 紫外线等 )、 放射性、 质量、 体积、 密度、 温度、 粘性、 pH、 诸如生物物质的物质 浓度 ( 例如， 蛋白质、 核酸等 ) 或类似特性。
现在提供了各种定义， 其将有助于理解本发明的各个方面。 利用这些定义的引入， 下面进行将更加完全地描述本发明的进一步公开。
如所注意到的， 本发明的各个方面涉及由液体包围的流体液滴 ( 例如， 悬浮的 )。 液滴可具有基本上相同的形状和 / 或大小， 或者具有不同的形状和 / 或大小， 这取决于特定 的应用。如在此所使用的， 术语 “流体” 通常是指趋于流动并遵照其容器的外形的物质， 即 液体、 气体、 粘弹性流体等。 典型地， 流体是不能承受静态切应力的材料， 并且在施加切应力 时， 流体经历连续且永久的变形。流体可具有允许流动的任何适当的粘性。如果存在两种 或更多种流体， 本领域技术人员通过考虑流体之间的关系可从基本的任何流体 ( 液体、 气 体等 ) 中独立地选择每种流体。流体均可以是可混合的或不可混合的。例如， 两种流体在 形成流体流的期限内或者在反应或相互作用的期限内可被选择为基本上不可混合。 如果多 个部分保持液体一段很长时间， 则流体可以是基本上不可混合的。如果在接触和 / 或形成 之后， 分散的部分通过聚合作用等而快速硬化， 则流体不必是不可混合的。 本领域技术人员 可使用接触角测定法或类似方法来选择适当的可混合流体或不可混合流体， 以实现本发明 的方法。
如在此所使用的， 如果闭合的平面环路通过仅仅第二实体而环绕着第一实体围 拢， 则第一实体被第二实体 “包围” 。如果仅仅通过第二实体变成的闭合环不考虑方向 ( 该 环的取向 ) 而环绕第一实体围拢， 则第一实体被 “完全包围” 。在一个实施例中， 第一实体是 细胞， 例如， 悬浮于介质中的细胞被介质包围。在另一实施例中， 第一实体是颗粒。在再一 实施例中， 第一实体是流体。第二实体在一些情况下还可以是流体 ( 例如， 在悬浮液、 乳化 液等中 )， 例如， 亲水的流体可悬浮于疏水液体中， 疏水液体可悬浮在亲水液体中， 气泡可悬 浮于液体中等。 典型地， 在亲水液体与疏水液体相比与水具有较大的亲合力的情况下， 疏水 液体和亲水液体相对于彼此可以是不可混合的。亲水液体的实例包括但并不限于 ： 水或其 他包含水的水溶液 ( 例如细胞或生物介质、 盐溶液等 )， 以及其他亲水的液体 ( 诸如乙醇 )。 疏水液体的实例包括但并不限于 ： 诸如烃的油、 硅油、 矿物油、 碳氟化合物油、 有机溶剂等。 之前已经描述了适当流体的其他实例。
类似地， 在此所使用的 “液滴” 是被第二种流体完全包围的第一种流体的独立部 分。应注意的是液滴并不必是球形的， 而是也可采用其他形状， 例如这取决于外部环境。在 一个实施例中， 液滴具有最小的横截面尺寸， 其基本上等于通道的垂直于液滴所位于的流 体流动的最大直径。
如所提到的， 在一些但并不是全部的实施例中， 在此所描述的系统和方法可包括 一个或多个微流体元件， 例如一个或多个微流体通道。在此所使用的 “微流体” 是指包括至 少一个流体通道的装置、 设备或系统， 该流体通道具有小于 1mm 的横截面尺寸， 并且长度与 最大横截面尺寸之比为至少 3 ∶ 1。在此所使用的 “微流体通道” 是满足这些标准的通道。 该通道的 “横截面尺寸” 垂直于通道内的流体流动方向而进行测量。因此， 在本发明的微流体实施例中， 流体通道中的一些或全部可具有小于 2mm 的最大横截面尺寸， 而在某些情况 下， 可具有小于 1mm 的最大横截面尺寸。在一组实施例中， 包含本发明实施例的全部流体通 道是微流体通道， 或者具有至多 2mm 或 1mm 的最大横截面尺寸。在某些实施例中， 流体通道 通过单个元件 ( 例如蚀刻的基底或模制的单元 ) 而被部分地形成。当然， 较大通道、 管、 室、 容器等可用于存储流体和 / 或将流体传送到本发明的各种元件或系统。在一组实施例中， 包含本发明的实施例的一条或多条通道的最大横截面尺寸小于 500 微米， 小于 200 微米， 小 于 100 微米， 小于 50 微米或小于 25 微米。
如在此所使用的 “通道” 是指至少部分地引导流体的流动的物品 ( 基底 ) 上或中的 结构。该通道可具有任何横截面形状 ( 圆形、 椭圆形、 三角形、 不规则形状、 正方形或矩形、 或类似形状 )， 并且可被覆盖或不被覆盖。在可被完全覆盖的实施例中， 通道的至少一部分 可具有完全封闭的横截面， 或者整个通道可除了其一个或多个进口和 / 或一个或多个出口 之外沿着其整个长度完全封闭。 通道可具有纵横比 ( 长度相对于平均横截面尺寸 )， 该纵横 比为至少 2 ∶ 1， 更加典型地为至少 3 ∶ 1、 5 ∶ 1、 10 ∶ 1、 15 ∶ 1、 20 ∶ 1 或者更大。开口 通道通常包括便于控制流体输送的特征， 例如结构特征 ( 细长的缺口 ) 和 / 或物理或化学 特征 ( 疏水性与亲水性 )， 或者可将作用力 ( 例如抑制力 (containing force)) 施加在流体 上的其他特征。通道内的流体可部分地或完全地填充该通道。在一些使用开口通道的情况 下， 流体可例如使用表面张力 ( 例如凹液面或凸液面 ) 保持在通道内。 该通道可具有任何尺寸， 例如具有垂直于流体流动的最大尺寸， 该最大尺寸少于 大约 5 毫米或 2 毫米， 或者小于大约 1 毫米， 或者小于大约 500 微米， 小于大约 200 微米， 小 于大约 100 微米， 小于大约 60 微米， 小于大约 50 微米， 小于大约 40 微米， 小于大约 30 微 米， 小于大约 25 微米， 小于大约 10 微米， 小于大约 3 微米， 小于大约 1 微米， 小于大约 300 纳米， 小于大约 100 纳米， 小于大约 30nm 纳米， 或者小于大约 10 纳米。在一些情况下， 该通 道的尺寸可被选择成使得流体能够自由流过物体或基底。 该通道的尺寸还可例如选择成允 许流体在通道中的一定容积的流量或线性流量。当然， 通道的数量和形状可通过本领域技 术人员所已知的任何方法而改变。在一些情况下， 可多于一条通道或毛细管。例如， 可使用 两条或更多条通道， 其中它们在彼此内部布置， 彼此靠近地布置， 彼此相交地布置等。
在一组实施例中， 流体液滴可包含细胞或其他实体， 例如蛋白质、 病毒、 高分子、 颗 粒等。如在此所使用的， “细胞” 被赋予了其在生物学中所使用的普通含义。该细胞可以是 任何细胞或细胞型。例如， 细胞可以是细菌或其他单细胞有机体、 植物细胞或动物细胞。
根据本发明的某些方面， 各种材料和方法可用于形成本发明的系统和装置的上述 元件。在一些情况下， 所选择的不同材料使它们导致不同方法。例如， 本发明的各种元件 可由固体材料形成， 其中这些通道经由显微机械加工、 膜沉积工艺 ( 诸如旋涂和化学气相 沉积 )、 激光制作、 光刻技术、 包括湿化学或等离子体处理的蚀刻法等而被形成。例如参见 Scientific American， 248 ： 44-55， 1983(Angell 等 )。 在一个实施例中， 流体系统的至少一 部分通过在硅片上蚀刻特征而由硅形成。在一些情况下， 一个或多个微流体通道可由固体 材料限定， 在一些情况下， 各种微流体通道可由单独的固体或平面材料限定， 这些材料可在 物理上接触在一起。 例如， 第一平面材料可包含第一流体通道， 并且第二平面材料可包含第 二流体通道， 其中这些材料可物理上接触在一起， 而且孔口限定在第一薄膜和第二平面材 料之间， 以使得流体通过使用上述系统和方法例如通过孔口从第二通道流到第一通道中。
用于精确和高效地由硅制造本发明的各种流体系统和装置的技术是已知的。 在另一实施例 中， 本发明的这些系统和装置的各元件可由聚合体形成， 例如弹性聚合体， 该弹性聚合体例 如为聚二甲硅氧烷 (“PDMS” )、 聚四氟乙烯 (“PTFE” 或者 Teflon ) 等。
不同的元件可由不同的材料制成。例如， 包括底壁和侧壁的底部部分可由不透明 的材料 ( 诸如硅或 PDMS) 制成， 而顶部部分可由透明或至少部分透明的材料 ( 诸如玻璃或 透明聚合体 ) 制成， 以用于观测和 / 或控制流体处理。 在底部支撑材料并不具有准确的期望 功能性的情况下， 元件可被涂覆以将期望的化学功能性暴露于接触内部通道壁的流体。例 如， 这些元件可如所示出地制造， 其中内部通道壁涂覆有另一种材料。 用于制造本发明的系 统和装置的各种元件的材料， 例如， 用于涂覆流体通道的内部壁的材料， 可被期望地从并不 会受到流过流体系统的流体的不利影响或影响的那些材料中选出， 例如一种或多种材料在 存在用于该装置内的流体的情况下在化学上可以是惰性的。
在一个实施例中， 本发明的各种元件由聚合体和 / 或柔性和 / 或弹性材料制成， 并 且可便利地由可硬化的流体形成， 从而便于通过模制 ( 例如复制模塑、 注塑成型、 铸塑成型 等 ) 而制造。可硬化的流体可基本上是可诱导固化或者自然地固化为固体的任何流体， 该 固体能够包含和 / 或输送期望在流体网络中使用的流体和与流体网络一起使用的流体。在 一个实施例中， 可硬化的流体包括聚合液体或者液体聚合前体 ( 即 “预聚合体” )。例如， 适 当的聚合液体可包括热塑性聚合体， 热固性聚合体或者由这些聚合体形成的被加热到它们 熔点之上的混合物。作为另一个实例， 适当的聚合液体可包括在适当溶剂中具有一种或多 种聚合体的溶液， 该溶液例如通过蒸发在去除溶剂时形成固体聚合体材料。可由例如合并 状态或者通过溶剂蒸发而被固化的这种聚合材料对于本领域技术人员是公知的。 各种聚合 材料 ( 其中许多是弹性体材料 ) 是适当的， 并且， 对于模具主体中的一个或两个都由弹性材 料组成的实施例， 各种聚合材料也适于形成一些模具或模具靠模。这些聚合体的非限制性 实例的列表包括具有通常等级的硅聚合体、 环氧聚合体和丙烯脂聚合体的聚合体。环氧聚 合体的特征在于存在三成分环醚基， 其通常是指环氧基、 1， 2- 环氧化物或氧杂环丙烷。例 如， 除了基于芳族胺的、 三嗪的和脂环族的主要成分 (backbones) 的化合物之外， 可使用双 酚 A- 二环氧甘油醚。另一个实例包括公知的 Novolac 聚合体。适于根据本发明应用的硅 弹性体的非限制性实例包括由包括氯硅烷的前体所形成的那些硅弹性体， 该氯硅烷例如是 甲基氯硅烷、 乙基氯硅烷 (ethylchlorosilanes)、 苯基氯硅烷 (phenylchlorosilanes) 等 等。
硅聚合体在一组实施例中是优选的， 例如硅弹性体聚二甲硅氧烷。PDMS 聚合体的 非限制性实例包括由 Dow Chemical Co.， Midland， MI 销售的商标为 Sylgard 的那些 PDMS 聚合体， 尤其是 Sylgard 182、 Sylgard 184 和 Sylgard 186。包括 PDMS 的硅氧烷聚合体具 有若干有益的性质， 该性质简化了本发明的微流体结构的制造。例如， 这些材料是廉价的， 易于获得， 并且可由预聚液体经由通过加热的固化而被硬化。例如， 这些 PDMS 可通过将预 聚液体暴露于例如大约 65 摄氏度到大约 75 摄氏度的温度经例如大约 1 小时的暴露时间而 被典型地固化。同时， 硅聚合体 ( 诸如 PDMS) 可以是弹性体的， 因而可用于形成具有较高纵 横比的非常小的结构， 这在本发明的某些实施例中是必须的。柔性的 ( 例如弹性体的 ) 模 具或靠模 (masters) 在这点上可以是有益的。
由硅聚合体 ( 诸如 PDMS) 形成的本发明的一些结构 ( 诸如微流体结构 ) 的优点在于能够使得这些聚合体例如通过暴露于含氧的等离子体 ( 例如空气等离子体 ) 而被氧化， 以使得氧化结构在它们表面处包含化学基， 这些化学基能够交联到其他氧化的硅聚合体表 面或者交联到各种其他聚合和非聚合材料的氧化表面。因此， 在不需要单独的胶粘剂或其 他的密封手段的情况下， 元件可被制造， 然后被氧化， 并被基本上不可逆地密封到其他硅聚 合体表面， 或者密封到与氧化硅聚合体表面可起反应的其他基底的表面。 在大多数情况下， 在不必需施加辅助压力来形成密封的情况下， 密封可简单地通过使得氧化的硅表面接触另 一表面来完成。也就是说， 预氧化的硅表面用作抵靠适当的配合表面的接触粘合剂。具体 地， 除了不可逆转地密封到其自身上之外， 氧化的硅 ( 诸如氧化的 PDMS) 还可被不可逆转 地密封到除了其自身的很大范围的被氧化的材料上， 被氧化的材料包括例如玻璃、 硅、 二氧 化硅、 石英、 氮化硅、 聚乙烯、 聚苯乙烯、 玻璃碳和环氧聚合体， 它们可以类似于 PDMS 表面的 方式已被氧化 ( 例如经由暴露于含氧的等离子体 )。在本发明的内容中有用的氧化和密 封方法以及所有的模制方法在现有技术中已有描述， 例如在标题为 “Rapid Prototyping of Microfluidic Systems and Polydimethylsiloxane， ” Anal.Chem.， 70 ： 474-480， 1998(Duffy et al.) 的文章中有描述， 该文章通过引用合并于此。
由氧化的硅聚合体形成本发明的微流体结构 ( 或者内部的、 流体接触表面 ) 的另 一个优点在于， 这些表面可以比典型的弹性体聚合体 ( 其中亲水的内部表面是期望的 ) 的 表面更加亲水。 因而， 相比于由典型的未氧化的弹性体聚合体或其他疏水材料组成的结构， 这些亲水的通道表面更加容易用水溶液填充和湿润。
在一个实施例中， 底壁由不同于一个或多个侧壁或顶壁或其他元件的材料形成。 例如， 底壁的内表面可包括由硅片或微片构成的表面， 或者包括其他基底。如上所述， 其他 元件可被密封到这些可替代的基底。在期望将包括硅聚合体 ( 例如 PDMS) 的元件密封到具 有不同材料的基底 ( 底壁 ) 的情况下， 该基底可选自下述材料组， 氧化的硅聚合体能不可 逆地密封到该材料组 ( 例如， 已被氧化的玻璃、 硅、 二氧化硅、 石英、 氮化硅、 聚乙烯、 聚苯乙 烯、 环氧聚合体和玻璃碳表面 )。 可替代地， 对于本领域技术人员来说显而易见的是， 可使用 其他密封技术， 包括但并不限于使用单独的胶粘剂、 热粘合、 溶剂粘合、 超声波焊接等等。
控制和操作流体的这些和 / 或其他系统和方法的组合也是可以想到的， 例如， 在 Link 等在 2006 年 2 月 23 日提交的美国专利申请 11/360,845 ； Kumar 等在 1996 年 4 月 30 公布的美国专利 5,512,131 ； Whitesides 等在 1996 年 6 月 26 日公开的国际专利 公开 WO 96/29629 ； Kim 等在 2002 年 3 月 12 日公布的美国专利 6,355,198 ； Anderson 等 在 2001 年 5 月 25 日提交的并于 2011 年 11 月 29 日公布为 WO 01/89787 的国际专利申 请 PCT/US01/16973 ； Stone 等在 2003 年 6 月 30 日提交的并于 2004 年 1 月 8 日公开为 WO 2004/002627 的国际专利申请 PCT/US03/20542 ； Link 等在 2004 年 4 月 9 日提交的国际专利 申请 PCT/US2004/010903 ； Link 等在 2005 年 10 月 7 日提交的美国专利申请 11/246,911 ； 以及由 Weitz 等在 2008 年 9 月 19 日提交的美国专利申请 61/098,674 中公开， 其中的每一 篇均通过引用而合并于此。
以下实例是用来说明本发明的某些实施例， 但并不例证本发明的全部保护范围。
实例 1
该实例示出了流体注入流体液滴中。在实例 1、 2 和 3 的每一个中， 制造出如图 4A 和 4B 中所示的那些单层 PDMS 的微流体装置。在这些实例中， 油包水乳化液液滴以较低的多分散性流过孔口， 在该孔口处， 施加电场以使得溴苯酚染色流体注射到液滴中。 液滴流过 蜿蜒的通道 ( 例如， 图 4A 和 4B 中所示 )， 在该通道中， 溴苯酚染料与液滴内部的流体混合。 液滴然后流过激光束 /PMT( 光电倍增管 ) 机构和显微照相机， 这两者获取液滴内部的光强 度。因为注射之前每个液滴的体积是已知的并且基本上相同， 所注射的溴苯酚染色流体的 量可根据注射之后的液滴的强度变化而被确定。来自 PMT/ 激光的测量与由照相机所获得 的图像相比较， 以确保一致性。对于每个数据点， 采样约 1000 液滴。在图 6 中示出了这种 实验的实施例。在该图中， 数量大小分布表明流体被注射到具有较窄分布的液滴中。
实例 2
该实例示出通过改变连续相 ( 即 “外相” ) 的流速来控制流体注射。类似于实例 1 中所述的系统在本实例中使用。外相的流速可通过体积驱动型注射泵而被设置， 并且在保 持其他操作条件 ( 即所施加的电压 ) 恒定的同时被改变。如图 7A 中所示， 随着外相的流速 增加， 液滴的停留时间减少， 从而导致所注射的流体体积减小。 因此， 通过控制外相的流速， 可很容易地控制注射到液滴中的流体量。
实例 3
该实例示出了通过改变注射压力来控制流体注射。类似于实例 1 中所述的系统在 本实例中使用。引入包含溴苯酚染料的第二通道中的流体管道被置于气密性的盆中， 压力 通过由调节器控制的加压空气而被供给。如图 7B 中所示 ( 压力以 ps 为单位 )， 随着注射压 力增加， 注射体积增加。 因此， 通过控制注射压力， 可很容易地控制注射到液滴中的流体量。
实例 4
在本发明的另一个实施例中， 本实例示出了局部地并利用较高的瞬时清晰度确定 流体通道中的压力。
图 12 图示了在本实例中使用拉普拉斯传感器来局部地且利用较高的瞬时清晰度 测量通道压力。在图 12A 中， 第一通道 850 和第二通道 860 在相交处 870 相遇。然而， 在相 交处 870 之前， 第一通道 850 和第二通道 860 基本上彼此平行地延伸。第二通道终止于相 交处 970 处的孔口 865。第一通道 850 容纳第一外部流体， 而第二通道 860 容纳第二内部 流体 ( 在这些附图中， 这些流体表现为不同的颜色， 并且术语 “内部” 和 “外部” 仅仅为了清 楚的目的而使用 )。这些流体之间的该流体界面通过调节这两种流体的压力而在孔口处平 衡。通过控制第一通道和第二通道内的压力， 如图 12B 中所示， 两种流体之间的界面可被控 制， 以采用具有固定曲率的形状， 以便在界面两侧的压力突跃等于内部和外部的压差。 在图 12C 中， 通过测量界面在孔口的平面之下的距离， 可计算出凸出部分的曲率半径。通过使用 拉普拉斯定律， 这然后例如使用对该界面位置的光学测量可用于计算通道中的压力。
下面将解释如何使用界面的位置来计算通道中的压力。 然而， 应知晓的是， 这种论 述并不用于进行限制。当两种流体之间的界面在孔口中被平衡时， 内部 ( 第二 ) 流体与外 部 ( 第一 ) 流体之间的压差等于界面两侧的拉普拉斯压力突跃，
Pout-Pin ＝ γ/r。
对于固定的 Pin， 界面 r 的曲率半径取决于 Pout ： 如果 Pout 小， 则界面在孔口中被布 置得较低， 呈现高曲率的形状， 然而， 如果 Pout 大， 则界面在孔口中布置得较高， 呈现较低曲 率的较平坦形状。如果压力随时间波动， 该界面可运动以在每个瞬间保持机械平衡。因此， r(t) 值可用于在每个时间点处间接地计算 Pout(t)。为了获得 r(t)， h(t) 可被确定， 其中，如图 12 中所示， h(t) 是界面的最下部分距孔口平面的距离。例如， 对于圆形孔口， 2
r(t) ＝ 1/2[h(t)+d /h(t)]。
其中， Pout(t) ＝ γ/r(t)+Pin， 这使得压力波动通过光学追踪界面的运动而确定。
当本发明的若干个实施例已经在此被描述和图示时， 本领域技术人员易于想到用 于实现这些功能和 / 或获得这些结果和 / 或在此描述的一个或多个优点的各种其他装置和 结构， 并且这些变型和 / 或修改中的每个被视为落入本发明的范围内。更一般地， 本领域技 术人员易于意识到， 在此所描述的所有参数、 尺寸、 材料和结构是示例性的， 并且实际参数、 尺寸、 材料和 / 结构将取决于利用本发明的教导的一个或多个特定应用。本领域技术人员 只是使用常规实验将知晓或者能够确定在此描述的本发明的特定实施例的许多等同物。 因 此， 应知晓的是， 前述实施例仅仅用于举例说明， 并且落入所附权利要求及其等同物的范围 内， 除了具体描述和要求的发明之外可通过其他方式实现本发明。本发明针对在此所描述 的每个单个特征、 系统、 物品、 材料、 套件和 / 或方法。此外， 如果这些特征、 系统、 物品、 材 料、 套件和 / 或方法并不相互矛盾， 则两个或更多个这些特征、 系统、 物品、 材料、 套件和 / 或 方法的任何组合均包含在本发明的范围内。
所有定义， 如在此所定义和使用的， 应理解成控制为涵盖词典定义、 通过引用合并 的文献中的定义和 / 或所限定的术语的普通含义。
在说明书和权利要求中， 如在此所使用的不定冠词 “一” 和 “一个” ， 除非明确地表 示为相反含义， 其应理解为含义 “至少一个” 。
在本说明书及权利要求书中， 如在此所使用的措辞 “和 / 或” 应理解为所结合的元 件中的 “任一个或二者” ， 所结合的元件即在一些情况下结合地存在而在其他情况下分离地 存在的元件。通过 “和 / 或” 所列举的多个元件将以相同的方式解释， 即所结合的元件中的 “一个或多个” 。除了由 “和 / 或” 明确指明的元件， 其他元件可选地存在， 无论是否明确指 明与那些元件相关与否。因此， 作为一个非限制性实例， 针对 “A 和 / 或 B” ， 当其以开放式 语言 ( 如 “包括” ) 进行连接使用时， 在一个实施例中是指 ： 仅 A( 可选地包括除了 B 之外的 元件 ) ； 在其他实施例中是指 ： 仅 B( 可选地包括除了 A 之外的元件 ) ； 在再一个实施例中是 指： A 和 B( 可选地包括其他元件 ) 等。
在说明书和权利要求中， 如在此所使用的， “或者” 应理解为具有与上述限定的 “和 / 或” 相同的含义。例如， 对于在列表中隔开的项目， “或” 或 “和 / 或” 应被解释为包括， 即 包含至少一个， 而且包括很多元件或整个列表的元件中的一个以上， 并且可选地包括另外 的未列出的项目。仅仅明确表示相反的术语， 例如 “仅仅其中一个” 或者 “其中恰好一个” ， 或者在权利要求中使用时， “由 ... 组成” 将表示包含很多元件或整个列表的元件中的恰好 一个。通常， 当在前面有排他性术语例如 “任一个” 、 “其中一个” 、 “其中仅一个” 或 “其中恰 好一个” 时， 在此所使用的术语 “或” 应仅仅表示为排他性选择单元 ( 即非此即彼， 而并不是 两者 )。在权利要求中使用时， “主要由 ... 组成” 将具有其在专利法领域中使用的普通含 义。
在说明书和权利要求中， 如在此所使用的， 对于由一个或多个元件构成的列表， 术 语 “至少一个” 将被理解为表示从由所述元件列表中的任一个或多个元件中选择至少一个 元件， 但并不必包括明确列在该元件列表中的每个元件中的至少一个， 并且不排除该元件 列表中元件的任何组合。该定义还可允许除了明确指明包含在由措辞 “至少一个” 所指的元件列表中的元件之外的元件可选地存在， 无论该元件与所明确指明的那些元件是否相 关。因此， 作为一个非限制性实例， “A 和 B 中的至少一个” ( 或者， 相当于 “A 或 B 中至少一 个” ， 或者相当于 “A 和 / 或 B 中至少一个” )， 在一个实施例中可表示 ： 至少一个 A， 可选地包 括多于一个 A， 而 B 不存在 ( 可选地包括除了 B 之外的元件 ) ； 而在另一实施例中， 表示 ： 至 少一个 B， 可选地包括多于一个 B， 而 A 不存在 ( 可选地包括除了 A 之外的元件 ) ； 在再一个 实施例中， 表示 ： 至少一个 A， 可选地包括多于一个 A， 而且至少一个 B， 可选地包括多于一个 B( 可选地包括其他元件 ) ； 等。
还应理解的是， 除非有明确相反指示， 在此所请求保护的包括多于一个步骤或动 作的任何方法中， 该方法的步骤或动作的次序并不必要限制成所记载的方法的步骤或动作 的次序。
在权利要求中以及在上述说明中， 所有过渡性措辞， 例如 “包括” 、 “包含” 、 “载有” 、 “具有” 、 “容纳” 、 “含有” 、 “保持” 、 “构成” 等同样被理解为开放式的， 即表示包括但并不限制 于此。仅仅过渡性措辞 “由 .. 组成” 以及 “基本上由 ... 组成” 将是封闭式或半封闭的过 渡性措辞， 分别如美国专利局专利审查程序手册第 2111.03 节所述。