分裂液滴的系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】分裂液滴的系統(tǒng)和方法
[0001] 本申請(qǐng)是基于申請(qǐng)?zhí)枮?01280007426.9、申請(qǐng)日為2012年2月6日、發(fā)明名稱(chēng)為"分 裂液滴的系統(tǒng)和方法"的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[000^ 相關(guān)申請(qǐng)
[0003] 本申請(qǐng)要求Abate等人在2011年2月7日申請(qǐng)的題目為"Systems and Methods for Splitting Droplets"的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)61/440,198的權(quán)益，將其內(nèi)容通過(guò)引用 并入本文。
[0004] 政府資助
[0005] 導(dǎo)致本發(fā)明各方面的研究至少部分由NSF，授予號(hào)DMR-0602684和MRSEC，授予號(hào) DMR-0820484資助。美國(guó)政府擁有本發(fā)明中的某些權(quán)利。 發(fā)明領(lǐng)域
[0006] 本發(fā)明通常設(shè)及流體和微流體，且特別地，設(shè)及在流體系統(tǒng)中產(chǎn)生液滴。
【背景技術(shù)】
[0007] 出于流體輸送、產(chǎn)品制造、分析等目的，操作流體W形成所需構(gòu)造的流體流、不連 續(xù)的流體流、液滴、顆粒、分散體等是相對(duì)充分研究的技術(shù)。例如，已經(jīng)使用通常稱(chēng)作流動(dòng)聚 焦的技術(shù)生產(chǎn)直徑小于100微米的高度單分散液滴。在該技術(shù)中，迫使流體離開(kāi)毛細(xì)管進(jìn)入 液體浴中，其中該管設(shè)置在小孔(orifice)之上，并且穿過(guò)該孔的外部液體的收縮流動(dòng)使氣 體聚焦進(jìn)入細(xì)噴嘴，其隨后借助毛細(xì)不穩(wěn)定性破裂為等尺寸的液滴。類(lèi)似的排列可用于在 空氣中產(chǎn)生液滴。
[000引例如還可W通過(guò)將流體液滴分裂為兩個(gè)液滴來(lái)操作流體液滴。實(shí)例包括通過(guò)引導(dǎo) 液滴朝向障礙物而分裂液滴，例如公開(kāi)在2004年12月28日由Stone等人申請(qǐng)的題目為 "Method and Apparatus for Fluid Dispersion"的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào) 11/024,228中， 現(xiàn)為2010年5月4日授權(quán)的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7,708,949，或2006年2月23日由^證等人申請(qǐng)的題目 為巧lectronic Con化01 of Fluidic Species"的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào) 11/360,845,2007 年1月4日公開(kāi)為美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2007/0003442(各自通過(guò)引入W其全部并入本文中）。 然而，運(yùn)樣的技術(shù)沒(méi)有用于例如由單個(gè)初始(或"母體"）液滴生產(chǎn)大量液滴。在運(yùn)樣的系統(tǒng) 中，典型地需要更大量的通道，因此導(dǎo)致相應(yīng)地需要更大量的流體W填充運(yùn)些通道;更大量 的所需流體限制了運(yùn)樣的系統(tǒng)在單個(gè)裝置中重復(fù)(例如，使得母體液滴可分裂3次、4次、5次 等）。此外，由于下游通道數(shù)目的增加，穿過(guò)運(yùn)樣的系統(tǒng)的流體流速通常不恒定，且因此在運(yùn) 樣的系統(tǒng)中的流體流動(dòng)不易控制。因此，需要用于分裂液滴的裝置和方法的改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明通常設(shè)及流體和微流體，且特別地，設(shè)及在流體系統(tǒng)中產(chǎn)生液滴。在一些情 況下，本發(fā)明的主題包括相關(guān)產(chǎn)品、特別問(wèn)題的替代的解決方法、和/或一種或多種系統(tǒng)和/ 或制品的多種不同用途。
[0010] 在一方面，本發(fā)明通常設(shè)及將母體液滴分裂為兩個(gè)或更多個(gè)液滴的方法。根據(jù)一 組實(shí)施方案，該方法包括W下操作(act):在入口微流體通道中提供W初始速度流動(dòng)的母體 液滴;使所述母體液滴分裂為至少第一液滴和第二液滴;和推動(dòng)所述第一液滴進(jìn)入第一微 流體通道和所述第二液滴進(jìn)入第二微流體通道，其中所述第一液滴在第一微流體通道內(nèi)W 第一速度流動(dòng)且所述第二液滴在第二微流體通道內(nèi)W第二速度流動(dòng)。所述第一速度和第二 速度可W相同或不同。在一些實(shí)施方案中，初始、第一和第二速度的最快和最慢之間的速度 差不大于所述初始速度的約40%
[0011] 在另一組實(shí)施方案中，該方法是將母體液滴分裂為兩個(gè)或更多個(gè)液滴的方法。在 一些實(shí)施方案中，該方法包括W下操作:提供在入口微流體通道中W初始毛細(xì)管數(shù)流動(dòng)的 母體液滴，使所述母體液滴分裂為至少第一液滴和第二液滴，和推動(dòng)所述第一液滴進(jìn)入第 一微流體通道和所述第二液滴進(jìn)入第二微流體通道，其中所述第一液滴在第一微流體通道 內(nèi)W第一毛細(xì)管數(shù)流動(dòng)且所述第二液滴在第二微流體通道內(nèi)W第二毛細(xì)管數(shù)流動(dòng)。所述第 一毛細(xì)管數(shù)和所述第二毛細(xì)管數(shù)可W相同或不同。在一些情況下，初始、第一和第二毛細(xì)管 數(shù)的最大和最小之間的毛細(xì)管數(shù)差不大于所述初始毛細(xì)管數(shù)的約20%。
[0012] 在又一組實(shí)施方案中，該方法是分裂雙重乳液液滴的方法。根據(jù)某些實(shí)施方案，該 方法包括W下操作:在微流體通道內(nèi)提供朝向障礙物流動(dòng)的母體雙重乳液液滴，其中該雙 重乳液液滴包含由外部流體包圍的內(nèi)部流體，并且經(jīng)由障礙物的影響將該母體雙重乳液液 滴分裂為至少第一雙重乳液液滴和第二雙重乳液液滴。
[0013] 在再一組實(shí)施方案中，該方法是產(chǎn)生相對(duì)均勻液滴的方法。在一些實(shí)施方案中，該 方法包括將母體液滴分開(kāi)多次W產(chǎn)生至少24個(gè)子液滴的操作。在某些情況下，該子液滴的 體積變異系數(shù)不大于約20%。
[0014] 根據(jù)又一組實(shí)施方案，該方法是產(chǎn)生相對(duì)均勻液滴的方法。在一些情況下，該方法 包括將母體液滴分開(kāi)多次W產(chǎn)生至少24個(gè)子液滴的操作。在某些情況下，子液滴的體積分 布使得至少約90%的子液滴的直徑為至多約20%不同于子液滴的平均直徑。
[0015] 在另一方面，本發(fā)明通常設(shè)及用于分裂液滴的微流體裝置。根據(jù)一組實(shí)施方案，該 裝置包括在具有至少兩個(gè)子微流體通道的交叉點(diǎn)終止的入口微流體通道，其中所述入口微 流體通道具有橫截面積且所述至少兩個(gè)子微流體通道各自具有橫截面積。至少在一些情況 下，所述入口微流體通道和所述至少兩個(gè)子微流體通道的橫截面積的和之間的橫截面積差 可能不大于所述入口微流體通道的橫截面積的約40%。
[0016] 在一些實(shí)施方案中，該裝置包括在具有至少兩個(gè)子微流體通道的交叉點(diǎn)終止的入 口微流體通道，其中該入口微流體通道具有高度和寬度，且各子微流體通道具有高度和寬 度，且其中該入口微流體通道和各子微流體通道的高度基本上相等，W及該入口微流體通 道的寬度基本上等于該子微流體通道的寬度的和。
[0017] 在某些方面，本發(fā)明通常設(shè)及用于產(chǎn)生微流體液滴的裝置。在某些實(shí)施方案中，該 裝置包括能夠產(chǎn)生包含在入口通道內(nèi)的多個(gè)母體液滴的液滴制造器，和接受來(lái)自入口通道 的液滴的通道網(wǎng)絡(luò)。在一些實(shí)施方案中，多個(gè)母體液滴具有每個(gè)液滴至少約0.01mm3的平均 體積。在某些情況下，通道的網(wǎng)絡(luò)包含至少4代。在一些實(shí)施方案中，一些或所有的代包含在 具有至少兩個(gè)子通道的交叉點(diǎn)終止的入口通道。
[0018] 在另一方面，本發(fā)明包括進(jìn)行本文所述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的方法，例如用于 在微流體系統(tǒng)中分裂液滴的裝置。仍在另一方面，本發(fā)明包括使用本文所述的一個(gè)或多個(gè) 實(shí)施方案的方法，例如用于在微流體系統(tǒng)中分裂液滴的裝置。
[0019] 當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和新穎特征從W下本發(fā)明的各種非限制性 實(shí)施方案的詳細(xì)描述將變得顯而易見(jiàn)。在其中本說(shuō)明書(shū)和通過(guò)引用并入的文件包括沖突 和/或不一致的公開(kāi)內(nèi)容的情況下，本說(shuō)明書(shū)應(yīng)控制。如果通過(guò)引用并入的兩個(gè)或更多個(gè)文 件包括彼此沖突和/或不一致的公開(kāi)內(nèi)容時(shí)，那么具有更后有效日期的文件應(yīng)控制。
[0020] 本發(fā)明的實(shí)施方案包括：
[0021 ] 1、一種將母體液滴分裂為兩個(gè)或更多個(gè)液滴的方法，所述方法包括:在入口微流 體通道中提供W初始速度流動(dòng)的母體液滴;使所述母體液滴分裂為至少第一液滴和第二液 滴;推動(dòng)所述第一液滴進(jìn)入第一微流體通道和所述第二液滴進(jìn)入第二微流體通道，所述第 一液滴在第一微流體通道內(nèi)W第一速度流動(dòng)且所述第二液滴在第二微流體通道內(nèi)W第二 速度流動(dòng)，其中所述第一速度和第二速度可W相同或不同，和其中初始、第一和第二速度的 最快和最慢之間的速度差不大于所述初始速度的約40%。
[0022] 2、實(shí)施方案1的方法，其中使所述母體液滴分裂為至少第一液滴和第二液滴包括 推動(dòng)所述母體液滴的第一部分進(jìn)入所述第一微流體通道和推動(dòng)所述母體液滴的第二部分 進(jìn)入所述第二微流體通道。
[0023] 3、實(shí)施方案1或2任一項(xiàng)的方法，其中所述速度差為初始速度的至多約25%。
[0024] 4、實(shí)施方案1 -3任一項(xiàng)的方法，其中所述速度差為初始速度的至多約15%。
[0025] 5、實(shí)施方案1-4任一項(xiàng)的方法，其中所述速度差為初始速度的至多約10%。
[0026] 6、實(shí)施方案1-5任一項(xiàng)的方法，其中所述速度差為初始速度的至多約5%。
[0027] 7、實(shí)施方案1-6任一項(xiàng)的方法，其中所述速度差為初始速度的至多約1%。
[0028] 8、實(shí)施方案1-7任一項(xiàng)的方法，包括推動(dòng)所述母體液滴朝向障礙物W使所述母體 液滴分裂為至少第一液滴和第二液滴。
[0029] 9、實(shí)施方案8的方法，其中所述障礙物為所述第一微流體通道和所述第二微流體 通道的接合點(diǎn)。
[0030] 10、實(shí)施方案8的方法，其中所述障礙物包括兩個(gè)平面之間的角。
[0031 ] 11、實(shí)施方案1-10任一項(xiàng)的方法，其中所述母體液滴由第二流體中包含的第一流 體所限定。
[0032] 12、實(shí)施方案11的方法，其中所述第一流體與第二流體不可互溶。
[0033] 13、實(shí)施方案11或12任一項(xiàng)的方法，其中所述第一流體為第一液體且第二流體為 第二液體。
[0034] 14、實(shí)施方案11-13任一項(xiàng)的方法，其中所述第一流體可與水互溶。
[0035] 15、實(shí)施方案1-14任一項(xiàng)的方法，其中所述母體液滴的平均橫截面尺寸為小于約 100微米。
[0036] 16、實(shí)施方案1-15任一項(xiàng)的方法，其中所述母體液滴在入口微流體通道內(nèi)W初始 毛細(xì)管數(shù)流動(dòng)，所述第一液滴在第一微流體通道內(nèi)W第一毛細(xì)管數(shù)流動(dòng)，且所述第二液滴 在第二微流體通道內(nèi)W第二毛細(xì)管數(shù)流動(dòng)，其中初始、第一和第二毛細(xì)管數(shù)的最大和最小 之間的毛細(xì)管數(shù)差為初始毛細(xì)管數(shù)的至多約20%。
[0037] 17、實(shí)施方案1-16任一項(xiàng)的方法，其中所述入口微流體通道具有橫截面積，所述第 一微流體通道具有橫截面積，w及所述第二微流體通道具有橫截面積，其中所述入口微流 體通道與所述第一微流體通道和所述第二微流體通道的橫截面積的和之間的橫截面積差 為入口微流體通道的橫截面積的至多約20%。
[0038] 18、實(shí)施方案1-17任一項(xiàng)的方法，其中所述第一液滴具有體積和所述第二液滴具 有體積，其中所述第一液滴和所述第二液滴之間的體積差為第一和第二液滴中的較大體積 的至多約20%。
[0039] 19、實(shí)施方案1-18任一項(xiàng)的方法，其中所述入口微流體通道具有高度，W及第一微 流體通道和第二微流體通道各自具有高度，其中所述入口微流體通道與第一和第二微流體 通道的平均高度之間的高度差高于微流體入口通道的高度的約20%。
[0040] 20、實(shí)施方案1-19任一項(xiàng)的方法，其中所述母體液滴是在入口微流體通道內(nèi)朝向 障礙物流動(dòng)的多個(gè)母體液滴之一。
[0041 ] 21、實(shí)施方案20的方法，其中所述多個(gè)母體液滴基本上為單分散的。
[0042] 22、實(shí)施方案20或21任一項(xiàng)的方法，其中使所述多個(gè)母體液滴各自分裂為多個(gè)第 一液滴和多個(gè)第二液滴。
[0043] 23、實(shí)施方案20-22任一項(xiàng)的方法，其中所述多個(gè)第一液滴基本上為單分散的，且 所述多個(gè)第二液滴基本上為單分散的。
[0044] 24、實(shí)施方案1-23任一項(xiàng)的方法，其中所述入口微流體通道與所述第一和第二微 流體通道各自具有基本上相同的親水性。
[0045] 25、實(shí)施方案1-24任一項(xiàng)的方法，其中所述母體液滴包含由外部流體包圍的內(nèi)部 流體。
[0046] 26、實(shí)施方案25的方法，其中使母體液滴分裂為至少第一雙重乳液液滴和第二雙 重乳液液滴。
[0047] 27、實(shí)施方案25或26任一項(xiàng)的方法，其中所述第一雙重乳液液滴和第二雙重乳液 液滴基本上是相同的。
[004引28、一種用于分裂液滴的微流體裝置，包括：
[0049] 在具有至少兩個(gè)子微流體通道的交叉點(diǎn)終止的入口微流體通道，所述入口微流體 通道具有橫截面積且所述至少兩個(gè)子微流體通道各自具有橫截面積；
[0050] 其中所述入口微流體通道和所述至少兩個(gè)子微流體通道的橫截面積的和之間的 橫截面積差為所述入口微流體通道的橫截面積的至多約40%。
[0051 ] 29、實(shí)施方案28的微流體裝置，其中所述入口微流體通道和所述至少兩個(gè)子微流 體通道的橫截面積的和之間的橫截面積差為入口微流體通道的橫截面積的至多約20%。
[0052] 30、實(shí)施方案28或29任一項(xiàng)的微流體裝置，其中所述至少兩個(gè)子微流體通道各自 在具有至少兩個(gè)第=代微流體通道的第二交叉點(diǎn)終止。
[0053] 31、實(shí)施方案30的微流體裝置，第Ξ代微流體通道各自具有橫截面積，其中所述入 口微流體通道和第Ξ代微流體通道的橫截面積的和之間的橫截面積差為所述入口微流體 通道的橫截面積的至多約20%。
[0054] 32、實(shí)施方案30或31任一項(xiàng)的微流體裝置，其中所述至少兩個(gè)第Ξ代微流體通道 各自具有基本上相同的橫截面積。
[0055] 33、實(shí)施方案28-32任一項(xiàng)的微流體裝置，其中所述入口微流體通道具有高度，且 所述子微流體通道各自具有高度，其中所述入口微流體通道與所述子微流體通道的平均高 度之間的高度差大于入口微流體通道的高度的約20%。
[0056] 34、實(shí)施方案28-33任一項(xiàng)的微流體裝置，其中所述入口微流體通道具有高度和寬 度，且所述子微流體通道各自具有高度和寬度，并且其中所述入口微流體通道與各子微流 體通道的高度基本上相等，W及所述入口微流體通道與所述子微流體通道的寬度的和基本 上相等。
[0057] 35、實(shí)施方案28-34任一項(xiàng)的微流體裝置，其中所述入口微流體通道與所述至少兩 個(gè)子微流體通道各自具有基本上相同的親水性。
[005引36、一種用于分裂液滴的微流體裝置，包括：
[0059] 在具有至少兩個(gè)子微流體通道的交叉點(diǎn)終止的入口微流體通道，其中所述入口微 流體通道具有高度和寬度，并且所述子微流體通道各自具有高度和寬度，W及
[0060] 其中所述入口微流體通道和各子微流體通道的高度基本上相等，且所述入口微流 體通道的寬度基本上等于所述子微流體通道的寬度的和。
[0061] 37、一種用于產(chǎn)生微流體液滴的裝置，包括
[0062] 能夠產(chǎn)生包含在入口通道內(nèi)的多個(gè)母體液滴的液滴制造器，其中所述多個(gè)母體液 滴具有每個(gè)液滴至少約0.01mm3的平均體積;和
[0063] 接受來(lái)自入口通道的液滴的通道網(wǎng)絡(luò)，所述通道網(wǎng)絡(luò)包含至少4代，各代包含在具 有至少兩個(gè)子通道的交叉點(diǎn)終止的入口通道。
[0064] 38、實(shí)施方案37的裝置，其中至少約90%的多個(gè)母體液滴的體積至多約20%不同 于多個(gè)母體液滴的平均體積。
[0065] 39、實(shí)施方案37或38任一項(xiàng)的裝置，其中所述通道的嵌套包含至少5代。
[0066] 40、實(shí)施方案37-39任一項(xiàng)的裝置，其中通道的嵌套包含至少6代。
[0067] 41、實(shí)施方案37-40任一項(xiàng)的裝置，其中所述液滴制造器包含第一通道、第二通道 和第Ξ通道的交叉點(diǎn)。
[0068] 42、實(shí)施方案37-41的裝置，其中通道的至少一些代包含微流體通道。
[0069] 43、實(shí)施方案37-42任一項(xiàng)的裝置，其中所述多個(gè)母體液滴具有每個(gè)液滴至少約 0.1mm3的平均體積。
[0070] 44、實(shí)施方案37-43任一項(xiàng)的裝置，其中所述多個(gè)母體液滴具有每個(gè)液滴至少約 1mm3的平均體積。
【附圖說(shuō)明】
[0071] 本發(fā)明的非限制性實(shí)施方案將參考附圖W實(shí)施例方式說(shuō)明，其為示意性的而沒(méi)有 意欲按比例繪制。在圖中，所說(shuō)明的各自相同的或幾乎相同的組分典型地由單一的數(shù)字表 示。為了清楚，其中當(dāng)允許那些本領(lǐng)域一般技術(shù)人員理解本發(fā)明而不需說(shuō)明時(shí)，不是每個(gè)組 分都標(biāo)在每一圖中，也不是本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方案的每一組分顯示。在圖中：