>[0072] 圖1A說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的裝置；
[0073] 圖1B說(shuō)明對(duì)比實(shí)施例；
[0074] 圖2說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，具有多個(gè)分裂接合點(diǎn)的代的裝置；
[0075] 圖3A-3B說(shuō)明在本發(fā)明的又一實(shí)施方案中，具有障礙物的各種裝置；
[0076] 圖4A-4B說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方案，用于分裂液滴的各種裝置；
[0077] 圖5說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，正在分裂的雙重乳液液滴；
[007引圖6A-6B是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案，單和雙重乳液液滴的長(zhǎng)度圖；和
[0079] 圖7A-7的兌明根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方案，單和雙重乳液的相對(duì)狹窄粒度分布。
[0080] 詳細(xì)說(shuō)明
[0081] 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。在一些方 面，本發(fā)明通常設(shè)及用于將母體液滴分裂為兩個(gè)或更多個(gè)液滴的系統(tǒng)和方法，例如通過(guò)推 動(dòng)該母體液滴朝向障礙物W分裂母體液滴。在一些情況下，使母體液滴分為各自導(dǎo)向分離 的通道的至少第一和第二液滴。在一些情況下，可構(gòu)造和排列通道使得該第一和第二液滴 的液滴速度基本上與該母體液滴的速度相同。在一些情況下，運(yùn)樣的液滴可重復(fù)分裂，例如 使母體液滴分裂為2個(gè)子液滴，然后各液滴再次分裂等，例如使得一個(gè)母體液滴最后可分裂 為22、23、24、25、26等個(gè)子液滴。在一些情況下，子液滴可基本上是單分散的。
[0082] 本發(fā)明的一個(gè)方面通常設(shè)及用于將母體液滴分裂為兩個(gè)或更多個(gè)液滴的系統(tǒng)和 方法。例如，如在圖1A的實(shí)施例中所示，在微流體體系10中，入日通道15在交叉點(diǎn)19分裂為 第一通道11和第二通道12。第一通道11和第二通道12可W遠(yuǎn)離入口通道15的任何合適角度 進(jìn)行。例如，第一通道11和第二通道12可W相對(duì)尖銳或相對(duì)淺的角度，或它們甚至可W彼此 呈180° (例如與入口通道15形成叩'接合點(diǎn)）。此外，第一通道11和第二通道12可W為W相對(duì) 于入口通道15相同、或不同的角度，即：第一通道11和第二通道12可相對(duì)于入口通道15對(duì)稱(chēng) 或非對(duì)稱(chēng)排列。此外，如下所討論，在其它實(shí)施方案中，例如用于將母體液滴分裂為3、4或更 多個(gè)液滴可提供另外的許多通道。
[0083] 入口通道15內(nèi)為母體液滴20。母體液滴20可為單個(gè)液滴或嵌套液滴(例如雙重乳 液）。通過(guò)在入口通道15內(nèi)的流體流動(dòng)推動(dòng)母體液滴20朝向障礙物18。在該圖中，障礙物18 由第一通道11和第二通道12的交叉點(diǎn)所限定，盡管在其它實(shí)施方案中，障礙物可為分離結(jié) 構(gòu)，例如粧(peg)。當(dāng)碰撞障礙物1別寸，可使母體液滴20分裂為第一液滴21和第二液滴22。然 后第一液滴21流入第一通道11中，且然后第二液滴22流入第二通道12中。在一些情況下，例 如W類(lèi)似于歐姆定律的方式，如W下討論，例如通過(guò)控制第一通道11和第二通道12的相對(duì) 流體力學(xué)的流體阻力可控制母體液滴20成為第一液滴21和第二液滴22的分開(kāi)。在一些實(shí)施 方案中，第一通道11和第二通道12的流體阻力可基本上相等，使得第一液滴21和第二液滴 22的體積也基本上相等，例如如在圖1A中所示。
[0084] 應(yīng)當(dāng)注意如圖1A中所示，構(gòu)造和排列入口通道15、第一通道11和第二通道12使得 入口通道15的橫截面積基本上等于第一通道11和第二通道12的橫截面積的和。由于穿過(guò)入 口通道15的體積流速需等于穿過(guò)第一通道11和第二通道12的體積流速的和（因?yàn)榱魅虢徊?點(diǎn)19的所有流體需等于從交叉點(diǎn)19流出的所有流體），通過(guò)保持面積基本上相等，入口通道 15、第一通道11和第二通道12內(nèi)的線性流速也可保持基本上相等。在圖1A中，入口通道15的 高度35基本上分別與第一通道11和第二通道12的高度31、32相同；然而，第一通道11和第二 通道12的寬度41、42小于入口通道15的寬度45,使得入口通道的橫截面積基本上等于第一 和第二通道的橫截面積的和。
[0085] 然而，應(yīng)當(dāng)注意到存在控制母體液滴分裂為第一液滴和第二液滴的其它方式。例 如，可構(gòu)造和排列該通道使得入口通道內(nèi)W及第一和第二通道內(nèi)的流體流動(dòng)的毛細(xì)管數(shù)基 本上相等，或一些通道還可具有不同高度。運(yùn)些的實(shí)例在下面更詳細(xì)地討論。
[0086] 相反地，在圖1B中，說(shuō)明了其中入口通道的橫截面積基本上與第一和第二通道的 每個(gè)橫截面積相等的對(duì)比實(shí)例，其中第一和第二通道具有基本上相同的尺寸（即：不是如圖 1A中的等于第一通道和第二通道的橫截面積的和）。因此，在圖1B中，入口通道15的高度基 本上等于第一通道11和第二通道12的高度31、32,且入口通道15的寬度基本上分別等于第 一通道11和第二通道12的各寬度41、42。由于穿過(guò)入口通道15的體積流速需等于穿過(guò)第一 通道11和第二通道12的體積流速的和（因?yàn)榱魅虢徊纥c(diǎn)19的所有流體需等于從交叉點(diǎn)19流 出的所有流體），如上所討論，第一通道11和第二通道12內(nèi)的線性流速需各自為入口通道15 內(nèi)的流速的一半。換句話說(shuō)，因?yàn)檫h(yuǎn)離交叉點(diǎn)19的流體流動(dòng)的橫截面積是進(jìn)入交叉點(diǎn)19的 流體流動(dòng)的橫截面積的兩倍，W及穿過(guò)交叉點(diǎn)19的體積流體流速需恒定，因此理解離開(kāi)交 叉點(diǎn)19的線性流體流速需為進(jìn)入交叉點(diǎn)19的那些的一半。雖然運(yùn)樣的系統(tǒng)已經(jīng)在先前參考 文獻(xiàn)中討論過(guò)，但沒(méi)有人建議改變離開(kāi)運(yùn)樣的交叉點(diǎn)的通道的尺寸作為同時(shí)控制穿過(guò)運(yùn)樣 的系統(tǒng)的體積流速和線性流速的方法，包括在其中使用多個(gè)支路的系統(tǒng)。
[0087] 在某些實(shí)施方案中，子通道本身可用作下游交叉點(diǎn)的入口通道，如圖2中所示。W 該方式，單個(gè)入口通道可產(chǎn)生子通道、第Ξ代通道、第四代通道等。在圖2中，使入口通道50 分裂為兩個(gè)子通道51、52。如先前所討論，各子通道51、52可W遠(yuǎn)離入口通道50的任何合適 角度進(jìn)行。此外，至少在一些實(shí)施方案中，子通道的橫截面積的和可基本上等于入口通道的 橫截面積。
[0088] 進(jìn)而，各子通道51、52可作為入口通道，因而產(chǎn)生第Ξ代通道61、62、63、64。如上， 每對(duì)第Ξ代通道61、62和63、64的橫截面積的和可基本上等于它們各自的入口子通道51、52 的橫截面積。因此，所有第Ξ代通道61、62、63、64的橫截面積的和還可基本上等于子通道的 橫截面積的和，其進(jìn)而基本上等于入口通道的橫截面積，如上所述。
[0089] 例如，如圖2中所示，用第四代通道71、72、73、74、75、76、77、78可重復(fù)該模式 (pattern)任意合適的次數(shù)。因此，例如可使該分裂繼續(xù)2、3、4、5、6、7、8、9或10或更多次，運(yùn) 取決于應(yīng)用。因此，例如，如果在各交叉點(diǎn)，使入口通道分裂成兩個(gè)子通道，那么可存在從初 始入口通道分裂的2、22、23、24、25、2 6、27、28、2域2"或更多個(gè)通道。如術(shù)語(yǔ)所暗示的，使入口 通道每次"分裂"為兩個(gè)或更多個(gè)子通道可稱(chēng)作代；因此，在由初始通道延伸的通道網(wǎng)絡(luò)中， 可存在任意數(shù)目的"代"，例如至少2、3、4、5、6、7、8、9或10或更多代可存在于裝置中。因此， 在例如圖2中所示的裝置中，進(jìn)入通道50的母體液滴55可在定義為代的各交叉點(diǎn)分裂為2個(gè) 子液滴、4個(gè)第Ξ代液滴、8個(gè)第四代液滴等，即，使得初始液滴分裂成2、22、23、2 4、25、26、、 28、29或2^等個(gè)液滴，取決于裝置內(nèi)存在的代的數(shù)目。此外，應(yīng)該理解的是入口通道分裂為 兩個(gè)子通道僅作為實(shí)例;在其它實(shí)施方案中，代可分裂為不同數(shù)目的通道(例如3個(gè)通道、4 個(gè)通道、5個(gè)通道等)且裝置內(nèi)的各代和/或各交叉點(diǎn)可獨(dú)立地存在具有相同或不同數(shù)的子 通道。
[0090] 因此，本發(fā)明的一個(gè)方面通常設(shè)及使用支化通道將母體液滴分裂為兩個(gè)或更多個(gè) 液滴的系統(tǒng)和方法，其中控制通過(guò)通道的線性流速和/或通道內(nèi)的流體毛細(xì)管數(shù)。"毛細(xì)管 數(shù)"代表流過(guò)通道的流體的黏性力對(duì)表面張力的相對(duì)效應(yīng)。它可定義為： μL'
[0091] (.'a 二：一 '巧 )：
[0092] 其中y(mu)為流體的動(dòng)力粘度，V為流體的速度(或線性流速）、且丫（gamma)為流體 與通道表面的表面或界面張力。
[0093] 在一組實(shí)施方案中，入口通道進(jìn)入交叉點(diǎn)并且在交叉點(diǎn)分裂為2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)或更 多個(gè)通道Γ子通道"）。運(yùn)樣的具有3個(gè)子通道的實(shí)施方案的說(shuō)明性非限制性實(shí)施例在圖3B 中說(shuō)明。在該情況下，（如在"入口通道"中的Γ入口"相對(duì)于交叉點(diǎn)限定，即流體從入口通道 朝向交叉點(diǎn)流動(dòng)。然后流體從交叉點(diǎn)流出穿過(guò)子通道。在一些情況下，如本文所討論，運(yùn)可 W重復(fù)，例如，產(chǎn)生第Ξ代通道、第四代通道等。在一些情況下，還可存在多于一個(gè)的入口通 道。
[0094] 在一些情況下，進(jìn)入交叉點(diǎn)穿過(guò)入口通道的流體可包含一個(gè)或多個(gè)液滴Γ母體液 滴"）。如果存在多于一個(gè)液滴，例如如下文所討論，液滴可為相同或不同尺寸。液滴可進(jìn)入 交叉點(diǎn)并且分裂W產(chǎn)生2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、或更多個(gè)子液滴，然后其可離開(kāi)交叉點(diǎn)穿過(guò)子通道。 子液滴可為相同或不同尺寸或直徑。例如，母體液滴可分裂W產(chǎn)生第一液滴和第二液滴。在 一些實(shí)施方案中，第一液滴進(jìn)入第一子通道和第二液滴進(jìn)入第二子通道。然而，在其它實(shí)施 方案中，多于一個(gè)液滴可離開(kāi)穿過(guò)特別的子通道。
[0095] 任何合適的技術(shù)可用于在交叉點(diǎn)分裂母體液滴。例如，電荷或誘導(dǎo)偶極可用于分 裂母體液滴，例如在W下文件中所討論：2005年10月7日由Link等人申請(qǐng)的題目為 "Formation and Control of Fluidic Species"的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào) 11/246,911,2006 年7月27日公開(kāi)為美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2006/0163385;或2006年2月23日由Link等人申請(qǐng)的 題目為巧lectronic Control 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)引用并入本文。其它的 分裂技術(shù)也在運(yùn)些參考文獻(xiàn)中討論，其可用在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中。在某些實(shí)施方案 中，可使母體液滴碰撞到可用于將母體液滴分裂為子液滴的障礙物上。在一些情況下，可使 用多于一個(gè)的障礙物將母體液滴分裂為3、4、5、或更多個(gè)子液滴。
[0096] 障礙物可為例如，至少部分地突出到通道中的任意結(jié)構(gòu)，或在一些情況下，障礙物 可為兩個(gè)或更多個(gè)子通道在入口通道中的交叉點(diǎn)或接合點(diǎn)。作為非限制性實(shí)例，障礙物可 限定為兩個(gè)平面，例如圖1A中分別定義為通道11和12的一部分的平面37和39之間的角。作 為其它的實(shí)例，障礙物可為突出到通道中的結(jié)構(gòu)，例如如在柱或粧中，且障礙物可具有任意 合適的形狀，例如圓柱形、矩形、錐形、圓錐形、球形、無(wú)定形等。障礙物可突出一半到通道中 或完全橫過(guò)通道(例如，使得它與通道的兩個(gè)相對(duì)壁接觸）。各種障礙物的非限制性實(shí)例顯 示在圖1A和3中。圖1A說(shuō)明其中用于將母體液滴20分裂為兩個(gè)單獨(dú)子液滴21、22的障礙物18 為第一通道11和第二通道12的接合點(diǎn)的實(shí)施方案。然而，在圖3A中，單獨(dú)的障礙物27用于將 母體液滴20在入口通道15中分裂為兩個(gè)單獨(dú)的子液滴21、22,其分別流入第一通道11和第 二通道12中。在該實(shí)施例中，障礙物27為圓柱形柱。圖3B說(shuō)明其中兩個(gè)障礙物27、28用于將 母體液滴20在入口通道15中分裂為Ξ個(gè)單獨(dú)子液滴21、22、23的另一實(shí)施例，該Ξ個(gè)單獨(dú)子 液滴21、22、23分別流入第一通道11、第二通道12、和第Ξ通道13中。
[0097] 如所提到的，在某些實(shí)施方案中，可控制流體和/或液滴穿過(guò)通道的線性流速(或 等效的"速度"）。例如，母體液滴可W第一線性流速(或速度)流過(guò)入口通道，并且可分裂為 至少第一和第二(子)液滴，其可各自分別地進(jìn)入第一和第二通道，例如，使得第一液滴在第 一通道內(nèi)W第一速度流動(dòng)，且第二液滴在第二微流體通道內(nèi)W第二速度流動(dòng)。第一速度和 第二速度可w相同或不同，并且在一些情況下，可如w下討論進(jìn)行控制。
[0098] 在一組實(shí)施方案中，可控制母體液滴在入口通道中的速度和子液滴在子通道中的 速度，使得當(dāng)母體液滴通過(guò)交叉點(diǎn)并且分裂為子液滴時(shí)的總速度沒(méi)有顯著變化。例如，可控 制母體和/或子液滴的速度，使得所有速度的最快和最慢之間的速度差為母體液滴的初始 速度的至多約50%，至多約40%、至多約30%、至多約20%、至多約15%、至多約10%、至多 約5%、至多約3%、或至多約1 %。在一組實(shí)施方案中，子通道中子液滴的速度基本上彼此相 等，和/或基本上等于母體液滴在入口通道中的速度。
[0099] 在一些情況下，可控制母體液滴在入口通道中的毛細(xì)管數(shù)和子液滴在子通道中的 毛細(xì)管數(shù)，使得當(dāng)母體液滴通過(guò)交叉點(diǎn)并分裂為子液滴時(shí)毛細(xì)管數(shù)沒(méi)有顯著變化。例如，可 控制毛細(xì)管數(shù)，使得各種微流體通道中母體和/或子液滴的所有毛細(xì)管數(shù)的最快和最慢之 間的速度差為母體液滴的毛細(xì)管數(shù)的至多約50%，至多約40%、至多約30%、至多約20%、 至多約15%、至多約10%、至多約5%、至多約3%、或至多約1%。在一組實(shí)施方案中，子通道 中子液滴的毛細(xì)管數(shù)基本上彼此相等，和/或基本上等于母體液滴在入口通道中的毛細(xì)管 數(shù)。
[0100] 然而，在另一組實(shí)施方案中，子通道中子液滴的速度和/或毛細(xì)管數(shù)可能未必相 同。例如，各個(gè)子通道之間的流體力學(xué)的流體阻力的差別可能引起母體液滴劃分為不同子 液滴的差別，和/或流體力學(xué)的流體阻力的差別可能引起子通道內(nèi)子液滴的速度和/或毛細(xì) 管數(shù)的差別。認(rèn)為運(yùn)可類(lèi)似于歐姆定律，其中產(chǎn)生的液滴的相對(duì)體積相當(dāng)于電流，各個(gè)子通 道的相對(duì)流體力學(xué)的流體阻力相當(dāng)于電阻，且電壓相當(dāng)于引起流體流動(dòng)所需的壓降。因此， 如果使入口通道分成具有相同的流體力學(xué)的流體阻力的兩個(gè)子通道，那么通過(guò)如上所述分 裂母體液滴所產(chǎn)生的子液滴可具有相同體積。然而，作為另一非限制性實(shí)例，如果第一子通 道的阻力為第二子通道阻力的兩倍，那么分裂成第一和第二液滴用于流入各自對(duì)應(yīng)的通道 中的母體液滴可被分裂，使得第一液滴的體積為第二液滴的體積的一半。此外，該控制不限 于僅將母體液滴分裂為兩個(gè)子液滴，還可分裂為3個(gè)子液滴、4個(gè)子液滴等。在一些情況下， 母體液滴分裂為子液滴的程度或量(例如子液滴相對(duì)于母體液滴的體積)可容易地使用各 種子通道的相對(duì)流體力學(xué)的流體阻力和歐姆定律的應(yīng)用來(lái)估計(jì)。
[0101] 因此，應(yīng)該理解，通過(guò)控制子通道的流體力學(xué)的流體阻力，可容易控制由分裂母體 液滴產(chǎn)生的子液滴的體積或尺寸。子通道的流體力學(xué)的流體阻力可例如通過(guò)W下控制:通 過(guò)控制子通道的尺寸(例如通過(guò)控制長(zhǎng)度、高度、寬度、橫截面積等）、通過(guò)將涂料施涂至一 個(gè)或多個(gè)子通道、通過(guò)打開(kāi)或關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)子通道內(nèi)的閥口（參見(jiàn)例如2009年5月15日由 Abate等人申請(qǐng)的題目為"Valves and Other Flow Control in Fluidic Systems Including Microfluidic Systems"的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朠CT/US2009/003024，2009年11 月 19 日公開(kāi)為WO 2009/139898,通過(guò)引用并入本文)或類(lèi)似方法因此控制各子通道的流體力學(xué) 的流體阻力(在一些實(shí)施方案中，阻力可獨(dú)立地控制）。在一些情況下，例如當(dāng)發(fā)生液滴產(chǎn)生 時(shí)，可主動(dòng)地控制通道的流體力學(xué)的流體阻力，W控制裝置內(nèi)所產(chǎn)生的子液滴的體積。在某 些實(shí)施方案中，例如，在開(kāi)始液滴產(chǎn)生之前可被動(dòng)地控制阻力。例如，可設(shè)計(jì)子通道W具有 基本上相同的流體力學(xué)的流體阻力、或不同的流體阻力。在一些情況下可使用運(yùn)些和/或其 它技術(shù)的組合。
[0102] 如所提及的，在一個(gè)方面，子通道的流體力學(xué)的流體阻力例如可通過(guò)控制子通道 的尺寸而控制。例如，可控制子通道的長(zhǎng)度、寬度、形狀、橫截面積等。在一組實(shí)施方案中，例 如，可控制子通道的面積，使得在具有入口通道的交叉點(diǎn)處它們的橫截面積的和基本上與 在該交叉點(diǎn)的入口通道的橫截面積相同。例如，入口通道與子通道的橫截面積的和之間的 橫截面積差可為入口通道的橫截面積的至多約50%、至多約45%、至多約40%、至多約 35%、至多約30%、至多約25%、至多約20%、至多約15%、至多約10%、至多約5%、至多約 3%、或至多約1 %。此外，在某些實(shí)施方案中，兩個(gè)或更多個(gè)子通道可具有基本上相同的橫 截面積和/或形狀。