使用流體破裂的液滴生成的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明總體上涉及用于產生液滴的系統(tǒng)和方法。在一個方面中，多個液滴(27)被引入連續(xù)的流體流(21)中以促使連續(xù)的流體流形成離散的液滴。在某些情況下，從連續(xù)的流體流形成的液滴會是基本單分散的。在某些情況下，連續(xù)的流體流可以是以較高的線性流速流動的噴射的流體流，并且在某些實施例中，由此可以實現(xiàn)從噴射流體以較高的速率生成液滴。另外地，本發(fā)明的某些方面總體上涉及能夠形成這樣的液滴的裝置，例如，微流體裝置。例如，在一組實施例中，裝置可以包括接合部(14)，在該處多個液滴(27)可以被引入連續(xù)的流體流(21)中，并且任選地，該裝置可以包括額外的接合部(12)，其能夠促使生成多個液滴和/或生成連續(xù)的流體流。本發(fā)明的又一些其它公開的方面總體上涉及制成這樣的裝置的方法、使用這樣的裝置的方法、包含這樣的裝置的套件，等等。
【專利說明】使用流體破裂的液滴生成
[0001]相關申請的交叉參考
[0002]本申請要求享有Abate等人在2012年2月8日提交的題名為“使用流體破裂的液滴生成”的美國臨時專利申請序列N0.61/596，658的優(yōu)先權，其整個內容通過參考包含于此。
[0003]政府資助
[0004]關于本發(fā)明的各方面的研究至少部分地由美國國家科學基金會以授予號DB1-0649865和授予號DMR-0820484資助。美國政府擁有本發(fā)明中的某些權利。

【技術領域】
[0005]本發(fā)明總體上涉及微流體學，并且具體地，本發(fā)明涉及用于產生液滴的系統(tǒng)和方法。

【背景技術】
[0006]出于流體輸送、產品制造、分析等目的，操作流體以形成所需構造的流體流、不連續(xù)的流體流、液滴、顆粒、分散體等是相對充分研究的技術。在微流體系統(tǒng)中產生液滴的方法的示例包括使用T型接合部或流動聚焦技術。然而，這樣的技術經(jīng)常僅在較慢的層流條件或“滴落”條件下起作用，并且在某些應用中，例如，需要更快的液滴產生速率，以便產生更大數(shù)量的液滴。


【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明總體上涉及用于產生液滴的系統(tǒng)和方法。在某些情況下，本發(fā)明的主旨包括相關產品、特定問題的可替代的解決方案、和/或一個或多個系統(tǒng)和/或制品的多種不同的用法。
[0008]在一個方面中，本發(fā)明總體上涉及一種用于產生液滴的裝置。在一組實施例中，該裝置包括第一接合部，所述第一接合部包括第一入口微流體通道、第二入口微流體通道和出口微流體通道。在某些情況下，第一通道和第二通道之間的角度小于約45°。該裝置還可以包括在第二接合部的第二通道上游的第二接合部，其中，第二接合部被構造和布置成在第二流體中產生第一流體的基本單分散的液滴。
[0009]在另一組實施例中，該裝置包括:連續(xù)噴射的流體流，其包括第一流體；和多個基本單分散的第二流體的液滴，其定位成進入流體流。該裝置根據(jù)另一組實施例包括微流體通道，所述微流體通道包括:連續(xù)噴射的流體流，其包括第一流體；和多個第二流體的液滴，其定位成進入流體流。
[0010]在一組實施例中，該裝置包括第一接合部，所述第一接合部包括第一入口微流體通道、第二入口微流體通道和出口微流體通道。在某些情況下，第一通道和第二通道之間的角度小于約45°。在某些實施例中，該裝置還可以包括在第一接合部的第一通道上游的第二接合部。例如，第二接合部可以是T型接合部、流體聚焦接合部或類似物。
[0011]在另一組實施例中，該裝置可以包括:第一產生液滴的微流體接合部；用于產生噴射的流體的第二微流體接合部；和定位在第一接合部和第二接合部中的每個下游的第三接合部。
[0012]在另一方面中，本發(fā)明總體上涉及一種產生液滴的方法。在一組實施例中，該方法包括以下步驟:在微流體通道中提供包括第一流體的連續(xù)的流體流；和將多個第二流體的液滴插入連續(xù)的流體流中以促使連續(xù)的流體流形成離散的第一流體的液滴。
[0013]在另一組實施例中，該方法包括以下步驟:提供包括第一流體的連續(xù)的流體流；和將多個第二流體的液滴插入連續(xù)的流體流中以促使連續(xù)的流體流形成離散的、基本單分散的第一流體的液滴。
[0014]該方法根據(jù)又一組實施例包括以下步驟:提供包括第一流體的連續(xù)的流體流；和將多個基本單分散的第二流體的液滴插入連續(xù)的流體流中以促使連續(xù)的流體流形成離散的第一流體的液滴。
[0015]在一組實施例中，該方法包括以下步驟:提供包括第一流體的連續(xù)的流體流；和將多個第二流體的液滴插入連續(xù)的流體流中以促使連續(xù)的流體流形成第一流體的液滴。
[0016]該方法根據(jù)另一組實施例包括以下步驟:以至少約15，000滴/秒的速率產生基本單分散的微流體液滴。在又一組實施例中，該方法包括以下步驟:提供包含在微流體通道內的噴射的連續(xù)的流體流；和在基本不改變微流體通道內的流體流的線性流速的情況下促使流體流形成基本單分散的微流體液滴。
[0017]在另一方面中，本發(fā)明包含了實施本文所述的實施例中的一個或多個的方法。在又一方面中，本發(fā)明包含了使用本文所述的實施例中的一個或多個的方法。
[0018]當參照附圖考慮時，本發(fā)明的其它優(yōu)點和新穎特征將從以下本發(fā)明的各種非限制性實施例的詳細說明而變得顯而易見。在其中本說明書和通過參考包含于此的文獻含有沖突和/不一致的公開內容的情況下，本說明書應當控制。如果通過參考包含于此的兩個或更多個文獻含有相對于彼此沖突和/或不一致的公開內容，則具有更晚有效日期的文獻應當控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]本發(fā)明的非限制性實施例將參照附圖以示例的方式說明，本發(fā)明的非限制性實施例為示意性的而沒有按比例繪制。在附圖中，所說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。為了清楚起見，當允許本領域的技術人員理解本發(fā)明而無需說明時，不是在每一圖中都標出每個組分，也不是顯示本發(fā)明的每個實施例的每一組分。在附圖中:
[0020]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的液滴產生系統(tǒng)的示意圖；
[0021]圖2示出在本發(fā)明的另一個實施例中的基本單分散的雙重乳液液滴的生成；
[0022]圖3示出在本發(fā)明的又一個實施例中的、以不同的液滴生成速率所產生的不同尺寸的液滴；和
[0023]圖4示出在本發(fā)明的又一個實施例中的作為頻率的函數(shù)的液滴直徑。

【具體實施方式】
[0024]本發(fā)明總體上涉及用于產生液滴的系統(tǒng)和方法。在一個方面中，多個液滴被引入連續(xù)的流體流中以促使連續(xù)的流體流形成離散的液滴。在某些情況下，從連續(xù)的流體流形成的液滴會是基本單分散的。在某些情況下，連續(xù)的流體流會是以較高的線性流速流動的噴射的流體流，并且在某些實施例中，會由此實現(xiàn)以較高的速率從噴射流體生成液滴。另外地，本發(fā)明的某些方面總體上涉及能夠形成這樣的液滴的裝置，例如，微流體裝置。例如，在一組實施例中，裝置可以包括接合部，在該處多個液滴可以被引入連續(xù)的流體流中，并且任選地，該裝置可以包括額外的接合部，其能夠促使生成多個液滴和/或生成連續(xù)的流體流。本發(fā)明的又一些其它方面總體上涉及制成這樣的裝置的方法、使用這樣的裝置的方法、包含這樣的裝置的套件，等等。
[0025]本發(fā)明的某些方面總體上涉及用于促使連續(xù)的流體流形成離散的液滴的系統(tǒng)和方法。例如，現(xiàn)在參照圖1中所示的示例，示出流體系統(tǒng)10，其包括通道11，所述通道11包含有連續(xù)的第一流體21的流。該流體將隨后被分裂或分散以形成離散的液滴，并且也可以稱為“可分散的流體”。在某些實施例中，第一流體21可以以這樣的流速穿過通道11，SP，所述流速使得第一流體21呈現(xiàn)出噴射行為，或使得第一流體具有大于約I的毛細管數(shù)(Ca)和/或小于約I的韋伯數(shù)(We)。令人驚訝地，在本發(fā)明的某些實施例中，流體可以被分裂或分散，以便例如在使得流體呈現(xiàn)出噴射行為的條件下和在某些情況下使得形成的離散的流體液滴為基本單分散的條件下以較高的流速形成單獨的離散的流體液滴。例如，這樣的流體的液滴可以以約15，000滴/秒或更大的速率產生(但是在其它情況下也能夠以更低的液滴生產速率產生液滴)。相反地，其它用于在微流體通道中產生基本單分散的液滴的系統(tǒng)和方法通常在這樣的條件下不能操作，并且因而不能用于以這樣的較高的流速產生基本單分散的液滴。
[0026]再次參照圖1，也示出通道17，所述通道17在接合部14處與通道11相交。進入接合部14的流體可以通過出口通道29離開接合部。通道17可以包含有第二流體23的液滴27，所述第二流體23的液滴27被包含在第三流體25中。如以下將討論的，在插入之后，第三流體25將變成連續(xù)的相，而第二流體23的液滴27將用于分裂或分散來自通道11的第一流體21以形成包含在第三流體25內的離散的第一流體的液滴。因而,第二流體23也可以稱為“插入流體”，而第三流體25也可以稱為“連續(xù)的流體”。在某些實施例中，第一流體和第三流體是基本不可互溶的，并且在某些情況下，第一流體、第二流體和第三流體均是彼此基本不可互溶的。例如，第一流體18可以是疏水性液體，例如，氟碳油或其它油，第三流體25可以是親水性液體，例如，水或水溶液，并且第二流體23可以是氣體，例如，空氣；或者，第一流體18可以是親水性液體，第三流體25可以是疏水性液體，并且第二流體23可以是氣體，例如，空氣。以下討論額外的示例。
[0027]如圖1中所示，通道17將第二流體23的液滴或氣泡輸送到接合部14中，所述第二流體23的液滴或氣泡被插入來自通道11的第一流體21中。在某些情況下，第二流體23的液滴27在通道17中是基本單分散的，但是第二流體23的液滴27在其它情況下會是不單分散的。插入從通道11進入的第一流體21中的液滴27分裂或分散第一流體21，由此促使第一流體21破裂以形成離散的液滴31。在出口通道29中，第一流體21的液滴31也可以通過第二流體23的液滴27分離。在某些實施例中，液滴31是基本單分散的。
[0028]如所提及的，在通道17內的是在第三流體25中的第二流體23的液滴27。在某些情況下，液滴27是基本單分散的。這些液滴可以使用任何適當?shù)募夹g產生。例如，如在圖1中所示，使用T型接合部12，在該處第三流體25通過通道33進入T型接合部，并且第二流體23通過通道34進入以產生液滴27 (例如，由于剪切力、界面張力、流體動力學聚焦，等等)并且通過通道17離開接合部12。作為另一個示例(圖1中未示出)，接合部12可以是流動聚焦接合部。
[0029]以上討論是可以用于產生液滴的本發(fā)明的實施例的非限制性示例。然而，也能夠有其它實施例。因此，更普遍地，本發(fā)明的各種方面涉及各種系統(tǒng)和方法，其用于例如通過將流體的液滴或氣泡插入連續(xù)的流體流中以促使連續(xù)的流體流形成離散的液滴來產生液滴。(如本文所使用的，術語“流體”通常是指趨向于流動并且順應容器外形的物質，即，液體、氣體、粘彈性流體，等等；如果流體是氣體，則該氣體的離散的液滴也可以稱為“氣泡”)。在某些情況下，這樣的液滴可以在包含有微流體通道的裝置中產生，如以下將討論的。
[0030]如上所述，在某些實施例中，在產生液滴時可以涉及有三種(或更多種)流體:例如，連續(xù)流動的第一流體(例如，在圖1中的流體21)，其被分離以形成離散的液滴，所述第一流體也可以在此稱為“可分散的流體”；多個第二流體(例如，在圖1中的流體23)的液滴，其被插入第一流體中以促使第一流體形成液滴，所述第二流體也可以在此稱為“插入流體”;和連續(xù)流動的第三流體(例如，在圖1中的流體25)，其在第二流體的液滴插入第一流體中之前包含第二流體的液滴，所述第三流體也可以在此稱為“連續(xù)的流體”。該第三流體也稱為連續(xù)的流體，這是因為在生成液滴的處理結束時，第一流體和第二流體典型地表現(xiàn)為包含在連續(xù)的流體內的離散的液滴。
[0031]因而，如上所述，一組實施例總體上涉及多個第二流體的液滴(或氣泡)插入連續(xù)的第一流體的流中，所述多個第二流體的液滴(或氣泡)可以分裂或分散第一流體，由此促使連續(xù)的第一流體的流破裂以形成離散的液滴。第一流體或“可分散的”流體可以是液體或氣體。在某些實施例中，連續(xù)的第一流體的流可以以較高的線性流速引入(例如，引入到接合部中)，例如，以便使連續(xù)的第一流體的流呈現(xiàn)出噴射行為和/或具有大于約I的毛細管數(shù)和/或小于約I的韋伯數(shù)(We)。
[0032]典型地，當流體呈現(xiàn)出噴射行為時，流體的慣性力超過表面張力，并且因而，流體作為“射流”流動。在某些情況下，射流在未受干擾的情況下(即，在沒有任何額外的流體與射流相互作用的情況下，例如，在沒有任何液滴插入射流的情況下)會由于Ray lei gh_P I at eau不穩(wěn)定性而最終例如在離噴射流體進入通道中的進口較遠的點處破裂以形成液滴，但是這不總是發(fā)生。相反地，當流體呈現(xiàn)出“滴落”行為時，表面張力占主導作用，所述表面張力促使流體例如在進入通道中時形成各個液滴。
[0033]因此，在某些情況下，噴射流體可以以較高的線性流速流動。例如，第一流體在通道內的線性流速可以是至少約0.1微米/秒、至少約0.2微米/秒、至少約0.3微米/秒、至少約0.5微米/秒、至少約I微米/秒、至少約3微米/秒、至少約5微米/秒、至少約10微米/秒、至少約30微米/秒、至少約50微米/秒、至少約100微米/秒、至少約300微米/秒、至少約500微米/秒、至少約I毫米/秒、至少約3毫米/秒、至少約5毫米/秒、至少約10毫米/秒、至少約30毫米/秒或至少約50毫米/秒。
[0034]在某些實施例中，第一流體(或可分散的流體)可以在使得流體呈現(xiàn)出至少約I的毛細管數(shù)(Ca)和/或使得流體呈現(xiàn)出小于約I的韋伯數(shù)(We)的條件下在通道中流動。例如，第一流體可以在例如進入微流體通道時的條件下或在第二流體的液滴插入第一流體中的位置處流動。通常，毛細管數(shù)表示流過通道的流體的粘性力對表面張力的相對效應，而韋伯數(shù)表示與流體的表面張力相比的流體的慣性力。毛細管數(shù)和/或韋伯數(shù)可以在某些實施例中例如通過控制在通道內的流體的速度和/或通道的形狀或尺寸而被控制，例如，通道的平均橫截面尺寸。
[0035]毛細管數(shù)(Ca)可以被定義為:
def μν
[0036]Ca =-—
r
[0037]其中，μ (mu)是流體的動力粘度,V是流體的速度(或線性流速)，并且Y (gamma)是在通道中的流體的表面或界面張力。在某些實施例中，第一流體的Ca可以是至少約3、至少約10、至少約30、至少約100、至少約300或至少約1000。
[0038]如所提及的，韋伯數(shù)(We)可以認為是在慣性效應(其保持流體連貫)和表面張力效應(其促使流體趨向于形成液滴)之間的平衡或比。韋伯數(shù)經(jīng)常表達為表面張力效應除以慣性效應的無量綱比值，即，當韋伯數(shù)大于I時，表面張力效應占主導作用，并且當韋伯數(shù)小于I時，慣性效應占主導作用。因而，“韋伯數(shù)”可以被定義為:
TT,Py2^
[0039]We =1-
σ
[0040]其中，P (rho)是流體的密度，V是流體的速度，I是流體的特征長度(典型地為液滴直徑)，并且0 (sigma)是表面張力。在某些實施例中,We可以是小于約0.3、小于約0.1、小于約0.03、小于約0.01、小于約0.003或小于約0.001，即，使得慣性效應占主導作用。
[0041]噴射流體或在流動期間呈現(xiàn)出較高的毛細管數(shù)和/或較低的韋伯數(shù)的流體的使用會允許根據(jù)某些實施例非常迅速地產生第一流體的液滴。在某些情況下，液滴產生速率可以超過其它技術的液滴產生速率(但是在其它情況下，可以使用更低的液滴產生速率)。例如，液滴(例如，來自噴射的第一流體的流)的產生速率可以是至少約5，000滴/秒、至少約10，000滴/秒、至少約15，000滴/秒、至少約17，000滴/秒、至少約19，000滴/秒、至少約20，000滴/秒、至少約25，000滴/秒、至少約30，000滴/秒、至少約50，000滴/秒、至少約60，000滴/秒、至少約70，000滴/秒或至少約100，000滴/秒。在某些實施例中，第二流體的液滴可以插入連續(xù)流動的第一流體流中以在基本不改變第一流體流的線性流速的情況下促使第一流體流形成離散的液滴。另外，在某些實施例中，線性流速可以相對于其初始流速改變了不超過約25 %、不超過約15%、不超過約10 %、不超過約5 %，等等。
[0042]使用諸如本文所述的技術的那些技術而產生的第一流體的液滴在某些實施例中可以在某些情況下具有小于約I毫米、小于約500微米、小于約300微米、小于約200微米、小于約100微米、小于約75微米、小于約50微米、小于約30微米、小于約25微米、小于約10微米、小于約5微米、小于約3微米或小于約I微米的平均尺寸或直徑。平均直徑還可以在某些實例中是至少約I微米、至少約2微米、至少約3微米、至少約5微米、至少約10微米、至少約15微米或至少約20微米。液滴可以是球形的或非球形的。如果液滴是非球形的，則液滴的平均直徑可以看作是具有與非球形的液滴相同體積的完美球形的直徑。
[0043]在某些情況下，第一流體的液滴可以是基本單分散的，或液滴可以具有均勻的直徑分布，例如，液滴可以具有這樣的直徑分布，即，所述直徑分布使得液滴的不超過約10%、不超過約5 %、不超過約3 %、不超過約2 %或不超過約I %具有小于多個液滴的總平均直徑的約90% (或小于約95%、小于約97%或小于約99% )和/或大于約110% (或大于約101%、大于約103%或大于約105% )的直徑。在某些實施例中，多個液滴具有總平均直徑和直徑分布，使得液滴的橫截面直徑的變異系數(shù)小于約10%、小于約5%、小于約2%、介于約1%和約10%之間、介于約1%和約5%之間或介于約1%和約2%之間。變異系數(shù)可以被定義為標準偏差除以平均值，并且可以由本領域的技術人眼確定。
[0044]在一組實施例中，第一(或可分散的)流體自身可以包括超過一種的流體。例如，第一流體其中可以包括兩種、三種、四種或更多種流體。在插入第二流體的液滴時，這些流體中的某些或全部可以呈現(xiàn)出噴射行為，和/或第一流體可以呈現(xiàn)出大于約I的毛細管數(shù)和/或小于約I的韋伯數(shù)(We)，如上所述。在一組實施例中，這些流體中的兩種或更多種可以存在于“核/殼”布置中，例如，其中一種流體由另一種流體部分地或完全地包圍。在其它實施例中，也能夠有其它布置，例如，其中流體并排定位。第二流體的液滴的插入可以促使兩種或更多種流體形成包含有這些流體中的某些或全部的離散的液滴。在某些情況下，流體可以在液滴內保持為分離的流體，例如，在核/殼布置中，由此形成雙重乳液，所述雙重乳液包括由殼流體包圍的核流體，所述殼流體則被包含在第三流體內。在本發(fā)明的其它實施例中，也能夠有其它布置，例如，三重乳液，或其它更高層次的多重乳液。然而，在又一些其它實施例中，在液滴內的流體中的一些或全部可以混合在一起和/或起反應。
[0045]如所提及的，第二流體或“插入”流體可以插入連續(xù)流動的第一流體流中以促使第一流體流形成離散的液滴。第二流體可以作為多個液滴或氣泡插入第一流體流中，并且可以包括液體和/或氣體。在某些實施例中，第二流體的液滴還可以是基本單分散的，或第二流體的液滴可以具有均勻的直徑分布。在本發(fā)明的某些實施例中，第二流體與第一流體會是基本不可互溶的，但是在其它實施例中，第二流體和第一流體不是基本不可互溶的。例如，在某些條件下，第一流體流分散以形成離散的第一流體的液滴的速率在插入第二流體的液滴時快到足以使得第一流體和第二流體在形成離散的第一流體的液滴之前沒有時間基本混合。
[0046]如所述的，在某些實施例中，第二流體的液滴可以是基本單分散的，或第二流體的液滴可以具有均勻的直徑分布。例如，第二流體的液滴可以具有這樣的直徑分布，即，所述直徑分布使得液滴的不超過約10 %、不超過約5 %、不超過約3 %、不超過約2 %或不超過約I %具有小于多個第二流體的液滴的總平均直徑的約90% (或小于約95 %、小于約97%或小于約99% )和/或大于約110% (或大于約101 %、大于約103%或大于約105% )的直徑。在某些實施例中，多個第二流體的液滴具有總平均直徑和直徑分布，使得液滴的橫截面直徑的變異系數(shù)小于約10%、小于約5%、小于約2%、介于約1%和約10%之間、介于約1%和約5%之間或介于約1%和約2%之間。
[0047]在某些情況下，第二流體的液滴在某些情況下可以具有小于約I毫米、小于約500微米、小于約300微米、小于約200微米、小于約100微米、小于約75微米、小于約50微米、小于約30微米、小于約25微米、小于約10微米、小于約5微米、小于約3微米或小于約I微米的平均尺寸或直徑。平均直徑在某些實例中也可以是至少約I微米、至少約2微米、至少約3微米、至少約5微米、至少約10微米、至少約15微米或至少約20微米。液滴可以是球形的或非球形的。在某些實施例中，第一流體的液滴的生產速率和/或尺寸分布可以至少部分地通過第二流體的液滴的生產速率和/或尺寸分布控制。
[0048]在某些實施例中，第二流體的液滴可以以相對恒定的速率插入第一流體中，并且在某些情況下以較高的速率插入第一流體中。例如，液滴可以以至少約5，000滴/秒、至少約10，000滴/秒、至少約15，000滴/秒、至少約20，000滴/秒、至少約30，000滴/秒、至少約50，000滴/秒、至少約70，000滴/秒或至少約100，000滴/秒的速率插入。如所述的，第二流體的液滴插入連續(xù)流動的第一流體的流中的速率可以至少部分地控制從連續(xù)流動的流生產第一流體的液滴的生產速率。
[0049]在某些實施例中，第二流體的液滴或氣泡可以被包含在另一種第三流體中，所述第三流體最終形成包含有第一流體的液滴和/或第二流體的液滴的連續(xù)的流體。在本發(fā)明的某些實施例中，該連續(xù)的流體會與第一流體和第二流體中的一個或二者是基本不可互溶的，如以下將說明的。然而，在其它實施例中，這些流體不必總是彼此為基本不可互溶的。例如，如以上注意到，第一流體分散或分裂以形成離散的液滴的速率在第二流體的液滴插入連續(xù)流動的第一流體的流中之前可以快到足以使得第一流體、第二流體和第三流體在形成離散的第一流體的液滴之前沒有時間基本混合。
[0050]在某些實施例中，第三流體可以以較高的線性流速流動。例如，第三流體可以在第二流體的液滴插入第一流體中的點處呈現(xiàn)出噴射行為。在某些實施例中，第三流體在通道內的線性流速可以是至少約0.1微米/秒、至少約0.2微米/秒、至少約0.3微米/秒、至少約0.5微米/秒、至少約I微米/秒、至少約3微米/秒、至少約5微米/秒、至少約10微米/秒、至少約30微米/秒、至少約50微米/秒、至少約100微米/秒、至少約300微米/秒、至少約500微米/秒、至少約I毫米/秒、至少約3毫米/秒、至少約5毫米/秒、至少約10毫米/秒、至少約30毫米/秒或至少約50毫米/秒。然而，在其它實施例中，第三流體會不必以這樣高的流速流動，并且可以慢于上述值中的任一值。另外，第三流體和第一流體在第二流體的液滴插入第一流體中的點處的線性流速可以相同或不同。
[0051]如所提及的，在本發(fā)明的某些實施例中，第一流體、第二流體和第三流體可以彼此為基本不可互溶的。涉及三種彼此基本不可互溶的流體的系統(tǒng)的一個非限制性的示例是這樣的系統(tǒng)，即，在所述系統(tǒng)中三種流體中的兩種流體是液體(例如，基本不可互溶的液體)，而第三種流體是氣體。例如，第二流體可以存在為氣體，而第一流體和第三流體均可以是液體。
[0052]在某些實施例中，第一流體可以是親水性的或是水的，而第二流體可以是疏水性的或是“油”，或反之亦然。通常，“親水性”流體是可與純水互溶的流體，而“疏水性”流體是不可與純水互溶的流體。應當注意到，如本文所使用的術語“油”僅僅是指疏水性的且不可溶在水中的流體。因而，在某些實施例中，油可以是烴，但是在其它實施例中，油可以是(或包括)其它疏水性的流體(例如，辛醇)。還應當注意到，親水性或水流體不必是純水。例如，親水性流體可以是水溶液，例如，緩沖溶液、含有溶解鹽的溶液，或類似物。親水性流體還可以是或包括例如乙醇或其它可溶在水中的液體，例如，代替水或除了水以外。
[0053]然而，第一流體、第二流體和第三流體不僅限于其中一種流體是氣體而其它兩種流體是液體的系統(tǒng)。也能夠有其它流體布置，例如，其中三種流體是液體。作為非限制性的示例，其中三種流體彼此為基本不可互溶的液體的另一個系統(tǒng)是硅酮油、礦物油和水溶液(即，水或其中溶解和/或懸浮有一種或多種其它物質的水)。系統(tǒng)的又一個示例是硅酮油、氟碳油和水溶液。系統(tǒng)的又一個示例是烴油(例如，十六烷)、氟碳油和水溶液。適當?shù)姆加偷姆窍拗菩允纠?
[0054]HFE7500,十八氣蔡燒(octadecaf Iuorodecahydronaphthalene):
[0055]





1^.R.# I F
\ V ]/ [
F*
F /A /\ F
P 'P

r FfF Γ
[0056]或1-(1，2，2，3，3，4，4，5，5，6，6-十一氣環(huán)己酷(undecafIuorocyclohexyl))乙醇:
[0057]

F、 F V—~OM
jXl
j(r^ZT
F F.
[0058]在某些情況下，在已經(jīng)通過第二流體的液滴插入連續(xù)流動的第一流體的流中而在第三流體中形成離散的第一流體的液滴之后，第二流體中的一些或全部可以從第三流體去除或分離。第二流體可以存在為液滴或氣泡，或在某些情況下，第二流體中的一些或全部可以聚結?？梢杂糜谌コ诙黧w的技術的示例包括，但是不限于，過濾、沉淀或浮性。作為示例，第三流體可以暴露于離心力以促使第二流體中的至少某些分離。作為另一個示例，例如，如果流體允許保持基本未受干擾，則密度差會促使第二流體發(fā)生分離(例如，通過相對于第三流體上升或下沉)。例如，如果第二流體是氣體，則密度差或浮力會促使第二流體中的至少某些上升或甚至離開第三流體。作為又一個示例，流體動力學分選技術可以用于從第三流體去除或分離第二流體中的至少某些。在某些情況下，第二流體相對于第一流體和/或第三流體的水動力特性的差異會用于促使發(fā)生分離。例如，在粘度、密度、體積、表面積、直徑等方面的差異可以用于例如在流動條件下促使發(fā)生分離。因而，例如，在層流下，一種流體的液滴會流動得快于或慢于另一種流體的液滴，這可以由此用于分離液滴。這樣的排序技術的額外的非限制性的示例可以參見由林克等人于2004年8月27日提交的、題名為“Electronic Control of Fluidic Species” 的國際專利申請 N0.PCT/US2004/027912，其于2005年3月10日公布為WO 2005/021151，每個所述專利申請都通過參考包含于此。
[0059]例如，如上所述，本發(fā)明的其它方面總體上涉及用于促使連續(xù)的流體流形成離散的液滴的微流體系統(tǒng)和方法。例如，在一組實施例中，微流體裝置可以用于通過將流體的液滴或氣泡插入連續(xù)的流體流中以促使連續(xù)的流體流形成離散的液滴來產生離散的液滴。在某些情況下，微流體裝置可以包括通道的接合部，例如，第一入口微流體通道、第二入口微流體通道和出口微流體通道的接合部。第一微流體通道可以引入第一流體(所述第一流體可以是連續(xù)的，并且在某些情況下可以呈現(xiàn)出噴射行為)，并且第二微流體通道可以引入第二流體(例如，所述第二流體作為包含在連續(xù)的第三流體內的多個液滴)。在接合部處，第二流體的液滴可以插入連續(xù)的第一流體的流中以促使連續(xù)的第一流體的流形成離散的液滴。來自第一微流體通道和第二微流體通道的流體可以通過出口微流體通道離開接合部。
[0060]在某些情況下，第一通道可以在接合部處以一角度與第二通道相交。這種角度可以例如用于允許在不基本分裂第一流體的流動的情況下發(fā)生第二流體的液滴的插入。因而，例如，插入可以發(fā)生成使得第一流體流的線性流速不基本改變或使得第一流體流的線性流速改變了不超過約25%、不超過約15%、不超過約10%、不超過約5%，等等。在一組實施例中，在接合部處第一通道和第二通道之間的角度小于約60°、小于約45°、小于約40°、小于約35°、小于約30°、小于約25°或小于約20°。在圖1中示出這種構造的非限制性示例。
[0061]接合部的上游(例如，包含有第二流體的液滴的通道的上游，所述第二流體的液滴例如在連續(xù)的第三流體中)可以是通道的另一個第二接合部，所述通道例如是微流體通道。在某些情況下，第二接合部用于在第三流體中產生第二流體的液滴。第二接合部可以包括:入口通道，其用于將第二流體和第三流體引入到接合部；以及出口通道(例如，所述出口通道與第一接合部流體連通，如上所述)。因而，例如，第二接合部可以包括兩個、三個或更多個入口通道和一個(或多個)出口通道。通道中的兩個或更多個可以以基本直角或以任何其它適當?shù)慕嵌认嘤?。另外，在某些情況下，出口通道可以在第二接合部處相對于入口通道中的一個基本線性地定位。通道中的一個或多個也可以是微流體通道。
[0062]可以在第二接合部處使用可以用于產生液滴的任何適當?shù)耐ǖ罉嬙?。例如，第二接合部可以是T型接合部、Y型接合部、通道套通道的接合部(例如，在共軸布置中，或包括內通道和包圍內通道的至少一部分的外通道)、交叉(或“X”)型接合部、流體聚焦接合部或任何其它適當?shù)挠糜谠诘谌黧w中產生第二流體的液滴的接合部。例如，參見:由林克等人于 2004 年 4 月 9 日提交的、題名為 “Format1n and Control of Fluidic Species”的國際專利申請N0.PCT/US2004/010903，其于2004年10月28日公布為WO 2004/091763 ；或由斯通等人于2003年6月30日提交的、題名為“Method and Apparatus for FluidDispers1n”的國際專利申請N0.PCT/US2003/020542，其于2004年I月8日公布為WO2004/002627，每個所述專利申請的整個內容都通過參考包含于此。另外，第二接合部可以被構造和布置成產生基本單分散的液滴。
[0063]另外地，在某些實施例中，在第一接合部的第一入口通道上游可以有通道的另一個接合部。該接合部可以用于將一種或多種流體引入第一通道中。例如，在一組實施例中，如上所述，第一流體可以在核/殼布置(例如，其中一種流體部分地或完全地包圍在微流體通道內流動的另一種流體)中或在其它布置中包括兩種或更多種流體。因而，在某些情況下，該額外的接合部可以用于將兩種或更多種流體定位在第一通道中。例如，通道套通道的接合部可以用于產生核/殼布置。在某些情況下，也能夠有更高階的嵌套(例如，包括3個、4個或更多個嵌套的通道)。
[0064]然而，在其它實施例中，也能夠有其它接合部布置，例如，T型接合部、Y型接合部、交叉(或“X”)型接合部或流體聚焦接合部，例如，本文所述的或在以下國際專利申請中所述的那些接合部，即:由林克等人于2004年4月9日提交的、題名為“Format1n andControl of Fluidic Species”的國際專利申請N0.PCT/US2004/010903，其于 2004年 10 月28日公布為WO 2004/091763 ;或由斯通等人于2003年6月30日提交的、題名為“Methodand Apparatus for Fluid Dispers1n” 的國際專利申請 N0.PCT/US2003/020542,其于2004年I月8日公布為WO 2004/002627。另外，在又一些其它實施例中，可以不存在這種接合部。
[0065]根據(jù)本發(fā)明的某些方面的各種材料和方法可以用于形成能夠產生液滴的系統(tǒng)，例如，本文所述的那些系統(tǒng)。在某些情況下，所選擇的各種材料自身適宜于各種方法。例如，本發(fā)明的各種部件可以由固體材料形成，在所述固體材料中可以經(jīng)由微機械加工、膜沉積處理、激光制造、光刻技術、包括濕化學或等離子體處理的蝕刻方法等而形成通道，所述膜沉積處理例如是旋涂和化學氣相沉積。例如，參見科學美國人，248:44-55，1983(安吉爾等人)。在一個實施例中，流體系統(tǒng)的至少一部分通過將特征蝕刻在硅片中而由硅形成。已知用于由硅精確地和高效地制造本發(fā)明的各種流體系統(tǒng)和裝置的技術。在另一個實施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)和裝置的各種部件可以由聚合物形成，例如，諸如聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)、聚四氟乙烯(“ptfe”或Teflon?)等的彈性體聚合物。
[0066]不同的部件可以由相同的或不同的材料制造。例如，包括底壁和側壁的基部部分可以由不透明的材料制造，例如，硅或PDMS，而頂部部分可以由透明的或至少部分透明的材料制造，例如，玻璃或透明的聚合物，用于觀察和/或控制流體處理。部件可以被涂覆，從而將期望的化學功能暴露于與通道內壁接觸的流體，其中支撐材料的基部沒有確切的期望的功能。例如，部件可以如圖所示制造有用另一種材料涂覆的通道內壁。用于制造本發(fā)明的系統(tǒng)和裝置的各種部件的材料，例如，用于涂覆流體通道的內壁的材料，可以期望地從那些將沒有不利地影響流過流體系統(tǒng)的流體或不受流過流體系統(tǒng)的流體影響的材料之中選出，例如，在待在裝置內使用的流體面前是化學惰性的一種或多種材料。
[0067]在一個實施例中，本發(fā)明的各種部件由聚合物材料和/或柔性材料和/或彈性體材料制造，并且可以便利地由可硬化的流體形成，從而便于經(jīng)由模塑(例如，復制模塑、注射成型、鑄塑成型，等等)制造?？捎不牧黧w可以基本上是可以被誘導固化或自發(fā)固化為固體的任何流體，所述固體能夠包含有和/或輸送預料到在流體網(wǎng)絡中使用的流體和與流體網(wǎng)絡一起使用的流體。在一個實施例中，可硬化的流體包括聚合物液體或液體聚合物前體(即，“預聚合物”)。適當?shù)木酆衔镆后w可以例如包括熱塑性聚合物、熱固性聚合物、或這些聚合物的被加熱到其熔點之上的混合物。作為另一個示例，適當?shù)木酆衔镆后w可以包括在適當?shù)娜軇┲械囊环N或多種聚合物的溶液，所述溶液在例如通過蒸發(fā)去除溶劑時形成固體聚合物材料。可以從例如熔融狀態(tài)固化或通過溶劑蒸發(fā)固化的這樣的聚合物材料對于本領域的技術人員而言是公知的。其中許多聚合物材料為彈性體的各種聚合物材料是合適的，并且對于其中一個或兩個模具靠模均由彈性體材料構成的實施例而言，上述各種聚合物材料也適用于形成模具或模具靠模。這樣的聚合物的示例的非限制性列表包括具有普通分類的硅酮聚合物、環(huán)氧聚合物和丙烯酸酯聚合物的聚合物。環(huán)氧聚合物的特征在于存在有通常稱為環(huán)氧基、1，2-環(huán)氧化物或環(huán)氧乙烷的3員環(huán)醚基團。例如，除了基于芳族胺、三嗪和脂環(huán)族的主鏈的化合物以外，還可以使用雙酚A的二縮水甘油基醚。另一個示例包括公知的酚醛清漆聚合物。根據(jù)本發(fā)明的適合使用的硅酮彈性體的非限制性的示例包括由包括諸如甲基氯硅烷、乙基氯硅烷、苯基氯硅烷等的氯硅烷的前體所形成的那些。
[0068]在一組實施例中優(yōu)選的是硅酮聚合物，例如，硅酮彈性體聚二甲基硅氧烷。PDMS聚合物的非限制性的示例包括由陶氏化學公司，米德蘭，MI出售的商標為Sylgard的那些，并且特別是Sylgardl82、Sylgardl84和Sylgardl86。包括PDMS在內的硅酮聚合物具有若干有益的性能，從而簡化了本發(fā)明的微流體結構的制造。例如，這樣的材料便宜，容易獲得，并且可以經(jīng)由熱固化而由預聚合物液體固化。例如，典型地，PDMS可通過使預聚合物液體在約例如約65°C至約75°C的溫度下暴露了例如約一小時的暴露時間來固化。而且，諸如PDMS的硅酮聚合物可以是彈性體，并且因而可以用于形成具有較高的長徑比的非常小的部件，這在本發(fā)明的某些實施例中是必要的。在該方面，柔性(例如，彈性體)模具或靠?？梢允怯欣?。
[0069]由諸如PDMS的硅酮聚合物形成例如微流體結構的本發(fā)明的結構的一個優(yōu)點是能夠使得這樣的聚合物例如通過暴露于諸如空氣等離子體的含氧等離子體而被氧化，使得已氧化的結構在其表面處包含化學基團，所述化學基團能夠交聯(lián)到其它已氧化的硅酮聚合物表面或各種其它聚合物材料和非聚合物材料的已氧化的表面。因而，在不需要單獨的粘合劑或其它的密封措施的情況下，可以制造部件，并且繼而部件被氧化和基本上不可逆地被密封到其它硅酮聚合物表面上或被密封到其它可與已氧化的硅酮聚合物表面反應的基材的表面上。在大多數(shù)情況下，在不需要施加輔助壓力以形成密封的情況下，密封可以簡單地通過使已氧化的硅酮表面接觸到另一個表面而完成。即，預氧化的硅酮表面充當?shù)挚窟m當?shù)呐浜媳砻娴慕佑|粘合劑。
[0070]具體地，諸如已氧化的PDMS的已氧化的硅酮除了被不可逆地密封到自身以外，也可以被不可逆地密封到除了其自身以外的一系列已氧化的材料，所述材料例如包括玻璃、硅、氧化硅、石英、氮化硅、聚乙烯、聚苯乙烯、玻璃碳和環(huán)氧聚合物，它們已經(jīng)以與PDMS表面氧化的方式類似的方式(例如，經(jīng)由暴露于含氧等離子體)氧化。在本【技術領域】中，例如在通過參考包含于此的題名為“Rapid Prototyping of Microfluidic Systems andPolydimethylsiloxane”Anal.Chem., 70:474-480,1998 (達菲等人)的文章中，已經(jīng)說明了在本發(fā)明的上下文中有用的氧化和密封方法以及全部的模塑技術。
[0071]在某些實施例中，本發(fā)明的某些微流體結構(或接觸流體的內表面)可以由某些已氧化的硅酮聚合物形成。這樣的表面會比彈性體聚合物的表面更加親水得多。這樣的親水性通道表面因而可以更加容易用水溶液填充和濕潤。
[0072]在一個實施例中，本發(fā)明的微流體裝置的底壁由與一個或多個側壁或頂壁不同的材料形成或由其它部件形成。例如，底壁的內表面可以包括硅片或微芯片或其它基材的表面。其它部件可以如上所述被密封到這樣的可替代的基材上。在期望將包括硅酮聚合物(例如，PDMS)的部件密封到不同材料的基材(底壁)上時,基材可以從系由下列材料構成的組中選出:已氧化的硅酮聚合物能夠不可逆地密封的材料(例如，已經(jīng)氧化的玻璃、硅、氧化硅、石英、氮化硅、聚乙烯、聚苯乙烯、環(huán)氧聚合物和玻璃碳表面)?；蛘撸梢允褂萌鐚τ诒绢I域的技術人員將顯而易見的其它密封技術，包括但是不限于，單獨的粘合劑、熱粘合、溶劑粘合、超聲波焊接等的使用。
[0073]如在某些實施例中提及，但并不是在所有實施例中提及，本文所述的系統(tǒng)和方法可以包括一個或多個微流體部件，例如，一個或多個微流體通道。微流體通道的“橫截面尺寸”是與通道內的流體流動的方向垂直測量而得。因而，微流體通道中的一些或全部可以具有小于2毫米的最大橫截面尺寸,并且在某些情況下,具有小于I毫米的最大橫截面尺寸。在一組實施例中，微流體通道的最大橫截面尺寸小于約500微米、小于約300微米、小于約200微米、小于約100微米、小于約50微米、小于約30微米、小于約10微米、小于約5微米、小于約3微米或小于約I微米。在某些實施例中，微流體通道可以由單個部件(例如，蝕刻的基材或模塑的單元)部分地形成。當然，在本發(fā)明的其它實施例中，較大的通道、管、室、儲器等也可以用于儲存流體和/或將流體輸送到各種部件或系統(tǒng)。
[0074]微流體通道可以具有任何橫截面形狀(圓形、橢圓形、三角形、不規(guī)則形狀、正方形或矩形等)并且可以被覆蓋或未被覆蓋。在其中通道將被完全覆蓋的實施例中，通道的至少一個部分可以具有完全封閉的橫截面，或整個通道可以除了其一個或多個入口和/或一個或多個出口以外沿著其整個長度被完全封閉。通道還可以具有至少2:1的長徑比(長度與平均橫截面尺寸的比)，更典型地具有至少3:1、5 =UlO:1U5:1,20:1或更高的長徑比。
[0075]在某些實施例中，通道中的一個或多個的至少一部分可以是疏水性的，或被處理成使至少部分是疏水性的。例如，一種用于使通道表面成為疏水性的非限制性的方法包括:將通道表面與給予通道表面疏水性的劑接觸。例如，在某些實施例中，通道表面可以與
Aquapel?接觸(例如，用其沖刷)(商用汽車玻璃處理)(賓夕法尼亞州，匹茲堡，PPG工業(yè)公司)。在某些情況下，與給予通道表面疏水性的劑接觸的通道表面可以隨后用空氣凈化。在某些實施例中，通道可以被加熱(例如，被烘烤)以使含有給予疏水性的劑的溶劑蒸發(fā)。
[0076]因而，在本發(fā)明的某些方面中，微流體通道的表面可以被改性以便于產生乳液，例如，多重乳液。在某些情況下，表面可以通過將溶膠凝膠涂覆到微流體通道的至少一部分而被改性。作為示例，溶膠凝膠涂層可以通過在溶膠凝膠中并入疏水性聚合物而具有更高的疏水性。例如，溶膠凝膠可以含有一種或多種硅烷，例如:氟硅烷(即，含有至少一個氟原子的硅烷)，例如，十七氟硅烷；或其它硅烷，例如，甲基三乙氧基硅烷(MTES);或含有一個或多個脂質鏈的硅烷，例如，十八烷基硅烷、或其它CH3(CH2)n-硅烷，其中η可以是任何適當?shù)恼麛?shù)。例如，η可以大于1、5或10并且小于約20、25或30。硅烷還可以任選地包含其它基團，例如，烷氧基，例如，十八烷基三甲氧基硅烷。一般而言，大多數(shù)硅烷可以在溶膠凝膠中使用，而基于所需性能例如疏水性來選擇特定的硅烷。在本發(fā)明的其它實施例中，還可以依據(jù)期望的因素例如相對的疏水性或親水性來選擇其它硅烷(例如，具有較短的或較長的鏈長度)。在某些情況下，硅烷可以含有其它基團，例如，諸如胺類的基團，其將使溶膠凝膠更加親水性。非限制性的示例包括二氨基硅烷、三氨基硅烷，或Ν-[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]乙二胺硅烷。硅烷可以反應以在溶膠凝膠內形成低聚物或聚合物，并且聚合程度(例如，低聚物或聚合物的長度)可以通過控制反應條件來控制，例如，通過控制溫度、存在的酸或堿的量等來控制。在某些情況下，超過一種的硅烷可以存在于溶膠凝膠中。例如，溶膠凝膠可以包括氟硅烷以促使所得到的溶膠凝膠呈現(xiàn)出更高的疏水性，和/或包括其它便于產生聚合物的硅烷(或其它化合物)。在某些情況下，可以存在有能夠產生S12K合物以利于聚合的材料，例如，TE0S(原硅酸四乙酯)。應當理解，溶膠凝膠不限于僅包含有硅烷，而是除了硅烷以外可以存在其它材料或可用其它材料代替硅烷。例如，涂料可以包括一種或多種金屬氧化物，例如，S12，五氧化二釩(V2O5)、二氧化鈦(T12)和/或氧化鋁(Al2O3)15
[0077]在某些實例中，微流體通道由適于接收溶膠凝膠的材料構造，例如，玻璃、金屬氧化物或諸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和其它硅氧烷聚合物的聚合物。例如，在某些情況下，微流體通道可以是其中含有硅原子的聚合物，并且在某些實例中，微流體通道可以被選擇成使得微流體通道含有硅烷醇(S1-OH)基團，或可以被改性以具有硅烷醇基團。例如，微流體通道可以暴露于氧等離子體、氧化劑或強酸以促使在微流體通道上形成硅烷醇基團。
[0078]以下文獻的整個內容通過參考包含于此:由林克等人于2004年4月9日提交的、題名為 “Format1n and Control of Fluidic Species” 的國際專利申請 N0.PCT/US2004/010903，其于2004年10月28日公布為WO 2004/091763 ；由斯通等人于2003年6月30日提交的、題名為“Method and Apparatus for Fluid Dispers1n”的國際專利申請N0.PCT/US2003/020542，其于 2004 年 I 月 8 日公布為 WO 2004/002627 ；由魏茨等人于 2006年 3 月 3 日提交的、題名為“Method and Apparatus for Forming Multiple Emuls1ns”的國際專利申請N0.PCT/US2006/007772，其于2006年9月14日公布為WO 2006/096571 ;由林克等人于 2004 年 8 月 27 日提交的、題名為“Electronic Control of Fluidic Species”的國際專利申請N0.PCT/US2004/027912，其于2005年3月10日公布為WO 2005/021151 ；和由安等人于2007年I月24日提交的、題名為“Fluidic Droplet Coalescence”的國際專利申請N0.PCT/US2007/002063，其于2007年8月9日公布為W02007/089541。另外，由安等人于2012年2月8日提交的、題名為“Droplet Format1n using Fluid Breakup”的美國臨時專利申請序列N0.61/596，658的整個內容通過參考包含于此。
[0079]以下示例意在示出本發(fā)明的某些實施例，而沒有舉例說明本發(fā)明的全部范圍。
[0080]示例 I
[0081]該示例示出根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的液滴生成機構，所述液滴生產機構不受限于噴射，而是允許較快地生產液滴。
[0082]微流體裝置可以形成具有受控的特性的乳液，例如，其中乳液內的所有液滴具有可以按需選擇的、基本相等的形狀和尺寸。這些乳液的受控的特性使它們對一系列應用有吸引力。例如，液滴可以用作用于合成具有各種特性的顆粒的模板，所述顆粒包括球形膠體、非球形微凝膠體和核殼膠囊。例如，參見:由魏茨等人于2006年3月3日提交的、題名為“Method and Apparatus for Forming Multiple Emuls1ns” 的國際專利申請 N0.PCT/US2006/007772，其于2006年9月14日公布為WO 2006/096571 ;或由岑等人于2011年3月17日提交的、題名為“Melt Emulsificat1n”的國際專利申請N0.PCT/US2011/028754，其于2011年9月22日公布為WO 2011/116154，每個所述專利申請都通過參考包含于此。液滴還可以用作微小的“試管”，在所述試管內執(zhí)行化學或生物反應；由于液滴的均勻性及其較小的尺寸，所以可以精確地和/或用少量的試劑執(zhí)行大量的反應。
[0083]可以使用T型接合部或流體聚焦機構實現(xiàn)液滴生成。然而，該示例示出可以在較高的流速下操作的不同的液滴生成機構，在較高的流速下通常發(fā)生噴射，這與在T型接合部或流體聚焦機構中的液滴生成不同。為了形成液滴，如在該示例中所示，在微流體通道中的可分散的流體(即，待分散的流體)的射流初始通過使可分散的流體以非常高的流速在通道內流動而形成。在沒有其它力的情況下，射流是穩(wěn)定的，并且通常不破裂成液滴。然而，通過向一旁加壓氣泡(或另一種合適的流體的液滴)或通過將所述氣泡加壓到射流中并且通過將氣泡和射流二者一起限制于通道內，可以在水油界面中產生彎曲區(qū)域，所述彎曲區(qū)域由于Rayleigh-Plateau不穩(wěn)定性而是不穩(wěn)定的。在連貫的氣泡之間的可分散的流體可以由此聚結以形成液滴。通過調節(jié)氣泡間距，可以控制可分散的流體的液滴尺寸，并且通過使用均勻間隔的氣泡，可以形成基本單分散的液滴。這在某些情況下也可以用于形成單乳液、或雙重乳液或其它多重乳液。
[0084]在圖1中示出這種系統(tǒng)的一個非限制性的示例。該示例示出微流體裝置10，所述微流體裝置10包括:噴射區(qū)(或通道)11，其用于產生可分散的流體的穩(wěn)定的射流；起泡接合部12，其用于生成基本單分散的氣泡；和接合部14，在所述接合部14中氣泡(或另一種流體)被擠壓到射流中，促使射流破裂成離散的液滴。噴射區(qū)11和起泡接合部12被定位在接合部14上游，它們的出口在T型接合部14處相交，如圖1中所示。
[0085]可分散的流體21( S卩，待分散的流體)被注射到噴射區(qū)(或通道)11的入口中，并且空氣23和連續(xù)的流體25被注射到起泡接合部12中。這在延伸到接合部14中的噴射區(qū)11中產生可分散的流體21的射流，而同時起泡接合部12形成氣泡，所述氣泡隨后在接合部14處被插入該射流中。即使這些流體的流速在某些實施例中會保持較高，以便能夠噴射可分散的流體21，但是空氣23由于其流動特征而典型地不呈現(xiàn)出噴射行為，并且從而甚至在連續(xù)的流體25或可分散的流體21以較高的流速流動的情況下也可以形成氣泡27。例如，由于較低的空氣密度，甚至對于非常高的速度而言，空氣流動的慣性也會較小。另外地，由于空氣與液體之間的較高的表面張力，相比之下界面力更大，能夠更快地緊壓氣流。結合起來，這些特征允許在起泡交線12處甚至以較高的流速生成周期性的、基本單分散的氣泡。
[0086]在起泡接合部12處形成氣泡27之后，氣泡被朝向接合部14指引，在該處氣泡被向一旁加壓或被加壓在可分散的流體21的射流中，如圖1中所示。如果氣泡不存在，則射流將由于非常高的流速而是穩(wěn)定的，從而在沒有破裂成液滴的情況下離開裝置。然而，氣泡使射流變形，產生緊壓區(qū)，所述緊壓區(qū)由于Rayleigh-Plateau不穩(wěn)定性而是不穩(wěn)定的。當緊壓區(qū)破裂時，在連貫的氣泡之間的可分散的流體聚結而變成液滴。在該示例中，單個乳液通過使可分散的流體21的均質射流破裂分開而形成，但是在其它情況下，可分散的流體21可以不必是均質的。
[0087]示例 2
[0088]該示例示出根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的雙重乳液的生成。在該示例中使用的裝置與在示例I中說明的裝置類似；然而，為了形成雙重乳液，交叉的通道交線(未示出)對于通道11而言用作噴射區(qū)。這允許噴射兩種流體以用于在通道11中產生共軸射流。例如，雙重乳液的內部流體可以被注射到中心入口中，并且中間流體被注射到兩側入口中。這用于形成由中間流體包圍的內部流體的共軸射流。共軸射流繼而流到接合部14，在該處共軸射流通過來自通道17的氣泡27 (或其它流體液滴)變形并且被緊壓或破裂而形成雙重乳液液滴31。通過使用適用于產生更高階的核/殼流體流的技術可以類似地產生更高階的乳液(例如，三重乳液、四重乳液，等等)和更高階的乳液液滴。
[0089]為了研究共軸射流緊壓的物理現(xiàn)象，用快速相機記錄該裝置的影像。該裝置使用軟光刻技術在聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)中制造。該裝置通過沖刷穿過通道的
Aquapel? (包括某些含氟化合物)而被處理以使其具有疏水性，并且繼而將裝置在設定到65°C的爐子中烘烤了 20分鐘。對于雙重乳液而言，辛醇用于內相，具有l(wèi)wt%的十二烷基硫酸鈉的水用作中間相，并且具有1.8被％的Krytox? 157FSL(de，威明頓市，杜邦公司)的銨鹽的HFE-7500氟碳油用作外相或連續(xù)的相。
[0090]辛醇和水被注射到交叉通道接合部的中心入口和側面入口中，形成水內辛醇的共軸射流，所述共軸射流朝向接合部14(引發(fā)接合部)流動，如在圖2中示出為在最左邊t =Oms0空氣被注射到接合部12 (起泡接合部)的內相入口中，并且氟碳油被注射到連續(xù)相入口中，從而形成氣泡27，所述氣泡27繼而通過通道17進入接合部14。隨著氣泡逼近接合部14，氣泡被向一旁加壓或被加壓到共軸射流中。通道11和通道17在接合部處以一角度相交，從而產生斜壁。這將氣泡逐漸地加壓到射流中，使氣泡上的應力最小化，使得氣泡沒有由于較高的速度流動而被剪切開。變形為氣泡的射流被向一旁加壓，這是因為射流具有比氣泡低的拉普拉斯壓力，如由圖2中的箭頭指示。該處理中所涉及的力可以從射流和氣泡的曲率推定出。對于所觀察到的曲率和已知的水油表面張力和氣油表面張力，與對于射流而言僅0.6Pa的拉普拉斯壓力相比，對于氣泡而言計算出2.6kPa的拉普拉斯壓力；因而，氣泡更不易變形，允許氣泡緊壓射流。隨著每個氣泡被楔入通道中，流體從在其一旁的射流的部分驅逐出，如圖2中所示在t = 0.12ms至0.21ms ;這在射流中產生了緊壓區(qū),較窄的液體橋部在任一側上連接兩個隆起部，如在圖2中示出為在t = 0.21ms和0.24msο
[0091]因而，圖2示出使用氣泡引發(fā)的液滴生成而生成的單分散的雙重乳液，如借助快速相機顯現(xiàn)。在該圖中，氣泡表現(xiàn)為非常暗的圓圈，其中心具有亮點。辛醇、水和氟碳油分別以50微升/小時、100微升/小時和400微升/小時的流速注射，并且空氣處于?140kPa的壓力下。液滴生成頻率是6.0kHz。通道具有25毫米的寬度，其具有正方形的橫截面。隨著氣泡緊壓而形成雙重乳液液滴，箭頭追隨單個氣泡。
[0092]緊壓的幾何形狀是不穩(wěn)定的，這是因為界面的不均勻曲率在射流中產生壓差，所述壓差將流體從連接橋部泵出。隨著流體排出，橋部變得更小，并且橋部由于Ray I e i gh-P I at eau不穩(wěn)定性而是不穩(wěn)定的,最終促使橋部破裂。對于發(fā)生這樣的事所需的時間在該液滴生成機構中是重要的參數(shù)，這是因為該時間確定對于完成緊壓而言必須將幾何形狀維持多久。這繼而可以在某些情況下限制生成液滴的最大速率。
[0093]為了推定出緊壓時間，計算對于橋部排水所需的時間。界面的不均勻曲率在射流中產生壓差，所述壓差將流體從連接橋部泵出。水油表面張力借助表面活性劑被確定為?4mN/m?；谠谌我粋壬系木o壓和隆起部處的水油界面的曲率，推定出1.4kPa的泵送壓力。該泵送受到橋部內的流體的粘性阻力抵抗。對于哈根佰意索意流，將橋部建模為具有2微米的半徑和6微米的長度的氣缸,計算出2kgmnT4ms的水動力阻力。對于給定泵送壓力，這產生了約lpL/ms的橋部的流體排出速率。橋部具有0.1pL的總體積，以便推定出0.1ms的適當?shù)木o壓時間。這與用快速相機取得的處理影像中觀察到的緊壓時間一致，如在圖2中不出為在t = 0.24ms至0.30ms。
[0094]為了完成破裂，緊壓的幾何形狀必須維持得比緊壓時間更久；否則，射流將在不破裂成液滴的情況下離開通道。因而，該時間限制了生成液滴的最大速率。對于這里所研究的流速，氣泡在這段時間僅在射流一旁行進了 32微米；因而，與流體動力學的其余部分相比，幾乎瞬間地發(fā)生破裂。然而，如果速度充分地增大，則氣泡會在緊壓完成之前離開通道。
[0095]示例3
[0096]該示例示出基本單分散的液滴的產生。與其它液滴生成機構一樣，在某些情況下，氣泡引起的液滴生成可以以較快的速率產生基本單分散的液滴。就氣泡弓I起的液滴生成而言，也能夠控制液滴尺寸，這是因為該參數(shù)取決于在連貫的氣泡之間隔開的流體的體積。為了說明控制液滴尺寸的能力的特征，在該示例中，氣泡間距變化，并且確定相對應的液滴尺寸。當氣泡不存在時，射流是穩(wěn)定的，射流作為連續(xù)的未破裂的流體的流離開裝置，如在圖3中示出為F = OkHz0隨著空氣壓力增大，氣泡開始以較低的頻率形成。這在氣泡之間產生較大的間距和較長的射流柱狀物，如在圖3中示出為F= 1.9kHz。在被緊壓之后，這些柱狀物將自身拉成較大的液滴。隨著空氣壓力增大，氣泡更加迅速地形成。連貫的氣泡之間的柱狀物變得更短，產生更小的液滴，在圖3中示出為F = 2.8kHz至6.0kHz0如果空氣壓力甚至更進一步地增大，則氣泡甚至更迅速地進入；然而，此時，間距不再均勻，并且所得到的液滴是更加多分散的，如在圖3中示出為F = 7.4kHz。
[0097]因而，圖3示出形成的液滴的尺寸，其至少部分地取決于氣泡注射頻率。氣泡注射越慢，在氣泡之間導致越長的間距，并且相對應地液滴越大，而注射頻率越快，導致越短的間距，并且液滴越小。辛醇、水和氟碳油分別以50微升/小時、100微升/小時和400微升/小時的流速注射，并且空氣壓力在120kPa和145kPa之間變化，如以上注意到。通道具有25微米的寬度，其具有正方形橫截面。
[0098]在較高的氣泡頻率下的該行為改變可以通過考慮到在液體射流的巔峰處的拉普拉斯壓力來理解。如果氣泡太迅速地引入，則對于液體射流的巔峰而言幾乎沒有時間在被氣泡擠壓之前延伸到通道中；結果，液體射流的巔峰較小，并且液體射流的巔峰具有較大的拉普拉斯壓力。這使得液體射流的巔峰更加難以變形，并且在某些實例中會導致氣泡在沒有緊壓一滴的情況下略過液體射流的巔峰。當下一個氣泡注射時，將產生略微較大的液滴，這是因為該液滴將由經(jīng)過兩個氣泡循環(huán)所收集的流體構造。這可以導致較小液滴和較大液滴的次序交替，或導致多分散的液滴，如在圖3中示出為在F = 7.4kHz，其可以限制可以形成的最小尺寸的液滴。典型地，可以形成不小于通道尺寸的液滴。
[0099]因而，可以通過調節(jié)氣泡間距來控制液滴尺寸，所述氣泡間距則可以借助各種參數(shù)控制。例如，對于固定的射流流速，降低氣泡頻率，則增大氣泡間距，則產生更大的液滴。類似地,對于固定的氣泡頻率，增大射流流速，則增大氣泡間距，也產生更大的液滴。因而，液滴體積取決于產生的可分散的流體流速和氣泡周期，即，V = ((Qin+Qmid)T。
[0100]為了研究該比例是否正確，在圖4中根據(jù)氣泡頻率標繪液滴直徑。所形成的液滴的尺寸取決于氣泡間距，所述氣泡間距可以通過調節(jié)氣泡頻率以及內相和中間相的流速來控制。在兩個繪圖中的實曲線與通過引起的液滴生成所預測到的比例相對應。氣泡體積根據(jù)圖中插入的時間段標繪，用于更容易以函數(shù)形式比較。在兩個繪圖中，液滴尺寸比例與該函數(shù)形式一致，證明了借助氣泡引起的液滴生成可以控制液滴尺寸。
[0101]這些示例示出氣泡引起的液滴生成允許甚至在噴射流動條件下形成具有受控制的尺寸的單分散的液滴。這允許以明顯快于包括T型接合部和流體聚焦機構在內的傳統(tǒng)機構的速率產生基本單分散的乳液。另一個優(yōu)點在于需要少量的連續(xù)的相來形成液滴，這是因為連續(xù)的相的體積的大部分由氣泡所占據(jù)，這也使該液滴生成成為具有成本效益的液滴生成策略。
[0102]雖然已經(jīng)在此說明了和示出了本發(fā)明的若干實施例，但是本領域的技術人員容易想到用于執(zhí)行功能和/或用于獲得結果和/或本文所述的優(yōu)點中的一個或多個的各種其它措施和結構，并且這樣的變型方案和/或修改方案中的每個都被認為是處于本發(fā)明的范圍內。更普遍地，本領域的技術人員將容易理解，本文所述的所有參數(shù)、尺寸、材料和構造意味著是示例性的，并且實際的參數(shù)、尺寸、材料和/或構造將取決于利用本發(fā)明的教導的一個或多個特定應用。本領域的技術人員將至多使用常規(guī)實驗就認識到或能夠確認本文所述的本發(fā)明的特定實施例的許多等效物。因此，應當理解的是，前述實施例僅以示例的方式呈現(xiàn)，并且在所附權利要求書及其等效物的范圍內，除了具體說明的和所要求的以外，也可以實施本發(fā)明。本發(fā)明涉及本文所述的每個單獨的特征、系統(tǒng)、制品、材料、套件和/或方法。另外，如果這樣的特征、系統(tǒng)、制品、材料、套件和/或方法并不是相互不一致的，則兩個或更多個這樣的特征、系統(tǒng)、制品、材料、套件和/或方法的任何組合均被包含在本發(fā)明的范圍內。
[0103]如本文所限定和所使用的所有定義應當理解為控制詞典定義、通過參考包含于此的文獻中的定義和/或所限定的術語的普通含義。
[0104]在本說明書中和在權利要求書中，如本文所使用的不定冠詞“一”和“一個”，除非明確地指出其具有相反的含義以外，應當理解為意味著“至少一個”。
[0105]在本說明書中和在權利要求書中，如本文所使用的措辭“和/或”應理解為意味著所結合的元件中的“任一個或二者”，即，在一些情況下結合地存在而在其它情況下分開地存在的元件。用“和/或”所列舉的多個元件將以相同的方式解釋，即，所結合的元件中的“一個或多個”。除了由“和/或”從句明確指明的元件以外，其它元件可以任選地存在，無論它們與明確指明的那些元件是否相關。因此，作為非限制性的示例，關于“A和/或B”，當其以開放式語言(例如，“包括”)結合使用時，在一個實施例中可以是指:僅A(任選地，包括除了 B以外的元件)；在另一個實施例中可以是指:僅B (任選地，包括除了 A以外的元件)；在又一個實施例中可以是指:A和B 二者(任選地，包括其它元件)；等等。
[0106]在本說明書中和在權利要求書中，如本文所使用的“或”應理解為具有與以上限定的“和/或”相同的含義。例如，當在列表中分離項目時，“或”或“和/或”應當理解為包括，即，包含至少一個，而且也包括多個或一列元件中的一個以上，并且任選地包括額外的未列出的項目。僅明確指明具有相反的含義的術語，例如“僅僅其中一個”或“正好其中一個”，或當在權利要求書中使用時的“由……組成”，將指的是包括多個或一列元件中的正好一個元件。通常，當在前面有例如“任一個”、“其中一個”、“僅其中一個”或“正好其中一個”的排外性術語時，本文所使用的術語“或”應僅僅解釋為指明排外性的可替代方案(即，“非此即彼而并非二者”)。當在權利要求書中使用時，“基本上由……組成”將具有如在專利法領域中使用的其普通含義。
[0107]在本說明書中和在權利要求書中，如本文所使用的，參照一個或多個元件的列表，措辭“至少一個”將應當理解為意味著從在所述元件列表中的元件中的任一個或多個中選出的至少一個元件，但未必包括在所述元件列表內特定列出的所有的元件中的至少一個，并且不排除在所述元件列表中的元件的任何組合。該定義還允許可以任選地存在除了由措辭“至少一個”所指的所述元件列表中特定指明的元件以外的元件，無論元件與所明確指明的那些元件是否相關。因而，作為非限制性的示例，“A和B中的至少一個”(或者，等同于“A或B中的至少一個”，或者等同于“A和/或B中的至少一個”)，在一個實施例中可以是指:至少一個A，任選地包括多于一個的A，而不存在B (和任選地包括除了 B以外的元件)；在另一個實施例中可以是指:至少一個B，任選地包括多于一個的B，而不存在A (和任選地包括除了 A以外的元件)；在又一個實施例中可以是指:至少一個A，任選地包括多于一個的A，和至少一個B，任選地包括多于一個的B (和任選地包括其它元件);等等。
[0108]還應當理解的是，除非有明確相反指示，在此所要求保護的包括多于一個的步驟或過程的任何方法中，該方法的步驟或過程的次序未必限制為其中所記載的方法的步驟或過程的次序。
[0109]在權利要求書中以及在上述說明書中，所有過渡性措辭，例如“包括”、“包含”、“運載”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“構成”等同樣被理解為開放式的，即，意思是包括但并不限制于此。僅僅過渡性措辭“由……組成”以及“基本上由……組成”將是封閉式或半封閉的過渡性措辭，分別如在美國專利局專利審查程序手冊第2111.03部分所闡述。
【權利要求】
1.一種產生液滴的方法，其包括: 在微流體通道中提供包括第一流體的連續(xù)的流體流；和 將多個第二流體的液滴插入所述連續(xù)的流體流中以使所述連續(xù)的流體流形成離散的第一流體的液滴。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述包括第一流體的連續(xù)的流體流是流體射流。
3.根據(jù)權利要求1或2中任一項所述的方法，其中，所述包括第一流體的連續(xù)的流體流具有這樣的流速，即，所述流速使得所述連續(xù)的流體流在沒有插入所述多個第二流體的液滴的情況下不形成離散的第一流體的液滴。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的方法，其中，所述包括第一流體的連續(xù)的流體流具有小于約I的韋伯數(shù)(We)。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的方法，其中，所述包括第一流體的連續(xù)的流體流具有大于約I的毛細管數(shù)(Ca)。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的方法，其中，所述第二流體的液滴以至少約15，OOO滴/秒的速率插入。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的方法，其中，所述多個第二流體的液滴在基本不改變所述包括第一流體的連續(xù)的流體流的線性流速的情況下插入所述連續(xù)的流體流中。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的方法，其中，所述離散的第一流體的液滴是基本單分散的。
9.根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的方法，其中，所述第二流體的液滴是基本單分散的。
10.根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的方法，其中，所述第二流體的液滴具有這樣的直徑分布，即，所述直徑分布使得所述液滴的不超過約10%具有小于所述液滴的總平均直徑的約90%的直徑。
11.根據(jù)權利要求1至10中任一項所述的方法，其中，所述第二流體的液滴具有不超過約500微米的平均直徑。
12.根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的方法，其中，所述連續(xù)的流體流還包括外部流體，所述外部流體包圍所述第一流體的至少一部分。
13.根據(jù)權利要求1至12中任一項所述的方法，其中，所述多個第二流體的液滴在插入之前被包含在第三流體內。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，所述第一流體、所述第二流體和所述第三流體均是彼此為基本不能互溶的。
15.根據(jù)權利要求13或14中任一項所述的方法，其中，所述第一流體和所述第三流體均是液體，并且所述第二流體是氣體。
16.根據(jù)權利要求1至15中任一項所述的方法，還包括:在形成所述離散的第一流體的液滴之后，將所述第二流體中的至少一些從所述第一流體分離。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中，所述分離包括:使用流體動力學分選來分離所述第二流體中的至少一些。
18.根據(jù)權利要求16或17中任一項所述的方法，其中，所述分離包括:使用所述第二流體和所述第一流體之間的密度差來分離所述第二流體中的至少一些。
19.一種產生液滴的方法,其包括: 提供包括第一流體的連續(xù)的流體流；和 將多個第二流體的液滴插入所述連續(xù)的流體流中以使所述連續(xù)的流體流形成離散的、基本單分散的第一流體的液滴。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中，所述第一流體的液滴具有這樣的直徑分布，即，所述直徑分布使得所述液滴的不超過約10%具有小于所述液滴的總平均直徑的約90%的直徑。
21.根據(jù)權利要求19或20中任一項所述的方法，其中，所述包括第一流體的連續(xù)的流體流是流體射流。
22.根據(jù)權利要求19至21中任一項所述的方法，其中，所述多個第二流體的液滴在插入之前被包含在第三流體內。
23.根據(jù)權利要求19至22中任一項所述的方法，其中，所述第二流體是氣體。
24.根據(jù)權利要求19至23中任一項所述的方法，還包括:在形成所述離散的第一流體的液滴之后，將所述第二流體中的至少一些從所述第一流體分離。
25.—種產生液滴的方法，其包括: 提供包括第一流體的連續(xù)的流體流；和 將多個基本單分散的第二流體的液滴插入所述連續(xù)的流體流中以使所述連續(xù)的流體流形成離散的第一流體的液滴。
26.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述包括第一流體的連續(xù)的流體流是流體射流。
27.根據(jù)權利要求25或26中任一項所述的方法，其中，所述多個第二流體的液滴在插入之前被包含在第三流體內。
28.根據(jù)權利要求25至27中任一項所述的方法，其中，所述第二流體是氣體。
29.根據(jù)權利要求25至28中任一項所述的方法，還包括:在形成所述離散的第一流體的液滴之后，將所述第二流體中的至少一些從所述第一流體分離。
30.一種用于產生液滴的裝置，其包括: 第一接合部，其包括入口微流體第一通道、入口微流體第二通道和出口微流體通道，其中，所述第一通道和所述第二通道之間的角度小于約45° ;和 第二接合部，其在所述第一接合部的第二通道的上游，其中，所述第二接合部被構造和布置成在第二流體中產生基本單分散的第一流體的液滴。
31.根據(jù)權利要求30所述的裝置，其中，所述第二接合部是流動聚焦接合部。
32.根據(jù)權利要求30或31中任一項所述的裝置，其中，所述第二接合部是T型接合部。
33.根據(jù)權利要求30至32中任一項所述的裝置，其中，所述第二接合部在所述第二通道的上游包括至少兩個入口微流體通道。
34.根據(jù)權利要求30至33中任一項所述的裝置，其中，所述第一通道還包括噴射流體。
35.根據(jù)權利要求30至34中任一項所述的裝置，其中，所述出口微流體通道包括多個基本單分散的液滴。
【文檔編號】B01F5/04GK104203382SQ201380016396
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年2月7日 優(yōu)先權日:2012年2月8日
【發(fā)明者】A·R·阿巴特, D·A·韋茨 申請人:哈佛學院院長及董事