微流體系統(tǒng)、方法和裝置的制造方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日為2009年5月15日，申請?zhí)枮?200980127958. 4"，發(fā)明名稱為 "在包含微流體系統(tǒng)的流體系統(tǒng)中的閥和其它流動控制"的中國專利申請的分案申請。
技術領域
[0002] 本發(fā)明一般性涉及用于控制流體系統(tǒng)尤其是微流體系統(tǒng)中的流動的制品和方法。
[0003] 政府資助
[0004] 本發(fā)明各個方面的研究至少部分接受了NSF的No.DMR-0602684、DBI-0649865和 DMR-0213805的撥款資助。美國政府對本發(fā)明具有某些權益。
【背景技術】
[0005] 流體系統(tǒng)，包括微流體系統(tǒng)，已經應用于多個領域。這些通常涉及通過一個或更多 個微流體通道的受控流體流的系統(tǒng)可提供獨特的平臺用于研究和制造。例如，一類系統(tǒng)可 用于分析在包括非常小的流體通道和小的反應/分析腔的化學裝置或"芯片"上的非常小 量的樣品和試劑。微流體系統(tǒng)目前被開發(fā)用于基因分析、臨床診斷、藥物篩選和環(huán)境監(jiān)測。 這些系統(tǒng)可處理小規(guī)模的液體或氣體樣品，并且通常可與基于芯片的基質相容。因此在這 些小規(guī)模系統(tǒng)中的流體流的行為是其開發(fā)的關鍵。
[0006] 控制流體流的方法（例如輸送流體和改變流體流量）是微流體學的重要方面。但 是這些方法通常需要可能是昂貴、大型和/或難以制造的大量資本設備。在本領域中可例 如降低成本、減小尺寸和/或減少制造復雜程度的進展將有利于多個不同領域中的應用。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明一般性涉及用于控制流體系統(tǒng)尤其是微流體系統(tǒng)中的流動的制品和方法。 在一些情況下，本發(fā)明的主題涉及一個或更多個系統(tǒng)和/或制品的相關產品、特定問題的 替代解決方案和/或多個不同用途。
[0008] 在一個實施方案中，提供一種微流體系統(tǒng)。該微流體系統(tǒng)包括具有上游部分和下 游部分的輸送通道，和在輸送通道的下游并在接口處與輸送通道流體連通的第一通道段和 第二通道段，第二通道段具有高于第一通道段的流體動力學阻力。該微流體系統(tǒng)還包括具 有與第一通道段相鄰但不與第一通道段流體連通的控制通道的閥，和位于第一通道段和控 制通道之間的膜?？刂仆ǖ罉嫿ê驮O置為使膜偏轉以導致第一通道段的至少一部分收縮。 控制通道的至少一部分可與第一通道段在同一水平面上。
[0009] 在另一個實施方案中，一種微流體系統(tǒng)包括具有上游部分和下游部分的輸送通 道，和在輸送通道的下游并在接口處與輸送通道流體連通的第一通道段和第二通道段。該 微流體系統(tǒng)還包括在接口的下游與第一通道段相鄰并能改變第一通道段中的流體動力學 阻力的閥。第二通道段不包括能改變其流體動力學阻力的閥。微流體系統(tǒng)構建和設置為使 得閥的驅動調節(jié)第一通道段的流體動力學阻力，并且導致通過第一通道段和第二通道段的 流體流的相對量改變。
[0010] 在另一個實施方案中，提供了一種方法。所述方法包括提供微流體系統(tǒng)，所述微流 體系統(tǒng)包括輸送通道、在輸送通道的下游并在接口處與輸送通道流體連通的第一通道段和 第二通道段，所述第二通道段具有高于第一通道段的流體動力學阻力，其中所述微流體系 統(tǒng)還包括構建和設置為限制第一通道段中的流體流的閥。所述方法還包括使含有多個組分 的流體在第一通道段中而不是在第二通道段中流動而不需要改變第一或第二通道段的截 面尺寸。所述方法涉及驅動閥，由此引起第一通道段的一部分收縮，并且導致在驅動閥的過 程中使多個組分在第二通道段中而不是在第一通道段中流動。
[0011] 在另一個實施方案中，一種方法包括在微流體系統(tǒng)中產生一系列具有第一體積和 包括目標流體的單個且基本均勻的液滴，所述液滴被連續(xù)流體（例如液體）包圍。在使用 期間無需改變微流體系統(tǒng)的通道的截面尺寸即可實施該液滴的生產。所述方法還包括改變 微流體系統(tǒng)的通道的截面尺寸以產生具有不同于第一體積的第二體積的含有目標流體的 液滴。
[0012] 在另一個實施方案中，一種方法包括在微流體系統(tǒng)中以第一頻率產生一系列含有 目標流體的單個且基本均勻的液滴，所述液滴被連續(xù)流體（例如液體）包圍。在使用期間 無需改變微流體系統(tǒng)的通道的截面尺寸即可實施該液滴的生產。所述方法還包括改變微流 體系統(tǒng)的通道的截面尺寸從而以與第一頻率不同的第二頻率產生含有目標流體的液滴。以 第一頻率形成的液滴可具有與以第二頻率形成的液滴相同或不同的體積。在產生液滴的過 程中可施加基本恒定流量的目標流體和/或連續(xù)流體。
[0013] 在另一個實施方案中，一種方法包括使目標流體在微流體系統(tǒng)的目標流體通道中 流動和使連續(xù)流體在微流體系統(tǒng)的一個或更多個連續(xù)流體通道中流動。所述方法還包括在 目標流體通道和一個或更多個連續(xù)流體通道相交的互連區(qū)域處用連續(xù)流體包圍至少一部 分目標流體，并且使連續(xù)流體在互連區(qū)域下游的主通道中流動。無需改變目標流體通道、一 個或更多個連續(xù)流體通道或主通道的截面尺寸，即可在連續(xù)流體中形成含有目標流體的第 一液滴，所述第一液滴具有第一體積。所述方法還包括改變在互連區(qū)域處或附近的通道部 分的截面尺寸，和形成含有目標流體的第二液滴，所述第二液滴具有與第一體積不同的第 二體積。
[0014] 在另一個實施方案中，一種微流體裝置包括目標流體通道、一個或更多個連續(xù)流 體通道、和目標流體通道與一個或更多個連續(xù)流體通道相交的互連區(qū)域，其中目標流體通 道、一個或更多個連續(xù)流體通道和互連區(qū)域構建和設置為能夠形成由目標流體通道提供的 目標流體在由一個或更多個連續(xù)流體通道提供的連續(xù)流體中的液滴，而無需改變目標流體 通道、一個或更多個連續(xù)流體通道或互連區(qū)域的截面尺寸。該微流體裝置還包括與互連區(qū) 域相鄰并在其下游的主通道以及一個或更多個閥，所述一個或更多個閥構建和設置為改變 目標流體通道、一個或更多個連續(xù)流體通道、互連區(qū)域和/或主通道的截面尺寸，由此可以 基于一個或更多個閥的位置產生不同尺寸的目標流體的液滴。
[0015] 結合附圖，以下本發(fā)明的各種非限制性實施方案的詳細說明將使本發(fā)明的其它優(yōu) 點和新特征變得顯而易見。如果本說明書和經引用并入的文獻包含互相沖突和/或不一致 的公開內容，則以本說明書為準。如果兩篇或多篇經引用并入的文獻包含互相沖突和/或 不一致的公開內容，則以具有較晚有效日期的公開文獻為準。
【附圖說明】
[0016] 將參考附圖通過實施例方式描述本發(fā)明的非限制性實施方案，所述附圖是示意性 的而不是按比例繪制的。在圖中，所示出的每個相同或幾乎相同的部分通常用系統(tǒng)的附圖 標記表示。為清楚起見，在無需圖示本領域技術人員即可理解的情況下，在每個附圖中沒 有對每個部分都進行標注，也沒有示出本發(fā)明的每個實施方案中的每個部分。在這些附圖 中：
[0017] 圖1A-1D示出根據本發(fā)明的某些實施方案的包括可用于控制流體流的閥的微流 體系統(tǒng)的上視圖；
[0018] 圖1E示出根據本發(fā)明的一個實施方案的圖1A-1C中所示的通道系統(tǒng)的截面圖；
[0019] 圖2A-2B示出根據本發(fā)明的一個實施方案的包括構建和設置為調節(jié)通道段的截 面積的平面閥的微流體系統(tǒng)的照片；
[0020] 圖3A-3E示出可用于測量根據本發(fā)明一個實施方案的微流體系統(tǒng)的流體流的流 體壓力計；
[0021] 圖4A-4D示出根據本發(fā)明的實施方案的各種構型的微流體系統(tǒng)在實施平面閥的 效果；
[0022] 圖5A_f5D示出根據本發(fā)明一個實施方案的裝置，其可用于量化可由閥控制的通道 段的流量的范圍和精確性；
[0023] 圖6A-6D示出根據本發(fā)明一個實施方案可用于形成不同尺寸和/或頻率的液滴的 微流體系統(tǒng)；
[0024] 圖7A-7C示出根據本發(fā)明的實施方案的各種構型的微流體系統(tǒng)，其可用于形成不 同尺寸和/或頻率的液滴；
[0025] 圖8示出根據本發(fā)明一個實施方案可用于形成不同尺寸和/或頻率的液滴的微流 體系統(tǒng)的照片；
[0026] 圖9A和9B示出根據本發(fā)明一個實施方案可由于形成不同體積的液滴的微流體系 統(tǒng)的照片；
[0027] 圖10示出根據本發(fā)明一個實施方案說明對于施加到圖9中所示的控制通道的不 同壓力的液滴尺寸分布的圖；
[0028] 圖11A-11C示出根據本發(fā)明一個實施方案的本文中所述微流體系統(tǒng)可用于通過 調節(jié)液滴尺寸在一系列液滴中存儲AM信息；
[0029] 圖12A和12B示出根據本發(fā)明一個實施方案可用于形成不同頻率的液滴的微流體 系統(tǒng)；
[0030] 圖13示出根據本發(fā)明一個實施方案說明對于施加到圖12A和12B中所示的微流 體系統(tǒng)的控制通道的不同壓力的液滴產生頻率分布的圖；
[0031] 圖14A-14C示出根據本發(fā)明一個實施方案的本文中所述微流體系統(tǒng)可用于通過 調節(jié)液滴產生頻率在一系列液滴中存儲FM信息；
[0032] 圖15A_lf5D示出根據本發(fā)明一個實施方案的微流體系統(tǒng)，其包括可用于形成多重 乳液的串聯布置的多個流聚集區(qū)域；和
[0033] 圖16示出根據本發(fā)明一個實施方案與可由于存儲液滴的儲槽相連的平面閥。
【具體實施方式】
[0034] 本發(fā)明一般性涉及用于控制流體系統(tǒng)尤其是微流體系統(tǒng)中的流動的制品和方法。 一方面，本文中所述的微流體系統(tǒng)包括驅動單個閥即可使流體從第一流道（例如第一通道 段）切換至第二流道（例如第二通道段）的構型。這可以通過例如引入具有第一通道段 的閥而實現，其中在驅動閥之前第一通道段可具有低于第二通道段的流體動力學阻力。閥 的驅動可以僅導致第一通道段的流體動力學阻力增加，由此使流體流改道進入第二通道段 (此時其具有相對低的流體動力學阻力）。在一些實施方案中，所述閥包括用于引入正壓或 負壓的控制通道，并且適用于通過收縮或擴張通道段來調節(jié)相鄰通道段中的流體流。例如， 閥和/或通道段可用柔性材料形成，閥的驅動可通過對閥施加正壓或負壓以使閥和通道段 二者變形來實現。
[0035] 有利的是，本文中所述的閥可提供連續(xù)的快速響應時間和流量控制，使得它們適 用于例如微流體分類和液滴同步的應用。此外，在某些實施方案中，當通道和閥存在于同一 平面上時，它們可以使用標準單層軟光刻法由單一印模制成。這使得由本文所述的閥所提 供的精確控制與單層PDMS裝置模印的簡單制造得以結合。
[0036] 本發(fā)明的另一方面包括與多相材料（例如分散體）的操作相關的制品和方法。例 如，一個或更多個閥可與流聚集系統(tǒng)結合以形成不同體積和/或頻率的液滴而不需要在將 流體引入流體系統(tǒng)中時改變流體的流量。以下詳細描述了這種系統(tǒng)的實例。
[0037] 在本發(fā)明的一個方面中，提供控制流體流動的系統(tǒng)和方法。圖1A-1D示出根據本 發(fā)明的實施方案的一個這種系統(tǒng)的實施例。如圖1A中的實施方案所示，微流體系統(tǒng)10包 括輸送通道14,輸送通道14包括上游部分16和下游部分18,同時流體通常以箭頭20的方 向流動。微流體系統(tǒng)還包括位于輸送通道的下游并與輸送通道在接口32處流體連通的第 一通道段24和第二通道段28(例如分流第一通道段中的流的旁路通道）。在一些情況下， 第一和第二通道段具有不同的流體動力學阻力（對流體流的阻力）。第一和第二通道段的 流體動力學阻力可在該系統(tǒng)的組件（例如閥）的任何驅動之前即不同和/或獨立于該系統(tǒng) 的組件（例如閥）的任何驅動和/或不需要改變第一或第二通道段的橫截面。例如，如該 示例性實施方案中所示，第一通道段24具有比第二通道段28更低的流體流阻力，因為第二 通道段28具有相對較長的通道長度。然而，應理解，微流體系統(tǒng)可具有其它設計和/或構 造以賦予流體流不同的相對阻力，這種設計和/或構造可由本領域技術人員確定。例如，在 一些實施方案中，流體路徑的長度、寬度、高度和/或形狀可設計為使一個通道段具有與另 一個通道段不同的流體流阻力。在另一個實施方案中，通道段的至少一部分可包括障礙物 例如半滲透塞（例如水凝膠）、膜或其它可賦予和/或改變通過該段的流體流的阻力的結 構。
[0038] 微流體系統(tǒng)10還包括與第一通道段相關聯并位于接口 32下游的閥38。與第一通 道段相鄰的閥可構建和設置為限制或增加第一通道段中的流體流，由此能夠改變第一通道 段中的流體動力學阻力。盡管在微流體系統(tǒng)中可使用任何合適的閥，但是在一個實施方案 中，閥包括與第一通道段24相鄰但是不與第一通道段流體連通的控制通道40?？刂仆ǖ揽?包括例如可通過對控制通道的入口 41施加正壓或負壓（例如真空）而驅動的微流體通道。 在一些實施方案中，控制通道不包括出口，并且施加壓力導致控制通道擴張或收縮。但是在 其它實施方案中，控制通道可包括出口。
[0039] 如圖1A中的示例性實施方案所示，膜46可置于第一通道段和控制通道之間。控 制通道（或任何其它合適的閥）可構建和設置為使膜偏轉（例如通過控制通道的擴張或收 縮），從而導致第一通道段的至少一部分的收縮或擴張。例如，如圖1Β中所示實施方案所 示，可通過對控制通道的入口 41施加正壓以引起膜46的偏轉來驅動閥38。該驅動可導致 如圖1Β所示的第一通道段24中的流體流被基本完全限制，或者如圖1Β中所示的第一通道 段中的部分流體限制。當發(fā)生流體流的基本完全限制時，閥可使通道部分的整個截面收縮， 使得基本上沒有流體可流經收縮部分。當發(fā)生流體流的部分限制時，閥可使通道部分的一 部分而非全部收縮，使得通道部分的截面積減少例如至少約10 %、20 %、30 %、40 %、50 %、 60%、70%、80%或 90%。
[0040] 如圖1Β中所示，第一通道段中的流體流的基本完全限制可涉及閥的驅動，使得第 一通道段的第一表面50和相反的第二表面52在閥驅動后基本物理接觸。該物理接觸可導 致第一通道段閉合，導致流體絕大部分沿箭頭26的方向流到第二通道段28中。當表面50 和52不基本上物理接觸時，如圖1C所示，流體可繼續(xù)在第一通道段中流動，但是在第一通 道段中流動的流體的流體量和/或體積流量可降低。
[0041] 如圖1A-1C中所示，在驅動閥之前，第二通道段28具有高于第一通道段24的流體 動力學阻力，這是因為通道段28具有比第一通道段相對更長的長度。然而，如圖1D中所示， 在一些情況下，第一通道段25和第二通道段29在驅動閥之前具有相同或基本相似的流體 流動阻力。在其它實施方案中，第一通道段24具有比第二通道段28更高的流體動力學阻 力。
[0042] 另外，盡管圖1A-1D示出構建和設置為改變第一通道段中的流體流的單閥，但在 一些實施方案中，通道段可具有與其相關聯的多于一個閥。在一些情況下，閥還任選地與第 二通道段相關聯。
[0043] 如上所述，閥38可通過增加控制通道40中的壓力來驅動。例如，流體56例如液 體或空氣可引入控制通道中，這可引起控制通道全部或部分擴張。閥38也可通過對控制通 道施加導致所有或部分控制通道擴張的負壓（例如真空）來驅動。在一些這樣的實施方案 中，全部或部分控制通道可由柔性（例如彈性）材料形成。例如，在一個實施方案中，控制通 道由用柔性材料制成的模具制成。在一些情況下，控制通道的表面43是柔性的，以允許控 制通道的該部分擴張和/或收縮。柔性材料的一個實例是硅氧烷（例如聚二甲基硅氧烷）， 如下詳述。
[0044] 在一些實施方案中，全部或部分控制通道40 (或其它合適的閥）放置在與第一通 道段24相同的水平面上。圖1Ε示出根據一個實施方案的微流體系統(tǒng)10的截面（圖1Α的 截面60)。如圖所示，由箭頭62和64之間的區(qū)域形成的水平面61與第一通道段24的至 少一部分和控制通道40的至少一部分相交。在一些這樣的實施方案中，微流體系統(tǒng)配置為 由箭頭64和66之間的區(qū)域限定的垂直平面與通道段和控制通道都不相交。亦即，控制通 道的至少一部分不位于通道段之上或之下。在某些實施方案中，控制通道（或其它合適的 閥）和第一通道段以單層設置在同一水平面上，形成"平面閥"，如本文中所用。例如，如圖 1Ε所述實施方案所示，控制通道和第一通道段的高度相同，通道形成為單層65。另外，在一 些情況下，微流體系統(tǒng)的所有通道處于同一平面（例如單層）。形成包括單層上的通道的微 流體系統(tǒng)是有利的，因為其可降低制造的復雜度，如本文中所述。
[0045] 在其它實施方案中，待收縮或擴張的控制通道和/或通道段可形成為多于一層。 例如，控制通道和/或通道段可具有存在于第一層處而不在第二層處的特定特征，和/或存 在于第二層處而不在第一層處的特征。形成多于一層的裝置的一個實施例是包括具有不同 高度的通道的裝置，因為這樣的裝置包括位于多于一個水平面上的特征。
[0046] 為了提供或導致微流體系統(tǒng)10的流體流，基本恒定或變化的壓力源（例如注射 栗）可與輸送通道14的上