游部分流體連通。另外，或者作為替代方案，真空源可與微流體 系統(tǒng)的下游部分連接。當(dāng)基本恒定的壓力源（或真空）與微流體系統(tǒng)流體連通時(shí)，閥38的 驅(qū)動(dòng)可調(diào)節(jié)第一通道段的流體動(dòng)力學(xué)阻力，并且可導(dǎo)致通過第一和第二通道段的流體流的 相對(duì)量變化。例如，在閥驅(qū)動(dòng)前，第一量的流體可在第一通道段中流動(dòng)，第二量的流體可在 第二通道段中流動(dòng)。如圖1B所示，閥驅(qū)動(dòng)后導(dǎo)致第一通道段基本完全限制，在第二通道段 中流動(dòng)的流體的量可以是第一和第二流體量的總和。即，第一通道段中流動(dòng)的流體的減少 引起第二通道段流動(dòng)的流體的增加。
[0047] 在一些情況下，基本恒定體積源（例如壓縮空氣）與輸送通道的上游部分流體連 通。在一些實(shí)施方案中，與輸送通道流體連通的基本恒定體積源在閥驅(qū)動(dòng)后可導(dǎo)致第一通 道段中流體動(dòng)力學(xué)阻力改變，但是并不導(dǎo)致通過第二通道段的流體流的量或體積流量改 變。例如，在閥驅(qū)動(dòng)前，第一量的流體可在第一通道段中流動(dòng)，第二量的流體可在第二通道 段中流動(dòng)。如圖1B所示，閥驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致第一通道段基本完全限制，第一通道段中流動(dòng)的流體 的量減少，但是第二通道段中流動(dòng)的流體量可保持基本恒定。
[0048] 圖2A和2B示出包括平面閥的微流體系統(tǒng)的實(shí)施例，所述平面閥可改變通過微流 體系統(tǒng)的第一和第二通道段的流體流的相對(duì)量。這種系統(tǒng)可用于例如將液滴或其它組分 (例如珠、細(xì)胞以及其它活性或非活性組分）分類到不同的儲(chǔ)存器。如圖2A中所述實(shí)施方 案所示，微流體系統(tǒng)100包括輸送通道114、第一通道段124和第二通道段128。第一和第 二通道段位于第一和第二通道段相交的交點(diǎn)132的下游。閥138位于與第一和第二通道段 相同的水平面上，并且包括不與第一通道段流體連通而是通過膜146與第一通道段隔離的 控制通道140。在驅(qū)動(dòng)閥之前，多個(gè)液滴160流入輸送通道114(圖2A)。由于第一通道段 124具有比第二通道段128低的流體流阻力，因此液滴流入第一通道段而非第二通道段中。 換言之，由于通道系統(tǒng)的構(gòu)造，使得多個(gè)液滴（或其它組分）可流入第一通道段而不是第二 通道段中，而無需改變第一或第二通道段的橫截面。這導(dǎo)致多個(gè)液滴落于第一通道段下游 的儲(chǔ)存器162中。盡管液滴不流入第二通道段，但是液滴分散于其中的流體（例如連續(xù)流 體，例如可為液體或氣體）可繼續(xù)流經(jīng)第一和第二通道段。
[0049] 如圖2B中所述實(shí)施方案所示，閥138的驅(qū)動(dòng)可通過增加控制通道140中的壓力來 實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施方案中，這可以導(dǎo)致控制通道的擴(kuò)張，并且可導(dǎo)致膜146的偏轉(zhuǎn)。膜的偏 轉(zhuǎn)可引起第一通道部分124的收縮，從而提高第一通道段的流體動(dòng)力學(xué)阻力和降低流經(jīng)其 的流體流的量。如圖2B中所述實(shí)施方案所示，第一通道段的流體動(dòng)力學(xué)阻力的增加可導(dǎo)致 液滴流經(jīng)目前相對(duì)于第一通道段具有相對(duì)低的流體動(dòng)力學(xué)阻力的第二通道段128。這可以 導(dǎo)致液滴160流入位于第二通道段下游的儲(chǔ)存器164。圖2B還示出位于儲(chǔ)存器162中的殘 留液滴160,這些液滴在閥為如圖2A所示構(gòu)型時(shí)定位。
[0050] 在一些實(shí)施方案中，閥可在驅(qū)動(dòng)和不驅(qū)動(dòng)之間交替，使得液滴（或其它組分）的一 部分流入第一通道段，而液滴的其它部分流入第二通道段。這可以使得例如，第一類型的液 滴或其它組分流入第一通道段和第二類型的液滴或其它組分流入第二通道段。在某些實(shí)施 方案中，通過液滴或組分的特性來促進(jìn)液滴或其它流體組分的分選。例如，具有一定尺寸的 液滴或組分可易于流過具有一定流體動(dòng)力學(xué)阻力的通道段。隨著第一通道段中的流體動(dòng)力 學(xué)阻力的降低，具有相對(duì)小尺寸的液滴或組分仍可繼續(xù)流入收縮的通道段，但是較大尺寸 的液滴或組分優(yōu)選流入不同的通道段。液滴或組分尺寸的閾值可通過與通道段之一相關(guān)聯(lián) 的閥的驅(qū)動(dòng)程度的改變而改變。
[0051] 如本文中某些實(shí)施方案中所示，微流體系統(tǒng)可包括與第一通道段相關(guān)聯(lián)的閥（且 可改變第一通道段中的流體動(dòng)力學(xué)阻力），但是所述閥不與第二通道段相關(guān)聯(lián)（使得第二 通道段的流體動(dòng)力學(xué)阻力在使用過程中不能改變）。在一些這樣的實(shí)施方案中，流體的量、 體積流量和/或流體流方向可通過使用與第一通道段相關(guān)聯(lián)的單閥來控制。例如，通道段 和/或微流體系統(tǒng)的其它部分可設(shè)置為使得在閥驅(qū)動(dòng)前流體（和/或流體組分）主要流入 通道段。隨著與通道段之一相關(guān)聯(lián)的閥的驅(qū)動(dòng)，第一或第二通道段中的流體流增加或減少。 在一些情況下，隨著閥的驅(qū)動(dòng)，一個(gè)通道段的流體動(dòng)力學(xué)阻力相對(duì)于其它通道段可增加或 降低。這可導(dǎo)致流體和/或流體的組分切換流體通道。這種切換對(duì)于其中流體流的量、體 積流量和/或組分定位的控制很重要的應(yīng)用是有利的。在其它實(shí)施方案中，第一通道段和 第二通道段各自具有與其相關(guān)聯(lián)的閥。在另一個(gè)實(shí)施方案中，多于一個(gè)閥可與一個(gè)通道段 相關(guān)聯(lián)。
[0052] 在一些實(shí)施方案中，微流體系統(tǒng)的閥（包括控制通道）和其它通道位于單層中的 同一平面上。這種或其它閥可具有快速響應(yīng)時(shí)間，可用于控制流量（例如連續(xù)地）。為了對(duì) 該控制進(jìn)行表征，壓力下降和沿通道段的流量可作為閥驅(qū)動(dòng)壓力的函數(shù)測(cè)量。本文所述方 法也可用于監(jiān)測(cè)閥性能和用于研究不同通道構(gòu)型對(duì)于閥性能的影響。
[0053] 如圖3A-3E中所述實(shí)施方案所示，閥性能可利用測(cè)量通道段壓降的壓差計(jì)測(cè)定。 壓差計(jì)在Abkarian等人于2006年7月27日提交的題為"PressureDeterminationIn MicrofluidicSystems"的國(guó)際專利申請(qǐng)No.PCT/US06/029442 和Abkarian等人于 2008 年 1 月 24 日提交的題為"PressureDeterminationInMicrofluidicSystems" 的美國(guó)專利 申請(qǐng)序列No. :11/989, 344,中有詳細(xì)描述，它們的全文通過引用并入本文。
[0054] 圖3A示出包括含有控制通道141的閥137的微流體系統(tǒng)的構(gòu)型，控制通道141構(gòu) 建和設(shè)置為使通道段145收縮。如圖3B中所示，通道段145與通道段147 (其沒有與之相 關(guān)聯(lián)的閥）流體連通。通道段145和147與儲(chǔ)存器163流體連通以形成壓差計(jì)。兩種不同 顏色的溶液可以箭頭120的方向流入通道段。校準(zhǔn)通道段以產(chǎn)生與通道段的出口等距的界 面169。如圖3C中所述實(shí)施方案所示，閥137的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致通道段145中流體流的減少和通 道段147中的流體流增加。通道段147中的流體流增加導(dǎo)致界面169偏移。如圖3D中所 述實(shí)施方案所示，閥137的控制通道的體積增加導(dǎo)致控制通道的壁發(fā)生位移。在盒&中的 該位移作為驅(qū)動(dòng)壓力的函數(shù)測(cè)量。如圖3E中所述實(shí)施方案所示，閥的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致界面169重 新定位，其可作為壓力變化的函數(shù)測(cè)量。所述界面位置的改變可在盒私中測(cè)量。
[0055] 本文中所述的流體系統(tǒng)的組分可具有各種構(gòu)型，其可根據(jù)所需性能特征來選擇。 例如，如圖3A中所述實(shí)施方案所示，微流體系統(tǒng)可包括包含具有入口 143的控制通道141 的閥137。從箭頭151方向引入的流體可導(dǎo)致控制通道變化以使得將控制通道與通道段145 隔開的膜165偏轉(zhuǎn)和/或變形。如該示例性實(shí)施方案中所述，控制通道具有長(zhǎng)度176和寬 度 147。
[0056]通常，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案，較長(zhǎng)的控制通道可用于使通道段的較大部分收 縮或擴(kuò)張，并且在一些實(shí)施方案中，可允許對(duì)通過通道段的流體流實(shí)施較大控制。例如，圖 4A示出經(jīng)過通道段145的壓降作為用于驅(qū)動(dòng)控制通道141的壓力的函數(shù)。通道通過模制 PDMS形成。如該示例性實(shí)施方案中所述，當(dāng)驅(qū)動(dòng)控制通道以使通道段收縮時(shí)，具有較長(zhǎng)長(zhǎng)度 的控制通道可導(dǎo)致經(jīng)過通道段的較大壓降。
[0057]控制通道可具有大于或等于約10微米、大于或等于約50微米、大于或等于約100 微米、大于或等于約250微米、大于或等于約500微米、大于或等于約1毫米、大于或等于約 2毫米、大于或等于約5毫米、或大于或等于約1厘米的長(zhǎng)度?？刂仆ǖ赖拈L(zhǎng)度可小于例如 約5cm。在一些實(shí)施方案中，控制通道的長(zhǎng)度等于或小于控制通道所調(diào)節(jié)的通道段的長(zhǎng)度。 控制通道可基本上平行于其所調(diào)節(jié)的通道段，或者在控制通道部分和通道段部分之間可具 有可變的距離。
[0058] 也可改變控制通道的寬度。較大的控制通道寬度可使得控制通道具有更高壓力， 從而在一些情況下促進(jìn)驅(qū)動(dòng)?？刂仆ǖ赖膶挾瓤蔀槔绱笥诨虻扔诩s10微米、大于或等于 約25微米、大于或等于約50微米、大于或等于約100微米、大于或等于約250微米或大于 或等于約500微米。在一些情況下，控制通道的寬度小于約2cm。控制通道的寬度可小于控 制通道的長(zhǎng)度。
[0059]通過閥而變形的通道段的寬度也可影響閥的操作。例如，如圖4B中所述實(shí)施方案 所示，具有較小寬度的通道段可導(dǎo)致穿過通道段的較大壓降，其為用于驅(qū)動(dòng)與通道段相關(guān) 聯(lián)的閥的壓力的函數(shù)。較小寬度的通道段在閥驅(qū)動(dòng)時(shí)易于變形，因?yàn)樽冃蔚拿娣e較小。
[0060]通道段的寬度可為例如大于或等于約10微米、大于或等于約25微米、大于或等于 約50微米、大于或等于約100微米、大于或等于約250微米或大于或等于約500微米。在 一些情況下，控制通道的寬度小于約2cm。為了促進(jìn)通道段的收縮，在一些實(shí)施方案中可使 用在通道段相反側(cè)的閥。
[0061]在一些實(shí)施方案中，由于控制通道而變形的通道段的長(zhǎng)度取決于控制通道的長(zhǎng) 度。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，由于控制通道而變形的通道段的長(zhǎng)度可與控制通道的長(zhǎng)度相 同。在其它實(shí)施方案中，由于控制通道而變形的通道段的長(zhǎng)度可大于或小于控制通道的長(zhǎng) 度。變形的通道段的長(zhǎng)度可為例如大于或等于約10微米、大于或等于約50微米、大于或等 于約100微米、大于或等于約250微米、大于或等于約500微米、大于或等于約1毫米、大于 或等于約2毫米、大于或等于約5毫米或大于或等于約1厘米。變形長(zhǎng)度可為小于例如約 5cm〇
[0062]在一些情況下，變形的通道段的長(zhǎng)度可為通道段的寬度的例如至少1倍、至少2倍、至少5倍、至少10倍、至少20倍或至少50倍。另外，控制通道的長(zhǎng)度可為與壓縮或膨 脹相關(guān)的通道段的寬度的至少1倍、至少2倍、至少5倍、至少10倍、至少20倍或至少50 倍。
[0063]控制通道導(dǎo)致膜165變形和/或偏轉(zhuǎn)的能力部分取決于膜的寬度170。通常，具有 較小寬度的膜可允許較小的力和/或壓力應(yīng)用到控制通道以使膜變形。因此，置于控制通 道和通道段之間的膜的平均寬度可為例如小于或等于約500微米、小于或等于約250微米、 小于或等于約100微米、小于或等于約75微米、小于或等于約50微米、小于或等于約25微 米、小于或等于約15微米或小于或等于約10微米。例如膜的寬度可為大于約1微米。在 一些情況下膜具有約10微米至約15微米、約5微米至約25微米或約10微米至約50微米 的平均寬度。
[0064] 在微流體系統(tǒng)中，膜的彈性模量（例如楊氏模量）也可通過例如利用不同材料形 成膜和/或利用可改變材料硬度的不同量的交聯(lián)劑而改變。具有較少交聯(lián)劑的膜可導(dǎo)致相 對(duì)較軟的材料和較高的彈性模量。該較高彈性模量使得膜更易于變形，因此可對(duì)膜應(yīng)用較 小的力和/或壓力以引起變形和/或偏轉(zhuǎn)。例如，如圖4C所示，具有較少交聯(lián)劑的與通道 段相連的膜導(dǎo)致較軟材料（因?yàn)榫哂休^少的交聯(lián)材料）。與具有較大量交聯(lián)劑的膜相比，這 導(dǎo)致穿過通道段的壓降更大，其為用于驅(qū)動(dòng)與通道段相關(guān)聯(lián)的閥的壓力的函數(shù)。
[0065] 在一些情況下，膜的楊氏模量為約250kPa至約4,OOOkPa。在某些實(shí)施方案中，膜 的楊氏模量為約500kPa至約3,OOOkPa，或者約1，OOOkPa至約3,OOOkPa。楊氏模量可通過 例如對(duì)材料施加應(yīng)力和測(cè)量應(yīng)力響應(yīng)來測(cè)量，例如，在X.Q.Brown，K.Ookawa和J.Y.Wong， Biomaterials26,3123(2005)中有詳細(xì)描述。
[0066] 另一個(gè)可影響閥操作的因素是與閥相關(guān)聯(lián)的通道段的長(zhǎng)寬比。在一些這樣的實(shí)施 方案中，與具有較小長(zhǎng)寬比的通道段相比，具有較大長(zhǎng)寬比的通道段可導(dǎo)致通道段更完全 地閉合（例如當(dāng)從閥施加相同量的力和/或壓力）。例如，圖4D示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施 方案增加通道段的高度的效果（寬度不變），得到較大的長(zhǎng)寬比。如該圖中所述，較大高度 (和較大長(zhǎng)寬比）可導(dǎo)致較大的作為用于驅(qū)動(dòng)與通道段相關(guān)聯(lián)的閥的壓力的函數(shù)的穿過通 道段的壓降壓降。通道段的長(zhǎng)寬比可為例如至少約1 : 1、至少約2 : 1、至少約3 : 1、至 少約5 :1、至少約10 :1，或至少約20 : 1。例如通道段的長(zhǎng)寬比可為至少約50 : 1。
[0067] 通道段的高度可為例如大于或等于約10微米、大于或等于約25微米、大于或等于 約50微米、大于或等于約100微米、大于或等于約250微米，或大于或等于約500微米。在 一些情況下，通道段的高度小于約2cm。
[0068] 圖5A和5B示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案用于對(duì)可由閥控制的通道段的流量的范 圍和準(zhǔn)確性定量的裝置。圖5A中所示的微流體系統(tǒng)包括與通道段182和通道段184流體 連通的輸送通道181。閥186構(gòu)建和設(shè)置為使通道段182的一部分收縮。圖5B和f5D是測(cè) 量通道段中相對(duì)流量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)施例部分有詳細(xì)描述。
[0069] 有利的是，本文所述的某些閥可具有快速響應(yīng)時(shí)間（例如在閥驅(qū)動(dòng)后，閥使通道 段收縮或擴(kuò)張和/或降低或增加流量，或者獲得穩(wěn)定流量所需的時(shí)間）。例如，本文所述的 閥可具有例如小于或等于約1秒、小于或等于約〇. 1秒、小于或等于約.01秒、小于或等于 約5毫秒（msec)，或小于或等于約lmsec的響應(yīng)時(shí)間。
[0070] 本發(fā)明的另一方面涉及與多相材料操作相關(guān)的裝置和技術(shù)。特別地，本發(fā)明的多 個(gè)方面涉及改善分散體形成和/或分散體控制的需求以及改善的分散體的應(yīng)用的增值。根 據(jù)本發(fā)明對(duì)于分散體形成的改善可在精確遞送例如多種用途的小流體量（納升、皮升、甚 至飛升或更小量）中得到應(yīng)用。例如，系統(tǒng)化遞送小流體量的一種可能路徑是形成可控尺 寸的液滴，其可以用作特定化學(xué)品的方便輸送者或者其本身可作為小型化學(xué)反應(yīng)器。由于 含一皮升體積的液滴具有低于10微米的半徑，因此極小液滴的受控形成非常重要。本文所 述的制品和方法也可提供多于一種尺寸的特定體積，例如為了精確控制不同化學(xué)反應(yīng)物的 化學(xué)計(jì)量。例如，在需要向不同位置輸送特定量的反應(yīng)物的芯片實(shí)驗(yàn)室裝置中，這可以通過 控制流體反應(yīng)物液滴尺寸然后控制其通過裝置的輸送路徑來實(shí)現(xiàn)。由于在一定程度上存在 對(duì)分散體中液滴尺寸和液滴尺寸范圍的控制，本文所述的制品和方法提供用于獲得對(duì)小流 體液滴尺寸更好控制的技術(shù)和/或用于實(shí)現(xiàn)控制的改進(jìn)技術(shù)。本文所述的制品和方法提供 能夠方便和再現(xiàn)地控制流體液滴尺寸和尺寸范圍，例如能夠?qū)⒁环N尺寸或尺寸范圍的流體 液滴轉(zhuǎn)移到一個(gè)位置和將另一種尺寸或尺寸范圍的液滴轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置。
[0071] 在一組實(shí)施方案中，提供了在流動(dòng)系統(tǒng)（例如微流體系統(tǒng)）中的分散劑（例如連 續(xù)相）內(nèi)的分散相液滴的形成。有利的是，液滴的尺寸和/或頻率可利用含有閥的流體系 統(tǒng)實(shí)時(shí)控制從而產(chǎn)生可控分散體。
[0072] 圖6A-6D示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案實(shí)施不同尺寸液滴的方法。如這些示例性 實(shí)施方案所述，微流體系統(tǒng)200包括以箭頭212方向流動(dòng)的含有連續(xù)流體211 (例如液體或 氣體）的連續(xù)流體通道210。沿著箭頭220方向流動(dòng)的含有目標(biāo)流體218 (例如液體或氣 體）的目標(biāo)流體通道段216與輸送通道在互連區(qū)域228流體連通。在一些實(shí)施方案中連續(xù) 流體和目標(biāo)流體可以不相容或略相容。目標(biāo)流體的液滴222的形成的確定至少部分是通過 界面表面張力和連續(xù)流體的粘性剪切力的平衡確定的。當(dāng)這些力平衡時(shí)，目標(biāo)流體的液滴 可從目標(biāo)流體流中截取獲得，并且可在無需改變?nèi)魏瓮ǖ赖慕孛娉叽缜闆r下形成。其它參 數(shù)相同，液滴222的尺寸可與互連區(qū)域228的寬度成正比和與連續(xù)流體211的流量成反比。
[0073] 液滴的形成也可部分取決于目標(biāo)流體與連續(xù)流體的流量比。通常，較高的目標(biāo)流 體與連續(xù)流體的流量比得到例如更大的液滴，液滴更快地產(chǎn)生和/或噴射。目標(biāo)流體與連 續(xù)流體的流量比可為例如小于1 : 1〇〇(例如，1 : 99)、小于1 : 80、小于1 : 50、小于 1 : 40、小于1 : 20、小于1 : 10、小于1 : 8、小于1 : 5、小于1 : 4、小于1 : 3、或小于 1 : 1。流量比反過來可取決于目標(biāo)流體和連續(xù)流體的粘度、通道相同的構(gòu)型（例如是有一 個(gè)連續(xù)通道還是多個(gè)連續(xù)通道）和通道的尺寸。
[0074] 圖6A示出在驅(qū)動(dòng)閥230之前液滴222的形成。如在該示例性實(shí)施方案中所述，閥 可通過膜236與目標(biāo)流體通道段216分隔，所述膜是可變形的。圖6B示出在互連區(qū)域228 通過連續(xù)流體211對(duì)目標(biāo)流體218的剪切。如果發(fā)生剪切，則目標(biāo)流體的至少一部分在該 區(qū)域或在該區(qū)域附近被連續(xù)流體包圍以形成液