續(xù)流體通道寬度與液滴頻率的互相關(guān)（線558)的圖。圖14C示出說(shuō)明連續(xù) 流體通道寬度（線560)、液滴頻率（線562)的自功率譜圖以及連續(xù)流體通道寬度與液滴頻 率的互功率譜圖（線562)。
[0100] 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，可連續(xù)設(shè)置多個(gè)液滴形成區(qū)域（例如，流聚集區(qū) 域）以形成多重乳液。例如，在一些實(shí)施方案中可連續(xù)設(shè)置圖6-9和12中所述的多于一個(gè) 微流體系統(tǒng)和/或微流體系統(tǒng)的組合。因此，可用于形成多重乳液的微流體系統(tǒng)可包括例 如多于一組的連續(xù)流體通道、目標(biāo)流體通道、互連區(qū)域和/或主通道。另外，多于一組的閥 (例如平面閥）可以與一個(gè)或更多個(gè)微流體系統(tǒng)的通道或通道區(qū)域連接。例如，微流體系統(tǒng) 可包括第一流聚集區(qū)域（或任何其它合適的液滴形成區(qū)域）和位于第一流聚集區(qū)域下游的 第二流聚集區(qū)域（或任何其它合適的液滴形成區(qū)域）。閥或閥組可與第一和/或第二流聚 集區(qū)域連接，使得閥或閥組可改變連續(xù)流體通道、目標(biāo)流體通道、互連區(qū)域、流體收縮區(qū)域 和/或主通道的截面尺寸。例如，在一個(gè)特定實(shí)施方案中，閥或閥組可與上游流聚集區(qū)域而 不是下游流聚集區(qū)域連接。在另一個(gè)實(shí)施方案中，閥或閥組可與下游流聚集區(qū)域而不是上 游流聚集區(qū)域連接。在另一個(gè)實(shí)施方案中，閥或閥組可與上游和下游流聚集區(qū)域同時(shí)連接。 微流體系統(tǒng)也可包括多于兩個(gè)（例如3、4、5等）的流聚集區(qū)域或串聯(lián)設(shè)置的任何其它合適 的液滴形成區(qū)域。
[0101] 通過(guò)在微流體系統(tǒng)中的不同階段使用基于閥的流動(dòng)聚集以形成多重乳液，可控制 產(chǎn)生的液滴的尺寸和頻率而不改變或無(wú)需改變目標(biāo)流體或連續(xù)流體（例如，在入口處）施 加的流量。例如，通過(guò)在上游流聚集區(qū)域設(shè)置一個(gè)或更多個(gè)閥，可以改變液滴尺寸以使得它 們很小，然后在下游被包封在較大液滴中。本文所述的制品和方法可增加在微流體裝置中 可產(chǎn)生的不同類型的多重乳液液滴的數(shù)量，這是因?yàn)榭梢越档屯ǖ赖某叽缫孕纬膳c沒(méi)有這 種與通道相連的閥的類似裝置中所產(chǎn)生的液滴相比小得多的液滴。以下給出本文所述系統(tǒng) 中產(chǎn)生的液滴的尺寸的實(shí)例。
[0102] 圖15Α示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案可用于形成多重乳液的微流體系統(tǒng)600。如 在該示例性實(shí)施方案中所述，微流體系統(tǒng)600包括第一（上游）流聚集區(qū)域602和第二（下 游）流聚集區(qū)域604。第一流聚集區(qū)域包括含有目標(biāo)流體614的目標(biāo)流體通道612,所述目 標(biāo)流體通道612與含有連續(xù)流體620的連續(xù)流體通道618流體連通。目標(biāo)流體通道和連續(xù) 流體通道在互連區(qū)域622處相交，在互連區(qū)域622處連續(xù)流體剪切部分的目標(biāo)流體以形成 液滴623。無(wú)需改變目標(biāo)流體通道612、一個(gè)或更多個(gè)連續(xù)流體通道618、互連區(qū)域622或主 通道626的截面尺寸即可形成液滴623。
[0103] 微流體系統(tǒng)600還包括含有與主通道626相同的連續(xù)流體通道的第二流聚集區(qū)域 604,其含有以液滴623形式用于流聚集區(qū)域604的目標(biāo)流體和連續(xù)流體620。主通道626 與可含有第二連續(xù)流體640 (例如"載體流體"）的連續(xù)流體通道638流體連通。第二連續(xù) 流體640可與目標(biāo)流體614和/或連續(xù)流體620不混溶或略微混溶。如在該示例性實(shí)施方 案中所述，連續(xù)流體通道638通過(guò)互連區(qū)域644與主通道626流體連通。第二主通道650 位于該互連區(qū)域的下游。在該互連區(qū)域處，第二連續(xù)流體640可剪切主通道626中的流體 (液滴623和/或連續(xù)流體620)的一部分以形成液滴654。因此，液滴623可包封在液滴 654中，液滴654進(jìn)而可被第二載體流體640所承載以形成多重流體乳液。無(wú)需改變流聚集 區(qū)域602和/或604相連的通道的截面尺寸即可形成液滴654。然而，在其它實(shí)施方案中， 一個(gè)或更多個(gè)閥（例如，平面閥）可與本文所述的流聚集區(qū)域602和/或604的一個(gè)或更 多個(gè)通道或通道區(qū)域相連。
[0104] 如圖15B中所述實(shí)施方案所示，可串聯(lián)設(shè)置三個(gè)流聚集區(qū)域。例如，微流體系統(tǒng) 670包括第一流聚集區(qū)域671、第二流聚集區(qū)域672和第三流聚集區(qū)域674。第一流聚集區(qū) 域671產(chǎn)生含有被連續(xù)流體677攜載的第一目標(biāo)流體的液滴676。第二流聚集區(qū)域672形 成含有液滴676和連續(xù)流體677的液滴678。液滴678由第二連續(xù)流體679攜載。第三流 聚集區(qū)域674可用于產(chǎn)生含有液滴678的液滴680,液滴678包含液滴676和連續(xù)流體677。 液滴680也包含連續(xù)流體679。液滴680可由連續(xù)流體682攜載。
[0105] 在一些實(shí)施方案中，液滴可包含相同或基本相似尺寸的多重液滴。例如，微流體系 統(tǒng)700可包括用于產(chǎn)生基本相似尺寸的小液滴702的第一流聚集區(qū)域701。這些液滴可在 第二流聚集區(qū)域703被包封以形成含多重液滴702的液滴704。在第三流聚集區(qū)域705,液 滴704可被包封在液滴706中。
[0106] 另外，微流體系統(tǒng)可用于包封第一類型的多重液滴，每個(gè)第一類型的多個(gè)液滴包 含第二類型的多重液滴。例如，如圖 15D所示實(shí)施方案所述，微流體系統(tǒng)720可包括用于產(chǎn) 生第一流體的液滴728的第一流聚集區(qū)域。多重液滴728可包封在由第二流聚集區(qū)域724 產(chǎn)生的液滴730中。液滴730可包封在第三流聚集區(qū)域726中以產(chǎn)生液滴732,液滴732包 含多重液滴730,而每個(gè)多重液滴730包含多重液滴728。
[0107] 如圖15A-1?中所示，除了圓形的液滴（例如具有圓形截面）外，也可以形成其它 類型的液滴。
[0108] 應(yīng)理解本文所述實(shí)施方案是示例性的，利用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法以及本文 提供的說(shuō)明可以結(jié)合其它微流體系統(tǒng)的通道和組件的構(gòu)型得到本發(fā)明范圍內(nèi)的實(shí)施方案。 另外，本文所述的微流體系統(tǒng)的排列是高度示意的，其旨在僅表示可根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的流 體操作的多樣性。例如，應(yīng)理解液滴的特定分布將依賴于例如連續(xù)流體和目標(biāo)流體的不混 溶性（不相容性）（這可通過(guò)流體接觸角測(cè)量或其它現(xiàn)有技術(shù)已知特性的差異來(lái)表征）、通 道的流量、尺寸和形狀等因素而改變。再例如，盡管圖6中示出了三角形橫截面的目標(biāo)流體 通道，但應(yīng)理解可以使用例如基本上任何尺寸和截面形狀（例如正方形、長(zhǎng)方形、三角形、 卵形、圓形）的圖7B的流動(dòng)收縮區(qū)域282的通道段和區(qū)域。
[0109] 在本發(fā)明的另一方面，微流體系統(tǒng)可包括本文所述的閥和一個(gè)或更多個(gè)用于定位 和/或存儲(chǔ)液滴或其它組分的儲(chǔ)存器。如圖16中所述實(shí)施方案所示，微流體系統(tǒng)810包括 輸送通道814,輸送通道814包括上游部分816和下游部分818。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832處流體連通的第二通道段828和第一通道段824。 第一和第二通道段的流體動(dòng)力學(xué)阻力在系統(tǒng)的組件（如閥）的任意驅(qū)動(dòng)之前可以不同和/ 或與之無(wú)關(guān)和/或無(wú)需改變第一或第二通道段的截面。例如，如在該示例性實(shí)施方案中所 述，第一通道段824具有高于第二通道段828的流體流動(dòng)阻力。因此，當(dāng)不驅(qū)動(dòng)閥838時(shí)， 流體和液滴833可優(yōu)選流經(jīng)第二通道段。
[0110]與第二通道段相鄰的閥838可構(gòu)建和設(shè)置為限制或增加第二通道段中的流體流， 從而能夠改變第二通道段中的流體動(dòng)力學(xué)阻力。盡管可在微流體系統(tǒng)中使用任何合適的 閥，但在一個(gè)實(shí)施方案中，閥包括與第二通道段824相鄰但不與第二通道段流體連通的控 制通道840?？刂仆ǖ揽砂ɡ缈赏ㄟ^(guò)對(duì)控制通道的入口 841施加正壓或負(fù)壓（例如真 空）而驅(qū)動(dòng)的微流體通道。在一些實(shí)施方案中，控制通道不包括出口，施加壓力導(dǎo)致控制通 道擴(kuò)張或收縮。但是在其它實(shí)施方案中，控制通道可包括出口。
[0111] 如圖16所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)閥838時(shí)，第二通道段828的一部分收縮，在該通道中的流體 動(dòng)力學(xué)阻力增加。這導(dǎo)致液滴和載體流體流入第一通道段824然后進(jìn)入儲(chǔ)存器850。儲(chǔ)存器 850和其它潛在合適的組件在Schmitz等人于2008年4月28日提交的題為"MICR0FLUIDIC STORAGEANDARRANGEMENTOFDROPS"的美國(guó)專利申請(qǐng)系列第61/048, 304號(hào)中有詳細(xì)描 述，其全文通過(guò)引用并入本文。在一些實(shí)施方案中，可調(diào)節(jié)液滴833的流量、尺寸和儲(chǔ)存器 850的構(gòu)型以將單個(gè)液滴捕集在一個(gè)儲(chǔ)存器中。
[0112] 本文所述的微流體系統(tǒng)810和方法可用于例如進(jìn)行自動(dòng)時(shí)間-結(jié)果測(cè)量。例如， 通過(guò)驅(qū)動(dòng)單個(gè)閥，液滴可流入可用作存儲(chǔ)室的一個(gè)儲(chǔ)存器或者一系列儲(chǔ)存器。通過(guò)釋放閥， 可將液滴捕集至儲(chǔ)存器中。這可以利用單向流和單閥（盡管另外的閥可以合并到微流體系 統(tǒng)中）進(jìn)行自動(dòng)捕集、檢測(cè)和釋放。這可以將流體流的源（如注射栗）發(fā)生的事件與進(jìn)行 對(duì)液滴的觀察和/或操作所采取的行動(dòng)分開。這也可以允許即使對(duì)微流體相同的入口施加 基本恒定流量時(shí)也能控制液滴的操作。另外，例如圖16中所述的微流體系統(tǒng)可用于在第一 組液滴中循環(huán)，觀察第一組，然后使其流出，從而僅用單閥帶入第二組液滴。
[0113] 本發(fā)明的某些方面提供在連續(xù)流體中形成不連續(xù)或離散的目標(biāo)流體的區(qū)域（例 如液滴），所述這些流體任選地通過(guò)一種或多種中間流體分離。這些流體可由本領(lǐng)域技術(shù) 人員考慮流體之間的關(guān)系從基本上任意流體（液體、氣體等）中選擇。例如，目標(biāo)流體和分 散流體可選擇為在形成分散部的時(shí)間段內(nèi)不混溶。當(dāng)分散部保持為液體相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間時(shí)， 流體可顯著不混溶。當(dāng)在形成分散部之后，分散部通過(guò)聚合等迅速硬化時(shí)，則流體不需要是 不混溶的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可利用接觸角測(cè)量等選擇合適的不混溶流體來(lái)實(shí)施本發(fā)明的技 術(shù)。
[0114] 另外，在一些實(shí)施方案中，目標(biāo)和/或連續(xù)流體可包含其它組分例如細(xì)胞、珠、藥 物或其它生物或非生物試劑。本文所述實(shí)施方案可用于形成多種分散的流體部或顆粒以用 于醫(yī)學(xué)（例如，制藥）、皮膚護(hù)理產(chǎn)品（如洗劑，洗浴凝膠）、食品（如沙拉醬，冰淇淋）、油墨 封裝、涂料、微工程材料的微模板（如光子晶體、智能材料等）、泡沫等等。根據(jù)本發(fā)明制造 的高度單分散和濃縮的液晶液滴可在二維或三維結(jié)構(gòu)中自組織，這些可用于例如新型光學(xué) 器件。
[0115] 本領(lǐng)域技術(shù)人員可基于本文的技術(shù)以及流聚集領(lǐng)域中的已知教導(dǎo)來(lái)控制目標(biāo)流 體分散?？梢詤⒖祭?，"GenerationofSteadyLiquidMicrothreadsandMicron-Sized MonodispersedSpraysandGasStreams，"Phys.Rev.Lett·，80:2,1998 年 1 月 12 日， Ganan-Calvo,以及用于實(shí)現(xiàn)發(fā)明的各種目的而選擇流體的其它很多文獻(xiàn)?？刂七B續(xù)流體的 流量以及連續(xù)流體和目標(biāo)流體的流量之間的比例可用于控制目標(biāo)流體流和/或分散體/液 滴尺寸，和流體分散體中的單分散性-多分散性。本文所述的微流體裝置，結(jié)合本文教導(dǎo)的 流量和比例控制，得到顯著改善的控制和范圍。分散部（例如液滴）尺寸的范圍可小至直 徑小于1微米。在一些實(shí)施方案中，液滴可具有的尺寸為例如小于1微米、小于0. 5微米、 小于0. 1微米、小于0. 05微米或小于0. 01微米。
[0116] 多種材料和方法可用于形成流體系統(tǒng)的組分。在一些情況下，選擇多種材料用于 多種方法。例如，系統(tǒng)的組分可由固體材料制成，其中通道可經(jīng)由微加工、如旋涂和化學(xué)氣 相沉積的薄膜沉積過(guò)程、激光鑄造、光刻技術(shù)、包括濕化學(xué)或等離子體過(guò)程的蝕刻方法等來(lái) 形成。參見(jiàn)例如Angell等人的ScientificAmerican248 :44-55 (1983)。在一個(gè)實(shí)施方案 中，系統(tǒng)（例如基底部分）的至少一部分通過(guò)在硅芯片中蝕刻特征而由硅形成。已知由硅 來(lái)精確和有效制造本發(fā)明裝置的技術(shù)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，基底部分（或其它部分）可 由聚合物形成，并且可為彈性聚合物或者聚四氟乙烯（PTFE;Tefl〇tf_ )等。
[0117] 不同組分可由不同材料制造。例如，微流體裝置的基底部分（包括底壁和側(cè)壁） 可由不透明材料如硅或PDMS制造，頂端部分或蓋可由透明材料如玻璃或透明聚合物制成 以觀察和控制流體過(guò)程。在一些情況下，整個(gè)裝置或微流體系統(tǒng)由PDMS形成?？赏扛步M件 以將所需化學(xué)官能團(tuán)暴露于與內(nèi)通道壁接觸的流體，其中基底支撐材料不具有準(zhǔn)確且預(yù)期 的官能團(tuán)。例如，組分可如所述地由涂覆有其它材料的內(nèi)通道壁制造。本領(lǐng)域技術(shù)人員可 容易地基于例如其硬度、對(duì)流經(jīng)其的流體的惰性（例如不會(huì)分解流體）、在特定裝置的使用 溫度下的耐用性和/或其透光性/不透光性（例如在紫外和可見(jiàn)區(qū)域）來(lái)選擇合適的材料 和/或涂料。
[0118] 在一個(gè)實(shí)施方案中，流體系統(tǒng)的組件由聚合物和/或柔性（例如變形）和/或彈性 材料制造，也可任選地由可硬化流體形成，以利于經(jīng)由模塑（例如復(fù)制成型、注塑成型、鑄 造成型等）制造?？捎不黧w可以是可被誘導(dǎo)固化或者自固化成考慮用于微流體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 的能夠容納和傳輸流體的固體的基本任意流體領(lǐng)域。在一個(gè)實(shí)施方案中，可硬化流體包括 聚合物流體或流體聚合物前體（即"預(yù)聚合物"）。合適的聚合物流體可包括例如熱塑性聚 合物、熱固性聚合物或加熱至其熔點(diǎn)以上的這些聚合物的混合物；或者在合適溶劑中的一 種或多種聚合物的溶液，該溶液通過(guò)移除溶劑如蒸發(fā)形成固體聚合物材料。這種聚合物材 料可由例如熔化狀態(tài)通過(guò)溶劑蒸發(fā)或通過(guò)催化來(lái)固化，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。多種 聚合物材料是合適的，其中很多是彈性的，并且也適用于形成模具或母模，存在一個(gè)或兩個(gè) 母模由彈性材料制成的實(shí)施方案。這種聚合物的非限制性實(shí)例列表包括硅氧烷聚合物、環(huán) 氧聚合物和丙烯酸類聚合物的一般類型的聚合物。環(huán)氧聚合物的特征在于存在三元環(huán)醚基 團(tuán)，通常是指環(huán)氧基團(tuán)，1，2-環(huán)氧化物或環(huán)氧乙烷。例如，可使用雙酚A的二縮水甘油醚以 及基于芳香胺、三嗪和環(huán)脂肪族骨架的化合物。另一個(gè)實(shí)例包括已知的Novolac?聚合物。 適用于本發(fā)明使用的硅氧烷彈性體的實(shí)例包括由含有氯硅烷例如甲基氯硅烷、乙基氯硅烷 和苯基氯硅烷等的前體形成的硅氧烷彈性體。
[0119] 在一組實(shí)施方案中可使用硅氧烷聚合物，例如硅氧烷彈性體聚二甲基硅氧烷。 示例性的聚二甲基硅氧烷包括DowChemicalCo. (Midland，MI)公司出售的商品名為 SylgiJrtT1%尤其是Sylgard 182、Sylgard 184和Sylgard 186的那些。含PDMS的硅氧烷 聚合物具有簡(jiǎn)化本發(fā)明微流體結(jié)構(gòu)的制造的有益特性。首先，這種材料不貴、易得，并且可 經(jīng)由加熱固化而由預(yù)聚合物液體固化。例如，PDMS通?？梢酝ㄟ^(guò)將預(yù)聚合物液體暴露于例 如約65°C至約75°C的溫度下暴露時(shí)間為例如約1小時(shí)來(lái)固化。其次，例如PDMS的硅氧烷 聚合物是有彈性的，因此可用于形成本發(fā)明某些實(shí)施方案所必須的非常小的特征和相對(duì)高 的長(zhǎng)寬比。在這方面，柔性（例如彈性的）的模具或母模是有利的。
[0120] 由硅氧烷聚合物例如PDMS形成本發(fā)明微流體結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這種聚合物 被氧化的能力，例如通過(guò)暴露于含氧等離子體如空氣等離子體中，使得被氧化的結(jié)構(gòu)在其 表面含有能夠交聯(lián)到其它氧化硅氧烷聚合物表面或多種其它聚合和非聚合材料的氧化表 面的化學(xué)基團(tuán)。因此，可以制造組件，然后將其氧化和基本不可逆地密封到其它硅氧烷聚 合物的表面，或者密封到與氧化的硅氧烷聚合物表面具有反應(yīng)性的其它襯底的表面，而不 需要分離粘合劑或其它密封手段。在大多數(shù)情況下，密封可簡(jiǎn)單地通過(guò)將氧化的硅氧烷 表面與另一個(gè)表面接觸而無(wú)需施加額外的壓力以形成密封即可完成。亦即，預(yù)氧化的硅 氧烷表面用作合適匹配表面的接觸粘合劑。具體地，除了可不可逆地自身密封外，氧化的 硅氧烷例如氧化的PDMS也可用于不可逆地密封到除了其自身以外的氧化材料范圍，包括 例如玻璃、硅、二氧化硅、石英、氮化硅、聚乙烯、聚苯乙烯、玻璃碳和環(huán)氧聚合物，所述氧化 的材料已經(jīng)以與PDMS表面相似的方式氧化（例如通過(guò)暴露于含氧等離子體）。用于本發(fā) 明上下文中的氧化和封裝方法，以及整體模塑技術(shù)，在Duffy等人的RapidPrototyping ofMicrofluidicSystemsandPolydimethylsiloxane，AnalyticalChemistry，Vol.70， 474-480頁(yè)，1998中描述，其通過(guò)引用并入本文。
[0121] 由氧化硅氧烷聚合物形成本文所述的微流體結(jié)構(gòu)（或內(nèi)部流體接觸表面）的另一 個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這些表面可比典型彈性聚合物的表面（希望有親水性的內(nèi)表面）的親水性好得 多。相對(duì)于由典型未氧化彈性聚合物或其它親水性材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，這種親水性通道表面 因此可易于用水溶液填充和潤(rùn)濕。因此，本發(fā)明的裝置可由比未氧化彈性聚合物更親水的 表面制成。
[0122] 在一個(gè)實(shí)施方案中，微流體通道可通過(guò)對(duì)合適的母模應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)模制制品來(lái)制造。 例如，微通道可通過(guò)在由光刻產(chǎn)生的圖案化光刻膠表面浮雕（母模）上鑄造PDMS預(yù)聚物 (Sylgard184，DowCorning)而由PDMS制成。光刻膠圖案可包括具有預(yù)期尺寸的通道。在 65°C固化約3小時(shí)后，聚合