物可從母模移出以得到具有凸出于其表面的微通道的自立PDMS 模具。
[0123] 入口和/或出口可通過切割PDMS板的厚度而得到。為形成基本閉合的微通道，微 流體通道可以如下方式密封。首先，PDMS模具和PDMS(或任何其它材料）板可置于等離子 體氧化室中氧化1分鐘。然后PDMS結(jié)構(gòu)可放在PDMS厚板上，使浮雕表面與厚板接觸。不 可逆密封是在兩個襯底之間形成橋聯(lián)硅氧烷鍵（Si-0-Si)的結(jié)果，其由在等離子體氧化之 后存在于兩個表面的硅烷醇（SiOH)基團的縮合反應(yīng)獲得。
[0124] 不過在一些實施方案中，本發(fā)明的系統(tǒng)可為微流體系統(tǒng)，在某些實施方案中，本發(fā) 明不限于微流體系統(tǒng)，可以涉及其它類型的流體系統(tǒng)。本文中所用的"微流體"是指包括至 少一個具有截面尺寸小于1_和長度與最大截面尺寸的比例為至少3 : 1的流體通道的裝 置、設(shè)備或系統(tǒng)。本文所用"微流體通道"是符合這些條件的通道。在一些情況下，微流體 系統(tǒng)的所有通道都是微流體通道。
[0125] 通道的"截面尺寸"（例如直徑）是垂直于流體流動方向測量的。本文所述的很多 系統(tǒng)中的流體通道具有小于2mm(在一些情況下、小于1mm)的最大截面尺寸。在一組實施 方案中，含有本文所述實施方案的所有流體通道是微流體通道或具有不大于2_或1_的 最大截面尺寸。在另一組實施方案中，含有本文所述實施方案的通道的最大截面尺寸為小 于500微米、小于200微米、小于100微米、小于50微米、或小于25微米。在一些情況下， 通道尺寸可選擇為使得流體能夠自由流過制品或襯底。通道尺寸也可選擇為例如允許通道 中流體具有第一體積或線性的流量。當(dāng)然，通道的數(shù)目和通道的形狀可以通過本領(lǐng)域技術(shù) 人員已知的方法改變。在一些情況下，可使用多于一個的通道或毛細管。
[0126] 本文所述的"通道"是指至少部分指向流體流的制品（襯底）上或之中的特征。通 道可具有任何截面形狀（圓形、橢圓形、三角形、不規(guī)則形、正方形或長方形等），并且可以 帶蓋或不帶蓋。在其完全被覆蓋的實施方案中，通道的至少一部分可具有完全閉合的截面， 或者除其入口和出口外，這個通道可沿其整個長度完全閉合。通道還可以具有長寬比（長 對平均截面尺寸）為至少2 : 1，更典型為至少3 : 1、5 : 1或10 : 1或更大。開放通道 通常包括特征為有助于控制流體傳輸，例如結(jié)構(gòu)特征（拉伸的鋸齒）和/或物理或化學(xué)特 性（疏水性對親水性）或者可以對流體施加力（例如包容力）的其它特性。通道內(nèi)的流體 可部分或完全填充通道。在一些情況下，當(dāng)使用開放通道時，流體可通過表面張力（例如凹 或凸的彎月面）保持在通道內(nèi)。通道可以是任何尺寸的，例如具有垂直于流體流的最大尺 寸為小于約5或2毫米、或小于約1毫米、或小于約500微米、小于約200微米、小于約100 微米、或小于約50或25微米。當(dāng)然，通道的數(shù)目和通道的形狀可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已 知的方法改變。較大的通道、管等可出于多種目的用于微流體裝置，例如大量存儲流體和將 流體輸送到本發(fā)明的組件。
[0127] 下列實施例旨在描述本發(fā)明的某些實施方案，但是并不解釋為限制性的并且不體 現(xiàn)本發(fā)明的整個范圍。
[0128] 實施例1
[0129] 單層閥（例如"平而閥"）的棹制
[0130] 該實施例示出通過單層閥提供的控制。圖3A示出單層閥（例如"平面閥"）的上 視圖。為了定量化單層閥的控制，收縮通道的壓降作為施加于閥通道的驅(qū)動壓力的函數(shù)進 行測量。為了測量驅(qū)動壓力，對流體通道施加固定的輸入壓力，同時改變閥通道的驅(qū)動壓 力。該作用使彈性PDMS膜偏轉(zhuǎn)，這任選地通過跟蹤R1中的壁來測量，如圖3B-3C所示。這 種方法提供作為閥驅(qū)動壓力的函數(shù)的壁偏轉(zhuǎn)測量值，這用于校正裝置。為了提取出平滑的 校正曲線，將數(shù)據(jù)擬合成直線，如圖3D所示。這種校正能夠得到用于驅(qū)動閥的壓力的光學(xué) 測量。
[0131] 微流體壓差計用于測量經(jīng)過收縮流體通道的壓降。壓差計是一個簡單裝置，包括 測量通道和比較器通道，兩個通道空置于一個大盆通道中，如圖3B-3C中所示。為了使用該 裝置，將染色和未染色的可混溶流體以相等的5psi壓力栗入通道。由于流動是分層的，因 此在流體壓力相等的盆通道中形成尖銳界面。當(dāng)不驅(qū)動閥時，界面形成在盆的幾何中心，如 圖3B中所示。相反，當(dāng)驅(qū)動閥時，移動經(jīng)過收縮的測量通道移動的清澈流體的壓力小于移 動經(jīng)過未收縮的比較器通道的染色流體的壓力，并且界面向上移動以進行補償，如圖3C中 所示。因此，在校正后，界面的位置提供沿著測量通道的壓降的測量。
[0132] 為了校正裝置，使比較器通道的壓力保持恒定，同時改變測量通道的壓力并記錄 上部通道和下部通道的壓力差A(yù)p。同時，在區(qū)域R2中跟蹤界面的位置。這提供界面位置 作為Ap的函數(shù)的校正數(shù)據(jù)，由圖3E中的實施例數(shù)據(jù)所示。數(shù)據(jù)擬合為拋物線，以提取平 滑的校正曲線，壁偏轉(zhuǎn)和界面位置的同時測量能夠得到經(jīng)過測量通道的壓降作為閥驅(qū)動壓 力的函數(shù)的光學(xué)測量，其用于定量化閥性能。
[0133] 實施例2
[0134] 單層閥的件能
[0135] 該實施例示出交聯(lián)密度和通道尺寸對于穿過收縮通道的壓降的效果作為用于驅(qū) 動壓縮通道的閥的壓力的函數(shù)。
[0136] 如圖3A-3C中所示的那些閥可通過微通道收縮而控制流動。閥的性能依賴于待 變形的閥和通道的物理特性，這可以從高長寬比通道中的壓力驅(qū)動層流的近似值來理解： Ap〇cvl/w3h;其中Δρ是沿著微通道（例如圖3A的通道段145)的壓力降，v是流體流速， 1是通道長度，w是通道寬度，h是通道高度，并且w<<h。近似值突出通道截面積和長寬 比的關(guān)鍵特性。
[0137] 為確定PDMS膜的柔性（例如位于控制通道和待壓縮通道之間），在裝置中改變影 響PDMS的柔性的交聯(lián)劑濃度。圖4C中示出了具有交聯(lián)劑濃度為1. 3 %、6. 7%、8. 3 %和 10%并且待收縮通道（例如，圖3A的通道段145)的尺寸為w= 40μm、1 = 400μm和h= 41μπι的裝置的性能曲線。由較低濃度交聯(lián)劑制成的裝置（例如軟裝置）的曲線比由較高 濃度交聯(lián)劑制成的裝置（例如硬裝置）更陡，這說明軟裝置提供更大的壓降和對壓力更大 的控制。
[0138] 跨通道（例如圖3A的通道段145)的壓降也取決于其長寬比，這是通過在保持長 度、高度和交聯(lián)劑密度分別恒定在400μπι、41μπι和8. 3% (圖4B)的同時改變通道寬度以 及通過在保持寬度、長度和交聯(lián)劑密度分別恒定在40μπκ400μπι和8. 3% (圖4D)的同時 改變通道高度來改變的。在這兩種情況下，高長寬比通道的性能曲線比低長寬比通道的性 能曲線更陡，說明高長寬比通道提供對壓力更大的控制。壓降也取決于通道收縮的長度，這 是通過在保持寬度、長度和交聯(lián)劑密度分別恒定在40μm、41μm和8.3% (圖4Α)的同時改 變閥的長度（例如如圖3A中所示的長度176)來改變的。長閥的性能曲線比短閥的性能曲 線更陡，說明長閥提供對壓力更大的控制。因此，用軟PDMS制造的高長寬比通道和長閥對 于某些應(yīng)用是有利的。
[0139] 實施例3
[0140] 用平而閥量化流量棹制的范闈和準(zhǔn)確件
[0141] 該實施例示出連續(xù)流體控制微流體裝置的操作，其中通過裝置的總流量為 1000μL/小時。為定量由單層閥提供的流量控制的范圍和準(zhǔn)確性，制造圖5A所示的裝置。 該裝置包括從輸送通道181分叉開的兩個平行的通道（例如通道段182和通道段184的一 部分），沿著通道部的流量用閥186控制。為使用該裝置，利用注射器栗將通過兩個通道段 的總流量控制在l〇〇〇pL/小時。當(dāng)驅(qū)動閥時，通道段182中的流量降低，同時通道段184中 的流量增加。用粒子成像測速儀（PIV)測量驅(qū)動壓力序列的速度分布。對于PIV，在通道的 垂直中心利用具有2μπι景深的40x物鏡對1μπι聚苯乙烯示蹤粒子成像。圖5B中示出流 動示蹤粒子的示例圖像。如圖5C中所示，由于通道的低長寬比導(dǎo)致速度分布呈塞狀。為測 定該流動控制是否連續(xù)，通過對分布圖進行積分來計算通道段182和184的平均流速并且 作為閥驅(qū)動壓力的函數(shù)作圖，如圖f5D中所示。流速對于閥驅(qū)動壓力是線性函數(shù)，說明利用 閥的連續(xù)流量控制。此外，能夠利用平面閥在5毫秒內(nèi)改變流量，說明該控制相對于其中流 量改變需要幾分鐘穩(wěn)定的注射器栗而言具有快速響應(yīng)時間。
[0142] 實施例4
[0143] 基于閥的流動聚集
[0144] 該實施例示出單層閥調(diào)節(jié)微流體流動聚集液滴制造器的幾何構(gòu)型的用途。
[0145] 單層閥裝置利用軟光刻法的理論如圖9A和9B中所示制造。該裝置模制到PDMS 厚板中并與玻璃片連接，這形成通道的底板。單層閥包括模制到PDMS厚板中的無出口控制 通道?？刂仆ǖ乐瞥?T"型通道。圖9A和9B示出與位于目標(biāo)流體通道412和連續(xù)流體通 道418下游的主通道426相連的閥424。該通道構(gòu)型可用于控制液滴尺寸，例如，"AM液滴 制造器"。隨著主通道完全打開，可制造具有35μm直徑的液滴。
[0146] 圖12A和12B示出與連續(xù)流體通道518相連的閥524。該通道構(gòu)型可用于控制液 滴制造頻率，例如，"FM液滴制造器"。隨著主通道完全打開，可以25Hz頻率制造液滴。圖 12A和12B中示出的裝置制造有與連續(xù)流體通道518流體連通的旁路通道。
[0147] 通過對控制通道施壓，分離控制通道與流體通道（例如圖9中的主通道和圖12中 的連續(xù)流體通道）的薄彈性膜橫向偏轉(zhuǎn)，使流體通道收縮并調(diào)節(jié)流動。例如，該驅(qū)動導(dǎo)致AM 液滴的主通道收縮以產(chǎn)生直徑為13μm的液滴（圖9B)。閥的驅(qū)動導(dǎo)致FM液滴制造器的連 續(xù)通道收縮從而以20Hz頻率產(chǎn)生液滴（圖12B)。在這些單層閥裝置中，控制通道與流體通 道存在于同一水平面上，使得整個微流體裝置能夠利用單層軟光刻以單印模制造。AM液滴 制造器的流量對于目標(biāo)流體為5μ1/小時，對于連續(xù)流體為300μ1/小時，F(xiàn)M液滴制造器 的流量對于目標(biāo)流體為10μ1/小時，對于連續(xù)流體為1〇〇μ1/小時。
[0148] 參考FM液滴制造器，產(chǎn)生液滴的速率與在目標(biāo)流體通道與連續(xù)流體通道相交的 互連區(qū)域中注入的連續(xù)流體的流量成正比。為控制液滴產(chǎn)生頻率，將閥置于與連續(xù)流體通 道相鄰，如圖12Α中所示。當(dāng)閥不驅(qū)動時，連續(xù)流體通道完全打開，使得流動注入速度為最 大值，并且液滴快速產(chǎn)生，如圖12Α中所示。相反，當(dāng)驅(qū)動閥時，連續(xù)流體通道收縮，旁路通 道允許過量流體繞過流聚集區(qū)域（包括互連區(qū)域）。因此，連續(xù)流體的流量降低進入互連區(qū) 域中，使得液滴低速產(chǎn)生（圖12Β)。這個構(gòu)型是指基于調(diào)頻（FM)閥的流聚集。
[0149] 為了研究由基于AM和FM閥的流動聚集所提供的控制，將液滴列特性作為閥驅(qū)動 的函數(shù)來測量。由于PDMS的彈性性質(zhì)以及如圖10中通道直徑作為AM構(gòu)型的閥驅(qū)動壓力 的函數(shù)的線性趨勢所示，因此膜的橫向位移對閥驅(qū)動壓力是線性函數(shù)。同樣在AM構(gòu)型中， 通道直徑的降低導(dǎo)致液滴直徑的非線性降低，如圖10中的非線性趨勢所示。然而，對于固 定的驅(qū)動和通道尺寸，產(chǎn)生固定尺寸的單分散液滴，如圖10中不同閥的驅(qū)動的液滴尺寸分 布所示。類似的，對于FM構(gòu)型，閥的驅(qū)動提供對液滴列的周期性的控制，一般趨勢是隨著連 續(xù)通道變窄，液滴頻率降低，但是該控制的準(zhǔn)確性低于AM裝置。
[0150] 在流動聚集交點處的流體動力學(xué)通過由通道幾何構(gòu)型所設(shè)定的邊界條件來管理， 這可以通過閥的驅(qū)動來控制。另外，由于層流，因此流體改變邊界條件的響應(yīng)時間非?？臁?這個組合提供對液滴列特性的實時控制，并且有利于液滴操縱，尤其用于控制液滴的形成、 有效控制液滴的路徑和同步或交錯液滴的共流體流。
[0151] 作為示范，將時變信號編碼到AM和FM構(gòu)型的液滴列中。將振動的驅(qū)動壓力施加 到閥，并監(jiān)測所得的液滴特性。對于AM構(gòu)型，液滴直徑對通道直徑的非線性相關(guān)導(dǎo)致編碼 信號的失真，如圖11a中控制和編碼的信號的對比所示。然而，壓力信號的時間改變作為液 滴的調(diào)幅而被轉(zhuǎn)移到列中，如圖11a中的兩曲線的周期性響應(yīng)所示。類似地，在FM構(gòu)型中， 振動的閥驅(qū)動調(diào)制液滴列的頻率，盡管精確性較低，如圖14中曲線的響應(yīng)所示。
[0152] 為定量該控制和編碼信號之間的對應(yīng)性，比較原始時間信號的自功率譜圖。對于 AM流動聚集，通道直徑和液滴直徑的功率譜圖互相跟蹤至約2Hz，說明低于2Hz的信號被高 保真編碼，在如圖11中所示，并且通過零延遲歸一化的互關(guān)聯(lián)值為0.87。對于FM構(gòu)型，譜 圖互相追蹤到僅約0. 2Hz的最大頻率，以至于對于該構(gòu)型只有最低頻率被編碼，如圖14中 所示，并且較小零延遲歸一化的互關(guān)聯(lián)值為0. 80。
[0153] 雖然本文中描述和說明了本發(fā)明的若干實施方案，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將易于 想到多種實現(xiàn)本文中所述功能和/或獲得本文中所述結(jié)果和/或一種或多種所述優(yōu)點的其 它措施和/或結(jié)構(gòu)，各個此類變化和/或修改均被視為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。更普遍地，本 領(lǐng)域技術(shù)人員將易于理解本文中所描述的所有參數(shù)、尺寸、材料和構(gòu)造是示例性的，實際的 參數(shù)、尺寸、材料和/或構(gòu)造將取決于使用本發(fā)明的教導(dǎo)的具體應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn) 識到或能僅用常規(guī)實驗方法確定本文所述本發(fā)明的具體實施方案的許多等價方案。因此， 應(yīng)理解前述實施方案僅是以示例方式給出的，在所附的權(quán)利要求書及其等價物的范圍內(nèi)， 本發(fā)明可以采取除了具體描述和要求保護的方式之外的方式實施。本發(fā)明旨在提供本文中 所述的各個特征、系統(tǒng)、制品、材料、成套元件和/或方法。此外，兩種或多種這類特征、系 統(tǒng)、制品、材料、成套元件和/或方法的組合也包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，如果這類特征、系 統(tǒng)、制品、材料、成套元件和/或方法互不矛盾的話。
[0154] 本文中定義和使用的所有定義應(yīng)理解為優(yōu)先于字典的定義、通過引用并入文件中 的定義和/或所定義術(shù)語的通常含義。
[0155] 除非有明確的相反指示，否則本說明書和權(quán)利要求書中沒有限定數(shù)量詞應(yīng)理解為 指"至少一個"。
[0156] 還應(yīng)理解，除非有明確相反的指示，否則本文中要求保護的包含一個以上步驟或 行動的任何方法中，方法的步驟或行動的順序不一定限于所給的方法的步驟或行動的順 序。
[0157] 在權(quán)利要求書和以上說明書中，所有過渡詞語如"包含"、"包括"、"帶有"、"具有"、 "含有"、"涉及"、"持有"、"包括"等均應(yīng)理解為開放式的，即指包括但不限于。僅過渡詞語 "由......組成"和"基本由......組成"分別對應(yīng)于封閉或半封閉式的過渡詞語，如美國 專利局專利審查程序手冊第2111. 03部分中所規(guī)定的。
[0158] 以下內(nèi)容對應(yīng)于母案申請的原始權(quán)利要求書：
[0159] 1. 一種微流體系統(tǒng)，包括：
[0160] 具有上游部分和下游部分的輸送通道；
[0161] 在所述輸送通道的下游并與所述輸送通道在接口處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所述第一通道段的流體動力學(xué)阻力；
[0162] 包括控制通道的閥，所述控制通道與所述第一通道段相鄰但不與所述第一通道段 流體連通；和
[0163] 位于所述第一通道段和所述控制通道之間的膜，
[0164] 其中所述控制通道構(gòu)建和設(shè)置為使所述膜偏轉(zhuǎn)，以導(dǎo)致所述第一通道段的至少一 部分收縮，并且
[0165] 其中所述控制通道的至少一部分與所述第一通道段在同一水平面上。
[0166] 2.項1所述的微流體系統(tǒng)，包括與所述輸送通道的上游部分流體連通的基本恒定 的壓力源。
[0167] 3.項1所述的微流體系統(tǒng)，包括與所述輸送通道的上游部分流體連通的基本恒定 的體積源。
[0168] 4.項1所述的微流體系統(tǒng)，其中所述閥的驅(qū)動調(diào)節(jié)所述第一通道段的流體動力學(xué) 阻力，并且導(dǎo)致通過所述第一通道段和所述第二通道段的流體流的相對量改變。
[0169] 5.項1所述的微流體系統(tǒng)，其中所述閥的驅(qū)動調(diào)節(jié)所述第一通道段的流體動力學(xué) 阻力，但是并不導(dǎo)致通過所述第二通道段的流體流的量改變。
[0170] 6.項1所述的微流體系統(tǒng)，其中所述膜具有小于約20微米的平均寬度。
[0171] 7.項1所述的微流體系統(tǒng)，其中所述膜具有約10微米至約15微米的平均寬度。
[0172] 8.項1所述的微流體系統(tǒng)，其中所述控制通道的長度為所述第一通道段的寬度的 至少約10倍。
[0173] 9.項1所述的微流體系統(tǒng)，其中所述控制通道的長度為至少約500微米。
[0174] 10.項1所述的微流體系統(tǒng)，其中所述第一通道段具有至少2 : 1的平均長寬比。