用于在微射流电路中形成液滴的装置

摘要

本发明涉及一种用于在微射流电路中形成液滴的装置（1），该装置包含室（3）和微通道（8），所述室（3）包含第一流体并且由在至少一个给定方向上彼此相对分开的两个相对的壁（10、11）被限定，所述微通道（8）包含第二流体并且通向相对于给定方向为上游的所述室（3）的区段中，进入所述室（3）的微通道（8）的出口构成用于第二流体的流动部分中的扩大段，并且该扩大段使得第二流体的液滴（14）在第一流体内形成。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在微射流电路中形成液滴的装置，特别是形成在几百纳米到几百 微米范围内大小的微液滴和纳米液滴的装置。

背景技术

这种液滴可被用于几个技术领域。在每个领域中，形成液滴的方法是不同的。

第一个技术领域涉及芯片实验室应用或者其它生物技术。在这个领域中，第一种方法 是使用具有至少一个微通道的装置，众所周知地为“载送”流体的第一流体在该微通道中 流动，微通道将第一流体垂直导向到至少一个第二微通道，第二流体在该第二微通道中流 动，第二流体与第一流体是不可互溶的。第一流体（一般为油）剪切第二流体（在生物学 应用中一般为水），以便形成第二流体的液滴，第二流体的液滴通过第一流体被运输。调 整两种流体的流速和微通道的形状，以便以期望的速率形成期望大小的液滴，其中所述大 小和速率都取决于两种流体的粘性。

那类装置必需包括使得两种流体流动的诸如泵的施压单元。由于液滴大小随着每种流 体的流速而变化，因此必需精确调整流体的流速，从而使得这种装置难以使用。

例如，文献US 2006/0051329描述了用于封装含有细胞（cell）的液滴的装置，该装置 具有第一通道和第二通道两者，其中第一通道用于输送含有细胞的流体流并且在其下游部 分出现光斑（flare）（参见图9），第二通道输送油流并且与第一通道垂直交叉，油流剪切 含有细胞的流体流，以便形成液滴。在Journal of the American Chemical Society，第128卷， 第17号，2006年4月5日，第5656-5658页，Yung-Chieh Tan等人的文献“Controlled microfluidic  encapsulation of cells,proteins,and microbeads in lipid vesicles”中描述了类似装置。

文献WO2009/048532也描述了一种用于形成液滴的装置，该装置包含用于输送气体的 第一通道，两个相对侧通道通向第一通道中以通过在水周围形成气体的气泡的方式输送 水，并且两个其他侧通过通向第一通道中以输送使气泡能够被封装的油。通过借助于另一 种流体（水）流剪切第一流体（气体）流来形成气泡。

以下文献揭示了用于通过剪切流体流来形成液滴的其它装置：WO2010/033200； WO2007/133710；Proceedings of the SPIE，第7038卷，2008年8月10日，第70381J-1页，M-L  Cordero等人的“Holographic control of droplet microfluidics”；Physical Review E.，第80卷， 第4号，2009年10月，第046303-1至046303-9页，Michele Zagnoni等人的“Electrically initiated  upstream coalescence cascade of droplets in a microfluidic flow”；和Applied Physics Letters， 第93卷，第3号，2008年7月24日，第34107页，M-L Cordero等人的“Thermocapillary  manipulation of droplets using holographic beam shaping:microfluidic pin ball”。文献 US2009/0098168揭示一种形成液滴的装置，该装置具有用于输送流体流的通道，该流体流 经由孔口通向膨胀喷嘴中。喷嘴具有两个分开壁并且包含流体，该流体与在自孔口起的通 道上游中流动的流体不同。液滴由于孔口处的液力压缩而形成，同时分叉壁确保乳状液是 均匀的。利用在孔口处围绕用于分裂丝状物的液体的流动的会聚性，系统促使分散相的中 心流和两侧鞘流通过孔口进入第二室中。

第二种方法为所谓的“数字”微流体，在该方法中，通过将不同的电压施加到不同部 分的液滴，来典型地由电润湿形成液滴。

利用上述技术形成的液滴具有比纳米液滴或者微液滴的大小大很多的大小。该技术还 引起液滴之间的污染的问题以及液滴蒸发的问题。

最后，存在有通过借助于通常类似于产生以高能量冲击表面并生成溅沫的液滴的喷墨 式打印机系统的装置，经由针或者孔快速喷射液体就立即产生液滴的几种方法。那些装置 还需要诸如高压电源或者精确马达的昂贵的技术单元。

第二个技术领域涉及材料科学，在该技术领域中，为了产生泡沫或者乳状液，从而产 生气泡或者液滴群，已经开发了几种方法。应用是变化的并且特别涉及食品工业和化妆品 工业。

其它方法是将液滴封装在其它液滴中。例如，水滴可以被封装在油滴中，而油滴本身 被包含在水中。所有那些方法都需要使用难以实施的昂贵的施压单元。

另外，并且一般而言，期望在保证以单分散形式获得液滴或者气泡的同时，即呈现恒 定的且受控制的大小的液滴或者气泡的同时，增加产生液滴的速率。

发明内容

发明的特别目的在于提供一种简单、有效并且便宜的解决上述问题的方法。

为此，本发明提供一种用于在微射流电路中形成液滴的装置，该装置的特点在于，该 装置包含室和微通道，所述室包含第一流体并且由在至少一个给定方向上彼此相对分开的 两个相对的壁被限定，所述微通道包含第二流体并且通向相对于给定方向为上游的室的区 段中，进入室的微通道的出口包括对于第二流体的流动截面的增加，随着这个增加，使得 第二流体的液滴被形成并且与包含在微通道中的第二流体分离。

在那个装置中，在从微通道到室中的出口处的第二流体受到由表面张力所引起的两个 相对力的作用。第一力是由形成液滴时液滴的表面面积的改变而产生的表面能量梯度，并 且第一力趋向于从微通道提取第二流体，以便形成第二流体的“指部”，该“指部”突出 到室中并连接到包含在微通道中的第二流体，然后通过使指部与包含在微通道中的第二流 体分离来形成液滴。

作用在与第一力相反的方向上并对应于毛细力的第二力趋向于保持与包含在微通道 中的第二流体附接的第二流体的指部。

当第一力变成大于第二力时，上述指部与包含在微通道中的第二流体分离。对于给定 形状的微通道和给定形状的室，第一力特别是第二流体的指部的体积的函数。因此，在操 作中，指部的体积逐渐增加，直到第一力变得大于第二力并且第二指部变成被分离，以便 形成液滴。

然后，通过室的截面的增加，液滴从上游被运输到下游。

应该看到，不需要第一和第二流体是流动的，要点仅仅在于第二流体被输送到进入室 的微通道的出口。因此，不需要提供对各种流体施压的单元。由流动截面的增加而使得第 二流体的液滴在室内运输。位于液滴具有变平形状的小截面的区段的液滴通过液滴具有更 加球形的形状的更大截面的区段被自然吸引。

此外，液滴的大小实质上与第二流体的流速无关。重要的是在到室的入口处的第二流 体输送截面的函数和室的所述相对的壁的分开度的函数，即，是被固定的且不会随着时间 而变化的几何参数的函数，因此能够精确校准液滴的大小。

此外，由于相同的表面张力既使得液滴分离并且也维持它们，因此液滴大小不取决于 表面张力。这样，液滴大小与流体的正确本性或者它们可能受到的其它污染无关，而是仅 仅取决于流体的粘度的很小程度。

最后，液滴的大小也不受与微通道的出口位于一定距离的壁的形状的影响，因此能够 使用各种形状的室。

例如，使用的室具有大致矩形截面，该矩形截面具有在两个发散的相对的壁之间延伸 的高度以及比其高度长的长度。

例如，矩形截面的长度比其高度大十倍。

自然地，室可以呈现其它形状。特别地，室的壁可以在一个以上的方向上分开。例如， 室可以是球形状或者蛋形状。

在较佳的方式中，室在来自微通道的出口处的高度小于要被形成的液滴的直径。

在变形例中，室的壁中的一个壁在微通道的出口处包括台阶、凹部或者凸部。

室的入口的形状的这些改变用于控制液滴的大小和行进速度。因此，台阶的存在能够 形成更小的液滴，而凹部能够使得液滴的行进速度在液滴已经形成之后被减小，并且凸部 能够使得液滴大小更好地被校准。

在第一实施例中，第一流体在室中的流速大致为零。

在变形实施例中，第一流体在室中的流速被调整到预定值。

例如，室的两个相对的壁的分开度对应于一个壁相对于另一个壁的处于近似1%到4% 的范围内的斜度。

自然地，给出的这些值完全是举例，并且斜度可以具有无限小的值或者100%的值，即 对应于相对于水平壁是垂直的壁。

根据发明的另一个特点，所述装置包括用于局部修改第二流体的表面张力的单元。

与没有修改表面张力的液滴本应该有的大小相比，特别能够调整所产生的液滴的大 小。

在本发明的实施例中，用于修改第二流体的表面张力的单元包含例如使用局部施加的 激光束或者结合在微射流电路中的电极或者通过使用其它的温度控制单元，来加热第二流 体的单元。

如果距离微通道的出口位于直接上游侧的区段被加热，那么趋向于维持微通道中的第 二流体的表面张力减小并且将第二流体的液滴拉离微通道所需要的力变得更小。因此，从 上游直接加热出口易于减少液滴的大小。

相反，如果距离微通道的出口位于直接下游侧的区段被加热，那么趋向于从微通道提 取第二流体的表面张力被减小。因此，从出口直接加热下游易于增加液滴的大小。

一般而言，相对于液滴形成和分离，加热产生与增加微通道的出口的截面的效果相同 的效果。

根据本发明的另一个特点，所述装置包括通向室中的多个微通道。微通道可以包含独 立的流体，或者微通道也可以是从距离微通道位于上游的共用通道滋生的分支的形式。

在第一变形例中，微通道是大致互相平行的并且通向室中的共用侧。

在第二变形例中，室为环形形状，微通道以星形结构被布置并且通向室的内圆周。

在本发明的特别实施例中，装置包含由两个部分组成的本体，微通道和室中的每一个 都具有这两个部分中的一个部分限定的一个壁和由这两个部分中的另一个部分限定的另 一个壁。

这样，仅仅通过改变上述两个部分中的一个或者另一个，就可以改变液滴的性质（大 小、速度、……）。

与使用作为单件的本体相比，还可以具有小高度的微通道，从而形成非常小（例如小 于10微米（μm））的液滴。

本发明还提供一种用于在包含在微射流电路中的第一流体中形成第二流体的液滴的 方法，该方法的特征在于，所述方法包含：将第二流体带到含有第一流体的室的入口，室 的入口包含在室内侧分开的两个相对的壁，并且促使第二流体进入室的入口中以在室内形 成第二流体的液滴的过程中，液滴在室的两个相对分开的壁之间逐渐扩大，直到液滴在上 游端与第二流体的输送分离，与第一流体和或第二流体的流速无关。

以较佳的方式，所述方法是通过调整第二流体在室的入口处的馈送段并且通过调整室 的所述相对的壁的分开度，和/或通过由激光束加热或者由使用结合在微射流电路中的电极 加热或者通过其它温度控制单元来修改表面张力，从而调整第二流体的液滴的大小。

附图说明

通过未限制的实例并参照附图，可以更好地理解本发明以及阅读以下说明时所呈现的 本发明的其他细节、特征和优点，其中：

图1是本发明的装置的纵截面图；

图2是装置的横截面图，在该装置中未显示形成的液滴；

图3是图示产生的液滴的大小随着第二流体的流速的函数的图；

图4至图6是显示本发明的三个变形实施例的装置的概略的横截面图；

图7是与图2相对应的、显示由两部分组成的装置的图；

图8是本发明的变形实施例中的装置的纵截面图；

图9是多个微通道被平行布置并且通向室中的变形实施例的概略图；

图10是微通道形成通向室中的分支的另一种变形实施例的概略图；和

图11是室为环形的另一种变形实施例的概略图，其中以星形结构布置微通道。

具体实施方式

图1和图2显示用于形成微射流电路中的液滴的装置1，该装置包含本体2，在本体2中 形成有室3，该室3由两个平行且相对的侧壁4以及由两个相对的纵向壁10和11被限定。室3 的宽度L，即两个侧壁4之间的距离大约是例如2毫米（mm）。室3还具有呈现点6朝向室3 的相对端7的状态的端壁5。

本体2还具有微通道8，微通道8的一端与特别用于连接注射器或者吸管的连接孔口9相 连接，并且其另一端经由端壁5的点6通向室3中。

室的底部纵向壁10为平面壁并且顶部纵向壁11存在倾斜部12，该倾斜部12朝向室3的 相对端7远离底部纵向壁10逐渐移动。例如，室3的两个相对的壁10和11之间的分散度可以 对应于一个壁相对于另一个壁以处于近似1%到4%的范围内的斜度倾斜。

这样，室3的截面从微通道8朝向相对端7通向室3中的区段逐渐增加。室3的最小高度 h1，即，室3在微通道8的出口13处的高度大约是10μm到100μm，并且室3的最大高度h2， 即，室3在其开口端7的高度大约是20μm到1000μm。

装置1可以与用于局部修改第二流体的表面张力的单元有关，这就意味着包含用于例 如通过使用集成在微电路中的电极或者通过使用外部温度控制来加热第二流体的单元。表 面张力随着温度线性减少，因此，对于恒定区域，随着在出口处的温度梯度减少，为了产 生与增加微通道8的出口的截面的效果相同的效果，可以通过使用电极加热来改变表面能 量（等于总面积乘以表面张力的积）。

图9中显示了本发明的变形实施例。在该实施例中，室3具有矩形形状，并且连接到多 个大致平行的微通道8，所有的微通道8都通向室3的共用侧。

图10中显示了另一种变形例，其中装置具有设立分支的微通道8的阵列，每个分支都 来自于位于上游的单个原始通道。各个分支都通向室3的共用侧中。

图11中显示最后一种变形例。在该变形例中，通道3的形状为环形并且装置具有以星 形结构布置的多个微通道8，微通道从共用源15径向延伸并且通向室3的内部圆周中。

这些变形实施例能够使多个液滴的流被同时形成在单个室内。当期望产生例如包含不 同成分的液滴群时，这是特别有用的。根据需要，如以这种方式形成的液滴可以以泡沫或 者乳状液的形式从装置被操作或者被提取。

下面详细说明这种液滴形成装置的操作。

室3被例如油第一流体填满。含有例如水的第二流体的注射器被连接到连接孔口9，并 且水被注入到微通道8中，直到水到达微通道8的出口13为止。

如上所述，位于微通道8的出口13的水因为表面张力而受到两个相对力的作用。第一 张力归因于表面能量梯度，该表面能梯度趋向于从微通道8提取水，形成突出到室3中并且 被附接到包含在微通道8中的水的指部14a。

第二力，与第一力相反并且对应于毛细力，趋向于保持附接到包含在微通道8中的水 的指部14a。

当第一力变得大于第二力时，指部14a分离。对于给定形状的微通道8和给定形状的室3， 第一力是指部14a的体积的函数。因此，在操作中，指部14a的体积逐渐增加，直到第一力 变成大于第二力并且指部变得被分离以便形成液滴14b。

以获得确定大小的液滴14的方式确定微通道8的尺寸和室3的截面的扩大。特别地，室 3在微通道的出口处的高度h1必须小于要被形成的液滴14的直径。

在水被输送到微通道8的出口13的情况下，如此在室中连续地形成水滴14b。

根据需要，油流可以被施加于室3。

在微通道8的出口13处形成的液滴14b因为对室中的液滴有用的流动截面增加而朝着 室3的相对端7被自然运输。如上所述，位于小截面的区段的液滴14b被自然吸引到较大部 分的区段，液滴在小截面的区段处占据变平的形状，液滴在该较大部分的区段中具有更加 球形并且受力较小的形状。如图1可以看出，作为在壁10和12之间变平的结果，接近于点6 的液滴14b呈现视直径d1，视直径d1大于接近于第二端7的液滴14b的视直径d2。

图3是图示在给定位置测量的液滴14b的直径随着经由微通道8到达的水的流速的函数 而变化的图。可以看出，即使对于应用的流速的非常大的改变，而这种直径的变化几乎为 零，从而证明不管操作条件如何，本发明可以获得校准大小的液滴14，从而使得这种液滴 形成装置更简单地操作。在图3中所示的实例中，液滴14b的大小大约是几百微米，但是减 小装置1的尺寸可以获得具有几百纳米大小的液滴14，而无需显著地修改它的操作。

特别地，装置的操作与流体（气体或者液体）的性质和表面张力的值无关。

在图4中所示的变形实施例中，进入室3的微通道8的出口13包括台阶16，即微通道的 截面中的突变。该台阶16被形成在顶壁11中。因此顶壁具有垂直于微通道并且形成台阶的 部分16，并且该部分16以与上述相同的方式通过相对于底壁10形成一角度的倾斜部12被延 长。这种台阶16对于给定的斜度可以被用于形成更小大小的液滴。

图5显示另一种变形实施例，在该变形实施例中，用顶壁11的凹面连接区段17来代替 台阶，该凹面连接区段将微通道8的出口13连接到倾斜部12。

这使得可以形成以比利用图2的装置形成的液滴或者气泡的速度小的速度行进的液滴 或者气泡。

图6显示又一个变形实施例，在该变形实施例中，顶壁11的连接区段18为凸的。这使 得可以形成具有被较好地校准的大小的液滴。

图7显示与图2相类似的本发明的实施例，并且在该实施例中，本体2分别由顶部2a和底 部2b两部分组成。室3的顶壁11的倾斜部12例如通过研磨或者通过任何其它适当的方法， 由顶部2a形成。底部2b包括例如通过光刻法、通过塑性形成或者通过任何其它适当的方法 形成的微通道8。

这样，仅仅通过改变部分2a、2b中的一个或者另一个，就可以改变液滴的性质（大小、 速度、……）。

与单件本体相比，还可以使其具有小高度的微通道并且形成非常小（例如小于10μm） 的液滴。

用于部分2a和2b的材料可以是不同的，或者也可以是相同的。此外，部分2a和2b可以 不可分离的方式被粘在一起，以便形成用于产生相同大小的液滴的装置。相反，它们也可 以可分离的方式被紧固在一起，以便能够通过替换部分中的一个或者另一个来改变液滴的 大小。

图8显示微通道包括更小宽度的区段19，即收缩段的实施例。在变形例中，该区段可 以是局部扩大段（localized enlargement）（未显示）。这样，在收缩段或者扩大段的位置 处，以选择和控制的方式，液滴14变成与包含在微通道8中的剩余流体分离，从而使得可 以获得对产生的液滴的大小的较好控制。