微流体系统、方法和装置本申请是申请日为2009年5月15日，申请号为“200980127958.4”，
发明名称为“在包含微流体系统的流体系统中的阀和其它流动控制”
的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明一般性涉及用于控制流体系统尤其是微流体系统中的流动的
制品和方法。
政府资助
本发明各个方面的研究至少部分接受了NSF的No.DMR-0602684、
DBI-0649865和DMR-0213805的拨款资助。美国政府对本发明具有某些
权益。
背景技术
流体系统，包括微流体系统，已经应用于多个领域。这些通常涉及通
过一个或更多个微流体通道的受控流体流的系统可提供独特的平台用于
研究和制造。例如，一类系统可用于分析在包括非常小的流体通道和小的
反应/分析腔的化学装置或“芯片”上的非常小量的样品和试剂。微流体
系统目前被开发用于基因分析、临床诊断、药物筛选和环境监测。这些系
统可处理小规模的液体或气体样品，并且通常可与基于芯片的基质相容。
因此在这些小规模系统中的流体流的行为是其开发的关键。
控制流体流的方法(例如输送流体和改变流体流量)是微流体学的重
要方面。但是这些方法通常需要可能是昂贵、大型和/或难以制造的大量
资本设备。在本领域中可例如降低成本、减小尺寸和/或减少制造复杂程
度的进展将有利于多个不同领域中的应用。
发明内容
本发明一般性涉及用于控制流体系统尤其是微流体系统中的流动的
制品和方法。在一些情况下，本发明的主题涉及一个或更多个系统和/或
制品的相关产品、特定问题的替代解决方案和/或多个不同用途。
在一个实施方案中，提供一种微流体系统。该微流体系统包括具有上
游部分和下游部分的输送通道，和在输送通道的下游并在接口处与输送通
道流体连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
的流体动力学阻力。该微流体系统还包括具有与第一通道段相邻但不与第
一通道段流体连通的控制通道的阀，和位于第一通道段和控制通道之间的
膜。控制通道构建和设置为使膜偏转以导致第一通道段的至少一部分收
缩。控制通道的至少一部分可与第一通道段在同一水平面上。
在另一个实施方案中，一种微流体系统包括具有上游部分和下游部分
的输送通道，和在输送通道的下游并在接口处与输送通道流体连通的第一
通道段和第二通道段。该微流体系统还包括在接口的下游与第一通道段相
邻并能改变第一通道段中的流体动力学阻力的阀。第二通道段不包括能改
变其流体动力学阻力的阀。微流体系统构建和设置为使得阀的驱动调节第
一通道段的流体动力学阻力，并且导致通过第一通道段和第二通道段的流
体流的相对量改变。
在另一个实施方案中，提供了一种方法。所述方法包括提供微流体系
统，所述微流体系统包括输送通道、在输送通道的下游并在接口处与输送
通道流体连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
通道段的流体动力学阻力，其中所述微流体系统还包括构建和设置为限制
第一通道段中的流体流的阀。所述方法还包括使含有多个组分的流体在第
一通道段中而不是在第二通道段中流动而不需要改变第一或第二通道段
的截面尺寸。所述方法涉及驱动阀，由此引起第一通道段的一部分收缩，
并且导致在驱动阀的过程中使多个组分在第二通道段中而不是在第一通
道段中流动。
在另一个实施方案中，一种方法包括在微流体系统中产生一系列具有
第一体积和包括目标流体的单个且基本均匀的液滴，所述液滴被连续流体
(例如液体)包围。在使用期间无需改变微流体系统的通道的截面尺寸即
可实施该液滴的生产。所述方法还包括改变微流体系统的通道的截面尺寸
以产生具有不同于第一体积的第二体积的含有目标流体的液滴。
在另一个实施方案中，一种方法包括在微流体系统中以第一频率产生
一系列含有目标流体的单个且基本均匀的液滴，所述液滴被连续流体(例
如液体)包围。在使用期间无需改变微流体系统的通道的截面尺寸即可实
施该液滴的生产。所述方法还包括改变微流体系统的通道的截面尺寸从而
以与第一频率不同的第二频率产生含有目标流体的液滴。以第一频率形成
的液滴可具有与以第二频率形成的液滴相同或不同的体积。在产生液滴的
过程中可施加基本恒定流量的目标流体和/或连续流体。
在另一个实施方案中，一种方法包括使目标流体在微流体系统的目标
流体通道中流动和使连续流体在微流体系统的一个或更多个连续流体通
道中流动。所述方法还包括在目标流体通道和一个或更多个连续流体通道
相交的互连区域处用连续流体包围至少一部分目标流体，并且使连续流体
在互连区域下游的主通道中流动。无需改变目标流体通道、一个或更多个
连续流体通道或主通道的截面尺寸，即可在连续流体中形成含有目标流体
的第一液滴，所述第一液滴具有第一体积。所述方法还包括改变在互连区
域处或附近的通道部分的截面尺寸，和形成含有目标流体的第二液滴，所
述第二液滴具有与第一体积不同的第二体积。
在另一个实施方案中，一种微流体装置包括目标流体通道、一个或更
多个连续流体通道、和目标流体通道与一个或更多个连续流体通道相交的
互连区域，其中目标流体通道、一个或更多个连续流体通道和互连区域构
建和设置为能够形成由目标流体通道提供的目标流体在由一个或更多个
连续流体通道提供的连续流体中的液滴，而无需改变目标流体通道、一个
或更多个连续流体通道或互连区域的截面尺寸。该微流体装置还包括与互
连区域相邻并在其下游的主通道以及一个或更多个阀，所述一个或更多个
阀构建和设置为改变目标流体通道、一个或更多个连续流体通道、互连区
域和/或主通道的截面尺寸，由此可以基于一个或更多个阀的位置产生不
同尺寸的目标流体的液滴。
结合附图，以下本发明的各种非限制性实施方案的详细说明将使本发
明的其它优点和新特征变得显而易见。如果本说明书和经引用并入的文献
包含互相冲突和/或不一致的公开内容，则以本说明书为准。如果两篇或
多篇经引用并入的文献包含互相冲突和/或不一致的公开内容，则以具有
较晚有效日期的公开文献为准。
附图说明
将参考附图通过实施例方式描述本发明的非限制性实施方案，所述附
图是示意性的而不是按比例绘制的。在图中，所示出的每个相同或几乎相
同的部分通常用系统的附图标记表示。为清楚起见，在无需图示本领域技
术人员即可理解的情况下，在每个附图中没有对每个部分都进行标注，也
没有示出本发明的每个实施方案中的每个部分。在这些附图中：
图1A-1D示出根据本发明的某些实施方案的包括可用于控制流体流
的阀的微流体系统的上视图；
图1E示出根据本发明的一个实施方案的图1A-1C中所示的通道系统
的截面图；
图2A-2B示出根据本发明的一个实施方案的包括构建和设置为调节
通道段的截面积的平面阀的微流体系统的照片；
图3A-3E示出可用于测量根据本发明一个实施方案的微流体系统的
流体流的流体压力计；
图4A-4D示出根据本发明的实施方案的各种构型的微流体系统在实
施平面阀的效果；
图5A-5D示出根据本发明一个实施方案的装置，其可用于量化可由
阀控制的通道段的流量的范围和精确性；
图6A-6D示出根据本发明一个实施方案可用于形成不同尺寸和/或频
率的液滴的微流体系统；
图7A-7C示出根据本发明的实施方案的各种构型的微流体系统，其
可用于形成不同尺寸和/或频率的液滴；
图8示出根据本发明一个实施方案可用于形成不同尺寸和/或频率的
液滴的微流体系统的照片；
图9A和9B示出根据本发明一个实施方案可由于形成不同体积的液
滴的微流体系统的照片；
图10示出根据本发明一个实施方案说明对于施加到图9中所示的控
制通道的不同压力的液滴尺寸分布的图；
图11A-11C示出根据本发明一个实施方案的本文中所述微流体系统
可用于通过调节液滴尺寸在一系列液滴中存储AM信息；
图12A和12B示出根据本发明一个实施方案可用于形成不同频率的
液滴的微流体系统；
图13示出根据本发明一个实施方案说明对于施加到图12A和12B中
所示的微流体系统的控制通道的不同压力的液滴产生频率分布的图；
图14A-14C示出根据本发明一个实施方案的本文中所述微流体系统
可用于通过调节液滴产生频率在一系列液滴中存储FM信息；
图15A-15D示出根据本发明一个实施方案的微流体系统，其包括可
用于形成多重乳液的串联布置的多个流聚集区域；和
图16示出根据本发明一个实施方案与可由于存储液滴的储槽相连的
平面阀。
具体实施方式
本发明一般性涉及用于控制流体系统尤其是微流体系统中的流动的
制品和方法。一方面，本文中所述的微流体系统包括驱动单个阀即可使流
体从第一流道(例如第一通道段)切换至第二流道(例如第二通道段)的
构型。这可以通过例如引入具有第一通道段的阀而实现，其中在驱动阀之
前第一通道段可具有低于第二通道段的流体动力学阻力。阀的驱动可以仅
导致第一通道段的流体动力学阻力增加，由此使流体流改道进入第二通道
段(此时其具有相对低的流体动力学阻力)。在一些实施方案中，所述阀
包括用于引入正压或负压的控制通道，并且适用于通过收缩或扩张通道段
来调节相邻通道段中的流体流。例如，阀和/或通道段可用柔性材料形成，
阀的驱动可通过对阀施加正压或负压以使阀和通道段二者变形来实现。
有利的是，本文中所述的阀可提供连续的快速响应时间和流量控制，
使得它们适用于例如微流体分类和液滴同步的应用。此外，在某些实施方
案中，当通道和阀存在于同一平面上时，它们可以使用标准单层软光刻法
由单一印模制成。这使得由本文所述的阀所提供的精确控制与单层PDMS
装置模印的简单制造得以结合。
本发明的另一方面包括与多相材料(例如分散体)的操作相关的制品
和方法。例如，一个或更多个阀可与流聚集系统结合以形成不同体积和/
或频率的液滴而不需要在将流体引入流体系统中时改变流体的流量。以下
详细描述了这种系统的实例。
在本发明的一个方面中，提供控制流体流动的系统和方法。图1A-1D
示出根据本发明的实施方案的一个这种系统的实施例。如图1A中的实施
方案所示，微流体系统10包括输送通道14，输送通道14包括上游部分
16和下游部分18，同时流体通常以箭头20的方向流动。微流体系统还包
括位于输送通道的下游并与输送通道在接口32处流体连通的第一通道段
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
况下，第一和第二通道段具有不同的流体动力学阻力(对流体流的阻力)。
第一和第二通道段的流体动力学阻力可在该系统的组件(例如阀)的任何
驱动之前即不同和/或独立于该系统的组件(例如阀)的任何驱动和/或不
需要改变第一或第二通道段的横截面。例如，如该示例性实施方案中所示，
第一通道段24具有比第二通道段28更低的流体流阻力，因为第二通道段
28具有相对较长的通道长度。然而，应理解，微流体系统可具有其它设
计和/或构造以赋予流体流不同的相对阻力，这种设计和/或构造可由本领
域技术人员确定。例如，在一些实施方案中，流体路径的长度、宽度、高
度和/或形状可设计为使一个通道段具有与另一个通道段不同的流体流阻
力。在另一个实施方案中，通道段的至少一部分可包括障碍物例如半渗透
塞(例如水凝胶)、膜或其它可赋予和/或改变通过该段的流体流的阻力的
结构。
微流体系统10还包括与第一通道段相关联并位于接口32下游的阀
38。与第一通道段相邻的阀可构建和设置为限制或增加第一通道段中的流
体流，由此能够改变第一通道段中的流体动力学阻力。尽管在微流体系统
中可使用任何合适的阀，但是在一个实施方案中，阀包括与第一通道段
24相邻但是不与第一通道段流体连通的控制通道40。控制通道可包括例
如可通过对控制通道的入口41施加正压或负压(例如真空)而驱动的微
流体通道。在一些实施方案中，控制通道不包括出口，并且施加压力导致
控制通道扩张或收缩。但是在其它实施方案中，控制通道可包括出口。
如图1A中的示例性实施方案所示，膜46可置于第一通道段和控制
通道之间。控制通道(或任何其它合适的阀)可构建和设置为使膜偏转(例
如通过控制通道的扩张或收缩)，从而导致第一通道段的至少一部分的收
缩或扩张。例如，如图1B中所示实施方案所示，可通过对控制通道的入
口41施加正压以引起膜46的偏转来驱动阀38。该驱动可导致如图1B所
示的第一通道段24中的流体流被基本完全限制，或者如图1B中所示的
第一通道段中的部分流体限制。当发生流体流的基本完全限制时，阀可使
通道部分的整个截面收缩，使得基本上没有流体可流经收缩部分。当发生
流体流的部分限制时，阀可使通道部分的一部分而非全部收缩，使得通道
部分的截面积减少例如至少约10％、20％、30％、40％、50％、60％、
70％、80％或90％。
如图1B中所示，第一通道段中的流体流的基本完全限制可涉及阀的
驱动，使得第一通道段的第一表面50和相反的第二表面52在阀驱动后基
本物理接触。该物理接触可导致第一通道段闭合，导致流体绝大部分沿箭
头26的方向流到第二通道段28中。当表面50和52不基本上物理接触时，
如图1C所示，流体可继续在第一通道段中流动，但是在第一通道段中流
动的流体的流体量和/或体积流量可降低。
如图1A-1C中所示，在驱动阀之前，第二通道段28具有高于第一通
道段24的流体动力学阻力，这是因为通道段28具有比第一通道段相对更
长的长度。然而，如图1D中所示，在一些情况下，第一通道段25和第
二通道段29在驱动阀之前具有相同或基本相似的流体流动阻力。在其它
实施方案中，第一通道段24具有比第二通道段28更高的流体动力学阻力。
另外，尽管图1A-1D示出构建和设置为改变第一通道段中的流体流
的单阀，但在一些实施方案中，通道段可具有与其相关联的多于一个阀。
在一些情况下，阀还任选地与第二通道段相关联。
如上所述，阀38可通过增加控制通道40中的压力来驱动。例如，流
体56例如液体或空气可引入控制通道中，这可引起控制通道全部或部分
扩张。阀38也可通过对控制通道施加导致所有或部分控制通道扩张的负
压(例如真空)来驱动。在一些这样的实施方案中，全部或部分控制通道
可由柔性(例如弹性)材料形成。例如，在一个实施方案中，控制通道由
用柔性材料制成的模具制成。在一些情况下，控制通道的表面43是柔性
的，以允许控制通道的该部分扩张和/或收缩。柔性材料的一个实例是硅
氧烷(例如聚二甲基硅氧烷)，如下详述。
在一些实施方案中，全部或部分控制通道40(或其它合适的阀)放
置在与第一通道段24相同的水平面上。图1E示出根据一个实施方案的
微流体系统10的截面(图1A的截面60)。如图所示，由箭头62和64之
间的区域形成的水平面61与第一通道段24的至少一部分和控制通道40
的至少一部分相交。在一些这样的实施方案中，微流体系统配置为由箭头
64和66之间的区域限定的垂直平面与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。在某些实施方案中，控
制通道(或其它合适的阀)和第一通道段以单层设置在同一水平面上，形
成“平面阀”，如本文中所用。例如，如图1E所述实施方案所示，控制
通道和第一通道段的高度相同，通道形成为单层65。另外，在一些情况
下，微流体系统的所有通道处于同一平面(例如单层)。形成包括单层上
的通道的微流体系统是有利的，因为其可降低制造的复杂度，如本文中所
述。
在其它实施方案中，待收缩或扩张的控制通道和/或通道段可形成为
多于一层。例如，控制通道和/或通道段可具有存在于第一层处而不在第
二层处的特定特征，和/或存在于第二层处而不在第一层处的特征。形成
多于一层的装置的一个实施例是包括具有不同高度的通道的装置，因为这
样的装置包括位于多于一个水平面上的特征。
为了提供或导致微流体系统10的流体流，基本恒定或变化的压力源
(例如注射泵)可与输送通道14的上游部分流体连通。另外，或者作为
替代方案，真空源可与微流体系统的下游部分连接。当基本恒定的压力源
(或真空)与微流体系统流体连通时，阀38的驱动可调节第一通道段的
流体动力学阻力，并且可导致通过第一和第二通道段的流体流的相对量变
化。例如，在阀驱动前，第一量的流体可在第一通道段中流动，第二量的
流体可在第二通道段中流动。如图1B所示，阀驱动后导致第一通道段基
本完全限制，在第二通道段中流动的流体的量可以是第一和第二流体量的
总和。即，第一通道段中流动的流体的减少引起第二通道段流动的流体的
增加。
在一些情况下，基本恒定体积源(例如压缩空气)与输送通道的上游
部分流体连通。在一些实施方案中，与输送通道流体连通的基本恒定体积
源在阀驱动后可导致第一通道段中流体动力学阻力改变，但是并不导致通
过第二通道段的流体流的量或体积流量改变。例如，在阀驱动前，第一量
的流体可在第一通道段中流动，第二量的流体可在第二通道段中流动。如
图1B所示，阀驱动导致第一通道段基本完全限制，第一通道段中流动的
流体的量减少，但是第二通道段中流动的流体量可保持基本恒定。
图2A和2B示出包括平面阀的微流体系统的实施例，所述平面阀可
改变通过微流体系统的第一和第二通道段的流体流的相对量。这种系统可
用于例如将液滴或其它组分(例如珠、细胞以及其它活性或非活性组分)
分类到不同的储存器。如图2A中所述实施方案所示，微流体系统100包
括输送通道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点132的下游。阀138位于与第一和第二
通道段相同的水平面上，并且包括不与第一通道段流体连通而是通过膜
146与第一通道段隔离的控制通道140。在驱动阀之前，多个液滴160流
入输送通道114(图2A)。由于第一通道段124具有比第二通道段128低
的流体流阻力，因此液滴流入第一通道段而非第二通道段中。换言之，由
于通道系统的构造，使得多个液滴(或其它组分)可流入第一通道段而不
是第二通道段中，而无需改变第一或第二通道段的横截面。这导致多个液
滴落于第一通道段下游的储存器162中。尽管液滴不流入第二通道段，但
是液滴分散于其中的流体(例如连续流体，例如可为液体或气体)可继续
流经第一和第二通道段。
如图2B中所述实施方案所示，阀138的驱动可通过增加控制通道140
中的压力来实现。在一些实施方案中，这可以导致控制通道的扩张，并且
可导致膜146的偏转。膜的偏转可引起第一通道部分124的收缩，从而提
高第一通道段的流体动力学阻力和降低流经其的流体流的量。如图2B中
所述实施方案所示，第一通道段的流体动力学阻力的增加可导致液滴流经
目前相对于第一通道段具有相对低的流体动力学阻力的第二通道段128。
这可以导致液滴160流入位于第二通道段下游的储存器164。图2B还示
出位于储存器162中的残留液滴160，这些液滴在阀为如图2A所示构型
时定位。
在一些实施方案中，阀可在驱动和不驱动之间交替，使得液滴(或其
它组分)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。
这可以使得例如，第一类型的液滴或其它组分流入第一通道段和第二类型
的液滴或其它组分流入第二通道段。在某些实施方案中，通过液滴或组分
的特性来促进液滴或其它流体组分的分选。例如，具有一定尺寸的液滴或
组分可易于流过具有一定流体动力学阻力的通道段。随着第一通道段中的
流体动力学阻力的降低，具有相对小尺寸的液滴或组分仍可继续流入收缩
的通道段，但是较大尺寸的液滴或组分优选流入不同的通道段。液滴或组
分尺寸的阈值可通过与通道段之一相关联的阀的驱动程度的改变而改变。
如本文中某些实施方案中所示，微流体系统可包括与第一通道段相关
联的阀(且可改变第一通道段中的流体动力学阻力)，但是所述阀不与第
二通道段相关联(使得第二通道段的流体动力学阻力在使用过程中不能改
变)。在一些这样的实施方案中，流体的量、体积流量和/或流体流方向可
通过使用与第一通道段相关联的单阀来控制。例如，通道段和/或微流体
系统的其它部分可设置为使得在阀驱动前流体(和/或流体组分)主要流
入通道段。随着与通道段之一相关联的阀的驱动，第一或第二通道段中的
流体流增加或减少。在一些情况下，随着阀的驱动，一个通道段的流体动
力学阻力相对于其它通道段可增加或降低。这可导致流体和/或流体的组
分切换流体通道。这种切换对于其中流体流的量、体积流量和/或组分定
位的控制很重要的应用是有利的。在其它实施方案中，第一通道段和第二
通道段各自具有与其相关联的阀。在另一个实施方案中，多于一个阀可与
一个通道段相关联。
在一些实施方案中，微流体系统的阀(包括控制通道)和其它通道位
于单层中的同一平面上。这种或其它阀可具有快速响应时间，可用于控制
流量(例如连续地)。为了对该控制进行表征，压力下降和沿通道段的流
量可作为阀驱动压力的函数测量。本文所述方法也可用于监测阀性能和用
于研究不同通道构型对于阀性能的影响。
如图3A-3E中所述实施方案所示，阀性能可利用测量通道段压降的
压差计测定。压差计在Abkarian等人于2006年7月27日提交的题为
“PressureDeterminationInMicrofluidicSystems”的国际专利申请No.
PCT/US06/029442和Abkarian等人于2008年1月24日提交的题为
“PressureDeterminationInMicrofluidicSystems”的美国专利申请序列
No.：11/989,344，中有详细描述，它们的全文通过引用并入本文。
图3A示出包括含有控制通道141的阀137的微流体系统的构型，控
制通道141构建和设置为使通道段145收缩。如图3B中所示，通道段145
与通道段147(其没有与之相关联的阀)流体连通。通道段145和147与
储存器163流体连通以形成压差计。两种不同颜色的溶液可以箭头120
的方向流入通道段。校准通道段以产生与通道段的出口等距的界面169。
如图3C中所述实施方案所示，阀137的驱动导致通道段145中流体流的
减少和通道段147中的流体流增加。通道段147中的流体流增加导致界面
169偏移。如图3D中所述实施方案所示，阀137的控制通道的体积增加
导致控制通道的壁发生位移。在盒R1中的该位移作为驱动压力的函数测
量。如图3E中所述实施方案所示，阀的驱动导致界面169重新定位，其
可作为压力变化的函数测量。所述界面位置的改变可在盒R2中测量。
本文中所述的流体系统的组分可具有各种构型，其可根据所需性能特
征来选择。例如，如图3A中所述实施方案所示，微流体系统可包括包含
具有入口143的控制通道141的阀137。从箭头151方向引入的流体可导
致控制通道变化以使得将控制通道与通道段145隔开的膜165偏转和/或
变形。如该示例性实施方案中所述，控制通道具有长度176和宽度147。
通常，根据本发明一个实施方案，较长的控制通道可用于使通道段的
较大部分收缩或扩张，并且在一些实施方案中，可允许对通过通道段的流
体流实施较大控制。例如，图4A示出经过通道段145的压降作为用于驱
动控制通道141的压力的函数。通道通过模制PDMS形成。如该示例性
实施方案中所述，当驱动控制通道以使通道段收缩时，具有较长长度的控
制通道可导致经过通道段的较大压降。
控制通道可具有大于或等于约10微米、大于或等于约50微米、大于
或等于约100微米、大于或等于约250微米、大于或等于约500微米、大
于或等于约1毫米、大于或等于约2毫米、大于或等于约5毫米、或大于
或等于约1厘米的长度。控制通道的长度可小于例如约5cm。在一些实
施方案中，控制通道的长度等于或小于控制通道所调节的通道段的长度。
控制通道可基本上平行于其所调节的通道段，或者在控制通道部分和通道
段部分之间可具有可变的距离。
也可改变控制通道的宽度。较大的控制通道宽度可使得控制通道具有
更高压力，从而在一些情况下促进驱动。控制通道的宽度可为例如大于或
等于约10微米、大于或等于约25微米、大于或等于约50微米、大于或
等于约100微米、大于或等于约250微米或大于或等于约500微米。在一
些情况下，控制通道的宽度小于约2cm。控制通道的宽度可小于控制通
道的长度。
通过阀而变形的通道段的宽度也可影响阀的操作。例如，如图4B中
所述实施方案所示，具有较小宽度的通道段可导致穿过通道段的较大压
降，其为用于驱动与通道段相关联的阀的压力的函数。较小宽度的通道段
在阀驱动时易于变形，因为变形的面积较小。
通道段的宽度可为例如大于或等于约10微米、大于或等于约25微米、
大于或等于约50微米、大于或等于约100微米、大于或等于约250微米
或大于或等于约500微米。在一些情况下，控制通道的宽度小于约2cm。
为了促进通道段的收缩，在一些实施方案中可使用在通道段相反侧的阀。
在一些实施方案中，由于控制通道而变形的通道段的长度取决于控制
通道的长度。例如，在一个实施方案中，由于控制通道而变形的通道段的
长度可与控制通道的长度相同。在其它实施方案中，由于控制通道而变形
的通道段的长度可大于或小于控制通道的长度。变形的通道段的长度可为
例如大于或等于约10微米、大于或等于约50微米、大于或等于约100微
米、大于或等于约250微米、大于或等于约500微米、大于或等于约1毫
米、大于或等于约2毫米、大于或等于约5毫米或大于或等于约1厘米。
变形长度可为小于例如约5cm。
在一些情况下，变形的通道段的长度可为通道段的宽度的例如至少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，
控制通道的长度可为与压缩或膨胀相关的通道段的宽度的至少1倍、至少
2倍、至少5倍、至少10倍、至少20倍或至少50倍。
控制通道导致膜165变形和/或偏转的能力部分取决于膜的宽度170。
通常，具有较小宽度的膜可允许较小的力和/或压力应用到控制通道以使
膜变形。因此，置于控制通道和通道段之间的膜的平均宽度可为例如小于
或等于约500微米、小于或等于约250微米、小于或等于约100微米、小
于或等于约75微米、小于或等于约50微米、小于或等于约25微米、小
于或等于约15微米或小于或等于约10微米。例如膜的宽度可为大于约1
微米。在一些情况下膜具有约10微米至约15微米、约5微米至约25微
米或约10微米至约50微米的平均宽度。
在微流体系统中，膜的弹性模量(例如杨氏模量)也可通过例如利用
不同材料形成膜和/或利用可改变材料硬度的不同量的交联剂而改变。具
有较少交联剂的膜可导致相对较软的材料和较高的弹性模量。该较高弹性
模量使得膜更易于变形，因此可对膜应用较小的力和/或压力以引起变形
和/或偏转。例如，如图4C所示，具有较少交联剂的与通道段相连的膜导
致较软材料(因为具有较少的交联材料)。与具有较大量交联剂的膜相比，
这导致穿过通道段的压降更大，其为用于驱动与通道段相关联的阀的压力
的函数。
在一些情况下，膜的杨氏模量为约250kPa至约4,000kPa。在某些
实施方案中，膜的杨氏模量为约500kPa至约3,000kPa，或者约1,000kPa
至约3,000kPa。杨氏模量可通过例如对材料施加应力和测量应力响应来
测量，例如，在X.Q.Brown，K.Ookawa和J.Y.Wong，Biomaterials26，
3123(2005)中有详细描述。
另一个可影响阀操作的因素是与阀相关联的通道段的长宽比。在一些
这样的实施方案中，与具有较小长宽比的通道段相比，具有较大长宽比的
通道段可导致通道段更完全地闭合(例如当从阀施加相同量的力和/或压
力)。例如，图4D示出根据本发明一个实施方案增加通道段的高度的效果
(宽度不变)，得到较大的长宽比。如该图中所述，较大高度(和较大长
宽比)可导致较大的作为用于驱动与通道段相关联的阀的压力的函数的穿
过通道段的压降压降。通道段的长宽比可为例如至少约1∶1、至少约2∶1、
至少约3∶1、至少约5∶1、至少约10∶1，或至少约20∶1。例如通道段的长
宽比可为至少约50∶1。
通道段的高度可为例如大于或等于约10微米、大于或等于约25微米、
大于或等于约50微米、大于或等于约100微米、大于或等于约250微米，
或大于或等于约500微米。在一些情况下，通道段的高度小于约2cm。
图5A和5B示出根据本发明一个实施方案用于对可由阀控制的通道
段的流量的范围和准确性定量的装置。图5A中所示的微流体系统包括与
通道段182和通道段184流体连通的输送通道181。阀186构建和设置为
使通道段182的一部分收缩。图5B和5D是测量通道段中相对流量的实
验结果，在实施例部分有详细描述。
有利的是，本文所述的某些阀可具有快速响应时间(例如在阀驱动后，
阀使通道段收缩或扩张和/或降低或增加流量，或者获得稳定流量所需的
时间)。例如，本文所述的阀可具有例如小于或等于约1秒、小于或等于
约0.1秒、小于或等于约.01秒、小于或等于约5毫秒(msec)，或小于或等
于约1msec的响应时间。
本发明的另一方面涉及与多相材料操作相关的装置和技术。特别地，
本发明的多个方面涉及改善分散体形成和/或分散体控制的需求以及改善
的分散体的应用的增值。根据本发明对于分散体形成的改善可在精确递送
例如多种用途的小流体量(纳升、皮升、甚至飞升或更小量)中得到应用。
例如，系统化递送小流体量的一种可能路径是形成可控尺寸的液滴，其可
以用作特定化学品的方便输送者或者其本身可作为小型化学反应器。由于
含一皮升体积的液滴具有低于10微米的半径，因此极小液滴的受控形成
非常重要。本文所述的制品和方法也可提供多于一种尺寸的特定体积，例
如为了精确控制不同化学反应物的化学计量。例如，在需要向不同位置输
送特定量的反应物的芯片实验室装置中，这可以通过控制流体反应物液滴
尺寸然后控制其通过装置的输送路径来实现。由于在一定程度上存在对分
散体中液滴尺寸和液滴尺寸范围的控制，本文所述的制品和方法提供用于
获得对小流体液滴尺寸更好控制的技术和/或用于实现控制的改进技术。
本文所述的制品和方法提供能够方便和再现地控制流体液滴尺寸和尺寸
范围，例如能够将一种尺寸或尺寸范围的流体液滴转移到一个位置和将另
一种尺寸或尺寸范围的液滴转移到另一个位置。
在一组实施方案中，提供了在流动系统(例如微流体系统)中的分散
剂(例如连续相)内的分散相液滴的形成。有利的是，液滴的尺寸和/或
频率可利用含有阀的流体系统实时控制从而产生可控分散体。
图6A-6D示出根据本发明一个实施方案实施不同尺寸液滴的方法。
如这些示例性实施方案所述，微流体系统200包括以箭头212方向流动的
含有连续流体211(例如液体或气体)的连续流体通道210。沿着箭头220
方向流动的含有目标流体218(例如液体或气体)的目标流体通道段216
与输送通道在互连区域228流体连通。在一些实施方案中连续流体和目标
流体可以不相容或略相容。目标流体的液滴222的形成的确定至少部分是
通过界面表面张力和连续流体的粘性剪切力的平衡确定的。当这些力平衡
时，目标流体的液滴可从目标流体流中截取获得，并且可在无需改变任何
通道的截面尺寸情况下形成。其它参数相同，液滴222的尺寸可与互连区
域228的宽度成正比和与连续流体211的流量成反比。
液滴的形成也可部分取决于目标流体与连续流体的流量比。通常，较
高的目标流体与连续流体的流量比得到例如更大的液滴，液滴更快地产生
和/或喷射。目标流体与连续流体的流量比可为例如小于1∶100(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。流量比反过来可取决于目标
流体和连续流体的粘度、通道相同的构型(例如是有一个连续通道还是多
个连续通道)和通道的尺寸。
图6A示出在驱动阀230之前液滴222的形成。如在该示例性实施方
案中所述，阀可通过膜236与目标流体通道段216分隔，所述膜是可变形
的。图6B示出在互连区域228通过连续流体211对目标流体218的剪切。
如果发生剪切，则目标流体的至少一部分在该区域或在该区域附近被连续
流体包围以形成液滴222。连续和目标流体的连续流动速率的应用可导致
形成具有相同或基本相似尺寸/体积的多个液滴222。在液滴形成过程中或
之后，连续流体继续在位于互连区域下游的通道段217中流动。
如图6A-6C中所示，连续流体通道210、目标流体通道216和互连区
域228构建和设置为使得无需改变目标流体通道或连续流体通道的截面
尺寸即可形成液滴222。这可以允许连续形成具有第一体积的第一液滴而
无需阀或其它驱动结构。液滴222形成的体积和速度可通过选择特定参数
来控制，所述参数例如为互连区域228的尺寸、连续流体通道的宽度、目
标流体通道的宽度、目标流体和连续流体的流量以及所用目标流体和连续
流体的类型。
如图6D中所述实施方案所示，驱动阀230可引起膜236变形。该变
形可导致目标流体通道216在互连区域228收缩。互连区域228的宽度的
减少可导致形成具有比液滴222的尺寸小的液滴223。在某些实施方案中，
阀230可引起互连区域228的宽度扩张，导致形成具有比液滴222的尺寸
大的液滴(未示出)。
在一些实施方案中，可形成一滴或一系列液滴而无需改变目标流体或
连续流体的流量。这可以通过在液滴形成过程中应用基本恒定的目标流体
和/或连续流体流量而连续形成不同尺寸的液滴(例如具有第一和第二体
积)。例如，在一些实施方案中，基本恒定的压力或体积源与输送通道的
上游部分(例如在入口处)流体连通。
通过驱动阀230而形成第一和第二体积的液滴可以采取不同速度进
行。即第二体积的液滴的产生频率可以与第一体积的液滴的产生频率不
同。在其它实施方案中，第二体积的液滴的产生频率可以与第一体积的液
滴的产生频率相同。液滴形成的频率可以通过使通道系统的不同部分变形
来调节，以下详述。
应理解的是，任何合适的阀230可用于使膜236变形或者使目标流体
通道216在互连区域228处收缩。在一个实施方案中，含有如图1-5中所
述的控制通道的阀可用作阀230。在一些情况下，阀可为平面阀。在其它
实施方案中，阀与目标流体通道216和/或连续流体通道210流体连通。
例如，阀的一部分可插入目标流体通道216中以减小互连区域228的宽度。
亦即，不是阀使膜变形，而是阀可阻挡一部分互连区域228以导致流体路
径变窄。在另一个实施方案中，阀可位于目标流体通道段216之上或之下
(例如位于与目标流体通道段216和/或连续流体通道210相同的垂直平
面上)。在一些情况下，阀包括上述一个或更多个构型。
图7A-7C示出根据本发明的一部分实施方案的微流体系统的另外构
型。如图7A所述实施方案所示，微流体系统250可包括含有目标流体218
的目标流体通道252和两个含有连续流体211的连续流体通道256。目标
流体通道和连续通道在交叉点260处相交，交叉点260与位于互连区域
260下游的主通道264流体连通。液滴的形成可通过流动聚集在互连区域
260处或附近获得。即，来自目标流体和连续流体通道的流体在互连区域
处相交，然后流体向下游“聚集”(例如在主通道264)。当流体不混溶(或
略微混溶)时，目标流体的突起物在互连区域处形成并延伸至主通道中。
随着额外的目标流体注入互连区域，该突出物生长。同时，当它们聚集到
主通道中时，注入的连续流体剪切突出的目标流体的外表面。当由于连续
流体对目标流体的剪切超过互连区域中保持目标流体的表面张力时，一滴
目标流体被截断并分散到连续流体中，从而从互连区域流出到主通道中。
以周期性速率重复该过程并形成相同尺寸的液滴。这是所谓的流动聚集液
滴形成的“滴注”机制。利用该方法，无需改变目标流体通道、连续流体
通道、主通道或互连区域的截面尺寸即可发生液滴形成。即，为了形成液
滴不需要阀或其它驱动结构。另外，可获得基本均匀尺寸的液滴。
在一些实施方案中，微流体系统250包括可位于相对于目标流体通
道、连续流体通道、互连区域和/或主通道处于不同位置的一个或更多个
阀270。图7A中示出多个阀270的位置。随着一个或更多个阀270的驱
动，相对于在驱动一个或更多个阀之前形成的液滴，目标流体通道、连续
流体通道、互连区域和/或主通道可变形(例如压缩和/或变窄，或膨胀)
以形成具有第二体积和/或第二频率的液滴。例如，一个或更多个阀可构
建和设置为改变目标流体通道、一个或更多个连续流体通道、互连区域和
/或主通道的截面尺寸，从而可基于一个或更多个阀的位置产生不同尺寸
和/或不同频率的目标流体的液滴。即，液滴的尺寸和/或频率可以根据阀
驱动的位置和/或驱动程度而改变。
图7B示出包括含有目标流体218的目标流体通道274的微流体系统
272，所述目标流体通道274与含有连续流体211的连续流体通道276流
体连通。连续流体通道和目标流体通道在互连区域280相交。互连区域的
下游是具有小于目标流体通道和/或连续流体通道的截面尺寸的至少一个
截面尺寸的流体压缩区域282。目标流体的液滴可在通道压缩区域和主通
道284之间例如通过在互连区域280处连续流体对目标流体的剪切而形
成。该液滴形成可发生而无需改变目标流体通道、一个或更多个连续流体
通道、互连区域、通道压缩区域或主通道的截面尺寸。然后，随着一个或
更多个阀270的驱动，相对于驱动一个或更多个阀之前形成的液滴，可以
改变液滴的体积(振幅)和/或频率。
图7C示出可用于形成根据本发明一个实施方案的液滴的微流体系统
的另一个实施方案。如图7C中所述实施方案所示，微流体系统290包括
含有目标流体218的目标流体通道292，所述目标流体通道292与含有连
续流体211的连续流体通道294流体连通。目标流体和连续流体通道通过
壁295分离，所述壁在在一些实施方案中是可变形的。如在该示例性实施
方案中所述，目标流体通道和连续流体通道与主压缩区域298和主通道
299流体连通。微流体系统可包括相对于一个或更多个通道处于不同位置
的一个或更多个阀270。如本文所述，可获得该液滴形成而无需改变目标
流体通道、一个或更多个连续流体通道、互连区域、通道压缩区域或主通
道的截面尺寸。随着一个或更多个阀270的驱动，可获得液滴的特征的改
变。一个或更多个阀可驱动到不同程度以连续形成具有不同特征(例如体
积和/或频率)的液滴。
图8示出根据本发明一个实施方案可用于形成不同体积和/或频率的
液滴的微流体系统310。如在该示例性实施方案中所述，微流体系统310
包括含有目标流体314的目标流体通道312，所述目标流体通道312与含
有连续流体320的连续流体通道318流体连通。目标流体通道和连续流体
通道在互连区域322相交，并且连续流体在此处剪切部分的目标流体以形
成液滴323。如在该示例性实施方案中所述，液滴323在驱动阀324之前
形成，其构建和设置为使主通道326的一部分收缩。即，无需改变目标流
体通道312、一个或更多个连续流体通道318、互连区域322或主通道326
的截面尺寸液即可形成滴323。
阀324可为与图1-5相关描述的阀相似的阀，并且可包括例如用于包
含流体的控制通道328。流体沿着箭头330和332流入控制通道328可导
致控制通道扩张。这反过来导致位于控制通道和主通道326之间的膜336
变形。该膜的变形可导致主通道326的收缩。由于阀324与其中连续流体
可剪切目标流体的互连区域322相邻，因此阀的驱动可改变所形成的液滴
的一个或更多个特征。例如，阀324的驱动可导致主通道326变窄，由于
在该区域的主通道的体积减小而形成具有较小体积的液滴。在其它实施方
案中，真空或其它减压源可与控制通道328流体连通与引起主通道的扩
张。这可导致由于在该区域的主通道的体积增加而形成具有较大体积的液
滴。
在一个实施方案中，本发明的方法涉及制造一系列具有第一体积和含
有目标流体的的单个且基本均匀的液滴，所述液滴在微流体系统中被连续
流体(例如液体)包围。如本文所述，这种液滴形成可不需在使用过程中
改变微流体系统的通道的截面尺寸而获得。所述方法还包括改变微流体系
统的通道的截面尺寸，从而产生含有具有不同于第一体积的第二体积的目
标流体的液滴。在一些实施方案中，第一和第二体积的液滴的形成也可以
通过应用基本恒定流量的目标流体和连续流体来获得。即，目标流体和连
续流体的流量(例如在入口)不需要为了形成不同体积的液滴而改变。在
一些实施方案中，基本恒定的压力或体积源与目标流体和连续流体通道的
上游部分(例如在入口)流体连通。另外，第二体积的液滴的产生频率可
与第一体积的液滴的产生频率相同或不同。
如图9A中所述实施方案所示，根据本发明一个实施方案微流体系统
410可用于形成不同体积的液滴。如在该示例性实施方案中所述，微流体
系统410包括含有目标流体414的目标流体通道412，所述目标流体通道
412与含有连续流体420的连续流体通道418流体连通。目标流体通道和
连续流体通道在互连区域422处相交，在此处连续流体剪切部分的目标流
体以形成液滴423。如在图9A的示例性实施方案中所述，在驱动阀424
之前形成基本均匀体积的液滴423，其构建和设置为使主通道426的一部
分收缩。即，无需改变目标流体通道412、一个或更多个连续流体通道418、
互连区域422或主通道426的截面尺寸液即可形成滴423。
阀424可为与图1-5相关描述的阀相似的阀，并且可包括例如用于包
含流体的控制通道428。如图9B所示，流入控制通道428可导致控制通
道扩张。这反过来导致位于控制通道和主通道426之间的膜436变形。该
膜的变形可导致主通道426收缩。由于阀424与液滴形成区域相邻，因此
阀的驱动可改变所形成的液滴的一个或更多个特征。例如，阀424的驱动
可导致主通道426变窄，由于在该区域的主通道的体积减小而形成比液滴
423具有较小体积的具有基本均匀体积的液滴425。在其它实施方案中，
真空或其它减压源可与控制通道428流体连通以引起主通道的扩张。这可
导致由于在该区域的主通道的体积增加而形成具有较大体积的液滴。
图10示出说明根据本发明一个实施方案对于施加到图9的控制通道
428的不同压力的液滴尺寸分布图。如在该示例性实施方案中所述，提高
控制通道中的压力可导致形成较小液滴。
一系列微流体液滴(例如“液滴列”)可携带用于执行和监测具有有
限外部监督的化学反应的信息和化学品。该过程的中心是写入和读取信息
的能力。在一些实施方案中，本文所述的流体系统能够将模拟信息写入到
微流体液滴列。通过调节所述列中的液滴尺寸，可以对调幅信息进行编码。
类似地，通过调节产生列中的液滴的频率，可以对调频信息进行编码。两
种形式的信息通过使该列流过通道而储存和传递，并且二者可用检测器进
行回读以监测液滴尺寸和频率。
在一些实施方案中，本文所述的制品和方法可用于通过调节液滴尺寸
将调幅信息存储到一系列液滴中。如图11A中所述的实施方案所示，驱
动图9A和9B的阀424以引起作为时间函数的主通道尺寸的变化。线480
示出主通道尺寸的变化，同时线482示出液滴尺寸的变化。如图11B中所
述的实施方案所示，对液滴直径(线486)、主通道直径(线487)进行自相
关以及液滴和主通道直径的互相关(线488)。图11C示出图11A中的时间
信号的自-和互功率谱(auto-andcrosspowerspectra)。这些曲线示出谱
功率在两种信号中类似分布；即，阀控制通道信号和测量液滴尺寸的谱图
直至约2Hz都相似。这表示这两种信号由相同调子组成，并且应用于阀
的信号可通过监测液滴而重建。
在一些实施方案中，一系列液滴的振幅和/或频率可利用本文所述的
制品和方法来调节。在一些情况下，液滴形成的振幅和/或频率可相互独
立地改变。在一个实施方案中，本发明的方法涉及以第一频率产生一系列
含有目标流体的单一且基本均匀的液滴，所述液滴被连续流体包围。该液
滴形成可无需改变用于产生液滴的微流体系统的通道的截面尺寸而实现。
该方法还包括改变微流体系统的通道的截面尺寸从而以与第一频率不同
的第二频率产生含有目标流体的液滴。以第一频率形成的液滴可具有与以
第二频率形成的液滴相同或不同的体积。另外，在液滴产生过程中，可施
加基本恒定流量的目标流体和/或连续流体。
在某些实施方案中，目标流体通道和/或连续流体通道(例如流聚集
区域)可与旁路通道系统结合(例如如图1A-1D所示)。例如，目标流体
通道和/或连续流体通道可为通过交叉点与“第二通道段”或旁路通道流体
连通的“第一通道段”。旁路通道可允许来自与第一通道段流体连通的输送
通道的过量流体通过在旁路通道中流动而绕过流聚集区域的下游。在一些
实施方案中，该构型可允许在目标流体和/或连续流体通道中的流体流动
独立于微流体系统中其它通道中的流体流而减少/增加。该构型可允许目
标流体和/或连续流体的流量改变，而不改变与目标通道和/或连续流体通
道相连的流体流动源。在一些情况下，基本恒定压力源或基本恒定体积源
可与连续流体通道和/或目标流体通道流体连通。也可以组合基本恒定的
压力源和体积源。
图12示出根据本发明一个实施方案可用于形成不同频率的液滴的微
流体系统510。如在该示例性实施方案中所述，微流体系统510包括含有
目标流体514的目标流体通道512，所述目标流体通道512与含有连续流
体520的连续流体通道518流体连通。目标流体通道和连续流体通道在互
连区域522处相交，在互连区域522处连续流体剪切部分的目标流体以形
成液滴523。如在图12A的示例性实施方案中所述，在阀524驱动之前形
成以间隔540示出的具有基本均匀体积和具有第一频率的液滴523，其构
建和设置为使连续流体通道518的一部分收缩。即，无需改变目标流体通
道512、一个或更多个连续流体通道518、互连区域522或主通道526的
截面尺寸即可形成液滴523。
阀524可为与图1-5相关描述的阀相似的阀，并且可包括例如用于包
含流体的控制通道528。如图12B所示，流体流入控制通道528可导致控
制通道扩张。这进而可导致位于控制通道和连续流体通道518之间的膜
536变形。这种膜变形可导致连续流体通道518收缩。由于阀524与液滴
形成区域相邻，因此阀的驱动可改变所形成的液滴的一个或更多个特征。
例如，阀524的驱动可导致连续流体通道518变窄，导致形成液滴525。
液滴525具有与第一频率不同的第二频率，这通过比间隔540更长的间隔
541表示。
在一些实施方案中，液滴可不依赖于液滴尺寸而改变频率。如上所述，
液滴形成可通过形成目标流体的突起开始。在“滴注”机制中，对于固定
的表面张力和剪切率，产生液滴的频率至少部分地通过目标流体突起物的
填充速率而确定。因此，液滴形成频率可通过例如使用阀调节注入到互连
区域的目标流体流量来调节。这可以通过例如选择合适的目标流体和连续
流体的流量(可保持基本恒定)和驱动与互连区域附近的连续流体通道相
关联的阀来实现。由于阀改变载体流体的流量而不改变表面张力或剪切
率，因此液滴以相同的尺寸但不同的速率截断。
在一些实施方案中，频率调制仅可利用包括与旁路通道流体连通的连
续流体通道518的装置来促进，使得阀524的驱动导致连续流体通道收缩，
旁路通道允许过量流体绕过流聚集区域(包括互连区域522)。在互连区
域处的连续流体的流量可降低以使液滴以较低速率产生。在某些实施方案
中，频率的独立调制可利用与连续流体通道和/或目标流体通道流体连通
的基本恒定体积源(或基本恒定压力源)获得。
图13示出说明对于施加到图12A和12B的连续流体通道518的不同
压力的液滴产生频率分布图。如在该示例性实施方案中所述，连续流体通
道宽度的增加可导致液滴产生频率的增加。连续流体通道宽度可通过驱动
阀524(例如控制通道528施加压力)而改变。在该特定实施方案中，连
续流体的流量保持基本恒定在100μL/小时，目标流体的流量保持基本恒
定在10μL/小时。引入系统的流体的流量保持基本恒定。
图14A-14C示出调频信息可通过调节液滴尺寸而存储到一系列液滴
中。在该特定实施方案中，使用图12A和12B的微流体系统510并且连
续流体的流量保持基本恒定在100μL/小时，同时目标流体的流量保持基
本恒定在10μL/小时。即，这些流体的流量不随引入微流体系统的流体而
改变。图14A示出连续流体通道(线550)和液滴频率(线552)的原始时间序
列。图14B示出说明对连续流体通道的宽度(线554)、液滴频率(线556)
的自相关以及连续流体通道宽度与液滴频率的互相关(线558)的图。图
14C示出说明连续流体通道宽度(线560)、液滴频率(线562)的自功率谱图
以及连续流体通道宽度与液滴频率的互功率谱图(线562)。
在本发明的另一个实施方案中，可连续设置多个液滴形成区域(例如，
流聚集区域)以形成多重乳液。例如，在一些实施方案中可连续设置图
6-9和12中所述的多于一个微流体系统和/或微流体系统的组合。因此，
可用于形成多重乳液的微流体系统可包括例如多于一组的连续流体通道、
目标流体通道、互连区域和/或主通道。另外，多于一组的阀(例如平面
阀)可以与一个或更多个微流体系统的通道或通道区域连接。例如，微流
体系统可包括第一流聚集区域(或任何其它合适的液滴形成区域)和位于
第一流聚集区域下游的第二流聚集区域(或任何其它合适的液滴形成区
域)。阀或阀组可与第一和/或第二流聚集区域连接，使得阀或阀组可改变
连续流体通道、目标流体通道、互连区域、流体收缩区域和/或主通道的
截面尺寸。例如，在一个特定实施方案中，阀或阀组可与上游流聚集区域
而不是下游流聚集区域连接。在另一个实施方案中，阀或阀组可与下游流
聚集区域而不是上游流聚集区域连接。在另一个实施方案中，阀或阀组可
与上游和下游流聚集区域同时连接。微流体系统也可包括多于两个(例如
3、4、5等)的流聚集区域或串联设置的任何其它合适的液滴形成区域。
通过在微流体系统中的不同阶段使用基于阀的流动聚集以形成多重
乳液，可控制产生的液滴的尺寸和频率而不改变或无需改变目标流体或连
续流体(例如，在入口处)施加的流量。例如，通过在上游流聚集区域设置
一个或更多个阀，可以改变液滴尺寸以使得它们很小，然后在下游被包封
在较大液滴中。本文所述的制品和方法可增加在微流体装置中可产生的不
同类型的多重乳液液滴的数量，这是因为可以降低通道的尺寸以形成与没
有这种与通道相连的阀的类似装置中所产生的液滴相比小得多的液滴。以
下给出本文所述系统中产生的液滴的尺寸的实例。
图15A示出根据本发明一个实施方案可用于形成多重乳液的微流体
系统600。如在该示例性实施方案中所述，微流体系统600包括第一(上
游)流聚集区域602和第二(下游)流聚集区域604。第一流聚集区域包
括含有目标流体614的目标流体通道612，所述目标流体通道612与含有
连续流体620的连续流体通道618流体连通。目标流体通道和连续流体通
道在互连区域622处相交，在互连区域622处连续流体剪切部分的目标流
体以形成液滴623。无需改变目标流体通道612、一个或更多个连续流体
通道618、互连区域622或主通道626的截面尺寸即可形成液滴623。
微流体系统600还包括含有与主通道626相同的连续流体通道的第二
流聚集区域604，其含有以液滴623形式用于流聚集区域604的目标流体
和连续流体620。主通道626与可含有第二连续流体640(例如“载体流
体”)的连续流体通道638流体连通。第二连续流体640可与目标流体614
和/或连续流体620不混溶或略微混溶。如在该示例性实施方案中所述，
连续流体通道638通过互连区域644与主通道626流体连通。第二主通道
650位于该互连区域的下游。在该互连区域处，第二连续流体640可剪切
主通道626中的流体(液滴623和/或连续流体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进而可被第二载体
流体640所承载以形成多重流体乳液。无需改变流聚集区域602和/或604
相连的通道的截面尺寸即可形成液滴654。然而，在其它实施方案中，一
个或更多个阀(例如，平面阀)可与本文所述的流聚集区域602和/或604
的一个或更多个通道或通道区域相连。
如图15B中所述实施方案所示，可串联设置三个流聚集区域。例如，
微流体系统670包括第一流聚集区域671、第二流聚集区域672和第三流
聚集区域674。第一流聚集区域671产生含有被连续流体677携载的第一
目标流体的液滴676。第二流聚集区域672形成含有液滴676和连续流体
677的液滴678。液滴678由第二连续流体679携载。第三流聚集区域674
可用于产生含有液滴678的液滴680，液滴678包含液滴676和连续流体
677。液滴680也包含连续流体679。液滴680可由连续流体682携载。
在一些实施方案中，液滴可包含相同或基本相似尺寸的多重液滴。例
如，微流体系统700可包括用于产生基本相似尺寸的小液滴702的第一流
聚集区域701。这些液滴可在第二流聚集区域703被包封以形成含多重液
滴702的液滴704。在第三流聚集区域705，液滴704可被包封在液滴
706中。
另外，微流体系统可用于包封第一类型的多重液滴，每个第一类型的
多个液滴包含第二类型的多重液滴。例如，如图15D所示实施方案所述，
微流体系统720可包括用于产生第一流体的液滴728的第一流聚集区域。
多重液滴728可包封在由第二流聚集区域724产生的液滴730中。液滴
730可包封在第三流聚集区域726中以产生液滴732，液滴732包含多重
液滴730，而每个多重液滴730包含多重液滴728。
如图15A-15D中所示，除了圆形的液滴(例如具有圆形截面)外，
也可以形成其它类型的液滴。
应理解本文所述实施方案是示例性的，利用本领域技术人员已知的方
法以及本文提供的说明可以结合其它微流体系统的通道和组件的构型得
到本发明范围内的实施方案。另外，本文所述的微流体系统的排列是高度
示意的，其旨在仅表示可根据本发明实施的流体操作的多样性。例如，应
理解液滴的特定分布将依赖于例如连续流体和目标流体的不混溶性(不相
容性)(这可通过流体接触角测量或其它现有技术已知特性的差异来表
征)、通道的流量、尺寸和形状等因素而改变。再例如，尽管图6中示出
了三角形横截面的目标流体通道，但应理解可以使用例如基本上任何尺寸
和截面形状(例如正方形、长方形、三角形、卵形、圆形)的图7B的流
动收缩区域282的通道段和区域。
在本发明的另一方面，微流体系统可包括本文所述的阀和一个或更多
个用于定位和/或存储液滴或其它组分的储存器。如图16中所述实施方案
所示，微流体系统810包括输送通道814，输送通道814包括上游部分816
和下游部分818。微流体系统还包括位于输送通道的下游并与输送通道在
接口832处流体连通的第二通道段828和第一通道段824。第一和第二通
道段的流体动力学阻力在系统的组件(如阀)的任意驱动之前可以不同和
/或与之无关和/或无需改变第一或第二通道段的截面。例如，如在该示例
性实施方案中所述，第一通道段824具有高于第二通道段828的流体流动
阻力。因此，当不驱动阀838时，流体和液滴833可优选流经第二通道段。
与第二通道段相邻的阀838可构建和设置为限制或增加第二通道段
中的流体流，从而能够改变第二通道段中的流体动力学阻力。尽管可在微
流体系统中使用任何合适的阀，但在一个实施方案中，阀包括与第二通道
段824相邻但不与第二通道段流体连通的控制通道840。控制通道可包括
例如可通过对控制通道的入口841施加正压或负压(例如真空)而驱动的
微流体通道。在一些实施方案中，控制通道不包括出口，施加压力导致控
制通道扩张或收缩。但是在其它实施方案中，控制通道可包括出口。
如图16所示，当驱动阀838时，第二通道段828的一部分收缩，在
该通道中的流体动力学阻力增加。这导致液滴和载体流体流入第一通道段
824然后进入储存器850。储存器850和其它潜在合适的组件在Schmitz
等人于2008年4月28日提交的题为“MICROFLUIDICSTORAGEAND
ARRANGEMENTOFDROPS”的美国专利申请系列第61/048,304号中有
详细描述，其全文通过引用并入本文。在一些实施方案中，可调节液滴
833的流量、尺寸和储存器850的构型以将单个液滴捕集在一个储存器中。
本文所述的微流体系统810和方法可用于例如进行自动时间-结果测
量。例如，通过驱动单个阀，液滴可流入可用作存储室的一个储存器或者
一系列储存器。通过释放阀，可将液滴捕集至储存器中。这可以利用单向
流和单阀(尽管另外的阀可以合并到微流体系统中)进行自动捕集、检测
和释放。这可以将流体流的源(如注射泵)发生的事件与进行对液滴的观
察和/或操作所采取的行动分开。这也可以允许即使对微流体相同的入口
施加基本恒定流量时也能控制液滴的操作。另外，例如图16中所述的微
流体系统可用于在第一组液滴中循环，观察第一组，然后使其流出，从而
仅用单阀带入第二组液滴。
本发明的某些方面提供在连续流体中形成不连续或离散的目标流体
的区域(例如液滴)，所述这些流体任选地通过一种或多种中间流体分离。
这些流体可由本领域技术人员考虑流体之间的关系从基本上任意流体(液
体、气体等)中选择。例如，目标流体和分散流体可选择为在形成分散部
的时间段内不混溶。当分散部保持为液体相当长的时间时，流体可显著不
混溶。当在形成分散部之后，分散部通过聚合等迅速硬化时，则流体不需
要是不混溶的。本领域技术人员可利用接触角测量等选择合适的不混溶流
体来实施本发明的技术。
另外，在一些实施方案中，目标和/或连续流体可包含其它组分例如
细胞、珠、药物或其它生物或非生物试剂。本文所述实施方案可用于形成
多种分散的流体部或颗粒以用于医学(例如，制药)、皮肤护理产品(如
洗剂，洗浴凝胶)、食品(如沙拉酱，冰淇淋)、油墨封装、涂料、微工程
材料的微模板(如光子晶体、智能材料等)、泡沫等等。根据本发明制造
的高度单分散和浓缩的液晶液滴可在二维或三维结构中自组织，这些可用
于例如新型光学器件。
本领域技术人员可基于本文的技术以及流聚集领域中的已知教导来
控制目标流体分散。可以参考例如，“GenerationofSteadyLiquid
MicrothreadsandMicron-SizedMonodispersedSpraysandGas
Streams，”Phys.Rev.Lett.，80：2，1998年1月12日，Ganan-Calvo，以
及用于实现发明的各种目的而选择流体的其它很多文献。控制连续流体的
流量以及连续流体和目标流体的流量之间的比例可用于控制目标流体流
和/或分散体/液滴尺寸，和流体分散体中的单分散性-多分散性。本文所述
的微流体装置，结合本文教导的流量和比例控制，得到显著改善的控制和
范围。分散部(例如液滴)尺寸的范围可小至直径小于1微米。在一些实
施方案中，液滴可具有的尺寸为例如小于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。
多种材料和方法可用于形成流体系统的组分。在一些情况下，选择多
种材料用于多种方法。例如，系统的组分可由固体材料制成，其中通道可
经由微加工、如旋涂和化学气相沉积的薄膜沉积过程、激光铸造、光刻技
术、包括湿化学或等离子体过程的蚀刻方法等来形成。参见例如Angell
等人的ScientificAmerican248：44-55(1983)。在一个实施方案中，系统(例
如基底部分)的至少一部分通过在硅芯片中蚀刻特征而由硅形成。已知由
硅来精确和有效制造本发明装置的技术。在另一个实施方案中，基底部分
(或其它部分)可由聚合物形成，并且可为弹性聚合物或者聚四氟乙烯
(PTFE；)等。
不同组分可由不同材料制造。例如，微流体装置的基底部分(包括底
壁和侧壁)可由不透明材料如硅或PDMS制造，顶端部分或盖可由透明
材料如玻璃或透明聚合物制成以观察和控制流体过程。在一些情况下，整
个装置或微流体系统由PDMS形成。可涂覆组件以将所需化学官能团暴
露于与内通道壁接触的流体，其中基底支撑材料不具有准确且预期的官能
团。例如，组分可如所述地由涂覆有其它材料的内通道壁制造。本领域技
术人员可容易地基于例如其硬度、对流经其的流体的惰性(例如不会分解
流体)、在特定装置的使用温度下的耐用性和/或其透光性/不透光性(例如
在紫外和可见区域)来选择合适的材料和/或涂料。
在一个实施方案中，流体系统的组件由聚合物和/或柔性(例如变形)
和/或弹性材料制造，也可任选地由可硬化流体形成，以利于经由模塑(例
如复制成型、注塑成型、铸造成型等)制造。可硬化流体可以是可被诱导
固化或者自固化成考虑用于微流体网络结构的能够容纳和传输流体的固
体的基本任意流体领域。在一个实施方案中，可硬化流体包括聚合物流体
或流体聚合物前体(即“预聚合物”)。合适的聚合物流体可包括例如热塑
性聚合物、热固性聚合物或加热至其熔点以上的这些聚合物的混合物；或
者在合适溶剂中的一种或多种聚合物的溶液，该溶液通过移除溶剂如蒸发
形成固体聚合物材料。这种聚合物材料可由例如熔化状态通过溶剂蒸发或
通过催化来固化，这是本领域技术人员已知的。多种聚合物材料是合适的，
其中很多是弹性的，并且也适用于形成模具或母模，存在一个或两个母模
由弹性材料制成的实施方案。这种聚合物的非限制性实例列表包括硅氧烷
聚合物、环氧聚合物和丙烯酸类聚合物的一般类型的聚合物。环氧聚合物
的特征在于存在三元环醚基团，通常是指环氧基团，1，2-环氧化物或环氧
乙烷。例如，可使用双酚A的二缩水甘油醚以及基于芳香胺、三嗪和环
脂肪族骨架的化合物。另一个实例包括已知的NovolacTM聚合物。适用于
本发明使用的硅氧烷弹性体的实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体形成的硅氧烷弹性体。
在一组实施方案中可使用硅氧烷聚合物，例如硅氧烷弹性体聚二甲基
硅氧烷。示例性的聚二甲基硅氧烷包括DowChemicalCo.(Midland，MI)
公司出售的商品名为尤其是Sylgard182、Sylgard184和
Sylgard186的那些。含PDMS的硅氧烷聚合物具有简化本发明微流体结
构的制造的有益特性。首先，这种材料不贵、易得，并且可经由加热固化
而由预聚合物液体固化。例如，PDMS通常可以通过将预聚合物液体暴
露于例如约65℃至约75℃的温度下暴露时间为例如约1小时来固化。
其次，例如PDMS的硅氧烷聚合物是有弹性的，因此可用于形成本发明
某些实施方案所必须的非常小的特征和相对高的长宽比。在这方面，柔性
(例如弹性的)的模具或母模是有利的。
由硅氧烷聚合物例如PDMS形成本发明微流体结构的另一个优点是
这种聚合物被氧化的能力，例如通过暴露于含氧等离子体如空气等离子体
中，使得被氧化的结构在其表面含有能够交联到其它氧化硅氧烷聚合物表
面或多种其它聚合和非聚合材料的氧化表面的化学基团。因此，可以制造
组件，然后将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
者密封到与氧化的硅氧烷聚合物表面具有反应性的其它衬底的表面，而不
需要分离粘合剂或其它密封手段。在大多数情况下，密封可简单地通过将
氧化的硅氧烷表面与另一个表面接触而无需施加额外的压力以形成密封
即可完成。亦即，预氧化的硅氧烷表面用作合适匹配表面的接触粘合剂。
具体地，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围，包括例如玻
璃、硅、二氧化硅、石英、氮化硅、聚乙烯、聚苯乙烯、玻璃碳和环氧聚
合物，所述氧化的材料已经以与PDMS表面相似的方式氧化(例如通过
暴露于含氧等离子体)。用于本发明上下文中的氧化和封装方法，以及整
体模塑技术，在Duffy等人的RapidPrototypingofMicrofluidicSystemsand
Polydimethylsiloxane，AnalyticalChemistry，Vol.70，474-480页，1998
中描述，其通过引用并入本文。
由氧化硅氧烷聚合物形成本文所述的微流体结构(或内部流体接触表
面)的另一个优点是这些表面可比典型弹性聚合物的表面(希望有亲水性
的内表面)的亲水性好得多。相对于由典型未氧化弹性聚合物或其它亲水
性材料构成的结构，这种亲水性通道表面因此可易于用水溶液填充和润
湿。因此，本发明的装置可由比未氧化弹性聚合物更亲水的表面制成。
在一个实施方案中，微流体通道可通过对合适的母模应用标准模制制
品来制造。例如，微通道可通过在由光刻产生的图案化光刻胶表面浮雕(母
模)上铸造PDMS预聚物(Sylgard184，DowCorning)而由PDMS制成。
光刻胶图案可包括具有预期尺寸的通道。在65℃固化约3小时后，聚合
物可从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。
入口和/或出口可通过切割PDMS板的厚度而得到。为形成基本闭合
的微通道，微流体通道可以如下方式密封。首先，PDMS模具和PDMS
(或任何其它材料)板可置于等离子体氧化室中氧化1分钟。然后PDMS
结构可放在PDMS厚板上，使浮雕表面与厚板接触。不可逆密封是在两
个衬底之间形成桥联硅氧烷键(Si-O-Si)的结果，其由在等离子体氧化之
后存在于两个表面的硅烷醇(SiOH)基团的缩合反应获得。
不过在一些实施方案中，本发明的系统可为微流体系统，在某些实施
方案中，本发明不限于微流体系统，可以涉及其它类型的流体系统。本文
中所用的“微流体”是指包括至少一个具有截面尺寸小于1mm和长度与
最大截面尺寸的比例为至少3∶1的流体通道的装置、设备或系统。本文所
用“微流体通道”是符合这些条件的通道。在一些情况下，微流体系统的
所有通道都是微流体通道。
通道的“截面尺寸”(例如直径)是垂直于流体流动方向测量的。本
文所述的很多系统中的流体通道具有小于2mm(在一些情况下、小于1
mm)的最大截面尺寸。在一组实施方案中，含有本文所述实施方案的所
有流体通道是微流体通道或具有不大于2mm或1mm的最大截面尺寸。
在另一组实施方案中，含有本文所述实施方案的通道的最大截面尺寸为小
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。在一些情况下，通道尺寸可选择为使得流体能够自由流过制品或衬底。
通道尺寸也可选择为例如允许通道中流体具有第一体积或线性的流量。当
然，通道的数目和通道的形状可以通过本领域技术人员已知的方法改变。
在一些情况下，可使用多于一个的通道或毛细管。
本文所述的“通道”是指至少部分指向流体流的制品(衬底)上或之
中的特征。通道可具有任何截面形状(圆形、椭圆形、三角形、不规则形、
正方形或长方形等)，并且可以带盖或不带盖。在其完全被覆盖的实施方
案中，通道的至少一部分可具有完全闭合的截面，或者除其入口和出口外，
这个通道可沿其整个长度完全闭合。通道还可以具有长宽比(长对平均截
面尺寸)为至少2∶1，更典型为至少3∶1、5∶1或10∶1或更大。开放通道通
常包括特征为有助于控制流体传输，例如结构特征(拉伸的锯齿)和/或
物理或化学特性(疏水性对亲水性)或者可以对流体施加力(例如包容力)
的其它特性。通道内的流体可部分或完全填充通道。在一些情况下，当使
用开放通道时，流体可通过表面张力(例如凹或凸的弯月面)保持在通道
内。通道可以是任何尺寸的，例如具有垂直于流体流的最大尺寸为小于约
5或2毫米、或小于约1毫米、或小于约500微米、小于约200微米、小
于约100微米、或小于约50或25微米。当然，通道的数目和通道的形状
可以通过本领域技术人员已知的方法改变。较大的通道、管等可出于多种
目的用于微流体装置，例如大量存储流体和将流体输送到本发明的组件。
下列实施例旨在描述本发明的某些实施方案，但是并不解释为限制性
的并且不体现本发明的整个范围。
实施例1
单层阀(例如“平面阀”)的控制
该实施例示出通过单层阀提供的控制。图3A示出单层阀(例如“平
面阀”)的上视图。为了定量化单层阀的控制，收缩通道的压降作为施加
于阀通道的驱动压力的函数进行测量。为了测量驱动压力，对流体通道施
加固定的输入压力，同时改变阀通道的驱动压力。该作用使弹性PDMS膜
偏转，这任选地通过跟踪R1中的壁来测量，如图3B-3C所示。这种方法
提供作为阀驱动压力的函数的壁偏转测量值，这用于校正装置。为了提取
出平滑的校正曲线，将数据拟合成直线，如图3D所示。这种校正能够得
到用于驱动阀的压力的光学测量。
微流体压差计用于测量经过收缩流体通道的压降。压差计是一个简
单装置，包括测量通道和比较器通道，两个通道空置于一个大盆通道中，
如图3B-3C中所示。为了使用该装置，将染色和未染色的可混溶流体以
相等的5psi压力泵入通道。由于流动是分层的，因此在流体压力相等的
盆通道中形成尖锐界面。当不驱动阀时，界面形成在盆的几何中心，如图
3B中所示。相反，当驱动阀时，移动经过收缩的测量通道移动的清澈流
体的压力小于移动经过未收缩的比较器通道的染色流体的压力，并且界面
向上移动以进行补偿，如图3C中所示。因此，在校正后，界面的位置提
供沿着测量通道的压降的测量。
为了校正装置，使比较器通道的压力保持恒定，同时改变测量通道的
压力并记录上部通道和下部通道的压力差Δp。同时，在区域R2中跟踪界
面的位置。这提供界面位置作为Δp的函数的校正数据，由图3E中的实
施例数据所示。数据拟合为抛物线，以提取平滑的校正曲线，壁偏转和界
面位置的同时测量能够得到经过测量通道的压降作为阀驱动压力的函数
的光学测量，其用于定量化阀性能。
实施例2
单层阀的性能
该实施例示出交联密度和通道尺寸对于穿过收缩通道的压降的效果
作为用于驱动压缩通道的阀的压力的函数。
如图3A-3C中所示的那些阀可通过微通道收缩而控制流动。阀的性
能依赖于待变形的阀和通道的物理特性，这可以从高长宽比通道中的压力
驱动层流的近似值来理解：Δp∝vl/w3h；其中Δp是沿着微通道(例如图3A
的通道段145)的压力降，v是流体流速，l是通道长度，w是通道宽度，
h是通道高度，并且w＜＜h。近似值突出通道截面积和长宽比的关键特性。
为确定PDMS膜的柔性(例如位于控制通道和待压缩通道之间)，在
装置中改变影响PDMS的柔性的交联剂浓度。图4C中示出了具有交联剂
浓度为1.3％、6.7％、8.3％和10％并且待收缩通道(例如，图3A的通道
段145)的尺寸为w＝40μm、l＝400μm和h＝41μm的装置的性能曲线。
由较低浓度交联剂制成的装置(例如软装置)的曲线比由较高浓度交联剂
制成的装置(例如硬装置)更陡，这说明软装置提供更大的压降和对压力
更大的控制。
跨通道(例如图3A的通道段145)的压降也取决于其长宽比，这是通
过在保持长度、高度和交联剂密度分别恒定在400μm、41μm和8.3％(图
4B)的同时改变通道宽度以及通过在保持宽度、长度和交联剂密度分别
恒定在40μm、400μm和8.3％(图4D)的同时改变通道高度来改变的。
在这两种情况下，高长宽比通道的性能曲线比低长宽比通道的性能曲线更
陡，说明高长宽比通道提供对压力更大的控制。压降也取决于通道收缩的
长度，这是通过在保持宽度、长度和交联剂密度分别恒定在40μm、41μm
和8.3％(图4A)的同时改变阀的长度(例如如图3A中所示的长度176)
来改变的。长阀的性能曲线比短阀的性能曲线更陡，说明长阀提供对压力
更大的控制。因此，用软PDMS制造的高长宽比通道和长阀对于某些应
用是有利的。
实施例3
用平面阀量化流量控制的范围和准确性
该实施例示出连续流体控制微流体装置的操作，其中通过装置的总流
量为1000μL/小时。为定量由单层阀提供的流量控制的范围和准确性，制
造图5A所示的装置。该装置包括从输送通道181分叉开的两个平行的通
道(例如通道段182和通道段184的一部分)，沿着通道部的流量用阀186
控制。为使用该装置，利用注射器泵将通过两个通道段的总流量控制在
1000pL/小时。当驱动阀时，通道段182中的流量降低，同时通道段184
中的流量增加。用粒子成像测速仪(PIV)测量驱动压力序列的速度分布。
对于PIV，在通道的垂直中心利用具有2μm景深的40x物镜对1μm聚
苯乙烯示踪粒子成像。图5B中示出流动示踪粒子的示例图像。如图5C
中所示，由于通道的低长宽比导致速度分布呈塞状。为测定该流动控制是
否连续，通过对分布图进行积分来计算通道段182和184的平均流速并且
作为阀驱动压力的函数作图，如图5D中所示。流速对于阀驱动压力是线
性函数，说明利用阀的连续流量控制。此外，能够利用平面阀在5毫秒内
改变流量，说明该控制相对于其中流量改变需要几分钟稳定的注射器泵而
言具有快速响应时间。
实施例4
基于阀的流动聚集
该实施例示出单层阀调节微流体流动聚集液滴制造器的几何构型的
用途。
单层阀装置利用软光刻法的理论如图9A和9B中所示制造。该装置
模制到PDMS厚板中并与玻璃片连接，这形成通道的底板。单层阀包括
模制到PDMS厚板中的无出口控制通道。控制通道制成“T”型通道。图
9A和9B示出与位于目标流体通道412和连续流体通道418下游的主通
道426相连的阀424。该通道构型可用于控制液滴尺寸，例如，“AM液
滴制造器”。随着主通道完全打开，可制造具有35μm直径的液滴。
图12A和12B示出与连续流体通道518相连的阀524。该通道构型
可用于控制液滴制造频率，例如，“FM液滴制造器”。随着主通道完全打
开，可以25Hz频率制造液滴。图12A和12B中示出的装置制造有与连
续流体通道518流体连通的旁路通道。
通过对控制通道施压，分离控制通道与流体通道(例如图9中的主通
道和图12中的连续流体通道)的薄弹性膜横向偏转，使流体通道收缩并
调节流动。例如，该驱动导致AM液滴的主通道收缩以产生直径为13μm
的液滴(图9B)。阀的驱动导致FM液滴制造器的连续通道收缩从而以
20Hz频率产生液滴(图12B)。在这些单层阀装置中，控制通道与流体通
道存在于同一水平面上，使得整个微流体装置能够利用单层软光刻以单印
模制造。AM液滴制造器的流量对于目标流体为5μl/小时，对于连续流体
为300μl/小时，FM液滴制造器的流量对于目标流体为10μl/小时，对于
连续流体为100μl/小时。
参考FM液滴制造器，产生液滴的速率与在目标流体通道与连续流体
通道相交的互连区域中注入的连续流体的流量成正比。为控制液滴产生频
率，将阀置于与连续流体通道相邻，如图12A中所示。当阀不驱动时，
连续流体通道完全打开，使得流动注入速度为最大值，并且液滴快速产生，
如图12A中所示。相反，当驱动阀时，连续流体通道收缩，旁路通道允
许过量流体绕过流聚集区域(包括互连区域)。因此，连续流体的流量降
低进入互连区域中，使得液滴低速产生(图12B)。这个构型是指基于调
频(FM)阀的流聚集。
为了研究由基于AM和FM阀的流动聚集所提供的控制，将液滴列
特性作为阀驱动的函数来测量。由于PDMS的弹性性质以及如图10中通
道直径作为AM构型的阀驱动压力的函数的线性趋势所示，因此膜的横
向位移对阀驱动压力是线性函数。同样在AM构型中，通道直径的降低
导致液滴直径的非线性降低，如图10中的非线性趋势所示。然而，对于
固定的驱动和通道尺寸，产生固定尺寸的单分散液滴，如图10中不同阀
的驱动的液滴尺寸分布所示。类似的，对于FM构型，阀的驱动提供对液
滴列的周期性的控制，一般趋势是随着连续通道变窄，液滴频率降低，但
是该控制的准确性低于AM装置。
在流动聚集交点处的流体动力学通过由通道几何构型所设定的边界
条件来管理，这可以通过阀的驱动来控制。另外，由于层流，因此流体改
变边界条件的响应时间非常快。这个组合提供对液滴列特性的实时控制，
并且有利于液滴操纵，尤其用于控制液滴的形成、有效控制液滴的路径和
同步或交错液滴的共流体流。
作为示范，将时变信号编码到AM和FM构型的液滴列中。将振动
的驱动压力施加到阀，并监测所得的液滴特性。对于AM构型，液滴直
径对通道直径的非线性相关导致编码信号的失真，如图11a中控制和编码
的信号的对比所示。然而，压力信号的时间改变作为液滴的调幅而被转移
到列中，如图11a中的两曲线的周期性响应所示。类似地，在FM构型中，
振动的阀驱动调制液滴列的频率，尽管精确性较低，如图14中曲线的响
应所示。
为定量该控制和编码信号之间的对应性，比较原始时间信号的自功率
谱图。对于AM流动聚集，通道直径和液滴直径的功率谱图互相跟踪至
约2Hz，说明低于2Hz的信号被高保真编码，在如图11中所示，并且
通过零延迟归一化的互关联值为0.87。对于FM构型，谱图互相追踪到仅
约0.2Hz的最大频率，以至于对于该构型只有最低频率被编码，如图14
中所示，并且较小零延迟归一化的互关联值为0.80。
虽然本文中描述和说明了本发明的若干实施方案，但本领域普通技术
人员将易于想到多种实现本文中所述功能和/或获得本文中所述结果和/或
一种或多种所述优点的其它措施和/或结构，各个此类变化和/或修改均被
视为在本发明的范围之内。更普遍地，本领域技术人员将易于理解本文中
所描述的所有参数、尺寸、材料和构造是示例性的，实际的参数、尺寸、
材料和/或构造将取决于使用本发明的教导的具体应用。本领域技术人员
会认识到或能仅用常规实验方法确定本文所述本发明的具体实施方案的
许多等价方案。因此，应理解前述实施方案仅是以示例方式给出的，在所
附的权利要求书及其等价物的范围内，本发明可以采取除了具体描述和要
求保护的方式之外的方式实施。本发明旨在提供本文中所述的各个特征、
系统、制品、材料、成套元件和/或方法。此外，两种或多种这类特征、
系统、制品、材料、成套元件和/或方法的组合也包括在本发明的范围之
内，如果这类特征、系统、制品、材料、成套元件和/或方法互不矛盾的
话。
本文中定义和使用的所有定义应理解为优先于字典的定义、通过引用
并入文件中的定义和/或所定义术语的通常含义。
除非有明确的相反指示，否则本说明书和权利要求书中没有限定数量
词应理解为指“至少一个”。
还应理解，除非有明确相反的指示，否则本文中要求保护的包含一个
以上步骤或行动的任何方法中，方法的步骤或行动的顺序不一定限于所给
的方法的步骤或行动的顺序。
在权利要求书和以上说明书中，所有过渡词语如“包含”、“包括”、“带
有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”、“包括”等均应理解为开放式的，
即指包括但不限于。仅过渡词语“由......组成”和“基本由......组成”分别对
应于封闭或半封闭式的过渡词语，如美国专利局专利审查程序手册第
2111.03部分中所规定的。
以下内容对应于母案申请的原始权利要求书：
1.一种微流体系统，包括：
具有上游部分和下游部分的输送通道；
在所述输送通道的下游并与所述输送通道在接口处流体连通的第一通
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体动力
学阻力；
包括控制通道的阀，所述控制通道与所述第一通道段相邻但不与所述
第一通道段流体连通；和
位于所述第一通道段和所述控制通道之间的膜，
其中所述控制通道构建和设置为使所述膜偏转，以导致所述第一通道
段的至少一部分收缩，并且
其中所述控制通道的至少一部分与所述第一通道段在同一水平面上。
2.项1所述的微流体系统，包括与所述输送通道的上游部分流体连通的
基本恒定的压力源。
3.项1所述的微流体系统，包括与所述输送通道的上游部分流体连通的
基本恒定的体积源。
4.项1所述的微流体系统，其中所述阀的驱动调节所述第一通道段的流
体动力学阻力，并且导致通过所述第一通道段和所述第二通道段的流体流
的相对量改变。
5.项1所述的微流体系统，其中所述阀的驱动调节所述第一通道段的流
体动力学阻力，但是并不导致通过所述第二通道段的流体流的量改变。
6.项1所述的微流体系统，其中所述膜具有小于约20微米的平均宽度。
7.项1所述的微流体系统，其中所述膜具有约10微米至约15微米的平
均宽度。
8.项1所述的微流体系统，其中所述控制通道的长度为所述第一通道段
的宽度的至少约10倍。
9.项1所述的微流体系统，其中所述控制通道的长度为至少约500微米。
10.项1所述的微流体系统，其中所述第一通道段具有至少2∶1的平均长
宽比。
11.项1所述的微流体系统，其中所述所述膜的杨氏模量为约250kPa至
约4000kPa。
12.项1所述的微流体系统，其中所述所述阀构建和设置为限制所述第一
通道段中的流体流，但不限制所述第二通道段中的流体流。
13.项1所述的微流体系统，包括第二阀，其构建和设置为限制所述第二
通道段中的流体流。
14.项1所述的微流体系统，其中基本上全部所述控制通道与所述第一通
道段在同一水平面上。
15.项1所述的微流体系统，其中用于形成所述膜的材料与用于形成所述
通道的材料相同。
16.项1所述的微流体系统，其中所述阀通过与所述控制通道流体连通的
压力源来驱动。
17.一种微流体系统，包括：
具有上游部分和下游部分的输送通道；
在所述输送通道的下游并与所述输送通道在接口处流体连通的第一通
道段和第二通道段；和
在所述接口的下游与所述第一通道段相关联的阀，所述阀能够改变所
述第一通道段中的流体动力学阻力，
其中所述第二通道段不包括能够改变其流体动力学阻力的阀，
其中所述阀的驱动调节所述第一通道段的流体动力学阻力，并且导致
通过所述第一通道段和所述第二通道段的流体流的相对量改变。
18.一种方法，包括：
提供微流体系统，所述微流体系统包括：输送通道、在所述输送通道
的下游并与所述输送通道在接口处流体连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体动力学阻力，其中所述微
流体系统还包括构建和设置为限制所述第一通道段中的流体流的阀；
使含有多个组分的流体在所述第一通道段中而不是在所述第二通道段
中流动，而不需要改变所述第一通道段或所述第二通道段的截面尺寸；
驱动所述阀，以使所述第一通道段的一部分收缩，和
在驱动所述阀的过程中，使所述多个组分在所述第二通道段中而不是
在所述第一通道段中流动。
19.项18所述的方法，包括限制所述第一通道段的长度，所述长度为所
述第一通道段的宽度的至少10倍。
20.项18所述的方法，其中所述第一通道段具有至少2∶1的长宽比。
21.项18所述的方法，其中驱动所述阀包括使所述第一通道部分的整个
截面收缩，使得基本上没有流体能够流过该收缩部分。
22.项18所述的方法，其中驱动所述阀包括使所述第一通道部分的一部
分而不是全部收缩，使得流体能够流过该收缩部分。
23.项18所述的方法，其中所述阀包括与所述第一通道段相邻并且不与
所述第一通道段流体连通的控制通道，并且驱动所述阀包括增加所述控制
通道中的压力。
24.项23所述的方法，其中所述微流体系统包括位于所述控制通道和所
述第一通道段之间的膜，其中驱动所述阀包括所述膜的偏转，导致所述第
一通道段的至少一部分收缩。
25.项23所述的方法，其中所述控制通道的至少一部分与所述第一通道
段在相同的水平面上。
26.项18所述的方法，其中使含有多个组分的所述流体在所述第一通道
段而不是在所述第二通道段中流动不包括驱动与所述第一通道段或所述
第二通道段相关联的阀。
27.一种方法，包括：
在使用过程中不需要改变微流体系统的通道的截面尺寸的情况下，在
微流体系统中产生一系列具有第一体积和含有目标流体的单个且基本均
匀的液滴，所述液滴被连续流体包围，和
改变所述微流体系统的通道的截面尺寸以产生具有与所述第一体积不
同的第二体积的含有目标流体的液滴。
28.项27所述的方法，包括产生所述第二体积的液滴的频率与产生所述
第一体积的液滴的频率相同。
29.项27所述的方法，包括产生所述第二体积的液滴的频率与产生所述
第一体积的液滴的频率不同。
30.项27所述的方法，包括在产生所述第一体积和所述第二体积的液滴
的过程中，施加基本恒定流量的所述目标流体和所述连续流体。
31.项27所述的方法，其中改变所述微流体系统的通道的截面包括改变
包含所述目标流体的目标流体通道的截面。
32.项27所述的方法，其中改变所述微流体系统的通道的截面包括改变
包含所述连续流体的连续流体通道的截面。
33.项27所述的方法，其中改变所述微流体系统的通道的截面包括改变
与目标流体通道和连续流体通道相交的互连区域相邻并在其下游的主通
道的截面。
34.项27所述的方法，其中所述目标流体包括液体。
35.项27所述的方法，其中所述目标流体包括气体。
36.项27所述的方法，其中所述连续流体和所述目标流体各自具有流量，
并且所述目标流体与所述连续流体的流量比小于1∶5。
37.项27所述的方法，还包括在所述微流体系统中引入载体流体和产生
包含所述目标流体和所述连续流体的液滴。
38.一种方法，包括：
在使用过程中无需改变微流体系统的通道的截面尺寸的情况下，在所
述微流体系统中以第一频率产生一系列的包含目标流体的单个且基本均
匀的液滴，所述液滴被连续流体包围；和
改变所述微流体系统的通道的截面尺寸以不同于所述第一频率的第二
频率产生包含所述目标流体的液滴。
39.项38所述的方法，其中以所述第一频率形成的液滴的体积与以所述
第二频率形成的液滴的体积相同。
40.项38所述的方法，其中以所述第一频率形成的液滴的体积与以所述
第二频率形成的液滴的体积不同。
41.项38所述的方法，包括在以所述第一频率和所述第二频率产生液滴
的过程中，施加基本恒定流量的所述目标流体和所述连续流体。
42.项38所述的方法，其中改变所述微流体系统的通道的截面包括改变
包含所述目标流体的目标流体通道的截面。
43.项38所述的方法，其中改变所述微流体系统的通道的截面包括改变
包含所述连续流体的连续流体通道的截面。
44.项38所述的方法，其中改变所述微流体系统的通道的截面包括改变
与所述目标流体通道和所述连续流体通道相交的互连区域相邻并在其下
游的主通道的截面。
45.一种方法，包括：
使目标流体在微流体系统的目标流体通道中流动；
使连续流体在所述微流体系统的一个或更多个连续流体通道中流动；
在所述目标流体通道和所述一个或更多个连续流体通道相交的互连区
域处，使所述连续流体包围所述目标流体的至少一部分；
使所述连续流体在所述互连区域下游的主通道中流动；
在无需改变所述目标流体通道、所述一个或更多个连续流体通道或所
述主通道的截面尺寸的情况下，形成包含位于所述连续流体中的所述目标
流体的第一液滴，所述第一液滴具有第一体积；
改变在所述互连区域处或附近的通道部分的截面尺寸，和
形成包含所述目标流体的第二液滴，所述第二液滴具有与所述第一体
积不同的第二体积。
46.项45所述的方法，包括产生多个第一液滴和多个第二液滴，其中产
生所述第一液滴的频率与产生所述第二液滴的频率相同。
47.项45所述的方法，包括产生多个第一液滴和多个第二液滴，其中产
生所述第一液滴的频率与产生所述第二液滴的频率不同。
48.项45所述的方法，包括在产生所述第一和第二液滴的过程中施加基
本恒定流量的所述目标流体和所述连续流体。
49.项45所述的方法，其中改变所述微流体系统的通道的截面包括改变
所述目标流体通道的截面。
50.项45所述的方法，其中改变通道部分的截面包括改变所述连续流体
通道的截面。
51.项45所述的方法，其中改变通道部分的截面包括改变所述主通道的
截面。
52.项45所述的方法，其中改变通道部分的截面包括改变所述互连区域
的截面。
53.项45所述的方法，其中所述目标流体包括液体。
54.项45所述的方法，其中所述目标流体包括气体。
55.项45所述的方法，还包括在所述目标流体和所述连续流体之间引入
的中间流体，并且产生所述目标流体的不连续部分，每个部分被中间流体
外壳包围。
56.一种微流体装置，包括：
目标流体通道；
一个或更多个连续流体通道；
所述目标流体通道与所述一个或更多个连续流体通道相交的互连区
域，其中所述目标流体通道、所述一个或更多个连续流体通道和所述互连
区域构建和设置为能够形成由所述目标流体通道提供的目标流体位于由
所述一个或更多个连续流体通道提供的连续流体中的液滴，而无需改变所
述目标流体通道、所述一个或更多个连续流体通道或所述互连区域的截面
尺寸；
与所述互连区域相邻并在其下游的主通道；和
一个或更多个阀，其构建和设置为改变所述目标流体通道、所述一个
或更多个连续流体通道、所述互连区域和/或所述主通道的截面尺寸，由
此能够基于所述一个或更多个阀的位置而产生不同尺寸的目标流体的液
滴。
57.项56所述的微流体装置，其中所述互连区域具有小于约500微米的
最大截面尺寸。
58.项56所述的微流体装置，包括至少两个连续流体通道。
59.项56所述的微流体装置，其中所述阀包括与所述目标流体通道相邻
但不与所述目标流体通道流体连通的控制通道。
60.项56所述的微流体装置，其中所述阀包括与所述连续流体通道相邻
但不与所述连续流体通道流体连通的控制通道。
61.项56所述的微流体装置，其中所述阀包括与所述主通道相邻但不与
所述主通道流体连通的控制通道。
62.项56所述的微流体装置，其中所述阀包括与所述互连区域相邻但不
与所述互连区域流体连通的控制通道。
63.项56所述的微流体装置，包括位于所述微流体系统的部分通道和所
述控制通道之间的膜，其中所述控制通道构建和设置为使所述膜偏转以导
致所述部分通道的收缩。
64.项56所述的微流体装置，其中所述阀包括控制通道，其中所述控制
通道的至少一部分与所述目标流体通道或所述一个或更多个连续流体通
道在同一水平面上。
65.项56所述的微流体装置，其中所述阀包括控制通道，并且所述阀的
驱动包括增加所述控制通道中的压力。