CN101160173B - 在基于微滴的流体输送过程中避免反弹和飞溅 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于流体输送的系统，其中一些流体保存在存储槽中。使用微滴发生器以从流体中产生微滴，例如像声喷射系统这样的基于喷嘴的系统或无喷嘴的系统。所产生的微滴具有一轨迹，由此它到达目标。使用一种电路以增大该微滴到达目标时不飞溅或反弹几率的方式来改变所产生微滴的一种或多种特征。该电路可以在不同实施方式中控制微滴的速度或微滴的韦伯数。该电路可以在微滴穿过的空间区域中产生电场。该电路可以通过使微滴接触离子从而使该微滴带电。

Description

在基于微滴的流体输送过程中避免反弹和飞溅
技术领域
本发明一般涉及用于输送流体的系统和方法，尤其涉及用于输送像微滴这样的流体的系统和方法。
背景技术
在制药、生物技术、医疗和其它行业中存在这样一种需求，期望能够迅速筛选、识别和/或处理大量或各类流体。于是，人们将许多注意力都集中在如何开发出有效、精密且准确的流体处理方法。例如，已将自动化的机器人系统与精密配准技术结合使用，以通过自动化的采集-放置(吸入-吐出)流体处理系统来分配试剂。相似的是，人们已对适配打印技术特别是喷墨打印技术付出了一些努力，以形成生物分子阵列。例如，Baldeschwieler等人的美国专利6,015,880涉及利用了原位合成过程中的多个步骤的阵列准备过程。这种合成可能包括利用喷墨技术将含试剂的微滴分配到一个为允许试剂共价附着而经化学制备的表面上的一位置。
在选择流体输送系统时有许多权衡。例如，目前所使用的大多数流体处理系统都要求待传递的流体与传递设备的相关固体表面之间必须建立接触。这种接触通常都会引起表面沾湿从而不可避免地浪费了待传递的流体，当待传递的流体很稀有和/或很昂贵时，这一缺点的影响就更加明显。当利用管子或其它流体输送管道构建流体输送系统时，可能会有气泡进入或者可能有微粒堵在上述管道中。普通喷墨打印头的喷嘴也容易堵塞，尤其是在高温下喷射含大分子的流体时更是如此，这一情形常常与此类技术相关。其结果是，普通流体输送技术可能产生大小不恰当或失去方向的微滴。
大量的专利已描述了使用聚焦声辐射的方法来分配像墨水和试剂这样的流体。例如，Lovelady等人的美国专利4,308,547描述了一种液滴发射器，它利用声学原理将液体中的微滴喷射到正移动的文档上从而形成字符或条形码。一种无喷嘴的打印装置得以使用，使得墨表面处或其下方的弯曲转换器所产生的声学力推动着受控的墨滴。相似的是，Ellson等人的美国专利申请20020037579描述了一种朝着基板表面上多个分散的位置声喷射大量的流体微滴以便于在基板表面上进行沉积的设备。Williams的美国专利申请公开20020094582描述了使用聚焦声学技术的许多技术。与喷墨打印设备相比，聚焦声辐射可以用于实现无喷嘴流体喷射，并且使用聚焦声辐射的设备通常不容易堵塞且不容易有相关的缺点(比如失去方向的流体或大小不恰当的微滴)。
因为制药、生物技术和其它科学产业所使用的流体可能很稀有和/或很昂贵，所以能够处理少量流体的技术与那些需要较大量的技术相比具有很多明显的优势。通常，组合方法中所使用的流体都是作为有机和/或生物化合物的收集物或储存库而予以提供的。在许多情况下，使用网板(well plate)来存储大量的流体以便于筛选和/或处理。网板通常是单片构造且包括许多完全一样的孔，其中每一个孔适于包含少量的流体。这种网板是标准尺寸的商品化网板，并且每个板可以包含96、384、1536或3456个孔。
流体微滴的输送可以对准针对现有的流体体积。例如，在使用离散微滴的任何流体输送系统中，可能希望使用大量的小微滴来输送该流体，而不是使用单个较大的微滴。第一个微滴之后的每一个微滴将潜在地影响现有的流体体积。
当流体微滴对准现有的流体体积时，总期望该微滴能与该现有体积聚并在一起。若没有聚并在一起，则微滴可能会反弹或飞溅，这都是不期望看到的。当微滴对准固体目标时，也不希望有反弹和飞溅。例如，上述目标可能是网板，其中根据所使用的传递协议应该将微滴全部置于一个已标识的单个孔中，而飞溅可能使该微滴中的一部分流体落入一个不同的孔中。
观察到当微滴遇到固体或现有流体体积时会发生反弹这一现象已经有许多年了。人们相信，该现象并非简单地涉及微滴与固体或流体体积，还涉及微滴和固体或体积之间的空气缓冲。基于常规流体参数(比如粘度和表面张力)来精确预计何时会出现微滴反弹和飞溅的这一期望通常不在计算流体力学所能处理的范围之内，所以在对涉及微滴反弹和飞溅的问题做分析时经验调查是一种较佳的方法。在M.Orme的“Experiments on Droplet Collisions，Bounce，Coalescence and Disruption，”(Progress in Energy and Combustion Science，vol.23，第65-79页，1997)中，可以找到某些经验调查的总结，其中包含了许多参考文献。
发明内容
总得来说，本发明是一种用于流体输送的系统。在存储槽(reservoir)中保存了一些流体。使用微滴发生器(比如基于喷嘴的系统或像声喷射系统这样的无喷嘴系统)从该流体中产生微滴。为了产生微滴，该微滴发生器可能与该流体发生接触或者可能不发生接触。为了能够从不止一个存储槽中进行喷射，可以将微滴发生器设置成从一个存储槽移动到另一个存储槽。在普通的安排下，许多存储槽形成整体结构的一部分(比如基板)，并且合适的机械或电动机械系统可能在计算机控制下使该结构相对于微滴发生器移动到合适位置。
微滴发生器受到控制器的控制，最好通过某些通信系统以电子方式连接着计算机。微滴在生成之后就到达目标，该目标可能是将要被微滴涂敷的网板、多孔或非多孔的表面、基板或结构。电路控制着所产生的微滴的一个或多个特征，从而增大该微滴在到达目标时不飞溅或反弹的几率。该电路可以受到上述控制器的控制，或者可以形成该控制器中的一部分。该目标可能已具有一些流体，并且该微滴可能与那些流体聚并在一起。
在某些较佳实施方式中，上述用于控制一个或多个特征的电路可以控制微滴到达目标时的速度。该速度可以被控制在较佳的范围中。在另一个实施方式中，上述控制电路可以控制微滴的韦伯数(Weber number)。这样，该电路便可以控制微滴的直径或其速度或两者都能控制。在另一个较佳实施方式中，该电路可以在微滴穿过的空间区域中提供电场。该电场可能导致微滴的极化或带电。在另一个较佳实施方式中，该电路可以通过使微滴接触各种离子而使其带电。
本发明还包括流体的输送方法。在这些方法中，微滴是从存储槽中的一些流体中产生的。控制微滴的轨迹，使得它到达目标。控制所产生的微滴的一个或多个特征，以便增大在微滴到达目标时不发生飞溅或反弹的几率
附图说明
下文参照附图对本发明进行详细描述，其中在若干个附图中相同的标号指代相应的结构。
图1A和1B(统称为图1)在简化横截面图中示意性地示出了在基板表面上制备多个特征的过程中聚焦声喷射设备的操作过程。图1A示出了声耦合着第一存储槽并且已被激活的声喷射器，以便使来自存储槽内的流体的第一微滴朝着基板表面上的特定位置喷射。图1B示出了声耦合着第二存储槽并且已被激活声喷射器，以便喷射来自第二存储槽内的流体的第二微滴。
图2以横截面示意图的方式示出了由基板表面上的大量流体的流体微滴被喷入毛细管末端处的入口的过程。
图3描绘了微滴利用微滴接近方向上的电场接近目标。
图4描绘了本发明的典型电路。
图5A-5C示出了通过控制声喷射系统中的声能所能实现的速度控制。
图6A-6C示出了对于70％DMSO/30％水而言微滴速度对微滴聚并的几率的影响。
具体实施方式
在对本发明进行详细描述之前，应该理解，本发明并不限于特定的流体、生物分子、或设备结构，因为这些都可以改变。还应该理解，本文所用的术语仅用于描述特定的实施方式，而并不具有限制性。
应该注意到，在本说明书和所附权利要求书中，单数形式包括单数和复数的意思，除非上下文明确指出并非如此。由此，例如，提到“存储槽”时不仅包括多个存储槽还包括单个存储槽，提到“微滴”时不仅包括多个微滴还包括单个微滴。
在描述本发明以及根据权利要求提出主张时，将根据下文所阐明的定义来使用下面这些术语。
在本文中，术语“声耦合”是指这样一种状态，即一物体被置于与另一物体直接或间接接触以便允许在这两个物体之间传递声辐射(acoustic radiation)而没有相当大的声能损耗。当两个物品间接声耦合时，需要“声耦合介质”来提供一种可供声辐射传输的中间物。由此，为了使喷射器所产生的声辐射通过声耦合介质传递到流体，可以通过将喷射器沉浸在流体中或者在喷射器和流体之间插入声耦合介质从而使喷射器声耦合着该流体。
在本文中，术语“阵列”是指各种特征的二维排列方式，比如存储槽(即，网板中的孔)的排列方式或基板表面上不同部分(moiety)的排列方式(就像在寡核苷酸或缩氨酸阵列中那样)，这些不同部分包括离子的、金属的、或共价结晶的(比如分子结晶的、合成的、陶瓷的、玻璃状的、无定形的、流体的、或分子的)材料。阵列通常由一些规则的有序特征构成，比如就像在直线栅格、平行条纹、螺旋形等中那样，但是也可以使用不规则的阵列。特别是，在本文中，术语“直线形阵列”是指一种具有多行和多列特征的阵列，其中这些行与列通常(但并不必然如此)以90度角彼此相交。阵列与更常见的术语“图形”的区别在于，图形并不必然地包含有序且规则的特征。阵列通常(但并不必然如此)包括至少大约4-10,000,000个特征，通常都在大约4-1,000,000个特征的范围中。
在本文中，可交替使用的术语“生物分子”和“生物学的分子”是指任何是、曾是、或可以是活体生物的一部分的有机分子，而不管该分子的整体或部分是自然出现的、重组产生的、还是化学合成的。例如，这些术语包括：核苷酸、氨基酸和单糖以及低聚物、聚合形态(polymeric species)，比如寡核苷酸和多核苷酸；缩氨酸分子，比如寡肽、多肽和蛋白质；糖类，比如二糖、寡糖、多糖和粘多糖或肽聚糖(缩氨酸-多糖(peptido-polysaccharides))等等。这些术语还包括核糖体、酶辅因子、药理学活性剂等。涉及术语“生物分子”的附加信息可以在Ellson等人的美国专利申请公报20020037579中找到。
在本文中，术语“毛细管”是指一种具有小尺寸的孔的导管。通常，用于电泳的毛细管是独立式的管子，其内直径介于大约50-250μm的范围中。集成到其它器件的、具有极小的孔的毛细管(比如用于装填微流体器件的微通道的开口)可以小到1μm，但通常这些毛细管开口都介于大约10-100μm的范围中。在传递到电镀型质谱仪中的质量分析器的情况下，毛细管的内直径可以介于大约0.1-3mm的范围中，最好介于0.5-1mm的范围中。在一些情况下，毛细管可以代表微流体器件的一部分。在这种情况下，毛细管可能是微流体器件整体的一部分或是其附带(永久性地或可拆卸地附带)的一部分。
在本文中，术语“流体”是指非固体或至少部分气态和/或液态但不是全部气态的物质。流体可以包含最低程度地、局部地、或完全地溶剂化的、分散的、或悬浮的固体。流体的示例包括但不限于水溶性液体(包括本身只有水以及盐水)以及非水溶性液体(比如有机溶剂等)。在本文中，术语“流体”与“墨水”不同义，因为墨水必须包含着色剂并且不可能是气态的。
术语“聚焦装置”和“声聚焦装置”是指一种使声波会聚在焦点处的装置，该装置使用与声能源分开的、像光学透镜那样起作用的器件或者使用一种声能源的空间排列方式以通过相长和相消干涉来实现声能在焦点处的会聚。聚焦装置可以简单地是一种具有曲面的固体构件，或者它可以包括像菲涅耳透镜中那些结构那样的复杂结构，这些复杂结构使用衍射来引导声辐射。合适的聚焦装置还包括本领域已知的相控阵方法，比如Nakayasu等人的美国专利5,798,779以及Amemiya等人在“Proceedings of the 1997 IS&T NIP13 InternationalConference on Digital Printing Technologies”第698-702页都描述了这种方法。发明人Ellson和Mutz在2002年1月30日提交的题为“Acoustic SampleIntroduction for Analysis and/or Processing”的美国专利申请10/066,546提供了关于声聚焦的其它信息。
在本文中，可交替使用的术语“库”和“组合库”是指按图形或阵列排列的多个化学或生物部分，这些部分是可单独寻址的。在一些情况下，多个化学或生物部分存在于基板的表面上，并且在其它情况下多个部分代表了多个存储槽的内容。较佳地，但并非必然地，每一部分都与其它部分不相同。例如，这些部分可以是缩氨酸分子(peptidic molecule)和/或寡核苷酸。
开口的“有限尺寸”是指一球体可穿过开口而不变形的理论上的最大直径。例如，圆形开口的有限尺寸是该开口的直径。作为另一个示例，矩形开口的有限尺寸是该矩形开口的短边长度。该开口可以存在于任何固体上，包括但不限于样品容器、基板、毛细管、微流体器件以及电离腔。根据开口的目的，开口可以代表入口和/或出口。
术语“部分(moiety)”是指任何特定的物质组成，例如分子片段、原封不动的分子(包括单体分子、寡聚分子、或聚合物)、或材料的混合物(例如合金或层压材料)。
术语“附近”在用于表示从聚焦声辐射的焦点到从中喷射出微滴的流体的表面时，是指引向流体的聚焦声辐射能使微滴从液体表面喷射出来这样一种距离，本领域的技术人员将能够直截了当地利用例行实验针对任何给定的流体选择合适的距离。然而，通常，声辐射的焦点与流体表面之间的合适距离是流体中的声速波长的约1-15倍的范围中，更普遍的是，在该波长的约1-10倍的范围中，最好是在该波长的约1-5倍的范围中。
“任选的”或“任选地”是指随后描述的情况可能发生也可能不发生，所以该描述包括该情况发生的实例，也包括该情况不发生的实例。
术语“辐射”使用其普通的含义，并且是指能量以波扰动的方式进行发射和传播，该波扰动穿过介质使得能量从该介质的一个粒子传递到另一个粒子而不对介质本身造成任何永久性位移。由此，辐射可以是指电磁波以及声振动。
相应地，术语“声辐射”和“声能”在本文中可交替使用，并且是指能量以声波的方式进行发射和传播。就像其它波那样，声辐射也可以用聚焦装置进行聚焦，下文会进一步讨论。尽管声辐射可以具有单个频率和相关的波长，但是声辐射也可能采用含多个频率的线性啁啾的形式。由此，术语“特征波长”用于描述具有多个频率声辐射的平均波长。
术语“存储槽”是指用于包含流体的容器或腔室。在一些情况下，存储槽中所包含的流体将具有自由表面，比如允许从中反射声辐射的表面、或可从中以声学方式喷射出微滴的表面。存储槽也可以是基板表面上含流体的位置。
术语“基板”是指可在其表面上沉积一种或多种流体的任何材料。该基板可以许多形式来构造，比如晶片、滑片(slide)、网板、或膜。另外，该基板可以按沉积特定流体所要求的那样是多孔的或非多孔的。合适的基板材料包括但不限于那些通常用于固相化学合成的载体，比如聚合材料(例如，聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚碳酸酯以及二乙烯基苯苯乙烯基聚合物)、琼脂糖(例如，Sepharose)、右旋糖苷(例如，Sephadex
Figure 2006800129374_1
)、纤维素的聚合物和其它多糖、二氧化硅和基于二氧化硅的材料、玻璃(特别受控的微孔玻璃或“CPG”)和功能化的玻璃、陶瓷、以及处理成带有表面涂层的这种基板，例如这些表面涂层是多微孔的聚合物(特别是纤维素的聚合物，比如硝化纤维)、多微孔的金属化合物(特别是多微孔的铝)、抗体结合蛋白质(可从伊利诺斯州Rockford市的Pierce Chemical公司买得)等等。在Ellson等人的美国专利申请公报200200377579中可以找到关于术语“基板”的其它信息。
例如，在短语“基本上不偏离预定的量”中，术语“基本上”是指与预定体积相比其偏离不多于约25％的体积，10％较佳，5％更佳，至多20％则最佳。术语“实际上”的其它使用情况包括类似的定义。
术语“样品容器”是指任何具有进行样品处理和/或分析的结构的凹陷容器。由此，样品容器具有入口，可通过该入口引入样品；样品容器还可以具有任选的(但较佳的)出口，经处理或分析的样品可以从该出口出来。
本发明可以与任何类型的流体分配器一起使用，该流体分配器用于分配来自存储槽的流体的一个或多个微滴。本领域已知的任何流体微滴分配技术都可以与本发明结合在一起使用。例如，本发明可以与下列分配器一起使用：喷墨打印头(热式的和压电的)，移液管，毛细管，鸣管，活塞泵，旋转式泵，蠕动泵，真空设备，柔性或刚性管子，阀，多支管，加压气罐，以及它们的组合。尽管可以使用非声学技术分配来自存储槽的流体，但是本发明特别适合与那些利用声喷射器所产生的聚焦声辐射的无喷嘴声喷射技术一起使用，Ellson等人的美国专利申请公报20020037579对此有描述。该公报阐明了喷射器可以声耦合着含流体的存储槽以便从中喷射出微滴。在一些情况下，存储槽可以是网板中的孔。因为这种器件结构允许从孔的底部附近喷射出微滴，所以孔中任何位置(比如底部或侧壁)的不可控制的静电荷可能对这些微滴的体积和/或轨迹有强烈的影响。
由于声喷射提供了许多优于其它流体分配技术的优点，所以本发明的一些实施方式使用了一种以声学方式喷射来自存储槽的流体的微滴的设备。该设备包括：存储槽，适于包含流体；喷射器，用于喷射来自存储槽的微滴；以及用于将喷射器定位成与存储槽声耦合的装置。喷射器包括：声辐射发生器，用于产生声辐射；以及聚焦装置，用于聚焦由发生器产生的声辐射。如Ellson等人的美国专利申请公报20020037579所描述的那样，将声辐射聚焦到存储槽内的焦点处并且十分接近流体表面，以从中喷射出微滴。此外，提供了一种用于减少该设备或其一部分上的任何不可控制的静电荷的装置，这种静电荷会改变从存储槽中喷射出的微滴的体积和/或轨迹。结果，喷射出的微滴的体积和/或轨迹基本上不偏离预定的体积和/或预定的轨迹。
该设备可以构造成包括存储槽，并且该存储槽与该设备结合成一体或作为该设备的永久附着的组件。然而，为了实现组件的模块性和可替换性，该设备最好构造成具有可拆卸的存储槽。任选地，提供了多个存储槽。通常，这些存储槽排列成图形或阵列以使每一个存储槽都具有单独的系统可寻址性。另外，尽管每一个存储槽可能是作为分立的或独立的物品而予以提供的，但是在需要大量存储槽的情况下，最好使存储槽彼此附着在一起或代表单个存储槽单元的综合部分。例如，存储槽可以代表网板中的单独的孔。
许多适合与上述设备一起使用的网板都是可以买得的，并且每个网板可以包含96、384、1536或3456个孔，它们具有完整的边缘、半个边缘、或没有边缘。这种网板的孔通常形成直线形阵列。所采用的设备中适用的网板的制造商包括Corning公司(Corning，New York)和Greiner America公司(Lake Mary，Florida)。然而，这些可买得的网板并不排除制造和使用含至少约10,000个孔或多达100,000-500,000个孔甚至更多孔的定制式网板。定制式网板中的孔可以形成直线形或其它类型的阵列。随着网板已变为常用的实验室物品，生物分子筛选学会(Danbury，Connecticut)已组建了微板标准开发委员会以推荐并主张一些标准从而促进小体积网板的自动化处理，这些标准都是为了美国国家标准协会的利益并且已为该协会接受。
此外，用于构造存储槽的材料必须与其中所包含的流体兼容。由此，如果存储槽将要包含有机溶剂(比如乙腈)，则在乙腈中溶解或膨胀的聚合物将不适合用于构成存储槽或网板。相似的是，预期用于包含DMSO的存储槽或孔必须与DMSO兼容。对于水基流体，许多材料都适合用于构造存储槽，包括但不限于陶瓷(比如氧化硅和氧化铝)、金属(比如不锈钢和铂)以及聚合物(比如聚酯和聚四氟乙烯)。对于感光的流体，存储槽可以由不透光材料构成，该材料具有足够大的透声性从而基本上不削弱该设备的功能。由此，存储槽可以适合于包含任何类型的流体，金属或非金属的、有机的或无机的。
当使用多个存储槽时，声辐射发生器可能在操作期间必须与每一个存储槽对准，下文对此进行描述。为了减小使发生器接连与每一个存储槽对准所需的移动量和时间，每一个存储槽的中心最好定位成与相邻存储槽中心的距离不多于约1厘米，不多于约1.5毫米较佳，不多于约1毫米尤佳，不多于约0.5毫米则最佳。这些尺寸往往将存储槽的大小限制到最大体积。存储槽被构造成通常包含不多于约1mL的流体，不多于约100μL较佳，不多于约10μL更佳，不多于约1μL极佳，而不多于约1nL则最佳。存储槽可以由流体完全或部分地填充。例如，流体可能占据约10pL～100nL的体积。
当提供存储槽的阵列时，每一个存储槽可以单独地、有效地且系统地寻址。尽管任何类型的阵列都可以使用，但是均匀间隔的存储槽构成的平行的多行阵列是较佳的。通常，尽管不是必然，每一行都包含相同数目的存储槽。最佳地，本发明使用由X行和Y列的存储槽构成的直线形阵列，其中X和Y分别至少是2。在一些情况下，X可以大于、等于或小于Y。另外，还可以使用非直线形阵列以及其它几何形状。例如，可以使用六边形、螺旋形或其它类型的阵列。在一些情况下，本发明可以使用排列成不规则图案的存储槽，例如，微滴随机定位于平的基板表面上。另外，本发明可以使用与微流体设备相关联的存储槽。
此外，本发明可用于输送几乎任何类型和任何期望数量的流体。该流体可以是水溶性的或非水溶性的。流体的示例包括但不限于：水溶性的流体，包括本身只有水以及水溶剂化的离子和非离子溶液；有机溶剂；油脂性液体；不融合流体的悬浮液；以及固体在液体中的悬浮液或浆液。因为本发明很容易适用于高温，所以像流体金属、陶瓷材料和玻璃等流体都可以使用，美国专利申请公报20020140118对此有描述。在一些情况下，存储槽可以包含生物分子、核苷酸、缩氨酸等。另外，本发明可以与用于分配不融合流体的微滴的分配器结合起来使用，美国专利申请公报2002037375和20020155231对此有描述，或者本发明可以用于分配含药剂的微滴，美国专利申请公报20020142049和美国专利申请10/244,128(发明人是Lee，Ellson和Williams，题为“Precipitation ofSolid Particles from Droplets Formed Using Focused Acoustic Energy”，提交日是2002年9月13日)对此有描述。
任何聚焦装置都可以用于聚焦声辐射以便喷射出来自存储槽的微滴。例如，一个或多个曲面可以用于将声辐射引导至流体表面附近的焦点处。Lovelady等人的美国专利4,308,547描述了一种这样的技术。具有曲面的聚焦装置已并入可买得到的声学换能器(比如由Panametrics Inc.(Waltham，Massachusetts)制造的那些换能器)的构造之中。另外，在本领域中，已知菲涅耳透镜用于在离物平面预定的焦距处引导声能。参照Quate等人的美国专利5,041,849。菲涅耳透镜可以具有一种径向相位分布，它将相当大的一部分声能分散到不同衍射角处的预定的衍射级，这些衍射角相对于透镜径向地变化。应该选择衍射角以便在期望的物平面上聚焦上述衍射级内的声能。应该注意到，本发明可以使用呈现出各种F值的声聚焦装置。然而，如Stearns等人的美国专利6,416,164所讨论的那样，低F值聚焦对存储槽和流体深度作了许多限制并且提供了相对有限的焦深，从而增大了对存储槽中流体深度的灵敏度。由此，本发明所适用的聚焦装置通常呈现出一个至少约为1的F值。较佳地，聚焦装置呈现出至少约为2的F值。
有许多种方式可将喷射器声耦合着存储槽并由此再耦合着其中的流体。一种这样的方法是通过直接接触，就像Lovelady等人的美国专利4,308,547所描述的那样，其中由具有分段电极的半球形晶体构成的聚焦装置浸没在待喷射的液体中。上述专利还揭示了该聚焦装置可以定位于流体的表面处或者其下方。然而，当使用喷射器来喷射多个容器或存储槽中的不同流体时，上述这种将聚焦装置声耦合着流体的方法便是不合适的，因为为了避免交叉污染需要对该聚焦装置进行不断地清洗。清洗过程将必然延长在每一次微滴喷射事件之间的过渡时间。另外，在这种方法中，当从每一个容器中取出喷射器时流体将附着于喷射器上，从而浪费了可能很昂贵或很稀有的材料。
由此，一种较佳方法是使喷射器声耦合着存储槽，同时待喷射的流体不接触该喷射器的任何部分(比如聚焦装置)。当使用多个存储槽时，提供了一种用于定位喷射器的定位装置，以使喷射器以受控的和可重复的方式与存储槽中的每一种流体声相耦合而并不浸没于其中。这通常包括在喷射器和每一个存储槽的外表面之间的直接或间接接触。当使用直接接触以使喷射器声耦合着每一个存储槽时，直接接触最好是完全共形的以确保有效的声能传递。即，喷射器和存储槽应该具有适于配对接触的相应表面。由此，如果通过聚焦装置在喷射器和存储槽之间实现声耦合，则期望存储槽的外表面对应于聚焦装置的表面轮廓。在没有共形接触的情况下，声能传递的效率和准确度可能有所折衷。另外，因为许多聚焦装置都具有曲面，所以直接接触方法可能必须使用具有特别形成的反面的存储槽。
当喷射器与存储槽间接接触时，可以在存储槽和喷射器之间插入声耦合介质。通常，声耦合介质是流体。另外，声耦合介质最好是声均匀材料，它基本上不含具有与流体介质自身不同的声学特性的材料。此外，声耦合介质最好由这样一种材料构成，即该材料的声学特性有利于声辐射的传输而不会使声压和声强显著衰减。此外，该耦合介质的声阻抗应该有利于能量从耦合介质传递到存储槽。水溶性流体(比如水本身)可以用作声耦合介质。有时候可将离子添加剂(例如盐)添加到上述耦合介质中以增大该耦合介质的导电性。
单个喷射器是较佳的，尽管声喷射系统可以包括多个喷射器。当使用单个喷射器时，用于定位喷射器的装置可以适用于提供喷射器和存储槽之间的相对移动。该定位装置应该允许该喷射器以一种受控方式从一个存储槽迅速移动到另一个存储槽，由此允许对存储槽进行快速且受控的扫描从而实现从中喷射出微滴。由此，各种用于使喷射器定位成声耦合着存储槽的装置通常都是本领域中已知的，并且所包括的设备能提供具有1、2、3、4、5、6或更多度自由的移动。相应地，当提供多行存储槽时，声辐射发生器与存储槽之间的相对移动可以使声辐射发生器在沿多个行的方向上位移。相似的是，当提供了直线形阵列的存储槽时，喷射器可以按行移动和/或在同时垂直于行和列的方向上移动。
目前的定位技术允许喷射器定位装置以一种受控方式从一个存储槽迅速移动到另一个存储槽，由此允许迅速且受控地喷射出不同的流体样品。即，目前可买到的技术允许喷射器从一个存储槽移动到另一个存储槽同时在每一个存储槽处可重复地且受控地进行声耦合，对于高性能定位装置而言每一次的移动和声耦合所用的时间不到0.1秒，对于普通定位装置而言则不到1秒。定制设计的系统将在不到0.001秒的时间内允许喷射器从一个存储槽移动到另一个存储槽同时进行可重复的且受控的声耦合。
声喷射也能够从一个或多个存储槽中喷射出微滴，假定微滴尺寸不超过直径约10μm，则从相同的存储槽中每分钟能喷射出至少约1,000,000个微滴，从不同的存储槽中每分钟能喷射出至少约100,000个微滴。本领域的技术人员将认识到，微滴产生速度是微滴尺寸、粘度、表面张力和其它流体特性的函数。通常，微滴产生速度随微滴直径减小而增大，对于直径约10μm以下的大多数水溶性流体微滴，可实现每分钟1,000,000个微滴。
在期望或必需精确放置流体微滴的任何情况下，都可以使用声喷射。特别是，本发明可用于提高与无喷嘴声喷射相关联的准确度和精度。例如，Ellson等人的美国专利申请公报20020037579描述了声喷射技术可以用于形成生物分子阵列。相似的是，声喷射技术可以用于按特定形式来安排多种流体，例如，将来自奇怪尺寸的体容器的流体传递到标准化网板的孔，或者将来自一个网板的流体传递到另一个网板。此外，如Ellson等人的美国专利申请公报20020109084和20020125424中所描述的那样，聚焦的声辐射可以用于将来自存储槽的流体微滴喷射到任何样品容器中以便于处理和/或分析样本分子，例如，将其喷射到质谱仪的样品引入接口、用于进入毛细管内部区域的入口开口、或微流体器件的入口端口。相似的是，本发明可用于输送样品表面上的分析-增强流体的微滴，以便制备用于分析(例如，用于MALDI或SELDI型分析)的样本。
为了在基板表面上制备阵列，必须将该基板置于与存储槽形成微滴-接收关系。由此，本发明也可以使用用于定位该基板的定位装置。关于基板定位装置和喷射器定位装置，重要的是要记住有两种基本的移动类型：脉冲的和连续的。对于喷射器定位装置，脉冲移动包括使喷射器移动到恰当的位置、发射声能以及使喷射器移动到下一个位置等分散的步骤；使用该方法的高性能定位装置允许在每一个存储槽处以不到0.1秒的时间进行可重复的且受控的声耦合。另一方面，连续的移动设计连续地移动喷射器和存储槽，尽管不必以相同的速度进行，并且在移动期间提供了喷射。因为脉冲宽度非常短，所以这种类型的处理过程能够实现超过10Hz的存储槽传递，甚至能够实现超过1000Hz的存储槽传递。相似的工程技术考虑可应用于基板定位装置。
根据上文，很明显，根据手边特定的预期任务，可以改变各种组件的相对位置和空间定向。在这种情况下，上述设备的各种组件可能要求单独的控制或同步以将微滴引导至基板表面上的指定位置。例如，喷射器定位装置可以适于按照与基板表面上指定位置的阵列相关联的预定顺序来喷射来自每一个存储槽的微滴。本发明的任何定位装置都可以由杠杆、滑轮、齿轮、它们的组合、或本领域普通技术人员已知的任何机械装置等来构造。
图1以简化横截面的方式图示出了适用于本发明的一种典型的聚焦声喷射设备。就像此处所参照的所有附图那样，图1并不按比例绘制，为了清晰地表现可能夸大了某些尺寸，在这些附图中相同的部分用相同的标号来表示。设备11包括多个存储槽即至少两个存储槽，第一存储槽用13来表示，第二存储槽用15来表示。每一个存储槽包含两种或更多种相互不溶的流体，并且不同存储槽中的单个流体和流体组合可能是相同的也可能是不同的。如图所示，存储槽13包含流体14，存储槽15包含流体16。流体14和16具有分别用17和19来表示的流体表面。如图所示，这些存储槽具有基本上完全一样的构造以便基本上无法以声学方式区分，但是完全一样的构造并不是必需的。图中示出的存储槽是单独可拆卸的组件，但若需要的话也可以固定在板或其它基板之内。每一个存储槽13、15都是轴对称的，垂直的臂21和23分别从圆形存储槽底25和27向上延伸并且终止于开口29和31处，当然其它存储槽形状也是可以使用的。每一个存储槽底部的材料和厚度应该使得声辐射能够穿透它并且进入存储槽内所包含的流体。
该设备还包括声喷射器33，它包括用于产生声辐射的声辐射发生器3 5以及用于将声辐射聚焦到将要从中喷射出微滴的流体表面附近的焦点处的聚焦装置37，其中选择焦点以便产生微滴喷射。该焦点可以在上流体层或下流体层中，但最好刚刚位于两者之间的界面下方。如图1所示，聚焦装置37可以包括一种具有凹面39以便聚焦声辐射的单个固体块，但是该聚焦装置也可以像下文所述那样以其它方式来构造。声喷射器33由此适于产生并聚焦声辐射以便当耦合着存储槽13和15时从流体表面17和19处喷射出流体的微滴。声辐射发生器35和聚焦装置37可以充当由单个控制器控制的单个单元，或者可能根据该设备的预期性能对它们进行独立地控制。通常，与多个喷射器设计相比，单个喷射器设计是较佳的，因为用单个喷射器更容易实现微滴放置的准确度以及微滴尺寸和速度的一致件。
在操作过程中，该设备的每一个存储槽13和15都填充了不同的流体。为了通过声耦合介质41在喷射器和存储槽之间实现声耦合，可通过存储槽13下方所示的喷射器定位装置43来定位声喷射器33。如果期望将微滴喷射到基板上，则可以将基板49定位于第一存储槽13的上方并靠近第一存储槽13，使得基板的一个面(即，图1所示的底面)51面对着存储槽并且基本上平行于流体14的表面17。基板49由基板定位装置53固定，图中示出基板定位装置53是接地的。由此，当基板49包括导电材料时，基板49也接地。一旦喷射器、存储槽和基板处于恰当对准状态中，则启动声辐射发生器35以产生声辐射，聚焦装置37将该声辐射引导至第一存储槽的流体表面17附近的焦点55处。结果，从流体表面17中喷射出微滴57，任选地将微滴57喷射到上述基板的底面49上的特定位置(通常不是必需地，该特定位置是预先选择的或“预定的”位置)。在接触基板表面之后使所喷射的微滴固化于其上，便可以使该微滴保留在其上；在这种实施方式中，必须使基板表面保持低温，即足以使微滴在接触该表面之后就固化的温度。或者，在接触之后，通过吸收、物理固定、或共价结合，该微滴内的分子部分就附着于基板表面上。
如图1B所示，基板定位装置53可用于将基板49(如果还使用的话)重新定位到存储槽15的上方，以便在第二位置处接收来自存储槽15的微滴。图1B还示出了存储槽15下方的喷射器定位装置59已使喷射器33重新定位并且通过声耦合介质41进行声耦合。一旦恰当地对准，如图1B所示，则启动喷射器33的声辐射发生器35以产生声辐射，然后，聚焦装置37将该声辐射引导至存储槽15中的流体内的焦点处，由此将微滴63任选地喷射到基板上。
应该很明显，这种操作示出了如何使用声喷射器从多个存储槽中喷射出多种微滴从而在基板表面51上形成图形或阵列。相似的是，应该很明显，声喷射器可以适于将来自一个或多个存储槽中的多种微滴喷射到基板表面上的同一位置。此外，多种微滴的喷射可能包括一个或多个喷射器。在一些情况下，从一个或多个存储槽中连续地喷射出多种微滴。在其它情况下，同时从不同的存储槽中喷射出多种微滴。
如图2所示，本发明可以使用单个存储槽将流体输送到目标容器的入口开口中。轴对称的毛细管49是作为目标容器予以提供的，其端部51上设置了入口开口50。因毛细管49的轴对称性，入口开口50具有圆形横截面。这样，该开口具有等于其直径的有限尺寸。
在基板13的基本上平坦的表面25上，半球形的流体14用作存储槽。流体14的形状取决于样品相对于基板表面25的沾湿特性。由此，可以用许多表面修正技术来修正该形状。另外，喷射器33包括用于产生辐射的声辐射发生器35以及用于将该辐射引导至流体14的表面17附近的焦点处的聚焦装置。图中所示喷射器33通过耦合流体41声耦合着基板13。恰当地控制声波长和振幅能使得基板13上的流体14喷射出微滴57。如果图中所示微滴57具有仅比入口开口49的直径小一点点的直径，则很明显该配置要求严格控制微滴尺寸和轨迹。
本发明总体来说是用于流体输送的系统和方法。存储槽中保存了一些流体。使用微滴发生器从流体中产生微滴，例如像声喷射系统这样的基于喷嘴的系统或无喷嘴的系统。为了产生微滴，微滴发生器可以接触流体或不接触流体。微滴发生器可以设置成从一个存储槽移动到另一个存储槽，以便能够从不止一个存储槽中进行喷射。在普通的排列方式中，许多存储槽形成了整体结构(比如网板)的一部分，并且可能在计算机控制下用合适的机械或机电系统使该结构相对于微滴发生器移动到合适的位置。
微滴发生器受控制器控制，最好通过某种通信系统以电子方式连接到计算机。微滴在生成之后到达目标，该目标可能是将要被微滴涂敷的网板、多孔或非多孔的表面、基板或结构。本发明还包括一个用于控制所产生的微滴的一个或多个特征的电路，从而增大该微滴在到达目标时不飞溅或反弹的几率。该电路可以受到上述控制器的控制，或者可以形成该控制器的一部分。该目标可能已具有一些流体，并且该微滴可能与那些流体聚并在一起。
通常，本发明可以用于一系列流体和目标。例如，期望与之聚并的那个目标中的流体可能具有与微滴中的流体不同的成分。实践中所遇到的普通成分差异是DMSO与水的比例，其中输送的是由DMSO和水的混合物所构成的溶液。成分差异可能导致物理参数(比如粘度和介电常数)的差异。由此，70％DMSO/30％水的混合物具有大致为3.5厘泊的粘度，而水溶性缓冲物将具有大致为1厘泊的粘度。由此，本发明的微滴可能具有比目标处的流体大3倍的粘度，反之亦然。
期望与之聚并的流体可能具有与微滴大致相同的体积(比如相似大小的另一个微滴或相似大小的2个微滴)，或者它可以是更多的流体(比如比该微滴大100倍的流体)。
较佳的控制器包含具有合适的存储器和软件或固件的微处理器。该微处理器可能正运行一种为实时和嵌入式应用程序指定的操作系统，比如QNXSoftware Systems(Ottawa，Ontario，Canada)的QNX。一些控制器可以包含两个或更多个微处理器，并且从方便于系统的设计和操作的视点使多个功能分布在这些处理器中。这种控制器最好连接到显示器，从而允许通过按动按钮或触摸屏与流体输送系统进行直接的操作人员互动。这种控制器最好具有通信软件、固件和/或硬件，从而允许它与能构成整个实验室或制造自动化网络的一部分的计算机(包括通用计算机)进行通信，并且还允许该控制器基于从整个实验室或制造自动化系统中的其它实体处接收到的命令或信息以一种自动化的方式来操作流体输送系统。
整个实验室自动化系统可以包括：用于支撑网板的传送带；用于使网板从一个仪器移动到另一个仪器的机器人臂；各种分析仪器和反应腔；基于插针的流体传递系统；和/或声喷射系统。该系统的整体目的是以网板采集一些流体并且使它们经历各种分析(包括确定其组分和物理特性)、设计用于产生特定部分的各种反应、以及净化等步骤，并且一直用计算机化的或其它的装置潜在地跟踪该系统中每一种流体的起点和目的地并且还跟踪用于每一种流体的处理过程和结果。该系统还可以用于产生含该系统所移动的流体或涂有这种流体的物体以便于将来使用。
通过使控制器(比如流体输送系统控制器)将该信息传输到通用计算机，该通用计算机将该信息作为平面文件加以存储或将该信息存储到数据块中，便可以针对每一种流体执行起点、目的地、处理过程以及结果的跟踪。通过向系统中的每一个网板分配标识符，并且通过以一种允许产生每个板中的每个孔的内容的全部历史的方式来跟踪在特定时间对每个板中的每个孔究竟做了什么，如此便方便地标识了多种流体。必须记住，作为故意的或有计划的行动的结果，系统中的流体中的全部变化并不都会发生；有一些是随着时间的流逝不可避免的变化，比如来自周围空气的水被吸收或者流体在存储期间有所蒸发。
在实验室自动化系统中，通常必须将来自不同制造商的装备整合到一起。在这方面，遵守特定标准可能是流体输送系统的期望特征。构成制造环境一部分的某些流体输送系统可能被要求满足其它涉及制造的标准，并且还被要求能够支持整个系统与“GMP(Good Manufacturing Practice，简称GMP，制药行业都理解)”的各种规范保持一致。在特定的应用中，被输送的流体可能是致病性的，从而需要特别措施来处理，这可能会影响控制器的设计。
流体输送系统的较佳控制器还将任选地包含用于在该系统中实现有效的流体输送的详细信息。这种信息可能是：微滴速度的较佳范围，下文会进一步讨论；韦伯数的较佳范围；以及被操纵的流体的物理特性，比如其导电性能和介电常数，还有其密度、粘度、表面张力等。这种信息还将包括用于以合适的时序方式操作流体输送系统的不同致动器(比如网板输送系统、基于插针的流体输送系统、机器人臂、声喷射器换能器以及电极，下文结合某些实施方式进行讨论)的算法。上述时序算法可以以表格的形式加以存储，用合适的软件或固件来翻译这些表格，或者这些算法还可以直接被编码成程序，或者它们可以是表格和代码的混合。上述时序算法可以考虑从系统中的各种传感器(比如位置与温度传感器以及数码相机)处获得的信息以及已存储的或测得的关于正被操纵的流体的各项特征。较佳地，通过网络进行软件下载以考虑关于该流体输送系统操作的最佳已知方法的最新情况，便可以现场修改上述算法。该控制器还可以具有学习能力，它能够通过分析各种流体自已来确定最适合于其有效输送的一些参数。
控制流体输送系统中微滴的各项特征以减小飞溅或反弹的几率的一种方式是控制该微滴靠近该目标的速度。实现速度控制的方式可能取决于微滴产生技术。
重力以及与周围空气或其它气体的摩擦都会影响微滴速度，这已结合雨滴行为的建模进行过研究。对这些力的影响进行某种控制是有可能的，特别是在向下流动的情况下，这时下落高度会影响微滴在撞击那一刻的速度。因为很难完全除去这些力的影响，所以即使是在用其它装置实现微滴速度的主要控制的情况下也需要考虑这些力的影响。本发明的系统促成并预期了这样一种可能性，即微滴在产生时将逆着地球重力的方向前进，特别是在相对于给出地球重力方向的矢量成90-180度方向上行进。
已经研究过像水那样的特性的纳升尺度的微滴。对于这种微滴，已发现适于微滴聚并的速度介于0.2-10m/s的范围中。更佳的范围是1.0-2.5m/s，且在该范围中大于1.5m/s的数值尤佳。
电场可以对微滴的速度有影响，Quate的美国专利5,541,627对此有讨论，其中主要阐述了水被吸引到电场。即使微滴不带电，但若电场使该微滴变得电极化，则上述影响仍然会有，就像微滴主要由可极化溶剂(比如水)构成这一情况下即如此。
人们认为，在非均匀电场中不带电的液滴将只感受到净力。在任何场中，液滴将逐渐形成感应的偶极子电荷(即，电荷的分离)，就像任何电介质的情况那样。接下来，朝着电场的集中处吸引偶极子，即，朝着更大的场的区域。在均匀的场中，该偶极子感觉不到任何净力。从数学上讲，该力正比于外部电场的平方的梯度。
当声喷射系统用于微滴产生时，已发现，在用于使喷射发生的声能量值的范围中，微滴的速度是可控的。例如，已发现，在使用F2透镜的声喷射系统中，对于5nL的由70％DMSO/30％水所构成的微滴而言，通过控制声能使其在喷射阈值以上，便可以很容易地实现在0.5和3m/s之间的速度控制。
一种用于控制微滴的各项特征以减小飞溅或反弹的几率的备选方式是控制上述撞击的韦伯数。韦伯数是一个无量纲的量值，旨在表达惯性力与表面张力的比值。它被定义成ρV2l/σ，其中ρ是流体的密度，V是速度，l是特征长度，且σ是表面张力。对于微滴撞击，l可以代表微滴直径。在这些参数中，可能更容易控制V和l。在文献中，有许多指示，在至少使用特定参考文献中所研究的流体的情况下，特定范围中的韦伯数与聚并相关联。因此，为了改善聚并(coalescence)并控制飞溅和反弹，可能期望控制那些构成微滴的韦伯数的参数从而将该韦伯数限定到特定的范围中。根据微滴的成分已经预期与微滴合并的流体的成分，可以改变上述的特定范围。受控的参数可以包括速度V和特征长度l。通过使用两个较小的微滴替代一个较大的微滴(若这样将改善聚并特性的话)，便可以控制特征长度l。
用于控制微滴的各项特征的其它较佳方式是在微滴穿过的空间区域中产生电场。较佳地，在产生微滴的空间区域中产生这种电场。
微滴穿过的区域中的电场可以具有不同的取向。较佳地，该电场沿微滴从质量较大的流体中分离出来的方向取向。
微滴穿过的区域中的电场可以具有不同的幅值。对于纳升尺度的微滴而言，该电场最好介于1,000～100,000V/m之间，介于10,000～100,000V/m之间较佳，介于25,000～50,000V/m之间更佳，而介于30,000～40,000V/m之间则最佳。若上述场是非均匀的，则产生微滴的空间区域中的场最好介于上述较佳的范围中。若微滴的流体只是导电性适中，比如比纯水导电性差许多，则最好相对于这些数值增大电场的预期强度。
人们相信，在微滴从质量较大的流体中分离出来的方向上的电场分量可能使微滴在分离时携带电荷，这种电荷的存在若具有合适的幅值则会促进微滴聚并。促进的机理目前尚不清楚，但它被认为是一种超越了电场对微滴的可能加速的效应。已假设的机理是：在自由电荷存在时，微滴的表面张力存在有效的变化。该表面张力有所减小，因为液滴表面上的电荷彼此排斥。
使用某种形式的微滴产生(比如声喷射)时，在从一团流体中分离出微滴之前，常常先从流体表面中形成凸起。对于具有一些导电性的流体，在存在电场时，这种凸起应该变得带电以便使其保持与上述流体团大约等电位。假定当从该凸起中形成微滴时，该凸起被基本上夹断，并且沿该凸起表面逐渐形成的净电荷随着该液滴被带走。该微滴上的电荷可以用下式来近似描述：Q～4πε0ahE，其中a表示微滴半径，h表示微滴脱离时该凸起的高度，E表示电场强度。在声喷射中，对于DMSO/水混合物，已观察到高度h大约是微滴直径的5倍，所以h～10a。关于声喷射的微滴上的电荷的经验研究作为下文示例1的一部分予以呈现。
人们相信，由于微滴将经历极化，所以在微滴到达目标方向上的电场分量可能有助于聚并。通常，在存在外部电场的情况下，电介质将逐渐形成偶极矩，这对应于电荷沿外部场方向的分离。电荷的这种重新分布抵消了外部场，使得电介质内部的净电场强度小于外部电场强度，并且在极限情况下的理想导电材料中其内部的净电场强度将减小到零。在微滴接近并与一团流体聚并的特定情况下，若在接近的方向上有电场，则该微滴的感应偶极矩将使其附着于该流体团。
若流体团与正接近的微滴大小相同或比正接近的微滴大很多，则出现两种极限情况，所以它可以被视为无限半空间。尤其对于相对导电的流体，这些情况是非常相似的，这在实践中是常见的。对于流体团非常大的情况，所喷射的微滴的感应偶极矩可以被视为在该流体团内产生镜像偶极矩，这与静电学中公知的成像方法相一致，图3对此进行了描绘。通过将微滴的极化处理成球形导体的极化(对于高介电常数流体而言，这是一种合理的近似)，所喷射的液滴的偶极矩可以写成：
p＝4πε0Ea3
其中ε0表示自由空间的介电常数，E表示在目标附近所加的外部电场，而a是液滴的半径。为了简便，我们考虑图3的几何形状，其中z是(向下的)垂直方向，而目标则处于z＝0处。因“像”(上方)微滴而导致的电场z分量在到达微滴的位置(流体表面下方的高度z)处可以写成：
Ez＝
Figure 2006800129374_2
Ea3/z3
接下来，因其偶极矩与该电场的交互作用而导致的在正到达的微滴上的力是：
Fz＝pdEz/dz＝3/2πε0E2a6/z4
该力是指向上的，从而朝着目标处的流体表面吸引正到达的微滴。该力随着微滴在流体表面下方的高度的四次方的倒数而变化，当微滴非常接近接收流体的表面时该力将达到最大。当该微滴刚刚“接触”接收孔流体时，即当z＝a时，偶极子力是：
Fz＝3/2πε0E2a2|
对于30,000V/m的电场和2.5nl的液滴，相关液滴半径是84μm，且z＝a时的偶极子力大约是Fz～3×10-10N。这可以和液滴上的重力相比，该重力是mg～2.6×10-8N。由此，偶极子力仅仅是重力的大约百分之一。
对于其它极限情况，其中接收的流体团与所喷射的微滴大小相同，分析过程与上文非常相似。在这种情况下，接收流体团在存在外部电场时形成了等价于上述液滴的偶极矩的实际的偶极矩。由此，先前还是从所喷射的液滴起距离2z处的像偶极子，现在则成了从该液滴起距离z处的等价偶极子。因此，当所喷射的液滴离流体团的距离是z时，在所喷射的液滴与接收流体团之间的偶极子-偶极子力比先前情况大8倍。另一方面，在所喷射的液滴和接收流体团之间的有限距离现在是2a。由此，所喷射的液滴与接收流体团之间最大的力是上文针对半-无限流体团所描述的情况的一半。因此，可以看到，对于上述两种极限情况而言，造成所喷射的液滴被吸引到接收流体团的极化效应都具有相同量级的幅值。
当使用电场来减少飞溅和反弹和/或改善微滴聚并时，可能期望该电场基本上不要影响微滴在到达目标之前所遵循的路径。甚至还可能期望该电场基本上不要改变微滴的速度，从而实现速度变化不超过10％。路径与速度相对于电场的这种独立性可能是有用的，例如，能更容易地确保那些瞄准目标上同一位置处的连续微滴能可重复地到达目标上的那个位置。如果目标上的流体本身是一个微滴一个微滴沉积的，就像流体传递系统正在传递一连串微滴构成的大量流体那样，则为了促进聚并可能期望这种可重复性。文献中的一些研究(比如上文所引用的Orme教授所作的一些研究)指出，在雨滴的聚并过程中撞击参数已被视为非常重要。路径和速度相对于电场的独立性还有益于使整个流体输送系统的其它参数可以独立于该电场进行设置。
在空间区域中产生电场的一种常见方式是安排两个保持在不同电位处的电极A和B，使得上述空间区域和这两个电极之间的区域重叠。电极可以具有各种形状，比如固态充分导电材料构成的平板、涂有或层压有高导电性材料的低导电性材料构成的平板、多股导线构成的平板以及导线栅格构成的平板。在电极排布方面有相当大的自由，例如，要避免阻挡流体的流动或存储槽和目标的移动。或者，如下文的示例3和4中那样，带有允许流体流过的孔的电极可以置于流体的路径中。
一旦给该系统加电，则电压可以永久性地连接着系统并且给电极加上固定的电压。这一点在下面的情况下将很有意义：在期望使用本发明的流体传递系统的操作范围中，发现特定的电极电压在微滴的产生过程中特别有优势。或者，为了更大的灵活性，有可能通过流体输送系统的控制器或通过连接到用于产生电场的电路的一个或多个外部输入对电压进行设置。在某些情况下，可能有利的是具有时变电压(比如在产生每一个微滴的不同阶段会变化的电压)或在预定时间保持恒定数值的电压(比如在微滴产生过程中保持恒定的数值而在其它时间都是零的电压)
如Mutz等人的美国专利申请10/340,557中所详细讨论的那样，存在各种现象都可能使微滴具有不可控制的电荷。有可能以各种方式来处理不可控制的电荷，这概括地包括提供导电路径或提供电离，使得从中形成微滴的流体放电。例如，保存流体的存储槽可以由充分导电的材料制成并且接地。
结合本发明的上述籍助于电场来控制微滴特征的实施方式，还发现一种很有用的做法是使用减少一般类型电荷的措施，专利申请10/340,557对此有描述。特别有用的是，通过使用该申请中所讨论的技术(比如电离放电)使存储槽(用于保存从中产生微滴的流体)接近或完全接地。在这种情况下，相对于接地保持非零电压的单个电极可以产生出用于微滴控制的电场。
本领域的技术人员可以调节用于产生电场的电极电压，以实现所期望的场强。例如，这种调节可以是纯粹试验性的。或者，它可以基于公知公式(例如，用于平行板之间的电场的公式)，这些公式可以在有关电磁学的书籍中找到，比如J.D.Jackson的经典电动力学(Classical Electrodynamics)(第二版，1975)。或者，它可以基于用Laplace方程的数值解来计算静电场的公知数值技术。
另外，为了优化飞溅、反弹、或聚并的实验测量，可以调节各电极的电压。例如，可以对着合适的目标进行多次喷射并且使用数码相机对微滴撞击到目标处的流体上的过程进行拍摄以便于人工或自动分析。或者，可以使用那些在撞击之后通过观察(比如在若发生聚并则应该只有一个微滴的情况下查找多个微滴)对微滴聚并进行评分的方法。
图4描绘了本发明较佳电路的特定实施方式。其中使用了本实施方式的流体输送系统是这样一种声喷射系统，其中微滴从源存储槽向上喷射到目标。在本实施方式中，电极采用栅格形式，它定位于目标的后面。通过电离、通过在附近存在真正的接地、和/或通过声耦合介质进行电传导，便使源存储槽保持接近于接地。
可以看出，上述栅格可由N型MOSFET 12通过5MΩ电阻器14来驱动。当N型MOSFET栅极上的电压很高(在阈值以上)时，该栅格通过5MΩ电阻器14而接地。当栅极电压被驱动得很低时，该栅格通过电阻器14和另一个5MΩ电阻器16而连接到DC-DC转换器18的输出，该转换器18将0-5V幅值转换成0-1500V。该DC-DC转换器18的电压输入转而连接到用于产生0-5V的可变电压源20。
N型MOSFET 12栅极通过10kΩ电阻器22连接着可变电压源20的输出。该栅极也被与非门24的输出驱动着，该与非门24允许两个单独的外部控制输入26和28将该栅极设置成低，并由此使该栅格不再接地，从而将其连接到DC-DC转换器18的输出。
外部逻辑(未示出)可以使用外部输入26和28，以确保当流体输送系统正载入网板或者门打开时，通过N型MOSFET 12将上述栅格切换到接地。当微滴喷射开始时，控制输入可以用于使该栅格上升到介于500到1500V DC之间的固定电压，其中800V较佳。该电压均匀地加到整个栅格上。这在液滴喷射腔中以及源板孔下方的耦合流体中产生了微弱的静电场，该静电场从目标板延伸到接地平面。在液滴传递之后，该栅格可以再切换到接地。该栅格要么完全接通，要么完全断开。
如本领域技术人员所理解的那样，图4中的各组件也将具有电源连接，就像电子学中常见的那样而不再明晰地示出了。
在上述较佳实施方式的变体中，为了避免目标孔上有电荷累积，上述电压在正电平和负电平之间交替。还有可能存在这样的变体：在网板载入期间接通电压，在喷射周期的一段时间内让上述栅格浮动。
在一备选较佳实施方式中，使用可产生偏压离子云的电离器，以在目标网板进入本系统时使这些网板带电。通过用恰当不对称的或偏压的波形来驱动电离器，从而产生偏压离子云。该电离器可以利用标准电离棒，比如Julie Industries(Wilmington，Mass.)所制造的电离棒。用于改变聚并特性的电场主要是由通过偏压离子云电离器传递到目标网板的那些电荷所产生的。若不将电荷传递到目标网板，则作为一种产生电场的备选方式还有可能使目标网板附近的物体带电。
在另一个备选的较佳实施方式中，可以使用电晕放电使微滴带电，电晕放电可在局部空间中产生特定极性的离子。较佳地，气流将电晕放电所产生的离子引至微滴。或者，该微滴可以通过该放电。在这种情况下，较佳地，电晕放电是稳定的，就像在插针和平面之间那样。
在使用电场来改善微滴聚并并且电场使微滴带电的情况下，大量这种微滴传递到目标处的单个流体团便可以在该流体团中产生显著的净电荷，这往往会屏蔽外加的电场并减小其有益的效果。人们可以估计出在接收流体团中沉积微滴电荷所能产生的场。该电荷往往在接收流体弯月面(meniscus)上扩展成表面电荷层，所以若流体的直径是d，则该层的电荷密度是：
σ＝NQ/d2
其中N是所传递的微滴个数，Q是每个单独的微滴的电荷。如果我们假定微滴在源存储槽和目标之间飞行的方向是垂直z方向，电场由目标上方的电压为V的电极产生，并且上述的源大约接地，则我们获得方程：
E＝σ/ε0+[V/ztf-σ/ε0]/[1+(ε0/εtf)(zelect/ztf-1)]
此处，zelect表示电极在源流体上方的高度，ztf表示目标流体弯月面在源流体上方的高度，并且εtf表示目标流体的介电常数。对于任何水溶性目标流体，量值ε0/εtf将比单位1小很多。由此，量值(ε0/εtf)(zelect/ztf-1)＜＜1，所以1/[1+(ε0/εtf)(zelect/ztf-1)]～1-(ε0/εtf)(zelect/ztf-1)，并且上述电场可近似为：
E～(V/ztf)[1-(ε0/εtf)(zelect/ztf-1)]+(σ/εtf)(zelect/ztf-1)
上述表达式的第一项Einit＝(V/ztf)[1-(ε0/εtf)(zelect/ztf-1)]是任何微滴到达之前在源和目标之间的场。该表达式的第二项Edrop＝(σ/εtf)(zelect/ztf-1)是因弯月面处所沉积的电荷所产生的那部分电场。最好要避免实际电场E中的不可控制的变化，因为Edrop要比Einit小很多，比如小10倍。再次应用下列事实(ε0/εtf)(zelect/ztf-1)＜＜1，我们获得：
Edrop/Einit～(σ/εtf)(zelect-ztf)/V
如果Q＝1×10-13C且d＝3.5mm，则对于每个微滴我们获得σ＝8.16×10-9C/m2。如果zelect-ztf＝5mm、εtf＝80ε0且V＝800V，则对于每个微滴而言比值Edrop/Einit～(σ/εtf)(zelect-ztf)/V＝76×10-6。由此，为了保持该比值在1/10以下，最好沉积不多于1300个微滴。如果期望沉积比上述个数要多的微滴，则通过使V的极性相反从而使电场方向相反可能是值得尝试的做法，所以相反极性的电荷开始中和目标流体表面上累积的σ。
本发明的变化对于本领域的技术人员而言将是很明显的。例如，本发明适用于与下列文献所描述的声学技术相关的性能增强特征：美国专利申请10/010,972和10/310,638，题为“Acoustic Assessment of Fluids in a Plurality ofReservoirs”，分别于2001年12月4日和2002年12月4日提交，发明人是Mutz和Ellson；以及美国专利申请10/175,375，题为“Acoustic Control of theComposition and/or Volume of Fluid in a Reservoir”，于2002年6月18日提交，发明人是Ellson和Mutz。另外，本发明可以应用于许多环境中，比如处理致病性流体(参照美国专利申请10/199,907，题为“Acoustic Radiation of Ejecting andMonitoring Pathogenic Fluids”，于2002年7月18日提交，发明人是Mutz和Ellson)以及操纵细胞和粒子(参照美国专利申请公报20020090720和20020094582)。
应该理解，尽管已结合较佳特定实施方式对本发明进行了描述，但是上文的描述和下面的示例都是说明性的而非用于限定本发明的范围。其它落在本发明范围中的各方面、优点和修改对于本领域的技术人员而言都是明显的。
本文所提到的所有专利、专利申请和公报都全文引用在此作为参考。然而，当包含明确定义的专利、专利申请或公报引用在此作为参考时，那些明确的定义应该被理解成仅应用于它们所属的专利、专利申请或公报，而不能应用于本申请的其余段落尤其不能应用于本申请的权利要求书。
下面的示例为本领域的技术人员完整地揭示和描述了如何实现本发明，它们不用于限定本发明的范围。
示例1
在声喷射系统中，导电板位于源位置中的384网板(孔朝上)上方7mm处。该384网板在其所有的孔中包含30μL的70％DMSO/30％水。然后，对2.5nL液滴的喷射进行视频拍摄，同时将0V和800V加到顶板上。与网板底部相接触的声耦合流体接地。基于接地平面和电极之间的16.5mm的距离，将处于800V之下的电极所产生的电场估计为49,000V/m。与上电极接地的情况相比，在使用电场的情况下，在喷射之后t＝6.6ms时2.5nL液滴的垂直位置会高出Δz＝61μm。
假定电场所引起的位置差异是因为喷射期间微滴带电而引起的。为了计算传递到该微滴的电荷q，我们按下文继续。
在位置z处时间t时带电荷q的微滴上的力是：重力gm；电场力qE；若应用Stokes定律，则阻力为-kv(t)，其中k＝3πηd，η是空气粘性大约为1.8×10-5kg-s/m，d是微滴直径。应用牛顿定律，我们获得：
md2z/dt2＝-gm+qE-k(dz/dt)
它可以被重新写成：
mdv/dt＝-gm+qE-kv
其中v＝dz/dt是微滴在z方向上的速度。
通常，线性一阶微分方程dv/dt+Av+B＝0在A≠0时具有如下的解：
v(t)＝(v0+B/A)exp(-tA)-B/A
其中v(0)＝v0。若t＝0时z＝0，积分有：
z(t)＝(1/A)(v0+B/A)(1-exp(-tA))-Bt/A
此处，A＝k/m且B＝g-qE/m。在电场E接通或断开两种情况下z(t)之差是：
Δz＝(1/A2)(qE/m)(1-exp(-tA))-(qE/mA)t
＝(1/A2)(qE/m)(1-exp(-tA)-tA)，
所以q＝Δz(m/E)(A2/(1-exp(-tA)-tA))。当A→0(意指阻力→0)时，针对q在上述公式中取极限，我们获得更简单的公式q＝2Δz(m/Et2)。
假定液滴具有2.5nL体积并且70％DMSO/30％水具有约为1.07的密度，则数值m约为2.7μm。上文已给出了用于E的数值。对于2.5nL球体而言，微滴直径约为168μm。我们由此得到A～10s-1，所以tA～0.066(无量纲)。针对上文给出的q，将这些数值代入上述公式，我们得到q～1.6×10-13C。
在有电场和无电场两种情况下，速度的差异由下式给出：Δv＝qE/A(1-exp(-tA))～0.02m/s。可以看出，在本示例中，该电场对微滴的速度没什么影响，它在2m/s的量级上。
示例2
已经用声喷射系统进行过研究，以更好地理解微滴速度对聚并的影响。使用Krautkramer 15MHz F2透镜，并且将70％DMSO/30％水喷射到倒置的目标孔中，其中填充了NaOH缓冲液。接收流体表面是微微凸起的。液滴都按标称的体积5nL、2.5nL和1.25nL进行喷射。
首先，从视频数据中提取出液滴体积和速度，它们是阈值之上的功率的函数。这些在图5A-5C中有示出。
在这些图中，所显示的功率基于传递到声换能器的振幅，它可能在所示范围中经历饱和。该数据横跨了从喷射阈值(始终对应于阈值的0dB)到辅助阈值的整个范围，所以该数据应该能很好地代表每一喷射条件的工作窗口。图5A-5C所引用的液滴速度是初始速度，直接在源流体之上。
图6A-6C示出了用于代表液滴反弹(从被填充的384孔处反弹)几率的曲线，该反弹几率是目的地孔处的入射液滴速度的函数。这些图中的速度是到达目的地孔时的速度。
示例3
在基于网板之间的声喷射且具有位于目标板之后的电极的流体传递系统中，金属箔被置于源板之上，并且刺穿一些洞以通向上述的孔。然后，使源板上的这种金属孔径接地，并且起到屏蔽所加的电场使其不影响源孔流体的作用(与没有箔的情况相比，有箔时的场强将小于1％)。由此，在箔处于恰当的位置时，微滴所带电荷将达到最少。然而，在箔存在的情况下，源板和目的地孔流体之间的场将得到实际上增大，所以偶极子-偶极子交互作用将增强。已发现，在有箔的情况下，当向目标板后方的栅格加800V时，微滴反弹基本上没有减少。
示例4
在示例3的系统中使用了带孔径的箔，但是这次是在目标板上方，而非源板上方。该箔保持在800V，就像目标板之后的栅格那样。使用这种结构时，在目标板孔之内基本上没有电场，但是有液滴带电，因为源板内部还有电场。已发现，对于该情景，液滴反弹减少了很多。

Claims (5)

1.一种用于从至少一个存儲槽将至少一微滴流体输送到目标的方法，所述方法包括：
产生声辐射；
由所产生的声辐射从存儲槽中的第一流体中喷射出微滴；
以一定速度将喷射出的微滴向目标输送；
将预定电场施加到所述微滴和所述目标；
由所施加的电场在所述微滴內产生偶极子；
通过所述偶极子和所述目标之内的交互将所述微滴吸引到所述目标；
其中向所述微滴和所述目标施加预定电场的过程不会实质上影响所述速度；
其中将所述微滴吸引到所述目标的过程包括由施加的预定电场增加所述微滴不会飞溅或反弹到达所述自标的可能性。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以一定速度将喷射出的微滴向目标输送的过程包括将喷射的微滴向所述目标向上输送。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标是基底上的第二流体。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，由施加的预定电场增加所述微滴不会飞溅或反弹到达所述目标的可能性的过程包括由所施加的预定电场增加所述微滴与所述基底上的第二流体合并的可能性。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，向所述微滴和所述目标施加预定电场的过程对所述速度的影响不会超过幅度的10％。
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