CN105026045A - 关于毛细管压力屏障的改进 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制可移动流体-流体弯月面的形状和/或位置的设备，该设备包括用于包含和引导流体的包括该弯月面的容积，填充方向为下游方向，且该容积具有至少一种形成毛细管压力屏障的第一结构，弯月面沿着所述屏障趋向于对齐，该毛细管压力屏障和弯月面在容积中的至少两个子容积之间形成一个界限，其中(a)通过在两端与容积的壁形成一个毛细管压力屏障下游边上大于90o的角，而不提供降低毛细管压力屏障稳定性的沿着毛细管压力屏障的刻意的流体对齐，来稳定毛细管压力屏障；和/或(b)其中通过在比不存在拉伸屏障下沿着毛细管压力屏障对齐时的流体-流体弯月面的最大拉伸距离更短的距离处提供一个拉伸屏障，来稳定毛细管压力，(c)通过在一端与容积的壁形成一个在毛细管压力屏障下游边上大于90o的角来稳定毛细管压力屏障，且在另一端通过在比不存在拉伸屏障下沿着毛细管压力屏障对齐时的流体-流体弯月面的最大拉伸距离更短的距离处提供一个拉伸屏障来稳定；其中拉伸屏障的形状使得至少一个方向元件与毛细管压力屏障垂直。

Description

关于毛细管压力屏障的改进
本发明涉及关于毛细管压力屏障（capillary pressure barrier）的改进。
针对用于控制或影响流体、特别是液体或含液体物质的表现的稳定的毛细管压力屏障存在科学和工业方面的兴趣。稳定的毛细管压力屏障特别可用于微流体领域，其中它们在控制以量计算的液体流方面非常有用，所述液体流的尺寸和形状被设计用于特殊目的，例如分析、“等分”（即分配为许多预设量的液体或从中进行分配）、混合、分离、限制计量、形成图案（patterning）和容纳。有效的被动输出的流体流动控制变得非常受欢迎，以控制大的微流体循环中的液体和微流体室中的液体。在广泛的其它应用中也使用稳定的毛细管压力屏障。本发明潜在地发现了在可以使用稳定的毛细管压力屏障的所有情况下的应用。毛细管压力屏障在本领域也被称为弯月面对齐屏障或阻塞屏障。
一些形式的稳定的毛细管压力屏障被指定为"相引导器（phaseguides）"。这主要因为其在形成可移动弯月面方面的功能。稳定的毛细管压力屏障的设计和对弯月面的一个或另一个面存在的流体所施加的能量（通常为液体压力）的组合效果可能影响位置、形状、前进或其它物理特征。当指定为或称为相引导器时本发明涉及毛细管压力屏障。
微流体中的弯月面阻塞（meniscus pinning）是一种公知的现象，用于产生毛细管停止结构并获得弯月面对齐。当需要施加能量以促进弯月面越过其阻塞位置时发生弯月面阻塞。通常，在通道或室内使用尖锐的脊以产生稳定的弯月面对齐特征，其迫使弯月面变形从而弯月面的前进变得在能量上不利。然后弯月面趋向于沿着得到的毛细管压力屏障对齐，除非施加以例如液压增加的方式存在的额外的能量。除非特意提及，否则在本文中弯月面阻塞和弯月面对齐涉及同一弯月面状态。
跨液-气界面的压降(ΔΡ)被定义为其主半径(R1和R2)之和：
     (I)
其中γ为液-气表面张力，半径R1和R2是其接触角的函数。
图1显示了毛细管压力屏障105，其基于跨过完整长度的如图1中以图像定义的容积152内xy平面中的流体-流体界面的弯月面104的尖锐边缘。可能通过将其在xy和xz角度剖面来理解其弯月面阻塞行为。
图2显示了跨过阻塞结构边缘的弯月面前进。图2描述了xz方向的流体-流体弯月面，其朝向一个类似楔子的几何体。虚线事实上指示了楔子的一面，而第二面由顶部基材形成。弯月面可对压力给出正面或负面的贡献，取决于弯月面与顶部基材150的接触角(θ2)和与阻塞屏障105 (θ1)的接触角之和是否粗略近似地大于（正面贡献）或小于（负面贡献）180°减楔子的角度α（例如，对于与顶部基材垂直的凸起侧壁而言为90°）。图2在事实上描述了弯月面半径在xz方向上的负面压力贡献，如可从阻塞的流体103的凸出弯月面形状中判断得出。包括具有均为70°的值的两个接触角和在弯月面阻塞结构边缘之外、与顶部基材107垂直的阻塞面的构造导致正面压力贡献，而对于两个接触角都为30°的情况，压力贡献将是负面的。在图2中可进一步注意到毛细管压力屏障上弯月面的位置在x方向比朝向毛细管压力屏障的基材150（还称为相对基材）的弯月面-基材截面的位置301较少靠前。这一在弯月面阻塞上发生的不对称被称为弯月面的“拉伸”。根据接触角和毛细管压力屏障的几何形状，拉伸的弯月面可同时具有背弧型面和内弧型面。
在图2中，弯月面的拉伸距离显示为ds 302。通常毛细管压力屏障溢出仅在弯月面已采取了能量上最有利于溢出的形状之后发生。这通常是如弯月面的接触角和毛细管压力屏障的几何形状所形成的弯月面完全拉伸的情况。
图3显示了在xy方向（按照定义的）恰好高于毛细管压力屏障平面的弯月面截面。该形状以作为沿着上边缘对齐的直线的简化形式给出。在此构造中对远离侧壁的弯月面压力的xy贡献是0。然而为了使弯月面前进，需要发生脊的溢流，这需要xy面的变形。
图4显示了不同的溢流选择。弯月面溢流可沿着远离侧壁501的毛细管压力屏障发生，或者在毛细管压力屏障和侧壁502之间界面的两个角之一发生。对于亲水系统，能量上有利于前进的位置在液体浸湿了大部分表面，即位于具有最小角度的楔形处。这在大部分情况下是毛细管压力屏障和侧壁之间的界面。
为避免疑义，图4中的两种不同类型的溢流通常将不会在同一个弯月面出现。其以组合的形式在图4中出现纯粹是为了对其进行经济地说明。
毛细管压力屏障-壁界面的角的尖锐程度也是一个重要参数。由于无限尖锐的角不存在，相反每个角都有半径。不希望受限于任何具体理论，申请人发现该半径越大，角越稳定。
图1-4中的实例显示了阻塞结构的稳定性可通过角和侧壁的角度和半径来调整。该实例还显示实际的xz脊几何体对阻塞效果是次要的，因为xy几何体在设计中可以是最容易调整的，并从而被用于确定稳定性。图1-4中公开的实例还显示通过防止弯月面达到其能量上适合溢出毛细管压力屏障的最优形状，增加了阻塞结构的稳定性。这可通过防止弯月面拉伸来实现。
事实上，角度调节和防止拉伸按同样的原理也可用于疏水毛细管压力屏障或基于在主要方面为更亲水的室结构中较少亲水的材料的毛细管压力屏障。
使用角度变化以判断溢流控制描述于WO2010086179，用于定义溢流发生的位置和两个对齐线之间的差异稳定性。这一概念在PCT/EP2012/054053中进一步发展，用于在微流体循环中产生选路机制。由于对齐线引导了液气界面，人们可以看到为何该结构被称为相引导器。
稳定的阻塞结构对于形成液体边界或作为稳定的被动阀都是至关重要的。在US2004/0241051A1中提到了所谓的“发射前站点（pre-shooter stops）”，其“能够抑制不想要的边缘流流过设备，即其中引入的流体沿着流量通道边缘比沿着流动通道中间区域更快地流过该装置”。虽然没有详细解释，但是完全可能这些发射前站点对装置中引入的用于均匀填充的阶梯（terrace）具有稳定效果，虽然阶梯和发射前站点结构之间的关系没有提及或公开。
在任何情况下，US 2004/0241051 A1中的结构没有解决产生稳定的流体边界的问题，所述边界旨在形成在该位置处意图维持该流体的流体面。此外，在本领域没有使用关于沿着屏障或拉伸屏障的角度的被动停止结构的具体迹象。事实上，这些屏障仅仅被构成图案为与壁垂直。在Vulto等人，A microfluidic approach for high efficiency extraction of low molecular weight RNA，Lab Chip 10 (5)，610-616和在WO 2010/086179中，限制性相引导器被用于构成为与相关容积的壁成平角的线的流体成形。也可期望本文公开的相引导器充当毛细管压力屏障，但是其稳定性受限，因为与侧壁的角度永远不大于90°，或在沿着相引导器的某处以尖锐的V形弯曲或分支结构的形式包括一个刻意的弱点（deliberate weakness）位置，以确定溢流位置和/或相引导器的稳定性。
根据本发明，在一个大概的方面提供了一种用于控制可移动流体-流体弯月面的形状和/或位置的设备，该设备包括用于包含和引导流体的包括该弯月面的容积（volume），填充方向为下游方向，且该容积具有至少一种形成毛细管压力屏障的第一结构，弯月面沿着所述屏障趋向于对齐，该毛细管压力屏障和弯月面在容积中的至少两个子容积之间形成一个界限，其中(a)通过在两端与容积的壁形成一个毛细管压力屏障下游边上大于90o的角来稳定毛细管压力屏障，而不具有如沿着相引导器的尖锐的V形弯曲或分支结构所提供的降低毛细管压力屏障稳定性的刻意的弱点位置；和/或(b)其中通过在比不存在拉伸屏障下沿着毛细管压力屏障对齐时的流体-流体弯月面的最大拉伸距离更短的距离处提供一个拉伸屏障，来稳定毛细管压力，该拉伸屏障的形状使得至少一个方向元件与毛细管压力屏障垂直；和/或(c)通过在一端与容积的壁形成一个在毛细管压力屏障下游边上大于90o的角来稳定毛细管压力屏障，且在另一端通过在比不存在拉伸屏障下沿着毛细管压力屏障对齐时的流体-流体弯月面的最大拉伸距离更短的距离处提供一个拉伸屏障来稳定，该拉伸屏障的形状使得至少一个方向元件与毛细管压力屏障垂直。
本发明的一个优点是提供一种毛细管压力屏障，其稳定性通过在其两端用壁形成下游大于90°的角度、通过提供防止弯月面获得其能量上最利于屏障溢流的拉伸状态的与毛细管压力屏障垂直的第二屏障而大幅改进。本发明可适合用于一种或多种液体边界的形成以及引导多个液体边界通过通道网络。将公开使该稳定的毛细管压力屏障的实际应用能够进行的多种几何体。
根据(a)的毛细管压力屏障不包括沿着毛细管压力屏障工程化降低毛细管压力屏障稳定性的刻意弱点。该工程化的阻塞能力的刻意弱点会产生流体弯月面可能溢出屏障的选择位置。
通常，该弱点可通过毛细管屏障中尖锐的V型弯曲或沿着毛细管压力屏障降低毛细管压力屏障稳定性的分支进行提供，例如van EP-A1 -2213364中所示的那些，例如其中的图5。
本文的术语“壁（wall）”指任何朝向微流体通道的流体的内表面，包括侧壁或顶部或底部基材。
术语“路径选择（routing）”表示选择性地引导流体通过微流体通道的循环。
有利的，本发明的可选特征在从属权利要求中进行了定义。本发明还存在于一种在按照在此所定义的本发明的设备中控制可移动流体-流体弯月面形状的方法，该方法包括导致弯月面沿着该设备的稳定的毛细管压力屏障对齐的步骤。
接下来以非限制性实例的方式给出了对本发明优选实施方式的描述，其中参考随后的附图，其中：
图1是阻塞弯月面和阻塞结构的透视图；图2是如本文所示图1的排列的垂直剖视图；图3和4是如本文所述的水平剖视图，分别显示了在溢流前和溢流时的情况下结构和弯月面的情况；图5-8用水平剖视图显示了在毛细管压力屏障和壁之间获得大于90°的界面角的各种实施方式；图9和10显示了同时包括毛细管压力屏障和两个拉伸屏障的实施方式，以及在到达拉伸屏障之前和到达时的情况下的弯月面；图11显示了对作为毛细管压力屏障和拉伸屏障之间距离的函数的突破毛细管压力屏障所需的最大溢流压力的模拟；
图12-14用水平剖视图显示了在毛细管压力屏障拉伸距离内实现拉伸屏障的各种实施方式；图15显示了同时包括两个毛细管压力屏障和一个拉伸屏障的实施方式，以及在到达拉伸屏障时的情况下的弯月面；图16和17显示了同时包括毛细管压力屏障和两个拉伸屏障的实施方式，以及在具有锥形壁的通道构造中到达拉伸屏障之前和到达时的情况下的弯月面；图18和19以水平剖视图显示了按照本发明的设备的两个实施方式；图20显示了表现按照本发明的设备的操作的一系列实验图像。图21用水平剖视图显示了按照本发明的设备的一个实施方式；图22显示了表现按照本发明的设备的一个实施方式的操作的一系列实验图像；图23和24用水平剖视图显示了按照本发明的设备的一个实施方式；图25显示了表现按照本发明的一个实施方式的填充操作的一系列图像；图26以水平剖视图显示了按照本发明的设备的一个实施方式；图27显示了表现按照本发明的设备的一个实施方式的操作的一系列实验图像。
参考图5，其中显示了一个稳定的相引导器-壁界面，其通过在相引导器下游边（如本文定义的）朝向壁102引入一个弯曲而产生。这导致了一个大的下游角度α 601。构建图5设备的可行方式是按照某一最小半径制造屏障弯曲，但是优选该半径尽可能大。
如非另有说明，否则在本文件的整个图中，箭头154描述了从上游到下游的方向，其对所讨论的具体毛细管压力屏障是重要的。
除非另有说明，否则本文件中的毛细管压力屏障被认为存在于设备使用中的底部基材上。很显然，这不一定都是如此，因为毛细管压力屏障还可以存在于使用中的顶部基材上，以及甚至是侧壁上。在更一般的术语中，其上存在毛细管压力屏障的基材指屏障基材以及朝向其上存在毛细管压力屏障的基材的基材作为相对基材。
从而图5显示了一种结构，其中稳定的毛细管压力屏障与位于稳定的毛细管压力屏障下游边的容积的壁形成大于90°的角。
如果不想要向前的弯曲，可以制作一个插入壁中的进口701，相引导器可以向后弯曲（指如所定义的下游方向），如图6所示，或者可以使用现存的侧通道以产生相同效果。因而图6的实施方式非限制性地例示了按照本发明的一种排列，其中稳定的毛细管压力屏障由在容积的壁材料中形成的凹陷或凹槽所形成或包括凹陷或凹槽。
更实用的产生稳定的相引导器-壁界面的方法是使相引导器在壁上以大角度α终止。这可例如通过倾斜相引导器的边缘、通过倾斜壁、通过产生延伸入具有倾斜侧边的容积（图7）的壁突出（凸起）801、或通过产生如图8所示具有倾斜边的壁进口701来实现。在图8中，容积的壁的倾斜以从容积主体部分后撤的凹口方式显示。然而在容积的壁材料中产生倾斜的其它方式也属于本发明的范围内。
此外，产生除所描述的凹口、凸起和倾斜之外的大角度的其它方式也被认为在本发明的范围内是可能的。
在此显示的方法的优点是实际的：通常，在微流体应用的使用中，毛细管压力屏障需要在例如多层光刻过程、粉碎过程、分配过程或类似过程中与容积的壁对齐。使用前述方法，人们可以允许更大的对齐不准确度而不会妨碍毛细管压力屏障的功能，因为甚至在毛细管压力屏障相对于壁的位置有大的偏移的情况下角度仍保持不变。
本发明还涉及一种用于控制可移动流体-流体弯月面的形状和/或位置的设备，该设备包括用于包含和引导流体的包括该弯月面的容积，填充方向为下游方向，且该容积具有至少一种形成毛细管压力屏障的第一结构，弯月面沿着所述屏障趋向于对齐，该毛细管压力屏障和弯月面在容积中的至少两个子容积之间形成一个界限，其中通过在比不存在拉伸屏障下沿着毛细管压力屏障对齐时的流体-流体弯月面的最大拉伸距离更短的距离处提供一个拉伸屏障，来稳定毛细管压力，其中拉伸屏障的形状使得至少一个方向元件与毛细管压力屏障垂直。
本文的术语"垂直"指拉伸屏障的至少一个元件在壁上或容积表面以与毛细管压力屏障垂直的方向提供。在毛细管压力屏障存在于底部基材的典型的实例中，拉伸屏障的垂直元件表示其边界形状可在与其上存在毛细管压力屏障的基材所垂直的至少一个元件中被分开。例如，如果毛细管压力屏障在沿着x和y方向拉伸的平面、而不是仅通过其z坐标完全定义的平面的基材上被形成图案(patterned)。拉伸屏障至少由x坐标和/或y坐标定义，从而具有相对于毛细管压力屏障边界线垂直的元件。
拉伸屏障还可包括与毛细管压力屏障不垂直的其他元件。这是次要的，只要有与基材垂直的元件即可。
为避免疑问，毛细管压力屏障可具有非直线的形状，而相对于毛细管压力屏障仍可发现拉伸屏障的垂直元件。
拉伸屏障通常位于毛细管压力屏障贯穿的平面，即毛细管压力屏障存在于底部基材时的壁上。在非平面微流体通道几何体的情况下，垂直元件可被定义为与由毛细管压力屏障线在与壁的交叉点处的一阶导数（方向）定义的参考向量空间垂直的元件。不希望受任何具体理论的限制，人们认为流体/流体弯月面将阻塞于毛细管压力屏障，且在拉伸对齐过程中至少部分阻塞于拉伸屏障，从而迫使弯月面采取一种能量上较不有利的形状并需要比拉伸屏障不存在且弯月面可完全拉伸的情况下增加的压力以打破毛细管压力屏障。该原理可有利地被用于任何形状的微流体通道。
图2描述了单一流体-流体弯月面的拉伸距离。图3显示了弯月面的俯视图，而图2显示了针对阻塞屏障并穿过阻塞屏障中心的截面法线（normal）。
液-气弯月面的最大拉伸距离可通过下述公式估算，假定接触线的中点在溢流开始的相引导器边缘保持阻塞：
     (II)
其中g代表阻塞屏障存在的基材和相对基材之间的缺口，θ1和θ2代表分别与相对基材和阻塞屏障材料的接触角。一旦毛细管压力屏障靠近拉伸屏障（例如在短于其最大拉伸距离的距离处的通道壁的尖锐弯曲）形成图案，弯月面即不能完全拉伸，从而增加了突破毛细管压力屏障所需的能量。
参见图9和10，其显示了一个阻塞流体-流体弯月面的毛细管压力屏障和两个拉伸屏障。该图中显示的拉伸屏障901代表了通道结构的尖锐弯曲，例如T型接合的情况。在图9中流体-流体弯月面在拉伸过程中阐述，而尚没有遇到这两个拉伸屏障。在图10中，流体-流体弯月面在拉伸过程中的一个点阐述，其中已到达拉伸屏障且沿着两个拉伸屏障901发生部分对齐。
在图9和10中，弯月面被表现为在毛细管压力屏障105边缘被阻塞。这主要是为说明目的而进行的。在实践中，弯月面边界可以是与底部基材垂直的表面上的某处，而仍处于阻塞状态。
弯月面在此表现为具有内弧形面，但并不局限于此几何体。有利的，根据本发明的设备也可以相似方式对背弧形面的流体-流体弯月面进行操作。
图11显示了对突破毛细管压力屏障所需压力作为其距拉伸屏障的距离的函数的模拟。进行该模拟用于与图9和10中所示的相似结构。在模拟中假定流体与毛细管压力屏障和侧壁材料具有70°的接触角，对于顶部基材材料为20°。此外，取从底部基材至顶部基材的通道高度为120μm，阻塞屏障和顶部基材之间高度为90μm，通道宽度为200μm。图11的模拟显示了在离毛细管压力屏障约100μm处距离的拉伸屏障需要最高压力。不希望受限于任何具体理论，我们观察到该距离大致为按照方程(II)计算的在拉伸屏障不存在时的理论拉伸距离的一半。
图12显示了在毛细管压力屏障105附近获得拉伸屏障的可选的可能的实施方式。图12显示了具有壁凸起121的通道的俯视图，该壁凸起在拉伸距离内形成图案时产生对毛细管压力屏障上存在的流体-流体弯月面的拉伸屏障901。图12所示实施方式的一个特别有用的方面是该毛细管压力屏障在弯月面前进的两个可能的方向都是稳定的。
图13显示了在毛细管压力屏障附近获得拉伸屏障的另一种可能的实施方式。在此情况下进入通道壁的凸起131产生了尖锐的弯曲，其可作为拉伸屏障。
如图9和10，图14显示了一个实施方式，其中两个拉伸屏障901通过两个通道壁的弯曲产生。
图15显示了特别稳定的毛细管压力屏障的另一类型。该图中显示的屏障构造包括两个毛细管压力屏障105，和一个拉伸屏障901。在此情况下，毛细管压力屏障存在于通道的侧壁102上，并具有通道壁的尖锐弯曲的形式。这一实例中的拉伸屏障901的图案为底部基材至容积中的凸起。图15的实例需要两个毛细管压力屏障，而图9、10、12、13和14的实例需要两个拉伸屏障。显然，在图9-14的实例中一个拉伸屏障的缺少或图15的实例中两个毛细管压力屏障之一的缺少仍然产生了比没有拉伸屏障的毛细管压力屏障更高稳定性的压力屏障构造，因此同样是本发明的一部分。
本领域技术人员将理解，在图9-14的实例中的一个拉伸屏障可以缺失，作为代替可以在相对于弯月面前进的下游边存在大于90°的壁和毛细管压力屏障之间的界面角。这仍将产生特别稳定的毛细管压力屏障，因此同样是本发明的一部分。
在图1、2、9、10和15中，毛细管压力屏障被描述为边缘或弯曲形式的阻塞屏障。这些情况中的弯月面在边缘处或沿着垂直方向的、边缘的下游侧壁某处达到阻塞状态。这一实施方案仅代表本发明的一个实施方式，并非受到其限制。相反，毛细管压力屏障也可作为疏水小片（patch）或不太亲水的小片在显著更亲水的通道中产生。在此情况下，然而，流体-流体弯月面在小片下游边处阻塞或对齐。
类似的原理被应用于拉伸屏障。这些屏障作为弯曲、凸起或进口描述于图9、10、12、13、14和15，但是也可以包括在显著更亲水的通道中的疏水小片或不太亲水的小片。
基于该几何体的毛细管压力屏障在某些情况下可有利于使用疏水小片或不太亲水的小片，因为从生产商的角度来看，阻塞屏障可包括与存在毛细管压力屏障的材料相同的材料。这意味着整体结构可从仅仅一种材料进行制造，导致对该设备的潜在的更便宜的制造过程。
在图1、2、9、10和15中，侧壁面被描述为与底部基材垂直。这在本领域还称为直侧壁面。这仅为一种示例性的实施方式，并非对本发明的限制。相反，侧壁面也可具有相对顶部基材从90°角偏移的某个角度。例如，当考虑到复制模具或模压策略时，需要一个释放角以从模具（master）中释放该设备。该释放角在本领域称为拔模角，通常在有利于装置从其模具中释放的方向从90°角偏移2°-10°的范围。在本领域和本文中，这被称为一个正的拔模角。
拔模角并不需要总是正的。相反，在光刻过程中，侧壁也可具有外悬面，被称为负拔模。通常负光刻胶具有负拔模角。这种负光刻胶的实例为SU-8、干膜光刻胶Ordyl SY系列 (包括SY300、SY550和SY120系列)、以及TMMF和TMMR光刻胶和类似的基于环氧或丙烯酸的负光刻胶。前述光刻胶是永久光刻胶，因此可被用于产生通道结构以及毛细管压力屏障和拉伸屏障。并非所有情况下上述光刻胶都产生负拔模角。当以某种方式加工它们时也可能获得正拔模角。
图16显示了一个可能的实施方式的实例，其中毛细管压力屏障105包括相对于周围的通道材料可以是疏水或较少亲水的小片。在这个实例中的小片在通道顶边成形。在这个实例中通道结构的侧壁102进一步具有相对于通道结构底边的正拔模角。尽管如此，它的正拔模角、图16和17中的实施方式也可能产生特别稳定的功能性毛细管压力屏障。
在图16和17的实施方式中，优选的在这一实例中的拉伸屏障具有实际的屏障能力。该屏障能力是通过屏障线和相对基材（在此为底部基材）之间的角度测定的，此外还有所涉及材料的各种接触角。为了充当屏障，在图17中描述为γ171的角需要大于临界角γ，其近似由Concus-Finn定理(III)给出：
γ > 180ο -θ1 -θ2 (III)
其中θ1和θ2 是分别与拉伸屏障材料和相对基材材料的接触角。
使用稳定的毛细管压力屏障的实例出现在凝胶图案和彼此相邻的液体的分层（lamination）中。为达到这一点的优选的实施方式见于图18。该图显示了两个子容积，其分别为相对于填充方向154的下游106和上游107。所述容积为泳道形式，其在容积152中被相引导器105分隔，所述相引导器105以大于90°的角601在相引导器下游边上与容积的壁102相交。
每个泳道进一步具有进口108和出口109，其中之一在描述的实施方式中是可选的。第一泳道107可被凝胶填充，以使该凝胶与另一物质交联或反应，或以微流体领域技术人员熟悉的任何方式被另一物质反应。胶凝后第二泳道106可用另一凝胶或流体填充。
该几何体具有两个泳道之间的分子交换主要通过扩散或经过凝胶的间隙渗流而发生的优势。同样的，一个泳道中的流体可以是运动的，而另一泳道如果需要的话保持静止。
该结构的实际应用可包括培养装置，其中细胞悬浮于凝胶中并用相邻的营养流灌注。
类似的几何体见于图19，其中只有一个进口108连接至第一容积107，图18的出口109被省略了。图20显示了一系列展示用流体填充容积107的图像。该结构特别可用于在容积107中构造可能含有细胞或其它物质的凝胶图案。在凝胶凝聚后，下游容积106可被用于加入第二流体。该第二流体可例如包含用于容积107中细胞的营养物，也可包含挑战化合物，例如某种药物，或毒剂（toxant）。容积106中的流体可以是流动的，也可以是静止的。图19和20的结构是本发明的特别重要的实施方式，因为特别稳定的毛细管压力屏障105允许使用常规分配工具例如移液器来构成凝胶图案。如果毛细管压力屏障不是特别稳定的，那么容积107中的凝胶应当非常小心地进行分配，以防止突破屏障以及随后的下游容积106的浸润。毛细管压力屏障和壁之间的大界面角降低了突破毛细管压力屏障的风险，从而使得图19和20中描述的设备更加坚固地使用。在图19和20的实施方式中，容积107被处理为通过一个含有弯曲191的通道，而第二容积106是一个直的通道。这样做是为了在图20中的一条线上具有3个界面孔201 a-c。然而，以下可能是有利的，即将第一流体形成于一个直的通道而使得第二容积产生一个或多个弯曲，而仍然有利于3个余隙孔彼此位于直线上。
图21和22分别显示了另一实施方式和展示其操作的一系列实验获得的图像。添加了一个第三泳道107a。同样的，第二泳道106和第三泳道107a被朝向中间泳道的具有毛细管压力屏障和壁之间的稳定界面角（即大于90°的角）的毛细管压力屏障105a所分隔。每个泳道106、107、107a都具有进口。三个泳道的至少一个具有出口。在图21和22显示的实施方式中，可以在容积107和107a中引入两种各自的流体，并各自在特别稳定的毛细管压力屏障105和105a上阻塞。该几何体特别可用于形成含有想要或期望彼此相互作用的物质的两种凝胶时。这些物质可以是但不限于细胞、细菌或分子化合物。在胶凝时中间泳道可被用于插入第三流体。例如两个上游容积可含有包含特定生物材料的凝胶，例如细胞类型，而中间泳道含有以静止形式即静置存在的或者动态形式即积极流动存在的流体。图21和22中所示实施方式特别可用于研究被流体分隔的细胞或组织间的相互作用。
在图21和22中，两个下游容积107和107a彼此相对。其不一定是这种情况。容积也可以彼此偏移。这在如下情况中可能是特别有利的，即如果可研究细胞相互作用，以及分泌的化合物被在中间泳道中注射的流体携带至第二容积以研究与第二凝胶中存在的物种、细胞或分子的相互作用时。
在图21和22中，具有壁和毛细管压力屏障间大界面角601的两个毛细管压力屏障105和105a的下游边朝向中间泳道。这决定了填充顺序，如图21和22的实例中，容积107和107a首先被填充，以利用毛细管压力屏障的特殊稳定性。显然，该实施方式的设计可被改造，从而毛细管压力屏障的稳定的边被反转，中间泳道被首先填充。
图23显示了可用于类似目的另一实施方式。在图23中两个子容积由大致n形的相引导器105所形成。3个进口和/或出口导管（conduit）108、109可连接子容积的一端或多个末端至所显示容积的外部。
在任一个图18、19、21和23中，根据应用需要可添加几乎任意数量的进一步的子容积，其形状可以或可以不是所描述的泳道。此外，在填充子容积中出现的个体流体的长度、宽度和形状也可以被调整为事实上任何期望的几何体。
图18、19、21和23中的毛细管压力屏障都被构图为——即定义为，因为“构图（patterning）”表示一个被毛细管压力屏障或更特别的相引导器设计领域的熟练的读者认可的术语——包括一个大于90°的稳定的壁角。在图18和23中，这个角通过包括通道壁的倾斜或偏移或其在倾斜附近相对于壁材料的部分来获得。在图19和21中，毛细管压力屏障朝向壁的弯曲导致大的下游角。
然而图5、6、7、8、12、13和14的任何几何体可被用于图18、19、21和23的排列中。同样的，图5、6、7、8、12、13和14中描述的任何排列的组合可被用于最终具有特别稳定的毛细管压力屏障的末端。
在图24中显示了一个典型的几何体，其可被用于将两种液体以预定的形状分布紧邻着彼此分层（laminate）。该几何体包含两个进口108和一个出口或开孔109。稳定的毛细管压力屏障（相引导器）105被用于在第一子容积107中稳定地限制第一液体，形成室或容积的一部分。
第二液体可被插入以填充室的第二部分或子容积106。该步骤之后可以是第二毛细管压力屏障110的溢流，然后连通两种液体并填充两个毛细管压力屏障105、110之间存在的空间111。
图24中稳定的毛细管压力屏障105具有毛细管压力屏障和壁之间大于90°的稳定的界面角。第一毛细管压力屏障105的稳定的壁角通过壁向室内的楔形凸起801实现，第二壁角通过指向出口通道的毛细管压力屏障112的弯曲实现。对这些所述的产生特别稳定的毛细管压力屏障的各种方式的显示纯粹是为了说明本发明范围内的多种可能性中的一些可能性。如本文定义的，在本发明的同一个实施方式中采用两种相似或相同的产生特别稳定的毛细管压力屏障的方式也是同样可能的。
换句话说，毛细管压力屏障和壁之间的稳定的界面角可用上述任何一个几何体或其组合来实现。
第二毛细管压力屏障优选设计为被液体以控制的方式溢出，所述控制通过引入刻意的弱点113的位置113来实现，如WO2010/086179和PCT/EP2012/054053中详细描述的那样。在此背景下“弱点（weakness）”指可导致液体溢过毛细管压力屏障的容易或困难程度。
稳定的毛细管压力屏障的其它应用的实例出现于复杂的通道和室的网络的填充和排空。用于实现这一点的示例性实施方式见于图25。其中第一上游通道108以典型的T形结合结构连接第二上游通道108a和下游通道109。
第一上游通道被特别稳定的毛细管压力屏障105所跨过（spanned）。在用第一流体103填充第一上游通道108时，其弯月面被阻塞于毛细管压力屏障105。在用第二流体103a填充第二上游通道108a时，两个弯月面接触，从而这两个弯月面结合为一个弯月面且第一流体弯月面的阻塞状态被解除。然后结合的弯月朝向下游方向继续前进。
图26显示了一个14室的阵列。与图25中描述的实施方式相似，该结构包含被特别稳定的毛细管压力屏障105b-n跨过的13个室261 b-n。如可以从具有与壁的界面角为90°的毛细管压力屏障衍生得出的不具有特别稳定性的毛细管压力屏障262跨过第一室261a。
通道网络含有包括一系列毛细管压力屏障的另一通道263。该通道或其屏障在本实例中都不考虑。通道网络还含有相对于室的上游毛细管压力屏障264a-m。这些毛细管压力屏障不具有特别的稳定性，用于确保室的顺序填充。
图27显示了一系列实验获得的图片，描述了图26的14室阵列的填充过程。在用流体填充所有的室261 a-n时，不具有特别稳定性的毛细管压力屏障262被突破，前进的弯月面与位于不具有特别稳定性的毛细管压力屏障下游的稳定的毛细管压力屏障105b-n上阻塞的弯月面104b-n顺序连接。图25和26中的特别稳定的毛细管压力屏障105b-n包括一个大于90°的稳定的壁角。显然在拉伸屏障的帮助下通过包括特别稳定的毛细管压力屏障可获得相似功能。事实上，图5、6、7、8、12、13和14中任一的几何体都可用于获得图25和26的结果。同样图5、6、7、8、12、13和14中描述的排列的任何组合都可用于最终具有特别稳定的毛细管压力屏障。例如，毛细管压力屏障的一个边可与界面的壁保持大的角度，而在壁的尖锐弯曲的拉伸距离之内提供拉伸屏障。显然两种原理的组合也是特别优选的，即具有大的下游角的对齐屏障-壁界面和在拉伸屏障的拉伸距离内具有一个垂直的元件，例如尖锐的弯曲。
图27中毛细管压力屏障262相对于毛细管压力屏障105的选择性溢流是基于不同稳定性的多个毛细管压力屏障的液体路径选择的一个实例。不同的稳定性，即一个屏障比另一个更稳定，在此是通过角度变化获得的。WO2010086179和PCT/EP2012/054053中详细描述了该原理。图11的模拟显示屏障稳定性的变化也可通过改变毛细管压力屏障和拉伸屏障之间的距离获得。这使得可被用于液体路径选择目的使用具有之间距离作为屏障稳定性参数的毛细管压力屏障/拉伸屏障组合的不同稳定性成为可能。存在通过毛细管压力屏障和拉伸屏障之间距离的不同而具有彼此不同稳定性的两个或多个毛细管压力屏障的任何实施方式都是本发明的一部分。
同样的，存在通过至少一个被拉伸屏障稳定的毛细管压力屏障和至少一个不被拉伸屏障稳定的第二毛细管压力屏障而具有彼此不同稳定性的两个或多个毛细管压力屏障的任何实施方式也是本发明的一部分。
特别稳定的毛细管压力屏障在填充复杂的通道和室网络中的应用是特别有利的，因为这些网络的填充通常在不同的受阻塞弯月面之间引入大的压力差。大的通道长度导致大的水动力阻力。为了应用所需压力来平缓地填充这些通道，而不会突破位于通道上游的特定的毛细管压力屏障，需要毛细管压力屏障具有特别的稳定性。
典型的相引导器是进入其所位于的容积或室主要部分的材料凸起，其相对于两个弯月面前进方向产生毛细管压力屏障。然而，也可在平台边缘获得阻塞，其中毛细管压力屏障于是相对于一个弯月面前进方向存在。此外，材料中形成的凹陷，例如凹槽，也可被用作阻塞几何体。
进入容积的凸起或相对于平台的凹槽的一个优点是室和通道的高度在整个室和通道网络中保持相同（除了毛细管压力屏障自身的位置以外）。
可被用于产生该毛细管压力屏障的材料的范围是非常大的，包括聚合物例如PDMS、聚丙烯酰胺、COC、聚苯乙烯、丙烯酸材料、环氧材料、光刻胶、硅胶，等等。这些材料可单片（monolithically）使用或组合使用。
相引导器的一个典型实施方式使用亲水性顶部基材，即玻璃，和较少亲水的阻塞屏障，即例如塑料或光刻胶的聚合物。
另一种毛细管压力屏障可以是相对于周围材料具有较低润湿性的材料的线。同样在此情况下所述线充当毛细管压力屏障，其相对于对齐的稳定性通过其壁角确定。这样一条线可以是疏水材料，例如特氟龙，以及仍位于亲水区的材料，例如SU-8光刻胶。
当相引导器和相对基材之间距离小的时候毛细管效应是最有效的。通常该距离小于1 mm，优选500 μm或更小。实践中，我们使用小于200 μm的距离。
当侧壁与其相对基材的角度(图2中的α)接近90°、等于90°或甚至大于90°时，凸起屏障作为稳定的毛细管压力屏障最有效地发挥功能。在实践中，当使用塑性加工例如磨碎或注射塑模时，侧壁面将具有一个拔模角，其使得角α小于90°。在注射塑模中释放的典型的拔模角为6°和8°之间，导致α的值分别为84°或82°。对于稳定的阻塞屏障而言重要的是保持拔模角越小越好（换句话说要保持α尽可能大）。
对此特别的实践应用是在如图18、19、21和23中所示的通用种类的（可能比所描述的包括更多泳道）多泳道微室的凝胶中使细胞形成图案。反应器具有以楔形终点结束的进口通道，其用于允许在稳定的阻塞情况下选择性地用凝胶填充第一泳道。
第二泳道可被用于灌注营养物和运输代谢物。第三泳道可被用于加入挑战物例如试剂或蛋白质或可能影响第一泳道中的细胞的其它物质，用于与另外的细胞类型共培养，或者用于加入具有不同组分的灌注流以跨凝胶产生梯度例如浓度梯度。
本文中的毛细管压力屏障大部分被画成直线。这不一定是必须的。事实上毛细管压力屏障可以具有任何形状。
本发明最典型的应用是在水性液体和气体之间产生稳定界面，然而，本发明还可被用于任何具有稳定弯月面的流体-流体构造，即两种流体是不相混的。实例包括任何气-液或油-水界面。
本文描述的设备的各种应用总结为在根据本发明的设备中如本文所定义和描述地控制可移动流体-流体弯月面的形状的方法，该方法包括导致弯月面沿着该设备的稳定的毛细管压力屏障对齐的步骤。
对于凝胶的情况，凝胶的构图在胶凝前形成，即当凝胶为流体的时候。
本说明书中的明显在先公开的文档的列表或讨论不一定应被视为承认该文档是本领域目前工艺水平的一部分或者是常见的一般知识。

Claims (25)

1.用于控制可移动流体-流体弯月面的形状和/或位置的设备，该设备包括用于包含和引导流体的包括该弯月面的容积，填充方向为下游方向，且该容积具有至少一种形成毛细管压力屏障的第一结构，弯月面沿着屏障趋向于对齐，该毛细管压力屏障和弯月面在容积中的至少两个子容积之间形成一个界限，其中
(a) 通过在两端与容积的壁形成一个在毛细管压力屏障下游边上大于90o的角，来稳定毛细管压力屏障，而不提供降低毛细管压力屏障稳定性的沿着毛细管压力屏障的刻意的流体对齐弱点，和/或
(b) 其中通过在比不存在拉伸屏障下沿着毛细管压力屏障对齐时的流体-流体弯月面的最大拉伸距离更短的距离处提供一个拉伸屏障，来稳定毛细管压力，
(c) 通过在一端与容积的壁形成一个在毛细管压力屏障下游边上大于90o的角，且在另一端通过在比不存在拉伸屏障下沿着毛细管压力屏障对齐时的流体-流体弯月面的最大拉伸距离更短的距离处提供一个拉伸屏障，来稳定毛细管压力屏障；
其中该拉伸屏障的形状使得至少一个方向元件与毛细管压力屏障垂直。
2.根据权利要求1的设备，其中该容积包括：
(c) 至少两个流体进口，从而至少两种各自的流体的至少一种可被填充至子容积中；和
(d) 至少一个流体出口，从而流体可从至少一个子容积中移出，填充方向中的流体的流动方向是下游方向。
3.根据权利要求1或权利要求2的设备，其中毛细管压力屏障由如下的一个或多个所形成或包括如下的一个或多个：
i) 在容积的壁的材料中形成的凹陷或凹槽；
ii) 从容积的壁进入容积的凸起；和/或
iii) 在容积的壁的材料中或其上形成的线，该材料与与线相邻的壁的材料相比具有较低的润湿性。
4.根据前述任一项权利要求的设备，其中拉伸屏障被形成为如下的一个或多个或包括如下的一个或多个：
iv) 在容积的壁的材料中形成的凹陷或凹槽；
v) 从容积的壁进入容积的凸起；
vi) 通向另一通道或容器的弯曲或凹陷；
vii) 在容积的壁的材料中或其上形成的线，该材料与与线相邻的壁的材料相比具有较低的润湿性。
5.根据前述任一项权利要求的设备，其中毛细管压力屏障的至少一个末端在与容积的壁的交叉点附近具有曲线形状，从而在毛细管压力屏障和壁的交叉点处形成了至少 1 μm，优选至少 10 μm的半径。
6.根据前述任一项权利要求的设备，其中毛细管压力屏障的至少一个末端与容积的壁交叉，且在得到的交叉点附近为直线形状。
7.根据前述任一项权利要求的设备，其中毛细管压力屏障的至少一个末端与容积的壁交叉，该壁形成了相对于周围的壁倾斜的一部分壁，其形成了在得到的交叉点附近的凹陷，和/或其形成了从壁进入容积的凸起。
8.根据权利要求3-7任一项的设备，其中凹陷是或包括在容积的壁中形成的通道或进口。
9.根据权利要求3-8任一项的设备，其中凸起包括楔形的和/或三角形的部分。
10.根据权利要求任一项的设备，其中拉伸屏障包括壁的弯曲。
11.根据权利要求10的设备，其中壁的弯曲以至少 90°的角向通道外弯曲。
12.根据前述任一项权利要求的设备，其中拉伸屏障相对于毛细管压力屏障位于拉伸屏障不存在下的流体-流体弯月面的拉伸距离的一半或不到一半的距离。
13.根据前述任一项权利要求的设备，其中最大拉伸距离，ds，通过式II定义：
 (II)
其中g代表其上提供第一毛细管压力屏障的第一基材与朝向其上提供第一毛细管压力屏障的基材的第二基材之间的距离；
其中θ1代表流体与朝向第一毛细管压力屏障的基材的接触角；且其中θ2代表流体与毛细管压力屏障材料的接触角。
14.根据前述任一项权利要求的设备，其中第一毛细管压力屏障在底部基材上提供，且其中至少一个拉伸屏障在通道侧壁上提供。
15.根据前述任一项权利要求的设备，其中该设备包括至少一个额外的毛细管压力屏障，且其中第一毛细管压力屏障是穿过通道网络的流体路径循环的一部分。
16.根据权利要求15的设备，其中第一毛细管压力屏障由距离毛细管压力屏障给定的距离处的拉伸屏障稳定化，且其中
a) 至少一个额外的毛细管压力屏障由不同于第一毛细管压力屏障及其拉伸屏障之间的第一距离的位于距额外的毛细管压力屏障为给定的第二距离处的拉伸屏障稳定化，或者b) 该至少一个额外的毛细管压力屏障不被拉伸屏障稳定化。
17.根据前述任一项权利要求的设备，其中容积包括形成含顶点的大致为Y形连接的至少两个流体进口和/或出口，且其中毛细管压力屏障在与顶点错位的位置处与容积的壁一起形成了一个错位交叉口。
18.根据前述任一项权利要求的设备，包括亲水的顶部基材和较少亲水的毛细管压力屏障。
19.根据权利要求18的设备，其中亲水的顶部基材为或包括硅酸盐玻璃，且较少亲水的毛细管压力屏障为或包括聚合物材料。
20.根据前述任一项权利要求的设备，其中毛细管压力屏障和/或拉伸屏障与侧壁形成大于如Concus-Finn定理所形成的临界角。
21.一种在根据前述任一项权利要求的设备中控制可移动流体-流体弯月面的形状和/或位置的方法，该方法包括导致弯月面沿着该设备具有特别高稳定性的毛细管压力屏障对齐的步骤。
22.根据权利要求21的方法，进一步包括导致弯月面还与拉伸屏障至少部分对齐，从而产生双对齐的弯月面。
23.根据权利要求21或22的方法，其中形状被控制的弯月面位于凝胶和进一步的流体之间，且其中导致弯月面沿着毛细管压力屏障对齐的步骤在凝胶发生胶凝之前发生。
24.一种微流体循环，包括多个微流体通道，并进一步包括一个或多个根据前述任一项权利要求的设备。
25.根据权利要求1-20任一项的设备或根据权利要求24的循环用于流体定向路径选择的用途。
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