CN105050718B - 形成相对单分散液滴的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

总体上描述了用于分裂液滴的装置和方法。在一些实施方案中，一种制品可以包括流体通道，其包括障碍物的阵列。在某些实施方案中，该阵列中该障碍物的布置会影响通道中流体的流路。例如，该障碍物的阵列可以用于将多分散的液滴群转化成相对单分散的液滴群。使多分散的液滴群经过该阵列会产生液滴的分裂，以使得离开该阵列的液滴群具有更窄的液滴特性尺寸分布。该阵列中该障碍物的布置在一些情况中可以允许以高生产量生产基本上单分散的液滴群。在一些实施方案中，离开该阵列的液滴群可以转化成颗粒。

Description

形成相对单分散液滴的装置和方法
相关申请
本申请要求于2013年3月6日提交的美国临时专利申请序列号61/773,604，标题为“Devices and Methods for Forming Relatively Mondisperse Droplets”的权益，其在此通过引用将其全部引入。
技术领域
总体上描述了用于分裂流体液滴的装置和方法。
发明背景
出于流体输送、产品制造、分析等目的，操作流体以形成所需构造的流体流、不连续的流体流、液滴、颗粒、分散体等是相对充分研究的技术。在微流体系统中生产液滴的方法的例子包括使用T形接头或流动聚焦(flow-focusing)技术。但是，这种技术典型地在相对缓慢的层状或“滴下”条件工作，并且在一些应用中，需要更快的液滴产生速率，例如以生产更多数目的液滴。
一些常规的流体装置尝试通过连接多于一个流体装置以并行形成颗粒来增产。但是，对于一些应用例如工业应用而言，需要数千或甚至数百万的流体装置的并行。因此，流体装置的生产量在它们的工业化变得可行之前必须明显提高。此外，在数千流体装置的阵列中，甚至单个流体装置的失效都会导致较高的多分散性。因此，需要改进液滴生产系统和方法。
发明内容
总体上描述了用于分裂流体液滴的装置和方法。本发明的主题在一些情况中包括相关的产品，对于具体问题可选的解决方案，和/或一种或多种装置和/或制品的多种不同用途。
在一方面，本发明总体上涉及一种制品。根据一组实施方案，该制品包括微流体型通道，其中包括障碍物的二维阵列，其布置为多行基本上规则间隔的障碍物，该行布置为基本上垂直于穿过该微流体型通道的平均流体流动的方向。在一些情况中，该基本上规则间隔的障碍物的至少一些行相对于相邻的基本上规则间隔的障碍物的行是偏移的。
该制品在另一组实施方案中包括微流体型通道，其中包括障碍物的二维阵列，其布置为多行障碍物，该行布置为基本上垂直于穿过该微流体型通道的平均流体流动的方向。在某些情况中，在穿过该微流体型通道的平均流体流动的方向上划过该障碍物阵列的至少约90％的假想线与至少约40％的形成该阵列的障碍物行的障碍物相交。
又一组实施方案总体上涉及一种制品，其包括微流体型通道，其中包括障碍物的阵列，其布置为使得所有从上游进入该障碍物阵列的流体的流路至少发生五次方向变化后，在该阵列下游离开。
本发明在另一方面中总体上涉及一种方法。在一组实施方案中，该方法包括以下操作：提供包括在微流体型通道内的障碍物二维阵列，和使多个液滴经过该障碍物阵列，以将至少约50％的液滴分裂以形成多个分裂的液滴。在一些情况中，障碍物与接下来最近的障碍物之间的平均距离小于约1mm。
根据另一组实施方案，该方法包括以下操作：通过使多个液滴经过障碍物二维阵列，以向该多个液滴施加剪切力，从而使该液滴分裂以形成多个分裂的液滴。在一些实施方案中，该多个分裂的液滴具有一定的特性尺寸分布，以使得不大于约5％的分裂的液滴的特性尺寸大于该多个分裂的液滴的平均特性尺寸的约120％或者小于约80％。
又一组实施方案总体上涉及一种方法，其包括使液滴经过包括于微流体型通道中的障碍物二维阵列，以将该液滴分裂来形成多个分裂的液滴。
当结合附图考虑时，本发明的其他优点和新颖特征从本发明的以下各种非限制性实施方案的详细描述将变得明显。在本说明书和通过引用并入的文件包括冲突和/或不一致的公开内容的情况下，以本说明书为准。
附图说明
本发明的非限制性实施方案将参考附图以实施例方式进行描述，其为示意性的而不意在按比例绘制。在图中，所描述的各相同的或近乎相同的部分典型地由单一的数字表示。出于清楚的目的，当允许本领域技术人员理解本发明而不需说明时，不是每个部分都标在每张图中，也不是显示本发明的各实施方案的每个部分。在图中：
图1显示了本发明一个实施方案的装置的图示。
图2A-G显示了根据某些实施方案的多个障碍物的阵列和液滴分裂。
图3显示了根据一个实施方案的装置的并行化。
图4A-B显示了根据某些实施方案的液滴尺寸相对于毛细管数和间隙体积的图。
图5A-C显示了根据一组实施方案，分散相的体积百分比，液滴尺寸和变化系数相对于间隙体积的图。
图6显示了根据一组实施方案，基于障碍物几何形状的液滴的特性尺寸分布。
图7A-F显示了根据某些实施方案，不同障碍物几何形状的液滴分裂。
图8A-E显示了根据某些实施方案，不同长宽比的液滴分裂。
图9A-B显示了根据一组实施方案形成的颗粒。
图10A-H显示了根据某些实施方案，不同长宽比的液滴分裂，和平均液滴直径相对于长宽比的图。
图11A-F显示了根据一组实施方案形成的颗粒。
图12显示了根据某些实施方案，液滴直径相对于流体速度的图。
图13显示了根据一组实施方案形成的颗粒。
图14显示了根据一组实施方案，液滴直径相对于行数的图。
具体实施方式
总体上描述了用于分裂液滴的装置和方法。在一些实施方案中，一种制品可以包括流体通道，其包括障碍物阵列。在某些实施方案中，该障碍物阵列的布置会影响流体在通道中的流路。例如，该障碍物阵列可以用于将多分散的液滴群转化成相对单分散的液滴群。使多分散的液滴群经过该阵列会产生液滴的分裂，以使得离开该阵列的液滴群具有更小的特性尺寸和/或更窄的液滴特性尺寸分布。该阵列中障碍物的布置在一些情况中可以允许高生产量地生产基本上单分散的液滴群。在一些实施方案中，离开该阵列的液滴群可以转化成颗粒。
本发明的一方面总体上涉及用于分裂液滴的装置和方法。图1显示了一个非限定性例子。如图1中所示例性地显示，流体装置10可以包括通道15，其含有障碍物阵列20(为了清楚，该插图显示了该阵列的放大区域)。进入该通道的流体25可以在箭头18的方向上(其代表通道15中流体流动的平均方向)从上游16流到下游17。可以布置该流体装置，以使得进入通道的流体在离开该通道之前经过障碍物阵列。在某些实施方案中，进入通道的流体可以包含液滴，例如图1中的液滴30。流体25内的液滴可以经由任何合适的技术来产生，例如乳液方法(例如本体乳化(bulk emulsification))，以使得流体液滴分散在连续流体相中。典型地，该液滴是多分散的。在一些实施方案中，该液滴可以在阵列上游的装置上形成。
在一些实施方案中，可以布置该流体装置，以使得进入阵列的液滴可以作为分裂的液滴离开，例如具有系统所要求的特性尺寸(例如装置的构造和/或流体的性质)。例如，在一些实施方案中，该液滴可以通过阵列中的障碍物分裂成两个或更多个分裂的液滴。该分裂的液滴在一些情况中还可以分裂。这种分裂过程可以持续直到来自于该液滴的全部分裂的液滴具有大致地特定的特性尺寸为止，由此生产相对单分散的液滴。因此，如图1中所示例性地显示，该流体装置可以用于将多分散的液滴30的群转化成相对单分散的液滴35的群。
在某些实施方案中，相对大数目的液滴可以基本上同时进入、占据和/或离开该阵列，以便能够以高生产量来生产具有特定的特性尺寸的液滴。因此，虽然上面讨论了单个液滴的分裂，但是这是为了清楚起见，并且在其他实施方案中，多个液滴可以同时经过障碍物阵列。另外，在一些情况中，进入或离开该阵列的液滴在经过障碍物阵列之前和/或之后可以经历另外的过程。例如，如图1中所示，在液滴离开通道之前，包含单体和光引发剂的液滴可以暴露于紫外线以引起该液滴内的光聚合。
如上所述，通道可以包含布置在阵列中的障碍物。在一个例子中，微流体型通道可以在其中包括障碍物二维阵列，如图2A中所示。该障碍物可以规则地或不规则地位于通道内；例如，该障碍物可以排列成多个行100、101、102、103、104和105，如图2A中所示。该障碍物可以在多个行中基本上规则地间隔，或者一些或全部的行可以包含不规则间距的障碍物。在某些实施方案中，该行可以布置为基本上垂直于流体流动的平均方向，如图2A中所示，或者以其他方式定位为相对于流体流动的平均方向18呈非零度角。例如，该行也可以对齐，以使得该行与流体流动的平均方向之间的夹角是约45°至约135°，约80°至约100°，或者85°至约95°等。
在一些实施方案中，在至少一些行中，障碍物的中心可以相对于相邻行(即接下来最近的行)中的障碍物中心偏移。例如，如图2中所示，第一行100中的障碍物80的中心可以从第二行101中的障碍物81的中心偏移，即相对于通道内平均流体流动的方向偏移。在一组实施方案中，该障碍物可以偏移，以使得第一行100的两个障碍物的中心之间的中点与相邻第二行中的障碍物81的中心对齐，如图2A中所示。在一些情况中，该阵列中全部的障碍物行可以相对于相邻的障碍物行偏移，例如如图2A中所示，并且行100、102和104相对于行101和103偏移。另外，在行与另一行对齐的实施方案中，该阵列可以描述为具有列，例如如图2A中所示，具有列88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98和99，即使得该列通过位于每个其他行中的障碍物来限定。但是，应当理解图2A中的阵列仅是示例，并且在其他实施方案中，可以存在更多或更少数目的障碍物，行和/或列，和/或该障碍物本身也可以具有多种不同的形状。另外，在一些情况中，障碍物的排列可以比图2A中所示的更不规则，或者障碍物可以不完全对齐，或者在一些情况中表现出不同类型的间距或偏移。
在一些实施方案中，该阵列中的障碍物可以彼此相对密切地定位。例如，该阵列中的障碍物可以布置为使得在通过该通道的平均流体流动的方向上划过该障碍物阵列的至少约70％(例如，至少约80％，至少约90％，至少约95％，至少约98％，约100％)的假想线与形成该阵列的至少约20％(例如，至少约30％，至少约40％，至少约50％，至少约60％)的障碍物行的障碍物相交。例如，如图2B中所示例性地显示，一系列假想线110可以在流体流动的平均方向18上划过该阵列20。例如，如图2B中所示，在通过该通道的平均流体流动的方向上划过该障碍物阵列的至少约90％的假想线可以与形成该阵列的至少约40％的障碍物行的障碍物相交。
另外，在某些实施方案中，该障碍物可以布置为该阵列，以使得所有从上游进入该障碍物阵列的流体的流路至少发生五次方向改变(例如，至少10、至少20、至少30、至少40、至少50、至少60、至少70、至少80、至少90次等方向改变)后，在该阵列下游离开。这可以参考图2C来理解。如图2C所示，通过第一行100进入阵列的流路120和121可以在遇到第二行101中的障碍物时改变方向，因为由于障碍物的存在，流路120不能继续直接向前。为了横穿该阵列，在行107中的障碍物之间离开之前，不同的流路在它们遇到行102、103、104、105和106中的障碍物时改变方向。另外，所有流路均需要至少一次改变方向而穿过阵列(不过在一些情况中，可以存在绕过该阵列的流路，如图2A中所示)。
在一些实施方案中，障碍物在阵列中的位置可以以阵列的平均间隙面积和/或体积的方式来描述。平均间隙面积可以定义为平均水平间距(即行中障碍物和接下来最近的障碍物之间边到边的距离)和平均竖直间距(即列中障碍物和接下来最近的障碍物之间边到边的距离)所限定的面积，如图2A中所示。例如，在该图中，平均水平间距46通过行中障碍物41和接下来最近的相邻物42之间边到边的距离(即障碍物最接近的边之间的最短直线距离)来定义，和平均竖直间距47通过列中障碍物43和接下来最近的相邻物44之间边到边的距离来定义(要注意在图2A中，该测量跳过了行，例如，在行102的障碍物和行104的障碍物之间延伸，同时绕过行103中的障碍物)。从这些测量，间隙面积可以将平均水平间距乘以平均竖直间距来计算，并且间隙体积可以将平均间隙面积乘以流体通道的高度来计算。
如这里所述，含有障碍物阵列的通道可以用于分裂液滴，例如当该液滴遇到阵列内不同的障碍物时。在图2D-G中可以看到根据本发明不同的实施方案，不同的液滴分裂过程的图示，其作为说明性例子(但是在一些实施方案中，阵列内存在的多个液滴和/或多于一种的以下机理可以一起发挥作用；这里为了清楚起见，显示了单个液滴)。如图2D中所示，障碍物二维阵列20上游的液滴50可以在流体流动的平均方向18上朝着阵列流动。在一些实施方案中，该障碍物阵列会影响液滴的流路。例如，如图2E中所示，液滴50可以通过第一行障碍物26中的障碍物21和接下来最近的障碍物22之间的间断24进入该阵列。该液滴然后会遇到第二行障碍物27中的障碍物23。通过多种机理，如下所述，这种遇到会使该液滴分裂成两个或更多个液滴。
障碍物在一些实施方案中可以排成阵列，以使得液滴在离开该阵列之前遇到多个障碍物。例如，在横过该阵列时，液滴会遇到该阵列至少10％、至少20％、至少40％、至少60％或至少80％的行中的障碍物。在一些实施方案中，直到该液滴改变它的流动方向(例如，改变90度或其他角度)时，该液滴会被有效“截留”，即通过该障碍物，相对于通过通道的流体流动的平均方向，障碍物附近的流体流动变得受限制。这种截留会促进液滴分裂成两个或更多个单独的液滴。
例如，在某些情况中，取决于液滴体积与间隙体积之比，液滴无法绕过该障碍物而不明显改变该液滴的形状和/或尺寸。例如，在一些情况中，该液滴可以通过流体流动而被挤压向和/或推到障碍物两侧。在一些实施方案中，如图2E中所示例性地显示，遇到障碍物和/或改变方向会使该液滴分裂成分裂的液滴51和52，其单独地更能够避开阵列中的障碍物。在其他实施方案中，该液滴可以分裂成多于两个液滴，和/或该液滴也可以在遇到其他障碍物时变得进一步分裂，例如以产生由液滴50分裂成的分裂的液滴群60，如图2G中所示。
在一些实施方案中，液滴分裂可以持续到该分裂的液滴达到一定的特性尺寸分布为止，即阵列中随后的障碍物在液滴流过该障碍物阵列时，基本上不会进一步改变它们的平均特性尺寸。作为此处使用的，液滴的“特性尺寸”是体积与该液滴相同的完美球体的直径。如此处所讨论的，在一些情况中，液滴的特性尺寸可以至少部分地通过装置的特征和分散相与连续相的粘度之比来控制。
不希望受限于任何理论，据信通过液滴改变方向和/或液滴与障碍物的相互作用和通过沿着装置零件的压力降低所引起的液滴上的剪切力，会引起液滴的分裂。据信该压力降低可以通过截留在障碍物之间的液滴导致的增加的阻力来产生。截留的液滴可以增加它们的位置上游的压力。一旦该上游压力超过了拉普拉斯压力(Laplace pressure)，则液滴会分裂。例如，在一些情况中，无法不改变形状而绕过障碍物的液滴可以在与进入流体基本上同时地挤压向和推到障碍物两侧。结果，该液滴会分裂成能够绕过障碍物流动的分裂的液滴。因此，使液滴经过障碍物阵列会使剪切力施加到该液滴上，以使得该液滴分裂成多个液滴。
在某些实施方案中，液滴分裂方法的效率会取决于不同的因素，例如障碍物几何形状或液滴的毛细管数。例如，障碍物的几何形状可以防止液滴避开该障碍物，而不经历液滴的形状或流动方向的较大改变。可以产生这种效应的几何特征的一个例子是存在与顶点相对的部分，该部分与流体流动的平均方向以约90度角对齐。这种部分将阻止进一步的流体流动和引起液滴的形状或流动方向的改变。矩形和圆形障碍物是合适的障碍物的例子。在一些实施方案中，与障碍物几何形状(其截留大于装置的特征所要求的具体特性尺寸的液滴)相比，障碍物几何形状(其不截留大于装置的特征所要求的具体特性尺寸的液滴)可以使离开阵列的液滴群具有更高的特性尺寸分布。
但是，应当理解本发明不仅限于含有90度部分的障碍物。还可以使用其他障碍物几何形状，例如能够引起流体流动方向在障碍物周围改变的任何几何形状。例子包括但不限于三角形障碍物(并且顶点与流体流动的平均方向对齐)，菱形障碍物(并且顶点与流体流动的平均方向对齐)，在流体流动的平均方向上具有半圆形缺口的障碍物，不规则障碍物等，不过在这些情况的一些中，这种障碍物改变流体流动的平均方向的能力会降低。在图6中可见这些障碍物的一些的例子。因此，总的来说，任何合适的障碍物形状可用于分裂液滴。障碍物形状的非限定性例子包括圆形、三角形、菱形、正方形、矩形、大致半圆形、具有缺口的多边形、正多边形和不规则多边形。
另外，在一些实施方案中，一些障碍物可以经定位以使得相对于通道内的平均流体流动，该流体遇到处于约85度、约80度、约75度、约70度、约65度、约60度等角度的壁。另外，在一些情况中，阵列可以包括多于一种类型的障碍物，例如包括这里所讨论的任何几何形状、形状或尺寸。例如，该阵列的第一部分可以包括第一几何形状和该阵列的第二部分可以包括第二几何形状，或者具有不同的几何形状的障碍物可以存在于一行或一列中等。
在一些实施方案中，毛细管数对于控制液滴分裂方法的效率或者在障碍物阵列中所产生的液滴的尺寸来说会是重要的。毛细管数可以定义为：
Ca＝ηq/(hwγ)。
在这个等式中，η是液滴粘度，q是通道中流体的平均流速，h是整体通道高度，w是整体通道宽度，和γ是在通道内流动的连续流体的表面张力。在一些情况中，如果液滴的流动高于阈值毛细管数，则会发生液滴的分裂。阈值可以取决于不同的因素，例如液滴粘度与连续相粘度之比。总的来说，任何合适的液滴的毛细管数都可以使用。例如，在一些实施方案中，在通道内流动的液滴的毛细管数可以大于或等于约0.001、大于或等于约0.005、大于或等于约0.01、大于或等于约0.05、大于或等于约0.1、大于或等于约0.5、大于或等于约1、大于或等于约2或者大于或等于约5。在一些情况中，液滴的毛细管数可以小于约10、小于约5、小于约2、小于约1、小于约0.5、小于约0.1、小于约0.05、小于约0.01或者小于约0.005。上述范围的组合也是可行的(例如，大于或等于约0.1和小于2)。液滴的毛细管数的其他值也是可行的。毛细管数可以使用上面的等式来计算。液滴粘度和表面张力可以使用任何合适的技术来测量，例如分别使用粘度计和接触角测量。
如上所述，进入障碍物阵列的液滴可以作为多个液滴离开，其具有可以部分地通过阵列内障碍物的布置来控制的一定特性尺寸。在一些情况中，离开该阵列的液滴可以具有比进入该阵列的液滴更窄的特性直径分布，或者在一些实施方案中，该液滴可以是基本上单分散的。在一组实施方案中，离开的液滴具有的特性尺寸分布可以使得不大于约20％、约10％或约5％的离开该阵列的液滴的特性尺寸大于离开该阵列的液滴的特性尺寸平均值的约120％或小于约80％、大于约115％或小于约85％或者大于约110％或小于约90％。
在一些情况中，离开的液滴的特性尺寸的变化系数可以小于或等于约20％、小于或等于约15％或者小于或等于约10％。
在一些实施方案中，离开阵列的液滴的特性尺寸可以相对独立于进入阵列的液滴的特性尺寸，例如在足够长以使液滴能够重复分裂的阵列中。因此，在一些实施方案中，离开阵列的液滴的特性尺寸可以取决于因素例如流体通道的设计、阵列设计、障碍物的长宽比、液滴的毛细管数、乳液中分散相的百分比或者通道内流体的粘度。在一些情况中，液滴的特性尺寸可以通过装置设计和/或改变这些性质中的一种或多种来控制。例如，在某些实施方案中，该特性尺寸可以通过设计具有一定间隙体积的障碍物阵列来选择。在另一例子中，该特性尺寸可以通过改变液滴的毛细管数、乳液的分散相百分比或者通道内流体的粘度来控制。
在一些实施方案中，多个液滴能够基本上同时进入、占据和/或通过阵列分裂。在一些情况中，液滴离开障碍物阵列的速率可以是相对快的(例如，大于或等于约1,000个液滴/秒、大于或等于5,000个液滴/秒、大于或等于约10,000个液滴/秒、大于或等于约50,000个液滴/秒、大于或等于约100,000个液滴/秒、300,000个液滴/秒、500,000个液滴/秒、1,000,000个液滴/秒等)。
另外，在一些实施方案中，多于一个的含有障碍物阵列的通道可以并行以进一步增加装置的生产量。在一些实施方案中，该装置的设计会允许通道容易并行，例如通过将多于一个含有阵列的通道连接到同一入口和出口。如图3中所示例性地显示，并行化的装置可以包括多个通道65，其在通道的入口70和出口75处连接。如图3中所示，各通道可以含有障碍物阵列20(为了清楚起见，该插图显示了障碍物阵列的放大部分)。例如，各通道可以含有20行和500列的障碍物。
在一些情况中，相对大数目的装置可以并联使用，例如至少约10个装置，至少约30个装置、至少约50个装置、至少约75个装置、至少约100个装置、至少约200个装置、至少约300个装置、至少约500个装置、至少约750个装置或者至少约1,000个装置或者更多个可以并联运行。通过使用相对大数目的装置，可以容易地生产更大数目的液滴，而无需任何按比例放大。因此，例如通过简单地选择适当数目的装置，能够容易地控制或改变液滴的生产率。在一些实施方案中，多个装置可以用共同的入口和/或出口连接在一起(例如，来自于共同的流体源和/或到共同的收集器)，不过在其他实施方案中，可以使用单独的入口和/或出口。在一些实施方案中，该装置可以包括不同的通道、孔、微流体等。在一些情况中，这种装置的阵列可以通过水平和/或竖直堆叠该装置来形成。该装置可以是共同控制的或者分别控制的，并且可以提供有共同的或单独的流体源，这取决于所述应用。在一些实施方案中，含有障碍物阵列的通道可以与本领域技术人员已知的任何其他液滴分裂装置相组合。
在一些实施方案中，液滴可以例如在离开阵列之前或之后经历另外的过程。在一个例子中，进入或离开阵列的液滴可以转化成颗粒(例如，通过聚合方法)。在另一例子中，液滴在离开阵列后可以经历拣选和/或检测。例如，可以测定液滴内的物质，并且该液滴可以基于该测定来拣选。总的来说，液滴在经过障碍物阵列后，可以经历本领域技术人员已知的任何合适的过程。参见例如Link等人于2004年4月9日提交的，标题为“Formation andControl of Fluidic Species”的国际专利申请PCT/US2004/010903，其作为WO2004/091763公布于2004年10月28日；Stone等人于2003年6月30日提交的，标题为“Method andApparatus for Fluid Dispersion”的国际专利申请PCT/US2003/020542，其作为WO2004/002627公布于2004年1月8日；Weitz等人于2006年3月3日提交的，标题为“Method andApparatus for Forming Multiple Emulsions”的国际专利申请PCT/US2006/007772，其作为WO2006/096571公布于2006年9月14日；Link等人于2004年8月27日提交的，标题为“Electronic Control of Fluidic Species”的国际专利申请PCT/US2004/027912，其作为WO2005/021151公布于2005年3月10日，其每篇在此通过引用将其全部引入。
如此处所述的，障碍物阵列可以具有某些特性(例如，行数、行角度、偏移、障碍物的平均水平间距、障碍物的平均竖直间距、平均间隙面积、平均间隙体积、列数等)，其可以用于影响液滴分裂或离开该阵列的液滴的特性尺寸。例如，在一些实施方案中，可以选择阵列的行数以实现特定的平均液滴特性尺寸。在某些情况中，阵列的行数可以经优化以实现某些液滴特性尺寸，而不会不利地影响装置中的其他部件。例如，实现特定的平均液滴特性尺寸而不会不利地影响装置所需的行数可以是约20-约30行。
因此，总的来说，阵列的行数可以按需选择。例如，在一些实施方案中，阵列的行数可以大于或等于约10、大于或等于约20、大于或等于约30、大于或等于约40、大于或等于约50、大于或等于约70或者大于或等于约90。在一些情况中，阵列的行数可以小于约100、小于约80、小于约60、小于约40、小于约20或者小于约10。上述范围的组合也是可行的(例如，大于或等于约5和小于约100)。用于障碍物阵列中行数的其他值也是可行的。在一些情况中，装置的按比例放大可以通过添加更多的障碍物列而容易地实现。例如，添加更多的列(并且使得装置更宽)可以允许更大通过量的流体穿过通道，而无需改变用于使液滴分裂成两个或更多个液滴的障碍物的基本几何形状。
在一些实施方案中，可以选择阵列中行的取向以促进液滴分裂。在某些实施方案中，至少1行(例如，至少约40％的行、至少约60％的行、至少约80％的行、至少约90％的行、至少约95％的行、至少约98％的行)可以相对于流体流动的平均方向为非零度角。在一些实施方案中，该非零度角是90度。在一些情况中，一行可以具有与另一行基本相同的相对于流体流动的平均方向的非零度角。例如，基本上全部的行可以相对于流体流动的平均方向为基本上非零度角。在某些情况中，一行可以具有与另一行不同的相对于流体流动的平均方向的非零度角。
因此，总的来说，相对于流体流动的平均方向的行角度可以按需选择。例如，在一些实施方案中，通道内的行相对于流体流动的平均方向的角度可以大于或等于约5度、大于或等于约30度、大于或等于约45度、大于或等于约60度、大于或等于约90度、大于或等于约115度、大于或等于约135度或者大于或等于约150度。在一些情况中，相对于流体流动的平均方向的行角度可以小于约180度、小于约150度、小于约120度、小于约90度、小于约60度或者小于约30度。上述范围的组合也是可行的(例如，大于或等于约60度和小于约150度)。用于相对于流体流动的平均方向的行角度的其他可能值也是可行的。
在某些实施方案中，可以选择行中障碍物中心相对于阵列中另一行中障碍物中心的偏移以促进液滴分裂。例如，在一组实施方案中，该障碍物可以偏移，以使得第一行中两个障碍物中心间的间距的中点与相邻第二行的障碍物的中心对齐，如参考图2A所讨论的。在一些实例中，可以选择行中障碍物中心相对于阵列中相邻行中障碍物中心的偏移以实现特定的液滴特性尺寸。在一些实施方案中，至少一些行(例如，至少约40％的行、至少约60％的行、至少约80％的行、至少约90％的行、至少约95％的行、至少约98％的行)中的障碍物中心可以相对于另一行(例如相邻行)的障碍物中心偏移。
在一些情况中，两行中的障碍物中心间的偏移可以与另两行中障碍物中心的偏移基本上相同。例如，一行中基本上全部的障碍物中心可以具有相对于另一行(例如，接下来最近的相邻物)中的障碍物中心基本上相同的偏移。在某些情况中，两行中的障碍物中心间的偏移可以与另两行中障碍物中心间的偏移不同。在一些实施方案中，一行相对于另一行的偏移可以通过计算第一行中障碍物中心与第二行中障碍物中心之间的平均差值来确定。一行相对于另一行的偏移的其他可能值也是可行的。
在某些实施方案中，可以选择行中障碍物与接下来最近的障碍物之间的平均间距，以促进液滴分裂和/或实现特定的液滴特性尺寸。例如，在一些实施方案中，行中障碍物与接下来最近的障碍物之间的平均水平间距可以大于或等于约1微米、大于或等于约5微米、大于或等于约5微米、大于或等于约10微米、大于或等于约20微米、大于或等于约30微米、大于或等于约40微米、大于或等于约50微米、大于或等于约75微米、大于或等于约100微米、大于或等于约200微米、大于或等于约500微米、大于或等于约750微米。在一些情况中，行中障碍物与接下来最近的障碍物之间的平均水平间距可以小于约1,000微米、小于约750微米、小于约500微米、小于约250微米、小于约100微米、小于约80微米、小于约60微米、小于约40微米、小于约20微米、小于约10微米或者小于约5微米。上述范围的组合也是可行的(例如，大于或等于约1微米和小于约100微米)。平均水平间距的其他可能值也是可行的。
在某些实施方案中，该障碍物阵列可以含有图2A中所示的列。在一些情况中，可以选择障碍物的列数以影响装置生产量和装置中的乳化速度。总的来说，列数可以按需选择。例如，在一些实施方案中，阵列中的列数可以大于或等于约5、大于或等于约10、大于或等于约25、大于或等于约50、大于或等于约75、大于或等于约100、大于或等于约150、大于或等于约200、大于或等于约300、大于或等于约500或者大于或等于约750。在一些情况中，阵列中的列数可以小于约1,000、小于约800、小于约600、小于约400、小于约200、小于约100、小于约75、小于约50、小于约30或者小于约15。上述范围的组合也是可行的(例如，大于或等于约100和小于约1,000)。阵列中列数的其他可能值也是可行的。
在一些实施方案中，列中障碍物与接下来最近的相邻障碍物之间的平均间距可以大于或等于约1微米、大于或等于约5微米、大于或等于约5微米、大于或等于约10微米、大于或等于约20微米、大于或等于约30微米、大于或等于约40微米、大于或等于约50微米、大于或等于约75微米、大于或等于约100微米、大于或等于约200微米、大于或等于约500微米、大于或等于约750微米。在一些情况中，列中障碍物与接下来最近的障碍物之间的平均竖直间距可以小于约1,000微米、小于约750微米、小于约500微米、小于约250微米、小于约100微米、小于约80微米、小于约60微米、小于约40微米、小于约20微米、小于约10微米或者小于约5微米。上述范围的组合也是可行的(例如，大于或等于约1微米和小于约100微米)。平均竖直间距的其他可能值也是可行的。
从平均水平间距和平均竖直间距，可以将阵列的平均间隙面积乘以流体通道的高度以计算间隙体积。在某些实施方案中，阵列的平均间隙面积可以小于约10,000平方微米、小于约8,000平方微米、小于约6,000平方微米、小于约4,000平方微米、小于约2,000平方微米、小于约1,000平方微米、小于约800平方微米或者小于约400平方微米。在一些情况中，阵列的平均间隙面积可以大于或等于约200平方微米、大于或等于约400平方微米、大于或等于约800平方微米、大于或等于约1,200平方微米、大于或等于约1,600平方微米、大于或等于约2,000平方微米、大于或等于约4,000平方微米、大于或等于约6,000平方微米或者大于或等于约8,000平方微米。上述范围的组合也是可行的(例如，大于或等于约200平方微米和小于约2,000平方微米)。平均间隙面积的其他值也是可行的。
在一些实施方案中，阵列的平均间隙体积可以小于约200,000立方微米、小于约175,000立方微米、小于约150,000立方微米、小于约125,000立方微米、小于约100,000立方微米、小于约75,000立方微米、小于约50,000立方微米或者小于约25,000立方微米。在一些情况中，阵列的平均间隙体积可以大于或等于约10,000立方微米、大于或等于约25,000立方微米、大于或等于约50,000立方微米、大于或等于约75,000立方微米、大于或等于约100,000立方微米、大于或等于约125,000立方微米、大于或等于约150,000立方微米或者大于或等于约175,000立方微米。上述范围的组合也是可行的(例如，大于或等于约10,000立方微米和小于约150,000立方微米)。平均间隙体积的其他值也是可行的。
还应当理解通道的总高度不需要是恒定的，并且在某些实施方案中可以在整个通道内变化。例如，通道可以在入口处最高和在出口处最低，反之亦然。
在一些实施方案中，障碍物的尺寸的长宽比(例如，长度:宽度)会影响液滴分裂。在一些情况中，长宽比会影响液滴经历的分裂的平均数。在一些情况中，障碍物可以具有与另一障碍物基本上相同的长宽比。在某些情况中，基本上全部的障碍物可以具有相同的长宽比。总的来说，可以使用任何合适的长宽比。例如，在一些实施方案中，障碍物尺寸的长宽比可以大于或等于约2、大于或等于约3、大于或等于约4、大于或等于约5、大于或等于约10、大于或等于约15或者大于等于约20。在一些情况中，障碍物的尺寸的长宽比可以小于约25、小于约20、小于约15、小于约10、小于约5或者小于约3。上述范围的组合也是可行的(例如，大于或等于2和小于15)。长宽比的其他可能值也是可行的。
在一些实施方案中，障碍物可以具有一种或多种尺寸(例如，长度、宽度、高度、直径等)，其大于或等于约1微米、大于或等于约5微米、大于或等于约10微米、大于或等于约15微米、大于或等于约20微米、大于或等于25微米、大于或等于30微米、大于或等于35微米、大于或等于40微米或者大于或等于45微米。在一些情况中，障碍物可以具有一种或多种特性尺寸，其小于约50微米、小于约45微米、小于约40微米、小于约35微米、小于约30微米、小于约25微米、小于约20微米、小于约15微米、小于约10微米或者小于约5微米。上述范围的组合也是可行的(例如，大于或等于约1微米和小于约40微米)。
如所述的，多个液滴经过障碍物阵列可以将至少一部分液滴分裂以形成多个分裂的液滴。例如，在一些实施方案中，进入阵列的液滴的百分比(其在离开该阵列之前经历了至少一次分裂)可以是至少约30％(例如，至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％、至少约95％、至少约98％、100％)。在一些情况中，基本上全部的液滴分裂以形成多个分裂的液滴。
在一些实施方案中，在分裂方法过程中施加到液滴上的剪切应力可以大于或等于约0.001Pa、大于或等于约0.01Pa、大于或等于约0.1Pa大于或等于约0.5Pa、大于等于约1Pa、大于等于约2Pa、大于等于约3Pa或者大于或等于约4Pa。在一些情况中，施加到液滴上的剪切应力可以小于约5Pa、小于约4Pa、小于约3Pa、小于约2Pa、小于约1Pa或者小于约0.5Pa。上述范围的组合也是可行的(例如，大于或等于约0.5Pa和小于约3Pa)。用于剪切应力的其他可能值也是可行的。在分裂方法过程中施加到液滴上的剪切应力可以使用分散相粘度、连续相粘度和通道中流体的平均速度的已知值，通过估计来确定。
在一些实施方案中，离开阵列的液滴可以是相对单分散的。在一些情况中，离开阵列的液滴可以具有一定的特性尺寸分布，以使得不大于约10％、约5％、约4％、约3％、约2％、约1％或者更少的液滴的特性尺寸大于或小于全部液滴的平均特性尺寸的约20％、约30％、约50％、约75％、约80％、约90％、约95％、约99％或者更大。本领域技术人员将能够例如使用激光散射法、显微镜检查或其他已知的技术，来确定液滴群的平均特性尺寸。
在一些情况中，离开阵列(例如，在分裂后)的液滴的平均特性尺寸可以例如小于约1mm、小于约500微米、小于约200微米、小于约100微米、小于约75微米、小于约50微米、小于约25微米、小于约10微米或者小于约5微米。在某些情况中，平均特性尺寸还可以大于或等于约1微米、大于或等于约2微米、大于或等于约3微米、大于或等于约5微米、大于或等于约10微米、大于或等于约15微米或者大于或等于约20微米。
在某些实施方案中，分散相与连续相的粘度比可以按需选择。在一些实施方案中，分散相与连续相的粘度比可以小于约40、小于约20、小于约10、小于5或者小于约1。在一些情况中，分散相与连续相的粘度比可以大于或等于约1、大于或等于约6、大于或等于约10、大于或等于约20或者大于或等于约30。上述范围的组合也是可行的(例如，大于或等于约1和小于10)。其他值也是可行的。分散相和连续相的粘度可以使用粘度计测定。
本发明的某些方面总体上涉及通道例如上述的那些。在一些情况中，通道可以是微流体型通道，但是在某些情况中，并非全部的通道是微流体型。在装置内可以存在任何数目的通道，包括微流体型通道，并且该通道可以布置为任何合适的构造。通道可以独立地是直的、曲线的、弯曲的等。在一些情况中，相对大长度的通道可以存在于该装置中。例如，在一些实施方案中，装置内的通道当加入在一起时，在一些情况中总长度可以是至少约100微米、至少约300微米、至少约500微米、至少约1mm、至少约3mm、至少约5mm、至少约10mm、至少约30mm、至少50mm、至少约100mm、至少约300mm、至少约500mm、至少约1m、至少约2m或者至少约3m。
作为此处使用的，“微流体型”指的是包括至少一个横截面尺寸为小于约1mm的流体通道的制品或装置。通道的“横截面尺寸”为垂直于通道内净流体流动的方向而测量。因此，例如装置内的一些或所有流体通道可具有小于约2mm，和在某些情况中小于约1mm的最大横截面尺寸。在一组实施方案中，装置内的所有流体通道为微流体型和/或具有不大于约2mm或约1mm的最大横截面尺寸。在某些实施方案中，流体通道可以部分地通过单个部件(例如，蚀刻的基底或模制单元)来形成。当然，在本发明的其他实施方案中，例如较大的通道、管、腔室、贮器等可用于储存流体和/或将流体输送至各种元件或装置。在一组实施方案中，装置中通道的最大横截面尺寸小于500微米、小于200微米、小于100微米、小于50微米或者小于25微米。
作为此处使用的，“通道”是指至少部分地引导流体在装置或基底之上或之中流动的部件。通道可以具有任意横截面形状(圆形、椭圆形、三角形、不规则形状、正方形或矩形等)，并且可以被覆盖或未覆盖。在将其完全覆盖的实施方案中，至少一部分通道可以具有完全封闭的横截面，或者整个通道可以除了其入口和/或出口或开口以外沿着它的整个长度完全封闭。通道的长宽比(长度相对于平均横截面尺寸)还可为至少2:1，更典型地至少3:1、4:1、5:1、6:1、8:1、10:1、15:1、20:1或者更大。开放通道通常包括促进控制流体输送的特性，例如结构特性(延长的缺口)和/或物理或化学特性(疏水性vs.亲水性)，或者可将力(例如，牵制力)施加至流体上的其他特性。通道内的流体可以部分地或完全地填充通道。在一些使用开放通道的情况中，流体可以例如使用表面张力(即凹液面或凸液面)保持在通道内部。
通道可以为任意尺寸，例如具有垂直于净流体流的最大尺寸，该最大尺寸小于约5mm或2mm、或小于约1mm、小于约500微米、小于约200微米、小于约100微米、小于约60微米、小于约50微米、小于约40微米、小于约30微米、小于约25微米、小于约10微米、小于约3微米、小于约1微米、小于约300nm、小于约100nm、小于约30nm或者小于约10nm。在一些情况中，选择通道的尺寸以使流体能够自由地流过装置或基底。还可以选择通道的尺寸，例如以允许流体在通道内的一定的体积或线性流速。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任何方法改变。在一些情况中，可以使用多于一个通道。例如，可以使用两个或更多个通道，其中它们的位置彼此相邻或接近，位置彼此相交等。
在某些实施方案中，装置内的一个或多个通道可以具有小于约10cm的平均横截面尺寸。在某些情况中，通道的平均横截面尺寸小于约5cm、小于约3cm、小于约1cm、小于约5mm、小于约3mm、小于约1mm、小于500微米、小于200微米、小于100微米、小于50微米或者小于25微米。“平均横截面尺寸”在垂直于通道内净液体流动的平面中测量。如果通道为非圆形的，平均横截面尺寸可视为与通道的横截面积具有相同面积的圆的直径。因此，通道可具有任意合适的横截面形状，例如圆形、椭圆形、三角形、不规则形状、正方形、矩形、四边形等。在一些实施方案中，通道按尺寸排布以允许发生包含在通道内的一种或多种流体的层流。
通道还可以具有任意合适的横截面长宽比。对于通道的横截面形状，“横截面长宽比”为在横截面形状上彼此正交完成的两次测量的最大可能的比率(大比小)。例如，通道可具有小于约2:1、小于约1.5:1或者在一些情况中约1:1(例如，对于圆形或正方形横截面形状)的横截面长宽比。在其他实施方案中，横截面长宽比可以相对大。例如，横截面长宽比可以是至少约2:1、至少约3:1、至少约4:1、至少约5:1、至少约6:1、至少约7:1、至少约8:1、至少约10:1、至少约12:1、至少约15:1或者至少约20:1。
如所提及的，通道可以在装置内布置为任意合适的构造。可以使用不同的通道布置，例如以操控通道内的流体、液滴和/或其他物质。例如，可以布置装置内的通道以产生液滴(例如，离散液滴、单乳液、双重乳液或其他的多重乳液等)，以混合其中含有的流体和/或液滴或其他物质，以筛分或拣选其中含有的流体和/或液滴或其他的物质，以分开或分裂流体和/或液滴，以引起反应发生(例如，发生在两种流体之间，在由第一流体和第二流体携带的物质之间，或者在由两种流体携带的两种物质之间)等。
可以经由一个或多个流体源将流体输送至装置内的通道中。可以使用任意合适的流体源，并且在一些情况中，使用多于一个流体源。例如，泵、重力、毛细管作用、表面张力、电渗、离心力等可用于将流体从流体源输送至装置中的一个或多个通道。泵的非限制性实例包括注射泵、蠕动泵、增压流体源等。装置可以具有与其相关的任意数目的流体源，例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10等或更多个流体源。不需要使用流体源将流体输送至相同的通道，例如第一流体源可以将第一流体输送至第一通道，而第二流体源可以将第二流体输送至第二通道等。在一些情况中，两个或更多个通道经布置以在一个或多个交叉点处交叉。装置内可以存在任何数目的流体通道交叉点，例如2、3、4、5、6等或更多个交叉点。
根据本发明的某些方面，可以使用各种材料和方法以形成例如本文所述的那些装置或部件，例如通道如微流体型通道、腔室等。例如，各种装置或部件可以由固体材料形成，其中该通道可以经由微机械加工、膜沉积方法如旋涂和化学气相沉积、激光制造、光刻技术、蚀刻方法(包括湿化学或等离子体处理)等而形成。例如参见Scientific American，248:44-55，1983(Angell等人)。
在一组实施方案中，此处所述的装置的各种结构或部件可以由聚合物形成，例如弹性体聚合物如聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)、聚四氟乙烯(“PTFE”或)等。例如，根据一个实施方案，可以通过单独使用PDMS或其他的软光刻(soft lithography)技术制造流体装置来实施微流体型通道(适于该实施方案的软光刻技术的细节在Younan Xia和GeorgeM.Whitesides在Annual Review of Material Science，1998，第28卷，第153-184页发表的题目为“Soft Lithography”，以及由George M.Whitesides、Emanuele Ostuni、ShuichiTakayama、Xingyu Jiang和Donald E.Ingber在Annual Review of BiomedicalEngineering，2001，第3卷，第335-373页发表的“Soft Lithography in Biology andBiochemistry”的文献中讨论；这些文献的各篇在此通过引用将其全部引入)。
潜在地合适的聚合物的其他实例包括但不限于，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、环烯烃共聚物(COC)、聚四氟乙烯、氟化聚合物、聚硅氧烷如聚二甲基硅氧烷、聚偏二氯乙烯、双-苯并环丁烯(“BCB”)、聚酰亚胺、聚酰亚胺的氟化衍生物等。也预期涉及包含如上所述那些聚合物的组合、共聚物或共混物。该装置还可以由复合材料，例如聚合物和半导体材料的复合材料形成。
在一些实施方案中，装置的各种结构或部件由聚合物材料和/或柔性和/或弹性体材料制造，并且可方便地由可硬化的流体形成，从而便于通过模塑(例如，复制模塑、注塑、浇铸等)而制造。可硬化的流体可以基本上为可被诱导固化，或者自发固化为固体的任何流体，该固体能够含有和/或输送预期在流体网络中使用和与流体网络一起使用的流体。在一个实施方案中，可硬化的流体包含聚合物液体或液体聚合物前体(即“预聚物”)。合适的聚合物液体可以包括例如热塑性聚合物、热固性聚合物、蜡、金属或者加热到它们的熔点上的它们的混合物或复合物。作为另一实例，合适的聚合物液体可以包含一种或多种聚合物在合适的溶剂中的溶液，该溶液当通过例如蒸发除去溶剂时形成固体聚合材料。可以从例如熔融状态或者通过溶剂蒸发固化的这种聚合材料，对于本领域技术人员是公知的。各种聚合材料(其中许多为弹性体的)是合适的，并且对于一个或两个母模(mold master)均由弹性体材料组成的实施方案，各种聚合物材料也适合于形成模具或母模。这种聚合物的实例的非限制性列表包括通常类型的聚硅氧烷聚合物、环氧聚合物、甲基丙烯酸酯聚合物和其他丙烯酸酯聚合物的聚合物。环氧聚合物的特征在于存在通常称为环氧基、1,2-环氧化物或环氧乙烷的三元环醚基团。例如，除了基于芳族胺、三嗪和脂环族的主链的化合物外，还可以使用双酚A的二缩水甘油基醚。另一实例包括公知的酚醛清漆聚合物。根据本发明适合使用的聚硅氧烷弹性体的非限制性实例包括由包括氯硅烷如甲基氯硅烷、乙基氯硅烷、苯基氯硅烷等的前体形成的那些。
在某些实施方案中使用聚硅氧烷聚合物，例如聚硅氧烷弹性体聚二甲基硅氧烷。PDMS聚合物的非限制性实例包括由密歇根州米德兰的Dow Chemical Co.以商标Sylgard出售的那些，且特别是Sylgard 182、Sylgard 184和Sylgard 186。包括PDMS的聚硅氧烷聚合物具有若干有益性能，从而简化了本发明各种结构的制造。例如，这些材料便宜，容易获得，并且能够经由用热固化由预聚物液体固化。例如，典型地，PDMS可以通过使预聚物液体暴露于大约例如约65℃-约75℃的温度经过例如约1小时的暴露时间而固化。同时，聚硅氧烷聚合物如PDMS可以为弹性体的，且因此可用于形成具有相对高长宽比的非常小的部件，这在本发明的某些实施方案中是必需的。在这方面，柔性(例如，弹性体的)模具或母模可以是有利的。
由聚硅氧烷聚合物如PDMS形成结构例如微流体结构或通道的优点是这种聚合物例如通过暴露于含氧等离子体如空气等离子体而被氧化，使得经氧化的结构在它们的表面含有化学基团的能力，该化学基团能够交联到其他经氧化的聚硅氧烷聚合物表面或者各种其他聚合物和非聚合物材料的经氧化的表面上。因此，在不需要单独的粘合剂或其他的密封措施的情况下，结构可以经制造且然后经氧化和基本上不可逆地密封到其他聚硅氧烷聚合物表面或者其他可与经氧化的聚硅氧烷聚合物表面反应的基材的表面。在大部分情况中，在不需要施加辅助压力以形成密封的情况下，密封可简单地通过使经氧化的聚硅氧烷表面与另一表面接触而完成。即，经预氧化的聚硅氧烷表面充当对合适的匹配表面的接触粘合剂。特别地，除不可逆地密封到其自身以外，还可以使经氧化的聚硅氧烷如经氧化的PDMS不可逆地密封到其自身之外的一系列经氧化的材料，包括例如玻璃、硅、氧化硅、石英、氮化硅、聚乙烯、聚苯乙烯、玻璃碳和环氧聚合物，它们已经以类似于PDMS表面的方式(例如，经暴露于含氧等离子体)被氧化。可以在本发明上下文使用的氧化和密封方法，以及全部的模塑技术在现有技术中已有描述，例如在题目为“Rapid Prototyping ofMicrofluidic Devices and Polydimethylsiloxane”Anal.Chem.，70:474-480，1998(Duffy等人)的文章中，通过引用并入本文。
在一些方面中，例如可以用涂料(包括光活化涂料)涂覆通道的一个或多个壁或部分。例如，在一些实施方案中，在共同的连接处的每个微流体型通道可以具有基本上相同的疏水性，不过在其他实施方案中，不同的通道可以具有不同的疏水性。例如，在共用的连接处的第一通道(或通道组)可以表现出第一疏水性，而其他通道可以表现出不同于第一疏水性的第二疏水性，例如表现出大于或小于第一疏水性的疏水性。用于涂覆微流体型通道的装置和方法非限定性例子例如用溶胶-凝胶涂覆，可以参见由Abate等人于2009年2月11日提交的题目为“Surfaces,Including Microfluidic Channels,With Controlled WettingProperties”的国际专利申请PCT/US2009/000850，其作为WO2009/120254于2009年10月1日公布，以及由Weitz等人于2008年8月7日提交的题目为“Metal Oxide Coating onSurfaces”的国际专利申请PCT/US2008/009477，其作为WO2009/020633于2009年2月12日公布，各篇文献再次通过引用将其全部并入。
现在提供多种定义，其将有助于理解本发明的不同方面。以下是与这些定义交替出现的进一步公开的内容，其将更完全地描述本发明。
作为此处使用的，“液滴”是第一流体分离的部分，其完全被第二流体包围。在一些情况中，第一流体和第二流体基本上不混溶。要注意的是，液滴不必是球形，而是也可以假定为其他形状，例如这取决于外部环境。在非球形液滴中，液滴的直径是与该非球形液滴等体积的完美数学球体的直径。液滴可以使用任何合适的技术来产生，如前所述。
作为此处使用的，“流体”按它的通常含义给出，即液体或气体。流体不能保持规定的形状，并且在可观察的时间帧内将流动，以填充它置于其中的容器。因此，流体可以具有允许流动的任何合适的粘度。如果存在两种或更多种流体，则每种流体可以由本领域技术人员独立地选自基本上任何流体(液体、气体等)。
本发明的某些实施方案提供多个液滴。在一些实施方案中，该多个液滴由第一流体形成，并且可以基本上被第二流体包围。作为此处使用的，如果仅通过流体可以在液滴周围划出闭环，则该液滴被该流体“包围”。如果不管方向，穿过仅该流体的闭环可以在液滴周围划出，则该液滴被“完全包围”。如果穿过仅该流体的环路可以在液滴周围取决于方向划出，则该液滴被“基本上包围”(例如，在一些情况中，通过还可以包含第二流体或第二液滴等，该液滴周围的环路将包含大部分的流体)。
在大部分，但非全部实施方案中，液滴和含有该液滴的流体基本上不混溶。但是，在一些情况中，它们可以混溶。在一些情况中，亲水液体可以悬浮于疏水液体中，疏水液体可以悬浮于亲水液体中，气泡可以悬浮于液体中等。典型地，疏水液体和亲水液体基本上彼此不混溶，其中亲水液体对水的亲和性大于疏水液体。亲水液体的例子包括但不限于水和其他含水的水溶液，例如细胞或生物介质、乙醇、盐溶液等。疏水液体的例子包括但不限于油如烃、硅油、氟碳化合物油、有机溶剂等。在一些情况中，两种流体可以经选择以在形成流体流的时间帧内基本上不混溶。本领域技术人员可以使用接触角测量等来选择合适的基本上混溶或基本上不混溶的流体，以实行本发明的技术。
以下实施例意在显示本发明的某些实施方案，但并非示例本发明的全部范围。
实施例1
微粒在日常生活中无处不在；它们包含在化妆乳霜、食品中，并且充当药物传递载体，以及其他应用。微粒可以使用许多不同的技术例如喷雾干燥、均化、本体乳化或膜过滤来收集。但是，对于用这些技术所生产的颗粒的尺寸的控制经常是受限的。因为颗粒的尺寸影响了它们对于产品性质的作用，所以对于粒度的有限控制在许多应用中会限制通过这些技术生产的颗粒的性能。对比之下，微流体会允许生产基本上单分散的颗粒，并且密切控制它们的尺寸和组成。在常规的微流体型装置中形成颗粒的典型的频率是1-10kHz。常规的微流体型装置可以用于生产小体积的颗粒。对于含有通过常规的微流体型装置所生产的颗粒的产品来说，颗粒的小体积经常要求必须添加大量颗粒来实现可感知的效果，即使产品(例如，化妆乳霜、食品)中颗粒的浓度低也是如此。因此，如果打算将通过微流体型装置生产的颗粒作为大批销售的产品(例如，化妆乳霜、食品)的添加剂，则必须显著提高微流体型装置的生产量。
一种可能性是通过分布通道来连接不同的入口，将单个液滴制造器并行化，以增加微流体型装置的生产量。但是，在典型的微流体型装置中所生产的颗粒的量是50微克/小时-1克/小时，取决于例如颗粒尺寸、粘度和溶液的表面张力的因素。另外，液滴制造器阵列中即使单个液滴制造器的故障有时候也会导致产品多分散性的增加。相反，以下实施例显示了总体上涉及具有障碍物阵列的微流体型装置的方法，其允许以相对高的生产量和保真度来生产微粒。
以下实施例描述了不同的微流体型装置，其允许高生产量生产单乳液，其液滴尺寸为3-20微米直径。该微流体型装置包括入口(在这里注入乳液)和出口(在这里收集具有基本上直径单分散分布的乳液)。参见图1。图1的装置具有成行布置的障碍物阵列。障碍物间的距离已经充分定义。相邻行的障碍物彼此偏移。该装置由PDMS(聚二甲基硅氧烷)形成，并且使用软光刻技术来制造；但是，可以使用不同的技术，由其他材料例如Teflon(聚四氟乙烯)、光刻胶、硅等来制造装置。在这些实验的一些中，发现液滴的尺寸通常取决于所施加的剪切力。所以液滴尺寸随着流动速率的增加和相邻障碍物间距的减小而减小。单个装置的生产量也可以例如通过使装置加宽同时保持相同的障碍物间距来增加。此外，装置容易并行化，例如通过将装置彼此叠置，并且将它们通过穿过该堆叠装置的全部入口和出口的孔来连接。
实施例2
这个实施例描述了根据本发明的一个实施方案，毛细管数对于液滴尺寸的影响。在这个实施例中，发现对于η分散/η连续>1的装置，低于毛细管数0.04时，液滴尺寸相对取决于毛细管数。高于2时，发现液滴尺寸相对更为取决于装置设计(例如，间隙体积)。
这个实施例中所用的装置和液滴分裂方法的图示可以参见图1。使用微流体型装置来生产油包水(W/O)和水包油(O/W)乳液。不同的装置通过混合两种不混溶液体来乳化；分散相占60-80vol％。连续相包含表面活性剂以防止液滴聚结。通过机械搅拌含有两种不混溶液体的溶液来形成粗乳液，然后将所形成的粗乳液注入微流体型装置。该微流体型装置是规则间隔障碍物的阵列的PDMS基微流体芯片；相邻行的障碍物偏移，如图1所示。为了形成多个分裂的液滴，将通过典型的本体乳化技术所制造的粗乳液使用体积受控的蠕动泵注入可装置中。任选地，该粗乳液可以在该装置中形成。这种形式的装置允许分别注入分散相和连续相，这防止了液滴形成乳状液和/或沉降。还允许在形成乳液之前不就，将不同的组分在装置中混合，这可以用于在液滴进入障碍物阵列之前使得在液滴内发生化学反应。该粗乳液液滴通过障碍物阵列输送，并且分裂成更小的液滴，该更小的液滴具有比粗乳液液滴明显更窄的尺寸分布。任选地，如果该液滴包含单体和光引发剂，则聚合反应可以例如通过用紫外(UV)光照射分裂的液滴来引发，同时该分裂的液滴仍然处于将出口与收集瓶相连的管道中。
在该装置中，如果液滴变成被障碍物“截留的”(即相对于穿过微流体型通道的流体流动的平均方向，该障碍物附近的流体流动变得受限制)，则液滴被分裂。液滴分裂有些类似于将液滴推过存在于狭窄微流体型通道中的单个障碍物所发生的破裂。但是，令人惊讶地，适宜间隔的障碍物可以用于将液滴分裂以形成基本上单分散的分裂的液滴。如这里所讨论的，障碍物的布置在产生这种基本上单分散的分布中是重要的；其他布置(例如，矩形布置、无规布置等不能产生这种单分散分布)。
在注入到该微流体型装置的通道中之后，粗乳液液滴变成截留的，以使得障碍物附近的流动变成相对于通道内的平均流体流动方向是受限制的。这种液滴经常将通过障碍物而分裂。例如，在一些情况中，对于给定的分散相粘度与连续相粘度之比来说，毛细管数会超过一定值，并且粗乳液液滴会破裂以形成子液滴(即分裂的液滴)。毛细管数可以定义为：
Ca＝ηq/(hwγ)。
在该等式中，η是液滴粘度，q是流速，h是通道高度，w是通道宽度，和γ是表面张力。对于粘度比η分散/η连续＝>1的W/O乳液来说，发现对于低于2的毛细管数来说，可微流体型装置中液滴的尺寸随着毛细管数的增加而减小。但是，对于较大的毛细管数(即大于或等于2)，该液滴的尺寸达到平台值，如图4所示。虽然平台区(即毛细管数处于或高于2)中的液滴尺寸独立于分散相的体积分数，如图5A中所示，但是该平台区中的液滴尺寸确实取决于装置设计。随着相邻障碍物间距的降低，障碍物高度的降低和因而间隙体积的降低，平台区的液滴尺寸降低，如图5B中所示。
图4A显示了作为毛细管数的函数，通过微流体型装置所形成的液滴的尺寸。这个实施例中每个微流体型装置包含80列的正方形障碍物，但是每个装置具有不同的间隙体积，如图4的图例中所示。将流体以5ml/h注入该装置中。该乳液具有60vol％的分散相和40vol％的连续相。图4B中显示了定义间隙体积的图示，间隙体积通过相邻障碍物间的矩形面积(A)乘以装置的高度来计算。
图5A显示了这些装置中，分散相浓度对于液滴尺寸的影响。分散的水相包含20wt％的分子量是6kDa的PEG，和连续的油相包含含有1wt％全氟化表面活性剂的全氟化油。图5B显示了装置设计对于输送过正方形障碍物阵列的液滴尺寸的影响。图5C显示了对于分散相粘度与连续相粘度的某些比例来说，间隙体积对于变化系数的影响。
实施例3
这个实施例描述了障碍物的几何形状对于液滴分裂和尺寸的影响。菱形障碍物、三角形障碍物和具有半圆形缺口的障碍物表现出相对低效的液滴分裂，其导致液滴尺寸的高变化系数。发现低效的液滴分裂归因于障碍物对于液滴差的截留，其降低了液滴被进入流体同时地挤压向和推到障碍物两侧的情况。但是，仍然发生了一些液滴分裂。正方形和圆形障碍物表现出相比于这些形状更有效的液滴分裂，其使得液滴尺寸的变化系数降低。
图6中显示了具有不同的障碍物几何形状的微流体型装置出口中油包水乳液液滴的显微镜图像。障碍物的形状图示在插图中。这些实验中所用的全部装置40微米高，并且油包水乳液以5ml/h流过该装置。
具有菱形障碍物或者在流体流动的平均方向上具有半圆形缺口的障碍物的装置的变化系数(CV)是约50％。发现高多分散性归因于相比于其他形状的相对低效的液滴分裂。对于具有菱形障碍物的装置来说，菱形障碍物的规则布置导致形成了没有障碍物的对角线通道。液滴(例如，粗乳液液滴)能够在这些对角线通道内流动，而不被障碍物截留；这产生了低效的液滴分裂，如图7中所示。具有在流体流动的平均方向上具有半圆形缺口的障碍物的装置也表现出相对低效的液滴分裂。在这些装置中，流体流动经常在变改变方向以绕开障碍物之前减慢。该减慢在流体流入障碍物缺口时发生。流入缺口的液滴被截留在缺口内，直到连续相将该液滴牵向障碍物一侧。该液滴然后会绕过该障碍物，而不明显改变液滴形状，如图7中所示。因此，该缺口允许液滴避免被流体流动(例如，连续相的流体流动、其他液滴的流体流动)同时地挤压向和推到该障碍物的两侧。这导致了低效的液滴分裂和因而液滴的高多分散性，如图6中所示。
具有三角形障碍物的装置在这些实验中也表现出低效的液滴分裂。这些装置中的液滴没有被推向与流体主流动方向以90°角对齐的壁，这允许该液滴绕开该障碍物，而无需对液滴形状进行大的改变，如图7中所示。所形成的液滴更为多分散，如图6中所示。
相反，在具有正方形或圆形障碍物的装置中所生产的液滴的CV是约20％，如图6中所示。通过密集填塞的圆形或正方形障碍物挤压的液滴被这些障碍物有效截留；这取得了高液滴分裂率，如图7中所示。液滴典型地在正方形障碍物的后缘之一处破裂。取决于液滴尺寸与间隙体积之比，单个液滴可以通过相同的障碍物分裂成两个或更多个较小的液滴。液滴这种有效的分裂转化成了相对低的多分散性，如图6中所示。
图7显示了在具有不同几何形状的障碍物的微流体型通道中的液滴分裂。油包水乳液的时滞显微镜图像，该乳液流过了含有以下的阵列：a)菱形障碍物，b)在微流体型通道中平均流体流动的方向上具有半圆形缺口的障碍物，c)具有40微米底边的三角形障碍物，d)具有60微米底边的三角形障碍物，e)圆形障碍物，和f)正方形障碍物。该水相包括20％的PEG，和油相是含有1wt％全氟化表面活性剂的全氟化油。
实施例4
这个实施例描述了通过使用不同长宽比的矩形障碍物和改变分散相的体积来增加液滴分裂效率的方法。在这个实施例所用的装置中，大部分液滴可以使用长宽比至少是2的矩形障碍物的阵列来分裂。还发现长宽比对于液滴的多分散性和由单个液滴在单个障碍物处形成的分裂液滴的数目有影响。还发现分散相的体积影响了这些实验中液滴的多分散性。
为了使绕开障碍物而不分裂的液滴的可能性最小化，使用了长宽比(即长度:宽度)是2-10的矩形障碍物。观察到被挤压向长宽比为2的矩形障碍物的液滴大部分发生了分裂。典型地，液滴分裂成两个子液滴(即分裂的液滴)，其可以具有相同的或不同的尺寸。如图8中所示，分裂典型地在这些障碍物的边缘，以与在正方形障碍物处的分裂类似的方式来进行。被挤压向长宽比为至少3的矩形障碍物的液滴分裂成多个液滴(即每个液滴分裂成多于两个分裂的液滴)。
液滴的分裂典型地在障碍物中心发生，在这里液滴被迫改变流动方向，例如改变了90°。在这些装置中的液滴分裂通过随后的被推过同一连接处的液滴来加速。这些随后的液滴增加了跨过第一液滴的压力降低和加速了它的“颈缩(necking)”，这使得第一液滴加速分裂，如图8中所示。因此，液滴的多分散性随着分散相体积分数的增加而降低，如图9中所示。对于η分散/η连续小于6.5的乳液来说，在这些实验中乳液的液滴的多分散性随着障碍物长宽比的增加而降低，如图10中所示。相反，如果分散相的粘度明显高于连续相的粘度，则多分散性随着长宽比的增加而增加，如图11中所示。对于分散相的粘度明显高于连续相的粘度的装置来说，跨过液滴的压力降低不足。该不足的压力降低导致了液滴较少的颈缩和因而低效的破裂，其转化成了高多分散性。
图8A-E显示了含有矩形障碍物的微流体型装置的光学显微图。矩形障碍物的长宽比是：a)10，b)5，c)4，d)3和e)2。在这些实验中，含有60vol％水的油包水乳液以5ml/h的速率输送过这些装置。
图9A-B显示了使用含有20行障碍物的装置所生产的聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)基微粒的扫描电镜(SEM)图。该障碍物是长宽比为10的矩形。粗乳液含有a)60vol％和b)80vol％的分散相，并且以50ml/h的流速注入该装置中。
图10A-H显示了含有矩形障碍物的微流体型装置出口的光学显微图。该矩形障碍物的长宽比是a)2，b)3，c)4，d)5和e)10。将含有60vol％水的油包水乳液以5ml/h的速率输送过这些装置。图10F显示了作为矩形障碍物长宽比的函数，用含有矩形障碍物的微流体型装置所生产的液滴的平均尺寸的图。图10G-H显示了对于分散相粘度与连续相粘度之比，液滴的平均直径分别相对于长宽比和液滴的变化系数相对于长宽比的图。
图11A-F显示了用含有20行障碍物的微流体型装置所生产的PDMS基微粒的SEM图像。该矩形障碍物的长宽比是a)1，b)2，c)3，d)4，e)5和f)10。分散相在乳液中的分率是60vol％，并且将该乳液以50ml/h的流速注入装置中。
实施例5
这个实施例描述了阵列构造对于最终液滴尺寸和生产量的影响。发现行中相邻障碍物的间距对于确保液滴达到它们的特性尺寸(即液滴典型地能够通过障碍物阵列而无需进一步改变的尺寸)所需的行数有影响。发现阵列中的列数与装置的生产量直接成比例。
在这个实施例所用的微流体型装置中，大液滴多次分裂，直到全部所形成的液滴小到足以经过障碍物，而无需明显的进一步改变(即达到它们的特性尺寸，以使得另一行障碍物基本上不改变通过的液滴的平均尺寸)。因此，为了确保完成液滴分裂，该装置必须具有最小量的障碍物行。已经发现，在这些实验中，将液滴分裂成它们的特性尺寸所需的障碍物数随着相邻障碍物间距的减小而增加。具有隔开20微米-40微米的障碍物的装置需要最小20行来确保粗乳液的全部液滴完全破裂成它们的特性尺寸。超过20行的另外的障碍物行基本上不进一步改变液滴的平均尺寸。但是，跨过该装置的压力降低随着障碍物行数的增加而线性增大。因此，将障碍物行数增加到超过20行增大了装置内的压力降低，而基本上不影响所产生的液滴的尺寸。因此，在这些具体实验中，对于给定的相邻障碍物间距，存在着障碍物行数的最佳值。例如，对于障碍物是40微米高并且隔开20微米-40微米的这些装置来说，最佳值是约20行障碍物。但是，在其他实施方案中，对于确定其他装置中最佳的障碍物行数来说，其他因素也可能是重要的。
阵列中列数和行数也会影响装置的生产量，例如归因于毛细管数与平均流体速度之间的关系。毛细管数随着穿过障碍物阵列的流体速度的增大而线性增加。发现如果分散相的粘度处于与连续相的粘度相同或更低的量级，则液滴的尺寸随着流体速度的增大而减小，如图12中所示。图12显示了液滴尺寸，其作为乳液输送过具有正方形障碍物的微流体型装置的速度的函数。这些装置包含不同列数的障碍物，如图12中所图示。液滴尺寸随着流体速度的增大而减小，允许对液滴的平均尺寸进行良好的控制。但是，更重要的是，液滴尺寸随着流体速度的增大而减小，意味着这些装置是潜在可放大的。还发现装置内流体的速度与它的流动速率和装置各横截面处的间隙空间总面积成比例。因此，已经发现乳液注入装置中的流动速率和由此的生产量与装置中的列数直接成比例。该生产量因此可以通过设计具有增大的障碍物行数的装置来增加，而无需显著改变装置中流体的速度，如图13中所示。图14显示了作为行数的函数，液滴尺寸和液滴的变化系数。
实施例6
这个实施例描述了按比例放大形式的装置，和在该装置中以高生产量来生产聚合物微粒。该按比例放大形式具有5个并行的微流体型装置。聚合物微粒使用光聚合技术例如实施例2中所述的那些来生产，并且直径是15-25微米，多分散度是20-25％。
作为按比例放大这些装置的能力的例子，设计了五个并行的装置，每个含有500列和20行的障碍物。在这些实验中，该障碍物40微米高；相邻列的障碍物隔开40微米，并且相邻障碍物行的间距是20微米。为了确保整个按比例放大装置中的相等的流率，使分布通道内的压力降低最小化。该压力降低与这些实验中立体通道的最小尺寸成比例。所以，分布通道经设计为140微米高和1.9mm宽，如图3中所示。在这些装置中，跨过分布通道的压力降低是跨过障碍物阵列的压力降低的85分之1，所以是可忽略的。图3显示了五个并行的微流体型装置的图示。含有障碍物的装置的零件20(其在这个图中显示为实心的，不过当接近观察时，它们实际上是单独的障碍物，如图3中的插图所示)40微米高，装置的其他部分(对应于装置的入口和出口)140微米高。
为了测试这些装置以高生产量生产聚合物微粒的能力，配制了水包原油(O/W)乳液，其中油相是甲基丙烯酸酯基硅氧烷单体，其含有1wt％的2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮作为光引发剂。将该油相与水相混合，该水相含有10wt％的聚(乙烯醇)(PVA)作为表面活性剂；该油相用作连续相。将该粗乳液以25ml/h的流率输送过微流体型装置。在乳液离开该装置后，通过用UV光恒定照射聚乙烯管来开始该液滴的聚合，该聚乙烯管连接到具有收集瓶的装置的出口。将该颗粒收集在玻璃瓶中，并且在室温储存至少12h以确保甲基丙烯酸酯基硅氧烷单体的完全聚合。将该聚合的颗粒清洗和任选地干燥。发现该颗粒的直径是15-25微米，并且多分散度是20-25％，如图13中可见。虽然所形成的颗粒的多分散度大于用常规微流体型装置所生产的那些，但是它们的尺寸分布低于用常规膜过滤方法所获得的那些。这些微流体型装置因此非常适于这样的应用，其需要大量的具有一定平均尺寸的微粒，但是会容许某程度的多分散性。这些装置的简单允许剧烈的操作，例如该装置能够一天连续运行24小时，而无需持续监控；这个特征对于某些工业应用来说特别吸引人。
图13显示了用具有382列的正方形障碍物的微流体型装置所生产的PDMS基颗粒的扫描电镜(SEM)图。该粗乳液以25ml/h的速率注入。
实施例7
这个实施例描述了实施例1-6的某些实验细节。
该微流体型装置使用已知的软光刻技术来制造。简言之，使用AutoCAD设计了掩模，并且用20,000dpi的分辨率来印刷。母模由两层光刻胶形成：第一层40微米厚，并且包括障碍物阵列以及入口和出口通道。第二层(其与第一层对齐)仅包括入口和出口通道。第二层100微米厚，并且降低了跨过这些通道的压力降低。复制品由这些母模，使用PDMS来制造，PDMS为以10-1的重量比将基物与交联剂混合而成。将该PDMS复制品使用O2等离子体结合到载玻片。为了形成油包水乳液，将PDMS装置用抗水剂(例如，Aquapel)处理来赋予疏水性。为了形成水包油乳液，通过沉积聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(Mw＝400-500kDa)聚电解质来对该PDMS装置的表面赋予亲水性。
该水包油乳液的水相使用10wt％的聚(乙烯醇)(PVA)作为表面活性剂。该油包水乳液的油相包含1wt％的全氟化表面活性剂。粗乳液通过将60vol％的分散相与40vol％的连续相混合，并且将它机械搅拌来形成。将所形成的粗乳液通过聚乙烯管使用体积受控的注射泵注入微流体型装置中。
不同类型乳液的界面张力使用悬滴法来测量。不同组成的乳液的粘度在AntonPaar流变仪(Physica MCR)上测量。为了获得PDMS基微粒的SEM图像，将这些颗粒在空气中干燥，随后用Pt/Pd薄层涂覆，以避免在电镜分析过程中电荷聚集。SEM在以5kV加速电压运行的Supra 55(Zeiss)上进行。图像使用二级电子检测器检测。
虽然已经在此描述和说明了本发明的数个实施方案，但是本领域技术人员易于想到用于实施该功能和/或获得该结果和/或在此描述的一个或多个优点的各种其他措施和结构，并且这种变化和/或修改中的每个被认为在本发明的范围内。更一般地，本领域技术人员易于意识到，在此所描述的所有参数、尺寸、材料和构造的意思是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于利用本发明的教导的一个或多个具体应用。本领域技术人员将意识到，或者能够仅使用常规实验来确认在此描述的本发明的具体实施方案的许多等效物。因此，应理解的是，前述实施方案仅以举例方式呈现，并且在所附权利要求书及其等效物的范围内，可以以具体描述和限定之外的其他方式实施本发明。本发明涉及在此所描述的各单独特征、装置、制品、材料、套件和/或方法。此外，如果这些特征、装置、制品、材料、套件和/或方法并不相互矛盾，则两个或更多个这些特征、装置、制品、材料、套件和/或方法的任何组合均包括在本发明的范围内。
在本文的说明书和权利要求书中所使用的不定冠词“一个”和“一种”，除非明确地表示为相反含义，其应理解为意思是“至少一个/种”。
在本文的说明书及权利要求书中所使用的，表述“和/或”应理解为所结合的元素中的“任一或二者”，即在一些情况中结合地存在而在其他情况中分离地存在的元素。除了由“和/或”措辞明确指明的元素，其他元素任选地存在，无论是否明确指明与那些元素相关或不相关，除非有明确的相反指示。因此，作为非限制性实例，关于“A和/或B”，当其以开放式语言(如“包括/包含”)结合使用时，在一个实施例中可以指A而无B(任选地包括除了B之外的元素)；在另一实施例中可以指B而无A(任选地包括除了A之外的元素)；在又一实施例中可以指A和B二者(任选地包括其他元素)等。
在本文的说明书和权利要求书中所使用的，“或/或者”应理解为具有与上述限定的“和/或”相同的含义。例如，当是列表中分离的项目时，“或/或者”或“和/或”应解释为包括，即包括许多元素或元素列表中的至少一个，但也包括多于一个，并且任选地另外的未列出的项目。仅明确表示相反的术语，例如“仅其中之一”或“恰好其中之一”，或者在权利要求书中使用时，“由……组成”将指包括许多元素或元素列表中的恰好一个元素。总的来说，当有排他性术语例如“其中任一个”、“其中之一”、“仅其中之一”或“恰好其中之一”时，本文所使用的术语“或/或者”应仅解释为排他性选择(即，“非此即彼，而并不是两者”)。在权利要求书中使用时，“基本上由……组成”将具有其在专利法领域中使用的普通含义。
在本文的说明书和权利要求中所使用的，关于一个或多个元素的列表，表述“至少一个/种”将理解为表示从由该元素列表中的任一个或多个元素中选择至少一个元素，但未必包括特定地列在该元素列表中的每个和所有元素中的至少一个，且不排除该元素列表中元素的任意组合。该定义还允许除了特定地指明在由表述“至少一个”所指的元素列表中的元素之外的元素任选地存在，无论该元素与所特定地指明的那些元素相关或不相关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或者相当地，“A或B中的至少一个”，或者相当地，“A和/或B中的至少一个”)，在一个实施例中可以指至少一个A，任选地包括多于一个A，而B不存在(和任选地包括除了B之外的元素)；在另一实施方案中，指至少一个B，任选地包括多于一个B，而A不存在(且任选地包括除了A之外的元素)；在又一实施方案中，指至少一个A，任选地包括多于一个A，且至少一个B，任选地包括多于一个B(且任选地包括其他元件)等。
在权利要求书中以及在上述说明书中，所有过渡性表述，例如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“拥有”等同样被理解为开放式的，即意思是包括但并不限制于。仅过渡性表述“由……组成”和“基本上由……组成”将是封闭式或半封闭的过渡性表述，分别如美国专利局专利审查程序手册第2111.03部分所述。

Claims (29)

1.用于产生多个分裂的液滴的制品，其包括：
微流体型通道，该微流体型通道包括一个或多个入口和一个或多个出口，以及该通道中的障碍物的二维阵列，布置为规则间隔的障碍物的多个行，该行布置为垂直于穿过该微流体型通道的平均流体流动的方向，
其中该规则间隔的障碍物的行中的至少一些相对于相邻的规则间隔的障碍物的行偏移，
其中该制品进一步包括第一流体和第二流体，第二流体从该入口中的至少一个通过该障碍物的二维阵列流到该出口中的至少一个，和
其中至少一个出口包括被第二流体包围的第一流体的多个液滴，至少一个出口处的该多个液滴具有的液滴特性尺寸分布使得出口处不多于5％的液滴的特性尺寸与出口处该多个液滴的平均特性尺寸相比大于120％或小于80％。
2.根据权利要求1所述的制品，其中该阵列的行中，障碍物与接下来最近的障碍物之间的平均水平间距大于或等于10微米和小于100微米。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的制品，其中在该阵列的列中，障碍物与接下来最近的障碍物之间的平均竖直间距大于或等于10微米和小于100微米。
4.根据权利要求1所述的制品，其中在至少一些行中，障碍物的中心相对于相邻行中的障碍物的中心的偏移小于或等于100微米。
5.根据权利要求1或2中任一项所述的制品，其中该障碍物的阵列包括至少5行和少于100行的障碍物。
6.根据权利要求1或2中任一项所述的制品，其中至少一些障碍物具有相对于该微流体型通道中流体流动的平均方向呈90°角的部分。
7.根据权利要求1或2中任一项所述的制品，其中至少一些障碍物是矩形的。
8.根据权利要求1或2中任一项所述的制品，其中至少一些障碍物是正方形的。
9.根据权利要求1或2中任一项所述的制品，其中至少一些障碍物是圆形的。
10.根据权利要求1或2中任一项所述的制品，其中该障碍物的平均高度小于100微米。
11.根据权利要求1或2中任一项所述的制品，其中该障碍物的平均宽度小于100微米。
12.根据权利要求1或2中任一项所述的制品，其中该障碍物的平均长宽比是至少2。
13.根据权利要求1或2中任一项所述的制品，其中该障碍物的平均长宽比小于10。
14.根据权利要求1或2中任一项所述的制品，其中该阵列的平均间隙体积小于或等于200,000立方微米。
15.产生多个分裂的液滴的方法，其包括：
提供微流体型通道，该微流体型通道包括在其中的障碍物的二维阵列，布置为障碍物的多个行，该行布置为垂直于穿过该微流体型通道的平均流体流动的方向，
其中在穿过该微流体型通道的平均流体流动的方向上划过该障碍物的阵列的至少90％的假想线与至少40％的形成该阵列的障碍物行的障碍物相交，和
使多个液滴穿过障碍物的阵列来使至少50％数目的液滴分裂，以形成多个分裂的液滴。
16.产生多个分裂的液滴的方法，其包括：
提供微流体型通道，该微流体型通道包括障碍物的阵列，经布置以使得所有从上游进入该障碍物的阵列的流体的流路至少发生了五次方向变化后，在该阵列下游离开，和
使多个液滴穿过障碍物的阵列来使至少50％数目的液滴分裂，以形成多个分裂的液滴，其中该多个分裂的液滴具有的分裂的液滴的特性尺寸分布使得出口处不多于5％的液滴的特性尺寸与该多个液滴的平均特性尺寸相比大于120％或小于80％。
17.产生多个分裂的液滴的方法，其包括：
提供包含在微流体型通道内的障碍物的二维阵列，其中障碍物与接下来最近的障碍物之间的平均距离小于1mm；和
使多个液滴经过该障碍物的阵列，以将至少50％数目的液滴分裂来形成多个分裂的液滴，该多个分裂的液滴具有的分裂的液滴的特性尺寸分布使得出口处不多于5％的液滴的特性尺寸与该多个液滴的平均特性尺寸相比大于120％或小于80％。
18.根据权利要求17所述的方法，其中全部的液滴分裂来形成该多个分裂的液滴。
19.根据权利要求17或18中任一项所述的方法，其中该多个分裂的液滴的特性尺寸的变化系数小于或等于20％。
20.根据权利要求17或18中任一项所述的方法，其中该多个液滴中每个的特性尺寸的变化系数大于该多个分裂的液滴中每个的特性尺寸的变化系数。
21.根据权利要求17或18中任一项所述的方法，其中至少70％的液滴分裂来形成该多个分裂的液滴。
22.根据权利要求17或18中任一项所述的方法，其中至少90％的液滴分裂来形成该多个分裂的液滴。
23.根据权利要求17或18中任一项所述的方法，其中该液滴包含在液体内。
24.根据权利要求23所述的方法，其中该液滴的粘度与该液体的粘度之比小于或等于20。
25.根据权利要求17或18中任一项所述的方法，其中该液滴的毛细管数小于2。
26.产生多个分裂的液滴的方法，其包括：
通过使多个液滴经过障碍物的二维阵列，以向该多个液滴施加剪切力，以使得该液滴分裂来形成多个分裂的液滴，其中该多个分裂的液滴具有的特性尺寸分布使得不多于5％的该分裂的液滴的特性尺寸与该多个分裂的液滴的平均特性尺寸相比大于120％或小于80％。
27.根据权利要求26所述的方法，其中剪切应力大于或等于0.01Pa和小于3Pa。
28.产生多个分裂的液滴的方法，其包括：
使液滴经过包含在微流体型通道内的障碍物的二维阵列，以将该液滴分裂来形成多个分裂的液滴，其中该多个分裂的液滴具有的特性尺寸分布使得不多于5％的该分裂的液滴的特性尺寸与该多个分裂的液滴的平均特性尺寸相比大于120％或小于80％。
29.用于产生多个分裂的液滴的制品，其包括：
微流体型通道，该微流体型通道包括一个或多个入口和一个或多个出口，以及该通道的障碍物的二维阵列，其中该制品进一步包括第一流体和第二流体，第二流体从该入口中的至少一个通过该障碍物的二维阵列流到该出口中的至少一个，和
其中至少一个出口包括被第二流体包围的第一流体的多个液滴，至少一个出口处的该多个液滴具有的液滴特性尺寸分布使得出口处不多于5％的液滴的特性尺寸与出口处该多个液滴的平均特性尺寸相比大于120％或小于80％。
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