CN106255550A - 产生液滴的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

公开了生产液滴的方法与装置。一种设置中，蠕动螺杆泵被配置为，驱动不同导管中的流体形成脉冲流，其中导管相对彼此放置，使得在泵下游的连接处形成液滴序列。

Description

产生液滴的方法及装置
技术领域
本发明涉及生产液滴的方法与装置，尤其涉及分散在连续且不与水相混溶的油相中的水相液滴，或分散在连续且与油相不混溶的水相中的油相液滴。本发明尤其适用于产生尺寸分布在纳升至毫微升范围的微滴。该液滴可用于化学和生物反应或其他分析。
背景技术
生产此类液滴的装置是公知的。较小的液滴有时被称为”微滴”。已知有多种用于产生液滴和/或输送所产生的液滴的微流体结构。
微滴已成为一种可靠的用于进行生物操作的工具，如封装、采样、计量、稀释和检测。微流体中的微滴为化学和生物研究与应用提供了大量机会。它们提供了可隔离物质或进行反应的隔室，它们是单分散性的并因此适用于定量研究，它们使得使用极小体积、单细胞或单分子成为可能，并且它们适用于高通量(high-throughput)实验。
产生液滴是液滴微流体中最重要的步骤之一，尤其是当对体积较小或浓度较小的样品采样时。已知有多种方法用于产生液滴。所谓的被动系统可包括将不同流体一起用于在导管连接处(例如，在T-连接处)形成液滴，从而在连接处下游形成液滴流。或者，可使用液流汇聚几何结构将不同组成的流体混合在一起，产生或汇聚成液滴，以在汇聚区下游形成液滴流。一般情况下，使用注射泵经由微流体芯片中的此类几何结构对流体进行抽送。但是，注射泵需要相对较大的样品，较为笨重，且不能用于从生物(例如，生物组织)环境中直接取样。已知有其他泵浦系统(例如，压电泵、压缩空气泵、PDMS芯片中的压缩空气控制叉指型泵等)，但该类设置通常结构较为复杂和/或笨重，使得它们不适用于便携式单元，不能连续操作，和/或价格昂贵。此外，在许多设置中，泵浦操作启动的位置距离液滴形成和/或使用的位置相当远，这导致控制液滴大小方面存在问题(成为具有不同体积的多分散性液滴，或流速需要长时间才能稳定)。使用该方法也难以精确控制液滴的产生频率。已知的还有所谓的主动系统，其可包括，根据时间，对流体流进行扰动(使用例如，电场、气动压力、磁场、声波或光场)。该系统可在不改变通道几何结构或体积流速的情况下，对液滴大小和产生频率进行良好的控制，但价格昂贵，且通常产生液滴的速率较小。
发明内容
本发明的目的是，提供解决上述现有技术中的一个或多个问题的方法及装置。
根据本发明一方面，提供了一种产生液滴的装置，包括：输送第一流体的第一导管；输送第二流体的第二导管；以及包括第一转动件的泵浦机制，第一转动件具有一个或多个径向外围部，该径向外围部与第一导管和第二导管啮合，并当第一转动件旋转时，对第一导管和第二导管施加动态变形，所述动态变形是例如用于驱动第一导管和第二导管内的第一流体和第二流体做脉冲运动，其中在泵浦机制下游的第一导管和第二导管之间的第一连接处，第一流体和第二流体的脉冲运动相对彼此发生相移，使得在第一连接处在第一流体内形成第二流体液滴。
因此，提供了一种结构简单、造价低廉的装置，该装置可以可靠并精确地形成大小一致且稳定的液滴。转动件每旋转一周，泵浦机制(包括例如，螺纹)便将固定量的流体泵入导管。通过将导管设置在围绕转动件圆周的不同位置(例如，在相对两侧上)，可将液流设置为在连接处至少部分发生相分离(即发生有限相位角的相移，可选地但基本不是180°)，使从一个导管流出的流体(第二流体)在另一导管内的流体(第一流体)内可靠地形成液滴。第一导管和第二导管内的流动可以是，例如，其中一股流体停止流动时，另一股流体开始流动，反之亦然。
一实施例中，转动件每转动一周，产生一个液滴。当第一转动件包括螺纹时，液滴体积由螺距以及第二导管的形状和尺寸来确定，且对旋转频率和总流速相对不太敏感。这意味着，可在无需改变液滴体积的情况下，容易地改变液流速度。事实上，典型实施例中，可在将液滴大小均一度保持在约3％以内的同时，将较低流速(例如，每分钟或每小时产生一个液滴)变为较高流速(例如，每分钟产生若干或数十个液滴)。
可应用该原理产生例如，直径在小于几微米(例如，1微米)至几毫米(例如5或10毫米)范围的液滴。
该装置使样品(第二流体)在与泵机制直接相邻(或非常靠近)的位置被分散成液滴。但在多种现有技术设置中，例如，在基于连续流体进行取样如微透析的现有技术系统中，这是不可能的。已知，该系统存在的一个严重问题是，收集管中的泰勒(Taylor)分散以及相关的信号污染。本发明中，可通过在邻近泵机制的位置直接形成液滴，来极大降低该效应。
液滴产生的时间及频率调节起来非常容易。例如，当转动件被电机驱动时，仅需控制电机的频率或开关状态。例如，液滴产生的速率可为每秒产生几个，或几分钟产生一个。因此，该技术具有高度灵活性，可用于产生所需的液滴(例如，针对每个要求，每次产生预定数量的液滴)。
单个转动件可驱使流体同时流经三个或更多个不同的导管，使得可以容易地添加多种不同的，例如，用于标记或反应的化学试剂，甚至以三相或更多相加入液流中；例如，可将气体泵入以例如在油相/水相内形成气泡，和/或与样品液滴共存。
一实施例中，第一转动件包括绕其轴线缠绕的螺纹。螺纹可提供连续密封，防止材料逆流，从而有效分离压力通常较低的样品环境与压力通常较高的第一转动件下游导管(例如，包括微流体芯片中形成的导管)。因此，液滴的产生及液滴后续的处理不会影响生理环境(例如，组织中的生理环境)。至关重要的是，载体流体，例如，油和/或其他试剂始终由螺纹限定，使其远离取样探针(例如，微透析探针、超滤探针、推拉探针等)，没有污染样品或与样品(特别是本体或组织)产生电接触的风险。
此外，与现有技术设置相反，公开实施例中的泵浦机制不会产生任何死体积。进入泵机制的所有流体被可靠地驱动穿过该泵机制。
一实施例中，泵浦机制被配置为作为蠕动泵运行。
一实施例中，提供了多个转动件，该转动件具有特征不同的径向外围部。所述多个转动件可受驱同时旋转，使得可实现多种不同的效果。可提供具有不同横截面积和/或形状的导管。例如，可同时产生具有不同大小、不同间距和/或不同流速液流的液滴。
通过提供多个形成液滴的连接处，可在沿第一导管的不同位置形成液滴。这使得以平行方式形成具有不同组成的液滴，从而可靠高效地形成更复杂的液滴系列(sequencesof droplets)。
一实施例中，在径向外围部与导管啮合的区域内，导管的纵轴不与第一转动件的旋转轴线平行。在这类实施例中，可提供多组径向外围部，其可选地，具有不同间距、角偏移和/或几何结构，以实现多种不同效果。
一实施例中，导管支撑结构包括限定第一导管的腔以及限定第二导管的腔。可选地，沿从限定第一导管的腔至限定第二导管的腔的至少一个路径，导管支撑结构为连续的整体。导管支撑结构使得可在单个结构中提供导管(例如，第一导管和第二导管)，以便于容易制造和/或制造后的处理。导管支撑结构还有利于保证导管彼此之间维持可靠而理想的空间位置关系。由于导管支撑结构在限定导管的同时还提供了导管安装，因此，导管支撑结构使得可以特别紧凑的方式形成导管。可容易地制造复杂的导管通路，包括互相交叉的导管和/或在径向上形成多层的导管。
根据本发明另一方面，提供了一种产生液滴的方法，包括：使用泵浦机制输送第一导管内的第一流体；和使用泵浦机制输送第二导管内的第二流体，其中泵浦机制包括具有一个或多个径向外围部的第一转动件，该一个或多个径向外围部与第一导管和第二导管啮合，并当第一转动件旋转时，对第一导管和第二导管施加动态变形，该动态变形驱动第一导管和第二导管内的第一流体和第二流体做脉冲运动，且在泵浦机制下游的第一导管和第二导管之间的连接处，第一流体和第二流体的脉冲运动相对彼此发生相移，导致在所述连接处在第一流体内形成第二流体液滴。
附图说明
下文将参照附图，仅通过示例，对本发明的实施例进行描述，其中附图种对应的附图标记表示对应的部件，其中：
图1为根据一实施例的产生液滴的装置的示意侧视图；
图2为液滴速度对泵电机供给电压的实验图；
图3为液滴体积对泵电机供给电压的实验图；
图4为一实验直方图，将根据一实施例的液滴产生装置产生的液滴与使用现有技术中常用的注射泵产生的液滴进行对比；
图5为根据一实施例的产生液滴的装置的示意端部剖视图，该装置包括与转动件接合的三个导管；
图6为用于连续产生一系列具有不同组成的液滴的装置的示意端部剖视图；
图7为用于并行产生具有不同组成的液滴的装置的示意端部剖视图；
图8示出了图7所示装置的示意侧视图；
图9示出了在曲折型的输出导管内产生液滴后，向液滴添加补充组分；
图10为示出了根据一实施例的产生液滴的装置的各个元件之间的连接关系的示意框图；
图11为根据一实施例的包括三个转动件的产生液滴的装置的示意侧视图；
图12为根据另一实施例的包括三个转动件的产生液滴的装置的示意侧视图；
图13为一种产生液滴的装置的示意透视图，其中在所述装置中导管的纵轴垂直于第一转动件的旋转轴线；
图14为一示意轴向剖视图，示出了配置为对图13所示装置的第一导管施加动态变形的第一组径向外围部的角位置；
图15为一示意轴向剖视图，示出了配置为对图13所示装置的第二导管施加动态变形的第二组径向外围部的角位置；
图16为一种产生液滴的装置的示意透视图，该装置与图13所示装置的类型相同，不同之处在于，将第一组径向外围部和第二组径向外围部配置为同时提供不同频率的脉冲运动；以及
图17示出了(1)转动件(左侧)和(2)导管支撑结构的切除部分(右侧)的示意透视图，其中该导管支撑结构的切除部分配置为与显示于左侧的转动件相啮合。
具体实施方式
下文中涉及“流体”时，应理解为包含至少一种液体或气体。
图1描绘了一种产生液滴20的装置1。装置1包括输送第一流体4的第一导管2。装置1进一步包括输送第二流体8的第二导管6。其他实施例中，可提供一个或多个附加导管，用于输送一种或多种其他流体。
沿导管设置泵浦机制，用于泵送流体。泵浦机制包括具有一个或多个径向外围部12的第一转动件10。该实施例中，环绕转动件10的纵轴5，例如，螺旋形路径环绕的单螺纹形成所述一个或多个径向外围部12。所述外围部12与第一导管2和第二导管6啮合，并配置为当第一转动件10绕轴线5旋转16时，对第一导管2和第二导管6施加动态变形。所述导管2和6可由柔性材料制成，例如，以可经受重复变形而不失效的圆柱管的形式。可选地，动态变形可包括挤压所述导管，使所述导管在挤压点处基本沿纵向被密封。转动件10旋转时，挤压点可沿导管例如以移动波纹的形式移动。挤压点的移动为动态变形的动态特性的一种示例。但还可使用其他形式的动态(即随时间变化)变形。
所述动态变形驱动导管中的第一流体4和第二流体8做相应的脉冲运动。脉冲运动可以是在泵浦机制下游所述导管内的任何给定纵向位置处，平均流体速度为时间的函数，呈现周期性，和/或与一系列脉冲类似。因此，平均流体速度在脉冲峰值处较高，而在脉冲之间要低得多(可选地，等于零或接近零)。泵浦机制可依蠕动泵的原理进行操作。该特定配置中，若径向外围部12包括螺纹，则可将泵浦机制称为螺杆泵机制或蠕动螺杆泵机制。
可例如由电机18经传动轴19驱动转动件10旋转。第一流体可由储槽5(或其他装置)提供至第一导管2。第二流体可由储槽7(或其他装置)提供至第二导管6。储槽5和/或储槽7可从对应的导管拆除。
第二流体8受泵浦机制驱动17进入位于泵浦机制下游、第一导管2和第二导管6之间连接处21的第一流体4中。由于可选地，可提供一个或多个附加连接处(如下所述)，可将连接处21称为“第一连接处”。在连接处21，第一流体4和第二流体8的脉冲运动相对彼此发生相移，导致在连接处21的第一流体4内形成具有轮廓分明(well defined)的第二流体8的液滴。即使转动件在较宽的转速范围内旋转，液滴的大小及液滴间的间距基本保持一致。
发明人对泵浦机制进行试验测量，该试验测量的实施例结果在图2和图3中示出。图2显示液滴速度(由于液滴体积保持恒定，液滴速度与总流速成比例)如何随泵浦机制转速的增大(表示为增大对电机18的供给电压)而线性增加。图3显示了对于不同的流速及液滴产生频率，液滴大小如何保持接近恒定。这些试验中，FC-40油用作第一流体(该实施例中的油相)，与红色食用染料混合的水用作第二流体(该实施例中的水相)。可使用第一流体组成和第二流体组成的许多其他不同组合。均一液滴的产生使用高速视频记录及对所得视频的后续分析来验证。试验测量证明，液滴产生频率/取样频率可容易地从相对较低(例如，每分钟或每小时产生一个样品/液滴)变为相对较高(每秒产生几个或数十个液滴)。该范围内，产生的液滴具有约3％内的均一尺寸。
图4示出了进一步的实验结果，以直方图形式表示，将本发明人使用一实施例的产生液滴的装置实验产生的液滴与现有技术中常用的注射泵产生的液滴进行了比较。该实施例的类型为，一个或多个径向外围部12包括缠绕第一转动件10的轴线的螺纹。可将该类实施例称为“螺杆泵”。垂直轴线测量液滴数目。水平轴线测量液滴体积。虚线60表示第一流速Q1(等于0.9μL/min)时螺杆泵的结果。实线62表示第二流速Q2(等于1.4μL/min)时同一螺杆泵的结果。虚线64表示第一流速Q1时注射泵的结果。实线66表示第二流速Q2时同一注射泵的结果。
可以看出，给定流速(较窄峰)下，与注射泵相比，螺杆泵产生的液滴的大小更加均一。此外，螺杆泵产生的液滴大小随流速的变化比注射泵产生的液滴大小随流速的变化小得多(曲线60和62沿水平轴线大致彼此对齐，而曲线64和66沿水平轴彼此良好地分离)。
一实施例中，第一导管2和第二导管6的纵轴(例如，平行于导管延长方向和流经导管的液流平均方向的轴线)在一个或多个径向外围部12与第一导管2和第二导管6啮合的区域内，平行于第一转动件10的旋转轴线5。例如，在图1描述的设置中便是如此，但是，在与这兼容的任何其他设置中也可以如此。
一实施例中，所述一个或多个径向外围部12包括围绕第一转动件10的轴线5缠绕的螺纹。例如，在图1描述的设置中便是如此，但是，在与这兼容的任何其他设置中也可以如此。
一实施例中，装置1包括一个或多个附加导管22。图5示出了该实施例的示意端部剖视图。每个附加导管22均被配置为使所述一个或多个径向外围部12与所述一个或多个附加导管22中的每一个啮合，并当第一转动件10旋转时，对所述一个或多个附加导管22中的每个附加导管施加动态变形。动态变形驱使所述一个或多个附加导管22中的每个附加导管中的流体24做相应的脉冲运动。一实施例中，将所述一个或多个附加导管22配置为使这些导管22中的流体可受驱在第一导管2和第二导管6之间连接处21。流入第一流体4中，以在第一流体4中形成液滴20，其中液滴20包括第二流体8与来自所述一个或多个附加导管22的流体24的混合物。流体24可包括一种或多种化学试剂，例如，以辅助对流体8进行测试。
在图5所示的示例中，仅示出了单个附加导管22，但其他实施例中，可提供两个、三个或更多根附加导管，每个附加导管可以将一种或多种其他组分加入液滴20中。一般而言，将与给定的转动件啮合的每个导管放置在环绕转动件10圆周的不同角位置处。
一实施例中，具有不同组成的液滴序列可形成于输出导管内。这可以串联或平行方式实现。图6描绘了用于以串联方式产生液滴的示例性配置。图7和图8描绘了用于以平行方式产生液滴的示例性配置。
图6为与图5所示配置相同的一种配置的示意端部剖视图，该图与图5的不同之处在于，提供的额外的三个导管相对于图5所示的三个导管发生90°的相移(90°仅作为示例；也可替代使用其他相移)。因此，可提供两个第一导管2A和2B，代替提供单个第一导管2。或者，所述两个第一导管2A和2B可称为单个第一导管2A和附加导管2B。可提供两个第二导管6A和6B，代替提供单个第二导管6，或者，所述两个第二导管6A和6B可称为单个第二导管6A和附加导管6B。可提供两个附加导管22A和22B，代替提供单个附加导管22。该实施例中，所有导管均通向单个第一连接处21(未示出)。使用第一导管2A泵送载体流体4A的脉冲，然后经由导管6A和22A注射包含样品流体8A和试剂24A的第一液滴，然后经由第一导管2B泵送载体流体4B的脉冲，然后经由导管6B和22B注射包含样品流体8B和试剂24B的第二液滴。然后重复该过程，从而以串联方式交替产生第一液滴序列和第二液滴序列，并离开连接处21。运载所述载体流体4A和4B的导管2A和2B可运载相同的载体流体。可将导管2A和2B在泵浦机制下游但形成液滴的连接处21上游连接在一起。
图7和图8分别为提供有两个具有第一导管2的分离的连接处的一类实施方案的一个示例的示意性端部剖视图和侧视图：第一连接处21和第二连接处23。这类实施例中，所述一个或多个附加导管22B中的至少一个附加导管被配置为，使导管22B中的流体24B可受驱在第二连接处23流入第一流体4中。由此可以平行方式形成液滴。在所示示例中，第二导管6被分成两个支管6A和6B，各自分别将第二流体8(例如，样品流体)携载至第一连接处21和第二连接处23。在所示的具体示例中，附加导管22A将其他组分(例如试剂)24A携载至第一连接处21，附加导管22B将其他组分(例如试剂)24B携载至第二连接处23。因此，可在同一输出导管中以平行方式方便高效地产生两种不同类型的液滴20A和20B。使同一样品(第二流体8)形成含有不同试剂的液滴，其中在同一液滴流中，具有不同试剂加入液滴中，从而提供一种这样的液滴流：可很方便地对样品进行多种不同试验。可使用多种其他设置，包括与第一导管具有三个或更多个连接处，并且少于或多于一个的附加导管22通向通向所述连接处中的一个或多个。连接处21及23处不一定要注射相同的第二流体(样品)。其他实施例中，两个或多个不同连接处可注射不同的第二流体(样品)。
上述实施例中，添加到样品液滴20的试剂或其他组分在形成液滴的连接处(例如，第一连接处21和/或第二连接处23)进行添加。但该操作不是必须的。其他实施例中，可在形成液滴的连接处下游将试剂或其他组分加入液滴。该过程在图9中示意示出。此处，在形成样品液滴20A的连接处21下游设置曲折的输出导管48。当液滴流过时，辅助导管90及94分别将组分92和96在液滴经过时加入液滴中。因此，通过将组分92加入液滴20A中，在辅助导管90处形成液滴20B。通过将组分96加入液滴20B中，在辅助导管94处形成液滴20C。在液滴处于适当的位置而适合注射组分92和96时，需要泵送辅助导管90和94中的组分92和96。这可通过使用本发明一实施例所述的泵浦机制，或使用其他类型的泵浦机制实现。通过本发明实施例的泵浦机制形成的液滴20A的轮廓分明和一致的特征(例如，一致的液滴长度、大小和/或间隔)有助于保证：在最初形成液滴的连接处21的下游添加到液滴中的试剂或其他组分被持续并且可靠地添加。
所述第一流体可包括载体流体，所述第二流体可包括样品流体，样品流体与载体流体不混溶。可选地，载体流体为疏水或亲油流体，样品流体为水性流体。例如，样品流体可包括，例如，取自人体或动物体的生物材料。其他实施例中，载体流体可为水性流体，样品流体可为疏水或亲油流体。也可使用互不混溶的液体或气体的其他组合。
一实施例中，将装置1配置为，用在意预将至少一个导管与被治疗或评估的患者接触的环境中。这种情况下，能够保持无菌状态非常重要，此时本发明的泵浦机制是有利的，其原因在于，泵元件均无需与导管内的流体直接接触。泵浦操作通过对导管施加动态变形便可实现。此外，蠕动操作可配置为形成有效密封，防止物料回流。例如，可提供径向外围部12，使其以下述方式与所述导管啮合：在转动件的所有旋转角度范围内，在至少一个纵向位置上，对导管进行密封。
可通过提供模块形式的装置1实现其他优点。例如，装置1可受驱进入需要无菌化的部件以及不需要无菌化的部件中。可将需无菌化的部件从装置1分离，并用新部件进行替换，或在灭菌程序后对其进行替换。不需要无菌化的部件可重复使用。图10示出了可以这种模块化方式形成图5所示装置的一种方法。
转动件10及电机18不需要无菌化，并因此可形成为可与装置1的其他组件分离的单个单元32。或者，转动件10与电机18可形成为两个单独的可彼此分离并与装置1的其他组件分离的元件。导管2、6和22和/或对应的储槽5、7和9可设置为单个单元31，可在装置1用作不同用途时替换单个单元31。因此，一个或多个导管以可拆卸方式连接至泵浦机制，使得可以不同的导管组重复使用该泵浦机制。
装置1可进一步包括取样探针28，以收集待测试的流体。例如，取样探针28可插入接受治疗的患者体内。取样探针28可将流体提供给储槽7(如图所示)，或直接提供给第二导管6。取样探针28可设置为单元31(如图所示)的一部分，或作为单独的元件。
装置1可进一步包括检测器30，该检测器被配置为用于测试从泵浦机制(即形成液滴20的连接处21的下游)输出的液滴。可使用光学法或电化学法，或根据现有技术中已知的用于测试生物材料的液滴的多种技术中的任何其他技术，来测试液滴。检测器30可形成为两个单元31和32中的一个单元的一部分，或作为单独的单元(如图所示)。
一实施例中，泵浦机制包括一个或多个附加转动件，该附加转动件被配置为与第一转动件10一同旋转。该实施例的一个示例示于图11中。此处，提供了三个转动件10A-C，通过连接元件19A-C将这三个转动件刚性连接在一起。转动件10A-C中的每一个包括一个或多个径向外围部(由倾斜元件12A-C示意表示)，该径向外围部与对应的第一导管2A-C和第二导管6A-C啮合。当转动件10A-C旋转时，所述一个或多个径向外围部12A-C对与其啮合的导管2A-C及6A-C施加动态变形。动态变形驱使导管2A-C和6A-C内的流体做相应脉冲运动。
一实施例中，转动件10A-C中的每一个被配置为施加具有不同形式的动态变形(引起，例如，波长不同的导管内脉动式流体运动)。例如，使用转速和形状均相同的导管输送形成液滴的流体时，与一个转动件10A-C施加动态变形形成的液滴比较，另一附加转动件10A-C施加动态变形形成的液滴大小不同。这可以通过下述方式实现：例如，设置为使用相同转速下具有不同周期的所述两个转动件施加动态变形。例如，当径向外围部12包括螺纹时，每单元长度的缠绕圈数可以设置为不相同。
不管是设置单个转动件10还是多个转动件10A-C，可通过改变各导管的相对横截面积来改变液滴之间的距离及液滴大小。例如，增大携送载体流体的导管的横截面积会增加液滴之间的距离，反之亦然。类似地，增大携送样品流体和/或试剂——待加入液滴中——的导管的横截面积会增大液滴的体积，反之亦然。
因此，当转动件10A-C具有单一预定的转速时(从而可使用单个电机驱动，不需要任何复杂的传动装置)，可以通过选择不同的转动件10A-C和/或导管几何结构，来实现具有多种不同性质(例如，不同的液滴大小和/或距离)的液滴流。对于预定转速，所述不同的转动件还可提供不同流速(例如，减少每单元长度的缠绕圈数会导致每单元长度的流速增加)。
可提供多个不同入口33-39，以进入与不同转动件10A-C啮合的导管。耦合单元44和46使转动件10A-C下游的导管与输出导管48之间耦合。可将耦合单元配置为使导管2A-C和6A-C中的一个或多个导管与转动件10A-C下游的输出导管48选择性连接。在耦合单元46处形成液滴。
在所示的设置中，三个转动件10A-C彼此不相同(即具有不同的径向外围部12)。但不一定非要如此设置。其他实施例中，所述多个转动件10A-C中的两个或多个可以彼此相同。这可能是有利的，例如因为，由于单个转动件圆周的空间限制不再是限制因素，将某种特定类型的动态变形施加给大量导管可变得更为容易。一个此类实施例中，耦合单元46，例如，可配置为，使流体从不同转动件10A-C的两个或多个流入导管6A-C同时流入输出导管48。
图12示出了另一实施例，其中三个不同组的第一导管2A-C和第二导管6A-C与三个不同的转动件10A-C啮合。在各个转动件10A-C的下游，三组第一导管2A-C和第二导管6A-C各自连接形成不同的输出导管48A-C。因此，与图11所示的设置相比，在图12的设置中，可以通过以合适的方式向多个入口54-59通入流体，同时产生性质各异的液滴流。例如，较小液滴的液流与较大液滴的液流可以，可选地，由单个取样探针同时产生，并被导入不同的测试站(例如，每个测试站需要不同体积的液滴)。一种替换或附加的方式是，可选地通过单个取样探针，同时提供总流速不同的各液流，并将其导入不同的测试站(每个测试站需要不同的流速)。
在图10和11所示的设置中，对于每个转动件10A-C，仅示出两个导管2A-C和6A-C。但不一定非要如此设置。其他实施例中，可使两个以上的导管与一个或多个转动件10A-C啮合。
其他实施例中，提供了两个或多于三个的转动件。
上述实施例中，形成液滴22的一个或多个连接处下游并未提供进一步的泵浦。但这不是必须的。例如，可对形成液滴20的连接处21下游的液滴20进行输送的输出导管的路线进行布设，使该输出导管再次与泵浦机制啮合。例如，输出导管的路线布设方式可为，使得在连接处21下游的位置范围内，所述一个或多个径向外围部10与输出导管啮合，并当第一转动件旋转时，对输出导管施加动态变形，从而进一步驱动输出导管内的流体做相应的脉冲运动。
在参照图1-12的上述实施例中，示出了若干示例，第一导管2和第二导管6(其纵轴)平行于第一转动件10的旋转轴线5，其中在第一转动件10处，第一导管2和第二导管6与径向外围部12啮合。但这不是必须的。其他实施例中，第一导管2和第二导管6的纵轴设置为不与第一转动件10的旋转轴线5平行，其中在第一转动件10处，第一导管2和第二导管6与径向外围部12啮合。在特定实施例中——其示例示于图13-16中——第一导管2和第二导管6的纵轴设置为与旋转轴线5垂直，其中在旋转轴线5处，第一导管2和第二导管6与径向外围部12啮合。所述纵轴为图13和图16中标记为“80”的导管。
在实施例中，若第一导管2和第二导管6不平行于旋转轴线5，则径向外围部12可在沿轴线5的第一位置范围内，仅仅与第一导管2啮合，径向外围部12B可在沿轴线5的第二位置范围内，仅仅与第二导管6啮合。第一位置范围不同于第二位置范围。可选地，第一位置范围不与第二位置范围重叠。例如，在图13-16所示的示例中便是这种情形。
一实施例中，与第一导管2啮合的一组径向外围部12A——其可被称为第一组——不同于与第二导管6啮合的一组径向外围部12B——其可被称为第二组。可选地，第一组和第二组相互独立。图13-16所示的示例便是这种情况。各组相互独立能使配置径向外围部12A、12B时具有提高的自由度，从而提高使用的灵活性。
在图13-16所示的示例中，径向外围部12A、12B包括线型的脊部。该脊部平行于第一转动件10的旋转轴线5。脊部相对彼此等距隔开。其他实施例中，脊部可采用其他形式。
痛参照图1-12论述的实施例中一样，径向外围部12A、12B与第一导管2和第二导管6啮合，并配置为当第一转动件10绕轴线5旋转时，对第一导管2和第二导管6施加动态变形。可如上文参照图1-12所述，形成导管2和6。动态变形可如上文参照图1-12所述。动态变形驱使导管内的第一流体4和第二流体8做相应的脉冲运动。可如上文参照图1-12所述，驱动转动件10进行旋转。可使用一个或多个储槽(未示出)或其他装置，将第一流体和/或第二流体提供给第一导管2。
同上文参照图1-12所述的实施例中一样，在泵浦机制下游的第一导管2和第二导管6之间的连接处21，泵浦机制驱动17第二流体8进入第一流体4。由于可选地，可提供一个或多个附加连接处(如上所述)，连接处21可被称为“第一连接处”。在连接处21，第一流体4和第二流体8的脉冲运动相对彼此发生相移，使得第一流体4内的第二流体8在连接处21形成轮廓分明的液滴。在较宽的转速范围内，不管转动件的转速如何，液滴大小和液滴之间的距离均保持大致均匀。
在上文参照图1-12所述的实施例中，通过将导管放置在围绕转动件10圆周的不同角位置处，使第一流体4和第二流体8在连接处21的脉冲运动中发生相移。径向外围部12沿圆周方向的位置变化(例如，由于径向外围部12的螺纹/螺旋形式)提供了所述相移。在导管不平行于，例如，垂直于转动件10的旋转轴线5的示例实施例中，可采用其他方法。在图13所示的示例中，通过第一组径向外围部12A和第二组径向外围部12B之间的角偏移，提供相移。在图14和15的轴向剖视图中(图14为通过第一组径向外围部的剖视图，图15为通过第二组径向外围部的剖视图)，角偏移最清楚。
图16示出了不同组径向外围部12A、12B如何被配置为施加具有不同形式的动态变形(引起，例如，流体在波长不同的导管内作脉冲运动)。例如，当转速和形状均相同的导管输送形成液滴的流体时，与一组径向外围部12B施加动态变形形成的液滴相比，由另一组径向外围部12A施加动态变形形成的液滴大小不同。在图16的示例中，这一功能可通过将第一组的径向外围部12A之间的间距设置为小于第二组的径向外围部12B之间的间距而实现。从而可同时在导管2A、2B、6A及6B中产生不同脉冲运动。可如上文参照图11和12所述设置类似的方式使用该设置。提供了操作灵活性的相应提高。
上述实施例中，所述的多个导管(例如，第一导管2和第二导管6)均显示为单独的元件，例如，管段。需提供结构以使导管2、6保持紧靠转动件(例如，第一转动件10)，从而在导管2、6与径向外围部12之间提供所需的啮合。需提供连接用的其他结构(例如，在连接处21)。实现导管的网络结构所需的总体结构可能变得机械上复杂、组装耗时和/或占用空间大。
图17描述了另一种方法的示例，适用于上述的任一个实施例以及其他实施例，其中导管支撑结构84限定第一导管2和第二导管6。导管支撑结构84可与第一转动件10分离。导管支撑结构84的切除部分示于图17的右手侧部分。该切除部分与导管支撑结构84的一部分对应，该对应的部分在图17的左手侧部分所示的点划线方框82的区域内，包裹转动件10。导管支撑结构84可在圆周方向上，部分或全部地包裹转动件10。一实施例中，例如图17所示的示例中，导管支撑结构84包括分别限定至少第一导管2和第二导管6的腔。沿从限定第一导管2的腔至限定第二导管6的腔的至少一个路径，导管支撑结构84为连续的整体。因此，该实施例中，可沿着一条线从限定第一导管2的腔的至少一部分至限定第二导管6的腔的至少一部分，贯通导管支撑结构84，而不穿过任何界面，如两个不同类型材料之间的界面，或限定两个表面彼此连接位置的界面。导管支撑结构84允许导管(例如，第一导管2和第二导管6)以单个结构提供，这便于制造和/或制造后的处理。导管支撑结构84还有利于确保，各导管可靠地保持所需的空间相对位置关系(例如，角位移)。由于导管支撑结构84允许以特别紧凑的方式形成导管，因为导管支撑结构84能在限定导管的同时提供对导管的安装。可以容易地制造复杂的导管路径，包括彼此交叉的导管和/或在径向上形成多个层的导管。
一实施例中，导管支撑结构84进一步包括第一导管2和第二导管6之间的第一连接处21(和/或其他导管之间的一个或多个附加连接处)。该方法为在导管之间形成连接处提供了一种特别可靠、紧凑的方式。
一实施例中，如图17的示例所示，导管支撑结构84被配置为使一个或多个径向外围部12与第一导管和第二导管之间啮合，同时还提供不与所述一个或多个径向外围部12啮合的附加导管或连接处。例如，图17所示的示例中，可在标记为88的材料块内设置附加导管或连接处。
其他实施例中，所述导管支撑结构可包括多个彼此连接的不同元件的组件。

Claims (33)

1.一种产生液滴的装置，包括：
输送第一流体的第一导管；
输送第二流体的第二导管；以及
泵浦机制，包括具有一个或多个径向外围部的第一转动件，所述径向外围部与所述第一导管和第二导管相啮合，并且当所述第一转动件转动时对所述第一导管和第二导管施加动态变形，所述动态变形驱动所述第一导管和第二导管中的所述第一流体和第二流体进行脉冲运动，其中
在所述泵浦机制下游所述第一导管和第二导管之间的第一连接处，所述第一流体和第二流体的所述脉冲运动相对彼此发生相移，使得在所述第一连接处在所述第一流体中形成所述第二流体的液滴。
2.根据权利要求1所述的装置，其中在所述一个或多个径向外围部与所述第一导管和第二导管啮合的区域内，所述第一导管和第二导管的纵轴平行于所述第一转动件的旋转轴线。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述一个或多个径向外围部包括围绕所述第一转动件的轴线缠绕的螺纹。
4.根据权利要求1所述的装置，其中在所述一个或多个径向外围部与所述第一导管或第二导管啮合的区域内，所述第一导管和第二导管的纵轴均不与所述第一转动件的旋转轴线平行。
5.根据权利要求4所述的装置，其中：
在沿所述第一转动件旋转轴线的第一位置范围内，所述一个或多个径向外围部仅与所述第一导管啮合；
在沿所述第一转动件旋转轴线的第二位置范围内，所述一个或多个径向外围部仅与所述第二导管啮合；以及
所述第一位置范围不同于所述第二位置范围。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其中与所述第一导管相啮合的一组径向外围部不同于与所述第二导管相啮合的一组径向外围部。
7.根据权利要求6所述的装置，其中通过在与所述第一导管相啮合的所述一组径向外围部和与所述第二导管相啮合的所述一组径向外围部之间设置角偏移，实现所述脉冲运动的相移。
8.根据上述任一权利要求所述的装置，进一步包括：一个或多个附加导管，所述附加导管均配置为，使所述一个或多个径向外围部与所述一个或多个附加导管中的每个导管相啮合，并在所述第一转动件旋转时，对所述一个或多个附加导管中的每个导管施加动态变形，从而驱动所述一个或多个附加导管中每个导管内的流体做相应的脉冲运动。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述一个或多个附加导管配置为，使这些导管内的流体受驱在所述第一导管和第二导管之间的所述第一连接处流入所述第一流体中，以在所述第一流体中形成液滴，所述液滴包括来自所述一个或多个附加导管的流体和所述第二流体的混合物。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其中所述第一导管、第二导管以及一个或多个附加导管位于环绕所述第一转动件圆周的不同角位置处。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的装置，其中所述一个或多个附加导管中的至少一个导管配置为，使所述导管内的流体受驱在其与所述第一导管的第二连接处流入所述第一流体中，所述第二连接处与所述第一连接处的位置不同，从而使得在所述第一连接处和第二连接处以平行方式形成具有不同组成的液滴。
12.根据上述任一权利要求所述的装置，其中所述泵浦机制包括一个或多个附加转动件，所述附加转动件配置为与所述第一转动件一同旋转。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述一个或多个附加转动件包括一个或多个径向外围部，所述径向外围部与下列导管中的一种或多种啮合：
另一情形的所述第一导管，
另一情形的所述第二导管，以及
如果之前未提供的话，一个或多个附加导管，或
如果之前提供的话，另一情形的所述一个或多个附加导管，其中
当所述转动件旋转时，所述一个或多个径向外围部对与其啮合的导管施加动态变形，从而驱动与其啮合的导管内的流体做相应的脉冲运动。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述一个或多个附加转动件中的至少一个转动件及对应导管被配置为，同一转速下，其对至少一个所述导管施加的动态变形具有与所述第一转动件对对应导管施加的动态变形不同的形式。
15.根据权利要求14所述的装置，其中具有不同形式的所述动态变形导致的脉冲运动具有与相同转速下所述第一转动件驱动的脉冲运动不同的波长。
16.根据上述任一权利要求所述的装置，其中一个或多个所述径向外围部被配置为，其与所述导管中的至少一个导管啮合，啮合方式为，使得对于所述第一转动件的所有旋转角度而言，所述至少一个导管基本上被所述一个或多个径向外围部的一部分纵向密封，以防止在所述至少一个导管中产生回流。
17.根据上述任一权利要求所述的装置，其中所述导管中的一个或多个导管以可拆卸方式与所述泵浦机制连接，使得可以不同的导管组重复使用所述泵浦机制。
18.根据上述任一权利要求所述的装置，其中所述泵浦机制被配置为作为蠕动泵使用。
19.根据上述任一权利要求所述的装置，其中输出导管配置为，输送所述第一连接处和/或如果设置了的话所述第二连接处下游的液滴，并且所述输出导管的路线布设为，在所述第一连接处和/或如果设置了的话所述第二连接处下游的位置范围内，所述一个或多个径向外围部与所述输出导管啮合，并当所述第一转动件旋转时，对所述输出导管施加动态变形，从而进一步驱动所述输出导管内的流体做相应的脉冲运动。
20.根据上述任一权利要求所述的装置，进一步包括导管支撑结构，所述导管支撑结构包括限定所述第一导管的腔以及限定所述第二导管的腔。
21.根据权利要求20所述的装置，其中所述导管支撑结构沿着从限定所述第一导管的腔至限定所述第二导管的腔的至少一个路径为连续的整体。
22.根据权利要求20或21所述的装置，其中所述导管支撑结构进一步包括所述第一导管和第二导管之间的所述第一连接处。
23.一种产生液滴的方法，包括：
使用泵浦机制输送第一导管内的第一流体；以及
使用所述泵浦机制输送第二导管内的第二流体，其中
所述泵浦机制包括具有一个或多个径向外围部的第一转动件，所述径向外围部与所述第一导管和第二导管啮合，并当所述第一转动件旋转时，对所述第一导管和第二导管施加动态变形，所述动态变形驱动所述第一导管和第二导管内的所述第一流体和第二流体做脉冲运动，并且
在所述泵浦机制下游的所述第一导管和第二导管之间的第一连接处，所述第一流体和第二流体的所述脉冲运动相对彼此发生相移，导致在所述第一连接处在所述第一流体中形成所述第二流体的液滴。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一流体包括载体流体，所述第二流体包括样品流体，所述样品流体与所述载体流体不混溶。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述载体流体为疏水流体，所述样品流体为水性流体。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其中所述样品流体为从人体或动物体获取的样品。
27.根据权利要求23-26中任一项所述的方法，其中所述泵浦机制进一步用于沿一个或多个附加导管泵送流体，所述一个或多个附加导管各自配置为，使得所述一个或多个径向外围部与所述一个或多个附加导管中的每个附加导管啮合，并当所述第一转动件旋转时，对所述一个或多个附加导管中的每个附加导管施加动态变形，从而驱动所述一个或多个附加导管中的每个附加导管内的流体做相应的脉冲运动。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述一个或多个附加导管被配置为，使得这些导管中的流体受驱在所述第一导管和第二导管之间的所述第一连接处流入所述第一流体中，以在所述第一流体中形成液滴，所述液滴包括来自所述一个或多个附加导管的流体与所述第二流体的混合物。
29.根据权利要求27或28所述的方法，其中受驱沿所述一个或多个附加导管流动的所述流体包括一种或多种化学试剂。
30.根据权利要求27-29中任一项所述的方法，其中所述一个或多个附加导管中的至少一个附加导管被配置为，使所述导管中的流体受驱在所述导管与所述第一导管之间的第二连接处流入所述第一流体中，所述第二连接处与所述第一连接处的位置不同，从而使得在所述第一连接处和第二连接处以平行方式形成具有不同组成的液滴。
31.根据权利要求23-30中任一项所述的方法，其中将输送所述第一连接处下游液滴的输出导管的路线布设为，在所述第一连接处下游的位置范围内，使所述一个或多个径向外围部与所述输出导管啮合，并当所述第一转动件旋转时，对所述输出导管施加动态变形，从而进一步驱动所述输出导管内的流体做相应的脉冲运动。
32.一种产生液滴的装置，其配置并设置为，基本按前文参照附图所述和/或按附图所示，进行操作。
33.一种产生液滴的方法，基本如前文参照附图所述和/或如附图所示。
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