CN109070042B - 具有大型表面处理孔口的垂直微流体探头 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个或多个实施例涉及一种垂直微流体探头，其包括中间材料层和两个外层。中间层包括两个相对的主表面，每个主表面开槽到与每个主表面邻接的相同边缘表面，从而在相对的每个主表面上形成两组n个微通道腔，n≥1。中间层还布置在两个外层之间，其(至少部分地)封闭在两个主表面上开槽的微通道腔。这样，形成两组n个微通道，每个微通道在边缘表面上开口，使得在边缘表面上形成两组相对的n个孔口。因此，孔径的长度不受中间层厚度的限制。

Description

具有大型表面处理孔口的垂直微流体探头
背景技术
本发明一般涉及微流体领域，尤其涉及垂直微流体探头(vertical microfluidicprobe heads)。
微流体处理小体积流体的行为，精确控制和操纵，这些流体通常限制在微米长度尺度通道和通常在亚毫升范围内的体积。微流体的突出特征源于液体在微米长度尺度上表现出的特殊行为。通过制造具有微米范围的横向尺寸的结构，可以处理和分析远低于1纳升的体积。可以加速大规模限制的反应(通过反应物的扩散)。最后，平行的液体流可以精确地和再生性被控制，允许在液/液和液/固界面进行化学反应和渐变(gradients)。
更具体地，微流体中的典型流体体积范围为10-15L至10-5L，并且以10-7m至10-4m的典型直径通过微通道运输、循环或更一般地移动。在微观尺度上，流体的行为可以与较大的，例如宏观尺度的行为不同，使得表面张力，粘性能量耗散和流体阻力可以成为流体流动的主要特征。比较流体动量和粘度的影响的雷诺数可以降低到液体流动变成层流而不是湍流的程度。
另外，在微观尺度下，由于没有湍流，流体不一定混乱地混合，并且相邻流体之间的分子或小颗粒的传输通常通过扩散进行。因此，某些化学和物理流体性质(例如浓度，pH，温度和剪切力)可能变得确定。这使得可能在单步和多步反应中获得更均匀的化学反应条件和更高等级的产物。
微流体装置通常指微制造装置，其用于泵送，取样，混合，分析和计量液体。微流体探针是用于沉积，回收，运输，输送和/或去除液体的装置，特别是含有化学和/或生化物质的液体。例如，微流体探针可用于诊断医学，病理学，药理学和分析化学的各种分支领域。微流体探针还可用于进行用于酶分析，脱氧核糖核酸(DNA)分析和蛋白质组学的分子生物学程序。
特别地，已知微流体装置的概念，其在文献中被称为“垂直微流体探头”，参见例如作者为GV Kaigala，RD Lovchik，U.Drechsler和E.Delamarche的“A VerticalMicrofluidic Probe”，Langmuir，2011,27(9)，pp 5686-5693。微流体探头包括主体，例如硅基底，其具有形成装置的处理表面的一部分的边缘表面。液体通道或微通道形成在两层之间的界面处，通过将主体开槽到边缘表面并用盖子将其封闭，这简化了探头的制造。特别地，这种装置可以包括液体分配器，其被设计成通过终止第一个通道的孔口(orifice)分配液体，以及液体抽吸器通过另一个孔口和第二个通道抽吸液体。
这种装置允许要获得的处理液的流体动力学流动限制(HFC)。换句话说，从孔口中分配层流的处理液，该液体在空间上限制在环境液体(或浸液)中。
微流体探针(MFPs)是已知的，其可以产生并维持具有大约100μm2的占用区域(footprint)的流体动力学流动限制(HFC)。要使用HFC处理大区域，当前的方法是按顺序扫描整个区域。这种顺序处理是耗时的。
有几种情况需要处理大面积区域，同时保留HFC的重要方面。例如，处理用于免疫组织学分析的组织切片(检测蛋白质表达水平)需要以cm-标度处理。例如，检测(“感知”)蛋白质表达谱对于一些医学决策和相关分析是重要的。
目前的垂直MFP不能在厘米长的尺度上维持HFC。更一般地，当前的垂直MFP不适合处理大面积区域。
发明内容
根据第一方面，本发明的一个或多个实施方案体现为垂直微流体探头(也称为垂直微流体芯片)。后者基本上包括中间材料层和两个外层。中间层包括两个相对的主表面，每个主表面开槽到与每个主表面邻接的相同边缘表面，从而在每个相对主表面上形成两组n个微通道腔，n≥1；中间层进一步被布置在两个外层之间，至少部分地封闭在两个主表面上开槽的微通道腔，从而形成两组n个微通道，每个微通道在边缘表面上开口，这样在边缘表面上形成两组相对的n个孔口。
换句话说，通道(或通道部分)现在形成在中间层(例如，硅晶片)的任一侧上的两个相对的界面处，并且由两个外层(或盖子)封闭，而不是像现有技术的垂直MFP那样在单个界面上形成。因此，与现有方法相比，液体流动被旋转，并且孔口的长度或任一组的孔口的总占用区域不受中间层的厚度的限制，如现有技术的垂直MFP的情况。长度在边缘表面上测量并平行于主表面。因此，可以制造相对的孔口(或一组孔口)，其具有大的占用区域。特别地，本方法使得可以设计cm级表面处理装置，同时仍然能够实现HFC(s)。
特别考虑了两类实施例。第一类一个或多个实施例是这样的实施例，其中中间层的两个相对的主表面各自多次沟槽到边缘表面(即，n≥2)，使得在边缘表面上形成两组相对的多个孔口。
无论中间层的厚度如何，每组孔口都可以具有大的占用区域(中间层仅需要足够厚以能够在其上开槽通道腔并提供机械稳定性)。每组相对的孔口口在边缘表面上具有占用区域，其可基本上形成细长的矩形。这种矩形的长度(在边缘表面上测量并平行于中间层的每个主表面)可以例如大于或等于1mm，或者甚至达到cm-标度。
第一组n个孔口中的每个孔口可以与第二组n个孔口中的孔口相对(即，面对面)，以实现多个平行的处理液流动，并且如果需要，在与孔口相对的孔口处进行液体再抽吸。
在一个或多个实施例中，一组孔口与相对组的最近孔口之间的间隔在50和1000μm之间，例如100μm。间距是距离，其在边缘表面上测量，分离两个相对孔口(不同孔口组)的最近边缘。每个孔口可以基本上形成正方形。
在变型中，中间层的两个相对的主表面各自开槽，以使每个孔口具有纵横比。这样，第一组的第一孔口和第二相对组的第二孔口可以各自形成一个狭缝。根据第二类的一个或多个实施例，在每组孔口仅包括一个孔口的情况下，这是特别有利的。在这种情况下，可以使每个狭缝变大，以实现快速的表面处理。
第一孔口和第二孔口可以具有各自的长度(再次在边缘表面上测量并且平行于每个主表面)，这基本上不同。这使得HFC可以更好地与处理过的表面相互作用并防止HFC与处理过的表面之间的接触损失，如后面详细说明的。
长度中的最小长度可以例如至少等于50μm，或者甚至至少等于1cm。
在一个或多个实施例中，第一孔口和第二孔口的相应长度相差3.0至5.0倍，优选等于4.0倍。
在上述一个或多个实施例的两个类别中的每一个中，任一组的孔口可具有各自的宽度(在边缘表面上测量并垂直于每个主表面)，每个宽度在10μm和500μm之间，并且优选地在20μm和200μm。
每组的孔口可以具有基本相同的宽度，以便于制造过程和HFC的参数化。
在一个或多个实施例中，中间层是晶片或晶片的一部分，以便利用关于晶片处理的专有技术(know-how)。特别地，可以有利地使用硅晶片的一部分的硅晶片。
每个外层可以是粘合到晶片或晶片部分上的玻璃层。
上述微流体探头可用于垂直微流体探头(也根据本发明)，其中后者还包括：液体分配器(liquid dispenser)，其配置成通过第一组n个孔口中的孔口分配液体；液体抽吸器(liquid aspirator)构造成通过第二组n个孔口中的孔口抽吸液。
在一个或多个实施例中，两个相对组n个孔口中的孔口，液体分配器和液体抽吸器共同设计，以使第二组n个孔口中的孔口抽吸在操作中通过第一组n个孔口中的孔口分配的液体成为可能。如前所述，可以依赖HFC。
根据另一方面，本发明体现为用于利用如上所述的垂直微流体探头处理表面的方法。该方法包括：定位微流体探头以使边缘表面面向待处理的表面；通过第一组n个孔口中的每个孔口分配处理液，以便分配的液体处理表面；并且通过第二组n个孔口的每个孔口抽吸液。
在一个或多个实施例中，抽吸液包括通过第二组n个孔口中的孔口抽吸至少一些通过第一组n个孔口中的孔口分配的处理液。
表面处理可以在环境液体中进行。换句话说，在待处理的表面上提供浸液，并且定位微流体探头以便随后在浸液内分配处理液以处理表面。
在一个或多个实施例中，芯片的两个相对的主表面各自多次沟槽到边缘表面(n≥2)，并且分配处理液以便从第一组孔口的每个孔口形成处理液的层流。
在分配处理液时，微流体探头可以特别地与相对待处理表面移动，以处理大的表面区域。有利地，微流体探头沿着相对于分配的处理液的流动的平均方向形成角度的方向移动，其中该角度在30°和60°之间。对角线运动允许在所处理的表面上实现更均匀的图案。
特别有利的是提供垂直微流体探头，其在两组相对的n个孔口的任一侧上的边缘表面上具有一个或多个外部抽吸孔口。附加的抽吸孔口可以与任一组孔口的孔口的延伸方向平行排列(即，平行于中间层的每个主表面)。这样，液体可以通过一个或多个外部抽吸孔口被抽吸，同时分配处理液和抽吸液，这允许处理液流动稳定，如下面详细解释的。
现在将通过非限制性示例并参考附图来描述体现本发明的装置，系统和方法。
附图说明
图1和2示出了根据一个或多个实施例的垂直微流体探头的简化表示的3D视图；
图3和4示出了根据一个或多个实施例的不同类别的垂直微流体探头的远端部分的简化表示的3D(分解)视图，该部分包围探头的处理表面。即：
图3示出了第一类的一个或多个实施例。在图3中，探头的两个相对的主表面分别多次开槽到探头的边缘表面，从而形成两组四个微通道。每个微通道在边缘表面上开口，从而形成两组相对的四个孔口。
在图4中，根据第二类一个或多个实施例，探头的两个相对的主表面各自开槽，以使孔口具有纵横比，从而形成两个相对的(长)狭缝；
图5和6分别是图3和4中所示装置的处理表面的2D横截面视图；
图7、8和9是根据第一类一个或多个实施例的探头的顶点的照片。图8和9示出了操作中的装置，其中液体从一排孔口分配并通过相对排的孔口被抽吸。在图9中，在两排所示孔口中的任一侧(侧面)上设置另外的抽吸孔口(未示出)，如图7所示，稳定处理液的平行流动；
图10A、10B和10C是根据第二类一个或多个实施例的探头的放大照片。图10A示出了探头的处理表面，其中两个相对的(长)狭缝是可见的。而图10B和10C分别示出了如图10所示的同一探头的前侧(包括注入通道)和后侧(抽吸通道)；以及
图11是在操作中并且根据一个或多个实施例的微流体探针的简化表示的2D视图。
附图示出了一个或多个实施例中涉及的设备或其部分的简化表示。附图中描绘的技术特征不一定按比例绘制。除非另有说明，否则附图中类似或功能相似的元件已被分配相同的附图标记。
具体实施方式
本发明的一个或多个实施例涉及适用于大表面处理的垂直MFP。
在现有技术中，垂直MFP的微通道和孔口形成在两层之间的界面处，即，主体(例如，Si晶片)和盖子。孔口的长度对应于在MFP头的主体中开槽的通道的深度。因此，长度横向延伸到主体的主表面。孔口的宽度平行于主体的主表面。
因此，并且可以实现，扩大现有技术的表面处理能力，垂直MFP是先验困难的。一方面，孔口的长度几乎不能增加，因为孔口的最大长度由微通道的深度决定，微通道的深度必然受到微通道在其上开槽的主体厚度的限制。例如，在当前的垂直MFP探头中，注入和抽吸通道被蚀刻在Si晶片的同一面上。因此，孔口的长度由相应通道的深度确定，而相应通道的深度又受到基板厚度的限制(如果使用Si晶片，通常为300μm)。因此，利用当前的制造工艺不能获得长孔口(例如，在毫米或厘米级的量级)。
另一方面，并且如本公开所发现的，放大孔口的宽度导致极大的试剂浪费，因为仅有一小部分分配的液体与表面相互作用。如他们所总结的那样，因此必须保持合理的孔口宽度(例如，以微米长度尺度)。因此，他们为垂直MFP头设计了一种新的制造概念，允许获得大的狭缝(或多个孔口的行)。
一般地参照图1-11，首先描述本发明的一个方面，其涉及垂直微流体探头10,10a。后者基本上包括材料的中间层12和两个外层11,13。即，现在使用两个盖子而不是一个盖子，并且在中间层12的任一侧上开槽微通道。
即，中间层12包括两个相对的主表面12ms(参见例如图1-4)，每个主表面开槽至相同的边缘表面12es，以便在两个主表面12ms的每一个上形成两组n个微通道腔15、16，n≥1。
中间层12可以是晶片或晶片的一部分。它可以例如包括(或由其组成)硅晶片的一部分的硅晶片，如本身已知的那样，如果需要化学/机械处理。外层11、13可以是例如通过阳极键合粘合到层12上的玻璃层。
边缘表面12es将形成装置的处理表面14的一部分。它邻接每个主表面12ms(通过其边缘)。外层的边缘表面11es，13es(图3-6)可以与中间层12的边缘表面12es齐平，以便为芯片10,10a限定清洁、平坦的处理表面14。在变型中，它们可能表现出轻微的偏移，这可能需要塑造或约束分配的液体流。边缘表面11-13es总共限定了图2中可见的处理表面14。边缘表面11es，12es，13es可以垂直于探头的主表面，或者不是，取决于层11-13如何被切割或裂开以及相应材料的特性。
如下面详细解释的，可以特别考虑一个或多个实施例的两类。在第一类(图2、3、5和7-9)中，在中间层12的任一侧上形成两组n个微通道腔15、16，n>1。在一个或多个实施例的第二类(图4、6)中，在每个界面处形成两个(长)狭缝。
在所有情况下，中间层12被布置成例如夹在两个外层11、13之间。中间层可以在两个外层中的每一个的内表面之间并且与两个外层中的每一个的内表面接触(可能在任何地方)。在变型中，例如，由于制造限制，可能涉及中间层或层部分。外层11、13至少部分地封闭在层12的两个主表面12ms上开槽的微通道腔15、16，以便形成两组n个微通道。这里，“开槽”是指对中间层12进行物理和/或化学处理，以便在层12的每一侧形成凹槽，即切口或凹陷。因此，微通道腔15、16是凹槽。后者可以具有如图3所示的恒定横截面尺寸的部分。每个外层11、13抵靠(against)中间层12的相应的一个主表面12ms，从而至少部分地封闭在其上开槽的微通道腔15、16。这些空腔15、16的残余部分可以不被外层11、13封闭，例如，如本身已知的那样，为了直接在芯片上提供管端口或其他元件。
每个微通道在边缘表面12es上开口。结果，在边缘表面12es上形成两组相对的n个孔口17、18或孔径，这允许分配和抽吸液，并且如果需要，形成HFC。这里使用的术语“孔径(aperture)”和“孔口”是同义词。
垂直MFP的相关几何参数如下。如图5和6所示，孔径的宽度w对应于孔径的尺寸，横向于中间层12的主表面。宽度w通常平行于液体流动的方向延伸(从一个孔径到另一个相对的孔径)。孔径的长度L(或L1和L2)对应于在平行于主表面的方向上的孔径的尺寸(并且通常垂直于液体流)。孔径间距s是分开注入和抽吸孔径的距离(即，孔径的两个最近边缘之间的距离)。宽度w，长度L和间距s各自在探头的加工表面上测量，即在操作中面向待处理表面的探头的边缘(或端部)表面。
在本方法中，通道(或通道部分)15、16形成在两个界面处，即在中间层12和两个外层11、13(盖子)之间，而不是在单个界面处形成，如在以前的垂直MFP中。因此，孔径的长度不再受中间层厚度的限制，如现有垂直MFP的情况。因此，可以制造具有大占用区域的相对的孔径(或一组孔径)。结果，简单地制造大型表面处理装置成为可能，同时仍然能够实现HFC。
由于本方法，这是相对的孔口17、18之间的间隔，其现在受到中间层12的厚度的约束。事实上，相对的孔口17、18之间的间隔取决于层12的厚度和通道15、16的所需深度两者。因此，如果施加中间层12的厚度(如使用标准Si晶片时)，则通道越深，间隔越小。仍然，人们通常会尝试获得50至1000μm之间的间距，以便为所分配的液体保持合适的性质。同时，可以按比例放大多排孔口(或相对的狭缝的长度)的占用区域，以优化用于大规模表面处理的几何形状。无论中间层12的厚度如何，每组孔口都可以具有长的占用区域。后者仅需要足够厚以使沟槽腔开槽并提供机械稳定性。
除了硅之外的其他材料，例如塑料，弹性体，陶瓷，玻璃，金属，可以考虑用于中间层12，使得孔径17、18之间的间隔不必受到约束。因此，最通常地，注入和抽吸孔径之间的间隔可以在0.5μm和10mm之间，并且优选地在1.0μm和2.0mm之间，以便获得稳定的液体流动。该间距实际上取决于许多参数，这些参数可能需要联合优化，这些参数尤其包括：所需的液体流动特性，通道的深度(确定孔径的宽度或直径，见下文)和中间层所需的机械性能。
例如，如图3所示，每组相对的孔口17、18在边缘表面12es上具有占用区域，该占用区域通常形成矩形。在边缘表面12es上并平行于每个主表面12ms测量的该矩形的长度可以大于或等于1mm，或甚至达到cm-标度，如图7-9所示。相同的考虑适用于狭缝(图4)，其长度可以达到mm或cm尺度，如在图10A-10C的实施例中那样。
如前所述，孔口17、18可以具有全部相同的宽度，这不仅简化了制造过程，而且简化了注入和抽吸流速的参数化。如前所述，为了在将现有孔径17、18的几何形状与现有技术装置的孔口的几何形状进行比较时的一致性，在边缘表面12es上垂直于主表面12ms测量宽度。出于同样的原因，在边缘表面12es上测量孔口的长度，但是平行于每个主表面12ms。孔口17、18可以例如具有20μm和200μm之间的宽度，例如50μm，特别是如果标准Si晶片用于层12，这限制了孔口的宽度和间隔。然而，其他材料可以用于层12，使得孔口的平均宽度可以更通常地在0.5和1000μm之间。
然而，在一些特定实施例中，喷射孔径17可以设计得足够小以使液体约束(liquidconfinement)具有小直径，例如约150μm。使用具有约20至50μm的平均“直径”的孔口17可以最好地获得这种约束(当使用诸如图3和图5中所示的设计时，“直径”近似等于孔口的宽度和长度)。孔径17、18各自终止相应的导管(即，相应的通道15、16)，其可以具有与它们各自的孔口相同的(横截面)尺寸。使用小于2mm的间距，只要使用合适的流速，原则上可以实现稳定的HFC。在这方面，注入流速Qi通常可以选择为1.0pL/s-0.1mL/s，优选1.0-50nL/s，而抽吸流速Qa通常选择为1.2pL/s-1mL/s，优选2.0-200nL/s。合适的比例Qi：Qa设定为1：3，见下文。
在一个或多个实施例的第一类中(图2、3、5、7-9)，主表面12ms各自多次沟槽到边缘表面12es，使得n≥2。在这种情况下，在每个界面12-13和11-12处限定多个小孔口17、18，以形成两排平行的孔口。因此，可以按比例放大分配的液体和处理的有效区域。如可以进一步认识到的，具有两排平行的孔口允许保持对称的孔口(即，形成正方形或矩形的孔口)，这又允许获得平行的液体流。甚至，可以容易地获得平行的HFC，其与表面良好地接触。即，平行的孔口排避免处理液和处理过的表面之间失去接触的潜在问题，如后面详细说明的。因此，提供平行液体流是缩放装置的处理区域能力的简单方式。
第一组的每个孔口17可以相对于第二组n个孔口的孔口18(即，相对于其面对面)布置。因此，在这种情况下获得具有对称孔口阵列的探头。阵列可以以对角线扫描表面，以便在处理过的表面上获得更均匀的图案。在变型中，孔口可以移位，以便产生倾斜的液体痕迹，并且探头垂直于其主表面移动，在待处理的表面2上方，产生相同的效果。然而，诸如图3中所示的对称阵列，处理更简单。
现在参考图4、6、10和11详细描述一个或多个实施例的第二类。目前，中间层12的两个相对的主表面12ms各自开槽，以使得每个所得的孔口17,18具有纵横比，从而形成(长的)狭缝。在上界面11-12处获得第一狭缝17，并且在界面12-13处限定第二狭缝18，第二狭缝18与表面12es上的第一狭缝17相对。如在附图中描绘的一个或多个实施例中所假设的，两个相对的狭缝已经足够用于本目的。然而，可以设想变型，其中处理表面14具有多个相对的狭缝。另外，如果需要，可以组合一个或多个实施例的第一和第二类的方面，例如，以便混合长狭缝和短(方形)孔口。
然而，并且如通过本公开所实现的，在某些情况下使用相等长度的狭缝可导致分配的液体流(例如，HFC)与表面之间的接触损失。即，长狭缝孔口可能导致HFC与表面不能很好地接触。
暂时解释该问题如下：当使用根据第一类一个或多个实施例的设备(例如，相对的方形孔口组)时，抽吸到抽吸孔口中的液体的液体流来自抽吸孔口的所有四个侧面。松散地说，处理液基本上从抽吸孔口18的最靠近注入孔径17的一侧被抽吸，同时基本上浸没的液体从另外三个侧面抽吸。通过将Qi：Qa的流速比定义为例如1：3(其中Qa表示抽吸流速和Qi表示注入流速)，可以获得处理液的流动限制。然而，在狭缝孔口的情况下，狭缝的长度比宽度大(得多)，并且所抽吸的浸液可能不足以适应流速差(Qa-Qi)。由于处理液的注入流量Qi通常设定为小于抽吸流量Qa(Qa<Qi)，因此抽吸孔口需要抽吸来自面向注入孔口17的一侧的额外的浸液。为此，在处理液流下方形成浸液的鞘，导致HFC与表面之间的接触损失。
该问题的解决方案是区分狭缝17、18的长度。因此，如图4、6和10所示，第一狭缝17和第二狭缝18可以具有基本上不同的相应长度L1和L2，以补偿浸液的过量抽吸。在实践中，对于长度相差3.0到5.0倍之间的长度，例如，如图4、6和10中所假设的4倍，获得了令人满意的结果。最小长度可以是例如至少等于50μm。在图10A中这个长度是1mm。因此，最长的狭缝可以在150μm和5cm之间，并且如图10A中所示,优选地为4mm。然而，由于本装置的显著的缩放特性，最小的狭缝可达到1cm或更大。
现在比较如上所述一个或多个实施例的两个类别。例如图2、3和5所示的探头具有多个优点。它可以用于处理大的表面区域并且通过设计防止处理液流与处理过的表面之间的接触损失。然而，与大的狭缝相比，多个孔径具有(次要)技术缺点，因为在小孔口中更可能发生颗粒堵塞。而且，因为所有注入(或抽吸)通道可以通过共同注入(或抽吸)杆进给，与使用大狭缝的方案相比，更难以去除在一个通道中阻塞的气泡。
现在参考图11，本发明还可以体现为垂直微流体探针1，即包括如上所述的探头10、10a的微流体装置，以及分配和抽吸液，处理表面的其他组件。即，探针1还包括液体分配器25、35(例如，包括液体储存器35，泵/压力装置[为清楚起见未示出]和通道35)，通常配置成通过第一组n个孔口的孔口17分配处理液5。类似地，存在液体抽吸器26、36(其包括例如液体贮存器36，泵/压力装置[未示出]和通道36)，其配置成通过第二组n个孔口中的孔口18抽吸液。
孔口17、18，液体分配器25、35和液体抽吸器26、36可以共同设计，使系统能够在操作中通过孔口18抽吸通过相对孔口17分配的液体。也就是说，对于给定的流速比，孔口的尺寸和位置可以在一段距离内，以使探针能够在孔口18处抽吸处理通过孔口17输送的液体。这样，可以实现HFC或多个并联HFCs。
如图10B，10C和11所示，注入(或抽吸)通道25、26可以通过共同的注入(或抽吸)杆进给，与相应的液体贮存器35、36流体连通。提供压力源(未示出)以如果需要，与压力控制装置一起在每个通道25、26中施加压力。如果需要，后者可以可操作地耦合到源，以可控制地切换液体的流动方向。如通常在MFP中那样，可以存在其他元件，例如阀，流体动力流动电阻器等。如图10B和10C所示，通道25、35可以具有树形结构，以便为了保持等效流动阻力，将液体流分布在树形网络中，并包括支柱40以保持恒定的高度并防止覆盖层11、13塌陷。
可以对上述一个或多个实施例进行各种改变，并且可以替换等同物而不脱离本发明的范围。
例如，可以设想双抽吸狭缝孔径设计，其中存在两个中间层(未示出)。例如，第一Si晶片可以在每侧上开槽，以提供注入和第一抽吸通道二者。第一Si晶片被夹在第二Si晶片(关闭注入通道)和玻璃板(关闭第一抽吸通道)之间。第二Si晶片本身可以与第一Si晶片的注入通道相对地开槽，以提供第二抽吸通道，该第二抽吸通道可以由第二玻璃层封闭。提供额外的“中间”层允许有效地增加抽吸体积，使得抽吸狭缝和注入狭缝在该情况下不一定需要在长度上不同。然而，制造更具挑战性，并且该设计需要额外的硅层。此外，注入通道(从主表面)不可见，因为它被第二硅晶片隐藏。
虽然标准Si晶片通常为300μm厚，但是人们可能希望使用较厚的材料用于中间层12，以便获得更大的孔径间距和/或更大的宽度。实际上，并且如本公开基于基于本文的教导进行的各种分析研究所得出的结论，扫描大表面的时间和试剂使用直接与孔口间距相关联。因此，使用更大的孔径间距将导致更快的扫描并消耗更少的试剂。然而，更大的孔径间距使得更难以约束液体流动。
现有MFP头和MFPs的制造很简单。在本文中可以使用与已知的垂直MFP头中使用的相同的制造技术。主要区别在于层12需要在其两个主表面的每一个上被处理和键合，而不是这些表面中的一个。所有结构化元件，如微通道，或集成在层12中的部件和/或器件，可以在芯片上制造(例如，使用标准光刻工艺)。
现在参考图8、9和11，根据另一个方面，本发明可以体现为用于处理表面2的方法。这种方法依赖于如前所述的垂直微流体探头10、10a或探针1。最基本的，并且如图8、9和11所示，该方法依赖于首先将微流体探头10、10a定位成使其边缘表面12es在平面(x，y)中面向待处理的表面2。然后，处理液5通过第一组n个孔口中的每个孔口17分配，以便分配的液体5处理表面2，而液体5、7通过第二组n个孔口中的每个孔口18抽吸。
如图8、9中具体所示，探头10a的尺寸可以确定，并且更一般地，可以设计探针1，使得在孔口18处抽吸的液体包括通过相对的孔口17分配的至少一些处理液。在这方面，如图11所示，探头可以在在待处理表面2上提供的浸液7中操作。探头10、10a位于表面2的上方，以便如本身已知的，随后在浸液7内分配处理液5，只是，在当前情况下，处理液通过多个孔口17或大缝隙17分配。
由于在这种情况下，形成多个平行的处理液层流，可以调节流速以达到分配的液体5的层流，这又使HFC成为可能。利用根据一个或多个实施例的，包括两排多个孔口17、18(n≥2)的第一类设备更容易实现这一点。为此目的，在每排孔口中，孔口需要适当地间隔开。在图5的示意图中，假设每行中的最小间距，其中每个孔口之间的水平间隙近似等于孔口的长度。然而，为了避免由于平行液体流动之间的相互作用引起的湍流，如图7-9中所假设的，在实际装置中可以考虑更大的间隙(100μm至1mm)。还根据液体流动所需的性质优化间隙。
如前所述，该方法可以进一步包括在分配处理液的同时移动与待处理表面2相对的微流体探头10、10a，以处理大的表面面积。
探头可以例如沿对角线移动，即沿着相对于液体流动的平均方向形成角度的方向ds移动，其中该角度通常在30°和60°之间，例如如图9中所假设的，45°。当使用诸如图2或3中所示的具有两排平行的孔口17、18的设备时，这是特别期望的，以便最后能够获得更均匀的图案。在变型中，相对组中的孔口17、18可以是异相的，即移位的，在这种情况下，可以通过沿平行于液体流的方向(x)扫描表面来处理表面。
目前的垂直MFPs，MFP头和方法保留了已知MFP技术的关键优点，并且可以体现为非接触式设备和技术，其中探头不接触待处理的表面。MFP头的顶点与表面之间的典型工作距离为10-50um。但是，它可以使用介于5μm和200μm之间的间距。液体环境(或浸液)通常是含水环境。
使用如图2、3或5中所示的探头10，如前所述，具有许多优点。然而，并且当本公开也实现时，由最外面的孔口对17、18维持的HFCs倾向于被吸引向中心，导致最外面的HFCs的变形。这样做的一个结果是在扫描期间，在整个扫描表面上停留时间不均匀。为了缓解这个问题，可以在阵列的外侧(侧面)添加抽吸通道。因此可以补偿吸引HFC朝向中心的抽吸力。因此，如上所述的垂直微流体探头10可以进一步有利地包括一个或多个外部抽吸孔口19，设置在边缘表面12es上，如图7所示，在相对的n个孔口组17、18的任一侧上。抽吸孔口19通常与主表面12ms平行对齐。因此，液体(基本上是浸液)可以通过外部抽吸孔口19被抽吸，同时分配处理液5和抽吸液5、7。如图8和9中所示，这反过来允许注入孔口17和抽吸孔口18之间的液体流动稳定。
详细地说，图8和9描绘了罗丹明的实际流动约束，其用例如图7所示的探头获得。图8示出了实验观察到的液体流动，而外部抽吸孔口(未示出)被禁用。如图8所示，HFCs向中心弯曲。图9示出了当启用外部孔口(图9中未示出)并且经由外部孔口19抽吸液时获得的类似液体流，同时分配处理液。如图9所示，HFCs现已稳定下来。
外部抽吸孔口19可以处于水平，即与抽吸孔口18对齐，以最有效地偏转向内弯曲的液体流。适当的抽吸流速(对于通道19)可以例如通过反复试验，基于其他相关的实验参数(孔口的几何形状，抽吸和注入流速Qa和Qi等)来改进。
虽然已经参考有限数量的实施例，变型和附图描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。特别地，在不脱离本发明的范围的情况下，在给定实施例，变型或图中示出的特征(类似装置或类似方法)可以与另一实施例，变型或附图中的另一特征组合或替换。因此可以预期关于任何上述实施例或变型描述的特征的各种组合，这些组合仍然在所附权利要求的范围内。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多微小的修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，旨在本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。另外，可以预期除了上面明确触及的许多其他变体。特别地，可以考虑除明确提到的那些之外的其他材料，并且本发明的垂直头不必限于三层11-13，即，可以提供另外的“中间”层12以形成另外的抽吸孔口或狭缝。

Claims (25)

1.一种垂直微流体探头，包括：
同一材料的中间层；和
两个外层；
其中，中间层包括两个相对的主表面，所述两个相对的主表面为第一主表面和第二主表面，每个主表面开槽到与每个主表面邻接的相同边缘表面，从而在每个主表面上形成两组n个微通道腔，n≥1，其中，除了在所述相同边缘表面处之外，所述第一主表面上的第一组n个微通道腔不与所述第二主表面上的第二组n个微通道腔流体连通；以及
其中，中间层布置在两个外层之间，后者至少部分地封闭在两个主表面上开槽的微通道腔，从而形成两组n个微通道，每个微通道在边缘表面上开口，这样在边缘表面上形成两组相对的n个孔口。
2.根据权利要求1所述的垂直微流体探头，其中：
所述两个主表面各自多次开槽到边缘表面，
这样n≥2。
3.根据权利要求1或2所述的垂直微流体探头，其中：
第一组n个孔口中的每个孔口相对于第二组n个孔口中的孔口面对面。
4.根据权利要求2所述的垂直微流体探头，其中：
每个相对的n个孔口组在边缘表面上具有占用区域，该占用区域形成矩形，其长度在边缘表面上测量并平行于每个主表面，该长度大于或等于1mm。
5.根据权利要求1、2、4中任一项所述的垂直微流体探头，其中：
第一组n个孔口中的孔口与第二组n个孔口中的最近孔口之间的间距为50和1000μm之间。
6.根据权利要求1、2、4中任一项所述的垂直微流体探头，其中：
两个主表面各自开槽，以使每个孔口具有纵横比，由此相对组的第一组的第一孔口和相对组的第二组的第二孔口各自形成一个狭缝。
7.根据权利要求6所述的垂直微流体探头，其中：
第一孔口和第二孔口具有各自的长度，所述长度在边缘表面上测量并平行于每个主表面；以及
长度差别很大。
8.根据权利要求7所述的垂直微流体探头，其中：
最小的一个长度至少等于50μm。
9.根据权利要求7或8所述的垂直微流体探头，其中：
最长的一个长度至少等于5厘米。
10.根据权利要求7所述的垂直微流体探头，其中：
长度相差3.0到5.0倍之间。
11.根据权利要求7所述的垂直微流体探头，其中：
长度相差4.0倍。
12.根据权利要求1、2、4、7、8、10、11中任一项所述的垂直微流体探头，其中：
两个相对组n个孔口的孔口具有各自的宽度，其中宽度在边缘表面上测量并垂直于每个主表面，并且各自在20μm和200μm之间。
13.根据权利要求12所述的垂直微流体探头，其中：
孔口具有相等的宽度。
14.根据权利要求1、2、4、7、8、10、11、13中任一项所述的垂直微流体探头，其中：
中间层是晶片或晶片的一部分。
15.根据权利要求14所述的垂直微流体探头，其中：
所述晶片或晶片的一部分是硅晶片的一部分的硅晶片。
16.根据权利要求15所述的垂直微流体探头，其中：
每个外层是粘合到晶片或晶片部分上的玻璃层。
17.一种垂直微流体探针，包括：
根据权利要求1-16任一项所述的垂直微流体探头；
液体分配器，配置成通过第一组n个孔口中的孔口分配液体；以及
液体抽吸器，配置成通过第二组n个孔口中的孔口抽吸液。
18.根据权利要求17所述的垂直微流体探针，其中：
两个相对组n个孔口中的孔口，液体分配器和液体抽吸器共同设计，以便系统通过第二组n个孔口中的孔口抽吸在操作中通过第一组n个孔口中的孔口分配的液体。
19.一种用于使用根据权利要求1所述的垂直微流体探头处理表面的方法，所述方法包括：
定位微流体探头以使边缘表面面向待处理的表面；
通过第一组n个孔口中的每个孔口分配处理液，以便分配的处理液处理表面；以及
通过第二组n个孔口中的每个孔口抽吸液。
20.根据权利要求19所述的方法，其中抽吸液包括通过第二组n个孔口中的孔口抽吸至少一些通过所述第一组n个孔口中的孔口分配的处理液。
21.如权利要求19或20所述的方法，其中所述方法还包括：
在待处理的表面上提供浸液；
其中，所述微流体探头被定位以随后在浸液中分配处理液。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述垂直微流体探头的所述两个主表面各自多次开槽到所述边缘表面，使得n≥2，并且其中所述处理液被分配以从第一组孔口的每个孔口形成处理液的层流。
23.根据权利要求19、20、22中任一项所述的方法，其中所述方法还包括在分配处理液的同时相对待处理表面移动所述微流体探头。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述微流体探头沿着相对于从第一组孔口的孔口分配的处理液的流动的平均方向形成角度的方向，相对于待处理表面移动，其中所述角度在30°和60°之间。
25.根据权利要求19、20、22、24中任一项所述的方法，其中所述垂直微流体探头还包括在所述两个相对组n个孔口的任一侧的边缘表面上的一个或多个外部抽吸孔口，并且其中所述方法还包括通过一个或多个外部抽吸孔口抽吸液，同时分配处理液和抽吸液以稳定在第一组n个孔口中的孔口和第二组n个孔口中的孔口之间的液体流动。
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