CN109641209A - 采用微流体布置的流动控制方法和设备以及微流体布置 - Google Patents

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Abstract

公开了采用微流体布置的流动控制方法和设备。在一个布置中，微流体布置包括第一液体，该第一液体主要通过表面张力保持形状，以在基底的表面上限定微流体式样。微流体式样至少包括长形流道和第一储液池。第二液体直接与第一液体接触并覆盖微流体式样。驱动液体通过长形流道流入第一储液池。微流体式样与第二液体的深度和密度设置成使得：第一储液池在液体流入第一储液池期间体积增大，而第一储液池和基底之间的接触区域的尺寸和形状均没有改变，直到第一储液池的上部由于浮力与第一储液池的下部分离并且向上上升穿过第二液体，从而允许第一储液池继续从液体流动中接收液体而第一储液池和基底之间的接触区域的尺寸和形状没有任何改变。

Description

采用微流体布置的流动控制方法和设备以及微流体布置
本发明涉及采用微流体布置(arrangement)的流动控制。
操纵少量液体是许多科学学科的核心，这些科学学科包括微生物学、细胞生物学、生物化学和材料科学。其中，采用液体通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的通道流动的微流体装置是可行的，但是，尽管已经证明了该技术的优点，这种类型的装置并没有像预期那般被大量结合到科学工作流程中。原因有很多。原型设计基于PDMS的装置至少需要几天时间且价格昂贵；它通常还需要专门的设备、洁净室和高级培训。一旦这些设备被制成，通常专用于一种应用，并且对它们中的大多数位置点的使用是受限的。此外，未经处理的PDMS具有较差的生物和化学相容性，因为它会排出毒素并与有机溶剂反应。传统装置中的气泡也存在许多操作上的挑战：它们会让流动变得不平衡，损坏包含的细胞，并在气体和流体的接界面处引发分子聚集。
通过这种装置驱动流动是困难的，因为必须在装置的通道和外部泵送设备之间提供密封布置。该密封布置通常很小且难以操纵，而且不可靠。由于污染、泄漏、气泡和/或不可预测的流速，实验可能会受到影响。流体只能在装置的特定位置点处被注入和提取，从而限制了灵活性。
对于提供模仿人或动物体内状况的流动是有兴趣的，例如当对活细胞进行实验时。因此，希望提供一种脉动式流动。用于此目的的已知设备实施起来可能是昂贵的和/或复杂的。
本发明的一个目的是提供采用微流体布置的流动控制的改进方法和设备。
根据本发明的一个方面，提供了采用微流体布置的流动控制方法，其中该微流体布置包括：第一液体，该第一液体主要通过表面张力保持形状，以在基底的表面上限定微流体式样(pattern)，该微流体式样至少包括长形流道(conduit)和第一储液池；以及第二液体，该第二液体直接与第一液体接触并覆盖微流体式样；该方法包括：驱动液体通过长形流道流入第一储液池；该微流体式样与第二液体的深度和密度设置成使得：第一储液池在液体流入第一储液池期间体积增大，而第一储液池和基底之间的接触区域的尺寸和形状均没有改变，直到第一储液池的上部由于浮力与第一储液池的下部分离并且向上上升穿过第二液体，从而允许第一储液池继续从液体流动中接收液体而第一储液池和基底之间的接触区域的尺寸和形状没有任何改变。
因此，提供了在没有实心壁的微流体布置中驱动流动的方法。使用表面张力代替实心壁以将第一液体保持为所需的微流体式样。微流体式样可以在几秒钟内以这种方式形成，其方式与用笔徒手书写的方式大致相同。正如任何可以想象的式样可以在一张纸上绘制一样，可以通过移动在基底上发射第一液体的元件来产生任何微流体式样。微流体式样(例如流道和第一储液池)的元件的边缘通过表面张力(其也可以称为界面张力)固定。因为基底不必以与PDMS相同的方式处理以提供通道，所以基底可以由已证明确有生物相容性的材料制成，例如生物学家通常使用的聚苯乙烯/玻璃皿。
与基于PDMS的装置不同，将液体泵送到微流体布置中的输送构件可以自由地插入微流体式样中的任何点。输送构件和微流体布置之间的连接是自动密封的。当输送构件插入时自动建立密封，并且当移除输送构件时自动关闭。因此，可以选择各种不同的泵送式样，而无需构建新设备。微流体式样本身甚至可以重新设计，例如通过切割流道(其自动密封)或通过将不同的流道连接在一起，这提供了进一步的灵活性。此外，减少或消除了污染的风险，并且没有密封失效或泄漏的问题。如果出现气泡，则浮力迫使它们上升并离开微流体式样，从而消除了在基于PDMS的装置中经常遇到的气泡的负面影响。
第一液体被流体壁限制，这意味着该壁能够在流体流动期间变形。因此，当液体流入第一储液池时，第一储液池的体积能够增大(例如通过增加高度)。发明人已经认识到，能够通过使用密度大于第一液体的第二液体利用该特性，以使第一储液池自行排空。这方便地允许流动持续更长时间或无限期地流动而不必为液体提供单独的物理出口。过量的液体简单地上升并与第一液体的其余部分分离，在第二液体的顶部形成层。
发明人另外认识到，第一储液池的周期性变化的尺寸也提供了有利的特性。第一储液池中的压力由拉普拉斯压力(其取决于曲率)和静水压力(其取决于第一储液池上方的第二液体的量)的组合确定，两者均将随着自行排空过程中第一储液池的尺寸和形状的变化而变化。这导致流入第一储液池的脉动式流动，因为由微流体布置内的压力差驱动流动。因此，提供了实现与没有实心壁的微流体布置相关优点并且能够以简单且可重复的方式实现可靠的脉动式流动的方法。无需复杂的泵送设备即可实现脉动式流动。液体能够被简单地连续泵送，例如，以恒定的流速甚至从微流体布置上方的储液池获得重力连续泵送。
在实施例中，液体经由保持在输送位置的输送构件的末端开口泵送至微流体式样中，其中输送位置使得在没有任何液体流出末端开口的情况下输送构件将不与微流体式样的第一液体接触，并且其中通过液体流出末端开口，液体经由末端开口和微流体式样的第一液体之间形成的液桥被泵送到微流体式样的第一液体中。该特征减少了对输送构件的高精度定位的需要。能够针对输送构件的一系列不同位置有效地将液体泵送到微流体布置中，可选地所述一系列不同位置包括在没有泵送的情况下末端开口将在第一液体内的位置和在没有泵送的情况下末端开口将不在第一液体内的位置。因此便于手动定位输送构件。能够更廉价和/或更可靠地实现输送构件的自动移动。
在实施例中，在从末端开口不间断流出期间，以循环方式周期性地形成不稳定的液桥，包括：在末端开口处生长液珠，将所述液珠与限定微流体式样的第一液体接触以建立液桥，以及随后使液桥垮塌，从而提供因循环方式产生的脉动式压力而生成的脉动式流动，将液体流入微流体式样。这构成了以简单且可重复的方式创建脉动式流动的可替代或附加的方法，而无需复杂的泵送设备。液体能够被简单地连续泵送，例如以恒定的流速连续泵送。在这种情况下，脉动式流动由液桥的周期性形成和垮塌提供的，在流道内提供的循环压力以驱动流动。
在实施例中，输送构件的靠近末端开口的外表面的至少选定部分被配置成与第一液体接触的表面能量密度高于与第二液体接触的表面能量密度。以这种方式配置输送构件有助于通过将液体泵送到微流体式样中来减少输送构件的外表面的不希望的润湿。当液桥用于进行连接时，例如提供脉动式流动，这是特别理想的，其中重要的是能够在末端开口处形成可预测几何形状的液珠。
在替代的实施例中，输送构件的靠近末端开口的外表面的至少选定部分被配置成与第一液体接触的表面能量密度低于与第二液体接触的表面能量密度。以这种方式配置输送构件有助于提供输送构件到微流体式样中的有效插入和密封。
在实施例中，液体经由保持在输送位置的输送构件的末端开口泵送至微流体式样中，基底和形成长形流道的一部分第一液体之间的接触区域限定了流道覆盖区域(conduitfootprint)；基底与形成第一储液池的一部分第一液体之间的接触区域限定了第一储液池覆盖区域(first reservoir footprint)；流道覆盖区域和第一储液池覆盖区域的尺寸和形状均设置成使得：在流道覆盖区域没有任何改变的情况下的长形流道中的第一液体可支撑的最大拉普拉斯压力，高于在第一储液池覆盖区域没有任何改变的情况下的第一储液池中的第一液体可支撑的最大拉普拉斯压力；并且输送位置设置成使得：泵送到微流体式样中的液体经由长形流道进入微流体式样。
如果流体壁以阻止建立所需压力梯度的方式变形，则不可能通过微流体式样实现所需的流速。发明人已经认识到，通过在特定位置：即进入储液池之间的长形流道或通向储液池而不是进入储液池本身，将液体泵送到微流体式样中能够实现更多种流速。长形流道能够比宽于长形流道的储液池支撑更高的最大拉普拉斯压力(由于流道与储液池相比可能具有更高的曲率)。因此，泵送到长形流道中允许更高的压力梯度和通过流道的更高的相应泵送速率。
提供密度大于第一液体的第二液体改变了静水压力如何有助于驱动流动通过微流体布置，并能够帮助维持更恒定的流速。例如，由于储液池由于液体流入其中而尺寸增大，拉普拉斯压力通常会随着储液池的曲率半径减小而增加。这通常会增加储液池中的压力，因此倾向于降低液体流入其中(该处为被动驱动泵送)的速率和/或降低液体流入其中(主动驱动泵送的情况)的最大速率。使用密度更大的第二液体，随着储液池上方的液体高度减小，通过降低静水压力来抵消这种效果。
根据本发明的另一方面，提供微流体布置，包括：第一液体，所述第一液体主要通过表面张力保持形状，以在基底的表面上限定微流体式样，所述微流体式样至少包括长形流道和第一储液池；以及第二液体，该第二液体与第一液体直接接触并覆盖微流体式样，其中，微流体式样和第二液体的深度和密度设置成使得：当驱动液体流动通过长形流道进入第一储液池时第一储液池体积增大，而第一储液池和基底之间的接触区域的尺寸和形状均没有改变，直到第一储液池的上部由于浮力与第一储液池的下部分离并且向上上升穿过第二液体，从而允许第一储液池继续从液体流动中接收液体而第一储液池和基底之间的接触区域的尺寸和形状没有任何改变。
根据本发明的另一方面，提供了采用微流体布置的流动驱动设备，包括微流体布置，其包括第一液体，该第一液体主要通过表面张力保持形状，以在基底的表面上限定微流体式样，该微流体式样至少包括长形流道和第一储液池；以及第二液体，该第二液体与第一液体直接接触并覆盖微流体式样；以及泵送机构，其包括输送构件，该输送构件具有通向末端开口的内腔，液体能够通过末端开口输送；以及控制系统，其被配置为控制泵送机构，以通过从微流体式样的外部泵送液体经由末端开口进入微流体式样中，来驱动液体流动通过长形流道进入第一储液池，其中：微流体式样与第二液体的深度和密度设置成使得：第一储液池在液体流入第一储液池期间体积增大，而第一储液池和基底之间的接触区域的尺寸和形状均没有改变，直到第一储液池的上部由于浮力与第一储液池的下部分离并且向上上升穿过第二液体，从而允许第一储液池继续从液体流动中接收液体而第一储液池和基底之间的接触区域的尺寸和形状没有任何改变。
现将仅通过示例的方式结合附图描述本发明的实施例，附图中相应的附图标记表示相应的部件，并且其中：
图1是描绘将液体泵送到微流体式样的长形流道中的示意性侧视图；
图2描绘了第一储液池处于相对小体积的状态；
图3描述了在液体被驱动流入第一储液池后图2中的第一储液池处于大体积状态，浮力导致第一储液池向上扩展并在下部腰部区域变窄；
图4描绘了在上部离开下部后并且第一储液池回到小体积状态的第一储液池与图2描绘的相似；
图5描绘了用于图1的布置的流道覆盖区域和第一储液池覆盖区域；
图6是沿长形流道的端部视图，描绘了与限定长形流道的界面处的相对低压力差相关的相对低的曲率。
图7描绘了图6的流道，其在界面处具有较大的压力差；
图8是通往储液池的剖视图，示出了由储液池可支撑的最大曲率。
图9描绘了微流体布置中的覆盖区域，所述微流体布置包括通过长形流道彼此连接的两个储液池；
图10描绘了微流体布置中的覆盖区域，其中长形流道设置有宽度增加的局部部位；
图11是描绘在输送构件的末端开口处液珠的生长的示意性侧视图；
图12描绘了当图11的液珠接触第一液体时形成的液桥；
图13示意性地描绘了采用微流体布置的流动驱动装置。
提供附图仅用于说明目的，并未按比例描绘，以允许清楚地呈现不同要素。特别地，在实践中，预期长形流道的宽度相对于储液池的直径将显着小于附图中所示。
如图1所示，本公开的实施例包括采用微流体布置2的流动驱动方法。微流体布置2包括第一液体4。第一液体4主要通过表面张力保持形状，以在基底11表面10上限定微流体式样。微流体式样,由第一液体4形成，至少包括长形流道13和第一储液池15，如图1所示。在其他实施例中，微流体式样可包括另外的储液池和/或另外的长形流道。所述方法包括驱动液体流动通过长形流道13进入第一储液池15。
通常，表面10基本上是平坦的且无刻纹的(既无机械的也无化学的)，至少在微流体式样的区域中。
微流体布置还包含第二液体6。第二液体6与第一液体4直接接触并完全覆盖微流体式样。因此，微流体式样的第一液体4可以仅与下方的平坦的未刻纹表面10接触以及与沿第一液体4的所有其余外侧界面与第二液体6接触。第二液体6将第一液体4与周围环境8(例如空气)隔离。因此，第二液体6可以减少或阻止第一液体4的蒸发。第二液体6减少或阻止第一液体4的污染。第二液体6与第一液体4基本上不混溶。第二液体6比第一液体4的密度大。
如图2-4所示，微流体式样和第二液体6的深度和密度使得第一储液池15在液体流入第一储液池15期间体积增大。这在图2和图3中示意性地示出。在第一储液池15和基板11之间的接触区域14(参见图5)的尺寸和形状均没有变化的情况下发生体积增大。如图3所示，第一液体4在密度较大的第二液体6中的浮力导致第一储液池15向上扩展并在腰部区域40变窄。继续该过程直到第一储液池15的上部42由于浮力离开第一储液池15的下部44，如图4所示。然后，上部42作为单独的液珠向上上升穿过第二液体6。当上部42到达第二液体6的上界面时，上部42中的液体可以扩散在第二液体的表面上，由此通过第二液体6实现与微流体式样安全地分离。因此，该过程允许第一储液池15继续从液体流动中接收液体而第一储液池15和基板11之间的接触区域14的尺寸和形状没有任何变化。
图5描绘了(沿垂直于基底11的表面10的方向)从基底11上方观察的图1的微流体式样与基底11之间的接触区域14。基底11与形成长形流道13的一部分第一液体4之间的接触区域14限定流道覆盖区域14A。基底11与形成第一储液池15的一部分第一液体4之间的接触区域限定第一储液池覆盖区域14B。流道覆盖区域14A可具有例如至少3:1的平均长宽比，任选地至少5:1，任选地至少10:1。第一储液池覆盖区域14B通常不会呈明显的细长形。第一储液池覆盖区域14B例如可以基本上是圆形的，或者如果第一储液池覆盖区域14B不是圆形的，则具有小于3:1的平均长宽比，可选地小于2:1。
流道覆盖区域14A和第一储液池覆盖区域14B可以完全设置在基本上平坦的部分(其可以相对于水平面或相对于基底11的任何其他部分以任何角度设置)和/或完全设置在基底11表面10的基本上无刻纹的部分。因此，微流体式样外侧的基底11表面10的部位无法与接触微流体式样的表面10的部位区分。
如图1所示，提供具有内腔12的输送构件18(例如中空针)。内腔12通向末端开口16，液体能够通过末端开口16输送。当末端开口保持在输送位置时，将液体泵送入微流体式样。将液体从微流体式样的外部经由末端开口16泵送到微流体式样中。输送位置在第二液体6的上界面7下方。因此，末端开口16总是与微流体布置之外的环境(例如空气)密封隔离的。图1描绘了处于示例性输送位置的输送构件18。输送位置通常是指：液体经由长形流道13进入微流体式样并驱动液体流动进入第一储液池15。在图5中用虚线圆圈示描绘了液体相对于流道覆盖区域14A进入的示例部位。在液体按照期望的方式被驱动流动进入第一储液池15的情况下，微流体式样与基底11之间的接触区域14的形状没有产生任何变化。
将液体泵送到长形流道13而非更大的结构，使得在液体的注入部位能够获得更高压力，从而有助于在微流体式样内建立更大的压力梯度并因此提高流速。在不会导致长形流道13壁的脱钉(de-pinning)(并因此流道覆盖区域14A的形状改变)的情况下，长形流道13内可实现的最大拉普拉斯压力由流道的宽度确定。与液体待驱动流动进入的储液池的直径相比，通常希望流道的宽度相对较小。在诸如图1的实施例中，流道覆盖区域13和第一储液池覆盖区域15的尺寸和形状优选地是使得，在流道覆盖区域14A没有任何改变的情况下由长形流道13中的第一液体4可支撑的最大拉普拉斯压力，高于在第一储液池覆盖区域14B没有任何改变的情况下由第一储液池15中的第一液体4可支撑的最大拉普拉斯压力。
图6和图7是沿长形流道13的延伸轴线的视角来看的端部视图。长形流道13的宽度Wc在页面的平面内。长形流道13内的拉普拉斯压力取决于长形流道13中的第一液体4与长形流道13上方的流体之间的接界面的曲率。图6示出了接界面的曲率相对较小的情况(由虚线所示的接界面延伸形成的完整圆的相对大的曲率半径rl所示)。通过将液体泵送到长形流道13中能够增加拉普拉斯压力，这将导致曲率半径减小。只要曲率半径不会变得太小以致长形流道13变得不稳定，就能够在不改变流道覆盖区域的情况下完成。具有较高拉普拉斯压力的长形流道13在图7中示意性地描绘出，其中虚线圆的曲率半径r2明显小于图6的曲率半径r1。任何进一步增加压力的尝试都将导致长形流道13变宽，从而改变流道覆盖区域14A。对于长形流道13的界面任一侧的给定流体可获得的最大拉普拉斯压力通常将取决于长形流道13的宽度，较小的宽度通常允许达到较高的最大拉普拉斯压力。从长形流道13进入储液池的流速取决于长形流道13和储液池之间的压力差，而压力差又取决于流体注入长形流道13的速率(这有助于长形流道13中的压力)和储液池的曲率。当长形流道13的高度不同于储液池的高度时，静水压力也可以有助于压力差异，但是当液体被主动泵送到长形流道13中时，这种作用会变得很小。
图8是穿过第一储液池15的剖视图，示出了对应于在第一储液池15内可实现的最大拉普拉斯压力的几何形状。第一储液池15的大得多的宽度Wr(实际上将显著超过长形流道13的宽度Wc的两倍)意味着相应的最大拉普拉斯压力显著低于长形流道13内可实现的最大拉普拉斯压力(半径r3将显著大于半径r2的两倍)。
在实施例中，输送构件18的靠近末端开口16的外表面的至少选定部分19配置成使其与第一液体4接触的表面能量密度(每单位面积的表面能)低于与第二液体6接触的表面能量密度。因此，第一液体4润湿输送构件18会比第二液体6润湿输送构件18更积极有利。在第一液体4含有高比例的水的情况下，外表面的选定部分19可以被配置为例如亲水性的。以这种方式配置输送构件有助于提供输送构件18有效插入和密封到微流体式样中。在实施例中，选定部分19围绕输送构件18形成闭合环。选定部分19可包括输送构件的端面和/或侧面。选定部分19可包括与末端开口16直接相邻的部位。通过处理(例如通过涂覆)输送构件18的表面，或通过提供包括内部元件和套管(套管套住内部元件，套管的外表面提供选定部分19)的输送构件，可以部分地或完全地实现选定部分19。
在各种实施例中，微流体式样包括一个或多个另外的储液池，并且将液体泵送到微流体式样中驱动液体流入第一储液池和一个或多个另外的储液池。图9描绘了这种类型的示例性微流体式样与基底11之间的接触区域14。如前所述，接触区域14包括流道覆盖区域14A和第一储液池覆盖区域14B。接触区域14额外包括另外的储液池覆盖区域14C。可以提供一个以上的另外的储液池，在这种情况下，将存在相应的另外的储液池覆盖区域。可以选择不同储液池的尺寸以控制进入它们的流速。在图9所示的示例中，第一储液池覆盖区域14B大于另外的储液池覆盖区域14C，这将导致进入第一储液池的流速平均高于进入另一储液池的流速。相比于另一储液池，第一储液池中的拉普拉斯压力将根据已泵入其中的液体量更缓慢地上升。可替代地或附加地，通过适当选择将液体注入长形流道13的位置点能够控制液体流入不同储液池的相对流率。特别地，通过在更靠近该储液池的位置处将液体注入长形流道13通常能够增加流入给定储液池的流速。
第二液体6比第一液体4密度大。例如，第一液体4可以是水性的，第二液体6可以包括碳氟化合物，例如FC40(密度为1.855g/ml的透明全氟化液体，其广泛用于基于液滴的微流体)。有些违反直觉的是，密度较大的第二液体6并非下沉到底部并置换第一液体4，界面张力(interfacial force)占主导地位并且水相保持粘附到基底11上。提供密度大的第二液体6是有利的，因为它有助于在微流体式样内提供更恒定的流速。随着储液池尺寸增大，拉普拉斯压力会增加，由于储液池上方的第二液体6的深度减小，作用在储液池上的静水压力会减小，相应地能够至少部分地补偿上述增加。这有助于降低流速，并且在泵送期间微流体式样内的压力梯度会减小，从而有助于更恒定的流速。当微流体式样中的流动驱动方式包括被动分量时，这可能是特别期望的。例如，在实施例中，可以在第一时间段通过使用输送构件18将液体主动泵送到微流体式样中来驱动流体，而在第一时间段之后的第二时间段被动地泵送流体(在此期间，输送构件18可选择缩回到微流体布置的外部)。
被动泵送可以由微流体式样内的压力差驱动，其在主动泵送停止后持续存在。因此，被动泵送可以通过拉普拉斯压力和作用在微流体式样的静水压力的组合来驱动。给出拉普拉斯压力为2γ/R，其中γ为界面张力，R为曲率半径；静水压力为ρgh，其中ρ是密度，g是重力常数，h为高度。因此，如果相同液体的两个不同尺寸的储液池通过流道连接，则具有较小曲率半径的储液池具有较大的压力，该压力驱动从小储液池到较大储液池的流动。随着微流体式样向平衡方向进行，预计流速将逐渐降低。发生这种情况的流速取决于拉普拉斯压力和静水压力之间的相互作用。如果拉普拉斯压力是流动的唯一驱动因素，体积减少的速度将随着时间推移逐渐减小。然而，如上所述，这种减少可以通过改变密度大的在上覆盖的第二液体6的静水压力来抵消。
水在FC40中的溶解度<7ppm(重量)，因此使用包含FC40的第二液体6(FC40的上方暴露在空气中)覆盖后的水性第一液体4可以稳定数天。FC40还表现出将微流体式样与附近提供的任何其他微流体式样隔离的有效特性，这些微流体式样例如在相同的基底11上并且与相同的主体第二液体6接触但彼此之间不直接接触。
在实施例中，选择第一液体、第二液体和基底，使得当以第二液体6覆盖微流体式样时的第一液体4在基底11上的前进接触角大于当以空气覆盖微流体式样时的第一液体4在基底11上的前进接触角。例如，当第一液体4是水性的而第二液体是FC40时就是这种情况。在这种情况下，前进接触角增加约20°，这意味着在储液池覆盖区域变化之前能够将更多的约60％的液体添加到储液池中。
在图9所示类型的实施例中，提供至少两个储液池，两个储液池通过长形流道彼此连接，可以通过外部泵送驱动流动进入例如虚线所示的部位。或者，在至少一部分流动期间，可以通过两个或更多个储液池之间的拉普拉斯压力差来被动驱动流动。因此，在第二储液池经由长形流道整体连接到第一储液池的情况下，拉普拉斯压力差可以驱动液体从第二储液池流到第一储液池。由于第二液体6的密度较大，在流动驱动且第一储液池增大期间：作用在第二储液池的拉普拉斯压力正在减小，而作用在第二储液池的静水压力正在增加；以及作用在第一储液池的拉普拉斯压力正在增加(至少直到第一储液池开始由于浮力显著变形)，而作用在第一储液池的静水压力正在减小。因此，相较于密度等于或低于第一液体4的第二液体6，密度大于第一液体4的第二液体6有助于保持更恒定的流速。
在上述实施例中，长形流道13的几何形状包括恒定宽度的细长要素。在其他实施例中，长形流道13可具有更复杂的几何形状。例如，可以提供流道，其中宽度随着流道的长度变化。在这种情况下，流道可以被认为包括多个串联的长形流道13，其中至少两个长形流道13具有相对于彼此不同的宽度。在这样的实施例中，输送位置仍应使得液体经由可用的长形流道13之一进入微流体式样。图10描绘了这种类型的示例性微流体式样与基底11之间的接触区域14。接触区域14包括如前所述的流道覆盖区域14A和第一储液池覆盖区域14B，以及两个另外的流道覆盖区域14D。通过提供选项来选择宽度稍大的长形流道13(如图10中虚线圆圈所示的液体进入的部位的示例)，不同宽度的长形流道13的供给可以使得更容易定位输送构件以将液体泵送到微流体式样中。
图11和图12描绘了在没有任何液体流出末端开口16的情况下输送构件18不与长形流道13接触时的输送位置的实施例。在这样的实施例中，液体通过流出末端开口16、经由末端开口16和长形流道13之间形成的液桥22泵送到长形流道13中。如图11所示，液体流出末端开口16的流动最初引起液珠20的生长。在提供第二液体6的情况下，相比于第二液体6，液珠20的成分通常更接近第一液体4(例如，两者均可以是水性的)。形成液珠20的液体通常与第二液体6基本上不混溶。如图12所示，当液珠充分生长以使其与第一液体4接触时，在输送构件18中的液体和微流体式样中的第一液体4之间形成液桥22。液桥22允许液体从输送构件18泵送到微流体式样中。
在实施例中，输送位置和泵送被配置成使得在从末端开口16不间断流出期间，在末端开口16和长形流道13之间保持稳定的液桥22。因此，液桥22存在于全部不间断流动的阶段。由此提供相应的不间断的液体流入长形流道13。
在其他实施例中，输送位置和泵送被配置成使得在末端开口16不间断流出的这段期间，以循环方式周期性地形成不稳定的液桥22，包括在末端开口16处生长液珠20，将液珠20与长形流道接触以建立液桥22，以及随后使液桥22垮塌。由此提供液体流入长形流道13的脉动式流动。即使在向末端开口16提供基本上恒定的流速时也能够实现脉动式流动。因此，能够使用相对简单的泵送布置(例如适合于提供恒定流量)以在微流体式样内实现规则的脉动式流动。因此，能够廉价且方便地实现需要脉动式流动的实验，例如希望模仿人或动物体内状况的实验。
在使用液桥22的实施例中，在靠近末端开口16的输送构件18的外表面布置至少选定部分19使得与第一液体4接触的表面能量密度高于与第二液体6接触的表面能量密度是尤其期望的。因此，第二液体4润湿输送构件18的选定部分比第一液体4润湿输送构件18更积极有利。在第一液体4含有高比例的水的情况下，选定部分19可以被配置为例如疏水性的。以这种方式配置输送构件防止了离开末端开口16的液体对输送构件的不期望的润湿，从而促进例如朝向长形流道13突出的液珠20的可靠地形成，如图11所示。在实施例中，选定部分19围绕输送构件18形成闭合环。选定部分19可包括输送构件的端面和/或侧面。选定部分19可包括与末端开口16直接相邻的部位。通过处理(例如通过涂覆)输送构件18的表面，或通过提供包括内部元件和套管(套管套住内部元件，套管的外表面提供所选部分19)的输送构件，可以部分地或完全地实现选定部分19。在实施例中，输送构件18包括不锈钢内部元件和套住内部元件的PTFE套管。
上述方法可以由用于驱动微流体布置2中的流动的设备30来执行。在图13中示意性地描绘了示例设备30。该设备包括根据上述任一实施例的微流体布置2。设备30还包括泵送机构32，泵送机构32包括输送构件18。输送构件18可通过泵送机构32移动。控制系统34控制泵送机构，从而能够执行根据任何上述实施例的方法。控制系统34可以控制泵送机构，例如通过将液体从微流体式样的外部经由末端开口16泵送至微流体式样，驱动液体通过长形流道13流入第一储液池15，其中：微流体式样和第二液体的深度和密度设置成使得：第一储液池15在液体流入第一储液池15期间体积增大，而第一储液池15和基底11之间的接触区域的尺寸和形状均没有改变，直到第一储液池15的上部42由于浮力与第一储液池15的下部44分离并且向上上升穿过第二液体6，从而允许第一储液池15继续从液体流动中接收液体而第一储液池15和基底11之间的接触区域的尺寸和形状没有任何改变。

Claims (17)

1.采用微流体布置的流动控制方法，其中，
所述微流体布置包括：第一液体，所述第一液体主要通过表面张力保持形状，以在基底的表面上限定微流体式样，所述微流体式样至少包括长形流道和第一储液池；以及第二液体，所述第二液体直接与所述第一液体接触并覆盖所述微流体式样；
所述方法包括：驱动液体通过所述长形流道流入所述第一储液池；以及
所述微流体式样与第二液体的深度和密度设置成使得：所述第一储液池在液体流入所述第一储液池期间体积增大，而所述第一储液池和所述基底之间的接触区域的尺寸和形状均没有改变，直到所述第一储液池的上部由于浮力与所述第一储液池的下部分离并且向上上升穿过所述第二液体，从而允许所述第一储液池继续从液体流动中接收液体而所述第一储液池和所述基底之间的接触区域的尺寸和形状没有任何改变。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
提供输送构件，所述输送构件具有通向末端开口的内腔，液体能够通过所述末端开口输送，其中：
所述驱动液体通过所述长形流道流入所述第一储液池是至少部分地和/或间歇地从所述微流体式样外部经由所述末端开口将液体泵送至所述微流体式样。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，当所述末端开口保持在输送位置时，将液体泵送至所述微流体式样，所述输送位置低于所述第二液体的上界面。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述输送构件的靠近所述末端开口的外表面的至少选定部分被配置成与所述第一液体接触的表面能量密度低于与所述第二液体接触的表面能量密度。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述输送构件的靠近所述末端开口的外表面的至少选定部分被配置成与所述第一液体接触的表面能量密度高于与所述第二液体接触的表面能量密度。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的方法，其中：
所述基底和形成所述长形流道的一部分所述第一液体之间的接触区域限定了流道覆盖区域；
所述基底与形成所述第一储液池的一部分所述第一液体之间的接触区域限定了第一储液池覆盖区域；
所述流道覆盖区域和所述第一储液池覆盖区域的尺寸和形状均设置成使得：在所述流道覆盖区域没有任何改变的情况下的所述长形流道中的所述第一液体可支撑的最大拉普拉斯压力，高于在所述第一储液池覆盖区域没有任何改变的情况下的所述第一储液池中的所述第一液体可支撑的最大拉普拉斯压力；以及
所述输送位置设置成使得所述泵送至微流体式样的液体经由所述长形流道进入所述微流体式样。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述流道覆盖区域和所述第一储液池覆盖区域完全位于所述基底的所述表面的基本上平坦的部分上。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，在所述流道覆盖区域或所述第一储液池覆盖区域没有任何改变的情况下执行所述驱动液体流入所述第一储液池。
9.根据权利要求3-8中任一项所述的方法，其中，在没有任何液体流出所述末端开口的情况下，所述输送位置使所述输送构件不与所述微流体式样的所述第一液体接触；通过液体流出所述末端开口，使液体经由所述末端开口和所述微流体式样的所述第一液体之间形成的液桥被泵送到所述微流体式样的所述第一液体中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在从所述末端开口不间断流出期间，在所述末端开口和所述微流体式样的所述第一液体之间保持稳定的液桥，从而提供液体不间断地流入所述微流体式样。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，在从所述末端开口不间断流出期间，以循环方式周期性地形成不稳定的液桥，包括在所述末端开口处生长液珠，所述液珠与所述微流体式样的所述第一液体接触以建立所述液桥，以及随后使所述液桥垮塌，从而提供因所述循环方式产生的脉动式压力而生成的脉动式流动，将液体流入所述微流体式样中。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微流体布置还包括第二储液池，所述第二储液池整体与所述长形流道连接；
所述第二储液池与所述第一储液池之间的拉普帕斯压力差至少部分地驱动液体通过所述长形流道流入所述第一储液池。
13.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述液体通过所述长形流道流入所述第一储液池包括液体从所述第二储液池流入所述第一储液池；
在驱动流体且所述第一储液池增大期间：作用在所述第二储液池的拉普拉斯压力正在减少，作用在所述第二储液池的静水压力正在增加；作用在所述第一储液池的静水压力正在减少。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一液体仅与所述基底的所述表面的基本平坦部分和所述第二液体接触。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，选择所述第一液体、所述第二液体和所述基底，使得当以所述第二液体覆盖所述微流体式样时的所述第一液体在所述基底上的前进接触角大于当以空气覆盖所述微流体式样时的所述第一液体在所述基底上的前进接触角。
16.微流体布置，包括：
第一液体，所述第一液体主要通过表面张力保持形状，以在基底的表面上限定微流体式样，所述微流体式样至少包括长形流道和第一储液池；以及
第二液体，所述第二液体直接与所述第一液体接触并覆盖所述微流体式样；
所述微流体式样与第二液体的深度和密度设置成使得：所述第一储液池在液体流入所述第一储液池期间体积增大，而所述第一储液池和所述基底之间的接触区域的尺寸和形状均没有改变，直到所述第一储液池的上部由于浮力与所述第一储液池的下部分离并且向上上升穿过所述第二液体，从而允许所述第一储液池继续从液体流动中接收液体而所述第一储液池和所述基底之间的接触区域的尺寸和形状没有任何改变。
17.采用微流体布置的流动驱动设备，包括：
微流体布置，其包括第一液体，所述第一液体主要通过表面张力保持形状，以在基底的表面上限定微流体式样，所述微流体式样至少包括长形流道和第一储液池；以及第二液体，所述第二液体直接与所述第一液体接触并覆盖所述微流体式样；以及
泵送机构，其包括输送构件，所述输送构件具有通向末端开口的内腔，液体能够通过所述末端开口输送；以及
控制系统，其被配置为控制泵送机构，以通过从微流体式样的外部泵送液体经由末端开口进入微流体式样中，来驱动液体流动通过长形流道进入第一储液池，其中：
微流体式样与第二液体的深度和密度设置成使得：第一储液池在液体流入第一储液池期间体积增大，而第一储液池和基底之间的接触区域的尺寸和形状均没有改变，直到第一储液池的上部由于浮力与第一储液池的下部分离并且向上上升穿过第二液体，从而允许第一储液池继续从液体流动中接收液体而第一储液池和基底之间的接触区域的尺寸和形状没有任何改变。
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