CN110914544A - 用于使液体循环的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种装置，该装置包括至少一个循环区和至少一种流体，该至少一种流体包括形成液‑液界面的至少一种强顺磁性液体和至少一种弱顺磁性液体，所述装置包括至少一种在循环区中产生磁场的元件，其中弱顺磁性液体在循环区中被强顺磁性液体围绕，或者其中强顺磁性液体在循环区中被弱顺磁性液体围绕。本发明还涉及一种方法，其包括使至少一种弱顺磁性液体在装置的一个或多个循环区内循环，该装置包括至少一个循环区和在该循环区中的至少一种强顺磁性液体。

Description

用于使液体循环的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于使液体循环的装置和方法。
特别地，本发明特别涉及一种用于使弱顺磁性液体循环到包围用的强顺磁性液体中或用于使强顺磁性液体循环到包围用的弱顺磁性液体中的装置和方法。
背景技术
以受控的方式从A点到B点输送流体(气体或液体)已成为许多科学和技术的重要基础技术。泵是发明用于通过机械作用输送流体的装置。根据希望输送的流体的类型和体积，已经发明了各种各样的泵，它们可以主要分为正排量泵或离心泵(也称为转子动力泵)。正排量泵直接挤压流体，而离心泵使流体加速并将动能转换为压力。
磁场已经用于许多研究和工业实践的领域中以实现悬浮(例如，高速轴承、磁悬浮列车)，但更重要的是用于磁分离。后者从极大的工业规模(例如，分类废金属)到从诸如血液等生物流体中去除小的(生物)分子。这些分离方法利用磁场梯度力和被磁体吸引的材料及其周围介质的磁化率差异。在具有非常高的磁化率的高(磁性)液体(例如铁磁流体)中，磁场可以引起液体的惊人的结构化、粘度的磁性调节或致动。这些现象不仅适用于基于(超)顺磁性颗粒的磁性液体，而且还适用于含有顺磁性离子的低磁化率液体。本发明人之一和其他人已经利用磁场梯度力来稳定水中的水性顺磁性液体管。在该早期工作中，使用大的均匀的外场来磁化铁丝，产生局部磁场梯度，该局部磁场梯度又可以引导顺磁性液体的流动。到目前为止，若干缺点阻碍了尤其在微流体领域中采用液体管技术，即，i)需要大的电磁体来产生外场，ii)由于离子扩散到介质中(降低磁化率差异)而使顺磁性液体管的使用期限有限，iii)顺磁性离子的毒性，以及iv)微流体回路的有限稳定的几何形状。
在过去的几十年中，微流体已经从液相色谱的利基衍生产品(niche spin-off)发展到其自己的研究领域，从而对流体进行精细控制。一些最激动人心的应用通常存在于诊断、化学合成、芯片实验室以及纯化和分离中。典型的微流体通道的尺寸范围为50至500μm，确保了低雷诺数并因此确保了装置内的层流。后一种流动行为是明确定义的，并且允许很好地控制分子扩散，从而导致按需产生浓度梯度等。
微流体技术的更具挑战性的限制是小尺度下流体行为的变化，导致低雷诺数下的层流。在这样的小层流中混合溶质仅通过扩散(跨越通道的宽度)和泰勒分散(沿着长度)而不是通过在较大尺度上的对流混合而发生。因此，两个彼此并排运行的液体需要几厘米才能适当混合。已经设计出被动和主动微流体混合器来加速混合，但是由于它们需要复杂的3D几何形状或小型化致动而难以结合到装置中。最后，存在几个关键的实际问题限制了微流体装置的可靠性、可重复使用性和长期稳定性，例如由于高表面与体积比而造成的结垢或在通道壁上的吸附、由于灰尘颗粒而造成的通道的堵塞以及由于连接错误或装置分层而造成高流体压力下的泄漏。
在2009年，Coey等人(Coey,J.M.D.；Aogaki,R.；Byrne,F.；Stamenov,P.Proc.Natl.Acad.Sci.USA 2009,106(22),8811–8817)证明了原理验证实验，其旨在通过使用特定的磁场结构来用虚拟壁替换流体装置中的传统的实际壁。它们可以在抗磁性水性液体内形成顺磁性水性溶液(含有溶解的3d或4f离子的水)的“液体管”，或者反之亦然，形成“液体抗性管(anti-tube)”。液体管和液体抗性管仍然与固定磁道的底部有接触，但是与常规微流体中的周围实体壁的抑制相比，壁接触显著减小。部分地由于局部磁压，液体管表现得如同自愈弹性膜围绕它一样。这导致在管的流体/流体界面处存在具有均匀流体速度的自由边界，与通常微流体中的流体/固体界面处的无滑动条件相反。另外，Coey等人的开创性工作还证明了磁场力可以防止液体管周围的对流，但不会抑制管或抗性管内的涡旋，从而不会抑制混合。
虽然Coey的工作是迈向新型微流体的重要里程碑，但为了实现可行的微流体应用仍存在许多挑战。此外，诸如钬(Ho3+)、钆(Gd3+)、钴(Co2+)等离子的有毒顺磁性离子扩散跨越液/液界面，因为两种介质都是水性的。简而言之，该系统很有前景，但不适用于生命科学应用。特别地，Coey需要溶解高浓度的有毒磁性离子以获得引起磁力的足够的磁化率，本发明旨在避免这种磁化力。此外，液体管或液体抗性管未被磁性对比的液体护套完全围绕，但在一侧与固体磁道保持接触。
法国专利申请FR2830777(CEA)涉及用于操纵非磁性液体的微流体装置(摘要)。它公开了一种可重新构造的有源微流体装置，其使用磁性液体形成用于待操纵的一定体积的非磁性液体的壁。在该体积的磁性液体中产生变形形成该壁。这种变形使与磁性液体不混溶的非磁性液体(或与磁性液体不混溶的多种非磁性液体)能够结合到装置中。然而，FR2830777仍然包括液体管与实体壁的接触。
美国专利申请US2007/0104624涉及一种微反应器，其包括液体入口、细小的液体通道和液体排出区，其特征在于液体通道由带状铁磁体的磁垒形成，使得通过入口引入的磁性液体在液体通道中进行化学反应、混合、萃取和吸收中的至少一种操作(摘要)。然而，US2007/0104624仍然包括液体管与实体壁的接触。
欧洲专利申请EP2554883涉及一种控制阀，其具有至少一个在通道内部由通道壁界定的控制通道，设置有可变形控制元件，该可变形控制元件制作成磁性纳米颗粒在载体液体(所谓的“铁磁流体”)中的稳定悬浮件，并且位于至少两个磁体之间，这两个磁体在通道内部被保持为使得调节元件的控制构件的渗透性是可变的，并且因此通过磁体的相对运动引起的压差是可变的(使用电磁阀)，磁体的相对运动是磁体产生的磁场的变化或改变磁场强度而引起的。EP 2554883没有教导如何使液体沿着循环区循环而不与通道壁接触。
日本专利申请JP0227118也涉及一种使用磁性流体的控制阀。磁性流体使管路通道节流并像阀盘一样工作。JP0227118没有教导如何使液体沿着循环区循环而不与通道壁接触。在JP0227118的构造中没有理论上的磁场零点。
德国专利申请DE19641737涉及一种用于使非磁性固体、气体和/或液体悬浮的装置和方法。DE19641737没有教导如何使液体沿着循环区循环而不与通道壁接触。
发明目的
在本发明中，发明人表明所有上述限制可以被克服。
因此，本发明旨在克服一个或多个上述技术问题。
特别地，本发明旨在克服提供具有改进的顺磁性液体管的稳定性、特别是改进的顺磁性液体管的使用期限和改进的顺磁性液体管的空间稳定性(改进的稳定几何形状)的装置和方法的技术问题。
特别地，本发明旨在克服提供适用于不同种类的顺磁性液体而不仅仅是有毒的顺磁性离子的装置和方法的技术问题。
特别地，本发明旨在克服以具有合理的工业化成本提供使用紧凑的磁场源的工业装置和方法的技术问题。
在一个实施方式中，本发明旨在克服提供用于生命科学应用或具有小尺寸或直径的液体管的应用的装置和方法的技术问题(除非有相反表述，否则术语“管”也表示根据本发明的所谓的“抗性管(antitube)”构造)。
在一个实施方式中，本发明旨在克服提供用于微流体应用、特别是用于微流体应用的在亚毫米级(<1mm)的合适尺寸的装置和方法的技术问题。
本发明还旨在克服一个或多个上述关于微流体应用的技术问题，并且特别旨在克服提供用于微流体应用的工业装置和方法的技术问题，其中即使在传统的(实体壁)微流体装置中的可以获得层流的条件下也改善流体的混合。也就是说，在本发明中不存在无滑动条件可能导致在其他情况下不会发生的流动不稳定性(和涡流)。
在一个实施方式中，本发明旨在克服提供用于液体管和液体抗性管的连续泵送应用的装置和方法的技术问题。
蠕动泵是一种正排量泵，其使用柔性管穿过泵头中的滚轮。当流体经过泵头时，形成分离的流体包。流速由包的大小和滚轮的角速度决定，这导致精确的流速。通常，蠕动管泵提供低至约1μL/min至45L/min的流速，并且可产生高达8.6巴(125psi)的压力。蠕动泵的益处是它们将介质约束在管内，因此泵不会污染流体，并且流体不会污染泵。这种无污染泵送使蠕动泵特别适合用于高纯度应用，包括食品、药品中化学品和添加剂的转移或配量以及半导体应用。另外，由于介质被约束在管内，因此与其他泵送技术相比，蠕动泵易于维护并停机时间减少。
然而，流动本质上是脉动的，这在诸如微流体的某些应用中是禁止的。为了减少脉动，可以相应地增加放置的夹紧点的数量。然而，典型的多滚轮泵可能是昂贵的。另外，不断挤压会导致管磨损，并且每年可能需要更换几次。缺乏定期维护会导致流体泄漏到泵中并导致严重损坏。驱动马达处于恒定负载下以保持管上的挤压压力，从而导致使用更多的电力。也就是说，对于每次挤压动作必须克服管的弹性变形(即，将电力耗散成热量)。最后，将在蠕动泵内加入温度控制是非常具有挑战性的。
本发明还旨在克服蠕动泵的一个或多个上述技术问题，并且特别旨在克服提供在微流体应用中提供脉冲流动的工业装置和方法的技术问题。本发明还旨在克服提供具有机械运动部件的有限的负面影响的工业装置和方法的技术问题。
在一个实施方式中，本发明旨在克服提供替换现有技术蠕动泵的装置和方法的技术问题。
发明内容
本发明涉及一种装置，其包括至少一个循环区和至少一种流体，该流体包括形成液-液界面的至少一种强顺磁性(more-paramagnetic)液体和至少一种弱顺磁性(less-paramagnetic)液体，该装置包括至少一种在循环区中产生磁场的元件，其中弱顺磁性液体在循环区中被强顺磁性液体围绕，或者其中强顺磁性液体在循环区中被弱顺磁性液体围绕。
在一个实施方式中，弱顺磁性液体在循环区内循环并被约束在周围的强顺磁性液体中。
在一个实施方式中，强顺磁性液体在循环区内循环并约束在周围的弱顺磁性液体中。
有利地，弱顺磁性液体在循环区中循环通过强顺磁性液体。
有利地，弱顺磁性液体在循环区中循环而不与实体壁接触。
如上所述，“循环”或等同表述是指从A点到B点输送流体(气体或液体)。因此，流体在循环区内循环。
在一个实施方式中，根据本发明的装置和方法提供液体在液体中的流动。在一个实施方式中，弱顺磁性液体在循环区中在强顺磁性液体中循环。
有利地，弱顺磁性液体被强制在强顺磁性液体内流动。强制例如可以是外部的(即，例如通过外部施加的压力)，或者是内部的(即，例如通过夹紧强顺磁性液体以像对泵那样产生压力)。有利地，弱顺磁性液体的流动由强顺磁性液体(定向地)引导。
产生磁场的元件
有利地，该元件在循环区中产生磁场，循环区具有至少一个低磁场区和至少一个高磁场区，其中低磁场区被高磁场区围绕。
在一个实施方式中，产生磁场的元件从由永磁体或电永磁体、电磁体、磁化软磁体及它们的任何组合组成的中选择，其中，另外场强和/或取向能够是时间依赖性的，例如通过机械致动和/或永磁体的旋转或通过增加和/或减小电磁体中的电流。
在一个实施方式中，产生磁场的元件包括至少一个永磁体和/或形成至少一个主要磁场源的至少一个电磁体，并且包括至少一个可磁化的较软的铁磁体，从而形成至少一个重塑和/或聚焦磁场分布。
在一个实施方式中，产生磁场的元件使用一个或多个固定的磁场源(例如，永磁体)、电磁体中的稳定电流以及它们的任何组合呈现静态设计。
在一个实施方式中，产生磁场的元件呈现动态可切换设计，例如电永磁体、电磁体中的可变电流、机械致动的磁体以及它们的任何组合。
在一个实施方式中，产生磁场的元件呈现静态和动态可切换设计的组合。在一个实施方式中，产生磁场的元件呈现一个或多个实际移动磁体、可切换磁体或其任何组合。
在一个实施方式中，产生磁场的元件包括水平磁化的软磁体或水平磁化的多磁道硬磁体。
在一个具体实施方式中，产生磁场的元件包括双层，该双层例如由在相反的方向上垂直磁化的两个永磁体组成。
在一个具体实施方式中，产生磁场的元件包括由在相反的方向上水平磁化的两个永磁体组成的双层。
在一个具体实施方式中，产生磁场的元件包括双层，该双层包括水平磁化的永磁体和软磁体。
在一个具体实施方式中，产生磁场的元件包括在平行地或在相反的方向上垂直磁化的永磁体。
在一个具体实施方式中，产生磁场的元件包括平行地或在相反的方向上水平磁化的永磁体。
在一个实施方式中，装置包括N个磁体的多极构造，其中N大于或等于2或大于或等于3，N代表磁体的数量。
在具体实施方式中，产生磁场的元件包括磁性四极子。在具体实施方式中，产生磁场的元件包括永磁体的四极阵列。
管横截面可以是任何形式的闭合的几何形状，而不仅仅是圆形或椭圆形的的闭合的几何形状。例如，复杂的磁场图案可以产生星形横截面。此外，指定的磁源结构可以稳定多于一个的管，例如，四个外部稳定点或两个稳定点或三个通道。
磁体组件可以包括任意几何形状，例如环形、圆柱形、卷绕形、楔形，而不仅仅包括下面给出的棱形例子。
在不同的实施方式中，弱顺磁性液体在循环区中的轨迹包括但不限于在任意方向上的隔离轨道和/或在指定点处交叉的多个路径。
磁场
有利地，力场使得高场区将低场区与装置的刚性壁分开，从而使得强顺磁性液体内的弱顺磁循环与装置的实体壁不接触，或者从而使得弱顺磁性液体内的强顺磁循环与装置的实体壁不接触。
在一个实施方式中，产生磁场的元件在液-液界面的横截面中产生对称的磁场。
通常，根据本发明，弱顺磁性液体在强顺磁性液体中循环并在强顺磁性液体中形成管。在由弱顺磁性液体形成的管的横截面中，磁场有利地是对称的。
在一个实施方式中，产生磁场的元件产生低磁场区和高磁场区，其中低磁场区被高磁场区围绕。表述“低磁场区被高磁场区围绕”是指在循环区中的液-液界面的横截面中，低磁场区被高磁场区围绕。
有利地，在一个实施方式中，磁场沿着循环区或管的横截面的中心在理论上是零。例如，对于抗性管，在理论上磁场沿着管的中心轴线是零(图23)。
抗性管被定义为弱顺磁性液体以管的形式被约束在强顺磁性液体内。
由于根据本发明产生的磁场梯度，强顺磁性液体(更多)被吸引到高场区，从而使磁性较弱的活性液体(即，具有小于约束流体的磁化率)作为管稳定在低磁场区中。可以使用可混溶的或不混溶的流体，在后一种情况下，磁力可以克服表面张力。然后，活性液体可以自由地流过液体管，液体管仅由磁场限定，并且其方向和直径可以通过激励电磁体/电永磁体或致动磁体而动态地改变。
液体
根据本发明，术语“液体”在技术上非常宽泛并且覆盖包括液体的所有类型的构造。在一个实施方式中，“液体”表示多相液体。在一个实施方式中，“液体”表示液体乳液、具有固体颗粒的液体(胶体悬浮液)；包括气体的液体。在一个实施方式中，“液体”表示仅包括一种液体组分或仅由一种液体组分组成的液体。在一个实施方式中，“液体”表示包括多种液体组分或由多种液体组分组成的液体。
在一个实施方式中，流体包括可混溶或不混溶的液体。有利地，强顺磁性液体和弱顺磁性液体是不混溶的液体。当强顺磁性液体和弱顺磁性液体不混溶时，两种液体之间将是有限的混合或至没有混合，从而限制或甚至消除组分从一种液体到另一种液体的污染影响。
强顺磁性液体
术语“强顺磁性液体”表示比弱顺磁性液体更具顺磁性或具有比弱顺磁性液体更高的顺磁磁化率的液体。
在一个实施方式中，强顺磁性液体是顺磁性液体。
术语“顺磁性液体”包括任何超顺磁性液体及其组合。
室温下顺磁性材料的例子包括硫酸铜、铁族(3d)、钯族(4d)、铂族(5d)的其他盐。其他例子包括具有持续自由基(例如氮氧自由基，比如TEMPO((2,2,6,6-四甲基哌啶-1-基)氧基))的物质、过渡金属或镧系元素离子液体(例如[PR4]2[CoCl4]，其中[PR4]是三己基(十四烷基)鏻)、含有镧系元素的液晶，例如，[Dy(LH)3(NO3)3，其中LH是席夫碱配体、稀土(4f)金属或稳定的(三线态)卡宾。
在一个实施方式中，顺磁性液体是磁性颗粒在液体(例如，磁流变流体和铁磁流体)中的分散体。
通常，强顺磁性液体包含一种或多种顺磁性材料。
在一个实施方式中，一种或多种顺磁性材料溶解在液体中，例如水中。
在一个具体实施方式中，强顺磁性液体是有机液体，例如是油。
本文所用的术语“油”是指实质上不溶于水的任何物质。合适的油组分包括但不限于天然油、诸如矿物油和氢化聚异丁烯的烃类、脂肪醇；脂肪酯；脂肪二酯；脂肪三酯、有机硅及其任何混合物。
在一个实施方式中，强顺磁性液体包含一种或多种表面活性剂。有利地，表面活性剂有助于用弱磁性液体降低强顺磁性液体的表面张力。
在一个实施方式中，弱顺磁性液体包含一种或多种表面活性剂。
在一个实施方式中，弱顺磁性液体和强顺磁性液体都含有一种或多种表面活性剂。有利地，后一种多表面活性剂方法的使用可导致非常低(低于1mN/m)的表面张力。
弱顺磁性液体
术语“弱顺磁性液体”表示抗磁性或比强顺磁性液体具有更低的顺磁磁化率的液体。
在一个实施方式中，弱顺磁性液体是抗磁性液体。
在一个实施方式中，弱顺磁性液体是生物流体或包括生物细胞在液体培养基中的悬浮液的流体。
在一个实施方式中，装置包含有机顺磁性液体。
在一个具体实施方式中，生物流体是生物细胞在液体培养基中的悬浮液。
在一个具体实施方式中，生物流体是血液或包含血液组分。
在一个具体实施方式中，生物流体包含红细胞或血浆。
在一个具体实施方式中，生物流体是人或动物体液。
在一个具体实施方式中，弱顺磁性液体是水性液体，优选是水性抗磁性液体。
在一个实施方式中，装置在循环区中包括抗磁性液体在强顺磁性液体内的“液体管”(通常称为“抗性管”)。
在一个具体实施方式中，弱顺磁性液体是水性液体，优选是被有机液体(例如，油)围绕的水性抗磁性液体。
装置的类型
在一个实施方式中，本发明涉及微流体装置、磁驱动流体阀、磁驱动蠕动泵、防污装置、防堵塞装置、推进装置、热交换器、提取器、脱盐器或混合装置。
在一个实施方式中，根据本发明的装置和方法提供常见的流体操作，包括调阀、混合和蠕动泵送，其中移动的永磁体与循环区或管的实体壁没有物理接触。
例如，可以通过添加磁化轴线垂直于主磁体设计(例如四极子)的磁化轴线的磁体来构造阀，将一种液体约束在另一种液体中。这些调阀磁体通过去除中心的零磁场来简单地夹紧抗性管，从而中断液体流动。
在一个实施方式中，弱顺磁性液体循环区或管的横截面或直径的最大尺寸小于或等于50cm，或小于或等于5cm，或小于或等于5mm，或小于或等于1mm，或小于或等于0.9mm，或小于或等于0.8mm，或小于或等于0.5mm。
在一个实施方式中，弱顺磁性液体循环区或管的横截面或直径的最大尺寸大于或等于10微米(μm)，或大于或等于50μm，或大于或等于100μm。
在一个实施方式中，本发明涉及具有循环区或管的装置，循环区或管具有用于微流体应用的合适尺寸，通常在亚毫米级(<1mm)。
在一个实施方式中，根据本发明的装置和方法在循环区或管中提供非层流。更具体地，根据本发明的装置和方法在循环区或管中提供非层流，循环区或管具有用于微流体应用的合适尺寸，通常在亚毫米级。
在一个实施方式中，循环区或管的横截面或直径的最大尺寸小于或等于10微米，例如小于或等于5微米。
在一个实施方式中，循环区或管的长度大于或等于循环区或管的横截面或直径的最大尺寸的3倍。
在一个实施方式中，循环区或管的长度大于或等于循环区或管的横截面或直径的最大尺寸的10倍。
有利地，永磁体之间的距离改变靠近间隙中心的磁场梯度。通常，间隙尺寸越小，可以获得的抗性管的直径越小。
在一个实施方式中，根据本发明的装置通过3D打印制造。
在一个实施方式中，在平衡时，抗性管的稳定约束是由约束流体的竞争磁能和磁性/非磁性界面的表面能σ引起的，并且在强顺磁性液体中循环的弱顺磁性液体的直径(或抗性管的直径)可以用下面的等式(1)估算：
Figure BDA0002140192960000111
其中HI、MI是界面处的磁场和磁化强度值，
Figure BDA0002140192960000112
是由HI引起的约束流体的场平均磁化强度。这种简化的表达式认为磁场压力1/2μ0H2明显大于静水压力的任何差异。在几何条件w≤1/2h和d≤1/2w(发明装置的典型值)下，当M＝χH,时，可以使等式(1)线性化。该线性模型(LM)给出最小平衡无量纲直径d*＝d/w:
Figure BDA0002140192960000113
其中
Figure BDA0002140192960000114
是表示磁能与表面能的比的磁约束数。因此，本发明还涉及通过等式(1)和(2)中的至少一个来估算抗性管的直径的方法。优选地，通过计算机计算来辅助这种方法。本发明还涉及一种用于通过等式(1)和(2)中的至少一个来估算抗性管的直径的计算机程序。因此，本发明还涉及支持所述计算机程序的计算机可读支持件。
泵
在一个实施方式中，装置包括在循环区中的可移动夹紧点，该可移动夹紧点在液体流动方向上移动以使流体在循环区中循环。
有利地，本发明允许使用无毒和水不混溶磁性介质使水性抗性管界面稳定、由于磁体设计而允许对抗性管直径进行磁性控制以及通过磁场的外部扰动而允许制造磁驱动流体阀、制造磁驱动蠕动泵以及提供防污的装置和方法。
传统的现有技术的管或微流体通道被实体壁围绕，这由于溶质的粘附而导致堵塞和结垢。由于壁处的摩擦，实体壁的存在还会产生流体剪切。在根据本发明的磁稳定的液体抗性管的情况下不存在实体壁，从而克服了这些技术问题。
有利地，根据本发明的装置和方法提供低剪切性的流体通道。对于泵送应用，这是额外的益处，因为它将使泵适合于生物应用。
有利地，根据本发明的装置和方法在泵送速率和压力方面提供了良好的灵活性。特别地，根据本发明的装置和方法在低流速和低压范围下具有优于现有技术装置的优点。为了实现低流速或低压，泵的运动部件需要以非常缓慢的速度运行。例如，对于具有滚轮的蠕动泵，需要降低转速以实现缓慢流动。因此难以消除流动的脉动。在根据本发明的装置和方法中，夹紧点的数量和强度由磁场控制。为了降低流速或压力，一个实施方式是降低磁场强度而不是降低夹紧频率。这使根据本发明的装置和方法对于实现无脉动流动比现有技术更强。另外，根据本发明的装置和方法的泵成本(部件成本)远低于现有技术的蠕动泵。
此外，由于夹紧/释放施加在铁磁流体上或强顺磁性液体上而不是实际管上，因此没有磨损，因此根据本发明的装置和方法能够长时间运行无需更换部件。在通常的蠕动泵送应用中，必须经常更换管。
在一个实施方式中，本发明允许通过由于界面扰动的不稳定增长而在流体-流体界面处产生的界面不稳定性来使被强顺磁流体围绕的弱顺磁流体移动或使被弱顺磁流体围绕的强顺磁性流体移动。这些不稳定性可能是磁驱动的(例如Rosensweig不稳定性)。Rosensweig不稳定性可导致比本发明所提出的磁体阵列所产生的形状更复杂的形状。
在一个实施方式中，装置包括起伏的液-液界面(由于正常场(normal-field)不稳定)，其中起伏可在液体流动方向上移动以使流体在循环区中循环。
方法
本发明涉及一种方法，其包括使至少一种弱顺磁性液体在装置的一个或多个循环区内循环，装置包括至少一个循环区和在循环区中的至少一种强顺磁性液体，装置包括至少一个在循环区中产生磁场的元件，其中弱顺磁性液体被引入循环区中，弱顺磁性液体在包括至少一种强顺磁性液体的循环区中循环，从而与强顺磁性液体形成液-液界面，其中弱顺磁性液体在循环区中被强顺磁性液体围绕。
本发明还涉及一种包括产生磁场的方法，该磁场包括低磁场区和高磁场区，其中低磁场区被高磁场区围绕，从而提供强顺磁性液体围绕弱顺磁性液体的液-液界面构造。
在一个实施方式中，在本发明的方法中，装置根据本发明所定义。
在一个实施方式中，本发明涉及一种方法，其包括使至少一种弱顺磁性液体在一种或多种强顺磁性液体内循环，其中，方法包括产生磁场，从而提供液-液界面构造，其中弱顺磁性液体被强顺磁性液体围绕。
在一个实施方式中，在循环区中产生磁场的元件产生磁场变化，从而使弱顺磁性液体在循环区中循环。
在一个实施方式中，根据本发明的装置或方法是新型的心肺机器或方法，例如用于心脏搭桥手术。
在一个实施方式中，根据本发明的装置或方法是微流体芯片。
在一个实施方式中，根据本发明的装置或方法包括使至少一种弱顺磁性液体在一个或多个导管中循环，使至少一种强顺磁性液体在一个或多个导管中循环，以及将弱顺磁性液体与强顺磁性液体在一个或多个导管中混合。
在一个实施方式中，根据本发明的装置或方法包括使至少一种弱顺磁性液体与至少一种强顺磁性液体在一个或多个导管中循环，并将弱顺磁性液体与强顺磁性液体分开到两个或更多的导管中。
例如，可以使用三向接头进行混合或分离。
附图说明
在附图中：
图1表示根据例1的液体管和液体抗性管的几何形状、模拟分析和实验验证。
图2和图3表示具有四极磁体的装置中的水在油性铁磁流体中的抗性管。图2是抗性管直径与施加压力和产生的流量的图表。
图3表示类似于a)的图表，但是使用封闭的出口，导致压力增加时的瞬时流动。
图4表示具有12mm的间隙的四极阵列的模拟磁场分布。最低磁场形成在两个磁体之间的间隙中心，并在左侧示出；右侧是在具有永久磁铁的3D打印塑料支架中约束在商业铁磁流体(黑色)中的水性抗性管(中心的白点)的横截面图。
图5表示3D打印轮1，其具有围绕轮1的外表面20放置的十个磁体10，从而当与根据本发明的在循环区中产生磁场的元件组合时形成磁驱动蠕动泵，例如，形成四极子。
图6表示随在抗性管(正方形)、医用级Tygon管(圆圈)和常规Tygon管(三角形)中清洗的TMB(3,3’,5,5’-四甲基联苯胺)的洗脱体积而变的残留血液。
图7表示磁化具有两个凹口的软磁箔的永磁体的示意性例子。两个凹口产生图8所示的约束场。
图8表示具有不同的凹切口的水平磁化箔的从0至0.3特斯拉(T)的横截面磁场分布|B|。
图9表示具有与图7中的凹口相同的形状但在相反的意义上磁化的两个永磁体的示意性例子。
图10表示由在相反的方向上垂直磁化的两个永磁体组成的双层的从0到0.5特斯拉(T)的|B|。
图11表示由在相反的方向上水平磁化的两个永磁体组成的双层的从0到0.5特斯拉(T)的|B|。
图12表示由水平磁化的永磁体(底部)和软铁箔(顶部)组成的双层的从0到0.5特斯拉(T)的|B|，其中单个切口穿过双层。
图13表示平行地垂直磁化的两个永磁体的从0到0.5特斯拉(T)的|B|。
图14表示在相反的方向上垂直磁化的两个永磁体的从0到0.5特斯拉(T)的|B|。
图15表示平行地水平磁化的两个永磁体的从0到0.5特斯拉(T)的|B|。
图16表示在相反的方向上水平磁化的两个永久磁体的从0到0.5特斯拉(T)的|B|。
图17表示对于四个多极几何形状的从0至0.5特斯拉(T)的横截面磁场强度分布|B|，N＝3、4、6、8；(δ＝1，t＝0)。
图18表示对于四个多极几何形状的从0至0.5特斯拉(T)的横截面磁场强度分布|B|，N＝3、4、6、8；(δ＝0，t＝0)。
图19表示对于四个多极几何形状的从0至0.5特斯拉(T)的横截面磁场强度分布|B|，N＝3、4、6、8；(δ＝1，t＝1)。
图20表示对于四个多极几何形状的从0至0.5特斯拉(T)的横截面磁场强度分布|B|，N＝3、4、6、8；(δ＝1，t＝1)。
图21表示对于四个多极几何形状的从0至0.5特斯拉(T)的横截面磁场强度分布|B|，N＝3、4、6、8；(δ＝1，t＝-1)。
永磁体可以由NdFeB、SmCo、铝镍钴或六方铁氧体制成，所述材料为烧结或粘结形式。
图22表示水抗性管直径d与间隙宽度w的曲线图。该曲线图是模拟分析。点是曲线“APG311”(Ferrotec)上的实验数据。使用非常强的铁磁流体(Ms为100kA/m的QK100，Qfluidics)获得曲线“QK100+表面活性剂”，其中使用表面活性剂(例如，吐温-20和司盘-80)将表面张力σ降低至1mN/m。插图显示了至少三次独立实验的APG311数据点和误差条形图的放大区。
图23表示示出四极磁体的零点的曲线图(使用的磁体：9×9×50mm的条，间隙为9mm)。沿着中心轴线进行测量，切换磁场方向，意味着如图23所示存在真正的零位或零点。在图23中：垂直磁场曲线。磁场的x分量沿z测量。插图显示测量轴线。
具体实施方式
例子
例1-水性/水性液体抗性管
已经使用一系列不同的磁体结构来稳定顺磁性液体抗性管(即，顺磁性流体内的抗磁性液体的管)。本部分中的顺磁性液体是通过将氯化钬(HoCl3)溶解在水中而制成的，而抗磁性(弱顺磁性)液体是纯水。在所有情况下，使用小的市售NdFeB磁体来制作磁体结构，并通过共聚焦显微镜观察管(使用罗丹明B作为染料)。对于四个磁体结构MA1-4中的每一个，图1中示出了以下三种类型的信息。
在图中1：
a)对于四个磁体结构的液体管和液体抗性管约束的示意图，前两个使顺磁性HoCl3在水中的管稳定，后两个稳定使水或LaCl3在HoCl3中的抗性管稳定；b)针对几何图形的分析评估的|B|的等场强线图；c)管(第1、2列)和抗性管(第3、4列)中的罗丹明的共聚焦横截面荧光图像。
第一磁体结构MA-1是垂直磁化的矩形磁体。当顺磁性液体流到靠近磁体时，管形成在其横截面上具有双峰高度轮廓。为了避免双峰形状，使用通量集中器(由软铁磁材料制成)(MA-2)。对于在微流体中应用特别感兴趣的是抗性管，其中主通道中不需要存在磁性物质。最简单的实现方式是MA-3，其中在NdFeB永磁体中切割或蚀刻窄凹口。凹口有效地在表面磁场中产生磁性空隙(图1b，MA-3)，其导致在b基材处的抗性管(图1c，MA-3)。然而，抗性管稳定化在垂直方向上弱，在密度差(HoCl3，水性的比重为1.3)的帮助下导致上升的(抗磁性)水的羽流。发明人发现了在所有三个维度上都提供全磁性抗性管约束的结构(MA-4)，其是四极结构。另外，与其他三个磁体结构相比，在任何点都没有实际壁接触。
本例支持根据本发明的装置的制造，该装置包括至少一个循环区和至少一种流体，该流体包括形成液-液界面的至少一种强顺磁性液体和至少一种的弱顺磁性液体，该装置包括至少一个在循环区中产生磁场的元件，其中弱顺磁性液体在循环区中被强顺磁性液体围绕。这些实验也支持其中强顺磁性液体在循环区中被弱顺磁性液体围绕的反向结构。
例2-水性/油性抗性管
发明人注意到，当顺磁性液体是顺磁性离子的水溶液并且弱顺磁性液体是抗磁性纯水时，由于Ho3+离子扩散跨越顺磁/抗磁边界，因此例1中描述的抗性管仅具有有限的使用期限。离子扩散减小了两个最初明确定义的区域之间的磁化率差异，这又降低了磁压和体积力。然而，当通过用(APG 300，Ferrotec)油基铁磁流体替换水性顺磁性液体来实现两种不混溶的液体时，防止了跨越边界的任何输送，因此导致稳定几个月的抗性管。可以使用立体镜在透射模式下从装置的侧视图测量抗性管直径。为了表征抗性管的行为，进行了一系列压力实验。首先，通过使用压力驱动的泵使纯水流动，将预定的压力施加到抗性管的入口。压力引起通过抗性管向出口的流动，这使用质量流量传感器测量。图2显示了典型的实验以及抗性管直径的轻微扩大，在该实验中可以看出压力的增加导致流量的增加。当抗性管的出口完全关闭时，只有瞬间流入抗性管。增加的压力使抗性管扩张并容纳更多的水。当压力再次降低时，存在负的(反向)流动以排出多余的水(图3)。
例3-产生磁场的元件的设计
3.1.四极子
本发明人设计了磁阵列以通过磁场模拟分析(使用有限元方法或使用SciPy的解析表达式)和原型设计(使用3D打印机)形成抗性管。利用四极磁体结构，如图4所示，可以获得几乎任何与顺磁性介质不混溶的抗磁性液体的稳定的抗性管。
商业铁磁流体(黑色)用作顺磁性液体，水用作抗磁性液体。流过铁磁流体的水保持清澈和透明，从而进一步支持了抗性管的稳定性。水自由地流过黑色油性铁磁流体而不被顺磁性液体污染。换言之，四极磁体和铁磁流体的组合产生具有液体壁的通道。
3.2.单面设计
当更具抗磁性和顺磁性的液体之间的浮力/密度差异不显著时，单面设计是合适的，因为它们具有较弱的垂直约束。
3.2.1水平磁化的软磁体
在这种构造中，使用外部磁源水平磁化软磁箔，外部磁源例如是：紧密接触的永磁体(图7)或较大的外部磁场。除存在切口或凹口的位置之外，磁场保持在软箔内。在箔上切割的成对的凹口允许磁场逸出，并导致形成包含液体管的稳定区域(图8)。
3.2.2水平磁化的多磁道硬磁体
可以使用与凹口具有相同的形状但在相反的方向上磁化的磁体源产生与上述相同的磁场结构(图9)。
3.3.双层设计
3.3.1垂直磁化的永磁体
垂直磁化的永磁体的例子在图10上示出
3.2.2水平磁化的永磁体
垂直磁化的永磁体的例子在图11上示出。
3.2.3.水平磁化的永磁体和软磁体
垂直磁化的永磁体的例子在图12上示出。
3.4.偶极构造
3.4.1垂直磁化的永磁体
垂直磁化的永磁体的例子在图13上示出。
垂直磁化的永磁体的第二个例子在图14上示出。
3.4.2.水平磁化的永磁体
水平磁化的永磁体的例子在图15上示出。
水平磁化的永磁体的例子在图16上示出。
3.5.对称的多极构造
具有N个磁体的多极构造可包括但不限于磁化强度的变化，其中极坐标中的第k个磁体具有如下磁化强度：
Mθ＝M cos(2πk/N+(δ+tk)2π/s)i2k|t| (1)
Mr＝M sin(2kπ/N+(δ+tk)π/s)i2k|t| (2)
其中i＝√-1。下面给出的简单例子是s＝4，即磁体的磁化可以是四个取向中的一个，径向正(“向外”)、径向负(“向内”)、横向正(“向右”)和横向负(“向左”)。以下部分中的大小为0至0.5T。
3.5.1径向向外指向(δ＝1，t＝0)
Mθ＝M cos(2kπ/N+π/2) (3)
Mr＝M sin(2kπ/N+π/2) (4)
永磁体的多极构造的例子在图17上示出。
3.5.2.交替的横向(向右，向左)(δ＝0，t＝0)
Mθ＝M cos(2kπ/N) (5)
Mr＝M sin(2kπ/N) (6)
永磁体的多极构造的例子在图18上示出。
3.5.3.交替的径向向外、向内(δ＝1，t＝1)
Mθ＝M cos(2kπ/N+π/2)i2k (7)
Mr＝M sin(2kπ/N+π/2)i2k (8)
永磁体的多极构造的例子在图19上示出。
3.5.4.交替的径向向外、横向向左、径向向内、横向向右(δ＝1，t＝1)
Mθ＝M cos(2kπ/N+(1+k)π/2)i2k (9)
Mr＝M sin(2kπ/N+(1+k)π/2)i2k (10)
永磁体的多极构造的例子在图20上示出。
3.5.5.交替的径向向外、横向向右、径向向内、横向向左(δ＝1，t＝-1)
Mθ＝M cos(2kπ/N+(1-k)π/2)i2k (11)
Mr＝M sin(2kπ/N+(1-k)π/2)i2k (12)
永磁体的多极构造的例子在图21上示出。
例4-磁驱动阀
另一个磁体的添加影响由永磁体的四极结构产生的磁场梯度。在有水流过的流体装置的出口附近放置额外的永久磁铁；它在抗性管内形成夹紧点并停止水的流动。
根据本发明的装置可以用作磁驱动阀。
例5-磁驱动蠕动泵
在四极装置内部产生了行波。四极中心的零磁场点被外部(非四极)磁体破坏，并且通过使磁体沿着四极移动，产生有效移动液体的限制点。为此，围绕它放置具有10个永磁体的轮(图5)，其中轮在流体装置的顶部上旋转。
将包括四极子的装置的一个流体开口浸入蓄水容器中。在轮旋转时，观察到水流过抗性管并从流体装置的出口流出。在轮运转时，水保持流过抗性管。然而，在轮的旋转停止时，水立即停止流动。
这些实验表明，可以使用四极磁场的磁性夹紧来实现泵送。
例6-生命科学应用
血液是最难处理的液体之一，因为它容易通过剪切(溶血)导致管堵塞和红细胞破裂。使用TMB(3，3’，5，5’-四甲基联苯胺)免疫测定法表征根据本发明制造的抗性管中剩余的残留血液，其设计类似于例3的四极子。
在血液循环后，使用TMB底物溶液清洗由抗磁性液体制成的抗性管。当TMB测定产生显色底物溶液时，使用溶液的颜色来量化剩余的血液量。作为参考，表征了商业Tygon管(常规和医用级)的结垢特性。常规的Tygon管显示出血液在管内的永久粘附(图6，注意：即使在冲洗许多管体积后，三角形也不会返回到零)。值得注意的是，本发明的铁磁流体抗性管的结果与医用级Tygon管的水平相同。
例7-管直径的估算
图22示出了抗性管直径d如何随磁通源的尺寸和约束流体的类型而变化。使用测得的磁化强度和界面能量，在水抗性管的实验点和方程(1)和(2)的预测结果之间发现良好的一致性。对于在铁磁流体中大于150μm的铁磁流体管，可以使用X射线成像，而对于一些流体可以使用较小管的光学成像。
由于永磁体的吸引力特征，即它们产生的磁场与长度尺度l无关，因此通道的小型化是可能的。因此H、M和磁能密度不依赖于通道尺寸。然而，界面能量σ随着l-1而调节；当油/水界面能量为23mJ/m2，磁场为100mT且磁化率为1时，抗性管将在直径低于5μm时变得不稳定。进一步小型化将需要减小σ。通过结合非常强的铁磁流体(QK100，在烃介质中磁化强度为100kA/m)和双表面活性剂(例如，铁磁流体中的司盘-80和水性抗性管中的吐温-20)，估计最终可以实现约100nm的抗性管直径。这种纳米尺寸的抗性管将允许实现实用的纳米流体装置。
例8-混合流体
在铁磁流体抗性管Y形接头中证明了流动混合，其使流量对称地分开。弱顺磁性流体流过Y形接头的一个分支，强顺磁性流体流过Y形接头的另一个分支，流体在Y形接头的第三个分支中混合。
使用由铁磁流体稳定的抗性管观察Y形接头处的液体的合并。值得注意的是，由于开尔文-赫姆霍兹不稳定性，在Y形接头之后立即发生混合。这与在具有与抗性管相同的通道尺寸和几何形状的3D打印的微流体芯片中观察到的层流形成鲜明对比。

Claims (16)

1.一种装置，其包括至少一个循环区和至少一种流体，所述流体包括形成液-液界面的至少一种强顺磁性液体和至少一种弱顺磁性液体，所述装置包括至少一种在所述循环区中产生磁场的元件，其中所述弱顺磁性液体在所述循环区中被所述强顺磁性液体围绕，并且其中所述弱顺磁性液体在所述循环区中循环而不与实体壁接触。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述弱顺磁性液体在所述循环区中循环通过所述强顺磁性液体。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述磁场在理论上沿着所述循环区的横截面的中心为零。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述产生磁场的元件从由永磁体或电永磁体、电磁体、磁化软磁体及它们的任何组合组成的组中选择，其中，另外地，场强和/或取向能够是时间依赖性的，例如通过机械致动和/或永磁体的旋转或通过增加和/或减小电磁体中的电流。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述装置包括N个磁体的多极构造，其中N大于或等于2或大于或等于3，N表示磁体的数量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述产生磁场的元件包括四极子。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述装置是微流体装置、磁驱动流体阀、磁驱动蠕动泵、防污装置、防堵塞装置、推进装置、热交换器、提取器、脱盐器或混合装置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，所述装置包括在所述循环区中的可移动夹紧点，所述可移动夹紧点在液体流动方向上移动以使所述流体在所述循环区中循环。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其中，所述装置包括起伏的液-液界面(由于正常场不稳定)，其中所述起伏能够在液体流动方向上移动以使所述流体在所述循环区中循环。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其中，所述弱顺磁性液体是抗磁性液体。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其中，所述弱顺磁性液体是生物流体或包括生物细胞在液体培养基中的悬浮液的流体。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，其中，所述装置包括有机顺磁性液体。
13.一种方法，其包括使至少一种弱顺磁性液体在装置的一个或多个循环区内循环，所述装置包括至少一个循环区和在所述循环区中的至少一种强顺磁性液体，所述装置包括至少一个在所述循环区产生磁场的元件，其中所述弱顺磁性液体被引入循环区，所述弱顺磁性液体在包括至少一种强顺磁性液体的所述循环区中循环，从而与所述强顺磁性液体形成液-液界面，其中所述弱顺磁性液体在所述循环区中被所述强顺磁性液体围绕。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述装置是权利要求1至12中任一项所定义的。
15.一种方法，其包括使至少一种弱顺磁性液体在一种或多种强顺磁性液体内循环，其中，所述方法包括产生磁场，从而提供液-液界面构造，其中所述弱顺磁性液体被所述强顺磁性液体围绕。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，在所述循环区中产生磁场的元件产生磁场的变化，从而使所述弱顺磁性液体在所述循环区中循环。
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