CN111068799B - 用于产生液滴的微流体通路及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种即使在压力波动时也产生均一液滴的微流体通路，以及它的制作和使用方法。所述通路包括携带连续相和分散相的微流体通道。在一个实施例中，分散相的流阻与连续相的流阻的比值等于连续相的流量与分散相流量的比值。在一个实施例中，该微流体通路包括两个特性来获得分散相与连续相流阻与流量的预期比值：(a)利用单个压力源，为携带两种流相的上游通道的入口提供相同的压力，同时小于临界值以及(b)分散相与连续相的流阻比下游的流阻高很多，那样下游通道的流阻就变得可忽略不计。

Description

用于产生液滴的微流体通路及其应用
本发明主张美国临时申请，申请号：62/747,657，申请日2018年10月18日的优先权，该临时申请的所有文字说明、图等作为本发明的一部分。
发明领域
本发明涉及用于产生液滴的微流体通路和它的用途，具体设计利用流阻的关系来产生尺寸一致性的液滴。
发明背景
发明的背景仅仅是为了帮助理解本发明，而不会构成对本发明的任何限制。
由于微流体系统的独特特征，例如高通量、响应快、无污染、需要最小试剂量和独立空间隔离，微流体系统中的液滴或乳剂在化学和生物测定中可以作为“微型移动反应器”。例如商品化的基于液滴的数字聚合酶链式反应(ddPCR)技术，在该技术中稀释的样品被划分为足够数量的反应等份，允许单分子扩增以及绝对量化靶标基因。通过检测很少存在或极低丰度的序列，该技术的各种用途已经吸引了极大的兴趣，从产前筛查胎儿基因组异常和遗传疾病到癌症检测和传染病。在食品、药品、化妆品和油类行业，对明确组分的单分散相乳剂具有很高的需求，并被广泛用作制作微粒或微胶囊的模板。然而，对于液滴微流体的用途，目前仍需要复杂的实验装置和专业的微流体技术来操作。对于没有液滴微流体经验的生物和化学实验室，将会限制这种强大工具的用途。此外，从工业角度看，用于分子诊断的液滴微流体工具的开发将是各种成功应用的重要基准。
液滴通常通过乳化产生，在乳化中一种液体(分散相)以微液滴的形式分散在另一种液体(连续相)中。两种相(分散相与连续相)是互不相溶的，如油和水。在微流体系统中，液滴形式的动力学一般是通过剪切压力或表面张力的平衡。
液滴产生主要受微流体系统的流动条件影响，例如流量、流体黏度和两种相体的表面张力。因为通道和流体的几何学通常在微流体装置的操作过程中是固定的，因此连续相和分散相的流量比其他流动条件更有决定性。流量通过泵的应用来控制，如注射泵或对装置的压力泵。在基于剪切的系统中如T-型接头、流动聚焦或共流动设计，利用流体动力，通过流量与两相流体属性的契合以及喷嘴的几何形状，将液流破碎为液滴。首先，基于剪切的系统需要两种压力源来产生液滴，因此包括相对复杂的压力通路。其次，需要严格控制分散和连续相的流量来产生单分散的液滴。.一个或多个参数的改变将产生不同的液滴群。因此，需要精确的压力泵或注射泵来控制流量，从而产生液滴。芯片界面也需要仔细设计那种样品可以有效的加载到芯片上，同时保留对空气的高密闭性要求。
相反，在表面张力驱动的系统中，如阶梯乳化，喷嘴横截面高度的突然变好引起了拉普拉斯压力差，从而自发的产生液滴，这个过程对加载的压力变化相对不敏感。液滴自碎过程主要是两相间的界面驱使的，从而排除了剪切应力干扰。
迄今为止，已经开发出各种自乳化结构包括沟槽型微通道、直通微通道、基于边缘的液滴产生(EDGE)和限制阶梯。然而，由于较差的设备操作稳健性或繁琐的设备制造过程，阻碍了表面张力诱发的液滴产生器的广泛应用。迄今为止，基于表面张力的液滴产生具有三个主要缺点。首先，液滴产生频率低，比基于剪切的系统低至少10倍。第二，液滴产生的初始条件更加严格，并且通道中受困气泡可能会严重影响液滴生产过程导致整个实验的失败。第三，虽然液滴产生相对稳健，稳定的液滴产生的可允许的压力变动范围小，通常限于约1psi以内，因此不能完全满足方便操作的需要。
总之，微流体的液滴产生对压力波动的敏感性在本领域是重要的但尚未解决的问题。这就有必要进行改进，提供一种对于压力改变不敏感的液滴产生装置或者系统。
发明内容
为此，希望提供一种对压力变化不敏感的微流体系统，让液滴生成更为均匀。希望具有稳健的简化微流体通路，其对压力改变不敏感并能以更经济实用的方式产生均匀的液滴。本发明提供了设计或制备微流体通路的方法，该方法相比当前的设计对压力波动更不敏感，并能一致的有效的产生液滴。该微流体通路可以集成到各种机器或系统用于更广泛的用途。
本发明的第一方面，提供一种可以产生液滴的装置或者系统，该装置或者系统包括上通道和下游通道，上游通道用来运输液体，下游通道用来运输液滴，其中，上游通道的流阻大于或者远远大于下游的通道的流阻。在这样的条件下，可以让产生的液滴尺寸均匀或者统一，但是对于压力的变化不敏感。也就是说，外界给上游的液体施加的压力让其在通道中运动，该压力的变化不会或者实质不会对液滴尺寸产生变化的影响。
在一些方式中，上游通道包括流体连通的微流体系统或者微流体通道。在一些方式中，上游通道包括微流体通道。下游通道包括流体通道或者微流体通道。
在一些实施方式中，在上游通道和下游通道的连接处产生液滴，或者，上游和下游的连接处用来生成液滴；或者，如果上游具有多个通道，上游多个通道中的几个通道的连接处产生液滴，而连接处产生的液滴流动到下游通道被运输。或者，该装置包括产生液滴的部分，产生液滴的部分把微流体通道或者系统分为上游部分和下游部分；或者产生液滴的部分为上游与下游的分界点、分界线、分界面、分界的部分。上游和下游基于液滴产生的位置而进行划分或者确定。在一些优选的方式中，产生的液滴的部分也位于通道中，该通道与上游的通道和下游的通道流体连通。这样，产生液滴部分的上游通道的流阻大于或者远远大于下游微流体通道，这样下游的通道的流阻几乎可以忽略不计。
在一些方式中，液体包括分散相液体和连续相液体。在一些方式中，上游的微流体系统或者通道包括用来运输分散相液体的第一部分通道和/或用来运输连续相液体的第二部分通道。在一些方式中，产生液滴的部分与第一部分和第二部分流体连通。在一些方式中，分散相液体的通道与连续相液体的通道交汇，在交汇处产生液滴，在交汇处的下游包括用来运输液滴的通道。交汇处上游的通道的的流阻大于或者远远大于交汇处下游通道的流阻。
在一些方式中，下游的微流体通道与第一部分和第二部分通道流体连通。在另外的一些方式中，下游的微流体通道与液滴产生部分流体连通；或者，下游的流体通道通过液滴产生的部分与上游的微流体通道流体连通。
让上游的流阻大于下游的流阻的方式很多，所有能够影响流阻变化的都属于本发明的范围内。具体方式在后面有详细的阐述。
在一些方式中，上游的微流体通道的长度大于或者远远大于下游的微流体通道的长度。
在一些方式中，上游的微流体通道的直径小于或者远远小于下游的微流体通道的直径。
在一些方式中，上游的微流体通道的横切面积小于或者远远小于下游的微流体通道的横切面积。在一些方式中，上游的部分通道的流阻大于或者远远大于下游通道的流阻。再或者，上游通道的深度小于或者远远小于下游通道的深度。
在一些方式中，上游的用来运输分散相的通道的长度大于或者远远大于下游的微流体通道的长度。在一些方式中，上游的用来运输连续相的通道的长度大于或者远远大于下游的微流体通道的长度。在一些方式中，上游的用来运输分散相的通道的横切面积大于或者远远大于下游的微流体通道的横切面积。在一些方式中，上游的用来运输连续相的通道的横切面积大于或者远远大于下游的微流体通道的横切面积。
在一些方式中，上游的微流体系统或者通道包括输入液体的入口。下游用来运输或者接收上游的液滴的通道包括出口。
在一些方式中，上游的微流体系统或者通道包括用来运输分散相液体的第一部分和/或用来运输连续相液体的第二部分的时候，在上游的微流体通道中，第一部分的分散相的流阻与连续相的流阻的比值等于或者实质等于连续相的流量与分散相的流量(流量)的比值。
在一些方式中，施加给上游微流体系统的压力保持实质恒定或者相等。或者，施加给用来运输连续相的微流体通道的压力与施加给运输连续相液体的微流体通道的压力相同或者实质相同。
在一些方式中，施加给下游微流体通道的压力为零；或者下游微流体通道的压力与外界的压力相等。
在一些实施例中，上游通道中连续相的流量与分散相的流量的比值在0.001-1000范围内。
在一些实施例中，上游通道中分散相和连续相的流阻比下游通道的流阻高1-100000倍。
在一些方式中，上游通道中分散相的流阻和或者连续相的流阻远远大于该液体在下游的流阻。
本发明提供了一种用于产生统一大小液滴的微流体通路，以及它们的制作方法和用途。
在一个实施例中，即使压力有波动或者变化或者出现差异，该微流体通路也能产生统一的液滴。统一尺寸大小的液滴。
在一个实施例中，让分散相的流阻与连续相的流阻的比值等于连续相的流量与分散相的流量的比值。在一些优选的实施例中，该微流体通路包括两个特性来实现分散相和连续相的流阻与流量的期望比值：(a)利用单一压力源，给输送两种相体的上游通道的入口施加相同压力，和/或(b)分散相和连续相的流阻比下游通道的流阻高很多，那样下游通道的流阻变得可忽略不计。
在一个实施例中，上游通道中分散相和连续相的流阻比下游通道的流阻高2-100000倍。
在一个实施例中，上游通道中连续相的流量与分散相的流量的比值在0.001-1000范围内。
附图说明
图1显示了一种微流体通路，根据本发明的一个实施例运用于流动聚焦结构来产生液滴，Q指流量，R指流阻，P指压力，下标o、i、c和t分布指连续相通道、分散相通道、喷嘴的中心点，和下游通道。
图2A显示了依据本发明实施例的一个微流体通路。图2B显示了与储藏室一体结构用于贮藏微流体通路产生的液滴的微流体通路。
图3A显示了依据本发明的另一个实施例的一个微流体通路。图3B显示了与显示了与室耦合用于贮藏微流体通路产生的液滴的微流体通路。
图4显示了本发明一个具体实施例子微流体通路实施例8的校准结构(数据表示为平均值±SD)。当入口压力从2psi变为16psi时，微流体通路能产生统一直径的液滴(硅片结构)。
图5是显示依据本发明实施例(图8)产生统一大小液滴的图像(材质为PDMS)。
图6显示了根据本发明的一些实施例运用压力的不同方法。
图7显示了根据本发明的一个实施例用单个压力源实施压力，在图7中，具有一个活塞，通过给活塞施加一个外部压力，该活塞所在的腔体与入口(分散相和连续相)连通，当在两相施加压力的时候，活塞的运动来施加压力，这样不仅可以简单施加压力，而且活塞的密封，避免了外界对两相的外界环境的污染，与入口连通的是微流体通道，可以是如图2A-3B以及图8中的任意布置的通道。
图8为图4和图5实验的一个具体微流体装置的结构设计(材质分为硅片和PDMS结构)。
本发明的详细说明
除非本发明另外有特别的说明，本发明的术语按照通常的、一般的意思理解。
流体连通
气体连通或者液体连通是指液体或者气体能够从一个地方流动到另一个地方，流动的过程中可能经过一些物理的结构起到引导作用。所谓经过物理的结构一般是指液体经过这些物理的结构的表面，或者这些结构的内部的空间而被动或者主动流到另外一个地方，被动一般是受到外力而引起的流动，例如在注射泵和压力泵作用下的流动。这里的流动也可以是液体或者气体因为自身作用(重力或者压力)，也可以是被动的流动，例如毛细作用下的流动。这里的连通并不表示一定需要液体或者气体存在，仅仅在一些情况下表明两个物体之间的连接关系或者状态，如果有液体存在，可以从一个物体流动到另一个物体上。这里是指两个物体连接的状态，相反，如果两个物体之间没有液体连通或者气体连通状态，如果有液体在一个物体中或者上，液体不能流动到另外一个物体中或者上，这样的状态为非连通，非液体或者气体连通的状态。
在这里，本发明的装置包括上游的微流体管道或者通道，这些通道之间处于液体或者流体连通，这里的流体可以是气体和/或者液体，或者气体和液体的混合。既，液体可以在微流体的管道中流动。在微流体的系统的管道中，液体可以从一部分管道流动到另一部管道中，流动的原因可以是外界的压力或者自身管道的毛细作用力的流通。例如在图2A中，包括用于运输流动相的通道和用于运输分散相的通道，这两个通道在连接处100处交汇或者汇集或者接触，在连接处也处于流通的状态。在连接处可以产生液滴，在液滴产生后，在下游还包括运输液滴的通道，上游的通道、产生液滴的通道或者通道连接处、与下游的运输液滴的通道处于流体连通状态，这样上游的流体流到下游。
上游和下游
上游和下游是依据液体的流动的方向来划分的，一般液体都是从上游流动到下游。例如图2A中，油相的液体从入口进入管道中，从入口流动到交汇处100，则入口可以称之为油相的上游，交汇处可以称之为油相的流动的下游。再例如，在出口通道中，交汇处可以称之为出口通道的上游，出口为通道的下游。或者，在交汇处产生了液滴，液滴从出口通道进行流动，而在液滴产生的交汇处，相对于出口通道来讲，运输油相或者样本的通道都可以认为是上游，而对于出口通道来讲，就是交汇处的下游。在本发明中，产生液滴的地方是连接上游和下游的连接处、分界线或者分界面。而上游和下游通过产生液滴的地方处于液体连通的状态。上游和下游是一个相对的概念，液滴的流动可以是依据自生的重力流动，也可以是外界的因素而流动，例如向入口处施加压力，迫使通道中的液体沿着通道流动。
在本发明中，微流体通道或者流体通道也具有上游和下游的划分。在一些方式中，以产生液滴的地方为分界线或者分解部分，把微流体通道划分为两个部分，上游和下游，位于产生液滴的上游时候用来运输液体的通道，例如运输分散相或者/和流动相的管道，这些管道位于产生液滴结构的上游，而用来运输液滴的管道称之为下游，液滴从上游流到或者移动到下游管道中。
流阻
流动阻力(flow resistance)是指所有流体在运动时，与产生相对运动的物体间都有动量传递。即产生阻碍流动的反作用力，又称为曳力，又称摩擦阻力。这里的流体主要是液体，也是液态的流体的流动，例如溶液、油性物质、或者，水溶液或者含有化学成分的溶液。不同性质的液体在同样的通道中流动，所受到的流阻也是不同，同样的，如果通道的本身的属性发生变化，就算是同样的液体，流阻也会发生改变。这里的通道的属性是指构成通道的材质、通道的长度、通道的内部的光滑性或者通道的尺寸也是影响流阻的因子之一。通道的尺寸一般是是通道的高度，直径或者横切面积。所谓液态是指在一定温度下，成为溶液或者液体的物质或者混合物质，在管道中流动一般是液态的物质，当然并不是都是液态，可以是固体合理被液态的物质包裹，这种被包裹的物质在管道中流动。无论如何，在管道中流动的物质一般都受到阻力，这种阻力会降低液体的流动速度。
本发明小组发现，在微流体通道中，流体的阻力也是影响液体流动的一个因素。特别的，在制备液滴的微粒流体系中，流阻是影响液滴形成的一个重要的因素。在一些方式中，当在微流体装置中，该装置用来产生液滴，这些液滴的尺寸也受到流阻的影响。在一些方式中，如果改变微流体通道的设计，从而改变了在通道中流动的液体的流阻，也可改变液滴的尺寸。例如改变上游、下游或者产生液滴结构出的流阻，可以调整或者改变液滴的尺寸大小。在一些方式中，如果让上游的液体运输的通道的流阻大于或者远远大于下游运输液滴的通道的流阻，在这种情况下，就算施加给上游液体的压力发生变化，这种变化对产生的液体的尺寸并不显著改变。既液滴尺寸对压力的变化不敏感。
液滴的尺寸不显著改变或者基本稳定在一定的尺寸范围内，对于各种不用的测试和运用显得尤为重要，液滴尺寸均一表示液滴的体积一样，则含有的液体含量均一，从而避免各个液滴之间含量不同而造成很多不一致性。例如，在油相包裹水相的情况下，这里的水相可以是液体样本、也可以是含有一些处理液体样本的试剂或者试剂水溶液、还可以是包括为了检测作用的一些水溶液，该水溶液中包括一些检测所必须的试剂，这些水相在每一个液滴中的含量或者体积处于均一，则让其含量均一，从而让每个液滴之间的起始含量或者体积基本一样，从而减少了因为体积含量不同而引起的误差。另外，在制备液滴的过程中，特备是利用微流体制备液滴的装置或者方法中，一般都需要外在的压力，促使液体的流动，在流动的过程中产生液滴。压力与液滴的尺寸非常相关，微小的压力改变就会影响液滴的尺寸，例如压力的不同，压力的变化，都会改变或者显著改变液滴的尺寸。而本发明则是披露了关键指标之一，让上游的流阻远远大于下游的流阻，可无论压力如何变化，则可以产生均一尺寸的液滴。首先，不用刻意去追求施加给通道压力的精确性，减少了精密设备的要求，而且更为方便，成本更低，这是因为稍微或者压力的变化，对于液滴的尺寸并不产生影响，操作更为方便。从另外的一个角度，当出现产生液滴的通道的制造误差的时候，不同刻意去考虑这些因素，只要重点考虑上游和下游的流阻的关系就可以，这样可以制备大小尺寸均一的液滴，稍微调整施加给上游通道的压力，就可以制备均一尺寸的液滴。也减少了对流体通道尺寸的精密度的要求。
在现有传统技术中，例如该文献中报告(Ward，Thomas，et al.″Microfluidicflow focusing：Drop size and scaling in pressure versus flow-rate-drivenpumping.″Electrophoresis 26.19 (2005)：3716-3724.)中的那样，液滴的尺寸受到流量、压力的影响。当分散相的流量逐渐升高的过程中，连续的流量不变，则随着流量的增加，液滴的尺寸发生显著的变化；当施加给连续相的压力不变的情况下，施加给分散相的压力逐渐增加，液滴的形状和尺寸也发生了变化。这既说明，在传统的技术中，液滴尺寸受到很多因素的影响，例如流量、压力的变化。实际上，液滴的尺寸不仅受到流量、压力的影响，还受到很多其它因素的影响，例如微流体通道本身属性的变化，也会影响液滴的产生，特别的，也会影响液滴尺寸的改变，例如材质的不同、横切面积的不同，通道内部表面的亲水性或者疏水性，表面的光滑程度等等各种因素，都以对液滴的尺寸有所影响。另外，不同的液体本身的属性也会影响流量的改变，例如液体的粘性等等。在传统技术中，比较难以实现均匀尺寸的液滴的产生的原因之一可能就是影响液滴尺寸的因素太多，而不能简单精确控制这些因素的参数的稳定性，如果要控制众多因素的紧密性和准确性，必然需要巨大的成本。
而本发明，把流阻作为一个重要的因素，让流阻与液滴的尺寸关联起来，就简单的实现了液滴的均一性的制备。所以，如果考虑流阻的因素，则让问题变得简单化。在传统制备液滴的微流体系统或者装置中，一般重点考察压力和流量的关系，而本发明则考虑微流体的流阻问题。一般，产生液滴的微粒体通道是让不同相的液体在通道中流动，例如不同相的液体在交汇处产生液滴，产生液滴的方式一般是通过剪切压力或表面张力的平衡来产生液滴的产生，产生液滴后让液滴在通道内流动，从而被收集或者储存，或者换直接进入带有微孔的结构中，让液滴分散在微孔中，例如每一个微孔中分散一个液滴。本发明小组通过实验发现，改变微流体通道的设计，可以让液滴的尺寸更加均一，这种均一性则不受压力的改变而改变。改变微流体通道的设计的目的之一就是让流阻发生变化。在一些方式中，让上游流阻与下游流阻相对发生变化，从而实现了液滴尺寸对压力变化的不敏感性。例如，在一些方式中，让输入液体的微流体通道的流阻大于运输液滴的通道的流阻，就可以实现这一目的。在一些方式中，让下游的流阻相对于上游的流阻来讲，下游的流阻小于或者远远小于上游的流阻，让下游运输液滴的通道的流阻几乎可以忽略不计。或者，几乎可以不忽略不计的要素是让上游的流阻大于或者远远大于下游的流阻，这可能是本发明认识到流阻的重要性；而且也考虑到了上游和下游的流阻关系，这样让本发明的液滴产生系统或者装置更加简单和方便，更具有更为广泛的应用范围和场景。
在一些方式中，一般需要产生的液滴条件，其包括分散相和连续相液体交汇来产生。这里所谓的分散相和连续相也是一个相对的概念。分散体系(disperse system)是一种或几种物质高度分散在某种介质中所形成的体系。被分散的物质称为分散相(dispersephase)，而连续的介质称为分散介质(disperse medium)或者连续相。例如形成油包水的液滴中，水是分散相，油是连续相。相反，形成水包油的液滴，油就是分散相，水就是连续相。当然，分散相可以是溶液的形成存在，例如水溶液，胶体溶液、这些溶液中包括任意成分的物质，也可以是样本溶液等等，这些溶液一般被分散在连续相中，最终形成液滴。所以，在微流体中，一般是一部分通道用来运输分散相，例如样本溶液、胶体溶液、含有试剂的溶液或者以上溶液的混合液体，另一部通道来运输连续相，例如油性溶液，当两个不同相的溶液交汇在一起，从而产生液滴。本发明发现，如果让运输或者传输不同相的管道每个管道的流阻与下游运输或者传输的液滴的流阻发生相对的变化，则压力的变化不会实质影响液滴尺寸的变化，从而产生液滴尺寸均一。在一些方式中，让上游运输液体(连续相液体和/或者分散相)的通道的流阻大于或者远远大于下游运输液滴的通道的流阻，则就算压力发生显著的改变，也不会对液滴的尺寸造成显著的改变。在一些方式中，对上游的液体施加压力，让液体在通道中流动，具有一定速度的流动。
在一些方式中，运输分散相的微流体流通通路不仅仅是一条通道，运输连续相的微流体通路也不仅仅是一条通道。只要任意一条上游通道的流阻大于下游通道的流阻，就可以改善液体的尺寸的均一性。在一些优选的方式中，上游每一条运输流体的通道(例如一条或者多条运输分散相的通道，或者一条或者多条运输连续相的通道)的流阻大于或者远远大于下游通道的流阻，这个时候就算施加在上游各个通道的压力具有变化，这种变化也不会明显影响液滴的尺寸的变化，既液滴尺寸对压力的变化不明感。
一般，液滴的产生和尺寸的大小，在微粒体系统中是一个非常复杂的过程，而且受到很多因素的影响，例如微流体通道本身的属性，例如结构、长短、尺寸大小，深度，以及长度和深度的变化等。除次之外，还受到在通道中流动的液体的性质，例如液体的粘性的变化，，还有施加给通道的外部压力的大小，以及不同通道之间的压力、流量的变化。这里所有的因素都是指参与液滴产生的各个微流体流路上的各个因素的综合。可见，液滴的尺寸和产生收到很多变量因素的影响，要想让液滴尺寸几乎保持一个恒定的尺寸或者让微流体系统产生预先设定的液滴尺寸的是一件非常不容易的事情，因为影响的因素太多了。
而本发明正是创造性的发现，把流阻作为一个因素，并结合压力和流量的考虑，就可以解决液滴尺寸变化的问题，让液滴的尺寸不受压力变化的影响。
在一些方式中，施加给分散相的压力和施加给连续相的压力相等或者实质相等。
在一些方式中，让上游的分散相和连续相的流量和流阻满足如下的关系：
Figure BDA0002225679570000101
其中，Qo为上游通道连续相的流量；Ro：上游通道连续相的流阻；Qi：另一个上游通道分散相的流量；Ri：另一个上游通道分散相的流阻。这个时候，施加给连续相和分散相的压力相等。
在一些方式中，让施加给分散相和连续相的压力小于
Figure BDA0002225679570000102
而且施加的压力相等，既
Figure BDA0002225679570000103
其中P0为施加给连续相的压力，Pi为分散相的压力，γ是表面张力；w和h分别是液滴产生的喷嘴处(产生液滴的地方或者两相交汇的地方)连续相通道的宽度和高度；.μ是连续相流体黏度。这个时候压力具有更宽泛的变化，例如从0-50psi的变化幅度内，对液滴的尺寸没有显著性的影响。
在另外一些优选的方式中，当上游流阻大于或者远远大于下游流阻，施加给上游不同相的压力相等，而且要小于
Figure BDA0002225679570000104
而且毛细管数量小于1的时候，在这个时候，液滴的尺寸将主要由流量确定，特别是连续相和分散相的流量比确定，既这个时候，液滴的尺寸与上游流量比值特别相关。其中，毛细管数量毛细管数量(Ca)被定义为
Figure BDA0002225679570000105
(μ是构成连续相的流体的黏度，V是流量，γ是表面张力)。
当然可以理解，为了满足这样的关系，给分散相施加的压力可以与施加给连续相的压力不相同，这个时候，可以通过设置上游运输不同相的管道的结构或者尺寸，来改变通道的流阻。这种方式虽然比较复杂，但是仍然可以实现液滴尺寸的控制，让其对压力的变化不敏感。
当然，为了加工的方便性和简单性，一般上游用来传输液体的通道一旦确定，其本身的属性就不太发生变化，这个时候，通过选择不同相的物质和压力就比较重要了，这时候，影响液滴的尺寸就是压力、流量和流阻，他们是主要的因素，所以，调节压力、从而调节流量，而流量与流阻也是有关联的。当压力相同的时候，不同相的流阻和流量是成相反的关系，例如油相(连续相)和水相(分散相)相比，在同样的通道中，油相的流阻大于水相的流阻，油相的流量小于水相的流量。当让下游运输也对的通道的流阻远远小于或者小于上游的流阻的时候，在考虑液滴产生尺寸的时候，下游的流阻可以忽略不计，这个时候，让上游油相的流阻乘以(*)油相的流量＝水相的流阻乘以(*)水相的流量：Ro*Qo＝Qi*Ri；或者，让上游的连续相的流阻与上游分散相的流阻之比值等于上游分散性的流量与上游连续相的流量之比值。为了方便达到这样的方式，可以对微粒体通道的上游和下游通道的长度、尺寸、深度、性质等做出任意的调整，满足上游和流阻和下游流阻的相对关系，例如让上游的通道的长度大于下游通道的长度，或者让上游通道的横切面积小于下游通道的横切面积，或者让上游通道的深度小于下游通道的深度等等，或者让下游通道的内壁更光滑，让上游通道更粗燥，或者以上具体措施的结合使用。这样设计的目的就是让下游的流阻相对上游的流阻足够小，小到几乎可以忽略不计。这里的足够小的意思并不表示没有流阻，仅仅是相对上游来讲，上游的流阻大于或者远远大于下游的流阻。
在一些方式中，另外，调节连续相或者分散相，或者调节连续相和分散相的流阻，需要满足液滴生成的条件，液滴生成的条件基于液体产生的原理来确定的。一般液滴生成的条件本领域的一般技术人员都可以依靠公开的自来进行自行设定。但是对于相对固定尺寸的液滴的生成，传统技术并不是一件很容易的事情，正如本申请所阐述，影响液滴的尺寸的因素太多而且多个因素之间相互影响。本发明发现在微流体体中，当上游流阻大于下游流阻的时候，液滴的尺寸受到压力的变化影响减少，从而可以让滴液的尺寸不受压力变化的影响或者让压力因素影响液滴的尺寸减少。
在这样的条件下，压力的变化不会显著改变液滴尺寸的变化。例如在图5-7所示的结果中，采用图7所设计的液滴产生装置，该装置中，通道1为连续相，例如油相，通道2 为分散相，例如水相，或者水溶液，其中，通道3为出口，位于下游。其中，通道1中通道的宽度(W)从入口开始，分别为150μm，总长度为19.3mm，深度为25μm；流道2中流道宽度为60μm，总长度为30mm，深度为25μm。区域3为腔体，长度为3900μm，宽度 3700μm，深度为90μm。此微流芯片在硅片上刻蚀，玻璃片键合。这样的设置，上游任意通道的流阻大于或者远远大于下游的流阻，只要满足液滴的生成条件，施加在通道1和2 上的压力，在0-16psi的区间内变化，液滴的尺寸都在在3μm以内。例如图5和图6所示的结果那样。
所谓压力的变化，是指施加在通道1和通道2上的液体的压力相同的情况下，但是压力存在变化，例如第一次施加给的压力都为2psi，第二次都为10psi，第一次和第二次压力不同，但是液滴的尺寸确还在在3μm以内。所谓压力的变化，也可以是施加给通道1和通道2的压力不相同，但是，压力也存在差异的情况，例如第一次施加给通道1的压力为2psi，施加给通道2的压力为4psi，第二次施加给通道1的压力为4psi，施加给通道2的压力为 6psi，在这种情况下，虽然压力变化，但是产生的液滴的尺寸确保持在一个相对稳定的范围内。当然，压力的变化也是可以理解每一次施加给不同相的压力是不相同的，例如第一施加给连续相的压力为2psi，施加给分散相的压力是1.5psi。
本领域的一般技术人员可以理解，压力的变化和大小是基于不同液体性质(例如连续相和分散相)的本身属性而变化的，可以自由改变。这就极大的方便了液滴的产生，不用严格要求压力的一致性，不用每次压力需要精确调整，在一定的范围内变化，都不会对液滴的尺寸产生实质影响，基本保持在稳定的尺寸区间内。以上这些方式在下面的具体解释中会做一个详细的阐述。
本发明提供了用于产生统一液滴的微流体通路和它的生产方法和用途。本发明提供了用于产生统一大小液滴的微流体通路，以及它的生产方法和用途。在一个实施例中，即使压力有波动该微流体通路仍能产生统一液滴。在一个实施例中，分散相的流阻与连续相的流阻的比值等于连续相的流量与分散相的流量的比值。在一个实施例中，该微流体通路包括两个特征来实现期望的分散相和连续相的流阻与流量的比值，并且(b)分散相和连续相的流阻比下游通道的流阻高很多，那样下游通道的流阻变的可忽略不计。在一个实施例中，使用通道中分散相与连续相的流阻比下游通道的流阻高1-100000倍。在一个实施例中，使用通道中连续相的流量与分散相的流量的比值在0.001-1000的范围内。在一个实施例中，在压力波动高达20psi时该发明也能够生产统一大小尺寸的液滴。
本发明提供了能稳健产生液滴的压力不敏感的微流体通路的设计方法。如本文所述，在液滴产生过程中该微流体通路配置为使压力波动对液滴产生系统影响最小化，因此能稳定的操控并产生统一大小的液滴，不需要复杂的装置来严格控制压力。与传统的液滴产生方法相比，该微流体通路对压力波动更不敏感，并能始终如一的高效的产生液滴。该微流体通路能运用于传统的基于剪切流的液滴产生系统，并集成到各种机器或系统中以获得广泛的应用。
在一个实施例中，该微流体通路能产生统一液滴，经得起0-20psi范围压力波动(在基于表面张力的方法中相比于1psi)。观察到可允许的压力变动范围是宽泛的，既不能通过存在的方法实现，也没有在理论上或专利中预测过。此外，该微流体通路的设计可以与任何传统的流动聚焦和T型结构搭配，从而使得装置能以更简单的方式稳健的产生统一液滴。本发明促进了手持式操作，并对生物或化学实验室特别有帮助，在该实验室中用于产生液滴的复杂昂贵的微流体装置一般不能负担得起或不可用。该发明有助于推动液滴微流体在没有专业微流控技术的任何实验室中广泛应用，并通过产生更统一的液滴，进一步改善基于微流体测定的性能如精准性和一致性。除了压力不敏感，该发明比传统基于剪切流的方法更好，因为它仅需要一个压力源，而不是两个，因此不需要复杂的压力通路。
本发明也优于传统的表面张力驱动的系统，在传统系统的通道中气泡常被困住干扰液滴产生过程。本发明液滴产生过程中出现受困气泡的情况是最小的，因为液滴的生成机理是基于剪切力的机制，在液滴生成过程中连续和分散相的流量都可以设置比较高的流量，因此在相流被导入装置和相流从出口排出的最初阶段，产生的气泡(假如有)能被冲刷走。
总之，由于它的稳健性和多功能性，该微流体通路使其能与广泛的微流体系统耦合并广泛运用于实验室和工业中，来发展使用液滴微流体的床边诊断产品(POC)和其他化学生物测定。
设计微流体通路
在一个实施例中，本发明提供了一种设计或制备用于产生液滴的微流体通路的方法。该方法包括设置微流体通道，在通路中包括液滴产生的微流体通道的结构，该结构把微流体路途分为上游和下游，上游是用来运输产生液滴的液体，例如分散相或者连续相，下游则主要是用来运输或者传输或者离散液滴，则让上游的流阻大于下游的流阻，或者让上游的流阻远远大于下游的流阻。
在一个实施例中，本发明提供了一种使用这里所述的方法制备产生液滴的微流体通路。
在一个实施例中，该微流体通路是基于水动力学流阻的通路模型设计的。在一个实施例中，该微流体通路与能耐受压力波动的微流体通路搭配，因此能在一定压力范围内产生统一尺寸的液滴。
在一个实施例中，该微流体通路包括一个或多个入口，一个或多个通道，一个室，一个用于产生液滴喷嘴和一个或多个出口。入口也具有一个或多个过滤器来去除可能会堵塞通道的杂质或颗粒。
在一些实施方式中，设计用来贮藏液滴的室来收集从液滴产生装置产生的液滴。在一个实施例中，不使用液滴贮藏室，液滴直径从出口收集。美国临时申请No.62/723,455描述了各种类型的液滴贮藏室。该申请的内容完整的被引用作为本发明内容。具有类似构造但适用于除了贮藏液滴以外的目的的室也可以与本发明结合使用。
图1是本发明微流体通路的简单示意图，当其用于流动聚焦结构来产生液滴时。然而应该注意，基于相同的原理本发明微流体通路的设计可以用于任何基于剪切的液滴产生结构如T-型和共聚焦结构。
如图1所示，点1是连续相的入口，点2是分散相的入口，点3是液滴成型的喷嘴，点4是出口。出口的压力几乎是零。图2A-2B显示了的两个实施例中，微流体通路包括一个油的入口，一个样品入口，而图3A-3B显示两个实施例中，微流体通路包括一个油入口和多个不同类型液体的入口(1个至n个)。
在一些方式中，为了让上游的通道的流阻大于或者远远大于下游的流阻，相对于下游运输液滴的通道来讲，可以让上游的微流体通道的长度，宽度或深度发生改变，例如，让连续相或者/和分散相的通道的长度大于或者远远大于下游用于运输液滴通道的长度，或者，让连续相或者/和分散相的通道的宽度小于或者远远小于下游用于运输液滴通道的宽度；或者让连续相或者/和分散相的通道的深度小于或者远远小于下游用于运输液滴通道的深度；或者，让连续相或者/和分散相的通道的横截面积小于或者远远小于下游用于运输液滴通道的横截面积。这种改变可以是上游通道的部分区间的改变，也可以是全部区间的改变，也可以是下油通道的部分区间的改变也可以是全部区间的改变。现在利用图1来说明本发明能够实现统一液滴尺寸对压力变化不敏感的机理，这种机理的说明和实现仅仅是本发明的一个优选方式的说明，并不限制本发明的范围。
在图1中，图1是一个典型的产生液滴的微粒体结构示意图，其中，Q指流量，R指流阻，P指压力，下标o、i、c和t分布指连续相通路、分散相通路、喷嘴中心点(产生液滴的地方)和下游运输液滴的油相通道；其中；Po为施加于连续相的压力；Qo：上游通道连续相的流量；Ro：上游通道连续相的流阻；Pi：施加于分散相的压力；Qi：另一个上游通道分散相的流量；Ri：另一个上游通道分散相的流阻；Pc：贫嘴中心点的局部压力；Qt：液滴形成后下游通道中流体的流量；Rt：液滴形成后下游通道中流体的流阻。
如果不考虑流体通路本身的属性的改变，既一旦流体结构设计完成，如果对设定的液滴尺寸也基本确定，和分散相和连续性所使用的液体也基本确定，则在各个通道中的流量公式如下：
Figure BDA0002225679570000151
从以上公式可以看出，上游和下有的流量、压力、流阻以及两相之间的压力和流阻都相互影响。
让等式(1)除以等式(2)获得如下公式：
Figure BDA0002225679570000152
流量的比值与液滴的尺寸相关，所谓相关就是指液滴的尺寸与流量比有关联，这种相关至少可以理解液滴的尺寸与流量的比值影响，如果流量的比值保持不变，这液滴的尺寸可以减少波动，也维持在一个相对稳定的状态。通过简化，则为公式3.1，在该公式中，连续相和分散相的流量的比值与上游和下游的流阻和施加的压力相关，在公式3.0中，如果让上游流阻大于下游流阻，则流量的影响主要由上游连续相和分散相的流阻的影响，而减少了下游运输液滴通路的流阻影响。进一步，另外，如果让上游流阻远远大于下游流阻，则Rt相对于Ri和Ro几乎可以忽略不计，则Rt对流量的影响几乎不计，例如为0的时候，公式则为3.2所示：
Figure BDA0002225679570000161
Figure BDA0002225679570000162
从公式3.2中可以看出，流量的比值与流阻成反比，与压力成正比，如果流阻的比值保持不变，则压力与流量成正比，如果调整压力的比值，则流量的比值发生了变化。一般，当连续性和分散相液体属性确定，微流体本身属性确定，流阻的比值一般是为一个定值。当然，为了让流量的比值保持不变，则可以调整两个相之间的流阻比值和压力的比值，例如分散相Ri的流阻增大，则连续相的流阻如果保持不变，则需要调整连续相的压力，让连续相的压力增大，从而位置流量的比值不变。或者，为了让流量的比值不变，则当流阻的比值不等于流量的比值的时候，则需要调整分散相和连续相压力的比值，从而位置流量的比值不变。流阻的比值可以通过前述任意方式来调整，例如通道的长短、深度、管道的内壁的光滑程度、材质、宽度等来进行调整，当然也可以通过调整分散相和连续相液体本身的属性，例如浓度、额外试剂成分的加入来改变分散性和连续相的粘度。当然，这些都可以调整来改变比值，从而可以保持流量比值的不变。从另外一个侧面讲，公式3.2中任意一个参数的变化，都会影响比值的变化。从公式3.2可以看出，则任意参数的变化都会影响液滴的尺寸，但是对于实际设计和产品中，流阻的比值基本可以确定，或者说，微流体结构一旦设定，微流体引起的流阻改变的因素基本确定，则压力与流量的调整可以保持流量的比值不变，则液滴的尺寸则保持一致性。
在一些优选的方式中，如果让施加给连续相和分散相的压力相等的情况下，假如P0＝Pi，等式(3.2)变成(4)：
Figure BDA0002225679570000171
在这个时候，分散相的流阻与连续相的流阻的比值和连续相的流量与分散相的流量流量的比值将几乎相等。既：等式(1)-(4)说明当施用于连续相流体入口和分散相流体入口的压力相同(P0＝Pi)时，当两种相体的流阻比下游通道的流阻高很多(Ri，Ro＞＞Rc)时，分散相的流阻与连续相的流阻的比值和连续相的流量与分散相的流量的比值将几乎相等。
而流量比值则与液滴尺寸的大小相关，从而，从以上公式可以看出，流阻的比值也与液滴尺寸相关，当在压力相等的情况下。如果流量量比值保持不变的情况下，消除了下游流阻对流量的影响，则流量的比值和流阻的比值相等，这个时候，就算施加给连续相和分散相的压力如何变化，只要他们之间的压力相等，则既不会影响液滴的尺寸，例如施加给分散相和连续相的多次压力分别是1psi，1.5psi，2psi，3psi，4psi，5psi，，6psi，7psi，20psi，，30 psi，这个时候流量的改变与施加给两相的绝对压力无关，只是和他们的比值有关系。所以，液滴尺寸与压力的绝对改变已经没有关系，而仅仅和相对改变具有关系。
如以上所述，基于剪切的液滴产生受流量和两种相的流体属性，液滴产生结构(如T- 型接头和流动聚焦)的喷嘴的几何图形的影响。因为液滴产生结构的几何特征基本是固定的，产生的液滴大小(D)大多数由流量比值(D∝Qo/Qi)决定的。因为Qo/Qi等于Ri/Ro(等式(4))，这是由流体黏度和通道的几何学决定的，并且与操作过程无关，因此压力变量不影响产生的液滴大小。这是因为通道的几何形状和液体本身的属性的变化共同作用引起了上游连续相和分散相的流阻的比值，在这个情况下，几乎不考虑下游通道的几何属性和下游液滴的本身的属性，原因在于，本发明几乎消除了下游通道的几何形状对整个系统中流量的影响，下游相对上游来讲，流阻几乎可以忽略不计。可以理解，上游流阻与下游流阻的比值越大，则受压力变化的影响小，如果下游流阻几乎为零，无限小于上游流阻，则该系统产生液滴的尺寸可以承受更大范围的压力的变化。
这就从理论上解释了为什么本发明设置上下游的流阻关系，可以让液滴尺寸的对压力的改变不敏感的机理。
在一些优选的方式中，施加给入口的压力让其成为这样的关系：
Figure BDA0002225679570000181
γ是表面张力
w和h分别是喷嘴处通道的宽度和高度；
μ流体黏度(指的是连续相的流体粘度)。这样，让压力相等的情况下满足这样的数量关系，施加的压力具有一个变化的范围，该范围内，液滴尺寸与压力的改变不相关。而这种压力的范围在上游通道的流阻远远大于下游流阻才得以成立的。这里仅仅是一个优选的方式，如果不在该范围内，压力的变化的范围的幅度可能小一些，但是仍然对液滴的尺寸相对不敏感。例如压力在大于
Figure BDA0002225679570000182
这个范围的时候，也可以让滴液的尺寸的产生对压力不敏感，但是可能需要更改其它的参数，比如微流液滴通道的尺寸，或者是其它影响流量比值的条件，例如公式3.0-3.2公式的变化所描述的那样。
当毛细管数目(Ca)小于1时，由液滴产生系统产生的液滴大小与(Qi/Qo)0.25成正比。毛细管数量(Ca)被定义为
Figure BDA0002225679570000183
(μ是构成连续相的流体的黏度，V是连续相在喷嘴处的流速，γ是表面张力)，它表示流体的黏度与液滴产生的表面张力的相对影响。更高的毛细管数量意味着在液滴成形过程中剪切力更占优势。更小的毛细管数量意味着液滴成形时表面张力更占优势。
所以，在本发明中，一个优选的方式中，如果让Ri，Ro＞＞Rt，以及
Figure BDA0002225679570000184
时，毛细管数量将小于1，此时，液滴大小将与Qo/Qi成正比。本发明设想，通过使用比下游通道的流阻高很多的两相流阻(Ri，Ro＞＞Rt)，并对两相的入口施加小于
Figure BDA0002225679570000185
的相等的压力，毛细管数量保持小于1，那么液滴大小和Qo/Qi之间可以实现正比例关系。此外，当Ri，Ro＞＞Rt，Qo/Qi等于Ri/Ro，即与操作过程压力无关，因此液滴产生过程将与压力波动无关。
总之，本发明首次提供了一种微流体通路的战略性设计，即使系统中的压力波动仍能稳健的产生统一大小的液滴，改设计包括施加相同的压力于连续相流体的入口和分散相流体的入口(即
Figure BDA0002225679570000191
)，并控制两种相体的流阻的值比下游通道的流阻值高很多(Ri，Ro＞＞Rt)。那样，单个压力源足够用于液滴产生，从而克服了在基于剪切的传统系统中出现的压力波动。
操作条件
压力
在一些实施方式中，满足公式3.2的压力变化，可以获得相对稳定尺寸的液滴，所以施加给连续相的压力和分散相的压力以及下游运输液滴的压力是可以变化的，这种变化在上游流阻大于或者远远大于下游流阻的条件下仍然成立，所以，施加给连续相和流动相的压力并不一定每次相等，有所差异也是可行的。
在一个优选的实施例中，该微流体通路在公式
Figure BDA0002225679570000192
表示的压力下运行。
在一个实施例中，该微流体通路在压力为0-50psi范围内运行。
在一个实施例中，施用于入口的压力通过任何类型的可用于微流体流动系统的外部泵实现，如蠕动泵或压力泵。在一个实施例中，可以通过连接蠕动泵到入口并按压注射泵手动施加压力。所以，本发明适用于使用标准的压力装置的标准操作，也适用于简单低成本装置的简单操作。图6为根据本发明的一些实施例施加压力的示意图。
在一个实施例中，根据图7施加压力于入口。包括一个活塞的中空结构连接外部压力源和两个入口。最初通过中空结构的上部开口(如左图的箭头所示)施加压力。然后活塞被迫向下移动(如右图的箭头所示)，从而压缩中空结构内的空气知道达到平衡(即中空结构内的压力于外部压力相同)。那样，利用一个压力源可以同时施加相同的压力给两个入口。
在一个实施例中，该微流体通路的压力通过外部压力源监测。在另一个实施例中，该微流体通路包括检测和监测微流体通路内一个或多个位点的传感器。
.在一个实施例中，即使液滴产生系统中压力改变，该微流体通路仍能产生统一大小的液滴。在一个实施例中，当压力变动在0-20psi内时该微流体通路产生统一的液滴。在一个实施例中当压力变动在1-5psi内时，该微流体通路产生统一的液滴。在一个实施例中当压力变动在6-10psi内时，该微流体通路产生统一的液滴。在另一个实施例中当压力变动在 11-15psi内时，该微流体通路产生统一的液滴。在另一个实施例中当压力变动在16-20psi 内时，该微流体通路产生统一的液滴。
例1表示了一个测试，即验证即使压力波动下本发明微流体通路仍能产生统一液滴。如图4所示，当施用于入口的压力从2psi变为16psi时，本发明微流体通路产生的液滴直径没有显著变化。图5显示了本发明微流体通路产生的液滴的大小是统一的。
流量和流阻
在一个实施例中，本发明微流体通路在0.01μL-1L/hr的流量下运行。在一个实施例中，连续相的流量是0.01μL-1L/hr。在一个实施例中，分散相的流量是0.01μL-1L/hr。
在一个实施例中，连续相的流量与分散相的流量的比值(Qo/Qi)在0.001-1000范围内。
在另一个使用流动聚焦结构的实施例中，流量比值(Qo/Qi)在0.5-40范围内。
在一个实施例中，流量通过压力泵或注射泵控制。
在一个实施例中，运送分散相和连续相的通道的路子比下游通道的更高(i.e.，Ri，Ro＞＞ Rt)。在一个实施例中，分散相和连续相的流阻比下游通道的流阻高1-100000倍。在一个实施例中，分散相和连续相的流阻比下游通道的流阻高1-1000倍。在一个实施例中，分散相和连续相的流阻比下游通道的流阻高5-50倍、10-100倍、25-250倍、150-300倍、250-400 倍，350-500倍、450-600倍、650-800倍、750-900倍或850-1000倍。
在一个实施例中，如下面所述，流阻(R)是由通道的大小和流体的黏度决定的：
对于圆形横截面的通道：
Figure BDA0002225679570000201
这时，l是通道总长，r是通道的半径，μ是流体的黏度。
对于长方形横截面的通道
Figure BDA0002225679570000202
这时，l是通道总长，w是宽度，h是通道的高度，μ是流体的黏度，假如h＜w。
本领域普通技术人员能够根据本发明和本领域公知内容调整流量和流阻。
因此，在一些方式中，本发明微流体通路按照设计配置为使分散相与连续相的流阻比值Ri/Ro等于连续相与分散相的流量比值Qo/Qi，并运用适当压力
Figure BDA0002225679570000211
来保持毛细管数量(Ca)小于1，产生液滴的过程变得对压力不敏感，所以即使系统压力变动仍能产生统一液滴。该配置仅需要相对简单的装置因为不需要严格控制压力，因此允许以更划算和便利的方式稳健的产生液滴。
在这里需要指出，本申请所指的流量(flow rate)是指一定时间通过微流体通道的液体的质量或者体积，这里可以是平均流速乘以微流体通道的截面积为流量，这是因为在微流体中，特别是用于产生的液滴的微流体系统中，液体在微流体通道的流速，在一个横截面上并不是均匀的，靠近微通道的壁和中心位置的流速并不一样，所以，在本申请中，是以流量的比值来确定液滴的产生的。在微流体通道中，特别是液滴产生的微流体中，流速一般是指平均流速(flow velocity)，流量除以通道的截面积为平均流速。从这些定义可以看出，本申请的流量与流速具有相关性，当通道的截面积确定的情况下，可以认为是流量与流速是关联性的。
利用本发明内容设计一个微流体通路
这个部分提供了根据本发明的一个实施例设计对压力波动不敏感的产生液滴的微流体通路的实施例
根据等式(1)-(4)，当相同的压力施加到分散相和连续相的入口时，选定分散相与连续相的流量之比为0.25(即Qi/Qo＝0.25)，因此连续相与分散相的流阻之比也是0.25。
那么根据等式(6)或(7)设计微流体通路，其中每种相的流体黏度可以通过黏度计测量出来。对于微流体通路的特殊设计，可以预期流体黏度有轻微变动的流体(如高达5％)将不会基本上引起规定的流阻比率的显著改变。上游和下游通道的大小(长度(l)、矩形通道的宽度(w)和高度(h)或圆形通道的半径(r))将被配置为使上游通道的流阻比下游通道的流阻高很多(即Ri，Ro＞＞Rt)。然后根据
Figure BDA0002225679570000212
计算施加给入口的压力，其中表面张力通过悬滴法测量。
在一个实施例中，使用了以下参数：
l：0-1m
w：0-5mm
h：0-5mm
μ：0-5Ns/m2
γ：0-1N/m
液滴产生装置和产生液滴
本领域普通技术人员将会理解本发明能用于设计各种类型和形式的液滴产生装置。 P.Zhu and L.Wang(2017)描述了一些产生液滴的技术，其内容被完整的引用作为本发明的内容。
在一个十四两种液滴产生装置可以是任何结构或系统，其能划分液体样品为大量适用于这里所述微流体通路的液滴。
在一个实施例中，该发明被用于设计基于剪切的液滴产生装置，其利用剪切应力把流体夹成小液滴。在一个实施例中，基于剪切的液滴产生装置包括但不限于交叉流动结构、共流动结构和流动聚焦结构。
在一个实施例中，本发明被用于设计一个液滴产生装置，其是基于剪切系统和基于表面张力系统的混合系统。在一个实施例中，该液滴产生装置包括但不限于使阶梯乳化和微通道乳化结构结合的T型接头结构，或是阶梯乳化和微通道乳化结构结合的流动聚焦结构。
在一个实施例中，本发明涉及一个液滴产生装置，其保括一个使连续相和分散相以某个角度θ交叉的交叉流动结构。在一个实施例中，本发明包括T型接头、Y型接头、双T型接头、K型接头或VT型接头。
在一个实施例中，本发明涉及一个包含共流动结构的液滴产生装置，该结构中分散流体线被周围流动的连续相冲击。在一个实施例中，共流动结构是一个2D平面共流动结构。
在一个实施例中，本发明涉及一个包含流动聚焦结构的液滴产生装置，其能压缩流体强化聚焦效果。在一个实施例中，流动聚焦结构是2D平面流动聚焦结构。
.在一个实施例中，产生的液滴是乳剂液滴，不限于乳化的特殊类型。在一个实施例中，乳化包括但不限于水包油、油包水和水-油-水双重乳剂。在一个使用水包油乳化产生油液滴的实施例中，水是连续相而油是分散相。在一个使用油包水乳化产生油液滴的实施例中，油是连续相而水是分散相。在一个产生水液滴的实施例中，被配置用于产生液滴的液滴产生装置的组分或部分具有亲水表面。
在一个产生水液滴的实施例中，被配置用于产生液滴的液滴产生装置的组分或部分具有疏水表面。这可以通过在组分或部分的化学表面涂层来实现，即通过表面与疏水基团轭合。在一个实施例中，表面活性剂如斯盘80、吐温20或Abil EM90，perfluoropolyether-polyethylenoxide-perfluoropolyethertriblock copolymer(PFPE-PEG-PFPE) 被添加到油相或水相来避免液滴聚结或防止分子如酶、DNA或RNA在固体表面或水油界面附着。
在一个实施例中，由和表面活性剂被用于产生液滴。在一个实施例中，表面活性剂与油的比率是1-5％(重量比)。在一个实施例中，油被用于产生液滴包括但不限于矿物油、硅油、氟化油、十六烷和植物油。在一个实施例中，使用的表面活性剂包括但不限于斯盘80、吐温20/80、ABIL EM 90和磷脂质、PFPE-PEG-PFPE。能用于基于液滴的微流体的表面活性剂如Baret，Jean-Christophe(2012)所述，该内容已经被完整的引用被包含在本发明内容中。
本发明微流体通路的应用
本发明具有稳健性和多功能性，能与广泛的微流体系统耦合，广泛用于实验室和工业来发展护理垫产品和其他使用液滴微流体的化学和生物测定。
例如本发明能用于DNA、蛋白、外泌体检测，单细胞，RNA测序样品的制备或免疫治疗工程。
在一个实施例中，本发明提供了一种产生统一大小液滴的方法，该方法包括以下步骤：
a)在压力下引导第一中液滴进入微流体通路中的至少一个第一上游通道来形成连续相，在压力下引导至少一种第二液滴进入微流体通路中的至少第二上游通路来形成分散相，上游通道在喷嘴出合并产生液滴，下游通道运输所述液滴到出口；
b)控制连续相和分散相的流量，其中上游通道中连续相的流量与分散相的流量的比值基本上等于分散相流阻与连续相流阻的比值；
在喷嘴处产生的的液滴的大小是统一的，不是压力波动影响。
本方法的一个实施例中，上游通道中分散相和连续相具有相同或基本是相同的压力。
本方法的一个实施例中，压力小于
Figure BDA0002225679570000231
其中γ是连续相的表面张力，Ro是传递连续相的上游通道的流阻，w和h是喷嘴处所述通道的宽度和高度，μ是连续相的流体的黏度。
本方法的一个实施例中，
Figure BDA0002225679570000232
小于1，其中V是先联系的流量。
本方法的一个实施例中，上游通道中连续相的流量与分散相的流量的比值在0.001-1000 范围内。
本方法的一个实施例中，分散相和连续相的流阻比下游通道的流阻大2-100000倍。
本方法的一个实施例中，吸引通道的宽度和/或高度是上游通道的10-10000倍。
本方法的一个实施例中，压力波动高达20psi。
本方法的一个实施例中，对所述上游通道的每一个入口施加相同大小的压力。在一个实施例中，通过单个泵施加压力。
本方法的一个实施例中，通过剪切应力夹流体线形成液滴的方式产生液滴。
本方法的一个实施例中，上游通道被配置形成交叉流动结构、共流动结构或流动聚焦结构。
在一个实施例中，本发明提供了制造产生统一大小液滴的微流体通路的方法，该方法包括：
a)构建具有两个入口和一个喷嘴的外壳；
b)在所述外壳中从至少一个入口构建至少一个第一上游通道，在压力下引导至少一种第一流体形成连续相，从至少一个入口构建至少一个第二上游通道，在压力下引导至少一种第二流体形成分散相，上游通道在所述喷嘴处合并产生液滴；
c)构建下游通道来运输在喷嘴处产生的液滴到出口，
上游通道和下游通道的尺寸被配置为，使上游通道中的连续相的流量与分散相的流量的比值基本上与上游通道中分散相的流阻与连续相的流阻的比值相同。
本发明的一个实施例中，微流体通路被配置为使上游通道中分散相和连续相具有相同或基本上相同的压力。
本发明的一个实施例中，压力小于
Figure BDA0002225679570000241
而γ是连续相的表面张力，Ro是通道输送连续相的流阻，w和h是通道在喷嘴处的宽度和高度，μ是形成连续相流体的黏度。
本发明方法的一个实施例中，
Figure BDA0002225679570000242
小于1，其中V是连续相的流量。
本发明方法的一个实施例中，上游通道中连续相的流量与分散相的流量的比值在0.001-1000范围内。
本发明方法的一个实施例中，分散相的流阻与连续相的流阻比下游通道的流阻大2-100000倍。
本发明方法的一个实施例中，下游通道的宽度和/或高度是上游通道的10-10000倍。
本发明方法的一个实施例中，微流体通路在压力高达20psi的范围内能产生统一大小的液滴
本发明方法的一个实施例中，通过剪切应力夹流体线为液滴的方式产生液滴。
本发明方法的一个实施例中，上游通路被配置为产生交叉流动结构、共流动结构或流动聚焦结构。
在一个实施例中，本发明提供了产生统一大小液滴的微流体通路，该微流体通路包括：
d)一个外壳，包括指示一个第一入口用来在压力下引导第一液体进入至少一种第一上游通道来形成连续相，至少一种第二入口用来在压力下导入至少一种第二液体到至少一个第二上游通道来形成分散相；
e)所述外壳末端的喷嘴，所述至少一个第一上游通道和所述至少一个第二上游通道在喷嘴处合并产生液滴；
f)一个下游通道，用来运输在喷嘴处产生液滴到出口，
上游通道和下游通道的尺寸被配置为使上游通道中连续相遇分散相的流量的比值基本上和上游通道中分散相和连续相的流阻的比值相等。
该微流体通路的一个实施例中，上游通道中分散相和连续相具有相同或基本相同的压力。
本发明的一个实施例中，压力小于
Figure BDA0002225679570000251
而γ是连续相的表面张力，Ro是通道输送连续相的流阻，w和h是通道在喷嘴处的宽度和高度，μ是形成连续相流体的黏度。该微流体通路的一个实施例中，压力小于
Figure BDA0002225679570000252
其中是连续相的表面张力，Ro是运输连续相的上游通道的流阻，w和h是喷嘴处通道的宽度和高度，μ是形成连续相的流体的黏度。
本发明方法的一个实施例中，
Figure BDA0002225679570000253
小于1，其中V是连续相的流量。
该微流体通路的一个实施例中，上游通道中连续相的流量与分散相的流量的比值在 0.001-1000范围内。
该微流体通路的一个实施例中，分散相的流阻与连续相的流阻比下游通道的流阻大 2-100000倍。
该微流体通路的一个实施例中，下游通道的宽度和/或高度是上游通道的10-10000倍。
该微流体通路的一个实施例中，微流体通路在0.1-20psi范围的压力下产生统一大小的液滴。
该微流体通路的一个实施例中，通过剪切应力夹流体线为液滴的方式产生液滴。
该微流体通路的一个实施例中，上游通道被配置为产生交叉流动结构、共流动结构或流动聚焦结构。
纵观本发明，引用了各种出版物。这些出版物的全部公开内容被引用并结合到本申请的内容中，以更全面的描述本发明所述领域的现有技术。
纵观本发明，应注意，与“包括”、“包含”或“特征在于”意思相同的过渡性术语“包括”是可兼有的或开放性的，并不排除其他的，未记载的元素或方法步骤。
参考以下实施例将更好地理解本发明。然而本领域技术人员将容易理解，所提供的实施例仅用于说明目的，并不意味着限制本发明的范围，本发明的范围由其后的权利要求界定。
实施例
具体实施例子1-设计具有两个入口的微流体通路
该实例显示了一个微流体通路，该通路根据本发明的一个实施例设计了一个油入口和一个样品入口。
图2A显示了根据这个实施例的一个微流体通路的示意图，图2B显示了与一个室耦合的微流体通路，该室用于贮藏微流体通路产生的液滴。
在图2A中，上游入口通道为曲折通道来延伸长度，进一步增加上游通道流阻。出口通道的宽度和/或高度是上游通道的10、100、1000、或10000倍，并在液滴产生后直接与喷嘴连接。因此相比上游通道流阻，下游通道的流阻可以忽略不计。
通过调整一个或多个通道长度、宽度和高度，或流体黏度调整上游通道流阻，施加相同压力到两个入口，就可以产生想要的大小一致的液滴。在图2B中，上游通道与图2A中相同，但液滴产生后喷嘴替换为一个更大的室，其通常具有壁上游通道大的多的尺寸，并可忽略流阻。该室设计用于收集从液滴产生装置产生的液滴来贮藏。
图4显示了该设计的校验，即当输入压力从1psi变为16psi时(数据表示为平均值±SD) 微流体通路能产生统一直径的液滴。
具体实施例子2-多重入口设计的微流体通路
这个例子显示了一个微流体通路，根据本发明的一个实施例设计具有一个油入口和多个其他试剂入口。图3A显示了根据这个实施例的一个微流体通路的示意图，图3B显示了与室耦合的一个微流体通路，该室用于贮藏由该微流体通路产生的液滴。在一个实施例中，产生的液滴包含不同类型的液体，微流体通路包括多个入口用于分别引导不同类型的液体进入液滴产生装置。在图3A中，所有使用通道是曲折的通道来延长长度，确保流阻比下游通道大很多。使用通道的每一天通道可能具有相同或不同的流阻，基于与每一天使用通道的想要的流量比率确定。出口通道的宽度和/或高度是上游通道的10、100、1000、10000被。产生液滴后入口通道直接与喷嘴连接。因此，相比于上游通道，下游通道((Rt)的流阻可以忽略不计。通过调整每一个入口通道的流阻(长度、通道的宽度和高度或流体黏度)并施加相同压力到入口，来自不同入口的不同类型的流体在喷嘴处相遇，产生具有想要的一致大小的液滴。图3B中，上游通道与图3A 中相同，但替换了直接连接的出口，液滴产生后喷嘴与一个大尺寸的室连接，相比于上游通道，该室的流阻可以忽略不计。这个室被设计用于贮藏液滴。
具体实施例子3-多重微流体通路的液滴尺寸与压力变化
根据图8设计制作一款微流体系统用来产生液滴，具体结构参见图8。上游流道包括：流道1为油相，流道2为水相，下游流道为：流道3液滴出口。流道1中流道宽度分别为 150μm(9mm)，75μm(9.8mm)和60μm(0.5mm)，总长度为19.3mm，深度为25μm；流道2中流道宽度为60μm，总长度为30mm，深度为25μm。区域3为腔体，长度为3900μm，宽度3700μm，深度为90μm。此微流芯片在硅片或者PDMS材料上刻蚀，玻璃片键合。其中，上游流道所形成的流阻远远大于下游流道，同时流阻的比满足液滴生成的条件 (此设计中，流量比满足产生45um大小的液滴，流阻比例也要满足这个比例，硅片加工的微流体通道)，在0-16psi压力操作范围内液滴大小变化在3μm以内。
此时，水相具体为纯水含10wt％的甘油，油相为具体的物质，例如矿物油，硅油，氟化油。对流到1和流到2同时施加相同的压力，而且每次的压力是变化的，得到的液滴的尺寸随着压力的变化的结果如图4所示(硅片加工的微流体通道，液滴尺寸在45 微米之间保持均一的尺寸)，可以发现，压力的变化，但是液滴的尺寸却变化很小，基本维持在一个相对不变的尺寸范围内(45um左右)。
从具体实验来看，更加充分说明了，采用本发明的设计，可以消除压力变化对液滴尺寸的影响。图5仅仅是在不同给压力情况下所产生液滴的表观形状，其尺寸大小均匀 (所述的微流体通道的材质为PDMS)。由于芯片材质的不同，会影响加工的精度，同
时图5中实验水相为纯水，粘度较低，从而影响了流阻的变化，固然压力施加的变化幅
度相同的情况下(与图5所示的幅度相同)，流量的比值也会发生变化，所产生的液滴
尺寸在60um左右。
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Claims (15)

1.一种微流体装置，该装置包括：上游通道，该上游通道被设置用来运输液体； 机构， 该机构被设置为产生液滴； 下游通道，该下游通道被用来运输液滴； 其中，上游通道和下 游通道以及所述的产生液滴的机构流体连通，其中，产生液滴的机构位于上游通道的下游， 产生液滴的机构位于下游通道的上游， 其中，上游通道的流阻大于下游通道的流阻，其中， 所述的上游通道包括用来运输连续相的通道和用来运输分散相的通道；其中，该装置还包 括施加给上游通道中所述分散相和连续相具有相同或基本上相同的压力的外部泵；其中， 所述外部泵的输出压力小于
Figure 32936DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 239796DEST_PATH_IMAGE002
是连续相的表面张力，Ro是传递连续相的上游 通道的流阻，w和h是喷嘴处所述通道的宽度和高度，µ是连续相的流体的黏度。
2.根据权利要求1所述的微流体装置，所述的上游通道包括用来运输连续相的通道和用来运输分散相的通道。
3.根据权利要求2所述的微流体装置，其中，所述的运输连续相的部分通道和/或运输分散相的部分通道的流阻大于下游部分通道的流阻。
4.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，所述的上游的通道的长度大于下游的通道的长度。
5.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，上游的微流体通道的宽度小于下游的微流体通道的宽度。
6.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，上游的通道的横截面积小于下游的通道的横截面积。
7.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，上游通道的深度小于下游通道的深度。
8.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，所述的上游通道包括输入液体的入口，下游通道包括输出液滴的出口。
9.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，施加给上游的通道的压力保持恒定。
10.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，让下游的通道与大气相通。
11.根据权利要求2所述的微流体装置，其中，让上游通道中连续相的流量与分散相的流量的比值实质上与上游通道中分散相的流阻与连续相的流阻的比值相同。
12.根据权利要求11所述的微流体装置，其中，上游通道中连续相的流量与分散相的流量的比值在0.001-1000范围内。
13.根据权利要求11所述的微流体装置，其中，上游通道中分散相和连续相的流阻比下游通道的流阻高1-100000倍。
14.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，让毛细管数目（Ca）小于1。
15.根据权利要求1所述的微流体装置，其中，所述的压力变化范围为0-50psi。
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