CN113661007A - 用于将小滴注射在微流体系统中的系统和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于将第一流体(F1)的小滴递送到第二流体(F2)的小滴的微流体设备，其包括：主通道(10)，其具有携载所述第二流体的小滴的载体流体(FC)；辅助通道(20)，其在第一相交点(T1)处通过第一孔口(41)及第一流体界面(31)且在所述第一相交点下游的第二相交点(T2)处通过第二孔口(42)及第二流体界面(32)流体地联接到所述主通道，其中所述载体流体的流动诱发所述第一孔口和所述第二孔口之间的压力差，所述压力差产生平衡条件，使得所述第二流体界面的弯月面在所述第二孔口附近维持在所述辅助通道中，其中平衡偏差触发所述第一流体的体积从所述第二流体界面到所述主通道中的释放。

Description

用于将小滴注射在微流体系统中的系统和设备
背景技术
本文档涉及在微流体和毫流体系统中处置流体，且更确切地说，在所谓的小滴系统—小滴微流控(droplet microfluidics)—中处置流体，所述小滴微流控用于例如生化和生物分析应用中。本文档致力于以受控方式混合若干流体。
更确切地说，本申请是针对微通道中的两相流，在所述微通道中，第二流体的小滴由载体流体传输。当第二流体的一个小滴穿过主通道和辅助通道之间的相交点时，此微通道系统允许第一流体的受控体积到主通道中的释放。
已经研究了微微型注射器在从微微升到微升的范围内将第一流体的小滴递送到第二流体的小滴中的原理。
文档US2016194225中公开了如图1中所示出的此类微微型注射器。小滴借助于激活电极从侧储集器注射到主通道中。
然而，此类微微型注射器需要在侧储集器中进行非常精细的压力控制以适当地操作。此类准确的绝对压力控制需要使用昂贵的组件。
本发明人已致力于提议一种更具成本效益的解决方案，以在微微升到微升的范围内将第一流体的小滴递送到第二流体的小滴中。
发明内容
本文档提出一种用于递送第一流体的体积及第二流体的一个或多个小滴的一次或多次释放的具有受控系统的微流体设备，其包括：
-主通道，其具备具有流动方向的载体流体，载体流体携载浸没在载体流体中的第二流体的一个或多个小滴，
-辅助通道，其被形成为具有预界定封闭容积的储集器，在两个相交点处流体地联接到主通道，其中辅助通道：
○通过被配置成在辅助通道中在载体流体和第一流体之间产生第一流体界面的第一孔口连接到第一相交点；
○通过被配置成在载体流体和第一流体之间产生第二流体界面的第二孔口连接到第一相交点下游的第二相交点；
其中载体流体的流动诱发第一孔口和第二孔口之间的压力差，压力差产生平衡条件，使得第二流体界面的弯月面在第二孔口附近维持在辅助通道中；
其中大于预界定阈值的相对于平衡条件的平衡偏差触发第一流体的体积从第二流体界面到主通道中的释放。
因此，在此类设备中无需精细的压力控制。代替地，使用相对压降来产生上文所提及的平衡条件，这比使用高准确度泵成本上更低。微流体芯片的大小因此被优化且是可扩展的。从电力消耗的视角来看，此微流体装置也是一种有利的解决方案。
我们在此注意到，所谓的“平衡偏差”可以是任何类型的现象，且由任何类型的致动器产生。
在从句“体积的释放”下，其应被理解为一个小滴的释放，但其不限于小滴释放。此所述体积也可直接释放到循环到主通道中的一个小滴中。
平衡条件意味着以使得此微流体芯片处于稳定情形的方式设置微流体装置，所述稳定情形在出现小干扰时变得不稳定。当所述情形不稳定时，会产生平衡偏差。
可被称作“微微型注射器”的此类装置是可控制的、可再现的且特定的。实际上，所述系统是可控制的，这是因为可决定是否释放第一流体的体积。此外，所述系统是可再现的，这是因为释放体积对于尤其通过给定流动速率、小滴的固定大小、给定辅助通道和通道的给定尺寸而确定的给定方案始终是相同的。最后，所述系统是特定的，这是因为释放是精确的。
此外，由于第二流体界面的可靠稳定化，即使微流体装置的操作停止，微流体芯片也是可重复使用的。
根据一个选项，第二流体界面处的相对于平衡条件的平衡偏差可由在第一相交点和第二相交点之间在主通道中传递的第二流体的至少一个小滴产生，由此增加了压降并触发了第一流体的体积从第二流体界面的释放。
滴在第一相交点和第二相交点之间传递会产生扰动，这意味着所述系统已移动远离平衡条件。在扰动足够大的条件下，第一流体的体积(例如小滴)释放到主通道中。
此微流体装置使得有可能界定平衡/不平衡条件，使得由滴在第一孔口和第二孔口之间传递而诱发的扰动足以触发第一流体的体积到主通道中的释放。因此，所述操作纯粹是被动的，不涉及主动组件。因此，此类系统极具成本效益。
根据一个选项，第二流体界面处的相对于平衡条件的平衡偏差可由致动器产生，从而允许第一流体的体积从第二流体界面的释放。
由此，通过致动器的选择性激活来控制释放，此激活可由软件产生。因此，可靠且有条件的控制是可能的。
根据一个选项，致动器可以是与辅助通道、优选地与超声波振动直接或间接相互作用的压电致动器。
此类压电致动器易于控制且是高效的。此类压电致动器可在衬底上直接集成在微芯片配置中。
根据一个选项，致动器可作用于布置在辅助通道中的可变形膜，可变形膜在被按压时触发小滴从第二流体界面的释放。
根据一个选项，一对或多对电极可在第二相交点处或下游沿着主通道定位，以在主通道内部产生电场且引起第一流体的小滴与第二流体的小滴的聚结。
所述电极易于定位及控制。通过所述电极的激活选择性地触发聚结。
根据一个方面，当无小滴可在主通道中循环时，具有第一曲率半径和第二曲率半径的第一流体界面及具有第三曲率半径和第四曲率半径的第二流体界面被设定大小以遵循公式：
Figure BDA0003293086620000031
其中：
Q对应于主通道中的流动速率；
RL对应于主通道的线性液压阻力；
LAB对应于第一相交点和第二相交点之间的距离；
γ对应于第一流体和载体流体之间的界面张力；
h′对应于第一流体界面的第一曲率半径；
w′对应于第一流体界面的第二曲率半径；
h对应于第二流体界面的第三曲率半径；
w对应于第二流体界面的第四曲率半径。
由于此几何条件，当无第二流体的小滴在主通道中循环时，所述系统是稳定的。
根据一个方面，当一个或多个小滴可在第一相交点和第二相交点之间循环时，具有第一曲率半径和第二曲率半径的第一流体界面及具有第三曲率半径和第四曲率半径的第二流体界面被设定大小以遵循公式：
Figure BDA0003293086620000032
其中：
Q对应于主通道中的流动速率；
RL对应于主通道的线性液压阻力；
LAB对应于第一相交点和第二相交点之间的距离；
α对应于常数；
n对应于在第一相交点和第二相交点之间循环的第三流体的滴的数目；
Ldrio对应于在第一相交点和第二相交点之间循环的第三流体的滴的长度；
γ对应于第一流体和载体流体之间的界面张力；
h′对应于第一流体界面的第一曲率半径；
w′对应于第一流体界面的第二曲率半径；
h对应于第二流体界面的第三曲率半径；
w对应于第二流体界面的第四曲率半径。
当流体以两分支配置而循环时，两个分支之间的流量比由对流体流的每一分支阻力之间的比设置。设置每一通道的几何参数可改变两个通道之间的流量比。如果与第一流体不可混溶的第二流体存在于一个分支中，则两个弯月面将使第二流体与第一流体分离。每一弯月面能够维持压降。通过用通道几何参数来设置每一弯月面的大小，有可能产生稳定情形，其阻止第二通道中的流。有可能设置参数，使得此情形是稳定的，且在小干扰下变得不稳定(流出现在第二通道中)。
当第二流体的一个或多个小滴在第一相交点和第二相交点之间传递时，以上不等式针对未将第一流体的体积释放到主通道中确定平衡条件。在此类状况下，为了将第一流体的体积释放到主通道中，致动器是必要的。
根据一个方面，当第二流体界面处的相对于平衡条件的平衡偏差可由在第一相交点和第二相交点之间在主通道中传递的第二流体的一个小滴产生，由此增加了压降并触发了第一流体的体积从第二流体界面的释放时，此时一个小滴可在第一相交点和第二相交点之间循环，且具有第一曲率半径和第二曲率半径的第一流体界面及具有第三曲率半径和第四曲率半径的第二流体界面被设定大小以遵循公式：
Figure BDA0003293086620000041
当不使用致动器时，当一个或多个小滴通过第二相交点时，以上不等式确定要遵循的用于将第一流体的体积释放到主通道中的平衡条件。
根据一个选项，在第一相交点和第二相交点之间在主通道中的压降可由主通道的布置在第一相交点和第二相交点之间、优选地刚好在第二孔口上游的横截面限定部增加。
主通道的横截面限定部产生过压(即增加压降)且这允许小滴在主通道中在横截面限定部处传递，以可靠地触发所要体积从第二流体界面的释放。每当横截面限定部接近第二相交点时，从第二界面递送的第一流体的小滴就将与主通道中的第二流体的小滴一起行进。主通道的横截面限定部还允许通过监测第一相交点和第二相交点之间的位置处的压力而实现对主通道的小滴的跟踪。
根据一个选项，其中辅助通道具有布置在第二孔口附近且朝向第二孔口会聚的漏斗形状。
当微流体装置的操作停止时，第一孔口和第二孔口之间的压力平衡。由于漏斗形状，第二流体界面保持在第二相交点附近且基本上不向后移动。漏斗形状使得第一流体界面处的第一曲率半径和第二曲率半径将采取与第二流体界面处的第三曲率半径和第四曲率半径相同的大小。
此外，当微流体装置重新进行操作时，将产生压力梯度，其将使第三曲率半径和第四曲率半径再次前进以便再次平衡第二孔口处的压力。
漏斗形状可具有在40°和160°之间的孔径角。
根据一个选项，可紧邻第一孔口在辅助通道的入口处提供缩减区段。
辅助通道的入口处的缩减区段阻止穿过主通道的第二流体的一个或多个小滴进入辅助通道。仅载体流体可进入辅助通道。
有必要在缩减区段中具有少许的载体流体。还有必要在第一流体界面处具有第一和第二大曲率半径。因此，如果第一流体上升到第二孔口的水平面，则这不得上升到缩减区段。最终，当第一流体将清空时，辅助通道处的阻力将改变。如果第一孔口处的阻力相较于辅助通道的阻力极大，则阻力的改变将受到限制。可在产品的整个生命周期内再现的注射将是较佳的。
由于所布置的主通道的横截面限定部、第二孔口的漏斗形状和紧邻第一孔口的缩减区段，第二孔口处的流体注射速率取决于通过主通道的第一孔口和第二孔口之间及通过辅助通道的第一孔口和第二孔口之间的阻力的比。此特定的几何形状使得有可能管理辅助通道的液压阻力且平衡此比。
根据一个选项，一个监测元件可跟踪在第一相交点和第二相交点之间循环的至少一个小滴。
在使用此类监测元件的状况下，所述监测元件允许确切知道何时激活致动器。其还允许控制微微型注射器的平稳运行。
根据一个选项，监测元件可被形成为压力传感器，其用于测量存在于第一相交点和第二相交点之间的位置处的压力，以用于控制装置的操作。
根据一个选项，监测元件可被形成为电容式传感器，其用于确定在第一相交点和第二相交点之间在主通道中的小滴通路，以用于控制装置的操作。
根据一个选项，可在载体流体中和/或在第二流体的小滴中提供表面活性剂化合物。
当表面活性剂化合物注射在载体流体中时，表面活性剂化合物改变第二流体界面和第一流体界面之间的界面张力。其允许调整系统的操作范围和第一流体的体积到主通道中的释放。
根据一个选项，可提供一个或多个另外的辅助通道，每一辅助通道被形成为具有预界定封闭容积的另外的储集器，在两个另外的相交点处流体地联接到主通道，其中辅助通道连接到主通道。
微微型注射器的串联配置允许注射若干产品且将不同流体的受控体积释放到主通道中。
根据一个选项，载体流体可以是油，例如矿物油。第一流体可以是被配置成检测第二流体中所含有的分析物的试剂。第二流体可以是待分析的尿液样品。
本公开进一步提出一种在微流体设备内释放第一流体的一个或多个小滴及第二流体的一个或多个小滴的方法，其中所述方法包括：
-提供携载浸没在载体流体中的第二流体的一个或多个小滴的主通道，
-提供辅助通道，其被形成为具有预界定封闭容积的储集器，在两个相交点处流体地联接到主通道，通过被配置成在辅助通道中在载体流体和第一流体之间产生第一流体界的面第一孔口与第一相交点流体地联接，且通过被配置成在载体流体和第一流体之间产生第二流体界面的第二孔口与第一相交点下游的第二相交点流体地联接，
-将载体流体的流动赋予到主通道中，从而从载体流体的流动诱发第一孔口和第二孔口之间的压力差，压力差产生平衡条件，使得第二流体界面的弯月面在第二孔口附近维持在辅助通道中；
-产生大于预界定阈值的相对于平衡条件的平衡偏差，由此触发第一流体的体积从第二界面到主通道中的释放。
附图说明
[图1]表示根据现有技术的微微型注射器；
[图2]表示根据本发明的微微型注射器；
[图3]表示根据本发明的具有致动器和电极的微微型注射器；
[图4]表示根据第二实施例的微微型注射器；
[图5]表示根据本发明的串联的微微型注射器的系统；
[图6]表示根据本发明的主通道的液压阻力相对于时间的演进。
[图7]示出微流体系统的放大视图。
[图8]及[图9]分别示出出现弯月面的第一流体界面和第二流体界面。
[图10]示出具有可变形膜和传感器的变型微流体系统的放大视图。
具体实施方式
本文档提供一种用于通过使用具有微通道的微流体装置在微米到毫米的范围下将第一流体的受控体积及第二流体的一个或多个小滴的一次或多次释放递送到主通道中的装置。微通道经处理以便是疏水性的。当载体流体是疏水性的时，微通道需要是疏水性的。然而，载体流体也可以是亲水性的，且在此类状况下，微通道是亲水性的。此微流体装置可在环境温度下或在另一温度下工作。
如图7处所展示，提供一个或两个泵PC1、PC2以将标示为FC的载体流体循环到标示为10的主通道中。另外，提供一个泵P2以将第二流体F2的滴释放到主通道10中。由泵PC1和P2构成的系统典型地是流动聚焦的几何形状。此流动聚焦是产生小滴的实例。在另一实施例中，此流动聚焦可由T型结、协流或另一系统替换。此流动聚焦的几何形状允许产生具有较小大小且在两个连续小滴之间具有小间距的第二流体的小滴。两个加长通道101、102、110通过延长每一通道的长度来增加每一通道的液压阻力。因此，当形成第二流体的小滴时的液压阻力的改变是可忽略的。泵PC2和通道103允许间隔开第二流体F2的两个连续小滴且通过将一定量的载体流体注射到主通道中而增加流动速率。
第二流体F2与载体流体FC不可混溶，因此，第二流体F2保持为沿着其在载体流体的层流内的路径的小滴。在所示出的实例中，载体流体是油，例如矿物油。第二流体F2例如是体液。此处，我们尤其考虑到第二流体是人类个体的尿液样品的状况。然而，第二流体可以是动物的尿液样品(兽医用途)。此外，第二流体可以是淋巴、新鲜血液、唾液、汗水或任何类型的体液。
基本上，所提供的布置可以用于任何生物分析。此外，所提供的布置可以用于需要将化合物/物种精确注射在另一化合物/物种中的任何化学过程的任何框架。
如图2和7中所示出，微微型注射器装置9包括在其中循环具有流动方向FW的载体流体FC的上文所提及的主通道10和将稍后论述的辅助通道20。
在主通道内，流动速度介于0,001mm/s和10mm/s之间，优选地介于0,02mm/s和1mm/s之间。条件使得流动是层流的。
本文中所描述的主通道和所有其它通道可以是在衬底中实现的微机器加工导管。替代地，本文中所描述的主通道和所有其它通道可以是硅微型芯片上系统。
主通道的标称横截面可介于10μm2和1mm之间。
在所示出的实例中，横向截面展现(具有宽度和高度)的矩形形状。然而，圆形形状的横向截面或任何其它基本横向截面形状也涵盖在本公开内。
载体流体携载第二流体F2的一个或多个小滴。微微型注射器9还包括被形成为含有第一流体F1的预界定封闭容积V1的储集器的辅助通道20。
第一流体F1可以是当存在第二流体F2中所含有的特定化合物时打算用于化学反应的反应物。此第一流体F1与载体流体FC不可混溶。此第一流体F1可以是能够相互作用且检测第二流体F2中所含有的葡萄糖、蛋白质、酮或例如LH和HCG的激素的所有类型的试剂。
此辅助通道20在两个相交点T1、T2处流体地联接到主通道。更精确地说，辅助通道20通过第一孔口41连接到第一相交点T1。在辅助通道内，紧邻第一孔口或在第一孔口41的某一距离D1处(根据第一流体随着时间的逐渐消耗)，我们发现载体流体FC和第一流体F1之间的第一流体界面31。
辅助通道还通过第二孔口42连接到第一相交点下游的第二相交点T2。在辅助通道内，紧邻第二孔口42，我们发现载体流体和第一流体之间的第二流体界面32。此处我们注意到，当泵PC1和/或PC2停止时，第二流体界面32出于下文进一步解释的原因而保持在第二孔口42附近。
辅助通道整体呈U形状，且第一相交点和第二相交点处于主通道的同一侧。然而，有可能在主通道的一侧具有第一相交点，且在主通道的另一侧具有第二相交点。在此状况下，辅助通道不展现U形状。此外，第二孔口42在辅助通道中具有朝向第二孔口会聚的漏斗形状50。
此处我们注意到，重力的影响是可忽略的。
当微流体装置在运行时，第二流体界面32通过压力平衡在第二孔口附近维持在辅助通道中，这是由于系统的特定几何形状而被允许。实际上，载体流体的流动在第一孔口和第二孔口之间诱发压力差(PA-PB)，所述压力差产生平衡条件。
由辅助通道形成的储集器中的第一流体的量在第一流体的体积的多次释放之后逐渐减少；第一流体的体积损失在某种程度上与装置的有效操作成比例。
由于所提供的布置，体积损失引起第一流体界面31处的弯月面的移动。更精确地说，所述第一流体界面从第一孔口41移开，等同于所述体积损失。但是，第二流体界面32处的弯月面基本上保持在第二孔口附近。换句话说，距离D1乘以辅助通道的横截面面积表示体积损失。
在标称操作下，即当载体流体在主通道中循环时，此压力差(PA-PB)将第一流体界面31推离主通道。
当微流体装置的操作停止时，第一孔口和第二孔口处的相应压力相等。
在第二孔口42处在辅助通道中设置漏斗形状50，所述漏斗形状朝向第二孔口会聚。
有利地，第一流体界面处的第一曲率半径R1和第二曲率半径R2将采取与第二流体界面处的第三曲率半径R3和第四曲率半径R4相同的大小。
此外，当微流体装置重新进行操作(激活泵PC1和/或PC2)时，产生如之前所提及的压力梯度，这使第三和第四曲率半径再次改变以便再次平衡第二孔口处的压力。
下文确定使得第一流体的第二流体界面保持在主通道的水平面处而不泄漏的条件。
首先，研究无第二流体F2的小滴的状况，即仅载体流体FC流过主通道10。
一方面，其中流体以流动速率Q循环的通道中的压降等于通道的液压阻力R乘以流动速率：Δ＝Q×R。
微流体通道的液压阻力取决于其尺寸，以及在此处流动的流体的粘度η。举例来说，对于具有高度h和宽度w的矩形截面通道，线性液压阻力可通过以下公式估算：
Figure BDA0003293086620000091
在图2中所示出的微微型注射器中，在第一相交点和第二相交点之间存在压降：
PA-PB＝Q×RL×LAB
其中：
PA对应于第一相交点处的压力；
PB对应于第二相交点处的压力；
Q对应于主通道中的流动速率；
RL对应于主通道的线性液压阻力；
LAB对应于第一相交点和第二相交点之间的距离。
另一方面，通常，在两种流体之间的界面的交叉点处存在压力差。这是拉普拉斯压力，其表达式由表面张力系数γ(N.m-1)和表面的主要曲率R1和R2给出：
Figure BDA0003293086620000092
如图2中所示出，第一流体和载体流体之间存在两个界面。在矩形截面的状况下，R1不能小于通道的高度H1的一半，而R2不能小于宽度W1的一半，如图8中所示出。因此，考虑到两个曲率半径的限制状况，第一相交点、第二相交点处及第一流体内的压力通过以下关系式联系起来：
Figure BDA0003293086620000101
及PA-PB＝Q*RL*LAB，
其中：
PC对应于辅助通道中在第一流体内的压力；
γ对应于第一流体和载体流体之间的界面张力；
h′对应于第一流体界面的第一曲率半径R1；
w′对应于第一流体界面的第二曲率半径R2；
h对应于第二流体界面相对于通道的高度H2的第三曲率半径R3，如图9中所示出；
w对应于第二流体界面相对于宽度W2的第四曲率半径R4，如图9中所示出；
因此，如果满足以下条件，则第一流体不会在主通道中泄漏：
Figure BDA0003293086620000102
仅当相对于平衡条件存在平衡偏差时，才将第一流体的体积从第二流体界面释放到主通道中。
在一个实施例中，第二流体界面处的相对于平衡条件的平衡偏差由在第一相交点和第二相交点之间在主通道中传递的第二流体F2的至少一个小滴产生。
根据一个实例，在至少一个小滴在第二相交点附近传递之前且当此至少一个小滴在第一相交点和第二相交点之间时释放所述体积。
根据另一实例，在至少一个小滴在第二相交点的水平面处传递期间释放所述体积。
根据另一实例，当至少一个小滴刚好定位在第二相交点下游时，正好在至少一个小滴在第二相交点附近传递之后，释放所述体积。
下文解释允许第二流体界面在小滴传递到第二相交点中时前进的条件。
在两相流的状况下，如图6中所示出，第一相交点和第二相交点之间的阻力不再恒定：小滴的传递产生过压。
实际上，在第一相交点和第二相交点之间主通道的液压阻力随时间变化而变化。在第一时间a中，在第一相交点和第二相交点之间仅存在载体流体：压降被最小化，第二流体界面的第三和第四曲率半径相对高。在第二时间b中，第二流体的小滴到达第一相交点，通道的液压阻力增加，从而引起第一相交点和第二相交点之间的压降的增加：第二流体界面在辅助通道中前进，且变形以采取较小曲率半径。在第三时间c中，第二流体的小滴完全在第一相交点和第二相交点之间。在第四时间d中，第二流体的小滴在第二孔口的水平面处传递：这是第一流体的体积从第二流体界面到主通道中的释放的时刻。第一流体的体积从第二流体界面到主通道中的释放因此可通过使第二流体的小滴的流动速率、大小或频率变化而修改。
例如压力传感器或电容式传感器的监测元件96可用于跟踪在第一相交点和第二相交点之间循环的至少一个小滴。压力传感器可以沿着主通道放置。电容式传感器可以被放置成面向主通道，且测量确定第二流体的至少一个小滴何时穿越第二孔口的容量变化。其它传感器也可用于跟踪在第一相交点和第二相交点之间循环的至少一个小滴。
当使小滴传递时主通道中的压降的良好近似如下：
ΔPdrop＝Q*RL*[LAB+(α-1)*n*Ldrop]
其中：
Ldrop是第二流体的小滴的严格低于LAB的长度；
n是第一相交点和第二相交点之间的小滴的数目；
α介于1和10之间。
因此，第二流体界面在第一流体不在主通道中泄漏的情况下前进，其条件是：
Figure BDA0003293086620000111
换句话说，在第二孔口的水平面处，存在限制的弯月面。也就是说，在几何形状上，从弯月面的直径等于第二孔口的直径的时刻起，如果继续推动而非继续减小，则弯月面大小开始增加：超过限制点。使用所述系统，以便不远离此限制点但保持稳定。为了保持稳定，这意味着直到弯月面的直径开始再次增加才继续进行，这对应于当所述系统从稳定系统过渡到不稳定系统时的时刻。所述系统刚好被设置在被称作不平衡距离的此平衡态条件下。
如图2中所示出，微微型注射器的操作范围取决于微流体通道的尺寸，且取决于所使用流体的性质。因此，所做出的选择可对应于系统进行操作所针对的广泛范围的流动速率。这种解决方案适用于微型系统，也就是说，所述微型系统的特性尺寸约为1μm到1mm，其流动速度约为1μm/s到1cm/s，即流动速率约为若干fL/s到若干mL/s。低于此范围时，将第一流体的体积释放在主通道中是不可能的。高于此范围时，退出微流体方案。
在不存在第二流体的小滴的情况下，A和B之间的液压阻力等于：
Figure BDA0003293086620000112
因此，为了使系统稳定且在不存在第二流体的小滴的情况下不泄漏第二流体，流动速率Q必须为：
Figure BDA0003293086620000121
现在考虑到，第二流体的小滴在主通道中循环，其具有100μm的Ldrop长度，且其间隔开超过300μm。因此，在第一相交点和第二相交点之间至多存在单个小滴。考虑到α＝5，第一相交点和第二相交点之间的液压阻力等于：
Figure BDA0003293086620000122
因此，为了使系统稳定且在滴传递时不泄漏第二流体，我们必须具有：
Figure BDA0003293086620000123
在另一实施例中，如图3中所示出，在辅助通道附近添加致动器16。此致动器充当布置在辅助通道中的可变形膜。
如图10中所示出，在第一流体界面上游的位置处设置与辅助通道进行流体连通的侧凹座95。侧凹座通过孔口98以气密方式直接固定到辅助通道。
另外，提供被形成为侧凹座的一个柔性侧壁的可变形膜97。侧凹座95填充有载体流体FC。
当侧凹座被按压时可从侧凹座中被推动出来的侧凹座95内部的载体流体的量介于0.1pL和10μL之间。
在另一实施例中，侧凹座95还可在第一流体界面和第二流体界面之间直接定位在辅助通道中。在此类状况下，侧凹座95由第一流体F1填充。
应注意，侧凹座可具有不同形状：立方体，或球体，或另一形式。
构成可变形膜的材料是柔性的，且允许膜在被按压时减小侧凹座95或辅助通道的容积。膜的厚度介于1μm和50mm之间。
当通过致动致动器99来按压可变形膜时，侧凹座95或辅助通道中所含有的一部分流体从空腔或辅助通道中被推动出来，从而引起第一流体的体积在第二孔口处释放到主通道中。
监测元件96允许跟踪第一孔口和第二孔口之间的至少一个小滴。当此监测元件注意到一个小滴到达第二孔口时，可变形膜被按压以将第一流体的体积释放到主通道中。
此致动器还可以是与辅助通道、优选地与超声波振动直接或间接相互作用的压电致动器17。此超声波振动产生扰动第二流体界面的辐射压力。
当激活致动器时，允许/触发小滴从第二流体界面的释放。此致动器是产生相对于平衡条件的平衡偏差的另一方式。
因此，微微型注射器可以是被动的，或需要例如致动器的外部系统。
根据一个选项，提供沿着主通道刚好定位在第二相交点下游的电极18。所述电极用于在主通道内部产生电场，且引起第一流体的小滴与第二流体的小滴聚结。
取决于要聚集在一起的流体F1、F2的性质，所述聚结可仅通过使第一流体的小滴与第二流体的小滴有效接触而被动地发生，即无任何电场致动。存在于载体流体中的表面活性剂可帮助此被动聚结。
在另一实施例中，如图4中所示出，主通道的横截面限定部80布置在第一相交点和第二相交点之间，优选地仅布置在第二孔口上游。此外，紧邻第一孔口在辅助通道的入口处提供缩减区段60。
主通道的横截面限定部80产生过压，且这允许主通道的在第二相交点处传递的小滴和从第一流体界面释放的小滴一起行进。主通道的此横截面限定部还允许实现对主通道的小滴的跟踪。
辅助通道的入口处、即第一孔口41处的缩减区段60阻止穿过主通道的一个或多个小滴进入辅助通道。仅载体流体FC穿过缩减区段60。
每当可能出现此条件时，缩减区段60就也可阻止一些第一流体回流到主通道。
缩减区段60的液压阻力不取决于第一流体界面处的弯月面的位置，此液压阻力与D1值无关，其沿着第一流体的体积损失保持稳定。
在另一实施例中，如图5中所示出，微流体设备可进一步包括类似于第一辅助通道9的至少另外的辅助通道92。所述微流体设备可具有多于两个辅助通道，例如如图5中所示出的三个辅助通道。每一辅助通道9、92、93被形成为具有预界定封闭容积的储集器，在两个相交点处流体地联接到主通道，处于第一辅助通道的第二相交点下游且连接到主通道。
第二辅助通道92容纳第三流体F3；第三辅助通道93容纳第四流体F4。
此类微流体设备可用于注射呈串联配置的若干产品以便释放不同流体的受控体积。然而，不同辅助通道也可以并联配置而布置。辅助通道可以如图5中所示出，或是如图2中所示出的微微型注射器和/或如图3中所示出的微微型注射器和/或如图4中所示出的微微型注射器的组合。
表面活性剂化合物可以添加在载体流体中和/或添加在第二流体的小滴中。通过修改界面张力，其有助于定制并利用在第二孔口附近具有第二流体界面而不泄漏到主通道中的条件。各种类型的表面活性剂是可能的：司盘(Span)80、吐温(Tween)20或吐温80。未提及的其它经典的表面活性剂也是可能的。
应注意，尽管以上的载体流体是油且第二流体是水性溶液，但也考虑了相反的配置，即水性溶液作为载体流体且油性溶液作为第二流体。
辅助通道的高度可以不同于主通道的高度。举例来说，辅助通道可较大以允许存储较大量的流体，且因此增加例如系统的使用持续时间。
重力对上述内容没有影响，相对于例如毛细作用和液压头损失的其它物理量，可忽略流体静压力。

Claims (15)

1.一种用于递送第一流体(F1)的体积及第二流体(F2)的一个或多个小滴的一次或多次释放的具有受控系统的微流体设备，其包括：
-主通道(10)，其具备具有流动方向(FW)的载体流体(FC)，所述载体流体携载浸没在所述载体流体(FC)中的所述第二流体的一个或多个小滴；
-辅助通道(20)，其被形成为具有预界定封闭容积(V1)的储集器，在两个相交点处流体地联接到所述主通道，其中所述辅助通道：
ο通过被配置成在所述辅助通道中在所述载体流体和所述第一流体之间产生第一流体界面(31)的第一孔口(41)连接到第一相交点(T1)；
ο通过被配置成在所述载体流体和所述第一流体之间产生第二流体界面(32)的第二孔口(42)连接到所述第一相交点下游的第二相交点(T2)；
其中，所述载体流体的流动诱发所述第一孔口和所述第二孔口之间的压力差，所述压力差产生平衡条件，使得所述第二流体界面的弯月面在所述第二孔口附近维持在所述辅助通道中；
其中，大于预界定阈值的相对于所述平衡条件的平衡偏差触发所述第一流体的体积从所述第二流体界面到所述主通道中的释放。
2.根据权利要求1所述的微流体设备，其特征在于，所述第二流体界面(32)处的相对于所述平衡条件的所述平衡偏差是由在所述第一相交点和所述第二相交点之间在所述主通道中传递的所述第二流体的至少一个小滴产生，由此增加了压降并触发了所述第一流体的体积从所述第二流体界面的释放。
3.根据权利要求1到2中任一项所述的微流体设备，其特征在于，所述第二流体界面处的相对于所述平衡条件的所述平衡偏差是由致动器(16)产生，从而允许所述第一流体的体积从所述第二流体界面的释放。
4.根据权利要求3所述的微流体设备，其特征在于，所述致动器是压电致动器(17)，其与所述辅助通道、优选地与超声波振动直接或间接相互作用。
5.根据权利要求3所述的微流体设备，其特征在于，所述致动器作用于布置在所述辅助通道中的可变形膜，所述可变形膜在被按压时触发小滴从所述第二流体界面的释放。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微流体设备，其特征在于，一对或多对电极(18)在所述第二相交点处或下游沿着所述主通道定位，以在所述主通道内部产生电场且引起所述第一流体的小滴与所述第二流体的小滴的聚结。
7.根据权利要求1所述的微流体设备，其特征在于，当无小滴在所述主通道中循环时，具有第一曲率半径和第二曲率半径的所述第一流体界面及具有第三曲率半径和第四曲率半径的所述第二流体界面被设定大小以遵循公式：
Figure FDA0003293086610000021
其中：
Q对应于所述主通道中的流动速率；
RL对应于所述主通道的线性液压阻力；
LAB对应于所述第一相交点和所述第二相交点之间的距离；
γ对应于所述第一流体和所述载体流体之间的界面张力；
h′对应于所述第一流体界面的所述第一曲率半径；
w′对应于所述第一流体界面的所述第二曲率半径；
h对应于所述第二流体界面的所述第三曲率半径；
w对应于所述第二流体界面的所述第四曲率半径。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微流体设备，其特征在于，当一个或多个小滴在所述第一相交点和所述第二相交点之间循环时，所述第一流体界面第一曲率半径和第二曲率半径及具有第三曲率半径和第四曲率半径的所述第二流体界面被设定大小以遵循公式：
Figure FDA0003293086610000022
其中：
Q对应于所述主通道中的流动速率；
RL对应于所述主通道的线性液压阻力；
LAB对应于所述第一相交点和所述第二相交点之间的距离；
α对应于常数；
n对应于在所述第一相交点和所述第二相交点之间循环的第三流体的小滴的数目；
Ldrop对应于在所述第一相交点和所述第二相交点之间循环的所述第三流体的小滴的长度；
γ对应于所述第一流体和所述载体流体之间的界面张力；
h′对应于所述第一流体界面的所述第一曲率半径；
w′对应于所述第一流体界面的所述第二曲率半径；
h对应于所述第二流体界面的所述第三曲率半径；
w对应于所述第二流体界面的所述第四曲率半径。
9.根据前述权利要求中任一项所述的微流体设备，其特征在于，在所述第一相交点和所述第二相交点之间在所述主通道中的压降由所述主通道的布置在所述第一相交点和所述第二相交点之间、优选地刚好在所述第二孔口上游的横截面限定部(80)增加。
10.根据前述权利要求中任一项所述的微流体设备，其特征在于，所述辅助通道具有布置在所述第二孔口附近且朝向所述第二孔口会聚的漏斗形状(50)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的微流体设备，其特征在于，在所述辅助通道的入口处紧邻所述第一孔口提供缩减区段(60)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的微流体设备，其特征在于，一个监测元件跟踪在所述第一相交点和所述第二相交点之间循环的至少一个小滴。
13.根据前述权利要求中任一项所述的微流体设备，其特征在于，在所述载体流体中和/或在所述第二流体的所述小滴中提供表面活性剂化合物。
14.根据权利要求1所述的微流体设备，其进一步包括一个或多个另外的辅助通道，每一辅助通道被形成为具有预界定封闭容积的另外的储集器，在两个另外的相交点处流体地联接到所述主通道，其中所述辅助通道连接到所述主通道。
15.根据前述权利要求中任一项所述的微流体设备，其特征在于，所述第二流体(F2)是待分析的尿液样品，其中所述载体流体是油，且其中所述第一流体是被配置成检测所述第二流体中所含有的分析物的试剂。
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