PL221042B1 - Urządzenie i sposób do wysokoprzepustowego tworzenia i łączenia kropli na żądanie - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie i sposób do wysokoprzepustowego tworzenia kropli na żądanie. Wynalazek znajduje zastosowanie w mikrofluidyce i przy prowadzeniu reakcji chemicznych w mikroobjętościach.

Zawiesiny mikroskopowych kropel powstałe w wyniku rozdrobnienia jednej fazy ciekłej w innej fazie ciekłej - zwane emulsjami - oprócz swojej powszechności w naturze (substancje biologiczne) znajdują również szereg zastosowań przemysłowych takich jak produkcja farb, kosmetyków i leków. Większość kosmetycznych kremów i mleczek jest właśnie emulsjami a o ich właściwościach decyduje stopień rozdrobnienia, rozkład wielkości oraz stabilność kropel. Emulsje są również często stosowane w produkcji leków ze względu na lepszy sposób rozprowadzania i wchłaniania substancji czynnych.

Obecnie na skalę przemysłową do produkcji emulsji używa się emulsyfikatorów, czyli substancji powierzchniowo czynnych, które obniżają napięcie powierzchniowe między wybranymi płynami, dzięki czemu ułatwiają tworzenie i zwiększają stabilność kropel. Samo rozdrobnienie najczęściej zachodzi w wyniku intensywnego i gwałtownego mieszania dwóch płynnych składników. W przypadku aerozoli (zawiesin kropel cieczy w gazie np. powietrzu) wykorzystuje się zjawisko rozpadu strugi cieczy na krople w wyniku niestabilności spowodowanej napięciem powierzchniowym (niestabilność Rayleigh'a-Plateau). W ten sposób można tworzyć emulsje z dużą przepustowością, ale dyspersja wielkości kropel przekracza 10%. W ostatnich latach, ze względu na nowe zastosowania w mikroanalizie chemicznej, biotechnologii i mikro-enkapsulacji farmaceutyków niezwykle pożądana stała się możliwość produkcji kropel o ściśle określonych rozmiarach. Wysoki stopień kontroli nad objętością kropel dają urządzenia mikroprzepływowe, w których krople tworzone są w geometriach o typowych rozmiarach rzędu kilku do kilkuset mikrometrów. Zaproponowanych zostało wiele rozwiązań. Joscelyne iTragardh (Journal of Membrane Science, 2000, 169: 107-117) zaproponowali wtłaczanie fazy kroplowej do fazy ciągłej poprzez membranę z otworami rzędu 10 μm otrzymując rozkład objętości kropel o odchyleniu standardowym o = 10%. Van Dijke et al. (Lab on a Chip, 2009, 9, 2824-2830) otrzymali krople o średnicy rzędu 7.5 pm i o = 10% przy użyciu wielokrotnych wąskich szczelin między kanałami zawierającymi niemieszające się płyny.

W podobny sposób, używając otworów między komorami zawierającymi różne płyny Kobayashi et al. (Industrial & Engineering Chemistry Research, 2005, 44, 5852-5856) otrzymali krople o średnicy rzędu 30 μm i odchyleniu standardowym nieco poniżej 10%. Jednak wiele zastosowań, w szczególności w analizie i syntezie chemicznej wymaga większej precyzji, którą zapewniają w chwili obecnej jedynie urządzenia mikroprzepływowe bazujące na przecinających się mikrokanałach.

Formulacja kropel w mikrokanałach zachodzi w sposób spontaniczny, gdy skrzyżowane zostają przepływy dwóch niemieszającymi się płynów. Mechanizm powstawania kropel w istotny sposób zależy od geometrii złącza. Najczęściej stosowanymi rozwiązaniami są złącza flow-focusing [P. Garstecki et al. Physical Review Letters, 2005, 94, 164501] lub złącza typu T [P. Guillot, A. Colin, Physical Review E, 2005, 72, 066301]. W złączach flow-focusing faza kroplowa zasilana jest z jednego kanału, zaś faza ciągła z dwóch kanałów zogniskowanych w miejscu powstawania kropel. Z kolei w złączach typu T faza kroplowa porywana jest w przez prostopadły przepływ fazy ciągłej. Spontaniczne tworzenie kropel w pojedynczym złączu zapewnia wysoki stopień powtarzalności kropel, ma jednak również istotne wady. Niezależnie od rodzaju złącza krople powstają jedynie dla odpowiednio małych przepływów fazy kroplowej, podczas gdy dla dużych przepływów obserwuje się laminarny przepływ obydwu faz w postaci dwóch równoległych strug. Przepustowość urządzenia mikroprzepływowego jest w ten sposób istotnie ograniczona. Ponadto objętość kropel i stosunek ich objętości do objętości fazy ciągłej zależą od wolumetrycznych prędkości przepływu obydwu faz i nie mogą być kontrolowane niezależnie. Powyższa zależność pociąga również za sobą podatność objętości kropel na fluktuacje zasilających przepływów - rzecz wysoce niepożądana w zastosowaniach przemysłowych.

Próbą rozwiązania problemu niskiej przepustowości może być zwielokrotnienie przepływu na wiele równoległych kanałów zasilanych z jednego źródła [T. Nisisako, T. Torii, Lab on a Chip, 2008, 8, 287-293]. Rozwiązanie to jednak nie eliminuje pozostałych ograniczeń związanych ze spontanicznym tworzeniem kropel a wręcz je zwiększa. Rozgałęzienia mogą bowiem wpływać negatywnie na monodyspersyjność kropel w wyniku nierównomiernego rozkładu przepływu w poszczególnych kanałach [V. Barbier et al., Physical Review E, 2006, 74, 046306; W. Li et al., Soft Matter 2008, 4, 258]. Dodatkową przeszkodę stanowią trudne do wyeliminowania fluktuacje ciśnienia zasilającego układ przekładające się na fluktuacje prędkości przepływu poszczególnych faz a co za tym idzie wielkości powstających

PL 221 042 B1 w układzie kropel. Zaproponowane niedawno [P. Korczyk et al., Lab on a Chip 2011, 11, 173-175] zastosowanie oporowych przewodów hydraulicznych (fig. 1) w postaci cienkich (ok. 100 μm średnicy) i odpowiednio długich (ok. 0,5 m) stalowych kapilar doprowadzających płyny do układu w pewnym zakresie istotnie zmniejsza wpływ wspomnianych fluktuacji na działanie układu, jednak wiąże się z ograniczeniami takimi jak konieczność stosowania odpowiednio większych ciśnień wejściowych. Przede wszystkim nie eliminuje ono jednak problemu systematycznych zmian (najczęściej spadków) ciśnienia pojawiających się np. w wyniku niedoskonałości urządzeń zasilających i prowadzących do systematycznych zmian wielkości kropel w czasie.

W ostatnich latach zaproponowano szereg urządzeń automatyzujących proces powstawania kropel. W urządzeniach tych przepływ fazy kroplowej kontrolowany był za pomocą zaworu, czy to pneumatycznego [Y. Zheng et al., Lab on a Chip, 2009, 9, 469; K. Churski et al., Lab on a Chip, 2010, 10, 521], piezoelektrycznego [A. Bransky et al., Lab on a Chip, 2009, 9, 516], czy też za pomocą aktywnego mikro-zbiornika [J. Xu, D. Attinger, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2008, 18, 065020]. W układzie zaproponowanym przez Churskiego et al. (dotychczas nie opublikowane polskie zgłoszenie wynalazku nr P-390251) zawór został również wykorzystany do kontrolowania przepływu fazy ciągłej. Rozwiązanie to umożliwiło pełną dynamiczną kontrolę nad objętościami kropel jak i frakcją ich objętości. W ten sposób możliwe stało się tworzenie w pełni powtarzalny sposób dowolnych sekwencji kropel o zadanych rozmiarach, bez istotnych ograniczeń na stosunki objętości czy ich kolejność.

Zgodnie z wynalazkiem, urządzenie do wysokoprzepustowego tworzenia kropli na żądanie, charakteryzuje się tym, że obejmuje n > 2 mikrokanałów biorących swój początek z pierwszego bufora ciśnienia oraz n odpowiadających im mikrokanałów, biorących swój początek z drugiego bufora ciśnienia, przy czym wspomniane mikrokanały spotykają się parami w n złączach mikroprzepływowych.

Korzystnie, wspomniany pierwszy bufor ciśnienia łączy się z pierwszym źródłem płynu poprzez pierwszy kanał rozprowadzający, pierwszy port i pierwszy zawór, zaś wspomniany drugi bufor ciśnienia łączy się z drugim źródłem płynu poprzez drugi kanał rozprowadzający, drugi port i drugi zawór.

W preferowanym przykładzie realizacji wynalazku, wspomniany pierwszy kanał rozprowadzający pomiędzy wspomnianym pierwszym portem a wspomnianym pierwszym buforem ciśnienia posiada co najmniej jedno rozgałęzienie, a korzystnie posiada od 2 do 10 rozgałęzień.

W dalszym preferowanym przykładzie realizacji wynalazku, wspomniany drugi kanał rozprowadzający pomiędzy wspomnianym drugim portem a wspomnianym drugim buforem ciśnienia posiada co najmniej jedno rozgałęzienie, a korzystnie posiada od 2 do 10 rozgałęzień.

Korzystnie, wspomniany pierwszy zawór łączy się ze wspomnianym pierwszym portem poprzez oporowy przewód hydrauliczny, korzystnie kapilarę, zaś wspomniany drugi zawór łączy się ze wspomnianym drugim portem poprzez oporowy przewód hydrauliczny, korzystnie kapilarę.

Korzystnie, wspomniane złącza mikroprzepływowe (16) są złączami typu T lub złączami ogniskującymi, tzw. flow-focusing.

W szczególnie korzystnym przykładzie realizacji, urządzenie według wynalazku posiada czujnik, korzystnie kamerę, do obserwacji wielkości kropli powstającej w co najmniej jednym ze wspomnianych złącz mikroprzepływowych, połączony bezpośrednio lub pośrednio z co najmniej jednym ze wspomnianych zaworów.

W jednym z preferowanych przykładów realizacji wynalazku, urządzenie dodatkowo obejmuje n > 2 mikrokanałów biorących swój początek z trzeciego bufora ciśnienia, łączących się parami ze wspomnianymi n mikrokanałami, korzystnie w ten sposób, że powstaje n szeregowo połączonych par złącz mikroprzepływowych typu T.

Wynalazek obejmuje także sposób do wysokoprzepustowego tworzenia kropli na żądanie, zgodnie z którym przepuszcza się pierwszy płyn przez n > 2 mikrokanałów biorących swój początek z pierwszego bufora ciśnienia oraz przepuszcza się drugi płyn przez n odpowiadających im mikrokanałów, biorących swój początek z drugiego bufora ciśnienia, przy czym wspomniane mikrokanały spotykają się parami w n złączach mikroprzepływowych i steruje się przepływem pierwszego płynu przez pierwszy bufor ciśnienia i drugiego płynu przez drugi bufor ciśnienia.

Korzystnie, wspomniany pierwszy płyn lub wspomniany drugi płyn jest płynem złożonym z dwóch mieszających się lub nie mieszających się płynów.

Korzystnie, w sposobie według wynalazku tworzy się jednocześnie krople dwóch mieszających się płynów, a następnie łączy je, na przykład za pomocą pola elektrycznego lub innymi znanymi w stanie techniki sposobami koalescencji kropli.

PL 221 042 B1

W preferowanym przykładzie realizacji wynalazku, wspomniany pierwszy bufor ciśnienia łączy się z pierwszym źródłem płynu poprzez pierwszy kanał rozprowadzający, pierwszy port i pierwszy zawór, wspomniany drugi bufor ciśnienia łączy się z drugim źródłem płynu poprzez drugi kanał rozprowadzający, drugi port i drugi zawór, zaś wspomniane sterowanie przepływem pierwszego płynu przez pierwszy bufor ciśnienia i drugiego płynu przez drugi bufor ciśnienia odbywa się poprzez otwieranie i zamykanie wspomnianego pierwszego zaworu i wspomnianego drugiego zaworu, odpowiednio.

W szczególnie korzystnym przykładzie realizacji wynalazku, za co najmniej jednym wspomnianych złącz mikroprzepływowych umieszcza się czujnik do obserwacji wielkości kropli w tym złączu, korzystnie kamerę, i sygnałem z tego czujnika steruje się pracą co najmniej jednego ze wspomnianych zaworów.

Korzystne przykłady realizacji wynalazku zostaną obecnie omówione w odniesieniu do załączonego rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia schemat połączenia elementów zewnętrznych względem układu, w szczególności umiejscowienie zbiorników z płynami, zaworów i przewodów hydraulicznych, fig. 2 przedstawia schemat rozmieszczenia kanałów w układzie wraz z wejściami i ujściem oraz z zaznaczonymi złączami typu T, fig. 3 przedstawia charakterystykę działania układu z 16 równoległymi złączami bez zaworów (a) i z zaworami (b), fig. 4 przedstawia zależność wielkości kropel od prędkości przepływu fazy kroplowej w układzie z 16 równoległymi złączami z wyzwalaniem zamknięcia zaworu kroplowego z kamery (symbole „•”) i bez wyzwalania (symbole „o”), zaś fig. 5 przedstawia schemat pojedynczego złącza i układu równolegle połączonych złącz w przypadku pojedynczego złącz typu T (a) oraz podwójnego złącza typu T (b), a także w przypadku zastosowania dwóch mieszających się faz kroplowych (c).

Istotą prezentowanego wynalazku jest zastosowanie rozwiązania zaproponowanego przez

Churskiego et al. (dotychczas nie opublikowane polskie zgłoszenie wynalazku nr P-390251) do zasilania odpowiednio skonstruowanego układu równolegle połączonych kanałów. Nieoczekiwanie okazało się to możliwe, mimo wspomnianych powyżej problemów. Zastosowanie zaworów w pojedynczym złączu zwiększa zakres dopuszczalnych prędkości przepływu obydwu faz oraz zakres objętości i frakcji objętości tworzonych kropel, jak również uniezależnia powyższe jedne od drugich oraz umożliwia tworzenie dowolnych sekwencji kropel różnych objętościach (fig. 3). Dzięki odpowiedniej konstrukcji układu do tworzenia kropel jednocześnie w wielu równoległych złączach (fig. 2), w szczególności dzięki odpowiedniej geometrii i dystrybucji kanałów, powyższe charakterystyki dla pojedynczego złącza zostają zachowane w przypadku wielu złącz przy jednoczesnym zwiększeniu przepustowości urządzenia proporcjonalnie do liczby złącz. Nowością jest również zastosowanie kontroli nad objętością kropel w czasie rzeczywistym możliwą do zastosowania zarówno w pojedynczym jak w równoległym układzie (fig. 4). Rozwiązanie to polega na sprzężeniu zaworu obsługującym fazę kroplową z sygnałem z kamery lub innego urządzenia detekcyjnego informującego o chwilowej objętości kropli.

P r z y k ł a d 1

Na opisywany system (fig. 1) składają się zewnętrzne źródła płynów pod ciśnieniem 1, 2, zawory 3, 4, hydrauliczne przewody oporowe 5, 6 oraz sam układ mikroprzepływowy 7. Zewnętrzne zbiorniki z płynami 1, 2 podłączone są bezpośrednio do sterowanych przez komputer zaworów elektromagnetycznych 3, 4. Zawory te są otwierane i zamykane zgodnie z ustalonym uprzednio protokołem. Ujście każdego z zaworów podłączone jest do jednego z dwóch długich oporowych przewodów hydraulicznych 5, 6, które doprowadzają płyny bezpośrednio do układu. Każdy z płynów wtłaczany jest do układu (fig. 2) poprzez okrągłe otwory wejściowe 8, 9 do szerokich (0,8 mm) kanałów rozprowadzających 10, 11 tworzących rozgałęzioną sieć. Rozgałęzienia te mają na celu równomierną dystrybucje ciśnienia. Kanały rozprowadzające wpadają do wydłużonych zbiorników 12, 13 pełniących rolę buforów ciśnienia (po jednym dla każdego z płynów). Z obydwu zbiorników wyprowadzone są w tej samej liczbie długie (ok. 2-3 cm) równoległe mikrokanały 14, 15 (szer. 0,2 mm). W ten sposób każdemu mikrokanałowi 15 zawierającemu fazę ciągłą odpowiada mikrokanał 14 zawierający fazę kroplową. Odpowiadające sobie mikrokanały spotykają się w oddalonych od buforów ciśnienia złączach 16 typu T z jednym mikrokanałem 17 odprowadzającym na złącze, w którym obie fazy biegną wspólnie, z czego jedna w postaci kropel. Obie fazy opuszczają układ poprzez ujście atmosferyczne 18. Uproszczony schemat układu oraz pojedynczego złącza typu T przedstawia fig. 5a.

PL 221 042 B1

Tworzenie kropel w złączach 16 kontrolowane jest działaniem zaworów 3, 4. Przez czas t_d włączona jest faza kroplowa (droplet) zaś wyłączona faza ciągła (continuous). Następnie, przez czas t_c faza kroplowa zostaje wyłączona zaś faza ciągła włączona i okres się zamyka. Przy przepływach wolumetrycznych odpowiednio q_d i q_c otrzymujemy w ten sposób ciąg jednakowych kropel każda o objętości V_d = q_dt_d,_open rozdzielonych fragmentami fazy ciągłej o objętości V_C = q_ct_c,_open. Zatem długość L kropel i odstępy L_c między nimi w kanałach można kontrolować zmieniając czasy otwarcia zaworów (fig. 3b) t_d,_open i t_c,_open (w skrócie t_d i t_c) w odróżnieniu od sytuacji bez zaworów (fig. 3a) w której wielkości L jak i L_c są obydwie funkcjami przepływów wolumetrycznych q_d i q_c. Urządzenie daje również możliwość zaprojektowania ciągu N kropel o dowolnych objętościach odpowiednio dobierając ciąg czasów otwarcia zaworów {(t_d1,t_c1), (t_d2,t_c2),...,(t_dN,t_cN)}. Dokładność odtworzenia powyższego ciągu czasów otwarcia w postaci ciągu objętości kropel wyznaczona jest dla każdej kropli z osobna poprzez stosunek Δ2ί_: gdzie Δt jest opóźnieniem związanym ze skończonym czasem, w którym zawór osiąga pełne otwarcie lub zamknięcie. W szczególności również zachodzi t_d, t_c > 2ΔΙ

Frakcja objętości kropel wyraża się wzorem φ = q_dt_d,_open/(q_dt_d,_ope_n + q_ct_c,_open) dzięki czemu, podobnie jak w przypadku samej objętości kropel, możliwe jest jej kontrolowanie niezależnie od przepływów poprzez dopasowanie czasów otwarcia zaworów. Górne ograniczenie na frakcję objętości przy zadanej objętości kropel V również wynika z opóźnienia Δt i wynosi φ_Π3Χ(ν) = V/(V+2q_:At).

Konstrukcja układu, w szczególności zastosowanie oporowych przewodów hydraulicznych 5, 6, rozgałęzionych kanałów rozprowadzających 10, 11, buforów ciśnienia 12, 13 oraz długich mikrokanałów doprowadzających 14, 15 do złącz 16 nastawiona jest na zwiększenie oporu hydrodynamicznego układu a w efekcie zmniejszeniu względnych fluktuacji oporu związanych z obecnością kropel w układzie i niedoskonałością wykonania samych kanałów 10, 11, 14, 15. W ten sposób mniejsze fluktuacje oporu przekładają się na mniejsze fluktuacje rozmiaru kropel. Zwiększenie oporów hydrodynamicznych zmniejsza efekt fluktuacji, jednak nie uniezależnia wielkości kropel od przyłożonych ciśnień. Osiągnięcie tego celu możliwe jest dopiero dzięki zastosowaniu sprzężenia zwrotnego, czyli uzależnieniu działania zaworów od chwilowej wielkości kropel. Wynik działania takiego sprzężenia, w szczególności stałość objętości powstających kropel niezależnie od prędkości przepływu fazy kroplowej zademonstrowany został na fig. 4. W prezentowanym przykładzie realizacji, sprzężenie zwrotne polega na wyzwalaniu zamknięcia zaworu kroplowego sygnałem z kamery w momencie, gdy kropla w wybranym kanale osiąga zadaną długość. Dla wybranego piksela na kamerze, w odległości L od złącza, ustawiony zostaje próg jasności którego przekroczenie sygnalizuje pojawienie się granicy faz kropla-faza zewnętrzna. Wtedy zawór z fazą kroplową jest zamykany, zaś włączana jest faza ciągła i powstaje kropla o długości L. Ponieważ ten sam zawór obsługuje wszystkie równoległe kanały, tej samej długości krople powstają jednocześnie we wszystkich kanałach. Ze sposobu działania urządzenia wynika więc, że o monodyspersyjności kropel w czasie w wybranym kanale decyduje dokładność działania sprzężenia zwrotnego. Jednak ze względu na wielość kanałów 14, 15 istotną rolę odgrywa tutaj również konstrukcja samego urządzenia, w szczególności precyzja wykonania oraz długość mikrokanałów 14, 15 oraz geometria buforów ciśnienia 12, 13 wewnątrz układu, jak również długość zewnętrznych przewodów oporowych 5, 6.

W omawianym przykładzie realizacji, układ mikroprzepływowy zbudowany jest z trzech warstw poliwęglanu. W górnej i dolnej warstwie o grubości odpowiednio 2 i 5 mm wyfrezowane zostają odpowiednio szerokie kanały rozprowadzającego 10, 11 szerokości 0,8 mm i mikrokanały 14, 15 o szerokości 0,2 mm wraz ze złączami 16 typu T. Środkowa warstwa rozdziela kanały w obu sąsiadujących warstwach jednocześnie je przykrywając oraz zawiera w odpowiednich miejscach otwory przelotowe. Układ sklejony zostaję w prasie hydraulicznej pod ciśnieniem 1 MPa i w temperaturze 130°C po uprzedniej modyfikacji każdej z płytek w plazmie tlenowej.

Wykorzystanie dwóch zaworów 3, 4, jednego 4 kontrolującego fazę ciągła zaś drugiego 3 - kroplową, do obsługiwania wielu równolegle połączonych złącz można rozszerzyć do przypadku większej liczby zaworów, t.j., kiedy powstaje potrzeba wprowadzania do układu więcej niż dwóch faz. Wprowadzenie dodatkowej fazy do układu otwiera możliwość np. skanowania warunków reakcji chemicznych (pojedyncze złącze przystosowane do tego celu opisane zostało przez K. Churskiego, et al. w dotychczas nie opublikowanym polskim zgłoszeniu wynalazku nr P-390251) lub tworzenia emulsji podwójnych (przykład układu pasywnego z jednym złączem przystosowanym do tego celu podaje N. Panacci et al., Physical Review Letters, 2008, 101, 164502).

PL 221 042 B1

P r z y k ł a d 2

Poniżej opisujemy zintegrowany układ wielu podwójnych złącz (fig. 5b) z możliwością zastosowania do tworzenia emulsji podwójnych, przy wielokrotnie zwiększonej przepustowości. Dodatkowa, trzecia faza doprowadzana jest do układu oraz rozprowadzana po układzie w analogiczny sposób jak dwie pozostałe fazy. Warto jednak zauważyć, że dodanie każdej kolejnej fazy łączy się ze zwiększeniem o dwie liczby warstw z których zbudowany jest układ, gdyż jest to konieczne, aby uniknąć krzyżowania się kanałów. W zależności od przeznaczenia układu możliwe jest zastosowanie różnego rodzaju złącz. Interesującym przykładem jest połączenie dwóch złącz typu T, które może być wykorzystane do tworzenia kropel wielokrotnych (w przypadku zastosowania niemieszających się faz kroplowych). Taki układ w przykładzie realizacji zilustrowano na fig. 5b. W pierwszym złączu typu T powstają krople np. fazy C w fazie B (złącze T_CB), czyli emulsja C/B, podczas gdy w drugim złączu (TBA) powstają krople fazy B w fazie A, co odpowiada podwójnej emulsji C/B/A.

P r z y k ł a d 3

Poniżej opisujemy inny zintegrowany układ wielu podwójnych złącz (fig. 5b) z możliwością zastosowania do tworzenia mieszanin, również przy wielokrotnie zwiększonej przepustowości. Wykorzystuje się tutaj podwójne złącze typu T innego rodzaju niż w przypadku układu do generacji emulsji podwójnych. Mieszające się fazy kroplowe B i C doprowadzane są do fazy ciągłej A niezależnie za pomocą dwóch złącz T_CA i TBA, dzięki czemu powstaje para kropel C/A i B/A. Taka para kropel może następnie ulegać koalescencji, na przykład w wyniku przyłożonego pola elektrycznego, generowanego przez doprowadzone w okolice złącza elektrody. Odpowiedni układ w przykładzie realizacji zilustrowano na fig. 5c. Zmieniając objętości kropel B i C uzyskujemy kontrolę nad stosunkami reagentów w połączonej kropli B+C. Efektywność mieszania składników wewnątrz połączonej kropli zapewniają zakrzywione kanały wylotowe. Ruch kropli wewnątrz zakrzywionych kanałów prowadzi do przemieszczania się wirów wewnątrz kropli umożliwiając mieszanie [H. Song, J. D. Tice, R. F. Ismagilov, Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 768].

Claims (13)

1. Urządzenie do wysokoprzepustowego tworzenia kropli na żądanie, znamienne tym, że obejmuje n > 2 mikrokanałów (14) biorących swój początek z pierwszego bufora ciśnienia (12) oraz n odpowiadających im mikrokanałów (15), biorących swój początek z drugiego bufora ciśnienia (13), przy czym wspomniane mikrokanały (14, 15) spotykają się parami w n złączach mikroprzepływowych (16).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wspomniany pierwszy bufor ciśnienia (12) łączy się z pierwszym źródłem płynu (1) poprzez pierwszy kanał rozprowadzający (10), pierwszy port (8) i pierwszy zawór (3), zaś wspomniany drugi bufor ciśnienia (13) łączy się z drugim źródłem płynu (2) poprzez drugi kanał rozprowadzający (11), drugi port (9) i drugi zawór (4).

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że wspomniany pierwszy kanał rozprowadzający (10) pomiędzy wspomnianym pierwszym portem (8) a wspomnianym pierwszym buforem ciśnienia (12) posiada co najmniej jedno rozgałęzienie, a korzystnie posiada od 2 do 10 rozgałęzień.

4. Urządzenie według zastrz. 2 albo 3, znamienne tym, że wspomniany drugi kanał rozprowadzający (11) pomiędzy wspomnianym drugim portem (9) a wspomnianym drugim buforem ciśnienia (13) posiada co najmniej jedno rozgałęzienie, a korzystnie posiada od 2 do 10 rozgałęzień.

5. Urządzenie według zastrz. 2, 3 albo 4, znamienne tym, że wspomniany pierwszy zawór (3) łączy się ze wspomnianym pierwszym portem (8) poprzez oporowy przewód hydrauliczny (5), korzystnie kapilarę, zaś wspomniany drugi zawór (4) łączy się ze wspomnianym drugim portem (9) poprzez oporowy przewód hydrauliczny (6), korzystnie kapilarę.

6. Urządzenie według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienne tym, że wspomniane złącza mikroprzepływowe (16) są złączami typu T lub złączami ogniskującymi, tzw. flow-focusing.

7. Urządzenie według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń od 2 do 6, znamienne tym, że posiada czujnik, korzystnie kamerę, do obserwacji wielkości kropli powstającej w co najmniej jednym ze wspomnianych złącz (16), połączony bezpośrednio lub pośrednio z co najmniej jednym ze wspomnianych zaworów (3, 4).

8. Urządzenie według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienne tym, że dodatkowo obejmuje n > 2 mikrokanałów biorących swój początek z trzeciego bufora ciśnienia, łączących się

PL 221 042 B1 parami ze wspomnianymi n mikrokanałami (14, 15), korzystnie w ten sposób, że powstaje n szeregowo połączonych par złącz mikroprzepływowych typu T.

9. Sposób do wysokoprzepustowego tworzenia kropli na żądanie, znamienny tym, że przepuszcza się pierwszy płyn przez n > 2 mikrokanałów (14) biorących swój początek z pierwszego bufora ciśnienia (12) oraz przepuszcza się drugi płyn przez n odpowiadających im mikrokanałów (15), biorących swój początek z drugiego bufora ciśnienia (13), przy czym wspomniane mikrokanały (14, 15) spotykają się parami w n złączach mikroprzepływowych (16) i steruje się przepływem pierwszego płynu przez pierwszy bufor ciśnienia (12) i drugiego płynu przez drugi bufor ciśnienia (13).

10.Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że wspomniany pierwszy płyn lub wspomniany drugi płyn jest płynem złożonym z dwóch mieszających się lub nie mieszających się płynów.

11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że tworzy się jednocześnie krople dwóch mieszających się płynów, a następnie łączy je, korzystnie za pomocą pola elektrycznego.

12. Sposób według zastrz. 9, 10 albo 11, znamienny tym, że wspomniany pierwszy bufor ciśnienia (12) łączy się z pierwszym źródłem płynu (1) poprzez pierwszy kanał rozprowadzający (10), pierwszy port (8) i pierwszy zawór (3), wspomniany drugi bufor ciśnienia (13) łączy się z drugim źródłem płynu (2) poprzez drugi kanał rozprowadzający (11), drugi port (9) i drugi zawór (4), zaś wspomniane sterowanie przepływem pierwszego płynu przez pierwszy bufor ciśnienia (12) i drugiego płynu przez drugi bufor ciśnienia (13) odbywa się poprzez otwieranie i zamykanie wspomnianego pierwszego zaworu (3) i wspomnianego drugiego zaworu (4), odpowiednio.

13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że za co najmniej jednym wspomnianych złącz mikroprzepływowych (16) umieszcza się czujnik do obserwacji wielkości kropli w tym złączu (16), korzystnie kamerę, i sygnałem z tego czujnika steruje się pracą co najmniej jednego z zaworów (3, 4).