TW201111033A - Flow controlled microfluidic devices - Google Patents

Description

201111033 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般係關於微流體裝置以及更特別是關於具有 特定通道在其中之微流體裝置。 【先前技術】 微流體裝置又稱為微結構反應器，微管道反應器，微電 路反應器，或微反應器，是指可以侷限住流體使其執行處理 的裝置。在有些應用上，處理可能牽涉到化學反應的分析 。在其他應用上，處理可能牽涉到化學物理，和/或生物的 處理，執行作為製造或生產處理過程的一部分。在任何這 些應用中’一種或以上運作的流體侷限在微流體裝置可以 和一種或多種相關的熱交換流體交換熱。在任何情況下， 運作流體侷限空間的特徵最小尺寸一般大約是〇. linm到’5 麵，最好是〇· 5麵到2麵。 【發明内容】 這種偶限最典型的形式是微管道，微流體裝置可以運 作成連續流_反絲。微管勒部的尺寸提供質量和熱 傳輸速率相當的改善。使職管道的微反絲提供很多優 於傳統大小反應器的優點，包括在能量效能，反應速度，反 應產量，安全性，穩定性，可測量性等报多方面的改善。例 如，微管道可以安排在一層内，譬如圖丨所示堆疊結構的一 部份。在圖1中，堆疊的微流體農置1〇可包括一層5〇包括 微管道的反應劑通道可放置在其内。 依據本發明的-項實施例中，提供微流體裝置1〇。微 201111033 流體裝置10可包括至少一個反應劑通道6〇,界定在微流體 裝置10的層50内。每個反應劑通道60可包括沿著中央軸 110置放的至少一個槽室70, 75。每個槽室1〇〇可包括沿著 中央軸110放置的一個槽室入口 120,沿著中央軸11〇放置的 一個槽室出口 130,和放置在槽室入口 12〇和槽室出口 13〇之 間的兩個次通道140,145。每個次通道140,145可界定和中 央軸110分歧的路徑，然後朝中央轴11〇彙集。每個槽室1〇〇 可進一步包括一個分裂流動的區域150,位在兩個次通道 140,145和槽室入口 120之間，以使分裂流動的區域15〇將腔 室入口 120劃分成兩個次通道HO, 145。更進一步，可在兩 個次通道140,145和槽室出口 130之間放置一個連結流動的 區域160,以使連結流動的區域160合併兩個次通道14〇, 145 。分裂流動的區域150可包括至少一個引導流動的岬角18〇 ，位在槽室入口 120對面，包括沿著中央軸no置放的一個終 端190。連結流動的區域160可包括至少一個引導流動的山甲 角185位在槽室出口 130對面，包括沿著中央軸no置放的一 個終端195。我們認為一個或兩個分裂流動的區域15〇或連 結流動的區域160可包括一個如以下說明的引導流動的岬 角0 在進一步的實施例中，每個引導流動的岬角510, 52〇, 530, 540, 550, 560 的終端 515, 525, 535, 545, 555, 565 可以是 彎曲的，直的，階梯狀，或這些的任意組合。 在更進一步的實施例中，每個槽室1〇〇的每個次通道 140可包括至少一個彎處170。每個彎處17〇可界定一種形 201111033 狀以至少90度來改變次通道丨4〇内的流體流方向。 在更進一步的實施例中，每個槽室3〇〇的每個次通道 310可包括至少兩個彎處330, 335。次通道310可包括一個 直形區域315,位於任何兩個彎處33〇,335之間。兩個次通 道310, 320的直形區域315, 325可包括一樣的寬度。 本發明由實施例所顯示之這些及其他特性由閱讀下 列詳細說明以及附圖將能夠最佳地瞭解。 【實施方式】 參考圖2的實施例中，微流體震置的層50可包括至少-個反應劑通道60界定在層5G Θ。反細通道6〇可藉由垂直 的結構界定出，如圖中所示的斷面。如圖所示可在層5〇内 使用各種外型的多個不同反應劑通道。更者，雖然各種材 料都被認為是合適的，但層5Q最好是由玻璃，玻璃陶究，陶 究’或其混合物或組合而形成。如果需要的話也可以使用 其他材料，譬如金屬或聚合物。 再參考圖2,每個反應劑通道60可包括沿著中央軸11〇 置放的-個或社的槽室7G，75。在—些實細中，如圖所 不’反應劑通道60可包括多個連續排列的槽室7()，75。如這 裡使用的•，連續，，是針對多個槽室的排列，第-槽室70的腔 室出口（描述如下)和第二觀75的槽室人口（描述 體傳輸。雖細2顯示了連續的兩個槽室70, 75,但我們切 桃=只使用-個槽室（未顯示)，或譬如通道咖中超過 兩固曰至。作為更進-步範例，圖4顯示的反應劑通道2〇〇 包括沿著中央細置放的四個槽室H)(UG2，m，和： 201111033 圖5B也顯示沿著中央轴110置放的四個槽室（goo 302 304, 和306)的反應劑通道400。雖然圖中顯示四個槽室，但最好 要瞭解依據本發明的實施例，不一定要限制在四個槽室。 再參考圖2,在一些實施例中，反應劑通道可包括至 少一個進給入口 90, 92,流體由此進入到反應劑通道60，當 其流經槽室70和75時加以混合。更者，反應劑通道6〇可包 括至少一個產物出口 94,混合的流體可經由此離開反應劑 通道60。如圖2所示，反應劑通道60可包括兩入口 90, 92,和 一個位在靠近反應劑通道60相對端的出口 94;然而我們認 為也可以包括較多或較少的入口或出口，以及在反應劑通 道60的不同位置安排入口和出口。 參考圖3A，反應劑通道内的每個槽室1〇〇可包括沿著中 央軸110放置的一個槽室入口 120,沿著中央軸11〇放置的一 個槽室出口 130,和放置在槽室入口 120和槽室出口 13〇之間 的兩個次通道140,145。每個次通道14〇, 145可界定和中央 軸110分歧的路徑，然後朝中央轴11〇彙集。在一項實施例 中，槽室出口 130可包括和槽室入口 120的寬度山真正相等 的寬度ώ。在其他實施例中，次通道14〇和145可界定相對 於中央軸110的對稱路徑。在一些實施例中，次通道14〇和 145可以至少部份是彎曲的。在一些實施例中，次通道14〇 和145可包括寬度wi和W2,兩者小於槽室入口 120的寬度^ 和槽室出口 130的寬度d2。 再參考圖3A，次通道140和145可包括至少一個驚處女 範例顯示的170和175。例如，每個彎處170和175可界定〜 201111033 種升v狀，用來改變流m欠通道的方向，彎處至少是⑽度 、。=圖所顯示，但不是絲加以關，f處m和175可放在 =者個別次通道140和145的路徑，次通道和中央軸11〇最大 分歧的位置。在—些實施例中，彎處170和175可分別和次 通道140和145的彎曲區域作流體傳輸。 參考圖5A所示的另-實施例中，每個次通道31〇和32〇 可包括至少兩個間隔的彎處。例如，次通道31〇包括兩個間 隔的4處330和335,而次通道32〇包括兩個間隔的彎處34〇 # 345 i #實施例中，母個次通道可包括位在任何兩個 間隔的彎處之間的直形區域。例如，次通道31〇包括位在間 隔的·彎處330和335之間的直形區域315。同樣地次通道32〇 包括位在間隔的.f處340和345之間的直形區域咖。 在一些實施例中，次通道31〇的直形區域315寬度奶可 以是真正等於次通道320的直形區域325寬度阶。 請再參考圖3A-3C，每個槽室1〇〇可進一步包括位在兩 個次通道140,145和槽室入口 12〇之間的分裂流動的區域 150,以使分裂流動的區域15〇將槽室入口 12請分成兩個次 通道140,145。更進-步，可在兩個次通道14〇, 145和槽室 出口 130之間放置-個連結流動的區域16〇，以使連結流動 的區域160合併兩個次通道14〇, 145。槽室出〇 13〇可以和 反應劑通道内連續槽室（未顯示）的槽室人口作_傳輸。 更進-步如圖所示，每個槽室·可在分裂流動的區域 150,連結流動的區域⑽，或兩者内包括至少—個引導流動 的山甲角。分裂流動的區域15〇可包括至少一個將流動的 201111033 坪角180,在槽室入口 120對面，包括位於沿著中央轴ιι〇的 一個終端190。更者，連結流動的區域16〇可包括至少一個 引導流動的岬角185位在槽室出口 13〇對面包括沿著中央 軸110置放的一個終端195。如圖3B所示，分裂流^的區域 150可包括至少一個引導流動的岬角18〇位在槽室入口 12〇 對面。引導流動的岬角18〇可包括沿著中央軸11〇置放的一 個終端190。如圖3C所示，連結流動的區域16〇可包括至少 一個引導流動的岬角185位在槽室出口 130對面。引導流^ 的坪角185可包括沿著中央軸no置放的一個終端I%。 如圖3Β和3C所示，"引導流動的岬角"是指任何引導流 的結構，當放置在槽室入口 12〇或槽室出口 13〇的對面時可 界定一個引導流動的斷面沿著中央軸丨丨〇延伸，分別在槽室 入口 120或槽室出口 13〇的方向收縮成引導流動的終端wo 或195。雖然圖3Α將分裂流動的區域150和連結流動的區域 160兩者描述成分別包括引導流動的岬角180和185,但我們 認為如上所述，一些槽室100也可以只包括一個引導流動的 岬角。 圖6A-6F沒有限制地顯示先前反應劑通道槽室的實施 例中’所指出的各種引導流動的岬角結構實施例。在每個 圖中’顯示沿著中央轴110置放的槽室入口 120。每個引導 流的岬角結構位在槽室入口 120對面。每個引導流動的岬 角結構包括沿著中央軸110置放的一個終端。雖然朝下指 的箭碩表示引導進入槽室，並朝向所示岬角結構的流體流， 但應該要了解，當流向是相反時(也就是流體流根據圖示從 201111033 角結構，並經由槽室出口引導朝 )，希望以這姻巾所示實施__ 角姓禮不背離本發明的鱗，也可以將料流動的呼 角、U冓的實施例作很多種變化和組合。 ，6A所示的實施例中，引導流動的_角結構51〇在中央 〇的兩邊界定一個向内彎曲的(凹面的)輪廓， 4的畔角結構51〇的兩邊和中央㈣〇交界處的一 終端515。在圖6B所示的另—實施例中，引導流動的畔角結 構520也在中央轴110的兩邊界定一個凹面的輪摩。和單點 終端515不同，終端525是位在截斷引導流動的岬角結構52〇 凹面輪廓所形成的水平表面上。在另一未顯示的實施例中 ’引導流動的岬角結構可塑形成類似於引導流動的岬角結 構520,但截斷的凹面輪廓由包含終端的圓形頂端部份所取 代。 參考圖6C，引導流動的岬角結構530在中央轴11〇的兩 邊鄰近終端535處界定一個向外彎曲的（凸面的）輪廓。又 在圖6D所示的另一實施例中，引導流動的岬角結構54〇界定 一個平滑的弧形輪廓，有一個終端545位在中央軸11〇上。 在另一未顯示的實施例中，引導流動的岬角結構也可以有 一個終端位在截斷引導流動的岬角結構530凸面輪廓所形 成的水平表面上。 在圖6E所示的實施例中，引導流動的岬角結構55〇不是 凹面也不是凸面，而只是斜的。終端555在靠近流入口 12〇 9 201111033 的引導流動㈣角結構550上只界定一個點。在另一個實 施例中，顯示為550的結構可以被截斷。在圖6F所示的實施 例中，弓丨導流動_角結構56〇界定一個階梯狀結構，其中 終端565在階梯狀結構上構成上方扁平表面。本項發明各 種實施範例描述的微流體裝置可以在微反應器内有效混人 不融合的㈣，餘雜，和氣-㈣分散液。依據本項發° 明實施範例的微流體裝置可藉由維持或提升流體混合的品 貝’並降低流體流動的抗壓性，達到更高的產量。不要限制 於理論，我們相信本發明的微流體裝置可藉著消除微反應 器内有害的效應譬如频，—般性賴環，和”腿"，提供 增加的混合品質，和減少的壓力降。 本文所揭示之裝置及/或使用方法通常有用於進行進 行任何牽涉到混合，分離，提煉，結晶，沉澱或其他處理液體 或液體混合物的製程，包含多相態的液體混合物並且包含 含有亦納入有部份固體之多相態液體混合物的液體或液體 混合物。該處理可包含物理性製程，經定義如製程而可獲 致有機，無機或有機和無機兩者物種之互變的化學性反應， 生物化學性製程或是任何其他形式的處理。可於本揭方 法及/或裝置内進行下列非限制性的反應列表：氧化，·還原； 取代；消除;加成聚合；配位基交換；金屬交換及離子交換。 更詳細地說，可於本揭方法及/或裝置内進行下列非限制性 列表的任何反應：聚合;烷基化;脫烷基化;硝化;過氧化;硫 氧化;環氧化；氨氧化；氫化;脫氫化；有機金屬反應；貴金屬 化學/均相催化劑反應；羰基化;硫碳醯化;烷氧基化；鹵化； 201111033 =化^轉化縣化观基化;胺化;芳 猶縮合;環合;脫氫環化;醋化;醜胺化;雜環 :’脫」醇解，水解;氨解;鱗化;酶促合成;縮酮 ;皂化；異 甲醜化;相轉移反應;石夕烧化;猜合成;填酸化； ^氧化’且氮化學，複分解;石夕氫化;輕合反應；以及酶。 【圖式簡單說明】 ▲下列本發珊定實施例之詳細_當連同下列附圖閱 讀時將能夠最佳地瞭解，其中相同的結構以相同的參考符 號說明。 圖1為不意透視圖，其顯示出依據本發明實施例之微流 體裝置的一般層化結構。 圖2為依據本發明實施例界定出反應劑通道垂直壁板 結構之斷面平面圖。 圖3A為依據本發明實施例一層微流體裝置反應劑通道 内槽室之平面圖。 圖3B為依據本發明實施例顯示於圖3A中槽室之流動分 裂區域之插圖。 圖3C為依據本發明實施例顯示於圖中槽室之流動合 併區域之插圖。 圖4為一層微流體裝置單一反應劑通道之示意性透視 圖’通道包含依據本發明實施例在圖从中所顯示型式之多 個連續性槽室。 圖5A為依據本發明實施例一層微流體裝置反應劑通道 内槽室之平面圖。 201111033 、圖5B為-層微流體裝置單—反應親道之示意性透視 圖，通道包含依據本發明實施例在圖5A中所顯示型 個連續性槽室。 圖6A-6F為tf意圖，其顯示出依據本發明實施例之流動 分裂坪角之實施例，該山甲角包含終端位於沿著一層微流體 裝置反應劑通道之中央軸内。 附圖中所揭示實施例本質上為說明性以及並非預期限 制申請專利範圍所界定之本發明。除此，附圖以及本發明 之各別特性將_書更力，顯的及完全地被了解。 【主要元件符號說明】 试流體裝置1〇;層5〇;反應劑通道6〇 6〇a;槽室7〇， 75;進給入口9()，92;產物出口94;槽室1()()，1()2，1〇4，1〇6 ’中央軸110·’槽室入口 12〇;槽室出口 13〇;次通道14〇， 145;分裂流的區域15〇;連結流動的區域靴彎處17〇， Π5’引導流動的坪角18〇，185;終端19〇195;反應劑通道 200;槽室300, 302, 304, 306;次通道31〇 32〇;直形區域 灿’325;，彎處33〇’335;，彎處職345;反應劑通道棚； 引導流動料肖510,520，咖，54〇,550,560;終端515， 525, 535, 545, 555, 565。 12

Claims (1)

1. 201111033 七、申請專利範圍 1. 一種微流體裝置10，其包括至少—個反應劑通道6〇界定 在微流體裝置1〇的一層50内，每個反應劑通道6〇可包括位 於沿著中央軸11〇的一個或多個槽室7〇, 75，其中每個槽室 100包括： 位於沿著中央軸110的槽室入口 120; 位於沿著中央軸110的槽室出口 130; 兩個次通道14〇, 145,每一次通道位於槽室入口 120和槽 室出口 130之間，其中每個次通道14〇, 145可界定成和中央 轴110分歧的路徑，以及再朝中央軸11〇彙集； 分裂流動的區域150位在兩個次通道140,145和槽室入口 120之間，其中分裂流動的區域150將槽室入口 120劃分成兩 個次通道140,145; 連結流動的區域160位於兩個次通道14〇, 145以及槽室出 口 130之間，其中連結流動的區域16〇合併兩個次通道丨4〇， 145; 其中分裂流動的區域150包括至少一個引導流動的岬角 180位在槽室入口 12〇對面，以及每—引導流動的岬角180， 185包含終端190,195位於沿著中央軸。 2. 依據申請專利範圍第丨項之微流體裝置1〇,其中裘少一個 反應劑通道60包含多個槽室7〇, 75以連續方式排列。 3. 依據申請專利範圍第2項之微流體襞置1〇,其中第一槽室 之槽室出口 130與連續性槽室75之槽室入口 12〇為流體相 通。 13 201111033 4. 依據申請專利範圍第1項之微流體裝置10,其中每-終端 190,195為彎曲的直的，或其組合。 5. 依據申請專利範圍第1項之微流體裝置10,其巾槽室出口 130包含寬度為士，實質上等於槽室入口 12〇之寬度山。 6·依據申請專利範圍第1項之微流體裝置10,其中兩個次通 道140,145相對於中央軸11〇彼此為對稱的。 7.依據申請專利範圍第1項之微流體裝置1〇,其中每個次通 道140,145之寬度dl，d2分別地小於槽室入口丨2〇及槽室出 口 130 之寬度 dl，d2。 8·依據申凊專利範圍第1項之微流體裝置10,其中每個次通 道140,145至少部份為彎曲的。 9. 依據申請專利範圍第1項之微流體裝置10,其中每個次通 道140包含至少一個彎處17〇。 10. 依據申請專利範圍第9項之微流體裝置1 〇,其中每個彎 處170,175界定出形狀配置成改變流體流動方向至少90度c 11. 依據申請專利範圍第9項之微流體裝置1〇,其中彎處 位於沿著通道14〇之路徑位置，在該位置次通道140由中央 軸110最大地分歧。 12. 依據申請專利範圍第1項之微流體裝置1〇,其中微流體 裝置10由一種或多種玻璃，玻璃陶瓷，以及陶瓷形成。 13. 依據申請專利範圍第1項之微流體裝置1〇,其中每一次 通道310包含至少兩個分隔之彎處330, 335。 14. 依據申請專利範圍第13項之微流體裝置10,其中每一次 通道315包含直的區域315位於至少兩個分隔彎處330, 335 14 201111033 之間。 15.依據申請專利範圍第14項之微流體裝置10,其中兩個次 通道140,145之直的區域315, 325包含實質上相同的寬度奶 • , W2 0 15