TWI828804B - 流體分離裝置及分離流體的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示微結構化辨別裝置，其用於在流體流動中分離包括微粒和/或流體的疏水性-親水性流體性複合物。辨別是表面能梯度的結果，該梯度藉由物理變化紋理表面和/或變化表面化學性質而獲得，此二者皆做空間分級。此種表面辨別並且空間分離微粒和/或流體而無外部能量輸入。本發明的裝置包括平臺，其具有徑向排列的分岔微通道。微通道的腔表面可以具有表面能梯度，其藉由沿著尺度來變化層次排列之微結構的週期性而生成。表面能梯度在二區域中變化。於一預先分岔區域，表面能梯度產生流體流動。於後面另一分岔區域，靠近分岔則有表面能差異，以致回應於每個後面分岔通道中的不同表面能梯度，而將不同的流動部分區分到分開的通道中。據此，藉由流體系統能的全面極小化，可將不同疏水性的流體和/或不同疏水性的微粒驅動到分開的通道中。

Description

流體分離裝置及分離流體的方法
本發明一般而言關於包括空間變化層次化微結構的裝置。
更特別而言，本發明有關包括空間變化層次化微結構的裝置，而以流體流動來產生分級溫佐(Wenzel)和分級卡西(Cassie)介面。這些分級介面的特徵可以是表面能梯度。這些表面能梯度可以分開或組合地涉及空間變化微結構，以產生空間變化之化學誘發的表面能梯度，其可以於裝置中驅動流體流動。
流體在微米和更小尺度下的行為可以異於「巨流體性」(macrofluidic)行為，這是因為例如表面張力、能量逸散和流體性阻力的因素開始掌控系統動力學。在小尺度(在100奈米到500微米左右的通道尺寸和表面紋理)，出現某些有趣且有時是非直覺的性質。尤其，雷諾 (Reynolds)數(其比較流體動量的效應與黏滯性的效應)可以變得極低。關鍵結果是複合流體轉變為共同流動流體態，其中流體構成物未必如傳統所想的混合。隨著流動變成層流而非紊流，共同流動流體之間的分子運輸時常必須透過擴散。也注意到離子交換表面可以在水中產生超過100百萬帕的極高滲透壓，因為它們生成高表面濃度的反離子。具有高表面積的多離子性奈米粒子產生很大的滲透壓，以致它們可以用於實際的脫鹽過程。當嘗試了解和發展微流體性系統時，反離子和溶質呈現出困難，因此未帶電而不存在反離子或溶質但具有相同特徵的系統會是有益的。
基於微流體學的裝置能夠針對生化毒素和其他危險的病原體來連續取樣和即時測試流體樣品，則可以作為針對生物威脅之永遠開啟的早期預警系統。
於開放微流體學，移除了系統的至少一邊界，而將流體暴露於空氣或另一介面(亦即液體)。開放微流體性系統的優點包括能夠為了介入而存取流動液體，液體-氣體表面積較大、氣泡形成極小化。
開放微流體學的另一優點是能夠整合開放系統與表面張力驅動的流體流動架構。表面張力驅動的流體流動不需外部泵送方法，例如蠕動泵或注射泵。
開放微流體性裝置藉由研磨、熱成形和熱浮雕而也容易製作且不昂貴。附帶而言，開放微流體學不需膠黏或鍵結用於裝置的蓋子，其或可有害於毛細管流動。 開放微流體學的範例包括開放通道的微流體學、基於軌道的微流體學、基於紙和基於線的微流體學。開放系統的缺點包括容易蒸發、汙染和有限的流率。
於連續流動的微流體學，連續液體流動的操控是透過微製作的通道而達成。實施液體流動的致動則是藉由外部壓力源、外部機械泵、整合式機械微泵，或是藉由毛細管力和電動力學機制的組合。連續流動的微流體性操作是主流做法，因為它容易實施並且對蛋白質汙染問題較不敏感。連續流動裝置雖適於許多良好界定且簡單的生化應用，並且適於例如化學分離的特定任務，但它們較不適合需要高度彈性或流體操控的任務。這些封閉通道系統本質上難以整合和縮放，因為主宰流動場的參數沿著流動途徑而變化，而使在任一位置的流體流動取決於整個系統的性質。
於基於小滴的微流體學，離散體積的流體操控是在具有低雷諾數和層流狀態的不相溶相中進行。對基於小滴之微流體學系統的興趣於過去數十年已大致一直成長。微小滴允許方便地操持迷你體積(微公升到飛公升)的流體，提供較佳的混合、包封、分類和感測，並且適合高產出實驗。有效率地開發基於小滴之微流體學的好處須深入了解小滴產生以進行多樣的邏輯操作，例如小滴運動、小滴分類、小滴合併、小滴分裂。微結構化表面尤其可用於以微流體性設定來操控和形成對小滴的專門介面。
於數位微流體學，使用電濕潤而在微結構化 基板上來操控離散且可獨立控制的小滴。遵循數位微電子學的相似性，這做法稱為數位微流體學。使用電毛細管力而在數位軌道上移動小滴。於數位微流體學，有「流體電晶體」(fluid transistor)的概念。藉由使用離散的單位體積小滴，微流體性功能可以縮減為一組重複、反覆的操作，亦即在一單位的距離上移動一單位的流體。這「數位化」(digitization)方法便於針對微流體性生物晶片設計來使用層次化表面結構做法。數位微流體學提供彈性且可縮放的系統架構以及高容錯能力。電濕潤機制允許獨立控制每個小滴，並且能讓整個系統動態重構，藉此微流體性陣列中之成群的層次化領域可以重構以在同時執行一組生物檢定的期間改變其功能性。一種用於數位微流體學之常見的致動方法是在介電質上電濕潤(electrowetting-on-dielectric，EWOD)。然而，表面聲波、光電濕潤、機械致動…等也是數位地操控流體小滴的方法。
於基於紙的微流體學，裝置包括在親水性紙上的表面微結構疏水性阻障，其被動地運輸水溶液到發生生物反應的出口。目前應用包括可攜式葡萄糖偵測和環境測試，希望能到達缺乏先進醫療診斷工具的領域。
微流體學也可以在體外或體內的環境下與地標生態學(landmark ecology)組合。奈米/微米結構化流體性地標可以如下建造：將意欲生成細菌和/或細胞棲地之表面微結構的局部補片加以並置，並且以分散迴廊來連接不同的微結構補片以生成地標。藉由產生於空間和時間分 布的生物機率之補片的空間鑲嵌。則所得的地標可以使用作為適應性地標的物理實施。這些流體性地標的補綴天性則允許研究將細菌和體細胞調適於次群體系統。微結構化地標可以用於在合成生態系統設定下研究細菌和細胞系統的演化生態學。於植入物狀況，微結構化地標可以指引複雜、組織化的組織結構以改善治療或驅動器官再生。
舉例而言，微結構化地標可以使用微流體學而驅動精確且仔細控制的化學引誘劑梯度。經控制的化學引誘劑微結構化地標可以用來控制細胞機動性和趨化性。相對而言，微結構化地標可以用來研究在小微生物群體和短時間內之細菌對抗生素的抵抗性演化。這些微生物包括細菌和廣泛的生物體，其形成海洋微生物迴圈，而負責調節許多海洋生物地球化學。微結構化地標也便於生成趨硬(勁度)梯度而已大大幫助了趨硬性(durotaxis)的研究。
因此，所需要的則是具有微結構化表面的裝置，其可以在多樣的流體成分之間做辨別，並且可應用於各式各樣的微流體性系統。
於某些實施例，揭示的是一種流體分離裝置，其可以包括基座，基座可以包括指引通道，其具有第一端和第二端。指引通道的第二端可以連接到第一和第二分離通道，第一和第二分離通道從指引通道的第二端分岔。指引通道也可以包括表面，其包括第一層次化微結 構，第一層次化微結構建構成指引流體從第一端流動到第二端。第一分離通道包括表面，其可以包括第二層次化微結構，第二層次化微結構建構成有選擇性地指引至少部分的流體從指引通道流動到第一分離通道。第二分離通道可以包括表面，其包括第三層次化微結構，第三層次化微結構建構成有選擇性地指引至少部分的流體從指引通道流動到第二分離通道。
於某些實施例，流體分離裝置可以進一步包括注射埠，其配置在基座上，其中注射埠可以連接到指引通道的第一端。
於某些實施例，流體分離裝置可以包括：第一分離通道的第二層次化微結構，其形成分級溫佐態；以及第二分離通道的第三層次化微結構，其形成分級卡西態。
於某些實施例，第二和第三層次化微結構可以各包括明確區分的表面能梯度。
於某些實施例，明確區分的表面能梯度可以藉由相關於第三層次化微結構來空間變化第二層次化微結構的空間週期性而形成。
於某些實施例，流體可以包括至少第一成分和第二成分，而每個第二和第三層次化微結構之明確區分的表面能梯度可以建構成將第一成分和第二成分分離成明確區分的流動。
於某些實施例，第一成分之明確區分的流動 可以指引到第一分離通道，並且第二成分之明確區分的流動可以指引到第二分離通道。
於某些實施例，第一、第二、第三層次化微結構的每一者可以由空間變化微結構組分所形成，其中空間變化組分可以做層次排列，並且包括在10奈米和1000微米之間的高度和直徑變化。附帶而言，第一、第二、第三層次化微結構的每一者可以由空間變化微結構組分所形成，其中空間變化微結構組分可以排列成彼此相鄰而具有在10奈米和1000微米之間的節距。
於某些實施例，第一成分流動可以包括第一固體，並且第二成分流動可以包括第二固體，第一固體可以異於第二固體。
於某些實施例，第一固體可以包括紅血球，並且第二固體可以包括血小板。
於某些實施例，第一成分流動可以包括固體，並且第二成分可以不包括該固體。
於某些實施例，第一成分可以包括紅血球和血小板，並且第二成分可以包括血清。
於某些實施例，流體分離裝置可以進一步包括至少一收集貯筒，其連通於第一或第二分離通道。
於某些實施例，流體分離裝置可以包括基座，其可以包括指引通道，指引通道具有第一端和第二端。第二端可以連接到第一和第二分離通道。第一和第二分離通道可以從指引通道的第二端分岔。指引通道可以包 括表面，其包括第一層次化微結構，第一層次化微結構建構成指引流體從第一端流動到第二端。第一分離通道可以包括表面，其包括第二層次化微結構，第二層次化微結構建構成有選擇性地指引至少部分的流體從指引通道流動到第一分離通道。第二分離通道可以包括表面，其包括第三層次化微結構，第三層次化微結構建構成有選擇性地指引至少部分的流體從指引通道流動到第二分離通道。第二分離通道可以進一步分岔出流體連通於返回線的第一輸出和流體連通於收集貯筒的第二輸出。
於某些實施例，流體分離裝置可以進一步包括用於供應流體的輸入貯筒。
於某些實施例，流體分離裝置可以進一步包括輸入埠，其建構成從輸入貯筒接收流體並且指引流體到指引通道。
於某些實施例，返回線可以流體連通於輸入貯筒。
於某些實施例，流體分離可以進一步包括流體監視器，其配置在收集貯筒的上游，使得流體監視器可以建構成測量流體導電度。
為了讓本發明的目的、技術內容、特徵和成就能更容易被理解，與以下所附圖式合作來詳述本發明的實施例。
100:微結構化辨別器
102:注射埠
104:指引通道
106:表面
108:分離通道
110:分離通道
112:流體
114:流體類型A
116:流體類型B
118:流體類型C
120:收集通道
122:收集通道
124:收集貯筒
126:收集貯筒
200:微結構辨別器
202:基座
204:指引通道
206:分離通道
208:分離通道
210:Y辨別器
211:貯筒
212:複合流體
213:泵
216:成分流體
218:成分流體
220:分岔
222:Y辨別器
224:成分流體
226:成分流體
228:指引通道
230:Y辨別器
232:流體成分
234:流體成分
236:指引通道
237:無限地繼續
238:Y辨別器
240:複合流體
242:成分流體
244:成分流體
246:收集貯筒
248:貯筒
250:監視器
252:分離通道
300:微結構化辨別器
302:平臺
304:基座
306:中央
308:供應貯筒
310:指引通道
312:分離通道
314:Y辨別器
316:複合流體
318:成分流體
320:成分流體
322:徑向
324:厚度
326:分離通道
328:分離通道
330:分岔區域
400:Y辨別器
402:指引通道
404:分離通道
406:分離通道
408:微結構
410:微結構
412:微結構
414:分岔區域
416:成分流體
418:成分流體
420:距離
422:表面能梯度
500:表面紋理
502:基座
503:層次化微結構
504:小柱
506:大柱
508:間隔
510:間隔
512:間隔或節距
514:方向
600:表面紋理
602:基座
604:基柱
606:鰭
608:鰭
610:高度、球
612:小柱
614:間隔
616:距離
618:方向
620:微溝槽
622:液滴
624:液滴
626:基柱
628:液滴
700:分離通道
702:邊緣
704:邊緣
706:微結構邊緣
708:微結構邊緣
710:微結構
712:長度
714:距離
716:方向
718:距離
720:距離
722:V形溝槽
724:角度
726:角度
728:角度
730:隆起
732:溝槽之間的區域
800:內部微結構、分離器表面
802:絕緣基底聚合物
804:電極
806:電導管
808:接地電極
810:開關手段
812:大圓柱體
814:小圓柱體
816:鰭
818:隆脊
820:隆脊
822:鰭
824:鰭
826:隆脊
828:鰭
830:位置
832:位置
834:位置
836:表面
838:正弦表面
839:電荷來源
840:開關
842:方向
844:電容
900:地標微結構化流體辨別裝置
902:輸入指引通道
904:分離通道
906:分離通道
908:分岔區域
910:紋理環境
912:紋理環境
914:遷移途徑
916:指引通道
918:指引通道
920:分岔區域
922:地標紋理
924:地標紋理
926:地標紋理
928:地標紋理
930:地標
932:地標
934:地標
936:地標
1000:扇形辨別器
1002:輻射隆脊
1004:節距
1006:振幅
1008:徑向
1010:節距
1012:圓柱體
1014:圓柱體
1016:微結構
1018:血球
1020:埠
1022:路徑
1024:結構化水區
1026:血清
1028:流動
1030:埠流動
[圖1]是示意示範本發明之一般化的微結構化流體辨別裝置的圖解。
[圖2]是示意顯示根據本發明一實施例之微結構化流體辨別裝置的圖解。
[圖3]是示意顯示根據本發明另一實施例之微結構化流體辨別裝置的圖解。
[圖4]是Y辨別器的圖解，其示範成分流體分離的機制。
[圖5]是根據本發明而用於指引通道的層次化微結構化梯度圖案之三範例的圖解。
[圖6]是根據本發明而用於分離通道之層次化微結構化梯度圖案的圖解。
[圖7]是根據本發明之微結構辨別器的分離通道之內部微結構的圖解，其用於從全血分離紅血球。
[圖8]是根據本發明之數位微結構化流體辨別裝置的分離通道之內部微結構的圖解。
[圖9]是根據本發明之地標微結構化流體辨別裝置的演化室之內部微結構的圖解，其用於研究細胞-表面交互作用。
[圖10]是根據本發明從全血分離紅血球之扇形辨別器的第一實施例。
以下詳細敘述和所附圖式描述和示範了本發 明之多樣的範例性實施例。敘述和圖式用於使熟於此技術者能製作和使用本發明。本發明雖將參考較佳實施例來描述，但熟於此技術者將體認可以在形式和細節上做出改變，而不偏離本發明的精神和範圍。如此，則以下詳細敘述意欲視為示例性而非限制性，並且是所附請求項(包括其所有等同者)意欲界定本發明的範圍。
於本案，「包括」、「含括」、「具有」、「擁有」、「包含」及其變化等詞意欲為開放端的過渡性詞彙、用語或字，其不排除有額外動作或結構的可能性。
如在此所用，「表面能」(surface energy)和「介面自由能」(interfacial free energy)等詞是指由於當表面生成時所發生之分子間鍵結斷裂的自由能。材料的物理學要求固體表面本質上比材料總體就能量而言較不有利(表面上的分子相較於在材料總體中的分子具有較多能量)，否則表面會有驅動力生成並且移除總體材料。總體材料的移除發生於從裡往外溶解的物質，並且這些物質具有負表面能。正表面能因而可以界定成相較於總體而在材料表面的多餘能量，或它是建立特殊表面積所需的功。另一種看待表面能的方式是將表面能關聯於切割總體樣品而生成二表面所需的功。
如在此所用，「表面能梯度」(surface energy gradient)和「介面自由能梯度」(interfacial free energy gradient)等詞是指表面上的表面能以沿著表面的距離為函數來變化。梯度是在單位距離上的表面能改變。一般而 言，單位距離夠小，使得表面能在所選的空間間隔上一直線性增加或線性減少。
如在此所用，「濕潤」(wetting)一詞是介面用語，其描述液滴在固體基板上的狀態。若介面能減少，則分散參數增加。分散參數可以用來數學決定此事：其中S是分散參數，基板的表面能，液體的表面能，以及基板和液體之間的介面能。
若S<0，液體部分濕潤基板。
若S>0，液體完全濕潤基板。
如在此所用，「疏水性」(hydrophobic)和「親水性」(hydrophilic)等詞是指表面A和B之間的相對關係。若SA<SB，則A相對於B是疏水性，其中SA是表面A的分散參數，SB是表面B的分散參數，並且所用的液滴是水。相對而言，B相對於A是親水性。
如在此所用，「疏脂性」(lipophobic)和「親脂性」(lipophilic)等詞是指表面A和B之間的相對關係。若SA<SB，則A相對於B是疏脂性，其中SA是表面A的分散參數，SB是表面B的分散參數，並且所用的液滴是脂質。相對而言，B相對於A是親脂性。這些詞也可以取決於用於測量之脂質液滴的種類。
如在此所用，「微結構」一詞(microstructure)是指任何表面紋理或表面處理，其可以由空間尺度在100奈米和10,000微米之間的複數個表面元件或特徵所組成。
如在此所用，「層次化微結構」(hierarchical microstructure)一詞是指包括多個表面元件或特徵的任何表面紋理，該元件或特徵可以在某範圍中以特徵空間尺度來分組。這些分組中的每一者稱為層級。尺度範圍雖可以重疊，但每組的平均值應是明確區分的。因而，若一層級之尺度範圍的平均大於另一層級之尺度範圍的平均，則吾人可以說該一層級大於該另一層級。層次化微結構具有至少一較小層級，其定位在至少一較大層級的頂部上。舉例而言，小直徑圓柱體定位在較大直徑圓柱體的終端表面上。除了表面紋理以外，微結構還可以包括表面處理。舉例而言，小直徑疏水性圓形披覆可以定位在較大直徑圓柱體的終端表面上。微結構可以僅由堆疊的表面處理所組成。
如在此所用，「表面處理」(surface treatment)一詞可以是指披覆物質所具有的表面能異於它所放上的基板。替代選擇而言，表面處理可以是局部更改基板或特徵之表面能的任何處理。
如在此所用，「表面特徵」(surface feature)一詞也可以稱為「表面元件」(surface element)，其可以是指伸到基板表面內或外的幾何物體。表面特徵包括添加或移除基板材料。當基板材料做空間變化時，表面特徵包括局部添加或移除基板材料。空間變化的表面特徵可以包括表面能相對於基板局部表面能而有所差異的表面特徵。空間變化的表面特徵異於表面處理之處在於表面特徵具有三維形式。也將了解添加材料可以包括不同於基板材料的 材料，舉例而言但不限於添加聚合物、合金、金屬、塑膠、複合物或類似者。
如在此所用，「複合流體」(complex fluid)一詞也稱為「化合流體」(compound fluid)，其指由二或更多種氣態、液態和/或固態物質所組成的流體。物質可以是原子、分子、微粒或生命形式。舉例而言，全血為了本揭示的目的可以視為複合流體，其包括多種液態和/或固態物質。類似而言，油和醋的混合物為了本揭示的目的可以視為複合流體。
如在此所用，「分離微結構」(separating microstructure)一詞是指藉由與表面所產生的介面表面能來辨別物質的任何微結構。當與通道組合時，分離微結構可以吸引某些物質並且排拒其他物質。若分離微結構是數位的，則它可以吸引於一狀態的物質並且排拒於另一狀態的相同物質。為了本揭示的目的，範例可以包括電濕潤。
如在此所用，「指引微結構」(directing microstructure)一詞是指於預先決定的方向上促進流體流動的任何微結構。若指引微結構是數位的，則它可以於數個預先決定的方向上促進流體流動。
如在此所用，「電濕潤」(electrowetting)一詞是指以施加的電場來修改表面的濕潤性質(其典型而言為疏水性/親脂性)。
如在此所用，「溫佐態」(Wenzel state)一詞是指物質二相之間的介面態，其中二相的表面在接觸點產 生低接觸角。溫佐態經常視為濕潤態。
如在此所用，「卡西態」(Cassie state)和「卡西-貝克斯特」(Cassie-Baxter)等詞是指物質二相之間的介面態，其中二相的表面在接觸點產生高接觸角。卡西態經常視為非濕潤態。
如在此所用，「溫佐-卡西態」(Wenzel-Cassie state)一詞是指具有異質表面的介面態。不像溫佐態和卡西態是以點來定義，溫佐-卡西態是指在物質二相之間的表面上之區域，其中二相的表面在接觸點於某些區域產生低接觸角並且於其他區域產生高接觸角。一般而言，溫佐區域和卡西區域並列，並且排列成使得一相相對於另一相而被定住或局部化。局部化是因為溫佐-卡西態相較於打破溫佐-卡西態是較低能態。要在二相之間發生平移，則必須供應能量以打破溫佐-卡西態。
如在此所用，「分級溫佐態」(graded Wenzel state)一詞是指物質二相之間的介面態，其中二相的表面在接觸點產生低接觸角，並且接觸角隨著一相相對於另一相平移而變化。
如在此所用，「分級卡西態」(graded Cassie state)一詞是指物質二相之間的介面態，其中二相的表面在接觸點產生高接觸角，並且接觸角隨著一相相對於另一相平移而變化。
如在此所用，「分級溫佐-卡西態」(graded Wenzel-Cassie state)一詞是指具有異質表面的介面態。不 像溫佐態和卡西態是以點來定義，溫佐-卡西態是指在物質二相之間的表面上之區域，其中二相的表面在接觸點於某些區域產生低接觸角並且於其他區域產生高接觸角。一般而言，溫佐區域和卡西區域並列，並且排列成使得一相相對於另一相而被定住或局部化。局部化是因為溫佐-卡西態相較於打破溫佐-卡西態是較低能態。要在二相之間發生平移，則必須供應超越能障的能量並且打破溫佐-卡西態。分級溫佐-卡西態是介面態，其中能障隨著一相相對於另一相平移而變化。
如在此所用，「成分流動」(component flow)一詞是指衍生自第一複合流體性流動之至少二流動中的一者，其中每個衍生成分流動可以與其他成分流動空間分離。當分離時，成分流動可以在組成上是明確區分的，雖然二流動可以分享某些構成物。
如在此所用，「微結構化水」(microstructured water)一詞是指在高表面能表面旁的介面水。層次化微結構所生成的高表面能將水組織化，並且將在介面的溶質排拒到溶液的總體。介面微結構水的區域寬度可以是幾百微米。
如在此所用，「相」(phase)一詞是指關於表面能的相對指稱。舉例而言，固態聚合物、水和空氣的三相系統包括不同表面能的三相。然而，三相系統不須由固體、液體、氣體所組成。舉例而言，三相系統可以由固體、水、液態脂質所組成。
如在此所用，「載體相」(carrier phase)一詞是指相在三相系統中的排列。舉例而言，於包括固體、水和空氣的三相系統，介面幾何型態是由接觸被空氣所包圍之聚合物平面表面的水球所描述。周圍相是載體相。於固體-水-脂質系統的範例，若固體具有低表面能(疏水性)，則脂質在聚合物表面上形成小滴並且水變成載體。相對而言，若固體具有高表面能，則水關聯於聚合物而形成液滴並且脂質變成載體相。
應了解親水性和疏水性等詞是系統特定的，並且介面幾何型態(溫佐或卡西)也是系統特定的。其實，溫佐-卡西態僅是具有系統獨立狀況的介面態，前提是系統包括至少三相。顯然哪一相形成溫佐介面且哪一相形成卡西介面仍是系統特定的，但對於給定之三相系統而形成溫佐-卡西介面的表面紋理來說，任何三相系統一般而言將形成溫佐-卡西介面。
本揭示描述具有微結構化表面紋理的裝置，其生成表面能梯度而可以從物理或化學方法來製作。裝置具有在高表面能表面旁的介面水，該高表面能是由層次化微結構所生成，則裝置將水組織化並且將在介面的溶質排拒到溶液的總體。這排拒生成範圍數百微米的排除區。這些排除區可以使用低分子量染料、蛋白質溶液、包括微米尺寸之微球的溶液而在微結構化表面的附近發現。
排除區可以展現有趣的性質。舉例而言，使用水之對位-鄰位(para-ortho)模型的計算則暗示排除區可 以在短紫外(UV)光範圍中具有增強的吸收。其實，UV光可以空間膨脹排除區、減少排除區中之水的熵、使水的結構規則化。
出人意料的是在與微結構化表面交互作用之水的對位-鄰位模型中，計算可以指出本揭示的微結構化表面可以在某些情形下產生表面能梯度，其足以使水尋求較低能態，其中微結構化水的密度高於不在微結構化態的水。因為水被微結構化，所以其黏滯性可以較高。這效應可以在實務上生成交互鎖定之微表面-目標-表面介面的溫佐-卡西區。
因而有用的是綜合這些發現以便提供本揭示的背景。於某些實施例，無論水相對於微結構化表面是出現於溶液的何處，水可以視為被束縛(bound)或自由(free)的，其分別對應於交互作用下的表面是否擁有高或低的表面能。以更熟於生物訓練人士的話來說，表面可以分別是親水性或疏水性。藉由形成相鄰的束縛態而將水的自由態結構化，吾人可以實現虛擬尺寸排除過濾器，其可用於分離複合(化合)流體的成分。
當純分子水和任何其他部分的組合相較於純分子水是較低熵態時，水和該部分之間的關係可以視為束縛態。低熵水是微結構化水的另一種敘述。
微結構化水可以視為溶質而非溶解性自由水的一部分。因此，在產生與微結構化水區域並列的自由水區域時，吾人可以生成多數氫鍵結結構的區域，其被小很 多而較不廣泛之叢集所構成的較高密度水包圍。
層次化微結構化表面可以誘發強和弱氫鍵結之水分子的空間區域，其轉而可以相對於其水活性和化學位能而誘發差異。正常而言，在液體相同質量裡的不同區域之間於水活性和化學位能的任何此種空間不連續介面或可使液體從一處快速移動到另一處，以便使這些態均等而如此移除化學位能差異。然而，在有與水溶液交互作用之層次化微結構化表面的情形，關聯於特定表面紋理而更廣泛之氫鍵結叢集的濃度可以形成一層水，其性質異於總體值。表面交互作用可以避免總體和表面體積之間的位能均等化，因此產生能量梯度。當這發生時，介面水相較於總體水而可以具有不同的能態和化學位能，這可以導致位能差異。
體認到表面親水性的概念是相對於相鄰的表面，故表面和鄰接水分子之間的交互作用可以固定局部化的氫鍵結，此點連同空間因素一起可以增加這些叢集的叢集程度和半衰期。因為這些結構的較長壽命可以導致更為廣泛的氫鍵結叢集，所以能量梯度可以增加。這在紋理表面旁的能量梯度增加可以使溶質從表面旁的區域位移朝向總體水，直到熵和能量的考慮之間達到平衡為止。
這非水排拒的效應(被排拒的物質是微粒或不同的分子)可以隨著排拒材料與總體溶液濃度混合而形成溶質的增加濃度帶。若二個層次結構化表面界定區域的邊界，則排除的材料可以傾向集中在邊界界定的區域中 央。被排除的物質類型取決於微結構化表面的結構和水構成物的親水性。
舉例而言，考慮懸浮之親水性微米粒子或奈米粒子的溶液。這些粒子的表面可以造成互相排斥的滲透壓效應，其可以導致粒子在小體積的液體中規則化。因而，在此所述的效應是可以不需隔膜的滲透位能。此條件可以視為虛擬過濾器。其實，任何二物質可以做分離，前提是它們形成溶液，並且二溶液有不同的親水性或二相。
這些微結構化領域可以擁有類似已知為自動搖變(autothixotropy)現象的性質。因而，接近層次化微結構化表面的流體動力學可以視為非牛頓力學的。尤其，如在此揭示的微結構化領域一般而言傾向於以時間為函數而增加黏滯性。
由於氫鍵結受到電子之去局部化的強烈影響，故可以期望施加磁場、電場或靜電位能會延伸水叢集。
本揭示之層次化微結構化表面的另一效應是由於電磁輻射的內部反射而形成逐漸消散的波。內部反射所產生的電磁駐波可以與水分子交互作用而使氫鍵結叢集的駐波穩定，其可以增加氫鍵結叢集的局部濃度和程度，結果增加上面的滲透效應。
在此報導的效應不限於水，而可以發生於可以形成氫鍵結之各式各樣的極性溶劑。本揭示可以進一步描述不取決於水之特定依數性熱力學性質的機制。
常常未注意到流體水事實上可以是複合或混合流體，其由二明確區分的原子核自旋異構物(對位水、鄰位水)所組成，其在隔離的分子中可以不互相轉換。很像水和油在存在重力梯度下形成離散的親水性和疏水性相域，對位水和鄰位水也可以形成離散的領域，前提是存在有表面能梯度。當固態基板的表面接觸著水溶液時，在固態基板上之空間分離位置的疏水性和親水性差異可以產生能量梯度。
另一種方式了解在此揭示的效應概括而言來自「表面張力」(surface tension)一詞。表面張力可以理解成線性關聯於空間尺度；因而，系統愈小，則表面張力的影響愈大。微結構化特徵的系統(在此稱為層次化微結構化表面)可以是對液體的介面領域，其可以由表面張力效應所掌控。
影響表面張力並且可以控制微結構化辨別器的參數可以包括熱能(熱毛細管效應)和電能(電濕潤效應)。本揭示的微結構化辨別器可以利用熱能和電能以局部改變流體的表面張力，然後改變流體-微表面介面組成和幾何型態。
雖然本揭示描述微表面科技的創新，不過應體會在此所做的揭示可輕易調適於微流體性科技。微流體學科技的進步正革新了用於酵素分析(譬如葡萄糖和乳酸鹽檢定)、去氧核糖核酸(DNA)分析(譬如聚合酶連鎖反應和高產出定序)、蛋白質學的分子生物程序。微流體性生 物晶片的基本想法是將檢定操作(例如辨別)以及樣品預先處理和樣品製備整合在一晶片上。
現參見圖1，示範的是本揭示的微結構化辨別器。如圖1所示，微結構化辨別器100可以包括注射埠102和可以從注射埠102往外輻射的多個指引通道104。注射埠102和指引通道104可以配置在微結構化辨別器100的表面106上。每個指引通道104可以關聯於類型108和類型110的二分離通道。流體112可以供應到注射埠102，並且可以由至少三種流體類型所組成。流體類型A 114可以是中性載體流體，於某些實施例典型而言為水。流體類型B 116可以被吸引到通道類型108，並且流體類型C 118可以被吸引到通道類型110。應了解「流體類型」(fluid type)一詞未必是指流體。於某些實施例，中性流體類型114可以是血清，流體類型116可以是紅血球，並且流體類型118可以是其他所有血構成物，譬如血小板。據此，於某些實施例，微結構辨別器100可以是從全血分離紅血球的裝置。包括指引通道104與分離通道108和110的分岔網路可以終結於收集通道120和122。收集通道120可以固結流體類型116，並且收集通道122可以固結流體類型118。收集通道可以終結於收集貯筒124和126。
於某些實施例，微結構化流體性分離和固結裝置可以包括駐留於指引通道和分離通道中的表面能梯度，並且可以基於疏水性/疏脂性特徵而用來指引和分離流體性構成物。通道表面的微結構可以在流體構成物和通 道表面之間發展出介面現象，如此則包括不同流體類型的複合流體可以被指引以移動和分離成分流。
於某些實施例，微結構化流體辨別和固結裝置可以包括毛細管力驅動手段以驅動複合流體穿過辨別器，而使流體構成物分離、接續地濃縮、然後最終固結到收集貯筒中。靜態表面能梯度可以藉由變化直徑、節距、高度、總體材料、形狀、層級數目、層級之間關係而形成。某些層次結構產生毛細管力，其他則生成溫佐-卡西領域。層次化微結構可以包括不同尺寸比例的微圖案，較佳而言一者在另一者的頂部上，其中它們的疏水性或疏脂性在某些情形下可以由表面圖案所決定，並且在其他情形下可以由總體材料的化學所決定。
背後原理是使用總體化學和表面微結構，以在複合流體與指引通道和分離通道的內壁之間生成不同的表面張力梯度。尤其，指引表面的微結構可以使複合流體在特殊方向上流動而無外部手段(亦即使用微泵)。
於某些實施例，混合流體可以流動到位在指引通道和分離通道之接合處的分岔區域，在此則內部表面上的微結構可以利用分離通道中的不同表面張力梯度而從複合流體自動分離成分流體。「密度-變化」(density-variation)一詞意欲意謂生成表面能梯度而在直徑、節距、高度、總體材料、形狀、層級數目、層級之間關係的任何變化。
分岔區域可以連接指引通道與分離通道。分 離通道可以具有不同的介面表面能。於某些實施例，複合流體可以流動到分岔區域，在此則複合流體分離成成分流體，其可以進入對應於每個成分流體之最小介面表面能的分離通道。複合流體因而可以精確地而不費能量地分離成其成分流體並且抽到分離通道。
分離特定性可以由一系列的分岔通道所增加。應了解每個指引通道加上分岔分離通道可以視為「Y辨別器」(Y-discriminator)。於某些實施例，可以利用一系列的Y辨別器，其中第一Y辨別器可以將複合流體分離成成分流體A和B。跟隨成分流體B，可以抵達另一Y辨別器，其可以將流體B分離成二成分流體C和D，並且如此繼續。在每個Y辨別器，被分離之介面表面能的範圍可以變得較小。若有足夠數目的Y辨別器，則複合流體可以縮減成純成分流體。
可以想像出許多不同的實施例，其中某些實施例可以涉及重複一系列的Y辨別器，或者將某一輸出通道連接回到輸入通道以改善成分流體輸出的純度。然而，對於流動迴路而言，可以需要外部動力以維持流動。舉例而言，可以使用脈衝式音波驅動器以使複合流體再循環。
參見圖2，圖解示意顯示一實施例，其中單一成分流體可以從複合流體高度純化。微結構辨別器200可以包括基座202，上面可以將指引通道204及分離通道206和208排列成Y辨別器210的陣列。複合流體212可以從貯筒211泵送213並且可以進入第一指引通道204。它然後 可以在分岔220區分成成分流體216和218。於某些實施例，成分流體216可以是廢棄物，並且可以丟棄。成分流體218可以繼續到Y辨別器222並且可以區分成成分流體224和226。成分流體224可以經由指引通道228而返回到輸入貯筒211。成分流體226然後可以繼續到Y辨別器230並且可以區分成流體成分232和234。成分流體232可以經由指引通道236而返回到成分流體218。於某些實施例，這結構可以無限地繼續，如線237所指。最終Y辨別器238可以將複合流體240區分成成分流體242和244。成分流體244可以排空到收集貯筒246中。隨著流體收集於貯筒246，稀釋流體(水)可以由貯筒248供應並且添加到貯筒211以補償喪失於貯筒246的流體。分離通道252上的監視器250可以用來監視流體導電度。當流體導電度抵達目標值時，分離過程可以視為完成。監視器可以是有關流體分離過程的任何監視器，例如不透明計、密度計或光散射計。
除了上面提及的實施例以外，複合流體的流動還可以由離心力所輔助。現參見圖3，於某些實施例，微結構化辨別器300可以包括可旋轉的平面圓形平臺302，其包括基座304。供應貯筒308可以位在基座304的中央306，該貯筒可以連接到徑向指引通道310；分離通道312則從指引通道310徑向延伸。據此，Y辨別器314做徑向排列。複合流體316可以離心驅動成徑向從供應貯筒308出來。複合流體316可以由成分流體318、320和載體流體所組成，其中成分流體318可以具有小於成分流體320的比 重。基座304可以具有厚度324。如所示，Y辨別器314可以排列於徑向322，其中分離通道328可以高於分離通道326。在指引通道310與分離通道326和328之間的分岔區域330，上分離通道328的介面表面能可以大於下分離通道326。成分流體318的表面能可以大於成分流體320的表面能。在重力與成分流體318和320之表面能的作用下，上分離通道328可以吸引成分流體318，並且下分離通道326可以吸引成分流體320。藉此，則可以分離不同表面能的成分流體。
應體會這些微結構化介面能可以於三相環境中展開。於包括二或更多種成分流體的複合流體，這些成分流體中的至少一者可以作為呈特定介面幾何型態的載體相。哪種成分流體作為載體相可以取決於表面能。然而，於流體分離情境，對複合流體而言可以有用的是由三成分流體所組成，其中成分流體中的一者作為載體相而用於微結構辨別器中的所有介面態。於某些實施例，水是載體相。
當複合流體接觸微結構化表面時，某一非載體流體可以形成液滴，並且載體流體可以包圍液滴-表面介面。於包含複合流體(其包括成分流體A、B和載體)的Y辨別器，成分流體A和B可以於Y辨別器之明確區分的分離通道中形成小滴。每個分離通道中的小滴可以與微結構化表面形成接觸角。若微結構化表面形成介面能量梯度，則介面小滴之二端的曲率半徑可以因為表面能梯度的分布而 不對稱。這不對稱性可以是相對於載體相之空間壓力差異化的緣故。壓力差異化在小滴裡驅動淨壓力差異，這可以提供指引力。每個分離通道使用於每個成分流體A和B的驅動力最大化，並且成分流體A和B可以選擇驅動力是最大的分離通道。
於某些實施例，二成分流體未必都正向吸引到分離通道，其中一分離通道可以單純作為排水溝。舉例而言，若使用重力(或離心力)以大致驅動任何流體到排放通道，則分離通道可以在重力場中排列得較高，其所具有的高驅動力用於某一成分流體而足以克服重力場，這可以作用成從其他成分流體分離一成分流體。
參見圖4，示範了Y辨別器400的詳細機制。Y辨別器400可以包括指引通道402與分離通道404和406。通道402的腔表面可以鋪了微結構408，並且分離通道404和406的腔表面可以分別鋪了微結構410和412。微結構408、410、412一般而言可以在組成和/或圖案上是不同的。分岔區域414可以作為成分流體分離區域，成分流體416與成分流體418則在此分離。每個通道的微結構可以在分岔區域414裡延伸某一距離420。因為分岔區域414可以具有大於指引通道402的直徑，所以可以使流體速度減少。熱運動可以掌控較慢的流體速度，其中成分流體416可以被吸引到分離通道404的區域，並且成分流體418可以被吸引到分離通道406的區域。在分離時，表面能梯度422可以驅動成分流體416和418順著其個別的分離通道往下。
如圖5所示，表面紋理500可以如使用拉普拉斯(Laplace)方程式所計算而生成用於指引通道的介面表面能梯度。參見圖5a，微結構可以配置在基座502上。包括小柱504的層次化微結構503可以定位在大柱506上。柱之間的間隔508可以隨著其直徑來縮放。於某些實施例，間隔508可以在相鄰的每組微結構之間漸增。舉例而言，間隔508可以小於間隔510。間隔或節距512可加以縮放。參見圖5b，柱506的高度514可以做正弦變化，而柱504的尺度可以維持恆定。間隔508也可以維持恆定。參見圖5c，間隔508或節距512可以在空間上減少。柱504和506的尺度可以維持恆定。舉例而言，圖5c所描述的圖案可以在方向514來驅動流體。
柱506的直徑可以從10微米到100微米，柱504的直徑可以從1到10微米。高寬比(高度除以直徑)可以在0.1到10的範圍中。節距可以從1微米變化到1000微米或更大。
如圖6所示，表面紋理600可以如使用拉普拉斯方程式所計算而生成用於分離通道的介面表面能梯度。表面紋理600可以配置在基座602上。基柱604可以包括第一層級。配置在基柱604上的是鰭606。直接在相鄰基柱604之間的鰭608可以橋接基柱之間的空間，而不減少基柱的高度610到基座平面602。鰭606、608可以包括第二層級。基柱604可以終結於球610，上面則均勻配置了隔開的小柱612。柱612可以包括第三層級。基柱604之間的間隔 614可以漸減。雖未示於圖6，不過基柱604可以配置成二維矩形陣列，而非如所示的一維陣列。鰭606之間的距離616可以相關於基柱604而在方向618減少。鰭606可以蝕刻了微溝槽620，其一般而言可以正交於鰭軸線。
如圖6所示，於某些實施例，可能許多成分流體中的一者可以在鰭606上形成液滴622。方向618上的窄化距離616可以產生介面能量梯度，其將液滴622驅動到球610。較小的柱612然後可以固結複數個液滴622。固結的液滴624可以在相鄰基柱626及其關聯球610所生成之能量梯度的方向上於球周圍遷移。這能量梯度可以使液滴624橋接基柱之間的距離(如所示)。柱626可以固結液滴624以產生液滴628，其繼續轉移和固結過程。
於某些實施例，二成分流體的分離可以不須改變圖6的基本幾何型態。於某些實施例，雖可以使用如先前揭示的裝置600，但包括裝置600的材料可以改變。以此方式，則可以建造微結構化辨別器，其操作於廣範圍的複合流體組成。於其他實施例，針對複合流體的特定應用(例如從全血分離紅血球)可以使用成以致藉由針對組成和微結構幾何型態二者來設計裝置而達成最大效能。這些計算可以使用拉普拉斯方程式和複合流體的組成範圍來進行。於某些實施例，較小的柱612可以由經計算介面表面能的圓形披覆補片所取代。
現參見圖7，揭示的是微結構辨別器之分離通道700的內部微結構，其從全血分離紅血球。應體會紅 血球攜帶高負電荷，因此具有高表面能，並且可以被吸引到親水性微結構。微結構700可以藉由將邊緣702關聯於邊緣704而建構成圓柱形通道。於圓柱形架構，微結構邊緣706可以無縫接合於微結構邊緣708。於圓柱形架構，微結構710可以形成連續隆脊，其螺旋於所形成之圓柱體的腔上。長度712可以形成所形成之螺旋的一圈。諸圈之間的距離714可以在方向716減少。距離714可以小於距離718，並且距離718可以小於距離720。螺旋圖案可以形成第一層級。V形溝槽722可以在隆脊710的頂表面上。內部角度724可以在方向716減少。角度724可以大於角度726，並且角度726可以大於角度728。起始的內部角度724可以近似180度。最終的內部溝槽角度(未圖示)建構成為紅血球與最終內部溝槽角度的接觸平衡角度(最小能態)。溝槽724可以包括第二層級。奈米隆起730可以覆蓋溝槽724的表面。可以利用隆起730以避免被蛋白質沉積所汙染。隆起730可以形成第三層級。
應體會溝槽724和纏繞間隔714都可以在方向716形成介面能量梯度。再者，溝槽之間的區域732相對於溝槽區域724可以是疏水性。732和724的並置可以形成溫佐-卡西態，其可以避免細胞集結和塞住微結構化辨別器的分離通道700。操作上，細胞可以單獨且規則地在方向716指引於螺旋途徑中。
上述微結構化辨別器之Y辨別器的第二分離通道分支可以是帶負電的絕緣管，其具有疏水性表面紋 理。當使用電荷時，血柱必須接地到電荷來源。血柱中無電流流動。
參見圖8，揭示的是數位微結構辨別器之分離通道的內部微結構800。內部微結構800可以包括絕緣基底聚合物802、嵌埋於基底層802的電極804、電導管806、接地電極808、開關手段810。開關手段可以藉由外部控制器(未顯示)而建構成閉路或開路。基底層802可以建構成二維正弦變化表面838並且可以包括第一層級。圓柱體812可以包括第二層級。較小的圓柱體814可以包括第三層級。大圓柱體812可以建構有鰭816，其徑向突出並且無縫接合於配置在基底層802上的隆脊818。示範的是二個鰭對隆脊對鰭的架構。於某些實施例，隆脊820可以接合在分開之大圓柱體812上的鰭822和824。於某些實施例，隆脊826可以接合駐留在同一大圓柱體812上的鰭828。於此二情形，隆脊820和826都可以近似同心地排列在第一層次正弦838上。
分離器表面800的操作可以首先在關閉電源的狀態下吸引親水性成分流體到第三層級814，而關閉電源狀態中的開關810可以是在開啟狀態。於此第一介面態，在位置830的成分流體相對於在位置832的載體成分流體而可以是親水性。這些相鄰的親水性-疏水性介面可以形成溫佐-卡西態。應體會在無通電的狀態下，表面814相對於圓柱體內的表面836可以是親水性。
於通電狀態，來自電荷來源839的電荷可以 傳遞到一或更多個電極804。於某些實施例，所有電極都可以一次開啟，或者可以依序開啟，而可以使在位置830的成分流體在方向842移動。參考在位置830的成分流體，當開關840關上(開啟)時，基底層802可以變成局部帶電的。由於這電荷的結果，圓柱體內的表面836相對於814可以變得更為親水性。
這現象已知為電濕潤。傳遞到電極804之電荷的符號可以取決於所要分離之複合流體的組成。電濕潤可以使駐留在位置830的親水性成分流體將駐留在位置832的載體成分流體位移，使得親水性成分現可以駐留在位置832，並且載體成分流體現可以駐留在位置830。電濕潤的作用是使親水性成分流體在方向842前進。後續而言，開關840可以打開(關閉)，位置834可以變得比位置832更有親水性，並且親水性成分流體可以前進到位置834。當表面814載有親水性成分流體時，同時開啟所有電極則可以使溫佐-卡西隔離的親水性成分流體在方向842前進。
於某些實施例，能量梯度可以藉由選擇材料、微結構的間隔、或將傳遞到每個電極804的電荷加以分級而獲得，使得在方向842上最遠的那些電極804可以帶最多電，並且在方向842上較近的那些電極805可以帶最少電。這狀況可以藉由變化在每個電極位置的電容844而達成。流動可以藉由逆轉電荷梯度而逆轉。因而，分離表面800的操作可以是數位的意思在於離散體積的親水性成分830可以被分離且離散地傳遞。若開關手段810和電容手段 844都是可單獨控制的，則可以想像出各式各樣的運輸順序。舉例而言，來自二端的流體可以累積於分離通道的中央。應體會上述的數位觀點可以同時適用於指引通道和分離通道。
參見圖9，揭示的是地標微結構化流體辨別裝置900之演化室架構的圖解，其用於研究細胞-表面交互作用。地標微結構化流體辨別裝置900可以包括輸入指引通道902及分離通道904和906。分離通道的目的可以是賦予引入的有機體來選擇要在上面遷移的紋理。選擇可以發生於分岔區域908。分離通道904和906可以分別各自導向不同的紋理環境910和912。每個紋理環境910和912可以被平滑的遷移途徑914所包圍，其可以作為中性路徑以供細胞在紋理環境上傳播或繼續到下一紋理環境之間做選擇。指引通道916和918可以導向分岔區域920，在此可以呈現額外的地標紋理922、924、926、928。可以在先前地標室所呈現的設計上使選擇精緻化。舉例而言，地標930和932可以是在910所呈現之主題上的變化，並且地標934和936可以是在912所呈現之主題上的變化。地標可以在多樣的支臂中重複以涵蓋所有組合可能性。多個有機體可以引入地標微結構化流體辨別裝置900中。
參見圖10，揭示的是根據本發明之扇形辨別器的第一實施例，其用於從全血分離紅血球。扇形辨別器1000可以包括輻射隆脊1002，其具有節距1004和振幅1006。節距1004可以在徑向1008增加。隆脊1002可以在徑 向1008以節距1010來起伏。節距1010可以在徑向1008減少。隆脊1002可以布滿微結構1016，其可以包括配置在圓柱體1014上的圓柱體1012。連續起伏的隆脊1002的離散化可以是根據隆脊1002上的離散位置而以變化高度的圓柱來取代連續結構。圓柱體結構1016上的圓柱體可以在離散化柱之側面上由鰭所取代。
血球1018可以進入埠1020，其包括沿著隆脊1002而進入的路徑1022。結構1016可以產生結構化水區1024，其可以排除粒子(例如紅血球1018)但允許血清1026通過。變化節距1010可以生成表面能梯度，其生成流動1028。流動1028可以生成埠流動1030。流動1030可以使紅血球1018沿著路徑1022離開。
應體會差異化表面能結構可以藉由改變節距(如於1000)、振幅、化學更改表面而生成。
提供上述那些實施例來闡明本發明以使熟於此技術者能了解、製作和使用本發明。然而，不意欲限制本發明的範圍，並且根據本發明精神之任何均等的修改和變化也是要包括在本發明的範圍裡。
因此，雖已描述新且有用的微結構化辨別裝置之發明的特殊實施例，但除了下面所列的請求項，此種參考不意欲解讀成本發明範圍的限制。
100:微結構化辨別器
102:注射埠
104:指引通道
106:表面
108:分離通道
110:分離通道
112:流體
114:流體類型A
116:流體類型B
118:流體類型C
120:收集通道
122:收集通道
124:收集貯筒
126:收集貯筒

Claims (17)

  1. 一種流體分離裝置，其包括：基座，包括指引通道，該指引通道具有第一端和第二端，該第二端連接到第一分離通道和第二分離通道，該第一分離通道和該第二分離通道從該指引通道的該第二端分岔；該指引通道包括表面，該表面包括第一層次化微結構，該第一層次化微結構建構成指引流體從該第一端流動到該第二端；該第一分離通道包括表面，該表面包括第二層次化微結構，該第二層次化微結構建構成有選擇性地指引至少部分的流體從該指引通道流動到該第一分離通道；以及該第二分離通道包括表面，該表面包括第三層次化微結構，該第三層次化微結構建構成有選擇性地指引至少部分的流體從該指引通道流動到該第二分離通道。
  2. 如請求項1的流體分離裝置，其進一步包括注射埠，配置在該基座上，該注射埠連接到該指引通道的該第一端。
  3. 如請求項1的流體分離裝置，其中該第一分離通道的該第二層次化微結構形成分級溫佐(Wenzel)態。
  4. 如請求項1的流體分離裝置，其中該第二分離通道的該第三層次化微結構形成分級卡西(Cassie)態。
  5. 如請求項1的流體分離裝置，其中該第一層次化微結構、該第二層次化微結構和該第三層次化微結構的每一者由空間變化微結構組分所形成，其中該空間變化微結構組分做層次排列並且包括在10奈米和1000微米之間的高度和直徑變化。
  6. 如請求項1的流體分離裝置，其中該第一層次化微結構、該第二層次化微結構和該第三層次化微結構的每一者由空間變化微結構組分所形成，其中該空間變化微結構組分排列成彼此相鄰而具有在10奈米和1000微米之間的節距。
  7. 如請求項1的流體分離裝置，其進一步包括至少一收集貯筒，其連通於該第一分離通道或該第二分離通道。
  8. 一種流體分離裝置，其包括：基座，包括指引通道，該指引通道具有第一端和第二端，該第二端連接到第一分離通道和第二分離通道，該第一分離通道和該第二分離通道從該指引通道的該第二端分岔；該指引通道包括表面，該表面包括第一層次化微結構，該第一層次化微結構建構成指引流體從該第一端流動到該第二端；該第一分離通道包括表面，該表面包括第二層次化微結構，該第二層次化微結構建構成有選擇性地指引至少部分的流體從該指引通道流動到該第一分離通道； 該第二分離通道包括表面，該表面包括第三層次化微結構，該第三層次化微結構建構成有選擇性地指引至少部分的流體從該指引通道流動到該第二分離通道；其中該第二層次化微結構和該第三層次化微結構各包括明確區分的表面能梯度；以及該第二分離通道分岔出流體連通於返回線的第一輸出和流體連通於收集貯筒的第二輸出。
  9. 如請求項8的流體分離裝置，其進一步包括用於供應流體的輸入貯筒。
  10. 如請求項9的流體分離裝置，其進一步包括輸入埠，其建構成從該輸入貯筒接收流體並且指引該流體到該指引通道。
  11. 如請求項9的流體分離裝置，其中該返回線流體連通於該輸入貯筒。
  12. 如請求項8的流體分離裝置，其進一步包括流體監視器，其配置在該收集貯筒的上游，該流體監視器建構成測量流體導電度。
  13. 一種分離流體的方法，其包括以下步驟：(a)提供流體樣品到指引通道，該指引通道具有第一端和第二端，該第二端連接到第一分離通道和第二分離通道，該第一分離通道和該第二分離通道從該指引通道的該第二端分岔；(b)沿著該指引通道來指引該流體的流動，該指引通 道包括表面，該表面包括第一層次化微結構，該第一層次化微結構建構成指引流體從該第一端流動到該第二端；(c)在該第一分離通道和該第二分離通道中分離該流體，其中該第一分離通道包括表面，該表面包括第二層次化微結構，該第二層次化微結構建構成有選擇性地指引至少部分的流體從該指引通道流動到該第一分離通道且成至少部分之該流體的成分，該第二分離通道包括表面，該表面包括第三層次化微結構，該第三層次化微結構建構成有選擇性地指引至少部分的流體從該指引通道流動到該第二分離通道且成至少部分之該流體的成分；以及(d)於貯筒中收集至少部分的該流體。
  14. 如請求項13的方法，其進一步包括建構該第一分離通道之該第二層次化微結構和該第二分離通道之該第三層次化微結構以包括明確區分的表面能梯度，而有選擇性地指引至少部分之該流體的成分。
  15. 如請求項14的方法，其中該流體包括全血。
  16. 如請求項15的方法，其中步驟(c)進一步包括將該全血分離成：在該第一分離通道和該第二分離通道的至少一者中包括紅血球的至少一部分，以及在該第一分離通道和該第二分離通道的至少第二者中包括血小板的至少一部分。
  17. 如請求項15的方法，其中步驟(c)進一步包括將該全血分離成：在該第一分離通道和該第二分離通 道的至少一者中包括紅血球和血小板的至少一部分，以及在該第一分離通道和該第二分離通道的至少第二者中包括血清的至少一部分。
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