用於流體操控的相位導引件式樣的製作方法

2023-07-12 11:09:11 2

用於流體操控的相位導引件式樣的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於流體系統的相位導引件式樣，所述流體系統例如為通道、腔室和穿過細胞的流動。為了有效地控制流體腔室和通道的填充和/或排空，提出了相位導引件的受控的溢流技術。此外，提供了較大流體結構中的邊界受限的液體式樣技術，包括用於形成溢流結構和具體形狀的相位導引件的式樣的方法。本發明還提出了有效地使液體/空氣彎月面的前進轉動特定角度的技術。特別而言，提出了用於對包含在艙室中的液體的流動進行導引的相位導引件式樣，其中相位導引件被移動中的液相所引起的溢流受到了沿著相位導引件的毛細力的局部改變的控制，其中在毛細力的局部改變的位置上產生了液體引起的在相位導引件上的所述溢流。
【專利說明】[0001] 本發明是中國專利申請號為201080009923. 3,發明名稱為"用於流體操控的相位 導引件式樣"，國際申請日為2010年1月29日的進入中國的PCT專利申請的分案申請。 用於流體操控的相位導引件式樣

【技術領域】
[0002] 本發明涉及一種用在諸如通道、腔室的流體系統當中的相位導引件的式樣，以及 流過小室的相位導引件式樣。這種相位導引件式樣能夠應用於廣泛的應用領域當中。本發 明解決了對於流體腔室和通道的受控的至少局部的填充和/或排空而言如何有效地使用 相位導引件的問題。本發明公開了相位導引件的受控的溢流技術以及若干應用。此外，本 發明包括在較大流體結構中的限制邊界的液體式樣的技術，其包括用於形成溢流結構和具 體形狀的相位導引件的式樣的新方法。本發明還公開了將液體/空氣彎月面的前進有效地 轉動了特定角度的技術。

【背景技術】
[0003] 到目前為止，液體插入到流體腔室或通道當中，而不需要對液體/空氣界面進行 工程控制。因此，系統的毛細壓力和所施加的致動力以非特定性的方式進行利用。這導致 了對設計靈活度的嚴重限制。相位導引件被發展為對液體/空氣彎月面的前進進行控制， 從而實質上任何形狀的腔室或通道都可以被潤溼。並且可以藉助相位導引件的幫助來獲得 選擇性的潤溼。
[0004] 相位導引件被定義為毛細壓力屏障，其跨越前進中的相前（phase front)的整個 長度，從而前進中的相前在穿越相位導引件之前自身沿著相位導引件對齊。典型地，該相前 是液體/空氣界面。然而，該效應也可以被用於導引其它的相前，例如油-液體界面。
[0005] 當前已經發展了兩種類型的相位導引件：二維（2D)相位導引件和三維（3D)相位 導引件。
[0006] 2D相位導引件將其相位導引效應建立在可溼性的突然改變的基礎上。這種類型的 相位導引件的厚度典型地可以被忽略。這種相位導引件的實例是條帶材料（例如聚合物） 的式樣，其在系統中具有低的可溼性，而對於前進中或者後退中的液體/空氣相位而言具 有高的可溼性（亦即，玻璃）。
[0007] 另一方面，3D相位導引件將其相位導引效應建立在可溼性的突然改變或者幾何形 狀的突然改變的基礎上。幾何效應可以是由於高度差導致的毛細壓力的突然改變而引起 的，或者是由於相前的前進方向的突然改變而引起。相前的前進方向的突然改變的實例是 所謂的彎月面釘止效應（meniscus pinning effect),將會參考圖1來解釋該效應。這種釘 止效應發生在結構100的邊緣。前進中的液體102的彎月面需要將它的前進方向轉動特定 角度（例如圖1中的90° )，這在能量方面是不利的。因此，該彎月面保持被"釘止"在結 構的邊界處。
[0008] 由 P. Vulto、G. Medoro、L. Altomare、G. A. Urban、M. Tartagni、R. Guerrieri 和 N. Manaresi 所著的"Selective sample recovery of DEP-separated cells and particles by phaseguide-controlled laminar flow"（J. Micromech. Microeng.，vol. 16 ，pp. 1847-1853,2006) -文中，公開了通過不同可溼性的多條線來實施相位導引件。諸如 SU-8, Ordyl SY300、特氟龍和鉬的材料用在玻璃的大塊材料頂部。它還可以將相位導引件 作為相同材料中的幾何屏障來進行實施，或者作為材料中的凹槽來進行實施。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 以下，參考附圖來更加詳細地描述本發明。附圖中類似或者對應的細節利用相同 的附圖標記來進行了標記。附圖中顯示了：
[0010] 圖1為釘止在相位導引件的邊緣上的彎月面的實例；
[0011] 圖2為在壁和相位導引件之間的界面上的液體/空氣界面的相位導引件的穿越；
[0012] 圖3為各種相位導引件的形狀，其使得相位導引件更加穩定（b、d)或比較不穩定 (a、c);
[0013] 圖4為相位導引件的俯視圖，以顯示對於相位導引件的前進中的液體前部的穿 越，其中與壁形成了一個大的界面角度和一個小的界面角度；
[0014] 圖5為沿著相位導引件在選定點上引起溢流的三種策略：(a)通過引入急轉彎曲， (b)通過提供具有銳角的分支相位導引件，（c)通過提供具有銳角的溢流結構；
[0015] 圖6為沒有相位導引件的死角填充（a)、（b)和具有相位導引件的死角填充（c)、 ⑷、（e);
[0016] 圖7為利用液體來對相位導引件進行邊界限制，以用於腔室的局部潤溼，其中圖 7(a)顯示了利用單一相位導引件的邊界受限制的液體空間，圖7(b)顯示了利用兩個相位 導引件的容積限制；
[0017] 圖8為利用支撐相位導引件的圖7(b)的結構，以逐步將液體操控成其最終受限制 形狀；
[0018] 圖9為用於填充正方形腔室的相位導引件式樣的實例，其具有入口通道和洩除 (venting)通道；
[0019] 圖10為用於矩形通道的相位導引件式樣的實例，其具有相對於入口側向設置的 洩除通道；
[0020] 圖11為用於矩形通道的相位導引件式樣的實例，其在相對於入口通道的同一側 上具有洩除通道；
[0021] 圖12為腔室的輪廓填充，其中圖12(a)顯示了利用輪廓填充法來對矩形腔室進行 填充的實例，圖12(b)顯示了利用輪廓填充的待被填充的複雜腔室的幾何形狀的實例；圖 12(c)顯示了在利用死角填充法的時候，圖12(b)的複雜幾何形狀的填充；
[0022] 圖13為圖7(b)的結構，其中通過包含有溢流艙室而防止了限制邊界的相位導引 件的溢流；
[0023] 圖14為利用限制邊界的相位導引件進行多種液體填充的實例，在圖14(a)中，第 一液體在沒有問題的情況下進行填充；圖14(b)和14(c)顯示了當第二液體與第一液體相 接觸的時候填充輪廓的扭曲；
[0024] 圖15為利用限制邊界的相位導引件和輪廓相位導引件進行多種液體選擇性填充 的實例；在圖15(a)中，第一液體在沒有問題的情況下進行填充；圖15(b)顯示了微小的輪 廓扭曲的發生；
[0025] 圖16為將被兩個限制邊界的相位導引件分隔的兩個液體連接起來的布置；
[0026] 圖17為將被兩個限制邊界的相位導引件分隔的兩個液體連接起來的另一個布 置；
[0027] 圖18為邊界受限制液體的排空原理，其中兩個限制邊界的相位導引件對後退中 的液體彎月面進行導引；
[0028] 圖19為受限的選擇性排空的另一個布置，其中兩個限制邊界的相位導引件對後 退中的液體彎月面進行導引；
[0029] 圖20為基於受限液體的填充和排空的閥設置概念；
[0030] 圖21為受控的氣泡捕集概念；
[0031] 圖22為氣泡捕集結構的實例；
[0032] 圖23為氣泡二極體的概念。

【具體實施方式】
[0033] 下面，將參考附圖詳細解釋用於設計相位導引件式樣的本發明的原理和根據本發 明所使用的理論性基本原則。
[0034] 相位導引件的穩定性 [0035] 相位導引件-壁角度
[0036] 所謂的相位導引件的穩定性表示液體/空氣界面穿過相位導引件所需的壓力。對 於較大親水系統的前進中的液體/空氣界面而言，在水平平面中的相位導引件與通道壁的 界面角度對於其穩定性發揮了關鍵作用。
[0037] 圖2顯示了對於3D相位導引件的界面角度。如果角度α很小，則堅直方向上的 相位導引件100和通道壁104之間的毛細力則變得較大，從而液相102對於較小角度而言 更加容易前進。如果相位導引件的構成材料與通道壁的構成材料相同，則所謂的臨界角通 過以下方程來限定：
[0038] a crit = 180。-2 Θ (方程 1)
[0039] 其中Θ是前進中的液體與相位導引件材料的接觸角。
[0040] 如果腔室壁和相位導引件的構成材料不同，則臨界角根據兩種材料的接觸角度而 進行限定：
[0041] αcrit = 180° - θ「Θ 2 (方程 2)
[0042] 對於大於該臨界角的相位導引件-壁界面角度，產生了穩定的相位導引件界面。 這意味著除非施加了外部壓力，否則液體/空氣彎月面傾向於不穿越相位導引件。如果角 度小於該臨界角，則液體/空氣彎月面還前進，而不需要施加外部壓力。
[0043] 如果圖2中的液相是後退中的相，則適用相同的規則：α越小，則發生溢流的機率 越高。對於大的α，在相位導引件-壁界面將不可能發生溢流。
[0044] 對於2D的相位導引件，適用於類似的設計規則。
[0045] 相位導引件形狀
[0046] 類似的設計原則適用於相位導引件的形狀。如果相位導引件（2D或3D)與它相反 於前進中的液體彎月面的點形成了銳角（參見圖3(a)的相位導引件的俯視圖），則很可能 直接在該點處產生溢流。再次到達了臨界角
[0047] a crit = 180° -2 Θ (方程 3)
[0048] 其中Θ是前進中的液體與相位導引件材料的接觸角。
[0049] 如果角度的尖點與前進中的液體彎月面方向相同（參見圖3(b))，則能夠構建高 穩定性的相位導引件。並不期待在該點處發生溢流。此處的臨界參數是相位導引件的角度 α :α越大，則相位導引件的彎曲更加穩定。
[0050] 在實踐中，幾乎不使用圖3(a)和3(b)中勾畫的銳角。彎曲的相位導引件更加普 遍。在這種情況下，曲率半徑r變為臨界參數。如果所述彎曲與液體的前進方向相反，則 較大的半徑r使得相位導引件更加穩定。如果彎曲點與前進中的相位方向相同，那麼小的 半徑導致在彎曲點本身處的穩定性增強，然而，較大的半徑則表示在較長距離上的彎曲。因 而，使得相位導引件整體更加穩定。在實踐中，在相位導引件整個長度上的輕微彎曲使得相 位導引件更加穩定。
[0051] 如果圖3中的液體正在後退，則使用相同的規則：在圖3(a)和圖3(c)中，溢流最 有可能在相位導引件的彎曲部分處發生，而在圖3(b)和3(d)中最不可能在彎曲部分處發 生。
[0052] 通過相位導引件與腔室壁形成的角度來控制相位導引件的溢流
[0053] 如圖4所示，假設相位導引件的兩側都與腔室或者通道壁毗連，相位導引件穿越 前進中的液體前部，相位導引件1〇〇具有與第一壁和第二壁104、106形成的一個大的界面 角度 αι和一個小的界面角度α2。該相位導引件在最小的角度下進行穿越。如果與通道 壁的界面角度在兩側上均相同，則無法預測在較大的親水系統中將對前進中的液相發生溢 流。相反，如果兩個界面角度的其中一個小於另一個，則可以預測在相位導引件-壁界面角 度最小的那側發生溢流。
[0054] 通過相位導引件的形狀來控制相位導引件的溢流
[0055] 如果沿著相位導引件在特定點上實現了受控的溢流，則根據本發明，在具有角度 α3的那點上引入了彎曲，該角度α3比任意一個相位導引件-壁角度都要小。圖5在俯視 圖中顯示了沿著相位導引件在選定點上引起溢流的三種策略：(a)通過引入急轉彎曲，（b) 具有銳角的分支相位導引件108,（c)具有銳角的溢流結構。在所有情況中，角度α 3應當 比相位導引件-壁角度\和α2要小。
[0056] 對於3D相位導引件而言，在相位導引主要基於釘止效應的情況下，還可以通過對 相位導引件進行分支來引入不穩定性（參見圖5 (b))。再次地，分支的相位導引件與主相位 導引件之間的小角度〇3導致穩定性降低。圖5(c)顯示了可替代的結構，其中通過增加了 額外的結構110而引入了較小的角度。
[0057] 死角填充和排空
[0058] 相位導引件是對死角填充的必備工具，在沒有相位導引件的幫助下，死角保持為 未潤溼狀態。液體腔室的幾何形狀被限定為使得：在沒有相位導引件的情況下，空氣被捕集 在死角中。從死角的極端角落處產生的相位導引件解決了這個問題，這是因為前進中的相 位在穿過相位導引件之前自身沿著相位導引件的整個長度對齊。
[0059] 圖6顯示了不具有相位導引件（(a)、（b))和具有相位導引件（(c)、（d)、（e))的 死角填充的效果。在不具有相位導引件的情況下，在液體前進期間，空氣被捕集在腔室112 的角落中。在具有相位導引件114的情況下，在相前前進之前，死角首先被液體102填充。
[0060] 對於死角的排空適用類似的規則：起源於死角的相位導引件能夠使得大部分液體 從那個角完全恢復。
[0061] 限制邊界的相位導引件
[0062] 在本發明的含義當中，所謂的限制邊界的相位導引件116在較大的通道或腔室中 限制了液體容積102。它根據有效的液體容積而確定了液體/空氣邊界的形狀。圖7顯示 了利用單一的相位導引件（圖7(a))或者利用多個相位導引件（圖7(b))來對容積進行限 制的兩個實例。相位導引件的形狀不必是直的，而可以具有任何形狀。
[0063] 必備的支撐相位導引件
[0064] 支撐死角填充並對相位導引件進行邊界限制的相位導引件是必備的相位導引件 的典型實例。這意味著沒有這些相位導引件，設備的微流體功能就會受到阻礙。除了這些 必備的相位導引件以外，人們還可以使用支撐相位導引件。這些相位導引件在所需方向上 逐步地操控著前進中的液體/空氣彎月面。這些支撐相位導引件使得系統更加可靠，因為 液體/空氣彎月面通過較高的連續性來進行控制，正如在僅僅具有必備相位導引件的情況 那樣。因為僅僅採取了很少的操控步驟，這防止了在相位導引件的界面上產生過大的壓力 聚積。當液體在能量不利的形狀下被操控的時候可能發生過大的壓力聚積。圖8給出了使 用支撐相位導引件的實例。此處，圖7(b)的結構被額外設置有支撐相位導引件118,從而將 液體102逐步操控到其最終受限的形狀。
[0065] 並且，可以通過添加支撐相位導引件來改進圖6的結構，這些支撐相位導引件會 在死角中逐步操控液體。
[0066] 在大多數情況下，必備的支撐相位導引件的功能性對於後退中的液相也得以保 持。
[0067] 利用死角法的腔室填充
[0068] 在死角相位導引件的幫助下，獨立於入口和洩除通道的定位，具有任何形狀的任 何腔室（也稱為艙室）可以被填充。洩除通道對後退中的相位進行洩除，從而防止了填充期 間的腔室中的壓力聚積。圖9給出了矩形腔室120的填充實例。首先，限定了死角。其次， 從死角中抽取相位導引件，使其及時的在特定點上跨越構想的前進中的液體/空氣彎月面 的整個長度。因此，很重要的是，相位導引件並不互相穿越。使用特殊的相位導引件（其可 以稱為延遲相位導引件）來防止在腔室被完全填充之前液相進入到洩除通道。這是很重要 的，因為過早進入洩除通道將導致壓力聚積引起的不完全填充。增加了支撐的相位導引件 將顯著改進填充行為。
[0069] 在圖9中，正方形腔室120具有入口通道122和洩除通道124。如圖9(a)所示，首 先，在應當產生相位導引件的位置處限定死角126。然後，對死角相位導引件128和阻滯了 洩除通道的延遲相位導引件130應用相位導引件式樣。圖9 (c)、（d)、（e)、（f)和（g)顯示 了液體102的預期的填充行為。圖9(h)顯示了更加精細的具有支撐相位導引件132的相 位導引件式樣。
[0070] 相位導引件還能夠使得彎月面在任何方向上轉動。因此可以將入口和洩除通道 124定位在腔室中的任何位置。圖10和圖11分別顯示了洩除通道124定位在相對於入口 通道122的側面或相同側的兩個實例。
[0071] 特別而言，圖10顯示了用於矩形腔室120的相位導引件式樣的實例，其中洩除通 道124相對於入口通道122而位於側面。首先；限定了死角126。附圖標記130表示延遲 相位導引件並且附圖標記134表示液體彎月面的構想的轉動。圖10(b)顯示了可能的相位 導引件式樣的實例，圖10(c)顯示了導致相同結果的不同式樣。
[0072] 圖10 (b)和10 (c)顯示了一個以上的相位導引件式樣導致了所需的結果。圖11 (c) 顯示了相位導引件式樣以及相位導引件與壁之間的角度的合適選擇，該合適選擇使得忽略 了延遲相位導引件130。在這種情形中，減小的相位導引件-壁角度α弓丨起了相對於洩除 通道的遠側上的溢流。特別而言，圖11顯示了用於矩形通道的相位導引件式樣的實例，其 中洩除通道124位於相對於入口通道122的同側。如圖11(a)所示，首先限定了死角126。 附圖標記134表示液體彎月面的構想的轉動。圖11(b)顯示了可能的相位導引件式樣的 實例。能夠通過減小前述的相位導引件的相位導引件-壁角度α來省略延遲相位導引件 130,從而確保了相位導引件的那一側上的溢流。
[0073] 很明顯，在兩個實例當中，支撐相位導引件穩定了填充性能。
[0074] 並且，圖11的概念能夠被輕易地朝著長的無出口的通道的填充概念延伸。
[0075] 圖9、圖10和圖11中的正方形腔室的排空大體上遵循相同的策略。如果腔室入 口 122還用於對腔室進行排空，則需要在腔室的入口處額外地增加延遲相位導引件。這對 於恢復完全的液體是有必要的。如果洩除通道124用來排空腔室的話，則不需要額外的相 位導引件，因為洩除通道已經被延遲相位導引件130橫跨。
[0076] 死角填充和排放的概念可以延伸到任何形狀的腔室（例如參見圖11 (c))。它還可 以應用於具有圓角的腔室。
[0077] 輪廓填充法
[0078] 相對於上述的死角法的可替代技術是藉助輪廓相位導引件的幫助來對艙室進行 填充。在這種情形下，如圖12(a)和12(b)所示，相位導引件形成的式樣使得腔室沿著其完 整輪廓而填充了薄的液體層。儘管下一個相位導引件朝著最終所需的形狀來逐步操控液 體，但該下一個相位導引件大體上保持了相同的輪廓。特別而言，圖12(a)顯示了利用輪廓 填充法來填充矩形腔室的實例。附圖標記122表示入口，124表示出口，附圖標記136表示 輪廓相位導引件。圖12(b)描繪了將利用輪廓填充來填充的複雜腔室的幾何形狀的實例。 如圖12(c)所示，可以通過提供死角相位導引件128、輔助相位導引件132以及延遲相位導 引件130,從而利用死角填充法來填充相同複雜的幾何形狀。
[0079] 還可以利用輪廓填充法對腔室進行排空。在這種情況下，建議從洩除通道開始來 對腔室進行排空。
[0080] 輪廓填充和排空的概念可以延伸到如圖12(b)所示的任何形狀的腔室。
[0081] 溢流結構
[0082] 圖7中的所示的邊界受限的液體填充概念的問題是：太大液體容積的注入引起了 限制邊界的相位導引件的溢流。為了防止溢流，可以將溢流艙室添加至所述結構（參見圖 13)。然而，應當防止的是在受限制的腔室區域被填充之前液相到達了溢流腔室。這是通過 在溢流腔室的入口處增加了額外的溢流相位導引件來實現的。為了確保溢流相位導引件在 任何一個限制邊界的相位導引件之前被穿越，必須降低它的穩定性，例如，通過將它的相位 導引件-壁角度選擇為小於限制邊界的相位導引件的任何一個相位導引件-壁角度。
[0083] 如圖13所示，在根據圖7(b)的結構當中，限制邊界的相位導引件的溢流通過包含 了溢流艙室140而得以防止，該溢流艙室140包括洩除結構142。該艙室被溢流相位導引件 144封閉，該溢流相位導引件144確保了在溢流艙室140發生溢流之前受限區域的完全填 充。為了確保溢流相位導引件的溢流，它的穩定性必須低於限制邊界的相位導引件116的 穩定性。這是通過將它其中一個相位導引件-壁角度α 2選擇為小於限制邊界的相位導引 件的任何一個相位導引件-壁角度h來實現的。
[0084] 多液體填充
[0085] 例如圖7、圖8和圖13中的限制邊界的相位導引件結構能夠使得液體具有層片狀 式樣。這意味著液體能夠一個接著一個被順序地插入。然而，如果僅僅使用限制邊界的相位 導引件則產生了問題。圖14示出了該問題。圖14顯示了利用限制邊界的相位導引件116 進行多液體填充的實例。如圖14(a)所描繪的那樣，第一液體102的填充沒有發生任何問 題。當第二液體103與第一液體102相接觸的時候，填充輪廓呈現出扭曲146,其能夠從圖 14(b)和（c)中看到。
[0086] 如果第二液體103及時地在特定點上被插入為接近第一液體102,則它們將會進 行接觸。從那一刻開始，液體前部仍然受到相位導引件式樣的控制，但是兩個液體（它們實 際上變成了一個液體）的分布並未受到相位導引件式樣的控制。因此還是第一液體會進行 位移。為了使該位移最小化，重要的是兩個液體儘可能地長地保持互相分隔。這可以通過 插入輪廓相位導引件136來實現，該輪廓相位導引件136使得兩個液體進行接觸之後待被 填充的面積減小到最小。該輪廓相位導引件的式樣應當形成為使得溢流首先在第二液體的 側面發生，從而防止空氣-氣泡的捕集。
[0087] 圖15顯示了利用限制邊界的相位導引件116和輪廓相位導引件136來進行多個 液體選擇性填充的實例。從圖15(a)中能夠看到，第一液體102的填充沒有問題。第二液 體103通過輪廓相位導引件136而與第一液體保持儘可能長的距離。從而發生了最小的輪 廓扭曲146,其如圖15(b)所示。該輪廓相位導引件的式樣形成為使得在兩個液體交匯的側 面上發生溢流，例如，通過減少相位導引件-壁角度α。
[0088] 連接兩個液體
[0089] 利用圖14的原理可以將之前分別注入的兩個液體連接在一起。在這種情況下，需 要增加額外的洩除結構來防止壓力聚積。圖16和圖17顯示了液體連接的兩個概念。在圖 16中，在兩個液體之間的空間當中引入了第三液體105。一旦與另一個液體相接觸，則限制 邊界的相位導引件屏障不再發揮其功能，空氣狹槽可以通過三個液體的其中一個上的微小 壓力來進行填充。圖17顯示了另一種方法，其中限制邊界的相位導引件通過兩個分隔的液 體的其中一個液體上的超壓力而穿越。為了確保空氣-狹槽的完全填充，必須在相對於閥 結構而言的狹槽遠端上發生溢流。這可以通過降低那一側上的相位導引件的穩定性來實 現，例如，通過減小相位導引件-壁界面角度。
[0090] 特別而言，圖16顯示了用於連接兩個液體102和103的布置，所述兩個液體通過 兩個限制邊界的相位導引件116而分隔開。如圖16(a)所示，可以通過入口 122來引入第 三液體105來使得兩個液體連接。在第一次接觸之後，限制邊界的相位導引件屏障被打破， 並且能夠通過來自入口 122的液體流來獲得完全填充（參見圖16(b))，或者通過來自兩側 中的至少一側的液體流來獲得完全填充（參見圖16(c))。
[0091] 圖17顯示了用於連接兩個液體102和103的另一個布置，所述兩個液體通過兩個 限制邊界的相位導引件116而分隔開。相位導引件被構造成使得在相對於洩除結構124而 言空氣-狹槽的盡頭端上發生溢流。這可以例如通過減小兩個相位導引件116中的至少一 個相位導引件的相位導引件-壁角度α來完成。正如從圖17(b)可以看到的，超壓力引起 相位導引件的溢流，並且如圖17(c)所示，引起對空氣-狹槽的填充。
[0092] 選擇性排空
[0093] 圖14、圖15、圖16和圖17中所示的概念也可以反過來：它們可以用於對液體艙室 進行選擇性的排空。在這種情況中，應當增加更多的限制邊界的相位導引件，以防止彎月面 發生不希望的前進。
[0094] 在圖18中，對於後退中的液相簡略勾繪了這種方法，以將液體容積分成兩部分。
[0095] 特別而言，圖18顯示了受限制的液體的排空原理，其中兩個限制邊界的相位導引 件116對前進中的空氣相位進行導引，從而分隔兩個液體容積。兩個額外的相位導引件150 防止了空氣彎月面從橫向側面前進。很顯然，該方法對於圖7(a)中的等價排空也可以起作 用，在圖7(a)中，僅僅一半保持為填充有液體。與圖14類似，圖18中的排空不是選擇性的。 [0096] 為了使得恢復是選擇性的（亦即，特定的液體填充需要被恢復），需要對額外的相 位導引件進行式樣設計，這與圖15相類似。圖19顯示了液體容積152通過引入額外的輪 廓相位導引件而從更大的液體容積中被選擇性地恢復。如果在液體內部已經進行了分離並 且各種被分離的產品需要被恢復，那麼這種應用可以變得很重要。這種分離的實例是電泳 分離、等速電泳分離、雙向電泳分離、等電子聚焦分離、聲學分離等。
[0097] 特別而言，圖19顯示了受限制的選擇性排空的原理，其中兩個限制邊界的相位導 引件116對後退中的液體彎月面進行導引。額外的兩個相位導引件150防止了空氣彎月面 從橫向側面前進。額外的輪廓相位導引件5將非選擇性恢復的容積減小到最小。圖19(b) 顯示了非選擇性排空期間的液體彎月面。圖19(c)顯示了唯一液體152的選擇性排空。 [0098] 閥設置的概念
[0099] 圖18的概念可以用作閥設置原理。液體填充通道導致僅在起動的時候才產生液 力的液體阻力。如果引入了氣隙，則需要克服液體/空氣彎月面的壓力來置換液體。這種 原理可以作為閥設置概念而使用，其中根據指令來引入或去除空氣，導致液體流動或者流 動停止。
[0100] 在第二實施方案當中，引入空氣來產生閥，該空氣被液體在兩側封裝。通過這種方 式，當阻塞腔室的空氣增多的時候克服了壓力屏障。該原理可以被用作開關甚或被用作晶 體管。可以通過只是部分地用空氣來填充腔室從而實現電晶體，以使得液力阻力增大。
[0101] 很顯然，所述原理對於油相位而言比氣體相位適用性更好。從圖20可以看出，閥 設置的概念建立在受限制的液體填充和排空的基礎上。圖20(b)描繪了：由於液體/空氣 彎月面上存在壓降，液體的排空導致了液體流動的停止。如圖20(a)所示，一旦中間艙室被 重新用液體填充的話，則流動是連續的。如果阻滯氣體相位在兩側上都被液體阻滯的話，則 阻滯壓力更進一步增大，其如圖20(c)所示。
[0102] 受控的氣泡捕集
[0103] 相位導引件可以用於在通道或腔室的填充期間對空氣氣泡156進行捕集。這是通 過對在需要引入空氣氣泡的區域周圍的液體/空氣界面進行導引來完成的。圖21顯示了 這種結構的實例。取決於相位導引件158的形狀，空氣氣泡156可以固定到位或者具有一 定的自由度。在圖21當中，氣泡並未在流動的方向上造成阻礙，因此在形成氣泡之後能夠 通過所述流動而被運輸。
[0104] 根據圖21(a、b)所示的受控的氣泡捕集概念，前進中的液體相位受到控制，從而 後退中的相位被前進中的相位包圍（參見圖21(c))。如圖21(d)所示，如果產生的氣泡是 可移動的，則其能夠利用該流動進行運輸。
[0105] 在圖22中顯示了其它類型的固定的和可移動的氣泡捕集結構158。所述概念不僅 適用於相位導引件，還適用於腔室內部形成式樣的疏水性或略微親水性的補片（patches)。
[0106] 特別而言，圖22 (a、c)顯示了產生可移動氣泡的氣泡捕集結構158的多個實例，而 圖22(b、d)顯示了產生靜態氣泡的多個結構。圖22(c、e)顯示了導致靜態氣泡產生的疏水 性或略微親水性的補片。
[0107] 氣泡二極體
[0108] 產生可移動氣泡的概念可以用於產生流體二極體160。在這種情況下，在流體二極 管腔室中產生了氣泡，該氣泡可以在一個方向上移動，直到它阻滯住了通道的入口。對於反 向流動而言，氣泡被氣泡捕集相位導引件158捕集。此處，由於氣泡156並未阻滯通道的整 個寬度，因此流體流動能夠連續。所述概念還適用於疏水性或略微親水性的補片，以及其它 相位，例如油而不是空氣或水。
[0109] 圖23描繪了氣泡二極體的一般概念。如圖23(a)所示，在加寬的流體通道中形成 可移動氣泡的捕集結構158。圖23(b)顯示了在填充的時候形成了氣泡156,該氣泡156阻 滯了通道（圖23(c))從而在向前方向上產生流動。在相反流動當中，氣泡被捕集結構再次 捕集，從而並不對流動進行阻礙。圖23(e)顯示了可替代實施方案，其中疏水性（或略微親 水性）的補片用於氣泡捕集。這些補片的優點在於它們增大了氣泡的可移動性，這是因為 液體的表面張力減小。
[0110] 應用
[0111] 上述的相位導引件結構存在大量應用。在液體被引入到腔室、通道、毛細管或者管 子中的情況下，可以使用根據本發明的相位導引件來控制填充行為。
[0112] 特別重要的是對矩形腔室的填充，這是因為其允許將流體的功能性應用於較小的 空間。例如，當在CMOS晶片或其它微製造晶片的頂端放置微流體結構的時候（其中表面面 積是重要的成本因素），這會很實用。
[0113] 並且，諸如噴墨列印頭的腔室的填充和排空通過所述引入而得到了巨大的便利 性，這是因為可以自由選擇腔室的形狀，而不妨礙填充和排空行為。
[0114] 相位導引件還使得至今不可能的填充技術成為可能。實踐中的實例是利用聚丙烯 醯胺凝膠來填充色帶盒或卡式磁帶。在傳統上，這需要堅直握持色帶盒，利用重力來作為填 充力，同時需要極其小心地用滴管吸取來完成。相位導引件則使得這種填充沒那麼關鍵。此 夕卜，可以通過例如用於填充的滴管或泵的壓力來水平地完成填充。這種卡式磁帶類型的填 充對於瓊脂糖凝膠也可以是有益的，這是因為這將導致可複製的凝膠厚度，從而在凝膠中 產生受控的電流密度或者電壓降。可以省略用於樣本井（sample wells)的蜂巢結構，這是 因為可以利用相位導引件來產生樣本井，該相位導引件在填充期間使得樣本井自由離開凝 膠。
[0115] 以上已經提到了在例如電泳分離、等速電泳分離、雙向電泳分離、超聲波分離、等 電子分離之後對於樣本恢復的選擇性填充的重要性。選擇性恢復的重要應用也是苯酚或者 tryzol提取。典型地在生物實驗室當中使用這種通用操作來從蛋白質和細胞碎片中分離 出核酸。核酸保持為水相，而蛋白質和碎片在水相和有機相之間的邊界上堆積。典型地來 說，需要小心地以滴管吸取來僅僅恢復水相。合適的相位導引件結構能夠進行兩個相位的 計量，並且能夠利用上述的選擇性排空結構而使得僅僅對水相進行選擇性恢復。
[0116] 在文獻W02008/049638當中，已經討論了受限的凝膠在微結構當中進行填充的重 要性。這基本上是重要的，因為凝膠能夠被用作分離基質，而且能作為鹽橋或者作為幾乎無 限的液力阻力，而不影響離子傳導性（ionic conductivity)。離子傳導性可以用於通道和 腔室的選擇性填充和排空。
[0117] 已經對於大型親水腔室/通道網絡中的液體-氣體界面描述了上述原理。所述原 理還適用於液體-液體界面，其中第二液體的可溼性顯著小於第一液體的可溼性。該第二 液體則表現為類似於上述實例和應用當中描述的氣體相位。
[0118] 所述原理還適用於大型疏水系統。然而，對於以上給出的所有實例和應用而言，兩 種相位（液體和氣體）的功能性被顛倒。
【權利要求】
1. 一種相位導引件式樣，利用液體用於對艙室局部潤溼， 其中提供有至少一個限制邊界的相位導引件，以用於在所述艙室中形成至少一個液體 容積的邊界，從而所述液體容積的至少部分邊界並未受到所述艙室的壁的邊界限制， 其中所述相位引導件為毛細壓力屏障，其跨越前進中的相前的整個長度，從而前進中 的相前在穿越相位導引件之前自身沿著相位導引件對齊。
2. 根據權利要求1所述的相位導引件式樣，包括至少兩個相位導引件，所述至少兩個 相位導引件在填充過程期間在特定點上及時地限制了前進中的或後退中的液體。
3. 根據權利要求1或2所述的相位導引式樣，其中所述相位導引件包括充當了毛細 壓力邊界的凹槽、隆起或具有不同可溼性的材料線，所述毛細壓力邊界跨越移動中的液 體-氣體、液體-油或者氣體-油彎月面的整個長度，從而所述彎月面在跳過相位導引件之 前沿著所述相位導引件至少部分對齊。
4. 根據權利要求1至3任一項所述的相位導引件式樣，其中提供有溢流艙室，以用於接 收過多的液體，從而防止了所述限制邊界的相位導引件的溢流。
5. 根據權利要求1至3任一項所述的相位導引件式樣，其中還包括洩除通道。
6. 根據權利要求1至3任一項所述的相位導引件式樣，其中還包括一個或多個支撐相 位導引件。
7. 根據權利要求1所述的相位導引件式樣，用於對包含在艙室中的液體的流動進行導 引， 其中所述相位導引件式樣的至少一個相位導引件被成形為使得所述相位導引件沿著 所述相位導引件具有毛細力的工程局部改變，以用於對通過液相使所述相位導引件發生溢 流的位置進行控制液相， 其中沿著相位導引件的通過所述液體在相位導引件上引起所述溢流的所述位置位於 毛細力發生局部改變的位置上，並且所述位置表示所述相位導引件的最薄弱點，從而限定 了相位導引件的穩定性。
8. 根據權利要求7所述的相位導引式樣，其中包括至少兩個相位導引件，所述至少兩 個相位導引件在填充過程期間在特定點上及時地限制了前進中的或後退中的液體。
9. 根據權利要求1所述的相位導引件式樣，其中提供有溢流艙室，以用於接收過多的 液體，從而防止了所述限制邊界的相位導引件的溢流。
10. 根據權利要求9所述的相位導引件式樣，其中所述溢流艙室被穩定性低於所述限 制邊界的相位導引件中的任何一個的相位導引件封閉。
11. 根據權利要求2所述的相位導引件式樣，其中提供了多個限制邊界的相位導引件， 以用於順序地插入或抽出互相接近的多個液體容積。
12. 根據權利要求11所述的相位導引件式樣，還包括至少一個輪廓相位導引件，以用 於在填充或排空期間對液體輪廓進行保持。
13. 根據權利要求2所述的相位導引件式樣，其中兩個或更多液體被至少兩個限制邊 界的相位導引件分隔開，所述至少兩個限制邊界的相位導引件能夠通過所述限制邊界的相 位導引件中的至少一個的溢流而進行連接，或者所述至少兩個限制邊界的相位導引件能夠 通過將額外的液體插入到所述輪廓相位導引件之間的排空空間內而進行連接。
14. 根據權利要求2所述的相位導引件式樣，其中液體被至少兩個限制邊界的相位導 引件進行邊界限制，並且其中，進行第一溢流的相位導引件比另一個相位導引件具有更低 的穩定性。
15. 根據權利要求14所述的相位導引件式樣，其中為了降低所述穩定性，將要發生溢 流的相位導引件的至少一個相位導引件-壁界面角度被選擇為小於其它的限制邊界的相 位導引件的任何一個相位導引件-壁界面角度，或者 其中為了降低所述穩定性，引入了將要發生溢流的相位導引件的彎曲，其中彎曲角度 小於多個所述限制邊界的相位導引件的任何一個相位導引件-壁界面角度，或者 其中為了降低所述穩定性，設置分支結構，從而所產生的角度小於多個所述限制邊界 的相位導引件的任何一個相位導引件-壁界面角度。
16. 根據權利要求2所述的相位導引件式樣，其中至少一個相位導引件起源於至少一 個死角，該死角由空間形成，所述空間在沒有提供所述相位導引件的情況下在填充期間不 會被潤溼，或者在排空期間不會被排空。
17. 根據權利要求16所述的相位導引件式樣，其中洩除通道被延遲相位導引件封閉， 該延遲相位導引件阻礙了半月面穿入到洩除結構當中，直到在前進中的液體的情況下，所 構想的微流體空間已經被完全填充，或者在後退中的液體的情況下，所構想的微流體空間 已經被完全排空。
18. 根據權利要求2所述的相位導引件式樣，其中設有至少一個輪廓相位導引件，該輪 廓相位導引件沿循所述艙室的輪廓，並與待被填充或者待被排空的艙室的邊界相距特定距 離。
19. 一種對包括了根據權利要求18的相位導引件式樣的艙室進行填充和/或排空的方 法，其中首先對整個空間的輪廓進行填充，接著通過額外的輪廓相位導引件來逐步操控成 所需的形狀，或者其中首先對整個空間的輪廓進行排空，接著通過額外的輪廓相位導引件 來對所述空間逐步排空。
20. -種流體艙室，包括一個或多個根據權利要求1所述的相位引導件。
【文檔編號】B01L3/00GK104117395SQ201410243168
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2010年1月29日 優先權日:2009年1月30日
【發明者】P·菲爾託, G·烏爾班, S·珀徳斯聰 申請人:萊頓大學