本發(fā)明涉及用于在第二流體中產(chǎn)生第一流體的液滴的設(shè)備和方法，具體地，涉及用于在離心微流體中產(chǎn)生液滴的設(shè)備和方法。

在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，離心微流體處理的流體在毫微微升(femtoliter)至毫升的范圍內(nèi)。這種系統(tǒng)主要為用于或代替離心轉(zhuǎn)子的聚合物一次性使用盒(cartridge)，用于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室流程的自動(dòng)化。標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室流程，如在微流體盒中的移液、離心、混合或等分操作，可以在這里實(shí)施。為此，盒包含用于引導(dǎo)流體的通道和用于收集流體的腔室。盒經(jīng)受的旋轉(zhuǎn)頻率的預(yù)定序列，即所謂的頻率協(xié)議，使得盒中的流體可以通過離心力流動(dòng)。

離心微流體主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室分析和移動(dòng)診斷。這樣的盒可被實(shí)施為離心微流盤，其為在特殊處理裝置中使用的“磁盤實(shí)驗(yàn)室(lab-on-a-disk)”和“實(shí)驗(yàn)室磁盤(labdisk)”和“cd實(shí)驗(yàn)室(lab-on-cd)”等已知的術(shù)語。不同的格式，如微流體離心管，例如，已知的術(shù)語“實(shí)驗(yàn)室管(labtube)”，可用于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室裝置的轉(zhuǎn)子。

在離心微流盒中進(jìn)行的基本操作為將流體體積等分成不同的子體積，即所謂的等分試樣。處理該流程的魯棒性(robustness)和易用性，對于在可能的產(chǎn)物中使用這種基本操作至關(guān)重要。此外，所述基本操作是單片實(shí)現(xiàn)的，使得無需額外部件或材料而造成因材料成本或額外的安裝連接技術(shù)(組裝)顯著增加盒的成本。

不同的應(yīng)用，如數(shù)字pcr(聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng))、單細(xì)胞方法、通過熒光噬菌體計(jì)數(shù)細(xì)菌和在微米范圍內(nèi)制造顆粒，需要產(chǎn)生大量的等分試樣。需要產(chǎn)生數(shù)百達(dá)至超過百萬等分量的數(shù)量。

對許多應(yīng)用來說，產(chǎn)生小尺寸(幾微升至皮升或者毫微微升)的等分試樣是重要的。當(dāng)為了進(jìn)行理想的實(shí)驗(yàn)而產(chǎn)生一定量的等分試樣時(shí)，這是特別重要的，但受限于初始體積，例如，在數(shù)字pcr中。通常，試劑的成本高，樣品材料的純化昂貴或少量的探針材料成為了這種應(yīng)用的限制。

因此，需要一種用于離心微流體系統(tǒng)的基本操作，其特別可以等分體積以形成許多(數(shù)百達(dá)至百萬)小體積(幾微升至毫微微升)的等分試樣。在壓力驅(qū)動(dòng)的微流體和離心微流體平臺上產(chǎn)生液滴的多種技術(shù)是已知的。

眾所周知，在油中產(chǎn)生水溶液的液滴的壓力驅(qū)動(dòng)方法利用微通道系統(tǒng)以使油中的水溶液乳化。因此，水相流過通道進(jìn)入灌裝有油的腔室。它取代了油，并逐步流到高地(plateau)。這個(gè)高地被多個(gè)壁劃分成通道。水相通過這些通道流入高地后面。從那里，該相流至下游腔室，并通過在至腔室的邊緣處液滴分離而產(chǎn)生乳化液。例如，在[6]、[9]至[20]和[22]中描述了這種方法。

[8]描述了一種通過變化的腔室高度在流體中的氣泡的壓力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生和輸送的方法。這種方法允許使用微通道系統(tǒng)在液相中產(chǎn)生氣相的氣泡。這里的氣相通過通道進(jìn)入灌裝有水相的腔室。腔室具有斜面，使得其平坦端位于通道的口部并且具有與通道相同的高度。通過壓力驅(qū)動(dòng)，氣相流至通道的口部，其中氣泡被推入第二相。由膨脹(expanding)腔室產(chǎn)生的，由膨脹腔室高度和毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的，具有限定尺寸的氣泡從流體舌部分離并且沿流動(dòng)方向移動(dòng)至腔室中。

[1]和[2]描述了一種用于在流體中通過變化的腔室高度壓力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生和輸送流體液滴的方法。該方法允許使用微通道系統(tǒng)在第二液相中產(chǎn)生第一液相的液滴。因此，第一相流過通道進(jìn)入灌裝有第二相的腔室。腔室具有斜面，使得其平坦端位于通道的口部并且具有與通道相同的高度。通過泵浦驅(qū)動(dòng)，第一相流至通道的口部，其中流體舌部被推入第二相。由膨脹腔室產(chǎn)生的，由膨脹腔室高度和毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的，具有限定尺寸的液滴從流體舌部分離并且沿流動(dòng)方向移動(dòng)至腔室中。

[23]描述了一種類似的方法。描述了一種壓力操作系統(tǒng)，即非離心系統(tǒng)，其包括用于產(chǎn)生液滴的裝置。核心部件為產(chǎn)生液滴的膨脹部。在首次灌裝油之后，例如，第二相，如水，通過毛細(xì)力在膨脹部被乳化。液滴的大小主要由膨脹部的幾何形狀來決定。此外，描述了通過圓形布置實(shí)現(xiàn)并行化操作。

[3]和[7]公開了一種在空氣中離心產(chǎn)生液滴的方法。該方法允許使用微通道系統(tǒng)在空氣中產(chǎn)生液滴，然后在水溶液中收集液滴。因此，由離心力驅(qū)動(dòng)的第一液相流過通道進(jìn)入毛細(xì)管，該毛細(xì)管末端有一自由懸浮在空氣中的微型噴嘴。在毛細(xì)管的末端，從一定的頻率開始，液滴分離，其在短距離內(nèi)飛過環(huán)境空氣，然后撞擊收集器中流體的表面。在那里，液滴通過生化反應(yīng)被(部分)硬化并被收集。因此，收集器被實(shí)施為使得，在靜止?fàn)顟B(tài)下，其相對于地面垂直，并且當(dāng)施加離心力時(shí)僅被帶動(dòng)至水平位置。

[5]描述了一種在旋轉(zhuǎn)盤上離心產(chǎn)生成品流體體積的方法。該方法允許使用微通道和微孔系統(tǒng)產(chǎn)生成品流體體積。將第一流體引入至旋轉(zhuǎn)盤上的微流體系統(tǒng)的入口腔室。由于離心力作用，該流體移動(dòng)至具有大量填充有第一流體的小孔的腔室。第二不混溶流體用于置換孔壁中的第一流體的上清液。這中斷了孔中的第一流體的流體體積彼此之間的直接接觸。

[4]和[21]描述了用于產(chǎn)生兩種互不溶相的混合物的設(shè)備和方法。提供了一種用于產(chǎn)生液滴的離心微流體盤，其中液滴產(chǎn)生基于涂層流動(dòng)原理。水相的液滴通過從相鄰?fù)ǖ赖挠土鞲Z動(dòng)(pingingoff)而從第一通道分離。在相鄰?fù)ǖ劳ㄏ虻谝煌ǖ乐螅谝煌ǖ琅蛎洸⑶耶a(chǎn)生的液滴到達(dá)第一通道的膨脹部分。

本發(fā)明的目的在于提供一種替代設(shè)備和替代方法，其允許離心產(chǎn)生嵌入在不同流體中的流體的一個(gè)或數(shù)個(gè)液滴。

該目的通過根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備和根據(jù)權(quán)利要求13的方法來實(shí)現(xiàn)。

實(shí)施例提供了一種用于在與第一流體不混溶的第二流體中產(chǎn)生一個(gè)或數(shù)個(gè)第一流體的液滴的設(shè)備，包括：

旋轉(zhuǎn)體，該旋轉(zhuǎn)體包括流體結(jié)構(gòu)，該流體結(jié)構(gòu)包括：流體腔室，該流體腔室配置為包括第二流體，流體通道，該流體通道通向流體腔室并配置為使第一流體沿流動(dòng)方向流動(dòng)至流體腔室，以及流體通道通向流體腔室的過渡區(qū)域，其中該過渡區(qū)域包括第一膨脹或拓寬區(qū)域，其中用于第一流體流動(dòng)的流動(dòng)橫截面在垂直于流動(dòng)方向的至少第一方向上膨脹，以及第二膨脹區(qū)域，其中用于第一流體流動(dòng)的流動(dòng)橫截面在垂直于流動(dòng)方向和第一方向的第二方向上膨脹，其中第二膨脹區(qū)域被布置在第一膨脹區(qū)域的下游；以及

驅(qū)動(dòng)設(shè)備，該驅(qū)動(dòng)設(shè)備配置為向旋轉(zhuǎn)體提供旋轉(zhuǎn)，將第一流體離心供應(yīng)至流體腔室，并且由于第二膨脹區(qū)域引起離心流體動(dòng)力引導(dǎo)的壓力、提升力和毛細(xì)力，使液滴在第一流體中分離，從而產(chǎn)生嵌入第二流體中的第一流體的液滴。

實(shí)施例提供了一種用于通過使用相應(yīng)的設(shè)備在與第一流體不混溶的第二流體中產(chǎn)生一個(gè)或數(shù)個(gè)第一流體的液滴的方法，包括：

將第二流體注入流體腔室中；

旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)體以通過流體通道將第一流體離心供應(yīng)至流體腔室，并且在第二膨脹區(qū)域中控制作用在第一流體上的離心產(chǎn)生的壓力、提升力和毛細(xì)力，使得引起第一流體的液滴分離，從而產(chǎn)生嵌入第二流體中的第一流體的液滴。

本發(fā)明的實(shí)施例是基于以下認(rèn)識：通過使用對應(yīng)的過渡區(qū)域，可以以最小的處理復(fù)雜性和減小的空間需求在離心系統(tǒng)中產(chǎn)生液滴，因?yàn)閷?shí)際上產(chǎn)生液滴僅需要一個(gè)通過過渡區(qū)域通向流體腔室的流體通道。因此，能夠以巧妙的方式利用離心式微流體系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，以便以最小的處理復(fù)雜度在第二流體中快速產(chǎn)生第一流體的液滴。本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，這可以在離心系統(tǒng)中通過在流動(dòng)方向上使用包括兩個(gè)對應(yīng)的前后相接的膨脹區(qū)域的過渡區(qū)域來實(shí)現(xiàn)。因此，可以產(chǎn)生具有非常小的死體積和具有非常高體積分?jǐn)?shù)的整體體積的液滴。

以下將參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例，其中：

圖1示意性示出了流體結(jié)構(gòu)，其中流體通道通向流體腔室于徑向外部部分；

圖2示意性示出了流體結(jié)構(gòu)，其中流體通道通向流體腔室于徑向內(nèi)部部分；

圖3a至3c示出了用于論述過渡區(qū)域的示意圖；

圖4示出了在過渡區(qū)域的液滴產(chǎn)生的示意圖；

圖5a至5c示出了不同的液滴尺寸與流體通道和過渡區(qū)域的不同參數(shù)的關(guān)系圖；

圖6為用于產(chǎn)生液滴的設(shè)備的示意圖；

圖7為產(chǎn)生的乳化液的示意圖；

圖8為結(jié)合不同操作的用于產(chǎn)生液滴的流體結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖9a和9b為用于并行產(chǎn)生數(shù)個(gè)液滴的流體結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖10a和10b為用于并行產(chǎn)生具有不同特征的數(shù)個(gè)液滴的流體結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖11為流體結(jié)構(gòu)的替代實(shí)施例的示意圖；以及

圖12和13為用于論述用于產(chǎn)生一個(gè)或數(shù)個(gè)液滴的設(shè)備的實(shí)施例的示意性側(cè)視圖。

在對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行更詳細(xì)的論述之前，應(yīng)當(dāng)指出的是，本發(fā)明的實(shí)施例可以特別用于離心微流體領(lǐng)域，其中處理的流體在毫微微升至毫升的范圍內(nèi)。相應(yīng)地，流體結(jié)構(gòu)可以包括針對處理相應(yīng)流體體積的在微米范圍內(nèi)的適當(dāng)尺寸。具體地，本發(fā)明的實(shí)施例可以應(yīng)用于離心微流體系統(tǒng)，例如為人熟知的術(shù)語“磁盤實(shí)驗(yàn)室(lab-on-a-disk)”。

當(dāng)使用術(shù)語“徑向”時(shí)，這里所指的是相對于旋轉(zhuǎn)中心的徑向，旋轉(zhuǎn)體可圍繞該旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)。在離心場中，遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心的徑向方向徑向減小，朝向旋轉(zhuǎn)中心的徑向方向徑向上升。流體通道的起點(diǎn)比其端部更靠近旋轉(zhuǎn)中心，因而為徑向減小，而流體通道的起點(diǎn)比其端部更遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心，為徑向上升。包括徑向上升部分的通道因而包括徑向上升或徑向向內(nèi)指向的方向分量。顯然，這樣的通道無需沿徑向線精確通過，而是可以與徑向線成一定角度或彎曲。

當(dāng)談及流體通道時(shí)，意味著一種結(jié)構(gòu)，其流體入口至流體出口的長度尺寸大于限定流動(dòng)截面的尺寸，例如，大于限定流動(dòng)截面的尺寸5倍或10倍。因此，流體通道可以包括從流體入口至流體出口經(jīng)過流體通道的流動(dòng)阻力。相反，這里所說的流體腔室為可以具有如此尺寸設(shè)計(jì)的腔室：即在其內(nèi)部沒有相關(guān)流動(dòng)阻力。

本文所用術(shù)語“流體”或“液相”，還包括含有固體組分的流體，如懸浮液或生物樣品，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。

首先，參照圖12和13，描述了可以采用本發(fā)明的離心微流體系統(tǒng)的實(shí)例。

圖12示出了具有旋轉(zhuǎn)體形式的流體模塊10的設(shè)備，其包括基底12和頂蓋14。在頂視圖中，基底12和頂蓋14可以為圓形，且具有中心開口，旋轉(zhuǎn)體10可以通過該中心開口利用常規(guī)固定機(jī)構(gòu)16施加到驅(qū)動(dòng)設(shè)備20的旋轉(zhuǎn)件18。旋轉(zhuǎn)件18被支撐為能夠在驅(qū)動(dòng)設(shè)備20的靜止件22上旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)設(shè)備20，例如，可以為包括可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的常規(guī)離心機(jī)，或者也可以為cd或dvd驅(qū)動(dòng)器?？梢栽O(shè)置有控制機(jī)構(gòu)24，并將其配置為控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備20，以使旋轉(zhuǎn)體10以不同旋轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行一次旋轉(zhuǎn)或多次旋轉(zhuǎn)。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，控制機(jī)構(gòu)24可以示例性地由相應(yīng)的編程計(jì)算裝置或?qū)Ｓ眉呻娐穪韺?shí)現(xiàn)。此外，控制機(jī)構(gòu)24可以配置為響應(yīng)于用戶的手動(dòng)輸入來控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備20，以引起旋轉(zhuǎn)體所需的旋轉(zhuǎn)。在任何情況下，控制機(jī)構(gòu)24可以配置為控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備20，以使旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例，這將在本文中描述。僅具有單一旋轉(zhuǎn)方向的常規(guī)離心機(jī)可以被用作驅(qū)動(dòng)設(shè)備20。

旋轉(zhuǎn)體10包括所需的流體結(jié)構(gòu)。所需的流體結(jié)構(gòu)可以由在頂蓋14、基底12中的腔體和通道或基底12和頂蓋14形成。在實(shí)施例中，例如，流體結(jié)構(gòu)可以形成在基底12中，其中注入開口和排出開口形成在頂蓋14中。在實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)化基底(包括注入開口和排出開口)被布置在頂部且在頂蓋的底部。

在圖13所示的替代實(shí)施例中，流體模塊32被插入到轉(zhuǎn)子30中，并與轉(zhuǎn)子30一起形成旋轉(zhuǎn)體10。流體模塊32可以分別包括基底和頂蓋，其中可以依次形成相應(yīng)的流體結(jié)構(gòu)。由轉(zhuǎn)子30和流體模塊32依次形成的旋轉(zhuǎn)體10可以通過由控制機(jī)構(gòu)24控制的驅(qū)動(dòng)設(shè)備20轉(zhuǎn)動(dòng)。

在圖12和圖13中，流體模塊或旋轉(zhuǎn)體可圍繞旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)中心標(biāo)記為r。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，包括流體結(jié)構(gòu)的流體模塊或旋轉(zhuǎn)體可由任何合適的材料形成，例如塑料，如pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)、pc(聚碳酸酯)、pvc(聚氯乙烯)或pdms(聚二甲基硅氧烷)、玻璃等。旋轉(zhuǎn)體10可以被認(rèn)為是離心微流體平臺。在優(yōu)選實(shí)施例中，流體模塊或旋轉(zhuǎn)體可以由熱塑性塑料形成，例如pp(聚丙烯)、pc、cop(環(huán)烯烴聚合物)、coc(環(huán)烯烴共聚物)或ps(聚苯乙烯)等。

下面將參照附圖，對可形成在相應(yīng)的流體模塊32或相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)體10中的流體結(jié)構(gòu)的實(shí)施例進(jìn)行描述。

如圖1和圖2所示，流體結(jié)構(gòu)包括流體腔室50、流體通道52和過渡區(qū)域54。旋轉(zhuǎn)體以及其流體結(jié)構(gòu)可圍繞旋轉(zhuǎn)中心r旋轉(zhuǎn)。流體腔室50配置為接收流體，在此所述流體也被稱為第二流體。例如，第二流體可以為油。流體通道52配置為通過由旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)引起的靜水離心壓力將流體供應(yīng)到過渡區(qū)域54，從而將流體供應(yīng)到流體腔室50，在此所述流體也被稱為第一流體。例如，第一流體可以為水溶液。但是，本發(fā)明不限于這種流體，也可以使用其它流體來實(shí)施，只要第一流體和第二流體是不混溶的，優(yōu)選為具有不同密度的第一流體和第二流體。

流體通道52和流體腔室50之間的過渡區(qū)域54被成形為使得，由基體旋轉(zhuǎn)引起和靜水離心壓力產(chǎn)生的，通過流體通道朝向流體腔室方向的不混溶于第二流體中的第一流體的流動(dòng)，以形成嵌入第二流體中的第一流體的液滴。這里，僅第一流體顯著流動(dòng)。圖1和圖2所示的本發(fā)明的實(shí)施例不包含另外的通道，其中流體腔室50和流體通道52可通風(fēng)。

在圖1所示的實(shí)施例中，流體通道52于徑向外部區(qū)域通向流體腔室50a。該實(shí)施例配置為第一流體的密度小于第二流體的密度的情況，這意味著乳化相(emulsifiedphase)比其周圍的相更輕。由于旋轉(zhuǎn)引起的離心場，在本實(shí)施例中，流體腔室50中產(chǎn)生的第一流體的較輕液滴徑向向內(nèi)上升，從而離開過渡區(qū)域。因此，可以利用離心場的浮力來使較輕的液滴從產(chǎn)生該液滴的位置移出并將第二流體保持在該位置。

離心產(chǎn)生液滴的一個(gè)特別的優(yōu)點(diǎn)是，在連續(xù)介質(zhì)(即第二流體，如油)比第一流體(如水)密度更大的實(shí)施例中，連續(xù)介質(zhì)通過離心力保持膨脹。當(dāng)試圖產(chǎn)生在盡可能少的連續(xù)相中包含盡可能多的液滴的乳化液時(shí)，這是特別有利的。這里現(xiàn)有技術(shù)提供的比例為96％的液滴體積和4％的連續(xù)相體積。利用本發(fā)明的實(shí)施例，可以顯著地提高該比例，即例如97.2％的液滴體積和2.8％的連續(xù)相體積。這對應(yīng)節(jié)省30％的連續(xù)相，并允許原位產(chǎn)生凝膠乳化液。

在圖2所示的實(shí)施例中，流體通道52于徑向內(nèi)部區(qū)域通向流體腔室。該實(shí)施例配置為第一流體的密度大于第二流體的密度的情況，即乳化相(emulsifiedphase)比其周圍的相更重。由于旋轉(zhuǎn)引起的離心場，在本實(shí)施例中，流體腔室50中產(chǎn)生的第一流體的較重液滴被徑向向外驅(qū)動(dòng)，并離開過渡區(qū)域。

與圖1和圖2所示的其中旋轉(zhuǎn)中心高于流體結(jié)構(gòu)的實(shí)施例相反，旋轉(zhuǎn)中心也可被布置在流體結(jié)構(gòu)的下方，這將形成通向流體腔室的徑向外端的直通道，以及通向流體腔室的徑向內(nèi)端的角通道。

因此，第一流體可以通過旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)以可控的方式乳化形成第二流體。這意味著第一流體的一液滴可以嵌入第二流體中，或者第一流體的多個(gè)液滴可以嵌入第二流體中，其中液滴的數(shù)量可以由旋轉(zhuǎn)的持續(xù)時(shí)間決定。在本發(fā)明的實(shí)施例中，通過流體通道供應(yīng)的第一流體的總體積可以被分為大量的嵌入第二流體中的液滴。

下面將參照圖3a至3c對過渡區(qū)域的實(shí)施例進(jìn)行更詳細(xì)的論述。因此，圖3a和圖3為各種過渡區(qū)域54的示意性頂視圖，圖3c示出了各種過渡區(qū)域54的示意性縱向剖面圖(其中所述縱向剖面可應(yīng)用于圖3a和3b所示的兩種結(jié)構(gòu))。在圖3a至3c中流動(dòng)方向示出為從左到右并由箭頭55表示。

過渡區(qū)域54包括第一膨脹區(qū)域54a，其中用于第一流體的流動(dòng)的流動(dòng)橫截面在垂直于流動(dòng)方向55的第一方向上膨脹。例如，第一方向可以對應(yīng)于流體通道的寬度方向。換句話說，第一膨脹區(qū)域54a中的流體通道在第一維度上膨脹。這種膨脹可以是突變的，即階梯式的，參見圖3a，或可以是至少部分連續(xù)的，參見圖3b中的膨脹部58。從圖3a和3b中可以看出，優(yōu)選地，流動(dòng)橫截面在彼此相對的第一方向上膨脹，即相對于流體通道52(縱向)的虛構(gòu)中心線56向左和向右膨脹。相互相對的第一方向的膨脹可以是對稱的。

過渡區(qū)域54還包括第二膨脹區(qū)域54b，第二膨脹區(qū)域54b布置在第一膨脹區(qū)域54a的下游，并且其中第一流體流動(dòng)的流動(dòng)橫截面在垂直于第一方向和流動(dòng)方向的第二方向上膨脹。例如，第二方向可以為流體通道52的高度方向。換句話說，在第二膨脹區(qū)域中，通道在第二維度上膨脹。在第二膨脹區(qū)域中的膨脹部限定邊緣61(參見圖3c)，其優(yōu)選通過在第一膨脹區(qū)域中的膨脹部獲得的結(jié)構(gòu)的整體寬度上延伸。

如圖3a和3b所示的距離a，過渡區(qū)域可以包括恒定橫截面的一部分，其中第一流體的流動(dòng)經(jīng)過在第一膨脹區(qū)域54a和第二膨脹區(qū)域54b之間恒定的流動(dòng)橫截面。該區(qū)域可以被稱為梯臺(terrace)，因?yàn)樵谠搮^(qū)域中，與第二膨脹區(qū)域后的腔室底板相比，腔室底板增加。

圖3c中的示意性縱向剖面圖i、ii和iii示出了第二膨脹區(qū)域54b中的膨脹部的實(shí)施例。圖i示出為階梯式膨脹部60，圖ii示出為連續(xù)膨脹部52，圖iii示出為階梯式膨脹部60。此外，在圖iii所示的實(shí)施例中，在第二方向上第一膨脹區(qū)域54a中設(shè)置有膨脹部64。

通常，在第一膨脹區(qū)域54a中，流動(dòng)橫截面沿第一方向(或第一相反方向)膨脹，其中同時(shí)可以在不同方向上進(jìn)行膨脹，例如在第二方向，其中在另一方向上的膨脹通常小于在第一方向上的膨脹。通常，在第二膨脹區(qū)域54b中，流動(dòng)橫截面在第二方向上膨脹，其中同時(shí)也可以在不同的方向上進(jìn)行膨脹。這意味著這包括流體通道以不同于垂直角度的角度通向流體腔室的情況。

換言之，流體通道52于位置x處通向流體腔室50，即在表示為梯臺的流體腔室的區(qū)域50a中。在口部區(qū)域，通道在第一維度上突變膨脹，如圖3a，或連續(xù)膨脹，如圖3b。如圖3c所示，流體腔室的區(qū)域50a包括恒定的高度。因此，區(qū)域50a為第一流體的流動(dòng)提供了恒定的流動(dòng)橫截面。從流動(dòng)方向上的位置y開始，流體腔室50的高度在邊緣61處增加，從而在第二方向上進(jìn)行膨脹，由此形成腔室的第二區(qū)域50b。如圖3c所示，這種增加可以是突變的或連續(xù)的。第二膨脹區(qū)域54b由此實(shí)現(xiàn)。顯然，圖3a至3c僅示出了流體通道和流體腔室50中與過渡區(qū)域相關(guān)的部分。

換句話說，流體通道52與流體腔室50相接。流體通道52至少在一維度上突變或連續(xù)地膨脹。流體通道52可以在第二維度上同時(shí)突變或連續(xù)地膨脹。優(yōu)選地，流體通道52在第二維度上不會同時(shí)膨脹。當(dāng)流體通道同時(shí)在第二維度上膨脹時(shí)，優(yōu)選地，與同時(shí)在第一維度上的膨脹相比，其膨脹程度較小。流體腔室50從供給流體通道52的端部朝向另一側(cè)膨脹。這種膨脹可以是突變的或連續(xù)的。膨脹開始于從流體通道52至流體腔室50的過渡部距離a之后。優(yōu)選地，膨脹在垂直于流體通道在至流體腔室的口部處的先前膨脹的方向上進(jìn)行。優(yōu)選地，這里意味著其它方向也是可能的。

發(fā)明人認(rèn)識到，與[6]、[9]至[20]和[22]中的基于壓力的系統(tǒng)所描述的結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)牧黧w結(jié)構(gòu)可以有利地用于離心系統(tǒng)或離心平臺。

為了產(chǎn)生液滴，流體腔室50和流體通道52灌裝有第二液相，即第二流體。這可以例如是由圍繞旋轉(zhuǎn)中心r旋轉(zhuǎn)的流體結(jié)構(gòu)引起的離心力的影響所引起的。隨后，通過流體通道52注入與第一相不混溶的第一(大部分)液相。

第一液相朝向流體腔室50的流動(dòng)是由于基底(即旋轉(zhuǎn)體)的旋轉(zhuǎn)引起的，例如由于靜水離心壓力。旋轉(zhuǎn)可以以恒定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行。通過上述相的第二不混溶物質(zhì)中的第一液相的流動(dòng)導(dǎo)致液滴在第二維度的膨脹部(即第二膨脹區(qū)域54b的膨脹部)中分離。因此，所產(chǎn)生的液滴的體積基本上取決于膨脹部的幾何形狀和表面張力，以及與其連接的毛細(xì)力。液滴尺寸在很大程度上與第一相的流速無關(guān)。因此，基本上只有第一液相是流動(dòng)的，而第二液相基本上是靜止的。流體腔室50和所有其它結(jié)構(gòu)，例如流體通道50，均可以具有壓力補(bǔ)償。

因此產(chǎn)生的液滴的直徑大于過渡部的最小通道尺寸。在實(shí)施例中，作用在過渡部的流體上的由旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)場，可以相當(dāng)于地球的重力加速度的至少兩倍。

圖4示出了使用如圖3b和圖3c中的i所示的流體結(jié)構(gòu)在第二次膨脹部產(chǎn)生液滴的五個(gè)階段。對應(yīng)的流體結(jié)構(gòu)如圖4右側(cè)所示。所示的參數(shù)a對應(yīng)為梯臺長度(即等橫截面區(qū)域的長度)，參數(shù)b對應(yīng)為流體通道寬度，參數(shù)c對應(yīng)為流體通道深度。此外，圖4中示出沿通道(沿線q1)和垂直于通道(沿線q2)的相應(yīng)橫截面。

在該過程開始時(shí)，流體結(jié)構(gòu)灌裝有第二流體67，例如油。在階段1中，第一流體66通過流體通道52離心供給。在階段2中，第一流體66到達(dá)第一膨脹部58并沿寬度方向擴(kuò)展。在階段3中，第一流體66到達(dá)第二膨脹部50并且還在高度方向上膨脹。該擴(kuò)展在階段4中繼續(xù)，直到在階段5中，液滴70在離心場中分離。

圖5a至5c示出了不同參數(shù)對液滴尺寸的影響，其中水相作為第一流體，油作為第二流體。圖5a示出了流體通道深度c的變化對液滴尺寸的影響。圖5b示出了梯臺長度a的變化對液滴尺寸的影響。圖5c示出了旋轉(zhuǎn)頻率的變化對液滴尺寸的影響。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，用于產(chǎn)生中等尺寸液滴的良好方法如下：a＝75μm-125μm，特別為100μm；b＝70μm-110μm，特別為90μm；c＝45μm-75μm，特別為60μm。第一膨脹部的角度為45°，但可以變化。第二膨脹部的角度為90°，但可以減小。流體腔室(即液滴收集腔室)的深度為200μm。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，第一膨脹區(qū)域的膨脹部至少為相當(dāng)于通道寬度的1.1倍。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，在第二膨脹區(qū)域中，膨脹部也至少為1.1倍。

如圖5a所示，液滴尺寸隨通道深度c而線性增加。圖5a所示獲得的液滴尺寸，其梯臺長度a為100μm，通道寬度b為90μm。

如圖5b所示，隨梯臺長度a的變化，曲線的三個(gè)子區(qū)域?qū)⒈粎^(qū)分開。如果梯臺比通道寬度短得多，則梯臺長度與液滴直徑無關(guān)。隨梯臺長度的增加，液滴直徑隨梯臺長度a的增加而增加(根據(jù)理論的2/3次冪)。當(dāng)梯臺相對于通道深度c變得很長時(shí)，液滴在梯臺上已經(jīng)分離，液滴直徑保持大致相同。在一定程度上，衛(wèi)星液滴形成為具有直徑約150μm的液滴，梯臺長度為500μm。得到的結(jié)果如圖5b所示，其恒定通道寬度b為90μm，恒定通道深度c為60μm。

圖5c示出了通道寬度b為90μm，通道深度c為60μm，梯臺長度a為100μm的恒定結(jié)構(gòu)的壓力變化時(shí)的液滴尺寸。相對于在流體通道口部處進(jìn)入流體腔室的油相的水相過壓已經(jīng)改變，這種變化是通過改變旋轉(zhuǎn)頻率來實(shí)現(xiàn)的。如圖5c所示，測量區(qū)域中的液滴尺寸不依賴于旋轉(zhuǎn)頻率，從而不依賴于壓力。

圖6示意性地示出了用于執(zhí)行相應(yīng)方法的設(shè)備的實(shí)施例，其中所述設(shè)備被示出為處于以下狀態(tài)：通過流體通道52供應(yīng)的第一流體72的多個(gè)液滴70在設(shè)置于流體腔室50中的第二流體74中產(chǎn)生。流體通道52的入口區(qū)域可以流體連接至入口腔室100。圖6還示出了過渡區(qū)域54的放大頂視圖102和放大縱向剖面圖104?？梢詫ㄏ鄳?yīng)流體結(jié)構(gòu)的流體模塊插入到轉(zhuǎn)子中，例如，如圖6中示意性所示的盒106。

本發(fā)明的流體結(jié)構(gòu)的實(shí)施例允許液滴的離心微流體產(chǎn)生而無需手動(dòng)操作。在圖7的圖a至圖f中，示出了產(chǎn)生不同尺寸的液滴的流體腔室的顯微圖像(頂視圖)。這些液滴是用不同尺寸的流體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。更準(zhǔn)確地說，液滴是用具有不同橫截面的流體通道產(chǎn)生的，其中橫截面(尺寸)大小如下：a<b<c<d<e<f。所有的液滴都可以在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)僅通過兩個(gè)移液步驟產(chǎn)生，而不受旋轉(zhuǎn)頻率的限制，這對于當(dāng)前使用的基于注射泵的系統(tǒng)來說是一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的實(shí)施例還基于以下知識：離心微流體平臺上的液滴產(chǎn)生可以容易地與在相同的離心微流體平臺上的其它操作相結(jié)合。例如，可以通過使用本文所述的液滴生成技術(shù)以最小的處理工作和低污染風(fēng)險(xiǎn)來實(shí)現(xiàn)dna提取，以及后續(xù)的dna純化，以及后續(xù)的用于dna擴(kuò)增的組分混合，以及后續(xù)的等分成許多小液滴，以及后續(xù)的對等分試樣進(jìn)行數(shù)字dna擴(kuò)增。

因此，本發(fā)明的實(shí)施例特別適用于在生物化學(xué)驗(yàn)證反應(yīng)的環(huán)境中通過在n個(gè)分區(qū)中分離分析物的方法。在這樣的方法中，將分析物稀釋至至少一個(gè)分區(qū)和最多n-1個(gè)分區(qū)不包括任何分析物的程度。通過計(jì)數(shù)灌裝有分析物的分區(qū)，可以基于其泊松分布計(jì)算分析物的濃度。這里，分離分析物(第一流體)可以根據(jù)本文所述的液滴產(chǎn)生技術(shù)來執(zhí)行。

例如，本發(fā)明人首次通過利用本文所述的液滴產(chǎn)生方法成功地執(zhí)行數(shù)字液滴rpa(rpa＝重組酶聚合酶擴(kuò)增(recombinasepolymeraseamplification))。這里，商購的rpa混合物已加入稀釋的商購dna靶分子，并在油中分離成許多不同的液滴(反應(yīng)體積)。與圖7所示的液滴一樣，這是用兩個(gè)移液步驟進(jìn)行的，并且不受旋轉(zhuǎn)頻率的限制。商業(yè)試劑的成分沒有變化。隨后，將微流體結(jié)構(gòu)中的液滴置于恒溫，以便進(jìn)行酶反應(yīng)(rpa)。讀取熒光強(qiáng)度也通過商購的熒光掃描儀在微流體結(jié)構(gòu)中進(jìn)行。

在另一實(shí)施例中，流體結(jié)構(gòu)可以集成在大致與其中一個(gè)顯微鏡載玻片(大約25×75平方毫米)尺寸匹配的流體模塊中。通過將流體模塊插入離心機(jī)(例如，臺式離心機(jī))中，可以在其滑動(dòng)尺寸的范圍內(nèi)產(chǎn)生液滴。

在另一實(shí)施例中，流體結(jié)構(gòu)可以集成在微量滴定板上的流體模塊中，例如，96孔板。通過將流體模塊插入離心機(jī)中，可以在板的各個(gè)孔中產(chǎn)生液滴。在另一實(shí)施例中，流體模塊的流體結(jié)構(gòu)集成在用于微量滴定板的插入物上。通過將流體模塊插入離心機(jī)中，在板的各個(gè)孔中產(chǎn)生液滴。產(chǎn)生液滴之后，可以將插入物再次從微量滴定板移除，并且液滴可用于后續(xù)的應(yīng)用，例如，pcr。

因此，在實(shí)施例中，液滴可以包括適合于檢測dna的生化反應(yīng)混合物，例如pcr混合物或不同的等溫?cái)U(kuò)增混合物，例如rpa(重組酶聚合酶擴(kuò)增)，rca(滾動(dòng)擴(kuò)增)，lamp(環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增)或用于非等溫dna檢測的不同混合物。此外，一些液滴可以包括待驗(yàn)證的dna分子。形成有流體結(jié)構(gòu)的完整流體模塊可以具有標(biāo)準(zhǔn)化的尺寸。產(chǎn)生液滴之后，可以將整個(gè)流體模塊置于不同的溫度，例如，用常規(guī)裝置，即所謂的載玻片循環(huán)儀(slidecyclers)，以便進(jìn)行dna驗(yàn)證反應(yīng)(例如pcr、rpa、rca、lamp)。這種驗(yàn)證反應(yīng)可以被驗(yàn)證，例如，通過熒光染料，其可以通過光學(xué)系統(tǒng)在反應(yīng)后或反應(yīng)過程中被讀取。由于標(biāo)準(zhǔn)化的尺寸，這可以被執(zhí)行，例如，在一個(gè)所謂的載玻片掃描儀(slidescanners)。為此，系統(tǒng)的一部分可以以透明的方式設(shè)計(jì)。此外，在整個(gè)過程中，可以選擇控制流體模塊的溫度，例如，以防止酶在低溫下過早活化。這里，等溫?cái)U(kuò)增方法是指在恒溫下進(jìn)行的擴(kuò)增方法。

實(shí)施例提供了一種設(shè)備，其中液滴產(chǎn)生結(jié)構(gòu)在離心微流體平臺上與離心微流體結(jié)構(gòu)連接，離心微流體結(jié)構(gòu)允許在生化反應(yīng)混合物加入dna之前進(jìn)行dna提取和/或純化，其允許基于dna的驗(yàn)證，例如，pcr或其它，例如，等溫或非等溫?cái)U(kuò)增方法。例如，可以使用數(shù)字pcr或數(shù)字ppr。相應(yīng)流體結(jié)構(gòu)的實(shí)例如圖8所示。入口130通過離心微流體平臺上的通道130連接至用于dna提取和/或純化134的結(jié)構(gòu)134。在上游或下游，系統(tǒng)可以通過通道136連接至用于自動(dòng)化操作步驟的其它結(jié)構(gòu)138(例如，預(yù)擴(kuò)增或雙液滴生成，例如，插入式預(yù)擴(kuò)增)。這些結(jié)構(gòu)138或用于dna提取和/或純化的結(jié)構(gòu)134通過流體通道52連接至用于液滴產(chǎn)生的過渡部55和流體腔室50。通過這種方式，液滴產(chǎn)生可以通過通道以及入口連接至其它流體操作，其允許例如自動(dòng)dna提取、dna純化、dna預(yù)擴(kuò)增以及后續(xù)的數(shù)字pcr(和數(shù)字等溫驗(yàn)證方法)。

在替代實(shí)施例中，代替dna，可以驗(yàn)證和檢測其它核酸，例如，rna(核糖核酸)。

參照圖9和10，在下文中，將論述通過并聯(lián)連接幾個(gè)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)來增加液滴產(chǎn)生速率的實(shí)施例，使得可以同時(shí)產(chǎn)生幾個(gè)液滴。

圖9a示出了流體結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)流體通道152中的每一個(gè)通過相應(yīng)的過渡區(qū)域154通向流體腔室154。流體通道152通過分配器結(jié)構(gòu)160流體連接至公共供應(yīng)通道162。代替一個(gè)供應(yīng)通道，可以設(shè)置多個(gè)供應(yīng)通道，其中流體通道的第一子集可以通過第一分配器通道連接至第一供應(yīng)通道，并且流體通道的第二子集可以通過第二分配器通道連接至第二供應(yīng)通道。流體通道通向流體腔室于其徑向內(nèi)部部分，使得流體結(jié)構(gòu)適于具有比第二流體較大的密度的第一流體。過渡區(qū)域154具有相同的結(jié)構(gòu)，使得可以并行產(chǎn)生相同尺寸的液滴。

圖9b示出了相似的流體結(jié)構(gòu)，然而，其中流體通道通向流體腔室于其徑向外部部分，使得流體結(jié)構(gòu)適于具有比第二流體較低的密度的第一流體。

通過這種方式，實(shí)施例提供圍繞旋轉(zhuǎn)中心r可旋轉(zhuǎn)的流體模塊，其中供應(yīng)通道162耦合至分配器通道160，數(shù)個(gè)流體通道152從該分配器通道160分支，其通過數(shù)個(gè)過渡部154通向流體腔室150。流體腔室150和流體通道152之間的過渡部154再次被設(shè)計(jì)為使得由流體模塊的旋轉(zhuǎn)和由此產(chǎn)生的靜水壓力引起的與第二流體不混溶的第一流體在流體腔室的方向上通過通道的流動(dòng)產(chǎn)生嵌入于第二流體的第一流體的液滴。這里，僅第一相以顯著的方式流動(dòng)。

圖10a和10b示出了類似于圖9a和9b的流體結(jié)構(gòu)。然而，在圖10a和10b中，過渡部的尺寸不同，使得產(chǎn)生不同尺寸的液滴。這在圖10a和10b中示出，過渡部以不同陰影表示，其中僅僅示例性地，對兩個(gè)過渡部用附圖標(biāo)記154a和154j標(biāo)示。因此，在另一實(shí)施例中，可以并行生產(chǎn)不同尺寸的液滴。因此，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種圍繞旋轉(zhuǎn)中心r旋轉(zhuǎn)的流體模塊，其中供應(yīng)通道162耦合至分配器通道160，數(shù)個(gè)流體通道152從該分配器通道160分支。流體通道152通過具有不同尺寸的數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)相似的過渡部154a、154j通向流體腔室150。流體腔室和流體通道之間的過渡部154a、154j被設(shè)計(jì)為使得由流體模塊的旋轉(zhuǎn)和由此產(chǎn)生的靜水壓力引起的與第二流體不混溶的第一流體在流體腔室的方向上通過通道的流動(dòng)產(chǎn)生嵌入于第二流體的不同尺寸的第一流體的液滴。這里，僅第一相以顯著的方式流動(dòng)。通過這種方式，可以產(chǎn)生具有不同大小但限定尺寸的液滴，例如，在具有旋轉(zhuǎn)頻率的盒中。

通常，在用于產(chǎn)生液滴的本發(fā)明的實(shí)施例中，僅需要一個(gè)流體通道，其通過過渡區(qū)域通向流體腔室。在另一實(shí)施例中，一個(gè)或數(shù)個(gè)通道可以在過渡部前或在過渡部中合并流體。這允許在產(chǎn)生液滴之前立即混合化學(xué)物質(zhì)。另外，這允許特定的各向異性液滴的產(chǎn)生，例如，產(chǎn)生janus顆粒等。圖11示出了在液滴產(chǎn)生之前用于合并至少兩個(gè)通道的合適的流體結(jié)構(gòu)。在左邊的流體結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)通道52和52a通向公共過渡部54，該公共過渡部54產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)至腔室50的液滴。與通道52和52a合并的一個(gè)或數(shù)個(gè)其它的通道示出如虛線表示的可選通道52b。在右邊的流體結(jié)構(gòu)中，另一通道52c通向產(chǎn)生液滴的過渡部54前的主通道52。一個(gè)或數(shù)個(gè)其它的通道52d、52e還可以如虛線所示通向主通道52。這里，通向通道52c、52d、52e可以在相同位置和/或不同位置通向主通道52。

在另一實(shí)施例中，可以產(chǎn)生嵌入第二相的第一相的液滴，并在其內(nèi)部包括與第一相不混溶的第三相。例如，它們可以為懸浮液的液滴，例如，細(xì)胞或玻璃粉(beads)。此外，例如，它們可以為乳化液的液滴。至少一個(gè)相可以在稍后的步驟中(部分地)被固化。除此之外，這還允許產(chǎn)生janus顆粒，例如，用于醫(yī)療產(chǎn)品的封裝。

在另一實(shí)施例中，可以產(chǎn)生其中包括細(xì)菌的液滴?？梢酝ㄟ^驗(yàn)證反應(yīng)(例如，熒光噬菌體)驗(yàn)證這些細(xì)菌，并且可以通過合適的檢測方法(例如，熒光測量)檢測這些細(xì)菌。這允許對活細(xì)菌進(jìn)行絕對定量，例如，用于診斷敗血癥。

在另一實(shí)施例中，液滴可以包括用于進(jìn)行免疫驗(yàn)證反應(yīng)(免疫測定)的組分，以便可以驗(yàn)證抗原或抗體。如果液滴的數(shù)量適于使得全部或者沒有液滴不包括相應(yīng)的抗原或抗體，則可以進(jìn)行抗原或抗體的數(shù)字驗(yàn)證(例如，數(shù)字elisa(酶聯(lián)免疫吸附測定))，對抗原或抗體進(jìn)行絕對定量。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如上所述的用于液滴產(chǎn)生的已知系統(tǒng)具有許多缺點(diǎn)。

例如，用于產(chǎn)生液滴的等分壓力驅(qū)動(dòng)微流體系統(tǒng)需要一建立合適壓力的外部系統(tǒng)。這將導(dǎo)致許多缺點(diǎn)。壓力驅(qū)動(dòng)微流體系統(tǒng)的運(yùn)行所必需的產(chǎn)生壓力的裝置是沒有標(biāo)準(zhǔn)裝置的，因此每個(gè)應(yīng)用都需要昂貴的專用系統(tǒng)。根據(jù)配置，這些系統(tǒng)的操作是復(fù)雜的，例如，必須確保用于產(chǎn)生液滴的系統(tǒng)和盒之間的密封連接。這個(gè)問題的技術(shù)解決方案是可行的，但增加了專業(yè)化程度和成本。用于建立壓力的系統(tǒng)中的壓力變化只能以高成本來最小化，并且在系統(tǒng)運(yùn)行期間造成困難。壓力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中等分的基本操作只能與其它基本操作相結(jié)合，費(fèi)用高昂。一種可行的單片系統(tǒng)自動(dòng)化，例如，dna提取，dna純化和數(shù)字pcr，只能以壓力驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)，難度很大，操作起來非常復(fù)雜，這使得標(biāo)準(zhǔn)情況下的應(yīng)用變得非常困難?？偠灾?，壓力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是昂貴的，由于脈動(dòng)而受到壓力變化的影響，其特征在于復(fù)雜的集成。

用于等分的常規(guī)離心微流體系統(tǒng)也具有許多缺點(diǎn)。產(chǎn)生的液滴通過環(huán)境空氣飛進(jìn)收集容器，受到許多缺點(diǎn)的限制。該系統(tǒng)只能有限程度地應(yīng)用于其它流體，因?yàn)橐旱蔚?部分)固化對于系統(tǒng)的運(yùn)行是必需的。在與環(huán)境空氣接觸過程中不能排除環(huán)境和/或液滴的污染。這些系統(tǒng)中等分的基本操作只能與其它基本操作相結(jié)合，費(fèi)用高昂。一種可行的單片系統(tǒng)自動(dòng)化，例如，dna提取，dna純化和數(shù)字pcr，難以實(shí)現(xiàn)，操作起來非常復(fù)雜，這使得標(biāo)準(zhǔn)情況下的應(yīng)用變得非常困難。此外，使用這種方法，很難產(chǎn)生特別小的液滴。

在用于等分的基于微孔的微流體系統(tǒng)中，在孔中產(chǎn)生等分試樣受旋轉(zhuǎn)盤的限制，具有多個(gè)缺點(diǎn)。在下游進(jìn)行必要的等分處理是非常困難的，例如，用于產(chǎn)生醫(yī)療產(chǎn)品的janus顆粒?？椎目臻g要求相對較高，因?yàn)樗鼈儾荒苋S布置，并且孔之間的剛性壁具有比緊密堆積的液滴之間的距離更大的特定寬度。

發(fā)明人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在[4]和[21]描述的方法中，液滴分離的基本物理原理在很大程度上取決于油和待乳化相的流速。由于流速不能在流程開始和結(jié)束時(shí)精確控制，因此在流程開始和結(jié)束時(shí)會導(dǎo)致不均勻的液滴。由于進(jìn)一步產(chǎn)生液滴需要油相的連續(xù)流動(dòng)，所以需要大量的油來產(chǎn)生乳化液。此外，與本發(fā)明的實(shí)施例僅需要一個(gè)通道相比，這種傳統(tǒng)系統(tǒng)需要至少三個(gè)通道來產(chǎn)生液滴，這導(dǎo)致盤上的空間要求增加。此外，這種方法要適應(yīng)其它液滴體積需要涉及對結(jié)構(gòu)的完全重新設(shè)計(jì)。在本文所述的系統(tǒng)中，基本上僅需適應(yīng)調(diào)整單個(gè)通道的直徑。

本發(fā)明的方法可以大部分地或完全地消除現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)。

根據(jù)本發(fā)明，離心產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力可用于液滴分離。兩種不混溶流體之間的密度差可用于產(chǎn)生乳化液。此外，本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)在于，產(chǎn)生液滴的離心場可以同時(shí)用于將產(chǎn)生的液滴從產(chǎn)生位置移出，并將周圍的相保持在液滴產(chǎn)生的位置。例如，可以通過離心產(chǎn)生的提升力將液滴從流體通道的孔口驅(qū)動(dòng)至流體腔室中?？梢允褂萌嗽斓奶嵘⒘黧w通道的孔口處的第二流體保持在流體腔室中，從而可以實(shí)現(xiàn)乳化液中的高水/油比。實(shí)施例僅需要一個(gè)通道通向腔室以產(chǎn)生相應(yīng)的液滴。

此外，與當(dāng)前最廣為使用的產(chǎn)生液滴的方法相反，本發(fā)明無需外部壓力源，降低了誤差可能性和成本。與現(xiàn)有技術(shù)相反，本發(fā)明可以使用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室裝置(例如，臺式離心機(jī))進(jìn)行操作。此外，可以容易地開發(fā)和構(gòu)建用于特定應(yīng)用領(lǐng)域的相應(yīng)裝置。通過本發(fā)明的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以顯著簡化流程，例如，僅需要標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室裝置中一個(gè)移液步驟和的一個(gè)操作?？梢越档臀廴撅L(fēng)險(xiǎn)。實(shí)施例可以包括僅一個(gè)至多個(gè)移液步驟。通過使用本發(fā)明的方法，后續(xù)的等分操作可以容易地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法簡化了等分操作和其它處理步驟的結(jié)合，例如，dna提取和純化。此外，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以減少使用周圍相的量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的方法能夠分別等分和乳化完整的樣品體積而無任何死體積。此外，還允許對等分樣品體積進(jìn)行擴(kuò)展下游操作。此外，所產(chǎn)生的液滴可以通過快速離心再次分離，并且結(jié)合到總體積中。這對于某些應(yīng)用是必要的，例如，測序或預(yù)擴(kuò)增，并且在壓力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)施非常復(fù)雜，例如，添加化學(xué)品。

本發(fā)明方法使用幾乎無源的系統(tǒng)，其唯一的自由度(旋轉(zhuǎn)頻率)可用于控制更多的上游流程。與壓力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，本發(fā)明不存在啟動(dòng)問題，即可以從開始到結(jié)束產(chǎn)生均勻的液滴。此外，本發(fā)明方法允許通過頻率協(xié)議簡單地調(diào)節(jié)流量。

本發(fā)明的實(shí)施例允許從兩個(gè)液相離心產(chǎn)生嵌入式流體(liquid-in-liquid)液滴，其中基本上僅一個(gè)相流動(dòng)。實(shí)施例僅需要一個(gè)通向流體腔室的流體通道，用于產(chǎn)生每個(gè)液滴，其中可以提供數(shù)個(gè)通道以并行產(chǎn)生數(shù)個(gè)液滴。實(shí)施例允許對旋轉(zhuǎn)體上的靶分子進(jìn)行數(shù)字驗(yàn)證(例如，dna擴(kuò)增)。實(shí)施例提供了一種基底，其包括連接至流體通道的腔室，其中從流體通道至腔室的過渡部配置為使得在將第二液相(例如，油)灌裝腔室之后，由于基體的旋轉(zhuǎn)(由于靜水離心壓力)而引起的與第一液相不能混合的第二液相(例如，水)的流動(dòng)，產(chǎn)生液滴(其中在液滴產(chǎn)生過程中基本上僅兩相中的一相流動(dòng))。產(chǎn)生的液滴的直徑可以大于過渡部的最小通道尺寸。

因此，本發(fā)明的實(shí)施例提供了用于在離心操作的微流體盒內(nèi)產(chǎn)生液滴的微流體結(jié)構(gòu)。在相應(yīng)的液滴產(chǎn)生過程中，基本上僅待分離的流體流動(dòng)。液滴分離和液滴體積主要由毛細(xì)力、提升力、表面張力和過渡區(qū)域的幾何形狀(噴嘴幾何形狀)決定。所產(chǎn)生液滴的體積幾乎與流速和壓力無關(guān)。

盡管本文中某些方面描述了設(shè)備以及設(shè)備功能的內(nèi)容，但是顯然，這些方面還提供了相應(yīng)方法的描述。同樣地，顯然，在描述方法內(nèi)容的某些方面也涉及相應(yīng)設(shè)計(jì)的設(shè)備的描述，以便提供與該方法對應(yīng)的功能。

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