形成相對單分散液滴的裝置和方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請
[0002] 本申請要求于2013年3月6日提交的美國臨時專利申請序列號61/773, 604,標(biāo)題 為"Devices and Methods for Forming Relatively Mondisperse Droplets" 的權(quán)益，其 在此通過引用將其全部引入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 總體上描述了用于分裂流體液滴的裝置和方法。
[0004] 發(fā)明背景
[0005] 出于流體輸送、產(chǎn)品制造、分析等目的，操作流體以形成所需構(gòu)造的流體流、不連 續(xù)的流體流、液滴、顆粒、分散體等是相對充分研究的技術(shù)。在微流體系統(tǒng)中生產(chǎn)液滴的方 法的例子包括使用T形接頭或流動聚焦（flow-focusing)技術(shù)。但是，這種技術(shù)典型地在 相對緩慢的層狀或"滴下"條件工作，并且在一些應(yīng)用中，需要更快的液滴產(chǎn)生速率，例如以 生產(chǎn)更多數(shù)目的液滴。
[0006] -些常規(guī)的流體裝置嘗試通過連接多于一個流體裝置以并行形成顆粒來增產(chǎn)。但 是，對于一些應(yīng)用例如工業(yè)應(yīng)用而言，需要數(shù)千或甚至數(shù)百萬的流體裝置的并行。因此，流 體裝置的生產(chǎn)量在它們的工業(yè)化變得可行之前必須明顯提高。此外，在數(shù)千流體裝置的陣 列中，甚至單個流體裝置的失效都會導(dǎo)致較高的多分散性。因此，需要改進(jìn)液滴生產(chǎn)系統(tǒng)和 方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 總體上描述了用于分裂流體液滴的裝置和方法。本發(fā)明的主題在一些情況中包括 相關(guān)的產(chǎn)品，對于具體問題可選的解決方案，和/或一種或多種裝置和/或制品的多種不同 用途。
[0008] 在一方面，本發(fā)明總體上涉及一種制品。根據(jù)一組實施方案，該制品包括微流體型 通道，其中包括障礙物的二維陣列，其布置為多行基本上規(guī)則間隔的障礙物，該行布置為基 本上垂直于穿過該微流體型通道的平均流體流動的方向。在一些情況中，該基本上規(guī)則間 隔的障礙物的至少一些行相對于相鄰的基本上規(guī)則間隔的障礙物的行是偏移的。
[0009] 該制品在另一組實施方案中包括微流體型通道，其中包括障礙物的二維陣列，其 布置為多行障礙物，該行布置為基本上垂直于穿過該微流體型通道的平均流體流動的方 向。在某些情況中，在穿過該微流體型通道的平均流體流動的方向上劃過該障礙物陣列的 至少約90%的假想線與至少約40%的形成該陣列的障礙物行的障礙物相交。
[0010] 又一組實施方案總體上涉及一種制品，其包括微流體型通道，其中包括障礙物的 陣列，其布置為使得所有從上游進(jìn)入該障礙物陣列的流體的流路至少發(fā)生五次方向變化 后，在該陣列下游離開。
[0011] 本發(fā)明在另一方面中總體上涉及一種方法。在一組實施方案中，該方法包括以下 操作：提供包括在微流體型通道內(nèi)的障礙物二維陣列，和使多個液滴經(jīng)過該障礙物陣列，以 將至少約50%的液滴分裂以形成多個分裂的液滴。在一些情況中，障礙物與接下來最近的 障礙物之間的平均距離小于約1mm。
[0012] 根據(jù)另一組實施方案，該方法包括以下操作：通過使多個液滴經(jīng)過障礙物二維陣 列，以向該多個液滴施加剪切力，從而使該液滴分裂以形成多個分裂的液滴。在一些實施方 案中，該多個分裂的液滴具有一定的特性尺寸分布，以使得不大于約5%的分裂的液滴的特 性尺寸大于該多個分裂的液滴的平均特性尺寸的約120%或者小于約80%。
[0013] 又一組實施方案總體上涉及一種方法，其包括使液滴經(jīng)過包括于微流體型通道中 的障礙物二維陣列，以將該液滴分裂來形成多個分裂的液滴。
[0014] 當(dāng)結(jié)合附圖考慮時，本發(fā)明的其他優(yōu)點和新穎特征從本發(fā)明的以下各種非限制性 實施方案的詳細(xì)描述將變得明顯。在本說明書和通過引用并入的文件包括沖突和/或不一 致的公開內(nèi)容的情況下，以本說明書為準(zhǔn)。
【附圖說明】
[0015] 本發(fā)明的非限制性實施方案將參考附圖以實施例方式進(jìn)行描述，其為示意性的而 不意在按比例繪制。在圖中，所描述的各相同的或近乎相同的部分典型地由單一的數(shù)字表 示。出于清楚的目的，當(dāng)允許本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明而不需說明時，不是每個部分都標(biāo) 在每張圖中，也不是顯示本發(fā)明的各實施方案的每個部分。在圖中：
[0016] 圖1顯示了本發(fā)明一個實施方案的裝置的圖示。
[0017] 圖2A-G顯示了根據(jù)某些實施方案的多個障礙物的陣列和液滴分裂。
[0018] 圖3顯示了根據(jù)一個實施方案的裝置的并行化。
[0019] 圖4A-B顯示了根據(jù)某些實施方案的液滴尺寸相對于毛細(xì)管數(shù)和間隙體積的圖。
[0020] 圖5A-C顯示了根據(jù)一組實施方案，分散相的體積百分比，液滴尺寸和變化系數(shù)相 對于間隙體積的圖。
[0021] 圖6顯示了根據(jù)一組實施方案，基于障礙物幾何形狀的液滴的特性尺寸分布。
[0022] 圖7A-F顯示了根據(jù)某些實施方案，不同障礙物幾何形狀的液滴分裂。
[0023] 圖8A-E顯示了根據(jù)某些實施方案，不同長寬比的液滴分裂。
[0024] 圖9A-B顯示了根據(jù)一組實施方案形成的顆粒。
[0025] 圖10A-H顯示了根據(jù)某些實施方案，不同長寬比的液滴分裂，和平均液滴直徑相 對于長寬比的圖。
[0026] 圖IlA-F顯示了根據(jù)一組實施方案形成的顆粒。
[0027] 圖12顯示了根據(jù)某些實施方案，液滴直徑相對于流體速度的圖。
[0028] 圖13顯示了根據(jù)一組實施方案形成的顆粒。
[0029] 圖14顯示了根據(jù)一組實施方案，液滴直徑相對于行數(shù)的圖。
【具體實施方式】
[0030] 總體上描述了用于分裂液滴的裝置和方法。在一些實施方案中，一種制品可以包 括流體通道，其包括障礙物陣列。在某些實施方案中，該障礙物陣列的布置會影響流體在通 道中的流路。例如，該障礙物陣列可以用于將多分散的液滴群轉(zhuǎn)化成相對單分散的液滴群。 使多分散的液滴群經(jīng)過該陣列會產(chǎn)生液滴的分裂，以使得離開該陣列的液滴群具有更小的 特性尺寸和/或更窄的液滴特性尺寸分布。該陣列中障礙物的布置在一些情況中可以允許 高生產(chǎn)量地生產(chǎn)基本上單分散的液滴群。在一些實施方案中，離開該陣列的液滴群可以轉(zhuǎn) 化成顆粒。
[0031] 本發(fā)明的一方面總體上涉及用于分裂液滴的裝置和方法。圖1顯示了一個非限定 性例子。如圖1中所示例性地顯示，流體裝置10可以包括通道15,其含有障礙物陣列20 (為 了清楚，該插圖顯示了該陣列的放大區(qū)域）。進(jìn)入該通道的流體25可以在箭頭18的方向上 (其代表通道15中流體流動的平均方向）從上游16流到下游17。可以布置該流體裝置， 以使得進(jìn)入通道的流體在離開該通道之前經(jīng)過障礙物陣列。在某些實施方案中，進(jìn)入通道 的流體可以包含液滴，例如圖1中的液滴30。流體25內(nèi)的液滴可以經(jīng)由任何合適的技術(shù)來 產(chǎn)生，例如乳液方法（例如本體乳化（bulk emulsification))，以使得流體液滴分散在連 續(xù)流體相中。典型地，該液滴是多分散的。在一些實施方案中，該液滴可以在陣列上游的裝 置上形成。
[0032] 在一些實施方案中，可以布置該流體裝置，以使得進(jìn)入陣列的液滴可以作為分裂 的液滴離開，例如具有系統(tǒng)所要求的特性尺寸（例如裝置的構(gòu)造和/或流體的性質(zhì)）。例 如，在一些實施方案中，該液滴可以通過陣列中的障礙物分裂成兩個或更多個分裂的液滴。 該分裂的液滴在一些情況中還可以分裂。這種分裂過程可以持續(xù)直到來自于該液滴的全部 分裂的液滴具有大致地特定的特性尺寸為止，由此生產(chǎn)相對單分散的液滴。因此，如圖1中 所示例性地顯示，該流體裝置可以用于將多分散的液滴30的群轉(zhuǎn)化成相對單分散的液滴 35的群。
[0033] 在某些實施方案中，相對大數(shù)目的液滴可以基本上同時進(jìn)入、占據(jù)和/或離開該 陣列，以便能夠以高生產(chǎn)量來生產(chǎn)具有特定的特性尺寸的液滴。因此，雖然上面討論了單個 液滴的分裂，但是這是為了清楚起見，并且在其他實施方案中，多個液滴可以同時經(jīng)過障礙 物陣列。另外，在一些情況中，進(jìn)入或離開該陣列的液滴在經(jīng)過障礙物陣列之前和/或之后 可以經(jīng)歷另外的過程。例如，如圖1中所示，在液滴離開通道之前，包含單體和光引發(fā)劑的 液滴可以暴露于紫外線以引起該液滴內(nèi)的光聚合。
[0034] 如上所述，通道可以包含布置在陣列中的障礙物。在一個例子中，微流體型通道可 以在其中包括障礙物二維陣列，如圖2A中所示。該障礙物可以規(guī)則地或不規(guī)則地位于通 道內(nèi)；例如，該障礙物可以排列成多個行100、101、102、103、104和105,如圖2A中所示。該 障礙物可以在多個行中基本上規(guī)則地間隔，或者一些或全部的行可以包含不規(guī)則間距的障 礙物。在某些實施方案中，該行可以布置為基本上垂直于流體流動的平均方向，如圖2A中 所示，或者以其他方式定位為相對于流體流動的平均方向18呈非零度角。例如，該行也可 以對齊，以使得該行與流體流動的平均方向之間的夾角是約45°至約135°，約80°至約 100°，或者85。至約95。等。
[0035] 在一些實施方案中，在至少一些行中，障礙物的中心可以相對于相鄰行（即接下 來最近的行）中的障礙物中心偏移。例如，如圖2中所示，第一行100中的障礙物80的中 心可以從第二行101中的障礙物81的中心偏移，即相對于通道內(nèi)平均流體流動的方向偏 移。在一組實施方案中，該障礙物可以偏移，以使得第一行100的兩個障礙物的中心之間的 中點與相鄰第二行中的障礙物81的中心對齊，如圖2A中所示。在一些情況中，該陣列中全 部的障礙物行可以相對于相鄰的障礙物行偏移，例如如圖2A中所示，并且行100、102和104 相對于行101和103偏移。另外，在行與另一行對齊的實施方案中，該陣列可以描述為具有 列，例如如圖2A中所示，具有列88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98和99，即使得該列通 過位于每個其他行中的障礙物來限定。但是，應(yīng)當(dāng)理解圖2A中的陣列僅是示例，并且在其 他實施方案中，可以存在更多或更少數(shù)目的障礙物，行和/或列，和/或該障礙物本身也可 以具有多種不同的形狀。另外，在一些情況中，障礙物的排列可以比圖2A中所示的更不規(guī) 貝1J，或者障礙物可以不完全對齊，或者在一些情況中表現(xiàn)出不同類型的間距或偏移。
[0036] 在一些實施方案中，該陣列中的障礙物可以彼此相對密切地定位。例如，該陣列中 的障礙物可以布置為使得在通過該通道的平均流體流動的方向上劃過該障礙物陣列的至 少約70% (例如，至少約80%，至少約90%，至少約95%，至少約98%，約100% )的假想線 與形成該陣列的至少約20% (例如，至少約30%，至少約40%，至少約50%，至少約60% ) 的障礙物行的障礙物相交。例如，如圖2B中所示例性地顯示，一系列假想線110可以在流 體流動的平均方向18上劃過該陣列20。例如，如圖2B中所示，在通過該通道的平均流體流 動的方向上劃過該障礙物陣列的至少約90%的假想線可以與形成該陣列的至少約40%的 障礙物行的障礙物相交。
[0037] 另外，在某些實施方案中，該障礙物可以布置為該陣列，以使得所有從上游進(jìn)入該 障礙物陣列的流體的流路至少發(fā)生五次方向改變（例如，至少10、至少20、至少30、至少 40、至少50、至少60、至少70、至少80、至少90次等方向改變）后，在該陣列下游離開。這 可以參考圖2C來理解。如圖2C所示，通過第一行100進(jìn)入陣列的流路120和121可以在 遇到第二行101中的障礙物時改變方向，因為由于障礙物的存在，流路120不能繼續(xù)直接向 前。為了橫穿該陣列，在行107中的障礙物之間離開之前，不同的流路在它們遇到行102、 103、104、105和106中的障礙物時改變方向。另外，所有流路均需要至少一次改變方向而穿 過陣列（不過在一些情況中，可以存在繞過該陣列的流路，如圖2A中所示）。
[0038] 在一些實施方案中，障礙物在陣列中的位置可以以陣列的平均間隙面積和/或體 積的方式來描述。平均間隙面積可以定義為平均水平間距（即行中障礙物和接下來最近的 障礙物之間邊到邊的距離）和平均豎直間距（即列中障礙物和接下來最近的障礙物之間邊 到邊的距離）所限定的面積，如圖2A中所示。例如，在該圖中，平均水平間距46通過行中障 礙物41和接下來最近的相鄰物42之間邊到邊的距離（即障礙物最接近的邊之間的最短直 線距離）來定義，和平均豎直間距47通過列中障礙物43和接下來最近的相鄰物44之間邊 到邊的距離來定義（要注意在圖2A中，該測量跳過了行，例如，在行102的障礙物和行104 的障礙物之間延伸，同時繞過行103中的障礙物）。從這些測量，間隙面積可以將平均水平 間距乘以平均豎直間距來計算，并且間隙體積可以將平均間隙面積乘以流體通道的高度來 計算。
[0039] 如這里所述，含有障礙物陣列的通道可以用于分裂液滴，例如當(dāng)該液滴遇到陣列 內(nèi)不同的障礙物時。在圖2D-G中可以看到根據(jù)本發(fā)明不同的實施方案，不同的液滴分裂過 程的圖示，其作為說明性例子（但是在一些實施方案中，陣列內(nèi)存在的多個液滴和/或多于 一種的以下機理可以一起發(fā)揮作用；這里為了清楚起見，顯示了單個液滴）。如圖2D中所 示，障礙物二維陣列20上游的液滴50可以在流體流動的平均方向18上朝著陣列流動。在 一些實施方案中，該障礙物陣列會影響液滴的流路。例如，如圖2E中所示，液滴50可以通 過第一行障礙物26中的障礙物21和接下來最近的障礙物22之間的間斷24進(jìn)入該陣列。 該液滴然后會遇到第二行障礙物27中的障礙物23。通過多種機理，如下所述，這種遇到會 使該液滴分裂成兩個或更多個液滴。
[0040] 障礙物在一些實施方案中可以排成陣列，以使得液滴在離開該陣列之前遇到多個 障礙物。例如，在橫過該陣列時，液滴會遇到該陣列至少10 %、至少20 %、至少40 %、至少