本申請要求于2012年2月9日提交的USSN13/370,196的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，其整體通過引用并入本文以用于所有目的。

政府支持聲明

本發(fā)明是在政府支持下進行的，美國航空和航天局頒發(fā)的許可號NCC2-1364，美國衛(wèi)生研究院頒發(fā)的許可號Y018228；以及美國國家科學(xué)基金會頒發(fā)的許可號0747950、0852701和0901154。政府對該發(fā)明具有某些權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微流體領(lǐng)域。在某些實施方案中，提供了用于高速形成液滴和/或包封液滴、顆粒和/或細(xì)胞的方法和設(shè)備。

背景技術(shù)：

微流體設(shè)備吸引了很多關(guān)注，因為它們提供平臺用于對極小體積的流體執(zhí)行分析，當(dāng)利用光蝕刻技術(shù)產(chǎn)生該設(shè)備時，能夠以低成本制造。這些設(shè)備具有作為“實驗室晶片”的潛力，集成多個功能性，包括例如，樣本制備、支撐聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的熱循環(huán)以及吸收或者熒光監(jiān)控。它們的緊湊尺寸使其尤其適用于便攜式設(shè)備，這潛在地允許在臨床醫(yī)生辦公室或現(xiàn)場進行復(fù)雜分析的性能。然而，在分析多個樣本時使用微流體設(shè)備的挑戰(zhàn)之一是樣本區(qū)室化。盡管常規(guī)實驗室分析器可以利用一系列試管或者類似容器以防止樣本之間的污染，但是該方法難以應(yīng)用于小體積流體，其中與設(shè)備表面的相互作用會取代總體流動屬性。

典型微流體設(shè)備利用連續(xù)通過設(shè)備的單個流體相。將離散體積的流體測試樣本或者試劑引入這種設(shè)備會導(dǎo)致形成移過裝置通道的流體段。不幸地是，這種流體段將趨于變得散布，這是由于流道內(nèi)的力(諸如擴散和湍流)。此外，流體段的組分會與微流體設(shè)備的通道壁相互作用，僅在稍晚的時間被釋放。這種現(xiàn)象會導(dǎo)致流體段之間的污染，并且致使需要使用降低流體通道內(nèi)湍流的特征來設(shè)計這種微流體芯片，并需要設(shè)計測試協(xié)議(包括樣本之間的內(nèi)部體積的耗時的洗滌或者沖刷)。另外，流體段的分散使得對于特征反應(yīng)難以提供流體段內(nèi)含物的可再現(xiàn)體積和濃度。

解決該問題的一個方法是引入數(shù)字微流體設(shè)備，在該設(shè)備中，用于分析或者其他處理的樣本流體以離散的低體積液滴形式被引入設(shè)備的通道中。例如，以在包含不混溶油介質(zhì)的通道內(nèi)行進的水性液滴形式引入具有生物化學(xué)或者生物學(xué)內(nèi)含物的水性樣本降低了與通道壁的相互作用并且防止了散布，從而最小化液滴之間的污染。能夠類似地處理用于表征這種樣本的試劑。然而，為了有效，數(shù)字微流體設(shè)備需要以下機制，即，用于以精確的體積控制進行高速液滴生成以充分實現(xiàn)精確的高通量分析。

被動機制可以用于快速連續(xù)的液滴生成，作為通過這種設(shè)備的流動的函數(shù)。以該方式可以以每秒幾千液滴的速率生成高度均勻的液滴(Yobas等人，(2006)Lab on a chip，6:1073-1079)。US7,759,111描述了這種設(shè)備，其中由不混溶的油流從水性介質(zhì)流中剪切出液滴。被動設(shè)備的另一實例公開于WO2010/110843A1，其中侵入流體通道的屏障與流體以及通道的流動特性結(jié)合作用以形成渦旋，該渦旋提供了驅(qū)動液滴形成的壓力的周期變化。然而，這種設(shè)備不提供包含專門指定體積的樣本流體的液滴的按需生成(例如，體積包含特定的關(guān)注細(xì)胞)，也不能自身生成具有不同體積的個體液滴。這限制了它們用于表征不同樣本體積的實用性以及在各種測試協(xié)議的性能方面的實用性。

用于液滴生成的主動方法能夠解決這些問題，該方法依賴于使用施加的力來驅(qū)動液滴形成。這種設(shè)備可以包括調(diào)整通過設(shè)備的流動的物理部件。其的一個實例是使用壓縮空氣驅(qū)動的微閥，微閥集成入微流體設(shè)備(Zeng等人，(2009)Lab on a chip 9:134-1343)，這允許以每秒高達100個液滴的速率形成可控的液滴。該方法的另一實例是使用柔性材料(PDMS)的活動壁，該活動壁集成入微流體芯片中并且由空氣壓力驅(qū)動以周期地中斷流體相的流動以提供散布(Hsiung等人，(2006)J.Micromechanics and Microengineering,16:2403-2410)，這展示了高達每秒20個液滴的液滴形成速率。又一實例US2010/0059120公開了使用通過開口連接的兩個通道，其中，一個通道中的流動中斷器能夠被觸發(fā)以阻擋流體流動并且迫使其內(nèi)含物的一部分進入第二通道。這種設(shè)備的另一實例描述于US2010/0163412，其公開了包括柔性流體儲罐的設(shè)備，該柔性流體儲罐主要被內(nèi)置壓電設(shè)備壓縮以生成用于液滴形成的壓力。這種特征顯著增加了設(shè)計這些微流體設(shè)備的復(fù)雜性，進一步使得制造工藝變得復(fù)雜。這種方法的機械性質(zhì)限制了能夠產(chǎn)生液滴的頻率，而且隨著時間會發(fā)生改變。另外，相比使用被動設(shè)備產(chǎn)生的液滴，這些方法趨于產(chǎn)生液滴尺寸會大幅變化的液滴群。

主動液滴生成的其他方法取決于使用向設(shè)備施加的無質(zhì)量(massless)更少或者基本無質(zhì)量的能量，從而避免機械部件的缺點。這些方法中的一些利用了向設(shè)備施加電場以改變流體流動或者更改兩個流體之間的界面的屬性以利于液滴形成。這會需要所涉及的流體之間大的傳導(dǎo)差，會限制這種設(shè)備的實用性。例如，US2006/0231398公開了使用勢差通過電潤濕在不混溶的低阻流體與高阻流體之間移動液滴，利用勢差暫時降低流體之間界面處的表面張力，直到存在的流型(flow pattern)足以生成液滴。類似方法描述于WO2010/151776，其中，勢差驅(qū)動了作用之組合以生成液滴，所述作用包括兩個不混溶流體之間界面中的電動流動和干涉。使用勢差驅(qū)動液滴形成的又一實例見于WO2011/023405A1，其公開了噴嘴結(jié)構(gòu)和建立勢差的組合以將傳導(dǎo)流體的液滴電噴射入介電流體中。US2005/0031657公開了液滴形成中涉及的不需要流體之間大傳導(dǎo)差的方法，其描述了使用電阻加熱器加熱設(shè)備內(nèi)的容器的一部分，直到存儲于其中的一部分流體蒸發(fā)。蒸發(fā)流體的壓力將一部分剩余流體通過噴嘴推入不混溶的流體。然而，該方法的液滴生成是相對慢的，每個噴嘴每秒僅產(chǎn)生約15-25個液滴。盡管這些方法避免了使用機械部件，但是它們需要向設(shè)備并入電極、電阻加熱器或者類似部件。這增加了設(shè)計設(shè)備的復(fù)雜性，并進一步需要使用支撐特征來可靠地供給電流。

發(fā)明簡述

在多個實施方案中，此處描述了用于在第二流體中快速且可重現(xiàn)地生成第一流體的液滴的新穎的方法和設(shè)備。所述流體可以是不混溶的，其中不混溶的流體能夠包括彼此不顯著可溶的流體，由于物理屬性(諸如密度或者粘度)而一時間段內(nèi)不混合的流體，以及由于層流而多時間段內(nèi)不混合的流體。通過第一流體內(nèi)的暫態(tài)泡(諸如空化泡)的膨脹和后續(xù)收縮來驅(qū)動液滴形成。或者，第一流體內(nèi)的泡的形成可以引起其作用在第二流體上，從而驅(qū)動在第三流體中生成第二流體的液滴?？栈菽軌蚴褂脝蜗蚰芰吭磥砩桑瑥亩恍枰虮景l(fā)明的設(shè)備并入電極、加熱器或者類似部件。合適的單向能量源包括但不限于脈沖激光器，使用其可允許以每秒小于1個至高達100,000個液滴的速度按需形成高度可再現(xiàn)的液滴。液滴體積能夠得到控制，在某些實施方案中，液滴體積的范圍為約1至約150皮升。在某些實施方案中，活細(xì)胞在高細(xì)胞活性的情況下能夠被捕獲到這種液滴內(nèi)，在某些實施方案中，細(xì)胞活性高達92.07％。因為不需要機械閥或泵，所以這些方法和設(shè)備尤其適用于微流體設(shè)備。

在一個實施方案中，第一流體和第二流體可以是不混溶的，它們可操作地聯(lián)接。在某些實施方案中，可操作聯(lián)接的形式可以為流體連通。在其他實施方案中，柔性膜可以介入第一流體和第二流體之間。在第一流體內(nèi)生成空化泡可向第一流體生成足夠的速率和/或脈沖和/或位移，以移動可控體積的第二流體。在某些實施方案中，這種空化泡在1毫秒內(nèi)膨脹并收縮，能夠移動的可控體積為約1微升或更少。這種空化泡可以通過輻射(例如通過脈沖激光器)產(chǎn)生。在一些實施方案中，可控體積的第二流體的體積能夠通過能量和/或脈沖頻率和/或脈沖激光的波長來控制，能量和/或脈沖頻率和/或脈沖激光的波長可以由控制器來調(diào)制。

在另一實施方案中，第一流體路徑和第二流體路徑經(jīng)由開口聯(lián)接。在一些實施方案中，第一和第二流體路徑中的流體是不混溶的。在第一流體內(nèi)生成空化泡向一部分第一流體施加足夠的速率以引起第一流體的液滴移過開口并進入第二流體路徑。在某些實施方案中，所述開口可以構(gòu)造為端口、通道或者噴嘴。這種空化泡可以通過輻射(例如通過脈沖激光器)產(chǎn)生。在一些實施方案中，所述激光器輻射的強度、持續(xù)時間和/或位置能夠調(diào)制液滴體積。

在本發(fā)明的另一實施方案中，第一流體路徑和第二流體路徑流體連通，并且第二流體路徑經(jīng)由開口聯(lián)接至第三流體路徑。在一些實施方案中，第二和第三流體路徑中的流體是不混溶的。在第一流體內(nèi)生成空化泡向一部分第二流體施加足夠的速率以引起第二流體的液滴移過開口并進入第三流體路徑。在某些實施方案中，所述開口可以構(gòu)造為端口、通道或者噴嘴。在一些實施方案中，所述第二流體可以包括顆粒和/或細(xì)胞。所述第二流體路徑可以被監(jiān)控，這種監(jiān)控產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳遞至控制器。在一些實施方案中，空化泡通過輻射產(chǎn)生，輻射可以由控制器啟動。輻射能夠呈激光脈沖形式，而在一些實施方案中，液滴的體積可以使用激光脈沖的強度、持續(xù)時間以及位置來調(diào)制。

在另一實施方案中，柔性膜介入第一流體路徑和第二流體路徑之間，并且第二流體路徑經(jīng)由開口聯(lián)接至第三流體路徑。在一些實施方案中，第二和第三流體路徑中的流體是不混溶的。在第一流體內(nèi)生成空化泡引起一部分柔性膜彈性變形而進入第二流體路徑。該彈性變形向一部分第二流體施加足夠的速率以引起第二流體的液滴移過開口并進入第三流體路徑。所述開口可以構(gòu)造為控制器。在一些實施方案中，所述第二流體可以包括顆粒和/或細(xì)胞。所述第二流體路徑可以被監(jiān)控，這種監(jiān)控產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳遞至控制器。在一些實施方案中，空化泡通過輻射產(chǎn)生，輻射可以由控制器啟動。輻射能夠呈激光脈沖形式，而在一些實施方案中，液滴的體積可以使用激光脈沖的強度、持續(xù)時間以及位置來調(diào)制。

在本發(fā)明的另一實施方案中，第一流體路徑和第二流體路徑通過開口連接，其中所述開口經(jīng)定位以使得在第一流體路徑中的泡的形成能夠誘發(fā)力，該力引起第一流體的液滴移過開口并進入第二流體路徑。在某些實施方案中，所述開口可以構(gòu)造為端口、通道或者噴嘴。在一些實施方案中，所述開口構(gòu)造為噴嘴。控制器聯(lián)接至能量源(例如脈沖激光器)，該能量源能夠引導(dǎo)能量進入第一流體路徑以引起一個或多個泡的形成。在一些實施方案中，所述泡能夠是空化泡。在其他實施方案中，能量源是脈沖激光器；控制器可以構(gòu)造為通過調(diào)制由脈沖激光器產(chǎn)生的激光脈沖的強度、持續(xù)時間和/或位置來調(diào)節(jié)液滴的體積。

在另一實施方案中，第一流體路徑和第二流體路徑經(jīng)定位以使得柔性膜介入它們之間。柔性膜轉(zhuǎn)而經(jīng)定位以使得在第一流體路徑內(nèi)的泡的形成引起一部分柔性膜的彈性變形，該彈性變形轉(zhuǎn)而誘發(fā)對第二流體路徑中包含的流體的力。第二流體路徑和第三流體路徑通過開口連接，開口經(jīng)布置以使得當(dāng)這種力施加在第二流體路徑的流體上時，流體的液滴通過開口被擠入第三流體路徑?？刂破鳂?gòu)造為引導(dǎo)能量，該能量引起在第一流體路徑中的泡的暫時形成。該暫態(tài)泡能夠是空化泡。在某些實施方案中，所述開口可以構(gòu)造為端口、通道或者噴嘴。在一些實施方案中，所述開口構(gòu)造為噴嘴。在各種實施方案中，監(jiān)控器可以構(gòu)造為監(jiān)控第二流體路徑或者第三流體路徑，其中監(jiān)控器將收集的數(shù)據(jù)傳遞至控制器。在某些實施方案中，控制器可以構(gòu)造為控制第二流體路徑中指定體積的流體向第三流體路徑的轉(zhuǎn)移，其中所述指定體積使用來自監(jiān)控器的數(shù)據(jù)確定。

在一些實施方案中，流體路徑可以包括顆?；蛘呒?xì)胞，顆?；蛘呒?xì)胞被擠入另一流體路徑的周圍液體的液滴包封。監(jiān)控器可以包括在一些實施方案中，以表征這種顆?；蛘呒?xì)胞，當(dāng)與控制器聯(lián)接時可以允許特定液滴內(nèi)的特定顆?；蛘呒?xì)胞的可控的包封。

在多個實施方案中，提供了用于生成液滴的設(shè)備。在某些實施方案中，所述設(shè)備包括鄰近第二流體流(例如，微流體流)的第一流體流(例如，微流體流)，第一流體流包括第一流體，第二流體流包括第二流體，其中第二流體在第一流體中是不混溶的。在某些實施方案中，所述設(shè)備包括：第一微流體通道，其包括、包含和/或引導(dǎo)第一流體流；以及第二微流體通道，其包括、包含和/或引導(dǎo)第二流體流，其中第一微流體通道鄰近或者靠近第一微流體通道，并且流體連通第二通道(例如，經(jīng)由端口或者通道)。在某些實施方案中，第二流體包括水性流體。在某些實施方案中，第一流體包括油或者有機溶劑。在某些實施方案中，第一流體包括選自以下的溶劑：四氯化碳、氯仿、環(huán)己烷、1,2-二氯乙烷、二氯甲烷、乙醚、二甲基甲酰胺、乙酸乙酯、庚烷、己烷、甲基叔丁基醚、戊烷、甲苯、和2,2,4-三甲基戊烷。在某些實施方案中，第一流體包括油。在某些實施方案中，設(shè)備包括布置在第一微流體流和第二微流體流之間的第三流體流。在某些實施方案中，設(shè)備包括布置在第二流體和端口或通道之間的第三流體流。在某些實施方案中，設(shè)備還包括布置在第二微流體通道中的第三流體流，其位于端口和第二流體之間。在某些實施方案中，第三流體流包含待包封的液滴、細(xì)胞或者顆粒。在某些實施方案中，端口或者通道包括噴嘴。在某些實施方案中，第一和/或第二微流體通道由選自以下的材料形成：玻璃、金屬、陶瓷、礦物、塑料和聚合物。在某些實施方案中，第一和/或第二微流體通道由彈性材料形成(例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚烯烴塑性體(POP)，全氟聚乙烯(a-PFPE)、聚氨酯、聚酰亞胺以及交聯(lián)(酚醛聚合物)樹脂等)。

在某些實施方案中，設(shè)備產(chǎn)生大致連續(xù)體積調(diào)節(jié)(tuning)的液滴，范圍為約0.1fL或者約1fL，或者約10fL或者約50fL，或者約100fL，或者約500fL至高達約1μL，或者約500nL，或者約1nL，或者約500pL，或者約400pL或者約300pL或者約200pL或者約150pL。在某些實施方案中，設(shè)備產(chǎn)生大致連續(xù)體積調(diào)節(jié)的液滴，范圍為約0.1fL至約1μL，或者約0.1fL至高達約500nL，或者約1fL至高達約1nL，或者約1fL至高達約500pL，或者約500fL至高達約500pL或者約1pL至高達約150pL。在某些實施方案中，設(shè)備能夠提供按需液滴生成，速度為大于約1,000個液滴/秒，更優(yōu)選大于約2,000個液滴/秒，更優(yōu)選大于約4,000個液滴/秒，更優(yōu)選大于約6,000個液滴/秒，或更優(yōu)選大于約8,000個液滴/秒。在某些實施方案中，設(shè)備能夠提供按需液滴生成，速度范圍為從0液滴/秒、1個液滴/秒、2個液滴/秒、約5個液滴/秒、約10個液滴/秒、約20個液滴/秒、約50個液滴/秒、約100個液滴/秒、約500個液滴/秒、或者約1000個液滴/秒至高達約1,500個液滴/秒、約2,000個液滴/秒、約4,000個液滴/秒、約6,000個液滴/秒、約8,000個液滴/秒、約10,000個液滴/秒、約20,000個液滴/秒、約50,000個液滴/秒、或者約100,000個液滴/秒。在某些實施方案中，設(shè)備能夠提供按需液滴生成，速度為大于約1,000個液滴/秒，更優(yōu)選大于約10,000個液滴/秒，更優(yōu)選大于約20,000個液滴/秒，更優(yōu)選大于約40,000個液滴/秒，更優(yōu)選大于約50,000個液滴/秒，更優(yōu)選大于約80,000個液滴/秒，或更優(yōu)選大于約100,000個液滴/秒。在某些實施方案中，設(shè)備存在于以下系統(tǒng)中(或者作為該系統(tǒng)的部件)，即，該系統(tǒng)包括能夠在流體流或者微通道中形成泡的能量源。在某些實施方案中，能量源包括光學(xué)能量源或者微波發(fā)射器。在某些實施方案中，能量源包括激光器(例如，脈沖激光器)。在某些實施方案中，設(shè)備和/或系統(tǒng)構(gòu)造為在第二微流體流中激發(fā)蒸氣泡。在某些實施方案中，設(shè)備和/或系統(tǒng)構(gòu)造為在靠近端口或者通道的第二微流體通道中激發(fā)蒸氣泡。在某些實施方案中，設(shè)備和/或系統(tǒng)構(gòu)造為在與第一或者第二微流體流不流體連通的第三微流體通道或室中激發(fā)蒸氣泡。在某些實施方案中，在液體或者凝膠介質(zhì)中激發(fā)蒸氣泡。在某些實施方案中，在油或者非水性介質(zhì)中激發(fā)蒸氣泡。在某些實施方案中，在包括吸光納米顆粒/微顆粒(例如染料分子、金屬納米顆粒等)的介質(zhì)中激發(fā)蒸氣泡。在某些實施方案中，設(shè)備布置在基板上，基板包括選自以下的材料：聚合物、塑料、玻璃、石英、介電材料、半導(dǎo)體、硅、鍺、陶瓷以及金屬或者金屬合金。在某些實施方案中，設(shè)備與其他微流體部件(例如，微流體部件如PDMS通道、井、閥等)集成在一起。在某些實施方案中，設(shè)備是實驗室芯片的部件。

在多個實施方案中，提供了用于生成液滴和/或包封顆粒或者細(xì)胞的系統(tǒng)。在某些實施方案中，系統(tǒng)包括如上描述的(或者下述的)設(shè)備，以及用于在流體中形成氣體泡的激發(fā)源。在某些實施方案中，激發(fā)源是激光器、微波源或者超聲波能量源。在某些實施方案中，系統(tǒng)還包括用于檢測系統(tǒng)中的顆粒或者細(xì)胞的部件(例如，光學(xué)檢測系統(tǒng)、電檢測系統(tǒng)、磁檢測系統(tǒng)、聲波檢測系統(tǒng)、電化學(xué)檢測系統(tǒng)等)。在某些實施方案中，所述部件包括用于檢測散射、熒光或者拉曼光譜信號的光學(xué)檢測系統(tǒng)。

在多個實施方案中，提供了用于生成液滴的方法。在某些實施方案中，該方法涉及提供如上描述的(以及下述的)設(shè)備；以及利用能量源在第二微流體流或第二微流體通道中或者在第三微流體通道或室中形成泡以將液滴噴射入第一微流體流或通道。在某些實施方案中，利用能量源包括利用脈沖激光器以在第二微流體流或通道中或者在第三微流體通道或室中激發(fā)空化泡。

在多個實施方案中，提供了移動可控量的流體的方法。在某些實施方案中，這種方法包括：在第一流體中生成空化泡，其中空化泡向一部分第一流體施加足夠的速率，從而移動可控體積的第二流體，所述第二流體可操作地聯(lián)接至第一流體。在某些實施方案中，第二流體的可控體積為約10μL或更少，或者約5μL或更少，或者約1μL或更少，或者約500nL或更少，或者約100nL或更少，或者約1nL或更少，或者約500pL或更少，或者約200pL或更少。在某些實施方案中，空化泡具有的持續(xù)時間為約100ms或更少，或者約50ms或更少，或者約1ms或更少，或者約0.5ms或更少，或者約1ms或更少、或者約0.5ms或更少，或者約0.1ms或更少，或者約0.05ms或更少。在某些實施方案中，第二流體的可控體積是1μL或更少，并且空化泡的持續(xù)時間為約1ms或更少。在某些實施方案中，第一流體和第二流體處于流體連通。在某些實施方案中，柔性膜介入第一流體和第二流體之間。在某些實施方案中，第一和第二流體是不混溶的。在某些實施方案中，空化泡是通過用脈沖激光器輻射一定體積的第一流體而生成的。在某些實施方案中，所述方法還包括使用調(diào)節(jié)脈沖激光的能量和/或脈沖頻率和/或波長中至少之一的控制器來控制第二流體的可控體積。在某些實施方案中，所述方法包括以至少約1000Hz、或者至少約5,000Hz、或者至少約10,000Hz的頻率生成多個分開的額外空化泡。在某些實施方案中，第二流體的可控體積為約500納升或更少。在某些實施方案中，第二流體的可控體積是約200pL或更少。在某些實施方案中，以約1kHz或更高的頻率、或者以約5kHz或更高的頻率、或者以約10kHz或更高的頻率來重復(fù)所述方法。

在多個實施方案中，提供了用于在設(shè)備中生成液滴的方法。在某些實施方案中，所述方法包括：提供包括第一流體的第一流體路徑，包括第二流體的第二流體路徑，以及使第一流體路徑流體聯(lián)接至第二流體路徑的開口；以及在第一流體路徑中生成空化泡，其中空化泡向一部分第一流體施加足夠的速率和/或脈沖和/或位移以擠壓第一流體的液滴經(jīng)過開口并進入第二流體路徑。在某些實施方案中，第一流體和第二流體是不混溶的流體。在某些實施方案中，第一流體是水性流體，而第二流體是有機溶劑或者油。在某些實施方案中，第二流體是水性流體，而第一流體是有機溶劑或者油。在某些實施方案中，開口構(gòu)造為噴嘴。在某些實施方案中，空化泡是通過用脈沖激光器輻射一定體積的第一流體而生成的。在某些實施方案中，所述方法涉及選擇激光脈沖的強度、持續(xù)時間、波長和位置中至少之一，從而產(chǎn)生期望體積的液滴。

在某些實施方案中，提供了用于在設(shè)備中生成液滴的方法，包括：提供包括第一流體的第一流體路徑，包括第二流體的第二流體路徑，第二流體路徑與第一流體路徑流體連通，包括第三流體的第三流體路徑，以及使第二流體路徑流體聯(lián)接至第三流體路徑的開口；以及在第一流體路徑中生成空化泡，其中空化泡向一部分第二流體施加足夠的速率以擠壓第二流體的液滴經(jīng)過開口并進入第三流體路徑。在某些實施方案中，第二流體和第三流體是不混溶的流體。在某些實施方案中，第二流體是水性流體，而第三流體是有機溶劑或者油。在某些實施方案中，第二流體是水性流體，而第三流體是有機溶劑或者油。在某些實施方案中，所述方法還包括監(jiān)控第二流體路徑，并且將通過這種監(jiān)控生成的數(shù)據(jù)傳遞至控制器。在某些實施方案中，第二流體還包括顆粒。在某些實施方案中，第二流體還包括細(xì)胞。在某些實施方案中，開口構(gòu)造為噴嘴。在某些實施方案中，空化泡是通過輻射一定體積的第一流體而生成的。在某些實施方案中，輻射由控制器激發(fā)。在某些實施方案中，輻射是激光脈沖。在某些實施方案中，所述方法還包括選擇激光脈沖的強度、持續(xù)時間、波長和位置中的至少之一，從而產(chǎn)生期望體積的液滴。

在某些實施方案中，提供了用于在設(shè)備中生成液滴的方法，其包括：提供包括第一流體的第一流體路徑，包括第二流體的第二流體路徑，包括第三流體的第三流體路徑，介入第一流體路徑和第二流體路徑之間的柔性膜，以及第二流體路徑和第三流體路徑之間的開口；以及在第一流體路徑中生成空化泡，其使一部分柔性膜彈性變形(例如，膜由彈性材料制成(例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚烯烴塑性體(POP)、全氟聚乙烯(a-PFPE)、聚氨酯、聚酰亞胺以及交聯(lián)(酚醛聚合物)樹脂等))進入第二流體路徑，其中柔性膜的該部分的彈性變形向一部分第二流體施加足夠的速率和/或脈沖和/或位移以擠壓第二流體的液滴經(jīng)過開口并進入第三流體路徑。在某些實施方案中，第二流體和第三流體是不混溶的流體。在某些實施方案中，第二流體是水性流體，而第三流體是有機溶劑或者油。在某些實施方案中，第二流體是水性流體，而第三流體是有機溶劑或者油。在某些實施方案中，所述方法還包括監(jiān)控第二流體路徑中的流體，并且將通過這種監(jiān)控生成的數(shù)據(jù)傳遞至控制器。

在多個實施方案中提供了用于生成液滴的設(shè)備。在某些實施方案中，所述設(shè)備包括：第一流體路徑；第二流體路徑；在第一流體路徑和第二流體路徑之間的開口，開口經(jīng)布置以使得第一流體路徑中的流體中的泡的形成誘發(fā)有效量的力，從而將流體的液滴從第一流體路徑通過開口擠入第二流體路徑；以及聯(lián)接至能量源的控制器，其可操作地構(gòu)造為引起能量源引導(dǎo)能量，該能量誘發(fā)在第一流體路徑中的一個或多個泡的暫時形成。在某些實施方案中，泡是空化泡。在某些實施方案中，開口構(gòu)造為噴嘴。在某些實施方案中，能量源是脈沖激光器。在某些實施方案中，控制器構(gòu)造為調(diào)節(jié)液滴的體積作為以下至少之一的函數(shù)：激光脈沖的強度、激光脈沖的持續(xù)時間、激光脈沖的波長、以及激光脈沖在第一流體通道內(nèi)的位置。

在多個實施方案中，提供了用于生成液滴的設(shè)備。在某些實施方案中，所述設(shè)備包括：第一流體路徑；第二流體路徑；第三流體路徑；介入第一流體路徑和第二流體路徑之間的柔性膜，柔性膜經(jīng)布置以使得第一流體路徑中的流體中的泡的形成誘發(fā)力，該力使一部分柔性膜彈性變形；在第二流體路徑和第三流體路徑之間的開口，開口經(jīng)布置以使得一部分柔性膜的彈性變形誘發(fā)對第二流體的力，從而將第二流體的液滴從第二流體路徑通過開口擠入第三流體路徑；以及可操作地構(gòu)造為引導(dǎo)能量的控制器，該能量誘發(fā)在第一流體路徑中的流體中的泡的暫時形成。在某些實施方案中，泡是空化泡。在某些實施方案中，所述設(shè)備還包括監(jiān)控器，其構(gòu)造為監(jiān)控第二或者第三流體路徑，并且還構(gòu)造為將數(shù)據(jù)從監(jiān)控器傳遞至控制器。在某些實施方案中，控制器還構(gòu)造為控制指定體積的第二流體進入第三流體路徑，指定體積至少部分地由來自監(jiān)控器的數(shù)據(jù)確定。

在任何前述方法和設(shè)備的某些實施方案中，生成液滴，液滴的體積變化為約10％或更少，優(yōu)選約5％或更少，更優(yōu)選約3％或更少，或者約2％或更少，或者約1％或更少，重復(fù)率范圍為約1kHz至高達約10kHz。

附圖簡述

圖1A和1B示出使用脈沖激光器創(chuàng)建空化泡的過程。圖1A示出用聚焦激光脈沖輻射產(chǎn)生的一定體積的流體內(nèi)的等離子生成，之后生成沖擊波并且空化泡膨脹和后續(xù)坍塌。圖1B示出用于空化泡的膨脹和后續(xù)坍塌的典型時間過程的圖。

圖2圖示出使用脈沖激光器生成的空化泡的形成和后續(xù)坍塌的時間過程。

圖3示意地圖示出本發(fā)明一個實施方案的在流體通道內(nèi)生成液滴。

圖4示意地圖示出本發(fā)明另一實施方案的在流體通道內(nèi)生成液滴，該液滴包含顆粒或者細(xì)胞。

圖5示意地圖示出本發(fā)明另一實施方案的在流體通道內(nèi)生成液滴。

圖6示意地圖示出本發(fā)明另一實施方案的在流體通道內(nèi)生成液滴。

圖7示意地圖示出本發(fā)明另一實施方案的在流體通道內(nèi)生成液滴，該液滴包含顆?；蛘呒?xì)胞。

圖8的面板(a)-(i)示出按需液滴生成的時間分辨圖像系列。

圖9示出通過改變激光脈沖的能量以及通過改變激光脈沖的位置來調(diào)制所生成液滴的體積。

圖10的面板(a)-(d)圖示出使用以不同間隔重復(fù)的一系列激光脈沖在流體通道內(nèi)連續(xù)生成液滴。比例尺具有100微米的長度。面板(a)圖示出2毫秒間隔，面板(b)圖示出1毫秒間隔，面板(c)圖示出500微秒間隔，以及面板(d)圖示出100微秒間隔。

圖11的面板(a)和(b)圖示出以不同的激光脈沖頻率生成的收集液滴。比例尺具有100微米的長度。面板(a)圖示出通過1kHz激光脈沖頻率生成的液滴。面板(b)圖示出通過10kHz激光脈沖頻率生成的液滴。

圖12的面板(a)-(d)圖示出使用以不同間隔重復(fù)的一系列激光脈沖在流體通道內(nèi)連續(xù)生成液滴。面板(a)圖示出2毫秒間隔，面板(b)圖示出1毫秒間隔，面板(c)圖示出500微秒間隔，以及面板(d)圖示出100微秒間隔。

圖13的面板a-c示出在通過空化泡生成的液滴內(nèi)包封顆粒或者細(xì)胞。面板(a)示出流體通道內(nèi)的顆粒。面板(b)示出在誘發(fā)空化泡且后續(xù)生成液滴之前以及之后的不同時間間隔的細(xì)胞位置，如白箭頭所指示。面板(c)圖示出連續(xù)生成一系列液滴，每個液滴包封細(xì)胞。

圖14圖示出使用1Hz頻率的激光脈沖在流體通道內(nèi)順序生成液滴。

發(fā)明詳述

在多個實施方案中，提供了用于可控體積的液滴的按需高速液滴生成的設(shè)備和方法，其在微流體領(lǐng)域中具有特定應(yīng)用。在多個實施方案中，所述方法和設(shè)備還能夠用來包封細(xì)胞和/或顆粒和/或其他流體液滴。

在多個實施方案中，此處描述的設(shè)備和方法利用新穎的可控致動機制，利用單向能量來誘發(fā)短暫的活空化泡。在一些實施方案中，該能量呈脈沖激光器的形式，其提供了突發(fā)(bursts)的光學(xué)能量，能夠控制該能量的強度、持續(xù)時間、波長和/或位置。

圖1A圖示出激光脈沖誘發(fā)的水性介質(zhì)中的空化泡形成的基礎(chǔ)機制。激光脈沖聚焦在特定體積的水性介質(zhì)上。該光學(xué)能量的吸收導(dǎo)致水分子在聚焦區(qū)域內(nèi)分解，從而生成靠近焦點的等離子泡。等離子的成分在數(shù)納秒內(nèi)重新組合，從而生成釋放能量的沖擊波以及爆炸的蒸氣泡(也稱為空化泡)，蒸氣泡以每秒100米迅速膨脹，之后迅速坍塌。圖1B示出用于泡形成以及坍塌的典型時間過程。能夠看到在啟動之后高達約1微秒，泡半徑迅速增加，之后迅速坍塌。

圖2示出使用該致動機制的泡形成的一系列顯微照片。能夠看到在啟動之后22納秒，沖擊波從等離子生成點向外膨脹?？焖倥蛎浀目栈菰?2納秒是易于觀察的，直到55微秒泡膨脹出框架。此后是泡的急速坍塌，這在啟動之后152微秒內(nèi)基本完成。在泡膨脹時，這種泡內(nèi)部的壓強能夠高達數(shù)十兆帕斯卡或更多。許多獨特屬性提供了用于超快的微流體致動和納流體致動的獨特機制，所述獨特屬性諸如：驅(qū)動力的迅速致動(取決于激光脈沖持續(xù)時間，從數(shù)飛秒至數(shù)納秒)、單向能量迅速轉(zhuǎn)換成機械功率、大量的合力、空化泡產(chǎn)生的相對大的位移、以及所涉及的力的極限瞬時性質(zhì)。利用該致動機制，能夠?qū)崿F(xiàn)微流體的和納流體的部件(諸如開關(guān)、閥和泵)以前所未有的速度和精度引導(dǎo)、驅(qū)動和調(diào)節(jié)微流體尺度和納流體尺度的流體流，從而能夠?qū)崿F(xiàn)新穎的功能性。

本發(fā)明的一個例示實施方案示意地示于圖3。該圖示出其能夠作為微流體設(shè)備的設(shè)備，其包括：包含第一流體(322)的第一流體通道(320)(例如，微通道)以及包含第二流體(312)的第二流體通道(310)(例如，微通道)，其中第二流體在第一流體中是不混溶的，并且其中流體通道經(jīng)由開口(330)彼此流體連通。在一些實施方案中，該開口呈噴嘴形式。單向能量源(340)(例如脈沖激光器)指向第一流體通道(320)。在某些實施方案中，激光器能夠例如使用鏡子(350)來指向，并使用透鏡(355)來聚焦于一定體積的第一流體通道(320)中。在一些實施方案中，鏡子和/或透鏡構(gòu)造為允許單向能量源聚焦于第一流體通道(320)內(nèi)的不同位置。單向能量源(340)啟動在第一流體通道(320)內(nèi)的暫態(tài)泡(360)(例如，空化泡)的形成，從而驅(qū)動第一流體的液滴(370)進入第二流體通道(310)。泡的坍塌引起擠出的第一流體的回流，從而引起形成窄“頸”并且迅速導(dǎo)致液滴(380)釋放進入第二流體通道(310)。

圖8示出一系列照片，所述照片示出在這種設(shè)備中液滴的形成和釋放。圖8的面板(a)示出通過開口連接的一組平行的流體通道。圖8的面板(b)可見空化泡的誘發(fā)，這將一個通道的一部分內(nèi)含物擠入到其他通道，如圖8的面板(c)至(e)所見。隨著泡坍塌，形成了連接流體的窄“頸”，如圖8的面板(f)和(g)所見。最終，該頸收縮并且液滴被釋放，如圖8的面板(h)和(i)所示。

本發(fā)明另一實施方案示于圖4。該圖示出能夠作為微流體設(shè)備的設(shè)備，其包括：包含第一流體的第一流體通道(420)(例如，微通道)，包含第二流體(417)的第二流體通道(415)(例如，微通道)，以及包含第三流體(412)的第三流體通道(410)(例如，微通道)，其中第二流體在第三流體中是不混溶的，并且其中第二流體通道和第三流體通道經(jīng)由開口(430)彼此流體連通。在一些實施方案中，該開口呈噴嘴形式。在某些實施方案中，第二流體可以包括顆粒或者細(xì)胞(416)，并且在第一流體中通過層流和/或化學(xué)不混溶性而可以是不混溶的。單向能量源(440)(例如脈沖激光器)任選地使用鏡子(450)而指向第一流體通道(420)，并且使用例如透鏡(455)而指向且任選地聚焦于一定體積的第一流體通道(420)。在一些實施方案中，鏡子和/或透鏡構(gòu)造為允許單向能量源聚焦于第一流體通道(420)內(nèi)的不同位置。單向能量源(440)啟動在第一流體通道(420)內(nèi)的暫態(tài)泡(460)(例如，空化泡)的形成，驅(qū)動第二流體的液滴(470)進入第三流體通道(410)。泡的坍塌引起擠出的第二流體的回流，從而引起形成窄“頸”并且迅速導(dǎo)致液滴(480)釋放進入第三流體通道(410)。

另一示意實施方案示于圖5。該圖示出能夠作為微流體設(shè)備的設(shè)備，其包括：包含第一流體(522)的第一流體通道(520)(例如，微通道)，包含第二流體(517)的第二流體通道(515)(例如，微通道)，以及包含第三流體(512)的第三流體通道(510)(例如，微通道)，其中第二流體在第三流體中是不混溶的，并且其中第二流體通道和第三流體通道經(jīng)由開口(530)彼此流體連通。在一些實施方案中，該開口呈噴嘴形式。第二流體可以包括顆粒或者細(xì)胞(516)，其可以隨后被包封在生成的流體液滴中，并且第二流體能夠經(jīng)由孔口(535)或者類似結(jié)構(gòu)與第一流體通道(520)流體連通。單向能量源(540)(例如脈沖激光器)任選地使用鏡子(550)而指向第一流體通道(520)，并且使用例如透鏡(555)指向(且任選地聚焦)于一定體積的第一流體通道(520)。在一些實施方案中，鏡子和/或透鏡構(gòu)造為允許單向能量源聚焦于第一流體通道(520)內(nèi)的不同位置。單向能量源(540)啟動在第一流體通道(520)內(nèi)的暫態(tài)泡(560)(例如，空化泡)的形成，驅(qū)動第二流體的液滴(570)進入第三流體通道(510)。泡的坍塌引起擠出的第二流體的回流，從而引起形成窄“頸”并且迅速導(dǎo)致液滴(580)釋放進入第三流體通道(510)。

本發(fā)明另一實施方案示于圖6。該圖示出能夠作為微流體設(shè)備的設(shè)備，其包括：包含第一流體(622)的第一流體通道(620)(例如，微通道)，包含第二流體(617)的第二流體通道(615)(例如，微通道)，以及包含第三流體(612)的第三流體通道(610)(例如，微通道)，其中第二流體在第三流體中是不混溶的，并且其中第二流體通道和第三流體通道經(jīng)由開口(630)彼此流體連通。在一些實施方案中，該開口呈噴嘴形式。柔性膜(635)介入第一流體通道(620)和第二流體通道(615)之間。單向能量源(640)(例如脈沖激光器)任選地使用鏡子(650)而指向第一流體通道(520)，并且任選地使用透鏡(655)聚焦于一定體積的第一流體通道(620)。在一些實施方案中，鏡子和/或透鏡構(gòu)造為允許單向能量源聚焦于第一流體通道(620)內(nèi)的不同位置。單向能量源(640)啟動在第一流體通道(620)內(nèi)的暫態(tài)泡(660)(例如，空化泡)的形成，這導(dǎo)致柔性膜(635)彈性變形。該彈性變形驅(qū)動第二流體的液滴(670)進入第三流體通道(610)。泡(660)坍塌之后的反向彈性變形導(dǎo)致擠出的第二流體的回流，從而引起形成窄“頸”并且迅速導(dǎo)致液滴(680)釋放進入第三流體通道(610)。除了以上討論的其他參數(shù)之外，還可通過彈性膜的硬度來控制該構(gòu)造的響應(yīng)時間。

本發(fā)明再一實施方案示于圖7。該圖示出能夠作為微流體設(shè)備的設(shè)備，其包括：包含第一流體(722)的第一流體通道(720)(例如，微通道)，包含第二流體(717)的第二流體通道(715)(例如，微通道)，以及包含第三流體(712)的第三流體通道(710)(例如，微通道)，其中第一、第二和第三流體是不混溶的(例如，通過層流和/或化學(xué)不混溶性)。第二流體可以包括顆?；蛘呒?xì)胞(716)，其可以隨后被包封在生成的流體液滴中。單向能量源(740)(例如脈沖激光器)任選地使用鏡子(750)而指向第一流體通道(720)，并且任選地使用透鏡(755)而聚焦于一定體積的第一流體通道(720)。在一些實施方案中，鏡子和/或透鏡構(gòu)造為允許單向能量源聚焦于第一流體通道(720)內(nèi)的不同位置。單向能量源(740)啟動在第一流體通道(720)內(nèi)的暫態(tài)泡(760)(例如，空化泡)的形成，驅(qū)動第二流體的液滴(770)進入第三流體通道(710)。泡的坍塌引起擠出的第二流體的回流，從而引起形成窄“頸”并且迅速導(dǎo)致液滴(780)釋放進入第三流體通道(710)。

盡管以上已經(jīng)指出了使用脈沖激光器作為單向能量源，應(yīng)該注意的是，其他能量源頁適用于本發(fā)明。供替代的單向能量源包括非激光器、高輸出光學(xué)源(例如聚弧燈)、微波輻射、感應(yīng)加熱以及聲學(xué)能量(例如超聲波)。

在某些實施方案中，脈沖激光器是優(yōu)選能量源。激光的優(yōu)勢在于，它們不需要任何電或者機械布線或者相互連接來輸送能量。激光束能夠穿過透明基板聚焦于任意3D位置。這消除了界面問題，并且利于集成在標(biāo)準(zhǔn)鑄造的微流體芯片上。

示意激光器包括但不限于波長例如532nm的納秒脈沖激光器。微秒、皮秒或者飛秒脈沖激光器等也能夠應(yīng)用。在某些實施方案中，激光器的波長還能夠是UV、可見光或者近紅外的。

在某些實施方案中，設(shè)備或者包括該設(shè)備的系統(tǒng)能夠包括監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控設(shè)備表征一個或多個流體通道的內(nèi)含物。來自該監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)能夠傳遞至控制器，控制器轉(zhuǎn)而可以構(gòu)造為基于從監(jiān)控器接收的數(shù)據(jù)來觸發(fā)單向能量源。例如，熒光監(jiān)控器可以匹配包含熒光標(biāo)記的細(xì)胞或者顆粒的流體通道。當(dāng)來自監(jiān)控器的數(shù)據(jù)指示包含期望的熒光標(biāo)記的細(xì)胞匹配液滴生成機制時，控制器能夠啟動激光脈沖，這引起形成了包封期望的細(xì)胞的液滴。類似地，吸光度可以用于區(qū)別所監(jiān)控的流體流的內(nèi)含物。該布置有利地允許在流體通道內(nèi)選擇可具有獨特或者期望的內(nèi)含物的特定體積，從而傳遞至第二流體通道以用于收集或者分配至設(shè)備的另一功能區(qū)域。監(jiān)控器不限于熒光或者吸光度監(jiān)控器。例如，有利地可以類似使用磁監(jiān)器、電容監(jiān)控器、電感監(jiān)控器和電化學(xué)監(jiān)控器。

應(yīng)該理解的是，盡管在某些實施方案中，一個或多個流體流(例如，流體路徑)可以約束在物理通道(例如，微通道)內(nèi)，但是流體流不需要用物理屏障/通道壁限制或隔開。在某些實施方案中，通過使用電潤濕技術(shù)(參見例如，Cheng及Hsiung，(2004)Biomedical Microdevices，65:341-347)、通過電動器件、通過使用單向?qū)恿?例如，通過調(diào)節(jié)流率和/或流截面和/或流粘度)等，經(jīng)由改變流體流所處的表面的極性/疏水性/表面自由能量可以使流體流沿著預(yù)定路徑被約束和/或隔開和/或引導(dǎo)(參見，例如，Zhao等人，(2002)Anal.Chem.，74(16):4259-4268)。

在某些實施方案中，流體流是微流體流。“微流體流”是指以下流，即，其中所述流體流的至少約40％、或者至少約50％、或者至少約60％、或者至少約70％、或者至少約80％、或者至少約90％、或者至少約95％、或者至少約98％、或者至少約99％的流通量或者質(zhì)量穿過具有至少一個特征尺寸(例如，寬度或者直徑)的截面區(qū)域，所述特征尺寸為小于1,000μm、更優(yōu)選小于約900μm、或者小于約800μm、或者小于約700μm、或者小于約600μm、或者小于約500μm、或者小于約400μm、或者小于約300μm、或者小于約250μm、或者小于約200μm、或者小于約150μm、或者小于約100μm、或者小于約75μm、或者小于約50μm、或者小于約40μm、或者小于約30μm、或者小于約20μm、或者小于約10μm、或者小于約1μm。在某些實施方案中，“微流體流”是指包含在微流體通道內(nèi)的流體流。

在某些實施方案中，一個或多個流體流布置在通道或者微通道中。術(shù)語“微流體通道”或者“微通道”可替換使用，并且是指具有至少一個特征尺寸(例如，寬度或者直徑)的通道，所述特征尺寸為小于1,000μm、更優(yōu)選小于約900μm、或者小于約800μm、或者小于約700μm、或者小于約600μm、或者小于約500μm、或者小于約400μm、或者小于約300μm、或者小于約250μm、或者小于約200μm、或者小于約150μm、或者小于約100μm、或者小于約75μm、或者小于約50μm、或者小于約40μm、或者小于約30μm、或者小于約20μm。

在某些實施方案中，此處描述的方法和設(shè)備可以利用不混溶的流體。在該情形中，當(dāng)對兩個流體使用術(shù)語“不混溶的”時，該術(shù)語指示流體當(dāng)以一些比例混合時不形成溶液。傳統(tǒng)的不混溶的材料是水以及油。如此處使用的，不混溶的流體還包括以下流體，即，當(dāng)以一些比例結(jié)合時所述流體基本不形成溶液。通常，當(dāng)材料如果等比例結(jié)合而不形成溶液時，所述材料是基本不混溶的。在某些實施方案中，不混溶的流體包括彼此不顯著可溶的流體、由于物理屬性(諸如密度或者粘度)一時間段內(nèi)不混合的流體、以及由于層流多時間段內(nèi)不混合的流體。

另外，這種流體不限于液體，而是可以包括液體以及氣體。因而，例如，在形成包括水性溶劑(諸如水)的液滴時，可以預(yù)期諸多有機化合物，諸如四氯化碳、氯仿、環(huán)己烷、1,2-二氯乙烷、二氯甲烷、乙醚、二甲基甲酰胺、乙酸乙酯、庚烷、己烷、甲基叔丁基醚、戊烷、甲苯、2,2,4-三甲基戊烷等。各種相互不可溶的溶劑系統(tǒng)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的(參見例如表1)。在另一實例中，包含生理正常量的溶質(zhì)的水性緩沖劑液滴可以產(chǎn)生于包含高濃度的蔗糖的稠密水性緩沖劑中。在又一實例中，包含生理正常量的溶質(zhì)的水性緩沖劑液滴可以產(chǎn)生于包含生理正常量的溶質(zhì)的第二水性緩沖劑中，其中兩個緩沖劑通過層流分開。在又一實例中，流體液滴可以產(chǎn)生于氣體中，諸如氮氣或者空氣。

表1示出彼此混溶的或者不混溶的各種溶劑。左欄的溶劑與右欄的溶劑不混合，除非另有說明。

在某些實施方案中，第一流體和第二流體不需要彼此是不混溶的。在這種實施方案中，簡單地通過調(diào)節(jié)微通道中的流率以及泡形成的速率來形成隔開的泡，可以使噴射的液滴保持彼此隔開。

在多個實施方案中，通過此處描述的設(shè)備和方法所生成的液滴能夠包含或者包封各種各樣的材料。在一些實施方案中，液滴可以包含測試樣本、細(xì)胞、細(xì)胞器、蛋白質(zhì)、核酸、酶、PCR或者其他測試試劑、生物化學(xué)劑、染料或者微粒(例如聚合微球體、金屬微顆?；蛘哳伭?。在其他實施方案中，液滴可以包封一個或多個先前生成的液滴。另外，本發(fā)明不需要限制于水性液滴系統(tǒng)。例如，這種液滴生成方法和設(shè)備可以使用于納米粒涂層中，在納米粒涂層中，有機溶劑中的材料可用于將層沉積在納米粒上或者包封納米粒。

正如上文所注意到的，在一些實施方案中，流體通道中的開口能夠構(gòu)造為噴嘴。能夠優(yōu)化這種噴嘴的深度、內(nèi)徑和外徑以控制液滴尺寸、液滴均勻性、在流體界面處的混合或者它們的組合。

此處描述的液滴生成設(shè)備可以設(shè)置在基板上，該基板與包括流體通道的材料不同。例如，流體通道可以使用布置在剛性表面上的彈性材料制成。合適的流體通道材料包括但不限于柔性聚合物，諸如PDMS、塑料以及類似材料。流體通道還可以由非柔性材料構(gòu)成，諸如硬質(zhì)塑料、玻璃、硅、石英、金屬以及類似材料。合適的基板包括但不限于透明基板，諸如聚合物、塑料、玻璃、石英或者其他介電材料。其他合適的基板材料包括但不限于非透明材料，諸如不透明的或者半透明的塑料、硅、金屬、陶瓷以及類似材料。

上文以及實施例中的參數(shù)(例如流率、激光強度、激光頻率/波長、通道尺寸、端口/噴嘴尺寸、通道壁硬度、空化泡形成的位置等)能夠經(jīng)變化以優(yōu)化液滴形成和/或液滴/顆粒/細(xì)胞包封以用于特定的期望應(yīng)用。

多種形式、材料以及尺寸比例可以用于此處描述的液滴生成設(shè)備的構(gòu)造中以及用于包括液滴生成設(shè)備的微流體設(shè)備中。在一些實施方案中，液滴生成設(shè)備和連接流體通道由PDMS(或者其他聚合物)構(gòu)成，并且使用軟光刻方法制成。PDMS是有吸引力的材料，這是基于各種原因，包括但不限于低成本、光學(xué)透明度、易于模制以及彈性特性。PDMS還具有期望的化學(xué)特性，包括與常規(guī)硅氧烷化學(xué)制劑的相容性以及與細(xì)胞培養(yǎng)要求(例如低毒性、透氣性)的相容性。在示意的軟光刻方法中，準(zhǔn)備原模以形成流體通道系統(tǒng)。該原?？梢酝ㄟ^微機加工處理、光刻處理、或者諸多本領(lǐng)域技術(shù)人員公知方法來產(chǎn)生。這種方法包括但不限于濕式刻蝕、電子束真空沉積、光蝕刻、等離子增強化學(xué)氣相沉積、分子束外延、反應(yīng)離子刻蝕和/或化學(xué)輔助離子束加工(Choudhury(1997)The Handbook Microlithography,Micromachining,and Micrabrication,Soc.Photo-Optical Instru.Engineer.；Bard&Faulkner,Fundamentals of Micrabrication)。

原模一旦準(zhǔn)備好就暴露于預(yù)聚合物，其隨后固化以在PDMS中形成圖案復(fù)本。該復(fù)本移出原模并且被裁切，并且在需要時添加流體入口。聚合物復(fù)本可以任選地用等離子(例如O₂等離子)處理，并且結(jié)合至合適的基板(諸如玻璃)。用O₂等離子處理PDMS會生成表面，該表面當(dāng)與合適的基板共形接觸時會緊密且不可逆地密封，并具有以下優(yōu)勢，即，生成的流體通道壁當(dāng)與水性溶液一起使用時是帶負(fù)電荷的。這些固定電荷支撐電動泵，可以使用電動泵來移動流體通過設(shè)備。盡管上述使用PDMS制造液滴生成設(shè)備，應(yīng)該認(rèn)識到，許多其他材料能夠替換該聚合物或者與該聚合物一起使用。實例包括但不限于聚烯烴塑性體、全氟聚乙烯、聚氨酯、聚酰亞胺以及交聯(lián)苯酚/甲醛聚合物樹脂。

在一些實施方案中，可以預(yù)期單層設(shè)備。在其他實施方案中，可以預(yù)期多層設(shè)備。例如，可以使用商用CAD程序設(shè)計多層網(wǎng)絡(luò)的流體通道。該設(shè)計可以轉(zhuǎn)換為一系列透明正片(transparencies)，其隨后被用作光刻用掩膜以創(chuàng)建原模。針對該原模的PDMS鑄件可產(chǎn)生包含多層網(wǎng)絡(luò)的流體通道的聚合物復(fù)本。該PDMS鑄件能夠用等離子處理并且粘附于上述基板。

如上文注意到的，此處描述的方法和設(shè)備尤其適使于微流體設(shè)備。因此，在一些實施方案中，流體通道是微通道。這種微通道具有的特征尺寸范圍為約100納米至1微米、至高達約500微米。在各種實施方案中，特征尺寸范圍為約1、5、10、15、20、25、35、50或者100微米至高達約150、200、250、300或者400微米。在一些實施方案中，特征尺寸范圍為約20、40或者約50微米至高達約100、125、150、175或者200微米。在多個實施方案中，鄰近的流體通道之間的壁厚度范圍為約0.1微米至約50微米，或者約1微米至約50微米，更典型地約5微米至約40微米。在某些實施方案中，鄰近的流體通道之間的壁厚度范圍為約5微米至約10、15、20或者25微米。

在多個實施方案中，流體通道的深度范圍為從5、10、15、20微米至約1mm、800微米、600微米、500微米、400微米、300微米、200微米、150微米、100微米、80微米、70微米、60微米、50微米、40微米或者約30微米。在某些實施方案中，流體通道的深度范圍為約10微米至約60微米，更優(yōu)選為約20微米至約40或50微米。在一些實施方案中，流體通道可為開放的；在其他實施方案中，流體通道可以被覆蓋。

如上文注意到的，本發(fā)明的一些實施方案包括噴嘴。當(dāng)存在噴嘴時，噴嘴直徑能夠為從約0.1微米或者約1微米至高達約300微米、200微米、或者約100微米。在某些實施方案中，噴嘴直徑能夠為從約5、10、15或者20微米至高達約25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75或者約80微米。在一些實施方案中，噴嘴直徑為從約1、5、10、15或者20微米至約25、35或者40微米。

在一些實施方案中，此處描述的方法和設(shè)備能夠生成液滴，速度范圍從0液滴/秒、約2個液滴/秒、約5個液滴/秒、約10個液滴/秒、約20個液滴/秒、約50個液滴/秒、約100個液滴/秒、約500個液滴/秒、或者約1000個液滴/秒至高達約1,500個液滴/秒、約2,000個液滴/秒、約4,000個液滴/秒、約6,000個液滴/秒、約8,000個液滴/秒、約10,000個液滴/秒、約20,000個液滴/秒、約50,000個液滴/秒及約100,000個液滴/秒。

在多個實施方案中，此處描述的設(shè)備和方法能夠生成具有大致連續(xù)體積的液滴。能夠控制液滴體積以提供從約0.1fL、約1fL、約10fL及約100fL至約1微升、約500nL、約100nL、約1nL、約500pL或約200pL的體積。在某些實施方案中，液滴的體積控制范圍從約1pL至約150pL、約200pL、約250pL或者約300pL。

如上所示，此處描述的微通道液滴形成/噴射設(shè)備能夠提供集成有在微流體“芯片”上的或在流通制造系統(tǒng)中的其他處理模塊的系統(tǒng)，以用于微顆粒涂層、微顆粒藥物載體制劑等。然而，這些用途僅是示意性的而不是限制性的。

在多個實施方案中，包括執(zhí)行此處描述的方法的部件/模塊/設(shè)備的微流體能夠操作小至1納升至若干納升的體積。因為微流體反應(yīng)體積接近于單個哺乳動物細(xì)胞的尺寸，所以用這些設(shè)備進行單細(xì)胞mRNA分析時材料損失是最小的。在微流體設(shè)備內(nèi)處理活細(xì)胞的能力對于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄物組的研究提供了很大的優(yōu)勢，因為隨著細(xì)胞死亡，mRNA會快速降解。已經(jīng)報道了一個示意性高集成微流體設(shè)備(Zhong等人，(2008)Lab on a Chip,8:68-74；Zhong等人，(2008)Curr.Med.Chem.,15:2897-2900)，其具有26個并聯(lián)的10nL反應(yīng)器以用于研究單個人體胚胎干細(xì)胞(hESC)中的基因表達，并且能夠易于修改以集成(intetrate)此處描述的設(shè)備。某些示意性微流體設(shè)備包括用于獲得單細(xì)胞cDNA的系統(tǒng)，包括在該設(shè)備內(nèi)執(zhí)行細(xì)胞捕獲、mRNA捕獲/純化、cDNA合成/純化。本文的設(shè)備和方法提供了在這種設(shè)備中包封和/或隔離個體細(xì)胞的有效器件，以例如用于進一步處理。

能夠使用多種方法來沿著此處描述的設(shè)備的流動路徑和/或通道傳輸流體或者液滴、顆粒、細(xì)胞等的混合物。這種方法包括但不限于重力流動、注射泵、蠕動泵、電動泵、泡沫驅(qū)動泵和氣壓驅(qū)動泵。

實施例

以下實施例用于例示所要求保護的發(fā)明，但是并不對其進行限制。

實施例1

由脈沖激光器誘發(fā)的空化所驅(qū)動的液滴生成

使用標(biāo)準(zhǔn)軟光刻技術(shù)構(gòu)造圖3所示的脈沖激光器驅(qū)動式液滴生成(PLDG)設(shè)備。PLDG設(shè)備具有兩個流體通道，一個流體通道填充有水，而另一個流體通道填充有油。兩個流體通道都是100微米寬和100微米高。流體通道通過構(gòu)造為噴嘴的開口連接，開口的頸部為30微米寬。調(diào)節(jié)通道中的流率以產(chǎn)生穩(wěn)定的油/水界面。

基于激光脈沖誘發(fā)的空化泡來致動該PLDG設(shè)備，當(dāng)強激光脈沖聚焦于包含是的流體通道時生成空化泡。激光脈沖的焦點處的等離子形成可生成迅速膨脹的空化泡，如上所述。這擾亂了油/水界面并且將水液滴推入相鄰的填充有油的流體通道以形成穩(wěn)定的水液滴。在這些研究中，該空化泡的存在期的范圍為從數(shù)十微秒至數(shù)百微秒。

為了誘發(fā)空化泡，Q-開關(guān)Nd:YVO₄脈沖激光束通過100×物鏡聚焦入PLDG設(shè)備，該脈沖激光束波長532nm，脈沖寬度15納秒，最大重復(fù)頻率100KHz。其他波長也可以是合適的，諸如UV、可見以及紅外的。使用時間分辨成像系統(tǒng)來捕獲液滴生成。圖8示出在液滴生成期間獲得的一系列的這種圖像。將玉米油用于連續(xù)油相并且將磷酸緩沖鹽水(PBS)用于水相，調(diào)節(jié)玉米油和PBS的流率以在噴嘴開口處形成穩(wěn)定的界面(圖8的面板(a))。空化泡形成是在啟動激光脈沖1微秒內(nèi)啟動的(圖8面板(b))并且在3微秒內(nèi)達到最大尺寸，推動PBS進入玉米油通道(圖8的面板(c))。泡在5微秒之后開始坍塌(圖8的面板(d))。隨著空化泡坍塌，窄頸形成在PBS流體通道和擠出的液滴之間(圖8的面板(d)至(f))。由于流體力學(xué)不穩(wěn)定性，該連接切斷(圖8的面板(g))。結(jié)果，使用100微焦激光脈沖在約500微秒內(nèi)生成137pL液滴，然后液滴通過流過玉米油通道而被傳輸離開(圖8的面板(h)和(i))。

實施例2

PLDG生成的液滴的體積控制

通過調(diào)節(jié)脈沖激光輸送的能量能夠控制PLDG的體積，脈沖激光輸送的能量是激光強度和脈沖持續(xù)時間、激光激發(fā)的位置或者它們之組合的函數(shù)?；蛘?，可以使用偏束器調(diào)節(jié)脈沖激光的能量。

圖9圖示出通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)來控制PLDG產(chǎn)生的液滴的體積。液滴由圖9示出，面板(a)至(d)示出在距噴嘴47微米的固定距離處改變激光能量的效果(圖9中，面板(a)＝100微焦，面板(b)＝90微焦，面板(c)＝80微焦，面板(d)＝70微焦)。這產(chǎn)生了可控液滴尺寸，范圍從約55至約5微米，隨激光能量降低而減小。

控制液滴尺寸示于圖9的面板(e)至(g)，其中激光能量保持恒定在100微焦，焦點至噴嘴的距離在約40微米至約80微米之間調(diào)節(jié)。隨著焦點移開玉米油/PBS界面，液滴尺寸從約60微米減小至約25微米。使用組合激光能量以及焦點與流體界面之間距離的組合，液滴體積能夠控制在1pL至150pL之間。

實施例3

PLDG產(chǎn)生的液滴的尺寸的一致性(Consistency)

因為PLDG是按需方法，所以PLDG通過控制激光脈沖之間的間隔能夠以不同頻率產(chǎn)生液滴。圖10示出以2毫秒(圖10的面板(a))至100微秒(圖10的面板(d))的不同激發(fā)間隔連續(xù)液滴生成的結(jié)果。調(diào)節(jié)接收液滴的流體通道的流率以保持液滴以高液滴生成速率分散。

圖11示出以液滴生成頻率1kHz(面板(a))和10kHz(面板(b))收集的示意性液體。液滴尺寸是一致的，盡管形成液滴的速度之差有10倍。圖12示出類似研究的結(jié)果，激光激發(fā)之間的間隔設(shè)定為2毫秒(面板(a))、500微秒(面板(c))和100微秒(面板(d))。從以500微秒間隔(2kHz)生成的液滴收集的數(shù)據(jù)示出體積變化為0.689％。

不同激光激發(fā)間隔的連續(xù)生成液滴示于圖14，激發(fā)間隔為2毫秒(面板(a))、500微秒(面板(b))和100微秒(面板(c))。使用脈沖間隔100微秒以及激光器功率90微焦，能夠?qū)崿F(xiàn)一致的為10kHz的液滴生產(chǎn)率。

實施例4

用PLDG在液滴中進行包封

因為PLDG是還允許液滴體積控制的按需方法，所以PLDG允許流體通道的特定內(nèi)含物以液滴形式包封在第二流體通道中。這種應(yīng)用的實例是包封來自穿過PLDG設(shè)備的顆粒流或細(xì)胞流中的指定的單個顆?；蛘呒?xì)胞，控制器基于從監(jiān)控器接收的數(shù)據(jù)來引導(dǎo)顆粒流或細(xì)胞流。這種顆?；蛘呒?xì)胞能夠在培養(yǎng)基的液滴內(nèi)隔開，并且由第二流體通道運載以用于進一步表征。

這示于圖13。在圖13的面板(a)，顆粒(白箭頭指示)示于PLDG設(shè)備的流體通道中。包封液滴的生成示于圖13的面板(b)。能夠看到從誘發(fā)空化泡起250微秒之后能看到液滴擠出通過噴嘴以封閉顆粒。圖13的面板(c)示出了類似研究的結(jié)果，并且連續(xù)捕獲細(xì)胞。以這種方式包封活的HeLa細(xì)胞呈現(xiàn)高活性率(92.07％)。通過一個小時以10kHz的速率連續(xù)施加激光脈沖已經(jīng)測試了PLDG設(shè)備的可靠性，這相當(dāng)于生成3.6百萬空化泡生成，對設(shè)備沒有可觀察到的損壞。

已經(jīng)公開了液滴生成方法和設(shè)備，其尤其適用于微流體設(shè)備。這些提供了速率高達100kHz的迅速按需液滴生成。液滴體積能夠調(diào)節(jié)并已經(jīng)示出為高度可再現(xiàn)的，體積差小于1％。所公開的設(shè)備不利用機械部件，并且使用位于外部的單向能量源(例如脈沖激光器)極大地簡化該設(shè)備和支撐裝備的設(shè)計。還應(yīng)注意，PLDG方法的效率以及固有的簡化性在微流體領(lǐng)域之外具有實用性。高速的液滴產(chǎn)生和產(chǎn)生的液滴的窄尺寸分布表明這種方法和設(shè)備可以用于制備乳液，其中液滴尺寸的一致性是很重要的。實例包括但不限于藥品，包括疫苗組合物。高速的液滴產(chǎn)生和當(dāng)擠出時控制液滴體積的能力表明這種方法和設(shè)備可以用于將生成的液滴沉積到流體/氣體界面以及固體表面上，從而沉積以及定位非揮發(fā)性液滴內(nèi)含物。這種用途的實例包括但不限于高分辨率打印以及生成微陣列。然而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯的是，除了這些已經(jīng)描述的內(nèi)容之外，許多修改是可行的，這并不超出此處的發(fā)明構(gòu)思。

應(yīng)理解，此處描述的實例以及實施方案僅用于示意目的，根據(jù)其的各種修改或者改變可以建議給本領(lǐng)域的技術(shù)人員，并且包括在本申請的精神和概要內(nèi)以及附隨權(quán)利要求的范圍內(nèi)。此處引用的所有公開、專利以及專利申請整體通過參考并入此處用于所有目的。然而，當(dāng)并入此處的參考文件中定義或者使用的術(shù)語與此處提供的該術(shù)語的定義不一致或者矛盾時，不應(yīng)用參考文件中的該術(shù)語的定義。術(shù)語“包括”以及“包括有”應(yīng)該理解為以非排他方式引用元件、部件或者步驟，這表示所引用的元件、部件或者步驟與其他沒明確提到的元件、部件或者步驟可以一起存在或使用或組合。