微结构化区分装置的制作方法

本发明总体上涉及一种包括空间上变化的分层微结构的装置。

更具体地，本发明涉及一种装置，该装置包括在空间上变化的分层微结构，以生成与流体流的分级温泽尔(wenzel)和分级凯西(cassie)界面。这些分级界面可通过表面能量梯度来表征。这些表面能量梯度可单独或组合地涉及空间上变化的微结构，以生成空间上变化的化学诱导的表面能量梯度，该表面能量梯度可驱动装置中的流体流。

背景技术：

微米尺度以及更小尺度的流体的行为与"大流体"行为可能差别在于诸如表面张力、能量耗散和流体阻力的因素开始主导系统动力学。在小尺度(约100纳米到500微米的通道尺寸和表面纹理)下，会出现一些有趣的且有时不直观的特性。特别是，雷诺数(其将流体惯性的效果与粘度的效果进行比较)会变得非常低。关键的结果是复合流体过渡到同流流体状态，其中流体组分不一定按照传统意义进行混合。当流变成层流而不是湍流时，同流流体之间的分子运输通常必须通过扩散。还应注意的是，离子交换表面在水中会生成超过100mpa的非常高的渗透压，因为它们产生反离子的高表面浓度。具有高表面积的聚离子纳米粒子产生如此大的渗透压，使得它们可用于实际的脱盐工艺中。反离子和溶质在尝试理解和开发微流控系统时会遇到困难，因此不带反离子或溶质但具有相同特性的不带电系统将是有益的。

能够连续采样和实时测试流体样品中的生化毒素和其它危险病原体的基于微流控的装置可充当针对生物威胁的始终在线的预警系统。

在开放式微流控中，去除系统的至少一个边界，使流体暴露于空气或另一界面(即液体)。开放式微流控系统的优点包括可接近流动的液体以用于干预、更大的液-气表面积和最小的气泡形成。

开放式微流控的另一个优点是能够将开放式系统与表面张力驱动的流体流架构相集成。表面张力驱动的流体流消除对外部泵送方法(诸如蠕动泵或注射泵)的需求。

通过磨削、热成型和热压花来制造开放式微流控装置也是容易且不昂贵的。此外，开放式微流控消除对胶粘或粘合可能不利于毛细管流动的装置盖的需求。开放式微流控的实例包括开放通道微流控、轨基微流控、纸基微流控和线基微流控。开放系统的缺点包括易于蒸发、污染和流速受限。

在连续流微流控中，通过微制造通道实现对连续液体流的操纵。通过外部压力源、外部机械泵、集成式机械微型泵或毛细管力和电动机构的组合来实现液体流的致动。连续流微流控操作是主流途径，因为其易于实现且对蛋白质结垢问题不那么敏感。连续流装置适合于许多定义明确且简单的生化应用以及某些任务(诸如化学分离)，但它们不太适合需要高度灵活性的任务或流体操纵。这些封闭通道系统固有地难以集成和缩放，因为支配流场的参数沿流路变化，使得在任一位置处的流体流取决于整个系统的属性。

在基于液滴的微流控中，在具有低雷诺数和层流状态的不混溶相中进行对流体的离散体积的操纵。在过去的几十年中，对基于液滴的微流控系统的兴趣已大大增长。微滴允许方便地处理微小体积(μl至fl)的流体，提供更好的混合、封装、分选和感测，并适合高通量实验。有效地利用基于液滴的微流控的优势，需要对液滴的生成有深刻的了解，以执行各种逻辑操作，如液滴运动、液滴分选、液滴合并和液滴破碎。微结构化表面在微流控环境中处理和形成与液滴的特殊界面方面特别有用。

在数字微流控中，使用电润湿在微结构化基材上操纵离散的、可独立控制的液滴。遵循数字微电子的类推，此途径称为数字微流控。电毛细作用力用于在数字轨道上移动液滴。在数字微流控中，存在"流体晶体管"的概念。通过使用离散的单位体积液滴，可将微流控功能简化为一组重复的迭代操作，即，将一个单位的流体移动一个单位的距离。这种"数字化"方法有助于将分层表面结构途径用于微流控生物芯片设计。数字微流控提供灵活且可扩展的系统架构以及高容错能力。电润湿机制允许独立控制每个液滴，并可动态地重新配置整个系统，从而可将微流控阵列中的分层结构域组重新配置为在同时执行一组生物测定期间更改其功能。用于数字微流控的一种常见的致动方法是介质上电润湿(ewod)。然而，表面声波、光电润湿、机械致动等也是数字地操纵流体液滴的方法。

在纸基微流控中，装置包括在亲水纸上的表面微结构疏水屏障，亲水纸将水溶液被动地输送至发生生物反应的出口。当前的应用包括便携式葡萄糖检测和环境测试，伴随着对于到达缺乏先进医学诊断工具的地区的希望。

在体外或体内环境中，微流控也可与景观生态学结合。可通过将旨在形成细菌和/或细胞栖息地的表面微结构的局部补片并置，并通过分散走廊连接不同的微结构补片以产生景观来构成纳米/微结构的流体景观。通过生成时空分布的生物机会补片的空间镶嵌图，可将所得景观用作自适应景观的物理实现。这些流体景观的补缀性质允许研究使细菌和体细胞适应亚种群系统。微结构化景观可用于研究合成生态系统环境中细菌和细胞系统的进化生态。在植入物情况下，微结构化的景观可引导复杂的、有组织的组织结构，以改善愈合或推动器官的再生。

例如，微结构化景观可通过使用微流控来驱动精确且仔细控制的趋化性梯度。受控的趋化性微结构化景观可用于控制细胞运动性和趋化性。相反，微结构化景观可用于研究在少数微生物种群中和在短时间段内细菌对抗生素的抗性演变。包括细菌和形成海洋微生物环的广泛生物的这些微生物负责调节许多海洋生物地球化学。微结构化景观还通过促进产生趋硬(刚度)梯度而极大地帮助趋硬性的研究。

因此，于是需要一种具有微结构化表面的装置，该装置能够区分各种流体成分并且适用于各种微流控系统。

技术实现要素：

在一些实施例中，公开了一种流体分离装置，其可包括基部，该基部可包括具有第一端和第二端的引导通道。引导通道的第二端可连接到第一分离通道和第二分离通道，第一分离通道和第二分离通道从引导通道的第二端分叉。引导通道还可包括如下表面，该表面包括构造成将流体流从第一端引导到第二端的第一分层微结构。第一分离通道可包括如下表面，该表面包括第二分层微结构，第二分层微结构构造成将至少一部分的流体流从引导通道选择性地引导至第一分离通道。第二分离通道可包括如下表面，该表面包括第三分层微结构，第三分层微结构构造成将至少一部分的流体流从引导通道选择性地引导至第二分离通道。

在一些实施例中，流体分离装置可进一步包括设置在基部上的注入端口，其中注入端口可连接至引导通道的第一端。

在一些实施例中，流体分离装置可包括形成分级的温泽尔状态的第一分离通道的第二分层微结构和形成分级的凯西状态的第二分离通道的第三分层微结构。

在一些实施例中，第二分层微结构和第三分层微结构可各自包括不同的表面能量梯度。

在一些实施例中，可通过相对于第三分层微结构在空间上改变第二分层微结构的空间周期性来形成不同的表面能量梯度。

在一些实施例中，流体可包括至少第一成分和第二成分，每个第二分层微结构和第三分层微结构的不同的表面能量梯度可配置成将第一成分和第二成分分离为不同的流。

在一些实施例中，第一成分的不同流可引导至第一分离通道，并且第二成分的不同流可引导至第二分离通道。

在一些实施例中，第一分层微结构、第二分层微结构和第三分层微结构中的每一个可由空间上变化的微结构成分形成，其中空间上变化的成分可按层次布置，并且包括在10纳米与1000微米之间的高度和直径的变化。另外，第一分层微结构、第二分层微结构和第三分层微结构中的每一个可由空间上变化的微结构成分形成，其中空间上变化的微结构成分可彼此相邻地布置，具有在10纳米与1000微米之间的间距。

在一些实施例中，第一成分流可包括第一固体，而第二成分流可包括第二固体，第一固体可不同于第二固体。

在一些实施例中，第一固体可包括红血球，而第二固体可包括血小板。

在一些实施例中，第一成分流可包括固体，而第二成分可包括所述固体的缺少。

在一些实施例中，第一成分可包括红血球和血小板，而第二成分可包括血清。

在一些实施例中，流体分离装置还可包括与第一分离通道或第二分离通道连通的至少一个收集贮存器。

在一些实施例中，流体分离装置可包括基部，该基部可包括具有第一端和第二端的引导通道。第二端可连接到第一分离通道和第二分离通道。第一分离通道和第二分离通道可从引导通道的第二端分叉。引导通道可包括表面，该表面包括构造成将流体流从第一端引导到第二端的第一分层微结构。第一分离通道可包括如下表面，该表面包括第二分层微结构，第二分层微结构构造成将至少一部分的流体流从引导通道选择性地引导至第一分离通道。第二分离通道可包括如下表面，该表面包括第三分层微结构，第三分层微结构构造成将至少一部分的流体流从引导通道选择性地引导至第二分离通道。第二分离通道可进一步分叉，其中第一输出与返回管线流体连通，而第二输出与收集贮存器流体连通。

在一些实施例中，流体分离装置可进一步包括用于供应流体的输入贮存器。

在一些实施例中，流体分离装置可进一步包括输入端口，该输入端口构造成从输入贮存器接收流体并将流体引导至引导通道。

在一些实施例中，返回管线可与输入贮存器流体连通。

在一些实施例中，流体分离可进一步包括设置在收集贮存器上游的流体监测器，使得流体监测器可配置成测量流体电导率。

为了使本发明的目的、技术内容、特征和成就更容易理解，下面结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

附图说明

图1是示意性地示出了本发明的广义的微结构化流体区分装置的图。

图2是示意性地示出根据本发明的一个实施例的微结构化流体区分装置的图。

图3是示意性地示出根据本发明的另一实施例的微结构化流体区分装置的图。

图4是y-区分器的示意图，示出了成分流体分离的机制。

图5a、5b和5c是根据本发明的用于引导通道的分层微结构化梯度图案的三个实例的图。

图6是根据本发明的用于分离通道的分层微结构化梯度图案的图。

图7是根据本发明的用于从全血中分离红血球的微结构区分器的分离通道的内部微结构的图。

图8是根据本发明的数字微结构化流体区分装置的分离通道的内部微结构的图。

图9是根据本发明的用于研究细胞-表面相互作用的景观微结构化流体区分装置中的进化室的内部微结构的图。

图10是根据本发明的用于从全血中分离红血球的扇形区分器的第一实施例。

具体实施方式

以下详细描述和附图描述和示出了本发明的各种示例性实施例。说明书和附图用于使本领域技术人员能够制造和使用本发明。尽管将参考优选实施例描述本发明，但是本领域技术人员将认识到，可在形式和细节上进行改变而不背离本发明的精神和范围。因而，旨在将以下详细描述视为说明性的而非限制性的，并且所附权利要求(包括其所有等同物)旨在限定本发明的范围。

在本申请中，用语"包括"、"包含"、"具有"、"有"、"含有"及其变体旨在为开放式的不排除其它行为或结构的可能性的过渡性短语、用语或词语。

如本文所用，用语"表面能量"和"界面自由能量"是指由于破坏生成表面时出现的分子间键而引起的自由能量。材料的物理学要求固体表面在本质上要比材料的主体在能量上不利(与材料主体中的分子相比，表面上的分子具有更多的能量)，否则将具有产生表面并去除主体材料的驱动力。从内向外溶解的物质中会发生主体材料的去除，并且这些物质具有负的表面能量。因此，可将正表面能量限定为与主体相比的材料表面的多余能量，或这是构建特定表面区域所需的功。查看表面能量的另一种方式是将表面能量与切割主体样品所需的功相关联，从而产生两个表面。

如本文所用，用语"表面能量梯度"和"界面自由能量梯度"是指表面能量根据沿表面的距离而变化的表面。梯度是单位距离内表面能量的变化。大体上，单位距离足够小，使得表面能量在选定的空间间隔内线性增加或线性减少。

如本文所用，用语"润湿"是描述固体基材上的液滴的状态的界面用语。如果界面能量减小，则扩展参数s增大。扩展参数可用于数学确定如下：其中s是扩展参数，基材的表面能量，液体的表面能量，以及基材和液体之间的界面能量。

如果s＜0，则液体部分地润湿基材。

如果s＞0，则液体完全润湿基材。

如本文所用，用语"疏水的"和"亲水的"是指表面a和b之间的相对关系。如果sa＜sb，则a相对于b是疏水的，其中sa是表面a的扩展参数，并且sb是表面b的扩展参数，并且所用的液滴是水。相反，b相对于a是亲水的。

如本文所用，用语"疏脂性的"和"亲脂性的"是指表面a和b之间的相对关系。如果sa＜sb，则a相对于b是疏脂的，其中sa是表面a的扩展参数，并且sb是表面b的扩散参数，并且所用的液滴是脂质。相反，b相对于a是亲脂的。这些用语也可能取决于在测量中使用哪种脂滴。

如本文所用，用语"微结构"是指可由具有在100纳米至10000微米之间的空间尺寸的多个表面元素或特征组成的任何表面纹理或表面处理。

如本文所用，用语"分层微结构"是指包括多个表面元素或特征的任何表面纹理，这些表面元素或特征可由某个范围内的特征空间尺寸分组。这些分组中的每一个都称为分层级别。尺寸范围可重叠，但是每组中的平均值应该不同。因此，如果一个的分层级别的平均值大于另一个的分层级别的平均值，则可说一个分层级别大于另一分层级别。分层微结构在至少一个较大分层级别之上具有至少一个较小分层级别位置。例如，小直径柱体位于大直径柱体的末端表面上。除了表面纹理之外，微结构还可包括表面处理。例如，小直径疏水性圆形涂层可位于更大直径柱体的末端表面上。微结构可仅由堆叠的表面处理组成。

如本文所用，用语"表面处理"可指具有不同于其所放置的基材的表面能量的涂层物质。备选地，表面处理可为局部改变基材或特征的表面能量的任何处理。

如本文所用，用语"表面特征"(也可称为"表面元素")可指从基材表面突出或突出到基材表面中的几何对象。表面特征包括添加或去除基材材料。当基材材料在空间上变化时，则表面特征包括基材材料的局部添加或去除。空间上变化的表面特征可包括表面能量相对于基材的局部表面能量不同的表面特征。空间上变化的表面特征与表面处理的不同之处在于表面特征具有三维形式。还应理解，材料的添加可包括与基材材料不同的材料，例如但不限于聚合物、合金、金属、塑料、复合材料等的添加。

如本文所用，用语"复杂流体"(也称为"复合流体")是指由两种或更多种气体、液体和/或固体物质组成的流体。物质可为原子、分子、颗粒或生命形式。例如，出于本公开的目的，全血可认为是复杂的流体，包括多种液体和/或固体物质。类似地，出于本公开的目的，油和醋的混合物可认为是复杂的流体。

如本文所用，用语"分离微结构"是指通过物质与表面生成的界面表面能量在物质之间进行区分的任何微结构。当与通道组合时，分离的微结构可能会吸引某些物质而排斥其它物质。如果分离的微结构是数字的，则其可能会吸引一种状态的物质并排斥另一状态的相同物质。为了本公开的目的，实例可包括电润湿。

如本文所用，用语"引导微结构"是指促进流体在预定方向上流动的任何微结构。如果引导微结构是数字的，则其可促进流体在多个预定方向上流动。

如本文所用，用语"电润湿"是指通过施加电场来改变表面(通常是疏水性/亲脂性)的润湿特性。

如本文所用，用语"温泽尔状态"是指物质的两相之间的界面状态，其中两相的表面在接触点处生成低接触角。温泽尔状态通常认为是润湿状态。

如本文所用，用语"凯西状态"和"凯西-巴克斯特(cassie-baxter)"是指物质的两相之间的界面状态，其中两相的表面在接触点处生成高接触角。凯西状态通常认为是非润湿状态。

如本文所用，用语"温泽尔-凯西状态"是指具有异质表面的界面状态。与逐点限定的温泽尔和凯西状态不同，温泽尔-凯西状态是指物质两相之间的表面上的区域，其中接触点处的两相的表面在某些区域中生成低接触角并且在其它区域中生成高接触角。大体上，温泽尔和凯西区域并列，并布置成使得一个相相对于另一相固定或定域(localized)。定域是由于如下事实：与打破温泽尔-凯西状态相比，温泽尔-凯西状态是一种较低的能量状态。为了使两相之间发生平移，必须提供能量以打破温泽尔-凯西状态。

如本文所用，用语"分级温泽尔状态"是指物质的两相之间的界面状态，其中两相的表面在接触点处生成低的接触角，并且该接触角随着一个相相对于另一相平移而变化。

如本文所用，用语"分级凯西状态"是指物质的两相之间的界面状态，其中两相的表面在接触点处生成高的接触角，并且该接触角随着一个相相对于另一相平移而变化。

如本文所用，用语"分级温泽尔-凯西状态"是指具有异质表面的界面状态。与逐点限定的温泽尔和凯西状态不同，温泽尔-凯西状态是指物质两相之间的表面上的区域，其中接触点处的两相的表面在某些区域中生成低接触角并且在其它区域中生成高接触角。大体上，温泽尔和凯西区域并列，并布置成使得一个相相对于另一相固定或定域。定域是由于如下事实：与打破温泽尔-凯西状态相比，温泽尔-凯西状态是一种较低的能量状态。为了使两相之间发生平移，必须提供超过势垒的能量，并打破温泽尔-凯西状态。分级的温泽尔-凯西态是一种界面态，其中势垒随着一个相相对于另一个相的平移而变化。

如本文所用，用语"成分流"是指从第一复杂流体流导出的至少两个流中的一个，其中每个导出的成分流可在空间上与其它成分流分开。分离时，成分流可能在成分上是不同的，尽管两个流可能共享某些组分。

如本文所用，用语"微结构化水"是指紧邻高表面能量表面的界面水。分层微结构生成的高表面能量将水组织起来，并在界面处将溶质排到溶液的主体中。界面微结构水的区域的宽度可为几百微米。

如本文所用，用语"相"是指关于表面能量的相对名称。例如，固体聚合物、水和空气的三相系统包括具有不同表面能量的三相。然而，三相系统不必由固体、液体和气体组成。例如，三相系统可包括固体、水和液体脂质。

如本文所用，用语"载体相"是指三相系统中的相位布置。例如，在包括固体、水和空气的三相系统中，界面几何形状由与空气包围的聚合物平面接触的水球来描述。周围相是载体相。在固体-水-脂质系统的实例中，如果固体具有低的表面能量(疏水性)，则脂质在聚合物表面上形成液滴并且水成为载体。相反，如果固体具有高表面能量，则水形成与聚合物缔合的液滴，而脂质则成为载体相。

应该理解，用语亲水性和疏水性是系统特定的，并且界面几何形状(温泽尔或凯西)也是系统特定的。实际上，若是系统至少包括三相，则温泽尔-凯西状态是唯一具有系统独立状态的界面状态。显然，哪个相形成温泽尔界面，哪个相形成凯西界面仍然是系统特定的，但是对于形成给定三相系统的温泽尔-凯西界面的表面纹理，大体上将为任何三相系统形成温泽尔-凯西界面。

本公开内容描述了一种具有微结构化表面纹理的装置，该结构可生成可通过物理或化学方法制造的表面能量梯度。具有紧邻高表面能量表面(高表面能量由分层微结构产生)的界面水的装置将水组织起来，并在界面处将溶质排到溶液的主体中。该排出物产生范围为几百微米的排除区。可使用低分子量染料、蛋白质溶液和包括微米级微球的溶液在微结构化表面附近找到这些排除区。

排除区可表现出令人感兴趣的性质。例如，使用水的对位正交模型进行的计算表明，排除区在短紫外线范围内的吸收可能会增强。实际上，紫外线可在空间上扩展排除区，并减少水的熵，并使排除区中水的结构有序。

出乎意料的是，在水与微结构化表面相互作用的对位正交模型中，计算可能指示本发明的微结构化表面在某些情况下可生成足以致使水寻找较低能量状态的表面能量梯度，在较低能量状态中，微结构化水的密度高于非微结构状态的水。由于水是微结构的，因此其粘度可能更高。在实践中，这种效果可能会产生互锁的微表面-目标-表面界面的温泽尔-凯西区。

因此，总结这些发现以便为本公开提供背景是有用的。在一些实施例中，相对于微结构化表面，在溶液中存在水的任何地方，都可认为水是"束缚的"或"自由的"，分别对应于相互作用的表面具有高表面能量还是低表面能量。用生物学领域的专业人员更熟悉的话来说，表面可分别是亲水的或疏水的。通过形成相邻的束缚态来构造水的自由态，人们可实现虚拟的尺寸排阻过滤器，可用于分离复杂(复合)流体的成分。

当水和该部分的组合与纯分子水相比具有较低的熵态时，可认为作为纯分子的水和任何其它部分之间的关系是束缚态。低熵水是对微结构化水的另一种描述。

微结构化水可认为是溶质，而不是溶解的"自由"水的一部分。因此，在生成与微结构化水的区域并列的自由水的区域的过程中，人们可能会产生主要氢键结构的区域，这些区域由高密度的水包围，高密度的水由小得多、更不广泛的簇组成。

分层微结构化表面可诱导氢键水分子的强和弱空间区域，这反过来可引起其水活度和化学势的差异。一般而言，在相同液体质量内的不同区域之间，水活度和化学势之间的任何这种空间上不连续的界面都可能迅速引起液体从一个方向移动到另一个，从而使这些状态均等，并且从而消除化学势差。然而，如果存在与水溶液相互作用的分层微结构化表面，则与某些表面纹理缔合的更广泛的氢键簇的浓度可能会形成性质与主体的值不同的水层。表面相互作用可防止主体与表面体积之间的电势均等，从而生成能量梯度。当发生这种情况时，界面水与主体水中的水相比可能具有不同的能量状态和化学势，这可能导致势能方面的差异。

认识到表面的亲水性是相对于相邻表面的概念，该表面与相邻水分子之间的相互作用可固定局部氢键，并且这与空间因素一起可增加簇的范围和这些簇的半衰期。这些结构的较长寿命可能导致氢键簇更广泛，因此能量梯度可能会增加。靠近纹理化表面的能量梯度的这种增加可能会将溶质从靠近表面的区域移向大量水，直到在熵和能量考虑之间达到平衡。

这种非水排出物(是排出的物质颗粒或不同的分子)的效果可能是随着排出的材料与整体溶液浓度混合而形成的溶质浓度带的增加。如果两个分层结构化的表面限定区域的边界，则排除的材料可能会倾向于集中在边界限定的区域的中心。排除的物质类型取决于微结构表面的结构和水组分的亲水性。

例如，考虑悬浮的亲水性微粒或纳米颗粒的溶液。这些颗粒的表面可能会导致相互排斥的渗透压效应，从而可导致颗粒在少量液体中有序排列。因此，此处描述的效果是可以不向膜要求渗透势。该状况可认为是虚拟过滤器。实际上，任何两者物质倘若它们形成溶液便可分离，并且这两种溶液具有不同的亲水性或两相。

这些微结构域可具有类似于称为自触变性的现象的性质。因此，可将分层微结构化表面附近的流体动力学视为非牛顿性的。特别是，本文所公开的微结构域倾向于作为时间的函数而大体上增加粘度。

由于氢键受到电子移位的强烈影响，因此可预期，磁场、电场或静电势的施加将扩大水团簇。

本公开的分层微结构化表面的另一效果是由于电磁辐射的内部反射而导致消散波的形成。由内部反射生成的驻波电磁波可与水分子相互作用，以稳定氢键簇的驻波，其可增加氢键簇的局部浓度和范围，并从而增大上述渗透效果。

此处报告的效果不限于水，而是对于能够形成氢键的多种极性溶剂都可能会发生。本公开可进一步描述不依赖于水的特定依数热力学性质的机制。

常常被忽略的是，流体水实际上可能是由两种不同的核自旋异构体(即对位水(para-water)和邻位水(ortho-water))组成的复杂或复合流体，它们不能在分离的分子中相互转化。就像水和油在重力梯度存在下形成离散的亲水相域和疏水相域一样，所以倘若存在表面能量梯度，对位水和邻位水也可能形成离散域。当这些表面与水溶液接触时，固体基材在空间上分开的位置处疏水性和亲水性的差异可以生成能量梯度。

理解本文所公开的效果的另一种方式通常属于用语"表面张力"。表面张力可理解为与空间尺寸线性相关，因此，系统越小，表面张力的影响就越大。微结构特征的系统(在本文中称为分层微结构表面)可与液体形成界面域，该界面域可由表面张力效应主导。

影响表面张力并且可控制微结构化区分器的参数可包括热能量(热毛细作用)和电能量(电润湿作用)。本公开的微结构化区分器可利用热能量和电能量来局部地改变流体的表面张力，并然后改变流体-微表面界面的组成和几何形状。

尽管本公开内容描述了微表面技术的创新，但是应当认识到，本文中所作的公开内容容易适用于微流控技术。微流控技术的进步正在彻底改变分子生物学程序，以用于酶促分析(例如葡萄糖和乳酸分析)、dna分析(例如聚合酶链反应和高通量测序)以及蛋白质组学。微流控生物芯片的基本思想是将测定操作(例如区分)以及样品预处理和样品制备集成在一个芯片上。

现在参看图1，示出了本公开的微结构化区分器。如图1中所示，微结构化区分器100可包括注入端口102和多个引导通道104，引导通道可从注入端口102向外辐射。注入端口102和引导通道104可设置在微结构化区分器100的表面106上。每个引导通道104可与类型108和类型110的两个分离通道相关联。流体112可供应到注入端口102，并且可由至少三种流体类型组成。流体类型a114可为中性载流体，在一些实施例中典型地是水。流体类型b116可能被吸引到通道类型108，而流体类型c118可能被吸引到通道类型110。应当理解，用语"流体类型"不一定表示流体。在一些实施例中，中性流体类型114可为血清，流体类型116可为红血球，并且流体类型118可为所有其它血液组分，例如血小板。因此，在一些实施例中，微结构区分器100可为用于从全血中分离红血球的装置。包括引导通道104和分离通道108和110的分叉网络可终止于收集通道120和122中。收集通道120可合并流体类型116，并且收集通道122可合并流体类型118。收集通道可终止于收集贮存器124和126中。

在一些实施例中，微结构化流体分离和合并装置可包括存在于引导和分离通道中的表面能量梯度，并且可用于基于其疏水/疏脂特性来引导和分离流体组分。通道表面的微结构可在流体组分和通道表面之间发展界面现象，使得可引导包括不同流体类型的复合流体移动并分离成分流。

在一些实施例中，微结构化流体区分和合并装置可包括毛细管力驱动器件，以驱动复合流体通过区分器，致使流体组分分离，相继集中，并然后最终合并到收集贮存器中。静态表面能量梯度可通过更改直径、间距、高度、主体材料、形状和分层级别数以及分层级别之间的关系来形成。一些分层结构会生成毛细作用力，另一些会产生温泽尔-凯西域。分层微结构可包括不同大小尺度的微图案，优选一个在另一个之上，其中它们的疏水性或疏脂性在某些情况下可由表面图案确定，并且在其它情况下可由主体材料的化学性质确定。

根本原理是利用主体化学性质和表面微结构在复合流体与引导和分离通道的内壁之间产生不同的表面张力梯度。特别是，引导表面的微结构可导致复合流体沿特定方向流动而无需外部器件，即，使用微型泵。

在一些实施例中，复合流体可流到位于引导通道和分离通道的接合处的分叉区域，其中内表面上的微结构可通过利用分离通道中的不同的表面张力梯度自发地将成分流体与复合流体分离。用语"密度变化"旨在意味着直径、间距、高度、主体材料、形状和分层级别的数量以及产生表面能量梯度的分层级别之间的关系的任何变化。

分叉区域可将引导通道与分离通道连接。分离通道可具有不同的界面表面能量。在一些实施例中，复杂流体可流到分叉区域，在该分支区域处，复杂流体分离成成分流体，该成分流体可进入对应于每种成分流体的最小界面表面能量的分离通道。因此，可在没有能量消耗的情况下将复杂的流体精确地分离成其成分流体，并抽吸至单独的通道。

分离特异性可通过一系列分叉通道来增加。应当理解，每个引导通道加上分叉的分离通道可认为是"y-区分器"。在一些实施例中，可利用一系列y-区分器，其中第一y-区分器可将复杂流体分离成成分流体a和b。在成分流体b之后，可达到另一y-区分器，其可将流体b分离成两种成分流体c和d，依此类推。在每个y-区分器处，正被分离的界面表面能量的范围可能变得更小。倘若提供足够数量的y-区分器，可将复杂的流体还原为纯成分流体。

可想象出许多不同的实施例，其中一些实施例可能涉及重复的y-区分器系列，或将输出通道之一连接回输入通道，以提高成分流体输出的纯度。然而，对于流回路，可能需要外部电源来维持流。例如，脉冲声波驱动器可用于再循环复杂流体。

参看图2，该图示意性地示出了一个实施例，其中可从复杂流体中高度纯化单成分流体。微结构化区分器200可包括基部202，引导通道204以及分离通道206和208可以y-区分器210的阵列布置在基部上。复杂流体212可从贮存器211中泵出213，并且可进入第一引导通道204。然后可在分叉220处将其分为成分流体216和218。在一些实施例中，成分流体216可为废物，并且可丢弃。成分流体218可继续到达y-区分器222，并且可分成成分流体224和226。成分流体224可经由引导通道228返回到输入贮存器211。成分流体226然后可继续到达y-区分器230，并且可分成流体成分232和234。成分流体232可经由引导通道236返回到成分流体218。在一些实施例中，该结构可不定地继续，通过线237所指示。最终y-区分器238可将复合流体240分成成分流体242和244。可将成分流体244排空到收集贮存器246中。随着流体收集在贮存器246中，稀释流体(水)可由贮存器248供给并添加到贮存器211中，以补偿对于贮存器246的流体损失。分离通道252上的监测器250可用于监测流体电导率。当流体电导率达到目标值时，可认为分离过程已经完成。监测器可为与流体分离过程有关的任何监测器，如不透明度计、光密度计或光散射计。

除了上述实施例，复杂流体流可通过离心力来辅助。现在参看图3，在一些实施例中，微结构化区分器300可包括可旋转的平面-圆形平台302，其包括基部304。可连接到径向引导通道310的供应贮存器308可位于基部304的中心306处；并且分离通道312从引导通道310沿径向延伸。因此，y-区分器314沿径向布置。复杂流体316可径向地离心地驱离供应贮存器308。复杂流体316可由成分流体318和320以及载体流体组成，其中成分流体318可具有比成分流体320小的比重。基部304可具有厚度324。如图所示，y-区分器314可沿径向方向322布置，其中分离通道328可高于分离通道326。在引导通道310与分离通道326和328之间的分叉区域330处，上分离通道328的界面表面能量可大于下分离通道326的界面表面能量。成分流体318的表面能量可大于成分流体320的表面能量。在重力和成分流体318和320的表面能量的作用下，上分离通道328可吸引成分流体318，而下分离通道326可吸引成分流体320。由此，可分离出不同表面能量的成分流体。

应当认识到，这些微结构化界面能量可在三相环境中发展。在包括两种或更多种成分流体的复杂流体中，这些成分流体中的至少一种可在特定的界面几何形状中用作载体相。哪种成分流体充当载体相可取决于表面能量。然而，在流体分离的情景下，对于复合流体而言由三种成分流体组成可能是有用的，其中成分流体之一充当用于微结构区分器中所有界面状态的载体相。在一些实施例中，水是载体相。

当复杂流体接触微结构化表面时，非载体流体中的一种可形成液滴，并且载体流体可围绕液滴-表面界面。在包含包括成分流体a,b和载体的复杂流体的y-区分器中，成分流体a和b可在y-区分器的不同分离通道中形成液滴。每个分离通道中的液滴可与微结构化表面形成接触角。如果微结构化表面形成界面能量梯度，则由于表面能量梯度的分布，界面液滴的两端的曲率半径可能是不对称的。这种不对称性可能是由于相对于载体相的空间压力差造成的。压力差驱动液滴内部的净压差，该净压差可提供引导力。每个分离通道使成分流体a和b中的每一个的驱动力最大化，并且成分流体a和b可选择驱动力最大所在的分离通道。

在一些实施例中，没有必要将两种成分流体都明确地吸引到分离通道，一个分离通道可简单地用作排放口。例如，如果使用重力(或离心力)通常将任何流体驱动到排放通道，则分离通道可能够以用于成分流体之一的并且足以克服重力场的高驱动力更高地布置在重力场中，这可起将一种成分流体与另一种成分流体分开的作用。

参看图4，示出了y-区分器400的详细机制。y-区分器400可包括引导通道402以及分离通道404和406。通道402的内腔表面可铺设有微结构408，而分离通道404和406的内腔表面可分别铺设有微结构410和412。微结构408,410,412大体上在成分和/或图案上可不同。分叉区域414可充当成分流体分离区域，在该区域处成分流体416与成分流体418分离。每个通道的微结构可在分叉区域414内延伸一些距离420。因为分叉区域414可具有大于引导通道402的直径，所以可导致流体速度降低。热运动可主导较慢的流体速度，其中成分流体416可吸引到分离通道404的区域，而成分流体418可吸引到分离通道406的区域。在分离时，表面能量梯度422可驱动成分流体416和418沿着其各自的分离通道。

如图5中所示，表面纹理500可为引导通道产生界面表面能量梯度，如使用拉普拉斯方程式所计算的。参看图5a，微结构可设置在基部502上。包括小支柱504的分层微结构503可位于大支柱506上。支柱之间的间隔508可与其直径成比例。在一些实施例中，间隔508可在每个相邻的微结构组之间增加。例如，间隔508可小于间隔510。间隔或间距512可缩放。参看图5b，支柱506的高度514可正弦变化，而支柱504的尺寸可保持恒定。间隔508也可保持恒定。参看图5c，间隔508或间距512可在空间上减小。支柱504和506的尺寸可保持恒定。例如，图5c描述了可沿方向514驱动流体的图案。

支柱506的直径可为10微米至100微米，支柱504的直径可为1至10微米。长宽比(高度除以直径)可在0.1到10的范围内。间距可从1微米变化到1000微米，或更大。

如图6中所示，表面纹理600可为分离通道产生界面表面能量梯度，如使用拉普拉斯方程式所计算的。表面纹理600可设置在基部602上。基部支柱604可包括第一分层级别。鳍状物(fin)606设置在基部支柱604上。直接在相邻基部支柱604之间的鳍状物608可桥接基部支柱之间的空间，而不会减小它们到基部平面602的高度610。鳍状物606,608可包括第二分层级别。基部支柱604可终止于球体610，在球体上设置有均匀间隔的小支柱612。支柱612可包括第三分层级别。基部支柱604之间的间隔614可减小。尽管在图6中未描绘，但是基部支柱604可设置成二维矩形阵列，而不是作为如所描绘的一维阵列。鳍状物606之间的距离616可相对于基部支柱604沿方向618减小。鳍状物606可蚀刻有大体上可正交于鳍状物轴线的微凹槽620。

如图6中所示，在一些实施例中，可能的许多成分流体之一可在鳍状物606上形成液滴622。方向618上的变窄距离616可生成界面能量梯度，该界面能量梯度将液滴622驱动到球体610。然后，较小的支柱612可合并多个液滴622。合并的液滴624可沿由相邻基部支柱626及其关联的球体610生成的能量梯度的方向在球体周围迁移。该能量梯度可导致液滴624桥接基部支柱之间的距离(如图所示)。支柱626可合并液滴624以产生液滴628，该液滴继续转移和合并过程。

在一些实施例中，两种成分流体的分离可能不需要改变图6的基本几何形状。在一些实施例中，可使用如先前公开的装置600，但是可改变包括装置600的材料。以此方式，可构造用于多种复杂流体成分的微结构化区分器。在其它实施例中，可使用用于复杂流体的特定应用，如从全血中分离红血球，使得通过针对组合物和微结构的几何形状设计装置来实现最大性能。这些计算可使用拉普拉斯方程以及复杂流体的成分的范围来进行。在一些实施例中，较小的支柱612可由所计算的界面表面能量的圆形涂层补片代替。

现在参看图7，公开了用于从全血中分离红血球的微结构区分器的分离通道700的内部微结构。应当认识到，红血球携带高的负电荷，并因此具有高的表面能量，并且可能由亲水性微结构吸引。通过将边缘702与704相关联，可将微结构700构造为柱形通道。在柱形构造中，微结构边缘706可与微结构边缘708无缝连接。在柱形构造中，微结构710可形成在形成的柱体的内腔上成螺旋的连续脊。长度712可形成所形成的螺旋的一圈。圈之间的距离714可在方向716上减小。距离714可小于距离718，并且距离718可小于距离720。螺旋图案可形成第一分层级别。v形凹槽722可在脊710的顶表面处。内角724可在方向716上减小。角度724可大于角度726，并且角度726可大于角度728。初始内角724可为大约180度。最终内部凹槽角(未示出)构造成红血球与最终内部凹槽角的接触平衡角(最小能量状态)。凹槽724可包括第二分层级别。纳米突起730可覆盖凹槽724的表面。突起730可用于防止蛋白质沉积造成的结垢。突起730可形成第三分层级别。

应当认识到，凹槽724和卷绕间隔714都可在方向716上形成界面能量梯度。此外，凹槽间区域732相对于凹槽区域724可为疏水的。732和724的并置可形成温泽尔-凯西状态，其可防止细胞结块并阻塞微结构化区分器的分离通道700。在操作中，细胞可在方向716上沿螺旋路径单独且有序地引导。

上述微结构化区分器的y-区分器的第二分离通道分支可为具有疏水表面纹理的带负电的绝缘管。使用电荷时，血柱必须接地至充电源。没有电流在血柱中流动。

参看图8，公开了数字微结构化区分器800的分离通道的内部微结构。内部微结构800可包括绝缘基部聚合物802、嵌入基部层802中的电极804、电导管806、接地电极808和开关器件810。开关器件可通过外部控制器(未示出)配置为闭合电路或断开电路。基部层802可构造成二维正弦变化的表面838，并且可包括第一层次级别。柱体812可包括第二层次级别。较小的柱体814可包括第三层次级别。大柱体812可构造有鳍状物816，鳍状物沿径向突出并且与设置在基部层802上的脊818无缝地连结。示出了两个鳍状物与脊与鳍状物的构造。在一些实施例中，脊820可在单独的大柱体812上连结鳍状物822和鳍状物824。在一些实施例中，脊826可连结位于同一大柱体812上的鳍状物828。在这两种情况下，脊820和826可大致同心地布置在第一层次正弦曲线838上。

分离器表面800可通过在所有开关810都可处于断开状态的断电状态下首先将亲水性成分流体吸引到第三层次级别814来进行操作。在此第一界面状态下，位置830处的成分流体相对于位置832处的载体成分流体可为亲水的。这些相邻的亲水-疏水界面可形成温泽尔-凯西状态。应当认识到，在未通电状态下，表面814相对于柱体内的表面836可为亲水的。

在通电状态下，来自充电源839的电荷可输送到一个或多个电极804。在一些实施例中，所有电极可一次接通，或可按顺序接通，这可能导致位置830处的成分流体沿方向842移动。参照位置830处的成分流体，当开关840闭合(接通)时，基部层802可变得局部带电。由于该电荷，柱体内的表面836相对于814可变得更亲水。

这种现象称为电润湿。传递到电极804的电荷的符号可取决于要分离的复合流体的成分。电润湿可使位于位置830处的亲水性成分流体置换位于位置832处的载体成分流体，使得使亲水性成分现在可位于位置832处，并且载体成分流体现在可位于位置830处。电润湿的作用是使亲水性成分流体沿方向842前进。随后，开关840可断开(关断)，位置834可能比位置832更亲水，并且亲水性成分流体可前进到位置834。当表面814载有亲水性成分流体时，同时接通所有电极可能会导致温泽尔-凯西隔离的亲水性成分流体沿方向842前进。

在一些实施例中，可通过选择材料、微结构的间隔或对输送到每个电极804的电荷进行分级来获得能量梯度，以使得在方向842上最远的那些电极804可充电最多，并且在方向842上近侧的那些电极805可充电最少。这种情况可通过改变每个电极位置处的电容844来实现。可通过反转电荷梯度来反转流动。因此，在亲水成分830的离散体积可分离并且离散地递送的意义上，分离表面800的操作可为数字的。如果开关器件810和电容器件844均是可单独控制的，则可想象各种各样的运输顺序。例如，来自两端的流体可能积聚在分离通道的中心。应当认识到，上述数字方面可适合于引导和分离通道。

参看图9，公开了用于研究细胞-表面相互作用的景观微结构化流体区分装置900的进化室架构的图。景观微结构化流体区分装置900可包括输入引导通道902以及分离通道904和906。分离通道的目的可能是为引入的生物体提供在其上迁移的纹理选择。该选择可发生在分叉区域908中。分离通道904和906可各自分别通向不同的纹理化环境910和912。每个纹理化环境910和912可由平滑迁移路径914包围，该平滑迁移路径可充当对于细胞在选择在纹理化环境中传播还是继续到下一个纹理化环境之间进行选择的神经通路。引导通道916和918可通向分叉区域920，在该处可呈现附加的景观纹理922,924,926和928。选择可为对先前景观室中提出的设计的改进。例如，景观930和932可为910中呈现的主题的变体，而景观934和936可为912中呈现的主题的变体。景观可在各个方面重复，以涵盖所有组合可能性。可将多种生物体引入景观微结构化流体区分装置900中。

参看图10，公开了根据本发明的用于从全血中分离红血球的扇形区分器的第一实施例。扇形区分器1000可包括具有间距1004和幅度1006的辐射脊1002。间距1004可沿径向方向100上增大。脊1002可沿径向方向1008以间距1010起伏。间距1010可沿径向方向1008减小。脊1002可充满微结构1016，该微结构可包括设置在柱体1014上的柱体1012。可通过根据脊1002上的离散位置而改变高度的柱形支柱来代替连续结构，从而使连续起伏的脊1002离散化。柱体结构1016上的柱体可由离散化支柱的侧面上的鳍状物代替。

血细胞1018可进入端口1020，端口包括沿脊1002进入的路径1022。结构1016可生成结构化的水区1024，其可排除诸如红血球1018之类的颗粒，但是允许血清1026通过。变化的间距1010可产生表面能量梯度，其产生流1028。流1028可产生端口流1030。流1030可导致红血球1018沿路径1022离开。

应当认识到，可通过改变间距(如在1000中给出)、幅度和化学地改变表面来产生不同的表面能量结构。

公开了一种用于在流体流中分离包括颗粒和/或流体的疏水-亲水流体复合材料的微结构化区分装置(100)。区分是通过物理地改变纹理化的表面和/或通过改变表面化学性质而获得的表面能量梯度的结果，这两者在空间上都是分级的。这样的表面在没有外部能量输入的情况下区分并在空间上分离颗粒和/或流体。本发明的装置包括平台，该平台具有沿径向布置的分叉微通道。微通道的内腔表面可具有通过改变沿尺寸分层布置的微结构的周期性而产生的表面能量梯度。表面能量梯度在两个区域中变化。在一个分叉前区域中，表面能量梯度生成流体流。在另一个分叉后区域中，在分叉附近存在表面能量的差异，使得响应于分叉后通道中的每个的不同表面能量梯度，将不同的流份额分到不同的通道中。因此，通过使流体系统能量整体最小化，将不同疏水性的流体和/或不同疏水性的颗粒驱动到单独的通道中。

提供上述那些实施例以阐明本发明，以使本领域技术人员能够理解、制造和使用本发明。然而，不旨在限制本发明的范围，并且根据本发明的精神的任何等同修改和变型也将包括在本发明的范围内。

因此，尽管已经描述了本发明的新的和有用的微结构化区分装置的特定实施例，但是除了以下权利要求中所阐述的以外，这些参考文献不旨在解释为对本发明范围的限制。