用于流体操控的相位导引件式样的制作方法

用于流体操控的相位导引件式样的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于流体系统的相位导引件式样，所述流体系统例如为通道、腔室和穿过细胞的流动。为了有效地控制流体腔室和通道的填充和/或排空，提出了相位导引件的受控的溢流技术。此外，提供了较大流体结构中的边界受限的液体式样技术，包括用于形成溢流结构和具体形状的相位导引件的式样的方法。本发明还提出了有效地使液体/空气弯月面的前进转动特定角度的技术。特别而言，提出了用于对包含在舱室中的液体的流动进行导引的相位导引件式样，其中相位导引件被移动中的液相所引起的溢流受到了沿着相位导引件的毛细力的局部改变的控制，其中在毛细力的局部改变的位置上产生了液体引起的在相位导引件上的所述溢流。
【专利说明】[0001] 本发明是中国专利申请号为201080009923. 3,发明名称为"用于流体操控的相位 导引件式样"，国际申请日为2010年1月29日的进入中国的PCT专利申请的分案申请。 用于流体操控的相位导引件式样

【技术领域】
[0002] 本发明涉及一种用在诸如通道、腔室的流体系统当中的相位导引件的式样，以及 流过小室的相位导引件式样。这种相位导引件式样能够应用于广泛的应用领域当中。本发 明解决了对于流体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 相位导引件的问题。本发明公开了相位导引件的受控的溢流技术以及若干应用。此外，本 发明包括在较大流体结构中的限制边界的液体式样的技术，其包括用于形成溢流结构和具 体形状的相位导引件的式样的新方法。本发明还公开了将液体/空气弯月面的前进有效地 转动了特定角度的技术。

【背景技术】
[0003] 到目前为止，液体插入到流体腔室或通道当中，而不需要对液体/空气界面进行 工程控制。因此，系统的毛细压力和所施加的致动力以非特定性的方式进行利用。这导致 了对设计灵活度的严重限制。相位导引件被发展为对液体/空气弯月面的前进进行控制， 从而实质上任何形状的腔室或通道都可以被润湿。并且可以借助相位导引件的帮助来获得 选择性的润湿。
[0004] 相位导引件被定义为毛细压力屏障，其跨越前进中的相前（phase front)的整个 长度，从而前进中的相前在穿越相位导引件之前自身沿着相位导引件对齐。典型地，该相前 是液体/空气界面。然而，该效应也可以被用于导引其它的相前，例如油-液体界面。
[0005] 当前已经发展了两种类型的相位导引件：二维（2D)相位导引件和三维（3D)相位 导引件。
[0006] 2D相位导引件将其相位导引效应建立在可湿性的突然改变的基础上。这种类型的 相位导引件的厚度典型地可以被忽略。这种相位导引件的实例是条带材料（例如聚合物） 的式样，其在系统中具有低的可湿性，而对于前进中或者后退中的液体/空气相位而言具 有高的可湿性（亦即，玻璃）。
[0007] 另一方面，3D相位导引件将其相位导引效应建立在可湿性的突然改变或者几何形 状的突然改变的基础上。几何效应可以是由于高度差导致的毛细压力的突然改变而引起 的，或者是由于相前的前进方向的突然改变而引起。相前的前进方向的突然改变的实例是 所谓的弯月面钉止效应（meniscus pinning effect),将会参考图1来解释该效应。这种钉 止效应发生在结构100的边缘。前进中的液体102的弯月面需要将它的前进方向转动特定 角度（例如图1中的90° )，这在能量方面是不利的。因此，该弯月面保持被"钉止"在结 构的边界处。
[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，公开了通过不同可湿性的多条线来实施相位导引件。诸如 SU-8, Ordyl SY300、特氟龙和钼的材料用在玻璃的大块材料顶部。它还可以将相位导引件 作为相同材料中的几何屏障来进行实施，或者作为材料中的凹槽来进行实施。

【专利附图】

【附图说明】
[0009] 以下，参考附图来更加详细地描述本发明。附图中类似或者对应的细节利用相同 的附图标记来进行了标记。附图中显示了：
[0010] 图1为钉止在相位导引件的边缘上的弯月面的实例；
[0011] 图2为在壁和相位导引件之间的界面上的液体/空气界面的相位导引件的穿越；
[0012] 图3为各种相位导引件的形状，其使得相位导引件更加稳定（b、d)或比较不稳定 (a、c);
[0013] 图4为相位导引件的俯视图，以显示对于相位导引件的前进中的液体前部的穿 越，其中与壁形成了一个大的界面角度和一个小的界面角度；
[0014] 图5为沿着相位导引件在选定点上引起溢流的三种策略：(a)通过引入急转弯曲， (b)通过提供具有锐角的分支相位导引件，（c)通过提供具有锐角的溢流结构；
[0015] 图6为没有相位导引件的死角填充（a)、（b)和具有相位导引件的死角填充（c)、 ⑷、（e);
[0016] 图7为利用液体来对相位导引件进行边界限制，以用于腔室的局部润湿，其中图 7(a)显示了利用单一相位导引件的边界受限制的液体空间，图7(b)显示了利用两个相位 导引件的容积限制；
[0017] 图8为利用支撑相位导引件的图7(b)的结构，以逐步将液体操控成其最终受限制 形状；
[0018] 图9为用于填充正方形腔室的相位导引件式样的实例，其具有入口通道和泄除 (venting)通道；
[0019] 图10为用于矩形通道的相位导引件式样的实例，其具有相对于入口侧向设置的 泄除通道；
[0020] 图11为用于矩形通道的相位导引件式样的实例，其在相对于入口通道的同一侧 上具有泄除通道；
[0021] 图12为腔室的轮廓填充，其中图12(a)显示了利用轮廓填充法来对矩形腔室进行 填充的实例，图12(b)显示了利用轮廓填充的待被填充的复杂腔室的几何形状的实例；图 12(c)显示了在利用死角填充法的时候，图12(b)的复杂几何形状的填充；
[0022] 图13为图7(b)的结构，其中通过包含有溢流舱室而防止了限制边界的相位导引 件的溢流；
[0023] 图14为利用限制边界的相位导引件进行多种液体填充的实例，在图14(a)中，第 一液体在没有问题的情况下进行填充；图14(b)和14(c)显示了当第二液体与第一液体相 接触的时候填充轮廓的扭曲；
[0024] 图15为利用限制边界的相位导引件和轮廓相位导引件进行多种液体选择性填充 的实例；在图15(a)中，第一液体在没有问题的情况下进行填充；图15(b)显示了微小的轮 廓扭曲的发生；
[0025] 图16为将被两个限制边界的相位导引件分隔的两个液体连接起来的布置；
[0026] 图17为将被两个限制边界的相位导引件分隔的两个液体连接起来的另一个布 置；
[0027] 图18为边界受限制液体的排空原理，其中两个限制边界的相位导引件对后退中 的液体弯月面进行导引；
[0028] 图19为受限的选择性排空的另一个布置，其中两个限制边界的相位导引件对后 退中的液体弯月面进行导引；
[0029] 图20为基于受限液体的填充和排空的阀设置概念；
[0030] 图21为受控的气泡捕集概念；
[0031] 图22为气泡捕集结构的实例；
[0032] 图23为气泡二极管的概念。

【具体实施方式】
[0033] 下面，将参考附图详细解释用于设计相位导引件式样的本发明的原理和根据本发 明所使用的理论性基本原则。
[0034] 相位导引件的稳定性 [0035] 相位导引件-壁角度
[0036] 所谓的相位导引件的稳定性表示液体/空气界面穿过相位导引件所需的压力。对 于较大亲水系统的前进中的液体/空气界面而言，在水平平面中的相位导引件与通道壁的 界面角度对于其稳定性发挥了关键作用。
[0037] 图2显示了对于3D相位导引件的界面角度。如果角度α很小，则坚直方向上的 相位导引件100和通道壁104之间的毛细力则变得较大，从而液相102对于较小角度而言 更加容易前进。如果相位导引件的构成材料与通道壁的构成材料相同，则所谓的临界角通 过以下方程来限定：
[0038] a crit = 180。-2 Θ (方程 1)
[0039] 其中Θ是前进中的液体与相位导引件材料的接触角。
[0040] 如果腔室壁和相位导引件的构成材料不同，则临界角根据两种材料的接触角度而 进行限定：
[0041] αcrit = 180° - θ「Θ 2 (方程 2)
[0042] 对于大于该临界角的相位导引件-壁界面角度，产生了稳定的相位导引件界面。 这意味着除非施加了外部压力，否则液体/空气弯月面倾向于不穿越相位导引件。如果角 度小于该临界角，则液体/空气弯月面还前进，而不需要施加外部压力。
[0043] 如果图2中的液相是后退中的相，则适用相同的规则：α越小，则发生溢流的几率 越高。对于大的α，在相位导引件-壁界面将不可能发生溢流。
[0044] 对于2D的相位导引件，适用于类似的设计规则。
[0045] 相位导引件形状
[0046] 类似的设计原则适用于相位导引件的形状。如果相位导引件（2D或3D)与它相反 于前进中的液体弯月面的点形成了锐角（参见图3(a)的相位导引件的俯视图），则很可能 直接在该点处产生溢流。再次到达了临界角
[0047] a crit = 180° -2 Θ (方程 3)
[0048] 其中Θ是前进中的液体与相位导引件材料的接触角。
[0049] 如果角度的尖点与前进中的液体弯月面方向相同（参见图3(b))，则能够构建高 稳定性的相位导引件。并不期待在该点处发生溢流。此处的临界参数是相位导引件的角度 α :α越大，则相位导引件的弯曲更加稳定。
[0050] 在实践中，几乎不使用图3(a)和3(b)中勾画的锐角。弯曲的相位导引件更加普 遍。在这种情况下，曲率半径r变为临界参数。如果所述弯曲与液体的前进方向相反，则 较大的半径r使得相位导引件更加稳定。如果弯曲点与前进中的相位方向相同，那么小的 半径导致在弯曲点本身处的稳定性增强，然而，较大的半径则表示在较长距离上的弯曲。因 而，使得相位导引件整体更加稳定。在实践中，在相位导引件整个长度上的轻微弯曲使得相 位导引件更加稳定。
[0051] 如果图3中的液体正在后退，则使用相同的规则：在图3(a)和图3(c)中，溢流最 有可能在相位导引件的弯曲部分处发生，而在图3(b)和3(d)中最不可能在弯曲部分处发 生。
[0052] 通过相位导引件与腔室壁形成的角度来控制相位导引件的溢流
[0053] 如图4所示，假设相位导引件的两侧都与腔室或者通道壁毗连，相位导引件穿越 前进中的液体前部，相位导引件1〇〇具有与第一壁和第二壁104、106形成的一个大的界面 角度 αι和一个小的界面角度α2。该相位导引件在最小的角度下进行穿越。如果与通道 壁的界面角度在两侧上均相同，则无法预测在较大的亲水系统中将对前进中的液相发生溢 流。相反，如果两个界面角度的其中一个小于另一个，则可以预测在相位导引件-壁界面角 度最小的那侧发生溢流。
[0054] 通过相位导引件的形状来控制相位导引件的溢流
[0055] 如果沿着相位导引件在特定点上实现了受控的溢流，则根据本发明，在具有角度 α3的那点上引入了弯曲，该角度α3比任意一个相位导引件-壁角度都要小。图5在俯视 图中显示了沿着相位导引件在选定点上引起溢流的三种策略：(a)通过引入急转弯曲，（b) 具有锐角的分支相位导引件108,（c)具有锐角的溢流结构。在所有情况中，角度α 3应当 比相位导引件-壁角度\和α2要小。
[0056] 对于3D相位导引件而言，在相位导引主要基于钉止效应的情况下，还可以通过对 相位导引件进行分支来引入不稳定性（参见图5 (b))。再次地，分支的相位导引件与主相位 导引件之间的小角度〇3导致稳定性降低。图5(c)显示了可替代的结构，其中通过增加了 额外的结构110而引入了较小的角度。
[0057] 死角填充和排空
[0058] 相位导引件是对死角填充的必备工具，在没有相位导引件的帮助下，死角保持为 未润湿状态。液体腔室的几何形状被限定为使得：在没有相位导引件的情况下，空气被捕集 在死角中。从死角的极端角落处产生的相位导引件解决了这个问题，这是因为前进中的相 位在穿过相位导引件之前自身沿着相位导引件的整个长度对齐。
[0059] 图6显示了不具有相位导引件（(a)、（b))和具有相位导引件（(c)、（d)、（e))的 死角填充的效果。在不具有相位导引件的情况下，在液体前进期间，空气被捕集在腔室112 的角落中。在具有相位导引件114的情况下，在相前前进之前，死角首先被液体102填充。
[0060] 对于死角的排空适用类似的规则：起源于死角的相位导引件能够使得大部分液体 从那个角完全恢复。
[0061] 限制边界的相位导引件
[0062] 在本发明的含义当中，所谓的限制边界的相位导引件116在较大的通道或腔室中 限制了液体容积102。它根据有效的液体容积而确定了液体/空气边界的形状。图7显示 了利用单一的相位导引件（图7(a))或者利用多个相位导引件（图7(b))来对容积进行限 制的两个实例。相位导引件的形状不必是直的，而可以具有任何形状。
[0063] 必备的支撑相位导引件
[0064] 支撑死角填充并对相位导引件进行边界限制的相位导引件是必备的相位导引件 的典型实例。这意味着没有这些相位导引件，设备的微流体功能就会受到阻碍。除了这些 必备的相位导引件以外，人们还可以使用支撑相位导引件。这些相位导引件在所需方向上 逐步地操控着前进中的液体/空气弯月面。这些支撑相位导引件使得系统更加可靠，因为 液体/空气弯月面通过较高的连续性来进行控制，正如在仅仅具有必备相位导引件的情况 那样。因为仅仅采取了很少的操控步骤，这防止了在相位导引件的界面上产生过大的压力 聚积。当液体在能量不利的形状下被操控的时候可能发生过大的压力聚积。图8给出了使 用支撑相位导引件的实例。此处，图7(b)的结构被额外设置有支撑相位导引件118,从而将 液体102逐步操控到其最终受限的形状。
[0065] 并且，可以通过添加支撑相位导引件来改进图6的结构，这些支撑相位导引件会 在死角中逐步操控液体。
[0066] 在大多数情况下，必备的支撑相位导引件的功能性对于后退中的液相也得以保 持。
[0067] 利用死角法的腔室填充
[0068] 在死角相位导引件的帮助下，独立于入口和泄除通道的定位，具有任何形状的任 何腔室（也称为舱室）可以被填充。泄除通道对后退中的相位进行泄除，从而防止了填充期 间的腔室中的压力聚积。图9给出了矩形腔室120的填充实例。首先，限定了死角。其次， 从死角中抽取相位导引件，使其及时的在特定点上跨越构想的前进中的液体/空气弯月面 的整个长度。因此，很重要的是，相位导引件并不互相穿越。使用特殊的相位导引件（其可 以称为延迟相位导引件）来防止在腔室被完全填充之前液相进入到泄除通道。这是很重要 的，因为过早进入泄除通道将导致压力聚积引起的不完全填充。增加了支撑的相位导引件 将显著改进填充行为。
[0069] 在图9中，正方形腔室120具有入口通道122和泄除通道124。如图9(a)所示，首 先，在应当产生相位导引件的位置处限定死角126。然后，对死角相位导引件128和阻滞了 泄除通道的延迟相位导引件130应用相位导引件式样。图9 (c)、（d)、（e)、（f)和（g)显示 了液体102的预期的填充行为。图9(h)显示了更加精细的具有支撑相位导引件132的相 位导引件式样。
[0070] 相位导引件还能够使得弯月面在任何方向上转动。因此可以将入口和泄除通道 124定位在腔室中的任何位置。图10和图11分别显示了泄除通道124定位在相对于入口 通道122的侧面或相同侧的两个实例。
[0071] 特别而言，图10显示了用于矩形腔室120的相位导引件式样的实例，其中泄除通 道124相对于入口通道122而位于侧面。首先；限定了死角126。附图标记130表示延迟 相位导引件并且附图标记134表示液体弯月面的构想的转动。图10(b)显示了可能的相位 导引件式样的实例，图10(c)显示了导致相同结果的不同式样。
[0072] 图10 (b)和10 (c)显示了一个以上的相位导引件式样导致了所需的结果。图11 (c) 显示了相位导引件式样以及相位导引件与壁之间的角度的合适选择，该合适选择使得忽略 了延迟相位导引件130。在这种情形中，减小的相位导引件-壁角度α弓丨起了相对于泄除 通道的远侧上的溢流。特别而言，图11显示了用于矩形通道的相位导引件式样的实例，其 中泄除通道124位于相对于入口通道122的同侧。如图11(a)所示，首先限定了死角126。 附图标记134表示液体弯月面的构想的转动。图11(b)显示了可能的相位导引件式样的 实例。能够通过减小前述的相位导引件的相位导引件-壁角度α来省略延迟相位导引件 130,从而确保了相位导引件的那一侧上的溢流。
[0073] 很明显，在两个实例当中，支撑相位导引件稳定了填充性能。
[0074] 并且，图11的概念能够被轻易地朝着长的无出口的通道的填充概念延伸。
[0075] 图9、图10和图11中的正方形腔室的排空大体上遵循相同的策略。如果腔室入 口 122还用于对腔室进行排空，则需要在腔室的入口处额外地增加延迟相位导引件。这对 于恢复完全的液体是有必要的。如果泄除通道124用来排空腔室的话，则不需要额外的相 位导引件，因为泄除通道已经被延迟相位导引件130横跨。
[0076] 死角填充和排放的概念可以延伸到任何形状的腔室（例如参见图11 (c))。它还可 以应用于具有圆角的腔室。
[0077] 轮廓填充法
[0078] 相对于上述的死角法的可替代技术是借助轮廓相位导引件的帮助来对舱室进行 填充。在这种情形下，如图12(a)和12(b)所示，相位导引件形成的式样使得腔室沿着其完 整轮廓而填充了薄的液体层。尽管下一个相位导引件朝着最终所需的形状来逐步操控液 体，但该下一个相位导引件大体上保持了相同的轮廓。特别而言，图12(a)显示了利用轮廓 填充法来填充矩形腔室的实例。附图标记122表示入口，124表示出口，附图标记136表示 轮廓相位导引件。图12(b)描绘了将利用轮廓填充来填充的复杂腔室的几何形状的实例。 如图12(c)所示，可以通过提供死角相位导引件128、辅助相位导引件132以及延迟相位导 引件130,从而利用死角填充法来填充相同复杂的几何形状。
[0079] 还可以利用轮廓填充法对腔室进行排空。在这种情况下，建议从泄除通道开始来 对腔室进行排空。
[0080] 轮廓填充和排空的概念可以延伸到如图12(b)所示的任何形状的腔室。
[0081] 溢流结构
[0082] 图7中的所示的边界受限的液体填充概念的问题是：太大液体容积的注入引起了 限制边界的相位导引件的溢流。为了防止溢流，可以将溢流舱室添加至所述结构（参见图 13)。然而，应当防止的是在受限制的腔室区域被填充之前液相到达了溢流腔室。这是通过 在溢流腔室的入口处增加了额外的溢流相位导引件来实现的。为了确保溢流相位导引件在 任何一个限制边界的相位导引件之前被穿越，必须降低它的稳定性，例如，通过将它的相位 导引件-壁角度选择为小于限制边界的相位导引件的任何一个相位导引件-壁角度。
[0083] 如图13所示，在根据图7(b)的结构当中，限制边界的相位导引件的溢流通过包含 了溢流舱室140而得以防止，该溢流舱室140包括泄除结构142。该舱室被溢流相位导引件 144封闭，该溢流相位导引件144确保了在溢流舱室140发生溢流之前受限区域的完全填 充。为了确保溢流相位导引件的溢流，它的稳定性必须低于限制边界的相位导引件116的 稳定性。这是通过将它其中一个相位导引件-壁角度α 2选择为小于限制边界的相位导引 件的任何一个相位导引件-壁角度h来实现的。
[0084] 多液体填充
[0085] 例如图7、图8和图13中的限制边界的相位导引件结构能够使得液体具有层片状 式样。这意味着液体能够一个接着一个被顺序地插入。然而，如果仅仅使用限制边界的相位 导引件则产生了问题。图14示出了该问题。图14显示了利用限制边界的相位导引件116 进行多液体填充的实例。如图14(a)所描绘的那样，第一液体102的填充没有发生任何问 题。当第二液体103与第一液体102相接触的时候，填充轮廓呈现出扭曲146,其能够从图 14(b)和（c)中看到。
[0086] 如果第二液体103及时地在特定点上被插入为接近第一液体102,则它们将会进 行接触。从那一刻开始，液体前部仍然受到相位导引件式样的控制，但是两个液体（它们实 际上变成了一个液体）的分布并未受到相位导引件式样的控制。因此还是第一液体会进行 位移。为了使该位移最小化，重要的是两个液体尽可能地长地保持互相分隔。这可以通过 插入轮廓相位导引件136来实现，该轮廓相位导引件136使得两个液体进行接触之后待被 填充的面积减小到最小。该轮廓相位导引件的式样应当形成为使得溢流首先在第二液体的 侧面发生，从而防止空气-气泡的捕集。
[0087] 图15显示了利用限制边界的相位导引件116和轮廓相位导引件136来进行多个 液体选择性填充的实例。从图15(a)中能够看到，第一液体102的填充没有问题。第二液 体103通过轮廓相位导引件136而与第一液体保持尽可能长的距离。从而发生了最小的轮 廓扭曲146,其如图15(b)所示。该轮廓相位导引件的式样形成为使得在两个液体交汇的侧 面上发生溢流，例如，通过减少相位导引件-壁角度α。
[0088] 连接两个液体
[0089] 利用图14的原理可以将之前分别注入的两个液体连接在一起。在这种情况下，需 要增加额外的泄除结构来防止压力聚积。图16和图17显示了液体连接的两个概念。在图 16中，在两个液体之间的空间当中引入了第三液体105。一旦与另一个液体相接触，则限制 边界的相位导引件屏障不再发挥其功能，空气狭槽可以通过三个液体的其中一个上的微小 压力来进行填充。图17显示了另一种方法，其中限制边界的相位导引件通过两个分隔的液 体的其中一个液体上的超压力而穿越。为了确保空气-狭槽的完全填充，必须在相对于阀 结构而言的狭槽远端上发生溢流。这可以通过降低那一侧上的相位导引件的稳定性来实 现，例如，通过减小相位导引件-壁界面角度。
[0090] 特别而言，图16显示了用于连接两个液体102和103的布置，所述两个液体通过 两个限制边界的相位导引件116而分隔开。如图16(a)所示，可以通过入口 122来引入第 三液体105来使得两个液体连接。在第一次接触之后，限制边界的相位导引件屏障被打破， 并且能够通过来自入口 122的液体流来获得完全填充（参见图16(b))，或者通过来自两侧 中的至少一侧的液体流来获得完全填充（参见图16(c))。
[0091] 图17显示了用于连接两个液体102和103的另一个布置，所述两个液体通过两个 限制边界的相位导引件116而分隔开。相位导引件被构造成使得在相对于泄除结构124而 言空气-狭槽的尽头端上发生溢流。这可以例如通过减小两个相位导引件116中的至少一 个相位导引件的相位导引件-壁角度α来完成。正如从图17(b)可以看到的，超压力引起 相位导引件的溢流，并且如图17(c)所示，引起对空气-狭槽的填充。
[0092] 选择性排空
[0093] 图14、图15、图16和图17中所示的概念也可以反过来：它们可以用于对液体舱室 进行选择性的排空。在这种情况中，应当增加更多的限制边界的相位导引件，以防止弯月面 发生不希望的前进。
[0094] 在图18中，对于后退中的液相简略勾绘了这种方法，以将液体容积分成两部分。
[0095] 特别而言，图18显示了受限制的液体的排空原理，其中两个限制边界的相位导引 件116对前进中的空气相位进行导引，从而分隔两个液体容积。两个额外的相位导引件150 防止了空气弯月面从横向侧面前进。很显然，该方法对于图7(a)中的等价排空也可以起作 用，在图7(a)中，仅仅一半保持为填充有液体。与图14类似，图18中的排空不是选择性的。 [0096] 为了使得恢复是选择性的（亦即，特定的液体填充需要被恢复），需要对额外的相 位导引件进行式样设计，这与图15相类似。图19显示了液体容积152通过引入额外的轮 廓相位导引件而从更大的液体容积中被选择性地恢复。如果在液体内部已经进行了分离并 且各种被分离的产品需要被恢复，那么这种应用可以变得很重要。这种分离的实例是电泳 分离、等速电泳分离、双向电泳分离、等电子聚焦分离、声学分离等。
[0097] 特别而言，图19显示了受限制的选择性排空的原理，其中两个限制边界的相位导 引件116对后退中的液体弯月面进行导引。额外的两个相位导引件150防止了空气弯月面 从横向侧面前进。额外的轮廓相位导引件5将非选择性恢复的容积减小到最小。图19(b) 显示了非选择性排空期间的液体弯月面。图19(c)显示了唯一液体152的选择性排空。 [0098] 阀设置的概念
[0099] 图18的概念可以用作阀设置原理。液体填充通道导致仅在起动的时候才产生液 力的液体阻力。如果引入了气隙，则需要克服液体/空气弯月面的压力来置换液体。这种 原理可以作为阀设置概念而使用，其中根据指令来引入或去除空气，导致液体流动或者流 动停止。
[0100] 在第二实施方案当中，引入空气来产生阀，该空气被液体在两侧封装。通过这种方 式，当阻塞腔室的空气增多的时候克服了压力屏障。该原理可以被用作开关甚或被用作晶 体管。可以通过只是部分地用空气来填充腔室从而实现晶体管，以使得液力阻力增大。
[0101] 很显然，所述原理对于油相位而言比气体相位适用性更好。从图20可以看出，阀 设置的概念建立在受限制的液体填充和排空的基础上。图20(b)描绘了：由于液体/空气 弯月面上存在压降，液体的排空导致了液体流动的停止。如图20(a)所示，一旦中间舱室被 重新用液体填充的话，则流动是连续的。如果阻滞气体相位在两侧上都被液体阻滞的话，则 阻滞压力更进一步增大，其如图20(c)所示。
[0102] 受控的气泡捕集
[0103] 相位导引件可以用于在通道或腔室的填充期间对空气气泡156进行捕集。这是通 过对在需要引入空气气泡的区域周围的液体/空气界面进行导引来完成的。图21显示了 这种结构的实例。取决于相位导引件158的形状，空气气泡156可以固定到位或者具有一 定的自由度。在图21当中，气泡并未在流动的方向上造成阻碍，因此在形成气泡之后能够 通过所述流动而被运输。
[0104] 根据图21(a、b)所示的受控的气泡捕集概念，前进中的液体相位受到控制，从而 后退中的相位被前进中的相位包围（参见图21(c))。如图21(d)所示，如果产生的气泡是 可移动的，则其能够利用该流动进行运输。
[0105] 在图22中显示了其它类型的固定的和可移动的气泡捕集结构158。所述概念不仅 适用于相位导引件，还适用于腔室内部形成式样的疏水性或略微亲水性的补片（patches)。
[0106] 特别而言，图22 (a、c)显示了产生可移动气泡的气泡捕集结构158的多个实例，而 图22(b、d)显示了产生静态气泡的多个结构。图22(c、e)显示了导致静态气泡产生的疏水 性或略微亲水性的补片。
[0107] 气泡二极管
[0108] 产生可移动气泡的概念可以用于产生流体二极管160。在这种情况下，在流体二极 管腔室中产生了气泡，该气泡可以在一个方向上移动，直到它阻滞住了通道的入口。对于反 向流动而言，气泡被气泡捕集相位导引件158捕集。此处，由于气泡156并未阻滞通道的整 个宽度，因此流体流动能够连续。所述概念还适用于疏水性或略微亲水性的补片，以及其它 相位，例如油而不是空气或水。
[0109] 图23描绘了气泡二极管的一般概念。如图23(a)所示，在加宽的流体通道中形成 可移动气泡的捕集结构158。图23(b)显示了在填充的时候形成了气泡156,该气泡156阻 滞了通道（图23(c))从而在向前方向上产生流动。在相反流动当中，气泡被捕集结构再次 捕集，从而并不对流动进行阻碍。图23(e)显示了可替代实施方案，其中疏水性（或略微亲 水性）的补片用于气泡捕集。这些补片的优点在于它们增大了气泡的可移动性，这是因为 液体的表面张力减小。
[0110] 应用
[0111] 上述的相位导引件结构存在大量应用。在液体被引入到腔室、通道、毛细管或者管 子中的情况下，可以使用根据本发明的相位导引件来控制填充行为。
[0112] 特别重要的是对矩形腔室的填充，这是因为其允许将流体的功能性应用于较小的 空间。例如，当在CMOS芯片或其它微制造芯片的顶端放置微流体结构的时候（其中表面面 积是重要的成本因素），这会很实用。
[0113] 并且，诸如喷墨打印头的腔室的填充和排空通过所述引入而得到了巨大的便利 性，这是因为可以自由选择腔室的形状，而不妨碍填充和排空行为。
[0114] 相位导引件还使得至今不可能的填充技术成为可能。实践中的实例是利用聚丙烯 酰胺凝胶来填充色带盒或卡式磁带。在传统上，这需要坚直握持色带盒，利用重力来作为填 充力，同时需要极其小心地用滴管吸取来完成。相位导引件则使得这种填充没那么关键。此 夕卜，可以通过例如用于填充的滴管或泵的压力来水平地完成填充。这种卡式磁带类型的填 充对于琼脂糖凝胶也可以是有益的，这是因为这将导致可复制的凝胶厚度，从而在凝胶中 产生受控的电流密度或者电压降。可以省略用于样本井（sample wells)的蜂巢结构，这是 因为可以利用相位导引件来产生样本井，该相位导引件在填充期间使得样本井自由离开凝 胶。
[0115] 以上已经提到了在例如电泳分离、等速电泳分离、双向电泳分离、超声波分离、等 电子分离之后对于样本恢复的选择性填充的重要性。选择性恢复的重要应用也是苯酚或者 tryzol提取。典型地在生物实验室当中使用这种通用操作来从蛋白质和细胞碎片中分离 出核酸。核酸保持为水相，而蛋白质和碎片在水相和有机相之间的边界上堆积。典型地来 说，需要小心地以滴管吸取来仅仅恢复水相。合适的相位导引件结构能够进行两个相位的 计量，并且能够利用上述的选择性排空结构而使得仅仅对水相进行选择性恢复。
[0116] 在文献W02008/049638当中，已经讨论了受限的凝胶在微结构当中进行填充的重 要性。这基本上是重要的，因为凝胶能够被用作分离基质，而且能作为盐桥或者作为几乎无 限的液力阻力，而不影响离子传导性（ionic conductivity)。离子传导性可以用于通道和 腔室的选择性填充和排空。
[0117] 已经对于大型亲水腔室/通道网络中的液体-气体界面描述了上述原理。所述原 理还适用于液体-液体界面，其中第二液体的可湿性显著小于第一液体的可湿性。该第二 液体则表现为类似于上述实例和应用当中描述的气体相位。
[0118] 所述原理还适用于大型疏水系统。然而，对于以上给出的所有实例和应用而言，两 种相位（液体和气体）的功能性被颠倒。
【权利要求】
1. 一种相位导引件式样，利用液体用于对舱室局部润湿， 其中提供有至少一个限制边界的相位导引件，以用于在所述舱室中形成至少一个液体 容积的边界，从而所述液体容积的至少部分边界并未受到所述舱室的壁的边界限制， 其中所述相位引导件为毛细压力屏障，其跨越前进中的相前的整个长度，从而前进中 的相前在穿越相位导引件之前自身沿着相位导引件对齐。
2. 根据权利要求1所述的相位导引件式样，包括至少两个相位导引件，所述至少两个 相位导引件在填充过程期间在特定点上及时地限制了前进中的或后退中的液体。
3. 根据权利要求1或2所述的相位导引式样，其中所述相位导引件包括充当了毛细 压力边界的凹槽、隆起或具有不同可湿性的材料线，所述毛细压力边界跨越移动中的液 体-气体、液体-油或者气体-油弯月面的整个长度，从而所述弯月面在跳过相位导引件之 前沿着所述相位导引件至少部分对齐。
4. 根据权利要求1至3任一项所述的相位导引件式样，其中提供有溢流舱室，以用于接 收过多的液体，从而防止了所述限制边界的相位导引件的溢流。
5. 根据权利要求1至3任一项所述的相位导引件式样，其中还包括泄除通道。
6. 根据权利要求1至3任一项所述的相位导引件式样，其中还包括一个或多个支撑相 位导引件。
7. 根据权利要求1所述的相位导引件式样，用于对包含在舱室中的液体的流动进行导 引， 其中所述相位导引件式样的至少一个相位导引件被成形为使得所述相位导引件沿着 所述相位导引件具有毛细力的工程局部改变，以用于对通过液相使所述相位导引件发生溢 流的位置进行控制液相， 其中沿着相位导引件的通过所述液体在相位导引件上引起所述溢流的所述位置位于 毛细力发生局部改变的位置上，并且所述位置表示所述相位导引件的最薄弱点，从而限定 了相位导引件的稳定性。
8. 根据权利要求7所述的相位导引式样，其中包括至少两个相位导引件，所述至少两 个相位导引件在填充过程期间在特定点上及时地限制了前进中的或后退中的液体。
9. 根据权利要求1所述的相位导引件式样，其中提供有溢流舱室，以用于接收过多的 液体，从而防止了所述限制边界的相位导引件的溢流。
10. 根据权利要求9所述的相位导引件式样，其中所述溢流舱室被稳定性低于所述限 制边界的相位导引件中的任何一个的相位导引件封闭。
11. 根据权利要求2所述的相位导引件式样，其中提供了多个限制边界的相位导引件， 以用于顺序地插入或抽出互相接近的多个液体容积。
12. 根据权利要求11所述的相位导引件式样，还包括至少一个轮廓相位导引件，以用 于在填充或排空期间对液体轮廓进行保持。
13. 根据权利要求2所述的相位导引件式样，其中两个或更多液体被至少两个限制边 界的相位导引件分隔开，所述至少两个限制边界的相位导引件能够通过所述限制边界的相 位导引件中的至少一个的溢流而进行连接，或者所述至少两个限制边界的相位导引件能够 通过将额外的液体插入到所述轮廓相位导引件之间的排空空间内而进行连接。
14. 根据权利要求2所述的相位导引件式样，其中液体被至少两个限制边界的相位导 引件进行边界限制，并且其中，进行第一溢流的相位导引件比另一个相位导引件具有更低 的稳定性。
15. 根据权利要求14所述的相位导引件式样，其中为了降低所述稳定性，将要发生溢 流的相位导引件的至少一个相位导引件-壁界面角度被选择为小于其它的限制边界的相 位导引件的任何一个相位导引件-壁界面角度，或者 其中为了降低所述稳定性，引入了将要发生溢流的相位导引件的弯曲，其中弯曲角度 小于多个所述限制边界的相位导引件的任何一个相位导引件-壁界面角度，或者 其中为了降低所述稳定性，设置分支结构，从而所产生的角度小于多个所述限制边界 的相位导引件的任何一个相位导引件-壁界面角度。
16. 根据权利要求2所述的相位导引件式样，其中至少一个相位导引件起源于至少一 个死角，该死角由空间形成，所述空间在没有提供所述相位导引件的情况下在填充期间不 会被润湿，或者在排空期间不会被排空。
17. 根据权利要求16所述的相位导引件式样，其中泄除通道被延迟相位导引件封闭， 该延迟相位导引件阻碍了半月面穿入到泄除结构当中，直到在前进中的液体的情况下，所 构想的微流体空间已经被完全填充，或者在后退中的液体的情况下，所构想的微流体空间 已经被完全排空。
18. 根据权利要求2所述的相位导引件式样，其中设有至少一个轮廓相位导引件，该轮 廓相位导引件沿循所述舱室的轮廓，并与待被填充或者待被排空的舱室的边界相距特定距 离。
19. 一种对包括了根据权利要求18的相位导引件式样的舱室进行填充和/或排空的方 法，其中首先对整个空间的轮廓进行填充，接着通过额外的轮廓相位导引件来逐步操控成 所需的形状，或者其中首先对整个空间的轮廓进行排空，接着通过额外的轮廓相位导引件 来对所述空间逐步排空。
20. -种流体舱室，包括一个或多个根据权利要求1所述的相位引导件。
【文档编号】B01L3/00GK104117395SQ201410243168
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2010年1月29日 优先权日:2009年1月30日
【发明者】P·菲尔托, G·乌尔班, S·珀徳斯聪 申请人:莱顿大学