用于液滴的共封装的微流控模块

1.根据第一方面，本发明涉及一种用于液滴的共封装的微流控模块。


背景技术：

2.微流控是在专用设备(通常称为微流控芯片)中以微米尺度操纵流体。它特别好地适合于与生物学和化学相关的领域的研究与开发。由于两种液体(例如油和水)的不混溶性，使得可以在微流控芯片中产生小至几皮升体积的液滴。在不混溶的连续油相中可以产生水性液滴(油包水液滴)。相反，在水相中可以形成油液滴(水包油液滴)。涉及在微流控中产生液滴和使用液滴的领域称为液滴微流控，也称为两相、离散的或基于液滴的微流控。在使得两个不混溶相相遇的微通道的接合处产生单分散液滴(即具有相同的体积、间距和频率)。每秒产生高达数千个液滴。液滴在微通道中传送，在微通道中可以操纵、孵育和观察液滴。每个液滴充当具有其自己的微环境的微反应室或充当置换载体。
3.基于液滴的微流控现在已经成为用于高通量单细胞实验和分析的标准平台。单细胞的关键要求是在每个液滴中分离出一个且仅一个细胞。现有的液滴微流控系统使得细胞能够封装在液滴中。然而，将细胞装载在液滴内部是随机的泊松过程，该过程至少生成(1
‑
e
‑1)＝63％的不需要的液滴，即空液滴或包含一个以上细胞的液滴。而且，当需要将来自不同物体群的至少两种颗粒共封装在同一液滴中时，恰好包含每种类型的一个物体的液滴比例仅等于e
‑2＝14％。
4.例如对于单细胞测序需要共封装，其中一个细胞必须与用作识别物的一个微粒共封装。如果没有正确地进行共封装，则会浪费细胞和/或微粒识别物，并因此会浪费效率、稀少细胞等。如果细胞太稀少且由于缺乏足够的dna而无法对细胞进行测序，则这可能会使所有操纵失效。
5.chung等人于2017年在lab chip上发表的“deterministic droplet
‑
based co
‑
encapsulation and pairing of microparticles via active sorting and downstreammerging(通过主动分类和下游合并的、基于确定性液滴的共封装和微粒配对)”(2017,17,3664
‑
3671)描述了基于两个封装细胞群的选择标准(荧光或光散射)进行分类和合并。经分类的液滴储存在芯片中，其中由于芯片通道顶部的微腔对浮力的捕获，使得每个液滴被固定。两个液滴群必须具有不同的大小，使得每个群中的恰好一个液滴将停靠在由相邻的大空腔和小空腔组成的锚点处(每个液滴大小有一个锚点)。然后，通过添加化学剂使乳液不稳定，且锚定的液滴融合。这种共封装合并单元的缺点在于，液滴的大小必须与微腔阱的大小相关。
6.chen和ren于2017年在rsc adv.上发表的“a microfluidic chip integrated with droplet generation,pairing,trapping,merging,mixing and releasing(集成有液滴的生成、配对、捕获、合并、混合和释放的微流控芯片)”(2017,7,16738)描述了一种微流控装置，该微流控装置能够生成液滴，使两股液滴流成对、捕获、合并，将两股液滴流与试剂混合并予以释放。他们的设计基于双捕获室，双捕获室能够捕获来自产生的每个液滴群
的一个液滴，以及将液滴合并将液滴的内容物混合成合并液滴。将数个双捕获室串联放置(多达4个)。当第一捕获室被一对液滴占据时，下一对液滴流向下一个捕获室。当所有结构被合并液滴占据时，停止流动，然后在一个出口中施加较高的压力，以将合并液滴通过另一出口冲洗掉。微流控芯片的缺点在于，不能很好地控制要合并的液滴的内容物，因此不能很好地控制合并液滴的内容物。另一个缺点在于，将合并液滴从一个出口冲洗掉，这意味着微流控芯片无法进行连续的合并过程。
7.us 2016/051958 a1描述了一种在共同通道中具有用于生成液滴的液滴发生器的液滴合并模块。与具有微支柱的结构联接的侧向气动阀使得能够控制该结构中融合液滴的数量。启动侧向气动阀，使得能够控制液滴的通过截面，以将液滴从两个融合到十五个以上。侧向阀对支柱下游的液滴的通过截面具有收缩作用。该装置使得能够在所述公共通道中合并连续形成的液滴。液滴合并模块的缺点在于，由于不能在生成的液滴到达液滴合并模块之前对生成的液滴进行分类，因此不能很好地控制合并液滴的内容物。us 2012/0258487 a1描述了一种液滴生成和封装模块，其具有与融合模块流体连通的入口通道，在融合模块中，所形成的所有液滴均被结合。


技术实现要素：

8.根据第一方面，本发明的一个目的是提供一种微流控模块，以避免具有不想要的内容物或没有内容物的液滴的合并。本发明使得能够以高产率将来自两个封装液滴群的液滴共封装。本发明的另一目的是提供一种用于液滴的共封装的微流控模块，其中封装液滴具有不同大小。本发明的另一目的是提供一种用于液滴的共封装的微流控模块，微流控模块由于在共封装的液滴的数量方面的高灵活性而使得生产量较高。
9.为此，发明人提出了一种用于两个颗粒群的液滴的共封装的微流控模块，微流控模块包括：
10.‑
第一模块，第一模块包括：
11.o第一模块入口，第一模块入口用于引导第一液滴群，并包括第一模块检测部，第一模块检测部用于检测所述第一模块入口内部的所述第一液滴群，
12.o所述第一模块的第一出口，第一模块的第一出口与所述第一模块入口流体连通，使得能够沿着所述第一模块的第一出口轨迹引导所述第一液滴群，且第一模块的第一出口包括所述第一模块的第一阻塞阀，第一阻塞阀被构造成至少部分地阻塞所述第一模块的所述第一出口，
13.o第一模块废物出口，第一模块废物出口与所述第一模块入口和所述第一模块的所述第一出口流体连通，使得能够沿着所述第一模块的第一废物轨迹引导第一群液滴；
14.‑
第二模块，第二模块包括：
15.o第二模块入口，第二模块入口用于引导所述第二液滴群，并包括第二模块检测部，第二模块检测部用于检测所述第二模块入口内部的所述第二液滴群，
16.o所述第二模块的第一出口，第二模块的第一出口与所述第二模块入口流体连通，使得能够沿着所述第二模块的第一出口轨迹引导所述第二液滴群，且第二模块的第一出口包括所述第二模块的第一阻塞阀，第一阻塞阀被构造成至少部分地阻塞所述第二模块的所述第一出口，
17.o第二模块废物出口，第二模块废物出口与所述第二模块入口和所述第二模块的所述第一出口流体连通，使得能够沿着第二模块废物轨迹引导第二群液滴；
18.‑
融合模块，融合模块包括：
19.o融合模块入口，融合模块入口与所述第一模块的所述第一出口和所述第二模块的所述第一出口流体连通，使得能够沿着融合入口轨迹引导第一群液滴和第二群液滴，
20.o融合模块构件，融合模块构件用于将来自第一液滴群的至少一个液滴和来自第二液滴群的至少一个液滴合并成合并液滴，
21.o融合模块出口，融合模块出口与所述融合模块入口流体连通，使得所述聚合液滴能够从所述微流控模块中释放；
22.‑
控制单元，控制单元用于：
23.o根据来源于所述第一模块检测部的信息来控制所述第一模块的所述第一阻塞阀，
24.o根据来源于所述第二模块检测部的信息来控制所述第二模块的所述第一阻塞阀。
25.优选地，第一模块包括用于向所述第一模块入口供应封装第一颗粒群的第一液滴群的构件。优选地，第二模块包括用于向所述第二模块入口供应封装第二颗粒群的第二液滴群的构件。
26.本发明的微流控模块使得通过使用优选地是气动致动的阻塞阀而能够对两个液滴群进行分类。本发明中使用的阻塞阀使得能够至少部分地阻塞出口，以使得通过至少部分地阻塞一些出口而能够控制所述出口中的液滴的轨迹。
27.在本发明中使用的阻塞阀还使得能够防止液滴流向至少部分地被阻塞，优选地被阻塞的出口。在出口通道被本发明的阻塞阀部分地阻塞或阻塞的情况下，液滴将优选地流向阻力较小的出口通道，例如废物出口或第二出口。能够部分地阻塞入口和/或出口的阻塞阀不能完全不阻塞入口和/或出口，也不能完全阻塞入口和/或出口。
28.通过本发明的微流控模块，可以使液滴的储存与分类同时进行：数个分支/出口可以各自储存经分类的液滴。例如，数个分支/出口可以是第一出口和废物出口。当分类模块各自具有可用的经分类的液滴时，这两个液滴被释放到融合模块。如果在两个初始群中要匹配的颗粒数量差不多，则这两个颗粒群在液滴中的确定性共封装只能是“一对一”/最佳的(即恰好共封装每个种类的一个颗粒)。如果一个群的代表性不足，则另一个群将不可避免地被浪费。因此，优选/推荐在共封装之前对两个群中颗粒的浓度进行调节。本发明的微流控模块使得通过提供两个不同的液滴生成和封装模块而能够进行这种调节，这两个不同的液滴生成和封装模块与分类和融合模块流体连接。
29.分类液滴储存模块由多个接合件组成，多个接合件具有带阻塞阀的出口。
30.本发明的第一模块和第二模块的出口的特征在于：
31.‑
具有(最少)2个出口的y形接合件，至少每个出口上有阻塞阀(用于储存和分类)。废物出口上也可能存在阻塞阀，但不是必须的；
32.‑
阻塞阀的设计和制造通常具有矩形截面，其中出口宽度＝100μm，出口高度＝34μm，所述出口高度等于所述通道宽度的1/3。优选地，阻塞阀长度等于出口宽度的3倍。阀长度至少与通道宽度一样长。
33.本发明的另一优点在于不依赖于电场来对液滴进行分类。这是液滴细胞封装领域的一项重大改进，因为液滴的电泳和介电泳分类可能对诸如活细胞之类的液滴负载物有害。本发明使得能够在不存在损害诸如活细胞的细胞内容物的风险的情况下操纵封装细胞的液滴。
34.而且，本发明的微流控模块的被单独地采用或组合地采用的第一模块和第二模块以及它们的缓冲区使得能够对液滴进行分类，减慢液滴并阻挡液滴，例如以基于其内容物来选择液滴，以保留或孵育液滴内容物。
35.本发明的一个优点在于使得在液滴到达融合模块之前能够将液滴阻挡在出口或缓冲区中。以这种方式，由于发送到融合模块的液滴是在恰当的时间带着有效的内容物被发送，因此可以提高共封装液滴的产量。在不存在缓冲区的实施例中，废物出口可用作在等待第二群时储存液滴的出口。
36.根据本发明的用于液滴操纵的微流控模块的特点是还具有其他优点，诸如基于液滴内容物、液滴负载、液滴的形态或其含量、液滴形状、液滴大小、液滴颜色等对液滴进行分类。
37.在微流控模块中使用以用于液滴操纵的气动阀不涉及任何电场，并因此不存在影响液滴的生物内容物(例如所封装的细胞和蛋白质)的行为的静电效应。气动阀使得可以阻挡微芯片中的液滴，特别是以用于孵育、延长孵育或排放。例如，气动控制构件由操作员基于在所述可视化部分中看到的图像来启动。
38.阻塞气动阀是一种使得根据控制通道中的气压而能够打开或关闭通道的阀。阻塞气动阀还使得能够达到中间阻塞状态，以使得通过在控制通道中施加介于打开阀压力和关闭阀压力中间的气压而能够控制出口通道的打开。阻塞阀可提供出口通道的完全阻塞，也可提供出口通道的部分阻塞或出口通道的完全打开。
39.优选地，所述入口通道和第一出口通道均具有沿着第一方向呈现第一延伸部的横截面，第一延伸部小于沿着垂直于所述第一方向的第二方向的第二延伸部，所述第一方向和第二方向垂直于由所述入口通道和第一出口通道赋予的轨迹。当横截面宽度至少等于或大于高度时，阻塞阀可能会阻塞出口通道。例如，阻塞阀的可偏转壁使得在可偏转壁倒在出口通道的底部的情况下能够形成可偏转体。然后在通道的侧面留下沟槽，在该沟槽中，连续相仍然能够流动。
40.优选地，所述检测部使得能够进行液滴和/或液滴内容物的光学可视化或光学检测，和/或电检测，和/或磁检测，和/或电磁检测。例如，利用可见光或使用uv、ir波长的光谱工具完成光学可视化。例如，电检测是基于电容测量的检测，其能够检测液滴和/或液滴内容物的介电常数的变化。例如，磁检测是对液滴和/或液滴内容物中的磁性化合物的检测。例如，电磁检测是利用诸如x射线的高能光子的相互作用进行的检测
…
41.例如，可以具有入口和出口横截面的形状和尺寸不同的第一模块和第二模块。使入口通道内部的液滴的移位可视化，也可以理解为使液滴的非移位或在可视化部分内固定的液滴可视化。本发明的微流控装置使得基于来自所述液滴的光学信号而能够操纵液滴。可以基于由所述检测部检测的液滴的光学信号来控制气动阻塞阀。
42.与其他融合/共封装模块相比，本发明的优点在于：
43.‑
在预分类的情况下进行共封装，使得可以比随机共封装(不进行分类，而是通过
将两个群置于单个液滴形成接合件中)做得更好，对于随机共封装，共封装率严格小于14％；
44.‑
借助于缓冲区，微流控装置使得液滴在分类之后能够直接/“匆忙(on
‑
the
‑
fly)”融合，而不是在第二装置中以较低保留/成对效率合并。这使得共封装具有更少的操纵，更高的效率(>92％)，特别是与chung等人于2017年提出的相关；
45.‑
与用于通过浮力捕获进行共封装的有限数量的捕获位点相比，融合液滴的数量是无限的，这与chung等人于2017年提出的特别相关；
46.‑
微流控装置对液滴的大小不敏感。微流控装置可以适合于使相同大小或不同尺寸的液滴融合。与chung等人于2017年提出的不同，chung等人仅能使尺寸足够不同以悬挂特定锚点的液滴合并；
47.‑
无需验证/观察来自两个群的两个液滴的融合/合并。一旦液滴被储存并被释放到融合模块中，由于阻塞阀的控制(关于液滴大小的鲁棒性和关于融合液滴的大小的容许度)，确保融合为100％。合并/融合是确定性的，这与具有锚定位点的融合模块不同，在该融合模块中，要融合的液滴占据的位点是不确定的，且需要比锚定位点更多的液滴。
48.就性能而言，共封装速度可受阻塞阀的启动频率的限制。这取决于所使用的气动控制构件(例如约为4ms的响应时间、限制为250滴/秒)以及对液滴内容物的分析(通过图像分析，每秒对150个滴进行测试，预计有更高的图像分析率)。也可以借助光电检测器对液滴内容物进行分析，并达到高于1khz的检测率。
49.在所述融合模块中可以使用任何融合模块构件。融合模块构件可以是被动融合模块构件(诸如带有分叉、压缩等)或主动融合模块构件(具有外部手段，诸如电场、利用阻塞阀进行阻挡、热量等)。
50.在被动融合模块构件中，使两个液滴在共同的通道或腔室中彼此靠近(或成对、同步)，然后通过两个液滴以低毛细管数(ca<1)，例如在两个液滴相遇的y形接合件或十字形接合件中的碰撞来引起它们的聚合。另一种广泛使用的几何形状是加宽腔室，其后面为较窄通道：由于连续相的排出，液滴在加宽通道中速度减小，然后在窄的通道的入口处速度再次增大，从而使得两个连续的液滴能够足够靠近一起来聚合。另一种选择是如下加宽通道，该加宽通道具有支柱阵列以在连续相从支柱中排出时驱动中心的液滴。被动构件通常不需要使用表面活性剂，即使已证明被表面活性剂稳定的液滴也能被动合并(mazutis，2009年)。优选地，使用表面活性剂并利用主动构件实现受控合并，诸如
51.‑
由直流或交流电场驱动(＝电聚合)；
52.‑
激光引起的对两个相邻液滴进行局部加热，使界面处的表面活性剂耗尽；
53.‑
通过添加去稳定化的醇化学地引起；
54.‑
利用阻塞阀阻挡第一液滴，直到第二滴靠近第一液滴为止。
55.优选地，所述微流控模块可以在一个微流控芯片上，在两个芯片上或在多个芯片上实施。
56.优选地，所述融合模块构件是阻塞阀，阻塞阀被构造成至少部分地阻塞所述融合入口，以阻止来自第一液滴群的至少一个液滴和来自第二液滴群的至少一个液滴，并使所述被阻止的液滴合并，所述控制单元被配置成进一步根据来源于所述第一模块检测部和第二模块检测部的信息来控制所述融合模块阻塞阀。
57.优选地，所述第一模块进一步包括：
58.第一生成和封装模块，第一生成和封装模块用于生成第一液滴并将第一颗粒群封装到所生成的所述第一液滴中，以形成第一液滴群来供应给所述第一模块入口；并且
59.所述第二模块进一步包括：第二生成和封装模块，第二生成和封装模块用于生成第二液滴并将第二颗粒群封装到所生成的所述第二液滴中，以形成第二液滴群来供应给所述第二模块入口。
60.优选地，所述第一模块进一步包括：
61.‑
所述第一模块的第二出口，第一模块的第二出口与所述第一模块入口和所述第一模块的所述第一出口以及所述融合模块入口流体连通，使得能够将所述第一液滴群沿着所述第一模块的第二出口轨迹引向所述融合模块入口，且第一模块的第二出口包括所述第一模块的第二阻塞阀，所述第二阻塞阀被构造成至少部分地阻塞所述第一模块的所述第二出口，
62.所述第二模块进一步包括：
63.‑
所述第二模块的第二出口，第二模块的第二出口与所述第二模块入口和所述第二模块的所述第一出口以及所述融合模块入口流体连通，使得能够将所述第二液滴群沿着所述第二模块的第二出口轨迹引向所述融合模块入口，且第二模块的第二出口包括所述第二模块的第二阻塞阀，所述第二阻塞阀被构造成至少部分地阻塞所述第二模块的所述第二出口，并且
64.所述控制单元被配置成进一步：
65.‑
根据来源于所述第一模块检测部的信息来控制所述第一模块的所述第二阻塞阀，
66.‑
根据来源于所述第二模块检测部的信息来控制所述第二模块的所述第二阻塞阀。
67.优选地，所述微流控模块中每个模块包括n个出口(用于分类和缓冲)。所述n个出口包括与以上描述的所述第一出口和第二出口类似的特征，诸如阻塞阀和与融合模块的流体连接。n是其值介于2至100之间的整数。例如，n等于3、4、5、6、7、8、9或10。
68.优选地，所述融合模块进一步包括融合模块腔室，融合模块腔室至少部分地包围所述融合模块入口和所述融合模块阻塞阀，所述融合模块腔室和所述融合模块入口被多个微支柱分隔开以产生能够将所述第一液滴群和第二液滴群的液滴载流体从所述融合模块入口排放到所述融合模块腔室的流体连通。更优选地，所述融合模块腔室与所述融合模块出口流体连通。
69.优选地，所述第一群液滴和第二群液滴具有第一液滴直径和第二液滴直径；所述多个微支柱形成微支柱阵列，其中，微支柱以支柱间的间距小于所述第一液滴直径和第二液滴直径来间隔开，优选地，所述支柱间的间距的范围为0.1μm至1000μm，甚至更优选地，范围为1μm至100μm。更优选地，所述支柱间间距的尺寸应小于液滴宽度/直径。
70.优选地，
71.‑
所述第一模块进一步包括第一模块侧向通道，以在所述第一模块的所述第一出口与所述第一模块废物出口之间形成流体连通，
72.‑
所述第二模块进一步包括第二模块侧向通道，以在所述第二模块的所述第一出
口与所述第二模块废物出口之间形成流体连通。
73.优选地，
74.‑
所述第一模块进一步包括第一模块侧向通道，以在所述第一模块的所述第一出口和第二出口与所述第一模块废物出口之间形成流体连通，
75.‑
所述第二模块进一步包括第二模块侧向通道，以在所述第二模块的所述第一出口和第二出口与所述第二模块废物出口之间形成流体连通。
76.侧向通道或旁路通道在具有n个出口的第一模块和第二模块的出口之间，例如在第一出口与第二出口或第一出口与废物出口之间，另一示例是在第一出口、第二出口和废物出口之间，例如侧向通道可以与n个出口流体连接。优选地，侧向通道恰好在出口上的阻塞阀(如果有的话)之后与出口流体连接。优选地，旁路通道的大小和接合基于两个条件：首先，恰好在阀之后平衡压力，以使阀的操作独立于输出阻力(不变)。其次，取决于例如要分类和组合的物体的浓度，应将每个出口的输出阻力调节到该出口应该接收的总流量的比例。
77.优选地，所述第一模块的所述第一模块侧向通道和所述第一出口以及所述第一模块废物出口各自被至少两个微支柱，更优选地至少四个微支柱分隔开。优选地，所述第二模块的所述第二模块侧向通道和所述第一出口以及所述第二模块废物出口各自被被至少两个微支柱，更优选地至少四个微支柱分隔开。优选地，所述第一模块的所述第一模块侧向通道、所述第一出口、所述第二出口以及所述第一模块废物出口各自被至少两个微支柱，更优选地至少四个微支柱分隔开。优选地，所述第二模块的所述第二模块侧向通道和所述第一出口以及所述第二模块废物出口各自被至少两个微支柱，更优选地至少四个微支柱分隔开。
78.优选地，当所述阀至少部分地阻塞所述第一模块的所述第一出口以缓冲第一群液滴时，所述第一模块的所述第一出口和所述第一阻塞阀形成用于保留第一群液滴的第一缓冲区；
79.当所述阀至少部分地阻塞所述第二模块的所述第一出口以缓冲第二群液滴时，所述第二模块的所述第一出口和所述第一阻塞阀形成用于保留第二群液滴的第一缓冲区，并且
80.所述控制单元被配置成进一步控制所述第一模块的所述第一阻塞阀和所述第二模块的所述第一阻塞阀，以分别在所述第一模块或第二模块的所述第一缓冲区的内部缓冲第一群液滴或第二群液滴，直到从所述第一模块检测部或第二模块检测部检测到未缓冲的第一液滴群或第二液滴群的液滴。
81.优选地，当所述阀至少部分地阻塞所述第一模块的所述第二出口以缓冲第一群液滴时，所述第一模块的所述第二出口和所述第二阻塞阀形成用于保留第一群液滴的第二缓冲区；
82.当所述阀至少部分地阻塞所述第二模块的所述第二出口以缓冲第二群液滴时，所述第二模块的所述第二出口和所述第二阻塞阀形成用于保留第二群液滴的第二缓冲区，并且
83.所述控制单元被配置成进一步控制所述第一模块的所述第二阻塞阀和所述第二模块的所述第二阻塞阀，以分别在所述第一模块或第二模块的所述第二缓冲区的内部缓冲
第一群液滴或第二群液滴，直到从所述第一模块检测部或第二模块检测部检测到未缓冲的第一液滴群或第二液滴群的液滴。
84.第一模块或第二模块的出口(n)或分支的数量限定了缓冲区的储存区域的数量(n
‑
1)。通过增加n，由此增加了缓冲区的数量，从而使得可以补救/补偿颗粒在一个或两个液滴群中分布的不均匀性。当另一群液滴具有较低的封装率或更高的不可预测的封装率时，增加模块中缓冲区的数量使得封装较少的液滴能够发送到一个群的废物出口。
85.关于由于缺乏可用的缓冲区而造成的被动液滴损失，根据两个液滴群中的颗粒浓度和每个模块的出口或分支的数量n，对填充所有缓冲区的概率进行建模。在n＝2(1个缓冲区)的情况下，则会损失30％(保留70％)。在n＝3(2个缓冲区)时，损失下降到15％(保留85％)。在n＝5(4个缓冲区)的情况下，损失小于8％(保留92％)。颗粒的浓度对这些结果的影响很小。增加缓冲区的数量是可行的，但是由于主要是二维微流控设计的拥塞，因此缓冲区的数量不是无限增加的。可以考虑除了树状/分支以外的缓冲区几何形状。
86.换句话说，为了使来自至少两个群的至少两个液滴融合，每个液滴封装模块必须向融合模块供应一个液滴。由于待融合的液滴(即具有想要的内容物/颗粒/等的液滴)的到达不一定同步，因此必须将来自一个群的想要的液滴储存在缓冲区中，以等待来自第二群的想要的液滴的到达。在不存在缓冲区的实施例中，废物出口可以用作缓冲区。每个出口上的阻塞阀用作缓冲区/等待区。在每个入口模块具有至少两个出口的情况下，可获得一个等待区。增加出口的数量会增加缓冲区/等待区的数量。还可以使用用于在融合之前缓冲液滴的任何其他方式。
87.优选地，所检测到的所述液滴封装第一颗粒群或第二颗粒群。
88.优选地，所述第一模块废物出口进一步包括第一模块废物出口阻塞阀，第一模块废物出口阻塞阀被构造成至少部分地阻塞所述第一模块废物出口；
89.所述第二模块废物出口进一步包括第二模块废物出口阻塞阀，第二模块废物出口阻塞阀被构造成至少部分地阻塞所述第二模块废物出口；
90.所述控制单元被配置成进一步：
91.‑
根据来源于所述第一模块检测部的信息来控制所述第一模块废物出口阻塞阀，
92.‑
根据来源于所述第二模块检测部的信息来控制所述第二模块废物出口阻塞阀。
93.优选地，所述第一模块的所述第一阻塞阀和所述第二模块的所述第一阻塞阀是气动致动的阻塞阀，更优选地所述第一模块的所述第二阻塞阀和所述第二模块的所述第二阻塞阀是气动致动的阻塞阀，每一个阻塞阀包括：
94.‑
控制通道；
95.‑
可偏转壁，可偏转壁将所述控制通道和所述出口分隔开；
96.所述可偏转壁能够响应于所述控制通道中压力的升高而偏转，所述可偏转壁偏转到所述出口内，使得所述出口至少部分地被阻塞。
97.优选地，所述可偏转壁沿着基本上平行于所述出口高度的方向偏转。
98.优选地，微流控装置进一步包括气动控制构件，气动控制构件被构造成启动所述阻塞阀，更优选地被构造成还启动所述阻塞阀。
99.优选地，所述第一出口和第二出口与所述入口和所述第一出口通道流体连通，使得能够沿着入口轨迹和出口轨迹引导液滴，沿着所述入口轨迹和出口轨迹的每个横截面具
有出口高度和大于所述出口高度的出口宽度。优选地，所述阻塞阀被构造成沿着基本上平行于所述出口高度的方向至少部分地阻塞所述出口和/或废物出口。优选地，所述阻塞阀由所述气动控制构件控制。
100.本发明的优点在于使得能够对液滴执行一系列操作，诸如对液滴进行分类。例如，与用于生成液滴的模块和用于将细胞或颗粒封装在液滴中的模块耦接，本发明使得通过在每个群中选择具有封装细胞的液滴并丢弃没有封装细胞的液滴，而能够实现以接近100％的封装率将两个单颗粒共封装在一个液滴中。因此，本发明避免了具有想要的内容物(即一个颗粒)的一个液滴与空液滴融合。在没有本发明的情况下，具有封装细胞的液滴的获得率例如通常仅有10％(处在低稀释度下，以避免多颗粒封装，参见泊松分布定律)。优选地，最多可以有36％的液滴具有单个细胞，且在此浓度下，36％的液滴是空的，且28％的液滴包含一个以上的细胞。
101.使用阻塞阀的优点在于，阻塞阀不会对液滴及其内容物产生物理作用，诸如电场或热场。阻塞阀能够完全阻挡液滴，从而使得液滴能够固定以进行分类、储存、孵育、搅动、合并等。阻塞阀具有稳健性，易于制造，并包含在pdms芯片或其他柔性材料中。最后，与基于相变的阀相比，响应时间更短。当控制通道受压时，阻塞阀被启动，控制通道和出口之间的可偏转壁朝向出口(流动通道)偏转。这引起出口通道的全部或部分阻塞。称为阻塞阀的这些阀也称为气动阀、隔膜阀或多层软刻蚀(msl)阀。
102.阻塞阀的另一个优点在于这些阀的制造，其使得能够精确控制阀的可偏转壁的厚度，这确保了阀的可预测的和可再现的行为，并因此确保了液滴响应于阀的启动的可预测的和可再现的行为。
103.优选地，第一群液滴和第二群液滴分散在连续相中，且所述部分阻塞的出口能够利用所述可偏转壁阻挡所述第一群液滴和/或第二群液滴并使所述连续相流动。
104.优选地，入口和出口具有垂直于所述入口和出口内部的液滴轨迹的基本上矩形的横截面。
105.优选地，所述检测部基本上是透明的以拍摄液滴和/或液滴内容物的图像。
106.液滴内容物优选地是可以装载在液滴中的任何颗粒、物体、化学化合物或生物化合物。液滴内容物更优选地是细胞、活细胞、细胞的一部分、蛋白质、微粒、纳米颗粒、试剂、微物体、标记剂和/或任何其他化合物。液滴信息优选地是关于液滴或液滴内容物或两个液滴之间的相互作用或液滴与其内容物之间的相互作用的任何数据。液滴信息更优选地是：所述入口通道内部的液滴速度、所述液滴内部是否存在某些内容物、所述内容物的形态或形状或颜色或对比度或大小、所述液滴内部物体的数量、两个液滴之间的间距、液滴在所述通道的内部流动的频率。
107.在液滴形成接合件处颗粒也可能发生与第二分散相的共封装：两个水性相输入和一个连续相/油输入，这两个水性相之一包含颗粒。代替在入口(一个水入口和两个油入口)处交叉，可以增加第二水入口。这使得可以将颗粒(来自第一输入)与第二“分散”相封装在一起，在第二“分散”相中例如存在试剂(为本领域技术人员所知晓，但是可以有利地与本发明的微流控模块组合使用)。
108.与文献中通常遇到的圆的或圆形的横截面阀相反，为本发明开发的阀优选地具有矩形横截面。这种几何形状具有重要的技术效果：当阀偏转时，流动通道不会被完全阻塞
(图5a)，沿着竖直壁会出现沟槽。这使得连续相能够潜在地流动，而液滴潜在地被阻挡或减慢。适合于诸如合并、“停放”、孵育、排放的应用。使用矩形横截面阀的优点在于，可以例如通过光刻蚀法来制造阀。圆形横截面阀需要基于正性光刻胶的光刻蚀进行制造，然后进行第二次烘烤(“回流”)，第二次烘烤使光刻胶熔化并使横截面变为圆形。而矩形横截面阀需要使用负性光刻胶进行光刻蚀制造，而无需回流。
109.优选地，所述入口和出口被构造成运送具有两个液相的乳液，这两个液相包括第一连续相和第二分散相。
110.优选地，所述检测部基本上是透明的以拍摄液滴和/或液滴内容物的图像。
111.优选地，所述部分阻塞的出口通道能够利用所述偏转的壁阻挡所述分散相或液滴并使所述连续相流动。
112.优选地，微流控模块进一步包括沿着所述融合模块入口的微支柱，所述微支柱基本上平行于所述出口高度或所述出口宽度，并位于所述融合模块阻塞阀的上游。具有微支柱的优点在于使得液滴能够在阻塞阀的上游聚合，通过微支柱之间的间距排出连续相。然后，合并/融合/聚合液滴被释放到融合模块出口。
113.在优选的实施例中，位于入口上游的液滴生成和封装模块例如是流动聚焦模块或t形接合件。
114.优选地，本发明包括用于将例如细胞、活细胞、细胞的一部分、蛋白质、微粒、纳米颗粒、试剂、微物体、标记剂和/或任何其他化合物装载/封装在液滴中的模块。
115.优选地，可偏转壁包括聚(二甲基硅氧烷)(pdms)。
116.优选地，微流控模块进一步包括：
117.摄像头，摄像头用于从所述检测部提供一系列图像；
118.用于处理所述一系列图像的图像处理单元，所述图像处理单元被配置成确定液滴和/或颗粒的实时位置。优选地，通过如下方式来确定所述液滴和/或颗粒的实时位置，该方式为：在所述一系列图像中识别液滴；检测所述液滴的边缘；计算所述液滴的质心；确定所述质心在所述检测部中的位置随着时间的变化；基于位置随着时间的变化确定所述液滴的速度。
119.本发明的该实施例的优点在于使得优选地利用数字成像单元和处理单元而能够分析来自检测部的液滴。这还优选地使得能够以高放大倍率、高图像分辨率和高时间分辨率来分析液滴。还优选地使得能够定位光学滤光器，甚至能够利用对不同波长范围敏感的不同类型的摄像头。
120.优选地，本发明能够满足facs(“荧光激活细胞分类仪”)的限制条件并对facs进行补充，特别是用于进行单细胞分析。与facs不同，本发明在封装在液滴中的细胞的类型方面较为灵活。由于细胞封装在液滴中，因此经分类的细胞的生存力得到保留。此外，facs无法执行共封装。
121.微流控模块优选地是模块化的。液滴形成、封装、分类、储存和融合模块可以串联、并联组合以执行更复杂的操作。图像采集、检测和分析模块还可以并联或串联组合：例如多个摄像头和计算机，摄像头以及一个或多个传感器(光电倍增管，或电容、磁传感器，声传感器)和计算机。
122.优选地，第一出口和第二出口在所述检测部的下游。优选地，本发明使得能够对液
滴并因此对液滴中包含的独立细胞进行几个连续的操作(分类，合并，组合)。本发明还使得通过快速拍摄任何液滴
‑
液滴相互作用或液滴中封装的细胞生长或发育的图像，而能够使入口或出口通道中的现象可视化。例如，本发明使得能够实时响应于任何细胞或液滴的演变。优选地，对检测部的响应是在出口和/或融合模块上的阻塞阀的启动。
123.有利地利用实时视觉模块对液滴进行分类，以对入口中的任何液滴进行分析。阀响应于视觉系统而被致动以操作液滴分类和/或融合/合并。
124.优选地，本发明利用对液滴内容物的图像的实时分析，而不是利用对例如单个像素荧光信号(即，光电探测器的典型信号)的实时分析。这使得能够精确地区分所封装的细胞/颗粒/内容物的形态和数量，以及可视觉观察到的任何其他特征。实时图像分析使得能够平行地、独立地对相同图像上的多个感兴趣区域(roi)进行分析，这是在融合之前对两个群进行分类所必需的。优选地，本发明不需要用荧光剂对液滴中的封装细胞进行标记。优选地，本发明使得能够检测标记的封装细胞和未标记的封装细胞。
125.优选地，摄像头被配置成提供入口通道的一部分的图像，更特别地是在入口通道的检测部处的图像。在所述检测部中通过摄像头提供信息的图像来查看、观察、看视、可视化、描绘、观看所述信息。
126.可以基于单个获取的图像(并因此基于单个光学系统)将多个连续的分类、合并和分割操作进行组合。
127.优选地，所述气动控制构件由所述图像处理单元基于液滴和/或颗粒的实时位置来控制。
128.优选地，所述图像处理单元被配置成识别第一群液滴和/或第二群液滴的封装内容物，并基于第一群液滴和/或第二群液滴的封装内容物分别区分所述第一群液滴和/或第二群液滴。
129.优选地，封装内容物可以是无内容物。因此，无内容物的液滴被认为是空的，并发送到相应的废物出口。此外，包含一个以上颗粒的液滴优选地发送到相应的废物出口。
附图说明
130.本发明的这些方面以及其他方面将在参照附图中的各图对本发明的具体实施例的详细描述中进行解释，在附图中：
131.‑
图1示出了本发明的微流控模块的示例性实施例；
132.‑
图2示出了本发明的用于液滴分类和合并的微流控模块的一部分的另一示例性实施例；
133.‑
图3示出了根据本发明的用于液滴合并的微流控模块的另一示例性实施例；
134.‑
图4示出了根据本发明的微流控模块的一部分的另一示例性实施例，其示出了物理参数；
135.‑
图5a、图5b和图5c示出了阻塞阀的横截面以及图1所示的根据本发明的模块的一部分的俯视图；
136.‑
图6a至图6f示出了用于制造用于本发明的阻塞阀的制造步骤；
137.‑
图7a、图7b和图7c示出了用于分类的所述第一模块或第二模块的图片，这些图片在不同的时间间隔拍摄以示出所述第一模块或第二模块中的液滴的演变；
138.‑
图8a和图8b示出了本发明的微流控模块的两个示例性实施例；
139.‑
图9示出了所述模块检测部的一部分的图片，这些图片在不同的时间间隔拍摄以示出具有验证通道的所述模块中的液滴的演变；
140.‑
图10a、图10b、图10c、图10d和图10e示出了融合模块的示例性实施例，并示出了用于液滴聚合/合并的步骤；
141.‑
图11a、图11b、图11c、图11d和图11e示出了根据本发明的融合/合并模块的图片；
142.‑
图12示出了根据本发明的用于对液滴进行分类的第一模块和第二模块的示例性实施例；
143.‑
图13示出了本发明的第一分类模块或第二分类模块的图片，其示出了液滴根据阻塞阀的状态保留和流动。
144.附图中的各图未按比例绘制。通常，在图中，相似的元件由相似的附图标记表示。附图中附图标记的存在不被视为是限制性的，即使当这些数字也包括在权利要求中时。
具体实施方式
145.图1示出了本发明的微流控模块100的实施例的示意图。微流控装置100包括第一模块1，第一模块1用于生成第一群液滴、对第一群液滴进行封装、对第一群液滴进行分类并将第一群液滴提供给融合模块3，以在融合模块3中与另一液滴合并。微流控装置100包括第二模块2，第二模块2用于生成第二群液滴、对第二群液滴进行封装、对第二群液滴进行分类并将第二群液滴提供给融合模块3，以在融合模块3中与另一液滴合并。第一模块1和第二模块2各自包括生成和封装模块10、20，生成和封装模块10、20能够分别在相应的入口11、21中提供第一群封装液滴和第二群封装液滴。第一模块1入口11和第二模块2入口21各自具有检测部19、29，检测部19、29分别使得在这些入口11、21中生成和封装的液滴能够可视化。通过这些检测部19、29的可视化使得能够控制阻塞阀121、221，并优选地控制融合模块构件30。对阀进行控制，优选地使得具有期望的封装内容物的第一群液滴和第二群液滴能够引向融合/合并模块3，以将具有期望的封装内容物的所述第一群液滴和第二群液滴共封装。为此，图1包括第一模块1的第一出口12，第一出口12与第一模块入口11和融合模块3流体连通，优选地与融合模块入口31流体连通。第一模块1的第一出口12使得具有期望的封装内容物的第一群液滴能够引导到融合模块3。在从检测部19(29)得到封装内容物或液滴本身未提供期望性质的情况下，液滴被引导到第一废物出口15(25)，第一废物出口15(25)与第一模块入口11(第二模块入口21)流体连通。第一模块入口11(第二模块入口21)、第一出口12(22)和废物出口15(25)通过y形接合件流体连接。借助定位于第一出口12(22)上的阻塞阀来引导液滴。对于第二模块2，对第一模块1的描述经适当修改后即可适用。
146.第一模块1和第二模块2经由它们各自的第一出口12、22连接到融合模块3，第一出口12、22汇聚到融合模块入口31中。融合模块3包括入口31，融合模块构件(30)定位在入口31上。融合模块构件使得至少两个液滴能够合并。当两个液滴合并时，形成共封装，共封装的液滴被释放并流动到融合模块出口32。
147.第一入口11(第二入口21)具有检测部19(29)，检测部19(29)使得所述入口11(21)内的流体的流动能够可视化。检测部19(29)对于可见光是透明的，使得由在连续相中不混溶的液滴构成的乳液的流动能够可视化。检测部19(29)特别适合于使所述入口11(21)内的
液滴运动、演变和速度可视化。检测部19(29)特别适合于使所述入口11(21)内的液滴内容物可视化。对液滴内容物及其速度的研究优选地需要诸如显微镜或透镜之类的放大装置。
148.为了基于从检测部19(29)进行的观察来操纵液滴，将第一阻塞阀121(221)放置在第一出口12(22)上。第一阻塞阀121(221)可以基于从检测部19(29)观察到的任何信息来启动。从观察中观察到的、看到的或可视化的或推断出的信息例如是关于所述入口11(21)内部液滴的速度，所述液滴内部是否存在某些内容物，所述内容物的形态或形状或颜色或对比度或大小，所述液滴内部物体的数量，两个液滴之间的间距，液滴在所述通道内部流动的频率。可以基于来自检测部19(29)的一些信息来启动第一阻塞阀121(221)以减慢液滴、阻挡液滴(缓冲)。入口11(21)和第一出口12(22)优选地被设计成使得具有处于连续相中的液滴的乳液能够良好地流动。
149.图2示出了本发明的模块1、2的一部分的示例性实施例，模块1、2的这一部分具有入口11(21)、第一出口(12、22)和废物出口通道15(25)。所述废物出口15(25)例如与所述第一出口12(22)相同。优选地，所述第一出口12(22)和废物出口15(25)的一部分彼此对称，如图4、图7或图8b所示。优选地，第一出口12(22)和废物出口15(25)在公共接合件处连接到入口通道11(21)。通道11、12、15(21、22、25)可以形成例如y形接合件，这意味着这些通道具有y形构造。以基于从检测部19(29)进行的观察来操纵液滴。
150.流体从入口通道11(21)到达第一出口通道12(22)和/或第一废物出口15(25)。入口通道11(21)具有垂直于流体主方向的横截面，如箭头所示。第一出口通道12(22)和第一废物通道具有垂直于所述流体主方向的横截面。例如，入口通道11(21)和第一出口通道12(22)始终具有相同的横截面。例如，横截面基本上是矩形的。例如，横截面基本上是椭圆形的。横截面优选地具有高度160(260)和宽度170(270)。在矩形横截面的情况下，所述高度160(260)为矩形的宽度，且所述宽度170(270)为矩形的长度。在椭圆形横截面的情况下，所述高度160(260)是短轴，所述宽度170(270)是长轴。任何其他横截面可用于本发明。具有沿着模块通道变化的宽度170(270)和高度160(260)的横截面是可能的。
151.第一出口通道12(22)和第二出口通道13(23)也可以不对称，且仅可以使用一个阀，一个通道是默认通道(当阀未被致动时，所有液滴在该通道中流动)，而当默认通道上的阀被致动时，液滴会在选择的通道中流动。阀的数量可以与出口的数量不同(根据通道的适当设计)。
152.用于液滴操纵的模块100可以有利地具有两个以上的出口通道和/或一个以上的入口通道。例如，这种模块100可以具有三个出口通道12、13、15(22、23、25)和一个入口通道11(21)。例如，这种模块可以具有两个入口通道和两个出口通道。例如，检测部19(29)使得能够同时查看两个入口通道中的液滴。例如，这种模块100可以具有两个入口通道和一个出口通道。可以想到入口通道和出口通道的任何其他构造。
153.图3示出了本发明的模块100的另一示例性实施例。放置摄像头43，摄像头43优选地带有诸如滤光器或透镜之类的光学元件，以能够从检测部19、29对入口通道11、21内部的流体进行成像。优选地，光源与检测部相对地放置，以照亮检测部并对在所述入口通道11、21内部通过的液滴进行对比。例如，检测部19、29在摄像头43侧是透明的，且例如在光源侧可以是半透明的。除了示出模块100之外，图3还示出了用于液滴生成的模块10、20(例如，通过流动聚焦或t型接合件，这是本领域技术人员已知的术语)。用于液滴生成的模块例如有
利地与用于将内容物封装在液滴中的模块10、20相关联。
154.例如，本发明的具有用于液滴生成和内容物封装的模块10、20的模块100用于产生油包水液滴。用于液滴生成的模块10、20借助于连接到芯片入口的管子来填充流体。分散相是水性基的(例如纯去离子水，带有悬浮细胞的细胞生长培养基)。连续相例如是硅油或氟化油(特别是：3m公司的fc
‑
40fluorinert，或3m公司的hfe7500)。可以使用表面活性剂(处于一个相或两个相)。可以使用表面活性剂(例如：picosurf，dsurf或fluosurf)(fc40+2％表面活性剂或hfe7500+2％表面活性剂)。可以使用水性相和油相的其他配置形式。
155.用于液滴生成和细胞封装的模块10、20包括两个主入口，一个入口用于连续相，且另一入口用于液滴/分散相。使用受控的泵送单元45将连续相和分散相带到两个主入口，受控的泵送单元45用于输送受控量的两个相。这两个主入口通向本发明的入口通道1。在每个主入口处，可以分别使用加压空气或注射泵施加压力或流量。注射泵已用于设定所述主入口中的流量。优先使用汉密尔顿(hamilton)玻璃注射器，因为与其他注射器相比汉密尔顿玻璃注射器具有改进的无摩擦活塞运动和刚性以及再现所需流量的能力。
156.使用柔性管子将流体从注射器引导到主入口。在图5c中，可以看到圆形连接以将柔性管子连接到本发明的模块100的实施例。例如，使用pvc、ptfe或fep管子，因为这些管子的柔韧性非常便于互连，且因为这些管子适合于上述受操纵的液体。例如，管子横截面具有的内直径和外直径分别为1mm和2mm。管子通过鲁尔(luer)转接器或注射器针头连接到注射器。管子直接固定在芯片的主入口中。
157.在图3中还可以看到，阻塞阀121、151、221、251、311可以由阀控制器5独立地启动。阀控制器5连接到加压空气回路。参照图3，阀控制器使得给定的压力能够输送到每个控制通道123、153、223、253、313，以控制所述阻塞阀121、151、221、251、311的可偏转壁122、152、222、252、312。优选地，阀控制器5被配置成将压力输送到所述控制通道123、153、223、253、313，以能够到达所述可偏转壁122、152、222、252、312的无穷大的位置。
158.例如，摄像头43安装在显微镜上，以经由检测部19、29对本发明的模块1、2的入口通道11、21进行成像。当前，高速摄像头的采集率被到达计算机的实时数据传输限制为每秒约200帧。可以预见更高的到达计算机的实时数据传输。由于摄像头安装在单独的光电管上，因此总是可以借助显微镜的目镜进行目视检查。例如，算法能够跟踪每个液滴并提取其位置、长度和速度。由此，可以推断出通过频率(液滴吞吐量)和液滴间的间距，且气动阀控制器5可以独立地控制每个偏转阀。
159.借助摄像头(与coaxpress线缆接合)和帧采集器执行实时图像处理，从而实现高采集帧率(100f/s至1000f/s，取决于摄像头传感器上roi的大小)。可以使用用c++或labview或java或matlab或python或任何其他工具开发的软件来执行图像采集和处理。摄像头可以与usb3、coaxpress、gige、相机链路(camera link)、以太网或任何其他接口连接。性能取决于计算机资源、连接用线缆和算法的实现方式。利用多核处理器和多线程编程可以提高吞吐量。
160.本发明的共封装模块100需要一种算法，以响应于对液滴内容物的分析来管理阀的启动时机。使用图像处理单元42通过图像分析来检测颗粒或液滴(或这两者)的质心。借助对连续图像的分析(跟踪)，计算颗粒或液滴的速度/运动。跟踪能预测下游颗粒/液滴的位置，且作为响应，时机管理算法触动阀121、151、221、251、311。
161.图像处理算法的第一步在于进行二值化以从背景中提取液滴、颗粒或其他运动物体。这借助基本的图像处理：过滤和形态运算、平均背景计算和减除、最后是阈值化来执行。
162.不同的可视化模式是可能的：
163.‑
例如，纯荧光模式：借助于过滤，在暗背景的顶部上，通过摄像头传感器43仅捕获荧光颗粒(标记的细胞)或荧光液滴(由于荧光基质)。借助形态学运算(侵蚀，膨胀等)和阈值化来检测荧光内容物。
164.‑
例如，可见光模式：通过摄像头传感器43采集液滴及其内容物的真实图像(灰度或彩色)。然后借助背景减除和最终的形态学运算，可以检测液滴的边缘。可以计算液滴的质心、液滴的长度、间距和瞬时速度。然后可以对液滴的内容物进行分析(数量、大小、形态等)。
165.‑
可以使用其他可视化模式，诸如多重荧光、光谱、吸光度、
……
166.图像处理单元42使用图像处理技术例如：对比度增强、背景减除、二值化和/或分割。可以预见其他图像处理技术，诸如基于模式识别、经验和/或机器学习的基本图像分析方法和/或算法。
167.图4示出了模块100的一部分的另一示例性实施例。这里示出了物理参数，诸如流量q。进入入口通道的流量q的通量被分开进入第一出口通道12、22和第二出口通道15、25(αq去往第一出口通道12、22，且(1
‑
αq)去往第二出口通道13、23)。在第一出口通道12、22和第二出口通道15、25之间的“旁路”通道16、26定位在第一阻塞阀121、221和第二阻塞阀151、251之后，以在阻塞阀121、151和221、251之后平衡压力，并使阀的启动独立于出口。q是通道中的通量。p0优选为储藏器压力或大气压或参考压力。p1优选为入口通道11、21的压力。p2和p3分别是第一出口通道12、22的压力和第二出口通道15、25的压力。q例如是当压力p2和p3平衡时消失的残余流量。
168.在图4中由“y”形接合件表示典型的液滴切换系统，“y”型接合件由液滴进入的一个入口通道11、21和两个出口通道12、15；22、25组成，每个出口由附加在出口通道12、15；22、25上的阻塞阀121、151；221、251控制，优选地，交替地启动阀。当阀偏转时，出口通道12、15；22、25中的局部阻力增加。每个阻塞阀121、151；221、251充当可变阻力器(取决于控制通道123、153；223、253在可偏转壁122、152；222、252上提供的施加压力)。“旁路”通道就在阻塞阀121、151；221、251之后将两个出口通道12、15；22、25连接。“旁路”通道的液压阻力的大小相对于回路的其他元件可忽略不计，“旁路”通道使得阻塞阀121、151；221、251的操作和液滴的行为能够独立于出口通道12、15；22、25的阻力。
169.在图4中，当液滴到达y形接合件时，液滴选择阻力较低的出口通道12、15；22、25，即打开了阻塞阀121、151；221、251的出口通道。运行中的示例在图7a、图7b、图7c中示出并在下文中进行描述。
170.图5a示出了阻塞阀121、151、221、251、311的横截面图，其中可偏转壁122、152、222、252、312由于施加到控制通道123、153、223、253、313的压力升高而偏转。可偏转壁朝向入口或出口12、15、22、25、31偏转，从而阻塞所述入口或出口。虚线示出了当入口/出口12、15、22、25、31内部的压力等于所述控制通道123、153、223、253、313内部的压力时，可偏转壁122、152、222、252、312的位置。箭头示出了当在相应的控制通道中施加比入口12、15、22、25、31中的压力高的压力时，在可偏转壁122、152、222、252、312上产生的力。
171.图5b示出了阻塞阀121、151、221、251、311的横截面图，其中可偏转壁122、152、222、252、312没有偏转。该横截面图示出了控制通道123、153、223、253、313垂直于入口/出口12、15、22、25、31。图5b示出了可偏转壁122、152、222、252、312由与控制通道和出口通道不同的材料块制成。
172.图5c示出了本发明的部分实施例的顶部示意图，该部分实施例包括用于液滴生成和细胞封装的模块10、20。图5c进一步示出了阻塞阀121、151、221、251、311，其中阻塞阀的控制通道123、153、223、253、313垂直于入口/出口12、15、22、25、31。每个通道末端的圆形形状是用于将流体输入和输出连接的孔。通过柔性管子、注射器头、金属中空部件或流体连接器来进行这些连接。
173.图6示出了用于制造本发明的阻塞阀121、151、221、251、311和出口通道12，15、22、25、31的步骤。在阀的制备章节中给出图6的制造细节和描述。
174.图7a示出了所述第一模块1和第二模块2的一部分的运行图片，当液滴到达y形接合件时，液滴选择阻力较低的出口通道12、15；22、25，即打开了阻塞阀121、151；221、251的出口通道。这种情况在图7a中示出，图7a是用于液滴操纵的微流控模块的俯视图。关闭的阀显示为黑色，而打开的阀显示为透明。在每个图像的左下角以秒为单位示出了时间间隔。第一液滴由于下部阀而减慢/几乎被阻挡，而第二液滴被引导到打开了阀的上部通道中。贯穿图7的比例尺为100μm。
175.图7b示出了当在液滴处于接合件处的时刻，第一阻塞阀121、221和第二/废物阻塞阀151、251的状态颠倒时，所述第一模块1和第二模块2的一部分的运行图片，由于阀121、151；221、251处于新的状态，因此液滴被正确地切换。液滴被引向已通过废物阻塞阀151、251打开的废物出口15、25。
176.图7c示出了所述第一模块1和第二模块2的一部分的运行图片，其中当所述第一阻塞阀121、221启动/偏转时，液滴在第一阻塞阀121、221的可偏转壁122、222下方。如在对应于0.036的中间图片中可以看到的，液滴没有破裂并被推向所述第一阻塞阀121、221的上游。这可以通过第一阻塞阀121、221的可偏转壁122、222的偏转引起在上游和下游之间分布的液体的体积发生移位来解释。因此，位于第一阻塞阀121、221上游的液滴在阀启动时会发生轻微的反冲。在时间线上还可以看到，一旦第二/废物阻塞阀151、251打开，第二/废物出口通道15、25中的液滴就恢复其轨迹/速度。
177.与本发明的实施例相对应的实验特征值如下：
178.‑
通过控制通道123、153、223、253、313施加到阻塞阀121、151、221、251、311的压力：1巴(105pa)；
179.‑
通过入口通道11、21或通过第一出口通道12、15和第二/废物出口通道22、25的总流量：1.1μl/min(1.8
×
10
‑
11
m3/s)；
180.‑
两种阀状态的切换之间的时间间隔：50ms；
181.‑
入口/出口11、21、12、15、22、25的宽度(与阀相同)：100μm；
182.‑
入口/出口11、21、12、15、22、25的高度：34μm；
183.‑
可偏转壁122、152、222、252、312的厚度：12μm；
184.‑
阀121、151、221、251、311的长度(沿着出口轨迹)：300μm；
185.‑
阀121、151、221、251、311的阻力：为不带阀的通道12、15、22、25、31的阻力的10倍
(r
v
/r0＝10)。
186.图8a示出了本发明的微流控模块100的实施例的示意图。微流控装置100包括第一模块1，第一模块1用于生成第一群液滴、对第一群液滴进行封装、对第一群液滴进行分类并将第一群液滴提供给融合模块3，以在融合模块3中与另一液滴合并。微流控装置100包括第二模块2，第二模块2用于生成第二群液滴、对第二群液滴进行封装、对第二群液滴进行分类并将第二群液滴提供给融合模块3，以在融合模块3中与另一液滴合并。第一模块1和第二模块2各自包括生成和封装模块10、20，生成和封装模块10、20能够分别在相应的入口11、21中提供第一群封装液滴和第二群封装液滴。第一模块1入口11和第二模块2入口21各自具有检测部19、29，检测部19、29分别使得在这些入口11、21中生成和封装的液滴能够可视化。通过这些检测部19、29的可视化使得能够控制阻塞阀121、221、151、251，并优选地控制阻塞阀311。对阀进行控制，优选地使得具有期望的封装内容物的第一群液滴和第二群液滴能够引向融合/合并模块3，以将具有期望的封装内容物的所述第一群液滴和第二群液滴共封装。为此，图8a的实施例包括第一模块1的第一出口12，第一出口12与第一模块入口11和融合模块3流体连通，优选地与融合模块入口31流体连通。第一模块1的第一出口12使得具有期望的封装内容物的第一群液滴能够引导到融合模块3。在从检测部19得到封装内容物或液滴本身未提供期望性质的情况下，液滴被引导到第一废物出口15，第一废物出口15与第一模块入口11流体连通。第一模块入口11、第一出口12和废物出口15通过y形接合件流体连接。借助定位于第一出口12和废物出口15上的阻塞阀来引导液滴。对于第二模块2，对第一模块1的描述经适当修改后即可适用。
187.第一模块1和第二模块2经由它们各自的第一出口12、22连接到融合模块3，第一出口12、22汇聚到融合模块入口31中。融合模块3包括入口31，阻塞阀311定位在入口31上。关闭阻塞阀311，直到第一群液滴和第二群液滴被阻塞阀311阻止为止。当要融合的两个液滴在关闭的阻塞阀前面彼此触碰时，打开阻塞阀311，且这些液滴发生融合/合并。当两个液滴合并时，形成共封装，共封装的液滴被释放并流动到融合模块出口32。为了优化融合模块的速度和可靠性，通过给连续相提供通路而在融合模块中建立旁路，使得连续相即使在阀311关闭时也可以自由流动。旁路包括沿着融合模块入口31布置的微支柱37。微支柱间的间距小于第一群液滴或第二群液滴，使得只有连续相能够在微支柱之间流动，且液滴能够保持限制在微支柱37之间并抵靠阀311。因此，融合模块旁路使得在不通过阀311的情况下能够在入口31和出口32之间进行流体连通。
188.本发明的该实施例示出了第一模块1和第二模块2“旁路”，旁路16、26是将第一模块1和第二模块2的、在所述第一阻塞阀121、221和第二/废物阻塞阀151、251下游的两个输出12、15；22、25连接的通道。旁路16、26优选地具有微支柱161、261，以避免液滴流过旁路，但是允许连续相流过旁路16、26。旁路16、26优选地适合于使所述第一出口12、22和第二/废物出口15、25中在所述第一阻塞阀121、221和第二/废物阻塞阀151、251下游的压力平衡。所述微支柱优选地沿着出口壁对齐。优选地，在微支柱16、26和/或微支柱161、261与出口壁之间留下的间距恒定。优选地，这种间距具有的尺寸小于第一群液滴/第二群液滴。优选地，旁路16、26使得在没有在微流控模块100中显著增加压力的情况下能够发生一个出口至另一出口的流动绕道。可以将验证通道放置成与所述第一融合模块出口32流体连通，验证通道返回到检测部19、29中或者返回到另一检测部中，与检测部19、29相比，另一检测部可以由
相同的摄像头43进行转换。验证通道利用与在第一模块1和第二模块2中用于对第一群液滴和第二群液滴进行分类的摄像头相同的摄像头43，具有验证通道的优点在于使得能够简化微流控模块100的设计，并使得针对液滴分类输出能够实现更好的控制/质量。
189.例如，当液滴进入检测部19、29时，通过使用摄像头43和图像处理单元42进行实时目视来分析每个液滴的内容物。图像处理单元可以利用计算机或微控制器上的软件。在液滴通过入口11、21到达第一出口或废物出口的时间期间，由图像处理单元42做出将液滴发送到第一出口通道12、22或第二/废物出口15、25的决定。图像处理单元将信号发送到气动阀控制器5，以控制出口上的阻塞阀。例如，第二/废物出口15、25是连接到废物容器的出口，以从检测部19、29收集所有未表现出期望的封装内容物的液滴，也收集用于输送这些液滴的连续相。
190.图8b示出了图8a的实施例以及所述第一模块1和第二模块2中的每一个的一个附加出口13、23。相应的出口13、23中的每一个与相应的入口11、21和融合模块入口31流体连接。出口13、23中的每一个包括阻塞阀131、231。优选地，这些出口13、23分别与旁路16、26流体连接。如图8a所描述的，将出口连接的旁路16、26还通过微支柱与出口13、23分隔开。
191.图9示出了微流控模块100在运行中的图片。在不同的时间间隔拍摄的这些图片示出了来自每张图片的顶部通道的左侧的液滴的演变：每张图片的顶部通道即入口11、21和底部通道，验证通道中的演变。这些图片也可以看作是：顶部通道是第一模块入口11，且底部通道是第二模块入口21。因此，这些图片可以看作是示出了第一检测部19和第二检测部29。
192.图9最初示出了入口11、21与每张图片右上角的第一出口12、22和第二出口15、25的y形接合件。在时间t0＝0.2s，t1＝0.26s，t2＝0.32s，t3＝0.38s，t4＝0.44s，t5＝0.50s，t6＝0.54s，t7＝0.98s时拍摄图片。在刚刚提到的时间间隔内显示液滴(a)、(b)、(c)和(d)。在所有这些图片中，可以看到具有封装内容物的液滴(a)和(b)被引导到第一出口12、22。没有封装内容物的液滴(c)由于由气动控制构件5启动第一阻塞阀121、221和第二阻塞阀151、251的启动变化而被引导到第二/废物出口15、25，气动控制构件5由控制单元45和/或图像处理单元42根据与在所述检测部19、29中看到的液滴内容物有关的信息来启动。从所述检测部19、29看到的图像46例如是在图9中显示的图像。如图9所示的图像46包含液滴及其内容物在通过入口通道11、12和验证通道6时的信息。因此，图像处理单元42能够识别液滴内容物，并基于其内容物通过启动第一阻塞阀121、221或第二阻塞阀151、251而将任何液滴引导到第一出口12、22和第二出口15、25，来对任何液滴进行分类。图像处理单元42对在检测部19、29中通过摄像头43看到的图像46进行分析。从图9中，还可以看到，借助在图8a、图8b的描述中解释的旁路16、26，入口通道11、21中的流在接合件处被分割开，到达第一出口12、22和第二/废物出口15、25。旁路16、26使得连续相的流能够在第一出口12、22和废物出口15、25之间分割开。
193.图10a、图10b、图10c、图10d和图10e示出了本发明的包括在所述微流控模块100中的融合模块3的实施例。融合模块3用于液滴的聚合/合并。当通道中的两个连续液滴，即第一液滴和第二液滴由于将第一液滴阻挡在阻塞阀311前面，直到第二液滴到达并与第一液滴聚合为止而能够聚合时，观察到液滴的聚合或合并。图10a至图10e所示的融合模块的实施例具有位于阻塞阀311上游的微支柱37。当阻塞或部分地阻塞入口311以使连续相通过，
而不使液滴通过时，液滴保持限制在恰好在阻塞阀311之前与融合模块入口31对准的微支柱排之间。因此，连续相可以流过沟槽(314)，而液滴却被阻挡。图10a至图10e分别是图11a至图11e的示意图。
194.图10a和图11a在t＝0ms时拍摄，并示出了部分地阻塞的阀311和在第一模块12、13的出口内传送的第一液滴，如图8b或图12所示，第一模块12、13的该出口成为第一模块的公共出口。
195.图10b和图11b在t＝220ms时拍摄，并示出了所述第一液滴由被设置为阻塞状态的所述阻塞阀311阻挡。第一液滴与阻塞阀311表面接触，并位于侧向地界定融合入口31的两排微支柱之间。
196.图10c和图11c在t＝320ms时拍摄，并示出了在第二模块22、23的出口内部传送的第二液滴，如图8b或图12所示，第二模块22、23的该出口成为第一模块的公共出口。第二液滴朝着通过所述阻塞阀311在所述融合模块3内部固定不动的第一液滴移动。借助融合模块3中的微支柱排，可使第二液滴自由移动且不与第一液滴相互作用。
197.图10d和图11d在t＝440ms时拍摄，并示出了第一液滴和第二液滴接触但尚未合并/聚合。在该图中，阻塞阀311保持关闭。
198.图10e和图11e在t＝520ms时拍摄，并示出了合并/聚合液滴，合并/聚合液滴包含第一液滴内容物和第二液滴内容物。例如，当第一液滴和第二液滴发生接触时，可发生液滴的聚合。优选地，一旦阀311打开，则两个液滴合并。例如，可能需要暂时增加通道内部的压力，以增加流量并迫使液滴聚合。聚合液滴可以被部分地关闭的阀311阻挡以进行孵育或保留。通过打开融合阻塞阀311将合并的液滴从融合模块中送出去。来自出口通道12、13、22、23的连续相流使得合并的液滴能够推出去。例如在出口的阻塞阀关闭的情况下，由于连续相流过部分地阻塞的阀121、151、221、251的可偏转壁122、152、222、252下方的沟槽124、154、224、254，因此实现连续相的这种连续流动。
199.到达融合结构的液滴的轨迹受到微支柱的限制，而连续相油分布在融合腔室的整个宽度上。液滴减慢，直到液滴被阻挡在关闭的阀311前面为止。由微支柱形成的区域的长度使得可以储存所需数量的要合并的液滴。当两个液滴足够靠近时，打开阀311，使液滴加速并合并。阀311的控制通道313中用于关闭的压力例如为700毫巴。到达接合件处的液滴的频率为每秒20个液滴。
200.图12单独地示出了所述第一模块1或第二模块2。可以将两个以上的这种模块放置在一起以形成微流控装置，微流控装置能够将两个以上的封装液滴群共封装。例如，可以在微流控芯片上放置三个或四个这种模块以进行共封装。也可以预见更多个出口，以例如在共封装之前留出孵育时间。每个模块1、2的出口的数量并因此固定腔室/缓冲区的数量可以根据需要而增大，例如3个、4个、5个、6个、10个。通过打开阀，可以随时释放所有经缓冲的液滴，并将液滴发送到融合模块3。
201.图13示出了本发明的实施例的一部分的图片。第一模块1或第二模块2的三重分类和储存接合件的示例：一次仅打开一个阀，而其他阀关闭。这样就可以一次在一个出口中选择液滴。p
阀
＝700毫巴。到达分类接合件处的液滴频率＝20滴/秒。
202.图13a，121、221和131、231关闭，液滴储存在每个阀前面。151、251打开，液滴进入废物出口15、25。t＝0ms；
203.图13b，131、231打开：释放所储存的液滴，要储存的新的液滴进入第二出口13、23。t＝60ms
204.图13c，121、221打开：释放所储存的液滴，要储存的新的液滴进入第一出口12、22。t＝120ms。
205.阀的制备/制造。
206.用于成型的材料是聚二甲基硅氧烷(pdms)，其性质是：弹性体、透明、生物相容性、透气性(即氧气)。可以使用具有这些性质中的至少一种的任何其他材料或材料的组合。例如，在两层之间具有柔性膜(例如聚四氟乙烯)的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma，其名称也称为plexiglas)。例如，膜不一定是透明的。光学信息可从阀底部获取。所述微流控模块的其他部分不一定是柔性的。微流控模块的任何材料不必须是生物相容性的，也不必须是透气性的。材料性质在很大程度上取决于目标应用。
207.需要使用光蚀刻制造的两个复制母体：一个用于出口通道层的复制，一个用于控制通道层的复制。可以使用制造这两个母体的任何其他技术(激光烧蚀、微铣削、微加工、增材制造、3d打印)。
208.模块组件由分别制造的三层制成。pdms(或成型材料)用典型比例的预聚物和固化剂(重量比10∶1，道康宁公司的sylgard 184)来制备。使之充分混合，然后在真空下脱气。括号中示出了直径10cm的母体/晶片的持续时间、温度和重量。
209.在第一母体上浇铸/成型第一层(例如控制通道层)，其厚度为3mm至5mm(在10cm晶片上，3.8mm对应于30g)。使之部分地固化，直到其可拆卸且不粘为止(在烘箱中于85℃下持续约13分钟)。
210.在第一层的烘烤期间，对应于膜/可偏转壁的第二层通过在不带图案的空白晶片(例如硅或玻璃晶片)上旋涂来制造。典型地，分配2.5g的pdms，并在介于2000rpm至5000rpm之间的速度下旋涂，以在85℃下烘烤1小时之后获得介于11.7mm至31.3mm之间的厚度。然后，第二层部分地固化，直到第二层变软但不粘为止(在烘箱中于85℃下持续约3分30秒)。
211.然后小心地将第一层从第一母体上脱模、切割，然后将通道面朝下施加在部分固化的膜上，通道面向膜。该组件在85℃下烘烤至少一小时。
212.在烘烤之后，由第一层和膜组成的组件脱模，使膜保持附接到第一层。
213.在第二母体上以与第一层相同的厚度(3mm至5mm)成型第三层，第三层通常包含通道流(第一出口通道2和第二出口通道3)。然后使之完全固化(在85℃下持续1小时)，然后脱模并切割。该步骤可以提前(几天，几周)执行，或者可以与第一层同时执行。
214.用于入口通道1和出口通道2、3以及控制通道23、33的进出孔在第三层上打孔(第三层未附接到膜，以避免在膜上出现任何缺陷)。因此，所有通道(入口和出口)应在第二母体上取得，包括与第一层相对应的通道。
215.用电晕枪对第一层和第二层的组件的膜侧上的面以及第三层的通道面进行电晕处理，每个面处理持续40秒。然后使两个面对齐并接触地放在一起，注意不要引入气泡。也可以使用空气或氧气等离子设备代替电晕枪。
216.然后将完整的组件(3层)再次在烘箱中于85℃下烘烤1小时。之后，就可以使用了。组件可放置在基板(例如载玻片)上以提供刚性，但是不必永久地附接到基板。在制造期间，分别对应于入口通道1和出口通道2、3的两个层“流动”和“控制”可以颠倒。为了产生所需的
乳液，必须对通道进行适当的喷涂。例如，用于氟碳油包水性的液滴的aquapel涂料。
217.图6示出了根据本发明的实施例的用于模块制造的步骤：
218.‑
图6a示出了浇铸母体1(控制)；
219.‑
图6b示出了浇铸母体2(流动)；
220.‑
图6c示出了旋涂空白pdms膜；
221.‑
图6d示出了剥离浇铸体1并施加在膜上；
222.‑
图6e示出了剥离浇铸体2；
223.‑
图6f示出了包括浇铸体1、膜和翻转的浇铸体2的组件。
224.已经参照具体实施例描述了本发明，其目的仅是说明性的，且不应以任何方式视为限制性的。通常，本发明不限于在前文中示出和/或描述的示例。动词“包括”，“包含”，“由
……
组成”或其任何其他变型(包括其组合形式)的使用，不应以任何方式解释为排除所陈述的元件以外的元件的存在。使用不定冠词“一个”或“一”或者定冠词“该”来介绍元件，并不排除存在多个这样的元件。权利要求中引用的附图标记不限制其范围。
225.总之，本发明也可以描述如下。
226.用于两个颗粒群的液滴的共封装的微流控模块100，包括用于对所述两个群进行分类的第一模块1和第二模块2，所述模块1、2的第一出口12、22包括第一阻塞阀121、221，第一阻塞阀121、221被构造成至少部分地阻塞所述第一出口12、22，所述第一出口12、22流体连接到：
227.‑
融合模块3，融合模块3包括：
228.o融合模块构件30，融合模块构件30用于将来自第一液滴群的至少一个液滴与来自第二液滴群的至少一个液滴合并成包括所述两个颗粒群的合并液滴，
229.‑
控制单元4，控制单元4用于：
230.o根据来源于位于所述第一出口12、22上游的第一模块检测部19和第二模块检测部29的信息来控制所述第一阻塞阀121、221。