形成相对单分散液滴的装置和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求于2013年3月6日提交的美国临时专利申请序列号61/773, 604,标题 为"Devices and Methods for Forming Relatively Mondisperse Droplets" 的权益，其 在此通过引用将其全部引入。
技术领域
[0003] 总体上描述了用于分裂流体液滴的装置和方法。
[0004] 发明背景
[0005] 出于流体输送、产品制造、分析等目的，操作流体以形成所需构造的流体流、不连 续的流体流、液滴、颗粒、分散体等是相对充分研究的技术。在微流体系统中生产液滴的方 法的例子包括使用T形接头或流动聚焦（flow-focusing)技术。但是，这种技术典型地在 相对缓慢的层状或"滴下"条件工作，并且在一些应用中，需要更快的液滴产生速率，例如以 生产更多数目的液滴。
[0006] -些常规的流体装置尝试通过连接多于一个流体装置以并行形成颗粒来增产。但 是，对于一些应用例如工业应用而言，需要数千或甚至数百万的流体装置的并行。因此，流 体装置的生产量在它们的工业化变得可行之前必须明显提高。此外，在数千流体装置的阵 列中，甚至单个流体装置的失效都会导致较高的多分散性。因此，需要改进液滴生产系统和 方法。
【发明内容】
[0007] 总体上描述了用于分裂流体液滴的装置和方法。本发明的主题在一些情况中包括 相关的产品，对于具体问题可选的解决方案，和/或一种或多种装置和/或制品的多种不同 用途。
[0008] 在一方面，本发明总体上涉及一种制品。根据一组实施方案，该制品包括微流体型 通道，其中包括障碍物的二维阵列，其布置为多行基本上规则间隔的障碍物，该行布置为基 本上垂直于穿过该微流体型通道的平均流体流动的方向。在一些情况中，该基本上规则间 隔的障碍物的至少一些行相对于相邻的基本上规则间隔的障碍物的行是偏移的。
[0009] 该制品在另一组实施方案中包括微流体型通道，其中包括障碍物的二维阵列，其 布置为多行障碍物，该行布置为基本上垂直于穿过该微流体型通道的平均流体流动的方 向。在某些情况中，在穿过该微流体型通道的平均流体流动的方向上划过该障碍物阵列的 至少约90%的假想线与至少约40%的形成该阵列的障碍物行的障碍物相交。
[0010] 又一组实施方案总体上涉及一种制品，其包括微流体型通道，其中包括障碍物的 阵列，其布置为使得所有从上游进入该障碍物阵列的流体的流路至少发生五次方向变化 后，在该阵列下游离开。
[0011] 本发明在另一方面中总体上涉及一种方法。在一组实施方案中，该方法包括以下 操作：提供包括在微流体型通道内的障碍物二维阵列，和使多个液滴经过该障碍物阵列，以 将至少约50%的液滴分裂以形成多个分裂的液滴。在一些情况中，障碍物与接下来最近的 障碍物之间的平均距离小于约1mm。
[0012] 根据另一组实施方案，该方法包括以下操作：通过使多个液滴经过障碍物二维阵 列，以向该多个液滴施加剪切力，从而使该液滴分裂以形成多个分裂的液滴。在一些实施方 案中，该多个分裂的液滴具有一定的特性尺寸分布，以使得不大于约5%的分裂的液滴的特 性尺寸大于该多个分裂的液滴的平均特性尺寸的约120%或者小于约80%。
[0013] 又一组实施方案总体上涉及一种方法，其包括使液滴经过包括于微流体型通道中 的障碍物二维阵列，以将该液滴分裂来形成多个分裂的液滴。
[0014] 当结合附图考虑时，本发明的其他优点和新颖特征从本发明的以下各种非限制性 实施方案的详细描述将变得明显。在本说明书和通过引用并入的文件包括冲突和/或不一 致的公开内容的情况下，以本说明书为准。
【附图说明】
[0015] 本发明的非限制性实施方案将参考附图以实施例方式进行描述，其为示意性的而 不意在按比例绘制。在图中，所描述的各相同的或近乎相同的部分典型地由单一的数字表 示。出于清楚的目的，当允许本领域技术人员理解本发明而不需说明时，不是每个部分都标 在每张图中，也不是显示本发明的各实施方案的每个部分。在图中：
[0016] 图1显示了本发明一个实施方案的装置的图示。
[0017] 图2A-G显示了根据某些实施方案的多个障碍物的阵列和液滴分裂。
[0018] 图3显示了根据一个实施方案的装置的并行化。
[0019] 图4A-B显示了根据某些实施方案的液滴尺寸相对于毛细管数和间隙体积的图。
[0020] 图5A-C显示了根据一组实施方案，分散相的体积百分比，液滴尺寸和变化系数相 对于间隙体积的图。
[0021] 图6显示了根据一组实施方案，基于障碍物几何形状的液滴的特性尺寸分布。
[0022] 图7A-F显示了根据某些实施方案，不同障碍物几何形状的液滴分裂。
[0023] 图8A-E显示了根据某些实施方案，不同长宽比的液滴分裂。
[0024] 图9A-B显示了根据一组实施方案形成的颗粒。
[0025] 图10A-H显示了根据某些实施方案，不同长宽比的液滴分裂，和平均液滴直径相 对于长宽比的图。
[0026] 图IlA-F显示了根据一组实施方案形成的颗粒。
[0027] 图12显示了根据某些实施方案，液滴直径相对于流体速度的图。
[0028] 图13显示了根据一组实施方案形成的颗粒。
[0029] 图14显示了根据一组实施方案，液滴直径相对于行数的图。
【具体实施方式】
[0030] 总体上描述了用于分裂液滴的装置和方法。在一些实施方案中，一种制品可以包 括流体通道，其包括障碍物阵列。在某些实施方案中，该障碍物阵列的布置会影响流体在通 道中的流路。例如，该障碍物阵列可以用于将多分散的液滴群转化成相对单分散的液滴群。 使多分散的液滴群经过该阵列会产生液滴的分裂，以使得离开该阵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。该阵列中障碍物的布置在一些情况中可以允许 高生产量地生产基本上单分散的液滴群。在一些实施方案中，离开该阵列的液滴群可以转 化成颗粒。
[0031] 本发明的一方面总体上涉及用于分裂液滴的装置和方法。图1显示了一个非限定 性例子。如图1中所示例性地显示，流体装置10可以包括通道15,其含有障碍物阵列20 (为 了清楚，该插图显示了该阵列的放大区域）。进入该通道的流体25可以在箭头18的方向上 (其代表通道15中流体流动的平均方向）从上游16流到下游17。可以布置该流体装置， 以使得进入通道的流体在离开该通道之前经过障碍物阵列。在某些实施方案中，进入通道 的流体可以包含液滴，例如图1中的液滴30。流体25内的液滴可以经由任何合适的技术来 产生，例如乳液方法（例如本体乳化（bulk emulsification))，以使得流体液滴分散在连 续流体相中。典型地，该液滴是多分散的。在一些实施方案中，该液滴可以在阵列上游的装 置上形成。
[0032] 在一些实施方案中，可以布置该流体装置，以使得进入阵列的液滴可以作为分裂 的液滴离开，例如具有系统所要求的特性尺寸（例如装置的构造和/或流体的性质）。例 如，在一些实施方案中，该液滴可以通过阵列中的障碍物分裂成两个或更多个分裂的液滴。 该分裂的液滴在一些情况中还可以分裂。这种分裂过程可以持续直到来自于该液滴的全部 分裂的液滴具有大致地特定的特性尺寸为止，由此生产相对单分散的液滴。因此，如图1中 所示例性地显示，该流体装置可以用于将多分散的液滴30的群转化成相对单分散的液滴 35的群。
[0033] 在某些实施方案中，相对大数目的液滴可以基本上同时进入、占据和/或离开该 阵列，以便能够以高生产量来生产具有特定的特性尺寸的液滴。因此，虽然上面讨论了单个 液滴的分裂，但是这是为了清楚起见，并且在其他实施方案中，多个液滴可以同时经过障碍 物阵列。另外，在一些情况中，进入或离开该阵列的液滴在经过障碍物阵列之前和/或之后 可以经历另外的过程。例如，如图1中所示，在液滴离开通道之前，包含单体和光引发剂的 液滴可以暴露于紫外线以引起该液滴内的光聚合。
[0034] 如上所述，通道可以包含布置在阵列中的障碍物。在一个例子中，微流体型通道可 以在其中包括障碍物二维阵列，如图2A中所示。该障碍物可以规则地或不规则地位于通 道内；例如，该障碍物可以排列成多个行100、101、102、103、104和105,如图2A中所示。该 障碍物可以在多个行中基本上规则地间隔，或者一些或全部的行可以包含不规则间距的障 碍物。在某些实施方案中，该行可以布置为基本上垂直于流体流动的平均方向，如图2A中 所示，或者以其他方式定位为相对于流体流动的平均方向18呈非零度角。例如，该行也可 以对齐，以使得该行与流体流动的平均方向之间的夹角是约45°至约135°，约80°至约 100°，或者85。至约95。等。
[0035] 在一些实施方案中，在至少一些行中，障碍物的中心可以相对于相邻行（即接下 来最近的行）中的障碍物中心偏移。例如，如图2中所示，第一行100中的障碍物80的中 心可以从第二行101中的障碍物81的中心偏移，即相对于通道内平均流体流动的方向偏 移。在一组实施方案中，该障碍物可以偏移，以使得第一行100的两个障碍物的中心之间的 中点与相邻第二行中的障碍物81的中心对齐，如图2A中所示。在一些情况中，该阵列中全 部的障碍物行可以相对于相邻的障碍物行偏移，例如如图2A中所示，并且行100、102和104 相对于行101和103偏移。另外，在行与另一行对齐的实施方案中，该阵列可以描述为具有 列，例如如图2A中所示，具有列88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98和99，即使得该列通 过位于每个其他行中的障碍物来限定。但是，应当理解图2A中的阵列仅是示例，并且在其 他实施方案中，可以存在更多或更少数目的障碍物，行和/或列，和/或该障碍物本身也可 以具有多种不同的形状。另外，在一些情况中，障碍物的排列可以比图2A中所示的更不规 贝1J，或者障碍物可以不完全对齐，或者在一些情况中表现出不同类型的间距或偏移。
[0036] 在一些实施方案中，该阵列中的障碍物可以彼此相对密切地定位。例如，该阵列中 的障碍物可以布置为使得在通过该通道的平均流体流动的方向上划过该障碍物阵列的至 少约70% (例如，至少约80%，至少约90%，至少约95%，至少约98%，约100% )的假想线 与形成该阵列的至少约20% (例如，至少约30%，至少约40%，至少约50%，至少约60% ) 的障碍物行的障碍物相交。例如，如图2B中所示例性地显示，一系列假想线110可以在流 体流动的平均方向18上划过该阵列20。例如，如图2B中所示，在通过该通道的平均流体流 动的方向上划过该障碍物阵列的至少约90%的假想线可以与形成该阵列的至少约40%的 障碍物行的障碍物相交。
[0037] 另外，在某些实施方案中，该障碍物可以布置为该阵列，以使得所有从上游进入该 障碍物阵列的流体的流路至少发生五次方向改变（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次等方向改变）后，在该阵列下游离开。这 可以参考图2C来理解。如图2C所示，通过第一行100进入阵列的流路120和121可以在 遇到第二行101中的障碍物时改变方向，因为由于障碍物的存在，流路120不能继续直接向 前。为了横穿该阵列，在行107中的障碍物之间离开之前，不同的流路在它们遇到行102、 103、104、105和106中的障碍物时改变方向。另外，所有流路均需要至少一次改变方向而穿 过阵列（不过在一些情况中，可以存在绕过该阵列的流路，如图2A中所示）。
[0038] 在一些实施方案中，障碍物在阵列中的位置可以以阵列的平均间隙面积和/或体 积的方式来描述。平均间隙面积可以定义为平均水平间距（即行中障碍物和接下来最近的 障碍物之间边到边的距离）和平均竖直间距（即列中障碍物和接下来最近的障碍物之间边 到边的距离）所限定的面积，如图2A中所示。例如，在该图中，平均水平间距46通过行中障 碍物41和接下来最近的相邻物42之间边到边的距离（即障碍物最接近的边之间的最短直 线距离）来定义，和平均竖直间距47通过列中障碍物43和接下来最近的相邻物44之间边 到边的距离来定义（要注意在图2A中，该测量跳过了行，例如，在行102的障碍物和行104 的障碍物之间延伸，同时绕过行103中的障碍物）。从这些测量，间隙面积可以将平均水平 间距乘以平均竖直间距来计算，并且间隙体积可以将平均间隙面积乘以流体通道的高度来 计算。
[0039] 如这里所述，含有障碍物阵列的通道可以用于分裂液滴，例如当该液滴遇到阵列 内不同的障碍物时。在图2D-G中可以看到根据本发明不同的实施方案，不同的液滴分裂过 程的图示，其作为说明性例子（但是在一些实施方案中，阵列内存在的多个液滴和/或多于 一种的以下机理可以一起发挥作用；这里为了清楚起见，显示了单个液滴）。如图2D中所 示，障碍物二维阵列20上游的液滴50可以在流体流动的平均方向18上朝着阵列流动。在 一些实施方案中，该障碍物阵列会影响液滴的流路。例如，如图2E中所示，液滴50可以通 过第一行障碍物26中的障碍物21和接下来最近的障碍物22之间的间断24进入该阵列。 该液滴然后会遇到第二行障碍物27中的障碍物23。通过多种机理，如下所述，这种遇到会 使该液滴分裂成两个或更多个液滴。
[0040] 障碍物在一些实施方案中可以排成阵列，以使得液滴在离开该阵列之前遇到多个 障碍物。例如，在横过该阵列时，液滴会遇到该阵列至少10 %、至少20 %、至少40 %、至少