CN102458630B - 用于产生分散的微流控装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于产生分散的微流控装置(1)和方法。装置包括液滴形成单元(3)，液滴形成单元包括用于将待分散相第一物质提供给液滴形成单元的进料口(2)和用于在连续相第二物质中形成待分散相第一物质的液滴的长方形液滴形成口(14)，液滴形成口具有第一最小尺寸W和第二最大尺寸L，其中液滴形成口的第二尺寸L是液滴形成口的第一尺寸W的50倍以上。液滴形成单元具有在从进料口到液滴形成口的方向中的第三尺寸D，其中第三尺寸D是第一尺寸W的2.5倍以上。微流控装置还包括与用于将待分散相第一物质送入液滴形成单元的进料口流体连通的进料结构，其中液滴形成单元的流阻大于进料结构的流阻。

Description

用于产生分散的微流控装置和方法
技术领域
本发明涉及用于产生分散的***。本发明还涉及用于产生分散的微通道装置，包括用于提供待分散相第一物质的进料口、具有可为提供连续相物质产物而提供的第二深度的引导通道、以及在进料口与引导通道之间形成流体连接的连接通道，其中连接通道开口到引导通道中。
背景技术
在科研与产业中，具有0.1-100μm液滴尺寸的单分散乳液是非常重要的。但是，传统的乳化技术产生具有典型的约40％的变异系数(CV)的宽液滴尺寸分布。而且，当加热时消耗进入产品中的大部分能量。
最近，已经开发了产生更多单分散乳液的几种新的节能的液滴形成***。
一种已知的能够产生高度单分散液滴的用于产生分散的***使用所谓的单滴技术，例如流动聚焦装置，同流***，T型、Y型或交叉连结，以及微通道。在这些单滴***中，进料通道将待分散相物质提供给引导连续相物质的引导通道。在进料通道开口到引导通道中的位置处，一次一个(连续地)地形成液滴。
这些单滴***的一些产生期望范围内的液滴。但是，认为容积产率太低，对于较大规模应用不具有实际相关性。
为了实现更高的容积生产率，扩大这些***是有益的。在前面提及的单滴***中，连续地形成液滴，需要液滴形成单元(DFU)的质量平行。在诸如流动聚焦、同流装置和不同连结类型的剪式***中，待分散相流和连续相流需要在每个DFU中被精确地控制，因为流速对液滴尺寸有极大的影响。因此，扩大用于产生液滴的剪式***是复杂的，因为它不仅涉及结合更多的液滴形成单元，还包括液滴形成单元中流控制，这绝非小事。
另一种已知的用于产生分散的***称为所谓的微通道(MC)***。在微通道***中，长方形进料通道将待分散相产物提供给引导连续相(产物基质(product matrix))的引导通道。微通道中的液滴形成经常称作自发的液滴形成。在该微通道***中，仅需要控制待分散相的流动。连续流速不是适用于调节液滴产生的参数，因为液滴形成不是由剪切力所引起的，而是通过引发在正形成的液滴上的表面张力的不稳定性的喷嘴几何形状所导致的。低流速仍然用于从DFU输送液滴，因为否则它将被液滴所阻塞。
微通道***看来更适于扩大；尤其Kobayashi和其同事的直通微通道装置看来很有希望(I.Kobayashi等人的M.Microfluid Nanofluid2008，4，167)。通过Kobayashi，使用具有不同通道尺寸的直通MC板，成功地产生具有4.4-9.8μm液滴直径、5.5-2.7％CV的单分散乳液。不幸地，对于具有最小微通道的板，作为液滴产生通道的百分比的通道效率小于1％，并且对于具有较大微通道的板，通道效率只能到12.3％。这可能是由于***中的压力梯度，如Abrahamse(A.J.Gijsbertsen-Abrahamse等人AICHEJ.2004，50，1364)对于利用与Kobayashi的***相似的微孔筛进行乳化所广泛讨论的。此外，制造误差也可能引起如Kobayashi和其同事提到的低通道效率。
Kobayashi还介绍了亚微米通道阵列(I.Kobayashi等人Colloids &surfaces A 296(2007)，285)，以高通道效率产生具有1.5μm的液滴。这种***具有结构复杂的缺点，因为需要很小的凸台，其具有7.4-8.8μm的宽度、3.2-5.5μm的长度和0.32-1.4μm的高度。这些结构相对难以制作，尤其是当***中的所有凸台的尺寸需要基本相同(用于窄的液滴尺寸分布)时。
本发明的目标是提供一种更适于扩大(scale-up)的用于产生分散的***和/或装置。
发明内容
本发明人意识到，可以通过提供坚固的用于产生分散的***和/或装置实现上述目标，其中存在多液滴形成机理，同时从同一个液滴形成单元自发地产生多个窄分散的液滴。
为了实现上述目标，根据本发明提供了用于产生分散的微流控装置，包括液滴形成单元(DFU)，液滴形成单元包括进料口和长方形液滴形成口，进料口用于将待分散相第一物质提供给液滴形成单元，长方形液滴形成口用于在连续相第二物质中形成待分散相第一物质的液滴，液滴形成口具有例如宽度W的第一最小尺寸和例如长度L的第二最大尺寸，其中液滴形成口的第二尺寸L是液滴形成口的第一尺寸W的50倍以上，液滴形成单元在从进料口向液滴形成口的方向中具有例如深度D的第三尺寸，其中第三尺寸D是第一尺寸W的2.5倍以上，其中微流控装置还包括与用于将待分散相第一物质送入液滴形成单元的进料口流体连通的进料结构，其中液滴形成单元的流阻大于进料结构的流阻。使用时，待分散相第一物质通过进料结构提供给液滴形成单元的进料口，同时连续相第二物质出现在或流经液滴形成口。液滴形成口限定使用时待分散相与连续相之间的界面存在的位置。液滴形成单元在液滴形成口处在连续相第二物质形成第一物质的液滴。
发明人意识到，通过提供具有长方形液滴形成口的液滴形成单元，可以使多液滴同时形成机理发生，同时从同一个液滴形成单元中自发地产生多个窄分散的液滴，其中长方形液滴形成口具有是该液滴形成口的第一尺寸的50倍以上的第二最大尺寸、具有是第一尺寸的2.5倍以上的第三尺寸和具有比进料结构的流阻大的流阻。本文中，液滴形成单元可以具有很简单的几何结构。应当理解，通过例如在单个基板上并排地设置多个例如微通道的液滴形成单元来同时产生多个液滴也是可行的，尽管这将产生比根据本发明的微流控装置更复杂的几何结构。
还可能的是，液滴形成口的第二尺寸L是液滴形成口的第一尺寸W的80倍以上、优选是100倍以上、更优选是150倍以上、最优选是200-500倍以上。这样使更多的液滴从同一进料通道同时形成。应当理解，假设液滴形成单元保持几何结构稳定，液滴形成口的第二尺寸L甚至可以是第一尺寸W的10.000倍以上。
优选地，液滴形成单元具有横截面，该横截面横向于优选地垂直于从液滴形成单元中的进料口到液滴形成口的流向测量的，横截面具有与液滴形成口的第一尺寸W平行的第一尺寸和与液滴形成口的第二尺寸L平行的第二尺寸，使得横截面满足以下条件：在液滴形成单元的第三尺寸这里为深度的范围内液滴形成单元的第二尺寸至少是液滴形成单元的第一尺寸的50倍，液滴形成单元的第三尺寸是从液滴形成口向进料口测量的，等于或大于液滴形成单元的第一尺寸的2.5倍。
优选地，液滴形成单元具有横截面，该横截面横向于优选地垂直于从液滴形成单元中的进料口到液滴形成口的流向测量的，使得液滴形成单元的第一尺寸等于或大于液体形成口的第一尺寸，并且横截面满足以下条件：在液滴形成单元的第三尺寸这里为深度的范围内液滴形成单元的第二尺寸至少是液滴形成单元的第一尺寸的50倍，液滴形成单元的第三尺寸是从液滴形成口向进料口测量的，等于或大于液滴形成单元的第一尺寸的2.5倍。已经发现，该最小的第三尺寸帮助液滴形成单元以使多液滴同时形成机理发生，同时从同一个液滴形成单元中自发地产生多个窄分散的液滴。还已经发现，如果第三尺寸太小，例如约等于液滴形成口的第一尺寸，将阻止多液滴同时形成。已经发现，该最小的第三尺寸帮助液滴形成单元以使多液滴同时形成机理发生，同时从同一个液滴形成单元中自发地产生多个窄分散的液滴。还已经发现，如果第三尺寸太小，例如约等于液滴形成口的第一尺寸，将阻止多液滴同时形成。
液滴形成单元可以形成为腔，腔具有在进料口与液滴形成口之间形成流体连通的中空内部。然后腔可以具有如前一段落所述的横截面和深度。
液滴形成单元可以具有基本恒定的横截面。基本恒定的横截面可以对应于液滴形成口的尺寸。基本恒定的横截面可以是大体矩形的。
在特定实施方式中，液滴形成单元具有(基本)恒定的矩形横断面，矩形横断面具有与液滴形成口的第一尺寸W对应的第一尺寸W、和与液滴形成口的第二尺寸L对应的第二尺寸L。在这种情况下，液滴形成单元具有第三尺寸D，其中横截面在整个第三尺寸D上是(基本)恒定的。对于此液滴形成单元，认为液滴形成单元的第二尺寸是液滴形成单元的第一尺寸W的50倍以上，液滴形成单元的第三尺寸D是液滴形成单元的第一尺寸W的2.5倍以上。
在不希望被任何理论限制的情况下，本发明人发现：发明人发现使用时在根据本发明的微流控装置中，液滴形成的最小相互距离是液滴直径2-7倍。此外发明人发现使用时在根据本发明的微流控装置中，所形成的液滴的直径Ddrop大约是第一尺寸的5-8倍。(Ddrop＝5·W至8·W).
在不希望被任何理论限制的情况下，当液滴形成口的第二尺寸约是液滴形成口的第一尺寸50倍以上时，即L/W＞50时，微流控装置能够同时从同一个液滴形成单元形成多个液滴。
应当理解，如果液滴形成单元具有与液滴形成口的尺寸(L×W)相对应的基本恒定的矩形横断面，其中液滴形成单元在从进料口到液滴形成口的流向中具有深度D，连接通道的体积是L×W×D。液滴形成单元的流阻RDFU可以由RDFU＝K·D/(W3·L)进行估算，其中K是几何相关的常数，在这种情况下K等于12(参见Perry′s 7th edition，公式6-36和6-51)。应当理解，可以较容易地制造具有基本恒定的矩形横断面的液滴形成单元。
如果将进料结构选择为具有基本恒定矩形横截面的通道，进料结构可以被限定为具有在与液滴形成口宽度W平行的方向中的宽度Wfs、在与液滴形成口的长度L平行的方向中的长度Lfs、以及在与液滴形成单元的深度D平行的方向中的深度Dfs。进料结构的流阻Rfs由Rfs＝K·Dfs/(Wfs 3·Lfs)进行估算。在优选实施方式中，进料结构的宽度Wfs基本等于液滴形成口14的宽度W。应当理解，在这些实施方式中，如果Dfs/Lfs＜D/L，液滴形成单元的流阻RDFU大于进料结构的流阻Rfs。这为用于根据本发明的微流控装置的可能几何结构提供了简单的设计方针。
应当理解，液滴形成单元的流阻还可以简单地制成为大于进料结构的流阻，即进料结构的横截面(远)大于液滴形成单元的横截面。
优选地，待分散相物质通过进料口送入连接通道的进料速率被选择为使得多个液滴的同时形成不会使连接通道的待分散相物质的减少。发明人已经发现，根据液滴形成单元的长度，由单个根据本发明的液滴形成单元每一微秒可以形成几个以至数百个液滴。优选地，待分散相物质的进料速率至少是每一微秒将被形成的液滴的体积的100倍。例如，对于具有1.2μm的第一尺寸W的液滴形成口，进料速率优选地至少是11微升每秒，优选地至少30μl/s。应当理解，进料速率可能受到将待分散相物质送到DFU的进料口的进料通道的流阻的影响。
应当理解，同时从同一个进料通道形成多个液滴显著地增加每一DFU的液滴产率，因此使得根据本发明的装置很好地适合扩大液滴的产量。后者对例如产生大量的分散是有益的，如下详述。此外对于根据本发明的装置，连续相产物的流速不是用于液滴产生的规定参数，因为剪切力不起作用并且液滴是通过可能由通过液滴形成口的几何结构所引发的在形成的液滴上的表面张力中的不稳定性产生的。
在实施方式中，微流控装置还包括用于提供连续相的第二物质和收集形成的液滴的收集结构，其中液滴形成口开口到引导结构中。
在实施方式中，通过具有与液滴形成口的第一尺寸对应的宽度的凸台形成液滴形成单元。因此，可以形成具有简单几何构造的微流控装置，其中可以通过凸台连接进料结构和收集结构。
优选地，液滴形成口的第一尺寸例如凸台的宽度比在沿液滴形成口的第一尺寸方向中的收集结构的深度小10倍以上，更优选地50倍以上。因此，在液滴形成口处形成小液滴或气泡的过程不会被引导通道的物理边界的存在所干扰。
优选地，液滴形成口的最小第一尺寸是0.05-25um，更优选地是0.1-2um。发明人发现，根据本发明的装置提供具有约为液滴形成口的第一尺寸的5-8倍的直径的液滴。因此，用于液滴形成口第一尺寸的优选尺寸范围提供在期望范围中的液滴，该期望范围例如是0.1-200微米。
在一个实施方式中，优选地，进料结构、收集结构和凸台覆盖有顶篷(ceiling)。
可以在基板中加工或者在例如基本平的基板上使用间隔建造微流控装置，该微流控装置例如是进料结构、DFU(例如凸台)和收集结构，该加工例如是铣削(milled)、刻蚀、形成路线(routed)、喷砂和/或注模。优选地，在例如硅基板的半导体基板中刻蚀(例如以实质光刻工艺)进料结构、DFU和收集结构，但是其它基板材料也是可能的，例如玻璃、金属(例如不锈钢)或聚合体。基板可以覆盖有诸如玻璃板的顶篷，例如结合至基板以封闭各个结构。还可以使用第一基板作为第二基板的顶篷。
优选地，液滴形成单元(例如凸台)在与液滴形成口垂直的方向中具有深度D，以使得在使用时，待分散相物质基本在整个第二尺寸上填充液滴形成单元。应当理解，液滴形成单元的适当的深度可以取决于待分散相物质与连续相物质之间的表面张力，连续相物质任选地包括适当的乳化剂或稳定剂。还应当理解，液滴形成单元的适当深度D可能取决于液滴形成口的第二尺寸，例如对应于液滴形成单元或凸台的宽度W，和/或对应于在与液滴形成口的第二尺寸W平行的方向中的进料口的宽度Wf。
应当理解，如果进料口的长度Lf基本等于或大于液滴形成口的第二尺寸L(例如凸台8的长度Lp)，则例如与凸台的深度对应的液滴形成单元的深度D可以很短，例如几微米的数量级。另一方面，如果进料口的长度Lf远小于第二尺寸L，那么液滴形成单元的深度D可能需要更长，例如基本等于第二尺寸L。
本发明还涉及用于产生分散的***，包括多个根据本发明的微流控装置。
在实施方式中，***包括基板，在基板上具有多个根据本发明的微流控装置。优选地，各个装置的进料结构流体连通。优选地，各个装置的收集结构流体连通。优选地各个装置的液滴形成单元被布置为使得待分散相物质流过并排的各个液滴形成单元。因此，可以获得具有增加的产率的***。应当理解，多个该基板可串联和/或并排地连接。
附图说明
将参照附图通过非限制的实施例来进一步对本发明进行说明，其中：
图1示出根据本发明的微流控装置的示意图；
图2示出根据本发明的替代微流控装置的示意图；
图3a-3e示出在操作期间各个阶段的根据本发明的微流控装置的俯视图；
图4a和4b示出根据本发明的***的实施例的示意图；
图5a示出根据本发明的替代微流控装置的示意图；
图5b示出根据本发明的替代微流控装置的示意图；
图6示出利用示例性微流控***产生的乳液的尺寸分布，角落处的小图片是通过显微镜显现的生成乳液；
图7a-7h示出在液滴形成期间油相与水相之间的界面的典型形状；以及
图8示出液滴直径随施加到进料结构的压力的变化而变化的图示。
具体实施方式
图1示出根据本发明的微流控装置1的示意图。在图1中，装置1包括液滴形成单元(DFU)3。液滴形成单元3包括进料口2。液滴形成单元3还包括液滴形成口14。在图1中，液滴形成口14是长方形的，尤其是矩形的。液滴形成口14具有第一最小尺寸或宽度W。液滴形成口14具有第二最大尺寸或长度L。
在图1中，液滴形成单元3被设计成在进料口2与液滴形成口14之间形成流体连接的连接通道6。在此实施例中，连接通道6设计为具有基本恒定横截面的槽(slot)8′。在此实施例中，连接通道6的横截面与液滴形成口14的尺寸L和W相对应。因此，在此实施例中，液滴形成单元3的宽度等于液滴形成口14的宽度W。而且，在此实施例中，液滴形成单元3的长度等于液滴形成口14的长度L。连接通道6具有深度D，定义为在从进料口2到液滴形成口14的方向上的长度。在此实施例中，液滴形成单元3的深度等于连接通道6的深度D。虽然在图1中，进料口2小于液滴形成口14，但是应当理解进料口2还可以等于或大于液滴形成口14。
需要注意，图1是示意性的，并不是按比例绘制的。在此实施例中，液滴形成口14的长度L例如可以是5500μm，液滴形成口14的宽度W可以是2.6μm，连接通道6的深度D可以是25μm。因此，液滴形成口14的第二最大尺寸L远大于液滴形成口14的第一尺寸W，这里大4500倍以上。因此液滴形成单元3的第三尺寸D大于液滴形成口14的第一尺寸W，这里大于9倍以上。
在图1的实施例中，进料结构2′的长度Lfs例如可以是5500μm，进料结构2′的宽度Wfs例如可以是2.6μm，进料结构2′的深度Dfs可以是5μm。
在图1的实施例中，液滴形成单元3的流阻RDFU可以通过RDFU＝K·D/(W3·L)进行估算，其中，K是几何相关常数，在这种情况下K等于12(参见Perry′s 7th edition(Perry的第7版)，公式6-36和6-51)。因此，图1的液滴形成单元3的流阻约为3.1m-3。进料结构的流阻Rfs可以由Rfs＝K·Dfs/(Wfs 3·Lfs)进行估算。因此，图1的进料结构2′的流阻约为0.62m-3。因此，在此实施例中，液滴形成单元3的流阻大于进料结构2′的流阻。
液滴形成单元3，即进料口2、液滴形成口14和连接通道6，在此实施例中设置在基板(substrate)10中。在此实施例中，进料口2与进料结构2′流体连接以将待分散相第一物质提供给液滴形成单元3。此外，使用时，图1的装置1可被设置以使液滴形成口14与连续相第二物质所在的收集结构流体连通，使得连续相第二物质出现在或流经液滴形成口14。
可以对至此相对于图1描述的微流控装置1进行如下操作。
将待分散相第一物质PD提供给进料口2。在此实施例中，将待分散相物质PD提供给进料口2的进料速率可以约为340μl/s。将连续相第二物质PC提供给收集结构以出现在液滴形成口14。在此实施例中，连续相可以是水相。在此实施例中，待分散相可以是油相或气相。应用压力差以使待分散相物质PD相对于连续相物质PC处于超压。超压可以约为0.01-10bar。
待分散相物质PD经由进料口2流入液滴形成单元3。待分散相物质PD将取代存在于液滴形成单元3中的连续相物质PC，这里在连接通道6中，直到液滴形成单元3基本完全被待分散相物质填充。
当继续将待分散相物质PD送入进料口2中时，在液滴形成口14处将发生液滴形成。可以同时在沿液滴形成口14的长度L的多个位置处发生液滴形成。在液滴形成口14处形成的液滴尺寸将是非常均匀的。当形成时，液滴将被迫离开液滴形成单元3并进入连续相物质PC的(流)中。
图2示出根据本发明的替代的微流控装置1的示意图。在图2中，装置1包括进料结构2′。进料结构2′具有深度Dfs和第一宽度Wfs。在图2中，装置1还包括收集结构4。收集结构具有深度Dcs和第二宽度Wcs。在图2中，装置1还包括液滴形成单元3，液滴形成单元3被设计成在进料结构2′与收集结构4之间形成流体连接的连接通道6。在此实施例中，液滴形成单元3设计为凸台(plateau)8。液滴形成单元3和进料结构2′在进料口2处流体连通。
在此实施例中，进料结构2′、收集结构4和液滴形成单元3设置在基板10上。朝向顶侧，结构2、4、6被盖12封闭，图2中以虚线示出。应当理解，代替单独的盖12，还可以将另外的基板置于基板10的顶部，以封闭结构2、4、6的顶侧。
在图2中，连接通道6在长方形的液滴形成口14处开口到收集结构4中。
应当理解，在此实施例中，液滴形成口14的第一最小尺寸或宽度W与凸台8的宽度Wp相对应。应当理解，在此实施例中，液滴形成口14的第二最大尺寸或长度L与凸台8的长度Lp相对应。
需要注意，图2是示意性的，不是按比例绘制的。在此实施例中，液滴形成口14的长度L例如可以是500μm，液滴形成口14的宽度W可以是1.2μm，连接通道6的深度D可以是200μm。因此，液滴形成口14的第二最大尺寸L远大于液滴形成口14的第一尺寸W，这里大190倍以上。更为通常的，液滴形成口14的第二最大尺寸L远大于液滴形成口14的第一尺寸W，即大50倍以上。已经发现，如果第二尺寸L是第一尺寸W的80倍以上、优选100倍以上，可以获得更好的结果。应当理解，在图2中，液滴形成单元具有恒定的横截面，该横截面是垂直于从液滴形成单元中的进料口到液滴形成口的流向测量的。在此实施例中，液滴形成单元的第一尺寸Wp等于液滴形成口的第一尺寸W。此外，横截面满足以下条件：液滴形成单元的第二尺寸Lp至少是液滴形成单元的第一尺寸Wp的50倍。
液滴形成单元3的第三尺寸D大于液滴形成口14的第一尺寸W，这里大166倍以上。更为通常的，液滴形成单元的第三尺寸D大于液滴形成口14的第一尺寸W，即大2.5倍以上。已经发现，如果第三尺寸D是第一尺寸W的5倍以上、优选是10倍以上，可以获得更好的结果。应当理解，在图2的实施例中，液滴形成单元的横截面(Wp、Lp)满足以下条件：在从液滴形成口14向进料口2测量的液滴形成单元的第三尺寸D的范围内，液滴形成单元的第二尺寸Lp至少是液滴形成单元的第一尺寸Wp的50倍，其中此第三尺寸D是液滴形成单元的第一尺寸Wp的2.5倍以上。
在图2的实施例中，进料结构2′的宽度Wfs基本等于液滴形成单元3的宽度W。在此实施例中，进料结构2′的长度Lfs是300μm。在此实施例中，进料结构2′的深度Dfs是40μm。
在图2的实施例中，液滴形成单元3的流阻RDFU可以由RDFU＝K·D/(W3·L)进行估算，其中K是几何相关常数，在这种情况下K等于12(参见Perry′s 7th edition(Perry第7版)，公式6-36和6-51)。因此，图2的液滴形成单元3的流阻约为2.78m-3。进料结构的流阻Rfs可以由Rfs＝K·Dfs/(Wfs 3·Lfs)进行估算。因此，图2的进料结构2′的流阻约为0.93m-3。因此，在此实施例中，液滴形成单元3的流阻大于进料结构2′的流阻。
在图2中，液滴形成口14第一最小尺寸W小于收集结构4的宽度Wcs。优选地，第一尺寸W比收集结构4的宽度Wcsg小10倍以上、优选50倍以上。
可以对至此相对于图2描述的微流控装置2进行如下操作。
在箭头F的方向(参见图3a)，将待分散相第一物质PD经由进料结构2′提供给液滴形成单元3。在此实施例中，将待分散相物质PD提供给进料口2的进料速率可以约为11μl/s。在箭头G的方向(参见图3a)，将连续相第二物质PC提供给收集结构4。在此实施例中，连续相可以是水相。在此实施例中，待分散相可以是油相或气相。应用压力差以使待分散相物质PD相对于连续相物质处于超压。超压可以约是0.01-10bar。
待分散相物质PD流过进料口2进入凸台8(参见图3b)。待分散相物质PD将取代凸台8上存在的连续相PC产物，直到凸台基本完全被待分散相物质覆盖(参见图3c)。应当注意，因为拉普拉斯压力差，凸台8的拐角可能没有待分散相物质。然后液滴形成单元3将基本完全被待分散物质填充。
当继续将待分散相物质PD送入进料口2时，将在凸台8的边缘16处发生液滴形成(参见图3d)。可以同时在在凸台8的边缘16处的多个位置处发生液滴形成。在凸台8的边缘16处形成的液滴的尺寸将是非常均匀的。再者，由于拉普拉斯压力差，可以不使用凸台8的拐角。
当形成时，液滴将进入收集结构4中，并且将通过连续相物质PC的流动被迫离开装置1(参见图3e)。
凸台8宽度(Wp)与收集结构4宽度(Wcs)之间的差被认为在自发的液滴产生中发挥作用。优选地，收集结构4的宽度Wcs至少比凸台8的宽度Wp大10倍，更优选地至少大50倍，最优选地至少大80倍。
在图1的实施例中，DFU 3的连接通道6的体积V约为3.575·105μm3。此外，待形成的液滴的体积Vdrop至少约为1150μm3(65·W3)。因此，连接通道1的体积约是待形成的液滴的体积的310倍。
在图2的实施例中，DFU的连接通道6的体积V约为1.2·105μm3。此外，待形成的液滴的体积Vdrop至少约为112μm3(65·W3)。因此，连接通道的体积约是待形成的液滴的体积的1070倍。
更通常地，连接通道6的体积V优选地被选择为使得它至少是待形成液滴的体积Vdrop的100倍。因此，连接通道可以包含足够量的待分散相物质，以将待分散相物质提供至多个同时形成的液滴。
应当理解，在图1和图2的实施例中，将待分散相物质PD通过进料口2送到连接通道6的进料速率至少是每微秒待形成的液滴体积Vdrop的100倍。应当理解，因此，进料速率被选择为使得多个液滴的同时形成不会使连接通道中的待分散相物质减少。
根据本发明的微流控装置非常适合于以有效方式扩大处理。对于现代的刻蚀技术而言，制造槽或凸台不是大的挑战。此外，可以考虑微流控装置1是自动调节的；沿液滴形成口14的液滴形成位置可以同时在多个位置处。此外，微流控装置的操作是简单的。增压后，连接通道6填充有待分散相物质，即使存在影响流型的某个干扰因素(例如灰尘的污点)，液滴形成口14的相对于其宽度W相对大的长度L使连接通道6被有规则地填充。
应当理解，通过以并排方式放置多个根据本发明的微流控装置，可以适当地扩大。附加地或可替代地，可以增加液滴形成口14的长宽比，以增加可用于液滴形成的区域。例如可能地，液滴形成口的长度L是宽度W的150倍以上，或者甚至250倍或500倍以上。优选地，用于具有该大长宽比的液滴形成单元的进料结构被设计以使进料结构的流阻小于液滴形成单元的流阻。
图4a示出包括多个根据本发明的微流控装置且用于产生分散的***的实施例。在图4a的实施例中，单个基板10包括多个液滴形成单元3.i(i＝1，2，3，...)，液滴形成单元3.i被设计成连接公共的进料结构2和公共的收集结构4的连接通道6.i。在此实施例中，多个连接通道6.i的每个连接通道6.i形成凸台8.i。在此实施例中，进料结构2′的宽度Wfs被选择为大于凸台8.i的宽度Wp，而每个装置的进料通道的长度Lfs等于每个装置的凸台的长度Lp。因此，用于每个装置的进料结构的流阻可以容易地选择为小于每个液滴形成单元的进料阻力。
图4a示出的***可以包括如图2所示的盖12。还可能的是，叠放多个根据图4a的基板，随后的每个基板形成用于下一个在下的基板的盖。如果叠放的基板被可拆卸地连接，例如夹在一起，基板可以相对于彼此被移除，以容易地清洗基板。
图4b示出包括多个根据本发明的微流控装置且用于产生分散的***的另一实施例。图4b的实施例中，单个基板10包括多个被设计成连接通道6.i的液滴形成单元3.i(i＝1，2，3，...)，每个连接通道6.i终止于液滴形成口14.i处。在图4b的实施例中，连接通道6.i被设计成如图1所示的槽。而且在此实施例中，所有连接通道6.i都可以与公共的进料结构2′流体连通，和/或开口到公共的收集结构4中。
应当注意，在图4a中，进料结构2′通向连接通道6.i处的长度Lfs基本等于连接通道6通向收集结构4处的长度Lp。因此应当理解，凸台8.i的整个宽度可以容易地填充有待分散相物质。这里参考也在那种情况下的图2和3c，其中进料结构2′在连接通道6处的长度Lfs小于液滴形成口14.i在收集结构4处的长度L，凸台的整个宽度填充有待分散产物。
应当理解，如果进料口在连接通道6处的长度Lfs基本等于或大于液滴形成口的第二尺寸L(例如凸台8的长度Lp)，则例如与凸台8的深度Dp对应的连接通道的深度D可以很短，例如几微米的数量级。
另一方面，如果进料口在连接通道6处的长度Lfs远窄于第二尺寸L，那么连接通道6深度D可能需要更长，例如基本等于第二尺寸L，以使待分散相物质PD填充连接通道6的整个长度L。
应当理解，如果进料结构2′在液滴形成单元3处的长度Lfs基本等于或大于液滴形成口的第二尺寸L(例如凸台8的长度Lp)，则可以容易地使液滴形成单元3的流阻大于进料结构的流阻。
应当理解，图4b所示的***可以称为具有多个槽的板状结构10。这些槽的长度L和宽度W被选择为使得长度是宽度的50倍以上。槽可以被设计以使每个槽的进料口与液滴形成口14.i具有基本相同的尺寸。在此情况下，每个液滴形成单元的深度D等于板状结构10的厚度。每个液滴形成单元的深度D被选择为使深度D至少是槽的宽度W的2.5倍。应当理解，进料结构可以由中空空间形成，该中空空间设置在板状结构的底侧处、进料口2附近和与所述进料口流体连通。该进料结构的尺寸可以被容易地设计为使进料结构的流阻小于结合的液滴形成单元的流阻。因此，可以确保为液滴形成单元适当地填充待分散相物质。
图5a示出用于产生分散的微流控装置1的另一实施例。在图5a中，装置1包括液滴形成单元(DFU)3。液滴形成单元3包括进料口2。液滴形成单元3还包括液滴形成口14。在图5a中，液滴形成口14包括多个段15.j(j＝1，2，3，...)，多个段15.j连接在一起以形成液滴形成口14，液滴形成口14的总(展开的)长度是液滴形成口的宽度的50倍以上。应当理解，在液滴形成口14中的各个段接合的拐角可以作为液滴成核结构，以帮助同时形成多个液滴。更为通常地，该成核结构可以通过在液滴形成口的平面中液滴形成口的方向的变化而形成。
图5b示出用于产生分散的微流控装置1的又一实施例。在图5b中，装置1包括液滴形成单元(DFU)3。液滴形成单元3包括进料口2。液滴形成单元3还包括液滴形成口14。在图5b中，液滴形成单元3包括多个成核结构17.k(k＝1，2，3，...)。在此实施例中，该成核结构17.k被设计成局部加宽液滴形成单元3的宽度W。成核结构作为用于液滴产生的优选位置。优选地，两个相邻的成核结构之间的距离被选择为小于在没有成核结构的情况下“自动”产生液滴处的距离。如已说明的，形成的液滴的直径Ddrop约为第一尺寸的5到8倍(Ddrop＝5·W至8·W)。因此，两个相邻的成核结构之间的距离优选被选择为8·W或更小，更优选为5·W或更小。优选地，两个相邻的成核结构之间的距离不小于Ddrop。
在图5b的实施例中，液滴形成单元3被设计成槽8′。应当理解，还可以在被设计成凸台8的液滴形成单元中提供成核结构。
至此示出的实施例已经可以通过将连接通道6、以及任选地将进料结构2′与收集结构4从顶侧刻蚀到基板10中而产生。因此在图2的实施例中，所有结构2′、4、6的顶侧可以在一个平面中延伸(例如盖12的底面)，并且由于各个结构的宽度差，结构的底侧可以在不同的平面中延伸。在图1的实施例中，进料结构2′与连接通道6被加工为贯穿基板10的厚度。连接通道6在长方形的液滴形成口14处开口到收集结构4中。应当注意，在图1中，收集结构4部分地由基板的顶面22限定。但是，不同的几何结构也是可行的。
在图2-4a的实施例中，连续相产物沿与液滴形成口14的最大尺寸L基本平行方向流过收集结构4。但是，在图1和4b的实施例中，连续相产物可以沿与液滴形成口14的最小尺寸W平行的方向流过收集结构4。
实施例
提供1.5x1.5cm的硅微芯片基板10。用深反应离子刻蚀(DRIE)技术(Micronit Microfluidics，荷兰)在硅微芯片上刻蚀也被称为通道(aschannel)2′、4、6的结构。玻璃板12接合在微芯片的顶部以封闭通道。以这种方式通过硅和玻璃在通道2′、4、6中形成用于产生水包油型乳液产物所需的亲水表面。微流控装置包括200μm宽(Wfs)和100μm深(Dfs)的进油通道2′。连续相收集通道4也是200μm宽(Wcs)和100μm深(Dcs)。在进料通道2′与收集通道4之间，存在具有固定长度(Lp＝500μm)和深度(Dp＝200μm)的凸台8。使用具有两种宽度之一(Wp＝2.6μm或1.2μm)的凸台8。因此，液滴形成口分别具有500μm的长度L以及2.6μm或1.2μm的宽度W。凸台8在此***中用作液滴形成单元。已经分别试验了具有1.2μm凸台宽度Wp(虚线)和2.6μm凸台宽度Wp(实线)的两个***。图2给出了微流控装置的良好印象，但是不是完全按照比例绘制的。
待分散相产物PD例如是油，在此实施例中是十六烷(粘性η＝3.34mPas，如德国达姆施塔特的Merck KGaA所提供的)，将该待分散相产物经由进油通道2引导到凸台8。在此实施例中，使用数字压力控制器(Bronkhorst，荷兰)来设置和控制所施加的压力。通过拉普拉斯定律确定十六烷流到凸台8上所需的压力。如果压力超过此值，油流到凸台8上，并且将在液滴形成口14处形成液滴，其中液滴在液滴形成口14处从边缘16落入收集通道4中，收集通道4引导在此实施例中作为连续相产物PC的MilliQ超纯水，MilliQ超纯水具有作为表面活性剂的1％SDS。
在凸台8的边缘16处的液滴形成同时发生在凸台的边缘处的多个位置处，虽然凸台8的拐角由于拉普拉斯压力差而没有用到。通过在油上施加的恒定的压力，可以以每个液滴形成单元大于300Hz频率形成单分散十六烷液滴。已经通过图像分析和利用Mastersizer 2000(Malvern仪器有限公司，英国)分析了通过两种试验***产生的乳液的液滴尺寸。在图6中描绘了产生的液滴尺寸分布。对于2.6μm凸台深度的***，体积加权平均的液滴尺寸是15.55μm、跨度(Span)是0.346(CV＝16％)。对于1.2μm凸台宽度的***，这些值分别是7.20μm和0.236(CV～10％)。综上，产生的乳液具有窄的分布，尤其当与均化形成的乳液相比时。
为了更加详细地研究液滴形成过程，制作单个液滴的连续特写图像。图7a-7h示出在液滴形成期间油相与水相之间的界面的典型形状。使用时，油相与水相之间的界面存在于液滴形成口处。图7a-7h的每一个都具有时间的表示，图像在该时间处获得。
液滴随着时间而变大，导致了液滴中拉普拉斯压力的降低。图7a-7h中的液滴仍然通过颈部N连接至凸台。在非常靠近凸台8的边缘16处，颈部N中的局部压力将约等于液滴中的拉普拉斯压力。凸台8以及颈部N上的压力通过两个曲率确定；在这种情况下，它们中的一个(x-z平面)固定为凸台的一半宽度的数值(Rp1＝Wp/2)。x-y平面中的曲率(Rp2)可以具有不同的值，并且如果因为变大的液滴中压力的降低，液滴半径(Rd)变成凸台8上的固定曲率(Rp1)的两倍大，x-y平面中的曲率(Rp2)必须变成负的。我们将此描述为2σ/Rd(t)＝σ/Rp1-σ/Rp2(t)。尽管在液滴形成之前Rp2很大，但是一旦出现液滴，Rp2就采用小得多的值。反压σ/Rp2(t)使颈部N稳定，因此颈部N可以稳定一段时间。
应当注意，通常适用于在液滴形成口处的待分散相产物与连续相产物之间的界面的动力(dynamics)引起颈缩(necking)，并且该动力与现有技术的微通道***中的动力不同。通常，待分散相与连续相之间的界面存在于液滴形成口处。显然，界面向液滴形成单元的外面凸出，在液滴形成位置进入连续相产物中，液滴可以在这些液滴形成位置的附近后退。然而，平均而言，待分散相与连续相之间的界面存在于液滴形成口处。此外，在根据本发明的微流控装置中，液滴形成同时发生在液滴形成口14的长度上的多个位置处；因此，整个液滴形成口促进了产率。
在制作的特写影片中，已经观察到x-y平面中的曲率确实随时间变得越来越负。在图7a-7h的每个中的曲率Rp2与这些值相对应，其支持所观察的界面行为的解释。此外，远离液滴形成位置，局部压力将高于颈部的局部压力，这是由沿远离颈部的界面的Rp1增加导致的。随着Rp2的被迫减小，在边缘附近产生准静态颈部。这可能是由液滴中的拉普拉斯压力所引起，因此颈部不再随液滴的变大而快速变化。在这种情况下，只要流入液滴中的油量不超过从凸台上的周围区域流入颈部的油量，液滴将保持附着。显然，一旦流出超过供给，液滴就将分开。虽然看到界面可以在液滴形成位置附近稍微后退，但是显然在液滴形成期间凸台上的油不会减少。此外，进油速率被选择为足以补充凸台上存在的油。
关心的方面是液滴直径Ddrop对***中所施加的压力的依赖性，如图8所示。在此实施例中，利用图像分析软件(ImagePro Plus)确定Ddrop，并且已测量100个液滴。所施加的压力的增加导致在较低压力处的基本恒定的Ddrop(约7μm)。因此，可以使用宽的实际压力范围，在该宽的实际压力范围处可以形成单分散乳液。在此压力范围中，在此实施例中是250-350mbar(毫巴)，与流入液滴中的相比，凸台上的油的供给很少。在更高的所施加的压力处，液滴直径随所施加的压力的增加而增加。已经发现，如果在进料结构的流阻与液滴形成单元的流阻之间差值较大，那么使液滴直径基本恒定的压力范围较大。还可以通过提供具有与进料口处的流阻相比更大的其液滴形成口处的流阻的液滴形成单元，例如从进料口到液滴形成口长度L减小的液滴形成单元，来扩大压力范围。
已经发现，确定压力无关范围中的液滴直径(参见图8)的重要因素是凸台宽度Wp。液滴直径可以以凸台宽度来衡量，约是凸台宽度的5-8倍，例如约是凸台宽度的6倍。
在上述的说明中，已经参照本发明实施方式的特定实施例描述了本发明。但是，明显地在不脱离如权利要求阐述的本发明的更宽精神和范围的情况下，可以进行各种修改和变化。
在图4a和4b中，进料结构2′和收集结构4是基本平行的。例如，还可能的是，进料结构形成分支并且收集结构在分支周围。在该实施方式中，连接通道可以基本放射状地定向或者以其它方式定向。
在图2的实施例中，进料结构的宽度基本等于连接通道的宽度。在图4a的实施例中，进料结构的宽度基本等于收集结构的宽度。应当理解，进料结构的宽度可以被选择以适应应用。优选地，进料结构的宽度被选择为使进料结构不会形成流限制以致在待分散相产物中产生过度压降。
在这些实施例中，待分散相产物是液态油脂或油相产物(或气体)，连续相产物是液态水相产物。应当理解，还可以使用其它的产物。
例如可能的是，待分配相是水物质，连续相是油，以形成例如油包水的分散。还可能形成以下分散，包括：水包的油中的固态物质(纳米混悬液)、进入水中的(生物可降解的)高分子溶液、进入水中的(生物可降解的)高分子和药物的溶液、进入水中的脂类(被溶化)和药物的混合物、进入水中的单体(溶液)、进入水中的低聚物(溶液)、进入水中的油/溶剂、助溶剂、高分子、油、脂类、活性物的混合物。所有的这些还可以具有额外成分，例如药用辅料、表面活性剂、稳定剂、增稠剂、和(顺)磁性的、放射性的、可放射性标记的、荧光的或磷光的成分等。通常，待形成的分散例如可以是进入任何亲水性的流体混合物和/或溶液和/或混悬液中的任何亲脂性的流体混合物和/或溶液和/或混悬液，反之亦然。
还可能的是，将利用根据本发明的微流控装置形成的液滴转变成微颗粒、纳米颗粒或胶囊剂(capsule)。此外，可以使用各种技术，例如冷却、溶剂提取、溶剂蒸发、相分离、(混悬液)聚合或其它化学反应。
液滴可以用作作为种子溶胀技术一部分的种子，用于产生颗粒。
特别地，由利用根据本发明的微流控装置产生的液滴形成的颗粒，可以用于控释给药和/或用于在生命科学产业中的分离过程中的应用。实施例是基于给药***的PLGA微球、磁性高分子或玻璃珠。颗粒基于造影剂。
液滴还可以作为在诸如乳液PCR中的反应室。
例如还可能的是，待分散相产物是气体(混合物)或蒸汽，以在(液态)连续相产物中制造气泡的分散。
可替代地，可能的是，连续相产物是气体(混合物)或蒸汽，以便例如在空气中制造液滴雾。该液滴例如可以被干燥以产生喷雾干燥的待分散产物。
还可能的是，待分散相产物已经是分散。例如可能的是，待分散相产物是在诸如油的油相产物中的诸如水的水相产物的分散。因此，微流控装置可以产生在例如水连续相产物中的充满水的油珠的精细分散，例如用于所谓的“清淡”食品。本文中，油珠中的水可以包括添加剂，例如香料、着色剂和/或药物。
还可能的是，待分散产物是预混合物，例如包括大液滴的粗分散。通过根据本发明的微流控装置的液滴形成口提供预混合物，使预混合物中的大液滴分解为分散到连续相产物中的小液滴。在此考虑以这种方式减小预混合物的液滴尺寸形成分散的产生，即具有较小液滴和/或较窄的液滴尺寸分布。
但是，其它修改、变型和替换也是可能的。因此，本说明书、附图和实施例仅视为示例性的而非限制性的。
在权利要求书中，放置括号中的任何参考标记不被解释为限制权利要求。词“包括”不排除没有在权利要求中列出的其它特征或步骤。此外，词“一个(a和an)”不应该解释为“仅一个”而是指“至少一个”，并且不排除多个。在互不相同的权利要求中记载的某些手段不表示这些手段的结合不能用于有益的情况。

Claims (24)

1.用于在第二物质中产生第一物质的分散的微流控装置（1），包括：
液滴形成单元（3），包括连接通道（6），
所述连接通道（6）在一端具有：单个进料口（2），用于将待分散相的第一物质（PD）提供给所述液滴形成单元；
所述连接通道（6）在另一端具有：单个长方形液滴形成口（14），用于在连续相的第二物质（PC）中形成所述待分散相的第一物质（PD）的液滴，
所述液滴形成口（14）具有宽度（W）和长度（L），
其中所述微流控装置还包括进料结构（2'）和收集结构（4），所述进料结构（2'）与所述单个进料口（2）流体连通，用于将所述待分散相的第一物质（PD）提供给所述液滴形成单元（3），所述收集结构（4）用于提供所述连续相的第二物质（PC），其中所述液滴形成口（14）开口到所述收集结构（4）中，
其中所述液滴形成口（14）的长度（L）是所述液滴形成口（14）的宽度（W）的80倍以上，
所述连接通道（6）具有与所述液滴形成口（14）的宽度（W）平行的第一尺寸、与所述液滴形成口（14）的长度（L）平行的第二尺寸、以及在从所述液滴形成口（14）向所述进料口（2）方向中的深度（D），所述连接通道（6）的第一尺寸等于或大于所述液滴形成口（14）的宽度（W），
所述连接通道（6）具有横截面，所述横截面横向于从所述连接通道（6）中的所述进料口（2）到所述液滴形成口（14）的方向，所述横截面满足如下条件：在所述进料口（2）与所述液滴形成口（14）之间的整个深度范围内，所述连接通道（6）的第二尺寸至少是所述连接通道（6）的第一尺寸的50倍，所述深度（D）是所述液滴形成口（14）的宽度（W）的2.5倍以上，
所述液滴形成单元（3）的流阻（RDFU）被设置为大于所述进料结构（2'）的流阻（Rfs），以由所述单个长方形液滴形成口（14）同时产生多个液滴。
2.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述液滴形成口（14）的长度（L）是所述液滴形成口（14）的宽度（W）的100倍以上。
3.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述连接通道（6）具有基本恒定的与所述液滴形成口（14）的宽度（W）和长度（L）对应的横截面。
4.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述连接通道（6）具有与所述液滴形成口（14）的宽度（W）和长度（L）对应的大体矩形的横截面。
5.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述进料口的宽度（Wfs）基本等于所述液滴形成口（14）的宽度（W）。
6.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述进料结构具有深度（Dfs）和长度（Lfs），所述进料结构的深度和长度的比（Dfs/Lfs）小于所述液滴形成口（14）的深度和长度的比（D/L）。
7.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述液滴形成单元（3）由具有与所述液滴形成口（14）的宽度（W）相对应的宽度（Wp）的凸台（8）形成。
8.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述液滴形成口（14）的宽度（W）比所述收集结构（4）的宽度（Wcs）小10倍以上。
9.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述液滴形成口（14）的宽度（W）比所述收集结构（4）的宽度（Wcs）小50倍以上。
10.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述液滴形成口（14）的宽度（W）是0.05-25μm。
11.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述液滴形成口（14）的宽度（W）是0.1-5μm。
12.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述液滴形成口（14）和/或整个液滴形成单元（3）被加工在基板中、和/或使用间隔建造在基板上。
13.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述液滴形成口（14）和/或整个液滴形成单元（3）被铣削、刻蚀、形成路线、喷砂和/或注模在基板中。
14.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述液滴形成口（14）和/或整个液滴形成单元（3）使用间隔建造在大体平的基板上。
15.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述进料结构（2'）和/或所述收集结构（4）被加工在基板中、和/或使用间隔建造在基板上。
16.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述进料结构（2'）和/或所述收集结构（4）被铣削、刻蚀、形成路线、喷砂和/或注模在基板中。
17.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述进料结构（2'）和/或所述收集结构（4）使用间隔建造在基本平的基板上。
18.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述液滴形成单元（3）的深度（D）使得在使用时，所述待分散相的第一物质（PD）基本在所述液滴形成口（14）的整个长度（L）上填充所述液滴形成单元（3）。
19.根据权利要求1所述的微流控装置，其中，所述液滴形成单元（3）包括至少一个成核结构。
20.根据权利要求19所述的微流控装置，其中，所述成核结构包括所述液滴形成口（14）的宽度（W）的局部增加和/或所述液滴形成口（14）的方向的变化。
21.用于产生分散的***，包括多个根据前述权利要求1-20中的任一项所述的微流控装置（1）。
22.根据权利要求21所述的***，包括基板，所述基板中具有多个根据前述权利要求1-20中的任一项所述的微流控装置（1）。
23.根据权利要求21所述的***，其中，所述微流控装置（1）是根据权利要求3所述的微流控装置，其中，各个装置（1）的进料结构（2'）流体连通，各个装置（1）的收集结构（4）流体连通，各个装置（1）的液滴形成单元（3）并排布置。
24.用于在第二物质中产生第一物质的分散的方法，所述方法使用权利要求1-20中任一项所述的装置或使用权利要求21所述的***，所述方法包括：
将待分散相的第一物质（PD）通过至少一个液滴形成单元（3）的所述单个进料口（2）提供给所述至少一个液滴形成单元（3）；
在所述至少一个液滴形成单元（3）的所述单个液滴形成口（14）处提供连续相的第二物质（PC）；以及
通过所述连接通道使所述第一物质（PD）和所述第二物质（PC）接合，由所述单个长方形液滴形成口（14）同时产生多个液滴。
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