[发明专利]采用微流体布置的流动控制方法和设备以及微流体布置

说明书

公开了采用微流体布置的流动控制方法和设备。在一个布置中，微流体布置包括第一液体，该第一液体主要通过表面张力保持形状，以在基底的表面上限定微流体式样。微流体式样至少包括长形流道和第一储液池。第二液体直接与第一液体接触并覆盖微流体式样。驱动液体通过长形流道流入第一储液池。微流体式样与第二液体的深度和密度设置成使得：第一储液池在液体流入第一储液池期间体积增大，而第一储液池和基底之间的接触区域的尺寸和形状均没有改变，直到第一储液池的上部由于浮力与第一储液池的下部分离并且向上上升穿过第二液体，从而允许第一储液池继续从液体流动中接收液体而第一储液池和基底之间的接触区域的尺寸和形状没有任何改变。

本发明涉及采用微流体布置(arrangement)的流动控制。

操纵少量液体是许多科学学科的核心，这些科学学科包括微生物学、细胞生物学、生物化学和材料科学。其中，采用液体通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的通道流动的微流体装置是可行的，但是，尽管已经证明了该技术的优点，这种类型的装置并没有像预期那般被大量结合到科学工作流程中。原因有很多。原型设计基于PDMS的装置至少需要几天时间且价格昂贵；它通常还需要专门的设备、洁净室和高级培训。一旦这些设备被制成，通常专用于一种应用，并且对它们中的大多数位置点的使用是受限的。此外，未经处理的PDMS具有较差的生物和化学相容性，因为它会排出毒素并与有机溶剂反应。传统装置中的气泡也存在许多操作上的挑战：它们会让流动变得不平衡，损坏包含的细胞，并在气体和流体的接界面处引发分子聚集。

通过这种装置驱动流动是困难的，因为必须在装置的通道和外部泵送设备之间提供密封布置。该密封布置通常很小且难以操纵，而且不可靠。由于污染、泄漏、气泡和/或不可预测的流速，实验可能会受到影响。流体只能在装置的特定位置点处被注入和提取，从而限制了灵活性。

对于提供模仿人或动物体内状况的流动是有兴趣的，例如当对活细胞进行实验时。因此，希望提供一种脉动式流动。用于此目的的已知设备实施起来可能是昂贵的和/或复杂的。

本发明的一个目的是提供采用微流体布置的流动控制的改进方法和设备。

根据本发明的一个方面，提供了采用微流体布置的流动控制方法，其中该微流体布置包括：第一液体，该第一液体主要通过表面张力保持形状，以在基底的表面上限定微流体式样(pattern)，该微流体式样至少包括长形流道(conduit)和第一储液池；以及第二液体，该第二液体直接与第一液体接触并覆盖微流体式样；该方法包括：驱动液体通过长形流道流入第一储液池；该微流体式样与第二液体的深度和密度设置成使得：第一储液池在液体流入第一储液池期间体积增大，而第一储液池和基底之间的接触区域的尺寸和形状均没有改变，直到第一储液池的上部由于浮力与第一储液池的下部分离并且向上上升穿过第二液体，从而允许第一储液池继续从液体流动中接收液体而第一储液池和基底之间的接触区域的尺寸和形状没有任何改变。

因此，提供了在没有实心壁的微流体布置中驱动流动的方法。使用表面张力代替实心壁以将第一液体保持为所需的微流体式样。微流体式样可以在几秒钟内以这种方式形成，其方式与用笔徒手书写的方式大致相同。正如任何可以想象的式样可以在一张纸上绘制一样，可以通过移动在基底上发射第一液体的元件来产生任何微流体式样。微流体式样(例如流道和第一储液池)的元件的边缘通过表面张力(其也可以称为界面张力)固定。因为基底不必以与PDMS相同的方式处理以提供通道，所以基底可以由已证明确有生物相容性的材料制成，例如生物学家通常使用的聚苯乙烯/玻璃皿。

与基于PDMS的装置不同，将液体泵送到微流体布置中的输送构件可以自由地插入微流体式样中的任何点。输送构件和微流体布置之间的连接是自动密封的。当输送构件插入时自动建立密封，并且当移除输送构件时自动关闭。因此，可以选择各种不同的泵送式样，而无需构建新设备。微流体式样本身甚至可以重新设计，例如通过切割流道(其自动密封)或通过将不同的流道连接在一起，这提供了进一步的灵活性。此外，减少或消除了污染的风险，并且没有密封失效或泄漏的问题。如果出现气泡，则浮力迫使它们上升并离开微流体式样，从而消除了在基于PDMS的装置中经常遇到的气泡的负面影响。