[發明專利]利用測序顯微結構編排流體流動的裝置和方法

在審

• 申請號: 201280059399.X
• 申請日: 2012-09-27
• 公開（公告）號: CN103987971A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 迪諾·迪卡洛;汗默德·阿米尼;埃洛迭·索利耶
• 申請（專利權）人: 加利福尼亞大學董事會
• 主分類號: F15D1/14
• 分類號: F15D1/14;F15D1/12;F15D1/02
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 余剛;張英

相關申請

本申請要求于2011年9月30日提交的美國臨時專利申請第61/541,953號的優先權，在此引入其全部內容以供參考。根據35U.S.C.§119要求優先權。

技術領域

本發明的領域一般涉及用于改變流體流動的微流體裝置。更具體地，本發明的領域涉及在其中含一個或多個微流體特性的微流體裝置，以在其中修改或改變流體或粒子的流動。

背景技術

在微流體平臺中流體控制和流體界面操作在各種應用中是非常重要的。例如，在微流體通道內可以采用流體控制來聚焦流體或在某些橫向位置攜帶粒子。流體控制也可用于混合甚至分開流體成分。流體流的控制在生物處理和化學反應控制中也是有用的。操作流體的當前方法一般依靠復雜的設計或難以制造三維(3D)平臺。還有其它微流體平臺需要結合有源元件。此外，現有先進設備用誘導混亂的思維定勢來操作以在微觀層面提高混合。因此，實在上操作這些方法以引起流體系統的混亂，這可導致不可預測的流體控制。

發明內容

本發明的一個方面，公開了一種微流體平臺或裝置，其使用置于通道橫截面內一個或多個特定位置的障礙物以轉動和拉伸流體，不同于在斯托克斯流條件下的方式，在通過障礙物后沒有精確地反向(precisely?reverse)。由于流體慣性，障礙物的上游和下游的非對稱流動行為，表明它本身作為流線的拓撲結構的總變形，這有效地創建了可調凈二次流，這在某些方面在彎曲通道內類似于再循環Dean(迪恩)流。系統和方法在微通道內被動地產生從中到高流速的強二次流。通過通道內一個或多個障礙物的數量和特定幾何布置可以精確地控制這些流動。可以預測并數值模擬通道內的流體運動以表征二次流體流動和預測凈慣性流動變形，使得可以在通道橫截面內設計特定流體模式。

可以在通道內串聯或并聯裝配這些障礙物的序列以在流動的流體流上進行額外的流體操作。重要的是，在通過障礙物后，二次傳送形狀和量級(magnitude)保持相對恒定，對于超過一個數量級的雷諾數(或流速)，在通過障礙物后，基于傳送的一個映射能夠預測編排的流場，無需模擬每個新的配置。在這方面，由于它們的確定性質，障礙物的不同序列可以用于“編排(編程，program)”特定微流體流動流模式或形狀。

該系統和方法在微流體平臺內創建了流體的三維結構的異常控制的可能性，這可以顯著促進需要流體界面控制(如，光流體)或分子梯度的產生的應用。微流體通道內流體流動的特定裁剪也可用于制造單纖維或具有特定橫截面尺寸的粒子。所述微流體平臺也可以用于提供超快混合或熱傳導。可以裁制微流體流動用于流體交換應用(即，交換圍繞細胞或類似物的流體)。另外，由于二次流與作用在粒子上的潛在的慣性升力相互作用，可以進行粒子的選擇性分離。

不是應用防止或擾亂順序的流變換，而是需要本文所描述的流控制方法和平臺，基于與包含在微流體環境中的對象相互作用的流體的確定性特性來編排流體流動。采取分層方法(分級方法，hierarchical?approach)設計流體流于廣義類的復雜的配置。與圍繞單一基本操作的庫的流動(例如，圍繞柱序列的流動)相關聯的慣性流動變形可作為基本編排操縱器(operator)。由于這些轉變從障礙物的上游到下游，提供了流體元件的確定性映射，人們可以按順序安排障礙物以應用相關的嵌套映射，并因此編排復雜的流體結構，無需額外的數值模擬。因此，可以分層裝配由多個操縱器(例如，柱、柱子，或其它突起)組成的函數如‘旋轉流至中心線’或‘向右移動流’，以執行實際編排。

流的橫截面形狀可以被雕塑成復雜的幾何形狀(例如各種凹多邊形、封閉環，和傾向線)，移動并分裂，迅速混合，成形以形成復雜的梯度，或調整以從流轉移粒子，并根據尺寸分離粒子。編排流體流的一般策略的引入，其中以類似于半導體物理學從計算機編排中抽出的方式，從用戶中抽出流體運動的非線性方程的復雜性，可以影響生物的、化學的和材料自動化，開啟了在計算機中的一場革命。

在本發明的一個實施方式中，在通道內編排流動的方法包括從庫中選擇多個操縱器，多個操縱器的每一個來自具有已知凈二次流影響的庫；由多個選擇的操縱器創建編排；并制造具有在其中形成選擇的操縱器的編排的通道。

在另一個實施方式中，一種裝置包括在上游位置具有至少一個交叉鞘流通道的通道；和布置在通道內下游位置的多個不同操縱器，每個操縱器包括具有已知凈二次流影響的一個或多個突起，多個操縱器的每一個沿所述通道的長度彼此分開。