[发明专利]在基于微滴的流体输送过程中避免反弹和飞溅

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于输送流体的系统和方法，尤其涉及用于输送像微滴这样的流体的系统和方法。

背景技术

在制药、生物技术、医疗和其它行业中存在这样一种需求，期望能够迅速筛选、识别和/或处理大量或各类流体。于是，人们将许多注意力都集中在如何开发出有效、精密且准确的流体处理方法。例如，已将自动化的机器人系统与精密配准技术结合使用，以通过自动化的采集-放置(吸入-吐出)流体处理系统来分配试剂。相似的是，人们已对适配打印技术特别是喷墨打印技术付出了一些努力，以形成生物分子阵列。例如，Baldeschwieler等人的美国专利6,015,880涉及利用了原位合成过程中的多个步骤的阵列准备过程。这种合成可能包括利用喷墨技术将含试剂的微滴分配到一个为允许试剂共价附着而经化学制备的表面上的一位置。

在选择流体输送系统时有许多权衡。例如，目前所使用的大多数流体处理系统都要求待传递的流体与传递设备的相关固体表面之间必须建立接触。这种接触通常都会引起表面沾湿从而不可避免地浪费了待传递的流体，当待传递的流体很稀有和/或很昂贵时，这一缺点的影响就更加明显。当利用管子或其它流体输送管道构建流体输送系统时，可能会有气泡进入或者可能有微粒堵在上述管道中。普通喷墨打印头的喷嘴也容易堵塞，尤其是在高温下喷射含大分子的流体时更是如此，这一情形常常与此类技术相关。其结果是，普通流体输送技术可能产生大小不恰当或失去方向的微滴。

大量的专利已描述了使用聚焦声辐射的方法来分配像墨水和试剂这样的流体。例如，Lovelady等人的美国专利4,308,547描述了一种液滴发射器，它利用声学原理将液体中的微滴喷射到正移动的文档上从而形成字符或条形码。一种无喷嘴的打印装置得以使用，使得墨表面处或其下方的弯曲转换器所产生的声学力推动着受控的墨滴。相似的是，Ellson等人的美国专利申请20020037579描述了一种朝着基板表面上多个分散的位置声喷射大量的流体微滴以便于在基板表面上进行沉积的设备。Williams的美国专利申请公开20020094582描述了使用聚焦声学技术的许多技术。与喷墨打印设备相比，聚焦声辐射可以用于实现无喷嘴流体喷射，并且使用聚焦声辐射的设备通常不容易堵塞且不容易有相关的缺点(比如失去方向的流体或大小不恰当的微滴)。

因为制药、生物技术和其它科学产业所使用的流体可能很稀有和/或很昂贵，所以能够处理少量流体的技术与那些需要较大量的技术相比具有很多明显的优势。通常，组合方法中所使用的流体都是作为有机和/或生物化合物的收集物或储存库而予以提供的。在许多情况下，使用网板(well plate)来存储大量的流体以便于筛选和/或处理。网板通常是单片构造且包括许多完全一样的孔，其中每一个孔适于包含少量的流体。这种网板是标准尺寸的商品化网板，并且每个板可以包含96、384、1536或3456个孔。

流体微滴的输送可以对准针对现有的流体体积。例如，在使用离散微滴的任何流体输送系统中，可能希望使用大量的小微滴来输送该流体，而不是使用单个较大的微滴。第一个微滴之后的每一个微滴将潜在地影响现有的流体体积。

当流体微滴对准现有的流体体积时，总期望该微滴能与该现有体积聚并在一起。若没有聚并在一起，则微滴可能会反弹或飞溅，这都是不期望看到的。当微滴对准固体目标时，也不希望有反弹和飞溅。例如，上述目标可能是网板，其中根据所使用的传递协议应该将微滴全部置于一个已标识的单个孔中，而飞溅可能使该微滴中的一部分流体落入一个不同的孔中。

观察到当微滴遇到固体或现有流体体积时会发生反弹这一现象已经有许多年了。人们相信，该现象并非简单地涉及微滴与固体或流体体积，还涉及微滴和固体或体积之间的空气缓冲。基于常规流体参数(比如粘度和表面张力)来精确预计何时会出现微滴反弹和飞溅的这一期望通常不在计算流体力学所能处理的范围之内，所以在对涉及微滴反弹和飞溅的问题做分析时经验调查是一种较佳的方法。在M.Orme的“Experiments on Droplet Collisions，Bounce，Coalescence and Disruption，”(Progress in Energy and Combustion Science，vol.23，第65-79页，1997)中，可以找到某些经验调查的总结，其中包含了许多参考文献。

发明内容