[发明专利]微结构化区分装置

说明书

公开了一种用于在流体流中分离包括颗粒和/或流体的疏水‑亲水流体复合材料的微结构化区分装置(100)。区分是通过物理地改变纹理化的表面和/或通过改变表面化学性质而获得的表面能量梯度的结果，这两者在空间上都是分级的。这样的表面在没有外部能量输入的情况下区分颗粒和/或流体并在空间上将它们分离。本发明的装置包括平台(302)，其具有沿径向布置的分叉微通道(310)。微通道的内腔表面可具有通过改变沿尺寸分层布置的微结构的周期性而产生的表面能量梯度。

技术领域

本发明总体上涉及一种包括空间上变化的分层微结构的装置。

更具体地，本发明涉及一种装置，该装置包括在空间上变化的分层微结构，以生成与流体流的分级温泽尔(Wenzel)和分级凯西(Cassie)界面。这些分级界面可通过表面能量梯度来表征。这些表面能量梯度可单独或组合地涉及空间上变化的微结构，以生成空间上变化的化学诱导的表面能量梯度，该表面能量梯度可驱动装置中的流体流。

背景技术

微米尺度以及更小尺度的流体的行为与大流体行为可能差别在于诸如表面张力、能量耗散和流体阻力的因素开始主导系统动力学。在小尺度(约100纳米到500微米的通道尺寸和表面纹理)下，会出现一些有趣的且有时不直观的特性。特别是，雷诺数(其将流体惯性的效果与粘度的效果进行比较)会变得非常低。关键的结果是复合流体过渡到同流流体状态，其中流体组分不一定按照传统意义进行混合。当流变成层流而不是湍流时，同流流体之间的分子运输通常必须通过扩散。还应注意的是，离子交换表面在水中会生成超过100MPa的非常高的渗透压，因为它们产生反离子的高表面浓度。具有高表面积的聚离子纳米粒子产生如此大的渗透压，使得它们可用于实际的脱盐工艺中。反离子和溶质在尝试理解和开发微流控系统时会遇到困难，因此不带反离子或溶质但具有相同特性的不带电系统将是有益的。

能够连续采样和实时测试流体样品中的生化毒素和其它危险病原体的基于微流控的装置可充当针对生物威胁的始终在线的预警系统。

在开放式微流控中，去除系统的至少一个边界，使流体暴露于空气或另一界面(即液体)。开放式微流控系统的优点包括可接近流动的液体以用于干预、更大的液-气表面积和最小的气泡形成。

开放式微流控的另一个优点是能够将开放式系统与表面张力驱动的流体流架构相集成。表面张力驱动的流体流消除对外部泵送方法(诸如蠕动泵或注射泵)的需求。

通过磨削、热成型和热压花来制造开放式微流控装置也是容易且不昂贵的。此外，开放式微流控消除对胶粘或粘合可能不利于毛细管流动的装置盖的需求。开放式微流控的实例包括开放通道微流控、轨基微流控、纸基微流控和线基微流控。开放系统的缺点包括易于蒸发、污染和流速受限。

在连续流微流控中，通过微制造通道实现对连续液体流的操纵。通过外部压力源、外部机械泵、集成式机械微型泵或毛细管力和电动机构的组合来实现液体流的致动。连续流微流控操作是主流途径，因为其易于实现且对蛋白质结垢问题不那么敏感。连续流装置适合于许多定义明确且简单的生化应用以及某些任务(诸如化学分离)，但它们不太适合需要高度灵活性的任务或流体操纵。这些封闭通道系统固有地难以集成和缩放，因为支配流场的参数沿流路变化，使得在任一位置处的流体流取决于整个系统的属性。

在基于液滴的微流控中，在具有低雷诺数和层流状态的不混溶相中进行对流体的离散体积的操纵。在过去的几十年中，对基于液滴的微流控系统的兴趣已大大增长。微滴允许方便地处理微小体积(μl至fl)的流体，提供更好的混合、封装、分选和感测，并适合高通量实验。有效地利用基于液滴的微流控的优势，需要对液滴的生成有深刻的了解，以执行各种逻辑操作，如液滴运动、液滴分选、液滴合并和液滴破碎。微结构化表面在微流控环境中处理和形成与液滴的特殊界面方面特别有用。