МИКРОЖИДКОСТНОЕ УСТРОЙСТВО И ОТНОСЯЩИЙСЯ К НЕМУ СПОСОБ Российский патент 2017 года по МПК B01J14/00 B01J19/00 B01L3/00 

ПРЕДПОСЫЛКИ

[0001] Микрожидкостные устройства и способы имеют важное и всевозрастающее значение в биомедицинских и фармацевтических исследованиях. Микрожидкостная технология применяется для последовательного синтеза или периодического синтеза тонких химических соединений и фармацевтических препаратов. Также для синтеза тонких химических соединений и фармацевтических препаратов вместо микрореакторов периодического действия используются микро-реакторы непрерывного действия. Микро-реакторы непрерывного действия используются для химических процессов при размерах от нанолитра до литра и имеют преимущества, заключающиеся в лучшем коэффициенте теплопередачи, более быстром времени диффузии и кинетике реакции, в лучшей селективной способности продукта реакции.

[0002] Типичное микрожидкостное устройство содержит микроканалы или другие микрожидкостные элементы с типичными размерами поперечного сечения в диапазоне от нескольких микрон до 100 микрон. В таких каналах или элементах силы внутреннего трения, поверхностного натяжения и действующие внешние силы, как правило, преобладают над силами тяжести. В таких условиях затрудняется выполнение некоторых стандартных макропроцессов обычным способом, с использованием силы тяжести. Стандартные процессы, в которых используются силы тяжести, предусматривают выпуск пузырьков в свободное пространство, кипение, жидкофазную экстракцию и седиментацию.

[0003] Камера, имеющая достаточно большие размеры для того, чтобы использовать действие силы тяжести в текучей среде, может быть выполнена в плоском формате, соответствующем размеру обычной микрожидкостной пластиковой кредитной карты. При этом при ограничении размеров камеры до плоского формата необходимо учитывать новые факторы. К этим факторам относится максимальное увеличение свободной поверхности для процессов, предусматривающих наличие свободной поверхности, например, испарение и управление смачиванием или затеканием текучей среды на стенки камеры. Когда под действием капиллярных сил и поверхностного смачивания излишняя жидкости направляются вверх по стенкам или вдоль стенок в камере, происходит непредусмотренное смачивание некоторых участков камеры. Когда жидкость, состоящая из одного или нескольких соединений, доставляется в результате смачивания внутрь камеры, побочный эффект состоит в том, что компоненты жидкости могут достигать участков микроструктуры, не предназначенных для смачивания. Если компоненты налипают на поверхность этих участков, то это может привести к нежелательной адгезии и потерям. В некоторых случаях, например, в углах, сложно удалить налипшие компоненты.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] В соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения, раскрыто микрожидкостное устройство. Устройство содержит несколько источников реагента для подачи нескольких реагентов, при этом каждый источник реагента подает соответствующий реагент из нескольких реагентов. В макро-камеру поступает один или несколько реагентов из нескольких реагентов от нескольких источников реагента. Микрожидкостный реактор соединен с макро-камерой и с несколькими источниками реагента и выполнен с возможностью получения одного или нескольких реагентов, выбранных из нескольких реагентов, из по меньшей мере либо одной макро-камеры, либо нескольких источников реагента, и взаимодействия с одним или несколькими реагентами с целью образования содержимого реакции. Макро-камера дополнительно выполнена с возможностью получения содержимого реакции из микрожидкостного реактора. Система выполнена с возможностью управления по меньшей мере одним из: потоком сухого газа, поступающего в макро-камеру и из нее, площадью поверхности по меньшей мере одного из указанного одного или нескольких реагентов, а также содержимым реакции в макро-камере.

[0005] В соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения, способ включает подачу одного или нескольких реагентов от одного или нескольких источников реагента в макро-камеру в микрожидкостном устройстве. Способ дополнительно включает управление по меньшей мере одним из: потоком сухого газа, поступающего в макро-камеру и из нее, и площадью поверхности одного или нескольких реагентов в макро-камере.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0006] Эти и другие признаки и аспекты вариантов выполнения настоящего изобретения будут более понятны при прочтении следующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые части на всех чертежах, на которых:

[0007] Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение микрожидкостного устройства, имеющего макро-камеру, смесительное устройство, жидкостную камеру и микрожидкостный реактор, выполненные в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения;

[0008] Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение микрожидкостного устройства, имеющего макро-камеру, смесительное устройство, жидкостную камеру и микрожидкостный реактор, выполненные в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения;

[0009] Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение макро-камеры, имеющей элементы для управления потоком сухого газа и площадью поверхности жидкого содержимого, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения;

[0010] Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение макро-камеры, имеющей элементы для управления потоком сухого газа и площадью поверхности жидкого содержимого, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения;

[0011] Фиг. 5 представляет собой схематическое изображение макро-камеры, имеющей элементы для управления потоком сухого газа и площадью поверхности жидкого содержимого, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения;

[0012] Фиг. 6 представляет собой схематическое изображение макро-камеры, имеющей элементы для управления потоком сухого газа и площадью поверхности жидкого содержимого, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения;

[0013] Фиг. 7 представляет собой схематическое изображение макро-камеры, имеющей элементы для управления потоком сухого газа и площадью поверхности жидкого содержимого, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения;

[0014] Фиг. 8 представляет собой схематическое изображение участка макро-камеры, имеющей систему для управления площадью поверхности содержимого путем создания потока сжатого газа, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения;

[0015] Фиг. 9 представляет собой схематическое изображение участка макро-камеры, имеющей систему управления площадью поверхности содержимого путем создания режима циркуляционного потока содержимого, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения;

[0016] Фиг. 10 представляет собой схематическое изображение участка макро-камеры, имеющей систему управления площадью поверхности содержимого путем создания режима циркуляционного потока содержимого, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения;

[0017] Фиг. 11 представляет собой схематическое изображение участка макро-камеры, имеющей систему с заранее заданной топологией поверхности или химической модификацией поверхности для управления площадью поверхности содержимого, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения;

[0018] Фиг. 12 представляет собой схематическое изображение участка макро-камеры, имеющей систему с заранее заданной топологией поверхности или химической модификацией поверхности для управления площадью поверхности содержимого, в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения;

[0019] Фиг. 13 представляет собой схематическое изображение участка макро-камеры, имеющей систему управления площадью поверхности содержимого путем электросмачивания содержимого, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения;

[0020] Фиг. 14 представляет собой схематическое изображение участка макро-камеры, имеющей систему для управления площадью поверхности содержимого путем использования магнитных частиц, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения;

[0021] Фиг. 15 представляет собой схематическое изображение участка макро-камеры, имеющей систему с покрытием из растворимого материала для управления площадью поверхности содержимого, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения;

[0022] Фиг. 16 представляет собой схематическое изображение участка макро-камеры, имеющей систему с тепловым барьером для управления площадью поверхности содержимого, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0023] Как подробно описано ниже, варианты выполнения настоящего изобретения раскрывают микрожидкостное устройство. Устройство содержит несколько источников реагента для подачи нескольких реагентов, при этом каждый источник реагента подает соответствующий реагент из указанных нескольких реагентов. Макро-камера получает один или несколько реагентов из указанных нескольких реагентов из указанных нескольких источников реагента. Микрожидкостный реактор соединен с макро-камерой и с указанными несколькими источниками реагента и выполнен с возможностью получения одного или нескольких реагентов из указанных нескольких реагентов из по меньшей мере одного из: макро-камеры, указанных нескольких источников реагента, и взаимодействует с одним или несколькими реагентами для создания содержимого реакции. Макро-камера дополнительно выполнена с возможностью получения содержимого реакции из микрожидкостного реактора. Система выполнена с возможностью управления по меньшей мере одним из: потоком сухого газа, поступающего в макро-камеру и из нее, площадью поверхности по меньшей мере одного или нескольких реагентов в макро-камере, а также содержимым реакции, полученным в результате реакции в макро-камере. В соответствии с другим вариантом выполнения, раскрыт способ, относящийся к макро-камере.

[0024] Варианты выполнения, раскрытые в данном документе, включают конструкцию или устройство, которые объединяют преимущества микрожидкостной интеграции, теплопередачи, и связанных с площадью поверхности характеристик капиллярных и микроканальных систем, а также универсальности в использовании гравитационных эффектов, предотвращая, при этом, появление нежелательных эффектов, таких как нежелательное смачивание.

[0025] Как показано на Фиг. 1, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения настоящего изобретения, раскрыто микрожидкостное устройство 10. В показанном варианте выполнения микрожидкостное устройство 10 содержит макро-камеру 12, смесительное устройство 14, жидкостную камеру 16 и микрожидкостный реактор 18. Макро-камера 12 используется для временного хранения одного или нескольких реагентов или для выполнения операций области размеров, в которой сила тяжести, масса и другие макро-эффекты преобладают над микромасштабными доминирующими эффектами, такими как вязкость и поверхностное натяжение, т.е., например, выпуск пузырьков в пространство, образование пузырьков (кипение), жидкофазная экстракция, седиментация, изменение концентрации растворенных компонентов и т.п. В одном варианте выполнения макро-камера 12 действует как азеотропная камера. В других вариантах выполнения возможны другие типы макро-камер. Смесительное устройство 14 соединено с макро-камерой 12 и выполнено с возможностью смешивания двух или большего количества реагентов и образования смеси из двух или большего количества реагентов. Жидкостная камера 16 используется для хранения маркерной текучей среды. В конкретном варианте выполнения указанная маркерная текучая среда представляет собой газовую пробку. В другом варианте выполнения маркерная текучая среда представляет собой люминесцентную жидкость, свойства которой отличаются от свойств газовой пробки. В другом варианте выполнения маркерная текучая среда представляет собой текучую среду, которая не смешивается с текучей средой макро-камеры и имеет свойства, которые могут использоваться для дифференциации ее от текучей среды в макро-камере, например, электропроводность, диэлектрическую проницаемость, теплопроводность, плотность, оптическое поглощение, показатель преломления и т.п. В показанном варианте выполнения реактор 18 соединен с макро-камерой 12 через смесительное устройство 14 и жидкостную камеру 16. Реактор 18 выполнен с возможностью получения смеси из двух или большего количества реагентов из макро-камеры 12 или из комбинации макро-камеры 12 с одним или несколькими источниками реагента (не показано на Фиг. 1), подаваемых в смесительное устройство 14, создания содержимого реакции. Реагенты могут включать жидкие реагенты, газообразные реагенты или их комбинации. В некоторых вариантах выполнения макро-камера 12 может быть интегрирована в реактор 18.

[0026] В одном варианте выполнения смесительное устройство 14 выполнено с возможностью получения двух или большего количества реагентов из нескольких источников реагента и смешивания указанных двух или большего количества реагентов с целью образования смеси из двух или большего количества реагентов. Следует отметить, что в данном документе могут быть использованы смесительные устройства всех типов. В конкретном варианте выполнения смесь из двух или большего количества реагентов подается из смесительного устройства 14 в макро-камеру 12. В альтернативном варианте выполнения смесь из двух или большего количества реагентов подается из устройства 14 в реактор 18.

[0027] В другом варианте выполнения устройство 14 выполнено с возможностью получения одного или нескольких реагентов из макро-камеры 12, смешивания указанного одного или нескольких реагентов с другими реагентами, подаваемыми из нескольких источников реагента (не показаны на Фиг. 1) с целью создания смеси из двух или большего количества реагентов, а затем подачи указанной смеси из двух или большего количества реагентов в реактор 18. В альтернативном варианте выполнения смесь из двух или большего количества реагентов подают через смесительное устройство 14 в реактор 18, используемый как зона накопления, а не как реактор, перед подачей содержимого обратно в макро-камеру 12. Этот процесс может повторяться несколько раз для улучшения смешивания.

[0028] В одном варианте выполнения смесительное устройство 14 интегрировано с макро-камерой 12 и выполнено с возможностью смешивания указанных двух или большего количества реагентов внутри макро-камеры 12. В другом варианте выполнения смесительное устройство 14 является источником газа, выполненным с возможностью подачи пузырьков газа в макро-камеру 12, с тем, чтобы обеспечить возможность смешивания указанных двух или большего количества реагентов, находящихся в макро-камере 12. В конкретном варианте выполнения для смешивания двух или большего количества реагентов смесительное устройство 14 может использовать ультразвуковое перемешивание. В другом варианте выполнения смесительное устройство 14 интегрировано с реактором 18 и выполнено с возможностью смешивания двух или большего количества реагентов в реакторе 18.

[0029] Здесь следует отметить, что термин «макро-камера» используется для описания камеры в планарном микрожидкостном устройстве, имеющем размеры, при которых могут быть использованы гравитационные эффекты. Такое поперечное сечение может иметь наименьшую длину в пределах, например, 1 мм или более. Термин «микрожидкостный реактор» используется для описания микрожидкостного канала с поперечным сечением характерного размера в пределах, например, от нескольких микрон до 100 микрон.

[0030] В показанном варианте выполнения, при работе микрожидкостного устройства 10 в микрожидкостном реакторе поддерживается первая температуре, а в макро-камере 12 поддерживается вторая температура, по существу более низкая, чем первая температура. В другом варианте выполнения в микрожидкостном реакторе 18 может поддерживаться более низкая температура, чем в макро-камере 12 или постепенно повышающаяся или понижающаяся температура. В конкретном варианте выполнения в микрожидкостном реакторе 18 и в макро-камере 12 может поддерживаться одинаковая температура (заранее заданная температура). В одном варианте выполнения содержимое реакции подается из реактора 18 в макро-камеру 12. В другом варианте выполнения содержимое реакции временно находится в микрожидкостном реакторе 18, а не подается в макро-камеру 12.

[0031] Здесь следует отметить, что испарение жидкого содержимого в макро-камере 12 зависит от температуры, давления газа, площади поверхности, типа жидкости (или смеси) и концентрации паров жидкости на поверхности жидкости. Интенсивность парообразования жидкого содержимого может быть увеличена при увеличении температуры, площади поверхности и потока газа по поверхности. Управление площадью поверхности жидкого содержимого является более сложным, по сравнению с управлением температурой и потоком газа внутри макро-камеры 12. В соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения, макро-камера 12 имеет систему 20 для управления площадью поверхности жидкого содержимого в макро-камере 12. Система содержит, но не ограничивается, конструктивные признаки макро-камеры, устройство для создания потока газа в макро-камере, устройство для создания режима циркулирующего потока содержимого в макро-камере, топологию поверхности / химическую модификацию поверхности макро-камеры, электросмачивающие элементы, зоны теплового барьера, магнитную систему и т.п.

[0032] Как показано на Фиг. 2, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения, раскрыто микрожидкостное устройство 10. Как обсуждалось выше, микрожидкостное устройство 10 содержит макро-камеру 12, смесительное устройство 14, жидкостную камеру 16 и реактор 18. В показанном варианте выполнения два реагента 22, 24 подаются из источников, соответственно, 26, 28, в макро-камеру 12. В других вариантах выполнения возможно использование более двух реагентов. В одном варианте выполнения два реагента 22, 24 одновременно подаются в макро-камеру 12. В другом варианте выполнения два реагента 22, 24 подаются в макро-камеру 12 последовательно. Указанные два реагента 22, 24 затем подаются из макро-камеры 12 в смесительное устройство 14. Указанные два реагента 22, 24 смешиваются в смесительном устройстве 14 для получения смеси 30 реагентов. Смесь 30 реагентов затем подается из смесительного устройства 14 в макро-камеру 12. В одном варианте выполнения смесительное устройство 14 может находиться внутри макро-камеры 12, чтобы обеспечить возможность смешивания реагентов 22, 24 внутри макро-камеры 12. В другом варианте выполнения смесь 30 реагентов подается из смесительного устройства 14 в реактор 18. В другом варианте выполнения смесительное устройство 14 может находиться внутри реактора 18, чтобы обеспечить возможность смешивания реагентов 22, 24 внутри реактора 18. При подаче реагентов 22, 24 из верхней части макро-камеры 12 они омывают или промывают стенки макро-камеры 12, при этом не требуется больших объемов реагента, в отличие от заполнения макро-камеры 12 в направлении от ее дна вверх.

[0033] В одном варианте выполнения после того, как в макро-камере 12 создана смесь 30 реагентов, последняя перемещается из макро-камеры 12 к микрожидкостному реактору 18 через жидкостную камеру 16. Смесь 30 реагентов может затем вступать в реакцию в реакторе 18 для создания содержимого 32 реакции. Содержимое 32 реакции затем может поступать из реактора 18 в макро-камеру 12. В макро-камеру 12 может быть подано большее количество реагентов, которые могут смешиваться с содержимым реакции, а затем перемещаться в реактор 18, как обсуждалось выше. Процесс может повторяться требуемое количество раз. Система 20 макро-камеры 12 для управления площадью поверхности жидкого содержимого в макро-камере 12 раскрыта более подробно со ссылкой на последующие чертежи.

[0034] Как показано на Фиг. 3, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения, раскрыта макро-камера 12. В показанном варианте выполнения система 20 содержит сужающийся участок 34, расположенный на первом конце 36 макро-камеры 12. Система 20 дополнительно содержит одно первое входное отверстие 37, расположенное на первом конце 36, и два вторых входных отверстия 38, 40, расположенных на втором конце 42 макро-камеры 12. Кроме того, одно первое выходное отверстие 44 расположено на втором конце макро-камеры 12. Следует отметить, что количество входных и выходных отверстий, описанных в данном документе, может варьироваться, в зависимости от области применения. Первое выходное отверстие 44 расположено смещенным от заранее заданных участков 43 профиля кромки макро-камеры 12. В некоторых вариантах выполнения заранее заданный профиль кромки представляет собой сплошной профиль кромки. В некоторых других вариантах выполнения заранее заданный профиль кромки не является сплошным профилем кромки. Процессы химических реакций в макро-камере 12 могут предусматривать этапы сушки или испарения для удаления воды/растворителя, осуществления фазового перехода, изменения концентрации растворенных соединений и т.п. Жидкое содержимое, загруженное в макро-камеру 12, собирается в нижнем конце под действием силы тяжести. Когда макро-камера 12 используется в качестве сушилки/испарителя, то применяется нагрев, при этом сухой газ подается через входные отверстия и выпускается через выходные отверстия. Комбинация применения нагрева и градиента парциальных давлений пара на границе раздела газа и жидкости в макро-камере 12 приводит к быстрому испарению. Давлением окружающей среды в свободном пространстве можно управлять до значений выше, ниже или равных атмосферному давлению. Сужающийся участок 34 позволяет обрабатывать меньшие объемы содержимого, а также обеспечивает высокое значение отношения поверхности к объему содержимого. Первое выходное отверстие 44 расположено на большом расстоянии от углов макро-камеры 12, чтобы обеспечить более эффективный выходной поток из макро-камеры 12. Размещение нескольких входных и выходных отверстий для газа приводит к повышенному потоку газа вдоль поверхности жидкости в макро-камере 12.

[0035] Первое входное отверстие 37 управляет потоком сухого газа, и потоком реагентов, поступающих в макро-камеру 12 и выходящих из нее. Вторые входные отверстия 38, 40 управляют потоком сухого газа, поступающего в макро-камеру 12 и выходящего из нее. Вторые входные отверстия 38, 40 также управляют потоком реагентов, поступающих в макро-камеру 12. Здесь следует отметить, что угол ориентации вторых входных отверстий 38, 40 оказывает существенное воздействие на структуру газового потока, созданного внутри макро-камеры 12 для обеспечения оптимальных условий режима испарения и сушки, а также для удаления влаги. Первое выходное отверстие 44 управляет потоком сухого газа из макро-камеры 12.

[0036] На Фиг. 4 показана макро-камера 12, выполненная в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. По сравнению с предыдущим вариантом выполнения, система 20 содержит участок 46, имеющий заранее заданный профиль кромки на первом конце 36 камеры 12.

[0037] На Фиг. 5 показана макро-камера 12, выполненная в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. В показанном варианте выполнения система 20 содержит сужающийся сходящийся на конус участок 48 и участок 50, имеющий заранее заданный профиль кромки на первом конце 36 макро-камеры 12.

[0038] На Фиг. 6 показана макро-камера 12, выполненная в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. В показанном варианте выполнения система 20 содержит два третьих входных отверстия 52, расположенных между первым концом 36 и вторым концом 42 макро-камеры 12. Третьи входные отверстия 52 управляют потоком сухого газа, поступающего в макро-камеру 12 и выходящего из нее. Третьи входные отверстия 52 также управляют потоком реагентов, поступающих в макро-камеру 12.

[0039] Как показано на Фиг. 7, раскрыта макро-камера 12, выполненная в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. В показанном варианте выполнения система 20 содержит мостиковую структуру 54, расположенную в макро-камере 12 для управления прямым потоком сухого газа, поступающего из макро-камеры через первое выходное отверстие 44. Мостиковая структура 54 препятствует прямому вытеканию жидкого содержимого, например, капель, жидкости в виде аэрозоля и т.п., находящегося в макро-камере 12, через первое выходное отверстие 44.

[0040] В вариантах выполнения, описанных в данном документе, количество и положение входных и выходных отверстий, и форма макро-камеры 12 выполнены с возможностью быстрой доставки паров жидкости из жидкого содержимого в макро-камере 12. Конструкция макро-камеры 12 предусматривает непрерывное введение выборочного содержимого вместе с растворителем в макро-камеру 12, одновременно обеспечивая испарение жидкого содержимого. Высокое значение отношения поверхности к объему используется для обеспечения быстрого испарения в макро-камере 12, не приводя к избыточному перегреву. Несмотря на то, что отношение поверхности жидкого содержимого к объему в иллюстративной макро-камере 12 меньше, по сравнению с некоторыми обычными стендовыми лабораторными сушилками, меньший размер поверхности компенсируется в результате адаптации потока газа и большей теплопередачи. В обычных сушилках выборочное содержимое загружается первым, а затем снижается уровень жидкости в процессе испарения, в результате чего происходит прилипание соединений к боковым стенкам сушилки. В соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения, выборочное содержимое смачивает только те участки в макро-камере 12, которые соответствуют целевому объему макро-камеры 12.

[0041] Как показано на Фиг. 8, раскрыт участок макро-камеры 12, выполненной в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. В показанном варианте выполнения система 20 содержит источник 56 газа, предназначенный для подачи сжатого газа в макро-камеру 12 для управления площадью поверхности содержимого 58 в макро-камере 12. Содержимое может состоять из одного или нескольких реагентов, содержимого реакции или их комбинации. Так как в макро-камеру 12 подается газ, содержимое 58 поднимается вверх вдоль стенки камеры, в результате чего происходит увеличение площади поверхности содержимого 58, что приводит к увеличению коэффициента поверхности к объему.

[0042] Как показано на Фиг. 9, раскрыт участок макро-камеры 12, выполненной в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. В показанном варианте выполнения система 20 содержит магнитную мешалку 60, имеющую вращающийся магнит 62 (движущий механизм) для вращения магнитного якоря 64 мешалки, расположенного в содержимом 58 в макро-камере 12, для управления площадью поверхности содержимого 58 в макро-камере 12. Когда магнитный якорь 64 мешалки приводится в действие, создаются режимы циркулирующих потоков содержимого 58, в результате чего происходит увеличение площади поверхности содержимого 58 и, соответственно, коэффициента отношения поверхности к объему.

[0043] Как показано на Фиг. 10, раскрыт участок макро-камеры 12, выполненной в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. В показанном варианте выполнения система 20 содержит циркуляционный канал 66 с установленным в нем насосом 68, предназначенный для циркуляции потока содержимого 58 в макро-камере 12, для управления площадью поверхности содержимого 58 в макро-камере 12. Когда насос 68 приводится в действие, создаются режимы циркулирующих потоков содержимого 58, в результате чего содержимое 58 поднимается вверх вдоль стенки камеры, что приводит к увеличению площади поверхности содержимого 58 и соответственно, к увеличению коэффициента отношения поверхности к объему.

[0044] Как показано на Фиг. 11, раскрыт участок макро-камеры 12, выполненной в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. В показанном варианте выполнения система 20 предусматривает заранее заданную топологию поверхности или химическую модификацию 70 поверхности, интегрированную с по меньшей мере частью внутренней поверхности 72 макро-камеры 12, для управления площадью поверхности содержимого 58 в макро-камере 12. В показанном варианте выполнения модификация 70 поверхности представляет собой гидрофильное покрытие. Модификации поверхности обуславливает смачивание содержимого 58 на участке внутренней поверхности 72 макро-камеры 12, в результате чего содержимое 58 поднимается вверх вдоль стенки камеры, что приводит к увеличению площади поверхности содержимого 58 и соответственно, к увеличению коэффициента отношения поверхности к объему.

[0045] Как показано на Фиг. 12, раскрыт участок макро-камеры 12, выполненной в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. В показанном варианте выполнения система 20 предусматривает заранее заданную топологию поверхности или химическую модификацию 74 поверхности, интегрированную с по меньшей мере участком внутренней поверхности 72 макро-камеры 12, для управления площадью поверхности содержимого 58 в макро-камере 12. В показанном варианте выполнения модификация 74 поверхности представляет собой гидрофильное покрытие. Поверхность 74 препятствует смачиванию содержимого 58 на участке внутренней поверхности 72 макро-камеры 12, что приводит к увеличению площади поверхности содержимого 58 и соответственно, к увеличению коэффициента отношения поверхности к объему.

[0046] Как показано на Фиг. 13, раскрыт участок макро-камеры 12, выполненный в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. В показанном варианте выполнения система 20 содержит электросмачивающее устройство/элемент 76 для управления площадью поверхности содержимого 58 в макро-камере 12. Когда между парой электродов 78, 80 прикладывают электродный потенциал, содержимое 58 перемещается вверх вдоль стенки камеры, что приводит к увеличению площади поверхности содержимого 58 и, соответственно, к увеличению коэффициента отношения поверхности к объему. В альтернативном варианте выполнения возможно также электросмачивание диэлектрика, что позволяет избежать прямого контакта электрода с текучей средой в макро-камере 12.

[0047] Как показано на Фиг. 14, раскрыт участок макро-камеры 12, выполненный в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. В показанном варианте выполнения система 20 содержит несколько магнитных частиц 86, расположенных в макро-камере 12. Когда используют указанные несколько магнитных частиц 86, как проиллюстрировано, с использованием нескольких электромагнитов 84, 86, магнитные частицы 86 перемещаются вверх вдоль стенки камеры, что приводит к капиллярным эффектам в содержимом 58. В результате содержимое 58 поднимается вверх в направлении частиц 86 вдоль стенки камеры, что приводит к увеличению площади поверхности содержимого 58 и, соответственно, к увеличению коэффициента отношения поверхности к объему.

[0048] Как показано на Фиг. 15, раскрыт участок макро-камеры 12, выполненный в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. В показанном варианте выполнения система 20 содержит покрытие 88 из растворимого материала, нанесенного на по меньшей мере участок внутренней поверхности 72 макро-камеры 12. Покрытие 88 вызывает перемещение содержимого 58 вверх вдоль стенки камеры, что приводит к увеличению площади поверхности содержимого 58 и, соответственно, к увеличению коэффициента отношения поверхности к объему.

[0049] Как показано на Фиг. 16, раскрыт участок макро-камеры 12, выполненный в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. В показанном варианте выполнения система 20 содержит тепловую зону 90 в макро-камере 12. Когда тепловая зона 90 выключена, содержимое 58 перемещается вверх вдоль стенки камеры, что приводит к увеличению площади поверхности содержимого 58 и, соответственно, к увеличению коэффициента отношения поверхности к объему, как описано в предшествующих вариантах выполнения. Когда тепловая зона 90 включена, содержимое 58, расположенное вдоль стенки камеры, в положении, соответствующем положению тепловой зоны 90, испаряется, уменьшая, тем самым, степень смачивания стенок.

[0050] Многие микрожидкостные устройства являются плоскими, и использование достаточно большой камеры для демонстрации эффекта, обусловленного макроскопическими доминирующими силами, как например, силы тяжести, часто приводит к уменьшению коэффициента отношения поверхности к объему, по сравнению с сопоставимыми неплоскими устройствами. Учитывая, что с увеличением площади поверхности содержимого интенсивность испарения возрастает, меньшая площадь поверхности содержимого в макро-камере представляет собой проблему, которую необходимо преодолеть, если быстрое испарение имеет важное значение. Кроме того, жидкость также переносит соединения за счет смачивания поверхности, при этом побочный эффект заключается в том, что такие соединения могут достигать участков макро-камеры, не предназначенных для смачивания. Соединения могут налипать на поверхность участков, не предназначенных для смачивания, что может привести к нежелательному налипанию и потерям. Удалить налипшие компоненты представляется сложным.

[0051] Хотя на Фиг. 1-16 это непосредственно не показано, следует понимать, что любая жидкость или газ, подаваемые в описанную систему, могут быть предварительно нагреты, предварительно охлаждены или поддерживаться при комнатной температуре. Такое воздействие может использоваться для предотвращения химических реакций, для усиления качества химических реакций или для дополнительного воздействия на физические процессы, такие как испарение. Контуры нагрева и охлаждения или теплообменники могут быть интегрированы в микрожидкостное устройство 10 или могут находиться снаружи устройства 10.

[0052] Иллюстративные варианты выполнения, описанные выше, приводят к увеличению площади поверхности и повышенной интенсивности испарения. Управление площадью поверхности и степени, при которой содержимое 58 перемещается вдоль стенки камеры, позволяет свести к минимуму нежелательное смачивание стенки камеры.

[0053] Несмотря на то что были проиллюстрированы и описаны в данном документе лишь определенные признаки изобретения, специалистам в данной области будут очевидны многие модификации и изменения. Таким образом, следует понимать, что прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех подобных модификаций и изменений, которые находятся в пределах истинной сущности настоящего изобретения.

Изобретение относится к микрожидкостному устройству и способу смешивания реагентов в микрожидкостном устройстве и может быть использовано в биомедицинских и фармацевтических исследованиях. Микрожидкостное устройство содержит несколько источников реагента для подачи нескольких реагентов, при этом каждый источник реагента подает соответствующий реагент, макро-камеру, предназначенную для получения реагентов и выполненную с возможностью выполнения операций в области размеров, в которой сила тяжести, масса и другие макро-эффекты преобладают над микромасштабными доминирующими эффектами. При этом макро-камера содержит систему, содержащую первое входное отверстие на первом конце макро-камеры для управления потоком реагентов в макро-камеру и из нее, второе входное отверстие на втором конце макро-камеры для управления потоком сухого газа в макро-камеру, первое выходное отверстие на втором конце макро-камеры для управления потоком сухого газа из макро-камеры, и микрожидкостный реактор, соединенный с макро-камерой и источниками реагента и выполненный с возможностью получения реагентов и взаимодействия с реагентами для образования содержимого реакции, причем макро-камера дополнительно выполнена с возможностью получения содержимого реакции из микрожидкостного реактора. Изобретение обеспечивает эффективную микрожидкостную интеграцию теплопередачи капиллярных и микроканальных систем и гравитационных эффектов, а также предотвращение нежелательных эффектов, таких как смачивание. 2 н. и 25 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Микрожидкостное устройство, содержащее:

несколько источников реагента для подачи нескольких реагентов, при этом каждый источник реагента подает соответствующий реагент из указанных нескольких реагентов,

макро-камеру, предназначенную для получения одного или нескольких реагентов из указанных нескольких реагентов от указанных нескольких источников реагента и выполненную с возможностью выполнения операций в области размеров, в которой сила тяжести, масса и другие макро-эффекты преобладают над микромасштабными доминирующими эффектами,

причем макро-камера содержит систему, содержащую:

первое входное отверстие на первом конце макро-камеры для управления потоком указанного одного или нескольких реагентов из указанных нескольких реагентов в макро-камеру и из нее,

второе входное отверстие на втором конце макро-камеры для управления потоком сухого газа в макро-камеру,

первое выходное отверстие на втором конце макро-камеры для управления потоком сухого газа из макро-камеры, и

микрожидкостный реактор, соединенный с макро-камерой и с указанными несколькими источниками реагента и выполненный с возможностью получения одного или нескольких реагентов из указанных нескольких реагентов и взаимодействия с указанным одним или несколькими реагентами для образования содержимого реакции, причем макро-камера дополнительно выполнена с возможностью получения содержимого реакции из микрожидкостного реактора.

2. Микрожидкостное устройство по п. 1, в котором в указанной системе макро-камера на первом конце содержит по меньшей мере один профиль из следующего: сужающийся профиль и профиль с заданным профилем кромки, для управления потоком по меньшей мере одного из следующего: указанного сухого газа, указанного одного или нескольких реагентов из указанных нескольких реагентов в макро-камеру и из нее.

3. Микрожидкостное устройство по п. 2, в котором первое входное отверстие также предназначено для управления потоком указанного сухого газа в макро-камеру.

4. Микрожидкостное устройство по п. 3, в котором второе входное отверстие также предназначено для управления потоком указанного одного или нескольких реагентов из указанных нескольких реагентов в макро-камеру.

5. Микрожидкостное устройство по п. 1, в котором указанная система имеет третье входное отверстие, расположенное между первым концом и вторым концом макро-камеры, для управления потоком сухого газа в макро-камеру и из нее, причем третье входное отверстие дополнительно управляет потоком указанного одного или нескольких реагентов из указанных нескольких реагентов в макро-камеру.

6. Микрожидкостное устройство по п. 1, в котором указанная система содержит мостиковую структуру, расположенную в макро-камере, для управления прямым потоком сухого газа из макро-камеры через первое выходное отверстие.

7. Микрожидкостное устройство по п. 1, в котором первое выходное отверстие смещено от заданного участка профиля кромки макро-камеры для управления потоком сухого газа из макро-камеры.

8. Микрожидкостное устройство по п. 1, в котором указанная система содержит источник газа для подачи сжатого газа в макро-камеру для управления площадью поверхности по меньшей мере одного из следующего: указанного одного или нескольких реагентов и содержимого реакции в макро-камере.

9. Микрожидкостное устройство по п. 1, в котором указанная система содержит магнитную мешалку для циркуляции потока указанного одного или нескольких реагентов в макро-камере для управления площадью поверхности по меньшей мере одного из следующего: указанного одного или нескольких реагентов и содержимого реакции в макро-камере.

10. Микрожидкостное устройство по п. 1, в котором указанная система содержит циркуляционный канал с насосом, предназначенный для циркуляции потока указанного одного или нескольких реагентов в макро-камере для управления площадью поверхности по меньшей мере одного из следующего: указанного одного или нескольких реагентов и содержимого реакции в макро-камере.

11. Микрожидкостное устройство по п. 1, в котором указанная система содержит электросмачивающий элемент для управления площадью поверхности по меньшей мере одного из следующего: указанного одного или нескольких реагентов и содержимого реакции в макро-камере.

12. Микрожидкостное устройство по п. 1, в котором указанная система содержит несколько магнитных частиц, расположенных в указанном одном или нескольких реагентах в макро-камере, и несколько электромагнитов для воздействия на магнитные частицы для управления площадью поверхности по меньшей мере одного из следующего: указанного одного или нескольких реагентов и содержимого реакции в макро-камере.

13. Микрожидкостное устройство по п. 1, в котором указанная система имеет заранее заданную топологию поверхности или химическую модификацию поверхности, интегрированную в по меньшей мере участок внутренней поверхности макро-камеры, для управления площадью поверхности по меньшей мере одного из следующего: указанного одного или нескольких реагентов и содержимого реакции в макро-камере.

14. Микрожидкостное устройство по п. 1, в котором указанная система содержит покрытие из растворимого материала, нанесенное на по меньшей мере участок внутренней поверхности макро-камеры, для управления площадью поверхности по меньшей мере одного из следующего: указанного одного или нескольких реагентов и содержимого реакции в макро-камере.

15. Микрожидкостное устройство по п. 1, в котором указанная система содержит тепловую зону в макро-камере для управления площадью поверхности по меньшей мере одного из следующего: указанного одного или нескольких реагентов и содержимого реакции в макро-камере.

16. Способ смешивания реагентов в микрожидкостном устройстве, включающий:

управление потоком одного или нескольких реагентов из одного или нескольких источников реагента через первое входное отверстие на первом конце макро-камеры в микрожидкостном устройстве для выполнения операций в области размеров, в которой сила тяжести, масса и другие макро-эффекты преобладают над микромасштабными доминирующими эффектами,

управление потоком сухого газа, поступающего в макро-камеру и выходящего из нее, через второе входное отверстие на втором конце макро-камеры, и

управление потоком сухого газа, выходящего из макро-камеры, через первое выходное отверстие на втором конце макро-камеры.

17. Способ по п. 16, в котором дополнительно управляют потоком по меньшей мере одного из следующего: сухого газа и указанного одного или нескольких реагентов, поступающих через несколько входных отверстий в макро-камеру и выходящих из нее, причем на первом конце макро-камера содержит по меньшей мере один профиль из следующего: сужающийся профиль и профиль с заданным профилем кромки.

18. Способ по п. 17, в котором дополнительно управляют выходом сухого газа из макро-камеры через по меньшей мере одно выходное отверстие, расположенное далеко от профиля с заданным профилем кромки макро-камеры.

19. Способ по п. 18, в котором дополнительно управляют прямым выходом сухого газа из макро-камеры через указанное по меньшей мере одно выходное отверстие с использованием мостиковой структуры, расположенной в макро-камере.

20. Способ по п. 16, в котором дополнительно подают один или несколько реагентов в микрожидкостный реактор в микрожидкостном устройстве и осуществляют реакцию указанного одного или нескольких реагентов для образования содержимого реакции.

21. Способ по п. 20, в котором дополнительно подают сжатый газ в макро-камеру для управления площадью поверхности по меньшей мере одного из следующего: указанного одного или нескольких реагентов и содержимого реакции в макро-камере.

22. Способ по п. 20, в котором дополнительно создают циркулирующий поток указанного по меньшей мере одного из следующего: указанного одного или нескольких реагентов и содержимого в макро-камере, для управления площадью поверхности по меньшей мере одного из следующего: указанного одного или нескольких реагентов и содержимого реакции в макро-камере.

23. Способ по п. 20, в котором дополнительно управляют площадью поверхности по меньшей мере одного из следующего: указанного одного или нескольких реагентов и содержимого реакции в макро-камере путем использования заранее заданной топологии поверхности или химической модификации поверхности, интегрированной во внутреннюю поверхность макро-камеры.

24. Способ по п. 20, в котором дополнительно управляют площадью поверхности по меньшей мере одного из следующего: указанного одного или нескольких реагентов и содержимого реакции в макро-камере с помощью электросмачивания.

25. Способ по п. 20, в котором дополнительно используют несколько магнитных частиц, расположенных в макро-камере для управления площадью поверхности по меньшей мере одного из следующего: указанного одного или нескольких реагентов и содержимого реакции в макро-камере.

26. Способ по п. 20, в котором дополнительно управляют площадью поверхности по меньшей мере одного из следующего: указанного одного или нескольких реагентов и содержимого реакции в макро-камере путем использования покрытия из растворимого материала, выполненного на заранее заданном участке внутренней поверхности макро-камеры.

27. Способ по п. 20, в котором дополнительно активируют тепловую зону в макро-камере для управления площадью поверхности по меньшей мере одного из следующего: указанного одного или нескольких реагентов и содержимого реакции в макро-камере.