(57)【要約】      （修正有）【課題】液滴を分割するためのデバイスおよび方法を提供する。【解決手段】障害物のアレイを備えている流体チャネル１５を備え、アレイ内の障害物配列は、チャネル内の流体２５の流路に影響を及ぼし得る。障害物２０のアレイは、液滴３０の多分散集合を液滴の比較的単分散集合に変換するために使用され得る。アレイを通して液滴の多分散集合を通過させることは、アレイから流出する液滴の集合が液滴の特性寸法においてより狭い分布を有するように、液滴の分割をもたらし得る。アレイ内の障害物配列は、液滴の実質的単分散集合の高処理量生産を可能にし得る。アレイから流出する液滴の集合は、粒子に変換され得る。【選択図】図１
2019089067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体チャネルを備えている物品であって、
前記マイクロ流体チャネルは、実質的に規則的に間隔を空けられた障害物の複数の行に配列された２次元の障害物のアレイをその中に備え、前記行は、前記マイクロ流体チャネルを通る平均流体流動の方向に実質的に直交するように配列され、
前記実質的に規則的に間隔を空けられた障害物の行のうちの少なくともいくつかは、実質的に規則的に間隔を空けられた障害物の隣接する行に対してオフセットされている、物品。
【請求項２】
前記アレイの前記行内の障害物と次の最近傍障害物との間の平均水平間隔は、約１０マイクロメートル以上〜約１００マイクロメートル未満である、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記アレイの列内の障害物と次の最近傍障害物との間の平均垂直間隔は、約１０マイクロメートル以上〜約１００マイクロメートル未満である、請求項１または２のいずれか一項に記載の物品。
【請求項４】
前記行のうちの少なくともいくつか内の前記障害物の中心は、隣接する行内の前記障害物の中心に対してオフセットされている、請求項１−３のいずれか一項に記載の物品。
【請求項５】
前記行のうちの少なくともいくつか内の前記障害物の中心は、約１００マイクロメートル以下だけ、隣接する行内の前記障害物の中心に対してオフセットされている、請求項４に記載の物品。
【請求項６】
前記障害物のアレイは、少なくとも５行〜１００行未満の障害物を備えている、請求項１−５のいずれか一項に記載の物品。
【請求項７】
前記障害物のうちの少なくともいくつかは、前記マイクロ流体チャネル内の流体流動の平均方向に対して９０°の角度である部分を有する、請求項１−６のいずれか一項に記載の物品。
【請求項８】
前記障害物のうちの少なくともいくつかは、実質的に長方形形状である、請求項１−７のいずれか一項に記載の物品。
【請求項９】
前記障害物のうちの少なくともいくつかは、実質的に正方形形状である、請求項１−８のいずれか一項に記載の物品。
【請求項１０】
前記障害物のうちの少なくともいくつかは、実質的に円形形状である、請求項１−９のいずれか一項に記載の物品。
【請求項１１】
前記障害物の平均高さは、約１００マイクロメートル未満である、請求項１−１０のいずれか一項に記載の物品。
【請求項１２】
前記障害物の平均幅は、約１００マイクロメートル未満である、請求項１−１１のいずれか一項に記載の物品。
【請求項１３】
前記障害物の平均縦横比は、少なくとも２である、請求項１−１２のいずれか一項に記載の物品。
【請求項１４】
前記障害物の平均縦横比は、約１０未満である、請求項１−１３のいずれか一項に記載
の物品。
【請求項１５】
前記アレイの平均間隙容量は、約２００，０００立方マイクロメートル以下である、請求項１−１４のいずれか一項に記載の物品。
【請求項１６】
マイクロ流体チャネルを備えている物品であって、
前記マイクロ流体チャネルは、障害物の複数の行内に配列された２次元の障害物のアレイをその中に備え、前記行は、前記マイクロ流体チャネルを通る平均流体流動の方向に実質的に直交するように配列され、
前記マイクロ流体チャネルを通る平均流体流動の方向に前記障害物のアレイを通して描かれる想像線の少なくとも約９０％は、前記アレイを形成する前記障害物の行の少なくとも約４０％の障害物に交差する、物品。
【請求項１７】
マイクロ流体チャネルを備えている物品であって、
前記マイクロ流体チャネルは、障害物のアレイをその中に備え、前記障害物のアレイは、前記障害物のアレイに流入する上流からの流体の流路が、少なくとも５回の方向変化を伴うことなく前記アレイの下流から流出することがないように配列されている、物品。
【請求項１８】
マイクロ流体チャネル内に含まれる２次元の障害物のアレイを提供することであって、
障害物と次の最近傍障害物との間の平均距離は、約１ｍｍ未満である、ことと、
前記障害物のアレイを通して複数の液滴を通過させ、前記液滴の少なくとも約５０％を分割し、複数の分割された液滴を形成することと
を含む、方法。
【請求項１９】
前記液滴の実質的に全が、分割され、前記複数の分割された液滴を形成する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数の分割された液滴は、約２０％以下の特性寸法の変動係数を有する、請求項１８または１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記複数の液滴の各々の特性寸法の変動係数は、前記複数の分割された液滴の各々の特性寸法の変動係数を上回る、請求項１８−２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記液滴の少なくとも約７０％が分割され、前記複数の分割された液滴を形成する、請求項１８−２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記液滴の少なくとも約９０％が分割され、前記複数の分割された液滴を形成する、請求項１８−２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記液滴は、液体内に含まれる、請求項１８−２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記液体の粘度に対する前記液滴の粘度の比率は、約２０以下である、請求項１８−２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記液滴のキャピラリー数は、約２未満である、請求項１８−２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
複数の液滴が分割され、複数の分割された液滴を形成するように、２次元の障害物のアレイを通して前記複数の液滴を通過させることによって、剪断力を前記複数の液滴に与えることを含み、前記複数の分割された液滴は、前記分割された液滴の約５％以下が、前記複数の分割された液滴の平均特性寸法の約１２０％超または約８０％未満の特性寸法を有するような特性寸法の分布を有している、方法。
【請求項２８】
前記剪断応力は、約０．０１Ｐａ以上〜約３Ｐａ未満である、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
マイクロ流体チャネル内に含まれる２次元の障害物のアレイを通して液滴を通過させ、前記液滴を分割し、複数の分割された液滴を形成することを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、米国仮特許出願第６１／７７３，６０４号（２０１３年３月６日出願、名称「Ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｆｏｒｍｉｎｇ  Ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ  Ｍｏｎｄｉｓｐｅｒｓｅ  Ｄｒｏｐｌｅｔｓ」）の利益を主張し、上記出願は、その全体が参照により本明細書に援用される。
【０００２】
（技術分野）
流体液滴の分割のためのデバイスおよび方法が、概して、説明される。
【背景技術】
【０００３】
流体送達、製品製造、分析等の目的のために、所望の構成の流体流、断続流体流、液滴、粒子、分散液等を形成する流体の操作は、比較的に研究が進んでいる技術である。マイクロ流体システム内で液滴を産生する方法の実施例として、Ｔ字路の使用または流動集束技法が挙げられる。しかしながら、そのような技法は、典型的には、比較的に低速の層流または「滴下」条件で機能し、いくつかの用途では、より高速の液滴生産が、例えば、より多数の液滴を産生するために必要とされる。
【０００４】
いくつかの従来の流体デバイスは、粒子形成を並列化するために、２つ以上の流体デバイスを接続することによって、生産の増加を試みている。しかしながら、数千またはさらに数百万個の流体デバイスの並列化が、いくつかの用途、例えば、産業使用のために、必要であり得る。したがって、流体デバイスの処理量が、その産業化が実行可能になる前に、有意に増加される必要がある。さらに、数千個の流体デバイスのアレイ内の単一流体デバイスの故障さえ、より高い多分散性をもたらす可能性がある。故に、液滴生産システムおよび方法における改良が、必要とされる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
流体液滴の分割のためのデバイスおよび方法が、概して、説明される。本発明の主題は、ある場合には、相互関連製品、特定の問題に対する代替解決策、および／または１つ以上のデバイスおよび／または物品の複数の異なる使用を伴う。
【０００６】
一側面では、本発明は、概して、物品を対象とする。一組の実施形態によると、物品は、実質的に規則的に間隔を空けられた障害物の複数の行に配列された２次元の障害物のアレイをその中に備えている、マイクロ流体チャネルであって、行は、マイクロ流体チャネルを通る平均流体流動の方向に実質的に直交するように配列される、マイクロ流体チャネルを備えている。ある場合には、実質的に規則的に間隔を空けられた障害物の行のうちの少なくともいくつかは、実質的に規則的に間隔を空けられた障害物の隣接する行に対してオフセットされる。
【０００７】
物品は、別の一組の実施形態では、障害物の複数の行内に配列された２次元の障害物のアレイをその中に備えている、マイクロ流体チャネルを備え、行は、マイクロ流体チャネルを通る平均流体流動の方向に実質的に直交するように配列される。ある場合には、マイクロ流体チャネルを通る平均流体流動の方向に障害物のアレイを通して描かれる想像線の少なくとも約９０％は、アレイを形成する障害物の行の少なくとも約４０％の障害物に交差する。
【０００８】
さらに別の一組の実施形態は、概して、障害物のアレイに流入する上流からの流体の流路が、少なくとも５回の方向変化を伴うことなくアレイの下流から流出することがないように配列される、障害物のアレイをその中に備えている、マイクロ流体チャネルを備えている、物品を対象とする。
【０００９】
本発明は、別の側面では、概して、方法を対象とする。一組の実施形態では、本方法は、マイクロ流体チャネル内に含まれる２次元の障害物のアレイを提供し、障害物のアレイを通して複数の液滴を通過させ、液滴の少なくとも約５０％を分割し、複数の分割された液滴を形成する行為を含む。いくつかの事例では、障害物と次の最近傍障害物との間の平均距離は、約１ｍｍ未満である。
【００１０】
本方法は、別の一組の実施形態によると、液滴が、分割され、複数の分割された液滴を形成するように、２次元の障害物のアレイを通して複数の液滴を通過させることによって、剪断力を複数の液滴に与える行為を含む。いくつかの実施形態では、複数の分割された液滴は、分割された液滴の約５％以下が、複数の分割された液滴の平均特性寸法の約１２０％超または約８０％未満の特性寸法を有するような特性寸法の分布を有する。
【００１１】
なおも別の一組の実施形態は、概して、マイクロ流体チャネル内に含まれる２次元の障害物のアレイを通して液滴を通過させ、液滴を分割し、複数の分割された液滴を形成することを含む、方法を対象とする。
【００１２】
本発明の他の利点および新規特徴は、付随の図と併せて検討されることによって、本発明の種々の非限定的実施形態の以下の発明を実施するための形態から明白となるであろう。本明細書および参照することによって組み込まれる文書が、矛盾および／または非一貫した開示を含む場合、本明細書が優先するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明の非限定的実施形態が、一例として、付随の図（概略であり、正確な縮尺で描かれることを意図しない）を参照して説明される。図中、図示されるそれぞれ同じまたはほぼ同じ構成要素は、典型的には、単一数字によって表される。明確性の目的のため、全ての構成要素が、全ての図において標識されるわけではなく、例証が、当業者に本発明を理解させるために必要ない場合も、本発明の各実施形態の全ての構成要素が、示されない。
【図１】図１は、本発明の一実施形態のデバイスの概略を図示する。
【図２Ａ】図２Ａは、ある実施形態による、種々の障害物および液滴分割のアレイを図示する。
【図２Ｂ−Ｃ】図２Ｂ−Ｃは、ある実施形態による、種々の障害物および液滴分割のアレイを図示する。
【図２Ｄ−Ｇ】図２Ｄ−Ｇは、ある実施形態による、種々の障害物および液滴分割のアレイを図示する。
【図３】図３は、一実施形態による、デバイスの並列化を図示する。
【図４Ａ−Ｂ】図４Ａ−Ｂは、ある実施形態による、液滴サイズ対キャピラリー数および間隙容量のグラフを図示する。
【図５Ａ】図５Ａは、一組の実施形態による、分散相の体積パーセント、液滴サイズ、および変動係数対間隙容量のグラフを図示する。
【図５Ｂ】図５Ｂは、一組の実施形態による、分散相の体積パーセント、液滴サイズ、および変動係数対間隙容量のグラフを図示する。
【図５Ｃ】図５Ｃは、一組の実施形態による、分散相の体積パーセント、液滴サイズ、および変動係数対間隙容量のグラフを図示する。
【図６】図６は、一組の実施形態による、障害物幾何学形状に基づく、液滴の特性寸法の分布を図示する。
【図７Ａ−Ｆ】図７Ａ−Ｆは、ある実施形態による、異なる障害物幾何学形状に対する液滴分割を図示する。
【図８Ａ−Ｅ】図８Ａ−Ｅは、ある実施形態による、異なる縦横比に対する液滴分割を図示する。
【図９Ａ−Ｂ】図９Ａ−Ｂは、一組の実施形態に従って形成される粒子を図示する。
【図１０Ａ−Ｅ】図１０Ａ−Ｅは、ある実施形態による、異なる縦横比に対する液滴分割および平均液滴直径対縦横比のグラフを図示する。
【図１０Ｆ】図１０Ｆは、ある実施形態による、異なる縦横比に対する液滴分割および平均液滴直径対縦横比のグラフを図示する。
【図１０Ｇ】図１０Ｇは、ある実施形態による、異なる縦横比に対する液滴分割および平均液滴直径対縦横比のグラフを図示する。
【図１０Ｈ】図１０Ｈは、ある実施形態による、異なる縦横比に対する液滴分割および平均液滴直径対縦横比のグラフを図示する。
【図１１Ａ−Ｆ】図１１Ａ−Ｆは、一組の実施形態に従って形成される粒子を図示する
【図１２】図１２は、ある実施形態による、液滴直径対流体速度のグラフを図示する。
【図１３】図１３は、一組の実施形態に従って形成される粒子を図示する。
【図１４】図１４は、一組の実施形態による、液滴直径対行の数のグラフを図示する。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
液滴を分割するためのデバイスおよび方法が、概して、説明される。いくつかの実施形態では、物品は、障害物のアレイを備えている流体チャネルを備え得る。ある実施形態では、アレイ内の障害物配列は、チャネル内の流体の流路に影響を及ぼし得る。例えば、障害物のアレイは、液滴の多分散集合を液滴の比較的単分散集合に変換するために使用され得る。アレイを通して液滴の多分散集合を通過させることは、アレイから流出する液滴の集合が、より小さい特性寸法および／または液滴の特性寸法のより狭い分布を有するような液滴の分割をもたらし得る。アレイ内の障害物配列は、ある場合には、液滴の実質的単分散集合の高処理量生産を可能にし得る。いくつかの実施形態では、アレイから流出する液滴の集合は、粒子に変換され得る。
【００１５】
本発明のある側面は、概して、液滴を分割するためのデバイスおよび方法を対象とする。一非限定的実施例が、図１に図示される。図１に例証的に示されるように、流体デバイス１０は、障害物２０のアレイを含むチャネル１５を備え得る（差込図は、明確にするために、アレイの拡大領域を示す）。チャネルに流入する流体２５は、矢印１８の方向に上流１６から下流１７に流動し得る（チャネル１５内の流体流動の平均方向を表す）。流体デバイスは、チャネルに流入する流体が、チャネルから流出する前に、障害物のアレイを通過するように配列され得る。ある実施形態では、チャネルに流入する流体は、液滴、例えば、図１における液滴３０を備え得る。流体２５内の液滴は、流体液滴が連続流体相内に分散されるように、乳化プロセス（例えば、バルク乳化）等の任意の好適な技法を介して産生され得る。典型的には、液滴は、多分散性である。いくつかの実施形態では、液滴は、アレイの上流のデバイス上で形成され得る。
【００１６】
いくつかの実施形態では、流体デバイスは、アレイに流入する液滴が、例えば、システム（例えば、デバイスの構成および／または流体の特性）によって決定付けられる特性寸法を伴う、分割された液滴として流出し得るように配列され得る。例えば、いくつかの実施形態では、液滴は、アレイ内の障害物によって、２つ以上の分割された液滴に分割され得る。分割された液滴はまた、ある場合には、分割され得る。この分割プロセスは、液滴から生じる全ての分割された液滴が、ほぼ特定の特性寸法を有し、それによって、比較的に単分散性液滴を産生するまで、継続し得る。したがって、図１に例証的に示されるように、流体デバイスは、多分散性液滴３０の集合を比較的に単分散性液滴３５の集合に変換するために使用され得る。
【００１７】
ある実施形態では、比較的に多数の液滴が、特定の特性寸法を伴う液滴が高処理量で産生され得るように、実質的に同時に、アレイに流入し、それを占有し、および／またはそこから流出することができる。したがって、単一液滴の分割が前述されたが、これは、明確にするためのものであり、他の実施形態では、複数の液滴が、同時に、障害物のアレイを通して進行し得る。加えて、いくつかの事例では、アレイに流入またはそこから流出する液滴は、障害物のアレイを通過する前および／または後に、追加のプロセスを受け得る。例えば、図１に示されるように、モノマーおよび光開始剤を含む液滴が、液滴がチャネルから流出する前に、紫外線光にさらされ、液滴内で光重合を誘発し得る。
【００１８】
前述のように、チャネルは、アレイに配列される障害物を含み得る。一実施例では、マイクロ流体チャネルは、図２Ａに示されるように、障害物の２次元アレイをその中に備え得る。障害物は、チャネル内に規則的または不規則的に位置付けられ得る。例えば、障害物は、図２Ａに示されるように、複数の行１００、１０１、１０２、１０３、１０４、および１０５に配列され得る。障害物は、実質的に、複数の行で規則的に間隔を空けられ得るか、または行の一部または全部は、障害物の不規則的間隔を含み得る。ある実施形態では、行は、図２Ａに示されるように、実質的に、流体流動の平均方向に直交するように配列されるか、または別様に、流体流動１８の平均方向に対して非ゼロ角度で位置付けられ得る。例えば、行はまた、行と流体流動の平均方向との間の角度が、約４５°〜約１３５°、約８０°〜約１００°、または８５°〜約９５°等であるように整列させられ得る。
【００１９】
いくつかの実施形態では、行のうちの少なくともいくつか内の障害物の中心は、隣接する行（すなわち、次の最近傍行）内の障害物の中心に対してオフセットされ得る。例えば、図２に示されるように、第１の行１００内の障害物８０の中心は、第２の行１０１内の障害物８１の中心からオフセットされ、すなわち、チャネル内の平均流体流動の方向に対してオフセットされ得る。一組の実施形態では、障害物は、第１の行１００の２つの障害物の中心間の中間点が、図２Ａに示されるように、隣接する第２の行内の障害物８１の中心と整列させられるように、オフセットされ得る。ある場合には、アレイ内の障害物の行は全て、障害物の隣接する行に対してオフセットされ得、例えば、図２Ａに示されるように、行１００、１０２、および１０４は、行１０１および１０３に対してオフセットされる。加えて、行が別の行と整列させられる実施形態では、アレイは、例えば、図２Ａに示されるように、列８８、８９、９０、９１、９２、９３、９４、９５、９６、９７、９８、および９９を伴う列を有するように、すなわち、列が１つおきの行内に位置する障害物によって画定されるように、説明され得る。しかしながら、図２Ａにおけるアレイは、一例にすぎず、他の実施形態では、より多いまたは少ない数の障害物、行、および／または列が存在し得、および／または障害物自体がまた、種々の異なる形状を有し得ることを理解されたい。加えて、ある場合には、障害物の配列は、図２Ａに描写されるものより不規則的であり得、または障害物は、ある場合には、完璧に整列させられない、あるいは異なるタイプの間隔またはオフセットを呈し得る。
【００２０】
いくつかの実施形態では、アレイ内の障害物は、互に比較的に近接して位置付けられ得る。例えば、アレイ内の障害物は、チャネルを通る平均流体流動の方向における障害物のアレイを通して描かれる想像線の少なくとも約７０％（例えば、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９８％、約１００％）が、アレイを形成する障害物の行の少なくとも約２０％（例えば、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％）の障害物に交差するように配列され得る。例えば、図２Ｂに例証的に示されるように、一連の想像線１１０は、流体流動１８の平均方向に、アレイ２０を通して描かれ得る。例えば、図２Ｂに示されるように、チャネルを通る平均流体流動の方向における障害物のアレイを通して描かれる想像線の少なくとも約９０％は、アレイを形成する障害物の行の少なくとも約４０％の障害物に交差し得る。
【００２１】
加えて、ある実施形態では、障害物は、障害物のアレイに流入する上流からの流体の流路が、少なくとも５回の方向変化（例えば、少なくとも１０、少なくとも２０、少なくとも３０、少なくとも４０、少なくとも５０、少なくとも６０、少なくとも７０、少なくとも８０、少なくとも９０回等の方向変化）を伴わずに、アレイの下流に流出しないようにアレイ内に配列され得る。これは、図２Ｃを参照して理解され得る。図２Ｃに示されるように、第１の行１００を通してアレイに流入する流路１２０および１２１は、流路１２０が、障害物の存在により、前方に真っ直ぐであり続けることができないため、第２の行１０１内の障害物との衝突に応じて、方向を変化させ得る。アレイを横断するために、種々の流路は、行１０７内の障害物間から流出する前に、行１０２、１０３、１０４、１０５、および１０６内の障害物に衝突するにつれて、方向を変化させる。加えて、流路は、少なくとも１回の方向変化を要求せずに、アレイを通して描かれることができない（但し、ある場合には、図２Ａに示されるように、アレイの周りを進む流路が存在し得る）。
【００２２】
いくつかの実施形態では、アレイ内の障害物の設置は、アレイの平均間隙面積および／または体積の観点から説明され得る。平均間隙面積は、図２Ａに示されるように、平均水平間隔（すなわち、行内の障害物と次の最近傍障害物との間の縁間距離）と平均垂直間隔（すなわち、列内の障害物と次の最近傍障害物との間の縁間距離）とによって画定される面積として定義され得る。例えば、本図では、平均水平間隔４６は、行内の障害物４１と次の最近傍近隣４２との間の縁間距離（すなわち、障害物の最近接縁間の最短直線距離）によって画定され、平均垂直間隔４７は、列内の障害物４３と次の最近傍近隣４４との間の縁間距離によって画定される（図２Ａでは、本測定は、スキップし、例えば、行１０２内の障害物と行１０４内の障害物との間に延びる行をスキップし、行１０３内の障害物をバイパスすることに留意されたい）。これらの測定から、間隙面積は、平均垂直間隔によって乗算される平均水平間隔として計算されることができ、間隙容量は、流体チャネルの高さによって乗算される平均間隙面積として計算されることができる。
【００２３】
本明細書に説明されるように、障害物のアレイを含むチャネルは、例えば、液滴がアレイ内の種々の障害物に衝突するにつれて、液滴を分割するために使用され得る。本発明の種々の実施形態による、種々の液滴分割プロセスの略図が、例証的実施例として、図２Ｄ−Ｇに見られ得る（しかしながら、いくつかの実施形態では、複数の液滴がアレイ内に存在し得、および／または以下の機構の２つ以上が、一緒に作用し得るが、ここでは、単一液滴が、明確にするために示される）。図２Ｄに示されるように、障害物２０の２次元アレイの上流の液滴５０は、アレイに向かって流体流動１８の平均方向に流動し得る。いくつかの実施形態では、障害物のアレイは、液滴の流路に影響を及ぼし得る。例えば、図２Ｅに示されるように、液滴５０は、障害物の第１の行２６内の障害物２１と次の最近傍障害物２２との間の間隙２４を通して、アレイに流入し得る。液滴は、次いで、障害物の第２の行２７内の障害物２３に衝突し得る。種々の機構によって、以下に論じられるように、そのような衝突は、液滴を２つ以上の液滴に分化させ得る。
【００２４】
障害物は、いくつかの実施形態では、液滴が、アレイから流出する前に、複数の障害物に衝突するように配列され得る。例えば、アレイを横断する際、液滴は、アレイの行の少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも４０％、少なくとも６０％、または少なくとも８０％内の障害物に衝突し得る。いくつかの実施形態では、液滴が、その流動方向を変化させるまで（例えば、９０度または他の角度）、液滴は、事実上、「捕捉される」、すなわち、障害物近傍の流体流動は、障害物によって、チャネルを通る流体流動の平均方向に対して制限され得る。そのような捕捉は、液滴を２つ以上の別個の液滴に分化させることを促進し得る。
【００２５】
例えば、ある場合には、間隙容量に対する液滴体積に応じて、液滴は、液滴の形状および／またはサイズに主要な改変を伴わずに、障害物を通り過ぎることは不可能であり得る。例えば、ある場合には、液滴は、流体流動によって、障害物の両側に対して圧迫され、および／またはそれに押し付けられ得る。いくつかの実施形態では、図２Ｅに例証的に示されるように、障害物との衝突および／または方向変化は、個々に、アレイ内の障害物をより迂回可能である、分割された液滴５１および５２に液滴が分かれることを引き起こし得る。他の実施形態では、液滴は、３つ以上の液滴に分割し得、および／または液滴はまた、他の障害物への衝突に応じて、さらに分かれ、例えば、図２Ｇに示されるように、液滴５０の分割から生じる分割された液滴６０の集合を産生し得る。
【００２６】
液滴分割は、いくつかの実施形態では、分割された液滴が特性寸法のある分布に到達するまで、すなわち、障害物のアレイを通って流動するにつれて、アレイ内の後続障害物が、実質的に、液滴の平均特性寸法をさらに改変させなくなるまで、持続し得る。液滴の「特性寸法」は、本明細書で使用される場合、液滴と同一の体積を有する、完全球形の直径である。本明細書に論じられるように、ある場合には、液滴の特性寸法は、少なくとも部分的に、デバイスの特徴と連続相に対する分散相の粘度の比率とによって制御され得る。
【００２７】
いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、液滴の分割は、液滴の方向変化、および／または、液滴と障害物との相互作用、およびデバイスの部分にわたる圧力降下によって生じる、液滴に対する剪断力によって生じ得ると考えられる。圧力降下は、障害物間に捕捉される液滴のために増加した抵抗によって生じ得ると考えられる。捕捉された液滴は、その場所の上流の圧力を増加させ得る。上流圧力が、ラプラス圧を超えると、液滴は、分かれ得る。いくつかの事例では、例えば、形状に改変を伴わずに、障害物を通過不可能である液滴は、実質的に同時に、流入流体によって、障害物の両側に対して圧迫され、かつそれに押し付けられ得る。その結果、液滴は、障害物の周囲を流動し得る、分割された液滴に分化し得る。したがって、障害物のアレイを通して液滴を通過させることは、液滴が複数の液滴に分割されるように、剪断力が液滴に与えられることを引き起こし得る。
【００２８】
液滴分割プロセスの効率は、ある実施形態では、障害物幾何学形状または液滴のキャピラリー数等の種々の要因に依存し得る。例えば、障害物の幾何学形状は、液滴の形状または流動方向に主要な改変を伴わずに障害物を迂回することを防止し得る。本効果をもたらし得る、幾何学的特徴の一実施例は、頂点ではなく、流体流動の平均方向と約９０度の角度で整列させられる部分の存在である。そのような部分は、さらなる流体流動を阻止し、液滴の形状または流動方向に改変を生じさせるであろう。長方形および円形障害物は、好適な障害物の実施例である。いくつかの実施形態では、デバイスの特徴によって決定付けられる特定の特性寸法より大きい液滴を捕捉しない障害物幾何学形状は、デバイスの特徴によって決定付けられる特定の特性寸法より大きい液滴を捕捉する障害物幾何学形状より高い特性寸法分布を伴う、アレイから流出する液滴の集合を産生し得る。
【００２９】
しかしながら、本発明は、９０度の部分を含む障害物のみに限定されないことを理解されたい。他の障害物幾何学形状、例えば、障害物の周囲に流体流動の方向変化を生じさせ得る、任意の幾何学形状もまた、使用され得る。例として、限定ではないが、流体流動の平均方向と整列させられる頂点を伴う三角形障害物、流体流動の平均方向と整列させられる頂点を伴う菱形形状の障害物、流体流動の平均方向に半円形くぼみを伴う障害物、不規則的障害物等が挙げられるが、これらの場合のいくつかでは、流体流動の平均方向を改変するためのそのような障害物の能力は、低下され得る。これらの障害物のうちのいくつかの実施例は、図６に見られ得る。したがって、一般に、任意の好適な障害物形状は、液滴を分割するために使用され得る。障害物形状の非限定的実施例として、円形、三角形、菱形形状、正方形、長方形、実質的半円形、くぼみを伴う多角形、規則的多角形、および不規則的多角形が挙げられる。
【００３０】
加えて、いくつかの実施形態では、障害物のうちのいくつかは、チャネル内の平均流体流動に対して、流体が、約８５度、約８０度、約７５度、約７０度、約６５度、約６０度等の角度が付けられた壁に衝突するように位置付けられ得る。加えて、ある場合には、アレイは、例えば、本明細書で論じられる幾何学形状、形状、またはサイズのいずれかを含む、２つ以上のタイプの障害物を備えていることができる。例えば、アレイの第１の部分は、第１の幾何学形状を含み得、アレイの第２の部分は、第２の幾何学形状を含み得、または異なる幾何学形状を有する障害物が、行または列等内に存在し得る。
【００３１】
いくつかの実施形態では、キャピラリー数は、液滴分割プロセスの効率または障害物のアレイ内で産生される液滴のサイズを制御するために重要であり得る。キャピラリー数は、以下のように定義されることができる。
Ｃａ＝ηｑ／（ｈｗγ）
本方程式では、イータ（η）は、液滴の粘度であり、ｑは、チャネル内の流体の平均流量であり、ｈは、全体的チャネルの高さであり、ｗは、全体的チャネル幅であり、およびガンマ（γ）は、チャネル内を流動する連続流体の表面張力である。ある場合には、液滴の分割は、液滴が閾値キャピラリー数を上回る流動を有する場合に生じ得る。閾値は、連続相の粘度に対する液滴の粘度の比率等の種々の要因に依存し得る。一般に、液滴の任意の好適なキャピラリー数が、使用され得る。例えば、いくつかの実施形態では、チャネル内を流動する液滴のキャピラリー数は、約０．００１以上、約０．００５以上、約０．０１以上、約０．０５以上、約０．１以上、約０．５以上、約１以上、約２以上、または約５以上であり得る。いくつかの事例では、液滴のキャピラリー数は、約１０未満、約５未満、約２未満、約１未満、約０．５未満、約０．１未満、約０．０５未満、約０．０１未満、または約０．００５未満であり得る。前述の範囲の組み合わせもまた、可能である（例えば、約０．１以上〜２未満）。液滴のキャピラリー数の他の値もまた、可能である。キャピラリー数は、前述の方程式を使用することによって計算され得る。液滴の粘度および表面張力は、任意の好適な技法を使用して、例えば、それぞれ、粘度計および接触角度測定を使用して、測定され得る。
【００３２】
前述のように、障害物のアレイに流入する液滴は、部分的に、アレイ内の障害物の配列によって制御され得る、ある特性寸法を伴う複数の液滴として流出し得る。ある場合には、アレイから流出する液滴は、アレイに流入する液滴より狭い特性直径分布を有し得るか、または液滴は、いくつかの実施形態では、実質的に、単分散性であり得る。一組の実施形態では、流出液滴は、アレイから流出する液滴の約２０％以下、約１０％以下、または約５％以下が、アレイから流出する液滴の特性寸法の平均の約１２０％超または約８０％未満、約１１５％超または約８５％未満、あるいは約１１０％超または約９０％未満の特性寸法を有するような特性寸法分布を有し得る。
【００３３】
いくつかの事例では、流出液滴の特性寸法の変動係数は、約２０％以下、約１５％以下、または約１０％以下であり得る。
【００３４】
アレイから流出する液滴の特性寸法は、いくつかの実施形態では、例えば、液滴が繰り返し分割可能であるように十分に長いアレイ内では、アレイに流入する液滴の特性寸法から比較的に独立し得る。アレイから流出する液滴の特性寸法は、したがって、いくつかの実施形態では、流体チャネルの設計、アレイの設計、障害物の縦横比、液滴のキャピラリー数、乳液内の分散相のパーセント、またはチャネル内の流体の粘度等の要因に依存し得る。ある場合には、液滴の特性寸法は、デバイス設計によって、および／またはこれらの特性のうちの１つ以上を改変することによって、制御され得る。例えば、ある実施形態では、特性寸法は、ある間隙容量を伴う障害物のアレイを設計することによって、選択され得る。別の実施例では、特性寸法は、液滴のキャピラリー数、乳液の分散相のパーセント、またはチャネル内の流体の粘度を改変することによって制御され得る。
【００３５】
いくつかの実施形態では、複数の液滴が、実質的に同時に、アレイに流入し、それを占有し、および／またはそれによって分割されることが可能であり得る。いくつかの事例では、液滴が障害物のアレイから流出する率は、比較的に高速であり得る（例えば、約１，０００液滴／秒以上、５，０００液滴／秒以上、約１０，０００液滴／秒以上、約５０，０００液滴／秒以上、約１００，０００液滴／秒以上、３００，０００液滴／秒、５００，０００液滴／秒、１，０００，０００液滴／秒等）。
【００３６】
加えて、いくつかの実施形態では、障害物のアレイを含む２つ以上のチャネルは、デバイスの処理量をさらに増加させるように並列化され得る。いくつかの実施形態では、デバイスの設計は、例えば、同一の入口および出口に対して２つ以上のチャネルを含むアレイを組み込むことによって、チャネルが容易に並列化されることを可能にし得る。図３に例証的に示されるように、並列化されるデバイスは、チャネルの入口７０および出口７５に接続される、複数のチャネル６５を備え得る。図３に示されるように、各チャネルは、障害物２０のアレイを含み得る（明確にするために、差込図は、障害物のアレイの拡大部分を示す）。例えば、各チャネルは、２０行および５００列の障害物を含み得る。
【００３７】
ある場合には、比較的に多くの数のデバイスは、並行して使用され得、例えば、少なくとも約１０デバイス、少なくとも約３０デバイス、少なくとも約５０デバイス、少なくとも約７５デバイス、少なくとも約１００デバイス、少なくとも約２００デバイス、少なくとも約３００デバイス、少なくとも約５００デバイス、少なくとも約７５０デバイス、または少なくとも約１，０００以上のデバイスが、並行して動作させられ得る。比較的に多数のデバイスを使用することによって、より多数の液滴が、どんな拡張も必要とせずに、容易に産生され得る。したがって、例えば、液滴の生産率は、適切な数のデバイスを単純に選択することによって、容易に制御または変化させられることができる。いくつかの実施形態では、複数のデバイスは、共通入口および／または出口（例えば、共通流体源から、および／または共通コレクタに）を伴って、一緒に接続されることができるが、他の実施形態では、別個の入口および／または出口が、使用され得る。デバイスは、いくつかの実施形態では、異なるチャネル、オリフィス、マイクロ流体等を備え得る。ある場合には、そのようなデバイスのアレイが、デバイスを水平および／または垂直に積層することによって形成され得る。デバイスは、全体的に制御されるか、または別個に制御され得、用途に応じて、共通または別個の流体源を具備することができる。いくつかの実施形態では、障害物のアレイを含むチャネルは、当業者に公知の任意の他の液滴分割デバイスと組み合わせられ得る。
【００３８】
いくつかの実施形態では、液滴は、例えば、アレイから流出する前または後に、追加のプロセスを受け得る。一実施例では、アレイに流入またはそこから流出する液滴は、粒子に変換され得る（例えば、重合プロセスによって）。別の実施例では、液滴は、アレイから流出後、ソートおよび／または検出を受け得る。例えば、液滴内の種が、決定され得、液滴は、その決定に基づいて、ソートされ得る。一般に、液滴は、障害物のアレイを通過後、当業者に公知の任意の好適なプロセスを受け得る。例えば、２００４年１０月２８日にＷＯ２００４／０９１７６３号として公開されたＬｉｎｋ，他の２００４年４月９日出願の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１０９０３号「Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｆｌｕｉｄｉｃ  Ｓｐｅｃｉｅｓ」、２００４年１月８日にＷＯ２００４／００２６２７号として公開されたＳｔｏｎｅ，他の２００３年６月３０日出願の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００３／０２０５４２号「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｆｌｕｉｄ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ」、２００６年９月１４日にＷＯ２００６／０９６５７１号として公開されたＷｅｉｔｚ，他の２００６年３月３日出願の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００６／００７７７２号「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｆｏｒｍｉｎｇ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｅｍｕｌｓｉｏｎｓ」、２００５年３月１０日にＷＯ２００５／０２１１５１号として公開されたＬｉｎｋ，他の２００４年８月２７日出願の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０２７９１２号「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｆｌｕｉｄｉｃ  Ｓｐｅｃｉｅｓ」（それぞれ、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）を参照されたい。
【００３９】
本明細書に説明されるように、障害物のアレイは、液滴分割に影響を及ぼすために使用され得る、ある特性（例えば、行の数、行角度、オフセット、障害物の平均水平間隔、障害物の平均垂直間隔、平均間隙面積、平均間隙容量、列の数等）またはアレイから流出する液滴の特性寸法を有し得る。例えば、いくつかの実施形態では、アレイ内の行の数は、特定の平均液滴特性寸法を達成するために選択され得る。ある場合には、アレイ内の行の数は、デバイス内の他の構成要素に悪影響を及ぼさずに、ある液滴特性寸法を達成するために最適化され得る。例えば、デバイスに悪影響を及ぼさずに、特定の平均液滴特性寸法を達成するために必要とされる行の数は、約２０〜約３０行であり得る。
【００４０】
したがって、一般に、アレイ内の行の数は、所望に応じて、選択され得る。例えば、いくつかの実施形態では、アレイ内の行の数は、約１０以上、約２０以上、約３０以上、約４０以上、約５０以上、約７０以上、または約９０以上であり得る。いくつかの事例では、アレイ内の行の数は、約１００未満、約８０未満、約６０未満、約４０未満、約２０未満、または約１０未満であり得る。前述の範囲の組み合わせもまた、可能である（例えば、約５以上〜約１００未満）。障害物のアレイ内の行の数のための他の可能な値もまた、可能である。ある場合には、デバイスの拡張は、より多くの列の障害物を追加することによって、容易に遂行され得る。例えば、より多くの列を追加する（かつデバイスをより広く作成する）ことは、液滴を２つ以上の液滴に分化させるために使用される障害物の基本的幾何学形状を変化させることなく、チャネルを通る流体のより多くの処理量を可能にすることができる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、アレイ内の行の向きは、液滴分割を促進するために選択され得る。ある実施形態では、少なくとも１つの行（例えば、行の少なくとも約４０％、行の少なくとも約６０％、行の少なくとも約８０％、行の少なくとも約９０％、行の少なくとも約９５％、行の少なくとも約９８％）は、流体流動の平均方向に対して非ゼロ角度であり得る。いくつかの実施形態では、非ゼロ角度は、９０度である。いくつかの事例では、１つの行は、実質的に、流体流動の平均方向に対して別の行と同一の非ゼロ角度を有し得る。例えば、実質的に、全行が、実質的に、流体流動の平均方向に対して非ゼロ角度にあり得る。ある場合には、１つの行は、流体流動の平均方向に対して別の行と異なる非ゼロ角度を有し得る。
【００４２】
故に、一般に、流体流動の平均方向に対する行の角度は、所望に応じて、選択され得る。例えば、いくつかの実施形態では、流体流動の平均方向に対するチャネル内の行の角度は、約５度以上、約３０度以上、約４５度以上、約６０度以上、約９０度以上、約１１５度以上、約１３５度以上、または約１５０度以上であり得る。いくつかの事例では、流体流動の平均方向に対する行の角度は、約１８０度未満、約１５０度未満、約１２０度未満、約９０度未満、約６０度未満、または約３０度未満であり得る。前述の範囲の組み合わせもまた、可能である（例えば、約６０度以上〜約１５０度未満）。流体流動の平均方向に対する行の角度の他の可能な値もまた、可能である。
【００４３】
ある実施形態では、行内の障害物の中心のアレイ内の別の行内の障害物の中心に対するオフセットが、液滴分割を促進するために選択され得る。例えば、一組の実施形態では、障害物は、第１の行内の２つの障害物の中心間の間隔の中間点が、図２Ａを参照して論じられたように、隣接する第２の行の障害物の中心と整列させられるようにオフセットされ得る。いくつかの事例では、行内の障害物の中心のアレイ内の隣接する行内の障害物の中心に対するオフセットは、特定の液滴特性寸法を達成するために選択され得る。いくつかの実施形態では、少なくともいくつかの行内の障害物の中心（例えば、それらの行の少なくとも約４０％、それらの行の少なくとも約６０％、それらの行の少なくとも約８０％、それらの行の少なくとも約９０％、それらの行の少なくとも約９５％、それらの行の少なくとも約９８％）は、別の行（例えば、隣接する）内の障害物の中心に対してオフセットされ得る。
【００４４】
いくつかの事例では、ある２つの行内の障害物の中心間のオフセットは、実質的に、別の２つの行内の障害物の中心と同一であり得る。例えば、実質的に、行内の全障害物の中心は、別の行（例えば、次の最近傍近隣）内の障害物の中心に対して実質的に同一のオフセットを有し得る。ある場合には、ある２つの行内の障害物の中心間のオフセットは、別の２つの行内の障害物の中心間のオフセットと異なり得る。いくつかの実施形態では、行の別の行に対するオフセットは、第１の行内の障害物の中心と第２の行内の障害物の中心との間の平均差を計算することによって決定され得る。１つの行の別の行に対するオフセットの他の可能な値もまた、可能である。
【００４５】
ある実施形態では、行内の障害物と次の最近傍障害物との間の平均間隔は、液滴分割を促進し、および／または特定の液滴特性寸法を達成するために選択され得る。例えば、いくつかの実施形態では、行内の障害物と次の最近傍障害物との間の平均水平間隔は、約１マイクロメートル以上、約５マイクロメートル以上、約５マイクロメートル以上、約１０マイクロメートル以上、約２０マイクロメートル以上、約３０マイクロメートル以上、約４０マイクロメートル以上、約５０マイクロメートル以上、約７５マイクロメートル以上、約１００マイクロメートル以上、約２００マイクロメートル以上、約５００マイクロメートル以上、約７５０マイクロメートル以上であり得る。いくつかの事例では、行内の障害物と次の最近傍障害物との間の平均水平間隔は、約１，０００マイクロメートル未満、約７５０マイクロメートル未満、約５００マイクロメートル未満、約２５０マイクロメートル未満、約１００マイクロメートル未満、約８０マイクロメートル未満、約６０マイクロメートル未満、約４０マイクロメートル未満、約２０マイクロメートル未満、約１０マイクロメートル未満、または約５マイクロメートル未満であり得る。前述の範囲の組み合わせもまた、可能である（例えば、約１マイクロメートル以上〜約１００マイクロメートル未満）。平均水平間隔の他の可能な値もまた、可能である。
【００４６】
ある実施形態では、障害物のアレイは、図２Ａに示されるように、列を含み得る。いくつかの事例では、障害物の列の数は、デバイス処理量およびデバイス内の乳液のスピードに影響を及ぼすために選択され得る。一般に、列の数は、所望に応じて、選択され得る。例えば、いくつかの実施形態では、アレイ内の列の数は、約５以上、約１０以上、約２５以上、約５０以上、約７５以上、約１００以上、約１５０以上、約２００以上、約３００以上、約５００以上、または約７５０以上であり得る。いくつかの事例では、アレイ内の列の数は、約１，０００未満、約８００未満、約６００未満、約４００未満、約２００未満、約１００未満、約７５未満、約５０未満、約３０未満、または約１５未満であり得る。前述の範囲の組み合わせもまた、可能である（例えば、約１００以上〜約１，０００未満）。アレイ内の列の数の他の可能な値もまた、可能である。
【００４７】
いくつかの実施形態では、列内の障害物と次の最近傍近隣障害物との間の平均間隔は、約１マイクロメートル以上、約５マイクロメートル以上、約５マイクロメートル以上、約１０マイクロメートル以上、約２０マイクロメートル以上、約３０マイクロメートル以上、約４０マイクロメートル以上、約５０マイクロメートル以上、約７５マイクロメートル以上、約１００マイクロメートル以上、約２００マイクロメートル以上、約５００マイクロメートル以上、約７５０マイクロメートル以上であり得る。いくつかの事例では、列内の障害物と次の最近傍障害物との間の平均垂直間隔は、約１，０００マイクロメートル未満、約７５０マイクロメートル未満、約５００マイクロメートル未満、約２５０マイクロメートル未満、約１００マイクロメートル未満、約８０マイクロメートル未満、約６０マイクロメートル未満、約４０マイクロメートル未満、約２０未満マイクロメートル、約１０マイクロメートル未満、または約５マイクロメートル未満であり得る。前述の範囲の組み合わせもまた、可能である（例えば、約１マイクロメートル以上〜約１００マイクロメートル未満）。平均垂直間隔の他の可能な値もまた、可能である。
【００４８】
平均水平間隔および平均垂直間隔から、間隙容量は、流体チャネルの高さによって乗算されるアレイの平均間隙面積として計算されることができる。ある実施形態では、アレイの平均間隙面積は、約１０，０００平方マイクロメートル未満、約８，０００平方マイクロメートル未満、約６，０００平方マイクロメートル未満、約４，０００平方マイクロメートル未満、約２，０００平方マイクロメートル未満、約１，０００平方マイクロメートル未満、約８００平方マイクロメートル未満、または約４００平方マイクロメートル未満であり得る。いくつかの事例では、アレイの平均間隙面積は、約２００平方マイクロメートル以上、約４００平方マイクロメートル以上、約８００平方マイクロメートル以上、約１，２００平方マイクロメートル以上、約１，６００平方マイクロメートル以上、約２，０００平方マイクロメートル以上、約４，０００平方マイクロメートル以上、約６，０００平方マイクロメートル以上、または約８，０００平方マイクロメートル以上であり得る。前述の範囲の組み合わせもまた、可能である（例えば、約２００平方マイクロメートル以上〜約２，０００平方マイクロメートル未満）。平均間隙面積の他の値もまた、可能である。
【００４９】
いくつかの実施形態では、アレイの平均間隙容量は、約２００，０００立方マイクロメートル未満、約１７５，０００立方マイクロメートル未満、約１５０，０００立方マイクロメートル未満、約１２５，０００立方マイクロメートル未満、約１００，０００立方マイクロメートル未満、約７５，０００立方マイクロメートル未満、約５０，０００立方マイクロメートル未満、または約２５，０００立方マイクロメートル未満であり得る。いくつかの事例では、アレイの平均間隙容量は、約１０，０００立方マイクロメートル以上、約２５，０００立方マイクロメートル以上、約５０，０００立方マイクロメートル以上、約７５，０００立方マイクロメートル以上、約１００，０００立方マイクロメートル以上、約１２５，０００立方マイクロメートル以上、約１５０，０００立方マイクロメートル以上、または約１７５，０００立方マイクロメートル以上であり得る。前述の範囲の組み合わせもまた、可能である（例えば、約１０，０００立方マイクロメートル以上〜約１５０，０００立方マイクロメートル未満）。平均間隙容量の他の値もまた、可能である。
【００５０】
また、チャネルの全体的高さは、一定である必要はなく、ある実施形態では、チャネルを通して変動し得ることを理解されたい。例えば、チャネルは、入口において最も高く、出口において最も薄く、またはその逆であり得る。
【００５１】
いくつかの実施形態では、障害物の寸法の縦横比（例えば、長さ：幅）が、液滴分割に影響を及ぼし得る。いくつかの事例では、縦横比は、液滴が被る平均分割回数に影響を及ぼし得る。ある場合には、障害物は、実質的に、別の障害物と同一の縦横比を有し得る。ある場合には、実質的に、全障害物が、同一の縦横比を有し得る。一般に、任意の好適な縦横比が、使用され得る。例えば、いくつかの実施形態では、障害物の寸法の縦横比は、約２以上、約３以上、約４以上、約５以上、約１０以上、約１５以上、または約２０以上であり得る。いくつかの事例では、障害物の寸法の縦横比は、約２５未満、約２０未満、約１５未満、約１０未満、約５未満、または約３未満であり得る。前述の範囲の組み合わせもまた、可能である（例えば、２以上〜１５未満）。縦横比の他の可能な値もまた、可能である。
【００５２】
いくつかの実施形態では、障害物は、約１マイクロメートル以上、約５マイクロメートル以上、約１０マイクロメートル以上、約１５マイクロメートル以上、約２０マイクロメートル以上、２５マイクロメートル以上、３０マイクロメートル以上、３５マイクロメートル以上、４０マイクロメートル以上、または４５マイクロメートル以上の１つ以上の寸法（例えば、長さ、幅、高さ、直径等）を有し得る。いくつかの事例では、障害物は、約５０マイクロメートル未満、約４５マイクロメートル未満、約４０マイクロメートル未満、約３５マイクロメートル未満、約３０マイクロメートル未満、約２５マイクロメートル未満、約２０マイクロメートル未満、約１５マイクロメートル未満、約１０マイクロメートル未満、または約５マイクロメートル未満の１つ以上の特性寸法を有し得る。前述の範囲の組み合わせもまた、可能である（例えば、約１マイクロメートル以上〜約４０マイクロメートル未満）。
【００５３】
論じられるように、障害物のアレイを通して複数の液滴を通過させることは、液滴の少なくとも一部を分割し、複数の分割された液滴を形成し得る。例えば、いくつかの実施形態では、アレイから流出する前に、少なくとも１回の分割を受ける、アレイに流入する液滴のパーセンテージは、少なくとも約３０％（例えば、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９８％、１００％）であり得る。ある場合には、実質的に、液滴は全て、分割され、複数の分割された液滴を形成する。
【００５４】
いくつかの実施形態では、分割プロセスの間に液滴に与えられる剪断応力は、約０．００１Ｐａ以上、約０．０１Ｐａ以上、約０．１Ｐａ以上、約０．５Ｐａ以上、約１Ｐａ以上、約２Ｐａ以上、約３Ｐａ以上、または約４Ｐａ以上であり得る。いくつかの事例では、液滴に与えられる剪断応力は、約５Ｐａ未満、約４Ｐａ未満、約３Ｐａ未満、約２Ｐａ未満、約１Ｐａ未満、または約０．５Ｐａ未満であり得る。前述の範囲の組み合わせもまた、可能である（例えば、約０．５Ｐａ以上〜約３Ｐａ未満）。剪断応力に対する他の可能な値もまた、可能である。分割プロセスの間に液滴に与えられる剪断応力は、分散相の粘度、連続相の粘度、およびチャネル内の流体の平均速度の既知の値を使用した推定を通して決定され得る。
【００５５】
アレイから流出する液滴は、いくつかの実施形態では、比較的に単分散性であり得る。ある場合には、アレイから流出する液滴は、液滴の約１０％、約５％、約４％、約３％、約２％、約１％以下、またはそれ未満が、液滴の全ての平均特性寸法の約２０％、約３０％、約５０％、約７５％、約８０％、約９０％、約９５％、約９９％、またはより大きいものの超または未満の特性寸法を有するような特性寸法分布を有し得る。当業者は、例えば、レーザ光散乱、顕微鏡検査、または他の公知の技法を使用して、液滴の集合の平均特性寸法を決定可能であろう。
【００５６】
アレイから流出する液滴の平均特性寸法（例えば、分割された後）は、ある場合には、例えば、約１ｍｍ未満、約５００マイクロメートル未満、約２００マイクロメートル未満、約１００マイクロメートル未満、約７５マイクロメートル未満、約５０マイクロメートル未満、約２５マイクロメートル未満、約１０マイクロメートル未満、または約５マイクロメートル未満であり得る。平均特性寸法はまた、ある場合には、約１マイクロメートル以上、約２マイクロメートル以上、約３マイクロメートル以上、約５マイクロメートル以上、約１０マイクロメートル以上、約１５マイクロメートル以上、または約２０マイクロメートル以上であり得る。
【００５７】
ある実施形態では、連続相に対する分散相の粘度比率は、所望に応じて、選択され得る。いくつかの実施形態では、連続相に対する分散相の粘度比率は、約４０未満、約２０未満、約１０未満、５未満、または約１未満であり得る。いくつかの事例では、連続相に対する分散相の粘度比率は、約１以上、約６以上、約１０以上、約２０以上、または約３０以上であり得る。前述の範囲の組み合わせもまた、可能である（例えば、約１以上〜１０未満）。他の値もまた、可能である。分散相および連続相の粘度は、粘度計を使用して決定され得る。
【００５８】
本発明のある側面は、概して、それらの前述のもの等、チャネルを対象とする。ある場合には、チャネルは、マイクロ流体チャネルであり得るが、ある事例では、チャネルの全てが、マイクロ流体のものではない。デバイス内に、マイクロ流体チャネルを含め、任意の数のチャネルが存在することができ、チャネルは、任意の好適な構成で配列され得る。チャネルは、独立して、直線、湾曲、屈曲等であり得る。ある場合には、デバイス内に、比較的に長いチャネルが存在し得る。例えば、いくつかの実施形態では、デバイス内のチャネルは、一緒に加算されると、ある場合には、総長少なくとも約１００マイクロメートル、少なくとも約３００マイクロメートル、少なくとも約５００マイクロメートル、少なくとも約１ｍｍ、少なくとも約３ｍｍ、少なくとも約５ｍｍ、少なくとも約１０ｍｍ、少なくとも約３０ｍｍ、少なくとも５０ｍｍ、少なくとも約１００ｍｍ、少なくとも約３００ｍｍ、少なくとも約５００ｍｍ、少なくとも約１ｍ、少なくとも約２ｍ、または少なくとも約３ｍを有し得る。
【００５９】
「マイクロ流体（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ）」は、本明細書で使用される場合、約１ｍｍ未満の断面寸法を有する少なくとも１つの流体チャネルを含む物品、またはデバイスを指す。チャネルの「断面寸法」は、チャネル内の正味流体流動の方向に垂直に測定される。したがって、例えば、デバイス内の流体チャネルの一部または全部は、約２ｍｍ未満、ある場合には、約１ｍｍ未満の最大断面寸法を有することができる。一組の実施形態では、デバイス内の全流体チャネルは、マイクロ流体であり、および／または約２ｍｍ以下または約１ｍｍ以下の最大断面寸法を有する。ある実施形態では、流体チャネルは、部分的に、単一構成要素（例えば、エッチングされた基板または成形されたユニット）によって形成され得る。当然ながら、より大きいチャネル、管、チャンバ、リザーバ等を使用して、例えば、本発明の他の実施形態では、流体を貯蔵すること、および／または流体を種々の要素またはデバイスに送達することができる。一組の実施形態では、デバイス内のチャネルの最大断面寸法は、５００マイクロメートル未満、２００マイクロメートル未満、１００マイクロメートル未満、５０マイクロメートル未満、または２５マイクロメートル未満である。
【００６０】
「チャネル」は、本明細書で使用される場合、少なくとも部分的に、流体の流動を方向づけるデバイスまたは基板上あるいは内の特徴を意味する。チャネルは、任意の断面形状（円形、卵形、三角形、不整形、正方形または長方形等）を有することができ、被覆されることも、被覆されないこともできる。完全に被覆される実施形態では、チャネルの少なくとも１つの部分が、完全に封入された断面を有することができるか、またはチャネル全体が、その全長に沿って、その入口および／または出口あるいは開口部を除き、完全に封入され得る。チャネルはまた、少なくとも、２：１、より典型的には、少なくとも、３：１、４：１、５：１、６：１、８：１、１０：１、１５：１、２０：１以上の縦横比（長さ対平均断面寸法）を有し得る。開放チャネルは、概して、流体輸送の制御を促進する特性、例えば、構造特性（細長いくぼみ）、および／または物理的あるいは化学的特性（疎水性対親水性）、もしくは流体に力（例えば、含有力）を及ぼすことができる他の特性を含むであろう。チャネル内の流体は、部分的または完全に、チャネルを充填し得る。開放チャネルが使用されるある場合には、流体は、例えば、表面張力（すなわち、凹状または凸状メニスカス）を使用して、チャネル内に保持され得る。
【００６１】
チャネルは、任意のサイズであり、例えば、約５ｍｍまたは２ｍｍ未満、あるいは約１ｍｍ未満、約５００マイクロメートル未満、約２００マイクロメートル未満、約１００マイクロメートル未満、約６０マイクロメートル未満、約５０マイクロメートル未満、約４０マイクロメートル未満、約３０マイクロメートル未満、約２５マイクロメートル未満、約１０マイクロメートル未満、約３マイクロメートル未満、約１マイクロメートル未満、約３００ｎｍ未満、約１００ｎｍ未満、約３０ｎｍ未満、もしくは約１０ｎｍ未満の正味流体流動に垂直な最大寸法を有し得る。ある場合には、チャネルの寸法は、流体が、デバイスまたは基板を通って、自由に流動可能であるように選定される。チャネルの寸法はまた、例えば、チャネル内の流体のある体積または線形流量を可能にするように選定され得る。当然ながら、チャネルの数およびチャネルの形状は、当業者に公知の任意の方法によって変動させられることができる。ある場合には、２つ以上のチャネルが、使用され得る。例えば、２つ以上のチャネルが使用され得、その場合、それらは、例えば、互に隣接または近接して位置付けられ、または互に交差するように位置付けられる。
【００６２】
ある実施形態では、デバイス内のチャネルのうちの１つ以上は、約１０ｃｍ未満の平均断面寸法を有し得る。ある事例では、チャネルの平均断面寸法は、約５ｃｍ未満、約３ｃｍ未満、約１ｃｍ未満、約５ｍｍ未満、約３ｍｍ未満、約１ｍｍ未満、５００マイクロメートル未満、２００マイクロメートル未満、１００マイクロメートル未満、５０マイクロメートル未満、または２５マイクロメートル未満である。「平均断面寸法」は、チャネル内の正味流体流動に垂直な平面で測定される。チャネルが、非円形である場合、平均断面寸法は、チャネルの断面積と同一の面積を有する円形の直径として求められ得る。したがって、チャネルは、任意の好適な断面形状、例えば、円形、卵形、三角形、不整形、正方形、長方形、四角形等を有し得る。いくつかの実施形態では、チャネルは、チャネル内に含まれる１つ以上の流体の層流を生じさせるようにサイズ決定される。
【００６３】
チャネルはまた、任意の好適な断面縦横比を有し得る。「断面縦横比」は、チャネルの断面形状に対する、断面形状上で互に直交して行われる２つの測定値の最大可能比率（大対小）である。例えば、チャネルは、約２：１未満、約１．５：１未満、または、ある場合には、約１：１（例えば、円形または正方形断面形状の場合）の断面縦横比を有し得る。他の実施形態では、断面縦横比は、比較的に大きくてもよい。例えば、断面縦横比は、少なくとも約２：１、少なくとも約３：１、少なくとも約４：１、少なくとも約５：１、少なくとも約６：１、少なくとも約７：１、少なくとも約８：１、少なくとも約１０：１、少なくとも約１２：１、少なくとも約１５：１、または少なくとも約２０：１であり得る。
【００６４】
前述のように、チャネルは、デバイス内において、任意の好適な構成で配列されることができる。異なるチャネル配列が、例えば、チャネル内の流体、液滴、および／または他の種を操作するために使用され得る。例えば、デバイス内のチャネルは、液滴（例えば、離散液滴、単一エマルジョン、二重エマルジョン、または他の多重エマルジョン等）を生成すること、流体および／または液滴あるいはその中に含まれる他の種を混合すること、流体および／または液滴あるいはその中に含まれる他の種を選別もしくは分類すること、流体および／または液滴を分裂あるいは分割すること、反応を生じさせる（例えば、２つの流体間、第１の流体および第２の流体によって搬送される種間、または２つの流体によって搬送される２つの種間で生じさせる）こと等を行うために配列されることができる。
【００６５】
流体は、１つ以上の流体源を介して、デバイス内のチャネル中に送達され得る。任意の好適な流体源が、使用されることができ、ある場合には、２つ以上の流体源が、使用される。例えば、ポンプ、重力、毛細管作用、表面張力、電気浸透、遠心力等を使用して、流体源から、デバイス内の１つ以上のチャネル中に流体を送達し得る。ポンプの非限定的実施例として、注入ポンプ、蠕動ポンプ、加圧流体源等が挙げられる。デバイスは、それに関連付けられた任意の数の流体源、例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０以上等の流体源を有することができる。流体源は、同一のチャネル中に流体を送達するために使用される必要はなく、例えば、第１の流体源は、第１の流体を第１のチャネルに送達することができる一方、第２の流体源は、第２の流体を第２のチャネルに送達することができる。ある場合には、２つ以上のチャネルが、１つ以上の交差点で交差するように配列される。任意の数の流体チャネル交差点、例えば、２、３、４、５、６以上等の交差点が、デバイス内に存在し得る。
【００６６】
本発明のある側面によると、種々の材料および方法を使用して、本明細書に説明されるもの等、例えば、マイクロ流体チャネル等のチャネル、チャンバ等のデバイスまたは構成要素を形成することができる。例えば、種々のデバイスまたは構成要素は、固体材料から形成されることができ、その場合、チャネルは、微細機械加工、スピンコーティングおよび化学蒸着等のフィルム蒸着プロセス、レーザ加工、フォトリソグラフィック技法、湿式化学プロセスまたはプラズマプロセスを含むエッチング方法等を介して、形成されることができる。例えば、Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ａｍｅｒｉｃａｎ、２４８：４４−５５、１９８３（Ａｎｇｅｌｌら）を参照されたい。
【００６７】
一組の実施形態では、本明細書に説明されるデバイスの種々の構造または構成要素は、ポリマー、例えば、ポリジメチルシロキサン（「ＰＤＭＳ」）、ポリテトラフルオロエチレン（「ＰＴＦＥ」またはＴｅｆｌｏｎ（登録商標））等のエラストマーポリマーから形成されることができる。例えば、一実施形態によると、マイクロ流体チャネルは、ＰＤＭＳまたは他のソフトリソグラフィ技法を使用して、流体デバイスを別個に加工することによって実装され得る（本実施形態に好適なソフトリソグラフィ技法の詳細は、１９９８年にＡｎｎｕａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅから出版されたＹｏｕｎａｎ  ＸｉａおよびＧｅｏｒｇｅ  Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ著「Ｓｏｆｔ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」（Ｖｏｌ．２８、１５３―１８４ページ）、および２００１年にＡｎｎｕａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇから出版されたＧｅｏｒｇｅ  Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ、Ｅｍａｎｕｅｌｅ  Ｏｓｔｕｎｉ、Ｓｈｕｉｃｈｉ  Ｔａｋａｙａｍａ、Ｘｉｎｇｙｕ  Ｊｉａｎｇ、およびＤｏｎａｌｄ  Ｅ．Ｉｎｇｂｅｒ著「Ｓｏｆｔ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ  ｉｎ  Ｂｉｏｌｏｇｙ
ａｎｄ  Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ」（Ｖｏｌ．３、３３５―３７３ページ）の参考文献に論じられ、これらの参考文献の各々は、参照することによって本明細書に組み込まれ
る）。
【００６８】
潜在的に好適なポリマーの他の実施例として、テレフタル酸ポリエチレン（ＰＥＴ）、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ポリマー、シリコーン、例えば、ポリジメチルシロキサン、ポリ塩化ビニリデン、ビス−ベンゾシクロブテン（「ＢＣＢ」）、ポリイミド、ポリイミドのフッ化誘導体等が挙げられるが、それらに限定されない。前述のものを含むポリマーを伴う組み合わせ、コポリマー、または混成物もまた、想定される。デバイスはまた、複合材材料、例えば、ポリマーおよび半導体材料の複合材から形成され得る。
【００６９】
いくつかの実施形態では、デバイスの種々の構造または構成要素は、ポリマーおよび／または可撓性および／またはエラストマー材料から製作され、硬化性流体から便宜的に形成され、成形（例えば、レプリカ成形、射出成形、鋳込成形等）を介して、製作を促進することができる。硬化性流体は、本質的に、流体網内およびそれとの使用のために想定される流体を含むこと、および／または輸送することが可能な固体に固化するように誘導されるか、あるいは自発的に固化し得る任意の流体であることができる。一実施形態では、硬化性流体は、ポリマー液体または液体ポリマー前駆体（すなわち、「プレポリマー」）を含む。好適なポリマー液体は、例えば、その融点を上回って加熱される、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、ワックス、金属、あるいはその混合物または複合材を含むことができる。別の実施例として、好適なポリマー液体は、溶液が、溶媒の除去に応じて、例えば、蒸発によって、固体ポリマー材料を形成する、好適な溶媒中の１つ以上のポリマーの溶液を含んでもよい。例えば、溶融状態から、または溶媒蒸発によって、固化され得る、そのようなポリマー材料は、当業者に周知である。その多くが、エラストマーである、種々のポリマー材料が好適であり、鋳型マスタの一方または両方が、エラストマー材料から構成される実施形態の場合、鋳型または鋳型マスタを形成するためにも好適である。そのようなポリマーの実施例の非限定的リストとして、シリコーンポリマー、エポキシポリマー、メタクリレートポリマー、および他のアクリレートポリマーの一般的種類のポリマーが挙げられる。エポキシポリマーは、一般に、エポキシ基と称される、３員環エーテル基、１，２−エポキシド、またはオキシランの存在を特徴とする。例えば、ビスフェノールＡジグリシジルエーテルが、芳香族アミン、トリアジン、および脂環式骨格系の化合物に加え、使用されることができる。別の実施例として、公知のＮｏｖｏｌａｃポリマーが挙げられる。本発明による使用に好適なシリコーンエラストマーの非限定的実施例として、メチルクロロシラン、エチルクロロシラン、フェニルクロロシラン等のクロロシランを含む、前駆体から形成されるものが挙げられる。
【００７０】
シリコーンポリマー、ある実施形態では、例えば、シリコーンエラストマーポリジメチルシロキサンが使用される。ＰＤＭＳポリマーの非限定的実施例として、Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．（Ｍｉｄｌａｎｄ，ＭＩ）によって、商標名Ｓｙｌｇａｒｄで販売されているもの、特に、Ｓｙｌｇａｒｄ  １８２、Ｓｙｌｇａｒｄ  １８４、およびＳｙｌｇａｒｄ  １８６が挙げられる。ＰＤＭＳを含むシリコーンポリマーは、本発明の種々の構造の製作を単純化する、いくつかの有益な特性を有する。例えば、そのような材料は、安価で、容易に利用可能であり、かつ熱による硬化を介して、プレポリマー液体から固化されることができる。例えば、ＰＤＭＳは、典型的には、例えば、約１時間のばく露時間の間、例えば、約６５°Ｃ〜約７５°Ｃの温度にプレポリマー液体をさらすことによって、硬化可能である。また、ＰＤＭＳ等のシリコーンポリマーは、エラストマーであることができ、したがって、本発明のある実施形態において必要である、比較的に高縦横比を伴う、非常に小さい特徴を形成するために有用であり得る。可撓性（例えば、エラストマー）鋳型またはマスタは、この点において、有利であり得る。
【００７１】
ＰＤＭＳ等のシリコーンポリマーから、マイクロ流体構造またはチャネル等の構造を形成する利点の１つは、酸化された構造が、その表面に、他の酸化されたシリコーンポリマー表面または種々の他のポリマーおよび非ポリマー材料の酸化された表面に架橋結合可能な化学基を含むように、例えば、空気プラズマ等の酸素含有プラズマへのばく露によって、酸化されるそのようなポリマーの能力である。したがって、構造が、製作され、次いで、酸化され、本質的に、別個の接着剤または他の封止手段の必要なく、他のシリコーンポリマー表面、あるいは酸化されたシリコーンポリマー表面と反応する他の基板の表面に不可逆的に封止されることができる。ほとんどの場合、封止は、封止を形成するための補助圧力を与える必要なく、単純に、酸化されたシリコーン表面を別の表面に接触させることによって、完了されることができる。すなわち、事前に酸化されたシリコーン表面は、好適な嵌合表面に対して、接触接着剤として作用する。具体的には、それ自体に不可逆的に封止可能であることに加え、酸化されたＰＤＭＳ等の酸化されたシリコーンはまた、例えば、ＰＤＭＳ表面に類似方式において酸化された（例えば、酸素含有プラズマへのばく露を介して）ガラス、シリコン、シリコン酸化物、石英、シリコン窒化物、ポリエチレン、ポリスチレン、ガラス状炭素、およびエポキシポリマーを含む、ある範囲のそれ自体以外の酸化された材料に不可逆的に封止されることができる。本発明の状況において有用な酸化および封止方法ならびに全体的成形技法は、当技術分野において、例えば、記事「Ｒａｐｉｄ  Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ」、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，７０：４７４−４８０，１９９８（Ｄｕｆｆｙら）（参照することによって本明細書に組み込まれる）に説明されている。
【００７２】
いくつかの側面では、チャネルの１つ以上の壁または部分は、例えば、光活性コーティング材料を含む、コーティング材料でコーティングされ得る。例えば、いくつかの実施形態では、共通分岐合流点におけるマイクロ流体チャネルの各々は、実質的に、同一の疎水性を有し得るが、他の実施形態では、種々のチャネルは、異なる疎水性を有し得る。例えば、共通分岐合流点における、第１のチャネル（または、一組のチャネル）は、第１の疎水性を呈し得る一方、他のチャネルは、第１の疎水性と異なる第２の疎水性を呈し得、例えば、第１の疎水性より高いまたはそれより低い疎水性を呈する。例えば、ゾルゲルコーティングで、マイクロ流体チャネルをコーティングするためのデバイスおよび方法の非限定的実施例は、２００９年１０月１日にＷＯ２００９／１２０２５４号として公開のＡｂａｔｅらの２００９年２月１１日出願の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０００８５０号「Ｓｕｒｆａｃｅｓ，Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  Ｃｈａｎｎｅｌｓ，Ｗｉｔｈ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｗｅｔｔｉｎｇ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」、および２００９年２月１２日にＷＯ２００９／０２０６３３号として公開のＷｅｉｔｚらの２００８年８月７日出願の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００９４７７号「Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｃｏａｔｉｎｇ  ｏｎ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ」に見られ得、それぞれ、参照することによって、全体として本明細書に組み込まれる。
【００７３】
ここで、本発明の種々の側面の理解を補助する、種々の定義が、提供される。以下およびこれらの定義間に介在されるのは、本発明をより完全に説明するであろう、さらなる開示である。
【００７４】
「液滴」とは、本明細書で使用される場合、第２の流体によって完全に包囲される、第１の流体の隔離された部分である。ある場合には、第１の流体および第２の流体は、実質的に、不混和性である。液滴は、必ずしも、球状ではなく、例えば、外部環境に応じて、他の形状もとり得ることに留意されたい。非球状液滴における液滴の直径は、非球状液滴と同一の体積を有する完全な数学的球体の直径である。液滴は、前述のような任意の好適な技法を使用して生成され得る。
【００７５】
本明細書で使用される場合、「流体」は、その通常の意味、すなわち、液体またはガスが与えられる。流体は、画定された形状を維持することができず、観察可能な時間フレームの間、流動し、それが入れられる容器を充填するであろう。したがって、流体は、流動を可能にする、任意の好適な粘度を有し得る。２つ以上の流体が存在する場合、各流体は、当業者によって、本質的に、任意の流体（液体、ガス等）から独立して選択され得る。
【００７６】
本発明のある実施形態は、複数の液滴を提供する。いくつかの実施形態では、複数の液滴は、第１の流体から形成され、第２の流体によって実質的に包囲され得る。本明細書で使用されるように、液滴は、閉ループが流体のみを通して液滴の周囲に描かれ得る場合、流体によって「包囲される」。液滴は、流体のみを通して進む閉ループが、方向にかかわらず、液滴の周囲に描かれ得る場合、「完全に包囲される」。液滴は、流体のみを通して進む閉ループが、方向に応じて液滴の周囲に描かれ得る場合、「実質的に包囲される」（例えば、ある場合には、そばの流体のほとんどを含むであろう液滴の周囲のループは、第２の流体、または第２の液滴等も含み得る）。
【００７７】
全てではないが、ほとんどの実施形態では、液滴および液滴を含む流体は、実質的に、不混和性である。しかしながら、ある場合には、それらは、混和性であり得る。ある場合には、例えば、親水性液体は、疎水性液体中に懸濁され得、疎水性液体は、親水性液体中に懸濁され得、気泡が、液体中に懸濁され得る。典型的には、疎水性液体および親水性液体は、実質的に、互に対して不混和性であり、親水性液体は、疎水性液体より水に親和性である。親水性液体の実施例として、限定ではないが、水、細胞または生物学的媒体、エタノール、塩溶液等を含む、水および他の水溶液が挙げられる。疎水性液体の実施例として、限定ではないが、炭化水素、シリコン油、フッ化炭素油、有機溶媒等の油が挙げられる。ある場合には、２つの流体が、流体流の形成の時間フレーム内において、実質的に、不混和性であるように選択されることができる。当業者は、本発明の技法を実施するために、接触角度測定等を使用して、好適な実質的に混和性または実質的に不混和性流体を選択することができる。
【００７８】
以下の実施例は、本発明のある実施形態を図示することを意図するが、本発明の全範囲を例示するものではない。
【００７９】
（実施例１）
マイクロ粒子は、日常の中に遍在する。すなわち、これらは、他の用途の中でもとりわけ、美容クリーム、食品中に含まれ、薬物送達媒体としての役割を果たす。マイクロ粒子は、スプレー乾燥、均質化、バルク乳化、または膜濾過等の多くの異なる技術を使用してアセンブルされることができる。しかしながら、これらの技法を用いて産生される粒子のサイズの制御は、多くの場合、限定される。粒子のサイズは、製品の特性へのそれらの効果に影響を及ぼすので、粒子サイズの限定された制御は、多くの用途において、これらの技法によって産生される粒子の性能を制限し得る。対照的に、マイクロ流体工学は、そのサイズおよび組成物の厳密な制御を用いて、実質的単分散性粒子の生産を可能にし得る。粒子が従来のマイクロ流体デバイス内で形成される典型的周波数は、１〜１０ｋＨｚの範囲である。従来のマイクロ流体デバイスが、小体積を伴う粒子を産生するために使用され得る。従来のマイクロ流体デバイスによって産生される粒子を含む製品に対して、粒子の小体積は、多くの場合、製品（例えば、美容クリーム、食品）中の粒子の濃度が低い場合でも、考え得る効果を達成するために多数の粒子の添加を余儀なくする。したがって、マイクロ流体デバイスによって産生される粒子が、大体積で販売される製品（例えば、美容クリーム、食品）の添加剤として意図される場合、マイクロ流体デバイスの処理量は、有意に増加される必要がある。
【００８０】
１つの可能性は、分布チャネルを通して異なる入口に接続することにより個々の液滴作
製器を並列化することによって、マイクロ流体デバイス内の処理量を増加させることである。しかしながら、典型的マイクロ流体デバイス内で産生される粒子の量は、粒子のサイズ、粘度、および溶液の表面張力等の要因に応じて、５０マイクログラム／時〜１ｇ／時の範囲である。加えて、液滴作製器のアレイ内の単一液滴作製器の故障でも、時として、製品の多分散性の増加をもたす可能性がある。対照的に、以下の実施例は、概して、比較的に高処理量および忠実性でマイクロ粒子の生産を可能にする障害物のアレイを伴う、マイクロ流体デバイスを対象とする、方法を実証する。
【００８１】
以下の実施例は、直径３〜２０マイクロメートルの液滴サイズを伴う単一乳液の高処理量生産を可能にする、種々のマイクロ流体デバイスを説明する。マイクロ流体デバイスは、乳液が注入される入口と、直径の実質的単分散性分布を有する乳液が収集される出口とを含んでいた。図１を参照されたい。図１のデバイスは、行で配列される障害物のアレイを有する。障害物間の距離は、良好に画定された。障害物の隣接する行は、互に対してオフセットされた。デバイスは、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）から形成され、ソフトリソグラフィを使用して製作された。しかしながら、種々の技法を使用して、Ｔｅｆｌｏｎ（ポリテトラフルオロエチレン）、フォトレジスト、シリコン等の他の材料からデバイスを作ることも可能である。液滴のサイズは、これらの実験のうちのいくつかにおいて、概して、与えられる剪断力に依存することが分かった。液滴サイズは、したがって、流量の増加および隣接する障害物間の距離の減少に伴って減少した。単一デバイスの処理量はまた、例えば、障害物の同一の間隔を保ちながら、デバイスをより広く作製することによって、増加され得る。さらに、デバイスは、例えば、デバイスを互の上部に積層し、積層されたデバイスの全入口および出口を通過する孔を通してそれらを接続することによって、容易に並列化された。
【００８２】
（実施例２）
本実施例は、本発明の一実施形態による、液滴サイズに対するキャピラリー数の影響を説明する。本実施例では、液滴サイズは、ｅｔａｄｉｓｐｅｒｓｅｄ／ｅｔａｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ（ηｄｉｓｐｅｒｓｅｄ／ηｃｏｎｔｉｎｉｏｕｓ）＞１を伴うデバイスに対して、キャピラリー数０．０４を下回るキャピラリー数に比較的依存することが分かった。２を上回ると、液滴サイズは、比較的に、デバイス設計（例えば、間隙容量）により依存することが分かった。
【００８３】
本実施例で使用される液滴分割のデバイスおよびプロセスの概要は、図１に見られ得る。マイクロ流体デバイスは、油中水型（Ｗ／Ｏ）および水中油型（Ｏ／Ｗ）乳液を産生するために使用された。異なるデバイスが、２つの不混和性液体を混合することによって乳液化された。分散相は、６０−８０体積％を占めた。連続相は、界面活性剤を含み、液滴の合体を防止した。粗乳液が、結果として生じる粗乳液がマイクロ流体デバイスの中に注入される前に、２つの不混和性液体を含む溶液を機械的に撹拌することによって形成された。マイクロ流体デバイスは、規則的に間隔を空けられる障害物のアレイのＰＤＭＳ系マイクロ流体チップであった。すなわち、障害物の隣接する行は、図１に示されるようにオフセットされた。複数の分割された液滴を形成するために、典型的バルク乳化技法を通して作製された粗乳液が、体積制御式蠕動ポンプを使用して、デバイスの中に注入された。随意に、粗乳液は、デバイス内で形成され得る。本デバイスのバージョンは、分散および連続相が、別個に注入されることを可能にし、それは、液滴のクリーム分離および／または沈下を防止した。それは、乳液が形成される少し前に、異なる成分がデバイス内で混合されることも可能にし、液滴が障害物のアレイに流入する前に、液滴の内側で化学反応を生じさせるために使用され得るであろう。粗乳液液滴が、障害物のアレイを通して送達され、粗乳液液滴のものよりはるかに狭いサイズ分布を有する、より小さい液滴に分化された。随意に、液滴がモノマーおよび光開始剤を含む場合、重合反応が、例えば、分割された液滴が、依然として、出口と収集バイアルを接続する管類内にある間、分割された液滴を紫外線（ＵＶ）光で照射することによって開始され得る。
【００８４】
デバイス内では、液滴が、障害物によって「捕捉された」（すなわち、障害物近傍の流体流動が、マイクロ流体チャネルを通る流体流動の平均方向に対して制限された）場合、分割された。液滴分割は、幾分、狭いマイクロ流体チャネル内に存在する単一障害物を押し通される液滴の分化に類似していた。しかしながら、驚くべきことに、適切に間隔を空けられた障害物は、実質的単分散性の分割された液滴を形成するために液滴を分化するために使用されることができる。本明細書に論じられるように、障害物の配列は、そのような実質的単分散性分布を生成することにおいて、重要であり得る。すなわち、他の配列（例えば、長方形配列、ランダム配列等は、そのような単分散性分布を産生することができない）。
【００８５】
本マイクロ流体デバイスのチャネルの中に注入後、粗乳液液滴は、障害物近傍の流動がチャネル内の平均流体流動の方向に対して制限されるように捕捉される。そのような液滴は、多くの場合、障害物によって分割されるであろう。例えば、ある場合には、キャピラリー数は、分散相の所与の粘度と連続相の粘度の比率に対してある値を超える場合があり、粗乳液液滴は、分化され、娘液滴（すなわち、分割された液滴）を形成し得る。キャピラリー数は、以下のように定義され得る。
Ｃａ＝ηｑ／（ｈｗγ）
本方程式では、イータ（η）は、液滴の粘度であり、ｑは、流量であり、ｈは、チャネル高さであり、ｗは、チャネル幅であり、ガンマ（γ）は、表面張力である。粘度比率ｅｔａｄｉｓｐｅｒｓｅｄ／ｅｔａｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ（ηｄｉｓｐｅｒｓｅｄ／ηｃｏｎｔｉｎｉｏｕｓ）＝＞１を伴うＷ／Ｏ乳液に対して、本マイクロ流体デバイス内の液滴のサイズは、２を下回るキャピラリー数に対して、キャピラリー数の増加に伴って減少することが分かった。しかしながら、より大きいキャピラリー数（すなわち、２以上）に対して、液滴のサイズは、図４に示されるように、プラトー値に到達した。プラトー領域（すなわち、２以上のキャピラリー数）における液滴サイズは、図５Ａに示されるように、分散相の体積分率から独立するが、プラトー領域内の液滴サイズは、デバイスの設計に依存した。プラトー領域内の液滴サイズは、図５Ｂに示されるように、隣接する障害物間の距離の減少、障害物の高さの減少、したがって、間隙容量の減少に伴って減少した。
【００８６】
図４Ａは、キャピラリー数の関数として、マイクロ流体デバイスによって形成される液滴のサイズを示す。各マイクロ流体デバイスは、本実施例では、８０列の正方形障害物を含んだが、各デバイスは、図４の凡例に示されるように、異なる間隙容量を有していた。流体は、５ｍｌ／時でデバイスの中に注入された。乳液は、６０体積％の分散相および４０体積％の連続相を有していた。隣接する障害物（Ａ）間の長方形面積とデバイスの高さを乗算することによって計算された間隙容量の画定の略図が、図４Ｂに示される。
【００８７】
図５Ａは、これらのデバイス内の液滴サイズに及ぼす分散相の濃度の影響を示す。分散水相は、分子量６ｋＤａを伴う２０重量％ＰＥＧを含み、連続油相は、１重量％パーフルオロ化界面活性剤を含むパーフルオロ化油を含んでいた。図５Ｂは、正方形障害物のアレイを通して送達された液滴のサイズに及ぼすデバイスの設計の影響を示す。図５Ｃは、連続相の粘度に対する分散相の粘度のある比率に対する変動係数に及ぼす間隙容量の影響を示す。
【００８８】
（実施例３）
本実施例は、液滴分割およびサイズに対する障害物の幾何学形状の影響を説明する。菱形障害物、三角形障害物、および半円形くぼみを伴う障害物は、比較的に非効率的液滴分割を呈し、液滴サイズに対する高変動係数につながった。非効率的液滴分割は、障害物による液滴の不良捕捉に起因し、不良捕捉は、同時に、流入流体によって、障害物の両側に対して圧迫され、それに押し付けられる液滴の事例を減少させることが分かった。しかしながら、いくつかの液滴分割は、依然として、生じた。正方形および円形障害物は、これらの形状に対してより効率的液滴分割を呈した、液滴サイズに対してより低い変動係数につながった。
【００８９】
異なる障害物幾何学形状を伴うマイクロ流体デバイスの出口における油中水型乳液液滴の顕微鏡画像が、図６に示される。障害物の形状は、差込図に図式的に示される。これらの実験において使用される全デバイスは、高さ４０マイクロメートルであり、油中水型乳液が、５ｍｌ／時でデバイスを通して流動させられた。
【００９０】
菱形形状障害物または流体流動の平均方向に半円形くぼみを伴う障害物を伴うデバイスは、約５０％の変動係数（ＣＶ）を有していた。高多分散性は、他の形状と比較して比較的に非効率的液滴分割によるものであることが分かった。菱形障害物を伴うデバイスに対して、菱形形状障害物の規則的配列は、障害物がない対角線チャネルの形成をもたらした。液滴（例えば、粗乳液液滴）は、障害物によって捕捉されずに、これらの対角線チャネルの内側を流動し得る。すなわち、これは、図７に示されるように、液滴の非効率的分化をもたらした。平均流体流動の方向に半円形くぼみを伴う障害物を伴うデバイスもまた、比較的に非効率的液滴分割を呈した。これらのデバイスでは、流体流動は、多くの場合、方向を変化させ、障害物をバイパスする前に減速した。減速は、流体が、障害物のくぼみの中に流動するにつれて生じた。くぼみの中に流動した液滴は、連続相が液滴を障害物の片側に引きずり出すまで、くぼみの内側に捕捉された。液滴は、次いで、図７に示されるように、液滴の形状に主要な改変を伴わずに、障害物を通り過ぎ得る。したがって、くぼみは、液滴が、同時に、（例えば、連続相、他の液滴の）流体流動によって、障害物の両側に対して圧迫され、それに押し付けられることを回避することを可能にした。これは、非効率的液滴分割、したがって、図６に示されるように、液滴の高多分散性をもたらした。
【００９１】
三角形障害物を伴うデバイスもまた、これらの実験において、非効率的液滴分割を呈した。これらのデバイス内の液滴は、流体の主要流動方向に対して９０°の角度で整列させられた壁に対して押し付けられず、液滴が、図７に示されるように、液滴の形状に主要な改変を伴わずに、障害物を通過することを可能にした。結果として生じる液滴は、図６に示されるように、より多分散性であった。
【００９２】
対照的に、正方形または円形障害物を伴うデバイス内で産生される液滴は、図６に示されるように、約２０％のＣＶを有していた。緊密充填された円形または正方形障害物を通して圧搾される液滴は、これらの障害物によって効率的に捕捉された。これは、図７に示されるように、高液滴分割率につながった。液滴は、典型的には、正方形障害物の後縁のうちの１つで分化した。間隙容量に対する液滴サイズの比率に応じて、単一液滴は、同一の障害物によって、２つ以上のより小さい液滴に分割され得る。本効率的液滴の分割は、図６に示されるように、比較的に低多分散性に変換された。
【００９３】
図７は、障害物の異なる幾何学形状を伴うマイクロ流体チャネル内の液滴の分割を示す。アレイを通して流動した油中水型乳液の時間経過顕微鏡画像は、ａ）菱形障害物、ｂ）マイクロ流体チャネル内の平均流体流動の方向に半円形くぼみを伴う障害物、ｃ）４０マイクロメートル底辺を伴う三角形障害物、ｄ）６０マイクロメートル底辺を伴う三角形障害物、ｅ）円形障害物、およびｆ）正方形障害物を含んでいた。水相は、２０％ＰＥＧを含み、油相は、１重量％パーフルオロ化界面活性剤を含むパーフルオロ化油であった。
【００９４】
（実施例４）
本実施例は、可変縦横比を伴う長方形障害物を使用し、かつ、分散相の体積を変動させることによって、液滴分割の効率を増加させる方法を説明する。本実施例において使用されるデバイスでは、ほとんどの液滴は、少なくとも２の縦横比を伴う長方形障害物のアレイを使用して分割され得る。縦横比はまた、液滴の多分散性と、単一障害物で単一液滴によって形成される分割された液滴の数とに影響を及ぼすことが分かった。分散相の体積もまた、これらの実験において、液滴の多分散性に影響を及ぼすことが分かった。
【００９５】
液滴が、分割されずに、障害物をバイパスする可能性を最小限にするために、縦横比（すなわち、長さ：幅）２〜１０を伴う長方形障害物が使用された。縦横比２を伴う長方形障害物に対して押し付けられた液滴のほとんどは、分割することが観察された。典型的には、液滴は、２つの娘液滴（すなわち、分割された液滴）に分割され、これは、同一または異なるサイズであり得る。図８に示されるように、分割は、典型的には、正方形障害物での分割と同様に、これらの障害物の縁で生じた。少なくとも３の縦横比を伴う長方形障害物に対して押し付けられた液滴は、複数の液滴に分割された（すなわち、各液滴は、３つ以上の分割された液滴に分割された）。
【００９６】
液滴の分割は、典型的には、障害物の中心で生じ、液滴は、例えば、９０°だけ、流動方向を変化させるように強制された。これらのデバイス内の液滴の分割は、同一の合流点にわたって押し付けられた後続液滴によって加速された。これらの後続液滴は、第１の液滴にわたる圧力降下を増加させ、その「ネッキング（ｎｅｃｋｉｎｇ）」を加速させ、図８に示されるように、第１の液滴の分割加速をもたらした。したがって、液滴の多分散性は、図９に示されるように、分散相の体積分率の増加に伴って減少した。６．５未満のｅｔａｄｉｓｐｅｒｓｅｄ／ｅｔａｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ（ηｄｉｓｐｅｒｓｅｄ／ηｃｏｎｔｉｎｉｏｕｓ）を伴う乳液の場合、液滴の多分散性は、図１０に示されるように、これらの実験における乳液に対して、障害物の縦横比の増加に伴って減少した。対照的に、多分散性は、図１１に示されるように、分散相の粘度が連続相の粘度の有意に上回る場合、縦横比の増加に伴って増加した。分散相の粘度が連続相の粘度を有意に上回るデバイスの場合、不十分な圧力降下が、液滴にわたって生じた。不十分な圧力降下は、液滴の低ネッキング、したがって、非効率的分化につながり、高多分散性に変換された。
【００９７】
図８Ａ−Ｅは、長方形障害物を含むマイクロ流体デバイスの光学マイクログラフを示す。長方形障害物の縦横比は、：ａ）１０、ｂ）５、ｃ）４、ｄ）３、およびｅ）２であった。これらの実験では、６０体積％水を含む油中水型乳液が、５ｍｌ／時の率でこれらのデバイスを通して送達された。
【００９８】
図９Ａ−Ｂは、２０行の障害物を含むデバイスを使用して産生されたポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）系マイクロ粒子の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。障害物は、縦横比１０を伴う長方形であった。粗乳液は、ａ）６０体積％およびｂ）８０体積％分散相を含んでおり、５０ｍｌ／時の流量でデバイスの中に注入された。
【００９９】
図１０Ａ−Ｈは、長方形障害物を含むマイクロ流体デバイスの出口の光学マイクログラフを示す。長方形障害物の縦横比は、ａ）２、ｂ）３、ｃ）４、ｄ）５、およびｅ）１０であった。６０体積％水を含む油中水型乳液が、５ｍｌ／時の率でこれらのデバイスを通して送達された。図１０Ｆは、長方形障害物の縦横比の関数として長方形障害物を含むマイクロ流体デバイスを用いて産生された液滴の平均サイズのグラフを示す。図１０Ｇ−Ｈは、それぞれ、連続相の粘度に対する分散相の粘度の比率に対する、液滴の平均直径対縦横比、および液滴の変動係数対縦横比のグラを示す。
【０１００】
図１１Ａ−Ｆは、２０行の障害物を含むマイクロ流体デバイスを用いて産生されるＰＤＭＳ系マイクロ粒子のＳＥＭ画像を示す。長方形障害物は、ａ）１、ｂ）２、ｃ）３、ｄ）４、ｅ）５、およびｆ）１０の縦横比を有していた。乳液中の分散相の分率は、６０体積％であり、乳液は、５０ｍｌ／時の流量でデバイスの中に注入された。
【０１０１】
（実施例５）
本実施例は、最終液滴サイズおよび処理量に対するアレイ構成の影響を説明する。行内の隣接する障害物間の距離は、液滴がその特性寸法（すなわち、液滴が、典型的には、さらに改変せずに、障害物のアレイを通過し得るサイズ）に到達することを確実にするために要求される行の数に影響を及ぼすことが分かった。アレイ内の列の数は、デバイスの処理量に正比例することが分かった。
【０１０２】
本実施例で使用されるマイクロ流体デバイスでは、大液滴が、全結果として生じる液滴が、実質的にさらに改変せずに、障害物を通過するために十分に小さくなる（すなわち、障害物の追加の行が、実質的に、それを通過する液滴の平均サイズを改変させないようなその特性寸法に到達する）まで、複数回、分割される。したがって、液滴分割の完了を確実にするために、デバイスは、障害物の最小限の数の行を保有する必要があった。液滴をその特性寸法に分化するために要求される障害物の数は、これらの実験では、隣接する障害物間の間隔の減少に伴って増加することが分かった。２０マイクロメートル〜４０マイクロメートル離れた障害物を伴うデバイスは、粗乳液の全液滴のその特性寸法への完全分化を確実にするために、最低でも２０行を要求した。２０行を超える追加の行の障害物は、実質的に、液滴の平均サイズをさらに改変しなかった。しかしながら、デバイスにわたる圧力降下は、障害物の行の数の増加に伴って線形に増加した。したがって、２０行を超える障害物の行の数の増加は、実質的に、産生される液滴のサイズに影響を及ぼさずに、デバイス内の圧力降下を増加させた。したがって、これらの特定の実験では、隣接する障害物間の所与の間隔に対して、最適な障害物の行の数が存在する。例えば、２０マイクロメートル〜４０マイクロメートル離れた障害物を伴う、４０マイクロメートルの高さのこれらのデバイスの場合、最適数は、約２０行の障害物であった。しかしながら、他の実施形態では、他のデバイスにおける障害物の行の最適数を決定するために、他の要因もまた、重要であり得る。
【０１０３】
アレイ内の列および行の数もまた、例えば、キャピラリー数と平均流体速度との間の関係に起因して、デバイスの処理量に影響を及ぼした。キャピラリー数は、障害物のアレイを通る流体の速度の増加に伴って、線形に増加した。分散相の粘度が、連続相のほぼそれ以下である場合、液滴のサイズは、図１２に示されるように、流体の速度の増加に伴って減少することが分かった。図１２は、乳液が正方形障害物を伴うマイクロ流体デバイスを通して送達された速度の関数として、液滴のサイズを示す。これらのデバイスは、図１２の凡例に示されるように、異なる数の障害物の列を含んでいた。流体速度の増加に伴う液滴サイズの減少は、液滴の平均サイズの良好な制御を可能にした。しかしながら、より重要なこととして、流体速度の増加に伴う液滴サイズの減少は、これらのデバイスが、潜在的に、スケーラブルであることを意味する。デバイス内の流体の速度はまた、その流量、およびデバイスの各断面における間隙空間の総面積に比例することが分かった。したがって、乳液が、デバイスの中に注入される流量、したがって、処理量は、デバイス内の列の数に正比例することが分かった。処理量は、したがって、図１３に示されるように、実質的に、流体デバイス内の速度を改変せずに、障害物の増加数の行を伴うデバイスを設計することによって増加されることができる。図１４は、行の数の関数として、液滴のサイズおよび液滴の変動係数を示す。
【０１０４】
（実施例６）
本実施例は、デバイスの拡張バージョンおよびデバイスにおける高処理量でのポリマーマイクロ粒子の生産を説明する。拡張バージョンは、５つの並列化されたマイクロ流体デバイスを有していた。ポリマーマイクロ粒子は、実施例２に説明されるもの等の光重合技法を使用して産生され、多分散性２０−２５％を伴う直径１５〜２５マイクロメートルを有していた。
【０１０５】
これらのデバイスを拡張するための能力の実施例として、各々が５００列および２０行の障害物を含む、５つの並列化されたデバイスが、設計された。これらの実験では、障害物は、４０マイクロメートルの高さであり、障害物の隣接する列は、４０マイクロメートル離れ、障害物の隣接する行間の間隔は、２０マイクロメートルであった。完全拡張デバイス全体を通して、等しい流量を確実にするために、分布チャネル内側の圧力降下は、最小限にされた。圧力降下は、これらの実験では、チャネルの最小寸法の３乗に比例した。したがって、分布チャネルは、図３に示されるように、高さ１４０マイクロメートルおよび幅１．９ｍｍであるように設計された。これらのデバイスでは、分布チャネルにわたる圧力降下は、障害物のアレイにわたるものより８５倍小さく、したがって、無視可能であった。図３は、５つの並列化されたマイクロ流体デバイスの略図を示す。障害物２０を含むデバイスの部分（本図では、中実であるように見えるが、図３における差込図に示されるように、接近して見ると、実際には、別個の障害物である）は、４０マイクロメートルの高さであり、デバイスの入口および出口に対応するデバイスの他の部分は、１４０マイクロメートルの高さであった。
【０１０６】
高処理量においてポリマーマイクロ粒子を産生するためのこれらのデバイスの能力を試験するために、油相が、１重量％２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニル−１−プロパノンを含むメタクリレートポリマー系シロキサンモノマーを光開始剤として含む、粗水中油型（Ｏ／Ｗ）乳液が、アセンブルされた。油相は、１０重量％ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）を界面活性剤として含む水相と混合された。油相は、連続相としての役割を果たした。粗乳液は、２５ｍｌ／時の流量でマイクロ流体デバイスを通して送達された。液滴の重合は、デバイスの出口と収集バイアルを接続するポリエチレン管類をＵＶ光を用いて一定に照射することによって、乳液がデバイスから流出した後に開始された。粒子は、ガラスバイアル内に収集され、少なくとも１２時間、室温で貯蔵され、メタクリレートポリマー系シロキサンモノマーの完全重合を確実にした。重合化された粒子は、洗浄され、随意に、乾燥される。粒子は、図１３から分かるように多分散性２０−２５％を伴う、直径１５〜２５マイクロメートルを有することが分かった。結果として生じる粒子は、従来のマイクロ流体デバイスを用いて産生されたものより多分散性であったが、そのサイズ分布は、従来の膜濾過法を使用して達成されるものを下回る。これらのマイクロ流体デバイスは、したがって、ある平均サイズの大量のマイクロ粒子を要求するが、ある程度の多分散性を容認することができる用途に非常に好適であった。これらのデバイスの単純性は、ロバストな動作を可能にし、例えば、デバイスは、一定監視の必要なく、１日２４時間、継続的に起動され得る。すなわち、本特徴は、特に、ある産業用途に魅力的である。
【０１０７】
図１３は、３８２列の正方形障害物を伴うマイクロ流体デバイスを用いて産生されるＰＤＭＳ系粒子の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。粗乳液は、２５ｍｌ／時の率で注入された。
【０１０８】
（実施例７）
本実施例は、実施例１−６に関するある実験詳細を説明する。
【０１０９】
マイクロ流体デバイスは、公知のソフトリソグラフィ技法を使用して製作された。概略すると、マスクが、ＡｕｔｏＣＡＤを使用して設計され、分解能２０，０００ｄｐｉで印刷された。マスタは、２つのフォトレジストの層に形成された。第１の層は、４０マイクロメートルの厚さであり、障害物のアレイならびに入口および出口チャネルを含んでいた。第２の層は、第１の層と整列させられ、入口および出口チャネルのみを含んでいた。第２の層は、１００マイクロメートルの厚さで、これらのチャネルにわたる圧力降下を減少させた。複製が、１０対１の塩基と架橋剤の重量比で混合されたＰＤＭＳを使用して、これらのマスタから作製された。ＰＤＭＳ複製は、Ｏ２プラズマを使用して、ガラススライドに接合された。油中水型乳液を形成するために、ＰＤＭＳデバイスは、撥水剤（例えば、Ａｑｕａｐｅｌ）で処理することによって、疎水性にされた。水中油型乳液を形成するために、ＰＤＭＳデバイスの表面は、ポリ（塩化ジアリルジメチルアンモニウム）（Ｍｗ＝４００-５００ｋＤａ）高分子電解質の堆積を通して親水性にされた。
【０１１０】
水中油型乳液の水相は、１０重量％ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）を界面活性剤として使用した。油中水型乳液の油相は、１重量％のパーフルオロ化界面活性剤を含んでいた。粗乳液が、６０体積％の分散液と４０体積％の連続相を混合し、それを機械的に撹拌することによって形成された。結果として生じる粗乳液は、体積制御式注入器ポンプを使用して、ポリエチレン管類を通してマイクロ流体デバイスの中に注入された。
【０１１１】
異なるタイプの乳液の界面張力が、垂滴法を使用して測定された。乳液の異なる成分の粘度が、Ａｎｔｏｎ  Ｐａａｒ検流計（Ｐｈｙｓｉｃａ  ＭＣＲ）上で測定された。ＰＤＭＳ系マイクロ粒子のＳＥＭ画像を取得するために、これらの粒子は、空気中で乾燥され、続いて、Ｐｔ／Ｐｄの薄層でコーティングされ、電子顕微鏡分析の間の電荷蓄積を回避した。ＳＥＭが、５ｋＶの加速電圧で動作させられるＳｕｐｒａ５５（Ｚｅｉｓｓ）上で行われた。画像は、二次電子検出器を使用して検出された。
【０１１２】
本発明のいくつかの実施形態が、本明細書に説明および図示されたが、当業者は、本明細書に説明される機能を果たし、および／または結果および利点のうちの１つ以上を得るための種々の他の手段および／または構造を容易に想起するであろうが、そのような変動および／または修正の各々は、本発明の範囲内であると見なされる。より一般的には、当業者は、本明細書に説明される全パラメータ、寸法、材料、および構成が、例示であることが意図され、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成が、本発明の教示が使用される具体的用途または複数の用途に依存するであろうことを容易に理解するであろう。当業者は、本明細書に説明される本発明の具体的実施形態に対する多くの均等物を認識する、または通常程度の実験を使用して、解明可能であろう。したがって、前述の実施形態は、一例として提示されるにすぎず、添付の請求項およびその均等物の範囲内において、本発明は、具体的に説明されるおよび請求されるものと別様に実践され得ることを理解されたい。本発明は、本明細書に説明される各個々の特徴、デバイス、物品、材料、キット、および／または方法を対象とする。加えて、２つ以上のそのような特徴、デバイス、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせも、そのような特徴、デバイス、物品、材料、キット、および／または方法が、互に矛盾しない場合、本発明の範囲内に含まれる。
【０１１３】
不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、本明細書および請求項で使用されるように、そうでないことが明白に示されない限り、「少なくとも１つ」を意味するものと理解されたい。
【０１１４】
語句「および／または」は、本明細書および請求項で使用される場合、そのように結合された要素の「一方または両方」、すなわち、要素は、ある場合には、結合して存在し、他の場合には、分離して存在することを意味するものと理解されたい。具体的に識別されたそれらの要素に関連するかどうかにかかわらず、そうでないことが明白に示されない限り、「および／または」節によって具体的に識別される要素以外の他の要素も、随意に、存在し得る。したがって、非限定的実施例として、「Ａおよび／またはＢ」の言及が、「備えている」等の非制限的用語と併用されるとき、一実施形態では、Ｂを伴わないＡ（随意に、Ｂ以外の要素を含む）、別の実施形態では、Ａを伴わないＢ（随意に、Ａ以外の要素を含む）、さらに別の実施形態では、ＡおよびＢの両方（随意に、他の要素を含む）を指す等となり得る。
【０１１５】
本明細書および請求項で使用される場合、「または」は、前述のような「および／または」と同じ意味を有すると理解されたい。例えば、リスト内のアイテムを分離するとき、「または」または「および／または」は、包含として、すなわち、少なくとも１つの含有であるが、また、要素の数またはリストのうちの２つ以上と、随意に、追加の列挙されないアイテムを含むと解釈されるものとする。「のうちの１つのみ」または「のうちの正確に１つ」、あるいは、請求項において使用されるときの「から成る」等のそうではないことが明確に示される用語のみ、要素の数またはリストのうちの正確に１つの要素を含むことを指すであろう。一般に、用語「または」は、本明細書で使用されるように、「一方」、「のうちの１つ」、「のうちの１つのみ」、または「のうちの正確に１つ」等の排他性の用語によって先行されるときのみ、排他的代替（すなわち、「一方または他方であるが、両方ではない」）を示すように解釈されるものとする。「本質的に、から成る」は、請求項で使用されるとき、特許法の分野において使用されるその通常の意味を有するものとする。
【０１１６】
本明細書および請求項で使用される場合、１つ以上の要素のリストの言及における語句「少なくとも１つ」は、要素のリスト内の要素のうちの任意の１つ以上から選択される少なくとも１つの要素を意味するが、必ずしも、要素のリスト内に具体的に列挙されるあらゆる要素のうちの少なくとも１つを含むわけではなく、要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを排除するわけでもないことを理解されたい。本定義はまた、随意に、具体的に識別されたそれらの要素に関連するかどうかに関わらず、語句「少なくとも１つ」が指す、要素のリスト内で具体的に識別された要素以外の要素が、存在し得ることを可能にする。したがって、非限定的実施例として、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」（または、同等に、「ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ」、あるいは、同等に、「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、少なくとも１つであり、随意に、２つ以上であり、Ａを含むが、Ｂが存在しない（および、随意に、Ｂ以外の要素を含む）、別の実施形態では、少なくとも１つであり、随意に、２つ以上であり、Ｂを含むが、Ａが存在しない（および、随意に、Ａ以外の要素を含む）、さらに別の実施形態では、少なくとも１つであり、随意に、２つ以上であり、Ａを含み、かつ少なくとも１つであり、随意に、２つ以上であり、Ｂを含む（および、随意に、他の要素を含む）等を指すことができる。
【０１１７】
請求項ならびに前述の明細書では、「備えている」、「含む」、「携持する」、「有する」、「含む」、「伴う」、「保持する」等の全ての移行句は、非制限的であると理解され、すなわち、それを含むが、それに限定されないことを意味する。移行句「から成る」および「本質的に、から成る」のみ、それぞれ、Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｏｆｆｉｃｅ  Ｍａｎｕａｌ  ｏｆ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｅｘａｍｉｎｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，Ｓｅｃｔｉｏｎ  ２１１１．０３に記載されるように、限定的または半限定的移行句であるものとする。
【図１】
2019089067.tif 000003
【図２Ａ】
2019089067.tif 000004
【図２Ｂ−Ｃ】
2019089067.tif 000005
【図２Ｄ−Ｇ】
2019089067.tif 000006
【図３】
2019089067.tif 000007
【図４Ａ−Ｂ】
2019089067.tif 000008
【図５Ａ】
2019089067.tif 000009
【図５Ｂ】
2019089067.tif 000010
【図５Ｃ】
2019089067.tif 000011
【図６】
2019089067.tif 000012
【図７Ａ−Ｆ】
2019089067.tif 000013
【図８Ａ−Ｅ】
2019089067.tif 000014
【図９Ａ−Ｂ】
2019089067.tif 000015
【図１０Ａ−Ｅ】
2019089067.tif 000016
【図１０Ｆ】
2019089067.tif 000017
【図１０Ｇ】
2019089067.tif 000018
【図１０Ｈ】
2019089067.tif 000019
【図１１Ａ−Ｆ】
2019089067.tif 000020
【図１２】
2019089067.tif 000021
【図１３】
2019089067.tif 000022
【図１４】
2019089067.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成31年2月1日(2019.2.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体チャネルを備えている物品であって、
前記マイクロ流体チャネルは、障害物の複数の行内に配列された２次元の障害物のアレイをその中に備え、前記行は、前記マイクロ流体チャネルを通る平均流体流動の方向に実質的に直交するように配列され、
前記マイクロ流体チャネルを通る平均流体流動の方向に前記障害物のアレイを通して描かれる想像線の少なくとも約９０％は、前記アレイを形成する前記障害物の行の少なくとも約４０％の障害物に交差する、物品。
【請求項２】
マイクロ流体チャネルを備えている物品であって、
前記マイクロ流体チャネルは、障害物のアレイをその中に備え、前記障害物のアレイは、前記障害物のアレイに流入する上流からの流体の流路が、少なくとも５回の方向変化を伴うことなく前記アレイの下流から流出することがないように配列されている、物品。
【請求項３】
マイクロ流体チャネル内に含まれる２次元の障害物のアレイを提供することであって、障害物と次の最近傍障害物との間の平均距離は、約１ｍｍ未満である、ことと、
前記障害物のアレイを通して複数の液滴を通過させ、前記液滴の少なくとも約５０％を分割し、複数の分割された液滴を形成することと
を含む、方法。
【請求項４】
前記液滴の実質的に全が、分割され、前記複数の分割された液滴を形成する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の分割された液滴は、約２０％以下の特性寸法の変動係数を有する、請求項３または４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記複数の液滴の各々の特性寸法の変動係数は、前記複数の分割された液滴の各々の特性寸法の変動係数を上回る、請求項３−５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記液滴の少なくとも約７０％が分割され、前記複数の分割された液滴を形成する、請求項３−６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記液滴の少なくとも約９０％が分割され、前記複数の分割された液滴を形成する、請求項３−７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記液滴は、液体内に含まれる、請求項３−８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記液体の粘度に対する前記液滴の粘度の比率は、約２０以下である、請求項３−９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記液滴のキャピラリー数は、約２未満である、請求項３−１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
複数の液滴が分割され、複数の分割された液滴を形成するように、２次元の障害物のアレイを通して前記複数の液滴を通過させることによって、剪断力を前記複数の液滴に与えることを含み、前記複数の分割された液滴は、前記分割された液滴の約５％以下が、前記複数の分割された液滴の平均特性寸法の約１２０％超または約８０％未満の特性寸法を有するような特性寸法の分布を有している、方法。
【請求項１３】
前記剪断応力は、約０．０１Ｐａ以上〜約３Ｐａ未満である、請求項１２に記載の方法。
【外国語明細書】
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