(57)【要約】  本発明は、一般的に液滴を生成するためのシステムおよび方法に関する。１つの態様において、複数の液滴（２７）が連続流体流れ（２１）に導入されて、連続流体流れに別々の液滴を形成させる。いくつかの場合に、連続流体流れから形成される液滴が実質的に単分散であり得る。連続流体流れは、いくつかの場合に、比較的高い線形流量で流れる噴射流体流れであり得、それにより、ある種の具体例において、噴射流体からの高速度の液滴形成が達成され得る。加えて、本発明のある種の態様は、かかる液滴を形成できるマイクロ流体のデバイスのごときデバイスに一般的に指向される。例えば、１つのセットの具体例において、デバイスは、連続流体流れ（２１）へ複数の液滴（２７）を導入できる接合部（１４）を含むことができ、所望により、デバイスは、複数の液滴の形成および／または連続流体流れの形成を引き起こすことができるさらなる接合部（１２）を含み得る。本発明のさらに他の態様は、かかるデバイスの作製方法、かかるデバイスの使用方法、かかるデバイスを含むキット等に一般的に指向される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体チャネルにおいて、第１の流体を含む連続流体流れを提供し；次いで
第２の流体の複数の液滴を連続流体流れに挿入して、連続流体流れに第１の流体の別々の液滴を形成させる
ことを含む液滴の生成方法。
【請求項２】
第１の流体を含む連続流体流れが流体噴射であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
第１の流体を含む連続流体流れが、第２の流体の複数の液滴の挿入の不存在下で、連続流体流れに第１の流体の別々の液滴を形成しないような流量を有することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
第１の流体を含む連続流体流れが、約１未満のウェーバー数（Ｗｅ）を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１記載の方法。
【請求項５】
第１の流体を含む連続流体流れが、約１を超えるキャピラリー数（Ｃａ）を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１記載の方法。
【請求項６】
第２の流体の液滴が、少なくとも約１５，０００液滴／秒の速度で挿入されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１記載の方法。
【請求項７】
第２の流体の複数の液滴が、連続流体流れの線形流量を実質的に変更することなく、第１の流体を含む連続流体流れに挿入されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１記載の方法。
【請求項８】
第１の流体の別々の液滴が、実質的に単分散であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１記載の方法。
【請求項９】
第２の流体の液滴が、実質的に単分散であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１記載の方法。
【請求項１０】
第２の流体の液滴が、約１０％以下の液滴が液滴の全体的な平均直径の約９０％未満である直径を有するような直径における分布を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１記載の方法。
【請求項１１】
第２の流体の液滴が、約５００マイクロメートル以下の平均直径を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１記載の方法。
【請求項１２】
連続流体流れが、さらに、第１の流体の少なくとも一部分を包囲する外部流体を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１記載の方法。
【請求項１３】
第２の流体の複数の液滴が、挿入に先立って、第３の流体内に含まれていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１記載の方法。
【請求項１４】
第１の流体、第２の流体および第３の流体が各々、実質的に相互に非混合性であることを特徴とする請求項１３の方法。
【請求項１５】
第１の流体および第３の流体が各々液体であって、第２の流体が気体であることを特徴とする請求項１３または１４記載の方法。
【請求項１６】
さらに、第１の流体の別々の液滴の形成後に、第１の流体から少なくともいくらかの第２の流体を分離することを含むことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１記載の方法。
【請求項１７】
分離が、流体力学的選別を用いて、少なくともいくらかの第２の流体を分離することを含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
分離が、第２の流体と第１の流体との間の密度差を用いて、少なくともいくらかの第２の流体を分離することを含むことを特徴とする請求項１６または１７記載の方法。
【請求項１９】
第１の流体を含む連続流体流れを提供し；次いで
第２の流体の複数の液滴を連続流体流れに挿入して、連続流体流れに第１の流体の別々の実質的に単分散の液滴を形成させる
ことを含む液滴の生成方法。
【請求項２０】
第１の流体の液滴が、約１０％以下の液滴が液滴の全体的な平均直径の約９０％未満である直径を有するような直径分布を有することを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
第１の流体を含む連続流体流れが流体噴射であることを特徴とする請求項１９または２０記載の方法。
【請求項２２】
第２の流体の複数の液滴が、挿入に先立って、第３の流体内に含まれていることを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか１記載の方法。
【請求項２３】
第２の流体が気体であることを特徴とする請求項１９〜２２のいずれか１記載の方法。
【請求項２４】
さらに、第１の流体の別々の液滴の形成後に、第１の流体から少なくともいくらかの第２の流体を分離することを含むことを特徴とする請求項１９〜２３のいずれか１記載の方法。
【請求項２５】
第１の流体を含む連続流体流れを提供し；次いで
第２の流体の複数の実質的に単分散の液滴を連続流体流れに挿入して、連続流体流れに第１の流体の別々の液滴を形成させる
ことを含むことを特徴とする液滴の生成方法。
【請求項２６】
第１の流体を含む連続流体流れが、流体噴射であることを特徴とする請求項２５の方法。
【請求項２７】
第２の流体の複数の液滴が、挿入に先立って、第３の流体内に含まれることを特徴とする請求項２５または２６記載の方法。
【請求項２８】
第２の流体が気体であることを特徴とする請求項２５〜２７のいずれか１記載の方法。
【請求項２９】
さらに、第１の流体の別々の液滴の形成後に、第１の流体から少なくともいくらかの第２の流体を分離することを含むことを特徴とする請求項２５〜２８のいずれか１記載の方法。
【請求項３０】
第１の注入口マイクロ流体チャネル、第２の注入口マイクロ流体チャネルおよび排出口マイクロ流体チャネルを含む第１の接合部、ここに、第１のチャネルと第２のチャネルとの間の角度は、約４５°未満である；および 
第２の接合部の第２のチャネルの上流の第２の接合部、ここに、第２の接合部を配置および整えて、第２の流体において第１の流体の実質的に単分散の液滴を生成するを含む液滴を生成するためのデバイス。
【請求項３１】
第２の接合部がフロー集束接合部である請求項３０記載のデバイス。
【請求項３２】
第２の接合部がＴ字型接合部である請求項３０または３１記載のデバイス。
【請求項３３】
第２の接合部が、第２のチャネルの上流に少なくとも２つの注入口マイクロ流体チャネルを含む請求項３０〜３２のいずれか１記載のデバイス。
【請求項３４】
第１のチャネルが、さらに噴射流体を含む請求項３０〜３３のいずれか１記載のデバイス。
【請求項３５】
排出口マイクロ流体チャネルが、複数の実質的に単分散の液滴を含む請求項３０〜３４のいずれか１記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にマイクロ流体、特に、液滴を生成するためのシステムおよび方法に関する。
【０００２】
（関連出願）
本願は、Ａｂａｔｅらによる「流体分割を用いる液滴形成」を発明の名称とする２０１２年２月８日付けで出願された米国仮特許出願第６１／５９６，６５８号の利益を主張し、ここに出典明示してそのすべてを本明細書の一部とみなす。
【０００３】
（政府支援）
本発明の種々の態様に導く研究は、全米科学財団の助成番号ＤＢＩ−０６４９８６５およびＤＭＲ−０８２０４８４により少なくとも部分的に支援された。米国政府は本発明においてある種の権利を有する。
【背景技術】
【０００４】
流体送達、製品製造、分析等の目的のために、所望の配置の流体流れ、不連続な流体流れ、液滴、粒子、分散等を形成する流体の操作は、比較的よく研究された技術である。マイクロ流体システムにおける液滴の生成方法の例は、Ｔ字型接合部またはフロー集束技術の使用を含む。しかしながら、かかる技術は、しばしば比較的遅い層流または「滴下」条件にてだけ作用し、いくつかの適用において、例えば、多数の液滴を生成するためにより高速の液滴生成が必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、一般的にマイクロ流体、特に、液滴を生成するためのシステムおよび方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、一般的に液滴を生成するためのシステムおよび方法に関する。本発明の主題は、いくつかの場合に、相関製品、特定の問題の代替的解決策ならびに／または１以上のシステムおよび／もしくは物品の複数の種々の使用に関連する。
【０００７】
１つの態様において、本発明は、一般的に液滴を生成するためのデバイスに指向される。１つのセットの具体例において、デバイスは、第１の注入口マイクロ流体チャネルを含む第１の接合部、第２の注入口マイクロ流体チャネルおよび排出口マイクロ流体チャネルを含む。いくつかの場合に、第１のチャネルと第２のチャネルとの間の角度は、約４５°未満である。また、デバイスは、第２の接合部の第２のチャネルの上流に第２の接合部を含んでいてもよく、第２の接合部を形成および配置して、第２の流体中に第１の流体の実質的に単分散の液滴を生成する。
【０００８】
もう一つのセットの具体例において、デバイスは、第１の流体、および流体流れに入るように配置された第２の流体の実質的に単分散の複数の液滴を含む連続的な噴射流体流れを含む。もう一つのセットの具体例によるデバイスは、第１の流体、および流体流れに入るように配置された第２の流体の複数の液滴を含む連続的な噴射流体流れを含むマイクロ流体チャネルを含む。
【０００９】
１つのセットの具体例において、デバイスは、第１の注入口マイクロ流体チャネル、第２の注入口マイクロ流体チャネルおよび排出口マイクロ流体チャネルを含む第１の接合部を含む。いくつかの場合に、第１のチャネルと第２のチャネルとの間の角度は約４５°未満である。また、デバイスは、ある種の具体例において、第１の接合部の第１のチャネルの上流に第２の接合部を含み得る。例えば、第２の接合部は、Ｔ字型接合部、フロー集束接合部等であり得る。
【００１０】
もう一つのセットの具体例において、デバイスは第１の液滴生成マイクロ流体接合部、噴射流体を生成するための第２のマイクロ流体接合部、ならびに第１および第２の各接合部の下流に位置した第３の接合部を含み得る。
【００１１】
もう一つの態様において、本発明は、液滴の生成方法に一般的に指向される。１つのセットの具体例において、方法は、マイクロ流体チャネルにおいて、第１の流体を含む連続流体流れを提供し、次いで、連続流体流れに第２の流体の複数の液滴を挿入して、連続流体流れに第１の流体の別々の液滴を形成させる動作を含む。
【００１２】
もう一つのセットの具体例における方法は、第１の流体を含む連続流体流れを提供し、次いで、第２の流体の複数の液滴を連続流体流れに挿入して、連続流体流れに第１の流体の別々の実質的に単分散の液滴を形成させる動作を含む。
【００１３】
さらにもう一つのセットの具体例による方法は、第１の流体を含む連続流体流れを提供し、次いで、第２の流体の複数の実質的に単分散の液滴を連続流体流れに挿入して、連続流体流れに第１の流体の別々の液滴を形成させる動作を含む。
【００１４】
１つのセットの具体例において、方法は、第１の流体を含む連続流体流れを提供し、次いで、第２の流体の複数の液滴を連続流体流れに挿入して、連続流体流れに第１の流体の液滴を形成させる動作を含む。
【００１５】
もう一つのセットの具体例による方法は、少なくとも約１５，０００液滴／秒の速度にて実質的に単分散のマイクロ流体液滴を生成する動作を含む。さらにもう一つのセットの具体例において、方法は、マイクロ流体チャネル内に含有された噴射連続流体流れを提供し、次いで、流体流れに、マイクロ流体チャネル内の流体流れの線形流量を実質的に変更することなく、実質的に単分散のマイクロ流体液滴を形成させる動作を含む。
【００１６】
もう一つの態様において、本発明は、本明細書に記載された１以上の具体例を行う方法を包含する。さらにもう一つの態様において、本発明は、本明細書に記載された１以上の具体例を用いる方法を包含する。
【００１７】
添付図面と共に熟考すると、本発明の他の利点および新規な特徴は、本発明の種々の非限定の具体例の以下の詳細な記載から、明らかになるであろう。本明細書と出典明示により援用されている文書が、矛盾するおよび／または一致しない開示を含む場合、本明細書が優先するものとする。出典明示によって組み込まれた２またはそれを超える文書が相互に矛盾するおよび／または不一致の開示を含むならば、後の発効日を有する文書が優先するものとする。
【００１８】
本発明の非限定の具体例は、添付図面に関する例示により記載され、それは模式的で、縮尺に引き付けられることは意図されない。図において、示された同一またはほぼ同一の各構成要素は、単一の数字によって例示的に表される。明確性の目的のために、全構成要素が全図において標識されるとは限らず、また、当業者が本発明を理解するのを可能にするために例示が必ずしも必要でない場合には、本発明の各具体例のすべての構成要素も示されない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の１つの具体例により、液滴生成システムの略図である。
【図２】図２は、本発明のもう一つの具体例における実質的に単分散の二相エマルション液滴の形成を示す。
【図３】図３は、本発明のさらに他の具体例における種々の液滴形成速度にて生成した種々のサイズの液滴を示す。
【図４】図４は、本発明のさらにもう一つの具体例における頻度の関数として液滴直径を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、一般的に液滴を生成するためのシステムおよび方法に関する。１つの態様において、複数の液滴を連続流体流れに導入して、連続流体流れに別々の液滴を形成させる。いくつかの場合に、連続流体流れから形成される液滴は、実質的に単分散であり得る。連続流体流れは、いくつかの場合に、比較的高い線形流量で流れる噴射流体流れであってもよく、それにより、ある種の具体例において、噴射流体からの高速の液滴形成が達成され得る。加えて、本発明のある種の態様は、かかる液滴を形成できる、マイクロ流体デバイスのごときデバイスに一般的に指向される。例えば、１つのセットの具体例において、デバイスは、複数の液滴を連続流体流れに導入できる接合部を含むことができ、所望により、複数の液滴の形成および／または連続流体流れの形成を引き起こすことができるさらなる接合部を含み得る。本発明のさらに他の態様は、一般的に、かかるデバイスの作製方法、かかるデバイスを用いる方法、かかるデバイスを含むキット等に指向される。
【００２１】
本発明のある種の態様は、一般的に、連続流体流れに別々の液滴を形成させるためのシステムおよび方法に指向される。例えば、今や図１に示される例を参照して、第１の流体２１の連続的な流れを含むチャネル１１を含む流体システム１０が示される。この流体は、実質的に分裂または分散して別々の液滴を形成し、「分散可能な流体」ということもできる。いくつかの具体例において、第１の流体２１は、第１の流体２１が噴射挙動を示すまたは第１の流体が約１を超えるキャピラリー数（Ｃａ）および／または約１未満のウェーバー数（Ｗｅ）を有するような流量でチャネル１１を通過し得る。驚くべきことには、本発明のいくつかの具体例において、流体は分裂または分散して、例えば、流体が噴射挙動を示すような条件下で、およびいくつかの場合には形成される流体の別々の液滴が実質的に単分散であるような条件下で比較的高い流量にて流体の別々の区別される液滴を形成できる。例えば、（より低い液滴生成速度は、他の場合にも可能であるが）流体のかかる液滴は、約１５，０００液滴／秒またはそれを超える速度にて生成し得る。対照的に、マイクロ流体チャネル中の実質的に単分散の液滴を生成するための他のシステムおよび方法は、かかる条件下で典型的に操作できず、かくして、それを用いて、かかる高流量にて実質的に単分散の液滴を生成できない。
【００２２】
図１を再度参照すると、接合部１４にてチャネル１１と交差するチャネル１７も示されている。接合部１４に入る流体は、排出口チャネル２９を通って接合部を去り得る。チャネル１７は、第３の流体２５に含まれた第２の流体２３の液滴２７を含有し得る。後記のごとく、挿入後、第３の流体２５は連続相になるが、一方、第２の流体２５の液滴２７を用いて、チャネル１１からの第１の流体２１を分裂または分散させて、第３の流体２５に含まれた第１の流体の別々の液滴を形成するであろう。かくして、第２の流体２３も「挿入流体」といい得るが、第３の流体２５も「連続流体」といい得る。いくつかの具体例において、第１および第３の流体は実質的に非混合性であり、また、いくつかの場合に、第１、第２および第３の流体は各々、実質的に相互に非混合性である。例えば、第１の流体１８は、フルオロカーボン油またはもう一つの油のごとき疎水性液体であってもよく、第３の流体２５は水または水溶液のごとき親水性液体であってもよく、および第２の流体２３は空気のごとき気体であってもよく；または、第１の流体１８は親水性液体であってもよく、第３の流体２５は疎水性液体であってもよく、および第２の流体２３は空気のごとき気体であってもよい。さらなる実施例を後記する。
【００２３】
図１に示されるごとく、チャネル１７は第２の流体２３の液滴または気泡を接合部１４に送達し、その液滴または気泡はチャネル１１からの第１の流体２１に挿入される。いくつかの場合に、チャネル１７の第２の流体２３の液滴２７は実質的に単分散であり、他の場合には、液滴２７は実質的に単分散でなくてもよい。チャネル１１から入る第１の流体２１への液滴２７の挿入は、第１の流体２１を分裂または分散させ、それによって、第１の流体２１を分割させて、別々の液滴３１を形成する。また、排出口チャネル２９において、第１の流体２１の液滴３１は、第２の流体２３の液滴２７によって分離し得る。いくつかの具体例において、液滴３１は実質的に単分散である。
【００２４】
前記のごとく、第３の流体２５中の第２の流体２３の液滴２７は、チャネル１７内に存在する。いくつかの場合に、液滴２７が実質的に単分散である。これらの液滴はいずれの適当な技術を用いても生成し得る。例えば、図１に示されるごとく、第３の流体２５がチャネル３３を通ってＴ字型接合部に入り、第２の流体２３が、チャネル３４を通ってＴ字型接合部に入り、（例えば、せん断力、界面張力、流体力学集束等により）液滴２７を生成し、接合部１２からチャネル１７を出ていく場合に、Ｔ字型接合部１２が用いられる。もう一つの例（図１に示さず）として、接合部１２はフロー集束接合部であり得る。
【００２５】
前記の言及は、液滴を生成するために用いることができる本発明の具体例の非限定の例である。しかしながら、他の具体例も可能である。従って、より一般的には、本発明の種々の態様は、例えば、流体の液滴または気泡を連続流体流れに挿入して、連続流体流れに別々の液滴を形成させることによって、液滴を生成するための種々のシステムおよび方法に指向される。（本明細書に用いた「流体」なる用語は、一般的に、流れて、かつその容器の輪郭に一致する傾向を有する物質、すなわち、液体、気体、粘弾性の流体等をいい；流体が気体であるならば、その気体の別々の液滴も「気泡」といい得る。）いくつかの場合には、後記のごとく、かかる液滴は、マイクロ流体チャネルを含有するデバイス中で生成し得る。
【００２６】
従前に示したように、いくつかの具体例において、液滴の生成に関与する３つの（またはそれを超える）流体：例えば、別々の液滴（例えば、図１における流体２１）を形成するように分離される第１の連続的に流れる流体（本明細書において「分散可能な流体」ともいい得る）；第１の流体に挿入して、第１の流体が液滴（例えば、図１の中の流体２３）を形成させる第２の流体の複数の液滴（本明細書において「挿入流体」ともいい得る）；および第１の流体（例えば、図１における流体２５）への第２の流体の液滴の挿入に先立ってその液滴を含有する第３の連続的に流れる流体（本明細書において「連続流体」ともいい得る）が存在し得る。また、液滴形成プロセスの終わりに、第１の流体および第２の流体が連続流体内に含有された別々の液滴として典型的に存在するので、この第３の流体は連続流体という。
【００２７】
かくして、記載のごとく、１つのセットの具体例は、一般的に、第１の流体を分裂または分散し得る第１の流体の連続的な流れへの第２の流体の複数の液滴（または気泡）の挿入に指向され、それにより、第１の流体の連続的な流れに分散して、別々の滴を形成させる。第１のまたは「分散可能な」流体は、液体または気体であり得る。いくつかの具体例において、第１の流体の連続的な流れは、例えば、第１の流体の連続的な流れが噴射挙動を示す、ならびに／または約１を超えるキャピラリー数および／もしくは約１未満のウェーバー数（Ｗｅ）を有するような比較的高い線形流量にて（例えば、接合部へ）導入し得る。
【００２８】
典型的には、流体が噴射挙動を示す場合、流体の慣性力は表面張力を超過し、かくして、流体は、「噴射」として流れる。いくつかの場合に、噴射が、乱されない場合（すなわち、噴射と相互作用するいずれのさらなる流体の不存在下、例えば、噴射への液滴のいずれかの挿入の不存在下にて）、やがて分割されて、チャネルへの噴射流体のエントリーから比較的はるかに離れた点にて、レーリー・プラトー不安定により液滴を形成し得る（これは必ずしも生じるとは限らない）。対照的に、流体が「滴下」挙動を示す場合、表面張力が支配し、例えば、チャネルへのエントリーに際して、流体に個々の液滴を形成させる。
【００２９】
従って、いくつかの場合には、噴射流体は、比較的高い線形流量で流れ得る。例えば、チャネル内の第１の流体の線形流量は、少なくとも約０．１マイクロメートル／秒、少なくとも約０．２マイクロメートル／秒、少なくとも約０．３マイクロメートル／秒、少なくとも約０．５マイクロメートル／秒、少なくとも約１マイクロメートル／秒、少なくとも約３マイクロメートル／秒、少なくとも約５マイクロメートル／秒、少なくとも約１０マイクロメートル／秒、少なくとも約３０マイクロメートル／秒、少なくとも約５０マイクロメートル／秒、少なくとも約１００マイクロメートル／秒、少なくとも約３００マイクロメートル／秒、少なくとも約５００マイクロメートル／秒、少なくとも約１ｍｍ／秒、少なくとも約３ｍｍ／秒、少なくとも約５ｍｍ／秒、少なくとも約１０ｍｍ／秒、少なくとも約３０ｍｍ／秒または少なくとも約５０ｍｍ／秒であり得る。
【００３０】
ある種の具体例において、第１の流体（または分散可能な流体）は、流体が少なくとも約１であるキャピラリー数（Ｃａ）を示す、および／またはウェーバー数（Ｗｅ）は約１未満であるような条件下にて、チャネル内で流れ得る。例えば、第１の流体は、マイクロ流体チャネルに入る際、または第２の流体の液滴が第１の流体に挿入される位置にてのこれらのごとき条件下で流れ得る。一般的に、キャピラリー数は、チャネルを通って流れる流体の粘性力−対−表面張力の相対的な効果を表し、一方、ウェーバー数は、その表面張力と比較した流体の慣性力を表す。キャピラリー数および／またはウェーバー数は、例えば、チャネル内の流体の速度、またはチャネルの形状またはサイズ、例えば、その平均断面寸法の制御によって、ある種の具体例において制御できる。
【００３１】
キャピラリー数（Ｃａ）は、以下と定義できる：
【００３２】
【数１】
2015513451.tif 000003
【００３３】
［式中、μ（ミュー）は流体の動粘度であり、Ｖは流体の速度（または線形流量）であり、γ（ガンマ）は、チャネル内の流体の表面または界面の張力である］。いくつかの具体例において、第１の流体のＣａは、少なくとも約３、少なくとも約１０、少なくとも約３０、少なくとも約１００、少なくとも約３００、または少なくとも約１０００であり得る。
【００３４】
言及のごとく、ウェーバー数（Ｗｅ）は、慣性効果（流体を首尾一貫するように保つ）と表面張力効果（流体に液滴を形成する傾向を持たせる）との間のバランスまたは比率と考えることができる。ウェーバー数は、慣性効果で割った表面張力効果の無次元の比率としてしばしば表現され、すなわち、ウェーバー数が１を超える場合、表面張力効果が支配し、また、ウェーバー数が１未満である場合、慣性効果が支配する。かくして、「ウェーバー数」は以下と定義できる：
【００３５】
【数２】
2015513451.tif 000004
【００３６】
［式中、ρ（ロー）が流体の密度であり、ｖはその速度であり、ｌはその特徴的な長さ（典型的には液滴直径）であって、σ（シグマ）は表面張力である］。いくつかの具体例において、Ｗｅは、約０．３未満、約０．１未満、約０．０３未満、約０．０１未満、約０．００３未満、または約０．００１未満であり得、すなわち、慣性効果が支配する。
【００３７】
噴射流体または、流れる間の高キャピラリー数および／または低ウェーバー数を示す流体の使用は、ある種の具体例により第１の流体の液滴が非常に急速に生成されるのを可能にし得る。いくつかの場合には、液滴生成速度が、他の技術の液滴生成速度を超え得る（他の場合において、より低い液滴生成速度を用い得る）。例えば、（例えば、第１の流体の噴射流れからの）液滴の生成速度は、少なくとも約５，０００液滴／秒、少なくとも約１０，０００液滴／秒、少なくとも約１５，０００液滴／秒、少なくとも約１７，０００液滴／秒、少なくとも約１９，０００液滴／秒、少なくとも約２０，０００液滴／秒、少なくとも約２５，０００液滴／秒、少なくとも約３０，０００液滴／秒、少なくとも約５０，０００液滴／秒、少なくとも約６０，０００液滴／秒、少なくとも約７０，０００液滴／秒または少なくとも約１００，０００液滴／秒であり得る。いくつかの具体例において、第２の流体の液滴を連続的に流れる第１の流体流れに挿入して、第１の流体流れの線形流量を実質的に変更することなく、第１の流体流れに別々の液滴を形成させ得る。加えて、ある種の具体例において、線形流量は、その第１の流量に対し、約２５％以下、約１５％以下、約１０％以下、約５％以下等だけ変更し得る。
【００３８】
ある種の具体例において、本明細書に記載されたものごとき技術を用いて生成される第１の流体の液滴は、いくつかの場合には、約１ｍｍ未満、約５００マイクロメートル未満、約３００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５マイクロメートル未満、約３マイクロメートル未満または約１マイクロメートル未満の平均の寸法または直径を有し得る。また、平均直径は、ある種の例において、少なくとも約１マイクロメートル、少なくとも約２マイクロメートル、少なくとも約３マイクロメートル、少なくとも約５マイクロメートル、少なくとも約１０マイクロメートル、少なくとも約１５マイクロメートルまたは少なくとも約２０マイクロメートルであり得る。液滴は球状または非球状であり得る。液滴の平均直径は、液滴が非球状であるならば、非球状の液滴と同じ体積を有する完全な球体の直径として得られ得る。
【００３９】
いくつかの場合に、第１の流体の液滴は、実質的に単分散であり得るか、または液滴は直径の均質分布を有してもよく、例えば、液滴は、約１０％以下、約５％以下、約３％以下、約２％以下または約１％以下の液滴が、複数の液滴の全体的な平均直径の約９０％未満の（または約９５％未満、約９７％未満もしくは約９９％未満）および／または約１１０％を超える（または約１０１％を超える、約１０３％を超えるもしくは約１０５％を超える）直径を有するような直径分布を有し得る。いくつかの具体例において、複数の液滴は、液滴の断面直径の変動係数が、約１０％未満、約５％未満、約２％未満、約１％〜約１０％、約１％〜約５％、または約１％〜約２％であるように、全体的な平均直径および直径分布を有する。変動係数は、平均で割られた標準偏差と定義でき、それは当業者により決定できる。
【００４０】
１つのセットの具体例において、第１の（または分散可能な）流体はそれ自体が、１を超える流体を含み得る。例えば、第１の流体は、２、３、４またはそれを超える流体をその中に含み得る。第２の流体の液滴の挿入に際して、前記のごとく、これらの流体のいくつかまたはすべては噴射挙動を示し得る、および／または第１の流体は、約１を超えるキャピラリー数および／または約１未満のウェーバー数（Ｗｅ）を示し得る。１つのセットの具体例において、２以上のこれらの流体は、例えば、１つの流体がもう一つの流体に部分的にまたは完全に包囲される場合には、「コア／シェル」配置にて存在し得る。また、他の配置は、例えば、流体が並んで位置する場合に、他の具体例において可能である。第２の流体の液滴の挿入は、２以上の流体にこれらの流体のいくつかまたはすべてを含有する別々の液滴を形成させ得る。いくつかの場合には、流体が、例えば、コア／シェル配置で、液滴内の別々の流体として残っていてもよく、それによって、シェル流体に囲まれた、コア流体を含む二相エマルションを形成し、今度は、シェル流体は第３の流体内に含有される。また、本発明の他の具体例、例えば、三相エマルションまたはより高レベルの多相エマルションにおいて、他の配置が可能である。しかしながら、さらに他の具体例において、液滴内の流体のいくつかまたはすべてを一緒に混合し、および／または反応し得る。
【００４１】
言及のごとく、第２のまたは「挿入」流体は、連続的に流れる第１の流体流れに挿入して、第１の流体流れに別々の液滴を形成させ得る。第２の流体は、複数の液滴または気泡として第１の流体流れに挿入でき、液体および／または気体を含み得る。また、第２の流体の液滴は、ある種の具体例において実質的に単分散し得るか、または第２の流体の液滴は均質な分布の直径を有し得る。他の具体例において、第２の流体および第１の流体が実質的に非混合性ではないが、第２の流体は、本発明のある種の具体例における第１の流体と実質的に非混合性であることができる。例えば、ある種の条件下で、第２の流体の液滴の挿入に際して、第１の流体流れが分散して、第１の流体の別々の液滴を形成する速度は、第１および第２の流体が第１の流体の別々の液滴が形成される前に実質的に混合する時間を有しない十分に速いものである。
【００４２】
言及されるごとく、第２の流体の液滴は、いくつかの具体例において実質的に単分散であり得るか、または第２の流体の液滴は、均質な直径分布を有し得る。例えば、約１０％以下、約５％以下、約３％以下、約２％以下または約１％以下の液滴が、第２の流体の複数の液滴の全体的な平均直径の約９０％未満の（または約９５％未満、約９７％未満もしくは約９９％未満）および／または約１１０％を超える（または約１０１％を超える、約１０３％を超えるもしくは約１０５％を超える）直径を有するような直径分布を有し得る。いくつかの具体例において、第２の流体の複数の液滴は、液滴の断面直径の変動係数が、約１０％未満、約５％未満、約２％未満、約１％〜約１０％、約１％〜約５％、または約１％〜約２％であるように、全体的な平均直径および直径分布を有する。
【００４３】
いくつかの場合に、第２の流体の液滴は、いくつかの場合に約１ｍｍ未満、約５００マイクロメートル未満、約３００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５マイクロメートル未満、約３マイクロメートル未満または約１マイクロメートル未満の平均寸法または直径を有し得る。また、平均直径は、ある種の例において少なくとも約１マイクロメートル、少なくとも約２マイクロメートル、少なくとも約３マイクロメートル、少なくとも約５マイクロメートル、少なくとも約１０マイクロメートル、少なくとも約１５マイクロメートルまたは少なくとも約２０マイクロメートルであり得る。液滴は球状または非球状であり得る。ある種の具体例において、第１の流体の液滴の生成速度および／またはサイズ分布は、少なくとも部分的に第２の流体の液滴の生成速度および／またはサイズ分布によって制御し得る。
【００４４】
いくつかの具体例において、第２の流体の液滴は、比較的一定の速度にて、およびいくつかの場合には比較的高速にて第１の流体に挿入し得る。例えば、液滴は、少なくとも約５，０００液滴／秒、少なくとも約１０，０００液滴／秒、少なくとも約１５，０００液滴／秒、少なくとも約２０，０００液滴／秒、少なくとも約３０，０００液滴／秒、少なくとも約５０，０００液滴／秒、少なくとも約７０，０００液滴／秒または少なくとも約１００，０００液滴／秒の速度にて挿入し得る。言及されるごとく、第１の流体の連続的に流れる流れへの第２の流体の液滴の挿入速度は、少なくとも部分的に、連続的に流れる流れからの第１の流体の液滴の生成速度を制御し得る。
【００４５】
いくつかの具体例において、第２の流体の液滴または気泡は、第１の流体の液滴および／または第２の流体の液滴を含有している連続流体をやがて形成するもう一つの第３の流体に含まれ得る。後記のごとく、連続流体は、本発明のある種の具体例における第１の流体および第２の流体の一方または双方と実質的に非混合性であり得る。しかしながら、他の具体例において、これらの流体は必ずしもすべてが実質的に、相互に非混合性である必要はない。例えば、前記に注目されるごとく、第１の流体が分散または分裂して、第１の流体の連続的に流れる流れへの第２の流体の液滴の挿入に際して別々の液滴を形成する速度は、第１、第２および第３の流体が第１の流体の別々の液滴が形成される前に実質的に混合される時間を有しないように、十分に速いものであり得る。
【００４６】
いくつかの具体例において、第３の流体は比較的高い線形流量で流れ得る。例えば、第３の流体は、第２の流体の液滴が第１の流体へ挿入される点にて噴射挙動を示し得る。いくつかの具体例において、チャネル内の第３の流体の線形流量は、少なくとも約０．１マイクロメートル／秒、少なくとも約０．２マイクロメートル／秒、少なくとも約０．３マイクロメートル／秒、少なくとも約０．５マイクロメートル／秒、少なくとも約１マイクロメートル／秒、少なくとも約３マイクロメートル／秒、少なくとも約５マイクロメートル／秒、少なくとも約１０マイクロメートル／秒、少なくとも約３０マイクロメートル／秒、少なくとも約５０マイクロメートル／秒、少なくとも約１００マイクロメートル／秒、少なくとも約３００マイクロメートル／秒、少なくとも約５００マイクロメートル／秒、少なくとも約１ｍｍ／秒、少なくとも約３ｍｍ／秒、少なくとも約５ｍｍ／秒、少なくとも約１０ｍｍ／秒、少なくとも約３０ｍｍ／秒または少なくとも約５０ｍｍ／秒であり得る。しかしながら、他の具体例において、第３の流体は、かかる高流量にて、必ずしも流れなくてもよく、いずれかの前記の値より遅くてもよい。加えて、第２の流体の液滴が第１の流体へ挿入される点での第３の流体および第１の流体の線形流量は、同一または異なり得る。
【００４７】
言及のごとく、第１の流体、第２の流体および第３の流体は、本発明のある種の具体例において実質的に、相互に非混合性であり得る。３つの実質的に相互に非混合性の流体を含むシステムの１つの非限定の例は、２つの流体が液体であるが（例えば、実質的に非混合性の液体）、第３の流体が気体であるシステムである。例えば、第２の流体は気体として存在し得るが、第１の流体および第３の流体は各々液体であり得る。
【００４８】
いくつかの具体例において、第１の流体は親水性または水性であり得るが、第２の流体は疎水性または「油」であってもよく、あるいはその逆であってもよい。典型的には、「親水性の」流体は純水と混和するが、「疎水性の」流体は純水と混和しない流体である。本明細書に用いた「油」なる用語は、疎水性であって、水中で混和しない流体を単にいうことが注目されるべきである。かくして、いくつかの具体例において、油は炭化水素であり得るが、他の具体例において、油は他の疎水性流体（例えば、オクタノール）であり得る（またはそれを含む）。また、親水性または水性の流体が純水である必要がないことが注目されるべきである。例えば、親水性の流体は、水溶液、例えば、緩衝液、溶解した塩を含む溶液等であり得る。また、親水性の流体は、例えば、水に代えてまたは水に加えて、例えば、エタノール、または水に混和する他の液体を含み得る。
【００４９】
しかしながら、第１の流体、第２の流体および第３の流体は、１つが気体であって、他の２つが液体であるシステムだけに限定されない。また、例えば、３つの流体がすべて液体である場合に、他の流体配置が可能である。非限定の例として、３つの実質的に相互に非混合性のもう一つのシステムは、シリコーン油、鉱油、および水溶液（すなわち、水、またはその中に溶解および／または懸濁された１以上の他の種を含む水）である。システムのさらにもう一つの例は、シリコーン油、フルオロカーボン油および水溶液である。システムのさらにもう一つの例は、炭化水素油（例えば、ヘキサデカン）、フルオロカーボン油および水溶液である。適当なフルオロカーボン油の非限定の例として、ＨＦＥ７５００、オクタデカフルオロデカヒドロナフタレン：
【００５０】
【化１】
2015513451.tif 000005
【００５１】
または、１−（１，２，２，３，３，４，４，５，５，６，６−ウンデカフルオロシクロヘキシル）エタノール：
【００５２】
【化２】
2015513451.tif 000006
【００５３】
が挙げられる。
【００５４】
いくつかの場合に、第１の流体の別々の液滴が、第１の流体の連続的に流れる流れへの第２の流体の液滴の挿入によって第３の流体において形成された後、第２の流体のいくらかまたはすべては、第３の流体から取り出すまたは分離され得る。第２の流体は液滴または気泡として存在でき、またはいくつかの場合に、第２の流体のいくらかまたはすべては融合し得る。第２の流体を取り出すために用いることができる技術の例は、限定されるものではないが、濾過、沈降または浮力を含む。例として、少なくともいくらかの第２の流体の分離を引き起こすために、第３の流体は遠心力に曝露され得る。もう一つの例として、例えば、流体を実質的に乱さないままであることを可能にするならば、（例えば、第３の流体に対し、上昇または沈下することによる）密度差は第２の流体の分離を生じさせ得る。例えば、第２の流体が気体であるならば、密度差または浮力は少なくともいくらかの第２の流体に第３の流体を上昇させるか、または出すことさえさせ得る。依然としてもう一つの例として、流体力学的選別技術を用いて、第３の流体から少なくともいくらかの第２の流体を取り出すかまたは分離し得る。いくつかの場合に、第１の流体および／または第３の流体に対する第２の流体の流体力学特性の差を用いて、分離を生じさせ得る。例えば、粘度、密度、体積、表面積、直径等における差を用いて、例えば、フロー条件下で分離を生じさせ得る。かくして、例えば、層流下で、１つの流体の液滴は、もう一つの流体の液滴よりも速くまたは遅く流れてもよく、それにより、これを用いて液滴を分離できる。かかる選別技術のさらなる非限定の例は、２００５年３月１０日付けでＷＯ２００５／０２１１５１として公開された、リンクらによる「流体種の電子制御」を発明の名称とする２００４年８月２７日付けで出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０２７９１２号にみることもでき、その各々をここに出典明示して本明細書の一部とみなす。
【００５５】
本発明の他の態様は、一般的に、例えば、従前に言及のごとく、連続流体流れに別々の液滴を形成させるためのマイクロ流体システムおよび方法に指向される。例えば、１つのセットの具体例において、マイクロ流体のデバイスを用いて、流体の液滴または気泡を連続流体流れに挿入して、連続流体流れに別々の液滴を形成させることにより、別々の液滴を生成し得る。いくつかの場合に、マイクロ流体のデバイスが、チャネルの接合部、例えば、第１の注入口マイクロ流体チャネル、第２の注入口マイクロ流体チャネルおよび排出口マイクロ流体チャネルの接合部を含み得る。第１のマイクロ流体チャネルは、第１の流体（連続的であり得、いくつかの場合には噴射挙動を示し得る）を導入でき、第２のマイクロ流体チャネルは（例えば、連続的な第３の流体内に含まれた複数の液滴として）第２の流体を導入し得る。接合部では、第２の流体の液滴は、第１の流体の連続的な流れに挿入して、第１の流体の連続的な流れに別々の液滴を形成させ得る。第１および第２のマイクロ流体チャネルからの流体は排出口マイクロ流体チャネルを通って接合部を出てもよい。
【００５６】
いくつかの場合に、第１のチャネルが、ある角度にて接合部で第２のチャネルと交差し得る。かかる角度は、例えば、第２の流体の液滴の挿入が第１の流体のフローを実質的に分裂することなく生じることを可能にするのに有用であり得る。かくして、例えば、第１の流体流れの線形流量が実質的に変更されないような、または第１の流体流れの線形流量が約２５％以下、約１５％以下、約１０％以下、約５％以下等だけ変更されるような挿入が生じ得る。１つのセットの具体例において、接合部での第１および第２のチャネル間の角度は、約６０°未満、約４５°未満、約４０°未満、約３５°未満、約３０°未満、約２５°未満または約２０°未満である。かかる配置の非限定の例を図１に示す。
【００５７】
接合部の上流（例えば、第３の連続流体における、例えば、第２の流体の液滴を含むチャネルの上流）は、マイクロ流体チャネルのごときチャネルのもう一つの第２の接合部であり得る。いくつかの場合に、第２の接合部を用いて、第３の流体において第２の流体の液滴を生成する。第２の接合部は、第２の流体および第３の流体を接合部に導入する注入口チャンネル、ならびに排出口チャネルを（例えば、従前従前に言及のごとく、第１の接合部と流体連通にて）含み得る。かくして、例えば、第２の接合部は、２つ、３つまたはそれを超える注入口チャンネルおよび１つ（またはそれを超える）排出口チャネルを含み得る。２以上のチャネルは実質的に直角、または他のいずれかの適当な角度にて合流させ得る。加えて、いくつかの場合に、排出口チャネルは、第２の接合部にて注入口チャンネルの１つに対して実質的に直線的に配置され得る。また、１以上のチャネルはマイクロ流体チャネルであり得る。
【００５８】
液滴を生成するために用いることができるチャネルのいずれの適当な配置も第２の接合部にて用い得る。例えば、第２の接合部は、Ｔ字型接合部、Ｙ字型接合部、チャネル内チャネル接合部（例えば、同軸配置、または内部チャネルおよび内部チャネルの少なくとも一部を包囲する外部チャネルを含む）、交差（または「Ｘ」）接合部、フロー焦束接合部、または第３の流体において第２の流体の液滴を生成するのに適当ないずれかの他の接合部であり得る。例えば、２００４年１０月２８日付けでＷＯ２００４／０９１７６３として公開された、リンクらによる「流体種の形成および制御」を発明の名称とする２００４年４月９日付けで出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１０９０３号、または２００４年１月８日付けでＷＯ２００４／００２６２７として公開された、ストーンらによる「流体分散のための方法および装置」を発明の名称とする２００３年６月３０日付けで出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００３／０２０５４２号ご参照、各々につきそのすべてをここに出典明示して本明細書の一部とみなす。加えて、第２の接合部を配置および整えて、実質的に単分散の液滴を生成し得る。
【００５９】
加えて、いくつかの具体例において、第１の接合部の第１の注入口チャンネルの上流にチャネルのもう一つの接合部が存在し得る。この接合部を用いて、第１のチャネルへ１以上の流体を導入し得る。例えば、１つのセットの具体例において、従前に言及のごとく、第１の流体はコア／シェル配置（例えば、１つの流体がマイクロ流体チャネル内に流れるもう一つの流体を部分的にまたは完全にを包囲する場合）、または他の配置にて２以上の流体を含み得る。かくして、いくつかの場合に、このさらなる接合部を用いて、第１のチャネルの２以上の流体を配置し得る。例えば、チャネル内チャネル接合を用いて、コア／シェル配置を生成し得る。また、いくつかの場合に、（例えば、３、４またはそれを超える入れ子チャネルを含む）より高次の入れ子状態が可能である。
【００６０】
しかしながら、他の具体例において、例えば、本明細書、または２００４年１０月２８日付けでＷＯ２００４／０９１７６３として公開された、リンクらによる「流体種の形成および制御」を発明の名称とする２００４年４月９日付けで出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１０９０３号、もしくは２００４年１月８日付けでＷＯ２００４／００２６２７として公開された、ストーンらによる「流体分散のための方法および装置」を発明の名称とする２００３年６月３０日付けで出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００３／０２０５４２号に記載されたもののごとき、例えば、Ｔ字型接合部、Ｙ字型接合部、交差（または「Ｘ」）接合部またはフロー焦束接合部のような他の接合部配置も可能である。加えて、さらに他の具体例において、かかる接合部は存在しなくてもよい。
【００６１】
本発明のある種の態様による種々の材料および方法を用いて、液滴を生成できる本明細書に記載されたもののごときシステムを形成できる。いくつかの場合に、選択された種々の材料が種々の方法に役立つ。例えば、本発明の種々の構成要素は固形物質から形成でき、そのチャネルは、ミクロ機械加工、スピンコーティングおよび化学蒸着法のごとき蒸着プロセス、レーザー製作、写真石版技術、湿式化学的またはプラズマプロセスを含むエッチング法等を介して形成できる。例えば、Scientific American、２４８：４４−５５、１９８３年（エンジェルら）ご参照。１つの具体例において、少なくとも一部の流体システムは、シリコンチップ中で特徴をエッチングすることによりシリコンから形成される。シリコンからの本発明の種々の流体システムおよびデバイスの正確で効率的な製作技術が知られている。もう一つの具体例において、本発明のシステムおよびデバイスの種々の構成要素は、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ＴｅｆｌｏｎＲ）のごとき弾性体ポリマーから作製できる。
【００６２】
種々の構成要素は、同一または異なる材料から作製できる。例えば、底壁および側壁を含むベース部は、シリコンまたはＰＤＭＳのごとき不透明な材料から作製でき、頂部部分は、流体プロセスの観察および／または制御のためにガラスまたは透明ポリマーのごとき透明または少なくとも部分的に透明な材料から作製できる。構成要素は、基礎支持材料が正確で所望の機能性を有しない場合には、内部チャネル壁と接触する流体に所望の化学的機能性を曝露するように被覆できる。例えば、構成要素が、示されるごとく作製でき、内部チャネル壁は、もう一つの材料で被覆できる。本発明のシステムおよびデバイスの種々の構成要素を作製するために用いた材料、例えば、流体チャネルの内壁を被覆するのに用いた材料は、流体システム（例えば、デバイス内に用いられる流体が存在する状態で化学上不活発な材料）を通って流れる流体に悪影響しないまたはそれによって影響を受けないそれらの材料、例えば、デバイス内で用いられる流体の存在下で化学的に不活性な材料のうちから望ましくは選択し得る。
【００６３】
１つの具体例において、本発明の種々の構成要素は、ポリマーおよび／または柔軟および／または弾性の材料から作製され、成形（例えば、レプリカ成形、射出成形、キャスト成形等）を介して製作を促進して、硬化可能な流体から都合良く形成できる。硬化可能な流体は、流体ネットワーク内およびそれで使用するために考えられた流体を含有するおよび／または輸送することができる固体に凝固するように誘導できるかまたは自然に凝固するいずれかの流体であることができる。１つの具体例において、硬化可能な流体は、ポリマー液体または液体のポリマー先駆物質（すなわち、「プレポリマー」）を含む。適当なポリマー液体は、例えば、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマーまたはそれらの融点を超えて熱したかかるポリマーの混合物を含み得る。もう一つの例として、適当なポリマー液体は、適当な溶媒中の１以上のポリマーの溶液を含んでいてもよく、その溶液は、例えば、蒸発によって、溶媒の除去に際して固体ポリマー材料を形成する。例えば、溶解状態から、または溶媒蒸発によって凝固できるかかるポリマー材料が、当業者によく知られている。一方または双方の型マスターが弾性体材料からできている具体例について、それらの多くが弾性体である種々のポリマー材料が適当であり、型または型マスターを形成するのにも適する。かかるポリマーの例の非限定のリストは、一般的なクラスのシリコーンポリマー、エポキシポリマーおよびアクリレートポリマーのポリマーを含む。エポキシポリマーは、エポキシ基、１,２−エポキシドまたはオキシランと一般的にいわれる３員環状エーテル基の存在により特徴付けられる。例えば、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテルは、芳香族アミン、トリアジンおよび脂環式骨格に基づいた化合物に加えて用いることができる。もう一つの例は、よく知られたノボラックポリマーを含む。本発明による使用に適するシリコン弾性体の非限定の例は、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ごときクロロシランを含む先駆物質から形成されたものを含む。
【００６４】
１つのセットの具体例において、シリコーンポリマー、例えば、シリコン弾性体ポリジメチルシロキサンが好ましい。ＰＤＭＳポリマーの非限定の例は、ダウケミカル、ミッドランド、ＭＩによる商標Ｓｙｌｇａｒｄ、特に、Ｓｙｌｇａｒｄ  １８２、Ｓｙｌｇａｒｄ  １８４およびＳｙｌｇａｒｄ  １８６下で販売されるものを含む。ＰＤＭＳを含むシリコーンポリマーは、本発明のマイクロ流体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、かかる材料は安価で、容易に入手可能であり、熱での硬化を介してプレポリマーの液体から凝固できる。例えば、ＰＤＭＳは、約、例えば、約６５℃〜約７５℃の温度に例えば、１時間の曝露時間でのプレポリマーの液体の曝露によって典型的に硬化できる。また、ＰＤＭＳのごときシリコーンポリマーは、弾性体であることができ、かくして、本発明のある種の具体例において必要な比較的高いアスペクト比での非常に小さな特徴を形成するのに有用であり得る。柔軟な（例えば、弾性体）型またはマスターは、この点で有利になり得る。
【００６５】
ＰＤＭＳのごときシリコーンポリマーからの本発明のマイクロ流体の構造のごとき構造を形成する１つの利点は、例えば、空気プラズマのごとき酸素含有プラズマへの曝露によって、酸化されるかかるポリマーの能力であり、その結果、酸化した構造はそれらの表面にて、他の酸化し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ポリマーでない材料の酸化した表面へ架橋できる化学基を含む。かくして、構成要素を作製でき、次いで、酸化し、別々の接着剤または他の密閉手段についての必要なくして、他のシリコーンポリマー表面、または酸化シリコーンポリマー表面と反応性の他の基材の表面に本質的に不可逆的に密閉することができる。大部分の場合に、密閉は、密閉を形成する補助的圧力を加える必要なくして、酸化シリコーン表面をもう一つの表面に単に接触させることにより、完了できる。すなわち、予め酸化したシリコーン表面は、適当な接合表面に対するコンタクト接着剤として作用する。また、具体的には、それ自体に不可逆的に密閉できることに加えて、酸化したＰＤＭＳのごとき酸化シリコーンは、例えば、ガラス、シリコン、シリコン酸化物、石英、窒化ケイ素、ポリエチレン、ポリスチレン、ガラス状カーボンおよびエポキシポリマーを含めたそれ自体以外のある範囲の酸化材料に不可逆的に密閉でき、これらを（例えば、酸素含有プラズマへの曝露を介して）ＰＤＭＳ表面と同様の方法で酸化した。本発明の文脈に有用な酸化および密閉の方法ならびに全体的な成形技術は、当該技術分野、例えば、「マイクロ流体システムおよびポリジメチルシロキサンの迅速なプロトタイピング」と題する論文、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７０：４７４−４８０、１９９８年（ダフィーら）に記載され、ここに出典明示して本明細書の一部とみなす。
【００６６】
いくつかの具体例において、本発明のある種のマイクロ流体の構造（または内部の流体接触する表面）は、ある種の酸化シリコーンポリマーから形成され得る。かかる表面は、弾性体ポリマーの表面より親水性であり得る。かくして、かかる親水性チャネル表面は、より容易に水溶液で充填し湿らせることができる。
【００６７】
１つの具体例において、本発明のマイクロ流体のデバイスの底壁は、１以上の側壁もしくはある上壁、または他の構成要素と異なる材料から形成される。例えば、底壁の内部表面は、シリコンのウエハーもしくはマイクロチップまたは他の基材の表面を含むことができる。他の構成要素は、前記のごとく、かかる代替的基材に密閉できる。異なる材料の基材（底壁）にシリコーンポリマー（例えば、ＰＤＭＳ）を含む構成要素を密閉することが望ましい場合、基材は、酸化されたシリコーンポリマーを不可逆的に密閉できる材料（例えば、ガラス、シリコン、シリコン酸化物、石英、窒化ケイ素、ポリエチレン、ポリスチレン、エポキシポリマーおよび酸化されたガラスカーボン表面）の群から選択され得る。別法として、当業者に明確であるような他の密閉技術を用いることができ、それは、限定されるものではないが、別々の接着剤、熱接着、溶剤接着、超音波溶着等の使用を含む。
【００６８】
言及のごとく、すべてではないがいくらかの具体例おいて、本明細書に記載されたシステムおよび方法は、１以上のマイクロ流体成分、例えば、１以上のマイクロ流体チャネルを含み得る。マイクロ流体チャネルの「断面寸法」は、チャネル内の流体の流れの方向に直角に測定される。かくして、マイクロ流体チャネルのいくつかまたはすべては、２ｍｍ未満、およびある種の場合に、１ｍｍ未満の最大断面寸法を有し得る。１つのセットの具体例において、マイクロ流体チャネルの最大断面寸法は、約５００マイクロメートル未満、約３００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５０マイクロメートル未満、約３０マイクロメートル未満、約１０マイクロメートル未満、約５マイクロメートル未満、約３マイクロメートル未満または約１マイクロメートル未満である。ある種の具体例において、マイクロ流体チャネルは、単一成分（例えば、被エッチング基材または成形ユニット）によって部分的に形成され得る。また、もちろん、より大きなチャネル、チューブ、チャンバー、リザーバ等を用いて、本発明の他の具体例における種々の構成要素またはシステムに流体を貯蔵できるおよび／または流体を送達できる。
【００６９】
マイクロ流体チャネルはいずれの断面形状（環状、楕円形、三角形、不規則、正方形または長方形等）を有することができ、被覆されてもされなくてもよい。マイクロ流体チャネルが完全に被覆される具体例において、少なくとも一部分のチャネルは、完全に囲まれた断面積を有することができるか、または全チャネルはその全長に沿ってその注入口（群）および／または排出口（群）を除いて、完全に囲まれ得る。また、チャネルは、少なくとも２：１、より典型的には、少なくとも３：１、５：１、１０：１、１５：１、２０：１またはそれを超えるアスペクト比（長さ−対−平均断面寸法）を有し得る。
【００７０】
いくつかの具体例において、１以上のチャネルの少なくとも一部は疎水性であり得、または少なくとも一部を疎水性にさせるように処理され得る。例えば、チャネル表面を疎水性にする１つの非限定の方法は、チャネル表面と、チャネル表面に疎水性を与える薬剤とを接触させることを含む。例えば、いくつかの具体例において、チャネル表面は、ＡｑｕａｐｅｌＲ（商用自動ガラス処理）（ＰＰＧインダストリーズ、ピッツバーグ、ＰＡ）と接触し得る（例えば、それで洗い流し得る）。いくつかの場合に、疎水性を与える薬剤と接触したチャネル表面が、空気で引き続いてパージし得る。いくつかの具体例において、チャネルを加熱して（例えば、焼いて）、疎水性を与える薬剤を含有する溶媒を蒸発し得る。
【００７１】
かくして、本発明のいくつかの態様において、マイクロ流体チャネルの表面を改変して、多相エマルションのごときエマルションの生成を促進し得る。いくつかの場合に、表面は、少なくとも部分的なマイクロ流体チャネルにゾル・ゲルをコーティングすることにより改変し得る。一例として、ゾル・ゲルコーティングはゾル・ゲルに疎水性ポリマーを組み入れることにより、より疎水性にし得る。例えば、ゾル・ゲルは１以上のシラン、例えば、ヘプタデカフルオロシランのごときフルオロシラン（すなわち、少なくとも１つのフッ素原子を含むシラン）、またはメチルトリエトキシシラン（ＭＴＥＳ）のごとき他のシラン、またはオクタデシルシランもしくは他のＣＨ３（ＣＨ２）ｎ−シラン（式中、ｎはいずれかの適当な整数であることができる）ごとき１以上の脂質鎖を含むシランを含有し得る。例えば、ｎは、１、５または１０を超えもよく、かつ約２０、２５または３０未満であり得る。また、シランは、所望により、アルコキシド基、例えば、オクタデシルトリメトキシシランのごとき他の基を含み得る。一般的に、大部分のシランはゾル・ゲルで用いることができ、特定のシランが、疎水性のごとき所望の特性に基づいて選択される。また、他のシラン（例えば、より短いかまたはより長い鎖長を有する）は、相対的な所望の疎水性または親水性のごとき因子に依存して本発明の他の具体例において選定し得る。いくつかの場合に、シランが、他の基、例えば、ゾル・ゲルをより親水性にするアミンのごとき基を含有できる。非限定の例は、ジアミンシラン、トリアミンシランまたはＮ−［３−（トリメトキシシリル）プロピル］エチレンジアミンシランを含む。シランは、ゾル・ゲル内のオリゴマーまたはポリマーを形成するように反応でき、その重合度（例えば、オリゴマーまたはポリマーの長さ）は、反応条件を制御することにより、例えば、温度、存在する酸の量等を制御することにより制御し得る。いくつかの場合に、１を超えるシランは、ゾル・ゲルに存在し得る。例えば、ゾル・ゲルは、得られたゾル・ゲルに、より大きな疎水性を示させるフルオロシラン、および／またはポリマーの生成を促進する他のシラン（または他の化合物）を含み得る。いくつかの場合に、重合を促進するようにＳｉＯ２化合物を生成できる材料、例えば、ＴＥＯＳ（テトラエチルオルトシリケート）が存在し得る。ゾル・ゲルがシランだけを含有していることに限定されなく、他の材料がシランに加えてまたは代えて存在し得ると理解されるべきである。例えば、コーティングは、ＳｉＯ２、バナジア（Ｖ２Ｏ５）、チタニア（ＴｉＯ２）および／またはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）のごとき１以上の金属酸化物を含み得る。
【００７２】
いくつかの例において、マイクロ流体チャネルは、ゾル・ゲルを受け取るのに適当な材料（例えば、ガラス、金属酸化物、またはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）および他のシロキサンポリマーのごときポリマー）から構築される。例えば、いくつかの場合に、マイクロ流体チャネルは、シリコン原子を含むものであり得、ある種の例において、マイクロ流体チャネルは、シラノール（Ｓｉ−ＯＨ）基を含むか、または改変してシラノール基を有することができるように選定し得る。例えば、マイクロ流体チャネルは、酸素プラズマ、酸化剤または強酸に曝露でき、マイクロ流体チャネル上のシラノール基の形成を引き起こす。
【００７３】
以下の文書をここに出典明示してその全体を本明細書の一部とみなす：２００４年１０月２８日付けでＷＯ２００４／０９１７６３として公開された、リンクらによる「流体種の形成および制御」を発明の名称とする２００４年４月９日付けで出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１０９０３号；２００４年１月８日付けでＷＯ２００４／００２６２７として公開された、ストーンらによる「流体分散のための方法および装置」を発明の名称とする２００３年６月３０日付けで出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００３／０２０５４２号；２００６年９月１４日付けでＷＯ２００６／０９６５７１として公開された、ウィーツらによる「多相エマルションを形成する方法および装置」を発明の名称とする２００６年３月３日付けで出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００６／００７７７２号；２００５年３月１０日付けでＷＯ２００５／０２１１５１として公開された、リンクらによる「流体種の電子制御」を発明の名称とする２００４年８月２７日付けで出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０２７９１２号；および２００７年８月９日付けでＷＯ２００７／０８９５４１として公開された、アンらによる「流体の液滴融合」を発明の名称とする２００７年１月２４日付けで出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００７／００２０６３号。加えて、アバテらによる「流体分割を用いる液滴形成」を発明の名称とする２０１２年２月８日付けにて出願された米国仮特許出願第６１／５９６，６５８号をここに出典明示してその全体を本明細書の一部とみなす。
【００７４】
以下の実施例は、本発明のある種の具体例を示すように意図されるが、本発明の全範囲を例示するものではない。
【００７５】
実施例１
この実施例は、本発明のある種の具体例による比較的速い液滴生成を可能にする、噴射によって制限されていない液滴形成メカニズムを示す。
マイクロ流体デバイスは、例えば、エマルション内の液滴のすべてが、望ましくは選択できる形状およびサイズに実質的に同一である制御された特性を持つエマルションを形成できる。これらのエマルションの制御された特性は、ある範囲の適用につきそれらを魅力的にする。例えば、液滴は、球状コロイド、非球状ミクロゲルおよびコア−シェルカプセルを含めた種々の特性を持つ粒子を合成するためのテンプレートとして用いることができる。例えば、２００６年９月１４日付けでＷＯ２００６／０９６５７１として公開された、ウィーツらによる「多相エマルションを形成する方法および装置」を発明の名称とする２００６年３月３日付けで出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００６／００７７７２号、または２０１１年９月２２日付けでＷＯ２０１１／１１６１５４として公開された、シャムらによる「メルト乳化」を発明の名称とする２０１１年３月１７日付けで出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２８７５４号ご参照、各々をここに出典明示して本明細書の一部とみなす。また、液滴は、化学的または生物学的な反応を行なう、小さな「試験管」として用いることができ；液滴の均一性およびそれらの小さなサイズにより、多数の反応は正確さおよび／または最小量の試薬を用いて行なうことができる。
【００７６】
液滴形成はＴ字型接合部またはフロー焦束メカニズムのいずれかを用いて達成できる。しかしながら、この実施例は、Ｔ字型接合部またはフロー焦束メカニズムにおける液滴形成とは異なり、噴射が典型的に生じる場合の高流量下で作動できる異なる液滴形成メカニズムを示す。液滴を形成するために、この実施例において示すごとく、マイクロ流体チャネルにおける分散可能な流体（すなわち、分散されるべき流体）の噴射は、チャネル内の非常に高い流量にて分散可能な流体を流すことにより最初に形成される。他の力の不存在下にて、噴射は安定し、典型的には液滴へ分割しない。しかしながら、気泡（またはもう一つの適当な流体の液滴）を並べまたは噴射へ強いて、チャネル内に双方を一緒に制限すると、レーリー・プラトー不安定により不安定である水−油界面における曲線状の領域を生成し得る。それにより、連続する気泡間の分散可能な流体は、液滴を形成するために融合できる。気泡間隔の調節によって、分散可能な流体の液滴サイズを制御でき、均等な間隔の気泡を用いることによって、実質的に単分散の液滴を形成できる。また、これをいくつかの場合に用いて、単相エマルション、または二相または他の多相エマルションを形成できる。
【００７７】
かかるシステムの１つの非限定の例を図１に示す。この実施例は、分散可能な流体の安定な噴射の生成のための噴射領域（またはチャネル）１１、実質的に単分散の気泡の形成のための泡立ち接合部１２および、空気（またはもう一つの流体）の気泡を噴射に押し込み、噴射に別々の液滴に分割させる接合部１４を含むマイクロ流体のデバイス１０を示す。図１に示すごとく、噴射領域１１および泡立ち接合部１２を接合部１４の上流にて配置し、それらの排出口は、接合部１４にて交差する。
【００７８】
分散可能な流体２１（すなわち、分散すべき流体）は、噴射領域（またはチャネル）１１に注入され、空気２３および連続流体２５は泡立ち接合部１２に注入する。これは、接合部１４に伸びる噴射領域１１における分散可能な流体２１の噴射を生成し、一方、泡立ち接合部１２は、接合部１４のこの噴射に引き続いて挿入される空気気泡を形成する。たとえこれらの流体の流速が分散可能な流体２１の噴射を可能にするようないくつかの具体例において比較的高く保ち得るとしても、空気２３は典型的にはその流量特性により噴射挙動を示さず、かくして、連続流体２５または分散可能な流体２１の高流量でさえ、気泡２７を形成できる。例えば、低密度の空気により、空気の流れの慣性は非常に高速でさえ小さいかもしれない。加えて、液体との空気の高い表面張力により、界面張力は比較により大きく、気流のより速いピッチングを可能にする。組み合わせたこれらの特性は、比較的高流量でさえも、バブル交差１２にて周期的な実質的に単分散の気泡形成を可能にする。
【００７９】
気泡２７を泡立ち接合部１２に形成後、図１で示すごとく、気泡を並べまたは分散可能な流体２１の噴射中に強いる場合、気泡は接合部１４の方向へ向けられる。もし気泡が存在しないならば、噴射は、非常に高い流量により安定であり、液滴に分割することなく、デバイスを出るであろう。しかしながら、気泡は、噴射を変形し、レーリー・プラトー不安定に不安定である挟まれた領域を生成する。挟まれた領域が壊れる場合、連続気泡の間の分散可能な流体は融合して、液滴になる。この例において、単相エマルションは分散可能な流体２１の均質の噴射を別々に壊すことにより形成されるが、他の場合において、分散可能な流体２１は必ずしも均質であり得ない。
【００８０】
実施例２
この実施例は、本発明のもう一つの具体例による二相エマルションの形成を示す。この実施例に用いられるデバイスは、実施例１に記載されたものに同様であり；しかしながら、二相エマルションを形成するために、交差したチャネル交差部（図示せず）は、噴射領域としてチャネル１１に用いた。これは、２つの流体がチャネル１１の同軸噴射の生成のために注入されるのを可能にした。例えば、二相エマルションの内部流体を中央注入口に注入し、中間流体を２つの側面の注入口に注入できた。これを用いて、中間流体に囲まれた内部流体の同軸噴射を形成した。次いで、同軸噴射を接合部１４に流し、それがチャネル１７からの気泡２７（または他の流体の液滴）によって変形され、挟まれるかまたは分割されて、二相エマルション液滴３１を形成する。より高次のエマルション（例えば、三相エマルション、四相エマルション等）は、より高次のコア／シェル流体流れおよびより高次のエマルション液滴を生成するための適当な技術を用いて同様に生成できる。
【００８１】
同軸噴射ピッチングの物理学を調べるために、デバイスの動画を高速カメラで記録した。デバイスは柔軟なリソグラフィー技術を用いて、ポリ（ジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）で作製した。デバイスを処理して、チャネルを通ってＡｑｕａｐｅｌＲ（ある種のフッ素化化合物を含む）を洗い流し、次いで、２０分間６５℃に設定したオーブンにおいてデバイスを焼くことにより、それを疎水性にした。二相エマルションについては、オクタノールを内部相に用い、１重量％で硫酸ドデシルナトリウムを含む水を中間相として用い、１．８重量％でＫｒｙｔｏｘＲ  １５７  ＦＳＬ（デュポン、ウィルミントン、ＤＥ）のアンモニウム塩を含むＨＦＥ−７５００フルオロカーボン油を外部または連続相として用いた。
【００８２】
図２のｔ＝０ミリ秒の左端に示されるごとく、オクタノールおよび水を交差チャネル接合部の中央および注入口側に注入し、接合部１４（誘発接合部）の方向に流れる水内のオクタノールの同軸噴射を形成した。空気を接合部１２（泡立ち接合部）の内相の入口に注入し、フルオロカーボン油を連続相入口に注入して、気泡２７を形成し、次いで、この気泡をチャネル１７を介して接合部１４に入れた。気泡が接合部１４に接近すると、気泡は同軸噴射と並びまたは同軸噴射に入った。これは、気泡に対するストレスを最小化して、気泡を徐々に噴射に入れ、その結果、それらは高速度フローによって離れて剪断されない。気泡として変形した噴射は、図２における矢印により示されるごとく、それが気泡より低いラプラス圧を有するために、噴射に沿わせた。このプロセスに関与する力は、噴射および気泡の曲率から評価することができた。観察された曲率および既知の水−油および空気−油の表面張力のために、噴射についてのわずかな０．６Ｐａと比較して、２．６ｋＰａのラプラス圧を気泡につき計算し；かくして、気泡は、それほど変形可能ではなく、噴射を挟むことを可能にした。各気泡がチャネルに割り込むので、図２におけるｔ＝０．１２〜０．２１ミリ秒に示されるごとく、流体はそのそばの噴射部分から排出された；これは、ｔ＝０．２１および０．２４ミリ秒に示されるごとく、噴射における挟まれた領域を生成し、液体の狭いブリッジが、両側で２つの膨らみを接続した。
【００８３】
かくして、図２は、高速カメラで視覚化された、気泡誘発液滴形成を用いた単分散の二相エマルションの形成を示す。この図において、気泡は、中心に明るいスポットを持つ非常に暗い円として現れている。オクタノール、水およびフルオロカーボン油は、各々、５０、１００および４００マイクロリットル／ｈの流量にて注入し、空気は、約１４０ｋＰａの圧力であった。液滴形成頻度は６．０ｋＨｚであった。チャネルは幅２５ｍｍの正方形の断面積を有した。矢印は単一の気泡を追跡し、単一の気泡が挟み（pinch off）二相エマルション液滴を形成する。
【００８４】
界面の不均一の曲率が、接続ブリッジの外で流体を送り込む噴射中の圧力差を生成したので、挟まれた幾何学は不安定であった。流体が流出するとともに、ブリッジはより小さくなり、レーリー・プラトー不安定に不安定であり、やがてはブリッジを壊す。これが起こるのに必要な時間は、幾何学が挟むのを完了するのにどれだけ長く維持されなければならないを決定するため、この液滴形成メカニズムにおいて重要なパラメーターである。これは、今度はいくつかの場合に最高速度の液滴形成を制限し得る。
【００８５】
挟む時間を評価するために、ブリッジが排出されるのに必要な時間を計算した。界面の不均一な曲率は、接続しているブリッジの外で流体を送り込む噴射における圧力差を生成した。水−油の表面張力は界面活性剤で約４ｍＮ／ｍであると測定された。いずれの側でもの挟みおよび膨らみでの水−油界面の曲率に基づいて、１．４ｋＰａのポンプ圧と見積もった。このポンピングはブリッジ内の流体の粘性抵抗によって抵抗される。ハーゲン・ポアズイユ流について、半径２マイクロメートルおよび長さ６マイクロメートルのシリンダーとしてブリッジをモデル化して、２ｋｇｍｍ−４ミリ秒の流体力学抵抗を計算した。所与のポンプ圧のために、これは、約１ｐＬミリ秒−１のブリッジから流体の排出速度を生成した。ブリッジは０．１ｐＬの全体積を有し、その結果、０．１ミリ秒の近似の挟む時間を見積もった。これは、図２にｔ＝０．２４〜０．３０ミリ秒に示されるごとく、高速カメラで得られたプロセスの動画において観察された挟む時間と一致している。
【００８６】
完了すべき分割について、挟まれた幾何学は挟む時間より長く維持されなければならず；そうでなければ、噴射は液滴に分割することなく、チャネルを出ていくであろう。かくして、この時間は液滴形成の最高速度を制限する。本明細書で調べた流速について、気泡は、この時点にわたり噴射に沿って３２マイクロメートルだけ移動し；かくして、分割が残りのフロー動力学に比較してほとんど瞬間的に生じた。しかしながら、もし速度が十分に増加するならば、気泡は挟みが完了する前にチャネルを出ていくであろう。
【００８７】
実施例３
この実施例は、実質的に単分散の液滴の生成を示す。他の液滴形成メカニズムのように、気泡誘発液滴形成は、より速い速度でのいくつかの場合に、実質的に単分散の液滴を生成できる。また、気泡誘発液滴形成で液滴サイズを制御することは可能であり、これは、このパラメーターが連続する気泡の間で分割された流体の体積に依存するためである。この実施例において、液滴サイズを制御する能力を特徴付けるために、気泡間隔を変更し、対応する液滴サイズを決定した。気泡が存在しなかった場合、図３のＦ＝０ｋＨｚに示されるごとく、流体の連続的で完全な流れとしてデバイスを出て、噴射は安定であった。空気圧が増加されるにつれて、気泡は低頻度にて形成し始めた。図３のＦ＝１．９ｋＨｚに示されるごとく、この結果、気泡間の大きな間隔および長い噴射プラグを生じた。挟んだ後に、これらのプラグはそれら自身を大きな液滴に進めた。空気圧が増加するにつれて、気泡はより急速に形成した。連続する気泡の間のプラグはより短くなり、その結果、より小さな液滴を生じた、図３のＦ＝２．８〜６．０ｋＨｚご参照。空気圧がさらに増加したならば、気泡はさらに急速に入った；しかしながら、この点にて、間隔はもはや均一ではなく、図３のＦ＝７．４ｋＨｚに示されるごとく、得られた液滴はより多分散であった。
【００８８】
かくして、図３は、形成される液滴のサイズが少なくとも部分的に気泡注入頻度に依存することを示す。より遅い気泡注入は気泡間の長い間隔および対応してより大きな液滴を生じるが、より速い注入頻度はより短い間隔およびより小さな液滴を生じた。前記のごとく、オクタノール、水およびフルオロカーボン油は、各々、５０、１００および４００マイクロリットル／ｈの流量で注入し、空気圧は１２０〜１４５ｋＰａの間で変化させた。チャネルは幅２５マイクロメートルの正方形の断面積を有した。
【００８９】
高い気泡頻度の挙動におけるこの変化は、液体噴射の先端でのラプラス圧を考慮することにより理解できる。気泡が余りにも急速に導入されるならば、気泡によって圧迫される前に先端がチャネルに伸びる時間はほとんどなく；結果的に、先端は小さく、大きなラプラス圧を有する。これは、先端を変形することをより困難にし、いくつかの例において、液滴を挟むことなく、気泡を先端の上を滑らせ得る。次の気泡が注入される場合、２つの気泡サイクル間に収集された流体から構成されるために、わずかに大きな液滴を生成する。これは、図３のＦ＝７．４ｋＨｚに示されるごとく、小および大の液滴または多分散系の液滴の交互配列に導き、これは、形成できる液滴の最小のサイズを制限し得る。典型的には、チャネルのサイズ以上の液滴を形成できる。
【００９０】
かくして、液滴サイズは、気泡間隔の調節により制御でき、それを今度は種々のパラメーターで制御できる。例えば、固定噴射流量について、気泡頻度の低減は、気泡間隔を増加させて、より大きな液滴に導く。同様に、固定気泡頻度について、噴射流量が増加させることも気泡間隔を増加させて、より大きな液滴に導いた。かくして、液滴体積は、分散可能な流体流量および気泡期間の生成に依存し、すなわち、
【００９１】
【数３】
2015513451.tif 000007
【００９２】
である。
【００９３】
このスケーリングが正確であるかを調べるために、液滴径を図４における気泡頻度の関数としてプロットした。形成された液滴のサイズは気泡間隔に依存し、これは気泡頻度および内部および中央の相の流速の調節により制御できた。双方のプロットにおける固体曲線は、誘発液滴形成によって予測されたスケーリングに対応する。気泡体積は、機能的な形態とのより容易な比較のために、図に挿入した期間の関数としてプロットした。双方のプロットにおいて、液滴サイズのスケーリングはこの機能的な形態と一致し、これは気泡誘発液滴形成で、液滴サイズを制御できることを示している。
【００９４】
これらの実施例は、噴射フロー条件下でさえ、気泡誘発液滴形成が、単分散の液滴が制御されたサイズで形成されるのを可能とすることを示す。これは、Ｔ字型接合部およびフロー焦束メカニズムを含めた従来のメカニズムより非常に速い速度にて実質的に単分散のエマルションの生成を可能にした。もう一つの利点は、連続相中の大多数の体積が気泡によって占められるために、最小量の連続相に液滴を形成することを必要とすることであり、これはさらにコスト効率の良い液滴形成戦略とする。
【００９５】
本発明のいくつかの具体例を本明細書に記載したが、当業者は容易にその機能を行い、および／または本明細書に記載された結果および１以上の有利さを得るための種々の他の手段および／または構造の構想を描き、かかる変形または改変の各々が、本発明の範囲内にあると考えられる。より一般的には、当業者ならば、本明細書に記載されたすべてのパラメーター、寸法、材料および配置がすべて例示的であることを意味し、実際のパラメーター、寸法、材料および／または配置が本発明の教示を用いた特定の出願（群）に依存することを容易に認識するであろう。当業者ならば、ルーチン実験を超えないものを用いて、本明細書に記載された発明の特定の具体例に対する多数の等価物を認識するかまたは確認できるであろう。したがって、先の具体例が例示によってのみ示され、添付した特許請求の範囲およびその等価物の範囲内で、本発明は、特に記載および特許請求された以外に実施してもよいと理解される。本発明は、本明細書に記載された個々の特徴、システム、物品、材料、キットおよび／または方法の各々に指向される。加えて、２以上のかかる特徴、システム、物品、材料、キットおよび／または方法のいずれの組合せも、かかる特徴、システム、物品、材料、キットおよび／または方法が相互に不一致とならないならば、本発明の範囲内に含まれる。
【００９６】
本明細書に規定および使用されたすべての定義は、ここに定義され用いられたとともに、辞書の定義、引用文献によって取り込まれた文書中の定義および／または定義された用語の通常の意味に関して優先すると理解されるであろう。
【００９７】
本明細書および特許請求の範囲に用いた不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、反対に明白に示されない限りは、「少なくとも１つ」を意味すると理解されるべきである。
【００９８】
本明細書および特許請求の範囲に用いた「および／または（and/or）」なる語句は、そのように等位接続された「いずれかまたは双方」の要素、すなわち、いくつかの場合に接続して存在し、他の場合に分離して存在する要素を意味すると理解されるであろう。「および／または」でリストされた複数の要素は、同一様式、すなわち、そのように等位接続された「１またはそれを超える」の要素で構成されると解釈されるであろう。他の要素は、所望により、「および／または」なる句により具体的に同定された要素以外でも、具体的に同定されたそれらの要素に関係してまたは無関係に存在できる。かくして、非限定の例として、「Ａおよび／またはＢ」への参照は、「を含む（comprising）」のごときオープンエンドの言語と組み合わせて用いた場合、１つの具体例において、Ａだけ（所望により、Ｂ以外の要素を含む）；もう一つの具体例において、Ｂだけ（所望により、Ａ以外の要素を含む）；さらにもう一つの具体例において、ＡおよびＢの双方（所望により、他の要素を含む）等をいうことができる。
【００９９】
本明細書および特許請求の範囲においてここに用いた「または(or)」は、前記の「および／または」と同一の意味を有すると理解されるべきである。例えば、リスト中の項目を分離する場合、「または」または「および／または」は包括的、すなわち、多数の要素またはリストの要素の少なくとも１つの包含、１を超えるものおよび所望により、リストされていないさらなる項目含めた包含であると解釈されるであろう。「１だけの」または「正確に１つの」、または特許請求の範囲に用いた場合、「よりなる（consisting of）」のごとき反対に明白に示された用語だけ、多数またはリストの要素の正確に１つの要素の包含をいうであろう。一般的に、本明細書に用いた「または」なる用語は、「どちらか」、「１つだけの」、「正確に１つの」のごとき排除性の用語により先行された場合に単に排他的な選択肢（すなわち、「一方または他方だで双方ではない」）を示すと解釈されるであろう。特許請求の範囲に用いた場合の「実質的によりなる」は、特許法の分野に用いたその通常の意味を有するであろう。
【０１００】
本明細書および特許請求の範囲に用いた、１以上の要素のリストに参照した「少なくとも１つの」なる語句は、要素のリストにおけるいずれか１以上の要素から選択された少なくとも１つの要素を意味するが、必ずしも、特にリストされる少なくとも１つを含める各々およびすべての要素を含むとは限らず、要素のリストにおける要素のいずれかの組合せを排除しないと理解されるであろう。また、この定義は、具体的に同定されたそれらの要素に関連してまたは無関係に拘わらず、「少なくとも１つの」なる語句を参照する要素のリスト内で具体的に同定された要素以外の要素が所望により存在し得ることを可能とする。かくして、非限定の例として、「ＡおよびＢの少なくとも１つ」（または、同義で「ＡまたはＢの少なくとも１つ」、同義で「Ａおよび／またはＢの少なくとも１つ」）は、一つの具体例において、所望により、Ｂが存在せず（所望により、Ｂ以外の要素を含めた）１を超えるＡを含めた少なくとも１つ；もう一つの具体例において、所望により、Ａが存在せず（所望により、Ａ以外の要素を含めた）１を超えるＢを含めた少なくとも１つ；さらにもう一つの具体例において、所望により１を超えるＡを含めた少なくとも１つおよび所望により１を超えるＢを含めた（所望により、他の要素を含めた）少なくとも１つ等を参照できる。
【０１０１】
また、反対に明白に示されない限りは、１を超える工程または行為を含む本明細書に特許請求されたいずれかの方法において、方法の工程または行為の順序は、必ずしも、方法の工程または行為が示された順序に限定されるものではないと理解されるべきであろう。
【０１０２】
特許請求の範囲ならびに前記の明細書において、「含む（comprising）」「含む（including）」「保有する（carrying）」「有する（having）」「含有する（containing）」「含む（involving）」、「保持する（holding）」「で構成された（composed of）」等のごときすべての移行句は非限定、すなわち、限定されるものではないが、含むを意味すると理解されるべきである。「よりなる」および「実質的によりなる」なる移行句だけは、各々、米国特許庁特許審査手続便覧、第２１１１．０３章に記載された限定または半限定の移行句である。
【図１】
2015513451.tif 000008
【図２】
2015513451.tif 000009
【図３】
2015513451.tif 000010
【図４】
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【国際調査報告】
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