УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ ВЕЩЕСТВ И СПОСОБ СМЕШИВАНИЯ ВЕЩЕСТВ
MIXER AND METHOD OF MIXING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для смешивания веществ и способу для смешивания веществ, если более точно, то к устройству и способу смешивания веществ путем столкновения друг с другом капель, выпускаемых из отверстий двух или более проточных каналов.
Уровень техники
В последние годы в отраслях биотехнологии и химии совершенствуется процесс анализа реакции, и происходит его увеличение по масштабу и скорости. Для реализации высокой производительности процесса анализа реакции эффективным является одновременный анализ большого количества микрореакционных систем. При большом количестве реакционных систем, например, когда выполняется анализ на веществе, имеющем чрезвычайно высокую скорость реакции, реакция протекает в части реакционных систем до того момента, когда заканчивается смешивание всех реакционных систем. В результате, большое количество реакционных систем не может быть проанализировано при одинаковых условиях, и точный результат анализа не может быть получен.
С другой стороны, при использовании микрореакционных систем существует проблема, которая становится сложной, заключающаяся в том, чтобы равномерно смешать вещества в определенном количестве. Когда количество веществ варьируется среди реакционных систем или веществ, они смешиваются неоднородно, воспроизводимость анализов уменьшается, и надежный результат анализа не может быть получен.
В качестве технологии, которая дает возможность смешивать микроэлементы равномерно в определенном количестве, патентный документ 1 раскрывает способ равномерного смешивания и устройство равномерного смешивания веществ, которые характеризуются тем, что включают в себя два или более средств для испускания капель жидкости пьезоэлектрического типа, а также тем, что маленькие капли жидкости, выпускаемые из средств для испускания капель жидкости, принудительно сталкиваются друг с другом, для того чтобы они были равномерно смешаны. В соответствии с этой технологией, становится возможной операция реакции-смешивания мельчайшего количества веществ, и вещества могут прореагировать равномерно, и таким образом может быть получен однородный продукт реакции. Следует отметить, что «средства для испускания капель жидкости пьезоэлектрического типа» адаптированы для вещества в способе равномерного смешивания и подобны устройству для испускания капель жидкости, которое создает давление в компрессионной камере для жидкости при частичном деформировании участка стенки компрессионной камеры для жидкости с помощью пьезоэлектрического/электрострикционного устройства, чтобы таким образом впрыснуть жидкость в компрессионную камеру для жидкости из соплового отверстия.
Патентный документ 1: выложенная заявка на патент Японии №Hei 11-262644.
Раскрытие изобретения
Проблемы, которые должны быть решены с помощью изобретения
Традиционно, в отраслях биотехнологии и химии биологически существенные мельчайшие частицы, такие как клетка, микроорганизм, липосома, а также синтетические мельчайшие частицы, такие как частицы латекса, частицы геля, и промышленные частицы, смешиваются с различными соединениями. При этом анализируется реакция мельчайших частиц и соединений.
Например, в области биотехнологии лимфоциты и антигены смешиваются в большом количестве ячеек, чтобы отбирать антиген-специфические В клетки, связанные с антигенами, или лимфоциты смешиваются с раковыми клетками или инфицированными вирусом клетками в ячейках, чтобы отбирать Т клетки с клеточным нарушением, которое вызвало разрушение раковых клеток, и подобные процессы. Обнаруженные антиген-специфические В клетки и Т клетки с клеточным нарушением, подвергаются генетическому анализу после осуществления выборки, и используются в разработках лекарств с антителами и для активирования иммунитета клетки. При отсеивании лимфоциты, поодиночке или во множестве, распределяются в ячейки, чтобы смешиваться с антигенами или подобными продуктами, и выполняется высокопроизводительное отсеивание, называемое "single-cell screening" отсеивание одной клетки для определения реакции и объектной клетки.
В способе равномерного смешивания веществ и устройстве смешивания веществ, раскрытого в приведенном выше патентном документе 1, несмотря не то, что определенное количество микроэлементов может быть смешано равномерно, смешивание таких мельчайших частиц с веществом и смешивание мельчайших частиц с мельчайшими частицами не предполагается.
В этом отношении настоящее изобретение направлено, главным образом, на обеспечение устройства для смешивания веществ, которое способно равномерно смешивать микроэлементы в определенном количестве, а также смешивать мельчайшие частицы.
Средства для решения проблемы
Для решения изложенных выше проблем, согласно настоящему изобретению, обеспечивается устройство для смешивания веществ, включающее в себя: два или более проточных каналов, в каждом из которых формировано отверстие, из которого жидкость, которая протекает через него, выпускается наружу; колебательное устройство, которое образует капли жидкости, выпускаемые из каждого отверстия, за счет колебаний, по меньшей мере, в части проточных каналов, где расположено отверстие при заданной частоте колебаний, и выпускает капли жидкости; и средства для того, чтобы вызвать столкновение между собой капель жидкости, выпускаемых из отверстий проточных каналов.
Устройство для смешивания веществ дополнительно включает в себя: средства обнаружения, для того чтобы обнаруживать мельчайшие частицы, содержащиеся в жидкости, которая протекает через проточные каналы; и средства управления для вычисления интервала отправки потока мельчайших частиц на основе сигнала обнаружения мельчайших частиц от средств обнаружения, а также для управления частотой колебаний колебательного устройства, на основе вычисленного интервала отправки потока мельчайших частиц. Средства управления осуществляют управление частотой колебаний таким образом, что заданное количество мельчайших частиц примешивается к каплям жидкости, выпускаемым из отверстий проточных каналов, через которые протекает жидкость, включающая в себя мельчайшие частицы.
Кроме того, устройство для смешивания веществ дополнительно включает в себя: средства для заряда, чтобы передавать заряд каплям жидкости, выпускаемым из отверстий; и парные электроды, обеспеченные противоположно друг другу вдоль направления перемещения капель жидкости, полученных с помощью столкновения. Направление перемещения капель жидкости, полученных при столкновении, управляется с помощью силы электрического действия, генерируемой с помощью заряда, переданного каплям жидкости, выпускаемым из отверстий, и парных электродов. За счет управления направлением перемещения капель жидкости, полученных с помощью столкновения, может быть осуществлена выборка капель жидкости в две или более областей.
Альтернативно, устройство для смешивания веществ может дополнительно включать в себя приводные средства для относительного перемещения отверстий проточных каналов по отношению к двум или более областей, для осуществления выборки и размещения капель жидкости, полученных при столкновении. За счет относительного перемещения отверстий проточных каналов по отношению к областям может быть осуществлена выборка капель жидкости, полученных при столкновении, в две или более областей.
В устройстве для смешивания веществ формирование проточных каналов в единой микросхеме является благоприятствующим фактором. Настоящее изобретение также обеспечивает микросхему*, включающую в себя два или более проточных каналов, в каждом из которых формируется отверстие, из которого выпускается наружу жидкость, протекающая через проток, при этом капли жидкости, выпускаемые каждым из отверстий, формируются с помощью колебаний, по меньшей мере, той части, где находится отверстие, и выпускает капли жидкости, а проточные каналы обеспечиваются таким образом, что капли жидкости, выпускаемые из отверстий, сталкиваются друг с другом.
В микросхеме заданная часть проточного канала структурирована как участок обнаружения, используемый для обнаружения мельчайших частиц, содержащихся в жидкости, которая протекает через проточный канал, при этом площадь поперечного сечения той части, где находятся отверстия проточных каналов, является меньшей, чем площадь участка обнаружения.
В микросхеме мельчайшая трубка, с помощью которой вводится ламинарный поток второй жидкости, содержащий мельчайшие частицы, в ламинарный поток первой жидкости, которая протекает через проточные каналы, может быть обеспечена выше по течению относительно участка обнаружения в направлении подачи жидкости.
Для мельчайшая трубки предпочтительно, чтобы она была образована из металла, к которому может быть приложено напряжение. Соответственно, мельчайшая трубка может быть структурирована как средство для заряда, чтобы передавать заряд к капелькам жидкости, выпускаемым из отверстий.
Микросхема может дополнительно включать в себя колебательное устройство, которое генерирует колебания, по меньшей мере, в области отверстия проточных каналов.
Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает способ смешивания вещества, включающий в себя: расположение двух или более проточных каналов, в каждом из которых формируется отверстие, из которого жидкость, которая протекает через протоки, выпускается наружу; формирование капель жидкости, выпускаемых из отверстий, с помощью колебаний, по меньшей мере, в области отверстия протоков с заданной частотой колебаний и выпускание этих капель жидкости; и принуждение капель жидкости, выпускаемых из проточных каналов, сталкиваться друг с другом.
В способе смешивания вещества может быть вызвано протекание жидкости включающей в себя мельчайшие частицы, через какой-либо один из проточных каналов, при этом капли жидкости, включающие в себя мельчайшие частицы и выпускаемые из отверстия проточного канала, принуждаются сталкиваться с капельками жидкости, выпускаемыми из отверстия другого проточного канала, чтобы таким образом смешивать мельчайшие частицы с веществом. В этом случае, за счет управления частотой колебаний, основанного на интервале отправки потока мельчайших частиц, содержащихся в потоке, который протекает через проточные каналы, заданное количество мельчайших частиц может быть примешано к капелькам жидкости, выпускаемым из отверстий проточных каналов.
Способ смешивания вещества может дополнительно включать в себя: передачу заряда капелькам жидкости, выпускаемым из отверстий; управление направлением перемещения капель жидкости, полученных при столкновении, с помощью силы электрического действия, генерируемой с помощью парных электродов, обеспеченных напротив друг друга вдоль направления перемещения капель жидкости, полученных при столкновении, и заряда, переданного капелькам жидкости; и распределения капель жидкости, полученных с помощью столкновения, на две или более области. Альтернативно, капли жидкости, полученные с помощью столкновения, могут быть распределены на две или более области с помощью относительного перемещения отверстий проточных каналов по отношению к этим областям.
В способе смешивания вещества предпочтительно, чтобы проточные каналы были сформированы в единой микросхеме.
В настоящем изобретении «мельчайшие частицы» в значительной степени включают в себя биологически значимые мельчайшие частицы, такие как клетки, микроорганизмы, липосомы, а также синтетические мельчайшие частицы, такие как частицы латекса, частицы геля, и промышленные частицы.
Биологически значимые мельчайшие частицы включают в себя хромосомы, составляющие различные клетки, липосомы, митохондрии, и органеллы (клеточные органеллы). Клетки-мишени включают в себя клетки животных (клетки крови) и клетки растений. Микроорганизмы включают в себя бактерии, такие как Бацилла коли, вирусы, такие как табачный мозаичный вирус, а также грибки, такие как дрожжи. Биологически значимые мельчайшие частицы могут также включать в себя биологически значимые полимеры, такие как нуклеиновая кислота, протеин и их совокупность. Кроме того, промышленные частицы могут быть, например, органическим или неорганическим полимерным материалом или металлом. Органический полимерный материал включает в себя полистирол, стироловый дивинилбензол и полиметилметакрилат. Неорганический полимерный материал включает в себя стекло, диоксид кремния, и магнитный материал. Металл включает в себя золотой и алюминиевый коллоидный раствор. Формой мельчайших частиц обычно является сфера, но вместо этого может быть и несферическая форма, при этом размер и масса также не имеют особых ограничений.
Осуществление изобретения
Согласно настоящему изобретению, может быть обеспечено устройство смешивания вещества, которое способно равномерно смешивать микроэлементы в определенном количестве, а также смешивать мельчайшие частицы.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 является схемой для объяснения первого варианта осуществления изобретения устройства смешивания вещества, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 является схемой для объяснения измененного примера первого варианта осуществления изобретения устройства смешивания вещества, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 является схемой для объяснения второго варианта осуществления изобретения устройства смешивания вещества, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.4 является схемой для объяснения измененного примера второго варианта осуществления изобретения устройства смешивания вещества, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.5 является схемой для объяснения средств обнаружения и средств управления, которыми оборудовано устройство смешивания вещества, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.6 является схемой для объяснения структуры, используемой для распределения смешанных капель жидкости в устройстве смешивания вещества, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.
Фиг.7 является схемой для объяснения структуры, используемой для распределения смешанных капель жидкости в устройстве смешивания вещества, в соответствии с измененным примером первого варианта осуществления изобретения.
Фиг.8 является схемой для объяснения третьего варианта осуществления изобретения устройства смешивания вещества, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.9 является схемой для объяснения устройства микросхемы, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.10 является диаграммой, схематически показывающей капли жидкости выпускаемые из микросхемы, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.11 являются схемами для объяснения установочного положения мельчайшей трубки 116, структуры проточного канала 11 поблизости от сужающегося участка 117, а также состояний ламинарного потока пробной жидкости и ламинарного потока проточной жидкости.
Фиг.12 являются схемами для объяснения структуры участка 118 с повышенным давлением, структуры проточного канала 11 поблизости от отверстия 111, а также состояний ламинарного потока пробной жидкости и ламинарного потока проточной жидкости.
Фиг.13 являются схемами для объяснения ширины и глубины проточного канала 11 на соответствующих участках.
Фиг.14 являются схемами для объяснения других предпочтительных вариантов осуществления изобретения, касающихся ширины и глубины проточного канала 11 на соответствующих участках.
Фиг.15 является схемой для объяснения структуры распределения смешанных капель жидкости в устройстве смешивания вещества, выполненного в виде микросхемы.
Наилучшие режимы для выполнения изобретения
В дальнейшем будут описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения для воплощения настоящего изобретения со ссылками на чертежи. Следует заметить, что описанные ниже варианты осуществления изобретения являются только примерами репрезентативных вариантов настоящего изобретения, и в связи с этим, диапазон настоящего изобретения не следует узко интерпретировать. Следует заметить, что описание будет приведено в следующем порядке:
1. Средства для столкновения.
(1-1) Первый вариант осуществления изобретения,
(1-2) Второй вариант осуществления изобретения,
2. Средства обнаружения и средства управления.
3. Распределение смешанных капель жидкости,
(3-1) Распределение с помощью использования заряда,
(3-2) Распределение с помощью приводных средств.
4. Устройство смешивания вещества, выполненное в виде микросхемы,
(4-1) Общий обзор структуры устройства,
(4-2) Микросхема,
(4-3) Распределение с помощью средств использования заряда,
(4-4) Распределение с помощью приводных средств.
1. Средства для столкновения.
(1-1) Первый вариант осуществления изобретения.
Фиг.1 является схематической диаграммой для объяснения первого варианта осуществления изобретения устройства смешивания вещества, в соответствии с настоящим изобретением. Устройство смешивания вещества этого варианта осуществления изобретения имеет характеристики, которые позволяют веществам смешиваться за счет принуждения капель жидкости, выпускаемых из отверстий двух проточных каналов, сталкиваться друг с другом. Фигура показывает структуру средств, оборудованных в устройстве смешивания вещества, для того чтобы заставить капли жидкости сталкиваться друг с другом.
На этой фиг. ссылочные позиции 11 и 12 обозначают проточные каналы, через которые протекают жидкости, содержащие вещества, которые должны быть смешаны. В проточных каналах 11 и 12 формируются отверстия 111 и 121 для выпуска наружу протекающих в проточных каналах. Кроме того, ссылочные позиции 112 и 122 обозначают колебательные устройства, которые вызывают колебания, по меньшей мере, той части, где находятся отверстия 111, 121, проточных каналов 11 и 12 с заданной частотой колебаний, чтобы таким образом сформировать капли из тех жидкостей, которые должны выпускаться из отверстий 111, 121 протоков, и выпускать их наружу. Каждое из колебательных устройств 112 и 122 состоит из пьезоколебательного или подобного устройства и обеспечивается таким образом, чтобы прикладывать заданные колебания к проточным каналам 11 и 12 целиком или к некоторой части протоков, включая, по меньшей мере, часть с отверстиями 111, 121.
12
11
12
Жидкости, содержащие вещества, которые должны быть смешаны, подаются к проточным каналам 11 и 12 с помощью средств подачи жидкости (не показаны) и выпускаются как капли А и В жидкости из отверстий 111 и 121 за счет воздействия колебательных устройств 112 и 122. В это время за счет регулирования количества подаваемой жидкости (расхода жидкости) по отношении к проточным каналам 11 и 12, диаметров отверстий 111 и 121, частоты колебаний колебательных устройств 112 и 122, и подобных функций, размеры капель А и В жидкости могут регулироваться, и вещества могут примешиваться к капелькам в определенном количестве. Выпускаемые капли А и В жидкости становятся единой капелькой G за счет их столкновения друг с другом в заданном положении в пространстве, расположенном снаружи проточных каналов 11 и 12 при этом вещества, содержащиеся в капельках А и В жидкости, смешиваются в капельке G. Капелька G летит в соответствии с силой инерции капель А и В и отбирается в сосуде, обозначенном на фигуре ссылочной позицией 2. Угол θ столкновения капель А и В жидкости, а также расстояния L и L пролета до позиции столкновения устанавливаются соответствующим образом, на основании скорости полета или размера капель А и В жидкости, интервала выхода из отверстий 111 и 121, и подобным образом, чтобы дать возможность капелькам А и В столкнуться друг с другом.
В устройстве смешивания веществ, за счет выпуска жидкостей, содержащих вещества, которые должны быть смешаны, из отверстий 111 и 112 проточных каналов 11 и 12, таких как капли А и В жидкости, и принуждая их сталкиваться друг с другом, вещества, содержащиеся в капельках, могут быть равномерно смешаны за короткое время. Кроме того, поскольку вещества могут быть примешаны к капелькам А и В жидкости в определенном количестве, не происходит варьирования в количестве смешанных веществ.
Жидкость, которая протекает через проточные каналы 11 или 12, может включать в себя 1 или 2, или более веществ. Таким образом, 1 или 2, или более веществ, содержащиеся в капельке А, а также 1 или 2, или более веществ, содержащиеся в капельке В, смешиваются в капельке G за счет столкновения капель А и В жидкости.
12
11
12
12
Угол θ столкновения капель А и В жидкости, а также расстояния L и L пролета до позиции столкновения, могут быть установлены соответствующим образом, на основании скорости полета или размера капель А и В жидкости, интервала выхода из отверстий 111 и 121, и подобным образом. Например, как показано на фиг.2, есть возможность установить проточные каналы 11 или 12 почти на 90 градусов таким образом, что угол θ столкновения капель А и В жидкости, выпускаемых из отверстий проточных каналов становится равным почти 90 градусам. Угол столкновения капель жидкости может быть установлен соответствующим образом, чтобы он был больше, чем 0 градусов, и меньше, чем 180 градусов.
Фиг.2 показывает установочную позицию сосуда 2 в том случае, когда масса капли В существенно меньше, чем масса капли А, и в связи с этим направление полета капли G после столкновения капель А и В не изменяется по сравнению с направлением испускания капли А. Поскольку капелька G летит в соответствии с силой инерции капель А и В, сосуд 2 необходимо разместить в направлении, по которому летит капелька G.
11
12
Следует заметить, что в первом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, и измененном примере, показанном на фиг.2, нет необходимости для всех капель А и В сталкиваться для того, чтобы смешаться, и может существовать капелька А, которая не столкнулась с капелькой В. Кроме того, может быть капелька В, которая не столкнулась с капелькой А. Например, капелька В, выпущенная из отверстия 121, может быть смешана с капелькой А, выпущенной из отверстия 111, в соотношении два к одному. В этом случае сама капелька А, которая не столкнулась с капелькой В, и капелька G, полученная при столкновении и смешивании с капелькой В, отбираются в сосуд 2. Капелька В может принуждаться сталкиваться с капелькой А в соотношении два к одному за счет регулирования расстояний L и L пролета до позиции столкновения капель А и В, интервала выпуска капель из отверстий, и подобных параметров.
(1-2) Второй вариант осуществления изобретения
Фиг.3 является схематической диаграммой для объяснения второго варианта осуществления изобретения устройства смешивания вещества, в соответствии с настоящим изобретением. Устройство смешивания вещества этого варианта осуществления изобретения имеет характеристики, которые обеспечивают выпуск жидкости, содержащей мельчайшие частиц, из отверстия одного проточного канала, и принуждают ее сталкиваться с капельками жидкости, выпускаемыми из отверстий других двух проточных каналов, чтобы таким образом смешивать вещества, содержащие мельчайшие частицы. Фигура показывает структуру средств, оборудованных в устройстве смешивания вещества, для того чтобы заставить капли жидкости сталкиваться друг с другом.
На этой фигуре ссылочные позиции 11, 12 и 13 обозначают проточные каналы, через которые протекают жидкости, содержащие вещества, которые должны смешиваться. Среди этих жидкостей та жидкость, которая содержит мельчайшие частицы Р, протекает через проточный канал 11. Отверстия 111, 121 и 131 для выпуска наружу протекающих жидкостей формируются в соответствующих проточных каналах, при этом обеспечиваются колебательные устройства 112, 122 и 132 для формирования капель жидкостей, которые должны быть выпущены из отверстий, и для испускания их наружу.
Жидкости, содержащие вещества, которые должны быть смешаны, подаются к проточным каналам с помощью средств подачи жидкости (не показаны) и выпускаются как капли А, В и С жидкости из отверстий за счет воздействия колебательных устройств. Среди этих капель капли А, выпущенные из отверстия 111, включают в себя мельчайшие частицы Р, содержащиеся в жидкости, которая протекает через проточный канал 11. Выпущенные капли А, В и С становятся единой капелькой G при столкновении друг с другом в заданном положении в пространстве снаружи проточных каналов 11, 12 и 13, при этом мельчайшие частицы Р, содержащиеся в капельке А жидкости, смешиваются с веществами, содержащимися в капельках В и С, формируясь в капельку G. После этого капелька G пролетает в соответствии с силой инерции капель А, В и С и отбирается в сосуд 2.
12
13
11
12
13
Угол θ столкновения капель А и В жидкости, угол θ столкновения капель А и С жидкости, а также расстояния L, L и L пролета до позиции столкновения капель устанавливаются соответствующим образом, на основании скорости полета или размера капель жидкости, интервала выпуска из отверстий, и подобным образом, чтобы дать возможность капелькам жидкости столкнуться друг с другом.
В устройстве смешивания веществ жидкость, включающая в себя мельчайшие частицы Р, выпускается из отверстия 111 проточного канала 11 как капелька А, а жидкости, содержащие вещества, которые должны смешиваться, выпускаются из отверстий 121 и 132 проточных каналов 12 и 13 как капли В и С.За счет того, что эти капли принуждаются сталкиваться друг с другом, мельчайшие частицы и вещества, содержащиеся в капельках, могут быть равномерно перемешаны за короткий промежуток времени. Кроме того, поскольку вещества могут быть примешаны к капелькам В и С в определенном количестве, множество веществ может быть смешано с мельчайшими частицами Р, не приводя при этом к вариациям в количествах этих веществ.
При смешивании капель А, В и С столкновение и смешивание трех капель может быть выполнено в то же самое время, или сначала может быть выполнено столкновение и смешивание любых двух капель из этих трех. Столкновение и смешивание капель может быть выполнено с произвольным распределением во времени. Например, как показано на фиг.4, проточные каналы 11 и 12 устанавливаются почти на 90 градусов, т.е. таким образом, что капелька А, выпускаемая из отверстия 111 и содержащая мельчайшие частицы Р, сначала сталкивается с капелькой В, выпускаемой из отверстия 121, чтобы таким образом получить капельку G. Соответственно, мельчайшие частицы Р и вещество, содержащееся в капельках А и В, смешиваются. Затем, проточный канал 13 устанавливается почти на 90 градусов относительно направления полета капли G, т.е. таким образом, что капелька С, выпускаемая из отверстия 131 сталкивается с капелькой G, чтобы таким образом получить капельку Н. Соответственно, мельчайшие частицы и вещество, содержащиеся в капельках Н и С, могут быть смешаны.
11
12
23
13
Кроме того, не всегда необходимо обеспечивать сталкивание и смешивание всех капель А, В и С.Например, могут сталкиваться с целью их смешивания только две из этих капель. Комбинация капель, подвергаемых сталкиванию и смешиванию, может быть установлена произвольно. Например, капелька В, выпускаемая из отверстия 121, может принуждаться сталкиваться с капелькой А, выпускаемой из отверстия 111, в соотношении два к одному и смешиваться с ней. В этом случае капелька, которая сталкивается с капелькой С, выпускаемой из отверстия 131, является или самой капелькой А, или капелькой G, в которой капли А и В являются смешанными. Затем, с помощью выбора комбинации капель А и G, а также капли С, выпускаемой из отверстия 131 для столкновения, могут быть получены смесь капель А и С, смесь капель А, В и С, или смесь капель А и В, как капелька Н, которая, в конечном итоге, должна быть отобрана в сосуд 2. Комбинация капель для сталкивания и смешивания может быть установлена произвольно, за счет регулирования расстояний L, L, L, L пролета до положений столкновения капель, скоростей полета капель А, В и С, интервала выпускания капель из отверстий, и подобных параметров.
Хотя были описаны случаи, когда вещества смешивались при обеспечении двух проточных каналов 11 и 12, показанных на фиг.1 и 2, а также трех проточных каналов 11, 12 и 13, показанных на фиг.3 и 4, количество проточных каналов, которые должны быть обеспечены, не имеет особых ограничений в устройстве смешивания веществ, согласно настоящему изобретению, и могут быть обеспечены 4 или более проточных каналов.
2. Средства обнаружения и средства управления
Фиг.5 является схематической диаграммой для объяснения структуры, используемой для примешивания заданного количества мельчайших частиц в капельку жидкости, которая должна быть выпущена из отверстия проточного канала в устройстве смешивания вещества, в соответствии с настоящим изобретением,
Как описывается со ссылками на фиг.3 и 4, в устройстве смешивания вещества, в соответствии с настоящим изобретением, капли жидкости, содержащие мельчайшие частицы и выпускаемые из отверстия проточного канала, принуждаются сталкиваться с капельками, выпускаемыми из отверстия другого проточного канала, чтобы таким образом смешивать вещества, содержащие мельчайшие частицы. В этот раз количество мельчайших частиц, содержащихся в капельке, не имеет особых ограничений, и может быть установлено произвольно. Фиг.3 показана как пример, в котором одна мельчайшая частица Р примешивается в капельку А, выпускаемую из отверстия 111 проточного канала 11. Кроме того, фиг.4 показана как пример, в котором 0 или 1 мельчайшая частица Р примешивается в каждую вторую капельку А, выпускаемую из отверстия 111 проточного канала 11.
Количество мельчайших частиц, которое должно быть примешано в капельку, может быть установлено как произвольное число 0 или 1, или более, за счет регулирования количества подаваемой жидкости (расхода потока) по отношению к проточным каналам, диаметру отверстий, частоте колебаний колебательных устройств, и подобным параметрам. Количество мельчайших частиц, которое должно быть примешано в капельку, может, предпочтительно, контролироваться, в частности, за счет управления частотой колебаний колебательных устройств. Подробности этого способа будут приведены в дальнейшем, со ссылкой на фиг.5.
На фиг.5 каждая из ссылочных позиций 31, 32 и 33 обозначает средство обнаружения, используемое для обнаружения мельчайших частиц Р, содержащихся в жидкости, которая протекает через проточный канал 11. Средства 31, 32 и 33 обнаружения излучают лазерный свет (измерительный свет) на протекающие в потоке мельчайшие частицы Р на заданном участке проточного канала 11, и преобразуют обнаруженный свет, создаваемый с помощью мельчайших частиц Р (измерительный свет от объекта исследований*), в электрические сигналы.
Средства 31, 32 и 33 обнаружения могут состоять из источника лазерного света, системы 31 излучения (средства 31 обнаружения), состоящей из источника лазерного света и собирающей линзы для собирания и излучения лазерного света на мельчайшие частицы Р, дихроичное зеркало, полосовой фильтр, и подобные компоненты, а также системы 32 обнаружения (средство 32 обнаружения), которая собирает измерительный облучаемый свет, создаваемый с помощью мельчайших частиц Р при облучении лазерным светом, в чувствительном элементе 33 (средство 33 обнаружения). Чувствительный элемент 33 может состоять из, например, матричного преобразователя сигнала изображения, такого как фотоэлектронный умножитель (РМТ, photo multiplier tube), прибор с зарядовой связью (ПЗС, CCD) и комплементарный металло-оксидный полупроводник (КМОП, CMOS). Следует заметить, что хотя на фигуре излучающая система и собирающая система структурированы как отдельные компоненты, излучающая система и собирающая система могут иметь структуры, в которых они имеют общий оптический путь.
Измерительный облучаемый свет, обнаруживаемый чувствительным элементом 33, является светом, который создается с помощью мельчайших частиц Р при облучении лазерным светом, прямым рассеянным светом или боковым рассеянным светом, рассеянным светом от релеевского рассеивателя, рассеянным светом, рассеивание которого вызвано неоднородностью атмосферы, или подобными источниками света. Кроме того, может быть использован, например, флуоресцентный свет. Измерительный облучаемый свет преобразуется в электрически обнаруживаемый сигнал и выводится к контроллеру 4. Контроллер 4 рассчитывает интервал отправки потока мельчайших частиц в проточный канал 11 на основе сигнала обнаружения, и управляет частотой колебаний колебательного устройства 112, основываясь на вычисленном интервале отправки потока.
За счет колебаний колебательного устройства 112 на заданной частоте колебаний, основанной на интервале отправки потока мельчайших частиц Р в проточный канал 11, управление может быть выполнено таким образом, чтобы примешивать заданное количество мельчайших частиц Р в капельку А, выпускаемую из отверстия 111. На фиг.5 показан пример, когда управление выполняется таким образом, чтобы примешивать одну мельчайшую частицу Р в капельку А жидкости. За счет управления частотой колебаний, основываясь на интервале отправки потока мельчайших частиц, также становится возможным примешивать две или более мельчайшие частицы в капельку жидкости, или например, примешивать различное количество мельчайших частиц в капельку жидкости.
Следует заметить, что средства 31, 32 и 33 обнаружения могут быть заменены, например, электрическими или магнитными средствами обнаружения. При использовании электрических или магнитных средств обнаружения мельчайших частиц обеспечиваются мельчайшие электроды, расположенные противоположно на обеих сторонах проточного канала 11, при этом измеряются: значения сопротивления, емкости, индуктивности, импеданса, и изменение значения электрического поля между электродами, или намагничивание, изменение магнитного поля и подобные параметры.
Следует заметить, что хотя на фиг. с 3 по 5 показан пример, в котором капли А, содержащие мельчайшие частицы, выпускаются из отверстия 111 проточного канала 11, жидкость, содержащая мельчайшие частицы, может протекать через два или более проточных каналов. Например, также возможно обеспечить протекание жидкости, содержащей мельчайшие частицы, через проточный канал 12 в добавление к проточному каналу 11, и выпускать капли А и В, содержащие мельчайшие частицы, из отверстий 111 и 121. В этом случае, за счет генерирования капли G (см. фиг, 3) или капли Н (см. фиг.4), вызывая столкновение друг с другом капель А, В и С, мельчайшие частицы, содержащиеся в капельках А и В, и вещество, содержащееся в капельке С, смешиваются. Каждая из жидкостей, протекающих через проточные каналы 11 и 12, может включать в себя мельчайшие частицы одного типа, или двух типов, или больше, аналогично и мельчайшие частицы могут быть или одинаковыми, или различными.
3. Распределение смешанных капель
(3-1) Распределение с помощью использования заряда
Фиг.6 является схематической диаграммой для объяснения структуры, используемой для распределения столкнувшихся/смешанных капель G жидкости в устройстве смешивания вещества, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Фигура показывает структуру для распределения капель G жидкости во множество областей за счет управления направлением перемещения капель G жидкости, используя силу электрического действия. На этой фигуре ссылочная позиция 21 обозначает каждую из множества областей, сформированных в сосуде 2.
Капли А и В, выпускаемые из проточных каналов 11 и 12, сталкиваются друг с другом, чтобы получилась капелька G, которая продолжает лететь в соответствии с силой инерции капель А и В. На этой фигуре ссылочные позиции 51, 51 обозначают первые парные электроды, обеспеченные противоположно друг другу вдоль направления перемещения капель G жидкости. Кроме того, ссылочные позиции 52, 52 обозначают вторые парные электроды, аналогичным образом обеспеченные противоположно друг другу вдоль направления перемещения капель G жидкости. Первые парные электроды 51, 51 и вторые парные электроды 52, 52 обеспечиваются таким образом, что противоположные им оси становятся перпендикулярными друг другу. Другими словами, первые парные электроды 51, 51 на фигуре являются противоположными в направлении оси X, а вторые парные электроды 52, 52 являются противоположными в направлении оси Y.
С другой стороны, на этой фигуре ссылочные позиции 113, 113 обозначают средства для заряда, чтобы заряжать капли А, выпускаемые из проточного канала 11, и передавать им заряд. Кроме того, ссылочные позиции 123, 123 обозначают средства для заряда, чтобы аналогичным образом передавать заряд капелькам В, выпускаемым из проточного канала 12. Здесь показывается случай, когда средства для заряда структурируются как парные электроды, обеспеченные вдоль направления выпуска капель А и В. Однако структура средств для заряда не имеет особых ограничений до тех пор, пока она способна передавать заряд капелькам А и В жидкости. В качестве примера других структур средств для заряда можно привести структуру, в которой металлический элемент обеспечивается таким образом, чтобы он контактировал с жидкостями, протекающими через проточные каналы 11 и 12, а напряжение подается к металлическому элементу.
Или одной или обеим капелькам А и В, выпускаемым из проточных каналов 11 и 12, может быть передан положительный или отрицательный заряд, что приводит к положительному или отрицательному заряду капли G, полученной после столкновения. Затем, за счет заряда, переданного к капельке G, и силы электрического отталкивания или силы поглощения, которая действует между первыми парными электродами 51, 51, направление перемещения капли G, которая проходит первые парные электроды 51, 51, управляется в положительном или отрицательном направлениях вдоль оси X. Кроме того, за счет заряда, переданного к капельке G, и электрической силы, которая действует между вторыми парными электродами 52, 52, направление перемещения капли G, которая проходит вторые парные электроды 52, 52, управляется в положительном или отрицательном направлениях вдоль оси Y.
Направление полета капли G, которая прошла вторые парные электроды 52, 52, может произвольно управляться в направлениях осей Х или Y, показанных на фиг., за счет изменения напряжения, прикладываемого к первым парным электродам 51, 51 и вторым парным электродам 52, 52, а также за счет регулирования интенсивности силы электрического действия между* капелькой G жидкости. Соответственно, капелька G жидкости может быть направлена во множество областей 21, сформированных в сосуде 2 таким образом, что капли G отбираются в эти области. 0 или 1, или больше капель G жидкости может быть направлено и отобрано в каждой из областей 21. Следует заметить, что управление направлением полета капли G жидкости может регулироваться за счет изменения заряда, переданного капелькам А или В с помощью средств 113, 113 или 123, 123 для заряда.
Можно заставить жидкость, содержащую мельчайшие частицы протекать через проточные каналы таким образом, что капли жидкости, содержащие мельчайшие частицы, выпускаются из отверстий, и за счет колебаний колебательного устройства 112 с заданной частотой колебаний, основываясь, например, на интервале отправки потока мельчайших частиц Р, в проточный канал 11, управление может быть выполнено таким образом, что заданное количество мельчайших частиц Р примешиваются в капельку А, выпускаемую из отверстия 111 (см. фиг.5). В этом случае также возможно примешивать заданное количество мельчайших частиц Р в капельку G, полученную после столкновения капли А, и распределять определенное количество мельчайших частиц во множество областей 21 за счет направления капли G в каждую из областей 21, сформированных в сосуде 2, для осуществления выборки. Количество мельчайших частиц, которое должно быть примешано в капельку, не имеет особых ограничений, и может быть установлено произвольно, но за счет распределения капель, каждая из которых содержит одну клетку, как мельчайшую частицу, например, по одной в каждую из областей, может быть использовано для фармакокинетического исследования, которое использует одноклеточное отсеивание.
(3-2) Распределение с помощью приводных средств
Фиг.7 является схематической диаграммой для объяснения структуры, используемой для распределения капель G жидкости, полученных после столкновения и смешивания в устройстве смешивания вещества, в соответствии с измененным примером первого варианта осуществления изобретения. Фигура показывает структуру для распределения капель G жидкости во множество областей 21 сосуда 2 за счет перемещения проточных каналов с помощью приводных средств.
Относительные позиции проточных каналов 11 и 12 по отношению к сосуду 2 могут быть изменены в направлении осей Х и Y, показанных на фигуре, с помощью приводных средств (не показаны). Приводные средства не имеют особых ограничений, до тех пор, пока они могут перемещать относительные положения проточных каналов 11 и 12 по отношению к сосуду 2, при этом они могут состоять, например, из ходового винта, направляющей, и двигателя.
С помощью произвольного управления направлением полета капли G в направлении осей Х и Y, показанных на фигуре, за счет последовательного изменения относительных положений проточных каналов 11 и 12 по отношению к сосуду 2 посредством приводных средств, 0 или 1, или больше капель G жидкости могут быть отобраны в каждую из множества областей 21, сформированных в сосуде 2. Следует заметить, что количество капель G жидкости, которые должны быть отобраны в области 21, может быть одинаковым во всех областях или различным.
Следует заметить, что на фиг.6 и 7 показаны случаи, в которых в качестве сосуда 2 используется многопластинчатый сосуд, в котором 96 ячеек (областей 21) формируются на пластиковой подложке. Также в качестве сосуда 2 могут быть использованы различные пластиковые сосуды, которые обычно используются в таких случаях, при этом за счет обеспечения множества этих сосудов 0 или 1, или больше капель G жидкости могут быть направлены в каждый из сосудов 2, и может быть осуществлена их выборка.
4. Устройство смешивания вещества, выполненное в виде микросхемы,
(4-1) Общий обзор структуры устройства
Фиг.8 является схематической диаграммой для объяснения третьего варианта осуществления изобретения устройства смешивания вещества, в соответствии с настоящим изобретением. Устройство смешивания вещества этого варианта осуществления изобретения имеет характеристики, которые обеспечивают проточные каналы, через которые протекают жидкости, содержащие вещества, которые должны быть смешаны, при этом протоки формируются в единой микросхеме. Фигура показывает схематическую структуру устройства,
На этой фигуре ссылочная позиция 1 обозначает микросхему. В микросхеме 1 формируются проточные каналы 11, 12 и 13, через которые протекают жидкости, содержащие вещества, которые должны быть смешаны. Жидкость, содержащая мельчайшие частицы, протекает из этих трех протоков через в проточный канал 11.
Ссылочная позиция 112 обозначает колебательное устройство для образования капель жидкостей, выпускаемых из отверстий проточных каналов 11, 12 и 13, и испускания их. Здесь будет описываться внутренняя структура микросхемы, в которой колебательное устройство 112 формируется как целая часть с микросхемой 1. Однако, также существует возможность, чтобы колебательное устройство 112 было обеспечено на боковой стороне главного корпуса устройства, в таком положении, когда оно контактирует с микросхемой, когда микросхема устанавливается на устройство.
Кроме того, ссылочные позиции 31 и 32 обозначают средства обнаружения мельчайших частиц, содержащихся в жидкости, которая протекает через проточный канал 11, при этом средства обнаружения представляют собой систему облучения и систему обнаружения (см. также фиг.5).
Жидкость, содержащая вещества, которые должны быть смешаны, подается к проточным каналам 11, 12 и 13 с помощью средств подачи жидкости (не показаны) и выпускается в виде капель жидкости из отверстий проточных каналов за счет воздействия колебательного устройства 112. Выпущенные капли жидкости сталкиваются в заданном положении в пространстве, находящемся снаружи микросхемы 1, чтобы превратиться в единую капельку G. В результате этого действия вещества перемешиваются (см. также фиг.3). Кроме того, направление перемещения капель G, полученное после столкновения, управляется с помощью первых парных электродов 51,51 и вторых парных электродов 52, 52. Таким образом капелька G направляется к множеству областей 21, сформированных в сосуде 2, при этом производится ее выборка (см. также фиг.6).
Микросхема 1 может быть сформирована из стекла или различных пластиков (РР - полипропилен, PC - поликарбонат, СОР, PDMS - полидиметилсилоксан и т.д.). Для материала микросхемы желательно иметь проницаемость по отношению к лазерному свету, излучаемому средствами 31 обнаружения, и иметь меньше оптических ошибок вследствие маленькой автогенной флуоресценции и маленькой дисперсии по длине волны.
Формирование проточного канала 11 и подобной структуры в микросхеме 1 может быть выполнена с помощью жидкостного травления или сухого травления стеклянной подложки, или наноотпечатка, литьевого формования, и механической обработки пластиковой подложки. Микросхема 1 может быть сформирована с помощью сваривания подложки, на которой формируются проточный канал 11 и подобные структуры, с подложкой, сформированной из такого же материала или из другого материала.
(4-2) Микросхема
Структура микросхемы 1 будет подробно описана со ссылкой на фиг.9.
На микросхеме 1 формируются впускное отверстие 115 пробной жидкости, в которое вводится жидкость (в дальнейшем определяемая как «пробная жидкость»), содержащая мельчайшие частицы, которые должны быть смешаны, а также впускное отверстие 114 проточной жидкости, в которое вводится проточная жидкость. Пробная жидкость, которая вводится во впускное отверстие 115 пробной жидкости, протекает через мельчайшую трубку 116, для того чтобы подаваться к проточному каналу 11. Кроме того, проточная жидкость, которая вводится во впускное отверстие 114 проточной жидкости, сначала разделяется двунаправлено в положительном и отрицательном направлениях по оси Y от впускного отверстия 114 проточной жидкости, для того чтобы осуществить ее подачу, а затем поворачивает дважды почти на 90 градусов, чтобы соединиться в положении, в котором обеспечивается мельчайшая трубка 116.
Мельчайшая трубка 116 вводит пробную жидкость, которая была введена из впускного отверстия 115 пробной жидкости, в ламинарный поток проточной жидкости, протекающий через проточный канал 11 после слияния потоков. Соответственно, мельчайшая трубка 116 подает пробную жидкость ниже по ходу течения относительно проточного канала 11, в то время как ламинарный поток пробной жидкости окружается ламинарным потоком проточной жидкости. За счет того, что ламинарный поток пробной жидкости подается в центр ламинарного потока проточной жидкости, мельчайшие частицы могут подаваться в ламинарный поток пробной жидкости, который в то же самое время выровнен в одну линию с проточным каналом 11.
Средства обнаружения (на фиг. обозначена только система 31 излучения) облучают светом лазера мельчайшие частицы, протекающие по прямой линии через проточный канал 11, обнаруживают свет от объекта измерения, генерируемый от мельчайших частиц, и преобразуют его в электрический обнаруживаемый сигнал. В дальнейшем, участок в проточном канале 11, в котором выполняется обнаружение мельчайших частиц, будет определяться как «участок обнаружения» (обозначенный на фиг. буквой F). Пробная жидкость и проточная жидкость, которые уже прошли участок обнаружения F, выпускаются наружу через проточный канал 11 из отверстия 111, открытого на одной стороне микросхемы 1.
Сигнал обнаружения от средств обнаружения выводится к контроллеру 4 (не показан), который рассчитывает интервал отправки потока мельчайших частиц в проточный канал 11, основываясь на сигнале обнаружения, и управляет частотой колебаний колебательного устройства 112, основываясь на вычисленном интервале отправки потока частиц (см. также фиг.5). Затем с помощью колебаний микросхемы 1 на заданной частоте колебаний, основанной на интервале отправки потока мельчайших частиц, колебательное устройство 112 формирует капли пробной жидкости и проточной жидкости, выпускаемые из отверстия 111, и управляет процессом таким образом, чтобы примешивать заданное количество мельчайших частиц в капли жидкости. Фиг.10 показывает случай, когда управление выполняется таким образом, чтобы примешивать одну мельчайшую частицу Р в капельку А жидкости, выпускаемую из отверстия 111. Также возможно примешивать две или более мельчайших частиц в каждую капельку жидкости, или примешивать различные количества мельчайших частиц в капли жидкости.
Следует заметить, что средства обнаружения могут быть заменены, например, на электрические или магнитные средства обнаружения, как уже описывалось выше. Когда используются электрические или магнитные средства обнаружения мельчайших частиц, на обеих сторонах проточного канала 11 обеспечиваются расположенные противоположно мельчайшие электроды, при этом измеряются: значения сопротивления, емкости, индуктивности, импеданс, а также изменение значения электрического поля между электродами, или намагничивание, изменение магнитного поля и подобные параметры.
Кроме того, на микросхеме 1 формируются впускные отверстии 124 и 134, в которые вводятся жидкости, содержащие подлежащие перемешиванию вещества. Жидкости, которые вводятся в протоки 12 и 13 через впускные отверстии 124 и 134, также выпускаются как капли В и С из отверстий 121 и 131 за счет колебаний колебательного устройства 112.
12
13
11
12
13
Отверстие 111 проточного канала 11, отверстие 121 проточного канала 12 и отверстие 131 проточного канала 13 открыты на той же самой стороне микросхемы 1 и обеспечиваются таким образом, что капли А, В и С жидкости, выпускаемые из отверстий проточных каналов, могут сталкиваться друг с другом. В частности, как описывалось со ссылкой на фиг.3, угол θ столкновения капель А и В жидкости, угол θ столкновения капель А и С жидкости, а также расстояния L, L и L пролета до положений столкновения капель жидкости устанавливаются соответствующим образом, на основании скорости полета и размера капель жидкости, интервала выпуска капель из отверстий, и подобных параметров, чтобы дать возможность капелькам столкнуться друг с другом.
В устройстве для смешивания веществ жидкость, содержащая мельчайшие частицы Р, выпускается как капли А из отверстия 111 проточного канала 11, а жидкости, содержащие вещества, которые должны смешиваться, выпускаются как капли В и С жидкости из отверстий 121 и 131 проточных каналов 12 и 13. За счет того, что эти капли принуждаются сталкиваться друг с другом, мельчайшие частицы и вещества, содержащиеся в капельках, могут быть равномерно смешаны в пределах короткого промежутка времени.
Кроме того, в устройстве для смешивания веществ за счет регулирования количества подаваемой жидкости (расхода потока) по отношению к проточным каналам 12 и 13, диаметров отверстий 121 и 131, и подобных параметров, размеры капель А, В и С могут регулироваться, и вещества могут быть примешаны в капли в определенном количестве. Поэтому множество веществ могут быть смешаны с мельчайшими частицами Р, не вызывая при этом вариаций в количествах.
Кроме того, поскольку в устройстве для смешивания веществ проточные каналы 11, 12 и 13 формируются в единой микросхеме 1, то нет необходимости обеспечивать позиционирование (выравнивание) проточных каналов и отверстий, с тем, чтобы позволить капелькам сталкиваться друг с другом. Кроме того, за счет использования недорогой микросхемы, которая может быть использована в одноразовом варианте, как средство для формирования проточных каналов и средство для того, чтобы вызвать столкновение капель друг с другом, становится возможным предотвратить загрязнение, которое может произойти среди образцов для анализа.
12
13
11
12
13
На фиг.9 и 10 показан случай, когда вещества смешиваются за счет обеспечения трех проточных каналов 11, 12 и 13. Однако количество проточных каналов, которые должны быть обеспечены в микросхеме 1, не имеет особых ограничений, и может составлять 4 или более протоков. Кроме того, угол θ столкновения капель А и В жидкости, угол θ столкновения капель А и С жидкости, а также расстояния L, L и Lпролета до положений столкновения капель жидкости могут быть установлены произвольно внутри диапазона, в пределах которого капли способны сталкиваться друг с другом, и наряду с этим, установочные позиции проточных каналов 11, 12 и 13, а также отверстий 111, 121 и 131, и подобные параметры, на микросхеме 1 могут изменяться соответствующим образом.
Кроме того, хотя на фиг.9 и 10 показан пример случая, когда капли А, содержащие мельчайшие частицы, выпускаются из отверстия 111 проточного канала 11, содержащая мельчайшие частицы жидкость может быть принуждена протекать через два или более проточных каналов. Например, также возможно обеспечить впускное отверстие для проточной жидкости, мельчайшую трубку, участок F обнаружения, и подобные компоненты, в проточном канале 12, также как и в проточном канале 11, и выпускать капли А и В жидкости, содержащие мельчайшие частицы, из отверстий 111 и 121. В этом случае обе жидкости, протекающие через проточные каналы 11 и 12, могут включать в себя один тип, или два типа, или большее число типов мельчайших частиц, при этом мельчайшие частицы, содержащиеся в этих жидкостях, могут быть или одинаковыми, или различными.
В дальнейшем структура микросхемы 1 со ссылками на фиг.11-14, в добавление к фиг.9, будут описываться более подробно.
На фиг.9 ссылочная позиция 117 обозначает сужающийся участок, обеспеченный в проточном канале 11. Сужающийся участок 117 формируется таким образом, что область вертикального поперечного сечения по отношению к направлению подачи жидкости в проточном канале постепенно становится меньше от стороны, расположенной выше по ходу течения, к стороне, расположенной ниже по ходу течения.
Фиг.11 является схематическими диаграммами с сечением для объяснения установочного положения мельчайшей трубки 116, структуры проточного канала 11 в непосредственной близости от сужающегося участка 117, а также состояний протекания ламинарного потока пробной жидкости и ламинарного потока проточной жидкости. Фиг.11(А) показывает горизонтальную диаграмму сечения (диаграмму сечения в плоскости осей XY), а фиг.11(В) показывает вертикальную диаграмму сечения (диаграмму сечения в плоскости осей ZX). На этих фигурах символ S обозначает ламинарный поток пробной жидкости, символ Т обозначает ламинарный поток проточной жидкости, а символ Р обозначает мельчайшие частицы, содержащиеся в пробной жидкости.
Ламинарный поток S пробной жидкости вводится в ламинарный поток Т проточной жидкости, протекающий через проточный канал 11, через мельчайшую трубку 116 и подается в него, при этом он окружен ламинарным потоком Т проточной жидкости (трехмерный 3D ламинарный поток), как показано на фигурах.
Боковая стенка проточного канала сужающегося участка 117 сформирована таким образом, что она сужается в направлении подачи жидкости вдоль направления по оси Y на фигуре, при этом сужающийся участок 117 имеет коническую форму, которая постепенно сужается, как показано на верхнем виде. За счет этой формы сужающийся участок 117 сужает ширину ламинарного потока проточной жидкости и пробной жидкости, и подает их в таком виде. Кроме того, сужающийся участок 117 формируется таким образом, что он является наклонной поверхностью, в которой нижняя поверхность проточного канала становится выше в направлении глубины (направление оси Z) от стороны, расположенной выше по ходу течения, к стороне, расположенной ниже по ходу течения, а также сужает ширину ламинарного потока в том же самом направлении.
Как описано выше, за счет формирования трехмерного ламинарного потока, в котором ламинарный поток S пробной жидкости окружается ламинарным потоком Т проточной жидкости, и за счет подачи такого ламинарного потока в виде сужающегося по ширине трехмерного ламинарного потока, мельчайшие частицы Р могут быть расположены одна за другой в суженном ламинарном потоке S пробной жидкости. В результате, положение отправки потока мельчайших частиц Р в проточный канал 11 может быть позиционировано, и свет лазера от средств 31 обнаружения может точно показать на мельчайшие частицы Р в участке F обнаружения.
В частности, поскольку ширина ламинарного потока S пробной жидкости может быть сужена не только в горизонтальном направлении микросхемы 1 (направление по оси Y на фиг.11А), но также и в вертикальном направлении (направление по оси Z на фиг.11В) за счет сужающегося участка 117, фокальное положение лазерного света в направлении глубины проточного канала 11 может быть выровнено таким образом, чтобы точно соответствовать положению отправки потока мельчайших частиц Р. Поэтому становится возможным получение высокой чувствительности измерения при точном облучении лазерным светом мельчайших частиц Р.
Здесь предполагается, что за счет формирования проточного канала 11, как в достаточной степени тонкого проточного канала, и введение ламинарного потока S пробной жидкости в ламинарный поток Т проточной жидкости, протекающий через проточный канал 11, используя мельчайшую трубку 116, имеющую маленький диаметр, возможно формирование трехмерного ламинарного потока, в котором ширина ламинарного потока сужается заранее. Однако в этом случае, за счет того, что диаметр мельчайшей трубки 116 выполнен маленьким, существует возможность того, что мельчайшие частицы Р могут застревать в мельчайшей трубке 116.
За счет обеспечения сужающегося участка 117 в микросхеме 1, возможно уменьшить ширину ламинарного потока после того, как используя мельчайшую трубку 116, имеющую в значительной степени больший диаметр, чем диаметр мельчайших частиц Р, содержащихся в пробной жидкости, был сформирован трехмерный ламинарный поток. Поэтому проблема засорения мельчайшей трубки 116 не вызывается.
На фиг.11 показан случай, когда мельчайшая трубка 116 выполнена таким образом, что ее центр становится соосным с центром проточного канала 11. В этом случае ламинарный поток S пробной жидкости вводится в центр ламинарного потока Т проточной жидкости, протекающего через проточный канал 11. Положение ламинарного потока S пробной жидкости в ламинарном потоке Т проточной жидкости может быть установлено произвольно, за счет регулирования положения выходного отверстия мельчайшей трубки 116 в проточном канале 11. Кроме того, для уменьшения ширины ламинарного потока, необходимо только обеспечить, чтобы сужающийся участок 117 был сформирован таким образом, чтобы площадь вертикального поперечного сечения по отношению к направлению подачи жидкости постепенно уменьшалась от стороны, расположенной выше по ходу течения, к стороне, расположенной ниже по ходу течения в проточном канале. Не ограничиваясь формой, показанной на фиг.11, сужающийся участок 117 может быть сформирован, например, таким образом, что обе поверхности проточного канала, т.е. нижняя поверхность и верхняя поверхность, формируются как наклонные поверхности, чтобы таким образом могло быть выполнено сужение.
Внутренний диаметр мельчайшей трубки 116 может быть установлен соответствующим образом, основываясь на диаметре мельчайших частиц Р. Например, при выполнении реакционного анализа по отношению к клеткам крови, используя кровь как пробную жидкость, внутренний диаметр мельчайшей трубки 116, предпочтительно, устанавливают около 10-500 мкм. Кроме того, необходимо только устанавливать соответствующим образом ширину и глубину проточного канала 11 в положении, где находится отверстие мельчайшей трубки 116, основываясь на внешнем диаметре мельчайшей трубки 116, на диаметре которой отражается диаметр мельчайших частиц Р. Например, когда внутренний диаметр мельчайшей трубки 116 составляет около 10-500 мкм, то ширина и глубина проточного канала 11 в положении, где находится отверстие мельчайшей трубки 116, предпочтительно, составляет около 100-2000 мкм. Следует заметить, что форма поперечного сечения мельчайшей трубки вместо круговой формы может быть произвольной формой, такой как овал, квадрат и треугольник.
3
3
3
1
2
3
3
1
1
2
Ширина ламинарного потока S пробной жидкости и ширина ламинарного потока Т проточной жидкости, которая была уменьшена с помощью сужающегося участка 117, может быть уменьшена до произвольной ширины ламинарного потока за счет соответствующего регулирования площади вертикального поперечного сечения сужающегося участка 117 по отношению к направлению потока жидкости. Например, когда длина проточного канала сужающегося участка 117 представлена величиной 1, а угол наклона нижней поверхности проточного канала представлен δ на фиг.11(В), то ширина сужения трехмерного ламинарного потока на сужающемся участке 117 становится равной 1*tanδ. Поэтому, за счет соответствующего регулирования длины 1 проточного канала и угла δ наклона, может быть установлена произвольная ширина сужения. Кроме того, с помощью углов сужения боковой стенки проточных каналов сужающегося участка 117 в направлении оси Y, представленных δ и δ, которые удовлетворяют, вместе с δ, следующим уравнениям: "δ=2*δ, δ=δ", как показано на фиг.11 (А), ламинарный поток S пробной жидкости и ламинарный поток Т проточной жидкости могут быть сужены изотропически, и ширина ламинарного потока может быть уменьшена без разрушения трехмерного ламинарного потока, сформированного с помощью мельчайшей трубки 116.
Ширина ламинарного потока S пробной жидкости и ширина ламинарного потока Т проточной жидкости на участке F обнаружения, которая была сужена с помощью сужающегося участка 117, предпочтительно, составляет около 20-2000 мкм в ширину и глубину проточного канала 11.
На фиг.9 ссылочная позиция 118 обозначает участок 118 с повышенным давлением, который обеспечивается в проточном канале 11 в положении, которое находится выше по ходу течения относительно отверстия 111, и ниже по ходу течения относительно участка F обнаружения. Участок 118 с повышенным давлением формируется таким образом, что площадь вертикального поперечного сечения по отношению к направлению подачи жидкости постепенно уменьшается от стороны, расположенной выше по ходу течения, к стороне, расположенной ниже по ходу течения в проточном канале. Другими словами, аналогично сужающемуся участку 117, участок 118 с повышенным давлением формируется таким образом, что боковая стенка проточного канала сужается в направлении по оси Y на фигуре, вдоль направления подачи жидкости, а нижняя поверхность проточного канала становится наклонной поверхностью, которая становится выше в направлении глубины (направление по оси Z) от стороны, расположенной выше по ходу течения, к стороне, расположенной ниже по ходу течения.
Фиг.12 являются схематическими чертежами с сечением для объяснения структур участка с повышенным давлением 118, структуры проточного канала 11 поблизости от отверстия 111, а также состояний ламинарного потока пробной жидкости и ламинарного потока проточной жидкости. Фиг.12(А) показывает чертеж с горизонтальным сечением (вид с сечением по плоскости XY), а фиг.12(В) показывает чертеж с вертикальным сечением (вид с сечением по плоскости ZX). На фигурах символ S обозначает ламинарный поток пробной жидкости, символ Т обозначает ламинарный поток проточной жидкости, а символ Р обозначает мельчайшие частицы, содержащиеся в пробной жидкости.
Ламинарный поток S пробной жидкости и ламинарный поток Т проточной жидкости подаются таким образом, что ширина ламинарного потока сужается благодаря участку 118 с повышенным давлением в направлениях по осям Y и Z, показанных на фиг. За счет уменьшения ширины ламинарного потока, участок 118 с повышенным давлением функционирует таким образом, чтобы увеличивать давление подаваемой жидкости - как пробной жидкости, так и проточной жидкости - в проточном канале 11, и выпускать жидкости из отверстия 111 при высоком давлении.
3
3
3
Ширина ламинарного потока S пробной жидкости и ламинарного потока Т проточной жидкости в той части, где находится отверстие 111, может быть уменьшена до произвольной ширины ламинарного потока с помощью соответствующего регулирования площади вертикального поперечного сечения участка 118 с повышенным давлением по отношению к направлению подачи жидкости. Например, когда длина проточного канала участка 118 с повышенным давлением представлена величиной 1, а угол наклона нижней поверхности проточного канала представлен δ на фиг.12(В), то ширина сужения трехмерного ламинарного потока на участке 118 с повышенным давлением становится равной l*tanδ. Поэтому, за счет соответствующего регулирования длины 1 проточного канала и угла δ наклона, может быть установлена произвольная ширина сужения. Ширина ламинарного потока S пробной жидкости и ламинарного потока Т проточной жидкости в той части, где находится отверстие 111, предпочтительно, составляет около 20-500 мкм в ширину и глубину той части, где находится отверстие 111.
1
2
3
3
1
1
2
Следует заметить, что участок 118 с повышенным давлением является таким же, как сужающийся участок 117 с той точки зрения, что уменьшение ширины ламинарного потока S пробной жидкости и ламинарного потока Т проточной жидкости может быть выполнено как со стороны нижней поверхности проточного канала, так и со стороны верхней поверхности участка 118 с повышенным давлением, поскольку это наклонные поверхности, и форма участка 118 с повышенным давлением не ограничиваются формой, показанной на фигурах. Кроме того, с помощью углов сужения боковой стенки проточных каналов участка 118 с повышенным давлением в направлении оси Y, представленных δ и δ, которые удовлетворяют, вместе с углом δ сужения в направлении оси Z, следующим уравнениям: "δ=2*δ, δ=δ", как показано на фиг.12(А), трехмерный ламинарный поток, сформированный с помощью мельчайшей трубки 116, может быть сужен изотропически, и ширина ламинарного потока может быть уменьшена без разрушения трехмерного ламинарного потока, как было описано выше в отношении к сужающемуся участку 117.
Подобно участку 118 с повышенным давлением проточного канала 11, участки 128 и 138 с повышенным давлением обеспечиваются в проточных каналах 12 и 13 для выпускания жидкостей из отверстий 121 и 131 при высоком давлении. Ширина и глубина проточных каналов в той части, где находятся отверстия 121 и 131, может быть уменьшена по произвольной системе за счет соответствующего регулирования площадей вертикального поперечного сечения участков 128 и 138 с повышенным давлением по отношению к направлению подачи жидкости. За счет регулирования диаметров отверстий 121 и 131, и подобных параметров, возможно регулировать размеры капель В и С жидкости, а также регулировать количество веществ, которые должны смешиваться с капелькой А жидкости.
Фиг.13 являются схематическими чертежами с сечением для объяснения ширины и глубины проточного канала 11 на соответствующих участках. Каждая из фигур показывает сечение по плоскости YZ проточного канала 11. Фиг.13(А) показывает сечение положения отверстия в месте выхода из мельчайшей трубки 116, фиг.13(В) показывает сечение участка F обнаружения, а фиг.13(С) показывает сечение участка проточного канала 11, в котором находится отверстие 111.
Как показано на фиг.13(А), в положении отверстия в месте выхода из мельчайшей трубки 116 ламинарный поток S пробной жидкости и ламинарный поток Т проточной жидкости подаются как трехмерный ламинарный поток, в котором ламинарный поток S пробной жидкости окружается ламинарным потоком Т проточной жидкости. Как уже описано выше, ширина и глубина проточного канала 11 в положении отверстия места присоединения мельчайшей трубки 116 устанавливается соответствующим образом, например на величину около 100-2000 мкм, основываясь на внешнем диаметре мельчайшей трубки 116, на котором отражается диаметр мельчайших частиц Р.
Трехмерный ламинарный поток, сформированный мельчайшей трубкой 116, подается к участку F обнаружения в состоянии, когда ширина ламинарного потока уменьшается благодаря сужающемуся участку 117 (см. фиг.13(В)). За счет уменьшения ширины ламинарного потока благодаря сужающемуся участку 117, мельчайшие частицы Р располагаются одна за другой в ламинарном потоке S пробной жидкости, который должен подаваться к участку F обнаружения.
Ширина ламинарного потока S пробной жидкости и ламинарного потока Т проточной жидкости на участке F обнаружения может быть установлена соответствующим образом, за счет выполненного надлежащим образом регулирования площади вертикального сечения сужающегося участка 117 по отношению к направлению подачи жидкости. Ширина (W) и глубина (Н) проточного канала 11 на участке F обнаружения устанавливается на значение около 20-2000 мкм для создания угла оптического обнаружения (числовая апертура оптической системы) средств 31 обнаружения в достаточной степени большим. В результате, угол ﻻ оптического обнаружения и числовая апертура могут быть сделаны в достаточной степени большими.
Кроме того, форма проточного канала 11 на участке 33 светового облучения является, предпочтительно, прямоугольной по отношению к направлению облучения измерительного света, излучаемого световыми средствами 3 обнаружения с увеличенной шириной (W) по отношению к глубине (Н). С помощью такой широкой формы проточного канала 11 для жидкости на участке 33 светового облучения возможно увеличить числовую апертуру оптической системы.
Ламинарный поток S пробной жидкости и ламинарный поток Т проточной жидкости, которые прошли участок F обнаружения, подаются к отверстию 111 после того, как ширина ламинарного потока снова уменьшается за счет участка 118 с повышенным давлением, как показано на фиг.13(С). За счет уменьшения ширины ламинарного потока благодаря участку 118 с повышенным давлением, может быть увеличено выпускное давление пробной жидкости и проточной жидкости при выходе из отверстия 111.
Ширина ламинарного потока S пробной жидкости и ламинарного потока Т проточной жидкости на участке, в котором находится отверстие 111, может быть установлена произвольным образом, за счет регулирования площади вертикального сечения участка 118 с повышенным давлением по отношению к направлению подачи жидкости. Для высокочастотного формирования капель жидкости, выходящих на высокой скорости из отверстия 111, желательно сделать ширину ламинарного потока S пробной жидкости и ламинарного потока Т проточной жидкости на участке, в котором находится отверстие 111, настолько маленьким, чтобы таким образом существенно увеличить выпускное давление пробной жидкости и проточной жидкости. Поэтому ширина (w) и глубина (h) проточного канала 11 на участке, в котором находится отверстие 111, предпочтительно устанавливается на значение, составляющее около 20-500 мкм.
Здесь был описан случай, когда ширина ламинарного потока трехмерного ламинарного потока, сформированного мельчайшей трубкой 116, сначала создает ширину, которая подходит для обнаружения мельчайших частиц на участке F обнаружения, благодаря сужающемуся участку 117, а затем создает ширину, с помощью которой могут формироваться высокочастотные капли жидкости, благодаря участку 118 с повышенным давлением. Уменьшение ширины ламинарного потока в проточном канале 11 необязательно должно выполняться в два шага, осуществляемых в сужающемся участке 117 и участке 118 с повышенным давлением, но также может выполняться таким образом, что ширина и глубина проточного канала постепенно и последовательно уменьшается от положения отверстия в месте выхода из мельчайшей трубки 116 проточного канала 11 до отверстия 111, например как показано на фигурах 14.
Кроме того, проточный канал 11 может принимать различные формы, до тех пор, пока ширина и глубина проточного канала в положении отверстия в месте выхода из мельчайшей трубки 116, на участке F обнаружения, и на участке, в котором находится отверстие 111, находятся в пределах диапазона желаемых числовых значений.
Кроме того, форма отверстия 111 может быть произвольной формой, такой как квадрат, прямоугольник, и круг. Кроме того, как показано на фиг.14, конечная часть поверхности участка отверстия может быть сформирована в виде формы обратного конуса. С такой формой в виде раструба конечной части поверхности отверстия 111, истечение сформированных капель жидкости может быть улучшено.
(4-3) Распределение с помощью средств использования заряда
В микросхеме 1 мельчайшая трубка 116 формируется из металла, к которому может быть приложено напряжение, и структурируется как средства, использующие заряд, для передачи положительного или отрицательного зарядов к пробной жидкости или проточной жидкости, протекающим через проточный канал 11. За счет приложения напряжения к проточной жидкости и пробной жидкости, осуществляемое посредством приложения напряжения к мельчайшей трубке 116, когда выпускаемые капли, образуемые из пробной жидкости и проточной жидкости, протекающих через проточный канал 11, выходят из отверстия 111, положительный или отрицательный заряд может быть передан к выпускаемым капелькам жидкости.
За счет передачи положительного или отрицательного зарядов к капелькам А жидкости, выпускаемым из отверстия 111 с помощью мельчайшей трубки 116, положительный или отрицательный заряд может быть также передан к капелькам G жидкости, полученным после столкновения с капельками В и С жидкости. Соответственно, направление перемещения капли G жидкости может управляться с помощью силы электрического отталкивания или силы абсорбции, которые действуют между первыми парными электродами 51, 51 и вторыми парными электродами 52, 52 (см. фиг.8).
Направление полета капли G жидкости после прохождения вторых парных электродов 52, 52 может управляться произвольно в направлениях осей Х и Y, показанных на фиг., за счет изменения напряжения, приложенного к первым парным электродам 51, 51 и вторым парным электродам 52, 52 и регулирования интенсивности силы электрического действия между капелькой G жидкости*. Соответственно, капелька G жидкости может направляться к каждой из множества областей, сформированных в сосуде 2, и осуществлять выборку в эти области. Следует заметить, что управление направлением полета капли G жидкости может регулироваться за счет изменения напряжения, приложенного к мельчайшей трубке 116.
(4-4) Распределение с помощью приводных средств
Фиг.15 является схематической диаграммой для объяснения другой структуры распределения капель G жидкости, полученных после столкновения и смешивания в устройстве смешивания вещества, выполненного в виде микросхемы. Фигура показывает структуру распределения капель G жидкости во множество областей 21 сосуда 2, в то время как перемещение микросхемы 1 осуществляется приводными средствами.
Здесь будет дано описание на основе примера, в котором распределение капель G жидкости производится с использованием микросхемы 1, на которой обеспечивается множество структурных модулей, составленных протоками 11, 12, 13 и т.д. для формирования капель G жидкости, по отношению к 96 ячейкам (областям 21), сформированным в многопластинчатом сосуде (сосуде 2) (в дальнейшем определяемого просто как «структурный модуль»).
В сосуде 2 восемь областей 21 располагаются в направлении оси X, а двенадцать областей 21 располагаются в направлении оси Y, как показано на фиг. Соответственно, также на микросхеме 1, как показано на фиг., 8 структурных модулей располагаются в один ряд в направлении оси X. Интервал в расположении структурных модулей совпадает с интервалом областей 21 в направлении оси X. В результате, смешанные капли G жидкости, выпускаемые из структурных модулей, отбираются в области 21, расположенные в ряд.
Микросхема 1 является подвижной за счет приводных средств (не показаны). За счет последовательного перемещения относительного положения микросхемы 1 относительно сосуда 2 с помощью приводных средств, 0 или 1, или более капель G жидкости могут быть отобраны в каждую из множества областей 21, сформированных в сосуде 2. В частности, во время последовательного перемещения микросхемы 1 в направлении оси Y, капли G жидкости каждый раз распределяются по восьми областям 21, расположенных в направлении оси X. Как описано выше, за счет формирования множества структурных модулей на микросхеме 1 и распределения в них смешанных капель жидкости, смешивание большого количества реакционных систем может быть выполнено за короткий промежуток времени.
Промышленная применимость
В устройстве смешивания вещества, согласно настоящему изобретению, с помощью испускания жидкостей, содержащих вещества, которые должны быть смешаны, в виде капель жидкости, из отверстий проточных каналов, и принуждения их сталкиваться друг с другом, вещества, содержащиеся в жидкостях, могут быть смешаны равномерно за короткий промежуток времени. Кроме того, поскольку вещества могут быть примешаны в капли жидкости в определенных количествах, вариации в количествах веществ, подлежащих смешиванию, не происходят. Поэтому устройство смешивания вещества, согласно настоящему изобретению, является полезным для выполнения высокоскоростной и крупномасштабной реакции различных соединений, и может использоваться для различных реакций и анализов, таких как цепная реакция полимеразы (PCR) и анализ на масс-спектрометре.
Кроме того, в устройстве смешивания вещества, согласно настоящему изобретению, жидкость, содержащая мельчайшие частицы, выпускается как капли жидкости из отверстия проточного канала, при этом жидкость, содержащая вещество, подлежащее смешиванию, выпускается как капли жидкости из отверстия другого проточного канала, при этом капли принуждаются сталкиваться друг с другом. В результате, мельчайшие частицы и вещество, содержащееся в капельках, могут быть смешаны равномерно за короткий промежуток времени. Следовательно, этот способ особенно полезен для смешивания мельчайших частиц, содержащих биологически существенные мельчайшие частицы, такие как клетка, микроорганизм, липосома, а также синтетические мельчайшие частицы, такие как частицы латекса, частицы геля, и промышленные частицы с различными соединениями, а также выполнения высокоскоростного и крупномасштабного анализа на реакции мельчайших частиц и соединений.
Описание символов:
А, В, С, G, Н - капли жидкости,
F - участок обнаружения,
Р - мельчайшая частица,
S - ламинарный поток пробной жидкости,
T - ламинарный поток проточной жидкости,
1 - микросхема,
11, 12, 13 - проточные каналы,
111, 121, 131 - отверстия,
112, 122, 132-колебательное устройство,
113, 123 - зарядные средства,
114 - впускное отверстие для проточной жидкости,
115 - впускное отверстие для пробной жидкости,
116 - мельчайшая трубка,
117 - сужающийся участок,
118, 128, 138 - участки с повышенным давлением,
124, 134 - впускные отверстия,
51, 52 - парные электроды,
2 - сосуд,
21 - область,
31, 32, 33 - средства обнаружения,
4 - средства управления.