專利名稱：在表面上流動液體的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及一種在表面上流動液體的方法和裝置。
背景技術：
有多種期望在表面上流動液體的應用。這種應用的一個示例在于表面的構圖或其它處理。利用液體的表面構圖或處理在包括化學、生物學、生物技術、材料科學、電子學和光學在內的領域范圍內正在變得越來越重要。通過向表面應用液體構圖表面通常包括對表面限定區(qū)域的液體限制。
若液滴與表面之間的接觸角小于90度，則表面通常可以為該液體浸潤。若通道在部分填充時在液體上作用負壓，則用于載運液體的通道通?？梢越櫋＿@種負壓促進了通道由該液體的填充。在具有均勻表面的通道中，若液體與表面之間的接觸角小于90度，則負壓升高。若表面與液體之間的接觸角更小，則表面通常視作更易浸潤，若表面與液體之間的接觸角更高，則更不易浸潤。
一種傳統(tǒng)的表面圖案化技術為光刻。在光刻中，掩模通常應用于待構圖的表面。在掩模中形成開口，從而限定待暴露用于處理的表面區(qū)域。表面保留由掩模覆蓋的區(qū)域被保護免受處理。掩模通常由抗蝕劑材料的圖案層形成。載有掩模的表面隨后通常浸入化學試劑槽中，用于處理表面的暴露區(qū)域。光刻是一種執(zhí)行起來相對昂貴的工藝，包括多個步驟。除了可能的短DNA串的原位合成外，光刻通常不適用于處理和構圖表面上的生物分子。光刻還不適于并行同時處理具有不同化學成份的表面，如Whitesides，Annu.Rev.Biomed.3(2001)，335至373所述。不同工藝步驟或用于光刻的化學試劑之間和通過光刻處理的各表面層之間可以存在不兼容性。
另一種傳統(tǒng)的表面構圖技術為滴輸送(drop delivey)。滴輸送系統(tǒng)，諸如針點標系統(tǒng)(pin spotting system)、噴墨系統(tǒng)等，通常將相對小體積的液體投射到表面上的特定位置。見Shena，M.，“Microarray biochip technology”，Eaton Publishing 2000。然而，這些系統(tǒng)具有有限的分辨率，因為表面上分散液滴的擴散。另外，通過這種系統(tǒng)形成的圖案的質量受到輸送液體干燥的有力限制，如Smith，J.T.，“Spreading Diagrams for the Optimization of QuillPin Printed Microarray Density”，Langmuir，18(2000)，p6289至6293。這些系統(tǒng)一般不利于溶解或從表面析取材料。另外，這些系統(tǒng)不便于表面上液體的流動。另外，這些系統(tǒng)不適于利用幾種液體順序處理表面。
PCT WO01/63241A2介紹了一種表面構圖技術，包括具有帶放電孔的通道的裝置。匹配柱與放電孔結合從而促進柱頂面上分子的沉積。此裝置的缺點在于無法對不同的柱獨立地改變構圖條件。另一缺點在于無法在表面上建立液流。表面對液體的暴露需要充分的長，從而允許試劑通過擴散到達表面。該方法還要求柱與孔匹配的表面。這種表面的制造要求昂貴的無塵室裝置和蝕刻工具。這可以增大每個構圖表面的成本。結合前裝置與柱精確的對準是要求的。另外，柱需要預處理從而確保液體的限制。放電孔與柱之間的間隔需要外部控制。
再一種傳統(tǒng)表面構圖技術包括對表面應用微流(microfluidic)。這種裝置的示例在美國專利6,089,853中介紹。其中介紹的裝置可以在表面上建立液體流。液流可以經(jīng)裝置中的毛細作用建立。該裝置可以以多種不同的液體同時處理表面，然而，該裝置必須密封于表面，為了限制液體到表面待處理的區(qū)域。這種限制允許圖案以相對較高的對比度和分辨率形成。這在用于生物篩和診斷目的的表面上構圖生物分子的情況下是令人期望的性質。另外，該裝置必須置于待處理的表面上并在其可以利用處理液填充以前在處理區(qū)域周圍密封。若通過毛細作用形成液流，則會出現(xiàn)其它問題。例如，裝置的工作端口對于每次構圖操作都必須以處理液填充。另外，僅一種液體可以輸送至裝置中的每個通道。在裝置從表面分開前，液體無法清潔出該或每個通道。另外，處理液易于在從表面移開裝置期間擴散出表面待處理的區(qū)域以外。另外，該裝置不適于利用幾種液體順序處理表面。若通過外部驅動如壓力，電場，等等形成液流，則可以出現(xiàn)其它問題。例如，必須為裝置的每個通道形成來自驅動器的單個連接。這種與外設的連接限制了可以集成到裝置中且獨立定位的通道的密度。泵送、閥門調節(jié)、以及控制的復雜性隨著通道數(shù)增加而增加。由于介于期間的導管，外部連接形成了裝置與外部驅動器之間的無效體積。
用于表面局部處理的另一種微流裝置在IBM Technical DisclosureBulletin reference RD n446 Article 165第1046頁中介紹。此裝置與美國專利6,089,853介紹的類似。該裝置允許幾種液體順序在相同的表面區(qū)域上流動，而無需從表面上分開裝置。這種裝置因此有益于包括順序輸送幾種液體的化學和生物反應。然而，與此裝置相關的缺點在于此其必須在填充前在表面待處理的區(qū)域周圍密封。另一缺點在于在將裝置應用于表面前無法填充液體。每個額外的步驟都需要輔助的相關液體的填充。另一缺點在于該裝置無法在工作端口中包括液體的同時不是液體在表面上擴散超出待暴露區(qū)域的情況下從表面上移開。
另一種用于在頂面與底面之間限制液體成為預定圖案而無需引入密封的傳統(tǒng)裝置在歐洲專利0075605中介紹。此裝置有益于在進行頂面與底面之間截流液體的光學分析。然而，該裝置要求在頂面和底面上都預先進行形貌或化學成份構圖。另外，不具有入口或出口的該裝置不適于輸運液體。
用于沿預定路徑引導液體的另一種裝置在WO99/56878中介紹。此裝置可以在表面上同時流出幾種液體而無需引入密封來限定液體。然而，此裝置的缺點在于路徑之間的分隔間隙必須無毛細作用的。這限制了路徑尺寸為大于1mm。否則彎曲液面壓強會產生無法控制的液體擴散。此裝置的另一缺點在于液體無法在分開后保留，而是會擴散在表面上。此裝置的另一缺點在于液體輸送需要外部連接到每個路徑。還需要繁瑣的外圍流量控制裝置。
用于沿表面引導液體而無需引入密封的另一種方法在Zhao等人的Science，Vol.291(2001)，第1023至1026頁中介紹。此處，該表面利用可浸潤性圖案構圖。具體而言，彼此成鏡像的兩個可浸潤路徑限定在不可浸潤的頂面和底面上。這產生了“虛”通道而無需橫向側壁，其可以具有微米的寬度。此方法的缺點在于要求在頂面和底面上都有可浸潤性的圖案。另外，兩圖案之間的可浸潤性對比度需要非常高，且要求頂面和底面上的非浸潤區(qū)域以及虛通道內的高度可浸潤區(qū)域兩者。另外，兩個圖案必須彼此形狀和對準精確的匹配。毛細作用可用于填充通道，但液體無法去除或替換。這種方法還可以產生液體不受控制的擴散，因為其相對難以產生足夠的不可浸潤表面。可以使用外部泵輸運液體，但若泵壓超出相對較低的水平，液體將溢出限定的流路。另外，外部泵送要求到每個流路的外部連接，由此限制了集成度。如前所述，外部連接在泵連接導管中產生了無效體積。
期望提供一種用于以更通用和方便的方式在表面上流動液體的技術。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)提供一種用于在表面上流動液體的裝置，該裝置包括流路；第一端口，用于向流路的一端供給液體并用于提供用于在流路遠離表面時保持液體的第一端口壓強；第二端口，用于接收來自流路的另一端的液體并用于提供第二端口壓強從而取向第一與第二負端口壓強之間的差，從而響應靠近表面設置的流路和裝置中的液體與表面接觸而促進液體從第一端口經(jīng)流路向第二端口的流動；以及，第一和第二端口壓強，使得響應流路從表面的拖開，液體朝向至少第二端口抽取。
該裝置優(yōu)選包括延伸到鄰近第一端口的流路中的凸起，用于引導來自第一端口的液體朝向表面。該凸起可以為彈性材料形成的，從而防止對裝置和/或表面的損傷。該裝置可以包括圍繞流路的外周緣，用于在裝置接近表面時，密封流路于表面。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，該裝置包括第一開口，連通于第一端口與流路之間，用于向第一端口中的液體提供第一開口壓強，第一開口壓強比第一端口壓強更加負；以及，第二開口，連通在流路與第二端口之間，用于向流路中的液體提供第二開口壓強，第二開口壓強比第一端口壓強更負。優(yōu)選地，該裝置包括較不易由液體浸潤的側面和較易由液體浸潤的側面，其中流路設置在較不易浸潤側面包圍的較易浸潤側面上。在本發(fā)明的特定優(yōu)選實施例中，該裝置包括容納第一端口和第二端口的主體，以及從主體延伸而形成流路的延伸突出，第一和第二開口設置在延伸的相對端部。延伸圍繞流路的側面與流路相比優(yōu)選較不易由液體浸潤。流路由此延伸部分限定且設置在延伸部分末端。鄰近末端設置且面對末端的表面可以在中間的間隙內形成表面通道。液體可以經(jīng)界面張力無物理密封地限制和引導在該表面通道內。這有效防止流路內俘獲氣泡。氣泡的俘獲可以不利地影響液體的流速。流路可以是直的或彎曲的。
第一端口可以包括第一毛細網(wǎng)絡，用于提供第一端口壓強。第一毛細網(wǎng)絡可以包括多個平行毛細部件、篩、多孔材料、以及纖維材料中的至少一種。第二端口可以包括第二毛細網(wǎng)絡，用于提供第二端口壓強。第二毛細網(wǎng)絡可以包括多個平行毛細部件、篩、多孔材料、以及纖維材料中的至少一種。該裝置可以包括多個第一端口，每個都連接于該流路。類似的，該裝置包括多個第二端口，每個都連接于該流路。流路可以具有彎曲的截面?；蛘?，流路可以具有矩形截面。體現(xiàn)本發(fā)明的裝置可以具有整體的構造。并且可以由人造橡膠、硅、SU-8、光致抗蝕劑、熱塑塑料、陶瓷、以及金屬中任何一種形成?；蛘?，體現(xiàn)本發(fā)明的裝置可以具有分層構造，其中每層由人造橡膠、硅、SU-8、光致抗蝕劑、熱塑塑料、金屬、以及陶瓷中一種形成。
在本發(fā)明的特定優(yōu)選實施例中，流路約100微米長且約100微米寬，第一和第二端口的容積每個為500×10-9升，且在使用中，凸起限定裝置與表面之間的間隔在5與10微米之間的范圍內。第一和第二端口壓強使得液體響應流路從表面離開而朝向第一端口和第二端口抽取。本發(fā)明還擴展到一種每個都是此前所述的涂抹器裝置的陣列。
考慮本發(fā)明的另一方面，現(xiàn)提供一種方法，用于在表面上流動液體，該方法包括從涂抹器裝置的第一端口供給液體到裝置流路的一端；經(jīng)第一端口為液體提供第一端口壓強；在裝置的第二端口中接收來自流路另一端的液體；經(jīng)第二端口為液體提供與第一端口壓強不同的第二端口壓強；經(jīng)第一與第二端口壓強之間的差異促進液體響應設置在表面附近的流路而從第一端口經(jīng)流路至第二端口的流動，其中的液體接觸表面；以及，經(jīng)第一和第二端口壓強，響應流路從表面分開而至少朝向第二端口抽取液體。
該方法可以包括在流路從表面分開后，在表面的另一位置處再設置該裝置。同樣，該方法可以包括在流路從表面分開后，在另一表面上再設置該裝置。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，該方法包括表面與裝置接觸，其后從表面分開裝置，從而限定表面與流路之間的表面通道，用作從第一端口到第二端口的液體通道。該方法可以包括在濕潤環(huán)境下設置裝置從而開始從第一端口到第二端口的液體流動。該方法還可以包括冷卻裝置和/或表面中之一或兩者，從而經(jīng)凝結開始液體的流動?；蛘撸摲椒梢园ㄔ谘b置與表面之間施加電場，從而開始從第一端口到第二端口的液體流動。同樣，該方法可以包括向液體施加壓強脈沖，從而開始從第一端口到第二端口的液體流動?；蛘撸摲椒梢园ㄏ蛞后w施加熱脈沖，從而經(jīng)液體蒸發(fā)開始從第一端口到第二端口的液體流動。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，該方法通過反向第一端口與第二端口之間的壓強差反向液體流動的方向。該方法還可以包括經(jīng)第一和第二端口壓強響應流路從表面分開朝向第一和第二端口抽取液體。
在本發(fā)明的特定優(yōu)選實施例中，現(xiàn)提供一種用于在表面上流動液體的裝置，該裝置包括流路；第一端口，用于向流路供給液體；第一開口，連通于第一端口與流路的一端之間；第二端口，用于接收來自流路的另一端的液體；以及，第二開口，連通于流路另一端與第二端口之間。工作中，裝置與表面的結合開始了液體從第一端口經(jīng)流路到第二端口的流動。液體的流動通過從表面分開裝置而減小。由此，液體從第一端口到第二端口的流動可以通過將裝置與表面結合和分開而開始或停止。流路在裝置與表面結合時起工作流通道的作用。此技術以下稱做表面輔助傳輸技術或SALT技術。因此，基于此技術的裝置和模塊以下可以稱作SALT裝置。通過結合裝置與表面形成的工作流通道將在下面稱作表面通道。
在體現(xiàn)本發(fā)明的SALT裝置中，第一和第二端口中的壓強無需在裝置工作期間改變。這是因為裝置與表面的結合產生了其中液體在第一與第二端口之間自動流動的條件。此條件可以通過從表面分開裝置而自由中斷，同樣無需在第一或第二端口中額外控制壓強。
表面通道開始提供從第一開口到第二開口輸運液體的毛細作用。其后，第一與第二端口之間的壓強差產生了從第一端口到第二端口的液體流動。這種現(xiàn)象在裝置從表面分開時抑制。由此減小第一與第二端口之間的液體流動。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，第一端口向液體施加負壓強P1＜0。類似地，第二端口向液體施加負壓強P2＜0，P2＜P1。該壓強由此使得液體在表面通道有效時從第一端口向第二端口流動。在本發(fā)明的特別優(yōu)選實施例中，P1和P2通過毛細促進結構或“毛細泵”產生。毛細泵可以包括如前所述的毛細網(wǎng)絡。第一和第二端口的容積可以相當。
與SALT裝置相關的優(yōu)點在于其可以以處理液預填充，用于后續(xù)重復應用和從待處理表面區(qū)域移開。表面處理可以從相同的SALT裝置重復多次而無需再填充和由此導致延遲。與SALT裝置相關的另一優(yōu)點在于其可以傳輸一系列不同的液體和控制其中的每一個的流動比傳統(tǒng)的傳輸技術更加容易。與SALT裝置相關的再一優(yōu)點在于，其可以經(jīng)傳統(tǒng)的微制造技術迅速大量生產。SALT裝置的又一優(yōu)點在于其可以在處理區(qū)域中包括淺導管，從而提速傳輸量限制的化學反應。SALT裝置的額外優(yōu)點在于其可以應用微量處理劑而無需排空，因為液流可以相互控制從而根據(jù)需要更新試劑。在典型應用中，SALT裝置可以設置在表面上的任意位置，且處理參數(shù)可以經(jīng)通道尺寸和接觸時間控制。SALT裝置陣列相對容易制造。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，流量控制集成在每個SALT裝置中。這種陣列可以包括多個獨立的流動區(qū)域，從而便于以不同液體并行處理多個表面區(qū)域。
SALT可以在多種應用中采用。例如，SALT裝置可以應用于在表面的選定區(qū)域沉積生物分子從而形成生物陣列，由此便于大量制造生物芯片。SALT裝置可以同樣用于對表面的選定區(qū)域進行其它處理，這種處理包括在表面上修復構圖的缺陷；蝕刻表面的具體區(qū)域；在表面上沉積金屬；在表面上局部化電化學反應；沉積用于金屬的無電沉積的催化顆粒，在表面上沉積玻璃或橡膠豆或其它顆粒；鈍化表面的具體區(qū)域；在表面上構圖蛋白質、DNA、細胞或其它生物實體；進行化驗；著色細胞；從表面選擇細胞、蛋白質或其它顆粒；從表面上的陣列中找回分析物或特定結合生物分子；從膠體中提取DAN、蛋白質、或其它分子；以及將收集的細胞或分子與分析系統(tǒng)結合。這種分析系統(tǒng)的示例包括液體套色或電泳系統(tǒng)。體現(xiàn)本發(fā)明的裝置可以用于在表面的一個或多個區(qū)域上流動該分析系統(tǒng)的產物。在其它應用中，表面和/或裝置可以是透明的，從而允許液流的光學監(jiān)測和/或分子的光學監(jiān)測。在另一應用中，表面可以包括感應系統(tǒng)，諸如電極、薄膜、波導、以及相關的傳感器，從而允許在表面上流動的液體的分子檢測。從SALT技術獲得的其它工藝優(yōu)點是顯而易見的。SALT裝置還可以用于將小量樣品輸運到表面中形成的檢驗區(qū)域。因此將可以理解，SALT技術可以通過處理表面的特定區(qū)域而應用于疾病和/或污染物檢測。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，現(xiàn)提供一種用于向表面施加液體的裝置，該裝置包括用于載運液體的井、在井中用于從井到表面經(jīng)導管連通液體的開口，該導管具有對液體具有限定的可浸潤性的外側。


現(xiàn)在，將參照附圖僅以示例的方式介紹本發(fā)明的優(yōu)選實施例，附圖中圖1為加載液體時體現(xiàn)本發(fā)明的SALT涂抹器裝置的側截面圖；圖2為液體開始流出時裝置與表面接觸的例截面圖；圖3為液體流出期間裝置的側截面圖；
圖4為液體流出期間裝置的端截面圖；圖5為從表面上移開時裝置的側截面圖；圖6為用于體現(xiàn)本發(fā)明的SALT裝置的第一端口的示例的端截面圖；圖7為體現(xiàn)本發(fā)明的SALT裝置的另一示例的平面圖；圖8為用于體現(xiàn)本發(fā)明的SALT裝置的流路的端截面圖；圖9為用于體現(xiàn)本發(fā)明的另一SALT裝置的流路的端截面圖；圖10為體現(xiàn)本發(fā)明的另一SALT裝置的側截面圖；圖11為用于與圖案化表面組合的體現(xiàn)本發(fā)明的SALT裝置的側截面圖；圖12為用于與圖案化表面組合的裝置的端截面圖；圖13為體現(xiàn)本發(fā)明的另一SALT裝置的側截面圖；圖14為圖13所示裝置在工作中的側截面圖；圖15為圖13所示裝置在工作中的端截面圖；圖16為體現(xiàn)本發(fā)明的另一SALT裝置的側截面圖；圖17為體現(xiàn)本發(fā)明的SALT陣列的側截面圖；圖18為SALT陣列的端截面圖；以及圖19為體現(xiàn)本發(fā)明的互連SALT陣列的側截面圖。
具體實施例方式
參照圖1，體現(xiàn)本發(fā)明的SALT涂抹器裝置的示例包括由諸如PDMS、硅、SU-8、光致抗蝕劑、塑料、以及金屬的材料形成的主體10。第一端口20和第二段口30形成在主體10的一側。在主體10的另一側為較窄的延伸部分。流路40通過延伸部分的基部130限定。流路可以是直的或彎曲的。第一開口50連通于第一端口20與流路40的一端之間，類似地，第二開口60連通于第二端口30與流路40的另一端之間。流路40由此延伸于第一端口20與第二端口30之間。工作中，第一端口20起填料口作用，而第二端口30起促流口作用。液體70最初引入到第一端口20。
第一端口20保持液體70在第一壓強P1。P1優(yōu)選為負的。P1＜0。這有益于將液體70保持在第一端口20中。第一開口50可由液體浸潤，且提供了毛細或彎液面壓強。此壓強在第一開口20中的液體70上作用了負的第一開口壓強OP1＜0。OP1＜P1。由此，OP1朝向流路40從第一端口20吸取液體到第一開口50中。第一開口50在其與流路40交叉處展寬。由第一開口50提供的毛細壓強由此在此點被抑制。凸起90延伸出主體10到流路40中鄰近第一開口50。凸起90可由液體70浸潤。在操作中，凸起通過毛細力細起液體70到其頂端。凸起可以是彈性的從而防止損傷裝置或表面80。在本發(fā)明的其它實施例中，可以有沿流路40間隔的多個凸起90，從而確保表面通道100沿其長度具有均勻的深度。
在某些情況下，P1可以改變且可以大于或等于0。這可以出現(xiàn)，例如在第一端口20利用液體70裝得溢出的時候。這導致液體70具有突出的表面。這種表面是正壓強產生的原因，雖然大小相對較低。在這種情況下，開口50由液體70填充達到流路40與凸起90的交叉。對于形成液體70的相對高曲率的表面，期望開口50和凸起90的尺寸都相對較小。利用液體與周圍介質之間的張力，這種曲率產生相對較高的壓強，其限定液體70在第一端口20和開口50內，而不考慮正壓強頭。
從第一端口20到第二端口30的流動的開始將參照圖2介紹。裝置與表面80的結合形成與流路40相對應的表面通道100。凸起90鄰接表面80從而與流路40一同限定表面通道100的尺寸。表面通道100提供了毛細壓強，CP，其推動液體70從第一開口50到第二開口60。CP＜P1且CP＜0。CP的大小由液體79的表面張力、液體70與流路40和表面80的接觸角、以及形成在流路40與表面80之間的間隙的尺寸確定。因此，可以通過改變表面80與裝置之間的間隙的尺寸調整CP。間隙越小，CP的大小越高。間隙越大，CP的大小越小。
表面80不必完全平坦，而可以是粗糙、起皺、多孔、纖維狀和/或化學性質不勻質的。還應理解的是，流路40可以由液體70填充，即使裝置相對于表面80稍微傾斜。可以朝向面向下的表面操作面向上的裝置。這特別是在裝置的工作尺寸非常小的情況下是可以的，使得液體界面中的力超出內部的力。重力不會影響該裝置的工作。因此可以在降低的重力環(huán)境下使用該裝置。
液體70在表面80上的限制經(jīng)裝置的幾何形狀和可浸潤性來實現(xiàn)。面對表面80的延伸部分的基部130形成得更能夠由液體70所浸潤。然而，延伸部分的側壁110至120形成得較不易由液體70所浸潤。液體70不會擴散出去，因為側壁110至120與表面80的直角，以及因為側壁110至120較不易被浸潤的性質。這限制了表面80上的液體70到大致與流路40的區(qū)域相對應的區(qū)域?；?30的表面200和210優(yōu)選制成得盡量小，從而最小化未經(jīng)過液體70流經(jīng)的表面通道100的面積。
液體70在高可浸潤性表面上的限制通過使流路40在來自主體10的延伸部分上定位而加強。對液體限制進一步的加強通過最大化裝置的較易浸潤與較不易浸潤側之間的可浸潤性的對比度來實現(xiàn)。對于僅采用中等可浸潤性表面的應用，延伸部分單獨可以實現(xiàn)液體的限制且因此上述可浸潤性對比度可以降低或省略?；蛘撸谀承弥?，來自主體10的延伸部分可以省略，而液體限制通過可浸潤性對比度單獨實現(xiàn)。
參照圖3，第二開口60提供了毛細或彎液面壓強。此壓強在流路40中的液體70上作用了負的第二開口壓強OP2＜0。OP2＜OP1。由此，在液體70到達第二開口60時，其進入第二開口60中且朝向第二端口30推進。接著，第二端口30在液體70上作用負壓強P2＜0。P2＜P1。由此，P2支持液體70從第一端口20到第二端口30的流動。流速是比例(P1-P2)/Fr的函數(shù)，其中Fr為從第一端口20流向第二端口30的液體70的流阻。
圖4示出了沿正交于流路40的方向通過裝置的截面圖。與側壁110至120類似，側壁140至150較不易浸潤，從而防止液體70擴散超出表面通道100。毛細壓強將液體70保留在表面通道100內。
參照圖5，若間隙增大，CP的大小減小。最終，CP達到閾值。在該閾值以下，表面通道100中的液體首先排出到第二端口30中，且因為P1＜0而在其后緊接著到第一端口20中。該排泄導致液體70從第一端口20到第二端口30的流動的中斷。液體70從第一端口20到第二端口30的流動可以通過將裝置從表面80上分開而簡單地減小。因此可以通過使裝置與表面80結合而開始液體70從第一端口20到第二端口30的流動，以及通過將裝置從表面80分開而停止流動。
在本發(fā)明特別優(yōu)選的實施例中，流路40大約為100微米長和100微米寬，且限定表面通道的凸起90從裝置的基部延伸1至10微米之間。第一端口20和第二端口30的容積每個為500×10-9升。表面通道100的深度無法超出表面通道100的寬度。表面通道100的最大深度等于表面通道100的寬度?？梢岳斫猓诒景l(fā)明的其它實施例中，SALT裝置可以具有不同的尺寸。
液體70可以包括用于處理表面80特定區(qū)域的處理劑。裝置與表面80的結合導致處理劑在表面80面對流路40的區(qū)域上從第一端口20至第二端口30流動。表面80面對流路40的區(qū)域由此暴露于處理劑。
此上參照圖1至5介紹的工藝可以重復幾次，從而處理表面100不同的區(qū)域或不同的表面。液體70流在每次裝置與表面80結合時開始，在每次裝置從表面80上分開時停止。液體70的供給可以經(jīng)第一端口20根據(jù)需要補充。
上述處理劑可以是分子。體現(xiàn)本發(fā)明的SALT裝置因此可用于表面的生物構圖。然而，體現(xiàn)本發(fā)明的SALT裝置不限于傳送分子等到表面限定區(qū)域的應用。其它類型的液體可以根據(jù)期望處理的表面而采用。SALT裝置可以用于順序傳送不同的處理至表面的限定區(qū)域?？赡艿囊后w的示例包括蝕刻劑等，用于在表面上產生局部化學反應。這種SALT裝置可以重復使用，根據(jù)需要補充液體源。與表面處理相關的工藝參數(shù)可以通過壓強差、液體黏度、開口50和60的尺寸、表面通道尺寸、以及接觸時間來控制。
參照圖6，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，第一流速控制器190設置在第一端口20中。工作中，第一流速控制器190有助于建立P1。第一流速控制器可以具有多種形式。然而，在本發(fā)明的特別優(yōu)選實施例中，第一流速控制器190包括多個延伸至第一端口20中的毛細部件。工作中，毛細部件形成毛細網(wǎng)，通過在液體70上作用毛細作用而有助于P1。
形式與第一流速控制器190類似的第二流速控制器類似地可以設置在第二端口30中。工作中，第二流速控制器有助于建立P2。第二流速控制器可以具有多種形式。然而，在本發(fā)明的特別優(yōu)選實施例中，第二流速控制器也包括多個延伸至第二端口30中的毛細部件。上述毛細部件可以具有圓形、六邊形、正方形或矩形截面。其它截面形狀是同樣可以的。
在此前介紹的本發(fā)明的實施例中，第一和第二流速控制器每個都包括毛細部件。然而，在本發(fā)明的其它實施例中，第一和第二流速控制器每個可以包括不同形式的毛細網(wǎng)，諸如由篩、多孔或纖維材料形成的網(wǎng)絡。替換地真空泵可以用于分別在第一端口20和第二端口30其一或兩者中產生P1和P2。泵還可以允許液體70在單一SALT裝置或集合、單個、成組的SALT裝置陣列中的流動的相互調整。然而，這種泵增加了裝置的復雜性。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，液體70的流動方向可以通過選擇性地反向第一端口20與第二端口30之間的壓強差而選擇性地反向。具體而言，可以選擇性地使P1的大小比P2大。這可以通過例如通過在第一端口20中增加額外的毛細部件或壓縮第一端口20而選擇性地增大第一端口20中的毛細部件的密度來實現(xiàn)?；蛘撸赑1和P2經(jīng)泵產生時，泵壓可以選擇性的反向。其它用于反向第一端口20與第二端口30之間壓強差的技術對于本領域技術人員而言將是顯而易見的。
在此前介紹的本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，具有單個的第一端口20和單個的第二端口30。然而，參照圖7，在本發(fā)明的其它實施例中，可以有經(jīng)公共流路40結合于單個第二端口30的多個第一端口160-170。不同的反應劑可以引入到每個第一端口160至170用于流路中的反應。流路40因此可以起反應室的作用，由表面80的接近而起效。類似的，可以有經(jīng)公共流路40與多個第二端口結合的單個第一端口20。同樣，可以有經(jīng)公共流路40與多個第二端口結合的多個第一端口。
參照圖8，在本發(fā)明的特定優(yōu)選實施例中，流路40具有彎曲的截面，從而防止不期望的液體保留、以及第一端口20與第二端口30之間的殘留液流。
參照圖9，在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，流路40具有矩形截面。這可以導致在從表面80分開時沿流路40的角落的殘留液流。這種殘留液流可以防止反應劑由于液體70從開口50蒸發(fā)而濃縮。流路40的毛細壓強在遠離表面80時可以通過調整可浸潤性和幾何形狀以及P1和P2來優(yōu)化，從而防止不期望的液體殘留和限制殘留液流為期望值。
現(xiàn)在參照圖10，在此前參照1介紹的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的改動中，流路40由外周緣180構成邊界。工作中，緣180密封于表面，從而進一步防止液體從流路40擴散。緣180還起到限制在裝置與表面80結合時形成的表面通道100的厚度的作用。緣180的內部可以是可浸潤的從而便于第一開口50中的液體70與表面80的接觸，由此開始第一端口20與第二端口30之間液體70的流動。在此環(huán)境下，緣180起著由圖1實施例中的凸起90起到的作用。凸起90因此可以保留或從圖9的實施例中略去。或者，例如一旦建立了液流，緣180可以保持在距表面80較小的距離。
在此前介紹的本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，限定表面通道100的部件，諸如凸起90和凸緣180集成在裝置中。然而，可以理解的是，在本發(fā)明的其它實施例中，限定表面通道的部件可以通過表面80的形成來提供。
結合參照圖11和12，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，如此前介紹的裝置可以與通過由較不易浸潤區(qū)域85至88包圍的較易浸潤區(qū)域81構圖的表面80對準。流路40和較易浸潤區(qū)域81彼此尺寸匹配且對準，從而限定表面通道100。較不易浸潤區(qū)域85至88有助于限定液體70在表面通道100中，即垂直于流路40的區(qū)域?？梢岳斫猓ㄟ^匹配且可以與流路40對準的較易浸潤區(qū)域81限定表面通道100增加了器件設計的靈活性，且緩解了可浸潤性對比度水平的限制。
在此前介紹的本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，液流啟動由凸起90或凸緣180產生。然而，在本發(fā)明的其它實施例中，液體70沿流路40的流動可以通過其它技術開始。例如，在本發(fā)明的另一實施例中，裝置不具有鄰近第一開口40的凸起90或凸緣180。為開始液體70的流動，裝置基部首先與表面80接觸，使得第一開口中的液體70接觸并潤濕表面80。隨后從表面移開裝置到與表面通道100的期望深度相等的距離。表面通道100中的毛細壓強隨后從第一端口20輸運液體到第二端口30，直到液體到達第二端口30，于是第一端口20與第二端口30之間的壓強差保持液流。
參照圖13，此技術對于在表面80的升高區(qū)域上流動也特別有用。
結合參照圖14和15，在本發(fā)明的此實施例中，升高區(qū)域的側壁220至230和260至280以及表面80的周圍區(qū)域240至250不可由液體70浸潤。由此，表面通道80的升高區(qū)域與裝置的流路40一同限定了表面通道100。可以理解，可以在表面80的升高區(qū)域上設置凸起幫助開始液流。將本發(fā)明的此實施例與此前參照圖1介紹的相比，可以理解，經(jīng)表面的升高區(qū)域限定表面通道增加了裝置設計的靈活性。
現(xiàn)在參照圖16，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，裝置的第一端口20和/或第二端口30可以從下面經(jīng)開口50和60加載和/或卸載液體70?？梢栽O置蓋子從而封閉第一端口20和第二端口30。蓋子可以永久密封使得液體可以單獨經(jīng)開口50和60引入裝置。開口50和60可以類似地設置有蓋子，從而防止在非使用期間蒸發(fā)?？梢栽O置包括用于液體70的貯液器520的貯存裝置510，用于填充、再填充和排空涂抹器裝置。貯存裝置便于涂抹器裝置的第一端口20和第二端口30獨立的加載和卸載，而無需移開蓋子。工作中，根據(jù)貯存裝置510相對于涂抹器裝置的位置，貯存裝置510在貯液體520與第一端口20或第二端口30之間形成流路101。
本發(fā)明的實施例已在此參照具有不易浸潤和較易浸潤表面的SALT涂抹器裝置介紹。液體70液流的開始和限制經(jīng)在不同位置作用在液體70上的壓強的同步來實現(xiàn)和控制，諸如在第一和第二端口20至30中、在開口50至60中、以及沿流路40。通過界面張力的液體70的限制是表面可浸潤性和幾何參數(shù)結合的函數(shù)。引入的限制壓強可以僅通過裝置面之間較小的可浸潤性差異，或在某些情況下，利用零可浸潤性差異來實現(xiàn)。這是可以的，因為可以應用裝置和/或表面的幾何形狀限定液體70。優(yōu)選的限制條件可以通過在幾何形狀頂上重疊可浸潤性圖案來獲得。限制條件可以通過考慮液體70與面的接觸角、液體的表面張力、壓強和流速來解析計算。
在本發(fā)明的另一實施例中，液流開始通過在濕潤環(huán)境下靠近表面80設置裝置來實現(xiàn)。在此設置中，裝置和/或表面可以開始冷卻下來，從而促進凝結，由此進一步刺激液流?；蛘撸梢栽谘b置與表面之間施加電場，從而刺激第一開口50中的液體與表面80接觸。類似地，可以類似地向第一開口50中的液體70施加壓強脈沖，從而刺激與表面80接觸?；蛘?，可以向液體70施加熱脈沖，從而經(jīng)液體70的蒸發(fā)而開始液體從第一端口20到第二端口30的液流。
此處已經(jīng)參照單個SALT裝置介紹了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。然而，可以理解的是，多個這種裝置可以集成起來形成SALT陣列。例如，參照圖17和18，12個這種SALT裝置可以集成為裝置的單個3×4SALT陣列?？梢岳斫?，包括不同SALT裝置數(shù)量的多種不同的SALT陣列構造是可以的。
現(xiàn)在參照圖19，在本發(fā)明的再一實施例中，幾個SALT裝置370至390的端口互連起來從而形成級聯(lián)SALT裝置。通過在端口420中產生較小的負壓強，在端口432中產生最大的負壓強，液體從端口420經(jīng)第一表面通道流向端口421，并從端口421經(jīng)互連流向端口430。從端口430，液體經(jīng)第二表面通道流向端口431，并從端口431，液體經(jīng)第三表面通道流向端口432。在本發(fā)明的特定優(yōu)選實施例中，每個端口420至432形成其中液體起反應的反應室。這種反應的產物可以在每個端口421至431中分析，或者在完成反應后在最終端口432中分析?；蛘?，這種反應的產物可以在表面370至390上分析。在另一種替代情況下，這種反應的產物可以用于處理或與表面370至390再反應。
此處已經(jīng)參照具有從彈性或剛性材料形成的主體10的SALT裝置介紹了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。這種材料可以通過熟知的微制造技術成形，諸如光刻、蝕刻、噴射模塑等。基于這種材料的本發(fā)明實施例可以單一的構造。然而，還可以理解，本發(fā)明可以通過組裝多個部件來實施。例如，本發(fā)明實施例還可以是分層組件。每層可以從不同的材料形成，諸如人造橡膠、硅、SU-8、光致抗蝕劑、熱塑塑料、陶瓷、以及金屬。
體現(xiàn)本發(fā)明的裝置相對于表面的設置可以經(jīng)操縱器來實現(xiàn)。這種操縱器可以手動控制或經(jīng)可編程計算機或類似的電子控制系統(tǒng)自動控制。這種操縱器可以在裝置、表面或兩者上起效，提供平面內和/或平面外的平移和/或旋轉運動的控制。同時地，這種操縱器可以允許增加體現(xiàn)本發(fā)明的一個或多個涂抹器裝置可以與表面結合的頻率。
權利要求
1.一種用于在表面上流動液體的裝置，該裝置包括流路；第一端口，用于向流路的一端供給液體并用于提供用于在流路遠離表面時保持液體的第一端口壓強；第二端口，用于接收來自流路的另一端的液體并用于提供第二端口壓強從而取向第一與第二負端口壓強之間的差，從而響應靠近表面設置的流路和裝置中的液體與表面接觸而促進液體從第一端口經(jīng)流路向第二端口的流動；以及，第一和第二端口壓強，使得響應流路從表面的拖開，液體朝向至少第二端口抽取。
2.如權利要求1所述的裝置，包括延伸到鄰近第一端口的流路中的凸起，用于引導來自第一端口的液體朝向表面。
3.如權利要求2所述的裝置，其中該凸起為彈性的。
4.如前述任意一項權利要求所述的裝置，包括圍繞流路的外周緣，用于在裝置接近表面時，密封流路于表面。
5.如前述任意一項權利要求所述的裝置，包括第一開口，連通于第一端口與流路之間，用于向第一端口中的液體提供第一開口壓強，第一開口壓強比第一端口壓強更加負；以及，第二開口，連通在流路與第二端口之間，用于向流路中的液體提供第二開口壓強，第二開口壓強比第一端口壓強更負。
6.如權利要求5所述的裝置，包括較不易由液體浸潤的側面和較易由液體浸潤的側面，其中流路設置在較不易浸潤側面包圍的較易浸潤側面上。
7.如權利要求5所述的裝置，包括容納第一端口和第二端口的主體，以及從主體突出而形成流路的延伸部分，第一和第二開口設置在延伸部分相對的端部。
8.如權利要求7所述的裝置，其中延伸部分圍繞流路的側面與流路相比較不易由液體浸潤。
9.如前述任意一項權利要求所述的裝置，其中第一端口包括第一毛細網(wǎng)絡，用于提供第一端口壓強。
10.如權利要求9所述的裝置，其中第一毛細網(wǎng)絡包括多個平行毛細部件、篩、多孔材料、以及纖維材料中的至少一種。
11.如前述任意一項權利要求所述的裝置，其中第二端口包括第二毛細網(wǎng)絡，用于提供第二端口壓強。
12.如權利要求11所述的裝置，其中第二毛細網(wǎng)絡包括多個平行毛細部件、篩、多孔材料、以及纖維材料中的至少一種。
13.如前述任意一項權利要求所述的裝置，包括多個第一端口，每個都連接于該流路。
14.如前述任意一項權利要求所述的裝置，包括多個第二端口，每個都連接于該流路。
15.如前述任意一項權利要求所述的裝置，其中流路具有彎曲的截面。
16.如權利要求15以前任意一項權利要求所述的裝置，其中流路具有矩形截面。
17.如前述任意一項權利要求所述的裝置，具有整體的構造。
18.如權利要求17所述的裝置，其由人造橡膠、硅、SU-8、光致抗蝕劑、熱塑塑料、陶瓷、以及金屬中任何一種形成。
19.如權利要求14以前任意一項權利要求所述的裝置，具有分層構造。
20.如權利要求19所述的裝置，其中每層由人造橡膠、硅、SU-8、光致抗蝕劑、熱塑塑料、金屬、以及陶瓷中一種形成。
21.如權利要求2所述的裝置，其中流路約100微米長且約100微米寬，第一和第二端口的容積每個為500×10-9升，且在使用中，凸起限定裝置于表面之間的間隔在1與10微米之間的范圍內。
22.如前述任意一項權利要求所述的裝置，其中第一和第二端口壓強使得液體響應流路從表面離開而朝向第一端口和第二端口抽取。
23.一種裝置陣列，該裝置每個如前述任意一項權利要求所述。
24.一種方法，用于在表面上流動液體，該方法包括從涂抹器裝置的第一端口供給液體到裝置流路的一端；經(jīng)第一端口為液體提供第一端口壓強；在裝置的第二端口中接收來自流路另一端的液體；經(jīng)第二端口為液體提供與第一端口壓強不同的第二端口壓強；經(jīng)第一與第二端口壓強之間的差異促進液體響應設置在表面附近的流路以及液體接觸表面而從第一端口經(jīng)流路至第二端口的流動；以及，經(jīng)第一和第二端口壓強，響應流路從表面分開而至少朝向第二端口抽取液體。
25.如權利要求24所述的方法，還包括在流路從表面分開后，在表面的另一位置處再設置該裝置。
26.如權利要求24所述的方法，還包括在流路從表面分開后，在另一表面上再設置該裝置。
27.如權利要求24所述的方法，還包括表面與裝置接觸，其后從表面分開裝置，從而限定表面與流路之間的表面通道，用作從第一端口到第二端口的液體通道。
28.如權利要求24所述的方法，包括在濕潤環(huán)境下設置裝置從而開始從第一端口到第二端口的液體流動。
29.如權利要求28所述的方法，包括冷卻裝置和表面中之一或兩者，從而經(jīng)凝結開始液體的流動。
30.如權利要求24所述的方法，包括在裝置于表面之間施加電場，從而開始從第一端口到第二端口的液體流動。
31.如權利要求24所述的方法，包括向液體施加壓強脈沖，從而開始從第一端口到第二端口的液體流動。
32.如權利要求24所述的方法，包括向液體施加熱脈沖，從而經(jīng)液體蒸發(fā)開始從第一端口到第二端口的液體流動。
33.如權利要求24所述的方法，包括通過反向第一端口與第二端口之間的壓強差反向液體流動的方向。
34.如權利要求24所述的方法，包括經(jīng)第一和第二端口壓強響應流路從表面分開朝向第一和第二端口抽取液體。
全文摘要
一種用于在表面上流動液體的裝置，該裝置包括流路(40)。第一端口(20)向流路的一端供給液體并提供用于在流路遠離表面(80)時保持液體的第一端口壓強。第二端口(30)接收來自流路(40)的另一端的液體并提供第二端口壓強從而取向第一與第二負端口壓強之間的差，從而響應靠近表面(80)設置的流路(40)和裝置中的液體與表面(80)接觸而促進液體從第一端口(20)經(jīng)流路(40)向第二端口(30)的流動。第一和第二端口壓強使得響應流路從表面的拖開，液體朝向至少第二端口抽取。該裝置可以應用微流技術，并在表面構圖方面發(fā)現(xiàn)應用。
文檔編號B01J19/00GK1720101SQ200380105179
公開日2006年1月11日 申請日期2003年11月13日 優(yōu)先權日2002年12月5日
發(fā)明者伊曼紐爾·德拉馬奇, 戴維·瓊克, 布魯諾·米歇爾, 海因茨·施密德 申請人:國際商業(yè)機器公司