以均匀抽吸限定流动限制形状和限制稳定性的结构的制作方法

以均匀抽吸限定流动限制形状和限制稳定性的结构
相关申请的交叉引用
1.本技术要求于2019年8月6日提交的题为“以均匀抽吸限定流动限制形状和限制稳定性的结构(structures to define flow confinement shape and confinement stability with uniform aspiration)”的美国专利申请号16/532,766的优先权，其公开内容为了所有目的以其全文以参见的方式纳入本文。
技术领域
2.本公开总体上涉及一种微流体探针头，并且涉及一种微流体探针。


背景技术：

3.微流体探针是一种非接触式微流体系统，它结合了流体动力流动限制(hfc)和扫描探针的概念，用于产生可能需要在闭合管道内进行分析的动态微流体装置。它在众所周知的赫萧(hele-shaw)单元近似下操作，其中在由任意小的间隙隔开的两个平行的大致平坦的表面之间，即在板之间产生准2d斯托克斯流，其以微流体双极和微流体四极构造工作。通常，该方法可以用于比如平坦服务上的蛋白质阵列图案化、哺乳动物细胞刺激和操作、组织切片的局部灌注以及产生浮动浓度梯度等应用。微流体探针已经被提议作为一种组织光刻工具，并且可能允许对福尔马林固定的石蜡包埋组织切片进行大量前瞻性研究。该技术还已经被用于微流体四极构造，作为高级细胞趋化性研究的工具，其中它可以允许研究迁移期间响应移动浓度梯度的细胞动力学。
4.因此，微流体探针(mfp)产生具有对齐的抽吸和注入通道的流体动力流动限制，从而产生泪滴形状。具有一个抽吸和一个注入通道的竖直mfp具有蚀刻在单个表面上的结构，从而导致用于流动限制的对齐的孔口。这种形状能会限制某些应用；例如，当需要在给定时间内处理大面积区域或当目标是通过用户定义的几何图形对表面进行图案化时。为了获得更适应的形状，水平mfp可以制造成具有分布在平面上的多个孔口，以用于更灵活的流动限制形状。形状复杂性的增加需要更多数量的孔口和毛细管连接。可以组合多个泪滴形限制以创建复合几何形状。


技术实现要素：

5.根据一实施例，提供了一种微流体探针头。微流体探针头包括处理表面。处理表面具有第一孔口和第二孔口。微流体探针头包括流体注入通道。流体注入通道引导至第一孔口。微流体探针头包括第一流体抽吸通道。第一流体抽吸通道引导至第二孔口。第二孔口在处理表面中形成狭槽。
6.根据另一个实施例，提供了一种微流体探针。微流控探针包括上述实施例的微流控探针头。
附图说明
7.本技术中包括的附图被结合到说明书中并形成其一部分。它们示出了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。附图仅是某些实施例的说明，并不限制本公开。
8.实施例仅借助示例并参考以下附图进行描述：
9.图1示出了微流体探针头的实施例的示意图。
10.图2示出了微流体探针的实施例的示意图。
11.图3示出了在实施例中具有相应抽吸通道的微流体探针头的笔直孔口的示意图。
12.图4a、4b和4c示出了在实施例中具有相应的孔口深度的微流体探针头的孔口的示意图。
13.图5a示出了在实施例中形成具有s形曲线的狭槽的微流体探针头的孔口的示意图。
14.图5b示出了在实施例中形成具有c形曲线的狭槽的微流体探针头的孔口的示意图。
15.图5c示出了在实施例中形成具有圆形曲线的狭槽的微流体探针头的孔口的示意图。
16.图5d示出了在实施例中形成具有三角形曲线的狭槽的微流体探针头的孔口的示意图。
17.图5e示出了在实施例中形成具有闭合形状曲线的狭槽的微流体探针头的孔口的示意图，该闭合形状曲线沿一条轴线被压在一起。
18.图5f示出了在实施例中形成具有六边形曲线的狭槽的微流体探针头的孔口的示意图。
19.图6示出了在实施例中处于倾斜位置的微流体探针的示意图。
20.图7示出了在实施例中具有相对于表面的注入通道和抽吸通道的微流体探针头的示意图。
21.图8示出了在实施例中可以用不同的狭槽图案获得的单元图案的示意图。
具体实施方式
22.在本说明书的上下文中，可以使用以下约定、术语和/或表达方式：
23.术语“微流体探针头”可以表示具有例如圆形、椭圆形或其它适当形成的处理部分的移动扫描探针，其具有注入和抽吸开口，用于通过利用微流体探针头横跨表面和物体扫描，来处理表面和物体。
24.术语“处理表面”可以表示微流体处理头的与微流体探针头和待处理表面之间的液体接触的部分。处理表面可以较佳地是圆形的。然而，其它几何形状也是可能的(例如，椭圆形、正方形等)。
25.术语“第一孔口”可以表示限定注入通道的端部的开口或从注入通道到处理表面上的入口。
26.术语“第二孔口”可以表示狭槽并且同时表示一个或多个第一/第二抽吸通道的开始或从处理表面到一个或多个第一/第二抽吸通道的入口。
27.术语“流体注入通道”可以表示用于将如液体或气体的流体注入到处理表面上的通道。
28.术语“第一流体抽吸通道”可以表示用于接收从处理表面注入的流体的抽吸通道。
29.术语“逐点对称”可以表示第一孔口可以是第二孔口对称的中心点或“原点”，特别是具有点对称性。
30.术语“轴对称”可表示当第二孔口的形状沿对称轴线对折时，例如通过第一孔口(“原点”)，则两个半体匹配。
31.术语“至少两个突出部”可以表示间隔件。间隔件可以布置成并适于在处理表面和待处理表面之间限定空间。间隔件可以限定10μm至2mm之间的空间。
32.术语“外部尺寸”可以表示处理表面或微流体探针头的边界。
33.特别地，术语“微流体探针”可表示用于通过在表面上进行化学反应的流体动力学限制的液体来处理闭合微通道中的样品的装置。特别地，微流体探针在本文中可以是竖直微流体探针。术语“竖直”可以通过微流体探针相对于重力的使用来限定。
34.流体注入通道可以是液体或气体注入通道，并且它可以适于将流体注入到处理表面上。此外，第一/第二/第三流体抽吸通道可以是液体或气体抽吸通道，并且它们可以适于从处理表面接收流体。
35.所提出的微流体探针头可以提供多种优点和技术效果：
36.首先，流动限制可以减少维持长时间操作的稳定性的需要或可存在破坏性元素(例如，碎屑、气泡)。可确保受限液体和浸没液体之间的坚固界面。而且，可以避免复杂的内部通道结构以在多个孔口之间均匀地分配流动。
37.以3d打印的微流体探针头的形式，它们可以提供更大的灵活性并且同时具有所需的分辨率。可以避免特定的孔口通道堵塞，并且可以维持流动限制的形状。
38.圆形凹槽的均匀抽吸可以确保内部限制区域中的流动分布是完全径向的，在所有方向上具有相等的流动强度。由抽吸环形成的流动限制中的流速分布可以根据需要进行调整，并且可以是均质的，使得质量输送可以易于预测和控制。此外，与单独的抽吸相比，凹槽可以更容易地制造，并且可以确保在mfp和待处理表面之间的不同高度处的流动限制的稳定性。
40.即使探针的表面不完全平行于基底(即，要处理的表面)，也可以维持限制。如果微流体探针头倾斜，阻力可能不会有效增加，孔口可能仍然工作。
41.此外，微流体探针头的3d打印可以允许使用现有技术以更方便的方式制造这种结构。
42.因为它可以产生非常有效的流体动力壁，所以抽吸凹槽可以用于从表面去除材料(特别是非特异性结合的颗粒/分子)。然后可以通过高剪切应力/流动收集材料，并且封闭的凹槽几何形状可以帮助防止材料逃逸到扫描路径之外。
43.因为流动从两个相反的方向(限制区域内部和外部)进入凹槽，所以不能被抽吸的任何大颗粒将被收集在凹槽区域下方并且随着扫描探针的移动而位移。能够将它们丢弃在未激活/未处理的表面的任何区域。
44.微流体探针，或特别是微流体头，可以在生产性使用之前填充有液体——称为引发(priming)。因此，可以确保在操作开始之前不存在剩余的气穴。
45.凹槽可用于将气体限制在由浸没液体包围的表面上。凹槽还可以用作气泡收集器：流体流动产生的任何气泡都会进入凹槽并漂浮到其顶部，而不会进入抽吸通道。因此，可以避免堵塞和不稳定问题。例如，只要凹槽的大部分体积没有填充有空气，就可以保持一个或多个抽吸通道的抽吸特性。
46.此外，除了稳定之外，孔口的环形结构可以确保气-液界面随着探头扫描表面而跟随探头的移动。
47.在下文中，描述了另外的实施例：
48.根据微流体探针头的实施例，第二孔口围绕第一孔口形成。第二孔口形成为封闭形状的孔口、单个狭槽和/或没有端部的狭槽(即，封闭环的形式)，例如在一定距离处环绕第一孔口的凹槽。这可以有助于确保注入流体的有规律的抽吸。
49.根据微流体探针头的实施例，第二孔口与第一孔口分开形成。这可以确保在处理表面上提供足够的流体。
50.根据微流体探针头的实施例，第一孔口布置在处理表面的中心处。第一孔口设置在处理表面的中间。例如，第一孔口布置在小于处理表面半径的60％处。此外，这可以有助于确保注入流体在处理表面上的均匀分布。
51.根据微流体探针头的实施例，第二孔口由第一尺寸和第二尺寸限定。因此，微流体探针头可针对不同的流体情况(材料的亲水性/疏水性)进行调整。
52.根据微流体探针头的实施例，第二孔口围绕第一孔口逐点对称。这可以有助于确保注入流体在处理表面上的点对称分布。
53.根据微流体探针头的实施例，第二孔口与延伸通过第一孔口的轴线轴对称。这可以有助于确保注入流体在处理表面上的轴对称分布。
54.根据微流体探针头的实施例，第二孔口是圆形狭槽、矩形狭槽或三角形狭槽。这些狭槽围绕第一孔口布置以确保注入流体在处理表面上方的均匀分布。
55.根据微流体探针头的实施例，第一尺寸是狭槽的深度，而第二维度是狭槽的宽度。
56.根据某些实施例，狭槽的深度和/或宽度沿狭槽变化。在其它实施例中，深度和/或宽度沿狭槽是均匀的。这可以提供有效的流体动力壁。
57.根据微流体探针头的实施例，第一尺寸的大小大于第二尺寸的三倍。当使用一个抽吸通道时，这可以有助于确保均匀性。
58.根据微流体探针头的实施例，微流体探针头还包括引导到第二孔口的第二抽吸通道。第一尺寸的大小在第二尺寸的三倍和第二尺寸的两倍之间。当使用两个抽吸通道时，这可以有助于确保均匀性。
59.根据微流体探针头的实施例，微流体探针头还包括第三抽吸通道。第一尺寸的大小在第二尺寸和第二尺寸的两倍之间。当使用三个或四个抽吸通道时，这可以有助于确保均匀性。
60.根据微流体探针头的实施例，第一、第二和第三抽吸通道中的至少两个相对于流体注入通道逐点对称地布置。这也有助于确保流体流动的均匀性。
61.根据微流体探针头的实施例，第一抽吸通道、第二抽吸通道和第三抽吸通道中的至少一个在第二孔口的底部处。此外，流体注入通道、第一抽吸通道、第二抽吸通道和第三抽吸通道中的至少一个为圆形通道。这可以有助于确保注入液体的良好排放。
62.根据微流体探针头的实施例，流体注入通道开始于处理表面。在这种情况下，第一孔口限定了处理表面中的凹部，并且流体注入通道在凹部中(任何地方)开始。
63.根据微流体探针头的实施例，第一抽吸通道、第二抽吸通道和第三抽吸通道的相应直径至少基本相同。
64.根据微流体探针头的实施例，流体注入通道的相应直径小于第一抽吸通道、第二抽吸通道和/或第三抽吸通道的相应直径的总和。这可以有助于确保注入流体在处理表面上的充分分布。
65.根据微流体探针头的实施例，微流体探针头还包括在处理表面的边缘处的至少两个突出部。至少两个突出部适于和布置成提供距其上施加了微流体头的表面的预定距离。预定距离在10μm到2mm之间的范围内。例如，预定距离可以大于25μm(或50μm或100μm或150μm或200μm或250μm或300μm或350μm或400μm或450μm或500μm)。例如，预定距离可以小于2mm(或1.75mm或1.5mm或1.25mm或1.0mm或0.75mm)。
66.根据微流体探针头的实施例，至少两个突出部限定处理表面的外部尺寸的至少一部分。至少两个突出部从彼此规则地位移，使得它们相对于微流体探针头的对称点(或对称线)对称地定位。
67.因此，在某些实施例中，突出部不完全界定处理表面的区域。
68.在下文中，将给出附图的详细描述。附图中的所有说明都是示意性的。首先，给出了微流体探针头的实施例的框图。之后，将描述微流体探针的实施例以及其它实施例。
69.图1示出了从相对于要研究的表面的方向看的微流体探针头100的示意图(即，底视图)。微流体探针头100包括第一孔口110，注入通道从第一孔口延伸到微流体探针头100中。此外，微流体探针头100包括呈环形狭槽形式的第二孔口120。第二孔口120包括抽吸通道125a、125b。在图1中，示出了两个抽吸通道125a和125b。然而，也可以存在从第二孔口120开始的单个抽吸通道125a或多个抽吸通道125a、125b。此外，微流体探针头100包括突出部130。突出部在图1中以特定距离彼此布置并且可以是间隔件的形式。间隔件限定了距将由处理表面处理的表面的距离，该处理表面限定为在微流体探针头100的一侧处的表面。待处理的表面可以是特定基底的形式。流体可以通过注入通道经由第一孔口110被引导到处理表面上。由于流体的量，流体倾向于被收集在第二孔口120中并且均匀地分布在处理表面上方。如此收集的流体然后可以通过抽吸通道125a、125b输送，在图1中通过两个抽吸通道125a和125b。如图所示，突出部130似乎根本没有高度。然而，与微流体探针头100的其它元件相比，这种情况由所示视角和突出部的低高度(例如，约25μm或更低)给出。
70.如图1所示，可以通过具有完全径向对称性的封闭凹槽(第二孔口120)获得圆形流动限制。为了在整个第二孔口120(例如称为吸入环或凹槽)中提供均匀的抽吸，在相同的抽吸速度下，取决于给定宽度w，凹槽120可以具有的足够深度d。抽吸通道的数量越少，凹槽可能越深。几何规则可以如下给出：
·
如果d》3*w
→
1个抽吸通道；
·
如果3*w》d》2*w
→
2个抽吸通道；并且
·
如果w》d》2*w
→
3或4个抽吸通道。
71.例如，圆形凹槽120可以具有2.5mm的半径并且w＝0.5mm。在这种情况下，可以使用1.5mm的凹槽深度d，以通过单次抽吸获得均匀抽吸。对于较浅的1mm的凹槽深度d，凹槽120
底部处的两个镜像抽吸通道可用于获得均匀抽吸。在一个单一抽吸通道的情况下，抽吸发生在整个循环中，但它不均匀(靠近孔口的位置更高)。此外，凹槽120的深度可以是均匀的或不均匀的。
72.凹槽120可以用任何固体材料制造，只要制造方法允许获得期望深度所需的纵横比即可。凹槽的制造可以通过微铣来创建。微流体探针头100可以由以下至少一种制成：硅、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、pmma、聚二甲基硅氧烷、pdms、铝、不锈钢、陶瓷和其它聚合物。因此，这里提出的概念可以允许多种不同的材料，所有这些材料都可以用于微流体装置。
73.结合上文或下文描述的实施例提及了更多细节和方面。图1中示出的实施例和以下实施例可以包括对应于结合所提出的概念或如下描述的一个或多个实施例提及的一个或多个方面的一个或多个可选附加特征(例如图2-8)。
74.图2示出了根据一实施例的微流体探针200的示意图。微流体探针200包括具有如上文和下文所述的规格的微流体探针头100。图2中的微流体探针头100包括具有单个抽吸通道125的浅环形第二孔口120。第二孔口120的深度可以大于1mm(或1.25mm或1.5mm)。例如，可以根据图1中的描述调整深度和宽度的比例。与单个抽吸通道125相比，第一孔口110可以具有更大的直径或类似的直径，通过注入通道110输送的流体通过第一孔口110进入微流体探针头100的处理表面。单个抽吸通道125可以设置在沿着第二孔口120的任何位置。在第二孔口的深度较浅的情况下，如上面关于图1所述，多个抽吸通道125可以分布在微流体探针头100的周缘，特别是在第二孔口120中。如果抽吸通道围绕注入通道110均匀分布，则可以实现从注入通道110到抽吸通道的相等且均质的液体流动。应当理解，任何合适数量的抽吸通道125都是可能的。应当理解，抽吸通道总和的总横截面等于或大于注入通道110的横截面，以便将探针头100从接近液体(或气体)中排出。替代地，可以使用多个注入通道。然后，可以相应地应用横截面条件(见上文)。
75.如在微流体应用中，由于不完善的密封、气穴或表面成核，气泡可能通过一个或多个注入通道或凹槽120上升。由于该系统的流体动力学特性，存在的任何气泡将趋于在凹槽内位移并停留在其底部处(如果不被出口通道、即抽吸通道抽吸的话)。在某些实施例中，已经看到凹槽120对于气泡的存在非常坚固，只要它们不填充凹槽体积的50％或更多。因此，凹槽120那个同时用作流量分配器和气泡捕集器，而不会损失抽吸可操作性。
76.此外，图2中的微流体探针200包括第一凹部202和第二凹部204，用于经由微流体探针200远端中的孔(未示出)连接软管或管子。提供第一凹部202用于连接抽吸软管，并且提供第二凹部204用于在微流体探针200的远端处连接注入软管。这可以减少由于钻出用于注入通道110和抽吸通道125的相应的孔而对微流体探针200造成的应力。微流体探针200的外侧可以被热缩管覆盖，然后该热缩管可以闭合凹部202和204的开口侧，使得构建相应的通道用于抽吸和注入。
77.图3示出了具有相应抽吸通道125的微流体探针头的笔直孔口120的示意图。图3示出了在以上和以下附图中的第二孔口120也可以是笔直的。如关于图1所描述的，笔直孔口120也可以具有类似的深度和宽度关系。笔直孔口120可以布置在微流体探针头的注入通道旁边(图3中未示出)。笔直孔口120的长度可以大于微流体探针头的处理表面的直径的一半。甚至可以将这些笔直孔口120中的两个布置在微流体探针头的处理表面处。这些笔直孔口120中的两个的布置可以围绕微流体探针头的注入通道(图3中未示出)逐点对称。
78.在微尺度长度尺度和层流状态下，由足够深的凹槽限定的第二孔口可用于从单个或若干抽吸通道125获得在其整个宽度和长度上的抽吸/注入速度的均匀分布。足够的深度(图3中的d)可以例如大于0.5mm(或0.75mm或1mm或1.25mm或1.5mm或1.75mm或2mm)。然后可以根据上面关于图1描述的公式来限定宽度。
79.在某些实施例中，孔口120的长度l是相对于微流体探针头的尺寸(例如在图1中)或相对于抽吸通道125的尺寸而限定的。在某些实施例中，孔口120的宽度w大于抽吸通道125的直径。在某些实施例中，孔口120的长度l是抽吸通道125的直径或孔口120的宽度w的3倍(或4倍或5倍或6倍或7倍或8倍或9倍或10倍)。在某些实施例中，孔口120的长度l大于微流体探针头的处理表面(图3中未示出)的直径的0.5倍(或0.6倍或0.7倍)。
80.图4a、4b和4c根据实施例示出了具有相应的孔口深度的微流体探针头的孔口的示意图。图示以纵向剖面图给出。在凹槽120底部处、在竖直方向上的流速v1、v2和v3的分布随着凹槽的足够深而变得均匀。几何形状(或凹槽120)可以用作流速再分配器。例如，在图4a中，凹槽120的深度为0.5mm，在图4b中，凹槽120的深度为1mm，而在图4c中，凹槽120的深度为1.5mm。
81.在图4a、4b和4c中，孔口下方的相应箭头的长度应示出相应的速度。相应箭头的长度越长，速度越高。在图4a中，流体流速在孔口的中间较高，而在孔口的两侧处变低。这同样适用于图4b，其中流体流速也向外平滑变化到孔口的侧部，与图4a相比，在中间具有较低的流体流速。在图4c中，由于孔口的深度，流体流速在整个孔口上均匀分布。因此，调整孔口的深度(从图4a到4c更深)可以使整个孔口上的流体流速均匀。
82.图5a根据实施例示出了形成具有s形曲线的狭槽的微流体探针头的孔口的示意图。图5b示出了形成具有c形曲线的狭槽的微流体探针头的孔口的示意图。xx
83.因此，第二孔口120可以是直线形凹槽的形式。然而，凹槽不限于直线几何形状。它可以成形为曲线或形成完整的周缘(周长)。
84.图5c示出了根据实施例的形成具有圆形曲线的狭槽的微流体探针头的孔口的示意图。图5d示出了形成具有三角形曲线的狭槽的微流体探针头的孔口的示意图。图5e示出了形成具有闭合形状曲线的狭槽的微流体探针头的孔口的示意图，该闭合形状曲线沿一条轴线被压在一起。图5f示出了形成具有六边形曲线的狭槽的微流体探针头的孔口的示意图。
85.因此，第二孔口120可以是闭合形状的环的形式。微流体探针头可以具有由环形的第二孔口120封围的惰性注入孔口110。在这种情况下，第二孔口120可以用作均匀的抽吸器，其与中央注入器结合可以用于获得任何期望的形状的非常稳定的流动限制。
86.图6根据实施例示出了微流体探针200的示意图，其微流体探针头100处于倾斜位置。在存在浸没液体的情况下，在内部限制和外部环境之间形成流体动力壁(图6中未示出微流体探针头100浸入液体中)。无论高度如何，该流体动力壁都非常稳定。因此，限制不受微流体探针200的主轴线x和表面之间的不完全垂直对齐的影响(在微流体探针200的竖直方向y上的未对齐(90
°‑
θ)，即不平行于表面/基底e)。因此，不会导致受限液体溢出到浸没液体区域中。
87.图7示出了具有注入通道110和孔口120的微流体探针头700相对于表面的横截面的示意图。如上所述，微流体探针头100和待处理的表面之间的距离f可以由垫片固定，或者
可以由单独的机器人控制单元(未示出)控制。
88.由于其对称性，限制在微流体探针头100的处理表面和表面e之间的大间隙f处是稳定的(例如大于1mm)。在竖直使用中，微流体探针头100可以在25μm到2mm之间的范围内的距离f处使用。孔口120中的流速(图示为竖直箭头vi)可以在v
抽吸
＝25μl/min左右，并且注入通道110中的流速可以在v
注入
＝5μl/min左右。进入孔口120的流动被示为向上的曲线。
89.在凹槽的正下方，形成低流速区域。竖直流动升力低于其重力的足够重的颗粒可能会沉积在该区域，而较小的颗粒将被抽吸。
90.通过根据抽吸轮廓调整流速，可以获得超过选定质量阈值的给定形状(抽吸结构的形状)的颗粒的沉积。颗粒可以是磁性微珠、乳胶珠或细胞中的至少一种。低流速区域可限定在孔口120处。高流速区域可限定在第一孔口110处。这可通过提供小于引导远离孔口的抽吸通道(未示出)的注入通道110来实现。
91.图8示出了单元图案801、802、803和804的示意图，它们可以用不同的狭槽图案/凹槽几何形状获得。如上所述，这些单元图案801、802、803和804可以由微流体探针头的第二孔口直接限定或与其互补。这些单元图案801、802、803和804然后可以在使用时设置在微流体探针头下方。
92.为了说明的目的已经呈现了各种实施例的描述，但并不旨在穷举或限制于所公开的实施例。在不脱离所描述的范围和精神的情况下，许多修改和变型对于那些本领域普通技术人员来说将是显而易见的。选择本文使用的术语是为了最好地解释实施例的原理，对市场上发现的技术的实践应用或技术改进，或使本领域的其它普通技术人员能够理解本文公开的实施例。
93.本文所使用的术语仅仅为了描述特定实施例，而并不意在进行限制。如本文使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”同样意在包括复数形式，除非文中另有清楚地说明。还应当理解，在本文中所使用的术语“包括”和/或“包括有”特指存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或附加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件、和/或其组合。