各种实验室分析和功能的微型化提供了许多好处，诸如提供了时间和分 析成本的实质上的节约和进行分析所用的设备的空间要求。这样的微型化能 够在微流体系统中得到体现。这些系统在化学和生物学研究，诸如DNA结构 序列和免疫色谱法技术，血液分析，以及化学和生物学物种的广范围的识别 和合成中是很有用的。更具体地说，这些系统已经在各种分析(例如酶分析， 免疫分析，受体黏结分析，以及在筛选生物化学系统的影响因素中的其他分 析)的进行中被用于生物学大分子的分解和输送。
总之，微流体过程和设备通常应用传送各种流体的需显微镜才能看见的 通道。在这些过程和设备中，流体能和其他的流体混合，经受在温度，pH和 离子浓度方面的变化以及分解成构成的元素。另外，这些设备和过程在其他 技术，诸如喷墨打印技术中也是有用的。微流体过程和设备的适应性能够提 供其他的和进行相同的分析和功能的人力成本有关的节约或减少这方面的错 误，诸如劳动成本和与人力操作的错误和/或不完备有关的成本。
进行这些复杂的分析和功能的能力受到这些流体在微流体系统中传送的 速率和效率的影响。具体地说，流体在这些系统中流动的速率影响了分析的 结果可以依赖的参数。例如，当一种流体包含其尺寸和结构将被分析的分子 时，该系统应被设计成能确保该流体以一个有条理的方式传送被研究的分子 使其通过在一个流动速率下的探测装置，这样该装置就能够进行必要的尺寸 和结构分析。有各种能够被结合进微流体系统设计的特征以确保能达到所希 望的流动。尤其是，流体能通过诸如集成微泵的内部或外部的压力源传送， 以及通过应用机械的阀门重新确定流体的方向。也已经考虑到利用声能，电 流体动力能以及其他电气方法实现流体移动。但是，它们中都有一定的缺点， 最显著的是会发生故障。另外，它们中的每一个在微流体系统中的存在都要 被加入系统的成本。
微流体系统通常包括多个互相连接(和互相流体联通)的以及连接到一 个或多个流体库的微流体通道。这样的系统可以很简单，只包括一个或两个 通道和流体库，也可以相当复杂，包括大量通道的流体库。微流体通道通常 有至少一个小于约1毫米(mm)的内部横向尺度，通常在约0.1微米(μm)到 500(μm)的范围之间。这些微传送通道的轴向尺度可以达到10厘米(cm)或更 大。
通常，一个微系统包括一个通过刻蚀，注射模制，雕刻或压印在一个平 面衬底上构成的微流体通道和流体库网络。由电子工业发展的光刻和化学刻 蚀工艺被用于在硅和玻璃衬底上常规制作微流体设备。相似的刻蚀工艺也能 被用于在各种聚合物衬底上构造微流体设备。在平面衬底上构造微流体通道 和流体库网络以后，该衬底通常被和一个或多个密封通道和流体库顶部和/或 底部的平面薄片紧密配合，同时取决于设备的最终用途配备用作流体注入和 抽吸口，也可以用作电气连接的通路孔。
附图说明
为了对本揭示的发明有一个更完整的理解，应对下列详尽叙述和附图作 出解释，其中：
图1示意性地显示了示例说明单级(非级联)流体动力学流体集中的放 大的微流体设备的一个部分剖面；
图2示意性地显示了示例说明根据本发明的多级(级联)流体动力学流 体集中的放大的微流体设备的一个部分剖面；
图3示意性地显示了示例说明根据本发明的多级(级联)流体动力学流 体集中的放大的微流体设备的一个部分剖面；
虽然所揭示的方法和设备可以以各种形式实施，附图中显示(以及下文 中将叙述)了本发明的多个实施例，应该理解，所揭示的实施例仅被作为说 明，并不意味着将本发明限制在本文所叙述和说明的具体实施例中。

在本文中，术语(或前缀)“微”通常涉及有在约0.1微米(μm)到500 μm范围的至少一个制造尺度的设备或其部件的结构元件或特征。这样，例 如，在本文中被称为微流体的设备或过程将包括至少一个有这样尺度的结构 特征。当被用以叙述诸如通道，结或流体库的流体元件时，术语“微流体” 通常涉及一个或多个流体元件(例如通道，结和流体库)，这些元件有至少 一个小于约500μm，通常在约0.1μm到500μm的内部剖面尺度(例如深度， 宽度，长度和直径)。
在本文中使用的术语“液力直径”涉及在Table 5-8 of Perry’s Chemical Engineers’Handbook，6th ed.，at p.5-25(1984)中定义的直径。也可以见Perry’s Chemical Engineers’Handbook，7th ed.，at pp.6-12 to 6-13(1997)。这样的定义 解释了有非圆剖面的或开放的通道，也解释了通过一个环的流动。
如在本技术领域熟练的人士所知，Reynolds数(NRe)是几个无量纲量中 的任何数，其形式为：
$N_{\mathrm{Re}}=\frac{\mathrm{lvp}}{\mu }$
这些数都和流动系统中惯性力和粘滞力的比成比例。具体地说，l是流动 通道的特有线性尺度，v是线性速度，p是流体密度，μ是流体黏度。也如本 技术领域的熟练人士所知，术语“流线”定义了一条在给出的时刻的每一个 点在流动的方向上伸展的线。术语“层流”定义了一种其流线在全部长度上 互相保持区别的流动。只要满足标准，流线不需要直的，也不需要流动平稳。 见Perry’s Chemical Engineers’Handbook，6th ed.，at p.5-6(1984)。通常，在 Reynolds数小于或等于2100的地方表示流动为层流，Reynolds数超过2100 表示流动为非层流(即紊流)。最好，在此贯穿各个微流体过程和设备的流 动都是层流。
现在参考附图，各个图中相同的参考数字代表同一个或相似的元件。图1 示意性地说明一个放大的微流体设备的部分剖面图，该设备举例说明了单级 (非级联)的流体动力学流体集中。该设备是一个体结构10，有一个中心通 道12，以及对称的分别通过结18和中心通道12流体联通的第一和第二集中 通道14和16。如图1所示，第一集中通道14和第一流体库20流体联通，第 二集中通道16和第二流体库22流体联通。实线箭头指出通过各个通道12，14 和16的流动的方向。
如图所示，中心通道12有一个表示为dc的固定内直径。在结18的上游， 一个样本流体以速度v1流过中心通道12，占据了通道中通常有一个由中心通 道12的内壁限定的液力直径d1的区域。在结18的上游，d1和dc完全一样。 鞘流体分别从第一和第二流体库20和22，通过第一和第二集中通道14和16， 以及通过结18以速度vr1流动。因为鞘流体流动的速度是完全相同的，以及取 决于鞘流体和样本流体的密度和黏度，通过结18流进中心通道12的鞘流体 的流动结合以后形成一个包围样本流体流动的分离鞘24。如上所述，在流体 流动为层流的地方，鞘24的分离是保证的。在结18的下游，样本流体以同 一个流率，但以不同(更高)的速度v2流过中心通道12，并占据了通道中通常 有一个液力直径d2的区域。分别来自第一和第二流体库20和22的鞘流体的 流动结合以后形成包围样本流体的鞘24(鞘的外形由中心通道12中连续的虚 线流线描绘)。
通常，图1中显示的单级(非级联)流体动力学集中由三通结18完成， 其时来自集中通道14和16的鞘流体推动中心通道12中的样本流体，使其更 接近中心通道12的中心轴，同时将通过中心通道的样本流体的速度从v1增加 到v2。当流体流过并越过结18时，悬浮在中心通道12结18上游的样本流体 中的任何微粒(或分子)向通道12的中心轴迁移。微粒(或分子)的空间聚 集可以以这样的方式控制和集中，并且在下游的操作中受到分析或操纵。
在单集中步骤中可达到的最大集中比率受到一个遵循渐近关系的流体动 力学的和几何的制约限制。更具体地说，集中比率(fs)可以由下述等式表达， 其中d1和d2为如上所述的液力直径：
$f_s=\frac{d_1}{d_2}$
理想的情况是希望有高集中比率。然而，对于一个单集中步骤，该比率要 受到诸如由流体动力学效应，压力梯度以及通道尺度造成的各种限制。例如， 当集中通道内的压力增加时，中心通道内的流动易受背流的影响。也就是说， 取决于中心通道中结上游的流率，如果在集中通道内鞘流体的流率(或由鞘 流体施加的压力)太大，鞘流体将不仅流入中心通道结的下游部分，而且会 流入中心通道结的上游部分；这样，实际上造成了样本流体的向后流动。
已经发现，这样的限制可以通过利用多重的(或多级的)级联结克服， 从而样本流体在每一个连续结被不断增加地集中。具体地说，图2和图3示 意性地显示了举例说明多级(级联)流体动力学流体集中的放大的微流体设 备的部分剖面图。具体地，在图2中，设备是一个体结构28，有一个中心通 道30，和分别通过第一结36和中心通道30流体联通的对称的第一和第二集 中通道32和34。如图2所示，第一集中通道32和第一流体库38流体联通， 第二集中通道34和第二流体库40流体联通。实线箭头指出流过各个通道30， 32和34的方向。
如图所示，中心通道30有一个表示为dc的固定内直径。在结36的上游， 一个样本流体从流体库(未显示)以速度v1流过中心通道30，占据了通道中 通常有一个由中心通道30的内壁限定的液力直径d1的区域。在结36的上游， d1和dc完全一样。鞘流体从流体库38和40，通过集中通道32和34，以及通 过第一结36以速度vr1流动。因为鞘流体流动的速度是完全相同的，以及取决 于鞘流体和样本流体的密度和黏度，通过第一结36流进中心通道30的鞘流 体的流动结合以后形成一个包围样本流体流动的分离的第一鞘42。如上所述， 在流体流动为层流的地方，第一鞘42的分离是保证的。在第一结36的下游， 样本流体以同一个流率，但以不同(更高)的速度v2流过中心通道30，并占据 了通道中通常有一个液力直径d2的区域。分别来自第一和第二流体库38和40 的鞘流体的流动结合以后形成包围样本流体的第一鞘42(鞘的外形由中心通 道30中连续的虚线流线描绘)。
第一结36的下游(样本流体在中心通道的流动方向上)第二结44将分 别来自对称的第三和第四集中通道46和48的另外的鞘流体联通进已经包含 由第一鞘42包围的样本流体的中心通道30。如图2所示，第三集中通道46 和第三流体库50流体联通，第四集中通道48和第四流体库52流体联通。 实线箭头指出流过各个通道30，46和48的方向。
在第一结36的下游和第二结44的上游，样本流体以同一个流率，但以 不同(更高)的速度v2流过中心通道30，并占据了通道中通常有一个液力直径d2 的区域。鞘流体以速度vr2分别从第三和第四流体库50和52流过第三和第四 集中通道46和48并且流过第二结44。因为鞘流体流动的速度是完全相同的， 以及取决于鞘流体和样本流体的密度和黏度，通过第二结44流进中心通道30 的鞘流体的流动结合以后形成一个包围样本流体和第一鞘42的流动的第二分 离鞘54。分别来自第三和第四流体库50和52的鞘流体的流动结合以后形成 包围样本流体的第二鞘54(鞘的外形由中心通道30中连续的虚线流线描绘)。
第一和第二结36和44以及分别通过这些结和中心通道30联通的集中通 道32，34，46和48集合在一起完成了一个多级(级联)的，流体动力学流 体集中的方法和设备——尤其是二级集中步骤或二结的方法和设备。如图2所 示，该设备能包括通过另外的结60将另外的鞘流体联通到中心通道30的另 外的集中通道56和58。相似地，这些另外的集中通道和能够成为该另外的鞘 流体的源的另外的流体库62和64相联通。为了各自控制每一个集中步骤(fi)， 在诸如图2所示的设备中，能够调节每一个流体库(38，40，50，52，62和 64)中的压力以产生鞘流体在联通通道(分别为32，34，46，48，56和58) 中的合乎需要的流率。
图3示意性地显示了示例说明多步骤(级联)流体动力学流体集中的一 个放大的微流体设备的部分剖面。总体上该实施例相似于图2中显示的情况， 但在图3中，该设备是一种包含从少数(但是公共的)流体库68和70抽吸 鞘流体的集中通道的体结构66。然而，类似于图2，图3也能提供不断增加 的流体动力学流体集中。为了各自控制每一个集中步骤(fi)，在诸如图3所示 的所有(或许多)集中通道和一个单独的流体库联通的设备中，各个和单独 的流体库联通的集中通道的尺度能被这样设计以产生鞘流体在联通通道中的 合乎需要的流率。
在一个诸如图2和图3中显示的设备中，由n个集中步骤(或结)完成 的全部集中比率(fn)能由下面的等式推导，其中fi表示每一个各别的集中步 骤：
$f_n=\frac{d_1}{d_n}=\frac{d_1}{d_2}\frac{d_2}{d_3}···\frac{d_{(n-1)}}{d_n}=\underset{i=l}{\overset{n}{\Pi }}\frac{d_i}{d_{(i+l)}}=\underset{i=l}{\overset{n}{\Pi }}{f}_i$
每一个具体的集中步骤(fi)的集中比率能通过控制在相应结进入中心通 道的鞘流体的流率而调节。或者，每一个具体的集中步骤(fi)的集中比率能 通过控制当鞘流体在相应结进入中心通道时由鞘流体施加在样本流体上的压 力而调节。
对于n个集中步骤(或结)，每一步骤都和有直径dfci的中心通道联通， 连接到一个单独的流体库对68和70(见图3)，上述等式可简化为：
    fn＝(fs)n
对于fs＞1，该函数单调上升。
相继的结之间的距离不需要完全相同，并且能由在本技术领域熟练的人士 以所希望的应用为基础而确定。相似地，各个微流体通道的长度和液力直径 也不需要互相完全相同，并且能由在本技术领域熟练的人士以所希望的应用 为基础而确定。
作为层流守恒定律的结果，在每一个相继的结以后，样本流体的速度增 加。为了避免超过流体的最大可允许速度，设备和方法在设计时需考虑输入 流动(例如在图2和图3中有速度v1)和集中流动(例如在图2和图3中有 速度vr1，vr2和vi)的速度。在微流体系统在下游的探测装置中被用于单分子探 测(例如在基因组或DNA排序技术中被研究的分子)的情况下，上述效应能 被用于在样本(分子携带)流体中不断增加地展开分子之间的距离。从相邻 分子的非常狭窄的间距开始，当样本(分子携带)液体经过每一个相继的集 中步骤时，分子可以被分隔一个增加的距离，到达该分子被充分分隔以允许 探测装置进行快速而精确的探测。这仅是应用多重级联结的流体动力学集中 在微流体系统中发挥作用的一个方面。
如上所述，即使流体的层流是最好的，在这样的层流中也存在扩散效应。 具体地说，当鞘流体和样本流体接触的时间增加以后就可能发生扩散效应。 可以用实例的方式演示所发生的效应，其中样本流体包含十个被研究的分子。 当该样本流体流过中心通道并和鞘流体接触时，它的流动将被控制(或集中)。 虽然两个流体的流动可以是层流，当鞘流体和样本流体互相接触的时间长度 增加时，扩散力将使被研究的十个分子中的一些分子从样本流体的流动中扩 散进鞘流体的流动中去。这些扩散力可以通过例如调节流体流动，调节样本 流体和鞘流体接触的时间周期，选择适当的鞘流体，和/或调节中心通道的长 度来控制。在一定的应用中，扩散效应可以是合乎需要的(有用的)，然而 在其他应用中，这样的效应可以是不需要的。例如，为了获取只存在一个单 独的被研究分子的流体探测体积，这样的扩散效应可以是有用的。
每一个微流体通道的液力直径最好为从约0.01μm到500μm，从0.1μm 到200μm更好，再好一点是从1μm到100μm，最优选的是从5μm到20 μm。各个集中通道(32，34，46，48，56和58)可以有相同的或不同的液 力直径。最好，对称的集中通道有相等或基本相等尺寸的液力直径。取决于 具体应用，各个集中通道可以有小于(或大于)中心通道液力直径的液力直 径。
通常，鞘流体以互相之间不同的流率流过集中通道和级联结。然而，最 好的是，流体流过对称的集中通道的流动是相等的或基本相等的。而且，鞘 流体能够以大于流体流过中心通道各自结的最紧靠的上游时的流率流过各自 的集中通道和各自的级联结。
本文中叙述的微流体设备的体结构和方法通常包括两个或更多个分离的 衬底的聚集，当适当地配对或连接到一起时，该聚集形成合乎需要的微流体 装置，例如，包含本文中叙述的通道和/或腔体。通常，本文中叙述的微流体 设备能包括顶部和底部的衬底部分和一个内部部分，其中，内部部分基本限 定了设备的通道，结以及流体库。
适当的衬底材料包括但不限制于弹性体，玻璃，硅基材料，石英，熔化 的二氧化硅，蓝宝石，聚合物材料以及这些材料的混合。聚合物材料可以是 聚合物或共聚物，包括但不限制于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯， 聚四氟乙烯(例如TEFLONTM)，聚氯乙烯(PVC)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)， 聚砜以及这些材料的混合。这样的聚合物衬底材料因其易于制造，低成本， 易于加工，以及总体的化学惰性而优选。这样的衬底能用已知的诸如注射模 制，雕刻或压印，或通过在模具中聚合聚合物母体材料的微制造技术和模制 技术方便地制造。衬底的表面可由在本技术领域熟练的人士用通常用在微流 体设备中的材料进行处理以增强各种流动特性。
在本文叙述的方式中应用多重级联结使微流体流动系统不需要常规的流 动控制设备，像诸如集成微泵一类的内部或外部压力源，或重新引导流体方 向的机械阀门。当在本文叙述的方式中应用多重级联结以后，利用声能，电 流体动力学能以及其他电气手段来实现流体运动也变得不再必要。不用常规 的设备，就减少了系统发生故障的可能性，减少了和这样的系统的操作和制 造有关的全部成本。
本文中叙述的微流体过程和设备能被用作一个大的微流体系统的一部 分，例如和用于监视流体输送的设备，用于探测和传感由系统进行的操作的 结果的探测设备以及各种处理器例如计算机相结合，用以根据编程的指令命 令监视设备，接收来自监视设备的数据，以及用以分析，储存和说明该数据， 并以一种易于进入的叙述方式提供这些数据和说明。
上文的叙述仅用于更清楚地理解，并非从中引出不必要的限制，因为对 于在本技术领域熟练的人士而言，在本发明的范围内作出各种修改是显而易 见的。