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TWI757167B - 擾流穩定晶片、液滴生成系統及液滴製備方法 - Google Patents

擾流穩定晶片、液滴生成系統及液滴製備方法 Download PDF

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TWI757167B
TWI757167B TW110116071A TW110116071A TWI757167B TW I757167 B TWI757167 B TW I757167B TW 110116071 A TW110116071 A TW 110116071A TW 110116071 A TW110116071 A TW 110116071A TW I757167 B TWI757167 B TW I757167B
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許嘉芸
黃振煌
吳嘉文
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國立清華大學
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Abstract

本發明提供一種液滴生成系統，包含一流體儲存裝置、一擾流穩定晶片、一液滴生成晶片以及一流體驅動單元。流體儲存裝置用以儲存一溶液。液滴生成晶片管路連接擾流穩定晶片。液滴生成晶片包含一本體、至少一流體輸入口、一流體混合腔室及一液滴輸出口。流體輸入口與液滴輸出口設置於本體上。流體混合腔室與流體輸入口及液滴輸出口連通。流體輸入口與擾流穩定晶片的流體輸送口連通。藉此，本發明之液滴生成系統透過擾流穩定晶片的設置以穩定流體的流速，並透過液滴生成晶片連續生成尺寸與相位皆穩定之液滴，使其具有相關的市場應用潛力。

Description

擾流穩定晶片、液滴生成系統及液滴製備方法
本發明係關於一種微流體晶片及微流體晶片系統，特別是關於一種可有效地穩定擾流之擾流穩定晶片、液滴生成系統及液滴製備方法。
隨著化學材料技術的發展，穩定的流體供給系統在電子封裝、能源材料、生物醫學等方面均有廣泛應用，而將流體以穩定且連續的液滴形式進行供應更有利於後續之化學材料的製備、液體的兩相萃取或細胞培育的進行，並具有相關市場的應用潛力。
習知的液滴製備係仰賴針筒式幫浦驅動流體，以連續地生產尺寸穩定且相位均勻之液滴。然而，前述之液滴在其製備過程中須不斷地補充針筒式幫浦內的液體，在液體的補充過程中常會使流體的輸出短暫地中斷，進而影響製得之液滴的穩定性，並導致後續製成之材料的品質或相關試驗的成功率不如預期。
因此，如何發展一種能有效地降低外界對流體的干擾，並可穩定地生成勻相液滴的液滴生成系統，遂成相關學界及業界所致力研究的目標。
本發明之一態樣之一實施方式是在於提供一種擾流穩定晶片，包含一晶片本體、一緩衝腔室以及二流體輸送口。晶片本體具有一管路連接面。緩衝腔室設置於前述之晶片本體中。二流體輸送口設置於前述之管路連接面，且二流體輸送口分別與前述之緩衝腔室連通。其中，晶片本體由所述之管路連接面往下依序包含一第一基板、一第一彈性膜、一第二基板、一第二彈性膜及一第三基板。第一基板包含一第一通口。第二基板包含一第二通口。第三基板包含一第三通口。前述之第一彈性膜、第二基板與第二彈性膜依序層疊以形成所述之緩衝腔室。
依據前述之擾流穩定晶片，其中前述之晶片本體可更包含四塑膠薄板，所述之四塑膠薄板分別設置於第一基板與第一彈性膜之間、第一彈性膜與第二基板之間、第二基板與第二彈性膜之間以及第二彈性膜與第三基板之間。
依據前述之擾流穩定晶片，其中前述之第一彈性膜與前述之第二彈性膜的材質可為乳膠(latex)或丁腈橡膠(nitrile butadiene rubber, NBR)。
依據前述之擾流穩定晶片，其中前述之緩衝腔室的一最小直徑可為1 mm至300 mm。
藉此，本發明之擾流穩定晶片透過第一彈性膜、第二基板與第二彈性膜依序層疊而形成緩衝腔室的方式，可在流體流入緩衝腔室時透過第一彈性膜與第二彈性膜的膨脹及壓縮而自動地對流體進行緩衝，以大幅提高本發明之擾流穩定晶片輸出之流體的穩定性，並具有相關的市場應用潛力。
本發明之一態樣之另一實施方式是在於提供一種液滴生成系統，包含一流體儲存裝置、一如前段所述之擾流穩定晶片、一液滴生成晶片以及一流體驅動單元。流體儲存裝置用以儲存一溶液，其中所述之溶液為一水相溶液或一油相溶液。液滴生成晶片管路連接前述之擾流穩定晶片，其中所述之液滴生成晶片包含一本體、至少一流體輸入口、一流體混合腔室及一液滴輸出口，至少一流體輸入口與液滴輸出口設置於前述之本體上，流體混合腔室與至少一流體輸入口及液滴輸出口連通，且至少一流體輸入口與擾流穩定晶片的其中一流體輸送口連通。流體驅動單元管路連接流體儲存裝置與擾流穩定晶片，且流體驅動單元用以驅動溶液由流體儲存裝置經由擾流穩定晶片傳輸至液滴生成晶片。
依據前述之液滴生成系統，其中前述之液滴生成晶片的本體可具有一晶片表面，本體由所述之晶片表面往下可依序包含一第一流道基板、一第一塑膠基板、一第二塑膠基板、一第三塑膠基板以及一第二流道基板。前述之第二塑膠基板、前述之第三塑膠基板及前述之第二流道基板依序層疊以形成所述之流體混合腔室。
依據前述之液滴生成系統，其中前述之流體驅動單元可為一蠕動幫浦。
依據前述之液滴生成系統，其中前述之流體儲存裝置的數量可為二，前述之擾流穩定晶片的數量可為二，前述之流體驅動單元的數量可為二，且前述之液滴生成晶片包含二流體輸入口。前述之各流體驅動單元管路連接一流體儲存裝置與一擾流穩定晶片，二流體儲存裝置分別用以儲存前述之水相溶液及前述之油相溶液，且前述之二擾流穩定晶片分別管路連接所述之液滴生成晶片的二流體輸入口。其中，前述之第一流道基板、前述之第一塑膠基板與前述之第二塑膠基板依序層疊以形成一緩流腔，前述之第二塑膠基板可包含一奈米微孔，且前述之緩流腔與前述之流體混合腔室通過所述之奈米微孔連通。
依據前述之液滴生成系統，其中前述之二擾流穩定晶片與前述之液滴生成晶片可分別以二連通管連接，且各連通管可包含一壓縮細管，各壓縮細管的直徑可為0.25 mm至1.00 mm。
依據前述之液滴生成系統，其中前述之各壓縮細管的材質可為聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone, PEEK)。
依據前述之液滴生成系統，可更包含一目標液滴儲存槽。目標液滴儲存槽管路連通前述之液滴輸出口與前述之二流體儲存裝置其中之一，其中所述之目標液滴儲存槽可包含一緩衝溶液，且所述之緩衝溶液可包含前述之水相溶液或前述之油相溶液。
藉此，本發明之液滴生成系統透過流體驅動單元、擾流穩定晶片以及液滴生成晶片的連通設置，使流體的流速震盪在流經擾流穩定晶片時先獲得穩定，而後再透過液滴生成晶片的緩衝而連續生成尺寸與相位皆穩定之液滴，並具有相關的市場應用潛力。
本發明之另一態樣之一實施方式是在於提供一種液滴製備方法，包含下述步驟。提供一如前段所述之液滴生成系統。進行一流體緩衝步驟，其係啟動前述之流體驅動單元，以使溶液流入所述之擾流穩定晶片的緩衝腔室，此時擾流穩定晶片的第一彈性膜與第二彈性膜將隨流體驅動單元的運轉而交互地擴張與回復，以改變所述之緩衝腔室的體積，其中前述之溶液輸入擾流穩定晶片中的流速為5 μL/min至5 mL/min。進行一液滴生成步驟，其中前述之溶液係透過一流體輸入口流入所述之液滴生成晶片的流體混合腔室，且前述之溶液係由液滴輸出口輸出至一目標液滴儲存槽，以得複數個目標液滴。其中，前述之溶液於液滴生成晶片中的一流速為5 μL/min至80 μL/min，且所述之目標液滴的一平均粒徑為300 μm至500 μm。
本發明之一態樣之另一實施方式是在於提供一種液滴製備方法，包含下述步驟。提供一如前段所述之液滴生成系統。進行一流體緩衝步驟，其係啟動各流體驅動單元，以使水相溶液與油相溶液分別流入二擾流穩定晶片的二緩衝腔室中，此時各擾流穩定晶片的第一彈性膜與第二彈性膜將隨各流體驅動單元的運轉而交互地擴張與回復，以改變各緩衝腔室的體積，其中前述之水相溶液輸入所述之一擾流穩定晶片中的流速為5 μL/min至5 mL/min，前述之油相溶液輸入另一所述之擾流穩定晶片中的流速為5 μL/min至5 mL/min。進行一液滴生成步驟，其中前述之水相溶液與前述之油相溶液係透過二流體輸入口分別流入液滴生成晶片的緩流腔與流體混合腔室，且前述之水相溶液與前述之油相溶液係於流體混合腔室中混合，以得複數個目標液滴。其中，前述之目標液滴為水包油液滴或油包水液滴，前述之水相溶液與前述之油相溶液其中之一於液滴生成晶片中的流速為5 μL/min至80 μL/min，且所述之目標液滴的一平均粒徑為300 μm至500 μm。
藉此，本發明之液滴製備方法透過液滴生成系統之擾流穩定晶片、液滴生成晶片以及流體驅動單元的設置，使流體的流速震盪在流體緩衝步驟時先獲得穩定，而後流體再於液滴生成步驟中流經液滴生成晶片的流體混合腔室或緩流腔，以連續生成尺寸與相位皆穩定且均勻之液滴，並具有相關的市場應用潛力。
下述將更詳細討論本發明各實施方式。然而，此實施方式可為各種發明概念的應用，可被具體實行在各種不同的特定範圍內。特定的實施方式是僅以說明為目的，且不受限於揭露的範圍。
[本發明之擾流穩定晶片]
請參照第1圖、第2圖與第3圖，第1圖係繪示本發明一實施方式之一實施例的擾流穩定晶片100的示意圖，第2圖係繪示第1圖之擾流穩定晶片100沿割面線2-2的剖視圖，第3圖係繪示第1圖之擾流穩定晶片100的晶片本體110的爆炸圖。擾流穩定晶片100包含一晶片本體110、一緩衝腔室120以及二流體輸送口130。
晶片本體110具有一管路連接面1101，緩衝腔室120設置於晶片本體110中，而二流體輸送口130設置於管路連接面1101，且二流體輸送口130分別與緩衝腔室120連通。如第3圖所示，晶片本體110由管路連接面1101往下基本上依序包含一第一基板111、一第一彈性膜112、一第二基板113、一第二彈性膜114及一第三基板115，其中第一基板111包含一第一通口1111，第二基板113包含一第二通口1131，第三基板115包含一第三通口1151，且第一彈性膜112、第二基板113與第二彈性膜114依序層疊以形成緩衝腔室120。
詳細而言，當流速震盪不穩的流體進入晶片本體110之緩衝腔室120時，由於緩衝腔室120是由第一彈性膜112、第二基板113與第二彈性膜114依序層疊而形成，此時第一彈性膜112與第二彈性膜114將會對應流體的流速的變化而交互地膨脹及壓縮，進而將流速不穩之流體對緩衝腔室120造成的推擠壓力藉由第一彈性膜112與第二彈性膜114的可逆形變而抵銷，以減少流速的震盪而輸出一流速穩定的流體。再者，當進入緩衝腔室120之流體的流量突然增大時，第一彈性膜112與第二彈性膜114將會分別受壓膨脹，以在緩衝腔室120中儲存多於平均流量的液體，而當進入緩衝腔室120之流體的流量突然減少時，第一彈性膜112與第二彈性膜114受壓膨脹的形變將會再次回復，以將儲存於緩衝腔室120中的流體由一流體輸送口130排出，以進一步維持壓力以及流量的平衡。另外，第一彈性膜112與第二彈性膜114的材質可為乳膠(latex)或丁腈橡膠(nitrile butadiene rubber, NBR)，而緩衝腔室120的一最小直徑可為1 mm至300 mm，但本發明並不以此為限。
再者，在第3圖的實施例中，晶片本體110更包含四塑膠薄板116，四塑膠薄板116分別設置於第一基板111與第一彈性膜112之間、第一彈性膜112與第二基板113之間、第二基板113與第二彈性膜114之間以及第二彈性膜114與第三基板115之間。藉此，不僅可有效提升晶片本體110之第一基板111、第一彈性膜112、第二基板113、第二彈性膜114及第三基板115的安裝裕度，更可使晶片本體110的結構更加穩固，進而助於提升流體之流速穩定效果。另外，第一基板111、第二基板113及第三基板115可由雷射切除法製得，以利於快速且精準地進行切割，而第一基板111、第二基板113與第三基板115以及四塑膠薄板116的材質亦可視需求而選用不同的樹脂聚合物材料，以增加其製備效率並有利於量產。
藉此，本發明之擾流穩定晶片100透過第一彈性膜112、第二基板113與第二彈性膜114依序層疊而形成緩衝腔室120的方式，將可在流體流入緩衝腔室120時自動地對流體進行緩衝，以達到高度的流速震盪穩定效果，進而大幅提高本發明之擾流穩定晶片100輸出之流體的穩定性，並具有相關的市場應用潛力。
[本發明之液滴生成系統]
請參照第4圖，其係繪示本發明另一實施方式之一實施例的液滴生成系統200的示意圖。液滴生成系統200包含一流體儲存裝置210、一擾流穩定晶片100、一液滴生成晶片300以及一流體驅動單元220。
流體儲存裝置210用以儲存一溶液2101。詳細而言，溶液2101為後續生成之液滴的初始溶液，並可為一水相溶液或一油相溶液，而擾流穩定晶片100的詳細結構說明請參前段所述，在此將不再贅述。
請同時參照第4圖、第5圖與第6圖，第5圖係繪示第4圖之液滴生成系統200的液滴生成晶片300的示意圖，第6圖係繪示第5圖之液滴生成晶片300沿割面線6-6的剖視圖。如第4圖、第5圖與第6圖所示，液滴生成晶片300管路連接擾流穩定晶片100，其中液滴生成晶片300包含一本體310、至少一流體輸入口320、一流體混合腔室340及一液滴輸出口330，至少一流體輸入口320與液滴輸出口330設置於本體310上，流體混合腔室340與至少一流體輸入口320及液滴輸出口330連通，且至少一流體輸入口320與擾流穩定晶片100的其中一流體輸送口130連通。再者，如第4圖所示，液滴生成系統200可更包含一目標液滴儲存槽230，目標液滴儲存槽230可用以儲存目標液滴400，以供後續實驗所需，進而使本發明之液滴生成系統200的使用更為方便。
請同時參照第5圖、第6圖與第7圖，第7圖係繪示第5圖之液滴生成晶片300的爆炸圖。如第7圖所示，液滴生成晶片300的本體310具有一晶片表面3101，本體310由晶片表面3101往下依序包含一第一流道基板311、一第一塑膠基板312、一第二塑膠基板313、一第三塑膠基板314以及一第二流道基板315，其中，第二塑膠基板313、第三塑膠基板314及第二流道基板315依序層疊以形成流體混合腔室340。藉此，可有效提升液滴生成晶片300的安裝裕度，並使其整體結構更加穩固。另外，第一流道基板311、第一塑膠基板312、第二塑膠基板313、第三塑膠基板314以及第二流道基板315可由雷射切除法製得，以利於快速且精準地進行切割，而第一流道基板311、第一塑膠基板312、第二塑膠基板313、第三塑膠基板314以及第二流道基板315的材質亦可視需求而選用不同的樹脂聚合物材料，以增加其製備效率並有利於量產。
流體驅動單元220管路連接流體儲存裝置210與擾流穩定晶片100，且流體驅動單元220用以驅動溶液2101由流體儲存裝置210經由擾流穩定晶片100傳輸至液滴生成晶片300。另外，流體驅動單元220可為一蠕動幫浦，由於蠕動幫浦是透過對其中設置之蠕動管(圖未繪示)交替進行擠壓和釋放來輸送流體，並將流體隔離在蠕動管中而不與外界氣體或蠕動幫浦的其他結構接觸，使其具有低汙染並可連續輸送流體等優點，進而有利於本發明之液滴生成系統200在不被空氣阻斷流道的前提下進行液滴的製備。再者，本發明之液滴生成系統200透過蠕動幫浦作為流體驅動單元220而取代習知液滴製備的針筒式幫浦，可簡易的視實際需求而建立流體的循環流道，並可重複地使用液滴生成系統200中連續流動之水相溶液或油相溶液，以減少浪費以及成本耗損。
請同時參照第6圖、第7圖與第8圖，第8圖係繪示本發明另一實施方式之另一實施例的液滴生成系統200a的示意圖。液滴生成系統200a與第4圖之液滴生成系統200在元件的配置與其結構上相仿，是以相同之元件的細節請參第4圖之液滴生成系統200的說明，在此將不再贅述。
如第6圖、第7圖與第8圖所示，第8圖的液滴生成系統200a包含二流體儲存裝置210、二擾流穩定晶片100、一液滴生成晶片300、二流體驅動單元220以及一目標液滴儲存槽230，且液滴生成晶片300包含二流體輸入口320。各流體驅動單元220管路連接一流體儲存裝置210與一擾流穩定晶片100，二流體儲存裝置210分別用以儲存一第一溶液2102及一第二溶液2103，其中第一溶液2102可視實際製備需求而選用水相溶液或油相溶液，第二溶液2103亦可視實際製備需求而選用水相溶液或油相溶液。
二擾流穩定晶片100分別管路連接液滴生成晶片300的二流體輸入口320。其中，第一流道基板311、第一塑膠基板312與第二塑膠基板313依序層疊以形成一緩流腔350(標示於第6圖)，第二塑膠基板313包含一奈米微孔3131，且緩流腔350與流體混合腔室340通過奈米微孔3131連通。
目標液滴儲存槽230管路連通液滴輸出口330並可用以儲存目標液滴400a，且目標液滴儲存槽230可視需求與二流體儲存裝置210其中之一管路連通，其中，目標液滴儲存槽230可包含一緩衝溶液(圖未標示)，且緩衝溶液可包含第一溶液2102或第二溶液2103。詳細而言，當目標液滴儲存槽230管路連通二流體儲存裝置210其中之一時，由於流體驅動單元220的驅動，緩衝溶液中的第一溶液2102或第二溶液2103將可再次流入目標液滴儲存槽230所管路連通之流體儲存裝置210，如此一來不僅可形成一連續流動的流體系統，亦可將第一溶液2102或第二溶液2103再次回收與利用，以進一步減少成本支出以及耗材浪費，並可達成24小時以上連續之目標液滴400a的生產。
具體而言，在第8圖的實施例中，液滴生成系統200a是用以製備水包油液滴或油包水液滴。舉例而言，當第一溶液2102為水相溶液而第二溶液2103為油相溶液時，第一溶液2102可進一步通過擾流穩定晶片100而輸入流體混合腔室340，第二溶液2103則可進一步通過另一擾流穩定晶片100而輸入緩流腔350。在此同時，由於緩流腔350與流體混合腔室340是通過奈米微孔3131連通，是以設置於流體混合腔室340上方之緩流腔350中所儲存的第二溶液2103將會因為流體驅動單元220的驅動與地心引力的作用而通過奈米微孔3131穩定地滴入第一溶液2102中，以穩定地生成尺寸與相位皆穩定之水包油型態的目標液滴400a，而目標液滴400a將會進一步通過液滴生成晶片300的液滴輸出口330而進入目標液滴儲存槽230，以供後續應用所需。
另外，雖圖未揭示，本發明之液滴生成系統200a的二擾流穩定晶片100與液滴生成晶片300可分別以二連通管(未標示)連接，其中各連通管可包含一壓縮細管(圖未繪示)，且各壓縮細管的直徑可為0.25 mm至1.00 mm。詳細而言，透過壓縮細管設置於擾流穩定晶片100與液滴生成晶片300之間的方式，可施加額外之出口壓力於擾流穩定晶片100所輸出之流體上，以進一步穩定流體的流速震盪。另外，各壓縮細管的材質可為聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone, PEEK)，但本發明並不以此為限。
藉此，本發明之液滴生成系統200與液滴生成系統200a透過擾流穩定晶片100、液滴生成晶片300以及流體驅動單元220的連通設置，使流體的流速震盪在流經擾流穩定晶片100時先獲得穩定，而後再由液滴生成晶片300連續生成尺寸穩定之液滴，並具有相關的市場應用潛力。再者，本發明之液滴生成系統200與液滴生成系統200a不僅可用於連續且穩定地長時間製備大小均勻之水相液滴與油相液滴，並可進一步用以製備水包油液滴或油包水液滴，以利於後續之化學材料的製備、液體的兩相萃取或細胞培育的進行，並具有相關的市場潛力。
[本發明之液滴製備方法]
一、製備水相溶液或油相液滴
請參照第9圖，其係繪示本發明又一實施方式之一實施例的液滴製備方法S100的步驟流程圖。詳細而言，液滴製備方法S100係用於製備尺寸均勻之水相液滴或油相液滴，且液滴製備方法S100包含步驟S110、步驟S120以及步驟S130。
步驟S110為提供一液滴生成系統。詳細而言，前述之液滴生成系統可為第6圖所述之液滴生成系統200，而液滴生成系統200的元件配置及其細節請參前段所述，在此將不再贅述。以下將以液滴生成系統200說明本發明之液滴製備方法S100的操作細節。
步驟S120為進行一流體緩衝步驟，其係啟動流體驅動單元220，以使流體儲存裝置210中的溶液2101流入擾流穩定晶片100的緩衝腔室120，其中溶液2101可視實際製備需求而選用水相溶液或油相溶液。在此同時，擾流穩定晶片100的第一彈性膜112與第二彈性膜114將隨流體驅動單元220的運轉而交互地擴張與回復，以改變緩衝腔室120的體積，其中溶液2101輸入擾流穩定晶片100中的流速為5 μL/min至5 mL/min。
步驟S130為進行一液滴生成步驟，其中溶液2101係透過流體輸入口320流入液滴生成晶片300的流體混合腔室340，且溶液2101係由液滴輸出口330輸出至目標液滴儲存槽230，以得複數個目標液滴400。其中，目標液滴400為大小均勻之水相液滴或油相液滴，且所述之目標液滴400的一平均粒徑為300 μm至500 μm，且溶液2101於液滴生成晶片300中的一流速為5 μL/min至80 μL/min。
二、製備水包油液滴或油包水液滴
請參照第10圖，其係繪示本發明又一實施方式之另一實施例的液滴製備方法S200的步驟流程圖。詳細而言，液滴製備方法S200係用於製備尺寸穩定且相位均勻之水包油液滴或油包水液滴，且液滴製備方法S200包含步驟S210、步驟S220以及步驟S230。
步驟S210為提供一液滴生成系統。詳細而言，前述之液滴生成系統可為第8圖所述之液滴生成系統200a，而液滴生成系統200a的元件配置及其細節請參前段所述，在此將不再贅述。以下將以液滴生成系統200a說明本發明之液滴製備方法S200的操作細節，其中液滴生成系統200a的二流體儲存裝置210分別用以儲存第一溶液2102與第二溶液2103，而在第10圖的實施例中，第一溶液2102係選用油相溶液，第二溶液2103係選用水相溶液，以說明呈現油包水型態之目標液滴400a的製備方法，惟第一溶液2102與第二溶液2103的種類亦可視實際需求而進行調整，且本發明並不以此為限。
步驟S220為進行一流體緩衝步驟，其係啟動各流體驅動單元220，以使二流體儲存裝置210的第一溶液2102與第二溶液2103分別流入二擾流穩定晶片100的二緩衝腔室120中，此時各擾流穩定晶片100的第一彈性膜112與第二彈性膜114將隨各流體驅動單元220的運轉而交互地擴張與回復，以改變各緩衝腔室120的體積。其中，第一溶液2102輸入一擾流穩定晶片100中的流速為5 μL/min至5 mL/min，第二溶液2103輸入另一擾流穩定晶片100中的流速為5 μL/min至5 mL/min。
步驟S230為進行一液滴生成步驟，其中第一溶液2102與第二溶液2103係透過二流體輸入口320分別流入液滴生成晶片300的流體混合腔室340與緩流腔350，且第一溶液2102與第二溶液2103係於流體混合腔室340中混合，以得複數個目標液滴400a。其中，在作為目標液滴400a主要成分之溶液，即液滴製備方法S200中的第二溶液2103，於液滴生成晶片300中的流速為5 μL/min至80 μL/min。
詳細而言，由於緩流腔350與流體混合腔室340是通過奈米微孔3131連通，且緩流腔350係設置於流體混合腔室340上方，是以呈現水相溶液之第二溶液2103將會因為流體驅動單元220的驅動與地心引力的作用而通過奈米微孔3131穩定的滴入呈現油相溶液之第一溶液2102中，以穩定地生成尺寸與相位皆穩定之呈現油包水型態之目標液滴400a，且目標液滴400a的一平均粒徑為300 μm至500 μm。
藉此，本發明之液滴製備方法S100與液滴製備方法S200透過液滴生成系統200或液滴生成系統200a之擾流穩定晶片100、液滴生成晶片300以及流體驅動單元220的設置，使流體的流速震盪在流體緩衝步驟時先獲得穩定，而後流體再於液滴生成步驟中流經液滴生成晶片300的流體混合腔室340或緩流腔350，以連續生成尺寸與相位皆穩定且均勻之液滴，並具有相關的市場應用潛力。
[實施例與比較例]
以下將以本發明之液滴製備方法搭配液滴生成系統進行目標液滴的製備，以更詳細討論本發明之液滴生成系統與液滴製備方法在不同參數設定時所製備而得之目標液滴的特性。然而，下述之實施例可為各種發明概念的應用，可被具體實行在各種不同的特定範圍內。特定的實施例是僅以說明為目的，且不受限於揭露的範圍。
下述實施例係以純水做為水相溶液，並將質量濃度5%w/v之大豆油溶於聚甘油-10聚蓖麻醇酸酯(Polyglyceryl-10 Polyricinoleate, PGPR)中以作為本發明之油相溶液而進行後續的實驗。再者，在下述實施例中，擾流穩定晶片的第一彈性膜與第二彈性膜的厚度相等，第一彈性膜與第二彈性膜的材質亦相同，以利於後續分析的進行。
一、不同緩衝腔室之最小直徑對流體之流速震盪的影響
本試驗是分析本發明之液滴生成系統的擾流穩定晶片在包含不同最小直徑之緩衝腔室時對於蠕動幫浦驅動之流體的流速震盪縮減的效果。在實驗方面是以流速為5 μL/min至5 mL/min的純水作為水相溶液進行測試，且緩衝腔室是由材質為乳膠之第一彈性膜與第二彈性膜以及第二基板層疊所形成。再者，在本試驗中亦與單純以蠕動幫浦驅動之純水的流速震幅進行比較，並進一步以流速震盪縮減率計算式(I)計算本發明之液滴生成系統處理後之流體的流速震盪縮減率(Fluctuation Reduced Factor, FR)，而流速震盪縮減率計算式(I)如下。
流速震盪縮減率 (%) = (1- ɭ i )×100% 式(I)。
ɭ 0
其中， ɭ i代表本發明之液滴生成系統處理後之流體的流速最大震幅，而 ɭ 0則代表未經本發明之液滴生成系統處理之流體的流速最大震幅。
請參照第11圖，其係繪示本發明之液滴生成系統的擾流穩定晶片在包含不同最小直徑之緩衝腔室時流體之流速震盪縮減的分析結果圖。如第11圖所示，當緩衝腔室的最小直徑為10 mm時，其流速震盪縮減率可達92.73%，而當緩衝腔室的最小直徑為15 mm與20 mm時，其流速震盪縮減率更可達98.37%與99.06%。根據上述，本發明之液滴生成系統在其擾流穩定晶片的緩衝腔室之最小直徑為1 mm至300 mm時可有效地降低流體的流速震盪，是以本發明之擾流穩定晶片與液滴生成系統具有優異之擾流穩定能力，並具有相關的市場應用潛力。
二、不同材質之第一彈性膜與第二彈性膜對流體之體積流量的影響
本試驗是分析本發明之液滴生成系統在其擾流穩定晶片的緩衝腔室由不同材質之第一彈性膜與第二彈性膜形成時對於蠕動幫浦驅動之流體的體積流量的影響。在實驗方面是以流速為5 μL/min至5 mL/min的純水作為水相溶液，並以實施例1與實施例2的液滴生成系統進行實驗，其中實施例1的第一彈性膜與第二彈性膜的材質為乳膠，實施例2的第一彈性膜與第二彈性膜的材質為丁腈橡膠，且實施例1與實施例2之緩衝腔室的最小直徑皆為1 mm，以進行後續的實驗。
請參照第12圖與表一，第12圖係繪示本發明之液滴生成系統的擾流穩定晶片在包含不同材質之第一彈性膜與第二彈性膜時的體積流量變化圖，而表一則呈現實施例1與實施例2之第一彈性膜與第二彈性膜的楊氏模數(Young’s modulus)、第一彈性膜與第二彈性膜的厚度與其流速震盪縮減率的數值，其中實施例1與實施例2之流體的流速震盪縮減率是以前述之流速震盪縮減率計算式(I)計算而得，而相關之計算方法請參前段所述，在此將不再贅述。另外，本試驗另包含一比較例1，其係以蠕動幫浦驅動純水並測量其流速震盪情形，以進一步分析與說明本發明之液滴生成系統的流速震盪縮減效率。
表一
  實施例1 實施例2
楊氏模數 (MPa) 1.82 5.61
彈性膜厚度 (mm) 0.121 0.146
流速震盪縮減率 (%) 92.73 75.67
如表一所示，實施例1在擾流穩定晶片的第一彈性膜與第二彈性膜由乳膠製成的情形下，其流速震盪縮減率可達92.73%，而實施例2在擾流穩定晶片的第一彈性膜與第二彈性膜由丁腈橡膠製成的情形下，其流速震盪縮減率亦可達75.67%。再者，如第12圖所示之內容，實施例1與實施例2之體積流量變化皆顯著小於比較例1之體積流量變化，顯示本發明之液滴生成系統在其擾流穩定晶片的第一彈性膜與第二彈性膜的材質為乳膠或丁腈橡膠時皆可有效穩定流速為5 μL/min至5 mL/min之流體的流速震盪，並具有相關的市場應用潛力。
三、不同形狀之擾流穩定晶片的緩衝腔室與不同材質之第一彈性膜與第二彈性膜對流體之流速震盪的影響
本試驗是分析本發明之液滴生成系統在其擾流穩定晶片的緩衝腔室具有不同形狀且其第一彈性膜與第二彈性膜為不同材質時對於蠕動幫浦驅動之流體的流速震盪的影響。在實驗方面是以流速為5 μL/min至5 mL/min的純水作為水相溶液，並以實施例3至實施例6的液滴生成系統進行實驗，而實施例3至實施例6的緩衝腔室的形狀、緩衝腔室的最小直徑，以及第一彈性膜與第二彈性膜的材質列示於表二。另外，本試驗之流體的流速震盪縮減率是以前述之流速震盪縮減率計算式(I)計算而得，而相關之計算方法請參前段所述，在此將不再贅述。
表二
  緩衝腔室形狀 緩衝腔室的最小直徑 (mm) 彈性膜材質
實施例3 橢圓形 1 × 2 (短軸與長軸) 乳膠
實施例4 圓形 1 乳膠
實施例5 橢圓形 1 × 2 (短軸與長軸) 丁腈橡膠
實施例6 圓形 1 丁腈橡膠
請參照第13圖，其係繪示本發明之液滴生成系統在不同形狀之緩衝腔室與不同材質之第一彈性膜與第二彈性膜時流體之流速震盪縮減的分析結果圖。如第13圖所示，在蠕動幫浦的轉速大於10 rpm時，實施例3至實施例6的流速震盪縮減率皆可達80%以上，而在蠕動幫浦的轉速為15 rpm時，實施例3至實施例6的流速震盪縮減率均高於90%以上，顯示本發明之液滴生成系統在其擾流穩定晶片的緩衝腔室的形狀為圓形或橢圓形且第一彈性膜與第二彈性膜的材質為乳膠或丁腈橡膠時皆可有效穩定流體的流速震盪，並具有相關的市場應用潛力。
四、壓縮細管之設置對流體之流速震盪的影響
本試驗是分析本發明之液滴生成系統在其擾流穩定晶片與液滴生成晶片之間設置壓縮細管時是否對蠕動幫浦驅動之流體的流速有加強震盪縮減的效果。在實驗方面是以流速為5 μL/min至5 mL/min的純水作為水相溶液，並以前述之實施例3至實施例6的液滴生成系統進行實驗，其中分別於實施例3至實施例6的擾流穩定晶片與液滴生成晶片之間的連通管中設置直徑為0.25 mm或0.75 mm之聚醚醚酮壓縮細管，以觀察其流速震盪縮減情形。另外，本試驗之流體的流速震盪縮減率是以前述之流速震盪縮減率計算式(I)計算而得，而相關之計算方法請參前段所述，在此將不再贅述。
請參照第14A圖與第14B圖，第14A圖係繪示本發明之液滴生成系統包含直徑為0.75 mm之壓縮細管時流體的流速震盪縮減的分析結果圖，第14B圖係繪示本發明之液滴生成系統包含直徑為0.25 mm之壓縮細管時流體的流速震盪縮減的分析結果圖。如第14A圖與第14B圖所示，實施例3至實施例6的液滴生成系統在設置直徑為0.75 mm與0.25 mm之聚醚醚酮壓縮細管後，其流速震盪縮減率皆可達80%以上，而在聚醚醚酮壓縮細管的直徑為0.25 mm時，無論蠕動幫浦的轉速大小，其流速震盪縮減率更可達95%以上，顯示本發明之液滴生成系統在擾流穩定晶片與液滴生成晶片之間設置壓縮細管可更有效地穩定流體的流速震盪，並具有相關的市場應用潛力。
五、本發明之液滴生成系統對於不同流速之流體的流速震盪穩定效果分析
本試驗是分析本發明之液滴生成系統對於不同流速之流體的流速震盪穩定效果。在實驗方面是以質量濃度為5%w/v之大豆油作為油相溶液，並以實施例7至實施例12的液滴生成系統進行實驗，其中實施例7的液滴生成系統是以轉速為3 rpm之蠕動幫浦進行驅動，實施例8的液滴生成系統是以轉速為5 rpm之蠕動幫浦進行驅動，實施例9的液滴生成系統是以轉速為8 rpm之蠕動幫浦進行驅動，實施例10的液滴生成系統是以轉速為10 rpm之蠕動幫浦進行驅動，實施例11的液滴生成系統是以轉速為20 rpm之蠕動幫浦進行驅動，而實施例12的液滴生成系統則是以轉速為30 rpm之蠕動幫浦進行驅動。再者，實施例7至實施例12的擾流穩定晶片的第一彈性膜與第二彈性膜之材質皆為丁腈橡膠，而緩衝腔室的形狀則為具有最小直徑為1 mm × 2 mm (短軸與長軸)之橢圓形。另外，本試驗亦同時與未經穩流處理之比較例2至比較例7進行比較，其中比較例2至比較例7之蠕動幫浦的轉速分別與實施例7至實施例12相同，以觀察本發明之液滴生成系統對於流體之流速震盪穩定效果。
請參照第15圖，其係繪示本發明之液滴生成系統在不同驅動轉速時之流速震盪縮減的分析結果圖。如第15圖所示，當蠕動幫浦的轉速越大時，比較例2至比較例7之流體的流速震盪的幅度將會隨之增大，而在以本發明之液滴生成系統進行穩流後，實施例7至實施例12皆可有效地穩定油相溶液的流速震盪，顯示本發明之液滴生成系統在不同的流速震盪情形下皆可有效地穩定流體，並具有相關的市場應用潛力。
六、本發明之液滴生成系統對於不同流速之流體的流速震盪穩定效果分析
本試驗是分析本發明之液滴生成系統的擾流穩定晶片在包含不同最小直徑之緩衝腔室時對於蠕動幫浦驅動之流體的流速震盪縮減的效果。在實驗方面是以實施例13的液滴生成系統分別對純水以及5%w/v之大豆油進行流速震盪穩定實驗，其中實施例13的擾流穩定晶片的第一彈性膜與第二彈性膜之材質皆為丁腈橡膠，而緩衝腔室的形狀則為具有最小直徑為1 mm × 2 mm之橢圓形。
請參照第16A圖與第16B圖，第16A圖係繪示本發明之液滴生成系統對水相溶液在不同驅動轉速時之流速震盪縮減的分析結果圖，第16B圖係繪示本發明之液滴生成系統對油相溶液在不同驅動轉速時之流速震盪縮減的分析結果圖。如第16A圖所示，當蠕動幫浦的轉速增大時，實施例13的液滴生成系統對水相溶液的流速震盪穩定效果越佳，而如第16B圖所示，實施例13的液滴生成系統對油相溶液的流速震盪穩定效果在不同之蠕動幫浦的轉速時皆可達99%以上，顯示本發明之液滴生成系統在不同的流速震盪情形下皆可有效地穩定不同相位之流體，並具有相關的市場應用潛力。
七、本發明之液滴生成系統所製得之目標液滴的特性分析
1. 使用本發明之液滴生成系統與習知之針筒式幫浦共同進行目標液滴的製備
本發明之液滴生成系統所製得之目標液滴之特性是以實施例14的液滴生成系統所製備而得之目標液滴進行分析，其中實施例14的液滴生成系統其油相溶液是透過本發明之流體驅動單元驅動並透過擾流穩定晶片對震盪之流速進行穩定後提供，而水相溶液則是以習知之針筒式幫浦進行驅動，以製備油包水型態之目標液滴。再者，在實施例14的液滴生成系統中，擾流穩定晶片的第一彈性膜與第二彈性膜的材質為丁腈橡膠，擾流穩定晶片之緩衝腔室的形狀則為具有最小直徑為1 mm × 2 mm之橢圓形。另外，實施例14的液滴生成系統是以本發明之液滴製備方法進行目標液滴的製備，其中油相溶液於液滴生成晶片中的流速為320 µL/min，水相溶液由針筒式幫浦驅動的流速為5 μL/min至80 μL/min，而本發明之液滴製備方法的其他細節請參前述說明，在此將不再贅述。
請參照第17圖與表三，第17圖係繪示本發明之目標液滴的平均粒徑分析結果圖，其中第17圖所示之標註(A)至標註(E)分別代表水相溶液於不同流速時目標液滴的平均粒徑分布與對應之目標液滴的影像，而表三則為實施例14在不同水相溶液之流速時所對應之目標液滴的平均粒徑、流體係數(Flow Coefficient, CV)以及液滴生成頻率。
表三
  水相溶液流速 (µL/min) 平均粒徑 (μm) 流體係數 (%) 液滴生成頻率(Hz)
(A) 5 321 5.61 4.48
(B) 10 363 3.03 5.66
(C) 30 435 2.76 8.68
(D) 50 469 1.71 10.56
(E) 80 519 2.50 11.60
如第17圖與表三所示，本發明之目標液滴在外觀上呈現尺寸與相位皆穩定且均勻之液滴，且目標液滴的平均粒徑為300 μm至500 μm，顯示本發明之液滴生成系統與液滴製備方法可視需求而進行多方運用，以連續且穩定地長時間製備大小均勻之水相液滴與油相液滴，並具有相關的市場潛力。
2. 使用本發明之液滴生成系統進行目標液滴的製備
本發明之液滴生成系統所製得之目標液滴之特性是以實施例15的液滴生成系統所製備而得之目標液滴進行分析，其中實施例15的液滴生成系統之流體儲存裝置的數量為二，擾流穩定晶片的數量為二，流體驅動單元的數量為二，液滴生成晶片包含二流體輸入口，以製備油包水型態之目標液滴。再者，在實施例15的液滴生成系統中，各擾流穩定晶片的第一彈性膜與第二彈性膜的材質為丁腈橡膠，各擾流穩定晶片之緩衝腔室的形狀則為具有最小直徑為1 mm × 2 mm之橢圓形。另外，實施例15的液滴生成系統是以本發明之液滴製備方法進行目標液滴的製備，其中油相溶液於液滴生成晶片中的流速為320 µL/min，水相溶液於液滴生成晶片中的流速為60 μL/min，而本發明之液滴製備方法的其他細節請參前述說明，在此將不再贅述。
請參照第18圖，其係繪示本發明之目標液滴的影像。如第18圖所示，本發明之目標液滴在外觀上呈現尺寸與相位皆穩定且均勻之液滴，其中目標液滴的平均粒徑為443 μm，流體係數為1.98，而液滴生成頻率則為15.00 Hz，並可連續製備24小時以上，顯示本發明之液滴生成系統與液滴製備方法可視需求而進行多方運用，以連續且穩定地長時間製備大小均勻之水相液滴與油相液滴，並可進一步用以製備尺寸與相位皆穩定的水包油液滴或油包水液滴，以利於後續之化學材料的製備、液體的兩相萃取或細胞培育的進行，並具有相關的市場潛力。
綜上所述，本發明之擾流穩定晶片透過第一彈性膜、第二基板與第二彈性膜依序層疊而形成緩衝腔室的方式，可在流體流入緩衝腔室時透過第一彈性膜與第二彈性膜的膨脹及壓縮而自動地對流體進行緩衝，以大幅提高本發明之擾流穩定晶片輸出之流體的穩定性。再者，本發明之液滴生成系統及液滴製備方法透過擾流穩定晶片、液滴生成晶片以及流體驅動單元的連通設置，使流體的流速震盪在流經擾流穩定晶片時先獲得穩定，而後再透過液滴生成晶片的緩衝而連續生成尺寸與相位皆穩定之液滴，並具有相關的市場應用潛力。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:擾流穩定晶片 110:晶片本體 1101:管路連接面 111:第一基板 1111:第一通口 112:第一彈性膜 113:第二基板 1131:第二通口 114:第二彈性膜 115:第三基板 1151:第三通口 116:塑膠薄板 120:緩衝腔室 130:流體輸送口 200,200a:液滴生成系統 210:流體儲存裝置 2101:溶液 2102:第一溶液 2103:第二溶液 220:流體驅動單元 230:目標液滴儲存槽 300:液滴生成晶片 310:本體 3101:晶片表面 311:第一流道基板 312:第一塑膠基板 313:第二塑膠基板 3131:奈米微孔 314:第三塑膠基板 315:第二流道基板 320:流體輸入口 330:液滴輸出口 340:流體混合腔室 350:緩流腔 400,400a:目標液滴 2-2,6-6:割面線 S100,S200:液滴製備方法 S110,S120,S130,S210,S220,S230:步驟
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖係繪示本發明一實施方式之一實施例的擾流穩定晶片的示意圖； 第2圖係繪示第1圖之擾流穩定晶片沿割面線2-2的剖視圖； 第3圖係繪示第1圖之擾流穩定晶片的晶片本體的爆炸圖； 第4圖係繪示本發明另一實施方式之一實施例的液滴生成系統的示意圖； 第5圖係繪示第4圖之液滴生成系統的液滴生成晶片的示意圖； 第6圖係繪示第5圖之液滴生成晶片沿割面線6-6的剖視圖； 第7圖係繪示第5圖之液滴生成晶片的爆炸圖； 第8圖係繪示本發明另一實施方式之另一實施例的液滴生成系統的示意圖； 第9圖係繪示本發明又一實施方式之一實施例的液滴製備方法的步驟流程圖； 第10圖係繪示本發明又一實施方式之另一實施例的液滴製備方法的步驟流程圖； 第11圖係繪示本發明之液滴生成系統的擾流穩定晶片在包含不同最小直徑之緩衝腔室時流體之流速震盪縮減的分析結果圖； 第12圖係繪示本發明之液滴生成系統的擾流穩定晶片在包含不同材質之第一彈性膜與第二彈性膜時的體積流量變化圖； 第13圖係繪示本發明之液滴生成系統在不同形狀之緩衝腔室與不同材質之第一彈性膜與第二彈性膜時流體之流速震盪縮減的分析結果圖； 第14A圖係繪示本發明之液滴生成系統包含直徑為0.75 mm之壓縮細管時流體的流速震盪縮減的分析結果圖； 第14B圖係繪示本發明之液滴生成系統包含直徑為0.25 mm之壓縮細管時流體的流速震盪縮減的分析結果圖； 第15圖係繪示本發明之液滴生成系統在不同驅動轉速時之流速震盪縮減的分析結果圖； 第16A圖係繪示本發明之液滴生成系統對水相溶液在不同驅動轉速時之流速震盪縮減的分析結果圖； 第16B圖係繪示本發明之液滴生成系統對油相溶液在不同驅動轉速時之流速震盪縮減的分析結果圖； 第17圖係繪示本發明之目標液滴的平均粒徑分析結果圖；以及 第18圖係繪示本發明之目標液滴的影像。
100:擾流穩定晶片
200:液滴生成系統
210:流體儲存裝置
2101:溶液
220:流體驅動單元
230:目標液滴儲存槽
300:液滴生成晶片
400:目標液滴

Claims (13)

  1. 一種擾流穩定晶片，包含： 一晶片本體，具有一管路連接面； 一緩衝腔室，設置於該晶片本體中；以及 二流體輸送口，設置於該管路連接面，且二該流體輸送口分別與該緩衝腔室連通； 其中，該晶片本體由該管路連接面往下依序包含： 一第一基板，包含一第一通口； 一第一彈性膜； 一第二基板，包含一第二通口； 一第二彈性膜；及 一第三基板，包含一第三通口； 其中，該第一彈性膜、該第二基板與該第二彈性膜依序層疊以形成該緩衝腔室。
  2. 如請求項1所述之擾流穩定晶片，其中該晶片本體更包含四塑膠薄板，四該塑膠薄板分別設置於該第一基板與該第一彈性膜之間、該第一彈性膜與該第二基板之間、該第二基板與該第二彈性膜之間以及該第二彈性膜與該第三基板之間。
  3. 如請求項1所述之擾流穩定晶片，其中該第一彈性膜與該第二彈性膜的材質為乳膠或丁腈橡膠。
  4. 如請求項1所述之擾流穩定晶片，其中該緩衝腔室的一最小直徑為1 mm至300 mm。
  5. 一種液滴生成系統，包含： 一流體儲存裝置，用以儲存一溶液，其中該溶液為一水相溶液或一油相溶液； 如請求項1所述之擾流穩定晶片； 一液滴生成晶片，管路連接該擾流穩定晶片，其中該液滴生成晶片包含一本體、至少一流體輸入口、一流體混合腔室及一液滴輸出口，該至少一流體輸入口與該液滴輸出口設置於該本體上，該流體混合腔室與該至少一流體輸入口及該液滴輸出口連通，且該至少一流體輸入口與該擾流穩定晶片的其中一該流體輸送口連通；以及 一流體驅動單元，管路連接該流體儲存裝置與該擾流穩定晶片，該流體驅動單元用以驅動該溶液由該流體儲存裝置經由該擾流穩定晶片傳輸至該液滴生成晶片。
  6. 如請求項5所述之液滴生成系統，其中該液滴生成晶片的該本體具有一晶片表面，該本體由該晶片表面往下依序包含一第一流道基板、一第一塑膠基板、一第二塑膠基板、一第三塑膠基板以及一第二流道基板； 其中，該第二塑膠基板、該第三塑膠基板及該第二流道基板依序層疊以形成該流體混合腔室。
  7. 如請求項5所述之液滴生成系統，其中該流體驅動單元為一蠕動幫浦。
  8. 如請求項7所述之液滴生成系統，其中該流體儲存裝置的數量為二，該擾流穩定晶片的數量為二，該流體驅動單元的數量為二，該液滴生成晶片包含二該流體輸入口； 其中，各該流體驅動單元管路連接一該流體儲存裝置與一該擾流穩定晶片，二該流體儲存裝置分別用以儲存該水相溶液及該油相溶液，且二該擾流穩定晶片分別管路連接該液滴生成晶片的二該流體輸入口； 其中，該第一流道基板、該第一塑膠基板與該第二塑膠基板依序層疊以形成一緩流腔，該第二塑膠基板包含一奈米微孔，且該緩流腔與該流體混合腔室通過該奈米微孔連通。
  9. 如請求項8所述之液滴生成系統，其中二該擾流穩定晶片與該液滴生成晶片分別以二連通管連接，且各該連通管包含一壓縮細管，各該壓縮細管的直徑為0.25 mm至1.00 mm。
  10. 如請求項9所述之液滴生成系統，其中各該壓縮細管的材質為聚醚醚酮。
  11. 如請求項8所述之液滴生成系統，更包含： 一目標液滴儲存槽，管路連通該液滴輸出口與二該流體儲存裝置其中之一，其中該目標液滴儲存槽包含一緩衝溶液，且該緩衝溶液包含該水相溶液或該油相溶液。
  12. 一種液滴製備方法，包含： 提供一如請求項5至請求項7中任一項所述之液滴生成系統； 進行一流體緩衝步驟，其係啟動該流體驅動單元，以使該溶液流入該擾流穩定晶片的該緩衝腔室，此時該擾流穩定晶片的該第一彈性膜與該第二彈性膜將隨該流體驅動單元的運轉而交互地擴張與回復，以改變該緩衝腔室的體積，其中該溶液輸入該擾流穩定晶片中的流速為5 μL/min至5 mL/min；以及 進行一液滴生成步驟，其中該溶液係透過一該流體輸入口流入該液滴生成晶片的該流體混合腔室，且該溶液係由該液滴輸出口輸出至一目標液滴儲存槽，以得複數個目標液滴； 其中，該溶液於該液滴生成晶片中的一流速為5 μL/min至80 μL/min，且該些目標液滴的一平均粒徑為300 μm至500 μm。
  13. 一種液滴製備方法，包含： 提供一如請求項8至請求項11中任一項所述之液滴生成系統； 進行一流體緩衝步驟，其係啟動各該流體驅動單元，以使該水相溶液與該油相溶液分別流入二該擾流穩定晶片的二該緩衝腔室中，此時各該擾流穩定晶片的該第一彈性膜與該第二彈性膜將隨各該流體驅動單元的運轉而交互地擴張與回復，以改變各該緩衝腔室的體積，其中該水相溶液輸入一該擾流穩定晶片中的流速為5 μL/min至5 mL/min，該油相溶液輸入另一該擾流穩定晶片中的流速為5 μL/min至5 mL/min；以及 進行一液滴生成步驟，其中該水相溶液與該油相溶液係透過二該流體輸入口分別流入該液滴生成晶片的該緩流腔與該流體混合腔室，且該水相溶液與該油相溶液係於該流體混合腔室中混合，以得複數個目標液滴； 其中，該些目標液滴為水包油液滴或油包水液滴，該水相溶液與該油相溶液其中之一於該液滴生成晶片中的流速為5 μL/min至80 μL/min，且該些目標液滴的一平均粒徑為300 μm至500 μm。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103097883A (zh) * 2010-03-09 2013-05-08 网络百奥有限公司 提供样本输入至结果输出处理的单体生物芯片以及制造方法
TW201326813A (zh) * 2011-12-22 2013-07-01 Univ Chang Gung 檢測系統及檢測方法
CN105921066A (zh) * 2009-04-23 2016-09-07 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有零死体积的混合器和混合方法
WO2019036812A1 (en) * 2017-08-24 2019-02-28 Uti Limited Partnership HYBRID MODULAR THIN FILM MICROFLUIDIC MICROFLUIDIC DETECTION APPARATUS, SYSTEMS AND METHODS
US10730051B2 (en) * 2006-02-07 2020-08-04 Stokes Bio Ltd. Liquid bridge and system

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10336849A1 (de) * 2003-08-11 2005-03-10 Thinxxs Gmbh Flusszelle
US9056291B2 (en) * 2005-11-30 2015-06-16 Micronics, Inc. Microfluidic reactor system
WO2007136328A1 (en) * 2006-05-18 2007-11-29 Marilyn Rayner Manufacturing method of a membrane and a membrane thereof, for emulsification
EP3549674B1 (en) * 2012-12-21 2020-08-12 PerkinElmer Health Sciences, Inc. Low elasticity films for microfluidic use
TWI657139B (zh) * 2018-10-30 2019-04-21 國立清華大學 自動化體外細胞培養平台及細胞培養方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10730051B2 (en) * 2006-02-07 2020-08-04 Stokes Bio Ltd. Liquid bridge and system
CN105921066A (zh) * 2009-04-23 2016-09-07 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有零死体积的混合器和混合方法
CN103097883A (zh) * 2010-03-09 2013-05-08 网络百奥有限公司 提供样本输入至结果输出处理的单体生物芯片以及制造方法
TW201326813A (zh) * 2011-12-22 2013-07-01 Univ Chang Gung 檢測系統及檢測方法
WO2019036812A1 (en) * 2017-08-24 2019-02-28 Uti Limited Partnership HYBRID MODULAR THIN FILM MICROFLUIDIC MICROFLUIDIC DETECTION APPARATUS, SYSTEMS AND METHODS

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