用于微流体系统的一次性盒的制作方法

用于微流体系统的一次性盒的制作方法
【专利摘要】一种用于数字微流体系统(1)的一次性盒(2)，所述一次性盒(2)包括：带有第一疏水性表面(17’)的底层(3)，带有第二疏水性表面(17”)的刚性盖板(12)，以及两者之间的间隙(6)。底层(3)是柔性膜，该柔性膜平铺在数字微流体系统(1)的盒容纳站(8)的最上表面(52)上，并被抽空空间(46)内的欠压吸引到所述最上的表面(52)和铺展在该表面上。一次性盒(2)可在盒容纳站(8)处进行组装，然后，通过互相接触，刚性盖板(12)的下表面(48’)和柔性底层(3)彼此密封地附连。组装好的一次性盒(2)以单件形式从盒容纳站(8)中移去，该单件包括底层(3)、平面的刚性盖板(12)和可能包括试样和处理流体的间隙(6)。数字微流体系统(1)包括基座单元(7)和带有电极阵列(9)的盒容纳站(8)，电极阵列(9)包括多个个别的电极(10)。数字微流体系统(1)包括中央控制单元(14)，用于控制对单个电极(10)的选择，以及用于对这些电极(10)提供个别的电压脉冲，以通过电润湿来操纵盒子(2)的间隙(6)内的液体液滴。
【专利说明】用于微流体系统的一次性盒
[0001] 相关申请的交互参照
[0002] 本申请要求对2013年1月9日提交的国际专利申请PCT/EP2013/050326的优先 权益，本文为任何目的以参见方式引入其全部内容。

【技术领域】
[0003] 本发明涉及可在用于操纵试样液滴的数字微流体系统中或在该数字微流体系统 上使用的一次性盒。数字微流体系统包括：电极阵列，其由基板支撑；以及中央控制单元， 其用于控制该电极阵列的单独的电极的选择，并且用于为这些电极提供用于通过电润湿操 纵液滴的各个电压脉冲。本发明还涉及用于促进小滴致动分子技术的数字微流体系统，并 且涉及用于在数字微流体系统或装置中操纵试样液滴的备选方法。

【背景技术】
[0004] 自动化的液体处理系统是本领域公知的。一个例子是得自本 申请人:（泰肯贸易股 份公司，Seestrasse 103, CH-8708瑞士门内多夫）的Freedom EVO?机器人工作站。该 装置允许在独立式器械中或在与分析系统的自动化连接中的自动化液体处理。这些自动化 系统通常需要处理较大体积的液体（微升至毫升）。它们也是不设计成便携式的较大系统。
[0005] 涉及生物试样的自动化处理的许多方法源自微流体领域。该【技术领域】整体涉及小 体积（通常为微米级或纳米级）的液体的控制和操纵。在通道系统中的液体移动本身已知 为例如由静止装置中的微泵或旋转的实验室器具中的向心力控制。在数字微流体中，限定 的电压被施加到电极阵列的电极，从而处理（电润湿）各个小滴。
[0006] 关于电润湿方法的概述，请参见Washizu, IEEE工业应用汇刊（IEEE Transactions on Industry Applications), 1998 年，第 34卷，第 4 号，1998 和 Pollack等人的芯片实验 室杂志（Lab chip), 2002,第2卷，96-101。简而言之，电润湿是指使用优选地由疏水层覆 盖的微电极阵列移动液滴的方法。通过将限定的电压施加到电极阵列的电极，引起所处理 的电极上存在的液滴的表面张力的变化。这导致所处理的电极上的小滴的接触角的显著变 化，从而导致小滴的移动。对于这样的电润湿程序来说，已知两种布置电极的基本方式：使 用具有电极阵列的单个表面来引起小滴的移动，或者添加第二表面，其与类似的电极阵列 相对且提供至少一个接地电极。电润湿技术的主要优点在于，仅需要小体积的液体，例如单 个小滴。因此，液体处理可以在显著更短的时间内进行。此外，液体移动的控制可以完全在 电子控制下进行，这导致试样的自动化处理。
[0007] 从美国专利No. 5, 486, 337中已知一种用于通过使用具有电极阵列的单一表面 (电极的单平面布置）的电润湿操纵液滴的装置。所有电极被置于载体基板的表面上，下降 到基板中，或者由不可润湿的表面覆盖。电压源连接到电极。通过将电压施加到后续电极 而移动小滴，从而按照向电极的电压施加的顺序引导在电极上方的液滴的移动。
[0008] 从US 6, 565, 727已知一种用于液滴移动的微米级控制的电润湿装置，其使用相 对的表面具有至少一个接地电极的电极阵列（电极的双平面布置）。该装置的每个表面可 包括多个电极。电极阵列的驱动电极优选地通过位于每个单一电极的边缘处的突出部而以 彼此相互交叉的关系布置。两个相对的阵列形成间隙。朝向间隙的电极阵列的表面优选地 由电绝缘的疏水层覆盖。液滴定位在间隙中且通过将多个电场连续地施加到定位在间隙的 相对的位置上的多个电极而在非极性填料流体内移动。
[0009] 从WO 2010/069977 Al已知具有用于操纵在其上的试样液滴的聚合物膜的容器： 一种生物试样处理系统包括用于大体积处理的容器和具有下表面和疏水性上表面的平坦 的聚合物膜。平坦的聚合物膜通过突起与容器的背面保持距离。当容器定位在膜上时，该 距离限定至少一个间隙。液滴操纵器械包括用于引起液滴移动的至少一个电极阵列。还公 开了支撑该至少一个电极阵列的基板以及用于液滴操纵器械的控制单元。容器和膜可逆地 附接到液滴操纵器械。该系统由此允许至少一个液滴通过容器的通道从至少一个井凹移置 到平坦的聚合物膜的疏水性上表面上且高于所述至少一个电极阵列。液滴操纵器械被实现 为通过电润湿控制所述液滴在平坦的聚合物膜的疏水性上表面上的受引导移动，并且在那 里处理生物试样。
[0010] 在处理生物试样的背景下用于操纵液滴的这样的电润湿装置的使用也从公开为 WO 2011/002957 A2的国际专利申请中已知。在该专利中公开了一种小滴致动器，其通常包 括具有由电介质绝缘的控制电极（电润湿电极）的底部基板、导电性顶部基板、以及涂布在 底部和顶部基板上的疏水性涂层。该专利还公开了用于更换小滴致动器的一个或多个部件 的小滴致动器装置，即，可以容易地更换的一次性部件（例如，可移动膜、能可逆地附接的 顶部和底部基板、以及整装的可置换盒）。
[0011] 从公开为WO 2011/002957 A2的国际申请已知具有（例如，PCB的）固定底部基 板、具有电润湿电极、以及具有可移除或可置换的顶部基板的小滴致动器。整装的盒可以 例如包括缓冲液、试剂和填料流体。在盒中的小袋可用作流体贮存器并可被刺破以将流体 (例如，试剂或油）释放进盒间隙中。盒可包括可由疏水层代替的接地电极和用于将试样加 载到盒的间隙中的开口。接口材料（例如，液体、胶水或油脂）可提供将盒粘附到电极阵列 的粘附力。
[0012] WO 2006/125767 Al (英文翻译参见US 2009/0298059 Al)中公开了用于在用于进 行分子诊断分析的自动化系统中微流体处理和分析的一次性盒。盒被配置为扁平腔室装置 (具有大约支票卡的尺寸）并可插入系统内。试样可通过端口移取到盒中。
[0013] 从国际专利申请WO 2008/106678已知小滴致动器结构。该文献尤其涉及小滴致 动器的电极阵列的各种接线配置，并且另外公开了这样的小滴致动器的双层实施例，其包 括通过间隙与包括控制电极的第二基板分离的具有参考电极阵列的第一基板。两个基板平 行布置，从而形成间隙。间隙的高度可由间隔件建立。疏水性涂层在每种情况下设置在面 向间隙的表面上。第一和第二基板可采取盒的形式，最终包括电极阵列。


【发明内容】

[0014] 本发明的目的是提出用于数字微流体系统或数字微流体装置内或上的替代的一 次性盒，系统或装置构造成容纳用于操纵试样液滴内的一个或多个如此的一次性盒。
[0015] 该目的的达到在于，提供第一备选的一次性盒。本发明的第一备选的一次性盒包 括：
[0016] (a)带有第一疏水性表面的底层，该第一疏水性表面不渗透液体，并构造成工作 膜，当一次性盒的底层放置在所述电极阵列上时，用以利用数字微流体系统的电极阵列来 操纵试样液滴；
[0017] (b)平面的刚性盖板，其包括下表面、至少一个位于加载部位的通孔和第二疏水性 表面；以及
[0018] (C)位于底层的第一疏水性表面和刚性盖板的第二疏水性表面之间的间隙。
[0019] 本发明的第一备选的一次性盒，其特征在于，底层构造成柔性膜，该柔性膜构造成 平铺在数字微流体系统的盒容纳站的最上表面上，并通过抽空空间内的欠压吸引到所述最 上的表面和铺展在该表面上，这较佳地由一次性盒子的柔性底层、盒容纳站的最上表面以 及数字微流体系统或一次性盒的垫片所限定。
[0020] 本发明的第一备选的一次性盒，其特征还在于，一次性盒构造成在数字微流体系 统的盒容纳站处进行组装，通过互相接触刚性盖板的下表面和铺展在数字微流体系统的盒 容纳站最上表面上的柔性底层的周围，刚性盖板的下表面和柔性底层构造成沿着柔性底层 的围周彼此密封地吸引。
[0021] 本发明的第一备选的一次性盒，其特征还在于，组装好的一次性盒构造成以单件 从盒容纳站中移去，该单件包括底层、平面的刚性盖板和可能包括试样和处理流体的间隙。
[0022] 较佳地，平面的刚性盖板包括导电材料，或由导电材料形成。可供选择地，第二疏 水性表面可由平面的刚性盖板或由附连到平面的刚性盖板的层提供。该第二疏水性表面可 以不渗透液体，也可渗透液体，然而，较佳的是，该第二疏水性表面至少是渗透离子的。
[0023] 该目的的达到在于，提供第二备选的一次性盒。本发明的第二备选的一次性盒包 括：
[0024] (a)本体，其带有下表面、上表面和至少一个通孔；
[0025] (b)底层，其带有第一疏水性表面，该第一疏水性表面不渗透液体，并构造成工作 膜，当一次性盒的底层放置在所述电极阵列上时，用于利用数字微流体系统的电极阵列来 操纵试样液滴；
[0026] (C)附连到本体下表面上的导电材料，该导电材料构造成提供带有第二疏水性表 面的主体的下表面；以及
[0027] (d)位于底层的第一疏水性表面和导电材料的第二疏水性表面之间的间隙。
[0028] 本发明的第二备选的一次性盒，其特征在于，底层构造成柔性膜，该柔性膜沿着柔 性底层的周围密封地附连到一次性盒的导电材料，一次性盒因此没有位于柔性底层和导电 材料之间的用于形成所述第一疏水性表面和所述第二疏水性表面之间的特定距离的间隔 件。本发明的第二备选的一次性盒，其特征还在于，本体的至少一个通孔构造成用于将处理 液体、试剂或试样传送到间隙内的加载部位。
[0029] 可供选择地，提供第二疏水性表面的导电材料可以不渗透液体，也可渗透液体，然 而，较佳的是，该提供第二疏水性表面的导电材料至少是渗透离子的。
[0030] 本发明的另一目的是提出微流体系统或装置，用于操纵其中试样液滴的一个或多 个如此的一次性盒可放置到该系统或装置内或该系统或装置上。
[0031] 该目的的达到在于，提供备选的数字微流体系统。本发明的备选的数字微流体系 统，用于操纵底层的第一疏水性表面和至少一个一次性盒的第二疏水性表面之间的间隙内 试样液滴，本发明的备选的数字微流体系统包括：
[0032] (a)带有至少一个盒容纳站的基座单元，盒容纳站构造成接纳一个一次性盒；
[0033] (b)位于基座单元的所述至少一个盒容纳站的电极阵列，该电极阵列由底部基板 支承，并基本上在第一平面内延伸且包括多个单个的电极；
[0034] (C)中央控制单元，其用于控制对所述电极阵列的单个电极的选择，以及对这些电 极提供个别的电压脉冲，以通过电润湿来操纵所述盒子的间隙内的液滴，
[0035] (d)多个吸入孔，其穿透电极阵列和/或底部基板，并位于基座单元的盒容纳站 处；
[0036] (e)用于建立抽空空间内欠压的真空源；以及
[0037] (f)多个真空管线，它们将吸入孔连接到真空源。
[0038] "多个真空管线"可被解释为一个或多个真空管线。
[0039] 本发明备选的数字微流体系统，其特征在于，数字微流体系统或一次性盒的垫片 构造成在所述盒容纳站处密封所述抽空空间，该空间由一次性盒的柔性底层、盒容纳站的 最上表面和该垫片限定。
[0040] 本发明的数字微流体系统，其特征还在于，抽空空间内的欠压致使放置在盒容纳 站处的柔性底层，被吸引到并铺展在数字微流体系统的盒容纳站的最上表面，垫片限定所 述第一疏水性表面和所述第二疏水性表面之间特定的距离。
[0041] 较佳地，垫片是一种柔性材料，其有足够的刚度来仅经受最小的压缩，因此，组合 了密封抽空空间和限定间隙最终高度的任务。用于该垫片的较佳材料例如是：天然橡胶或 诸如Vitor^的DuPont特性弹性体、碳氟橡胶或Neoprene'氯丁橡胶的圈。第一备选的数 字微流体系统的垫片的优选实施例是X-环或方形环、方形环是最为首选的。
[0042] 本发明的还有另一目的是提出使用数字微流体系统或装置操纵试样液滴的备选 的方法。
[0043] 该另一目的的达到在于，提出操纵粘结到数字微流体系统或装置内工作膜的疏水 性表面上的试样液滴的备选的方法。根据本发明的替代的方法包括以下步骤：
[0044] (a)提供工作膜，其呈带有第一疏水性表面的底层的形式；
[0045] (b)提供带有电极阵列的数字微流体系统，电极阵列基本上在第一平面内延伸，电 极阵列包括多个单个的电极，它们由底部基板支承并连接到数字微流体系统的中央控制单 元，其用于控制对所述电极阵列的单个电极的选择，以及对这些电极提供个别的电压脉冲， 以通过电润湿来操纵所述第一疏水性表面上的所述液滴；以及
[0046] (C)提供垫片，其用于形成盒子的第二疏水性表面和底层的所述第一疏水性表面 之间的间隙。
[0047] 本发明的用于操纵液体液滴内试样的替代的方法，其特征在于，该方法还包括以 下步骤：
[0048] (d)将构造成柔性膜的底层放置在数字微流体系统的盒容纳站的最上表面上，由 此，形成抽空空间，该空间由所述最上表面、同样设置在盒容纳站处的垫片和柔性底层限 定；
[0049] (e)使用真空源在所述抽空空间内建立欠压，该真空源连接到多个吸入孔，吸入孔 位于数字微流体系统的基座单元的盒容纳站处，垫片密封抽空空间和抽空空间内欠压，致 使柔性底层被吸引并铺展到数字微流体系统的盒容纳站最上表面；
[0050] (f)将处理液体添加到柔性底层的所述第一疏水性表面；
[0051] (g)将带有下表面的刚性盖板放置在柔性底层上，使所述下表面接触柔性底层的 周围，并密封地使所述下表面附连到柔性底层的周围，由此，在数字微流体系统的盒容纳站 处组装一次性盒，所述垫片形成所述第一疏水性表面和所述第二疏水性表面之间的特定距 离；以及
[0052] (h)将至少一个试样液滴添加到间隙内，并通过电润湿来操纵所述试样液滴。
[0053] 从相应的从属权利要求书中，可得到另外附加的或发明性的特征，以及数字微流 体系统的优选实施例和变型，一次性盒，以及用于操纵液体液滴中试样的方法。
[0054] 本发明的优点包括：
[0055] ?柔性底层和数字微流体系统的盒容纳站最上表面之间的垫片，连同刚性盖板的 几何形、柔性底层，以及施加到该柔性底层下侧的欠压，足以形成柔性底层的疏水性表面和 刚性盖板下表面之间的间隙，它们包围该间隙。
[0056] ?替代地，盒子和数字微流体系统的PCB之间的垫片，连同盒子几何形、柔性底层， 以及施加到该柔性底层下侧的欠压，足以形成两个膜之间的间隙，包围该间隙。
[0057] ?本发明的一次性盒不需要介于包围发生电润湿的那个间隙的柔性底层的疏水性 表面和刚性盖板下表面之间的间隔件。
[0058] ?替代地，本发明的一次性盒不需要介于包围发生电润湿的那个间隙的两个膜之 间的间隔件。
[0059] ?该垫片可以是柔性底层的一部分，或可以固定到PCB或盒容纳站的最上表面。
[0060] ?在任何情形中，一次性盒，不管是预加工的，还是在数字微流体系统的盒容纳站 处组装的，都可从盒容纳站中抽出，并进一步处理或丢弃，没有污染周围环境或操作人员的 任何危险。

【专利附图】

【附图说明】
[0061] 示意性附图显示了本发明选择的和示范的实施例，它们不会使本发明的范围和主 旨变窄，现将借助于这些示意性附图，来解释根据本发明的自带的一次性盒、数字微流体系 统，以及操纵试样的方法。附图中：
[0062] 图1示出数字微流体系统的概览，该系统配有中央控制单元和基座单元并带有各 自包括电极阵列以及可移动的盖板的四个盒容纳站；
[0063] 图2示出根据第一实施例的其中容纳有一次性盒的一个盒容纳站的剖视图；
[0064] 图3示出根据第二实施例的其中容纳有一次性盒的一个盒容纳站的剖视图； [0065] 图4示出一个盒容纳站的剖视图，其带有容纳在其中的根据第三实施例的一次性 盒子；
[0066] 图5示出数字微流体系统的概观，该系统装备有中央控制单元和基座单元，带有 十二个盒容纳站，每个部位包括一电极阵列以及固定的盖板；
[0067] 图6示出一个盒容纳站的剖视图，其带有容纳在其中的根据第四实施例的一次性 盒子，其中：
[0068] 图6A示出插入到基本上垂直的盒容纳站内的顶部进入的盒子，盒容纳站带有基 本上垂直的电极阵列和盖板，以及
[0069] 图6B示出顶部进入的盒子，该图从图6A中所示剖切平面B观看；
[0070] 图7示出一个一次性盒子到达其容纳部位之前的剖视图，该一次性盒子根据第五 实施例构造；
[0071] 图8示出图7的一次性盒子在到达其容纳部位之后的剖视图，该一次性盒子根据 第五实施例构造，并由夹具固定在位置中；
[0072] 图9示出一次性盒子在到达其容纳部位之后的剖视图，该一次性盒子根据第六实 施例构造，并由夹具固定在位置中；
[0073] 图10示出一次性盒子在到达其容纳部位之后的剖视图，该一次性盒子根据第七 实施例构造，并不用夹具固定在位置中；
[0074] 图IIA示出带有附连垫片的柔性底层的剖视图，该底层-垫片组合可被插入在数 字微流体系统的盒容纳站处；
[0075] 图IlB示出不带有附连垫片的柔性底层的剖视图，该垫片是数字微流体系统的盒 容纳站的一部分，该底层可被插入在数字微流体系统的盒容纳站处；
[0076] 图12示出带有或不带有附连垫片的柔性底层的剖视图，其定位在数字微流体系 统的盒容纳站处并形成疏散空间；
[0077] 图13示出带有或不带有附连垫片的柔性底层的剖视图，在可供选择的将油提供 到柔性底层的过程中，其被吸引和散布在数字微流体系统的盒容纳站的最上表面上；
[0078] 图14示出组装在数字微流体系统的盒容纳站处的一次性盒子的剖视图，盒子的 平面刚性盖板借助于夹具压靠在柔性底层上；
[0079] 图15A示出从数字微流体系统的盒容纳站移出之后的用过的一次性盒子的剖视 图，垫片是盒子的一部分；
[0080] 图15B示出从数字微流体系统的盒容纳站移出之后的用过的一次性盒子的剖视 图，垫片是数字微流体系统的一部分。

【具体实施方式】
[0081] 图1示出示例性的数字微流体系统1的概览，数字微流体系统1配有中央控制单 元14和基座单元7,并带有各自包括电极阵列9和盖板12的四个盒容纳站8。数字微流体 系统1被配置用于在一次性盒2内操纵试样液滴23, 一次性盒2包含底层3、顶层4和最终 地间隔件5,间隔件5限定在底层3和顶层4之间的间隙6。因此，试样液滴23在一次性盒 2的间隙6中被操纵。
[0082] 典型的数字微流体系统1包括基座单元7,其具有配置用于接收一次性盒2的至少 一个盒容纳站8。数字微流体系统1可以是独立式和固定式单元，多个操作者在其上操作他 们携带的盒2。因此，数字微流体系统1可包括多个盒容纳站8和多个电极阵列9,从而可 以同时和/或并行地操作多个盒2。盒容纳站8、电极阵列9和盒2的数目可以是1个或在 例如1个和100个或甚至更多之间的任何数；该数目例如受中央控制单元14的处理能力限 制。
[0083] 可能优选的是将数字微流体系统1集成到液体处理工作站中或Freedom EVO? 机器人工作站中，使得移吸机器人可用来将液体部分和/或包含液体的试样转移到盒2和 从盒2转出。
[0084] 备选地，系统1可被配置为手持单元，其仅包括并且能够与少量的例如单个一次 性盒2 -起工作。本领域的每个技术人员应理解，位于刚刚提及的两个极端方案之间的中 间方案也将操作和工作。
[0085] 典型的数字微流体系统1也包括至少一个电极阵列9,其基本上在第一平面中延 伸且包括多个单独的电极10。这样的电极阵列9位于基座单元7的所述盒容纳站8中的每 一个处。优选地，每个电极阵列9由底部基板11支撑，该底部基板11固定到基座单元7。 应该指出的是，术语表达"电极阵列"和"电极布置"或术语表达"底部基板"和"印刷电路 板（PCB) "，在这里都被用作各种情形中的同义词，应指出的是，PCB可包括底部基板11和电 极阵列9。
[0086] 典型的数字微流体系统1也包括具有顶部基板13的至少一个盖板12。在每种情 况下，至少一个盖板12位于所述盒容纳站8处。盖板12的顶部基板13和底部基板11或 带有电极阵列9的PCB分别限定空间或盒容纳站8。在第一变型中（参见在基座单元7的 中部的两个盒容纳站8)，盒容纳站8被配置用于接收滑动地插入的一次性盒2, 一次性盒2 能在相对于相应的盒容纳站8的电极阵列9基本上平行的方向上移动。这样的前加载或顶 部加载可由拉入自动机构支撑，该拉入自动机构在一次性盒2的部分插入之后将盒2输送 到其在盒容纳站8内的最终目的地，在这里，盒2被精密地座置。优选地，这些盒容纳站8 不包括可移动的盖板12。在对试样液滴进行所有预期操纵之后，用过的盒2可由拉入自动 机构弹出并输送到分析站或丢弃。
[0087] 在第二变型中（参见基座单元7的右侧和左侧上的两个盒容纳站8)，盒容纳站8 包括盖板12,其被配置成能相对于相应的盒容纳站8的电极阵列9移动。盖板12优选地被 配置成能够绕一个或多个铰链16和/或在基本上垂直于电极阵列9的方向上移动。
[0088] 典型的数字微流体系统1也包括中央控制单元14,其用于控制所述至少一个电极 阵列9的单独的电极10的选择，并且用于为这些电极10提供用于通过电润湿在所述盒2 内操纵液滴的各个电压脉冲。如在图1中部分地指示的，每个单一的独立电极10可操作地 连接到中央控制单元14并且因此可以由该中央控制单元14独立地处理，该中央控制单元 14也包括合适的源，用于以本领域已知的方式形成和提供必要的电势。
[0089] 至少一个盖板12还包括导电材料15,导电材料15在第二平面中延伸并且基本上 平行于该至少一个盖板12所分配到的盒容纳站8的电极阵列9。盖板12的该导电材料15 优选地被配置成连接到接地电势的源。该导电材料15有助于在数字微流体系统1中操纵 的液滴的电润湿移动。
[0090] 本 申请人:惊奇地发现，如果在盖板12的导电材料15和某个电势（如接地电势）的 任何源之间不存在连接，导电材料15也有助于在数字微流体系统1中操纵的液滴的电润湿 移动。因此，盖板12可被配置成能在任何随意方向上移动，并且在选择盖板12的特别优选 的移动时，不必考虑电触点。因此，盖板12可被配置成也能在基本上平行于电极阵列9的 方向上移动，并且用于相对于基座单元7的相应的电极阵列9进行线性、圆形或任何随意移 动。
[0091] 图2示出其中容纳根据第一实施例的一次性盒2的一个示例性盒容纳站8的剖视 图。盖板12经由铰链16与数字微流体系统1的基座单元7机械连接；因此，盖板12可旋 开，并且一次性盒2可通过顶部进入加载放置在盒容纳站8上（参见图1)。盖板12的导电 材料15被配置为附接到顶部基板13的金属薄板或金属箔。
[0092] 备选地，盖板12的导电材料15被配置为沉积在顶部基板13上的金属层。导电材 料15的这种沉积可通过本身已知的化学或物理气相沉积技术来进行。
[0093] 盖板12被配置成将力施加到容纳在基座单元7的盒容纳站8处的一次性盒2。该 力抵靠电极阵列9推动一次性盒2,以便将盒的底层3定位成尽可能靠近电极阵列9的最 上表面。该力也将一次性盒2相对于盖板12的穿刺设施18推入在电极阵列9上的完美位 置。该穿刺设施18被配置用于将试样小滴引入盒2的间隙6内。穿刺设施18被配置为通 孔19,其横跨整个盖板12引导并且使得穿刺移液管端20能够被推过并刺穿盒2的顶层4。 穿刺吸管端20可以是手持吸管（未示出）的一部分或吸移机器人（未示出）的一部分。
[0094] 在该情形中，电极阵列9由介电层24覆盖。电极阵列9固定到底部基板11，并且 每个单独的电极10与中央控制单元14电气地且操作性地连接（这里仅绘出10个电极10 中的3个连接）。数字微流体系统1被配置用于在包含间隙6的一次性盒2内操纵试样液 滴23。因此，试样液滴23在一次性盒2的间隙6中被操纵。
[0095] 一次性盒2包括底层3、顶层4、以及间隔件5,间隔件5限定在底层3和顶层4之 间的间隙6以用于在该间隙6中操纵试样液滴23。底层3和顶层4包括暴露于盒2的间隙 6的疏水性表面17。盒2的底层3和顶层4为完全疏水性的膜或至少包括暴露于盒2的间 隙6的疏水性表面。从该图2可清楚看出，盒2不具有导电层。盒2的间隔件5这里至少 部分地被配置为包括用于应用到间隙6中的试样小滴的测定中所需的试剂的隔室21的主 体。
[0096] 图3示出其中容纳根据第二实施例的一次性盒2的一个示例性盒容纳站8的剖视 图。不同于此前的实施例，盖板12与数字微流体系统1的基座单元7机械地连接且不可移 动地固定。盖板12的导电材料15被配置为附接到顶部基板13的厚金属板。这里，盖板12 不被配置成将力施加到容纳在基座单元7的盒容纳站8处的一次性盒2 ;因此，盖板12保 持位置不动，而一次性盒2可经由前进入加载放置在盒容纳站8上。这样的前进入加载通 常包括一次性盒2在平行于电极阵列9的方向上的移动（参见图1)。为了允许一次性盒2 的正确拉入并将盒整齐地定位在容纳站8,基座单元7优选地配有插入导向器25。这些插 入导向器25优选地由诸如四氟乙烯的自润滑塑性材料制成，并且优选地在它们之间留有 刚够滑动地插入一次性盒2的空间。备选地，盖板12的导电材料15被配置为金属板、金属 箔或夹在顶部基板13的材料之间的金属层（参见图8A)。
[0097] 图3的一次性盒2包括底层3、顶层4、以及间隔件5,该间隔件5限定在底层3和 顶层4之间的间隙6以用于在该间隙6中操纵试样液滴23。底层3和顶层4包括暴露于盒 2的间隙6的疏水性表面17。盒2的底层3和顶层4为完全疏水性膜或至少包括暴露于盒 2的间隙6的疏水性表面。作为与图2中描绘那样的区别，该盒2具有附接到底层3或形成 底层3的一部分的介电层24。因此，底层3由介电层24覆盖，或底层3本身由电介质材料 制成。因此，电极阵列9不需要具有这样的介电层24。盒2的间隔件5这里至少部分地被 配置为包括隔室21的主体，以用于应用到间隙6中的试样小滴的测定中所需的试剂。在这 种情况下，电极阵列9不被介电层24覆盖。
[0098] 电极阵列9固定到底部基板11，并且每个单独的电极10与中央控制单元14电气 地且操作性地连接（这里仅绘出10个电极10中的3个连接）。数字微流体系统1被配置 用于在包含间隙6的一次性盒2内操纵试样液滴23。因此，试样液滴23在一次性盒2的间 隙6中被操纵。
[0099] 盖板12也包括穿刺设施18,其被配置用于将试样小滴引入盒2的间隙6中。穿刺 设施18被配置为通孔19,其横跨整个盖板12引导并且使得穿刺移液管端20能够被推过 并刺穿盒2的顶层4。穿刺吸管端20可以是手持移液管（未示出）的一部分或吸移机器 人（未示出）的一部分。盖板12这里包括附加的穿刺设施22用于将穿刺移液管端20推 过刺穿盖板12的通孔19,以刺穿盒2的顶层4并从隔室21抽出试剂部分，并且用于将所述 试剂部分引入盒2的间隙6中。这里，隔室21被配置为在间隔件5的主体中的切口，该切 口由底层3和顶层4封闭。
[0100] 图4示出一个示范的盒容纳站8的剖视图，根据第三实施例的一次性盒2容纳在 其中。盖板12通过铰链16机械地与数字微流体系统1的基座单元7连接。为了能使一次 性盒2合适地进行顶部加载，并干净利落地将盒子定位在盒容纳站8处，基座单元7较佳地 装备有插入导向器25。这些插入导向器25最好由自润滑的塑料材料制成，诸如四氟乙烯 (PTFE)，并较佳地介于两者之间留出刚好足以可滑动地插入一次性盒子2的空间。作为第 一备选的方案，盖板12的导电材料15由金属导电材料制成，并包括顶部基板13和作为单 一的一体部分的导电材料15。替代地，盖板12的导电材料15构造为复合物，诸如钛铟氧化 物（TIO)，或带有导电填料材料的塑料材料，其附连到顶部基板13(未示出）内或集成到顶 部基板13内。在两种情形中，导电材料15被塑料层（未示出）覆盖可能是较佳的；该塑料 层的材料较佳地选自包括聚丙烯和聚酰胺的组群。
[0101] 盖板12被配置成将力施加到容纳在基座单元7的盒容纳站8处的一次性盒2。该 力抵靠电极阵列9推动一次性盒2,以便将盒的底层3定位成尽可能靠近电极阵列9的最上 表面。该力也将一次性盒2推压到电极阵列9上的限定位置。此外，提供了穿刺设施18: 根据该第三实施例的一次性盒2包括穿刺销27,其位于盒2的间隙6中且被配置用于在顶 层4沿对着底层3的方向上被移置时刺穿顶层4。优选地，穿刺销27附接到销板28,该销 板28将穿刺销27与一次性盒2的间隔件5的一部分连接。盖板12还包括通孔19,其横跨 整个盖板12引导并且定位成与座置在盒容纳站8处的正确定位的一次性盒2的穿刺销27 配准。盖板12还包括移置部分29,其从盖板12突出以用于在对着底层3的方向上移置顶 层4。该移置部分29被配置成当刺穿顶层4时与穿刺销27协作配合。因此，通过利用该穿 刺设施18,试样小滴和/或试剂部分可被引入盒2的间隙6中。通孔19的一部分优选地 被加宽，使得一次性的移液管端26可用于将试样小滴和/或试剂部分吸移到一次性盒2的 间隙6中。一次性的吸管端26可以是手持吸管（未示出）的一部分或吸移机器人（未示 出）的一部分。
[0102] 在这种情况下，电极阵列9由介电层24覆盖。电极阵列9固定到底部基板11，并 且每个单独的电极10与中央控制单元14电气地且操作性地连接（这里仅绘出10个电极 10中的3个连接）。数字微流体系统1被配置用于在包含间隙6的一次性盒2内操纵试样 液滴23。因此，试样液滴23在一次性盒2的间隙6中被操纵。
[0103] 与在已介绍的第一和第二实施例中的相同，一次性盒2包括底层3、顶层4、以及间 隔件5,间隔件5限定在底层3和顶层4之间的间隙6以用于在该间隙6中操纵试样液滴 23。底层3和顶层4包括暴露于盒2的间隙6的疏水性表面17。第一疏水性表面17'位于 底层3的内部上，并且第二疏水性表面17"位于顶层4的内部上。盒2的底层3和顶层4 为完全疏水性膜或至少包括暴露于盒2的间隙6的疏水性表面。从该图4可清楚看出，盒 2不具有导电层。盒2的间隔件5这里不需要被配置为包括用于应用到间隙6中的试样小 滴的测定中所需的试剂的隔室21的主体，因为这些试剂可利用手持移液管或利用吸移机 器人（参见上文）通过常规吸移添加到间隙6。
[0104] 一次性盒2 (见图4)的第三实施例的穿刺销27靠近间隔件5放置，穿刺销27通 过自支承销板28与间隔件5连接。因此，当顶层4由盖板12的移置部分29移置时，间隔 件6为穿刺销27提供稳定性。有利地，电极阵列9不受刺穿过程干涉或影响，并且单独的 电极10都可用于电润湿。如果要避免将吸移的液体沿自支承销板28排放到第一疏水性表 面17'，则优选的是将所谓的泻水槽添加到穿刺销27的下部（参见图6)。然而，如果这样 的排放是优选的，则可以省略这样的泻水槽的添加。
[0105] 图5示出数字微流体系统1的概览，数字微流体系统1配有中央控制单元14和基 座单元7、各自包括电极阵列9和固定的盖板12的十二个盒容纳站8。该基座单元7特别 适合接收根据第四实施例的盒2并且将这些盒加载到具有基本上坚直的电极阵列9和盖板 12的基本上坚直的盒容纳站8中（参见图6)。这样的加载优选地由液体处理工作站（未 示出）的机器人化的夹持装置进行。
[0106]图6示出其中容纳根据第四实施例的一次性盒2的数字微流体系统1的基座单元 7的一个示例性的盒容纳站8的剖视图。从图6A -目了然的是，顶部进入盒2被插入具有 基本上坚直的电极阵列9和盖板12的基本上坚直的盒容纳站8中。该一次性盒2包括底层 3和顶层4、以及间隔件5,间隔件5限定在底层3和顶层4之间的间隙6以用于在该间隙6 中操纵试样液滴23。底层3和顶层4包括暴露于盒2的间隙6的疏水性表面17'、17"。盒 2的底层3和顶层4为完全疏水性膜或至少包括暴露于盒2的间隙6的疏水性表面。类似 于图2中描绘那样，该盒2不具有附接到底层3或形成底层3的一部分的介电层。因此，电 极阵列9需要具有这样的介电层24。该盒2优选地填充有硅油。
[0107] 电极阵列9固定到底部基板11，并且每个单独的电极10与中央控制单元14电气 地且操作性地连接（这里仅绘出14个电极10中的4个连接）。数字微流体系统1被配置 用于在包含间隙6的一次性盒2内操纵试样液滴23。因此，试样液滴23在一次性盒2的间 隙6中被操纵。
[0108] 盖板12机械地连接且完全集成到数字微流体系统1的基座单元7中并且不可移 动。因此，一次性盒2可经由顶部进入加载插入盒容纳站8中（参见图5)。这里，盖板12 的导电材料15由金属导电材料制成并且被夹在顶部基板13的材料之间。备选地，代替顶 部基板13 (未示出）的材料或除此之外，盖板12的导电材料15可由塑性层覆盖。
[0109] 间隔件5也包括穿刺设施18,其被配置用于将试样小滴引入盒2的间隙6中。穿 刺设施18被配置为间隔件5的放大部分。该放大的间隔件部分优选地配有可刺穿的自密封 膜31，其允许将穿刺吸管端20推过。穿刺移液管端20可以是手持移液管（未示出）的一 部分或吸移机器人（未示出）的一部分。液体向盒2的间隙6的自动化递送或液体从盒2 的间隙6的抽出通过由盒2的该放大的间隔件部分提供的相对较大的穿刺区域而简化。假 设间隙宽度为约l-3mm，则该穿刺区域的宽度优选地为约5-10mm并且因此具有大约96孔微 板的孔的尺寸，这可以由液体处理系统或液体处理工作站的自动化移液器容易地达到。在 为隔室21提供空间的同时（还可参见图6B)，盒2的放大的间隔件部分也提供用于由自动 化的机器人抓握器（未示出）抓握的抓握表面，该抓握器优选地用于处理数字微流体系统1 外部的盒并且用于插入盒2和将盒2从其容纳站8抽出。此外，盒2的放大的间隔件部分 提供邻接表面，该邻接表面在盒2正确地容纳在容纳站8内时邻接基座单元7的表面。
[0110] 优选的是，电极阵列9延伸至相对于基座单元7的表面的最前位置，以便能够使液 滴23从隔室21移动至在印刷电路板（PCB)或电极阵列9上的不同位置。同样，使液滴23 沿相反方向从在电极阵列9上的反应站移动至隔室21是非常优选的，尤其是在反应产物将 在数字微流体系统1外部并且也在盒2外部分析的情况中。
[0111] 图6B示出从在图6A中指示的截面B观察的图6A的顶部进入盒2。该截面延伸穿 过间隙6且在自包含的一次性盒2的底层3和顶层4之间。该截面也横跨间隔件5,间隔件 5的U形部分位于底层3和顶层4之间，并且间隔件5的放大的间隔件部分设置在U形部分 以及底层3和顶层4周围。优选地，间隔件5的U形部分具有塑性材料（优选注塑的）并 且胶合或熔合到底层3和顶层4。优选的是，放大的间隔件部分也通过注塑模制制备；这使 得能够提供隔离条32,隔离条32 -方面在可刺穿膜31下方形成隔室21，另一方面使可刺 穿膜31稳定。这样的稳定优选地通过将隔离条32和放大的间隔件部分背面注塑到可刺穿 膜31而提供。优选地，放大的间隔件部分接着被施加在具有底层3和顶层4的间隔件5的 U形部分上。
[0112] 如前所指，间隔件5也包括配置为间隔件5的放大部分的穿刺设施18。该放大的 间隔件部分优选地配有可刺穿的自密封膜31，其允许将穿刺移液管端20推过。穿刺吸管端 20可以是手持移液管（未示出）的一部分或吸移机器人（未示出）的一部分。间隔件2这 里包括附加的穿刺设施22,用于将穿刺移液管端20推过自密封膜31和从盒2的间隙6抽 出例如硅油。在该图6B的盒2中，液滴23(例如，试样）由在穿刺设施18处的穿刺移液管 端20引入，然后在底层3的疏水性表面17'上移动至实际位置。与将液滴23引入隔室21 中和间隙6中同时，类似量的硅油（或不会与液滴23反应的任何其它化学上惰性的液体） 被从在附加的穿刺设施22处的相应的隔室21抽出。代替液体在间隙6中的这样的同时平 衡，预期量的油或惰性液体的移除可以在插入液滴23之前或之后不久进行。隔室21也可 充当贮存器，用于存储比从该液体制备可移动的液滴23所需的更多的液体；因此，一旦引 入隔室21中的至少一个内，就可从单一液体体积制备多个这样的小滴23。然而，可建议的 是留出一个隔室21以用于抽出油或惰性液体，并且留出另一个隔室21以用于抽出试剂产 品。
[0113] 根据备选的和非常简单的实施例（未示出），可在PCB上安装一次性盒2以用于电 润湿，一次性盒2包括具有均指向间隙6的疏水性表面17'、17"的底层3和顶层4。代替利 用配有导电材料15的盖板12,导电膜（例如，铝箔）可附接到顶层4的外表面。结果表明， 这样的导电膜甚至在该导电膜不接地时也允许电润湿。代替将不接地的导电膜附接到盒， 顶层4可具有在其外表面上的膜涂层；该膜涂层可具有任何金属并通过化学或物理蒸镀技 术沉积。在顶层4的外表面上的该导电膜甚至可具有导电涂料。因此，提议提供在第二平 面中且基本上平行于电极阵列9延伸的导电材料15,所述导电材料15位于盒2的顶层4上 并且在操纵试样液滴23期间不连接到不同电势的源。
[0114] 一种用于操纵粘附到疏水性表面17的试样液滴23的方法的特征在于，该方法包 括在一次性盒2的底层3上提供第一疏水性表面17'的步骤。该底层3基本上平行定位成 在数字微流体系统1的电极阵列9上方。所述电极阵列9大致在第一平面中延伸且包括多 个单独的电极10,电极10由数字微流体系统1的基座单元7的底部基板11支撑。所述电 极阵列9连接到数字微流体系统1的中央控制单元14,以用于控制所述电极阵列9的单独 的电极10的选择，并且用于为这些电极10提供用于通过电润湿操纵所述第一疏水性表面 17'上的所述液滴23的各个电压脉冲。
[0115] 该方法也包括提供第二疏水性表面17"的步骤，第二疏水性表面17"基本上平行 于所述第一疏水性表面17'且离所述第一疏水性表面17' 一定距离。这样，在第一疏水性 表面17'和第二疏水性表面17"之间形成间隙6。
[0116] 该方法还包括提供具有或不具有顶部基板13的盖板12。盖板12也包括导电材 料15,其在第二平面中延伸且基本上平行于电极阵列9。尤其优选的是，盖板12的导电材 料15在操纵试样液滴23期间不连接到不同电势的源。
[0117] 较佳的是，盒2的底层3和顶层4为完全疏水性的膜或包括暴露于盒2的间隙6的 疏水性表面17'、17"。在用一次性盒2的间隙6电润湿和操纵至少一个液滴23之后，在一 次性盒2仍在盒容纳站8处的同时，评估操纵或测定的结果，S卩，利用数字微流体系统1或 数字微流体系统1集成到的工作站的分析系统。备选地，可将一次性盒2取出数字微流体 系统1的基座单元7并在别处分析。
[0118] 在分析之后，一次性盒2可被丢弃并且电极阵列9可重复使用。由于数字微流体 系统1的部件在与盒2的第一或第二实施例一起工作时从不与任何试样或试剂接触，与其 它一次性盒2的这种重复使用可以是立即的，并且没有任何中间清洁。由于数字微流体系 统1的盖板12的通孔19在与盒2的第三或第四实施例一起工作时会与试样和试剂接触， 与其它一次性盒2的这种重复使用可在某种中间清洁之后或在盖板12的替换之后进行。
[0119] 本发明的目的是提供具有工作膜的可移除的和一次性的盒，该工作膜在通过电润 湿操纵液滴23期间将液滴23与电极阵列9分离。如在以上说明书中提出的自包含一次性 盒2的不同的实施例中所示，可移除的和一次性的膜优选地作为盒2的底层3和顶层4提 供。
[0120] 在一个优选的实施例中，盒2的底层3通过真空吸引到PCB。PCB中的小的抽空孔 连接到真空泵以用于此目的。将这样的真空吸引施加到底层3使得能够避免使用任何液体 或粘合剂以使盒2的底层3更好地分别接触到电极阵列9的表面或盒容纳站8的最上表面。
[0121] 在附图7、8、9和10中，示出了根据第五和第六实施例的一次性盒的特别优选的实 施例。在每种情况下，一次性盒2包括具有至少一个隔室21的主体47,至少一个隔室21被 配置成在其中保持处理液体、试剂或试样。所述隔室21中的至少一个包括通孔19,以用于 将其内容物中的至少一些递送到下面的间隙6。一次性盒2也包括具有第一疏水性表面17' 的底层3,第一疏水性表面17'为液体不可透的并且被配置为工作膜，以用于在一次性盒2 的底层3被放置在所述电极阵列9上时利用数字微流体系统1的电极阵列9在其上操纵试 样液滴23。一次性盒2还包括具有第二疏水性表面17"的顶层4,第二疏水性表面17"为 至少可透过离子并且附接到一次性盒2的主体47的下表面48。此外，一次性盒2包括间隙 6,其位于底层3的第一疏水性表面17'和顶层4的第二疏水性表面17"之间。本发明的盒 2的底层3被配置为柔性膜，其沿柔性底层3的周围40密封地附接到顶层4。因此，一次性 盒2没有位于柔性底层3和顶层4之间以限定所述第一疏水性表面17'和所述第二疏水性 表面17"之间的特定距离的任何间隔件5。顶层4被配置成在至少一个隔室21的下端和间 隙6之间提供密封件。此外，顶层4包括加载部位41，用于将处理液体、试剂或试样转移到 间隙6。
[0122] 在图7中，提供了一个一次性盒2在到达其容纳站8之前的剖视图。可以看到，柔 性底层3仅围绕其周围40附接到顶层4,底层3的大部分松散地悬挂在其周围40上并且不 接触顶层4。因此，在将一次性盒2正确地置于盒容纳站8内或放置在盒容纳站8上之前， 间隙6封闭，但不限定其宽度和平行取向。一次性盒2的主体47这里包括基本上平坦的下 表面48并且被配置为具有中心开口 43的框架结构，中心开口 43穿透整个框架结构。
[0123] 在图8中，示出图7的一次性盒2的剖视图，该图是在一次性盒2到达其在数字微 流体系统1的电极阵列上的盒容纳站8之后的情形。一次性盒2根据第五实施例配置并且 由夹具37保持到位。在一侧上，夹具37优选地由铰链16附接到数字微流体系统1的基座 单元7的基板11。在另一侧上，夹具37可由例如夹子、弹簧锁或螺钉（未示出）附接到数 字微流体系统1的基座单元7的基板11。
[0124] 在图7和8的第五实施例中，一次性盒2还包括平面刚性盖板12,其附接到一次性 盒2的主体47的下表面48。顶层4附接到所述刚性盖板12,该刚性盖板12包括通孔19， 其位于顶层4的加载部位41处（这里在穿刺部位41'处和毛细管孔41"处）。刚性盖板12 这里为顶层4提供了平直的附接表面并且也包括通孔19。盖板可由刚性材料制成，例如透 光的Mylar? (DuPont Teijin的商标，由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET)制成的膜）。刚性盖 可涂有例如由氧化钛铟（TIO)或具有导电的填充材料的塑性材料制成的导电材料15 (优选 地在下侧上），以便实现如前所述盖板12的功能。如粗线所指示的，盖板12附接到一次性 盒2的主体47的下表面48。这种附接可通过使用优选地由诸如Mylar的化学上惰性的材 料制成的粘合带或胶带实现。根据盒2的主体47的材料，也可应用焊接方法将盖板12附 接到盒2。如粗线所指示的，顶层4这里密封地附接到盖板12的下表面48。顶层4的这种 附接可通过使用粘合带或胶带或通过焊接（例如，通过激光焊接）进行。柔性底层3通过 使用粘合带或胶带或通过应用焊接技术沿柔性底层3的周围40密封地附接到顶层4。
[0125] 在图7中，还描绘了吸移孔41"'。位于一次性盒2的中心开口 43中且被配置成可 由移液管端触及的这种吸移孔41"'可因此用于将处理液体、试剂或试样直接吸移进间隙6 内。当然，吸移孔41"'包括盖板12(如存在）中的开口和顶层4中的通孔。这样的吸移孔 41"'可以除了一个或多个穿刺孔41'之外或代替它们使用，穿刺孔41'在每种情况下均位 于隔室21下方。
[0126] 该一次性盒2包括至少一个柱塞42,其在每种情况下被配置成能手动地或通过致 动元件38 (参见图8)在隔室21内移动，以对着顶层4的相应的加载部位41挤压相应的隔 室21的内容物。柱塞42包括穿刺销27,其被配置用于在隔室21的相应的加载部位41处 刺穿顶层4。因此，柱塞42被配置用于将隔室21的内容物中的一些挤压通过顶层4的穿刺 部位41'并进入间隙6中。备选地，柱塞42被配置用于将隔室21的内容物中的一些挤压 通过顶层4的毛细管孔41"并进入间隙6中。该毛细管孔41"优选地尺寸设计成呈现出毛 细作用力，该力在未利用柱塞42施加的压力时防止含水液体流过（参见图11左侧）。因 此，加载部位41优选地选自穿刺部位41'、毛细管孔41"和吸移孔41"'。
[0127] 在图9中，示出了一次性盒2在到达其在数字微流体系统1的电极阵列9上的盒 容纳站8之后的剖视图。一次性盒2根据第八实施例配置并且由夹具37保持到位。
[0128] 在图9中，柱塞42被配置成紧贴一次性盒2的主体47的上表面49密封隔室21。 优选地，这种密封利用围绕柱塞42的0形环密封件39来实现。备选地，如图9和10所示， 弹性层44密封地施加到一次性盒2的主体47的上表面49,其被配置成紧贴所述上表面49 密封隔室21中的至少一个。优选地，柱塞42将其背面附接到弹性层44,从而在不向弹性层 的外部施加任何压力（手动地或利用致动元件38,参见图10)的情况下，将柱塞42在靠近 主体47的上表面49处保持到位（参见图7)。
[0129] 然而，如果柱塞42被压下（参见图10和图11右侧），则穿刺销27穿透覆盖层12 或主体47中的通孔19并刺穿顶层4。同时，隔室21的内容物的一部分由柱塞压入间隙6 内，内容物可为处理液体、试剂或试样（为溶液或悬浮液）。结果，在底层3的第一疏水性 表面17'上，小滴23积聚并可在底层3的该第一疏水性表面17'和顶层4的第二疏水性表 面17"之间的间隙中被操纵。操纵小滴23由容纳一次性盒2的数字微流体系统1的电极 阵列9进行。
[0130] 备选地，压下柱塞42将迫使隔室21的内容物的一部分移动通过毛细管孔41"并 进入间隙6 (参见图9左侧，其中柱塞42准备移动），内容物可为处理液体、试剂或试样（为 溶液或悬浮液）。结果，在底层3的第一疏水性表面17'上，小滴23将积聚并可在底层3的 该第一疏水性表面17'和顶层4的第二疏水性表面17"之间的间隙中被操纵。同样，操纵 小滴23将由容纳一次性盒2的数字微流体系统1的电极阵列9进行。
[0131] 根据图9的第六实施例，一次性盒2的主体47被配置为具有基本上平坦的下表面 48的板状结构，在每种情况下，隔室21利用在穿刺部位41'或毛细管孔41"处的通孔19通 往所述下表面48。
[0132] 在本发明的一次性盒2的第五和第六实施例中，一种优选的备选方案是柔性底层 3被配置为疏水材料的单层或单一层。根据第二优选的备选方案，柔性底层3被配置为非 导电材料的单层或单一层，柔性底层3的上表面17被处理为疏水性的。根据第三优选的备 选方案，柔性底层3被配置为包括下层和疏水性上层的层合物，下层为导电的或非导电的。 根据本发明的一次性盒2的另一个优选实施例，介电层24层合在底层3的下表面上（参见 例如图11);因此，单独的电极10的上表面是裸露金属，垫片36可以附连到一次性盒2或 PCBll或底部基板11。
[0133] 根据本发明的一次性盒的第七和第八实施例的一个变型，一次性盒2还包括垫片 36,其沿着柔性底层3的周围40附接到下表面。因此，当一次性盒2被置于数字微流体系 统1的电极阵列9上时，垫片36限定所述第一疏水性表面17'和所述第二疏水性表面17" 之间的特定距离。如果所述数字微流体系统1在电极阵列9或PCBll中配有吸入孔35,并 且如果柔性底层3通过所述吸入孔35吸引，就是这种情况。
[0134] 图10示出一次性盒2在到达其容纳站8之后的剖视图，该一次性盒2根据第七实 施例配置并且不使用夹具保持到位。实际上，示出了第七实施例的两个不同的变型：
[0135] ?在左侧，主体47被配置为板结构；
[0136] ?在右侧，主体47被配置为框架结构；
[0137] -次性盒2的主体47的下表面48在两种情况中均为基本上平坦的。因此，根据 第九实施例配置的一次性盒2包括主体47,主体47具有下表面48、上表面49和至少一个 通孔19。该至少一个通孔19设计为吸移孔41"'，其被配置成可由移液管端26触及。通孔 19因此允许将处理液体、试剂或试样吸移到间隙6中。
[0138] 除了主体47之外，一次性盒2包括具有第一疏水性表面17'的底层3,第一疏水性 表面17'为液体不可透的并且被配置为用于在其上操纵试样液滴23的工作膜。当一次性 盒2的底层3被放置在所述电极阵列9上时，这样的操纵利用数字微流体系统1的电极阵 列9进行。优选地，柔性底层3由粘合带或胶带或备选地通过焊接沿柔性底层3的周围40 密封地附接到导电材料15。
[0139] -次性盒2优选地还包括附接到主体47的下表面48的导电材料15。导电材料 15被配置成为主体47的下表面48提供至少离子可透的第二疏水性表面17"。底层3被配 置为沿柔性底层3的周围40密封地附接到一次性盒2的导电材料15的柔性膜，一次性盒2 因此没有位于柔性底层3和导电材料15之间以用于限定所述第一疏水性表面17'和所述 第二疏水性表面17"之间的特定距离的间隔件5 (参见图2、4和6-8)。
[0140] 一次性盒2还包括间隙6,其位于底层3的第一疏水性表面17'和导电材料15的 第二疏水性表面17"之间。主体47的该至少一个通孔19被配置为加载部位41，用于将处 理液体、试剂或试样转移到间隙6。
[0141] 一次性盒2优选地还包括诸如隔室21的东西，其被配置为位于一个或多个加载部 位41周围的主体47中的一个或多个容器状凹陷。然而，这些隔室21并不旨在长时间地或 甚至在运输期间存储液体，它们仅仅被配置成允许移液管端26 ( -次性的或非一次性的） 到达位于加载部位41处的吸移孔41"'。优选地，这些"隔室21"包括围绕加载部位41的 中心凹陷，该中心凹陷在液体转移到间隙6之前允许一些液体临时沉积。
[0142] 如在先前所示的所有其他的实施例中，柔性的底层3较佳地分别构造成疏水性材 料的单层或单一层。根据第一优选的替代的变型，柔性的底层3构造成非导电材料的单层， 柔性的底层3的上表面被处理为疏水性表面17。根据第二优选的替代的变型，柔性的底层 3构造成层叠物，其包括下层和疏水的上层，下层是导电的或非导电的。
[0143] 在另一个备选实施例中，一次性盒2还包括附接到下表面且沿柔性底层3的周围 40的垫片36。因此，当一次性盒2被置于数字微流体系统1的电极阵列9或PCBll上时， 如果所述数字微流体系统1配有在电极阵列9中的吸入孔35,并且如果柔性底层3通过所 述吸入孔35吸住，垫片36限定所述第一疏水性表面17'和所述第二疏水性表面17"之间 的特定距离。
[0144] 在图10中，垫片36附接到支撑电极阵列9的单独的电极10的底部基板11或PCB。 这里，介电层24附接到电极阵列9的最上表面，保护单独的电极不受氧化、机械冲击和诸如 污染的其它影响。介电层24也覆盖垫片36,其被配置为围绕一次性盒2的容纳站8延伸 的闭环。为了便于清洁，介电层24还覆盖插入导向器25的至少一部分并且到达一次性盒 2的一部分上方（参见左侧）或超出一次性盒2的整个高度（参见右侧）。
[0145] 根据迄今所描述的本发明的一次性盒2的第五、第六和第七实施例，还提出第一 备选的数字微流体系统，其被配置成将这些创新性的一次性盒2中的至少一个接收在其位 于基座单元7的电极阵列9上的盒容纳站8中。用于在至少一个这样的一次性盒2的柔性 底层3和顶层4之间的间隙6内操纵试样液滴的这样的数字微流体系统1优选地包括：
[0146] 基座单元7,其具有配置用于接收一次性盒2的至少一个盒容纳站8 ;
[0147] (b)电极阵列9,其位于基座单元7的所述盒容纳站8处，该电极阵列9由底部基 板11支撑，并且基本上在第一平面中延伸且包括多个单独的电极10 ;以及
[0148] (c)中央控制单元14,其用于控制所述电极阵列9的单独的电极10的选择，并且 用于为这些电极10提供用于通过电润湿操纵所述盒2的间隙6内的液滴的各个电压脉冲。
[0149] 本发明的第一备选数字微流体系统1还包括：
[0150] ⑷多个吸入孔35,其穿透电极阵列9并且分布在基座单元7的盒容纳站8上；
[0151] (e)真空源33,其用于在抽空空间46中建立欠压；以及
[0152] (f)多个真空管线34,其将吸入孔35连结到真空源33。
[0153] "多个真空管线"可解释为一个或多个真空管线。
[0154] 本发明的数字微流体系统1的特征在于：垫片36在围绕盒容纳站8的周围45定 位时在盒容纳站8中密封抽空空间46,抽空空间46由一次性盒2的柔性底层3、数字微流 体系统1的电极阵列9和底部基板11、以及垫片36限定。
[0155] 本发明的第一备选数字微流体系统1的特征还在于，抽空空间46中的欠压造成置 于盒容纳站8上的一次性盒2的柔性底层3被吸引和铺展在数字微流体系统1的电极阵列 9和底部基板11或PCB上。应明确指出的是，由一次性盒2的该铺展的柔性底层3限定的 间隙6在不使用位于一次性盒2的柔性底层3和顶层4之间的间隔件5的情况下实现。
[0156] 根据本发明的一次性盒2的第五和第六实施例的另一个变型，一次性盒2不包括 垫片36。相反，垫片36永久性地固定到数字微流体系统1的基座单元7的底部基板11，或 者垫片36固定到永久性地覆盖电极阵列9和底部基板11或PCB的介电层24。当然，在这 种情况下，介电层24具有在基座单元7的吸入孔35的部位处的孔，以便能够在抽空空间46 中形成欠压，这造成置于盒容纳站8上的一次性盒2的柔性底层3被吸引和铺展在数字微 流体系统1的电极阵列9和底部基板11上。
[0157] 根据本发明的一次性盒2的第五和第六实施例的另一个变型，垫片36永久性地附 接到下表面且沿着将置于基座单元7的盒容纳站8上的一次性盒2的柔性底层3的周围 40。
[0158] 本发明的第一备选数字微流体系统1优选地配有基座单元7,其包括配置为框架 的插入导向器25,该框架尺寸设计成在其中容纳一次性盒2。尤其优选的是，基座单元7包 括夹具37,其被配置成将该一次性盒2固定在基座单元7的盒容纳站8上的所需位置处。 如结合第七实施例展示的（参见图10)，不存在对使用这样的夹具37的绝对需求。这里，各 层均被良好密封，并且在底部表面上的抽空空间46中的真空将一次性盒2安全地保持到位 并保持在数字微流体系统1的盒容纳站8内。
[0159] 还优选的是，基座单元7包括致动元件38,其被配置用于致动柱塞42,柱塞42在 每种情况下被配置成能在置于盒容纳站8上的一次性盒2的隔室21内移动。因此，柱塞42 在每种情况下被配置用于将相应的隔室21的内容物压入位于基座单元7的盒容纳站8上 的一次性盒2的间隙6内。优选地，致动元件38被配置成马达驱动的且由数字微流体系统 1的中央控制单元14控制。插入导向器25优选地由铝、由另一种轻金属或轻合金或由不锈 钢制造。
[0160] 以下材料和尺寸对于制造本发明的一次性盒2是尤其优选的：
[0161] 表 1
[0162]

【权利要求】
1. 一种数字微流体系统（I)，其用于操纵底层（3)的第一疏水性表面（17'）和至少一 个一次性盒（2)的第二疏水性表面（17"）之间的间隙￠)内试样液滴，所述数字微流体系 统⑴包括： (a) 带有至少一个盒容纳站（8)的基座单元（7)，盒容纳站构造成接纳一个一次性盒 (2)； (b) 位于基座单元（7)的所述至少一个盒容纳站（8)的电极阵列（9)，该电极阵列（9) 由底部基板（11)支承，并基本上在第一平面内延伸且包括多个单个电极（10); (c) 中央控制单元（14)，其用于控制对所述电极阵列（9)的单个电极（10)的选择，以 及对这些电极（10)提供个别的电压脉冲，以通过电润湿来操纵所述盒子（2)的间隙（6)内 的液滴， 其特征在于，所述数字微流体系统（1)还包括： (d) 多个吸入孔（35)，其穿透电极阵列（9)和/或底部基板（11)，并位于基座单元（7) 的盒容纳站（8)处； (e) 用于在抽空空间（46)内建立欠压的真空源（33);以及 (f) 多个真空管线（34)，它们将吸入孔（35)连接到真空源（33); 其中，数字微流体系统（1)或一次性盒（2)的垫片（36)构造成在所述盒容纳站（8)处 密封所述抽空空间（46)，该抽空空间由一次性盒（2)的柔性底层（3)、盒容纳站（8)的最上 表面（52)和垫片（36)限定； 以其中，抽空空间（46)内的欠压致使放置在盒容纳站（8)处的柔性底层（3)被吸引并 铺展到数字微流体系统（1)的盒容纳站（8)的最上表面（52)，垫片（36)限定所述第一疏水 性表面（17'）和所述第二疏水性表面（17"）之间特定的距离。
2. 如权利要求1所述的数字微流体系统（1)，其特征在于，所述吸入孔（35)构造成对 齐到吸入通道（51)，所述吸入通道（51)布置在数字微流体系统（1)的盒容纳站（8)的最上 表面内。
3. 如权利要求1所述的数字微流体系统（1)，其特征在于，所述吸入孔（35)构造成开 口通到真空空间（50)内，所述真空空间（50)布置在盒容纳站（8)处，且在电极阵列（9)和 /或底部基板（11)下方，所述真空空间（50)通过至少一个真空管线（34)连接到数字微流 体系统⑴的真空源（33)。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的数字微流体系统（1)，其特征在于，盒容纳站（8) 的最上表面（52)包括覆盖电极阵列（9)和底部基板（11)的介电层（24)，所述介电层（24) 具有位于基座单元（7)的吸入孔（35)部位处的多个孔。
5. 如权利要求4所述的数字微流体系统（1)，其特征在于，所述垫片（36)固定到所述 介电层（24)，所述介电层（24)永久地覆盖数字微流体系统（1)的盒容纳站（8)的电极阵列 (9)和底部基板（11)。
6. 如权利要求4所述的数字微流体系统（1)，其特征在于，所述垫片（36)永久地固定 到支承电极阵列（9)的底部基板（11);所述介电层（24)永久地覆盖底部基板（11)、电极阵 列（9)和垫片（36)。
7. 如权利要求1所述的数字微流体系统（1)，其特征在于，所述基座单元（7)包括构造 成框架的插入导向器（25)，其尺寸适于将一次性盒（2)容纳在其中。
8. 如权利要求1至3中任一项所述的数字微流体系统（I)，其特征在于，所述盒容纳站 (8)的最上表面（52)，由底部基板（11)和单个电极（10)的裸露金属表面形成。
9. 如权利要求1所述的数字微流体系统（1)，其特征在于，所述基座单元（7)包括夹具 (37)，其构造成将一次性盒（2)固定在所述基座单元（7)的盒容纳站（8)的要求位置中。
10. -种用于如权利要求1所述的数字微流体系统（1)的一次性盒（2)，其特征在于， 所述一次性盒（2)包括： (a) 带有第一疏水性表面（17'）的底层（3)，该第一疏水性表面不渗透液体并构造成工 作膜，当一次性盒（2)的底层（3)放置在所述电极阵列（9)上时，该工作膜用以利用数字微 流体系统（1)的电极阵列（9)来操纵其上的试样液滴（23); (b) 平面的刚性盖板（12)，其包括下表面（48'）、至少一个位于加载部位（41)的通孔 (19)和至少渗透离子的第二疏水性表面（17"）；以及 (c) 位于底层（3)的第一疏水性表面（17'）和刚性盖板（12)的第二疏水性表面（17"） 之间的间隙（6)， 其中，底层（3)构造成柔性膜，该柔性膜构造成平铺在数字微流体系统（1)的盒容纳站 (8)的最上表面（52)上，并被抽空空间（46)内的欠压吸引并铺展到所述最上的表面（52) 上， 其中，一次性盒（2)构造成在数字微流体系统（1)的盒容纳站（8)处进行组装，通过互 相接触刚性盖板（12)的下表面（48'）和铺展在数字微流体系统（1)的盒容纳站（8)最上 表面（52)上的柔性底层（3)的周围（40)，刚性盖板（12)的下表面（48'）和柔性底层（3) 构造成沿着柔性底层（3)的周围（40)彼此密封附连； 其中，所述组装好的一次性盒（2)构造成以单件从盒容纳站（8)中移去，该单件包括底 层（3)、平面的刚性盖板（12)和可能包括试样和处理流体的间隙（6)。
11. 如权利要求10所述的一次性盒（2)，其特征在于，所述柔性底层（3)构造成在数 字微流体系统（1)的盒容纳站（8)处，沿着柔性底层（3)周围（40)密封地附连到刚性盖板 (12)上，其通过以下方式进行附连： (i) 用至少一个粘结剂带或胶带，或 (ii) 用焊接方式。
12. 如权利要求10所述的一次性盒（2)，其特征在于，所述加载部位（41)选自以下组 群：穿刺部位（4Γ )和移液孔（4Γ"）。
13. 如权利要求10所述的一次性盒（2)，其特征在于，可刺穿膜（31)密封地施加到刚 性盖板（12)的上表面（49'）上，可刺穿膜（31)构造成抵靠住所述上表面（49'）密封至少 一个通孔（19)。
14. 如权利要求10所述的一次性盒（2)，其特征在于，可剥去的保护膜（54)密封地施 加到刚性盖板（12)的下表面（48'）上，可剥去的保护膜（54)构造成防止所述下表面（48'） 被污染。
15. 如权利要求10所述的一次性盒（2)，其特征在于，刚性盖板（12)包括导电材料 (15)，其呈金属薄板、金属箔或金属层的形式，所述导电材料附连或沉淀到刚性盖板（12) 的下表面（48'）并提供第二疏水性表面（17"）或被处理后提供第二疏水性表面（17"）。
16. 如权利要求10所述的一次性盒（2)，其特征在于，所述刚性盖板（12)包括导电聚 合物材料（15)，刚性盖板（12)的下表面（48'）被处理而提供具有绝缘特性的第二疏水性 表面（17"）。
17. 如权利要求16所述的一次性盒（2)，其特征在于，所述刚性盖板（12)的导电聚合 物材料（15)是不透明的，其包括至少一个光学上透明部分（57)的阵列，用于观察液滴的操 纵。
18. 如权利要求10所述的一次性盒（2)，其特征在于，所述柔性底层（3)构造成单层的 疏水性材料。
19. 如权利要求10所述的一次性盒（2)，其特征在于，所述柔性底层（3)构造成单层的 不导电的材料，所述柔性底层（3)的上表面被处理为疏水性表面（17)。
20. 如权利要求10所述的一次性盒（2)，其特征在于，所述柔性底层（3)构造成层叠 物，其包括下层和疏水性上层，所述下层是介电层（24)。
21. 如权利要求10所述的一次性盒（2)，其特征在于，所述垫片（36)永久地固定到柔 性底层（3)的周围（40)，组装好的一次性盒（2)构造成以单件形式从盒容纳站（8)中取出， 所述单件包括底层（3)、平面的刚性盖板（12)、垫片（36)和可能包括试样和处理流体的间 隙（6)。
22. 如权利要求10所述的一次性盒（2)，其特征在于，所述垫片（36)永久地固定到数 字微流体系统（1)，组装好的一次性盒（2)构造成以单件形式从盒容纳站（8)中取出，所述 单件包括底层（3)、平面的刚性盖板（12)和可能包括试样和处理流体的间隙（6)。
23. -种操纵粘结到数字微流体系统（1)或装置内工作膜的疏水性表面（17)上的试样 液滴（23)的方法，所述方法包括以下步骤： (a) 提供工作膜，其呈带有第一疏水性表面（17'）的底层（3)的形式； (b) 提供带有电极阵列（9)的数字微流体系统（1)，电极阵列基本上在第一平面内延 伸，电极阵列包括多个单个的电极（10)，它们由底部基板（11)支承并连接到数字微流体系 统⑴的中央控制单元（14)，其用于控制对所述电极阵列（9)的单个电极（10)的选择，以 及对这些电极（10)提供个别的电压脉冲，以通过电润湿来操纵所述第一疏水性表面（17'） 上的所述液体液滴（23);以及 (c) 提供垫片（36)，其用于形成盒子（2)的第二疏水性表面（17"）和底层（3)的所述 第一疏水性表面（17'）之间的间隙（6)， 其中，该方法还包括以下步骤： (d) 将构造成柔性膜的底层（3)放置在数字微流体系统（1)的盒容纳站（8)的最上表 面（52)上，由此，形成抽空空间（46)，该抽空空间由所述最上表面（52)、同样设置在盒容纳 站⑶处的垫片（36)和柔性底层（3)限定； (e) 使用真空源（33)在所述抽空空间（46)内建立欠压，该真空源连接到穿透电极阵 列（9)和/或底部基板（11)的多个吸入孔（35)，吸入孔（35)位于数字微流体系统⑴的 基座单元（7)的盒容纳站（8)处，垫片（36)密封抽空空间（46)和抽空空间（46)内欠压， 致使柔性底层（3)被吸引到数字微流体系统（1)的盒容纳站（8)最上表面（52)并铺展在 该表面（52)上； (f) 将处理液体添加到柔性底层（3)的所述第一疏水性表面（17'）； (g) 将带有下表面（48'）的刚性盖板（12)放置在柔性底层（3)上，使所述下表面（48'） 接触柔性底层（3)的周围（40)，并密封地使所述下表面（48'）附连到柔性底层（3)的周围 (40)，由此，在数字微流体系统（1)的盒容纳站（8)处组装一次性盒（2)，所述垫片（36)形 成所述第一疏水性表面（17'）和所述第二疏水性表面（17"）之间的特定距离；以及 (h) 将至少一个试样液滴（23)添加到间隙（6)内，并通过电润湿来操纵所述试样液滴 (23)。
24. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述垫片（36)设置在盒容纳站（8)处，其 作为以下的一部分： (a) 数字微流体系统（1)的盒容纳站（8)， 其中，所述垫片（36)永久地附连到： (i) 介电层（24)，其形成盒容纳站（8)的最上表面（52);或 (ii)底部基板（11)，其与单个电极（10)的裸露金属表面一起形成盒容纳站⑶的最 上表面（52);或 (b) -次性盒（2)的柔性底层（3)，垫片（36)永久地附连到柔性底层（3)的周围（40)。
25. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，通过使用盒容纳站⑶的夹具（37)压迫 刚性盖板（12)抵靠在柔性底层（3)上，来加强带有下表面（48'）的刚性盖板（12)在柔性 底层（3)上的放置，所述下表面（48'）与柔性底层（3)的周围（40)的接触，以及所述下表 面（48'）与柔性底层（3)的周围（40)的密封附连。
26. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，通过用液体操作系统的刺破移液管端 (20)穿透一次性盒（2)的可刺穿膜（31)，以及通过将需要量的试样液体分配到间隙（6) 内，可实施将至少一个试样液滴（23)添加到间隙（6)内。
27. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，在通过电润湿和/或分析这些液滴（23) 中的某些液滴内试样而在所述第一疏水性表面（17'）上操纵液体液滴（23)之后，从数字微 流体系统（1)的基座单元（7)的盒容纳站（8)中取出一次性盒（2)，并进行分析或丢弃。
【文档编号】B01L3/00GK104321143SQ201480000803
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年1月6日 优先权日:2013年1月9日
【发明者】D·霍夫梅耶, T·雷, T·李, M·N·费格林, W·豪格, A·R·克普夫－西尔 申请人:泰肯贸易股份公司