EWOD仪器中的磁性粒子提取的制作方法

ewod仪器中的磁性粒子提取
技术领域
1.本发明涉及液滴微流体设备，更具体地涉及有源矩阵电介质上电润湿(am-ewod)装置，以及在微流体设备中从流体液滴中操纵和分离磁响应粒子的方法。


背景技术：

2.电介质上电润湿(ewod)是一种众所周知的通过施加电场来操纵流体液滴的技术。有源矩阵ewod(am-ewod)是指在包含晶体管的有源矩阵阵列中例如通过使用薄膜晶体管(tft)实现ewod。因此，它是用于芯片实验室技术的数字微流体的候选技术。可以在《数字微流体：真止的芯片实验室可能吗？》(digital microfluidics：is a true lab-on-a-chip possible？)，r.b.fair，microfluid nanofluid(2007)3：245-281)中找到该技术的基本原理介绍。
3.图1是描绘示例性的基于ewod的微流体系统的图。在图1的示例中，微流体系统包括读取器32和盒34。盒34可以包含诸如am-ewod设备36之类的微流体设备，并常规地包含(未示出的)进入到设备的流体输入端口和电连接。流体输入端口可以执行以下功能：例如通过从由电润湿控制的输入储存器分配而将流体输入到am-ewod设备36中并且在设备内生成液滴。如下文进一步详述，微流体设备包括被配置成接收输入的流体液滴的电极阵列。
4.微流体系统还可以包括控制系统，该控制系统被配置成控制施加到微流体设备的电极阵列的致动电压以对流体液滴执行操纵操作。例如，读取器32可以包含配置成控制电子器件38的这种控制系统，并且可以包含可以存储任何应用软件和与系统相关联的任何数据的存储设备40。控制电子器件38可以包括诸如cpu、微控制器或微处理器之类的合适的电路和/或处理设备，其被配置成执行与am-ewod设备36的控制相关的各种控制操作。
5.在图1的示例中，提供外部传感器模块35用于感测液滴特性。例如，本领域已知的光学传感器可以用作用于感测液滴特性的外部传感器，其可以并入可位于ewod设备附近的探针中。合适的光学传感器包括相机设备、光传感器、电荷耦合装置(ccd)和类似的图像传感器等。传感器附加地或替代地可以被配置成内部传感器电路，其作为每个阵列元件中的驱动电路的一部分被并入。这种传感器电路可以通过检测阵列元件处的诸如阻抗或电容之类的电特性来感测液滴特性。
6.图2是以透视图描绘示例性am-ewod设备36的附加细节的图。am-ewod设备36具有下基板组件44，其中薄膜电子器件46设置在下基板组件44上。薄膜电子器件46被布置为驱动阵列元件电极48。多个阵列元件电极48被布置成电极或元件二维阵列50，其具有n行
×
m列的阵列元件，其中n和m可以是任何整数。可以包括任何极性液体并且通常可以是水性的液滴52被封闭在由间隔件56隔开的下基板44与上基板54之间，但是应当理解可以存在多个液滴52。
7.图3是描绘穿过图2的示例性am-ewod设备36的一些阵列元件的截面的图。在图3中描绘的am-ewod设备的部分中，该设备包括以截面示出的一对阵列元件电极48a和48b，其可以用于图3的am-ewod设备36的电极或元件阵列50中。am-ewod设备36还并入设置在下基板
44上的薄膜电子器件46，该下基板通过间隔件56与上基板54隔开。下基板44的最上层(可以认为是薄膜电子器件层46的一部分)被图案化，使得多个阵列元件电极48(例如阵列元件电极的具体示例是图3中的48a和48b)被实现。术语元件电极48在下文中可以用来指与特定阵列元件相关联的物理电极结构48，以及直接连接到该物理结构的电路的节点两者。参考电极58在图3中示出为设置在顶部基板54上，但是参考电极可以替代地设置在下基板44上以实现平面内参考电极几何形状。术语参考电极58在下文中还可以用来指物理电极结构和直接连接到该物理结构的电路的节点中的两者或其中一个。
8.在am-ewod设备36中，非极性流体60(例如油)可以用于占据未被液滴52占据的体积。绝缘层62可以设置在下基板44上，其将导电元件电极48a和48b与第一疏水涂层64隔开，液滴52位于该第一疏水涂层上，接触角66由θ表示。疏水涂层由疏水材料(通常但不一定是含氟聚合物)形成。第二疏水涂层68在顶部基板54上，液滴52可以与该第二疏水涂层接触。参考电极58插入在顶部基板54与第二疏水涂层68之间。
9.液滴的接触角θ如图3中所示定义，并且由固液界面(γ
sl
)、液气界面(γ
lg
)和非离子流体界面(γ
sg
)之间的表面张力分量平衡来决定，并且在不施加电压的情况下满足杨氏定律，由下式给出等式：
[0010][0011]
在操作中，称为ew驱动电压的电压(例如图3中的v
t
、v0和v
00
)可以从外部施加到不同的电极(例如分别为参考电极58、元件电极48a和48a)。产生的所得电力有效地控制疏水涂层64的疏水性。通过布置不同的ew驱动电压(例如v0和v
00
)以施加到不同的元件电极(例如48a和48b)，液滴52可以在两个基板之间的横向平面中移动。
[0012]
图4a示出了在存在液滴52的情况下元件电极48与参考电极58之间的电负载70a的电路表示。液滴52通常可以被建模为并联的电阻器和电容器。通常，(例如，在液滴包含离子的情况下)液滴的电阻将相对较低并且液滴的电容将相对较高(例如，因为极性液体的相对介电常数相对较高，如果液滴为水溶液，则例如～80)。在许多情况下，液滴电阻相对较小，使得在电润湿感兴趣的频率下，液滴52可以有效地起到电短路的作用。疏水涂层64和68具有可以建模为电容器的电特性，并且绝缘体62也可以建模为电容器。元件电极48与参考电极58之间的总阻抗可以由电容器近似，其值通常由绝缘体62以及疏水涂层64和68的贡献支配，并且对于典型的层厚度和材料，其值可以在微微法拉级。
[0013]
图4b示出了在不存在液滴的情况下元件电极48与参考电极58之间的电负载70b的电路表示。在这种情况下，液滴成分由表示占据顶部基板与下基板之间的空间的非极性流体60的电容的电容器代替。在这种情况下，元件电极48与参考电极58之间的总阻抗可以由电容器近似，该电容器的值由非极性流体的电容支配并且通常很小，在毫微微法拉级。
[0014]
为了驱动和感测阵列元件的目的，电负载70a/70b总体上起到电容器的作用，其值取决于给定元件电极48处是否存在液滴52。在存在液滴的情况下，电容相对较高(通常为微微法拉级)，而如果不存在液滴，则电容较低(通常为毫微微法拉级)。如果液滴部分地覆盖给定的电极48，则电容可以近似地表示元件电极48被液滴52覆盖的程度。
[0015]
(sterling等人，2007年1月16日发布的)us 7,163,612描述了可以如何使用基于
tft的薄膜电子器件通过使用与有源矩阵显示技术中采用的电路布置非常相似的电路布置来控制对ewod阵列的电压脉冲寻址。us 7,163,612的方法可以称为“有源矩阵电介质上电润湿”(am-ewod)。使用基于tft的薄膜电子器件来控制ewod阵列存在几个优点，即：
[0016]
·
电子驱动电路可以集成到下基板上。
[0017]
·
基于tft的薄膜电子器件非常适合am-ewod应用。它们的生产成本低廉，因此可以以相对较低的成本生产相对较大的基板区域。
[0018]
·
标准工艺制造的tft可以设计为在比标准cmos工艺制造的晶体管高得多的电压下操作。因为许多ewod技术需要施加超过20v的电润湿电压，所以这很重要。
[0019]
图5是描绘图2的示例性am-ewod设备36中的薄膜电子器件46的示例性布置的图。薄膜电子器件46位于下基板44上。元件阵列50的每个阵列元件51包含用于控制对应元件电极48的电极电位的阵列元件电路72。集成行驱动器电路74和列驱动器电路76也在薄膜电子器件46中实现以向阵列元件电路72提供控制信号。阵列元件电路72还可以包含用于检测阵列元件位置中液滴的存在或不存在的传感器能力。集成传感器行寻址电路78和列检测电路80也可以在薄膜电子器件中实现，用于对每个阵列元件中的传感器电路进行寻址和读出。
[0020]
还可以提供串行接口82以处理串行输入数据流并且利于对阵列50中的元件电极48的所需电压的编程。电压供应接口84提供对应的供应电压、顶部基板驱动电压和本文中进一步描述的其他必要的电压输入。即使对于大阵列尺寸，下基板44与外部控制电子器件、电源和任何其他部件之间的连接电线86的数量也可以做得相对较少。可选地，串行数据输入可以部分并行化。例如，如果使用两条数据输入线，则第一条可以为列1到x/2提供数据，而第二条可以为列(1+x/2)到m提供数据，对列驱动器电路76稍作修改。以这种方式，数据可以被编程到阵列的速率增加，这是液晶显示器驱动电路中使用的标准技术。
[0021]
图6是描绘每个阵列元件51中存在的阵列元件电路72的示例性布置的图，其可以用作图5的薄膜电子器件的一部分。阵列元件电路72可以包含致动电路88，其具有输入启用(enable)、数据(data)和致动(actuate)，以及连接到元件电极48的输出(out)。阵列元件电路72还可以包含液滴感测电路90，其可以与元件电极48电连通。通常，液滴感测电路90的读出可以由一条或多条寻址线(例如rw)控制，这些寻址线可以为阵列的同一行中的元件所共有，并且还可以具有一个或多个输出，例如“out”，其可以为阵列的同一列中的所有元件所共有。
[0022]
阵列元件电路72通常可以执行以下功能：
[0023]
(i)通过向阵列元件电极提供电压来选择性地致动元件电极48。因此，阵列元件51处存在的任何液滴可以被电润湿效应致动或去致动。
[0024]
(ii)感测阵列元件51的位置处存在还是不存在液滴。感测装置可以是电容或阻抗装置、光学装置、热装置或一些其他装置。使用集成阻抗传感器电路作为阵列元件电路的一部分，可以方便且有效地采用电容或阻抗感测。
[0025]
已经描述了控制am-ewod设备以感测液滴和执行所需的液滴操作的各种方法。例如，(hadwen等人，2017年3月2日发布的)us 2017/0056887描述了使用电容检测作为确定分析输出的方式来感测试剂的动态特性。这种发明并入了集成阻抗传感器电路，该集成阻抗传感器电路具体并入到每个阵列元件的阵列元件电路中。因此，已经尝试将图6的集成阻抗感测电路90优化到阵列元件结构中，并且特别作为阵列元件电路72的一部分。例如，在如下
的申请人共同转让的专利文件中描述了具有集成致动和感测电路的am-ewod设备的示例：(hadwen等人，2014年2月18日发布的)us 8,653,832；(hadwen等人，2018年3月22日发布的)us 2018/0078934；(hadwen，2017年3月16日发布的)us 2017/0076676；以及(hadwen等人，2012年5月8日发布的)us8,173,000。当前申请中描述的增强的操作方法可以与包括任何合适的集成阻抗感测电路90的任何合适的阵列元件电路72结合使用。
[0026]
已经记录了使用功能化磁响应粒子作为生物亲和性测定中的固相，或用于从样品液滴中去除污染物的用途。磁响应粒子可以衍生化或与诸如抗体、受体、核酸等目标粒子结合。通常，此类磁响应粒子可以是顺磁性或超顺磁性的，并且在施加磁场时粒子具有磁响应但在去除磁场后不会保持磁化的意义上，通常将没有磁存储性。在磁场的影响下，磁响应粒子变为磁性并且因此具有聚集的趋势，这可以用于聚集可能与磁响应粒子相关或相结合的靶物质或粒子。
[0027]
例如，(reeve，1996年6月4日发布的)us 5,523,231描述了一种使用可磁性吸引珠以分离大分子的方法，但在这种处理中珠不与大分子特异性结合。(pamula等人，2008年10月21日发布的)us 7,439,014描述了一种使用磁响应珠进行基于液滴的表面改性和洗涤的方法。通过使用磁场将珠聚集在液滴区域内，然后通过电润湿操作分裂液滴以隔离包含珠的液滴部分，来执行从液滴分离磁响应珠的步骤。(shah等人，2012年1月10日发布的)us 8093064描述了一种类似的方法，其附加特征是来回移动液滴的弯液面以将珠从表面提起。us 7,439,014中描述的方法和类似的常规方法是有缺陷的。因为磁性粒子分离是通过利用电润湿操作分裂液滴来执行的，所以此类常规方法导致分裂后伴随液珠的液滴中有大量液体，这是不合需要的，因为需要珠(和任何相关的目标粒子)的最大程度隔离。此外，相对于整个阵列区域，清洗和分离过程需要在ewod设备阵列上占用大量空间。这限制了可以用于其他ewod操作的空间，从而降低了ewod设备的整体效率和实用性。


技术实现要素：

[0028]
因此，本领域需要一种用于am-ewod或ewod设备操作的改进系统和方法，其实现从微流体设备内的液滴中选择性分离磁响应粒子，同时确保大比例的磁响应粒子有效地与液滴分离(高珠捕获效率)，并且磁响应粒子与最小体积的液体结合被分离。本技术描述了用于从液滴分离磁响应珠或粒子的方法，与常规配置相比，该方法以增强的方式实现此类结果。在本技术的实施例中，通过以下来执行珠分离步骤：及时改变磁场，从而通过施加磁场施加力以将珠从液滴中移动而从液滴中去除珠，而不是像常规工艺那样使用电润湿力通过分裂液滴来实现分离。
[0029]
本发明的一个方面是一种ewod设备的操作方法，用于采用磁场从极性液滴分离磁响应粒子。在示例性实施例中，该方法包括以下步骤：将液滴分配到ewod设备的元件阵列上，其中液滴包括磁响应粒子；执行电润湿操作以将液滴沿着元件阵列移动到相对于磁体元件的位置，该磁体元件靠近ewod设备的该位置；操作磁体元件以向液滴施加磁场，其中磁响应粒子中的至少一部分响应于磁场聚集在液滴内；以及利用磁场从液滴分离聚集的磁响应粒子，其中聚集的磁响应粒子响应于磁场移动到元件阵列上靠近磁体元件的位置。(如下所述，可以在聚集的磁响应粒子响应于磁场移动到元件阵列上靠近磁体元件的位置之前或之后，利用磁场从液滴分离聚集的磁响应粒子。)本技术的方法的实施例可以由执行存储在
非暂时性计算机可读介质上的程序代码的ewod控制系统来执行。
[0030]
本技术的实施例具有优于常规处理的显著优势。所描述的实施例选择性地从极性流体液滴中分离磁响应粒子，使最小体积的极性流体伴随着磁响应粒子。可以通过执行重复的磁捕获步骤的能力来实现磁响应粒子的收集效率的增强。微流体盒内最小的表面积(即，分离步骤占用的最小数量的阵列元件)用于实现磁响应粒子的成功分离。任何磁响应粒子不可逆转地嵌入微流体设备表面的可能性也降低了。
[0031]
参考以下具体实施方式和附图，将使本发明的这些特征和其他特征变得显而易见。在具体实施方式和附图中，已经详细公开本发明的特定实施例以指示可以采用本发明的原理的一些方式，但是应当理解，本发明在范围上不受相应限制。更确切而言，本发明包括落入所附权利要求的精神和条款内的所有变化、变型和等效物。关于一个实施例描述和/或示出的特征可以在一个或多个其他实施例中以相同方式或类似方式使用和/或与其他实施例的特征组合或代替其他实施例的特征。
附图说明
[0032]
图1是描绘示例性的基于ewod的微流体系统的图。
[0033]
图2是以透视图描绘示例性am-ewod设备的图。
[0034]
图3是描绘穿过图2的示例性am-ewod设备的一些阵列元件的截面的图。
[0035]
图4a是描绘当存在液滴时出现在元件电极处的电负载的电路表示的图。
[0036]
图4b是描绘当不存在液滴时出现在元件电极处的电负载的电路表示的图。
[0037]
图5是描绘图2的示例性am-ewod设备中的薄膜电子器件的示例性布置的图。
[0038]
图6是描绘用于am-ewod设备的示例性阵列元件电路的图。
[0039]
图7是描绘根据本发明实施例的示例性的基于am-ewod的微流体系统的透视图的图。
[0040]
图8是描绘图7的微流体系统的截面图的图。
[0041]
图9是描绘图7和图8的示例性微流体系统的操作部分的框图的图。
[0042]
图10是描绘示出微流体系统的示例性微流体盒的特征的附加视点的图。
[0043]
图11a、图11b、图11c和图11d是描绘沿着ewod元件阵列从极性液滴分离磁响应粒子的示例性方法的图。
[0044]
图12a、图12b、图12c、图12d和图12e是示出图11a至图11d的过程的配套图，更详细地关注液滴响应。
[0045]
图13a、图13b、图13c、图13d、图13e、图13f、图13g、图13h、图13i和图13j是描绘从ewod设备中的极性液滴分离磁响应粒子的另一示例性方法的图。
[0046]
图14a、图14b和图14c是描绘从ewod设备中的极性液滴分离磁响应粒子的另一示例性方法的图。
[0047]
图15a、图15b和图15c是描绘从ewod设备中的极性液滴分离磁响应粒子的另一示例性方法的图。
[0048]
图16a、图16b和图16c是描绘从ewod设备中的极性液滴分离磁响应粒子的另一示例性方法的图。
[0049]
图17是描绘与微流体仪器的磁体元件相关的am-ewod盒的示例性部分的图。
[0050]
图18是描绘当电压扰动施加到磁体元件用于感测磁体元件位置时从元件阵列测量的输出电流导出的输出图像的图。
[0051]
图19a和图19b是描绘从ewod设备中的极性液滴分离磁响应粒子的另一示例性方法的图。
[0052]
图20a、图20b和图20c是描绘从ewod设备中的极性液滴分离磁响应粒子的另一种示例性方法的图，其中通过添加改性剂液滴改变液滴的粘度。
具体实施方式
[0053]
现在将参考附图来描述本发明的实施例，其中相同的附图标记始终用于指代相同的元件。应当理解，这些附图不一定按比例绘制。
[0054]
本技术的实施例提供了一种用于am-ewod或ewod设备操作的改进系统和方法，该系统和方法实现了从微流体设备内的液滴中选择性分离磁响应珠或粒子，同时确保大比例的珠被有效地从液滴中分离(高磁珠捕获效率)，并且磁响应粒子或磁珠与来自液滴的最小体积的液体结合被分离。本技术描述了一种用于从液滴中分离磁响应珠或粒子的方法，与常规配置相比，该方法以增强的方式实现这种结果。在本技术的实施例中，通过以下来执行分离步骤：及时改变磁场，从而通过施加磁场以施加力而从液滴中移动珠来从液滴中去除磁响应粒子，而不是像常规工艺那样使用电润湿力通过分裂液滴来实现分离。
[0055]
图7是描绘根据本发明实施例的示例性的基于am-ewod的微流体系统100的透视图的图。图8是描绘图7的微流体系统100的截面图的示意图。微流体系统100包括微流体盒102，其通常是一次性的并且旨在用于一次性使用，以及微流体盒102对接在其中的微流体仪器104，可以通过如图所示的滑动插入来执行该对接。微流体盒102被配置用于ewod或am-ewod操作，并且因此通常包括薄膜晶体管(tft)玻璃基板106、顶部基板108和玻璃基板嵌入其中的塑料壳体110。塑料壳体可以并入用于将部件固定到位的粘合剂，以及用于间隔和密封两个玻璃基板的内部间隔元件。微流体盒102还包括第一电连接器112，用于以允许电信号在微流体盒102与微流体仪器104之间交换的方式配合到微流体仪器104。如上所述，微流体盒102被配置用于ewod或am-ewod操作，因此tft基板106和相关部件可以包括上面参考图1至图6所述的阵列元件、阵列元件电路和控制信号线。
[0056]
微流体仪器104被配置成接收微流体盒102并且被设计为使用户可以直接插入和去除微流体盒。微流体仪器104包括与第一电连接器112配合以允许电信号在微流体盒102与微流体仪器104之间交换的第二电连接器114。微流体仪器104还包括用于在插入和去除期间机械地支撑和定位微流体盒102的对接特征部116a和116b。对接特征部可以与微流体盒102的壳体特征部118相互作用以帮助微流体盒102在微流体仪器104内的插入、去除和定位。将理解，可以采用对接特征部和进行协作的壳体特征部的任何合适的配置。对接可以通过滑动插入、夹紧或任何其他适合于将微流体盒定位在仪器内的机械装置来实现。
[0057]
微流体仪器104可以具有台式形式，例如设计用于分析实验室。微流体仪器104还可以被小型化为例如适合于医疗设施中的即时护理应用的手持形式。微流体仪器104包括允许控制微流体盒102以通过am-ewod操作执行各种化学和生化反应方案和脚本的部件。因此，微流体仪器104可以包括以下部件：控制电子器件，其用于提供电压源和用于控制am-ewod阵列元件的致动和去致动的定时信号；加热器元件120，其用于加热am-ewod阵列元件
的部分以控制液滴的温度，这是某些反应方案所期望或要求的；光学部件或传感器122，其测量am-ewod元件阵列上的液滴的光学特性；磁体元件124，其用于向液滴和am-ewod元件阵列施加磁场；以及用于液体输入或提取的特征部，诸如例如并入在微流体仪器中的移液器。光学部件122可以包括用于照射液滴的光源，诸如例如发光二极管(led)或激光二极管，并且还包括检测元件，诸如例如用于检测从液滴返回的光信号的光电二极管或其他图像传感器。液滴的光学测量可以采用感测技术，诸如吸光度、荧光、化学发光等。
[0058]
至于磁体124，如上所述，许多反应方案在液滴内使用磁响应粒子，诸如磁珠，以执行纯化或“洗涤”步骤。通过使用从微流体仪器中的磁体施加的磁场，磁珠可以聚集在一起或被释放并且移动通过液滴主体以执行这类洗涤步骤。更具体地，功能化磁响应粒子的使用可以用作生物亲和性测定中的固相，或用于从样品液滴中去除污染物。磁响应粒子可以衍生化或与诸如例如抗体、受体、核酸等目标粒子结合。通常，此类磁响应粒子是顺磁性或超顺磁性的，并且在施加磁场时粒子具有磁响应但在去除磁场后不会保持磁化的意义上，没有磁存储性。在磁场的影响下，磁响应粒子变为磁性并且因此具有聚集的趋势，这可以用于聚集可能与磁响应粒子相关或结合的靶物质或粒子。珠所用的尺寸和材料取决于应用。珠的直径将通常在5nm-100nm范围内，但在一些应用中可能会采用更大的珠(直径在微米范围内)。珠通常包括被聚合物包围的磁芯(例如氧化铁)，并且涂有设计为捕获感兴趣物质的生物分子，例如如果珠设计为捕获dna，则是用于免疫测定的链霉亲和素或寡核苷酸捕获探针。
[0059]
磁体124可以是永磁体，其可以在垂直于微流体盒102的方向上移动以便更靠近微流体盒102或从微流体盒102缩回。当处于关闭或升高位置时，向微流体盒102和位于磁体中一个的区域中的微流体盒上的任何液滴施加磁场。当磁体从微流体盒102缩回时，磁场变得微不足道，因此不会对存在于微流体盒内的任何液滴内的任何磁珠施加显著的磁力。磁体可以通过任何合适的驱动机构125在升高的关闭位置和缩回位置之间移动。在替代实施例中，磁体可以是电磁体，其被接通或断开以选择性地向微流体盒施加磁场。
[0060]
微流体盒102包括阵列元件的二维有源矩阵阵列，具有在其上操纵液滴的电极，诸如上文关于图1至图6所描述。施加到各个电极的致动模式被控制以执行如上文结合图1至图6所描述的各种液滴操作。典型的电极宽度为200um、100um，或者可能小到50um。如果液滴包含多个电极，则液滴可以具有对应的尺寸或更大，例如直径高达5mm，并且可以在x-y空间中定位到阵列元件尺寸精度以进行液滴操纵操作。
[0061]
图9是描绘图7和图8的示例性微流体系统100的操作部分的框图的图。类似地，如关于图1所描述，微流体仪器104可以包括基于计算机的控制系统126，其经由数据链路130控制仪器电子器件128。在这样的控制下，仪器电子器件经由仪器/盒电连接器接口136(例如，包括图8的电连接器112和114)提供致动数据信号132，并且读出传感器数据信号134。控制系统126可以包括存储设备138，其可以存储任何应用软件和与系统相关联的任何数据。控制系统126和仪器电子器件128可以包括诸如cpu、微控制器或微处理器之类的合适的电路和/或处理设备，其被配置成执行与微流体盒102的控制相关的各种控制操作。微流体盒102包括与上述类似的单个阵列元件142的元件阵列140，在其上可以分配液滴144以通过根据致动数据信号132使一个或多个阵列元件致动和去致动来执行液滴操纵操作。传感器数据信号134还可以由微流体盒102的电路输出到仪器电子器件128。
[0062]
因此，控制系统126可以执行具体实施为存储在存储设备138内的控制应用程序的程序代码。计算机编程领域的普通技术人员，特别是电子控制设备的应用程序编程领域的普通技术人员将显而易见，如何对控制系统进行编程以操作和执行与存储的控制应用程序相关的逻辑功能。因此，为了简洁起见，省略了关于特定编程代码的细节。存储设备138可以被配置成非暂时性计算机可读介质，诸如随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或闪存)，或任何其他合适的介质。另外，虽然根据示例性实施例可以由控制系统126执行代码，但是在不脱离本发明的范围的情况下，这种控制系统功能也可以经由专用硬件、固件、软件或其组合来执行。
[0063]
控制系统可以被配置成执行以下部分或全部功能：
[0064]
·
定义适当的定时信号以操纵am-ewod盒元件阵列上的液滴。
[0065]
·
解译表示由与am-ewod盒相关联的传感器或传感器电路测量的传感器信息的输入数据，包括计算am-ewod元件阵列上液滴的位置、大小、质心、周长和粒子成分。
[0066]
·
使用计算出的传感器数据来定义适当的定时信号来操纵am-ewod盒上的液滴，即以反馈模式起作用。
[0067]
·
提供图形用户界面(gui)的实现方式，由此用户可以对诸如液滴操作(例如移动液滴)、测定操作(例如执行测定)之类的命令进行编程，并且gui可以将这些操作的结果报告给用户。
[0068]
·
根据本技术的实施例，操作磁体元件的机械运动或电磁操作以选择性地向微流体盒施加磁场。
[0069]
控制系统126诸如经由仪器电子器件128可以提供和控制施加到微流体盒102的电极阵列的致动电压，诸如执行液滴操纵操作和感测am-ewod元件阵列上的液滴所需的电压和定时信号。控制系统还可以执行应用软件以生成和输出用于液滴感测和执行感测操作的控制电压。
[0070]
可以使用关于图1至图9描述的am-ewod结构和设备来执行本文描述的关于增强微流体操作的各种方法，包括例如任何控制电子器件和电路、感测能力以及包括执行存储在非暂时性计算机可读介质上的计算机应用代码的任何处理设备的控制系统。包括液滴操纵操作的串联和/或并行组合的反应方案通常根据形成脚本的软件指令进行，该脚本可以包括专用于由液滴执行的特定反应方案的脚本。通常还使用反馈进行反应方案，由此来自传感器的液滴尺寸和液滴位置的信息被反馈到软件，并且在时间和/或空间上调整液滴操纵操作的顺序。
[0071]
图10是描绘示出示例性微流体盒102的特征的附加视点的图。微流体盒102包括多个样品端口150和反应室152。反应室152包括在第一基板和相对的基板上的薄膜晶体管电极阵列(未示出)，这些基板之间限定了间隙。在间隙内设置有非极性流体154，诸如油，其内可以分配和悬浮一个或多个包括极性流体的液滴156。极性流体液滴156还可以包括一个或多个磁响应粒子158。坐标系也定义为沿着反应室152的水平“x”方向和垂直“y”方向，其适用于随后的附图。如上所述，微流体盒102可以是一次性元件，其可接纳在诸如图7和图8所描绘的微流体仪器内。在替代实施例中，微流体盒102是微流体仪器的组成部分。
[0072]
如上所述，微流体仪器包括至少一个磁体元件160，该磁体元件可物理移动或电磁操作以选择性地将磁场施加到微流体盒102。因此，图10示出了当盒正确地定位在微流体仪
器内时磁体元件160相对于微流体盒102的位置。出于说明的目的，当磁体元件160被定位或以其他方式操作以将磁场施加到微流体盒102时，磁体元件160被描绘为实心圆。相反，当磁体元件160被定位或以其他方式操作以不对微流体盒102施加磁场时，磁体元件160被描绘为空心圆。因此，在图10的示例中，磁体元件正在向微流体盒102施加磁场。
[0073]
在使用中，微流体盒102被操作以通过电润湿过程操纵分散在反应室152内的非极性流体154内的极性流体液滴156。一般而言，当极性流体液滴156由于电润湿而移动时，液滴将采用名义上的方形边缘轮廓(但根据各个tft阵列元件的激活模式可以实现其他形状的轮廓)，其受到设备阵列内每个tft元件的大致方形轮廓的影响。因此，当极性流体液滴156由于电润湿而移动时，液滴倾向于根据在电润湿过程期间被致动的tft元件的模式而采用边缘轮廓形状。在不存在任何致动的tft元件的情况下，极性流体液滴156通常在非极性流体154内采用名义上的圆形轮廓。这种“松弛”的形状轮廓受到微流体盒102内各个流体之间的相对表面张力差异的影响。
[0074]
如上所述，磁体元件160可以通过任何合适的驱动机构(例如，图8的元件125)移动。一个或多个磁体元件可以固定到致动器，其允许磁体元件160相对于其上设置有tft元件阵列的微流体盒102的基板选择性移动。磁体元件160可以移动得更靠近或远离基板表面，从而改变磁体元件160对微流体盒102内的流体的影响。磁体元件160相对于微流体盒102的、从与微流体盒102的tft基板的外表面的接近点到磁体元件160可以从tft基板移开的最远点的垂直行进路径在约7mm至12mm之间。
[0075]
本发明的一个方面是一种操作ewod设备以采用磁场从极性液滴分离磁响应粒子的方法。在示例性实施例中，该方法包括以下步骤：将液滴分配到ewod设备的元件阵列上，其中液滴包括磁响应粒子；执行电润湿操作以将液滴沿着元件阵列移动到相对于ewod设备的磁体元件的位置；操作磁体元件以向液滴施加磁场，其中磁响应粒子中的至少一部分响应于磁场聚集在液滴内；以及利用磁场从液滴分离聚集的磁响应粒子，其中聚集的磁响应粒子响应于磁场移动到元件阵列上靠近磁体元件的位置。本技术的方法的实施例可以由执行存储在非暂时性计算机可读介质上的程序代码的ewod控制系统来执行。
[0076]
图11a至图11d是描绘沿着ewod元件阵列162从极性液滴分离磁响应粒子的示例性方法的图。图12a至图12e是示出图11a至图11d的过程的配套图，更详细地关注液滴响应。极性流体液滴156可以通过电润湿力移动到距磁体元件160的空间位置固定距离(例如在水平面中大约4mm)内，然后去除电润湿激活，使得液滴松弛到例如如图11a中所示的圆形。
[0077]
当磁体元件160垂直距离tft基板的表面最远时，磁体元件160对反应室152中存在的极性流体液滴156内存在的任何磁响应粒子158几乎没有影响或没有影响。当包含磁响应粒子158的极性流体液滴156直接位于磁体元件160的位置上方时，亦是如此。当磁体元件160在tft基板表面下方约7mm的垂直平面中时，磁体元件在对角线上距极性流体液滴156约8mm，该极性流体液滴156在水平上位于与磁体元件160的位置相距4mm处，tft阵列元件设置在该位置上。在这种布置下，在极性流体液滴156内没有观察到磁响应粒子158的聚集。
[0078]
当磁体元件160处于升高或关闭位置以使得磁体元件靠近微流体盒102的外表面时，磁场的影响在磁性粒子上产生力，该力与磁珠所在位置的磁场梯度有关。该力足以使极性流体液滴156内的磁响应粒子158最初聚集在最接近磁体元件160位置的极性流体液滴156边缘处，并且最终从液滴156“跳”到磁体元件160在元件阵列162上的位置的正上方和附
近。如上所述，磁体元件160替代地可以被配置成电磁体，其可以被操作以产生时间可变磁场，这可以利于对磁响应粒子158在磁场的影响下可以移动的横向距离的控制。磁体元件160可以是位于致动器上的永磁体，该致动器升高和降低磁体的尖端以使磁体充分靠近tft元件阵列162，使得磁响应粒子158可以从液滴移动到靠近磁体元件的位置。当使用永磁体时，可以将磁体成形为控制场线图案。为了使磁场强度/场强度梯度最大化，可以采用由高磁强度材料(诸如例如钕)制成的永磁体。
[0079]
更具体地参考图11a至图11d和图12a至图12e，图12a最初描绘了已经通过电润湿力移动到相对于磁体元件160的任何合适的初始位置的极性流体液滴156。液滴156在电润湿力的影响下保持名义上的方形边缘轮廓。在该过程的这个阶段，磁体元件160不靠近(空心圆)微流体盒102，因此磁体元件160对极性流体液滴156内的磁响应粒子158没有显著或能观察到的影响。
[0080]
如图11a和图12b中所示，当去除电润湿力时，极性流体液滴156在微流体盒102内的反应室152内的极性流体156与非极性流体154之间的相对表面张力差异的影响下采用名义上的圆形轮廓。如图11b和图12c中所示，当磁体元件160(实心圆)被升高以接近微流体盒102的tft元件阵列162时，在包括液滴的区域元件阵列中，磁场被施加到微流体盒。响应于磁场，磁响应粒子158开始在聚集体164中积聚，该聚集体与最靠近磁体元件160的位置的极性流体液滴156的边缘轮廓相邻。
[0081]
如图11c和图12d中所示，当磁响应粒子158的积聚聚集体164在磁体元件160的磁场的影响下达到足够数量时，磁响应粒子158导致“松弛”的极性流体液滴156的边缘轮廓变形。具体地，磁响应粒子158的聚集体164导致液滴156采用名义上的泪珠形状，其尖端朝向磁体元件160。如图11d和图12e中所示，随着磁响应粒子158的进一步聚集，一旦已经积聚了足够数量的磁响应粒子158，由磁体元件160提供的磁场效应使得磁响应粒子158的积聚聚集体164能够突破非极性流体154与极性流体液滴156之间现在扭曲的弯液面。因此，磁响应粒子158的成块聚集体164脱离液滴156的范围，并且被拉向或跳跃到靠近磁体元件160的位置。因此，聚集的磁响应粒子164在非极性流体154内的磁体元件160的位置上方积聚。如图11d和图12e中所示，一旦最初已经聚集在液滴156的弯液面周围的磁响应粒子的聚集体已经被磁场从液滴中去除，液滴156就返回到名义上的圆形轮廓。
[0082]
在实践中，磁响应粒子158的聚集体164的第一次去除可能不包括位于极性液滴156内的所有此类粒子，并且大量磁响应粒子仍可保留在液滴156内。因此，图11a至图11d和图12b至图12e的过程可以在多次迭代中重复，以执行基本上全部磁响应粒子158的基本隔离。以这种方式，当去除磁响应粒子的聚集体时，在极性流体液滴156内的附加剩余磁响应粒子158与上述类似，开始在液滴边缘积聚。积聚和去除过程可以连续发生几次迭代，这取决于极性流体液滴156内磁响应粒子158的原始数量或浓度。分布在156内的磁响应粒子158的初始浓度将改变该过程的循环迭代的数量。当极性流体液滴156内的磁响应粒子158的数量使得磁场的影响不再能够引起足够的聚集以随后将聚集的磁响应粒子164拉过非极性流体154与极性流体液滴156之间的弯液面时，该过程达到自然停止。
[0083]
当极性液滴156内的磁响应粒子158的数量对于磁场从液滴中去除所述粒子的聚集体而言不足或变得不足时，在示例性实施例中，可以执行向液滴添加更多磁响应粒子的步骤。添加的磁响应粒子可能不参与原始磁响应粒子旨在执行的任何活性过程(即，磁响应
粒子不与靶物质结合或相互作用)。更确切而言，添加的磁响应粒子用于确保液滴156包含足够数量的磁响应粒子以聚集，并且随后在磁场的影响下从液滴156朝向磁体元件160移动。因此，添加另外的磁响应粒子增加了在磁体元件160的影响下将尽可能多的原始磁响应粒子转移出液滴156的可能性。有利的示例添加了与原始磁响应粒子相比具有相对大尺寸的磁响应粒子。大尺寸磁响应粒子对磁场高度敏感，因此可以用于有效地聚集或“清除”参与反应活动的任何剩余的原始小尺寸磁响应粒子。
[0084]
在某些条件下，已经观察到，磁体元件160的影响可能不是使磁响应粒子160突破非极性流体154与极性液滴156之间的弯液面，磁场反而可能使整个液滴156被拉向磁体元件156，直到极性液滴156停留在磁体元件160的位置上，使得磁响应粒子158尽可能靠近磁体元件160。一旦液滴156被移动到足够靠近磁体元件160，则可以导致去除。
[0085]
在替代实施例中，在开始从极性流体液滴156去除磁响应粒子158的过程之前，可以在电润湿激活下在反应室152内操纵液滴156，同时磁体元件160处于升高位置。在操纵阶段期间，可以引起磁响应粒子158大体上聚集在极性流体液滴156内但不从其去除。然后在极性流体液滴156移动到意欲发生磁性粒子去除的位置并且去除电润湿激活之前，在磁体元件160再次升高到如图12a中所示的升高位置之前，磁体元件160可以移动到降低的位置。在某些情况下，在去除电润湿激活从而启动去除过程之前，在将液滴156定位到意欲发生磁响应粒子156的去除的位置之前，将磁体元件160留在升高位置是可行的。
[0086]
图13a至图13j是描绘从ewod设备中的极性液滴分离磁响应粒子的另一示例性方法的图。与前述实施例相比，当前实施例也可以在ewod器件元件阵列上执行。与上文类似，图13a描绘了其中分布有多个磁响应粒子158的极性流体液滴156。液滴156在电润湿激活的影响下移动到微流体盒102的反应室152内的所需初始位置。因此，液滴在上述电润湿激活的影响下保持名义上的方形轮廓。该实施例采用两个磁体元件160，在这些附图中标记为160a和160b。在图13a的初始状态中，磁体元件都处于由空心圆指示的缩回位置(或断开状态)以便不施加操作磁场。极性流体液滴156最初通过电润湿致动移动到反应室152内的位置，第一磁体元件160a位于该位置下方。如图13b中所示，当通过使阵列元件去致动来去除电润湿力时，液滴156返回到名义上的圆形。
[0087]
可以采用第一磁体元件160a来帮助在液滴156内聚集磁响应粒子158。如图13c中所示，然后升高第一磁体元件160a(实心圆)从而引起磁响应粒子158朝向极性流体液滴156内的公共位置点聚集。为了增强基本上所有磁响应粒子158的积聚，当第一磁体元件160a处于升高位置时，可以施加极性流体液滴的电润湿致动。如图13d至图13g中所示，可以采用电润湿力使液滴156相对于第一磁体元件160a的位置四处移动，由此液滴156的特定部分按顺序地通过磁体元件160a上方。以此方式，随着液滴156四处移动，在液滴156整个范围内的磁响应粒子158连续地聚集在第一磁体元件160a的位置周围。该过程可以被认为是磁响应粒子158随着液滴156围绕第一磁体元件160a的位置的移动而被“扫起”成聚集体。
[0088]
如图13h中所示，当第一磁体元件160a保持在升高位置时，极性流体液滴156的电润湿致动被去除，并且液滴156恢复名义上的圆形。如图13i中所示，然后第一磁体元件160a相对于微流体盒102移动到较低位置，使得第一磁体元件160a不再对磁响应粒子158产生任何相应的磁影响。这类粒子现在与前述实施例类似地积聚到聚集体164中。
[0089]
如图13j中所示，接着将第二磁体元件160b移动到升高位置，使得积聚到聚集体
164中的聚集磁响应粒子158在由第二磁体元件160b生成的磁场的影响下跳跃通过极性液滴156的弯液面到达靠近第二磁体元件160b的位置。因为磁响应粒子158已经使用液滴156上的电润湿操作被第一磁体元件160a预先聚集，所以第二磁体元件160b的操作的结果是将基本上所有磁响应粒子158移向第二磁体元件160b的位置。因此，与先前的实施例不同，由于磁响应粒子158的预先聚集，通常只需要单个转移事件，而不是上面关于前述实施例描述的连续迭代。
[0090]
图14a至图14c是描绘图13a至图13j的过程的变型的图，并且示出沿着ewod设备阵列162的这种变型。在这些附图中，由虚线轮廓163指示致动电极。在该实施例中，极性液滴156可以通过电润湿致动而移动，以便将磁响应粒子聚集在位于被致动的液滴156的角处的聚集体164中，液滴156通过电润湿力定位，这种角被定向成最靠近磁体元件160。然后磁响应粒子的聚集体164可以与上述类似在单个转移事件中转移到磁体元件160。
[0091]
图15a至图15c是描绘从ewod设备中的极性液滴分离磁响应粒子的另一示例性方法的图。与前述实施例类似，这样的实施例也可以在ewod设备元件阵列上执行。在该实施例中，如图15a中所示，与关于前述实施例所描述的不同，最初保持极性流体液滴156的电润湿致动，其保持被致动的液滴的名义上的方形形状。如图中所示，具有方形边缘轮廓的被致动的极性液滴156被定向为使直边最靠近磁体元件160，并且与前述实施例中类似与磁体元件相距一定距离。(本文中的“直边”是指接触线(弯液面)形成直线的区域。当在该区域中应用的致动模式包括在一条线上的被致动的两个或更多阵列元件，它们邻近于两个或多个未致动的阵列元件时，实现这种情况。因此，电润湿效应导致接触线(液滴边缘)遵循已致动元件与未致动元件之间的直线边界。液滴具有非直边(例如，接触线/弯液面的曲率、角或顶点)的区域可以通过以直线以外的模式致动元件来实现，例如形成方形边缘或三角形边缘。再次地，电润湿效应可以用于通过设置接触线区域处的局部表面张力来控制弯液面的几何形状。)
[0092]
如图15b中所示，在这样的定向下，当磁体元件160移动到升高位置时，磁响应粒子158开始沿着液滴156的与磁体元件160的位置最靠近的边缘积聚在聚集体164中，与前述实施例类似。相反，在图15b中的情况下，随着越来越多的磁响应粒子158沿着极性流体液滴156边缘积聚，它们不会对极性流体液滴156的与磁体元件160的位置最靠近的边缘的弯液面造成任何显著变形。例如，磁响应粒子158的数量可能不足以突破被致动的极性液滴156的直边的表面张力。因此，磁场对聚集体164中积聚的磁响应粒子158的影响不足以突破电润湿致动的极性液滴156的直边弯液面。在该示例中的磁场也不能将整个液滴156拉向磁体元件160的位置，因为电润湿力占主导地位，将液滴156保持在液滴最初所在的当前位置。在这样的实施例中，该系统可以被操作以在极性液滴156的选定区域内“汇集”或聚集磁响应粒子158，而不实际从液滴156分离磁响应粒子158。
[0093]
有时可能需要从极性液滴156中去除磁响应粒子158。如图15c中所示，在从极性流体液滴156中去除电润湿激活后，聚集的磁响应粒子164立即突破非极性流体154与极性液滴156之间的弯液面，因为液滴156回复到名义上的圆形。通过这种向圆形的转变，与前述直边所关联的表面张力相比，极性液滴边缘处的表面张力降低。因此，磁响应粒子158的聚集体164“集体”地朝向靠近磁体元件160的位置转移。与关于图12a至图12e描述的实施例不同，因存在施加到极性液滴156的主动电润湿力而提供的延长的积聚间隔可以导致在直边
处聚集的更大总体百分比的磁响应粒子158。当在去除电润湿力时发生转移时，在单个转移事件中，基本上所有磁响应粒子从极性液滴156转移到磁体元件160的位置正上方的非极性流体154中。因此，该实施例也可以使多个连续或迭代转移事件变得不需要，当磁体元件160接近微流体盒时没有对极性液滴156施加电润湿激活时可能需要这些事件。
[0094]
图16a至图16c是描绘从ewod设备中的极性液滴分离磁响应粒子的另一示例性方法的图。与前述实施例类似，这样的实施例也可以在ewod设备元件阵列上执行。如图16a中所示，在该实施例中，在电润湿致动下形成具有菱形轮廓的极性流体液滴156。这种菱形液滴由电润湿力操纵以定位成使菱形的顶点朝向磁体元件160的位置，并且与前述实施例类似，与磁体元件相距一定距离。保持电润湿致动以保持菱形。在图16a的状态下，磁体元件160处于缩回位置或断开状态(空心圆)。
[0095]
如图16b中所示，当磁体元件160移动到升高位置(实心圆)以接近微流体盒102时，磁响应粒子158最初开始聚集在位于极性液滴156的与磁体元件160的位置最靠近的尖角处的聚集体164中。如图16c中所示，由于菱形角的形成，与其中磁响应粒子158不能突破非极性流体154与极性液滴156之间的弯液面的图15b的实施例不同，当足够数量的磁响应粒子158已经积聚到聚集体164中时，磁体元件160的磁场强度足以将聚集的磁响应粒子164拉过电润湿致动的菱形极性液滴156的弯液面以到达与磁体元件160的位置靠近的位置。
[0096]
根据这些原理，可以根据正在执行的测定或反应方案的特定要求，使用电润湿致动形成任何合适形状的液滴轮廓。通常，观察到当磁体元件被提升到升高位置时，在被致动时呈现出朝向磁体元件160位置的直边的液滴轮廓导致磁响应粒子158沿着极性流体液滴156的与磁体元件160的位置最靠近的弯液面积聚。由于这样定向为使直边朝向磁体元件，磁响应粒子158通常不能克服液滴表面张力，因此不能突破被致动的极性液滴156的直边。该过程可以用于执行延长的聚集步骤以增加聚集的磁响应粒子的比例。另一方面，当极性流体液滴156被电润湿力致动以具有朝向磁体元件定向的非直边(例如角或顶点)时，磁响应粒子158通常可以在非直边处积聚并且随后突破极性液滴156的表面张力。因此，磁响应粒子可以通过液滴156的顶点或角被去除并且位于磁体元件160的位置上方的聚集体中。
[0097]
此外，当极性流体液滴156内的磁响应粒子158的数量低于足够数量时，当在不存在电润湿致动的情况下这样的液滴位于距磁体元件160限定距离处时，磁响应粒子158最初沿着与磁体元件160的位置最靠近的液滴边缘积聚。由于这种数量不足，磁响应粒子的质量不足以突破弯液面以逃离极性流体液滴156。更确切而言，在这类情况下，对积聚的磁响应粒子的磁场效应可以使得不是突破弯液面，而是将整个极性流体液滴156朝着磁体元件160的位置拉过非极性流体154。
[0098]
可以结合感测结构采用上述过程，以对利用磁体元件的、磁响应粒子的分离进行增强。在2019年3月11日提交的申请人的美国申请第16/298,063号中描述了这种感测结构和方法，其内容通过引用方式并入本文中。感测可以感测极性流体液滴156和/或磁体元件160相对于反应室152的位置。因此，ewod控制系统内的微处理器可以被编程以检测并且因此通过电润湿操作准确地将极性液滴156定位在反应室152内的任何空间位置处。因此，该系统能够确保极性流体液滴156在反应室152内相对于磁体元件160的位置在水平(x)和垂直(y)两个方向上移动到限定的距离，使得可以在高度再现性的情况下发生在不同设备内执行的过程。
[0099]
该系统还可以使用关于极性流体液滴156相对于磁体元件160的位置的实时传感器反馈。如上所述，在某些情况下，通常当极性流体液滴156内的磁响应粒子158的数量在去除其一部分之后已经减少，整个液滴可能开始被拖向磁体元件160的位置。需要防止被分离的磁响应粒子158返回到极性流体液滴156中它们被去除之处。为了实现这样的结果，当传感器反馈指示极性流体液滴156正在接近被剔除的磁响应粒子158的位置时，系统可以被编程为降低磁体元件160，从而去除磁场，因此防止进一步拖拽液滴，并且/或者可以施加电润湿致动以将极性流体液滴156移动到磁场具有可忽略的影响的位置。磁体元件160相对于电润湿阵列的位置还可以由传感器结构确定，也如在
‘
063申请中所述。
[0100]
申请人的另一个共同拥有的申请是美国公开号2018/0284423，其描述了一种通过结合传感器反馈使用电润湿激活的选择性应用来控制ewod设备内液滴的空间位置的方法。当未主动处于电润湿控制下的液滴已经从反应室152内的位置移动超过预定距离时，传感器反馈使系统应用电润湿激活以将液滴重新定位到所需位置，然后再次去除电润湿致动。
[0101]
作为传感器操作的示例，图17是描绘与微流体仪器的磁体元件相关的am-ewod盒的示例性部分的图。图18是描绘当电压扰动施加到磁体元件时从元件阵列测量的输出电流导出的输出图像的图。具体地，图17描绘与微流体仪器的磁体元件160相关的am-ewod盒161的示例性部分。类似地，如上文结合其他附图所述，微流体盒161包括限定通道168的第一疏水涂层165和第二疏水涂层166，液滴156和填充流体(例如，油)可以分配到该通道中。盒161还可以包括tft玻璃基板170，其上图案化有元件电极阵列172。在该示例中示出了四个元件电极172a-d，但是同等原理适用于任何尺寸的电极阵列。元件电极172a-d通过离子屏障174与第一疏水涂层165间隔开，并且参考电极176可以沉积在与通道168相对的第二疏水涂层166上。
[0102]
图17描绘电压被施加到导电的磁体元件160的状态。施加到磁体元件160的电压扰动通过玻璃基板电容耦合到电极阵列172，如代表性场线178所示。在最靠近磁体元件164的元件电极处的所得电场最强，其在该示例是元件电极172b。元件电极172a和172c处的电场较弱，并且在元件电极172d处的电场基本上可以忽略不计。以这种方式，这种驱动方法使元件阵列用作电容阵列传感器，其可以检测微流体盒161外部的磁体元件160的位置和接近度。通过向磁体元件施加电压信号，这可以通过传感器阵列上的电容来检测。液滴位置还可以使用集成阻抗传感器电路或以上参考图6所引用的其他传感机制来确定。
[0103]
图18是描绘当电压扰动施加到磁体元件160时从元件阵列172测量的输出电流导出的输出图像180的图。磁体元件与元件阵列的电相互作用由输出图像指示，在该示例中阴影表示阵列元件与磁体元件的接近程度，最暗的图像部分182对应于最靠近磁体元件的阵列元件。用不那么暗的阴影示出对应于距磁体元件较远的阵列元件的图像部分，其中阴影暗度随着距磁体元件的距离增大而减小。以此方式，磁体元件相对于元件阵列的位置可检测到大约一个阵列元件(像素)的分辨率。这种分辨率是通过am-ewod设备中任何常见尺寸的像素实现的，诸如例如电极宽度为200um、100um或50um。
[0104]
在图17和图18的示例中，磁体元件感测被认为是有源感测，因为输出图像是通过测量响应于施加到磁体元件的电压扰动的输出电流而导出的。对于高灵敏度的阵列元件电路，只要这种电路足够灵敏以检测没有施加电信号或扰动的无源导电磁体元件，那么对导电磁体元件的无源感测就足够。在申请人于2018年12月3日提交的申请序列号16/207,789
中描述了这种高灵敏度电路的示例，其内容通过引用方式并入本文中。在这样的示例中，通过增强对非常小的电容变动的灵敏度来改进感测电路，对于本发明，即使不对磁体元件施加电压扰动，这对于本发明也可以与磁体元件定位相关联。作为高灵敏度电路的非限制性示例，为了在
‘
789申请的电路设计中实现这种增强的灵敏度，应用了预充电效应，由此在感测阶段改变阵列元件中的传感器读出晶体管以接通传感器读出晶体管。例如，可以在传感器读出晶体管的栅极和源极两端施加正预充电电压以接通所述晶体管，或者可以在p型传感器读出晶体管的栅极和源极两端施加负电压以接通传感器读出晶体管。元件阵列可以在自电容或互电容模式下运行，如
‘
789申请中所述。磁体元件靠近元件阵列的定位导致以与图17中所示类似的方式与电场分布相互作用，这导致测量为在阵列内的电极处“存在”的电容变化。在
‘
063申请中描述了与磁体元件相关的附加的感测细节。
[0105]
图19a和图19b是描绘从ewod设备中的极性液滴分离磁响应粒子的另一示例性方法的图，其中还使用两个磁体元件160a和160b。在该示例中，第二磁体元件160b用于施加磁场以将磁响应粒子粒化到液滴156内的聚集体164中。然后缩回第二磁体160b，因为磁响应粒子被有效地成块。然后根据前述实施例中的任一个使用第一磁体元件160a执行分离。优点是对磁响应粒子进行预制粒使得它们的去除非常有效，使得极少的磁响应粒子保留在液滴中。
[0106]
图20a至图20c是描绘从ewod设备中的极性液滴分离磁响应粒子的另一种示例性方法的图，由此通过添加5改性剂液滴改变液滴的粘度。在这样的实施例中，在操作磁体元件以施加电场以对磁响应粒子执行分离步骤之前，处理极性液滴以增加粘度。增加粘度可以通过与高粘度材料的改性剂液滴170混合来实现，例如包含显著比例的10甘油的液滴，例如10％-50％甘油，或包含显著比例的聚乙二醇(peg)的液滴。在珠聚集之前，改性剂液滴可以通过电润湿而移动、与液滴56合并以及可选地混合。根据该实施例的变体，液滴156的粘度可以通过与引起化学15反应发生的改性剂液滴170混合来改变，使得原始液滴变得高粘性或形成凝胶。增加粘度也可以通过改变液滴的温度来实现。
[0107]
在另一个示例性实施例中，在操作磁体元件以施加电场以对磁响应粒子执行分离步骤之前，处理极性液滴以降低与非极性流体的表面张力。这增加了磁响应粒子成功从液滴转移的能力，从而更容易穿透由表面张力引起的外弯液面。降低表面张力可以通过在执行分离操作之前改变温度或向原始液滴添加包含表面活性剂的附加液滴来实现。
[0108]
本技术的实施例具有优于常规处理的显著优势。所描述的实施例从极性流体液滴中选择性地分离磁响应粒子，其中最小体积的极性流体伴随着分离的磁响应粒子。可以通过执行重复的磁捕获步骤的能力来实现磁响应粒子的收集效率的提高。在微流体盒内最小的表面积(即，分离步骤占用的最小数量的阵列元件)用于实现磁响应粒子的成功分离，这允许设备的其他区域用于其他反应步骤。任何磁响应粒子不可逆转地嵌入微流体设备表面的可能性也降低了。
[0109]
下面描述本技术实施例的非限制性使用示例。在一个示例中，本技术的实施例可以用于分离靶核酸。在微流体设备内提供怀疑包含感兴趣靶核酸的样品，例如诸如上文参考图1至图19b所述。最初，样品被分配到一系列样品液滴中。液滴经历一系列反应步骤，包括本领域已知的裂解和稀释，以将靶细胞内核酸释放到液滴内的缓冲液中。
[0110]
磁响应粒子被设置在另一液滴内，该液滴被分配到微流体设备的反应室中。样品
液滴随后与包含磁响应粒子的液滴合并，并且混合液滴以确保磁响应粒子均匀分布在怀疑包含感兴趣核酸的样品内。系统中提供的磁响应粒子是预先制备的，使得如果样品中存在感兴趣的靶核酸，则它们将选择性地与感兴趣的靶核酸结合。
[0111]
一旦磁响应粒子已经在样品内温育足够的时间以确保在磁响应粒子上捕获核酸，就将液滴带到微流体设备内包含的磁体元件附近。已经获取靶核酸的磁响应粒子因此聚集在磁体元件的位置上方，并且根据上述任一实施例与可能包含污染物的初始液滴分离。
[0112]
在从初始样品液滴中提取携带靶核酸的磁响应粒子之后，可以在清洁缓冲液液滴通过电润湿移动以吞噬聚集的磁响应粒子之前降低磁体元件。然后通过搅拌过程，磁响应粒子可以再悬浮在整个液滴体积中。如果有必要，则如上文根据某些实施例所述，可以执行在磁体元件上方聚集磁响应粒子的进一步循环，然后再分散到另一缓冲液液滴中。
[0113]
当填充有感兴趣的靶核酸的磁响应粒子已经被充分洗涤时，然后磁响应可以转移到洗脱液滴中。最初，磁响应粒子再次聚集在磁体元件上方，然后再悬浮到洗脱缓冲液液滴中，该液滴包含将从磁响应粒子的表面释放靶核酸的试剂。粒子再次聚集在磁体元件上方以产生仅包含感兴趣靶核酸的液滴，在洗脱缓冲液中进行稀释。随后可以对包含纯化核酸的液滴进行一系列过程，包括但不限于核苷酸测序、聚合酶链反应、等温扩增等。
[0114]
在另一个示例中，本技术的实施例可以用于执行免疫测定。怀疑包含感兴趣靶标的样品可以在微流体设备内经受免疫测定，例如诸如上文参考图1至图19b所述。提供了在表面结合到微流体设备内的固定捕获抗体的磁响应粒子。可以使用包括抗-hcg、抗-tni、抗-bnp的示例性抗体。
[0115]
怀疑包含感兴趣靶标的样品液滴被引入反应室。随后，样品液滴与包含捕获抗体修饰的磁响应粒子以及标记抗体的液滴混合。然后混合液滴并且允许其温育以确保在磁响应粒子固定抗体上捕获靶物质，并且随后对其进行标记。根据上述任何实施例，在充分温育之后，样品液滴移动到包含在微流体设备内的磁体元件附近以将磁响应粒子靶复合物与样品的其余部分和任何未结合的标记抗体分离。随后将磁响应粒子再悬浮在缓冲液中，并在随后将具有相关靶标和标记抗体的磁响应粒子吸收到检测液滴中之前进行另一聚集步骤。
[0116]
可以以本领域已知的多种方式执行检测，包括例如荧光检测、发光检测或电化学检测。当使用荧光检测时，可以执行多重测定，其中针对不同靶标的标记抗体是用不同的荧光标记制备的，这些标记可以在同一样品中一起测定而不受干扰。当使用电化学检测时，诸如辣根过氧化物酶之类的酶在存在过氧化氢的情况下将诸如2，2
′‑
叠氮基-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)(abts)之类的非电化学活性物质转化为氧化的abts，其可以用电化学方法进行确定。因此，可以使用比使用更传统的测定形式可能实现的显著更低的总样品体积，在微流体设备内多次执行捕获、洗涤和检测的过程，从而增加测量结果的统计置信度。
[0117]
因此，本发明的一个方面是操作ewod设备以使用磁场从极性液滴中分离磁响应粒子的方法。在示例性实施例中，该方法包括以下步骤：将液滴分配到ewod设备的元件阵列上，其中液滴包括磁响应粒子；执行电润湿操作以将液滴沿着元件阵列移动到ewod设备的相对于磁体元件的位置；操作磁体元件以向液滴施加磁场，其中磁响应粒子中的至少一部分响应于磁场聚集在液滴内；以及利用磁场从液滴分离聚集的磁响应粒子，其中聚集的磁响应粒子响应于磁场移动到元件阵列上靠近磁体元件的位置。操作方法可以单独或组合地包括一个或多个以下特征。
[0118]
在操作方法的示例性实施例中，该方法还包括在操作磁体元件以施加磁场之前从液滴去除电润湿操作的电润湿力。
[0119]
在操作方法的示例性实施例中，该方法还包括：在操作磁体元件之前保持液滴上的电润湿力以将液滴保持在致动状态；执行电润湿操作以将被致动的液滴定向为使直边面向磁体元件；操作磁体元件以向液滴施加磁场，其中磁响应粒子中的至少一部分响应于磁场沿着直边聚集在液滴内；以及去除电润湿力以使液滴去致动，从而利用磁场从液滴分离聚集的磁响应粒子。
[0120]
在操作方法的示例性实施例中，该方法还包括：在操作磁体元件之前保持液滴上的电润湿力以将液滴保持在致动状态；执行电润湿操作以将被致动的液滴定向为使非直边面向磁体元件；操作磁体元件以向液滴施加磁场，其中磁响应粒子中的至少一部分响应于磁场沿着非直边聚集在液滴内；其中聚集的磁响应粒子响应于磁场在非直边处与液滴分离。
[0121]
在操作方法的示例性实施例中，该方法还包括：执行电润湿操作以将液滴沿着元件阵列移动到ewod设备的相对于第一磁体元件和第二磁体元件的位置；操作第一磁体元件以向液滴施加第一磁场，其中磁响应粒子中的一部分响应于第一磁场聚集在液滴内；执行另一电润湿操作以将液滴沿着元件阵列相对于第一磁体元件移动，其中当液滴相对于第一磁体元件移动时，附加的磁响应粒子响应于第一磁场聚集在液滴内；操作第一磁体元件以从液滴去除第一磁场；操作第二磁体元件以向液滴施加第二磁场；以及利用第二磁场从液滴分离聚集的磁响应粒子，其中聚集的磁响应粒子响应于第二磁场移动到元件阵列上靠近第二磁体元件的位置。
[0122]
在操作方法的示例性实施例中，该方法还包括在操作第二磁体元件以施加第二磁场之前去除电润湿操作的电润湿力。
[0123]
在操作方法的示例性实施例中，响应于施加磁场来执行磁响应粒子的聚集和分离的多次迭代。
[0124]
在操作方法的示例性实施例中，该方法还包括，当剩余磁响应粒子的数量不足以响应磁场而与液滴分离时，向液滴添加附加的磁响应粒子，其中聚集的磁响应粒子包括响应于磁场与液滴分离的附加磁响应粒子。
[0125]
在操作方法的示例性实施例中，响应于磁场在液滴内聚集磁响应粒子不会引起液滴的整体运动。在操作方法的示例性实施例中，液滴包括极性液体，并且液滴被分配到ewod设备的元件阵列上的非极性液体中。
[0126]
在操作方法的示例性实施例中，磁体元件是永磁体，并且磁体元件由ewod设备中的致动器5相对于元件阵列从缩回位置移动到升高位置以施加磁场。
[0127]
在操作方法的示例性实施例中，磁体元件是电磁体，并且磁体元件从断开状态操作到接通状态以施加磁场。
[0128]
在操作方法的示例性实施例中，ewod设备还包括感测电路，并且该方法还包括读取感测电路的输出以确定磁体元件和/或液滴的位置以相对于磁体元件定位液滴。
[0129]
在操作方法的示例性实施例中，该方法还包括向磁体元件施加电压扰动，并且响应于施加到磁体元件的电压扰动从感测电路读取输出。
[0130]
在操作方法的示例性实施例中，该方法还包括通过以下步骤防止分离的磁响应粒
子返回到液滴：使用传感器反馈来确定液滴是否已经移向磁体元件；以及执行电润湿操作以将液滴移离磁体元件和/或操作磁体元件以去除电场。
[0131]
在操作方法的示例性实施例中，该方法还包括在操作磁体元件之前，将磁响应粒子温育足够的时间以将磁响应粒子结合到目标粒子。
[0132]
在操作方法的示例性实施例中，该方法还包括在操作磁体元件以施加磁场之前增加液滴的粘度。
[0133]
在操作方法的示例性实施例中，该方法还包括在操作磁体元件以施加磁场之前降低液滴的表面张力。
[0134]
本发明的另一方面是一种微流体系统，包括：电介质上电润湿(ewod)设备，其包括被配置成接收液滴的元件阵列，该元件阵列包括多个单独的阵列元件；磁体元件，其能够操作以向元件阵列施加电场；以及控制系统，其被配置成控制施加到元件阵列的致动电压以执行液滴操纵操作，并且控制磁体元件的操作以施加电场，以执行根据任一实施例所述的操作ewod设备的方法。
[0135]
本发明的另一方面是一种存储程序代码的非暂时性计算机可读介质，该程序代码由用于控制电介质上电润湿(ewod)设备的操作的处理设备执行，该程序代码可由处理设备执行以执行根据任一实施例所述的用于操作ewod设备的方法。
[0136]
虽然本发明已经关于一个或多个特定实施例示出和描述，但是本领域的其他技术人员在阅读和理解本说明书和附图后可以进行等效的改变和修改。特别是关于由上述元件(部件、组件、设备、组合物等)执行的各种功能，用于描述这些元件的术语(包括对“装置”的引用)即使在结构上不等效于执行本文示例性实施例或本发明的实施例中的功能的公开结构，也旨在对应于执行所描述的元件的指定功能的任何元件(即，功能上等效的)，除非另有说明。此外，虽然可能已经在上面仅关于几个实施例中的一个或多个描述了本发明的特定特征，但是这种特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征组合，这对于任何给定的或特定的应用可能是期望的和有利的。
[0137]
工业适用性
[0138]
所描述的实施例可以用于提供增强的am-ewod设备。am-ewod设备可以形成芯片实验室系统的一部分。此类设备可以用于生物化学或生理材料的光学检测，诸如用于细胞检测和细胞计数。应用包括医疗诊断测试、材料测试、化学或生化材料合成、蛋白质组学、生命科学和法医学研究工具。