改进吸光度检测的微滴执行机构装置、配置及方法

专利名称：改进吸光度检测的微滴执行机构装置、配置及方法
技术领域：
本发明涉及用来改进对微滴执行机构上的微滴进行的吸光度检测的微 滴执行机构装置、配置和方法。
背景技术：
微滴执行机构被用来进行各种微滴操作。典型的微滴执行机构包括一 基板，该基板与一些用来在基板的微滴操作表面上进行微滴操作的电极关 联，该微滴执行机构还可包括一第二基板，与微滴操作表面大体上平行设 置，形成一个间隙，孩"离操作在该间隙内进4亍。该间隙内充满填充液，该填 充液不会与微滴导丸行机构上进行微滴搡作所Y吏用的流体相溶混。在一些应 用中，有必要对微滴或其他流体的吸光度进4亍抬r测，并且在一些情况下，该 流体位于微滴执行机构上。本技术领域有必要对微滴执行机构装置进行改 进并提供实际这一目的的方法。

发明内容
本发明涉及一种确定微滴吸光度的装置。该装置可以是微滴执行机构 装置。本发明还涉及该装置的制造和使用方法。
本发明可利用微滴执行机构。微滴执行机构可包括两个隔开的基板，所 述基板间形成一间隙。位于该间隙内的微滴具有由这两块基板的表面确定 的微滴高度。可设置一光源，发射穿透微滴的光线。可设置一传感器，感 测由微滴发出的光线。采用这种方式，建立起一个由光源经过微滴到达传 感器的光路。在操作中，本发明的方法涉及将光线由光源经微滴引向传感器；由传感器感测光能；以及根据感测到的光能确定微滴的光学性质。
在一些实施例中，穿透微滴的光路大于微滴高度。光路可以是，例如，基 本上与基板表面平行。在一些情况下，穿透微滴的光路可以是基本上垂直 于微滴高度。在另一些情况下，穿透微滴的光路可以与确定微滴高度的表 面之一呈一基本上为锐角的角度。
在各个实施例中，光源与传感器偏离微滴的中心垂直轴线。光源和传 感器可以同时设置于孩i滴^丸行机构的一侧，也可以设置于其相向两侧。在 一此实施例中，穿透微滴的光路至少大于微滴高度的2倍、3倍、4倍、5 倍、6倍、7倍、8倍、9倍、IO倍或更多倍。
在某些实施例中， 一个或多个基板包含凹陷区域，使位于凹陷区域的 微滴的高度大于位于非凹陷区域的微滴的高度。在另一些情况下， 一个或 多个基板包含一孔洞，与该孔洞接触的微滴能够进入该孔洞，使位于孔洞 内的《敖滴具有高于位于间隙内的微滴的高度。
可进行微滴操作以便将微滴的高度延光路的方向拉长或增加。在某此 情况下，可通过电极实现微滴操作。微滴可位于基板上的孔洞内，从而增 加微滴的高度或长度。
可在一块或多块基板内提供一个或多个电极，并将其设置为能够进行 一个或多个微滴操作，拉长微滴以便增加光路穿透微滴的距离。
可在光源和微滴之间和/或微滴与传感器之间加入各种光学元件。可以 使用衍射材料将光线由光源经过微滴引向传感器。例如，可以引导光路在 进入微滴之前或之后穿过衍射材料。举例而言，可以使用棱柱或波导管作 为衍射材料。
在另 一些实施例中，光路可由两块基板或其中一块基板的表面反射。在 一些情况下， 一块或多块基板可包含低于微滴折射率的材料。
在一些实施例中，待检测的微滴内可包含小珠。微滴的光学性质能够 表现小珠的光学性质。在另一些实施例中，微滴可包含生物细胞，并且该 微滴的光学性质能够表现该生物细胞的光学性质。
在另 一些实施例中，待检测的微滴可以部分地或完全地被填充液包绕。在 一些情况中，该填充液具有与微滴不同的光折射特性。例如，可以选择这样 的填充液入射到填充液的某些波长的光线不会到达传感器。再例如，有 用波长的光线可穿过孩i滴到达传感器，但不能穿过填充液到达传感器。
本发明的各实施例将在下面的详细描述、定义、权利要求和附图中得 以展现。
定义
以下在本说明书中使用的术语具有如下含义。"启动"指一个或多个电极结构使一个或多个电极的电气状态发生变 化，并且导致一个微滴操作的产生。
"小珠"，对于微滴执行机构上的小珠而言，指任何能够与微滴执行机构 之上或其邻近的微滴相互作用的珠粒或颗粒。小珠可以具有各种形状，例 如球形、大体上球形、卵形、碟形、方形和其他三维形状。例如，小珠能 够被运送至一微滴执行机构上的微滴内部，或是针对微滴执行机构对小珠 进行设置，使微滴执行机构上的微滴能够在微滴执行机构之上或之外与小 珠接触。小珠可以利用很多种材料制成，包括，例如，树脂和聚脂。小珠 可以具有任何适宜的尺寸，包括，例如，樣1米级珠粒、微米级颗粒、纳米 级珠米和纳米级颗粒。在一些情况下，小珠具有磁响应特性。对于磁响应 小珠来说，磁响应材料可以构成小珠的全部或是仅为小珠的一个元件。小 珠中剩余的部分可包括，聚合材料、涂层、用来附着测定试剂的部分以及
其他部分。适宜的磁响应小珠的实例见2005年11月24日公开的公开号为 2005-0260686的美国专利申请，其发明名称为"更适宜利用固相磁粒进行 的复流测定'，(Multiplex flow assays preferably with magnetic particles as solid phase)。该发明申请的全部公开内容作为参考并入本 申请，因为该发明申请揭示了关于磁响应材料和磁响应小珠方面的内容。小 珠可包含一群或多群附着于其上的生物细胞群。在一些情况下，这些生物 细胞基本上是纯一的一个种群。在另一些情况下，这些生物细胞包括不同 的细胞群，例如，相互作用的不同细胞群。
"樣i滴"指孩i滴扭J亍才几构上具有一定体积的液体，它至少部分地;故填充 液约束。例如，；欽滴可以完全被填充液包绕或是纟皮填充液和孩i滴执行才几构 的一个或多个表面约束。微滴的形状可以是多种多样的，非限定的例子大致 包括碟形、鼻弟虫形、截头形、椭圆形、球形、部分被压扁的形状、半 球形、卵形、圆柱形、以及微滴操作期间形成的各种形状，例如融合或分 离或是该形状与微滴执行机构的 一个或多个表面接触时产生的形状。
"微滴操作"指任何对微滴执行机构上的微滴进行的操纵。例如，微滴 操作可包括将微滴加载到微滴执行机构上、由源微滴分出一个或多个微 滴、将一个微滴分离、隔开或分割为两个或更多的^:滴、将一个微滴由一 个位置在运送至任意方向上的另一位置、将两个或更多微滴融合或结合为 一个孩i滴、稀释一个微滴、混合一个微滴、搅拌一个微滴、将一微滴变形、将 一个微滴保持在某一位置上、培养一个微滴、加热一个微滴、蒸发一个微 滴、冷却一个微滴、处理掉一个微滴、将一个微滴运送至微滴执行机构之 外、其他本说明书中描述的微滴操作；以及/或者上述操作的组合。类似于 "融合"、"结合"的用语用来描述由两个或更多微滴产生一个微滴的过程。应 该理解，当使用类似的用语描述两个或更多的微滴时，可以使用任何能够使两个或更多微滴结合到一个微滴中的微滴搡作的组合。例如，可以通过
以下操作实现"将微滴A与微滴B融合"将微滴A运送到静止的微滴B处并与之接触、将微滴B运送到静止的微滴A处并与之接触、或运送农i滴A和B ^f吏两者互相4妾触。用语"分离"、"隔开"和"分割"不用来专指才喿作后产生的微滴的某特定尺寸(即，操作产生的微滴的尺寸与原微滴的尺寸相同或不同均可)或是产生的微滴的某特定数量(操作产生的微滴的数量可以是2个、3个、4个、5个或更多)。用语"混合"在这里是指能够使微滴内多种成分更为均匀地分部的微滴操作。"加载"微滴操作的实例包括微量渗片斤力n载、压力辅助加载、才几才成人加载、 一皮动力。载和移液力口载。
用语"顶部"和"底部"在整个说明书仅仅是为了方便起见指微滴执行机构的顶部基板和底部基板，因为微滴操作机构的功能与其空间位置无.关。
当本说明书中出现将某一特定元件，例如一个层、 一个区域或一个基板置于另一元件"之上"的描述时，该元件可以是直接位于另一元件之上，或者可以同时存在多个介入元件(例如， 一个或多个涂层、层、夹层、电^l或触点)。还应理解，用语"置于...之上"和"形成于...之上"可以互换使用，都是用来描述某给定元件相对于另一元件是如何定位或放置的。因此，用语"置于...之上"和"形成于...之上"并非用来限定某种特殊的材料运送方法、放置方法或制造方法。
当任何形式的液体(例如， 一个微滴或一个连续体，不论其是运动中的或是静止的)被描述为位于一电极、阵列、矩阵或表面"之上"、"处，，或"上方"时，是指该液体既可能与该电极/阵列/矩阵/表面接触，也可能与插设于该液体和电极/阵列/矩阵/表面之间的层或膜接触。
当一个微滴被描述为"位于"或"加载于" 一微滴操作机构"之上"时，应该理解为该微滴以有助于利用微滴执行机构对该微滴进行一个或多个微滴操作的方式被布置在该微滴执行机构之上，该微滴以有助于感测来自微滴的信号或其性质的方式被布置在该微滴执行机构之上，并且/或者该微滴已经在微滴执行机构开始了微滴操作。


图1是本发明的一种吸光度检测装置或配置，展示了光线水平传输的设置结构。
图2A和图2B是本发明的一种吸光度检测装置或配置，展示了光源和检测器位于微滴执行机构相向双侧且在垂直方向上偏离的设置结构。
图3是本发明的一种吸光度检测装置或配置，展示了反射区域在一块基板上得以利用的设置结构。图4A-图4C是一种吸光度检测装置或配置的各种设置结构，展示了反射区域在两块基板上得以利用的设置结构。
图5是本发明的一种吸光度检测装置或配置，展示了其中微滴具有高于基板内表面的折射率。
图6是本发明的一种吸光度检测装置或配置，展示了光线的光路长度因为存在凹陷或间隙而增加。
图7是本发明的一种吸光度检测装置或配置，展示了在基板上提供一开孔从而增加光线的光路长度。
图8是本发明的一种吸光度检测装置或配置的俯视图，展示了在基板上提供透明区域使光线得以通过的设置结构。
图9A和图9B是本发明的一种吸光度检测装置或配置，展示了微滴被拉长以便为检测提供延长的光路的设置结构。
图10A-图10C是本发明的一种吸光度;f企测装置或配置，展示了使用光学元件进行光线传输的设置结构。
图11是本发明的一种吸光度检测装置或配置，展示了使用染料或添加剂吸收相关光线的设置结构。
具体实施例方式
微滴执行机构可以与光源及检测器连接和/或设置。来自光源的光线可穿过微滴执行机构上的微滴到达检测器。由微滴发出的光能量特征被检测并分析。例如，可以利用贝尔定律根据入射光和检测到的光密度计算出溶液的浓度。然而，对于小于1厘米的路径长度来说，对检测到的光线的测量中的微小不准确性的影响被放大。敏感度十分重要，希望信号变化能够大于溶液噪音数倍。在微滴执行机构中，小于1厘米的路径长度在标准测定条件和设备放置下被频繁地观察到。例如，微滴执行机构的尺寸大约是几百微米。相应地，本发明提供一种装置、装置的配置、和/或方法，其中的路径长度相对于微滴执行机构上的微滴的高度得到了增加。本发明提供一种微滴执行机构，用来提高微滴执行机构上的微滴或流体的吸光度检测。
在标准设计中，微滴位于光源和检测器之间，光源位于底部，样品位于中部，检测器位于顶部。然而，在微滴执行机构中，这种标准设计中的路径长度可能为数百微米，而如上所述，这一长度不是理想的长度。图1-图ll展示了本发明对于标准设计的改进。
图1展示了本发明的一吸光度检测装置或其配置结构。图l展示出顶部基板100与底部基板102被间隙105隔开。间隙105中含有微滴101。间隙105典型的间隙高度为大约100 - 200 nm。在另一些情况中，间隙高度可在几微米至几毫米的范围内。微滴101具有一水平直径，典型值为大约500-1000 ym。在另一些情况中，水平间隙可在几^Mt至几毫米的范围内。在图中所示的实施例中，由光源103经过孩￡滴101至4企测器或传感器104的光线的路径长度相对于间隙高度有所增加。光线不是穿过微滴101较短的垂直尺寸，取而代之的是光线穿过较长的水平直径。较长的水平直径是石莱形微滴101的纵横比决定的，微滴高度由间隙高度确定。该图中所示的光源103和检测器104的水平设置可以使一个樣么滴的路径长度与典型的孩吏滴执行机构中的垂直设置相比增加大约4. 5X或5X。水平微滴长度在某些情况下还可以延长，例如，通过迫使微滴101进入较狭窄的间隙和/或通过迫佳_孩吏滴101位于横向阻挡物之间，和/或迫〗吏纟敬滴101进入一毛细管等方式实现。
图2A展示了本发明的一吸光度检测装置或其配置结构。顶部基板200与底部基板202被间隙209隔开。间隙209中含有微滴201。光源204和检测器或传感器203位于微滴执行机构上相向的两侧。而且两者是偏离的，即，他们不在同一垂直轴线上。在一些情况中，他们可以位于同一穿过孩b'离201中部的垂直轴线的相向两侧。在一些实施例中，他们之间的偏离距离使穿过微滴201的光线路径长度基本上得到最大值。因此光线基本上是沿对角线方向穿过^f敛滴201。对角的路径长度大于以高度的路径长度。在一些情况下光线通过樣史滴的5^径长度的范围大约在500 - 1000iam。
图2B展示了图2A所示的实施例。典型的光源远远大于微滴的尺寸。可提供一光学孔洞或遮罩确保传感器203感测到的所有由光源204发出光线都是穿过了微滴201。换句话说，这种设置最大限度地减少或基本上消除了由光源204发出的光线经过微滴201以外的其他鴻4圣到达传感器203。可以将光源204遮蔽、可以将微滴执行机构的基板遮蔽、或是使用较小直径的光纤将光线引向微滴。在图中所示的实施例中，由电极206提供遮蔽。电才及206上"^殳有开孔205。开孔205将光线引入孩i滴201。图2B的上部为显示有开孔205的电极206的俯视图。开孔205在一些情况中可以位于孩"离201的外缘附近。图2B的下部为微滴执行机构的侧视图。由光源204发出的光线穿过电极206上的开孔205，穿过微滴，到达传感器。
图3展示了本发明的一吸光度^^测装置或其配置结构。顶部表面300可包括反射区域301或者，在一些情况中，整个顶部表面都是反射结构。光源303和冲企测器或传感器304位于樣t滴301的同一侧。在一些情况中他们可以基本位于微滴301同一侧的同一平面内。顶部基板300包括一反射区域301并且通过间隙305与底部基板302隔开。或者，反射区域301可以位于底部表面。间隙305内可包含樣t滴301。光源303与传感器304位于樣史滴301同一侧，并且在一些情况下可与传感器304位于同一平面内。反射区域301可利用反射材料和/或涂覆例如铝、金、反射铬或其他任何反射涂层的反射材料实现反射。由光源303发出的光线被反射区域301反射，有效地使穿过微滴的光路长度加倍。反射区域301可以基本上具有100%反射率或仅反射选定带宽的光线。 '
图4A展示了本发明的一吸光度检测装置或其配置结构。两个顶部基板400和底部基板402都分别具有反射区域410和412。光源403和4全测器或传感器404位于微滴401同一侧。反射表面412上留有足够的开孔使光线能够由其一区域进入微滴并在其另 一区域离开微滴。较好的是将进入点和离开点的距离最大化。反射表面410基本上将微滴覆盖，以便尽量减少通过顶部基板的光线损失。由光源403传输的光线通过底部基板402进入微滴401。通过微滴401的光线被反射表面401和412反射，并离开微滴401到达传感器404。在本实例中，顶部基板和底部基板可以颠倒。
图4B展示了本发明的一吸光度检测装置或其配置结构。两个顶部基板405和底部基板406都分别具有反射区域410和412。光源403和4企测器或传感器404位于微滴401相向一侧。反射表面412上留有足够的开孔使光线能够由其一区域进入微滴。反射表面410上留有足够的开孔使光线能够由其一区域进入微滴。较好的是将进入点和离开点的距离最大化。由光源403传输的光线通过底部基板406进入微滴401。通过微滴401的光线被反射表面401和412反射，并通过顶部基板405离开微滴401到达传感器404。在本实例中，顶部基板和底部基板可以颠倒。
图4C展示了本发明的一吸光度检测装置或其配置结构。底部表面402至少可部分地透光并且/或者包括至少部分透光的区域使光线能够进出微滴401。顶部表面400可以是透光或不透光的。在一些实施例中，例如图中所示的实施例中，顶部基板400和底部基板402之间的距离相对于微滴和电极(如有)的尺寸和性质设定，使微滴401能够具有圆拱或半球的形状。采用这种方式，由光源403发出的光线穿过底部基板402进入微滴401的一个区域并经历一个全内反射(TIR)，沿微滴弧度的内表面反射，并由微滴401的另一区域离开，穿过底部基板402到达;^测器或传感器404。在这种情况下，微滴的折射率必需大于周围介质的折射率，以便产生全内反射，从而得到加长的光线路径长度。尽管图4C展示的实施例中的微滴形状被变为对称的形状以支持全内反射，应该明白该微滴也可以^皮改变为非对称的形状。例如，在农i滴受电湿润(electrowetting)控制的情况下，孩i滴的一侧可以具有锐角的接触角(湿润)而另一侧可以是钝角(非湿润)。在这一设置结构中，光源403和检测器404可以呈直角。例如，该光源可以位于微滴的底部一侧，而传感器可位于孩i滴的另一侧。
图5展示了本发明的一吸光度检测装置或其配置结构。在该实施例中，由光源503发出的光线经过微滴501到达传感器504。微滴501与顶部基板500和底部基板502内表面相比具有较高的折射率，并且/或者与填充液相比具有较高的折射率。微滴501利用全内反射现象相当于波导，使路径长度增长。微滴的折射率n2充分地大于顶部和底部表面的折射率nl，以及填充液n3的折射率，使微滴起到波导的作用。也就是说n2>{n3，nl}。
在本实施例的一方面，微滴501的长度被大大增加(例如，增加到10至20个微滴长度)，并且光线由光源503传输，经过作为波导的微滴501传输至传感器504。
在本实施例的另 一方面，可向樣炎滴内加入多个微滴，例如大约1至30个微滴或大约10至20个微滴，以便改变检测器的动态范围。如果微滴过于密集或需要降低吸收率，例如，可利用微滴操作加入稀释液、緩冲液或反应混合物，使微滴与一个或多个微滴融合。增大的微滴有助于获得可辩别的信号。微滴的增大还可实时发生。例如，如果实时输出信号被测量，并且确定增大的微滴会改善输出信号，那么就会加入更多的微滴以得到足够的输出信号。另一方面，如果需要增加^b滴的吸收率，那么利用预浓缩法将吸收物种的产出的重点在微滴执行机构上集中到少量微滴上。
尽管图5展示了非限定性实施例，在该实施例中光源503位于微滴501一侧，但是光线可以由顶部、底部或以任何角度传输。如果光线由顶部或底部传输，传输角度应低于临界角，以便使光线能够通过波导。
可以使用较低折射率的材料涂覆顶部基板500或底部基板502,例如，或者顶部基板500和底部基板502可由低折射率材料制成。聚四氟乙烯(Teflon)和氟化塑料光纤(Cytop)是可使用于本发明的适合的低折射率材料的例子。还可以选择具有低于微滴折射率的填充液。
图1-图5中所示的实施例的重点在于光源和检测器的定位，和/或改变顶部或底部表面的折射率。下面的实施例的重点将》文在^:滴尺寸的改变或各个实施例的组合，其中，微滴的尺寸和光源的定位、检测器的定位、和/或顶部和底部表面的折射率都会改变。
图6展示了本发明的一吸光度检测装置或其配置结构。由于在微滴执行机构中的凹陷或间隙的不同高度，由光源607发出的光线在经过微滴AB到达检测器或传感器608时的光线路径长度在垂直方向上被加长了。微滴执行机构具有第一间隙604，其具有一定高度(例如大约lOO)nm)，以及第二间隙605，其具有更高的高度(例如大约500(am)。微滴A和B首先被置于高度较低的间隙604中。具有足够体积的一个或多个微滴一皮运送到间隙605中。在图中所示的实例中，利用微滴操作在间隙605中将微滴A和B融合，得到相对于初使微滴具有增加的微滴高度的微滴AB。光源607和检测器608分别位于具有较高高度的间隙605之下和之上。由光源607发出的光线在经过微滴AB到达检测器或传感器608时的光线路径长度在垂直方向上一皮力卩长了 。
图7展示了本发明的一吸光度检测装置或其配置结构。在该实施例
中，光线由光源705经过开孔706中的微滴703到达4企测器或传感器704 的光线路径长度相对于间隙709确立的微滴高度而言得到了加长。图7上 部为一侧视图，展示了顶部基板700与底部基板702被间隙709隔开。间 隙709可包含樣i滴701。顶部基板700包括一开孔706。开孔706可具有与 微滴701尺寸大小相当或更大的容积。开孔706可以是一个毛细管。底部 基板702可以包括位于开孔706之下与光源705到传感器704的光路成一 条直线的透明区域。图7下部为该实施例的俯视图，展示了顶部基板700 中的开孔706。尽管此处开孔706位于顶部基板，应该理解该开孔也可以位 于底部基板甚至是^f敫滴执行^4勾的侧壁或其他结构上。
微滴701位于微滴执行机构中。微滴701可以置于开孔706处并进入 开孔706，例如，通过毛细作用、静电作用、机械力或其他手4爻。开孔706 的直径与间隙709的高度和微滴701的尺寸相关，使微滴701能够被动进 入开孔706。如果图中的D小于H，微滴704就会被动进入开孔706 (注意附 图未按比例绘制)。由光源705发出的光线经过开孔706内微滴703到达传 感器704。
图8展示了本发明的一吸光度检测装置或其配置结构(俯视图)。在该 实施例中，在基板800上提供透明区域801，使基本上所有到达传感器(图中 未示出)的光线都是经过微滴802传输的。电极803采用不透明材料制成， 例如铝、铬、铜或其他用来形成电极的材料。或者，可在电极上或是与电 极关联的基板上涂覆不透明材料。该不透明材料可以与电极803处于同一 表面上，或是位于微滴执行机构之下。还有，如图所示，不透明区域可按 需要延伸到电极803以外的基板区域，完全阻挡光线使之不能穿透透明区 域801。透明区域801的尺寸被设计适合于由光源(图中未示出)传输需要量 的光线。透明区域801可包括一个或多个透明区域，并且可以是一个透明 区域阵列。透明区域801可包含衍射光栅或其他光学元件。电极自身可以 是衍射光栅。衍射光学元件或其他光学元件例如透镜可在透明区域801中 在金属或第一导电层中图案化。透明区域801可以是半透明或包括或由滤 镜构成，传输所需波长的光线。类似地，不透明区域可以是半不透明或包 括一滤镜，将所需的波长的光线排斥在外。这种衍射光学元件还有助于其 他形式的光学才全测，例如在荧光和发光^r测中，也可以设置光学滤镜。
图9A展示了本发明的一吸光度;f企测装置或其配置结构。在该实施例 中，单一的微滴901被拉长，以便提供加长的检测用光线路径。可通过加 入多个微滴或减少单位电极尺寸的方法拉长一个微滴。在图中，每个电极 910都由多个小电极911构成。通过依次启动这些小电极，微滴901可被拉长，形成拉长的微滴902。从而由光源903发出的经过微滴902到达^r测器 或传感器904的光线的路径长度被加长了。可以启动不同的电极横向拉长 微滴。在本实施例中，光源903和检测器904相对于微滴横向设置。当然， 还可垂直地进行类似的设置，佳」微滴在垂直方向上拉长，或在任何空间方 向上拉长。
图9B展示了本发明的一吸光度检测装置或其配置结构。如图所示，微 滴905在电场存在的情况下被拉长，形成一个拉长的微滴907。 /人而由光源 903发出的经过微滴907到达检测器或传感器904的光线的路径长度被加长 了。光源903和传感器904沿微滴拉长的方向水平放置。加长的或线形的 电极906提供使微滴大致与电极906同形的电场，从而形成拉长的孩i滴907。
图10A展示了本发明的一吸光度^r测装置或其配置结构。在该实施例 中，光源1005和4企测器或传感器1006位于樣i滴执行坤几构的同一侧，并且可 以基本上位于同一平面内，^f旦位于与微滴1003不同的平面上。顶部基4反1000 与底部基板1002由间隙1010隔开。微滴1003可位于间隙1010中。由光 源1005发出的光线一皮棱镜1001a引导穿过樣b'商1003。由微滴1003穿出的 光线被棱镜100}b引向传感器1006。在本配置结构中可以使用光学元件引 导光线，例如镜子。还有，光源和传感器可位于相对于微滴的任何空间朝 向，只要用来引导光线的光学元件能够沿一定方向引导光线穿过微滴，并 且该方相对于其他光线可能穿过微滴的方向而言具有较长的光线路径即 可。
图10B展示了本发明的一吸光度4企测装置或其配置结构。在该实施例 中，利用光纤1004a将光源1005发出的光线引向微滴1003，并利用光纤 1004b将光线由微滴1003引向检测器或传感器1006。
图IOC展示了光纤1004与微滴执行机构的不同设置方式。例如，微滴 执行机构可以具有用来将微滴1003置于其内的延伸部。光纤可以设置于该 延伸部的两侧。
图ll展示了本发明的一吸光度检测装置或其配置结构。在该实施例 中，填充液1105包括用来吸收相关光线的染料或添加剂。由光源1104发 出的光线穿过^f鼓滴1102到达^r测器或传感器1100。这些光线中未穿过^f鼓滴 1102的部分^皮填充液1105吸收或反射。该实施例特别适用于光源1104和/ 或检测器1100的尺寸大于微滴1102的尺寸的情况。环绕微滴1102的周围 区域可以;陂填充液1105遮蔽。填充液1105可包含染料或反色滤4竟，填充 液1105可以是不透明的，并且/或者填充液1105可以具有一定折射率，将 光线由传感器IIO反射掉并且不穿过微滴1102。
在相关的实施例中，填充液可以是一种油，例如硅油，加入了油溶性 颗粒以便将微滴发出的光(例如，荧光微滴)散射，从而使微滴发出的光线不会进入其他孩b滴。
该实施例中可使用多种染料。可以使用Keystone Aniline公司生产的 油溶性染料(还有荧光染料)。可以使用黑色染料，例如碳黑。还可以使用 Gelest公司的上色硅油，例如，DMS-T21BLU和DMS-T21RED。
其他适宜的染料的例子包括Sandoplast红BB、品红、苏丹红I、苏 丹红II、苏丹红III、苏丹红IV、油红0、尼罗红。
在一实施例中，油溶性染料还用作表面活性剂。
1. 光源和检测器
在上述实施例中，任何单色光源都可使用滤镜。按照微滴中测得的染 料的波长进行调谐的LED十分有用。激光也会十分有用。检测器或传感器 可以是硅、光电二极管、多个光电二极管、光电二极管阵列、单独的传感 器或额外的CCD、雪崩光电二极管、PMT(光电倍增管)、光子计数PMT、或 其他任何低噪音检测器。光源、检测器及设置方式的例子见2006年12月 11曰才是交的国际申请号为PCT/US2006/47486,发明名称为"Droplet-Based Biochemistry"的国际专利申请。该专利文献的/>开内容作为参考并入本 申请。可以理解尽管该公开内容主要侧重于微滴吸光度的检测，还有许多 配置都适合于提高对微滴的荧光和/或发光检测。
2. 微滴执行机构
举例来说，适合本发明使用的微滴执行机构见2005年6月28日授予 Pamula等人的美国专利6， 911， 132,名称为"Apparatus for Manipulating Droplets by Electrowetting-Based Techniques"; 2006年1月30曰递交 的美国专利申i貪11/343,284，名称为"Apparatuses and Methods for Manipulating Droplets on a Printed Circuit Board"; 2004年8月10 日4受一又的美国专利6， 773， 566，名称、为"Electrostatic Actuators for Microfluidics and Methods for Using Same"和2000年1月24日授权 的美国专利6， 565， 727，名称为"Actuators for Microfluidics Wi thout Moving Parts",这两项专利均被授予Shenderov等人；以及Pollack等人 于2006年12月11日提交的国际申请PCT/US2006/47486，发明名称为 "Droplet-Based Biochemistry"。这些专利文献的公开内容作为参考并入 本申i青。间隙高yl4交好为10， s mm - 1， scm,更好为100， s jum - 10， s mm，最好为100， s jum - 1， s mm。电4及尺寸4交好为10， s)im,更好为 100， sjum，最好在10mm - 1000， s jim的范围内。
3. 流体
对于本发明可用的流体样本参见"2.孩t滴执行机构"中列出的专利文 献，特别是2006年12月11日提交的国际申请PCT/US2006/47486,发明名 称为"基于摆i滴的生物化学"(Droplet-Based Biochemistry)。在一些实施例中，该流体包括生物样品，例如全血、淋巴液、血清、血浆、汗液、泪 液、唾液、痰液、脑脊髓液、羊水、精液、阴道分泌物、浆液、滑液、心 包液、.腹膜液、胸膜液、渗出液、渗出物、嚢液、胆汁、尿液、胃液、肠 液、排泄物样品、液化组织、液化有机体、生物棉签、生物冲洗液。
4.填充液
间隙通常一皮填充液填充。例如，这种填充液可以是一种〗氐粘度油，例 如硅油；或是一种气体，例如空气或惰性气体。填充液的其他例子见2006 年12月11日提交的国际申请PCT/US2006/47486,发明名称为"基于微滴 的生物化学，，(Droplet-Based Biochemistry),该国际申请的全部公开内 容作为参考并入本申请。
结束语
以上结合附图对实施例进行了详细描述，附图中展示了本发明的 一 些 特定实施例。其他一些具有不同结构和操作方式的实施例也在本发明的范 围之内。
本说明书仅为了阅读方便而分为若干章节。这些章节标题不对本发明 的范围构成限制。
应该理解本发明的一些细节可以变化而不脱离本发明的范围。此外，以 上的详细说明仅仅是为了展示本发明，不对本发明构成限制，本发明由后 附的权利要求定义。
权利要求
1.一种确定微滴吸光度的方法，其特征在于该方法包括以下步骤(a)提供一微滴执行机构，该微滴执行机构包括(i)两个隔开的基板，所述基板间形成一间隙；及(ii)一位于所述间隙内并具有一微滴高度的微滴，所述微滴高度由所述两个基板的表面确定；(b)提供一发出穿透所述微滴的光线的光源和一感测由所述微滴发出光线的传感器，从而建立一条穿过所述微滴并基本上与所述基板的表面平行的光路，其中穿过所述微滴的光路大于所述微滴高度；(c)引导由所述光源发出的光线穿过所述微滴并到达所述传感器；(d)由所述传感器感测光能量；以及(e)根据感测到的光能量确定所述微滴的光学性质。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的穿过微滴的光 路小于l厘米。
3. —种确定微滴吸光度的方法，其特征在于该方法包括以下步骤(a) 提供一孩i滴执行机构，该微滴执行机构包括(i) 两个隔开的基板，所述基板间形成一间隙；及(ii) 一位于所述间隙内并具有一微滴高度的微滴，所述微滴高 度由所述两个基板的表面确定；(b) 提供一发出穿透所述微滴的光线的光源和一感测由所述微滴发出 光线的传感器，从而建立一条穿过所述微滴的光路，其中穿过所述微滴的 光路大于所述微滴高度；(c) 执行微滴操作，沿穿透所述微滴的所述光路的方向将所述微滴拉长；(d) 引导由所述光源发出的光线穿过所述《鼓滴并到达所述传感器；(e) 由所述传感器感测光能量；以及(f) 才艮据感测到的光能量确定所述^b'离的光学性质。、
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于其中所述的穿过微滴的光 路小于l厘米。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于该方法还包括以下步骤将 所述微滴定位于基板的孔洞内，从而增加所述孩i滴高度。
6. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于该方法还包括以下步骤利 用电极沿着由所述光路确定的微滴中心垂直轴线将所述微滴拉长。
7. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于其中所述的穿过微滴的光 路基本上垂直于所述微滴高度和/或所述基板的表面。
8. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于其中所述的穿过微滴的光 路与确定所述微滴高度的表面之一呈一基本上为锐角的角度。
9. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于该方法还包括以下步骤执 行一微滴操作并且/或者将另 一微滴加入所述微滴中，从而增加所述微滴的尚度。
10. 才艮据权利要求3所述的方法，还包括设置于所述间隙中的所述光 源光路内的微滴，其特征在于其中(a) 所述微滴包含小珠；以及(b) 所述微滴的光学性质能够表现出所述小珠的光学性质。
11. 根据权利要求3所述的方法，还包括设置于所述间隙中的所述光 源光路内的孩i滴，其特征在于其中(a) 所述微滴包含生物细胞；以及(b) 所述微滴的光学性质能够表现出所述生物细胞的光学性质。
12. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于还包括(a) 所述间隙中的所述光源光路内的微滴；以及(b) 包绕在所述微滴周围的填充液。
13. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于其中所述的微滴包含小 珠，并且所述微滴的光学性质能够表现出所述小珠的光学性质。
14. #4居权利要求3所述的方法，其特征在于其中所述的微滴包含生 物细胞，并且所述微滴的光学性质能够表现出所述生物细胞的光学性质。
15. 4艮据权利要求3所述的方法，其特征在于该方法还包括以下步骤提 供所述微滴于一填充液中，该填充液具有与所述微滴不同的折光特性，使 入到所述填充液上的光线不会到达传感器。
16. 4艮据权利要求3所述的确定微滴吸光度的方法，该方法还包括以 下步骤提供所述微滴于一填充液中，该填充液具有与所述微滴不同的光 折射特性，使入射光线不会穿过所述填充液到达所述传感器。
17. —种确定微滴吸光度的方法，其特征在于该方法包括以下步骤(a) 提供一微滴执行机构，该微滴执行机构包括(i) 两个隔开的基板，所述基板间形成一间隙；及(ii) 一位于所述间隙内并具有一微滴高度的微滴，所述微滴高 度由所述两个基板的表面确定；(b) 提供一发出穿透所述微滴的光线的光源和一感测由所述微滴发出 光线的传感器，从而建立一条穿过所述微滴的光路，其中穿过所述微滴的 光路大于所述微滴高度，其中所述光源和所述传感器偏离所述微滴的中心 垂直轴线并且所述光源和所述传感器设置于所述微滴执行机辨相对的两 侧；(c) 引导由所述光源发出的光线穿过所述微滴并到达所述传感器；(d) 由传感器感测光能量；以及(e) 根据感测到的光能量确定所述微滴的光学性质。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于其中所述的穿过微滴的 光路小于l厘米。
19. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于该方法还包括以下步骤提 供相对于所述农i滴中心垂直线相互偏离的所述光源和所述传感器。
20. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于其中所述的穿过微滴的 光路至少大于所述微滴高度的两倍。
21. —种确定^t滴吸光度的方法，其特征在于该方法包括以下步骤(a) 提供一^b'离执行机构，该微滴执行机构包括(i) 两个隔开的基板，所述基板间形成一间隙；及(ii) 一位于所述间隙内并具有一微滴高度的微滴，所述微滴高 度由所述两个基板的表面确定；(b) 提供一发出穿透所述微滴的光线的光源和一感测由所述微滴发出 光线的传感器，从而建立一条穿过所述微滴的光路，其中穿过所述微滴的 光路大于所述微滴高度；述传感器； 、 、'；、、、'* 、 、， ''(d) 由传感器感测光能量；以及(e) 根据感测到的光能量确定所述微滴的光学性质。
22. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于其中所述的穿过微滴的 光路小于l厘米。
23. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于其中所述的引导光路步 骤还包括在^I导光路穿过所述微滴之前先51导光路穿过衍射材料。
24. 根据权利要求n所述的方法，其特征在于其中所述的引导光路步 骤还包括在？ 1导光路穿过所述微滴之前先？ 1导光路穿过包含衍射材料的光 学孔洞。
25. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于其中所述的引导光路步 骤还包括利用光学元件引导光路。
26. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于其中所述的引导光路步 骤还包括利用包含f;f射材料的光纤引导光路。
27. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于还包括用来将光线由所 述光源引入所述微滴的光纤和/或用来接收来自所述微滴的光线的包含衍 射材料的光纤。
28. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于还包括一个或多个包含衍射材料并置于所述光源和所述微滴之间的光学元件和/或置于所述微滴 和所述传感器之间的光学元件。
29. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于其中所述的引导光^^步 骤还包括引导光路使其由所述一个或所述两个基板的表面反射。
30. —种确定^:滴吸光度的方法，其特征在于该方法包括以下步骤(a) 提供一微滴执行机构，该微滴执行机构包括(i) 两个隔开的基板，所述基板间形成一间隙；及(ii) 一位于所述间隙内并具有一微滴高度的微滴，所述微滴高 度由所述两个基板的表面确定，其中，所述微滴在一远离所述基板的位置 上与一试剂混合；(b) 提供一发出穿透所述微滴的光线的光源和一感测由所述微滴发出 光线的传感器，从而建立一条穿过所述微滴的光路，其中穿过微滴的光路 大于所述微滴高度；(c) 引导由所述光源发出的光线穿过所述^:滴并到达所述传感器；(d) 由传感器感测光能量；以及(e) 根据感测到的光能量确定所述微滴的光学性质。
31. 根据权利要求30所述的方法，其特征在于其中所述的穿过微滴的 光路小于l厘米。
32. —种确定樣i滴吸光度的方法，其特征在于该方法包括以下步骤(a) 提供一微滴执行机构，该微滴执行机构包括(i) 两个隔开的基板，所述基^反间形成一间隙；及(ii) 一位于所述间隙内并具有一微滴高度的微滴，所述高度由 所述两个基板的表面确定，其中，所述基板中的一个或多个包含具有低于 所述微滴的折射率的材料；(b) 提供一发出穿透所述微滴的光线的光源和一感测由所述微滴发出 光线的传感器，从而建立一条穿过所述微滴的光路，其中穿过微滴的光路 大于所述微滴高度；(c) 引导由所述光源发出的光线穿过所述^f敖滴并到达所述传感器；(d) 由传感器感测光能量；以及(e) 根据感测到的光能量确定所述微滴的光学性质。
33. 根据权利要求32所述的方法，其特征在于其中所述的穿过微滴的 光路小于l厘米。
34. —种^f敬滴冲丸行机构装置，其特征在于包括(a)两个隔开的基板，所述基板间形成一间隙，所述两个基斧反或其中 一个包括配置用于进行一个或多个微滴操作的电极，位于所述间隙内的所 述微滴具有由所述两个基板的表面确定的微滴高度；(b) —光源，用于发射光线穿过所述微滴；以及(c) 一传感器，用来感测由所述微滴发出的光线； 其中所述的光源和所述传感器被设置为能够产生一穿过所述微滴的光路，所述穿过微滴的光路大于所述微滴高度并且穿过微滴的所述光路基本 上与所述基板的表面平行。
35. 根据权利要求34所述的方法，其中所述的穿过微滴的光路小于1 厘米。
36. —种微滴执4亍机构装置，其特征在于包括(a) 两个隔开的基板，所述基板间形成一间隙，所述两个基板或其中 一个包括配置用于进行一个或多个微滴操作的电极，位于所述间隙内的微 滴具有由所述两个基板的表面确定的微滴高度；(b) —光源，用于发射光线穿过所述^b'商；以及(c) 一传感器，用来感测由所述微滴发出的光线；其中所述的光源和所述传感器被设置为能够产生一 穿过所述微滴的光 路，所述穿过微滴的光路大于所述微滴高度并且其中的一个或多个电极用 来执行一个或多个微滴操作，将所述微滴拉长从而增加由所述光路穿过所 述微滴的距离。
37. 根据权利要求35所述的装置，其特征在于其中所述的穿过微滴的 光路小于l厘米。
38. 根据权利要求35所述的装置，其特征在于其中所述的光源和所述 传感器被设置为使穿过所述微滴的所述光路基本上垂直于所述微滴高度。
39. 根据权利要求35所述的装置，其特征在于其中所述的光源和所述 传感器被设置为使穿过所述微滴的所述光路与确定所述微滴高度的表面之 一呈一基本上为锐角的角度。
40. 根据权利要求35所述的装置，其特征在于其中所述的光源和所述 传感器被设置为使穿过所述微滴的所述光路至少大于所述微滴高度的两 倍。
41. 根据权利要求35所述的装置，其特征在于其包括位于所述间隙内 处于光源的光路内的微滴，该微滴包含小珠，并且所述樣b'离的光学性质能 够表现出所述小珠的光学性质。
42. 根据权利要求35所述的微滴操作机构装置，其特征在于其包括位 于所述间隙内处于光源的光3各内的孩么滴，该孩i滴包含生物细胞，并且所述 微滴的光学性质能够表现出所述生物细胞的光学性质。
43. ' —种微滴执行机构装置，其特征在于包括(a)两个隔开的基一反，所述基板间形成一间隙，所述两个基板或其中 一个包括配置用于进行一个或多个微滴操作的电极，位于所述间隙内的微滴具有由所述两个基板的表面确定的微滴高度；(b) —光源，用于发射光线穿过所述微滴；以及(c) 一传感器，用来感测由所述微滴发出的光线； 其中所述的光源和所述传感器被设置为能够产生一穿过所述微滴的光路，所述穿过微滴的光路大于所述微滴高度并且所述光源和所述传感器偏 离所述微滴的中心垂直轴线，并且所述光源和所述传感器被设置于所述微 滴执4于4几构上相向的两侧。
44. 根据权利要求43所述的装置，其特征在于其中所述的穿过微滴的 光^^j、于1厘米。
45. 根据权利要求43所述的装置，其特征在于其中所述的光源和所述 传感器被设置为相对于所述微滴的中心垂直轴线互相偏离。
46. —种微滴操作机构装置，其特征在于包括 '(a) 两个隔开的基板，所述基板间形成一间隙，所述两个基板或其中 一个包括配置用于进行一个或多个微滴操作的电极，位于所述间隙内的微 滴具有由所述两个基板的表面确定的樣"离高度；(b) —光源，用于发射光线；(c) 一衍射材料，用来引导所述光线穿过所述微滴；以及(d) —传感器，用来感测由所述微滴发出的光线；其中所述的光源和所述传感器被设置为能够产生 一 穿过所述微滴的光 路，所述穿过微滴的光路大于所述微滴高度。
47. 根据权利要求46所述的装置，其特征在于其中所述的穿过微滴的 光路小于l厘米。
48. 根据权利要求46所述的装置，其特征在于其中所述的衍射材料包 含设置于所述光源和微滴之间的用于传送穿过所述微滴的光线的光学孔 洞。
49. 根据权利要求46所述的装置，其特征在于其中所述的衍射材料位 于所述光源和所述孩"离之间。
50. 根据权利要求46所述的装置，其特征在于其中所述的衍射材料包 含用来将由所述微滴中发出的光线反射回所述微滴的反射表面。
51. —种微滴执行机构装置，其特征在于包括(a) 两个隔开的基板，所述基板间形成一间隙，所述两个基板或其中 一个包括配置用于进行一个或多个微滴操作的电极，位于所述间隙内的微 滴具有由所述两个基板的表面确定的微滴高度并且其中一个或两个基板包 含具有低于所述微滴的折射率的材料；(b) —光源，用于发射光线穿过所述微滴；以及(c) 一传感器，用来感测由所述微滴发出的光线；其中所述的光源和所述传感器被设置为能够产生 一穿过所述^b'离的光路，所述穿过微滴的光路大于所述微滴高度。
52. 根据权利要求51所述的装置，其特征在于其中所述的穿过微滴的 光路小于1厘米。
53. —种微滴执行机构装置，包括两个隔开的基;fel,所述基板间形成一间 隙，所述两个基板或其中一个包括用来进行一个或多个微滴搡作的电极，其 特征在于其中(a) 位于所述间隙内的微滴具有由所述两个基板的表面确定的微滴高度(b) —个或多个所述基^反包含一凹陷区域， -使位于该凹陷区域内的樣吏 滴具有高于位于非凹陷区域的微滴的微滴高度。
54. 根据权利要求53所述的微滴操作机构，其特征在于其还包括(a) —光源，用于发射基本上垂直地穿过所述^f敖滴的光线；以及(b) —传感器，用来感测由所述微滴发出的光线。
55. 根据权利要求55所述的装置，其特征在于其中所述的穿过微滴的 光路小于l厘米。
56. —种微滴执行机构装置，其特征在于包括(a) 两个隔开的基板，所述基板间形成一间隙，所述两个基板或其中 一个包括用来进行一个或多个微滴才喿作的电极，其中(i) 位于所述间隙内的微滴具有由所述两个基板的表面确定的微滴高 度；及(ii) 一个或多个所述基板包含一孔洞，与该孔洞接触的微滴会进入该 孔洞，从而为该微滴提供高于位于间隙间的微滴的微滴高度。(b) —光源，用于发射基本上垂直地穿过所述微滴的光线；(c) 一传感器，用来感测由所述微滴发出的光线。
57. 根据权利要求56所述的装置，其特征在于其中所述的穿过微滴的 光路小于1厘米。
58. 根据权利要求56所述的装置，其特征在于其中所述的填充液阻止 由光源发出的部分或全部光线，所述部分或全部光线具有目标波长且在没 有穿过所述微滴的情况下就穿过所述填充液，被所述填充液阻挡的所述光 线不会被传感器感测到。
59. 根据权利要求56所述的装置，其特征在于其中所述的填充液包含 一种染泮+。
60. —种微滴执行机构装置，其特征在于包括(a)两个隔开的基板，所述基板间形成一间隙，所述两个基板或其中 一个包括配置用于进行一个或多个微滴操作的电极；(b) —位于所述间隙内的微滴，具有由所述两个基板的表面确定的微 滴高度；以及(C) 一填充液，包含一种能够减少或消除预定范围内光线的传输的添 力口剂。
61. 根据权利要求60所述的微滴执行机构装置，其特征在于其中所述 的添加剂包含一种颗粒和/或一种染料。
62. 根据权利要求60所述的微滴操作机构装置，其特征在于其中所述 的添加剂包含一种染料，该染料还作为表面活性剂使用。
全文摘要
本发明提供改进吸光度检测的装置、结构配置和方法。例如，通过提供穿过微滴的加长的光路来提供用来确定微滴的吸光度的方法和装置，例如，位于微滴执行机构上的微滴。
文档编号G01N21/00GK101652652SQ200880006895
公开日2010年2月17日 申请日期2008年3月13日 优先权日2007年3月13日
发明者王祺红, 瓦姆西·K·帕姆拉, 维吉·斯里尼瓦桑, 迈克尔·G·波来克 申请人:先进流体逻辑公司