专利名称：基于电湿润的数字微流体的制作方法
技术领域：
本发明涉及液滴操控领域，诸如微流体级别的基于液滴的样本制备、混合和稀释。更具体地，本发明是基于电湿润的。
背景技术：
在过去大约十年的时间里，已经对开发基于微流体的器件(通常称为芯片上的实验室(LoC)或微全分析系统(μTAS))产生了浓厚的兴趣，其目标在于将试剂使用最小化、将测量周转期缩短、将实验成本降低，以及将数据质量提高等。微流体学发现了其可应用在印刷、燃料电池、数字显示器及生命科学等中。在将本发明应用于生命科学相关领域这一主要兴趣中，直接应用包括药物筛选、医疗诊断、环境监测以及流行病预防等。
微流体学大体上可以分类为基于通道的连续流(包括来自于诸如Raindance Technologies公司之类的组织的微流体通道中的液滴(droplets-in-microfluidic-channel)系统)和基于液滴的数字化流架构。基于通道的系统固有一些缺陷。首先，需要永久性蚀刻结构以在物理上限制液体并引导流体传输。这使得该芯片设计应用专门化。换言之，通用芯片行式是不可能实现的。第二，基于通道的系统的传输机构通常是由外部泵或离心式器件压力驱动的，和/或是由高压电源电动力驱动的，等等。这通常使得难于基于此架构设计出低功率自包含(self-contained)系统。
为了克服基于通道的系统的缺陷，人们转向了基于液滴的架构，即，可追溯到19世纪的一种电湿润驱动技术。一种代表性设计是在单个电极层中具有二维独立电可控补片(patch)，其中该补片与在同一层中形成的每个电极具有电连接(参见授予Pamula等人的美国专利号6,911,132)。通过按照某个顺序对驱动电极进行编程，诸如分散、分裂、合并和传输之类的液滴操控功能可得以实现。当系统需要更多驱动电极时，本发明迅速发现了其局限性。首先，在单层中路由所有控制信号对于具有极度复杂性的系统具有挑战性，然而，在使用多层设计路由控制信号时，成本会随着层数的增加而增加。第二，所需控制信号的数量与可控电极的数量相同，其会随着列和/或行的数量的增加而快速增加。例如，100×100(100行和100列)阵列需要的控制电极数量是一万个。这使得此控制方案的实现难以向大规模扩展。另一设计示例是具有由小间隙分隔的两个单电极层芯片，这两个芯片上的电极相互垂直地进行布置(参见2003年1月在日本Kyoto举办的MEMS IEEE会议，由Fan等人提出的)。然而，利用这种方案，将电湿润效应定位到一个或若干目标液滴是一个巨大挑战。例如，在多个液滴沿着同一列或行出现的情况下，在试图移动其他液滴时某些液滴可能会经历无意的或不可预知的移动。而且，基底和盖板二者都包含控制电极这一事实使得与芯片的电对接与封装更加复杂。
这里所给出的被认为是基于电湿润的液滴操控的突破。通过控制M+N(M加N)个电极(其中M是行的数量，N是列的数量)，可以在维度为N×M(M乘N)的阵列上操控液滴，其中操作包括分散、传输、合并、混合和分裂。
发明内容
本发明提供了利用基于电湿润的技术的、基于液滴的液体处理和操控器件。大小在次微微升到若干毫升间的液滴可以通过控制电极的电压而得到操控。无需限制于理论，液滴的致动机构是可极化介质上不均匀的电场所施加的静电力的显现-电压引起的电湿润效应。本发明的机构在允许传输液滴的同时，还起到供在芯片上的任何位置执行混合的虚拟腔室的作用。该芯片可以包括在执行预期任务的运行时期间可以重新配置的控制电极阵列。本发明使得能够在单独可控的液滴样本、试剂、稀释液等上执行若干不同类型的处理和操控任务。这些任务传统上在连续液体流上执行。这些任务包括致动或移动、监控、检测、照射、培养、反应、稀释、混合、透析、分析等。而且，本发明的方法可以用于从连续流液体源形成液滴，诸如从在微流体芯片处提供的连续输入形成液滴。因此，本发明通过将连续流离散或分段成预期数量的、均匀大小的独立可控液滴单元，而提供了用于连续采样的方法。
相比于连续流系统，将液体划分成离散的、独立受控分组或液滴供微观操控提供了若干重要优势。例如，将流体操控或流控技术简化成一组基本的、可重复的操作(例如，将液体的一个单位移动一个单位步长)允许与数字电子器件相似的分层级且基于单元的设计方式。
除了上述优势以外，本发明通过将电湿润用作液滴操控的机构，还带来了如下优势。
(a)利用减少数量的控制电极带来了对液滴位置的改进控制。
(b)利用紧凑的电极阵列布局带来了高度并行性能力。
(c)可重新配置性。
(d)使用编程操作的混合比例控制，这会为混合比例产生更高的可控性和更高的准确度。
(e)高吞吐能力，提供了增强的并行性。
(f)支持与测量的集成，其中测量诸如是可以为异步可控性和准确度提供进一步增强的光学检测。
具体地，本发明提供了一种采样方法，其支持基于液滴的样本制备和分析。本发明通过引入电湿润现象并对其进行控制，而在微流体芯片或其他适当结构之上或之中将连续液体流分段成或离散成一系列大小一致的液滴。该液体随后作为一系列液滴通过或穿过该结构传输，其中这一系列液滴最终会在输出处重新组合成连续流、沉积在收集储存室中，或者从流通道转移以供分析。备选地，连续流流体可以完全穿越该结构，其中液滴在沿着该连续流的特定位置被移除或采样以供分析。在两种情况中，经过采样的液滴随后可以传输到结构的特定区域以供分析。由此，该分析可以在线执行，从而允许将该分析从主流中解耦合。
一旦从主流中被移除，便存在用于独立控制每个液滴移动的设施。为了化学分析的目的，样本液滴可以与包含特定化学试剂的液滴组合及混合，其中包含特定化学试剂的液滴是从芯片或其他结构上的或与其相邻的试剂储存室形成的。在某些情况下，多步反应或稀释可能是必要的，其中芯片的一些部分被指派用于某些功能，诸如液滴的混合、反应或培养。一旦制备了样本，其便可以通过电湿润传输至芯片中专用于分析物检测或测量的另一部分。该检测例如可以使用酶系统或其他生物分子识别剂，并且该检测可以专用于特定分析物或光学系统(诸如，荧光、磷光、吸光率、拉曼散射等)。从连续流源到芯片的分析部分的液滴的流可以独立于连续流进行控制，这为执行分析提供了巨大的灵活性。
本发明的方法使用用于从连续流形成液滴，以及用于对液滴进行独立地传输、合并、混合以及进行其他操作的装置。优选实施方式使用电湿润来完成这些操控。在一个实施方式中，液体包含在两个并行平板之间的空间中。一个平板包括两层驱动电极，而另一个平板包括接地的或者设置到参考电势的单一连续电极(或多个电极)。疏水性绝缘覆盖电极，并且在相对平板上的电极之间生成电场。此电场创建了表面张力梯度，其引起液滴的形状改变，并且朝着预期方向处预期电极移动。通过电极的适当布置和控制，可以通过在相邻电极之间连续地传送液滴而对液滴进行传输。构图的电极可以被布置为允许将液滴传输到电极覆盖的任何位置。液滴周围的空间可以填充有气体(诸如空气或氮气)，或者填充有不互溶液体(诸如，硅油)。
可以通过将液滴同时传输到同一位置而将其组合。液滴随后可以被动地或主动地混合。液滴可通过扩散被动混合。通过利用电湿润现象的优势，通过移动或“摇动”组合后的液滴，可以将液滴主动地进行混合。
液滴可以按以下方式从较大液滴分裂将与液滴边缘相邻的至少两个并行电极随同直接处于液滴下方的电极一起通电，并且该液滴移动从而扩散穿过通电电极的范围。中间电极随后被下电，以在两个有效疏水性区之间创建疏水性区，从而创建两个液滴。
液滴可以按以下方式从液体的连续主体创建至少将部分位于液体主体正下方的电极通电，并且该液体移动从而扩散穿过通电电极的范围。随后，对部分位于新扩展的液体分段下方的至少一个垂直电极通电，这使得液体移动从而扩展穿过该新的通电电极的特定部分。移除第一通电电极的电压，以及在预定时延后，移除第二通电电极上的电压，会创建一个或多个新的液滴。
图1A和图1B是根据本发明的具有双侧电极配置的电湿润微致动器机构的两个相互呈90度的截面图。
图2A和图2B是根据本发明的具有单侧电极配置的电湿润微致动器机构的两个相互呈90度的截面图。
图3是嵌在基底表面上的电极的俯视平面图。
图4A-图4D是利用本发明的电湿润技术从储存室分散的液滴的顺序示意图。
图5A-图5E是利用本发明的电湿润技术移动的液滴的顺序示意图。
图6A-图6E是利用本发明的电湿润技术沿着与图5A-图5E中液滴运动方向垂直的方向移动的液滴的顺序示意图。
图7A-图7D是示出了利用本发明的电湿润技术将两个液滴组合成合并液滴的顺序示意图。
图8A-图8D是示出了利用本发明的电湿润技术将液滴分裂成两个液滴的顺序示意图。
图9A-图9F是一个液滴利用本发明的电湿润技术进行了移动，而另一液滴位于该目标液滴所在的电极之一上的顺序示意图。
图10是本发明的可行使用示例的概念视图，即，液滴从连续流源被分散出来、传输至芯片上的不同位置、与其他液滴混合和反应。诸如荧光测量之类的测量也可以在此进行。
具体实施例方式 为了本公开的目的，术语“层”和“膜”可以互换使用来指示主体的结构，该结构通常但不必须是平面的或者基本上平面的，而且通常沉积、形成、涂覆或以其他方式放置在另一结构上。
出于本公开的目的，此处使用的术语“连通”(例如，第一组件与第二组件“连通”或第一组件“连通至”第二组件)是指在两个或更多组件或元件之间的结构、功能、机械、电、光、或流体关系或其任意组合。如此，一个组件被说成与第二组件连通的事实并不意图排除在第一或第二组件之间存在额外的组件和/或额外的组件可操作地关联或接合于第一或第二组件的可能性。
出于本公开的目的，可以理解，当诸如层、区域或基底的给定组件被称为置于或形成在另一组件“上”、“中”或“处”时，该给定组件可以直接位于该另一组件上，或者备选地，也可以存在中间组件(例如，一个或多个缓冲层、夹层、电极或接触)。还可以理解，术语“置于...上”和“形成在...上”可以互换使用来描述给定组件如何相对于另一组件进行定位或安置。因此，术语“置于...上”和“形成在...上”并不意在对材料传输、沉积或制造的特定方法引入任何限制。
出于本公开的目的，可以理解，当任何形式(例如，液滴或连续体，无论是移动的或静止的)的液体被描述为在电极、阵列、矩阵或表面“上”、“处”或“之上”时，该液体可能与电极/阵列/矩阵/表面直接接触，或者可能与插入液体和电极/阵列/矩阵/表面之间的一个或多个层或膜相接触。
此处所使用的术语“试剂”描述了用于与样本材料反应、稀释样本材料、使样本材料媒合、悬浮样本材料、乳化样本材料、包封样本材料、与样本材料相互作用或添加到样本材料中的任何材料。
此处所使用的术语“电子选择器”描述了能够设置输出信号或将其改变到不同电压水平或电流水平的任何电子器件，具有或不具有中间电子器件均可。作为非限制性示例，微处理器与某些驱动器芯片一起可以用来在不同时间将不同的电极设置于不同的电势。
此处在“接地电极”或“接地电压”的上下文中使用的术语“接地”表示对应电极的电压被设置成0或者与0足够接近。所有其他电压值，尽管通常在幅度上低于300伏，应当足够高，以使得能够充分观察到电湿润效应。这些电压可以是交流电压或者直流电压。当使用交流电压时，频率通常小于100KHz。本领域技术人员将会认识到，所应用的交流电压(因此，所应用的电场)的频率增大会使得介电泳效应变得更加显著。由于将操作液滴时的电湿润效应或介电泳效应量化并不是本发明的目的，所以在本文中使用的电湿润表示来自于所应用的电压的电机械效应，而当所应用的电压处于较高频率时，尤其意味着介电泳效应。
应当指出，当布置覆盖的介电层时，同一层中相邻电极之间的空间通常填充有介电材料。这些空间也可以空着，或者填充有诸如空气或氮气之类的气体。同一层中的所有电极和不同层处的电极优选地进行电隔离。
现在详述本发明提供的基于液滴的方法和装置，必要的时候参考附图1A-图9F。
电湿润进行的基于液滴的致动 现在参考图1A、图1B、图2A和图2B，电湿润微致动器机构(通常标记为100和200)分别被示出为用于在不需要泵、阀门或固定通道的情况下在液滴D上实现基于电湿润的操作的两个优选实施方式。液滴D为电解的、可极化的或者能够以另外的方式传导电流或带电的。在一个实施方式中，如图1A和1B所示，液滴D夹在通常标识为102的下层板和通常标识为104的上层板之间。本上下文中使用的术语“上”和“下”仅用于区分这两个平面102和104，而并不作为平面102和104相对于地平面的方向的限制。在另一实施方式中，如图2A和图2B所示，液滴D位于一个通常标识为102的平板上。在这两个实施方式中，平板102包括控制电极的两个延长阵列，这两个阵列彼此垂直。通过示例的方式，两组五个控制电极(具体为E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9和E10)在图1A和图1B中示出。应当理解，在构建受益于本发明的器件(诸如，微流体芯片)时，控制电极E1-E10通常是一起形成二维电极阵列或网格的大量控制电极的一部分。
用于制作基底或盖板的材料并不重要，只要用来布置电极的表面是(或者被处理成)不导电即可。材料还应当足够坚硬，以便基底和/或盖板可以基本上保持制成时的本来形状。基底和/或盖板可以由(但不限于)石英、玻璃或诸如聚碳酸酯(PC)和环烯烃共聚合物(COC)之类的聚合物制成。
电极的数量可以从2个变化到100,000个，但是优选的是从2个到10,000个，更有选地是从2个到200个。同一层中每个电极的宽度或者相邻电极间的间隔可以在约0.005mm到约10mm间变化，但是优选地是在约0.05mm到约2mm间变化。基底板和上层板之间的典型距离在约0.005mm到约1mm间变化。
电极可以由任何导电材料制成，诸如铜、铬和铟锡氧化物(ITO)等制成。为了方便，附图中示出的电极形状被显示为长方形，不过，电极可以采用很多其他形状以具有基本上类似的电湿润效应。电极的每条边可以是直的(如图中所示)、弯曲的或者锯齿形的等。尽管每个电极的准确形状并不是严格的，但是同一层处的电极形状应当基本相似，并且彼此应当基本上平行。用于介电层103A、103B和107的材料可以是(但不限于)聚四氟乙烯、聚氯代对二甲苯和二氧化硅等。优选地，层103B和107的表面是疏水性的。这可以通过(但不限于)将聚四氟乙烯或其他疏水性材料的薄层涂覆在层103B和107上来实现。层103B和107还可以使用表面形态技术、利用网纹表面制成疏水性的或超疏水性的。
应当指出，尽管在本发明中描述的电湿润效应是利用两层中的电极实现的，但是类似的电湿润效应可以利用更多层中的电极来实现。作为非限制性示例，通过将相邻电极之间的水平间隔基本上保持一致，第二电极阵列可以分离为两层电极子阵列中，这两层电极子阵列由介电层的薄层分隔，同时最终的电湿润效应仍基本上相似。
控制电极E1-E10嵌入在适当的下层或称第一基底或平板201中，或形成在其上。介电材料的薄下层103A涂覆至下层板201，以将两个不同层处和同一层处的控制电极(E1-E5)电隔离。疏水性绝缘的另一薄下层103B涂覆至下层板201以便覆盖控制电极E6-E10并由此将其电隔离。上层板104包括嵌入在适当的上基底或平板105中或形成在其上的单个连续接地电极。优选地，疏水性绝缘的薄上层107还涂覆至上层板105以隔离接地电极G。
如图3所示，控制电极E1-E10这样放置，使得其通过常规导线L1-L10与适当的电压源V1-V10连通。电压源V1-V10是独立可控的，而且还可以连接到同一电压源，在这种情况下，将需要如开关的机构来确保至少一些电极能够有选择地通电。在其他实施方式中，或者在电极阵列的其他区域，两个或更多控制电极E可以共同连接以便一起被激活。
电湿润微制动器机构100的结构可以代表微流体芯片的一部分，在其上可以还集成传统微流体组件和/或微电子组件。例如，芯片还可以包括电阻式加热区域、微通道、微泵、压力传感器、光波导和/或与MOS(金属氧化物半导体)电路对接的生物传感或化学传感元件。
图4A-图4D示出了基本DISCRITIZE(离散化)操作。如4A所示，诸如储存室的液体LQ的连续流直接位于控制电极E2的一部分之上。通过将E2的电势设置成某个激活值V41，来自LQ的液体开始沿着E2流动，如图4B所示。在预定时延之后，在液体元件沿着E2延伸的那部分之下的E6被设置为电势V42，之后是去激活控制电极E2。这使得延伸的流体回流到该连续流，除了其一部分D停留在E2和E6的交点处，如图4C所示。E6电势的移除使得液滴D改变成圆形，如图4D所示。此过程可以随着下文描述的MOVE(移动)操作而重复，以便在阵列上创建一系列液滴。通过以可控方式操作电极和相应的时序，可以创建出大小基本一致的液滴。
图5A-图5E示出了基本的MOVE(移动)操作。图5A示出了起点位置，在该位置处，液滴D位于两个控制电极E2和E7的交点处。最初，邻近该液滴的控制电极全部接地，通常由G标识，使得液滴D在E2和E7交点处是静止的且平衡的。为了在图5A-图5D的箭头所指示方向移动液滴D，控制电极E7通过设置到V51而被通电，以便以E2为中心、沿着E7的方向使液滴D变形，如图5B所示。通过将控制电极E3设置到电压V52而随后激活该控制电极E3，而后在控制电极E7处移除电势，这会引起液滴D移动到E3并随后以E7为中心、沿着电极E3延伸，如图5C和图5D所示。移除控制电极E3处的电势使得液滴D在控制电极E3和E7的交点处回到其平衡圆形。
图6A-图6E示出了在基底表面沿着垂直方向的MOVE(移动)操作。图6A示出了起点位置，在该位置处，液滴D位于两个控制电极E2和E5的交点处。最初，邻近液滴的控制电极全部接地，通常标识为G，使得液滴D在E2和E5交点处是静止的和平衡的。为了在图6A-图6D中箭头所指示方向移动液滴D，控制电极E6通过设置为电压V61而被通电，随后将控制电极E2设置为电压V62，会使液滴D变形并沿着E2向E6移动，如图6B和图6C所示。随后移除控制电极E2处的电势使得液滴D沿着E6的中心线和E2的中心线二者变得对称，如图6D所示。控制电极E6处电势的移除使得液滴D在控制电极E2和E6的交点处回到其平衡圆形。
在上述MOVE操作中，电极激活和去激活的顺序可以重复，以便使得液滴D在箭头所指示的预期方向连续移动。还将显然的是，通过对电子控制单元(诸如，微处理器)进行适当编程以按照预定顺序激活和去激活阵列中的选定电极，可以容易地控制液滴在电极阵列受控表面上移动的精确路径。由此，例如，液滴D可被致动，以在电极阵列受控基底表面上向左和向右转。
图7A-图7D示出了基本MERGE(合并)或MIX(混合)操作，其中两个液滴D1和D2被组合成单个液滴D3。在图7A中，两个液滴D1和D2最初定位在控制电极E2/E5和E2/E7的交点处，并相隔至少一个介入控制电极E6。控制电极E6通过设置到电压V71而得以通电，随后将控制电极E2设置到电压V62，这会使液滴D1和D2变形并沿着E2移动到E6，如图7B所示。在D1和D2合并成液滴D3后移除控制电极E2处的电势，随后移除控制电极E6处的电势，会使合并后的液滴D3在控制电极E2和E6的交点处返回平衡圆形。
图8A-图8D示出了基本SPLIT(分裂)操作，其中液滴D被分裂成两个液滴D1和D2。最初，邻近液滴D的控制电极可以全部接地，通常标识为G，使得液滴D在E2和E6交点处是静止的和平衡的。为了如图8A-图8D所示分裂液滴D，控制电极E5和E7通过设置到电压V81而得以通电，随后将控制电极E2设置到电压V82，这会使液滴D变形，如图8B所示。随后在控制电极E2处移除电势会使得液滴D在E2和E6交点处被分裂，如图8C所示。移除控制电极E5和E7处的电势会使得两个新形成的液滴D1和D2分别在控制电极E2和E5的交点处及控制电极E2和E7的交点处回到其平衡圆形。分裂后的液滴D1和D2具有相同或者基本相同的容量，这部分是因为电湿润微制动器机构100和200(图1A、图1B、图2A和图2B)的物理组件和结构的对称性，以及施加至外部控制电极E5和E7的相等的电势。
图9A-图9F示出了MOVE(移动)操作，其中另一液滴出现在通往目标液滴的电极之一上。图9A示出了起点位置，在该位置处，液滴D1位于两个控制电极E2和E8的交点处，而液滴D2位于两个控制电极E5和E8的交点处。最初，邻近液滴D1和D2的控制电极全部接地，通常标识为G，使得液滴D1和D2分别在E2与E8交点处和E5与E8的交点处是静止的和平衡的。以下步骤示出了一种在图9A-图9D中箭头所示方向移动液滴D2，而同时将液滴D1保持在其原始位置的方法。首先，控制电极E1和E3二者通过设置到电压V71而通电，随后将控制电极E8设置到电压V72，这会使液滴D1以E2为中心沿着E8方向变形，如图9B所示。第二，控制电极E1和E3被设置回接地电压G，并且控制电极E5被设置成电压V73。这使得液滴D1和D2分别沿着E8和E5变形，如图9C所示。第三，控制电极E9被设置到电压V74，并且将E4和E6二者设置到V75，以将液滴D2变形并使其移动，如图9D和图9E所示。最后，移除控制电极E4、E6、E9、E5和E8处的电势使得液滴D1和D2在E2/E8和E5/E9的交点处返回其平衡圆形。优选的电压移除顺序是E4和E6一起，随后是E9，然后是E5，而后是E8。
在图3到图9F中，激活电势的某些甚至全部可以具有同一电压值，并且这可以是优选的，从而以较少数量的不同控制电压值实现电控制系统。然而，变量的值，诸如将被激活/去激活的电极数量、将被激活/去激活的电极顺序和时延、将被应用的电压(幅度和频率二者)等，依赖于很多因素，诸如，液滴操作的模式、器件配置(诸如，电极宽度和间隔、介电膜厚度)、液滴大小等。变量及其值可以容易地由本领域技术人员选择。
示例 以下是用于实现本发明的特定实施方式的示例。这些示例仅为了说明目的而提供，而不意在以任何方式限制本发明的范围。已经为了确保所使用的数量(例如，量、温度等)的准确性而做出了努力，但是某些实验误差和偏差当然也是允许的。
示例1 基于液滴的采样和处理 现在参考图10，示出了根据本发明的用于对来自连续流液体输入源91和92的液滴进行采样并随后进行处理的方法。更具体地，该方法使得能够在为随后基于液滴的片上和/或片下过程(诸如，混合、培养、反应和检测等)做准备中，借助于上述基于电湿润的技术，对来自于储存室91的统一大小样本液滴S和来自储存室92的试剂液滴R进行离散。在此上下文中，术语“连续”用来表示并未离散成更小容量液滴的液体容量。连续流输入的非限制性示例包括从分散器件引入基底表面的毛细级流、条(slug)和小份(aliquot)。样本液滴S通常包含感兴趣的分析物质(其浓度将由诸如光谱学确定的已知分子)。图10中示出的若干样本液滴S表示已经从连续流源92离散出的单独样本液滴，或者随着时间的推移可沿着根据电极顺序可用的各种流路径移动到电极阵列中不同位置的单个样本液滴S。类似地，图10中所示的若干试剂液滴S表示已经从连续流源92离散出的单独试剂液滴，或者随着时间的推移可沿着根据电极顺序可用的各种流路径移动到电极阵列中不同位置的单个试剂液滴S。
可以理解，图10中描述的液滴操控性操作可以有益地出现在如上所述的电极阵列上。这种阵列可以制造在微流体芯片的表面上或嵌入其中，可以具有或可以不具有其他特征或器件。通过与适当的电子控制器(诸如，微处理器)进行通信对阵列的电极的进行适当的排序和控制，采样(包括液滴形成和传输)可以以连续且自动的方式完成。
在图10中，连续流源91和92的液体输入在适当的注入点被提供至电极阵列。利用上述基于电湿润的技术，连续的液体输入91和92被分段成或者离散成统一大小的一系列样本液滴S或试剂液滴R。这些新形成的样本液滴S和试剂液滴R的一个或多个随后可以根据预期的协议进行操控，该协议可以包括上述这些基础操作MOVE、MERGE/MIS和SPLIT中的一个或多个，以及从这些基础操作衍生的任何操作。具体地，本发明使得液滴S和试剂液滴R能够从连续液体输入91和92转移，以用于片上处理。例如，图10示出了液滴沿着穿过微流体芯片的可编程流路径被传输至位于微流体芯片表面上的一个或多个功能区(诸如，区93、94、95和96)。在此将功能区限定为两个或更多电极交汇的区域。
功能区93是混合器，样本液滴S和试剂液滴R在该处混合在一起。功能区94可以是反应器，样本在其中与试剂起反应。当诸如荧光的信号可以从起反应的样本液滴/试剂液滴测量中时，功能区95可以是检测器。最后，功能区96可以是存储区，其中在检测和/或分析完成后，将液滴收集在该处。
功能区93-96优选地包括阵列上一个或多个电极交汇区域。这种功能区93-96在很多情况下可以通过它们对应控制电极的排序而被限定，其中该排序作为预期协议的一部分被编程，并且可以由与微流体芯片通信的电子控制单元控制。因此，功能区93-96可以在微流体芯片的电极阵列上的任意位置进行创建，并且可以在运行时进行重新配置。
与本发明有关的若干优势可以容易地从上述示例看出。
此设计允许将样本分析从样本输入流中去耦合。
多个分析物可以同时测量。由于连续液体流91分段成样本液滴S，所以每个样本液滴S可以与不同试剂液滴混合，并可以运送到芯片上的不同测试点，从而允许在单个样本中同时进行多个分析物的测量而不会产生交叉污染。
多个不同类型的分析可以使用单个芯片实现。
标定和样本测量可以复用。标定液滴可以在样本间被生成并测量。标定不要求中止输入流，并且在测量期间的周期性重新标定是可能的。而且，检测或感测可以针对多个分析物而复用。
样本操作可以重新配置。采样速率、混合比例、标定过程和特定测试都可以在运行期间动态改变。
应当提醒，上述示例和上述提及的优势不是穷举性的。本发明的灵活性本质可以用于很多应用，并且与诸如基于通道的微流体之类的其他技术相比，的确有很多优势。
在本申请中提及的所有书面专利和出版物通过引用而在此并入全部内容。
尽管说明并描述了本发明的优选实施方式，但是应当理解，在不脱离本发明精神和范围的前提下，可以对本发明做出很多改变。
权利要求
1.一种用于液体操控的装置，包括
(a)基底，其包括第一基底表面；
(b)延长的驱动电极的第一阵列，其布置在所述第一基底表面上；
(c)第一介电层，其布置在所述第一基底表面上以覆盖所述驱动电极的第一阵列；
(d)延长的驱动电极的第二阵列，其基本上与所述第一阵列垂直地布置在所述第一基底表面上；
(e)第二介电层，其布置在所述第一基底表面上以覆盖所述驱动电极的第二阵列；
(f)电极选择器，用于顺序地激活和去激活所述两个阵列中一个或多个选定驱动电极，以便顺序地偏置所述选定驱动电极到致动电压，由此置于所述基底表面上的液滴沿着所述选定驱动电极所限定的预期路径移动。
2.根据权利要求1所述的装置，包括平板，其与所述第一基底表面相隔一段距离以限定所述平板和所述基底表面间的空间，其中所述距离足够包括置于所述空间中的液滴。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述平板包括面朝所述第一基底表面的平板表面。
4.根据权利要求3所述的装置，其中电极布置在所述平板表面上。
5.根据权利要求4所述的装置，其中电绝缘的疏水性层布置在所述电极上。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二介电层的至少一部分是疏水性的。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述液体是电解液。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述电极选择器包括电子处理器。
9.根据权利要求1所述的装置，包括液滴入口，其与所述表面连通。
10.根据权利要求9所述的装置，包括液滴出口，其与所述表面连通。
11.一种用于液体操控的装置，包括
(a)基底，其包括第一基底表面；
(b)延长的驱动电极的第一阵列，其布置在所述基底表面上；
(c)第一介电层，其布置在所述基底表面上以覆盖所述驱动电极的第一阵列；
(d)延长的驱动电极的第二阵列，其基本上与所述第一阵列垂直地布置在所述基底表面上；
(e)第二介电层，其布置在所述基底表面上以覆盖所述驱动电极的第二阵列；
(f)电极选择器，用于顺序地激活和去激活所述两个阵列中一个或多个选定驱动电极，以便顺序地偏置所述选定驱动电极到致动电压，由此置于所述基底表面上的液滴沿着所述选定驱动电极所限定的预期路径移动。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述第二介电层的至少一部分是疏水性的。
13.根据权利要求11所述的装置，其中所述液体是电解液。
14.根据权利要求11所述的装置，其中所述电极选择器包括电子处理器。
15.根据权利要求11所述的装置，包括液滴入口，其与所述表面连通。
16.根据权利要求11所述的装置，包括液滴出口，其与所述表面连通。
全文摘要
提供了用于利用静电场力进行液体操控的装置和方法。该装置是单侧电极设计，其中所有导电元件嵌入在在其上对液滴进行操控的第一表面上。额外的第二表面可以被提供，其出于包含将被操控的液滴的目的而与第一表面平行。通过执行基于电湿润的技术(其中，以可控方式将不同的电势值施加至嵌入在第一表面中的不同电极，该装置使得能够执行大量液滴操控处理，包括通过从连续液体流形成单独可控的液滴而对该连续液体流进行采样、移动液滴、将两个或更多液滴合并和混合在一起、将液滴分裂成两个或更多液滴、为了获得预期混合比例而重复地进行液滴的双重混合，以及加强液滴内的液体混合。
文档编号C02F1/40GK101679078SQ200880016986
公开日2010年3月24日 申请日期2008年5月27日 优先权日2007年5月24日
发明者吴传勇 申请人:数字化生物系统