包括便于其加载的沟槽的微流体芯片及相关方法与流程

包括便于其加载的沟槽的微流体芯片及相关方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年8月20日提交的美国临时专利申请no.62/889，420的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明总体上涉及微流体芯片，更具体地但不限于，涉及限定一个或更多个网络的液滴生成微流体芯片，该液滴生成微流体芯片各自具有测试空间和能够从测试空间接收液滴的沟槽。


背景技术：

4.微流体芯片在众多领域中得到了越来越多的应用，包括化妆品、药品、病理学、化学、生物学和能源等。微流体芯片通常具有一个或更多个通道，这些通道被设置为传输、混合和/或分离一个或更多个样品以对其进行分析。通道中的至少一个可以具有大约一微米或几十微米的尺寸，从而允许对相对较小(例如纳升或皮升)的样品体积进行分析。与传统台式技术相比，微流体芯片中使用的较小样本体积提供了许多优势。例如，由于芯片部件的规模，使用微流体芯片可以实现更精确的生物测量结果，包括对单一细胞和/或分子的操作和分析。微流体芯片还能够提供对其中细胞环境的改进控制，以便于进行与细胞生长、老化、抗生素抗性等相关的实验。而且，微流体芯片由于其样本体积小、成本低和可处置性而非常适合于包括识别病原体和即时诊断的诊断应用。
5.在一些应用中，微流体芯片被配置为生成液滴以便于对样品进行分析。液滴能够封装正在研究中的细胞或分子，从而有效地放大其浓度并增加反应次数。因此，基于液滴的微流体芯片可以非常适合诸如化学筛选和pcr之类的高通量应用。
6.传统上的芯片的微流体网络的测试空间是利用将网络入口端口处的压力增加到环境压力以上来加载样品，使得样品流到测试空间。这些微流体芯片通常必须在液滴形成后平衡测试空间与周围环境之间的压力，例如通过允许至少一部分液体通过第二端口离开的方式。为防止压力平衡期间的液滴损失，这些芯片可能需要额外的机构来将液滴保持在测试空间中。在许多芯片中，测试空间中的液滴优选形成二维阵列，其中液滴重叠、堆叠和/或压缩最少，以便于对其分析。例如，当液滴重叠、堆叠和/或压缩时，它们可能更难相互区分。
7.测试空间可以具有液滴容量，如果超过该液滴容量，将不期望地导致该测试空间中的液滴重叠、堆叠和/或压缩，尤其是当芯片具有液滴保持机构时。减轻这种不利影响的尝试在很大程度上并不令人满意，并且是昂贵的和/或复杂的。例如，控制引入到入口端口中的液体的体积(例如使得该体积能够在不会使测试空间过载的情况下产生足够用于分析的液滴)可能是困难且不切实际的。此外，当达到测试空间的液滴容量时使流停止的流动控制机构通常既昂贵又复杂。
8.当同时加载多个微流体网络时，可能会增加与体积控制和流动控制相关联的这些
挑战。在这些情况下，网络的测试空间中的一个可能在其他网络之前达到其容量，因为更大体积的液体可能已被引入到该网络的入口端口中和/或测试空间可能具有不同的液滴容量。如果不独立控制，当部分加载的测试空间的加载完成时，满容量的测试空间可能会继续接收液滴，这会产生不期望的液滴重叠、堆叠和/或压缩。随着微流体网络数量的增加，防止这种体积不匹配会变得特别困难。并且流动控制的费用和复杂性也可能随着微流体网络的数量而增加，因为这样的系统可能需要对网络中每一个进行独立的流动控制。


技术实现要素：

9.因此，本领域需要能够有效地(并以简单且具有成本效益的方式)减轻当测试空间在达到其液滴容量后继续加载液滴时可能导致的液滴的重叠、堆叠和/或压缩的微流体芯片。本发明的芯片能够通过使用沟槽来解决这一需求，该沟槽沿测试空间的周边的至少一部分(例如至少大部分)设置，并且该沟槽的沿沟槽的深度比测试空间在周边处的深度大至少10％。与传统芯片不同，以这种方式，沟槽能够提供相对较大的区域，液滴能够通过该区域离开测试空间，使得当达到测试空间的液滴容量时，液滴移除的速率能够类似于或大于额外的液滴进入测试空间的速率。因此，即使在额外的液滴被引入到满容量的测试空间中时，也可以减轻液滴重叠、堆叠和/或压缩。以这种方式(无论是加载单个微流体网络还是同时加载多个微流体网络)，沟槽能够便于液滴的二维阵列的形成，该二维阵列的形成促进对该液滴的准确分析，而无需精确、昂贵和/或复杂的体积控制和流动控制。
10.一些本发明的微流体芯片包括主体和由主体限定的微流体网络，网络包括一个或更多个入口端口，一些本发明的方法包括将液体设置在微流体网络的一个或更多个入口端口中的第一入口端口内。在一些实施例中，网络包括一个或更多个入口端口、测试空间以及在入口端口与测试空间之间延伸的一个或更多个流动路径。在一些实施例中，沿流动路径中每一个，流体被允许从入口端口中的一个流动穿过至少一个液滴生成区域并流动到测试空间，在该至少一个液滴生成区域中流动路径的最小横截面积沿流动路径增加。一些方法包括沿流动路径中的第一流动路径引导至少一部分液体，使得部分液体从第一入口端口流动穿过至少一个液滴生成区域并流动到测试空间，在该至少一个液滴生成区域中第一流动路径的最小横截面积沿第一流动路径增加。
11.在一些实施例中，网络包括沿测试空间的周边的至少一部分、可选地至少大部分设置的沟槽，使得来自流动路径的流体在未流过测试空间的情况下不被允许流入到沟槽中。在一些实施例中，沿着沟槽，沟槽的深度比测试空间在周边处的深度大至少10％、可选地大至少90％。在一些实施例中，测试空间的深度为15至90微米(μm)和/或在整个测试空间上基本相同。在一些实施例中，沟槽的深度为至少100μm。在一些实施例中，垂直于沟槽的中心线截取的沟槽的最大横向尺寸小于或等于测试空间的宽度和长度中的每一个的10％。在一些实施例中，网络包括与沟槽流体连通的一个或更多个出口端口，使得流体在未流过测试空间的情况下被允许从沟槽流动到出口端口。
12.在一些方法中，沿第一流动路径对至少一部分液体进行引导，使得由这部分液体形成液滴并被引导至测试空间，液滴中的至少一个从测试空间流动到沟槽，并可选地流动到出口端口中的一个。在一些方法中，每个液滴的体积为25至500皮升。
13.在一些实施例中，流动路径中的每一个在至少一个液滴生成区域中包括收缩段、
恒定段和膨胀段，使得流体被允许离开收缩段进入到恒定段中并流动到膨胀段。在一些实施例中，恒定段的深度比收缩段的深度大至少10％，并且该深度可选地沿恒定段的长度的至少90％基本相同。在一些实施例中，膨胀段的深度随着远离恒定段而增加。在一些方法中，沿第一流动路径对至少一部分液体进行引导，使得该部分液体离开收缩段进入到恒定段中并流动到膨胀段。
14.在一些实施例中，微流体网络是第一微流体网络，并且可选地，主体限定第二微流体网络。在一些实施例中，第二网络包括一个或更多个入口端口、测试空间以及在入口端口与测试空间之间延伸的一个或更多个流动路径。在一些实施例中，沿第二网络的流动路径中的每一个，流体被允许从入口端口中的一个流动穿过至少一个液滴生成区域并流动到测试空间，在该至少一个液滴生成区域中流动路径的最小横截面积沿流动路径增加。在一些实施例中，第二网络包括沿测试空间的周边的至少一部分设置的沟槽，使得来自流动路径的流体在未流过测试空间的情况下不被允许流入到沟槽中。在一些实施例中，沿着第二网络的沟槽，沟槽的深度比测试空间在周边处的深度大至少10％。
15.在一些方法中，液体是第一液体并且这些方法包括将第二液体设置在第二网络的入口端口中的第一入口端口内。一些这样的方法包括在沿着第一网络的第一流动路径引导至少一部分第一液体的同时，沿着第二网络的流动路径中的第一流动路径引导至少一部分第二液体，使得部分第二液体从第一入口端口流动穿过至少一个液滴生成区域并流动到测试空间，在该至少一个液滴生成区域中第一流动路径的最小横截面积沿第一流动路径增加。在一些方法中，对于第一网络和第二网络中的至少一个，至少通过(1)降低第一端口处的压力，使得气体从测试空间沿流动路径中的至少一个流出第一端口；以及增加第一端口处的压力，使得部分液体从第一端口流动穿过液滴生成区域中的至少一个并流动到测试空间来沿着第一流动路径对至少一部分液体进行引导。
16.术语“耦接”被定义为连接，但不一定是直接地，也不一定是机械地；“耦接”的两个物品可以彼此成一体的。除非本公开另有明确要求，否则术语“一”和“一个”被定义为一个或更多个。术语“基本上”被定义为在很大程度上但不一定完全是指定内容，并且包括指定内容；例如，基本上90度包括90度，并且基本上平行包括平行，如本领域普通技术人员所理解的。在任何公开的实施例中，术语“基本上”可以用指定的“[百分比]内”替代，其中百分比包括0.1％、1％、5％和10％。
[0017]
术语“包括”及其任何形式(诸如“包含”和“含有”)、“具有”及其任何形式(诸如“拥有”和“带有”)以及“包含”及其任何形式(诸如“含”和“包含有”)是开放式连接动词。结果是，“包括”、“具有”或“包含”一个或更多个元件的装置具备该一个或更多个元件，但不限于仅具备这些元件。同样，“包括”、“具有”或“包含”一个或更多个步骤的方法具备该一个或更多个步骤，但不限于仅具备该一个或更多个步骤。
[0018]
任何装置、系统和方法的任何实施例可以由或基本上由任何所描述的步骤、元件和/或特征组成(而不是包括/具有/包含任何所描述的步骤、元件和/或特征)。因此，在任何权利要求中，术语“由...组成”或“基本上由...组成”能够代替上面列举的任何开放式连接动词，以便改变给定权利要求的范围，使其与使用开放式连接动词的范围不同。
[0019]
此外，以某种方式配置的设备或系统至少以这种方式进行配置，但其也能够以具体描述的方式以外的其他方式进行配置。
[0020]
除非本公开或实施方式的性质明确禁止，否则即使没有描述或说明，一个实施方式的一个或多个特征也可以应用于其他实施方式。
[0021]
下面描述与上述实施例和其他实施例相关联的一些细节。
附图说明
[0022]
以下附图以示例而非限制的方式示出。为了简洁明了，给定结构的每个特征并不总是在该结构出现的每个附图中都标记出来。相同的附图标记不一定指示相同的结构。相反，相同的附图标记可以用来指示相似的特征或具有相似功能的特征，不同的附图标记同样可以。除非另有说明，否则附图中的视图是按比例绘制的，这意味着至少对于视图中的实施例，所描绘的元件的大小相对于彼此是准确的。
[0023]
图1a是本发明微流体芯片中的一个的分解的立体视图，该微流体芯片具有限定多个微流体网络的主体。微流体网络中的每一个被配置为生成能够被收集在网络的测试空间(test volume)中的液滴。
[0024]
图1b是图1a的芯片的俯视图，示出了该芯片的入口端口和出口端口。
[0025]
图1c至图1f分别是图1a的芯片的左视图、右视图、前视图和后视图。
[0026]
图1g是图1a的芯片的第一工件的仰视图，其中芯片的第二工件被移除。图1g示出了由芯片限定的微流体网络。
[0027]
图1h是图1a的芯片的微流体网络中的一个的放大视图。
[0028]
图2是沿图1b的线2-2截取的图1a的芯片的截面视图。图2示出了芯片的微流体网络中的一个的入口端口和与该入口端口连接的流动路径的一部分。
[0029]
图3a是图1a的芯片的微流体网络中的一个的液滴生成区域中的一个的放大视图。在液滴生成区域中，流动路径包括收缩段、恒定段和膨胀段，使得流动路径的最小横截面积沿着流动路径增加。
[0030]
图3b是沿图3a的线3b-3b截取的图1a的芯片的局部截面视图。图3b示出了收缩段与连接到收缩段的上游通道的相对大小。
[0031]
图3c是沿图3a的线3c-3c截取的图1a的微流体芯片的局部截面视图。图3c示出了恒定段和膨胀段相对于收缩段的几何形状，膨胀段具有由单个平面表面限定的坡道。
[0032]
图4是本发明微流体芯片的另一个实施例的液滴生成区域的局部截面视图，其与图1a的芯片基本相似，主要的例外是图4芯片中的膨胀段的坡道是由多个台阶限定的。
[0033]
图5a至图5d示出了当液体从收缩段进入恒定段并且向膨胀段流动时图1a的芯片中液滴的生成。
[0034]
图6是沿图1h的线6-6截取的图1a的芯片的局部截面视图，并且示出了设置在测试空间周边的沟槽。
[0035]
图7a和图7b示出了当液滴从测试空间进入沟槽时图1a的芯片中沟槽的功能性。
[0036]
图8是包括真空室的系统的示意图，该真空室能够用来改变一些本发明的微流体芯片的入口端口处的压力，以从芯片的测试空间中排出气体并将液体加载到芯片的测试空间中。该系统可以包括真空源、一个或更多个控制阀和控制器以调节产生或排放真空的速率。
[0037]
图9a至图9d是示出了加载微流体芯片的一些本发明方法的示意图，其中液体被加
载到端口中，气体穿过液体从测试空间中排出，并且液体流过至少一个液滴生成区域以形成液滴。
具体实施方式
[0038]
从图1a至图1h开始，示出的是本发明的微流体芯片10的第一实施例。芯片10可以包括主体14，该主体限定了一个或更多个(可选地两个或更多个)微流体网络18(图1g)；如图所示，芯片限定了多个网络。主体14可以由任何合适的材料制成并且可以包括单个工件或多个工件(例如22a和22b)，其中工件中的至少一个限定了微流体网络18的至少一部分。例如，如图所示，芯片10的主体14包括两个工件22a和22b，其中工件中的至少一个可以包括(例如刚性的)聚合物，并且可选地，工件中的一个可以包括聚合物膜。
[0039]
尤其参照图1h，其示出了芯片10的微流体网络18中的一个，这些微流体网络中每一个可以包括被配置为接收用于分析的液体(例如液滴)的测试空间30。例如，芯片10能够被配置为允许识别封装在设置在测试空间30中的微流体液滴内的病原体。然而，在其他实施例中，芯片10能够用于任何其他合适的微流体应用(例如dna分析、药物筛选、细胞实验、电泳和/或类似应用)。
[0040]
为了允许加载测试空间30，微流体网络18中的每一个能够包括一个或更多个入口端口26、测试空间30以及在入口端口与测试空间之间延伸的一个或更多个流动路径34。沿着流动路径34中的每一个，流体能够从入口端口26中的一个流动穿过至少一个液滴生成区域38(下面将进一步详细描述)并流动到测试空间30，使得液滴能够形成并被引入到测试空间中以供分析。流动路径34能够由一个或更多个通道和/或流体能够流过的其他通路来限定。流动路径34中的每一个能够具有任何合适的最大横向尺寸(例如垂直于流动路径的中心线截取的最大横向尺寸，其小于或等于2000、1500、1000、500、300、200、100、50或25μm中的任何一个，或者在其中任意两个之间)以促进微流体流动。
[0041]
微流体网络18中的每一个能够被配置为允许测试空间30的真空加载，例如通过在将液体引入测试空间中之前允许将来自测试空间的气体排出。例如，当液体被设置在入口端口26中的至少一个中时，能够通过降低入口端口处的压力，使得测试空间30中的气体流经流动路径34中的至少一个、流过液体并从入口端口流出来实现气体排出。通过增加入口端口26处的压力，能够将液体引入到测试空间30中(例如以供分析)，使得液体从入口端口流动穿过流动路径34中的至少一个并流入到测试空间中。
[0042]
另外参照图2，入口端口26中的每一个和与其连接的流动路径34的部分42的相对尺寸能够在气体穿过液体时促进气泡的形成，并且能够最小化或防止液体损失(例如如果产生团状流，则可能会导致液体损失)。例如，流动路径34的部分42能够具有小于入口端口26的最小横截面积54(垂直于该部分的中心线58截取)的最小横截面积46(垂直于入口端口的中心线58截取)，例如，最小横截面积小于或等于入口端口的最小横截面积的90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％或10％中的任何一个，或者在其中任意两个之间(例如小于或等于90％或10％)。部分42的较小横截面积能够促进直径小于入口端口26的直径的气泡的形成，使得在气体排出期间减轻团状流从而减轻液体损失。气泡能够搅动从而混合入口端口26中的液体以便于该液体在测试空间30中的加载和/或分析。
[0043]
液滴生成区域38能够被配置为以任何合适的方式形成液滴。例如，另外参照图3a
至图3c，对于流动路径34中的每一个，在液滴生成区域38中的至少一个中流动路径的最小横截面积能够沿流动路径增加。为了说明，在液滴生成区域38中，流动路径34能够包括收缩段62、恒定段66和/或膨胀段70。
[0044]
收缩段62能够被配置为促进液滴生成。如图所示，例如，收缩段62能够在入口74a与出口74b之间延伸，其中入口连接到通道78，使得液体能够从通道进入收缩段(图3a和3b)。通道78能够具有分别大于收缩段62的最大横向尺寸90和最大深度94的最大横向尺寸82(垂直于通道的部分的中心线截取)和/或最大深度86(垂直于通道的部分的中心线和横向尺寸截取)。例如，通道78的最大横向尺寸82和最大深度86中的至少一个能够大于或等于10、25、50、75、100、125、150、175或200μm中的任何一个，或者在其中任意两个之间(例如75至170μm)，而收缩段62的最大横向尺寸90能够小于或等于200、175、150、125、100、75或50μm中的任何一个，或者在其中任意两个之间，并且最大深度94能够小于或等于20、15、10或5μm中的任何一个，或者在其中任意两个之间(例如10至20μm)。并且，收缩段62能够在入口74a与出口74b之间限定收缩部，流动路径34的收缩段在该收缩部处的最小横截面积98(垂直于该收缩部的中心线截取)能够比在入口处和/或出口处小(例如小至少10％)。收缩段62(例如在收缩部处)的最小横向尺寸102能够小于或等于40、35、30、25、20或15μm中的任何一个，或者在其中任意两个之间，收缩段在入口74a与出口74b之间的长度106能够大于或等于250、300、350、400、450、500、550、600、650、700或750μm中的任何一个，或者在其中任意两个之间，(例如450至750μm)，这确保了收缩段62在液滴夹断期间保持准备就绪。
[0045]
液滴的形成能够通过使液体在其收缩后膨胀来实现。沿流动路径34，来自收缩段62的液体能够进入膨胀区域110，流动路径在该膨胀区域中的最小横截面积114大于流动路径在收缩段中的最小横截面积98(图3c)。例如，横截面积114能够比横截面积98大至少10％、50％、100％、200％、300％、400％、500％或1000％。这种膨胀可以包括流动路径34在深度上的变化。流动路径34在膨胀区域110中的深度(例如118、126a和/或126b)能够比收缩段62的最大深度94大至少10％、50％、100％、150％、200％、250％或400％，例如大于或等于5、15、30、45、60、75、90、105或120μm中的任何一个，或者在其中任意两个之间(例如35至45μm或65至85μm)。沿着流动路径34从收缩段62流到膨胀区域110的液体能够由此膨胀并形成液滴。
[0046]
这些深度变化能够发生在流动路径34的恒定段66和/或膨胀段70中，其中允许从入口端口26中的一个流动到测试空间30的液体离开收缩段62进入到恒定和/或膨胀段中。在图3c所示的实施例中，液体的膨胀能够利用恒定段66和膨胀段70两者来实现，其几何形状能够促进基本大小相同的液滴的形成，并且便于在测试空间30中进行合适的液滴布置。恒定段66和膨胀段70能够被设置成使得允许从入口端口26中的一个流动到测试空间30的流体从收缩段62穿过恒定段流动到膨胀段。恒定段66能够具有深度118，该深度能够等于膨胀区域110的最小深度并且大于(例如大至少10％或至少50％)收缩段62的最大深度94，例如大于或等于5、20、35、50、65或80μm中的任何一种，或者在其中任意两个之间(例如35至45μm)。恒定段66的深度118能够沿其在收缩段62与膨胀段70之间的长度122的至少90％基本相同。恒定段66能够具有任何合适的长度122，以允许完成液滴形成(包括液滴夹断)，例如，长度大于或等于15、25、50、100、200、300、400或500μm中的任何一个，或者在其中任意两个之间(例如150至200μm)。
[0047]
膨胀段70能够膨胀成使得沿流动路径34朝向测试空间30移动，膨胀段的深度从第一深度126a增加到第二深度126b。第一深度126a和第二深度126b例如能够分别是膨胀区域110的最小深度和最大深度。为了说明，膨胀段70能够限定具有坡度134的坡道130，该坡度相对于收缩段62以一角度138成角度地设置，使得膨胀段的深度随着远离恒定段而增加。如相对于与收缩段62的中心线平行的方向测量的角度138能够大于或等于5
°
、10
°
、20
°
、30
°
、40
°
、50
°
、60
°
、70
°
或80
°
中的任何一个，或者在其中任意两个之间(例如20
°
至40
°
)。坡道130能够从恒定段66(例如使得深度126a与深度118基本相同)延伸到在该处膨胀区域110达到其最大深度126b的点，该最大深度能够大于或等于15、30、45、60、75、90、105或120μm中的任何一个，或者在其任意中两个之间(例如65至85μm)。如图所示，坡道130由(例如单个)平面表面限定。然而，参照图4，在其他实施例中，坡道130能够由多个台阶142限定(例如，如果芯片10是利用平版印刷生产的模具制造的，这能够是有成本效益的)，这些台阶中的每一个都具有适当的上升部146和行进部150，使得坡道具有上述坡度134中任何一个。
[0048]
另外参照图5a至图5d(其示出了使用相对于图3c描述的收缩段62、恒定段66和膨胀段70来形成液滴)，当液体从收缩段流动到恒定段时，液滴154能够在存在非水性液体162的情况下由水性液体158形成。按照大小，恒定段66能够压缩液滴154以防止其完全膨胀(图5a和图5b)。恒定段66由此能够防止液滴154彼此堆叠，使得液滴能够在测试空间30中以二维阵列设置。这样的阵列能够便于液滴154的准确分析。从恒定段66流动到膨胀段70的经压缩的液滴154能够沿坡道130行进并减压(图5c和图5d)。减压能够降低液滴154的表面能，使得液滴沿坡道130被推进并离开膨胀段70(例如朝向测试空间30)。至少通过将液滴154推出膨胀段70，坡道130能够减轻在收缩段62的出口74a与恒定段66之间的界面处的液滴积聚，使得液滴154不会阻碍随后的液滴形成。因为这种阻碍会导致液滴大小的不一致，所以通过减轻堵塞，膨胀段70能够促进形成大小一致的液滴，例如，这些液滴中每个液滴的直径在液滴彼此直径的3-6％内。
[0049]
液滴生成区域38能够具有其他配置以形成液滴。例如，液体的膨胀能够单独利用恒定段66、单独利用膨胀段70或者利用恒定段上游的膨胀段来实现。并且在其他实施例中，液滴生成区域38中的至少一个能够被配置为经由t形接头(例如两个通道(水性液体158流过一个通道，非水性液体162流过另一个通道)在该t形接头处连接使得非水性液体剪切水性液体以形成液滴)、流动聚焦地、共流地和/或类似方式形成液滴。在一些这样的替代实施例中，微流体网络18中的每一个能够包括多个入口端口26，并且水性液体158和非水性液体162能够设置在不同的入口端口中(例如使得它们能够在接头处相遇以用于液滴生成)。
[0050]
至少部分地由于液滴生成区域38的几何形状，液滴154能够具有相对较低的体积，例如，小于或等于10000、5000、1000、500、400、300、200、100、75或25皮升(pl)中的任何一个，或者在其中任意两个之间(例如25至500pl)。相对较低的体积的液滴154能够便于对例如由水性液体包含的微生物进行分析。在液滴生成期间，一种或更多种微生物中的每一种能够由液滴154中的一个封装(例如使得封装液滴中的每一个都包括单一微生物和可选的其后代)。由于液滴体积小，液滴中经封装的微生物的浓度可以相对较高，这可以允许对其进行检测，而无需长时间培养来繁殖微生物。
[0051]
来自液滴生成区域38的液滴能够流动到测试空间30，该测试空间能够具有容纳足够的用于分析的液滴的液滴容量。例如，测试空间30的大小能够被设置为容纳大于或等于
1000、5000、10000、20000、30000、40000、50000、60000、70000、80000、90000或100000中的任何一个或者在其中任意两个之间数量的液滴(例如13000到25000个液滴)。为此，测试空间30能够具有长度166和宽度170，该长度大于或等于9、10、11、12、13、14、15、16或17mm中的任何一个，或者在其中任意两个之间(例如11至15mm)，该宽度大于或等于3、4、5、6、7、8、9、10或11mm中的任何一个，或者在其中任意两个之间(例如5至9mm)。测试空间30还能够具有能够(例如在不压缩液滴的情况下)容纳液滴同时减轻液滴堆叠的深度186。深度186例如能够大于或等于15、30、45、60、75、90、105或120μm中的任何一个，或者在其中任意两个之间(例如15至90μm，诸如65至85μm)(例如与膨胀区域110的最大深度126b基本相同)，并且可选地，能够在整个测试空间30上基本相同。
[0052]
在传统芯片中，当达到测试空间的液滴容量时，液滴可能重叠、堆叠和/或压缩，这能够对其分析产生不利影响。例如，当使用成像系统分析液滴时，经重叠、堆叠和/或压缩的液滴可能难以区分，这会降低分析期间所捕获的信息的质量。参照图6，微流体网络18中的每一个能够包括沟槽174，当测试空间30达到其液滴容量时，沟槽174可以减轻这些不希望的影响。沟槽174能够沿测试空间30的周边178的至少一部分(例如至少大部分)设置，使得来自流动路径34的流体在未流过测试空间的情况下不被允许流入到沟槽中；这并不排除以下可能性：网络的一个或更多个其他流动路径可以在流体未流过测试空间的情况下允许流体流入到沟槽中。沿沟槽174，沟槽的深度182能够比测试空间30在周边178处的深度186大至少10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％或110％(例如至少90％)，例如大于或等于100、115、130、145、160、175、190、205、220、235或250μm中的任何一个，或者在其中任意两个之间(例如140至160μm)。并且沟槽174的最大横向尺寸190(垂直于该沟槽的中心线截取)能够小于或等于测试空间30的长度166和宽度170中的每一个的12％、10％、8％、6％、4％或2％中的任何一个，或者在其中任意两个之间，诸如小于或等于210、200、190、180、170或160μm中的任何一个，或者在其中任意两个之间。
[0053]
另外参照图7a和图7b(其示出了沟槽174的使用)，当测试空间达到一定容量时(图7b)，(例如，至少部分地由于水性液体158与非水性液体162之间的浮力差异)测试空间30中的液滴154(图7a)能够在沟槽中上升或下降。沟槽174的深度182能够(但不是必须)远离测试空间30的周边178而增加(例如，直到深度达到最大值)，以促进该移动。通过沿周边178的至少一部分(例如至少大部分)定位，沟槽174能够提供相对较大的区域，液滴能够通过该区域离开测试空间30。以这种方式，当测试空间达到满容量时，从测试空间30中移除液滴的速率可以与液滴从液滴生成区域38进入测试空间的速率类似或比其快，由此减轻积聚，从而减轻该测试空间中的液滴堆叠、重叠和/或压缩。
[0054]
当液体被并行加载到多个微流体网络18中时(例如当芯片10具有多个网络时和/或当加载多个芯片时)，沟槽174能够特别有利。如果在每个微流体网络18中引入不同量的液体和/或如果网络的测试空间30具有不同的液滴容量，则测试空间中的至少一个测试空间可以在其他测试空间满载前达到容量。在常规芯片中，对部分加载的测试空间进行持续加载可能会导致满容量的测试空间中的液滴不期望地堆叠、重叠和/或压缩。微流体网络18至少能够解决这个问题，因为微流体网络18各自包括沟槽174，满容量的测试空间30中的液滴能够以足以减轻这些液滴堆叠、重叠和/或压缩的速率离开，同时部分加载的测试空间继续并行加载。因此，即使测试空间在不同时间达到容量，也能够将合适的液滴阵列加载到测
试空间30中的每一个中。并且这种并行加载能够在没有针对微流体网络18中的每一个进行昂贵且复杂的独立流动控制的情况下实现。
[0055]
一个或更多个出口端口194能够经由一个或更多个出口通道198与沟槽174流体连通，使得流体能够在未流过测试空间30的情况下从沟槽流动到出口端口。出口端口194中的每一个能够与入口端口26基本相似(例如，这些出口端口中的每一个相对于与其相连的出口通道198的部分的尺寸可以与入口端口中的每一个相对于部分42的尺寸相同)。以这种方式，从测试空间30进入沟槽174的液滴能够继续流向出口端口194，该出口端口能够容纳液滴从而允许从测试空间30中移除大量液滴，以减轻这些液滴的堆叠、重叠和/或压缩。在其他实施例中，作为对出口端口194的替代或补充，芯片10能够包括分别密封的(例如，使得液体不能经由容器被引入到芯片中)一个或更多个容器，该容器也能够经由出口通道198从沟槽174接收液滴。对于芯片10不包括出口端口194的实施例来说，芯片能够是单个端口芯片(例如，其中入口端口26由单个入口端口组成)。
[0056]
参照图8，示出了系统202，其能够用于加载至少一个本发明的芯片(例如10)的一个或更多个微流体网络18中的每一个的测试空间30。系统202能够包括真空室206，该真空室被配置为接收和容纳微流体芯片。真空源210和一个或更多个控制阀(例如214a-214d)能够被配置为调节真空室206内的压力。例如，真空源210能够被配置为从真空室206中移除气体，并由此降低该真空室中的压力(例如，降低到环境压力以下)，从而降低在微流体芯片中的每一个的入口端口(例如26)处的压力。降低的压力能够促进微流体芯片的气体排出。控制阀中的每一个能够在关闭位置与打开位置之间移动，其中控制阀分别阻止和允许真空室206、真空源210和/或外部环境218之间的流体传递。例如，在真空室206中生成真空之后，打开至少一个控制阀能够允许气体(例如从外部环境218)进入真空室以增加该真空室中的压力(例如增加至环境压力)，从而增加在微流体芯片中每一个的入口端口处的压力。增加的压力能够促进液滴的生成和测试空间30的液体加载。
[0057]
系统202能够包括控制器222，该控制器被配置为控制真空源210和/或控制阀以调节真空室206中的压力。控制器222能够被配置为从压力传感器226接收真空室压力测量结果。至少部分地基于这些压力测量结果，控制器222能够被配置为启动真空源210和/或控制阀中的至少一个，例如以在真空室206内实现目标压力(例如，利用比例积分微分控制器)。例如，系统202的控制阀能够包括慢阀214a和快阀214b，该慢阀和该快阀中的每一个(当处于打开位置时)允许流体在真空室206与真空源210和外部环境218中的至少一个之间流动。系统202能够被配置为使得气体能够流过慢阀214a的最大速率低于气体能够流过快阀214b的最大速率。如图所示，例如，系统202包括与慢阀214a流体连通的限制装置230。控制器222能够至少通过选择和打开慢阀214a(例如用于低流速)和快阀214b(例如用于高流速)中的至少一个并关闭未选择的阀(如果有的话)来控制气体进入或逸出真空室206的速率，从而控制真空室中压力的变化速率。因此，能够在不需要可变功率真空源或比例阀的情况下实现合适的控制，尽管在一些实施例中，真空源210能够提供不同水平的真空功率和/或控制阀214a-214d中的至少一个能够包括比例阀。
[0058]
系统202的控制阀能够包括真空阀214c和排放阀214d。在气体排出期间，能够打开真空阀214c并且能够关闭排放阀214d，使得真空源210能够从真空室206抽取气体并且将真空室与外部环境218隔离。在液体引入期间，能够关闭真空阀214c并且能够打开排放阀
214d，使得气体(例如空气)能够从外部环境218流入到真空室206中。慢阀214a和快阀214b能够与真空阀214c和排放阀214d两者流体连通，使得控制器222能够在两个阶段期间利用慢阀和快阀调节进出真空室206的流速。
[0059]
参照图9a至图9d，示出了说明加载微流体芯片(例如10)的本发明方法中的一些方法的示意图，该微流体芯片能够是上述那些微流体芯片中的任何一种，芯片能够具有限定一个或更多个微流体网络(例如18)的主体(例如14)，该微流体网络各自具有上述特征(例如入口端口、流动路径、测试空间、液滴生成区域、沟槽、出口通道和/或出口端口)中的任何一种。对于网络中的每一个，一些方法包括以下步骤：将液体(例如156)设置在入口端口(例如26)中的第一入口端口内(图9a)。液体能够包括水性液体(例如158)(例如包含用于分析的样品(诸如病原体和/或药物)的液体)和非水性液体(例如162)(例如能够包括表面活性剂的油(诸如氟化油))。为了促进液滴的生成，与水相比，非水性液体能够相对稠密，例如非水性液体的比重能够大于或等于1.3、1.4、1.5、1.6或1.7中的任何一个，或者在其中任意两个之间(例如大于或等于1.5)。
[0060]
一些方法包括以下步骤：针对微流体网络中的每一个，沿着流动路径(例如34)中的第一流动路径引导至少一部分液体，使得这部分液体从第一入口端口流动穿过至少一个液滴生成区域(例如38)(例如在该至少一个液滴生成区域中第一流动路径的最小横截面积沿着第一流动路径增加)并流动到测试空间(例如30)(图9b和图9c)。如上所述，这能够经由真空加载来实现。一些方法例如包括以下步骤：降低第一端口处的压力，使得气体(例如164)从测试空间流动穿过至少一个流动路径并流出第一端口(图9b)。从第一端口流出的气体能够穿过液体。如上所述，第一端口和与其连接的流动路径的部分(例如42)的相对尺寸能够在气体穿过液体时促进气泡的形成。有利地，气泡能够搅动从而混合水性液体以便于该水性液体在测试空间中的加载和/或分析。
[0061]
在降低压力之前，第一端口处(以及可选地在测试空间中)的压力可以基本上是环境压力；为了从测试空间中排出气体，可以将第一端口处的压力降低到环境压力以下。例如，可以降低压力，使得第一端口处的压力小于或等于0.5、0.4、0.3、0.2、0.1或0atm中的任何一个，或者在其中任意两个之间。压力降低更大可以增加从测试空间中排出的气体量。在气体排出期间，可以将微流体网络的出口端口(例如194)中的每一个(例如利用塞子234、阀和/或类似物)密封，以防止气体通过该出口端口流入；然而，在其他实施例中，芯片可以没有出口端口。
[0062]
为了将液体加载到测试空间中，可以增加第一端口处的压力，可选地，使得在加载完成后第一端口处的压力基本上是环境压力。结果是，该部分液体可以如上所述沿着第一流动路径流动到测试空间，并且能够以任何上述方式形成多个液滴(例如154)(图9c)。例如，第一流动路径可以如上所述在至少一个液滴生成区域中包括收缩段(例如62)、恒定段(例如66)和膨胀段(例如70)，使得部分液体从收缩段流动到恒定段再流动到膨胀段，从而形成液滴。这些液滴能够进入测试空间；当液体被引入到测试空间中时，可以增加测试空间内的压力，直到该压力也基本上达到环境压力。通过实现测试空间与芯片外部环境之间的压力(例如达到环境压力)平衡，能够维持液滴在测试空间内的位置以供分析，而无需额外的密封或其他保持机构。此外，可以产生负压力梯度，因为在气体排出后，测试空间中的压力可以在芯片外部的压力以下，这种负压力梯度能够增强(例如芯片的不同工件之间的)密
封以防止芯片分层，并且能够在发生故障的情况下，通过将气体抽入到泄漏的液体中来遏制意外泄漏。例如，当水性液体包括病原体时，泄漏遏制能够提高安全性。然而，在其他实施例中，可以在不排出气体的情况下加载芯片(例如通过增加第一端口处的压力，而不事先降低压力)。
[0063]
可以使用任何合适的系统(例如图8的系统202)加载每个微流体网络中的测试空间。为了说明，针对真空加载，可以将芯片设置在基本上处于大气压下的真空室(例如202)内。(例如至少通过启动真空源(例如222)和/或打开一个或更多个控制阀(例如214a-214d)中的至少一个以允许气体从真空室中抽出)，可以降低真空室中的压力，并由此降低在第一端口处的压力。可以打开快阀(例如214b)和真空阀(例如214c)，使得真空源能够以相对较高的流速从真空室抽取气体。为了增加第一端口处的压力，可以例如通过控制控制阀中的一个或更多个以允许气体(例如空气)进入真空室，来对真空室进行排气，使得气体在该真空室中流动。例如，可以打开排放阀(例如214d)和慢阀和快阀中的至少一个，使得气体从外部环境(例如218)流入到真空室中。可以使用控制阀来控制气体流入到真空室中的速率，从而控制液体流向测试空间的速率。为了说明，可以首先打开快阀，使得气体以相对较高的速率流入到真空室中。当快阀打开时，部分液体可以相对较快地到达液滴生成区域。此后，可以关闭快阀并且可以打开慢阀，使得气体以相对较低的速率流入到真空室中。这样做可以降低该部分液体的流速，可以促进液滴的形成。
[0064]
可以同时加载(无论是由相同芯片还是由不同的芯片限定的)多个(例如两个或更多个)微流体网络。例如，芯片的一个或更多个微流体网络可以包括至少第一微流体网络和第二微流体网络。可以将第一液体和第二液体(例如各自包括水性液体和非水性液体)分别设置在第一微流体网络的第一入口端口中和第二微流体网络的第一入口端口中。可以沿着第二微流体网络的第一流动路径引导至少一部分第二液体，同时沿着第一微流体网络的第一流动路径引导至少一部分第一液体(例如，如上所述，针对网络中的每个网络)。为了说明，在加载期间，可以将芯片设置在室(例如真空室)中，使得各微流体网络的入口端口基本上同时暴露在其中的压力变化下。结果是，当室中的压力增加时，可以将第一液体和第二液体两者引导到其各自的微流体网络的测试空间。
[0065]
可以加载成使得对于微流体网络中的至少一个来说，液滴中的至少一个从测试空间流动到沟槽(例如174)，并且可选地，流动到出口端口中的一个和/或流到如上所述的密封容器(图9d)。以这种方式，即使测试空间达到容量，一部分液滴也能够在测试空间中形成合适的二维阵列以供分析。这能够便于在单个室中加载多个微流体网络，其中多个入口端口同时暴露在室中的压力变化下，即使网络中的一个的测试空间在其他网络之前达到容量，在该测试空间中的液滴也能够以足够的速率经由沟槽离开，以减轻重叠、堆叠和/或压缩，该重叠、堆叠和/或压缩可能在其他情况下，由在其他测试空间的加载完成时将额外的液滴引入到该测试空间中而引起的。因此，当加载多个微流体网络时，不需要使用独立的流动控制。
[0066]
可以利用一个或更多个传感器(例如238)分析每个测试空间中的液滴，例如利用成像传感器。作为说明，当水性液体包括包含一种或更多种微生物(例如细菌)的样品时，可以将样品的一种或更多种微生物中的每一种封装在液滴中的一个中。基本上所有的封装液滴(例如242)可以包括单种微生物(以及可选的其后代)。液体(以及因此得到的液滴)可以
包括存活指示剂(例如刃天青)，根据存活指示剂与经封装的微生物的相互作用，该存活指示剂可以具有随时间变化的特定荧光。成像传感器可以捕获该数据以例如识别经封装的微生物的种类。然而，在其他实施例中，可以使用任何合适的传感器来执行任何合适的分析。减轻测试空间中液滴的重叠、堆叠和/或压缩(由沟槽促进的特征)可以提升这种分析的准确性。
[0067]
上述说明和示例提供了对说明性实施例的结构和使用的完整描述。尽管上面以一定程度的特殊性或参考一个或更多个单独的实施例描述了某些实施例，但是在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对所公开的实施例进行多种改动。因此，方法和系统的各种说明性实施例不旨限于所公开的特定形式。相反，它们包括落入权利要求范围内的所有修改方案和替代方案，并且所示实施例以外的实施例可以包括所描绘实施例的一些或全部特征。例如，元件可以被省略或组合为一体结构，和/或连接可以被替换。此外，在适当的情况下，上述任何示例的方面可以与所描述的任何其他示例的方面结合以形成具有可比较或不同的特性和/或功能并解决相同或不同问题的其他示例。类似地，应当理解，上述益处和优点可以涉及一个实施例或可以涉及几个实施例。
[0068]
权利要求不旨在包括也不应被解释为包括装置加功能或步骤加功能的限制，除非在给定的权利要求中分别使用短语“用于...装置”或“用于...步骤”明确引用了此类限制。