用于样品分析的装置和方法与流程

用于样品分析的装置和方法
1.相关申请的交叉引用本技术要求于2019年6月3日提交的美国临时专利申请62/856,563的权益，该申请通过引用以其整体并入本文。


背景技术：

2.公开主题的领域所公开主题涉及用于样品分析的装置、系统和方法，例如在用于进行分析物分析的集成装置中。
3.相关技术的描述分析装置通常需要处理样品（例如生物流体），以制备和分析离散体积的样品。数字微流控允许处理离散体积的流体，包括电移动、混合和分裂设置在两个表面之间的缝隙中的流体液滴，其中两个表面中的至少一个包括涂覆有疏水性材料和/或介电材料的电极阵列。
4.这样的装置和系统在用于进行分析物分析的集成装置中特别有益。通常，数字微流控可用于将流体（例如样品或试剂）例如引入一个或多个井中进行分析。然而，井的存在可能影响装置的表面性质和液滴跨装置移动的行为。例如，与没有井的周围电极阵列表面相比，具有井的装置区域可以在液滴上施加增加的表面张力或阻力。增加的表面张力或阻力会阻止将流体有效加载到井或孔中，因为流体液滴倾向于绕过井以及相关联的升高的表面张力或变成被卡住或钉扎在井区的顶部。
5.因此，仍然需要改进这样的装置和系统。相对于装置电极配置井的位置、尺寸和取向可以将由井产生的不同表面性质的影响最小化，并有助于将流体有效加载到井中。
6.概述所公开主题的目的和优点将在以下描述中阐明并从以下描述中显而易见，以及将通过所公开主题的实践而习得。所公开主题的附加优点将通过在书面描述及其权利要求中以及从附图中特别指出的方法和系统来实现和获得。
7.为了实现这些和其他优点并且根据所公开主题的目的，如所体现和广泛描述的，所公开主题包括数字微流控和分析物检测装置。所述装置通常包括第一基材和第二基材，所述第一基材和所述第二基材在侧视图中彼此大体平行地对齐且其间限定有缝隙。所述第一基材和所述第二基材中的至少一个具有电极阵列，所述电极阵列被配置为产生电致动力以沿所述第一基材和所述第二基材中的所述至少一个在缝隙内推动至少一个液滴。所述电极阵列具有在平面图中限定电极阵列区域的多个电极。所述第一基材和所述第二基材中的至少一个具有在平面图中限定井阵列区域的井阵列。所述井阵列区域被限定在所述电极阵列区域内并且与所述多个电极中的每一个的一部分重叠。所述井阵列区域在平面图中与所述电极阵列区域的小于75%重叠。
8.所述多个电极中的每一个可以与所述井阵列区域的小于25％重叠。所述电极阵列可以包括在平面图中具有第一电极区域的第一电极，以及与所述第一电极相邻并且在平面
图中具有第二电极区域的第二电极。所述第一电极区域和所述第二电极区域在平面图中可以一起限定具有穿过其中的纵轴的基本平行四边形形状。所述井阵列区域可具有在对角之间穿过其中的对角轴的基本矩形形状。所述井阵列区域的所述对角轴可以与所述第一电极区域和所述第二电极区域的纵轴基本平行或共线。所述井阵列区域的第一部分可以与所述第一电极区域重叠，所述井阵列区域的第二部分可以与所述第二电极区域重叠。所述第一部分可以具有与所述第二部分基本相等的尺寸。
9.所述电极阵列可以进一步包括在平面图中具有第三电极区域的第三电极和在平面图中具有第四电极区域的第四电极。所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极可以串联限定路径，液滴可沿所述路径与所述井阵列接合。附加地或替代地，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极可以一起限定具有穿过其中的对角轴的基本正方形形状。所述对角轴可以相对于由所述井阵列限定的对角轴成约45度角设置。所述井阵列区域可以与所述第一电极区域、所述第二电极区域、所述第三电极区域和所述第四电极区中的每一个的尺寸基本相似的部分重叠。
10.所述电极阵列可以被配置为沿路径推动至少一个液滴，所述至少一个液滴的至少一部分与所述井阵列的至少一个井进行流体接触。附加地或替代地，所述电极阵列可以被配置为围绕所述井阵列的外围部分连续地推动液滴。所述电极阵列还可以被配置为将所述至少一个液滴沿路径从所述第一电极推至所述第二电极，并且所述井阵列的外围边缘的至少一部分可以相对于所述路径成0度至55度角定位。
11.所述井阵列可以包括多个飞升井，并且每个飞升井可以被配置为容纳单个珠粒（bead）。所述装置可以包括靠近所述多个井的磁体和电磁体中的至少一种。所述第一基材和所述第二基材中的至少一个可以包含pet、pmma、cop、coc、pc和玻璃中的至少一种。附加地，所述电极阵列和所述井阵列均可以限定在所述第一基材或所述第二基材中的一个中。
12.根据所公开主题的另一方面，提供了一种用于进行分析物检测的分析物检测模块。所述分析物检测模块通常包括具有第一层和第二层的基材。所述第一层包括电极阵列，所述电极阵列被配置为产生电致动力以沿所述基材的表面推动至少一个液滴。所述电极阵列具有在平面图中限定电极阵列区域的多个电极。所述第二层具有在平面图中限定井阵列区域的井阵列。所述井阵列区域被限定在所述电极阵列区域内并且与所述多个电极中的每一个的一部分重叠。所述井阵列区域在平面图中与所述电极阵列区域的小于75%重叠。
13.根据所公开主题的另一方面，提供了一种将液滴加载到分析物检测模块的井阵列中的方法。所述方法包括将母液滴引入到被限定在第一基材和第二基材之间的缝隙中。所述第一基材和所述第二基材中的至少一个具有限定在其中的电极阵列，所述电极阵列在平面图中具有电极阵列区域。所述第一基材和所述第二基材中的至少一个具有在平面图中限定井阵列区域的井阵列，所述井阵列区域被限定在所述电极阵列区域内并且在平面图中与所述电极阵列区域的小于75％重叠。所述方法进一步包括通过所述电极阵列在所述母液滴上产生电致动力来围绕所述井阵列的外围部分连续推动所述母液滴以将所述母液滴的至少一部分设置成与所述井阵列中的至少一个井流体接触。所述方法进一步包括用从所述母液滴释放的至少一个子液滴填充所述井阵列中的所述至少一个井。
14.可以将所述母液滴围绕所述井阵列的所述外围部分推动5-20个连续循环范围内的多个连续循环。
15.应当理解，前述一般描述和以下详细描述均为示例性的并且旨在提供对所要求保护的所公开主题的进一步解释。
16.包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图是为了图示说明和提供对所公开主题的进一步理解而被包括。与描述一起，附图用于解释所公开主题的原理。
17.附图简述图1a是根据所公开主题的集成数字微流控和分析物检测装置的示例性分析物检测模块的示意性侧视图。
18.图1b是根据所公开主题的集成数字微流控和分析物检测装置的另一示例性分析物检测模块的示意性侧视图。
19.图2是根据所公开主题的集成数字微流控和分析物检测装置的示例性实施方案的示意性平面图。
20.图3是图1a的分析物检测模块的局部示意性平面图。
21.图4a是图1a的分析物检测模块的局部示意性平面图。
22.图4b是根据所公开主题的另一示例性分析物检测模块的局部示意性平面图。
23.图5是图1a的其中设置有液滴的分析物检测模块的示意性侧视图。
24.图6是图1a的分析物检测模块的示意性局部侧视图，其中含有颗粒或珠粒的液滴被设置在井阵列上。
25.图7是根据所公开主题的另一示例性分析物检测模块的示意性侧视图。
26.描述现在将详细参考所公开主题的各种示例性实施方案，其中示例性实施方案在附图中图示说明。将结合系统的详细描述来描述所公开主题的结构和对应操作方法和使用方法。
27.本文描述的系统、装置和方法涉及包括在集成数字微流控和分析物检测装置中的样品分析。如本文可互换使用的，“数字微流控（dmf）”、“数字微流控模块（dmf模块）”或“数字微流控装置（dmf装置）”是指利用数字或基于液滴的微流控技术来处理液滴形式的离散的小体积液体的模块或装置。数字微流控利用乳液科学的原理以在通道中生成流体-流体分散体（例如，油包水乳液），因此可以产生单分散的液滴或气泡或具有非常低的多分散性。数字微流控基于可重构网络内不连续流体液滴的显微操作。通过组合液滴形成、易位、分裂和合并的基本操作，可以编写复杂的指令。
28.数字微流控对离散体积的流体进行操作，所述流体可以通过二进制电信号进行处理。通过使用离散的单位体积液滴，微流控操作可以被定义为一组重复的基本操作，例如，将一个单位的流体移动一个单位的距离。可以使用液体的表面张力特性形成液滴。液滴的致动基于电极产生的静电力的存在，该电极放置在液滴位于其上的底表面的下方。可以使用不同类型的静电力来控制液滴的形状和运动。一种可用于产生上述静电力的技术是基于介电泳，介电泳依赖于液滴和周围介质之间的介电常数差异，并且可以利用高频ac电场。可用于产生上述静电力的另一种技术是基于电润湿，电润湿依赖于存在于表面上的液滴和该表面之间的表面张力对被施加到该表面的电场的依赖性。
29.如本文所用，“样品”、“测试样品”或“生物样品”是指含有或怀疑含有考虑的分析物的流体样品。样品可以源自任何合适的来源。如本文所体现的，样品可以包括液体、流动
微粒固体或固体颗粒的流体悬浮液。如本文所体现的，可以在本文所述的分析之前处理样品。例如，样品可以在分析之前从其来源中分离或纯化；然而，如本文所体现的，可以直接分析包含分析物的未处理样品。分析物分子的来源可以是合成的（例如，实验室中生产的）、环境（例如空气、土壤、流体样品，例如水供应等）、动物（例如哺乳动物、爬行动物、两栖动物或昆虫）、植物或其任何组合。例如但不限于，如本文所体现的，分析物的来源是人类人体物质（例如，体液、血液、血清、血浆、尿液、唾液、汗液、痰、精液、粘液、泪液、淋巴液、羊水、间质液、肺灌洗液、脑脊液、粪便、组织、器官等）。组织可以包括但不限于骨骼肌组织、肝组织、肺组织、肾组织、心肌组织、脑组织、骨髓、子宫颈组织、皮肤等。样品可以是液体样品或固体样品的液体提取物。在某些情况下，样品的来源可以是器官或组织，例如活检样品，其可以通过组织分解或细胞裂解而溶解。
30.如本文所体现和如本文进一步描述的，集成数字微流控和分析物检测装置可具有两个模块：样品制备模块和分析物检测模块。如本文所体现的，样品制备模块和分析物检测模块是分开的或分开且相邻的。如本文所体现的，样品制备模块和分析物检测模块是共同定位的、混合的或交叉的。样品制备模块可以包括多个电极，用于移动、合并、稀释、混合、分离样品和试剂的液滴。分析物检测模块（或“检测模块”）可以包括在其中检测与分析物有关的信号的井阵列。如本文所体现的，检测模块还可以包括多个电极，用于将制备的样品的液滴移动到井阵列。如本文所体现的，检测模块可以包括在第一基材（例如，上基材）中的井阵列，该第一基材被设置在由缝隙间隔开的第二基材（例如，下基材）上方。以此方式，井阵列呈倒置取向。如本文所体现的，检测模块可以包括在第二基材（例如，下基材）中的井阵列，该第二基材被设置在由缝隙间隔开的第一基材（例如，上基材）下方。如本文所体现的，第一基材和第二基材呈面对布置。可以使用存在于第一基材和/或第二基材中的一个或多个电极将液滴推动（例如，通过电致动）至井阵列。如本文所体现的，包括井之间的区域的井阵列可以是疏水的。替代地，多个电极可以限于样品制备模块并且可以使用其他手段将制备的样品的液滴（和/或不混溶流体的液滴）推动到检测模块。
31.基于液滴的微流控是指经由有源或无源力产生和致动（例如移动、合并、分裂等）液滴。有源力的实例包括但不限于电场。示例性的有源力技术包括电润湿、介电泳、光电润湿、电极介导、电场介导、静电致动等或其组合。例如，并且如本文进一步描述的，该装置可以经由基于液滴的微流控如电润湿或经由电润湿和液滴的连续流体流的组合来在缝隙中跨第一层的上表面（或第二层的上表面，当存在时）致动液滴。替代地，该装置可包括微通道以将液滴从样品制备模块传送到检测模块。作为进一步的替代方案，该装置可以依赖于经由基于液滴的微流控在缝隙中跨疏水层的表面致动液滴。电润湿可以涉及通过向表面施加电场并影响存在于该表面上的液滴和表面之间的表面张力来改变表面的润湿特性。连续流体流可用于经由外部压力源，例如外部机械泵或集成机械微泵，或毛细管力和电动机构的组合移动液滴。无源力的实例包括但不限于t型结与流动聚焦方法。无源力的其他实例包括使用密度更大的不混溶液体，例如重油流体，其可以耦接到第一基材表面上的液滴并跨表面移动液滴。密度更大的不混溶液体可以是密度比水大并且不与水混合至可观的程度的任何液体。例如，不混溶液体可以是烃类、卤代烃类、极性油、非极性油、氟化油、氯仿、二氯甲烷、四氢呋喃、1-己醇等。
32.根据所公开主题的方面，提供了一种数字微流控和分析物检测装置。所述装置通
常包括第一基材和第二基材，所述第一基材和所述第二基材在侧视图中彼此大体平行地对齐且其间限定有缝隙。所述第一基材和所述第二基材中的至少一个具有电极阵列，所述电极阵列被配置为产生电致动力以沿所述第一基材和所述第二基材中的所述至少一个在缝隙内推动至少一个液滴。所述电极阵列具有在平面图中限定电极阵列区域的多个电极。所述第一基材和所述第二基材中的至少一个具有在平面图中限定井阵列区域的井阵列。所述井阵列区域被限定在所述电极阵列区域内并且与所述多个电极中的每一个的一部分重叠。所述井阵列区域在平面图中与所述电极阵列区域的小于75%重叠。
33.附图（其中相同的附图标记遍及各个视图指代相同或功能相似的元件）用于根据所公开主题进一步图示说明各种实施方案并解释全部的各种原理和优点。出于解释和说明而非限制的目的，根据所公开主题的包括在用于进行分析物分析的集成装置中的用于样品分析的装置的示例性实施方案在图1a-图7中示出。
34.图1a图示了集成数字微流控和分析物检测装置10的示例性分析物检测模块。装置10包括分析物检测模块，该分析物检测模块包括第一基材11和第二基材12，其中第二基材12大体平行于第一基材对齐且其间有缝隙13。如本文所体现的，第二基材12可以定位在第一基材11上方，或者替代地，第二基材12可以定位在第一基材11下方。即，要认识到术语“第一”和“第二”是可互换的并且在本文中仅用作参考点。如图1a所示，第二基材12可以与第一基材11等长。替代地，第一基材11和第二基材12可以具有不同的长度。
35.第一基材11和第二基材12中的至少一个包括被限定在其中的电极阵列。例如但不限于，并且如本文所体现的，第一基材11可以包括定位在第一基材11的上表面上的多个电极以限定电极阵列。电极阵列，例如但不限于在图3-图4b中示出的电极阵列200或400并在本文进一步讨论的，被配置为产生电致动力以沿着第一基材11和第二基材12中的所述至少一个推动至少一个液滴，如本文进一步讨论的。尽管在第一基材11中描绘了多个电极17，但是根据所公开主题的装置可以在第一基材11、第二基材12或第一基材和第二基材二者中具有电极。
36.仍然参考图1a，装置10可以包括第一部分15，其中可以将液滴，例如样品液滴、试剂液滴等引入到第一基材11和第二基材12中的至少一个上。装置10可以包括第二部分16，可以朝向第二部分16推动液滴。第一部分15也可称为样品制备模块，并且第二部分16可称为分析物检测模块。例如，可以经由液滴致动器（未示出）将液体引入到缝隙13中。替代地，液体可以经由流体入口、接口或通道进入到缝隙中。如本文进一步讨论的，例如关于图6，装置10可包括用于容纳样品、洗涤缓冲液、结合元件（binding members）、酶底物、废液等的室。分析试剂可容纳在作为集成装置的一部分的外部储器中，其中在需要用于具体的分析步骤时可以将预定体积从储器推到装置表面。此外，分析试剂可以以干燥的、印刷的或冻干的试剂的形式沉积在装置上，其中它们可以储存延长的时间而不会失去活性。此类干燥的、印刷的或冻干的试剂可以在分析物分析之前或期间再水合。
37.进一步参考图1a，介电/疏水材料层18可以设置在第一基材的上表面上。例如但不限于，并且如本文所体现的，特氟隆（teflon）可以用作介电材料和疏水材料二者。然而，如本文进一步描述的，可以使用具有介电和疏水特性的任何合适的材料。层18可以包覆电极阵列中的多个电极17。替代地，并且例如在图1b中描绘的示例性装置中示出的，介电材料层38可以设置在第一基材的上表面上并且包覆电极阵列的多个电极17。疏水材料层34可以覆
盖在介电层38上。以此方式，具有介电特性和疏水特性的材料的任何合适组合可用于分别形成层38和层34，如本文进一步描述的。
38.第一基材11和第二基材12中的至少一个具有井阵列19。例如但不限于，并且参考图1a，井阵列19可以定位在装置的第二部分16中的第一基材11的层18中。参考图1b，井阵列19可替代地定位在层34中。虽然本文参考第一基材11中的井阵列19，但井阵列19可以定位在第一基材11、第二基材12或第一基材和第二基材二者上。如本文所体现的，多个电极17和井阵列19可以限定在第一基材或第二基材中的同一个中。替代地，多个电极17和井阵列19可以限定在不同的基材中。
39.第一基材和第二基材可以由柔性材料制成，例如纸（具有喷墨印刷电极）或聚合物，例如pet、pmma、cop、coc和pc。替代地，第一基材和第二基材可由非柔性材料制成，例如印刷电路板、塑料或玻璃。出于说明而非限制的目的，如本文所体现的，基材中的一个或两个可以由单个片材制成，该片材可以经历后续处理以生成多个电极。例如，一组或多组多个电极可以在基材上制造，该基材可以被切割以形成覆盖有多个电极的多个基材。例如，电极可以经由一般的粘合剂或焊料结合到导电层的表面。
40.电极可由金属、金属混合物或合金、金属-半导体混合物或合金、或导电聚合物组成。金属电极的一些实例包含铜、金、铟、锡、氧化铟锡和铝。例如，介电层包含绝缘材料，其具有低电导率或能够维持静电场。例如，介电层可以由瓷（例如陶瓷）、聚合物或塑料制成。疏水层可由具有疏水特性的材料制成，例如特氟隆和通用碳氟化合物。在另一实例中，疏水材料可以是含氟表面活性剂（例如，fluoropel）。在包括沉积在介电层上的亲水层的实施方案中，亲水层可以是玻璃、石英、二氧化硅、金属氢氧化物或云母的层。
41.多个电极可以包括每单位面积的第一基材的一定数量的电极，该数量可以基于电极的尺寸和交叉指型电极的存在或不存在而增加或减少。电极可以使用多种工艺制造，包括电极的光刻、原子层沉积、激光划线或蚀刻、激光烧蚀、柔性印刷和喷墨印刷。例如但不限于，可以将特定的掩模图案施加到设置在第一基材的上表面上的导电层，然后激光烧蚀暴露的导电层以在第一基材上产生多个电极。
42.图2是根据所公开主题的集成数字微流控和分析物检测装置的示例性实施方案的平面图。数字微流控模块被描绘为具有形成电极阵列1049的多个电极，这些电极可操作地连接到多个试剂储器1051，其可用于产生待输送至井阵列1054的液滴。例如，一个或多个储器1051可以容纳试剂或样品。不同的试剂可以存在于不同的储器中。在微流控模块1050中还描绘了将电极阵列1049连接到电源（未示出）的接触垫1053。未描绘将电极阵列1049连接到接触垫的迹线。电极阵列1049可以将一个或多个液滴，例如但不限于缓冲液液滴或含有缓冲液和/或标记（例如但不限于，裂解的标记或解离的适体）的液滴输送至井阵列1054。
43.例如并且如本文所体现的，由多个电极产生的电势跨数字微流控装置的表面推动形成在包覆多个电极的第一层（或第二层，当存在时）的上表面上的液滴以被井阵列接收。以这种方式，每个电极可以独立地跨数字微流控装置的表面推动液滴。
44.现在参考图3，电极阵列在平面图中具有电极阵列区域。例如但不限于，并且如本文所体现的，电极阵列200在平面图中可以具有包括四个边211、212、213和214的基本矩形形状，并且电极阵列区域被限定在由电极阵列限定的区域的周边内。如本文进一步讨论的，电极阵列200可以包括第一电极201、第二电极202、第三电极203和第四电极204，每个电极
各自限定电极阵列区域的一个区域。虽然电极阵列200被示为具有基本正方形形状，但在所公开主题范围内的电极阵列可以具有任何形状。例如但不限于，参考图4b中示出的电极阵列400，电极阵列可以具有基本矩形形状。附加地或作为进一步的替代方案，电极阵列可以限定非线性周边，例如但不限于，如果形成电极阵列的电极彼此相互交叉和/或与形成在基材上的其他电极相互交叉。
45.再次参考图3，井阵列19在平面图中具有井阵列区域。例如但不限于，并且如本文所体现的，井阵列19在平面图中可以具有基本矩形形状，其具有形成井阵列区域的周边的四个边191、192、193和194。井阵列19设置在电极阵列200内，在平面图中具有被限定在电极阵列区域内的井阵列区域。因此，出于说明而非限制的目的，如本文所体现的，井阵列区域在平面图中与电极阵列区域的小于75％重叠。即，例如所示但不限于，由井阵列19的边191、192、193和194限定的井阵列区域在平面图中与由电极阵列200的边211、212、213和214限定的电极阵列区域的小于75％重叠。出于说明而非限制的目的，如本文所体现的，井阵列区域可以与电极阵列中的每个电极的小于75%重叠。例如但不限于，如图3中所示，由边191、192、193和194中的每一个形成的井阵列区域可以分别与第一电极201、第二电极202、第三电极203和第四电极204中的每一个的小于75％重叠。
46.根据所公开主题的另一方面，提供了一种用于进行分析物检测的分析物检测模块。所述分析物检测模块通常包括具有第一层和第二层的基材。所述第一层包括电极阵列，所述电极阵列被配置为产生电致动力以沿所述基材的表面推动至少一个液滴。所述电极阵列具有在平面图中限定电极阵列区域的多个电极。所述第二层具有在平面图中限定井阵列区域的井阵列。所述井阵列区域被限定在所述电极阵列区域内并且与所述多个电极中的每一个的一部分重叠。所述井阵列区域在平面图中与所述电极阵列区域的小于75%重叠。
47.根据所公开主题的另一方面，提供了一种将液滴加载到分析物检测模块的井阵列中的方法。所述方法包括将母液滴引入到被限定在第一基材和第二基材之间的缝隙中。所述第一基材和所述第二基材中的至少一个具有限定在其中的电极阵列，所述电极阵列在平面图中具有电极阵列区域。所述第一基材和所述第二基材中的至少一个具有在平面图中限定井阵列区域的井阵列，所述井阵列区域被限定在所述电极阵列区域内并且在平面图中与所述电极阵列区域的小于75％重叠。所述方法进一步包括通过所述电极阵列在所述母液滴上产生电致动力来围绕所述井阵列的外围部分连续推动所述母液滴以将所述母液滴的至少一部分设置成与所述井阵列中的至少一个井流体接触。所述方法进一步包括用从所述母液滴释放的至少一个子液滴填充所述井阵列中的所述至少一个井。
48.现在参考图4a，如本文所体现的，电极阵列200可以包括第一电极201和第二电极202。第一电极201在平面图中可以具有第一电极区域并且第二电极202在平面图中可以具有第二电极区域。出于说明而非限制的目的，并且第一电极区域和第二电极区域可以共同限定具有穿过其中的纵轴的基本平行四边形形状，并且如本文所体现的，该形状可以是具有穿过其中的纵轴的基本矩形形状。出于仅说明而非限制的目的，第一电极区域和第二电极区域的纵轴301在图4a中以虚线描绘。附加地，井阵列19可以限定在平面图中具有在对角之间穿过其中的对角轴的基本矩形形状的井阵列区域。出于仅说明的目的，井阵列19的对角轴302也在图4a中以虚线描绘。井阵列19的对角轴302可以与第一电极区域和第二电极区域的纵轴301基本平行或共线。附加地或替代地，并且如本文进一步体现的，在平面图中，井
阵列19的第一部分304a可以与第一电极201重叠，并且井阵列19的第二部分304b可以与第二电极202重叠。井阵列19的第一部分304a可以具有基本等于井阵列19的第二部分304b的尺寸。
49.进一步参考图4a，电极阵列200还可以包括第三电极203和第四电极204。如本文所体现的，第一电极201、第二电极202、第三电极203和第四电极204可以限定具有穿过其中的对角轴的基本正方形形状。仅出于说明而非限制的目的，对角轴306在图4a中以虚线描绘。电极阵列200的对角轴306可以相对于井阵列19的区域的对角轴302成约45度角设置。如本文所体现的，井阵列19可以与第一电极201、第二电极202、第三电极203和第四电极204中的每一个的区域的尺寸基本相似的部分重叠。
50.仍然参考图4a，第一电极201、第二电极202、第三电极203和第四电极204可以串联限定路径305，可以由电极阵列的电致动力沿该路径305推动至少一个液滴（未描绘）。在沿路径305推动至少一个液滴时，液滴的至少一部分可以与井阵列19的至少一部分接合。例如，电极阵列200可以被配置为沿路径305推动液滴，其中液滴的至少一部分与井阵列19中的至少一个井进行流体接触。附加地或替代地，电极阵列200可以被配置为沿路径305将液滴从第一电极201推至第二电极202。如本文所体现的，井阵列19的外围边缘的至少一部分可以相对于路径305成0度至55度角，并且可以相对于路径305成约45度角。如本文所体现的，井阵列19的外围边缘可以由四个边191、192、193和194限定。
51.参考图4b，描绘了具有六个电极的电极阵列400。第一电极401，第二电极402，第三电极403，第四电极404，第五电极405，和第六电极406可限定路径415，可以通过电极阵列的电致动力沿该路径415推动至少一个液滴（未描绘）。电极阵列400和井阵列419可具有本文所述的电极阵列和井阵列的任何特征或特征的组合。例如，并且如本文所体现的，当沿路径415推动至少一个液滴（未示出）时，液滴的至少一部分可以与井阵列419的至少一部分接合。
52.沿路径移动或推动液滴以将液滴的至少一部分设置成与井阵列19中的至少一个井进行流体接触，其可以被执行为将液滴加载到井阵列中。根据所公开主题，可以通过用电极阵列200产生电致动力来围绕井阵列19的外围部分连续地推动母液滴，并且井阵列19中的至少一个井可以填充有从母液滴中释放的至少一个子液滴。可以将母液滴连续循环推动到井阵列的外围部分。如本文所体现的，可以沿路径305围绕井阵列19的外围部分连续推动母液滴。例如但不限于，可以将液滴围绕井阵列的外围部分推动5-20个连续循环。
53.出于说明而非限制的目的，图5是另一示例性集成数字微流控和分析物检测装置100的示意性侧视图，其中在缝隙170中推动液滴180。如本文所体现的，液滴180可以包含多个珠粒或颗粒190。箭头表示液滴从第一部分115移动到包括井阵列160的第二部分130的移动方向。尽管此处图示了珠粒或颗粒，但液滴可以包含分析物分子来代替固体支持物（support）或除了固体支持物之外还包含分析物分子。出于说明而非限制的目的，示例性的液滴配置和内容物在美国专利申请公开2018/0095067中进行了描述，该专利申请公开通过引用以其整体并入本文。
54.此外，或作为替代方案，除了移动水基流体之外，不混溶流体，例如有机基不混溶流体，也可以通过电介导致动来推动。液滴致动可以与偶极矩和介电常数相关，它们是相互关联的，也与电导率相关。如本文所体现的，不混溶液体可具有大于约0.9d的分子偶极矩、
大于约3的介电常数和/或大于约10-9 s m-1
的电导率。在本文公开的分析物分析化验中使用不混溶液体的实例包括辅助水性液滴移动、置换位于井上方的水性流体、在井的光学询问之前从井中置换未沉积的珠粒/颗粒/分析物分子、密封井等。在本文公开的装置中可移动的有机基不混溶流体的一些实例包括1-己醇、二氯甲烷、二溴甲烷、thf和氯仿。满足这样的标准的有机基油在类似条件下也是可移动的。如本文所体现的，使用不混溶的流体液滴，装置中的缝隙/间隔可以填充有空气。
55.图6是图5的装置的示意性局部侧视图，其中含有珠粒或颗粒190的液滴180部分地定位在井阵列160上方。如上面参考图4a的示例性实施方案所讨论的，可以沿路径连续推动液滴180，其中液滴的至少一部分与井阵列160中的至少一个井流体接触。沿路径连续移动液滴同时保持与井阵列160中的至少一个井的流体接触可以促进颗粒或珠粒190沉积到井阵列160中。井160的尺寸可以设计为每个井容纳一个珠粒或颗粒190，或替代地，可以设计为每个井容纳多个珠粒或颗粒190。尽管此处描绘了珠粒或颗粒，但也可以如本文所述移动包含任何其他内容物（例如但不限于分析物分子）的液滴。井160的尺寸还可以设计为每个井容纳一个分析物分子，或替代地可以设计为每个井容纳多个分析物分子。
56.如出于仅说明而非限制的目的而示出的，参考图7，珠粒或颗粒190可以是磁性的，并且可以使用磁体或电磁体825向珠粒或颗粒190施加力，这可以促进将珠粒或颗粒190加载到井160中。出于说明而非限制的目的，在美国专利申请公开2018/0095067中描述了用于将珠粒、颗粒或其他液滴内容物加载到井中的示例性技术，该专利申请公开通过引用以其整体并入本文。
57.如本文所体现的，流体样品可以在用于分析之前被稀释。例如，在其中分析物分子的来源是人类体液（例如，血液、血清）的实施方案中，可以用合适的溶剂（例如，缓冲液，例如pbs缓冲液）稀释该流体。流体样品可以在使用之前被稀释约1倍、约2倍、约3倍、约4倍、约5倍、约6倍、约10倍、约100倍或更多。
58.如本文所体现的，样品可以经历预分析处理。预分析处理可以提供额外的功能，例如非特异性蛋白质去除和/或有效又可廉价实施的混合功能。用于预分析处理的一般方法可包括使用电动捕获、ac电动、表面声波、等速电泳、介电泳、电泳或本领域已知的其他预浓缩技术。如本文所体现的，流体样品可以在用于分析之前被浓缩。例如，在其中分析物分子的来源是人类体液（例如，血液、血清）的实施方案中，可以通过沉淀、蒸发、过滤、离心或其组合来浓缩流体。流体样品可以在使用之前被浓缩约1倍、约2倍、约3倍、约4倍、约5倍、约6倍、约10倍、约100倍或更多。
59.如本文所体现的，在分析物的测量之前分析物没有被放大（例如，分析物的拷贝数没有增加）。例如，当分析物是dna或rna时，分析物不被复制以增加分析物的拷贝数。如本文所体现的，分析物是蛋白质或小分子。
60.如本文所用的，术语“一个或多个液滴”和“一个或多个流体液滴”可互换使用，是指离散体积的液体，液体的形状为大体球形且被微流控装置的井或基材限定在至少一个边上。在液滴的上下文中，大体球形是指诸如球形、部分扁平的球体的形状，例如圆盘形、块（slug）状、截头球形、椭圆形、半球形或卵形。本文所公开装置中的液滴的体积的范围可以为约10
µ
l至约5pl，例如，10
µ
l-1pl、7.5
µ
l-10pl、5
µ
l-1nl、2.5
µ
l-10nl或1
µ
l-100nl，例如，10
µ
1、5
µ
l、1
µ
l、800nl、500nl或更少。
61.例如，井阵列包括多个单独的井。井阵列可以包括多个井，井数量的范围可以为10至109个/1mm2。如本文所体现的，可以制造包覆约12mm2的区域的约100,000至500,000个井（例如，飞升井）的阵列。每个井可以测量约4.2
µ
m宽x 3.2
µ
m深（体积约50飞升），并可能够容纳单个珠粒/颗粒（约3
µ
m直径）。在此密度下，飞升井以约7.4
µ
m的距离彼此间隔开。例如，可以将井阵列制造为具有直径为10nm至10,000nm的单独的井。
62.在井中放置单个珠粒、颗粒、分析物分子或其他合适的内容物可以允许数字读数或模拟读数。例如，对于少量阳性井（《~70%阳性），泊松统计可用于以数字格式定量分析物浓度；对于大量阳性井（》~70%），将承载信号的井的相对强度分别与单个珠粒、颗粒或分析物分子产生的信号强度进行比较，并用于生成模拟信号。数字信号可用于较低的分析物浓度，而模拟信号可用于较高的分析物浓度。可以组合使用数字和模拟定量，这可以扩大线性动态范围。如本文所使用的，“阳性井”是指具有与珠粒/颗粒/分析物分子的存在相关的信号的井，该信号高于阈值。如本文所使用的，“阴性井”是指没有与珠粒、颗粒或分析物分子的存在相关的信号的井。如本文所体现的，来自阴性井的信号可以处于背景水平，例如低于阈值。
63.井可以是多种形状中的任一种，例如具有平坦底面的圆柱形、具有圆形底面的圆柱形、立方体、立方形、截头圆锥体、倒截头圆锥体或圆锥体。如本文中所体现的，井可以包括侧壁，该侧壁可以被定向以促进已经被推到井阵列上方的液滴中存在的微珠粒或微颗粒的接收和保留。例如，井可以包括第一侧壁和第二侧壁，其中第一侧壁可以与第二侧壁相对。例如，并且如本文所体现的，第一侧壁相对于井的底部以钝角定向，并且第二侧壁相对于井的底部以锐角定向。液滴的运动可以是在平行于井的底部并从第一侧壁到第二侧壁的方向上。
64.例如，可以通过模制、压力、加热或激光或其组合中的一种或多种来制造井阵列。例如，可以使用纳米压印/纳米球平版印刷来制造井阵列。也可以使用本领域公知的其他制造方法。用于进行分析物分析的集成装置及其各种组件可以例如但不限于使用美国专利申请公开2018/0095067中描述的材料和技术形成，该专利申请公开通过引用以其整体并入本文。
65.本文描述的系统、装置和方法已经展示了由常规dmf分析物检测装置无法实现的期望性能特征。与周围电极阵列区域相比，井阵列区域可以在液滴上施加增加的表面张力或阻力。在传统装置中，井阵列区域的增加的表面张力或阻力会阻止流体有效地加载到井或孔中，因为流体液滴倾向于绕过井阵列区域以及相关联的升高的表面张力或变成被卡住或钉扎在井区的顶部。相对于装置电极配置井阵列的位置、尺寸和取向可以将井阵列区域的不同基材表面特性的影响最小化，并有助于将流体有效地加载到井中。
66.例如，在平面图中将井阵列区域的尺寸配置为与电极阵列区域的小于75%重叠可以减少包覆井阵列区域的液滴的量并允许更多液滴保留在电极阵列上方。这样的配置可以降低液滴变成被钉扎在井阵列区域顶部的趋势并改善液滴进入到井阵列上。井阵列相对于电极阵列的取向可以类似地改善将流体加载到井中。例如，将井阵列区域的对角轴与第一电极区域和第二电极区域的纵轴基本平行或共线地对齐可以减少包覆井阵列区域的液滴的量并允许更多的液滴保留在电极阵列上方。
67.在液滴的至少一部分与井阵列的至少一个井流体接触的情况下，围绕井阵列的外
围部分连续推动液滴可以类似地促进将流体有效加载到井阵列内的井中。相对于电极阵列区域配置井阵列区域的尺寸并且附加地或替代地相对于电极阵列配置井阵列的取向可以最小化钉扎效应并且允许围绕井阵列的外围连续地推动液滴而不会被卡在井阵列上。例如，这样的配置可以允许液滴围绕井阵列连续循环20个或更多个循环。
68.出于理解而非限制的目的，提供数据以展示由本文描述的系统、装置和方法实现的各种操作特征。表1描述了使用根据所公开主题的将液滴加载到井阵列中的方法进行的珠粒加载分析的结果。
69.表1.
70.多个井被布置成井阵列的外围边缘相对于液滴运动路径成约45度角。多个井包括间距为11
µ
m的32k个井。参考表1，“井”列表示多个井中的井的数量。“填充井”列表示在母液滴的至少一部分与井阵列中的至少一个井流体接触的情况下，在围绕井阵列的外围部分连续推动包含悬浮在其中的珠粒的母液滴之后加载有珠粒的井的数量。围绕井阵列推动的液滴包含100k个珠粒。表1的“填充百分数”列描述了井阵列中填充有珠粒的总井的百分数。如表1中所述，使用根据所公开主题的将液滴加载到井阵列中的方法实现了约92%至约99%的珠粒加载效率。使用70k个珠粒观察到了类似的结果。
71.根据所公开主题的其他方面，本文描述的数字微流控和分析物检测装置的分析物检测模块可以与例如但不限于如美国专利申请公开2018/0095067中所述的样品制备模块组合，该专利申请公开通过引用以其整体并入本文。
72.如本文所体现的，样品制备模块可用于进行免疫分析的步骤。任何免疫分析格式均可用于产生可检测信号，该信号指示样品中考虑的分析物的存在并且与样品中分析物的量成比例。
73.如本文所体现的和如本文进一步所述的，检测模块包括井阵列，其被光学询问（optically interrogated）以测量与样品中存在的分析物的量相关的信号。井阵列可以具有亚飞升体积、飞升体积、亚纳升体积、纳升体积、亚微升体积或微升体积。例如，井阵列可以是飞升井阵列、纳升井阵列或微升井阵列。如本文所体现的，阵列中的井可以全部具有基
本相同的体积。井阵列可具有高达100
µ
l的体积，例如约0.1飞升、1飞升、10飞升、25飞升、50飞升、100飞升、0.1pl、1pl、10pl、25pl、50pl、100pl、0.1nl、1nl、10nl、25nl、50nl、100nl、0.1微升、1微升、10微升、25微升、50微升或100微升。
74.如本文所体现和如本文进一步所述的，样品制备模块和检测模块均可以存在于单个基底基材上，并且样品制备模块和检测模块均可以包括用于移动液滴的多个电极。如本文所体现的，这样的装置可以包括第一基材和第二基材，其中第二基材定位在第一基材上方并且通过缝隙与第一基材分离。第一基材可以包括样品制备模块所在处的第一部分（例如，近端部分），在第一部分处液滴被引入到装置中，以及液滴朝向其推动的第二部分（例如，远端部分），检测模块位于该第二部分处。如本文所用，“近端”之于“远端”和“第一”之于“第二”是相对术语并且彼此可互换。
75.第一基材和第二基材之间的间隔的高度可以高达1mm，例如0.1
µ
m、0.5
µ
m、1
µ
m、5
µ
m、10
µ
m、20
µ
m、50
µ
m、100
µ
m、140
µ
m、200
µ
m、300
µ
m、400
µ
m、500
µ
m、1
µ
m-500
µ
m、100
µ
m-200
µ
m等。在本文所述的装置中产生并推动的液滴的体积范围可以为约10
µ
l至约5pl，诸如10
µ
l
–
1pl、7.5
µ
l
–
10pl、5
µ
l
–
1nl、2.5
µ
l
–
10nl或1
µ
l
–
100nl、800-200nl、10nl-0.5
µ
l，例如，10
µ
l、1
µ
l、800nl、100nl、10nl、1nl、0.5nl、10pl或更小。
76.如本文所体现的，第一部分和第二部分是分开的或分开且相邻的。如本文所体现的，第一部分和第二部分是共同定位的、混合的或交叉的。第一基材可包括覆盖在第一基材的上表面上并从第一部分延伸至第二部分的多个电极。第一基材可包括设置在第一基材的上表面上、包覆多个电极并从第一部分延伸至第二部分的层。第一层可以由介电且疏水的材料制成。介电且疏水的材料的实例包括聚四氟乙烯材料（例如，teflon
®
）或含氟表面活性剂（例如，fluoropel
tm
）。可以以提供基本平坦表面的方式沉积第一层。井阵列可以定位在第一基材的第二部分中并覆盖多个电极的一部分并形成检测模块。井阵列可以定位在第一层中。如本文所体现的，在制造第一层中的井阵列之前或之后，亲水层可以在第一基材的第二部分中设置在第一层上方以提供具有亲水表面的井阵列。第一基材和第二基材之间的间隔/缝隙可以填充有空气或不混溶流体。如本文所体现的，第一基材和第二基材之间的间隔/缝隙可以填充有空气。
77.如本文所体现的，样品制备模块和检测模块均可以使用单个基底基材制造，但是用于移动液滴的多个电极只能存在于仅样品制备模块中。如本文所体现的，第一基材可以包括在第一基材的第一部分处覆盖在第一基材的上表面上的多个电极，其中多个电极不延伸到第一基材的第二部分。如本文所体现的，多个电极仅定位在第一部分中。如本文所述的，第一介电/疏水材料层可以设置在第一基材的上表面上并且可以包覆多个电极。如本文所体现的，第一层可以仅设置在第一基材的第一部分上方。替代地，第一层可以在第一部分以及第二部分上方设置在第一基材的上表面上方。井阵列可以定位在第一基材的第二部分中的第一层中，形成不包括存在于井阵列下方的多个电极的检测模块。
78.如本文所体现的，第二基材可以在第一基材的第一部分和第二部分上方延伸。如本文所体现的，第二基材可以是基本透明的，至少在覆盖井阵列的区域中。替代地，第二基材可以以间隔开的方式布置在第一基材的第一部分上方并且不能布置在第一基材的第二部分上方。因此，如本文所体现的，第二基材可存在于样品制备模块中但不存在于检测模块中。
79.如本文所体现的，第二基材可以包括形成电极的导电层。导电层可设置在第二基材的下表面上。如本文所述的，导电层可以被由介电/疏水材料制成的第一层包覆。如本文所体现的，导电层可以被介电层包覆。介电层可以被疏水层包覆。导电层和包覆其的任何一个或多个层可以跨第二基材的下表面设置或者可以仅存在于第二基材的第一部分上。如本文所体现的，第二基材可以在第一基材的第一部分和第二部分上方延伸。如本文所体现的，第二基材和设置在其上的任何层（例如，导电层、介电层等）可以是基本透明的，至少在覆盖井阵列的区域中。
80.如本文所体现的，第一基材上的多个电极可以被配置为共面电极并且第二基材可以被配置为没有电极。存在于第一层和/或第二层中的电极可由基本透明的材料制成，例如氧化铟锡、氟掺杂的氧化锡（fto）、掺杂氧化锌等。
81.如本文所体现的，样品制备模块和检测模块可以在单个基底基材上制造。替代地，样品制备模块和检测模块可以在分离的基材上制造，这些基材随后可以接合以形成集成微流控和分析物检测装置。如本文所体现的，第一基材和第二基材可以使用可定位在基材之间的间隔件来间隔开。本文所述的装置可以是平坦的并且可以具有任何形状，例如矩形或正方形、带有圆角的矩形或正方形、圆形、三角形等。
82.虽然本文根据某些优选实施方案描述了所公开主题，但是本领域技术人员将认识到，在不偏离其范围的情况下可以对所公开主题进行各种修改和改进。此外，尽管所公开主题的一个实施方案的各个特征可在本文中讨论或在这个实施方案的附图中示出而未在其他实施方案中示出，但显而易见的是，一个实施方案的各个特征可以与另一实施方案的一个或多个特征或来自多个实施方案的特征组合。
83.除了下面要求保护的特定实施方案之外，所公开主题还涉及具有下面要求保护的从属特征和上面公开的那些特征的任何其他可能组合的其他实施方案。因此，在从属权利要求中提出的和上面公开的特定特征可以在所公开主题的范围内以其他方式相互组合，使得所公开主题应该被认为还特别涉及具有任何其他可能组合的其他实施方案。因此，出于说明和描述的目的，已经提出了所公开主题的特定实施方案的前述描述。并不旨在穷尽或将所公开主题限制于所公开的那些实施方案。
84.对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离所公开主题的精神或范围的情况下，可以对所公开主题的方法和系统进行各种修改和变化。因此，所公开主题旨在包括在所附权利要求及其等效物的范围内的修改和变化。