由诱发的空化所驱动的高速按需液滴生成及单细胞包封制造技术

公开了用于在第二流体中形成第一流体的液滴并在这种液滴内包封颗粒或细胞的方法和设备。用于液滴形成的动力由暂态泡的产生来提供，暂态泡可以使用脉冲激光器来诱发。通过调制脉冲激光器能够控制液滴形成的液滴体积和频率。所公开的方法和设备尤其适用于微流体设备。

【技术实现步骤摘要】
由诱发的空化所驱动的高速按需液滴生成及单细胞包封相关申请的交叉引用本申请要求于2012年2月9日提交的USSN13/370,196的权益和优先权，其整体通过引用并入本文以用于所有目的。政府支持声明本专利技术是在政府支持下进行的，美国航空和航天局颁发的许可号NCC2-1364，美国卫生研究院颁发的许可号Y018228；以及美国国家科学基金会颁发的许可号0747950、0852701和0901154。政府对该专利技术具有某些权利。
本专利技术涉及微流体领域。在某些实施方案中，提供了用于高速形成液滴和/或包封液滴、颗粒和/或细胞的方法和设备。
技术介绍
微流体设备吸引了很多关注，因为它们提供平台用于对极小体积的流体执行分析，当利用光蚀刻技术产生该设备时，能够以低成本制造。这些设备具有作为“实验室晶片”的潜力，集成多个功能性，包括例如，样本制备、支撑聚合酶链式反应的热循环以及吸收或者荧光监控。它们的紧凑尺寸使其尤其适用于便携式设备，这潜在地允许在临床医生办公室或现场进行复杂分析的性能。然而，在分析多个样本时使用微流体设备的挑战之一是样本区室化。尽管常规实验室分析器可以利用一系列试管或者类似容器以防止样本之间的污染，但是该方法难以应用于小体积流体，其中与设备表面的相互作用会取代总体流动属性。典型微流体设备利用连续通过设备的单个流体相。将离散体积的流体测试样本或者试剂引入这种设备会导致形成移过装置通道的流体段。不幸地是，这种流体段将趋于变得散布，这是由于流道内的力(诸如扩散和湍流)。此外，流体段的组分会与微流体设备的通道壁相互作用，仅在稍晚的时间被释放。这种现象会导致流体段之间的污染，并且致使需要使用降低流体通道内湍流的特征来设计这种微流体芯片，并需要设计测试协议(包括样本之间的内部体积的耗时的洗涤或者冲刷)。另外，流体段的分散使得对于特征反应难以提供流体段内含物的可再现体积和浓度。解决该问题的一个方法是引入数字微流体设备，在该设备中，用于分析或者其他处理的样本流体以离散的低体积液滴形式被引入设备的通道中。例如，以在包含不混溶油介质的通道内行进的水性液滴形式引入具有生物化学或者生物学内含物的水性样本降低了与通道壁的相互作用并且防止了散布，从而最小化液滴之间的污染。能够类似地处理用于表征这种样本的试剂。然而，为了有效，数字微流体设备需要以下机制，即，用于以精确的体积控制进行高速液滴生成以充分实现精确的高通量分析。被动机制可以用于快速连续的液滴生成，作为通过这种设备的流动的函数。以该方式可以以每秒几千液滴的速率生成高度均匀的液滴(Yobas等人，(2006)Labonachip，6:1073-1079)。US7,759,111描述了这种设备，其中由不混溶的油流从水性介质流中剪切出液滴。被动设备的另一实例公开于WO2010/110843A1，其中侵入流体通道的屏障与流体以及通道的流动特性结合作用以形成涡旋，该涡旋提供了驱动液滴形成的压力的周期变化。然而，这种设备不提供包含专门指定体积的样本流体的液滴的按需生成(例如，体积包含特定的关注细胞)，也不能自身生成具有不同体积的个体液滴。这限制了它们用于表征不同样本体积的实用性以及在各种测试协议的性能方面的实用性。用于液滴生成的主动方法能够解决这些问题，该方法依赖于使用施加的力来驱动液滴形成。这种设备可以包括调整通过设备的流动的物理部件。其的一个实例是使用压缩空气驱动的微阀，微阀集成入微流体设备(Zeng等人，(2009)Labonachip9:134-1343)，这允许以每秒高达100个液滴的速率形成可控的液滴。该方法的另一实例是使用柔性材料(PDMS)的活动壁，该活动壁集成入微流体芯片中并且由空气压力驱动以周期地中断流体相的流动以提供散布(Hsiung等人，(2006)J.MicromechanicsandMicroengineering,16:2403-2410)，这展示了高达每秒20个液滴的液滴形成速率。又一实例US2010/0059120公开了使用通过开口连接的两个通道，其中，一个通道中的流动中断器能够被触发以阻挡流体流动并且迫使其内含物的一部分进入第二通道。这种设备的另一实例描述于US2010/0163412，其公开了包括柔性流体储罐的设备，该柔性流体储罐主要被内置压电设备压缩以生成用于液滴形成的压力。这种特征显著增加了设计这些微流体设备的复杂性，进一步使得制造工艺变得复杂。这种方法的机械性质限制了能够产生液滴的频率，而且随着时间会发生改变。另外，相比使用被动设备产生的液滴，这些方法趋于产生液滴尺寸会大幅变化的液滴群。主动液滴生成的其他方法取决于使用向设备施加的无质量(massless)更少或者基本无质量的能量，从而避免机械部件的缺点。这些方法中的一些利用了向设备施加电场以改变流体流动或者更改两个流体之间的界面的属性以利于液滴形成。这会需要所涉及的流体之间大的传导差，会限制这种设备的实用性。例如，US2006/0231398公开了使用势差通过电润湿在不混溶的低阻流体与高阻流体之间移动液滴，利用势差暂时降低流体之间界面处的表面张力，直到存在的流型(flowpattern)足以生成液滴。类似方法描述于WO2010/151776，其中，势差驱动了作用之组合以生成液滴，所述作用包括两个不混溶流体之间界面中的电动流动和干涉。使用势差驱动液滴形成的又一实例见于WO2011/023405A1，其公开了喷嘴结构和建立势差的组合以将传导流体的液滴电喷射入介电流体中。US2005/0031657公开了液滴形成中涉及的不需要流体之间大传导差的方法，其描述了使用电阻加热器加热设备内的容器的一部分，直到存储于其中的一部分流体蒸发。蒸发流体的压力将一部分剩余流体通过喷嘴推入不混溶的流体。然而，该方法的液滴生成是相对慢的，每个喷嘴每秒仅产生约15-25个液滴。尽管这些方法避免了使用机械部件，但是它们需要向设备并入电极、电阻加热器或者类似部件。这增加了设计设备的复杂性，并进一步需要使用支撑特征来可靠地供给电流。专利技术简述在多个实施方案中，此处描述了用于在第二流体中快速且可重现地生成第一流体的液滴的新颖的方法和设备。所述流体可以是不混溶的，其中不混溶的流体能够包括彼此不显著可溶的流体，由于物理属性(诸如密度或者粘度)而一时间段内不混合的流体，以及由于层流而多时间段内不混合的流体。通过第一流体内的暂态泡(诸如空化泡)的膨胀和后续收缩来驱动液滴形成。或者，第一流体内的泡的形成可以引起其作用在第二流体上，从而驱动在第三流体中生成第二流体的液滴。空化泡能够使用单向能量源来生成，从而不需要向本专利技术的设备并入电极、加热器或者类似部件。合适的单向能量源包括但不限于脉冲激光器，使用其可允许以每秒小于1个至高达100,000个液滴的速度按需形成高度可再现的液滴。液滴体积能够得到控制，在某些实施方案中，液滴体积的范围为约1至约150皮升。在某些实施方案中，活细胞在高细胞活性的情况下能够被捕获到这种液滴内，在某些实施方案中，细胞活性高达92.07％。因为不需要机械阀或泵，所以这些方法和设备尤其适用于微流体设备。在一个实施方案中，第一流体和第二流体可以是不混溶的，它们可操作地联接。在某些实施方案中，可操作联接的形式可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
移动可控量的流体的方法，其包括：在第一流体中生成空化泡，其中所述空化泡向一部分所述第一流体施加足够的速率以移动可控体积的与所述第一流体可操作地联接的第二流体，其中所述第二流体的可控体积为约1微升或更少；以及其中所述空化泡的持续时间为约1毫秒或更少。

【技术特征摘要】
2012.02.09 US 13/370,1961.移动可控量的流体的方法，其包括：在第一流体中生成空化泡，其中所述空化泡向一部分所述第一流体施加足够的速率以移动可控体积的与所述第一流体可操作地联接的第二流体，其中所述第二流体的可控体积为约1微升或更少；以及其中所述空化泡的持续时间为约1毫秒或更少。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一流体和所述第二流体处于流体连通。3.根据权利要求1所述的方法，其中柔性膜介入所述第一流体和所述第二流体之间。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二流体是不混溶的。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述空化泡是通过用脉冲激光器辐射一定体积的所述第一流体而生成的。6.根据权利要求5所述的方法，其还包括使用控制器控制所述第二流体的可控体积的步骤，所述控制器调节以下至少之一：由所述脉冲激光器发出的脉冲的发生时序、由所述脉冲激光器发出的脉冲的发生频率、由所述脉冲激光器发出的脉冲的波长、由所述脉冲激光器发出的脉冲的能量、以及由所述脉冲激光器发出的脉冲的标的或位置。7.根据权利要求1所述的方法，其还包括以至少1000Hz的频率生成多个分开的额外空化泡。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二流体的可控体积为约500纳升或更少。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二流体的可控体积为约200pL或更少。10.根据权利要求1所述的方法，其中以1kHz或更高的频率重复所述方法。11.用于在设备中生成液滴的方法，其包括：提供包括第一流体的第一流体路径；包括第二流体的第二流体路径；以及使所述第一流体路径流体地联接至所述第二流体路径的开口；以及在所述第一流体路径中生成空化泡，其中所述空化泡向一部分所述第一流体施加足够的速率以挤压所述第一流体的液滴经过所述开口并进入所述第二流体路径。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一流体和所述第二流体是不混溶的流体。13.根据权利要求11所述的方法，其中所述开口构造为喷嘴。14.根据权利要求11所述的方法，其中所述空化泡是通过用脉冲激光器辐射一定体积的所述第一流体而生成的。15.根据权利要求14所述的方法，其还包括选择激光脉冲的强度、持续时间、波长和位置中的至少之一，从而产生期望体积的液滴。16.用于在设备中生成液滴的方法，其包括：提供包括第一流体的第一流体路径；包括第二流体的第二流体路径，所述第二流体路径与所述第一流体路径流体连通；包括第三流体的第三流体路径；和使所述第二流体路径流体地联接至所述第三流体路径的开口；以及在所述第一流体路径中生成空化泡，其中所述空化泡向一部分所述第二流体施加足够的速率以挤压所述第二流体的液滴经过所述开口并进入所述第三流体路径。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二流体和所述第三流体是不混溶的流体。18.根据权利要求16所述的方法，其还包括监控所述第二流体路径，并且将通过所述监控生成的数据传递至控制器。19.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二流体还包括颗粒。20.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二流体还包括细胞。21.根据权利要求16所述的方法，其中所述开口构造为喷嘴。22.根据权利要求16所述的方法，其中所述空化泡是通过辐射一定体积的所述第一流体而生成的。23.根据权利要求22所述的方法，其中所述辐射是通过控制器引发的。24.根据权利要求23所述的方法，其中所述辐射是激光脉冲。25.根据权利要求24所述的方法，其还包括选择以下至少之一的步骤：由脉冲激光器发出的脉冲的发生时序、由脉冲激光器...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱培钰，吴婷翔，朴成用，迈克尔·A·泰特尔，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US