限制蒸发和表面结垢的空气基质数字微流控装置和方法制造方法及图纸

防止或限制蒸发和数字微流控(DMF)装置的表面结垢的空气基质DMF装置和使用它们的方法。具体地，本文中描述了空气基质DMF装置及使用它们的方法，其中可从DMF装置的气隙进入的隔离井通过包括覆盖物来隔离反应液滴以防止蒸发。覆盖物可以是盖或盖帽，或者它可以是井内的油或蜡材料。到井中的开口和/或井本身可以包括致动电极，以允许将液滴放置到井中，并且在一些情况下可以从井中移出液滴。本文中还描述了空气基质DMF装置和使用它们的方法，其包括具有可用于选择性地包覆装置的气隙中的反应液滴的蜡材料的热可控区域。

Air matrix digital microfluidic devices and methods for limiting evaporation and surface scaling

Air substrate DMF device for preventing or restricting surface scaling of evaporation and digital microfluidic (DMF) devices and methods of using them. In this article, an air matrix DMF device and a method for using them are described in this article, in which an isolation well entered from the air gap of the DMF device is isolated by covering the cover to prevent evaporation. The covering can be a cap or cap, or it can be oil or wax material in the well. The opening in the well and / or the well itself can include the actuating electrode to allow the droplets to be placed in the well, and in some cases the droplets can be removed from the well. In this article, an air matrix DMF device and a method for using them are also described, which include a thermal controllable area with a wax material that can be used to selectively cover the reaction liquid droplets in the air gap of the device.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】限制蒸发和表面结垢的空气基质数字微流控装置和方法相关申请的交叉引用本申请要求2015年6月5日提交的题为“DEVICEANDMETHODSFORLIMITINGEVAPORATIONANDSURFACEFOULING”的美国临时申请第62/171,756号的优先权，该临时申请通过引用被全部并入本文。通过引用并入本说明书中提及的所有公开和专利申请均通过引用以其整体并入本文，其程度如同每个单独的公开或专利申请被明确地和单独地指出以通过引用并入。领域本文中描述了限制或防止蒸发和/或表面结垢(surfacefouling)的空气基质数字微流控(DMF)装置和方法。背景微流控技术已经在改变分子生物学、医学诊断和药物研发的传统方法被执行的方式方面取得了长足的进步。芯片实验室(lab-on-a-chip)和生物芯片设备在科学研究应用以及潜在的定点护理应用方面已经引起了的许多关注，因为它们执行具有小的反应体积的高度重复的反应步骤，从而节省了材料和时间。尽管传统的生物芯片类型设备利用微米或纳米尺寸的通道并且通常需要与生物芯片耦合的对应的微型泵、微型阀和微型通道来操控反应步骤，但这些额外的部件大大增加了微流控设备的成本和复杂性。数字微流控技术(DMF)已成为广泛用于生物和化学应用的强大的制备技术。DMF能够在不需要泵、阀门或复杂的管阵列的情况下对多种样本和试剂(包括固体、液体和甚至刺激性化学物质)进行实时、精确和高度灵活的控制。在DMF中，纳升至微升体积的离散液滴从贮存器被分配到涂覆有疏水绝缘体的平坦表面上，其中通过将一连串的电势施加到嵌入式电极阵列来对它们进行操控(传送、分裂、合并、混合)。可以单独使用DMF或使用其中DMF与基于通道的微流控集成的混合系统来执行复杂的反应步骤。尽管取得了重大进展，但蒸发(特别是在空气基质DMF中)和表面结垢仍然是问题。当来自反应混合物的组分在与微流控或DMF设备的表面接触后不可逆地粘附到这些表面上时发生表面结垢。当操作较高(例如，高于37℃)的温度时，表面结垢是特别严重的问题。已经提出了各种策略来防止表面结垢，诸如使用聚合物、玻璃和金属来制造微流控通道或对材料表面进行化学改性。然而，尽管致力于测试和制造耐表面结垢的表面和表面涂层，但是这些策略获得的成功有限，特别是在DMF的情况下。在一些情况下，旨在防止表面结垢的涂层可能引起与所使用的反应混合物和/或试剂的不期望的相互作用和二次反应。一般而言，期望会有一种简单的解决方案使微流控和DMF设备中的表面结垢最小化。当在空气基质DMF设备中执行反应时，蒸发也是一个问题。一般而言，空气基质DMF装置可以指其中由DMF装置操控的液滴被空气(或任何其他气体)基质包围的DMF装置的任何非液体接口。如本文中所使用的，空气基质还可以并且可互换地被称为“气体基质”DMF装置，尽管气体可以是空气，但并非一定是空气。在空气基质DMF方法中并且长时间地进行加热(例如，大于30秒)，蒸发可能是尤为严重的问题。蒸发限制了空气基质DMF的效用，因为酶反应通常对反应物浓度的变化高度敏感。很大程度上是因为这个原因，其他人已尝试将油基质DMF用于生物化学应用，尽管包括以下的诸多缺点：整合垫片或装配结构以包含油的复杂性的增加；进入周围的油中的反应物的不需要的液-液萃取；与油混溶性液体(例如，诸如乙醇的有机溶剂)不相容；以及高效的热量损耗，这破坏了局部加热并经常使温度敏感反应混乱。用于解决蒸发问题的另一种策略是将空气基质DMF设备放置在封闭的加湿室中，但是这经常导致DMF表面上的不希望的凝结、难以进入装置和/或进入装置受限以及需要额外的实验室空间和基础设施。还提出了通过将反应液滴从空气基质DMF设备转移到微毛细管中来避免蒸发，其中它们可以在专用的芯片外模块中被加热而没有蒸发问题。然而，这使空气基质DMF设备的设计和制造复杂化并且引入了增加的微毛细管接口的复杂性并且要与外围模块协调。因此，存在对可以防止或限制蒸发和/或防止或限制表面结垢的空气基质DMF装置和方法的需求。本文中描述了可以解决这个需求的装置和方法。本公开概述本文中描述了使表面结垢和/或蒸发最小化的空气基质DMF装置。典型的DMF装置可以包括由气隙分开的平行板；板中的一个(通常是底板)可以包含单独可控制的致动电极的图案化阵列，并且相对板(例如，顶板)可以包括一个或更多个接地电极。可选择地，可以将一个或更多个接地电极设置在与致动(例如，高压)电极相同的板上。板的气隙中的表面可以包括可以是电介质的疏水性材料，或者在一些变型中可以包括额外的电介质层。一个或更多个疏水层和/或电介质层可以降低表面的润湿性并增加液滴与控制电极之间的电容。当液滴在板之间的气隙空间中时，液滴可以被移动或者以其他方式操控。气隙可以被分成区域，并且板的一些区域可以包括通过与该区域热接触的热调节器(例如，珀尔帖(Peltier)设备、电阻式加热设备、对流加热/冷却设备等)的并且可以局限于该区域的加热/冷却。可以检测利用空气基质DMF装置执行的反应，包括成像或其他基于传感器的检测，并且可以在一个或更多个局部区域处或在空气基质DMF装置的整个或大部分的气隙空间上执行反应。一般而言，本文中所描述的任何空气基质装置可以包括横向延伸穿过装置的板的反应室开口。反应室开口通常被配置为使反应室井与气隙流体连通。通过板的开口可以被称为反应室开口(reactionchamberopening)并且这个开口进入的室可以被称为反应室井(reactionchamberwell)(或者简称为“反应室”)。反应室开口可以至少部分地由来自多个(thepluralityof)致动电极中的致动电极包围；这些电极可以向下延伸至开口中，离开板的平面。在这些变型的任一个中，反应室开口可以穿过致动电极。反应室开口可以是任何适当的尺寸和形状。开口可以是圆形的、椭圆形的、正方形的、三角形的、六边形的、矩形的等等。反应室开口的宽度可以在0.1mm与20mm之间(例如，宽度在1与15mm之间、在2与12mm之间等等)。本文中所描述的空气基质DMF装置和方法可以实现在一定范围的温度(包括但不限于4-95℃)和培养时间(包括但不限于时间多达6小时或更多，例如，多达1小时、多达2小时、多达3小时等)上容易和可靠地执行生物化学反应。本文中所描述的空气基质DMF装置可以包括至少一个反应室井和/或可以被配置为耦接至一个或更多个反应室井。反应室井可以紧紧靠近于至少一个致动电极。在一些变型中，反应室井可以包括在气隙中操作的多个致动电极的平面之外的一个或更多个致动电极。反应室井可以与DMF装置的气隙区域的其他区域流体连通。空气基质DMF装置的气隙区域可以包括用于保持起始反应溶液的一个或更多个区域以及用于可以包括用于反应的后续组分(例如酶，核苷酸等)或额外的反应溶液(溶剂)的其他溶液的区域。一个或更多个贮存器可以与气隙连通，并且在一些情况下，可以存在用于引入具有起始材料、试剂溶液等的溶液的进入孔。进入孔可以连接到起始组分、其他反应组分、反应试剂等等的外部源。在其他情况下，可以提供具有所有需要的反应物质的DMF装置。反应室井可以定位为与一个或更多个致动电极紧密相邻。例如，致动电极可以与反应室开口相接触以使得能够将液本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空气基质数字微流控(DMF)装置，其被配置为防止蒸发和表面结垢，所述DMF装置包括：第一板，其具有第一疏水层；第二板，其具有第二疏水层；气隙，其形成在所述第一疏水层与所述第二疏水层之间；多个致动电极，其被布置在与所述第一疏水层相邻的第一平面中；一个或更多个接地电极；以及反应室开口，其横向延伸穿过所述第一板，所述反应室开口被配置为使反应室井与所述气隙流体连通，其中所述反应室开口至少部分地被来自所述多个致动电极中的致动电极包围。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.05 US 62/171,7561.一种空气基质数字微流控(DMF)装置，其被配置为防止蒸发和表面结垢，所述DMF装置包括：第一板，其具有第一疏水层；第二板，其具有第二疏水层；气隙，其形成在所述第一疏水层与所述第二疏水层之间；多个致动电极，其被布置在与所述第一疏水层相邻的第一平面中；一个或更多个接地电极；以及反应室开口，其横向延伸穿过所述第一板，所述反应室开口被配置为使反应室井与所述气隙流体连通，其中所述反应室开口至少部分地被来自所述多个致动电极中的致动电极包围。2.一种空气基质数字微流控(DMF)装置，其被配置为防止蒸发和表面结垢，所述DMF装置包括：第一板，其具有第一疏水层；第二板，其具有第二疏水层；气隙，其形成在所述第一疏水层与所述第二疏水层之间；多个致动电极，其被布置在与所述第一疏水层相邻的第一平面中；一个或更多个接地电极；反应室开口，其延伸穿过所述第一板，所述反应室开口被配置为使反应室井与所述气隙流体连通，其中所述反应室开口至少部分地被来自所述多个致动电极中的致动电极包围；反应室覆盖物，其与所述反应室开口相邻，所述反应室覆盖物被配置为被致动以遮蔽所述反应室开口并且将反应室与所述气隙隔离；以及控制器，其电耦合至所述多个致动电极并且被配置为将能量施加到所述多个致动电极以将液滴移入和移出所述反应室。3.一种空气基质数字微流控(DMF)装置，其被配置为防止蒸发和表面结垢，所述DMF装置包括：第一板，其具有第一疏水层；第二板，其具有第二疏水层；气隙，其形成在所述第一疏水层与所述第二疏水层之间；多个致动电极，其被布置在与所述第一疏水层相邻的第一平面中；一个或更多个接地电极；反应室开口，其横向于所述第一平面延伸穿过所述第一板，所述反应室开口被配置为使反应室井与所述气隙流体连通，其中，所述反应室开口至少部分地被来自所述多个致动电极中的致动电极包围；一个或更多个反应室致动电极，其在所述反应室开口内，其中，所述一个或更多个反应室致动电极定位在或延伸到所述第一平面之外；反应室覆盖物，其与所述反应室开口相邻，所述反应室覆盖物被配置为被致动以遮蔽所述反应室开口并且将反应室与所述气隙隔离；以及控制器，其电耦合到所述多个致动电极和所述一个或更多个反应室致动电极并且被配置为施加能量以将液滴移入和移出所述反应室。4.根据权利要求1所述的DMF装置，还包括与所述反应室开口相邻的反应室覆盖物，所述反应室覆盖物被配置为被致动以遮蔽所述反应室开口并且将反应室与所述气隙隔离。5.根据权利要求1所述的DMF装置，还包括在反应室内的油或蜡。6.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述反应室开口被包围并且穿过来自所述多个致动电极中的致动电极。7.根据权利要求1或2所述的DMF装置，还包括在所述反应室开口内的一个或更多个反应室致动电极。8.根据权利要求1或2所述的DMF装置，还包括在所述反应室开口内的一个或更多个反应室致动电极，其中，所述一个或更多个反应室致动电极位于所述第一平面外。9.根据权利要求1或2所述的DMF装置，还包括在所述反应室开口内的一个或更多个反应室致动电极，其中，所述一个或更多个反应室致动电极位于所述反应室内。10.根据权利要求1或2所述的DMF装置，其中，所述反应室覆盖物耦接至所述第二板，并且其中，所述第二板是柔性的并且配置为被推压以将所述反应室覆盖物密封在所述反应室开口上。11.根据权利要求1或2所述的DMF装置，其中，所述第二板是柔性的并且配置为被推压以密封在所述反应室开口上。12.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，还包括热调节器，所述热调节器与所述第一板相邻并且被配置为控制所述反应室和所述气隙的一部分的温度。13.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述第一板包括在所述第一板的厚度内的所述反应室。14.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述第一板包括印刷电路板(PCB)，并且其中，所述反应室形成为在所述PCB内的井。15.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述DMF的所述第一板被配置为与多井板匹配，使得所述反应室开口与所述多井板的井匹配。16.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述DMF的的所述第一板被配置为与离心管匹配，使得所述反应室开口与所述离心管匹配。17.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述气隙层包括至少一个样本区域和至少一个试剂区域。18.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述反应室开口与所述第二疏水层齐平。19.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述反应室的内表面是疏水性的。20.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述反应室的内表面是亲水性的。21.一种操作基质数字微流控(DMF)装置以防止蒸发和表面结垢的方法，所述方法包括：将反应液滴引入到所述空气基质DMF装置的气隙中，所述气隙形成在所述空气基质DMF装置的第一板与第二板之间；沿着所述气隙传送所述反应液滴并且通过延伸穿过所述第一板的反应室开口，并且进入反应室井；覆盖所述反应室井内的所述反应液滴以使所述反应液滴免于蒸发；并且允许反应在所述反应液滴内进行。22.一种操作基质数字微流控(DMF)装置以防止蒸发和表面结垢的方法，所述方法包括：将...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅斯·J·杰布雷，伊雷娜·巴布洛维科纳德，洛伦佐·古铁雷斯，弗泰尼·克里斯托多罗，
申请(专利权)人：米罗库鲁斯公司，
类型：发明
国别省市：美国,US