使用具有优化电润湿表面的微流体装置的生物处理系统和方法制造方法及图纸

提供了具有电润湿构造和优化的液滴致动表面的微流体设备，用于处理生物细胞，例如用于核酸文库的制备和/或合成(包括扩增)。所述装置包括介电层、共价结合到介电层的疏水层和第一电极。核酸文库的制备和/或合成方法可涉及通过将在与水不混溶的有机液体内的液滴致动表面上的适当液滴相合并来向细胞或核酸提供试剂，并且可在适当的表面活性剂存在下进行。疏水层的特征在于自缔合分子以产生致密堆积的单层的方式共价键合到介电层的表面，该单层可抵抗极性分子或物质的插入和/或渗透。还提供了在核酸文库制备和/或合成期间用于微流体设备的温度控制的系统，其可以减少加热和冷却步骤期间的温度超调。

Biological treatment systems and methods using microfluidic devices with optimized electrowetting surfaces

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用具有优化电润湿表面的微流体装置的生物处理系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求2017年4月26日提交的美国临时申请号62/490,534和2017年4月26日提交的美国临时申请号62/490,596的优先权，其各自的内容通过引用整体并入本文。
技术介绍
诸如生物细胞之类的微物体可以在微流体装置中进行处理。例如，包含微物体或试剂的液滴可以在微流体装置中移动并合并。本公开的实施方案针对微流体装置的改进，其促进液滴的稳健操纵，从而允许以小规模精确且可再现地进行复杂的化学和生物反应。反应包括核酸扩增，例如PCR。反应还可以包括一系列步骤，以从细胞获得核酸并由此制备测序文库。通过改变微流体装置中电润湿表面的有效润湿特性，液滴可以在微流体装置中移动和合并。这种移动可以促进工作流程，其中任选地在微流体装置中培养细胞之后，处理细胞以评估各种细胞特性。当前用于电润湿的解决方案本质上是极其有限的，并且无法扩展或实现附加功能。例如，当具有电润湿构造的微流体设备用于核酸扩增时，需要在适合防止温度超调的宽温度范围内的合适的热控制系统。因此，需要改进的电润湿表面、用于微流体应用的稳定衬底以及附加功能的集成(例如，通过电润湿可以在下游处理之前进行细胞生长和表征)，所有这些将有助于附加医学研究应用。专利技术概要在一些实施方案中，提供了一种在具有电润湿构造的微流体设备中处理生物细胞的方法。该方法可以包括：将水性介质的第一液滴设置在微流体设备的液滴致动表面上，其中第一液滴包含一个或更多个生物细胞；将第一液滴与水性介质的第二液滴合并以形成第一组合液滴，其中第二液滴包含细胞裂解剂；在液滴致动表面上将第一组合液滴温育足以裂解一个或更多个生物细胞的第一时间段；以及使细胞裂解剂失活。在一些实施方案中，微流体设备还包括具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极的衬底，以及构造为连接到AC电压源的第二电极，其中介电层电性耦接至第一电极，其中液滴致动表面包括共价键合至介电层的疏水层，以及其中，当第一电极和第二电极连接至AC电压源的相对端子时，衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力。该方法可以在本文公开的任何微流体设备上执行。例如，微流体设备可以包括电润湿构造，该电润湿构造包括具有约50kOhms至约150kOhms的电阻抗的介电层。介电层可以是单层或多个介电子层(dielectricsub-layer)的复合体，其中至少最外层的介电子层通过原子层沉积(ALD)形成。在某些实施方案中，微流体设备的一个或更多个(例如，全部)内表面可包括外疏水层，该外疏水层包含共价键合至介电层的自缔合分子。自缔合分子可包括例如连接基团和表面改性配体。连接基团可以是例如硅氧烷基团或膦酸基团。表面改性配体可以是例如直链烷烃基或直链氟烷烃基。在一些实施方案中，处理生物细胞的方法是制备核酸文库的方法。在一些实施方案中，提供了一种在具有电润湿构造的微流体设备中处理生物细胞的方法。该方法可以包括：将水性介质的第一液滴设置在微流体设备的液滴致动表面上，其中第一液滴包含一个或更多个生物细胞；将第一液滴与水性介质第二液滴合并以形成第一组合液滴，其中第二液滴包含细胞裂解剂；在液滴致动表面上将所述第一组合液滴温育足以裂解所述一个或更多个生物细胞的第一时间段；以及使细胞裂解剂失活。在一些实施方案中，微流体设备还包括具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极的衬底，以及构造为连接到AC电压源的第二电极，其中介电层电性耦接至第一电极，其中液滴致动表面包括共价键合至介电层的疏水层，其中疏水层是由包含表面改性配体和将表面改性配体连接至表面的连接基团的分子所组成的单层，每个分子具有结构：其中：是表面；V是接头；m为9或更大的整数；以及其中，当第一电极和第二电极连接到AC电压源的相对端子时，衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力。在一些实施方案中，V是-Si(OZ)2W-；W是-O-并连接至表面；且Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键或者是与表面相连的键。在一些实施方案中，m为15、17或19。在一些实施方案中，该方法还包括用与第一液滴和第二液滴不混溶的第一液体介质填充封壳或其一部分，其中，在将第一液滴布置在液滴致动表面上之前，用第一液体介质填充封壳，并且其中，第一液体介质包括具有支化碳主链的有机液体。在一些实施方案中，有机液体是碳酸酯或烃，例如碳酸双(2-乙基己基)酯或七甲基壬烷。在一些实施方案中，第一液滴包含表面活性剂，诸如非离子表面活性剂，例如TET表面活性剂、N-(1,3-双(葡糖吡喃糖苷)丙-2-基)-3-丁基-3-环己基庚酰胺(Cy-Tripglu)或聚环氧乙烷-聚环氧丙烷(PEO-PPO)嵌段共聚物，任选地其中PEO-PPO嵌段共聚物是泊洛沙姆(poloxamer)。在一些实施方案中，第二液滴包含表面活性剂，例如具有大小大于750道尔顿的极性头基的非离子表面活性剂。例如，第二液滴中的表面活性剂可以是具有至少1000道尔顿的分子量的聚山梨酯表面活性剂(例如，聚山梨酸酯20)。该方法可以进一步包括使来自一个或更多个生物细胞的DNA或逆转录RNA片段化，并且可以进一步包括扩增所得片段化的DNA或cDNA。该方法可以在本文公开的任何微流体设备上执行。例如，微流体设备可以包括电润湿构造，该电润湿构造包括具有约50kOhms至约150kOhms的电阻抗的介电层。介电层可以是单层或多个介电子层的复合体，其中至少最外层的介电子层通过原子层沉积(ALD)形成。在某些实施方案中，微流体设备的一个或更多个(例如，全部)内表面可包括外疏水层，该外疏水层包含共价键合至介电层的自缔合分子。在一些实施方案中，处理生物细胞的方法是制备核酸文库的方法。在一些实施方案中，提供了一种在具有电润湿构造的微流体设备中处理生物细胞的方法。该方法可以包括：将水性介质的第一液滴设置在微流体设备的液滴致动表面上，其中第一液滴包含一个或更多个生物细胞；将第一液滴与水性介质第二液滴合并以形成第一组合液滴，其中第二液滴包含细胞裂解剂；在液滴致动表面上将所述第一组合液滴温育足以裂解所述一个或更多个生物细胞的第一时间段；以及使细胞裂解剂失活。在一些实施方案中，微流体设备还包括具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极的衬底，和构造为连接至AC电压源的第二电极，其中介电层电性耦接至第一电极，其中液滴致动表面包括共价键合至介电层的疏水层，其中疏水层是由包含表面改性配体和将表面改性配体连接至表面的连接基团的分子所组成的单层，每个分子具有结构：其中：是表面；V是接头；n+m+j为13或更大，n为5或更大，m为2至13，且j为0或1；以及其中，当第一电极和第二电极连接到AC电压源的相对端子时，衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力。在一些实施方案中，V是-Si(OZ)2W-；W是-O-并连接至表面；Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键或者是与表面相连的键。在一些实施方案中，m是2，和/或n是11、13或15。在一些实施方案中，第一液滴包含表面活性剂，诸如非离子表面活性剂，例如TET表面活性剂、N-(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在具有电润湿构造的微流体设备中处理生物细胞的方法，所述方法包括：/n将水性介质的第一液滴布置在所述微流体设备的液滴致动表面上，其中所述第一液滴包含一个或更多个生物细胞，并且其中所述微流体设备还包括/n衬底，其具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极，以及/n构造为连接到AC电压源的第二电极，/n其中所述介电层电性耦接至所述第一电极，/n其中所述液滴致动表面包括共价键合至所述介电层的疏水层，以及/n其中，当所述第一电极和所述第二电极连接到所述AC电压源的相对端子时，衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力；/n将所述第一液滴与水性介质的第二液滴合并以形成第一组合液滴，其中所述第二液滴包含细胞裂解剂；/n在所述液滴致动表面上将所述第一组合液滴温育足以裂解所述一个或更多个生物细胞的第一时间段；和/n使所述细胞裂解剂失活。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170426 US 62/490,534;20170426 US 62/490,5961.一种在具有电润湿构造的微流体设备中处理生物细胞的方法，所述方法包括：
将水性介质的第一液滴布置在所述微流体设备的液滴致动表面上，其中所述第一液滴包含一个或更多个生物细胞，并且其中所述微流体设备还包括
衬底，其具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极，以及
构造为连接到AC电压源的第二电极，
其中所述介电层电性耦接至所述第一电极，
其中所述液滴致动表面包括共价键合至所述介电层的疏水层，以及
其中，当所述第一电极和所述第二电极连接到所述AC电压源的相对端子时，衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力；
将所述第一液滴与水性介质的第二液滴合并以形成第一组合液滴，其中所述第二液滴包含细胞裂解剂；
在所述液滴致动表面上将所述第一组合液滴温育足以裂解所述一个或更多个生物细胞的第一时间段；和
使所述细胞裂解剂失活。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微流体设备是实施方案1至62中任一项的微流体设备。


3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述疏水层包括共价键合至所述介电层的表面的自缔合分子，从而在其上形成紧密堆积的疏水单层。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述介电层包括包含氧化铝的第一层介电材料。


5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述介电层还包括第二层介电材料，其中，所述疏水层与所述第一层介电材料共价键合，并且其中，所述第二层介电材料包括通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积的二氧化硅或氮化硅。


6.根据权利要求4或5中任一项所述的方法，其中，所述第一层介电材料包括第一和第二子层介电材料，其中，所述第一子层包括氧化硅并且共价键合至所述疏水层，其中，所述第二子层介电材料包括氧化铝，并且其中所述第一子层介电材料通过原子层沉积(ALD)沉积和/或其中所述第二子层介电材料通过ALD沉积。


7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述介电层具有约50kOhms至约150kOhms的阻抗。


8.一种在具有电润湿构造的微流体设备中制备核酸文库的方法，该方法包括：
将水性介质的第一液滴布置在微流体设备的液滴致动表面上，其中所述第一液滴包含一个或更多个生物细胞，并且其中所述微流体设备还包括
衬底，其具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极，以及
构造为连接到AC电压源的第二电极，
其中所述介电层电性耦接至所述第一电极，
其中所述液滴致动表面包括共价键合至所述介电层的疏水层，
其中所述疏水层是由包含表面改性配体和将所述表面改性配体连接至表面的连接基团的分子所组成的单层，每个分子具有以下结构：



其中：

是表面；
V是接头；
m为9或更大的整数；以及
其中，当所述第一电极和所述第二电极连接到所述AC电压源的相对端子时，所述衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力；
将所述第一液滴与水性介质的第二液滴合并以形成第一组合液滴，其中所述第二液滴包含细胞裂解剂；
在所述液滴致动表面上将所述第一组合液滴温育足以裂解所述一个或更多个生物细胞的第一时间段；和
使所述细胞裂解剂失活。


9.根据权利要求8所述的方法，其中所述微流体设备是实施方案1至62中任一项的微流体设备。


10.根据权利要求8所述的方法，其中，V是-Si(OZ)2W-；W是-O-并连接至表面；且Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键或者是与表面相连的键。


11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，m为15、17或19


12.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，还包括用与所述第一液滴和第二液滴不混溶的第一液体介质填充封壳或其一部分，其中，在将所述第一液滴布置在液滴致动表面上之前，用第一液体介质填充所述封壳，并且其中，所述第一液体介质包括具有支化碳主链的有机液体。


13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述有机液体是碳酸酯或烃。


14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述有机液体是碳酸双(2-乙基己基)酯或七甲基壬烷。


15.一种在具有电润湿构造的微流体设备中处理生物细胞的方法，所述方法包括：
将水性介质的第一液滴布置在微流体设备的液滴致动表面上，其中所述第一液滴包含一个或更多个生物细胞，并且其中所述微流体设备还包括
衬底，其具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极，
以及构造为连接到AC电压源的第二电极，
其中所述介电层电性耦接至所述第一电极，
其中所述液滴致动表面包括共价键合至所述介电层的疏水层，
其中所述疏水层是由包含表面改性配体和将所述表面改性配体连接到表面的连接基团的分子所组成的单层，每个分子具有以下结构：



其中：

是表面；
V是接头；
n+m+j为13或更大，n为5或更大，m为2至13，且j为0或1；以及
其中，当所述第一电极和所述第二电极连接到所述AC电压源的相对端子时，所述衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力；
将所述第一液滴与水性介质的第二液滴合并以形成第一组合液滴，其中所述第二液滴包含细胞裂解剂；
在所述液滴致动表面上将所述第一组合液滴温育足以裂解所述一个或更多个生物细胞的第一时间段；和
使所述细胞裂解剂失活。


16.根据权利要求15所述的方法，其中所述微流体设备是实施方案1至62中任一项的微流体设备。


17.根据权利要求15所述的方法，其中，V是-Si(OZ)2W-；W是-O-并连接至表面；Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键或者是与表面相连的键。


18.根据权利要求15所述的方法，其中，m为2。


19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中，n为11、13或15。


20.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，还包括用与所述第一液滴和第二液滴不混溶的第一液体介质填充所述封壳或其一部分，其中，在将所述第一液滴布置在液滴致动表面上之前，用第一液体介质填充封壳，其中所述第一液体介质包含矿物油或式CxH(2x+2)的直链烷烃有机液体，其中x为9至16。


21.根据权利要求8或20所述的方法，其中，所述第一液滴进一步包含表面活性剂。


22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一液滴中的表面活性剂是TET表面活性剂、N-(1,3-双(葡糖吡喃糖苷)丙-2-基)-3-丁基-3-环己基庚酰胺(Cy-Tripglu)或聚环氧乙烷-聚环氧丙烷(PEO-PPO)嵌段共聚物。


23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述表面活性剂以0.1％至0.5％的浓度存在于所述第一液滴中。


24.根据权利要求8或20所述的方法，其中，所述介电层包括形成介电堆叠的两层或更多层介电材料。


25.根据权利要求8或20所述的方法，其中，所述介电层包括第一层介电材料，并且其中，所述第一层介电材料包括通过ALD沉积的金属氧化物。


26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述金属氧化物是氧化铝。


27.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第一层介电材料包括通过ALD沉积的第一子层金属氧化物和通过ALD沉积的第二子层氧化硅，其中所述第二子层的表面共价键合至所述疏水层。


28.根据权利要求8或20所述的方法，其中，所述介电层由通过ALD沉积的单层金属氧化物组成。


29.根据权利要求8或20所述的方法，其中，所述介电层由介电层堆叠组成，所述介电层堆叠包括：
通过PECVD沉积的氧化硅或氮化硅第一层；
通过ALD沉积在所述第一层上的金属氧化物第二层；和
通过ALD沉积在所述第二层上的氧化硅第三层，其中
与所述第二层相对的所述第三层的表面限定了介电堆叠的最外表面。


30.根据权利要求8或20所述的方法，其中，所述介电层具有至少约40纳米的厚度。

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【专利技术属性】
技术研发人员：J·M·麦克尤恩，M·苏铭伦，S·N·裴，JR·R·D·洛，S·A·纳顿嘎迪，V·L·S·库尔茨，J·龚，Y·X·梅西亚·冈萨雷斯，M·S·陶，B·A·拉布金，J·C·布里格斯，D·K·凯莉·格林，JR·J·M·波特，
申请(专利权)人：伯克利之光生命科技公司，
类型：发明
国别省市：美国;US