数字微流控设备及其使用方法技术

数字微流控(DMF)方法和装置(包括设备、系统、盒、DMF读取器等)以及特别是可用于在盒主动应用DMF时安全地手动地添加或移除盒内的流体的DMF装置和方法。本文还描述了与DMF盒一起使用的DMF读取器，包括那些含有多个和/或冗余安全联锁装置的读取器。本文还描述了具有盖的DMF读取器设备，当主动控制读取器底座上的DMF时在盖上对微流体进行主动控制。时在盖上对微流体进行主动控制。时在盖上对微流体进行主动控制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】数字微流控设备及其使用方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请要求于2019年2月28日提交的标题为“DIGITAL MICROFLUIDICS DEVICES AND METHODS OF USING THEM”的美国临时专利申请第62/811,540号的优先权，该临时专利申请通过引用以其整体并入本文。
[0003]本专利申请可以涉及于2018年9月4日提交的国际申请号PCTUS2018049415(标题为“DIGITAL MICROFLUIDICS DEVICES AND METHODS OF USING THEM”)，其要求于2017年9月1日提交的美国临时专利申请第62/553,743号(标题为“DIGITAL MICROFLUIDICS DEVICES AND METHODS OF USING THEM”)和于2017年9月12日提交的美国临时专利申请第62/557,714号(标题为“DIGITAL MICROFLUIDICS DEVICES AND METHODS OF USING THEM”)的优先权，这些美国临时专利申请中的每个通过引用以其整体并入本文。
[0004]通过引用并入
[0005]本说明书中提及的所有公开和专利申请在相同的程度上通过引用以其整体并入本文，犹如同每个单独的公开或专利申请被特定地和单独地指示以通过引用并入。
[0006]领域
[0007]本申请总体上涉及数字微流控(DMF)装置(digital microfluidic apparatus)和方法。具体地，本文描述的装置和方法涉及气隙DMF装置(air
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gap DMF apparatus)，所述气隙DMF装置包括盒(cartridge)和耐用部件，所述盒包括空气基质和接地电极，所述耐用部件包括驱动电极。
[0008]背景
[0009]数字微流控(DMF)是用于广泛范围的生物应用和化学应用的强有力的制备技术。DMF能够实时、精确并且高度灵活地控制多种样品和试剂，包括固体、液体和刺激性化学物质，而不需要泵、阀或复杂的管道阵列。DMF可以被称为(或可以包括)所谓的按需电润湿(EWOD)。在DMF中，纳升体积至微升体积的离散液滴从储存器被分配到涂覆有疏水绝缘体的平坦表面上，在所述平坦表面上，通过施加一系列电势至电极的阵列，所述离散液滴被操纵(输送、分离(split)、合并、混合)。复杂的反应系列可以单独地使用DMF，或使用其中DMF集成有基于通道的微流控的混合系统(hybrid system)来执行。
[0010]将高度有利的是具有空气基质DMF装置，该装置包括易于使用的盒，并且可以可靠地并且便宜地制成。本文描述了可以解决这些问题的方法和装置，包括系统和设备。
[0011]公开内容的概述
[0012]本文描述了数字微流控(DMF)方法和装置(包括设备和系统、诸如盒、DMF控制器/读取器等)。尽管本文描述的方法和装置可以特别地适于空气基质DMF装置(本文中还被称为气隙DMF装置)，然而这些方法和装置可以被配置用于其他DMF装置(例如，油间隙等)。本文描述的方法和装置可以被用于操作相对较大的体积，这利用传统的DMF装置已经是可能的，部分地因为形成DMF装置的气隙的板之间的间距可以是较大的(例如，大于280微米、300微米或更大、350微米或更大、400微米或更大、500微米或更大、700微米或更大、1mm或更大等)。此外，本文描述的任何装置和方法可以被配置成包括一次性盒，所述一次性盒具有形
成盒的底部的电介质层；驱动电极不必须是盒的一部分；这些装置可以适于在操作期间允许电介质(dielectric)被牢固地保持至电极，这已经被证明是非常有挑战性的，特别是当电介质层是略微柔性的时。此外，这些装置可以适合于安全使用，特别是当向盒施加流体时，甚至当移动或保持液滴所需的电压被施加时。最后，本文描述的装置和方法可以是更容易且更快的使用的，并且可以包括更有效和直观的用户界面以及创建、修改、存储和/或传送各种微流体控制协议的能力。
[0013]本文描述的任何方法和装置可以包括盒，在所述盒中接地电极被包括作为盒的一部分。在某些变型中，接地电极可以被形成为栅格图案，所述栅格图案形成多个单元。栅格图案可以产生透明窗口(clear window)，即使当不透明的接地电极(例如，不透明或半透明的材料，比如例如包含银导电油墨的金属涂层)被用于形成接地电极时这也允许通过接地电极的可视化。栅格图案可以反映DMF装置中的驱动电极的布置，盒可以被放置到DMF装置上。例如，当接地电极跨过气隙与驱动电极相邻时，栅格图案覆盖相邻电极之间的空间。可选择地，接地电极可以由透明或足够透明的材料形成，使得它可以被成像。在某些变型中，接地电极是导电涂层。接地电极可以是电连续的(例如，电相接的)，但是可以包括一个或更多个开口，例如，通过所述开口，气隙中的液滴可以被可视化。因此，在这些变型中的任一个中，盒的上板可以是透明的或足够透明的，以至少在一个或更多个区域中被可视化。
[0014]例如，用于数字微流控(DMF)装置的盒可以具有底部和顶部，并且可以包括：电介质材料片，所述电介质材料片具有第一侧面和第二侧面，第一侧面在盒的底部上形成暴露的底表面，其中电介质材料片的至少第二侧面包括第一疏水表面；顶板，所述顶板具有第一侧和第二侧；在顶板的第一侧上的接地电极。接地电极可以包括栅格图案，所述栅格图案形成多个开放单元。盒还可以包括：在顶板的第一侧上覆盖接地电极的第二疏水表面；以及气隙，所述气隙将第一疏水层和第二疏水层隔开，其中气隙包括大于280微米的间距。
[0015]在本文描述的任何盒中，顶板可以包括在顶板的厚度内的多个空腔；这些空腔可以被封闭(例如密封)和/或填充有具有低热质量和低热导率的热绝缘材料。在某些变型中，绝缘材料包括空气。空腔可以被定位在气隙区域上面，所述气隙区域将对应于加热和/冷却区域(例如热控制区域)；这些区域中的较低热质量可以允许空腔/多个空腔下方的气隙中的液滴的显著地更迅速的加热/冷却。因此，这些区域中顶板的厚度可以包括空腔；空腔底部(对应于顶板的底表面)可以小于1mm厚(例如，小于0.9mm、0.8mm、0.7mm、0.6mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.2mm、0.1mm、90微米、80微米、70微米、60微米、50微米、40微米、30微米等)。空腔底部可以优选地尽可能薄，同时为电极和顶板的底表面上的任何电介质涂层提供结构支撑。空腔上表面可以大体上比空腔底表面更厚(例如，1.5倍、2倍、3倍、4倍、5倍等)。
[0016]形成底表面的电介质材料可以被制成为疏水的(例如，通过涂覆，包括浸涂等；用疏水材料浸渍等)和/或其本身可以是疏水的。例如，底表面(例如，盒的底表面)可以由膜形成，所述膜是电介质材料和疏水材料两者。例如，底表面可以是特氟龙(Teflon)膜(其可以包括粘合剂或粘合部分，例如特氟龙带)，所述特氟龙膜既是疏水的并且又充当电介质。其他膜可包括塑料石蜡膜)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种被配置为与可移除盒一起操作的数字微流控(DMF)读取器设备，所述设备包括：盒基座，其被配置为安置所述可移除盒；驱动电极阵列，其与所述盒基座电连通，所述驱动电极阵列被配置成施加电压以通过电润湿在所述盒内移动液滴；夹具，其被配置为从打开夹具配置和关闭夹具配置移动，在所述打开夹具配置中，所述盒基座被暴露，而在所述关闭夹具配置中，所述夹具被锁定在所述盒基座上，使得所述盒基座的边缘被所述夹具覆盖，其中所述夹具包括窗口区域，当所述盒安置在所述盒基座中并且所述夹具在所述关闭夹具配置中时，所述窗口区域允许对所述盒的接近；盖子，其具有打开盖子配置和关闭盖子配置，所述打开盖子配置暴露所述夹具和所述盒基座，在所述关闭盖子配置中，当所述夹具在所述关闭夹具配置中时，所述盖子覆盖盒基座和所述夹具；以及安全联锁装置，其被配置为禁止所述电压到所述驱动电极阵列的施加，除非所述盒安置在所述盒基座中并且所述夹具盖子在所述关闭夹具配置中，而不管所述盖子的配置如何。2.一种被配置为与可移除盒一起操作的数字微流控(DMF)读取器设备，所述设备包括：盒基座，其被配置为安置所述可移除盒；所述盒基座中的一个或更多个真空端口，其被配置成施加负压力以将所述盒固定在所述盒基座中；所述盒基座上的驱动电极阵列，所述驱动电极阵列被配置成施加电压以通过电润湿在所述盒内移动液滴；夹具，其被配置为从打开夹具配置和关闭夹具配置移动，在所述打开夹具配置中，所述盒基座被暴露，而在所述关闭夹具配置中，所述夹具被锁定在所述盒基座上，使得至少所述盒基座的边缘被所述夹具覆盖，其中所述夹具包括窗口区域，当所述盒安置在所述盒基座中并且所述夹具在所述关闭夹具配置中时，所述窗口区域允许对所述盒的接近；盖子，其具有打开盖子配置和关闭盖子配置，所述打开盖子配置暴露所述夹具和所述盒基座，在所述关闭盖子配置中，当所述夹具在所述关闭夹具配置中时，所述盖子覆盖盒基座和所述夹具；以及安全联锁装置，其被配置为禁止电压到所述驱动电极阵列的施加，除非所述盒安置在所述盒基座中、所述夹具盖子在所述关闭夹具配置中并且所述一个或更多个真空端口正施加所述负压力以将所述盒固定在所述盒基座中。3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述安全联锁装置被配置为当所述盖子在所述打开盖子配置中时允许电压到所述驱动电极阵列的施加。4.根据权利要求1
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3中的任一项所述的设备，还包括被配置为感测所述盒安置在所述盒基座中的盒传感器。5.根据权利要求1
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4中的任一项所述的设备，还包括被配置为感测所述夹具何时被锁定在所述关闭夹具配置中的夹具闩锁传感器。6.根据权利要求1所述的设备，还包括被配置成施加负压力以将所述盒固定在所述盒基座中的一个或更多个真空端口。7.根据权利要求2
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6中的任一项所述的设备，还包括被配置为感测固定所述盒的所述
负压力何时在0.5到22英寸汞柱之间的压力传感器。8.根据权利要求1
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7中的任一项所述的设备，还包括被配置成锁住所述盖子的锁。9.根据权利要求8所述的设备，其中所述锁包括磁性锁。10.根据权利要求9所述的设备，还包括被配置为确定所述盖子何时在所述关闭盖子配置中的盖子传感器。11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述盖子传感器包括磁性传感器。12.根据权利要求1
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11中的任一项所述的设备，还包括被配置为控制所述驱动电极阵列的控制器。13.根据权利要求1
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12中的任一项所述的设备，其中，所述安全联锁装置包括软件和固件中的一个或更多个。14.一种操作数字微流控(DMF)读取器设备的方法，所述方法包括：将盒接纳到盒基座中；将夹具锁定在所述盒上，使得所述夹具覆盖所述盒的外周边，同时通过在所述夹具中的窗口来允许对所述盒的顶侧的接近；以及仅当所述DMF读取器设备感测到所述盒安置在所述盒基座中并且所述夹具锁定在所述盒上时才使电压能够施加到所述盒基座中的驱动电极阵列中的电极。15.一种操作数字微流控(DMF)读取器设备的方法，所述方法包括：将盒接纳到盒基座中；将所述夹具关闭并锁定在所述盒上，使得所述夹具覆盖所述盒的外周边，同时通过在所述夹具中的窗口来允许对所述盒的接近；施加负压力以将所述盒固定在所述盒基座中；以及仅当所述DMF读取器设备感测到所述盒安置在所述盒基座中、所述夹具被锁定关闭并且所述盒通过所述负压力抵靠所述盒基座中的多个电极被固定时才使电压能够施加到所述盒基座中的驱动电极阵列中的电极。16.根据权利要求14或15所述的方法，还包括在高电压被使能的情况下将流体添加到所述盒中。17.根据权利要求14
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16中的任一项所述的方法，还包括控制所述驱动电极的电压以通过电润湿在所述盒中移动一个或更多个液滴。18.根据权利要求14
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17中的任一项所述的方法，还包括关闭在所述盒和所述夹具上的盖子。19.根据权利要求14
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17中的任一项所述的方法，还包括关闭在所述盒和夹具上的盖子并从所述盖子施加压力以驱动在所述盒内的流体。20.根据权利要求18
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19中的任一项所述的方法，还包括使用在所述盖子中的气动子系统将流体的液滴添加到所述盒的气隙中。21.一种操作数字微流控(DMF)读取器设备的方法，所述方法包括：使用盒传感器来感测盒被安置在所述DMF读取器设备的盒基座中；使用夹具闩锁传感器来感测夹具在所述盒基座上关闭并被锁定；感测盒通过负压力被保持在所述盒基座中；以及仅当所述盒被安置、所述夹具被关闭并锁定并且负压力被施加时才使能与所述盒基座
电连通的多个驱动电极上的电压。22.一种被配置为与可移除盒一起操作的数字微流控(DMF)读取器设备，所述设备包括：盒基座，其被配置为安置所述可移除盒；所述盒基座上的驱动电极阵列，所述驱动电极阵列被配置成施加电压以通过电润湿而在所述盒内移动液滴；所述盒基座中的一个或更多个真空端口，其被配置成施加负压力以将所述盒固定在所述盒基座中；夹具，其被配置为从打开夹具配置和关闭夹具配置移动，在所述打开夹具配置中，所述盒基座被暴露，而在所述关闭夹具配置中，所述夹具被固定在所述盒基座上，其中当所述盒安置在所述盒基座中并且所述夹具在所述关闭夹具配置中时，所述夹具允许对所述盒的接近；盖子，其具有暴露所述夹具和盒基座的打开盖子配置和关闭盖子配置，在所述关闭盖子配置中，当所述夹具在所述关闭夹具配置中时，所述盖子覆盖盒基座和所述夹具；所述盖子中的气动泵，其被配置为与保持在所述盒基座中的所述盒配合以施加压力来移动所述盒中的流体；以及控制器，其被配置为控制电压到所述驱动电极阵列的施加，并控制来自气动泵的压力的施加以移动所述盒中的流体。23.一种被配置为与可移除盒一起操作的数字微流控(DMF)读取器设备，所述设备包括：盒基座，其被配置为安置所述可移除盒；驱动电极阵列，其与所述盒基座电连通，所述驱动电极阵列被配置成施加电压以通过电润湿在所述盒内移动液滴；所述盒基座中的一个或更多个真空端口，其被配置成施加负压力以将所述盒固定在所述盒基座中；夹具，其被配置为从打开夹具配置和关闭夹具配置移动，在所述打开夹具配置中，所述盒基座被暴露，而在所述关闭夹具配置中，所述夹具被锁定在所述盒基座上，其中所述夹具包括窗口区域，当所述盒安置在所述盒基座中并且所述夹具在所述关闭夹具配置中时，所述窗口区域允许对所述盒的接近；盖子，其具有暴露所述夹具和盒基座的打开盖子配置和关闭盖子配置，在所述关闭盖子配置中，当所述夹具在所述关闭夹具配置中时，所述盖子覆盖盒基座和所述夹具；气动泵和歧管，所述气动泵和歧管在所述盖子中并被配置为与保持在所述盒基座中的所述盒配合；以及控制器，其被配置为控制电压到所述驱动电极阵列的施加，并控制来自气动泵和歧管的压力的施加以移动所述盒中的流体。24.根据权利要求22或23所述的设备，还...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔治，
申请(专利权)人：米罗库鲁斯公司，
类型：发明
国别省市：