基于微流控芯片的液滴处理器制造技术

描述了一种用于形成悬浮在非水性流体中的水性流体的一个或多个液滴的微流控设备。所述微流控设备包括第一微流体通道和第二微流体通道，第一微流体通道被配置成使水性流体流动通过该第一微流体通道，第二微流体通道与第一微流体通道流体地连接并且适于使非水性流体通过该第二微流体通道流入第一微流体通道。一种微流体储器，其与第一微流体通道流体地连接并且被配置成接收多个第一水性流体液滴。所述微流控设备还包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被定位成使得向第一电极施加电压使一个或多个水性流体液滴沿第一方向移动，并且向第二电极施加电压使一个或多个水性流体液滴沿第二方向移动。水性流体液滴沿第二方向移动。水性流体液滴沿第二方向移动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于微流控芯片的液滴处理器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年8月31日提交的美国临时专利申请第63/072,629号和2021年2月26日提交的美国临时专利申请第63/154,146号的优先权和利益，上述申请的内容各自通过引用整体并入本文。


[0003]本专利技术总体上涉及在微流体环境中从乳液中分离和分选液滴的设备和方法。

技术介绍

[0004]微流控装置可以在微小流体量的输送、控制和操作中提供一系列有利的特征。例如，当利用微流控系统如芯片实验室装置在小规模上实现某些操作时，生物、化学和生物化学化验的性能享有显著优点。由于减少了所需的试剂量和产生的化学废物量，使用微流控装置处理微米级(和更小)的液滴具有许多优点。具体来说，利用小体积为特定化验提供了前所未有的灵敏度和控制的机会。此外，某些微流控装置能够在任何需要的地方进行样品分析，而不是在集中的实验室中分析样品。因此，微流控装置可用于各种重要的应用中。
[0005]微流控装置和/或芯片实验室装置可以被分为“单相”平台和“液滴化”平台。单相平台利用浸没或悬浮在填充并流经微流控装置和/或芯片实验室装置的单一流体介质中的分析物(例如，细胞、分子或化学实体)。液滴化平台利用被分配到浸没或悬浮在连续非水性流体(例如，不混溶流体相)中的单独的(通常)水性的液滴中的分析物。液滴化平台的优点是，每个单独液滴形成独立和隔离的隔间，用于在小体积(例如皮升和纳升)下进行化学或生物反应，同时减少稀释和交叉污染。已经开发了许多基于荧光的分析技术，用于液滴内容物的高通量和灵敏分析，使得微液滴能够在各种化学、生物和其他此类应用中使用。
[0006]大多数当前的液滴化平台或基于液滴的平台被设计成通过非水性流体(例如，不混溶流体相)的连续流来承载或以其他方式输送液滴。因此，化验操作需要以既定的顺序进行，其时间由周围非水性流体的连续流决定。因此，正在进行的努力是推广这些基于液滴的平台，以使它们更灵活、可编程，并自适应地响应对单独液滴进行的中间测量。例如，为了使基于液滴的平台更灵活，进行单独操作以将液滴分选和/或引导到不同的后续工作流中，并基于某些评估的条件向单独液滴添加适当的试剂。
[0007]数字微流控(DMF)是当前用于尝试开发和实现更通用的基于液滴的平台的技术之一。典型的DMF平台包括两个平行的基底，这些基底包裹着散布有液滴的准二维(准2D)容积的非水性流体。DMF平台的一个基底表面覆盖有金属垫二维阵列，每个垫可控地连接到电压供应。当特定的金属垫与电压供应顺序地连接和断开时，液滴可以通过电润湿力在二维阵列中可控地移动。这种单独金属垫的激活和去活通常是由计算机控制的，使得可以针对简单操作进行简单脚本或应用程序的编程，允许针对化验实现进行更高水平的编程控制。
[0008]为了形成有用的基于液滴的平台，装置应当能够产生液滴、输送液滴、分选液滴、将液滴与选定的试剂液滴合并以及将液滴输送到下一个平台步骤的特定工作流。此类实现
将能够得到灵活而强大的手段以在紧凑的微流控芯片上实施各种各样的生物、化学和生物化学化验。然而，已经证明很难生产出有用且稳健的DMF平台。制造稳健的DMF平台的许多问题是由于难以在基底表面上制造具有所需的电学和流体特性的金属垫阵列而产生的。例如，对每个垫进行单独电气访问需要位于阵列下方的底层印刷电路板和伴随的电气馈通。此类结构使得难以保持疏水性和电绝缘保形层沉积所需的极其光滑的表面。典型地，制造的垫表面在馈通区域中具有不均匀性，并且这些不均匀性可导致随后沉积的电绝缘和疏水层的断裂。结果，当液滴在这些特征上输送时，这些不均匀性在液滴上引起不可接受的阻力，并且更灾难性的是，在绝缘层上引起电击穿。电击穿导致进一步的表面降解、水电解(以及额外的与分析物流体的电化学反应)和气泡形成。原始表面一旦被电破坏，则在人们试图将液滴输送过受损表面时，会对液滴施加显著的阻力。增加施加电压以增加电润湿输送力会加剧电击穿并进一步损坏表面。这一基本困难和相关问题阻碍了DMF平台被实现以实施所希望的广谱微流体化验。
[0009]DMF平台的大部分吸引力在于其有能力以灵活的方式保持/评估/分选/混合液滴并且实施指定化验期望的尽可能多的操作(增加化验步骤只需要扩展平台的编程控制脚本)。然而，许多重要的化验仅依赖少量保持/评估/分选/混合操作来完成。因此，从实际实现的角度来看，需要能够以灵活、稳健和成本有效的方式进行这些液滴操作并且以用户指定的受控顺序实施这些操作中的几个的装置。

技术实现思路

[0010]作为本专利技术的一个方面，提供了用于在微流体环境中处理液滴的微流控设备。所述微流控设备包括第一微流体通道和第二微流体通道，第一微流体通道适于使第一水性流体的流流动通过第一微流体通道，第二微流体通道与第一微流体通道流体地连接。第二微流体通道适于使第一非水性流体的流流动通过该第二微流体通道并且进入第一微流体通道。所述微流控设备还包括第一微流体储器和第一储器队列部分，第一微流体储器与第一微流体通道流体地连接并且被配置成接收由第一微流体通道形成并且悬浮在第一非水性流体中的一个或多个第一水性流体液滴，第一储器队列部分被限定在第一微流体储器中并且被配置成排列所述一个或多个第一水性流体液滴。所述微流控设备还包括第一电极和第二电极，第一电极被定位成使得向该第一电极施加电压将使第一储器队列部分中的所述一个或多个第一水性流体液滴沿第一方向移动，第二电极被定位成使得向该第二电极施加电压将使第一储器队列部分中的一个或多个第一水性流体液滴沿第二方向移动。
[0011]作为另一方面，提供了用于在微流体环境中处理液滴的方法。所述方法包括使第一水性流体流动通过第一微流体通道，和使第一非水性流体流动通过与第一微流体通道流体地连接的第二微流体通道。所述方法还包括当第一水性流体和第一非水性流体流入与第一微流体通道流体地连接的第一微流体储器时，形成一个或多个第一水性流体液滴。所述方法还包括将悬浮在所述第一非水性流体中的所述一个或多个第一水性流体液滴输送到所述第一微流体储器的第一储器队列部分，以及评估所述第一储器队列部分中的所述一个或多个第一水性流体液滴，所述第一储器队列部分限定在所述第一微流体储器中。所述方法还包括在第一储器队列部分上产生电场，使得一个或多个第一水性流体液滴从第一储器队列部分沿第一方向和第二方向之一移动。
[0012]作为又一方面，提供了用于在微流体环境中处理液滴的微流控设备。所述微流控设备包括第一微流体储器和第一储器队列部分，第一微流体储器与第一微流体通道流体地连接并且被配置成接收由该第一微流体通道形成并且悬浮在第一非水性流体中的所述一个或多个第一水性流体液滴，第一储器队列部分被限定在第一微流体储器中并且被配置成排列所述一个或多个第一水性流体液滴。该微流控设备还包括第二微流体储器和第二储器队列部分，第二微流体储器与第三微流体通道流体地连接并且被配置成接收由第三微流体通道形成并且悬浮在第二非水性流体中的一个或多个第二水性流体液滴，第二储器队列部分被限定在第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于在微流体环境中处理液滴的微流控设备，所述设备包括：第一微流体通道，其适于使第一水性流体的流流动通过所述第一微流体通道；与所述第一微流体通道流体地连接的第二微流体通道，其中所述第二微流体通道适于使第一非水性流体的流流动通过所述第二微流体通道并且进入所述第一微流体通道；第一微流体储器，其与所述第一微流体通道流体地连接并且被配置成接收由所述第一微流体通道形成并且悬浮在所述第一非水性流体中的一个或多个第一水性流体液滴；第一储器队列部分，其被限定在所述第一微流体储器中并且被配置成排列所述一个或多个第一水性流体液滴；第一电极，其被定位成使得向所述第一电极施加电压将使所述第一储器队列部分中的一个或多个第一水性流体液滴沿第一方向移动；以及第二电极，其被定位成使得向所述第二电极施加电压将使所述第一储器队列部分中的所述一个或多个第一水性流体液滴沿第二方向移动。2.根据权利要求1所述的微流控设备，进一步包括第三微流体通道，其中所述第三微流体通道适于使第二水性流体流动通过所述第三微流体通道；与所述第三微流体通道流体地连接的第四微流体通道，其中所述第四微流体通道适于使第二非水性流体流动通过所述第四微流体通道并且进入所述第三微流体通道；以及第二微流体储器，其与所述第三微流体通道流体地连接并且被配置成接收由所述第三微流体通道形成并且悬浮在所述第二非水性流体中的一个或多个第二水性流体液滴，其中所述第二微流体储器包括限定在所述第二微流体储器中的第二储器队列部分，所述第二储器队列部分被配置成排列所述一个或多个第二水性流体液滴。3.根据权利要求2所述的微流控设备，其中，向所述第一电极施加所述电压将使所述第二储器队列部分中的所述一个或多个第二水性流体液滴沿第三方向移动。4.根据权利要求2至3中任一项所述的微流控设备，进一步包括第五微流体通道和第六微流体通道，其中所述第五微流体通道与所述第一微流体储器的第一储器队列部分和所述第二微流体储器的第二储器队列部分流体地连接，并且设置在所述第一微流体储器的第一储器队列部分和所述第二微流体储器的第二储器队列部分之间，并且其中所述第六微流体通道与所述第一储器队列部分流体地连接。5.根据权利要求2至4中任一项所述的微流控设备，其中，通过所述第一微流体储器输送所述一个或多个第一水性流体液滴利用了作用在所述一个或多个第一水性流体液滴上的第一浮力，并且通过所述第二微流体储器输送所述一个或多个第二水性流体液滴利用了作用在所述一个或多个第二水性流体液滴上的第二浮力。6.根据权利要求2至5中任一项所述的微流控设备，其中，所述第一微流体储器包括第一废物端口，所述第一废物端口被配置成收集流入所述第一微流体储器中的过量的第一非水性流体，并且其中所述第二微流体储器包括第二废物端口，所述第二废物端口被配置成收集流入所述第二微流体储器中的过量的第二非水性流体。7.根据权利要求2至6中任一项所述的微流控设备，其中，所述第一电极包括第一附接电极部分和第一接地电极部分，并且所述第二电极包括第二附接电极部分和第二接地电极部分，并且其中所述第一接地电极部分建立所述第一电极的第一参考电位，并且所述第二接地电极部分建立所述第二电极的第二参考电位。
8.根据权利要求7所述的微流控设备，其中，所述第一附接电极部分和所述第二附接电极部分中的至少一个包括尖锐电极部分。9.根据权利要求7所述的微流控设备，其中，所述第一附接电极部分包括第一附接尖锐电极部分，并且所述第二附接电极部分包括第二附接尖锐电极部分。10.根据权利要求9所述的微流控设备，其中，所述第一电极的激活产生具有集中在所述第一附接尖锐电极部分尖端处的第一场强的第一电场，并且其中所述第二电极的激活产生具有集中在所述第二附接尖锐电极部分尖端处的第二场强的第二电场。11.根据权利要求7所述的微流控设备，其中，所述第一附接电极部分和所述第二附接电极部分中的至少一个包括弯曲电极部分。12.根据权利要求7所述的微流控设备，其中，所述第一附接电极部分包括具有第一曲率半径的第一附接弯曲电极部分，并且所述第二附接电极部分包括具有第二曲率半径的第二附接弯曲电极部分。13.根据权利要求12所述的微流控设备，其中，所述第一电极的激活产生具有围绕所述第一附接弯曲电极部分的第一曲率半径的至少一部分分布的第一场强的第一电场，并且其中所述第二电极的激活产生具有围绕所述第二附接弯曲电极部分的第二曲率半径的至少一部分分布的具有第二场强的第二电场。14.根据权利要求7所述的微流控设备，其中，所述第一附接电极部分和所述第二附接电极部分中的至少一个包括圆形电极部分。15.根据权利要求7所述的微流控设备，其中，所述第一附接电极部分包括具有第一曲率半径的第一附接圆形电极部分，并且所述第二附接电极部分包括具有第二曲率半径的第二附接圆形电极部分。16.根据权利要求15所述的微流控设备，其中，所述第一电极的激活产生具有围绕所述第一附接圆形电极部分的第一曲率半径的至少一部分分布的第一场强的第一电场，并且其中所述第二电极的激活产生具有围绕所述第二附接圆形电极部分的第二曲率半径的至少一部分分布的第二场强的第二电场。17.根据权利要求2至16中任一项所述的微流控设备，其中，所述第一电极的选择性激活导致所述一个或多个第一水性流体液滴和所述一个或多个第二水性流体液滴被吸引朝向所述第一附接电极部分，使得所述一个或多个第一水溶液液滴和一个或多个第二水溶液液滴移动到所述第五微流体通道中。18.根据权利要求17所述的微流控设备，其中，由所述第一电极的激活引起的所述吸引导致所述一个或多个第一水性流体液滴与所述一个或多个第二水性流体液滴合并，以在所述第五微流体通道中形成合并的液滴。19.根据权利要求2至16中任一项所述的微流控设备，其中，所述第二电极的选择性激活导致所述一个或多个第一水性流体液滴被吸引朝向所述第二附接电极部分，使得所述一个或多个第一水溶液液滴移动到所述第六微流体通道中。20.根据权利要求2至18中任一项所述的微流控设备，进一步包括液滴评估装置，所述液滴评估装置包括可见光和荧光灯中的至少一者，以评估所述一个或多个第一水溶液液滴和所述一个或多个第二水溶液液滴，并且其中，所述第一电极和所述第二电极之一的选择性激活基于由所述液滴评估装置进行的评估。
21.根据权利要求2至20中任一项所述的微流控设备，进一步包括：第一连续流动通道，其与所述第一微流体储器和/或所述第二微流体储器流体地连接；第二连续流动通道，其与所述第一微流体储器和/或所述第二微流体储器流体地连接；以及第三电极，其包括邻近于所述第一连续流动通道定位的第一通道附接电极部分、邻近于所述第二连续流动通道定位的第二通道附接电极部分以及位于所述第一连续流动通道和所述第二连续流动通道之间的通道接地电极部分，其中所述第一通道附接电极部分的选择性激活将所述合并的液滴移动到所述第一连续流动通道中，并且其中所述第二通道附接电极部分的选择性激活将所述一个或多个第一水性流体液滴移动到所述第二连续流动通道中。22.根据权利要求21所述的微流控设备，其中，所述第一连续流动通道与所述第一微流体储器的所述第一微流体通道流体地连接，并且其中所述第一连续流动通道将所述合并的液滴输送回所述第一微流体通道，使得所述合并的液滴被输送到所述第一微流体储器中。23.根据权利要求4至20中任一项所述的微流控设备，进一步包括第三微流体储器，其与所述第五微流体通道流体地连接，其中第三浮力作用在所述合并的液滴上，以将所述合并的液滴从所述第五微流体通道输送到所述第三微流体储器。24.根据权利要求4至20中任一项所述的微流控设备，进一步包括废物收集级，其与所述第六微流体通道流体地连接，其中第四浮力作用在所述第六微流体通道中的所述一个或多个第一水溶液液滴上，以将所述一个或多个第一水溶液液滴从所述第六微流体通道输送到所述废物收集级。25.一种在微流体环境中处理液滴的方法，所述方法包括：使第一水性流体流动通过第一微流体通道；使第一非水性流体流动通过与所述第一微流体通道流体地连接的第二微流体通道；当所述第一水性流体和第一非水性流体流入与所述第一微流体通道流体地连接的第一微流体储器时，形成一个或多个第一水性流体液滴；将悬浮在所述第一非水性流体中的所述一个或多个第一水性流体液滴输送到所述第一微流体储器的第一储器队列部分；评估所述第一储器队列部分中的所述一个或多个第一水性流体液滴，所述第一储器队列部分限定在所述第一微流体储器中；以及在所述第一储器队列部分上产生电场，使得所述一个或多个第一水性流体液滴从所述第一储器队列部分沿第一方向和第二方向之一移动。26.根据权利要求25所述的方法，其中所述将所述一个或多个第一水性流体液滴输送通过所述第一微流体储器利用了作用在所述一个或多个第一水性流体液滴上的第一浮力。27.根据权利要求25至26...

【专利技术属性】
技术研发人员：C，
申请(专利权)人：安捷伦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：