基于电湿润的数字微流体制造技术

提供了用于利用静电场力进行液体操控的装置和方法。该装置是单侧电极设计，其中所有导电元件嵌入在在其上对液滴进行操控的第一表面上。额外的第二表面可以被提供，其出于包含将被操控的液滴的目的而与第一表面平行。通过执行基于电湿润的技术（其中，以可控方式将不同的电势值施加至嵌入在第一表面中的不同电极，该装置使得能够执行大量液滴操控处理，包括通过从连续液体流形成单独可控的液滴而对该连续液体流进行采样、移动液滴、将两个或更多液滴合并和混合在一起、将液滴分裂成两个或更多液滴、为了获得预期混合比例而重复地进行液滴的双重混合，以及加强液滴内的液体混合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及液滴操控领域，诸如微流体级别的基于液滴的样本制备、混合和稀释。更具体地，本专利技术是基于电湿润的。
技术介绍
在过去大约十年的时间里，已经对开发基于微流体的器件(通常称为芯片上的实验室(LoC)或微全分析系统(μTAS))产生了浓厚的兴趣，其目标在于将试剂使用最小化、将测量周转期缩短、将实验成本降低，以及将数据质量提高等。微流体学发现了其可应用在印刷、燃料电池、数字显示器及生命科学等中。在将本专利技术应用于生命科学相关领域这一主要兴趣中，直接应用包括药物筛选、医疗诊断、环境监测以及流行病预防等。 微流体学大体上可以分类为基于通道的连续流(包括来自于诸如Raindance Technologies公司之类的组织的微流体通道中的液滴(droplets-in-microfluidic-channel)系统)和基于液滴的数字化流架构。基于通道的系统固有一些缺陷。首先，需要永久性蚀刻结构以在物理上限制液体并引导流体传输。这使得该芯片设计应用专门化。换言之，通用芯片行式是不可能实现的。第二，基于通道的系统的传输机构通常是由外部泵或离心式器件压力驱动的，和/或是由高压电源电动力驱动的，等等。这通常使得难于基于此架构设计出低功率自包含(self-contained)系统。 为了克服基于通道的系统的缺陷，人们转向了基于液滴的架构，即，可追溯到19世纪的一种电湿润驱动技术。一种代表性设计是在单个电极层中具有二维独立电可控补片(patch)，其中该补片与在同一层中形成的每个电极具有电连接(参见授予Pamula等人的美国专利号6,911,132)。通过按照某个顺序对驱动电极进行编程，诸如分散、分裂、合并和传输之类的液滴操控功能可得以实现。当系统需要更多驱动电极时，本专利技术迅速发现了其局限性。首先，在单层中路由所有控制信号对于具有极度复杂性的系统具有挑战性，然而，在使用多层设计路由控制信号时，成本会随着层数的增加而增加。第二，所需控制信号的数量与可控电极的数量相同，其会随着列和/或行的数量的增加而快速增加。例如，100×100(100行和100列)阵列需要的控制电极数量是一万个。这使得此控制方案的实现难以向大规模扩展。另一设计示例是具有由小间隙分隔的两个单电极层芯片，这两个芯片上的电极相互垂直地进行布置(参见2003年1月在日本Kyoto举办的MEMS IEEE会议，由Fan等人提出的)。然而，利用这种方案，将电湿润效应定位到一个或若干目标液滴是一个巨大挑战。例如，在多个液滴沿着同一列或行出现的情况下，在试图移动其他液滴时某些液滴可能会经历无意的或不可预知的移动。而且，基底和盖板二者都包含控制电极这一事实使得与芯片的电对接与封装更加复杂。 这里所给出的被认为是基于电湿润的液滴操控的突破。通过控制M+N(M加N)个电极(其中M是行的数量，N是列的数量)，可以在维度为N×M(M乘N)的阵列上操控液滴，其中操作包括分散、传输、合并、混合和分裂。
技术实现思路
本专利技术提供了利用基于电湿润的技术的、基于液滴的液体处理和操控器件。大小在次微微升到若干毫升间的液滴可以通过控制电极的电压而得到操控。无需限制于理论，液滴的致动机构是可极化介质上不均匀的电场所施加的静电力的显现-电压引起的电湿润效应。本专利技术的机构在允许传输液滴的同时，还起到供在芯片上的任何位置执行混合的虚拟腔室的作用。该芯片可以包括在执行预期任务的运行时期间可以重新配置的控制电极阵列。本专利技术使得能够在单独可控的液滴样本、试剂、稀释液等上执行若干不同类型的处理和操控任务。这些任务传统上在连续液体流上执行。这些任务包括致动或移动、监控、检测、照射、培养、反应、稀释、混合、透析、分析等。而且，本专利技术的方法可以用于从连续流液体源形成液滴，诸如从在微流体芯片处提供的连续输入形成液滴。因此，本专利技术通过将连续流离散或分段成预期数量的、均匀大小的独立可控液滴单元，而提供了用于连续采样的方法。 相比于连续流系统，将液体划分成离散的、独立受控分组或液滴供微观操控提供了若干重要优势。例如，将流体操控或流控技术简化成一组基本的、可重复的操作(例如，将液体的一个单位移动一个单位步长)允许与数字电子器件相似的分层级且基于单元的设计方式。 除了上述优势以外，本专利技术通过将电湿润用作液滴操控的机构，还带来了如下优势。 (a)利用减少数量的控制电极带来了对液滴位置的改进控制。 (b)利用紧凑的电极阵列布局带来了高度并行性能力。 (c)可重新配置性。 (d)使用编程操作的混合比例控制，这会为混合比例产生更高的可控性和更高的准确度。 (e)高吞吐能力，提供了增强的并行性。 (f)支持与测量的集成，其中测量诸如是可以为异步可控性和准确度提供进一步增强的光学检测。 具体地，本专利技术提供了一种采样方法，其支持基于液滴的样本制备和分析。本专利技术通过引入电湿润现象并对其进行控制，而在微流体芯片或其他适当结构之上或之中将连续液体流分段成或离散成一系列大小一致的液滴。该液体随后作为一系列液滴通过或穿过该结构传输，其中这一系列液滴最终会在输出处重新组合成连续流、沉积在收集储存室中，或者从流通道转移以供分析。备选地，连续流流体可以完全穿越该结构，其中液滴在沿着该连续流的特定位置被移除或采样以供分析。在两种情况中，经过采样的液滴随后可以传输到结构的特定区域以供分析。由此，该分析可以在线执行，从而允许将该分析从主流中解耦合。 一旦从主流中被移除，便存在用于独立控制每个液滴移动的设施。为了化学分析的目的，样本液滴可以与包含特定化学试剂的液滴组合及混合，其中包含特定化学试剂的液滴是从芯片或其他结构上的或与其相邻的试剂储存室形成的。在某些情况下，多步反应或稀释可能是必要的，其中芯片的一些部分被指派用于某些功能，诸如液滴的混合、反应或培养。一旦制备了样本，其便可以通过电湿润传输至芯片中专用于分析物检测或测量的另一部分。该检测例如可以使用酶系统或其他生物分子识别剂，并且该检测可以专用于特定分析物或光学系统(诸如，荧光、磷光、吸光率、拉曼散射等)。从连续流源到芯片的分析部分的液滴的流可以独立于连续流进行控制，这为执行分析提供了巨大的灵活性。 本专利技术的方法使用用于从连续流形成液滴，以及用于对液滴进行独立地传输、合并、混合以及进行其他操作的装置。优选实施方式使用电湿润来完成这些操控。在一个实施方式中，液体包含在两个并行平板之间的空间中。一个平板包括两层驱动电极，而另一个平板包括接地的或者设置到参考电势的单一连续电极(或多个电极)。疏水性绝缘覆盖电极，并且在相对平板上的电极之间生成电场。此电场创建了表面张力梯度，其引起液滴的形状改变，并且朝着预期方向处预期电极移动。通过电极的适当布置和控制，可以通过在相邻电极之间连续地传送液滴而对液滴进行传输。构图的电极可以被布置为允许将液滴传输到电极覆盖的任何位置。液滴周围的空间可以填充有气体(诸如空气或氮气)，或者填充有不互溶液体(诸如，硅油)。 可以通过将液滴同时传输到同一位置而将其组合。液滴随后可以被动地或主动地混合。液滴可通过扩散被动混合。通过利用电湿润现象的优势，通过移动或“摇动”组合后的液滴，可以将液滴主动地进行混合。 液滴可以按以下方式从较大液滴分裂将与液滴边缘相邻的至少两个并行电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于液体操控的装置，包括：　（ａ）基底，其包括第一基底表面；　（ｂ）延长的驱动电极的第一阵列，其布置在所述第一基底表面上；　（ｃ）第一介电层，其布置在所述第一基底表面上以覆盖所述驱动电极的第一阵列；　（ｄ）延长的 驱动电极的第二阵列，其基本上与所述第一阵列垂直地布置在所述第一基底表面上；　（ｅ）第二介电层，其布置在所述第一基底表面上以覆盖所述驱动电极的第二阵列；　（ｆ）电极选择器，用于顺序地激活和去激活所述两个阵列中一个或多个选定驱动电极 ，以便顺序地偏置所述选定驱动电极到致动电压，由此置于所述基底表面上的液滴沿着所述选定驱动电极所限定的预期路径移动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-5-24 60/940,0201.一种用于液体操控的装置，包括(a)基底，其包括第一基底表面；(b)延长的驱动电极的第一阵列，其布置在所述第一基底表面上；(c)第一介电层，其布置在所述第一基底表面上以覆盖所述驱动电极的第一阵列；(d)延长的驱动电极的第二阵列，其基本上与所述第一阵列垂直地布置在所述第一基底表面上；(e)第二介电层，其布置在所述第一基底表面上以覆盖所述驱动电极的第二阵列；(f)电极选择器，用于顺序地激活和去激活所述两个阵列中一个或多个选定驱动电极，以便顺序地偏置所述选定驱动电极到致动电压，由此置于所述基底表面上的液滴沿着所述选定驱动电极所限定的预期路径移动。2.根据权利要求1所述的装置，包括平板，其与所述第一基底表面相隔一段距离以限定所述平板和所述基底表面间的空间，其中所述距离足够包括置于所述空间中的液滴。3.根据权利要求2所述的装置，其中所述平板包括面朝所述第一基底表面的平板表面。4.根据权利要求3所述的装置，其中电极布置在所述平板表面上。5.根据权利要求4所述的装置，其中电绝缘的疏水性层布置在所述电极上。6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二介电层的至少一部分是疏水性的。7.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴传勇，
申请(专利权)人：数字化生物系统，
类型：发明
国别省市：US[美国]