介质上电润湿微电极阵列结构上的液滴处理方法技术

本发明专利技术公开介质上电润湿微电极阵列结构上的液滴处理方法，具体公开在可编程EWOD微电极阵列中操纵液滴的方法，包括：在覆盖有介电绝缘层的基板的上表面构建具有多个微电极的底板；微电极与接地结构的至少一接地元件连接，疏水层位于介电绝缘层和接地元件的上方；操纵多个微电极以配置一组配置电极来产生微流体组件并按照选定的形状和尺寸布局；多个微电极包括：第一配置电极，具有阵列布置的多个微电极；至少一第二相邻配置电极，其与第一配置电极相邻；液滴设置在第一配置电极上方并与第二相邻配置电极的一部分重叠；以及通过顺序地激励或去除激励一或多个选定的配置电极驱动液滴沿着选定的路线移动来操纵多个配置电极中的一个或多个液滴。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于介质上电润湿(EWOD)的微流体系统和方法。更具体地，本专利技术涉及一种利用EWOD微电极阵列结构技术进行液滴处理的方法和系统。
技术介绍
为了实现某些化学、物理或生物技术处理技术的可能性，微流体技术在过去十年间迅速成长。微流体指的是通常在微升到毫微升范围内的微量流体的操纵。用于实施小容量化学的平面流体装置的使用由分析化学家首次提出，为了这一概念，生物化学家使用了术语“小型化总化学分析系统”(μ TAS)。来自分析化学以外的很多学科的越来越多的研究者采纳了 μ TAS的基础流体原理，作为一种开发化学和生物学应用的新研究工具的方式。为了反映出这种扩展了的范围，除了 μ TAS之外，现今经常使用更广义的术语“微流体”和“芯片实验室(LOC) ”。第一代微流体技术基于流经微细加工的通道的连续液体流的操纵。液体流的激励由外部压力源、集成机械微型泵或由电动结构来实现。连续流系统能满足很多明确定义的、简单的生物化学应用的需要，但是它们不适于需要高程度的灵活性或复杂的流体操纵的更复杂的任务。基于液滴的微流体是连续流系统的替代方式，其中液体被分成离散的、独立可控的液滴，并且这些液滴可被操纵为在通道中或在衬底上移动。通过利用离散的单位体积的液滴，微流体功能可以被简化为一组重复的基本操作，即，一个单位的情况下移动一个单位的流体。在文献中已经提出了很多用于操纵微液滴的方法。这些技术可被分类成化学方法、热测学、声学方法和电学方法。在所有方法中，用以激励液滴的电学方法近年来受到了广泛关注。介质上电润湿(EWOD)是最常见的电学方法之一。诸如芯片实验室(LOC)之类的数字微流体通常是指利用EWOD技术的液滴操纵。传统的基于EWOD的LOC装置通常包括两个平行玻璃板。底板包含单独可控电极的图案化阵列，顶板涂覆有连续的地电极。优选地通过类似氧化铟锡(ITO)的材料形成电极，使其在薄层中具有导电性和透光性的组合特征。涂覆有疏水膜的介电绝缘体被添加到板上，以降低表面的润湿性并增加液滴与控制电极之间的电容。含有生物化学样品的液滴和填充媒介夹在板之间，同时液滴在填充媒介内部移动。为了移动液滴，向邻近于液滴的电极施加激励控制电压，同时在液滴正下方的电极去除激励。然而,常规的利用EWOD技术的LOC系统至今仍然高度专用于特定的应用。现有的LOC系统极其依赖于人工控制和生物测定优化。并且，现有的EWOD-LOC系统中的应用和功能非常耗费时间并且需要昂贵的硬件设计、测试以及维护程序。现有的EWOD-LOC系统的最大缺点是硬连线电极的设计。“硬连线”是指电极控制器的形状、尺寸、位置以及电子布线轨迹都完全受限于永久性蚀刻的结构。一旦电极被制造出，它们的形状、尺寸、位置和轨迹就不能改变，而与它们的功能无关。因此，这可能导致高昂的临时工程造价，以及限制更新推出或部分改装LOC设计后的功能的能力。本领域存在对用于减少与利用液滴操纵产生数字微流体系统相关联的人力和成本的系统和方法的需要。EWOD微电极阵列结构技术能够提供现场可编程能力，即所述电极和该LOC的整体布局为可软件编程的。如果其固件(存储在非易失性存储器，例如ROM)能够被现场修改而无需拆卸或将其返回其制造商，据称微流体组件或嵌入式系统可以通过现 场编程或在线编程。由于能够降低更换有问题或废弃固件的费用和周转时间，这往往是一种极其理想的特性。在输送、局部重新配置设计的部分之后更新功能的能力以及相对于LOC设计的较低的偶生工程费用将为很多应用提供优势。本领域将LOC设计提高到应用级，从而将LOC设计者们从手动优化生物测定、耗时的硬件设计、费钱的测试和维护程序中解放出来。并且，基于新颖的EWOD微电极阵列结构，可以显著改进LOC系统中的操纵液滴的技术。在基于EWOD微电极阵列结构的产生、输送、混合和切割过程中的先进的液滴操纵方面，本专利技术提供了各种实施方式。
技术实现思路
本专利技术公开了一种在包括多个微电极的可编程EWOD微电极阵列中操纵液滴的方法。在一实施方式中，该方法包括(a)构建包括多个微电极构成的阵列的底板,所述微电极设置在由介电绝缘层覆盖的基板的顶表面；其中，每个微电极与接地机构中的至少一个接地元件连接；其中在介电绝缘层和接地元件的上部设置有疏水层，以形成与液滴疏水的表面；(b)操纵所述多个微电极以配置一组配置电极来产生微流体组件，并且按照选定的形状和大小布局，其中所述一组配置电极包括第一配置电极，其包括阵列布置的多个微电极；以及至少一个第二相邻配置电极，其与该第一配置电极相邻；所述液滴设置在第一配置电极的顶部并且与第二相邻配置电极的部分重叠；以及(c)通过顺序地施加驱动电压激励或去除激励一个或多个选定的配置电极来顺序地激励或去除激励所选定的配置电极以驱动液滴沿选定的路径移动，来操纵多个配置电极之间的一个或多个液滴。在另一实施方式中，一种在包括多个微电极的可编程EWOD微电极阵列中操纵液滴的方法，该方法包括(a)构建包括多个微电极构成的阵列的底板，所述微电极设置在由介电绝缘层覆盖的基板的顶表面；其中，每个微电极与接地机构中的至少一个接地元件连接；其中在介电绝缘层和接地元件的上部设置有疏水层，以形成与液滴疏水的表面；(b)操纵所述多个微电极以配置一组配置电极来产生微流体组件，并且按照选定的形状和大小布局，其中所述一组配置电极包括第一配置电极，其包括阵列布置的多个微电极；以及至少一个第二相邻配置电极，其与该第一配置电极相邻；所述液滴设置在第一配置电极的顶部并且与第二相邻配置电极的部分重叠；(C)对第一配置电极去除激励，及对第二相邻配置电极进行激励以将液滴从第一配置电极拉动到第二配置电极上；以及(d)通过顺序地施加驱动电压激励或去除激励一个或多个选定的配置电极来顺序地激励或去除激励所选定的配置电极以驱动液滴沿选定的路径移动，来操纵多个配置电极之间的一个或多个液滴。再一实施方式中，一种在包括多个微电极的可编程EWOD微电极阵列中操纵液滴的方法，该方法包括(a)构建包括多个微电极构成的阵列的底板，所述微电极设置在由介电绝缘层覆盖的基板的顶表面；其中，每个微电极与接地机构中的至少一个接地元件连接；其中在介电绝缘层和接地元件的上部设置有疏水层，以形成与液滴疏水的表面；(b)操纵所述多个微电极以配置一组配置电极来产生微流体组件，并且按照选定的形状和大小布局，其中所述一组配置电极包括第一配置电极，其包括阵列布置的多个微电极；以及至少一个第二相邻配置电极，其与该第一配置电极相邻；所述液滴设置在第一配置电极的顶部并且与第二相邻配置电极的部分重叠；(C)配置不与该第一配置电极上的液滴重叠的第三 相邻配置电极；以及(d)通过顺序地施加驱动电压激励或去除激励一个或多个选定的配置电极来顺序地激励或去除激励所选定的配置电极以驱动液滴沿选定的路径移动，来操纵多个配置电极之间的一个或多个液滴。再在一实施方式中，本专利技术中的EWOD微电极阵列结构应用了“点矩阵印刷机”的概念，即，多个微电极(即“点”)是成组的(grouped)并且可被同时被激励/去除激励以形成不同形状和尺寸的电极来符合场应用中的流体操作功能的需求。在另一实施方式中，所有的EWOD微流体组件可以通过分组多个微电极产生,包括但不现定于液器(rese本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2011.02.17 US 13/029,140;2011.02.17 US 13/029,137;1.ー种在包括多个微电极的可编程EWOD微电极阵列中操纵液滴的方法，该方法包括 (a)构建包括多个微电极构成的阵列的底板，所述微电极设置在由介电绝缘层覆盖的基板的顶表面；其中，每个微电极与接地机构中的至少ー个接地元件连接；其中在介电绝缘层和接地元件的上部设置有疏水层，以形成与液滴疏水的表面； (b)操纵所述多个微电极以配置ー组配置电极来产生微流体组件，并且按照选定的形状和大小布局，其中所述ー组配置电极包括第一配置电极，其包括阵列布置的多个微电扱；以及至少ー个第二相邻配置电极，其与该第一配置电极相邻；所述液滴设置在第一配置电极的顶部并且与第二相邻配置电极的部分重叠；以及 (C)通过顺序地施加驱动电压激励或去除激励一个或多个选定的配置电极来顺序地激励或去除激励所选定的配置电极以驱动液滴沿选定的路径移动，来操纵多个配置电极之间的ー个或多个液滴。2.如权利要求I所述的方法，进ー步包括操纵配置电极的多个微电极的数量，以大体上控制液滴的尺寸和形状。3.如权利要求2所述的方法，其中所述配置电极包括至少ー微电极。4.如权利要求3所述的方法，其中所述ー组配置电极的微流体组件包括贮液器、电极、混合室、检测窗ロ、废弃物贮存器、液滴路径和指定功能电极。5.如权利要求4所述的方法，其中微流体组件的布局包括输入/输出端ロ、贮液器、电极、混合室、检测窗ロ、废弃物贮存器、液滴路径和电极网络的物理分配。6.—种在包括多个微电极的可编程EWOD微电极阵列中操纵液滴的方法，该方法包括 (a)构建包括多个微电极构成的阵列的底板，所述微电极设置在由介电绝缘层覆盖的基板的顶表面；其中，每个微电极与接地机构中的至少ー个接地元件连接；其中在介电绝缘层和接地元件的上部设置有疏水层，以形成与液滴疏水的表面； (b)操纵所述多个微电极以配置ー组配置电极来产生微流体组件，并且按照选定的形状和大小布局，其中所述ー组配置电极包括第一配置电极，其包括阵列布置的多个微电扱；以及至少ー个第二相邻配置电极，其与该第一配置电极相邻；所述液滴设置在第一配置电极的顶部并且与第二相邻配置电极的部分重叠； (c)对第一配置电极去除激励，及对第二相邻配置电极进行激励以将液滴从第一配置电极拉动到第二配置电极；以及 (d)通过顺序地施加驱动电压激励或去除激励一个或多个选定的配置电极来顺序地激励或去除激励所选定的配置电极以驱动液滴沿选定的路径移动，来操纵多个配置电极之间的ー个或多个液滴。7.如权利要求6所述的方法，进ー步包括通过利用三个配置电极分裂所述液滴，其中在处于中心的第一配置电极上装载的液滴大致与两个第二相邻配置电极重叠，包括 (i)配置两个临时配置电极，所述临时配置电极包括覆盖装载于该第一配置电极上的液滴的多条微电极线； ( )激励所述的两个临时配置电极； (iii)逐行地激励以朝着所述两个第二相邻配置电极方向移动，并且对与中心最接近的线去除激励，以大致朝着所述两个第二相邻配置电极拉动液滴；以及 (iv)去除激励两个临时配置电极，激励所述两个第二相邻配置电极。8.如权利要求6所述的方法，进ー步包括通过利用三个配置电极分裂所述液滴，其中液滴装载在处于中心的第一配置电极上，并且两个相邻配置电极不与液滴重叠，包括 (a)配置两个临时配置电极，所述临时配置电极包括覆盖装载于该第一配置电极上的液滴的多条微电极线； (b)激励所述的两个临时配置电极； (c)逐行地激励以朝着两个所述第二相邻配置电极移动，并且对与中心最接近的线去除激励，以大致朝着两个所述第二相邻配置电极拉动液滴；以及 (d)去除激励两个临时配置电极，激励所述两个第二相邻配置电极。9.如权利要求6所述的方法，进ー步包括通过利用三个配置电极分裂所述液滴，其中在处于中心的第一配置电极上设置的液滴与两个第二相邻配置电极部分地重叠，包括 (i)去除激励第一配置电极；以及 ( )激励所述两个第二相邻配置电极从而大致拉动和切割液滴。10.如权利要求7所述的方法，进ー步包括沿对角线分裂液滴，包括 (i)将液滴设置在第一配置电极上； ( )对所述第一配置电极去除激励，并对与所述第一配置电极重叠的两个沿对角线布置的第二相邻配置电极进行激励，以朝着两个沿对角线布置的所述第二相邻配置电极拉动液滴；以及 (iii)对所述第一配置电极与两个沿对角线布置的所述第二相邻配置电极之间的重叠区域去除激励，以将液滴夹断为两个子液滴。11.如权利要求6所述的方法，进ー步包括将液滴重定位到贮液器中，包括 (i)产生临时配置电极，其中该临时配置电极与贮液器的一部分重叠，并且液滴的一部分不与所述贮液器重叠； ( )激励该临时配置电极，以拖动液滴，使液滴与所述贮液器至少部分地重叠；以及 (iii)去除激励该临时配置电极，并对所述贮液器进行激励，以将液滴大致拉到所述贮液器中。12.—种在包括多个微电极的可编程EWOD微电极阵列中操纵液滴的方法，该方法包括 (a)构建包括多个微电极构成的阵列的底板，所述微电极设置在由介电绝缘层覆盖的基板的顶表面；其中，每个微电极与接地机构中的至少ー个接地元件连接；其中在介电绝缘层和接地元件的上部设置有疏水层，以形成与液滴疏水的表面； (b)操纵所述多个微电极以配置ー组配置电极来产生微流体组件，并且按照选定的形状和大小布局，其中所述ー组配置电极包括第一配置电极，其包括阵列布置的多个微电扱；以及至少ー个第二相邻配置电极，其与该第一配置电极相邻；所述液滴设置在第一配置电极的顶部并且与第二相邻配置电极的部分重叠； (c)配置不与该第一配置电极上的液滴重叠的第三相邻配置电极；以及 (d)通过顺序地施加驱动电压激励或去除激励一个或多个选定的配置电极来顺序地激励或去除激励所选定的配置电极以驱动液滴沿选定的路径移动，来操纵多个配置电极之间的ー个或多个液滴。13.如权利要求12所述的方法，其中该第三相邻配置电极包括阵列排布的多个微电扱。14.如权利要求12所述的方法，进ー步包括沿对角线移动液滴的方法，其中包括 (i)产生与部分液滴重叠的临时配置电极，和产生第三相邻配置电极； ( )通过去除激励该第一配置电极和激励该临时配置电极来将液滴从所述第一配置电极沿对角线输送到所述第三相邻配置电极上；以及 (iii)去除激励该临时配置电极，并激励该第三相邻配置电极。15.如权利要求12所述的方法，进ー步包括沿所有方向移动液滴的方法，其中包括 (i)产生与部分液滴重叠的临时配置电极，和产生第三相邻配置电极； ( )通过去除激励该第一配置电极和激励该临时配置电极来将液滴从该第一配置电极输送到该第三相邻配置电极上；以及 (iii)去除激励该临时配置电极，并激励该第三相邻配置电极。16.如权利要求6所述的方法，进ー步包括共面分裂的方法，其中包括 (i)配置与液滴重叠的薄带式临时配置电极； ( )去除激励该第一配置电极并激励该薄带式临时配置电极； (iii)去除激励该临时配置电极；以及 (iv)激励第一配置电极和该第二相邻配置电极。17.如权利要求6所述的方法，进ー步包括通过利用三个配置电极将两液滴合并的方法，其中两个第一配置电极被该第二相邻配置电极分隔开，包括 (i)去除激励所述两个第一配置电极；以及 ( )激励中间的该第二相邻配置电极。18.如权利要求17所述的方法，进ー步包括变形混合的方法，包括 (i)产生两个临时配置电极以使两个液滴的形状变形； ( )去除激励所述两个第一配置电极，并激励所述两个临时配置电极；以及 (iii)去除激励所述两个临时配置电极并激励中间的该第二相邻配置电极。19.如权利要求6所述的方法，进ー步包括通过使液滴形状变形来加速液滴内部混合的方法，其中包括 (i)产生该临时配置电极以使液滴形状变形； ( )去除激励该第一配置电极并激励该临时配置电极；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王崇智，何庆延，黄大卫，王文生，
申请(专利权)人：王崇智，何庆延，黄大卫，王文生，
类型：发明
国别省市：