CN101500694B - 液滴操纵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在液滴微致动器上控制液滴移动的系统和方法，以及用于处理和/或分析样本的液滴微致动器设备、系统和方法。一方面提供一种系统，包括：控制器；液滴微致动器，电子耦合到所述控制器；以及显示器设备，电子耦合到所述控制器，显示用户界面，其中所述系统被编程并被配置成允许用户通过与所述用户界面交互来进行液滴操纵。另一方面，提供一种样本分析仪，包括：分析仪单元，该单元包括电子或光学接收装置；盒子，该盒子包括自含的液滴处理能力；以及耦合装置，用于将所述盒子耦合到所述分析仪单元，该耦合装置将来自所述盒子的电子和/或光学输出与所述分析仪单元上的电子或光学接收装置对准。

Description

液滴操纵系统
1资助信息
导致本发明的工作至少部分地得到了第1R44DK066956-01、1R43GM072155-01、1R21HG003706-01、NNJ06JD53C和5U01AI066590-02号NIH拨款的资助。美国政府可能享有这里描述的发明的特定权利。
2相关申请
本申请涉及2006年5月9日递交的，发明名称为“Portable AnalyzerUsing Droplet-Based Microfluidics”的第60/746,797号美国临时专利申请，和2006年6月30日递交的，发明名称为“Systems and Methods for DropletMicroactuator Operations”的第60/806,412号的优先权，在这里将它们全部引入作为参考。
3技术领域
一方面，本发明涉及在液滴微致动器上控制液滴移动的系统和方法。本发明还涉及产生代码用于在液滴微致动器上控制液滴移动的软件和系统。
另一方面，本发明涉及用于处理和/或分析样本的液滴微致动器设备、系统和方法。设备和系统可以作为便携式或手持式设备来提供。很方便将它用于在样本采集点进行分析。本发明可以用于例如在医疗、环境(例如针对生物和/或化学攻击)、农业和工业设施中进行监视、测试和/或分析。
4背景技术
4.1微流体(microfluidics)系统
在过去的几年里，在通过直接电控制对单个液滴进行操纵的基础之上，研究人员已经在微流体技术方面取得了进展。这种系统的例子可以在美国专利6,911,132和美国专利申请公布2004/0058450中找到，这项专利和这项专利申请都属于Pamula等等。这些专利文献描述了用电来操纵液滴的一种装置。Wixforth转让给Advalytix AG(慕尼黑)的第6,777,245号美国专利描述了一种技术，据说利用施加射频电脉冲给芯片(chip)产生的声表面波，这种技术能够用电控制生物芯片(biochip)上的化学反应。美国专利公布2005/0072677、2004/0178068、2004/0011651、2003/0173223、2003/0171325、2003/0102854和2002/0036139中的Gascoyne和其他人报告了利用介电电泳(dielectrophoresis)来管理材料或对象通过流体的移动。转让给Fluidigm的专利和专利申请描述了一种技术，这种技术基于流体控制阀和互连通道，它们形成离散路径和其间开关构成的网络。Labcyte公司的美国专利6,416,164和其它专利描述了为了它的产品利用聚焦声能(超声)瞄准次微升(sub-microliter)转移体积(transfer volume)从敞口井(open well)喷射(eject)液体小液滴。HandyLab报道说开发出了微流体系统，它依赖于内部产生的压力——热气动泵(thermo-pneumatic pumps)——来产生和推动纳升(nanoliter)尺寸的液塞(liquid plug)通过微型通道网络，其中多个离散液塞互相独立地发挥作用。在这个领域中需要能够用于直接控制这些液滴微致动器的系统，能够用于开发软件用于控制液滴微致动器并对这种软件进行故障检测的系统，以及用于控制液滴微致动器的软件语言和液滴微致动器系统的组件(component)。
微流体系统可以被大致地划分成连续流和离散流体系。连续流系统依赖于连续送入系统的液体(考虑管道、泵和阀门)，而离散流系统则是利用液体液滴。
连续流系统的局限性在于液体输运(liquid transport)实际上被限制在永久腐蚀的通道内。所用输运机制常常是利用外部泵的压力驱动或者利用高压的电动力学(electrokinetically)驱动。这些方法涉及复杂的管道布设(channeling)，并且需要外部泵、阀门和电源形式的大型支撑系统。这些局限性使得在常规连续流系统中获得高度功能集成和控制很难，特别是在实现样本采集点的手持设备时尤其如此。
更进一步，流体流是单向的，因此不容易重新配置，也不是可编程的。
另外，连续流通道系统的技术局限性不允许将多种格式的分析，例如PCR、免疫测定、化学和细胞处理，集成到单独一个芯片上去。即使这些技术将化验(assay)小型化到片上实验室(lab-on-a-chip)，它们也需要大型仪器来管理甚至有限的片上操作。因此，需要能够满足POSC应用的多功能和便携性要求的微流体片上实验室。
4.2便携式分析仪背景技术
在大量情形中，从医疗监视和诊断到环境测试，样本采集点测试非常有用。在医疗监视或流出流(effluent stream)的环境监视这种环境中(incontexts)，样本点测试能够节省从样本采集到采取行动这中间的时间。此外，在许多情况下，实际上不可能保存样本并运输到中心实验室。即使能够做到这一点，所需要的烦杂的程序也可能使得保存并运输到中心实验室非常不经济。另外，研究人员还可能被迫接受因为在非理想情况下运输导致分析准确度下降这样一个事实。
有几个小组已经制作了或者尝试了制作一些系统来进行样本采集点测试。例如，Lauks的美国专利5,096,669描述了用于实时流体分析的一种传感设备。Zelin的美国专利5,821,399描述了用于在一次性(disposable)流体分析传感设备中进行自动流体流补偿的一种方法。在Zelin等等的美国专利5,124,661中描述了用于测试便携式血液分析仪功能的可再次使用的测试单元。Enzer等等的美国专利4,436,610描述了一种装置，用于测量氢离子活性(activity)或血液的pH值。Cheng等等的美国专利6,071,394、6,403,367和6,280,590以及Sheldon等等的美国专利6,129,828，它们全部被转让给Nanogen公司(加拿大圣地亚哥)，描述了一种设备，用来在微组装电子芯片(microfabricated electronic chips)中通过介电电泳从末梢人类血液(peripheral human blood)分离细菌和癌细胞。Miles等等的美国专利6,576,459描述了一种样本制备和分析设备，它将免疫测定和PCR化验这两者结合到紧凑的微芯片(microchip)中去。Biosite公司(加拿大圣地亚哥)销售一种维护点(point-of-care)测试产品，用于一组三个免疫测定，来检测与心脏病有关的脓肿心脏标记(elevated cardiac marker)(肌红蛋白、CK-MB和肌钙蛋白I)(http://www.biosite.com/products/cardio.aspx)。Buechler等等的美国专利6,074,616描述了一种荧光计(fluorometer)，它具有驱动电路，用来相对于光学组件给样本定位。Brennen等等的美国专利6,632,400描述了一种微流体设备，它由微流体通道、隔间(compartment)和流控制元件(element)组成。Boecker等等的美国专利6,966,880描述了一种便携式医疗分析仪，它具有采样模块，上面有集成的样本提取设备；还有一个样本端口用来接受体液(body fluid)；化验传感器模块，用来分析体液；分析检测器模块，用来从化验检测信息；以及通信模块，用来通过有线或无线网络将信息传送给远处。
5发明内容
一方面，本发明涉及用于液滴微致动器操作的系统和方法。根据这个方面的一个实施例，提供一种系统，这种系统包括：(a)控制器；(b)电气耦合到所述控制器的液滴微致动器；以及(c)显示用户界面的显示器设备，电气耦合到所述控制器，其中所述系统被编程和配置成通过利用所述用户界面进行交互来允许用户进行液滴操纵。根据这个方面的另一个实施例，提供另一种系统，这种系统包括：(a)处理器；(b)电子耦合到所述处理器的显示器设备；以及(c)软件，加载和/或储存在电子耦合到所述控制器的存储设备，电子耦合到所述控制器的存储器设备，和/或所述控制器，并且所述软件被编程来显示液滴微致动器的交互地图。根据这个方面的另一个实施例，还提供一种系统，这种系统包括：(a)控制器；(b)电子耦合到所述控制器的液滴微致动器；(c)显示用户界面的显示器设备，电子耦合到所述控制器；以及(d)软件，用于执行加载和/或储存在如下装置中的协议：电子耦合到所述控制器的存储设备，电子耦合到所述控制器的存储器设备，和/或所述控制器。
另一方面，本发明涉及使用基于液滴的微流体的一种便携式分析仪。根据这个方面的一个实施例，提供一种样本分析仪，这种样本分析仪包括：(a)分析仪单元，包括电子或光学接收装置和/或手段(means)；(b)盒子，包括自含的(self-contained)液滴处理能力；以及(c)将所述盒子耦合到所述分析仪单元的装置和/或手段，该耦合装置和/或手段将来自所述盒子的电子和/或光学输出与所述分析仪单元上的电子或光学接收装置和/或手段对准。根据这个方面的另一个实施例，提供一种样本分析仪，这种样本分析仪包括与之耦合的样本分析仪盒子，以及所述盒子和所述分析仪之间电气接口和/或光学接口的装置和/或手段，电信号和/或光信号能够借此从所述盒子传输到所述分析仪。
6定义
如同这里所使用的一样，以下术语具有如下含义。
“激活(activate)”一个或多个电极指的是改变一个或多个电极的电状态，进行液滴操作。例如，可以通过如下方式来激活电极：施加直流电位；施加交流电位，使得被激活电极具有交流电位，未被激活的电极具有地电位或者其它参考电位；和/或通过反复施加电位给电极然后翻转它。要注意，可以通过利用软件在输出极性之间快速切换来实现交流模式。
“被分析物(analyte)”指的是进行检测的目标物质，它可能存在于样本中。说明性的实例包括抗原(antigenic)物质、半抗原(hapten)、抗体、蛋白质、肽、氨基酸、核苷酸、核酸、药品(drug)、离子、盐、小分子和细胞。
“珠子(bead)”，液滴微致动器上的珠子指的是能够与液滴微致动器上或附近的液滴相互作用的任何珠子或颗粒。例如，可以在液滴微致动器上的液滴中输送珠子；相对于液滴微致动器，可以将珠子配置成在液滴微致动器上的液滴能够与珠子接触，被带到液滴微致动器上，和/或从液滴微致动器被拿走。珠子可以是任意形状，例如球形、大致的球形、鸡蛋形、碟形、立方体、不规则形和其它三维形状。可以用各种材料来制作珠子，包括例如树脂和聚合物。珠子可以具有合适的任意尺寸，包括例如微型珠子、微型颗粒、纳米珠子和纳米颗粒。BioPlex珠子，例如Bio-Rad实验室的BioPlex2200珠子是说明性的实施例。在一些情况下，珠子能够对磁作出响应；在另一些情况下，珠子不能明显地对磁作出响应。对于能够对磁作出响应的珠子，能够对磁作出响应的材料可以构成珠子的基本上全部或者只是珠子的一个组成部分。珠子的其余部分可以包括：聚合材料、涂层以及允许附着化验试剂的两半(moieties)等等。2005年11月24日公布的，发明名称为“Multiplex flow assays preferably with magnetic particles as solidphase”的第2005-0260686号美国专利公布中描述了能够对磁作出响应的合适珠子的实例，关于能够对磁作出响应的材料和珠子这方面的教导，在这里将它全部引入作为参考。
“连通(communicate)”(例如第一组件与第二组件连通)用来表示两个或多个组件或元件之间的结构、功能、机械、光学、电气或流体关系，或者它们的任意组合方面的关系。因此，一个组件与第二组件连通并不排除第一和第二组件之间还存在其它组件，和/或第一和第二组件与其它组件能够工作地相关联或啮合。
“芯片(chip)”指的是任意基片，不仅包括硅或半导体，还包括玻璃、印刷电路板、塑料或者在上面操纵液滴的任何其它基片。
“液滴(droplet)”是指液滴微致动器上一定体积的液体，它至少被填充流体(filler fluid)部分地约束(bounded)。例如，液滴可能被填充流体完全包围，也可能被填充流体或者液滴微致动器的一个或多个表面约束。液滴可以具有各种形状。非限制性的实例包括一般的碟形、块形(slugshaped)、被截的球(truncated sphere)、椭圆体、球形、部分压缩球(partiallycompressed sphere)、半球、卵形、圆柱形和液滴操作过程中形成的各种形状，这些操作过程有合并(merge)或分裂，或者因为这些形状与液滴微致动器的一个或多个表面接触而形成的形状。
“液滴操作(droplet operation)”指的是液滴微致动器上对液滴的任何操纵(manipulation)。液滴操作可以包括，例如：将液滴加载到液滴微致动器；从源液滴分配(dispense)一个或多个液滴；将液滴分裂、分开或划分成两个或多个液滴；在任意方向上将液滴从一个位置输送到另一个位置；将两个或多个液滴合并或组合(merge or combine)成单独一个液滴；稀释(dilute)液滴；混合液滴；搅动(agitate)液滴；使液滴变形；让液滴保持(retain)在位置上；孵化(incubate)液滴；给液滴加热；使液滴气化(vaporize)；使液滴冷却；处置(dispose)液滴；将液滴从液滴微致动器输送出来；这里描述的其它液滴操作；和/或上述操作的任意组合。“合并”、“组合”等等这一类术语被用来描述从两个或多个液滴产生一个液滴。应当明白，谈到两个或多个液滴时使用这样一个术语的情况下，可以采用足以让两个或多个液滴组合成一个液滴的任何液滴操作的组合。例如“将液滴A与液滴B合并”可以通过将液滴A输送到与静止的液滴B接触，将液滴B输送到与静止的液滴A接触，或者将液滴A和B输送到互相接触来实现。“分裂”、“分开”和“划分”这些术语并不隐含关于得到的液滴的尺寸(也就是说，得到的液滴的尺寸可以相同或不同)或者得到的液滴的数量有任何特定的结果(得到的液滴的数量可以是2、3、4、5或更多)。术语“混合”指的是在一个液滴内导致一种或多种组分(component)更加均匀分布的液滴操作。“加载”液滴操作的实例包括微量渗析加载、压力辅助加载、机器加载(robotic loading)、被动加载(passive loading)和吸管加载(pipette loading)。
谈到电气组件(component)时，“电子耦合”或“耦合”在这里被用于表明两个或多个组件或元件之间的电气或数据关系。因此，说第一组件与第二组件电子耦合不是要排除在第一和第二组件之间还存在其它组件，和/或有其它组件与第一和第二组件能够操作地相关联或者与它们啮合。此外，电气耦合的组件在一些实施例中可以包括无线居中(intervening)组件。
谈到用户界面之类(例如这里描述的液滴微致动器地图)时，“突出显示(highlight)”指的是通过颜色、亮度、阴影、形状或者通过符号、图标或其它可视标识符的出现/消失，用户界面或地图的组件可以通过视觉区分出来。例如，将鼠标光标放在(mousing over)用户界面上的电极的表示上，或者选择电极表示，都会使电极表示改变颜色。也可以有声音伴随着突出显示的项目来进一步帮助用户与系统交互。
“输入设备”被广泛地用来包括将信息输入计算机系统、网络的所有可能类型的设备和方式。“输入设备”的实例包括基于铁笔(stylus-based)的设备、基于钢笔的(pen-based)设备、键盘设备、小键盘设备、触摸板设备、触摸屏设备、游戏操纵杆设备、跟踪球设备、鼠标设备、条形码读取器设备、磁条读取器设备、红外设备和语音识别技术。
“将鼠标光标放在……上面(mouse over)”指的是将光标或其它选择设备与用户界面上的对象相关联。将鼠标光标放在什么上面可以用各种输入设备来完成，例如鼠标器、键盘或游戏操纵杆或者这些设备的组合。
“输出设备”被广泛用于包括从计算机系统向用户或另一个系统输出信息或数据的各种可能类型的设备和方式。输出设备的实例包括可视显示器、LED、打印机、扬声器、调制解调器和无线收发机。
“协议”指的是一系列步骤，包括但不限于一个或多个液滴微致动器上的液滴操作。
谈到用户交互式元件，例如用户界面上显示的图标、场(field)或虚拟按钮，“选择”指的是提供输入，导致与对象有关的指令得到执行。因此，例如，通过指点(pointing)和点击电极表示来选择液滴微致动器地图上显示的电极表示，会导致如下操作所必需的指令得以执行：激活实际电极和/或添加一行代码到一组指令来指示激活实际电极。选择可以用各种输入设备或输入设备的组合来实现，例如鼠标器、游戏操纵杆和/或键盘。
谈到在表面上固定分子(immobilization of a molecule)，例如抗体或分析物(in analyte)，“表面”指的是能够在上面固定分子，同时保持其与液滴微致动器上的液滴相互作用能力的任意表面。例如，表面可以是液滴微致动器上的表面，例如液滴微致动器顶板或底板上的表面；从液滴微致动器顶板或底板延伸的表面；位于液滴微致动器上并且能够与液滴微致动器上的液滴相互作用的物理对象上的表面；和/或位于液滴微致动器上的珠子，例如在液滴内，和/或在液滴微致动器内但是是在液滴以外。
在整个说明书中，“顶部”和“底部”这些术语仅仅是为了方便说明液滴微致动器的顶部和底部基板，因为不管在空间上它的位置如何，液滴微致动器都能工作(functional)。
谈到在另一个组件“上(on)”放置(dispose)或形成一层、一个区域或基片这种给定组件时，这个给定组件可以就在其它组件上，也可以存在居中组件(intervening components)(例如一个或多个涂层、层、中间层、电极或触点)。还应当明白，“放置在……上面(disposed on)”和“在……上面形成(formed on)”可以互换，它们是指给定组件相对于另一组件的位置如何或位于什么地方(positioned or situated)。在这里，“放置在……上面(disposed on)”和“在……上面形成(formed on)”这些术语不是要给有关材料输送、沉积或制作(fabrication)的某些方法引入任何限制。
当任意形式的液体(例如液滴或连续体，不论是移动还是静止)被描述成在电极、阵列、矩阵或表面“上(on)”、“处(at)”或“以上(over)”时，这种液体都可以与电极/阵列/矩阵/表面直接接触，也可以与介于液体和电极/阵列/矩阵/表面之间的一个或多个层或膜接触。
将液滴描述成在液滴微致动器上或者加载到液滴微致动器上时，应当明白，液滴被设置(arranged)在液滴微致动器上，方便使用液滴微致动器来进行一项或多项液滴操作使用在液滴上(using on the droplet)，液滴被设置在液滴微致动器上，方便感测来自液滴的信号的特性，和/或液滴已经经历液滴微致动器上的液滴操作。
7附图说明
图1说明本发明一个实施例中的液滴微致动器系统；
图2说明本发明一个实施例中的控制器板；
图3说明本发明一个实施例中的液滴微致动器控制器板；
图4是本发明一个实施例中微致动器控制器的框图；
图5A和5B说明本发明一个实施例中的便携式手持分析仪；
图6说明本发明一个实施例中的液滴微致动器和盒子；
图7说明本发明一个实施例中的检测器控制器板；
图8是本发明一个实施例中检测器控制器板的框图；
图9是本发明一个实施例中的人机界面(HMI)控制器板；
图10说明本发明一个实施例中液滴控制系统的用户界面；
图11说明本发明一个实施例中的便携式手持分析仪；
图12是本发明一个实施例中生物流体分析仪的透视图；
图13A～13D是本发明的各个实施例中各个液滴微致动器传感器元件配置的侧视图；以及
图14是本发明一个实施例中使用便携式系统的功能步骤的框图。
8具体实施方式
本发明涉及在液滴微致动器上控制液滴移动的系统和方法，包括产生代码用于控制液滴移动的软件和系统。本发明还涉及用于处理和/或分析样本的液滴微致动器设备、系统和方法，包括提供便携式或手持式设备。
8.1用于液滴微致动器操作的系统和方法
一方面，本发明提供一种液滴控制系统、编程系统、协议执行系统以及包括液滴控制系统、编程系统和/或协议执行系统的一些集成系统。还提供用于控制这些系统的方法或计算机可用指令。液滴控制系统允许用户控制液滴微致动器系统功能，例如液滴操作和检测器操作。编程系统允许用户开发软件程序(software routine)或计算机可用指令用来控制液滴微致动器系统功能，例如液滴操作和检测器操作。协议执行系统允许用户执行软件程序，用来控制液滴微致动器系统功能，例如液滴操作和检测器操作。
在高层上，本发明的每个系统通常都包括处理器或控制器、液滴微致动器、检测器(可选)、输入和输出设备以及软件。液滴控制系统包括液滴控制软件，用来显示液滴控制界面，以便控制液滴微致动器系统功能。编程系统包括编程软件，用来产生一组计算机可执行或计算机可用指令，用来控制液滴微致动器系统功能。协议执行系统包括协议执行软件，用于执行一组计算机可执行或计算机可用指令，以便控制液滴微致动器系统功能。
这些系统可以作为分开的独立系统。这些系统中的两个或多个可以被集成为单独一个系统。例如，液滴控制系统和编程系统可以被方便地组合成单独一个系统，以便控制液滴微致动器系统功能，并产生软件或代码来控制液滴微致动器系统功能。
下面讨论本发明的各个方面，从第8.1.1节概述这些系统的某些组件开始，这些组件包括控制器、液滴微致动器、检测器、输入和输出设备以及软件。接下来在第8.1.2节中，更加详细地讨论三个系统中的每一个，包括液滴控制系统、编程系统和协议执行系统。第8.1.3节更加详细地讨论系统的检测器组件。第8.1.4节讨论与本发明的系统有关的其它方法。最后，第8.3节讨论作为本发明的系统组件的液滴微致动器及其操作的各个方面。
8.1.1系统组件
液滴操作、检测、流体加载和操作协议的其它步骤可以用液滴微致动器系统来完成，例如图1所示的。各个液滴操作协议的步骤可以用液滴控制系统和/或编程系统110来进行。可以写出一组计算机可执行指令，这组指令可以被加载到控制器来执行操作协议。集成系统包括液滴控制系统和/或编程系统110，也可以使用协议执行系统112。液滴控制系统和/或编程系统110允许用户控制液滴微致动器系统功能，例如流体加载协议的液滴操作和传感器操作。协议执行系统112允许用户执行软件程序来控制液滴微致动器系统功能，例如液滴操作和流体加载操作。本发明还提供方法或计算机可用指令来进行这些各种处理或执行协议。这一平台的可编程灵活性允许快速优化化验，并允许实现有条件地执行步骤。例如，如果被特定测试结果触发，可以进行校准、验证测试(confirmatory test)或额外控制。在一些实施例中，系统可以集成样本制备步骤。系统和液滴微致动器上的操作的自动化能够提高便携性，更快地进行化验，供没有受过多少训练的人员使用，从而减少人为差错。
进一步参考图1，在高层上，本发明的每个系统通常包括处理器或控制器114、液滴微致动器116、传感器或检测器118、输入设备120、输出设备122和软件。输入设备120和输出设备122可以通过人机界面(HMI)控制器124连接起来。液滴控制系统通常包括在计算机或处理器126上运行的液滴控制软件，这些软件用于显示液滴控制界面，来控制液滴微致动器系统功能。协议执行系统112包括协议执行软件，这些软件用来执行一组计算机可执行或计算机可用指令，来控制液滴微致动器系统功能，进行液滴操作、检测、流体加载和执行其它协议。下面讨论这一方面的各个组件。
8.1.1.1控制器
本发明的系统可以包括控制器114。控制器用于提供处理能力，例如储存、解释和/或执行软件指令。控制器可以例如包括具有存储器的数字信号处理器(DSP)、微控制器或专用集成电路(ASIC)。Analog DevicesBlackfin DSP处理器是一个合适的DSP处理器实例。
控制器电子耦合到本发明的各个硬件组件，例如液滴微致动器、任何检测器以及任意输入和/或输出设备。控制器可以被配置并编程来控制这些设备的数据和/或电源。例如，关于液滴微致动器，控制器通过激活/去活电极来控制液滴操纵。本发明的这一方面在第8.3节中讨论。
如图1所示，控制器114还可以电子耦合到分开的计算机系统，包括处理器、输入和输出设备、数据存储介质和其它组件。在液滴控制系统和/或编程系统110中这种布局特别有用，其中计算机系统被编程为操作液滴控制用户界面和/或编程用户界面。在这个布局中，一个实施例中计算机系统的处理器126可以通过用户界面接受输入，发出指令给控制器，例如激活/去活电极，读取电极、存储器和/或检测器等。
在协议执行系统112中，用来控制系统的软件可以被直接加载到控制器中，并由控制器执行，使控制器控制液滴微致动器系统功能。在这个实施例中，系统可以自主运行，例如作为便携式或手持系统。下面将进一步详细讨论便携式或手持系统。
如图2所示，控制器处理器202可以作为控制器板204的组件。控制器板204的控制器处理器202被用于监视和控制液滴微致动器系统的所有其它板。控制器板204可以包括电子耦合到处理器的各种内外通信端口，例如外部总线端口206、内部总线端口208和USB通信端口212。外部端口可以将系统连接到各个输入和输出设备，例如人机界面(HMI)控制器板214。外部端口可以被用来将控制器板耦合到液滴微致动器控制器板216来控制和接收来自液滴微致动器的输出。控制器板204还可以包括电子耦合到主处理器的一个或多个测试访问端口和/或编程端口217(例如JTAG端口)。
控制器板204还可以耦合到电源开关218、电源插孔222和电源224。还可以包括电源转换226功能。控制板可以由电池供电和/或耦合到外部电源。
8.1.1.2液滴微致动器
这一系统通常包括液滴微致动器，如同第8.3节将进一步描述的一样。液滴微致动器电子耦合到处理器，使得处理器能够控制液滴微致动器的各个操作，例如液滴操作。
图3说明本发明中在液滴微致动器控制器板310上提供液滴微致动器的实施例。液滴微致动器控制器板310一般包括芯片插口312或连接器机构，用来将安装在外部芯片载体板上的液滴微致动器电子耦合到液滴微致动器控制器板310。还可以有芯片扩展器314。液滴微致动器控制器板310还可以包括通信组件316，用来将液滴微致动器电子耦合到处理器，或者可以包含电路用来调节(conditioning)或放大来自处理器的控制信号。液滴微致动器控制器板310可以包括电源组件318，用来给板组件提供电源。电源组件可以包括例如高压电源和提供电源给液滴微致动器上的电极的开关组件。高压电源就能够工作于一个或多个模式。例如，高压电源可以工作于交流模式，它包括例如交流模式1(单端)和交流模式2(双端、双相(bi-phase)或真实交流)。另外，可以从高压电源给例如控制器板204的控制器处理器202提供反馈，以便进行监视来实现例如故障检测(例如芯片上的电源短路)。
液滴微致动器控制器板400的另一个实施例在图4中说明。图4是微致动器控制器板400的功能框图，该板包括例如微控制器410，微控制器410能够通过内部总线端口412与控制器板204的控制器处理器202通信。微控制器410可以是能够执行程序指令(例如程序指令)用来维护(asserting)电极并将电压设定为某个电平的任意控制器或处理器。微控制器410可以包括例如具有存储器的DSP、微控制器或ASIC。合适的DSP处理器的一个实例是Analog Devices Blackfin DSP处理器。
微控制器410电子耦合到一个或多个移位寄存器414。在一个实例中，微控制器410电子耦合到按照图4所示方式串联的移位寄存器414-1、414-2～414-n。最后的移位寄存器414的输出，例如移位寄存器414-n的输出，可以被反馈回微控制器410。每个移位寄存器414的一个或多个输出可以被用来激活/去活一个或多个高压(HV)开关416，它们的输出被电子耦合到连接器417用来连接到例如外部芯片载体板。每个高压开关416都可以被用来激活/去活一个或多个电极。
另外，微控制器410被电子耦合到至少一个数模转换器(DAC)418。DAC418进行标准的数模转换操作。在一个实例中，DAC418是x位DAC。微控制器410通过发送数字电压值形式的SPI消息给DAC418来设置电湿润(electrowetting)电压。DAC418的模拟输出将给放大器420提供模拟输入，放大器420对收自DAC418的模拟电压进行标准电压放大操作。放大器420的模拟输出给直流-直流变换器422提供输入。直流-直流变换器422是可调电源设备，例如但不限于Pico Electronics公司(Pelham，NY)的SMV12300V设备，这一设备能够从大约0伏调整到大约300伏。
直流-直流变换器422的模拟输出为一个或多个开关子系统424提供输入。在一个实例中，直流-直流变换器422为开关子系统424-1、424-2～424-n提供输入，这些开关子系统的输出离开液滴微致动器控制器板400，用来驱动相应的电极。每个开关子系统424都可以切换到交流模式，其中交流发生器产生例如大约100MHz的方波信号。
另外，每个开关子系统424还可以有反馈线到达微控制器410。到微控制器410的反馈可以放置在电源/开关串中的任意一级，因为但不限于如下原因中的任意原因。第一个原因是监视电源电压。这可以在开关子系统424之前或之后实现，具体取决于用户是否想监视开关损耗。第二个原因是监视开关功能。开关输出端的电压反馈可以表明开关动作是否发生，这对于诊断/故障检测/重新路由(reroute)目的而言是有用的。第三个原因是用作传感器。用电流来检测电容(current incarnation of capacitancedetection)通常依赖于电极上的这种反馈，这个电极控制液滴微致动器顶板作为通过液滴耦合的电容耦合能量的传感器。
另外，直流-直流变换器422还可以有一个电流限制。在一个实例中，直流-直流变换器422具有大约4毫安的最大额定(ratting)电流。来自直流-直流变换器422的电压反馈线通过分压器电路426和模数转换器(ADC)428被提供给微控制器410。在电流上升到超过4毫安的故障情形下，微控制器410可以限制或完全关闭直流-直流变换器422的输出电压，以防止可能损坏液滴微致动器控制器板400的电路的过流状况发生。另外，对故障状况作出响应，微控制器410可以将开关子系统424设置成高阻状态，关闭高压开关416，并给控制器板204的控制器处理器204设置标志信号。进一步的操作可以暂停，直到故障被清除。
参考图5A和5B，在一些实施例中，分析仪可以是便携式设备，例如手持设备500。图5A说明手持设备500的外部。图5B说明用于插入液滴微致动器的芯片载体或槽502(没有画出)；光学传感器504，例如光电倍增管(PMT)，用来感测来自液滴微致动器的光信号；以及盖闩(lid latch)506，盖闩506可以耦合到系统来表明盖子是打开着还是关闭着。可以看到，便携式分析仪还可以是台式设备。本发明的液滴微致动器系统的便携性能够方便维护点或样本采集点使用，在各种设施中：诊所、手术室、抢救室、小型实验室、现场(紧急响应组、事故、灾难、战场、生物恐怖事件(bioterrorism)现场)，用于快速诊断，在紧急情形中节省时间。这里的便携式系统的详细内容将在下面讨论，例如参考第8.2节。
此外，如图6所示，液滴微致动器可以是盒子610的一个组件。盒子610可以包括液滴微致动器612和检测点(detection point)614这样的组件，用于输出信号给检测器；容器(reservoir)616，用于化验输入，例如试剂、磁性珠子、清洁流体和/或控制；填充流体容器；流体输入和过滤组件618。在一个实例中，过滤组件可以是与容器组合的滤纸。在使用的过程中，例如，液体，例如血液，可以被点(blot)到滤纸上，然后渗入容器，然后通过电湿润被拉入微致动器。盒子610可以与液滴微致动器载体板622连通。液滴微致动器可以被直接安装在盒子上，也可以选择成用电缆连接到芯片载体。下面将参考第8.3.3节更加详细地讨论盒子。
8.1.1.3检测器
如同第8.1.3节所描述的一样，本发明的各个实施例都要利用检测器。检测器可以包括传感器，这些传感器耦合到液滴微致动器或位于液滴微致动器附近，以便在液滴微致动器上测量感兴趣的参数，例如芯片上能够找到反应产物的位置上荧光或发光强度。检测器还可以包括传感器，这些传感器监视系统的状态，例如芯片插入传感器、盖子闩锁传感器、环境温度传感器等。理想情况下，每个检测器的输出都被映射到一个具体的存储器位置，处理器必须只查询被映射位置来获得来自检测器的度数。检测器可以是检测器控制器板710的组件，如图7所示，在第8.1.3节“检测器”中对它进行了进一步描述。一般而言，检测器控制器板710可以包括通信端口712，用于与主控制器板通信。检测电路714也可以被包括进来，并且可以是返回例如电压、频率、计数或脉冲持续时间作为结果的任何光传感器。检测器控制器板710的微控制器处理这一结果，然后将它发送到例如控制器板204的控制器处理器202。可以相对于液滴微致动器来安装检测器和/或电子耦合到液滴微致动器，使得检测器能够从液滴微致动器检测信号，例如电或光信号。磁铁控制716可以被选择性地包括进来，用于以较低功率进行致动(actuation)。检测器控制器板710还可以包括电源元件718。
图8是检测器控制器板800的功能框图，它包括例如能够通过内部总线端口812与控制器板204的控制器处理器202通信的微控制器810。微控制器810可以是能够执行程序指令的任何处理器或控制器，例如用于处理传感器数据的程序指令。微控制器810可以例如包括具有存储器的DSP、微控制器或ASIC。合适DSP处理器的实例有Analog Devices Blackfin DSP处理器。
微控制器810可以被电子耦合到电源调节设备814和采样电路816。典型情况下，采样电路816的输出被电气连接到信号调节设备818，后者电气连接到传感器820。另外，微控制器810通常被电子耦合到致动器驱动器822，后者被电气连接到致动器824。
电源调节设备814的输出被电气连接到致动器驱动器822。也可以换成没有致动器驱动器822，电源调节设备814被直接连接到致动器824。电源调节设备814的另一个输出通常被电气连接到采样电路816。电源调节设备814的另一个输出通常被电气连接到信号调节设备818，电源调节设备814的另一个输出被电气连接到传感器820。电源调节设备814被用于处理总线电源，使之适合于电源采样电路816、信号调节设备818、传感器820和致动器驱动器822。
采样电路816可以是例如但不限于模数转换器和/或定时器/计数器。信号调节设备818可以是例如但不限于与PMT(例如转移阻抗放大器)一起使用的信号调节设备、APD(例如偏置放大器)、硅光电二极管(例如仪器用放大器)以及它们的任意组合。传感器820可以是例如但不限于APD、PIN二极管、硅光电二极管、PMT、电化学电池以及它们的任意组合。在一个实例中，致动器驱动器822和致动器824的组合可以代表例如但不限于伺服机构、螺线管、泵、荧光LED以及它们的任意组合。
微控制器810对检测器控制器板800进行总体控制。例如，微控制器810接收和处理控制板204的控制器处理器202的命令，例如返回数据和提供控制信号给检测器控制器板800的组件。微控制器810有能力管理任何致动器，因为它涉及所有传感器并处理从任何传感器返回的数据。
8.1.1.4输入和输出设备
本发明的系统还可以包括各个输入设备和输出设备。在某些实施例中，例如协议执行系统中，特定的输入和输出设备可以用人机界面(HMI)控制器板来控制。例如，如图9所示，HMI控制器板910可以包括MCU控制器912，后者电子耦合到输入设备914和/或输出设备916，例如按钮、开关、小键盘、LED指示器、触摸屏或LCD显示器。HMI控制器板可以通过通信端口918被电子耦合到主处理器，例如连接到控制板204的控制器处理器202。
8.1.1.5软件
本发明的每个系统都可以包括软件，这将在第8.1.2节进一步讨论。存储介质上提供的软件是本发明的一个方面。适当存储介质的实例包括磁存储、光存储、相变存储器、全息存储、分子存储器存储、电池或电容器支持的SRAM和闪存存储。软件可以被载入存储器和/或处理器。本发明的软件存在于存储器中和/或处理器中和/或存储介质中的系统也是本发明的一个方面。
本发明的软件可以用任何编程语言来编写，例如Visual C、Java和/或Python。系统可以包括解释程序用来将液滴操纵和其它指令从高级语言翻译成中间语言，由处理器来执行。按照本发明编写的软件也可以被编译程序编译成机器语言。本发明中语言的软件解释程序和编译程序本身是本发明的新颖方面。因此，包含这个解释程序和/或编译程序的所有形式的数据存储、存储器和处理器都是本发明的一些方面。
可以给系统编程，使之执行涉及任意数量的液滴操纵的各种协议。可以独立地并同时地在单个液滴致动器上操纵多个液滴。并行地独立操纵多个液滴的能力使得执行作为一系列基本微流体指令的复杂协议成为可能。系统是可伸缩的，可以控制每个液滴微致动器芯片几十个、几百个、几千个或者更多的并行液滴操纵。例如，在任意一个时刻，多达液滴微致动器上最大数量的每个控制电极可以进行一个液滴操作。
可以给系统编程，使用户能够输入指令来执行协议。可以跟据用户需要来监视和调整现有协议。可以实现复杂协议，其中一个或多个步骤的结果会决定一个或多个后续步骤的选择。例如，可以输送某个测量结果为正的液滴供进一步处理，而结果为负的液滴则被抛弃，或者反过来。
8.1.2系统
液滴控制系统包括液滴控制软件，用来显示液滴控制界面，以便控制液滴微致动器上的液滴操作；当存在检测器的时候控制检测器；并且控制与液滴控制系统相关联的其它硬件。编程系统包括软件用来方便生成一组软件或计算机可用指令，以便控制液滴微致动器系统功能，例如液滴操作和/或检测器操作。
编程系统可以与液滴控制系统集成，也可以与之分开。在集成系统中，液滴控制功能和编程功能可以由公共用户界面1000来实现，如图10所示。
液滴控制系统和编程系统这两者都包括用户界面1000。在这两个系统中，用户界面可以显示液滴微致动器的地图1001，最好是交互式地图。地图可以被用于直接与液滴微致动器交互，来操纵液滴微致动器上的液滴。在编程模式中可以将地图用在虚拟模式来操纵虚拟液滴，以便开发和记录控制液滴微致动器功能和相关硬件的子程序。下面将进一步讨论这些和其它方面。
8.1.2.1液滴控制系统和用户界面
液滴控制系统包括液滴控制软件。液滴控制软件用于显示液滴控制界面，以便控制液滴微致动器上的液滴；控制检测器，当它存在的时候；并且控制与液滴微致动器系统相关联的其它硬件。液滴控制软件允许用户通过软件驱动的用户界面操纵液滴微致动器上的液滴。这种界面的一个实例在图10中示出。用户界面允许用户观看液滴微致动器的信息等等。用户界面还可以方便用户输入，控制液滴微致动器和相关联的设备(例如相关联的检测器)的功能。
关于控制液滴微致动器上的液滴操作，软件和系统用于驱动液滴微致动器上的控制和参考电极来进行液滴操作等等。液滴操作，下面第8.3.8节将详细讨论，是通过给选定电极施加电压，最好是高电压来实现的。通过控制与电极相关联的继电器的操作，软件和系统可以允许载入处理器的软件控制选定电极的点火(firing)。
如图10所示，可以在输出设备上显示的用户界面1000可以用于显示液滴微致动器设计的图形说明或地图1001。地图1001可以建立在给出控制电极和/或容器中每一个的位置的矩阵或其它配置的基础之上。地图的组件可以通过外观来区分，例如通过形状、颜色、亮度、符号、图标等。例如，在图10所示的地图中，未被激活的液滴操纵电极1002可以用第一颜色画出(例如灰色)，被激活的液滴操纵电极和容器1003可以被画成第二颜色(例如红色)，未被激活的容器1004可以被画成第三颜色(例如蓝色)。
在一个实施例中，在控制文件中定义矩阵，它标出每个电极和/或容器的行和列。加载控制文件时，系统读入矩阵定义，在用户界面上显示矩阵的对应地图。
界面可以显示关于地图组件的信息，它们也可以被储存在控制文件中。在一个实施例中，系统显示鼠标光标落在上面的、被选中的或者用户用其它电子方式标出的组件的信息。显示的信息可以例如包括以下信息中的一些或全部：
·组件类型，例如液滴操纵电极、试剂容器、样本容器等；
·电气连接性信息，例如电极列举(electrode enumeration)、地、点数等；
·相邻关系，例如在多边形电极布局中；
·代表性的几何图形，用于在用户界面中显示地图；
·设计注释和/或其它说明；
·部件号；
·列和/或行位置。
系统还可以记录每个电极的激活历史，使得用户能够跟踪电极被激活的次数。历史信息可以在例如将鼠标光标放在电极上或者选择电极时显示出来。系统可以从用户接受输入，指令同时显示所有电极的历史信息。
为了帮助用户交互，把鼠标光标放上去的电极或者被选中的电极1002或者其它组件也可以引起在液滴微致动器地图上将电极或组件突出显示。这种能力允许直接控制液滴微致动器操作的用户通过将鼠标光标放在液滴微致动器组件上在实际选择和激活这个液滴微致动器组件之前，回顾每个可能步骤的信息。系统可以以不同的方式突出显示将鼠标光标放上去的组件和被选组件，使得用户能够区分这两者。
编程系统可以包括选择装置和/或手段1012，用来让用户选择液滴微致动器设计或地图来进行显示。也可以将标识液滴微致动器设计或地图的数据包括进来，作为液滴微致动器总成(assembly)或盒子的组件，在将液滴微致动器总成或盒子耦合到系统时能够被系统访问。
要指出，在一些设计中，可以有一个以上的电极被耦合到同一个电输出。这样的设计可以被用于简化操作液滴微致动器所需要的电气连接。在这种设计中，选择或者将鼠标光标放在公共组中的一个电极上，会导致这一组的全部电极被选中、突出显示和激活。
因此，在一个实施例中，将系统编程为当用户在微致动器地图1001上选择未被激活的电极1002时，系统激活这个电极。例如，系统可以这样，点击地图上的电极表示会引起电压被施加到液滴微致动器上对应的实际电极，从而激活被选电极。这样，用户就能够用界面直接操纵液滴微致动器上的液滴。
液滴控制系统允许用户通过顺序点击一系列相邻电极来输送液滴。类似地，系统可以让用户通过选择虚拟的屏幕上液滴并将这个液滴拖动到液滴微致动器地图上希望的虚拟电极来输送液滴。此外，系统还可以让用户通过选择虚拟的屏幕上液滴，然后点击液滴微致动器地图上希望位置处的虚拟电极来输送液滴。在涉及虚拟的屏幕上液滴的两个实例中，系统可以选择路径和一些系列的液滴操作，将液滴从开始位置输送到目标位置。例如，在一些实施例中，被选路径可以是最短路径。显然，通过用户界面也可以同样控制其它液滴微致动器组件。
系统可以被编程为显示电子耦合到液滴微致动器组件的电控制线1005的表示，使得用户将鼠标光标放在组件上和/或选择这个组件时，系统突出显示给这个组件供电的电控制线和/或这个控制线供电的其它组件。
可以利用例如显微镜和视频捕获设备，以视觉方式监视液滴微致动器。用户界面可以显示来自视频捕获设备的液滴微致动器的实时图像。此外，液滴微致动器地图可以被重叠在实时液滴微致动器图像上，使得用户通过用户界面与芯片交互时能够看到芯片上的液滴操作。
类似地，系统可以被编程为在液滴微致动器地图上显示虚拟液滴，说明系统控制的液滴微致动器上的液滴的实际表现，和/或系统可以被编程为在液滴微致动器地图上显示虚拟液滴，说明芯片上液滴的预测表现，即使液滴微致动器不是正在被系统直接控制。
系统还可以被编程为进行“相反输出(inverse output)”1006操作。在典型的操作中，液滴总是连接到地电压/地线。在“相反输出”操作中，将信号反相，于是液滴处于高电压，通过将电极设置为地电位来激活电极。换句话说，“相反输出”操作就是切换信号的极性。
8.1.2.2编程系统和用户界面
编程系统包括编程软件，用来产生一组软件或计算机可用指令，以便控制液滴微致动器上的液滴操作，并控制液滴微致动器和有关硬件的其它功能。软件指令可以例如包括执行协议以便处理和分析样本并输出分析结果的指令。
编程系统可以与液滴控制系统集成也可以与之分开。图10说明用公共用户界面实现液滴控制功能和编程功能的集成系统。
编程系统可以提供编程模式，用来写入程序，控制液滴微致动器功能和相关组件，例如检测器组件，而不与实际液滴微致动器芯片交互。在图10示出的示例性用户界面上，通过下拉菜单1007可以选择编程模式。
编程系统可以例如包括装置和/或手段用来让用户产生具有一组指令供液滴微致动器执行的程序。合适指令的实例包括：
·“开”，用于表示要被致动的电极；
·“频率”，设置执行步骤的速率，例如电极激活/去活的时序(timing)；
·“等待”，让指令暂停预定时间段；
·“循环”，让程序中的步骤循环；
·“电压”，设置施加在输出端上的电压。
可以将指令作为字节编码语言来提供，它包括进行液滴操纵并控制系统其它方面所需要的指令。编程系统准备的指令可以用汇编语言记录，并汇编成字节代码。可以将这些字节代码载入本发明的系统，例如协议执行系统来执行。系统可以包括软件解释程序，用于解释编程语言，在例如协议执行系统中执行。
在一个优选实施例中，系统能够显示一系列的按钮或图标1008，可以选择它们来从子程序添加、插入、更新、修改或删除指令。只要合适，这些按钮或图标可以伴随字段1009用来输入与指令相关联的参数。例如，通过点击“添加”按钮，能够在子程序的末尾添加命令。通过点击“插入”按钮，能够在子程序中插入命令。通过点击“修改”按钮，能够修改在子程序中存在的命令。通过点击“删除”按钮，能够删除命令。此外，可能是可编辑的显示字段1010可以被包括进来供查看、输入和/或编辑代码。
编程系统还可以包括具有这里描述的一个或多个方面的液滴微致动器地图(例如见第8.1.2.1节“液滴控制系统和用户界面”中的描述)。
编程系统可以在液滴微致动器地图上显示子程序的仿真执行过程，向用户输出所选命令系列的效果的视觉显示。换句话说，在仿真执行模式中，软件执行子程序的步骤，但是不发送电信号给液滴微致动器。在优选仿真模式中经历一个或多个液滴操作的仿真液滴1011显示在屏幕上，用来向用户说明程序的实际效果。通过这种方式，用户能够很容易地查找子程序的问题，而不需要与液滴微致动器交互。
系统可以包括“重复”模式，在这种模式下，子程序自己连续重复，直到用户将它停止。此外，系统还可以包括“暂停”命令，让用户能够停止/开始子程序的执行。
在一个实施例中，液滴控制功能和编程功能被组合起来，通过一个或多个用户界面的命令集合进行控制。这个实施例可以使得用户能够人工控制液滴微致动器上的步骤，将执行的步骤翻译成在液滴微致动器上执行相同步骤的子程序。换句话说，系统可以将人工液滴操纵作为子程序记录下来。以后可以将这个子程序上载并执行，例如在协议执行系统中。例如，子程序可以被载入便携式或手持协议执行系统，使得手持系统能够执行一系列预定步骤，例如处理和分析样本所需要的步骤。
在一个实施例中，本发明提供一种集成工具，它具有点击-和-拖拽液滴操纵功能，以及用于产生能够储存和执行的子程序的汇编程序。
8.1.2.3协议执行系统和用户界面
本发明还提供一种协议执行系统。这种协议执行系统包括协议执行软件，用来执行一组软件指令，以便控制液滴微致动器上的液滴操作，以及液滴微致动器的其它功能和相关硬件。协议执行系统在独立系统(free-standing system)上提供执行协议的能力，这些系统通常是便携式或手持系统，例如如同这里讨论的图5A和5B所示。图11说明另一个概念性的手持系统1110，其中的液滴微致动器盒子1112能够被插入槽1114用于进行分析。如上所述，使用或者不使用编程系统，可以用编程语言来准备在协议执行系统上执行的定义协议的子程序。
协议执行系统用于控制液滴微致动器，还可以控制相关联的组件，例如检测器、加热器、闩锁开关等。预编程的指令可以被载入控制器，控制器控制系统，还可以控制相关联的组件。
协议执行系统可以包括各种组件用来让用户提供输入给处理器，并从处理器获得输出。人机界面可以用HMI板来实现，如图9所示。HMI板通常包括控制器模块以及各种电子组件，例如用于将输入和输出设备与处理器进行电子耦合的总线和端口。
8.1.3检测器
系统可以包括一个或多个片上和/或片外检测器或机制用来分析液滴或液滴属性。例如，液滴微致动器可以包括一个或多个检测方法，例如电流分析法、电势分析法、电导分析法、吸收率、化学发光、荧光和/或温度。
在一些实施例中，液滴操纵模块和检测模块可以通过将它们构建在分开的基片上来进行去耦。液滴微致动器也可以结合检测组件。图12说明与液滴微致动器集成的检测组件，实施例说明生物流体分析仪1200。在这个实施例中，可以提供各个组件或模块来进行生物流体分析，例如，检测代谢物(例如葡萄糖、乳酸盐、血液尿素氮和肌酸酐)、电解质(例如K+、Cl-和Na+)、蛋白质和酶。这里的各种模块可以包括电流分析模块1202、电势分析模块1204、光学模块1206和电导分析模块1208。在这两种情况下(分开的基片或者结合的基片)，液滴检测设备最好是至少部分地电子耦合到控制器，并由控制器控制。
于是，可以提供检测能力作为检测器控制器板的一个组件，如图7和8所示以及上面所讨论的一样。检测器控制器板可以包括一个或多个检测器。这个板可以包括各种信号放大器，例如光电倍增管，用于放大从液滴收到的信号。检测器控制器板可以包括控制元件，用于检测协议的其它片外芯片，例如控制马达来移动系统的组件。例如，在一个实施例中，检测器控制器板包括伺服马达控制器，用于控制伺服马达，将磁场源移到液滴微致动器附近或者从中移出，从而给液滴微致动器施加磁场/从液滴微致动器去掉磁场。检测器控制器板还可以包括电源元件和通信元件，包括但不限于将检测器组件或板的控制组件电子耦合到处理器所需要的元件。
因此，例如，本发明的系统在片上和片外可以包括以下中的一个或多个：电流分析模块，设置成测量流经液滴的电流；电势分析模块，包括测量和基准电极，设置成用于测量液滴的平衡电极电势；电导分析模块，设置成测量液滴的电导率；吸收分析模块，设置成测量液滴的能量或光吸收；化学发光分析模块，设置成测量液滴中化学组分发出的光，例如荧光。可以在例如盒子和/或分析仪中提供片外检测模块，这个盒子包括芯片，这个分析仪与盒子或芯片耦合。
优选检测方法是吸收、电化学、荧光和化学发光。在一个实施例中，这些方法中的两个或多个由单个系统实现。在另一个实施例中，这个系统包括一个检测模块，但是系统被编程为利用这个模块进行一个以上的测试。在这个实施例中，需要测试的被处理样本液滴顺序移到位置上进行测试。因此，在使用单个检测器时，多个样本被多路传送到检测点。系统也可以包含多个不同的检测模块，每个模块都使得液滴顺序移动到检测模块之一的位置上。
在图13A～13D给出传感器配置的说明性实例，其中的传感器可以和底板1302、顶板1304和电极1306一起提供。图13A说明光传感器，它可以利用包括LED1308和光电二极管1310的一组用于监视吸收。图13B说明发光分析(luminometric)传感器，它可以利用光电倍增管(PMT)1312。图13C说明电势分析传感器1314，它通常是基于无电流的情况下的电势测量。图13D说明电流分析传感器1316，它通常通过在两个电极之间施加了电势时产生电流来起作用。
在2006年12月11日递交的发明名称为“Droplet-BasedBiochemistry”的第PCT/US06/47486号国际专利申请中描述了合适的其它检测器和传感器结构，在这里将它全部引入作为参考。
8.1.4其它方法
本发明的这个方面还包括一种方法，在这种方法中，为客户提供台架顶(bench-top)系统的组件来作为交换(in exchange for consideration)。在一个实施例中，提供给客户的组件不包括PC。可以在存储介质上将本发明的软件提供给用户，或者让用户通过网络例如因特网下载。用户可以获得这一系统的其它组件，将组件耦合到PC，将软件载入PC，从而组装本发明的系统。还可以让这一系统能够访问协议的在线源，将它们下载并在这一系统中执行。可用协议的实体可以经常性地更新或补充。可以有广告与在线协议相关联。在线协议可以与打分系统相关联，让用户给各个协议的效果打分和/或给出用户评价，使其他用户能够利用打分和/或评价来帮助选择合适的协议。
本发明包括一种方法，在这种方法中利用台架顶系统产生代码来执行协议。可以将代码上载到分开的系统中，例如便携式或手持系统，将它提供给客户来作为交换。用户可以用这一系统来执行协议。
本发明还包括一种方法，在这种方法中，通过网络远程进行编程和/或系统控制，例如通过电话系统或因特网。于是，例如，可以将系统卖给用户，程序员可以通过显示的用户界面经过因特网连接到系统来控制这一系统，利用系统产生程序，将程序载入系统，和/或修复系统上的程序。作为另一个实例，本发明包括远程用户通过网络访问液滴微致动器，在系统上进行一个或多个液滴操纵的过程。
8.1.5系统概述
如同本领域技术人员明白的一样，本发明可以被实现为一种方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明的各个方面可以采取全部硬件的形式，全部软件的形式(包括固件、驻留软件、微代码等等)，或者将软件和硬件组合起来的形式，在这里可以将它们统称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本发明还可以采取计算机可用存储介质，上面储存有计算机可用程序代码的计算机程序产品的形式。
任何合适的计算机可用介质都可以被用作本发明的软件方面。计算机可用或计算机可读介质可以使例如但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、装置、设备或传播介质。计算机可读介质更加具体的实例(非穷尽的清单)包括如下中的一些或全部：具有一条或多条电线的电气连接；便携式计算机盘；硬盘；随机存取存储器(RAM)；只读存储器(ROM)；可删除可编程只读存储器(EPROM或闪存)；光纤；便携式紧凑型盘只读存储器(CD-ROM)；光存储设备；传输介质，例如支持因特网或内网的那些；或者磁存储设备。要注意，计算机可用或计算机可读介质甚至可以是纸张或者另一种合适的媒质，在上面印上程序，因为可以用电子方式捕获这些程序，通过例如纸张或其它介质的光扫描，然后编译、解释或者用合适的方式进行处理，如果需要的话，然后储存在计算机存储器里。在本说明书的情形中，计算机可用或计算机可读介质可以是能够包含、储存、传递、传播或输送程序，用于或者结合指令执行系统、装置或设备的任何介质。
用来进行本发明的操作的计算机程序代码可以用面向目标的编程语言编写，例如Java、Smalltalk、C++之类。但是用于进行本发明的操作的计算机程序代码也可以用常规程序编程语言编写，例如C编程语言或者类似的编程语言。程序代码可以整个地在用户的计算机上执行，部分地在用户的计算机上执行，作为独立的软件包，部分地在用户的计算机上，部分地在远程计算机上或者全部在远程计算机或服务器上执行。在后一种情形中，远程计算机可以通过局域网(LAN)或广域网(WAN)连接到用户计算机，这一连接也可以通过外部计算机进行(例如利用因特网服务提供商通过因特网)。
参考本发明的实施例中的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图说明本发明。要明白，流程图和/或框图中的每一块，或者流程图和/或框图中的块的组合，可以用计算机程序指令来实现。可以将计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器来生产机器，使得通过计算机处理器或其它可编程数据处理装置执行的指令产生装置和/或手段用来实现流程图和/或框图中的块指定的功能/动作。
这些计算机程序指令还可以储存在计算机可读存储器中，让计算机或其它可编程数据处理装置按照特定的方式发挥功能，使得计算机可读存储器中储存的指令成为产品，其中包括指令装置和/或手段用来实现流程图和/或框图中的块指定的功能/动作。
计算机程序指令还可以被载入计算机或其它可编程数据处理装置，在计算机或其它可编程装置上进行一系列的操作步骤，产生计算机实现的过程，使得在计算机或其它可编程装置上执行的指令产生步骤来实现流程图和/或框图中的块指定的功能/动作。
8.2便携式分析仪
本发明还提供一种便携式样本分析仪系统和相关设备及方法。如上所述，图5A、5B和11说明本发明这一方面的两个实施例。总而言之，这一便携式系统包括分析仪组件和要电子耦合并且通常还物理耦合到分析仪组件的盒子组件。在图11中示意性地说明分析仪和盒子，它们被插入分析仪会物理和电子地将盒子耦合到分析仪。在典型的实施例中，分析仪组件包括控制器或处理器，用来引导系统中各个组件的操作，将分析仪耦合到盒子的装置和/或手段，以及各种输入或输出组件。盒子一般包括液滴微致动器和将液滴微致动器耦合到分析仪的装置和/或手段。盒子的液滴微致动器组件一般包括液滴输送路径或网络，试剂和/或样本加载装置和/或手段，试剂和/或样本存储容器，以及其它液滴处理组件，例如液滴分配组件、液滴加热/冷却组件和/或让液滴承受磁场的组件。分析仪和/或盒子还可以包括各种检测器子系统用来检测液滴微致动器上或来自它的输出。样本制备和加载组件也可以被包括进来，作为分析仪和/或盒子的一些方面。此外，系统被编程为控制系统的组件来进行各项化验，测量化验结果，传递与化验有关的信息，等等。
如上所述，便携式分析仪系统通常包括分析仪组件和要电子耦合并且通常还物理耦合到分析仪组件的盒子组件。分析仪组件通常包括可以被编程为控制系统各个方面的控制器(虽然在一些实施例中，控制系统的处理器可以位于其它地方，例如电子耦合到系统的计算机上)。盒子包括装置和/或手段来将盒子的各个方面与控制器电子耦合。特别是当盒子耦合到分析仪时，盒子的液滴微致动器耦合到控制器，并且能够被控制器控制。
各个输入装置和/或手段，例如键盘、开关和触摸屏，以及各个输出装置和/或手段，例如显示屏、输出端口和无线发射设备，也可以被包括进来与控制器进行电子通信。如上所述，参考第8.1.1.5节，可以将系统编程为执行涉及任意数量液滴操纵的各种协议。
控制器通常包括微控制器、各种其它电子组件和有关软件。控制器可以被设置成从输入设备接受指令和/或储存它自己的测试协议和其它程序。控制器可以被设置成接受程序或来自盒子的实时反馈，以便控制盒子的操作，例如分配和输送液滴，作为测试协议的一部分。控制器还可以提供指令给分析仪的其它组件，例如对检测器进行激活或去活。
控制器通常包括微处理器，用来进行与测试结果的推导和解释有关的计算。这些计算可能涉及储存的数学关系或数值常数，并且可以包括来自用户界面的输入。液滴被放在控制器控制的电极处或者由电极的激活所移动。在有关实施例中，控制器电子耦合到分开的计算机指令并且从它们接收，控制分析仪的各个元件。
可以将系统编程为让用户输入指令来执行协议。可以跟据用户需求监视和调整现有协议。可以实现复杂协议，其中一个或多个步骤的输出决定一个或多个后续步骤的选择。例如，特定被测结果为肯定的液滴可以被输送供进一步处理，而结果为否定的液滴则可以被丢弃，或者反过来。
本发明的系统的操作比例如机器系统的操作更加灵活，后者需要大量机器总成，大量设施和数千倍量的试剂来获得液滴微致动器的并行操作的结果。然而，在一些实施例中，对于液滴微致动器或盒子放置、试剂加载、放置检测器用来对片上现象进行外部测量等等，机器都是有用的。
在一个实施例中，便携式系统通常包括分析仪组件和盒子组件。总之，在样本提取或采集前后，可能需要制备样本，例如液体样本。然后在样本界面上将这个样本加载到盒子上的样本加载子系统。系统可以将样本细分成多个样本液滴，例如用于制备和执行多项测试。每个样本液滴还可以被细分和/或经历盒子上的各种样本制备。
一般而言，每个子样本液滴要经过各个处理步骤和/或按照测试协议与一个或多个试剂组合。能够获得中间结果时，测试协议可以在测试过程中修改。
每个子样本的测试输出是光信号或电信号。这个信号通过电子或光学接口发送到分析仪上的电气和/或光学检测器。样本加载、试剂分配(distribution)、样本制备和测试执行都由分析仪上的控制器通过电子接口主动控制。从盒子到控制器还会有关于盒子状况或盒子上一些任务的状态的反馈。
在图14中说明本发明的便携式系统中一个实施例的一步一步功能。要明白，这些步骤不必按照所表明的顺序来进行。在步骤1410和1412中，从测试对象(test subject)提取样本，将样本采集起来。在步骤1414中，用户指令系统用液滴操作来执行具体测试协议。例如，用户可以从分析仪上的菜单选择要进行的测试，或者盒子可以提供输入给分析仪，通知分析仪运行某些预先加载的协议。在步骤1416中将样本加载到盒子上。盒子提供装置和/或手段用来进一步将流体加载到液滴微致动器的表面进行处理。在步骤1418和1420中在片上将成块的(bulk)流体转换成离散的液滴，用液滴操作输送给样本制备。样本制备在步骤1422中进行，在步骤1424中输送液滴。按照同样的方式将储存的试剂投递(deliver)给测试——成块的流体被转换成离散液滴，然后用液滴操作将合适量的液滴输送给测试。试剂存储、转换成液滴和输送在步骤1426、1428和1430中进行。在步骤1432中混合在步骤1424和1430中用液滴操作输送的样本液滴和试剂液滴。液滴操作由分析仪上的控制器按照一步一步的方式进行管理。在步骤1434中，随后将组合的样本和试剂混合或者它们的一部分输送到与电子传感器接触，例如电化学检测器，或者通过盒子中的“窗口”呈现给集成在盒子中或者位于分析仪中能够观察到光信号的光学检测器。
在这个优选实施例中，当样本和试剂被限制在盒子中时，分析仪保持为“干”。在替换实施例中，系统可以利用多个盒子来进行测试。例如，包含足够试剂来进行许多测试的试剂盒子可以与分析仪内的单用途测试盒子连通。在这种情况下，分析仪可能需要变“湿”，以便将多个盒子用管道连接(plumbing)一起。在完成检测步骤1436时，可以将液滴输送到垃圾容器，在步骤1438中分析检测结果。在检测器和控制器之间会有一些反馈，于是一捕获适当的结果就可以终止测试。在步骤1440中，在显示器上或者通过某种其它通信装置和/或手段将测试结果通知用户，并告知测试对象。
8.2.1分析仪
如上所述，分析仪一般包括(1)让用户在用户界面处进行输入的装置和/或手段；(2)硬件和软件控制器，用于对液滴进行来加载样本、制备样本、投递试剂并执行测试所需要的电微致动以及其它动作；(3)用于检测结果的一个或多个装置和/或手段；(4)进行任何必要计算的装置和/或手段；以及(5)进行通知和通过用户界面显示结果的装置和/或手段。
用户输入装置和/或手段可以例如包括按钮、显示屏、触摸屏以及将分析仪耦合到计算机控制的端口。本发明的单个盒子可以被设计或编程为进行许多不同测试。不象现有系统，在本发明的优选实施例中，可以由用户来修改测试协议，例如以便选择具体测试。用户还可以输入具体校准或其它分析信息，例如，帮助样本加载、样本制备、液滴控制、检测或数据分析。例如，用户可以输入所需置信水平，可以将系统编程为重复测试，直到达到这个置信水平。用户输入可以例如伴随处理按钮，伴随软件驱动的触摸屏上或者通过与计算机、存储器卡的界面或者其它输入能够获得的寻址变量输入。用户输入还可以通过与盒子的电子或光学界面投递。盒子可以包含在存储器液滴微致动器中编码的信息或者其它装置和/或手段来提供校准数据、盒子标识、生产批号、截止日期或其它信息。
系统还可以包括输出装置和/或手段用来报告测试结果。例如，可以在视觉显示器上报告结果，可以将结果发送给打印机，或者可以将结果输出给计算机来进行显示、传输或进一步分析。本发明还可以包括装置和/或手段用来以无线方式传输数据。用于用户输入的同一设备可以被用于通知结果。
8.2.2盒子和液滴微致动器
可以通过电子界面、光学界面或者这两者给盒子提供与分析仪的界面，并且一般包括如下中的一些或全部：(1)将试剂和/或样本加载到盒子上去的装置和/或手段；(2)加载和/或储存试剂和/或样本材料的装置和/或手段；(3)制备样本的装置和/或手段；和(4)液滴微致动器，用来进行液滴操作，例如输送样本、子样本和试剂，并在盒子内进行测试，和/或执行各种处理步骤，例如稀释、混合、加热和孵化。理想情况下，将盒子物理上适配到分析仪，对准相关的电子和/或光学接口。盒子还可以包括存储器设备，用来储存信息或指令，例如关于测试类型、测试协议步骤和校准数据的信息和/或指令。下面参考第8.3.3节进一步详细地讨论盒子。
8.2.3检测器子系统
本发明的分析仪和/或盒子可以包括各种检测器子系统。检测器子系统可以包括一个或多个检测器以及相关联的电子和机械元件。作为计划的样本制备和/或计划的协议中与试剂混合的结果，液滴具有可检测特性。然后可以将液滴输送到检测器的传感范围内或者与检测器接触。由于基于液滴的技术能够提供准确、可测量的已知体积，因此检测器输出可以被用于提供目标分析物的存在或状况的定量测量。但是，要测量的液滴可以很小，优选是从大约1fL到大约1mL，最好是从大约0.1nL到大约10μL，从大约1nL到大约1000nL更好，因此检测装置和/或手段必须能够正确地检测所希望的特性，尽管因为体积很小信号自然减小。
可以将几个检测方法结合到分析仪或盒子。在一个实施例中，样本，或者样本制备或化验步骤的结果，可以与电化学检测器接触。盒子让离散的液滴与单个传感器接触。本发明中基于液滴的微流体为这一电化学分析提供固定的和离散的体积，能够提供高准确度的测试结果。其它技术将样本和试剂“池”提供给检测器阵列，使得每个传感器工作所需要的化学反应可以互相干预。在本发明中，每个电化学反应通常在它自己的微环境中发生。
在本发明的检测子系统的另一个实施例中，用化学化验来产生荧光信号。在存在光学窗口的情况下发生反应和/或产物或反应产物的一部分被输送到这个光学窗口。与荧光检测相比，本发明的优点是基于液滴的系统的离散本质，其中可以混合非常准确体积的样本和试剂，更加仔细地控制荧光输出水平。
另外，可以将许多样本呈现给单个检测器，因为在测量随时间变化的荧光输出的计划中，液滴能够相对于检测器循环。因此，可以用单个检测器来同时跟随随时间的多个反应。在具有不那么复杂的液体处理系统的其它系统中，如果需要同时的结果，必须使用分开的检测器。在一个实施例中，如图5B所示，本发明利用安装在系统的分析仪部分上的光电倍增管来检测和测量液滴微致动器发出的微弱光信号。
类似地，在另一个实施例中，用化学化验来产生发光输出。发光检测器放置在同一个或另一个光学窗口的对面。在光学窗口对面发生反应，和/或产物或反应产物的一部分被输送给光学窗口。发光检测方法通常是更加灵敏的检测技术。否则，这一技术受益于与上面针对荧光检测描述的那些相似的优点。
在另一个实施例中，已知目标分析物的浓度会按照浓度吸收某一波长的光。一制备好进行分析，就将液滴放在光路上，用光电检测器来测量光输出的改变。
可以将这些检测方法组合起来用同样或不同的检测器同时进行多个化验。还可以用多个检测技术测量单个化验来提高输出置信度。
8.2.4化验
可以将本发明的系统编程为执行各种化验协议。例如，多步骤酶化验(enzymatic assay)要将材料顺序地添加到样本。最终结果通常是颜色改变、发光或者例如能够用光学装置和/或手段检测的输出。
本发明的系统可以被编程为执行免疫测定。在2006年12月11日递交的，发明名称为“Droplet-Based Biochemistry”的第PCT/US06/47486号国际专利申请中描述了合适的免疫测定方法，在这里将其全部内容引入作为参考。将抗体储存起来作为盒子上的试剂，并且让它与样本材料接触。抗体绑定到被分析物或来自样本的感兴趣的生物材料。通常通过化学或磁性装置和/或手段将抗体锚定到输送装置和/或手段的表面，例如永久性地，或者通过激活或呈现磁场，而将剩余的样本材料去掉。然后可以将额外的试剂引入来产生或附着发光、荧光或正比于被分析物或抗体捕获的生物材料的量的其它可检测输出。可以使用多个抗体，还可以采用化验的竞争格式(competitive format)，其中将标有荧光或发光标记物的指定量的被分析物作为试剂，样本中的被分析物必须竞争抗体附着地点。在这种情况下，检测到的信号越强，被检测到的被分析物就越少。
在另一个实施例中，在盒子上采用聚合酶链反应(PCR)来放大样本中存在的DNA。在2006年12月11日递交的，发明名称为“Droplet-BasedBiochemistry”的第PCT/US06/47486号国际专利申请中描述了合适的PCR方法，在这里将其全部内容引入作为参考。总而言之，添加适当的试剂，在严格控制的温度下让样本/试剂混合物经过热循环，来放大DNA。热循环可以用一个或多个加热器，经过以下方式来完成：改变加热器的温度，或者在更好的实施例中，用液滴操作将液滴输送到单个加热器附近并从它附近输送走，或者输送到设置于不同温度的多个加热器附近并从这多个加热器附近输送走。在每个循环，或者每几个循环之间检测放大，来测量进展。一获得足够的进展就停止放大。在一些实施例中，在不对加热器进行热循环的情况下获得热循环。
在另一个实施例中，通过捕获表面(例如珠子或芯片表面)上的遗传(genetic)材料来在盒子上进行DNA排序。在添加了适当的试剂以后，顺序添加基(bases)。结合了正确基的时候，能够检测到荧光或发光输出。
总之，丛生物化学过程输出的信号的最大化涉及选择最佳类型的化验来检测特定被分析物，使这种化合物类型的每体积基上的可用信号最大，确认在相关浓度范围内能够获得相容的结果，通过适当的样本制备或更进一步的化验步骤，使信号衰减或对信号的其它干扰最小。
8.3液滴微致动器体系结构和操作
上面一般性地讨论的本发明的各个方面包括处理器控制的液滴微致动器。例如，这个处理器可以被编程为控制液滴微致动器上的液滴操纵等等。可以有各种液滴微致动器结构。可以配置到本发明的液滴微致动器中去的组件的实例包括能够被加载到液滴微致动器上的填充剂流体；用于引入填充剂流体、样本和/或试剂到液滴微致动器上的流体加载机构；各种容器，例如输入容器和/或处理容器；液滴分配机构；控制液滴微致动器、填充剂流体和/或液滴微致动器上的液滴的温度的装置和/或手段；以及磁场产生组件，用来操纵液滴微致动器上的磁性响应珠子。这一节讨论液滴微致动器的这些方面和其它方面，以及它们在本发明的系统中的应用。
8.3.1液滴微致动器
上面讨论的各个方面可以利用液滴微致动器，有时在这里将它称为芯片。液滴微致动器可以包括具有一个或多个电极用来进行一个或多个液滴操作的基片。在一些实施例中，液滴微致动器可以包括一个或多个阵列、路径或这些电极的网络。可以利用各种电特性来进行液滴操作。实例包括电湿润和电泳。
在一个实施例中，液滴微致动器包括与基片相关联的两个或多个电极，并且包括装置和/或手段用来对电极进行激活/去活。例如，这些电极可以被电子耦合到一组手动开关和/或控制器，并且受它们控制。因此液滴微致动器能够进行液滴操作，例如分配、分裂、输送、合并、混合、搅动等。在一个实施例中，液滴操纵用以电场为中介的激活来进行。电极被电子耦合到用来控制到液滴微致动器的电气连接的装置和/或手段。
基本液滴微致动器包括拥有路径或电极阵列的基片。在一些实施例中，液滴微致动器包括由间隙隔开的两个并行基片和一个或两个基片上的电极阵列。这些基片中的一个或两个可以是板。一个或两个基片可以用PCB、玻璃和/或半导体材料作为基片来制作。在基片是PCB的情况下，以下材料是合适材料的实例：Mitsui BN-300；Arlon11N；Nelco N4000-6和N5000-30/32；Isola FR406，特别是IS620；含氟聚合物族(适合于荧光检测，因为它具有很低的背景荧光)以及聚酰亚胺族。各种材料也适合于被用作基片的电介质组件。实例包括：蒸汽沉积电介质，例如聚对二甲苯C(特别是玻璃上的)和聚对二甲苯N；特氟隆AF；Cytop；和焊接掩膜(soldermask)，例如液体可照片图像(photoimageable)焊接掩膜(例如在PCB上)：象Taiyo PSR4000系列、Taiyo PSR AUS系列(对于涉及热控制的应用具有良好的热特性)以及Probimer8165(对于涉及热控制的应用具有良好的热特性)；干膜焊接掩膜，例如Dupont Vacrel族中的那些；以及膜电介质，例如聚酰亚胺膜(Kapton)、聚乙烯和含氟聚合物：象FEP、PTFE。一些或所有基片还可以包括疏水涂层。合适的实例包括特氟隆AF；Cytop；Fluoropel族的涂层；硅烷涂层；氟硅烷(fluorosilane)涂层；和3M Novec电子涂层。
在液滴微致动器包括两个板的情况下，可以将液滴放在两个板之间的空间里。包围液滴的空间通常包括填充剂流体。液滴微致动器可以用各种流体液滴进行液滴操作，尽管导电流体是优选的。下面参考第8.3.4节更加详细地讨论填充剂流体。
液滴微致动器的表面通常涂覆有疏水涂层。对于进行热循环的应用，应该选择疏水涂层，在长时间的热循环操作中它能够对抗热应力。合适热阻材料的实例包括焊接掩膜，例如Probimer8165，它被开发出来用于汽车工业，具有优良的抗热冲击能力；还有PCB板材料，例如Mitsui BN-300，它能对抗高温和翘曲。
沿着控制电极的路径或网络输送液滴。阵列或路径包括用于将电极电气耦合到外部电路的电气连接。阵列或路径还可以包括将某些电极电气耦合在一起的电气连接。可以通过外部电路由处理器控制电极。液滴操作可以通过给电极提供电压来实现。尽管优选电压随着电解质的厚度而变化，对于2～100范围内的介电常数以及1nm到10mm范围的厚度，每个单位面积的优选能量极限在大约300微焦耳每平方米到大约300000微焦耳每平方米的范围内。优选激活电压在大约1mV到大约50kV的范围内，或者在大约1V到大约10kV的范围内，或者在大约5V到大约1000V的范围内，或者大约10V到大约300V。
典型情况下，通过电压继电器给电极点火。液滴微致动器通过直接操纵离散液滴来操作，例如利用电场。例如，邻近具有环绕接地电极的被激励(energized)电极的液滴将被输送到将它与被激励电极对齐，也就是液滴会被输送到这个电极的位置。一系列接续传递将会把液滴沿着控制电极的路径或网络输送。除了输送以外，其它操作，包括液滴的合并、分裂、混合和分配可以通过改变电压激活模式用相同方式进行。
要注意，可以用各种方式激活电极。例如，可以通过施加直流电势来激活电极。类似地，可以通过施加交流电势来激活电极，因此，被激活电极具有交流电势，未被激活电极具有地或其它基准电势。另一方面，可以通过反复激励电极然后翻转它来施加电势。可以通过利用软件快速切换输出的极性来实现交流模式。
在一些实施例中，本发明采用能够在以下文献中找到的液滴操作结构和技术：2005年6月28日授予Parmula等等的，发明名称为“Apparatusfor Manipulating Droplets by Electrowetting-Based Techniques”的第6,911,132号美国专利；2006年1月30日递交的，发明名称为“Apparatus and Methodsfor Manipulating Droplets on a Printed Circuit Board”的第11/343,284号美国专利申请；2004年8月10日授予Shenderov等等的发明名称为“ElectrostaticActuators for Microfluidics and Methods for Using Same”的第6,773,566号美国专利；以及2000年1月24日授予Shenderov等等的发明名称为“Actuatorsfor Microfluidics Without Moving Parts”的第6,565,727号美国专利；2006年11月16日公布的Adachi等等的发明名称为“Device for transporting liquidand system for analyzing”的第20060254933号美国专利公布；2006年12月11日递交的发明名称为“Droplet-Based Biochemistry“的第PCT/US06/47486号国际专利申请；2006年12月11日递交的发明名称为“Droplet-Based Pyrosequencing”的第PCT/US06/47481号国际专利申请。在这里将它们全部引入作为参考，它们给出了关于进行液滴操作的结构和技术的技术启示。
液滴操作可以是快速的，通常涉及的平均线速度范围是：从大约0.01cm/s到大约100cm/s，或者从大约0.1cm/s到大约10cm/s，从大约0.5cm/s到大约1.5cm/s更好。此外，通常可以用以下范围的操纵频率来操纵液滴：从大约1Hz到大约100kHz，优选从大约10Hz到大约10kHz，从大约25Hz到大约100Hz更好。除了速度快以外，用液滴微致动器的液滴操纵还非常精确，可以在单个液滴微致动器上独立和同时操纵多个液滴。
离散液滴操作消除了连续流体系结构的必要性，以及伴随这种体系结构的各种缺点。例如，能够接近100％地利用样本和试剂，因为在起爆(priming)通道或填充容器中不会浪费任何流体。此外，如上所述，液滴移动可以极其快。在某些情况下，液滴微致动器可以用连续流组件补充，这些组合接近涉及离散液滴操作，并且连续流元件在本发明的范围内。连续流组件可以由控制器控制。然而，在某些其它实施例中，在本发明的液滴微致动器和/或本发明的方法中特别避免各个连续流元件。例如，在某些实施例中，从本发明的液滴微致动器和/或方法中排除以下组件中的一个或多个：微通道；固定微通道；微通道网络；泵；外部泵；阀门；高压电源；离心力元件；移动部件。
以电场为中介的致动还消除了其它液滴操作的必要性，以及伴随这种技术的所有缺点。显然，液滴微致动器还可以有或者辅以其它液滴操纵技术，例如电气(静电致动、介电电泳)、磁性的、热的(例如热Marangoni效应、热毛细管(thermocapillary))、机械的(例如声表面波、微动泵、蠕动的(peristaltic))、光学的(例如光电湿润、光学镊子(tweezer))和化学装置和/或手段(例如化学梯度)。采用这些技术时，相关联的硬件也可以电子耦合到控制器并由控制器控制。但是，在其它实施例中，从本发明的液滴微致动器中专门排除这些液滴操作技术中的一个或多个。
可以将液滴微致动器制造成高度紧凑的形式，并且能够用非常小的装置来驱动。例如，液滴微致动器和装置一起可以只有几个立方英寸大。液滴微致动器只需要少量电力，并且能够例如很容易用电池工作。液滴微致动器可以用极小的液滴进行液滴操作。液滴通常在大约1fL到大约1mL的范围内，优选在大约100pL到大约1μL的范围内，在大约10nL到大约1μL的范围内更好。
用离散液滴进行片上处理代替连续流具有几个重要优点。由于样本流体不必为通道起爆或泵花费时间，所以实际上所有样本流都能被用于分析，能够分析非常少量的样本(例如少于大约100μL或者少于大约50μL或者少于大约25μL)。使用试剂具有同样的优点，减少试剂消耗量具有降低分析成本的优点。使用离散小量液滴还允许在小印迹(footprint)中进行大量反应(例如大于10每平方厘米或者大于100每平方厘米或者大于1000每平方厘米或者大于10000每平方厘米)。
本发明的各个组件可以被包括进来作为液滴微致动器的组件。事实上，本发明的整个系统可以被作为集成液滴微致动器。在一些实施例中，液滴微致动器包括各种传感器以及将传感器电子耦合到外部电路的装置和/或手段。在其它实施例中，液滴微致动器包括加热器和/或磁场产生元件以及将这些元件耦合到外部电路的装置和/或手段。例如，在容器或液滴形式中包括这里描述的任意一种或多种试剂的液滴微致动器也是本发明的一个方面。
可以在电极中构图形成光学窗口，用来提高片上光学检测能力。在电极是在透明基片上不透明材料形成的这种情况下，可以在电极中产生窗口允许光通过基片。当电极材料透明时，也可以产生掩膜来消除杂散光。另外，可以构图形成开口作为衍射光栅。还可以用第二电湿润层产生自适应(adaptive)光学窗口。例如，可以用不透明的油(例如油染黑色)和透明液滴来产生临时和可移动光学窗口。
8.3.2液滴微致动器制作
可以用常用于在微型液滴微致动器产生导电互连结构的标准微细加工(microfabrication)技术和/或使用印刷电路板(PCB)制造技术来制作液滴微致动器。合适的PCB技术包括在2006年1月30日递交的，发明名称为“Apparatuses and Methods for Manipulating Droplets on a PrintedCircuit Board”的第11/343,284号美国专利申请中描述的那些，在这里将其全部引入作为参考。这些技术允许以非常低的成本大批量制造液滴微致动器。低成本制造能够使液滴微致动器的生产经济，甚至可以将它用于一次性可丢弃。因此，本发明提供一种方法，其中将液滴微致动器提供给用户作为可丢弃盒子的组件，用于本发明的系统。
还可以在玻璃或硅上用常规微刻(microlithography)技术实现设计，与PCB工艺相比，这些技术能够制作小得多的细节。例如，甚至对于具有70μm容器间隔和3fL容器体积的1,575,864容器液滴微致动器，需要的最小石印(lithographic)细节尺寸是～0.5μm，这完全属于目前半导体工业中使用的常规微刻技术的能力范围。
因为可以用人工或机械吸管(pipette)分配器方式直接加载芯片，并且能够用标准板读取仪器来进行分析，因此很容易集成到现有实验室工作流中。相对于可能需要将化验改变成连续流格式或专用仪器进行样本处理和读出的其它微流体方法，这是一个显著的优点。
8.3.3盒子
如上所述，在一些实施例中，本发明包括盒子用来耦合到液滴微致动器。要知道，尽管对于本发明的操作盒子不是必需的，但是在某些情形下盒子是很方便的。如果有，盒子可以包括装置和/或手段用来将液滴微致动器路径或网络电气耦合到处理器，例如本发明的液滴微致动器系统的处理器。在这个实施例中，电气连接是：电极-盒子-处理器，其中在它们三者之间可能有其它元件。在另一个实施例中，盒子可以包括装置和/或手段用来物理耦合到液滴微致动器。在这个实施例中，电气连接可以是：电极-处理器-盒子。也可以换成盒子没有电气组件。
存在的时候，盒子可以包括容器用于一种或多种试剂，例如预加载试剂。液滴微致动器可以被配置成可以在盒子容器和液滴微致动器内部之间建立流体路径，用来让试剂、样本和/或填充剂流体从盒子流动到液滴微致动器上。例如，在将盒子耦合到分析仪之前或之后，预加载盒子容器可以被分配到液滴微致动器中。可以密封盒子，让其独自成套(self-contained)和/或可丢弃。它可以有也可以没有液滴微致动器。可以将这种盒子用于确保可重复化验条件，允许传染性或危险性材料的安全处理和丢弃，和/或减小操作之间的交叉污染。盒子可以例如包括机器制作的塑料部件。可以附加到并与液滴微致动器组合来提供。
将盒子材料选择成能够储存试剂而不会破坏或污染试剂。此外，应当选择它们来在升高的温度下提供可靠的操作，并且确保与实时化学(real-time chemistry)兼容。它们可以例如包括模制塑料组件。在一些实施例中，密封的可丢弃测试盒子能够增强操作员安全性，方便安全丢弃。
液滴微致动器系统的各个组件可以被包括在盒子上。例如，包围液滴微致动器的内部空间的顶板可以作为盒子的组件来提供。也可以将各种传感器包括进来作为盒子的组件。
8.3.4填充剂流体
本发明的液滴微致动器包括一个或多个自由(也就是流体-流体)界面。实例包括液体-液体或液体-气体界面。典型情况下，在主(液滴)相进行化学，第二相充当填充剂流体，将液滴互相分隔开。第二相可以是例如液体、凝胶和/或气体。在第二相包括液体的情况下，液体足以不与主液相混合(immiscible)，从而使液滴微致动器能够进行一项或多项液滴操作。
可以对系统编程，在液滴微致动器内多次引入(introduction)或再循环一种或多种填充剂流体。可以提供第二流体处理系统来将流体注入液滴微致动器并从中去掉流体。压力、重力或其它装置和/或手段，例如利用热梯度，能够被用来将填充剂流体输送到液滴微致动器中或者从中输送出来。这样的系统能够例如被用于以下目的：
(1)补充因为随着时间蒸发或泄漏的填充剂流体。可以采用填充剂流体的缓慢持续流或周期性的注入来弥补填充剂流体体积的所有损失。
(2)连续或周期性地提供“清洁”填充剂流体来减少液滴之间的污染。可以通过完全替换或者通过让它通过过滤器或选择成去除污染物的吸收材料床进行循环来清洁填充剂流体。
(3)为了提供装置和/或手段用于输送液滴给垃圾。例如，在化验末尾，可以释放液滴，并允许液滴与填充剂-流体一起流到出口，提供一种装置和/或手段来“冲洗”液滴微致动器。可以冲洗液滴微致动器来将液滴微致动器的状态复位，准备好进行其它化验。
(4)某些步骤需要不同流体时，交换填充剂流体，例如用空气替换油来干燥液滴，或者用不同的油替换一种油。
(5)通过再循环通过液滴微致动器时，通过加热或冷却流体，提供一种装置和/或手段用来控制液滴的温度。进入和离开液滴微致动器的填充剂流体的温度可以被直接测量，可以调整填充剂流体的温度和流速，在液滴微致动器内提供最佳温度控制。
在2006年12月11日递交的发明名称为“Droplet-BasedBiochemistry”的第PCT/US06/47486号国际专利申请中描述了合适的填充剂流体和与之有关的操作，在这里将它全部引入作为参考。
8.3.5液滴微致动器加载
这里的液滴微致动器一般包括一个或多个输入端口用于将一种或多种填充剂流体、试剂和/或样本(例如用于执行这里其它地方描述的执行协议和/或进行化验的试剂和/或样本)引入液滴微致动器。在一些实施例中，利用常规机器通过输入端口加载样本或试剂。在一个替换实施例中，样本或试剂的液滴通过在长预加载毛细管(例如玻璃毛细管)中的油塞(plugs of oil)来分隔开，连接到液滴微致动器时，这些长预加载毛细管允许样本或试剂的液滴在被泵出毛细管进入输入端口时被捕获并且路由到液滴微致动器上。另一种加载技术涉及将试剂预先标记(pre-stamping)到液滴微致动器上并允许它们变干，例如利用高速试剂标记(stamping)或印刷工艺。还有另一种方法涉及直接板到液滴微致动器界面的使用，其中通过利用压力迫使内容通过与井对准的输入端口，板的内容，例如1536或384或96井板(well plates)，被并行地输送到液滴微致动器上。在一些实施例中，加载硬件可以电子耦合到控制器，并受控制器控制。
液滴微致动器可以与流体输入模块相关联或耦合，用来加载或储存样本和/或试剂。例如，基本输入模块使得样本能够用吸管管理器(pipettor)或其它设备来加载。可以将系统编程为将输入流体细分和分配成能够在控制电极网络或路径上输送的离散液滴。
由于本发明的基于液滴的微流体系统能够用非常小的量准确地进行工作，因此这一系统能够结合独一无二的样本加载装置和/或手段，将这一小量液滴处理能力转换成接受小得多的样本体积，输入样本体积通常在从大约1nL到大约100mL，或者从大约100nL到大约1mL，或者从大约1μL到大约10μL。在只有少量样本的情况下(例如早产儿(prematureinfant)或小动物)，以及在只获取少量样本会减少痛苦，不那么侵入或者遵照医嘱的情况下，这一能力特别重要。
本发明的样本加载装置和/或手段将样本从盒子上的加载端口传送到液滴微致动器，使得液滴操作能够受到控制器管理。完成这一步骤最好是没有显著地损失样本。由于盒子包含填充剂流体，所以样本加载还包括克服填充剂流体阻力的力，也就是一路上将填充剂流体推开。一旦将样本加载到加载端口就给加载端口盖上帽子，然后将压力、真空或其它力引入来克服填充剂流体的阻力。在一个实施例中，将盒子插入分析仪的动作会挤压一个小橡胶膜片，产生正压。在另一个实施例中，通过在加载端口和液滴微致动器内部之间引入过滤器，将样本加载与样本制备组合起来，因此，例如，可以从整个血液中去除血液细胞，只将血浆或血清引入液滴微致动器。在另一个实施例中，将几个分开的样本加载到单个盒子，分开分析，因此单个盒子不仅能进行多项测试，还能够对多个样本进行这些测试。
8.3.6容器
这里的液滴微致动器可以包括各种容器(有时在这里将它们称为“井(well)”)，例如输入容器和/或处理容器。
8.3.6.1输入容器
本发明还可以包括一种装置和/或手段用来储存样本和/或试剂材料。最好是在测试之前将试剂加载到盒子上，并且必须将它们储存好。试剂可以在物理上互相分离，并且可以通过机械阻挡(mechanical barrier)与填充剂流体分离。每一种试剂的容器通常都附着到盒子。盒子容器可以包括箔或塑料囊(foil or plastic pouch)，能够在组装到盒子之前被分开加载。试剂储存时间很长可能需要将盒子保存在受控环境中。在另一个实施例中，可以将试剂储存在盒子以外，例如储存在存储容器(container)里，并引入芯片供分配到液滴。
在现有的试剂存储设备中，一旦去除机械阻挡(常常是刺穿箔囊)，试剂就与样本或载体流体合并(pool)来进行测试。在本发明中，一旦将机械阻挡去除，或者将囊刺穿，试剂就流入片上容器，这是为这个目的设计的液滴微致动器的一个功能。这个片上容器包含试剂直到需要它们。然后从容器分配适当量的试剂。测试所需要的精确量的试剂可以用可编程电子控制来分配。因此，可以用一个试剂容器来为多次测试提供不同量和不同次数的试剂。另外，加载到容器的试剂的量不是那么重要，因为可以通过片上容器的分配设备将试剂定量到(metered into)反应中。这一方法消除了需要准确的箔囊或盒子容器加载的必要性，因此能够降低设备成本。
在一些实施例中，液滴微致动器包括一个或多个输入容器(也称为“加载井”)，它们与一个或多个输入端口流体连通，通常是与输入端口直接流体连通。输入容器充当容器来储存大量源材料(例如试剂或样本)用来分配液滴(例如试剂液滴或样本液滴)。因此，输入容器可以例如充当样本井或试剂井。
输入容器通常包括限定内部空间和开口的一个或多个井容器。井壁限定的内部空间至少被井壁部分地与液滴微致动器内部的其余部分隔离开。容器可以与适合于从液滴微致动器外部将流体引入输入容器的端口相邻(在任意方向，例如垂直或横向)。可以在容器壁提供一个或多个开口，让流体与液滴微致动器内部体积连通，将液滴分配到这个内部体积中。开口可以允许流体流入或被输送到液滴微致动器内部体积，到达电极路径或网络。输入容器还可以包括一个或多个通风孔，用于在通过端口或开口将流体引入井或者从井去除时，用于允许填充剂流体从输入容器的替换。
输入容器还可以包括在与井壁限定的空间相邻或在其中的顶板或底板中的一个或多个平面控制电极。平面电极可以与控制器电子耦合并受其控制。在一个优选实施例中，平面电极具有两个或多个分支或辅肋(ray)，使得在存在流体的液滴分配过程中，控制电极的激活在一个方向上给流体施加“牵拉”，这个方向通常与液滴分配的方向相对。在一些情况下，电极的形状导致多矢量牵拉，其平均矢量的方向一般都与被分配液滴的方向相对。
例如，可以通过从顶板或底板突出来形成井壁，和/或可以通过在顶板或底板表面上沉积壁形成材料来形成井壁。例如，可以从表面上沉积和构图的焊接模板材料或聚合物衬垫材料(gasket material)来形成井壁。在一些实施例中，将连续或半连续样本或试剂流的源偶合成与一个或多个输入端口流体连通。
要注意，尽管可以从限定的容器中进行液滴分配，但是在一些实施例中，液滴分配的进行没有使用物理上限定的容器。可以从液滴分配期间通过例如电湿润力或通过亲水表面而被限制的源液滴进行分配。
8.3.6.2处理容器
液滴微致动器还可以包括一个或多个处理井、区域或容器。这些容器充当执行各个液滴处理步骤的场所，例如混合、加热、孵化、冷却、稀释、滴定(titrating)等等。液滴微致动器包括一个或多个控制电极路径或网络，足以将液滴从一个或多个输入端口输送到一个或多个处理容器。在一些情况下，处理容器是简单的组件或者这些路径或网络的一些段。在其它实施例中，处理容器是被限定的处理容器。这种容器一般可以例如按照上面描述的输入容器的相同方式构成。但是，处理容器一般不与输入端口直接流体连通，也就是说，液滴输送需要沿着控制电极的一个或多个路径或网络，才能将试剂或样本添加到处理容器。在一些情况下，处理容器中包括容器的路径或网络，以便允许在处理容器中进行液滴操作。除了典型地没有与液滴微致动器外部的直接接口以外，处理容器通常都小于输入容器，尽管在一些实施例中，输入容器可以较小但是充当液滴微致动器内部和芯片外部之间的互连。作为一般规则，在液体被完全加载的情况下，加载端口的目标容量可以是容器的数量乘以单位体积的倍数。
在一个实施例中，液滴微致动器包括处理容器的规则阵列。在一个实施例中，处理容器阵列尺寸与生物分子筛选协会(Society forBiomolecular Screening)的标准微芯片(多井板)尺寸一致，例如在2004年1月9日更新的“ANSI/SBS1-2004：Microplates-Footprint Dimensions”；在2004年1月9日更新的“ANSI/SBS2-2004：Microplates-HeightDimensions”；在2004年1月9日更新的“ANSI/SBS3-2004：Microplates-Bottom Outside Flange Dimensions”；以及在2004年1月9日更新的“ANSI/SBS4-2004：Microplates-Well Positions”中设定的尺寸。关于这些文献涉及微板标准的技术启示，将这些文献全部结合进来作为参考。某些设计可以混合单个设备上的微板标准。例如，液滴微致动器芯片的一部分可以与96-井格式一致来加载样本，而另一部分则与384或1536-格式一致来布排反应阵列。其它设计可以将液滴微致动器芯片进一步细分为设计成实现不同功能的一些模块，其中一些模块与多井板间隔一致，用来加载、储存或检测试剂或反应，而其它模块则具有设计成执行具体操作或程序的结构。
具有极高吞吐量并节省成本的较大芯片在各种设施中非常有用，例如药品发现应用(drug discovery application)。在一个实施例中，本发明对于高吞吐量生物化验非常有用。例如，可以将芯片编程为执行片上稀释和细胞处理协议。不同井间距下，完全充满的128毫米乘以86毫米板(芯片)尺寸上液滴体积的尺寸可以从表1中找到。
表1：不同井间距下液滴体积的尺寸
 
井间距(mm)   行 列 井总数 井体积(nL)   单位滴直径(μm)  板间隔(μm)  单位滴体积(nL)   最小细节(μm)
9.00 12 8 96 6750 1500 300 675 75.0
4.50 24 16 384 844 750 150 84.4 37.5
2.25 48 32 1536 105 375 75.0 10.5 18.8
1.13 96 64 6144 13.2 188 37.5 1.32 9.38
0.563 192 128 24576 1.65 93.8 18.8 0.165 4.69
0.281 384 256 98304 0.206 46.9 9.38 0.0206 2.34
0.141 768 512 393216 0.0257 23.4 4.69 0.00257 1.17
0.070 1536 1024 1572864 0.00322 11.7 2.34 0.000322 0.586
此外，液滴微致动器上容器的数量可以远大于为现有微板规范提供的。例如，液滴微致动器可以在单个板上结合多于1,000，5,000，10,000，15,000，20,000，25,000，30,000，35,000，40,000，45,000，50,000，55,000，60,000，65,000，70,000，75,000，80,000，85,000，90,000，95,000，100,000，200,000，300,000，400,000，500,000，600,000，700,000，800,000，900,000，甚至1,000,000个井。
可以通过控制投递给每个容器的构成液滴的数量和分布来可编程地建立混合或稀释比。此外，在容器内混合的液体可以随后从这个容器以单位尺寸液滴的形式分配，输送到另一个容器，例如，进行串行稀释化验。
8.3.7热控制
本发明的液滴微致动器可以包括一种装置和/或手段用来控制液滴微致动器或液滴微致动器一个区域的温度。热控制等等对于需要加热或冷却步骤的各种协议而言都是有用的。实例包括需要热循环的放大协议，以及需要孵化步骤的各种化验。
热控制可以由系统控制。可以给用户界面提供输入装置和/或手段，用来控制一个或多个加热器的温度，例如拨盘或虚拟拨盘。用户界面可以显示加热器周围的温度梯度，于是可以由用户开发利用液滴输送的合适的热循环协议。
8.3.7.1热控制设计
总之，可以用三种方式提供热控制：(1)整个液滴微致动器的热控制；(2)利用与受控区域接触或者在它附近的加热器对液滴微致动器一个区域的热控制；和(3)利用集成在液滴微致动器内的加热器对液滴微致动器一个区域的热控制(例如在包括电极路径或阵列的基片中和/或在液滴微致动器的顶板中，如果存在的话)。以上方法的组合也是可行的。
在集成加热器方法中，可以创建若干温度区，并利用直接集成在液滴微致动器内的热控制系统进行控制。区域内的温度和区域周围的温度可以被显示在用户界面上。通过直接在液滴微致动器上制造的薄膜加热元件的热控制集成，对于使液滴微致动器上的速度、吞吐量和放大反应质量最大也是有用的。由于它们的热质量很小，因此，液滴可以以极快的速度进行热循环。热控制可以通过将加热元件靠近液滴，减少加热器和液滴之间的寄生热损耗来得到增强。加热元件可以被集成在液滴微致动器的顶板和/或底板中。
将加热元件集成在液滴微致动器上还能够使得液滴微致动器中多个不同热区的使用成为可能。这使得分析中需要不同温度的多个步骤，例如样本制备和热循环，可以在液滴微致动器的不同部分同时进行。可以将液滴物理地输送到不同固定温度区域之间或者在不同固定温度区域之间“穿梭”，来完成放大反应的热循环。这种方法能够使反应更快，因为整个若干热区的加热和冷却不再受速率限制。相反，加热和冷却速率由区域之间输送液滴所需要的时间以及液滴温度从它到达这个区域内开始平衡到区域温度所需要的时间决定，这两个时间都很短。另一个优点是反应步骤可以“排队”而不是“批处理”，因而有更大的操作灵活性。例如，离散样本可以被连续馈入液滴微致动器而不是在单个时间点投递。
可以利用单个加热器以批处理模式让液滴进行热循环，也可以通过让液滴通过一个或多个加热元件创建的不同的温度区进行循环来以流水线模式让液滴进行热循环。批处理和流水线模式的基本差别是在批处理模式中热控制是通过改变加热器的温度实现的，而在流水线模式中，热循环是通过将液滴在不同恒定温区之间进行输送来实现的。在“批处理”方法中，液滴微致动器上的单个集成薄膜加热器可以被用来对加热区域中的静态液滴进行热循环。在“流水线”方法中，在液滴微致动器上创建一个或多个温区，通过让液滴在加热器附近和远离加热器或者两个或多个区域之间进行穿梭来进行热循环。
在“批处理”情形中，通过使用直接靠近液滴放置的薄膜加热器能够使加热器自己的热质量和热损耗最小。由于热质量，包括液滴本身，如此之小，因此能够快速改变温度。无源冷却(填充剂流体中)也非常迅速，因为输入系统的总能量与总的热质量相比极小。
对于“流水线”加热，有时可能需要更大的热质量，因为当较慢的斜坡速率可以忍受时，它能够帮助稳定温度，因为一到达其设置点，加热器温度就不改变。例如，流水线系统可以用液滴微致动器外部的块加热器来实现，这个液滴微致动器比薄膜加热器更加准确，更加容易控制，尽管从原理上讲，这两种加热器都可以被用于实现这两种方法。
在另一个实施例中，通过让已加热填充剂流体流经芯片和液滴周围或者在它们中再循环来控制温度。
液滴微致动器的布局是可调整的，例如，液滴微致动器可以包括很少的例如一个加热区直到几十个、几百个甚至更多的加热区。
8.3.7.2加热器类型
加热器可以用薄导电膜形成。合适薄膜的实例包括Pt加热器导线和透明氧化铟锡(ITO)。ITO为实时观察提供更好的液滴可视性。也可以使用在远处放置的常规热电偶(TC)来进行温度调节。在一个实施例中，用PCB基底中的微小金属(例如铜)过孔在液体和远处的TC之间产生紧热结(tight thermal junctions)。此外，可以通过利用表面贴装热敏电阻或红外传感器监视铜来确定样本温度。利用热敏电阻的一个优点是它们足够小(2×2mm)，可以直接焊接在液滴微致动器上，而使用IR的优点则是它是一种非接触方法，这会简化界面。由于铜的导热率至少是FR-4基底的700倍(350～390W/m·K与0.3～0.5W/m·K)，铜过孔的温度将会准确地代表液体内的温度。加热器可以集成在液滴微致动器的底板和/或顶板(如果存在的话)上，并且在板的底部和/或顶部表面上，或者集成在板的结构内。
在一个流水线实施例中，可以用加热器提供减小的热梯度在液滴微致动器的区域上创建连续的温度梯度(例如从100到50摄氏度)。使用连续的温度梯度将会消除克服加热器块边缘上的陡峭温度梯度的必要性。通过允许具有任意数量的温度点的协议，受控温度梯度还能够显著地增强设备的功能。此外，每个反应都可以用定制热协议来进行，而只有两个或多个块的温度需要进行热调节。液滴可以被输送到并保持在加热器之间适当的位置来获得目标温度。可以在液滴被输送到检测点的时候用荧光传感器对液滴的荧光进行成像。上下目标温度的温度可以通过改变液滴的位置来改变。然而，发明人吃惊地发现热循环，例如PCR的热循环，可以用单个加热器通过将液滴输送到加热器附近并从它附近输送走来很方便地实现。
在一些实施例中，在液滴以上的加热器可能会使得液滴变得模糊，影响实时光学测量。在这些情况下，液滴可以从加热器下面被输送到对于光学检测优选的位置(也就是检测点)。为了液滴微致动器检测目的，例如用荧光量化进行检测，可以从加热器下面到检测点周期性地输送液滴。可以将液滴路由到传感器附近，同时将它们从一个温区到另一个温区进行循环。
8.3.8液滴操作
液滴微致动器可以对液滴进行各种液滴操作。实例包括：将液滴加载到液滴微致动器；从源液滴分配一个或多个液滴；将液滴分裂、分开或划分成两个或多个液滴；在任意方向上将液滴从一个位置输送到另一个；将两个或多个液滴合并或组合成单独一个液滴；稀释液滴；混合液滴；搅动液滴；使液滴变形；让液滴保持在位置上；孵化液滴；给液滴加热；让液滴气化；冷却液滴；处置液滴；将液滴从液滴微致动器输送出去；这里描述的其它液滴操作和/或以上的任意组合。
液滴分配指的是将较大体积流体等分(aliquot)成较小液滴的过程。在流体界面、输入容器和处理容器采用分配是有用的。可以通过激励流体容器附近的电极引起流体的“手指”从容器伸出来形成液滴。当流体前到达终端电极时，中间电极被去除激励，导致流体收缩到容器中，在终端电极上留下新形成的液滴。如上所述，还可以对容器内的一个或多个电极进行激励，来帮助分开正在从大块流体分配的液滴。因为液滴与电极的形状一致，而电极的形状是固定的，因此能够获得优良的准确性和精确性。液滴分配由控制器控制。在一些实施例中，本发明采用以下文献中描述的液滴分配结构和/或技术：2005年6月28日授予Parmula等等的，发明名称为“Apparatus for Manipulating Droplets by Electrowetting-Based Techniques”的第6,911,132号美国专利；2006年1月30日递交的，发明名称为“Apparatusand Methods for Manipulating Droplets on a Printed Circuit Board”的第11/343,284号美国专利申请；2004年8月10日授予Shenderov等等的发明名称为“Electrostatic Actuators for Microfluidics and Methods for Using Same”的第6,773,566号美国专利；以及2000年1月24日授予Shenderov等等的发明名称为“Actuators for Microfluidics Without Moving Parts”的第6,565,727号美国专利。在这里将它们全部引入作为参考。
在一些实施例中，液滴操作由电湿润技术做中介。在其它实施例中，液滴操作由电泳技术做中介。在另一些其它实施例中，液滴操作由电湿润技术和电泳技术做中介。
在一个实施例中，可以用电湿润和电泳组合来进行分开操作。可以用电湿润微致动创建通道来进行电泳；在电泳分开以后投递样本到通道或者从通道捕获样本碎片。例如，为了形成通道，可以用电湿润让分开介质的液滴变形(拉伸)成细长形状。在一些情况下，可以让通道聚合，例如利用紫外聚合。在其它情况下，通过用液滴操作将液滴添加到物理上局限的微通道来形成通道。在相关实施例中，电泳通道的有效长度可以通过以循环方式在输出端捕获液滴中感兴趣的一部分然后将它返回到输入端来增加。采用同样原理，可以进行一系列逐次更加精细的分开。还可以同时利用多个不同的分开介质来进行分开。
液滴分裂或液滴的划分一般都涉及将液滴分开成两个或多个子液滴。在一些情况下，得到的液滴大小相对相等。
输送涉及沿任意方向将液滴从一个位置移动到另一个位置。可以在平面上或者在三维方向上输送液滴。显然，各种液滴操作，例如分配和/或分裂，可以包括输送元件，其中液滴被从另一个液滴输送走。
合并涉及将两个或多个液滴组合成单独一个液滴。在一些情况下，将相对相同尺寸的液滴互相合并。在其它情况下，可以将液滴合并到一个较大液滴，例如将液滴与容器内存在的较大体积的液滴组合。
混合液滴涉及各种液滴操纵，例如输送或搅动，导致在液滴中成分的分布更加均匀。在一个混合实施例中，通过激活电极和去活电极，将位于电湿润电极上的液滴快速和循环地变形，引起液滴内帮助混合的流体流。可以利用依赖于频率的效应，例如机械谐振，来微调混合的质量和速度。与需要在表面上输送液滴以便混合的技术相比，这一方法能够使混合所需要的面积最小。可以采用这一混合方案而没有顶板。由于能够节省空间，因此这一方案能够支持反应井中简化的混合，因为只需要一个电极。
来自容器的试剂或样本可以被分配为离散的液滴，输送到液滴微致动器上的其它位置。
本发明可以包括使用包括珠子的液滴的液滴操作。在这里的其它地方描述了各种这种操作。在一个实施例中，将珠子用于在倾向于干扰液滴操作的试剂上进行液滴操作。例如，某些蛋白质倾向于绑定到液滴微致动器表面和/或进入填充剂流体中。可以在亲水珠子上固定这些化合物，来帮助利用这些化合物的液滴操作。这些化合物可以被绑定到这些珠子，珠子可以包含要进行液滴操作的液滴。
在一个特定分配操作中，用凝固来将血清从整个血液中分开。将整个血液加载到芯片上，与包括凝固试剂的液滴组合。在凝固以后，从样本分配液滴。因为细胞和血小板被捕获在位置上，从样本分配的液体将只包含血清。
8.4成套用具(kit)
本发明的另一个方面是成套用具，其中包括试剂、样本采集设备和/或用于执行本发明的方法的液滴微致动器或盒子。
9.结束语
实施例的以上详细描述涉及附图，这些附图说明本发明的具体实施例。具有不同结构和操作的其它实施例没有偏离本发明的范围。
这一说明书被划分成若干节，仅仅是为了方便读者。不应当将标题看成是对本发明的范围的限制。
要明白，可以改变本发明的各个细节而不会偏离本发明的范围。此外，前面的描述仅仅是为了进行说明，不是为了进行限制，因为本发明的范围由后面给出的权利要求限定。

Claims (13)

1.一种系统，包括：
(a)控制器；
(b)介电湿润液滴微致动器，电子耦合到所述控制器，并且包括电极，这些电极被配置成进行以电极为中介的液滴操作；以及
(c)显示器设备，电子耦合到所述控制器，用于显示用户界面，其中所述系统被编程并被配置成允许用户通过与所述用户界面交互来进行液滴操纵；以及
(d)处理器执行软件，存储在存储设备中，所述软件使所述处理器生成所述介电湿润液滴微致动器的虚拟表示，所述虚拟表示以图形方式将所述介电湿润液滴微致动器中的电机示出为虚拟电机的阵列，其中，
所述虚拟表示以图形方式将所述虚拟电机设置在虚拟液滴传输路径中，以使所述介电湿润液滴微致动器中的所有液滴传输路径都在所述虚拟表示中示出，从而使所述系统允许用户通过所述用户界面与所述介电湿润液滴微致动器的所述虚拟表示进行交互来进行液滴操纵。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述显示器设备通过被编程为控制所述显示器设备并且发送指令给所述控制器来控制所述液滴微致动器的所述处理器，电子耦合到所述控制器。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述系统被编程并被配置成允许用户通过将鼠标光标放在所述虚拟电极上和/或选择所述虚拟电极来进行液滴操纵。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述系统被编程为显示关于所述虚拟表示的虚拟组件的信息，作为用户通过所述用户界面与所述地图组件进行交互的结果。
5.如权利要求1所述的系统，被编程和配置成允许用户通过以下方式输送液滴： 
(a)顺序选择所述虚拟表示上的一系列虚拟电极；
(b)在所述虚拟表示上选择虚拟的屏幕上液滴，并将该液滴拖拽到希望位置处的虚拟电极上；和/或
(c)在所述虚拟表示上选择虚拟的屏幕上液滴，然后点击希望位置处的虚拟电极。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述虚拟表示包括虚拟液滴，并且可以被用于编程模式，来开发和记录用于控制液滴微致动器功能的子程序。
7.如权利要求1所述的系统，其中标识液滴微致动器设计或虚拟表示的数据被包括进来作为所述液滴微致动器总成或者盒子的组件，当所述液滴微致动器总成或者盒子一被耦合到所述系统时，就可以被所述系统访问。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述系统在所述虚拟表示上显示子程序的仿真执行过程，从而显示命令系列的效果。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置成通过驱动所述液滴微致动器上的控制和参考电极来进行液滴操作。
10.如权利要求1所述的系统，其中：
(a)多于一个电极的一组电极被耦合到同一个电气输出；以及
(b)从选择中的结果组中选择一个虚拟电极，突出显示和激活所述组中所有电极。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述系统允许用户利用所述界面在所述液滴微致动器上直接操纵液滴。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述系统允许用户通过在所述虚拟表示上选择未被激活的虚拟电极来激活电极。
13.如权利要求1所述的系统，包括编程软件，被编程为产生一组软件或计算机可用指令，用于控制所述液滴微致动器上的液滴操作。 
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