CN102671723B - 介质上电润湿微电极阵列结构上的液滴处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

介质上电润湿微电极阵列结构上的液滴处理方法

相关申请的交叉参考

本申请通过参照的方式并入2011年2月17日提交的名称为“DropletManipulations on EWOD Microelectrode Array Architecture”的联合待审美国专利申请No.13,029,137、2011年2月17日提交的名称为“Field-ProgrammableLab-on-a-Chip and Droplet Manipulations Based on EWOD Micro-Electrode ArrayArchitecture”的联合待审美国专利申请No.13,029,138以及2011年2月17日提交的名称为“Microelectrode Array Architecture”的联合待审美国专利申请No.13,029,140的全部内容。

技术领域

本发明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，本发明涉及一种利用EWOD微电极阵列结构技术进行液滴处理的方法和系统。

背景技术

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”(μTAS)。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μTAS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μTAS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，本发明提供了各种实施方式。

发明内容

本发明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，本发明中的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：贮液器(reservoir)、电极、混合室、液滴路径以及其他。此外，用于I/O端口、贮液器、电极、路径以及电极网络的位置的LOC的物理布局都可以通过配置微电极实现。成组的微电极在配置电极配置后区别于常规的电极。

在另一实施方式中，例如贮液器、电极、混合室、液滴路径的配置电极的多种形状和尺寸，以及用于微流体系统的I/O端口、贮液器、电极、路径和电极网络的位置的LOC的物理布局均能软件编程、重复配置以及现场编程以满足场应用中的操作功能的需求。

在一实施方式中，在液滴操纵中的EWOD微电极阵列结构设计中可以应用双平面结构，其中，由上顶板在系统中执行。

再在另一实施方式中，在液滴操纵中的EWOD微电极阵列结构的设计可基于共面结构，其中EWOD激励可在一个板配置中发生，无需顶板。

在另一实施方式中，在EWOD微阵列结构下通过共面结构利用不可拆卸的、自适应的、透明顶板来容纳最宽范围的液滴尺寸和体积来产生以容纳最宽范围的液滴尺寸和体积的LOC结构的方法。

在再一实施方式中，所有的典型的EWOD微流体操作都能够在EWOD微电极阵列结构下配置和控制“配置电极”来实现。“微流体操作”是指在液滴微驱动器上任何的液滴操纵。例如，微流体操作可以包括：将液滴装载到液滴微激励器中；从源液滴分配一个或多个液滴；分裂、分离或分割一个液滴为两个或更多个液滴；将液滴沿任何方向从一个位置输送到另一位置；将两个或更多个液滴合并或组合为单个液滴；稀释液滴；混合液滴；搅拌液滴；将液滴变形；将液滴保持在适当的位置上；培育(incubating)液滴；布置液滴；将液滴输送出液滴微激励器；和/或上述的任何组合。

再在另一实施方式中，除了“配置电极”的用以执行典型微流体操作的常规控制之外，微电极的具体控制顺序(sequence)能够提供在操纵液滴时的先进的微流体操作。基于EWOD微电极阵列结构的先进的微流体操作可包括：沿对角线或沿任何方向输送液滴；利用“临时桥接”技术输送液滴；利用电极列激励输送液滴；清除残留液滴(dead volume)；在较低驱动电压的情形下输送液滴；以受控的低速度输送液滴；执行精确的切割；执行对角线切割；执行共面切割；沿对角线合并液滴；使液滴变形以加速混合；通过不均匀往复混合器改进混合速度；通过循环混合器改进混合速度；通过多层混合器改进混合速度；和/或上述的任何组合。

尽管公开了多个实施方式，但是本发明的其它实施方式对于所属领域的技术人员来说自下述的详细说明是显而易见的，所述详细说明示出并描述了本发明的示例性实施方式。应意识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本发明在多个方面能够有多种改型。因此，附图和详细说明在性质上应当被视为示例性的而非限制性的。

附图说明

图1A是大体示出常规的夹置的EWOD系统的横截面视图。

图1B是大体示出在二维电极阵列上的常规EWOD的顶视图。

图2是示出微电极阵列的图，其中微电极阵列中的配置电极(configured-electrode)可被配置成各种形状和尺寸。

图3A是不同形状的配置电极和利用微电极阵列结构的LOC布局的示意图；

图3B是传统的物理蚀刻的结构的图；

图3C是配置电极的图，其中示出了贮液器和配置电极的放大部分。

图4是示出混合系统结构的图，其中混合系统结构具有可拆卸的、可调节的并且透明的顶板，用以适应最宽范围的液滴尺寸和体积。

图5A、5B和5C是示出了接地网(ground grid)共面结构的图；

图6A和6B是接地焊盘(ground pad)的共面结构的图；

图7A、7B和7C是可编程接地焊盘的共面结构的图；

图8是示出了混合板的图；

图9A、9B和9C示出了样品的加载；

图9D和9E示出了加载的样品在贮液器上自定位(或自行定位)；

图10是示出了在EWOD微电极阵列结构下产生液滴的图；

图11A是示出了利用液滴等分技术产生液滴的图；

图11B是示出了通过液滴等分技术制备样品的图；

图12是示出基于EWOD微电极阵列结构进行液滴输送和沿所有方向被激励的能力的图；

图13A、13B和13C是示出利用基于EWOD微电极阵列结构的临时桥接技术输送液滴的图；

图14A、14B和14C是示出在EWOD微电极阵列结构之下的电极列激励的图；

图15A、15B和15C是示出基于EWOD微电极阵列结构的液滴切割的图；

图16A、16B和16C示出基于EWOD微电极阵列结构的液滴的精确切割的图；

图17A、17B、17C和17D是示出基于EWOD微电极阵列结构的液滴的对角线切割的图；

图18A、18B和18C是示出基于EWOD微电极阵列结构的液滴共面切割的图；

图19A和19B是示出基于EWOD微电极阵列结构的两液滴合并/混合的图；

图20A、20B和20C是示出基于EWOD微电极阵列结构通过非均匀几何移动来实现液滴快速混合的图；

图21A和21B是示出基于EWOD微电极阵列结构的非均匀往复混合器的简图；

图22是显示基于EWOD微电极阵列结构的循环混合器是示意图；

图23A、23B、23C、23D、23E和23F是示出基于EWOD微电极阵列结构的多层混合器的图；

图24A、24B和24C是通过连续流的激励以说明产生液滴的图；

图24D和24E是通过练习流驱动切割流体的说明图示；

图25A、25B和25C是通过连续流驱动的液滴合并/混合的图示；

图26A示出了方形微电极阵列；图26B示出了六边形微电极阵列；以及

图26C示出了布置在墙砖布局中的方形微电极的阵列。

具体实施方式

请参照图1A，其图示了现有的电润湿微激励结构(大小仅仅为了图示的目的)。基于EWOD的数字微流体组件100包括两个平行的玻璃底板120和121，下底板121包括多个独立可控电极130的图案化阵列，并且上底板涂覆有一连续的地电极140。优选地通过诸如氧化铟锡(ITO)之类的材料形成电极，使其在薄层中具有导电性和透光性的组合特征。将涂覆有诸如聚四氟乙烯AF之类的疏水膜160的介电绝缘体170(例如聚对二甲苯C)添加到底板上，以降低表面的润湿性并增加在液滴与控制电极之间的电容。含有生物化学样品的液滴150和诸如硅油或空气之类的填充媒介夹在板之间，以有助于液滴150在填充媒介内部的输送。为了移动液滴150，向邻近于液滴的电极180施加控制电压，同时在液滴150正下方的电极被去除激励。

图1B是大体示出在二维电极阵列190上的常规EWOD的顶视图。液滴150从电极130移动到被激励的电极180中。电极180呈黑色表明施加有控制电压。EWOD作用使得电荷积聚在液滴/绝缘体界面中，导致在相邻电极130和180之间的间隙135上产生界面张力梯度，由此实现液滴150的输送。通过改变沿着线性电极阵列的电位，可利用电润湿来沿着此电极线移动毫微升体积的液滴。可通过在0-90V的范围内调节控制电压来控制液滴的速率，并且液滴可以以高达20cm/s的速度移动。液滴151和152也可在无需微型泵和微型阀的条件下，通过二维电极阵列以用户限定的图案在时钟电压控制下输送。

基于EWOD的微流体组件使用相邻电极之间的间隙上产生的界面张力梯度以激励液滴。电极的设计包括每个电极的期望形状、尺寸以及两电极之间的间隙。在基于EWOD的设计中，液滴的路径通常由在设计中连接不同区域的多个电极组成。这些电极可以被用于输送过程或者更复杂的操作，例如在液滴操纵中的混合和切割过程。

本发明采用了“点矩阵印刷机”的概念，即，EWOD微电极阵列结构中的每个微电极是可用于形成所有EWOD微流体组件的“点”。换言之，微电极阵列中的每个微电极可被配置为以不同的形状和尺寸形成各种微流体组件。根据客户的需求，多个微电极可被视为成组的(grouped)并且可被同时激励以形成不同配置电极并执行微流体操作的“点”。“激励”指的是向电极施加所需的电压，从而EWOD作用使得电荷积聚在液滴/绝缘体界面中，导致在相邻电极之间的间隙上产生界面张力梯度，由此实现液滴的输送；或者DEP作用使得液体变得可极化并朝着较强电场强度的区域流动。“去除激励”指的是去除施加到电极的电压。

图2描述了本发明EWOD微电极阵列结构技术的一个实施方式。在本实施方式中，微电极阵列200包括多个(30×23个)同样的微电极210。此微电极阵列200是基于标准微电极规范(这里表示为微电极210)以及独立于最终的LOC应用和具体微流体操作规范的制造技术制造的。换言之，此微电极阵列200是“空白”或“预配置”LOC。然后，基于应用需要，此微电极阵列可被配置或软件编程到期望的LOC中。如图2所示，每个配置电极220包括100个微电极210(即10×10个微电极)。“配置电极”指的是10×10个微电极210组合在一起以用作集成电极220，并且将一起被同时激励或去除激励。通常来说，配置数据存储在非易失性存储器(比如ROM)中，并且可“在场中”或在任何指定位置的“现场”中被修改，而无需拆解装置或将装置返回其制造商。图2示出了液滴250位于中心配置电极220。

如图2所示，本发明配置电极的尺寸和形状可基于应用需要而设计。尺寸受到控制的配置电极的例子是配置电极220和240。配置电极220具有10×10个微电极的尺寸，而配置电极240具有4×4个微电极的尺寸。除了配置电极尺寸的配置，还可通过利用微电极阵列来配置所述配置电极的不同形状。尽配置管电极220是方形的，配置电极230是包括2×4个微电极的矩形。配置电极260是左侧齿状的方形，而配置电极270是圆形。

另外，如图2所示，液滴250的体积与配置电极220的尺寸成比例。换言之，通过控制配置电极220的尺寸，液滴250的体积也被限制以与配置电极220的设计尺寸相适应，因此“配置电极”的形状和尺寸的现场可编程性指的是对液滴体积的控制。不同的LOC应用和微流体操作将需要不同的液滴体积，并且对于LOC设计者来说，液滴体积的动态可编程控制是高度期望的功能。

如图3A所示，本发明配置电极的形状可基于应用需要而设计。配置电极的形状可由多个微电极产生。根据设计需要，一组微电极作为组被配置和激励，以形成期望形状的配置电极。在本发明中，配置电极的形状可以是方形、具有齿状边缘的方形、六边形或任何其它形状。参照图3A，输送路径340、检测窗口350和混合室360的配置电极的形状为方形。贮液器330是确定形状的大尺寸配置电极。废弃物贮存器320是四角形。

图3B和图3C示出了图3A中贮液器330的放大部分。图3B示出了由传统的EWOD-LOC系统制造的物理蚀刻贮液器结构331。该组件示出永久性蚀刻的贮液器331和4个永久性蚀刻的电极371。与图3B(传统设计)相比，图3C示出了场编程LOC结构，其具有类似尺寸的配置贮液器332以及成组的电极372。配置贮液器332可通过将多个微电极311组合成期望的尺寸和形状来制造。成组的电极372包含4×4个微电极311。

在限定了所需微流体组件的形状和尺寸之后，还很重要的是限定微流体组件的位置以及如何将这些微流体组件连接在一起作为电路或网络。图3A示出了这些微流体组件所处的物理位置以及这些微流体组件如何连接在一起以用作功能LOC。这些微流体组件为：配置电极370、贮液器330、废弃物贮存器320、混合室360、检测窗口350以及连接LOC的不同区域的输送路径340。如果是现场可编程LOC，则在布局设计之后，会有一些未使用的微电极310。在FPLOC被充分检验合格之后，设计者可以尝试硬连线版本以节约成本，然后未使用的微电极310可被移除。

常规的基于EWOD的LOC设计基于双平面结构，其具有包含图案化电极阵列的底板以及涂覆有连续地电极的顶板。在本发明的一个实施方式中，采用EWOD微电极阵列结构技术的LOC装置是基于共面结构，其中激励可发生在不具有顶板的单板配置中。共面设计可适应更宽范围的不同体积尺寸的液滴，而不受顶板的限制。双平面结构在顶板之间具有固定间隙，并且在适应宽范围的体积尺寸的液滴方面存在限制。再在另一实施方式中，基于共面结构的、采用EWOD微电极阵列结构技术的LOC装置仍可以增加用于密封测试表面的无源顶板，以保护流体操作或者为了保护测试媒介具有更长的上架保存(shelfstorage)寿命的目的。

如图4所示，在另一实施方式中，在用于EWOD微电极阵列的共面结构中采用可拆卸的、可调节的和透明的顶板，以优化在如图4所示的顶板410与电极板420之间的间隙距离。电极板420通过该EWOD微电极阵列结构技术来实现，其中用于液滴430的配置电极的侧视图包括三个微电极(显示为黑色)。用于液滴440的配置电极包括六个微电极，用于液滴450的配置电极包括十一个微电极。本实施方式在诸如FPLOC之类的应用中尤其有用。尽管EWOD微电极阵列结构在配置所述配置电极的形状和尺寸时提供了现场可编程性，但是仍然高度需要能够适应最宽范围的尺寸和体积的液滴的系统结构。这是因为FPLOC可适应的液滴的尺寸和体积的范围越宽，就可实现越多的应用。优化的间隙距离可被调节为适合期望尺寸的液滴。在本发明中，优化的间隙可通过三种方式实现：首先，所有的液滴可在不接触顶板410的条件下被操纵。这种方式通常应用于共面结构中。在第二种方式中，所有的液滴可通过接触顶板410被操纵，其中液滴夹在顶板410与电极板420之间。第二种方式通常应用于双平面结构中。第三种方式或混合方式合并了共面结构以及在顶板410与共面电极板420之间的可调节间隙的功能。这种混合方式可用于提供具有最宽范围的液滴。如图4所示，位于间隙内的液滴430和液滴440可在不接触顶板410的条件下被操纵。液滴450被操纵为夹在顶板410与电极板420之间。本发明不限于EWOD微电极阵列结构技术，也可在液滴尺寸的可应用范围可被限制的同时应用于其它常规的电极板。

微电极阵列结构的微电极的板结构可以通过使用缩小比例的、基于目前流行配置的EWOD芯片的双平面结构来设计。图1A描述了一种基于微电极结构(大小仅是为了示例的目的)的双平面EWOD。图中示出了三个微电极130和两个平行的板120和121。底板121包含了一组图案化的单个可控电极130的阵列。顶板120则涂覆有连续地电极140。涂覆有疏水膜160的介电绝缘层170被添加在板上，以降低表面的可润湿性并增加液滴和控制电极之间的电容。液滴150包含被夹在板之间的生化样品和填充介质，例如硅油或者空气，以便于液滴在填充介质内输送。

在本发明的一实施方式中，采用EWOD微电极阵列结构技术的LOC装置是基于共面结构，其中激励可发生在不具有顶板的单板配置中。共面设计可适应更宽范围的不同体积尺寸的液滴，而不受顶板的限制。双平面结构在顶板之间具有固定间隙，并且在适应宽范围的体积尺寸的液滴方面存在限制。再在另一实施方式中，基于共面结构的、采用EWOD微电极阵列结构技术的LOC装置仍可以增加用于密封测试表面的无源顶板，以保护流体操作或者为了保护测试媒介具有更长的上架保存寿命的目的。

在本发明中，微电极板结构可以以很多方式尤其在共面结构中物理地实现。图5A示出了“接地网”共面微电极结构，其包括一个驱动微电极510、地线511以及在驱动微电极510与地线511之间的间隙515。当电极被激励时，驱动微电极510由DC或方波驱动电压充电。地线511与驱动微电极510处于相同的板上以实现共面结构。间隙515用以确保在510与511之间无垂直重叠。

图5B示出了常规液滴操作单元，其包括永久性蚀刻的电极520和521、地线531(在垂直和水平方向上)。这两个蚀刻的电极520和521分别由水平和垂直方向上的地线531分离。液滴540位于电极520中。如图5B所示，液滴540太小以至于不能接触周围的地线531，并且不能执行液滴540的激励。这可能是在常规液滴系统中经常观察到的液滴操纵中的潜在问题。通常的补救措施是装载更大尺寸的液滴550，但是往往难以手动控制期望的液滴尺寸。此外，受常规系统中的地线531的限制，电极520和521不能具有用于改善液滴操纵的交叉指型周边。

图5C示出了在共面结构中的本发明的改进的液滴操作单元。配置电极520’包括多个现场可编程微电极510。配置电极可根据液滴的尺寸通过软件编程。在此实例中，配置电极520’包括9个(3×3个)微电极510。在图5C中，液滴541位于配置电极520’上。为了比较的目的，液滴541类似于液滴540(图5B)的尺寸。在图5C中，配置电极520’包括多条具有横截面的地线511。在本发明中，由于液滴541与配置电极520’和多条地线511物理重叠，因此可实现有效的液滴操纵。

图6A示出了“接地焊盘”共面微电极的另一实施方式。驱动微电极610位于中部，接地焊盘611位于四个角处，并且间隙615位于610与611之间。代替图5A中所示的实施方式中的地线，本实施方式使用接地焊盘来实现共面结构。与常规的实施方式相比，从根本上讲，本发明提供了群组接地(groupgrounding)(在图6B中有21个接地焊盘611与液滴651重叠)，其比常规实施方式的基本一对一的关系更为可靠。如果一个液滴仅依赖一个接地焊盘，则液滴的尺寸对于确保可靠的液滴操纵来说很关键，因为在液滴与接地焊盘之间的重叠是必需的。大量的接地焊盘不存在这种限制；不管液滴的尺寸如何，很多接地焊盘将与液滴发生重叠，如图6B所示。用于液滴的驱动力基本与在偏置的激励电极和接地焊盘上积聚的电荷成比例。通常，电荷积聚也与电极和接地焊盘的表面积成比例。小尺寸接地焊盘将对驱动力产生显著的降低作用，除非应用接地焊盘的专门处理以改善其它物理参数，这将使制造工艺复杂化。在本发明中，可容易地调节一组接地焊盘，以优化接地焊盘的整个表面积。此外，用于共面结构的液滴的驱动力最终将在接地焊盘和驱动电极的中点附近达到均衡。因此，存在液滴永远也不能到达第二接地焊盘以导致不可靠的液滴操纵的可能性。这尤其体现在较小的液滴上。本发明利用群组接地，由此接地焊盘、微电极和液滴的一致重叠保证了可靠的液滴操作。此外，在本发明中，微型微电极(通常小于100×100μm²)超出了PCB技术的可行性，因此需要源自半导体集成电路制造的微细加工技术。

图7A示出了“编程接地焊盘”共面微电极结构的另一实施方式。在与微电极相同的板上不具有地线或接地焊盘。而是，一些微电极用作接地焊盘以实现共面电极结构。图7A示出了4×4个同样的方形微电极710，在微电极之间具有间隙715。在本实施方式中，任一个微电极710可被配置为通过物理连接为电性接地而用作地电极。在本实施方式中，四个角的微电极710被配置为地电极711。相比常规实施方式中的一对一的电极和接地机构，本发明具有群组接地的优点。此外，现场可编程性以及微型微电极对“配置电极”以及“配置接地焊盘”的动态配置提供了更高的灵活性和更高的粒度。如图7B所示，由于现有技术中的一对一的电极和接地机构，液滴750只能在x轴方向上移动，且液滴751只能在y轴方向上移动。在这种常规共面结构配置中，由于在电极720与接地焊盘之间的积聚电荷的分布，液滴750将位于被激励的电极720与标记为黑色的地电极之间的中心。移动液滴750的唯一方式是对电极720去除激励，并对相邻电极730进行激励；以这种方式，液滴750将被拉到沿着箭头740所示的线的方向上。与此相对照，液滴752位于采用EWOD微电极阵列结构的共面表面上，并且可以在任何方向上移动，如图7C所示。当“配置电极”760被激励时，液滴752向上移动。同样地，当“配置电极”761被激励时，液滴752向左移动。当临时“配置电极”762被激励时，液滴752沿对角线移动，“配置电极”763的激励(以及“配置电极”762的去除激励)将液滴752沿对角线拉到“配置电极”763上。为了例示的目的，每个“配置电极”790具有在四个角上的地微电极，但这不是固定布局。可以实施包括对地电极或激励电极的改变的临时步骤，以达到液滴操纵的最佳结果。

在本发明的另一实施方式中，采用EWOD微电极阵列结构技术的LOC装置是基于混合板结构，其中激励可发生在共面配置或双平面配置中。图8示出了开关810，其可被控制为在共面模式和双平面模式之间切换该EWOD微电极结构。在共面模式中，在盖板820上的连续地电极840连接到地，并且在电极板821上的接地网880与地断开连接。另一方面，在双平面模式中，电极板821上的接地网880连接到地，而在盖板820上的地电极840与地断开连接。在另一实施方式中，“接地网”可被如前面的段落中描述的“接地焊盘”或“编程接地焊盘”代替。此外，在一个实施方式中，共面接地方案可以不断开连接，只要额外的接地不会给双平面结构操作带来任何问题即可。

此处公开液滴操纵中的液滴产生过程。样品和试剂从输入端口加载到贮液器中，然后液滴从贮液器中挤出。贮液器可以按照使得液滴可进入或者可流出的形式构建。在基于EWOD的微流体系统中，液滴的产生过程是最关键的组件。该系统由于在流体输入端口的实施受到来自于毫升量与微升量甚至毫微升量规模的样品之间的巨大差异的挑战，因此可以改善液滴产生过程的设计。将样品和试剂加载到芯片上需要位于微流体装置和外部大规模装置之间的接口。如图9A所示，通常该接口由安装在顶板915和贮液器920的通孔上的输入端口910组成。样品和试剂930从此输入端口装入到贮液器中，之后样品和试剂组成的液滴940在贮液器中产生。在图9A中，样品输入端口910必须适当的配合贮液器920的位置以使得样品930定位准确。这种传统的方法可能由于人为失误引入错误的或者脏的样品。

本发明的一个实施方式是基于共面结构，其中在样品或试剂装载到LOC上之后可添加盖，因而不需要固定的输入端口。这对于该EWOD微电极阵列结构尤其重要，因为该结构的现场可编程性能配置贮液器和该固定的输入端口的形状、尺寸和位置。图9B示出了通过针960将样品950直接装载到共面电极板970上。样品的装载不必非常精确，因为贮液器的位置可根据需要由软件编程进行调节，以补偿物理装载偏差。图9C表示在将样品950装载至电极970之后添加无源盖980。

在另一实施方式中，EWOD微电极阵列结构的灵活性使得自调节所装载的样品或试剂相对于贮液器的位置的成为可能。这意味着可以避免对精确定位输入端口的需要以及避免经输入端口将样品和试剂传递到贮液器的困难操作。图9D示出了装载的样品断开成液滴951和液滴952，它们都未精确定位于贮液器941的顶部。在一个实施方式中，液滴952不必能与贮液器941重叠。对于常规的LOC，难以将液滴952重定位到贮液器941中。

在一实施方式中，即使样品液滴952被装载远离贮液器941，仍然可以自动定位。这可以通过激励临时配置电极961来将液滴952拉动到与贮液器941重叠来实现。接下来，去除激励临时配置电极961并激励贮液器941。在图9E中，样品液滴953可以被准确定位到贮液器941内。图10代表在EWOD微电极阵列结构下的液滴产生过程。在通常的过程中，特殊形状的贮液器1030和重叠的电极1035必须存在以形成液滴。在本发明中，重叠的电极1035不必存在。贮液器1030的形状可为方形的贮液器1015，而不需要重叠的电极1035。在另一实施方式中，贮液器1015的形状可以通过设计微电极阵列根据设计需要而为任何其它形状。如图10所示，液滴的产生是指从方形贮液器1015产生出液滴1050的过程。为了启动液滴产生过程，首先激励临时电极1030作为拉回(pull-back)电极，然后激励另一临时电极1035以拉出液体。随后，通过激励相邻序号的配置电极1040，从贮液器1015提取出液体指状物(liquid finger)，最终产生液滴1050。每个配置电极1040由配置的4×4个微电极方形组成。在一个实施方式中，配置电极1040的尺寸可以在从几十微米到几毫米的范围，但不限于此范围。配置电极的形状可以为方形或其它形状。在一个实施方式中，贮液器可以是方形、圆形或其它具体形状。

图11A描述了“液滴等分”产生过程的实施方式。通过操纵微电极，激励配置电极1120。每个小液滴1115都大约与配置电极的大小相当，以至于能够从贮液器1110中提取出。如图11A所示，因此包括一组微电极的配置电极1120被激励以收集所需量的液滴。常规地，液滴尺寸近似于电极的尺寸，并不存在用以控制液滴体积的更精确的方式。本发明中，液滴等分产生系统可用于实现对液滴体积的更精确的控制。此外，在另一实施方式中，通过测量更大液滴1130的体积来计算从液滴1130产生的更小的液滴1115的数量。

图11B描述了采用液滴等分工艺来制备样品的另一实施方式。共用样品制备步骤之一是从全血中去除血细胞，以获取用于免疫测定的等离子体。如图11B所示，经由微电极1140利用液滴等分技术，产生更小的液滴(此液滴太小以至于不能承载一些或任一血细胞1180)，然后经由小尺寸的垂直间隙1170移动小液滴1145，以形成期望液滴1150。液滴等分技术和小间隙1170的组合可有效地将小液滴1145从贮液器/液滴1160经通道1170移动，以形成更大的液滴1150，同时阻挡血细胞1180。这里的物理阻挡主要用于帮助液滴等分技术，并且可以采用除了方形之外的不同形状来利用微电极产生更小的液滴。它并不用作去除血细胞的主要原因。通过利用液滴等分技术，此样品制备发明不仅能从液滴去除颗粒，而且能够制备用于诊断测试的合适尺寸的液滴。

图12示出了采用EWOD微电极阵列结构的液滴输送。在一实施方式中，有9个相邻的配置电极1231，1232到1239。每个配置电极包括配置的10×10个微电极，因而为方形。液滴1250位于中心配置电极1235的顶部。在本系统的一个实施方式中，通过操纵配置电极，液滴可沿南北和东西方向输送。例如，通过激励配置电极1234并对配置电极1235去除激励，将使液滴从配置电极1235移动到配置电极1234上。在另一个实施方式中，根据用户的需求，液滴可沿对角线输送。例如，液滴1250可沿对角线从配置电极1235输送到任一个配置电极1231、1233、1237或1239上，即使这四个配置电极1231、1233、1237或1239与液滴1250不具有物理重叠。为了沿对角线移动液滴1250，一个实施方式是作为临时步骤激励配置电极1260，然后激励期望的配置电极1233并对临时配置电极1260去除激励，因而可将液滴1250沿对角线移动到期望的配置电极1233中。如图12所示，液滴1250可在方形电极设置中沿所有8个方向移动，即南北、东西、西北、东北、东南、西南。在另一个实施方式中，临时配置电极1260的形状可以改变以便于液滴的输送。此外，在另一个实施方式中，液滴的输送方向不限于8个方向。如果相邻配置电极处于这8个方向之外，则仍可产生和激励临时配置电极以将液滴输送到目的地。

图13A-13C描述了采用包含临时桥接技术的EWOD微电极阵列结构的液滴输送和移动的另一实施方式。通过液滴切割和液滴自然蒸发，液滴太小而不能够被电极可靠地驱动。图13A示出了由间隙1360彼此分离的两个配置电极1330、1340。液滴1350位于配置电极1330的左侧。两配置电极1330和1340之间的间隙1360足够宽，能够将两配置电极1330和1340隔开。液滴1350位于配置电极1330左侧，将不会接触到接下来相邻的配置电极1340。

在图13A中，由于在液滴1350和电极1340之间没有物理重叠来改变表面张力，因此液滴1350不能直接从电极1330移动到接下来相邻的电极1340。这种问题在现有的EWOD输送中经常看到。图13B描述了将图13A中的液滴1350输送到期望的配置电极1340的一实施方式。在该过程中，被“齿状”区域覆盖的电极1370被激励。齿状配置电极1370局部覆盖左侧配置电极1330、间隙1360以及整个相邻配置电极1340。如图13B所示，“齿状”配置电极1370与液滴1350具有物理重叠。触发配置电极1370的激励将使液滴1350在配置电极1370的顶部移动。图13C描述了完成向期望的配置电极1340的液滴输送。在液滴1350输送到期望的配置电极1370之后，“齿状”配置电极1370被去除激励。然后，配置电极1340被激励，以将液滴1350布置和定位到期望的方形配置电极1340中。

采用EWOD微电极阵列结构来进行液滴输送和移动的另一个实施方式包括电极列激励操纵。通过液滴切割和蒸发，液滴可能太小而不能可靠地被电极激励。如图14A所示，液滴1450比电极1410要小得多，并且在液滴1450和相邻电极1411之间没有物理重叠。在这种情况下，即使电极1411被激励，液滴1450仍不能被移动到电极1411中，因此液滴容易粘留在系统中。有效地冲走粘留液滴的一个实施方式是利用电极列激励。在图14B中，激励电极布置成多列以执行电极列激励。在一个实施方式中，每列配置电极列1420包括1×10个微电极。三列配置电极列组合在一起以执行电极列激励，如图14B中标记为黑色的部分所示。默认的列宽度是一个微电极，但是取决于应用也可以是其它数量。在另一个实施方式中，最有效的电极列激励是具有一组电极列，其宽度稍大于液滴1450的半径。在另一个实施方式中，列的长度取决于应用，通常情况下越长越好。

图14B示出了三列配置电极列如何被操纵以促进液滴的输送。在首位的配置电极列1420之前，配置电极列1421被激励，尾随的配置电极列1422被去除激励。在此实施方式中，不管液滴的尺寸如何，三列配置电极列总是提供最大有效长度的接触线。结果，液滴1450能够有效、平滑地移动，因为液滴1450上的毛细力是一致的并且被最大化。因此，液滴1450能在比常规EWOD液滴操作中的驱动电压低得多的驱动电压下移动。这种电极列驱动技术可用于通过在低得多的驱动电压下的平滑移动来输送液滴。此外，由于这种技术的一致的毛细力，通过以低速推进配置电极列，可以实现对液滴速度(尤其在低速情形中)的控制。在另一实施方式中，在临界驱动电压下，可应用电极列驱动以驱动液滴。再在另一实施方式中，已经观察到：在低于8Vp-p 1kHz方波驱动电压并且在80μm的间隙的条件下，在10cSt硅油中缓慢但平稳地移动DI水滴(1.1mm直径)。再在另一实施方式中，配置的电极列的长度可以被配置为LOC的总长度。电极列驱动的单次冲刷可以洗刷掉LOC中的所有无效液滴(dead droplet)。图14C示出了在激励配置的电极列(以黑色表示)保持朝右移动并最终移出配置电极1410时，小液滴1450也移出配置电极1410。

图15A-15C示出了在EWOD微电极阵列结构下执行液滴的典型的三电极切割的一个实施方式。图15A示出了水平排列的三个配置电极1510、1511和1512。待切割的液滴1550位于中心的配置电极1511。在图15A中，配置电极1511被激励以控制住液滴1550。液滴1550与部分的相邻配置电极1510和1512重叠。图15B示出了通过同时激励配置电极1510和1512，而对配置电极1511去除激励来切割液滴的阶段。通过电极操纵，液滴1550朝着左右方向被拉至电极1510和1512。在一个实施方式中，两个外部配置电极1510和1512引发的亲水力拉伸液滴，同时中央的疏水力将液体夹断为两个子液滴1551’和1552’，如图15C所示。

图16A-16C描述了液滴切割的一个实施方式。图16A-16C中示出了三个水平排列在一起的配置电极1610、1611和1612。待切割的液滴1650位于中心配置电极1611上。代替使用两个外部的配置电极1610和1612来切割液滴1650，利用电极列驱动技术来朝着配置电极1610和1612缓慢但稳固地拉动液滴1650，如图16A所示。在此实施方式中，使用并激励两组配置电极列1615和1616(在图16A中标记为黑色)来拉开液滴。两组配置电极列中的每一组包含5列电极。图16B描述了通过一次推进一个微电极列，使得两组电极列组保持相分离地移动，因此以缓慢拉动液滴1650并使液滴1650朝向相反方向移动。两组电极列组1615和1616引发的亲水力被用于拉伸液滴1650。当电极列1615和1616到达配置电极1610和1612的外缘时，所有配置电极列1615和1616被去除激励。配置电极1610和1612被激励，以将液体夹断为两个子液滴1651和1652，如图16C所示。

图17A-17C描述了采用EWOD微电极阵列结构执行对角线切割的一个实施方式。对角线切割起始于将待切割液滴移动到临时配置电极1712上，且临时配置电极1712位于图17A中的四个配置电极1710、1711、1713和1714的接合角(joint corner)的中心。通过激励电极，可实现液滴1750的移动。在液滴完全位于四个配置电极的接合角的中心之后，临时配置电极1712被去除激励，并且配置电极1710和配置电极1711被激励，因此将液滴1750拉伸到液体柱中，如图17B所示。为了将液体夹断为两个子液滴，配置电极1710和1711的内角去除激励，以在液滴1750的中部产生必要的疏水力。图17C示出了L形临时配置电极1715和1716被激励，以进一步拉伸液滴1750使其间仅具有薄的颈部。在中部的疏水力随后有助于将液滴1750夹断为两个子液滴1751和1752。最后，配置电极1710和1711被再次激励，以将子液滴1751和1752中心定位，如图17D所示。

由于两个拉动电极拥有较长的电极接触，因此液滴的对角线切割是高效和有利的。液滴上的拉动毛细力比传统的切割要大。因此，可以降低切割电压并且可以实现更均匀的液滴切割。对于传统的切割，需要超过饱和电压的电压(例如对应接触角饱和度的电压)。为了获得更可靠的EWOD液滴操作，在为均匀切割设置条件时需要更加小心，所以不要超过饱和电压。因此，对角线切割是一种好的切割候选方案，以保持切割电压低于饱和电压。此外，对角线切割不那么受液滴尺寸的限制。传统的切割要求能够与外部的两个电极物理重叠的更大液滴，而对角线切割几乎可以切割任何大小的液滴。

在一实施方式中，在EWOD微电极阵列结构下，在敞开的表面执行液滴切割时，液滴切割过程可以被应用到共面结构中。图18A-18C描述了在EWOD微电极阵列结构下，在敞开的表面切割液滴的过程。图18A描述了位于左侧配置电极1840的液滴1850。液滴1850将被切割成图18C所示的两个子液滴1870。液体切割过程大致包含接下来的两个过程。首先，通过在适当的电压下激励配置电极1830，将待切割液滴1850拉伸为薄的液体柱1860。这可以从图18B中看出。这种“薄的”液体柱通常是指具有小于起始液滴直径的宽度的液体柱。接下来，激励两个预选的配置电极1840和1820，以切割液滴1870并将其中心定位到这两个配置电极1840和1820中，如图18C所示。共面切割的关键在于在液滴与外部的两个配置电极之间具有足够的重叠，以便具有足够的毛细力来克服液滴的曲率以执行切割。在一个实施方式中，当液体柱1860由于水动力不稳定性而被切割成多个液滴时，发生被动切割。在另一实施方式中，被动和主动切割都被本发明采用。在液滴被拉伸成薄的液体柱的同时，可利用被动力或主动力来将起始液滴断开成两个更小的液滴。当利用被动力时，对液体柱长度的计算很重要。当利用主动力时，优化的长度并不重要。不管是被动切割还是主动切割，在切割过程的最后步骤，配置电极1840和1820被正常地激励，以便将液滴定位到期望的配置电极中。在另一实施方式中，被动或主动切割过程通过利用EWOD微电极阵列结构在敞开的表面下进行。图18C示出了当液滴1850被切割成两个子液滴1870时完成切割。

图19A-19B示出了在EWOD微电极阵列结构下执行基本合并和混合操作的一个实施方式。在本发明中，术语“合并”和“混合”可互换地使用，用以表示两个或更多个液滴的组合。这是因为合并两个液滴并不总是直接或立即地导致初始分离的液滴的成分的完全混合。在图19A中，两个液滴1950和1951初始分别位于每个对应的配置电极1910和1912上，并由至少一个位于其间的配置电极1911分离。两个液滴1950和1951与中心配置电极1911部分重叠。如图19B所示，通过对两个配置电极1910和1912去除激励，对中心配置电极进行激励，液滴1950和1951在中心配置电极1911上相互移动，然后合并成一个更大的液滴1953。

在EWOD微电极阵列结构中，分析物和试剂混合是一个决定性的步骤。液滴充当实体混合室，通过将两个液滴输送到同一个电极来产生混合。利用最小的空间迅速混合液滴大大提高了生产能力。通常地，有效的液滴混合需要8(2×4)个电极以在这8个电极之间沿确定的路径移动该混合的液滴，以加速混合。因此混合操作中，急需一种不需要大的、用于混合操作的场所的、有效混合液滴的方式。然而，随着微流体装置正在接近该替代的毫微升模式，降低的体积流速和非常低的雷诺数将难以在合理的时间范围内实现液体混合。改善混合取决于两个原则：在如此小的范围内产生涡流的能力，或者可选择地，产生多层以实现快速混合的能力。该EWOD微电极阵列结构可提供比通过扩散的被动混合至少快一个数量级的基于液滴主动的混合。

图20A-20C描述了基于EWOD微电极阵列结构通过不均匀几何运动以产生涡流来实现液滴操纵的主动混合过程。如图20A所示，液滴2050、2070可通过操纵配置电极而变形为所需的形状。如图20B所示，通过激励配置电极2051和2071，液滴示出为液滴2051’和液滴2070’。然后，激励中心配置电极2060以将液滴2050’、2070’拉到混合配置电极2060(标记为黑色)中，如图20C所示。在图20B中，黑色区域表示两个被激励的配置电极2051和2071。这些被激励的电极可用于使这两个液滴2050’和2070’变形，并且将它们拉动到中心配置电极2060中。图20B所示的这种临时激励步骤也有助于两个液滴的平滑混合移动。图20B-20C中的黑色区域和变形液滴的形状仅为例示的目的。在另一个实施方式中，这些形状根据需要可以为任意类型。

图21A和21B描述了用于改善混合速度的微电极阵列混合器。在一实施方式中，可使用不均匀的往复混合器来加速液滴的混合。这可通过激励一组微电极以产生不可逆转图案来实现，其中不可逆转图案破坏了两个循环的对称性以改进混合速度。初始状态在图21A中示出，其中液滴2150包含样品和试剂，并位于配置电极2140的顶部。用于不均匀往复混合的第一个步骤是激励配置电极2160以使液滴2150朝着图21B中所示的箭头方向变形。然后，配置电极2160被去除激励，并且配置电极2140被激励以将液滴拉回到图21A所示的初始位置。往复混合可执行多次，以实现优化的混合效果。此外，图21A和图21B中的配置电极2140和变形液滴的形状仅为例示的目的。在一个实施方式中，这些形状可以为任意类型的设计，只要它们具有产生涡流的能力，或可选地，具有产生多层的能力。

在基于EWOD的液滴混合过程的另一实施方式中，图22示出了用于改善混合速度的循环混合器。这可通过激励更小的微电极组的序列以产生不可逆转水平循环来实现，其中不可逆转水平循环破坏了垂直层循环的对称性以加速混合。如图22所示的一个实施方式是形成包围液滴2290的八个配置电极(2210、2220、2230、2240、2250、2260、2270和2280)，然后以循环的方式顺序地逐个激励配置电极。例如，在第一步骤中，配置电极2210被激励较短的时间段，以导致表面张力改变并且在配置电极2210上的液滴2290的内部产生循环。接下来，配置电极2210被去除激励，随后激励下一个相邻配置电极2220。通过全部八个配置电极(2210到2280)重复循环激励过程，以在液滴2290内部产生水平循环。此循环流激励可根据需要执行多次。在另一个实施方式中，循环流可按照顺时针、逆时针或者这两种方式的交替混合来执行，以实现最佳混合效果。再在另一个实施方式中，配置电极2210到2280的形状可为其他类型以及循环的形状仅为例示的目的。再在另一个实施方式中，这种循环混合可以是任何类型的设计，只要它们具有产生涡流的能力，或可选地，具有产生多层的能力。

在一个实施方式中，在EWOD微电极阵列结构中实现小尺寸(2×2个配置电极)的混合器产生多层以加速混合的过程。这种多层混合器对于低纵横比(aspect ratio)(＜1)的情形尤其有用。纵横比是指电极板和接地板之间的间隙与电极尺寸的比。低纵横比意味着更难以在液滴内部产生涡流，因而产生多层的能力变得更加重要。图23A-23E示出了一个实施方式，在此具体混合器中利用对角线混合和对角线切割。在图23A中，在配置电极2314处的黑色液滴2351与在配置电极2311处的白色液滴2350混合。临时配置电极2310将成为混合室，并将被激励以拉入两液滴2351和2350。为了启动多层混合，第一个步骤是沿对角线合并两个液滴。液滴合并的对角线方向可以是45度或135度，但是随后对角线切割的方向需要垂直于合并操作。图23B表示将液滴2351和液滴2350第一次合并成为黑白液滴2352。由于低雷诺数和低纵横比，液滴2352具有单纯基于扩散的静态混合，其导致较长的混合时间，因此混合的液滴显示为一半为白色，一半为黑色。第二个步骤是要执行对角线切割，如图23C所示，与起始的液滴2352的对角线混合呈90度。在临时配置电极2310被去除激励的同时，配置电极2312和2313以及其它临时配置电极被激励，以将液滴2352沿对角线切割成两个子液滴2353和2354，如图23C所示。对角线切割的细节已在前面的对角线切割过程中讨论。由于低混合率，因此两个子液滴2353和2354在对角线切割之后以相同的方位保持黑/白叠层。然后，多层混合的第三个步骤是将两个液滴移回到起始配置电极上，以重复对角线混合和切割。在图23D中，液滴2354从配置电极2312移动到下一个相邻配置电极2311上。液滴2353从配置电极2313移动到下一个相邻配置电极2314上。可对电极2311和2314进行激励并对电极2312和2313去除激励。需要考虑的是在移动的同时避免液滴2353和2354的合并。例如，对电极去除激励以及对电极进行激励可能会导致两个液滴2353和2354在移动的同时发生物理接触，然后两个液滴可能会合并在一起。在一个实施方式中，临时配置电极2315和2316首先被激励，以在两个液滴之间产生保护区，用以在两个液滴朝着期望的电极移动的同时防止出现任何意外合并。在液滴2353和2354移动到配置电极2316和2315中之后，将两个液滴移动到配置电极2311和2314中。此过程可以重复，以产生用以加速混合的必要数量的多层。作为重复从第一个步骤到将(图23D中的)液滴2353和2354沿对角线合并成为液滴2355的结果，图23E示出了四层液滴2355。图23F示出了在重复多层混合的循环之后得到的八层液滴2356。

在变型的实施方式中，EWOD微电极阵列结构可执行连续流微流体操作代替基于液滴的微流体操作。连续微流体操作在控制方面非常简单，但在进行微流体操作方面提供非常有效的途径。图24A-24C描述了自贮液器2410中产生确定体积的液体2430。如图24A所示，细的微电极线形成了在目标配置电极2460与贮液器2410之间的桥2415。当桥2415和目标配置电极2460被激励时，使液体从贮液器流到目标配置电极2460中。2430表示液体从桥流到配置电极2460中。这里桥是一条微电极线。这种桥配置具有连续流和基于液滴的系统的特点。它具有通道的所有优点，即，一旦桥配置电极被激励，液体就将通过它流动，而无需对激励时序和速度进行额外控制和考虑。同时它也具有基于液滴的系统的所有优点，即，一旦桥2415被去除激励，则所有的液体都将被拉回到贮液器或者目标配置电极2460，并且在通道中不存在残留液滴(dead volume)。一旦目标配置电极2460被填满，则桥2415被去除激励，以将来自贮液器2410的液体2430切断，如图24B所示。配置电极2460的液体填满是自动化的，即，一旦桥和配置电极的所有微电极被液体填满，则将停止从贮液器2410流出液体，因此这个过程的时序控制并不重要。可通过激励适当的微电极2460以及桥的断点来精确地控制液体2430的产生。如图24B所示，首先通过对微电极2416去除激励然后对桥去除激励，液体2430从贮液器2410断开。这个过程将确保形成桥的大部分液体将被拉回到贮液器2410，并且液体2430将通过配置电极2460的微电极的数量而被精确地控制。在图24B中，配置电极2460包括10×10个微电极。可定义配置电极的其它尺寸和形状以产生不同的液体尺寸和形状。图24C示出了液体桥的消失，并且通过激励贮液器2410和配置电极2460产生液体2430。

如图24D所示，在一实施方式中，可利用液体的相同产生过程来将液体切割成两种子液体，如图24D所示。在对配置电极2460去除激励之后，桥配置电极2417和目标配置电极2471被激励，液体从桥流到2470的区域中。对桥配置电极2417去除激励，然后对配置电极2461和2471进行激励，使得液体断裂并形成两种子液体2470和2430，如图24E所示。只要配置电极2461和2471的尺寸被预先计算为期望的尺寸，这种切割处理就可产生不同尺寸的两种子液体。

在另一实施方式中，图25A-25C示出了通过连续流微流体操作实施的混合过程。图25A示出了通过激励桥2515和2525以及激励配置电极2516和2526，液体从贮液器2510和2520经桥流到混合室2530中。这里，与配置电极2516和2526相关联的液体在形状上发生改变以便进行更好的混合，此外液体的尺寸也不同以便进行比例混合(ratio mixing)。在配置电极2516和2526之间具有间隙，以防止过早混合。一旦液体填满了配置电极2516和2526，则配置电极2530(10×10个微电极)被激励，两种液体将被混合，如图25B所示。然后，两个桥电极被去除激励，如图25C所示。

在这种简单的混合微流体操作中，实际上所有的基础微流体操作被解释为：(1)产生：液体2516和2526以精确的方式自贮液器2510和2520产生；(2)切割：液体2516与液体2510被切断，液体2526与液体2520被切断；(3)输送：桥2515和2525将液体输送到混合室；以及(4)混合：液体2516和2526在2530处混合。很明显，这种连续流技术不仅可用以执行所有的微流体操作，而且可以以更精确的方式执行，因为精度的分辨率取决于小尺寸微电极。

在FPLOC中的微电极的形状在物理上可以不同的方式实施。在本发明的一实施方式中，图26A描述了方形微电极阵列，且其中之一被突出显示为2601。6x6的微电极形成了配置电极2602。图26A总共包括3x2个配置电极。在另一实施方式中，图26B示出了六边形微电极阵列，且其中之一被突出显示为2603。且6x6个微电极形成配置电极2604，在图26B中有3x2个配置电极。六边形微电极的交叉指型边缘在沿着配置电极之间的间隙移动液滴时具有优势。在又一实施方式中，图26C示出了布置在墙砖布局中的方形微电极的阵列，其中的一个微电极被突出显示为2605。6×6个微电极构成配置电极2606，图26C中有3×2个配置电极。六边形微电极的交叉指型边缘在沿着配置电极之间的间隙移动液滴时具有优势，但这只发生在x轴上。还可实现很多其它形状的微电极，而不仅限于这里所讨论的三种形状。

尽管已经参照优选实施方式描述了本发明，所属领域的技术人员将意识到，在不脱离本发明的精神和范围的条件下可在形式和细节上作出各种改变。

Claims (39)

1.一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；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，

其中所述接地机构为具有接地网、接地焊盘、或编程的接地焊盘的共面结构，以提供群组接地。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括操纵配置电极的多个微电极的数量，以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一微电极。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述一组配置电极的微流体组件包括贮液器、电极、混合室、检测窗口、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/输出端口、贮液器、电极、混合室、检测窗口、废弃物贮存器、液滴路径和电极网络的物理分配。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述接地机构在双平面结构的顶板上制造，所述顶板位于底板上方并且在所述顶板与所述底板之间具有间隙。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述接地机构为具有无源顶盖或不具有顶盖的共面结构。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述接地机构为利用可选择开关将双平面结构与共面结构组合的混合结构。

9.如权利要求1所述的方法，进一步包括适应宽范围的、具有不同尺寸的液滴的方法，其中该接地机构在双平面结构的顶板上制造，该顶板位于底板的上方且它们之间具有间隙；包括：

(i)配置在所述顶板与所述底板之间的间隙距离的高度；

(ii)配置所述配置电极的尺寸，以控制液滴的尺寸，使液滴接触所述顶板和所述底板；以及

(iii)配置所述配置电极的尺寸，以控制液滴的尺寸，使液滴仅接触所述底板。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述微电极可以以阵列形式布置为圆形、方形、六边蜂窝状或叠砖形。

11.一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；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，

其中所述接地机构为具有接地网、接地焊盘、或编程的接地焊盘的共面结构，以提供群组接地。

12.如权利要求11所述的方法，进一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；

(ii)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。

13.如权利要求11所述的方法，进一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。

14.如权利要求11所述的方法，进一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

(ii)激励所述两个第二相邻配置电极从而拉动和切割液滴。

15.如权利要求12所述的方法，进一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；

(ii)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。

16.如权利要求11所述的方法，进一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；

(ii)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，以将液滴拉到所述贮液器中。

17.如权利要求11所述的方法，进一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；

(ii)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。

18.如权利要求11所述的方法，进一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

(ii)激励中间的该第二相邻配置电极。

19.如权利要求18所述的方法，进一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；

(ii)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。

20.如权利要求11所述的方法，进一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)产生临时配置电极以使液滴形状变形；

(ii)去除激励该第一配置电极并激励该临时配置电极；

(iii)去除激励该临时配置电极并激励该第一配置电极；以及

(iv)重复对该临时配置电极和该第一配置电极的去除激励和激励。

21.如权利要求11所述的方法，进一步包括通过使液滴内部循环来加速液滴内部的混合的方法，其中包括；

(i)产生多个临时配置电极以环绕液滴；以及

(ii)沿顺时针方向一次一个地激励和去除激励所述临时配置电极中的每一个，以在循环运动中混合液滴。

22.如权利要求21所述的方法，进一步包括：沿逆时针方向一次一个地激励和去除激励所述临时配置电极中的每一个。

23.如权利要求11所述的方法，进一步包括产生液滴的多层混合的方法，包括：

(i)配置2×2阵列的配置电极，包括在第一对角位置上的两个第一配置电极；

(ii)产生位于所述2×2阵列的配置电极的中心的临时配置电极；

(iii)对所述临时配置电极进行激励，以合并来自所述两个第一配置电极的两个第一液滴；

(iv)对所述临时配置电极去除激励，并对在第二对角位置上的两个配置电极进行激励；

(v)对所述临时配置电极去除激励，以将液滴切割成两个第二液滴；

(vi)通过对两个额外的临时配置电极进行激励将两个所述第二液滴输送回在所述第一对角位置上的第一配置电极，然后对两个所述额外的临时配置电极去除激励并对在所述第一对角位置上的两个第一配置电极进行激励，以完成输送；

(vii)对所述临时配置电极进行激励，以合并来自两个所述第一配置电极的两个第二液滴；以及

(viii)重复对角线分裂、输送和对角线合并。

24.如权利要求11所述的方法，进一步包括塑造液滴的方法，包括：

(i)在贮液器中配置第一临时配置电极；

(ii)自装载有液体的贮液器配置相邻配置电极线；

(iii)产生与所述贮液器中的液体重叠的、并与最近的相邻配置电极重叠的第二临时配置电极；

(iv)对所述第一临时配置电极进行激励；

(v)对所述第二临时配置电极去除激励，并对最近的相邻配置电极进行激励；以及

(vi)对前一被激励的相邻配置电极去除激励，并对线序列中的后一相邻配置电极进行激励，直到产生液滴为止。

25.如权利要求11所述的方法，进一步包括利用液滴等分技术来产生液滴的方法，包括：

(i)产生用于期望液滴尺寸的目标配置电极；

(ii)自装载有液体的贮液器配置小尺寸相邻配置电极线，所述液体连接到所述目标配置电极，其中所述小尺寸相邻配置电极线的两端与所述贮液器和所述目标配置电极重叠；

(iii)对所述目标配置电极进行激励；

(iv)沿着从贮液器侧到所述目标配置电极的路径，一次一个地对顺序地装载有微等分液滴的每一个小尺寸相邻配置电极进行激励和去除激励；以及

(v)重复小尺寸相邻配置电极的激励和去除激励顺序，以在所述目标配置电极中产生期望的液滴。

26.如权利要求25所述的方法，进一步包括执行预先计算所述微等分液滴的数量的步骤。

27.如权利要求11所述的方法，进一步包括利用液滴等分技术计算装载在所述第一配置电极上的液滴的体积的方法，包括：

(i)产生存储配置电极；

(ii)在所述第一配置电极的内部配置临时配置电极；

(iii)自装载有与所述存储配置电极连接的液滴的第一配置电极配置小尺寸相邻配置电极线，其中所述小尺寸相邻配置电极线的两端与所述第一配置电极和所述存储配置电极重叠；

(iv)对所述临时配置电极进行激励；

(v)对所述存储配置电极进行激励；

(vi)沿着从第一配置电极侧到所述存储配置电极的路径，一次一个地对顺序地装载有微等分液滴的每一个小尺寸相邻配置电极进行激励和去除激励；以及

(vii)重复小尺寸相邻配置电极的激励和去除激励顺序，以计算所述微等分液滴的总数。

28.如权利要求11所述的方法，进一步包括利用列激励来移动液滴的方法，包括：

(i)配置包括多列微电极的列配置电极；以及

(ii)通过沿着目标方向对所述列配置电极的子列进行激励和去除激励，来冲刷所述列配置电极上的液滴。

29.如权利要求11所述的方法，进一步包括冲刷电极表面上的残留液滴的方法，包括：

(i)配置列配置电极，所述列配置电极包括多列微电极并具有覆盖所有残留液滴的长度；以及

(ii)通过沿着目标方向对所述列配置电极的子列进行激励和去除激励，来冲刷所述列配置电极上的所有残留液滴。

30.如权利要求11所述的方法，其中贮液器装有液体。

31.如权利要求11所述的方法，进一步包括利用连续流来产生不同形状和尺寸的液体的方法，其中贮液器装载有液体，包括：

(i)配置用于期望液体尺寸和形状的目标配置电极

(ii)配置桥配置电极，所述桥配置电极包括微电极线并连接到所述贮液器和所述目标配置电极；

(iii)对所述桥配置电极和所述目标配置电极进行激励；以及

(iv)通过首先对所述桥配置电极的、与所述目标配置电极最近的一组微电极去除激励，来对所述桥配置电极去除激励。

32.如权利要求11所述的方法，进一步包括利用连续流以受控尺寸和分裂比将液体分裂成两种子液体的方法，其中贮液器装载有液体，包括：

(i)配置与液体重叠的、具有预定义的第一子液体尺寸和形状的第一目标配置电极；

(ii)配置具有预定义的第二子液体尺寸和形状的、第二目标配置电极；

(iii)配置桥配置电极，所述桥配置电极包括微电极线并连接到所述第一目标配置电极和所述第二目标配置电极；

(iv)对所述桥配置电极和所述第二目标配置电极进行激励；

(v)对所述桥配置电极去除激励；以及

(vi)对所述第一目标配置电极进行激励。

33.如权利要求11所述的方法，进一步包括利用连续流以受控尺寸、形状和合并比来合并两种液体的方法，其中贮液器装载有液体，包括：

(i)配置混合配置电极；

(ii)配置与所述混合配置电极重叠的第一目标配置电极和第二目标配置电极；

(iii)配置第一桥配置电极，所述第一桥配置电极包括微电极线并连接到所述第一目标配置电极和第一液体源；

(iv)配置第二桥配置电极，所述第二桥配置电极包括微电极线并连接到所述第二目标配置电极和第二液体源；

(v)对所述第一桥配置电极和所述第二桥配置电极以及所述第一目标配置电极和所述第二目标配置电极进行激励；

(vi)对所述第一桥配置电极和所述第二桥配置电极去除激励；以及

(vii)对所述混合配置电极进行激励。

34.如权利要求11所述的方法，进一步包括将液体装载到贮液器中的方法，包括：

(i)将液体装载到共面结构上；以及

(ii)在液体上放置无源盖。

35.一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，

其中所述接地机构为具有接地网、接地焊盘、或编程的接地焊盘的共面结构，以提供群组接地。

36.如权利要求35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极。

37.如权利要求35所述的方法，进一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；

(ii)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。

38.如权利要求35所述的方法，进一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；

(ii)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。

39.如权利要求35所述的方法，进一步包括利用所述第一配置电极和与所述第一配置电极对齐的第三相邻配置电极之间的桥接来移动液滴的方法，包括：

(i)产生桥配置电极，所述桥配置电极包括所述第三相邻配置电极以及与液滴重叠的延伸桥接区域；

(ii)对所述第一配置电极去除激励，并对所述桥配置电极进行激励；以及

(iii)对所述桥配置电极去除激励，并对所述第三相邻配置电极进行激励。