CN104136124B - 带有废物空腔的微流体系统 - Google Patents

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Abstract

数字微流体系统(1)被配置用于在至少一个一次性盒(2)的间隙(6)内操纵试样液滴。为了提供用于在该数字微流体系统(1)中收集和/或存储废流体的额外空间，提供了与一次性盒(2)的间隙(6)流体连接的至少一个废物空腔(50)，一次性盒(2)包括具有第一疏水性表面(17’)的底层(3)和具有第二疏水性表面(17”)的顶层(4)。废物空腔(50)位于紧邻至少一个单独的废物电极(52)处，至少一个单独的废物电极(52)紧邻微流体系统(1)的电极阵列9的至少一个单独的电极(10)定位。每个单独的废物电极(52)操作性地连接到微流体系统(1)的中央控制单元(14)并且在每种情况下覆盖废物电极面积。废物空腔(50)覆盖等于多个所述废物电极面积的废物面积，并且所述废物空腔(50)具有等于一次性盒(2)的间隙(6)的多个间隙高度(53)的高度(51)。

Description

带有废物空腔的微流体系统
相关专利申请
本发明专利申请要求提交于2013年1月9日的国际申请No.PCT/EP2013/050326和提交于2013年5月23日的国际申请No.PCT/EP2013/060585的优先权。
技术领域
本发明涉及用于操纵试样液滴的数字微流体系统。数字微流体系统包括：电极阵列，其由基板支撑；以及中央控制单元，其用于控制该电极阵列的单独的电极的选择，并且用于为这些电极提供用于通过电润湿操纵液滴的各个电压脉冲。本发明还涉及用于促进小滴致动分子技术的数字微流体系统，并且涉及用于在数字微流体系统或装置中操纵试样液滴的备选方法。该技术领域整体涉及小体积(通常为微米级或纳米级)的液体的控制和操纵。在数字微流体中，限定的电压被施加到电极阵列的电极，从而处理(电润湿)各个小滴。关于电润湿方法的概述，请参见Washizu,IEEE工业应用汇刊(IEEE Transactions onIndustry Applications),1998年，第34卷,第4号,1998和Pollack等人的芯片实验室杂志(Lab chip),2002,第2卷,96-101。简而言之，电润湿是指使用优选地由疏水层覆盖的微电极阵列移动液滴的方法。通过将限定的电压施加到电极阵列的电极，引起所处理的电极上存在的液滴的表面张力的变化。这导致所处理的电极上的小滴的接触角的显著变化，从而导致小滴的移动。对于这样的电润湿程序来说，已知两种布置电极的基本方式：使用具有电极阵列的单个表面来引起小滴的移动，或者添加第二表面，其与类似的电极阵列相对且提供至少一个接地电极。电润湿技术的主要优点在于，仅需要小体积的液体，例如单个小滴。因此，液体处理可以在显著更短的时间内进行。此外，液体移动的控制可以完全在电子控制下进行，这导致试样的自动化处理。
背景技术
自动化的液体处理系统是本领域公知的。一个例子是得自本申请人(泰肯贸易股份公司,Seestrasse 103,CH-8708瑞士门内多夫)的Freedom机器人工作站。该装置允许在独立式仪器中或在与分析系统的自动化连接中的自动化液体处理。这些自动化系统是并不设计成便携式的较大系统并且通常需要处理较大体积的液体(微升至毫升)。
从美国专利No.5,486,337中已知一种用于通过使用具有电极阵列的单一表面(电极的单平面布置)的电润湿操纵液滴的装置。所有电极被置于载体基板的表面上，下降到基板中，或者由不可润湿的表面覆盖。电压源连接到电极。通过将电压施加到后续电极而移动小滴，从而按照向电极的电压施加的顺序引导在电极上方的液滴的移动。
从US 6,565,727已知一种用于液滴移动的微米级控制的电润湿装置，其使用相对的表面具有至少一个接地电极的电极阵列(电极的双平面布置)。该装置的每个表面可包括多个电极。两个相对的阵列形成间隙。朝向间隙的电极阵列的表面优选地由电绝缘的疏水层覆盖。液滴定位在间隙中且通过将多个电场连续地施加到定位在间隙的相对的站上的多个电极而在非极性填料流体内移动。
从WO 2010/069977 A1已知具有用于操纵在其上的试样液滴的聚合物膜的容器：一种生物试样处理系统包括用于大体积处理的容器和具有下表面和疏水性上表面的平坦的聚合物膜。平坦的聚合物膜通过突起与容器的背面保持距离。当容器定位在膜上时，该距离限定至少一个间隙。还公开了支撑该至少一个电极阵列的基板以及用于液滴操纵仪器的控制单元。容器和膜可逆地附接到液滴操纵仪器。该系统由此允许至少一个液滴通过容器的通道从所述至少一个井凹移置到平坦的聚合物膜的疏水性上表面上且高于所述至少一个电极阵列。液滴操纵仪器被实现为通过电润湿控制所述液滴在平坦的聚合物膜的疏水性上表面上的受引导移动，并且在那里处理生物试样。
在处理生物试样的背景下用于操纵液滴的这样的电润湿装置的使用也从公开为WO 2011/002957 A2的国际专利申请中已知。在该专利中公开了一种小滴致动器，其通常包括具有由电介质绝缘的控制电极(电润湿电极)的底部基板、导电性顶部基板、以及涂布在底部和顶部基板上的疏水性涂层。从该文献已知具有(例如，PCB的)固定底部基板、具有电润湿电极、以及具有可移除或可替换的顶部基板的小滴致动器。整装的盒可以例如包括缓冲液、试剂和填料流体。在盒中的小袋可用作流体贮存器并可被刺破以将流体(例如，试剂或油)释放进盒间隙中。盒可包括可由疏水层代替的接地电极和用于将试样加载到盒的间隙中的开口。接口材料(例如，液体、胶水或油脂)可提供将盒粘附提供到电极阵列的粘附力。
WO 2006/125767 A1(英文翻译参见US 2009/0298059 A1)中公开了用于在用于进行分子诊断分析的自动化系统中微流体处理和分析的一次性盒。盒被配置为扁平室装置(具有大约支票卡的尺寸)并可插入系统内。试样可通过端口移取到盒中。
从国际专利申请WO 2008/106678已知小滴致动器结构。该文献尤其涉及小滴致动器的电极阵列的各种接线配置，并且另外公开了这样的小滴致动器的双层实施例，其包括通过间隙与包括控制电极的第二基板分离的具有参考电极阵列的第一基板。两个基板平行布置，从而形成间隙。间隙的高度可由间隔件建立。疏水性涂层在每种情况下设置在面向间隙的表面上。第一和第二基板可采取盒的形式，最终包括电极阵列。
发明内容
一些测定需要许多滴给定试剂(例如，洗涤缓冲液)，因此需要在与进行用于进行这些测定的电润湿操纵的间隙流体连接的空间中收集和/或存储较大的液体体积。因此，本发明的目的是提出备选的数字微流体系统或数字微流体装置，其被配置成容纳用于在其中操纵试样液滴的一个或多个一次性盒并且被配置成收集和/或存储较大的废物液体体积。
该目的由于提供了用于在至少一个一次性盒的间隙内操纵试样液滴的数字微流体系统而实现。这样的数字微流体系统包括：
(a)基座单元，其具有配置用于接收一次性盒的至少一个盒容纳站；
(b)一次性盒，其包括具有间隙高度的间隙、具有第一疏水性表面的底层、以及具有第二疏水性表面的顶层，所述一次性盒被放置在所述盒容纳站处；
(c)电极阵列，其位于基座单元的所述盒容纳站处，该电极阵列由底部基板支撑并且基本上在第一平面中延伸且包括多个单独的电极；
(d)中央控制单元，其用于控制所述电极阵列的单独的电极的选择并且用于为这些电极提供用于通过电润湿操纵所述盒的间隙内的液滴的各个电压脉冲。
根据本发明的数字微流体系统的特征在于，它还包括与间隙流体连接的废物空腔，废物空腔位于紧邻至少一个单独的废物电极处，所述至少一个单独的废物电极紧邻至少一个单独的电极定位，所述至少一个单独的废物电极操作性地连接到中央控制单元并且在每种情况下覆盖废物电极面积，所述废物空腔覆盖等于多个所述废物电极面积的废区域，并且所述废物空腔的高度等于多个间隙高度。
根据本发明的数字微流体系统的第一备选解决方案，一次性盒的底层被配置成柔性的，并且废物空腔被配置为在数字微流体系统的底部基板中的凹陷或孔，该数字微流体系统还包括：
(e)多个吸入孔，其穿透底部基板和电极阵列并且分布在基座单元的盒容纳站上和废物空腔上；
(f)真空源，其用于在位于电极阵列或底部基板与位于电极阵列或底部基板上的一次性盒之间的抽空空间中建立欠压；以及
(g)多个真空管线，其将吸入孔连结到真空源。
根据该第一备选的数字微流体系统，一次性盒的柔性底层被配置成由抽空空间中的欠压吸引并且铺展在电极阵列、底部基板和数字微流体系统的底部基板中的废物空腔上，柔性底层由此限定在一次性盒的底层和顶层之间的间隙的间隙高度以及废物空腔的面积和高度。
根据本发明的数字微流体系统的第二备选解决方案，一次性盒包括主体，废物空腔位于该主体中，废物空腔与位于一次性盒的底层和顶层之间的间隙流体连通；废物空腔的高度包括间隙的高度。
数字微流体系统的附加的和创造性的特征和优选实施例及变型从相应的从属权利要求中得出。
本发明的优点包括：
·本发明的废物空腔提供了用于收集和/或存储对于正确进行某些测定必要的诸如洗涤缓冲液的废液的大体积。
·本发明的数字微流体系统包括其中封闭至少一个废物空腔的一次性盒。所收集的废液与盒一起被处置，并且因此不会污染微流体系统或周围的实验室。
·本发明的数字微流体系统的第一备选解决方案提供了在PCB中的废物空腔(配置为凹陷或通孔)、一次性盒的柔性底层被配置为间隙的工作层和浸入PCB中的凹陷或通孔和/或电极阵列的基板内的膜，从而在废物空腔的区域中形成深得多的间隙。
·本发明的数字微流体系统的第二备选解决方案提供了在一次性盒的主体中的废物空腔，该废物空腔与位于一次性盒的底层和顶层之间的间隙流体连通；废物空腔的高度包括间隙的高度。
·本发明的废物空腔被构建成比位于间隙中的废物电极(例如，如从US 2013/0020202 A1中已知的)接收大得多的体积的废液。
附图说明
借助于所附示意图解释根据本发明的数字微流体系统和废物空腔的两个实施例，图中示出本发明的所选的和示例性的实施例，而不缩小本发明的范围和精神。在附图中：
图1示出数字微流体系统的概览，该系统配有中央控制单元和基座单元、各自包括电极阵列以及可移动的盖板的四个盒容纳站；
图2示出一个一次性盒在到达其容纳站之前的剖视图，该一次性盒根据第一实施例配置；
图3示出图2的一次性盒在到达其容纳站之后的剖视图，该一次性盒根据第一实施例配置并且由夹具保持到位；
图4示出一次性盒在到达其容纳站之后的剖视图，该一次性盒根据第二实施例配置并且不使用夹具保持到位；
图5示出图3的一次性盒的剖视图，根据第三实施例的一次性盒的柔性底层被欠压吸引并且铺展在电极阵列、底部基板和数字微流体系统的底部基板中的废物空腔上；
图6示出图4的一次性盒的剖视图，根据第六实施例的一次性盒包括主体，废物空腔位于主体中，废物空腔与位于一次性盒的底层和顶层之间的间隙流体连通；
图7示出用于US 2013/0020202 A1(参见该专利的图9)的液滴操纵的系统的电极布局的俯视图，其中并入如图5所示的根据第一备选解决方案的废物空腔。
具体实施方式
图1示出示例性的数字微流体系统1的概览，数字微流体系统1配有中央控制单元14和基座单元7，并带有各自包括电极阵列9和盖板12的四个盒容纳站8。数字微流体系统1被配置用于在一次性盒2内操纵试样液滴23，一次性盒2包含底层3、顶层4和最终地间隔件5，间隔件5限定在底层3和顶层4之间的间隙6。因此，试样液滴23在一次性盒2的间隙6中被操纵。
典型的数字微流体系统1包括基座单元7，其具有配置用于接收一次性盒2的至少一个盒容纳站8。数字微流体系统1可以是独立式和固定式单元，多个操作者在其上操作他们携带的盒2。因此，数字微流体系统1可包括多个盒容纳站8和多个电极阵列9，从而可以同时和/或并行地操作多个盒2。盒容纳站8、电极阵列9和盒2的数目可以是1个或在例如1个和100个或甚至更多之间的任何数；该数目例如受中央控制单元14的处理能力限制。
可能优选的是将数字微流体系统1集成到液体处理工作站中或Freedom机器人工作站中，使得移吸机器人可用来将液体部分和/或包含液体的试样转移到盒2和从盒2转出。备选地，系统1可被配置为手持单元，其仅包括并且能够与少量的例如单个一次性盒2一起工作。本领域的每个技术人员应理解，位于刚刚提及的两个极端方案之间的中间方案溶液也将操作和工作。
典型的数字微流体系统1也包括至少一个电极阵列9，其基本上在第一平面中延伸且包括多个单独的电极10。这样的电极阵列9位于基座单元7的所述盒容纳站8中的每一个处。优选地，每个电极阵列9由底部基板11支撑，该底部基板11固定到基座单元7。应当指出，术语“电极阵列”、“电极布局”和“印刷电路板(PCB)”在本文中用作同义词。还应当明确指出的是，电极阵列9的第一平面可在任何随意的空间方向上延伸。对于盖板12的第二平面也同样如此，只要第一和第二平面基本上平行于彼此延伸。
典型的数字微流体系统1也包括具有顶部基板13的至少一个盖板12。在每种情况下，至少一个盖板12位于所述盒容纳站8处。盖板12的顶部基板13和具有电极阵列9或PCB的底部基板11分别限定空间或盒容纳站8。在第一变型中(参见在基座单元7的中部的两个盒容纳站8)，盒容纳站8被配置用于接收滑动地插入的一次性盒2，一次性盒2能在相对于相应的盒容纳站8的电极阵列9基本上平行的方向上移动。这样的前加载或顶部加载可由拉入自动机构支撑，该拉入自动机构在一次性盒2的部分插入之后将盒2输送到其在盒容纳站8内的最终目的地，在这里，盒2被精密地座置。优选地，这些盒容纳站8不包括可移动的盖板12。在对试样液滴进行所有预期操纵之后，用过的盒2可由拉入自动机构弹出并输送到分析站或丢弃。
在第二变型中(参见基座单元7的右侧和左侧上的两个盒容纳站8)，盒容纳站8包括盖板12，其被配置成能相对于相应的盒容纳站8的电极阵列9移动。盖板12优选地被配置成能够绕一个或多个铰链16和/或在基本上垂直于电极阵列9的方向上移动。
典型的数字微流体系统1也包括中央控制单元14，其用于控制所述至少一个电极阵列9的单独的电极10的选择，并且用于为这些电极10提供用于通过电润湿在所述盒2内操纵液滴的各个电压脉冲。如在图1中部分地指示的，每个单一的独立电极10可操作地连接到中央控制单元14并且因此可以由该中央控制单元14独立地处理，该中央控制单元14也包括合适的源，用于以本领域已知的方式形成和提供必要的电势。
至少一个盖板12还包括导电材料15，导电材料15在第二平面中延伸并且基本上平行于该至少一个盖板12所分配到的盒容纳站8的电极阵列9。盖板12的该导电材料15优选地被配置成连接到接地电势的源。该导电材料15有助于在数字微流体系统1中操纵的液滴的电润湿移动。
在所示出或讨论的所有实施例中，优选的是，一次性盒2的间隙6基本上用硅油填充。同样始终优选的是，盒2的底层3和顶层4为完全疏水性的膜或包括暴露于盒2的间隙6的疏水性表面17’、17”。在用一次性盒2的间隙6电润湿和操纵至少一个液滴23之后，在一次性盒2仍在盒容纳站8处的同时，评估操纵或测定的结果，即，利用数字微流体系统1或数字微流体系统1集成到的工作站的分析系统。备选地，一次性盒2可从数字微流体系统1的基座单元7取出并且被操纵的试样可在别处分析。
在分析之后，一次性盒2可被丢弃并且电极阵列9可重复使用。由于数字微流体系统1的部件在与盒2的实施例中的一个一起工作时从不与任何试样或试剂接触，与其它一次性盒2的这种重复使用可以是立即的，并且没有任何中间清洁。由于数字微流体系统1的盖板12的通孔19在与盒2的第三或第四实施例一起工作时会与试样和试剂接触，与其它一次性盒2的这种重复使用可在某种中间清洁之后或在盖板12的替换之后进行。
本发明的目的是提供具有工作膜的可移除的和一次性的盒，该工作膜在通过电润湿操纵液滴23期间将液滴23与电极阵列9分离。如在说明书中提出的自包含一次性盒2的三个不同的实施例中所示，可移除的和一次性的膜优选地作为盒2的底层3和顶层4提供。
在一个优选的实施例中，盒2的底层3通过真空吸引到PCB。PCB中的小的抽空孔连接到真空泵以用于此目的。将这样的真空吸引施加到底层3使得能够避免使用任何液体或粘合剂以使盒2的底层3更好地接触到电极阵列9的表面。
在附图2、3和4中，示出了根据第一和第二实施例的一次性盒的尤其优选的实施例。在每种情况下，一次性盒2包括具有至少一个隔室21的主体47，至少一个隔室21被配置成在其中保持处理液体、试剂或试样。所述隔室21中的至少一个包括通孔19，以用于将其内容物中的至少一些递送到下面的间隙6。一次性盒2也包括具有第一疏水性表面17’的底层3，第一疏水性表面17’为液体不可透的并且被配置为工作膜，以用于在一次性盒2的底层3被放置在所述电极阵列9上时利用数字微流体系统1的电极阵列9在其上操纵试样液滴23。一次性盒2还包括具有第二疏水性表面17”的顶层4，第二疏水性表面17”为液体不可透的并且附接到一次性盒2的主体47的下表面48。此外，一次性盒2包括间隙6，其位于底层3的第一疏水性表面17'和顶层4的第二疏水性表面17”之间。本发明的盒2的底层3被配置为沿柔性底层3的周围40密封地附接到顶层4的柔性膜。因此，一次性盒2没有位于柔性底层3和顶层4之间以限定所述第一疏水性表面17’和所述第二疏水性表面17”之间的特定距离的任何间隔件5。顶层4被配置成在至少一个隔室21的下端和间隙6之间提供密封件。此外，顶层4包括加载站41，用于将处理液体、试剂或试样转移到间隙6。
在图2中，提供了一个一次性盒2在到达其容纳站8之前的剖视图。可以看到，柔性底层3仅围绕其周围40附接到顶层4，底层3的大部分松散地悬挂在其周围40上并且不接触顶层4。因此，在将一次性盒2正确地置于盒容纳站8内或放置在盒容纳站8上之前，间隙6封闭，但不限定其宽度和平行取向。一次性盒2的主体47这里包括基本上平坦的下表面48并且被配置为具有中心开口43的框架结构，中心开口43穿透整个框架结构。
在图3中，图2的一次性盒2的剖视图被描绘为在一次性盒2到达其在数字微流体系统1的电极阵列上的盒容纳站8之后。一次性盒2根据第一实施例配置并且由夹具37保持到位。在一侧上，夹具37优选地由铰链16附接到数字微流体系统1的基座单元7的基板11。在另一侧上，夹具37可由例如夹子、弹簧锁或螺钉(未示出)附接到数字微流体系统1的基座单元7的基板11。
在图2和3的第一实施例中，一次性盒2还包括平面刚性盖板12，其附接到一次性盒2的主体47的下表面48。顶层4附接到所述刚性盖板12，该刚性盖板12包括通孔19，其位于顶层4的加载站41处(这里在穿刺部位41’处和毛细管孔处)。刚性盖板12这里为顶层4提供了平直的附接表面并且也包括通孔19。盖板可由刚性材料制成，例如透光的(杜邦帝人(DuPont Teijin)的商标，由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的膜)。刚性盖可涂有例如由氧化钛铟(TIO)或具有导电的填充材料的塑性材料制成的导电材料15(优选地在下侧上)，以便实现如前所述盖板12的功能。如粗线所指示的，盖板12附接到一次性盒2的主体47的下表面48。这种附接可通过使用优选地由诸如Mylar的化学上惰性的材料制成的粘合带或胶带实现。根据盒2的主体47的材料，也可应用焊接方法将盖板12附接到盒2。如粗线所指示的，顶层4这里密封地附接到盖板12的下表面48。顶层4的这种附接可通过使用粘合带或胶带或通过焊接(例如，通过激光焊接)进行。柔性底层3通过使用粘合带或胶带或通过应用焊接技术沿柔性底层3的周围40密封地附接到顶层4。
在图2中，还描绘了吸移孔41”’。位于一次性盒2的中心开口43中且被配置成可由移液管端触及的这种吸移孔41”’可因此用于将处理液体、试剂或试样直接吸移进间隙6内。当然，吸移孔41”’包括盖板12(如存在)中的开口和顶层4中的通孔。这样的吸移孔41”’可以除了一个或多个穿刺孔41’之外或代替它们使用，穿刺孔41’在每种情况下均位于隔室21下方。
该一次性盒2包括至少一个柱塞42，其在每种情况下被配置成能手动地或通过致动元件38(参见图3)在隔室21内移动，以对着顶层4的相应的加载站41挤压相应的隔室21的内容物。柱塞42包括穿刺销27，其被配置用于在隔室21的相应的加载站41处刺穿顶层4。因此，柱塞42被配置用于将隔室21的内容物中的一些挤压通过顶层4的穿刺部位41’并进入间隙6中。备选地，柱塞42被配置用于将隔室21的内容物中的一些挤压通过顶层4的毛细管孔并进入间隙6中。该毛细管孔优选地尺寸设计成呈现出毛细作用力，该力在未利用柱塞42施加的压力时(未示出)防止含水液体流过。因此，加载站41优选地选自穿刺部位41’、毛细管孔和吸移孔41”’。
然而，如果柱塞42被压下(参见图3右侧)，则穿刺销27穿透覆盖层12中的通孔19或主体47并刺穿顶层4。同时，隔室21的内容物的一部分由柱塞压入间隙6内，而内容物可为处理液体、试剂或试样(为溶液或悬浮液)。结果，在底层3的第一疏水性表面17'上，小滴23积聚并可在底层3的该第一疏水性表面17’和顶层4的第二疏水性表面17”之间的间隙中被操纵。操纵小滴23由容纳一次性盒2的数字微流体系统1的电极阵列9进行。
备选地，压下柱塞42将迫使隔室21的内容物的一部分移动通过毛细管孔并进入间隙6(未示出)，内容物可为处理液体、试剂或试样(为溶液或悬浮液)。结果，在底层3的第一疏水性表面17'上，小滴23将积聚并可在底层3的该第一疏水性表面17’和顶层4的第二疏水性表面17”之间的间隙中被操纵。同样，操纵小滴23将由容纳一次性盒2的数字微流体系统1的电极阵列9进行。
在本发明的一次性盒2的第一实施例中，一种优选的备选方案是柔性底层3被配置为单层疏水性材料。根据第二优选的备选方案，柔性底层3被配置为单层非导电材料，柔性底层3的上表面17被处理为疏水性的。根据第三优选的备选方案，柔性底层3被配置为包括下层和疏水性上层的层合物，下层为导电的或非导电的。根据本发明的一次性盒2的另一个优选实施例，介电层24层合在底层3的下表面上(参见例如图4)。
根据本发明的一次性盒的第一实施例的一个变型，一次性盒2还包括垫片36，其沿着柔性底层3的周围40附接到下表面。因此，当一次性盒2被置于数字微流体系统1的电极阵列9上时，垫片36限定所述第一疏水性表面17’和所述第二疏水性表面17”之间的特定距离。如果所述数字微流体系统1在电极阵列9中配有吸入孔35，并且如果柔性底层3通过所述吸入孔35吸引，就是这种情况。
图4示出一次性盒2在到达其容纳站8之后的剖视图，该一次性盒2根据第四实施例配置并且不使用夹具保持到位。实际上，示出了第四实施例的两个不同的变型：
·在左侧，主体47被配置为板结构；
·在右侧，主体47被配置为框架结构；
一次性盒2的主体47的下表面48在两种情况中均为基本上平坦的。因此，根据第四实施例配置的一次性盒2包括主体47，主体47具有下表面48、上表面49和至少一个通孔19。该至少一个通孔19设计为吸移孔41”’，其被配置成可由移液管端26触及。通孔19因此允许将处理液体、试剂或试样吸移到间隙6中。
除了主体47之外，一次性盒2包括具有第一疏水性表面17’的底层3，第一疏水性表面17’为液体不可透的并且被配置为用于在其上操纵试样液滴23的工作膜。当一次性盒2的底层3被放置在所述电极阵列9上时，这样的操纵利用数字微流体系统1的电极阵列9进行。优选地，柔性底层3由粘合带或胶带或备选地通过焊接沿柔性底层3的周围40密封地附接到导电材料15。
一次性盒2还包括附接到主体47的下表面48的导电材料15。导电材料15为液体不可透的并且被配置成为主体47的下表面48提供第二疏水性表面17”。底层3被配置为沿柔性底层3的周围40密封地附接到一次性盒2的导电材料15的柔性膜，一次性盒2因此没有位于柔性底层3和导电材料15之间以用于限定所述第一疏水性表面17’和所述第二疏水性表面17”之间的特定距离的间隔件5(参见图2-6)。
一次性盒2还包括间隙6，其位于底层3的第一疏水性表面17'和导电材料15的第二疏水性表面17”之间。主体47的该至少一个通孔19被配置为加载站41，用于将处理液体、试剂或试样转移到间隙6。
一次性盒2还包括诸如隔室21的东西，其被配置为位于一个或多个加载站41周围的主体47中的一个或多个容器状凹陷。然而，这些隔室21并不旨在长时间地或甚至在运输期间存储液体，它们仅仅被配置成允许移液管端26(一次性的或非一次性的)到达位于加载站41处的吸移孔41”’。优选地，这些“隔室21”包括围绕加载站41的中心凹陷，该中心凹陷在液体转移到间隙6之前允许一些液体临时沉积。
如在此前的所有其它实施例中所示，柔性底层3优选地被配置为单层疏水性材料。根据第一优选的备选方案变型，柔性底层3被配置为单层非导电材料，柔性底层3的上表面被处理为疏水性表面17。根据第二优选的备选方案变型，柔性底层3被配置为包括下层和疏水性上层的层合物，下层为导电的或非导电的。
在另一个备选实施例中，一次性盒2还包括附接到下表面且沿柔性底层3的周围40的垫片36。因此，当一次性盒2被置于数字微流体系统1的电极阵列9上时，如果所述数字微流体系统1配有在电极阵列9中的吸入孔35，并且如果柔性底层3通过所述吸入孔35吸住，垫片36限定所述第一疏水性表面17’和所述第二疏水性表面17”之间的特定距离。
在图4中，垫片36附接到支撑电极阵列9的单独的电极10的底部基板11。这里，介电层24附接到电极阵列9的表面，保护单独的电极不受氧化、机械冲击和诸如污染的其它影响。介电层24也覆盖垫片36，其被配置为围绕一次性盒2的容纳站8延伸的闭环。介电层24还覆盖插入导向器25的至少一部分并且到达一次性盒2的一部分上方(参见左侧)或超出一次性盒2的整个高度(参见右侧)。
根据迄今所描述的本发明的一次性盒2的第一和第二实施例，还提出一种备选的数字微流体系统，其被配置成将这些创新性的一次性盒2中的至少一个接收在其位于基座单元7的电极阵列9上的盒容纳站8中。
根据本发明的一次性盒2的第一和第二实施例的另一个变型，一次性盒2不包括垫片36。相反，垫片36永久性地固定到数字微流体系统1的基座单元7的底部基板11，或者垫片36固定到永久性地覆盖电极阵列9和底部基板11的介电层24。当然，在这种情况下，介电层24具有在基座单元7的吸入孔35的部位处的孔，以便能够在抽空空间46中形成欠压，这造成置于盒容纳站8上的一次性盒2的柔性底层3被吸引和铺展在数字微流体系统1的电极阵列9和底部基板11上。
根据本发明的一次性盒2的第一和第二实施例的另一个变型，垫片36永久性地附接到下表面且沿着将置于基座单元7的盒容纳站8上的一次性盒2的柔性底层3的周围40。
本发明的数字微流体系统1优选地配有基座单元7，其包括配置为框架的插入导向器25，该框架尺寸设计成在其中容纳一次性盒2。尤其优选的是，基座单元7包括夹具37，其被配置成将该一次性盒2固定在基座单元7的盒容纳站8上的所需位置处。如结合第二实施例展示的(参见图4)，不存在对使用这样的夹具37的绝对需求。这里，各层均被良好密封，并且在底部表面上的抽空空间46中的真空将一次性盒2安全地保持到位并保持在数字微流体系统1的盒容纳站8内。
还优选的是，基座单元7包括致动元件38，其被配置用于致动柱塞42，柱塞42在每种情况下被配置成能在置于盒容纳站8上的一次性盒2的隔室21内移动。因此，柱塞42在每种情况下被配置用于将相应的隔室21的内容物压入位于基座单元7的盒容纳站8上的一次性盒2的间隙6内。优选地，致动元件38被配置成马达驱动的且由数字微流体系统1的中央控制单元14控制。插入导向器25优选地由铝、由另一种轻金属或轻合金或由不锈钢制造。
图5示出图3的一次性盒2的剖视图。根据第三实施例的一次性盒2的柔性底层3由欠压吸引并且铺展在电极阵列9、底部基板11、以及在数字微流体系统1的底部基板11中的废物空腔50上。一次性盒2的底层3被配置成为柔性的，并且废物空腔50被配置为数字微流体系统1的底部基板11中的凹陷或孔。如所描绘的，底部基板11中的凹陷为废物空腔提供额外的空间，而不需要在PCB 11中冲出通孔。然而，如果需要用于收集和/或存储废液的额外空间，则可在PCB中布置较深的凹陷或通孔。如果代替由塑性材料制成的PCB，底部基板11被选择为由比塑性PCB更厚的诸如SiO2或Al2O3的陶瓷材料制成，则较深的凹陷或或同样穿过整个底部基板11的通孔可提供用于收集和/或存储废液的甚至更大的空间。
优选地，为了容纳第三实施例的这样的一次性盒2，数字微流体系统1还包括：
(e)多个吸入孔35，其穿透底部基板11和电极阵列9并且分布在基座单元7的盒容纳站8和废物空腔50上；
(f)真空源33，其用于在位于电极阵列9或底部基板11和位于电极阵列9或底部基板11上的一次性盒2之间的抽空空间46中建立欠压；以及
(g)多个真空管线34，其将吸入孔35连结到真空源(33)。
在这样的数字微流体系统1中，一次性盒2的柔性底层3优选地被配置成由在抽空空间46中的欠压吸引并且铺展在电极阵列9、底部基板11和底部基板11中的废物空腔50上。结果，柔性底层3被向下吸入到底部基板11中的凹陷或通孔内。因此，限定在一次性盒6的底层3和顶层4之间的间隙6的间隙高度53的柔性底层3也限定废物空腔50的面积和高度51。
优选地，一次性盒2的柔性底层3被配置为单层疏水性材料。备选地，一次性盒2的柔性底层3被配置为单层非导电材料，柔性底层3的上表面被处理为疏水性表面17’。在另一个备选型式中，一次性盒2的柔性底层3被配置为层合物，其包括下层和疏水性上层，下层为导电的或非导电的。
尤其优选的是，第三实施例的一次性盒2包括带有至少一个腔室21的主体47，至少一个腔室21被配置成在其中保持处理液体、试剂或试样。这些腔室21中的至少一个优选地包括通孔19，以用于将其内容物中的至少一些根据需要递送到间隙6内。
图6示出图4的一次性盒2的剖视图。根据第四实施例的一次性盒2包括主体47，废物空腔50位于主体47中。废物空腔被布置成与位于一次性盒2的底层3和顶层4之间的间隙6流体连通。在图6中可以看出，废物空腔50的高度51包括间隙6的高度53。
优选地，一次性盒2的主体47包括至少一个隔室21，其被配置成在其中保持处理液体、试剂或试样。这些隔室21中的至少一个包括通孔19，以用于根据需要将其内容物中的至少一个递送到间隙6内。优选地，一次性盒2的主体47被配置为一次性盒2的顶层4并且包括第二疏水性表面17”。
优选的是，该第四实施例的一次性盒2的底层3被配置为单层疏水性材料。备选地，一次性盒2的底层3被配置为单层非导电材料，底层3的上表面被处理为疏水性表面17’。在另一个备选型式中，一次性盒2的底层3被配置为层合物，其包括下层和疏水性上层，下层为导电的或非导电的。
当结合一次性盒2的第三和第四实施例时，一次性盒2的底层3被配置成柔性的并且由抽空空间46中的欠压吸引，抽空空间46位于电极阵列9或底部基板11和位于电极阵列9或底部基板11上的一次性盒2之间。
优选地，一次性盒2包括衬垫底座57，其中定位有用于收集废流体的吸收性衬垫55。尤其优选的是，吸收性衬垫55包括半透膜56，半透膜56被配置成容许废液渗透到吸收性衬垫55中并且防止废液离开吸收性衬垫55。优选地，这样的半透膜56可由气体自由地穿透。
为了安全起见，可以提出的是，一次性盒2包括将衬垫底座57封闭在主体47中的覆盖件58。这样的覆盖件58可以是一次性盒2的主体47的一部分。根据在盒2的间隙6中处理试样所需的液体的数量和类型，覆盖件可将衬垫底座57完全封闭在主体47中。覆盖件58可备选地为附接到主体47的上表面49的粘合带或箔。因此，存在密封地施加到一次性盒2的主体47的上表面49的弹性层44或板，弹性层44或板被配置成至少将衬垫底座57抵靠所述上表面49密封在主体47中。
备选地并且也根据在盒2的间隙6中处理试样所需的液体的量和类型，一次性盒2的覆盖件58可包括至少一个通风管道59，其被配置成让从吸收性衬垫55到达的空气(或其它气体)经过，从而避免在间隙6、废物空腔50、衬垫底座57和吸收性衬垫55中的至少一个中的过压的任何积聚。
已经观察到，当在单独的电极10的路径上并且在单独的废物电极52上的该路径的端部处移动时，液滴23容易滑入废物空腔50中(独立于废物空腔50的所选实施例)。如果在废物空腔50中已存在废物储藏物54，则小滴23将与该较大的液体体积合并。容易滑入废物空腔中可通过小滴23和疏水性表面17’及17”之间的接触面积的减小来解释。因此提出的是，小滴23当处于其在废物空腔50内部的位置时具有较低能级。已经观察到，小滴23或废物储藏物54绝不再次自发地离开废物空腔。
图7示出用于US 2013/0020202 A1的液滴操纵的系统的电极布局的俯视图，其中并入如图5所示的根据第一备选解决方案的废物空腔50。当比较该废物空腔50的面积与单独的废物电极52的面积时，显而易见的是，废物空腔50的面积要大得多。两个不同的废物储藏物54指示在两个不同的电极路径的端部处。当比较该废物空腔50的面积与靠近PCB的下边界定位的废物电极的面积时，同样显而易见的是，废物空腔50的面积要大得多。根据本发明，可存储在废物空腔50中的废液的体积将是可存储在大的废物电极上的废液的多个体积。这是因为废物空腔50的高度51是一次性盒2的间隙高度53的至少两倍。在图7中，表示本发明的特征的附图标记以黑体字母印刷。对于以斜体印刷的图7中的附图标记的解释，请参见US2013/0020202 A1的图9的图中文字。
以下材料和尺寸对于制造用于在本发明的数字微流体系统1中使用的一次性盒2是尤其优选的：
表1
本发明的一次性盒2和本发明的数字微流体系统1使得用于操纵粘附到疏水性表面17的试样液滴23的备选方法能够进行。该方法优选地包括以下步骤：
(a)提供具有底层3的第一疏水性表面17’、顶层4的第二疏水性表面17”以及在第一疏水性表面17’和第二疏水性表面17”之间的间隙6的一次性盒2，一次性盒2还包括具有至少一个隔室21的主体47，以在其中保持处理液体、试剂或试样，所述隔室21包括用于将其内容物中的至少一些递送到间隙6的通孔19；
(b)提供具有电极阵列9的数字微流体系统1，该电极阵列9基本上在第一平面中延伸并且包括多个单独的电极10，所述多个单独的电极10由底部基板11支撑并且连接到数字微流体系统1的中央控制单元14，该中央控制单元14用于控制所述电极阵列9的单独的电极10的选择并且用于为这些电极10提供用于通过电润湿操纵所述第一疏水性表面17’上的所述液滴23的各个电压脉冲；以及
(c)限定间隙6，使得顶层4的疏水性表面17”基本上平行于底层3的所述第一疏水性表面17’且在一距离外延伸。
该方法优选地还包括以下步骤：
(d)提供作为柔性膜的底层3，其沿柔性底层3的周围40密封地附接到顶层4，一次性盒2因此没有位于柔性底层3和顶层4之间以限定所述第一疏水性表面17’和所述第二疏水性表面17”之间的特定距离的间隔件5；
(e)将一次性盒2放置在数字微流体系统1的基座单元7的盒容纳站8上，顶层4被配置成在至少一个隔室21的下端和间隙6之间提供密封件，并且顶层4包括用于将处理液体、试剂或试样转移到间隙6的加载站41；
(f)由围绕盒容纳站8的周围45定位的垫片36在盒容纳站8中密封抽空空间46，抽空空间46由柔性底层3、电极阵列9、底部基板11和垫片36限定；以及
(g)在抽空空间46中形成欠压，该欠压造成放置在盒容纳站8上的一次性盒2的柔性底层3被吸引和铺展在电极上。
当应用该方法时，优选地抽空空间46中的欠压由真空源33形成，真空源33由数字微流体系统1的中央控制单元14控制，并且由多个真空管线34连结到吸入孔35，吸入孔35穿透电极阵列9且分布在基座单元7的盒容纳站8上。还优选的是，包含在一次性盒2的隔室21中的柱塞42手动地或由致动元件38移动，并且相应的隔室21的内容物被压靠到顶层4的相应的加载站41。还优选的是，利用柱塞42的穿刺销27，顶层4在隔室21的相应的穿刺部位41’处被刺穿，并且隔室21的内容物中的一些被挤压通过冲入顶层4的该穿刺部位41’的孔并进入间隙6中。备选地或附加地，还优选的是，隔室21的内容物中的一些被用柱塞42挤压通过顶层4的相应的毛细管孔并进入间隙6中，毛细管孔被尺寸设计成呈现出毛细作用力，该力在柱塞42未施加压力时防止含水液体流过。
在每种情况下优选的是，在通过电润湿操纵在所述第一疏水性表面17’上的液滴23和/或分析这些液滴23中的一些中的试样之后，一次性盒2被从数字微流体系统1的基座单元7的盒容纳站8取走并丢弃。
对于技术人员看起来合理的本文所公开的盒2的不同实施例的特征的任何组合都在本发明的精神和范围内。
即使它们未在每种情况下被特别地描述，附图标记也指数字微流体系统1的类似元件和特别地本发明的一次性盒2的类似元件。
附图标记：
1 数字微流体系统
2 一次性盒
3 底层
4 顶层
5 间隔件
6 3和4之间的间隙
7 基座单元
8 盒容纳站
9 电极阵列
10 单独的电极
11 底部基板
12 盖板
13 顶部基板
14 中央控制单元
15 导电材料
16 铰链
17 疏水性表面
17’ 第一疏水性表面
17” 第二疏水性表面
19 通孔
21 隔室
23 液滴
24 介电层
25 插入导向器
26 一次性移液管端
27 穿刺销
33 真空源
34 真空管线
35 吸入孔
36 垫片
37 夹具
38 致动元件
40 3的周围
41 加载站
41’ 穿刺部位
41”’ 吸移孔
42 柱塞
43 中心开口
44 弹性层
45 8的周围
46 抽空空间
47 主体
48 47的下表面
49 47的上表面
50 废物空腔
51 废物空腔的高度
52 各个废物电极
53 间隙的高度
54 废物储藏物
55 吸收性衬垫
56 半透膜
57 衬垫底座
58 覆盖件
59 通风管道

Claims (18)

1.一种用于在至少一个一次性盒(2)的间隙(6)内操纵试样液滴的数字微流体系统(1)，所述数字微流体系统(1)包括：
(a)基座单元(7)，其具有配置用于接收一次性盒(2)的至少一个盒容纳站(8)；
(b)一次性盒(2)，其包括具有间隙高度(53)的间隙(6)、具有第一疏水性表面(17’)的底层(3)、以及具有第二疏水性表面(17”)的顶层(4)，所述一次性盒(2)被放置在所述盒容纳站(8)处；
(c)电极阵列(9)，其位于所述基座单元(7)的所述盒容纳站(8)处，所述电极阵列(9)由底部基板(11)支撑、基本上在第一平面中延伸并且包括多个单独的电极(10)；以及
(d)中央控制单元(14)，其用于控制所述电极阵列(9)的所述单独的电极(10)的选择并且用于为这些电极(10)提供用于通过电润湿操纵所述盒(2)的所述间隙(6)内的液滴的各个电压脉冲，
其特征在于，所述数字微流体系统(1)还包括与所述间隙(6)流体连接的废物空腔(50)，所述废物空腔(50)位于紧邻至少一个单独的废物电极(52)处，所述至少一个单独的废物电极(52)紧邻至少一个单独的电极(10)定位，所述至少一个单独的废物电极(52)操作性地连接到所述中央控制单元(14)并且在每种情况下覆盖废物电极面积，所述废物空腔(50)覆盖等于多个所述废物电极面积的废物面积，并且所述废物空腔(50)具有等于多个所述间隙高度(53)的高度(51)，并且所述一次性盒(2)的所述底层(3)被配置成柔性的，并且所述废物空腔(50)被配置为所述数字微流体系统(1)的所述底部基板(11)中的凹陷或孔，其中，所述数字微流体系统(1)还包括：
(e)多个吸入孔(35)，其穿透所述底部基板(11)和所述电极阵列(9)，并且分布在所述基座单元(7)的所述盒容纳站(8)和所述废物空腔(50)上；
(f)真空源(33)，其用于在位于所述电极阵列(9)或底部基板(11)和位于所述电极阵列(9)或底部基板(11)上的一次性盒(2)之间的抽空空间(46)中建立欠压；以及
(g)多个真空管线(34)，其将所述吸入孔(35)连结到所述真空源(33)；
并且其中，所述一次性盒(2)的所述柔性底层(3)被配置成由在所述抽空空间(46)中的所述欠压吸引并且铺展在所述电极阵列(9)、所述底部基板(11)、以及所述数字微流体系统(1)的所述底部基板(11)中的所述废物空腔(50)上，所述柔性底层(3)由此限定在所述一次性盒(2)的所述底层(3)和所述顶层(4)之间的所述间隙(6)的所述间隙高度(53)以及所述废物空腔(50)的面积和高度(51)。
2.根据权利要求1所述的数字微流体系统(1)，其特征在于，所述一次性盒(2)的所述柔性底层(3)被配置为单层疏水性材料。
3.根据权利要求1所述的数字微流体系统(1)，其特征在于，所述一次性盒(2)的所述柔性底层(3)被配置为单层非导电材料，所述柔性底层(3)的上表面被处理为疏水性表面(17’)。
4.根据权利要求1所述的数字微流体系统(1)，其特征在于，所述一次性盒(2)的所述柔性底层(3)被配置为包括下层和疏水性上层的层合物，所述下层为导电的或非导电的。
5.根据权利要求1所述的数字微流体系统(1)，其特征在于，所述一次性盒(2)包括具有至少一个隔室(21)的主体(47)，所述至少一个隔室(21)被配置成在其中保持处理液体、试剂或试样，所述隔室(21)中的至少一个包括用于将所述隔室(21)的内容物中的至少一些递送到所述间隙(6)中的通孔(19)。
6.根据权利要求1所述的数字微流体系统(1)，其特征在于，当围绕所述盒容纳站(8)的周围(45)定位时，垫片(36)在所述盒容纳站(8)中密封所述抽空空间(46)，所述抽空空间(46)由所述柔性底层(3)、所述电极阵列(9)、所述底部基板(11)和所述垫片(36)限定。
7.一种用于在至少一个一次性盒(2)的间隙(6)内操纵试样液滴的数字微流体系统(1)，所述数字微流体系统(1)包括：
(a)基座单元(7)，其具有配置用于接收一次性盒(2)的至少一个盒容纳站(8)；
(b)一次性盒(2)，其包括具有间隙高度(53)的间隙(6)、具有第一疏水性表面(17’)的底层(3)、以及具有第二疏水性表面(17”)的顶层(4)，所述一次性盒(2)被放置在所述盒容纳站(8)处；
(c)电极阵列(9)，其位于所述基座单元(7)的所述盒容纳站(8)处，所述电极阵列(9)由底部基板(11)支撑、基本上在第一平面中延伸并且包括多个单独的电极(10)；以及
(d)中央控制单元(14)，其用于控制所述电极阵列(9)的所述单独的电极(10)的选择并且用于为这些电极(10)提供用于通过电润湿操纵所述盒(2)的所述间隙(6)内的液滴的各个电压脉冲，
其特征在于，所述数字微流体系统(1)还包括与所述间隙(6)流体连接的废物空腔(50)，所述废物空腔(50)位于紧邻至少一个单独的废物电极(52)处，所述至少一个单独的废物电极(52)紧邻至少一个单独的电极(10)定位，所述至少一个单独的废物电极(52)操作性地连接到所述中央控制单元(14)并且在每种情况下覆盖废物电极面积，所述废物空腔(50)覆盖等于多个所述废物电极面积的废物面积，并且所述废物空腔(50)具有等于多个所述间隙高度(53)的高度(51)，并且所述一次性盒(2)包括主体(47)，所述废物空腔(50)位于所述主体(47)中，所述废物空腔(50)与位于所述一次性盒(2)的所述底层(3)和所述顶层(4)之间的所述间隙(6)流体连通；所述废物空腔(50)的所述高度(51)包括所述间隙(6)的所述间隙高度(53)。
8.根据权利要求7所述的数字微流体系统(1)，其特征在于，所述一次性盒(2)的所述主体(47)包括至少一个隔室(21)，所述至少一个隔室(21)被配置成在其中保持处理液体、试剂或试样，所述隔室(21)中的至少一个包括用于将所述隔室(21)的内容物中的至少一些递送到所述间隙(6)中的通孔(19)。
9.根据权利要求7所述的数字微流体系统(1)，其特征在于，所述一次性盒(2)的所述主体(47)被配置为所述一次性盒(2)的所述顶层(4)并且包括所述第二疏水性表面(17”)。
10.根据权利要求7所述的数字微流体系统(1)，其特征在于，所述一次性盒(2)的所述底层(3)被配置为单层疏水性材料。
11.根据权利要求7所述的数字微流体系统(1)，其特征在于，所述一次性盒(2)的所述底层(3)被配置为单层非导电材料，所述底层(3)的上表面被处理为疏水性表面(17’)。
12.根据权利要求7所述的数字微流体系统(1)，其特征在于，所述一次性盒(2)的所述底层(3)被配置为包括下层和疏水性上层的层合物，所述下层为导电的或非导电的。
13.根据权利要求7所述的数字微流体系统(1)，其特征在于，所述一次性盒(2)的所述底层(3)被配置成柔性的并且由抽空空间(46)中的欠压吸引，所述抽空空间(46)位于所述电极阵列(9)或底部基板(11)和位于所述电极阵列(9)或底部基板(11)上的一次性盒(2)之间。
14.根据权利要求7所述的数字微流体系统(1)，其特征在于，所述一次性盒(2)包括衬垫底座(57)，吸收性衬垫(55)位于所述衬垫底座(57)中以用于收集废流体。
15.根据权利要求14所述的数字微流体系统(1)，其特征在于，所述吸收性衬垫(55)包括半透膜(56)，所述半透膜(56)被配置成容许废液渗透到所述吸收性衬垫(55)中并且防止所述废液离开所述吸收性衬垫(55)。
16.根据权利要求14所述的数字微流体系统(1)，其特征在于，所述一次性盒(2)包括覆盖件(58)，所述覆盖件(58)将所述衬垫底座(57)封闭在所述主体(47)中。
17.根据权利要求16所述的数字微流体系统(1)，其特征在于，所述一次性盒(2)的所述覆盖件(58)包括至少一个通风管道(59)，所述至少一个通风管道(59)被配置成让从所述吸收性衬垫(55)到达的空气经过且因此避免在所述间隙(6)、所述废物空腔(50)、所述衬垫底座(57)和所述吸收性衬垫(55)中的至少一个中积聚过压。
18.根据权利要求14所述的数字微流体系统(1)，其特征在于，弹性层(44)被密封地施加到所述一次性盒(2)的所述主体(47)的上表面(49)，所述弹性层(44)被配置成至少将所述衬垫底座(57)抵靠所述上表面(49)密封在所述主体(47)中。
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