CN105074303B - 实施液滴膨胀的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明总的涉及实施液滴膨胀的系统以及包括该系统的方法和套件。系统包括至少一个微流体通道，该微流体通道包括在其中流动的一个或多个液滴，系统还包括一个或多个流体储器，一个或多个膨胀器，一个或多个膨胀器喷嘴，以及用于干扰液滴和流体之间接口的至少一个机构。本发明确保流体相对受控的体积膨胀到液滴内，导致相对于膨胀之前其初始体积增大液滴的体积，因此，先前存在的和液滴内乳化(如果有的话)的物种浓度得到稀释。

Description

实施液滴膨胀的系统和方法
相关申请和用于参考的引入
前述的申请，文中引用的或其审查过程中的所有文献(“申请引用文献”)，以及在申请引用文献中引用或参考的所有文献，以及文中引用或参考的所有文献(“文中引用的文献”)，以及在文中引用的文献中引用或参考的所有文献，连同任何制造商的说明、描述、产品技术规格书，以及用于文中提及或文中参考引入的任何文献中提及的任何产品的产品文件，由此均以参照的方式引入到文中，并可在本发明的实践中采用。具体来说，所有参考文献以参见的方式引入，就如每个个别的文献是专门地和单独地表明要以参见的方式被引入。
技术领域
本发明涉及微流体学的技术领域。更具体来说，本发明涉及用于增大液滴体积的微流体装置。
背景技术
微流体学过程可使用液滴作为执行化学或生物反应的反应容器。在如此的过程中，该过程通常被称作液滴微流体学，通过将另外的流体引入到液滴内，如此过程可理想地增大液滴的体积。该能力允许液滴的内含量得到很大稀释，这是控制液滴内物种浓度所希望的，并能够将一个液滴的内含量进一步分隔或划分为多个液滴，以便于操作或检测。
例如，为了在一个或多个液滴内进行简单的生化酶化验，可通过注射将酶分子和酶底物引入到液滴内，其后进行孵化，通常是光学检测步骤。在某些情形中，可能希望将初始液滴分为许多个液滴。在这些情形中，初始液滴大小可以是很小，这样，当划分液滴时，生成的液滴体积不足以维持过程的进行。
对此的一个解决方案是，通过将液体皮升尺寸的体积添加到液滴(例如使用皮可注射方法)来提高液滴的尺寸(例如，Abate等人的文章“使用皮可注射器采用微流体学的高通量注射”，PNAS(2010)，卷107，页码19163-19166)。然而，皮可注射的巨大挑战是，难于将液滴体积增大到其初始体积的两倍以上。在另一实例中，液滴合并要求形成体积远大于初始液滴的液滴，以便与初始液滴的注射相同步，这在技术上是富有挑战的程序。尽管皮可注射(picoinjection)解决了同步问题，但它不能将液滴体积增大到其初始体积的两倍以上。因此，需要一个可提供的和有效的系统、方法和套件，来使液滴体积增大到其初始体积的许多倍，以提高基于液滴的微流体学的特性和适用性。
以下的本发明提供一个系统、方法和套件来使液滴体积(因此尺寸)相对于其初始体积增大，从而导致提高基于液滴的微流体学的特性和适用性。
本申请中对任何文献的引用或认同并不承诺如此的文献作为现有技术可提供给本发明。
发明内容
本发明总的涉及用于实施液滴膨胀的系统。本发明系统的一个实施例涉及实施液滴膨胀的微流体装置，其中，液滴体积增大到大于其初始体积，由此，稀释存在于液体中并且乳化的物种的浓度(若有的话)。微流体装置可包括至少一个让液滴流过的微流体通道。微流体装置还可包括至少一个流体储器，该流体储器包括用于流过一个或多个微流体通道的液滴膨胀的流体(“膨胀流体”)。至少一个流体储器中的每个还可包括至少一个膨胀器，其中，每个膨胀器可包括一个或多个膨胀器喷嘴，其中，每个膨胀器喷嘴可在被称作“膨胀接口”的区域处与微流体通道交界。流体储器还可包括一系列直列式(in-line)膨胀器，其中，每个膨胀器可包括一个或多个膨胀器喷嘴，其中，每个膨胀器喷嘴可在相应膨胀接口处与微流体通道交界。微流体装置还可包括干扰装置，以干扰微流体通道内流动的液滴和膨胀器内流体之间的至少一部分接口，导致将相对受控的流体体积膨胀到液滴内，因此，相对于膨胀前的液滴体积，增大了液滴体积。
本发明还涉及实施液滴膨胀的方法，该方法包括如前描述的并要在文中进一步描述的微流体装置。
本发明还涉及套件，该套件包括如前描述的并要在文中进一步描述的微流体装置和实施液滴膨胀的试剂。
因此，本发明的目的在本发明范围内不包括任何先前已知的产品、制造该产品的过程，或使用该产品的方法，使得申请人保留权利并由此披露任何先前已知的产品、过程或方法的放弃的主张。还要指出的是，本发明并不意图包括纳入本发明范围之内的任何产品、过程或产品的制造或使用该产品的方法，它们不满足USPTO(35U.S.C.§112，第一段落)或EPO(EPC的条款83)的书面描述和生效要求，这样，申请人保留权利并由此披露任何先前描述的产品、制造产品的过程或使用该产品的方法的放弃的主张。
应该指出的是，在本披露中，尤其是在权利要求书和/或段落中，诸如“包括”、“已包括的”、“包括着”等的术语可具有归属于其在美国专利法中的含义；例如，它们的含义可以是“包含”、“已包含的”、“包含着”等；以及诸如“基本上正由…组成”和“基本上由…组成”的术语具有归结于其在美国专利法中的含义，例如，它们允许元件不明确地引用，但排除现有技术中已发现的或影响本发明基本的或新颖特征的那些元件。
以下详细描述披露了上述的和其它的实施例，或从以下详细描述中会明白这些实施例，并且详细描述包括了这些实施例。
附图说明
借助于示例给出了以下详细描述，但详细描述并不意图将本发明只限制在所描述的特殊实施例，结合附图可最好地理解以下详细描述。
图1A-B示出根据本发明的用来实施液滴膨胀的微流体装置的一个实施例的实例，其包括单对的电极和膨胀器，该膨胀器包括单个膨胀器喷嘴。
图2示出示出根据本发明的用来实施液滴膨胀的微流体装置的一个实施例的实例，其包括一系列膨胀器，其中，每个膨胀器包括单个膨胀器喷嘴并与其自身的一对电极相关联。
图3A-D示出根据本发明的用来实施液滴膨胀的微流体装置的一个实施例的各个方面的实例，图示出膨胀器喷嘴的横截面几何形状以及相对于微流体通道的不同定位。
图4A-D示出根据本发明的用来实施液滴膨胀的微流体装置的一个实施例的各个方面的实例，图示出膨胀器喷嘴相对于微流体通道的不同位置和角度。
图5A-C示出根据本发明的用来实施液滴膨胀的微流体装置的实施例的实例，图示微流体通道的膨胀以适应液滴的膨胀，其中，该膨胀可呈各种形状的形式，例如，对称的、非对称的、线性的、坡度的，或数值上成指数增长的。
图6A-C是根据本发明的用来实施液滴膨胀的微流体装置的实施例的显微图，其包括带有多个喷嘴的单个膨胀器和单个电极对。
图7示出根据本发明的用来实施液滴膨胀的微流体装置的实施例的实例，其包括单个膨胀器，膨胀器包括多个膨胀器喷嘴，其中，利用多个电极对来形成较大的电场。
图8A-C是根据本发明的用来实施液滴膨胀的微流体装置的实施例的在实施液滴膨胀的操作中的时间系列的显微图，该微流体装置包括带有单个膨胀器喷嘴的单个膨胀器以及单个电极对。
图8D是显示该微流体装置操作中膨胀到液滴内的体积分布图。
图9A-C是根据本发明的用来实施液滴膨胀的微流体装置的一个实施例的实例的时间系列的显微图，该微流体装置包括带有多个膨胀器喷嘴的单个膨胀器。
图9D是显示该微流体装置操作中膨胀到液滴内的体积分布图。
具体实施方式
本发明总的涉及用来实施液滴膨胀的微流体装置，其中，液滴体积相对于其初始体积增大。如文中使用的“微流体装置”是这样的装置：其能够使装置在很小规模上对液体或气体流体实现确定性功能，很小的规模通常是在体积上测量的，例如，毫升(mL)、微升(μL)、纳升(nL)、皮升(pL)或毫微微升(fL)的体积，和/或是诸如毫秒(mm)、微米(μm)或纳米(nm)的物理尺度。功能可包括混合、分裂、分拣、加热等等。微流体装置可包括一个或多个作为传输装置的微流体通道，该装置将液滴、流体和/或乳状液从一点传输到另一点，微流体装置通常为mm、μm或nm级别的均匀的横截面。
在本发明的一个实施例中，微流体装置包括液滴流过的至少一个微流体通道。如文中使用的术语“液滴”意指在具有任何形状的连续态内隔离的亲水态或疏水态，任何的形状例如是但不限于圆柱形、球体形和椭圆球形，以及弄平的、伸展的或不规则形状等。根据本发明产生的一个或多个液滴可用来实施化学反应，其包括但不限于：用作执行化学反应的反应容器；共同地包括元件库，该元件库包括但不限于：寡核苷酸探头库；或用于光学应用中的聚焦激光的透镜。
通过正压或负压源的作用、例如加压的或排空的空气储器、注射泵、重力或离心力，液滴流过微流体通道，其中，压力源包括任何流体或流体的组合，其包括但不限于：任何气体或气体组合(例如，空气、氮气、二氧化碳、氩气等)，或任何液体或液体组合(例如，水、缓冲剂、油等)，这样，液滴流过或涌流过微流体通道，液滴在这里被称作“流动液滴”或“涌流液滴”。微流体通道的尺寸(或直径)足够狭窄，以使得液滴基本上以单列流过微流体通道。
微流体装置还包括至少一个流体储器，该流体储器包括流过微流体通道的液滴的用于膨胀的流体(“膨胀流体”)。如文中使用的术语“膨胀流体”是能够自由流动的任何亲水态或疏水态。膨胀流体还可包括一个或多个反应剂、反应组分或选自细胞的感兴趣的试样(包括任何真核状态的或原核的细胞，其包括但不限于选自以下的细胞：人类、动物、植物、霉菌、细菌、病毒、原生动物、酵母、真菌、藻类、发疹伤寒的病原体以及蛋白感染素)；蛋白质、缩氨酸、核酸序列、寡核苷酸探头、聚合酶、缓冲剂、三磷酸脱氧核苷酸、有机和无机化学品以及荧光染料。如文中使用的膨胀流体还用来稀释存在液滴中和在液滴中乳化的各种物种(如果存在的话)。
至少一个流体储器还各包括至少一个膨胀器，其中，每个膨胀器包括膨胀器喷嘴，该喷嘴连接到微流体通道并与其连通。膨胀器喷嘴连接到微流体通道并与其连通的区域被称作为“膨胀接口”。流体储器还可包括一系列直列的膨胀器，其中，每个膨胀器包括连接到微流体通道并与其连通的膨胀器喷嘴。本发明的微流体装置可包括任何数量的流体储器，其中，一个或多个流体储器可包括任何数量的膨胀器，且其中，一个或多个膨胀器可包括一个或多个系列的直列式膨胀器中的一部分膨胀器。此外，膨胀接口可包括来自一个或多个膨胀器的一个或多个膨胀器喷嘴，一个或多个膨胀器来自一个或多个流体储器。例如，微流体装置可包括至少一个流体储器，其中，在一个或多个系列的直列式膨胀器中，每个流体储器包括至少一个膨胀器，但最好包括一个以上的膨胀器，多于或少于大约12个膨胀器，多于或少于大约24个膨胀器，多于或少于大约50个膨胀器，多于或少于大约100个膨胀器，多于或少于大约250个膨胀器，多于或少于大约500个膨胀器，多于或少于大约750个膨胀器，多于或少于大约1000个膨胀器等等。
在本发明的一个或多个实施例中，每个膨胀器的膨胀器喷嘴可以是任何形状，包括但不限于：圆形、椭圆形、三角形、矩形等。膨胀器喷嘴可具有如下的平均横截面尺寸：小于约100μm，小于约10μm，小于约1μm，小于约100nm，小于约10nm等。膨胀器喷嘴可与微流体通道齐平，或替代地可突入到微流体通道内。
本发明的微流体装置还包括干扰机构，该机构干扰在微流体通道内流动的液滴和膨胀器内的流体之间的至少一部分接口，从而导致相对受控的流体体积膨胀到液滴内，因此，相对于膨胀之前的体积，相应地增加液滴的体积。如文中使用的“接口”，当其涉指液滴和流体之间的接口时，该接口是两个不能混合的或部分地不可混合态(例如，液滴和流体)能够彼此相互作用的一个或多个区域。当液滴通过膨胀接口和微流体通道时且在液滴和膨胀器内的流体之间的接口干扰时，存在着流体从膨胀器通过膨胀器喷嘴流到液滴内的相对流动。当液滴继续流过膨胀器接口时，存在着使液滴和流体之间接触断开的剪切力，此后，恢复该接口，流体停止在流体和液滴之间的流动，结束液滴的膨胀。
通过调整或修改液滴、流体和/或微流体装置部件的各种因素，可控制流体膨胀的体积、方向和速率，各种因素包括但不限于：干扰液滴和流体之间的接口的机构(将在下面进一步讨论)；液滴的曲率和/或速度；膨胀器和/或微流体通道内相对于彼此的压力；液滴表面张力；流体的表面张力；膨胀器喷嘴、膨胀器和/或微流体通道的几何形等，它们会被本技术领域内技术人员所了解和认识。在某些情形中，上述因素可导致力作用在本发明的微流体装置上，将在下文中描述。
例如，膨胀器喷嘴应这样进行构造：微流体装置的压力可被平衡，以基本上阻止膨胀器内的流体流出膨胀器喷嘴之外，除非有液滴与膨胀接口直接接触且有足够的致动能量来促进流体膨胀到液滴内。因此，当不存在有液滴与膨胀接口直接接触时，或在有液滴与膨胀接口直接接触但没有机构来干扰液滴和流体之间接口的情形中，基本上不存在流入液滴的净正向或净负向流动，因为将流体推出膨胀器之外而推入液滴内的力基本上被将流体推出液滴之外而推入到膨胀器内的力所平衡。因此，当不存在有液滴与相应的膨胀接口直接接触时，或在有液滴与膨胀接口直接接触但没有机构来干扰液滴之间接口的情形中，本发明的微流体装置构造成基本上能阻止流体从膨胀器滴入微流体通道。
干扰液滴和流体之间接口的机构可选自任何被动的或主动的方法或是它们的组合，它们为本技术领域内技术人员所熟知和认识。Xu等人的文章“微流体装置中的液滴聚结”描述了液滴聚结中的许多接口干扰机构，但该机构适用于具有多个基本上受控的流体体积的液滴膨胀，它们为本技术领域内技术人员所熟知、理解和认识，该文章在著作“Microand Nanomicrofluidic devices(微和纳微流体装置)”(2011)，卷3，第2章，页码131-136中，本文以参见方式引入其全部内容。
干扰液滴和流体之间接口的被动方法不需要外部能量，且主要依赖于微流体通道的结构和表面特性以及相关的膨胀器和相应的膨胀器喷嘴。用于干扰接口的被动的方法包括但不限于：流动截留和表面修改，Xu等人进一步描述了该种情形，它们将被本技术领域内技术人员所知悉和认识。
干扰液滴和流体之间接口的被动方法的实例包括但不限于：使用微流体通道内局部的亲水性区域，其中，微流体通道包括疏水性壁，并含有在其内流动的处于连续油态的水成基的液滴。微流体通道的疏水性壁阻止液滴的润湿，并促进在液滴和微流体通道表面之间存在连续态的薄层。然而，当微流体装置进一步包括相对亲水性的局部区域时，当液滴流过该局部区域时便出现液滴的润湿，从而导致先前稳定的接口干扰并且流体膨胀到液滴内。一旦液滴流过该局部区域，连续态将自然再次润湿微流体通道壁，因此，促进液滴的再形成和稳定。局部亲水性区域可通过本技术领域内技术人员公知和认识的各种方法来形成在疏水性的微流体通道内，各种方法包括但不限于：用具有表面化学性的材料构造微流体通道，该表面化学性用紫外线(UV)光来激活，这样，将UV光照到局部区域上将会诱发所述的表面化学性，从而导致区域的材料表面特性从相对疏水性改变到相对亲水性。
干扰液滴和流体之间接口的被动方法的其它实例包括：在液滴的路径上形成柱或其它的阻断，旨在液滴通过微流体通道的特殊区域时增大液滴上的剪切力，或替代地，将阀纳入到微流体通道壁内或使通道壁变形，以便物理地截留液滴来促进至少一部分的接口失稳。这些方法中的每一个会导致相对不稳定的接口，如上所述，一旦液滴通过干扰区域，不稳定的接口会重新形成和稳定。
干扰液滴和流体之间接口的主动方法需要由外部区域产生的能量。干扰接口的主动方法包括但不限于：电聚结(即，利用与流体接触或在流体之外的一对或多对电极，通过施加电场)以及介电泳(DEP)、温度和气动方式致动的方法，包括使用激光和声压方法，它们中的许多方法已由Xu等人描述过，且将为本技术领域内技术人员所熟知和认识。
干扰液滴和流体之间接口的主动方法的实例包括但不限于：改变微流体装置局部区域内的温度，导致依赖于温度的粘度和表面张力的改变，这种变化影响液滴和流体和/或乳化物之间接口的干扰。例如，激光可聚焦(呈“激光点”的形式)在包围膨胀接口的微流体通道的区域上。温度的这种围绕激光点的空间变化将促进液滴表面张力的空间不平衡，导致在接口上产生热毛细管效应，因此使接口失稳。在另一实例中，可利用声压波来干扰液滴表面，改变液滴的可润湿性或操纵液滴的位置。就以上描述的方法来说，这些方法中的每个均会导致相当不稳定的接口，如上所述，一旦液滴通过干扰区域，则这种不稳定接口会再形成和稳定。
在本发明的一个或多个实施例中，用来干扰液滴和流体之间接口的机构可选自至少一对电极。在如此的实施例中，至少一对电极可基本上正交于微流体通道定位。在一个或多个实施例的某些方面，至少一对电极可基本上与一个或多个膨胀器相对地定位。至少一对电极将电场施加到一个或多个膨胀接口。在某些实例中，至少一对电极可这样定位：电极形成的电场，该电场最大程度地位于一个或多个膨胀接口内或至少靠近于膨胀接口。
在至少一对电极用作为如上所述的用来干扰液滴和流体之间接口的机构的某些实施例中，电极可在各种构造中相对于微流体装置的其它部件定位。例如，至少一对电极中的第一电极和第二电极可定位在微流体通道上方或下方。在某些情形中，至少一对电极中的第一电极和第二电极可基本上定位在微流体通道的相对两侧上。在其它的情形中，至少一对电极中的第一电极和第二电极可基本上定位在微流体通道和一个或多个膨胀器的相对各侧上。在还有其它的情形中，至少一对电极中的第一电极和第二电极可这样定位成让一平面相交于两个电极。在还有其它的情形中，至少一对电极中的第一电极和第二电极可定位成与微流体通道共面，和/或与一个或多个膨胀器共面，和/或与一个和多个膨胀器喷嘴共面，以使得一平面与上述这些中的每一个均相交。在该实施例的还有另一方面，特定的一对电极中的仅一个电极才需要局部化。例如，大的地面平面可用作许多单独的局部化的电极。在另一实例中，连续态的流体(其可以是或可以不是膨胀通道内的流体)可用作为成对电极中的一个电极。
电极可用任何合适材料制成，这将为本技术领域内技术人员所理解和认识。例如，电极可用如下材料制造，材料包括但不限于：金属、准金属、半导体、石墨、导电聚合物以及液体，液体包括但不限于：离子溶液、导电悬浮液、液体金属等。电极可具有适于施加电场的任何形状，这将为本技术领域内技术人员所理解和认识。例如，电极可具有大致为矩形的形状。在该实例中，电极可以是细长的，并具有形成为最靠近膨胀接口的电极区域的末端。电极末端这样进行构造：使足够的电场形成在所述相交区或如上所述基本上靠近于膨胀接口。
在采用一对以上的电极的某些实例中，电极通过如下方式可构造成最大程度地减小一个或多个电极和一个或多个膨胀器之间的干涉，例如通过尽可能减少第一接口不希望地暴露于由如下电极造成的电场，该电极意在将定位在不同于第一接口的部位内的第二接口暴露于电场。在某些方面，这可通过减小电极末端的尺寸来实现，以允许电极末端施加更加集中的电场，这样，一个或多个接口不会意外地暴露于电场，和/或暴露于相对较低的电场强度。在其它方面，可修改包括膨胀器和相应膨胀器喷嘴的区域，例如，为了局部化和加强围绕膨胀接口的电场，通过添加呈小隆起或其它修改形式的尺寸，便可实现上述的修改。例如，在希望减小多个微流体通道之间的距离的某些情形中，若每个微流体通道与多个膨胀器和对应的膨胀器喷嘴(作为微流体装置的一部分)相关联，则本发明的如此方面可以是有利的。
当液滴流过微流体通道时，它遇到各个膨胀接口。在遇到膨胀接口时，连同用来干扰液滴和流体之间接口的操作机构一起，可将流体基本上受控的体积膨胀到液滴内。当液滴通过膨胀接口时，膨胀流体被剪断，液滴和膨胀流体之间的接口重新形成，导致形成相对较大的液滴，该液滴继续流过微流体通道，遇到一个或多个附加的膨胀接口，并且借助以如上面刚刚描述过的连续和顺序的方式添加的流体而膨胀。在一个实施例中，液滴可同时或大约同时地与一个以上的膨胀接口相接触，以使得液滴在大约或基本上同时使用来自一个以上膨胀器的流体进行膨胀。不管液滴是相继膨胀还是同时地或两者组合地膨胀，当液滴膨胀多次时，液滴体积便会长得越来越大。因此，微流体通道构造成让其尺寸(或直径)放大，以在液滴流过微流体通道时，允许液滴保持完好无损。
在本发明的一个或多个实施例中，从每个膨胀器膨胀到液滴内的流体体积可以是任何合适的量，根据实施例而定，这将为本技术领域内技术人员所理解和认识。例如，液滴的初始体积可小于大约10μL，小于大约1μL，小于大约100nL，小于大约10nL，小于大约1nL，小于大约100pL，小于大约10pL，小于大约1pL，小于大约100fL，小于大约10fL，小于大约1fL等，而从任何特殊的膨胀器或从一个或多个膨胀器膨胀到液滴内的膨胀体积可以约为液滴初始体积的1x，约为10x，约为100x，约为1000x，约为10000x倍数等。
为构造本发明的微流体装置，存在着各种方法和材料，且它们将为本技术领域内技术人员所理解和认识，例如，如在美国专利8,047,829和美国专利申请公开20080014589中描述的那些方法和材料，本文以参见方式引入各个专利的全部内容。例如，可使用简单的管件来构造微流体装置的各种部件，但还可包括密封一个平板的表面，该平板包括通向第二平板的开口通道。可形成为微流体装置的各种部件的材料包括硅、玻璃、诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)的硅树脂，以及诸如聚异丁烯酸甲酯(称之为PMMA或“丙烯酸”)、循环烯聚合物(COP)以及循环烯共聚物(COC)之类的塑料。同样的材料也可用于第二密封平板。用于两个平板的材料兼容组合，取决于将它们密封在一起所采用的方法。微流体通道可按照需要封闭在光学透明材料内，以让流过微流体通道的液滴的光谱特性得到光学检测。呈现高的光学透明度和低的自发荧光性的如此光学透明材料的较佳实例，包括但不限于：硼硅玻璃(例如，SCHOTT玻璃(纽约州埃尔姆斯福德的肖特北美公司(Schott NorthAmerica,Elmsford NY))以及循环烯聚合物(COP)(例如，(肯塔基州路易维尔的瑞翁化学公司(Zeon Chemicals LP,Louisville KY))。
图1A-B示出了根据本发明的用来实施液滴膨胀的微流体装置的一个实施例的实例，其包括一对电极和包括单个膨胀器喷嘴的膨胀器。图1A-B的微流体装置100包括微流体通道102，相对较小的液滴101在微流体通道中流动。微流体通道102的尺寸(或直径)足够狭窄，使得液滴101连同微流体通道102内的其它的液滴(未示出)一起以基本上单列的形式流过微流体通道102。微流体装置100还包括膨胀器106，该膨胀器106通过膨胀器喷嘴103将包括膨胀流体(未示出)的流体储器(未示出)与微流体通道102连接。因此，微流体装置100提供液滴101沿着所示方向的膨胀。
微流体通道102具有出现在膨胀器喷嘴103处或靠近膨胀器喷嘴103处的膨胀105区域，以便允许由于在微流体通道102内流动的液滴101和其它液滴(未示出)膨胀而形成相对较大的液滴112。膨胀器喷嘴103打开，并允许流体储器(未示出)中的膨胀流体(未示出)与被称作膨胀接口104的区域内的微流体通道102连通。膨胀流体的压力基本上与微流体通道102的压力和膨胀器喷嘴103处的表面张力相平衡，这样，当液滴101(和未示出的其它液滴)不与膨胀器喷嘴103接触时，膨胀接口104处的压力大致得到平衡，使得膨胀流体不滴落或流入微流体通道102内。
微流体装置100还包括一对电极109-110作为干扰液滴和膨胀流体之间接口的机构。然而，可使用上述的和被本技术领域内技术人员公知和认识的任何其它如此的机构来代替该实例中和文中描述的本发明任何其它实施例中的一对电极109-110。在该实例中，成对的电极109-110包括正电极109和负电极110，它们布置在微流体通道102的基本上同一侧上并基本上与膨胀器106相对。当膨胀接口处(如借助于膨胀接口104处的实例所示)没有液滴时，膨胀器106和膨胀器喷嘴103内的膨胀流体留在那里，而不流入微流体通道102内。还如图1B内所示，当液滴101接触与膨胀器喷嘴103相关的膨胀接口104时，膨胀流体在喷嘴区域107处膨胀到液滴101内。当液滴101流过膨胀接口104并经受由成对电极109-110产生的电场时，膨胀到液滴内的膨胀流体由膨胀器106内的膨胀流体剪断，其后恢复膨胀接口104。
图2示出用来实施液滴膨胀的微流体装置的一个实施例的实例，根据本发明，该微流体装置包括一系列膨胀器，其中，每个膨胀器包括单个膨胀器喷嘴并与其自身这对电极相关联。图2中的微流体装置120示出串联的三个单一的膨胀器喷嘴(103A、103B、103C)和对应的膨胀器(106A、106B、106C，它们可含有相同的或不同的试剂)。在该实例中，液滴101(和未示出的其它液滴)在膨胀接口104A处通过膨胀器106A的膨胀器喷嘴103A膨胀，导致生成液滴121，该液滴121继续流过微流体通道102并通过顺序的膨胀接口(分别为104B和104C)经受后续膨胀。这样，如图所示，液滴101通过生成的液滴121、122和123每次相继膨胀到相对较大。微流体通道102的几何形状(105A、105B、105C)和微流体通道102的电极(109-110A、109-110B、109-110C)的放置遵循与先前所示的微流体装置100相同的设计。还在该实例中，一对电极分别包括正电极(109A、109B、109C)和负电极(110A、110B、110C)，该对电极定位在微流体通道102的大致相同一侧上，并基本上与相应的膨胀器喷嘴(103A、103B、103C)相对。此外，膨胀器(106A、106B、106C)刚好定位在通道直径(105A、105B、105C)步进渐变之前，以允许液滴在微流体通道102内流动。从膨胀器(106A、106B、106C)馈送到膨胀器喷嘴(103A、103B、103C)内的膨胀流体可由相同的流体储器或独立的流体储器(未示出)提供。
图3A-D示出用于液滴膨胀的微流体装置一个实施例的各个方面的实例，显示根据本发明的膨胀器喷嘴相对于微流体通道的横截面几何形状和不同的定位。因此，图3A-D示出膨胀器喷嘴103与微流体装置内的微流体通道102相交部的不同构造。具体来说，图3A示出具有通过膨胀器喷嘴103和微流体通道102的横截面125的微流体装置220。图3B示出微流体装置240的横截面125A，其中膨胀器喷嘴103的高度约为微流体通道102高度的一半，并相对于微流体通道102定位在底部处，且膨胀接口104A与液滴101A的约底半部相接触。图3C示出微流体装置260的横截面125B，其中膨胀器喷嘴103的高度约为微流体通道102高度的一半，并大约定位在微流体通道102的中心，且膨胀接口104B与液滴101B的大致中心相接触。图3D示出微流体装置280的一个构造的横截面125C，其中膨胀器喷嘴103的高度大致与微流体通道102高度相同，并定位成让膨胀接口104C与液滴101C大致接触。
图4A-4D示出根据本发明用于实施液滴膨胀的微流体装置一个实施例的各个方面的实例，显示膨胀器喷嘴103和其膨胀器106相对于微流体通道102连同一对电极109-110的不同位置和角度，作为用来干扰液滴和流体之间接口的方法的一个实例。图4A-4D还示出微流体通道102的扩张部105的区域，以适应膨胀的液滴(例如，在该实例中，对应于原始液滴101的膨胀的液滴112)。这些不同的几何条件在不同的目标膨胀体积下是理想的和/或允许在控制膨胀时有灵活性。
图4A示出一种构造，其中，膨胀器喷嘴103近似地垂直于微流体通道102并近似地与扩张部105的区域相对地定位。图4B示出另一种构造，其中，膨胀器喷嘴103定位在相对于微流体通道102的大致锐角处，并且定位在与扩张部105区域的同一侧上且与其并排。图4C示出还有另一种构造，其中，膨胀器喷嘴103定位在相对于微流体通道102的大致锐角处，并与扩张部105的区域近似地相对。图4D示出还有另一种构造，其中，膨胀器喷嘴103定位在与图4C所示相比拟的大致反向锐角处。
图5A-5C示出用来实施液滴膨胀的微流体装置的实施例的实例，显示微流体通道扩张来适应液滴的膨胀，其中，根据本发明，扩张可呈各种形状的形式，例如，对称的、非对称的、线性的、斜坡的或在数值上呈指数增长的。具体来说，图5A-5C示出微流体通道102的扩张部(分别为105A、105B、105C)区域的不同的几何构造，以适应液滴101经由膨胀器喷嘴103借助膨胀器106的流体进行的膨胀，以形成相对较大的液滴112。这些不同的几何条件在不同的目标膨胀体积下是期望的和/或允许在控制膨胀时有灵活性。
图5A示出一种构造，其中，扩张部105A的区域遵循一种轮廓，使得微流体通道102的横截面区域内的扩张首先更为显著地出现，然后逐渐停止扩张。图5B示出另一种构造，其中，扩张部105B的区域遵循一种轮廓，使得微流体通道102的横截面区域内的扩张首先更为逐渐地出现，然后更加明显地变化。图5C示出还有另一种构造，其中，扩张部105C的区域出现在微流体通道102的两侧上，且遵循一种轮廓，使得微流体通道102的横截面区域内的扩张在整个扩张长度内大致相等地出现。
图6A-6C是用来实施液滴膨胀的微流体装置实施例的显微图，根据本发明，该微流体装置包括带有多个喷嘴的单个膨胀器和单对电极，其作为用于干扰液滴和流体之间接口的方法。具体来说，图6A-C包括显微图的时间系列，显示通过微流体装置140来进行液滴膨胀(借助于膨胀而形成生成的液滴112的示范液滴101来图示)。膨胀的流体从一个膨胀器106馈送到若干个膨胀器喷嘴(总称为103)内，以与微流体通道102形成膨胀接口104。当液滴通过各个膨胀器喷嘴103时，引入膨胀流体(统一图示为141)，然后，当液滴在膨胀接口104处尺寸增大时(该过程分别显示为107A、107B和107C)，流体以相继的方式被切断。
图7示出用来实施液滴膨胀的微流体装置实施例的实例，根据本发明，其包括单个膨胀器，膨胀器包括多个膨胀器喷嘴，其中，利用多个电极对来形成较大的电场。具体地说，图7示出微流体装置160，其包括用于膨胀器106的一个构造的实例，膨胀器106包括多个膨胀器喷嘴(统一图示为103)。在该实例中，多个电极对(161A、161B、162A、162B、163A和163B)用来扩大电场，并在各个膨胀接口(统一图示为104)处提供液滴和流体之间接口的干扰。
图8A-8C是根据本发明的微流体装置180实施例的时间系列的显微图，其包括具有单个膨胀器喷嘴103的单一膨胀器106和单个电极对109-110，它们处于执行液滴膨胀的操作中。图8D是直方图，该直方图显示微流体装置180操作中膨胀到液滴内的体积分布。例如，该直方图示出刚好10多个液滴(“计数”)膨胀(在给定试样的50和55pL之间)。
图9A-9C是根据本发明的微流体装置200实施例的时间系列的显微图，其包括具有多个膨胀器喷嘴(统一图示为103)的单个膨胀器106和单个电极对109-110，它们处于执行液滴膨胀的操作中。图9D是直方图，该直方图显示该微流体装置操作中膨胀到液滴内的体积分布。例如，该直方图示出大约8个液滴膨胀(在给定试样的265-270pL之间)。
本发明方法的结果，这里将其称作“数据”，其与特殊目标的核酸顺序或PCR产品相关，本发明方法的结果然后可保持在可存取的数据库内，它们可以或不可以与来自与目标核酸顺序相关的特殊人类或动物的其他数据相关，或与来自其他人类或动物的数据相关。获得的数据可储存在数据库内，该数据库可与其他数据库集成在一起，或与其他数据库相关联，和/或与其他数据库交叉匹配。
本发明的方法和套件还可与网络接口相关联。术语“网络接口”在这里被定义为包括任何人或计算机微流体装置，其能够存取数据、存放数据、组合数据、分析数据、寻找数据、传送数据或储存数据。该术语广义地被定义为分析数据的人员、分析中使用的电子硬件和软件微流体装置、储存数据分析的微流体装置实施例数据库，以及能够储存数据的任何储存介质。网络接口的非限制性实例包括人、自动库设备、计算机和计算机网络、数据储存装置，数据储存装置例如但不限于盘、硬盘驱动器或存储器芯片。
尽管已经详细地描述了本发明及其优点，但应该理解到，这里还可作出各种变化、替代和改换，这不会脱离如附后权利要求书定义的本发明的精神和范围。
因此，已经详细地描述了本发明的优选实施例，应该理解到，以上各段落限定的本发明并不局限于以上描述中所阐述的特殊细节，因为本发明的许多明显变化都是可能的，而不会脱离本发明的精神和范围。

Claims (14)

1.一种实施液滴膨胀的系统，所述系统包括至少一个微流体通道、一个或多个流体储器、与每个流体储器相连的一个或多个膨胀器、与每个膨胀器相连的一个或多个膨胀器喷嘴，以及用来干扰液滴和流体之间接口的机构，其中，所述至少一个微流体通道包括一个或多个在其内流动的液滴，且其中，每个流体储器、膨胀器和膨胀器喷嘴在其内包括至少一个流体，其中，所述至少一个微流体通道与每个膨胀器喷嘴相交，且微流体通道的至少一侧包括处于膨胀器喷嘴与微流体通道的接口处的扩张区域，以使得微流体通道在膨胀器喷嘴与微流体通道的接口处的横截面扩张成适应膨胀的液滴。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个流体储器与一系列直列的膨胀器相关联。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述一系列直列的膨胀器包括与该系列中的每个膨胀器相关联的至少一个膨胀器喷嘴。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，相对受控体积的流体在膨胀接口处膨胀到一个或多个液滴内。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，液滴的体积增大到大于其初始体积，先前存在于和乳化在所述液滴内的物种浓度，如果有的话，在液滴膨胀之后相对地稀释。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，用于干扰液滴和流体之间接口的所述机构是至少一对电极。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，用于干扰液滴和流体之间接口的机构包括用来改变所述系统的局部区域内的温度的机构。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，用来改变所述系统的局部区域内的温度的机构是激光器。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，用于干扰液滴和流体之间接口的机构是声压波。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，用于干扰液滴和流体之间接口的机构是位于所述至少一个微流体通道内的局部的相对亲水性的区域。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，用于干扰液滴和流体之间接口的机构是对液滴流动的干扰件，所述干扰件选自柱、阀或所述至少一个微流体通道内的变形部。
12.一种用于实施液滴膨胀的方法，所述方法采用如权利要求1中所述的实施液滴膨胀的系统，以实施液滴膨胀。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，一个或多个液滴多次膨胀。
14.一种用于实施如权利要求12所述方法的套件。
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