CN105452873B - 高速按需微流体珠滴生成和操控 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于形成和/或合并微流体系统中的珠滴的方法和装置。在某些实施方案中，提供了一种微流体珠滴合并部件，所述部件包括：中央通道，所述中央通道包括被设置并间隔开以产生多个横向通路的多个元件，所述多个横向通路将载体流体从流体流引流出去，所述流体流包括包含于所述载体流体中的第一流体的珠滴；和可变形横向膜片阀，所述可变形横向膜片阀被设置来控制所述中央通道的宽度。

Description

高速按需微流体珠滴生成和操控
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年3月15日提交的USSN61/798,516的权益和优先权，其全文出于所有目的以引用的方式并入本文。
政府资助的声明
本发明是在政府的支持下根据国家科学基金会(National Science Foundation)授予的资助号ECCS 0901154进行的。政府享有本发明中的某些权利。
背景技术
在过去的十年中，微流体系统已经发展成为用来执行高通量化学和生物的有价值的仪器平台(deMello(2006)Nature,442:394-402)。当执行复杂的化学或生物分析时，可控制地将珠滴合并在分段流动系统中的能力是重要的(Shestopalov等人(2004)Lab Chip,4:316-321)。遗憾的是，以连续的方式对多个珠滴进行可控合并并不简单。尽管在微流体系统中产生的乳液处于热力学亚稳态，但是由于在界面张力、微通道的表面形状和如珠滴大小、珠滴速度和珠滴粘性的流体特性的微小变化，合并的过程并未被证明是可预测的(例如参见Fuerstman等人(2007)Science,315:828-832)。
珠滴合并在包括连续反应(Kim等人(2006)Anal.Chem.,78(23):8011-8019)、细胞的多步骤操控(He等人(2005)Anal.Chem.,77(6):1539-1544)、高通量生物鉴定法(Srisa-Art等人(2007)Anal.Chem.,79:6682-6689)等的许多应用中是重要的或必要的。另外，以高通量的方式合并和分离珠滴或气泡的能力可影响用于交换化学信息和电子信息的气泡逻辑系统的使用(Prakash和Gershenfeld(2007)Science,315(5813):832-835)。
在通常的珠滴合并过程中涉及到相对较长的时间和相对较大的空间尺度。例如，时间尺度可在用于一些化学反应情况下的亚微秒到用于基于细胞阵列的许多小时和甚至天数的范围内变化。类似地，例如在待被合并的珠滴之间和在珠滴与相互反应以驱使合并过程的部件界面之间也存在较大的空间尺度。
已经研发出了若干种技术来合并珠滴。这些技术是有源的并且涉及如电场的部件(Priest等人(2006)Appl.Phys.Lett.,89:134101:1-134101:3；Ahn等人(2006)Appl.Phys.Lett.,88:264105)，或是无源的并且利用流体导管表面特性(Fidalgo等人(2007)Lab Chip,7(8):984-986)或结构(Tan等人(2004)Lab Chip,4(4):292-298)。
发明内容
在各种实施方案中，提供了(例如，用于集成到微流体系统如芯片实验室(lab-on-a-chip)系统等中的)微流体珠滴合并部件。在说明性但非限制性的珠滴合并结构包括中央通道，所述中央通道包括多个元件(例如，微柱阵列)，所述多个元件被设置并间隔开以产生多个横向通路，所述多个横向通路将载体流体从流体流引流出去，所述流体流包括包含于所述载体流体中的第一流体的珠滴；和可变形横向膜片阀，所述可变形横向膜片阀被设置来控制所述中央通道的宽度。不同数目的珠滴的捕获和合并可由横向通路和/或形成此类通路(例如，微柱阵列结构)的元件的间隔和布置、定时和可变形横向膜片阀的结构大小控制。可变形横向膜片(膜片阀)例如在捕获结构的下游处形成可控制的、尺寸可变的收缩。通过控制收缩大小和定时，可在离开所述装置之前捕获和合并不同数目的珠滴。本发明也提供了微流体珠滴生成器和包括一个或多个微流体珠滴生成器和/或一个或多个珠滴器合并结构的装置。
在各个方面，本文设想的发明可包括但不限于，任何一个或多个以下实施方案：
在各个方面，本文设想的发明可包括但不限于，任何一个或多个以下实施方案：
实施方案1：一种微流体珠滴合并部件，所述部件包括：中央通道，所述中央通道包括多个元件，所述多个元件被设置并间隔开以产生多个横向通路，所述多个横向通路将载体流体从流体流引流出去，所述流体流包括包含于所述载体流体中的第一流体的珠滴；和可变形横向膜片阀，所述可变形横向膜片阀被设置来控制所述中央通道的宽度。
实施方案2：如实施方案1所述的珠滴合并部件，其中所述膜片阀为气动致动的横向膜片阀。
实施方案3：根据实施方案1-2中任一项所述的珠滴合并部件，其中所述中央通道的宽度根据在下游通过所述多个横向通路的距离而减小。
实施方案4：根据实施方案1-3中任一项所述的珠滴合并部件，其中所述横向通路的宽度小于在同一位置处所述中央通道的宽度并且小于在中央通道中珠滴的平均直径。
实施方案5：根据实施方案1-4中任一项所述的珠滴合并部件，其中所述多个元件包括微柱阵列。
实施方案6：根据实施方案1-5中任一项所述的珠滴合并部件，其中所述阀位于所述多个元件中最后一个处或其下游。
实施方案7：根据实施方案5所述的珠滴合并部件，其中所述微柱阵列包括形成在下游方向上倾斜的横向通道的柱对。
实施方案8：根据实施方案7所述的珠滴合并部件，其中所述阀位于最后(下游)柱对处或其下游。
实施方案9：根据实施方案1-8中任一项所述的珠滴合并部件，其中所述柱被配置来提供从约0.1μm到约100μm范围的柱间间距。
实施方案10：根据实施方案1-8中任一项所述的珠滴合并部件，其中所述柱被配置来提供从约0.1μm到约10μm范围的柱间间距。
实施方案11：根据实施方案1-10中任一项所述的珠滴合并部件，其中所述可变形横向膜片阀被配置来在所述多个元件的下游端处形成可控的、尺寸可变的构造。
实施方案12：根据实施方案1-11中任一项所述的珠滴合并部件，其中所述可变形横向膜片阀被配置来水平地发生变形。
实施方案13：根据实施方案1-11中任一项所述的珠滴合并部件，其中所述可变横向膜片阀被配置来垂直地发生变形。
实施方案14：根据实施方案1-13中任一项所述的珠滴合并部件，其中所述微柱阵列由选自由玻璃、金属、陶瓷、矿物质、塑料和聚合物组成的组的材料形成。
实施方案15：根据实施方案1-13中任一项所述的珠滴合并部件，其中所述微柱阵列由弹性材料形成。
实施方案16：根据实施方案15所述的珠滴合并部件，其中所述弹性材料选自由聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚烯烃塑性体(POP)、全氟聚乙烯(a-PFPE)、聚氨酯、聚酰亚胺和交联的(苯酚甲醛聚合物)树脂组成的组。
实施方案17：一种微流体珠滴生成器，所述生成器包括：第一微流体通道，所述第一微流体通道包含第一流体，所述第一流体邻近于包含第二流体的第二微流体通道，其中所述第一流体基本上不与第二流体混溶；和空化通道或腔室，其中所述空化通道或腔室的内容物通过可变形通道壁或腔室壁与所述第一微流体通道的内容物分离，其中所述空化通道或腔室被配置来容许所述可变形通道壁或腔室壁在所述空化通道或腔室中形成气泡时发生变形，和其中所述空化通道或腔室被设置在所述第一微流体通道之上或之下。
实施方案18：如实施方案17所述的珠滴生成器，其中所述第一微流体通道经由端口或通道与所述第二微流体通道流体相通。
实施方案19：根据实施方案17-18中任一项所述的珠滴生成器，其中将所述第一微流体通道的第一部分设置在远离所述第二微流体通道的第一距离处，并且将所述第一微流体通道的第二部分设置在远离所述第二微流体通道的第二距离处，并且所述第二距离小于所述第一距离。
实施方案20：如实施方案19所述的珠滴生成器，其中所述第一微流体通道包括第三部分，所述第三部分被设置以使得所述第二部分位于所述第一部分与所述第三部分之间，并且所述微流体通道的所述第三部分位于远离所述第二微流体通道的第三距离处，并且所述第三距离大于所述第二距离。
实施方案21：根据实施方案17-20中任一项所述的珠滴生成器，其中所述第一微流体通道和/或所述第二微流体通道的最大宽度从约0.1μm到约500μm范围内变化。
实施方案22：根据实施方案17-20中任一项所述的珠滴生成器，其中所述第一微流体通道和/或所述第二微流体通道的最大宽度从约50μm到约100μm范围内变化。
实施方案23：根据实施方案17-20中任一项所述的珠滴生成器，其中所述第一微流体通道和/或所述第二微流体通道的宽度大约为100μm。
实施方案24：根据实施方案17-23中任一项所述的珠滴生成器，其中所述第一微流体通道和/或所述第二微流体通道的最大深度从约0.1μm到约500μm范围内变化。
实施方案25：根据实施方案17-23中任一项所述的珠滴生成器，其中所述第一微流体通道和/或所述第二微流体通道的最大深度从约40μm到约80μm范围内变化。
实施方案26：根据实施方案17-23中任一项所述的珠滴生成器，其中所述第一微流体通道和/或所述第二微流体通道的典型深度大约为50μm。
实施方案27：根据实施方案17-26中任一项所述的珠滴生成器，其中所述空化通道或腔室的典型深度从约100μm到约150μm范围内变化。
实施方案28：根据实施方案17-27中任一项所述的珠滴生成器，其中所述珠滴生成器被配置来生成具有体积从约1微微微(atto)L到约1μL范围内变化的珠滴。
实施方案29：根据实施方案28所述的珠滴生成器，其中所述珠滴生成器被配置来生成具有体积从约1pL到约150pL范围内变化的珠滴。
实施方案30：根据实施方案17-28中任一项所述的珠滴生成器，其中所述空化通道或腔室为空化通道。
实施方案31：根据实施方案30所述的珠滴生成器，其中所述空化通道提供容许所述通道的内容物流动并且从而辅助在其中形成的气泡的消散。
实施方案32：根据实施方案17-31中任一项所述的珠滴生成器，其中所述空化通道或腔室被设置在所述第一微流体通道之上。
实施方案33：根据实施方案17-31中任一项所述的珠滴生成器，其中所述空化通道或腔室被设置在所述第一微流体通道之下。
实施方案34：根据实施方案17-33中任一项所述的珠滴生成器，其中所述空化通道或腔室包含染料。
实施方案35：根据实施方案17-33中任一项所述的珠滴生成器，其中所述空化通道或腔室包含光吸收性纳米颗粒和/或微粒。
实施方案36：根据实施方案17-35中任一项所述的珠滴生成器，其中所述第一微流体通道被配置来在基本上静态的压力下提供所述第一流体，以在所述第一流体与所述第二流体之间产生稳定界面。
实施方案37：根据实施方案17-36中任一项所述的珠滴生成器，其中所述第一流体包括水性流体。
实施方案38：根据实施方案17-37中任一项所述的珠滴生成器，其中所述第二流体包括油或有机溶剂。
实施方案39：根据实施方案38所述的珠滴生成器，其中所述第二流体包括选自由四氯化碳、氯仿、环己烷、1,2-二氯乙烷、二氯甲烷、二乙醚、二甲基甲酰胺、乙酸乙酯、庚烷、己烷、甲基叔丁基醚、戊烷、甲苯和2,2,4-三甲基戊烷组成的组的溶剂。
实施方案40：根据实施方案38所述的珠滴生成器，其中所述第二流体包括油。
实施方案41：根据实施方案17-40中任一项所述的珠滴生成器，其中所述端口或通道包括喷嘴。
实施方案42：根据实施方案17-41中任一项所述的珠滴生成器，其中所述第一和/或第二微流体通道由选自由玻璃、金属、陶瓷、矿物质、塑料和聚合物组成的组的材料形成。
实施方案43：根据实施方案17-42中任一项所述的珠滴生成器，其中所述第一和/或第二微流体通道由弹性材料形成。
实施方案44：根据实施方案43所述的珠滴生成器，其中所述弹性材料选自由聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚烯烃塑性体(POP)、全氟聚乙烯(a-PFPE)、聚氨酯、聚酰亚胺和交联的(苯酚甲醛聚合物)树脂组成的组。
实施方案45：根据实施方案17-44中任一项所述的珠滴生成器，其中所述生成器可以大于约1,000滴/秒，更优选大于约2,000滴/秒，更优选大于约4,000滴/秒，更优选大于约6,000滴/秒或更优选大于约8,000滴/秒的速度提供按需珠滴生成。
实施方案46：根据实施方案17-44中任一项所述的珠滴生成器，其中所述装置可以从0滴/秒、1滴/秒、2滴/秒、约5滴/秒、约10滴/秒、约20滴/秒、约50滴/秒、约100滴/秒、约500滴/秒或约1000滴/秒到约1,500滴/秒、约2,000滴/秒、约4,000滴/秒、约6,000滴/秒、约8,000滴/秒、约10,000滴/秒、约20,000滴/秒、约50,000滴/秒或约100,000滴/秒的速度范围来提供按需珠滴生成。
实施方案47：根据实施方案17-44中任一项所述的珠滴生成器，其中所述装置可以大于约1,000滴/秒，更优选大于约10,000滴/秒，更优选大于约20,000滴/秒，更优选大于约40,000滴/秒、更优选大于约50,000滴/秒、更优选大于约80,000滴/秒或更优选大于约100,000滴/秒的速度来提供按需珠滴生成。
实施方案48：根据实施方案17-47中任一项所述的珠滴生成器，其中所述生成器在包括被配置来在所述空化通道或腔室中形成气泡的能量源的系统中呈现。
实施方案49：根据实施方案48所述的珠滴生成器，其中所述能量源包括光学能量源或微波发射器。
实施方案50：根据实施方案48所述的珠滴生成器，其中所述能量源包括激光。
实施方案51：根据实施方案50所述的珠滴生成器，其中所述能量源包括脉冲激光器。
实施方案52：根据实施方案17-51中任一项所述的珠滴生成器，其中所述生成器被设置在包括选自由聚合物、塑料、玻璃、石英、电介质材料、半导体、硅、锗、陶瓷和金属或金属合金组成的组的基板上。
实施方案53：根据实施方案17-52中任一项所述的珠滴生成器，其中所述生成器与其他微流体部件集成一体。
实施方案54：根据实施方案53所述的珠滴生成器，其中所述其他微流体部件选自由PDMS通道、井、阀组成的组。
实施方案55：根据实施方案53所述的珠滴生成器，其中所述生成器为芯片实验室的部件。
实施方案56：根据实施方案17-55中任一项所述的珠滴生成器，其中所述第一流体包括用于聚合酶链反应(PCR)的一种或多种试剂。
实施方案57：根据实施方案56所述的珠滴生成器，其中所述第一流体包括选自由PCR引物、PCR模版、聚合酶和PCR反应缓冲液组成的组的一种或多种试剂。
实施方案58：一种用于操控微流体珠滴的装置，所述装置包括携带或包括以下的基板：根据实施方案1-16中的任一项所述的一个或多个珠滴合并部件；和任选地根据实施方案17-57中任一项所述的一个或多个珠滴生成器。
实施方案59：根据实施方案58所述的装置，其中所述装置还包括控制所述膜片阀的收缩的量和定时的控制器。
实施方案60：根据实施方案58-59中任一项所述的装置，其中所述装置包括根据实施方案17-57中任一项所述的一个或多个珠滴生成器。
实施方案61：根据实施方案58-60中任一项所述的装置，其中所述装置包括至少两个珠滴生成器。
实施方案62：根据实施方案61所述的装置，其中所述装置包括至少四个珠滴生成器。
实施方案63：根据实施方案61-62中任一项所述的装置，其中所述多个珠滴生成器被配置来共享共同的第二微流体通道并且来将珠滴注入所述共同的第二微流体通道。
实施方案64：根据实施方案63所述的装置，其中珠滴合并部件被设置来接收和合并来自所述共同的第二微流体通道中的珠滴。
实施方案65：一种用于生成珠滴和/或封装颗粒或细胞的系统，所述系统包括根据实施方案17-57中任一项所述的珠滴生成器和用于在流体中形成气泡的激发源。
实施方案66：根据实施方案65所述的系统，其中所述激发源包括光学能量源。
实施方案67：根据实施方案66所述的系统，其中所述激发源包括非相干光学能量源。
实施方案68：根据实施方案66所述的系统，其中所述能量源包括激光。
实施方案69：根据实施方案66-68中任一项所述的系统，其中所述系统包括被配置来将光能聚焦到所述空化通道或腔室中的物镜。
实施方案70：如实施方案69所述的系统，其中所述系统包括半波板。
实施方案71：根据实施方案69-70中任一项所述的系统，其中所述系统包括偏光镜。
实施方案72：如实施方案71所述的系统，其中所述偏光镜包括偏振分束立方体。
实施方案73：根据实施方案66-72中任一项所述的系统，其中所述系统包括调节以下至少一个的控制器：由所述光学能源发出的光脉冲的发生定时、由所述光学能源发出的脉冲的发生频率、由所述光学能源发出的脉冲波长、由所述光学能源发出的脉冲能量以及由所述光学能源发出的脉冲目标或位置。
实施方案74：根据实施方案65-73中任一项所述的系统，其中所述系统还包括用于检测所述系统中的颗粒、珠滴或细胞的部件。
实施方案75：根据实施方案74所述的系统，其中所述部件包括光学检测系统、电检测系统、磁检测系统或声波检测系统。
实施方案76：根据实施方案74所述的系统，其中所述部件包括用于检测散射、荧光或拉曼光谱信号的光学检测系统。
实施方案77：一种在微流体系统中组合珠滴的方法，所述方法包括提供流动通过微流体通道进入根据实施方案1-16中任一项所述的一个或多个珠滴合并部件的中央通道的多个珠滴，从而引起多个珠滴的合并。
实施方案78：根据实施方案77所述的方法，其还包括改变由所述横向膜片阀产生的收缩以控制珠滴合并的定时和/或所合并珠滴的数目。
实施方案79：根据实施方案78所述的方法，其中所述改变收缩包括操作气动地致动所述横向膜片阀的控制器。
实施方案80：一种用于生成珠滴的方法，所述方法包括：将能量源施加给根据实施方案17-57中任一项所述的珠滴生成器，其中所述能量源在所述空化通道或腔室中形成气泡，以使所述可变形通道壁或腔室壁发生变形和将所述第一流体的珠滴注入所述第二微流体通道中的所述第二流体。
实施方案81：根据实施方案80所述的方法，其中所述利用能量源包括利用激光来在所述空化通道或腔室中激发空化气泡。
实施方案82：根据实施方案81所述的方法，其中所述方法包括使用调节以下至少一个的控制器：由脉冲激光器发出的脉冲的发生定时、由所述脉冲激光器发出的脉冲的发生频率、由所述脉冲激光器发出的脉冲波长、由所述脉冲激光器发出的脉冲能量以及由所述脉冲激光器发出的脉冲目标或位置。
实施方案83：根据实施方案80-82中任一项所述的方法，其还包括以至少1000Hz的频率生成多个单独的和另外的空化气泡。
实施方案84：根据实施方案83所述的方法，其中所述方法以1kHz或更大的频率重复进行。
实施方案85：根据实施方案80-84中任一项所述的方法，其中所述第一流体包括用于聚合酶链反应(PCR)的一种或多种试剂。
实施方案86：根据实施方案85所述的珠滴生成器，其中所述第一流体包括选自由PCR引物、PCR模版、聚合酶和PCR反应缓冲液组成的组的一种或多种试剂。
实施方案87：一种生成和结合珠滴的方法，所述方法包括：提供包括根据实施方案17-57中任一项所述的一个或多个珠滴生成器和根据实施方案1-16中任一项所述的一个或多个珠滴合并部件的装置,其中所述一个或多个珠滴合并部件中的至少一个被设置来接收由所述一个或多个珠滴生成器中至少一个生成的珠滴；将能量源施加给所述一个或多个珠滴生成器中的一个或多个的空化通道或腔室，其中所述能量源在所述空化通道或腔室中形成气泡以使所述可变形通道壁或腔室壁发生变形并且将所述第一流体的珠滴注入所述第二微流体通道中的所述第二流体；在所述一个或多个珠滴合并部件中的至少一个中接收由所述一个或多个珠滴生成器生成的多个珠滴，在所述一个或多个珠滴合并部件中所述珠滴合并形成组合的珠滴流体。
实施方案88：根据实施方案87所述的方法，其中所述装置包括多个珠滴生成器。
实施方案89：根据实施方案87所述的方法，其中所述装置包括至少三个珠滴生成器。
实施方案90：根据实施方案87-89中任一项所述的方法，其中所述装置包括多个珠滴合并部件。
实施方案91：根据实施方案90所述的方法，其中所述装置包括至少三个珠滴合并部件。
实施方案92：根据实施方案87-91中任一项所述的方法，其中所述利用能量源包括利用激光来在所述空化通道或腔室中激发空化气泡。
实施方案93：根据实施方案92所述的方法，其中所述方法包括使用调节以下至少一个的控制器：由脉冲激光器发出的脉冲的发生定时、由所述脉冲激光器发出的脉冲的发生频率、由所述脉冲激光器发出的脉冲波长、由所述脉冲激光器发出的脉冲能量以及由所述脉冲激光器发出的脉冲目标或位置。
实施方案94：根据实施方案87-93中任一项所述的方法，其还包括以至少1000Hz的频率生成多个单独的和另外的空化气泡。
实施方案95：根据实施方案94所述的方法，其中所述方法以1.2kHz或更大的频率重复进行。
实施方案96：根据实施方案87-95中任一项所述的方法，其中所述第一流体包括用于聚合酶链反应(PCR)的一种或多种试剂。
实施方案97：根据实施方案96所述的方法，其中所述第一流体包括选自由PCR引物、PCR模板、聚合酶和PCR反应缓冲液组成的组的一种或多种试剂。
实施方案98：根据实施方案87-97中任一项所述的方法，其中所述装置包括其他微流体部件或与其他微流体部件集成一体。
实施方案99：根据实施方案98所述的方法，其中所述其他微流体部件选自由PDMS通道、井、阀组成的组。
实施方案100：根据实施方案98所述的方法，其中所述装置包括芯片实验室或与芯片实验室集成一体。
附图说明
图1示出具有可变形横向膜片阀106的珠滴合并模块100的示意性说明。包含珠滴108的流体在流动方向112上流动通过中央通道102。多个元件104形成横向通道114，所述横向通道114在所捕获的珠滴108之间引流流体，所述所捕获的珠滴108随后合并到所合并的珠滴116中并且留下所引流的流体，例如以作为珠滴110。位于多个元件的端部(例如，柱结构)的一对气动致动的横向膜片阀106用来改变中央通道的宽度以控制所捕获珠滴的数目。当达到珠滴的阀值数目时，在所合并珠滴上的气压变得大于释放珠滴的表面张力。不需要移动膜片，这对启动高速合并是重要的。
图2示意性地示出诱导按需膜片阀珠滴生成的脉冲激光器。PDMS薄膜片用来完全将诱导污染物的脉冲激光器分开。所诱导的气泡可使膜片变形进入水性通道中，使稳定的油水界面断裂并且将一皮升珠滴挤入油通道中。
图3示出将诱导按需膜片阀珠滴生成器的脉冲激光器与控制珠滴合并模块的横向膜片阀集成一体的按需珠滴生成和熔凝平台的示意性说明。
图4示出珠滴生成过程的快照。
图5示出示意性珠滴合并过程的时间分辨图像。在这个无源但可调合并模块上已经实验性地捕获并合并了达六个珠滴。在这个示出的实施方案中，当珠滴数目大于6时，所合并的珠滴自动地释放。
图6示意性地示出具有平行的珠滴生成器和用于生成具有多路复用药品/化学组合物的、处于下游的珠滴合并的平台的一个实施方案。
图7示意性地示出将uFACS与多个珠滴生成器集成一体以用于高速封装单个细胞和分析单个细胞的平台的一个实施方案。
图8示出具有垂直地变形的膜片阀的多个珠滴捕获和合并。
图9A到图9ZB通过简化的横截面图描绘了用于产生多层PDMS结构的加工技术的各个阶段。
具体实施方式
可在关闭的通道中操控皮升(pL)体积的珠滴的两相(或多相)流动系统具有广泛的芯片实验室应用。较小的珠滴允许试剂消耗的减少、高灵敏度检测和大规模分析。可在简单的两相流动通道中容易地生成成千上万的珠滴，并且可对数十个或数百个通道平行地进行构造以增加通量。珠滴也可进行规划来以高的速度进行合并、裂分和混合以用于快速筛选。商用系统每小时可进行一千万次珠滴反应或筛选。应用包括许多PCR技术，如数字PCR、RT-PCR、PCR、单个细胞分析、组合化学合成等。
I.用于无源珠滴捕获和合并的按需横向膜片阀
在各种实施方案中，提供了可调珠滴捕获和合并模块。在图1中示出了此类部件/模块100的一个实施方案。如其中所示，珠滴合并部件包括中央通道102，所述中央通道102包括多个元件104(例如，柱结构阵列)，所述多个元件104被设置并间隔开以产生多个横向通路114，所述多个横向通路114将载体流体从流体流引流出去，所述流体流包括包含于所述载体流体中的第一流体的珠滴108；和可变形的横向膜片阀106，所述可变形的横向膜片阀106被设置来控制所述中央通道的宽度。
例如，在微通道118中的珠滴在下游方向112上移动。在下游流动的珠滴在珠滴合并模块中进行捕获。提供横向通道114的多个元件104用来在珠滴之间将流体油引流出去以将其合并。位于多个元件的下游端部处的一对气动致动的横向膜片阀106可用来改变流动通道的宽度。在各种实施方案中，中央通道的宽度根据在下游通过所述多个横向通路的距离而减小。在某些实施方案中，所述宽度在从部件的10μm到约1mm的上游端部宽度到部件的约1μm到约900μm的下游端部宽度的范围内变化，其中下游宽度小于上游宽度。在某些实施方案中，横向通道的宽度在同一位置处小于中央通道的宽度并且小于中央通道中的珠滴的平均直径。
在某些实施方案中，多个元件包括微柱阵列。在某些实施方案中，微柱阵列包括限定中央通道的柱对。在某些实施方案中，阀位于多个元件中的最后一个处或其下游(例如最后(下游)柱对的下游)。在某些实施方案中，柱被配置来提供从约0.1μm到约100μm范围的柱间间距。在某些实施方案中，柱被配置来提供从约0.1μm到约10μm范围的柱间间距。在某些实施方案中，可变形横向膜片阀被配置来在所述多个元件的下游端部处形成可控制的、尺寸可变的构造。在某些实施方案中，可变形横向膜片阀被配置来垂直地发生变形。
在各种实施方案中，尽管在可变形腔室下方具有通孔，但是横向膜片的变形可通过改变气动压力来加以调整。应注意的是，在某些实施方案中，横向膜片的变形可由机械致动器调节。例如，在某些实施方案中，压电致动器、静电致动器等可用来控制横向膜片的变形。
在合并模块中捕获的珠滴数目可由横向膜片阀的变形程度调整。当所捕获珠滴的数目达到其捕获阀值时，所熔凝的珠滴自动释放而无需机械地使膜片变形。由于没有必要使机械膜片变形，因而此类无源类型的珠滴合并可具有较高的速度。如在图5中所示，六个珠滴可被动地捕获、合并并释放。在需要合并更多珠滴的一些情况下(例如，产生大型组合文库)，可完全地关闭在这个说明中为垂直地变形的膜片阀以保持更多的珠滴。如在图8中所示，使用这个模式已经捕获和合并了达15个珠滴。然而，应注意的是，所述方法和装置并不限于捕获6个或15个珠滴。因此，在某些实施方案中，至少2个或3个或4个或5个或6个或7个或8个或9个或10个或11个或12个或13个或14个或15个或16个或17个或18个或19个或20个或21个或22个或23个或24个或25个或26个或27个或28个或29个或30或更多珠滴被捕获和合并。
在某些实施方案中，其中膜片关闭过程为较慢的，通量可低于每秒约10个合并珠滴。
在图3中示出了用于高速产生多路复用的珠滴的集成的珠滴生成和合并模块的一个示意性但非限制性的示意图。
在某些实施方案中，在本文中所述的装置使用一薄层的软光刻工艺来生产某些结构(例如，阀膜片)。例如PDMS薄层的制造能够通过在2012年3月27日提交的、申请号：61/616,385的同时待审的临时申请和在2013年3月15日提交的、题为“CONTINUOUS WHOLE-CHIP3-DIMENSIONAL DEP CELL SORTER AND RELATED FABRICATION METHOD”的同时待审的临时申请的新颖的Pt-PDMS薄膜工艺来完成，所述两个同时待审的临时申请的全部内容物在本文中都并入了在此所述的PtPDMS薄膜制造工艺中。
具体地说，这个PtPDMS制造工艺的一种实现方案通过在图9A至图9ZB中简化的横截面图来进行描绘。在图9A至图9ZB中构成的结构为三维DEP细胞分类器的一部分，例如，在此类细胞分类器的DEP分离区内的特征件，然而，相同的制造方法容易地应用到本文所述的装置(例如，按需横向膜片阀)的制造中。图9A至图9ZB并未按比例画出。在图9A至图9P中，所述图描绘了两个不同加工流—在所述流中的步骤可大大相同，但所使用的模型可具有不同的特征大小。例如，在每张图左侧的横截面图描绘了PDMS层的形成，所述PDMS层可用来提供例如细胞分类器、珠滴注射器等的第一通路或第二通路，并且在每张图的右侧的横截面图可描绘PDMS层的形成，所述PDMS层可用来提供细胞分类器的分类通路、珠滴形成器的注射通路等。图9Q至图9ZB描绘了进入组装细胞分类器的层的组件(例如，如在2012年3月27日提交的、申请号：61/616,385的同时待审的临时申请中所述的)。
如图9A中所示，可制备用于通过在所述基板上沉积或提供光可图案化或光致抗蚀化材料来蚀刻的硬基板。虽然也可使用其他光致抗蚀剂或光可图案化材料，以及其他基板材料，但是此类材料例如可为负性光致抗蚀剂SU8或正性光致抗蚀剂AZ4620，并且所述基板例如可为硅或玻璃。如图9B中所示，蚀刻操作可将材料从硬基板移除以形成主模。或者，在主模上隆起的特征件可通过沉积而不是蚀刻来形成。在某些实施方案中，蚀刻和沉积可用来在主模上形成特征件。如图9C中所示，主模涂有共形硅烷表面处理剂以促进固化的PDMS从其模型中移除。在图9D中，未固化的PDMS(或其他软光刻材料)可倾倒在主模上并进行固化，以形成互补的PDMS模型。在图9E中，PDMS模型随后可与主模分离。在图9F中，PDMS模型可涂有共形硅烷表面处理剂。
如图9G中所示，可将PDMS模型暂时放在一边，并且另一个硬基板(例如，硅或玻璃)可通过将未固化的PDMS倾倒在基板上来制备。在图9H中，可将PDMS模型重新取回，并且在图9I中，可将PDMS模型按压到处于基板上的未固化的PDMS中，并且随后未固化的PDMS可被固化。在图9J中，可将PDMS模型从处于基板上的固化的PDMS中移除。在基板上所得的PDMS结构可以为精确的或接近精确的主模副本，并且在本文中可称为PDMS主模。将意识到，可使用硬主模或“软”(例如，PDMS)主模。硬主模在模压过程中将降低薄膜扭曲。在标准的软光刻中，人们使用SU-8模型(硬主模)来制作成PDMS结构。
在图9K中，PDMS主模可涂有CYTOPTM表面处理剂，以帮助之后移除PDMS铸造件。
可将未固化的PDMS施加给PDMS主模(例如，参见图9L)。参照图9A至图9L，上文所述的步骤大部分与现有的PDMS层制造工艺相似。
然而，图9M描绘了与现有制造技术不同的步骤。在现有的制造技术中，PDMS冲压件，例如，大的、平的、无特征的基底，可用来将未固化的PDMS压缩到PDMS主模中。然而，在现有制造技术的一个实施方案中，已经对PDMS冲压件进行了修整以在PDMS内包括板状材料，所述板状材料具有比PDMS大很多的量(例如，比PDMS更硬)。所述板定位成使得非常薄的PDMS层存在于所述板和未固化的PDMS与PDMS主模之间。这个薄层例如在厚度上可为500微米量级或更少。实际上，已经发现10微米到30微米的厚度工作的很好。所述板可以是塑料的、玻璃的或具有基本上比PDMS的模量更大的模量的其他材料。实际上，已经证明塑料板比玻璃板更加结实。不受特定理论的限制，所述板可在PDMS冲压件内充当中间负载分散器，以横跨PDMS主模和未固化的PDMS来分布压缩负载。PDMS的薄层可允许非常小的局域偏差，所述非常小的局域偏差在避免产生可在使用传统冲压件时出现大型边缘脊的同时促进在PDMS模型与冲压件之间完全接触。
在一个示意性但非限制性的实施方案中，所示出的嵌有板的冲压件可通过旋涂具有PDMS的板来提供。然而，发现的是，PDMS在太薄的层中施加时表现出不一致的固化行为。的确，在许多薄膜的情况下，发现的是，PDMS一点也未固化并且保持液体状态。因此，发现的是，在厚度上将并不容易可靠地设定PDMS，如上文所述的那些，从而导致不可靠的加工技术。令人惊讶地发现的是，如果在冲压件上形成薄层的PDMS掺杂有催化剂(例如，铂催化剂)，那么然而，无论厚度是多少，将容易地设定PDMS。虽然已经使用催化剂来加快固化速率，但是应相信，在先前此类催化剂并未用来使未固化或连续固化的情况逆转，或用来制备PDMS高温处理。因此，在某些实施方案中，在本文中设想的制造技术可包括通过用掺杂铂的PDMS薄层来涂覆基本刚性板来制备冲压件(这个步骤并未示出)。发现的是，将铂离子提供给未固化的PDMS确保连续的、相对均匀的固化。令人惊讶地发现的是，随着铂离子的添加，PDMS甚至在室温下短时间内固化。在某些实施方案中，催化剂为二乙烯基四甲基二硅氧烷(C8H18OPtSi2)。
虽然此类更厚层并不是严格地需要的，但是所述冲压件也可在板的相反侧上具有更厚的PDMS层，以允许容易处理或与现有设备集成一体。可用硅表面处理剂例如，三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷(也称为“PFOCTS”)来处理PDMS薄层(或整个PDMS冲压件)。
在图9N中，所述冲压件抵抗未固化的PDMS和PDMS主模受到压缩并且随后受到固化。在图9O中，通过远离PDMS主模拉动所述冲压件来将固化的PDMS层从PDMS主模中移除。与CYTOP处理的表面相比，由于在硅烷表面中具有更高的粘结强度，PDMS层将保持对所述冲压件的粘结，从而允许容易地转移到其他结构中。
图9P描绘了粘结至冲压件的已移除的PDMS层；所述PDMS层可用氧等离子体来处理，以促进之后与玻璃或PDMS结构的粘结。在图9Q中，PDMS层中的一层定位在已制备好的玻璃基板上；所述玻璃基板例如可通过用导电涂层(如ITO)对其进行涂覆来进行制备，以使得所述玻璃基板可充当DEP细胞分散器的电极层。在图9R中，由于PDMS层的氧等离子处理剂，所以PDMS层可直接粘结于玻璃基板上。在图9S中，可将所述冲压件移除—由于与横跨硅烷处理的表面的粘结相比，通过氧等离子处理剂的直接粘结具有更高的粘结强度，因而PDMS层可与冲压件分离并且保持整洁地附接至玻璃基板上。在这个情况下置于基板上的PDMS层对应于在其中具有第一通路或第二通路的DEP细胞分类器中的电绝缘层的次层。
在图9T中，另一PDMS层(在一个实施方案中与在其中具有分类通路的DEP细胞分类器中的电绝缘层的次层相对应的时间)可使用其所附接的冲压件来定位在先前放置的PDMS层上。这个第二PDMS层也可用氧等离子进行处理，以促进直接粘结于先前放置的PDMS层上。在图9U中，第二PDMS层可通过利用所述冲压件将其压缩到第一PDMS层中来直接粘结于第一PDMS层。在图9V中，可以与图9S十分相同的方式将所述冲压件移除。
在图9W中，在与第一PDMS层相似的情况下，第三PDMS层可定位在第一和第二PDMS层上。第三PDMS层，如同其他PDMS层一样，可用等氧离子处理。在图9X中，第三PDMS层可直接粘结于第二PDMS层上以形成可实际上熔凝于一个邻接结构中的三层层叠的PDMS层。在图9Y中，可将所述冲压件移除，而将3-层PDMS结构留下。在图9Z中，可制备用于粘结于另一硬基板(例如，玻璃)的具有暴露的顶部的PDMS结构。在图9ZA中，所述硬基板可定位在组装的PDMS层叠件中，并且在图9ZB中，所述硬基板可粘结于所述层叠件上。
在各种实施方案中，所得的结构通过特征件提供非常整洁的内部层，并且特别适于微流体装置。以上的技术可根据需要来进行修改以省略某些步骤，增加其他步骤或以其他方式裁剪所述技术以满足特定的设计要求。例如，可能的是，用呈台阶状横截面的模型来形成特征件，从而减少必须制作或粘结在一起的单层的数目。虽然所描绘的技术是针对PDMS层的3-层层叠件示出的，但是更多或更少的PDMS层可以这种方式进行加工并且组装到PDMS层层叠件中。
II.脉冲激光诱导的按需膜片阀珠滴生成
图2示意性地示出脉冲激光器驱动的膜片阀珠滴生成器的实施方案。薄膜片(例如，PDMS膜片)用来将用于激光激发的染料通道与样本通道分开，以防止诱导活性化学物质的脉冲激光器受到潜在污染。
每个激光脉冲可触发空化气泡，以使膜片发生变形进而通过喷嘴将珠滴挤出进入到油相中。代替使用消耗大量试剂的连续相流动，静态压力来源可用来保持稳定的(例如，水-油)界面。这个方法急剧地减少了昂贵且贵重试剂的消耗。在将单个珠滴喷射到油相中之后，由于膜片仅是部分和局部发生变形，因而界面可在非常短的时间段内自动地恢复到其初始位置。珠滴生成速率可高达几百赫兹。如图4中所示，在这个平台的某些实施方案上产生的珠滴的体积为80pL左右。
本文所述的各种实施方案并入有微通道(微流体通道)。术语“微流体通道”或“微通道”可互换使用，并且指具有小于1,000μm，更优选小于约900μm，或小于约800μm，或小于约700μm，或小于约600μm，或小于约500μm，或小于约400μm，或小于约300μm，或小于约250μm，或小于约200μm，或小于约150μm，或小于约100μm，或小于约75μm，或小于约50μm，或小于约40μm，或小于约30μm，或小于约20μm的至少一个特征尺寸(例如，宽度或直径)。
在某些实施方案中，本文所述的方法和装置可使用不混溶的流体。在上下文中，当相对于两种流体使用时，术语“不混溶的”指流体在按比例混合时并不能形成溶液。传统不混溶的材料是水和油。如在本文所使用的不混溶的流体包括在按比例组合时基本上并不形成溶液的流体。通常，如果按相等比例进行组合，那么在材料并不形成溶液时就基本上为不混溶的。在某些实施方案中，不混溶的流体包括彼此并不明显地互溶的流体，由于物理特性(如密度或粘度)而不能混合一段时间的流体，和由于层流而不能混合一定时间段的流体。
另外，此类流体并不限于液体，但可包括液体和气体。因此，例如，在形成包括水性溶剂(如水)的珠滴的情况下，任意数目的有机化合物如四氯化碳、氯仿、环己烷、1,2-二氯甲烷、二氯甲烷、二乙醚、二甲基甲酰胺、乙酸乙酯、庚烷、己烷、甲基叔丁基醚、戊烷、甲苯、2,2,4-三甲基戊烷等也是可以设想的。各种相互不溶性溶剂系统对本领域技术人员来说是熟知的(例如参见表1)。在另一个实例中，包含在生理上为正常溶质量的水性缓冲液的珠滴可在包含高浓度蔗糖的稠密型水性缓冲液中产生。在又一实例中，包含在生理上为正常溶质量的水性缓冲液的珠滴可在包含在生理上为正常溶质量的第二水性缓冲液中产生，其中所述两种缓冲液由层流分离。在又一实例中，流体的珠滴可在气体如氮气或空气中产生。
表1示出彼此混溶的或不混溶的各种溶剂。在左栏中的溶剂不与右栏中的溶剂混合，除非另外说明。
在某些实施方案中，第一流体和第二流体彼此不必不混溶。在此类实施方案中，所注射的珠滴可仅通过调整在微通道中的流动速率和以形成分离气泡的气泡形成速率来保持彼此分离。
在各种实施方案中，由本文所述的装置和方法生成的珠滴可包含或封装广泛范围的材料。在一些实施方案中，珠滴可包含测试样本、细胞、细胞器官、蛋白质、核酸、酶、PCR或其他测试试剂、生化物、染料或微粒(例如聚合物微球、金属微粒或颜料)。在又一其他实施方案中，珠滴可一个或多个先前生成的珠滴。另外，本发明不必受限于水性珠滴系统。例如，此类珠滴生成方法和装置可用于纳米颗粒涂层，其中在有机溶剂中的材料可用来沉积层或封装纳米颗粒。
如上文所述，在一些实施方案中，在流体通道中的开口可被配置成喷嘴。可将此类喷嘴的深度、内部直径和外部直径最优化来控制珠滴大小、珠滴均匀性、在流体界面的混合或这些的组合。
在某些实施方案中，本文所述的珠滴生成和/或珠滴合并部件可在不同于包括流体通道的材料的基板上加以提供。例如，所述流体通道可使用设置在刚性表面上的弹性体材料来加以制造。适合的流体通道材料包括但不限于柔性聚合物，如PDMS、塑料及类似材料。流体通道也可包括非柔性材料，如刚性塑料、玻璃、硅、石英、金属及其类似材料。适合的基板包括但不限于透明基板如聚合物、塑料、玻璃、石英及其他介电材料。其他适合的基板材料包括但不限于不透明材料，如不透明或半透明塑料、硅、金属、陶瓷及其类似材料。
上文所述的参数和在实例中(例如，流动速率、激光密度、激光频率/波长、通道尺寸、端口/喷嘴尺寸、通道壁硬度、空化气泡形成的位置等)可发生改变来使针对特定期望应用的珠滴形成和/或珠滴/颗粒/细胞封装最优化。
存在可在本文所述的珠滴生成装置的构造中使用的和在可并入有它们的微流体装置中使用的许多格式、材料和大小尺度。在一些实施方案中，珠滴生成装置和连接的流体通道包括PDMS(或其他聚合物)并且使用软光刻来加以制造。处于各种原因，PDMS是颇具吸引力的材料，所述原因包括但不限于低成本、光学透明性、易于模压和弹性特性。PDMS也具有理想的化学特性，包括与常规的硅氧烷化学品和细胞培养物要求(例如低毒性、透气性)都相容。在示出的软光刻方法中，制备主模来形成流体通道系统。主模可由微机械加工工艺、光刻工艺或通过本领域中技术人员所熟知的任意数目的方法来产生。此类方法包括但不限于湿刻、电子束沉积、光刻、等离子增强的化学蒸气沉积、分子束外延、反应性离子蚀刻和/或化学辅助离子束蚀刻(Choudhury(1997)The Handbook of Microlithography,Micromachining,and Microfabrication,Soc.Photo-Optical Instru.Engineer.；Bard&Faulkner,Fundamentals of Microfabrication)。
一旦制备好的主模暴露于预聚合物中，那么所述预聚合物随后就固化以在PDMS中形成图案化的复制品。将复制品从主模中移除、修整，并且在需要的情况下增加流体入口。聚合物复制品可任选地用等离子体处理(例如O2等离子体)，并且粘结于适合的基板如玻璃上。用O2等离子体处理PDMS生成在与适合的基板共形接触时紧紧地和不可逆地密封的表面，并且具有在结合水性溶液使用时生成带负电荷的流体通道壁的优点。这些固定电荷支持可用来通过所述装置移动流体的电动泵。虽然使用PDMS来制造上文所述的珠滴生成装置，但是应意识到，大量的其他材料也适用或可结合这种聚合物使用。实例包括但不限于聚烯烃塑性体、全氟聚乙烯、聚氨酯、聚酰亚胺和交联的苯酚/甲醛聚合物树脂。
在一些实施方案中，可设想单层装置。在其他实施方案中，可设想多层装置。例如，可使用商业CAD程序来设计流体通道的多层网络。可将这个设计转换成随后用作光刻掩膜以产生主模的一系列透明体。抵靠这个主模的PDMS铸造件产生包含流体通道的多层网络的聚合物复制品。这个PDMS铸造件可用等离子处理，并且粘附于如上文所述的基板上。
如上文所述，本文所述的方法和装置特别适合在微流体装置中使用。因此，在一些实施方案中，流体通道为微通道。此类微通道具有从约100纳米到1微米进而达至约500微米范围内的特征尺寸。在各种实施方案中，所述特征尺寸从约1微米、5微米、10微米、15微米、20微米、25微米、35微米、50微米或100微米到达约150微米、200微米、250微米、300微米或400微米的范围内变化。在一些实施方案中，所述特征尺寸从约20微米、40微米、或约50微米到达约100微米、125微米、150微米、175微米或200微米的范围内变化。在各种实施方案中，在相邻流体通道之间的壁厚度从约0.1微米到约50微米，或约1微米到约50微米，更通常从5微米到约40微米的范围内变化。在某些实施方案中，在相邻流体通道之间的壁厚度从约5微米到约10微米、15微米、20微米或25微米的范围内变化。
在各种实施方案中，流体通道的深度从5微米、10微米、15微米、20微米到约1mm、800微米、600微米、500微米、400微米、300微米、200微米、150微米、100微米、80微米、70微米、60微米、50微米、40微米或约30微米的范围内变化。在某些实施方案中，流体通道的深度从约10微米到约60微米，更优选从约20微米到约40微米或50微米的范围内变化。在一些实施方案中，流体通道可以是敞开的；在气体实施方案中，流体通道可以是被覆盖的。
如上文所述，在一些实施方案中设置有喷嘴。在设置有喷嘴的某些实施方案中，喷嘴直径可从约0.1微米或约1微米到约300微米、200微米或约100微米的范围内变化。在某些实施方案中，喷嘴直径可从约5微米、10微米、15微米或20微米到约25微米、30微米、35微米、40微米、45微米、50微米、55微米、60微米、65微米、70微米、75微米或约80微米的范围内变化。在一些实施方案中，喷嘴直径从约1微米、5微米、10微米、15微米或20微米到约25微米、35微米或40微米的范围内变化。
在一些实施方案中，本文所述的方法和装置可以从0滴/秒、约2滴/秒、约5滴/秒、约10滴/秒、约20滴/秒、约50滴/秒、约100滴/秒、约500滴/秒或约1000滴/秒到达约1,500滴/秒、约2,000滴/秒、约4,000滴/秒、约6,000滴/秒、约8,000滴/秒、约10,000滴/秒、约20,000滴/秒、约50,000滴/秒和约100,000滴/秒的范围内的速率生成珠滴。
在各种实施方案中，本文所述的方法和装置可生成具有基本上连续的体积的珠滴。可控制珠滴体积来提供从约0.1fL、约1fL、约10fL和约100fL到约1微升、约500nL、约100nL、约1nL、约500pL或约200pL的范围内变化的体积。在某些实施方案中，珠滴的体积控制可从约1pL到约150pL、约200pL、约250pL或约300pL的范围内变化。
如上文所述，本文所述的微通道珠滴形成/合并注射装置可在微流体“芯片”上或在用于微颗粒涂层、微粒药物载体形成等的流过制造系统中提供与其他工艺模块集成一体的系统。然而，这些使用仅仅是示出性的并不是限制性的。
微流体装置可操控小至若干纳升的体积。因为所述微流体反应体积接近于单个哺乳动物细胞的大小，所以在利用这些装置进行单细胞mRNA分析中最小化了材料损耗。在微流体装置内部处理活细胞的能力为对单细胞转录组的分析提供了很大优势，因为mRNA借助于细胞死亡而被快速降解。已经报道了一种高度集成的微流体装置，所述高度集成的微流体装置具有用于在单个人胚胎干细胞(hESC)中对基因表达进行分析的26个平行的10nL反应器(Zhong等人(2008)Lab on a Chip,8:68-74；Zhong等人(2008)Curr.Med.Chem.,15:2897-2900)。在各种微流体装置中，用于获取包括细胞俘获、mRNA俘获/纯化、cDNA合成/纯化的单细胞cDNA的所有系统在所述装置内部执行。本装置和方法提供封装和/或分离个体细胞例如以用于进一步处理的有效方法。
可使用许多方法中的任意一种来沿着本文所述的装置的通道来传输流体或珠滴、颗粒、细胞等的混合物。此类方法包括但不限于重力流、注射泵、蠕动泵、电动能泵、气泡驱动泵和空气压力驱动泵。
在某些示例性但不受限制的实施方案中，可设想本文所述的平台的两种主要应用。这些应用包括：
1.大型组合的药物合剂文库的快速产生：连接高重复率脉冲激光器的2D扫描镜可支持部署在相同微流体芯片上的平行的珠滴生成器(例如，参见图6)。本文所述的3D微流体制造技术可解决见于2D微流体中交叉互连的问题，并且能够使3D微通道形成路径来支持在所述芯片上的达几百种的样本通道，以用于产生大型多路复用的组合文库。产生具有一百万中不同的化学组合物的大型文库可花费不到3小时(每秒100种组合)。
2.本文所述的珠滴生成和合并平台可容易地与我们在美国专利申请号2012/0236299中所述的PLACS系统集成一体，以启动高速的单细胞封装和在下游的、利用其它生物化学试剂(如细胞裂解缓冲液、引物和用于单细胞PCR分析的其他PCR缓冲液)俘获的细胞的合并(图7)。这个集成的系统将启动第一高通量FACS系统，所述第一高通量FACS系统可同时不但提供单细胞的光学识别标志，而且提供分子水平分析数据如mRNA表达水平。
尽管上文已描述了各种实施方案，但应了解，所述实施方案仅是以举例的方式呈现而不具限制性。因此，本公开的宽度和范围不应被任何上文描述的示例性实施方案所限制，而是应该仅根据所附权利要求及其等效物来限定。应了解，本文所述的实施例和实施方案仅用于说明性目的并且根据其产生的各种修改或变化将为本领域技术人员所想到并且欲包括于本申请的精神和权限以及随附权利要求的范围内。本文引用的所有公布、专利和专利申请出于所有目的据此以引用的方式整体并入本文。此外，在以引用的方式并入本文中的参考文献中的术语的定义和使用与本文中提供的这个术语的定义不一致或相矛盾时，以本文中提供的这个术语的定义为准并且参考文献中的这个术语的定义不再适用。术语“包括”和“含有”应被理解为：是指各元件、各部件或非排他方式的各步骤，指出可能存在或被利用的所标记的元件、部件或步骤，或者与没有标记的其他元件、部件或步骤的组合。

Claims (37)

1.一种微流体珠滴合并部件，所述部件包括：
中央通道，所述中央通道包括被设置并间隔开以在所述中央通道的两侧都产生多个横向通路的多个元件，所述多个横向通路将载体流体从流体流引流出去，所述流体流包括包含于所述载体流体中的第一流体的珠滴；以及
可变形横向膜片阀，所述可变形横向膜片阀被设置位于所述多个元件的下游来控制位于所述多个元件的下游的所述中央通道的宽度。
2.如权利要求1所述的珠滴合并部件，其中所述膜片阀为气动致动的横向膜片阀。
3.根据权利要求1所述的珠滴合并部件，其中所述中央通道的宽度根据在下游通过所述多个横向通路的距离而减小。
4.根据权利要求2所述的珠滴合并部件，其中所述中央通道的宽度根据在下游通过所述多个横向通路的距离而减小。
5.根据权利要求1所述的珠滴合并部件，其中所述横向通路的宽度小于在同一位置处所述中央通道的宽度并且小于在中央通道中珠滴的平均直径。
6.根据权利要求2所述的珠滴合并部件，其中所述横向通路的宽度小于在同一位置处所述中央通道的宽度并且小于在中央通道中珠滴的平均直径。
7.根据权利要求3所述的珠滴合并部件，其中所述横向通路的宽度小于在同一位置处所述中央通道的宽度并且小于在中央通道中珠滴的平均直径。
8.根据权利要求4所述的珠滴合并部件，其中所述横向通路的宽度小于在同一位置处所述中央通道的宽度并且小于在中央通道中珠滴的平均直径。
9.根据权利要求1所述的珠滴合并部件，其中所述多个元件包括微柱阵列。
10.根据权利要求9所述的珠滴合并部件，其中所述微柱阵列包括形成在下游方向上倾斜的横向通道的柱对。
11.根据权利要求9所述的珠滴合并部件，其中包括所述微柱阵列的柱被配置来提供从0.1μm到100μm范围的柱间间距。
12.根据权利要求11所述的珠滴合并部件，其中所述柱被配置来提供从0.1μm到10μm范围的柱间间距。
13.根据权利要求1所述的珠滴合并部件，其中所述可变形横向膜片阀被配置来在所述多个元件的下游端处形成可控的、尺寸可变的构造。
14.根据权利要求1所述的珠滴合并部件，其中所述可变形横向膜片阀被配置来水平地发生变形。
15.根据权利要求1所述的珠滴合并部件，其中所述可变形横向膜片阀被配置来垂直地发生变形。
16.根据权利要求9所述的珠滴合并部件，其中所述微柱阵列由选自由玻璃、金属、陶瓷、矿物质和聚合物组成的组的材料形成，其中所述聚合物包括塑料。
17.根据权利要求9所述的珠滴合并部件，其中所述微柱阵列由弹性材料形成。
18.根据权利要求17所述的珠滴合并部件，其中所述弹性材料选自由聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚烯烃塑性体(POP)、全氟聚乙烯(a-PFPE)、聚氨酯、聚酰亚胺和交联的苯酚甲醛聚合物树脂组成的组。
19.一种用于操控微流体珠滴的装置，所述装置包括携带或包括以下的基板：
一个或多个根据权利要求1-18中的任一项所述的珠滴合并部件。
20.一种在微流体系统中组合珠滴的方法，所述方法包括提供流动通过微流体通道进入一个或多个根据权利要求1-18中任一项所述的珠滴合并部件的中央通道的多个珠滴，从而引起多个珠滴的合并。
21.根据权利要求20所述的方法，其还包括改变由所述横向膜片阀产生的收缩以控制珠滴合并的定时和/或所合并珠滴的数目。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述改变收缩包括操作气动地致动所述横向膜片阀的控制器。
23.一种用于生成及组合珠滴的方法，所述方法包括：
提供包括一个或多个珠滴生成器和一个或多个根据权利要求1-18中任一项所述的珠滴合并部件的装置,其中所述一个或多个珠滴合并部件中的至少一个被设置来接收由所述一个或多个珠滴生成器中至少一个生成的珠滴；
将能量源施加给所述一个或多个珠滴生成器中的一个或多个的空化通道或腔室，其中所述能量源在所述空化通道或腔室中形成气泡以使可变形通道壁或腔室壁发生变形并且将第一流体的珠滴注入微流体通道中的第二流体；
在所述一个或多个珠滴合并部件中的至少一个中接收由所述一个或多个珠滴生成器生成的多个珠滴，在所述一个或多个珠滴合并部件中所述珠滴合并以形成组合的珠滴流体。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述装置包括多个珠滴生成器。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述装置包括至少三个珠滴生成器。
26.根据权利要求23所述的方法，其中所述装置包括多个珠滴合并部件。
27.根据权利要求24所述的方法，其中所述装置包括多个珠滴合并部件。
28.根据权利要求26所述的方法，其中所述装置包括至少三个珠滴合并部件。
29.根据权利要求23所述的方法，其中所述利用能量源包括利用激光来在所述空化通道或腔室中激发空化气泡。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述方法包括使用调节以下至少一个的控制器：由脉冲激光器发出的脉冲的发生定时、由所述脉冲激光器发出的脉冲的发生频率、由所述脉冲激光器发出的脉冲波长、由所述脉冲激光器发出的脉冲能量以及由所述脉冲激光器发出的脉冲目标或位置。
31.根据权利要求23所述的方法，其还包括以至少1000Hz的频率生成多个单独的和另外的空化气泡。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述方法以1.2kHz或更大的频率重复进行。
33.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一流体包括用于聚合酶链反应(PCR)的一种或多种试剂。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述第一流体包括选自由PCR引物、PCR模版、聚合酶和PCR反应缓冲液组成的组的一种或多种试剂。
35.根据权利要求23所述的方法，其中所述装置包括其他微流体部件或与其他微流体部件集成一体。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述其他微流体部件选自由PDMS通道、井、阀组成的组。
37.根据权利要求35所述的方法，其中所述装置包括芯片实验室或与芯片实验室集成一体。
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