CN108026494A - 限制蒸发和表面结垢的空气基质数字微流控装置和方法 - Google Patents

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Abstract

防止或限制蒸发和数字微流控(DMF)装置的表面结垢的空气基质DMF装置和使用它们的方法。具体地，本文中描述了空气基质DMF装置及使用它们的方法，其中可从DMF装置的气隙进入的隔离井通过包括覆盖物来隔离反应液滴以防止蒸发。覆盖物可以是盖或盖帽，或者它可以是井内的油或蜡材料。到井中的开口和/或井本身可以包括致动电极，以允许将液滴放置到井中，并且在一些情况下可以从井中移出液滴。本文中还描述了空气基质DMF装置和使用它们的方法，其包括具有可用于选择性地包覆装置的气隙中的反应液滴的蜡材料的热可控区域。

Description

限制蒸发和表面结垢的空气基质数字微流控装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年6月5日提交的题为“DEVICE AND METHODS FOR LIMITINGEVAPORATION AND SURFACE FOULING”的美国临时申请第62/171,756号的优先权，该临时申请通过引用被全部并入本文。
通过引用并入
本说明书中提及的所有公开和专利申请均通过引用以其整体并入本文，其程度如同每个单独的公开或专利申请被明确地和单独地指出以通过引用并入。
领域
本文中描述了限制或防止蒸发和/或表面结垢(surface fouling)的空气基质数字微流控(DMF)装置和方法。
背景
微流控技术已经在改变分子生物学、医学诊断和药物研发的传统方法被执行的方式方面取得了长足的进步。芯片实验室(lab-on-a-chip)和生物芯片设备在科学研究应用以及潜在的定点护理应用方面已经引起了的许多关注，因为它们执行具有小的反应体积的高度重复的反应步骤，从而节省了材料和时间。尽管传统的生物芯片类型设备利用微米或纳米尺寸的通道并且通常需要与生物芯片耦合的对应的微型泵、微型阀和微型通道来操控反应步骤，但这些额外的部件大大增加了微流控设备的成本和复杂性。
数字微流控技术(DMF)已成为广泛用于生物和化学应用的强大的制备技术。DMF能够在不需要泵、阀门或复杂的管阵列的情况下对多种样本和试剂(包括固体、液体和甚至刺激性化学物质)进行实时、精确和高度灵活的控制。在DMF中，纳升至微升体积的离散液滴从贮存器被分配到涂覆有疏水绝缘体的平坦表面上，其中通过将一连串的电势施加到嵌入式电极阵列来对它们进行操控(传送、分裂、合并、混合)。可以单独使用DMF或使用其中DMF与基于通道的微流控集成的混合系统来执行复杂的反应步骤。
尽管取得了重大进展，但蒸发(特别是在空气基质DMF中)和表面结垢仍然是问题。当来自反应混合物的组分在与微流控或DMF设备的表面接触后不可逆地粘附到这些表面上时发生表面结垢。当操作较高(例如，高于37℃)的温度时，表面结垢是特别严重的问题。已经提出了各种策略来防止表面结垢，诸如使用聚合物、玻璃和金属来制造微流控通道或对材料表面进行化学改性。然而，尽管致力于测试和制造耐表面结垢的表面和表面涂层，但是这些策略获得的成功有限，特别是在DMF的情况下。在一些情况下，旨在防止表面结垢的涂层可能引起与所使用的反应混合物和/或试剂的不期望的相互作用和二次反应。一般而言，期望会有一种简单的解决方案使微流控和DMF设备中的表面结垢最小化。
当在空气基质DMF设备中执行反应时，蒸发也是一个问题。一般而言，空气基质DMF装置可以指其中由DMF装置操控的液滴被空气(或任何其他气体)基质包围的DMF装置的任何非液体接口。如本文中所使用的，空气基质还可以并且可互换地被称为“气体基质”DMF装置，尽管气体可以是空气，但并非一定是空气。在空气基质DMF方法中并且长时间地进行加热(例如，大于30秒)，蒸发可能是尤为严重的问题。蒸发限制了空气基质DMF的效用，因为酶反应通常对反应物浓度的变化高度敏感。很大程度上是因为这个原因，其他人已尝试将油基质DMF用于生物化学应用，尽管包括以下的诸多缺点：整合垫片或装配结构以包含油的复杂性的增加；进入周围的油中的反应物的不需要的液-液萃取；与油混溶性液体(例如，诸如乙醇的有机溶剂)不相容；以及高效的热量损耗，这破坏了局部加热并经常使温度敏感反应混乱。用于解决蒸发问题的另一种策略是将空气基质DMF设备放置在封闭的加湿室中，但是这经常导致DMF表面上的不希望的凝结、难以进入装置和/或进入装置受限以及需要额外的实验室空间和基础设施。
还提出了通过将反应液滴从空气基质DMF设备转移到微毛细管中来避免蒸发，其中它们可以在专用的芯片外模块中被加热而没有蒸发问题。然而，这使空气基质DMF设备的设计和制造复杂化并且引入了增加的微毛细管接口的复杂性并且要与外围模块协调。
因此，存在对可以防止或限制蒸发和/或防止或限制表面结垢的空气基质DMF装置和方法的需求。本文中描述了可以解决这个需求的装置和方法。
本公开概述
本文中描述了使表面结垢和/或蒸发最小化的空气基质DMF装置。
典型的DMF装置可以包括由气隙分开的平行板；板中的一个(通常是底板)可以包含单独可控制的致动电极的图案化阵列，并且相对板(例如，顶板)可以包括一个或更多个接地电极。可选择地，可以将一个或更多个接地电极设置在与致动(例如，高压)电极相同的板上。板的气隙中的表面可以包括可以是电介质的疏水性材料，或者在一些变型中可以包括额外的电介质层。一个或更多个疏水层和/或电介质层可以降低表面的润湿性并增加液滴与控制电极之间的电容。当液滴在板之间的气隙空间中时，液滴可以被移动或者以其他方式操控。气隙可以被分成区域，并且板的一些区域可以包括通过与该区域热接触的热调节器(例如，珀尔帖(Peltier)设备、电阻式加热设备、对流加热/冷却设备等)的并且可以局限于该区域的加热/冷却。可以检测利用空气基质DMF装置执行的反应，包括成像或其他基于传感器的检测，并且可以在一个或更多个局部区域处或在空气基质DMF装置的整个或大部分的气隙空间上执行反应。
一般而言，本文中所描述的任何空气基质装置可以包括横向延伸穿过装置的板的反应室开口。反应室开口通常被配置为使反应室井与气隙流体连通。通过板的开口可以被称为反应室开口(reaction chamber opening)并且这个开口进入的室可以被称为反应室井(reaction chamber well)(或者简称为“反应室”)。反应室开口可以至少部分地由来自多个(the plurality of)致动电极中的致动电极包围；这些电极可以向下延伸至开口中，离开板的平面。在这些变型的任一个中，反应室开口可以穿过致动电极。
反应室开口可以是任何适当的尺寸和形状。开口可以是圆形的、椭圆形的、正方形的、三角形的、六边形的、矩形的等等。反应室开口的宽度可以在0.1mm与20mm之间(例如，宽度在1与15mm之间、在2与12mm之间等等)。
本文中所描述的空气基质DMF装置和方法可以实现在一定范围的温度(包括但不限于4-95℃)和培养时间(包括但不限于时间多达6小时或更多，例如，多达1小时、多达2小时、多达3小时等)上容易和可靠地执行生物化学反应。本文中所描述的空气基质DMF装置可以包括至少一个反应室井和/或可以被配置为耦接至一个或更多个反应室井。反应室井可以紧紧靠近于至少一个致动电极。在一些变型中，反应室井可以包括在气隙中操作的多个致动电极的平面之外的一个或更多个致动电极。反应室井可以与DMF装置的气隙区域的其他区域流体连通。
空气基质DMF装置的气隙区域可以包括用于保持起始反应溶液的一个或更多个区域以及用于可以包括用于反应的后续组分(例如酶，核苷酸等)或额外的反应溶液(溶剂)的其他溶液的区域。一个或更多个贮存器可以与气隙连通，并且在一些情况下，可以存在用于引入具有起始材料、试剂溶液等的溶液的进入孔。进入孔可以连接到起始组分、其他反应组分、反应试剂等等的外部源。在其他情况下，可以提供具有所有需要的反应物质的DMF装置。
反应室井可以定位为与一个或更多个致动电极紧密相邻。例如，致动电极可以与反应室开口相接触以使得能够将液滴输送到反应室中。在一些情况下，可以从气隙DMF装置移除一个或更多个反应室井，例如，反应室井可以是可以牢固地耦接到反应室开口的离心管(例如，诸如0.2ml、0.3ml、0.4ml、0.5ml、0.6ml、0.7ml、0.8ml、0.9ml、1ml、1.2ml、1.4ml、1.5ml、1.8ml、2ml等的任何合适体积的微量离心管、Eppendorf管等)或多井板(例如，诸如96井板、384井板、1536井板等的任何合适大小和体积的微量滴定板等)。在一些变型中，反应室井可以形成在诸如由还可以用作用于致动电极的基板的印刷电路板(PCB)形成的第一板或第二板内。
例如，本文中描述了被配置为防止蒸发和表面结垢的空气基质数字微流控(DMF)装置。空气基质DMF装置可以包括：第一板，其具有第一疏水层；第二板，其具有第二疏水层；气隙，其形成在第一疏水层与第二疏水层之间；多个致动电极，其被布置在与第一疏水层相邻的第一平面中；一个或更多个接地电极；以及反应室开口，其横向延伸穿过第一板，该反应室开口被配置为使反应室井与气隙流体连通，其中反应室开口至少部分地被来自多个致动电极的致动电极包围。
被配置为防止蒸发和表面结垢的空气基质数字微流控(DMF)装置可以包括：第一板，其具有第一疏水层；第二板，其具有第二疏水层；气隙，其形成在第一疏水层与第二疏水层之间；多个致动电极，其被布置在与第一疏水层相邻的第一平面中；一个或更多个接地电极；反应室开口，其延伸穿过第一板，该反应室开口被配置为使反应室井与气隙流体连通，其中反应室开口至少部分地被来自多个致动电极的致动电极包围；反应室覆盖物，其与反应室开口相邻，该反应室覆盖物被配置为被致动以遮蔽反应室开口并且将反应室与气隙隔离；以及控制器，其电耦合到多个致动电极并且被配置为将能量施加到多个致动电极以将液滴移入和移出反应室。被配置为防止蒸发和表面结垢的空气基质数字微流控(DMF)装置可以包括：第一板，其具有第一疏水层；第二板，其具有第二疏水层；气隙，其形成在第一疏水层与第二疏水层之间；多个致动电极，其被布置在与第一疏水层相邻的第一平面中；一个或更多个接地电极；反应室开口，其横向于第一平面延伸穿过第一板，该反应室开口被配置为使反应室井与气隙流体连通，其中该反应室开口至少部分地被来自多个致动电极的致动电极包围；一个或更多个反应室致动电极，其在反应室开口内，其中该一个或更多个反应室致动电极被定位在或延伸至第一平面外；反应室覆盖物，其与反应室开口相邻，该反应室覆盖物被配置为被致动以遮蔽反应室开口并且将反应室与气隙隔离；以及控制器，其电耦合到多个致动电极以及一个或更多个反应室致动电极并且被配置为施加能量以将液滴移入和移出反应室。
这些装置中的任何一个可以包括反应室覆盖物。一般而言，术语“覆盖物”被广义地理解为任何覆盖物，包括被配置为使反应室与气隙隔绝和/或密封反应室的覆盖物，以及反应室中的在反应液滴处于反应室井内时覆盖反应液滴的一种或多种物质(例如，油、蜡等)。
在一些变型中，反应室覆盖物定位为与反应室开口相邻并且配置为被致动以遮蔽反应室开口并且将反应室与气隙隔离。
本文中所描述的任何装置变型可包括反应室内的油或蜡。如本文中所描述，即使包含单独的反应室装置，蜡也可以被包含在气隙中。蜡可以作为可以被熔化以形成液体并与反应液滴结合的固体(例如，壁、通道、穴或其他蜡结构)存在于热区(例如，气隙的热控制的子区域)中。液态蜡在与反应液滴一起混合时通常将会在液滴之上和周围形成涂层，从而防止它蒸发。
反应室开口可以被包围并且穿过来自多个致动电极中的致动电极。例如，反应室开口可以是穿过致动电极和板的任何其他层的孔。本文中所描述的任何反应井还可以或可选择地包括在反应室开口内的一个或更多个反应室致动电极。反应室致动电极可以被配置为连接到控制和/或协调多个致动电极的激活的同一控制器，例如以在气隙内移动一个或更多个液滴。例如，DMF装置可以包括反应室开口内的一个或更多个反应室致动电极，其中一个或更多个反应室致动电极位于第一平面之外。DMF装置还可以或者可选择地包括在反应室开口内的一个或更多个反应室致动电极，其中一个或更多个反应室致动电极位于反应室内。反应室井的全部或一部分可以包括疏水性外表面。例如，外表面可以涂覆有疏水涂层(其也可以是电介质材料/涂层)。在一些变型中，恰好致动电极上方(紧邻)的区域是疏水的，例如，反应室致动电极可以涂覆有电介质和疏水涂层。
反应室覆盖物可以耦接至第二板。例如，当反应室覆盖物包括塑料、金属或被适配(例如，尺寸制成，成形等)以符合反应室开口并且在一些情况下将其密封的其他夹杂物。第二板可以是柔性的并且配置为被推压以将反应室覆盖物密封在反应室开口上。在一些变型中，第二板本身用作反应室盖，偏斜以封闭反应室开口。一般而言，第二板可以是柔性的并且被配置为被推压以密封反应室开口。
本文中所描述的任何空气基质DMF装置可以包括热调节器，该热调节器与第一板相邻并且被配置为控制反应室和气隙的一部分的温度。
如上文所提及的，空气基质DMF可以包括形成装置的板的一部分或连接到装置的板的任何适当的反应室井。例如，可以在板的厚度内(例如，在诸如形成板的PCB的基板内)形成反应室井。因此，第一板可以包括在第一板的厚度内的反应室。第一板可以包括印刷电路板(PCB)并且反应室在PCB内形成为井。可选择地，空气基质DMF装置可以包括第一板，该第一板被配置为与多井板匹配，使得反应室开口与多井板的井匹配。可选择地或另外地，DMF装置的第一板可以被配置为与离心管匹配使得反应室开口与离心管匹配。
气隙层大体上可以包括至少一个样本区域和至少一个试剂区域。
在本文中所描述的任何变型中，反应室开口可以与疏水层和/或电介质层齐平。反应室井的内表面可以是亲水的或疏水的。例如，在其中在反应室井中没有致动电极的变型中(它可以主动地将液滴移动到井中)，可能有利的是，表面是亲水的以吸引液滴并将其拉入井内。在反应室中有一个或更多个致动电极的变型中，表面可以是疏水的。如所提及的，任何反应室井(为了简便起见，其在本文中可以仅被称为“反应室”)可以包括一个或更多个电极，例如，致动电极。
本文中还描述了使用气隙DMF装置来防止或减少蒸发的方法。例如，操作基质数字微流控(DMF)装置以防止蒸发和表面结垢的方法可以包括：将反应液滴引入到空气基质DMF装置的形成在空气基质DMF装置的第一板与第二板之间的气隙中；沿着气隙传送反应液滴并通过延伸穿过第一板的反应室开口，并且进入反应室井中；覆盖反应室井内的反应液滴以使反应液滴免于蒸发；并且允许反应在反应液滴内进行。
操作基质数字微流控(DMF)装置以防止蒸发和表面结垢的方法可以包括：将反应液滴引入空气基质DMF装置的形成在空气基质DMF装置的第一板与第二板之间的气隙中，其中第一板包括多个相邻致动电极；通过将能量施加到多个致动电极中的致动电极的子集，沿着气隙传送反应液滴并且通过延伸穿过第一板的反应室开口，并且进入反应室中；覆盖反应室井内的反应液滴以使反应液滴免于蒸发；并且对反应室井进行加热使得反应可以在反应液滴内进行。
操作基质数字微流控(DMF)装置以防止蒸发和表面结垢的方法可以包括：将反应液滴引入至空气基质DMF装置的形成在该空气基质DMF装置的第一板与第二板之间的空气隙中，其中第一板包括多个相邻致动电极；通过将能量施加到多个致动电极中的致动电极的子集，沿着气隙传送反应液滴并通过延伸穿过第一板的反应室开口，并且进入反应室井中；用覆盖物密封反应室的井开口以将反应室开口与气隙隔绝，以防止反应液滴蒸发；并对反应室井进行加热，使得反应可以在反应液滴内进行。
将反应液滴引入到气隙中大体上可以包括使多个液滴结合以在气隙内形成反应液滴。
在这些示例中的任何一个中，第一板可以包括多个相邻致动电极，并且其中，传送反应液滴包括向多个相邻致动电极的致动电极的子集施加能量。在这些示例中的任何一个中，覆盖反应液滴可以包括利用覆盖物密封反应室井开口以将反应室开口与气隙隔绝，以使反应液滴免于蒸发。
覆盖反应室通常大体上可以包括使反应液滴与反应室内的油或蜡的液滴相结合。如上所述，油或蜡可以与反应液滴混合并将它包覆，从而防止蒸发。仍然可以通过包括通过与反应液滴相结合形成的任何蜡或油覆盖物的覆盖物观察到液滴。
在本文中所描述的任何变型中，允许反应进行可以包括例如使用与之前所描述的相同或不同的热控制器以加热和/或冷却热区来加热反应室。
在一些变型中，密封反应室井开口包括推压第二板以覆盖反应室井开口。
这些方法中的任何一种还可以包括通过向反应井内的至少一个致动电极施加能量来将反应室液滴从反应井移动到气隙中。这些方法中的任何一种还可以包括检测反应液滴内的产物。可以通过视觉和/或(例如使用比色测试等)检测产物。
本文中还描述了空气基质DMF装置，其在室温和低于室温下包括处于固态的蜡材料，但是当蜡结构被加热时，可以可选择性地并且可控地与气隙内的反应液滴相结合。例如，本文中所描述的是被配置为防止蒸发的空气基质数字微流控(DMF)装置。该装置可以包括：第一板，其具有第一疏水层；第二板，其具有第二疏水层；气隙，其形成在第一疏水层与第二疏水层之间；多个致动电极，其与第一疏水层相邻，其中每个致动电极限定气隙内的单位单元(unit cell)；一个或更多个接地电极，其与多个致动电极中的致动电极相邻；热调节器，其被布置为对气隙的热区部分进行加热，其中多个单位单元与热区相邻；蜡主体，其在气隙的热区内；以及控制器，其被配置为调节热区的温度以熔化蜡主体并且将能量施加到多个致动电极的致动电极以使液滴移动通过气隙。
蜡主体可以跨越一个或更多个(例如，多个相邻的)单位单元。蜡主体可以包括气隙内的蜡壁。在一些变型中，蜡主体在气隙内形成通道或容器。例如，蜡主体可以在气隙中形成凹陷形状，这可以帮助其在被加热时与反应液滴结合。一般而言，蜡主体可以在与反应液滴临近结合之前被熔化。在一些变型中，蜡主体本身可以是通过空气基质DMF装置移动到位的液滴(蜡滴)，从而它可以与反应液滴相结合。
蜡主体可以由室温下通常为固体的任何适当的蜡形成，例如，石蜡。其它的蜡通常可以包括接近环境温度的疏水的、可延展的固体，诸如高级烷烃和脂质，通常熔点高于约40℃(104°F)，其可以熔化以得到低粘度液体。蜡的实例包括天然蜡(蜂蜡、植物蜡，石油蜡等)。
这些装置中的任何一个可以包括诸如上文所描述的那些特征，例如，与热调节器热连通的至少一个温度传感器。多个致动电极可以形成第一板的一部分。该一个或更多个接地电极可以与从第一板跨气隙的第二疏水层相邻。该装置还可以包括在第一疏水层与多个致动电极之间的电介质(或者在一些变型中，电介质层是疏水层，因为一些疏水层也是电介质材料)。如上所述，热调节器可以是热电加热器。
本文中还描述了防止空气基质数字微流控(DMF)装置内的液滴蒸发的方法，该方法可以包括：将反应液滴引入至空气基质DMF装置的形成在空气基质DMF装置的第一板与第二板之间的气隙中；熔化空气基质DMF的气隙内的蜡主体；使反应液滴与熔化的蜡主体相结合以使反应液滴免于蒸发；并且允许反应在反应液滴内进行。
熔化蜡主体通常包括将气隙的包括热区的一部分的温度升高到高于形成蜡主体的蜡的熔点的温度。在一些变型中，熔化蜡主体包括熔化在气隙内形成为壁或开放腔室的固态蜡主体。
将反应液滴引入至气隙中可以包括使多个液滴结合以在气隙内形成反应液滴。第一板可以包括多个相邻致动电极，并且其中，将反应液滴与熔化的蜡主体相结合包括将能量施加到多个相邻致动电极的致动电极的子集，以在熔化蜡主体之前将液滴移动为与蜡主体相接触。
第一板可以包括多个相邻致动电极，其中使反应液滴与熔化蜡主体相结合可以包括将能量施加到多个相邻致动电极中的致动电极的子集，以将反应液滴移动为与蜡主体相接触。
允许反应进行可以包括加热气隙的包含反应液滴的部分。如所提及的，这些方法中的任何一种可以包括检测反应液滴内的产物。
尽管本文中所描述的大多数设备是包括形成气隙的两个平行板的空气基质DMF装置，但这些技术(方法和装置)中的任何技术可以适合于操作作为单板空气基质DMF装置的一部分。在这种情况下，该装置包括单个板并且可以在单个(例如，第一)板上方向大气开放；“气隙”可对应于板上方的其中一个或更多个液滴可在单板上行进的区域。一个或更多个接地电极可以定位成与每个致动电极相邻(例如，紧挨着)，例如，位于单个板之中、之上或之下。该板可以涂覆有疏水层(并且额外的电介质层可以位于疏水层与电介质层之间，或者同一层可以是电介质的和疏水的)。用于校正蒸发的方法和装置可以特别适合于这种单板空气基质DMF装置。
附图简述
在随附的权利要求中具体阐述了本发明的新颖的特征。通过参考下文详细描述将获得对本发明的特征和优点的更好理解，下文详细描述阐述了利用本发明的原理的说明性实施例和附图，在附图中：
图1是空气基质DMF装置的一部分的示例的顶视图，示出了(由下面的致动电极限定的)多个单位单元和反应室开口(进入孔)。
图2A示出了图1的顶视图并且图2B-2D示出了可以在空气基质DMF装置中使用的反应室井的变型的侧视图。在图2B中，反应室井包括离心管；在图2C中，反应室井包括井板(well plate)(其可以是多井板(multi-well plate)的一部分)；并且在图2D中，反应室井形成为空气基质DMF装置的板的一部分。
图3A-3E示出如本文中所描述的(例如，由空气基质DMF装置的控制器控制的)进入并且然后离开反应室的移动。在这个实施例中，在空气基质DMF装置的侧视图中示出了反应室井并且反应室被一体地形成在空气基质DMF装置的其中包括致动电极(反应井致动电极)的板(例如，第一板或下板)中。
图4A和4B示出了空气基质DMF装置的侧视图，其中反应室井包括可与反应液滴相结合并且覆盖反应液滴的惰性涂覆物质(例如，油、蜡等)。
图5A-5B示出了空气基质DMF装置的一部分的一个实施例的侧视图，其中顶板是柔性的并且包括耦接至该板的用于反应室开口的覆盖物(例如，插塞，盖帽(cap)，盖(lid)等)。图5A示出了反应室开口被密封之前的反应室井(被构造为管)，并且图5B示出了在推压柔性顶板以用插塞密封反应室开口之后的反应室。
图5C-5D示出使用具有与反应室井开口相对的集成覆盖物的柔性顶板来密封反应室井的另一变型。图5C示出了被密封前的反应室井并且图5D示出了在向下推压顶板以将反应室井密封之后的反应室井。
图6A示出了包括熔化的并且覆盖反应液滴的蜡(在这个示例中为石蜡)主体的空气基质DMF装置的时间序列照片。
图6B是在不使用蜡主体覆盖反应液滴的情况下，示出明显的蒸发的类似于图6A(3)和6A(4)中所示的时间序列的示例。
图7是比较在具有和没有如本文中所描述的使反应液滴免于蒸发的蜡覆盖物的情况下的LAMP的扩增反应的图表。
图8A示出了使用石蜡介导的方法的LAMP的图形化的结果；这可以与图8B所示出的使用常规方法的LAMP的图形化结果的图表进行定性比较。
详细描述
本文中描述了可以使表面结垢和/或蒸发的效应最小化的空气基质数字微流控(DMF)方法和装置。如本文中所描述的空气基质DMF装置在加热正在被处理的反应液滴时会是特别有用的。
一般而言，如本文中所公开的空气基质DMF装置可具有任何适当的形状或尺寸。如本文中所使用的，术语“表面结垢”可以指不想要的材料在固体表面(包括空气基质DMF装置的气隙(例如，上板和/或下板表面))上的积聚。表面结垢材料可以由生物体(生物淤积)或(无机或有机的)非生物物质组成。表面结垢通常与其他表面生长现象不同之处在于它发生在系统或部件的表面上并且结垢过程阻碍或干扰功能。
本文中所描述的空气基质DMF装置大体上包括至少一个疏水表面和与该表面相邻的多个致动电极，疏水表面也可以是电介质材料或者额外的电介质材料/层可以位于致动电极与疏水表面之间。例如，在一些变型中，空气基质DMF包括形成第一板或底板的印刷电路板(PCB)上的一系列的层。这个板的外(顶)表面是疏水层。在这个层上方的是气隙(气隙区域)，可以沿该气隙操控反应液滴。在一些变型中，第二板可以定位成与第一板相对，从而在两者之间形成气隙区域。第二板也可以包括疏水涂层，并且在一些变型中，还可以包括与致动电极相对的一个接地电极或多个接地电极。致动电极可以被配置用于在DMF设备内使液滴从一个区域移动到另一个区域，并且可以被电耦合到用于施加能量以驱动液滴在气隙中移动的控制器(例如，控制电路)。如所提及的，这个板还可以包括用于增加反应液滴与致动电极之间的电容的电介质层。可以处于贮存器中的反应起始材料和试剂以及额外的添加试剂可以被分配到在反应过程中通常保持反应混合物的气隙中。在一些情况下，在后续步骤中所需的起始材料、试剂和组分可以存储在气隙层的独立区域中，使得它们彼此靠近而防止它们过早地彼此混合。在其它情况下，气隙层可以包括能够分隔不同反应混合物的特征，使得它们可以彼此靠近但是被物理屏障隔开。一般而言，气隙的底面位于第一板中，并且与一连串的致动电极电接触。
本文中所描述的气隙DMF装置还可以包括用于提供所需反应条件的其他元件。例如，气隙DMF装置可以包括用于加热和冷却气隙的全部或一个区域(热区)的一个或更多个热调节器(例如，诸如热电模块的加热或冷却元件)。在其他情况下，可以通过控制吸热或放热反应以调节温度来提供加热或冷却。气隙DMF装置还可以包括用于在反应运行期间监测温度的温度检测器(例如，电阻式温度检测器)。
因此，本文中所描述的气隙DMF装置可以包括一个或更多个热区。热区是气隙DMF装置上的可以被加热或冷却的区域(例如，气隙)，其中热区可以通过与该区中的气隙区域相接触的一个或更多个表面(例如，第一板)将加热或冷却传递到热区内的液滴。可以通过诸如热电模块的热调节器或其他类型的温度调节部件进行加热和冷却。可以通过温度检测器或传感器来监测一个或多个热区的温度，其中温度信息可以被传送到计算机或其他电信设备。如当这些装置被配置为执行一个或更多个反应(例如但不限于：核酸扩增、类似LAMP、PCR、分子测定、cDNA合成、有机合成等)时，通常在4℃与100℃之间调节温度。
气隙DMF装置还可以包括一个或更多个热空隙。热空隙可以被布置为与不同的热区相邻。热空隙通常是其中热传导受到限制的区域，例如，通过去除板(例如，第一板)的一部分(形成“空隙”)。可以策略性地放置这些空隙以隔离一个热区与另一个，这允许在每个热区内保持正确的温度。
一般而言，本文中所描述的任何空气基质DMF装置可以包括与装置的气隙分离或可分离的，但是可以通过气隙区域进入的单独的反应室。反应室通常包括与气隙的下表面(例如，第一板)连续的反应室开口和形成杯状区域的反应室井，其中可以通过装置可控地放置(并且在一些变型中移除)液滴以在被覆盖时执行反应。覆盖物可以是机械覆盖物(例如，密封或部分密封反应室开口的覆盖物)或者是包覆、包裹或以其他方式包围反应液滴的覆盖物，诸如在反应室中使两者结合时与反应液滴混合(然后分离并且包围反应液滴)的油或蜡材料。
通常，反应室开口可以是任何形状或尺寸(例如，圆形、正方形、矩形、六边形、八边形等)并且可以穿过第一(例如，下)板并且进入反应室井。在一些变型中，反应室开口穿过一个或更多个致动电极，特别地，反应室开口可以完全地或部分地被致动电极包围。
图1示出了示例性空气基质DMF装置101的顶视图。如所示出的，DMF设备可以包括由致动电极限定的一系列路径。致动电极103在图1中被示出为一系列正方形，每个正方形限定一个单位单元。这些致动电极可以具有任何适当的形状和尺寸并且不限于正方形。例如，由第一层中的致动电极形成的单位单元可以是圆形、六边形、三角形、矩形、八边形、平行四边形等等。在图1的示例中，表示单位单元的正方形可以指示在DMF设备中的致动电极的物理位置或者可以指示致动电极具有效果的面积(例如，使得在液滴位于指定区域上时，对应的致动电极可以影响液滴的运动或其他物理特性的有效面积)。致动电极103可以以任何图案放置。在一些示例中，致动电极可以跨DMF装置的气隙的整个对应的底部表面或顶部表面。致动电极可以与起始样本室(未示出)以及试剂室(未示出)电接触以用于将不同液滴移动到气隙内的不同区域以与试剂液滴混合或加热。
在本文中所描述的空气基质装置中，第一(下)板还包括一个或更多个反应室开口(进入孔)105、105'。进入反应室井可以允许最初引入反应液滴或允许稍后添加试剂液滴。特别地，一个或更多个反应液滴可以在气隙中被操控(移动、混合、加热等)并且暂时或永久地移出气隙并通过反应室开口进入反应室井。如所示出的，一些反应室开口105'穿过致动电极。如将在本文中更详细地示出的，反应室本身可以包括可用于将反应室液滴移入/移出反应室井的额外的致动电极。在一些变型中，一个或更多个致动电极可以继续(离开气隙的平面)进入反应室井。
一般而言，可以随后手动地或通过自动装置将一种或多种附加试剂引入至气隙中。在一些情况下，进入孔可以是实际进入端口，其可以通过用于在稍后的时间引入额外的反应组分或试剂的管而耦接至试剂或反应组分的外部贮存器。如所提及的，进入孔(包括反应室开口)可以被定位为紧邻于一个或更多个DMF致动电极。进入孔105、105’还可以被设置在DMF装置的侧面或底部。一般而言，该装置可以包括用于控制致动电极的操作包括将液滴移入和/或移出反应室的控制器110。控制器可以与电极电连通并且它可以以受控的方式施加电力以协调气隙内的液滴的移动以及进入/离开反应室。控制器还可以电连接到一个或更多个温度调节器(热调节器120)以调节热区115中的温度。还可以包括一个或更多个传感器(例如，视频传感器、电传感器、温度传感器等)(未示出)并且该一个或更多个传感器可以向控制器提供输入，该控制器可以使用来自这一个或更多个传感器的输入来控制运动和温度。
如上文所指出的，表面结垢是困扰微流控(包括DMF设备)的问题。当反应混合物的某些成分不可逆地吸附到反应混合物所接触的表面上时发生表面结垢。在包含蛋白质和其他生物分子的样本中，表面结垢也似乎更普遍。温度升高也可能导致表面结垢。本文中所描述的DMF装置和方法旨在使表面结垢的效应最小化。一种这样的方式是在与气隙层流体连通的反应室中执行大部分反应步骤。反应室可以是如图2B和2C中所示出的能装进DMF设备的孔中的插入物。图2B示出耦接到离心(例如，Eppendorf)管205的气隙区域的底板(例如，第一板)而图2C将(例如，单井板或多井板的)井板207嵌入到气隙区域的底板中。如图2D中所示，内置井209也可以具体制造成被包含在空气基质DMF装置中。当使用单独的或可分离的管或板时，可以使用任何合适的耦接或粘合手段(例如，卡扣配合、摩擦配合、螺纹连接、诸如胶水、树脂等的粘合剂等等)将管耦接至DMF设备。
一般而言，在DMF设备内具有专用的反应室使得表面结垢最小化，尤其是当反应被加热时。因此，尽管在反应室内仍可能发生表面结垢，但它可以主要被限制在反应室内。这允许大部分的气隙区域底板保持被表面结垢最小程度的污染，并且如果需要的话，可以干净地用于后续转移试剂或额外的反应物质，从而允许执行多步骤或更复杂的反应。当反应步骤或在某些情况下，整个反应完成时，含有产物的液滴可以被移至反应室外以进行分析。在一些示例中，可以在反应室内直接分析产物液滴。
为了使包含起始材料和试剂液滴的一个或更多个液滴进入反应室中，可以使用还可以用电介质层和疏水层(或疏水/电介质层的组合)覆盖/涂覆的额外的致动电极。图3A-3E示出了绘示液滴301移动进入和移出集成的井305的一系列的示图。如这一系列示图所示，除了沿气隙层的底板排列成行之外，额外的致动电极307还排列在井的侧面和底部。在一些变型中，气隙中的相同的致动电极可以延伸到反应室开口中。致动电极307(例如，反应室致动电极)可以嵌入至井中或者存在于井的侧面和底部，用于驱动液滴移动进入/离开反应室井。致动电极还可以覆盖反应室的开口。在图3A中，可以(使用DMF)将气隙层中的液滴301(例如，反应液滴)移动至反应室开口。沿着井的边缘和井的侧面的致动电极307在液滴(如在图3B和3C中所示的)沿着井壁向下移动到井的底部时与液滴保持接触。一旦处于反应室井中，(如下面更详细描述的，通过在反应室开口上放置覆盖物(例如，盖，盖帽等)和/或(例如，当液滴含水时)通过将液滴与诸如油或蜡的覆盖(例如，包覆)材料相混合)液滴可以被覆盖。一般而言，可以允许液滴进一步地在井内反应，并且可以进行温度调节(例如，加热、冷却等)，可以添加额外的材料(未示出)和/或它可以被观测(以检测反应产物)。可选择地或另外地，可以使用致动电极将液滴移出井外，如果使用机械覆盖物(例如，盖)，则可以首先将它移除。如果已使用了包覆材料，则可以将它留下。
在一些变型中，接触件可以穿透反应室的表面。例如，可以有至少十个电插入点，以便在致动电极与反应室的内部之间提供充分的电接触。在其它示例中，可能需要至少20、30或甚至是40个电插入点来为反应室的所有内表面提供充分的接触。反应室的内部可以是疏水的或亲水的(例如，以帮助接受液滴)。如所提及的，电极(致动电极)可以施加电势以将液滴移入和/或移出井。
一般而言，致动电极可以以受控的方式将液滴带入井中并且当液滴移动到井中时使液滴的扩散最小化，并且因此尽可能地将样本液滴保持为是凝聚的。图3D和3E示出了液滴在井壁上向上移动并且然后离开反应室。尽管这些步骤还可以或者可选择地在井内执行，但这对于执行额外的后续步骤或检测或分析液滴内感兴趣的产物会是有用的。致动电极可以位于与气隙层相接触的井的底面、侧面和凸缘(lip)上，一些致动电极还可以或可选择地存在于上(顶)层上。
在如图2A和2B中所示的反应隔室是与DMF设备集成在一起的独立结构的情况下，基板(例如，PCB)的厚度可以类似于在DMF制造中常用的厚度。当反应隔室是如图2D中所示的在DMF设备的底板中制造的集成井结构时，基板的厚度可以等于井的深度。
在另一个实施方式中，嵌入在反应隔室中的电极可以包括用于电检测反应输出的电极。电检测方法包括但不限于电化学。在一些情况下，当电极接触反应液滴、试剂液滴或额外的反应组分时，使用电极的电特性的变化来获得关于反应的信息(例如，与液滴的位置相关的电阻的变化)。
本文中所描述的装置还可以防止蒸发。蒸发会导致反应混合物浓缩，这会是有害的，这是因为反应混合物中的试剂的损失会改变反应混合物的浓度并且会导致中间反应液滴与随后加入的给定浓度的其它反应物质之间的浓度的失配。在一些变型中，诸如酶促反应，酶对反应环境的变化高度敏感并且试剂的损失会改变某些酶的有效性。当反应混合物不得不长时间地被加热到环境温度以上时，蒸发问题尤为严重。在许多情况下，微流控和DMF设备利用油基质在微流控和DMF设备中执行生物化学类型反应来解决不希望的蒸发。在DMF反应中使用油的一个主要缺点是增加了纳入附加结构以包含油的复杂性。
本文中所描述的井或反应室结构提供了用于在DMF装置中保持油的简单解决方案。图4A和4B示出了具有集成到DMF设备的结构(反应室井)中的井或管的DMF设备，其中井或管可以包括诸如油405、407的保护/涂层材料。这可以允许在油能够限制反应混合物的蒸发的油环境中执行需要进行加热的反应步骤。如果仍需要另外的步骤，则可以通过使用致动电极将反应液滴移出管或井以将反应液滴移动到不同的位置。包括涂覆或覆盖剂的其他覆盖物可以包括蜡材料(例如，石蜡等)等，其可以被熔化以与反应液滴相结合并且覆盖/涂覆反应液滴。可以调节温度以向液滴添加(或者在一些变型中去除)蜡材料。如下面更详细描述的，蜡材料可以直接用在气隙中，而不需要专门的反应室(或者由蜡材料在气隙中形成反应“室”)。
覆盖液滴可允许执行反应步骤(特别是需要进行加热的那些步骤)并且可以限制蒸发。例如，反应室井可以通过覆盖反应室开口而被机械式地覆盖。图5A-5C提出了一种使用耦接至上板503的盖帽、插塞或盖505来覆盖反应室开口的方式。在这个示例中，DMF装置的顶板可以是柔性的。当将力510施加到顶板的外表面时，板会变形并且盖帽505被向下推压至反应井开口中，从而密封反应室井501，如图5B中所示。在图5A和5B中所示的示例中，反应室井是管505(例如，微量离心管等)。空气基质DMF装置包括具有被疏水性(并且在该示例中为电介质)层509覆盖的致动电极507的下板。
类似地，图5C和图5D示出了其中反应室/井551形成至下板中并且上板503还包括覆盖物505(例如，盖帽，盖，插塞等)的变型。可选择地，即使不包括单独的盖等，也可以将上板降低到覆盖物上以密封反应室/井开口。例如上板本身可以覆盖开口。一般而言，上板不需要是柔性的，因为整个上板可以被降低以密封反应室井(未示出)，如果需要的话，稍后可以将上板恢复到相同的气隙宽度，并且如图3A-3E中所示，可以使液滴返回到气隙或不返回，用于另外的处理/检测。能够在密闭室中进行反应的加热步骤可以有助于防止蒸发并且与整个DMF设备放置在加湿室中的情况不同，在DMF设备的其它区域中不会导致不期望的凝结。
已开发出的另一种防止蒸发的方法是使用蜡(例如，石蜡)来使反应过程中的蒸发最小化。蜡物质可以包括由长烷基链组成的物质。蜡通常在环境温度下基于烃链内的取代量而具有约46℃至约68℃的熔点。在一些情况下，较高熔点的蜡可以是纯化的粗蜡混合物。
如上文所提及的，蜡是(例如，在与气隙的平面分离的反应室内)可以用作覆盖物的一种类型的密封材料。在一些变型中，可以在气隙内使用蜡。特别地，蜡可以有利地保持固态直到期望将它与反应液滴混合，以使它可以涂覆并保护反应液滴。典型地，蜡材料(或其他涂覆材料)可以与反应液滴混合并且包裹(例如，包覆、包围等)含水反应液滴。
当反应液滴保持在石蜡涂层内时，不仅蒸发最小化，而且石蜡还可以将反应液滴与其它潜在的反应干扰因素隔离。在一些情况下，一块固态石蜡或其他的蜡物质可以被放置在DMF设备的气隙层的热区内。例如，在反应期间，致动电极可以将反应液滴移动到蜡(例如，石蜡)主体。当加热到熔化温度时，蜡主体会熔化并且覆盖反应液滴。然后，反应可以持续较长的时间(包括在升高的温度下)，而不需要补充反应溶剂，同时防止蒸发损失。例如蜡包覆的液滴可以被保持和/或移动到热区以控制温度。该温度可以降低或增加(从而允许控制蜡的状态(phase)，因为蜡在反应液滴中进行的反应中通常是惰性的)。该特定热区的温度可以进一步升高以熔化石蜡并且释放反应液滴。当反应液滴被液态蜡或固态蜡包覆时，可以针对期望的产物分析反应液滴，或者在将它从蜡覆盖物移除后，它可以被移动到DMF设备的另一个区域用于另外的反应步骤。可以使用具有所需性质(例如，熔点高于反应温度)的石蜡或其它蜡材料。例如，石蜡通常具有在50与70摄氏度之间的熔点，但是它们的熔点可以随着更长和更重的烷烃的增加而增加。
图6A示出了从使用如上文所论述的空气基质内的蜡主体的示例获得的时间序列图像(标号为1-5)，示出了与没有蜡的控制(图6B中示出的图像1-2)相比蒸发的显著下降。在图6A中，右上方的第一图像示出了已通过空气基质装置中的DMF移动到包含固态蜡主体(例如，石蜡壁601)的热区(“加热区”)的8μL的反应液滴603。一旦就位，如图6A的图像2中所示，反应液滴可以与固态石蜡壁合并(例如，热印刷到DMF上)，或者蜡材料可以首先被熔化(未示出)。在图6A的图像3中，热区被加热(63℃)至蜡材料的熔点或熔点以上，从而熔化反应液滴周围的石蜡，并且如图6A的图像3和4中所示，反应液滴被蜡材料包围/包覆，从而防止液滴蒸发。使用这种方法，在图6A的图像4中所示出的示例中，反应液滴的体积在63℃下持续约2小时(120分钟)的培养时间保持大致恒定。执行没有石蜡壁的等效实验，并且在图6B中示出。图6B中的左侧图片(图像1)示出了在63℃下时间为零的反应液滴603’并且图6B的右侧图片示出了在63℃下持续60分钟后的反应液滴。如所示出的，反应液滴在63℃下约1小时内几乎完全蒸发。
通过将液滴包裹在液体蜡的壳中的这种方法，在不使用油、加湿室、片外加热或液滴补充方法的情况下，反应体积和温度保持恒定。只要蜡的熔化温度高于环境温度，但是低于或等于反应温度，就可以使用石蜡以外的蜡来防止液滴蒸发。这种蜡的示例包括石蜡、蜂蜡和棕榈蜡。可以通过丝网印刷、二维印刷或三维印刷将蜡状固体热印刷在DMF设备表面上。这种蜡介导蒸发防止解决方案是开发用于各种新型高冲击应用的空气基质DMF设备的重要进步。
如所提及的，所描述的基于蜡的蒸发方法可以与具有反应室特征的DMF设备结合使用。在那些情况下，蜡可以存在于反应室中并且反应液滴可以移动到包含蜡的反应室中用于执行需要加热的反应步骤。一旦加热步骤完成，可将反应液滴从反应室移出，用于进行检测或在DMF设备的气隙层内执行随后的反应步骤。
本文中所描述的方法和装置可以用于防止空气基质DMF设备中的蒸发并且可以使得能够方便且可靠地在DMF上执行具有要求温度高于环境温度的任何化学方案。这样的方案包括但不限于、在温度范围(37-100℃)和培养时间范围(≥2小时)上的DNA/RNA消化/断裂、cDNA合成、PCR、RT-PCR、等温反应(LAMP、滚环扩增-RCA、链置换扩增-SDA、解旋酶依赖性扩增-HDA、基因巧合酶扩增反应(Nicking Enzyme Amplification reaction)-NEAR、基于核酸序列的扩增-NASBA、单引物等温扩增-SPIA、交叉引物扩增-CCPA、聚合酶螺旋反应-PSR、滚环复制-RCR)以及基于连接的检测和扩增技术(连接酶链反应-LCR、连接反转录聚合酶链式反应-RT PCR、连接介导聚合酶链反应-LMPCR、聚合酶链反应/连接检测反应-PCR/LDR、连接依赖性聚合酶链式反应-LD-PCR、寡核苷酸连接测定-OLA、扩增期间连接-LDA、连锁探针、开环探针和其他可循环探针连接以及迭代间隙连接-IGL、连接酶链式反应-LCR)。
实施例1：设备制造和组装
通过将5.5mm直径的孔钻入3mm厚的PCB基板中构造包括嵌入式离心管和/或井板的井的DMF装置(例如，图2B、2C)，从而承载用于电极和导电迹线的镀有镍(185μm)和金(3.6.m)的铜(43μm厚)。然后将管和井插入孔中。具有嵌入式井的DMF设备(例如，图2D)被制造具有在15mm厚的PCB基板中钻出的孔(5mm的直径，10mm的深度)。通过传统的光刻和蚀刻形成致动电极(均为10mm×10mm)，并且用阻焊剂(约15μm)作为电介质来涂覆致动电极。如图3A-3E中所示，一些电极形成在被用作至反应室的进入点的孔周围和附近。用聚酰亚胺带(DuPont；Hayward,CA)掩蔽电接触垫，并且用50nm的Teflon-AF层(Fluorinert Fc-40中1％wt/wt，1500rpm，30秒)旋涂基板，并且然后在100℃下烘烤3小时。如上所述，用50nm的Teflon-AF旋涂DMF设备的顶板，该顶板由具有5.5mm直径的PDMS插塞的未图案化的氧化铟锡(ITO)(Delta Technologies Ltd；Stillwater,MN)均匀涂覆的玻璃基板组成。
如上文所述制造的原型设备执行得更好或者与没有反应室的气隙DMF装置一样好。
实施例2：量化使用蜡的蒸发预防
为了在我们的测定中定性评估蜡主体对防止蒸发的影响，使用实时PCR仪器在被覆盖在工作台上的试管中的液态石蜡中的同时，执行环介导的扩增(LAMP)反应。如在图7中所示，LAMP测定扩增了miR-451并且可比较具有和不具有石蜡的Ct值(约13个周期)，从而表明对测定没有显著影响。对于DMF上的LAMP，将反应液滴(8μL)驱动至加热区(如图6A中所示)。在那里，液滴润湿固态石蜡壁，在63℃的条件加热下将熔化成液体蜡以环绕反应体积并在63℃下的整个培养时间使它保持完整。图8A示出了使用石蜡介导的方法的LAMP测定，而图8B示出了使用常规方法的LAMP测定。在图8A中，两条上部的轨迹线用于溶血样本，而两条下部的轨迹线用于非溶血样本。每一个的两条轨迹线显示使用蜡介导的空气基质DMF的运行的可重复性。在图8B中，溶血样本的常规LAMP测定被示出在上面的两条轨迹线中，而非溶血的LAMP运行则被是示出在较低的两条轨迹线中。再次，两条上部和两条下部的轨迹线均示出结果的可重复性。如图8A和8B中所示，DMF上的蜡介导的方法产生的结果在Ct值上可堪比在管中由传统LAMP产生的结果。
当特征或元件在本文被描述为在另一特征或元件“上”时，它可直接在其他特征或元件上，或也可能存在中间的特征或元件。相反，当特征或元件被描述为“直接在”另一特征或元件“上”时，没有中间的特征或元件存在。还应当理解，当特征或元件被描述为“连接”、“附接”或“耦合”到另一特征或元件时，它可直接连接、附接或耦合到其他特征或元件，或可存在中间的特征或元件。相反，当特征或元件被称为“直接连接”、“直接附接”或“直接耦合”到另一特征或元件时，没有中间的特征或元件存在。虽然相对于一个实施例进行了描述或示出，但是这样描述或示出的特征和元件可以应用于其他实施例。本领域技术人员将认识到，提到“邻近”另一特征设置的结构或特征可具有与相邻特征重叠或在相邻特征下方的部分。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本发明。例如，除上下文另有明确说明之外，如本文所用的，单数形式“a(一)”、“an(一)”和“the(所述)”旨在同样包括复数形式。将进一步理解，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”当在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或更多个其它特征、步骤、操作、元素、部件和/或它们的组。如本文所用的，术语“和/或”包括一种或更多种的相关联的所列项目中的任一组合和所有组合，并且可缩写为“/”。
空间相关的术语，诸如“在...下(under)”、“在...下(below)”、“低于(lower)”、“在...上(over)”、“上部(upper)”等可在本文中使用，以便于描述如附图所示的一个元件或特征与另一个元件或特征或多个元件或特征的关系。将理解的是，空间相对的术语旨在包括除了附图中描绘的取向之外的使用或操作中的设备的不同取向。例如，如果附图中的设备被颠倒，被描述为“在其它元件或特征下(under)”、“在其它元件或特征下(beneath)”的元件将然后将被定位成“在其它元件或特征上(over)”。因此，示例性术语“在...下(under)”可涵盖在...上和在...下的两种方向。该设备可以另外地取向(旋转90度或在其他方位)，并且本文使用的空间相对描述词被相应地解释。类似地，除另外特别说明之外，术语“向上(upwardly)”、“向下(downwardly)”、“垂直(vertical)”、“水平(horizontal)”等在本文中用于说明的目的。
虽然术语“第一”和“第二”在本文中可以用于描述各种特征/元件(包括步骤)，但是这些特征/元件不应该受这些术语的限制，除非上下文另有说明。这些术语可以用于将一个部件/元件与另一个部件/元件区分开。因此，在不脱离本公开的教导的情况下，下面讨论的第一特征/元件可以被称为第二特征/元件，并且类似地，下面讨论的第二特征/元件可以被称为第一特征/元件。
在本说明书和所附权利要求书中，除非上下文另有要求，单词“包括”，并且诸如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”的变化形式意味着可以在方法和制品中共同使用各种组分(例如组合物以及包括设备和方法的装置)。例如，术语“包括”将被理解为暗示包含任何所述元件或步骤，但不排除任何其它元件或步骤。
如本文在说明书和权利要求书中所用的，包括在示例中所用的，除非另有明确说明，所有数字可以被读作好像以单词“约(about)”或“大约(approximately)”开头，即使该术语没有明确出现。当描述幅度和/或位置以指示所描述的值和/或位置在值和/或位置的合理预期范围内时，可以使用短语“约”或“大约”。例如，数值可以具有为设定值(或值的范围)的+/-0.1％、设定值(或值的范围)的+/-1％、设定值(或值的范围)的+/-2％、设定值(或值的范围)的+/-5％、设定值(或值的范围)的+/-10％的值等。本文中所陈述的任何数值范围旨在包括其中包含的所有子范围。
虽然上面描述了各种说明性实施例，但是在不脱离如权利要求所描述的本发明的范围的情况下，可以对各种实施例进行若干改变中的任一个。例如，在可选实施例中，通常可以改变执行各种所描述的方法步骤的顺序，并且在其他可选实施例中，可以一起跳过一个或更多个方法步骤。各种设备和系统实施例的可选特征可以被包括在一些实施例中而不被包括在其他实施例中。因此，前面的描述主要被提供用于示例性目的，并且不应被解释为限制如在权利要求中阐述的本发明的范围。
本文所包括的示例和说明通过说明而非限制的方式示出其中可以实践主题的具体实施例。如所提到的，可以利用和从其导出其他实施例，使得可以做出结构和逻辑替换和改变而不脱离本公开的范围。发明主题的此类实施方案可以在本文中单独地和/或共同地由术语“发明”提到，该术语仅出于便利目的并且不意在自愿将本申请的范围限于任何单一发明或发明构思，如果实际上披露的多于一种的话。因此，虽然本文已经说明和描述了特定实施例，但是被设计为实现相同目的的任何布置可以替代所示的特定实施例。本公开旨在覆盖各种实施例的任何和所有修改或变型。在阅读以上描述后，本领域的技术人员将明白以上实施例的组合以及本文未具体描述的其他实施例。

Claims (49)

1.一种空气基质数字微流控(DMF)装置，其被配置为防止蒸发和表面结垢，所述DMF装置包括：
第一板，其具有第一疏水层；
第二板，其具有第二疏水层；
气隙，其形成在所述第一疏水层与所述第二疏水层之间；
多个致动电极，其被布置在与所述第一疏水层相邻的第一平面中；
一个或更多个接地电极；以及
反应室开口，其横向延伸穿过所述第一板，所述反应室开口被配置为使反应室井与所述气隙流体连通，其中所述反应室开口至少部分地被来自所述多个致动电极中的致动电极包围。
2.一种空气基质数字微流控(DMF)装置，其被配置为防止蒸发和表面结垢，所述DMF装置包括：
第一板，其具有第一疏水层；
第二板，其具有第二疏水层；
气隙，其形成在所述第一疏水层与所述第二疏水层之间；
多个致动电极，其被布置在与所述第一疏水层相邻的第一平面中；
一个或更多个接地电极；
反应室开口，其延伸穿过所述第一板，所述反应室开口被配置为使反应室井与所述气隙流体连通，其中所述反应室开口至少部分地被来自所述多个致动电极中的致动电极包围；
反应室覆盖物，其与所述反应室开口相邻，所述反应室覆盖物被配置为被致动以遮蔽所述反应室开口并且将反应室与所述气隙隔离；以及
控制器，其电耦合至所述多个致动电极并且被配置为将能量施加到所述多个致动电极以将液滴移入和移出所述反应室。
3.一种空气基质数字微流控(DMF)装置，其被配置为防止蒸发和表面结垢，所述DMF装置包括：
第一板，其具有第一疏水层；
第二板，其具有第二疏水层；
气隙，其形成在所述第一疏水层与所述第二疏水层之间；
多个致动电极，其被布置在与所述第一疏水层相邻的第一平面中；
一个或更多个接地电极；
反应室开口，其横向于所述第一平面延伸穿过所述第一板，所述反应室开口被配置为使反应室井与所述气隙流体连通，其中，所述反应室开口至少部分地被来自所述多个致动电极中的致动电极包围；
一个或更多个反应室致动电极，其在所述反应室开口内，其中，所述一个或更多个反应室致动电极定位在或延伸到所述第一平面之外；
反应室覆盖物，其与所述反应室开口相邻，所述反应室覆盖物被配置为被致动以遮蔽所述反应室开口并且将反应室与所述气隙隔离；以及
控制器，其电耦合到所述多个致动电极和所述一个或更多个反应室致动电极并且被配置为施加能量以将液滴移入和移出所述反应室。
4.根据权利要求1所述的DMF装置，还包括与所述反应室开口相邻的反应室覆盖物，所述反应室覆盖物被配置为被致动以遮蔽所述反应室开口并且将反应室与所述气隙隔离。
5.根据权利要求1所述的DMF装置，还包括在反应室内的油或蜡。
6.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述反应室开口被包围并且穿过来自所述多个致动电极中的致动电极。
7.根据权利要求1或2所述的DMF装置，还包括在所述反应室开口内的一个或更多个反应室致动电极。
8.根据权利要求1或2所述的DMF装置，还包括在所述反应室开口内的一个或更多个反应室致动电极，其中，所述一个或更多个反应室致动电极位于所述第一平面外。
9.根据权利要求1或2所述的DMF装置，还包括在所述反应室开口内的一个或更多个反应室致动电极，其中，所述一个或更多个反应室致动电极位于所述反应室内。
10.根据权利要求1或2所述的DMF装置，其中，所述反应室覆盖物耦接至所述第二板，并且其中，所述第二板是柔性的并且配置为被推压以将所述反应室覆盖物密封在所述反应室开口上。
11.根据权利要求1或2所述的DMF装置，其中，所述第二板是柔性的并且配置为被推压以密封在所述反应室开口上。
12.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，还包括热调节器，所述热调节器与所述第一板相邻并且被配置为控制所述反应室和所述气隙的一部分的温度。
13.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述第一板包括在所述第一板的厚度内的所述反应室。
14.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述第一板包括印刷电路板(PCB)，并且其中，所述反应室形成为在所述PCB内的井。
15.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述DMF的所述第一板被配置为与多井板匹配，使得所述反应室开口与所述多井板的井匹配。
16.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述DMF的的所述第一板被配置为与离心管匹配，使得所述反应室开口与所述离心管匹配。
17.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述气隙层包括至少一个样本区域和至少一个试剂区域。
18.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述反应室开口与所述第二疏水层齐平。
19.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述反应室的内表面是疏水性的。
20.根据权利要求1、2或3所述的DMF装置，其中，所述反应室的内表面是亲水性的。
21.一种操作基质数字微流控(DMF)装置以防止蒸发和表面结垢的方法，所述方法包括：
将反应液滴引入到所述空气基质DMF装置的气隙中，所述气隙形成在所述空气基质DMF装置的第一板与第二板之间；
沿着所述气隙传送所述反应液滴并且通过延伸穿过所述第一板的反应室开口，并且进入反应室井；
覆盖所述反应室井内的所述反应液滴以使所述反应液滴免于蒸发；并且
允许反应在所述反应液滴内进行。
22.一种操作基质数字微流控(DMF)装置以防止蒸发和表面结垢的方法，所述方法包括：
将反应液滴引入到所述空气基质DMF装置的气隙中，所述气隙形成在所述空气基质DMF装置的第一板与第二板之间，其中，所述第一板包括多个相邻致动电极；
通过将能量施加到多个致动电极中的致动电极的子集来沿着所述气隙传送所述反应液滴并且通过延伸穿过所述第一板的反应室开口，并且进入反应室井中；
覆盖所述反应室井内的所述反应液滴以使所述反应液滴免于蒸发；并且
对所述反应室井进行加热，使得反应能够在所述反应液滴内进行。
23.一种操作基质数字微流控(DMF)装置以防止蒸发和表面结垢的方法，所述方法包括：
将反应液滴引入到所述空气基质DMF装置的气隙中，所述气隙形成在所述空气基质DMF装置的第一板与第二板之间，其中，所述第一板包括多个相邻致动电极；
通过将能量施加到所述多个致动电极中的致动电极的子集来沿着所述气隙传送所述反应液滴并且通过延伸穿过所述第一板的反应室开口，并且进入反应室井中；
用覆盖物密封所述反应室井开口以使所述反应室开口与所述气隙隔绝，从而使所述反应液滴免于蒸发；并且
对所述反应室井进行加热以使反应能够在所述反应液滴内进行。
24.根据权利要求21、22或23所述的方法，其中，将所述反应液滴引入到气隙中包括使多个液滴结合以在所述气隙内形成反应液滴。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一板包括多个相邻致动电极，并且其中，传送所述反应液滴包括向所述多个相邻致动电极中的致动电极的子集施加能量。
26.根据权利要求21或22所述的方法，其中，覆盖所述反应液滴包括用覆盖物密封所述反应室井开口以使所述反应室开口与所述气隙隔绝，从而使所述反应液滴免于蒸发。
27.根据权利要求21或22所述的方法，其中，覆盖所述反应室包括使所述反应液滴与所述反应室内的油或蜡的液滴相结合。
28.根据权利要求21所述的方法，其中，允许反应进行包括对所述反应室井进行加热。
29.根据权利要求23所述的方法，其中，密封所述反应室井开口包括推压所述第二板以覆盖所述反应室井开口。
30.根据权利要求21、22或23所述的方法，还包括通过将能量施加到所述反应井内的至少一个致动电极来使所述反应室液滴从所述反应井移动并进入到所述气隙中。
31.根据权利要求21、22或23所述的方法，还包括检测所述反应液滴内的产物。
32.一种空气基质数字微流控(DMF)装置，其被配置为防止蒸发，所述装置包括：
第一板，其具有第一疏水层；
第二板，其具有第二疏水层；
气隙，其形成在所述第一疏水层与所述第二疏水层之间；
多个致动电极，其与所述第一疏水层相邻，其中，每个致动电极限定所述气隙内的单位单元；
一个或更多个接地电极，其与所述多个致动电极中的致动电极相邻；
热调节器，其被布置为加热所述气隙的热区部分，其中，多个单位单元与所述热区相邻；
蜡主体，其在所述气隙的所述热区内；以及
控制器，其被配置为调节所述热区的温度以熔化所述蜡主体并且将能量施加到所述多个致动电极中的致动电极以使液滴移动通过所述气隙。
33.根据权利要求32所述的装置，其中，所述蜡主体跨越多个相邻单位单元。
34.根据权利要求32所述的装置，其中，所述蜡主体包括所述气隙内的蜡壁。
35.根据权利要求32所述的装置，其中，所述蜡主体在所述气隙内形成通道或容器。
36.根据权利要求32所述的装置，其中，所述蜡主体包括石蜡。
37.根据权利要求32所述的装置，还包括与所述热调节器热连通的至少一个温度传感器。
38.根据权利要求32所述的装置，其中，所述多个致动电极形成所述第一板的一部分。
39.根据权利要求32所述的装置，其中，所述一个或更多个接地电极相邻于与所述第一板距离为所述气隙的所述第二疏水层。
40.根据权利要求32所述的装置，还包括在所述第一疏水层与所述多个致动电极之间的电介质。
41.根据权利要求32所述的装置，其中，所述热调节器包括热电加热器。
42.一种防止空气基质数字微流控(DMF)装置内的液滴蒸发的方法，所述方法包括：
将反应液滴引入到所述空气基质DMF装置的气隙中，所述气隙形成在所述空气基质DMF装置的第一板与第二板之间；
熔化所述空气基质DMF的所述气隙内的蜡主体；
使所述反应液滴与所熔化的蜡主体相结合以使所述反应液滴免于蒸发；并且
允许反应在所述反应液滴内进行。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，熔化所述蜡主体包括将所述气隙的包含热区的部分的温度升高至高于形成所述蜡主体的蜡的熔点的温度。
44.根据权利要求42所述的方法，其中，熔化所述蜡主体包括熔化在所述气隙内形成为壁或开放腔室的固态蜡主体。
45.根据权利要求42所述的方法，其中，将所述反应液滴引入到气隙中包括使多个液滴结合以在所述气隙内形成反应液滴。
46.根据权利要求42所述的方法，其中，所述第一板包括多个相邻致动电极，并且其中，使所述反应液滴与所熔化的蜡主体相结合包括将能量施加到所述多个相邻致动电极的致动电极的子集，以在熔化所述蜡主体之前将所述反应液滴移动为与所述蜡主体相接触。
47.根据权利要求42所述的方法，其中，所述第一板包括多个相邻致动电极，并且其中，使所述反应液滴与所熔化的蜡主体相结合包括向所述多个相邻致动电极中的致动电极的子集施加能量以将所述反应液滴移动为与所熔化的蜡主体相接触。
48.根据权利要求42所述的方法，其中，允许反应进行包括对所述气隙的包含所述反应液滴的部分进行加热。
49.根据权利要求42所述的方法，还包括检测所述反应液滴内的产物。
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