CN108027382B - 用于样品自数字化的系统、方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供了用于对流体样品进行离散化和分析的系统、方法和装置。在一个方面，一种用于将流体样品离散化的微流体阵列包括一个或多个流动通道以及与所述一个或多个流动通道流体连通的多个流体隔室。在另一方面，一种用于对流体样品进行离散化和分析的系统包括被塑形为收容微流体装置的转子部件。

Description

用于样品自数字化的系统、方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年7月7日提交的美国临时申请号62/189,663的权益，该美国临时申请的公开内容通过引用整体并入于此。
关于联邦政府资助研究的声明
本发明在美国国立卫生研究院授予的R21 GM103459下由美国政府支持完成。美国政府对本发明享有一定的权利。
背景技术
将样品离散化成较小流体隔室限定的体积(本文中也称为“自数字化”(self-digitization))在许多化学和生物应用中是有价值的。然而，至少在一些情况下，用于样品自数字化的现有机构可能并不理想。例如，对于一些应用而言，喷雾器和基于搅拌的乳液生成器可能无法提供充分的控制。基于微流体技术的方法在复杂性和成本方面可能不甚理想。在一些情况下，现有方法可能不适于并行地对大量流体样品进行高通量的处理和分析。
因此，需要用于样品的自数字化和操纵的改进系统、方法和装置。本公开内容解决了这一及更多的需要。
发明内容
本公开内容提供了用于对流体样品进行离散化和分析的系统、方法和装置。
在各个方面，本公开内容提供了一种用于将流体样品离散化的微流体阵列，所述阵列包括：包括流体入口端口和流体出口端口的近侧阵列部分；远离所述近侧部分的远侧阵列部分，一个或多个流动通道，每个流动通道均包括从所述近侧阵列部分延伸至所述远侧阵列部分的长度；与所述流体入口端口流体连通的近端，以及与所述流体出口端口流体连通的远端，其中至少一个流动通道包括沿着从所述近侧阵列部分到所述远侧阵列部分的长度渐减的截面尺寸；以及与所述一个或多个流动通道流体连通的多个流体隔室。
在各个方面，本公开内容提供了一种用于将流体样品离散化的微流体阵列，所述阵列包括：包括流体入口端口和流体出口端口的近侧阵列部分；远离所述近侧部分的远侧阵列部分，一个或多个流动通道，每个流动通道均包括从所述近侧阵列部分延伸至所述远侧阵列部分的长度；与所述流体入口端口流体连通的近端，以及与所述流体出口端口流体连通的远端，其中至少一个流动通道包括沿着从所述近侧阵列部分到所述远侧阵列部分的长度渐增或基本上恒定的截面尺寸；以及与所述一个或多个流动通道流体连通的多个流体隔室。
在各个方面，本公开内容提供了一种用于将流体样品离散化的微流体装置，所述装置包括：包括近侧主体部分和远侧主体部分的主体；以及如任一本文实施方式中所述的多个微流体阵列，其形成于所述主体中，使得所述多个微流体阵列中的所述一个或多个流体通道基本上彼此平行地从所述近侧主体部分延伸至所述远侧主体部分。
在各个方面，本公开内容提供了一种用于对流体样品进行离散化和分析的系统，所述系统包括：转子部件，其包括中心轴和围绕所述中心轴径向布置的多个容器，每个容器均被塑形为收容如任一本文实施方式中所述的微流体装置，使得所述微流体装置的所述近侧主体部分安置于所述中心轴附近而所述微流体装置的所述远侧主体部分安置成远离所述中心轴；耦合至所述转子部件的旋转致动器；以及一个或多个处理器，其配置有用于使得所述系统使用所述旋转致动器使所述转子部件围绕所述中心轴旋转的指令。
在各个方面，本公开内容提供了一种用于将流体样品离散化的方法，所述方法包括提供如任一本文实施方式中所述的装置。
在各个方面，本公开内容提供了一种用于将流体样品离散化的方法，所述方法包括提供如任一本文实施方式中所述的系统。
在各个方面，本公开内容提供了一种用于对流体样品进行离散化和分析的方法，所述方法包括：提供如任一本文实施方式中所述的微流体装置；将流体样品施加到所述微流体装置的所述流体入口端口，所述流体样品包含多个离散分析物；以及旋转所述微流体装置以使得将所述多个离散分析物驱动到所述微流体装置的所述多个流体隔室的子集中。
提供本发明内容是为了以简要形式介绍在下文的详细描述中进一步描述的概念的一个选集。本发明内容并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用作帮助确定所要求保护的主题的范围。
援引并入
本说明书中所提及的所有出版物、专利和专利申请都通过引用并入本文，其程度犹如具体地且单个地指出每一单个出版物、专利或专利申请通过引用而并入。
附图说明
本发明的新颖特征在所附权利要求书中具体阐明。通过参考对利用到本发明原理的说明性实施方式加以阐述的以下详细描述和附图，将会对本发明的特征和优点获得更好的理解，附图中：
图1图示了用于流体样品的自数字化的微流体装置。
图2示意性地图示了截面宽度渐减的流动通道。
图3A图示了用于流体样品的自数字化的微流体装置的透视图。
图3B图示了图3A的装置的侧视图。
图4A和图4B图示了配置成与多通道移液管一起使用的微流体装置。
图5图示了用于流体样品的自数字化的系统的转子部件。
图6A和图6B分别图示具有可移除地耦合的容器的转子部件的第一配置和第二配置。
图7A至图7C图示了配置用于适应微流体装置的加热和/或冷却的转子部件。
图8图示了用于加热和/或冷却微流体装置的系统的一部分。
图9A图示了用于对微流体装置进行成像的倾斜照明配置。
图9B图示了用于对微流体装置进行成像的直接照明配置。
图10图示了用于离散化、加热和成像的多功能系统。
图11A至图11C分别图示使用多功能系统对多个流体样品进行离散化、加热和成像。
图12A和图12B图示了用于对微流体装置进行成像的配置。
图13A至图13D图示了用相机获得的示例性成像结果。
图14提供了根据本公开内容的某些方面的装载仪器的图像。
图15示出了根据本公开内容的某些方面的装载有样品的装置的荧光图像。
图16示出了装置的区域在热循环之前(上图)和之后(下图)的图像。
具体实施方式
本公开内容大体涉及用于将流体样品自数字化(本文中也称为“数字化”或“离散化”)成较小样品体积的系统、方法和装置。在一些实施方式中，用于将流体样品离散化的微流体装置包括多个流体隔室，并且将流体样品离散化成由流体隔室限定的多个离散样品体积。在某些实施方式中，微流体装置被配置用于离心样品装载，从而改善样品处理的容易性和灵活性。例如，在某些实施方式中，流体隔室与渐变流动通道流体连通，该渐变流动通道被塑形为促进基本上均匀的流体流动，基本上均匀的流体流动为自数字化过程提供了改善的可靠性和控制。另外，本公开内容的一些实施方式使得能够使用基于转子的单一装置来进行样品离散化、处理和分析。本文呈现的方法提供了可与多种分析技术兼容的对流体样品的高通量且低成本的处理。
本公开内容的一些实施方式包括用于分析种类(species)的系统、方法和装置，该种类包括但不限于化学品、生物化学品、遗传物质或生物细胞。本公开内容的实施方式的潜在应用包括但不限于：聚合酶链式反应(PCR)、数字聚合酶链式反应(dPCR)、包括等温扩增(例如，环介导等温扩增(LAMP)和基于核酸序列的扩增(NASBA))在内的基于核酸序列的扩增、蛋白质和小分子的结晶，以及存在于生物流体中的细胞(例如，稀有细胞或单细胞)或生物颗粒(例如，分离的线粒体)的分析。在一些实施方式中，本公开内容的系统、方法和装置可用于聚合酶链式反应(PCR)、逆转录酶PCR(RT-PCR)、连接酶链反应(LCR)、环介导扩增(LAMP)(RT-LAMP)、解旋酶依赖性扩增(HDA)(RT-HDA)、重组酶聚合酶扩增(RPA)(RT-RPA)和/或链置换扩增(SDA)(RT-SDA)。在某些实施方式中，本公开内容的系统、方法和装置可用于基于核酸序列的扩增(NASBA)、转录介导的扩增(TMA)、自我维持序列复制(3SR)和单引物等温扩增(SPIA)。可以使用的其他技术例如包括信号介导的RNA扩增技术(SMART)、滚环扩增(RCA)、超支化滚环扩增(HRCA)、指数扩增反应(EXPAR)、智能扩增(SmartAmp)、等温嵌合引物引发的核酸扩增(ICANS)以及多重置换扩增(MDA)。
用于流体样品的自数字化的微流体阵列
在本公开内容的一些实施方式中，用于流体样品的自数字化的微流体装置包括多个流体组件(例如，隔室、储器、通道、入口、出口等)，其中至少一些是彼此流体连通的。如本文所使用，术语“与...流体连通”和“与...流通耦合”(及其变体)是指在组件之间存在流体路径，并且其既不意味也不排除任何中间结构或组件的存在，也并非意味着总有一条路径开放或可用于流体流动。
图1图示了根据实施方式的用于流体样品的自数字化的微流体装置100。装置100包括一个或多个微流体阵列，例如，第一微流体阵列102a和第二微流体阵列102b。在某些实施方式中，不同的微流体阵列用于离散化不同的样品，因此它们并非彼此流体连通。在一些实施方式中，微流体阵列(例如，微流体阵列102a)包括一个或多个流动通道104、多个流体隔室106、一个或多个流体入口端口108以及一个或多个流体出口端口110。在一些实施方式中，一个或多个流动通道104各自具有从阵列的近侧部分112延伸至阵列的远侧部分114的长度。在一些实施方式中，如本文进一步讨论，通过离心装载来填充微流体装置100的阵列，并且相对于旋转轴来限定阵列的定向，使得“近侧”是指朝向旋转轴的方向而“远侧”是指远离旋转轴的方向。在这样的实施方式中，使用离心作用将流体从阵列的近侧部分112向阵列的远侧部分114驱动。
在一些实施方式中，每个流动通道104包括与一个或多个流体入口端口108流体连通的近端116和与一个或多个流体出口端口110流体连通的远端118。任选地，在使用多个流动通道104的实施方式中，使用一个或多个分支通道120将(一个或多个)入口端口108耦合至每个流动通道104的近端116。在一些实施方式中，流动通道104的远端118各自经由出口储器122耦合至(一个或多个)出口端口110，出口储器122被配置用于容纳相对较大体积的流体(例如，与流体隔室106的样品体积相比)。在某些实施方式中，如本文进一步讨论，在填充过程期间储器122用于容纳过量的流体。类似地，在一些实施方式中，在(一个或多个)入口端口108与流动通道104的近端116之间提供入口储器。
流体隔室106各自经由相应的开口导管123耦合至一个或多个流动通道104。在一些实施方式中，流体隔室沿着近端116与远端118之间的对应流动通道104的长度来安置。因此，经由(一个或多个)出口端口110装载到阵列中的流体样品经由流动通道104配送到流体隔室106中并由此被离散化成单个的样品体积。在一些实施方式中，如本文进一步讨论，使用离心作用将流体驱动到流体隔室106中。任选地，每个流体隔室106还包括将隔室106耦合至流动通道104的至少一个排出通道124。在一些实施方式中，使用排出通道来控制流体隔室106的填充速率和/或填充的完成度。
在一些实施方式中，(一个或多个)入口端口108和(一个或多个)出口端口110都位于近侧阵列部分112处或附近，而储器122位于远侧阵列部分114处。在这样的实施方式中，使用从远侧部分114延伸至近侧部分112的一个或多个出口返回通道126来将储器122流体耦合至(一个或多个)出口端口108。在替代实施方式中，(一个或多个)入口端口108位于近侧部分112处，而(一个或多个)远侧端口110位于远侧部分114处，或者反之亦然。(一个或多个)入口端口108和(一个或多个)出口端口110都位于近侧部分112处的布置为离心装载提供了某些优点。例如，在一些实施方式中，由于流体不能通过(一个或多个)出口110漏出，因此旋转轴附近的近侧部分112处具有(一个或多个)出口端口110使得流体速率随着储器122填满而减慢。该设计特征提供了一种自计量机构，其中设定体积的流体将会在流动自动停止之前经过流体隔室区域。在各个实施方式中，该方法还减少了在离心作用期间样品从(一个或多个)出口端口110意外泄漏的可能性。
可根据需要改变本文所述的微流体阵列的设计。例如，在一些实施方式中，微流体阵列包括至少100个、至少500个、至少1000个、至少5000个、至少10,000个、至少50,000个、至少100,000个、至少500,000个或至少100万个流体隔室。在某些实施方式中，每个流体隔室的容积约为5pL、10pL、50pL、100pL、500pL、1nL、5nL、10nL、50nL、100nL，或500nL，或者处于大约5pL至大约500nL的范围。各种类型的流体隔室均适合用于本文的实施方式。流体隔室可呈现各种几何形状，包括但不限于截面为圆形、椭圆形、正方形、矩形、三角形或某其他多边形形状或者其组合的形状。在某些实施方式中，流体隔室具有圆角或斜角。一些流体隔室具有对称的几何形状，而其他流体隔室的形状不对称。
微流体装置的流体隔室可以安置在许多不同的定向上，例如相对于流动通道的定向上。在某些实施方式中，流体隔室连接至流动通道的顶部或底部(“顶港”或“底港”设计)。在其他实施方式中，流体隔室连接至流动通道的一个或多个侧面(“侧港”设计)。在某些实施方式中，流体隔室的“长”轴(流体隔室的最长尺寸的方向)仍然平行于主轴行进，但该隔室偏离于该通道。在其他实施方式中，隔室的长轴垂直于流动通道。在其他实施方式中，“长”轴安置在相对于流动轴的某其他角度之处。如果隔室的中心与流动通道的中心线之间所画出的线比通道壁与其中心线之间的最短距离长，则可以说流体隔室偏离于通过流动通道的流动轴。
在流体隔室位于流动通道的顶部/底部上的某些实施方式中，垂直尺寸(例如，高度)增大。例如，在流体隔室位于流动通道的侧面上的一些实施方式中，垂直尺寸和横向尺寸(例如，长度或宽度)都增大。在某些实施方式中，流体隔室仅位于流动通道的一侧上。在其他实施方式中，流体隔室位于流动通道的两侧上。使流体隔室位于流动通道的两侧上可应用于侧港和底港的设计，并且在某些实施方式中，流体隔室安置在三个或四个侧面上。
在本公开内容的一些实施方式中，微流体阵列的流体隔室发挥作用来经由流体隔室与流动通道之间的几何差异以及/或者由于流体隔室与通道之间的位置差异(例如，流体隔室偏离于通道)而对样品进行离散化。在某些实施方式中，流体隔室尺寸(例如，长度、宽度、高度、截面面积)中的一个或多个大于流动通道中的对应尺寸。在这样的实施方式中，流体隔室尺寸和流动通道的对应尺寸之间的差异促进了装载在装置上的流体样品向更大容积的流体隔室中的扩张。不受理论束缚，据信这一扩张是自发发生的，这是因为流体隔室中的较大尺寸降低了两个流体之间的界面能(相对于它们在流动通道中的界面能)。
在包括位于流动通道上方或下方的流体隔室的某些实施方式中，流体隔室的垂直尺寸或高度大于通道的高度。例如，在流动通道的侧面上具有流体隔室的一些实施方式中，流体隔室的垂直尺寸和横向尺寸都大于相同的流动通道尺寸。
在某些实施方式中，流体隔室之一的下游端与下游流体隔室的上游端之间的空间介于流体隔室长度的0.1倍至3.0倍之间。在某些实施方式中流体隔室之一的下游端与下游流体隔室的上游端之间的空间介于流体隔室长度的0.1倍至1倍之间。
在某些实施方式中，流动通道的宽度大于流体隔室的宽度。在某些实施方式中，流动通道的宽度与流体隔室的宽度的差异介于流体隔室的宽度的0.001倍至3倍之间。在某些实施方式中，流动通道的宽度与流体隔室的宽度的差异介于流体隔室的宽度的0.01倍至1.5倍之间。
在某些实施方式中，使用流动通道中的附加的收缩或扩张特征来促进样品向流体隔室的运输，以及使样品离散化于隔室内。例如，可根据期望的应用，将流体隔室和/或流动通道设计成具有各种尺寸。在某些实施方式中，流体隔室与通道重叠，而在其他实施方式中，流体隔室与通道壁齐平，然而在又一些其他实施方式中，流体隔室通过突起连接至通道。备选地或者除了这些连接之外，通道中的凹口使用突起或通道与流体隔室齐平交汇实际上可以重新创建与通道的重叠，而无需调整流体隔室相对于通道的流动轴的位置。在某些实施方式中，使用通道中的这些附加通道特征(例如，凹口或突起)来使流动重定向和/或帮助隔离流体隔室。凹口和突起可以具有各种形状和大小以适应特定的性能要求。在某些实施方式中，如侧港设计，所述特征处于通道的与流体隔室的连接的同一侧上。在一些实施方式中，收缩或扩张特征位于通道的相对侧上。在其他实施方式中，在其他通道侧上也具有特征。在某些实施方式中，如在底港设计中，收缩或扩张特征邻近于底部隔室，但处于通道的平面中。
本文所述的微流体阵列的流动通道的设计可根据需要改变。在一些实施方式中，微流体阵列包括至少1个、至少2个、至少3个、至少4个、至少5个、至少6个、至少7个、至少8个、至少9个、至少10个、至少16个、至少32个、至少64个、至少128个、至少256个、至少512个、至少1024个、至少2048个、至少4096或至少8192个流动通道。在一些实施方式中，将流动通道布置成彼此平行地或基本上平行地延伸。在替代实施方式中，全部流动通道或其中的一些流动通道未彼此平行地延伸。根据需要，流动通道可以是线性的、弯曲的或曲线的。在一些实施方式中，微流体阵列仅包括平行的线性流动通道，并且这样的阵列在本文中称为“线性微流体阵列”。流动通道可以具有多种截面形状，诸如矩形、梯形、圆形、半圆形、椭圆形、半椭圆形、正方形或三角形的截面形状。在一些实施方式中，流动通道在整个通道长度上具有均匀的单一截面形状，而在其他实施方式中，沿着通道的长度截面形状是可变的。
渐变流动通道
在一些实施方式中，微流体阵列的至少一个流动通道具有至少一个沿着通道的长度(例如，从通道的近端到远端以及/或者从阵列的近侧部分到远侧部分)渐减的截面尺寸(例如，宽度、长度、高度、面积)。在某些实施方式中，“沿着通道的长度”是指沿着通道的跨越耦合至该通道的全部流体隔室的部分。沿着通道长度展现出渐减的截面尺寸的通道在本文中也称为“渐变流动通道”。在一些实施方式中，微流体阵列的流动通道的仅一个子集是渐变流动通道，因此本文的系统和装置的至少一些流动通道未展现出渐变的。在替代实施方式中，微流体阵列的所有流动通道都是渐变流动通道，因此每个流动通道均展现出渐变的。可以根据需要来改变微流体阵列中渐变通道与非渐变通道的比例，例如，使得阵列的约0％、约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、约70％、约80％、约90％或约100％的通道展现出渐变的。在一些实施方式中，至少一个流动通道的截面尺寸根据一渐变轮廓(tapering profile)而渐减，该渐变轮廓被配置用于产生沿着流动通道的长度基本上均匀的流体流动速率和/或渐增的流动阻力。在一些实施方式中，使用被配置用于产生基本均匀的流体流动和/或渐增的流动阻力的流动通道改善了对隔室填充的控制和一致性。
在一些实施方式中，对于离心微流体系统，基于以下关系式确定截面尺寸的渐变轮廓：
Figure BDA0001589296600000101
其中U是流速，Dh是通道的水力直径(
Figure BDA0001589296600000102
其中A是通道的截面面积，而P是通道的周长)，ρ是流体的密度，ω是流体的角速度，
Figure BDA0001589296600000103
通道中流体与旋转轴的平均距离，Δr是流体的径向伸长，μ是流体的粘度，并且L是通道中流体的长度。容积流率Q与流速U和截面面积A的关系为Q＝UA。
在一些实施方式中，截面尺寸的渐变轮廓是无间断部(例如，缺口、台阶等)的连续渐变轮廓。例如，连续渐变轮廓可以是线性地渐减的线性渐变轮廓、指数地渐减的指数渐变轮廓、根据多项式函数渐减的多项式渐变轮廓或其组合(例如，一些部分线性地渐变，而其他部分指数地渐变，等等)。在其他实施方式中，截面尺寸的渐变轮廓是不连续渐变轮廓，例如，根据阶梯函数渐减的阶梯式渐变轮廓。任选地，在某些实施方式中，渐变轮廓包括具有连续渐变的一个或多个部分与具有间断渐变的一个或多个部分的组合。
作为示例，在一些实施方式中，本文呈现的一些或全部流动通道具有沿着通道的长度渐减的截面宽度。在某些实施方式中(例如，当截面宽度沿着通道的高度而改变时)，相对于流动通道的平均截面宽度、最大截面宽度和/或最小截面宽度来确定截面宽度的减小量。
图2示意性地图示了依据实施方式的具有渐减的截面宽度的微流体阵列的流动通道200。流动通道200适合用于本文呈现的系统、方法和装置的任何实施方式。流动通道200经由相应的开口导管204和排出通道206耦合至多个流体隔室202中的每一个。流体隔室202沿着流动通道200的长度分布在流动通道200的近端208与远端210之间。如上文和本文所讨论，在使用离心填充的实施方式中，流动通道200的近端208朝向旋转轴定向，并且远端210定位成远离位置中心，使得将流体沿着流动通道200的长度驱动并沿着近侧-远侧方向进入流体隔室202中。在一些实施方式中，流动通道200包括在近端208处或附近的截面宽度212，该截面宽度212大于在远端214处或附近的截面宽度。如本文所使用，“在近端处或附近”可以是指流动通道的在耦合至该通道的最近侧流体隔室(例如，隔室216)近侧的部分，而“在远端处或附近”可以是指流动通道的在耦合至该通道的最远侧流体隔室(例如，隔室218)远侧的部分。
可根据需要改变展现出渐变截面宽度的流动通道的尺寸。例如，在某些实施方式中，近端处或附近的通道的截面宽度约为80μm，或者在从约60μm至约120μm的范围内，而远端处或附近的通道的截面宽度约为50μm，或者在从约30μm至约70μm的范围内。在各个实施方式中，近端处或附近的截面宽度是远端处或附近的截面宽度的约1.2倍至约2倍，或者是远端附近的截面宽度的约1倍至约3倍。在各个实施方式中，流动通道的截面宽度以从约0.2μm/mm至约0.75μm/mm、从约0.15μm/mm至约0.3μm/mm、从约0.1μm/mm至约2μm/mm或者从约0.01μm/mm至约10μm/mm的范围内的平均速率沿着流动通道的长度渐减。
作为另一示例，在一些实施方式中，本文的一些或全部流动通道具有沿着通道的长度渐减的截面面积。例如，在某些实施方式中，近端处或附近的通道的截面面积约为2400μm2，或者处于从约1200μm2至约4800μm2的范围内，而远端处或附近的通道的截面面积约为1500μm2，或者处于从约600μm2至约2800μm2的范围内。在某些实施方式中，近端处的通道的截面面积小于或等于10,000μm2。在其他实施方式中，远端处的通道的截面面积小于或等于100μm2。
在替代实施方式中，本文的一些或全部渐变流动通道展现出沿着通道的长度渐增的截面尺寸，而不是渐减的截面尺寸。在一些实施方式中，截面尺寸的渐变轮廓是无间断部(例如，缺口、台阶等)的连续渐变轮廓。例如，连续渐变轮廓可以是线性地渐增的线性渐变轮廓、指数地渐增的指数渐变轮廓、根据多项式函数渐增的多项式渐变轮廓或其组合(例如，一些部分线性地渐变，而其他部分指数地渐变，等等)。在其他实施方式中，截面尺寸的渐变轮廓是不连续渐变轮廓，例如，根据阶梯函数渐增的阶梯式渐变轮廓。任选地，在某些实施方式中，渐变轮廓包括具有连续渐变的一个或多个部分与具有间断渐变的一个或多个部分的组合。
作为示例，在一些实施方式中，本文呈现的一些或全部流动通道具有沿着通道的长度渐增的截面宽度。在某些实施方式中(例如，当截面宽度沿着通道的高度改变时)，相对于流动通道的平均截面宽度、最大截面宽度和/或最小截面宽度来确定截面宽度的增大量。
可以根据需要改变展现出渐增的截面宽度的流动通道的尺寸。例如，在某些实施方式中，远端处或附近的通道的截面宽度约为80μm，或者处于从约60μm至约120μm的范围内，或者处于从约10μm至约200μm的范围内，而近端处或附近的通道的截面宽度约为50μm，或者处于从约30μm至约70μm的范围内，或者处于从约40μm至约200μm的范围内。在各个实施方式中，远端处或附近的截面宽度是近端处或附近的截面宽度的约1.2倍至约2倍，或者是近端附近的截面宽度的约1倍至约3倍。在各个实施方式中，流动通道的截面宽度以处于从约0.2μm/mm至约0.75μm/mm、从约0.15μm/mm至约0.3μm/mm、从约0.1μm/mm至约2μm/mm或者从约0.01μm/mm至约10μm/mm的范围内的平均速率沿着流动通道的长度增大。
作为另一示例，在一些实施方式中，本文的一些或全部流动通道具有沿着通道的长度渐增的截面面积。例如，在某些实施方式中，远端处或附近的通道的截面面积约为2400μm2，或者处于从约1200μm2至约4800μm2的范围内，而近端处或附近的通道的截面面积约为1500μm2，或者处于从约600μm2至约2800μm2的范围内。
恒定直径的流动通道
在一些实施方式中，微流体阵列的一个或多个流动通道具有沿着通道的长度(例如，从通道的近端到远端和/或从阵列的近侧部分到远侧部分)基本上恒定的截面尺寸(例如，宽度、长度、高度、面积)。在某些实施方式中，“沿着通道的长度”是指沿着通道的跨越耦合至该通道的全部流体隔室的部分。展现出沿着通道的长度基本上恒定的截面尺寸的通道在本文中也称为“恒定直径的流动通道”。在一些实施方式中，微流体阵列的流动通道的仅一个子集是恒定直径的流动通道，因此本文的系统和装置的至少一些流动通道不具有沿着通道的长度基本上恒定的截面尺寸。在替代实施方式中，微流体阵列的所有流动通道都是恒定直径的流动通道，因此每个流动通道均展现出沿着通道的长度基本上恒定的截面尺寸。可以根据需要改变微流体阵列中的恒定直径的通道与非恒定直径的通道的比例，例如，使得约0％、约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、约70％、约80％、约90％或约100％的阵列通道展现出基本上恒定的截面尺寸。
在一些实施方式中，截面尺寸的恒定直径轮廓是无间断部(例如，缺口、台阶等)的连续轮廓。例如，该轮廓横跨通道的长度可以是基本上恒定的。在其他实施方式中，截面尺寸的恒定直径轮廓是具有间断部(例如，缺口、台阶等)的连续轮廓，但其平均直径在通道长度上是基本上恒定的。
任选地，在某些实施方式中，恒定直径轮廓包括无间断部的一个或多个部分与具有间断部的一个或多个部分的组合。
可以根据需要选择展现出恒定直径的截面宽度的流动通道的尺寸。例如，在某些实施方式中，通道的截面宽度约为80μm、处于从约60μm至约120μm的范围内、约50μm或者处于从约30μm至约70μm的范围内。在一些实施方式中，通道的截面宽度处于从约40μm到约200μm的范围内，或者从约10μm到约200μm的范围内。在一些实施方式中，流动通道具有约2400μm2、从约1200μm2至约4800μm2的范围内、1500μm2、从约600μm2至约2800μm2的范围内，或者从约100μm2至约10,000μm2的范围内的截面面积。
用于流体样品的自数字化的微流体装置
在一些实施方式中，本公开内容提供了具有一个或多个微流体阵列的微流体装置(例如，微流体芯片)，用于将一个或多个流体样品离散化到多个流体隔室中。在某些实施方式中，微流体装置包括2个、4个、6个、8个、12个、16个、24个、32个、36个或48个微流体阵列以及/或者至少500个、至少1000个、至少5000个、至少10,000个、至少50,000个、至少100,000个、至少500,000个、至少100万个、至少500万或至少1000万个流体隔室。
在一些实施方式中，本公开内容的微流体装置被配置用于流体样品的离心装载。在这样的实施方式中，微流体装置包括装置主体，该装置主体具有配置成在离心作用期间朝向旋转轴定向的近侧主体部分和配置成在离心作用期间远离旋转轴定向的远侧主体部分。因此，在微流体装置的主体中形成一个或多个微流体阵列，其中流动通道(例如，平行流动通道)从近侧主体部分延伸至远侧主体部分，使得离心作用驱动流体从流动通道的近端向流动通道的远端穿过阵列。可以在装置主体中以多种方式形成多个微流体阵列，所述方式诸如为3D打印、复制模塑法、注射模塑法、压花法、软刻蚀法或其组合。
图3A和图3B图示了根据实施方式的用于流体样品的自数字化的微流体装置300。与图1的装置100类似，装置300包括多个微流体阵列，每个微流体阵列均具有至少一个流体入口端302、一个或多个流动通道304、多个流体隔室306以及至少一个流体出口端308。在一些实施方式中，(一个或多个)流体入口端302经由任选的入口储器310和分支通道312耦合至流动通道304，并且(一个或多个)流体出口端308经由任选的出口储器314和出口返回通道316耦合至流动通道304。任选地，流体隔室306各自包括耦合至相应流动通道304的相应排出通道318。
在一些实施方式中，装置300的主体由旋涂有聚二甲基硅氧烷(PDMS)层324的载玻片322上的PDMS层320形成。根据本领域普通技术人员已知的方法，在PDMS层320中形成微流体阵列的特征(例如，流动通道304、流体隔室306)。在某些实施方式中，使用第一PDMS块326来形成出口储器314，并且使用第二PDMS块328来形成入口端302和出口端308以及入口储器310。在一些实施方式中，第一PDMS块326和/或第二PDMS块328与PDMS层320是分开的，而在其他实施方式中，第一PDMS块326和/或第二PDMS块328与PDMS层320整体形成为单件。任选地，在PDMS层320之上安置蒸汽屏障330，例如以减少流体通过PDMS层320的蒸发。
可以根据需要改变使用PDMS在装置中形成的特征的深度。例如，在某些实施方式中，(一个或多个)流体入口端302、(一个或多个)流体出口端308、入口储器310和/或出口储器314具有至少约0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm或6mm的深度。
本公开内容的微流体装置可以以多种方式设计。例如，在一些实施方式中，微流体装置的主体包括基本上为矩形的形状、基本上为正方形的形状、基本上为圆形的形状、基本上为半圆形的形状、基本上为椭圆形的形状、基本上为半椭圆形状或者任何其他几何形状。在某些实施方式中，例如为了方便和兼容性，将微流体装置的主体塑形为与现有装置类似和/或适应现有仪器。例如，在各个实施方式中，主体基本上为矩形，其中长度(例如，沿着近侧-远侧方向)约为127.8mm，并且宽度(例如，与近侧-远侧方向正交)约为85.5mm，类似于96井微板。作为另一示例，在各个实施方式中，主体基本上为矩形，其中长度约为100mm且宽度约为75mm，类似于用于某些PCR热循环装置的适配器大小。
在一些实施方式中，微流体装置主体中的微流体阵列的布置被配置成可与诸如多通道移液管等现有实验室设备兼容。例如，本公开内容的一些实施方式提供了被配置用于使用多通道移液管进行样品装载的微流体装置。在各个实施方式中，使用多通道移液管将多个流体样品并发地装载到微流体装置的多个流体入口端口中，其中每个流体入口端口收容来自移液管的相应通道的不同流体样品。在某些实施方式中，每个流体入口端口均流体耦合至不同的微流体阵列，使得不同的流体样品可以根据本文呈现的方法得以并行地离散化。该方法允许使用单一微流体装置同时离散化多个样品，并且该方法对于高通量样品处理是有利的。
因此，在一些实施方式中，形成于微流体装置中的微流体阵列的流体入口端口被布置用于收容来自多通道移液管的流体样品。在某些实施方式中，例如，与多通道移液管的移液管通道布置类似，流体入口端口以线性行的方式布置(例如，靠近装置的近侧主体部分)。在某些实施方式中，流体入口端口的数目和相邻流体端口之间的节距(例如，中心到中心的距离)分别对应于多通道移液管的通道数目和通道节距。例如，在各个实施方式中，多通道移液管包括4个、6个、8个或12个移液管通道，其中相邻移液管通道之间的节距约为2.25mm、3mm、4.5mm、9mm、12mm、18mm或36mm。因此，在各个实施方式中，微流体装置具有4个、6个、8个或12个流体入口端口，其中相邻端口之间的节距约为2.25mm、3mm、4.5mm、9mm、12mm、18mm或36mm。
图4A图示了根据实施方式的配置成与多通道移液管一起使用的示例性微流体装置400。装置400包括8个微流体阵列402，每个微流体阵列402具有用于样品装载的单一流体入口端口404。与本文呈现的各个实施方式类似，每个流体入口端口404均流体耦合至多个流动通道(例如，4个流动通道)和流体隔室(例如，148个流体隔室)。8个流体入口端口404以线性行的方式布置在装置400的近侧部分406处。在一些实施方式中，相邻流体入口端口之间的节距408约为9mm，以便适应标准的8通道移液管。
图4B图示了根据实施方式的配置成与多通道移液管一起使用的另一示例性微流体装置450。与装置400类似，装置450包括8个微流体阵列452，每个微流体阵列452均具有用于样品装载的单一流体入口端口454。每个流体入口端口454均流体耦合至多个流动通道(例如，16个流动通道)和流体隔室(例如，2560个流体隔室)。8个流体入口端口454以线性行的方式布置在装置400的近侧部分456处。在一些实施方式中，相邻流体入口端口之间的节距458约为9mm，以便适应标准的8通道移液管。
在某些实施方式中，移液管的通道数目与流体入口端口的数目匹配，并且通道节距与端口节距匹配，因此多通道移液管的通道与微流体装置的流体入口端口之间存在一一对应关系。在这样的实施方式中，可以使用单一移液管将样品一次性并发地装载到所有流体入口端口中，例如，使用具有9mm节距的8通道移液管将样品装载到具有节距为9mm的8个流体入口端口的装置中，使用具有4.5mm节距的12通道移液管将样品装载到具有节距为4.5mm的12个流体入口端口的装置中，等等。
在替代实施方式中，移液管的通道数目不同于流体入口端口的数目，并且/或者通道节距不同于端口节距，因此移液管通道与流体入口端口之间不存在一一对应关系。任选地，端口的数目是通道数目的倍数，并且/或者端口节距是通道节距的倍数。在这样的实施方式中，可以使用多个顺序装载步骤来将样品装载到流体入口端口中，例如，使用具有9mm节距的8通道移液管通过首先装载奇数端口，继而装载偶数端口(或反之亦然)，来将样品装载到具有节距为4.5mm的16个流体入口端口的装置中。
在一些实施方式中，微流体装置包括具有一个或多个以下配置的多个流体入口端口：具有约36mm节距的2个流体入口端口、具有约18mm节距的4个流体入口端口、具有约12mm节距的6流体入口端口、具有约9mm节距的8个流体入口端口、具有约9mm节距的12个流体入口端口、具有约4.5mm节距的16个流体入口端口、具有约4.5mm节距的24个流体入口端口、具有约3mm节距的24个流体入口端口、具有约3mm节距的36个流体入口端口、具有约2.25mm节距的32个流体入口端口或者具有约2.25mm节距的48个流体入口端口。
用于流体样品的自数字化的材料和组成
本公开内容的微流体阵列和装置可以由多种材料制造。例如，在一些实施方式中，本文的装置或其一个或多个组件包括选自以下的材料：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚丙烯(PP)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、热固性聚酯(TPE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯酯甲基丙烯酸酯、聚乙烯、聚酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚碳酸酯、聚对二甲苯、聚氯乙烯、氟乙基丙烯、热塑聚碳酸酯(1exan)、聚苯乙烯、环烯烃聚合物(COP)、环烯烃共聚物、聚氨酯、聚氨酯与聚丙烯酸酯共混物、聚酯碳酸酯、聚丙烯、聚丁烯、聚丙烯酸酯、聚己内酯、聚酮、聚邻苯二甲酰胺、醋酸纤维素、聚丙烯腈、聚砜、环氧聚合物、热塑性材料、氟聚合物、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、玻璃、石英、硅、砷化镓、氮化硅、熔凝硅石、陶瓷、金属或其组合。任选地，在各个实施方式中(例如，用于生物测定)，装置由聚合物材料制造，因此该装置是供一次性使用的一次性物品。
在一些实施方式中，本公开内容的装置包括具有用于促进数字化过程的适合表面性质的材料。可针对特定应用来定制装置或装置组件(例如，通道和/或流体隔室)的表面性质。例如，在某些实施方式中，装置的一些或全部表面是疏水性的或亲水性的。在一些实施方式中，某些表面是疏水性的而某些表面是亲水性的。在一些实施方式中，设计了亲水性或疏水性的表面，以便允许在装置中将油装载在某些通道和/或流体隔室中以及将水溶液装载在某些通道和/或流体隔室中。
例如，在某些实施方式中，微流体装置的一个或多个部分(例如，流动通道、流体隔室、装置主体等)包括疏水性表面和/或由疏水性材料制造，诸如天然疏水性或经表面处理的聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)、环烯烃共聚物(COC)、环烯烃聚合物(COP)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、多层材料或其组合。
在一些实施方式中，用化学和/或生物试剂对微流体装置的一个或多个部分(例如，所有流动通道和/或多个流体隔室)进行修饰，以使与流体接触的表面优先被选定流体(例如，油)润湿。在某些实施方式中，润湿通过促进从装置表面排除某些类型的流体(例如，油)和/或阻止从装置表面排除某些类型的流体(例如，水溶液)来使装置表面准备好进行离散化。
多种多样的流体或液体可以与本公开内容的各个装置、系统和方法一起使用。在一些实施方式中，流体例如包括基于水的溶液或水溶液。在一些实施方式中，流体包括微溶于水溶液的液体，如油(例如，氟化油、烃油、硅油或矿物油)。任选地，还使用有机溶剂。
在某些实施方式中，与本文的装置、系统和方法一起使用的流体包括含有多种分析物的流体样品(例如，水溶液)，该分析物例如包括但不限于：化学品、生物化学品、遗传物质(例如，DNA、RNA等)、遗传物质的表达产物(例如，蛋白质和/或代谢物)、结晶分子、生物细胞、外来体、线粒体、药物、在外周血或淋巴系统中循环的生物颗粒、稀有细胞、颗粒或其组合。可能的水性流体样品包括但不限于：各种PCR和RT-PCR溶液，诸如用于LAMP或NASBA的等温扩增溶液、血液样品、血浆样品、血清样品、含有细胞裂解物或分泌物或细菌裂解物或分泌物的溶液，以及含有蛋白质、细菌、病毒颗粒和/或细胞(真核细胞、原核细胞或其颗粒)的其他生物样品，等等。在某些实施方式中，流体样品还含有表面活性剂或其他药剂以促进与不混溶流体(例如，第一流体/第三流体)和/或装置材料的期望的相互作用和/或相容性。在某些实施方式中，流体样品包括以下一种或多种：表达恶性表型的细胞、胎儿细胞、循环内皮细胞、肿瘤细胞、病毒感染的细胞、感兴趣基因转染的细胞，或存在于患有自身免疫性或自身反应性病症的受试者的外周血中的T细胞或B细胞，或免疫细胞的其他亚型，或在外周血或淋巴系统或脊髓液或其他体液中循环的稀有细胞或生物颗粒(例如，外来体、线粒体)。例如，任选地，细胞或生物颗粒在样品中是稀少的，因此使用离散化来在空间上将细胞隔离，从而允许检测稀有细胞或生物颗粒。
在一些实施方式中，本公开内容的装置至少发挥两相系统的作用，利用了两种或更多种不混溶流体。例如，在一些实施方式中，使用第一流体(例如，油相)来初始填充装置以排除任何空气。在一些实施方式中，第一流体被配置成相对于第二流体优先润湿装置表面。随后，在一些实施方式中，使通常与第一流体不混溶的第二流体(例如，含有感兴趣样品的水性流体样品)流过该装置并进入流体隔室，从而将油排除。任选地，继而使第三流体流过该装置以排除主流动通道而非流体隔室内的水相。第三流体通常与第二流体不混溶，并且可以与第一流体相同或不同，并且可以与第一流体混溶或不混溶。在某些实施方式中，流体隔室用作掩体，以将流体隔室内的水相的单个流体包隔离和数字化。任选地，流体隔室基本上由水相占据，使得流体包基本上呈流体隔室的形状并且流体包的体积基本上由隔室的尺寸限定。例如，如果流体隔室是矩形形状的，则容纳于其中的流体包可以基本上呈矩形形状。
在某些实施方式中，第一流体和/或第三流体各自包含油，如氟化油、烃油、硅油或其组合。在一些实施方式中，用作第一流体和/或第三流体的油是基于矿物油的油、基于碳氟化合物的油和/或基于硅油的油。其他实施方式可以使用其他“油”相或替代材料。在某些实施方式中，第一流体和/或第三流体还包含表面活性剂和/或润湿剂以改善与装置表面和/或第二流体的期望相互作用。在一些实施方式中，第一流体和第三流体是相同的，而在其他实施方式中，第一流体和第三流体由相同的基础材料组成，但具有不同的表面活性剂/添加剂浓度和/或组成。在又一些其他实施方式中，第三流体具有与第一流体完全不同的组成，并且可以与第一流体混溶或不混溶。在某些实施方式中，第一流体和/或第三流体含有与第二流体和/或第二流体内的组分相互作用的组分。当在给定的操作方法中使用多种油(例如，第一流体、第三流体和/或第四流体)时，油的组成可以相同或不同。在一些实施方式中，在不考虑使用的其他油的组成的情况下独立地选择每种油组成。
在一些实施方式中，第二流体包含含有一种或多种感兴趣分析物的流体样品。第二流体任选地是水溶液。水溶液的示例包括但不限于：各种PCR和RT-PCR溶液、诸如用于LAMP或NASBA的等温扩增溶液、血液样品、血浆样品、血清样品、含有细胞裂解物或分泌物或者细菌裂解物或分泌物的溶液，以及含有蛋白质、细菌、病毒颗粒和/或细胞(真核细胞、原核细胞或其颗粒)的其他生物样品，或者其组合。
在一些实施方式中，提供了第四流体。在某些实施方式中，第四流体包括油，如氟化油、烃油、硅油或其组合。在一些实施方式中，第四流体包括与如PCR或等温扩增等扩增反应相容的流体。例如，在某些实施方式中，在开始扩增反应以扩增数字化分析物之前，使用第四流体来排除流动通道中的第三流体。第四流体可以与第一流体、第二流体和/或第三流体中的任一种混溶或不混溶。任选地，在某些实施方式中，第四流体与第一流体相同。
在一些实施方式中，提供了第五流体。在某些实施方式中，第五流体包括油，如氟化油、烃油、硅油或其组合。在某些实施方式中，使用第五流体来冲洗装置中的第一流体、第二流体、第三流体和/或第四流体。
在一些实施方式中，将本文的任何流体(例如，第一流体、第二流体、第三流体、第四流体和/或第五流体)提供到微流体装置上的流体入口端口。流体可以提供到相同的流体入口端口或不同的流体入口端口。在某些实施方式中，本文讨论的第一流体、第二流体、第三流体、第四流体和/或第五流体以与本文提供的相继次序不同的相继次序提供给装置。第一流体、第二流体、第三流体、第四流体和/或第五流体可以以任何次序提供给装置，并且在本公开内容的一些实施方式中可以省去第一流体、第二流体、第二流体、第三流体、第四流体和/或第五流体中的任一种。本文描述的相继次序对所公开方法的实践而言是示例性而非限制性的。
在各个实施方式中，本公开内容提供了用于将流体引入微流体装置中的方法，所述方法包括：提供根据本公开内容的微流体装置；以及将第一流体引入到微流体装置的流动通道中。术语“提供”和“引入”在本文中可互换使用，以指代流体进入或穿过结构(举例而言，诸如入口或通道)的移动。
在各个实施方式中，本公开内容提供了用于将流体引入到微流体装置中的方法，所述方法包括：提供根据本公开内容的微流体装置；以及将第二流体引入到微流体装置的流动通道中，其中第二流体是水溶液。
在一些实施方式中，第二流体包含含有分析物的流体样品，并且该方法还包括对至少一个流体隔室内的分析物进行分析。在某些实施方式中，分析物包括生物材料。在另外实施方式中，生物材料选自细胞、细菌、病毒、朊病毒、核酸、蛋白质、遗传物质的表达产物、结晶分子、颗粒或其组合。在又一些另外实施方式中，第二流体包含第一核酸分子和第二核酸分子，并且该方法还包括将第一核酸分子配送到第一流体隔室中，其中第一流体隔室不包含第二核酸分子。
在一些实施方式中，本方法还包括将第一流体引入到微流体装置的流动通道中，其中在将第二流体引入到流动通道中之前将第一流体引入到流动通道中。在一些实施方式中，第一流体包括油。在另外实施方式中，所述油选自氟化油、烃油、硅油或其组合。
在一些实施方式中，该方法还包括将第三流体引入到微流体装置的流动通道中。在某些实施方式中，在将第二流体引入到流动通道中之后，将第三流体引入到流动通道中。在其他实施方式中，第一流体是油，第二流体是水溶液，并且第三流体是油。
在一些实施方式中，该方法还包括将第四流体引入到微流体装置的流动通道中。在某些实施方式中，在第一流体引入到流动通道中之后且在第二流体引入到流动通道中之前，将第四流体引入到流动通道中。在其他实施方式中，在将第二流体引入到流动通道中之后且在将第三流体引入到流动通道中之前，将第四流体引入到流动通道中。在一些实施方式中，在将第三流体引入到流动通道中之后，将第四流体引入到流动通道中。在另外实施方式中，第一流体是油，第二流体是水溶液，第三流体是油，第四流体是油，并且第五流体是油，并且其中第一流体、第三流体、第四流体和第五流体独立地与彼此相同或不同。在又一些另外实施方式中，每种油独立地选自氟化油、烃油、硅油或其组合。
在一些实施方式中，该方法还包括将第五流体引入到微流体装置的流动通道中。在某些实施方式中，在将第二流体引入到流动通道中之后，将第五流体引入到流动通道中。在其他实施方式中，在将第三流体引入到流动通道中之后，将第五流体引入到流动通道中。在一些实施方式中，该方法还包括将第四流体引入到流动通道中，其中在将第一流体引入到流动通道中之后且在将第二流体引入到流动通道中之前，将第四流体引入到流动通道中。在某些实施方式中，第一流体是油，第二流体是水溶液，第三流体是油，第四流体是油，并且第五流体是油，并且其中第一流体、第三流体、第四流体和第五流体独立地与彼此相同或不同。在另外实施方式中，每种油独立地选自氟化油、烃油、硅油或其组合。
用于流体样品的自数字化、处理和分析的系统
本公开内容的各个实施方式提供了用于流体样品的自数字化、处理和/或分析的系统。在一些实施方式中，系统被配置用于通过离心作用来驱动流体进入微流体装置的流体隔室中而离散化流体样品。在某些实施方式中，被配置用于离散化多个流体样品的系统包括转子部件和旋转致动器，该转子部件被配置用于收容一个或多个微流体装置，该旋转致动器被配置用于使转子部件绕旋转轴(例如，转子部件的中心轴)旋转以便产生用于驱动流体进入(一个或多个)微流体装置的流体隔室中的离心力。本文的系统有利地提供了用于同时离散化多个流体样品的简单且方便的制式，适合用于高通量处理和分析。
用于流体样品的自数字化的转子部件可以以多种方式配置。在一些实施方式中，转子部件包括中心轴和围绕中心轴径向布置的多个容器。转子部件可以包括任何数目的容器，如2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个或更多个容器。在一些实施方式中，多个容器中每一个的近端与中心轴之间的距离处于从大约10mm至大约500mm、从大约20mm至大约300mm或者从大约30mm至大约200mm的范围内。将容器各自塑形为收容本公开内容的一个或多个微流体装置。例如，在各个实施方式中，容器的大小和/或形状被设定成基本上匹配微流体装置的装置主体的大小和/或形状(例如，具有约127.8mm的长度和约85.5mm的宽度，或约100mm的长度和约75mm的宽度)。在某些实施方式中，容器被塑形为例如经由过盈配合、卡扣配合、紧固件、闩锁、夹具或其他合适的耦合机构可移除地收容和耦合至微流体装置。
在一些实施方式中，容器被布置成使得所收容的微流体装置的近侧主体部分安置于转子部件的中心轴附近，而装置的远侧主体部分安置于远离转子部件的中心轴之处。因此，在这样的实施方式中，转子部件的旋转促使从近侧部分向远侧部分驱动流体穿过该装置。如上文和此处所讨论，微流体装置任选地包括渐变流动通道，渐变流动通道的截面尺寸从近侧部分到远侧部分渐减，以便在离心作用期间增进均匀的流体流动。
旋转致动器可以是适合用于使转子部件绕旋转轴旋转的任何致动机构，如无刷式直流马达、有刷式直流马达、伺服马达或步进马达。在某些实施方式中，旋转致动器被配置用于使转子部件以约10RPM、50RPM、100RPM、200RPM、300RPM、400RPM、500RPM、600RPM、700RPM、800RPM、900RPM、1000RPM、1500RPM、2000RPM、2500RPM、3000RPM、3500RPM、4000RPM、4500RPM或5000RPM旋转。在各个实施方式中，旋转致动器的旋转速度被配置用于驱动流体通过微流体装置，以便离散化流体样品。任选地，旋转速度被配置用于其他应用，如本文进一步讨论的成像过程。在某些实施方式中，如本文进一步讨论的，旋转致动器的旋转由一个或多个处理器控制，该一个或多个处理器配置有用于控制自数字化系统的操作的指令。
图5图示了根据实施方式的用于流体样品的自数字化的系统的转子部件500。转子部件500包括绕中心轴504径向布置的多个容器502(例如，12个容器)。中心轴504耦合至旋转致动器506，此处将旋转致动器506描绘为安置在转子部件500的下方。每个容器502被塑形为收容对应的微流体装置508。微流体装置508可以类似于本文讨论的装置的任何实施方式，如装置300、装置400或装置450。在某些实施方式中，将装置508安置在其对应的容器508中，使得装置508的近侧部分510朝向中心轴504定向，而装置508的远侧部分512远离中心轴504定向。如上文和此处讨论的，在一些实施方式中，装置508的流体入口端口和流体出口端口定位于近侧部分510处，出口储器定位于远侧部分512处，并且流动通道从近侧部分510延伸至远侧部分512。
在一些实施方式中，转子部件整体形成为单件，因此无法在不损坏该部件的情况下将容器彼此解耦合。在这样的实施方式中，容器的数目是固定的。在替代实施方式中，转子部件包括可移除地耦合的容器，因此可以根据用户偏好来调整容器的数目。可移除地耦合的容器可以以多种方式附接至转子部件，所述方式包括但不限于紧固件(例如，螺钉、销)、互锁元件、卡扣配合、过盈配合、闩锁、夹具等。
图6A和图6B图示了根据实施方式的具有可移除地耦合的容器的转子部件600。图6A图示了转子部件600的第一配置，其中第一可移除转子组件602耦合至部件600的中心轴604。在所描绘的实施方式中，转子组件602包括彼此相对安置的一对容器606a、606b。因此，第一配置适合用于使两个微流体装置同时绕转。图6B图示了转子部件600的第二配置，其中第一可移除转子组件602和第二可移除转子组件608例如彼此正交地耦合至中心轴604。第二可移除转子组件608基本上类似于第一可移除转子组件602。因此，第二种配置适合用于使四个微流体装置同时绕转。
本公开内容的各个实施方式提供了被配置用于执行除了经由离心作用对流体样品进行自数字化之外的其他功能的系统和装置。在一些实施方式中，如本文讨论的用于自数字化的系统还并入了被配置用于执行以下功能中的一个或多个的组件：加热微流体装置中的一个或多个流体样品、冷却微流体装置中的一个或多个流体样品、测量微流体装置中的一个或多个流体样品的性质以及/或者对微流体装置中的一个或多个流体样品进行成像。例如，本文的系统的各个实施方式被配置用于执行对多个流体样品的离散化、热循环和成像，例如用于dPCR应用。这样的多功能系统为流体样品的高通量离散化、处理和分析提供了方便且紧凑的统一平台。
例如，在一些实施方式中，用于样品离散化、处理和分析的多功能系统还包括一个或多个加热装置，所述一个或多个加热装置被配置用于产生热量并将热量施加到容纳于旋转致动器中所收容的微流体装置内的流体样品。加热装置可以包括珀尔帖装置、对流加热器、辐射发射式加热器、电阻加热器、感应加热器或其组合。根据需要，加热装置可以被配置用于在有或没有直接接触微流体装置的情况下施加热量。在某些实施方式中，如本文进一步讨论的，向微流体装置施加热量由一个或多个处理器控制，所述一个或多个处理器配置有用于控制自数字化系统的操作的指令。
作为另一实例，在一些实施方式中，本文的系统还包括一个或多个冷却装置，用于降低容纳于旋转致动器中所收容的微流体装置内的流体样品的温度。冷却装置可以包括珀尔帖装置、对流冷却装置或其组合。根据需要，冷却装置可以被配置用于在有或没有直接接触微流体装置的情况下施加冷却。在某些实施方式中，如本文进一步讨论的，向微流体装置施加冷却由一个或多个处理器控制，所述一个或多个处理器配置有用于控制自数字化系统的操作的指令。
图7A至图7C图示了根据实施方式的被配置成适应微流体装置的加热和/或冷却(例如，经由对流加热和/或对流冷却)的示例性转子部件。图7A图示了转子部件700，其具有用于收容微流体装置(例如，装置704)的多个容器702(例如，12个容器)。每个容器702均包括开口，该开口被塑形为收容该装置并且暴露该装置的底面以供热耦合至加热装置和/或冷却装置。在一些实施方式中，转子部件包括内部部分706、中间部分708以及跨越转子部件700的整个周长的外部部分710。内部部分706和外部部分710相对较厚，例如，以便提供结构支撑。任选地，在内部部分706和/或外部部分710中形成夹紧机构(未示出)，以便将装置保持在容器702内。在某些实施方式中，中间部分708相对较薄(例如，具有与装置厚度近似的厚度)，例如，以便促进装置上下的空气流动，从而改善空气循环和热传输。
图7B图示了转子部件720，除了部件720的外部部分722形成为离散区段而不是围绕周长连续延伸之外转子部件720类似于转子部件700。在一些实施方式中，外部部分722包括散布在离散区段之间的多个间隙724，使得中间部分726延伸到间隙724处的转子部件720的边缘。在一些实施方式中，该设计提供了对空气循环的附加改善。图7C图示了转子部件740，除了在部件740的中间部分744中形成附加开口742以进一步改善空气流动之外转子部件740类似于转子部件720。任选地，与风扇叶片类似开口742成某一角度，以便例如在对流热循环期间转子部件740正绕转时促进对流空气流动和热传输。
在某些实施方式中，根据序列或方案(如dPCR热循环过程)将加热和/或冷却施加于用转子部件所收容的微流体装置。在各个实施方式中，热循环过程涉及多个循环交替地加热和冷却一个或多个流体样品(例如，容纳在微流体装置的流体隔室内的流体样品)，以便扩增靶分析物(例如，核酸)。进行分析物扩增的热循环的条件是本领域普通技术人员已知的。任选地，如本文进一步讨论的，加热和/或冷却的施加由一个或多个处理器控制，所述一个或多个处理器配置有适合用于控制自数字化系统的操作的指令。
为了改善样品加热和/或冷却的效率和均匀性，本文的某些实施方式包括包围自数字化系统的一个或多个组件(如转子部件、旋转致动器、加热装置和/或冷却装置)的壳体。另外，在一些实施方式中，壳体还保护系统的组件免受损坏和/或污染，并且还保护用户免受快速旋转组件和其他潜在安全隐患的伤害。在各个实施方式中，壳体的一个或多个部分(例如，至少一个壳体壁)设有隔热结构，以便减少往来系统的不期望的热传导。任选地，一个或多个隔热结构耦合至可能对温度波动、过高的温度和/或过低的温度敏感的系统组件，如旋转致动器的一个或多个部分(例如，转子轴杆)。
在一些实施方式中，自数字化系统包括通风部件，该通风部件被配置用于控制加热装置、冷却装置和/或转子部件周围的空气流动，例如以便产生对微流体装置的更均匀的加热和/或冷却。示例性通风部件的组件包括风扇、管道、进气口、出气口等中的一个或多个。
图8图示了根据实施方式的被配置用于加热和/或冷却微流体装置的系统800的一部分。在一些实施方式中，系统800包括包围转子部件的隔热腔室802。任选地，用于旋转转子部件的旋转致动器(例如，马达804)至少部分地延伸到腔室802的外部。在某些实施方式中，系统800包括用于促进进出腔室802的空气流动和热传输的通风部件，诸如形成于腔室802中的一个或多个进气风孔806、耦合至腔室802(例如，经由进气管810)的进气与加热单元808、形成于腔室802中的一个或多个排气风孔812以及/或者耦合至腔室802(例如，经由排气管816)的排气单元814。在一些实施方式中，系统800包括腔室内部而非腔室外部或与其组合的加热装置。任选地，腔室802包括一个或多个窗口818，窗口818容许其他功能组件(如本文进一步讨论的成像装置820)从腔室802外部接近微流体装置。
在一些实施方式中，自数字化系统包括加热装置，该加热装置由发射紫外辐射、发射可见辐射、发射红外辐射或发射两种或更多种类型辐射的组合的一个或多个装置组成。这些辐射发射式加热装置将会称为灯具。备选地或组合地，可以使用这些灯具的任何组合。在加热期间，灯具将会被安置用于向微流体装置传递热量。灯具将会直接照射微流体装置、照射辐射吸收材料(该辐射吸收材料继而将热量传递给微流体装置)或其组合。灯具将会安置于转子下方、转子上方、转子旁边或其组合。灯具将会通过下面方式与微流体装置对准：移动微流体装置以与灯具对准、移动灯具使得它们与微流体装置对准或其组合。在一些实施方式中，灯具的配置和/或数目使得不需要这一对准步骤。在一些实施方式中，灯具附接至转子、附接在腔室内部但不直接附接至转子或其组合。在一些实施方式中，使用反射镜将来自灯具的辐射引导到微流体装置上、引导到辐射吸收材料上(该辐射吸收材料继而将热量传递给微流体装置)或其组合。
任选地，使用反馈机制，例如基于从一个或多个温度传感器接收的温度数据的反馈来实现对施加加热和/或冷却的准确度的改进。在一些实施方式中，使用一个或多个温度传感器来监测微流体装置、转子部件的温度和/或壳体的内部空气温度。在某些实施方式中，温度数据由配置有指令的一个或多个处理器接收，所述指令促使系统响应于温度数据而调整由加热装置施加的加热量和/或由冷却装置施加的冷却量。
本文的系统、方法和装置的各个实施方式适合于获得容纳于微流体装置内的流体样品的测量值。在一些实施方式中，在已经离散化和/或处理(例如，经由加热、冷却、热循环等)流体样品之后获得测量数据以确定存在于流体样品中的靶分析物的存在和/或量。例如，在某些实施方式中，使用本文的系统来量化经由dPCR热循环扩增的核酸的量，如本文所讨论。
在一些实施方式中，该系统包括成像装置，该成像装置被配置用于获得转子部件内所收容的微流体装置的图像数据。在某些实施方式中，图像数据是明场图像数据、相差图像数据或荧光图像数据。在某些实施方式中，基于流体样品中靶分析物的性质来选择成像模式，例如，如果靶分析物是发荧光的，则使用荧光成像。任何具有足以分辨装置单个流体隔室的分辨率的成像装置均可以用于本文的系统、方法和装置。例如，在一些实施方式中，成像装置是显微镜，如共焦显微镜、绕转盘显微镜、多光子显微镜、平面照明显微镜、贝塞尔光束显微镜、微分干涉差显微镜、相差显微镜、落射荧光显微镜或其组合。在一些实施方式中，本文的系统、方法和装置中使用的检测器可以是能够捕获图像的装置，如电荷耦合器件(CCD)相机或互补金属氧化物半导体(CMOS)相机、诸如雪崩光电二极管(APD)或光电倍增管(PMT)等具有对光敏感的单一元件的装置、诸如多元件APD或多元件PMT等混合装置或其任何组合。作为另一示例，在一些实施方式中，成像装置是相机，如CCD相机或CMOS相机。例如，光学器件可以包括单一镜头、多元件镜头、光学滤光器、反射镜、分束器或其任何组合。任选地，如本文进一步讨论，微流体装置的成像由一个或多个处理器控制，所述一个或多个处理器配置有用于控制自数字化系统的操作的合适指令。在这样的实施方式中，成像被配置成由计算机或其他处理装置通过合适的软件来控制。
在某些实施方式中，成像装置例如是具有足以用于执行荧光成像的灵敏度和图像分辨率的数字单镜头反光(DSLR)相机。在一些实施方式中，基于DSLR相机的成像设置在提供令人满意的图像分辨率方面的同时成本相对较低是有利的。可以根据需要改变DSLR相机的配置(例如，ISO、F数、曝光时间、聚焦模式等)。在某些实施方式中，对于一组图像数据而言，ISO、F数和曝光时间是固定的，以便容许在不同图像上信号强度的比较。在一些实施方式中，DSLR相机与例如具有与相机主体匹配的镜头座的微距镜头一起使用。
在一些实施方式中，成像装置被配置用于获得微流体装置的图像数据(例如，荧光图像数据)。在某些实施方式中，成像装置的视场大小被设定用于在单一图像中捕获微流体装置的一部分。例如，在各个实施方式中，成像装置包括视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的主体表面积的至少10％、至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％或至少100％。在其他实施方式中，成像装置的视场大小被设定用于在单一图像中捕获整个单一微流体装置。在又一些其他实施方式中，成像装置的视野大小被设定用于在单一图像中捕获全部多个微流体装置。任选地，视场例如是可根据用户偏好调整的。在各个实施方式中，成像装置包括大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的至少500个、至少1000个、至少1500个、至少2000个、至少2500个、至少3000个、至少3500个、至少4000个、至少4500个、至少5000个、至少10,000个、至少50,000个或至少100,000个流体隔室。
随后，处理图像数据(例如，借助系统的一个或多个处理器)，以便测量来自微流体装置的流体隔室的特性(例如，荧光)。例如，在一些实施方式中，该处理涉及确定来自所成像的微流体装置的每个流体隔室的信号强度(例如，荧光强度)，以便确定靶分析物的存在和/或浓度。在某些实施方式中，高于阈值的信号强度指示分析物存在，而低于阈值的信号强度指示分析物不存在。这一方法适合用于各种分析技术，如dPCR。备选地或组合地，该处理涉及确定来自每个流体隔室的信号波长(例如，荧光波长)。例如，这一方法对于多路复用分析是有利的。
在某些实施方式中，成像装置包括一个或多个照明源和/或与一个或多个照明源组合使用，如被配置用于在例如装置的待成像部分上方提供基本均匀的泛光照明的照明源。可以使用照明源和成像装置的各种配置。成像装置的光轴与照明源的主射线可以形成介于0至10度之间、10至20度之间、20至30度之间、30至45度之间、45至60度之间、60至75度之间、75至90度之间、90至105度之间、105至120度之间、120至135度之间、135至150度之间、150至160度之间、160至170度之间或170至180度之间的角度。备选地或组合地，使用处于这些角度的任何组合的照明源。大于90度的角度指示出(一个或多个)照明源位于微流体装置的与成像装置相对的一侧。当成像装置的光轴与照明源的主射线之间的角度介于0至10度之间或170至180度之间时，将照明称为直接照明。当该角度介于10至170度之间时，将照明称为倾斜照明。例如，在一些实施方式中，使用直接照明，例如，其中成像装置的光轴基本上平行于(一个或多个)照明源的主射线。备选地或组合地，使用倾斜照明，例如，其中成像装置的光轴不平行于(一个或多个)照明源的主射线。在一些实施方式中，照明源包括一个或多个发光二极管(LED)，如白光LED或彩色LED，并且LED可相对于成像装置安置，以便根据需要提供直接和/或倾斜照明。在一些实施方式中，照明源包括安置于成像装置周围并且被配置用于根据需要提供直接和/或倾斜照明的环形照明源。在一些实施方式中，照明例如可以以落射荧光配置(因该术语在本领域中是已知的)进行布置以提供直接照明。
任选地，在流体样品包含一个或多个荧光团的实施方式中，照明源被配置用于产生该一个或多个荧光团的激发波长下的光能，并且成像装置被配置用于测量该一个或多个荧光团的发射波长的光能。本文的实施方式适合于适应多种激发波长(例如，处于从约350nm至约850nm范围内)和发射波长(例如，处于从约400nm至约900nm的范围内)。在某些实施方式中，分别使用合适的激发滤光器和/或发射滤光器来对传送至流体样品和/或从流体样品接收的光进行滤光。任选地，如果照明源被配置用于产生期望波长的光(例如，彩色LED)，则不使用激发滤光器。
图9A图示了根据实施方式的用于使用DSLR相机904对微流体装置902进行成像的倾斜照明配置900。应当认识到，在替代实施方式中，配置900可以适用于其他类型的成像装置。在一些实施方式中，相机904包括微距镜头906和耦合至微距镜头906的发射滤光器908，用于接收具有指定发射波长的光。一个或多个照明源910(例如，LED照明源)与相机904横向安置并且朝向装置902定向，以便在装置902的至少一部分上形成照明区域912。任选地，照明源910包括用于提供具有指定激发波长的光的激发滤光器914。在替代实施方式中，例如当使用被配置用于发射具有激发波长的光的LED时，省去激发滤光器914。在某些实施方式中，照明源910相对于相机904的光轴成某一角度定向，以便提供对装置902的倾斜照明。在一些实施方式中，照明区域912覆盖整个装置902，而在其他实施方式中，照明区域912仅覆盖装置902的一部分。在后一种情况下，相机904和/或照明源910耦合至移动台或其他致动机构，以便顺序地对装置902的不同部分进行照明和成像。在一些实施方式中，配置900具有促进装置904或其一部分的对准以便用DSLR相机902或替代成像装置进行成像的标识器(例如，单一井或多个特定井)。任选地，使用这样的标识器来限定照明区域912。
图9B图示了根据实施方式的用于使用DSLR相机954对微流体装置952进行成像的直接照射配置950。应当认识到，在替代实施方式中，配置950可以适用于其他类型的成像装置。在一些实施方式中，相机954包括微距镜头956。一个或多个照明源958耦合至相机954(例如，耦合至微距镜头956)并且与相机954的光轴成较小角度定向，以便在装置952的至少一部分上形成照明区域960并从而提供对装置952的直接照明。在某些实施方式中，照明源958是围绕相机954的至少一部分(例如，围绕微距镜头956)安置的环形照明源(例如，LED环形灯)。任选地，例如将附加的滤光器和/或其他光学组件耦合至相机954、微距镜头956和/或(一个或多个)照明源958，以提供具有指定激发波长的光和/或接收具有指定发射波长的光。在一些实施方式中，照明区域960覆盖整个装置952，而在其他实施方式中，照明区域960仅覆盖装置952的一部分。在后一种情况下，相机954和/或(一个或多个)照明源958耦合至移动台或其他致动机构，以便顺序地对装置952的不同部分进行照明和成像。在一些实施方式中，配置950具有促进装置952或其一部分的对准以便用DSLR相机954或替代成像装置进行成像的标识器(例如，单一井或多个特定井)。任选地，使用这样的标识器来限定照明区域960。在一些实施方式中，该仪器可以使用标识器来标识微流体芯片相对于成像装置的位置和定向，从而标识待分析的图像的那些部分。
本文描述的自数字化系统的各个组件(例如，旋转致动器、加热装置、冷却装置、温度传感器、通风部件、成像装置、照明源等)可以以多种方式配置。在一些实施方式中，本文的组件中的一个或多个安置在转子部件和所收容的微流体装置的上方。在一些实施方式中，本文的组件中的一个或多个安置在转子部件和所收容的微流体装置的下方。在一些实施方式中，本文的组件中的一个或多个安置在转子部件上，如耦合至转子部件。
在一些实施方式中，本文的组件中的一个或多个(例如，旋转致动器、加热装置、冷却装置、温度传感器、通风部件、成像装置、照明源等)是可移动的，使得(一个或多个)组件相对于转子部件的位置是可调整的。例如，在某些实施方式中，当组件正运行时，该组件安置于转子部件附近，而当组件不运行时，该组件远离转子部件安置。任选地，当转子部件不旋转时，组件安置在该转子部件附近，而当转子部件正旋转时，组件远离该转子部件安置。
在一些实施方式中，提供致动机构(例如，马达)，以便调整一个或多个可移动组件相对于转子部件和/或微流体装置的位置。任选地，如本文进一步讨论，致动机构的操作由一个或多个处理器控制，该一个或多个处理器配置有用于控制自数字化系统的操作的合适指令。在某些实施方式中，致动机构还被配置用于将一个或多个组件(例如，旋转致动器、加热装置、冷却装置、温度传感器、通风部件、成像装置、照明源、电源等)可操作地耦合至转子部件。组件可以在与转子部件直接接触或不直接接触的情况下可操作地耦合至转子部件。例如，在一些实施方式中，加热装置热耦合至转子部件，以便经由加热装置与转子部件和/或微流体装置之间的直接接触向微流体装置施加热量。在替代实施方式中，在加热装置与转子部件和/或微流体装置之间没有直接接触(例如，加热装置与转子部件和/或微流体装置之间存在气隙)的情况下将加热装置热耦合至转子部件。
在一些实施方式中，一个或多个加热装置耦合至致动机构，该致动机构使(一个或多个)加热装置平移和/或旋转，以便将(一个或多个)加热装置与一个或多个微流体装置(或其一部分)热耦合，从而进行加热。例如，在某些实施方式中，(一个或多个)加热装置安置于转子部件下方，并且致动机构使(一个或多个)加热装置升高以便加热微流体装置。备选地或组合地，使转子部件移动(例如，平移和/或旋转)以便将一个或多个微流体装置与(一个或多个)加热装置热耦合。
类似地，在一些实施方式中，将一个或多个冷却装置耦合至致动机构，该致动机构使(一个或多个)冷却装置平移和/或旋转，以便将(一个或多个)冷却装置与一个或多个微流体装置(或其一部分)热耦合，从而进行冷却。例如，在某些实施方式中，(一个或多个)冷却装置安置于转子部件下方，并且致动机构(一个或多个)冷却装置升高以便冷却微流体装置。备选地或组合地，使转子部件移动(例如，平移和/或旋转)以便将一个或多个微流体装置与(一个或多个)冷却装置热耦合。
作为另一示例，在一些实施方式中，将成像装置耦合至致动机构，该致动机构使(一个或多个)成像装置平移和/或旋转，以便将成像装置(例如，成像装置的视场)与一个或多个微流体装置(或其一部分)对准，从而执行成像。在成像装置的视场仅覆盖微流体装置的一部分的实施方式中，使成像装置移动到多个不同的位置和/或定向，以便允许对整个微流体装置进行成像。备选地或组合地，使转子部件移动(例如，平移和/或旋转)以便将一个或多个微流体装置与成像装置对准。
图10图示了根据实施方式的用于样品离散化、加热和成像的示例性多功能系统1000。系统1000可以与本文的方法和装置的任何实施方式组合使用。系统1000包括壳体1002，壳体1002部分或完全地包围用于收容多个微流体装置的转子部件1004。在一些实施方式中，壳体1002包括允许接近转子部件1004(例如，用于装载和卸载微流体装置)的盖1006。转子部件1004例如耦合至用于使转子部件1004旋转的旋转致动器(未示出)，以便驱动流体进入所收容的微流体装置的流体隔室中，从而离散化样品。多个加热装置(未示出)安置于转子部件1004的下方，以便例如根据热循环过程加热微流体装置。在一些实施方式中，加热装置的数目对应于转子部件1004中容器的数目，因此每个加热装置用于向相应的单一微流体装置施加热量。系统1000还包括用于对转子部件1004中的微流体装置进行成像的成像装置1008，以及用于在成像期间照明微流体装置的一个或多个照明源1010。在一些实施方式中，成像装置1008和照明源1010安置于转子部件1004上方。
图11A至图11C图示了根据实施方式的使用多功能系统对多个流体样品进行离散化、加热和成像。该方法的步骤可以使用本文的系统和装置的任何实施方式来执行。在一些实施方式中，使用多功能自数字化系统来执行该方法，该多功能自数字化系统包括被配置用于收容多个微流体装置1102的转子部件1100、用于使转子部件1100旋转的旋转致动器1104(例如，步进电机、伺服电机、无刷式直流电机等)、耦合至致动机构1108(例如，台架或其他位置控制系统)并安置于转子部件1100下方的多个加热装置1106(例如，珀尔帖单元)，以及安置于转子部件1100上方的成像系统(包括成像装置1110和至少一个照明源1112)。任选地，该系统包括用于监测和/或控制转子部件1100相对于加热装置1106和/或成像系统的位置的编码器或其他位置信息系统。
图11A图示了使用多功能系统的样品离散化。如上文和此处所讨论的，通过使转子部件1100中的微流体装置1102以足以将流体样品驱动到所收容的微流体装置中的流体隔室的至少一个子集中的旋转速度旋转来执行样品离散化。使用旋转致动器1102来使转子部件1100以受控的速度旋转。在一些实施方式中，多个加热装置1106和致动机构1108在离散步骤期间处于远离转子部件1100的降低位置，以便允许转子部件1100的旋转。
图11B图示了使用多功能系统的样品加热。任选地在样品离散化步骤之后执行样品加热步骤。在一些实施方式中，使用致动机构1108来使加热装置1106朝向转子部件1100升高，以便将加热装置1106热耦合至微流体装置1102。热耦合可能涉及或可能不涉及加热装置1106与微流体装置1102之间的直接接触。在一些实施方式中，转子部件1100在加热步骤期间是静止的。在替代实施方式中，如当使用对流加热时，转子部件1100在加热步骤期间是旋转的，例如以改善空气循环以便均匀加热。
图11C图示了使用多功能系统的样品成像。任选地在样品加热步骤之后执行样品成像步骤。在一些实施方式中，转子部件1100由致动器1102旋转经过多个旋转位置，以便顺序地使每个微流体装置1102与成像装置1110和照明源1112对准以便成像。在某些实施方式中，多个加热装置1106和致动机构1108在成像步骤期间处于远离转子部件1100的降低位置，以便适应转子部件1100的旋转。
如上文和此处所讨论，本文的自数字化系统的操作可以由配置有合适指令以便执行本文的各种方法的一个或多个处理器来控制。在一些实施方式中，例如，本文所述的系统包括计算机，该计算机包括一个或多个处理器，以及其上存储有可执行指令的存储器装置。在一些实施方式中，使用计算机来执行本文所述的方法。在各个实施方式中，可以使用计算机来实现上文所图示和描述的任何系统或方法。在一些实施方式中，计算机包括经由总线子系统与多个外围子系统通信的处理器。这些外围子系统可以包括存储子系统(包括存储器子系统和文件存储子系统)、用户接口输入装置、用户接口输出装置和网络接口子系统。
在一些实施方式中，总线子系统提供了一种用于使得计算机的各个组件和子系统能够按照预期与彼此通信的机构。总线子系统可以包括单总线或多总线。
在一些实施方式中，网络接口子系统提供了与其他计算机和网络的接口。网络接口子系统可以用作从计算机接收数据和向其他系统传输数据的接口。例如，网络接口子系统可以使得计算机能够连接至互联网并促进使用互联网的通信。
在一些实施方式中，计算机包括用户接口输入装置，如键盘、定位装置(如鼠标、轨迹球、触摸板或图形输入板)、扫描仪、条形码扫描仪、并入显示器中的触摸屏、音频输入装置(如语音识别系统，麦克风)以及其他类型的输入装置。总的来说，术语“输入装置”的使用旨在包括用于向计算机输入信息的所有可能类型的装置和机构。
在一些实施方式中，计算机包括用户接口输出装置，如显示子系统、打印机、传真机或非视觉显示器(如音频输出装置)等等。显示子系统可以是阴极射线管(CRT)、平板装置(如液晶显示器(LCD))或投影装置。输出装置不限于任何特定装置，并且例如可以包括交互式显示器、触摸板、触摸屏以及诸如智能电话和平板计算机等移动设备。总的来说，术语“输出装置”的使用旨在包括用于从计算机输出信息的所有可能类型的装置和机构。
在一些实施方式中，计算机包括提供用于存储基础编程和构建的数据的计算机可读存储介质的存储子系统。在一些实施方式中，存储子系统存储在由处理器执行时提供本文所述方法和系统的功能的软件(程序、代码模块、指令)。这些软件模块或指令可以由一个或多个处理器执行。存储子系统还可以提供用于存储根据本公开内容所使用的数据的存储库。存储子系统可以包括存储器子系统和文件/磁盘存储子系统。
在一些实施方式中，计算机包括存储器子系统，该存储器子系统可以包括多个存储器，所述存储器包括用于在程序执行期间存储指令和数据的主随机存取存储器(RAM)和存储固定指令的只读存储器(ROM)。文件存储子系统为程序和数据文件提供非暂时性永久(非易失性)存储，并且可以包括硬盘驱动器、软盘驱动器连同相关联的可移动介质、光盘只读存储器(CD-ROM)驱动器、光驱、可移动介质匣盒以及其他类似的存储介质。
计算机可以是各种类型，包括个人计算机、便携式计算机、工作站、网络计算机、主机、信息亭、服务器或任何其他数据处理系统。由于计算机和网络的性质不断变化，本文中所包含的计算机的描述旨在仅作为出于说明计算机的实施方式的目的的具体示例。具有比本文所述系统更多或更少的组件的许多其他配置是可能的。
用于流体样品的自数字化、处理和分析的方法
用于执行样品离散化、处理和分析的各种方法适合与本文的实施方式组合使用。在一些实施方式中，用于对流体样品进行离散化和分析的方法包括：提供如本文任何实施方式中的微流体装置；将包含多个离散分析物的流体样品施加到微流体装置的流体入口端口；以及旋转微流体装置以使得将多个离散分析物驱动到微流体装置的多个流体隔室的子集(例如，少于全部)中，从而将流体样品离散化到由隔室限定的多个流体包中。任选地，将微流体装置配置成与多通道移液管一起使用，并且使用多通道移液管向流体入口端口施加流体样品。
在一些实施方式中，流体样品的离散化涉及将多种不同的流体顺序地引入微流体装置中。例如，在某些实施方式中，该方法包括将第一流体施加到微流体装置(例如，使用多通道移液管)，以及旋转微流体装置以将第一流体驱动到装置的流动通道和/或流体隔室中。在各个实施方式中，第一流体例如包括引入到装置中以排除任何气泡的油。在某些实施方式中，该方法包括将包含流体样品的第二流体(例如，水溶液)经由流体入口端口施加到微流体装置中，以及旋转微流体装置以将第二流体驱动到流体隔室中并且从流体隔室中排除第一流体(例如，油)。在装载第二流体之后，将第三流体(例如，可能与第一流体相同或可能不同的油)施加到微流体装置，并且旋转该装置以从通道而不是流体隔室排除第二流体。结果，流体样品被隔室化成由流体隔室尺寸确定的离散体积。
如上文和此处所讨论，可以以各种方式执行微流体装置的旋转。在各个实施方式中，旋转微流体装置包括：提供包括中心轴和围绕中心轴径向地布置的多个容器的转子部件；将微流体装置安置于多个容器中的一个中，使得该微流体装置的近侧主体部分安置于中心轴附近，而该微流体装置的远侧主体部分远离中心轴安置；以及使转子部件围绕中心轴旋转，从而使微流体装置旋转。
在某些实施方式中，使用本公开内容的方法来离散化包含多种核酸分子的流体样品，例如以供PCR应用，如dPCR。在一些实施方式中，将包含多种核酸分子的流体样品施加到微流体装置的流体入口端口。通过如本文所述旋转微流体装置，使核酸分子离散化于装置中所布置的流体隔室内，使得例如在至少一些流体隔室中存在至少一种核酸分子。在一些实施方式中，将核酸分子离散化以使得在至少一些或全部流体隔室中存在不超过一种核酸分子。或者，在一些实施方式中，将核酸分子离散化以使得在至少一些流体隔室中存在不止一种核酸分子。在一些实施方式中，将核酸分子离散化以使得至少一个流体隔室不包含任何核酸分子。在一些实施方式中，每个流体隔室中的核酸分子的数目取决于所装载的流体样品中核酸分子的浓度和/或流体隔室的大小。任选地，用于对核酸分子进行PCR的试剂也存在于装载在该装置上的样品中。在一些实施方式中，如上文和本文所讨论，在装载和离散化核酸分子之后，在微流体装置中原位实施PCR。
在一些实施方式中，本公开内容提供了用于在样品离散化之后处理微流体装置中的流体样品的方法。例如，在某些实施方式中，方法包括向微流体装置施加热量以扩增微流体装置中的流体样品的多个离散分析物。作为另一示例，在某些实施方式中，方法包括冷却微流体装置以便降低微流体装置中的流体样品的温度。在各个实施方式中，根据dPCR热循环方案执行一个或多个加热和/或冷却循环。例如，在某些实施方式中，微流体装置中的流体样品包含多种核酸以及一种或多种dPCR试剂，并且根据dPCR热循环过程施加加热和/或冷却，以便使用一种或多种dPCR试剂来扩增多种核酸。
在一些实施方式中，本公开内容提供了用于在样品离散化和/或处理之后分析微流体装置中的流体样品的方法。例如，在某些实施方式中，方法包括使用成像装置获得微流体装置的图像数据。在各个实施方式中，通过将光能施加到微流体装置的多个流体隔室内的多个离散分析物以及测量来自多个流体隔室内的多个离散分析物的荧光信号来获得图像数据。任选地在微流体装置安置于转子部件中时执行成像。例如，在某些实施方式中，将微流体装置安置于转子部件的容器中，并且通过旋转转子部件以便使微流体装置与成像装置对准来获得图像数据。备选地或组合地，通过平移和/或旋转成像装置以便使微流体装置与成像装置对准来获得图像数据。
在一些实施方式中，本公开内容的方法包括提供根据本文任何实施方式的装置和/或系统。
鉴于本文的公开内容，对于本领域技术人员来说显而易见的是，根据预期应用可以容易地改变本公开内容的任何设备、装置、系统及其组件的具体尺寸。此外，应当理解，本文描述的示例和实施方式仅用于说明性目的，并且本领域技术人员可以想到根据其进行的各种修改或变化，并且这些修改或变化包括在本申请的精神和范畴内以及所附权利要求的范围内。本文描述的实施方式的众多不同种组合是可能的，并且这样的组合被视为是本公开内容的一部分。
如本文所使用，A和/或B包括A或B中的一个或多个以及其组合(如A和B)。
结合任何实施方式或本文的实施方式所讨论的所有特征都可以容易地适用于其他实施方式和本文的实施方式中。在不同实施方式中对于类似特征使用了不同的术语或附图标记未必暗示着差异(除了明确阐述的那些差异)。因此，本公开内容旨在仅通过参考所附权利要求来描述，而不限于本文公开的实施方式。
除非另外指明，否则目前描述的方法和过程可以以任何次序执行。例如，描述步骤(a)、(b)和(c)的方法可以首先执行步骤(a)，随后执行步骤(b)，继而执行步骤(c)。或者，该方法可以以不同的次序执行，举例而言，诸如首先执行步骤(b)，随后执行步骤(c)，继而执行步骤(a)。此外，除非另外特别指明，否则那些步骤可以同时或分开执行。
本文所示的细节是举例说明，并且仅出于对本公开内容的优选实施方式的说明性讨论的目的，并且呈现这些细节是为了提供被认为是对本发明各个实施方式的原理和概念性实施方式最有用且最容易理解的描述。就这一点而言，与基本理解本发明所必要的细节相比没有尝试更详细地示出本发明的结构细节，随附图和/或示例所进行的描述使本领域技术人员明显明白如何在实践中体现本发明的若干形式。
虽然本文已经示出和描述了本公开内容的优选实施方式，但是应当理解，本公开内容不限于所述公开内容的特定实施方式，这是因为可以做出特定实施方式的变体并且这些变体仍然落入所附权利要求的范围内。还应当理解，所采用的术语是出于描述本公开内容的特定实施方式的目的，而不旨在是限制性的。反而，本公开内容的范围由所附权利要求书确立。
在提供了数值范围的情况下，应当理解，在该范围的上限与下限之间的每个中间值(除非上下文另有明确所指，下限的单位的十分之一)，以及所陈述范围内的任何其他陈述值或中间值都包括在本文提供的公开内容内。这些较小范围的上限和下限可以独立地包括在更小的范围内，并且也包括在本发明内，但服从于所陈述范围内的任何具体排除的限制。在所陈述范围包括一个或两个限制的情况下，排除那些所包括的限制中的任一个或两个的范围也包括在本文提供的公开内容中。
结合实施方式或本文的实施方式讨论的所有特征都可以容易地适用于其他实施方式和本文的实施方式。在不同实施方式中对于类似特征使用了不同的术语或附图标记未必暗示着差异(除了明确阐述的那些差异)。因此，本公开内容旨在仅通过参考所附权利要求来描述，而不限于本文公开的实施方式。
实施例
包括以下实施例来进一步描述本公开内容的一些方面，并且不应使用以下实施例来限制本发明的范围。
实施例1
微流体装置的成像
该实施例描述了使用DSLR相机来获得微流体装置的图像数据的成像过程。
图12A和图12B图示了用于对微流体装置进行成像的配置。使用具有微距镜头1202的DSLR相机1200。发射滤光器1204耦合至微距镜头1202的前部。使用具有激发滤光器1208的一对LED照明源1206来提供对微流体装置1210的倾斜照明，因而在装置1210上产生照明区域1212。
DSLR相机是尼康D7100(24.1MP，6000×4000像素)。相机配置为手动模式，启用后键对焦，ISO 800，光圈F 4.0并且荧光图像的曝光时间为8秒。相机由计算机使用基于Labview的软件程序控制。使用Tokina 100mm f/2.8微距镜头。
照明(激发)源是白光LED，该白光LED具有约200流明的未经滤光输出。激发滤光器的中心波长为475nm，带宽为35nm。发射滤光器的中心波长为520nm，带宽为36nm。
根据以下过程获得微流体装置的图像。首先，打开相机并在启用后键对焦的手动模式下连接至计算机。在图像采集之前启用后键对焦确保了相机在采集荧光图像之前不会尝试自动对焦。这是非常重要的，这是因为对于相机的自动对焦机制而言荧光图像通常太暗以至于不能正确对焦。
在没有激发滤光器的情况下用白光LED来照明微流体装置。软件程序控制相机使用自动对焦来聚焦于该装置上。或者，可以将相机手动对焦到正确的位置并锁定在所需的焦点位置。如果需要，获得装置的白光图像。继而关闭白光LED，并打开带有激发滤光器的不同的白光LED。曝光时间设定为8秒并采集荧光图像。相机的分辨率足以一次成像约四分之一的装置，同时保持足够的分辨率来分辨装置中的单个隔室。通过移动装置和/或相机，获得装置的四个荧光图像，继而进行分析。
图13A至图13D图示了用DSLR相机获得的示例性成像结果。图13A是照明区域的图像。图13B是图示照明区域上的照明的均匀性的曲线图。图13C图示了由相机获得的荧光图像。图13D是图示由相机捕获的荧光的均匀性的曲线图。
实施例2
线性离心装置的装载
该实施例描述了线性离心装置的装载。装载仪器包括了作为旋转致动器的步进马达，其能够以1600微步/转和＞1200转/分钟运行。该旋转致动器附接至包含两个用于固定微流体装置的容器的转子部件。旋转部件具有壳体，该壳体也锚固旋转致动器以使得能够实现部件和装置的安全旋转。致动器通过计算机靠由旋转致动器的制造商和/或经销商提供的软件控制。图14提供了该实施例的一些实施方式中所描述的装载仪器的图像。
在该实施方式中，每个装置可以容纳多达8个阵列，其中每个阵列包含2560个流体隔室，并且每个隔室包含约23nL的容积(参见图4B)。装置(图3A和图3B)由旋涂有PDMS的3”×4”玻璃片组成。该3”×4”玻璃片与包含装置特征的另一片PDMS结合。这片PDMS由三个区域组成。中心区域较薄(介于300-1000μm之间厚)并跨越围绕流体隔室的整个面积。近侧区域较厚(3-10mm厚)并且包含入口、入口储器、出口和与流体隔室流体连通的通道的部分。远侧区域也较厚(2-10mm厚)并且包含出口储器和允许与中心区域中的流体隔室以及近侧区域中的出口流体连通的通道的各部分。在中心区域上方，结合有蒸汽屏障。在一些实施方式中，该蒸汽屏障为玻璃，在其他实施方式中，其为PCTFE，在其他实施方式中，其为某其他蒸汽屏障材料。在一些实施例中，蒸汽屏障被等离子体密封至PDMS。在其他实施方式中，使用粘合层。
在一个实施方式中，用于预装载装置的典型油为0.02％Abil WE09、33％TegosoftDEC和67％轻质矿物油。在真空干燥器中使该装置脱气，继而将油装载到入口储器中，并且在转子部件中以约900-1200RPM使装置受离心作用达2-10分钟。在一些实施方式中，有必要将附加的油装载到入口储器中以及执行附加转次的离心作用。在一些实施方式中，将部分装载的装置放置于低真空压力下的真空干燥器中以继续排空气泡。一旦从井中去除了所有气泡，就可以向装置装载样品。
通过用移液管经由入口将样品(对于该设计约为60-80μL)添加到入口储器来进行样品装载。在一些实施方式中，移液管是多通道移液管。一旦装载了样品，就将装置装载并固定到转子上并且使该转子以400-800RPM受离心作用达4-10分钟，或者直到所有样品都已沉居于流体隔室或出口储器中。图15是使用该方法装载的装置的荧光图像。在该实施方式中，六个阵列装载有样品。阵列容纳了具有不同荧光强度的不同样品溶液。
特别地，阵列2、3和6(从上到下计数)显示出超过94％的样品数字化到流体隔室中。
实施例3
微流体装置的热循环
该实施例描述了用于执行微流体装置的dPCR的热循环的一个实施方式。
如实施例2中所述地装载该装置。在装载之后对装置进行成像。在该实施方式中，如实施例1中所述地对装置进行成像。在该实施方式中，继而将该装置放置于EppendorfMastercycler热循环仪器的原位适配器上。为了改善热接触和改善装置的实际温度和编程温度的准确度，已经将导热膏放置到了适配器上。使用一薄层矿物油以便通过消除可能陷于装置之间的任何气穴来改善适配器与装置之间的热接触。根据以下程序进行热循环：在95℃下2分钟，继而35个循环的95℃下45秒和59℃下60秒。热循环后，用异丙醇清洗装置的外部，然后再对装置进行成像。图16示出了在热循环之前(上图)和之后(下图)的装置区域的图像。在执行dPCR后可以清楚地标识出阳性井和阴性井，并且阵列的整体完整性得到良好保持。
虽然本文已示出并描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方式仅以示例的方式提供。本领域技术人员在不脱离本发明的情况下想在将会想到众多变化、改变和替代。应当理解，可以采用本文中描述的本发明实施方式的各种替代方案来实施本发明。以下权利要求旨在限定本发明的范围，从而涵盖这些权利要求的范围内的方法和结构及其等同物。

Claims (152)

1.一种用于将流体样品离散化的微流体阵列，所述阵列包括：
近侧阵列部分，其包括流体入口端口和流体出口端口；
远侧阵列部分，其远离所述近侧阵列部分；
一个或多个流动通道，每个流动通道均包括从所述近侧阵列部分延伸至所述远侧阵列部分的长度、与所述流体入口端口流体连通的近端，以及与所述流体出口端口流体连通的远端，其中所述一个或多个流动通道中的至少一个流动通道包括从所述近端到所述远端沿所述至少一个流动通道的长度的截面尺寸的改变；以及
与所述一个或多个流动通道流体连通的多个流体隔室，
其中所述一个或多个流动通道中的至少一个流动通道包括沿着从所述近侧阵列部分到所述远侧阵列部分的长度设置的渐减的截面尺寸，以及
其中，所述渐减的截面尺寸沿着所述至少一个流动通道的一部分设置，并且跨越耦合至所述至少一个流动通道的所述多个流体隔室的整体。
2.根据权利要求1所述的阵列，其中所述多个流体隔室中的一个流体隔室从所述一个或多个流动通道偏移。
3.根据权利要求1所述的阵列，其中所述至少一个流动通道的所述截面尺寸根据一渐变轮廓而渐减，该渐变轮廓被配置用于沿着所述流动通道的长度产生基本上均匀的流体流动速率。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的阵列，其中所述至少一个流动通道的截面尺寸根据一渐变轮廓而渐减，该渐变轮廓被配置用于沿着所述流动通道的长度产生渐增的流动阻力。
5.根据权利要求3所述的阵列，其中所述渐变轮廓包括连续渐变轮廓。
6.根据权利要求5所述的阵列，其中所述连续渐变轮廓包括线性渐变轮廓、指数渐变轮廓、多项式渐变轮廓或其组合。
7.根据权利要求3所述的阵列，其中所述渐变轮廓包括不连续渐变轮廓。
8.根据权利要求7所述的阵列，其中所述不连续渐变轮廓包括阶梯式渐变轮廓。
9.根据权利要求1所述的阵列，其中所述截面尺寸包括截面宽度。
10.根据权利要求9所述的阵列，其中所述截面宽度包括平均截面宽度、最大截面宽度或最小截面宽度中的一个或多个。
11.根据权利要求9所述的阵列，其中所述至少一个流动通道的截面宽度在所述近端附近为80 µm，而在所述远端附近为50 µm。
12.根据权利要求9所述的阵列，其中所述至少一个流动通道的截面宽度在所述近端附近处于从60 µm至120 µm的范围内，而在所述远端附近处于从30 µm至70 µm的范围内。
13.根据权利要求9所述的阵列，其中所述至少一个流动通道在所述近端附近的截面宽度是在所述远端附近的截面宽度的1.2倍至2倍，或者是在所述远端附近的截面宽度的1倍至3倍。
14.根据权利要求9所述的阵列，其中所述至少一个流动通道的截面宽度沿着所述流动通道的长度以在从0.2 µm/mm至0.75 µm/mm、从0.15 µm/mm至0.3 µm/mm、从0.1 µm/mm至2µm/mm或者从0.01 µm/mm至10 µm/mm的范围内的平均速率渐减。
15.根据权利要求1所述的阵列，其中所述截面尺寸包括截面面积。
16.根据权利要求15所述的阵列，其中所述至少一个流动通道的截面面积在所述近端附近为2400 µm2，而在所述远端附近为1500 µm2。
17.根据权利要求15所述的阵列，其中所述至少一个流动通道的截面面积在所述近端附近处于从1200 µm2至4800 µm2的范围内，而在所述远端附近处于从600 µm2至2800 µm2的范围内。
18.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道中的至少一个流动通道包括沿着从所述近端到所述远端的所述至少一个流动通道的长度基本上恒定的截面尺寸。
19.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道中的至少一个流动通道包括沿着从所述近端到所述远端的所述至少一个流动通道的长度渐增的截面尺寸。
20.根据权利要求1所述的阵列，其中每个流动通道包括矩形、梯形、圆形、半圆形、椭圆形、半椭圆形或三角形的截面形状。
21.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少2个流动通道。
22.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少3个流动通道。
23.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少4个流动通道。
24.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少5个流动通道。
25.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少6个流动通道。
26.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少7个流动通道。
27.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少8个流动通道。
28.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少9个流动通道。
29.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少10个流动通道。
30.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少16个流动通道。
31.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少32个流动通道。
32.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少64个流动通道。
33.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少128个流动通道。
34.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少256个流动通道。
35.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少512个流动通道。
36.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少1024个流动通道。
37.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少2048个流动通道。
38.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少4096个流动通道。
39.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道包括至少8192个流动通道。
40.根据权利要求1所述的阵列，其中所述一个或多个流动通道布置成基本上彼此平行地延伸。
41.根据权利要求1所述的阵列，其中所述多个流体隔室包括至少100个流体隔室。
42.根据权利要求1所述的阵列，其中所述多个流体隔室包括至少500个流体隔室。
43.根据权利要求1所述的阵列，其中所述多个流体隔室包括至少1000个流体隔室。
44.根据权利要求1所述的阵列，其中所述多个流体隔室包括至少5000个流体隔室。
45.根据权利要求1所述的阵列，其中所述多个流体隔室包括至少10,000个流体隔室。
46.根据权利要求1所述的阵列，其中所述多个流体隔室包括至少50,000个流体隔室。
47.根据权利要求1所述的阵列，其中所述多个流体隔室包括至少100,000个流体隔室。
48.根据权利要求1所述的阵列，其中所述多个流体隔室包括至少500,000个流体隔室。
49.根据权利要求1所述的阵列，其中所述多个流体隔室包括至少100万个流体隔室。
50.根据权利要求1所述的阵列，其中每个流体隔室包括5 pL、10 pL、50 pL、100 pL、500 pL、1 nL、5 nL、10 nL、50 nL、100 nL或500 nL的容积。
51.根据权利要求1所述的阵列，还包括位于所述近侧阵列部分处的流体储器，其中每个流动通道的所述远端经由所述流体储器与所述流体出口端口流体连通。
52.根据权利要求51所述的阵列，其中所述流体入口端口、流体出口端口或所述流体储器中的一个或多个包括至少0.05 mm的深度。
53.根据权利要求51所述的阵列，其中所述流体入口端口、流体出口端口或所述流体储器中的一个或多个包括至少0.1 mm的深度。
54.根据权利要求51所述的阵列，其中所述流体入口端口、流体出口端口或所述流体储器中的一个或多个包括至少0.2 mm的深度。
55.根据权利要求51所述的阵列，其中所述流体入口端口、流体出口端口或所述流体储器中的一个或多个包括至少0.5 mm的深度。
56.根据权利要求51所述的阵列，其中所述流体入口端口、流体出口端口或所述流体储器中的一个或多个包括至少1 mm的深度。
57.根据权利要求51所述的阵列，其中所述流体入口端口、流体出口端口或所述流体储器中的一个或多个包括至少2 mm的深度。
58.根据权利要求51所述的阵列，其中所述流体入口端口、流体出口端口或所述流体储器中的一个或多个包括至少3 mm的深度。
59.根据权利要求51所述的阵列，其中所述流体入口端口、流体出口端口或所述流体储器中的一个或多个包括至少4 mm的深度。
60.根据权利要求51所述的阵列，其中所述流体入口端口、流体出口端口或所述流体储器中的一个或多个包括至少5 mm的深度。
61.根据权利要求51所述的阵列，其中所述流体入口端口、流体出口端口或所述流体储器中的一个或多个包括至少6 mm的深度。
62.一种用于将流体样品离散化的微流体装置，所述装置包括：
主体，其包括近侧主体部分和远侧主体部分，以及
如权利要求1-52中任一项的多个所述微流体阵列，多个所述微流体阵列形成于所述主体中，以使得所述微流体阵列中的所述一个或多个流体通道基本上彼此平行地从所述近侧主体部分延伸至所述远侧主体部分。
63.根据权利要求62所述的装置，其中所述主体包括基本上为矩形的形状。
64.根据权利要求62-63中任一项所述的装置，其中多个所述微流体阵列的所述流体入口端口被布置用于从多通道移液管收容流体样品。
65.根据权利要求62-63中任一项所述的装置，其中多个所述微流体阵列的所述流体入口端口在所述近侧主体部分附近布置成行。
66.根据权利要求65所述的装置，其中所述行包括相邻流体入口端口之间的2.25 mm、3mm、4.5 mm、9 mm、12 mm、18 mm或36 mm的节距。
67.根据权利要求62所述的装置，其中多个所述微流体阵列包括2个、4个、6个、8个、12个、16个、24个、32个、36个或48个微流体阵列。
68.根据权利要求62所述的装置，其中多个所述微流体阵列包括至少500个流体隔室。
69.根据权利要求62所述的装置，其中多个所述微流体阵列包括至少1000个流体隔室。
70.根据权利要求62所述的装置，其中多个所述微流体阵列包括至少5000个流体隔室。
71.根据权利要求62所述的装置，其中多个所述微流体阵列包括至少10,000个流体隔室。
72.根据权利要求62所述的装置，其中多个所述微流体阵列包括至少50,000个流体隔室。
73.根据权利要求62所述的装置，其中多个所述微流体阵列包括至少100,000个流体隔室。
74.根据权利要求62所述的装置，其中多个所述微流体阵列包括至少500,000个流体隔室。
75.根据权利要求62所述的装置，其中多个所述微流体阵列包括至少100万个流体隔室。
76.根据权利要求62所述的装置，其中多个所述微流体阵列包括至少500万个流体隔室。
77.根据权利要求62所述的装置，其中多个所述微流体阵列包括至少1000万个流体隔室。
78.根据权利要求62所述的装置，其中所述主体包括127.8 mm的长度和85.5 mm的宽度。
79.根据权利要求62所述的装置，其中所述主体包括100 mm的长度和75 mm的宽度。
80.根据权利要求62所述的装置，其中多个所述微流体阵列通过3D打印、复制模塑法、注射模塑法、压花法、软刻蚀法或其组合形成于矩形主体中。
81.根据权利要求62所述的装置，其中所述装置装载有第一流体。
82.一种用于对流体样品进行离散化和分析的系统，所述系统包括：
转子部件，其包括中心轴和围绕所述中心轴径向布置的多个容器，每个容器均被塑形为收容如权利要求62-80中任一项所述的微流体装置，使得所述微流体装置的所述近侧主体部分安置于所述中心轴附近而所述微流体装置的所述远侧主体部分安置成远离所述中心轴；
旋转致动器，其耦合至所述转子部件；以及
一个或多个处理器，其配置有用于使得所述系统使用所述旋转致动器来使所述转子部件围绕所述中心轴旋转的指令。
83.根据权利要求82所述的系统，其中所述转子部件包括2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个或12个容器。
84.根据权利要求82-83中任一项所述的系统，其中所述多个容器中每一个的近端与所述中心轴之间的距离处于从10 mm至500 mm、从20 mm至 300 mm或从30 mm至200 mm的范围内。
85.根据权利要求82所述的系统，其中所述旋转致动器包括无刷式直流马达、有刷式直流马达或步进马达。
86.根据权利要求82所述的系统，其中所述旋转致动器被配置用于以10 RPM、50 RPM、100 RPM、200 RPM、300 RPM、400 RPM、500 RPM、600 RPM、700 RPM、800 RPM、900 RPM、1000RPM、1500 RPM、2000 RPM、2500 RPM、3000 RPM、3500 RPM、4000 RPM、4500 RPM或5000 RPM旋转所述转子部件。
87.根据权利要求82所述的系统，还包括配置用于产生热量的加热装置，其中所述一个或多个处理器配置有用于使得所述系统使用所述加热装置向所述多个容器中所收容的所述微流体装置施加热量的指令。
88.根据权利要求87所述的系统，其中所述加热装置包括珀尔帖装置、对流加热器、辐射发射式加热器、电阻加热器、感应加热器或其组合。
89.根据权利要求87所述的系统，其中所述加热装置被配置用于在不直接接触所述微流体装置的情况下向所述微流体装置施加热量。
90.根据权利要求87所述的系统，其中所述一个或多个处理器配置有用于使得所述系统根据数字聚合酶链式反应（dPCR）热循环过程向所述微流体装置施加热量的指令。
91.根据权利要求87所述的系统，还包括冷却装置，其中所述一个或多个处理器配置有用于使得所述系统使用所述冷却装置来降低所述多个容器中所收容的所述微流体装置的温度的指令。
92.根据权利要求91所述的系统，其中所述冷却装置包括珀尔帖装置、对流冷却装置或其组合。
93.根据权利要求87所述的系统，还包括包围所述加热装置、转子部件和旋转致动器的壳体。
94.根据权利要求87所述的系统，还包括耦合至所述加热装置的致动机构，其中所述一个或多个处理器配置有用于使得所述系统使用所述致动机构将所述加热装置与所述多个容器中所收容的所述微流体装置热耦合的指令。
95.根据权利要求87所述的系统，还包括通风部件，所述通风部件被配置用于控制所述加热装置和所述转子部件周围的空气流动，以便产生对所述微流体装置的均匀加热。
96.根据权利要求95所述的系统，其中所述通风部件包括风扇、管道、进气口或出气口中的一个或多个。
97.根据权利要求87所述的系统，还包括被配置用于获得温度数据的温度传感器，其中所述一个或多个处理器配置有用于使得所述系统响应于所述温度数据来调整由所述加热装置施加的热量的指令。
98.根据权利要求87所述的系统，还包括一个或多个隔热结构，所述一个或多个隔热结构耦合至：所述转子部件的至少一部分；或者所述旋转致动器的至少一部分；或者所述旋转致动器的转子轴杆；或者包围所述转子部件和所述旋转致动器的壳体的至少一个壁；或者其组合。
99.根据权利要求82所述的系统，其中所述一个或多个处理器配置有用于使得所述系统将所述转子部件可操作地耦合至电源、所述旋转致动器、加热装置、冷却装置、温度传感器或其组合的指令。
100.根据权利要求99所述的系统，其中所述转子部件在不直接接触的情况下可操作地耦合至所述电源、所述旋转致动器、所述加热装置、所述冷却装置、所述温度传感器或其组合。
101.根据权利要求82所述的系统，还包括被配置用于获得图像数据的成像装置，其中所述一个或多个处理器配置有用于使得所述系统使用所述成像装置来获得所述多个容器中所收容的所述微流体装置的图像数据的指令。
102.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括相机。
103.根据权利要求102所述的系统，其中所述相机包括数字单镜头反光（DSLR）相机。
104.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置被配置用于获得所述微流体装置的荧光图像数据。
105.如权利要求104所述的系统，其中所述一个或多个处理器配置有用于使得所述系统处理所述荧光图像数据，以便测量来自所述多个流体隔室的荧光的指令。
106.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的至少500个流体隔室。
107.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的至少1000个流体隔室。
108.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的至少1500个流体隔室。
109.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的至少2000个流体隔室。
110.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的至少2500个流体隔室。
111.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的至少3000个流体隔室。
112.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的至少3500个流体隔室。
113.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的至少4000个流体隔室。
114.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的至少4500个流体隔室。
115.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的至少5000个流体隔室。
116.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的至少10,000个流体隔室。
117.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的至少50,000个流体隔室。
118.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的至少100,000个流体隔室。
119.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的主体的至少10%的表面积。
120.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的主体的至少20%的表面积。
121.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的主体的至少30%的表面积。
122.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的主体的至少40%的表面积。
123.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的主体的至少50%的表面积。
124.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的主体的至少60%的表面积。
125.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的主体的至少70%的表面积。
126.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的主体的至少80%的表面积。
127.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的主体的至少90%的表面积。
128.根据权利要求101所述的系统，其中所述成像装置包括一视场，该视场的大小被设定用于在单一图像中捕获单一微流体装置的主体的至少100%的表面积。
129.根据权利要求101所述的系统，其中所述一个或多个处理器配置有用于使得所述系统进行下列操作的指令：
使用所述旋转致动器来旋转所述转子部件以使得所述多个容器中所收容的所述微流体装置中的一个与所述成像装置对准；以及
使用所述成像装置获得所述微流体装置的图像数据。
130.根据权利要求101所述的系统，其中所述一个或多个处理器配置有用于使得所述系统进行下列操作的指令：
使用制动机构使所述成像装置平移或旋转以使得所述多个容器中所收容的所述微流体装置其中之一的一部分与所述成像装置对准；以及
使用所述成像装置获得所述微流体装置的所述一部分的图像数据。
131.根据权利要求101所述的系统，还包括照明源，所述照明源被配置用于提供基本上均匀的泛光照明。
132.根据权利要求131所述的系统，其中所述照明源被配置用于提供倾斜照明。
133.根据权利要求131所述的系统，其中所述照明源被配置用于提供直接照明。
134.根据权利要求131所述的系统，其中所述照明源包括一个或多个LED。
135.根据权利要求131所述的系统，其中所述照明源包括安置于所述成像装置周围的环形照明源。
136.根据权利要求131所述的系统，其中多个所述微流体装置包括包含荧光团的流体样品，所述照明源被配置用于产生所述荧光团的激发波长下的光能，并且所述成像装置被配置用于测量所述荧光团的发射波长下的光能。
137.根据权利要求136所述的系统，其中所述激发波长处于从350 nm至850 nm的范围内。
138.根据权利要求136-137中任一项所述的系统，其中所述发射波长处于从400 nm至900 nm的范围内。
139.根据权利要求82所述的系统，还包括收容于所述转子部件的多个容器中的如权利要求62-80中任一项的多个所述微流体装置。
140.一种用于对流体样品进行离散化和分析的方法，所述方法包括：
提供微流体装置，所述装置包括：
主体，其包括近侧主体部分和远侧主体部分，以及
多个微流体阵列，该多个微流体阵列形成于所述主体中，所述多个微流体阵列中的微流体阵列包括：
近侧阵列部分，其包括流体入口端口和流体出口端口；远侧阵列部分，其远离所述近侧阵列部分；一个或多个流动通道，每个流动通道包括：
从所述近侧阵列部分延伸至所述远侧阵列部分的长度，
所述流体入口端口流体连通的近端，以及
与所述流体出口端口流体连通的远端，其中所述一个或多个流动通道的至少一个流动通道包括从所述近端到所述远端沿所述至少一个流动通道的长度的截面尺寸的改变；以及
与所述一个或多个流动通道流体连通的多个流体隔室；
所述一个或多个流动通道基本彼此平行地从所述近侧主体部分延伸至所述远侧主体部分，
其中所述一个或多个流动通道中的至少一个流动通道包括沿着从所述近侧阵列部分到所述远侧阵列部分的长度设置的渐减的截面尺寸，以及
其中，所述渐减的截面尺寸沿着所述至少一个流动通道的一部分设置，并且跨越耦合至所述至少一个流动通道的所述多个流体隔室的整体；
将流体样品施加到所述微流体装置的所述流体入口端口，所述流体样品包含多个离散分析物；以及
旋转所述微流体装置，使得将所述多个离散分析物驱动到所述微流体装置的所述多个流体隔室的子集中。
141.根据权利要求140所述的方法，其中使用多通道移液管将所述流体样品施加到所述流体入口端口。
142.根据权利要求140-141中任一项所述的方法，其中旋转所述微流体装置包括：
提供用于对流体样品进行离散化和分析的系统，所述系统包括
转子组件，所述转子组件包括中心轴和多个容器，所述容器围绕所述中心轴径向布置，每个所述容器的形状被设置成接纳所述微流体装置；
旋转致动器，所述旋转致动器联接到所述转子组件；以及
一个或多个处理器，所述处理器配置有用于引起所述系统使用所述旋转致动器使所述转子组件围绕所述中心轴旋转的指令；
将所述微流体装置安置于所述多个容器中的一个中，使得所述微流体装置的所述近侧主体部分安置于所述中心轴附近，而所述微流体装置的所述远侧主体部分安置成远离所述中心轴；以及
使所述转子组件 围绕所述中心轴旋转，从而使所述微流体装置旋转。
143.根据权利要求142所述的方法，其中所述转子部件以10 RPM、50 RPM、100 RPM、200RPM、300 RPM、400 RPM、500 RPM、600 RPM、700 RPM、800 RPM、900 RPM、1000 RPM、1500RPM、2000 RPM、2500 RPM、3000 RPM、3500 RPM、4000 RPM、4500 RPM或5000 RPM旋转。
144.根据权利要求142所述的方法，其中所述多个容器中每一个的近端与所述中心轴之间的距离处于从10 mm至500 mm、从20 mm至 300 mm或者从30 mm至200 mm的范围内。
145.根据权利要求140所述的方法，还包括向所述微流体装置施加热量以便扩增所述多个离散分析物。
146.根据权利要求145所述的方法，其中所述流体样品包含多种核酸和一种或多种dPCR试剂，并且其中所述热量根据dPCR热循环过程来施加，以便使用所述一种或多种dPCR试剂来扩增所述多种核酸。
147.根据权利要求145-146中任一项所述的方法，其中使用珀尔帖装置、对流加热器、辐射发射式加热器、电阻加热器、感应加热器或其组合来施加所述热量。
148.根据权利要求140所述的方法，还包括使用珀尔帖装置、对流冷却装置或其组合来冷却所述微流体装置。
149.根据权利要求140所述的方法，还包括使用成像装置来获得所述微流体装置的图像数据。
150.根据权利要求149所述的方法，其中获得所述图像数据包括：
向所述多个流体隔室内的所述多个离散分析物施加光能；
测量来自所述多个流体隔室内的所述多个离散分析物的荧光信号。
151.根据权利要求149所述的方法，其中所述微流体装置安置于转子部件的容器中，并且其中获得所述图像数据包括旋转所述转子部件以便将所述微流体装置与所述成像装置对准。
152.根据权利要求149所述的方法，其中获得所述图像包括平移或旋转所述成像装置以便将所述微流体装置与所述成像装置对准。
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