CN110809495A - 使用具有优化电润湿表面的微流体装置的生物处理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了具有电润湿构造和优化的液滴致动表面的微流体设备，用于处理生物细胞，例如用于核酸文库的制备和/或合成(包括扩增)。所述装置包括介电层、共价结合到介电层的疏水层和第一电极。核酸文库的制备和/或合成方法可涉及通过将在与水不混溶的有机液体内的液滴致动表面上的适当液滴相合并来向细胞或核酸提供试剂，并且可在适当的表面活性剂存在下进行。疏水层的特征在于自缔合分子以产生致密堆积的单层的方式共价键合到介电层的表面，该单层可抵抗极性分子或物质的插入和/或渗透。还提供了在核酸文库制备和/或合成期间用于微流体设备的温度控制的系统，其可以减少加热和冷却步骤期间的温度超调。

Description

使用具有优化电润湿表面的微流体装置的生物处理系统和 方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年4月26日提交的美国临时申请号62/490,534和2017年4月26日提交的美国临时申请号62/490,596的优先权，其各自的内容通过引用整体并入本文。
背景技术
诸如生物细胞之类的微物体可以在微流体装置中进行处理。例如，包含微物体或试剂的液滴可以在微流体装置中移动并合并。本公开的实施方案针对微流体装置的改进，其促进液滴的稳健操纵，从而允许以小规模精确且可再现地进行复杂的化学和生物反应。反应包括核酸扩增，例如PCR。反应还可以包括一系列步骤，以从细胞获得核酸并由此制备测序文库。通过改变微流体装置中电润湿表面的有效润湿特性，液滴可以在微流体装置中移动和合并。这种移动可以促进工作流程，其中任选地在微流体装置中培养细胞之后，处理细胞以评估各种细胞特性。当前用于电润湿的解决方案本质上是极其有限的，并且无法扩展或实现附加功能。例如，当具有电润湿构造的微流体设备用于核酸扩增时，需要在适合防止温度超调的宽温度范围内的合适的热控制系统。因此，需要改进的电润湿表面、用于微流体应用的稳定衬底以及附加功能的集成(例如，通过电润湿可以在下游处理之前进行细胞生长和表征)，所有这些将有助于附加医学研究应用。
发明概要
在一些实施方案中，提供了一种在具有电润湿构造的微流体设备中处理生物细胞的方法。该方法可以包括：将水性介质的第一液滴设置在微流体设备的液滴致动表面上，其中第一液滴包含一个或更多个生物细胞；将第一液滴与水性介质的第二液滴合并以形成第一组合液滴，其中第二液滴包含细胞裂解剂；在液滴致动表面上将第一组合液滴温育足以裂解一个或更多个生物细胞的第一时间段；以及使细胞裂解剂失活。在一些实施方案中，微流体设备还包括具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极的衬底，以及构造为连接到AC电压源的第二电极，其中介电层电性耦接至第一电极，其中液滴致动表面包括共价键合至介电层的疏水层，以及其中，当第一电极和第二电极连接至AC电压源的相对端子时，衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力。该方法可以在本文公开的任何微流体设备上执行。例如，微流体设备可以包括电润湿构造，该电润湿构造包括具有约50kOhms至约150kOhms的电阻抗的介电层。介电层可以是单层或多个介电子层(dielectricsub-layer)的复合体，其中至少最外层的介电子层通过原子层沉积(ALD)形成。在某些实施方案中，微流体设备的一个或更多个(例如，全部)内表面可包括外疏水层，该外疏水层包含共价键合至介电层的自缔合分子。自缔合分子可包括例如连接基团和表面改性配体。连接基团可以是例如硅氧烷基团或膦酸基团。表面改性配体可以是例如直链烷烃基或直链氟烷烃基。在一些实施方案中，处理生物细胞的方法是制备核酸文库的方法。
在一些实施方案中，提供了一种在具有电润湿构造的微流体设备中处理生物细胞的方法。该方法可以包括：将水性介质的第一液滴设置在微流体设备的液滴致动表面上，其中第一液滴包含一个或更多个生物细胞；将第一液滴与水性介质第二液滴合并以形成第一组合液滴，其中第二液滴包含细胞裂解剂；在液滴致动表面上将所述第一组合液滴温育足以裂解所述一个或更多个生物细胞的第一时间段；以及使细胞裂解剂失活。在一些实施方案中，微流体设备还包括具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极的衬底，以及构造为连接到AC电压源的第二电极，其中介电层电性耦接至第一电极，其中液滴致动表面包括共价键合至介电层的疏水层，其中疏水层是由包含表面改性配体和将表面改性配体连接至表面的连接基团的分子所组成的单层，每个分子具有结构：
其中：
Figure BDA0002333436110000022
是表面；V是接头；m为9或更大的整数；以及其中，当第一电极和第二电极连接到AC电压源的相对端子时，衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力。在一些实施方案中，V是-Si(OZ)2W-；W是-O-并连接至表面；且Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键或者是与表面相连的键。在一些实施方案中，m为15、17或19。在一些实施方案中，该方法还包括用与第一液滴和第二液滴不混溶的第一液体介质填充封壳或其一部分，其中，在将第一液滴布置在液滴致动表面上之前，用第一液体介质填充封壳，并且其中，第一液体介质包括具有支化碳主链的有机液体。在一些实施方案中，有机液体是碳酸酯或烃，例如碳酸双(2-乙基己基)酯或七甲基壬烷。在一些实施方案中，第一液滴包含表面活性剂，诸如非离子表面活性剂，例如TET表面活性剂、N-(1,3-双(葡糖吡喃糖苷)丙-2-基)-3-丁基-3-环己基庚酰胺(Cy-Tripglu)或聚环氧乙烷-聚环氧丙烷(PEO-PPO)嵌段共聚物，任选地其中PEO-PPO嵌段共聚物是泊洛沙姆(poloxamer)。在一些实施方案中，第二液滴包含表面活性剂，例如具有大小大于750道尔顿的极性头基的非离子表面活性剂。例如，第二液滴中的表面活性剂可以是具有至少1000道尔顿的分子量的聚山梨酯表面活性剂(例如，聚山梨酸酯20)。该方法可以进一步包括使来自一个或更多个生物细胞的DNA或逆转录RNA片段化，并且可以进一步包括扩增所得片段化的DNA或cDNA。该方法可以在本文公开的任何微流体设备上执行。例如，微流体设备可以包括电润湿构造，该电润湿构造包括具有约50kOhms至约150kOhms的电阻抗的介电层。介电层可以是单层或多个介电子层的复合体，其中至少最外层的介电子层通过原子层沉积(ALD)形成。在某些实施方案中，微流体设备的一个或更多个(例如，全部)内表面可包括外疏水层，该外疏水层包含共价键合至介电层的自缔合分子。在一些实施方案中，处理生物细胞的方法是制备核酸文库的方法。
在一些实施方案中，提供了一种在具有电润湿构造的微流体设备中处理生物细胞的方法。该方法可以包括：将水性介质的第一液滴设置在微流体设备的液滴致动表面上，其中第一液滴包含一个或更多个生物细胞；将第一液滴与水性介质第二液滴合并以形成第一组合液滴，其中第二液滴包含细胞裂解剂；在液滴致动表面上将所述第一组合液滴温育足以裂解所述一个或更多个生物细胞的第一时间段；以及使细胞裂解剂失活。在一些实施方案中，微流体设备还包括具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极的衬底，和构造为连接至AC电压源的第二电极，其中介电层电性耦接至第一电极，其中液滴致动表面包括共价键合至介电层的疏水层，其中疏水层是由包含表面改性配体和将表面改性配体连接至表面的连接基团的分子所组成的单层，每个分子具有结构：
Figure BDA0002333436110000023
其中：
Figure BDA0002333436110000024
是表面；V是接头；n+m+j为13或更大，n为5或更大，m为2至13，且j为0或1；以及其中，当第一电极和第二电极连接到AC电压源的相对端子时，衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力。在一些实施方案中，V是-Si(OZ)2W-；W是-O-并连接至表面；Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键或者是与表面相连的键。在一些实施方案中，m是2，和/或n是11、13或15。在一些实施方案中，第一液滴包含表面活性剂，诸如非离子表面活性剂，例如TET表面活性剂、N-(1,3-双(葡糖吡喃糖苷)丙-2-基)-3-丁基-3-环己基庚酰胺(Cy-Tripglu)或聚环氧乙烷-聚环氧丙烷(PEO-PPO)嵌段共聚物，任选地其中PEO-PPO嵌段共聚物是泊洛沙姆。在一些实施方案中，第二液滴包含表面活性剂，例如具有大小大于750道尔顿的极性头基的非离子表面活性剂。例如，第二液滴中的表面活性剂可以是具有至少1000道尔顿的分子量的聚山梨酯表面活性剂(例如，聚山梨酸酯20)。该方法可以进一步包括使来自一个或更多个生物细胞的DNA或逆转录RNA片段化，并且可以进一步包括扩增所得片段化的DNA或cDNA。该方法可以在本文公开的任何微流体设备上执行。例如，微流体设备可以包括电润湿构造，该电润湿构造包括具有约50kOhms至约150kOhms的电阻抗的介电层。介电层可以是单层或多个介电子层的复合体，其中至少最外层的介电子层通过原子层沉积(ALD)形成。在某些实施方案中，微流体设备的一个或更多个(例如，全部)内表面可包括外疏水层，该外疏水层包含共价键合至介电层的自缔合分子。在一些实施方案中，处理生物细胞的方法是制备核酸文库的方法。
在一些实施方案中，提供了一种在具有电润湿构造的微流体设备中扩增核酸的方法。该方法可以包括：将水性介质的第一液滴布置在微流体设备的液滴致动表面上，其中第一液滴包含核酸；将第一液滴与水性介质的第二液滴合并以形成组合液滴，其中第二液滴包含核酸聚合酶，且其中组合液滴包含缓冲液和支持核酸聚合酶的聚合酶活性的前体(例如核苷酸、引物等)；和在促进源自第一液滴的核酸的扩增的条件下，在所述液滴致动表面上温育所述组合液滴。在一些实施方案中，微流体设备还包括具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极的衬底，和构造为连接到AC电压源的第二电极，其中介电层电性耦接至第一电极，其中液滴致动表面包括共价键合至介电层的疏水层，以及其中，当第一电极和第二电极连接至AC电压源的相对端子时，衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力。在一些实施方案中，在促进扩增的条件下温育组合液滴包括将微流体设备的温度调节至第一温度，该第一温度足以使源自第一液滴的核酸部分地或全部地变性。在一些实施方案中，在促进扩增的条件下温育组合液滴进一步包括将微流体设备的温度调节至第二温度，该第二温度促进源自第一液滴的核酸的引发和/或已引发核酸的基于模板的延伸。在一些实施方案中，第一液滴包含表面活性剂，诸如非离子表面活性剂，例如TET表面活性剂、N-(1,3-双(葡糖吡喃糖苷)丙-2-基)-3-丁基-3-环己基庚酰胺(Cy-Tripglu)或聚环氧乙烷-聚环氧丙烷(PEO-PPO)嵌段共聚物，任选地其中PEO-PPO嵌段共聚物是泊洛沙姆。在一些实施方案中，第二液滴包含表面活性剂，诸如非离子表面活性剂，例如具有至少1000道尔顿的分子量的聚山梨酯表面活性剂，任选地聚山梨酯20，或聚环氧乙烷-聚环氧丙烷(PEO-PPO)嵌段共聚物，任选地泊洛沙姆。该方法可以在本文公开的任何微流体设备上执行。例如，微流体设备可以包括电润湿构造，该电润湿构造包括具有约50kOhms至约150kOhms的电阻抗的介电层。介电层可以是单层或多个介电子层的复合体，其中至少最外层的介电子层通过原子层沉积(ALD)形成。在某些实施方案中，微流体设备的一个或更多个(例如，全部)内表面可包括外疏水层，该外疏水层包含共价键合至介电层的自缔合分子。自缔合分子可包括例如连接基团和表面改性配体。连接基团可以是例如硅氧烷基团或膦酸基团。表面改性配体可以是例如直链烷烃基或直链氟烷烃基。
在一些实施方案中，提供了一种用于操作微流体设备的系统。该系统可以包括：构造为保持微流体设备并与其可操作地耦合的支撑件，该支撑件包括：电信号产生子系统，其构造为当微流体设备由支撑件保持并与支撑件可操作地耦合时，在微流体设备中的一对电极之间选择性地施加偏压；热控制子系统，其构造为当微流体设备由支撑件保持并与支撑件可操作地耦合时，调节微流体设备的温度，该热控制子系统包括热控制电路、热敏电阻和珀尔帖(Peltier)热电设备，其中热敏电阻位于支撑件中并且构造为测量在微流体设备表面的位置的温度或接近微流体设备表面的位置的温度，其中珀尔帖热电设备构造为与微流体设备表面相接，以及其中热控制电路构造为遵循将由热敏电阻测量的温度值与目标温度和珀尔帖热电设备的功率输出相关联的规则。在某些实施方案中，规则包括：如果目标温度和热敏电阻测量温度之差大于N，则将珀尔帖热电设备的功率输出设置为第一值；如果目标温度和热敏电阻测量温度之差等于或小于N且大于M，则将珀尔帖热电设备的功率输出设置为小于第一值的第二值；和如果目标温度和热敏电阻测量温度之差小于或等于M，则通过以热敏电阻测量温度作为输入的比例积分微分(proportionate-integral-derivative，PID)回路控制器确定功率输出。在某些实施方案中，M在5℃至15℃的范围内(例如，约7℃至约13℃，或约8℃至约12℃，或约9℃至约11℃)，并且N在1℃至5℃的范围内(例如，约2℃至约4℃，或约2.5℃至约3.5℃)。在一些实施方案中，第一值在珀尔帖热电设备的功率输出的70％至100％的范围内。在一些实施方案中，第二值是从将多个目标温度值与多个功率输出值相关联的校准数据确定的功率输出值，任选地其中：通过使包括热电偶的校准芯片与珀尔帖热电器件在每个功率输出值处平衡，并将在平衡之后由热电偶记录的温度与所述功率输出值相关联从而来确定与功率输出值相关的目标温度值；和/或多个目标温度值包括0℃至100℃范围内的至少4、5、6、7、8、9或10个值，任选地其中通过线性插值来确定与在校准数据中表示的值之间的目标温度值相对应的功率输出值。微流体设备可以是本文公开的任何微流体设备。
通过以下附图和详细描述，本发明的其他方面和实施方案将变得清楚明了。
附图简要说明
图1A示出根据本公开的一些实施方案的通用微流体设备和具有用于控制和监测微流体设备的关联控制设备的系统。
图1B是具有衬底、盖和间隔元件的微流体装置的垂直截面图，衬底、盖和间隔元件共同形成构造为保持液体介质和在该液体介质中不可混溶的液体的液滴的封壳。衬底具有允许在封壳内操纵液滴的电润湿构造。
图1C和1D示出了根据本公开的一些实施方案的微流体设备的介电层。
图1E和1F示出了根据本公开的一些实施方案的微流体设备。
图2A和2B示出了根据本公开的一些实施方案的分隔围栏。
图2C示出了根据本公开的一些实施方案的详细的隔离围栏。
图2D示出了根据本公开的一些其他实施方案的隔离围栏。
图2E示出了根据本公开的实施方案的微流体设备的涂覆表面。
图2F示出了根据本公开的实施方案的微流体设备。
图3A示出了根据本公开的一些实施方案的与微流体设备和相关联的控制设备一起使用的系统的具体示例。
图3B示出了根据本公开的一些实施方案的成像设备。
图4示出了具有双体衬底的带有EW构造和DEP构造的微流体设备的示例。
图5示出了具有整体衬底的带有EW构造和DEP构造的微流体设备的示例。
图6A是根据本公开的一些实施方案的微流体设备的衬底的一个功能方面的电寻址操作表示的视图。
图6B是根据本公开的一些实施方案的微流体设备的衬底的一个功能方面的电寻址操作表示的视图。
图7A-7C是根据本公开的实施方案的水性液滴在改性微流体表面上的运动的照片表示。
图7D是根据本公开的实施方案的在系统内形成的具有精确体积的液滴的照片表示。
图8是微流体装置的水平截面图，其可以包括如图1B所示的电润湿构造，并且其包括多个微流体通道、从至少一个微流体通道打开的腔室以及液滴发生器。在该实施方案中，一个微流体通道包含水性介质(较浅的颜色)，而连接至液滴发生器的微流体通道包含非水性介质(较深的颜色)。这些腔室同样地包含或者水性介质或者非水性介质。
图9是微流体装置的水平截面图，其可以包括如图1B所示的电润湿构造，并且其包括多个微流体通道、从至少一个微流体通道打开的腔室以及液滴生成器。在该实施方案中，一个微流体通道和第一组腔室包含水性介质(较浅的颜色)，而连接到液滴生成器的微流体通道和第二组腔室包含疏水性介质(较深的颜色)。图9显示了图8所示实施方案的变型，其中包含水性介质的每个腔室直接横跨位于具有来自包含疏水性介质的相应腔室的疏水性介质的通道。
图10是处理微流体装置内的生物微物体的方法的图。
图11是根据本公开的实施方案的用于产生测序文库的方法的示意图。
图12是根据本公开的实施方案的将包含单个细胞的第一液滴与包含细胞裂解剂的第二液滴合并以形成组合液滴，并温育组合液滴以实现单个细胞的裂解的照片表示。箭头指示细胞在第一液滴和组合液滴中的位置。在温育过程中，细胞在组合液滴中消失。
图13是根据本公开的实施方案的制备合适大小的用于测序的核酸片段的方法的示意图。
图14是根据本公开的另一个实施方案分阶段用于制备合适大小的用于测序的核酸片段的方法中的液滴的照片表示。
图15是根据本公开的另一个实施方案的用于制备DNA文库的方法中用于核酸扩增的衔接子的示意图。
图16是具有核酸片段或衔接子的液滴的示意图，其中在本公开的一个实施方案中，将液滴在相应的隔离围栏内分级，以用于扩增和/或条形码标记(barcoding)核酸的方法中。
图17是根据本公开的实施方案的用于对液滴中的核酸的量进行芯片上定量的方法的照片表示。
图18是根据本公开的实施方案的扩增位于微流体设备中的液滴中存在的核酸的方法的照片表示。
图19是示出根据本公开实施方案的包含核酸的液滴的亮度(作为芯片上扩增循环的函数)的图。
图20是由被编程为使用于根据本公开的实施方案的核酸扩增的方法的微流体设备的温度进行循环的系统获得的温度读数的图形显示。
图21是一组图形表示，每个图形表示根据本公开的各种实施方案的由基因组DNA的芯片上断裂产生的核酸片段的大小分布。
图22是根据本公开的另一实施方案的由：(i)事先在芯片上扩增了30个循环或(ii)事先在芯片上扩增了30个循环，然后稀释了六倍而获得的核酸样品的芯片外qPCR结果的图形表示。将qPCR样品与各种对照进行比较，包括事先在芯片外扩增了30个循环的核酸样品，从微流体芯片输出而未事先扩增的核酸样品以及无模板对照。
图23A-23C是根据本公开的各种实施方案的由芯片上扩增方法产生的核酸片段的大小分布的图形表示。图23A和23B中的核酸片段在芯片外制备，然后在芯片上扩增，图23C中的核酸片段在芯片上制备并在芯片上扩增。根据本公开的某些实施方案，在大小分布分析之前，将所有样品进一步在芯片外扩增。
图24A-24B是比较根据本公开的某些实施方案的核酸片段化和扩增以产生DNA测序文库的两种方法的图形表示。
图25A-25B是比较根据本公开的某些实施方案的核酸片段化和扩增以产生DNA测序文库的两种方法的图形表示。
图26A-26B是比较根据本公开的某些实施方案的核酸片段化和扩增以产生DNA测序文库的两种方法的图形表示。
图27是比较根据本公开的某些实施方案的核酸片段化和扩增以产生DNA测序文库的两种方法的图形表示。
图28是显示了通过根据本公开的实施方案的芯片上逆转录方法获得的cDNA的琼脂糖凝胶的照片表示。
图29A和29B是通过根据图28的实施方案的芯片上逆转录方法获得的cDNA分子的大小的图形表示。
图30是根据本公开的实施方案的从芯片上制备的cDNA获得的核酸测序文库样品的图示。
图31是根据本公开的实施方案的从芯片上制备的cDNA获得的核酸测序文库样品(包括图30的样品)的测序结果的图示。
图32A示出了当将珀尔帖设置为以全功率加热校准芯片时的热敏电阻和热电偶温度测量。纵轴，℃。横轴，时间(秒)。
图32B示出了当将珀尔帖设置为以全功率冷却校准芯片时的热敏电阻和热电偶温度测量。纵轴，℃。横轴，时间(秒)。
图33A示出了当使用本文所述的三阶段温度控制程序将珀尔帖设置为加热校准芯片时的热敏电阻和热电偶温度测量。纵轴，℃。横轴，时间(秒)。
图33B示出了当使用本文所述的三阶段温度控制程序将珀尔帖设置为加热校准芯片时的热敏电阻和热电偶温度测量。纵轴，℃。横轴，时间(秒)。
图34示出了当使用根据本公开的实施方案的三级温度控制程序将珀尔帖设置为加热和冷却校准芯片到所指示的一系列目标温度时，热敏电阻和热电偶温度的测量结果。PID状态数据指示PID算法何时退出(处于0)或参与(处于与目标温度匹配的值)。纵轴，℃。横轴，时间(秒)。
图35示出了来自另一个实验的热敏电阻和热电偶温度测量结果，其中使用根据本公开的实施方案的三阶段温度控制程序，将珀尔帖设置为加热和冷却校准芯片到所指示的一系列目标温度。纵轴，℃。横轴，时间(秒)。
发明详细描述
本说明书描述了本公开的示例性实施方案和应用。然而，本公开不限于本文中描述的这些示例性实施方案和应用，也不限于这些示例性实施方案和应用的操作方式。此外，附图可以显示简化的或部分的视图，并且附图中的元件的尺寸可能被放大或以其他方式不成比例。提供章节标题是为了方便读者，并且不限制本公开的范围。
I.定义
由于本文使用术语“在...上”、“附接到”、“连接到”、“耦合到”或类似的词，一个元件(例如，材料、层、衬底等)可以“在”另一元件“上”、“附接到”、“连接到”或“耦合到”另一元件，不管一个元件是否直接在另一元件上、附接到、连接到或耦合到另一元件，或者在一个元件和另一个元件之间存在一个或更多个中间元件。此外，除非上下文另有指示，否则方向(例如，上方、下方、顶部、底部、侧面、上、下、下侧、上侧、上部、下部、水平、垂直、“x”、“y”、“z”等等)(如果有的话)是相对的并且仅通过示例的方式提供，并且为了便于说明和讨论而不是限制。此外，在提及元素列表(例如，元素a、b、c)时，这样的参考意图包括列出的元素中的任何一个单独列出的元素，少于所有列出的元素的任何组合，以及/或所有列出的元素的组合。说明书中的章节划分仅便于查看，并不限制讨论的任何要素组合。
如本文所用，“基本上”意指足以用于预期目的。因此，术语“基本上”允许与绝对或完美的状态、尺寸、测量、结果等的微小的、不显著的变化，这是本领域普通技术人员所预期的，但不会显著影响整体性能。当关于数值或参数或可以以数值表示的特征来使用时，“基本上”意味着在百分之十内。
术语“多个(ones)”意味着不止一个。
如本文所使用的，术语“复数个(plurality)”可以是2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多。
如本文所使用的，术语“设置”涵盖其“位于”的含义。
如本文所用，“微流体设备(microfluidic device)”或“微流体装置(microfluidic apparatus)”是包括一个或更多个离散微流体回路的设备，所述离散微流体回路构造为容纳流体，每个微流体回路由流体互连回路元件(包括但不限于区域、流动区域、通道、腔室和/或围栏)以及(对于包括盖的微流体设备)被构造成允许流体(以及任选地，悬浮在流体中的微物体)流入和/或流出微流体设备的至少两个端口构成。典型地，微流体设备的微流体回路将包括至少一个微流体通道和至少一个腔室，并且将容纳小于约1mL体积的流体，例如小于约750、500、250、200、150、100、75、50、25、20、15、10、9、8、7、6、5、4、3或2μL。在某些实施例中，微流体回路容纳约1-2、1-3、1-4、1-5、2-5、2-8、2-10、2-12、2-15、2-20、5-20、5-30、5-40、5-50、10-50、10-75、10-100、20-100、20-150、20-200、50-200、50-250或50-300μL。
如本文所用，“纳流体设备(nanofluidic device)”或“纳流体装置(nanofluidicapparatus)”是一类微流体设备，其具有包含至少一个回路元件的微流体回路，所述回路元件构造为容纳少于约1μL体积的流体，例如小于约750、500、250、200、150、100、75、50、25、20、15、10、9、8、7、6、5、4、3、2、1nL或更少。纳流体设备可以包括多个回路元件(例如至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、50、75、100、150、200、250、300、400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、6000、7000、8000、9000、10,000或更多)。在某些实施方案中，至少一个回路元件中的一个或更多个(例如全部)构造为容纳约100pL至1nL、100pL至2nL、100pL至5nL、250pL至2nL、250pL至5nL、250pL至10nL、500pL至5nL、500pL至10nL、500pL至15nL、750pL至10nL、750pL至15nL、750pL至20nL、1至10nL、1至15nL、1至20nL、1至25nL或1至50nL体积的流体。在其他实施方案中，至少一个回路元件中的一个或更多个(例如全部)构造为容纳约20nL至200nL、100至200nL、100至300nL、100至400nL、100至500nL、200至300nL、200至400nL、200至500nL、200至600nL、200至700nL、250至400nL、250至500nL、250至600nL或250至750nL体积的流体。
如本文所用的“微流体通道”或“流动通道”是指具有的长度明显大于水平和垂直尺寸的微流体设备的流动区域。例如，流动通道可以是水平或垂直尺寸的至少5倍长度，例如至少10倍长度、至少25倍长度、至少100倍长度、至少200倍长度、至少500倍长度、至少1,000倍长度、至少5,000倍长度或更长。在一些实施方案中，流动通道的长度在从约50,000微米到约500,000微米的范围内，包括其间的任何范围。在一些实施方案中，水平尺寸在约100微米至约1000微米(例如约150至约500微米)的范围内，并且垂直尺寸在约25微米至约200微米的范围内，例如，从约40至约150微米。注意到流动通道在微流体设备中可以具有各种不同的空间构造(configuration)，因此不限于完美的线性元件。例如，流动通道可以包括具有以下构造中的任何一种的一个或更多个部分：曲线、弯曲、螺旋、倾斜、下降、叉支(例如，多个不同的流动路径)以及它们的任何组合。另外，流动通道沿其路径可具有不同的截面积，加宽和收缩以在其中提供期望的流体流动。
如本文所使用的，术语“障碍物”通常指的是足够大的隆起物或类似类型的结构，以部分(但不完全)阻止目标微物体在微流体设备中的两个不同区域或回路元件之间的移动。两个不同区域/回路元件可以是例如微流体隔离围栏(microfluidic sequestrationpen)和微流体通道，或者微流体隔离围栏的连接区和分隔区。
如本文所使用的，术语“收缩/收缩部(constriction)”通常是指微流体设备中的回路元件(或两个回路元件之间的接口)的宽度变窄。收缩部例如可位于微流体隔离围栏与微流体通道之间的交界处，或者位于微流体隔离围栏的分离区与连接区之间的交界处。
如本文所使用的，术语“透明”是指材料允许可见光通过而基本上不会在光通过时改变光。
如本文所使用的，术语“微物体”通常是指根据本公开可以分离和收集的任何微物体。微物体的非限制性示例包括：无生命的微物体，诸如微粒、微珠(例如，聚苯乙烯珠粒，LuminexTM珠粒等)、磁珠、微棒、微丝、量子点等；生物微物体，诸如细胞(例如胚胎、卵母细胞、卵子、精细胞、从组织分离的细胞、真核细胞、原生细胞、动物细胞、哺乳动物细胞、人细胞、免疫细胞、杂交瘤、培养的细胞、来自细胞系的细胞、癌细胞、感染细胞、转染和/或转化的细胞、报道细胞、原核细胞等)；生物细胞器；囊泡或复合物；合成囊泡；脂质体(例如合成的或衍生自膜制备物)；脂质纳米杆(如Ritchie等(2009)“Reconstitution of MembraneProteins in Phospholipid Bilayer Nanodiscs,”Methods Enzymol.,464:211-231中描述的)等；或无生命微物体和生物微物体的组合(例如，附着于细胞的微珠、脂质体包被的微珠、脂质体包被的磁珠等)。珠粒可以进一步具有共价或非共价连接的其他部分/分子，诸如能够在测定中使用的荧光标记、蛋白质、小分子信号部分、抗原或化学/生物物质。
如本文所用，术语“维持(一个或更多个)细胞”是指提供包含流体和气体组分以及可选的表面的环境，其提供保持细胞存活和/或扩增所需的条件。
流体介质的“组分”是介质中存在的任何化学或生化分子，包括溶剂分子、离子、小分子、抗生素、核苷酸和核苷、核酸、氨基酸、肽、蛋白质、糖、碳水化合物、脂质、脂肪酸、胆固醇、代谢物等。
如本文中关于流体介质所使用的，“扩散(diffuse)”和“扩散(diffusion)”是指流体介质的组分沿着浓度梯度的热力学运动。
短语“介质的流动(flow of a medium)”是指主要由于扩散以外的任何机制导致的流体介质的大量移动。例如，由于点之间的压力差，介质的流动可能涉及流体介质从一点移动到另一点。这种流动可以包括液体的连续、脉冲、周期性、随机、间歇或往复流动，或其任何组合。当一种流体介质流入另一种流体介质时，可能导致介质的湍流和混合。
短语“基本上不流动”是指流体介质的随时间平均得到的流动速率小于材料(例如，感兴趣分析物)的组分扩散到流体介质中或流体介质内的速率。这种材料的组分的扩散速率可以取决于例如温度、组分的尺寸以及组分与流体介质之间相互作用的强度。
如本文关于微流体设备内的不同区域所使用的，短语“流体连接”是指，当不同区域基本上充满流体(诸如流体介质)时，每个区域中的流体连接以形成单一体的流体。这并不意味着不同区域中的流体(或流体介质)在组成上必然相同。而是，微流体设备的不同流体连接区中的流体可以具有不同的组成(例如不同浓度的溶质，诸如蛋白质、碳水化合物、离子或其他分子)，其在流动中作为溶质沿着其各自的浓度梯度下移和/或流体流过该设备。
微流体(或纳流体)设备可以包括“被扫过的”区域和“未被扫过的”区域。如本文所使用的，“被扫过的”区域由微流体回路的一个或更多个流体互连的回路元件构成，当流体流过微流体回路时，每个回路元件经历介质流。被扫过的区域的回路元件可以包括例如区域、通道以及全部或部分腔室。如本文所使用的，“未被扫过的”区域由微流体回路的一个或更多个流体互连的回路元件构成，当流体流过微流体回路时，每个回路元件基本上不经历流体通量。未被扫过的区域可以流体连接到被扫过的区域，只要流体连接被构造成能够扩散但基本上没有介质在被扫过的区域和未被扫过的区域之间流动。因此微流体设备可被构造成基本上将未扫过区域与被扫过的区域中的介质流隔离开，同时在被扫过的区域和未被扫过的区域之间基本上仅允许扩散流体连通。例如，微流体设备的流动通道是被扫过的区域的示例，而微流体设备的分离区(下面进一步详细描述)是未被扫过的区域的示例。
如本文所使用的，“流动区域”是指一个或更多个流体连接的回路元件(例如一个或更多个通道、一个或更多个区域、一个或更多个腔室等)，其限定介质流动并受介质流动轨迹的影响。因此流动区域是微流体设备的被扫过的区域的示例。其他回路元件(例如，未被扫过的区域)可以与包括流动区域的回路元件流体连接，而不受流动区域中的介质流动的影响。
如本文所用，“烷基”是指仅由碳和氢原子组成的，不含不饱和，具有1至6个碳原子直链或支链烃基团(radical)(例如C1-C6烷基)。在本文中无论何时出现，诸如“1至6”的数字范围是指给定范围中的每个整数；例如“1至6个碳原子”是指烷基可以由1个碳原子、2个碳原子、3个碳原子等组成，直至并包括6个碳原子，然而本定义还涵盖术语“烷基”不指定数值范围的情况。在一些实施方案中，它是C1-C3烷基。典型的烷基包括但绝不限于甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基异丁基、叔丁基、戊基、异戊基、新戊基、己基等。烷基通过单键连接到分子的其余部分，例如，甲基(Me)、乙基(Et)、正丙基、1-甲基乙基(异丙基)、正丁基、正戊基、1,1-二甲基乙基(叔丁基)、己基等。
除非在说明书中另有说明，否则烷基可以任选地被一个或更多个取代基取代，所述取代基独立地为：芳基、芳基烷基、杂芳基、杂芳基烷基、羟基、卤素、氰基、三氟甲基、三氟甲氧基、硝基、三甲基硅烷基、-OR’、-SR’、-OC(O)-R’、-N(R’)2、-C(O)R’、-C(O)OR’、-OC(O)N(R’)2、-C(O)N(R’)2、-N(R’)C(O)OR’、-N(R’)C(O)R’、-N(R’)C(O)N(R’)2、N(R’)C(NR’)N(R’)2、-N(R’)S(O)tR’(其中t是1或2)、-S(O)tOR’(其中t是1或2)、-S(O)tN(R’)2(其中t是1或2)，或PO3(R’)2，其中每个R’独立地为氢、烷基、氟代烷基、芳基、芳烷基、杂环烷基或杂芳基。
如本文所提及的，氟化烷基部分是烷基部分的一个或更多个氢被氟取代基取代的烷基部分。全氟化烷基部分具有连接到烷基部分的全部氢被氟取代基取代。
如本文所提及的，“卤代”部分是溴、氯或氟部分。
如本文所提及的，“烯属”化合物是含有“烯烃”部分的有机分子。烯烃部分是指由至少两个碳原子和至少一个碳-碳双键组成的基团。分子的非烯烃部分可以是任何类别的有机分子，并且在一些实施例中，可以包括烷基或氟化(包括但不限于全氟化的)烷基部分，其中任何一个可被进一步取代。
如本文所用，“密集堆积的疏水单层”指单层疏水分子，其充分接近地堆积在一起以抵抗极性分子(例如水、离子和其他带电物质)的插入和/或侵入。
如本文所用，“表面活性剂”是指包含极性和非极性部分的分子或分子群(例如，聚合物或具有聚合物成分的分子群，其中聚合物或聚合物成分的长度可以变化)。极性部分可以是非离子的、阴离子的、阳离子的或两性离子的，并且可以被称为头基。水溶液中表面活性剂的存在通常会大大降低表面张力。表面活性剂的哪些部分形成头基和疏水部分通常对于本领域技术人员而言是显而易见的，因为极性头基包含氢键供体和/或受体或带电基团，而疏水部分通常不包含(例如，在烃链中)。例如，在表面活性剂十二烷基硫酸钠和辛基葡糖苷中，硫酸钠和葡糖苷是极性头基，而十二烷基和辛基是疏水性部分。
如本文所使用的：“μm”(或“um”)指微米；“μm3”指立方微米；“pL”指皮升，“nL”指纳升；以及“μL”(或“uL”)指微升。
除非上下文另外指出，否则术语“或”以包括性含义使用，即等同于“和/或”。
II.微流体设备、不混溶的介质和液滴中的表面活性剂
本文所述的方法可包括在微流体设备中合成或扩增核酸和/或制备核酸文库。合适的微流体设备和相关程序描述如下。
A.加载入微流体设备的方法。
将微物体(例如生物微物体和/或珠粒)加载到微流体设备的不同区域中可以涉及使用流体流动、重力、介电泳(DEP)力、电润湿力、磁力或其任何组合，如这里所描述的。可以诸如通过光电镊子(optoelectronic tweezers，OET)构造以光学方式产生DEP力，和/或诸如通过激活时间/空间格局中的电极/电极区域以电方式产生DEP力。类似地，可以诸如通过光电润湿(opto-electro wetting，OEW)构造以光学方式产生电润湿力，和/或诸如通过激活时间/空间格局中的电极/电极区域以电方式产生电润湿力。
B.用于操作和观察这些设备的微流体设备和系统。
图1A图示了可用于控制微流体设备100和其中的微物体和/或液滴的移动的微流体设备100和系统150的通用示例。示出了微流体设备100的透视图，具有其盖110的局部切割以提供微流体设备100的局部视图。微流体设备100通常包括微流体回路120，该微流体回路120包括流体区域106，流体介质180可通过该流体区域106流动，任选地将一个或更多个微物体(未示出)携带到微流体回路120中和/或通过微流体回路120。尽管在图1A中图示了单个微流体回路120，但是合适的微流体设备可以包括多个(例如2个或3个)这样的微流体回路。无论如何，微流体设备100可以构造成纳米流体设备。
在一些实施方案中，微流体设备可以包括具有至少一个微流体通道的封壳。另外，封壳可以包括流体连接至微流体通道的至少一个微流体腔室(或隔离围栏)。限定微通道和/或腔室的衬底的至少一部分可以具有本文所述的电润湿构造。电润湿构造可以连接到偏置电势，并且在如此连接时，改变衬底表面(即，液滴致动表面)的多个对应区域中的任何一个的有效润湿特性。衬底表面的润湿特性可以被充分地改变，以使液体液滴在衬底表面上以及在微流体通道和腔室之间移动。在图1A所示的实施方案中，微流体回路120包括多个微流体隔离围栏124、126、128和130，每个微流体隔离围栏具有与流动区域106流体连通的单个开口。如下面进一步讨论的，微流体隔离围栏包括各种特征和结构，这些特征和结构已经被优化用于将微物体保持在微流体设备诸如微流体设备100中，即使当介质180流过流动区域106时。然而，在转向前述内容之前，提供微流体设备100和系统150的简要描述。
如图1A中大体所示，微流体回路120由封壳102限定。虽然封壳102可以物理构建成不同的构造，但在图1A所示的示例中，封壳102被描绘为包括支撑结构104(例如基部)、微流体回路结构108和盖110。然而，在某些实施方案中，封壳102可以缺少盖110，并且微流体回路120可以由支撑结构104和微流体回路结构108限定。支撑结构104、微流体回路结构108和(任选地)盖110可以彼此附接。例如，微流体回路结构108可以设置在支撑结构104的内表面109上，并且盖110可以设置在微流体回路结构108上方。与支撑结构104和(任选地)盖110一起，微流体回路结构108可以限定微流体回路120的元件。
如图1A所示，支撑结构104可以位于微流体回路120底部，并且盖110可以位于微流体回路120的顶部。或者，支撑结构104和盖110可以以其他方位构造。例如，支撑结构104可以位于微流体回路120的顶部，并且盖110可以位于微流体回路120的底部。无论如何，可以有一个或更多个端口107，每个端口包括进入或离开封壳102的通道。通道的示例包括阀门、闸门、通孔等。如图所示，端口107是由微流体回路结构108中的间隙形成的通孔。然而，端口107可以位于封壳102的其他部件中，例如盖110。图1A中仅示出一个端口107，但微流体回路120可具有两个或更多个端口107。例如，可以存在用作流体进入微流体回路120的入口的第一端口107，并且可以存在用作流体离开微流体回路120的出口的第二端口107。端口107作为入口还是出口可以取决于流体流过流动区域106的方向
支撑结构104可以包括一个或更多个电极(未示出)和衬底或多个互连的衬底。衬底可以是本领域已知的任何合适的衬底。例如，支撑结构104可以包括一个或更多个半导体衬底，每个半导体衬底电连接到一个或更多个电极中的至少一个(例如，全部或部分半导体衬底可以电连接到单个电极)。或者，支撑结构104可以包括包含一个或更多个电极的印刷电路板组件(“PCBA”)。在其他实施例中，支撑结构104可以包括安装在PCBA上的衬底(例如，半导体衬底)。
微流体回路结构108可以限定微流体回路120的回路元件。这样的回路元件可以包括当微流体回路120充满流体时，可以流体上互连的空间或区域，诸如流动区域(其可以包括或可以是一个或更多个流动通道)、腔室、围栏、捕集器等。在图1A所示的微流体回路120中，微流体回路结构108包括框架114和微流体回路材料116。框架114可以部分地或完全封闭微流体回路材料116。框架114可以是例如基本上围绕微流体回路材料116的相对刚性的结构。例如，框架114可以包括金属材料。或者，微流体回路结构108可以缺少框架。例如，微流体回路结构108可以由微流体回路材料116组成或基本上由微流体回路材料116组成。
可以用空腔等对微流体回路材料116进行图案化以限定微流体回路120的回路元件和互连。微流体回路材料116可以包括柔性材料，例如柔性聚合物(例如橡胶、塑料、弹性体、硅树脂、聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)等)，其可以是透气的。可构成微流体回路材料116的材料的其他示例包括模制玻璃、诸如硅树脂的可蚀刻材料(例如可光图案化聚硅氧烷或“PPS”)、光致抗蚀剂(例如SU8)等。在一些实施方案中，这样的材料(并且因此微流体回路材料116)可以是刚性的和/或基本上不透气的。无论如何，微流体回路材料116可以设置在支撑结构104上并且(任选地)设置在框架114内部。
盖110可以是微流体回路材料116和/或框架114的组成部分。或者，盖110可以是结构上不同的元件，如图1A所示。盖110可以包括与框架114和/或微流体回路材料116相同或不同的材料。类似地，如图所示，支撑结构104可以是与微流体回路材料116或框架114分开的结构，或者是微流体回路材料116或框架114的组成部分。类似地，微流体回路材料116和框架114(如果存在的话)可以是如图1A所示的分离结构或相同结构的组成部分。
在一些实施方案中，盖110可以包括刚性材料。刚性材料可以是玻璃或具有相似性质的材料。在一些实施方案中，盖110可以包括可变形材料。可变形材料可以是聚合物，例如PDMS。在一些实施方案中，盖110可以包括刚性和可变形材料。例如，盖110的一个或更多个部分(例如，位于隔离围栏124、126、128、130上方的一个或更多个部分)可以包括与盖110的刚性材料相接(interface)的可变形材料。在一些实施方案中，盖110可以进一步包括一个或更多个电极。该一个或更多个电极可以包括导电氧化物，诸如氧化铟锡(ITO)，其可以被涂覆在玻璃或类似的绝缘材料上。或者，所述一个或更多个电极可以是嵌入可变形材料中的柔性电极，例如单壁纳米管、多壁纳米管、纳米线、导电纳米颗粒簇或其组合，所述可变形材料例如聚合物(例如，PDMS)。例如，在US2012/0325665(Chiou等人)中描述了可用于微流体设备的柔性电极，其内容通过引用并入本文。在一些实施方案中，盖110可以被改性(例如，通过涂覆或调节向内面向微流体回路120的表面的全部或部分)以支持液滴移动和/或细胞粘附、细胞活力和/或细胞生长。该改性可以包括合成或天然聚合物的涂层或具有共价结合的分子(例如，自缔合分子)的条件化表面。在一些实施方案中，盖110和/或支撑结构104可以对光是透明的。盖110还可以包括至少一种气体可渗透的材料(例如，PDMS或PPS)。
图1A还示出了用于操作和控制微流体设备(例如微流体设备100)的系统150。系统150包括电源192、成像设备194(未显示，但可以是成像模块164的一部分)和倾斜设备190(未显示，但可以是倾斜模块166的一部分)。
电源192可以向微流体设备100和/或倾斜设备190提供电力，根据需要提供偏置电压或电流。例如，电源192可以包括一个或更多个交流(AC)和/或直流(DC)电压或电流源。成像设备194可以包括用于捕获微流体回路120内的图像的设备，例如数码相机。在一些情况下，成像设备194还包括具有快速帧速率和/或高灵敏度的检测器(例如，用于低光照应用)。成像设备194还可以包括用于将刺激辐射和/或光束引导到微流体回路120中并且收集从微流体回路120(或其中包含的微物体)反射或发射的辐射和/或光束的机构。发射的光束可以在可见光谱中，并且可以例如包括荧光发射。反射光束可以包括源自LED或宽光谱灯(例如汞灯(例如高压汞灯)或氙弧灯)的反射发射。如关于图3B所讨论的，成像设备194可以进一步包括显微镜(或光具组(optical train))，其可以包括或不包括目镜。
系统150进一步包括倾斜设备190，倾斜设备190被构造成围绕一个或更多个旋转轴线旋转微流体设备100。在一些实施方案中，倾斜设备190构造为围绕至少一个轴线支撑和/或保持包括微流体回路120的封壳102，使得微流体设备100(并且因此微流体回路120)可以保持在水平方位(即相对于x轴和y轴成0°)、垂直方位(即相对于x轴和/或y轴成90°)或其间的任何方位。微流体设备100(和微流体回路120)相对于轴线的方位在本文中被称为微流体设备100(和微流体回路120)的“倾斜”。例如，倾斜设备190可以使微流体设备100相对于x轴或y轴倾斜0.1°、0.2°、0.3°、0.4°、0.5°、0.6°、0.7°、0.8°、0.9°、1°、2°、3°、4°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、90°或其间的任何角度。水平方位(以及x轴和y轴)被定义为垂直于由重力定义的垂直轴。倾斜设备还可以使微流体设备100(和微流体回路120)相对于x轴和/或y轴倾斜任何大于90°的角度，或使微流体设备100(和微流体回路120)相对于x轴或y轴倾斜180°，以完全反转微流体设备100(和微流体回路120)。类似地，在一些实施例中，倾斜设备190使微流体设备100(和微流体回路120)围绕由流动区域106/通道122或微流体回路120的一些其他部分限定的旋转轴线倾斜。
在一些情况下，微流体设备100倾斜成垂直方位，使得流动区域106/通道122位于一个或更多个隔离围栏的上方或下方。如本文所用的术语“上方”表示流动区域106/通道122在由重力限定的垂直轴线上定位成高于一个或更多个隔离围栏(即，位于流动区域106/通道122上方的隔离围栏中的物体将具有比流动区域/通道中的物体更高的重力势能)。本文使用的术语“下方”表示流动区域106/通道122在由重力限定的垂直轴线上定位成低于一个或更多个隔离围栏(即，位于流动区域106/通道122下方的隔离围栏中的物体将具有比流动区域/通道中的物体更低的重力势能)。
在一些情况下，倾斜设备190使微流体设备100围绕平行于流动区域106/通道122的轴线倾斜。此外，微流体设备100可以倾斜至小于90°的角度，使得流动区域106/通道122位于一个或更多个隔离围栏的上方或下方，而不会位于隔离围栏的正上方或正下方。在其他情况下，倾斜设备190使微流体设备100围绕垂直于流动区域106/通道122的轴线倾斜。在又一些情况下，倾斜设备190使微流体设备100围绕既不平行也不垂直于流动区域106/通道122的轴线倾斜。
系统150还可以包括介质源178。介质源178(例如容器、储存器等)可以包括多个部分或容器，每个部分或容器用于容纳不同的流体介质180。因此，如图1A所示，介质源178可以是位于微流体设备100之外并与微流体设备100分离的设备。或者，介质源178可全部或部分位于微流体设备100的封壳102内。例如，介质源178可以包括作为微流体设备100的一部分的储存器。
图1A还图示出了构成系统150的一部分并且可以与微流体设备100结合使用的控制和监测设备152的示例的简化框图描绘。如图所示，这种控制和监测设备152的示例包括主控制器154、用于控制介质源178的介质模块160、用于控制微流体回路120中的微物体和/或介质(例如，介质的液滴)的移动和/或选择的动力模块162、用于控制用于捕获图像(例如数字图像)的成像设备194(例如，照相机、显微镜、光源或其任何组合)的成像模块164、以及用于控制倾斜设备190的倾斜模块166。控制设备152还可以包括用于控制、监测或执行关于微流体设备100的其他功能的其他模块168。如图所示，设备152可以与显示设备170和输入/输出设备172可操作地耦合(或进一步包括它们)。
主控制器154可以包括控制模块156和数字存储器158。控制模块156可以包括例如数字处理器，该数字处理器构造为根据存储为存储器158中的非暂时性数据或信号的机器可执行指令(例如，软件、固件、源代码等)进行操作。可替代地或另外地，控制模块156可以包括硬连线数字电路和/或模拟电路。介质模块160、动力模块162、成像模块164、倾斜模块166和/或其他模块168可以类似地进行构造。因此，可以由如上所述构造的主控制器154、介质模块160、动力模块162、成像模块164、倾斜模块166和/或其他模块168中的任何一个或更多个来执行本文所讨论的针对微流体设备100或任何其他微流体装置所执行的功能、过程动作、行动或过程步骤。类似地，主控制器154、介质模块160、动力模块162、成像模块164、倾斜模块166和/或其他模块168可以通信地耦接，以发送和接收本文讨论的任何功能、过程、动作、行动或步骤中所使用的数据。
介质模块160控制介质源178。例如，介质模块160可以控制介质源178以将选定的流体介质180输入到封壳102中(例如，通过入口端口107)。介质模块160还可以控制从封壳102中去除介质(例如，通过输出端口(未示出))。因此可将一个或更多个介质选择性地输入到微流体回路120中或从微流体回路120移除。介质模块160还可以控制微流体回路120内的流动区域106/通道122中的流体介质180的流动。例如，在一些实施方案中，介质模块160在将微物体或珠粒加载到隔离围栏中(使用重力、电润湿(EW)力、介电泳(DEP)力或其组合)之前停止介质180在流动区域106/通道122中并且穿过封壳102的流动。
动力模块162可以构造为控制微流体回路120中的微物体和/或介质液滴的选择、捕集和移动。如本文详细讨论的，封壳102可以包括电润湿(EW)构造，诸如光电润湿(OEW)构造、电介质上电润湿(electrowetting on dielectric，EWOD)构造、单面电润湿构造等。在某些实施方案中，封壳102可以进一步包括介电泳(dielectrophoresis,DEP)构造，诸如光电子镊子(OET)构造、电驱动的DEP构造等。动力模块162可以控制由这种EW和/或DEP构造所包括的电极和/或晶体管(例如，光电晶体管)的激活，以选择和移动流动区域106/通道122以及/或隔离围栏124、126、128、130中的介质的微物体和/或液滴。
成像模块164可以控制成像设备194(未示出)。例如，成像模块164可以接收并处理来自成像设备194的图像数据。来自成像设备194的图像数据可以包括由成像设备194捕获的任何类型的信息(例如，微物体的存在或不存在、介质的液滴、标签(诸如荧光标签等)的积聚)。使用由成像设备194捕获的信息，成像模块164可以进一步计算物体(例如，微物体、介质液滴等)的位置和/或这些物体在微流体设备100内的运动速率。
倾斜模块166可以控制倾斜设备190(未示出)的倾斜运动。另外，倾斜模块166可以控制倾斜速率和定时，例如以优化通过重力将微物体转移到一个或更多个隔离围栏。倾斜模块166与成像模块164通信地耦合以接收描述微流体回路120中的微物体和/或介质液滴的运动的数据。使用这个数据，倾斜模块166可以调整微流体回路120的倾斜，以便调整微物体和/或介质液滴在微流体回路120中移动的速率。倾斜模块166还可以使用这个数据迭代地调整微流体回路120中的微物体和/或介质液滴的位置。
在图1A所示的示例中，微流体回路120被图示为包括基本上由微流体通道122组成的单个流动区域106。隔离围栏124、126、128和130中的每一个包括通向流动区域106/通道122的单个开口，但以其他方式被包围，使得围栏可以将围栏内的微物体与流动区域106/通道122中或其他围栏中的微物体和/或流体介质180基本上分隔。隔离围栏的壁可以从基部的内表面109延伸到盖110的内表面，从而有利于这种分隔。围栏到流动区域106/通道122的开口可相对于流动区域106/通道122中的流体介质180的流动成一定角度定向，使得流体介质180的流动不被引导到围栏中。该流动可以例如与围栏的开口的平面相切或正交。在一些情况下，围栏124、126、128和/或130构造为物理地围住微流体回路120内的一个或更多个微物体。根据本公开的隔离围栏可以包括为了与EW、OEW、DEP和/或OET力、流体流动和/或重力一起使用而优化的各种形状、表面和特征，如将在下面详细讨论的。
微流体回路120可以包括任何数量的微流体隔离围栏。尽管显示了五个隔离围栏，但微流体回路120可以具有更少或更多的隔离围栏。如图所示，微流体回路120的微流体隔离围栏124、126、128和130各自包括不同的特征和形状，这些特征和形状可以为微流体设备100提供对微物体和/或流体介质的液滴的操纵有用的一个或更多个益处。因此，在一些实施方案中，微流体回路120可以包括多个微流体隔离围栏，其中两个或更多个隔离围栏包括提供不同益处的不同结构和/或特征。然而，在一些实施方案中，微流体回路120包括多个相同的微流体隔离围栏。可用于操纵微物体和/或介质液滴的微流体设备可以包括任何隔离围栏124、126、128和130或它们的变型，包括构造成如图2B、2C、2D、2E和2F所示的那些围栏，如下所述。
在图1A所示的实施例中，图示出了单个流动区域106。然而，微流体设备100的其他实施方案可以包含多个流动区域106，每个流动区域106被构造成为流体流过微流体设备100提供分离的路径。微流体回路120包括与流动区域106流体连通的入口阀或端口107,由此流体介质180可以经由入口端口107进入流动区域106/通道122。在一些情况下，流动区域106包括单个流动路径。在其他情况下，流动区域106包括多个流动路径(例如2、3、4、5、6或更多)，其中的每一个可以包括微通道(例如，像通道122)。多个流动路径中的两个或更多个(例如全部)可以基本上彼此平行。例如，流动区域106可以分成多个平行的通道(例如像通道122)。在某些实施方案中，流动区域106(以及由流动区域包括的一个或更多个通道)以Z字形图案布置，由此流动区域106在交替方向上两次或更多次地穿过微流体设备100。在一些情况下，每个流动区域106内的流体介质沿正向或反向方向中的至少一个方向流动。在一些情况下，构造多个隔离围栏(例如，相对于流动区域106/通道122)，使得隔离围栏可以与目标微物体平行加载。
在一些实施方案中，微流体回路120还包括一个或更多个微物体捕集器132。捕集器132通常形成在构成流动区域106/通道122的边界的壁中，并且可以与一个或更多个微流体隔离围栏124、126、128和130的开口相对放置。在一些实施方案中，捕集器132构造为从流动区域106/通道122接收或捕获单个微物体。在一些实施方案中，捕集器132构造为从流动区域106/通道122接收或捕获多个微物体。在一些情况下，捕集器132包括与单个目标微物体的体积大致相等的容积。
捕集器132可以进一步包括开口，开口被构造为帮助目标微物体流入捕集器132。在一些情况下，捕集器132包括具有根据单个目标微物体的尺寸来确定尺寸的高度和宽度的开口，由此防止其他微物体(或尺寸更大的微物体)进入微物体捕集器。捕集器132可以进一步包括构造为帮助将目标微物体保持在捕集器132内的其他特征。在一些情况下，捕集器132相对于微流体隔离围栏的开口与通道122的相对侧对齐并位于其上，使得在围绕平行于通道122的轴线倾斜微流体设备100时，被捕集的微物体按照使得微物体落入隔离围栏的开口中的轨迹离开捕集器132。在一些情况下，捕集器132包括小于目标微物体的侧通道134，以便于通过捕集器132的流动，从而增加在捕集器132中捕获微物体的可能性。
如下面更详细讨论的，在一些实施方案中，电润湿(EW)力经由一个或更多个电极(未示出)施加在微流体设备100的支撑结构104(和/或盖110)的表面上的一个或更多个位置处(例如，流动区域和/或隔离围栏内的位置)，以操纵、传输、分离和分选位于微流体回路120中的液滴。例如，在一些实施方案中，EW力被施加在支撑结构104(和/或盖110)的表面上的一个或更多个位置处，以将液滴从流动区域106转移到期望的微流体隔离围栏中。在一些实施方案中，EW力被用于防止隔离围栏(例如隔离围栏124、126、128或130)内的液滴从其中移位。此外，在一些实施方案中，EW力用于根据本公开的教导从隔离围栏选择性地移除先前收集的液滴。在一些实施方案中，EW力包括光电润湿(OEW)力。
在一些实施方案中，通过一个或更多个电极(未示出)将介电泳(DEP)力施加在流体介质180上(例如，在流动区域和/或隔离围栏中)，以操纵、传输、分离和分选位于其中的微物体。例如，在一些实施方案中，DEP力施加在微流体回路120的一个或更多个部分内，以将单个微物体从流动区域106转移到期望的微流体隔离围栏中。在一些实施方案中，使用DEP力来防止隔离围栏(例如隔离围栏124、126、128或130)内的微物体从其中移位。此外，在一些实施方案中，使用DEP力来选择性地根据本公开的教导从隔离围栏移除先前收集的微物体。在一些实施方案中，DEP力包括光电镊子(OET)力。
在一些实施方案中，DEP和/或EW力与诸如流动和/或重力之类的其他力结合，以操纵、传输、分离和分选微流体回路120内的微物体和/或液滴。例如，封壳102可以倾斜(例如通过倾斜设备190)，以将流动区域106/通道122和位于其中的微物体定位在微流体隔离围栏上方，并且重力可以将微物体和/或液滴传输到围栏中。在一些实施方案中，可以在其他力之前施加DEP和/或EW力。在其他实施方案中，可以在其他力之后施加DEP和/或EW力。在其他情况下，DEP和/或EW力可以与其他力同时或与其他力交替施加。
C.微流体设备动力构造。
如上所述，系统的控制和监测设备可以包括用于在微流体设备的微流体回路中选择和移动诸如微物体或液滴的物体的动力模块。取决于被移动的物体的类型和其他考虑因素，本公开的微流体设备可具有多种动力构造。特别地，微流体设备100的支撑结构104和/或盖110可以包括电润湿(EW)构造，用于选择性地诱导微流体回路120中的流体介质180中的液滴上的EW力，从而选择、捕获和/或移动单独的液滴或液滴组。在某些实施方案中，本公开的微流体设备可以包含具有EW构造的第一部分和具有介电泳(DEP)构造的第二部分。因此，微流体设备100的支撑结构104和/或盖110的至少一部分可以包括DEP构造，用于选择性地在微流体回路120中的流体介质180中的微物体上诱导DEP力，从而选择、捕获和/或移动单独的微物体或微物体组。
D.电润湿构造。
在某些实施方案中，本公开的微流体设备可以包括电润湿构造，其包括具有介电层和液滴致动表面的衬底，液滴致动表面包括共价键合至下面的介电层(即，内介电层)的疏水层(即，外部疏水层)，或由或基本上由共价键合至下面的介电层(即，内介电层)的疏水层(即，外部疏水层)组成。当微流体设备可操作地连接至电压源时，可以通过电湿润力可靠且牢固地润湿搁置在疏水层上或以其他方式接触疏水层的水性液滴，并由此使之移动。介电层可位于疏水层下方，使得搁置在衬底上的液滴直接接触疏水层。图2A图示出了这种微流体设备的一部分的示例。
微流体设备可以包括包含衬底的基部，并且衬底可以进一步具有构造为连接到电压源(例如，AC电压源)的至少一个电极(例如，第一电极)，该至少一个电极电耦合到内介电层。在一些实施方案中，微流体设备还包括盖和至少一个间隔元件。衬底和盖可以基本彼此平行并且通过间隔元件接合在一起以限定构造成保持液体介质的封壳。在这样的实施方案中，盖可以包括构造为连接到电压源(例如，AC电压源)的至少一个电极。在一些实施方案中，微流体设备可以包括单侧电润湿构造。在这样的实施方案中，微流体设备不需要包括盖。例如，基部可以包括衬底和被构造为连接到电压源(例如，AC电压源)的第一电极，并且衬底可以包括构造为连接到电压源的第二电极(例如，网状电极)。
如图所示，装置400可以包括基部104，基部104包括衬底和至少一个电极(例如，第一电极)418。衬底可以包括各种层，包括外疏水层412、内介电层414、半导电层416、电极418和可选的支撑件420。疏水层412和内介电层414可以提供部分地限定封壳的衬底102的向内表面。
装置400还包括盖110，盖110包括外疏水层422、可以包括至少一个电极的内层428以及可选的支撑件430。盖110和基部104基本上彼此平行并且通过间隔元件108(例如，微流体回路材料)接合在一起，以限定被构造为容纳液体介质的封壳435。液体介质可以是例如疏水性液体，例如有机液体。另外，封壳435可以容纳液体440例如水性介质的液滴。典型地，液体介质和液滴的液体被选择为不能混溶的液体。
间隔元件108可以包括聚合物。该聚合物可以是例如基于硅的有机聚合物，诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或可光图案化的聚硅氧烷(PPS)，两者均可从Dow Corning获得。任选地，间隔元件108可以包括环氧基粘合剂。环氧基粘合剂可以是例如SU-8或等同类型的材料。间隔元件108可以具有至少30、40、50、60、70、80、90、100或更多微米的厚度(即，衬底104的内表面和盖110之间的间隙，也可以称为“高度”)。因此，例如，间隔元件108的厚度可以是30-60微米、40-80微米、50-100微米、60-120微米、70-140微米、75-150微米、80-160微米、90-180微米或100-200微米。
间隔元件108可以在封壳内限定一个或更多个微流体通道。另外，间隔元件108可以进一步在封壳内限定多个腔室(或隔离围栏)，其中每个腔室流体地连接到至少一个微流体通道并且从其中打开。因此，例如，间隔元件108可以限定单个微流体通道和与其流体连接的多个腔室，或者多个微流体通道，每个通道流体连接到多个腔室。此外，每个腔室可以流体连接至多于一个微流体通道，如图8和9所示。
当衬底104的至少一个电极418和盖110的至少一个电极428连接到AC电压源(未示出)的相对端子时，衬底104能够将电润湿力施加到与衬底104的外疏水表面412(即，液滴致动表面)相接触的水性液滴。在某些实施方案中，用于在微流体设备中实现液滴的基于电润湿的移动的AC电压为至少20伏峰至峰电压(Volts peak-to-peak，ppV)(例如，约20至80ppV、约20至60ppV、约25至50ppV、约25至40ppV或约25至35ppV)。在某些实施方案中，用于在微流体设备中实现液滴的基于电润湿的移动的AC电压的频率为约1至100kHz(例如，约5至90kHz、约10至80kHz、约15至70kHz、约20至60kHz、约25至50kHz或约30至40kHz)。
衬底104的外疏水层412和盖110的外疏水层422可各自包括分别共价结合到衬底104的内介电层414或者盖110的内层428的紧密堆积的自缔合分子单层。单层的自缔合分子包含足够的二维堆积密度，从而在单层所结合的表面与亲水性液体之间产生疏水性屏障(即，防止极性分子或其他化学物质的嵌入和/或渗透进入单层)。密集堆积的单层的堆积密度将取决于所使用的自缔合分子。包括烷基封端的硅氧烷的密集堆积单层通常将包括至少1×1014分子/cm2(例如，至少1.5×1014、2.0×1014、2.5×1014或更多分子/cm2)。
如下面更详细描述的那样，自缔合分子可各自包括链接基团，诸如硅氧烷基团或膦酸基团。硅氧烷基团可以共价键合到内介电层414或内层428的分子。类似地，膦酸基团可共价键合到内介电层414或内层428的分子。自缔合分子可以包含长链烃，其可以是无支链的(unbranched)。因此，自缔合分子可以包括烷基封端的硅氧烷或烷基封端的膦酸。长链烃可以包含至少10个碳(例如，至少16个、18个、20个、22个或更多个碳)的链。自缔合分子可以包含氟化碳链。因此，例如，自缔合分子可以包含氟代烷基封端的硅氧烷或氟代烷基封端的膦酸。氟化碳链可以具有化学式CF3-(CF2)m-(CH2)n-，其中m至少为2，n为0、1、2或更大，并且m+n至少为9。
单层自缔合分子可具有小于约5纳米(例如，约1.0至约4.0纳米，约1.5至约3.0纳米或约2.0至约2.5纳米)的厚度。
衬底104的外疏水层412可以被图案化，使得与外疏水层的其余部分相比，选择区域相对亲水。例如，这可以通过将下面的内介电层122上的电压降增加至50ppV或更高(例如60、65、70、75、80或更多ppV)达一段时间来实现。不受理论束缚，据认为相对亲水区域包含嵌入单层中的水分子。
1.介电层和堆叠
在一些实施方案中，衬底的内介电层可以包括一个或更多个氧化物层。在一些实施方案中，衬底的内介电层可以包括第一层介电材料。例如，内介电层可以由单层介电材料(例如，氧化铝、氧化铪等)组成。例如，内介电层可以包括氧化物层(例如金属氧化物层)或由单个氧化物层(例如金属氧化物层)组成。在某些实施方案中，第一层氧化物通过原子层沉积(ALD)形成。
或者，内介电层可以是包括两层或更多层介电材料的介电堆叠。因此，在某些实施方案中，内介电层可以包括第一层介电材料和第二层介电材料。第一层介电材料可以包括氧化物，例如金属氧化物(例如氧化铝、氧化铪等)；并且第二层介电材料可以包括诸如氧化硅的氧化物或诸如氮化硅的氮化物。在这样的实施方案中，第一层介电材料可以具有接触第二层介电材料的第一表面和与疏水层共价结合的相对表面(opposing surface)。在某些实施方案中，取决于所使用的介电材料的类型，第二层介电材料可具有约30nm至约100nm的厚度。例如，第二层介电材料可以包含氧化硅并且可以具有约30nm至约50nm或约30nm至约40nm的厚度。或者，第二层介电材料可以包括氮化硅并且可以具有约50nm至约100nm或者约80nm至约100nm的厚度。在某些实施方案中，第二层介电材料由ALD形成。在其他实施方案中，第二层介电材料由等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术形成。在某些实施方案中，第一层介电材料可具有约1nm至约50nm的厚度(例如，约1nm至约10nm、约2nm至约5nm、约5nm至约10nm、约5nm至约15nm、约10nm至约20nm、约15nm至约25nm、约20nm至约30nm、约25nm至约35nm、约30nm至约40nm、约35nm至约45nm、约40nm至约50nm或由两个前述端点限定的任何范围)，并且可以通过ALD形成。在一些实施方案中，第一层介电材料通过PECVD形成(例如，包括氧化硅或氮化硅)，任选地，其中第二层通过ALD形成(例如，包括金属氧化物，例如氧化铝或氧化铪)。因此，例如，可以通过原子层沉积(ALD)技术来沉积金属氧化物层，并且可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术来沉积包含二氧化硅或氮化硅的层。在某些实施方案中，金属氧化物层的厚度可以在约1nm至约15nm、约5nm至约20nm、约15nm至约45nm，或约30nm至约40nm，或约33nm至约36nm的范围内。
在其他实施方案中，内介电堆叠可以包括第三层介电材料，第三层介电材料具有接触第一层介电材料的第一表面和共价结合到疏水层的相对表面。在这样的实施方案中，第一层介电材料可以包括氧化物，如上所述(或本文别处)；并且第二层介电材料可以包括氧化物或氮化物，如上所述(或本文其他地方所述)。在一些实施方案中，第一层包括氧化硅或氮化硅并且通过PECVD形成。在一些实施方案中，第二层包括金属氧化物并且通过ALD形成，任选地，其中第一层包括氧化硅或氮化硅并且通过PECVD形成。在某些实施方案中，第三层介电材料可包括氧化物，例如二氧化硅或其他与接头例如硅氧烷基团或膦酸基团良好键合的介电材料。在某些实施方案中，第三层介电材料通过ALD沉积，任选地其中第三层包括氧化硅，进一步任选地其中第二层包括金属氧化物并且由ALD形成，并且第一层包括氧化硅或氮化硅，并且由PECVD形成。在一些实施方案中，第一层可以包括金属氧化物，例如氧化铝、氧化铪等，其可以被夹在二氧化硅层和氮化硅层之间。在某些实施方案中，金属氧化物层的厚度可以在约5nm至约20nm的范围内，并且该层可以通过原子层沉积(ALD)技术来沉积。氧化硅层也可以通过ALD沉积，并且可以具有约1nm至约10nm的厚度。氮化硅层可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术来沉积，并且可以具有约80nm至约100nm，或约90nm的厚度。在某些实施方案中，第三层介电材料具有约1nm至约10nm，或约4nm至约6nm的厚度。
无论构成内介电堆叠的层数如何，内介电层的总厚度可以至少为约40nm(例如，约40nm至约120nm、约40nm至约60nm、约50nm至约70nm、约60nm至约80nm、约70nm至约90nm、约80nm至约100nm、约90nm至约110nm、约100nm至约120nm，或前述端点中任意两个端点定义的范围)。同样，介电堆叠可具有约50kOhms至约150kOhms的阻抗(例如，约50kOhms至约75kOhms、约75kOhms至约100kOhms、约100kOhms至约125kOhms、约125kOhms至约150kOhms，或前述端点中任意两个端点定义的范围)。在一些实施方案中，内介电层可具有约50至105纳米的厚度和/或约50至150kOhms，例如约100kOhms的阻抗。
介电层的示例性实施方案的概述提供如下。
A)单层
在某些实施方案中，介电层是通过ALD沉积的单层金属氧化物。用于第一层的金属氧化物的实例包括例如氧化铝和氧化铪。可以调节单层的厚度以实现约50kOhms至约150kOhms(例如，约100kOhms)的电阻抗。在一些实施方案中，阻抗如上所述。
B)两个子层
在一些实施方案中，提供了包括通过ALD沉积的金属氧化物例如氧化铝和氧化铪的第一层。第二层通过ALD沉积在第一层上。第二层由氧化硅或其他与构成表面涂层的分子中的硅氧烷接头(linkers)良好键合的材料形成。第一层的厚度可以为约1nm至约10nm(例如，约2nm至约5nm)。第二层的厚度可以为约1nm至约10nm(例如，约2nm至约5nm)。
在其他实施例中，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成第一层氧化硅(或氮化硅等)。第二层沉积在第一层上，并由通过ALD沉积的金属氧化物(例如，氧化铝或氧化铪)形成。图1C示出了具有第一层414a和第二层414b的介电层的实施方案的示例。
可以调节两层介电堆叠的总厚度以确保约50kOhms至约150kOhms(例如，约100kOhms)的电阻抗。在一些实施方案中，阻抗如上所述。
C)三个子层
在一些实施方案中，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成第一层氧化硅(或氮化硅等)。第二层设置在第一层的顶部上，并由通过ALD沉积的金属氧化物(例如，氧化铝或氧化铪)形成。第二层具有约1nm至10nm(例如，约2nm至约5nm)的厚度。
在第二层的顶部上进一步提供第三层，其中第三层由氧化硅(或可以与构成表面涂层的分子中的硅氧烷接头良好键合的另一种介电材料)形成。第三层也应通过ALD形成，其厚度为约1nm至约10nm(例如，约2-5nm)。图1D示出了具有第一层414a、第二层414b和第三层414c的介电层的实施方案的示例。
可以调节三层介电堆叠的总厚度以实现约50kOhms至约150kOhms(例如，约100kOhms)的电阻抗。在一些实施方案中，阻抗如上所述。
2.光响应层
衬底104可以包括半导电层416，该半导电层416具有与内介电层414接触的第一侧和与至少一个电极418接触的第二侧，从而将内介电层414与电极418电性耦合。半导体层416可以是光响应的。例如，光响应层416可以包括氢化非晶硅(a-Si:H)。例如，a-Si:H可以包含约8％至40％的氢(即，计算为100*氢原子的数量/氢原子和硅原子的总数)。a-Si:H层可以具有至少约500纳米(例如，至少约600至1400纳米、约700至1300纳米、约800至1200纳米、约900至1100纳米或约1000纳米)的厚度。然而，a-Si:H层的厚度可以根据内介电层414的厚度而变化，以便在衬底104处于开启状态(即，被照射和导通)和关闭状态(即，黑暗和不导通)时实现内介电层414的阻抗和a-Si:H层的阻抗之间的适当差异。例如，内介电层414的阻抗可以被调整(tune)到约50kOhms到约150kOhms，并且a-Si:H层的阻抗可以在关闭状态下调整到至少约0.5MOhms，并且在开启状态下小于或者等于约1kOhms。这些仅仅是示例，但是它们示出了如何调整阻抗以实现显示稳健的开/关性能的光响应(在这种情况下，光电导)层416。
在半导体层416具有由a-Si:H层形成的光响应层的实施方案中，衬底104可以任选地包括附加组件(component)。例如，半导电层416可以包括光电晶体管阵列，例如在美国专利7,956,339(Chiou等人)或美国专利9,908,115(Hobbs等人)中描述的，其内容通过引用并入本文。可以如在PCT公开号WO 2017/075295(Lowe等人)中所描述的，将a-Si:H层沉积在光电晶体管阵列的顶部上，其内容通过引用并入本文。替代地或另外地，半导电层416可以包括位于a-Si:H层和内介电层414之间的浮动电极垫(floating electrode pad)。例如在美国专利第6,958,132号中描述了这种浮动电极垫，其内容通过引用并入本文。
半导体层416可替代地包括多个导体，每个导体可经由晶体管开关可控制地连接到衬底102的至少一个电极。晶体管开关可以是光电晶体管开关。由晶体管开关控制的导体在本领域中是众所周知的，并且已经在例如美国专利第9,403,172号(Short等)、美国专利第6,942,776号(Medoro)和美国专利第6,294,063号(Becker等)中进行了描述，其每篇内容均通过引用并入本文。
衬底104可以包括构造为连接到AC电压源的单电极418。单电极418可以包括氧化铟锡(ITO)层，其例如可以形成在玻璃支撑件420上。或者，单电极418可以包括导电硅层。在其他实施方案中，衬底104可以包括可单独寻址的多个电极，如本领域中公知的EWOD器件的方式。可单独寻址的电极可以通过相应的晶体管开关连接到一个或更多个AC电压源。
3.盖；与盖相关联的其他层
对于其中微流体设备包括盖的实施方案，盖的向内朝向封壳的表面可以包括内层和共价键合到内层的疏水层(即，外疏水层)。与衬底的外疏水层类似，盖的外疏水层可以包含共价键合到内层的自缔合分子，从而形成致密堆积的疏水单层。因此，外疏水层可以包括上文(或本文别处)描述的用于衬底的外疏水层的任何自缔合分子。在一些实施方案中，盖的外疏水层包括与衬底的外疏水层相同的自缔合分子。在其他实施方案中，衬底的外疏水层具有不同类型(或多种类型)的自缔合分子作为衬底的外疏水层。因此，盖110可以以衬底的方式进一步包括与疏水层422并置的介电层(未示出)和并置在介电层和电极428之间的导电层(未示出)。因此，微流体装置400可以使衬底104和盖110两者都构造为向位于封壳435内的水性液滴440提供电润湿力。在这样的实施方案中，盖110的介电层可以以本文公开的用于衬底104的内介电层414的任何方式来构造，并且盖104的导电层可以以本文公开的用于衬底102的导电层126的任何方式来构造。
在一些实施方案中，盖的向内表面的外疏水层具有小于5纳米(例如，约1.5至3.0纳米)的厚度。在一些实施方案中，盖的向内表面的外疏水层可以被图案化，使得与外疏水层的其余部分相比，选择区域是相对亲水的。
4.与电子定位装置集成
在一些实施方案中，电润湿装置与电子定位装置集成。例如，在一些实施方案中，微流体设备可以包括具有电润湿构造的衬底，并且衬底的一部分可以进一步包括介电泳(DEP)构造。示例性DEP构造在下面详细讨论。因此，衬底可以是整体的(monolithic)。或者，微流体设备或装置可以包括：具有第一衬底的第一模块或部分，所述第一衬底具有介电泳(DEP)构造；和具有第二衬底的第二模块或部分，所述第二衬底包括电润湿构造。这样的设备可以被认为具有双体的(duolithic)衬底，并且在第一模块或部分与第二模块或部分之间可以存在桥，以提供与每个衬底及其特定构造的相关联的功能的集成。该桥可以包括连接两个分离的设备的管道或类似物。或者，该桥可包括使衬底紧密并置(例如，在2mm、1.5mm、1.0mm、0.5mm或更小)的粘合剂。在又一些替代方案中，桥可以是整体衬底上的非功能区，其中非功能区是衬底构造从一种构造(例如电润湿构造)切换到另一构造(例如，DEP构造)的区域。无论微流体设备是具有整体衬底还是具有双体衬底(或甚至多体衬底)，电润湿构造和DEP构造中的每一个都可以是本领域已知的或本文公开的任何这种构造。例如，电润湿构造可以是光电润湿(OEW)构造、电介质上电润湿(EWOD)构造、单侧电润湿构造等。类似地，DEP构造可以是光电镊子(OET)构造，诸如由包括非晶硅层和/或光电晶体管阵列、由光电晶体管控制的电极阵列、电致动的电极阵列等的光电导衬底所提供的。在某些替代实施方案中，衬底可以包括电润湿构造但缺少任何附加构造(例如，缺少介电泳(DEP)构造)。
E.介电泳(DEP)构造
如本文所讨论的，本公开的微流体设备可以包括具有DEP构造的部分。该部分一个示例是图1E和1F中所示的微流体设备200。尽管为了简单起见，图1E和1F分别示出了具有开放区域/腔室202的微流体设备200的封壳102的一部分的垂直截面视图和水平截面视图，应当理解的是，区域/腔室202可以是具有更详细结构的流体回路元件的一部分，诸如生长腔室、隔离围栏、流动区域或流动通道。此外，微流体设备200可以包括其他流体回路元件。例如，微流体设备200可以包括多个生长腔室或隔离围栏和/或一个或更多个流动区域或流动通道，例如本文关于微流体设备100所描述的那些。DEP构造可以结合到微流体设备200的任何这种流体回路元件或其选择部分中。应该进一步理解的是，任何上述或下面描述的微流体设备部件和系统部件可以并入微流体设备200和/或与微流体设备200结合使用。例如，包括上述控制和监测设备152的系统150可以与微流体设备200(包括介质模块160、动力模块162、成像模块164、倾斜模块166和其他模块168中的一个或更多个)一起使用。
如图1E所示，微流体设备200包括具有底部电极204和覆盖底部电极204的电极活化衬底206的支撑结构104、以及具有顶部电极210的盖110，其中顶部电极210与底部电极204间隔开。顶部电极210和电极活化衬底206限定区域/腔室202的相对表面。包含在区域/腔室202中的介质180因此在顶部电极210和电极活化衬底206之间提供电阻连接。还示出了构造为连接到底部电极204和顶部电极210并在电极之间产生偏置电压的电源212，如在区域/腔室202中产生DEP力所需的那样。电源212可以是例如交流(AC)电源。
在某些实施方案中，图1E和1F中所示的微流体设备200可具有光学致动的DEP构造。因此，可以由动力模块162控制的来自光源216的光218的变化图案(changingpatterns)可以选择性地激活和停用电极活化衬底206的内表面208的区域214处的DEP电极的变化图案。(在下文中，具有DEP构造的微流体设备的区域214被称为“DEP电极区域”。)如图1F所示，引导到电极活化衬底206的内表面208上的光图案218可以以诸如正方形的图案照射选择的DEP电极区域214a(以白色显示)。以下将未被照射的DEP电极区域214(交叉影线)称为“暗”DEP电极区域214。通过DEP电极活化衬底206(即，从底部电极204直到电极活化衬底206的与流动区域106中的介质180相接的内表面208)的相对电阻抗大于在每个暗DEP电极区域214处通过区域/腔室202中的介质180(即，从电极活化衬底206的内表面208到盖110的顶部电极210)的相对电阻抗。然而，被照射的DEP电极区域214a呈现出通过电极活化衬底206的减小的相对阻抗，该相对阻抗小于在每个被照射的DEP电极区域214a处通过区域/腔室202中的介质180的相对阻抗。
在激活电源212的情况下，上述DEP构造在被照射的DEP电极区域214a和相邻的暗DEP电极区域214之间的流体介质180中产生电场梯度，这又产生吸引或排斥流体介质180中的附近的微物体(未示出)的局部DEP力。因此，可以在区域/腔室202的内表面208的许多不同的这种DEP电极区域214处通过改变从光源216投射到微流体设备200中的光图案218而选择性地激活和停用吸引或排斥流体介质180中的微物体的DEP电极。DEP力是吸引还是排斥附近的微物体可取决于诸如电源212的频率和介质180和/或微物体(未示出)的介电性质等参数。
图1E中所示的被照射的DEP电极区域214a的正方形图案220仅是示例。可以通过投射到设备200中的光图案218来照射(并由此激活)DEP电极区域214的任何图案，并且照射/激活的DEP电极区域214的图案可以通过改变或移动光图案218来重复改变。
在一些实施方案中，电极活化衬底206可以包括光电导材料或由光电导材料组成。在这样的实施方案中，电极活化衬底206的内表面208可以是无特征的。例如，电极活化衬底206可以包括氢化非晶硅(a-Si:H)层或由其组成。a-Si:H可以包含例如约8％至40％的氢(按100*氢原子数/氢原子和硅原子的总数计算)。a-Si:H层可具有约500nm至约2.0μm的厚度。在这样的实施方案中，根据光图案218，DEP电极区域214可以在电极活化衬底206的内表面208上的任何地方以任何图案形成。因此，DEP电极区域214的数量和图案不需要是固定的，而是可以对应于光图案218。例如在美国专利第RE 44,711号(Wu等人)(最初作为美国专利第7,612,355号)中已经描述了具有包括如上所述的光电导层的DEP构造的微流体设备的示例，其全部内容通过引用并入本文。
在其他实施方案中，电极活化衬底206可以包括衬底，该衬底包括多个掺杂层、电绝缘层(或区域)和形成半导体集成电路的导电层，诸如在半导体领域中已知的。例如，电极活化衬底206可以包括多个光电晶体管，例如包括横向双极光电晶体管，每个光电晶体管对应于DEP电极区域214。或者，电极活化衬底206可以包括由光电晶体管开关控制的电极(例如，导电金属电极)，每个这样的电极对应于DEP电极区域214。电极活化衬底206可以包括这种光电晶体管或光电晶体管控制电极的图案。例如，该图案可以是排列成行和列的基本上正方形的光电晶体管或光电晶体管控制电极的阵列，如图2B所示。或者，该图案可以是形成六方点阵的基本上六边形的光电晶体管或光电晶体管控制电极的阵列。不管何种图案，电路元件可以在电极活化衬底206的内表面208处的DEP电极区域214与底部电极210之间形成电连接，并且可以由光图案218选择性地激活和停用那些电连接(即，光电晶体管或电极)。当未被激活时，每个电连接可以具有高阻抗，使得通过电极活化衬底206(即，从底部电极204到与区域/腔室202中的介质180相接的电极活化衬底206的内表面208)的相对阻抗大于在相应DEP电极区域214处通过介质180(即，从电极活化衬底206的内表面208至盖110的顶部电极210)的相对阻抗。然而，当被光图案218中的光激活时，通过电极活化衬底206的相对阻抗小于在每个被照射的DEP电极区域214处通过介质180的相对阻抗，从而激活相应DEP电极区域处的DEP电极，如上所述。因此，以由光图案218确定的方式，可以在区域/腔室202中的电极活化衬底206的内表面208处的许多不同的DEP电极区域214处选择性地激活和停用吸引或排斥介质180中的微物体(未示出)的DEP电极。
在例如美国专利第7,956,339号(Ohta等人)中已经描述了具有包括光电晶体管的电极活化衬底的微流体设备的示例(参见例如图21和图22中所示的设备300及其描述)，其全部内容通过引用并入本文。具有包括由光电晶体管开关控制的电极的电极活化衬底的微流体设备的示例已经在例如美国专利公开第2014/0124370号(Short等人)中描述(参见例如整个附图示出的设备200、400、500、600和900及其描述)，其全部内容通过引用并入本文。
在DEP构造的微流体设备的一些实施方案中，顶部电极210是封壳102的第一壁(或盖110)的一部分，并且电极活化衬底206和底部电极204是第二壁(或支撑结构104)的一部分。区域/腔室202可位于第一壁和第二壁之间。在其他实施方案中，电极210是第二壁(或支撑结构104)的一部分，并且电极活化衬底206和/或电极210中的一者或两者是第一壁(或盖110)的一部分。此外，光源216可以替代地用于从下方照射封壳102。
利用图1E至图1F的具有DEP构造的微流体设备200，动力模块162可以通过将光图案218投射到设备200中来选择区域/腔室202中的介质180中的微物体(未示出)，以在围绕并捕获微物体的图案(例如，正方形图案220)中激活电极活化衬底206的内表面208的DEP电极区域214a处的第一组一个或更多个DEP电极。然后，动力模块162可以通过相对于设备200移动光图案218来移动捕获的微物体以激活在DEP电极区域214处的第二组一个或更多个DEP电极。或者，设备200可以相对于光图案218移动。
在其他实施方案中，微流体设备200可以具有不依赖于在电极活化衬底206的内表面208处的DEP电极的光激活的DEP构造。例如，电极活化衬底206可以包括与包括至少一个电极的表面(例如，盖110)相对放置的选择性可寻址和可激励电极。开关(例如，半导体衬底中的晶体管开关)可以选择性地打开和闭合，以激活或钝化DEP电极区域214处的DEP电极，从而在激活的DEP电极附近的区域/腔室202内的微物体(未示出)上产生净DEP力。取决于诸如电源212的频率和介质(未示出)和/或区域/腔室202中的微物体的介电特性的这样的特性，DEP力可以吸引或排斥附近的微物体。通过选择性地激活和停用成组的DEP电极(例如，在形成正方形图案220的成组的DEP电极区域214处)，区域/腔室202中的一个或更多个微物体可被捕集并在区域/腔室202内移动。图1A中的动力模块162可以控制这样的开关并因此激活和停用DEP电极中的单独的DEP电极以选择、捕集和移动围绕区域/腔室202的特定微物体(未示出)。具有包括选择性可寻址和可激励电极的DEP构造的微流体设备在本领域中是已知的，并且已经在美国专利第6,294,063号(Becker等)和第6,942,776号(Medoro)中描述，其全部内容通过引用并入本文。
F.具有电润湿和介电泳(DEP)构造的微流体设备。
图4是根据各种实施方案的集成多个微流体应用的微流体设备或装置450的垂直截面图。设备450包括两个不同的部分(尽管可以有更多)，每个部分具有单个微流体构造。部分460包括电润湿构造，其包括包含衬底的基部104。衬底包括各种层，包括外疏水层412、内介电层414、半导电层416和电极418。疏水层412和内介电层414可以提供部分地限定封壳435的衬底的向内表面。部分460还包括包含电极428和外疏水层422的盖110、以及将基部104与盖110连接的微流体回路材料108，微流体回路材料108还有助于限定电润湿部分的微流体回路，包括构造为容纳不能混溶的流体的封壳435。
微流体设备450的部分470包括介电泳DEP构造，其包括基部104、第一电极479、电极活化衬底474和部分地限定封壳475的向内表面。部分470还包括包含电极468的盖110、以及将基部104与盖110连接并且还有助于限定DEP部分的微流体回路的微流体回路材料108。
如图4所示，电润湿部分460和DEP部分470可以共用相同的基部104和盖110，而它们的衬底和电极不共用。设备450的电润湿部分460和DEP部分470可以通过桥465接合，桥465可以是管道、粘合材料等或其任何组合。
图5是根据各种实施方案的集成多个微流体应用的微流体设备或装置500的垂直截面图。像设备400一样，设备500包括两个不同的部分(尽管可以有更多)，每个部分具有单个微流体构造。具体而言，部分460包括电润湿构造，并且部分470包括DEP构造。如相应的附图标记所示，设备500的各种部件具有与设备400中的部件相对应的部分。然而，设备500具有整体衬底，该整体衬底具有半导电层416、第一电极418和第二电极428，所有这些都由部分460和470共用。
图19A和19B提供了根据结合图5描述的实施方案的用于一个功能方面的电寻址操作表示的视图。如之前结合图5所描述的，该系统集成了两个微流体操作，如共用整体衬底的DEP和EW模块所描绘的。在该实施方案中，DEP(其可以是OΕΤ)模块相对于EW模块具有较低的阻抗。在操作期间，EW模块的阻抗克服了DEP模块的阻抗，并且基本上使DEP模块短路。
在如图6A所示的一个实施方案中，OEP模块通过以100kHz至10mHz范围内的频率施加1-10伏范围内的电压来操作。在同一实施方案中，如图6B所示，OEW模块通过以1kHz至300kHz范围内的频率施加10-100伏范围内的电压来操作。在一个优选实施方案中，OEP模块通过以1MHz的频率施加5伏的电压来操作，并且OEW模块通过以30kHz的频率施加30伏的电压来操作。
G.隔离围栏。
在图2A-2C所示的微流体设备230内示出了通用隔离围栏224、226和228的非限制性示例。每个隔离围栏224、226和228可以包括限定分离区240的隔离结构232和将分离区240流体连接到通道122的连接区236。连接区236可以包括通向通道122的近侧开口234和通向分离区240的远侧开口238。连接区236可以构造成使得从通道122流入隔离围栏224、226、228的流体介质(未示出)的流动的最大穿透深度不延伸到分离区240中。因此，由于连接区236，设置在隔离围栏224、226、228的分离区240中的微物体(未示出)或其他材料(未示出)因此可以与通道122中的介质180的流动分离并且基本上不受其影响。
图2A-2C的隔离围栏224、226和228各自具有直接通向通道122的单个开口。隔离围栏的开口从通道122横向打开。电极活化衬底206位于通道122和隔离围栏224、226和228两者的下面。形成隔离围栏的底面的隔离围栏的封壳内的电极活化衬底206的上表面设置在与形成微流体设备的流动通道(或流动区域)的底面的通道122(或者如果通道不存在则为流动区域)内的电极活化衬底206的上表面的相同高度或基本上相同的高度处。电极活化衬底206可以是无特征的或者可以具有不规则或图案化的表面，该表面从其最高高度到最低的凹陷变化小于约3微米、2.5微米、2微米、1.5微米、1微米、0.9微米、0.5微米、0.4微米、0.2微米、0.1微米或更小。通过通道122(或流动区域)和隔离围栏的衬底的上表面中的高度的变化可小于隔离围栏壁或微流体设备的壁的高度的约3％、2％、1％、0.9％、0.8％、0.5％、0.3％或0.1％。虽然详细描述了微流体设备200，但这也适用于本文所述的微流体设备100、230、250、280、290、600、700中的任何一个。
通道122因此可以是被扫过的区域的示例，并且隔离围栏224、226、228的分离区240可以是未被扫过的区域的示例。如上所述，通道122和隔离围栏224、226、228可以构造为包含一个或更多个流体介质180。在图2A-2B所示的示例中，端口222连接到通道122并且允许流体介质180被引入微流体设备230或从微流体设备230移除。在引入流体介质180之前，微流体设备可以用诸如二氧化碳气体的气体填装。一旦微流体设备230包含流体介质180，通道122中的流体介质180的流动242可被选择性地产生并停止。例如，如图所示，端口222可以设置在通道122的不同位置(例如，相对的端部)处，并且可以从用作入口的一个端口222到用作出口的另一个端口222创建介质的流动242。
图2C示出了根据本公开的隔离围栏224的示例的详细视图。还示出了微物体246的示例。
如已知的，流体介质180在微流体通道122中经过隔离围栏224的近侧开口234的流动242可引起介质180进入和/或离开隔离围栏224的二次流动244。为了将隔离围栏224的隔离区240中的微物体246与二次流动244隔离，隔离围栏224的连接区236的长度Lcon(即，从近侧开口234到远侧开口238)应该是大于二次流动244进入连接区236的穿透深度DP。二次流动244的穿透深度DP取决于在通道122中流动的流体介质180的速度以及与通道122的构造和连接区236到通道122的近侧开口234有关的各种参数。对于给定的微流体设备，通道122和开口234的构造将是固定的，而通道122中的流体介质180的流动242的速率将是可变的。因此，对于每个隔离围栏224，可以识别通道122中的流体介质180的流动242的最大速度Vmax，其确保二次流动244的穿透深度DP不超过连接区236的长度Lcon。只要通道122中的流体介质180的流动242的速率不超过最大速度Vmax，则所产生的二次流动244可以被限制到通道122和连接区236并且保持在分离区240之外。因此，介质180在通道122中的流动242不会将微物体246拉出分离区240。相反，位于分离区240中的微物体246将停留在分离区240中，而与通道122中的流体介质180的流动242无关。
而且，只要通道122中的介质180的流动242的速率不超过Vmax，通道122中的流体介质180的流动242将不会使混杂颗粒(例如，微米颗粒和/或纳米颗粒)从通道122中移动进入隔离围栏224的分离区240。因此，连接区236的长度Lcon大于二次流动244的最大穿透深度Dp可以防止来自通道122或另一隔离围栏(例如图2D中的隔离围栏226、228)的混杂颗粒对一个隔离围栏224的污染。
因为通道122和隔离围栏224、226、228的连接区236可能受通道122中的介质180的流动242影响，所以通道122和连接区236可以被认为是微流体设备230的被扫过(或流动)区域。另一方面，隔离围栏224、226、228的分离区240可以被认为是未被扫过(或非流动)区域。例如，通道122中第一流体介质180中的组分(未示出)可基本上仅通过第一介质180的组分从通道122扩散通过连接区236并进入分离区240中的第二流体介质248而与分离区240中的第二流体介质248混合。类似地，分离区240中的第二介质248的组分(未示出)可以基本上仅通过第二介质248的组分从分离区240扩散穿过连接区236并且进入通道122中的第一介质180而与通道122中的第一介质180混合。在一些实施方案中，隔离围栏的分离区与流动区之间通过扩散进行的流体介质交换程度大于流体交换的约90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或大于约99％。第一介质180可以是与第二介质248相同的介质或不同的介质。此外，第一介质180和第二介质248可以开始是相同的，然后变得不同(例如，通过分离区240中的一个或更多个细胞对第二介质248的调节，或者通过改变流过通道122的介质180)。
如上所述，由通道122中的流体介质180的流动242导致的二次流动244的最大穿透深度Dp可以取决于多个参数。这样的参数的示例包括：通道122的形状(例如，通道可以将介质引导到连接区236中，使介质转移出连接区236，或者在基本上垂直于通道122的连接区236的近侧开口234的方向上引导介质)；通道122在近侧开口234处的宽度Wch(或截面积)；和在近侧开口234处的连接区236的宽度Wcon(或截面积)；流体介质180在通道122中的流动242的速度V；第一介质180和/或第二介质248的粘度等。
在一些实施方案中，通道122和隔离围栏224、226、228的尺寸可相对于通道122中的流体介质180的流动242的矢量如下定向：通道宽度Wch(或通道122的截面积)可以基本上垂直于介质180的流动242；连接区236在开口234处的宽度Wcon(或截面积)可以基本平行于通道122中的介质180的流动242；和/或连接区的长度Lcon可以基本垂直于通道122中的介质180的流动242。以上仅是示例，并且通道122和隔离围栏224、226、228的相对位置可以相对于彼此处于其他方位。
如图2C所示，连接区236的宽度Wcon可以从近侧开口234到远侧开口238是一致的。因此，在远侧开口238处的连接区236的宽度Wcon可以是本文为连接区236在近侧开口234处的宽度Wcon所标识的任何范围内。或者，远侧开口238处的连接区236的宽度Wcon可以大于近侧开口234处的连接区236的宽度Wcon。
如图2C所示，远侧开口238处的分离区240的宽度可以与近侧开口234处的连接区236的宽度Wcon基本相同。因此，在远侧开口238处的分离区240的宽度可以是本文为连接区236在近侧开口234处的宽度Wcon所标识的任何范围内。或者，远侧开口238处的分离区240的宽度可以大于或小于近侧开口234处的连接区236的宽度Wcon。而且，远侧开口238可以小于近侧开口234，并且连接区236的宽度Wcon可以在近侧开口234和远侧开口238之间变窄。例如，连接区236可以使用各种不同的几何形状(例如倒角连接区，斜切连接区)而在近侧开口和远侧开口之间变窄。此外，连接区236的任何部分或子部分(例如，连接区与近侧开口234相邻的一部分)可以变窄。
图2D描绘了包含微流体回路262和流动通道264的微流体设备250的另一个示例性实施方案，其是图1的相应微流体设备100、回路132和通道134的变型。微流体设备250还具有多个隔离围栏266，所述隔离围栏266是上述隔离围栏124、126、128、130、224、226或228的其他变型。特别地，应该理解的是，图2D中示出的设备250的隔离围栏266可以代替设备100、200、230、280、290或320中的任何上述隔离围栏124、126、128、130、224、226或228。类似地，微流体设备250是微流体设备100的另一种变型，并且也可以具有与上述微流体设备100、200、230、280、290、320相同或不同的DEP构造以及本文描述的任何其他微流体系统部件。
图2D的微流体设备250包括支撑结构(在图2D中不可见，但可以与图1A中描绘的设备100的支撑结构104相同或基本相似)、微流体回路结构256和盖(在图2D中不可见，但可以与图1A中描绘的设备100的盖122相同或基本相似)。微流体回路结构256包括框架252和微流体回路材料260，其可以与图1A中示出的设备100的框架114和微流体回路材料116相同或基本相似。如图2D所示，由微流体回路材料260限定的微流体回路262可包括多个隔离围栏266流体连接到的多个通道264(示出两个，但可以有更多)。
每个隔离围栏266可以包括隔离结构272、隔离结构272内的分离区270和连接区268。从通道264处的近侧开口274到隔离结构272处的远侧开口276，连接区268将通道264流体连接到分离区270。通常，根据图2B和2C的上述讨论，通道264中的第一流体介质254的流动278可以产生第一介质254从通道264进入和/或离开隔离围栏266的相应连接区268的二次流动282。
图2F示出了微流体装置600的示例，该微流体设备600包括具有多个入口/出口107的封壳，连接至入口/出口的微流体通道622以及多个隔离围栏616。微流体装置600还包括一对侧通道642，每个侧通道都具有通向微流体通道622和隔离围栏616的子集的开口。侧通道642将隔离围栏616连接到微流体通道622，从而允许液滴在微流体通道622和隔离围栏616之间传输，同时缓冲从微流体通道622中的流体流动到隔离围栏的开口并提供预定用于隔离围栏616的液滴的分段区域。
在隔离围栏(例如124、126、128、130、224、226、228或266)的各种实施方案中，分离区(例如240或270)构造为包含多个微物体。在其他实施方案中，分离区可以构造为仅包含一个、两个、三个、四个、五个或类似的相对较少数量的微物体。因此，分离区的容积可以是例如至少1×106、2×106、4×106、6×106立方微米或更多。
在隔离围栏的各种实施方案中，近侧开口(例如，234)处的通道(例如，122)的宽度Wch可以在以下范围中的任何一个范围内：约50-1000微米、50-500微米、50-400微米、50-300微米、50-250微米、50-200微米、50-150微米、50-100微米、70-500微米、70-400微米、70-300微米、70-250微米、70-200微米、70-150微米、90-400微米、90-300微米、90-250微米、90-200微米、90-150微米、100-300微米、100-250微米、100-200微米、100-150微米和100-120微米。在一些其他实施方案中，近侧开口(例如234)处的通道(例如，122)的宽度Wch可以在约200-800微米、200-700微米或200-600微米的范围内。以上仅是示例，并且通道122的宽度Wch可以处于其他范围内(例如，由上面列出的任何端点限定的范围)。此外，在通道的除了隔离围栏的近侧开口处之外的区域中，通道122的Wch可以被选择为处于这些范围中的任何范围中。
在一些实施方案中，隔离围栏具有约30至约200微米或约50至约150微米的高度。在一些实施方案中，隔离围栏的截面积为约1×104-3×106平方微米、2×104-2×106平方微米、4×104-1×106平方微米、2×104-5×105平方微米、2×104-1×105平方微米或约2×105-2×106平方微米。在一些实施方案中，连接区具有约100至约500微米、200至约400微米或约200至约300微米的截面宽度。
在隔离围栏的各种实施方案中，近侧开口(例如，234)处的通道(例如，122)的高度Hch可以在以下范围中的任何一个范围内：20-100微米、20-90微米、20-80微米、20-70微米、20-60微米、20-50微米、30-100微米、30-90微米、30-80微米、30-70微米、30-60微米、30-50微米、40-100微米、40-90微米、40-80微米、40-70微米、40-60微米或40-50微米。以上仅是示例，并且通道(例如122)的高度Hch可以处于其他范围(例如，由以上列出的任何端点所定义的范围)中。在通道的除隔离围栏的近侧开口处之外的区域中，通道122的高度Hch可以被选择为在任何一个这些范围内。
在隔离围栏的各种实施方案中，近侧开口(例如，234)处的通道(例如，122)的截面积可以在以下范围中的任何一个范围内：500-50,000平方微米、500-40,000平方微米、500-30,000平方微米、500-25,000平方微米、500-20,000平方微米、500-15,000平方微米、500-10,000平方微米、500-7,500平方微米、500-5,000平方微米、1,000-25,000平方微米、1,000-20,000平方微米、1,000-15,000平方微米、1,000-10,000平方微米、1,000-7,500平方微米、1,000-5,000平方微米、2,000-20,000平方微米、2,000-15,000平方微米、2,000-10,000平方微米、2,000-7,500平方微米、2,000-6,000平方微米、3,000-20,000平方微米、3,000-15,000平方微米、3,000-10,000平方微米、3,000-7,500平方微米或3,000至6,000平方微米。前述仅仅是示例，并且近侧开口(例如，234)处的通道(例如，122)的截面可以处于其他范围(例如，由以上列出的任何端点限定的范围)内。
在隔离围栏的各种实施方案中，连接区(例如，236)的长度Lcon可以处于以下范围中的任一个：约1-600微米、5-550微米、10-500微米、15-400微米、20-300微米、20-500微米、40-400微米、60-300微米、80-200微米或约100-150微米。以上仅是示例，并且连接区(例如236)的长度Lcon可以处于与前述示例不同的范围(例如，由上面列出的任何端点限定的范围)内。
在隔离围栏的各种实施方案中，在近侧开口(例如，234)处的连接区(例如，236)的宽度Wcon可以处于以下范围中的任一个：20-500微米、20-400微米、20-300微米、20-200微米、20-150微米、20-100微米、20-80微米、20-60微米、30-400微米、30-300微米、30-200微米、30-150微米、30-100微米、30-80微米、30-60微米、40-300微米、40-200微米、40-150微米、40-100微米、40-80微米、40-60微米、50-250微米、50-200微米、50-150微米、50-100微米、50-80微米、60-200微米、60-150微米、60-100微米、60-80微米、70-150微米、70-100微米和80-100微米。前述仅仅是示例，并且近侧开口(例如，234)处的连接区(例如，236)的宽度Wcon可以不同于前述示例(例如，由以上列出的任何端点限定的范围)。
在隔离围栏的各种实施方案中，在近侧开口(例如，234)处的连接区(例如，236)的宽度Wcon可以至少与隔离围栏所要用于的微物体(例如，可以是T细胞、B细胞或卵子或胚胎的生物细胞)的最大尺寸一样大。例如，在液滴将被放入的隔离围栏的近侧开口234处的连接区236的宽度Wcon可以处于以下范围中的任何一个范围：约100微米、约110微米、约120微米、约130微米、约140微米、约150微米、约160微米、约170微米、约180微米、约190微米、约200微米、约225微米、约250微米、约300微米或约100-400微米、约120-350微米、约140-200-200 300微米、或约140-200微米。前述仅仅是示例，并且近侧开口(例如，234)处的连接区(例如，236)的宽度Wcon可以不同于前述示例(例如，由以上列出的任何端点限定的范围)。
在隔离围栏的各种实施方案中，连接区的近侧开口的宽度Wpr可以至少与隔离围栏所要用于的微物体(例如，诸如细胞的生物微物体)的最大尺寸一样大。例如，宽度Wpr可以是约50微米、约60微米、约100微米、约200微米、约300微米或者可以在约50-300微米、约50-200微米、约50-100微米、约75-150微米、约75-100微米或约200-300微米的范围内。
在隔离围栏的各种实施方案中，连接区(例如236)的长度Lcon与近侧开口234处的连接区(例如236)的宽度Wcon的比率可以大于或等于以下任一比率：0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0或更大。前述仅是示例，并且连接区236的长度Lcon与近侧开口234处的连接区236的宽度Wcon的比率可以与前述示例不同。
在微流体设备100、200、230、250、280、290、320、600、700的各种实施方案中，Vmax可设定为约0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4或1.5μL/秒。
在具有隔离围栏的微流体设备的各种实施方案中，隔离围栏的分离区(例如，240)的容积可以是例如至少5×105、8×105、1×106、2×106、4×106、6×106、8×106、1×107、5×107、1×108、5×108或8×108立方微米或更大。在具有隔离围栏的微流体设备的各种实施方案中，隔离围栏的容积可以是约5×105、6×105、8×105、1×106、2×106、4×106、8×106、1×107、3×107、5×107或约8×107立方微米或更大。在一些其他实施方案中，隔离围栏的容积可以是约1纳升至约50纳升、2纳升至约25纳升、2纳升至约20纳升、约2纳升至约15纳升或约2纳升至约10纳升。
在各种实施方案中，微流体设备具有如本文讨论的任何实施方案中构造的隔离围栏，其中微流体设备具有约5至约10个隔离围栏、约10至约50个隔离围栏、约100至约500个隔离围栏；约200至约1000个隔离围栏、约500至约1500个隔离围栏、约1000至约2000个隔离围栏或约1000至约3500个隔离围栏。隔离围栏不需要全部具有相同的尺寸，并且可以包括多种构造(例如，隔离围栏内的不同宽度、不同特征)。
在一些其他实施方案中，微流体设备具有如本文讨论的任何实施方案中构造的隔离围栏，其中微流体设备具有约1500至约3000个隔离围栏、约2000至约3500个隔离围栏、约2500至约4000个隔离围栏、约3000至约4500个隔离围栏、约3500至约5000个隔离围栏、约4000至约5500个隔离围栏、约4500至约6000个隔离围栏、约5000至约6500个隔离围栏、约5500至约7000个隔离围栏、约6000至约7500个隔离围栏、约6500至约8000个隔离围栏、约7000至约8500个隔离围栏、约7500至约9000个隔离围栏、约8000至约9500个隔离围栏、约8500至约10,000个隔离围栏、约9000至约10,500个隔离围栏、约9500至约11,000个隔离围栏、约10,000至约11,500个隔离围栏、约10,500至约12,000个隔离围栏、约11,000至约12,500个隔绝围栏、约11,500至约13,000个隔离围栏、约12,000至约13,500个隔离围栏、约12,500至约14,000个隔离围栏、约13,000至约14,500个隔离围栏、约13,500至约15,000个隔离围栏、约14,000至约15,500个隔离围栏、约14,500至约16,000个隔离围栏、约15,000至约16,500个隔离围栏、约15,500至约17,000个隔离围栏、约16,000至约17,500个隔离围栏、约16,500至约18,000个隔离围栏、约17,000至约18,500个隔离围栏、约17,500至约19,000个隔离围栏、约18,000至约19,500个隔离围栏、约18,500至约20,000个隔离围栏、约19,000至约20,500个隔离围栏、约19,500至约21,000个隔离围栏、或约20,000至约21,500个隔离围栏。
图2G示出了根据一个实施方案的微流体设备280。图2G中示出了微流体设备280是微流体设备100的程式化图。实际上，微流体设备280及其组成回路元件(例如通道122和隔离围栏128)将具有本文讨论的尺寸。图2G中示出的微流体回路120具有两个端口107和具有四个不同通道122的流动区域106。微流体设备280进一步包括从每个通道122打开的多个隔离围栏。在图2G所示的微流体设备中，隔离围栏具有与图2C所示的围栏相似的几何形状，因此具有连接区和分离区两者。因此，微流体回路120包括被扫过的区域(例如，通道122和连接区236的在二次流动244的最大穿透深度Dp内的部分)和未被扫过的区域(例如，分离区240和连接区236不在二次流动244的最大穿透深度Dp的部分)。
在一些实施方案中，腔室(或隔离围栏)可包括构造为保持液滴的保持区域(例如，分离区)以及将保持区域流体连接到微流体通道的一个(或更多个)连接区。第一连接区可以构造成允许液体液滴在微流体通道和腔室之间移动。当存在第二连接区时，其可构造成当液体液滴在微流体通道和保持区域之间移动时允许流体流动和压力释放。在一些实施方案中，封壳可以进一步包括第二微流体通道。在这样的实施方案中，腔室可以连接到第一微流体通道和第二微流体通道两者。
在一些实施方案中，微流体通道可以具有约30至约200微米或约50至约150微米的高度，其中在垂直于通过通道的流体流动方向的方向上测量高度。在一些实施方案中，微流体通道具有约50至约1000微米或约100至约500微米的宽度，其中在垂直于通过通道的流体流动方向的方向上测量宽度。
在一些实施方案中，腔室(或隔离围栏)具有与微流体通道的高度基本相同的高度。例如，腔室高度可以是约30至约200微米或约50至约150微米。在一些实施方案中，腔室(或保持围栏)具有约100,000至约2,500,000平方微米或约200,000至约2,000,000平方微米的截面积。在一些实施方案中，连接区(第一、第二等)具有与对应腔室和/或连接区从其打开的微流体通道的高度基本上相同的高度。在一些实施方案中，连接区具有约50至约500微米或约100至约300微米的宽度。
在一些实施方案中，微流体设备包括适于培养生物微物体的培养腔室(例如，隔离围栏)。培养腔室可以位于封壳内，并且可以连接到微流体通道。当培养腔室位于封壳内时，封壳可以包括灌注微流体通道，该微流体通道构造为使新鲜培养基流过培养腔室，使得新鲜培养基中的营养物和培养腔室中的废物可以进行交换(例如通过营养物向培养腔室中的扩散以及废物向培养基外的扩散)。灌注通道可以与连接到液滴发生器的微流体通道分开。
H.表面改性。
用于操纵和存储生物材料的材料、设备和/或装置的表面可以具有未针对短期和/或长期与材料接触而优化的天然特性，这种材料可以包括但不限于微物体(包括但不限于生物微物体，诸如生物细胞)、生物分子、生物分子的片段或生物微物体以及它们的任何组合。改性材料、设备或装置的一个或更多个表面以减少与一种或更多种生物材料接触的天然表面相关联的一种或更多种不期望的现象可能是有用的。在其他实施方案中，增强材料、设备和/或装置的表面性质以将期望特性引入表面可能是有用的，从而扩大材料、设备和/或装置的处理、操纵或加工能力。为此，需要能够改性表面以减少不期望的性质或引入期望的性质的分子。
1.用于改性表面的化合物。
在各种实施方案中，表面改性化合物可以包括表面改性配体，其可以是非聚合物部分，例如烷基部分或取代的烷基部分，如氟烷基部分(包括但不限于全氟烷基部分)，其共价地改性其所附接的表面。表面改性化合物还包括连接部分，该连接部分是将表面改性配体共价附接至表面的基团，如反应式1中示意性所示。共价改性表面具有通过连接基团附接的表面改性配体，其是连接部分与表面官能团(包括氢氧化物、氧化物、胺或硫)反应的产物。
反应式1.
Figure BDA0002333436110000301
在一些实施方案中，表面改性化合物可以包括形成直链(例如，至少10个碳或至少14、16、18、20、22或更多个碳的直链)的碳原子，并且可以是非支链烷基部分。在一些实施方案中，烷基可以包括取代的烷基(例如，烷基中的一些碳可以被氟化或全氟化)。在一些实施方案中，所述烷基可以包括连接至第二片段的第一片段，第一片段可以包括全氟烷基，第二片段可以包括未取代的烷基，其中第一片段和第二片段可以直接或间接连接(例如，通过醚键的方式)。烷基的第一段可以位于连接基团的远侧，并且烷基的第二段可以位于连接部分的近侧。
在各种实施方案中，表面改性化合物可以具有式I的结构：
Figure BDA0002333436110000302
其中连接部分V是-P(O)(OH)Q-或-Si(T)2W；W是-T、-SH或-NH2，并且是构造为连接至表面的部分；Q是-OH并且是被构造为连接到表面的部分；并且T是OΗ、OC1-3烷基或Cl。R是氢或氟，M是氢或氟。h的每个示例为0或2或3的整数；j为0或l；k为0或1；m为0或1至25的整数；并且n为0或1至25的整数。在一些其他实施方案中，(n+[(h+j)·k]+m)的和可以为11至25的整数。在一些实施方案中，M是氢。在各种实施方案中，m为2。在一些实施方案中，k为0。在其他实施方案中，k是1。在各种实施方案中，j为1。对于式I的化合物，当k为整数1时，则m可以至少为2并且M是氢。对于式I化合物，当k为0且R为氟时，则m可以至少为2且M为氢。
在各种实施方案中，当表面改性化合物具有式I的结构时，连接部分V可以是-Si(T)2W，其中T和W如上所定义。W可以是OC1-3烷基或Cl。W可以是甲氧基、乙氧基或丙氧基。在一些实施方案中，W可以是甲氧基。T可以是OC1-3烷基或Cl。在各种实施方案中，连接部分V是-Si(OMe)3。在各种其他实施方案中，V可以是-P(O)(OH)Q，其中Q是OH。
式1的表面改性化合物可以具有构成该化合物的直链的优选原子数范围。如上所定义的，构成式1化合物的每个片段可以具有一定范围的尺寸。因此，式1的化合物可以具有如上定义的重复单元，使得(n+[(h+j)·k]+m)等于25，其将产生26个原子的总长度，包括附接到连接部分的末端CR3-基团。在(n+[(h+j)·k]+m)等于25的情况下，可以包括各种不同的组成。例如，片段-[CR2]n-可具有n＝23；-[(CH2)h-(O)j]k-可具有k＝0；和-[CM2]m-可具有m＝2。具有相同总数(n+[(h+j)·k]+m)等于25的另一个示例可以具有片段-[CR2]n-，其中n＝6；-[(CH2)h-(O)j]k-其中k＝3，并且包括j＝l和h＝2；并且-[CM2]m-可具有m＝4。
在一些实施方案中，(n+[(h+j)·k]+m)之和可以为11、13、15、17或21。在其他实施方案中，(n+[(h+j)·k]+m)之和可以为15或17。在其他实施方案中，(n+[(h+j)·k]+m)之和可以为13或15。
在一些实施方案中，式I化合物中可以存在一个或更多个醚键。在一些实施方案中，j可为1。在一些实施方案中，其中k和j都为1，m可以至少为2。在一些实施方案中，其中k和j均为1，h可以为0。
在其他实施方案中，主链碳可以被氟化。在一些实施方案中，主链碳可以是全氟化的，其中CR3-和/或-[CR2]n-和/或-[CM2]m-的每个R可以被氟化。在一些实施方案中，化合物的一部分可以具有氟化的碳主链原子并且化合物的其他部分可以具有被氢取代的碳主链原子。例如，在一些实施方案中，CR3-和-[CR2]n-片段可具有氟非主链取代基(例如，R为氟)，而-[CM]m-片段可具有氢非主链取代基(例如M为氢)。在一些实施方案中，当R为氟时，则k为0。在其他实施方案中，R可以是氟并且k为1，j为1且h为2。在各种实施方案中，M可以是氢。
在其他实施方案中，式1的化合物可以由如下所述的烯烃的硅氢化来合成，其中m至少为2，且M是氢。在一些实施方案中，m为2且M是氢。
在下式中描述的化合物的亚组中可以更容易地看到式I的各种化合物中的一些，但这些式决不限制式I的范围。
在一些实施方案中，式I的化合物可以包括式110的化合物：
CH3(CH2)mSi(OC1-3烷基)3；
式110
其中m为9至23的整数。在一些实施方案中，m可以为11、13、15、17或19。在一些其他实施例中，m可以为13或15。
在其他实施方案中，式I的化合物可以包括式111的化合物：
CF3(CF2)n(CH2)2Si(OC1-3烷基)3；
式111
其中n可以为9至22的整数。或者，n可以为11至17的整数。在一些其他实施方案中，n可以为9、11、13或者15。在一些实施方案中，n可以为13或15。
在其他实施方案中，式I的化合物可以包括式112的化合物：
CR3(CR2)n(CH2)hO(CH2)mSi(OC1-3烷基)3；
式112
其中n为3至19的整数；h为2或3的整数；m为2至18的整数。在一些实施方案中，R可以是氟。在一些实施方案中，n可以为3至11的整数，h可以为2，并且m可以为2至15的整数。
或者，式I的化合物可以包括式113的化合物：
CR3(CR2)n(CM2)mP(O)(OH)2；
式113
其中n为3至21的整数；m为2至21的整数。在式113的化合物的一些实施方案中，R可以是氟。在一些实施方案中，M可以是氢。在各种实施方案中，n可以为5、7、9或11。在其他实施方案中，m可以为2、4、5、7、9、11或13。
2.用于改性的表面。
能够被本文所述的表面改性化合物(包括式I化合物)改性的表面可以是金属、金属氧化物、玻璃或聚合物。可具有引入其中的共价改性表面的一些材料可包括但不限于硅及其氧化物、硅氧烷、铝或其氧化物(Al2O3)、氧化铟钽(ITO)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铪(IV)(HfO2)、氧化钽(V)(Ta2O5)或其任何组合。表面可以是这些材料的晶片或片材，或者可以结合在装置或设备内。在一些实施方案中，包括这些材料中的任何一种的表面可以被结合在如本文所述的微流体设备内。
聚合物可以包括任何合适的聚合物。合适的聚合物可以包括但不限于例如橡胶、塑料、弹性体、硅氧烷、有机硅氧烷，例如聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)等，其可以是透气的。其他示例可以包括模制玻璃、可图案化材料，例如硅氧烷聚合物(例如，可光图案化聚硅氧烷或“PPS”)、光致抗蚀剂(例如，诸如SU8的基于环氧树脂的光致抗蚀剂)等。在其他实施方案中，材料例如天然纤维或木材的表面可以通过本文所述的表面改性化合物(包括式I的化合物)官能化以引入共价改性的表面。
待改性的表面可以包括亲核部分，包括但不限于氢氧化物、氨基和硫醇。表面上的亲核部分(例如，氢氧化物(在一些实施方案中称为氧化物))可以与本文所述的表面改性化合物(包括式I的化合物)反应，以通过甲硅烷氧基连接基团或膦酸酯连接基团将表面改性配体共价连接到表面上，以提供官能化表面。待改性的表面可以包括天然亲核部分，或者可以用试剂(例如，食人鱼溶液(piranha solution))或通过等离子体处理来进行处理以引入亲核部分(例如，氢氧化物(或者称为氧化物))。
在一些实施方案中，表面可以由任何上述材料单独或以任何组合形成。该表面可以包括半导体衬底。在各种实施方案中，包括半导体衬底的表面可以进一步包括如本文所述的DEP或EW衬底。在一些实施方案中，包括具有DEP或EW衬底的半导体衬底的表面可以是如本文所述的微流体设备的一部分。
在一些实施方案中，改性表面可以是如本文所述的微流体设备的至少一个向内表面。该至少一个表面可以是微流体设备(其可以包括通道)的流动区域的一部分，或者可以包括诸如围栏(可以包括如本文所述的隔离围栏)的封闭结构的表面。
3.共价改性的表面。
共价改性的表面可以包括表面改性配体，其可以是非聚合物部分，例如烷基部分、取代的烷基部分，诸如氟烷基部分(包括但不限于全氟烷基部分)，并且可以是上述任何表面改性配体，其通过连接基团共价结合到表面，所述连接基团是由连接部分与表面反应得到的部分。连接基团可以是甲硅烷氧基连接基团或膦酸酯连接基团。甲硅烷氧基和膦酸酯连接基团在本文中也分别称为硅氧烷和膦酸连接基团。
在一些实施方案中，表面改性配体可以包括形成直链(例如至少10个碳或至少14、16、18、20、22或更多个碳的直链)的碳原子，并且可以是非支链烷基部分。在一些实施方案中，烷基可以包括取代的烷基(例如，烷基中的一些碳可以被氟化或全氟化)。在一些实施方案中，烷基可以包括接合至第二片段的第一片段，第一片段可以包括全氟烷基，第二片段可以包括未取代的烷基，其中第一片段和第二片段可以直接或间接接合(例如，通过醚键的方式)。烷基的第一片段可以位于连接基团的远侧，并且烷基的第二片段可以位于连接基团的近侧。
A)式II的共价改性表面。
在一些实施方案中，共价改性的表面具有式II的结构：
Figure BDA0002333436110000331
其中是
Figure BDA0002333436110000336
表面；V是-P(O)(OY)W-或-Si(OZ)2W。W是-O-、-S-或-NH-并连接到表面。Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键或者是与表面相连的键。Y是与附着于表面的相邻磷原子相连的键或者是与表面相连的键。对于式II的共价改性的表面，R、M、h、j、k、m和n如上针对式I所定义。当k为整数1时，则m至少为2并且M是氢。当k为0且R是氟时，则m至少为2且M是氢。式II的共价改性的表面可以描述为通过连接基团LG附接的表面改性配体，如式IIA，其中LG连接到表面：
Figure BDA0002333436110000332
共价改性的表面可以包括任何组合的式II的任何表面，如上面关于式I的表面改性化合物所述。
在一些实施方案中，式II的共价改性的表面可以是式210的表面：
Figure BDA0002333436110000333
其中
Figure BDA0002333436110000337
是表面，与硅原子附接的氧也与表面结合，并且m为11至23的整数。在一些实施方案中，m可以为11、13、15、17或19。在一些其他实施方案中，m可以为13或15。
在一些其他实施方案中，式II的共价改性的表面可以是式211的表面：
其中
Figure BDA0002333436110000338
是表面，与硅原子附接的氧也与表面结合，并且n可以为9至22的整数。或者，n可以为11至17的整数。在一些其他实施方案中，n可以为7、9、11、13或者15。在一些实施方案中，n可以为13或15。
在其他实施方案中，式II的共价改性的表面可以是式212的表面：
Figure BDA0002333436110000335
Figure BDA0002333436110000341
其中是表面，与硅原子附接的氧也与表面结合，并且n为3至21的整数，h为2或3的整数，并且m为是2至21的整数。在一些实施方案中，R可以是氟。在一些实施方案中，n可以为3至11的整数，h可以为2，并且m可以为2至15的整数。
或者，式II的共价改性的表面可以是式213的表面：
Figure BDA0002333436110000342
其中
Figure BDA0002333436110000344
是表面，与磷原子附接的氧也与表面结合，n为3至21的整数，并且m为2至21的整数。在式113的化合物的一些实施方案中，R可以是氟。在一些实施方案中，M可以是氢。在各种实施方案中，n可以为5、7、9或11。在其他实施方案中，m可以为2、4、5、7、9、11或13。
在一些实施方案中，微流体设备包括流体连接至第一入口和第一出口的流动区域，流动区域构造成包括第一流体介质的流动。微流体设备可以包括通向流动区域的一个或更多个腔室。共价改性的表面可以是微流体设备的共价改性的衬底并且可以在流动区域和/或至少一个腔室的下面。在一些实施方案中，构造成面向流体的微流体设备的全部或基本上全部内表面具有式II的共价改性表面。
B)附加的疏水层
在一些实施方案中，微流体设备包括液滴致动表面，该液滴致动表面包括与该装置的介电层共价键合的疏水层。在一些实施方案中，疏水层是单层。在一些实施方案中，疏水层是包含表面改性配体和将表面改性配体连接至表面的连接基团的单层。
在一些实施方案中，衬底的外部疏水层具有小于5纳米(例如，大约1.5至3.0纳米)的厚度。在一些实施方案中，可以对衬底的外部疏水层进行图案化，使得与外部疏水层的其余部分相比，选择区域是相对亲水的。
在一些实施方案中，外部疏水层包含共价键合到内介电层上的自缔合分子(例如，通过接头)，从而形成紧密堆积的疏水单层。在一些实施方案中，疏水性单层的自缔合分子各自包含硅氧烷基团(例如，作为接头的一部分)。例如，硅氧烷基团可以具有式-Si(OZ)2W-，其中W是-O-、-S-或-NH-并连接到表面；Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键(例如，通过另一个与硅直接键合的W)，或者是与表面相连的键。在其他实施方案中，疏水性单层的自缔合分子各自包含膦酸基团(例如，作为接头的一部分)。例如，膦酸基团可具有式-P(O)(OY)W-，其中W是-O-、-S-或-NH-并连接到表面；Y是与附着于表面的相邻磷原子相连的键(例如通过另一个直接与磷键合的W)或与表面相连的键。硅氧烷基团或膦酸基团可以例如通过氧共价键合到内介电层的表面。在一些实施方案中，疏水单层的自缔合分子每个包括表面改性配体和将表面改性配体直接或间接连接至内介电层表面的连接基团。表面改性配体可以是本文公开的任何表面改性配体。例如，表面改性配体可以包括脂族基团，例如烷烃基团。因此，例如，疏水单层的自缔合分子可以是烷基封端的硅氧烷或烷基封端的膦酸分子。烷基可以包括至少10个碳(例如至少12、14、16、18、20、22或更多个碳)的链(例如非支链)。在其他实施方案中，表面改性配体可以包括氟取代的脂族基团，例如氟烷基。因此，例如，自缔合分子可以是氟烷基封端的硅氧烷或氟烷基封端的膦酸分子。氟烷基可以包括至少10个碳(例如，至少12、14、16、18、20、22或更多个碳)的链(例如，非支链)。在某些实施方案中，氟烷基包括一个或更多个(例如，至少4、5、6、7、8、9、10、11、12个或更多个)全氟化碳。例如，氟代烷基可以具有化学式CF3-(CF2)m-(CH2)n-，其中m至少为2，n至少为2，并且m+n至少为9。在一些实施方案中，表面改性配体包括第一脂族基团和第二脂族基团之间的醚键。例如，第一脂族基团可以是烷基，并且第二脂族基团可以是氟烷基(例如，全氟烷基)。在某些实施方案中，表面改性配体的烷基或氟烷基是无支链的。在一些实施方案中，表面改性配体的烷基或氟烷基不含任何环状结构。
可以用具有(i)接头(例如，如上所述)和(ii)非支链烷烃基团(即，-(CH2)n-CH3，其中n＝9或更大，例如11或15或更大)的共价结合分子修饰表面。在另一方面，可以用具有(i)接头(例如，如上所述)、(ii)短非支链烷烃，和(iii)全氟烷烃基团(即，-(CH2)n-(CF2)m-CF3，其中n＝2或更大且m＝5或更大，例如7、9、11、13或更大)的共价结合分子修饰芯片的表面。在一些实施方案中，短非支链烷烃和全氟烷烃基团的组合是-(CH2)2-(CF2)13-CF3。在一些实施方案中，非支链烷烃基为C18基团(即，-(CH2)17-CH3)。接头可以是硅氧烷(例如，-Si(OZ)2-O-，其中Z与相邻的Si原子或表面键合)或膦酸(例如，-P(O)(OY)-，其中Y与相邻的P原子或表面键合)。在一个实施方案中，该接头是硅氧烷接头。
在一些实施方案中，疏水层是包含表面改性配体和将表面改性配体连接至表面的连接基团的单层，其具有结构：
Figure BDA0002333436110000351
其中
Figure BDA0002333436110000353
是表面，V是接头，m为9或11或更大的整数(以下称为“SSRL1涂层”)。在一些实施方案中，V是-Si(OZ)2W-；W是-O-并连接至表面；并且Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键或者是与表面相连的键。或者，W可以是-O-、-S-或-NH-。在一些实施方案中，V是-P(O)(OY)W-；W是-O-并连接至表面；Y是与附着于表面的相邻磷原子相连的键或者是与表面相连的键。或者，W可以是-O-、-S-或-NH-。在一些实施方案中，m为15或更大的整数。在一些实施方案中，m的范围为12至25、12至21、15至25、15至21、15至19或16至18。在一些实施方案中，m为15、17或19。在一些实施方案中，m为17。
在一些实施方案中，疏水层是包含表面改性配体和将表面改性配体连接至表面的连接基团的单层，其具有结构：
Figure BDA0002333436110000352
其中
Figure BDA0002333436110000354
是表面，V是接头，n+m+j为13或更大，n为至少5，m为2或更大，且j为0或1(以下称为“SSRL2涂层”)。在一些实施方案中，V是-Si(OZ)2W-；W是-O-并连接至表面；且Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键或者是与表面相连的键。或者，W可以是-O-、-S-或-NH-。在一些实施方案中，V是-P(O)(OY)W-；W是-O-并连接至表面；Y是与附着于表面的相邻磷原子相连的键或者是与表面相连的键。或者，W可以是-O-、-S-或-NH-。在一些实施方案中，n为至少7、至少9、至少11、至少13或更大。在一些实施方案中，m的范围为2至13、2至10、2至8、2至6或2至4。在一些实施方案中，m为2。在一些实施方案中，其中n为11或13。
图2E描绘了具有示例性的共价连接的涂层材料以提供了经调节的表面的微流体设备290的剖视图。如图所示，涂层材料298(示意性地示出)可以包括共价结合到微流体设备290的基底288的内表面294和盖286的内表面292两者上的紧密堆积分子的单层，基底288可以是DEP或EW衬底。涂层材料298可以设置在接近并向内朝向微流体设备290的封壳284的基本上所有内表面294、292上，在一些实施方案中并且如上所述，包括用于限定微流体设备290内的回路元件和/或结构的微流体回路材料的表面(未示出)。在替代实施方案中，涂层材料298可以仅设置在微流体设备290的一个或一些内表面上。
在图2E所示的实施方案中，共价改性表面298包含烷基封端的硅氧烷分子的单层，每个分子经由甲硅烷氧基接头296共价键合至微流体设备290的内表面292、294。为了简单起见，示出了连接到相邻硅原子的其他氧化硅键，但是本公开不限于此。在一些实施方案中，共价改性表面298可以在其面向封壳的末端(即表面改性配体298的单层的未结合到内表面292、294并且靠近封壳284的部分)上包含氟烷基(例如氟化烷基或全氟化烷基)。虽然图2E被讨论为具有烷基封端的改性表面，但如本文所述，可使用任何合适的表面改性化合物。
4.本征表面(Native surface)。
待改性的微流体设备的至少一个表面可以是玻璃、金属、金属氧化物或聚合物。可以结合在微流体设备内并且可以被改性以具有其中引入的式II的共价改性表面的一些材料可以包括但不限于硅及其氧化物、硅氧烷、铝或其氧化物(Al2O3)、氧化铟钽(ITO)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铪(IV)(HfO2)、氧化钽(V)(Ta2O5)或其任何组合。聚合物可以包括任何合适的聚合物。合适的聚合物可以包括但不限于(例如橡胶、塑料、弹性体、硅氧烷、有机硅氧烷，例如聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)等)，其可以是透气的。其他示例可以包括模制玻璃，诸如硅氧烷聚合物(例如可光图案化聚硅氧烷或“PPS”)的可图案化材料、光致抗蚀剂(例如，诸如SU8的基于环氧树脂的光致抗蚀剂)等。
5.共价改性表面的物理和性能特性。
在一些实施方案中，共价改性表面可以具有增加的疏水性。改性表面的增加的疏水性可以防止生物材料污垢。如本文所用，表面污垢是指不加选择地沉积在微流体设备表面上的材料的量，其可以包括生物材料例如蛋白质和降解产物、核酸和各自降解产物的永久或半永久沉积。这种结垢可以增加生物微物体对表面的粘附量。在其他实施方案中，共价改性表面的增加的疏水特性可以降低生物微物体在表面上的粘附，而与由表面污垢引起的粘附无关。
表面的改性可以增加表面的耐久性、功能性和/或生物相容性。这些特性中的每一个可进一步有利于生存能力(包括生长速率和/或细胞倍增速率)，如本文所述在共价改性表面(包括具有式II结构的表面)上形成的菌落的性质，或者微物体或生物分子在改性表面上和具有共价改性表面的设备和/或装置内的便携性(包括出口的可行性)。
在一些实施方案中，共价改性表面(其可以是本文所述的任何表面，包括式II的表面)可以具有小于10nm的厚度(例如，小于约7nm，小于约5nm或约1.5至3.0nm)。这可以在改性表面上提供有利的薄层，特别是与形成约30至50nm的典型厚度的其他疏水性材料(例如旋涂的全氟四氢呋喃聚合物
Figure BDA0002333436110000361
)相比。表1中所示的数据是针对如表中所示经处理以具有共价改性表面的硅/氧化硅表面。使用静止滴落法获得接触角测量值。(Drelich,J.Colloid Interface Sci.179,37-50,1996.)通过椭圆光度法测量厚度。
使用Biolin Scientific接触角测角仪进行接触角滞后测量。将化学改性的OEW表面置于装在透明容器中的5cSt硅油浴中。然后将磷酸盐缓冲盐水(PBS)液滴分配到油中的表面上。将铂(Pt)线电极插入液滴中，并测量固着的水接触角。接下来，在OEW衬底和插入PBS液滴中的Pt导线之间以30kHz频率施加50Vppk的AC电压10秒。接着，除去施加的电压，并再次测定接触角。通过从在施加电压之前在零偏压下的原始接触角减去施加50Vppk AC电压之后在零偏压下的接触角来计算接触角滞后。
表1.选定表面的物理数据
Figure BDA0002333436110000371
T和Q如上所述。
观察到的改性表面的接触角与等离子体清洁的硅表面上水的小于10度的接触角不同。这些表面中的每一个都比天然硅/氧化硅表面的可湿性小。
适合表征表面的其他分析方法可以包括红外光谱和/或X射线光电子能谱。
本公开改性表面的另一个理想特性是缺乏自发荧光，其可取决于表面改性化合物的化学性质。
在一些实施方案中，本文所述的共价改性表面(包括式II的表面)可以形成单层。单层改性表面的均一性和均匀性可以提供有利的性能，特别是在单层改性表面具有其他功能属性的情况下。例如，本文所述的共价改性表面(包括式II的表面)还可以包括电极活化衬底，并且任选地还可以包括介电层，如可以在具有介电泳构造或电润湿构造的材料、设备和/或装置中发现的。与含有例如烯烃或芳族部分的单层相比，改性表面的全氟烷基部分的不饱和度的缺乏可以使“电荷捕集”最小化。此外，本文所述表面(包括式II表面)中形成的单层的密集堆积性质可以使阳离子被驱动通过单层到达下面的金属、金属氧化物、玻璃或聚合物衬底的电势最小化。不受理论限制，通过将阳离子添加至衬底组合物而破坏衬底表面可能破坏衬底的电学性质，从而降低其电动功能的能力。
此外，通过共价连接引入改性表面的能力可以增加改性表面的介电强度并且保护下面的材料在施加电场时不被击穿。具有本文所述共价改性表面(包括式II表面)的材料、设备和/或装置的介电泳或电润湿表面的均一性和薄度在该材料、设备和/或装置是光学致动的情况下可以进一步提供这种改性介电泳和/或电润湿表面的有利益处。
6.共价改性表面的制备方法。
可以用作设备或装置的部件的材料的表面可以在组装该设备或装置之前被改性。或者，可以改性部分或完全构造的设备或装置，使得将接触包括生物分子和/或微物体(其可包括生物微物体)的生物材料的所有表面同时被改性。在一些实施方案中，即使在设备和/或装置内的不同表面处存在不同的材料，该设备和/或装置的整个内部也可以被改性。在一些实施方案中，部分或完全构造的设备和/或装置可以是如本文所述的微流体设备或其部件。
待改性的表面可以在改性之前进行清洗以确保表面上的亲核部分可自由地用于反应，例如不被油或粘合剂覆盖。清洁可以通过任何合适的方法来完成，包括用包括醇或丙酮的溶剂处理、超声处理、蒸汽清洁等。在一些实施方案中，将待改性的表面用氧等离子体处理进行处理，所述氧等离子体处理除去污染物，其同时可在表面上引入额外的氧化物(例如氢氧化物)部分。这可以有利地提供更多位点用于在表面上进行改性，从而提供更紧密堆积的改性表面层。
待改性的表面可以在改性之前进行清洗以确保表面上的亲核部分可自由地用于反应，例如不被油或粘合剂覆盖。清洁可以通过任何合适的方法来完成，包括用包括醇或丙酮的溶剂处理、超声处理、蒸汽清洁等。在一些实施方案中，将待改性的表面用氧等离子体处理进行处理，所述氧等离子体处理除去污染物，其同时可在表面上引入额外的氧化物(例如氢氧化物)部分。这可以有利地提供更多位点用于在表面上进行改性，从而提供更紧密堆积的改性表面层。
在一些实施方案中，共价改性表面的方法包括以下步骤：使表面与式I的化合物接触：
其中V是-P(O)(OH)Q或-Si(T)2W。W是-T、-SH或-NH2，并且是构造为连接至表面的部分。或者，当V是-P(O)(OH)Q时，Q是-OH并且是构造为连接到表面的部分。T是OH、OC1-3烷基或Cl。R、M、h、j、k、m和n中的每一个是如以上对于式I化合物所定义的。(n+[(h+j)·k]+m)的总和为11到25的整数。在各种实施方案中，当k是整数1时，则m至少为2且M是氢；并且当k为0且R是氟时，则m至少为2且M是氢。式I化合物与表面的亲核部分反应；并形成共价改性的表面。可以使用式I化合物的任何组合或亚组合，如上所述。
该方法的各种实施方案中，如此形成的共价改性表面可以是单层。
在该方法的一些实施方案中，式I的化合物可以是式110的化合物：
CH3(CH2)mSi(OC1-3烷基)3；
式110
其中m为9至23的整数。在一些实施方案中，m可以为11、13、15、17或19。在一些其他实施例中，m可以为13或15。
在该方法的其他实施方案中，式I的化合物可以是式111的化合物：
CF3(CF2)n(CH2)2Si(OC1-3烷基)3；
式111
其中n为9至22的整数。或者，n可以为11至17的整数。在其他实施方案中，n可以为11至17的整数。在一些其他实施方案中，n可以为9、11、13或15。在一些实施方案中，n可以为13或15。
在该方法的其他实施方案中，式I的化合物可以是式112的化合物：
CR3(CR2)n(CH2)hO(CH2)mSi(OC1-3烷基)3；
式112
其中n为3至21的整数；h为2或3的整数；并且m为2至21的整数。在一些实施方案中，R可以为氟。在一些实施方案中，n可以为3至11的整数，h可以为2，并且m可以为2至15的整数。
或者，表面可以与可以是式113的化合物的式I的化合物接触：
CR3(CR2)n(CM2)mP(O)(OH)2；
式113
其中n为3至21的整数；并且m为2至21的整数。在式113的化合物的一些实施方案中，R可以是氟。在一些实施方案中，M可以是氢。在各种实施方案中，n可以为5、7、9或11。在其他实施方案中，m可以为2、4、5、7、9、11或13。
接触步骤可以通过使表面与含有式I的化合物的液体溶液接触来进行。例如，表面可以暴露于含有0.01mM、0.1mM、0.5mM、1mM、10mM或100mM的式1的化合物的溶液。该反应可以在环境温度下进行并且可以进行约2小时、4小时、8小时、12小时、18小时、24小时或其间的任何值的一段时间。溶剂的示例包括但不限于：甲苯、1,3双三氟苯或FluorinertTM(3M)氟化溶剂。如果存在，可以将酸如乙酸加入到溶液中，以通过促进三烷氧基基团的水解来提高反应速率。
或者，表面可以与含有式I的化合物的气相接触。在一些实施方案中，当通过使表面与式I的化合物在气相中接触进行反应步骤时，还存在控制量的水蒸气。控制量的水蒸气可以通过将预选量的硫酸镁七水合物放置在与具有待改性表面的物体相同的腔室或封壳中来提供。在其他实施方案中，可以通过外部水蒸气供给将控制量的水引入反应室或封壳中。反应可以在相对于大气压的减压下进行。在一些实施方案中，减压可以是100托或更小。在其他实施方案中，减压可以小于10托或小于1托。
该反应可以在约150℃至约200℃的温度下进行。在各种实施方案中，反应可以在约150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃、180℃、185℃或约190℃的温度下进行。反应可以被允许持续约2小时、6小时、8小时、18小时、24小时、48小时、72小时、84小时或更长时间。
在一些实施方案中，共价改性表面可以具有式II的结构：
Figure BDA0002333436110000391
其中R、M、n、h、j、k、m和V如上所述，以任何组合。在该方法的一些实施方案中，共价改性表面可以具有如上所述的式210、211、212或213的式，具有用于每个式的可允许元素的任何组合。
在该方法的各种实施方案中，表面可以包括选自由氢氧化物、氨基和硫醇构成的组的亲核部分。表面可以是金属、金属氧化物、玻璃、聚合物或其任何组合。金属表面可以包括硅、氧化硅、氧化铪、氧化铟钽、氧化铝或其任何组合。
在该方法的各种实施方案中，其中形成共价改性表面的步骤可以在DEP衬底或EW衬底上进行。形成共价改性表面的步骤可包括在微流体设备的微流体回路元件的至少一个表面上形成共价改性表面。微流体回路元件可以包括壁、流动区域、围栏和电极活化衬底，包括DEP或EW衬底。可以共价改性的微流体回路内的表面可以是面向微流体设备的流体承载部分的全部或基本上全部的表面。例如，在微流体设备200、230中，所有面向微流体通道122以及围栏244、246、248的顶部电极210的内表面、电极活化衬底206的上表面、微流体回路材料116的表面(参见图1B、1E、2A、2B)可以被改性。类似地，在图2D中，微流体回路材料260的内表面、限定隔离围栏266的隔离结构272的表面或面向微流体回路262的所有表面可以通过本文所述的方法被共价改性。
I.不混溶性介质。
水性液滴在衬底表面上的移动可以在区域地分布在一个或更多个流动区域(其可以包括流动通道)内并且在流动地连接到流动区域的腔室(如果存在的话)内的水不混溶性流体介质内进行。水不混溶性流体介质可具有大于纯水液滴的运动粘度。水不混溶性流体介质可以具有在约1厘沲(cSt)至约15cSt范围内的运动粘度，其中1cSt等于1毫帕或1厘泊(CPS)。在一些实施方案中，水不混溶性流体介质可具有约3cSt至约10cSt或约3cSt至约8cSt范围内的粘度。水不混溶性流体介质在至少100℃的温度下可以是不可燃的。在生物细胞被加工、培养或储存在水不混溶性流体介质内的水性液滴内的时间段内，水不混溶性流体介质可以对活的生物细胞无毒。
水不混溶性流体介质可以在水中具有低的或非常小的溶解度。水不混溶性流体介质在与水层接触(例如用水分开)时可以溶解小于其总水容积的约5％、4％、3％、2％、1％或小于1％。在约25℃至约38℃的范围内的温度下，水不混溶性流体介质可不溶解超过水不混溶性流体介质中存在的水性液滴的体积的约5％、约10％、约15％、约20％、约25％或约30％。在一些实施方案中，水不混溶性流体介质溶解小于水不混溶性流体介质内存在的水性液滴的体积的约20％。
水不混溶性流体介质可以包括至少一种有机或有机硅化合物，所述有机或有机硅化合物具有包含选自碳、硅和氧的原子的主链结构。在一些实施方案中，水不混溶性流体介质可以包括多于一种有机/有机硅化合物，其中该多于一种化合物是聚合物有机/有机硅化合物，其具有聚合物化合物亚单元的分子量范围。例如，聚合物有机/有机硅化合物可具有构成聚合物的两个不同的亚单元(例如共聚物)，并且两个不同亚单元中的每一个可存在于具有通式AaBb的重复范围内，其中A和B是两种不同的聚合物亚单元，并且a和b是每个亚单元重复的数量。重复的数量a和b可以不是单个整数，而可以是重复单位的范围。
在其他实施方案中，包含多于一种有机/有机硅化合物的水不混溶性流体介质可以包括有机化合物的混合物、有机硅化合物的混合物或其任何组合。水不混溶性流体介质可以包括具有将提供合适性能的不同化学结构和/或分子量的化合物的任何合适的混合物。
水不混溶性流体介质的化合物可具有小于约1000Da、约700Da、约500Da或约350Da的分子量。在其他实施方案中，水不混溶性介质的化合物可以具有比约1000Da更高并且仍然提供合适性能的分子量。
在各种实施方案中，水不混溶性流体介质的有机/有机硅化合物可以具有主链结构，其中构成主链的原子是碳、硅或氧。主链碳的取代基可以是氢或氟。在一些实施方案中，水不混溶性流体介质可以包括一种或更多种有机硅化合物，其中有机硅化合物的主链可以包括硅和氧原子。有机硅化合物的硅原子可以具有碳取代基，其又可以具有氢或氟取代基。在一些实施方案中，有机硅化合物的碳取代基可以全是氟(例如全氟化的)。在其他实施方案中，有机硅化合物的碳取代基可以是部分氟化的。在各种实施方案中，有机硅化合物的碳原子的取代基可以不超过约90％氟、80％氟、70％氟、60％氟、50％氟、40％氟、30％氟、20％氟或更少。
在其他实施方案中，水不混溶性流体介质的有机化合物可以具有主链结构，其中构成主链的原子是碳或氧。在一些实施方案中，主链碳的取代基可以是氢或氟。在其他实施方案中，主链碳的取代基可以包括含氧部分，例如醚、羰基或碳酸酯组分。在一些实施方案中，水不混溶性流体介质的有机化合物可以具有全碳主链结构。在一些实施方案中，水不混溶性流体介质的有机化合物的全碳主链结构可以在碳原子上具有全部氟取代基(例如全氟化)。在其他实施方案中，有机化合物的取代基可以是部分氟化的(例如不是全氟化的)。在各种实施方案中，包括具有全碳主链的化合物的有机化合物的碳原子的取代基可以不超过约90％氟、80％氟、70％氟、60％氟、50％氟、40％氟或更少。在一些实施方案中，水不混溶性流体介质的合适有机化合物可以包括或可以是单氟取代的碳氢化合物，如1-氟辛烷、1-氟癸烷、1-氟十二烷或1-氟十四烷。
在其他实施方案中，水不混溶性流体介质的有机化合物可以在碳上不具有氟取代基，但可以具有氢取代基。在一些实施方案中，水不混溶性流体介质的有机化合物可具有不饱和碳-碳键，例如主链碳内或末端位置处的烯属基团。
在一些实施方案中，选择待包括在水不混溶性流体介质中的适当化合物将包括考虑化合物的其他性质。在各种实施方案中，适合在水不混溶性流体介质内使用的化合物在被激光、投射到微流体设备中的结构化光或日光/实验室照明照射时不会自发荧光。
在其他实施方案中，共价改性的疏水表面的性质将影响在水不混溶性流体介质内使用的合适化合物的选择。例如，共价改性的表面可以具有足够的疏水性，使得全氟化水不混溶性流体介质内的水滴可以表现出足够高的表面张力，使得水滴不能使用如本文所述的光电润湿构造移动。
在一些其他实施方案中，微流体回路材料的性质可影响在水不混溶性流体介质内使用的合适化合物的选择。通过水不混溶性流体介质使回路材料膨胀可以保持在可接受的限度内。例如，在一些实施方案中，如果微流体回路材料包括SU8或光可图案化的芳基取代的有机硅氧烷，则可以选择使用包括环状、芳基或杂芳基基团的直链碳氢化合物、直链碳氟化合物或碳主链化合物。
在其他实施方案中，微流体回路材料可以包括其他材料，例如不含芳基取代的可光致图案化的有机硅氧烷，并且通过在水不混溶性流体介质中使用不同的化合物，可以将膨胀限制在可接受的限度内。例如，与预先暴露于水不混溶性流体介质相比，小于约40％、30％、20％或10％的膨胀可以是可接受的。然而，在一些实施方案中，仍然可以选择使用在水不混溶性流体介质内引起膨胀的化合物。
在一些实施方案中，水不混溶性流体介质的化合物可以是具有含碳或氧原子主链的有机化合物。在一些实施方案中，有机化合物可以具有含有碳原子并且不含氧原子的主链，并且进一步其中碳原子主链是分支的。在各种实施方案中，水不混溶性流体介质的有机化合物的分支的碳原子主链是无环的。具有分支的碳主链的水不混溶性流体介质的有机化合物可以进一步不含任何环化部分。
虽然上述选择标准可用于选择一种或更多种待包含在水不混溶性流体介质中的化合物，并且消除不能提供可接受性能的化合物，但可接受的水不混溶性流体介质可以是多组分混合物，并且可以包括单独的有机或有机硅化合物的某些部分，当用作水不混溶性流体介质的唯一组分时，其不会提供可接受的性能。例如，当单独使用时，组分可能过高氟化或可能不可接受地膨胀微流体回路材料，但可以与其他有机或有机硅化合物组合使用以形成水不混溶性流体介质。
单独或任何种类组合地用于水不混溶性流体介质中的一些合适的有机化合物可以包括：异十六烷、2-(三氟甲基)-3-乙氧基十二氟己烷(HFE-7500，3MTM，NovecTM)、七甲基壬烷(HMN)、二(2-乙基己基)碳酸酯(
Figure BDA0002333436110000411
DEC，(Evonik))和(十三氟-1,1,2,2-四氢辛基)四甲基二硅氧烷(Gelest，Cat#SIB1816.0)或硅油(5厘沲粘度，Gelest Cat.#DMS-T05)。
在一些实施方案中，共价改性的疏水表面的性质将影响在与水不混溶的流体介质内使用的合适化合物的选择。例如，共价改性的表面可以具有足够的疏水性，使得全氟化水不混溶的流体介质中的水滴可以表现出足够高的表面张力，以使得水滴不能使用本文所述的光电湿润构造来移动。
例如，对于包含本文所述的具有10个或更多个碳的直链烷烃基团的任何疏水层(例如，-(CH2)n-CH3，其中n＝9或11或15或更大)，与水不混溶的流体介质可包括有机液体，所述有机液体具有支链碳且具有约100至500道尔顿，或约100至400道尔顿，或约100至300道尔顿，或约150至500道尔顿，或约150至400道尔顿，或约150至300道尔顿的分子量。有机液体可以是部分氟化的或未氟化的。在一些实施方案中，有机液体是无环的(在其结构中不包含环)。在一些实施方案中，与水不混溶的流体介质基本上由有机液体组成或由有机液体组成。在一些实施方案中，有机液体是碳酸酯或烃。在一些实施方案中，有机液体是碳酸双(2-乙基己基)酯(例如Tegosoft DEC)或七甲基壬烷(HMN)。或者，可以使用矿物油。
在另一个实例中，对于任何包含本文所述的短直链烷烃和全氟烷烃基团(例如，-(CH2)n-(CF2)m-CF3，其中n＝2或更大且m＝11)的疏水层，与水不混溶的流体介质可包含矿物油或式CxH(2x+2)的直链烷烃有机液体，其中x为9至16。在一些实施方案中，对于直链烷烃有机液体，x为10、11、12、13或14。
J.水性液滴。
水性液滴可含有一个或更多个微物体，其可包含生物细胞或珠粒。水性液滴可含有可包括核酸或蛋白质的生物产物。在一些其他实施方案中，水性液滴可含有用于测定的试剂，其可以是任何种类的试剂，例如酶、抗体、荧光标记的探针或化学试剂。
1.表面活性剂。
在一些实施方案中，水性液滴还可以包含表面活性剂。表面活性剂可以增加水不混溶性流体介质内的水性液滴的便携性。在一些实施方案中，合适的表面活性剂可以包括非离子表面活性剂。在各种实施方案中，表面活性剂可以是但不限于聚环氧乙烷-聚环氧丙烷(PEO-PPO)嵌段共聚物，例如
Figure BDA0002333436110000421
嵌段氧化烯共聚物，包括Pluronics F68(ThermoFisher Cat.#2400032)、L31或F127中的任何一种；脂肪酸酯乙氧基脱水山梨糖醇，例如
Figure BDA0002333436110000422
20(聚山梨酯20)(signa Aldrich Cat.#PI 379)或
Figure BDA0002333436110000423
60(聚山梨酯60)(Sigma Aldrich P1629)；2,4,7,9四甲基-5-癸炔-4,7-二醇乙氧基化物(TET,SigmaAldrich Cat#9014-85-1)；乙氧基化非离子含氟表面活性剂，例如
Figure BDA0002333436110000424
FS-30(DuPontTM,Synquest Laboratories Cat.#2108-3-38)；或N-(1,3-双(葡糖吡喃糖苷)丙-2-基)-3-丁基-3-环己基庚酰胺(Cy-Tripglu)。在一些实施方案中，十二烷基硫酸钠(SDS)可以用作表面活性剂。在各种实施方案中，磷酸盐缓冲盐水(PBS)可以用作表面活性剂。可将表面活性剂以约1％、3％、5％、10％、15％、20％、约25％v/v或其间的任何值的范围添加到水性液滴中。在一些实施方案中，表面活性剂(例如在液滴中)以小于或等于0.5％v/v的浓度存在，例如以0.1％至0.5％、0.1％至0.15％、0.15％至0.25％、0.25％至0.35％或0.35％至0.5％的浓度范围，或前述两个端点定义的任何范围内的浓度存在。在一些实施方案中，表面活性剂以约0.2％v/v存在。已经发现，表面活性剂浓度在低于0.5％v/v的范围内可以有效地防止不希望的细胞和生物分子粘附或吸附到微流体设备中的表面上(这可能干扰液滴的操作，例如通过电润湿移动液滴和/或将一个液滴与另一个液滴合并)，同时还避免了此类表面在较高浓度下可能会发生的结垢。另外，表面活性剂还可以就本文公开的文库制备和/或扩增方法的方面提供有益的作用，如下文更详细地讨论。
在一些实施方案中，共价改性的疏水表面的性质将影响液滴中包括的合适表面活性剂的选择。表面活性剂的选择可进一步受到所用试剂和程序的影响。当使用相对较高的温度时，表面活性剂的适当选择可能特别重要，因为高温可能会使某些表面活性剂在某些情况下的效果较差。因此，提供以下指导。对于以下讨论中提及的每种表面活性剂，在一些实施方案中，表面活性剂以小于或等于0.5％v/v的浓度，例如以0.1％至0.5％、0.1％至0.15％、0.15％至0.25％、0.25％至0.35％或0.35％至0.5％范围内的浓度，或以上述两个端点所定义的任何范围内的浓度存在于液滴中(例如，在执行给定步骤的液滴中，例如通过将包含表面活性剂和与正在执行的步骤相关的一种或多种试剂的液滴与包含细胞和/或核酸的液滴合并而产生的组合液滴)。在一些实施方案中，表面活性剂以约0.2％v/v存在于液滴中。
对于在包含疏水层的表面上包含细胞的液滴，所述疏水层包含本文所述的10个或更多个碳的直链烷烃基团(例如，-(CH2)n-CH3，其中n＝15或更大)，发现TET表面活性剂很好地促进了液滴的运动。在这方面，Cy-Tripglu和PEO-PPO嵌段共聚物(例如，Pluronics F68、L31和F127)也是有用的。这些相同的表面活性剂也可以与DNA片段化试剂结合使用/用于DNA片段化步骤。
对于在包含疏水层的表面上包含细胞的液滴，所述疏水层包含本文所述的短直链烷烃和全氟烷烃基团(例如，-(CH2)n-(CF2)m-CF3，其中n＝2或更大，m＝11或更大)，发现PEO-PPO嵌段共聚物(例如，Pluronics F68、L31和F127)很好地促进了液滴的移动。在这方面，TET表面活性剂也是有用的。这些相同的表面活性剂也可以与DNA片段化试剂结合使用/用于DNA片段化步骤。
对于使用蛋白酶K或其等同物的酶促裂解，认为表面活性剂有助于促进完全裂解。还观察到表面活性剂的存在可以通过电润湿改善液滴的运动，并在适用的情况下改善后续核酸片段化反应的一致性。非离子表面活性剂，包括具有较大极性头基的那些，可用于这些目的。大极性头基团的大小可以大于750道尔顿，例如大于800、900、1000、1100、1200或1300。在一些实施方案中，极性头基团的大小范围为750至2000道尔顿，例如750至1000、
1000至1200、1200至1400、1400至1600、1600至1800或1800至2000道尔顿。在一些实施方案中，与裂解剂例如蛋白酶(例如蛋白酶K)结合使用的表面活性剂是分子量为至少1000道尔顿的聚山梨酯表面活性剂(例如聚山梨酯20)。在一些实施方案中，表面活性剂是辛基酚乙氧基化物，其中乙氧基化物基团的平均长度为至少9个环氧乙烷单元，或至少15、20、25、30或更多个环氧乙烷单元，例如Triton X-305。在一些实施方案中，表面活性剂是Triton X-100或Nonidet P-40(NP-40)。
在A尾(A-tailing)步骤(例如，准备用于连接的DNA，例如，连接衔接子或条形码序列)中，当疏水层包含本文所述的10个或更多个碳原子的直链烷烃基(例如-(CH2)n-CH3，其中n＝15或更大)时，Cy-Tripglu是有用的。当疏水层包含本文所述的短直链烷烃和全氟烷烃基团(例如，-(CH2)n-(CF2)m-CF3，其中n＝2或更大且m＝11或更大时)，尽管可以包括诸如关于此类表面的细胞移动所描述的其他表面活性剂(例如，将表面活性剂的总浓度保持在0.1％至0.5％v/v的范围内)，而没有任何明显的不利影响，但是先前步骤(例如细胞移动和裂解)中已经存在的表面活性剂已经足够。
对于包含聚合酶和/或进行扩增(例如PCR)的液滴，表面活性剂可以是分子量至少为1000道尔顿的聚山梨酯表面活性剂(例如聚山梨酯20)。聚山梨酯20对包含本文所述的10个或更多个碳的直链烷烃基团(例如，-(CH2)n-CH3，其中n＝15或更大)或本文所述的短直链烷烃和全氟烷烃基团(例如，-(CH2)n-(CF2)m-CF3，其中n＝2或更大且m＝11或更大)的疏水层有效。也可以使用PEO-PPO嵌段共聚物(例如，Pluronics F68、L31和F127)或TET表面活性剂。在一些实施方案中，包含核酸的液滴包含(i)聚山梨酸酯(例如，聚山梨酸酯20)和(ii)TET、Cy-Tripglu或PEO-PPO嵌段共聚物(例如，Pluronics F68、L31和F127))中的一种或多种；以及包含核酸聚合酶的液滴包含聚山梨酸酯(例如聚山梨酸酯20)。因此，在合并这样的液滴时，如在根据本公开的包括扩增的某些方法中，组合液滴包括聚山梨酸酯(例如，聚山梨酸酯20)和任选地一种或多种TET、Cy-Tripglu或PEO-PPO嵌段共聚物(例如PluronicsF68、L31和F127)。因此，在合并这样的液滴时，如在根据本公开的包括扩增的某些方法中，组合液滴包括聚山梨酸酯(例如，聚山梨酸酯20)和任选地一种或多种TET、Cy-Tripglu或PEO-PPO嵌段共聚物(例如Pluronics F68、L31和F127)。可以基于以上提供的指导来选择包含核酸的液滴中的表面活性剂。
K.试剂盒
本公开还提供适用于传输与水性介质相容和/或可溶于水性介质的微物体、生物产品和/或试剂的试剂盒。试剂盒可以包含本文公开的任何微流体设备(例如，微流体设备具有包含基部和微流体回路结构的封壳，其中基部包含与基部的上表面的至少一部分共价结合的疏水单层)。试剂盒可以进一步包含与水性介质不混溶的流体介质，其他有用的试剂(例如表面活性剂等)，或其任何组合。
L.制造微流体设备的方法。
本公开的微流体设备(诸如装置400)可以通过以下步骤制造：(i)将间隔元件108结合到盖110的内表面428，该盖110具有至少一个电极，该电极构造为连接到AC电压源(未示出)，(ii)将间隔元件108(和相关联的盖110)结合到衬底104的介电表面414，该衬底104具有被构造为连接到AC电压源(未示出)的至少一个电极418，由此间隔元件108变得夹在盖110的内表面428和衬底104的介电表面414之间，其中盖110和衬底104基本上彼此平行取向，并且衬底104、间隔元件108和盖110共同限定了构造为容纳液体的封壳435，以及(iii)通过气相沉积在盖110的内表面428的至少一部分上形成外疏水层412，并在衬底104的内介电层414的至少一部分上形成外疏水层412。
通过两亲分子的气相沉积，疏水层422和412可以实现致密堆积的单层，其中两亲分子分别共价结合到衬底104的内介电表面414和盖110的内表面428的分子。本文所述的任何自缔合分子及其等同物可以气相沉积在微流体装置的内表面上。为了获得理想的堆积密度，可以在至少110℃(例如至少120、130、140、150、160等)的温度下气相沉积包含例如烷基封端的硅氧烷的自缔合分子持续至少15小时(例如，至少20、25、30、35、40、45或更多小时)的时间段。这种气相沉积通常在真空下并在水源诸如七水硫酸镁(即MgSO4·7H2O)的存在下进行。典型地，增加气相沉积的温度和持续时间产生疏水层422和412的改善的特性。例如，通过预清洁盖110(具有间隔元件108)和衬底104，气相沉积过程可以得到改善。例如，这种预清洁可以包括溶剂浴，例如丙酮浴、乙醇浴或其组合。溶剂浴可以包括声波处理。可替代地或另外地，这种预清洁可以包括在氧等离子体清洁器中处理盖110(具有间隔元件108)和衬底104。氧等离子体清洁器可以例如在真空条件下以100W工作60秒。
在一些实施方案中，微流体设备可以进一步包括液滴产生器。液滴产生器可被构造成选择性地将一种或多种液体介质(例如，水性液体介质)的液滴提供到封壳中或封壳内的微流体通道中。液滴可包含例如微物体，例如生物微物体(例如，细胞)或珠粒。替代地或另外地，液滴可以包含试剂，例如裂解缓冲液、亲和试剂、可检测标记、酶混合物等。图8示出了微流体装置800的示例，微流体装置800包括具有微流体通道812、814和多个腔室816的封壳以及用于向封壳提供流体液滴820的液滴生成器806。微流体通道814构造为保持第一流体介质824。典型地，第一流体介质是疏水流体，例如油(例如硅油或氟化油)。微流体通道814经由接口808连接到液滴发生器806，接口808允许通道814接收由液滴发生器806生成的液滴820。接收的液滴820包括在第一流体介质824中不混溶的液体。通常，所接收的液滴将包含水性介质，其可含有微物体，诸如细胞或珠粒或可溶于水性介质的试剂。微流体通道814也连接到多个室816中的每一个，促进所接收的液滴820(以及从不可混合在第一流体介质824中的流体的储存器中抽出的液滴832)进入腔室816中并且在腔室816之间移动。
装置800的微流体通道812连接到腔室816的子集，并因此经由这些腔室816间接连接到微流体通道814。如图所示，微流体通道812和与其连接的腔室816包含在第一流体介质824中不混溶的流体介质822。因此，例如，流体介质822可以是水性介质，例如细胞培养基。当流体介质822是细胞培养基时，含有培养基的腔室816可以用作生长细胞的培养腔室，并且微流体通道812可以是提供新鲜培养基流的灌注通道。如本文所讨论的，灌注通道中新鲜培养基的流动可通过灌注通道与培养腔室之间的分子扩散向腔室提供营养物并从腔室移除废物，从而促进细胞继续生长。
图9示出了微流体装置900的另一示例，其包括具有微流体通道812、814、第一多个腔室916和第二多个腔室816的封壳以及用于向封壳提供流体液滴620的液滴生成器606。图9示出了图8中所示的微流体装置800的变型，其中腔室816包含在第一流体介质824(位于微流体通道814中)中不混溶的介质822，并且腔室816隔着微流体通道814直接定位在对应腔室916对面。该构造有利于流体液滴832(任选地包含微物体830或生物材料)从选择腔室816移动到相应的腔室916，在相应的腔室916中可以处理流体液滴(以及任何微物体830或生物材料)。
微流体装置的另一示例包括具有微流体通道812、814、第一多个腔室916和第二多个腔室816的封壳以及用于向封壳提供流体液滴820的液滴生成器806。该实施方案呈现图9中所示的微流体装置900的变型，其中腔室816在一端处逐渐变窄，以在微流体装置倾斜从而腔室816的逐渐变窄的端部相对于非逐渐变窄的端部具有较低的势能(在适用的重力场中)时便于微颗粒移动到第一流体介质824和第二流体介质822的界面。
由微流体通道812、814和腔室816、916形成的微流体回路仅仅是示例，并且本公开涵盖通道和腔室的许多其他构造。例如，在装置800和900的每一个中，微流体通道812和直接连接到通道812的腔室816是可选特征。因此，装置800和900可以缺少灌注通道和培养腔室。
在存在微流体通道812的实施方案中，帮助限定通道812和/或直接连接的腔室816(例如，通过形成通道和/或腔室的基部)的衬底可以具有电润湿构造。然而，可替代地，帮助限定通道812和/或直接连接的腔室816的衬底可以缺少电润湿构造(例如，并且代替地可以具有DEP构造，或者既不具有电润湿构造也不具有DEP构造)。在其中存在微流体通道812并且帮助限定通道812和/或直接连接的腔室816的衬底具有电润湿构造的实施方案中，衬底的外疏水表面可以被图案化为比帮助限定通道814的衬底的外疏水表面更亲水，例如，如上所述，可以实现增加的亲水性。
液滴发生器806和其提供液滴的任何微流体回路可以是微流体设备的一部分(或者整体部分或者与其连接)，其可以像图中所示或者本文描述的任何微流体设备一样。尽管在图8和图9中示出了一个液滴发生器806，但是多于一个这样的液滴发生器806可以向装置800和900的微流体回路提供液滴。
液滴发生器806自身可以包括电润湿构造，并且因此可以包括：具有光响应层的衬底，如在2016年12月30日提交的PCT申请号PCT/US2016/069579中所一般描述的。光响应层可以包括a-Si:H(例如，如美国专利第6,958,1322号中所示)；光致驱动电路衬底(例如如美国专利申请公开第2014/0124370号中所示)；基于光电晶体管的衬底(例如，如美国专利第7,956,339号中所示)；或电致动电路衬底(例如，如美国专利第8,685,344号中所示)。或者，液滴发生器可具有T形或Y形流体动力学结构(例如，如美国专利和专利申请公开第7,708,949、7,041,481(重新公布为RE41,780)、2008/0014589、2008/0003142、2010/0137163和2010/0172803号中所示)。所有上述美国专利文献的全部内容通过引用并入本文。
如图所示，液滴生成器806可以包括一个或更多个流体输入802和804(示出两个，但可以有更少或更多)和流体输出208，其可以连接到微流体通道814。液体介质822、824、生物微小物体830、试剂和/或其他生物介质可以通过输入802和804加载到液滴发生器806中。液滴发生器806可以生成液体介质822(其可以但不一定包含一个或更多个生物微物体830)、试剂或其他生物介质的液滴820并将其输出到通道814中。如果通道814具有电润湿构造，则可利用电润湿(或光电润湿)使液滴820在通道814中移动。或者，可以通过其他方式在通道814中移动液滴820。例如，可以使用流体流动、重力等使液滴820在通道814中移动。
如上所述，微流体通道814和选择腔室816/916可以填充有第一流体介质824，并且微流体通道812和与其直接连接的腔室816可以填充有第二流体介质822。第二流体介质822(以下称为“水性介质”)可以是水性介质，例如用于维持、培养生物微物体830等的样本介质。第一流体介质824(以下称为“不混溶性介质”)可以是水介质822不混溶的介质。水性介质822和不混溶性介质824的示例包括上面针对各种介质所讨论的任何示例。
液滴发生器806可以用于加载生物微物体和/或促进微流体装置上的生物化学和/或分子生物学工作流程的运行。图8和图9示出了非限制性示例。通过使用液滴发生器，该装置可以在整个流体回路中具有电润湿构造。
图8和图9示出了其中液滴发生器806生成包含试剂(或其他生物材料)的液滴820的示例。含有试剂的液滴820可以移动通过微流体通道814并进入包含不混溶性介质824的腔室816/916之一。在将含有试剂的液滴820移入腔室816/916之一之前或之后，一个或更多个液滴832中的一个或更多个微物体830可以移动到相同的腔室816/916中。然后，可以将含有试剂的液滴820与包含微物体830的液滴832合并，使得液滴820的试剂与液滴832的内容物混合并发生化学反应。如图8和图9所示，一个或更多个含微物体的液滴832可以由液滴发生器806供应(未示出)或者可以从保持围栏816获得。微物体830可以是生物微物体，例如细胞，其在移动到处理腔室816/916之前已经任选地被培养(例如，在腔室816中)。或者，微物体830可以是珠粒，例如能够结合样品中感兴趣的分子(例如在样品材料822已经用于培养一种或更多种生物细胞之后存在于样品材料822中的细胞分泌物)的亲和珠粒。在其他替代方案中，一个或更多个液滴832可以不含有微物体，而仅含有水性介质，例如样品材料822，例如其在样品材料822已经用于培养一种或更多种生物细胞之后含有细胞分泌物。
图10示出了可以在包括如装置800和900中的任一个的微流体回路的微流体设备中执行的过程1000的示例。
在过程1000的步骤1002中，可以在充满样品介质(例如细胞培养基)的保持围栏中培养生物微物体。例如，图8或图9的微物体830可以是生物的并且可以在其腔室816中培养。通常可以如上所述进行培养。例如，培养可包括用培养基822灌注通道812。步骤1002可以在指定的时间段内执行。
在步骤1004，可以将培养的生物微物体从样品介质填充的腔室816中移至填充有介质的腔室816/871，其中该生物微物体在样品介质填充的腔室816中培养，并且在所述介质中样品介质不混溶。例如，如上所述，培养的微物体830可以在样品介质822的液滴820或832中从一个保持围栏816移动到一个保持围栏816/916中，如图8和图9所示。
在步骤1006，可以在不混溶性介质填充的保持围栏中对培养的生物微物体进行一种或更多种处理或工序。例如，含有一种或更多种试剂的一个或更多个液滴820可由液滴发生器806产生，移入不混溶性介质填充的腔室816/916，并与含有培养的生物微物体830的液滴832合并，如图8和图9所示并在上面讨论的。例如，第一含试剂液滴820可以含有裂解剂。含有培养的生物微物体830的液滴832与含有裂解剂的第一含试剂液滴820的合并将导致培养的生物微物体830的裂解。换句话说，将形成组合液滴(未示出)，其包含来自培养的生物微物体830的细胞裂解物。然后可将含有其他(例如第二、第三、第四等)试剂的液滴820与含有细胞裂解物的新液滴合并，从而根据需要进一步处理细胞裂解物。
另外或作为另一个示例，一个或更多个含有一个或更多个标记的捕获微物体(未示出)的液滴可以由液滴生成器806产生并且被移动到不混溶性介质填充的围栏816或916中，并以类似的方式与含有培养的生物微物体830的样本介质822的液滴合并，所述捕获微物体对培养的生物微物体830产生的感兴趣的分泌物或一种或多种其他物质(例如核酸，诸如DNA或RNA、蛋白质、代谢物或其他生物分子)具有亲和力。在培养的生物微物体830已经被裂解的情况下，包含捕获微物体的液滴820可以包含一个或更多个亲和珠粒(例如，对诸如DNA、RNA、微小RNA等的核酸具有亲和力)，其在与保持围栏816或916中的含有细胞裂解物的液滴合并时可以结合到存在于裂解物中的靶分子。
在步骤1008，可以任选地加工经处理的生物微物体。例如，如果在步骤1006，将捕获物体(未示出)与培养的生物微物体830一起移入不混溶性介质填充的腔室816/916，则可以在步骤808针对反应(例如，荧光信号)来监测腔室816/916，反应指示与标记的捕获微物体结合的感兴趣的材料的量。或者，可从腔室816/916移除(例如，在液滴822中)这样的捕获微物体(未示出)，并从微流体设备(未在图8和图9中示出)将其输出来用于随后的分析。作为又一个示例，可以将处理过的生物微物体830从腔室816/916中去除(例如，在液滴832中)并且从微流体设备(未示出)输出用于随后的分析。
可以如在2016年10月27日提交的，公开为WO2017/075295的PCT/US2016/059234中所描述的那样，形成包括电润湿构造和介电泳(DEP)构造的用于微流体设备的衬底，其内容出于所有目的以引用方式并入。
尽管在本说明书中已经描述了本公开的具体实施方案和应用，但是这些实施方案和应用仅仅是示例性的，并且许多变化是可能的。例如，关于含有细胞分泌物的样品材料(例如，在样品材料882已经用于培养一种或更多种生物细胞之后)，执行图10的方法。在这样的实施方案中，步骤1002将保持不变，但是步骤1004将涉及将可能不含微物体而仅含水性介质(诸如包含细胞分泌物的样品材料822)的液滴832移动到含不混溶性介质的腔室816/916中，并且步骤1006和1008将针对这种含水性介质的液滴832执行。此外，本文讨论的电润湿构造可以是本领域已知的任何类型的电子润湿构造，其示例公开于美国专利第6,958,132号(用于OEW构造)和美国专利申请公开第US2016/0158748号(用于单面OEW构造)。电润湿构造的其他示例包括电介质上电润湿(EWOD)设备，其可以是电子控制的，其一个示例在美国专利第8,685,344号中公开。类似地，本文讨论的介电泳构造可以是本领域中已知的任何类型的介电泳构造，其示例公开于美国专利第RE 44,711号(Wu等人)、第7,956,339号(Ohta等人)、第6,294,063号(Becker等人)、第6,942,776号(Medoro)和第9,403,172号(Wu等人)中。所有上述美国专利文献的全部内容通过引用并入本文。
附图中附图标记的描述
III.系统
本公开提供了用于传输与水性介质相容和/或可溶于水性介质的微物体、生物产品和/或试剂的系统。该系统可以包括例如本文公开的任何微流体设备(例如，具有包含基部和微流体回路结构的封壳的微流体设备，其中该基部包含与基部的上表面的至少一部分共价结合的疏水单层)。另外，该系统包括流体介质和水性液滴，其中流体介质和水性液滴是不混溶性流体。流体介质可以是本文所述的任何不混溶性介质，并且水性液滴可以包含本文所述的任何生物材料和/或化学试剂(例如，蛋白质、核酸、去污剂、表面活性剂等)。
图3A至图3B示出了可用于操作和观察根据本公开的微流体设备(例如100、200、230、280、250、290、320)的系统150的各种实施方案。如图3A所示，系统150可以包括构造为容纳微流体设备100(未示出)或本文描述的任何其他微流体设备的结构(“巢”)300。巢300可以包括能够与微流体设备320(例如，光致动电动设备100)相接并提供从电源192到微流体设备320的电连接的插座302。巢300可以进一步包括集成的电信号生成子系统304。电信号生成子系统304可以构造为向插座302提供偏置电压，使得当微流体设备320由插座302保持时，偏置电压被施加在微流体设备320中的一对电极上。因此，电信号生成子系统304可以是电源192的一部分。向微流体设备320施加偏置电压的能力并不意味着当微流体设备320由插座302保持时将始终施加偏置电压。而是，在大多数情况下，将间歇地(例如，仅在需要时)施加偏置电压，以便于微流体设备320中的电动力(例如介电泳或电润湿)的产生。
如图3A所示，巢300可以包括印刷电路板组件(PCBA)322。电信号生成子系统304可以安装在并且电集成到PCBA 322中。示例性支撑件还包括安装在PCBA 322上的插座302。
通常，电信号生成子系统304将包括波形发生器(未示出)。电信号生成子系统304还可以包括示波器(未示出)和/或构造为放大从波形发生器接收的波形的波形放大电路(未示出)。示波器(如果存在的话)可以构造为测量提供给由插座302保持的微流体设备320的波形。在某些实施方案中，示波器测量在微流体设备320近侧(并且在波形发生器的远侧)的位置处的波形，从而确保更准确地测量实际施加到设备的波形。从示波器测量中获得的数据可以例如作为反馈提供给波形发生器，并且波形发生器可以构造为基于这种反馈来调整其输出。一个合适的组合波形发生器和示波器的示例是Red PitayaTM。
在某些实施方案中，巢300还包括控制器308，诸如用于感测和/或控制电信号生成子系统304的微处理器。合适微处理器的示例包括ArduinoTM微处理器，例如ArduinoNanoTM。控制器308可以用于执行功能和分析，或者可以与外部主控制器154(在图1A中示出)通信以执行功能和分析。在图3A所示的实施方案中，控制器308通过接口310(例如插头或连接器)与主控制器154通信。
在一些实施方案中，巢300可以包括电信号生成子系统304，其包括Red PitayaTM波形发生器/示波器单元(“Red Pitaya单元”)和放大由Red Pitaya单元生成的波形并传递放大的电压到微流体设备100的波形放大电路。在一些实施方案中，Red Pitaya单元被构造成测量微流体设备320处的放大电压，然后根据需要调整其自己的输出电压，使得微流体设备320处的测量电压是期望值。在一些实施方案中，波形放大电路可具有由安装在PCBA 322上的一对DC-DC转换器产生的+6.5V至-6.5V电力供应，从而在微流体设备100处产生高达13V的信号。
如图3A所示，支撑结构300可以进一步包括热控制子系统306。热控制子系统306可以被构造成调节由支撑结构300保持的微流体设备320的温度。例如，热控制子系统306可以包括珀尔帖热电设备(未示出)和任选地，冷却单元(未示出)。珀尔帖热电设备可具有构造为与微流体设备320的至少一个表面或材料的中间层(未示出)相接的第一表面，这确保了珀尔帖热电设备被适当地热耦合至微流体设备320。冷却单元可以是例如冷却块(未示出)，例如液体冷却铝块。珀尔帖热电设备的第二表面(例如，与第一表面相对的表面)可以构造为与这种冷却块的表面相接。冷却块可以连接到流体路径314，流体路径314构造成使冷却流体循环通过冷却块。在图3A所示的实施方案中，支撑结构300包括入口316以及出口318，以接收来自外部储存器(未示出)的冷却流体，将冷却流体引入流体路径314并通过冷却块，然后将冷却流体返回到外部储存器。在一些实施方案中，珀尔帖热电设备、冷却单元和/或流体路径314可以安装在支撑结构300的壳体312上。在一些实施方案中，热控制子系统306构造为调节珀尔帖热电设备的温度，以便实现微流体设备320的目标温度。珀尔帖热电设备的温度调节可以例如通过诸如PololuTM热电电源(Pololu Robotics and ElectronicsCorp.)的热电电源来实现。在一些实施方案中，珀尔帖热电设备介于微流体设备的表面和冷却单元的表面之间。在一些实施方案中，珀尔帖热电设备和热电电源安装在支撑件上和/或与支撑件集成。在一些实施方案中，电信号生成子系统、热控制子系统和控制器中的至少一个安装在PCBA上和/或与PCBA集成。热控制子系统306可以包括反馈电路，诸如由模拟电路提供的温度值。或者，反馈电路可以由数字电路提供。
在一些实施方案中，巢300可以包括具有反馈电路的热控制子系统306，该反馈电路是模拟分压器电路(未示出)，其包括电阻器(例如电阻为lkOhms+/-0.1％，温度系数+/-0.02ppm/C0)和NTC热敏电阻(例如标称电阻为lkOhms+/-0.01％)。在一些情况下，热控制子系统306测量来自反馈电路的电压，然后将计算出的温度值用作板载算法诸如PID控制回路算法的输入。来自PID控制回路算法的输出可驱动例如PololuTM马达驱动器(未示出)上的定向和脉冲宽度调制信号引脚，以致动热电电源，从而控制珀尔帖热电设备。
在一些实施方案中，构造为调节微流体设备的温度的热控制子系统包括调节微流体设备的温度的热控制电路。热控制电路可以构造为遵循三相温度控制程序，其规则将热敏电阻测得的温度值与目标温度和珀尔帖热电设备的功率输出相关联，该规则包括：
如果目标温度和热敏电阻测得的温度之差大于N，则将输出功率设置为第一值；
如果目标温度与热敏电阻测得的温度之差等于或小于N且大于M，则将输出功率设置为小于第一值的第二值；和
如果目标温度和热敏电阻测得的温度之差小于或等于M，则确定以热敏电阻测得的温度作为输入的比例积分微分(PID)环路控制器的输出功率，
其中M的范围可能是7℃至13℃，且N的范围可能是2℃至4℃。在一些实施方案中，M为3℃且N为10℃。应当注意，为了评估目标温度和热敏电阻测得的温度之差是否大于给定值，根据其大小(绝对值)来考虑差异；也就是说，例如，相对于目标温度的11℃和-11℃的差都表示大小上的11度的差，被认为大于10度。
应当注意，为了评估目标温度和热敏电阻测得的温度之间的差异是否大于给定值，应考虑其差异(绝对值)；也就是说，例如，相对于目标温度的11℃和-11℃的差都表示大小上的11度的差，被认为大于10度。
比例积分微分(PID)控制算法是一种常用的控制算法，用于闭环反馈，所述闭环反馈使给定过程变量的设定值与该变量的当前测量值之间的误差最小化。PID控制算法根据误差的值、误差的积分和误差的导数来计算对系统输出的校正。PID控制回路算法的输出可驱动例如PololuTM电机驱动器(未显示)上的定向信号和脉宽调制信号引脚，以致动热电电源，从而控制珀尔帖热电设备。
在一些实施方案中，第一值是珀尔帖热电设备的功率输出的70％至100％。在一些实施方案中，第一值是100％功率输出。在一些实施方案中，第二值是从与多个目标温度值相关的校准数据确定的功率输出值，所述多个目标温度值与多个功率输出值相关。
在一些实施方案中，通过使包括热电偶的校准芯片与珀尔帖热电设备在每个功率输出值处平衡，并将在平衡之后由热电偶记录的温度与功率输出值相关联，来确定与功率输出值相关的目标温度值。在一些实施方案中，多个目标温度值包括在0℃至100℃范围内的至少4、5、6、7、8、9或10个值。在一些实施方案中，通过线性插值来确定与在校准数据中表示的值之间的目标温度值相对应的功率输出值。例如，校准数据可以包括一系列从-100％(最大冷却)到100％(最大加热)的功率输出值(例如，至少4、5、6、7、8、9或10个值)，和根据经验为这些值中的每一个确定的相关平衡温度。这些值可以但不一定在电源输出范围内均匀分布。根据这些数据，可以通过适当的方法(例如校准数据的线性插值)来确定针对从最低观察温度到最大观察温度的任意温度的适当功率输出值。
在一些实施方案中，提供单独的校准数据集以用于加热或冷却步骤。可以通过首先以-100％的功率输出值进行平衡，然后逐渐增加功率输出以对应于校准数据中包含的每个功率输出值，进行平衡并测量温度来生成用于加热步骤的数据。类似地，可以通过首先以100％的功率输出值进行平衡，然后逐渐减小功率输出以对应于校准数据中包含的每个功率输出值，进行平衡并测量温度来生成用于冷却步骤的数据。
巢300可以包括串行端口324，其允许控制器308的微处理器经由接口310(未示出)与外部主控制器154通信。另外，控制器308的微处理器可以与电信号生成子系统304和热控制子系统306通信(例如，经由Plink工具(未示出))。因此，通过控制器308、接口310和串行端口324的组合，电信号生成子系统304和热控制子系统306可以与外部主控制器154通信。以这种方式，主控制器154尤其可以通过执行用于输出电压调整的缩放计算来辅助电信号生成子系统304。经由耦合到外部主控制器154的显示设备170提供的图形用户界面(GUI)(未示出)可以构造为绘制分别从热控制子系统306和电信号生成子系统304获得的温度和波形数据。可替代地或另外地，GUI可以允许更新控制器308、热控制子系统306和电信号生成子系统304。在一些实施方案中，外部主控制器包括图形用户界面，该图形用户界面构造为接收操作员输入并且用于将操作员输入处理并传输到控制器，以控制电信号生成子系统和热控制子系统中之一或两者。在一些实施方案中，控制器构造为从电信号生成子系统和热控制子系统之一或两者向外部主控制器发送感测或接收到的数据或信息，或基于感测或接收到的数据或信息而计算出的数据和/或信息。
如上所述，系统150可以包括成像设备194。在一些实施方案中，成像设备194包括光调制子系统330(参见图3B)。光调制子系统330可以包括数字镜设备(DMD)或微型快门阵列系统(MSA)，其中的任一个都可以构造为接收来自光源332的光并且将所接收的光的子集传输到显微镜350的光具组中。或者，光调制子系统330可以包括产生其自己的光(并因此不需要光源332)的设备，例如有机发光二极管显示器(OLED)、硅基液晶(LCOS)设备、铁电液晶硅设备(FLCOS)或透射式液晶显示器(LCD)。光调制子系统330可以是例如投影仪。因此，光调制子系统330能够发射结构化光和非结构化光。合适的光调制子系统330的一个示例是来自Andor TechnologiesTM的MosaicTM系统。在某些实施方案中，系统150的成像模块164和/或动力模块162可以控制光调制子系统330。
在某些实施方案中，成像设备194还包括显微镜350。在这样的实施方案中，巢300和光调制子系统330可以被单独构造成安装在显微镜350上。显微镜350可以是例如标准研究级光学显微镜或荧光显微镜。因此，巢300可以被构造成安装在显微镜350的载物台344上和/或光调制子系统330可以被构造成安装在显微镜350的端口上。在其他实施方案中，本文描述的巢300和光调制子系统330可以是显微镜350的集成部件。
在某些实施方案中，显微镜350可以进一步包括一个或更多个检测器348。在一些实施方案中，检测器348由成像模块164控制。检测器348可以包括目镜、电荷耦合器件(CCD)、相机(例如数字相机)或其任何组合。如果存在至少两个检测器348，则一个检测器可以是例如快速帧速率相机，而另一个检测器可以是高灵敏度相机。此外，显微镜350可以包括构造成接收来自微流体设备320的反射光和/或发射光并且将反射光和/或发射光的至少一部分聚焦在一个或更多个检测器348上的光具组。显微镜的光具组还可以包括用于不同检测器的不同镜筒透镜(未示出)，使得每个检测器上的最终放大率可以不同。
在某些实施方案中，成像设备194构造为使用至少两个光源。例如，可以使用第一光源332来产生结构化光(例如，经由光调制子系统330)，并且可以使用第二光源334来提供非结构化光。第一光源332可以产生用于光致电激励和/或荧光激发的结构化光，并且第二光源334可以用于提供明场照明。在这些实施方案中，动力模块164可以用于控制第一光源332并且成像模块164可以用于控制第二光源334。显微镜350的光具组可以构造为(1)当设备被巢300保持时，接收来自光调制子系统330的结构化光并且将结构化光聚焦在微流体设备(例如光致电动设备)中的至少第一区域上，以及(2)接收来自微流体设备的反射光和/或发射光并且将这种反射光和/或发射光的至少一部分聚焦到检测器348上。光具组还可以被构造成当设备被巢300保持时接收来自第二光源的非结构化光并将非结构化光聚焦在微流体设备的至少第二区域上。在某些实施方案中，微流体设备的第一区域和第二区域可以是重叠区域。例如，第一区域可以是第二区域的子集。
在图3B中，第一光源332被示为将光提供给光调制子系统330，光调制子系统330向系统355(未示出)的显微镜350的光具组提供结构化光。第二光源334被显示为经由分束器336将非结构化的光提供给光具组。来自光调制子系统330的结构化光和来自第二光源334的非结构化光从分束器336穿过光具组一起到达第二分束器(或二向色滤波器338，取决于由光调制子系统330提供的光)，其中光被反射向下通过物镜336到达样本平面342。然后，来自样本平面342的反射光和/或发射光向上返回穿过物镜340，穿过分束器和/或二向色滤光器338，并且到达二向色滤光器346。只有到达二向色滤光器346的一部分光穿过并且到达检测器348。
在一些实施方案中，第二光源334发射蓝光。利用适当的二向色滤光器346，从样品平面342反射的蓝光能够穿过二向色滤光器346并到达检测器348。相反，来自光调制子系统330的结构化光从样品平面342反射，但不穿过二向色滤光器346。在这个示例中，二向色滤光器346滤除波长大于495nm的可见光。如果从光调制子系统发射的光不包括短于495nm的任何波长，则来自光调制子系统330的光的这种滤除才算完成(如图所示)。实际上，如果来自光调制子系统330的光包括短于495nm的波长(例如，蓝色波长)，则来自光调制子系统的一些光将穿过滤波器346到达检测器348。在这样的实施方案中，滤波器346用于改变从第一光源332和第二光源334到达检测器348的光量之间的平衡。如果第一光源332明显强于第二光源334，则这可以是有益的。在其他实施方案中，第二光源334可以发射红光，并且二向色滤光器346可以滤除除红光之外的可见光(例如具有短于650nm的波长的可见光)。
IV.微流体设备中的核酸合成或扩增
在一些实施方案中，本文公开的方法包括在微流体设备的液滴致动表面上的液滴中进行核酸合成(例如，逆转录或扩增，例如PCR，例如qPCR)。微流体设备可以具有本文关于微流体设备描述的任何特征。以下编号的实施方案部分中还提供了微流体设备的示例性实施方案及其使用方法。在系统内产生精确大小的液滴的能力(如图7D所示)对于本文公开的核酸合成和扩增方法是有用的。例如，在PCT号WO 2017/117567(Bao等人)中描述了产生精确尺寸的液滴的方法，其全部内容通过引用并入本文。
在一些实施方式中，本文公开的方法包括将包含核酸的(第一)液滴与包含核酸聚合酶以及支持核酸聚合酶的聚合酶活性的缓冲液和前体(例如核苷酸，引物等)的(第二)液滴相合并，并在促进核酸扩增的条件下在液滴驱动表面上温育组合液滴。通过向第二和/或第一液滴施加电润湿力，第二液滴可与第一液滴合并。在一些实施方案中，核酸聚合酶适合于进行逆转录反应。或者，核酸聚合酶可以适合于进行聚合酶链式反应(PCR)或进行全基因组扩增反应。在一些实施方案中，第二液滴和/或组合液滴包含适合于启动核酸扩增的寡核苷酸(例如引物)。寡核苷酸可包括基于核酸的条形码和/或poly-dT序列。至少一些寡核苷酸可与一个或更多个捕获珠连接。
在一些实施方案中，在促进扩增的条件下温育组合液滴包括将微流体设备的温度调节至足以使源自第一液滴的核酸(部分地或完全地)变性的第一温度。第一温度可以是至少约85℃(例如，至少约88℃、约90℃、约92℃、约93℃、约94℃、约95℃或更高)。
在一些实施方案中，在促进扩增的条件下温育组合液滴包括将微流体设备的温度调节至促进源自第一液滴的核酸的引发和/或引发的核酸的基于模板的延伸的第二温度。第二温度可以为约35℃至约75℃或40℃至约75℃(例如，约50℃至约70℃，或约55℃至约65℃)。在一些实施方案中，例如涉及全基因组扩增的实施方案，第二温度可以为约35℃至约60℃(例如，约35℃至约45℃，或约45℃至约55℃)。在一些实施方式中，例如涉及PCR的实施方式，第二温度可以为约45℃至约75℃(例如，约45℃至约55℃、约50℃至约60℃、约55℃至约65℃、约60℃至约70℃，或约65℃至约75℃)。
在一些实施方案中，在促进扩增的条件下温育组合液滴包括：将微流体设备的温度调节至促进源自第一液滴的核酸的引发的第二温度；和将微流体设备的温度调节至促进引发的核酸的基于模板的延伸的第三温度。第二温度可以为约35℃至约67℃或50℃至约67℃(例如，约55℃至约65℃，或约58℃至约62℃)；和/或第三温度可以是大约50℃至大约80℃或65℃至大约80℃(例如，大约70℃至大约78℃，或大约72℃至大约76℃)。在一些实施方案中，例如涉及全基因组扩增的实施方案，第二温度可以为约35℃至约60℃(例如，约35℃至约45℃，或约45℃至约55℃)。在一些实施方式中，例如涉及PCR的实施方式，第二温度可以是约45℃至约67℃(例如，约45℃至约55℃、约50℃至约60℃、约55℃至约65℃，或约60℃至约67℃)。在一些实施方案中，例如涉及全基因组扩增的实施方案，第三温度可以为约50℃至约75℃(例如，约50℃至约60℃，或约60℃至约75℃)。在一些实施方式中，例如涉及PCR的实施方式，第三温度可以是约65℃至约80℃(例如，约65℃至约75℃、约67℃至约78℃、约70℃至约80℃，或约70℃至约74℃)。
在一些实施方案中，在促进扩增的条件下温育组合液滴包括使微流体设备的温度在第一温度和第二温度之间循环。在其他实施方案中，在促进扩增的条件下温育组合液滴包括使微流体设备的温度在第一、第二和第三温度之间循环。例如，可以执行至少10个循环(例如，执行至少5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或更多个循环)。
在一些实施方案中，使用珀尔帖热电设备以三相温度控制程序来调节微流体设备的温度。该程序可以包括：如果目标温度与测量温度(例如，通过与微流体设备相关联的热敏电阻)之差大于N，则将珀尔帖热电设备的功率输出设置为第一值；如果目标温度与热敏电阻测得的温度之差等于或小于N且大于M，则将输出功率设置为小于第一值的第二值；以及如果目标温度和热敏电阻测得的温度之差小于或等于M，则通过以热敏电阻测得的温度作为输入的比例积分微分(PID)回路控制器确定功率输出，其中M的范围可能是7℃至13℃，且N的范围可能是2℃至4℃。在一些实施方案中，M为3℃，且N为10℃。该过程可以具有关于热控制电路描述的任何其他特征，所述热控制电路构造为遵循与有关系统的部分中与该过程相对应的规则。
在一些实施方案中，进行qPCR。例如，可以将检测试剂与扩增试剂一起提供，并且可以在反应进行时测量来自检测试剂的信号(例如，荧光)，其指示存在的DNA量。在一些实施方案中，检测试剂是嵌入染料。
在一些实施方案中，进行除PCR以外的扩增反应。基于本文提供的教导，本领域技术人员可以使程序适于在本文所述的微流体设备内进行的多种核酸扩增方法。示例性的其他扩增方法包括NASBA(基于核酸序列的扩增)、SDA(链置换扩增)、LAMP(环介导的等温扩增)、RCA(滚环扩增)和TMA(转录介导的扩增)。参见，例如，美国专利第5,705,365号(TMA)；美国专利第6,326,173号和Journal of Virological Methods 151:283-293(2008)(NASBA)；美国专利第5,648,211号(SDA)；美国专利第6,410,278号(LAMP)；和美国专利第6,287,824号(RCA)。本领域技术人员将理解适合提供哪些试剂。这些方法中的每一种都涉及DNA合成，因此涉及在有助于DNA聚合并存在模板的溶液中使用DNA聚合酶、核苷酸和二价阳离子(以盐形式提供)，特别是镁。这些方法在提供额外的催化活性、使用热循环或等温温育以及引物的使用和结构方面有所不同。
A.在宽温度范围内起作用的电润湿微流体设备设计
可以提供具有电润湿构造的微流体设备，以用于以低成本和高通量的方式例如从少量选择的细胞(例如10-100个细胞)制备测序文库和/或扩增核酸。通过在根据本公开的微流体设备上执行工作流程，可以最少量地使用试剂并且可以实现自动工作流程。通过这样做，我们发现重要的是，可以配制位于水性液滴内的试剂，以免弄脏具有电润湿构造的微流体设备的表面。上文对表面活性剂的讨论中提供了有关这方面的指导。
此外，电润湿装置可以海平面水的冰点和沸点附近的低温和高温之间热循环(例如，4℃至98℃)，同时避免疏水层的破裂，例如，流体可以直接接触疏水层下面的半导电层的区域，导致电短路，并导致液滴捕获(或“钉扎”)到击穿点。
以上描述了可以有助于微流体设备的功能和本文所述方法的性能，同时使疏水层的破坏最小化的特征，并在以下的实施例和编号实施方案中举例说明。
V.微流体设备中的核酸文库制备
任何种类的DNA文库制备方案都可以适用于具有光电润湿构造的微流体设备，并且本文描述了几种不同的版本。这样的DNA文库制备方案包括可商购的KAPA Hyper Plus(Roche)和NexteraTM XT(Illumina)。
图11显示了提供可供测序的基因组DNA的方法的几个步骤，其可以从RNA或DNA获得。在系统内产生精确大小的液滴的能力对于本文的方法是有用的(如图7D所示)。产生精确大小的液滴的方法已在例如PCT公开号WO 2017/117567中描述(Bao等人)，其全部内容通过引用并入本文。
A.培养细胞
在一些实施方案中，在微流体设备中培养细胞(图11，可选步骤1110)。在一些实施方案中，微流体芯片包括具有电润湿(EW)构造的第一部分和包括用于设备内的细胞培养的介电泳(DEP)构造的第二部分。或者，可以提供两个单独的芯片，使得DEP芯片连接到EW芯片(例如，通过出口/进口管)。如例如WO 2016/141343中所述，可以在芯片的DEP部分(或DEP芯片)中的隔离围栏中培养细胞。可以在其隔离围栏中测定培养的细胞，以通过表位标记(例如，用荧光标记的抗体)或本领域已知的任何其他微流体测定法鉴定目标细胞，如例如在PCT/US2014/061837，公开为WO 2015/061497；PCT/US2015/027795，公开为WO 2017/181135中所描述。
然后，目标细胞可以从其相应的隔离围栏中选择性地输出，任选地汇集，并输送到芯片的EW部分(或EW芯片)。可以将细胞封装在DEP/EW界面处被水不混溶性介质(例如油或有机液体)围绕的液滴中。细胞选择可以基于细胞生长的速率、形态、测定结果或其任何组合。如上所述，包含细胞的液滴可以进一步包括表面活性剂，其可以帮助液滴的运动。
B.裂解细胞
在一些实施方案中，该方法包括裂解微流体设备(或EW微流体设备)的EW部分中的一个或更多个细胞(图11，步骤1120)。可以在有或没有预先培养步骤的情况下进行裂解。在一些实施方案中，将包含一个或更多个细胞的第一液滴与包含裂解剂的第二液滴合并以形成第一组合液滴。例如，第一液滴的体积可以为10nL，且可以包含5-100个细胞，10-50个细胞或约30个细胞，并且第二液滴的体积可以为10nL。然而，可以使用不同的液滴尺寸，不同数量的细胞以及不同的第一液滴体积与第二液滴体积之比。在一个实施方案中，如图12所示(进行单细胞裂解，其中细胞在30秒内裂解)，将包含单个细胞的第一液滴与包含细胞裂解剂的第二液滴合并，以形成组合液滴，并温育组合液滴以实现单个细胞的裂解。图12中的箭头指示细胞在第一液滴和组合液滴中的位置。在温育过程中，细胞在组合液滴中消失。
合适的裂解剂的实例包括蛋白酶，例如蛋白酶K，包括可商购的蛋白酶K的热敏形式。裂解条件可根据裂解剂的浓度和第一液滴体积与第二液滴体积之比而变化。例如，可以将细胞与1mg/mL蛋白酶K在50℃-65℃下温育约20-40(例如约30)分钟。如果第一液滴体积与第二液滴体积之比为1:1，则第二液滴包含2mg/mL蛋白酶K。
裂解试剂是可以被灭活/中和的试剂。例如，可以将蛋白酶K加热灭活，例如在85℃-95℃加热约15-25(例如20)分钟。
第一液滴中的表面活性剂可以防止细胞粘附到微流体设备的表面(表面活性剂的选择可以受到装置的疏水层的化学结构的影响，如本文中详细讨论的)。
第二液滴(裂解试剂液滴)中的表面活性剂用于防止第二液滴和第一组合液滴中的试剂粘附(或“污染”)微流体设备表面。例如，可以使用0.1-0.5％(例如0.2％)的分子量为至少750道尔顿的聚山梨酸酯，例如聚山梨酸酯20
Figure BDA0002333436110000551
以改善第一组合液滴的裂解性能和迁移率(参见例如以下实施例3-B)。任何具有大极性基团的非离子型去污剂都可以替换(例如，乙氧基苯酚乙氧基化物，任选地，其中乙氧基化物基团的平均长度为至少9个环氧乙烷单元，或至少15、20、25、30或更多个环氧乙烷单元，例如Triton X-305、Triton X-100等，或壬基苯氧基聚乙氧基乙醇，任选地，其中聚乙二醇链的长度为至少9个乙氧基单元，或至少15、20、25、30或更多个乙氧基单元，例如NP-40)。
C.片段化DNA
在一些实施方案中，该方法进一步包括使通过细胞裂解释放的DNA(例如gDNA)片段化(图11，步骤1130)。通过使来自一个或更多个生物细胞的核酸片段化而产生的核酸片段可以具有约300至约600个碱基或碱基对的平均大小。将第一组合液滴(在步骤1120中生成)与包含双链DNA片段化试剂的第三液滴混合以形成第二组合液滴。DNA片段化剂可包含DNA切割酶，任选地与DNA切口酶组合。DNA切割酶的实例包括片段酶(例如，可商购的KAPA片段酶；NEBNext dsDNA片段酶)。或者，可以使用核酸内切酶/限制酶中的一种或混合物。取决于所使用的试剂、DNA的量和其他考虑因素，例如在约30℃至约42℃(例如约35℃至约39℃，或约37℃)下，将第二组合液滴在合适的温度和时间下温育至少约10分钟(例如，约10至20分钟，约12至约18分钟或约15分钟)。例如，第二组合液滴在37℃下温育约15分钟。
然后，通过例如将温度升高至65℃(从而使片段化酶变性)来终止片段化反应。在一些实施方案中，包含双链DNA切割试剂的液滴包括表面活性剂。以上在关于水性液滴的部分中讨论了合适的表面活性剂。
D.向DNA片段添加衔接子
该方法可以进一步包括将衔接子添加至DNA片段(图11，步骤1140)。在一些实施方案中，以两步法添加衔接子。
第一步，在DNA片段的末端产生3'A核苷酸突出端。将第二组合液滴(来自步骤1130)与包含A尾酶(例如，具有A尾活性的聚合酶，例如Taq聚合酶)和合适的试剂的第四液滴合并以形成第三组合液滴。在一些实施方案中，第四液滴包含Taq聚合酶和dNTP的混合物。将第三组合液滴温育适当的时间和温度，例如约60℃至约70℃(例如约62℃至约68℃，或约65℃)，持续至少约15分钟(例如，约15至45分钟，约20至约40分钟，约25至约35分钟或约30分钟)。例如，将第三组合液滴在65℃下温育30分钟。可以使用Taq聚合酶以外的聚合酶(例如，如可商购的KAPA A-尾混合物中所提供的)。
第二步是连接在一个或两个末端具有5’T核苷酸突出端的双链衔接子。将第三组合液滴(来自步骤1140A)与包含连接酶、双链衔接子和合适的试剂(例如ATP)的第五液滴合并以形成第四组合液滴。在一些实施方案中，连接酶是T4连接酶。将第四组合液滴温育适当的时间和温度，例如约15℃至约25℃(例如约18℃至约22℃，或约20℃)，持续至少约10分钟(例如约10至约20分钟，约12至约18分钟或约15分钟)。可以使用T4以外的其他连接酶。通过将微流体设备的温度调节至约80℃至约90℃(例如，约82℃至约88℃，或约85℃)的温度，任选地持续至少约10分钟(例如，约10至约20分钟，约12至约18分钟或约15分钟)来灭活连接酶。
每个衔接子可以包括唯一的条形码和/或用于扩增的靶序列。条形码的组合可以与不同的样本一起使用，以便每个样本都具有唯一标记。条形码标记的示例在以下实施例2-C和2-D中以及图15和16中进行了描述。
含有聚合酶/A-尾混合物的液滴可以包含表面活性剂。以上在关于水性液滴的部分中讨论了合适的表面活性剂。在一些实施方案中，使用在先前步骤1110中用于移动含细胞的液滴的相同类型的表面活性剂。
E.标签化(用于分段和添加衔接子的替代方法)
或者，可以将片段化和向DNA片段添加衔接子(步骤1130和1140)合并到标签化步骤中，该步骤是在单个步骤中将DNA片段化并用衔接子序列将DNA标签化的过程(如图13所示)。在一些实施方案中，该方法进一步包括将第一组合液滴与包含转座酶和其他试剂的第三液滴混合以形成第二组合液滴。转座酶预装有两个具有衔接子序列的双链寡核苷酸。可以使用市售的转座酶，例如来自于Nextera transposome mix(Illumina)。标签化混合物的化学计量比可以基于细胞数/DNA分子数和转座体的浓度来确定。
反应温度和时间可以根据关于液滴的其他条件而变化。温育温度和时间可以是约50℃至约60℃(例如，约52℃至约58℃，或约55℃)，并且至少约3分钟(例如，约3至7分钟，约4到约6分钟或约5分钟)。例如，第二组合液滴可以在55℃下温育5分钟。
在一些实施方案中，该方法进一步包括将第二组合液滴与包含标签化终止缓冲液的第四液滴混合以形成第三组合液滴。温育后不久，例如温育5分钟后，可使用标签化终止缓冲液中和反应。标签终止缓冲液使转座酶变性。对于终止缓冲液，可以使用0.1％-0.2％的SDS、Nextera NT缓冲液等。
尽管Nextera标签化衔接子序列不包含条形码，但如果需要，可通过额外的PCR扩增步骤添加条形码。建议在进行PCR扩增之前纯化第三组合液滴中的带标签DNA，因为液滴中存在的标签化终止缓冲液可能会干扰PCR。在一些实施方案中，磁珠用于纯化DNA。例如，在美国专利申请公开号2015/0038344中描述了芯片上纯化DNA的方法，其全部内容通过引用并入本文。
F.DNA片段扩增(图11，步骤1150)及其试剂
在一些实施方案中，DNA在衔接子附着后被扩增。扩增可在微流体设备内进行(图11，步骤1150)或在输出DNA后进行。
在以上有关核酸合成的部分中详细讨论了扩增程序。纯化包含来自步骤1140B的DNA片段的第四组合液滴，或者如果执行了标签化，则纯化扩增前的第三组合液滴。将纯化的DNA液滴(或来自步骤1140B的第四组合液滴)与包含扩增混合物的第六液滴合并以形成第五组合液滴。然后，对第五组合液滴进行温度循环。对于DNA扩增，可以使用高保真DNA聚合酶(例如KAPA HiFi聚合酶或具有3'到5'编辑外切核酸酶活性的热稳定DNA聚合酶等)。每个循环的时间可能会有所不同，包括温度升高/降低的时间。标准温度循环可能包括95℃持续70秒，55℃持续30秒，72℃持续50秒。取决于所需的扩增量，可以至少10、20或30个循环，或约10至20个循环，或约12至15个循环进行温度循环。在一些实施方案中，执行4-15个循环。在一些实施方案中，执行4-6个循环或10-14个循环。在一些实施方案中，执行12个循环。
对于来自步骤1140B的DNA片段，每个引物可包含与衔接子靶序列互补的序列，以及任选地可用于进一步扩增和/或测序的序列(例如，Nextera P5和P7序列)。对于通过标签化产生的DNA片段，每个引物可包括位于衔接子靶序列和可用于进一步扩增和/或测序的序列之间的条形码序列。
扩增混合物可以包含表面活性剂，例如，以防止DNA和DNA聚合酶污染表面。例如，优选0.1％-0.5％(或0.2％)的Tween-20。或者，可以使用0.1％-0.5％(或0.2％)的PEO-PPO嵌段共聚物(例如，Pluronic F68，Pluronic F127)。或者，可以使用0.1％-0.5％(或0.2％)的2,4,7,9-四甲基-5-癸炔-4,7-二醇乙氧基化物(TET)。在有关水性液滴的部分中提供了有关表面活性剂的其他相关讨论。
扩增条件可以应用于任何核酸(或其片段)的扩增，例如在以下编号的实施方案160-165和167-169中描述的扩增。
G.后续步骤
基本上如上所述，可以纯化扩增的DNA片段(图11，步骤1160)。扩增的片段可以在纯化之前或之后从微流体设备输出。
作为微流体设备内扩增的替代方案，可以将DNA片段汇集并输出到芯片外(图11，步骤1170)，然后扩增和纯化汇集的DNA片段(图11，步骤1180)。芯片外扩增和纯化可以通过标准技术进行。扩增和纯化的DNA片段已准备就绪以进行测序，可以通过标准的基因组测序技术，例如在下一代测序平台(例如Illumina MySeq等)上进行测序。
H.cDNA文库制备
在一些实施方案中，制备cDNA文库。如上所述的裂解后，可以将第一组合液滴与水性介质的第三液滴合并以形成第二组合液滴，其中第三液滴包含逆转录酶和合适的试剂(例如，dNTP和oligo-dT，用作引物)。可以温育第二组合液滴以允许逆转录，从而形成cDNA。温育可以包括将微流体设备的温度调节至约50℃至约60℃(例如，约52℃至约58℃，或约55℃)的温度，持续至少约1分钟(例如约1至5分钟，约1至约3分钟或约2分钟)；并将微流体设备的温度调节至约37℃至约45℃(例如，约40℃至约43℃，或约42℃)的温度，持续至少约45分钟(例如，至少约50、约55、约60分钟或更长)。oligo-dT可以进一步包含一个5'序列，可用作下游步骤的引物结合位点，或连接至珠粒如磁珠。在进一步的步骤中，可以通过与包含扩增混合物的液滴合并来扩增包含cDNA的液滴，所述扩增混合物例如包括用于RT-PCR的PCR阶段的合适引物以及基本上如上所述其他物质。扩增后可以进行上述相同步骤以完成cDNA文库的制备。
VI.实施例
这些实施例中使用的系统包括微流体设备(Berkeley Lights，Inc.)，该设备具有至少12个与流路流体连接的腔室，以及至少一个入口和一个出口用于引入和导出根据该实验的流体介质、含有细胞的液滴、试剂和/或制备的样品。这些腔室的体积约为80纳升。该装置具有构造成提供电润湿的衬底，其中至少衬底的表面包括共价改性表面。共价改性表面选自以下两个改性之一：
1.二甲氧基(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,11,12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,16-二十九氟十六烷基)甲硅烷氧基连接的部分(SSRL2的示例)
2.十八烷基甲硅烷氧基连接的部分(SSRL1的示例)
另外，还制备和测试了包含CF3(CF2)n-(O)j-(CH2)m-V(其中V是附着在表面上的甲硅烷氧基连接基，(i)n＝11，m＝2，j＝0或(ii)n＝5，m＝13，j＝1)的部分，并发现其允许与下述那些中的至少一些类似的可接受的液滴操作。通常，可以将与SSRL2所使用的有机液体和表面活性剂相似的有机液体和表面活性剂用于这些表面改性，所有这些均包含一系列全氟化碳。
用于填充腔室和微流体设备的流动路径的与水不混溶的介质选自以下材料之一：
1.2-(三氟甲基)-3-乙氧基十二碳氟己烷(HFE-7500，3MTM，NovecTM)
2.七甲基壬烷(HMN或异十六烷)
3.碳酸二(2-乙基己基)酯(
Figure BDA0002333436110000581
DEC,(Evonik))
4.(十三氟-1,1,2,2-四氢辛基)四甲基二硅氧烷(Gelest,Cat#SIB1816.0)
5.硅油(粘度为5厘沲，Gelest Cat.#DMS-T05)。
可以将表面活性剂添加到与水不混溶的流体介质中。在一些实施方案中，合适的表面活性剂可以是非离子表面活性剂，例如脱水山梨醇单油酸酯(Span 80，Aldrich Cat.#1338-43-8)。
该系统还包括由Berkeley Lights,Inc.制造的光学仪器，以控制微流体设备。该仪器包括：用于连接至温度控制器的设备的安装台；泵和流体介质储器部件；和包括照相机和适合于激活设备内的光电润湿衬底的结构化光源的光具组。该仪器还包括位于微流体设备下方的可移动磁体。
细胞。所有实验中使用的细胞是B淋巴细胞细胞系(Coriell Institute,Cat.#GM12878)。
A.实施例1.制备具有改性内表面的电润湿微流体设备。
使用100W功率，240mTorr的压力和440sccm的氧气流速在氧气等离子清洁器(Nordson Asymtek)中将微流体设备(Berkeley Lights，Inc.)处理1分钟，该微流体设备具有包括电极激活衬底的基底，具有带有ITO电极的玻璃支撑体的盖，以及将基底和盖分开的光致图案化硅酮的微流体电路材料，该电极激活衬底具有光响应硅的半导体层和具有氧化铝上表面的介电层。在真空反应器中，在真空反应器底部的铝箔舟皿中的作为水反应物源的七水合硫酸镁(0.5，Acros)存在下，用在真空反应器底部的另一铝箔舟皿中的三甲氧基(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,11,12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,16-二十九氟十六烷基)硅烷(0.3g，合成细节如2017年11月30日公布的WO 2017/205830中所述)对经等离子体处理的微流体设备进行处理。然后使用真空泵将腔室抽至750mTorr并密封。将真空反应器置于加热至180℃的烘箱中24-48小时。冷却至室温并将氩气引入抽真空的室之后，从反应器中移出在所有内表面上具有二甲氧基(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,11,12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,16-二十九氟十六烷基)甲硅烷氧部分的外疏水层的微流体设备。移除后，在使用前用硅油(粘度为5厘沲，Gelest Cat.#DMS-T05)对微流体设备进行底涂。
图7A-7C是在不混溶的硅油相中在疏水层(即，液滴驱动表面)上四处移动的水滴的连续摄影图像。使用微流体设备的光学致动的电润湿构造和液滴致动表面，液滴显示出出色的移动能力。
B.实施例2.DNA测序文库的制备
图11显示了用于提供核酸测序文库的示例性工作流程，其可以从RNA或DNA获得。如图7D所示，在系统内产生精确大小的液滴的能力对于本文的方法是有用的。
芯片上培养细胞(图11，可选步骤1110)
包括具有电润湿(EW)构造的第一部分和包括介电泳(DEP)构造的第二部分的微流体设备(芯片)可用于培养细胞。或者，可以提供两个单独的芯片，使得DEP芯片连接到EW芯片(例如，通过出口/进口管)。如例如WO 2016/141343中所述，可以在芯片的DEP部分(或DEP芯片)中的隔离围栏中培养细胞。可以在其隔离围栏中测定培养的细胞，以通过表位标记(例如，用荧光标记的抗体)或本领域已知的任何其他微流体测定法鉴定目标细胞，如例如在PCT/US2014/061837，公开为WO 2015/061497；PCT/US2015/027795，公开为WO 2017/181135中所描述。
然后，目标细胞可以从其相应的隔离围栏中选择性地输出，任选地汇集，并输送到芯片的EW部分(或EW芯片)。可以将细胞封装在DEP/EW界面处被水不混溶性介质或油围绕的液滴中。细胞选择可以基于细胞生长的速率、形态、测定结果或其任何组合。
裂解细胞(图11，步骤1120)
细胞裂解在芯片的电润湿部分(或EW芯片)中进行。将包含细胞的第一液滴与包含裂解剂的第二液滴合并以形成第一组合液滴。例如，第一液滴的体积可以为10nL，且可以包含5-100个细胞，10-50个细胞或约30个细胞，并且第二液滴的体积可以为10nL。然而，可以使用不同的液滴尺寸，不同数量的细胞以及不同的第一液滴体积与第二液滴体积之比。
第一液滴中的适当表面活性剂可以防止细胞粘附到微流体设备的表面。参阅本文提供的有关表面活性剂选择的指导。
合适的裂解剂的实例包括蛋白酶，例如蛋白酶K和对热更敏感版本的蛋白酶K，其是可商购的。裂解条件可根据裂解剂的浓度和第一液滴体积与第二液滴体积之比而变化。例如，可以将细胞与1mg/mL蛋白酶K在50℃-65℃下温育30分钟；使细胞暴露于这种浓度的蛋白酶K，如果第一液滴体积与第二液滴体积之比为1:1，则可以向第二液滴提供2mg/mL的蛋白酶K。
裂解试剂可以是能被灭活/中和的试剂。例如，可以将蛋白酶K加热灭活，例如在85℃-95℃下加热长达20分钟。
第二液滴(裂解试剂液滴)中的表面活性剂用于防止第二液滴和第一组合液滴中的试剂和/或细胞物质粘附(或“结垢”)至微流体设备表面。例如，可以使用0.1-0.5％(例如0.2％)的聚山梨酯20(Tween
Figure BDA0002333436110000601
)来改善第一组合液滴的裂解性能和迁移率。任何具有大极性基团的非离子型去污剂都可以被替换，诸如辛基苯酚乙氧基化物，其中乙氧基化物基团的平均长度为至少9个环氧乙烷单元，或至少15、20、25、30或更多个环氧乙烷单元(例如Triton X-305或Triton X-100)，辛基苯氧基聚乙氧基乙醇(例如NP-40)。
片段化基因组DNA(图11，步骤1130)
通过细胞裂解释放的基因组DNA被片段化。将第一组合液滴(在步骤1120中生成)与包含双链DNA切割试剂的第三液滴混合以形成第二组合液滴。DNA切割试剂的实例包括片段酶(例如，可商购的KAPA片段酶；NEBNext dsDNA片段酶)。或者，可以使用核酸内切酶/限制酶中的一种或混合物。
第二组合液滴在37℃下温育15分钟或更长时间。然后，通过例如将温度升至65℃(从而使DNA切割试剂变性)来终止片段化反应。
专门开发了片段混合物和连接混合物的修饰物，以用于本文和下文表3和4中所述的改性表面(SSRL1或SSRL2)。
含有双链DNA切割剂的液滴包括表面活性剂。表面活性剂根据试剂和微流体设备的表面涂层而变化。例如，对于SSRL1，使用的是TET表面活性剂(即使在高温下也基本上没有结垢)；也成功使用了PEO-PPO嵌段共聚物(例如Pluronics F68、L31和F127)和N-(1,3-双(葡糖吡喃糖苷)丙-2-基)-3-丁基-3-环己基庚酰胺(例如Cy-Tripglu(以前称为Tritop))。对于SSRL2，PEO-PPO嵌段共聚物(例如Pluronics F68、L31、F127)和TET表面活性剂均能很好地发挥作用。
将衔接子添加至DNA片段(图11，步骤1140)
在步骤1130使用片段酶(或限制性核酸内切酶的混合物)后，通过两步法将衔接子添加至DNA片段：
第一步是在DNA片段的末端产生3'A核苷酸突出端。将第二组合液滴(来自步骤1130)与包含聚合酶/A-尾巴酶的第四液滴合并以形成第三组合液滴。例如，第四液滴可以包括Taq聚合酶、合适的Taq缓冲液以及所有核苷酸的混合物。将第三组合液滴温育适当的时间和温度，例如65℃持续30分钟。可以使用Taq聚合酶以外的其他聚合酶(例如KAPA A-尾混合物)。
第二步是连接在一个或两个末端具有5’T核苷酸突出端的双链衔接子。将第三组合液滴(来自步骤1140A)与包含连接酶(和ATP)的第五液滴合并以形成第四组合液滴。例如，第五液滴可包含T4连接酶。将第四组合液滴温育适当的时间和温度，例如20℃持续15分钟。可以使用T4以外的其他连接酶。
每个衔接子可以包括唯一的条形码和/或用于扩增的靶序列。条形码的组合可以与不同的样本一起使用，以便每个样本都被唯一标记，如本文所述以及图15和16所示。这样可以将来自不同样品的片段进行合并和平行处理，同时保留有关哪个样品产生特定序列读数的信息。
含有聚合酶/A-尾混合物的液滴包括表面活性剂。表面活性剂根据微流体设备的表面涂层而变化。例如，对SSRL1涂层成功使用了0.1-0.5％(例如约0.2％)的Cy-Tripglu(Tritop)。对SSRL2涂层，前面步骤中的表面活性剂就足够了。或者，可以使用在先前步骤1110中用于移动含细胞的液滴的相同类型的表面活性剂，例如，以维持恒定的表面活性剂总浓度。
标签化(结合片段化和衔接子添加的替代方法)(图13和14)
或者，可以将图11的步骤1130(片段化)和1140(向DNA片段添加衔接子)组合成单个标签化步骤。如图13所示，将带有衔接子的DNA转座体与基因组DNA组合，在单一步骤中同时对DNA进行片段化和标签化。
图14显示了含有约10个裂解细胞(10nl细胞和10nl裂解缓冲液)的第一组合液滴、含有10nl标签化酶的第二液滴、含有20nl标签化缓冲液的第三液滴和含有10nl片段化终止缓冲液(NT缓冲液)的第四液滴。将包含10nl标签化酶的第二液滴与包含20nl标签化缓冲液的第三液滴合并以形成组合的标签化液滴。将标签化酶(Nextera转座酶，Illumina)预先装载两个具有衔接子序列的双链寡核苷酸。将含有30nl标签化混合物的组合标签化液滴与含有约10个裂解细胞(10nl细胞和10nl裂解缓冲液)的第一液滴合并，以形成第二组合液滴。将第二组合液滴在55℃下温育5分钟，然后冷却至14℃。接下来，将第二组合液滴与含有10nl标签化终止缓冲液(Nextera NT缓冲液)的第四液滴合并以形成第三组合液滴。标签化终止缓冲液使标签化酶变性。
条形码标记和基于拖尾(tailing)/磁珠的条形码标记开发了将条形码引入核酸片段的方案，所述核酸片段适于被修饰以包含条形码。可以使用珠粒执行条形码标记。通过qPCR产生的扩增证明了在热循环条件下通过PCR扩增的能力。在实施例2-B和图15-16中描述了条形码标记和拖尾的示例。
芯片上DNA片段扩增(图11，步骤1150)
芯片上扩增如下进行。纯化包含来自步骤1140B的DNA片段的第四组合液滴，或者如果进行了标签化，则纯化扩增前的第三组合液滴。将纯化的DNA液滴(或来自步骤1140B的第四组合液滴)与包含扩增混合物的第六液滴合并以形成第五组合液滴。然后，对第五组合液滴进行温度循环。对于DNA扩增，使用高保真DNA聚合酶(例如，KAPA HiFi聚合酶等)。每个循环的时间可能会有所不同，包括温度升高/降低的时间。标准温度循环可能包括95℃持续70秒，55℃持续30秒，72℃持续50秒。取决于所需的扩增量，温度循环可进行4-15个循环。在一些实施方案中，执行4-6个循环或10-14个循环。在一些实施方案中，执行12个热循环。
对于来自步骤1140B的DNA片段，每个引物可包含与衔接子靶序列互补的序列，以及任选地可用于进一步扩增和/或测序的序列(例如，可从Illumina获得的引物中的P5和P7序列)。对于通过标签化产生的DNA片段，每个引物可包括位于衔接子靶序列和可用于进一步扩增和/或测序的序列之间的条形码序列。
扩增混合物包括防止DNA和DNA聚合酶污染表面的表面活性剂。例如，发现0.1％-0.5％(或0.2％)的Tween-20是有效的。或者，可以使用0.1％-0.5％(或0.2％)的PEO-PPO嵌段共聚物(例如，Pluronic F68、Pluronic F127)或0.1％-0.5％(或0.2％)的2,4,7,9-四甲基-5-癸炔-4,7-二醇乙氧基化物(TET)。
后续步骤
纯化扩增的DNA片段(图11，步骤1160)。汇集DNA片段并输出到芯片外(图11，步骤1170)，然后扩增和纯化汇集的DNA片段(图11，步骤1180)。芯片外扩增和纯化可以根据标准程序进行。
基于珠粒的纯化(图11，步骤1160)从微流体芯片输出后，将扩增的片段汇集并进行处理以去除过量的引物和其他污染物。可用于这种纯化的珠粒的例子包括15μm羧基包覆的磁珠(Spherotech)。还显示了15μm羧基包覆的磁珠能够纯化芯片上的测序文库材料。将羧基包覆的珠粒添加到含有扩增的DNA片段的液滴中，并将组合液滴在围栏中于室温温育5分钟；引入80％乙醇以洗涤珠粒。用于纯化的珠粒的另一个例子是1μm SPRI磁珠。
洗脱(图11，步骤1170)通过在室温下于水中温育2分钟，从纯化珠粒(芯片外)洗脱纯化的DNA测序文库。
定量.开发了方案以允许片上定量。将DNA等分并与荧光染料一起温育以进行定量(例如，在室温下温育3分钟)。定量的例子在实施例2-F中描述。
测序结果.图30显示了基于上述方法，从具有电润湿构造的微流体芯片上制备的cDNA获得的核酸测序文库样品。通过SCRB-seq对源自60个细胞的样品进行测序。在测序运行中鉴定出的独特基因数目的结果显示在图31的图表中，并将其与为单细胞测序运行鉴定出的基因数目进行比较。
C.实施例2-A：针对表面条件修改的DNA文库制备工作流程
KAPA Hyper Plus Workflow DNA文库制备方案适用于在具有光电润湿构造的微流体设备中使用，如下表2-4中所示。表2表示一般的工作流程，而表3和表4表示分别针对具有SSRL1和SSRL2表面涂层的微流体设备进行了优化的工作流程。
表2.在KAPA方案中使用的试剂和步骤(片段化、末端修复、连接)。
Figure BDA0002333436110000621
表3.用于上述表面1(SSRL1涂层)的修订版KAPA方案中使用的试剂
Figure BDA0002333436110000632
表4.用于上述表面2(SSRL2涂层)的修订版KAPA方案中使用的试剂
Figure BDA0002333436110000633
D.实施例2-B.条形码标记和拖尾
每个衔接子可以包括独特的条形码和/或用于扩增的靶序列。条形码的组合可以与不同的样本一起使用，以便每个样本都被唯一标记。如图15所示，扩增步骤使用包含衔接子1520a和1515c的引物1520和1515，条形码(也称为索引)1520b和1515b，以及退火以插入DNA 1510的3'末端1520c和1515a。因此，PCR步骤在DNA的两端添加了索引衔接子序列，得到了产物1530。
条形码的组合使用如下：条形码1、2或3中的一个在一侧，条形码4、5、6或7中的一个在另一侧，总共可以提供12种不同的条形码组合。如图16所示，具有核酸片段或衔接子的液滴在相应的隔离围栏内分级，用于对核酸进行扩增和/或条形码标记的方法。例如，提供包括在一侧具有2个条形码1660和1670的引物的液滴以及在另一侧包括3个条形码1665、1675和1685的液滴，以与包括在微流体设备1600的一部分内的围栏1616内的样品液滴1650合并。液滴通过通道1642被带到围栏。PCR扩增可通过PCR热循环进行：72℃持续3分钟，95℃持续30秒，热循环(95℃持续10秒钟，55℃持续30秒钟，72℃持续30秒钟)，72℃持续5分钟。最后，将样品保持在10℃。
E.实施例2-C.基于珠粒的条形码标记
用于OEW库制备的PCR期间基于珠粒的条形码标记的一个实例如下。将第一个条形码固定在珠粒上(通过链霉亲和素或生物素)以对每个液滴/池进行条形码标记。在溶液中提供了第二个条形码，以对每个芯片/实验进行条形码标记，以增加测序多路复用的可能性。另外，可以添加引物混合物中溶液中的P5和P7引物(抑制PCR)。
用于条形码标记的珠粒的例子包括QuantumPlexTMM(由五个～6μm的超顺磁性微球组成，以不同强度的Starfire RedTM编码，货号：252，Bangs)、FS06F闪光红、FS05F闪光红、FS06F Envy绿(Envy Green)、FS07F龙绿(Bangs)、FH-10062-2紫(Spherotech)和2008蓝(Phosphorex)。
F.实施例2-D.表面活性剂对芯片上裂解的影响
研究了表面活性剂对细胞裂解步骤的影响。如上文实施例2-A中所述根据KAPA方案进行裂解、片段化和连接。连接混合物中包含0.2-0.5％的Tween-20表面活性剂。
然后，如下在芯片外将片段化和连接的产物进行扩增。用水使液滴的体积达到10ul。8ul AMpure珠用于清洁反应。8.2ul水用于从珠粒中分离DNA。将分离的DNA放入20μlPCR混合物(2×10μl)中(需要15个循环)。在PCR混合物中，包括2ul Illumina PCR引物(20uM)和8ul工作流程洗脱液。进行PCR后，收集扩增的DNA样品，然后对它们运行BioAnalyzer以研究DNA片段的质量。
来自BioAnalyzer的结果如图21所示。每个图显示了由基因组DNA的芯片上片段化产生的核酸片段的大小分布(平均大小：分别为454bp、475bp、385bp和900bp)。当将表面活性剂(0.2-0.5％Tween-20)添加到裂解试剂混合物中时，它会产生一致性更高的较小尺寸的产品。此外，观察到裂解性能得到改善，因此在液滴中观察到较少量的细胞碎片。此外，液滴在裂解后表现出更好的运动。
这些结果表明，虽然单独使用蛋白酶可能会对细胞裂解起作用，但使用表面活性剂(例如聚山梨酯(聚山梨酯20))可提高生产合适尺寸产品的效率和一致性，因为表面活性剂减少了界面相互作用(在玻璃、油和液滴的表面积之间)，因此减少了DNA或酶的不希望吸收的机会。
G.实施例2-E.标签化和片段化核酸的扩增
修改了两种不同的扩增方法(其中核酸经标签化(Nextera XT)或随机片段化和适应化(KAPA Hyper Plus))，以适用于表面根据表面#1(SSRL1涂层)涂有氟化油的微流体芯片。
经开发用来扩增源自标签化方案的片段的方案之一如下。
Nextera XT库在芯片外制备并在芯片外定量以控制模板量。每20nl PCR混合物液滴使用90pg模板(4.5ng/μl)进行芯片上片段扩增。在定量之前，用4μl稀释的输出液滴和8μl珠粒(AMPure纯化试剂盒)进行PCR产物的纯化。然后，将4μl的洗脱量等分至2μl用于荧光定量(Qubit)和1μl用于Bioanalyzer，定量结果分别为0.785ng/μl和1.06ng/μl，分别对应于3.032ng和4.24ng的扩增DNA量，表明发生了芯片上扩增(图23A和23B)。
对最初包含约20个细胞的液滴进行芯片上PCR，将其与包含PCR混合物(TrusightRapid Capture试剂盒(NLM+i5+i7))的约50nl液滴合并。18个循环后，输出组合液滴，并用1.8x AMpure XP纯化珠纯化。芯片外PCR用NPM PCR混合物进行18个循环，然后用1.8XAMpure XP珠粒纯化。所得产物通过荧光定量(Qubit)定量为45ng/μl。在芯片外进行额外的18个PCR循环后，45ng/μl的高量显示了芯片上预扩增的效用。尽管芯片上的扩增不是必需的，但它增加了可用于测序的样品量，并且当用于添加条形码时，可促进样品的汇集，并在清除芯片后提高样品回收率。尽管此示例描述了18个芯片上PCR循环，但是仅通过几个片上PCR循环(例如3个或更多循环，3至10个循环、4至8个循环或5至6个循环)就可以实现增加可用样本量和添加条形码(如果需要时)带来的优势。
上述扩增方法可以用于提供扩增的标签化文库的全基因组分析。图23C显示了从上述扩增方法获得的可测序的DNA文库。表5显示了使用此测序库获得的测序结果(MiSeq，Illumina)的分析。
表5.
读数 百分比
总PF 24,044,703 100.00％
已配对 24,034,668 99.96％
读数1 12,017,334 49.98％
读数2 12,017,334 49.98％
已对齐 22,884,397 95.17％
正确配对 22,496,832 98.31％
单独(Singletons) 72,812 0.32％
二次比对 10035 0.04％
补充比对 0 0.00％
重复 21,974,053 96.02％
经开发用于扩增源自片段化/连接方案的片段的方案的一个实例如下。
在芯片外制备来自KAPA工作流程的纯化文库，片段大小最大为400bp，并且液滴经制备为每50nl液滴包含10pg DNA。(1)制备扩增混合物(KAPA PCR混合物)和(2)将该扩增混合物进一步与1mg/ml BSA和0.2％Pluronic F68表面活性剂混合，并与芯片外DNA液滴混合，将组合液滴引入微流体芯片。
芯片上PCR进行15个循环，并输出含有扩增DNA的组合液滴。将具有液滴的50ul油与100ul DNA柱结合缓冲液混合，并将混合物涡旋15秒，然后在离心机中离心1分钟。将混合物的水相添加至分离柱，并分离和定量DNA，其结果示于表6中。当扩增混合物不包含表面活性剂时，芯片上PCR显示无可检测的产量。相反，当在扩增混合物中包含表面活性剂时，产量显著增加。
表6.添加BSA+F68对PCR产量的影响
Figure BDA0002333436110000661
Figure BDA0002333436110000671
此外，用SSRL2表面测定了Tween-20表面活性剂对芯片上PCR产量的影响。
表7.添加Tween-20对具有表面#2的芯片上PCR产量的影响
Figure BDA0002333436110000672
如以上表7所示，与芯片外对照相比，当使用表面活性剂(Tween-20)时，产量更高。该结果还表明，芯片上产品的平均产量要高于芯片外对照。使用Pluronic F68作为表面活性剂也是有效的(未显示)。认为表面活性剂减少了界面(覆盖表面、液滴-油界面、衬底表面)上的分子相互作用，并防止了芯片上PCR的高失败率。
图24A-27示出了分析度量，其比较了使用Nextera工作流程和KAPA工作流程在芯片上处理的测序文库。两种方法通常提供相同的结果。
图24A和24B分别显示了从Nextera和Kapa工作流程获得的荧光染色产物的荧光痕迹。在大约35和10380bp处可见标记峰。在每个面板的右侧，显示了对应于光密度曲线(densitometric trace)的灰度级热图，顶部条带对应于
Figure BDA0002333436110000673
的标记。纵轴以任意荧光单位表示。结果表明产生了一系列插入大小，其峰值接近700bp(Nextera)和400bp(Kapa)。
图25A和25B分别显示了从Nextera和Kapa工作流程的测序文库获得的读数的插入大小(灰色)直方图(请参见左垂直轴上的计数值)。虚线曲线表示读数的累积分数大于横轴上的插入大小(请参见右纵轴)。水平轴以碱基对为单位。在这两种情况下，基于读取长度的峰插入大小均接近200bp。
图26A和26B分别示出了从Nextera和Kapa工作流程的测序文库获得的读数的按循环的平均质量。在所有测试循环中，平均质量值均高于30。
图27显示了从Nextera和Kapa工作流程的测序文库获得的读数的质量分布。对于两个库，>80％的读数的质量>30。
H.实施例2-F：芯片上定量
开发了定量芯片上扩增的核酸的方法。
在含有0.2％2,4,7,9-四甲基-5-癸炔-4,7-二醇-乙氧基化物(TET)的逆转录缓冲液中用dsDNA阶梯(dsDNA ladder)(Life Technologies 1kb plus ladder)制备DNA混合物。将0ng/μl、1ng/μl、5ng/μl、10ng/μl和30ng/μl的DNA等分试样装到围栏中，并用水洗涤两次。将具有0.2％TET的RT缓冲液中的dsDNA染料(1/100Quant-iTTM高灵敏度测定，Invitrogen Cat#Q33120)装入围栏中，并将DNA等分试样在室温下温育3分钟。
图17显示了液滴中核酸量的芯片上定量。例如，假设DNA混合物的浓度为1ng/μl，则10nl的液滴中将包含10pg的DNA。
I.实施例2-G。测序结果
使用基于电润湿的裂解和条形码标记制备的文库的cDNA QC的结果的实例显示在图30上。对来源于60个细胞的该样品进行了测序。测序运行中鉴定出的独特基因数目的结果显示在图31的图表中，并与单细胞测序运行中鉴定出的基因数目进行了比较(1-12)。
J.实施例3.核酸扩增
裂解.通常，细胞裂解条件将取决于是否需要DNA或RNA。如果需要RNA，如果使用蛋白酶K裂解缓冲液，可在室温或低于50℃的温度进行裂解。如本领域中已知的，可以通过添加终止裂解试剂来终止裂解反应，这可以消除对蛋白酶K的高温失活的需要。或者，可以使用不需要加热或高温灭活的其他裂解缓冲液。以上详细讨论了用于获得DNA的裂解程序。
芯片上qPCR.在微流体环境中定量PCR试剂和DNA样品的能力使定量聚合酶链反应(qPCR)实验得以成功进行，如图18-20所示。
图18显示了位于微流体设备的液滴中的核酸的芯片上扩增(qPCR)之前和之后的荧光图像。芯片上qPCR实验的结果(图19)显示了包含核酸的液滴的荧光水平与芯片上扩增的关系。通过额外的温度控制和校正(参见以下实施例4)，适当调节了微流体设备的温度(图20)，从而不会导致超调/欠调，并且PCR的产量增加。
此外，图22显示了根据本公开的另一个实施方案获得的核酸样品的芯片外qPCR结果，该核酸样品是(i)先前在芯片上扩增了30个循环或(ii)先前在芯片上扩增了30个循环，然后稀释了六倍。将qPCR样品与各种对照进行比较，包括先前在芯片外扩增了30个循环的核酸样品，从微流体芯片输出而未事先扩增的核酸样品以及无模板对照。图22显示，芯片上扩增30个循环所产生的PCR产物与芯片外扩增30个循环所产生的PCR产物数量大致相同。
扩增引入条形码.图13显示了开发用于将条形码引入核酸片段的方案，所述核酸片段适于被修饰以包含条形码，并且显示了通过qPCR进行的扩增，其显示了在热循环条件下通过PCR扩增的能力。
在珠粒上扩增以引入条形码.以上描述了开发实验方案以通过扩增在珠粒上引入条形码和/或引物(见图15和16)。
纯化.纯化扩增的核酸的方法可以如上所述进行。
K.实施例3-A.芯片上逆转录
芯片上逆转录如下进行：制备20μl 2x反应混合物，其中包括8ul 5x RT缓冲液、3ul poly(dT)引物、3ul模板转换寡核苷酸(TSO)、2ul dNTP、1.8ul反转录酶、1.8ul 100mlMgCl2、0.4ul TET(表面活性剂)。将该反应混合物与包含500pg OKT3 cDNA、0.2％RNAseOUTTM和0.2％TET的等体积大小的液滴在芯片上合并。在此浓度下，估计20nl的液滴包含10pg的总RNA。热循环在55℃下进行2分钟(Dt退火)，然后在42℃下进行1小时。将液滴从围栏中移出，并输出11个液滴，总计377nL。为了使出口的液滴可视化，将2ul含酚红染料的水添加到试管中，然后在离心机中离心分离。当将染料与逆转录混合物混合时，液滴变成鲜红色。将1ul液滴添加到第一cDNA扩增PCR产物中。将1.3ul添加到第二个cDNA扩增PCR产物中。进行了20个循环的SMART序列扩增。
通过Qubit回收扩增的产物。第一次扩增的产量为1.53ng cDNA，第二次扩增的产量为3.13ng cDNA。为了可视化第一测试的cDNA质量，从每个扩增产物中进行PCR以检测是否存在小鼠Kappa链。如图28所示，两种产物在凝胶电泳中均显示出很强的条带，这证实了cDNA的强烈存在。此外，在将样品真空抽至2ul，并向每个样品上样1ul后，使用AgilentBioanalyzer(Agilent,DE)对样品进行分析。从图29A和29B可以看出两种产物的相应结果，这证实了cDNA的强烈存在及其各自的大小。
L.实施例4.温度控制
该实施例涉及对经历由珀尔帖热电设备驱动的温度变化的微流体设备的温度控制的改进。本实验中使用珀尔帖是DigiKey部件号102-1674-ND(有关详细信息参见www.digikey.com网站的/product-detail/en/cui-inc/CP60333/102-1674-ND/1747366)。规格指示最大功耗为50W至90W。
初始实验使用PID控制回路算法，基于目标温度和由热敏电阻测得的当前温度，确定珀尔帖的功率输出值。观察到，在加热和冷却期间，微流体设备的实际温度都可能超过目标温度(未示出)，这可能会损害性能，例如，在诸如变性步骤的高温步骤中(因为过多的热量可能会降低聚合酶活性或增加疏水层的降解)和在诸如引物退火的较低温度步骤中(因为较低温度可能会促进错误引发和特异性丧失)。参见图32A和32B。这些结果是使用包含“校准芯片”的系统代替微流体设备生成的，其中，除了通常用于温度确定的热敏电阻外，校准芯片中还存在热电偶。热电偶在校准芯片上记录的温度高于在图33A的加热步骤中(从环境温度到95℃)的热敏电阻温度，并且低于在图33B的冷却步骤中(从95℃到55℃)的热敏电阻温度，与上述超调问题保持一致。
为了解决温度超调，开发了以上系统部分中描述的三相温度控制程序，即包括，如果目标温度和热敏电阻测得的温度之差大于N，则将输出功率设置为第一值；如果目标温度与热敏电阻测得的温度之差等于或小于N且大于M，则将输出功率设置为小于第一值的第二值；和如果目标温度和热敏电阻测得的温度之差小于或等于M，则通过以热敏电阻测得的温度作为输入的比例积分微分(PID)回路控制器确定功率输出，其中M可能在7℃至13℃或5℃至15℃的范围内，N可能在2℃至4℃或1℃至5℃的范围内。第二个值是根据将目标温度与珀尔帖功率输出值相关联的校准数据确定的。代表性系统的校准数据如下所示。通过将系统平衡在每个逐渐更高的功率输出值并测量来自校准芯片热电偶的温度来确定校准数据，并旨在用于加热步骤。通过以高(即，热)功率输出值开始并逐渐减小它(未示出)，还产生了用于冷却步骤的相应数据集。由于各个系统在细节上可能略有不同，例如微流体设备与Peltier之间的传热效率，因此建议为特定系统生成校准数据。可以使用线性插值法或其他已知的曲线拟合方法来确定对应于表8所示温度之间的温度的功率输出值。
表8.珀尔帖功率输出值和热电偶(片上)温度的示例性校准数据
Figure BDA0002333436110000691
Figure BDA0002333436110000701
在图33A和33B中示出了使用三相温度控制程序在加热至95℃的步骤和冷却至55℃的步骤中获得的结果，其中M为3℃，且N为10℃。可以看出，当温度接近目标值时，热敏电阻和热电偶温度之差会随时间减小而减小。
图34显示了一系列更复杂的温度变化的结果。重叠三角形的水平线段代表目标温度，可以看出，根据热电偶数据，在加热步骤期间基本上没有发生超调，且在冷却步骤期间仅发生了最小的超调。此外，热敏电阻和热电偶的数据跟踪非常紧密。PID状态符号指示何时程序(PID状态等于目标温度)使用或不使用(PID状态等于0)PID控制回路算法。
图35显示了使用类似的温度控制程序进行的进一步实验的数据，其中M为3℃，且N为10℃。
预期在对于N为10℃±5℃和对于M为3℃±2℃的范围内将获得类似的结果。
VII.编号的实施方案
本文公开的实施方案包括以下：
1.具有电润湿构造的微流体设备，该微流体设备包括：
液滴致动表面，具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极的衬底，以及构造为连接到AC电压源的第二电极，
其中所述介电层电性耦接至所述第一电极，
其中所述液滴致动表面包括共价键合至所述介电层的疏水层，和
其中，当所述第一电极和所述第二电极连接到所述AC电压源的相对端子时，衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力。
2.实施方案1的微流体设备，其中所述微流体设备还包括盖和至少一个间隔元件，
其中，所述衬底和盖基本上彼此平行，并且通过所述间隔元件连接在一起，从而限定了构造成容纳液体的封壳，
其中，所述液滴致动表面部分地限定了所述封壳，并且
其中，所述盖包括第二电极，且所述第二电极的表面部分地限定了所述封壳。
3.实施方案1的微流体设备，其中所述微流体设备具有单侧电润湿构造。
4.实施方案3的微流体设备，其中所述第二电极是由所述衬底包括的网状电极。
5.实施方案1至4中任一项的微流体设备，其中所述微流体设备具有光电润湿(OEW)构造。
6.实施方案1至4中任一项的微流体设备，其中所述微流体设备具有电介质上电润湿(EWOD)构造。
7.实施方案1至6中任一项的微流体设备，其中所述微流体设备包括具有电润湿构造的第一部分和具有介电泳(DEP)构造的第二部分。
8.实施方案1至7中任一项的微流体设备，其中所述疏水层包括共价键合至所述介电层的表面的自缔合分子，从而在其上形成紧密堆积的疏水单层。
9.实施方案1至8中任一项的微流体设备，其中所述疏水层是由包含表面改性配体和将所述表面改性配体连接至表面的连接基团的分子所组成的单层，其中所述液滴致动表面具有式II的结构：
其中是所述介电层的表面；
V是-P(O)(OY)W-或-Si(OZ)2W；
W是-O-、-S-或-NH-并连接到表面；
Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键或者是与表面相连的键；
Y是与附着于表面的相邻磷原子相连的键或者是与表面相连的键；
R是氢或氟；
M是氢或氟；
h为0或2或3的整数，j为1，且k为0或1；
m为0或1至20的整数；
n为0或1至20的整数；
(n+[(h+j)·k]+m)之和为11到25的整数；
当k为1时，则m至少为2且M是氢；和
当k为0且R是氟时，则m至少为2且M是氢。
10.实施方案9的微流体设备，其中V是-Si(OZ)2W-。
11.实施方案9的微流体设备，其中V是-P(O)(OY)W-。
12.实施方案9至11中任一项的微流体设备，其中n为1至20的整数，并且其中R是氢。
13.实施方案12的微流体设备，其中m为1至20的整数，并且其中M是氢。
14.实施方案13的微流体设备，其中m为2。
15.实施方案9至11中任一项的微流体设备，其中n为1至20的整数，并且其中R是氟。
16.实施方案15的微流体设备，其中m为1至20的整数，并且其中M是氢。
17.实施方案16的微流体设备，其中m为2。
18.实施方案9至17中任一项的微流体设备，其中k为1。
19.实施方案9至17中任一项的微流体设备，其中k为0。
20.实施方案9至19中任一项的微流体设备，其中(n+[(h+j)·k]+m)之和为13至19的整数。
21.实施方案1至20中任一项的微流体设备，其中所述液滴致动表面的所述疏水层具有小于5纳米的厚度。
22.实施方案1至21中任一项的微流体设备，其中所述介电层包括包含氧化物的第一层介电材料。
23.实施方案22的微流体设备，其中所述氧化物是金属氧化物。
24.实施方案23的微流体设备，其中所述金属氧化物是氧化铝。
25.实施方案22至24中任一项的微流体设备，其中所述第一层介电材料通过原子层沉积形成。
26.实施方案22至25中任一项的微流体设备，其中所述介电层还包括第二层介电材料，并且其中所述疏水层共价键合至所述第一层介电材料。
27.实施方案26的微流体设备，其中所述第二层介电材料包括氧化物或氮化物。
28.实施方案27的微流体设备，其中所述第二层介电材料包括二氧化硅或氮化硅。
29.实施方案26至28中任一项的微流体设备，其中所述第二层介电材料是通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成的。
30.实施方案22至29中任一项的微流体设备，其中所述第一层介电材料包括第一和第二子层介电材料，其中所述第一子层与所述疏水层共价键合。
31.实施方案30的微流体设备，其中所述第一子层介电材料包含氧化硅。
32.实施方案30或31的微流体设备，其中所述第二子层介电材料包括氧化铝。
33.实施方案30至32中任一项的微流体设备，其中所述第一子层介电材料通过ALD沉积和/或其中所述第二子层介电材料通过ALD沉积。
34.实施方案30至33中任一项的微流体设备，其中所述第一子层介电材料具有约2nm至约10nm的厚度。
35.实施方案22至34中任一项的微流体设备，其中所述第一层介电材料的厚度为约10nm至约20nm。
36.实施方案1至35中任一项的微流体设备，其中所述介电层具有至少约40纳米的厚度。
37.实施方案36所述的微流体设备，其中所述介电层具有约40纳米至约120纳米的厚度。
38.实施方案1至37中任一项的微流体设备，其中所述微流体设备的衬底还包括光响应层，所述光响应层具有与所述介电层接触的第一侧和与所述第一电极接触的第二侧。
39.实施方案38的微流体设备，其中所述光响应层包括氢化非晶硅(a-Si:H)层。
40.实施方案39的微流体设备，其中所述光响应层还包括晶体管阵列，并且其中所述氢化非晶硅层具有形成所述光响应层的第一侧的第一侧和与所述晶体管阵列接触的第二侧。
41.实施方案40的微流体设备，其中所述阵列的晶体管是光电晶体管。
42.实施方案40的微流体设备，其中所述晶体管可经由光电晶体管开关可控制地连接至所述第一电极。
43.实施方案38至42中任一项的微流体设备，其中所述光响应层具有至少900纳米的厚度。
44.实施方案43的微流体设备，其中所述氢化非晶硅层具有约900至1100纳米的厚度。
45.实施方案1至44中任一项的微流体设备，其中所述第一电极包括氧化铟锡(ITO)层。
46.实施方案1至45中任一项的微流体设备，其中所述第一电极包括导电硅层。
47.实施方案1至46中任一项的微流体设备，其中所述微流体设备包括多个第一电极，每个第一电极构造为连接至一个或更多个AC电压源。
48.实施方案47的微流体设备，其中所述多个第一电极中的每个可经由晶体管开关连接至一个或更多个AC电压源中的一个。
49.实施方案2至48中任一项的微流体设备，其中所述盖具有向内表面，该向内表面部分地限定了所述封壳，所述盖的向内表面具有内层和疏水性层，其中所述盖的疏水层包含共价键合到所述盖的内层表面的自缔合分子，从而在其上形成紧密堆积的疏水性单层。
50.实施方案49的微流体设备，其中所述盖的疏水性单层的自缔合分子各自包含表面改性配体和将所述表面改性剂与所述盖的内层表面连接的连接基团，其中所述盖的向内表面具有式II的结构：
Figure BDA0002333436110000731
其中
Figure BDA0002333436110000732
是所述介电层的表面；
V是-P(O)(OY)W-或-Si(OZ)2W；
W是-O-、-S-或-NH-并连接到表面；
Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键或者是与表面相连的键；
Y是与附着于表面的相邻磷原子相连的键或者是与表面相连的键；
R是氢或氟；
M是氢或氟；
h为0或2或3的整数，j为1，且k为0或1；
m为0或1至20的整数；
n为0或1至20的整数；
(n+[(h+j)·k]+m)之和为11到25的整数；
当k为1时，则m至少为2且M是氢；和
当k为0且R是氟时，则m至少为2且M是氢。
51.实施方案50的微流体设备，其中所述盖的疏水性单层的自缔合分子与所述基材的液滴致动表面的疏水性单层的自缔合分子相同。
52.实施方案49至51中任一项的微流体设备，其中所述盖的向内表面的疏水层具有小于5纳米的厚度。
53.实施方案49至53中任一项的微流体设备，其中所述盖的内层是内介电层。
54.实施方案53的微流体设备，其中所述盖还包括光响应层。
55.实施方案49至54中任一项的微流体设备，其中所述盖包括多个第二电极，每个电极构造为连接至一个或更多个AC电压源。
56.实施方案2至55中任一项的微流体设备，其中所述至少一个间隔元件包括硅基有机聚合物。
57.实施方案56的微流体设备，其中所述硅基有机聚合物选自由聚二甲基硅氧烷(PDMS)和可光图案化的有机硅(PPS)组成的组。
58.实施方案2至57中任一项的微流体设备，其中所述至少一个间隔元件包含SU-8。
59.实施方案2至58中任一项的微流体设备，其中所述至少一个间隔元件具有至少30微米的厚度。
60.实施方案2至59中任一项的微流体设备，其中所述至少一个间隔元件在所述封壳内限定一个或更多个微通道。
61.实施方案60的微流体设备，其中所述至少一个间隔元件进一步在所述封壳内限定多个腔室和/或隔离围栏。
62.实施方案1-61中任一项的微流体设备，其中所述介电层具有约50kOhms至约150kOhms的阻抗。
63.一种在具有电润湿构造的微流体设备中处理生物细胞的方法，所述方法包括：
将水性介质的第一液滴布置在所述微流体设备的液滴致动表面上，其中所述第一液滴包含一个或更多个生物细胞，并且其中所述微流体设备还包括
衬底，其具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极，以及
构造为连接到AC电压源的第二电极，
其中所述介电层电性耦接至所述第一电极，
其中所述液滴致动表面包括共价键合至所述介电层的疏水层，和
其中，当所述第一电极和所述第二电极连接到所述AC电压源的相对端子时，衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力；
将所述第一液滴与水性介质的第二液滴合并以形成第一组合液滴，其中所述第二液滴包含细胞裂解剂；
在所述液滴致动表面上将所述第一组合液滴温育足以裂解所述一个或更多个生物细胞的第一时间段；和
使所述细胞裂解剂失活。
64.实施方式63的方法，其中所述微流体设备是实施方案1至62中任一项的微流体设备。
65.实施方式63或64的方法，其中所述疏水层包括共价键合至所述介电层的表面的自缔合分子，从而在其上形成紧密堆积的疏水单层。
66.根据实施方案63至65中任一项的方法，其中所述介电层包括包含氧化铝的第一层介电材料。
67.实施方案66的方法，其中所述第一层介电材料通过原子层沉积(ALD)形成。
68.实施方案66或67的方法，其中所述介电层还包括第二层介电材料，其中所述疏水层与所述第一层介电材料共价键合，并且其中所述第二层介电材料包括通过PECVD沉积的二氧化硅或氮化硅。
69.实施方案66至68中任一项的方法，其中所述第一层介电材料包括第一和第二子层介电材料，其中，所述第一子层包括氧化硅并且共价键合至所述疏水层，其中，所述第二子层介电材料包括氧化铝，并且其中所述第一子层介电材料通过ALD沉积和/或其中所述第二子层介电材料通过ALD沉积。
70.实施方案66至69中任一项的方法，其中所述介电层具有约50kOhms至约150kOhms的阻抗。
71.一种在具有电润湿构造的微流体设备中制备核酸文库的方法，该方法包括：
将水性介质的第一液滴布置在微流体设备的液滴致动表面上，其中所述第一液滴包含一个或更多个生物细胞，并且其中所述微流体设备还包括
衬底，其具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极，以及
构造为连接到AC电压源的第二电极，
其中所述介电层电性耦接至所述第一电极，
其中所述液滴致动表面包括共价键合至所述介电层的疏水层，
其中所述疏水层是由包含表面改性配体和将所述表面改性配体连接至表面的连接基团的分子所组成的单层，每个分子具有以下结构：
Figure BDA0002333436110000751
其中：
是表面；
V是接头；
m为9或更大的整数；以及
其中，当所述第一电极和所述第二电极连接到所述AC电压源的相对端子时，
所述衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力；
将所述第一液滴与水性介质的第二液滴合并以形成第一组合液滴，其中所述第二液滴包含细胞裂解剂；
在所述液滴致动表面上将所述第一组合液滴温育进行足以裂解所述一个或更多个生物细胞的第一时间段；和
使所述细胞裂解剂失活。
72.实施方案71的方法，其中所述微流体设备是实施方案1至62中任一项的微流体设备。
73.实施方案71或72所述的方法，其中V是-Si(OZ)2W-；W是-O-并连接至表面；Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键或者是与表面相连的键。
74.实施方案71或72的方法，其中V是-P(O)(OY)W-；W是-O-并连接至表面；Y是与附着于表面的相邻磷原子相连的键或者是与表面相连的键。
75.实施方案71至74中任一项的方法，其中m为15或更大的整数。
76.实施方案71至75中任一项的方法，其中m的范围为9至25、12至25，12至21、15至25、15至21、15至19或16至18。
77.实施方案76的方法，其中m为15、17或19。
78.实施方案76的方法，其中m为17。
79.实施方案71至78中任一项的方法，还包括用与所述第一液滴和第二液滴不混溶的第一液体介质填充所述封壳或其一部分，其中，在将所述第一液滴布置在液滴致动表面上之前，用第一液体介质填充封壳，并且其中，所述第一液体介质包括具有支化碳主链的有机液体。
80.实施方案79的方法，其中有机液体具有约100至500道尔顿，或约100至400道尔顿，或约100至300道尔顿，或约150至500道尔顿，或约150至400道尔顿，或约150至300道尔顿的分子量。
81.实施方案79或80的方法，其中所述第一液体介质基本上由有机液体组成或由有机液体组成。
82.实施方案79至81中任一项的方法，其中所述有机液体是碳酸酯或烃。
83.实施方案82的方法，其中，所述有机液体是碳酸双(2-乙基己基)酯或七甲基壬烷。
84.一种在具有电润湿构造的微流体设备中处理生物细胞的方法，所述方法包括：
将水性介质的第一液滴布置在微流体设备的液滴致动表面上，其中所述第一液滴包含一个或更多个生物细胞，并且其中所述微流体设备还包括
衬底，其具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极，以及
构造为连接到AC电压源的第二电极，
其中所述介电层电性耦接至所述第一电极，
其中所述液滴致动表面包括共价键合至所述介电层的疏水层，
其中所述疏水层是由包含表面改性配体和将所述表面改性配体连接到表面的连接基团的分子所组成的单层，每个分子具有以下结构：
其中：
Figure BDA0002333436110000762
是表面；
V是接头；
n+m+j为13或更大，n为5或更大，m为2至13，j为0或1；以及
其中，当所述第一电极和所述第二电极连接到所述AC电压源的相对端子时，
所述衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力；
将所述第一液滴与水性介质的第二液滴合并以形成第一组合液滴，其中所述第二液滴包含细胞裂解剂；
在所述液滴致动表面上将所述第一组合液滴温育进行足以裂解所述一个或更多个生物细胞的第一时间段；和
使所述细胞裂解剂失活。
85.实施方案84的方法，其中所述微流体设备是实施方案1至62中任一项的微流体设备。
86.实施方案84或85的方法，其中V是-Si(OZ)2W-；W是-O-并连接至表面；Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键或者是与表面相连的键。
87.实施方案84或85的方法，其中V是-P(O)(OY)W-；W是-O-并连接至表面；Y是与附着于表面的相邻磷原子相连的键或者是与表面相连的键
88.实施方案84至87中任一项的方法，其中n为7或更大，9或更大，11或更大，或13或更大。
89.实施方案84至88中任一项的方法，其中m的范围为2至10、2至8、2至6或2至4。
90.实施方案89的方法，其中m为2。
91.实施方案88至90中任一项的方法，其中n为11、13或15。
92.实施方案91的方法，其中n为13。
93.实施方案84至92中任一项的方法，还包括用与所述第一液滴和第二液滴不混溶的第一液体介质填充所述封壳或其一部分，其中，在将所述第一液滴布置在液滴致动表面上之前，用第一液体介质填充封壳，其中所述第一液体介质包含矿物油或式CxH(2x+2)的直链烷烃有机液体，其中x为9至16。
94.实施方案93的方法，其中x为10、11、12、13或14。
95.实施方案93的方法，其中所述直链烷烃有机液体是十二烷。
96.实施方案93至94中任一项的方法，其中所述第一液体介质基本上由直链烷烃有机液体组成或由直链烷烃有机液体组成。
97.实施方案71至96中任一项的方法，其中所述第一液滴进一步包含表面活性剂。
98.实施方案97的方法，其中所述表面活性剂是非离子的。
99.实施方案97的方法，其中所述表面活性剂是TET表面活性剂。
100.实施方案97的方法，其中所述表面活性剂是N-(1,3-双(葡糖吡喃糖苷)丙-2-基)-3-丁基-3-环己基庚酰胺(Cy-Tripglu)。
101.实施方案97的方法，其中所述表面活性剂是聚环氧乙烷-聚环氧丙烷(PEO-PPO)嵌段共聚物。
102.实施方案101的方法，其中所述PEO-PPO嵌段共聚物是泊洛沙姆。
103.实施方案101的方法，其中所述泊洛沙姆是Pluronic F68、L31或F127。
104.实施方案97至103中任一项的方法，其中所述表面活性剂以小于或等于0.5％v/v的浓度存在。
105.实施方案104的方法，其中所述表面活性剂以0.1％至0.5％、0.1％至0.15％、0.15％至0.25％、0.25％至0.35％或0.35％至0.5％的浓度存在。
106.实施方案71至105中任一项的方法，其中所述介电层包括一种或多种介电材料。
107.实施方案71至106中任一项的方法，其中所述介电层包括两层或多层形成介电堆叠的介电材料。
108.实施方案71至107中任一项的方法，其中所述介电层包括第一层介电材料，并且其中所述第一层介电材料包括通过ALD沉积的金属氧化物。
109.实施方案108的方法，其中所述金属氧化物是氧化铝。
110.实施方案108或109所述的方法，其中所述第一层介电材料包括通过ALD沉积的第一子层金属氧化物，任选地为约1nm至约10nm厚(例如，约2nm至约5nm厚)，通过ALD沉积的第二子层氧化硅，任选地为约1nm至约10nm厚(例如，约2nm至约5nm厚)，其中所述第二子层的表面共价键合至所述疏水层。
111.实施方案106至109中任一项的方法，其中所述介电堆叠还包括第二层介电材料。
112.实施方案111的方法，其中所述第二层介电材料包括通过PECVD沉积的氧化硅或氮化硅。
113.实施方案71至105中任一项的方法，其中所述介电层由通过ALD沉积的单层金属氧化物组成。
114.实施方案113的方法，其中所述金属氧化物是氧化铝。
115.实施方案107的方法，其中，所述介电层堆叠包括：
通过PECVD沉积的氧化硅或氮化硅第一层；
通过ALD沉积在所述第一层上的金属氧化物第二层；和
通过ALD沉积在所述第二层上的氧化硅第三层，其中
与所述第二层相对的所述第三层的表面限定了介电堆叠的最外表面。
116.实施方案115的方法，其中所述第二层具有约1nm至10nm的厚度。
117.实施方案116的方法，其中所述第二层具有约2nm至5nm的厚度。
118.实施方案115至117中任一项的方法，其中所述第三层具有约1nm至10nm的厚度。
119.实施方案118的方法，其中所述第三层具有约2nm至5nm的厚度。
120.实施方案71至119中任一项的方法，其中所述介电层或所述介电堆叠具有至少约40nm的厚度。
121.实施方案120的方法，其中所述介电层或所述介电堆叠具有约40nm至约120nm的厚度。
122.实施方案71至121中任一项的方法，其中所述介电层或所述介电堆叠具有约50kOhms至约150kOhms的阻抗。
123.实施方案122的方法，其中所述介电层或所述介电堆叠具有约100kOhms的阻抗。
124.实施方案71至123中任一项的方法，其中通过向第二和/或第一液滴施加电润湿力将第二液滴与第一液滴合并。
125.实施方案71至124中任一项的方法，其中所述第二液滴进一步包括表面活性剂。
126.实施方案125的方法，其中第二液滴中的表面活性剂是非离子的并且包括大小大于750道尔顿的极性头基，任选地其中极性头基大小大于800、900、1000、1100、1200或1300道尔顿。
127.实施方案126的方法，其中所述极性头基团的大小为750至2000道尔顿，任选地其中所述大小为750至1000、1000至1200、1200至1400、1400至1600、1600至1800，或1800至2000道尔顿。
128.实施方案125的方法，其中所述第二液滴中的表面活性剂是聚山梨酯，任选地聚山梨酯20，或辛基酚乙氧基化物，其中乙氧基化物基团的平均长度为至少9个环氧乙烷单元，或任选地至少15、20、25、30或更多的环氧乙烷单元。
129.实施方案71至128中任一项的方法，其中所述细胞裂解剂是蛋白酶，任选地其中所述蛋白酶是蛋白酶K。
130.实施方案71至129中任一项的方法，其中所述细胞裂解剂通过加热而失活。
131.实施方案71至130中任一项的方法，所述方法进一步包括使来自一个或更多个生物细胞的核酸片段化，从而产生核酸片段。
132.实施方案131的方法，其中所述核酸是DNA、基因组DNA、线粒体DNA或其任何组合。
133.实施方案131或132的方法，其中所述核酸被片段化剂片段化，并且任选地其中所述片段化剂包含碱基、限制酶、片段化酶或转座酶。
134.实施方案133的方法，其中通过将所述第一组合液滴与包含片段化剂的第三液滴合并，使核酸与片段化剂接触，从而形成第二组合液滴。
135.实施方案134的方法，其中所述第三液滴进一步包括表面活性剂，任选地其中表面活性剂是如实施方案98-105中任一项的表面活性剂。
136.实施方案134的方法，其进一步包括在液滴致动表面上将第二组合液滴温育足以使由一个或更多个裂解的生物细胞释放的DNA片段化的一段时间。
137.实施方案131至136中任一项的方法，其中通过使来自一个或更多个生物细胞的核酸片段化而产生的核酸片段具有约300至约600个碱基或碱基对的平均大小。
138.实施方案133至137中任一项的方法，其中所述DNA片段化剂包含转座酶和寡核苷酸衔接子。
139.实施方案138的方法，其中所述转座酶是Tn5转座酶。
140.实施方案134至139中任一项的方法，其中温育第二组合液滴包括将微流体设备的温度调节至约50℃至约60℃(例如，约52℃至约58℃，或约55℃)的温度，任选地持续至少约3分钟(例如，约3至7分钟，约4至约6分钟或约5分钟)。
141.实施方案134至140中任一项的方法，其进一步包括将第二组合液滴与水性介质的第四液滴合并以形成第三组合液滴，其中所述第四液滴包含DNA片段化剂的抑制剂。
142.实施方案141的方法，其中所述DNA片段化剂的抑制剂是去污剂。
143.实施方案142的方法，其中所述去污剂包括十二烷基硫酸盐，任选地，其中所述第三组合液滴中去污剂的浓度为约0.1％至约0.2％v/v。
144.实施方案141至143中任一项的方法，其还包括将微流体设备的温度调节至约10℃至约20℃(例如，约12℃至约16℃，或约14℃)。
145.实施方案133至137中任一项的方法，其中所述DNA片段化剂包含DNA切割酶，任选地与DNA切口酶相组合。
146.实施方案133至137和145中任一项的方法，其中温育第二组合液滴包括将微流体设备的温度调节至约30℃至约42℃的温度(例如约35℃至约39℃，或约37℃)，任选地持续至少约10分钟(例如约10至20分钟，约12至约18分钟或约15分钟)。
147.实施方案145或146的方法，还包括：
将第二组合液滴与水性介质的第四液滴合并以形成第三组合液滴，其中所述第四液滴包含具有A尾活性的DNA聚合酶；和
将微流体设备的温度调节至约60℃至约70℃(例如，约62℃至约68℃，或约65℃)的温度，持续至少约15分钟(例如，约15至45分钟，约20至约40分钟，约25至约35分钟或约30分钟)。
148.实施方案147的方法，还包括：
将所述微流体设备的温度调节至约15℃至约25℃(例如，约18℃至约22℃，或约20℃)的温度；
将所述第三组合液滴与第五液滴合并以形成第四组合液滴，其中所述第五液滴包含连接酶和寡核苷酸衔接子；和
任选地，将所述第四组合液滴温育至少约10分钟(例如，约10至约20分钟(例如，约12至约18分钟或约15分钟))的时间段。
149.实施方案148的方法，其进一步包括通过将所述微流体设备的温度调节至约80℃至约90℃(例如，约82℃至约88℃，或约85℃)的温度，任选地持续至少约10分钟(例如，约10至约20分钟，约12至约18分钟或约15分钟)来灭活连接酶，。
150.实施方案131至147中任一项的方法，其进一步包括向所述核酸片段添加衔接子。
151.实施方案134至137中任一项的方法，其还包括向所述核酸片段添加衔接子，其中如下形成所述衔接子，即通过将包含核酸片段的所述第二组合液滴与包含A-尾酶和A-尾试剂的第四液滴合并，从而形成第三组合液滴，并将所述第三组合液滴与包含连接酶和含有5'-T突出端的双链衔接子的第五液滴合并；任选地，其中所述第四和/或第五液滴还包含表面活性剂，任选地，其中所述表面活性剂是实施方案98-105中任一项的表面活性剂。
152.实施方案134至137中任一项的方法，其中所述第三液滴包含转座酶和含有衔接子序列的寡核苷酸，并且其中温育所述第二组合液滴，从而提供进一步包含衔接子序列的核酸片段，任选地，其中所述核酸片段在温育后进行纯化。
153.实施方案148至152中任一项的方法，其中所述衔接子包含条形码序列，任选地其中，连接至所述衔接子的核酸片段与形成在单独液滴中的其他包含衔接子的核酸片段汇集，进一步任选地其中，汇集包括将包含连接至衔接子的核酸片段的液滴和包含其他包含衔接子的核酸片段的液滴相合并。
154.实施方案153的方法，其中连接至所述衔接子的核酸片段从微流体设备输出并进行扩增反应(例如PCR，其可以包含至少10、20或30个循环，或约10至20个循环，或约12至15个循环)。
155.实施方案63至130中任一项的方法，还包括：
将所述第一组合液滴与水性介质的第三液滴合并以形成第二组合液滴，其中所述第三液滴包含逆转录酶；和
在液滴致动表面上将第二组合液滴温育足以逆转录由裂解的一个或更多个生物细胞释放的RNA的一段时间。
156.实施方案155的方法，其中所述第三液滴进一步包含缓冲液和支持逆转录酶活性的前体，任选地其中所述前体包含核苷酸和引物。
157.实施方案155或156的方法，其中所述第三液滴进一步包含oligo-dT寡核苷酸。
158.实施方案155至157中任一项的方法，其中所述第三液滴进一步包含与珠粒连接的寡核苷酸。
159.实施方案155至158中任一项的方法，其中在所述液滴致动表面上温育所述第二组合液滴包括：
将所述微流体设备的温度调节至约50℃至约60℃(例如，约52℃至约58℃，或约55℃)的温度，持续至少约1分钟(例如，约1至5分钟，约1至约3分钟或约2分钟)；和
将所述微流体设备的温度调节至约37℃至约45℃(例如，大约40℃至大约43℃，或大约42℃)的温度，持续至少约45分钟(例如，大约50分钟，大约55、大约60分钟，或更长时间)。
160.实施方案155至159中任一项的方法，还包括：
将所述第二组合液滴与水性介质的第四液滴合并以形成第三组合液滴，其中所述第四液滴包含核酸聚合酶，以及缓冲液和支持核酸聚合酶的聚合酶活性的前体(例如核苷酸、引物等)；和
在促进存在的cDNA扩增的条件下，在所述液滴驱动表面上温育所述第三组合液滴。
161.实施方案134至140、145至146、150和152至154中任一项的方法，还包括：
将所述第二组合液滴与水性介质的第四液滴合并以形成第三组合液滴，其中所述第四液滴包含核酸聚合酶，以及缓冲液和支持核酸聚合酶的聚合酶活性的前体(例如核苷酸，引物等)；和
在促进存在的片段化DNA扩增的条件下，在所述液滴驱动表面上温育所述第三组合液滴。
162.实施方案141至144、147至149和153至154中的任一项的方法，还包括：
将第三组合液滴与水性介质的第六液滴合并以形成第四组合液滴，其中所述第六液滴包含核酸聚合酶，以及缓冲液和支持核酸聚合酶的聚合酶活性的前体(例如核苷酸，引物等)；和
在促进存在的片段化DNA扩增的条件下，在所述液滴驱动表面上温育所述第四组合液滴。
163.实施方案160至162中任一项的方法，其中所述引物寡核苷酸包含基于核酸的条形码。
164.实施方案160至163中任一项的方法，其中所述引物寡核苷酸包含poly-dT序列。
165.实施方案131至159中的任一项的方法，还包括：
扩增核酸片段或cDNA，其中扩增包括将包含核酸片段或cDNA的液滴与包含扩增混合物和表面活性剂的液滴合并(任选地，其中表面活性剂是分子量至少为1000道尔顿的聚山梨酯表面活性剂(任选地其中表面活性剂是分子量至少为1000道尔顿的聚山梨酯表面活性剂(例如聚山梨酯20))，任选地，浓度范围为0.1％至0.5％(或0.15％至0.3％)，或实施方案98-105中任一项的表面活性剂，从而形成组合的扩增液滴；和
在促进扩增的条件下温育所述组合扩增液滴。
166.实施方案131至159和165中任一项的方法，其进一步包括从所述微流体设备输出所述核酸片段或cDNA，然后扩增所述核酸片段或cDNA。
167.实施方案165或166的方法，其中所述扩增包括PCR扩增。
168.实施方案165或166的方法，其中所述扩增包括条形码标记的PCR扩增。
169.实施方式167或168的方法，其中所述PCR扩增或条形码标记的PCR扩增包括至少4个循环，任选地其中执行4至15、5至10、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15个循环。
170.实施方案168或169的方法，其中将所述条形码标记PCR扩增的产物与不同的条形码标记的PCR扩增反应的产物汇集，任选地，其中汇集包括合并包含所述条形码标记PCR扩增产物的液滴和包含所述不同的条形码标记的PCR扩增产物的液滴。
171.实施方案168至170中任一项的方法，其中所述条形码标记的PCR扩增反应的产物从所述微流体设备输出，并进行进一步的扩增反应(例如PCR，其可以包含至少约10个循环，或约10至20个循环，或约12至15个循环)。
172.实施方案131至171中任一项的方法，其进一步包括汇集来自多个液滴的核酸片段、cDNA或扩增反应的产物，从而产生汇集的核酸，并且任选地进一步包括输出所述汇集的核酸。
173.实施方案131至172中任一项的方法，其进一步包括纯化核酸片段、cDNA、汇集的核酸或扩增反应的产物，任选地，其中纯化包括基于珠粒的芯片上纯化(例如，使用选择性结合核酸的磁珠)。
174.实施方案170至172的方法，其进一步包括扩增所述汇集的核酸，和任选地纯化扩增的汇集的核酸。
175.实施方案63至174中任一项的方法，其中所述第一液滴和第二液滴各自具有约5至50纳升的体积。
176.实施方案175的方法，其中所述第一液滴和第二液滴各自具有约5至20纳升的体积。
177.实施方案175或176的方法，其中所述第二液滴的体积比所述第一液滴的体积大约1至3倍。
178.实施方案63至177中任一项的方法，其中向液滴施加电润湿力包括在所述液滴致动表面的邻近液滴的区域处激活电润湿电极。
179.实施方案178所述的方法，其中所述衬底包括光响应层，并且其中在所述液滴致动表面的邻近液滴的区域处激活电润湿电极包括将光的图案引导到所述液滴致动表面的区域上。
180.一种在具有电润湿构造的微流体设备中扩增核酸的方法，所述方法包括：
将水性介质的第一液滴布置在所述微流体设备的液滴致动表面上，其中所述第一液滴包含核酸(例如核酸片段)，并且其中所述微流体设备还包括
衬底，其具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极，以及
构造为连接到AC电压源的第二电极，
其中所述介电层电性耦接至所述第一电极，
其中所述液滴致动表面包括共价键合至所述介电层的疏水层，和
其中，当所述第一电极和所述第二电极连接到所述AC电压源的相对端子时，衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力；
将所述第一液滴与水性介质的第二液滴合并以形成组合液滴，其中所述第二液滴包含核酸聚合酶，并且其中所述组合液滴包含缓冲液和支持核酸聚合酶的聚合酶活性的前体(例如核苷酸、引物等)；和
在促进源自所述第一液滴的核酸扩增的条件下，在所述液滴致动表面上温育所述组合液滴。
181.实施方案180的方法，其中所述微流体设备是实施方案1至62中任一项的微流体设备。
182.实施例180或181，其中在促进扩增的条件下温育所述组合液滴包括将所述微流体设备的温度调节至第一温度，所述第一温度足以使源自所述第一液滴的核酸部分地或全部地变性。
183.实施方案182的方法，其中所述第一温度为至少约85℃(例如，至少约88℃、约90℃、约92℃、约93℃、约94℃，95℃或更高)。
184.实施方案182或183的方法，其中在促进扩增的条件下温育所述组合液滴包括进一步将所述微流体设备的温度调节至第二温度，所述第二温度促进源自第一液滴的核酸的引发和/或已引发核酸的基于模板的延伸。
185.实施方案184的方法，其中所述第二温度为约40℃至约75℃(例如，约50℃至约70℃，或约55℃至约65℃)。
186.实施方案184或185的方法，其中在促进扩增的条件下温育所述组合液滴包括进一步将所述微流体设备的温度调节至第三温度，所述第三温度促进已引发的核酸的基于模板的延伸。187.实施方案186的方法，其中所述第二温度为约50℃至约67℃(例如，约55℃至约65℃，或约58℃至约62℃)。
188.实施方案186或187的方法，其中所述第三温度为约65℃至约80℃(例如，约70℃至约78℃，或约72℃至约76℃)。
189.实施方案184或185的方法，其中在促进扩增的条件下温育所述组合液滴包括使所述微流体设备的温度在所述第一温度和所述第二温度之间循环。
190.实施方案186至188中任一项的方法，其中在促进扩增的条件下温育所述组合液滴包括使所述微流体设备的温度在第一、第二和第三温度之间循环。
191.实施方案189或190的方法，其中执行至少4个循环，任选地其中执行至少5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或更多个循环。
192.实施方案180至191中任一项的方法，其中所述第一液滴进一步包含表面活性剂。
193.实施方案180至192中任一项的方法，其中所述第二液滴进一步包括表面活性剂。
194.实施方案192或193的方法，其中所述表面活性剂是非离子的。
195.实施方案192、193或194的方法，其中所述表面活性剂包括大小大于750道尔顿的极性头基，任选地其中极性头基大小大于800、900、1000、1100、1200或1300道尔顿
196.实施方案195的方法，其中所述极性头基团的大小为750至2000道尔顿，任选地其中所述大小为750至1000、1000至1200、1200至1400、1400至1600、1600至1800，或1800至2000道尔顿。
197.实施方案192或193的方法，其中所述表面活性剂是聚山梨酯，任选地聚山梨酯20。
198.实施方案192或193的方法，其中所述表面活性剂是TET表面活性剂。
199.实施方案192或193的方法，其中所述表面活性剂是N-(1,3-双(葡糖吡喃糖苷)丙烷-2-基)-3-丁基-3-环己基庚酰胺(Cy-Tripglu)。
200.实施方案192或193的方法，其中所述表面活性剂是聚环氧乙烷-聚环氧丙烷(PEO-PPO)嵌段共聚物，任选地其中所述PEO-PPO嵌段共聚物是泊洛沙姆。
201.实施方案200的方法，其中所述泊洛沙姆是Pluronic F68、L31或F127。
202.实施方案192至202中任一项的方法，其中所述表面活性剂以小于或等于0.5％v/v的浓度存在。
203.实施方案202的方法，其中所述表面活性剂以0.1％至0.5％、0.1％至0.15％、0.15％至0.25％、0.25％至0.35％或0.35％至0.5％的浓度存在。
204.实施方案180至203中任一项的方法，其中，所述介电层包括一种或多种介电材料。
205.实施方案180至204中任一项的方法，其中，所述介电层包括不止一层的介电材料，以形成介电堆叠。
206.实施方案180至205中任一项的方法，其中所述介电层包括第一层介电材料，并且其中该所述第一层介电材料包括通过ALD沉积的金属氧化物。
207.实施方案206的方法，其中所述金属氧化物是氧化铝。
208.实施方案206或207的方法，其中所述第一层介电材料包括通过ALD沉积的第一子层金属氧化物和通过ALD沉积的第二子层氧化硅，其中所述第二子层的表面共价键合至疏水层。
209.实施方案208所述的方法，其中所述第一子层具有约1nm至约10nm厚(例如，约2nm至约5nm厚)的厚度。
210.实施方案208或209所述的方法，其中所述第二子层具有约1nm至约10nm厚(例如，约2nm至约5nm厚)的厚度。
211.实施方案205至210中任一项的方法，其中所述介电堆叠还包括第二层介电材料。
212.实施方案211所述的方法，其中所述第二层介电材料包括通过PECVD沉积的氧化硅或氮化硅。
213.实施方案180至204中任一项的方法，其中所述介电层由通过ALD沉积的单层金属氧化物组成。
214.实施方案213所述的方法，其中所述金属氧化物是氧化铝。
215.205的方法，其中，所述介电堆叠包括：
通过PECVD沉积的氧化硅或氮化硅第一层；
通过ALD沉积在所述第一层上的金属氧化物第二层；和
通过ALD沉积在所述第二层上的氧化硅第三层，其中
与所述第二层相对的所述第三层的表面限定了介电堆叠的最外表面。
216.实施方案215中任一项的方法，其中所述第二层具有约1nm至10nm的厚度。
217.实施方案216所述的方法，其中所述第二层具有约2nm至5nm的厚度。
218.实施方案215至217中任一项的方法，其中所述第三层具有约1nm至10nm的厚度。
219.实施方案218的方法，其中所述第三层具有约2nm至5nm的厚度。
220.实施方案180至219中任一项的方法，其中所述介电层(或介电堆叠)具有至少约40纳米的厚度。
221.实施方案220的方法，其中所述介电堆叠具有约40纳米至约120纳米的厚度。
222.实施方案180至221中任一项的方法，其中所述介电层(或介电堆叠)具有约50kOhms至约150kOhms的阻抗。
223.实施方案222的方法，其中所述介电堆叠具有约100kOhms的阻抗。
224.实施方案63至223中任一项的方法，其中所述微流体设备的温度由构造成调节所述微流体设备的温度的热控制子系统来调节，并且所述热控制电路构造为遵循将由所述热敏电阻测量的温度值与目标温度和珀尔帖热电设备的功率输出相关联的规则，所述规则包括：
如果目标温度和热敏电阻测得的温度之差大于N，则将输出功率设置为第一值；
如果目标温度与热敏电阻测得的温度之差等于或小于N且大于M，则将输出功率设置为小于第一值的第二值；和
如果目标温度和热敏电阻测得的温度之差小于或等于M，则通过以热敏电阻测得的温度作为输入的比例积分微分(PID)回路控制器确定功率输出，
其中M在5℃至15℃的范围内(例如，约7℃至约13℃，或约8℃至约12℃，或约9℃至约11℃)，并且N在1℃至5℃的范围内(例如，约2℃至约4℃，或约2.5℃至约3.5℃)。
225.一种用于操作微流体设备的系统，所述系统包括：
构造为保持微流体设备并与其可操作地耦合的支撑件，所述支撑件包括：
电信号产生子系统，其构造为当所述微流体设备由所述支撑件保持并与所述支撑件可操作地耦合时，在所述微流体设备中的一对电极之间选择性地施加偏压；
热控制子系统，其构造为当所述微流体设备由所述支撑件保持并与所述支撑件可操作地耦合时，调节所述微流体设备的温度，
所述热控制子系统包括
热控制电路、热敏电阻和珀尔帖热电设备，
其中所述热敏电阻位于所述支撑件中并且构造为测量在所述微流体设备表面或接近所述微流体设备表面的位置的温度，
其中所述珀尔帖热电设备构造为与所述微流体设备表面接触，和
其中所述热控制电路构造为遵循将由所述热敏电阻测量的温度值与目标温度和珀尔帖热电设备的功率输出相关联的规则，所述规则包括：
如果所述目标温度和所述热敏电阻测量温度之差大于N，则将所述功率输出设置为第一值；
如果所述目标温度和所述热敏电阻测量温度之差等于或小于N且大于M，则将所述功率输出设置为小于所述第一值的第二值；和
如果所述目标温度和所述热敏电阻测量温度之差小于或等于M，则通过以所述热敏电阻测量温度作为输入的比例积分微分(PID)回路控制器确定功率输出，
其中M在5℃至15℃的范围内(例如，约7℃至约13℃，或约8℃至约12℃，或约9℃至约11℃)，并且N在1℃至5℃的范围内(例如，约2℃至约4℃，或约2.5℃至约3.5℃)。
226.实施方案224或225的方法或系统，其中所述第一值在所述珀尔帖热电设备的功率输出的70％至100％的范围内。
227.实施方案224或225的方法或系统，其中所述第一值是所述珀尔帖热电设备的100％功率输出。
228.实施方案224至227中任一项的方法或系统，其中所述第二值是从将多个目标温度值与多个功率输出值相关联的校准数据确定的功率输出值。
229.实施方案228的方法或系统，其中：通过使包括热电偶的校准芯片与所述珀尔帖热电设备在每个功率输出值处平衡，并将在平衡之后由所述热电偶记录的温度与所述功率输出值相关联从而来确定与所述功率输出值相关的目标温度值；和/或多个目标温度值包括在0℃至100℃范围内的至少4、5、6、7、8、9或10个值，任选地，其中通过线性插值来确定与在校准数据中表示的值之间的目标温度值相对应的功率输出值。
230.实施方案225至229中任一项的系统，还包括光调制子系统，所述光调制子系统构造为当所述微流体设备被所述支撑件保持并与所述支撑件可操作地耦合时，将结构化光发射到所述微流体设备上。
231.实施方案225至230中任一项的系统，其中所述支撑件包括构造为接收所述微流体设备并与所述微流体设备相接的插座。
232.实施方案225至231中任一项的系统，其中所述电信号产生子系统包括波形发生器，所述波形发生器构造为当微流体设备由所述支撑件保持并与所述支撑件可操作地耦合时，产生将施加在电极对上的偏置电压波形。
233.实施方案232的系统，其中所述电信号产生子系统进一步包括波形放大电路，所述波形放大电路构造为放大由所述波形发生器产生的偏置波形。
234.实施方案232或233的系统，其中所述电信号产生子系统还包括示波器，所述示波器构造为测量所述偏置电压波形，并且其中来自测量的数据作为反馈提供给波形发生器。
235.实施方案225至234中任一项的系统，其中所述热控制子系统还包括冷却单元。
236.实施方案235的系统，其中所述珀尔帖热电设备介于所述微流体设备的表面与所述冷却单元的表面之间。
237.实施方案235或236的系统，其中所述冷却单元包括冷却块，以及构造成使冷却的液体循环通过所述冷却块的流体路径，其中所述冷却块包括所述冷却单元的表面。
238.实施方案225至237中任一项的系统，其中所述珀尔帖热电设备和所述热电电源安装在所述支撑件上和/或与所述支撑件集成。
239.实施方案225至238中任一项的系统，其中所述支撑件还包括控制器，所述控制器构造为控制电信号生成子系统和热控制子系统中的一个或两个。
240.实施方案239的系统，其中所述支撑件包括印刷电路板组件(PCBA)，并且其中所述电信号生成子系统、所述热控制子系统和所述控制器中的至少一个安装在PCBA上和/或与PCBA集成。
241.根据实施例239或240所述的系统，其进一步包括与所述控制器可操作地耦合的外部主控制器，其中所述外部主控制器包括图形用户界面，所述图形用户界面构造为接收操作员输入并且用于将所述操作员输入处理并传输到所述控制器以控制电信号生成子系统和热控制子系统之一或两者。
241.实施方案239或240的系统，其进一步包括与所述控制器可操作地耦合的外部主控制器，其中所述外部主控制器包括图形用户界面，所述图形用户界面构造为接收操作员输入并且用于将操作员输入处理并传输到控制器，以控制电信号生成子系统和热控制子系统之一或两者。
242.实施方案241的系统，其中所述控制器构造为从电信号生成子系统和热控制子系统之一或两者向外部主控制器发送感测或接收到的数据和/或信息，或基于感测或接收到的数据或信息而计算出的数据和/或信息。
243.实施方案25至242中任一项的系统，其中所述支撑件和/或所述光调制子系统构造为安装在显微镜上。
244.实施方案225至242中任一项的系统，其中所述支撑件和/或所述光调制子系统是显微镜的集成部件。
245.实施方案225至244中任一项的系统，其中所述微流体设备是光学致动的微流体设备。
246.实施方案225至245中任一项的系统，其中所述光调制子系统包括数字镜装置(DMD)或微快门阵列系统(MSA)。
247.实施方案225至245中任一项的系统，其中所述光调制子系统包括有机发光二极管显示器(OLED)、硅上液晶(LCOS)器件、硅上铁电液晶器件(FLCOS)或透射式液晶显示器(LCD)。
在通过引用并入的材料与本文提供的明确描述的内容之间存在任何矛盾或冲突的情况下，以明确描述的内容为准。
等同物
前述书面说明被认为足以使本领域技术人员能够实践实施方案。前面的描述和实施例详述了某些实施方案并描述了预期的最佳模式。然而，将理解，无论前述内容可能在文本中出现多么详细，实施方案都可以以许多方式来实践，并且应当根据所附权利要求及其任何等同物来解释。

Claims (60)

1.一种在具有电润湿构造的微流体设备中处理生物细胞的方法，所述方法包括：
将水性介质的第一液滴布置在所述微流体设备的液滴致动表面上，其中所述第一液滴包含一个或更多个生物细胞，并且其中所述微流体设备还包括
衬底，其具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极，以及
构造为连接到AC电压源的第二电极，
其中所述介电层电性耦接至所述第一电极，
其中所述液滴致动表面包括共价键合至所述介电层的疏水层，以及
其中，当所述第一电极和所述第二电极连接到所述AC电压源的相对端子时，衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力；
将所述第一液滴与水性介质的第二液滴合并以形成第一组合液滴，其中所述第二液滴包含细胞裂解剂；
在所述液滴致动表面上将所述第一组合液滴温育足以裂解所述一个或更多个生物细胞的第一时间段；和
使所述细胞裂解剂失活。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微流体设备是实施方案1至62中任一项的微流体设备。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述疏水层包括共价键合至所述介电层的表面的自缔合分子，从而在其上形成紧密堆积的疏水单层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述介电层包括包含氧化铝的第一层介电材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述介电层还包括第二层介电材料，其中，所述疏水层与所述第一层介电材料共价键合，并且其中，所述第二层介电材料包括通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积的二氧化硅或氮化硅。
6.根据权利要求4或5中任一项所述的方法，其中，所述第一层介电材料包括第一和第二子层介电材料，其中，所述第一子层包括氧化硅并且共价键合至所述疏水层，其中，所述第二子层介电材料包括氧化铝，并且其中所述第一子层介电材料通过原子层沉积(ALD)沉积和/或其中所述第二子层介电材料通过ALD沉积。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述介电层具有约50kOhms至约150kOhms的阻抗。
8.一种在具有电润湿构造的微流体设备中制备核酸文库的方法，该方法包括：
将水性介质的第一液滴布置在微流体设备的液滴致动表面上，其中所述第一液滴包含一个或更多个生物细胞，并且其中所述微流体设备还包括
衬底，其具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极，以及
构造为连接到AC电压源的第二电极，
其中所述介电层电性耦接至所述第一电极，
其中所述液滴致动表面包括共价键合至所述介电层的疏水层，
其中所述疏水层是由包含表面改性配体和将所述表面改性配体连接至表面的连接基团的分子所组成的单层，每个分子具有以下结构：
Figure FDA0002333436100000011
其中：
是表面；
V是接头；
m为9或更大的整数；以及
其中，当所述第一电极和所述第二电极连接到所述AC电压源的相对端子时，所述衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力；
将所述第一液滴与水性介质的第二液滴合并以形成第一组合液滴，其中所述第二液滴包含细胞裂解剂；
在所述液滴致动表面上将所述第一组合液滴温育足以裂解所述一个或更多个生物细胞的第一时间段；和
使所述细胞裂解剂失活。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述微流体设备是实施方案1至62中任一项的微流体设备。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，V是-Si(OZ)2W-；W是-O-并连接至表面；且Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键或者是与表面相连的键。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，m为15、17或19
12.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，还包括用与所述第一液滴和第二液滴不混溶的第一液体介质填充封壳或其一部分，其中，在将所述第一液滴布置在液滴致动表面上之前，用第一液体介质填充所述封壳，并且其中，所述第一液体介质包括具有支化碳主链的有机液体。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述有机液体是碳酸酯或烃。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述有机液体是碳酸双(2-乙基己基)酯或七甲基壬烷。
15.一种在具有电润湿构造的微流体设备中处理生物细胞的方法，所述方法包括：
将水性介质的第一液滴布置在微流体设备的液滴致动表面上，其中所述第一液滴包含一个或更多个生物细胞，并且其中所述微流体设备还包括
衬底，其具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极，
以及构造为连接到AC电压源的第二电极，
其中所述介电层电性耦接至所述第一电极，
其中所述液滴致动表面包括共价键合至所述介电层的疏水层，
其中所述疏水层是由包含表面改性配体和将所述表面改性配体连接到表面的连接基团的分子所组成的单层，每个分子具有以下结构：
Figure FDA0002333436100000021
其中：
Figure FDA0002333436100000023
是表面；
V是接头；
n+m+j为13或更大，n为5或更大，m为2至13，且j为0或1；以及
其中，当所述第一电极和所述第二电极连接到所述AC电压源的相对端子时，所述衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力；
将所述第一液滴与水性介质的第二液滴合并以形成第一组合液滴，其中所述第二液滴包含细胞裂解剂；
在所述液滴致动表面上将所述第一组合液滴温育足以裂解所述一个或更多个生物细胞的第一时间段；和
使所述细胞裂解剂失活。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述微流体设备是实施方案1至62中任一项的微流体设备。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，V是-Si(OZ)2W-；W是-O-并连接至表面；Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键或者是与表面相连的键。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，m为2。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中，n为11、13或15。
20.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，还包括用与所述第一液滴和第二液滴不混溶的第一液体介质填充所述封壳或其一部分，其中，在将所述第一液滴布置在液滴致动表面上之前，用第一液体介质填充封壳，其中所述第一液体介质包含矿物油或式CxH(2x+2)的直链烷烃有机液体，其中x为9至16。
21.根据权利要求8或20所述的方法，其中，所述第一液滴进一步包含表面活性剂。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一液滴中的表面活性剂是TET表面活性剂、N-(1,3-双(葡糖吡喃糖苷)丙-2-基)-3-丁基-3-环己基庚酰胺(Cy-Tripglu)或聚环氧乙烷-聚环氧丙烷(PEO-PPO)嵌段共聚物。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述表面活性剂以0.1％至0.5％的浓度存在于所述第一液滴中。
24.根据权利要求8或20所述的方法，其中，所述介电层包括形成介电堆叠的两层或更多层介电材料。
25.根据权利要求8或20所述的方法，其中，所述介电层包括第一层介电材料，并且其中，所述第一层介电材料包括通过ALD沉积的金属氧化物。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述金属氧化物是氧化铝。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第一层介电材料包括通过ALD沉积的第一子层金属氧化物和通过ALD沉积的第二子层氧化硅，其中所述第二子层的表面共价键合至所述疏水层。
28.根据权利要求8或20所述的方法，其中，所述介电层由通过ALD沉积的单层金属氧化物组成。
29.根据权利要求8或20所述的方法，其中，所述介电层由介电层堆叠组成，所述介电层堆叠包括：
通过PECVD沉积的氧化硅或氮化硅第一层；
通过ALD沉积在所述第一层上的金属氧化物第二层；和
通过ALD沉积在所述第二层上的氧化硅第三层，其中
与所述第二层相对的所述第三层的表面限定了介电堆叠的最外表面。
30.根据权利要求8或20所述的方法，其中，所述介电层具有至少约40纳米的厚度。
31.根据权利要求8或20所述的方法，其中，所述介电层具有大约50kOhms至大约150kOhms的阻抗。
32.根据权利要求8或20所述的方法，其中，所述第二液滴进一步包括表面活性剂。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述第二液滴中的表面活性剂是非离子的并且包括大小大于750道尔顿的极性头基，任选地其中所述极性头基大小大于800、900、1000、1100、1200或1300道尔顿。
34.根据权利要求32所述的方法，其中，所述第二液滴中的表面活性剂是聚山梨酸酯表面活性剂。
35.根据权利要求8或20所述的方法，所述方法进一步包括使来自所述一个或更多个生物细胞的核酸片段化，从而产生核酸片段。
36.根据权利要求35所述的方法，进一步包括将衔接子添加至所述核酸片段。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，将所述第一组合液滴与第三液滴合并，所述第三液滴包含DNA切割酶，任选地与DNA切口酶组合。
38.根据权利要求36所述的方法，其中所述衔接子包含条形码序列，任选地其中，连接至所述衔接子的核酸片段与形成在单独液滴中的其他包含衔接子的核酸片段汇集，进一步任选地其中，汇集包括将包含连接至衔接子的核酸片段的液滴和包含其他包含衔接子的核酸片段的液滴相合并。
39.根据权利要求8或20所述的方法，还包括：
将所述第一组合液滴与水性介质的第三液滴合并以形成第二组合液滴，其中所述第三液滴包含逆转录酶；和
在所述液滴致动表面上将所述第二组合液滴温育足以逆转录由裂解的一个或更多个生物细胞释放的RNA的一段时间。
40.根据权利要求8或20所述的方法，其进一步包括扩增由从所述一个或更多个生物细胞释放的核酸产生的核酸片段或cDNA，其中扩增包括将包含所述核酸片段或cDNA的液滴与包含扩增混合物和表面活性剂的液滴合并，从而形成组合扩增液滴，并在促进扩增的条件下温育所述组合扩增液滴。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述表面活性剂是分子量为至少1000道尔顿的聚山梨酯表面活性剂。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，所述聚山梨酯表面活性剂以0.1％至0.5％的浓度存在。
43.根据权利要求40所述的方法，其中，所述扩增包括PCR扩增或条形码标记的PCR扩增。
44.一种在具有电润湿构造的微流体设备中扩增核酸的方法，所述方法包括：
将水性介质的第一液滴布置在所述微流体设备的液滴致动表面上，其中所述第一液滴包含核酸，并且其中所述微流体设备还包括
衬底，其具有介电层和构造为连接至AC电压源的第一电极，以及
构造为连接到AC电压源的第二电极，
其中所述介电层电性耦接至所述第一电极，
其中所述液滴致动表面包括共价键合至所述介电层的疏水层，和
其中，当所述第一电极和所述第二电极连接到所述AC电压源的相对端子时，衬底能够对与液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力；
将所述第一液滴与水性介质的第二液滴合并以形成组合液滴，其中所述第二液滴包含核酸聚合酶，并且其中所述组合液滴包含缓冲液和支持核酸聚合酶的聚合酶活性的前体(例如核苷酸、引物等)；和
在促进源自所述第一液滴的核酸扩增的条件下，在所述液滴致动表面上温育所述组合液滴。
45.根据权利要求44所述的方法，其中，在促进扩增的条件下温育所述组合液滴包括将所述微流体设备的温度调节至第一温度，所述第一温度足以使源自所述第一液滴的核酸部分地或全部地变性。
46.根据权利要求45所述的方法，其中，在促进扩增的条件下温育所述组合液滴包括进一步将所述微流体设备的温度调节至第二温度，所述第二温度促进源自第一液滴的核酸的引发和/或已引发核酸的基于模板的延伸。
47.根据权利要求44至46中任一项所述的方法，其中，所述疏水层是包含表面改性配体和将所述表面改性配体连接至表面的连接基团的单层，其中所述液滴致动表面具有式I的结构：
Figure FDA0002333436100000051
其中
Figure FDA0002333436100000052
是介电层的表面；
V是-P(O)(OY)W-或-Si(OZ)2W-；
W是-O-、-S-或-NH-并连接至表面；
Z是与附着于表面的相邻硅原子相连的键或者是与表面相连的键；
Y是与附着于表面的相邻磷原子相连的键或者是与表面相连的键；
R是氢或氟；
M是氢或氟；
h为0或2或3的整数，j为1，以及k为0或1；
m为0或1至20的整数；
n为0或1至20的整数；
(n+[(h+j)·k]+m)之和为11至25的整数；
当k为1时，则m至少为2且M是氢；和
当k为0且R是氟时，则m至少为2且M是氢。
48.根据权利要求47所述的方法，其中，V是-Si(OZ)2W-。
49.根据权利要求44至46中任一项所述的方法，其中，所述第一液滴进一步包含表面活性剂。
50.根据权利要求49所述的方法，其中，所述表面活性剂是非离子的并且具有大小大于750道尔顿的极性头基。
51.根据权利要求49所述的方法，其中，所述表面活性剂是聚山梨酯表面活性剂。
52.根据权利要求44至46中任一项所述的方法，其中，所述微流体设备是编号实施方案1至62中任一项的装置。
53.根据权利要求44至46中任一项所述的方法，其中，所述介电层由介电层堆叠组成，所述介电层堆叠包括：
通过PECVD沉积的氧化硅或氮化硅第一层；
通过ALD沉积在所述第一层上的金属氧化物第二层；和
通过ALD沉积在所述第二层上的氧化硅第三层，其中
与所述第二层相对的所述第三层的表面限定了介电堆叠的最外表面。
54.根据权利要求53所述的方法，其中，所述介电堆叠具有至少约40纳米的厚度。
55.根据权利要求53所述的方法，其中，所述介电堆叠具有大约50kOhms至大约150kOhms的阻抗。
56.一种用于操作微流体设备的系统，所述系统包括：
构造为保持微流体设备并与其可操作地耦合的支撑件，所述支撑件包括：
电信号产生子系统，其构造为当所述微流体设备由所述支撑件保持并与所述支撑件可操作地耦合时，在所述微流体设备中的一对电极之间选择性地施加偏压；
热控制子系统，其构造为当所述微流体设备由所述支撑件保持并与所述支撑件可操作地耦合时，调节所述微流体设备的温度，
所述热控制子系统包括
热控制电路、热敏电阻和珀尔帖热电设备，
其中所述热敏电阻位于所述支撑件中并且构造为测量接近所述微流体设备表面的位置的温度，
其中所述珀尔帖热电设备构造为与所述微流体设备表面相接，和
其中所述热控制电路构造为遵循将由所述热敏电阻测量的温度值与目标温度和珀尔帖热电设备的功率输出相关联的规则，所述规则包括：
如果所述目标温度和所述热敏电阻测量温度之差大于N，则将所述功率输出设置为第一值；
如果所述目标温度和所述热敏电阻测量温度之差等于或小于N且大于M，则将所述功率输出设置为小于所述第一值的第二值；和
如果所述目标温度和所述热敏电阻测量温度之差小于或等于M，则通过以所述热敏电阻测量温度作为输入的比例积分微分(PID)回路控制器确定功率输出，
其中M在5℃至15℃的范围内(例如，约7℃至约13℃，或约8℃至约12℃，或约9℃至约11℃)，并且N在1℃至5℃的范围内(例如，约2℃至约4℃，或约2.5℃至约3.5℃)。
57.根据权利要求56所述的系统，其中，所述第一值在所述珀尔帖热电设备的功率输出的70％至100％的范围内。
58.根据权利要求57所述的系统，其中，所述第二值是从将多个目标温度值与多个功率输出值相关联的校准数据确定的功率输出值，并且其中所述多个目标温度值包括0℃至100℃范围内的至少4个值。
59.根据权利要求58所述的系统，其中，通过使包括热电偶的校准芯片与所述珀尔帖热电器件在每个功率输出值处平衡，并将在平衡之后由所述热电偶记录的温度与所述功率输出值相关联从而来确定与所述功率输出值相关的目标温度值。
60.根据权利要求58所述的系统，其中，通过线性插值来确定与在校准数据中表示的值之间的目标温度值相对应的功率输出值。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111760599A (zh) * 2020-06-08 2020-10-13 广州大学 一种模块化可拼接微流体运输装置
CN111760600A (zh) * 2020-06-23 2020-10-13 深圳技术大学 一种微流控芯片及其制备方法与细胞分选方法

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SG10201900567QA (en) 2014-12-08 2019-02-27 Berkeley Lights Inc Microfluidic device comprising lateral/vertical transistor structures and process of making and using same
KR102551430B1 (ko) * 2016-12-01 2023-07-05 버클리 라잇츠, 인크. 미세-객체들을 이미징하기 위한 장치들, 시스템들 및 방법들
WO2018111765A1 (en) 2016-12-12 2018-06-21 xCella Biosciences, Inc. Methods and systems for screening using microcapillary arrays
WO2018183744A1 (en) 2017-03-29 2018-10-04 The Research Foundation For The State University Of New York Microfluidic device and methods
JP7227162B2 (ja) 2017-06-06 2023-02-21 ザイマージェン インコーポレイテッド 真菌株を改良するためのｈｔｐゲノム操作プラットフォーム
WO2019236848A1 (en) 2018-06-06 2019-12-12 Zymergen Inc. Manipulation of genes involved in signal transduction to control fungal morphology during fermentation and production
US20220091014A1 (en) 2019-01-24 2022-03-24 University Of Virginia Patent Foundation Method and system for impedance-based quantification and microfluidic control
CN110308271B (zh) * 2019-07-10 2021-03-30 江苏柯伦迪医疗技术有限公司 一种血小板功能检测系统及检测方法
CN113891961A (zh) * 2019-07-12 2022-01-04 深圳华大生命科学研究院 一种全基因组全流程微流控自动化建库方法和装置
CN114364785A (zh) * 2019-08-28 2022-04-15 深圳华大基因科技有限公司 对数字微流控设备的温度控制
CN112649597A (zh) 2019-10-10 2021-04-13 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 传感器和应用该传感器的检测装置
US20210205813A1 (en) * 2019-12-23 2021-07-08 National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc Contactless liquid loading to microfluidic devices
GB202005399D0 (en) * 2020-04-14 2020-05-27 Nuclera Nucleics Ltd A method of electrowetting
US11479779B2 (en) 2020-07-31 2022-10-25 Zymergen Inc. Systems and methods for high-throughput automated strain generation for non-sporulating fungi
TWI810565B (zh) * 2021-05-14 2023-08-01 國立清華大學 可攜式觀察微流道用環型螢光光路系統及其運作方法
KR20240033223A (ko) * 2021-06-02 2024-03-12 배비스 인코포레이티드 디지털 미세유체의 미세 영역 열 제어(micro-regional thermal control for digital microfluidics)
GB202109966D0 (en) * 2021-07-09 2021-08-25 Lightcast Discovery Ltd Improvements in or relating to a microfluidic device
WO2023141532A2 (en) * 2022-01-21 2023-07-27 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Detection of condensed amplification products

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011126892A2 (en) * 2010-03-30 2011-10-13 Advanced Liquid Logic, Inc. Droplet operations platform
CN103865789A (zh) * 2012-12-17 2014-06-18 台湾积体电路制造股份有限公司 集成生物实体操作和处理半导体器件的系统及方法
US20160158748A1 (en) * 2014-12-05 2016-06-09 The Regents Of The University Of California Single-sided light-actuated microfluidic device with integrated mesh ground

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5648211A (en) 1994-04-18 1997-07-15 Becton, Dickinson And Company Strand displacement amplification using thermophilic enzymes
US5705365A (en) 1995-06-07 1998-01-06 Gen-Probe Incorporated Kits for determining pre-amplification levels of a nucleic acid target sequence from post-amplification levels of product
JP2002525049A (ja) 1998-09-15 2002-08-13 イェール ユニバーシティ ローリングサークル増幅を用いる分子クローニング
DE69940623D1 (de) 1998-11-09 2009-04-30 Eiken Chemical Prozess zur Synthetisierung von Nukleinsäure
US6326173B1 (en) 1999-04-12 2001-12-04 Nanogen/Becton Dickinson Partnership Electronically mediated nucleic acid amplification in NASBA
US20050164402A1 (en) * 2003-07-14 2005-07-28 Belisle Christopher M. Sample presentation device
US9517469B2 (en) * 2005-05-11 2016-12-13 Advanced Liquid Logic, Inc. Method and device for conducting biochemical or chemical reactions at multiple temperatures
CN101218032A (zh) * 2005-05-25 2008-07-09 西门子公司 综合和自动化的dna或蛋白质分析系统及其运行方法
EP2481815B1 (en) * 2006-05-11 2016-01-27 Raindance Technologies, Inc. Microfluidic devices
KR100790880B1 (ko) * 2006-07-05 2008-01-02 삼성전자주식회사 자성 비드가 결합되어 있는 소수성 다공성 중합체가 벽면에결합되어 있는 마이크로채널 또는 마이크로챔버를포함하는 미세유동장치 및 그를 이용하는 방법
WO2008091848A2 (en) * 2007-01-22 2008-07-31 Advanced Liquid Logic, Inc. Surface assisted fluid loading and droplet dispensing
CN101679932A (zh) * 2007-06-27 2010-03-24 数字化生物系统 用于热交换化学过程的基于数字微流体的装置
US8093064B2 (en) * 2008-05-15 2012-01-10 The Regents Of The University Of California Method for using magnetic particles in droplet microfluidics
WO2011020011A2 (en) * 2009-08-13 2011-02-17 Advanced Liquid Logic, Inc. Droplet actuator and droplet-based techniques
US8685325B2 (en) * 2010-03-09 2014-04-01 Sparkle Power Inc. Field-programmable lab-on-a-chip based on microelectrode array architecture
WO2013106588A1 (en) * 2012-01-10 2013-07-18 President And Fellows Of Harvard College Modification of surfaces for fluid and solid repellency
CN102866193B (zh) * 2012-09-04 2015-04-01 吴传勇 基于介电泳来操控液体中的粒子的器件及方法
WO2014167858A1 (ja) * 2013-04-12 2014-10-16 パナソニック株式会社 溶媒制御方法およびエレクトロウェッティング用溶媒
US20150259754A1 (en) * 2014-03-14 2015-09-17 Uti Limited Partnership Droplet-based microfluidic device having a plurality of reaction sites
US20150306598A1 (en) * 2014-04-25 2015-10-29 Berkeley Lights, Inc. DEP Force Control And Electrowetting Control In Different Sections Of The Same Microfluidic Apparatus
SG11201608499XA (en) * 2014-04-25 2016-11-29 Berkeley Lights Inc Providing dep manipulation devices and controllable electrowetting devices in the same microfluidic apparatus
US10578630B2 (en) * 2014-12-09 2020-03-03 Berkeley Lights, Inc. Automated identification of assay areas in a microfluidic device and detection of assay positive areas based on rate of change of image light intensity
JP6891169B2 (ja) * 2015-10-27 2021-06-18 バークレー ライツ，インコーポレイテッド 共有結合した疎水性表面を有するマイクロ流体エレクトロウェッティングデバイス装置
CN106291911B (zh) * 2016-08-10 2019-06-11 华南师范大学 复合层结构的疏水性介电层、其制备方法和电润湿器件

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011126892A2 (en) * 2010-03-30 2011-10-13 Advanced Liquid Logic, Inc. Droplet operations platform
CN103865789A (zh) * 2012-12-17 2014-06-18 台湾积体电路制造股份有限公司 集成生物实体操作和处理半导体器件的系统及方法
US20160158748A1 (en) * 2014-12-05 2016-06-09 The Regents Of The University Of California Single-sided light-actuated microfluidic device with integrated mesh ground

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111760599A (zh) * 2020-06-08 2020-10-13 广州大学 一种模块化可拼接微流体运输装置
CN111760599B (zh) * 2020-06-08 2022-03-18 广州大学 一种模块化可拼接微流体运输装置
CN111760600A (zh) * 2020-06-23 2020-10-13 深圳技术大学 一种微流控芯片及其制备方法与细胞分选方法

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