CN112892621A - 用有感应装置的ewod设备集中液滴中的粒子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用具有感应装置的EWOD设备集中液滴中的粒子的方法。操作电介质上电润湿(EWOD)设备的微流体系统和相关方法进行操作以将粒子集中在分配到EWOD设备的元件阵列上的液滴中。该方法包括以下步骤：在EWOD设备的元件阵列上提供非极性液体；将极性液滴提供到所述EWOD设备的元件阵列上的所述非极性液体内，其中极性液滴包括粒子；以及施加包括多个致动模式的致动周期，其中致动模式中的至少一个包括致动极性液滴的周界内的一个或多个阵列元件电极，并且粒子在极性液滴内迁移以集中在与多个致动模式中的一个相对应的一个或多个阵列元件电极处的一部分液滴内。

Description

用有感应装置的EWOD设备集中液滴中的粒子的方法

技术领域

本申请涉及一种微流体设备，并且涉及在这样的设备中设置的液滴内集中粒子的方法。更具体地，本申请涉及电介质上电润湿(EWOD)微流体设备，诸如例如，电介质上有源矩阵电润湿(AM-EWOD)微流体设备。已知的EWOD设备用于操纵电极元件阵列上的液滴。AM-EWOD指在并入了晶体管的有源矩阵阵列中实现EWOD，例如通过使用薄膜晶体管(TFT)。

背景技术

微流体技术是一个快速扩展的领域，涉及小规模的流体的操纵和精确控制，通常涉及亚微升的体积。在研究和生产中，将微流体应用于化学或生化分析和合成的关注度不断增长，并应用于医疗保健诊断以提供“芯片实验室”系统。在“芯片实验室”实现方式中，与传统的基于实验室的测试相比，此类设备的小巧性使得可以在需要的时候使用少得多的临床样品和试剂量进行快速测试。

微流体设备具有一个或多个通道(也通常称为间隙)，其至少一个维度小于1毫米(mm)。在微流体设备中分析的常见流体包括全血样本、细菌细胞悬液、蛋白质或抗体溶液以及各种缓冲液。微流体设备可用于获得各种受关注的测量结果，包括分子扩散系数、液体粘度、pH、化学结合系数和酶反应动力学。微流体设备的其它应用包括毛细管电泳、等电聚集、免疫测定、酶促测定、流式细胞术、用于经由质谱分析的蛋白质样品注射、PCR扩增、DNA分析、细胞操纵、细胞分离、细胞模式和化学梯度形成。这些应用中的许多都可用于临床诊断。

已知许多用于在亚毫米范围内操纵流体的技术，其主要特征在于层流和表面力对体积力的支配力。大多数技术属于连续流系统，通常使用笨重的外部管道和泵。相反，采用离散液滴的系统具有更大的功能灵活性的优点。

电介质上电润湿(EWOD)是一种众所周知的技术，可通过施加电场来处理离散的液滴。因此，它是用于芯片实验室技术的微流体技术的候选技术。可以在“Digitalmicrofluidics：is a true lab-on-a-chip possible？”(R.B.Fair，MicrofluidNanofluid(2007)3：245-281)中找到该技术的基本原理的介绍。

图1以截面图示出了常规EWOD设备的一部分。该设备包括下基板72，在其上设置有导电材料，该导电材料被图案化，从而实现多个阵列元件电极38(例如，图1中的38A和38B)。给定阵列元件的电极可以称为元件电极38。包括极性材料(通常也是水性和/或离子性)的液滴4被约束在下基板72与上基板36之间的平面中。两个基板之间的合适间隙构成了两个基板之间的流体腔室或通道间隙，例如通过间隔件32创建。非极性液体34(例如，油)可用于占据液滴4未占据的通道间隙的体积的一部分。设置在下基板72上的绝缘体层20将导电元件电极38A、38B与第一疏水涂层16分开，液滴4以用θ表示的接触角6位于第一疏水涂层16上。疏水涂层由通常(但不是必须)为含氟聚合物的疏水材料形成。

在上基板36上是第二疏水涂层26，液滴4可以与第二疏水涂层26接触。参考电极或公共电极28介于上基板36与第二疏水涂层26之间。

液滴与绝缘体层的疏水表面具有接触角6。接触角6由(1)从疏水涂层16到液滴4的液体(γSL)界面，(2)从液滴4的液体到周围的液体介质34(γLG)界面，以及(3)从疏水涂层16到周围的液体介质34(γSG)界面的表面张力分量的平衡确定。当没有电压施加到设备电极时，接触角6满足杨氏定律，并且由以下公式给出大小θ：

cosθ＝((γSG-γSL)/γLG)(等式1)。

在操作中，被称为电润湿(EW)驱动电压的电压(例如，图1中的V_T、V₀和V₀₀)可以从外部施加到不同的电极(例如，分别是参考电极28、元件电极38、38A和38B)。建立的所得电力有效地控制疏水涂层16的疏水性。通过布置不同的EW驱动电压(例如，V₀和V₀₀)以施加到不同的元件电极(例如，38A和38B)，液滴4可以在两个基板72与36之间的侧向平面上移动。

图2是以示意性透视图描绘示例性AM-EWOD设备的附加细节的图，其可以结合图1中的分层结构。AM-EWOD设备具有下基板72，在下基板72上设置有薄膜电子器件74，并且参考电极(未示出，但与上面的参考电极28相当)并入到上基板36(对应于图1的上基板)中。备选地，电极配置可以与图2中所示的相反，其中薄膜电子器件并入到上基板中，并且参考电极并入到下基板中。薄膜电子器件74被布置为驱动阵列元件电极38。例如，与阵列元件电极相关联的薄膜电子器件74可以包括由EWOD控制单元控制的一个或多个薄膜晶体管(TFT)。多个阵列元件电极38布置在电极或元件阵列42中，具有阵列元件的X乘Y构造，其中X和Y可以是任何整数。可以包括任何极性液体并且通常可以是水性的液滴4被封闭在由间隔件32分开的下基板72和上基板36之间，但可以理解，可以存在多个液滴4。

如上面关于代表性的EWOD结构所描述，由两个基板限定的EWOD通道或间隙通常最初并且优选地填充有非极性填充液34(例如，油)。包括极性材料的液滴4，即通过EWOD设备的操作要被操纵的液滴从液体的外部储液器被输入到EWOD通道或间隙中。外部储液器可以是例如吸液管，或者可以是并入微流体仪器塑料壳体中的结构，该微流体仪器塑料壳体可容纳EWOD设备。当从储液器中输入用于液滴的液体时，填充液将被置换并从EWOD通道中去除。

以下描述EWOD设备的示例配置和操作。US 6911132(Pamula等人，2005年6月28日发布)公开了一种二维EWOD阵列，用于控制二维液滴的位置和移动。US 6565727(Shenderov，2003年5月20日发布)进一步公开了用于其它液滴操作的方法，包括液滴的分裂和合并，以及将不同材料的液滴混合在一起。US 7163612(Sterling等人，2007年1月16日发布)描述了如何使用基于TFT的薄膜电子器件，通过使用与有源矩阵显示技术非常相似的电路布置来控制电压脉冲对EWOD阵列的寻址。

EWOD设备可用于通过操纵油基质中的水性液滴来最小化和自动化生化/化学过程。例如，EWOD设备可用于分裂，移动，合并和混合液滴。通常，生化/化学工作流程涉及对生化/化学样品进行一系列反应，每个步骤都涉及将一个或多个包含该步骤所需试剂的液滴与样品液滴合并。将包含试剂的液滴合并到样品液滴中的过程意味着，随着工作流程的进行，样品液滴的体积通常会增加，并且反应液滴的成分成为工作流程产品以及任何剩余的反应物和副产物的总和。

EWOD设备通常作为微流体系统的一部分来操作，该微流体系统包括控制系统，该控制系统被配置成控制施加到EWOD设备(或其它微流体设备)的电极阵列的致动电压，以对液滴执行操纵操作。例如，图3是描绘微流体系统1的操作部分的示意性方框图。系统1包括EWOD(或其它微流体)设备2，在该示例中为有源矩阵EWOD(AM-EWOD)设备，以及电子控制单元3。控制单元3包括电极控制电子器件3a和运行适当软件的处理器3b，该软件存储在非暂时性计算机读取器介质3c上，该介质可以是任何适当的计算机可读存储设备。存储设备3c可以存储任何应用软件和与系统相关联的任何数据。电极控制电子器件3c在处理器3b的控制下生成构成致动电压的致动数据信号5，该致动电压被施加到微流体设备2的上述参考元件电极38和公共电极28，例如，以实现预定的液滴操纵顺序。图3示出了处理器3b与控制电子器件3a分离并且通过数据链路7与控制电子器件3a通信，但处理器3b和控制电子器件3a可以可替代地彼此集成。图3示出了电极控制电子器件3a与EWOD设备2分离并且经由电连接器8与EWOD设备通信，但是控制电子器件3a和EWOD设备2可以可替代地彼此集成。控制电子器件可以包括合适的电路和/或处理设备，该处理设备被配置成执行与EWOD设备的控制有关的各种控制操作，该处理设备诸如是CPU、微控制器或微处理器。

控制电子器件3a可以进一步从EWOD设备2的一个或多个传感器(未示出)接收传感器数据信号9。传感器数据信号9可以包括通过经由集成感测电路以感应模式操作EWOD阵列元件而获得的信号，该集成感测电路是阵列元件电路的一部分，和/或传感器数据信号9可以包括由EWOD阵列元件外部的一个或多个传感器获得的信号，所述传感器诸如例如是照明和/或检测光学器件、热控制单元或与液滴4相互作用的磁性系统中的一个或多个。

存在测量EWOD设备中的液滴的电性能的已知方法。Schertzer(Sensors andActuators B 145(2010)340-347)描述了通过底基板电极的复杂阻抗测量可以如何确定液滴电导率。US 2014/0194305(Kayyem等人，2014年7月10日公开)也描述了一种电润湿设备，其在底基板上具有检测电极以执行电化学感测。US 7163612(以上参考)描述了传感器电路可以如何集成到上基板上。

介电电泳(DEP)是一种可用于操纵悬浮在液体介质中的粒子的技术，该技术在50年前就首次被证明。在最近的评论中，Hughes(BIOMICROFLUIDICS 10，032801(2016))讨论了DEP自首次发现以来的发展。

DEP通常涉及施加MHz量级的高频信号，DEP力与液体体积相关联(这不同于赋予表面效果的电润湿力)。DEP与电润湿有关，因为这两种机制分别是极性液体对电场的机电响应的高频和低频极限。Jones等人的“Frequency-Based Relationship of Electrowettingand Dielectrophoretic Liquid Microactuation”，Langmuir 2003，19，7646-7651给出了探讨EWOD和DEP之间关系的详细理论处理。DEP还可用于操纵悬浮在液体中的粒子，DEP力是由粒子和周围液体的不同偶极矩引起的。DEP力取决于粒子的大小，电场的大小以及在特定频率下粒子与液体之间复介电常数的差异，这由Clausius-Mossotti因子定义。Fan等人的(Lab Chip，2008，8，1325-1331)公开了通过频率调制介电电泳和电润湿对细胞和液滴进行跨尺度电操作，其中他们讨论了EWOD和DEP的原理，并指出通常使用1kHz量级的信号执行EWOD，而DEP使用2MHz量级的信号。

Hadwen等人的(EP 2570188，2013年3月20日公开)公开了一种用于通过电润湿和介电电泳进行液体控制的有源矩阵设备，使用DC或相对低频AC电压波形以通过EWOD操纵液滴以及使用相对高频AC电压波形以通过DEP操纵液滴的驱动方法。

因此，鉴于上述原因，常规微流体系统将需要采用两种不同的驱动方案或协议，用于使用EWOD来执行大液滴操作相对于使用DEP来执行给定液滴中的粒子操纵。特别地，将采用低频驱动方案来执行EWOD液滴操纵，而将采用高频驱动方案来执行液滴内的粒子操纵。通过使用这样的不同频率，常规系统将并入不同组的电极，其中一组电极用于EWOD液滴操纵，而第二组电极用于DEP粒子操纵。这导致复杂的电极结构和相关联的驱动方案，这使得难以在单个微流体设备中同时实现EWOD和DEP。

发明内容

本申请的实施例提供了用于在包含在EWOD设备内的水性液滴内操纵或定位粒子或粒子组的方法。当在EWOD设备上的液滴中包含细胞、其它粒子或类似物体时，粒子往往会散布在整个液滴占据面积上(均匀或不均匀)，从而进行计数，识别，浓缩或可视化细胞/粒子/物体会困难。因此，在EWOD设备上的液滴占据面积内精确移动或控制细胞/粒子/物体的位置的能力将使单个粒子或多个粒子能够定位在液滴内的精确或集中位置，这将提高计数低细胞密度制剂中的细胞或其它粒子的数目并成像的能力，以及在使用较高细胞密度的制剂时，在液滴内相同位置集中大量细胞或其它粒子的能力。

单个极性液体液滴中细胞/粒子/物体的选择性定位或移动是通过在液滴内电润湿致动来施加静电力而实现的，该静电力旨在移动液滴中包含的物体，但不会引起液滴本身的整体移动。通过致动液滴周界的下方和内部包含的单个阵列元件或阵列元件的有组织的组并以限定的时间序列来实现电场的模式。液滴的周界在本文中定义为线(通常称为接触线)，该线限定液滴的边界边缘，在液滴的边界边缘处，液滴与EWOD电极阵列的疏水涂覆的上表面接触。

因此，以相同方式驱动的相同电极既可以用于通过EWOD进行液滴操纵，或可以用于通过DEP进行液滴中粒子的移动，其优点在于，对于应用致动模式鄂过程和方式，均使用相同的电极。具有时间序列的致动模式的优点在于该序列加快了液滴内的细胞/粒子/物体的移动。

本申请的实施例包括通过液滴占据面积内包含的特定电极或电极序列的选择性和协调致动来最大化地将悬浮在被EWOD设备中的非极性液体包围的极性液滴内的粒子群操纵到液滴内的离散位置的方法。实施例可以包括施加一个或多个阵列元件的多个致动模式的致动周期。致动周期可以包括第一致动模式，以致动极性液滴的周围和下方的第一组EWOD电极；应用第二致动模式以致动第一致动模式的周界内的第二组EWOD电极；以及施加进一步的致动模式，直到最后一个或多个EWOD电极被致动，在该点以上，粒子将被聚集或集中在液滴内的选定位置。一旦粒子被聚集或集中在选定位置，就可以通过施加电润湿力来执行液滴操纵操作，以分裂液滴以产生包括基本上所有粒子的第一子液滴和包括基本上不包括粒子的第二子液滴。

在示例性实施例中，致动周期可以包括按顺序地施加递减的同心系列的致动模式以将粒子聚集到致动周期的终端电极上方的区域，并且通过间歇性致动端子电极而将粒子保持在聚集或集中位置。每个致动模式可以包括在液滴中心处的单个阵列元件或电极的连续致动，或者致动电压(开/关)或致动切换频率的交替模式。致动周期可以包括施加到阵列电极组的致动电压的连续或交替的模式，电极面积从由液滴的大小确定但是在液滴的边缘内部的开始区域开始依次减小，从而减轻引起液滴整体移动，并且随后的周期致动模式是电极的数量或相对于起始区域的面积减小。电极的致动区域具有各种模式，诸如致动电极的实心组，围绕未致动电极的区域的外部致动电极的环或致动电极和未致动电极的棋盘模式。

本申请的实施例可用于分离不同的生物实体(例如蛋白质与核酸)。在示例性实施例中，第一群体的粒子被配置成捕获蛋白质，而第二群体的粒子被配置成捕获核酸。粒子群体具有不同的尺寸和/或不同的成分，因此具有不同的介电常数，因此，本申请的此类方法可用于在所得电场的影响下将粒子类型与另一粒子类型分离。

操作电介质上电润湿(EWOD)设备的微流体系统和相关方法可将粒子集中在分配到EWOD设备的元件阵列上的液滴中。该方法包括以下步骤：在EWOD设备的元件阵列上提供非极性液体；在非极性液体内的EWOD设备的元件阵列上提供极性液滴，其中极性液滴包括粒子；以及施加包括多个致动模式的致动周期，其中致动模式中的至少一个包括致动位于极性液滴的周界内的一个或多个阵列元件电极，并且粒子在极性液滴内迁移以集中在与多个致动模式中的一个相对应的液滴的一个或多个阵列元件电极处的一部分液滴处。

为了实现前述和相关目的，本发明则包括在下文中充分描述并且在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的某些说明性实施例。然而，这些实施例仅指示可以采用本发明的原理的各种方式中的几种。当结合附图考虑时，根据本发明的以下详细描述，本发明的其它目的、优点和新颖特征将变得显而易见。

附图说明

图1是EWOD设备的示意性截面图。

图2是EWOD设备的示意性透视图。

图3是包括EWOD设备的微流体系统的示意图。

图4A是描绘操纵悬浮在极性液滴中的粒子的方法的第一变型的图。

图4B是描绘操纵悬浮在极性液滴中的粒子的方法的第二变型的图。

图4C是描绘了指示当元件电极处于导通与断开状态时施加的示例性方波致动电压的时序图的图。

图5A是描绘操纵悬浮在极性液滴中的粒子的方法的第三变型的图。

图5B是描绘操纵悬浮在极性液滴中的粒子的方法的第四变型的图。

图5C是描绘图5B的第四变型的图，描绘了当施加致动电压时在元件电极附近的非极性液体的厚度的变化。

图6A是描绘操纵悬浮在极性液滴中的粒子的方法的第五变型的图。

图6B是描绘操纵悬浮在极性液滴中的粒子的方法的第六变型的图。

图7A是描绘操纵悬浮在极性液滴中的粒子的方法的第七变型的图。

图7B是描绘操纵悬浮在极性液滴中的粒子的方法的第八变型的图。

图7C和图7D是操纵悬浮在极性液滴中的粒子的方法的第九变型的图。

图7E是描绘操纵悬浮在极性液滴中的粒子的方法的第十变型的图。

图7F是描绘操纵悬浮在极性液滴中的粒子的方法的第十一变型的图。

图8A是描绘操纵悬浮在极性液滴中的粒子的方法的第十二变型的图。

图8B是描绘操纵悬浮在极性液滴中的粒子的方法的第十三变型的图。

图9是描绘可以与本申请的实施例一起使用的备选元件阵列设计的图。

图10是描绘可以与本申请的实施例一起使用的备选元件电极设计的图。

图11A和图11B是描绘穿过EWOD设备的截面图的图，提供了通过本申请的方法对液滴内的粒子进行操纵的示意表示。

图12A和图12B是描绘对在AM-EWOD设备中悬浮在极性液滴内的红细胞进行操纵的图。

图13A和图13B是描绘当聚合物珠粒悬浮在缓冲介质或蒸馏水中时对聚合物珠粒进行操纵的图。

图14A和图14B是描绘当活的Jurkat细胞悬浮在缓冲介质中时对活的Jurkat细胞进行操纵的图。

具体实施方式

现在将参考附图描述本申请的实施例，其中贯穿全文，相似的参考标号用于指代相似的元件。将理解，附图不一定按比例绘制。

如参考图2所示，EWOD设备的腔室通常首先至少部分地填充有非极性液体，诸如油，该非极性液体占据上基板36与下基板72之间未被极性液滴4占用的空间。如上文参考图3所描述，在EWOD控制单元3的控制下，极性液滴4可以通过电润湿力从元件阵列42的一个元件电极38移动到另一个。当极性液滴已经移动到EWOD设备的EWOD通道内的所期望位置，集成到各个元件电极38的阵列元件电路中的传感器产生指示液滴位置和大小(诸如液滴驻留在其上的元件电极的数量)的反馈。例如，在申请人的美国专利No.10,078,986号(Hadwen等人，2018年9月18日授权)中描述了这种传感器反馈，其内容通过引用方式并入本文中。

图4至图8是描绘操作EWOD设备的方法的变型，该EWOD设备用于通过介电电泳力(DEP)来操纵悬浮在极性液滴内的粒子。当去除已经用于将液滴输送到电极阵列上的期望位置的电润湿力时，从上方观察时，液滴松弛以采取基本上圆形的轮廓。一旦通过电润湿操作确定了液滴的位置和大小，就可以执行聚集或集中粒子的过程，诸如细胞(活的或固定的)、珠粒(聚苯乙烯、乳胶、胶体金)、磁性/顺磁珠粒、蛋白质核酸或可悬浮在极性液滴内的其它粒子。

图4A和图4B描绘了第一变型，其中极性液滴4位于多个阵列元件电极38上，并且在该示例中，元件电极的5×5部分与液滴接触。在该第一示例中，与将被施加以通过电润湿引起液滴移动的致动类似地致动位于液滴的占据面积下方和之内的单个元件电极100。通常，在EWOD操作中优选并且如在本申请的实施例中所使用，致动电压是交流(AC)电压信号。通常，EWOD系统优选使用AC电压信号以减少表面极化和充电的影响，并利于液滴的可靠且一致的移动。通常，使用频率范围为10Hz-10kHz的方波电压脉冲来实现AC致动，通常优选100Hz-1kHz之间的值。可以选择方波而不是正弦波，这是因为更便于实现。另外，用正弦波进行电润湿致动需要的峰值电压是两倍方波峰值电压的平方根，有效电润湿电压是均方根值。另外，方波致动对于并入TFT电子底板的有源矩阵EWOD更为方便。使用TFT进行有源矩阵致动的典型频率在100Hz至10kHz之间，并且由于功耗增加以及将高频信号通过TFT电路传递到元件电极的潜在困难，因此较高的频率并不是优选的。对于包括大量行和列的大幅面阵列，这尤其明显。典型的方波脉冲信号的上升时间可以在10ns至1us之间，通常约为100ns。

为了控制油围绕液滴边界的移动，AC致动优选用于利用液滴进行粒子操纵，如下所述。在使用方波电压信号进行AC致动的情况下，关于克劳修斯·莫索蒂(ClausiusMossotti)因子的定义以及随后的介电电泳力的大小，有效频率可以计算为每个贡献频率分量的总和(例如，根据方波致动信号的傅立叶分解得出)。

如下文进一步详细说明，当将这种致动电压施加到位于液滴范围内的阵列元件100时，悬浮在液滴内的粒子在DEP力的作用下趋向于朝向被致动的阵列元件电极迁移。在图4A的示例中，在粒子操纵的持续时间内连续地致动阵列元件电极100。

图4B描绘了图4A的变型，其中被致动的阵列元件100未被致动或连续地处于“导通”状态。更确切而言，以包括致动的“导通”帧(帧1)和未致动的“断开”帧(帧2)的交替模式的致动周期来驱动致动的阵列元件100。图4C描绘了示例性致动序列的电压对时间的曲线图，该示例性致动序列可以例如结合图4B中标识的帧应用于致动模式。图4C中的y轴示出了被致动元件电极与参考电极之间的电势差，并且x轴指时间(未按比例)。通常，使用方波电压信号来实现致动。在图中示出了导通状态的致动周期T_EW(1/致动频率)和帧更新时间T_frame(＝1/帧更新频率)。El_on(方波模式)表示处于导通状态的帧，诸如在图4B中将其描绘为帧1，而El_off(平线)表示处于断开状态的帧，诸如在图4B中将其描绘为帧2。在如图4C中所示的示例性实施例中，T_frame处于10Hz量级，而T_EW处于kHz量级。

利用电润湿机构，当将致动电压施加到具体地位于液滴的接触线(即液滴与填充液(油)之间的边界)处的一个或多个阵列元件38时，施加横向动力，此处液滴接触限定EWOD通道的疏水表面。当这种致动电压已经被施加到位于液滴的接触线处的元件电极时，这改变了液滴与下基板72之间的接触角，并且液滴通过电润湿力被拉向所施加的致动，导致液滴在元件阵列上的整体移动。这种影响整体液滴的液滴操纵构成了典型的EWOD操作。本申请的实施例还提供了施加驱动电压以通过DEP力操纵液滴内的粒子，这与通过EWOD力使液滴的整体移动相反。

当如结合图4A和图4B所完成的那样进行操纵液滴内的粒子时，相反，被施加了致动电压的被致动元件电极100在液滴的周界内而不是在接触线处。如上所述，液滴的周界在本文中定义为线(通常称为接触线)，该线限定了液滴的边界边缘，此处，液滴与EWOD电极阵列的疏水涂覆的上表面接触。因此，没有在液滴的边缘施加动力以使液滴在下基板72的表面上迁移。换句话说，当液滴的周界下方和内部的阵列元件100根据图4A和图4B被致动时，基本上没有液滴的整体移动。发明人还进一步观察到，悬浮在液滴中的粒子将趋向于朝向被致动的阵列元件100迁移。以这种方式，悬浮在液滴内的粒子可以在没有液滴自身的整体移动的情况下通过致动在液滴的周围和下方的阵列元件而不是在液滴的边界处的阵列元件来被操纵。

如图4A的示例中所描绘，单个元件电极100被致动，其中在粒子操纵的持续时间内施加连续的导通状态。在这样的条件下，将电压施加到元件电极100，这使疏水层的相对疏水性发生改变。液滴周界内的所有它元件电极38保持断开状态。在图4B的示例中，将致动周期施加到与图4A中相同的单个元件电极100，由此，根据帧1和帧2，首先致动阵列元件电极，然后将其解除致动，从而以选定帧更新频率在导通与断开状态之间循环。例如，更新频率可以在0.1Hz和50Hz之间，或者在1Hz和10Hz之间。在一个合适的示例中，采用5Hz的帧更新频率，即，元件电极100以交替的间隔在200ms内导通或断开。在协议期间或几分钟的持续时间内，悬浮在液滴中的粒子朝向被致动元件电极100迁移。已经观察到，当电极的致动在如图4B所示以5Hz导通/断开与如图4A中所示持续保持导通之间循环时，液滴中的粒子朝向被致动元件电极的迁移速度更快。然而，在图4A和图4B的操作中，观察到在任一致动条件下的粒子在致动协议的持续时间内在被施加电压的被致动元件电极100的区域中累积。

图5A和图5B示出了图4A和图4B的上述方法的变型，其中致动多个阵列元件或阵列元件区域而不是单个阵列元件电极。在该示例中，液滴4被示出为具有近似跨过六个元件电极38的直径。在该示例中，致动一组或多个相邻的阵列元件102，而不是如图4A和图4B所示的单个阵列元件电极。图5A和图5B示出了示例，其中一组被致动的相邻阵列元件102构成元件电极的2×2模式，但是可以采用任何合适数量的被致动的阵列元件。再次，被致动的元件电极在液滴的周界内而不是与周界/接触线相交，因此致动对液滴的边缘没有影响(即，致动不会通过电润湿导致液滴的整体移动)。与单个阵列元件的致动(这可能不足以影响整个液滴上的粒子)相比，使用致动的相邻的阵列元件102的组或多个相邻的阵列元件102可以结合更大的液滴提供更增强的粒子操纵。

在图5A的特定示例中，多个元件电极102被连续地致动以在粒子操纵协议的时间(类似于图4A，用于单个元件致动)时保持在导通状态，而在图5B的示例中，在帧1和帧2中间歇地致动和解除致动多个元件电极102，以在导通和断开状态之间循环(类似于图4B，用于单个元件致动)。在图5B的示例中，导通/断开频率也可以是5Hz，对应于每个导通和断开状态的200ms持续时间或周期。当电极在导通和断开状态之间循环时(图5B)，与它们持续导通时(图5A)相比，朝向被致动的2×2元件电极组迁移的粒子的迁移率再次更高，尽管在任一致动条件下仍观察到粒子迁移。另外，在所有其它条件相同的情况下，与图4A/图4B的单个元件致动相比，在图5A/图5B的区域致动示例中，通常粒子朝向被致动元件电极的迁移速率更大。这些各种方法的结果是使粒子变得集中在液滴的期望位置或期望部分内。

包括要操纵的粒子的液滴越大，操纵粒子将它们集中在液滴的特定位置或部分的难度就越大，因为粒子最初可能位于相对较大液滴的整个范围内。在某些情况下，甚至如结合图5A/图5B完成的那样进行致动多个阵列元件可能不足以影响相对较大液滴的整个范围内的粒子。因此，图6A和图6B描绘了施加致动周期的示例，该致动周期包括可能更适合于较大液滴的顺序致动模式。

在图6A的示例中，在减少数量的元件电极38上应用构成多个致动模式的序列的致动周期。在该示例中，第一组相邻的阵列元件104(例如，在该示例中是5×5元件电极区域)在致动周期的第一帧1中被致动。尽管被致动元件电极组104在液滴的周界内，但是帧1的被致动区域的拐角接近液滴的边缘或接触线，以覆盖更大范围的液滴。在致动第一组104一段时间之后，第二组阵列元件106在致动周期的第二帧2中被致动，与第一组104相比，第二组106具有更少的阵列元件。在该示例中，将帧1的5×5区域致动模式减小为帧2的3×3区域致动模式。在致动第二组106一段时间后，第三组阵列元件108在致动周期的第三帧3中被致动，与第二组106相比，第三组108具有更少的阵列元件。在该示例中，帧2的3×3区域致动模式减小为用于帧3的单个被致动的阵列元件。

致动模式序列可以以5Hz的帧更新频率循环以切换帧，因此对于给定的帧，每个区域都处于导通状态达200ms。换句话说，每个帧具有200ms的致动持续时间，因此，通过图6A的三个帧的整个循环为600ms。对于给定的致动周期，随着对于随后的帧的致动模式减小，基本上外部元件电极被断开，最终导致单个元件电极108在帧3处保持导通，然后在适于将粒子聚集或集中在单个阵列元件108处的致动协议的持续时间内重复该周期。在图6B所示的变型中，将第四帧4并入到致动周期中，其中所有元件电极均处于断开状态。在每个帧持续200ms的情况下使用5Hz循环，因此图6B的整个周期在包括帧4的情况下持续800ms。

进一步参考图6A和图6B的示例，随着致动周期在三个或四个帧上反复循环，粒子越来越多地被拉向单个元件电极108。因此，在整个致动协议期间，当粒子变得集中时，将变得不必采用帧1的较大致动模式，然后是帧2的中间致动模式，因为粒子被拉近并更集中在单个阵列元件108周围。因此，示例性的致动协议可能涉及在30至40分钟的时间内循环通过各种致动模式，最大的致动模式在适当的时间段后从致动周期中去除。因此，参考图6B为例，整个致动周期最初具有800ms的周期持续时间，如以上通过帧1-4所引用。在此初始循环的10分钟之后，现在粒子变得更加集中，不再不必要地致动5×5模式104，因此每个周期都以3×3致动模式106的致动开始。由于不再致动5×5的致动模式，因此这将整个周期时间减少到600ms。再过10分钟(从启动致动协议开始后20分钟)之后，现在粒子变得更加集中，不再不必要地致动3×3模式106，因此每个周期都从启动单个阵列元件电极108开始。由于不再致动5×5和3×3两者的致动模式，因此将总循环时间减少到400ms(导通和断开状态)。因此，整个协议的结果是将粒子集中在单个阵列元件电极108周围。因此，实施例可以包括执行包括第一部分和第二部分的致动协议，该第一部分包括整个致动周期，而该第二部分排除第一帧。致动协议还可以包括附加部分，其从第一帧开始连续地消除同心的帧，直到仅致动内部最同心的帧为止。

将理解，在致动周期中的致动模式帧的数量，与致动周期的每个帧的每个致动模式相关联的阵列元件的大小或数量，帧更新频率以及致动周期中的每个帧的合成周期，和/或减小的致动模式的协议部分的持续时间，可以根据情况而变化。可以基于诸如液滴大小、液滴成分、粒子类型等的变量来选择和优化这类参数。因此，图7A至7F是描绘根据本申请的实施例可以采用的每个帧的致动周期和组成致动模式的变化的图。

对于甚至更大的液滴，图7A的示例描绘了与图6A和图6B的示例相比，对于每个帧采用更大的致动模式的时间序列的致动周期。在图7A的该特定示例中，帧1的6×6致动模式110之后是帧2的4×4致动模式112和帧3的2×2致动模式114。该示例示出在使用不同尺寸的致动模式的情况下，最终致动模式可以大于单个阵列元件(可与图5A/5B所示相当)。图7B示出了与图6B相当的变型，其中包括第四帧4，其中所有阵列元件都保持在解除致动的断开状态。可以采用任何合适的帧的频率/周期。例如，当采用5Hz帧更新频率时，每个帧的持续时间为200ms，这导致整个周期时间在图7A中为600ms，而在图7B中为800ms，其中包括第四断开帧4。另外，完整的反应协议可以包括减小致动模式的时间段，由此所有帧最初都在致动周期中使用，其后是其中帧1不是致动周期的一部分的协议部分，然后是其中帧1和帧2不是致动周期的一部分的协议部分。另外，致动模式的变化率以及当从最大致动模式减小到最小致动模式时可以执行的周期数可以变化。

使用来自EWOD阵列元件电路或外部传感器的传感器反馈，可以动态更改可以实现的致动最大模式的周期数。因此，当传感器反馈指示粒子占据了暴露于最大致动模式(如图6和图7中所描绘的5×5或6×6)的液滴部分时，EWOD控制系统可能不再致动最大模式，使得仅按顺序地致动中间和较小的图案，直到一旦将粒子拉到液滴的期望位置，最终仅使用最小的致动模式。在所示的示例中，最小的致动模式位于液滴内的中心，但是可以采用针对液滴内任何合适位置的致动周期。另外，因此，实施例可以包括执行包括第一部分和第二部分的致动协议，该第一部分包括整个致动周期，而该第二部分不包括第一帧。致动协议还可以包括附加部分，其从第一帧开始连续地消除同心的帧，直到仅致动内部最同心的帧为止。

图7C至图7F示出了每个帧的致动周期和组件致动模式的另外的变型，其也可以用于相对较大直径的液滴。在图7C的示例中，致动周期包括施加在相同数量的元件电极(例如，在该示例中为6×6元件电极)上的致动模式的时间序列，但最初致动(导通)外部元件电极时所有帧中不致动中心元件电极。因此，在使用6×6元件阵列的图7C的致动周期的帧1中，外层元件电极被致动，而内部4×4区域保持解除致动。在致动周期的帧2中，中心解除致动区域包括2×2的元件电极区域，而在致动周期的帧3中，阵整个6×6列元件区域被致动。因此，在每个经过的帧中，一个或多个内部或中心层阵列元件被添加到该组被致动的阵列元件中。类似于先前的实施例，致动周期的帧4是断开帧，其中所有阵列元件均被解除致动。类似于先前的实施例，可以以5Hz的帧更新频率来循环致动周期，由此每个致动模式对应于导通200ms的帧。此外，在整个反应协议内的一段时间(例如15分钟)之后，可以改变致动周期，使得不再如图7D所示致动外部两层元件电极。因此，在如图7C所示的循环之后，整个协议的最终状态与图5B的致动模式相当，中心2×2元件电极组每200ms在导通与断开状态之间切换，直到粒子变得足够集中，并且致动协议结束。

图7E的示例描绘了与图7C的实施例类似地操作的致动周期的变化，除了初始致动模式的尺寸具有奇数个元件电极(例如，5×5区域)之外。因此，在使用5×5元件阵列的图7E的致动周期的帧1中，外层元件电极被致动，而内部3×3区域保持解除致动。在致动周期的帧2中，中心解除致动区域包括单个阵列元件，并且致动周期的帧3是断开帧，其中所有阵列元件均被解除致动。因此，在每个经过的帧中，一个或多个内部或中心层的阵列元件被添加到该组致动的阵列元件中，直到到达断开帧为止。类似于先前的实施例，致动周期可以以5Hz的周期进行循环，由此每个致动模式对应于处于导通状态200ms的帧。此外，在整个反应协议内的时间段(例如15分钟)之后，可以改变致动周期，使得外部两排元件电极不再被致动。因此，在如图7E所示的循环之后，整个协议的最终状态与图4B的致动模式相当，其中中心单个元件电极每200ms在导通与断开状态之间切换，直到粒子变得足够集中，并且致动协议结束。如上所述，当元件电极处于断开状态时，其可以被称为“未致动”或“解除致动”。这些术语可以互换使用，是指没有电压施加到元件电极上的状态，该电压会导致覆盖元件电极的疏水层的疏水状态发生变化。

在图7F的示例中，致动周期包括具有致动模式的帧1，其中中心单个元件电极被致动(导通)，并且围绕中心元件电极的周围层六个元件电极未被致动(断开)。另外，又包围在3×3非致动区域周围的包括16个元件电极的外层5×5区域也被致动(导通)。因此，在该示例中，帧1的致动模式包括位于被致动的液滴的下方和周界的第一层阵列元件电极，包括非致动的并且相对于第一层同心的一个或多个阵列元件电极的第二层阵列元件电极，以及包括被致动并且相对于第二层同心的一个或多个阵列元件电极的第三层阵列元件电极。然后，帧2可以处于断开状态，其中与先前实施例相比没有电极被致动。

再次，将认识到，在图6A至图7F的所有示例性致动周期中，致动模式的变化速率可以从这些示例中使用的5HZ频率变化为可以适合于任何特定应用。此外，用于中心致动元件或一组致动元件切换到最终导通/断开致动模式的时间段也可以变化为可以适合于任何特定应用。

图8A和图8B是描绘致动周期的另外的示例的图，该致动周期针对致动周期中的一个或多个帧采用阵列元件的非实心致动模式。在图8A的示例性致动周期中，帧1的初始致动模式是5×5环形模式，其中元件电极的外部5×5层为导通状态，而元件电极的内部3×3组为断开状态。对于每个经过的帧，通过致动相对于前一帧在内部的元件电极层来减小致动模式。因此，在帧2中，致动模式是处于导通状态的3×3元件电极环，而中心电极和外部5×5元件电极环处于断开状态。在帧3中，单个中心阵列元件电极处于导通状态，而其它元件电极处于断开状态。图8B的示例描绘了致动周期，其中致动模式不一定是正方形网格的阵列元件。类似地，如在图8A中，在图8B中，每个经过的帧包括致动模式，该致动模式包括相对于前一帧的内层被致动的阵列元件。随着致动周期在不同帧之间循环，致动模式的尺寸减小再次起到使悬浮在液滴中的粒子聚集或集中在致动模式的中心区域的作用。因此，在图8A和图8B所示的各种示例中，致动周期包括减少的内部或同心组阵列元件的帧。换句话说，后一帧包括相对于前一帧的阵列元件电极同心的阵列元件电极。

可以与先前实施例中的方式相当地采用任何合适的循环频率，并且动态传感器反馈可以用于确定何时不再需要在朝向致动模式的中心拉动粒子时致动最外面模式。因此，基于实时传感器反馈，通过对EWOD控制系统的选择性控制，可以将集中粒子到所期望位置的协议的持续时间减至最少。

在先前的实施例中，每个阵列元件都基于正方形的阵列元件电极。如图9的示例中所示，可以采用其它形状的阵列元件电极。作为代表，图9的示例描绘了可以使用具有六边形或三角形形状的元件电极采用的致动模式。类似地，可以采用其它形状的电极来生成适用于给定应用的应用图案。其它示例可以包括使用电极之间的非直边，诸如例如有效地使电极之间的界面模糊的叉指，因此至少从电润湿的角度来看，可以提高液滴从一个电极移动到另一电极的速度，因为在电极之间不再存在液滴必须在其上移动的“硬”间隙。可以采用阵列元件电极的其它镶嵌模式，从而允许形成一定范围的致动模式，这取决于粒子将在其中聚集或集中的液滴的大小而可以是优选的。

在图4至图9的各种实施例中，通过介电电泳(DEP)对液滴内的粒子的操纵具有由克劳修斯·莫索蒂关系管理的频率依赖性，该关系定义了偶极子中的电荷分布方式，因此定义了带电粒子如何在电场中迁移，如Green等人(J.Phys.D：Appl.Phys.33(2000)632-641)中描述。Green等人描述了对悬浮在电解液中的粒子的操纵，即，与在EWOD设备中相比，在电解液周围不存在非极性液体。发明人已经证明，如在本申请中所描述，为了成功地操纵存在于EWOD设备中的液滴中的粒子，包含粒子的极性液滴应悬浮在非极性液体(诸如油)中，该非极性液体占据了极性液滴周围的EWOD通道或间隙内的空间。

在这种情况下，发明人已经观察到非极性液体(油)在极性液滴的上方和下方形成薄的油膜，使得在EWOD设备的上基板和下基板上的疏水涂层与极性液滴之间存在非极性液体的薄层。根据本申请的方法的操作，在适当的致动条件下，可以将油膜控制为在极性液滴的空间范围内具有不均匀的厚度。所述油膜厚度的控制与致动电压的致动频率的控制有关。在适当的频率下，观察到更大厚度的油积聚在电极之间的间隙处，这增强了操纵液滴中存在的粒子的效果。在这方面，相邻元件电极之间的间隙的尺寸也很重要。发明人已经发现，小于10um或约4um的电极间隙有利于在电极间隙之间的相交处(即，在四个相邻的元件电极的面对角附近)产生大的“柱”或“袋”油。

这些原理可以再次参考图5A和图5B作为合适的示例来说明。图5C是另外的示意性表示，示出了从上方的平面图，以及沿线A-A′的截面图，表明极性液体4的液滴位于2×2元件电极块38上，如上关于图5B所述。当将致动导通模式施加到2×2个元件电极上时，由于将极性液体拉到更靠近涂层表面，所以从元件电极表面上的疏水涂层之间排除围绕液滴的非极性液体34，由于施加的致动电压，涂层表面的更不具疏水性。使一部分非极性液体34堆积在2×2元件电极块之间的接合处，从而形成如图5C所示的非极性液体的柱状结构35。形成非均匀油膜的最佳致动电压频率(诸如图5C中的柱35)通常在100Hz-10kHz的范围内。优选的频率可以通过实验确定，该实验可以包括通过显微镜或使用其它合适的感测装置目视观察油，并且取决于液滴和油的性质(例如粘度、密度)。发明人相应地确定，不均匀的油膜的产生导致增强了悬浮在液滴内的粒子的操纵。不均匀的油膜厚度会导致液滴体内形成横向电场。这些电场渗透到液滴中，并且可以通过DEP机制将力施加到悬浮在液滴内的粒子上，以增强粒子操纵，从而使粒子集中在液滴的所期望部分内。

发明人还观察到，通过DEP引起粒子在液滴内移动的电场与设置有元件阵列的下基板紧密相关。EWOD设备的倒置(使元件阵列相对于重力位于最高位置)示出为对通过EWOD引起的液滴移动没有影响。然而，在这样的取向下，没有观察到由于DEP而发生对悬浮在极性液滴内的粒子的操纵。因此，由于由非极性液体形成的薄膜，增强了与在其上设置了元件阵列的基板相关联的横向电场，当向元件电极施加电压时，可以调制非极性液体的薄膜的形状，由于接触角的变化，使极性液体更接近疏水涂层。因此，DEP力作用在极性液滴内的粒子上，这些粒子非常靠近设置有元件阵列的基板表面。在EWOD通道内没有非极性液体的情况下，没有观察到极性液滴内粒子的移动。

因此，与本领域以前的描述不同(请参见Fan等人，Lab Chip，2008，8，1325-1331)，该技术依赖于使用形状不同的电极来首先通过EWOD操纵极性液体的液滴，该液滴包含由非极性液体所包围的粒子，随后通过DEP操纵液滴内的粒子，本申请的实施例利用相同大小和形状的电极通过EWOD来操纵液滴，随后通过DEP操纵液滴内粒子的移动。与常规配置相比，这提供了增强的操作，常规配置采用了独立的电极组和驱动方案来执行EWOD液滴操纵与DEP粒子操纵。此外，常规技术已实现了不同的电压方案，其中EWOD液滴操纵是通过1kHz方波信号实现的，而DEP粒子操纵是通过2MHz信号实现的。本发明的使能特征是适当地选择致动频率以建立适当的油膜模式，该油膜具有不均匀的厚度并且主要通过电润湿的表面现象在液滴内部产生局部的横向电场，并通过DEP促进粒子在液滴内的移动。

与Fan等人的公开不同并与常规技术相当，在本申请的实施例中，当执行EWOD和/或DEP时，具有可比较的频率特性的通用电压方案已应用于阵列元件电极。Fan等人进一步参考Fan图2描述了用于通过DEP操纵粒子的窄电极：“冲击电极建立了DEP致动所必需的非均匀电场”，图2描绘了穿过所描述设备不同区域的截面图，并且EWOD使用相对较宽的电极，而DEP操纵使用相对较窄的电极(冲击电极)。Fan的图2特别绘制出了上下基板电极之间电场线的方向，以强调使用较窄电极时产生的电场不均匀。根据本申请的实施例，在诸如Fan的常规技术中描述的附加“冲击”或类似电极不是必需的，因为包括所描述的致动模式的致动周期可以用于使用与执行整体液滴操作所使用的相同的电极来操纵粒子。

如以上结合图5C所引用，施加致动电压以操纵粒子趋于形成不均匀的油层，尤其是油聚集在电极之间的接合处或间隙处以形成油柱35。尽管非极性液体(油)倾向于形成油层，但是该致动模式仅包括单个元件电极，由于多个被致动电极元件之间没有间隙或接合处，所以不容易形成离散的柱。因此，为了增强形成更好的油柱以产生不均匀的油层，可以对电极结构进行修改，以包括围绕内部非导电部分的导电部分，然后可以形成油柱。即使当使用单个电极元件作为致动模式时，这类实施例也允许将粒子聚集或集中成紧凑的簇。

根据这类特征，图10是描绘示例性阵列元件电极120的图，该阵列元件电极用于使用单个电极致动模式将粒子集中成更紧凑的簇。电极120包括围绕中心非导电孔124的外部导电部分122。非导电孔124可以是电极材料或以其它方式由非导电材料形成的孔。这种电极设计改变了与元件电极相关联的电场，从而改变了粒子被如何朝向电极方向拉动并在电极上累积。特别地，孔124形成类似于多个电极之间的电极间隙的非致动区域，在该区域可形成油柱以产生不均匀的油层。通过这种配置，悬浮在液滴内的粒子将趋向于朝向孔迁移。

图11A和图11B是穿过EWOD设备的截面图，其示出了根据本申请的实施例的粒子的操纵。图11A描绘了在EWOD设备的通道间隙内被非极性液体34包围的液滴4。元件电极38A、38B设置在下基板72上，在该下基板上设置有绝缘体层20和疏水涂层16。由于重力沉降，要在液滴4内操纵的粒子202通常比上基板36更靠近下基板72。如图11B中所描绘，当元件电极200被致动时，粒子202通过DEP力被拉向致动电极。一旦粒子202已经朝向液滴4的中心累积，则可以通过EWOD操作执行液滴分裂操作，以将已经集中有粒子202的液滴的一部分与没有(或基本上没有)粒子202的部分分离。因此，这种操作导致具有增加的粒子浓度的液滴，该液滴可以在EWOD设备内进行其它处理。

再次参考图3，可以使用任何合适的基于EWOD的微流体系统，诸如例如图3所示的微流体系统1，来实现本申请的方法。电子控制单元3可以包括合适的电路和/或处理设备3b，其被配置成执行与微流体设备2的控制有关的各种控制操作，诸如CPU、微控制器或微处理器。微流体设备2包括如上所述的各个阵列元件38的元件阵列，在元件阵列上可以分配液滴4以通过致动和解除致动一个或多个阵列元件来执行液滴和粒子操纵操作。可以通过处理器3b经由EWOD控制电子器件3a来实现控制阵列元件的致动的控制信号。

因此，电子控制单元3可以执行具体实施为存储在基于计算机的存储设备3c内的控制应用的程序代码。对于计算机编程领域中的普通技术人员，特别是在电子控制设备的应用程序编程中的普通技术人员来说，如何对控制系统进行编程以操作和执行与所存储的控制应用程序相关联的逻辑功能将是显而易见的。因此，为了简洁起见，省略了关于特定编程代码的细节。存储设备3c可以被配置成非暂时性计算机可读介质，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)，或任何其它合适的介质。另外，尽管代码可以由根据示例性实施例的控制系统执行，但是在不脱离本发明的范围的情况下，这样的控制系统功能也可以经由专用硬件、固件、软件或其组合来执行。

以下构成本申请原理的示例用途。

示例1-红细胞的分离

从Research Donors Ltd.获得的新鲜全血收集在含有K₂EDTA抗凝剂的真空容器中并储存在4℃。收集时的红细胞(红血细胞)密度为5.5x10¹²个细胞/L。将全血用含有0.1％w/v的

F-127(Sigma-Aldrich P2443)的RPMI 1640介质(Sigma-AldrichR8758)稀释(通过连续稀释)以达到～5.5x10⁶个细胞/ml的浓度。

将5μl稀释的全血的储液滴加到电介质上有源矩阵电润湿(AM-EWOD)模块上，该模块包括由3μm电极间隙分开的210×210μm电极阵列。该模块在上下基板之间具有240μm的空间，该空间已预先填充了非极性液体。从(5μl)储液滴中分配了5×5元件电极大小的液滴，并通过电润湿操作将其移动到元件阵列上的所期望位置。为了移动5×5元件电极液滴内包含的细胞，启动了包括两个单独帧的致动模式。在第一帧中，致动2×2个元件电极的块，而在第二帧中，不致动任何元件电极(类似于参考图5B所描述)。2×2电极块在液滴的5×5元件电极范围的占据面积内。每个帧都处于导通状态200ms，因此两个帧的周期花费了400ms。将该模块放置在体视显微镜(Nikon SMZ800N)的平台上，并使用数码相机(Infinity 2相机，lumenera)以60秒的间隔拍摄图像达40分钟。针对电润湿和细胞移动两者施加了±9V方波的致动电压。

如图12A中所示，在实验开始时，细胞均匀地分布在整个液滴中。在包括两个帧的致动周期运行30分钟后，大多数红细胞已经移动到被致动的2×2元件电极的边界内，如图12B中所示。结果表明，通过致动液滴占据面积内的电极，红血细胞可以集中在液滴的一小部分内。

示例2-水中的聚合物珠粒与缓冲介质的分离

如克劳修斯-莫索蒂关系所描述，通过介电电泳移动粒子取决于要移动的粒子和其中悬浮粒子的介质的相对介电常数。为了使用电介质上有源矩阵电润湿(AM-EWOD)设备检查此类条件，研究了悬浮在两种不同介质中的聚苯乙烯粒子的传输。一组实验使用了聚苯乙烯珠粒(聚合物珠粒，10μm，17136-5，Polysciences Inc.)，将其短暂涡旋，然后重新悬浮于RPMI 1640介质(Sigma R7388)中。将10μl的珠粒溶液添加到含有0.4％的

F-127(Sigma P2443)的10μl RPMI 1640介质(Sigma R7388)中。在第二个实验中，将聚苯乙烯珠粒(聚合物珠粒，10μm，17136-5，Polysciences Inc.)短暂涡旋并重新悬浮于蒸馏水中。将10μl珠粒-水溶液添加到10μl蒸馏水中，所述蒸馏水含有0.4％的

F-127(Sigma P2443)。

在第一个实验中，将5μl的珠粒-RPMI悬浮液滴加到电介质上有源矩阵电润湿(AM-EWOD)模块上，该模块包括由3μm电极间隙分开的210×210μm电极阵列。该模块在上下基板之间具有240μm的空间，该空间已预填充了非极性液体。从较大的(5μl)储液滴中分配了8×8元件电极大小的液滴，并通过电润湿将其移动到元件阵列上的选定位置。为了移动珠粒，启动了包括四个单独帧的致动模式。第一帧具有由被致动的6×6个元件电极组成的正方形块，并在每个连续的帧中逐渐减小，使得4×4正方形块，然后是2×2正方形块，直到最后没有元件电极被致动(类似于图7B所描绘)。每个帧处于导通状态达200ms，因此所有四个帧的周期花费了800ms。在第二个实验中，与第一个实验一样，将5μl的珠粒-H₂O悬浮液滴加到电介质上有源矩阵电润湿(AM-EWOD)模块上。从较大的(5μl)储液滴中分配了8×8元件电极大小的液滴，并通过电润湿将其移动到元件阵列上的某个位置。在该实验中，由于介电常数变化引起的差异，仅单个元件电极被连续致动(类似于参照图4A所描述)。对于这两个实验，将AM-EWOD模块放置在体视显微镜(Nikon SMZ800N)的平台上，并使用数码相机(Infinity 2相机，lumenera)以60秒的间隔拍摄图像达15分钟。针对电润湿和细胞移动均施加了±8V方波的致动电压。

在每个实验开始时，如细胞悬浮液所观察到的，珠粒均匀地分布在整个液滴中(图像未示出)。在运行了30分钟的致动周期后，悬浮在RPMI-1640中的珠粒已经移动，现在位于如图13A所示被致动的2×2元件电极阵列的边界内。相反，如图13B中所示，悬浮在水中的珠粒已经在单个致动电极周围形成了有序的环。结果证明了正DEP和负DEP的示例，它们不是由粒子本身决定的，而是由粒子和粒子周围介质对AM-EWOD元件阵列表面上施加的电场的相对介电常数决定的。

示例3-RPMI中Jurkat细胞的分离

Jurkat细胞(Jurkat Clone E6-1)是人类急性T细胞淋巴瘤细胞系，于1970年代后期从一名患有T细胞白血病的年轻男性患者的外周血中分离出来。将Jurkat细胞维持在完全培养介质RPMI 1640(Sigma 8758)中，该介质补充有+10％胎牛血清(Sigma F2442)和100单位/ml青霉素+100μg/ml链霉素(Sigma P4458)。将细胞在潮湿的CO₂培养箱(5％CO₂；37℃)中的T25烧瓶中进行培养。在用于电润湿实验之前，先将Jurkat细胞离心(150rcf达5分钟)，然后重新悬浮于RPMI 1640介质(Sigma R7388)中，向其中加入终浓度HEPES(20mM，pH 7.2)和0.1％w/v

F-127(Sigma P2443)达终浓度为～0.5x10⁶个细胞/ml。

在此示例中，将5μl稀释的Jurkat细胞等分试样滴加到电介质上有源矩阵电润湿(AM-EWOD)模块上，该模块包括由3μm电极间隙分开的210×210μm电极阵列。该模块在上下基板之间具有240μm的空间，该空间已预填充了非极性液体。从(5μl)储液滴中分配了5×5元件电极大小的液滴，并通过电润湿操作将其移动到模块中元件阵列上的限定位置。为了移动液滴内的细胞，启动了包括两个单独帧的致动模式。在第一帧中，2×2元件电极的正方形块被致动，而在第二帧中，没有电极被致动(类似于参考图5B所描述)。每个帧处于导通状态达200ms，因此两个帧的周期花费了400ms。将模块放置在体视显微镜(Nikon SMZ800N)的平台上，并使用数码相机(Infinity 2相机，lumenera)以60秒的间隔拍摄图像达15分钟。针对电润湿和细胞移动两者均施加了±9V方波的致动电压。

如图14A中所示，在实验开始时(时间0)，Jurkat细胞均匀地分布在5×5元件电极大小的液滴中。在致动周期运行15分钟后，大多数活的Jurkat细胞已被施加的DEP场运输，现在位于选择性致动的2×2元件电极模式的边界内，如图14B中所描绘。结果表明，通过致动位于极性液滴占据面积内的电极，活的Jurkat细胞可以集中在极性液滴内。一旦细胞已经被集中，就可以对液滴进行其它液滴操作，诸如分裂，例如以交换培养介质或将用过的介质用于进一步处理。

本发明的一个方面是一种操作电介质上电润湿(EWOD)设备的方法，用于将粒子集中在分配到EWOD设备的元件阵列上的液滴内。在示例性实施例中，操作方法包括以下步骤：在EWOD设备的元件阵列上提供非极性液体；将极性液滴提供到EWOD设备的元件阵列上的非极性液体内，其中极性液滴包括粒子；以及施加包括多个致动模式的致动周期，其中致动模式中的至少一个包括致动位于极性液滴的周界内的一个或多个阵列元件电极，并且粒子在极性液滴内迁移以变得集中在与多个致动模式中的一个相对应的一个或多个阵列元件电极处的液滴的一部分内。该方法可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，致动周期包括多个时间序列的帧，多个时间序列帧中的每一个包括位于极性液滴的周界内的阵列元件电极的致动模式。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，多个时间序列的帧包括其中使位于极性液滴的周界内的所有阵列元件电极解除致动的帧。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，致动周期包括第一帧和第二帧，该第一帧包括致动位于极性液滴的周界内的一个或多个阵列元件电极的第一致动模式，极性液滴处粒子变得集中，并且在该第二帧中位于极性液滴的周界内的所有阵列元件电极都被解除致动。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，致动周期包括第一帧和第二帧，该第一帧包括仅致动位于极性液滴的周界内的阵列元件电极中的单个阵列元件电极的第一致动模式，极性液滴处粒子变得集中，并且在该第二帧中位于极性液滴的周界内的所有阵列元件电极都被解除致动。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，致动周期包括第一帧和第二帧，该第一帧包括致动位于极性液滴的周界内的多个阵列元件电极的第一致动模式，极性液滴处粒子变得集中，并且在该第二帧中位于极性液滴的周界内的所有阵列元件电极都被解除致动。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，致动周期包括第一帧、第二帧和第三帧，该第一帧包括用于致动位于极性液滴的周界内的第一组阵列元件电极的第一致动模式，该第二帧包括致动位于极性液滴的周界内的第二组阵列元件电极的第二致动模式，并且该第三帧包括致动位于极性液滴的周界内的第三组阵列元件电极的第三致动模式，粒子将集中在极性液滴处。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，第二组阵列元件电极比第一组阵列元件电极具有更少的阵列元件电极，并且第三组阵列元件电极比第二组阵列元件电极具有更少的阵列元件电极。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，后一帧包括相对于前一帧的阵列元件电极在内部的阵列元件电极。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，该方法还包括第四帧，第四帧中位于极性液滴的周界内的所有阵列元件电极都被解除致动。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，致动周期包括多个帧，其中多个帧中的第一帧包括致动位于液滴的周界内的外层阵列元件电极的致动模式，并且多个帧中的每个连续帧包括致动同心地位于前一帧的阵列元件电极内的附加层阵列元件电极的致动模式。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，致动周期包括多个帧，其中多个帧中的第一帧包括致动位于液滴的周界内的外层阵列元件电极的致动模式，并且多个帧中的每个连续帧包括致动位于前一帧的阵列元件电极内部的阵列元件电极层的致动模式。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，致动周期包括具有致动模式的帧，该致动模式包括：位于液滴的周界内的被致动的第一层阵列元件电极，包括未致动并且相对于第一层是同心的一个或多个阵列元件电极的第二层阵列元件电极，以及包括被致动并且相对于第二层是同心的一个或多个阵列元件电极的第三层阵列元件电极。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，致动周期还包括另外的帧，另外的帧中位于极性液滴的周界内的所有阵列元件电极都被解除致动。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，该方法包括执行致动协议，该致动协议包括：包括根据任何实施例的致动周期的第一部分和排除第一帧的第二部分。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，致动协议还包括附加部分，该附加部分从第一帧开始依次消除同心的帧，直到仅致动最内部的同心帧为止。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，粒子变得集中的一个或多个阵列元件电极位于液滴的周界内的中心。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，致动周期包括与相应的致动模式相对应的多个帧，并且以选定的帧更新频率来切换帧。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，帧更新频率在0.1Hz与50Hz之间。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，帧更新频率在1Hz和与10Hz之间。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，施加到被致动的阵列元件电极的致动信号是频率在1Hz至50kHz范围内的交流电压。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，该方法还包括执行液滴操纵操作以分裂液滴，从而产生包括基本上所有粒子的第一子液滴和基本上不包括粒子的第二子液滴。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，该方法还包括使用来自元件阵列内的传感器的反馈来确定液滴内的粒子的位置。

在操作EWOD设备的方法的示例性实施例中，该方法还包括当粒子朝向特定元件电极集中时，修改施加到元件电极的致动模式。

本发明的另一方面是一种微流体系统，包括：电介质上电润湿(EWOD)设备，包括被配置成容纳非极性液体和极性液滴的元件阵列，该元件阵列包括多个单独的阵列元件电极；以及电子控制单元，被配置成通过执行根据任何实施例的操作EWOD设备的方法来控制施加到元件阵列的致动电压，以执行粒子操纵操作，从而将粒子集中在极性液滴的一部分内。微流体系统可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。

在微流体系统的示例性实施例中，一个或多个阵列元件电极包括围绕非导电孔的导电区域。

在微流体系统的示例性实施例中，元件阵列包括正方形的阵列元件电极。

在微流体系统的示例性实施例中，元件阵列包括非正方形的阵列元件电极。

在微流体系统的示例性实施例中，该系统还包括传感器，其中电子控制单元被配置成使用来自元件阵列内的传感器的反馈以确定液滴内的粒子的位置。

在微流体系统的示例性实施例中，控制器还被配置成当粒子朝向特定的元件电极集中时，修改施加到元件电极的致动模式。

在微流体系统的示例性实施例中，控制器被配置成通过执行存储在非暂时性计算机可读介质上的程序代码来执行根据任何实施例的方法。

尽管已经关于一个或多个特定实施例示出和描述了本发明，但是本领域的其他技术人员在阅读和理解本说明书和附图之后可以进行等效的变更和修改。特别是关于上述元件(组件、组装件、设备、组合物等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述此类元件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于对执行所描述的元件的指定功能(即，功能上等效)的任何元件，但在结构上不等效于在本发明的一个或多个示例性实施例中所公开的执行功能的结构。另外，尽管以上可能仅针对几个实施例中的一个或多个描述本发明的特定特征，但是如对任何给定或特定的应用所希望的和有利的，这种特征可以与其它实施例的一个或多个其它特征组合。

工业适用性

本申请的实施例可以用于提供EWOD设备的增强的操作。EWOD设备可以形成片上实验室系统的一部分。这类设备可以用于操纵，反应和感测化学、生化或生理材料。应用包括医疗保健诊断测试、材料测试、化学或生化材料合成、蛋白质组学、生命科学和法医学研究工具。

Claims (31)

1.一种操作电介质上电润湿(EWOD)设备的方法，用于将粒子集中在分配到所述EWOD设备的元件阵列上的液滴内，操作方法包括以下步骤：

在所述EWOD设备的所述元件阵列上提供非极性液体；

将极性液滴提供到所述EWOD设备的元件阵列上的所述非极性液体内，其中所述极性液滴包括粒子；以及

施加包括多个致动模式的致动周期，其中所述致动模式中的至少一个包括致动位于所述极性液滴的周界内的一个或多个阵列元件电极，并且所述粒子在所述极性液滴内迁移以变得集中在与所述多个致动模式中的一个相对应的一个或多个阵列元件电极处的所述液滴的一部分内。

2.根据权利要求1所述的操作EWOD设备的方法，其中所述致动周期包括多个时间序列的帧，所述多个时间序列的帧中的每一个包括位于所述极性液滴的周界内的阵列元件电极的致动模式。

3.根据权利要求2所述的操作EWOD设备的方法，其中所述多个时间序列的帧包括其中使位于所述极性液滴的所述周界内的所有阵列元件电极解除致动的帧。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的操作EWOD设备的方法，其中所述致动周期包括第一帧和第二帧，所述第一帧包括致动位于所述极性液滴的所述周界内的一个或多个阵列元件电极的第一致动模式，所述极性液滴处所述粒子变得集中，并且在所述第二帧中位于所述极性液滴的所述周界内的所有阵列元件电极都被解除致动。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的操作EWOD设备的方法，其中所述致动周期包括第一帧和第二帧，所述第一帧包括仅致动位于所述极性液滴的所述周界内的所述阵列元件电极中的单个阵列元件电极的第一致动模式，所述极性液滴处所述粒子变得集中，并且在所述第二帧中位于所述极性液滴的所述周界内的所有阵列元件电极都被解除致动。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的操作EWOD设备的方法，其中所述致动周期包括第一帧和第二帧，所述第一帧包括致动位于所述极性液滴的所述周界内的多个阵列元件电极的第一致动模式，所述极性液滴处所述粒子变得集中，并且在所述第二帧中位于所述极性液滴的所述周界内的所有阵列元件电极都被解除致动。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的操作EWOD设备的方法，其中所述致动周期包括第一帧、第二帧和第三帧，所述第一帧包括致动位于所述极性液滴的所述周界内的第一组阵列元件电极的第一致动模式，所述第二帧包括致动位于所述极性液滴的所述周界内的第二组阵列元件电极的第二致动模式，并且所述第三帧包括致动位于所述极性液滴的所述周界内的第三组阵列元件电极的第三致动模式，所述粒子将集中在所述极性液滴处。

8.根据权利要求7所述的操作EWOD设备的方法，其中所述第二组阵列元件电极比所述第一组阵列元件电极具有更少的阵列元件电极，并且所述第三组阵列元件电极比所述第二组阵列元件电极具有更少的阵列元件电极。

9.根据权利要求7至8中任一项所述的操作EWOD设备的方法，其中后一帧包括相对于前一帧的阵列元件电极在内部的阵列元件电极。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的操作EWOD设备的方法，还包括第四帧，所述第四帧中位于所述极性液滴的所述周界内的所有阵列元件电极都被解除致动。

11.根据权利要求1至6中任一项所述的操作EWOD设备的方法，其中所述致动周期包括多个帧，其中所述多个帧中的第一帧包括致动位于所述液滴的所述周界内的外层阵列元件电极的致动模式，并且所述多个帧中的每个连续帧包括致动同心地位于前一帧的阵列元件电极内的附加层阵列元件电极的致动模式。

12.根据权利要求1至6中任一项所述的操作EWOD设备的方法，其中所述致动周期包括多个帧，其中所述多个帧中的第一帧包括致动位于所述液滴的所述周界内的外层阵列元件电极的致动模式，并且所述多个帧中的每个连续帧包括致动内部地位于前一帧的阵列元件电极内的阵列元件电极层的致动模式。

13.根据权利要求1至6中任一项所述的操作EWOD设备的方法，其中所述致动周期包括具有致动模式的帧，所述致动模式包括：位于所述液滴的所述周界内被致动的第一层阵列元件电极，包括未致动并且相对于第一层是同心的一个或多个阵列元件电极的第二层阵列元件电极，以及包括被致动并且相对于第二层是同心的一个或多个阵列元件电极的第三层阵列元件电极。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的操作EWOD设备的方法，其中所述致动周期还包括另外的帧，所述另外的帧中位于所述极性液滴的所述周界内的所有阵列元件电极都被解除致动。

15.一种操作EWOD设备的方法，包括执行致动协议，该致动协议包括：包括根据权利要求11至14中任一项所述的致动周期的第一部分和排除所述第一帧的第二部分。

16.根据权利要求15所述的操作EWOD设备的方法，其中所述致动协议还包括附加部分，所述附加部分从所述第一帧开始依次消除同心的帧，直到仅致动最内部的同心帧。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的操作EWOD设备的方法，其中所述粒子变得集中的所述一个或多个阵列元件电极位于所述液淌的所述周界内的中心。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的操作EWOD设备的方法，其中所述致动周期包括与相应的致动模式相对应的多个帧，并且以选定的帧更新频率来切换所述帧。

19.根据权利要求18所述的操作EWOD设备的方法，其中所述帧更新频率在0.1Hz与50Hz之间。

20.根据权利要求18所述的操作EWOD设备的方法，其中所述帧更新频率在1Hz与10Hz之间。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的操作EWOD设备的方法，其中施加到被致动的阵列元件电极的致动信号是频率在1Hz至50kHz范围内的交流电压。

22.根据权利要求1至21中任一项所述的操作EWOD设备的方法，还包括执行液滴操纵操作以分裂所述液滴，从而产生包括基本上所有所述粒子的第一子液滴和基本上不包括所述粒子的第二子液滴。

23.根据权利要求1至22中任一项所述的操作EWOD设备的方法，还包括使用来自所述元件阵列内的传感器的反馈来确定所述液滴内的粒子的位置。

24.根据权利要求23所述的操作EWOD设备的方法，还包括当粒子朝向特定元件电极集中时，修改施加到元件电极的所述致动模式。

25.一种微流体系统，包括：

电介质上电润湿(EWOD)设备，包括被配置成容纳非极性液体和极性液滴的元件阵列，所述元件阵列包括多个单独的阵列元件电极；以及

电子控制单元，被配置成通过执行根据权利要求1至24中任一项所述的操作EWOD设备的方法来控制施加到所述元件阵列的致动电压，以执行粒子操纵操作，从而将粒子集中在所述极性液滴的一部分内。

26.根据权利要求25所述的微流体系统，其中一个或多个阵列元件电极包括围绕非导电孔的导电区域。

27.根据权利要求25至26中任一项所述的微流体系统，其中所述元件阵列包括正方形的阵列元件电极。

28.根据权利要求25至27中任一项所述的微流体系统，其中所述元件阵列包括非正方形的阵列元件电极。

29.根据权利要求25至28中任一项所述的微流体系统，还包括传感器，其中所述电子控制单元被配置成使用来自所述元件阵列内的所述传感器的反馈来确定所述液滴内的粒子的位置。

30.根据权利要求29所述的微流体系统，其中所述控制器还被配置成当粒子朝向特定的元件电极集中时，修改施加到元件电极的所述致动模式。

31.一种存储程序代码的非暂时性计算机可读介质，所述程序代码由处理设备执行以控制电介质上电润湿(EWOD)设备的操作，所述程序代码能够由所述处理设备执行以执行以下步骤：

在所述EWOD设备的元件阵列上分配非极性液体；

将极性液滴分配在所述EWOD设备的所述元件阵列上的所述非极性液体内，其中所述极性液滴包括粒子；以及

施加包括多个致动模式的致动周期，其中所述致动模式中的至少一个包括致动位于所述极性液滴的周界内的一个或多个阵列元件电极，并且所述粒子在所述极性液滴内迁移以变得集中在与所述多个致动模式中的一个相对应的一个或多个阵列元件电极处的所述液滴的一部分内。

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