CN114096352B - 用于流体致动的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于在数字微流控芯片中储存和分配液体的系统包括多个储器电极，其限定具有出口和与所述出口相对的第一端的储器，所述储器被配置为与靠近所述出口的至少一个装置电极流体连通，所述至少一个装置电极和所述多个储器电极中的至少一个被配置为产生电致动力以从所述储器通过所述出口分配至少一个液滴。所述多个储器电极包括靠近所述第一端的第一储器电极、靠近所述出口的储器出口电极和设置在所述第一电极和所述储器出口电极之间的至少一个中间储器电极。所述第一储器电极、所述储器出口电极和所述至少一个中间储器电极在平面图中的各自的电极表面积大于或等于所述至少一个装置电极中的每一个的电极表面积。

Description

用于流体致动的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年6月3日提交的美国临时专利申请62/856,584的权益，该申请以其整体通过引用并入本文。
背景技术
公开主题的领域
所公开主题涉及用于流体致动的装置、系统和方法，例如在用于进行分析物分析的集成装置中。
相关技术的描述
分析装置通常需要处理样品（例如生物流体），以制备和分析离散体积的样品。数字微流控允许处理离散体积的流体，包括电移动、混合和分裂设置在两个表面之间的缝隙中的流体液滴，其中两个表面中的至少一个包括涂覆有疏水性材料和/或介电材料的电极阵列。此外，数字微流控允许使用可以被快速分析的微小样品并且采用最小化仪器进行准确且精确而又灵敏的分析。
数字微流控可用于样品制备，例如但不限于，用于制备用于分析的流体样品。样品制备模块可以包括用于处理样品和试剂的流体液滴的多个电极。此类样品和试剂可以容纳在作为集成装置的一部分的储器中，当需要用于样品制备或分析时，可以将预定体积从储器分配到装置表面。然而，从储器分配预定体积的流体可能是个挑战，因为从储器分配的流体体积可能不一致或不准确。此外，由于随着流体液滴从储器分配，储器中剩余的流体体积减少，从储器分配的更多流体液滴的体积会越来越不一致或不准确。在一些情况下，至少在没有手动干预的情况下，储器中的流体的一些剩余部分可能无法从储器中推出，这会导致浪费。
因此，仍然需要改进此类装置和系统。此类改进包括被配置成改进从储器分配液滴的可靠性和/或允许储器中的大部分或全部流体被分配的储器。
概述
所公开主题的目的和优点将在以下描述中阐明并从以下描述中显而易见，以及将通过所公开主题的实践而习得。所公开主题的附加优点将通过在书面描述及其权利要求中以及从附图中特别指出的方法和系统来实现和获得。
为了实现这些和其他优点并且根据所公开主题的目的，如所体现和广泛描述的，所公开主题包括用于在数字微流控芯片中储存和分配液体的系统。所述系统通常包括多个储器电极，其限定具有出口和与所述出口相对的第一端的储器。所述储器被配置为与靠近所述出口的至少一个装置电极流体连通。所述至少一个装置电极和所述多个储器电极中的至少一个被配置为产生电致动力以将至少一个液滴从所述储器通过所述出口分配到所述至少一个装置电极。所述多个储器电极包括靠近所述第一端的第一储器电极、靠近所述出口的储器出口电极和设置在所述第一储器电极和所述储器出口电极之间的至少一个中间储器电极。所述第一储器电极、所述储器出口电极和所述至少一个中间储器电极在平面图中的各自的电极表面积大于或等于所述至少一个装置电极中的每一个的电极表面积。
所述储器可以被配置为储存母液体积，并且所述至少一个装置电极和所述多个储器电极中的至少一个可以被配置为在所述母液体积的至少一部分上产生相反的电致动力以从所述母液体积分配所述至少一个液滴。附加地或替代地，所述多个储器电极可以被配置为产生联合的电致动力以将所述母液体积推向所述出口以允许基本所有的所述母液体积通过所述出口被分配。
所述多个储器电极可以是独立可控的。所述系统可以包括控制器，其被配置为当所述母液体积具有第一体积时激活所述多个储器电极的第一布置以通过所述出口从所述储器中的所述母液体积分配第一子液滴，并且被配置为当所述母液体积具有小于所述第一体积的第二体积时激活所述多个储器电极的第二布置以从所述母液体积分配第二子液滴。所述多个储器电极的所述第一布置可以包括所述第一储器电极、所述储器出口电极和所述至少一个中间电极，并且所述多个储器电极的所述第二布置可以基本由所述储器出口电极和所述至少一个中间电极组成。
附加地或替代地，并且如本文所体现的，所述多个储器电极中的至少两个可以相互交叉。所述系统可进一步包括在所述至少一个装置电极和所述储器出口电极之间的桥接电极。所述储器可被配置为储存样品、洗涤缓冲液、结合元件（binding member）、酶底物、废液或试剂中的至少一种。所述储器可以具有2µL至25µL范围内的体积。
所公开主题还包括数字微流控和分析物检测装置。所述装置通常包括第一基材和第二基材，所述第一基材和所述第二基材在侧视图中彼此大体平行地对齐且在其间限定有缝隙。所述第一基材和所述第二基材中的至少一个具有多个储器电极，所述多个储器电极限定具有出口和与所述出口相对的第一端的储器，所述储器与所述缝隙流体连通。所述多个电极包括靠近所述第一端的第一储器电极、靠近所述出口的储器出口电极和设置在所述第一储器电极和所述储器出口电极之间的至少一个中间储器电极。所述第一基材和所述第二基材中的至少一个具有靠近所述出口的至少一个装置电极，所述至少一个装置电极和所述多个储器电极中的至少一个被配置为产生电致动力以将至少一个液滴从所述储器通过所述出口分配至所述至少一个装置电极。所述第一储器电极、所述储器出口电极和所述至少一个中间储器电极在平面图中的各自的电极表面积大于或等于所述至少一个装置电极中的每一个的电极表面积。
所述多个储器可包括本文所述的任何特征。附加地或替代地，所述至少一个装置电极可以包括限定装置阵列的多个装置电极。所述多个储器可以围绕所述装置阵列的外围区域布置。
应当理解，前述一般描述和以下详细描述均为示例性的并且旨在提供对所要求保护的所公开主题的进一步解释。
包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图是为了图示说明和提供对所公开主题的进一步理解而被包括。与描述一起，附图用于解释所公开主题的原理。
附图简述
图1A是根据所公开主题的集成数字微流控和分析物检测装置的示例性分析物检测模块的示意性侧视图。
图1B是根据所公开主题的集成数字微流控和分析物检测装置的另一示例性分析物检测模块的示意性侧视图。
图2是根据所公开主题的集成数字微流控和分析物检测装置的示例性实施方案的平面图。
图3是根据所公开主题的具有示例性分流储器配置的集成数字微流控和分析物检测装置的示例性实施方案的平面图。
图4A示意性图示从具有单电极储器配置的示例性储器分配的液滴，其用于说明和与所公开主题进行比较的目的。
图4B示意性图示根据所公开主题的用于分配液滴的示例性分流储器的操作。
图4C示意性图示图4B的示例性分流储器的操作的附加细节。
描述
现在将详细参考所公开主题的各种示例性实施方案，其中示例性实施方案在附图中图示说明。将结合系统的详细描述来描述所公开主题的结构和对应操作方法和使用方法。
本文描述的系统、装置和方法涉及流体致动，包括在集成数字微流控和分析物检测装置中。如本文可互换使用的，“数字微流控（DMF）”、“数字微流控模块（DMF模块）”或“数字微流控装置（DMF装置）”是指利用数字或基于液滴的微流控技术来处理液滴形式的离散的小体积液体的模块或装置。数字微流控利用乳液科学的原理以在通道中生成流体-流体分散体（例如，油包水乳液），因此可以产生单分散的液滴或气泡或具有非常低的多分散性。数字微流控基于可重构网络内不连续流体液滴的显微操作。通过组合液滴形成、易位、分裂和合并的基本操作，可以编写复杂的指令。
数字微流控对离散体积的流体进行操作，所述流体可以通过二进制电信号进行处理。通过使用离散的单位体积液滴，微流控操作可以被定义为一组重复的基本操作，例如，将一个单位的流体移动一个单位的距离。可以使用液体的表面张力特性形成液滴。液滴的致动基于电极产生的静电力的存在，该电极放置在液滴位于其上的底表面的下方。可以使用不同类型的静电力来控制液滴的形状和运动。一种可用于产生上述静电力的技术是基于介电泳，介电泳依赖于液滴和周围介质之间的介电常数差异，并且可以利用高频AC电场。可用于产生上述静电力的另一种技术是基于电润湿，电润湿依赖于存在于表面上的液滴和该表面之间的表面张力对被施加到该表面的电场的依赖性。
如本文所用，“样品”、“测试样品”或“生物样品”是指含有或怀疑含有考虑的分析物的流体样品。样品可以源自任何合适的来源。如本文所体现的，样品可以包括液体、流动微粒固体或固体颗粒的流体悬浮液。如本文所体现的，可以在本文所述的分析之前处理样品。例如，样品可以在分析之前从来源中分离或纯化；然而，如本文所体现的，可以直接分析包含分析物的未处理样品。分析物分子的来源可以是合成的（例如，实验室中生产的）、环境（例如空气、土壤、流体样品，例如水供应等）、动物（例如哺乳动物、爬行动物、两栖动物或昆虫）、植物或其任何组合。例如但不限于，如本文所体现的，分析物的来源是人类人体物质（例如，体液、血液、血清、血浆、尿液、唾液、汗液、痰、精液、粘液、泪液、淋巴液、羊水、间质液、肺灌洗液、脑脊液、粪便、组织、器官等）。组织可以包括但不限于骨骼肌组织、肝组织、肺组织、肾组织、心肌组织、脑组织、骨髓、子宫颈组织、皮肤等。样品可以是液体样品或固体样品的液体提取物。在某些情况下，样品的来源可以是器官或组织，例如活检样品，其可以通过组织分解或细胞裂解而溶解。
如本文所体现和如本文进一步描述的，集成数字微流控和分析物检测装置可具有两个模块：样品制备模块和分析物检测模块。如本文所体现的，样品制备模块和分析物检测模块是分开的或分开且相邻的。如本文所体现的，样品制备模块和分析物检测模块是共同定位的、混合的或交叉的。样品制备模块可以包括多个电极，用于移动、合并、稀释、混合、分离样品和试剂的液滴。分析物检测模块（或“检测模块”）可以包括在其中检测与分析物有关的信号的井阵列。如本文所体现的，检测模块还可以包括多个电极，用于将制备的样品的液滴移动到井阵列。如本文所体现的，检测模块可以包括在第一基材（例如，上基材）中的井阵列，该第一基材被设置在由缝隙间隔开的第二基材（例如，下基材）上方。以此方式，井阵列呈倒置取向。如本文所体现的，检测模块可以包括在第二基材（例如，下基材）中的井阵列，该第二基材被设置在由缝隙间隔开的第一基材（例如，上基材）下方。如本文所体现的，第一基材和第二基材呈彼此面对布置。可以使用存在于第一基材和/或第二基材中的一个或多个电极将液滴推动（例如，通过电致动）至井阵列。如本文所体现的，包括井之间的区域的井阵列可以是疏水的。替代地，多个电极可以限于样品制备模块并且可以使用其他手段将制备的样品的液滴（和/或不混溶流体的液滴）移动到检测模块。
基于液滴的微流控是指经由有源或无源力产生和致动（例如移动、合并、分裂等）液滴。有源力的实例包括但不限于电场。示例性的有源力技术包括电润湿、介电泳、光电润湿、电极介导、电场介导、静电致动等或其组合。例如，并且如本文进一步描述的，该装置可以经由基于液滴的微流控如电润湿或经由电润湿和液滴的连续流体流的组合来在缝隙中跨第一层的上表面（或第二层的上表面，当存在时）致动液滴。替代地，该装置可包括微通道以将液滴从样品制备模块传送到检测模块。作为进一步的替代方案，该装置可以依赖于经由基于液滴的微流控在缝隙中跨疏水层的表面致动液滴。电润湿可以涉及通过向表面施加电场并影响存在于该表面上的液滴和表面之间的表面张力来改变表面的润湿特性。连续流体流可用于经由外部压力源，例如外部机械泵或集成机械微泵，或毛细管力和电动机构的组合移动液滴。无源力的实例包括但不限于T型结与流动聚焦方法。无源力的其他实例包括使用密度更大的不混溶液体，例如重油流体，其可以耦接到第一基材表面上的液滴并跨表面移动液滴。密度更大的不混溶液体可以是密度比水大并且不与水混合至可观的程度的任何液体。例如，不混溶液体可以是烃类、卤代烃类、极性油、非极性油、氟化油、氯仿、二氯甲烷、四氢呋喃、1-己醇等。
根据所公开主题的方面，提供了用于在数字微流控芯片中储存和分配液体的系统。所述系统通常包括多个储器电极，其限定具有出口和与所述出口相对的第一端的储器。所述储器被配置为与靠近所述出口的至少一个装置电极流体连通。所述至少一个装置电极和所述多个储器电极中的至少一个被配置为产生电致动力以将至少一个液滴从所述储器通过所述出口分配到所述至少一个装置电极。所述多个储器电极包括靠近所述第一端的第一储器电极、靠近所述出口的储器出口电极和设置在所述第一储器电极和所述储器出口电极之间的至少一个中间储器电极。所述第一储器电极、所述储器出口电极和所述至少一个中间储器电极在平面图中的各自的电极表面积大于或等于所述至少一个装置电极中的每一个的电极表面积。
附图（其中相同的附图标记遍及各个视图指代相同或功能相似的元件）用于根据所公开主题进一步图示说明各种实施方案并解释全部的各种原理和优点。出于解释和说明而非限制的目的，根据所公开主题的包括在数字微流控和分析物检测装置中的用于在数字微流控芯片中储存和分配液体的系统的示例性实施方案在图1A-图4C中示出。
图1A图示了集成数字微流控和分析物检测装置10的示例性分析物检测模块。装置10包括分析物检测模块，该分析物检测模块包括第一基材11和第二基材12，其中第二基材12大体平行于第一基材对齐且其间有缝隙13。如本文所体现的，第二基材12可以定位在第一基材11上方，或者替代地，第二基材12可以定位在第一基材11下方。如通篇使用的，术语“近端”之于“远端”和“第一”之于“第二”是仅用于参考点的相对术语并且彼此可互换。如图1A所示，第二基材12可以与第一基材11等长。替代地，第一基材11和第二基材12可以具有不同的长度。
第一基材11和第二基材12中的至少一个包括被限定在其中的电极阵列。例如但不限于，并且如本文所体现的，第一基材11可以包括定位在第一基材11的上表面上的多个电极以限定电极阵列。电极阵列，例如但不限于在图2-图3中示出的电极阵列1049或318并在本文进一步讨论的，被配置为产生电致动力以沿着第一基材11和第二基材12中的所述至少一个推动至少一个液滴，如本文进一步讨论的。尽管在第一基材11中描绘了多个电极17，但是根据所公开主题的装置可以在第一基材11、第二基材12或第一基材和第二基材二者中具有电极。
仍然参考图1A，装置10可以包括第一部分15，其中可以将液滴，例如样品液滴、试剂液滴等引入到第一基材11和第二基材12中的至少一个上。装置10可以包括第二部分16，可以朝向第二部分16推动液滴。第一部分15也可称为样品制备模块，并且第二部分16可称为分析物检测模块。例如，可以经由液滴致动器（未示出）将液体引入到缝隙13中。替代地，液体可以经由流体入口、接口或通道进入到缝隙中。如本文进一步讨论的，例如关于图2，装置10可包括用于容纳样品、洗涤缓冲液、结合元件、酶底物、废液等的室。分析试剂可容纳在作为集成装置的一部分的外部储器中，其中在需要用于具体的分析步骤时可以将预定体积从储器推到装置表面。此外，分析试剂可以以干燥的、印刷的或冻干的试剂的形式沉积在装置上，其中它们可以储存延长的时间而不会失去活性。此类干燥的、印刷的或冻干的试剂可以在分析物分析之前或期间再水合。
进一步参考图1A，介电/疏水材料层18可以设置在第一基材的上表面上。例如但不限于，并且如本文所体现的，特氟隆（Teflon）可以用作介电材料和疏水材料二者。然而，如本文进一步描述的，可以使用具有介电和疏水特性的任何合适的材料。层18可以包覆电极阵列中的多个电极17。替代地，并且例如在图1B中描绘的示例性装置中示出的，介电材料层可以设置在第一基材的上表面上并且包覆电极阵列的多个电极17。疏水材料层可以覆盖在介电材料层上。以此方式，具有介电特性和疏水特性的材料的任何合适组合可用于分别形成介电材料层和疏水材料层，如本文进一步描述的。
第一基材11和第二基材12中的至少一个具有井阵列19。例如但不限于，并且参考图1A，井阵列19可以定位在装置的第二部分16中的第一基材11的层18中。参考图1B，井阵列19可替代地定位在疏水材料层34中。虽然本文参考第一基材11中的井阵列19，但井阵列19可以定位在第一基材11、第二基材12或第一基材和第二基材二者上。如本文所体现的，多个电极17和井阵列19可以限定在第一基材或第二基材中的同一个中。替代地，多个电极17和井阵列19可以限定在不同的基材中。
第一基材和第二基材可以由柔性材料制成，例如纸（具有喷墨印刷电极）或聚合物，例如PET或PMMA。替代地，第一基材和第二基材可由非柔性材料制成，例如印刷电路板、塑料或玻璃或硅。出于说明而非限制的目的，如本文所体现的，基材中的一个或两个可以由单个片材制成，该片材可以经历后续处理以生成多个电极。如本文所体现的，一组或多组多个电极可以在基材上制造，该基材可以被切割以形成覆盖有多个电极的多个基材。例如但不限于，电极可以经由一般的粘合剂或焊料结合到导电层的表面。
电极可由金属、金属混合物或合金、金属-半导体混合物或合金、或导电聚合物组成。金属电极的一些实例包含铜、金、铟、锡、氧化铟锡和铝。例如，介电层包含绝缘材料，其具有低电导率或能够维持静电场。例如，介电层可以由瓷（例如陶瓷）、聚合物或塑料制成。疏水层可由具有疏水特性的材料制成，例如特氟隆和通用碳氟化合物。在另一实例中，疏水材料可以是含氟表面活性剂（例如，FluoroPel）。在包括沉积在介电层上的亲水层的实施方案中，亲水层可以是玻璃、石英、二氧化硅、金属氢氧化物或云母的层。
多个电极可以包括每单位面积的第一基材的一定数量的电极，该数量可以基于电极的尺寸和交叉指型电极的存在或不存在而增加或减少。电极可以使用多种工艺制造，包括电极的光刻、原子层沉积、激光划线或蚀刻、激光烧蚀、柔性印刷和喷墨印刷。例如但不限于，可以将特定的掩模图案施加到设置在第一基材的上表面上的导电层，然后激光烧蚀暴露的导电层以在第一基材上产生多个电极。
图2是根据所公开主题的集成数字微流控和分析物检测装置的示例性实施方案的平面图。数字微流控模块被描绘为具有形成电极阵列1049的多个电极，这些电极可操作地连接到多个储器1051。如本文所述的，多个储器1051可用于产生待输送至分析物检测模块1060的液滴。例如，一个或多个储器1051可以容纳试剂或样品。不同的试剂可以存在于不同的储器中。在微流控模块1050中还描绘了将电极阵列1049连接到电源（未示出）的接触垫1053。未描绘将电极阵列1049连接到接触垫的迹线。电极阵列1049可以将一个或多个液滴，例如但不限于缓冲液液滴或含有缓冲液和/或标记（例如但不限于，裂解的标记或解离的适体）的液滴输送至分析物检测模块1060。分析物检测模块1060可以是用于检测分析物的任何模块，例如但不限于单分子检测模块，例如纳米井模块或纳米孔模块。在美国专利申请公开2018/0095067中描述了与所公开主题一起使用的分析物检测模块的附加细节和实例，所述申请通过引用以其整体并入本文。
例如并且如本文所体现的，由多个电极产生的电势跨数字微流控装置的表面推动形成在包覆多个电极的第一层（或第二层，当存在时）的上表面上的液滴以被井阵列接收。以这种方式，每个电极可以独立地跨数字微流控装置的表面推动液滴。
图3图示了根据所公开主题的具有用于在数字微流控芯片中储存和分配液体的示例性分流储器配置的数字微流控模块。出于说明而非限制的目的，如本文所体现的，数字微流控模块可以包括储器310、312、314、316，其可以包括图2中所示的储器1051的任何特征，以及电极阵列318，其可以包括图2所示的电极阵列1049的任何特征。参考图3，例如但不限于，储器310包括出口320，液体可以通过该出口320从储器310被分配到电极阵列318的区域。出口320可以接合到电极阵列318的装置电极330并配置为与装置电极330流体连通，例如并且如本文所体现的，经由桥接电极340。
出于说明而非限制的目的，并且如本文所体现的，储器310可包括第一储器电极350、储器出口电极352和中间储器电极354、356、358。第一储器电极350可靠近储器310的与储器出口电极352相对的第一端设置。储器出口电极352可靠近出口320设置。中间储器电极354、356、358可以设置在第一储器电极350和储器出口电极352之间。根据所公开主题，储器可以包括任何数量的中间储器电极。例如但不限于，储器可以包括多个中间储器电极，例如两个、三个、四个或更多个电极，如出于说明的目的而由具有三个中间储器电极354、356、358的储器310所示。替代地，储器可包括一个中间储器电极，如出于说明的目的而由分别具有中间储器电极360、362、364的储器312、314、316所示。第一储器电极350、储器出口电极352和中间储器电极354、356、358中的每一个或任何组合可被配置为产生电致动力以通过出口320从储器310分配至少一个液滴。
出于说明而非限制的目的，并且如本文所体现的，第一储器电极350、储器出口电极352和中间储器电极354、356、358在平面图中的各自的电极表面积大于或等于每个装置电极330的电极表面积。附加地或替代地，并且如本文所体现的，第一储器电极350、储器出口电极352和中间储器电极354、356、358一起限定储器310从第一端到出口320的基本恒定的宽度。例如如图3中所示，第一储器电极350可以具有第一储器电极面积，并且中间储器电极354、356、358中的每一个的中间储器电极面积可以基本等于第一储器电极面积。储器出口电极352的储器出口电极面积可以大于第一储器电极350的第一储器电极面积。此外，储器出口电极352的储器出口电极面积可以大于或等于装置电极330的面积。桥接电极340可以设置在装置电极330和储器出口电极352之间。
出于说明而非限制的目的，例如如图3中所示，第一储器电极350、储器出口电极352和中间储器电极354、356、358相互交叉。如本文所体现的，储器310被配置为储存样品、洗涤缓冲液、结合元件、酶底物、废液或试剂中的至少一种。储器310的体积可以被配置为提供储存在储器310中的合适体积的流体用于储器310将用于的特定分析或应用。出于说明而非限制的目的，储器310可具有约5µL至约25µL范围内的体积。替代地，储器310可具有约2µL至约15µL范围内的体积。具有提高的刚性的基材可用于限定具有更大体积的储器。
储器310可以被配置为储存待通过桥接电极340传输到装置电极330的液滴。如本文所讨论的，储器310可以容纳试剂或样品。出于说明而非限制的目的，并且如本文所体现的，储器310可以被配置为储存一定体积的流体（其可以被称为“母液体积”），可以从储器310分配来自母液体积的多个离散体积的流体（其可以被称为“子液滴”）。
例如但不限于，图4A-4C图示了从具有单电极储器配置（图4A）的示例性储器分配液滴的操作，其用于说明和与根据所公开主题的示例性分流储器配置（图4B和4C）进行比较的目的。例如，如图4A中所示，储器400包括单个储器电极410、出口412、桥接电极414和至少一个装置电极416（在平面图中在子液滴430下方示出）。如本文所讨论的，可以通过电致动从储器400分配离散体积的流体。
出于说明而非限制的目的，如本文所体现的，母液体积420设置在储器400中，并且子液滴430可以从母液体积420分离并且由储器电极410的电致动推动通过出口412并跨过桥接电极414至装置电极416。例如，储器电极410可以被激活以将母液体积420推向出口412，并且母液体积420的部分可以形成液体尾部，液体尾部通过出口412并跨过桥接电极414延伸至装置电极416。如本文所体现的，当由母液体积420形成的液体尾部延伸至装置电极416并在其上积聚液体时，装置电极416可被激活，例如且如本文所体现的，与储器电极410同时被激活。桥接电极414可以保持去激活，且因此，由储器电极410和装置电极416产生的电动力可以在靠近桥接电极414的相反方向上施加到母液体积420，使得通过出口412延伸的母液体积420靠近夹断位置与母液体积420的剩余部分分离以将子液滴430分配到装置电极416上。以此方式，储器电极410和装置电极416可被配置为产生相反的电致动力以从母液体积420分配子液滴430。
如本文所体现的，夹断位置可以靠近桥接电极414的中心。然而，随着母液体积420的液体量随着子液滴从其分配而减少，被推动通过出口412的液体量可能变得不一致，这至少部分是由于不规则的液体尾部形态（formations）或不可预测的夹断位置。例如但不限于，并且如本文中所体现的，随着母液体积420的体积随着子液滴430从其形成而减小，可以形成更长的液体尾部，这可以将夹断位置移离桥接电极的中心，例如图4A中所示，并且可以导致形成体积减小或体积不一致的子液滴430。
出于说明而非限制的目的，图4B和4C示出了从根据所公开主题的具有分流储器配置的示例性储器分配的液滴。参考图4B，如本文所体现的，储器400包括第一储器电极440、储器出口电极442和中间储器电极444、445、出口414、桥接电极414和装置电极416（在平面图中在子液滴430下方示出）。如本文所体现的，母液体积420设置在储器400中并且可以通过第一储器电极440、中间储器电极444、445和储器出口电极442中的一个或多个的电致动来处理。
例如但不限于，如本文所体现的，子液滴430可以从母液体积420分离并且由第一储器电极440、中间储器电极444、445和储器出口电极442中的一个或多个的电致动推动通过出口412和桥接电极414至装置电极416。例如但不限于，第一储器电极440、中间储器电极444、445和储器出口电极442中的一个或多个可以被激活以将母液体积420推向出口412，并且母液体积420的一部分可以被推动以形成液体尾部，液体尾部通过出口412并跨过桥接电极414延伸至装置电极416。如本文所体现的，当由母液体积420形成的液体尾部延伸至装置电极416并在其上积聚液体时，装置电极416可被激活，例如且如本文所体现的，与第一储器电极440、中间储器电极444、445和储器出口电极442中的一个或多个同时被激活。桥接电极414可以保持去激活，且因此，由第一储器电极440、中间储器电极444、445和储器出口电极442中的一个或多个和装置电极416产生的电动力可以在相反方向上施加到母液体积420，使得母液体积420通过出口412延伸的部分靠近夹断位置与母液体积420的剩余部分分离，以将子液滴430分配到装置电极416上。以此方式，储器出口电极442、中间储器电极444、445、第一储器电极440中的一个或多个和装置电极416可被配置为产生相反的电致动力以从母液体积420分配子液滴430。
现在参考图4C，在母液体积420具有比初始体积减小的体积的情况下，装置电极416和第一储器电极440、储器出口电极442和中间储器电极444、446中的一个或多个可以被配置为产生联合的电致动力以将母液体积420推向出口412，以允许从基本所有的母液体积420分配子液滴430。第一储器电极440、储器出口电极442和每一个中间储器电极444、446可以是独立可控的。例如如图4C中所示，例如但不限于，在从母液体积420分配子液滴430时，母液体积420的一部分可以靠近储器400的与出口412相对的第一端411或近端设置。如本文所体现的，第一储器电极440、储器出口电极442和中间储器电极444、446中的一个或多个可以被配置为单独地或以不同的布置一起致动以产生联合的电致动力以将母液体积420在方向450上从第一端411推向出口412。以此方式，母液体积420的位置可相对于出口412偏移以减小所形成的液体尾部的长度并将夹断位置移向桥接电极414的中心，这可提供一致的夹断位置以从母液体积420分配一致尺寸的子液滴430，如本文所述，而无论母液体积420的体积如何。
出于说明而非限制的目的，与数字微流控模块1050相关联的控制器可被配置为独立控制和激活本文所述的电极，例如但不限于如美国专利申请公开2018/0095067中更详细描述的，该申请通过引用以其整体并入本文。例如但不限于，参考图4B和4C，控制器可以被配置为当母液体积420具有第一体积时激活多个储器电极的第一布置。例如，并且如本文所体现的，储器电极的第一布置可以是第一储器电极440、储器出口电极442和中间储器电极444，446。第一体积可以是指在分配任何子液滴之前的母液体积的初始体积，或者可以是指使用多个储器电极的第一布置足以从母液体积分配预定体积的子液滴的母液体积的体积。如此，储器电极的第一布置可被配置成如本文所述的从母液体积420分配子液滴430。
附加地或替代地，并且如本文所体现的，控制器可以被配置为当母液体积420具有小于第一体积的第二体积时激活多个储器电极的第二布置。例如，并且如本文所体现的，储器电极的第二布置可以是储器出口电极442，以及中间储器电极444、446中的一个或多个。第二体积可以是指小于第一体积的母液体积的任何体积，并且可以是指小于使用多个储器电极的第一布置足以从母液体积分配预定体积的子液滴的体积的母液体积的体积。此外，或作为进一步的替代方案，具有第二体积的母液体积420的体积可以减小，使得母液体积420不再设置在第一储器电极440和中间储器电极444、446中的一个或多个的区域中。多个储器电极的第二布置因此可以包括储器出口电极442，以及中间储器电极444、446中的至少一个，而第一储器电极440连同中间储器电极444、446中的其上没有设置母液体积420的部分的任何一个可以被关闭。
例如但不限于，例如如图4C中所示，电极的第二布置可以被激活以将母液体积420在方向450上从第一端411推向出口412。如本文所体现的，电极的激活可以是顺序的，其中成对的储器电极被激活以在方向450上推动母液体积420。例如，中间储器电极444和446可以被激活，其中中间储器电极446产生在方向450上作用在母液体积420上的电致动力且中间储器电极444产生相反的电致动力。然后可以去激活中间储器电极444，这可以导致母液体积420在方向450上移动到中间储器电极446上。然后可以激活储器出口电极442以产生在方向450上作用在母液体积420上的电致动力，其中中间储器电极446产生相反的电致动力。然后可以去激活中间储器电极446，这可以导致母液体积420在方向450上移动到靠近出口412的储器出口电极442上。替代地，可以一起或以任何非顺序的组合激活电极的第二布置以将母液体积420推向出口412。以此方式，在母液体积420靠近出口设置的情况下，夹断位置可以靠近桥接电极414的中心设置。因此，可以防止形成不规则的液体尾部形态，例如但不限于比由具有第一体积的母液体积形成的液体尾部形态更长的液体尾部形态。此外，可以避免不可预测的夹断位置，例如但不限于与桥接电极414间隔开或靠近桥接电极414的边缘的夹断位置。
附加地，并且如本文所体现的，不再与母液体积420接触的储器电极可以被关闭或禁用。即，例如但不限于，如果母液体积420不再设置在第一储器电极440和中间储器电极444、446中的任何一个或全部上或靠近这些电极，例如由于母液体积420的体积减小，则可以禁用这些电极。
根据所公开主题的另一方面，提供了一种数字微流控和分析物检测装置。该装置通常包括第一基材和第二基材，所述第一基材和所述第二基材在侧视图中彼此大体平行地对齐且在其间限定有缝隙。第一基材和第二基材中的至少一个具有多个储器电极，所述多个储器电极限定具有出口和与出口相对的第一端的储器，所述储器与所述缝隙流体连通。多个电极包括靠近第一端的第一储器电极、靠近出口的储器出口电极和设置在第一储器电极和储器出口电极之间的至少一个中间储器电极。第一基材和第二基材中的至少一个具有靠近出口的至少一个装置电极，所述至少一个装置电极和所述多个储器电极中的至少一个被配置为产生电致动力以将至少一个液滴从储器通过出口分配至至少一个装置电极。第一储器电极、储器出口电极和至少一个中间储器电极在平面图中的各自的电极表面积大于或等于至少一个装置电极中的每一个的电极表面积。
出于说明而非限制的目的，并且如本文中所体现的，本文所述的数字微流控装置可被配置为与分析物检测模块组合以形成数字微流控和分析物检测装置的样品制备模块，例如但不限于如在美国专利申请公开2018/0095067中所描述的，该专利申请通过引用以其整体并入本文。
如本文所体现的，样品制备模块可用于进行免疫分析的步骤。任何免疫分析格式均可用于产生可检测信号，该信号指示样品中考虑的分析物的存在并且与样品中分析物的量成比例。
出于说明而非限制的目的，并且如本文所体现的，检测模块包括井阵列，其被光学询问（optically interrogated）以测量与样品中存在的分析物的量相关的信号。井阵列可以具有亚飞升体积、飞升体积、亚纳升体积、纳升体积、亚微升体积或微升体积。例如，井阵列可以是飞升井阵列、纳升井阵列或微升井阵列。如本文所体现的，阵列中的井可以全部具有基本相同的体积。井阵列可具有高达100µl的体积，例如约0.1飞升、1飞升、10飞升、25飞升、50飞升、100飞升、0.1pL、1pL、10pL、25pL、50pL、100pL、0.1nL、1nL、10nL、25nL、50nL、100nL、0.1微升、1微升、10微升、25微升、50微升或100微升。
如本文所体现的，样品制备模块和检测模块均可以存在于单个基底基材上，并且样品制备模块和检测模块均可以包括用于移动液滴的多个电极。如本文所体现的，这样的装置可以包括第一基材和第二基材，其中第二基材定位在第一基材上方并且通过缝隙与第一基材分离。第一基材可以包括样品制备模块所在处的第一部分（例如，近端部分），在第一部分处液滴被引入到装置中，以及液滴朝向其移动的第二部分（例如，远端部分），检测模块位于该第二部分处。
第一基材和第二基材之间的间隔的高度可以高达1mm，例如0.1µm、0.5µm、1µm、5µm、10µm、20µm、50µm、100µm、140µm、200µm、300µm、400µm、500µm、1µm-500µm、100µm-200µm等。在本文所述的装置中产生并移动的液滴的体积范围可以为约10µl至约5pL，诸如10µl–1pL、7.5µl–10pL、5µl–1nL、2.5µl–10nL或1µl–100nL、800-200nL、10nL-0.5µl，例如，10µl、1µl、800nL、100nL、10nL、1nL、0.5nL、10pL或更小。
如本文所体现的，第一部分和第二部分是分开的或分开且相邻的。如本文所体现的，第一部分和第二部分是共同定位的、混合的或交叉的。第一基材可包括覆盖在第一基材的上表面上并从第一部分延伸至第二部分的多个电极。第一基材可包括设置在第一基材的上表面上、包覆多个电极并从第一部分延伸至第二部分的层。第一层可以由介电且疏水的材料制成。介电且疏水的材料的实例包括聚四氟乙烯材料（例如，Teflon®）或含氟表面活性剂（例如，FluoroPelTM）。可以以提供基本平坦表面的方式沉积第一层。井阵列可以定位在第一基材的第二部分中并覆盖多个电极的一部分并形成检测模块。井阵列可以定位在第一层中。如本文所体现的，在制造第一层中的井阵列之前或之后，亲水层可以在第一基材的第二部分中设置在第一层上方以提供具有亲水表面的井阵列。第一基材和第二基材之间的间隔/缝隙可以填充有空气或不混溶流体。如本文所体现的，第一基材和第二基材之间的间隔/缝隙可以填充有空气。
如本文所体现的，样品制备模块和检测模块均可以使用单个基底基材制造，但是用于移动液滴的多个电极只能存在于仅样品制备模块中。如本文所体现的，第一基材可以包括在第一基材的第一部分处覆盖在第一基材的上表面上的多个电极，其中多个电极不延伸到第一基材的第二部分。如本文所体现的，多个电极仅定位在第一部分中。如本文所述的，第一介电/疏水材料层可以设置在第一基材的上表面上并且可以包覆多个电极。如本文所体现的，第一层可以仅设置在第一基材的第一部分上方。替代地，第一层可以在第一部分以及第二部分上方设置在第一基材的上表面上方。井阵列可以定位在第一基材的第二部分中的第一层中，形成不包括存在于井阵列下方的多个电极的检测模块。
如本文所体现的，第二基材可以在第一基材的第一部分和第二部分上方延伸。如本文所体现的，第二基材可以是基本透明的，至少在覆盖井阵列的区域中。替代地，第二基材可以以间隔开的方式布置在第一基材的第一部分上方并且不能布置在第一基材的第二部分上方。因此，如本文所体现的，第二基材可存在于样品制备模块中但不存在于检测模块中。
如本文所体现的，第二基材可以包括形成电极的导电层。导电层可设置在第二基材的下表面上。如本文所述的，导电层可以被由介电/疏水材料制成的第一层包覆。如本文所体现的，导电层可以被介电层包覆。介电层可以被疏水层包覆。导电层和包覆导电层的任何一个或多个层可以跨第二基材的下表面设置或者可以仅存在于第二基材的第一部分上。如本文所体现的，第二基材可以在第一基材的第一部分和第二部分上方延伸。如本文所体现的，第二基材和设置在其上的任何层（例如，导电层、介电层等）可以是基本透明的，至少在覆盖井阵列的区域中。
如本文所体现的，第一基材上的多个电极可以被配置为共面电极并且第二基材可以被配置为没有电极。存在于第一层和/或第二层中的电极可由基本透明的材料制成，例如氧化铟锡、氟掺杂的氧化锡（FTO）、掺杂氧化锌等。
如本文所体现的，样品制备模块和检测模块可以在单个基底基材上制造。替代地，样品制备模块和检测模块可以在分离的基材上制造，这些基材随后可以接合以形成集成微流控和分析物检测装置。如本文所体现的，第一基材和第二基材可以使用可定位在基材之间的间隔件来间隔开。本文所述的装置可以是平坦的并且可以具有任何形状，例如矩形或正方形、带有圆角的矩形或正方形、圆形、三角形等。
本文描述的系统、装置和方法已经证明了常规数字微流控装置和储器无法实现的期望性能特征。例如，与传统装置相比，本文描述的系统、装置和方法可以从样品或试剂储器提供更一致和更精确的液滴分配。本文描述的储器电极的配置可用于将母液体积定位在靠近储器出口的储器内。当子液滴从母液体积分离或夹断时，这样的定位可以降低母液体积形成长液体尾部的趋势。在液滴分离或分配过程中产生这样的液体尾部会导致子液滴具有不规则的体积。
此外，由于储器中剩余的母液体积随着流体液滴从其分配而体积减小，从传统装置和系统分配的更多流体液滴的体积会越来越不一致或不准确。在一些情况下，至少在没有手动干预的情况下，传统装置和系统的储器中的流体的一些剩余部分可能无法从储器中推出，这会导致浪费。本文描述的系统、装置和方法可以减少这种随着储器中的母液体积减少而不一致和不准确的分配。例如，根据所公开主题的储器中的母液体积可以随着母液体积的体积变化而保持靠近储器出口。
虽然本文根据某些优选实施方案描述了所公开主题，但是本领域技术人员将认识到，在不偏离其范围的情况下可以对所公开主题进行各种修改和改进。此外，尽管所公开主题的一个实施方案的各个特征可在本文中讨论或在这个实施方案的附图中示出而未在其他实施方案中示出，但显而易见的是，一个实施方案的各个特征可以与另一实施方案的一个或多个特征或来自多个实施方案的特征组合。
除了下面要求保护的特定实施方案之外，所公开主题还涉及具有下面要求保护的从属特征和上面公开的那些特征的任何其他可能组合的其他实施方案。因此，在从属权利要求中提出的和上面公开的特定特征可以在所公开主题的范围内以其他方式相互组合，使得所公开主题应该被认为还特别涉及具有任何其他可能组合的其他实施方案。因此，出于说明和描述的目的，已经提出了所公开主题的特定实施方案的前述描述。并不旨在穷尽或将所公开主题限制于所公开的那些实施方案。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离所公开主题的精神或范围的情况下，可以对所公开主题的方法和系统进行各种修改和变化。因此，所公开主题旨在包括在所附权利要求及其等效物的范围内的修改和变化。

Claims (16)

1.一种用于在数字微流控芯片中储存和分配流体的系统，包括：
多个独立可控的储器电极，其限定具有出口和与所述出口相对的第一端的储器，所述储器被配置为与靠近所述出口的至少一个装置电极流体连通，所述至少一个装置电极和所述多个储器电极中的至少一个被配置为产生电致动力以将至少一个液滴从所述储器通过所述出口分配到所述至少一个装置电极，所述多个储器电极包括：
靠近所述第一端的第一储器电极，
靠近所述出口的储器出口电极，和
设置在所述第一储器电极和所述储器出口电极之间的至少一个中间储器电极；
其中，所述第一储器电极、所述储器出口电极和所述至少一个中间储器电极在平面图中的各自的电极表面积大于或等于所述至少一个装置电极中的每一个的电极表面积；和
控制器，其被配置为当母液体积具有第一体积时激活所述多个独立可控的储器电极的第一布置以通过所述出口从所述储器中的所述母液体积分配第一子液滴，并且被配置为当所述母液体积具有小于所述第一体积的第二体积时激活所述多个独立可控的储器电极的第二布置以从所述母液体积分配第二子液滴。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一储器电极具有第一储器电极面积，并且所述至少一个中间储器电极的中间储器电极面积基本等于所述第一储器电极面积。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述储器出口电极的储器出口电极面积大于所述第一储器电极面积。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一储器电极、所述储器出口电极和所述至少一个中间储器电极一起限定所述储器从所述第一端到所述出口的基本恒定的宽度。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述储器被配置为储存母液体积，并且其中所述至少一个装置电极和所述多个储器电极中的至少一个被配置为在所述母液体积的至少一部分上产生相反的电致动力以从所述母液体积分配所述至少一个液滴。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述储器被配置为储存母液体积，并且其中所述多个储器电极被配置为产生联合的电致动力以将所述母液体积推向所述出口以允许基本所有的所述母液体积通过所述出口被分配。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个储器电极的所述第一布置包括所述第一储器电极、所述储器出口电极和所述至少一个中间储器电极，并且其中所述多个储器电极的所述第二布置基本由所述储器出口电极和所述至少一个中间储器电极组成。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个储器电极中的至少两个是相互交叉的。
9.根据权利要求1所述的系统，进一步包括在所述至少一个装置电极和所述储器出口电极之间的桥接电极。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述储器被配置为储存样品、洗涤缓冲液、结合元件、酶底物、废液或试剂中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述储器具有2μL至25μL范围内的体积。
12.一种数字微流控和分析物检测装置，包括：
第一基材和第二基材，所述第一基材和所述第二基材在侧视图中彼此大体平行地对齐且在其间限定有缝隙；和
所述第一基材和所述第二基材中的至少一个具有多个独立可控的储器电极，所述多个储器电极限定具有出口和与所述出口相对的第一端的储器，所述储器与所述缝隙流体连通，所述多个电极包括：
靠近所述第一端的第一储器电极，
靠近所述出口的储器出口电极，和
设置在所述第一储器电极和所述储器出口电极之间的至少一个中间储器电极；
所述第一基材和所述第二基材中的至少一个具有靠近所述出口的至少一个装置电极，所述至少一个装置电极和所述多个储器电极中的至少一个被配置为产生电致动力以将至少一个液滴从所述储器通过所述出口分配至所述至少一个装置电极；
其中所述第一储器电极、所述储器出口电极和所述至少一个中间储器电极在平面图中的各自的电极表面积大于或等于所述至少一个装置电极中的每一个的电极表面积；和
控制器，其被配置为当母液体积具有第一体积时激活所述多个独立可控的储器电极的第一布置以通过所述出口从所述母液体积分配第一子液滴，并且被配置为当所述母液体积具有小于所述第一体积的第二体积时激活所述多个独立可控的储器电极的第二布置以从所述母液体积分配第二子液滴。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述多个储器电极的所述第一布置包括所述第一储器电极、所述储器出口电极和所述至少一个中间储器电极，并且其中所述多个储器电极的所述第二布置基本由所述储器出口电极和所述至少一个中间储器电极组成。
14.根据权利要求12所述的装置，其中所述储器被配置为储存母液体积，并且其中所述多个储器电极被配置为产生联合的电致动力以将所述母液体积推向所述出口以允许基本所有的所述母液体积通过所述出口被分配。
15.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一基材和所述第二基材中的所述至少一个具有与所述缝隙流体连通的多个储器。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述至少一个装置电极包括限定装置阵列的多个装置电极，并且所述多个储器围绕所述装置阵列的外围区域设置。
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