CN114206499A - 多盒式数字微流控装置和使用方法 - Google Patents

多盒式数字微流控装置和使用方法 Download PDF

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Abstract

本文描述了高通量数字微流控(DMF)系统和方法(包括设备、系统、盒、DMF装置等)。该系统、装置和方法将液体处理与DMF装置集成在一起，提供灵活有效的样品反应和样品制备。这些系统、装置和方法可以用于各种各样的盒配置和尺寸。

Description

多盒式数字微流控装置和使用方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年4月8日提交的美国临时专利申请第62/831,171号的权益，该公开通过引用以其整体并入本文。
通过引用并入
本说明书中提及的所有公布和专利申请均通过引用以其整体并入本文，其程度如同每个单独的公布或专利申请被明确地且单独地表明其通过引用被并入。
领域
本申请总体上涉及数字微流控(DMF)装置(digital microfluidic apparatus)和方法。具体而言，本文描述的系统、装置和方法涉及气隙DMF装置(air-gap DMFapparatus)，该气隙DMF装置包括包含空气基质和接地电极的盒(cartridge)和包含驱动电极的耐用部件。
背景
数字微流控(DMF)已成为一种强大的制备技术，其用于广泛范围的生物应用和化学应用。DMF能够对包括固体、液体以及刺激性的化学物质的多种样品和试剂进行实时、精确和高度灵活的控制，而不需要泵、阀或复杂的管道阵列。DMF可以被称为(或可以包括)所谓的按需电润湿(EWOD)。在DMF中，纳升体积至微升体积的离散微滴从贮存器分配到涂有疏水绝缘体的平坦表面上，在所述平坦表面上，通过向电极阵列施加一系列电势来操纵(输送、分离(split)、合并、混合)所述离散微滴。复杂的反应系列可以单独使用DMF或使用混合系统进行，在混合系统中DMF与基于通道的微流控集成。
具有高通量空气基质DMF装置(例如装置和/或系统)将是非常有利的，该装置可以在当前相同或不同配置的多个盒上进行多重测定和/或样品制备。装置包括与机械臂和液体处理子系统集成的DMF装置，该子系统能够在被布置在DMF电极阵列上的一个或更多个盒上运行工作流程，该装置可以提供可靠且成本有效的样品处理。高通量空气-基质DMF装置采用一次性盒，其制造成本低廉，并根据需要提供灵活的配置。本文描述了可以解决这些问题的方法和装置，包括系统和设备。
本公开的概述
本文描述了高通量数字微流控(DMF)方法和装置(包括设备和系统，例如盒、DMF读取器等)。尽管这里描述的方法和装置可以特别适用于空气基质DMF装置(这里也称为气隙DMF装置)，但是这些方法和装置可以被配置用于其他DMF装置(例如油隙等)。本文所述的方法和装置可用于处理比传统DMF装置可能处理的体积相对更大的体积，部分原因是DMF装置的气隙可能更大(例如，大于280微米、300微米或更大、350微米或更大、400微米或更大、500微米或更大、700微米或更大、1毫米或更大等)。此外，本文所述的任何装置和方法可以被配置为包括一个或更多个一次性盒或与其一起工作，该一次性盒具有形成盒底部的电介质层；驱动电极不必是盒的一部分。这些装置可以适于允许电介质在操作期间牢固地保持到电极，这已经被证明是非常具有挑战性的，尤其是当电介质层稍微柔性时。术语“盒”可以指形成一个区域(微滴通过电润湿力在其中移动)的容器，该容器可以包括气隙，并且可以插入到DMF读取/驱动装置中。盒可以是一次性的(例如，一次性使用或有限使用)。该盒可以是双板式盒(例如，具有形成表面的顶板和底板)或单板式盒(具有在顶部开口的底板/表面)。盒可以被配置成允许气隙中的流体(微滴)可视化。
这里描述的装置的较大气隙可以通过使用双板式盒来提供，其中板之间的间隔形成气隙。可选地，较大的气隙可以通过使用单板式盒来提供，该单板式盒仅具有覆盖在DMF装置的电极阵列上的底部电介质层。最后，本文描述的装置和方法可以提供复用能力，这可以更容易和更快地使用。该装置可以包括更有效和直观的用户界面，以及创建、修改、存储和/或传输各种微流控控制方案的能力。
例如，用于数字微流控(DMF)装置的双板式盒可以具有底部和顶部，并且可以包括：电介质材料片材，该电介质材料片材具有第一侧和第二侧，第一侧在盒的底部上形成暴露的底表面，其中电介质材料片材的至少第二侧包括第一疏水表面；具有第一侧和第二侧的顶板；顶板的第一侧上的接地电极。接地电极可以包括形成多个开放单元的栅格图案。该盒还可以包括：在顶板的第一侧上覆盖接地电极的第二疏水表面；以及分隔第一疏水层和第二疏水层的气隙，其中气隙包括大于280微米(例如，大于300微米、大于400微米等)的间隔。顶板可以由任何合适的材料形成，尤其包括清透或透明的材料(例如，丙烯酸树脂等)。
双板式盒的顶板可包括一个或更多个通向气隙的端口或开口，其可提供流体输入部或流体输出部，以供机械臂/液体处理子系统的液体处理尖端进入。
在本文描述的任何双板式盒中，顶板可以包括在顶板厚度内的多个空腔；这些空腔可以是封闭的(例如密封的)和/或填充有具有低热质量和低热传导率的热绝缘材料。在一些变型中，绝缘材料包括空气。空腔可以位于气隙区域上方，该气隙区域将对应于加热和/或冷却区域(例如，热控制区域)；这些区域中较低的热质量可以允许显著更快地加热/冷却一个或更多个空腔下方的气隙中的微滴。因此，这些区域中顶板的厚度可以包括空腔；空腔底部(对应于顶板的底表面)可以小于1mm厚(例如，小于0.9mm、0.8mm、0.7mm、0.6mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.2mm、0.1mm、90微米、80微米、70微米、60微米、50微米、40微米、30微米等)。空腔底部可以优选地尽可能薄，同时为电极和顶板的底表面上的任何电介质涂层提供结构支撑。空腔上表面可以大体上比空腔的底部表面更厚(例如，1.5倍、2倍、3倍、4倍、5倍等)。
可选地，单板式盒可用于本文所述的高通量DMF装置和方法。可以类似于双板式盒形成单板式盒，但是没有上板。单板式盒也可以没有集成的电极栅格，并且可以在DMF装置上以单侧电润湿模式操作。
在单板式盒或双板式盒中，形成底部表面的电介质材料可以制成疏水的(例如，通过涂覆，包括浸涂等，利用疏水材料浸渍等)和/或它本身可以是疏水的。例如，底部表面(例如，盒的底部表面)可以由既是电介质材料又是疏水性材料的膜形成。例如，底部表面可以是既疏水又充当电介质的聚四氟乙烯膜(其可以包括粘合剂或粘合剂部分，例如聚四氟乙烯带)。其他膜可以包括塑料石蜡膜(plastic paraffin film)(例如“石蜡膜(Parafilm)”，如PARAFILM M)。然而，特别地，能够耐受高温(例如100℃及以上)的膜(例如聚四氟乙烯膜)是优选的。
在本文描述的任何盒中，电介质材料片材可以是柔性的。这种柔性可有助于将电介质固定到驱动电极，以确保电介质和驱动电极之间的完全接触。通常，电介质材料片材可以足够柔顺，使得其可以在相对较低的力(例如，50kPa的压力或更大)下弯曲或挠曲。电介质片材可以是任何合适的厚度；例如，片材可以小于30微米厚(例如，小于20微米厚等)。
如提及的，电介质材料片材可以是柔性的，并且可以形成盒的最底部表面。片材通常可以是平的(平坦的)，尽管其可以是柔性的。外表面可以利用可移除(例如，剥离)的覆盖物保护。电介质特性可以是那些通常与DMF(特别是空气基质DMF)装置一致的特性。电介质可以在内侧(第二侧)涂覆有第一疏水层。疏水层可以是相对惰性(例如，不与在气隙中移动的水性微滴反应)的疏水材料涂层。
任何双板式盒也可以包括从盒的顶部到气隙的窗口，通过该窗口可以看到气隙。这可以允许成像到气隙中。单板式盒可在单板式盒内的任何地方成像。该成像可用于检测输出(例如，反应输出，如结合、比色测定法、RT-PCR等)。此外，双板式盒的窗口或单板式盒的开放气隙可以为盒内微滴中存在的试剂的光活化提供入口。窗口可以是任何合适的尺寸；例如，窗口可以形成为盒顶部的2％到50％之间。窗口可以在盒的一侧和/或盒的一端。可以使用多个成像窗口。可选地，双板式盒的顶板可以是透明的或基本半透明的，允许通过顶板成像。
盒可以包括一个或更多个试剂贮存器。例如，在贮存器中或气隙内，盒可包括一种或更多种试剂，尤其包括冻干(例如，“冷冻干燥”)试剂。例如，双板式盒可以包括在顶板的第二侧上的一个或更多个冷冻干燥的试剂贮存器。可选地，双板式盒或单板式盒可以在盒的底板上包括一个或更多个冷冻干燥的试剂贮存器。
本文还描述了与本文所述的任何盒一起使用的DMF装置，以对它们进行测定，包括检测测定的结果。这些装置在这里可以被称为DMF驱动器装置。例如，DMF驱动器装置可以被配置为在盒的电介质底部表面(特别是在特定盒或多个盒下面的端口的子集)上施加真空，使得电极与形成每个单位单元格式的电介质均匀紧密接触，从而使流体的微滴在气隙内移动。申请人惊奇地发现，简单地将电介质材料粘合固定到电极上是不够的，因为它会导致不相等的接触和移动微滴所需的功率变化，以及微滴移动、控制和一致性的低效率。此外，即使与粘合剂结合使用，真空的使用也有类似的问题，尤其是当电介质是柔性的时候。本文描述了使用它们的装置和方法，其中真空被用于通过驱动电极自身内的多个开口或者围绕/紧邻驱动电极来固定盒的电介质底部。在其中通过所有或一些驱动电极(例如，在安置表面上(例如，在拐角处)以图案间隔开)施加真空的变型中，电介质以均匀的方式一致地保持到驱动电极上，即使当使用相对低的真空负压力时。这种配置还可以通过包括在盒保持表面(盒保持在其上)上的突起来允许在盒内形成隔断或屏障。
具体而言，本文描述的是数字微流控(DMF)装置，其同时控制和驱动一个或更多个微滴穿过一个或更多个尤其是若干个DMF盒的移动。如本文所使用的，在多个不同的盒中(或者在一些变型中在单个盒内)同时驱动电润湿和其他反应可以包括在多个不同的盒中和/或单个盒内同时操作电润湿操作(DMF控制)，或者在多个不同的盒中和/或单个盒内连续操作电润湿操作，例如通过快速循环多个不同的操作。
例如，本文描述的是数字微流控装置，其包括：安置表面，其配置为同时安置一个或更多个盒；多个驱动电极，其设置在安置表面上，其中驱动电极被配置为当盒被安置在安置表面上时施加电压以使微滴在盒内移动；多个真空端口，其分布在整个安置表面上；真空控件，其被配置为当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，选择性地通过被安置在安置表面上的一个或更多个盒下方的真空端口的子集施加真空；电控件，其用于向驱动电极施加能量，以当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，使微滴在一个或更多个盒的气隙内移动；以及液体处理子系统，其用于当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，向一个或更多个盒分配液体或从一个或更多个盒移除液体。
通常，这些装置(例如，系统、设备等)中的任何一个可以包括机械臂。例如，液体处理子系统可以包括机械臂。液体处理子系统可以包括液体处理头和至少一个液体处理尖端。在一些变型中，液体处理头被配置成分配或抽取约1微升至约100毫升的体积。
在这些装置中的任何一个中，真空控件可以进一步包括真空泵，该真空泵用于向多个真空端口施加真空。在这些变型中的任何一种中，多个真空端口的每个真空端口可以通过多个驱动电极中的驱动电极联接到开口。真空控件可以被配置成确定哪些真空端口位于一个或更多个盒下面。真空控件可以进一步包括歧管和多个阀。
多个驱动电极可以包括大约408到大约20,000个之间的驱动电极。
通常，这些装置中的任何一个都可以包括主控制子系统，用于协调对多个驱动电极、多个真空端口和液体处理子系统的激活。在一些变型中，真空控件和/或电控件可以是主控制子系统的一部分，或者可以联接到主控制子系统和/或彼此联接。主控制子系统可以包括非暂时性指令，该非暂时性指令用于控制多个真空端口、多个驱动电极和液体处理子系统。主控制子系统可以被配置为当盒被装载到安置表面上时，同时使微滴在两个或更多个盒的气隙中移动。
这里描述的装置还可以包括驱动电极阵列内的一个或更多个温度控制区域。替代地或附加地，这些装置中的任何一个可以包括驱动电极阵列内的一个或更多个磁控制区域，每个磁控制区域包括被配置为输送磁场的磁体。
一般来说，这些数字微流控装置可以包括位于安置表面上的一个或更多个盒对准特征。
本文还描述了方法，包括操作任何这些装置的方法。例如，本文描述了在具有多个驱动电极的数字微流控装置中选择性地固定一个或更多个盒的方法，该方法包括：将一个或更多个盒设置在数字微流控装置的安置表面上，从而产生一个或更多个盒的一个或更多个相应安置位置，其中一个或更多个盒中的每一个位于安置表面的子区域上；感测一个或更多个盒中的每个相应安置位置；确定位于一个或更多个盒的相应安置位置下方的多个驱动电极的子集；选择性地将真空施加到一个或更多个盒的相应安置位置，以将一个或更多个盒固定到数字微流控装置的安置表面。
选择性地施加真空可以包括通过位于相应安置位置下方的真空端口的子集施加真空。在一些变型中，施加真空可以包括通过开口施加真空，该开口穿过位于相应安置位置下方的所有或一些驱动电极。感测每个相应安置位置可以包括感测相应安置位置下方的多个驱动电极中的电差异。可选地或附加地，感测每一个相应安置位置可以包括感测通过相应安置位置中的安置表面上的真空端口的子集的气流的阻力。
一个或更多个盒中的每一个都可以包括底板，该底板被配置为在施加真空时变形，从而粘附到安置表面。
在一些变型中，一个或更多个盒中的每一个相应安置位置可以具有对应于每个盒的尺寸的相应区域。一个或更多个盒中的至少一个可以具有与一个或更多个盒中的其他盒不同的尺寸。
例如，在此描述的是数字微流控(DMF)驱动器装置，其被配置为与具有底部电介质表面、可选的具有接地电极的顶板以及气隙(在底部电介质和顶板之间(在双板式盒的情况下))的一个或更多个盒一起操作，该装置包括：安置表面，其用于安置一个或更多个盒；多个驱动电极，其位于安置表面上，其中每个驱动电极包括穿过其中的开口；真空泵，其用于向真空端口施加真空；以及控制器，其用于施加能量以依序激活和停用一个或更多个选定的驱动电极，以使微滴在盒的气隙内沿着气隙内的期望路径移动，其中DMF装置被配置为在一次性盒被放置在安置表面上时，向真空歧管施加真空以将每个驱动电极固定到一次性盒的底部电介质；以及机械臂和液体处理子系统。
在一些变型中，该装置包括真空歧管，该真空歧管将真空泵联接到多个真空端口以施加真空。
本文描述的DMF驱动器装置可以被配置成与本文描述的任何盒一起操作，并且可以适于与这样的盒一起使用。然而，应该理解的是，盒不是DMF驱动装置的必要部分。一般来说，这些装置可以与一个或更多个盒(例如，可重复使用或一次性的盒)一起操作，这些盒具有底部电介质表面、可选的具有接地电极的顶板和间隙(例如，通常是气隙但不一定是气隙，并且在双板式盒的情况下，气隙设置在底部电介质和顶板之间)。
DMF驱动器装置通常还可以包括用于安置一个或更多个盒的安置表面。安置表面可以具有大约50、60、70、90、100、150、200、250、400、500、600、700、780或大约800毫米的宽度，或者具有其间任何值的宽度。安置表面可以具有大约80、100、110、150、200、400、600、800、1000、1300、1500、1750、1800、2000、2050或大约2100毫米的长度。安置表面可以包括驱动电极和/或任何突起，驱动电极可以与安置表面齐平或基本齐平，突起可以用于通过可预测地将电介质变形到间隙区域中来在盒的间隙区域(例如，气隙)内形成隔断。安置表面上的多个驱动电极可以形成在安置表面上或者被铣削到安置表面中。例如，安置表面可以是诸如印刷电路板(例如，电绝缘表面)的基底，驱动电极被附接到基底上或形成到基底上。可以有大约300、400、500、600、800、900、1000、1500、2000、5000、10,000、20,000、30,000、40,000、50,000、60,000或大约70,000个驱动电极。
通常，如上文提及的，电极阵列中的驱动电极的全部或大部分(例如，>50％、>60％、>70％、>80％、>90％、>95％等)可以包括穿过驱动电极并且连接至真空源的开口。真空源可以是真空歧管，所述真空歧管将穿过驱动电极的这些开口连接至真空的源，例如作为装置的一部分的真空泵，或连接(例如，壁真空)至装置的单独的真空泵。穿过电极的开口可以是相同的大小，并且它们可以位于驱动电极上/穿过驱动电极的任何地方。例如，它们可以穿过驱动电极的中心，和/或穿过驱动电极的边缘区域等。开口可以是任何形状(例如，圆形、卵形、正方形等)。在某些变型中，开口的大小可以是直径约1mm(例如，直径1.2mm、直径1.1mm、直径1.0mm、直径0.9mm、直径0.8mm等)。
通常，真空歧管可以联接到和/或可以包括多个真空端口，每个真空端口联接到驱动电极中的开口中的一个(或在一些变型中，多于一个)。真空歧管可以位于安置表面下方。例如，真空歧管可以是安置表面下方的连接到驱动电极中的开口的管道或其他通道。
可以调节、选择和/或调整由真空歧管施加的保持盒的负压(真空)的量，以防止每个盒的膜(因此气隙的底部表面)变形。该装置可以仅在存在盒的地方施加真空以保持盒，并且可以避免向盒可以被安置但当前没有被安置的区域施加真空。这也有助于维持用于保持安置在DMF读数装置中的盒的压力。例如，压力可以保持在-0.5英寸汞柱(in Hg)和-25inHg之间(例如，在大约-0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、8、9、10、11、12、13、14、15in Hg等的下限和大约5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22in Hg等的上限之间，包括例如小于约4in Hg、小于约5in Hg、小于约6in Hg、小于约7in Hg、小于约8in Hg、小于约9in Hg、小于约10in Hg、小于约12in Hg、小于约15in Hg、小于约17inHg、小于约19in Hg、小于约20in Hg、小于约22in Hg等)。
因此，高通量DMF装置可以包括机械臂和液体处理子系统(或包括机械臂的液体处理子系统)。机械臂可以是三轴机械臂，允许进入安置表面上的任何位置。机械臂还可以包括金属探针，该金属探针被配置为电穿孔被安置在安置表面上的一个或更多个盒的至少一个内的微滴内的生物细胞。机械臂可以完全集成到控制DMF驱动器装置中的操作的过程中，包括分配、混合、添加、移除、反应一个或更多个盒中的流体以及以其他方式与一个或更多个盒中的流体接合。在一些变型中，机械臂是液体处理子系统的一部分，或者可以与其分离。术语“机械臂”在这里旨在被广泛地用作可以在3D空间内操作的任何机械定位子系统。
液体处理子系统可以进一步包括液体处理头。液体处理头可以被配置成通过一个或更多个液体处理尖端分配和/或移除任何合适的体积(例如，从大约1微升到大约100微升的体积)。因此，液体处理子系统可以进一步包括至少一个液体处理尖端。液体处理子系统还可以包括多个液体处理尖端，例如4个、8个、12个或96个液体处理尖端。液体处理子系统可以从安置在安置表面上的一个或更多个盒内输送或抽取液体微滴。液体处理子系统可以通过双板式盒的顶板上的流体输入部或输出部(例如，端口)输送或抽取液体微滴。液体处理子系统可以通过气隙从单板式盒内的任何位置输送或抽取液体微滴。液体处理子系统可以进一步包括试剂/样品储存子系统，其可以是温度控制的。试剂/样品储存子系统可以进一步包括孔板容纳区域，其可以包含24孔、48孔、96孔和384孔孔板中的任何一个。液体处理子系统可以从试剂/样品储存子系统中取回试剂或样品，并将试剂或样品输送到一个或更多个盒中。样品可能含有生物细胞。液体处理子系统可进一步从一个或更多个盒中抽取产物微滴，并将产物微滴置于孔板容纳区域中的孔板的孔中。
高通量DMF装置可以包括围绕DMF电极阵列和安置表面的外壳、机械臂和液体处理子系统，其中外壳控制湿度、温度和气体环境中的一个或更多个。
这里描述的DMF驱动装置可以包括用于协调电极阵列和机械臂/液体处理子系统的主控制器。主控制器可以调节外壳以调节湿度、温度或气体环境之一。该控制器可以包括一个或更多个处理器、存储器以及操作该设备所必需或有用的任何其他电路，所述操作包括协调对能量的施加以激活/停用驱动电极，引导机械臂/液体处理子系统分配或抽取微滴；操作用于真空控制和/或微流控控制的泵、一个或更多个阀(例如用于微流控控制、真空控制)、温度控制器(例如电阻加热器、珀尔帖冷却等)，马达(例如，用于机械臂、液体处理子系统、光学器件等)，一个或更多个显示器等。
如提及的，这些装置中的任何一个都可以包括从安置表面延伸的一个或更多个突起，其中一个或更多个突起被配置成当通过驱动电极中的开口施加真空时，在盒的空气中形成隔断。
这些装置中的任何一个都可以包括光学子系统。光学子系统可以包括一个或更多个照明源，例如用于可视化的可见照明源、红外照明源和/或紫外照明源和激发光源。光学子系统还可以包括成像设备，该成像设备被配置为检测来自被安置在安置表面上的盒的光学信号。光学子系统可以是可移动的或固定的。光学子系统可用于检测(例如，感测)由于微滴中的一种或更多种相互作用(例如，结合、酶促反应等)而产生的进料或变化。光学子系统可以被配置成检测来自被安置在安置表面上的盒的光学信号。因此，光学传感器可以提供对来自装置的读出的检测。这些设备中的任何一个可以包括一个或更多个马达，例如，所述马达被配置为移动光学装置。在一些变型中，光学子系统可以联接到机械臂或作为机械臂的一部分而被包括在内。
本文描述的装置还可以包括一个或更多个温度传感器(例如热敏电阻器等)。例如，该设备可以包括联接至安置表面的一个或更多个温度传感器。在某些变型中，热敏电阻器可以从安置表面突出，并且在盒的气隙中形成屏障或室(chamber)。可选地或另外，一个或更多个温度传感器可以在安置表面的基底内，并且例如经由导热材料(例如铜)与安置表面热接触。
如提及的，本文描述的设备可以包括一个或更多个加热器，特别地包括电阻加热器。例如，该设备可以包括在驱动电极中的至少某些下面(或上面)的电阻加热器；这可以允许装置的温度调节的子区域。整个驱动电极表面还也可以(例如，通过冷却流体的循环)被冷却至略微低于室温(例如，在15摄氏度和25摄氏度之间、在15摄氏度和22摄氏度之间、在15摄氏度和20摄氏度之间、在15摄氏度和18摄氏度之间等)。
该装置还可以包括在驱动电极中的一个或更多个之上或之下的一个或更多个磁体，所述磁体被配置成被激活以施加磁场。因此，磁珠可以用于结合材料或DMF装置中的其他反应，并且磁珠可以被选择性地保持在设备的一个或更多个区域内。例如，可以使用一个或更多个钕磁体，例如，通过将磁体移动更接近或更远离盒以将磁性颗粒保持在适当位置(例如，将磁体向上移向电极3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm等)。电磁体可以被选择性地激活或停用以保持/释放磁性颗粒。机械臂可以包括一个或更多个磁体，用于选择性地施加磁场。
本文描述的任何装置还可以包括在驱动电极中的至少某些驱动电极的下面的一个或更多个珀尔帖冷却器，所述帕尔贴冷却器被配置成冷却至10摄氏度或更少(例如，5摄氏度或更少、7摄氏度或更少、11摄氏度或更少、12摄氏度或更少、15摄氏度或更少、20摄氏度或更少等)。
通常，这些设备中的任一个可以包括外部壳体、前面板显示器以及一个或更多个输入部(例如，触摸屏显示器、拨号盘、按钮、滑块等)和/或电源开关。该装置可以被配置成结合一个或更多个其他DMF装置操作。在某些变型中，单个壳体可以封闭多个盒安置表面，每个盒安置表面具有(通过单个或多个控制器)单独地可寻址的/可控的驱动电极阵列，这允许多个盒的并行处理；在这些变型中，部件(泵、马达、光学子系统、控制器)的全部或某些可以在不同的盒安置表面之间共享。
这些设备中的任一个可以包括输出部，所述输出部被配置成输出通过设备检测到的信号。输出可以在一个或更多个显示器/屏幕上，和/或它们可以是电子输出，所述电子输出被传输至存储器或远程处理器用于存储/处理和/或显示。例如，这些装置中的任一个可以包括无线输出。
本文还描述了防止或减少这些装置中的任一个中的蒸发的方法。例如，本文描述了防止空气基质数字微流控(DMF)装置中微滴蒸发的方法，该方法包括：将含水反应微滴引入到空气基质DMF装置的气隙中，所述气隙在空气基质DMF装置的第一板和第二板之间形成；依序地对第一板上或第一板中的驱动电极通电，以使含水反应微滴在空气基质DMF装置的气隙中移动，使得所述含水反应微滴与空气基质DMF装置的气隙中的非极性流体的微滴组合，这形成涂覆的反应微滴，在所述涂覆的反应微滴中，非极性流体涂覆含水反应微滴并且保护反应微滴免于蒸发；以及依序地通电驱动电极以使涂覆的反应微滴在空气基质DMF装置的气隙中移动。
非极性流体的体积可以小于含水反应微滴的体积。这些方法中的任一个可以包括在空气基质DMF装置的气隙中将涂覆的微滴与一种或更多种另外的含水微滴组合。这些方法中的任一个还可以包括通过将涂覆的微滴从空气基质DMF装置的气隙中至少部分地抽出到微流控通道中来将非极性流体的涂层移除。该方法还可以包括通过第一板或第二板中的开口将非极性流体的微滴添加到空气基质DMF装置的气隙中。通常，非极性流体的微滴在10摄氏度和100摄氏度之间可以是液体。
例如，一种防止空气基质数字微流控(DMF)装置内微滴蒸发的方法可以包括：将额外的含水材料引入到含水反应微滴中、进入空气基质DMF装置的气隙，包括来自机械臂和/或流体分配子系统。
本文描述的方法和装置可以特别地适合于与大体积微滴一起使用和处理。通常，DMF装置并且特别是空气基质DMF装置的大多数单位微滴限于约4微升或更小的含水流体，并且气隙在驱动电极和接地电极(气隙区域的顶板和底板)之间限于小于约250微米或300微米的间隔。本文描述了对较大体积操作的方法，其中驱动电极(例如，底板)和接地电极(例如，顶板)之间的间隔可以大得多(例如，在约280微米和3mm之间、在约300微米和3mm之间、在约400微米和1.5mm之间，例如在400微米和1.2mm之间等、或400微米或更大、500微米或更大、1mm或更大等)。因此，单位微滴大小(通过单个驱动电极驱动的单个单位单元上的微滴可以大得多，例如，5微升或更大、6微升或更大、7微升或更大、8微升或更大、9微升或更大、10微升或更大、11微升或更大、12微升或更大、13微升或更大、14微升或更大、15微升或更大等，例如在5微升-20微升之间、在5微升-15微升之间、在7微升和20微升之间、在7微升和15微升之间等)。
使用电润湿分配大微滴常规地用较小的体积(例如，小于5微升)进行，然而，将较大体积分配为单个单位已经证明是困难的，特别是以高的准确度和精确度进行分配。本文描述了使用电润湿分配预先确定体积的液体的方法。例如，本文描述了将预先确定体积的流体分配到空气基质微流控(DMF)装置的气隙中的方法，其中气隙大于280微米(例如，300微米或更大、400微米或更大等等)宽，另外其中DMF装置包括与气隙相邻的多个驱动电极，该方法包括：用来自与气隙连通的端口的流体充满(flooding)气隙的一部分；施加能量以激活与被充满的气隙的一部分相邻的第一驱动电极；以及当第一电极被激活时，施加吸力以将流体抽回到端口中，这将流体的微滴留在与激活的第一电极相邻的气隙中。
施加能量以激活第一驱动电极可以包括施加能量以激活与第一驱动电极相接的一个或更多个驱动电极，并且另外其中当第一驱动电极被激活时施加吸力以将流体抽回到端口中包括：当第一驱动电极和与第一驱动电极相接的一个或更多个驱动电极是活动的时抽取流体，这将流体的微滴留在与激活的第一驱动电极和与第一驱动电极相接的一个或更多个驱动电极相邻的气隙中。
第一驱动电极可以与端口隔开至少一个驱动电极的间隔。这些方法中的任一个还可以包括停用与气隙的第二部分相邻的一个或更多个驱动电极，所述第二部分在气隙的被充满部分中并且在端口和第一驱动电极之间。气隙可以大于500微米。
充满气隙的部分可以包括施加正压力以从端口排出流体。该方法还可以包括依序地通电与气隙相邻的驱动电极，以使微滴在空气基质DMF装置的气隙中移动。
当第一电极被激活时施加吸力以将流体抽回到端口中可以包括：将具有10微升或更大的体积的流体的微滴留在与激活的第一电极相邻的气隙中。
例如，将预先确定体积的流体分配到空气基质数字微流控(DMF)装置的气隙中的方法可以包括(其中气隙大于280微米宽(例如，300微米或更大、400微米或更大等)，另外其中DMF装置包括与气隙相邻的多个驱动电极)：用来自与气隙连通的端口的流体充满气隙的一部分；施加能量以激活与被充满的气隙的一部分相邻的第一驱动电极或第一组相接的驱动电极，其中第一驱动电极或第一组相接的驱动电极与端口间隔开不被激活的一个或更多个驱动电极；以及当第一电极或第一组相接的电极被激活时，施加吸力以将流体抽回到端口中，这将流体的微滴留在与第一电极或第一组相接的电极相邻的气隙中。
本文还描述了用于DMF装置的控制系统，例如本文描述的那些。特别地，本文描述了包括用于操作这些装置中的任一个的图形用户界面的控制系统。这些控制系统(子系统)可以包括软件、硬件和/或固件。因此，这些装置中的任一个可以被配置为存储在非暂时性介质(例如，存储器)中用于进行本文描述的方法和程序中的任一个的指令。
例如，本文描述了用于控制数字微流控(DMF)装置的方法，该方法包括：提供图形用户界面，所述图形用户界面包括流体处理控制命令的菜单，所述流体处理控制命令包括以下中的一种或更多种：移动、加热、移除、循环、等待、中断、混合和分配；接收流体处理方案(protocol)，所述流体处理方案包括用户选择的流体处理控制命令；基于该流体处理方案，计算用于在DMF装置的气隙中移动流体的路径，其中该路径最小化路径中的重叠的量以避免污染；以及基于所计算的路径，使用DMF装置执行流体处理方案如下文更详细描述的，这些方法中的任何一种也可以或可选地包括与DMF和/或抽吸结合来控制(作为主控制器的一部分)机械臂的操作。
流体处理控制命令可以包括以下中的至少一种：移动、加热、移除、等待和混合。例如，流体处理命令可以包括以下的全部：移动、加热、移除、等待和混合。用户可以选择对应于这些命令中的每个的图标，并且可以依序输入它们和/或可以指示培养时间和温度条件。该装置可以自动地确定盒的气隙区域中的最优路径，以便执行这些步骤中的每个(例如，通过将微滴移动至盒的合适的区域，包括加热器、磁体、微流控端口等)，使得微滴可以根据需要来操纵。例如，接收流体处理方案可以包括接收一串流体处理控制命令。计算路径可以包括基于DMF装置中的加热区和冷却区的布置来计算路径。计算路径可以包括确定本身不交叉的最短路径。通常，在DMF装置上执行流体处理方案可以包括在联接至DMF装置的一次性盒中执行流体处理方案。
本文还描述了数字微流控(DMF)装置，所述数字微流控装置被配置成与一个或更多个可移除盒和/或一次性盒一起操作，所述可移除盒和/或一次性盒具有底部电介质表面、具有接地电极的(可选的)顶板以及在底部电介质和顶板之间的气隙，该设备包括：用于将一次性盒安置在上表面上的安置表面；在安置表面上的第一多个驱动电极，其中驱动电极中的全部或某些包括穿过其中的开口；热控件，所述热控件用于将热能施加至安置表面的第一区域；多个热通孔(thermal vias)，其中热通孔包括导热材料，并且与安置表面的第一区域热连通，但与电极的子集电隔离，并且另外其中热通孔与热控件热连通；多个真空端口，其中每个真空端口被联接至穿过驱动电极的开口中的一个或更多个；用于将真空施加至真空端口的真空泵；以及控件，所述控件用于施加能量以依序地激活和停用一个或更多个选择的驱动电极，以使微滴在盒的气隙内沿着气隙内的期望路径移动。
如下文更详细描述的，安置表面可以被配置为单独安置多个不同的盒，包括不同类型和配置的盒。
热通孔可以具有任何合适的尺寸。例如，每个热通孔可以具有在约0.5mm和约2mm之间(例如，在约0.5mm和约1.8mm之间、在约0.5mm和约1.5mm之间、在约0.5mm和约1.2mm之间、在约0.8mm和约1.2mm之间等)的直径。每单元可以使用任何数目的热通孔(例如，可以存在约5个-15个之间的与对应于第一区域中的单个电极的区域相关联的热通孔)。
热通孔可以各自填充有导热材料；材料可以是导电的或电绝缘的。在某些变型中，导热材料是金属。DMF驱动装置还可以包括一个或更多个电阻加热器，所述电阻加热器在驱动电极中的至少一些的下面。
安置表面可以形成或至少部分地形成在印刷电路板(PCB)上(包括在形成于PCB上的电极阵列上)。如上文提及的，本文描述的任何装置可以包括一个或更多个磁体；在某些变型中，磁体可以在驱动电极中的一个或更多个之下，该磁体被配置成被激活以施加磁场。例如，磁场可以穿过驱动电极中的开口。该装置可以包括一个或更多个珀尔帖冷却器，所述珀尔帖冷却器在驱动电极中的至少一些驱动电极的下面，其被配置成冷却至小于10摄氏度。
本文还描述了检测数字微流控(DMF)盒的气隙中的材料的位置和/或身份(identity)的方法。材料可以包括微滴(例如，含水微滴)、蜡、涂覆/包裹在蜡(例如，液体蜡)中的微滴、油滴、具有磁性颗粒的微滴等。身份可以针对材料在气隙中的具体位置处被确定，例如在形成盒中的气隙的上表面和下表面之间。该盒可以被分成单元(例如，各个驱动电极之上的区域)。
在本文描述的装置和方法中，相邻的驱动电极可以被配置为参考电极，即使在变型(盒可以包括例如顶板上的参考电极)中也是如此。因此，本文描述的装置可以不在盒中使用内置参考电极。
例如，检测位置和/或身份的方法可以包括:指定与驱动电极相邻的电极作为参考电极，并将参考电极与驱动电路断开；将驱动电极阵列的一个或更多个驱动电极的电压设置为高电压，同时将驱动电极阵列的所有其他驱动电极设置为接地；感测参考电极处的电压；基于在参考电极处感测的电压来确定电容；以及基于所确定的电容识别与一个或更多个驱动电极相邻的气隙中的材料。
该方法还可以包括将参考电极重新连接至驱动电路，以及通过在参考电极和一个驱动电极之间施加电压来在气隙中驱动微滴。这些步骤可以被反复地重复，以追踪材料在气隙中的移动，并且可以改变各种驱动和参考电极(以及接地的参考电极)以扫描通过盒。
断开参考电极可以包括允许参考电极浮动(float)(例如，不接地)。参考电极可以是整个上部电极(在气隙的第一侧上，与驱动电极的阵列相对)。将参考电极与驱动电路断开(例如，与通过数字微流控驱动气隙中微滴的移动的控制器断开)可以包括将参考电极连接至感测电路，用于检测在参考电极处的电压并且因此检测气隙的电容。参考电路可以包括一个或更多个参考电容器，所述参考电容器被布置成允许测量气隙电容。
将驱动电极中的一个或更多个的电压设置成高电压可以包括将驱动电极中的一个或更多个设置成在10V和400V之间(例如，在100V和500V之间，例如约300V等)。
这些方法中的任一个可以包括确定对于气隙的总电容。该方法还可以包括当将参考电极与驱动电路断开时，使用连接至参考电极的一个或更多个参考电容器来确定总电容。例如，基于在参考电极处感测的电压来确定气隙的第一侧和气隙的第二侧之间的电容还可以包括使用总电容。
识别气隙中的材料可以包括基于所确定的电容使用参考数据库来识别气隙中的材料，所述参考数据库包括多个电容范围。
本文还描述了用于数字微流控(DMF)装置的盒(例如，一次性盒和/或可移除盒)，所述盒包括张紧框架(tensioning frame)以保持底部电介质材料处于张紧状态并且因此保持为平的。例如，本文描述的任何盒可以包括：电介质材料片材，所述电介质材料片具有第一侧和第二侧，第一侧在盒的底部上形成暴露的底部表面，其中电介质材料片材的至少第二侧包括第一疏水表面；张紧框架，所述张紧框架将电介质材料片保持处于张紧状态，使得其大体上是平的；在双板式盒的情况下，该盒还包括：顶板，所述顶板具有第一侧和第二侧以及在第一侧和第二侧之间的厚度；在顶板的第一侧上的接地电极；在顶板的第一侧上覆盖接地电极的第二疏水表面；以及气隙，所述气隙将第一疏水层和第二疏水层隔开，其中气隙包括大于280微米的间隔。本文描述的任何其他盒特征可以与这些盒一起被包括。
这些盒中的任一个还可以包括至少部分地(包括完全地)在电介质材料片材周围延伸并且从电介质材料片突出的凸缘(lip)。该凸缘可以与安置表面上的通道或槽接合。可选地或另外，盒可以包括外围通道或槽，装置的安置表面上的突起接合到所述外围通道或槽中。
张紧框架可以包括外部框架和内部框架。片材可以被保持在外部框架和内部框架之间。这些盒可以包括本文提及的任何其他盒特征。
在第一方面，提供了一种数字微流控装置，该装置包括：安置表面，其被配置为同时安置一个或更多个盒；多个驱动电极，其设置在安置表面上，其中驱动电极被配置为当盒被安置在安置表面上时施加高电压以使微滴在盒内移动，并且其中所有或一些驱动电极包括穿过驱动电极的开口；多个真空端口，其中每个真空端口联接到穿过驱动电极的一个或更多个开口；真空控件，其被配置为当一个或更多个盒安置在安置表面上时，选择性地通过被安置在安置表面上的一个或更多个盒下方的真空端口的子集施加真空；电控件，其用于施加能量以依序激活和停用一个或更多个选定的驱动电极以使微滴在一个或更多个盒的气隙内移动，一个或更多个盒被安置在安置表面上；真空泵，其用于向多个真空端口施加真空；机械臂和液体处理子系统，其用于当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，向一个或更多个盒分配液体或从一个或更多个盒移除液体。
数字微流控装置可以被配置为安置一个或更多个单板式盒和/或双板式盒。在数字微流控装置上，可以同时使用单板式盒和双板式盒的混合物。
在一些实施例中，该装置可以包括在安置表面上的多个驱动电极中的大约408到大约20,000个驱动电极。在一些实施例中，装置的机械臂可以是三轴机械臂。
在一些实施例中，液体处理子系统可以包括液体处理头和至少一个液体处理尖端。在一些实施例中，液体处理子系统可以包括多个液体处理尖端。液体处理头可以被配置成分配或抽取大约1微升至大约100毫升的体积。在一些实施例中，液体处理头还被配置成分配悬浮在液体中的生物细胞。在一些实施例中，至少一个液体处理尖端还可以被配置成当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，混合一个或更多个盒内的微滴内的流体。
在该装置的各种实施例中，机械臂可以进一步包括金属探针，该金属探针被配置为当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，电穿孔一个或更多个盒内的微滴内的生物细胞。
在一些实施例中，该装置可以进一步包括主控制子系统，用于协调对多个驱动电极、多个真空端口、机械臂和液体处理子系统的激活。在一些实施例中，主控制子系统可以包括非暂时性指令，该非暂时性指令用于执行控制多个真空端口和多个驱动电极的方法、控制液体处理的方法或其组合。
在该装置的各种实施例中，该装置可以进一步包括驱动电极阵列内的一个或更多个温度控制区域。温度控制区域可以被配置成加热和/或冷却。在一些实施例中，该装置可以进一步包括驱动电极阵列内的一个或更多个区域，每个区域包括磁场。在一些实施例中，该装置可以进一步包括在安置表面上的一个或更多个盒对准特征。
在另一方面，提供了一种在具有多个驱动电极的数字微流控装置中选择性地固定一个或更多个盒的方法，该方法包括：将一个或更多个盒设置在数字微流控装置的安置表面上，从而产生一个或更多个盒的一个或更多个相应安置位置，其中一个或更多个盒中的每一个位于安置表面的子区域上；感测一个或更多个盒中的每个相应安置位置；确定位于一个或更多个盒的相应安置位置下面的多个驱动电极的子集；以及选择性地将真空施加到一个或更多个盒的相应安置位置，以将一个或更多个盒固定到数字微流控装置的安置表面。
在一些实施例中，一个或更多个盒中的每一个都可以包括底板，该底板被配置为在施加真空时变形，从而粘附到安置表面。一个或更多个盒中的每一个相应安置位置可以具有对应于每个盒的尺寸的相应区域。在一些变型中，一个或更多个盒中的至少一个可以具有与一个或更多个盒中的其他盒不同的尺寸。
在另一方面，提供了一种协调数字微流控装置内的盒中的微滴移动和液体处理的方法，该方法包括：将一个或更多个盒设置在数字微流控装置的安置表面上，从而产生一个或更多个盒的一个或更多个相应的安置位置，其中一个或更多个盒中的每一个位于安置表面的子区域上；感测一个或更多个盒的每个相应安置位置；确定位于一个或更多个盒的相应安置位置下面的多个驱动电极的子集；选择性地将真空施加到一个或更多个盒的相应安置位置，以将一个或更多个盒固定到数字微流控装置的安置表面；识别一个或更多个盒中的每一个的流体输入部的位置；经由相应的流体输入部将来自液体处理子系统的微滴设置在一个或更多个盒中的每一个内；以及激活位于一个或更多个盒的中的每一个下面的第一选定驱动电极，以通过电润湿将每一个相应的微滴驱动到一个或更多个盒中的每一个内的相应的第二位置。
在一些变型中，一个或更多个盒内的每个第二位置可以包括流体输出部。
在一些变型中，该方法可以进一步包括在一个或更多个盒内的每个相应的第二位置抽取相应的流体微滴，其中抽取包括经由至少一个液体处理尖端施加吸力。在一些实施例中，当液体处理子系统包括多个液体处理尖端时，可以并行执行抽取相应的微滴。
在一些变型中，激活多个驱动电极的每个相应区域的至少第一选定驱动电极可以进一步包括将第一驱动电极接地到每个相应区域的相邻第二驱动电极。
在另一个方面，提供了一种在具有多个驱动电极的数字微流控装置内同时操作单板式盒和双板式盒的方法，该方法包括：将单板式盒设置在安置表面上的第一安置位置，将双板式盒设置在安置表面上的第二安置位置；选择性地将单板式盒和双板式盒固定到数字微流控装置的安置表面上；识别位于第一安置位置下面的多个驱动电极的第一子集和包括位于第二安置位置下面的多个驱动电极的第二子集的第二区域；经由机械臂将来自液体处理子系统的第一微滴设置在单板式盒内，并将第二微滴设置在双板式盒内；以及激活每个相应子集的至少第一选定驱动电极，以通过电润湿将每个相应微滴驱动到一个或更多个盒中的每一个内的相应第二位置。
在一些变型中，设置第一微滴可以包括通过单板式盒的气隙设置到盒的内表面内的任何位置。在一些实施例中，将第二微滴设置在双板式盒内可以包括通过双板式盒的上板的一个或更多个预定位置处的端口设置第二微滴。在一些变型中，将第一微滴设置在单板式盒内以及将第二微滴设置在双板式盒内可以包括基本上同时设置第一微滴和第二微滴。
在一些变型中，激活每个相应子集的至少第一选定驱动电极以将每个相应微滴驱动到相应的第二位置可以进一步包括将第一选定驱动电极接地到多个驱动电极的每个相应子集的相邻第二驱动电极。在一些实施例中，激活每个相应子集的至少第一选定驱动电极以将每个相应微滴驱动到相应的第二位置可以基本上同时执行。
在一些变型中，每个相应的第二位置可以进一步包括流体输出。在一些变型中，在单板式盒的第二位置的流体输出可以包括通过单板式盒的气隙从盒的内表面内的任何位置抽取微滴；并且此外其中在双板式盒内的第二位置处的流体输出可以包括在双板式盒的上板上的一个或更多个预定位置处的端口。
在一些变型中，该方法可以进一步包括在单板式盒和双板式盒内的每个相应的第二位置抽取相应的流体微滴，其中抽取包括经由液体处理子系统的至少一个液体处理尖端施加吸力。在一些实施例中，当液体处理子系统包括多个液体处理尖端时，可以并行执行抽取相应的微滴。
在另一方面，提供了一种数字微流控装置，包括：安置表面，其被配置为同时安置一个或更多个盒；多个驱动电极，其设置在安置表面上，其中驱动电极被配置为当盒被安置在安置表面上时施加高电压以使微滴在盒内移动，并且其中所有或一些驱动电极包括穿过驱动电极的开口；多个真空端口，其中每个真空端口联接到穿过驱动电极的一个或更多个开口；真空控件，其被配置为当一个或更多个盒安置在安置表面上时，选择性地通过被安置在安置表面上的一个或更多个盒下方的真空端口的子集施加真空；电控件，其用于施加能量以依序激活和停用一个或更多个选定的驱动电极以使微滴在一个或更多个盒的气隙内移动，一个或更多个盒被安置在安置表面上；真空泵，其用于向多个真空端口施加真空；机械臂和液体处理子系统，其用于当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，向一个或更多个盒分配液体或从一个或更多个盒移除液体；主控制器，其用于当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，协调对一个或更多个选定驱动电极的激活和停用与向一个或更多个盒分配液体或从一个或更多个盒移除液体。
在一些实施例中，液体处理子系统可以进一步包括液体处理头。在一些实施例中，液体处理头可以被配置成分配从大约1微升到大约100微升的体积。在一些实施例中，液体处理子系统可以进一步包括至少一个液体处理尖端。在一些实施例中，液体处理子系统可以进一步包括多个液体处理尖端。在一些实施例中，机械臂可以是三轴机械臂。
在一些实施例中，主控制器可以被配置成至少部分地基于安置在安置表面上的一个或更多个盒中的每一个的位置，引导机械臂和液体处理子系统在安置在安置表面上的一个或更多个盒中的至少一个内的选定位置分配微滴。在一些实施例中，主控制器可以被配置成至少部分地基于被安置在安置表面上的一个或更多个盒中的至少一个盒内的预装设(pre-spotted)试剂的位置，引导机械臂和液体处理子系统在被安置在安置表面上的一个或更多个盒中的至少一个盒内的选定位置分配微滴。在一些实施例中，主控制器可以被配置成至少部分地基于一个或更多个盒中的至少一个是单板式盒还是双板式盒，引导机械臂和液体处理子系统在被安置在安置表面上的一个或更多个盒中的至少一个内的选定位置分配微滴。当所述至少一个盒是单板式盒时，所选择的位置可以是单板式盒内的任何位置，并且当所述至少一个盒是双板式盒时，所选择的位置可以是双板式盒的上板上的流体输入/输出端口的位置。
在一些实施例中，主控制器还可以被配置成在被安置在安置表面上的一个或更多个盒的至少一个盒内的选定位置处，通过液体处理尖端依序混合微滴。在一些实施例中，主控制器可以被配置成部分地基于被安置在安置表面上的一个或更多个盒中的每一个的位置来选择一个或更多个选定的驱动电极。在一些实施例中，主控制器可以被配置成部分地基于被安置在安置表面上的一个或更多个盒的每一个内的微滴的位置来选择一个或更多个选定驱动电极。
在一些实施例中，主控制器可以被配置成部分地基于被安置在安置表面上的一个或更多个盒中的每一个的位置来依序对一个或更多个选定驱动电极的激活和停用。在一些实施例中，主控制器可以被配置成部分地基于被安置在安置表面上的一个或更多个盒中的每一个内的微滴的位置来依序对一个或更多个选定驱动电极激活和停用。在一些实施例中，主控制器可以被配置成部分地基于检测被安置在安置表面上的一个或更多个盒中的每一个内的微滴的分配完成来依序对一个或更多个选定驱动电极激活和停用。
在一些实施例中，主控制器可以被配置为至少部分地基于确定被安置在安置表面上的一个或更多个盒的每一个中的一个或更多个选定驱动电极没有被激活来以微滴的分配或抽取期间驱动微滴，来依序地将微滴分配到一个或更多个盒中的每一个或从一个或更多个盒中的每一个抽取微滴。
在一些实施例中，数字微流控装置可以进一步包括温度控制试剂/样品储存子系统。
在一些实施例中，主控制器还可以被配置为当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，识别微滴中的选定试剂或样品并将微滴中的选定试剂或样品到一个或更多个盒中的至少一个。在一些实施例中，对于一个或更多个盒中的每一个，选定试剂或样品可以不同。
在一些实施例中，试剂/样品储存子系统包括孔板容纳区域。在一些实施例中，孔板容纳区域可以被配置为容纳24孔、48孔、96孔和384孔孔板中的任何一个。在一些实施例中，主控制器还可以被配置成当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，当将微滴形式的样品分配到一个或更多个盒中的至少一个时，从孔板容纳区域中的孔板中抽取样品。
在一些实施例中，主控制器还可以被配置成当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，当从一个或更多个盒中的至少一个盒中抽取微滴时，将微滴输送到孔板容纳区域中的孔板。
在一些实施例中，机械臂可以进一步包括金属尖端，该金属尖端被配置为当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，电穿孔在一个或更多个盒中的一个内的位置处的微滴内的生物细胞。在一些实施例中，主控制器可以被配置成引导机械臂将金属尖端输送到盒内的微滴位置。在一些实施例中，主控制器可以被配置成至少部分基于确定盒中的一个或更多个选定驱动电极没有被激活以在电穿孔期间驱动微滴来调度对生物细胞的电穿孔。
在另一个方面，提供了一种系统，包括：数字微流控装置，该装置包括：安置表面，其被配置为同时安置一个或更多个盒；多个驱动电极，其设置在安置表面上，其中驱动电极被配置为当盒被安置在安置表面上时施加高电压以使微滴在盒内移动，并且其中所有或一些驱动电极包括穿过驱动电极的开口；多个真空端口，其中每个真空端口联接到穿过驱动电极的一个或更多个开口；真空控件，其被配置为当一个或更多个盒座在安置表面上时，选择性地通过被安置在安置表面上的一个或更多个盒下方的真空端口的子集施加真空；电控件，其用于施加能量以依序激活和停用一个或更多个选定的驱动电极以使微滴在一个或更多个盒的气隙内移动，一个或更多个盒被安置在安置表面上；真空泵，其用于向多个真空端口施加真空；机械臂和液体处理子系统，其用于当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，向一个或更多个盒分配液体或从一个或更多个盒移除液体。在一些实施例中，系统还包括外壳，其中外壳控制湿度、温度和气体环境中的一个或更多个。
在一些实施例中，一个或更多个盒在安置表面上的安置位置可以不被预先限定。在一些实施例中，一个或更多个盒中的至少一个的安置位置的尺寸与一个或更多个盒中的另一个的安置位置的尺寸不同。
在一些实施例中，数字微流控装置可以被配置为安置一个或更多个单板式盒和/或双板式盒。
在一些实施例中，液体处理子系统可以包括至少一个液体处理尖端。在一些实施例中，液体处理子系统可以包括多个液体处理尖端。在一些实施例中，至少一个液体处理尖端或更多个液体处理尖端可以进一步被配置成在被安置在安置表面上的一个或更多个盒的至少一个内混合微滴。
在一些实施例中，液体处理子系统可以包括液体处理头。在一些实施例中，液体处理头可以被配置成分配大约1微升至大约100毫升的体积。在一些实施例中，液体处理头还可以被配置成分配悬浮在液体中的生物细胞。
在一些实施例中，机械臂可以是三轴机械臂。在一些实施例中，机械臂可以进一步包括金属探针，该金属探针被配置为电穿孔被安置在安置表面上的一个或更多个盒的至少一个内的微滴内的生物细胞。
在一些实施例中，该系统可以进一步包括温度控制试剂/样品储存子系统。在一些实施例中，试剂/样品储存子系统可以包括孔板容纳区域。在一些实施例中，孔板容纳区域可以被配置为容纳24孔、48孔、96孔和384孔的孔板中的任何一个。
在一些实施例中，该系统可以进一步包括主控制子系统，该主控制子系统被配置为协调对多个驱动电极、多个真空端口、机械臂和液体处理尖端的激活。在一些实施例中，主控制子系统可以包括非暂时性指令，该非暂时性指令用于执行控制多个真空端口和多个驱动电极的方法、控制液体处理的方法或其组合。
在一些实施例中，主控制子系统可以进一步被配置成控制外壳的湿度、温度和气体环境中的至少一个。在一些实施例中，主控制子系统可以包括非暂时性指令，该非暂时性指令用于执行控制外壳的湿度、温度和气体环境中的至少一个的方法。
在一些实施例中，该系统可以进一步包括光学子系统。在一些实施例中，光学子系统可以包括照明源。在一些实施例中，照明源可以包括可见光源或紫外光源中的一个或更多个。在一些实施例中，光学子系统可以进一步包括被配置为检测明场图像、荧光图像或发光图像的成像设备。在一些实施例中，光学子系统可以被配置为当一个或更多个照明源和成像设备存在时控制一个或更多个照明源和成像设备。
在一些实施例中，光学子系统可以进一步被配置成与主控制子系统通信。在一些实施例中，主控制子系统的非暂时性指令可以进一步包括指令，该指令用于基于从光学子系统接收的成像通信来依序激活驱动电极和激活液体处理。在一些实施例中，主控制子系统还可以包括非暂时性指令，该非暂时性指令用于执行控制光学子系统的方法。在一些实施例中，非暂时性指令可以包括用于激活和停用明场和/或荧光照明和/或捕获数字微流控装置的安置表面的选定区域的图像的指令。
在一些实施例中，数字微流控装置可以进一步包括在驱动电极阵列内的一个或更多个区域，其中一个或更多个区域进一步包括磁体。在一些实施例中，数字微流控装置可以进一步包括在驱动电极阵列内的一个或更多个区域，包括加热和/或冷却可控性。在一些实施例中，该系统可以进一步包括一个以上的数字微流控装置。在又一方面，提供了一种操作包括数字微流控装置的系统的方法，该方法包括：对于一个或更多个盒中的每一个，识别一个或更多个盒中的每一个下面的驱动电极的相应子集；对于一个或更多个盒中的每一个，确定与驱动电极的相应子集相邻的多个相关接地电极；选择性地将一个或更多个盒中的每一个固定在数字微流控装置的安置表面上；以及为一个或更多个盒中的每一个协调：确定在一个或更多个盒中的每一个中待进行的反应类型；将样品分配到一个或更多个盒的每一个中，从而在一个或更多个盒的每一个中形成相应的样品微滴；将一种或更多种试剂/缓冲液分配到一个或更多个盒的每一个中，从而在一个或更多个盒的每一个中形成相应的试剂/缓冲液微滴；任选地，将相应的试剂微滴/样品微滴驱动到一个或更多个盒中的每一个内的反应位置；将相应的样品微滴与其相应的试剂微滴合并，从而在一个或更多个盒中的每一个内形成相应反应微滴；在相应反应微滴中进行相应的反应，从而在一个或更多个盒中的每一个中形成相应产物微滴；当一个或更多个盒的相应反应微滴中的相应反应是测定时，确定一个或更多个盒的相应反应微滴的测定结果；以及当一个或更多个盒中的相应反应是样品制备反应时，输出相应的产物微滴。
在一些变型中，形成相应试剂/缓冲液微滴可以进一步包括将分配的试剂/缓冲液与设置在一个或更多个盒内的选定位置处的预装设试剂混合。在一些变型中，形成相应反应微滴可以进一步包括将样品微滴与设置在一个或更多个盒内的选定位置处的预装设试剂混合。
在一些变型中，当系统进一步包括一个或更多个照明源时，形成相应试剂微滴或形成相应反应微滴可以进一步包括光活化相应试剂微滴或相应反应微滴内的试剂。
在一些实施例中，当驱动电极未被激活时，进行分配相应的样品微滴、分配相应试剂/缓冲液或抽取相应产物微滴。在一些实施例中，当驱动电极未被激活时，形成相应样品微滴、相应试剂/缓冲液微滴、相应反应微滴或相应产物微滴。在一些实施例中，形成相应的样品微滴可以进一步包括电穿孔样品微滴内的生物细胞。
在一些变型中，进行反应可以进一步包括将相应反应微滴驱动到一个或更多个盒内的相应反应位置，其中相应反应位置包括磁体和/或温度控制器。
在一些变型中，该方法可以进一步包括调节温度、湿度或气体环境中的至少一个。
在一些变型中，当系统包括主控制子系统时，可以自动执行协调相应的过程，包括：确定、分配、混合、合并、驱动、执行反应或输出。在一些实施例中，协调一个或更多个盒的相应过程可以独立进行。在一些变型中，协调一个或更多个盒的相应过程可以进一步包括调度机械臂和/或液体处理子系统以及调度相应的多个电极，从而减少针对一个或更多个盒中机械臂、液体处理子系统和/或相应的多个电极的冲突指令。
在一些变型中，当系统包括成像设备时，调度机械臂和/或液体处理子系统以及调度一个或更多个盒的相应多个电极可以进一步包括从成像设备接收成像信息，确认一个或更多个盒内的先前相应过程的完成。在一些变型中，当系统包括成像设备时，确定一个或更多个盒的相应反应微滴的测定结果可以进一步包括检测来自相应反应微滴的可见信号、荧光信号或发光信号。
在一些变型中，当系统包括主控制子系统时，主控制系统可以调节外壳的温度、湿度或气体环境中的至少一个。
在一些变型中，当系统进一步包括试剂/样品储存子系统(包括孔板容纳区域)时，输出相应产物微滴可以进一步包括将输出的产物微滴沉积在孔板的孔内。
附图说明
本发明的新颖特征在随后的权利要求中被详细地阐述。通过参考以下详细描述和附图将获得对本发明的特征和优点的较好的理解，该详细描述阐述了其中利用了本发明的原理的例证性实施例，在附图中：
图1A是空气基质数字微流控(DMF)装置的一个示例的来自俯视透视图的示意图。
图1B示出了穿过图1A中示出的空气基质DMF装置的一部分的截面的放大视图，该截面穿过热调节区域(热区)截取。
图1C示出了穿过图1A的空气基质DMF装置的区域的第二截面的放大视图；该区域包括穿过底板和致动电极的孔，并且被配置成使得补充微滴可以从孔(其连接至溶剂的贮存器，在该示例中作为附接的注射器示出)被输送到空气基质DMF装置的气隙中。
图2是类似于图1A-图1C示出的、使用包括电极和气隙区域的刚性盒的DMF表面的示例。
图3A示出了例如使用刚性盒的典型的DMF布置的示例；图3B示出了DMF配置的示例，其中盒315是一次性部分，该一次性部分不包括电极，但通过多个局部真空端口(与电极相邻或穿过电极)被保持在可重复使用的电极上。
图4A示出了形成为装置的一部分的电极(例如，电极阵列)的俯视图。如示出的，电极可以包括穿过其的多个真空开口。电极可以界定不同的区域，包括热控制区域(例如，具有热敏电阻和/或冷却和/或加热的区域)。在图4A中，示出了18行和10列；可以使用更大或更小的阵列。
图4B示出了形成上部电极层的电极的放大区域，其示出了穿过大多数(例如>50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％等)或全部的电极的真空开口。尽管示出了正方形电极(具有中心真空开口)，然而可以使用其他电极形状(例如互锁的、矩形的、圆形的等)或穿过电极的真空开口位置(偏离中心的等)。在图4B中，示出了温度传感器(例如热敏电阻)。
图4C图示出可以存在于(例如图4B中示出的)电极层之下的电阻加热层。在阵列之下，可以使用一个连续的或多个分开的电阻材料的迹线。黑点指示真空歧管(形成穿过电极的多个真空开口)。电阻加热层可以与其之上的电极电隔离；通过电阻加热层施加的电流可以通过控制器被区域地控制。控制器可以包括PID控制。
图5A示出了该装置的部分拆解视图，其示出了可以在包含电极的PCB、液体冷却剂和用于将盒电介质固定到电极上的真空之间进行的连接。
图5B示出了风扇和散热器、贮存器和泵的示例，它们可以被用于包括电极的盒接触表面的液体冷却剂。泵、管道、风扇、散热器和贮存器可以被用于使水或液体冷却剂在电极下方移动，使得冷却剂可以在电极下方经过时吸收热，其中然后冷却剂在通过风扇和散热器时被再次冷却之后可以被再循环。
图5C示出了具有类似于图4A-图4C中示出的电极的PCB的另一个视图，该PCB被连接至真空泵以及液体冷却剂(输入部和输出部)。
图5D和图5E图示出施加真空以固定盒(此处仅通过电介质材料被示出为概念的证明)。在图5D中，真空关闭，并且电介质不抵靠电极被固定。电介质可以起皱，并且可以包括差接触的区域，差接触包括差的电接触。通过比较，图5E示出了通过穿过电极的多个开口保持抵靠电极的电介质，该多个开口保持电介质均匀地抵靠电极，并且导致可移除盒和电极之间令人惊讶的均匀的电学特性。
图5F示出了PCB的俯视图的示例，其示出了具有穿过每个电极的中心区域形成的孔洞的小电极阵列。
图5G示出了在电极下面的图5F的PCB的一部分(在电极上面可以形成其他层)，其示出了穿过PCB形成的孔，该孔可以连接到真空泵。
图6图示出可以通过电极阵列和/或可移除盒形成的不同功能区域。在图6中，可移除盒已经被制成为透明的(在形成盒的DMF部分的顶板、气隙和电介质之上的微流控区域已经被制成为透明的)。不同的区域由不同的框来指示，并且可以以特定的布置被分布在阵列上面。例如，在图6中，电极中的七个被配置为磁性区域605，该磁性区域605可以施加(对该电极)局部磁力，以将磁珠或磁性颗粒保留在电极上的微滴中。外周区域中的八个(每个跨过六个电极)被配置为冷却区，该冷却区可以与珀尔帖设备或其他热冷却区域热接触。此外，在图6中，左侧的六个16-电极区域被配置为冷却区，该冷却区也可以与相同或不同的珀尔帖设备热接触(例如，将它们保持在低于10摄氏度)。还包括两个中心加热区(一个跨过五个电极，另一个跨过32个电极)，并且该两个中心加热区可以在全部区或区的区域上热循环。四个光学读取区(每个跨过四个电极)在设备的右侧周界上彼此间隔开。通常，加热和/或热循环区域位于中心，与外周的冷却/储存区域隔开。这些区之间(例如磁性区和加热/冷却区之间)可以存在重叠。
图6还以透明视图示出了可以在气隙上面((和顶板中，如描述的)形成的微流控部分。例如，在图6中，微流控部分611包括一对蛇形微流控通道615、616，各自连接至进入气隙的开口(开口可以通过阀来调节)。微流控部分还可以包括阀。在图6中，微流控通道还包括一对端口617、618，通过端口617、618可以施加正压力和/或负压力，以(连同任何阀)调节微流控区域中的流体的移动以及(在某些变型中)调节流体移动到气隙中或从气隙移出。微流控部分还可以包括一个或更多个废物室621。
图7A是如本文描述的示例性盒的俯视图。在该示例中，盒包括：DMF部分，该DMF部分包括通过气隙隔开的顶板和电介质；以及微流控部分，该微流控部分连接到气隙中，并且可以外部地连接至通道输入部和/或输出部。流体可以通过一个或更多个进入气隙中的开口(作为小开口示出)和/或通过通道输入部/输出部被施加到盒中。盒的右侧包括窗口区域，这允许通过盒进行光学观察。
图7B示出图7A的盒的俯视透视图。
图7C是从图7A和图7B的盒的左侧观察的端视图或侧视图，其示出了上部微流控通道和下部DMF部分(示出了形成气隙的在顶部、接地部、板和电介质之间的间隔)。
图7D是图7A-图7C的盒的俯视图，其中移除了用于微流控通道的覆盖物，图7D示出了通道。
图8是一次性盒的示例，包括塑料顶板和电介质。
图9示出了可用作盒的一部分的纸质数字微流控。
图10示出了在一次性塑料顶板和电介质下方的电极的开放式阵列(open arrayof electrodes)的示例。
图11示出了在开放式阵列上方的双板式盒，该盒通过真空保持在适当位置，以保持其刚性地附接在电极上方。
图12图示出穿过电极阵列的开口的使用；这些开口可以被用于施加足够的吸力(例如真空)以保持盒(例如底部、电介质层)对齐并且固定至装置。可以施加正压力以释放盒。
图13-图15图示出如本文描述的与DMF气隙区域接口连接(interfacing with)的微流控通道的一个示例。在图13中，盒的微流控部分作为一对通道被示出，每个通道被连接至入口/出口，并且每个通道在形成通向盒的DMF部分的气隙中的开口的桥接区域(在该示例中，在微流控部分下方)中终止。流体可以进/出DMF部分的气隙被移除、被添加、被洗涤等。在图14和图15中，通过在入口/出口之间交替并且施加吸力，流体通过桥接微滴被洗涤并且进入气隙中，如所示。在该示例中，外部流体部件(例如，管道和贮存器)被集成到DMF部分的顶板中，这允许紧凑的外形要素(compact form factor)。微流控通道可以被用于添加/移除试剂(例如，移除废物、洗涤等)。桥接微滴可以是电极或电极的组，并且微滴的大小可以通过DMF来调节。
图16A和图16B图示出使用包括分叉通道的流体施加和提取技术，在如本文描述的DMF装置(例如，盒)中提取和混合流体，这允许在两个贮存器之间交换大体积的流体。在图16A中，流体施加和提取设备通过顶板连接。在图16B中，流体施加和提取设备从侧板连接。
图17A是DMF盒的另一个示例，该DMF盒被配置用于将流体与DMF盒的气隙中的一个或更多个微滴混合、提取流体、添加流体等。在图17A中，用于流体管线的接口1127穿过顶板进行接口连接，该流体管线可以是微流控通道，包括部分地通过顶板1117形成的微流控通道，并且(不同于图16A)该接口区域中的气隙可以大于DMF盒的其他部分中的气隙。
在图17B中，流体管线的接口1127位于气隙的边缘处，类似于图17B；在图17B中，该气隙区域大于在盒的其他区域中的气隙区域。
在图16A-图16B，图17A-图17B的任一个中，流体管线(例如，1143、1145)和贮存器(1105、1107)可以形成DMF装置的一部分，并且可以与盒(例如，盒的顶部表面)上的端口和/或一个或更多个阀接口连接。
图18A-图18C图示了类似于图17A中所示的流体施加和提取设备的操作。
图19A-图19C图示出在气隙DMF装置中，在2分钟内保持在95摄氏度的蒸发对于微滴的效果，其示出大量蒸发(substantial evaporation)。
图20A-图20C示出了当使用非极性材料(例如液体石蜡)的罩套时在一小时之后(图20B)和两小时之后(图20C)的耐蒸发性(resistance to evaporation)，其示出很少蒸发或无蒸发。
图21A-图21D图示出在空气基质DMF装置中使用非极性罩套材料。图21A-图21B示出了含水(极性)微滴在涂覆有连同微滴一起移动的非极性罩套材料时的移动。图21C-图21D示出了将另外的极性材料添加至微滴，该微滴膨胀以包括另外的极性材料。
图21E-图21I图示出将大的样品添加至罩套材料，并且混合样品。
图22A-图22D图示出当将微滴(例如试剂)分配到DMF装置的气隙中时对微滴体积的控制。特别地，本文描述的气隙可以是大的气隙(例如，在顶部和底部电介质之间大于280微米、大于300微米、>400微米、>500微米、>600微米等的间隔)。在这样的情况下，单独的电润湿力(electrowetting force)可能不足以分配预先确定体积的微滴。如图22A-图22D中示出的，从大体积折断的微滴可以被用于分配预先确定的体积。在图22A中，分配电极被激活，与分配端口(管)间隔开。在图22B中，待被分配的试剂被施加到气隙中，这将包括分配电极的区域充满，该分配电极通过至少一个电极与分配端口间隔。在图22C中，试剂然后被吸回到分配端口中，同时分配电极是活动的，但是分配端口和分配电极之间的电极不是活动的，这形成最终中断开的颈部(neck)(如图22D示出的)，这将预先确定体积的微滴留在分配电极上。
图23A-图23F图示出使用上文图22A-图22D中描述的技术分配预先限定的体积的微滴的示例。
图24示出了控制如本文描述的DMF装置的方法的示例，该方法包括使用图形用户界面编程该装置。
图25A-图25B图示出可视控件或命令(图25A)以及描述使用这些可视控件/命令的方案(图25B)的示例。
图26A-图26H图示出用于控制如本文描述的DMF装置的用户界面的示例。
图27A和图27B分别图示出如本文描述的数字微流控盒的顶部部分的一个示例的俯视透视图和仰视透视图。
图28图示出盒的一部分的示例，其示出了热控制区域。
图29是装置的一部分(例如，盒座部分)的示例，该装置具有减小的热质量以提高保持在座部分上的盒的温度调节速率。
图30是装置的一部分(例如，盒座部分)的另一个示例，该装置具有减小的热质量以提高保持在座部分上的盒的温度调节速率。
图31A和图31B图示出装置的示例，该装置包括用于帮助控制盒的(例如，盒的气隙的一个或更多个单元的)温度的热通孔。
图32是盒的示例，该盒包括顶板中的开口，用于取样或将流体添加至盒中的微滴。
图33A示出了具有开关的ITO感测电路。
图33B图示出电容感测电路的另一个示例，该电容感测电路包括多个参考电容器。
图34A-图34C图示出如本文描述的识别和/或定位气隙中的微滴的一种方法。图34A示出了对应于在气隙中在特定单元处多种材料(例如含水微滴、蜡等)的存在或不存在的一系列电容的一个示例。图34B是示出来自感测电极(顶部电极)的示例性电压测量结果的图。图34C是示出作为温度的函数的水的介电常数(electrical permittivity)的变化的示例的图。
图35A是真空卡盘的一个示例的俯视图。
图35B是图35A的真空卡盘的横截面视图。
图36示出了图35A-图35B中示出的卡盘的等距视图。
图37示出了类似于图35A-图35B中示出的卡盘的俯视图。
图38A示出了真空卡盘的另一个示例。
图38B示出了该卡盘的横截面且放大的视图。
图39示出了类似于图35A-图35B中示出的卡盘的仰视图。
图40示出了类似于图35A中示出的卡盘的等距视图。
图41A示出了热消散系统的一个示例，该热消散系统可以被包括在本文描述的任何装置中。
图41B是穿过图41A的卡盘的截面视图。
图42示出了卡盘和风扇的正视图。
图43示出了卡盘、风扇和PCB(安置表面的一部分)的布置的示例。
图44是卡盘的透视图，该卡盘可以包括热(thermal)(例如，热量(heat))消散系统以用于调节盒的温度。
图45A是图44的卡盘的俯视图。
图45B是穿过图45A的卡盘的截面视图。
图46示出了卡盘、散热器和一对冷却风扇的组件的侧视图，其中箭头指示温度的流动(当装载到装置上时冷却卡盘并且因此冷却盒)。
图47A-47C图示了真空卡盘和冷却子系统(例如，散热器块和冷却风扇)的组件。
图48图示出用于装置的组件的一个示例，所述组件包括：具有电极的阵列的PCB，用于将DMF施加至盒(未示出)；真空块，用于将盒底部保持在PCB上；以及热调节器子系统，该热调节器子系统包括散热器/加热块和一对冷却风扇。
图49A和图49B分别图示出张紧框架和膜框架，用于固定和保持可以形成盒的底部的膜(例如电介质膜)为平滑的。
图49C是组装的张紧框架的侧视图。
图49D是组装的张紧框架的透视图。
图50A是双板式盒的分解图的示例。
图50B是双板式盒的分解图的另一个示例。
图51是装置的盒和盒安置部分的示例的分解图。
图52A是装置的PCB的俯视图，盒可以安置在该PCB上。
图52B是在图52A中示出的PCB部分的侧视图。
图52C是示出在装置的安置表面上的盒的侧视图的示例。
图52D是图52C的放大视图。
图53是装置的盒和安置表面/区域的分解图。
图54A是装置的PCB(其可形成安置表面)的俯视图。
图54B是穿过图54A中所示的装置的部分的侧视截面图。
图55A示出了具有独立动作区的电极栅格设置的示例。
图55B示出了具有独立动作区的电极栅格设置的另一个示例。
图56A-图56D图示了如本文描述的装置的热调节子系统的示例。
图57A-图57B图示了如本文描述的装置的磁性子系统的示例。
图58A-图58B图示了如本文描述的装置的电极子系统的示例。
图59示意性地示出了包括涡旋(机械振动)子组件的装置的示例。
图60A-60B示出了用于本文所述装置的真空卡盘的示例。
图61是装置的用户界面。
图62是用于指导使用本文所述装置的用户界面的示例。
图63是装置的用户界面的另一个示例。
图64示意性地示出了本文所述设备的实验室方案的市场使用情况。
图65-68示出了用于控制本文所述装置的操作的用户界面的示例。
图69是根据本公开的一些实施例的系统的示意图。
图70A-70C是根据本公开的一些实施例的系统的图形表示。
图71是根据本公开的一些实施例的系统中使用的软件架构的示意性表示。
详细描述
数字微流控(DMF)已经成为化学、生物和医学领域中广泛应用的热门技术。与基于微通道的流体学一样，DMF正被用来使各种应用小型化，其优点是减少试剂和溶剂的消耗，更快的反应速率和整合能力(即芯片上的实验室概念)。在DMF中，通过向涂有疏水绝缘体的电极阵列施加一系列电势来控制包含样品和试剂的纳升至微升的微滴(即，从贮存器移动、合并、混合和分配)。DMF不同于基于微通道的流体学，因为它允许在不需要复杂的微型阀网络的情况下，在异质系统中对多种试剂相(液体和固体)进行精确控制。
对于许多应用来说，在开放表面上进行DMF可能是最方便的，使得微滴周围的基质是环境空气。图1A图示了空气-基质DMF装置的一个示例。通常，空气-基质DMF装置(诸如图1A所示的空气-基质DMF装置)包括多个单位单元191，这些单位单元191彼此相邻，并且通过具有与接地电极102相对的单个致动电极106限定；每个单位单元可以是任何合适的形状，但是通常可以具有相同的近似表面积。在图1A中，单位单元是矩形的。待由致动电极操控的一个或更多个微滴可以通过疏水绝缘体与电极隔离。当施加电势时，电荷在绝缘体的两侧积累，这种现象可以用来使微滴移动、合并、混合、分离和分散。其他可适用于本文所述用途的DMF装置和/或盒的示例，例如在2018年9月4日提交的标题为“DIGITAL MICROFLUIDICSDEVICES AND METHODS OF USING THEM”的国际申请第PCTUS2018049415号(该申请要求2017年9月1日提交的美国临时专利申请第62/553,743号和2017年9月12日提交的美国临时专利申请第62/557,714号的优先权)以及2020年2月28日提交的标题为"DIGITALMICROFLUIDICS DEVICES AND METHODS OF USING THEM"的国际申请第PCT/US2020/020255号(要求2019年2月28日提交的美国临时专利申请第62/811,540号的优先权)中描述，这些申请中的每一个通过引用以其整体并入本文。
尽管人们热衷于数字微流控所能提供的简单性，但诸如图1A所示的系统/装置的低通量能力，限制了其在需要复杂过程的高通量自动化的技术问题上的应用，如下一代测序(NGS)的DNA文库制备、合成生物学的DNA组装、所有类型的检测(包括但不限于细胞培养分析、qPCR等)和药物发现。申请人描述了第一个结合了数字微流控的反应能力和处理与液体处理机器人能力结合起来的系统架构，以提供DMF系统和装置，这些系统和装置可以满足不断增长的分析和样品制备过程的这些要求。本文所述的装置可以将选定量的试剂、样品或其他液体分配到支持DMF的盒安置表面上的指定区域，从而提供多路复用能力。这些装置可以在数字微流控环境中提供快速且廉价的高通量处理和分析。
本文描述了一种将数字微流控与液体处理机器人相匹配的新架构。新的多层架构系统是通过将DMF平台集成到市售的或定制的液体处理机器人中而形成的。如图70A所示，两种流体操纵范例，机电微滴操纵平台和液体处理子系统(包括液体处理头、液体处理尖端)是正交且独立的。在图70A中未示出，机械臂引导将液体分配到DMF电极阵列表面(例如，一个或更多个盒的安置表面)上的多个位置/从这些位置抽取流体，在数量和种类上为多路复用实验提供了最大的灵活性。DMF装置还可以包括附加的特征/部件，以实现下文所述的一系列测定/样品制备。此外，两种流体操纵范例都可以利用提供精确湿度、温度和气体控制的室(例如外壳)来封闭。
如图70B所示，这些开放式阵列DMF系统/装置的一个新颖特征是能够同时容纳不同尺寸的单板式盒格式和双板式盒格式。在双板式格式中，微滴被夹在两个基底之间，而在单板式格式中，微滴被定位在单个基底的顶部上。在这两种配置中，待操纵的微滴通过疏水绝缘体与电极隔离。该集成系统的关键特征包括使用具有三轴输送能力的液体移液头(例如，使用机械臂来接近输送点)将试剂微滴高通量输送和自动输送到DMF平台上。提供了系统、装置及其使用方法的进一步描述。
装置。数字微流控装置或包含数字微流控装置的系统可以包括被配置为同时安置一个或更多个盒的安置表面。安置表面可以具有大约50毫米、60毫米、70毫米、90毫米、100毫米、150毫米、200毫米、250毫米、400毫米、500毫米、600毫米、700毫米、780毫米或大约800毫米的宽度，或者具有其间任何值的宽度。安置表面可以具有大约80毫米、100毫米、110毫米、150毫米、200毫米、400毫米、600毫米、800毫米、1000毫米、1300毫米、1500毫米、1750毫米、1800毫米、2000毫米、2050毫米或大约2100毫米的长度。多个驱动电极可以设置在安置表面上，其中驱动电极被配置为当盒被安置在安置表面上时施加高电压以使微滴在盒内移动。可以有大约300、400、500、600、800、900、1000、1500、2000、5000、10,000、20,000、30,000、40,000、50,000、60,000或大约70,000个驱动电极，或者可以有在这些值之间的任意值的多个驱动电极。在一些变型中，在该装置的电极阵列内可以有约300至约65000个、约350至约50,000个、约400至约25,000个或约400至约20,000个电极。电极可以具有任何形状，并且可以由本文所述的任何材料制成。所有或一些驱动电极包括穿过其中的开口，并且如下所述，该开口可以以任何合适的尺寸和位置配置在驱动电极内。该装置还可以包括多个真空端口，其中每个真空端口联接到穿过驱动电极的一个或更多个开口。被包括在装置内的真空控件被配置成选择性地通过被安置在安置表面上的盒下方的真空端口的子集施加真空，以选择性地将一个或更多个盒固定到安置表面。用于向多个真空端口施加真空的真空泵可以结合在该装置或包含该装置的系统内。该装置还可以包括电控件，用于施加能量以依序激活和停用一个或更多个选定驱动电极，从而使微滴在被安置在安置表面上的盒的气隙内移动。该装置包括机械臂和液体处理子系统，用于将液体分配到安置表面上的盒或从安置表面上的盒移除。
在装置的一些变型中，装置的机械臂可以是三轴机械臂。三轴功能将允许分配到安置表面上的任何合适的位置或从该位置抽取，例如，机械臂可以接近安置在安置表面上的任何盒，并且可以进一步接近双板式盒的上表面内的任何合适的位置或单板式盒的气隙内的任何合适的位置。这种将流体直接分配到安置表面上的任何期望位置或从安置表面上的任何期望位置抽取的能力可以进一步允许与在没有机械输送/抽取的DMF装置内使用的盒的尺寸相比减小盒的尺寸，因为微滴可能不需要被驱动到第二或附加位置以向微滴添加试剂或缓冲剂。
在一些变型中，机械臂可以进一步包括金属探针，该金属探针被配置为当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，电穿孔一个或更多个盒内的微滴内的生物细胞。金属探针可以被通电以向选定的微滴提供电穿孔能量，从而电穿孔微滴中存在的生物细胞。
装置的液体处理子系统可以包括液体处理头和至少一个液体处理尖端。在一些实施例中，液体处理子系统可以包括多个液体处理尖端，其可以是大约4、8、12或96个液体处理尖端。液体处理头可被构造成分配或抽取约0.1微升至约500毫升、约0.5微升至约250毫升、约1微升至约100毫升或其间任何范围内的任何值的体积。待分配的流体可以是试剂、试剂混合物、样品或其任意组合。在一些情况下，液体处理头可以进一步配置成分配悬浮在液体中的生物细胞，例如包括待处理或测定的生物细胞的样品。本文所用的处理是指对生物细胞的操纵或处理，例如但不限于破坏细胞壁或细胞膜以获取细胞内容物。待接近以用于处理的生物细胞的内容物可以包括但不限于核酸或蛋白质。在一些变型中，所述至少一个液体处理尖端可以进一步被配置成混合被安置在安置表面上的一个或更多个盒内的微滴内的流体。机械臂或液体处理头可以设置有气流，该气流可以通过液体处理尖端被引导以混合微滴内的流体。
数字微流控装置可以被配置为安置一个或更多个单板式盒和/或双板式盒。在数字微流控装置上，可以同时使用单板式盒和双板式盒两者的混合物。这些盒可以都是相同的尺寸(宽×长)，或者可以有一个或更多个不同的尺寸。如上所述，对于特定的反应或样品制备工作流程，相对于在没有机械分配的DMF装置上使用的盒，盒的尺寸可以减小，因为不需要微滴的额外的移动例如以与试剂或缓冲液微滴合并。一个或更多个盒在安置表面上的安置位置可以是不确定的。也就是说，根据待进行的反应或制备的要求，可以将盒放置在任何合适位置的安置位置处，使得盒覆盖任何所需的加热区或磁控区。安置表面上的区域可以随意用于单板式盒或双板式盒，并允许以任何布置将单板式盒放置在双板式盒附近。
该装置的安置表面还可以包括如本文所述的对准特征，以帮助将盒放置在安置表面上。对准特征可以是本文所述的任何对准特征，并且可以包括对准销、基于相机的视觉算法和/或射频识别中的一个或更多个。
在一些变型中，该装置可以进一步包括主控制子系统，用于协调多个驱动电极、多个真空端口、机械臂和液体处理子系统的激活。主控制子系统还可以包括非暂时性指令，该非暂时性指令用于执行控制多个真空端口和多个驱动电极的方法、控制液体处理的方法或其组合，如下面更全面描述的。
在一些变型中，如本文所述，该装置可以进一步包括在驱动电极阵列内的一个或更多个温度控制区域。温度控制区域可以被配置成加热和/或冷却。安置表面的选定区域可在约4℃至约100℃之间、约10℃至约100℃之间、约15℃至约100℃之间、约20℃至约100℃之间、约25℃至约100℃之间、约30℃至约100℃之间、约37℃至约100℃之间的温度或其间的任何温度下操作。安置表面中可以有一个或更多个这样的温度控制区域。在一些变型中，安置表面中可以有1、4、8、10、16、20、32个或更多个温度控制区域。该装置还可以包括驱动电极阵列内的一个或更多个区域，每个区域包括磁场。
数字微流控装置还可以包括温度控制试剂/样品储存子系统。在一些变型中，试剂/样品储存子系统可以包括孔板容纳区域。在一些实施例中，孔板容纳区域可以被配置为容纳24孔、48孔、96孔或384孔的孔板中的任何一个。
在一些变型中，该装置的主控制器可以被配置成至少部分地基于安置在安置表面上的一个或更多个盒中的每一个的位置，引导机械臂和液体处理子系统在安置在安置表面上的一个或更多个盒中的至少一个内的选定位置分配微滴。主控制器可以进一步或可选地被配置成至少部分地基于安置在安置表面上的一个或更多个盒中的至少一个盒内的预装设试剂的位置，引导机械臂和液体处理子系统在安置在安置表面上的一个或更多个盒中的至少一个盒内的选定位置分配微滴。在一些变型中，主控制器可以被配置成至少部分地基于一个或更多个盒中的至少一个是单板式盒还是双板式盒，引导机械臂和液体处理子系统在安置在安置表面上的一个或更多个盒中的至少一个内的选定位置分配微滴。当所述至少一个盒是单板式盒时，所选择的位置可以是单板式盒内的任何位置，并且当所述至少一个盒是双板式盒时，所选择的位置可以是双板式盒的上板上的流体输入/输出端口的位置。
在一些变型中，装置的主控制器还可以被配置成在安置在安置表面上的一个或更多个盒的至少一个盒内的选定位置处，通过液体处理尖端依序混合微滴。混合能力可以如上所述，由包括在机械臂内的气流提供，并且气体(例如氮气或大气)可以通过液体处理尖端喷射，以引起微滴的搅拌和混合。主控制器可以对一个或更多个盒处的混合进行排序，以便以串行方式进行，例如一次一个混合事件，或者可以对一个或更多个盒处的混合进行排序，以便以并行方式进行，例如，所有混合事件在同一时间进行。
在一些变型中，主控制器可以被配置成部分地基于安置在安置表面上的一个或更多个盒中的每一个的位置来选择一个或更多个选定驱动电极以驱动安置在安置表面上的一个或更多个盒内的微滴。可选地或附加地，主控制器可以被配置成部分地基于被安置在安置表面上的一个或更多个盒的每一个内的微滴的位置来选择一个或更多个选定驱动电极。
在一些变型中，主控制器可以被配置为依序对一个或更多个选定驱动电极激活和停用。激活和停用的顺序可以至少部分地基于安置在安置表面上的一个或更多个盒中的每一个的位置。附加地或可选地，主控制器可以被配置成部分地基于安置在安置表面上的一个或更多个盒中的每一个内的微滴的位置来依序对一个或更多个选定驱动电极激活和停用。在一些变型中，主控制器可以进一步被配置为部分地基于检测到安置在安置表面上的一个或更多个盒中的每一个内的微滴的分配或抽取的完成，来依序对一个或更多个选定驱动电极激活和停用。
在一些变型中，主控制器可以被配置为至少部分地基于确定安置在安置表面上的一个或更多个盒的每一个中的一个或更多个选定驱动电极没有被激活来在微滴的分配或抽取期间驱动微滴，来依序地将微滴分配到一个或更多个盒中的每一个或从一个或更多个盒中的每一个抽取微滴。
在一些变型中，主控制器还可以被配置为当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，识别微滴中的选定试剂或样品并将微滴中的选定试剂或样品分配到一个或更多个盒中的至少一个。对于一个或更多个盒中的每一个，选定试剂或样品可以不同，或者可以在多个盒中同时进行相同的反应或样品制备，并且主控制器可以控制多路添加或抽取。
当试剂/样品储存子系统包括孔板容纳区域时，主控制器还可以被配置成当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，当将微滴中的样品分配到一个或更多个盒中的至少一个时，从孔板容纳区域中的孔板中抽取样品。在一些变型中，主控制器还可以被配置成当从安置在安置表面上的一个或更多个盒中的至少一个盒中抽取微滴时，将微滴输送到孔板容纳区域中的孔板。
当机械臂还包括金属尖端时(该金属尖端被配置成电穿孔在安置在安置表面上的一个或更多个盒之一内的位置处的微滴内的生物细胞)，主控制器可以被配置成引导机械臂将金属尖端输送到盒内微滴的位置。附加地或可选地，主控制器可以被配置成至少部分基于确定盒中的一个或更多个选定驱动电极没有被激活以在电穿孔期间驱动微滴来调度对生物细胞的电穿孔。
基于前述内容，另一个示例性数字微流控装置可以包括：安置表面，其被配置为同时安置一个或更多个盒；多个驱动电极，其设置在安置表面上，其中驱动电极被配置为当盒被安置在安置表面上时施加高电压以使微滴在盒内移动，并且其中所有或一些驱动电极包括穿过驱动电极的开口；多个真空端口，其中每个真空端口联接到穿过驱动电极的一个或更多个开口；真空控件，其被配置为当一个或更多个盒座在安置表面上时，选择性地通过被安置在安置表面上的一个或更多个盒下方的真空端口的子集施加真空；电控件，其用于施加能量以依序激活和停用一个或更多个选定的驱动电极以使微滴在一个或更多个盒的气隙内移动，一个或更多个盒被安置在安置表面上；真空泵，其用于向多个真空端口施加真空；机械臂和液体处理子系统，其用于当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，向一个或更多个盒分配液体或从一个或更多个盒移除液体；主控制器，其用于当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，协调对一个或更多个选定驱动电极的激活和停用与向一个或更多个盒分配液体或从一个或更多个盒移除液体。
系统。如图70A-70C所示，用于高通量数字微流控的系统可以包括数字微流控装置，该装置包括：安置表面，其被配置为同时安置一个或更多个盒；多个驱动电极，其设置在安置表面上，其中驱动电极被配置为当盒被安置在安置表面上时施加高电压以使微滴在盒内移动，并且其中所有或一些驱动电极包括穿过驱动电极的开口；多个真空端口，其中每个真空端口联接到穿过驱动电极的一个或更多个开口；真空控件，其被配置为当一个或更多个盒安置在安置表面上时，选择性地通过被安置在安置表面上的一个或更多个盒下方的真空端口的子集施加真空；电控件，其用于施加能量以依序激活和停用一个或更多个选定的驱动电极以使微滴在一个或更多个盒的气隙内移动，一个或更多个盒被安置在安置表面上；真空泵，其用于向多个真空端口施加真空；机械臂和液体处理子系统，其用于当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，向一个或更多个盒分配液体或从一个或更多个盒移除液体。在一些变型中，系统可以进一步包括外壳，其中外壳控制湿度、温度和气体环境中的一个或更多个。受控的湿度、温度和气体环境可用于限制被安置在安置表面上的盒内的微滴干燥。气体环境还可以包括大气和添加的5％的二氧化碳，这对于保持封闭系统内细胞的生存能力可能是有用的。湿度可以是相对湿度，其减少从液体微滴蒸发，同时不会将气体环境中的水分冷凝到壳体表面或系统部件的其他表面。
该系统可以包括如本文所述的用于高通量数字微流控的数字微流控装置的任何特征，以及任何组合，如技术人员可以设想的。在以下段落中描述了一些示例性但非限制性的特征。
因此，系统可以包括安置表面，其中一个或更多个盒在安置表面上的安置位置可以不被预先限定。在一些变型中，一个或更多个盒中的至少一个的安置位置的尺寸与一个或更多个盒中的另一个的安置位置的尺寸不同。在一些变型中，该系统可以被配置为安置一个或更多个单板式盒和/或双板式盒。
在一些变型中，系统的液体处理子系统可以包括至少一个液体处理尖端。液体处理子系统可以包括多个液体处理尖端，其可以是4、8、12或96个液体处理尖端。在一些变型中，至少一个液体处理尖端或更多个液体处理尖端可以进一步被配置成混合在被安置在安置表面上的一个或更多个盒的至少一个内的微滴。
该系统的液体处理子系统可以包括液体处理头。在一些变型中，液体处理头可以被配置为分配大约1微升至大约100毫升的体积，但是如上所述，其他体积也是可能的。液体处理头还可以被配置成分配悬浮在液体中的生物细胞。
在一些变型中，机械臂可以是三轴机械臂。在一些变型中，机械臂可以进一步包括金属探针，该金属探针被配置为电穿孔被安置在安置表面上的一个或更多个盒中的至少一个内的微滴内的生物细胞。
该系统可以进一步包括温度控制试剂/样品储存子系统。在一些变型中，试剂/样品储存子系统可以包括孔板容纳区域。孔板容纳区域可以被配置为容纳24孔、48孔、96孔和384孔的孔板中的任何一个。
用于高通量数字微流控的系统可以进一步包括主控制子系统，该主控制子系统被配置为协调对多个驱动电极、多个真空端口、机械臂和液体处理尖端的激活。在一些实施例中，主控制子系统可以包括非暂时性指令，该非暂时性指令用于执行控制多个真空端口和多个驱动电极的方法、控制液体处理的方法或其组合。
在一些变型中，主控制子系统可以进一步被配置成控制外壳的湿度、温度和气体环境中的至少一个。主控制子系统可以包括非暂时性指令，该非暂时性指令用于执行控制外壳的湿度、温度和气体环境中的至少一个的方法。
光学子系统。在一些变型中，用于高通量数字微流控的系统可以进一步包括光学子系统。在一些实施例中，光学子系统可以包括照明源。在一些实施例中，照明源可以包括可见光源或紫外(UV)光源中的一个或更多个。光源可以是LED或能够提供所需波长范围的光的任何其他光源。照明源可用于对安置表面和/或安置于其上的一个或更多个盒进行成像。具有适当波长的照明源(例如但不限于UV)也可用于光活化位于安置表面上的一个或更多个盒的表面上的微滴内的试剂。在另一个例子中，笼状(caged)荧光染料可以使用UV范围内的光活化来脱笼(uncaged)。光学子系统可以进一步包括被配置为检测明场图像、荧光图像或发光图像的成像设备。在一些变型中，光学子系统可以被配置为当一个或更多个照明源和成像设备存在时控制一个或更多个照明源和成像设备。
光学子系统可以进一步被配置成与主控制子系统通信。在一些变型中，主控制子系统的非暂时性指令可以进一步包括指令，该指令用于基于从光学子系统接收的成像通信来依序激活驱动电极和激活液体处理。主控制子系统还可以包括非暂时性指令，该非暂时性指令用于执行控制光学子系统的方法。在一些变型中，非暂时性指令可以包括用于激活和停用明场和/或荧光照明和/或捕获数字微流控装置的安置表面的选定区域的图像的指令。
在高通量数字微流控系统的一些变型中，数字微流控装置可以进一步包括在驱动电极阵列内的一个或更多个区域，其中一个或更多个区域进一步包括磁体。在一些变型中，系统的数字微流控装置可以进一步包括在驱动电极阵列内的一个或更多个区域，包括加热和/或冷却可控性。在系统的一些变型中，系统可以进一步包括一个以上的数字微流控装置。
使用该装置的方法。为数字微流控装置提供了一种在用于高通量数字微流控的数字微流控装置中选择性固定一个或更多个盒的方法，该数字微流控装置包括：安置表面，其被配置为同时安置一个或更多个盒；多个驱动电极，其设置在安置表面上，其中驱动电极被配置为当盒被安置在安置表面上时施加高电压以使微滴在盒内移动，并且其中所有或一些驱动电极包括穿过驱动电极的开口；多个真空端口，其中每个真空端口联接到穿过驱动电极的一个或更多个开口；真空控件，其被配置为当一个或更多个盒安置在安置表面上时，选择性地通过被安置在安置表面上的一个或更多个盒下方的真空端口的子集施加真空；电控件，其用于施加能量以依序激活和停用一个或更多个选定的驱动电极以使微滴在一个或更多个盒的气隙内移动，一个或更多个盒被安置在安置表面上；真空泵，其用于向多个真空端口施加真空；机械臂和液体处理子系统，其用于当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，向一个或更多个盒分配液体或从一个或更多个盒移除液体。该方法包括将一个或更多个盒设置在安置表面上，从而产生一个或更多个盒的相应安置位置；感测一个或更多个安置位置中的每个安置位置；以及确定包括位于每个安置位置下面的多个驱动电极的子集的区域，从而识别位于多个安置位置下面的驱动电极的一个或更多个区域。激活真空控件以向驱动电极的一个或更多个区域施加真空；并且一个或更多个盒选择性地固定到数字微流控装置的安置表面。
在一些变型中，一个或更多个盒中的每一个都可以包括底板，该底板被配置为在施加真空时变形，从而粘附到安置表面。每个相应安置位置可以具有对应于每个盒的尺寸的相应区域。在一些实施例中，一个或更多个盒中的至少一个具有与一个或更多个盒中的其他盒不同的尺寸。
用于高通量数字微流控的数字微流控装置可以包括在此方法中描述的数字微流控装置的任何其他特征。此外，本领域技术人员可以设想，这种选择性固定一个或更多个盒的方法可以与本文所述的任何其他方法相结合。在一些变型中，该装置可以包括主控制子系统，并且该方法可以由主控制子系统执行。在一些变型中，由主控制子系统执行的方法可以自动执行。
为数字微流控装置提供了一种协调在用于高通量数字微流控的数字微流控装置内的盒中的微滴移动和液体处理的方法，该数字微流控装置包括：安置表面，其被配置为同时安置一个或更多个盒；多个驱动电极，其设置在安置表面上，其中驱动电极被配置为当盒被安置在安置表面上时施加高电压以使微滴在盒内移动，并且其中所有或一些驱动电极包括穿过驱动电极的开口；多个真空端口，其中每个真空端口联接到穿过驱动电极的一个或更多个开口；真空控件，其被配置为当一个或更多个盒安置在安置表面上时，选择性地通过被安置在安置表面上的一个或更多个盒下方的真空端口的子集施加真空；电控件，其用于施加能量以依序激活和停用一个或更多个选定的驱动电极以使微滴在一个或更多个盒的气隙内移动，一个或更多个盒被安置在安置表面上；真空泵，其用于向多个真空端口施加真空；机械臂和液体处理子系统，其用于当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，向一个或更多个盒分配液体或从一个或更多个盒移除液体。。该方法包括将一个或更多个盒中的每一个设置在安置表面上；确定一个或更多个盒中的每一个在安置表面上的安置位置；确定包括位于每个安置位置下面的多个驱动电极的子集的区域，从而识别位于多个安置位置下面的驱动电极的一个或更多个区域；选择性地将一个或更多个盒中的每一个固定在数字微流控装置的安置表面上；识别一个或更多个盒中的每一个的流体输入部的位置；以及经由相应的流体输入部将来自液体处理子系统的微滴设置在一个或更多个盒的每一个内；识别一个或更多个盒中的每一个的流体输入部可以包括，对于一个或更多个盒中的每一个，确定每个盒是单板式盒还是双板式盒。由于单板式盒的底板的整个上表面对机械臂和液体处理子系统开放，所以单板式盒的流体输入部可以是面向单板式盒的气隙的表面上的任何位置。双板式盒的流体输入部可以是双板式盒的上板中的端口或其他开口，双板式盒可以具有一个或更多个流体输入部，并且在一些变型中，可以具有多个流体输入部。识别双板式盒的流体输入部可以包括识别双板式盒的上板上的一个或更多个端口或开口的位置。将微滴分配到一个或更多个盒中的每一个内可以包括依次串行地向一个或更多个盒中的每一个进行分配，例如一次一滴。可选地，分配可以包括将微滴并行地分配到安置表面上的一个或更多个盒中的每一个内，例如，基本上同时分配所有的微滴。该方法可以包括将一个或更多个盒中的每一个内的每个相应微滴的位置与多个驱动电极的相应区域的相应第一选定驱动电极相关联；以及激活每个相应区域的第一选定驱动电极，以通过电润湿将每个相应微滴驱动到一个或更多个盒中的每一个内的相应第二位置。在一些变型中，激活多个驱动电极的每个相应区域的至少第一选定驱动电极可以进一步包括将第一驱动电极接地到每个相应区域的相邻第二驱动电极。
在一些变型中，一个或更多个盒内的每个第二位置可以包括流体输出部。该方法可以进一步包括在一个或更多个盒内的每个相应的第二位置处抽取相应的流体微滴，其中抽取包括经由至少一个液体处理尖端施加吸力。当液体处理子系统包括多个液体处理尖端时，可以并行地(例如，同时用于一个或更多个盒中的每一个盒)抽取相应的流体微滴。在一些变型中，抽取相应的流体微滴可以串行地进行。
用于高通量数字微流控的数字微流控装置可以包括在此描述的用于该方法的数字微流控装置的任何其他特征。此外，本领域技术人员可以设想，这种用于协调数字微流控装置内的盒中的微滴移动和液体处理的方法可以与本文描述的任何其他方法相结合。在一些变型中，该装置可以包括主控制子系统，并且该方法可以由主控制子系统执行。在一些变型中，由主控制子系统执行的方法可以自动执行。
提供了一种在数字微流控装置内同时操作单板式盒和双板式盒的方法，该数字微流控装置包括：安置表面，其被配置为同时安置一个或更多个盒；多个驱动电极，其设置在安置表面上，其中驱动电极被配置为当盒被安置在安置表面上时施加高电压以使微滴在盒内移动，并且其中所有或一些驱动电极包括穿过驱动电极的开口；多个真空端口，其中每个真空端口联接到穿过驱动电极的一个或更多个开口；真空控件，其被配置为当一个或更多个盒安置在安置表面上时，选择性地通过被安置在安置表面上的一个或更多个盒下方的真空端口的子集施加真空；电控件，其用于施加能量以依序激活和停用一个或更多个选定的驱动电极以使微滴在一个或更多个盒的气隙内移动，一个或更多个盒被安置在安置表面上；真空泵，其用于向多个真空端口施加真空；机械臂和液体处理子系统，其用于当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，向一个或更多个盒分配液体或从一个或更多个盒移除液体。该方法包括将单板式盒设置在安置表面上的第一安置位置，将双板式盒设置在安置表面上的第二安置位置；识别第一区域和第二区域，第一区域包括位于第一安置位置下面的多个驱动电极的第一子集，第二区域包括位于第一安置位置下面的多个驱动电极的第二子集；选择性地将单板式盒和双板式盒固定到数字微流控装置的安置表面；识别在第一安置位置处的单板式盒内的第一流体输入部的位置和在第二安置位置处的双板式盒内的第二流体输入部的位置；将来自液体处理子系统的第一微滴设置在单板式盒内，将第二微滴设置在双板式盒内；将第一微滴的位置与多个驱动电极的第一子集的第一选定驱动电极相关联；将第二微滴的位置与多个驱动电极的第二子集的第一选定驱动电极相关联；激活每个相应子集的至少第一选定驱动电极，以通过电润湿将每个相应微滴驱动到一个或更多个盒的每个内的相应第二位置。
选择性地将单板式盒和双板式盒固定到安置表面还可以包括激活盒下面的电极区域中的真空控件。在一些变型中，当微滴通过单板式盒的气隙分配时，单板式盒内的第一流体输入部可包括盒的表面内的任何位置。在一些变型中，双板式盒内的第一流体输入部可以是双板式盒的上板上的一个或更多个预定位置处的端口。将第一微滴设置在单板式盒内和将第二微滴设置在双板式盒内可以包括基本上同时设置第一微滴和第二微滴，例如并行设置，或者可以包括连续设置第一微滴和第二微滴。
在一些变型中，激活每个相应子集的至少第一选定驱动电极以将每个相应微滴驱动到相应的第二位置可以进一步包括将第一选定驱动电极接地到多个驱动电极的每个相应子集的相邻第二驱动电极。激活每个相应子集的至少第一选定驱动电极以将每个相应微滴驱动到相应的第二位置可以基本上同时执行。可选地，激活每个相应子集的至少第一选定驱动电极以将每个相应微滴驱动到相应的第二位置可以依序地执行。
在一些变型中，每个相应的第二位置可以进一步包括流体输出部。在单板式盒的第二位置的流体输出部可以是盒的内表面内的任何位置，并且通过单板的气隙进行抽取。双板式盒内第二位置处的流体输出部可以是双板式盒的上板上的一个或更多个预定位置处的端口。该方法可以进一步包括在单板式盒和双板式盒内的每个相应的第二位置处抽取相应的流体微滴，其中抽取可以包括经由液体处理子系统的至少一个液体处理尖端施加吸力。在一些变型中，当液体处理子系统包括多个液体处理尖端时，可以并行执行抽取相应的微滴。
用于高通量数字微流控的数字微流控装置可以包括在此描述的用于该方法的数字微流控装置的任何其他特征。此外，本领域技术人员可以设想，这种用于在数字微流控装置内同时操作单板式盒和双板式盒的方法可以与这里描述的任何其他方法相结合。在一些变型中，该装置可以包括主控制子系统，并且该方法可以由主控制子系统执行。在一些变型中，由主控制子系统执行的方法可以自动执行。
提供了一种用于操作包括数字微流控装置的系统的方法，其中该数字微流控装置包括：安置表面，其被配置为同时安置一个或更多个盒；多个驱动电极，其设置在安置表面上，其中驱动电极被配置为当盒被安置在安置表面上时施加高电压以使微滴在盒内移动，并且其中所有或一些驱动电极包括穿过驱动电极的开口；多个真空端口，其中每个真空端口联接到穿过驱动电极的一个或更多个开口；真空控件，其被配置为当一个或更多个盒安置在安置表面上时，选择性地通过被安置在安置表面上的一个或更多个盒下方的真空端口的子集施加真空；电控件，其用于施加能量以依序激活和停用一个或更多个选定的驱动电极以使微滴在一个或更多个盒的气隙内移动，一个或更多个盒被安置在安置表面上；真空泵，其用于向多个真空端口施加真空；机械臂和液体处理子系统，其用于当一个或更多个盒被安置在安置表面上时，向一个或更多个盒分配液体或从一个或更多个盒移除液体。在一些实施例中，该系统还包括被配置成控制湿度、温度和气体环境中的一个或更多个的外壳。该方法包括对于一个或更多个盒中的每一个，识别一个或更多个盒中的每一个下面的驱动电极的相应子集；对于一个或更多个盒中的每一个，确定与驱动电极的相应子集相邻的多个相关接地电极；以及选择性地将一个或更多个盒中的每一个固定在数字微流控装置的安置表面上。该方法包括对于一个或更多个盒中的每一个，协调要在每个盒中执行的活动，并且包括对活动进行排序。对活动进行排序可以包括配置资源，例如机械臂和液体处理子系统，用于高效且不重叠的动作。机械臂的高效动作可以包括设计机械臂/液体处理子系统行进的一系列路径，以最小化总行进的长度。对活动进行排序可以包括确定每个盒中特定工作流程的合适反应周期，并计划启动每个工作流程，以允许在数字微流控表面的多路复用安置表面上进行及时分配、混合、加热和冷却事件。该方法协调活动，例如确定要在一个或更多个盒的每一个中执行的反应类型；将样品分配到一个或更多个盒的每一个中，以在一个或更多个盒的每一个中形成相应的样品微滴；以及将一种或更多种试剂/缓冲液分配到一个或更多个盒的每一个中，以在一个或更多个盒中的每一个内形成相应的试剂/缓冲液微滴。该方法还可以包括：对于安置表面上的一个或更多个盒中的每一个；协调将相应的试剂微滴和/或样品微滴驱动到一个或更多个盒的每一个内的反应位置。协调相应试剂微滴和/或样品微滴的驱动可以包括，对于一个或更多个盒中的每一个，识别相应试剂微滴和/或样品微滴的位置；识别相应试剂微滴和/或样品微滴位置下面的一个或更多个驱动电极；激活相应试剂微滴和/或样品微滴下面的驱动电极，并将一个或更多个驱动电极接地到相应的相邻电极，从而通过电润湿将相应的试剂微滴和/或样品微滴驱动到下一个位置，并重复这些过程以到达相应试剂微滴和/或样品微滴的反应位置。
该方法可以进一步包括，对于一个或更多个盒中的每一个，协调将相应的样品微滴与其相应的试剂微滴合并，从而在一个或更多个盒中的每一个内形成相应反应微滴；以及在相应反应微滴中进行相应的反应，从而在一个或更多个盒的每一个中形成相应产物微滴。在一些变型中，协调可以进一步包括，对于一个或更多个盒中的每一个，协调将反应微滴驱动到一个或更多个盒内的反应位置，其中相应的反应位置包括磁体和/或温度控件。
该方法还可以包括协调一个或更多个盒中的每一个，当一个或更多个盒的相应反应微滴中的相应反应是测定时，确定一个或更多个盒的相应反应微滴的测定结果。该方法还可以包括，对于一个或更多个盒中的每一个，当一个或更多个盒中的相应反应是样品制备反应时，输出相应的产物微滴。
在一些变型中，协调可以进一步包括对于一个或更多个盒中的每一个，协调将分配的试剂/缓冲液与设置在一个或更多个盒中的每一个内的选定位置处的预装设试剂混合，以形成相应的试剂/缓冲液微滴。在一些变型中，协调可以进一步包括对于一个或更多个盒中的每一个，协调将样品微滴与设置在一个或更多个盒内的选定位置处的预装设试剂混合，以形成相应的反应。
在一些变型中，当系统进一步包括一个或更多个照明源时，协调形成相应试剂微滴或形成相应反应微滴可以进一步包括协调光活化相应的试剂微滴或相应反应微滴内的试剂。当对被安置在安置表面上的一个或更多个盒进行成像时，双板式盒可以具有透明或半透明的上板，从而允许成像。当对安置在安置表面上的一个或更多个盒进行光活化时，双板式盒可以具有不明显吸收光活化波长的透明或半透明上板，允许光活化照明充分通过上板到达光活化试剂。在其他变型中，双板式盒可以包括切入上板中的窗口，其允许光活化照明到达盒内的光活化试剂。
在一些变型中，分配相应的样品微滴、分配相应试剂/缓冲液或抽取相应产物微滴可以被协调以当驱动电极未被激活时进行。在一些实施例中，形成相应样品微滴、相应试剂/缓冲液微滴、相应反应微滴或相应产物微滴可以被协调以当驱动电极未被激活时进行。
在一些实施例中，形成相应的样品微滴可以进一步包括协调电穿孔样品微滴内的生物细胞。
在一些变型中，该方法可以进一步包括调节系统的外壳中的温度、湿度或气体环境中的至少一个。
在一些变型中，当系统包括主控制子系统时，可以自动执行协调相应的过程，诸如确定、分配、混合、合并、驱动、执行反应或输出。在一些实施例中，协调一个或更多个盒中的每一个的相应过程可以独立地执行，例如，运行一个或更多个盒中的每一个的工作流程，而不将工作流程活动与安置表面上的其他盒的工作流程活动同步。
在一些变型中，协调一个或更多个盒的相应过程可以进一步包括调度机械臂和/或液体处理子系统以及调度相应的多个电极，从而减少一个或更多个盒中机械臂、液体处理子系统和/或相应的多个电极的冲突指令。
在一些变型中，当系统包括成像设备时，调度机械臂和/或液体处理子系统以及调度一个或更多个盒的相应多个电极可以进一步包括从成像设备接收成像信息，确认一个或更多个盒内的先前相应过程的完成。在一些变型中，当系统包括成像设备时，确定一个或更多个盒的相应反应微滴的测定结果可以进一步包括检测来自相应反应微滴的可见信号、荧光信号或发光信号。
在一些变型中，当系统包括主控制子系统时，主控制系统可以调节外壳的温度、湿度或气体环境中的至少一个。
在一些变型中，当系统进一步包括试剂/样品储存子系统(包括孔板容纳区域)时，输出相应产物微滴可以进一步包括将输出的产物微滴沉积在孔板的孔内。
用于高通量数字微流控技术的数字微流控装置进一步可以包括本文所述的数字微流控装置的任何其他特征，以用于操作包括数字微流控设备的系统的本方法中。此外，如本领域技术人员可以设想的，该方法可以与这里描述的任何其他方法相结合。在一些变型中，该装置可以包括主控制子系统，并且该方法可以由主控制子系统执行。在一些变型中，由主控制子系统执行的方法可以自动执行。
DMF装置。通过回到图中，可以更好地理解本发明。在图1A-图1C中，微滴(例如，反应微滴)适配(fit)在第一板153和第二板151(在图1A-图1C中作为顶板和底板示出)之间的气隙中。整个空气基质DMF装置可以具有任何合适的形状和厚度。图1B是穿过图1A中示出的空气基质DMF的热区的截面的放大视图，其示出了DMF设备的层(例如，形成底板的层)。通常，DMF设备(例如，底板)包括若干层，所述层可以包括在印刷电路板(PCB)材料上形成的层；这些层可以包括保护覆盖层、绝缘层和/或支撑层(例如，玻璃层、接地电极层、疏水层；疏水层、电介质层、致动电极层、PCB、热控制层等)。这些表面中的任一个可以是刚性的(例如，玻璃、PCB、聚合物材料等)。本文描述的空气基质DMF装置还包括样品贮存器和试剂贮存器两者，以及用于补充试剂的机构。
在图1A-图1C中示出的示例中，顶板101(在这种情况下为玻璃材料(尽管可以使用包括PCB的塑料/聚合物材料))提供支撑并且保护下面的层免受外部颗粒物的损害，以及为在DMF设备内发生的反应提供一定量的绝缘。因此，顶板可以将微滴限制/夹(sandwich)在板之间，这与(不具有板的)开放式空气基质DMF装置相比可以增强电场。上板(在该示例中为第一板)可以包括接地电极，并且可以是透明的或半透明的；例如，第一板的基底可以由玻璃和/或透明塑料形成。然而，虽然上板是透明的，但是其可以涂覆有导电材料和/或可以包括用于DMF电路的与基底相邻并且在基底之下的接地电极(接地电极层102)。在某些情况下，接地电极是连续的涂层；可选择地，可以使用多个接地电极，例如相邻的接地电极。接地电极层之下是疏水层103。疏水层103用于减少表面的湿润，并且有助于将反应微滴保持在一个内聚单元(cohesive unit)中。
作为图1A-图1C中的下板或底板151示出的第二板可以包括界定单位单元的致动电极。在该示例中，如同第一板，面向板之间的气隙104的最外层还包括疏水层103。形成疏水层的材料在两个板上可以是相同的，或其可以是不同的疏水材料。气隙104提供了空间，在所述空间中，反应微滴初始地被包含在样品贮存器内，并且被移动用于运行反应步骤或多个反应步骤以及用于保持各种试剂用于各个反应步骤。与第二板上的疏水层103相邻的是电介质层105，所述电介质层105可以增加微滴和电极之间的电容。与电介质层105相邻并且在电介质层105之下的是PCB层，所述PCB层包含致动电极(致动电极层106)。致动电极可以形成每个单位单元。致动电极可以被通电以在DMF设备内将微滴移动至不同的区域，使得各个反应步骤可以在不同条件下(例如，温度、与不同试剂组合、磁性区域、泵入口区域等)进行。支撑基底107(例如，PCB)(在图1B和图1C中)可以与致动电极层106相邻并且在致动电极层106之下，以为这些部件提供支撑和电连接，这些部件包括致动电极、连接它们的迹线(其可以是绝缘的)和/或另外的控制元件，另外的控制元件包括热调节器155(作为TEC示出)、温度传感器、光学传感器、磁体、泵等。用于控制致动电极的操作和/或控制将微滴补充至反应微滴的施加的一个或更多个控制器195可以被连接，但是与第一板153和第二板151分离，或其可以在第二板上形成和/或通过第二板来支撑。在图1A-图1C中，第一板作为顶板示出，并且第二板是底板；该定向可以反转。还示出了溶剂(补充流体)的源或贮存器197，所述溶剂(补充流体)的源或贮存器197通过管198被连接至第二板中的孔。
如提及的，气隙104提供了在其中可以执行反应步骤的空间，这提供了可以将试剂保持在其中并且可以在其中处理试剂(例如通过混合、加热/冷却、与试剂(酶、标记物等)组合)的区域。在图1A中，气隙104包括样品贮存器110和一系列试剂贮存器111。样品贮存器还可以包括样品装载特征，用于将初始反应微滴引入到DMF设备中。基于待被执行的反应的需要，样品装载可以从上面、从下面或从侧面来装载，并且可以是唯一的。图1A中示出的样品DMF设备包括六个样品试剂贮存器，其中每个样品试剂贮存器包括开口或端口用于将每种试剂引入到相应的贮存器中。根据待被执行的反应，试剂贮存器的数目可以是可变的。样品贮存器110和试剂贮存器111通过反应区流体连通。反应区112与致动电极层106电连通，其中致动电极层106位于反应区112之下。
致动电极106在图1A中被描绘为栅格或单位单元。在其他示例中，基于反应的需要，致动电极可以在完全不同的图案或布置中。致动电极被配置成将微滴从DMF设备的一个区域移动至另一个区域或多个区域。运动以及在某种程度上微滴的形状可以通过切换致动电极的电压来控制。一个或更多个微滴可以通过以受控制的方式将电极顺序地通电和断电，来沿着致动电极的路径移动。在示出的DMF装置的示例中，一百个致动电极(形成约一百个单位单元)与七个贮存器(一个样品贮存器和六个试剂贮存器)连接。致动电极可以由任何合适的导电材料制成，例如铜、镍、金或其组合。
在图1A-图1C示出的示例性设备中，DMF装置通常被集成，使得电极(例如，致动电极和接地电极)是可以装载有样品和/或流体的相同结构的一部分。电极可以是盒的一部分，所述盒可以是可移除的。尽管盒已经被描述(参见例如US20130134040)，然而已经证明这样的盒难以使用，特别是当通过设备成像时以及当在空气基质装置中操作时。
通常，本文描述了数字微流控装置和方法。特别地，本文描述了包括系统和设备的空气基质数字微流控装置，以及操作该空气基质数字微流控装置以处理流体样品的方法。例如，DMF装置可以包括紧凑的DMF驱动器/装置，该紧凑的DMF驱动器/装置被配置成与可移除盒/一次性盒一起工作。DMF驱动器/装置可以包括驱动电极的阵列，该驱动电极适于通过在盒上的多个点处并且特别地在电极接触点处施加负压力和/或正压力，将盒对齐并且固定在适当位置。盒可以包括气隙，该气隙经由开口(例如，侧(横向)开口和/或顶部开口)对于环境(例如，对于空气)是开放的。气隙可以在两个电介质层之间形成。上部顶部区域可以包括一个或更多个接地电极。接地电极可以有利地由不透明材料形成，该不透明材料被图案化以包括允许通过顶部成像的一个或更多个窗口。这些窗口可以布置在电极上面，使得接地区域与驱动电极相对地延伸，并且在驱动电极周围和/或在驱动电极之间延伸。
本文描述的任何装置还可以包括流体施加和提取部件(例如，流体施加和/或提取设备)，该流体施加和提取部件通过顶部或通过盒的侧面被连接到气隙中。本文描述的任何装置可以包括或使用非极性罩套材料(例如，非极性液体，例如室温蜡)，该非极性罩套材料在装置中含水微滴周围形成保护罩套并且可以与微滴一起移动。本文还描述了用于与装置接口连接的用户界面，包括用于控制装置移动、混合、组合、洗涤、磁性地浓缩、加热、冷却等的用户界面。这些用户界面可以允许方案的手动、自动或半自动输入、控制和/或执行。
图2图示出类似于图1A-图1C中示出的DMF装置的示例。在图2中，DMF装置包括多个驱动电极201(被成形为非正方形/非矩形形状，并且被定位成以行或列彼此相邻)。在图2中，四个贮存器区域203、205、207、209被定位在右侧，并且可以被预装载或以其他方式保持材料的微滴以便在DMF装置的操作期间被添加。电极中的某些或全部可以被加热或冷却。
在图2的装置中，DMF驱动电极211是固体的平坦的电极。在驱动电极和接地电极或参考电极之间能量的施加导致含水(例如极性)微滴的移动。在图2中，接地电极或参考电极作为导电的透明涂层(例如ITO)在上板上形成，该上板也是清透的(clear)(透明的(transparent))。这允许设备从空气基质/气隙上面被监测，包括监测任何单元，例如单位单元。
然而，将有益的是提供DMF装置(例如，设备、系统等)，该DMF装置可以与不包括驱动电极的一次性盒一起使用。图3A和图3B示出了包括集成的驱动电极的DMF系统(图3A)和其中驱动电极是装置的一部分但是盒仅包括接地电极(例如，顶板)、气隙和电介质底部的系统的不同配置。例如，在图3A中，气隙在接地顶板303以及驱动电极和电介质膜305(例如，特氟龙膜)之间形成。驱动电极和电介质膜可以是包括顶板的盒的一部分，并且可以单独被附接到连接至主处理器309和电源板311的基底(开关板307)上。
相比之下，在图3B中，盒不包括驱动电极313，而是包括顶板/接地电极、电介质和它们之间的气隙315。如将在本文中更详细地描述的，真空装置(例如，真空歧管)可以被定位在电极313之下以施加压力(例如，在50kPa和250kPa之间、50kPa或更大、60kPa或更大、70kPa或更大、80kPa或更大、90kPa或更大、100kPa或更大、110kPa或更大等)以将电介质以及因此盒的其余部分完全地固定至装置。电极可以被支撑在基底上，例如印刷电路板或开关板317，该基底还可以被连接至主处理器319和电源321。如图3B中示出的，电介质膜还可以是疏水性的(例如，可以使用特氟龙膜)，或可以被处理、涂覆、喷涂、浸渍等到疏水材料中，以使至少面向气隙的一侧是疏水的。
在图4A-图4C和图10-图12中更详细地示出了示例性DMF装置的安置表面。在图4A中，安置表面包括驱动电极401的阵列(以行0-9和列A-R标记)。这些驱动电极中的每个包括穿过电极的中心孔或开口，可以通过该中心孔或开口施加真空以将盒的电介质保持抵靠驱动电极。在图4A中，安置表面还包括温度传感器(热敏电阻405)，该温度传感器以不同定向被定位在电极之间。图4B示出了包括驱动电极的安置表面的略微放大视图，其示出了驱动电极之间的热敏电阻405。真空开口407在图4B中是更清楚地可见的。可以使用任何形状和大小的驱动电极，包括互锁驱动电极。此外，可以形成不是整块的驱动电极的图案；例如，电极图案可以包括开放区域，该开放区域不包括驱动电极(例如，围绕驱动电极的区域等)，如图1A和图2中示出的。
图4C示出了加热器的示例，该加热器可以被定位在驱动电极的某些(例如图4B中示出的驱动电极的子集)之下。在该示例中，电阻加热电路409可以位于驱动电极下面(例如，在形成安置表面的PCB的任何层处嵌入)。通常，电阻加热和热敏电阻可以在电极PCB板的任何层处嵌入。加热器可以是具有电极和热敏电阻的PCB的一部分，如图4A-图4C中示出的。电流并且因此驱动电极和/或相邻电介质(并且因此在电介质/驱动电极下方的单元上的任何微滴)的温度可以例如通过PID控制回路与热敏电阻器组合来调节。为了冷却电介质(和整个安置表面)，液体冷却器可以循环通过基底，例如在安置表面的底部上。在图4C的示例中，电阻加热器被示出为低电阻材料(例如，具有约10欧姆-15欧姆之间的电阻)的连续迹线。
可以采用任何合适的温度调节技术。例如，可以使用搅拌(例如，磁力搅拌)。即使小体积微滴也可以包含局部温度范围，因此温度分布可以具有标准偏差。这可以通过搅拌(例如经由磁珠)来减小。在足够的搅拌的情况下，微滴可以接近等温。在这些变型中的任一个中，顶板可以用于帮助调节温度。例如，顶板可以用于散热。在顶板的顶部上的导热体(例如，钢块)可以大大地加速顶板冷却花费的时间。如果顶板具有大的热质量，或质量被添加至顶板，那么这可以减小设定数目的热循环所需的时间。
顶板和底部加热器(例如，埋入式加热器(buried heater))之间的温度差可以有助于确定温度标准偏差。与电极联合地加热顶板可以减小升高温度所需的时间。例如，顶板可以包括类似于图4C中示出的局部电阻加热器。加热的/冷却的顶板可以通过包括顶部热质量与盒分开地实现，当盒在安置表面上时，顶部热质量与盒的顶部接合。例如，加热的和/或冷却的顶部热质量可以是向下按压到盒上的歧管。
如提及的，液体冷却剂可以被施加至盒的底部和/或顶部。特别地，可以使用循环液体冷却剂。在某些变型中，盒的整个底部可以被冷却(例如，至室温的3度-5度内，例如，在15摄氏度-35摄氏度之间)。在图5A中，安置表面501的示例被示出从设备中移除，以图示出液体冷却剂联接至安置表面的基底，使得冷却剂可以通过安置表面501被泵送到503中以及从505中泵出。
图5B示出了泵511、管道517、风扇515、散热器516和贮存器513被用于使水或液体冷却剂在电极下方移动。冷却剂在通过电极下方时吸收热，并且在通过风扇和散热器时再次被冷却。
如上文提及的，通过电极中的开口由设备施加真空允许盒的电介质被牢固地且可释放地保持。不穿过电极的开口不会将电介质平滑地保持在安置表面上。然而，当通过可以被激活的全部的驱动电极施加真空时，电介质被保持平坦地抵靠驱动电极，并且可以施加持续较低的能量。例如，图5D和图5E图示出将电介质(为了例证性目的，被示出为未附接至盒)固定到具有电极的安置表面上，该电极具有开口，通过该开口施加真空。在图5D中，真空关闭，并且电介质555以许多褶皱松散地静置在安置表面上。在图5E中，通过电极施加真空。
以这种方式使用真空允许减小的电介质厚度，并且从而允许较低的功率(例如，电压)要求。与使用粘合剂或使用在电极外部施加的真空相比，图5A-图5E中示出的配置导致对于DMF的功率要求减小一半。在示出的示例中，电介质的厚度可以在7微米-13微米之间。当使用粘合剂时，电介质几乎是两倍厚(例如，25微米)。
在图5C中，泵560被示出经过管被连接至真空歧管，该真空歧管被配置成通过电极中的孔抽出(pull)空气。电介质膜位于顶部上并且只要泵正在抽出空气，就保持刚性的。此外，电介质的表面中的任何突起(特别是在盒的气隙周围或略微小于盒的气隙的宽度的突起)将不干扰密封，但是将在气隙内形成外壳、通道、屏障或其他结构，这可以有助于隔开气隙。
图5F和图5G图示出安置表面的上层和中间层，其示出了通过机械和/或管歧管在真空源之间的连接(经由连接器565)(图5G)，以及从穿过电极的开口出来(图5F)。
图10至图12图示出安置表面900的示例，通过穿过电极的真空端口，盒可以被保持到安置表面900上。在图10中，安置表面在基底(例如，PCB或其他电绝缘表面)上形成，并且包括电极901的阵列，在该示例中电极901被示为四边形(例如，正方形)形状。可以使用任何其他合适的形状。驱动电极901是薄的导电表面，该薄的导电表面可以与安置表面齐平或大体上齐平，或可以略微地突起到安置表面上方。在图11中，盒905被示为放置在安置表面900上驱动电极901的阵列的顶上。该盒可以通过抽吸装置(drawer)被放置在安置表面上(如上文图3E和图3F中示出的)。在安置表面上时，真空可以通过驱动电极的全部或子集(例如，在气隙中流体可以在其上方被输送的驱动电极)来施加，以将电介质(并且因此将盒)保持在适当位置。如上文提及的，在没有通过电极本身施加真空的情况下，可能需要更多的能量以在气隙中可靠地驱动流体，并且电介质必须更厚。图12示出了安置表面900的一部分的放大视图，其示出了具有进入真空歧管的中心开口909的电极901。
该装置的安置表面可以被分成功能区域，该功能区域控制不同部分的位置和操作，操作包括加热、磁珠控制、洗涤、添加溶液、冷却、成像/检测等。这些区域可以在DMF装置中界定。例如，现在回到图6，图6图示出基于在安置表面内和/或之下(或在某些变型中，之上)的连接而界定的不同功能区域。例如，在图6中，溶液可以经由一个或更多个孔洞被分配穿过盒的顶部(例如顶板)。因此，在固定的电介质下方的驱动电极可以形成多个单位单元(每单位单元一个驱动电极)，并且每个单元或单元的区域(多个单元)可以被控制以执行特定的功能。例如，在图6中，DMF装置包括被布置在盒的外周周围的区或单位单元的布置，例如冷却区(例如，经由下面的珀尔帖区进行冷却)605。这些区域还可以被用于储存溶液，并且可以被保持在3摄氏度和20摄氏度之间(例如，小于10摄氏度、在约2摄氏度和25摄氏度之间)。中心加热区609可以被用于加热微滴。一个或更多个磁性区603可以被用于打开/关闭磁场，该磁场可以用于固定磁性颗粒(例如，用于移除材料等)。任何区可以重叠。例如，加热区中的至少一个单位单元还可以是磁性区。其他功能区包括成像/光学区。在这种情况下，双重功能可以是可能的，因为当使用电阻加热时，磁体可以被定位在加热区的正下方。
除了通过DMF装置的安置表面的配置形成的区之外，用于提供溶液的等分试样、混合溶液和/或移除溶液的功能区还可以在盒中形成，例如，而是切割到顶板中以提供对气隙的内部进入(intimate access)。在图6中，上(顶)板微流控区域已经被制成透明的。通常，微通道可以被用于混合、分配废物以及从气隙区域中取出顶板上的废物。此外，这些盒中的任一个还可以包括顶板中的试剂贮存器。微流控可以通过一个或更多个阀(例如，阀控件)控制，用于分配和混合以及取出废物。
盒
通常，如本文描述的双板式盒可以包括电介质、在电介质上的第一疏水涂层、在接地电极(和/或顶板)上的第二疏水涂层以及接地电极被联接至其上的顶板。例如，疏水涂层可以是特氟龙涂层。盒还可以包括一个或更多个微流控通道，特别是直接在顶板中形成具有进入气隙的受控通路的微流控通道。
例如，图7A-图7D图示出双板式盒700的一个示例，该盒700在上表面上包括微流控区域703，其被覆盖物703覆盖，该覆盖物703具有一个或更多个进入端口705、707，用于进入设备的微流控部分。盖703还可以包括可以用于递送移除流体和/或气体(例如，空气)的一个或更多个阀和/或一个或更多个开口709。盒还可以包括穿过顶板713的开口，其包括将微流控通道连接至通道内的气隙区域的开口。
本文描述的盒的任一个还可以包括一个或更多个透明窗口区域711，用于对气隙内的一个或更多个区域(读出区域)进行光学成像。可选择地，双板式盒可以具有透明、半透明、基本透明或基本半透明的顶板。在使用单板式盒的实施例中，缺少顶板可以提供对单板式盒的内表面内的任何点的完全进入。
图7B是图7A的盒的俯视透视图。图7B示出了盒的侧视图，其示出了最下面的底部电介质膜751材料。气隙在图7C中是不可见的，但是可以指的是电介质和接地电极之间的间隔753。图7D示出了移除了覆盖物的顶板。比较图7A至图7D，顶部被移除后，示出了第一微流控通道和第二微流控通道两者，每个微流控通道具有从微流控通道进入气隙的开口。在图7D中，两个通道可以通过将流体推动/拉动穿过一个通道进入它们下面的单元而同时使用，用于冲洗、混合、移除废物等。在图7A-图7D中，存在穿过顶板进入空气的通孔。尽管顶板可以更厚，然而在某些变型中，可以有益的是包括更多试剂，该试剂包括可以再水化的冷冻干燥的试剂。
图8-图9图示了可以使用的盒的不同示例。在图8中，示例性的双板式盒800(类似于图7A-图7D所示)示出在包括电极的安置表面803上。盒800在盒的一端包括在气隙(图8中不可见)上方形成的微流控部分805。盒的另一端包括窗口区域807，气隙的一部分可以通过该窗口区域807被成像。盒的前部(窗口)区域和背部(微流控)区域两者均可以包括进入区域，用于进入气隙和/或微流控部分。在图9中，示出了在纸上的三种不同的DMF设计配置。纸制DMF设备通过将银驱动电极的阵列与连接至接触垫(pad)的贮存器喷墨印刷到纸制基底上形成。
在盒内，顶板可以是任何合适的材料，包括透明材料，例如丙烯酸树脂。顶板可以由(或可以包含)一种或更多种导电聚合物形成。接地电极可以形成在顶板上。
如上文已经讨论的，这些装置和方法中的任一个可以包括集成到盒中的一个或更多个微流控通道。特别地，该装置可以包括微流控混合和提取区域。这在图13-15中图示出。例如，两个微流控通道1501、1503可以形成到气隙的顶板中，并且通向气隙中的开口可以被定位成彼此相距不超过固定的距离。流体可以穿过气隙从一个微流控通道流至另一个微流控通道。这些开口之间的气隙的区域可以桥接这两个区域1505。相比于在气隙内容易进行的，该配置可以被用于混合更大的微滴(例如，大于5微升、大于7微升、大于10微升、大于15微升、大于20微升、大于25微升、大于30微升、大于1ml等)。
例如，在图13中，第一压力源1507(负压力和/或正压力)被示出附接至微流控通道的一端，并且第二压力源1509(正压力和/或负压力)被示出附接至另一个微流控通道。流体可以通过开口1505从气隙中抽取到第一通道1501中；可选择地或另外，通过施加正压力1507，流体可以通过开口1505从第一通道1501移动到气隙中；同时，通过在第二通道中施加负压力1509，流体可以在相同的开口1505处或在相同的开口1505附近从气隙被吸入到第二通道中。交替的正压力和负压力可以使相对较大体积的溶液在两个微流控通道之间进出气隙，如图14和图15中示出的。
在图13-图15中示出的示例中，顶板将微流控通道以及贮存器和管集成；可选择地或另外，可以包括一个或更多个端口(例如，用于连接至压力源、阀及类似物)。例如，微流控通道上面的覆盖物可以与端口和/或阀及类似物一起被包括。正压力和负压力可以例如通过反转蠕动泵的极性在微流控通道中被施加。
图16A和图16B示意性地图示出用于将流体施加至DMF装置1120的气隙和将流体从DMF装置1120的气隙中移除(包括洗涤)的方法的示例。例如，在图16A中，盒的气隙1121在顶板1117和底部电介质1126之间形成。连接器接口1127连接第一流体通道1143和第二流体通道1145的组合的入口/出口端口。这些流体通道可以被连接至一个或更多个贮存器1105、1107。如上文已经描述的，在某些变型中，可以使用两个单独的连接器接口(端口)，每个流体管线(例如，流体管线可以是微流控通道，如上文描述的)连接到一个连接器接口(端口)。气隙区域1121中的桥接微滴可以连接至入口管线和出口管线两者，并且流体可以被吸入到流体管线1143、1145中以及从流体管线1143、1145中吸出，以混合微滴、将流体添加至微滴、从微滴中移除流体、将固相捕集元件(例如，磁珠、非磁珠等)暴露至相同的流体，以重复地从感兴趣的分析物中耗尽流体，例如，将分析物浓缩在固相或其他表面上)等。
可选择地，如图17A和图17B中示出的，盒可以包括不同高度的气隙。例如，在图17B中，连接器接口1127周围的区域的气隙可以比顶板的其他区域和电介质1121之间的气隙更大(例如，在0.5mm和2mm之间)，因为顶板1115的一部分(或连接至另一个顶板1117的单独的顶板1115)可以与电介质1126隔开更远。类似地，在图17B中，例如，通过将顶板1117的一部分与电介质1126底层隔开更远，在装置的边缘处连接器接口附近的气隙1119可以大于其他区域中的气隙1121。
图示出图17A中示出的原理的原型DMF装置和盒在图18A-图18C中被图示出，并且被用于证明在DMF盒的气隙中混合较大体积的溶液的原理的证据。在图18A中，DMF盒的上板包括穿过顶板1801的开口，该开口被连接至第一流体管线1843和第二流体管线1845。通过在第一流体管线和第二流体管线之间交替负压力(吸力)，流体在第一贮存器1805和第二贮存器1807之间来回移动，如图18A、图18B和图18C的顺序示出的。在该示例中，当流体在贮存器之间交换时，保持感兴趣的分析物的磁性颗粒通过DMF装置1809被磁性地保持在气隙中(例如，抵靠底部，例如，疏水涂覆的电介质)，这增强结合和/或冲洗。
在本文描述的任何气隙装置中，可以控制或减少蒸发，特别是当加热气隙中的微滴时。图19A-图19C图示出在仅几分钟之后蒸发对于微滴1903的影响。完整的微滴在图19A中示出。在95摄氏度处一分钟之后，微滴体积已经显著地减小(例如，损失在5％-15％之间的微滴体积，如图19B中示出的。在两分钟之后(图19C)，微滴小了20％-34％之间。为了防止由于蒸发造成这种损失，气隙中的微滴可以被加护套(sheathed)或覆盖在非极性罩套中，如图20A-图20C中图示出的。例如，可以使用液体石蜡材料(例如，在本文描述的工作范围例如在10摄氏度和99摄氏度之间是液体的非极性材料)。在图20A中，液体石蜡2005中加罩套的微滴2003被加热(例如，至65摄氏度或更高)。在一小时之后(图20B)，微滴未曾明显地蒸发。类似地，在2小时之后(图20C)，微滴保持约相同的体积。
在使用中，非极性罩套材料可以在DMF程序期间的任何时间点被添加和移除，如图21A-图21I中图示出的。令人惊讶地，例如，例如通过将加罩套的微滴从气隙中向上吸出，例如从进入微流控通道中的端口中吸出，可以完成移除，如上文描述的。例如，通过将负压力从穿过气隙的顶部或侧面的端口施加至微滴，可以将液体石蜡移除到废物贮存器中。较低密度的液体石蜡可以是向上吸入的第一层，这将含水微滴留下。先前，据信移除非极性液体的罩套是困难的或不可能的。
例如，图21A示出了加罩套的微滴，在加罩套的微滴中含水微滴2101被非极性液体2103(例如，液体石蜡)围绕。在该示例中，小气泡也已经在液体石蜡中形成。微滴可以被容易地移动，如图21B中示出的，其示出了通过将能量协调施加至驱动电极以改变含水微滴的电润湿来移动微滴。在图21B中，加罩套的微滴已经被移动至右侧。初始地，通过将进入气隙的非极性液体直接施加在微滴上，或施加在微滴可以移动到的气隙的区域中，含水微滴可以与非极性液体组合。加罩套的微滴还可以与一个或更多个另外的微滴组合，该另外的微滴可以包括非极性液体微滴其本身，或可以不被加罩套。在某些变型中，加罩套微滴(包括小的含水微滴和相对大体积的非极性溶液)可以与目标微滴组合，以便将目标微滴加罩套。加罩套微滴中的少量含水液体可以是缓冲液、稀释剂或允许加罩套微滴在气隙中移动的其他溶液。当与具有较大(例如，0.5mm或更大)间隙宽度的DMF盒一起使用时，该技术是特别有用的。较大间隙宽度可能原本使得较大的微滴难以保持通常较不致密的非极性罩套材料的罩套。图21C和图21D图示出已经与另一个微滴组合形成较大加罩套微滴2101’的微滴2101。还可以通过驱动电极的受控致动来移动较大微滴，如图21C和图21D中示出的。
图21E至图21I图示出在包括磁珠材料的样品中使用非极性液体罩套。在图21E中，加罩套微滴包括少量的含水液体2121和相对大体积的非极性罩套材料2123，两者可以例如通过将加罩套微滴2123移动到样品微滴2121中来组合，如图21F中示出的，这允许它们组合，使得罩套材料现在将样品微滴加罩套。在这种情况下，样品微滴是相当大的，并且包括一定浓度的样品吸收磁珠。
一旦被组合，加罩套微滴2121’就可以(通过DMF)被移动至通向气隙中的端口，溶液可以从该气隙中提取，如图21H中示出的。在该示例中，溶液可以通过施加正压力和负压力以将溶液移动到流体通道2131中和从流体通道2131移出而混合。通过施加负压力以将溶液通过顶部端口从气隙中抽出，可以移除对微滴加罩套的非极性溶液；移除的第一溶液是罩套材料。此后，如图21I中示出的，期望的分析物已经结合至的磁性颗粒可以例如通过施加磁场被保持在气隙的底侧上，并且在不存在非极性罩套溶液下，微滴溶液可以被移除和/或洗涤，否则这可能干扰分析物与磁性颗粒的结合或分析物从磁性颗粒中的释放。在图21I中，磁性颗粒2133被留在气隙中，并且可以通过在磁性颗粒上方移动洗涤(washing)和/或洗脱微滴2135来施加单独的洗涤缓冲液。
除了上文讨论的用于控制蒸发的技术(例如，使用非极性液体的罩套)之外，本文描述的任何方法和装置还可以包括例如通过平衡水分子离开和进入水面的速率来控制盒内部的水蒸气的分压以产生“零蒸发”条件。平衡不需要是完美的，但是可以通过调节温度和压力来调节，以便尽可能接近零蒸发条件。这可以随着温度而变化；例如，在控制相对湿度时，例如在使用该装置杂化或PCR循环期间可以最好随着温度上下调节湿度。可选择地或另外，这些装置中的任一个可以使用局部补充来通过略微地移动微滴来重新捕获附近的凝结来调节蒸发(见例如图19B-图19C，其示出了围绕主微滴的蒸发微滴(evaporativedroplet))。这些方法和装置中的任一个还可以或可选择地使用壁内加热区(walled-inheating zone)，以减少蒸发可以从其中进行的表面积。例如，如上文提及的，在某些变型中，DMF装置的安置表面可以包括在盒中形成局部区域的突起，因为真空可以被精确地施加，以控制柔性电介质和电极之间的接触，安置表面上的突起可以在气隙中产生室或通道，这包括部分地形成可以减少蒸发表面积的壁内加热区。在某些变型中，顶板可以跨越盒被不同地间隔开；与较厚的微滴相比，对于较薄的微滴，蒸发速率可以较低。因此，任何加热区可以具有较窄的气隙宽度以减少蒸发。
在任何大体积微滴DMF盒中，例如，具有0.5mm或更大(例如，0.6mm或更大、0.7mm或更大、0.8mm或更大、0.9mm或更大、1mm或更大，例如，在0.4mm和2mm之间、在0.5mm和2mm之间、在0.5mm和1.8mm之间、在0.5mm和1.7mm之间等)的间隙间隔的DMF盒，已经证明特别难以分配具有可预测体积的微滴，因为相对大的微滴的表面张力可能需要较大量的能量，以从较大微滴中释放较小微滴。通常，在数字DMF系统中，间隔物(气隙)厚度和电极大小之间的比率决定了微滴分配的体积。在常规的数字微流控方法中，小于约500微米(0.5mm)的间隔物厚度允许电润湿力将单位微滴从较大量的液体体积中分离出；这在较高间隔物厚度(例如，大于500微米)下还是不可能的。本文描述了用于在具有500μm或更大的宽度(例如，间隔物厚度)的气隙中从较大体积中分离出单位微滴的方法。在某些变型中，这可以例如通过以下操作来执行：用从端口(端口可以是侧面端口、顶部端口或底部端口)分配的溶液充满气隙的区域，并且然后在被充满的区域中选择性地激活单元(对应于驱动电极)，然后将溶液抽回到端口(或另一个端口)中，该端口偏离激活的电极，使得当溶液被抽取到端口时，微滴保持在激活的电极上；在激活的电极上的微滴与较大充满体积中断(例如，通过颈缩断开(necking off))，这将被分配的微滴留下，在那里被分配的微滴然后可以被驱动电极驱动，与一个或更多个其他微滴组合等。
例如，集成的伴随泵(companion pump)可以被用于将大体积的水溶液驱动到DMF设备中(例如，驱动到DMF盒的气隙中)并且在激活的电极上面。水溶液然后可以远离DMF设备被抽取，这将单位微滴分配在激活的电极上面。图22A-图22D图示出该方法的一个示例。在图22A中，通向DMF盒的气隙2205的端口2201连接至流体通道(例如，如上文描述的微流控通道)，流体通道在图22A中被示出为保持水溶液(试剂2203)的管2209。在该示例中，单个驱动电极2207已经被致动；可选择地，在某些变型中，电极直到充满DMF装置的区域之后才被激活。预激活电极可以有助于将预先确定的量分布到通过驱动电极界定的单位单元上。在这些示例的任一个中，可以激活多于一个相接的驱动电极，以分配较大体积微滴。
接下来，如图22B中示出的，包括激活的驱动电极的气隙区域充满水溶液2203。图22A示出了大体积(例如，250μL)从通道(管2209)中的释放。在某些变型中，当试剂接近远端通道2209时，驱动电极2207被激活(例如，390Vrm的AC电势，或通过使用DC电势另外产生交替场效应(alternating field effect))，这可以生成电润湿力，电润湿力进一步促进试剂从管2209转移至激活的驱动电极2207；发生从通道的进一步流动，使得微滴生长以完全覆盖激活的驱动电极。
在图22C中，水溶液(试剂2203)然后通过相同的端口2201或单独的端口从气隙中被抽取，其中激活的驱动电极与溶液被吸入其中的端口隔开一定距离(例如，该距离可以近似地等于激活的电极的宽度)；该距离是足够的，使得激活的驱动电极上的微滴从抽回到通道2209中的液体颈缩断开。例如，如图22C中示出的，将试剂吸入回到管中可以导致微滴与溶液的剩余部分颈缩断开；颈部区域持续收缩，直到单位微滴(例如，10μL)被留在激活的驱动电极上，如图22D中示出的。相同的过程可以用激活两个、三个和五个电极以分别分配近似倍数的单位微滴(例如，20μL、30μL和50μL)来重复，如图23A-图23E中示出的。多个微滴可以被单独地分配和组合，或可选择地多个电极可以被用于一次分配较大体积，如提及的。微滴的大小(微滴体积)可以部分地基于驱动电极的大小和气隙的间隔。
图23A-图23F图示出使用上文描述的方法从盒上面的贮存器分配多种预先确定体积的溶液。在图23A中，例如，用溶液2301充满气隙的包括连接至通道的端口的区域，该通道将溶液保持在较大气隙(例如，0.5mm宽度)上面，如示出的，并且单个激活的电极被用于中断预先确定体积的溶液(例如，10微升)，如图23B中示出的。该微滴可以被移动远离充满区域，并且该过程重复多次，以产生约均匀体积的多个微滴(例如，10微升+/-5％、10％、15％、20％、25％等)。在图23D中，第一单位微滴2303(例如，具有10微升体积)被示出与两个组合的单位微滴2305相邻，该组合的单位微滴形成具有2×体积(例如，20微升)的第二微滴。类似地，图23E示出了通过组合五个单位微滴形成的大微滴2307(例如，50微升)。图23F图示出当充满气隙区域以形成较大单位微滴2311(例如，40μL单位微滴)时，使用可以激活的较大驱动电极2315(例如，具有约4×表面积)。
因此，通过用大体积的水溶液充满或冲洗气隙的分配区域，并且激活驱动电极(或在已经活化的驱动电极上方)，然后移除溶液(例如，将其泵出)，可以留下相对精确体积的微滴。如提及的，当使用大体积DMF装置(盒)时，例如具有0.4mm或0.5mm和多达至3mm之间的间隔，该技术可以被用于用合理量的力，从大体积的贮存器中分配较小体积的微滴；不同于具有较小气隙的气隙DMF装置，该DMF装置通过施加电润湿能量可以从较大体积中直接分配较小体积的微滴，较大的力有效地防止通过DMF在较大气隙设备中直接分配。在本文提供的许多示例中，气隙的间隙间隔在1mm和1.3mm之间(例如，约1.14mm)，尽管已经成功地使用至少多达3mm间隔。
如本文描述的，溶液的分配可以在处理样品(例如混合等)中以及补充由于这样的系统中蒸发而损失的溶液中是特别重要的。
用户控制界面
在本文描述的任何装置和方法中，DMF装置可以由用户控制，使得DMF装置可以对插入到DMF装置(例如，盒)中的样品执行一个或更多个方案(例如，实验室程序)。例如，DMF装置可以包括用户界面，该用户界面动态地且灵活地允许用户控制DMF装置的操作，以进行用户选择的或用户输入的方案。通常，当通过DMF装置转换用于操作的处理方案时，存在许多考量，包括防止程序期间的污染。污染在程序中的较早步骤(或并行步骤)采取的路径上移动样品微滴时可能发生，在该移动中正执行方案。典型地，正在处理的一个或更多个反应微滴可以需要被移动至DMF盒的气隙中的不同位置，和/或暂时移出气隙区域。另外，对于用户将困难的是，协调这些移动以避免较早路径或将来路径(例如污染)，以及记住哪些位置适合于加热、冷却、混合、添加、移除、热循环等两者。
本文描述了用于控制DMF装置的操作的用户界面，该用户界面允许用户更容易地将方案信息/步骤输入到DMF中。这可以部分地通过以下操作来实现：提供可以执行的步骤的一组图形步骤表示(例如，示出混合、添加、加热、冷却、循环、洗涤等)，并且允许用户以同样直观地提供步骤的持续时间或施加的程度(例如温度等)的方式选择/输入这些步骤。在输入后，该装置然后可以确定有效的通路，以在DMF装置和/或盒的预先确定的布局约束内执行输入的方案，以避免污染。例如，这些装置中的任一个可以确定防止或减少气隙中的路径交叉的通路(寻路(pathfind))，在气隙中这样的交叉可以导致污染。
图24是图示出在控制本文描述的任何DMF装置中涉及的步骤的示例性示意图。例如，在图24中，用户可以使用图形/可视用户界面((在本文中被称为“SAM”)输入方案。这可以参考图25A-图26B更详细地描述)。图形方案然后可以被转换成一系列目标目的，并且该目标方案然后可以被该装置使用，以使该方案适应DMF装置。在图24中，该系统可以确定路径，并且获得对驱动电极、加热器、冷却(例如珀尔帖)、磁性、微流控(泵)等的控制)等，以便完成方案。路径可以被优化以要求最短的通路，但是通过限制或减少路径中的重叠来约束，以防止污染、材料(包括试剂和/或特氟龙)的损失、热消散等。
如提及的，图25A和图25B图示出用于输入期望方案的可视界面(例如，图形用户界面)的一个示例。在图25A中，示出了一组控制图标(“移动”、“加热”、“移除”、“循环”、“混合”、“中断”、“分配”和“等待”)。用户可以选择或排列这些图标，以便提供处理方案的图形表示，如图25B中示出的。每个图标可以具有相关联的持续时间，并且因此，这些图标可以被用于选择对于样品的处理指令或步骤。在该示例中，图标通过以下中的一种或更多种被唯一地识别：颜色、图像和文本。
用户可以将方案直接输入到装置中，或输入到与DMF装置连通的计算机或其他处理器中。
在输入后，方案可被转换成数据结构格式(例如，指示方案和样品的名称、样品去哪里、使用多少体积等的JSON格式)。然后，该数据结构可以被直接使用或转换成格式(例如，java脚本)，使得该装置可以确定在盒中采取的路径，以便实现期望的方案。路径发现可以在本地(例如，在DMF装置中)或远程地执行，并且通信至DMF装置。路径发现可以被配置成基于最短路径长度来最大化，这还避免交叉或某些交叉，以防止污染。因此，该装置可以确定避免污染的最短路线。通常，用户界面可以允许用户容易地选择期望的动作和要素(例如，混合等)；该装置可以已经熟悉试剂(例如，设备的元件)。用户然后可以选择动作、持续时间、温度等。
图26A-图26H图示出根据输入方案确定通路的装置的一个示例。例如，图26A示出了计划第一组步骤(例如样品制备)的DMF盒气隙的特定配置的图形图示。该装置可以知道单元在气隙中的分布，以及功能区(加热器、冷却器、混合/微流控、废物移除、分配等)在DMF盒中的配置。图26B是确定用于用接合体(adapter)标签标记具有基因组DNA(或DNA的片段)的样品的路径的装置的图形图示。在图26C中，执行将第一缓冲液(例如，SureSelect QXT缓冲液)移动至适当位置用于将来处理的步骤。路径可以根据过去的移动和将来的移动两者来选择，并且可以随着界定将来方案步骤而递归地修改。在图26D中，示出了用于移动DNA样品的路径(黑色)。图26E示出了酶混合物从冷却区域的移动，在该冷却区域中酶混合物被储存以与样品组合；图26F示出了用户混合样品与缓冲液和酶混合物。混合的样品然后可以沿着计算的通路被移动(图26G)至加热/冷却区用于循环(图26H)。另外的步骤然后可以如指示的执行。
图65-68图示了包括用户界面以及包括它们的用于控制本文描述的系统的操作以及选择、编辑和存储方案的方法的示例。
在图61中，用户界面可以被显示在设备的显示器(例如触摸屏)和/或远程计算机设备(例如智能手机、膝上型计算机、台式计算机等)上。图62示出了指示用户对各种盒输入应用什么的用户界面的示例。图63是用于使用本文描述的视觉方案设计语言来选择、修改(编辑)和/或共享协议的云界面的示例。该用户界面是允许用户在拖放界面中创建、编辑、删除和保存任何方案的开放画布界面。用户可以选择试剂、样品、系统的单元操作(加热、冷却、混合、洗脱、洗涤、孵育、热循环)并构建它们自己的方案。如上所述，寻路器(pathfinder)(块到设备上的动作的转换)算法可以采用样品和试剂的约束(污染、体积和粘度)、电极栅和盒约束，并找到避免所有上面提到的约束的在两个点之间的最佳路径。用户可以共享他们的在方案存贮器中的开放画布上做出的所构造的方案。开放画布单元操作可以被自动转换成脚本语言，用于由装置进行方案执行。
例如，用户可以共享来自其他用户或实验室的方案。例如，来自组织A的用户已经在云界面中针对x应用创建方案X，具有其优选条件和体积。来自组织A的用户可以在市场上与社区共享方案X。来自组织B的用户可以读取和下载方案X，编辑它或将它直接加载在他们的机器中并运行它。该方案可以有来自组织B的用户支付的费用，并且机器提供商和来自组织A的用户可以共享收入。这在图64中示出。
图65和图66分别示出了用于选择方案和查看方案的用户界面的示例。
图66至图68图示了用于在设备上和/或在远程处理器(例如台式计算机、膝上型计算机、平板计算机等)上都对设备编程并操作设备的用户界面。)
热控制
本文描述的任何装置可以包括用于热控制(例如，加热和/或冷却)和/或微滴检测(例如，追踪和/或识别)的特征。例如，包括盒和装置的装置可以被配置成使微滴温度快速且准确地循环。可选择地或另外，对于微滴(包括但不限于试剂、蜡、水等)，微滴检测可以快速且准确地扫描电极栅格。
如上文描述的，装置可以被配置成包括一个或更多个热控制元件，包括冷却和/或加热。例如，装置可以在单元的某些中包括电阻加热，以加热气隙中的微滴。例如，在某些变型中，电阻加热器可以被包括在印刷电路板(PCB)的层2中，例如在PCB的表面下方的第一铜层的一部分。该装置还可以包括散热器或冷却元件，例如与PCB持续热连接的液体冷却器(冷冻器(chiller))。这些变型中的任一个还可以包括热质量减少和/或通过PCB(例如，通过形成装置中的PCB的一部分的电极)的热传导中的一种或更多种，热质量减少可以提高单元中的温度变化的速率。
热质量减少可以指的是从装置(例如，系统、设备等)中减少或移除热质量，以减少达到温度或温度范围所需的能量的总量。理想地，当存在较小热质量时，需要从系统中取出较少的能量以降低热循环期间的样品温度，从而能够实现较快的循环速率，而不需要非常大的加热和冷却系统(即，不再对堆叠进行液体冷却)。本文描述的装置和方法可以通过从微滴上方或保持一个或更多个微滴在盒的上(顶)板中的区域上方减小/移除热质量来减小热质量。例如，当上板/顶板由丙烯酸材料或聚碳酸酯材料形成时，气隙区域上方的热质量可以通过在顶板中包括一个或更多个空腔(例如，聚碳酸酯结构和/或丙烯酸结构)并且用绝热材料或具有低热导率的材料(例如空气)填充空腔来减小。空腔可以被定位在热控制器区域上面的盒的顶板中，使得当材料的微滴在空腔下面时，由装置施加的加热/冷却(例如，由PCB)可以更迅速地改变气隙区域中的微滴的温度。移除微滴上方的热质量可以结合到本文描述的任何盒的设计中。空腔可以在顶板的底表面附近(例如，紧挨在气隙的一侧上)形成；空腔可以部分地穿过顶板的顶表面和底表面之间的厚度。图28图示出盒的一部分的示例，其示出了盒2804的顶板2801中的热控制区域。盒可以被定位在装置2803上。盒的气隙区域(例如，通过上板2801的底表面和下部电介质材料片2809的顶表面界定的区域)中的微滴2807。因此，在其中包括顶板的盒主体由顶板上的固体聚碳酸酯片形成的变型中，可以产生一个或更多个空腔(例如，图29)，并且可以用具有低热质量的绝缘材料封闭或填充。这可以阻止热从样品转移至其上方的储存区域。空隙替代材料(void replacement material)可以是空气或具有低导热率和低热质量的类似材料。
可选择地或另外，热质量可以通过移除材料(例如，用精确铣削)和/或使用具有非常低的热质量的材料从PCB中被移除。例如，PCB的一个或更多个层可以在加热器区(例如，加热区域或热控制区域)中被移除以减小热质量。这可以从板的底侧进行，以便不破坏电极的表面光洁度(surface finish)。
图29是装置的PCB中的铣削区域的示例，该铣削区域具有较低的热质量，以便增加对盒的气隙中的微滴的温度变化的响应时间。在示出截面图的该示意性示例中，底部(例如，PCB)的层可以包括例如铜的一个或更多个层，并且微滴之下(装置的PCB中)的电介质已经被铣削以产生可以填充有绝热材料(包括空气)的空腔或空隙。因此，可以减小通过PCB的热传导。通常，顶板和/或底板中的空腔可以帮助热隔离顶板和底板之间的气隙中的微滴。
除了通过减小热质量来加速微滴中的温度变化之外，本文描述的任何方法和装置还可以增加加热器源和电极之间的导热率以改进性能。例如，如果PCB上的加热器层在层2中，那么使用高导热电介质层将增加从加热器层至电极的热传递，如图30中示出的。图30示出了加热器3003和电极3001铜区域之间的高传导电介质3005。
在某些变型中，装置(并且特别地装置的PCB部分)可以可选择地或另外被配置成通过在每个活动(例如，驱动)电极/单元附近包括一个或更多个热通孔来增加导热率。热通孔可以是与电极附近的区域热接触的通道或通路，该区域包括热控制区域的电极(诸如PCB材料)下面的区域，并且可以填充有任何导热材料。例如用导热材料(例如但不限于：铜、环氧树脂、树脂等)填充通孔可以进一步增加导热率，并且可以显著地增加气隙中的微滴或其他材料的热响应时间。因此，加热和/或冷却可以比不具有通孔迅速得多。导热通孔可以在PCB中具有或不具有铣削区域的情况下实施(图31A和图31B中示出的，图31A示出了具有导热通孔的铣削区域，图31B示出了不具有铣削区域的导热通孔)。例如，图31A图示出底板(例如，PCB)的示例中的多个导热通孔3105，其中底板已经被铣削以在热控制活动区域周围提供热隔离的区域。
通孔可以填充有任何合适的导热材料。在某些变型中，通孔填充有不导电的导热材料(例如，环氧树脂、树脂等)。
通孔的一端可以与装置的最终上表面(例如，盒接触表面)和/或电极相邻的区域热接触(例如，可以触摸)。特别地，当热通孔填充有导电材料(例如，铜)时，导热通孔可以接触与电极紧密相邻但与电极不电接触的区域。热通孔的另一部分可以在上表面之下(例如，在侧表面和/或底表面上)与散热器热接触。在某些变型中，通孔的相对端可以与温度控制表面(例如，冷却表面、加热表面等)接触。在某些变型中，通孔可以在一个端部区域处与热控制器(例如，加热器、冷却器、散热器等)热连通；通孔可以穿过PCB可以位于其上的真空卡盘。
通孔可以是任何合适的尺寸。例如，导热通孔(在本文中被称为热通孔或简单地通孔)可以具有在0.1mm和3mm之间、0.1mm和2mm之间、0.5mm和1.5mm之间、约0.8mm、约1mm、约1.2mm、约1.4mm等的直径。热通孔可以具有圆形横截面、卵形横截面、矩形横截面、正方形横截面、三角形横截面或任何其他横截面并且可以是圆柱形的，从热控件(例如，加热器、冷却器、散热器等中的一个或更多个)延伸穿过印刷电路板至紧挨在电极之下或与电极紧密地相邻的区域(在某些变型中，不接触电极，使得它们保持与电极电隔离，但不热隔离)。
如提及的，每单元可以形成任何适当数目的通孔(例如，与驱动盒的气隙中的流体的移动的每个电极相关联)。例如，热控制区域(其可以包括多个热控制单元)中的每个单元可以与2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个等或更多个通孔接触。例如，每个热控制单元可以与多于8个通孔接触。
与不包括热通孔的系统相比，热通孔的使用可以提供在热控制区域的加热和/或冷却的速率的变化上显著的改进。
盒特征
除了上文描述的特征之外，任何盒可以可选择地或另外包括进入或穿过单元的某些上面的顶板(例如，将对应于一个或更多个驱动电极的区域)的一个或更多个开口。这些开口可以是开放的，并且可以允许直接成像3221，如图32中图示的。可选择地或另外，开口可以用于从气隙中被动分配流体。例如，在图32中，盒3205的顶板中的开口3203可以被用于从定位在开口之下的微滴3211被动地分配流体；微滴可以在开口之下经由DMF移动，如上文描述的。在被定位之后，预先确定的量的流体可以从微滴例如经由毛细管作用被动地分配到开口中，并且微滴可以移动远离开口。然后，取样的材料可以使用盒的顶部中的微流控来分析或处理，和/或可以在适当位置进行分析。可选择地，取样的材料可以在第一微滴3211已经移动远离之后，被添加至另一个微滴3219中；将第二微滴定位在穿过包括取样的材料3203的顶板的开口下方。基于开口3203的尺寸，来自第一微滴的该取样的材料(流体)可以是计量的量。顶板可以包括亲水表面或亲水表面涂层。在某些变型中，顶板中的开口可以预装载有材料，例如液体蜡或当微滴在开口下方移动时可以与微滴组合的其他涂层材料(例如，以分配涂层材料，例如液体石蜡、油等的防蒸发涂层(anit-evaporation coating))。顶板中的开口还可以充当绝热体。开口可以在单元的一部分上面延伸，使得返回电极可以在开口的边缘上。开口可以是任何大小和尺寸(例如，圆形、正方形等)。尽管图32A中示出的变型图示出通过顶板成像(使用光学器件3221)，然而在某些变型中，成像可以通过盒的底部从底部进行。例如，盒的底部(例如，电介质膜)的区域可以是透明的或可透光的(opticallypermeable)用于成像(例如，荧光)。
在本文描述的任何盒中，顶板可以包括多个歧管，用于将一种或更多种材料递送到气隙中。图27A和图27B图示出由聚合物材料(例如，丙烯酸和/或聚碳酸酯)形成的顶板的一个示例。图27A示出了顶板的上部区域(其可以被一个或更多个盖覆盖，未示出)。在图27A中，包括不同大小的多个分配区域2704、2706、2708。例如，示出了较小的2706(例如，2微升-20微升大小)、中等的2704(例如，100微升至1mL)和大的2708(例如，1mL至5mL)，同样示出了废物和/或混合区2710。这些室可以预装载有流体，并且每个室可以包括通向气隙区域的开口。压力控件可以被用于施加压力，以将流体从分配区域的开口中驱动出来并且驱动进入气隙，这可以通过装置或保持盒的其他设备来控制。因此，装置可以包括一个或更多个压力接口，该压力接口可以用于控制流体从顶板的释放和顶板中的流体处理。
在一些实施例中，盒的顶部可以被保护膜覆盖，例如示出的200μm厚的顶部覆盖膜。盒主体的底部表面(形成气隙的顶部表面)可以覆盖有导电基底材料，该材料可以是疏水的或者可以包括疏水涂层。例如，该膜可以是溅射有ITO(导电材料)和环磷酰胺(全疏水基底)的COC膜，以密封主盒体的底侧上的通道。
图27B图示出图27A中示出的顶板部分的底侧。底侧可以涂覆有或覆盖有电极和/或电介质和/或疏水涂层，如上文描述的。在图27B中，顶板还可以或可选择地包括在板的表面中的一个或更多个通道2712，该通道可以允许混合，如上文描述的。这些通道的底表面可以由上部电介质和/或返回电极(在某些变型中，其可以包括电介质、疏水膜和/或电极层)形成。一般而言，本文所述的盒可包括一个或更多个蛇形混合通道，其可为全部体积的液体提供流体路径，从而它们可在EWOD区无序混合。
在本文描述的任何盒中，可以被配置成接触装置的安置表面并且特别地接触装置中的驱动电极的底表面由电介质材料形成，如上文描述的。底表面可以是电介质材料片材，该电介质材料片材具有第一侧和第二侧(第一侧在盒的底部上形成暴露的底表面)。电介质材料片材的第二侧可以包括疏水表面，并且可以形成气隙的一侧。底表面可以是例如本身是电介质和/或涂有电介质材料的膜。例如，在某些变型中，膜是电介质和/或疏水膜。可以有益的是，使该底表面是大体上平的。本文描述的任何盒可以被配置成施加张力至电介质材料片材。例如，这些盒中的任一个可以包括框架，以将电介质材料保持处于张紧状态。因此，盒可以包括保持盒的底部片的张紧框架。
电介质和/或疏水膜张紧设计可以预张紧(pretension)片材(例如，电介质和/或疏水膜)，使得片材的表面始终是平坦的，并且在其与装置安置表面(例如，PCB)接口连接期间以及在DMF装置的使用期间保持为平坦的。将(例如，电介质和/或疏水的)膜保持在盒中的张紧框架的目的是与(例如，PCB接口的)安置表面接口连接，以确保膜在整个装置的使用中保持与电极栅格(例如，驱动电极)完全接触。
在本文描述的任何盒中，盒的底部可以包括具有第一侧和第二侧的电介质材料片材，第一侧在盒的底部形成暴露的底表面，如上文描述的。本文描述的任何盒可以包括张紧框架，以通过施加张力来保持片材为平的。片材在作为盒的底部暴露时，与盒底部的外周界相比，可以略微地凹进，这可以适配到装置上的凸缘或凹部中，如将在下文另外详细地描述的。因此，在盒的底部处的电介质材料片材不需要是最底部表面。
例如，图49A-图51图示出盒组件的一个示例，该盒组件包括拉伸盒的底部(例如，电介质片材)/使盒的底部平滑的框架。图49A-图49D图示出张紧框架的一个示例。在该示例中，盒主体特征是两部分膜张紧机构。图49A-图49B中示出的两个部分(和49C-49D中的组装视图)可以包括张紧框架4901和电介质膜框架和/或疏水膜框架4903。当组装时，形成盒的底部的膜可以粘附至电介质膜框架和/或疏水膜框架4903。膜和膜框架4903组件可以使用连接器(例如，卡扣配合机构)插入张紧框架4911中的凹槽中。在卡扣到张紧框架中后，膜可以在X-Y平面中的所有方向上被拉紧(be pulled taught)。该框架组件然后可以被紧固到盒主体中。组装的框架可以包括下部轮廓(例如，切口)区域4909，下部轮廓区域4909可以提供绕过盒底表面上的膜电连接上板上的返回电极的通路。
包括用于保持底部薄膜平坦的框架的盒的一个示例在图50A的分解视图中示出。在图50A中，示出了盒和膜张紧组件中的单独的部件。该图还概述了其在组装期间的布置。组装的前两个部件可以包括例如光学透明双面粘合剂5002和电介质材料片材5003(例如，涂覆在导电材料上)。还可以包括框架(例如，张紧框架5004)和包括电介质材料5005的片材，并且膜通过膜框架5006的第二部分固定在适当位置。气隙5009可以在膜5005和顶片(其可以包括返回电极)的底表面5003之间形成。
图50B描绘了在组装光学透明双面粘合剂和涂覆在导电材料上的电介质材料和/或疏水材料之后的盒和膜张紧组件中的单独的部件。导电材料可以是任何导电材料，例如ITO、铝膜、铜及其他。
膜/盒和PCB接口可以包括如上文描述的膜张紧框架，并且从PCB的顶表面中钻出的凹槽(槽)可以在装置的电极栅格周围形成边界。图51示出了盒的组件的示例的等距分解视图，该盒包括膜5120和膜张紧框架(外部框架5121和内部框架5123)，以及盒的上(顶)部分5109；图51还示出了装置的一部分，包括形成盒的安置表面的PCB 5111。安置表面还包括槽5105，以接受盒的底膜周围的凸缘(在该示例中，由张紧框架5103形成)。槽可以是在电极栅格的周界周围钻出的凹槽。如该实施例中的组件布置示出，膜张紧框架5103可以在电极栅格周围插槽(slot)到槽5105中。在组装后，膜张紧框架5103可以在X和Y中张紧膜，但是在膜的边缘处在Z方向上也向下拉动。膜可以包裹在槽的倒圆角边缘(filleted edges)上，刚好略微地在电极栅格的边界外(未示出)。
图52A和图52B分别示出了盒的一个示例的俯视图和截面视图，该盒包括底部电介质(和疏水的或疏水地涂覆的)膜，以及位于装置的PCB组件部分上的膜张紧框架。图52B中的横截面强调了电介质膜和/或疏水膜可以如何跨越电极被拉紧，以及使用穿过PCB的电极(驱动电极)的至少某些的真空端口如何向下密封，并且还图示出在PCB安置表面中形成的槽中安置边缘(从膜中延伸突出)以安置膜。当完全组装时，这些部件可以允许将牢固的、完全张紧的并且平坦的电介质(和/或疏水)膜固定至PCB上的驱动电极栅格。图53是示出了单独的部件及其在组件中的布置的分解视图，该组件包括盒上部主体框架5306、通过张紧框架5304保持处于张紧状态的电介质膜5305、在装置上形成安置表面的PCB 5302、在PCB上的驱动电极(drive electrode)(驱动电极(driving electrode))的阵列的周界周围在安置表面上的凹槽或通道以及真空卡盘5301。
图54A和图54B分别示出了组件的俯视图和横截面视图。横截面视图强调了在盒5413和膜组件上以及PCB 5415上的真空卡盘5411的关系。图54B中的截面还强调了该系统的一些不同的效果。箭头5405描绘了来源于隔膜真空泵5407的真空在卡盘的外部上的流动路径。这可以是与上文图35B中描述的相同的流动路径。箭头概括了由真空通过PCB中的通孔施加至膜的向下力。真空卡盘和与PCB的接口将膜牢固地粘附至电极，并且在Z上向下施加力。膜张紧机构和PCB槽通过在X和Y中施加力来确保膜保持平坦的，同时由于沿着槽的内边缘的圆角(fillet)保持在边缘周围的接触。
单板式盒。在一些实施例中，在多路复用系统(multiplex system)中可以使用一个或更多个单板式盒。在这种情况下，单板式盒包括单个板，并且可以在单个(例如，第一)板上方对空气开放；“气隙”可以对应于板上方的区域，当一个或更多个微滴在该单个板上时，一个或更多个微滴可以在该单个板上行进。接地电极可以邻近(例如，紧邻)每个致动电极定位，例如，在单个板中、单个板上或单个板下。该板可以涂覆有疏水层(并且附加的电介质层可以位于疏水层和电介质层之间，或者同一层可以既是电介质层又是疏水层)。
单板式盒可以类似于本文所述的双板式盒来制备，但不需要各种层来封闭和形成图49-图51中任一个的双板式盒的第二板。类似地，可以使用相同的方法制备张紧框架和底板，以提供足够刚性的单板式盒。单板式盒在提供从开放气隙上方进行微滴分配/抽取和光学成像/激活两者的完全通路的方面具有优势。单板式盒可以具有任何组合的双板式盒的上述任何合适的特征。在一些实施例中，单板式盒的底部可以是光学可渗透的或透明的，以允许从下面成像/光敏化。
在本文所述的任何装置中，双板式或单板式盒的盒材料可以考虑尺寸精度、通道表面的疏水性和生物相容性。如上所述，在热控制区的区域上方使用一个或更多个热窗口可能是有用的。通常，当系统用于在装置上进行PCR时，在热加热区中材料的减少可以减少热质量并增加PCR升降温速度(ramp rate)。
装置的特征
通常，本文描述的任何装置可以包括PCB部分，该PCB部分可以包括电极阵列、活动的热控件(例如，加热器、冷却等)、磁场施加器等以及可以安装至PCB的卡盘(例如，真空卡盘)。装置的该部分可以形成盒的底部的安置表面，使得其可以牢固地并且以预先确定的定向位于装置上。例如，盒可以被键接(keyed)以预先确定的方式(例如，通过包括一个或更多个定向插槽、销等)适配到安置表面上。装置还可以包括一个或更多个控制单元，该控制单元包括一个或更多个处理器，其可以控制装置的活动并且可以被配置成驱动微滴并且分析来自盒的信息。控制器还可以包括存储器、一个或更多个数据存储。
装置的安置表面可以被配置成安置盒，而且还在安置表面上防止多个电极之间形成电弧、冒火花或短路。例如，安置表面可以涂覆有另外的电介质(盒的电介质底表面可以位于其上)，例如聚对二甲苯(paralyene)和/或可选择的或另外的材料。电介质底表面可以在安置表面上防止电极(驱动电极)的阵列中的电极之间形成电弧。驱动电极之间的间隔可以在约50微米-120微米之间。在另外的平坦表面上电极之间的这种紧密堆积(closepacking)可以另外易于在电极之间形成电弧/短路，从而外部电介质涂层(除了盒的电介质层之外)的使用可以限制电极之间形成电弧/短路。
如上文讨论的和描述的，电极中的某些或全部可以包括穿过其的开口，该开口可以被连接至真空源，用于将电极安置在设备上。例如，在某些变型中，阵列中的每一个电极包括穿过其中的开口；在其他变型中，每隔一个电极可以包括开口(例如，交替的)。在某些变型中，每三个电极、每四个电极等。在某些变型中，仅角电极(corner electrodes)可以包括开口。
微滴检测
本文描述的任何装置可以包括微滴检测。如上文描述的，微滴检测可以通过监测穿过电极的电流，基于驱动电极的阵列中的电极的电容来进行。本文还描述了装置(例如，系统或设备，包括装置)，其中微滴检测基于通过产生电容分压器的电容测量。在该示例中，顶板可以形成参考框架(例如，参考电极，例如ITO电极)，并且通常可以在0V和300V之间被驱动以产生AC信号；在微滴检测期间，参考电极(顶部电极)可以与驱动信号断开，并且其电压由控制器(例如，微处理器)感测，在图33A和图33B中被称为“ITO感测”，因为其可以充当感测电极，并且可以被电耦合至一个或更多个参考电容器。一个或一组电极可以在较高的已知电压(例如，300V DC)处被激活，而所有其他电极被接地。这产生了如图33A中示出的分压器。图33A示出了具有开关以在感测(例如从参考板/顶板的电容感测)和驱动之间切换例如以移动一个或更多个微滴的ITO感测电路。
在图33A中，在ITO感测节点(ITO感测电极)处的电压通过C_A与总电容(C_A+C_B)的比率来驱动。C_A的电容基于电容器的板之间(电极与ITO)的材料介电常数而变化。C_B的电容还相对于ITO和剩余的电极之间存在的内容而变化。空气、蜡、水和试剂具有不同的介电常数，并且从而改变在ITO感测处的电容和电压。这使得该微滴检测方法不仅能够检测微滴(例如，微滴的存在/不存在)，而且能够在微滴之间区分并且识别电极栅格中的特定试剂。
由于基础电容(base capacitance)的可变性，可以包括两个校准电容器(例如，在图33B中，C_REF和C_REF_LARGE)。图33B图示出电容感测电路的另一个示例，该电容感测电路包括多个参考电容器。通过将所有电极(例如，全部驱动电极)驱动至300V，总电容C_总可以通过使用参考电容器来计算。如果存在足够大的C_总以使在ITO感测处的电压饱和，那么可以增加参考电容。对ITO感测的调节电路可以将电压与小漏电流隔离。
图34A示出了电容的示例性值，其可以指示气隙内的一个或更多个单元中的微滴的存在或不存在(和/或材料的身份)。如上文讨论的，当包括气隙的盒被放置到DMF装置中时，气隙中的“单元”可以对应于驱动电极上方的区域，这可以在盒安置区域上具有驱动电极的阵列。在图34A中，“ITO”对应于盒的上板上的上部(例如，返回)电极。在该示例中，C18、C21、C24、C27、C30是参考电容器(例如，在这种情况下为11.9pF)，并且C16、C19、C1、C25、C28是如上文描述测量的电容，对应于当测量不同的驱动电极(例如，设置成高电压，同时将其他驱动电极接地)时具有或不具有微滴的电容。水、蜡和空气(无微滴)具有非常不同的电容，这可以用于识别微滴的存在或不存在(例如，电容大于或等于0.09pF、大于或等于0.1pF等)。在该示例中，高于该阈值(例如，高于0.06pF、0.07pF、0.08pF、0.09pF、0.1pF、0.11pF等)的电容指示气隙中的材料的存在，高于检查的(设置成高电压，例如300V)。另外，高于该阈值的测量的电容的范围可以指示微滴的组成，例如含水的(水)和/或蜡/油。例如，大于约3pF的电容(例如，3pF、3.1pF、3.2pF、3.3pF、3.4pF、3.5pF等)可以指示微滴是含水的，而在约0.09pF至约3pF之间的电容可以指示微滴是蜡或油(例如，在约0.07pF和约3.3pF之间、在约0.09pF和约3.0pF之间等)。
图34B是示出使用该技术测量的电压的示例的曲线图，基于该曲线图，其示出了在单个测试单元上面用多种微滴(水、蜡)测量的相对于不用微滴(空气)测量的不同电压之间的差。在图34中，当存在含水微滴时，检测到的电压是约3.3V，相比于当不存在微滴时为0.085V，而当蜡存在时为0.176V。蜡的测量值是空气(无微滴/材料)的两倍，并且水高得多；在该示例中，电路将该值限制(cap)在3.3V。不同的材料可以由其不同的介电常数来检测。水的介电常数还可以是温度的函数。因此，在某些变型中，当存在微滴时，电容可以根据温度而变化。该特性可以进一步用于识别水，并且还可以被用于估计温度。因此，在某些变型中，微滴的电容测量也可以被用于估计其温度。例如，图34C是示出水的静态相对介电常数的曲线图，其示出了随着温度的变化(在0摄氏度-300摄氏度之间)的相对介电常数的变化。
卡盘设计
本文描述的任何装置(例如装置)可以包括卡盘(例如真空卡盘)，该卡盘可以形成安置表面的一部分，如上文提及的。真空卡盘可以被附接至电极阵列(例如，可以作为印刷电路板的一部分的驱动电极)，并且还可以与磁体和/或热消散特征集成。这些元件或这些元件的部分中的任一个可以被包括或省略，并且可以以任何组合使用。
真空卡盘设计可以有助于确保可靠且有效的真空将盒的底部(例如，在某些变型中，电介质层和/或形成电介质层的疏水层)粘附至电极栅格。可以通过通孔(例如，铜通孔)中的一个或更多个(例如，歧管)来施加真空。
此外，本文描述的任何装置可以包括磁体，该磁体被集成到基部中，该基部包括卡盘和/或安置表面。集成的磁体可被配置成允许可致动磁体通过真空卡盘与盒中的材料(例如，气隙中的微滴中的磁珠)接合。磁体可以静止在形成装置的安置表面的PCB的略微下面，而不影响真空性能或功能。
本文描述的任何读取器还可以或可选择地可以包括一个或更多个热调节器，该热调节器包括一个或更多个热消散元件，该热消散元件可以快速且准确地消散来自装置中的加热器中的热，当盒被安置并且保持在装置的安置表面上时，该加热器控制盒中的一个或更多个单元的温度。例如，本文描述了两种可以单独使用或更紧密使用的热消散元件的设计。一种示例性热消散设计被配置成消散来自热电加热器的热，而另一种设计被配置成消散来自嵌入式加热器的热。
图35A-图48图示出装置的真空卡盘部分，该真空卡盘部分可以与本文描述的任何装置一起使用。通常，真空卡盘可以被配置成使得负压力通过卡盘(例如，由真空泵)被施加，并且在例如通过O形环气动隔离的区域中在安置表面(例如，形成安置表面的一部分的PCB)之下被引导。安置表面可以具有通孔(例如，在PCB中)，该通孔允许负压力直接作用在盒的底部(例如，电介质膜和/或疏水膜)上，该盒位于安置表面(例如，形成安置表面的PCB)的顶侧，在Z方向上向下拉动盒底部，并将其粘附到电极栅格上。
真空卡盘可以包括以下中的一个或更多个：在任一端上具有端口的真空通道、用于O形环的凹槽、附接PCB的螺纹孔以及电极栅格下方的凹部。例如，图35A是真空卡盘3500的一个示例的俯视图，并且图35B是真空卡盘3500的一个示例的横截面视图。截面A-A强调真空通道及其伴随的端口。气动流3505遵循图35B中示出的箭头的路径：首先拉动穿过至少一个入口端口，然后流过通道3507，并且最后从侧端口3509流出。卡盘的一部分(通过PCB形成的安置表面将被放置在卡盘上面)被O形环3503围绕。
例如，图36示出了图35A-图35B中示出的卡盘的等距视图。凹槽3509(其可以使用例如Parker O形环设计标准来设计)被配置成适配O形环。在适当位置后，并且卡盘被紧固至PCB的情况下，O形环可以将真空直接气动隔离在电极栅格正下方。安置表面可以通过将具有电极(未示出)的PCB固定至卡盘来形成。例如，如图37中示出的，卡盘可以包括多个螺纹孔3701，用于附接安置表面(例如，PCB)。图37示出了类似于图35A-图35B中示出的卡盘的俯视图。在某些变型中，卡盘包括最少四个螺纹孔(图37中示出八个)，每个在至少X方向或Y方向上等距隔开，并且以关于卡盘的原点为中心。螺钉孔可以用于双重目的：首先将PCB紧固至卡盘，使得两个部件的接口是平坦的，其次关于O形环的周界在Z方向上施加向下的力，有效地产生气动密封。
图38A示出了类似于图35A-图35B中示出的卡盘的俯视图，并且图38B示出了该卡盘的横截面放大视图。图35B示出了截面A-A的放大图像，其示出了凹部3801、3803(沿着X轴)的边界，这可以在PCB和卡盘的表面之间产生空间，但是仅在其中真空是活动的隔离区域中产生。该空间可以优化真空的气动流动，如本文描述的。在图38中，用于磁体的开口3805存在于上部区域上，并且可以包括足够的空间，用于磁体移动至盒/从盒中移出(例如，通过在空间内向上/向下移动，或在某些变型中横向移动)。磁体开口周围的区域可以包括垫圈或密封环(例如，O形环)3809，用于将磁体区域与真空区域隔离，类似于外部O形环。
如提及的，本文描述的任何装置可以包括集成磁体。在图35A-图39中，凹进区域3905可以被用于保持集成磁体，该集成磁体可以通过系统向上/向下移动以接合/脱离磁场。可选择地，在某些变型中，磁体可以是静止的，但是可以通过装置的控制器来切换(开/关和/或改变强度)。
因此，真空卡盘可以包括集成磁体，并且因此可以包括以下中的一个或两个：切口，该切口允许磁体行进穿过卡盘；以及第二O形环凹槽，该第二O形环凹槽将磁体区与真空的气动流动隔离。图39示出了类似于图35A-图35B中示出的卡盘的仰视图。贯穿切口区域(through-cut region)3905被示出，并且可以调整大小来适配期望的磁体，并且允许可致动磁体的不间断行进。磁体可以穿过切口，当被接合时直接降落在PCB下面，或在不使用时可以通过切口脱离。
图40示出了类似于图35A中示出的卡盘的等距视图。凹槽4001可以适配O形环。在适当位置后，并且在卡盘紧固至PCB的情况下，O形环可以将磁体切口区与真空卡盘的其余部分气动地隔离，特别是确保真空不被磁体切口损害。
图41A和图41B分别图示出类似于图35A和图35B中示出的卡盘的俯视图和侧截面视图，但是包括间隙4115用于热接进加热部件，例如加热器(例如电阻加热器)4105。加热器4105被示出在卡盘中的空腔4115的上方，使得其可以容易地进行热调节(例如，冷却)。电阻加热器可以在PCB中(在图41A和图41B中未示出)。
例如，图41A示出了热消散系统的一个示例，该热消散系统可以被包括在本文描述的任何装置中。该热消散系统可以被构建成使得由在装置中(例如，在PCB中)的加热器4105产生的任何热负荷都可以被适当且有效地消散。第一热消散配置可以被构建成消散由嵌入在PCB中的加热器生成的热，并且在下文中被描述为嵌入式加热器的热消散。第二热消散设计可以被构建成消散由嵌入真空卡盘中的热电冷却器生成的热，并且在下文中被描述为热电冷却器的热消散。两种热消散设计均可以在真空卡盘中采用独特的特征，以及伴随的部件来消散热。两种设计可以一起使用，也在组件中使用，或单独地使用。
例如，嵌入式加热器在真空卡盘中的热消散可以被配置为通风室。在图41A中，卡盘的俯视图示出了卡盘的热消散方面；图41B示出了一对空气通道4101，该空气通道4101进料到冷却室4103中，该冷却室4103可以是其中定位加热器的区域的一部分或在(或以其他方式连接至)其中定位加热器的区域下面。在图41B中，示出了在该系统中起作用的多个空气元件(通道4101、4101’)的流动路径。在4101中吸入的空气可以通过来自PCB(例如安置表面，未示出)中的加热器的热(包括残余热)来加温，并且可以流经真空卡盘中的贯穿切口4115区域，该贯穿切口4115区域可以被覆盖或部分地覆盖，或对于PCB中的加热器(或与加热器热连通的一个或更多个热通孔)是开放的。截面A-A(图41B中示出的)示出了当风扇打开时，两个空气元件(温空气4105和环境空气)的气动流动，该风扇平齐地紧固抵靠卡盘并且以贯穿切口4115为中心。风扇(未示出)可以将由加热器生成的温空气从真空卡盘的贯穿切口中推出。同时，风扇可以将环境空气拉动到卡盘中，并且经由卡盘中的两个通道4101、4101’通切(through-cut)。该系统可以连续地或间歇地将环境空气循环到卡盘中并且将温空气循环出卡盘，这有效地消散由PCB加热器生成的任何热。
本文还描述了用于嵌入式加热器的热消散的系统。例如，图42中示出的组件可以被配置成包括卡盘4203和风扇4205两者。上文中描述的气动流动可以通过紧固至卡盘42031的底部的风扇4205来控制。图42示出了卡盘4203和风扇4205的正视图。第一箭头4221指向真空卡盘(顶部结构)，并且第二组箭头4201、4201’描绘气流路径。图43示出了卡盘4303、风扇4307、形成安置表面(例如，包括电极的阵列，未示出)的PCB 4305和盒4311的布置的示例。盒可以由真空通过开口(例如，在电极的某些中)被保持向下。
图44示出了用于通过真空卡盘调节热电冷却器的温度的热消散系统的示例。在图45中，卡盘的等距视图(类似于图35A中示出的)在图45B中示出。示出的卡盘包括凹部4509，该凹部4509被设计成使得热电冷却器(TEC)可以插槽到其中。
图45A-图45B分别示出了类似于图35A中示出的卡盘的俯视图和截面视图。图45B中示出的截面(穿过A-A)强调了由热电冷却元件4525生成的热的热路径。矩形4525代表TEC，并且卡盘中的箭头描绘了在整个卡盘中热扩散。该装置可以包括一个或更多个期望大小的散热器，该散热器可以被紧固至卡盘的底部并且在TEC下面，然后吸收热。最后，紧固至散热器(图46中示出)的任一侧的两个风扇可以共同起作用以将热空气推离整个系统并且将环境空气涌到系统中。
图47A-图47C图示出一个或更多个设备的组件，该设备被配置用于热电冷却器的热消散。例如，图46示出了卡盘的正视图。图46中向下的箭头4613示出了如图45中描述的卡盘中的热的热路径。箭头4611、4611’描绘了通过风扇被推到散热器中的空气的流动路径以及通过风扇从散热器中排出的空气的路径。风扇在相同方向上同时起作用。图47A-图47C示出了组装过程以及可以包括在该装置中的多个部件以及其使用方法。例如，图47A示出了卡盘4701，图47B示出了卡盘4701加散热器4703，并且图47C示出了卡盘4701加散热器4703加两个风扇4709、4709’。图48描绘了装置组件的部分布置的分解视图，包括图47中的组件(例如，卡盘4801、散热器4803、风扇4809、4809’)以及PCB 4807，该PCB 4807包括驱动电极和加热器(不可见)；此外，盒4811经由真空被附接至PCB的安置表面。
图60A-60D示出了真空卡盘的另一个示例，该真空卡盘可以与这里描述的任何装置一起使用，例如，在电极板下方并与电极板联接，如上所示。在图60A中，示出了真空卡盘的上表面，并且包括用于保持围绕(密封)卡盘和板的O形环5624的O形环6035通道(如图56B所示)。卡盘包括一个或更多个真空孔6009和TEC 6054的放置位置以及磁体通过区域6068。图60A所示的卡盘还包括多个对准销6071。图60B示出了图60A的卡盘的底部，并且包括真空泵连接部6074、散热器连接位置6088和磁体通道6068’。
动作区
本文描述的任何装置可以包括一个或更多个动作区，该动作区在策略上定位不同的可能动作，微滴可以经历这些动作，用于方案执行。丛策略(plexing strategy)的目的是以更灵活、模块化的方式适于不同的实验室需求。待被执行的方案的不同阶段可以被战略性地分组成动作区，以允许方案设计者在板上界定抽象目标。动作区可以是用于反应(即混合、合并、加热、冷却、热循环、磁体捕获、废物、光学检测等)的电极板下面或上面的固定区域。
图55A示出了具有独立的动作区的电极栅格设置的示例，该独立的动作区用于任一磁捕获5501(可以用作混合室的三个磁控制区被示出)、可以是等温的或是热循环器的加热器(五个加热区5503被示出)、为冷却至4℃的活动的冷却区并且也可以加热的帕尔贴5505和穿过通道至顶板并且进入废物室内的废物连接部(可以连接到分离的或相同的废物室的三个废物区5507被示出)。盒设置还可包括穿过通道到顶板的混合连接部(例如，一个或更多个废料区域/区5507可以用于混合，如本文所述)和一个或更多个光学检测区域5511。因此，图55A示出了具有不同动作区的电极栅格。这些区可以由盒和装置确定。例如，如上所述，盒可以确定废物区，并且对应于加热和/或冷却(例如热控制)、光学器件和磁体的单位单元可以对应于装置的区域。
图55B图示了具有由盒和装置中的任一个或两个限定的各种动作区的系统(盒和装置)的另一个示例。在图55B中，系统包括对应于912个(0-911，例如38×24栅格)单位单元的912个驱动电极。在盒的气隙内的这些单元中的一些可以是用于装载、混合、冲洗、成像等的动作区。通常，这些系统可以包括一个或更多个装载入口5551(在图55A中，示出了10个装载入口，每个对应于单个驱动电极单位单元；多于一个单位单元可以被使用)。在本示例中示出了三个热循环区5553。一个或更多个钉固特征(例如突起、壁、屏障等)可以至少部分地延伸到气隙中以固定住或保持微滴和特别是外部疏水(例如液体蜡)材料，以保持位置和微滴。在图55B中，示出了10个钉住特征5555。这些钉住特征可以是屏障(例如栅栏、壁、挡块等)。通常，钉住特征可以由疏水、亲油、亲水等材料形成，所述材料可以保持至少部分地围绕包封(例如涂覆)的反应微滴的涂层材料(例如疏水液体蜡材料)。如图55B所示，屏障可以形成在一侧或更多侧上开放的室，其中在三个热循环区5553的角处使用两个或四个钉住特征。屏障可以从气隙的顶部延伸到底部或者部分地延伸到气隙中。例如，屏障可以由包括蜡(例如石蜡)的材料(例如与石蜡混合的聚合材料)形成。在图55B中，钉住特征被示为PTFE柱，其可以插入到主盒体(例如顶板)中并且是疏水但亲油的，且因而当微滴在热循环区内时吸引石蜡，这可以在使用中时保持微滴在热循环区的中心。在一些变形中，钉住特征可以由诸如丙烯酸、聚碳酸酯、
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DuraSealTM、高熔化温度氟蜡/固体滑雪蜡等的材料形成。钉住特征可以被形成为顶板或底板的一部分和/或可以连接到两者。在使用中，屏障可以将蜡微滴固定在反应微滴周围。例如，蜡微滴可以围绕含水反应微滴1501，并保持在由屏障形成的气隙中的开放室内。
本文描述的系统还可以包括一个或更多个废物区5557(在图55B中，示出了两个区)，其可以连接到真空区域用于通过抽吸从气隙抽出全部或部分微滴。在图55B中，废物区之一是较低容量(例如1mL)废物区5559，而另一个可以是较高容量(例如2mL、3mL、5mL等)废物区5557。
本文描述的任何系统也可以包括一个或更多个磁性区域5563。在图55A中，系统包括分布在气隙中的四个磁性单位单元，其在一些情况下与其他区域(例如热控制和/或等温区域)重叠。通常，本文描述的任何区可以重叠(例如，磁性的、热调节的入口、混合通道、废物通道等可以与彼此重叠)。
该系统还可以包括一个或更多个等温区域5561(在图55B中，示出了具有16个单位单元4×4的单个等温区域，其中这些单位单元中的两个被配置为磁性控制区5563和废物区5557。
这些系统中的任一个也可以包括一个或更多个混合通道5565。在图55B的示例中示出了四个混合通道。该示例还示出了多个贮存器出口孔5569，被容纳在盒的一个或更多个贮存器中的流体可以从该出口孔添加到气隙。这些系统中的任一个也可以包括一个或更多个回收孔5571(在图55B中示出一个回收孔)。通常，盒可以包括比可能的活动的电极的数量更小的区域。例如，在图55B中，如上面所提到的，工作区域包括912个活动的单位单元，然而它们被可以是装置的一部分的非工作(不活动的)单位单元/电极6673包围。在图55B中，仅作为例子，示出了盒基部的近似尺寸(例如3.17×4.75英寸)(形成气隙尺寸)。如在本文所示的任何附图中的，这些尺寸可以仅仅是近似的，并且可以是+/-1％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、50％、75％、100％等。
热子系统。热子系统可以类似于本文描述的任何子系统。图56A-56B图示了热子系统的一部分的另一个示例，类似于上面在图42、图43、图46和图47中描述的。在图56A中，热子系统包括一个或更多个TEC 5605，其可以夹在一对热导体(石墨垫5607，5607’)之间，并固定在真空卡盘5609上TEC插槽5611中。然后，卡盘可以定位在电极板5615之下，电极板位于盒座之下(包括盒边缘5617，其被键接以接收盒，并且可以如上所述用夹具框架密封)。如图所示，卡盘可以联接到壳体内的框架5619(例如，壳体框架)，并且可以位于一个或更多个风扇5621和一个或更多个散热器5622下方。图56B示出了通过图56A所示的热子系统的侧景的横截面。电极板5615的PCB被放置在保持TEC的卡盘6509的顶部。卡盘可以是导热的(例如，由导热金属和/或聚合物形成)，并且一个或更多个散热器5622和冷却风扇5621可以位于每个TEC之下。
图56C示出了包括热子系统的装置的一部分的俯视透视图。在图56C中，盒5604被示出为容纳在电极板5615上的盒座内。泵5631和附加的前冷却风扇5633(风扇组件)安装在壳体内，作为热控制子系统的一部分。风扇组件、泵和壳体框架全部都安装在基板5639上，基板5439可以是壳体的一部分或者联接到壳体。图56D示出了泵5631的放大视图。
如上面所提到的，本文描述的任何热控制子系统也可以包括一个或更多个电阻加热器迹线、驱动电路系统和热保护(例如绝缘)；如上面参考图55B所述的，电阻加热器可以在动作区中提供高达约75摄氏度的等温加热(并且还可以包括磁体)。
电阻加热器可以包括有源冷却或无源(例如空气)冷却，并且电阻加热器可以在与例如第二层侧成一整体的电极板中。
TEC热传递区域可以包括TEC、驱动电路系统和保护(例如绝缘)，并且可以被配置为将能量从TEC传递到EWOD，包括以大约4摄氏度和98摄氏度之间的温度的热循环。本文描述的任何装置还可以包括定制的TEC和托架，其可以用于提供实现高达10摄氏度/秒的缓变率并且可以具有高程度的温度测量准确度的鲁棒TEC。
在本文所述的任何装置中，TEC可以是直接焊接到电极板的底部的高功率热循环TEC(例如30W)。在一些变形中，缓变率可以是3摄氏度/秒或更高，并且可以通过控制施加到TEC的电流来被控制。对于控制系统的一些变形，闭合反馈环系统可以在至少0.5摄氏度准确度的精密温度控制的情况下在缓变率和稳定状态方面被使用。例如，加热器(和缓变率)可以被配置为在4×4电极栅格阵列(加热器区)中，适合每加热器区大约200μL微滴。
磁性子系统。磁体控制系统(磁体控制)可以包括在壳体内，并且可以协调(通过控制器)一个或更多个磁体，以将局部磁场施加到盒的一个或更多个区。这在上文中结合图38A、39、40和41A-41B、57A-57B进行了简要描述。图57A-57B还示出了磁性子系统的示例，该磁性子系统可以作为装置的一部分而被包括，以向盒的区域(区)施加和/或移除局部磁场。例如，在图57A中，盒5705被安置在真空卡盘5709下方的与驱动电极阵列(在电极板5715上)连通的盒座中。在该示例中，磁体被示出为磁体5722的Haibach阵列(一种在阵列的一侧增加磁场而在另一侧抵消磁场至接近零或近似零的永磁体的布置)，以及围绕阵列的低场侧的磁性护套5726；护套可以连接到包括偏置件(例如弹簧)5724的柱上。柱上的磁体(例如，护套)也可以连接到马达(例如，步进马达5729)，该马达可以上下移动磁体(例如，在z轴上，往来于盒)。诸如光学传感器5733的传感器可以确定磁体的位置，并且该位置可以用于反馈，以帮助调节磁体相对于盒的位置。例如，标志5737或标记可以联接到磁体(例如，通过柱或护套)，并且可以由光学传感器跟踪。磁体的运动也可以受到限制，以防止其撞上盒；例如硬止动件5738(唇缘、凸缘等)可以连接到护套或柱上，以与在卡盘上的相应的限制(凸缘、边缘等)接合。该偏置件可以帮助磁体返回到远离盒的缩回位置。图57B图示了图57A中的磁体组件的放大视图。在该示例中，磁体头部的弹簧柔量具有大约1.5mm的公差，并且对于大约80步/mm，马达分辨率是大约18°/步。如上所述，Halbach磁体阵列聚焦磁场，并在直径约为3.0mm(大致为一个单位单元的尺寸，例如一个电极的尺寸)的一个点上放大磁通量(在本例中为三个钕磁体)，并可产生足够的力来成功捕获盒中的磁性珠。磁体阵列壳体(“磁体护套”)可以固定Halbach磁体阵列。磁体致动器(例如，束缚线性致动器或步进马达)可以垂直致动磁体壳体和磁体阵列，以将其移动到接合位置和脱离位置两者。磁体组件还可以包括光学原位传感器，其检测步进马达的“原位”位置(例如，脱离位置)。
电极阵列。这里描述的装置通常包括：电极子系统，该电极子系统包括驱动电极阵列和返回电极连接，以及用于控制EWOD的致动以在设备上移动微滴的控制电路系统。图58A是可以被包括在如所述的装置中的电极子系统的顶部的示例。在图58A中，电极子系统包括电极阵列5805(如所提到的，阵列中的所有或一些电极，例如电极的外围行可以包括穿过电极形成的真空开口)以及用于连接到盒中的返回电极的一个或更多个返回(例如接地)触头5807。电极阵列和返回触头可以被安装或形成在电路板(例如PCB)5801上，该电路板可以被称为电极板。电极板可以包括用于为EWOD(例如驱动电极)提供高电压的高电压电源5809。电极板还可以包括上面提到的盒检测子系统5811(例如用于检测在期望位置上的盒的存在的一个或更多个传感器)和/或夹具检测子系统5815(包括一个或更多个夹具闭锁传感器)和/或盖子检测子系统(包括用于检测盖子何时被关闭的一个或更多个盖传感器)。
电极板还可以包括识别标记装置(例如，光学装置、RFID装置)和/或近场通信装置(NFC装置)5830，用于从被安置在装置中的盒读取识别标记。电极板还可以包括高压调节电路5833和/或高压测量电阻串5835，以及可以防止电击的去耦电容器5841。这些板中的任何一个还可以包括电路，该电路包括一个或更多个热敏电阻放大器、TEC互锁器以及可选的加速度计5844。
图58B示出了电极板的底侧，包括如上所述的TEC(TEC 1、TEC2、TEC3)，以及等温加热器电源、TEC电源、高压电源调节电路系统以及用于电源调节、微滴检测的电路系统、数模隔离电路系统、固态继电器、热敏电阻放大器、TEC和加热器保护逻辑、用于涡旋的振动马达(振动马达)和一个或更多个压力传感器。
通常，如所提到的，形成电极子组件的至少一部分的电极板可以包括聚对二甲苯(parylene)涂层。电极板还可以包括控制器(例如一个或更多个处理器)，控制器可以是单独板的一部分。电极板还可以包括风扇和/或真空泵驱动器，用于向装置壳体内的风扇和真空泵施加适当的电压。如上面所提到的，电极板可以包括NFC电子设备和/或天线，用于读取和写入到盒中的NFC标签。
DMF上的涡旋。如上所述，并且如图58B所示，本文描述的任何装置可以包括例如在电极板上的机械振动(例如涡旋振荡器)，其被配置为向包括任何子区域或区的DMF装置的一个或更多个区域施加机械振动。涡旋液体的动态特性是实现包括彻底混合、将化合物溶解到溶液中、乳液形成、细胞和组织分解和/或解聚的许多标准分子生物学方案步骤的关键。照惯例，这些过程中的许多使用涡旋振荡器设备被执行，液体的小瓶在它们的底座上被放置到涡旋振荡器内，被挤压，且因此小瓶在圆周运动中快速振荡，产生在液体内部的涡旋。标准涡旋振荡器可以具有范围从100到3200rpm的可变速度控制。
本文所述的装置可以在DMF上模仿这个过程。尽管DMF室是静止的并且圆周运动不能发生，但是微滴中的涡旋的动态特性可以通过将振动马达耦合到DMF PCB板的底部来实现。振动马达速度可以控制在0至10,000RPM的范围内，力最小为50牛顿(11.24lbf)。
如图59所示，在DMF上成涡旋可以实现分区反应，分区反应在宽范围的方案和应用(例如单细胞生物学、单细胞RNA-seq、微滴数字PCR、微滴条形码和单分子测序)中是有用的，所有这些应用可以在本文描述的系统中被执行。例如，机械振动器马达(在图58B中示出)可以安装到在电极阵列(驱动电极阵列)下方或附近的电极板。在图59中，示出了在驱动电极(“致动电极”)下面的振动马达的示意图，其中微滴被保持在上(顶板)和下(底板)之间形成的气隙中；底板可以是真空附接到装置中的驱动电极的盒的电介质膜)。示出了使用这个振动马达的不同程序的示例。振动马达在例如3V DC的电压下以大约14,000RPM的速度操作(且是大约6×14mm)。在图59中，通过从数字微流控PCB板生成的振动力施加涡旋。在左侧，示意性地示出了通过使两个微滴成涡旋而产生的乳液形成，这两个微滴使用电润湿力而合并以形成水/油的混合物。水凝胶颗粒和样品溶液或单细胞当在DMF上成涡旋时被包含在单分散的油乳液中是可能的。使用DMF，可以在方案步骤中松动和操纵非均质混合物，例如浆液和固体组织块。DMF上的组织分解可以通过成涡旋来机械地实现。组合一组DMF特征可以通过平行的芯片上成涡旋(机械特征)和与离解酶(例如胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、胶原酶的孵育)(在设定温度下的酶促孵育)来增强离解本来困难组织的能力。在DMF上的组织/器官/生物体的离解可以跟随有通过如上所述将涡旋力施加到乳液中的细胞来进行单细胞分割，并且混合/加热/冷却/磁致动DMF特征的使用可以允许以下游单细胞方案步骤继续，后面是库制备步骤以产生序列准备单细胞库。在DMF上成涡旋可以帮助使浆液或非均质混合物(例如磁性或顺磁性珠颗粒)在它们在延长的储存/孵育步骤期间沉淀之后重新悬浮在悬浮液中。
非暂时性计算机可读指令。本文描述的任意一种方法(包括用户界面)可以被实现为软件、硬件或固件，并且可以被描述为储存能够由处理(例如，计算机、平板电脑、智能手机等)执行的一组指令的非暂时性计算机可读储存介质，指令当由处理执行时使处理控制执行任何步骤，包括但不限于：示出、与用户通信、分析、修改参数(包括定时、频率、强度等)、确定、报警等。
为了更好地适应不同的用户需求和实验室空间，可以将独立的单个模块多路复用在一起，每个模块都有自己的电源、环境、内部计算机和与用户界面的控制台单元的连接。此外，可以集成用户界面的控制台单元，以控制不同的模块以及其他实验室所需的功能，例如扫描样品ID和试剂盒ID，并将这些信息集成到本地实验室或样品管理系统中。与控制台单元的连接可以是无线的，或者也可以是有线的。
示例
图69示意性地示出了系统7300的一个示例，该系统7300包括DMF装置和外壳7303，其中DMF装置容纳在壳体7308内，其中该装置包括位于安置表面上的盒座7302、机械臂7305和液体处理子系统7307，所有这些都被封闭在外壳7303内。该DMF装置还包括电极子系统7311、真空端口7313、热子系统7315、磁体子系统7317和用于操作任何部件的可选软件子系统7319。系统7300还包括主控制器子系统7321，其可以包括可以远程运行的软件、固件等(例如，台式机、笔记本电脑、移动设备、平板电脑等)，用于与系统(包括装置)通信、控制和/或创建、传输或修改系统(包括装置)的方案和其他操作参数。该系统还包括显示器7323，其结合了输入子系统7325。在一些变型中，该系统包括光学子系统7327，其可以包括一个或更多个照明源7329和成像设备7331。在用系统7300执行的方法7301中，可以使用一个或更多个试剂盒7333和一种或更多种试剂7335。DMF装置可以具有本文描述特征的任何组合。
该装置还可以包括控制器(包括一个或更多个处理器、电路系统、时钟、功率调节器、无线通信电路、存储器等)，控制盒上DMF和微流控的操作。控制器可以包括微控制器、输入接口(例如触摸屏、按钮、旋钮等)电路系统、输出接口(如以太网、WiFi等)，等等。控制器可以与以下任何一个进行通信和协调:真空子系统、电极子系统、热控制子系统、磁体控制子系统和/或软件子系统7319；这些子系统中的任何一个或全部可以与控制器7321通信和/或由控制器7321协调。
例如，真空子系统可以包括真空卡盘、真空泵和一个或更多个用于检测(和/或提供反馈以控制真空)压力的压力传感器。软件子系统可以包括软件、硬件或固件，例如非暂时性计算机可读储存介质，该非暂时性计算机可读储存介质储存一组指令，该组指令能够由控制器的一个或更多个处理器执行以协调系统(包括任何子系统)的操作。热子系统可以包括TEC、散热器/风扇、以及一个或更多个热传感器(包括被配置为监控盒(例如气隙区域)的温度的热传感器，和/或被配置为监控TEC的壳体的或TEC的壳体内的温度的一个或更多个热传感器等)。磁性子系统可以包括例如一个或更多个磁体(例如一个或更多个Halbach阵列磁体)、用于所有或一些磁体的一个或更多个致动器以及用于监控/检测磁体位置的一个或更多个位置传感器(例如，家用传感器)。
壳体可以连接到一个或更多个输入部和/或输出部(例如显示器7323和输入子系统7325)和/或可以部分封闭一个或更多个输入部和/或输出部。显示器可以是触摸屏和/或一个或更多个按钮、拨号盘等。
电极子系统可包括位于盒座下面的驱动电极阵列(例如电极阵列)、一个或更多个高压驱动器、一个或更多个TEC驱动器、安全互锁装置、一个或更多个电阻加热器等。
如上文所提到的，这些系统中的任何一个可以与一种或更多种试剂一起使用和/或可以包括一种或更多种试剂。试剂通常可以包括缓冲液(例如，PBS等，包括具有一种或更多种防污剂的那些)，但也可以包括护套材料(例如液体石蜡材料或其他疏水材料)。
一般而言，本文所述的系统可以被配置成在大约15℃-99℃(例如，-/+0.5℃)之间的一个或更多个区域(例如，一个或更多个分离的或相邻的单位单元)中进行热循环。这些系统可以被配置为通过EWOD(例如，通过DMF)操纵大约10-350微升之间的试剂体积。如下文将更详细描述的，这些装置可以被定制，允许用户创建、修改、保存、加载和传输一个或更多个用于操作系统(例如，对盒执行操作)的方案。
在所示的示例系统中，该装置可以包括超过900个独立电极(驱动电极)，并且在一些实施例中可以具有大约408个、912个、1824个、3648个、5472个或大约20,000个独立电极(驱动电极)，并且可以包括一个或更多个热电冷却器(TEC)，用于更好的热控制、均匀性和减少的占地面积。在该示例中，装置和盒形成3、4、6、8、10个或更多个独立的热循环区(由装置中的TEC控制)和一个或更多个等温区(例如由一个或更多个电阻加热器控制)。该装置还包括多个磁独立控制区。
如本文所述，本文所述的任何装置还可包括一个或更多个振动马达，用于机械振动所有或一些电极(例如，在振动区，其可以是分离的或重叠的，例如，具有热控制区)。
该系统可用于运行多个文库制备套件和工作流程(例如，Kapa HyperPrep PCRFree,SureSelect XTHS Sample Prep,SureSelect XTHS Hyb+Capture等，包括自定义工作流)。
一个或更多个盒可以是本文所述的任何盒，并且通常可以被配置用于试剂装载和储存。一个或更多个盒可以独立地选择为单板式盒或双板式盒。一个或更多个盒可以包括气隙(例如，EWOD室)，可以被配置为张紧底膜(形成气隙的底部)，并且可以包括可读标识，包括但不限于近场通信(NFC标识，例如，芯片、电路等)。其他可读标识可以包括RFID电路、条形码等。
壳体还可以封闭热控制元件，例如一个或更多个TEC，该TEC用于对盒内气隙的特定区域进行加热/冷却和热循环，如上所述。也可以包括一个或更多个电阻加热器。壳体内可以包括冷却通风孔和/或风扇来调节其中的温度。如图70A-70C的示例性装置所示，壳体还可以至少部分地形成盒的安置表面。限定驱动电极阵列的电极板可以在壳体内，在盒座之下。
转到图70A-70C，示出了示例性系统7400的一部分。安置表面7401设置在DMF装置的外壳的一部分上，并且位于外壳的室内，这里示出了部分封闭壁7403。安置表面包括分布在整个安置表面的多个温度控制区域7405和多个磁控制区域7407。使用对准特征7409，可以安置各种盒，并且可以进入每个盒的温度控制区域和磁控制区域。系统7400的DMF装置还包括三轴液体移液头，该液体移液头包括机械臂(未示出)和液体处理尖端7411。液体处理尖端7411可以从试剂容器7413中取回试剂微滴，以输送到盒中。液体处理尖端7411可以从被安置在安置表面上的盒中取回产物微滴，并将其输送到孔板容器7415用于进一步处理。液体处理尖端7411还可以从被安置在安置表面上的盒中回收废流体的微滴，并将其输送到废物容器7417中进行处理。设置有试剂容器7413和孔板容器7415的区域7419可以是温度控制的。
一个或更多个盒(70mm×110mm至780mm×2050mm，宽度×深度，电极阵列)的安置表面位于液体移液头(4、8、12或96个尖端)下方。数字微流控平台可以与用于精确控制温度(-20-100℃)的热电和电阻温度检测器、用于控制磁珠的磁体、用于盒定位的对准特征(例如，对准销、基于相机的视觉算法和射频识别)集成。液体处理机器人包括多个不同的部件：液体处理头，用于将试剂和样品体积(1微升至100毫升)分配到DMF平台上，并在移液器尖端-DMF界面处进行彻底混合；试剂和废物容器，分别用于储存试剂/样品和处理废物(即用过的尖端和盒)；孔板(24、48、96和384)；以及温度控制区域，用于在使用前和收集样品后在精确温度(-20-100℃)下储存试剂。最后，两种流体操纵模式都可以被提供精确湿度、温度和气体控制的外壳封闭。
在图70B中，示出了在多个盒已经设置在表面上并且使用DMF装置的真空端口被选择性地固定之后的安置表面。如图所示，单板式或双板式盒都可以在表面上工作。盒7421是单板式盒的示例，盒7423和盒7425是双板式盒的例子。盒可以具有不同的尺寸，如通过盒7423、7425所示。盒可以设置在安置表面上，而不依赖于预先限定的位置。任何位置都可以被使用，该任何位置与对准特征7409对准并且根据需要包括热控制区域和磁控制区域。插图显示了单板式盒和双板式盒内微滴定位的示意图。在这两种配置中，待操纵的微滴通过疏水绝缘体与电极隔离。当施加电势时，电荷在绝缘体的两侧积累，这种现象可以用来使微滴移动、合并、混合、分离和分配。
在图70C中，示出了由三轴液体移液头分配微滴之后的系统的安置表面，该三轴液体移液头包括机械臂(未示出)和液体处理尖端7411。在一些盒中，预装设试剂点设置在盒内的位置。包括机械臂(未示出)和液体处理尖端7411的三轴液体移液头可以分配一滴缓冲液以溶解预装设试剂供使用。
在图71中，示出了安置表面上的一个或更多个盒内的活动的控制和排序的示意图。在一些实施例中，软件架构可以如下实现，但是本发明不限于此。本领域的技术人员可以设想这里的教导所包含的许多不同的体系结构和方案。
架构：高级概述。每个电极板布局可以有一个单独的电极板-SW(控制电极板的软件)。多通道移液器可以使用多通道移液器-SW(命令多通道移液器的软件)连接。电极板-SW和多通道移液器-SW可以请求响应的形式交换消息，例如：电极板-SW向多通道移液器发送指示布局、动作(分配、混合、拾取)和电极布局的动作；多通道移液器-SW接收响应(例如，多通道移液器-SW处理指令信息以查看其是否能够运行，多通道移液器-SW检查运行前条件，多通道移液器-SW执行动作，多通道移液器-SW检查运行后条件，等等)。多通道移液器-SW可能会以确认响应。电极板-SW可以接收多通道移液器-SW的动作和响应。
算法：高级概述。该算法可以执行以下功能中的一个或全部：挑选试剂；选择要使用的布局(例如，盒的大小、温度控制和/或磁控制的要求)；并选择待运行的脚本。
脚本播放(on-script)可以包括(例如，对于每一行)：是否指示电极板相关的执行指令。如果指示多通道移液器-软件相关：检查多通道移液器位置(应为静止位置)；将多通道移液器移动到所需位置；检查多通道移液器位置(应为所需位置)；执行多通道移液器动作；检查多通道移液器位置(应为所需位置)；返回到静止位置；并检查多通道移液器位置(应为静止位置)。脚本完成后：检查多通道移液器位置。
当特征或要素在本文被称为“在另一特征或要素上”时，它可以直接在另一特征或要素上，或也可以存在中间特征和/或要素。相比之下，当特征或要素被称为“直接在另一特征或要素上”时，不存在中间特征或要素。还将理解，当特征或要素被称为“连接”、“附接”或“联接”至另一特征或要素时，它可以直接地连接、附接或联接至其他特征或要素，或可以存在中间的征或要素。相比之下，当特征或要素被称为“直接地连接”、“直接地附接”或“直接地联接”至另一特征或要素时，不存在中间特征或要素。虽然相对于一个实施例进行了描述或示出，但是这样描述或示出的特征和要素可以应用于其他实施例。本领域的技术人员还将认识到，对设置为与另一个特征“相邻”的结构或特征的引用可以具有覆盖或位于相邻特征下方的部分。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不意图是本发明的限制。例如，如本文使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising))”指定陈述的特征、步骤、操作、要素和/或部件的存在，但并不排除一个或更多个其他特征、步骤、操作、要素、部件和/或其组的存在或添加。如本文使用的，术语“和/或”包括相关联的列出的项目中的一个或更多个的任一个和所有组合，并且可以缩写为“/”。
在本文中可以使用空间相对的术语，例如“下方(under)”、“在...下面(below)”、“下部(lower)”、“上面(over)”、“上部(upper)”及类似术语来易于描述一个要素或特征与另一个要素或特征的关系，如附图图示的。将理解的是，空间相对的术语意图涵盖设备在使用和操作中除了附图中描绘的定向之外的不同定向。例如，如果附图中的设备被倒置，则被描述为在其他要素或特征“下方”或“之下”的要素将被定向为在其他要素或特征“上面”。因此，示例性术语“下方”可以涵盖上面和下方的定向两者。该设备可以以其他方式定向(旋转90度或在其他定向处)，并且本文使用的空间相对描述词被相应地解释。类似地，术语“向上地(upwardly)”、“向下地(downwardly)”、“垂直的(vertical)”、“水平的(horizontal)”及类似术语在本文中仅用于解释的目的，除非另外特定地指示。
虽然术语“第一”和“第二”在本文中可以用于描述各种特征/要素(包括步骤)，但是这些特征/要素不应当受这些术语的限制，除非上下文另外指示。这些术语可以用于将一个特征/要素与另一个特征/要素区分开。因此，在不偏离本发明的教导的情况下，下面讨论的第一特征/要素可以被称为第二特征/要素，并且类似地，下面讨论的第二特征/要素可以被称为第一特征/要素。
在整个本说明书和随后的权利要求书中，除非上下文另外要求，否则单词“包括(comprise)”，并且诸如“包括(comprises)“包括(comprising)”的变型意指可以在方法和物品中共同使用各种部件(例如，组合物以及包括设备和方法的装置)。例如，术语“包括”将被理解为暗示包含任何陈述的要素或步骤，但不排除任何其他要素或步骤。
通常，本文描述的任何装置和方法应当被理解为包含性的，但是部件和/或步骤的全部或子集可以可选择地是排他性的，并且可以被表示为“由多种部件、步骤、子部件或子步骤组成”或可选择地“基本上由多种部件、步骤、子部件或子步骤组成”。
如本文在说明书和权利要求书中使用的，包括在示例中使用的，并且除非另外明确地指定，否则所有数字可以被认为如同前面有“约(about)”或“大约(approximately)”的词语，即使该术语没有明确出现。当描述量级(magnitude)和/或位置时，可以使用措辞“约”或“大约”，以指示所描述的值和/或位置在值和/或位置的合理预期范围内。例如，数值可以具有作为陈述值(或值的范围)的+/-0.1％、陈述值(或值的范围)的+/-1％、陈述值(或值的范围)的+/-2％、陈述值(或值的范围)的+/-5％、陈述值(或值的范围)的+/-10％等的值。本文给出的任何数值也应当被理解为包括约或大约该值，除非上下文另外指示。例如，如果值“10”被公开，那么“约10”也被公开。本文中列举的任何数值范围意图包括其中包含的所有子范围。还应当理解的是，当值被公开时，“小于或等于”该值、“大于或等于该值”和在值之间的可能范围也被公开，如技术人员适当地理解的。例如，如果值“X”被公开，则“小于或等于X”以及“大于或等于X”(例如，其中X为数值)也被公开。还应理解，在整个申请中，数据以多种不同的格式提供，并且该数据表示端点和起始点以及用于数据点的任何组合的范围。例如，如果公开了特定数据点“10”和特定数据点“15”，则应理解，大于、大于或等于、小于、小于或等于和等于10和15以及在10到15之间被认为被公开。还应理解，还公开了在两个特定单元之间的每个单元。例如，如果公开了10和15，则也公开了11、12、13和14。
尽管上文描述了各种例证性实施例，但是在不偏离如由权利要求所描述的本发明的范围的情况下，可以对各种实施例进行多个改变中的任一个。例如，在可选择的实施例中，经常可以改变各种所描述的方法步骤被进行的顺序，并且在其他可选择的实施例中，可以一起跳过一个或更多个方法步骤。各种设备和系统实施例的任选特征可以被包括在某些实施例中而不被包括在其他实施例中。因此，前面的描述主要被提供用于示例性目的，并且不应被解释为限制如在权利要求中所阐述的本发明的范围。
本文所包括的示例和图示通过例证而不是限制的方式示出了其中可以实践主题的特定的实施例。如提及的，其他实施例可以被利用并且从那里被导出，使得结构和逻辑替代和改变可以被进行而不偏离本公开内容的范围。如果实际上多于一个被公开，仅为了方便，发明主题的这样的实施例在本文中可以单独地或共同地由术语“发明”来指代，并且不意图将本申请的范围自愿地限制到任何单个发明或发明构思。因此，尽管在本文已经例证和描述了特定实施例，但是为实现相同目的而计算的任何布置可以替代示出的特定实施例。本公开内容意图覆盖各种实施例的任何和所有修改或变型。在阅读以上描述后，以上实施例的组合以及本文未具体地描述的其他实施例对于本领域技术人员将是明显的。

Claims (39)

1.一种数字微流控装置，所述装置包括：
安置表面，其被配置成同时安置一个或更多个盒；
多个驱动电极，其设置在所述安置表面上，其中所述驱动电极被配置为当盒被安置在所述安置表面上时施加电压以使微滴在所述盒内移动；
多个真空端口，其跨越所述安置表面分布；
真空控件，其被配置为当所述一个或更多个盒被安置在所述安置表面上时，选择性地通过被安置在所述安置表面上的所述一个或更多个盒下方的所述真空端口的子集施加真空；
电控件，其用于向所述驱动电极施加能量，以当所述一个或更多个盒被安置在所述安置表面上时，使微滴在所述一个或更多个盒的气隙内移动；和
液体处理子系统，其用于当所述一个或更多个盒被安置在所述安置表面上时，向所述一个或更多个盒分配液体或从所述一个或更多个盒移除液体。
2.根据权利要求1所述的数字微流控装置，所述液体处理子系统包括机械臂。
3.根据权利要求1或2所述的数字微流控装置，其中，所述真空控件还包括真空泵，用于向所述多个真空端口施加真空。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的数字微流控装置，其中，所述多个真空端口中的真空端口各自联接到穿过所述多个驱动电极中的驱动电极的开口。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的数字微流控装置，其中，所述真空控件被配置为确定哪些真空端口位于所述一个或更多个盒下面。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的数字微流控装置，其中，所述真空控件还包括歧管和多个阀。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的数字微流控装置，其中，所述多个驱动电极包括大约408个至大约20,000个驱动电极。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的数字微流控装置，其中，所述液体处理子系统包括液体处理头和至少一个液体处理尖端。
9.根据权利要求8所述的数字微流控装置，其中，所述液体处理头被配置为分配或抽取大约1微升至大约100毫升的体积。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的数字微流控装置，还包括主控制子系统，用于协调对所述多个驱动电极、所述多个真空端口和所述液体处理子系统的激活。
11.根据权利要求10所述的数字微流控装置，其中，所述主控制子系统包括非暂时性指令，所述非暂时性指令用于控制所述多个真空端口、所述多个驱动电极和所述液体处理子系统。
12.根据权利要求10所述的数字微流控装置，其中，所述主控制子系统被配置为当所述盒被装载到所述安置表面上时，同时使微滴在两个或更多个盒的气隙中移动。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的数字微流控装置，在所述驱动电极阵列内还包括一个或更多个温度控制区域。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的数字微流控装置，在所述驱动电极阵列内还包括一个或更多个磁控制区域，每个磁控制区域包括磁体，所述磁体被配置为输送磁场。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的数字微流控装置，还包括位于所述安置表面上的一个或更多个盒对准特征。
16.一种在具有多个驱动电极的数字微流控装置中选择性固定一个或更多个盒的方法，所述方法包括：
将一个或更多个盒设置在数字微流控装置的安置表面上，从而产生所述一个或更多个盒的一个或更多个相应安置位置，其中所述一个或更多个盒中的每一个位于所述安置表面的子区域上；
感测所述一个或更多个盒的每个相应安置位置；
确定位于所述一个或更多个盒的所述相应安置位置下面的所述多个驱动电极的子集；
选择性地将真空施加到所述一个或更多个盒的所述相应安置位置，以将所述一个或更多个盒固定到所述数字微流控装置的所述安置表面。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，选择性地施加真空包括通过位于所述相应安置位置下面的真空端口子集施加真空。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，施加真空包括通过开口施加真空，所述开口穿过位于所述相应安置位置下面的所有或一些驱动电极。
19.根据权利要求16-18中任一项所述的方法，其中，感测每个相应安置位置包括感测所述相应安置位置下面的多个驱动电极中的电差异。
20.根据权利要求16-18中任一项所述的方法，其中，感测每个相应安置位置包括感测通过所述相应安置位置中所述安置表面上的真空端口的子集的气流阻力。
21.根据权利要求16-20中任一项所述的方法，其中，所述一个或更多个盒中的每一个包括底板，所述底板被配置为当施加真空时变形，从而粘附到所述安置表面。
22.根据权利要求16-21中任一项所述的方法，其中，所述一个或更多个盒的每个相应安置位置具有对应于每个盒的尺寸的相应区域。
23.根据权利要求16-22中任一项所述的方法，其中，所述一个或更多个盒中的至少一个具有与所述一个或更多个盒中的其他盒不同的尺寸。
24.一种在数字微流控装置内协调盒中微滴运动和液体处理的方法，所述方法包括：
将一个或更多个盒设置在数字微流控装置的安置表面上，从而产生所述一个或更多个盒的一个或更多个相应安置位置，其中所述一个或更多个盒中的每一个位于所述安置表面的子区域上；
感测所述一个或更多个盒中的每个相应安置位置；
确定位于所述一个或更多个盒的所述相应安置位置下面的所述多个驱动电极的子集；
选择性地将真空施加到所述一个或更多个盒的所述相应安置位置，以将所述一个或更多个盒固定到所述数字微流控装置的所述安置表面；
识别所述一个或更多个盒中的每一个的流体输入部的位置；
经由相应的流体输入部将来自液体处理子系统的微滴设置在所述一个或更多个盒中的每一个内；和
激活位于所述一个或更多个盒中的每一个下面的第一选定驱动电极，以通过电润湿将每个相应的微滴驱动到所述一个或更多个盒中的每一个内的相应的第二位置。
25.一种在具有多个驱动电极的数字微流控装置中同时操作单板式盒和双板式盒的方法，所述方法包括：
将单板式盒设置在安置表面上的第一安置位置，并且将双板式盒设置在所述安置表面上的第二安置位置；
选择性地将所述单板式盒和所述双板式盒固定到所述数字微流控装置的所述安置表面；
识别位于所述第一安置位置下面的所述多个驱动电极的第一子集，和识别包括位于所述第二安置位置下面的所述多个驱动电极的第二子集的第二区域；
经由机械臂将来自液体处理子系统的第一微滴设置在所述单板式盒内，并将第二微滴设置在所述双板式盒内；
激活每个相应子集的至少第一选定驱动电极，以通过电润湿将每个相应微滴驱动到所述一个或更多个盒中的每一个内的相应第二位置。
26.一种数字微流控装置，包括：
安置表面，其被配置成同时安置一个或更多个盒；
多个驱动电极，其设置在所述安置表面上，其中所述驱动电极被配置为当所述盒被安置在所述安置表面上时施加高电压以使微滴在盒内移动，并且其中，所述驱动电极中的所有驱动电极或一些驱动电极包括穿过其中的开口；
多个真空端口，其中每个真空端口联接到穿过所述驱动电极的一个或更多个开口；
真空控件，其被配置为当所述一个或更多个盒被安置在所述安置表面上时，选择性地通过被安置在所述安置表面上的所述一个或更多个盒下方的所述真空端口的子集施加真空；
电控件，其用于施加能量以依序激活和停用一个或更多个选定驱动电极，以使微滴在所述一个或更多个盒的气隙内移动，所述一个或更多个盒被安置在所述安置表面上；
真空泵，其用于向所述多个真空端口施加真空；
机械臂和液体处理子系统，其用于当所述一个或更多个盒被安置在所述安置表面上时，向所述一个或更多个盒分配液体或从所述一个或更多个盒移除液体；和
主控件，其用于当所述一个或更多个盒被安置在所述安置表面上时，协调对所述一个或更多个选定驱动电极的激活和停用与向所述一个或更多个盒分配液体/从所述一个或更多个盒移除液体。
27.一种系统，包括：
数字微流控装置，所述装置包括：
安置表面，其被配置成同时安置一个或更多个盒；
多个驱动电极，其设置在所述安置表面上，其中所述驱动电极被配置为当盒被安置在所述安置表面上时施加高电压以使微滴在所述盒内移动，并且其中，所述驱动电极中的所有驱动电极或一些驱动电极包括穿过其中的开口；
多个真空端口，其中每个真空端口联接到穿过所述驱动电极的一个或更多个开口；
真空控件，其被配置为当所述一个或更多个盒被安置在所述安置表面上时，选择性地通过被安置在所述安置表面上的所述一个或更多个盒下方的所述真空端口的子集施加真空；
电控件，其用于施加能量以依序激活和停用一个或更多个选定驱动电极，以使微滴在所述一个或更多个盒的气隙内移动，所述一个或更多个盒被安置在所述安置表面上；
真空泵，其用于向所述多个真空端口施加真空；
机械臂和液体处理子系统，其用于当所述一个或更多个盒被安置在所述安置表面上时，向所述一个或更多个盒分配液体或从所述一个或更多个盒移除液体；和
外壳，其中所述外壳控制湿度、温度和气体环境中的一个或更多个。
28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述一个或更多个盒在所述安置表面上的安置位置不是预先限定的。
29.根据权利要求27所述的系统，还包括主控制子系统，所述主控制子系统被配置为协调所述真空控件和所述电控件。
30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述主控制子系统还被配置为控制所述外壳的湿度、温度和气体环境中的至少一个。
31.根据权利要求29所述的系统，其中，所述系统还包括光学子系统。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，所述光学子系统包括照明源。
33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述照明源包括可见光源或紫外光源中的一个或更多个。
34.根据权利要求31所述的系统，其中，所述光学子系统还包括成像设备，所述成像设备被配置为检测明场图像、荧光图像或发光图像。
35.一种操作包括数字微流控装置的系统的方法，所述方法包括：
对于一个或更多个盒中的每一个，识别位于所述一个或更多个盒中的每一个下面的驱动电极的相应子集；
对于所述一个或更多个盒中的每一个，确定与所述驱动电极的相应子集相邻的多个相关接地电极；
选择性地将所述一个或更多个盒中的每一个固定在所述数字微流控装置的安置表面上；和
对于所述一个或更多个盒中的每一个，协调：
i.确定在一个或更多个盒中的每一个中待进行的反应类型；
ii.将样品分配到所述一个或更多个盒中的每一个中，从而在所述一个或更多个盒中的每一个中形成相应的样品微滴；
iii.将一种或更多种试剂/缓冲液分配到所述一个或更多个盒中的每一个中，从而在所述一个或更多个盒中的每一个中形成相应的试剂/缓冲液微滴；
iv.任选地，将所述相应的试剂微滴/样品微滴驱动到所述一个或更多个盒中的每一个内的反应位置；
v.将所述相应的样品微滴与其相应的试剂微滴合并，从而在所述一个或更多个盒中的每一个内形成相应反应微滴；
vi.在所述相应反应微滴中进行相应反应，从而在所述一个或更多个盒中的每一个中形成相应产物微滴；
vii.当所述一个或更多个盒的所述相应反应微滴中的相应反应是测定时，确定所述一个或更多个盒的所述相应反应微滴的测定结果；和
viii.当所述一个或更多个盒中的相应反应是样品制备反应时，输出相应产物微滴。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，形成所述相应试剂/缓冲液微滴还包括将分配的试剂/缓冲液与设置在所述一个或更多个盒内的选定位置处的预装设试剂混合。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，形成所述相应反应微滴还包括将所述样品微滴与设置在所述一个或更多个盒内的选定位置处的预装设试剂混合。
38.根据权利要求35所述的方法，其中，当所述系统进一步包括一个或更多个照明源时，形成所述相应试剂微滴或形成所述相应反应微滴进一步包括光活化所述相应试剂微滴或所述相应反应微滴内的试剂。
39.根据权利要求35所述的方法，其中，当驱动电极未被激活时，执行分配所述相应样品微滴、分配所述相应试剂/缓冲液或抽取所述相应产物微滴。
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