CN114289087B - 具有优化的电润湿表面的微流体装置和相关系统及方法 - Google Patents
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Abstract
提供了具有电润湿配置和优化的液滴致动表面的微流体设备。该设备包括具有介电层、共价结合到介电层的疏水层和电耦合到介电层并配置为连接到电压源的第一电极的导电衬底。微流体设备还包括可选地包括在盖中的第二电极，其配置为连接到电压源。疏水层的特征在于以产生密集堆积单层的方式共价结合到介电层表面的自缔合分子，所述单层抵抗极性分子或物质的插入和/或渗透。还提供了：微流体设备，具有电润湿配置，其进一步包括具有介电泳配置的部分或模块；系统，包括组合有水性液滴和与水性液滴的介质不混溶的流体介质的任何微流体设备；相关试剂盒；以及在微流体设备内操纵液滴的方法，液滴可选地包含微生物，例如生物细胞。
Description
本申请是申请日为2016年10月27日、申请号为201680077445.7、发明名称为“具有优化的电润湿表面的微流体装置和相关系统及方法”的专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年10月27日提交的第62/246,605号美国临时申请、2015年10月28日提交的第62/247,725号美国临时申请、2016年5月26日提交的第62/342,131号美国临时申请以及2016年10月19日提交的第62/410,238号美国临时申请的优先权，其每个的内容通过引用整体并入本文。本申请是2016年4月22日提交的第15/135,707号美国专利申请的部分继续申请，其内容通过引用整体并入本文。
背景技术
微物体(诸如生物细胞)可以在微流体装置中进行处理。例如，包含微物体或试剂的液滴可以在微流体装置内移动并合并。本发明的实施例涉及对微流体装置的改进，其促进对液滴的鲁棒性操纵，允许在小规模下精确且可再现地执行复杂的化学和生物反应。通过改变微流体装置中的电润湿表面的有效润湿性质，可以使液滴在微流体装置内移动并合并。这种移动可以促进处理细胞的工作流程，以可选地在微流体装置内培养细胞之后评估各种细胞性质。用于电润湿的目前的解决方案本质上是极其有限的，并且无法扩展或实现附加功能。因此，需要改进的电润湿表面、用于微流体应用的稳定衬底、以及整合附加功能(例如通过电润湿使下游处理成为可能之前的细胞生长和表征)，所有这些将有助于其他的医学研究应用。
发明内容
在一个方面，本发明提供了包括电润湿配置的微流体设备，其包括具有液滴致动表面的衬底，液滴致动表面包括共价键合到下面的介电层(即，内介电层)的表面的疏水层(即，外疏水层)(或由其组成或基本上由其组成)。当微流体设备可操作地连接到电压源时，放置在疏水层上或以其他方式接触疏水层的水性液滴可以通过电润湿力可靠且鲁棒地润湿并由此移动。
微流体设备可以包括包含衬底的基部，并且衬底可以进一步具有被配置为连接到电压源(例如，AC电压源)的至少一个电极(例如，第一电极)，该至少一个电极电耦合到内介电层。在一些实施例中，微流体设备还包括盖和至少一个间隔元件。衬底和盖可以基本彼此平行并且通过间隔元件接合在一起以限定配置成保持液体介质的封壳。在这样的实施例中，盖可以包括被配置为连接到电压源(例如，AC电压源)的至少一个电极。在一些实施例中，微流体设备可以包括单侧电润湿配置。在这样的实施例中，微流体设备不需要包括盖。例如，基部可以包括衬底和被配置成连接到电压源(例如AC电压源)的第一电极，并且衬底可以包括被配置为连接到电压源的第二电极(例如，网状电极)。
在一些实施例中，外疏水层包括共价结合至内介电层的自缔合分子以形成致密堆积的疏水单层。在一些实施例中，疏水单层的自缔合分子每个包括硅氧烷基团。在其他实施例中，疏水单层的自缔合分子每个包括膦酸基团。硅氧烷基团或膦酸基团可以共价键合到内介电层的表面。在一些实施例中，疏水单层的自缔合分子每个包括表面改性配体和将表面改性配体直接或间接链接至内介电层表面的链接基团。表面改性配体可以是本文公开的任何表面改性配体。例如，表面改性配体可以包括脂族基团，例如烷烃基团。因此，例如，疏水单层的自缔合分子可以是烷基封端的硅氧烷或烷基封端的膦酸分子。烷基可以包括至少10个碳(例如至少14、16、18、20、22或更多个碳)的链(例如非支链)。在其他实施例中，表面改性配体可以包括氟取代的脂族基团，例如氟烷基。因此，例如，自缔合分子可以是氟烷基封端的硅氧烷或氟烷基封端的膦酸分子。氟烷基可以包括至少10个碳(例如，至少14、16、18、20、22或更多个碳)的链(例如，非支链)。在某些实施例中，氟烷基包括一个或更多个(例如，至少4、6、8、10、12个或更多个)全氟化碳。例如，氟代烷基可以具有化学式CF3-(CF2)m-(CH2)n-，其中m至少为2，n至少为2，并且m+n至少为9。在一些实施例中，表面改性配体包括第一脂族基团和第二脂族基团之间的醚键。例如，第一脂族基团可以是烷基，第二脂族基团可以是氟烷基(例如，全氟烷基)。在一些实施例中，表面改性配体的烷基或氟烷基是无分支的。在一些实施例中，表面改性配体的烷基或氟烷基不含任何环状结构。
在一些实施例中，衬底的外疏水层具有小于5纳米(例如，约1.5至3.0纳米)的厚度。在一些实施例中，衬底的外疏水层可以被图案化，使得与外疏水层的其余部分相比，选择区域相对亲水。
在一些实施例中，衬底的内介电层可以包括第一层介电材料。例如，内介电层可以由单层介电材料组成。第一层介电材料可以包括氧化物，例如金属氧化物层(例如氧化铝、氧化铪等)。在某些实施例中，第一氧化物层通过原子层沉积(ALD)形成。或者，内介电层可以是包括两层或更多层介电材料的电介质堆叠。因此，在某些实施例中，内介电层可以包括第一层介电材料和第二层介电材料。第一层介电材料可以包括氧化物，例如金属氧化物(例如氧化铝、氧化铪等)；并且第二层介电材料可以包括诸如氧化硅的氧化物或诸如氮化硅的氮化物。在这样的实施例中，第一层介电材料可以具有接触第二层介电材料的第一表面和与疏水层共价结合的相对表面。在某些实施例中，取决于所使用的介电材料的类型，第二层介电材料可具有约30nm至约100nm的厚度。例如，第二层介电材料可以包含氧化硅并且可以具有约30nm至约50nm或约30nm至约40nm的厚度。可选地，第二层介电材料可以包括氮化硅并且可以具有约50nm至约100nm或者约80nm至约100nm的厚度。在某些实施例中，第二层介电材料由ALD形成。在其他实施例中，第二层介电材料由等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术形成。在某些实施例中，第一层介电材料可具有约10nm至约50nm的厚度(例如，约10nm至约20nm、约15nm至约25nm、约20nm至约30nm、约25nm至约35nm、约30nm至约40nm、约35nm至约45nm、约40nm至约50nm或由两个前述端点限定的任何范围)，并且可以通过ALD形成。
在其他实施例中，内电介质可以包括第三层介电材料，第三层介电材料具有接触第一层介电材料的第一表面和共价结合到疏水层的相对表面。在这样的实施例中，第一层介电材料可以包括氧化物，如上所述(或本文别处)；第二层介电材料可以包括氧化物或氮化物，如上所述(或本文其他地方所述)。在某些实施例中，第三层介电材料可以包括氧化物，例如二氧化硅或与硅氧烷基团良好结合的其他介电材料。在某些实施例中，第三层介电材料通过ALD沉积。在某些实施例中，第三层介电材料具有约2nm至约10nm或约4nm至约6nm的厚度。
不管构成内介电层的层的数量如何，内介电层可以具有约40nm至约120nm的总厚度(例如，约40nm至约60nm、约50nm至约70nm、约60nm至约80nm、约70nm至约90nm、约80nm至约100nm、约90nm至约110nm、约100nm至约120nm、或由任何两个前述端点限定的范围)。类似地，介电层可具有约50kOhm至约150kOhm(例如，约50kOhm至约75kOhm、约75kOhm至约100kOhm、约100kOhm至约125kOhm、约125kOhm至约150kOhm或由任何两个前述端点限定的范围)。
在一些实施例中，衬底可以进一步包括光响应层。光响应层可具有接触内介电层的第一侧和接触至少一个电极的第二侧。在某些实施例中，光响应层可以包括氢化非晶硅。在这样的实施例中，用光束照射光响应层的多个区域中的任何区域可以降低光照区域处的光响应层的阻抗。在其他实施例中，光响应层包括多个导体，每个导体经由光电晶体管开关可控制地连接到衬底的至少一个电极。
对于其中微流体设备包括盖的实施例，盖的向内朝向封壳的表面可以包括内层和共价结合到内层的疏水层(即，外疏水层)。与衬底的外疏水层类似，盖的外疏水层可以包含共价结合到内层的自缔合分子，从而形成致密堆积的疏水单层。因此，外疏水层可以包括上文(或本文别处)描述的用于衬底的外疏水层的任何自缔合分子。在一些实施例中，盖的外疏水层包括与衬底的外疏水层相同的自缔合分子。在其他实施例中，衬底的外疏水层具有不同类型(或多种类型)的自缔合分子作为衬底的外疏水层。
在一些实施例中，盖的向内表面的外疏水层具有小于5纳米(例如，约1.5至3.0纳米)的厚度。在一些实施例中，盖的向内表面的外疏水层可以被图案化，使得与外疏水层的其余部分相比，选择区域是相对亲水的。
在一些实施例中，微流体设备可以包括具有至少一个微流体通道的封壳。另外，封壳可以包括流体连接至微流体通道的至少一个微流体腔室(或隔绝围栏)。限定微通道和/或腔室的衬底的至少一部分可以具有电润湿配置。电润湿配置可以连接到偏置电势，并且在如此连接时，改变衬底表面(即，液滴致动表面)的多个对应区域中的任何一个的有效润湿特性。衬底表面的润湿特性可以被充分地改变，以使液体液滴在衬底表面上以及在微流体通道和腔室之间移动。
在一些实施例中，腔室(或隔绝围栏)可包括被配置为保持液滴的保持区域(例如，隔离区)以及将保持区域流体连接到微流体通道的一个(或更多个)连接区。第一连接区可以配置成允许液体液滴在微流体通道和腔室之间移动。当存在第二连接区时，其可配置成当液体液滴在微流体通道和保持区域之间移动时允许流体流动和压力释放。在一些实施例中，封壳可以进一步包括第二微流体通道。在这样的实施例中，腔室可以连接到第一微流体通道和第二微流体通道两者。
在一些实施例中，微流体通道可以具有约30至约200微米或约50至约150微米的高度，其中在法向于通过通道的流体流动方向的方向上测量高度。在一些实施例中，微流体通道具有约50至约1000微米或约100至约500微米的宽度，其中在法向于通过通道的流体流动方向的方向上测量宽度。
在一些实施例中，腔室(或隔绝围栏)具有与微流体通道的高度基本相同的高度。例如，腔室高度可以是约30至约200微米或约50至约150微米。在一些实施例中，腔室(或保持围栏)具有约100,000至约2,500,000平方微米或约200,000至约2,000,000平方微米的截面积。在一些实施例中，连接区(第一、第二等)具有与对应腔室和/或连接区从其打开的微流体通道的高度基本上相同的高度。在一些实施例中，连接区具有约50至约500微米或约100至约300微米的宽度。
在一些实施例中，微流体设备可以进一步包括液滴发生器。液滴发生器可以被配置为选择性地将一种或更多种液体介质(例如，水性液体介质)的液滴提供到封壳中或封壳内的微流体通道中。液滴可以包含例如微物体，例如生物微物体(例如细胞)或珠粒。可替代地或另外地，所述液滴可包含试剂，例如裂解缓冲液、亲和试剂、可检测标记、酶混合物等。
在一些实施例中，微流体设备包括适于培养生物微物体的培养腔室(例如，隔绝围栏)。培养腔室可以位于封壳内，并且可以连接到微流体通道。当培养腔室位于封壳内时，封壳可以包括灌注微流体通道，该微流体通道被配置为使新鲜培养基流过培养腔室，使得新鲜培养基中的营养物和培养腔室中的废物可以进行交换(例如通过营养物向培养腔室中的扩散以及废物向培养基中的扩散)。灌注通道可以与连接到液滴发生器的微流体通道分开。
在一些实施例中，电润湿装置与电子定位装置集成。例如，在一些实施例中，微流体设备可以包括具有电润湿配置的衬底，并且衬底的一部分可以进一步包括介电泳(DEP)配置。因此，衬底可以是整体的(单片的)(monolithic)。可选地，微流体设备或装置可以包括：具有第一衬底的第一模块或部分，所述第一衬底具有介电泳(DEP)配置；和具有第二衬底的第二模块或部分，所述第二衬底包括电润湿配置。这样的设备可以被认为具有双体的(双片的)(duolithic)衬底，并且在第一模块或部分与第二模块或部分之间可以存在桥，以提供与每个衬底及其特定配置的相关联的功能的集成。该桥可以包括连接两个分离的设备的管道或类似物。或者，该桥可包括使衬底紧密并置(例如，在2mm、1.5mm、1.0mm、0.5mm或更小内)的粘合剂。在又一些替代方案中，桥可以是整体式衬底上的非功能区，其中非功能区是衬底配置从一种配置(例如电润湿配置)切换到另一配置(例如，DEP配置)的地方。无论微流体设备是具有整体衬底还是具有双体衬底(或甚至多体衬底)，电润湿配置和DEP配置中的每一个都可以是本领域已知的或本文公开的任何这种配置。例如，电润湿配置可以是光电润湿(OEW)配置、电介质上电润湿(EWOD)配置、单侧电润湿配置等。类似地，DEP配置可以是光电子镊子(OET)配置，诸如由包括非晶硅层和/或光电晶体管阵列、由光电晶体管控制的电极阵列、电致动的电极阵列等的光电导衬底所提供的。在某些替代实施例中，衬底可以包括电润湿配置但缺少任何附加配置(例如，缺少介电泳(DEP)配置)。
因此，在一些实施例中，单个整体装置可以组合两个装置的功能。
另一方面，本发明提供了制造本发明的微流体设备的方法。该方法可以包括：将间隔元件(例如，由微流体回路材料制成)结合到具有被配置为连接到电压源的至少一个电极的盖的内表面；将所述间隔元件和盖结合到衬底的内介电表面，所述衬底具有被配置为连接到电压源的至少一个电极；以及通过气相沉积在所述盖的内表面的至少一部分和所述衬底的内介电表面的至少一部分上形成疏水层。在某些实施例中，间隔元件夹在盖的内表面和衬底的内介电表面之间，使得盖和衬底基本彼此平行定向。衬底、间隔元件和盖可共同限定配置成保持液体介质的封壳。在某些实施例中，疏水层沉积在盖的内表面的基本上所有暴露区域以及衬底的内介电表面的基本上所有暴露区域(即，在向内面向封壳的基本上全部表面上)。在某些实施例中，疏水层进一步沉积在间隔元件的向内朝向封壳的表面上。
在某些实施例中，疏水层包含共价结合到盖的内表面和衬底的内介电表面的自缔合分子，其中自缔合分子形成致密堆积的单层。在一些实施例中，通过气相沉积沉积的自缔合分子每个包括表面改性配体和将表面改性配体直接或间接链接到内介电层表面的链接基团。因此，自缔合分子可以是上文或本文其他地方描述的任何自缔合分子。
另一方面，本发明提供用于在微流体装置中处理诸如化学品和/或生物材料的材料的方法。在某些实施例中，所述方法包括：填充微流体装置的封壳或其一部分，所述微流体装置包括具有电润湿配置的衬底、盖和间隔元件，它们一起限定带有第一液体介质的封壳；在衬底的至少一个电极和盖的至少一个电极之间施加AC电压电势；将液体介质的第一液滴引入所述封壳中，所述液滴的液体介质在所述第一液体介质中不混溶；以及通过向第一液滴施加电润湿力将第一液滴移动到封壳内的期望位置。第一液体介质可包括本文所述的任何第一液体介质，例如硅油、氟化油或其组合，并且第一液滴可包括水性介质。
在一些实施例中，所述方法可以包括将第一液滴从封壳的第一部分(诸如微流体通道)拖曳到封壳的第二部分(例如腔室)中，反之亦然。前述拖曳可以包括改变与第一液滴接触和/或邻近的衬底表面的区域的有效电润湿特性。因此，用第一液体介质填充封壳可以包括用第一液体介质填充微流体通道和腔室。
在一些实施例中，微流体装置包括液滴发生器。该方法可以包括使用液滴发生器产生第一液滴。另外，液滴发生器可以将第一液滴引入封壳中。产生的液滴可具有约100皮升至100纳升或约1至50纳升的体积。在一些实施例中，第一液滴可以包括例如珠粒或生物微物体(例如细胞、囊泡等)的微物体、细胞分泌物或试剂。珠粒可以具有对感兴趣的材料诸如细胞分泌物(例如抗体)或其他生物分子(例如核酸，诸如DNA、基因组DNA、线粒体DNA、RNA、mRNA、miRNA或其任何组合)具有亲和力的分子。液滴可以包括例如单个生物细胞的单个微物体或多个微物体。例如，液滴可以包括二至二十个或更多个微物体，例如珠粒。在一些实施例中，液滴可以包括试剂，例如细胞裂解缓冲液、标记(例如荧光标记的试剂)、发光试剂、酶混合物等。
在一些实施例中，所述方法还包括将第二、第三、第四等液滴引入封壳中并通过将电润湿力施加到液滴而将第二、第三、第四等液滴移动到封壳内的期望位置。第二液滴可移动到接近第一液滴的位置，然后与第一液滴合并以形成第一组合液滴；第三液滴可移动到接近第一组合液滴的位置，然后与第一组合液滴合并以形成第二组合液滴；第四液滴可以移动到接近第二组合液滴的位置，然后与第二组合液滴合并以形成第三组合液滴；等等。每个额外的液滴可以包含在第一液体介质中不混溶但与第一液滴的液体介质混溶的流体介质。
在一些实施例中，第一液滴包含生物细胞并且第二液滴包含试剂。试剂可以是细胞裂解缓冲液，其在第一和第二液滴合并时溶解生物细胞。或者，试剂可以是荧光标记(例如，荧光标记的抗体或其他亲和试剂)或用于发光测定的试剂。第三液滴可包含试剂，例如对感兴趣的材料具有亲和力的一个或更多个(例如，二至二十个)捕获珠粒。例如，感兴趣的材料可以是抗体或核酸，例如DNA、基因组DNA、线粒体DNA、RNA、mRNA、miRNA或其任何组合。这样的捕获珠可以可选地从装置中输出用于随后的分析。与第二和第三液滴一样，第四液滴可以包含试剂，例如适于进行如逆转录酶反应或全基因组扩增反应的反应的酶混合物。
在一些实施例中，液滴的移动和合并涉及使用电润湿力，包括改变衬底表面的接近液滴的区域的有效电润湿特性，从而移动或合并液滴。在某些实施例中，改变衬底表面的有效电润湿特性可以包括在接近液滴的衬底表面的区域处激活电润湿电极。在某些实施例中，激活接近液滴的衬底表面的区域处的电润湿电极涉及将光图案引导到衬底表面的区域上。
从下面的附图和详细描述中，本发明的其他方面和实施例将是显而易见的。
附图说明
图1A示出根据本发明的一些实施例的通用微流体设备和具有用于控制和监测微流体设备的关联控制设备的系统。
图1B是具有衬底、盖和间隔元件的微流体装置的垂直截面图，衬底、盖和间隔元件一起形成被配置为保持液体介质和不可混溶在液体介质中的液体液滴的封壳。衬底具有允许在封壳内操纵液滴的电润湿配置。
图1C和图1D示出了根据本发明一些实施例的微流体设备。
图2A和2B示出了根据本发明一些实施例的隔绝围栏。
图2C示出了根据本发明一些实施例的详细隔绝围栏。
图2D-2F示出了根据本发明的一些其他实施例的隔绝围栏。
图2G示出了根据本发明实施例的微流体设备。
图2H示出了根据本发明实施例的微流体设备的涂覆表面。
图3A示出了根据本发明一些实施例的与微流体设备和相关联的控制设备一起使用的系统的具体示例。
图3B示出了根据本发明一些实施例的成像设备。
图4示出了具有双体衬底的带有EW配置和DEP配置的微流体设备的示例。
图5示出了具有整体衬底的带有EW配置和DEP配置的微流体设备的示例。
图6是微流体装置的水平截面图，其可以包括如图1B所示的电润湿配置，并且其包括多个微流体通道、从至少一个微流体通道打开的腔室以及液滴发生器。在该实施例中，一个微流体通道包含水性介质(较浅的颜色)，而连接至液滴发生器的微流体通道包含非水性介质(较深的颜色)。这些腔室同样包含水性介质或非水性介质。
图7是微流体装置的水平截面图，其可以包括如图1B所示的电润湿配置，并且其包括多个微流体通道、从至少一个微流体通道打开的腔室以及液滴生成器。在该实施例中，一个微流体通道和第一组腔室包含水性介质(较浅的颜色)，而连接到液滴生成器的微流体通道和第二组腔室包含疏水性介质(较暗的颜色)。图6显示了图5所示实施例的变型，其中包水性介质的每个腔室直接位于具有来自包含疏水性介质的相应腔室的疏水性介质的通道上。
图8是处理微流体装置内的生物微物体的方法的图。
图9是可应用于制造微流体设备的衬底的方法，微流体设备具有带电润湿配置的第一部分和带介电泳配置的第二部分。
图10-18提供了根据图9中描绘的方法处理的衬底的垂直截面图。
图19A是根据结合图17示出的实施例的用于一个功能方面的电寻址操作表示的视图。
图19B是根据结合图17示出的实施例的用于一个功能方面的电寻址操作表示的视图。
图20A-20C是根据本发明的实施例的在改性微流体表面上的水性液滴的移动的照片表示。
具体实施方式
本说明书描述了本发明的示例性实施例和应用。然而，本发明不限于这些示例性实施例和应用或者示例性实施例和应用在这里操作或描述的方式。此外，附图可以显示简化的或部分的视图，并且附图中的元件的尺寸可能被放大或以其他方式不成比例。另外，由于本文使用术语“在...上”、“附接到”、“连接到”、“耦合到”或类似的词，一个元件(例如，材料、层、衬底等)可以“在”另一元件“上”、“附接到”、“连接到”或“耦合到”另一元件，不管一个元件是否直接在另一元件上、附接到、连接到或耦合到另一元件，或者在一个元件和另一个元件之间存在一个或多个中间元件。此外，除非上下文另有指示，否则方向(例如，上方、下方、顶部、底部、侧面、上、下、下侧、上侧、上部、下部、水平、垂直、“x”、“y”、“z”等等)(如果有的话)是相对的并且仅通过示例的方式提供，并且为了便于说明和讨论而不是限制。此外，在提及元素列表(例如，元素a、b、c)时，这样的参考意图包括列出的元素中的任何一个单独列出的元素，少于所有列出的元素的任何组合，以及/或所有列出的元素的组合。说明书中的章节划分仅便于查看，并不限制讨论的任何要素组合。
如本文所用，“基本上”意指足以用于预期目的。因此，术语“基本上”允许绝对或完美的状态、尺寸、测量、结果等的微小的、不显著的变化，例如本领域普通技术人员所预期的，但不会显著影响整体性能。当关于数值或参数或可以以数值表示的特征来使用时，“基本上”意味着在百分之十内。
术语“多个”意味着不止一个。
如本文所使用的，术语“多个”可以是2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多。
如本文所使用的，术语“设置”涵盖其“位于”的含义。
如本文所用，“微流体设备”或“微流体装置”是包括一个或更多个离散微流体回路的设备，所述离散微流体回路被配置为容纳流体，每个微流体回路包括流体互连回路元件(包括但不限于区域、流动区域、通道、腔室和/或围栏)以及(对于包括盖的微流体设备)至少两个端口，所述至少两个端口配置成允许流体(以及可选地，悬浮在流体中的微物体)流入和/或流出微流体设备。典型地，微流体设备的微流体回路将包括至少一个微流体通道和至少一个腔室，并且将容纳小于约1mL体积的流体，例如小于约750、500、250、200、150、100、75、50、25、20、15、10、9、8、7、6、5、4、3或2μL。在某些实施例中，微流体回路容纳约1-2、1-3、1-4、1-5、2-5、2-8、2-10、2-12、2-15、2-20、5-20、5-30、5-40、5-50、10-50、10-75、10-100、20-100、20-150、20-200、50-200、50-250或50-300μL。
如本文所用，“纳流体设备”或“纳流体装置”是一类微流体设备，其具有包含至少一个回路元件的微流体回路，所述回路元件被配置为容纳少于约1μL体积的流体，例如小于约750、500、250、200、150、100、75、50、25、20、15、10、9、8、7、6、5、4、3、2、1nL或更少。纳流体设备可以包括多个回路元件(例如至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、50、75、100、150、200、250、300、400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、6000、7000、8000、9000、10,000或更多)。在某些实施例中，至少一个回路元件中的一个或更多个(例如全部)被配置为容纳约100pL至1nL、100pL至2nL、100pL至5nL、250pL至2nL、250pL至5nL、250pL至10nL、500pL至5nL、500pL至10nL、500pL至15nL、750pL至10nL、750pL至15nL、750pL至20nL、1至10nL、1至15nL、1至20nL、1至25nL或1至50nL体积的流体。在其他实施例中，至少一个回路元件中的一个或更多个(例如全部)被配置为容纳约20nL至200nL、100至200nL、100至300nL、100至400nL、100至500nL、200至300nL、200至400nL、200至500nL、200至600nL、200至700nL、250至400nL、250至500nL、250至600nL或250至750nL体积的流体。
如本文所用的“微流体通道”或“流动通道”是指具有明显长于水平和垂直尺寸的长度的微流体设备的流动区域。例如，流动通道可以是水平或垂直尺寸的至少5倍长度，例如至少10倍长度、至少25倍长度、至少100倍长度、至少200倍长度、至少500倍长度、至少1,000倍长度、至少5,000倍长度或更长。在一些实施例中，流动通道的长度在从约50,000微米到约500,000微米的范围内，包括其间的任何范围。在一些实施例中，水平尺寸在约100微米至约1000微米(例如约150至约500微米)的范围内，并且垂直尺寸在约25微米至约200微米的范围内，例如，从约40至约150微米。注意到流动通道在微流体设备中可以具有各种不同的空间配置，因此不限于完美的线性元件。例如，流动通道可以包括具有以下配置中的任何一个的一个或更多个部分：曲线、弯曲、螺旋、倾斜、下降、叉支(例如，多个不同的流动路径)以及它们的任何组合。另外，流动通道沿其路径可具有不同的截面积，加宽和收缩以在其中提供期望的流体流动。
如本文所使用的，术语“障碍物”通常指的是足够大的隆起物或类似类型的结构，以部分(但不完全)阻止目标微物体在微流体设备中的两个不同区域或回路元件之间的移动。两个不同区域/回路元件可以是例如微流体隔绝围栏和微流体通道，或者微流体隔绝围栏的连接区和隔离区。
如本文所使用的，术语“收缩”通常是指微流体设备中的回路元件(或两个回路元件之间的接口)的宽度变窄。收缩部例如可位于微流体隔绝围栏与微流体通道之间的交界处，或者位于微流体隔绝围栏的隔离区与连接区之间的交界处。
如本文所使用的，术语“透明”是指允许可见光通过而基本上不会在光通过时改变光的材料。
如本文所使用的，术语“微物体”通常是指根据本发明可以分离和收集的任何微物体。微物体的非限制性示例包括：无生命的微物体，诸如微粒、微珠(例如，聚苯乙烯珠粒，Luminex TM珠粒等)、磁珠、微棒、微丝、量子点等；生物微物体，诸如细胞(例如胚胎、卵母细胞、卵子、精细胞、从组织分离的细胞、真核细胞、原生细胞、动物细胞、哺乳动物细胞、人细胞、免疫细胞、杂交瘤、培养的细胞、来自细胞系的细胞、癌细胞、感染细胞、转染和/或转化的细胞、报道细胞、原核细胞等)；生物细胞器；囊泡或复合物；合成囊泡；脂质体(例如合成的或衍生自膜制备)；脂质纳米杆(如Ritchie等(2009)“Reconstitution of MembraneProteins in Phospholipid Bilayer Nanodiscs(在磷脂双层纳米圆盘中重建膜蛋白)”，Methods Enzymol.，464：211-231中描述的)等；或无生命微物体和生物微物体(例如，附着于细胞的微珠、脂质体包被的微珠、脂质体包被的磁珠等)的组合。珠粒可以进一步具有共价或非共价连接的其他部分/分子，诸如荧光标记、蛋白质、小分子信号部分、抗原或能够用于测定的化学/生物物质。
如本文所用，术语“维持(一个或更多个)细胞”是指提供包含流体和气体组分以及可选的表面的环境，其提供保持细胞存活和/或扩增所需的条件。
流体介质的“组分”是介质中存在的任何化学或生化分子，包括溶剂分子、离子、小分子、抗生素、核苷酸和核苷、核酸、氨基酸、肽、蛋白质、糖、碳水化合物、脂质、脂肪酸、胆固醇、代谢物等。
如本文中关于流体介质所使用的，“扩散(diffuse)”和“扩散(diffusion)”是指流体介质的组分沿着浓度梯度的热力学运动。
术语“介质的流动”是指主要由于扩散以外的任何机制导致的流体介质的大量移动。例如，由于点之间的压力差，介质的流动可能涉及流体介质从一点移动到另一点。这种流动可以包括液体的连续、脉冲、周期性、随机、间歇或往复流动、或其任何组合。当一种流体介质流入另一种流体介质时，可能导致介质的湍流和混合。
短语“基本上不流动”是指流体介质的随时间平均得到的流动速率小于材料(例如，感兴趣分析物)的组分扩散到流体介质中或流体介质内的速率。这种材料的组分的扩散速率可以取决于例如温度、组分的尺寸以及组分与流体介质之间相互作用的强度。
如本文关于微流体设备内的不同区域所使用的，短语“流体连接”是指，当不同区域基本上充满流体(诸如流体介质)时，每个区域中的流体连接以形成一个单一的流体。这并不意味着不同区域中的流体(或流体介质)在组成上必然相同。而是，微流体设备的不同流体连接区中的流体可以具有不同的组成(例如不同浓度的溶质，诸如蛋白质、碳水化合物、离子或其他分子)，其在流动中作为溶质沿着其各自的浓度梯度下移和/或流体流过该设备。
微流体(或纳流体)设备可以包括“被扫过的”区域和“未被扫过的”区域。如本文所使用的，“被扫过的”区域包括微流体回路的一个或更多个流体互连的回路元件，当流体流过微流体回路时，每个回路元件经历介质流。被扫过的区域的回路元件可以包括例如区域、通道以及全部或部分腔室。如本文所使用的，“未被扫过的”区域包括微流体回路的一个或更多个流体互连的回路元件，当流体流过微流体回路时，每个回路元件基本上不经历流体通量。未被扫过的区域可以流体连接到被扫过的区域，只要流体连接被构造成能够扩散但基本上没有介质在被扫过的区域和未被扫过的区域之间流动。因此微流体设备可被构造成基本上将未扫过区域与被扫过的区域中的介质流隔离开，同时在被扫过的区域和未被扫过的区域之间基本上仅允许扩散流体连通。例如，微流体设备的流动通道是被扫过的区域的示例，而微流体设备的隔离区(下面进一步详细描述)是未被扫过的区域的示例。
如本文所使用的，“流动区域”是指一个或更多个流体连接的回路元件(例如一个或多个通道、一个或多个区域、一个或多个腔室等)，其限定介质流动并经受介质流动轨迹。因此流动区域是微流体设备的被扫过的区域的示例。其他回路元件(例如，未被扫过的区域)可以与包括流动区域的回路元件流体连接，而经受流动区域中的介质的流动。
如本文所用，“烷基”是指仅由碳和氢原子组成的直链或支链烃链放射结构，其不含不饱和，具有1-6个碳原子(例如C1-C6烷基)。无论何时出现在本文，诸如“1至6”的数字范围是指给定范围中的每个整数；例如“1至6个碳原子”是指烷基可以由1个碳原子、2个碳原子、3个碳原子等组成，直至并包括6个碳原子，尽管本定义还涵盖术语“烷基”不指定数值范围的情况。在一些实施例中，它是C1-C3烷基。典型的烷基包括但绝不限于甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基异丁基、叔丁基、戊基、异戊基、新戊基、己基等。烷基通过单键连接到分子的其余部分，例如，甲基(Me)、乙基(Et)、正丙基、1-甲基乙基(异丙基)、正丁基、正戊基、1,1-二甲基乙基(叔丁基)、己基等。
除非在说明书中另有说明，否则烷基可以可选地被一个或更多个取代基取代，所述取代基独立地为：芳基、芳基烷基、杂芳基、杂芳基烷基、羟基、卤素、氰基、三氟甲基、三氟甲氧基、硝基、三甲基硅烷基、—OR’、—SR’、—OC(O)—R’、—N(R’)2、—C(O)R’、—C(O)OR’、—OC(O)N(R’)2、—C(O)N(R’)2、—N(R’)C(O)OR’、—N(R’)C(O)R’、—N(R’)C(O)N(R’)2、N(R’)C(NR’)N(R’)2、—N(R’)S(O)tR’(其中t是1或2)、—S(O)tOR’(其中t是1或2)、—S(O)tN(R’)2(其中t是1或2)或PO3(R’)2，其中每个R'独立地为氢、烷基、氟代烷基、芳基、芳烷基、杂环烷基或杂芳基。
如本文所提及的，氟化烷基部分是烷基部分的一个或更多个氢被氟取代基取代的烷基部分。全氟化烷基部分具有连接到烷基部分的全部氢被氟取代基取代。
如本文所提及的，“卤代”部分是溴、氯或氟部分。
如本文所提及的，“烯属”化合物是含有“烯烃”部分的有机分子。烯烃部分是指由至少两个碳原子和至少一个碳-碳双键组成的基团。分子的非烯烃部分可以是任何类别的有机分子，并且在一些实施例中，可以包括烷基或氟化(包括但不限于全氟化的)烷基部分，其中任何一个可被进一步取代。
如本文所用，“密集堆积的疏水单层”指单层疏水分子，其充分接近地堆积在一起以抵抗极性分子(例如水、离子和其他带电物质)的插入和/或侵入。
如本文所使用的：“μm”(或“um”)指微米；“μm3”指立方微米；“pL”指皮升，“nL”指纳升；并且“μL”(或“uL”)指微升。
加载方法。将微物体(例如生物微物体和/或珠粒)加载到微流体设备的不同区域中可以涉及使用流体流动、重力、介电泳(DEP)力、电润湿力、磁力或其任何组合，如这里所描述的。可以诸如通过光电镊子(OET)配置来光学地产生DEP力，和/或诸如通过激活时间/空间格局中的电极/电极区域而电力产生DEP力。类似地，可以诸如通过光电润湿(OEW)配置来光学地产生电润湿力，和/或诸如通过激活时间/空间格局中的电极/电极区域而电力产生电润湿力。
用于操作和观察这些设备的微流体设备和系统。图1A示出了可用于控制微流体设备100和其中的微物体和/或液滴的移动的微流体设备100和系统150的通用示例。示出了微流体设备100的透视图，其具有其盖110的局部切割以提供微流体设备100的局部视图。微流体设备100通常包括微流体回路120，该微流体回路120包括流体区域106，流体介质180可通过该流体区域106流动，可选地将一个或更多个微物体(未示出)携带到微流体回路120中和/或通过微流体回路120。尽管在图1A中示出了单个微流体回路120，但是合适的微流体设备可以包括多个(例如2个或3个)这样的微流体回路。无论如何，微流体设备100可以配置成纳米流体设备。在图1A所示的实施例中，微流体回路120包括多个微流体隔绝围栏124、126、128和130，每个微流体隔绝围栏具有与流动区域106流体连通的单个开口。如下面进一步讨论的，微流体隔绝围栏包括各种特征和结构，这些特征和结构已经被优化用于将微物体保持在诸如微流体设备100的微流体设备中，即使当介质180流过流动区域106时。然而，在转向前述之前，提供微流体设备100和系统150的简要描述。
如图1A中大体所示，微流体回路120由封壳102限定。虽然封壳102可以物理构造成不同的配置，但在图1A所示的示例中，封壳102被描绘为包括支撑结构104(例如基部)、微流体回路结构108和盖110。然而，在某些实施例中，封壳102可以缺少盖110，并且微流体回路120可以由支撑结构104和微流体回路结构108限定。支撑结构104、微流体回路结构108和(可选地)盖110可以彼此附接。例如，微流体回路结构108可以设置在支撑结构104的内表面109上，并且盖110可以设置在微流体回路结构108上方。与支撑结构104和(可选地)盖110一起，微流体回路结构108可以限定微流体回路120的元件。
如图1A所示，支撑结构104可以位于微流体回路120底部，并且盖110可以位于微流体回路120的顶部。或者，支撑结构104和盖110可以以其他方位配置。例如，支撑结构104可以位于微流体回路120的顶部，并且盖110可以位于微流体回路120的底部。无论如何，可以有一个或更多个端口107，每个端口包括进入或离开封壳102的通道。通道的示例包括阀门、闸门、通孔等。如图所示，端口107是由微流体回路结构108中的间隙形成的通孔。然而，端口107可以位于封壳102的其他部件中，例如盖110。图1A中仅示出一个端口107，但微流体回路120可具有两个或更多个端口107。例如，可以存在用作流体进入微流体回路120的入口的第一端口107，并且可以存在用作流体离开微流体回路120的出口的第二端口107。端口107作为入口还是出口可以取决于流体流过流动区域106的方向。
支撑结构104可以包括一个或更多个电极(未示出)和衬底或多个互连的衬底。衬底可以是本领域已知的任何合适的衬底。例如，支撑结构104可以包括一个或更多个半导体衬底，每个半导体衬底电连接到一个或更多个电极中的至少一个(例如，全部或部分半导体衬底可以电连接到单个电极)。或者，支撑结构104可以包括包含一个或更多个电极的印刷电路板组件(“PCBA”)。在其他实施例中，支撑结构104可以包括安装在PCBA上的衬底(例如，半导体衬底)。
微流体回路结构108可以限定微流体回路120的回路元件。这样的回路元件可以包括当微流体回路120充满流体时，可以流体上互连的空间或区域，诸如流动区域(其可以包括或可以是一个或更多个流动通道)、腔室、围栏、捕集器等。在图1A所示的微流体回路120中，微流体回路结构108包括框架114和微流体回路材料116。框架114可以部分地或完全封闭微流体回路材料116。框架114可以是例如基本上围绕微流体回路材料116的相对刚性的结构。例如，框架114可以包括金属材料。或者，微流体回路结构108可以缺少框架。例如，微流体回路结构108可以由微流体回路材料116组成或基本上由微流体回路材料116组成。
可以用空腔等来图案化微流体回路材料116以限定微流体回路120的回路元件和互连。微流体回路材料116可以包括柔性材料，例如柔性聚合物(例如橡胶、塑料、弹性体、硅树脂、聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)等)，其可以是透气的。可构成微流体回路材料116的材料的其他示例包括模制玻璃、诸如硅树脂的可蚀刻材料(例如可光图案化聚硅氧烷或“PPS”)、光致抗蚀剂(例如SU8)等。在一些实施例中，这样的材料(并且因此微流体回路材料116)可以是刚性的和/或基本上不透气的。无论如何，微流体回路材料116可以设置在支撑结构104上并且(可选地)设置在框架114内部。
盖110可以是微流体回路材料116和/或框架114的整体部分。或者，盖110可以是结构上不同的元件，如图1A所示。盖110可以包括与框架114和/或微流体回路材料116相同或不同的材料。类似地，如图所示，支撑结构104可以是与微流体回路材料116或框架114分开的结构，或者是微流体回路材料116或框架114的组成部分。类似地，微流体回路材料116和框架114(如果存在的话)可以是如图1A所示的分离结构或相同结构的整体部分。
在一些实施例中，盖110可以包括刚性材料。刚性材料可以是玻璃或具有相似性质的材料。在一些实施例中，盖110可以包括可变形材料。可变形材料可以是聚合物，例如PDMS。在一些实施例中，盖110可以包括刚性和可变形材料。例如，盖110的一个或更多个部分(例如，位于隔绝围栏124、126、128、130上方的一个或更多个部分)可以包括与盖110的刚性材料相接的可变形材料。在一些实施例中，盖110可以进一步包括一个或更多个电极。该一个或更多个电极可以包括导电氧化物，诸如氧化铟锡(ITO)，其可以被涂覆在玻璃或类似的绝缘材料上。或者，所述一个或更多个电极可以是嵌入可变形材料中的柔性电极，例如单壁纳米管、多壁纳米管、纳米线、导电纳米颗粒簇或其组合，所述可变形材料例如聚合物(例如，PDMS)。例如，在US2012/0325665(Chiou等人)中描述了可用于微流体设备的柔性电极，其内容通过引用并入本文。在一些实施例中，盖110可以被修改(例如，通过涂覆或调节向内面向微流体回路120的表面的全部或部分)以支持液滴移动和/或细胞粘附、细胞活力和/或细胞生长。该修改可以包括合成或天然聚合物的涂层或具有共价结合的分子(例如，自缔合分子)的条件化表面。在一些实施例中，盖110和/或支撑结构104可以对光是透明的。盖110还可以包括至少一种气体可渗透的材料(例如，PDMS或PPS)。
图1A还示出了用于操作和控制微流体设备(例如微流体设备100)的系统150。系统150包括电源192、成像设备194(未示出、但可以是成像模块164的一部分)和倾斜设备190(未示出，但可以是倾斜模块166的一部分)。
电源192可以向微流体设备100和/或倾斜设备190提供电力，根据需要提供偏置电压或电流。例如，电源192可以包括一个或更多个交流(AC)和/或直流(DC)电压或电流源。成像设备194可以包括用于捕获微流体回路120内的图像的设备，例如数码相机。在一些情况下，成像设备194还包括具有快速帧速率和/或高灵敏度的检测器(例如，用于低光照应用)。成像设备194还可以包括用于将刺激辐射和/或光束引导到微流体回路120中并且收集从微流体回路120(或其中包含的微物体)反射或发射的辐射和/或光束的机构。发射的光束可以在可见光谱中，并且可以例如包括荧光发射。反射光束可以包括源自LED或宽光谱灯(例如汞灯(例如高压汞灯)或氙弧灯)的反射的发射。如关于图3B所讨论的，成像设备194可以进一步包括显微镜(或光学系列)，其可以包括或不包括目镜。
系统150进一步包括倾斜设备190，倾斜设备190被配置成围绕一个或更多个旋转轴线旋转微流体设备100。在一些实施例中，倾斜设备190被配置为围绕至少一个轴支撑和/或保持包括微流体回路120的封壳102，使得微流体设备100(并且因此微流体回路120)可以保持在水平方位(即相对于x轴和y轴成0°)、垂直方位(即相对于x轴和/或y轴成90°)或其间的任何方位。微流体设备100(和微流体回路120)相对于轴线的方位在本文中被称为微流体设备100(和微流体回路120)的“倾斜”。例如，倾斜设备190可以使微流体设备100相对于x轴或y轴倾斜0.1°、0.2°、0.3°、0.4°、0.5°、0.6°、0.7°、0.8°、0.9°、1°、2°、3°、4°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、90°或其间的任何角度。水平方位(以及x轴和y轴)被定义为垂直于由重力定义的垂直轴。倾斜设备还可以使微流体设备100(和微流体回路120)相对于x轴和/或y轴倾斜任何大于90°的角度，或使微流体设备100(和微流体回路120)相对于x轴或y轴倾斜180°，以完全反转微流体设备100(和微流体回路120)。类似地，在一些实施例中，倾斜设备190使微流体设备100(和微流体回路120)围绕由流动区域106/通道122或微流体回路120的一些其他部分限定的旋转轴线倾斜。
在一些情况下，微流体设备100倾斜成垂直方位，使得流动区域106/通道122位于一个或更多个隔绝围栏的上方或下方。如本文所用的术语“上方”表示流动区域106/通道122在由重力限定的垂直轴线上定位成高于一个或更多个隔绝围栏(即，位于流动区域106/通道122上方的隔绝围栏中的物体将具有比流动区域/通道中的物体更高的重力势能)。本文使用的术语“下方”表示流动区域106/通道122在由重力限定的垂直轴线上定位成低于一个或更多个隔绝围栏(即，位于流动区域106/通道122下方的隔绝围栏中的物体将具有比流动区域/通道中的物体更低的重力势能)。
在一些情况下，倾斜设备190使微流体设备100围绕平行于流动区域106/通道122的轴线倾斜。此外，微流体设备100可以倾斜至小于90°的角度，使得流动区域106/通道122位于一个或更多个隔绝围栏的上方或下方，而不会位于隔绝围栏的正上方或正下方。在其他情况下，倾斜设备190使微流体设备100围绕垂直于流动区域106/通道122的轴线倾斜。在又一些情况下，倾斜设备190使微流体设备100围绕既不平行也不垂直于流动区域106/通道122的轴线倾斜。
系统150还可以包括介质源178。介质源178(例如容器、储存器等)可以包括多个部分或容器，每个部分或容器用于容纳不同的流体介质180。因此，如图1A所示，介质源178可以是位于微流体设备100之外并与微流体设备100分离的设备。或者，介质源178可全部或部分位于微流体设备100的封壳102内。例如，介质源178可以包括作为微流体设备100的一部分的储存器。
图1A还示出了构成系统150的一部分并且可以与微流体设备100结合使用的控制和监测设备152的示例的简化框图描绘。如图所示，这种控制和监测设备152的示例包括主控制器154、用于控制介质源178的介质模块160、用于控制微流体回路120中的微物体和/或介质(例如，介质的液滴)的移动和/或选择的动力模块162、用于控制用于捕获图像(例如数字图像)的成像设备194(例如，照相机、显微镜、光源或其任何组合)的成像模块164、以及用于控制倾斜设备190的倾斜模块166。控制设备152还可以包括用于控制、监测或执行关于微流体设备100的其他功能的其他模块168。如图所示，设备152可以可操作地与显示设备170和输入/输出设备172耦合(或进一步包括它们)。
主控制器154可以包括控制模块156和数字存储器158。控制模块156可以包括例如数字处理器，该数字处理器被配置为根据存储为存储器158中的非暂时性数据或信号的机器可执行指令(例如，软件、固件、源代码等)进行操作。可替代地地或另外地，控制模块156可以包括硬连线数字电路和/或模拟电路。介质模块160、动力模块162、成像模块164、倾斜模块166和/或其他模块168可以类似地进行配置。因此，可以由如上配置的主控制器154、介质模块160、动力模块162、成像模块164、倾斜模块166和/或其他模块168中的任何一个或更多个来执行本文所讨论的针对微流体装置100或任何其他微流体装置所执行的功能、过程动作、动作或过程步骤。类似地，主控制器154、介质模块160、动力模块162、成像模块164、倾斜模块166和/或其他模块168可以通信地耦接，以发送和接收本文讨论的任何功能、过程、动作、行动或步骤中所使用的数据。
介质模块160控制介质源178。例如，介质模块160可以控制介质源178以将选定的流体介质180输入到封壳102中(例如，通过入口端口107)。介质模块160还可以控制从封壳102中去除介质(例如，通过输出端口(未示出))。因此可将一个或更多个介质选择性地输入到微流体回路120中或从微流体回路120移除。介质模块160还可以控制微流体回路120内的流动区域106/通道122中的流体介质180的流动。例如，在一些实施例中，介质模块160在将微物体或珠粒加载到隔绝围栏中(使用重力、电润湿(EW)力、介电电泳(DEP)力或其组合)之前停止介质180在流动区域106/通道122中并且穿过封壳102的流动。
动力模块162可以被配置为控制微流体回路120中的微物体和/或介质液滴的选择、捕集和移动。如在此详细讨论的，封壳102可以包括电润湿(EW)配置，诸如光电润湿(OEW)配置、电介质上的电润湿(EWOD)配置、单面电润湿配置等。在某些实施例中，封壳102可以进一步包括介电泳(DEP)配置，诸如光电子镊子(OET)配置、电驱动的DEP配置等。动力模块162可以控制由这种EW和/或DEP配置所包括的电极和/或晶体管(例如，光电晶体管)的激活，以选择和移动流动区域106/通道122以及/或隔绝围栏124、126、128、130中的介质的微物体和/或液滴。
成像模块164可以控制成像设备194(未示出)。例如，成像模块164可以接收并处理来自成像设备194的图像数据。来自成像设备194的图像数据可以包括由成像设备194捕获的任何类型的信息(例如，微物体的存在或不存在、介质的液滴、标签(诸如荧光标签等)的积聚)。使用由成像设备194捕获的信息，成像模块164可以进一步计算物体(例如，微物体、介质液滴等)的位置和/或这些物体在微流体设备100内的运动速率。
倾斜模块166可以控制倾斜设备190(未示出)的倾斜运动。另外，倾斜模块166可以控制倾斜速率和定时，例如以优化通过重力将微物体转移到一个或更多个隔绝围栏。倾斜模块166与成像模块164通信地耦合以接收描述微流体回路120中的微物体和/或介质液滴的运动的数据。使用这个数据，倾斜模块166可以调整微流体回路120的倾斜，以便调整的微物体和/或介质液滴在微流体回路120中移动的速率。倾斜模块166还可以使用这个数据迭代地调整微流体回路120中的微物体和/或介质液滴的位置。
在图1A所示的示例中，微流体回路120被图示为包括基本上由微流体通道122组成的单个流动区域106。隔绝围栏124、126、128和130中的每一个包括通向流动区域106/通道122的单个开口，除此而外被包围，使得围栏可以将围栏内的微物体与流动区域106/通道122中或其他围栏中的微物体和/或流体介质180基本上隔离。隔绝围栏的壁可以从基部的内表面109延伸到盖110的内表面，从而有利于这种隔离。围栏到流动区域106/通道122的开口可相对于流动区域106/通道122中的流体介质180的流动成一定角度定向，使得流体介质180的流动不被引导到围栏中。该流动可以例如与围栏的开口的平面相切或正交。在一些情况下，围栏124、126、128和/或130被配置为物理地围住微流体回路120内的一个或更多个微物体。根据本发明的隔绝围栏可以包括为了与EW、OEW、DEP和/或OET力、流体流动和/或重力一起使用而优化的各种形状、表面和特征，如将在下面详细讨论的。
微流体回路120可以包括任何数量的微流体隔绝围栏。尽管显示了五个隔绝围栏，但微流体回路120可以具有更少或更多的隔绝围栏。如图所示，微流体回路120的微流体隔绝围栏124、126、128和130各自包括不同的特征和形状，这些特征和形状可以为微流体设备100提供对微物体和/或流体介质的液滴的操纵有用的一个或更多个益处。因此，在一些实施例中，微流体回路120可以包括多个微流体隔绝围栏，其中两个或更多个隔绝围栏包括提供不同益处的不同结构和/或特征。然而，在一些实施例中，微流体回路120包括多个相同的微流体隔绝围栏。可用于操纵微物体和/或介质液滴的微流体设备可以包括任何隔绝围栏124、126、128和130或它们的变型，包括配置成如图2B、2C、2D、2E和2F所示的那些围栏，如下所述。
在图1A所示的实施例中，示出了单个流动区域106。然而，微流体设备100的其他实施例可以包含多个流动区域106，每个流动区域106被配置成为流体流过微流体设备100提供分离的路径。微流体回路120包括与流动区域106流体连通的入口阀或端口107，由此流体介质180可以经由入口端口107进入流动区域106/通道122。在一些情况下，流动区域106包括单个流动路径。在其他情况下，流动区域106包括多个流动路径(例如2、3、4、5、6或更多)，其中的每一个可以包括微通道(例如，像通道122)。多个流动路径中的两个或更多个(例如全部)可以基本上彼此平行。例如，流动区域106可以分成多个平行的通道(例如像通道122)。在某些实施例中，流动区域106(以及由流动区域包括的一个或更多个通道)以Z字形图案布置，由此流动区域106在交替方向上两次或更多次地穿过微流体设备100。在一些情况下，每个流动区域106内的流体介质沿正向或反向方向中的至少一个方向流动。在一些情况下，配置多个隔绝围栏(例如，相对于流动区域106/通道122)，使得隔绝围栏可以与目标微物体平行加载。
在一些实施例中，微流体回路120还包括一个或更多个微物体捕集器132。捕集器132通常形成在构成流动区域106/通道122的边界的壁中，并且可以与一个或更多个微流体隔绝围栏124、126、128和130的开口相对定位。在一些实施例中，捕集器132被配置为从流动区域106/通道122接收或捕获单个微物体。在一些实施例中，捕集器132被配置为从流动区域106/通道122接收或捕获多个微物体。在一些情况下，捕集器132包括与单个目标微物体的体积大致相等的容积。
捕集器132可以进一步包括开口，开口被配置成帮助目标微物体流入捕集器132。在一些情况下，捕集器132包括具有根据单个目标微物体的尺寸来定尺寸的高度和宽度的开口，由此防止其他微物体(或尺寸更大的微物体)进入微物体捕集器。捕集器132可以进一步包括被配置为帮助将目标微物体保持在捕集器132内的其他特征。在一些情况下，捕集器132相对于微流体隔绝围栏的开口与通道122的相对侧对齐并位于其上，使得在围绕平行于通道122的轴线倾斜微流体设备100时，被捕集的微物体按照使得微物体落入隔离围栏的开口中的轨迹离开捕集器132。在一些情况下，捕集器132包括小于目标微物体的侧通道134，以便于通过捕集器132的流动，从而增加在捕集器132中捕获微物体的可能性。
如下面更详细讨论的，在一些实施例中，电润湿(EW)力经由一个或更多个电极(未示出)施加在微流体设备100的支撑结构104(和/或盖110)的表面上的一个或更多个位置处(例如，流动区域和/或隔绝围栏内的位置)，以操纵、传输、分离和分选位于微流体回路120中的液滴。例如，在一些实施例中，EW力被施加在支撑结构104(和/或盖110)的表面上的一个或更多个位置处，以将液滴从流动区域106转移到期望的微流体隔绝围栏中。在一些实施例中，EW力被用于防止隔绝围栏(例如隔绝围栏124、126、128或130)内的液滴从其中移位。此外，在一些实施例中，EW力用于根据本发明的教导从隔绝围栏选择性地移除先前收集的液滴。在一些实施例中，EW力包括光电润湿(OEW)力，
在一些实施例中，通过一个或更多个电极(未示出)将介电泳(DEP)力施加在流体介质180上(例如，在流动区域和/或隔绝围栏中)，以操纵、传输、分离和分选位于其中的微物体。例如，在一些实施例中，DEP力施加在微流体回路120的一个或更多个部分内，以将单个微物体从流动区域106转移到期望的微流体隔绝围栏中。在一些实施例中，使用DEP力来防止隔绝围栏(例如隔绝围栏124、126、128或130)内的微物体从其中移位。此外，在一些实施例中，使用DEP力来选择性地根据本发明的教导从隔绝围栏移除先前收集的微物体。在一些实施例中，DEP力包括光电子镊子(OET)力。
在一些实施例中，DEP和/或EW力与诸如流动和/或重力之类的其他力结合，以操纵、传输、分离和分选微流体回路120内的微物体和/或液滴。例如，封壳102可以倾斜(例如通过倾斜设备190)，以将流动区域106/通道122和位于其中的微物体定位在微流体隔绝围栏上方，并且重力可以将微物体和/或液滴传输到围栏中。在一些实施例中，可以在其他力之前施加DEP和/或EW力。在其他实施例中，可以在其他力之后施加DEP和/或EW力。在其他情况下，DEP和/或EW力可以与其他力同时或与其他力交替施加。
微流体设备动力配置。如上所述，系统的控制和监测设备可以包括用于在微流体设备的微流体回路中选择和移动诸如微物体或液滴的物体的动力模块。取决于被移动的物体的类型和其他考虑因素，本发明的微流体设备可具有多种动力配置。特别地，微流体设备100的支撑结构104和/或盖110可以包括电润湿(EW)配置，用于选择性地诱导微流体回路120中的流体介质180中的液滴上的EW力，从而选择、捕获和/或移动单独的液滴或液滴组。在某些实施例中，本发明的微流体设备可以包含具有EW配置的第一部分和具有介电泳(DEP)配置的第二部分。因此，微流体设备100的支撑结构104和/或盖110的至少一部分可以包括DEP配置，用于选择性地在微流体回路120中的流体介质180中的微物体上诱导DEP力，从而选择、捕获和/或移动单独的微物体或微物体组。
电润湿配置。在某些实施例中，本发明的微流体设备可以包括电润湿配置，其包括具有介电层和液滴致动表面的衬底，液滴致动表面包括共价结合到介电层的疏水层。介电层可位于疏水层下方，使得位于衬底上的液滴直接接触疏水层。图2A示出了这种微流体设备的一部分的示例。
如图所示，装置400可以包括基部104，基部104包括衬底和至少一个电极(例如，第一电极)418。衬底可以包括各种层，包括外疏水层412、内介电层414、导电层416、电极418和可选的支撑件420。疏水层412和内介电层414可以提供部分地限定封壳的衬底102的向内表面。
装置400还包括盖110，盖110包括外疏水层422、可以包括至少一个电极的内层428以及可选的支撑件430。盖110和基部104基本上彼此平行并且通过间隔元件108(例如，微流体回路材料)接合在一起，以限定被配置成容纳液体介质的封壳435。液体介质可以是例如疏水性液体，例如油。另外，封壳435可以容纳液体440的液滴，例如水性介质。典型地，液体介质和液滴的液体被选择为不能混溶的液体。
间隔元件108可以包括聚合物。该聚合物可以是例如基于硅的有机聚合物，诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或可光图案化的聚硅氧烷(PPS)，两者均可从道康宁获得。可选地，间隔元件108可以包括环氧基粘合剂。环氧基粘合剂可以是例如SU-8或等同类型的材料。间隔元件108可以具有至少30、40、50、60、70、80、90、100或更多微米的厚度(即，衬底104的内表面和盖110之间的间隙)。因此，例如，间隔元件108的厚度可以是30-60微米、40-80微米、50-100微米、60-120微米、70-140微米、75-150微米、80-160微米、90-180微米或100-200微米。
间隔元件108可以在封壳内限定一个或更多个微流体通道。另外，间隔元件108可以进一步在封壳内限定多个腔室(或隔绝围栏)，其中每个腔室流体地连接到至少一个微流体通道并且从其中打开。因此，例如，间隔元件108可以限定单个微流体通道和与其流体连接的多个腔室，或者多个微流体通道，每个通道流体连接到多个腔室。此外，每个腔室可以流体连接至多于一个微流体通道，如图6和7所示。
当衬底104的至少一个电极418和盖110的至少一个电极428连接到AC电压源(未示出)的相对的端子时，衬底104能够将电润湿力施加到与衬底104的外疏水表面412(即，液滴致动表面)接触的水性液滴。在某些实施例中，用于在微流体设备中实现液滴的基于电润湿的移动的AC电压为至少20伏峰至峰电压(ppV)(例如，约20至80ppV、约20至60ppV、约25至50ppV、约25至40ppV或约25至35ppV)。在某些实施例中，用于在微流体设备中实现液滴的基于电润湿的移动的AC电压的频率为约1至100kHz(例如，约5至90kHz、约10至80kHz、约15至70kHz、约20至60kHz、约25至50kHz或约30至40kHz)。
衬底104的外疏水层412和盖110的外疏水层422可各自包括分别共价结合到衬底104的内介电层414或者盖110的内层428的紧密堆积的自缔合分子单层。单层的自缔合分子包含足够的二维堆积密度，从而在单层所结合的表面与亲水性液体之间产生疏水性屏障(即，防止极性分子或其他化学物质的嵌入和/或渗透进入单层)。密集堆积的单层的堆积密度将取决于所使用的自缔合分子。包括烷基封端的硅氧烷的密集堆积单层通常将包括至少1x1014分子/cm2(例如，至少1.5x1014、2.0x1014、2.5x1014或更多分子/cm2)。
如下面更详细描述的那样，自缔合分子可各自包括链接基团，诸如硅氧烷基团或膦酸基团。硅氧烷基团可以共价键合到内介电层414或内层428的分子。类似地，膦酸基团可共价键合到内介电层414或内层428的分子。自缔合分子可以包含长链烃，其可以是无支链的。因此，自缔合分子可以包括烷基封端的硅氧烷或烷基封端的膦酸。长链烃可以包含至少10个碳(例如，至少16个、18个、20个、22个或更多个碳)的链。自缔合分子可以包含氟化碳链。因此，例如，自缔合分子可以包含氟代烷基封端的硅氧烷或氟代烷基封端的膦酸。氟化碳链可以具有化学式CF3-(CF2)m-(CH2)n-，其中m至少为2，n为0、1、2或更大，并且m+n至少为9。
单层自缔合分子可具有小于约5纳米(例如，约1.0至约4.0纳米，约1.5至约3.0纳米或约2.0至约2.5纳米)的厚度。
衬底104的外疏水层412可以被图案化，使得与外疏水层的其余部分相比，选择区域相对疏水。例如，这可以通过将下面的内介电层122上的电压降增加至50ppV或更高(例如60、65、70、75、80或更多ppV)达一段时间来实现。不受理论束缚，认为相对亲水区域包含嵌入单层中的水分子。
在一些实施例中，衬底的内介电层可以包括一个或更多个氧化物层。例如，内介电层可以包括单个氧化物层(例如金属氧化物层)或由其组成。或者，内介电层可以包括两层或由两层组成。在一些实施例中，一层可以是二氧化硅或氮化硅，而另一层可以是金属氧化物，例如氧化铝。在某些实施例中，金属氧化物层的厚度可以在约15nm至约45nm、或约30nm至约40nm、或约33nm至约36nm的范围内。可以通过原子层沉积(ALD)技术沉积金属氧化物层，并且可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术来沉积包含二氧化硅或氮化硅的层。
在又一个实施例中，内介电层可以包括三层介电材料。在一些实施例中，第一层可以包括可以夹在二氧化硅层和氮化硅层之间的金属氧化物，例如氧化铝、氧化铪等。在某些实施例中，金属氧化物层的厚度可以在约5nm至约20nm的范围内，并且该层可以通过原子层沉积(ALD)技术沉积。氧化硅层也可以通过ALD沉积，并且可以具有约2nm至约10nm的厚度。氮化硅层可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术沉积并且可以具有约80nm至约100nm或约90nm厚度的厚度。
不管构成内介电层的层数如何，内介电层可具有约50至105纳米的厚度和/或约50至150千欧姆的阻抗，优选实施例为约100千欧姆。
衬底104可以包括具有接触内介电层414的第一侧的光响应层146。光响应层416的第二侧可以接触至少一个电极418。光响应层416可以包含氢化非晶硅(a-Si：H)。例如，a-Si：H可以包含约8％至40％的氢(即，计算为100*氢原子的数量/氢原子和硅原子的总数)。a-Si：H层可以具有至少约500纳米(例如，至少约600至1400、约700至1300、约800至1200、约900至1100或约1000纳米)的厚度。然而，a-Si：H层的厚度可以根据内介电层414的厚度而变化，以便在衬底104处于开启状态(即，被照射和导通)和关闭状态(即，黑暗和不导通)时实现内介电层414的阻抗和a-Si：H层的阻抗之间的适当差异。例如，内介电层414的阻抗可以被调谐到约50kOhm到约150kOhm，并且a-Si：H层的阻抗可以在关闭状态下调节到至少约0.5MOhm，并且在开启状态下小于或者等于约1kOhm。这些仅仅是示例，但是它们示出了阻抗如何被调谐以实现显示鲁棒的开/关性能的光响应(在这种情况下，光电导)层416。在衬底104具有由a-Si：H层形成的光响应层416的实施例中，衬底104可以可选地包括位于光响应层416和内介电层414之间的浮动电极垫。例如在第6,958,132号美国专利中已经描述了这种浮动电极垫，其内容通过引用并入本文。
或者，光响应层416可以包括多个导体，每个导体经由光电晶体管开关可控制地连接到衬底102的至少一个电极。由光电晶体管开关控制的导体在本领域中是公知的，并且已经在例如第2014/0124370号美国专利申请中进行了描述，其内容通过引用并入本文。
衬底104可以包括被配置为连接到AC电压源的单电极418。单电极418可以包括氧化铟锡(ITO)层，其例如可以形成在玻璃支撑件420上。或者，单电极418可以包括导电硅层。在其他实施例中，衬底104可以包括可单独寻址的多个电极，如本领域中公知的EWOD器件的方式。可单独寻址的电极可以通过相应的晶体管开关连接到一个或更多个AC电压源。
盖110可以以衬底的方式进一步包括与疏水层422并置的介电层(未示出)和并置在介电层和电极428之间的导电层(未示出)。因此，微流体设备400可以使衬底104和盖110两者都被配置为向位于封壳435内的水性液滴440提供电润湿力。在这样的实施例中，盖110的介电层可以以本文公开的用于衬底104的内介电层414的任何方式来配置，并且盖104的导电层可以以本文公开的用于衬底102的导电层126的任何方式来配置。
介电泳(DEP)配置。如本文所讨论的，本发明的微流体设备可以包括具有DEP配置的部分。该部分一个示例是图1C和1D中所示的微流体设备200。尽管为了简单起见，图1C和1D分别示出了具有开放区域/腔室202的微流体设备200的封壳102的一部分的垂直截面视图和水平截面视图，应当理解的是，区域/腔室202可以是具有更详细结构的流体回路元件的一部分，诸如生长腔室、隔绝围栏、流动区域或流动通道。此外，微流体设备200可以包括其他流体回路元件。例如，微流体设备200可以包括多个生长腔室或隔绝围栏和/或一个或更多个流动区域或流动通道，例如本文关于微流体设备100所描述的那些。DEP配置可以结合到微流体设备200的任何这种流体回路元件或其选择部分中。应该进一步理解的是，任何上述或下面描述的微流体设备部件和系统部件可以并入微流体设备200和/或与微流体设备200结合使用。例如，包括上述控制和监测设备152的系统150可以与微流体设备200(包括介质模块160、动力模块162、成像模块164、倾斜模块166和其他模块168中的一个或更多个)一起使用。
如图1C所示，微流体设备200包括具有底部电极204和覆盖底部电极204的电极活化衬底206的支撑结构104、以及具有顶部电极210的盖110，其中顶部电极210与底部电极204间隔开。顶部电极210和电极活化衬底206限定区域/腔室202的相对表面。包含在区域/腔室202中的介质180因此在顶部电极210和电极活化衬底206之间提供电阻连接。还示出了被配置为连接到底部电极204和顶部电极210并在电极之间产生偏置电压的电源212，如在区域/腔室202中产生DEP力所需的那样。电源212可以是例如交流(AC)电源。
在某些实施例中，图1C和1D中所示的微流体设备200可具有光学致动的DEP配置。因此，可以由动力模块162控制的来自光源216的光218的改变图案可以选择性地激活和停用电极活化衬底206的内表面208的区域214处的DEP电极的改变图案。(在下文中，具有DEP配置的微流体设备的区域214被称为“DEP电极区域”。)如图1D所示，引导到电极活化衬底206的内表面208上的光图案218可以以诸如正方形的图案照射选择的DEP电极区域214a(以白色显示)。以下将未被照射的DEP电极区域214(交叉影线)称为“暗”DEP电极区域214。通过DEP电极活化衬底206(即，从底部电极204直到电极活化衬底206的与流动区域106中的介质180交界的内表面208)的相对阻抗大于在每个暗DEP电极区域214处通过区域/腔室202中的介质180(即，从电极活化衬底206的内表面208到盖110的顶部电极210)的相对阻抗。然而，被照射的DEP电极区域214a呈现出通过电极活化衬底206的减小的相对阻抗，该相对阻抗小于在每个被照射的DEP电极区域214a处通过区域/腔室202中的介质180的相对阻抗。
在激活电源212的情况下，上述DEP配置在被照射的DEP电极区域214a和相邻的暗DEP电极区域214之间的流体介质180中产生电场梯度，这又产生吸引或排斥流体介质180中的附近的微物体(未示出)的局部DEP力。因此，可以在区域/腔室202的内表面208的许多不同的这种DEP电极区域214处通过改变从光源216投射到微流体设备200中的光图案218而选择性地激活和停用吸引或排斥流体介质180中的微物体的DEP电极。DEP力是吸引还是排斥附近的微物体可取决于诸如电源212的频率和介质180和/或微物体(未示出)的介电性质等参数。
图1C中所示的被照射的DEP电极区域214a的正方形图案220仅是示例。可以通过投射到设备200中的光图案218来照射(并由此激活)DEP电极区域214的任何图案，并且照射/激活的DEP电极区域214的图案可以通过改变或移动光图案218来重复改变。
在一些实施例中，电极活化衬底206可以包括光电导材料或由光电导材料组成。在这样的实施例中，电极活化衬底206的内表面208可以是无特征的。例如，电极活化衬底206可以包括氢化非晶硅(a-Si：H)层或由其组成。a-Si：H可以包含例如约8％至40％的氢(按100*氢原子数/氢原子和硅原子的总数计算)。a-Si：H层可具有约500nm至约2.0μm的厚度。在这样的实施例中，根据光图案218，DEP电极区域214可以在电极活化衬底206的内表面208上的任何地方以任何图案形成。因此，DEP电极区域214的数量和图案不需要是固定的，而是可以对应于光图案218。例如在第RE 44,711号美国专利(Wu等人)(最初作为第7,612,355号美国专利公开)中已经描述了具有包括如上所述的光电导层的DEP配置的微流体设备的示例，其全部内容通过引用并入本文。
在其他实施例中，电极活化衬底206可以包括衬底，该衬底包括多个掺杂层、电绝缘层(或区域)和形成半导体集成电路的导电层，诸如在半导体领域中已知的。例如，电极活化衬底206可以包括多个光电晶体管，例如包括横向双极光电晶体管，每个光电晶体管对应于DEP电极区域214。或者，电极活化衬底206可以包括由光电晶体管开关控制的电极(例如，导电金属电极)，每个这样的电极对应于DEP电极区域214。电极活化衬底206可以包括这种光电晶体管或光电晶体管控制电极的图案。例如，该图案可以是排列成行和列的基本上正方形的光电晶体管或光电晶体管控制电极的阵列，如图2B所示。或者，该图案可以是形成六方点阵的基本上六边形的光电晶体管或光电晶体管控制电极的阵列。不管何种图案，电路元件可以在电极活化衬底206的内表面208处的DEP电极区域214与底部电极210之间形成电连接，并且可以由光图案218选择性地激活和停用那些电连接(即，光电晶体管或电极)。当未被激活时，每个电连接可以具有高阻抗，使得通过电极活化衬底206(即，从底部电极204到与区域/腔室202中的介质180相交界的电极活化衬底206的内表面208)的相对阻抗大于在相应DEP电极区域214处通过介质180(即，从电极活化衬底206的内表面208至盖110的顶部电极210)的相对阻抗。然而，当被光图案218中的光激活时，通过电极活化衬底206的相对阻抗小于在每个被照射的DEP电极区域214处通过介质180的相对阻抗，从而激活相应DEP电极区域处的DEP电极，如上所述。因此，以由光图案218确定的方式，可以在区域/腔室202中的电极活化衬底206的内表面208处的许多不同的DEP电极区域214处选择性地激活和停用吸引或排斥介质180中的微物体(未示出)的DEP电极。
在例如第7,956,339号美国专利(Ohta等人)中已经描述了具有包括光电晶体管的电极活化衬底的微流体设备的示例(参见例如图21和图22中所示的设备300及其描述)，其全部内容通过引用并入本文。具有包括由光电晶体管开关控制的电极的电极活化衬底的微流体设备的示例已经在例如公开号为2014/0124370的美国专利(Short等人)中描述(参见例如整个附图示出的设备200、400、500、600和900及其描述)，其全部内容通过引用并入本文。
在DEP配置的微流体设备的一些实施例中，顶部电极210是封壳102的第一壁(或盖110)的一部分，并且电极活化衬底206和底部电极204是第二壁(或支撑结构104)的一部分。区域/腔室202可位于第一壁和第二壁之间。在其他实施例中，电极210是第二壁(或支撑结构104)的一部分，并且电极活化衬底206和/或电极210中的一者或两者是第一壁(或盖110)的一部分。此外，光源216可以替代地用于从下方照射封壳102。
利用图1C至图1D的具有DEP配置的微流体设备200，动力模块162可以通过将光图案218投射到设备200中来选择区域/腔室202中的介质180中的微物体(未示出)，以在围绕并捕获微物体的图案(例如，正方形图案220)中激活电极活化衬底206的内表面208的DEP电极区域214a处的第一组一个或更多个DEP电极。然后，动力模块162可以通过相对于设备200移动光图案218来移动捕获的微物体以激活在DEP电极区域214处的第二组一个或更多个DEP电极。或者，设备200可以相对于光图案218移动。
在其他实施例中，微流体设备200可以具有不依赖于在电极活化衬底206的内表面208处的DEP电极的光激活的DEP配置。例如，电极活化衬底206可以包括与包括至少一个电极的表面(例如，盖110)相对定位的选择性可寻址和可激励电极。开关(例如，半导体衬底中的晶体管开关)可以选择性地打开和闭合，以激活或钝化DEP电极区域214处的DEP电极，从而在激活的DEP电极附近的区域/腔室202内的微物体(未示出)上产生净DEP力。取决于诸如电源212的频率和介质(未示出)和/或区域/腔室202中的微物体的介电特性的这样的特性，DEP力可以吸引或排斥附近的微物体。通过选择性地激活和停用成组的DEP电极(例如，在形成正方形图案220的成组的DEP电极区域214处)，区域/腔室202中的一个或更多个微物体可被捕集并在区域/腔室202内移动。图1A中的动力模块162可以控制这样的开关并因此激活和停用DEP电极中的单独的DEP电极以选择、捕集和移动围绕区域/腔室202的特定微物体(未示出)。具有包括选择性可寻址和可激励电极的DEP配置的微流体设备在本领域中是已知的，并且已经在第6,294,063号(Becker等)和第6,942,776号(Medoro)美国专利中已经描述，其全部内容通过引用并入本文。
具有电润湿和介电泳(DEP)配置的微流体设备。图4是根据各种实施例的集成多个微流体应用的微流体设备或装置450的垂直截面图。设备450包括两个不同的部分(尽管可以有更多)，每个部分具有单个微流体配置。部分460包括电润湿配置，其包括包含衬底的基部104。衬底包括各种层，包括外疏水层412、内介电层414、导电层416和电极418。疏水层412和内介电层414可以提供部分地限定封壳435的衬底的面向内表面。部分460还包括包含电极428和外疏水层422的盖110、以及将基部104与盖110连接的微流体回路材料108，微流体回路材料108还有助于限定电润湿部分的微流体回路，包括被配置为容纳不能混溶的流体的封壳435。
微流体设备450的部分470包括介电泳DEP配置，其包括基部104、第一电极479、电极活化衬底474和部分地限定封壳475的面向内的表面。部分470还包括包含电极468的盖110、以及将基部104与盖110连接并且还有助于限定DEP部分的微流体回路的微流体回路材料108。
如图4所示，电润湿部分460和DEP部分470可以共用相同的基部104和盖110，而它们的衬底和电极不共用。设备450的电润湿部分460和DEP部分470可以通过桥465接合，桥465可以是管道、粘合材料等或其任何组合。
图5是根据各种实施例的集成多个微流体应用的微流体设备或装置500的垂直截面图。像设备400一样，设备500包括两个不同的部分(尽管可以有更多)，每个部分具有单个微流体配置。具体而言，部分460包括电润湿配置，部分470包括DEP配置。如相应的附图标记所示，设备500的各种部件具有与设备400中的部件相对应的部分。然而，设备500具有单片衬底，该单片衬底具有导电层416、第一电极418和第二电极428，所有这些都由部分460和470共用。
图19A和19B提供了根据结合图5描述的实施例的用于一个功能方面的电寻址操作表示的视图。如之前结合图5所描述的，该系统集成了两个微流体操作，如共用单片衬底416的DEP和EW模块所描绘的。在该实施例中，DEP(其可以是OET)模块相对于EW模块具有较低的阻抗。在操作期间，EW模块的阻抗克服了DEP模块的阻抗，并且基本上使DEP模块短路。
在如图19A所示的一个实施例中，OEP模块通过以100kHz至10mHz范围内的频率施加1-10伏范围内的电压来操作。在同一实施例中，如图19B所示，OEW模块通过以1kHz至300kHz范围内的频率施加10-100伏范围内的电压来操作。在一个优选实施例中，OEP模块通过以1MHz的频率施加5伏的电压来操作，并且OEW模块通过以30kHz的频率施加30伏的电压来操作。
隔绝围栏。在图2A-2C所示的微流体设备230内示出了通用隔绝围栏224、226和228的非限制性示例。每个隔绝围栏224、226和228可以包括限定隔离区240的隔离结构232和将隔离区240流体连接到通道122的连接区236。连接区236可以包括通向通道122的近侧开口234和通向隔离区240的远侧开口238。连接区236可以配置成使得从通道122流入隔绝围栏224、226、228的流体介质(未示出)的流动的最大穿透深度不延伸到隔离区240中。因此，由于连接区236，设置在隔绝围栏224、226、228的隔离区240中的微物体(未示出)或其他材料(未示出)因此可以与通道122中的介质180的流动分离并且基本上不受其影响。
图2A-2C的隔绝围栏224、226和228各自具有直接通向通道122的单个开口。隔绝围栏的开口从通道122横向打开。电极活化衬底206位于通道122和隔绝围栏224、226和228两者的下面。形成隔绝围栏的底面的隔绝围栏的封壳内的电极活化衬底206的上表面设置在形成微流体设备的流动通道(或流动区域)的底面的通道122(或者如果通道不存在则为流动区域)内的电极活化衬底206的上表面的相同高度或基本上相同的高度处。电极活化衬底206可以是无特征的或者可以具有不规则或图案化的表面，该表面从其最高高度到最低的凹陷变化小于约3微米、2.5微米、2微米、1.5微米、1微米、0.9微米、0.5微米、0.4微米、0.2微米、0.1微米或更小。通过通道122(或流动区域)和隔绝围栏的衬底的上表面中的高度的变化可小于隔绝围栏壁或微流体设备的壁的高度的约3％、2％、1％、0.9％、0.8％、0.5％、0.3％或0.1％。虽然详细描述了微流体设备200，但这也适用于本文所述的任何微流体设备100、230、250、280、290、600、700。
通道122因此可以是被扫过的区域的示例，并且隔绝围栏224、226、228的隔离区240可以是未被扫过的区域的示例。如上所述，通道122和隔绝围栏224、226、228可以被配置为包含一个或更多个流体介质180。在图2A-2B所示的示例中，端口222连接到通道122并且允许流体介质180被引入微流体设备230或从微流体设备230移除。在引入流体介质180之前，微流体设备可以用诸如二氧化碳气体的气体填装。一旦微流体设备230包含流体介质180，通道122中的流体介质180的流动242可被选择性地产生并停止。例如，如图所示，端口222可以设置在通道122的不同位置(例如，相对的端部)处，并且可以从用作入口的一个端口222到用作出口的另一个端口222创建介质的流动242。
图2C示出了根据本发明的隔绝围栏224的示例的详细视图。还示出了微物体246的示例。
如已知的，流体介质180在微流体通道122中经过隔绝围栏224的近侧开口234的流动242可引起介质180进入和/或离开隔绝围栏224的二次流动244。为了将隔绝围栏224的隔离区240中的微物体246与二次流动244隔离，隔绝围栏224的连接区236的长度Lcon(即，从近侧开口234到远侧开口238)应该是大于二次流动244进入连接区236的穿透深度Dp。二次流动244的穿透深度Dp取决于在通道122中流动的流体介质180的速度以及与通道122的配置和连接区236到通道122的近侧开口234有关的各种参数。对于给定的微流体设备，通道122和开口234的配置将是固定的，而通道122中的流体介质180的流动242的速率将是可变的。因此，对于每个隔绝围栏224，可以识别通道122中的流体介质180的流动242的最大速度Vmax，其确保二次流动244的穿透深度Dp不超过连接区236的长度Lcon。只要通道122中的流体介质180的流动242的速率不超过最大速度Vmax，则所产生的二次流动244可以被限制到通道122和连接区236并且保持在隔离区240之外。因此，介质180在通道122中的流动242不会将微物体246拉出隔离区240。相反，位于隔离区240中的微物体246将停留在隔离区240中，而与通道122中的流体介质180的流动242无关。
而且，只要通道122中的介质180的流动242的速率不超过Vmax，通道122中的流体介质180的流动242将不会使混杂颗粒(例如，微米颗粒和/或纳米颗粒)从通道122中移动进入隔绝围栏224的隔离区240。因此，连接区236的长度Lcon大于二次流动244的最大穿透深度Dp可以防止来自通道122或另一隔绝围栏(例如图2D中的隔绝围栏226、228)的混杂颗粒对一个隔绝围栏224的污染。
因为通道122和隔绝围栏224、226、228的连接区236可能受通道122中的介质180的流动242影响，所以通道122和连接区236可以被认为是微流体设备230的被扫过(或流动)区域。另一方面，隔绝围栏224、226、228的隔离区240可以被认为是未被扫过(或非流动)区域。例如，通道122中第一流体介质180中的组分(未示出)可基本上仅通过第一介质180的组分的扩散从通道122通过连接区236并进入隔离区240中的第二流体介质248而与隔离区240中的第二流体介质248混合。类似地，隔离区240中的第二介质248的组分(未示出)可以基本上仅通过第二介质248的组分的扩散从隔离区240穿过连接区236并且进入通道122中的第一介质180而与通道122中的第一介质180混合。在一些实施例中，隔绝围栏的隔离区与流动区之间通过扩散进行的流体介质交换程度大于流体交换的约90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或大于约99％。第一介质180可以是与第二介质248相同的介质或不同的介质。此外，第一介质180和第二介质248可以开始是相同的，然后变得不同(例如，通过隔离区240中的一个或更多个细胞对第二介质248的调节，或者通过改变流过通道122的介质180)。
如上所述，由通道122中的流体介质180的流动242导致的二次流动244的最大穿透深度Dp可以取决于多个参数。这样的参数的示例包括：通道122的形状(例如，通道可以将介质引导到连接区236中，使介质转移出连接区236，或者在基本上垂直于通道122的连接区236的近侧开口234的方向上将介质引导到通道122中)；通道122在近侧开口234处的宽度Wch(或截面积)；和在近侧开口234处的连接区236的宽度Wcon(或截面积)；流体介质180在通道122中的流动242的速度V；第一介质180和/或第二介质248的粘度等。
在一些实施例中，通道122和隔绝围栏224、226、228的尺寸可相对于通道122中的流体介质180的流动242的矢量如下定向：通道宽度Wch(或通道122的截面积)可以基本上垂直于介质180的流动242；连接区236在开口234处的宽度Wcon(或截面积)可以基本平行于通道122中的介质180的流动242；和/或连接区的长度Lcon可以基本垂直于通道122中的介质180的流动242。以上仅是示例，并且通道122和隔绝围栏224、226、228的相对位置可以相对于彼此处于其他方位。
如图2C所示，连接区236的宽度Wcon可以从近侧开口234到远侧开口238是均匀的。因此，在远侧开口238处的连接区236的宽度Wcon可以是本文为连接区236在近侧开口234处的宽度Wcon所标识的任何范围内。或者，远侧开口238处的连接区236的宽度Wcon可以大于近侧开口234处的连接区236的宽度Wcon。
如图2C所示，远侧开口238处的隔离区240的宽度可以与近侧开口234处的连接区236的宽度Wcon基本相同。因此，在远侧开口238处的隔离区240的宽度可以是本文为连接区236在近侧开口234处的宽度Wcon所标识的任何范围内。或者，远侧开口238处的隔离区240的宽度可以大于或小于近侧开口234处的连接区236的宽度Wcon。而且，远侧开口238可以小于近侧开口234，并且连接区236的宽度Wcon可以在近侧开口234和远侧开口238之间变窄。例如，连接区236可以使用各种不同的几何形状(例如倒角连接区，斜切连接区)而在近侧开口和远侧开口之间变窄。此外，连接区236的任何部分或子部分(例如，连接区与近侧开口234相邻的一部分)可以变窄。
图2D-2F描绘了包含微流体回路262和流动通道264的微流体设备250的另一个示例性实施例，其是图1的相应微流体设备100、回路132和通道134的变型。微流体设备250还具有多个隔绝围栏266，所述隔绝围栏266是上述隔绝围栏124、126、128、130、224、226或228的附加变型。特别地，应该理解的是，图2D-2F中示出的设备250的隔绝围栏266可以代替设备100、200、230、280、290或320中的任何上述隔绝围栏124、126、128、130、224、226或228。类似地，微流体设备250是微流体设备100的另一种变型，并且也可以具有与上述微流体设备100、200、230、280、290、320相同或不同的DEP配置以及本文描述的任何其他微流体系统部件。
图2D-2F的微流体设备250包括支撑结构(在图2D-2F中不可见，但可以与图1A中描绘的设备100的支撑结构104相同或基本相似)、微流体回路结构256和盖(在图2D-2F中不可见，但可以与图1A中描绘的设备100的盖122相同或基本相似)。微流体回路结构256包括框架252和微流体回路材料260，其可以与图1A中示出的设备100的框架114和微流体回路材料116相同或基本相似。如图2D所示，由微流体回路材料260限定的微流体回路262可包括多个隔绝围栏266流体连接到的多个通道264(示出两个，但可以有更多)。
每个隔绝围栏266可以包括隔离结构272、隔离结构272内的隔离区270和连接区268。从通道264处的近侧开口274到隔离结构272处的远侧开口276，连接区268将通道264流体连接到隔离区270。通常，根据图2B和2C的上述讨论，通道264中的第一流体介质254的流动278可以产生第一介质254从通道264进入和/或离开隔绝围栏266的相应连接区268的二次流动282。
如图2E所示，每个隔绝围栏266的连接区268通常包括在通向通道264的近侧开口274与通向隔离结构272的远侧开口276之间延伸的区域。连接区268的长度Lcon可以大于二次流动282的最大穿透深度Dp，在这种情况下，二次流动282将延伸到连接区268中而不被重新引导到隔离区270(如图2D所示)。或者，如图2F所示，连接区268可以具有小于最大穿透深度Dp的长度，在这种情况下，二次流动282将延伸穿过连接区268并且朝向隔离区270重新引导。在后一种情况下，连接区268的长度Lc1和Lc2之和大于最大穿透深度Dp，使得二次流动282不会延伸到隔离区270中。无论连接区268的长度Lcon是大于穿透深度Dp还是连接区268的长度Lc1和Lc2之和大于穿透深度Dp，不会超过最大速度Vmax的第一介质254在通道264中的流动278都将产生具有穿透深度Dp的二次流动，并且在隔绝围栏266的隔离区270中的微物体(未示出，但可以与图2C中所示的微物体246相同或基本相似)将不会被通道264中的第一介质254的流动278从隔离区270中拉出。通道264中的流动278也不会将来自通道264的杂物(未示出)带入隔绝围栏266的隔离区270中。如此，扩散是通道264中的第一介质254中的组分可以从通道264移动到隔绝围栏266的隔离区270中的第二介质258中的唯一机制。类似地，扩散是隔绝围栏266的隔离区270中的第二介质258中的组分可以从隔离区270移动到通道264中的第一介质254的唯一机制。第一介质254可以是与第二介质258相同的介质，或者第一介质254可以是与第二介质258不同的介质。或者，第一介质254和第二介质258可以开始相同，然后变得不同，例如通过隔离区270中的一个或多个单元对第二介质进行调节，或者通过改变流过通道264的介质。
如图2E所示，通道264中的通道264的宽度Wch(即，横向于通过图2D中的箭头278所指示的通道的流体介质流动的方向所取的方向)可以基本垂直于近侧开口274的宽度Wcon1并且因此基本平行于远侧开口276的宽度Wcon2。然而，近侧开口274的宽度Wcon1和远侧开口276的宽度Wcon2不必基本上彼此垂直。例如，近侧开口274的宽度Wcon1所定向的轴线(未示出)与远侧开口276的宽度Wcon2所定向的另一轴线之间的角度可以不是垂直的，因此不是90°。可选方位角度的示例包括以下任何范围内的角度：约30°至约90°，约45°至约90°，约60°至约90°等。
在隔绝围栏(例如124、126、128、130、224、226、228或266)的各种实施例中，隔离区(例如240或270)被配置为包含多个微物体。在其他实施例中，隔离区可以被配置为仅包含一个、两个、三个、四个、五个或类似的相对较少数量的微物体。因此，隔离区的容积可以是例如至少1x106、2x106、4x106、6x106立方微米或更多。
在隔绝围栏的各种实施例中，近侧开口(例如，234)处的通道(例如，122)的宽度Wch可以在以下范围中的任何一个范围内：约50-1000微米、50-500微米、50-400微米、50-300微米、50-250微米、50-200微米、50-150微米、50-100微米、70-500微米、70-400微米、70-300微米、70-250微米、70-200微米、70-150微米、90-400微米、90-300微米、90-250微米、90-200微米、90-150微米、100-300微米、100-250微米、100-200微米、100-150微米、和100-120微米。在一些其他实施例中，近侧开口(例如234)处的通道(例如，122)的宽度Wch可以在约200-800微米、200-700微米或200-600微米的范围内。以上仅是示例，并且通道122的宽度Wch可以处于其他范围内(例如，由上面列出的任何端点限定的范围)。此外，在通道的除了隔绝围栏的近侧开口处之外的区域中，通道122的Wch可以被选择为处于这些范围中的任何范围中。
在一些实施例中，隔绝围栏具有约30至约200微米或约50至约150微米的高度。在一些实施例中，隔绝围栏的截面积为约1x104–3x106平方微米、2x104–2x106平方微米、4x104–1x106平方微米、2x104–5x105平方微米、2x104–1x105平方微米或约2x105–2x106平方微米。在一些实施例中，连接区具有约100至约500微米、200至约400微米或约200至约300微米的截面宽度。
在隔绝围栏的各种实施例中，近侧开口(例如，234)处的通道(例如，122)的高度Hch可以在以下范围中的任何一个范围内：20-100微米、20-90微米、20-80微米、20-70微米、20-60微米、20-50微米、30-100微米、30-90微米、30-80微米、30-70微米、30-60微米、30-50微米、40-100微米、40-90微米、40-80微米、40-70微米、40-60微米或40-50微米。以上仅是示例，并且通道(例如122)的高度Hch可以处于其他范围(例如，由以上列出的任何端点所定义的范围)中。在通道的除隔绝围栏的近侧开口处之外的区域中，通道122的高度Hch可以被选择为在任何一个这些范围内。
在隔绝围栏的各种实施例中，近侧开口(例如，234)处的通道(例如，122)的截面积可以在以下范围中的任何一个范围内：500-50,000平方微米、500-40,000平方微米、500-30,000平方微米、500-25,000平方微米、500-20,000平方微米、500-15,000平方微米、500-10,000平方微米、500-7,500平方微米、500-5,000平方微米、1,000-25,000平方微米、1,000-20,000平方微米、1,000-15,000平方微米、1,000-10,000平方微米、1,000-7,500平方微米、1,000-5,000平方微米、2,000-20,000平方微米、2,000-15,000平方微米、2,000-10,000平方微米、2,000-7,500平方微米、2,000-6,000平方微米、3,000-20,000平方微米、3,000-15,000平方微米、3,000-10,000平方微米、3,000-7,500平方微米或3,000至6,000平方微米。前述仅仅是示例，并且近侧开口(例如，234)处的通道(例如，122)的截面可以处于其他范围(例如，由以上列出的任何端点限定的范围)内。
在隔绝围栏的各种实施例中，连接区(例如，236)的长度Lcon可以处于以下范围中的任一个：约1-600微米、5-550微米、10-500微米、15-400微米、20-300微米、20-500微米、40-400微米、60-300微米、80-200微米或约100-150微米。以上仅是示例，并且连接区(例如236)的长度Lcon可以处于与前述示例不同的范围(例如，由上面列出的任何端点限定的范围)中。
在隔绝围栏的各种实施例中，在近侧开口(例如，234)处的连接区(例如，236)的宽度Wcon可以处于以下范围中的任一个：20-500微米、20-400微米、20-300微米、20-200微米、20-150微米、20-100微米、20-80微米、20-60微米、30-400微米、30-300微米、30-200微米、30-150微米、30-100微米、30-80微米、30-60微米、40-300微米、40-200微米、40-150微米、40-100微米、40-80微米、40-60微米、50-250微米、50-200微米、50-150微米、50-100微米、50-80微米、60-200微米、60-150微米、60-100微米、60-80微米、70-150微米、70-100微米和80-100微米。前述仅仅是示例，并且近侧开口(例如，234)处的连接区(例如，236)的宽度Wcon可以不同于前述示例(例如，由以上列出的任何端点限定的范围)。
在隔绝围栏的各种实施例中，近侧开口(例如，234)处的连接区(例如，236)的宽度Wcon可以至少与隔绝围栏所要用于的微物体(例如，可以是T细胞、B细胞或卵子或胚胎的生物细胞)的最大尺寸一样大。例如，在液滴将被放入的隔绝围栏的近侧开口234处的连接区236的宽度Wcon可以处于以下范围中的任何一个范围：约100微米、约110微米、约120微米、约130微米、约140微米、约150微米、约160微米、约170微米、约180微米、约190微米、约200微米、约225微米、约250微米、约300微米或约100-400微米、约120微米-350微米、约140-200-200、300微米、或约140-200微米。前述仅仅是示例，并且近侧开口(例如，234)处的连接区(例如，236)的宽度Wcon可以不同于前述示例(例如，由以上列出的任何端点限定的范围)。
在隔绝围栏的各种实施例中，连接区的近侧开口的宽度Wpr可以至少与隔绝围栏所要用于的微物体(例如，诸如细胞的生物微物体)的最大尺寸一样大。例如，宽度Wpr可以是约50微米，约60微米，约100微米，约200微米，约300微米或者可以在约50-300微米，约50-200微米，约50-100微米，约75-150微米，约75-100微米或约200-300微米。
在隔绝围栏的各种实施例中，连接区(例如236)的长度Lcon与近侧开口234处的连接区(例如236)的宽度Wcon的比率可以大于或等于以下任一比率：0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0或更大。前述仅是示例，并且连接区236的长度Lcon与近侧开口234处的连接区236的宽度Wcon的比率可以与前述示例不同。
在微流体设备100、200、230、250、280、290、320、600、700的各种实施例中，Vmax可设定为约0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4或1.5μl/秒。
在具有隔绝围栏的微流体设备的各种实施例中，隔绝围栏的隔离区(例如，240)的容积可以是例如至少5x105、8x105、1x106、2x106、4x106、6x106、8x106、1x107、5x107、1x108、5x108或8x108立方微米或更大。在具有隔绝围栏的微流体设备的各种实施例中，隔绝围栏的容积可以是约5x105、6x105、8x105、1x106、2x106、4x106、8x106、1x107、3x107、5x107或约8x107立方微米或更大。在一些其他实施例中，隔绝围栏的容积可以是约1纳升至约50纳升、2纳升至约25纳升、2纳升至约20纳升、约2纳升至约15纳升或约2纳升至约10纳升。
在各种实施例中，微流体设备具有如本文讨论的任何实施例中配置的隔绝围栏，其中微流体设备具有约5至约10个隔绝围栏、约10至约50个隔绝围栏、约100至约500个隔绝围栏；约200至约1000个隔绝围栏、约500至约1500个隔绝围栏、约1000至约2000个隔绝围栏或约1000至约3500个隔绝围栏。隔绝围栏不需要全部具有相同的尺寸，并且可以包括多种配置(例如，隔绝围栏内的不同宽度、不同特征)。
在一些其他实施例中，微流体设备具有如本文讨论的任何实施例中配置的隔绝围栏，其中微流体设备具有约1500至约3000个隔绝围栏、约2000至约3500个隔绝围栏、约2500至约4000个隔绝围栏、约3000至约4500个隔绝围栏、约3500至约5000个隔绝围栏、约4000至约5500个隔绝围栏、约4500至约6000个隔绝围栏、约5000至约6500个隔绝围栏、约5500至约7000个隔绝围栏、约6000至约7500个隔绝围栏、约6500至约8000个隔绝围栏、约7000至约8500个隔绝围栏、约7500至约9000个隔绝围栏、约8000至约9500个隔绝围栏、约8500至约10,000个隔绝围栏、约9000至约10,500个隔绝围栏、约9500至约11000个隔绝围栏、约10,000至约11,500个隔绝围栏、约10,500至约12,000个隔绝围栏、约11,000至约12,500个隔绝围栏、约11,500至约13,000个隔绝围栏、约12,000至约13,500个隔绝围栏、约12,500至约14,000个隔绝围栏、约13,000至约14,500个隔绝围栏、约13,500至约15,000个隔绝围栏、约14,000至约15,500个隔绝围栏、约14,500至约16,000个隔绝围栏、约15,000至约16,500个隔绝围栏、约15,500至约17,000个隔绝围栏、约16,000至约17,500个隔绝围栏、约16,500至约18,000个隔绝围栏、约17,000至约18,500个隔绝围栏、约17,500至约19,000个隔绝围栏、约18,000至约19,500个隔绝围栏、约18,500至约20,000个隔绝围栏、约19,000至约20,500个隔绝围栏、约19,500至约21,000个隔绝围栏、或约20,000至约21,500个隔绝围栏。
图2G示出了根据一个实施例的微流体设备280。图2G中示出了微流体设备280是微流体设备100的程式化图。实际上，微流体设备280及其组成回路元件(例如通道122和隔绝围栏128)将具有本文讨论的尺寸。图2G中示出的微流体回路120具有两个端口107和具有四个不同通道122的流动区域106。微流体设备280进一步包括从每个通道122打开的多个隔绝围栏。在图2G所示的微流体设备中，隔绝围栏具有与图2C所示的围栏相似的几何形状，因此具有连接区和隔离区两者。因此，微流体回路120包括被扫过的区域(例如，通道122和连接区236的在二次流动244的最大穿透深度Dp内的部分)和未被扫过的区域(例如，隔离区240和连接区236不在二次流动244的最大穿透深度Dp内的部分)。
图3A至图3B示出了可用于操作和观察根据本发明的微流体设备(例如100、200、230、280、250、290、320)的系统150的各种实施例。如图3A所示，系统150可以包括被配置为容纳微流体设备100(未示出)或本文描述的任何其他微流体设备的结构(“巢”)300。巢300可以包括能够与微流体设备320(例如，光致动电动设备100)接口并提供从电源192到微流体设备320的电连接的插座302。巢300可以进一步包括集成的电信号生成子系统304。电信号生成子系统304可以被配置为向插座302提供偏置电压，使得当微流体设备320由插座302保持时，偏置电压被施加在微流体设备320中的一对电极上。因此，电信号生成子系统304可以是电源192的一部分。向微流体设备320施加偏置电压的能力并不意味着当微流体设备320由插座302保持时将始终施加偏置电压。而是，在大多数情况下，将间歇地(例如，仅在需要时)施加偏置电压，以便于微流体设备320中的电动力(例如介电电泳或电润湿)的产生。
如图3A所示，巢300可以包括印刷电路板组件(PCBA)322。电信号生成子系统304可以安装在并且电集成到PCBA322中。示例性支撑件还包括安装在PCBA322上的插座302。
通常，电信号生成子系统304将包括波形发生器(未示出)。电信号生成子系统304还可以包括示波器(未示出)和/或被配置为放大从波形发生器接收的波形的波形放大电路(未示出)。示波器(如果存在的话)可以被配置为测量提供给由插座302保持的微流体设备320的波形。在某些实施例中，示波器测量在微流体设备320近侧(并且在波形发生器的远侧)的位置处的波形，从而确保更准确地测量实际施加到设备的波形。从示波器测量中获得的数据可以例如作为反馈提供给波形发生器，并且波形发生器可以被配置为基于这种反馈来调整其输出。一个合适的组合波形发生器和示波器的示例是Red PitayaTM。
在某些实施例中，巢300还包括控制器308，诸如用于感测和/或控制电信号生成子系统304的微处理器。合适的微处理器的示例包括ArduinoTM微处理器，例如ArduinoNanoTM。控制器308可以用于执行功能和分析，或者可以与外部主控制器154(在图1A中示出)通信以执行功能和分析。在图3A所示的实施例中，控制器308通过接口310(例如插头或连接器)与主控制器154通信。
在一些实施例中，巢300可以包括电信号生成子系统304，其包括Red PitayaTM波形发生器/示波器单元(“Red Pitaya单元”)和放大由Red Pitaya单元生成的波形并传递放大的电压到微流体设备100的波形放大电路。在一些实施例中，Red Pitaya单元被配置成测量微流体设备320处的放大电压，然后根据需要调整其自己的输出电压，使得微流体设备320处的测量电压是期望值。在一些实施例中，波形放大电路可具有由安装在PCBA 322上的一对DC-DC转换器产生的+6.5V至-6.5V电力供应，从而在微流体设备100处产生高达13Vpp的信号。
如图3A所示，支撑结构300可以进一步包括热控制子系统306。热控制子系统306可以被配置成调节由支撑结构300保持的微流体设备320的温度。例如，热控制子系统306可以包括帕尔贴(Peltier)热电设备(未示出)和冷却单元(未示出)。帕尔贴热电设备可具有配置成与微流体设备320的至少一个表面相交界的第一表面。冷却单元可以是例如冷却块(未示出)，例如液体冷却铝块。帕尔贴热电设备的第二表面(例如，与第一表面相对的表面)可以被配置为与这种冷却块的表面相交界。冷却块可以连接到流体路径314，流体路径314配置成使冷却流体循环通过冷却块。在图3A所示的实施例中，支撑结构300包括入口316以及出口318，以接收来自外部储存器(未示出)的冷却流体，将冷却流体引入流体路径314并通过冷却块，然后将冷却流体返回到外部储存器。在一些实施例中，帕尔贴热电设备、冷却单元和/或流体路径314可以安装在支撑结构300的壳体312上。在一些实施例中，热控制子系统306被配置为调节帕尔贴热电设备的温度，以便实现微流体设备320的目标温度。帕尔贴热电设备的温度调节可以例如通过诸如PololuTM热电电源(Pololu机器人技术和电子集团)的热电电源来实现。热控制子系统306可以包括反馈电路，诸如由模拟电路提供的温度值。或者，反馈电路可以由数字电路提供。
在一些实施例中，巢300可以包括具有反馈电路的热控制子系统306，该反馈电路是模拟分压器电路(未示出)，其包括电阻器(例如电阻为1kOhm+/-0.1％，温度系数+/-0.02ppm/C0)和NTC热敏电阻(例如标称电阻为1kOhm+/-0.01％)。在一些情况下，热控制子系统306测量来自反馈电路的电压，然后使用所计算的温度值作为板载PID控制回路算法的输入。来自PID控制回路算法的输出可驱动例如PololuTM马达驱动器(未示出)上的定向和脉冲宽度调制信号引脚，以致动热电电源，从而控制帕尔贴热电设备。
巢300可以包括串行端口324，其允许控制器308的微处理器经由接口310(未示出)与外部主控制器154通信。另外，控制器308的微处理器可以与电信号生成子系统304和热控制子系统306通信(例如，经由Plink工具(未示出))。因此，通过控制器308、接口310和串行端口324的组合，电信号生成子系统304和热控制子系统306可以与外部主控制器154通信。以这种方式，主控制器154尤其可以通过执行用于输出电压调整的缩放计算来辅助电信号生成子系统304。经由耦合到外部主控制器154的显示设备170提供的图形用户界面(GUI)(未示出)可以被配置为绘制分别从热控制子系统306和电信号生成子系统304获得的温度和波形数据。可替代地或另外地，GUI可以允许更新控制器308、热控制子系统306和电信号生成子系统304。
如上所述，系统150可以包括成像设备194。在一些实施例中，成像设备194包括光调制子系统330(参见图3B)。光调制子系统330可以包括数字镜设备(DMD)或微型快门阵列系统(MSA)，其中的任一个都可以被配置为接收来自光源332的光并且将所接收的光的子集传输到显微镜350的光具组中。或者，光调制子系统330可以包括产生其自己的光(并因此不需要光源332)的设备，例如有机发光二极管显示器(OLED)、硅基液晶(LCOS)设备、铁电液晶硅设备(FLCOS)或透射式液晶显示器(LCD)。光调制子系统330可以是例如投影仪。因此，光调制子系统330能够发射结构化光和非结构化光。合适的光调制子系统330的一个示例是来自Andor技术TM的MosaicTM系统。在某些实施例中，系统150的成像模块164和/或动力模块162可以控制光调制子系统330。
在某些实施例中，成像设备194还包括显微镜350。在这样的实施例中，巢300和光调制子系统330可以被单独配置成安装在显微镜350上。显微镜350可以是例如标准研究级光学显微镜或荧光显微镜。因此，巢300可以被配置成安装在显微镜350的载物台344上和/或光调制子系统330可以被配置成安装在显微镜350的端口上。在其他实施例中，这里描述的巢300和光调制子系统330可以是显微镜350的整体部件。
在某些实施例中，显微镜350可以进一步包括一个或更多个检测器348。在一些实施例中，检测器348由成像模块164控制。检测器348可以包括目镜、电荷耦合器件(CCD)、相机(例如数字相机)或其任何组合。如果存在至少两个检测器348，则一个检测器可以是例如快速帧速率相机，而另一个检测器可以是高灵敏度相机。此外，显微镜350可以包括配置成接收来自微流体设备320的反射光和/或发射光并且将反射光和/或发射光的至少一部分聚焦在一个或更多个检测器348上的光具组。显微镜的光具组还可以包括用于不同检测器的不同镜筒透镜(未示出)，使得每个检测器上的最终放大率可以不同。
在某些实施例中，成像设备194被配置为使用至少两个光源。例如，可以使用第一光源332来产生结构化光(例如，经由光调制子系统330)，并且可以使用第二光源334来提供非结构化光。第一光源332可以产生用于光致电激励和/或荧光激发的结构化光，并且第二光源334可以用于提供明场照明。在这些实施例中，动力模块164可以用于控制第一光源332并且成像模块164可以用于控制第二光源334。显微镜350的光具组可以被配置为(1)当设备被巢300保持时，接收来自光调制子系统330的结构化光并且将结构化光聚焦在微流体设备(例如光致电动设备)中的至少第一区域上，以及(2)接收来自微流体设备的反射光和/或发射光并且将这种反射光和/或发射光的至少一部分聚焦到检测器348上。光具组还可以被配置成当设备被巢300保持时接收来自第二光源的非结构化光并将非结构化光聚焦在微流体设备的至少第二区域上。在某些实施例中，微流体设备的第一区域和第二区域可以是重叠区域。例如，第一区域可以是第二区域的子集。
在图3B中，第一光源332被示为将光提供给光调制子系统330，光调制子系统330向系统355(未示出)的显微镜350的光具组提供结构化光。第二光源334被示为经由分束器336将非结构化的光提供给光具组。来自光调制子系统330的结构化光和来自第二光源334的非结构化光从分束器336穿过光具组一起行进，到达第二分束器(或二向色滤波器338，取决于由光调制子系统330提供的光)，其中光被反射向下通过物镜336到达样本平面342。然后，来自样本平面342的反射光和/或发射光向上返回穿过物镜340，穿过分束器和/或二向色滤光器338，并且到达二向色滤光器346。只有到达二向色滤光器346的一部分光穿过并且到达检测器348。
在一些实施例中，第二光源334发射蓝光。利用适当的二向色滤光器346，从样品平面342反射的蓝光能够穿过二向色滤光器346并到达检测器348。相反，来自光调制子系统330的结构化光从样品平面342反射，但不穿过二向色滤光器346。在这个示例中，二向色滤光器346滤除波长大于495nm的可见光。如果从光调制子系统发射的光不包括短于495nm的任何波长，则来自光调制子系统330的光的这种滤除才算完成(如图所示)。实际上，如果来自光调制子系统330的光包括短于495nm的波长(例如，蓝色波长)，则来自光调制子系统的一些光将穿过滤波器346到达检测器348。在这样的实施例中，滤波器346用于改变从第一光源332和第二光源334到达检测器348的光量之间的平衡。如果第一光源332明显强于第二光源334，则这可以是有益的。在其他实施例中，第二光源334可以发射红光，并且二向色滤光器346可以滤除除红光之外的可见光(例如具有短于650nm的波长的可见光)。
表面改性。用于操纵和存储生物材料的材料、设备和/或装置的表面可以具有未针对短期和/或长期与材料接触而优化的天然特性，这种材料可以包括但不限于微物体(包括但不限于生物微物体，诸如生物细胞)、生物分子、生物分子或生物微物体的片段以及它们的任何组合。改性材料、设备或装置的一个或更多个表面以减少与接触一种或更多种生物材料的天然表面相关联的一种或更多种不期望的现象可能是有用的。在其他实施例中，增强材料、设备和/或装置的表面性质以将期望特性引入表面可能是有用的，从而扩大材料、设备和/或装置的处理、操纵或加工能力。为此，需要能够改性表面以减少不期望的性质或引入期望的性质的分子。
用于改性表面的化合物。在各种实施例中，表面改性化合物可以包括表面改性配体，其可以是非聚合物部分，例如烷基部分或取代的烷基部分，如氟烷基部分(包括但不限于全氟烷基部分)，其共价地改性其所附接的表面。表面改性化合物还包括连接部分，该连接部分是将表面改性配体共价附接至表面的基团，如反应式1中示意性所示。共价改性表面具有通过链接基团LG附接的表面改性配体，链接基团LG是连接部分与表面官能团(包括氢氧化物、氧化物、胺或硫)反应的产物。
反应式1.
在一些实施例中，表面改性化合物可以包括形成直链(例如，至少10个碳或至少14、16、18、20、22或更多个碳的直链)的碳原子，并且可以是非支链烷基部分。在一些实施例中，烷基可以包括取代的烷基(例如，烷基中的一些碳可以被氟化或全氟化)。在一些实施例中，所述烷基可以包括连接至第二片段的第一片段，第一片段可以包括全氟烷基，第二片段可以包括未取代的烷基，其中第一片段和第二片段可以直接或间接连接(例如，通过醚键的方式)。烷基的第一段可以位于链接基团的远侧，并且烷基的第二段可以位于连接部分的近侧。
在各种实施例中，表面改性化合物可以具有式I的结构：
其中连接部分V为-P(O)(OH)Q-或-Si(T)2W；W是-T、-SH、或-NH2，并且是被配置为连接至表面的部分；Q是-OH并且是被配置成连接到表面的部分；并且T是OH、OC1-3烷基或Cl。R是氢或氟，M是氢或氟。h的每个示例独立地是2或3的整数；j是0或1；k是0或1；m为0或1至25的整数；并且n是0或1至25的整数。在一些其他实施例中，(n+[(h+j)·k]+m)的和可以是11至25的整数。在一些实施例中，M是氢。在各种实施例中，m是2。在一些实施例中，k是0。在其他实施例中，k是1。在各种实施例中，j是1。对于式I的化合物，当k是整数1时，则m可以至少为2并且M是氢。对于式I化合物，当k为0且R为氟时，则m可以至少为2且M为氢。
在各种实施例中，当表面改性化合物具有式I的结构时，连接部分V可以是-Si(T)2W，其中T和W如上所定义。W可以是OC1-3烷基或Cl。W可以是甲氧基、乙氧基或丙氧基。在一些实施例中，W可以是甲氧基。T可以是OC1-3烷基或Cl。在各种实施例中，连接部分V是-Si(OMe)3。在各种其他实施例中，V可以是-P(O)(OH)Q，其中Q是OH。
式1的表面改性化合物可以具有构成该化合物的线性主链的优选原子数范围。如上所定义的，构成式1化合物的每个片段可以具有一定范围的尺寸。因此，式1的化合物可以具有如上定义的重复单元，使得(n+[(h+j)·k]+m)等于25，其将产生26个原子的总长度，包括附接到连接部分的末端CR3–基团。在(n+[(h+j)·k]+m)等于25的情况下，可以包括各种不同的组成。例如，片段–[CR2]n–可具有n＝23；–[(CH2)h-(O)j]k–可具有k＝0；和[CM2]m–可能有m＝2。具有相同总数(n+[(h+j)·k]+m)等于25的另一个示例可以具有片段–[CR2]n–，其中n＝6；–[(CH2)h-(O)j]k–其中k＝3，并且包括j＝1和h＝2；并且–[CM2]m–可以具有m＝4。
在一些实施例中，(n+[(h+j)·k]+m)的和可以是11、13、15、17或21。在其他实施例中，(n+[(h+j)·k]+m)的和可以是15或17。在其他实施例中，(n+[(h+j)·k]+m)的和可以是13或15。
在一些实施例中，式I化合物中可以存在一个或更多个醚键。在一些实施例中，j可以是1。在一些实施例中，其中k和j都是1，m可以至少为2。
在其他实施例中，主链碳可以被氟化。在一些实施例中，主链碳可以是全氟化的，其中CR3–和/或–[CR2]n–和/或–[CM2]m–的每个R可以被氟化。在一些实施例中，化合物的一部分可以具有氟化的碳主链原子并且化合物的其他部分可以具有被氢取代的碳主链原子。例如，在一些实施例中，CR3–和–[CR2]n–片段可具有氟非主链取代基(例如，R为氟)，而–[CM]m–片段可具有氢非主链取代基(例如M为氢)。在一些实施例中，当R为氟时，则k为0。在其他实施例中，R可以是氟并且k是1，j是1并且h是2。在各种实施例中，M可以是氢。
在其他实施例中，式1的化合物可以由如下所述的烯烃的硅氢化来合成，其中m至少为2，M为氢。在一些实施例中，m是2且M是氢。
在下式中描述的化合物的亚组中可以更容易地看到式I的各种化合物中的一些，但这些式决不限制式I的范围。
在一些实施例中，式I的化合物可以包括式110的化合物：
CH3(CH2)mSi(OC1-3烷基)3；
式110
其中m是9至23的整数。在一些实施例中，m可以是11、13、15、17或19。在一些其他实施例中，m可以是13或15。
在其他实施例中，式I的化合物可以包括式111的化合物：
CF3(CF2)n(CH2)2Si(OC1-3烷基)3；
式111
其中n可以是9至22的整数。或者，n可以是11至17的整数。在一些其他实施例中，n可以是9、11、13或者15。在一些实施例中，n可以是13或15。
在其他实施例中，式I的化合物可以包括式112的化合物：
CR3(CR2)n(CH2)hO(CH2)mSi(OC1-3烷基)3；
式112
其中n是3至19的整数；h是2或3的整数；m是2至18的整数。在一些实施例中，R可以是氟。在一些实施例中，n可以是3至11的整数，h可以是2，并且m可以是2至15的整数。
或者，式I的化合物可以包括式113的化合物：
CR3(CR2)n(CM2)mP(O)(OH)2；
式113
其中n是3至21的整数；m是2至21的整数。在式113的化合物的一些实施例中，R可以是氟。在一些实施例中，M可以是氢。在各种实施例中，n可以是5、7、9或11。在其他实施例中，m可以是2、4、5、7、9、11或13。
用于改性的表面。能够被本文所述的表面改性化合物(包括式I化合物)改性的表面可以是金属、金属氧化物、玻璃或聚合物。可具有引入的共价改性表面的一些材料可包括但不限于硅及其氧化物、硅氧烷、铝或其氧化物(Al2O3)、铟钽氧化物(ITO)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铪(IV)(HfO2)、氧化钽(V)(Ta2O5)或其任何组合。表面可以是这些材料的晶片或片材，或者可以结合在装置或设备内。在一些实施例中，包括这些材料中的任何一种的表面可以被结合在如本文所述的微流体设备内。
聚合物可以包括任何合适的聚合物。合适的聚合物可以包括但不限于例如橡胶、塑料、弹性体、硅氧烷、有机硅氧烷，例如聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)等，其可以是透气的。其他示例可以包括模制玻璃、可图案化材料，例如硅氧烷聚合物(例如，可光图案化聚硅氧烷或“PPS”)、光致抗蚀剂(例如，诸如SU8的基于环氧树脂的光致抗蚀剂)等。在其他实施例中，材料例如天然纤维或木材的表面可以通过本文所述的表面改性化合物(包括式I的化合物)官能化以引入共价改性的表面。
待改性的表面可以包括亲核部分，包括但不限于氢氧化物、氨基和硫醇。表面上的亲核部分(例如，氢氧化物(在一些实施例中称为氧化物))可以与本文所述的表面改性化合物(包括式I的化合物)反应，以通过甲硅烷氧基链接基团或膦酸酯链接基团将表面改性配体共价链接到表面上，以提供官能化表面。待改性的表面可以包括天然亲核部分，或者可以用试剂(例如，食人鱼溶液)或通过等离子体处理来处理以引入亲核部分(例如，氢氧化物(或者称为氧化物))。
在一些实施例中，表面可以由任何上述材料单独或以任何组合形成。该表面可以包括半导体衬底。在各种实施例中，包括半导体衬底的表面可以进一步包括如本文所述的DEP或EW衬底。在一些实施例中，包括具有DEP或EW衬底的半导体衬底的表面可以是如本文所述的微流体设备的一部分。
在一些实施例中，改性表面可以是如本文所述的微流体设备的至少一个面向内的表面。该至少一个表面可以是微流体设备(其可以包括通道)的流动区域的一部分，或者可以包括诸如围栏(可以包括如本文所述的隔绝围栏)的封闭结构的表面。
共价改性的表面。共价改性的表面可以包括表面改性配体，其可以是非聚合物部分，例如烷基部分、取代的烷基部分，诸如氟烷基部分(包括但不限于全氟烷基部分)，并且可以是上述任何表面改性配体，其通过链接基团共价结合到表面，所述链接基团是由连接部分与表面反应得到的部分。链接基团可以是甲硅烷氧基链接基团或膦酸酯链接基团。
在一些实施例中，表面改性配体可以包括形成直链(例如至少10个碳或至少14、16、18、20、22或更多个碳的直链)的碳原子，并且可以是非支链烷基部分。在一些实施例中，烷基可以包括取代的烷基(例如，烷基中的一些碳可以被氟化或全氟化)。在一些实施例中，烷基可以包括接合至第二片段的第一片段，第一片段可以包括全氟烷基，第二片段可以包括未取代的烷基，其中第一片段和第二片段可以直接或间接接合(例如，通过醚键的方式)。烷基的第一片段可以位于链接基团的远侧，并且烷基的第二片段可以位于链接基团的近侧。
式II的共价改性表面。在一些实施例中，共价改性的表面具有式II的结构：
其中是表面；V是-P(O)(OY)W-或-Si(OZ)2W。W是-O-、-S-或-NH-并连接到表面。Z是到附接到表面的相邻硅原子的键或是到表面的键。Y是到附接到表面的相邻磷原子的键，或者是到表面的键。对于式II的共价改性的表面，R、M、h、j、k、m和n如上所定义。当k是整数1时，则m至少是2并且M是氢。当k为0且R为氟时，则m至少为2且M为氢。式II的共价改性的表面可以描述为通过链接基团LG(如式IIA)附接的表面改性配体，其中LG链接到表面：
共价改性的表面可以包括任何组合的式II的任何表面，如上面关于式I的表面改性化合物所述。
在一些实施例中，式II的共价改性的表面可以是式210的表面：
其中是表面，与硅原子附接的氧还与表面结合，并且m是11至23的整数。在一些实施例中，m可以是11、13、15、17或19。在一些其他实施例中，m可以是13或15。
在一些其他实施例中，式II的共价改性的表面可以是式211的表面：
其中是表面，与硅原子附接的氧还与表面结合，并且n可以是9至22的整数。或者，n可以是11至17的整数。在一些其他实施例中，n可以是7、9、11、13或者15。在一些实施例中，n可以是13或15。
在其他实施例中，式II的共价改性的表面可以是式212的表面：
其中是表面，与硅原子附接的氧也与表面结合，并且n是3至21的整数，h是2或3的整数，并且m是2至21的整数。在一些实施例中，R可以是氟。在一些实施例中，n可以是3至11的整数，h可以是2，并且m可以是2至15的整数。
或者，式II的共价改性的表面可以是式213的表面：
其中是表面，与磷原子附接的氧也与表面结合，n是3至21的整数，m是2至21的整数。在式113的化合物的一些实施例中，R可以是氟。在一些实施例中，M可以是氢。在各种实施例中，n可以是5、7、9或11。在其他实施例中，m可以是2、4、5、7、9、11或13。
在一些实施例中，微流体设备包括流体连接至第一入口和第一出口的流动区域，流动区域配置成容纳第一流体介质的流动。微流体设备可以包括通向流动区域的一个或更多个腔室。共价改性的表面可以是微流体设备的共价改性的衬底并且可以在流动区域和/或至少一个腔室的下面。在一些实施例中，配置成面向流体的微流体设备的全部或基本上全部内表面具有式II的共价改性表面。
图2H描绘了包含示例性共价改性表面298的微流体设备290的截面图。如图所示，共价改性表面298(示意性示出)可以包括与衬底286的内表面294和微流体设备290的盖288的内表面292共价结合的单层密集分子。共价改性表面298可以设置在接近并向内朝向微流体设备290的封壳284的基本上所有内表面294、292上，在一些实施例中并且如上所述，包括用于限定微流体设备290内的回路元件和/或结构的微流体回路材料的表面(未示出)。在替代实施例中，共价改性表面298可以仅设置在微流体设备290的一个或一些内表面上。
在图2H所示的实施例中，共价改性的表面298包含烷基封端的硅氧烷分子的单层，每个分子经由甲硅烷氧基链接体296共价键合至微流体设备290的内表面292、294。为了简单起见，示出了链接到相邻硅原子的附加氧化硅键，但是本发明不限于此。在一些实施例中，共价改性表面298可以在其面向封壳的末端(即表面改性配体298的单层的未结合到内表面292、294并且靠近封壳284的部分)上包含氟烷基(例如氟化烷基或全氟化烷基)。虽然图2H被讨论为具有烷基封端的改性表面，但如本文所述，可使用任何合适的表面改性化合物。
本征表面。待改性的微流体设备的至少一个表面可以是玻璃、金属、金属氧化物或聚合物。可以结合在微流体设备内并且可以被改性以具有其中引入的式II的共价改性表面的一些材料可以包括但不限于硅及其氧化物、硅氧烷、铝或其氧化物(Al2O3)、铟氧化钽(ITO)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铪(IV)(HfO2)、氧化钽(V)(Ta2O5)或其任何组合。聚合物可以包括任何合适的聚合物。合适的聚合物可以包括但不限于(例如橡胶、塑料、弹性体、硅氧烷、有机硅氧烷，例如聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)等)，其可以是透气的。其他示例可以包括模制玻璃，诸如硅氧烷聚合物(例如可光图案化聚硅氧烷或“PPS”)的可图案化材料、光致抗蚀剂(例如，诸如SU8的基于环氧树脂的光致抗蚀剂)等。
共价改性表面的物理和性能特性。在一些实施例中，共价改性的表面可以具有增加的疏水性。改性表面的增加的疏水性可以防止生物材料污垢。如本文所用，表面污垢是指不加选择地沉积在微流体设备表面上的材料的量，其可以包括生物材料例如蛋白质和降解产物、核酸和各自降解产物的永久或半永久沉积。这种结垢可以增加生物微物体对表面的粘附量。在其他实施例中，共价改性表面的增加的疏水特性可以降低生物微物体在表面上的粘附，而与由表面污垢引起的粘附无关。
表面的改性可以增加表面的耐久性、功能性和/或生物相容性。这些特性中的每一个可进一步有利于生存能力(包括生长速率和/或细胞倍增速率)，如本文所述在共价改性表面(包括具有式II结构的表面)上形成的菌落的性质，或者微物体或生物分子在改性表面上和具有共价改性表面的设备和/或装置内的便携性(包括出口的可行性)。
在一些实施例中，共价改性表面(其可以是本文所述的任何表面，包括式II的表面)可以具有小于10nm的厚度(例如，小于约7nm，小于约5nm或约1.5至3.0nm)。这可以在改性表面上提供有利的薄层，特别是与形成约30至50nm的典型厚度的其他疏水性材料(例如旋涂的全氟四氢呋喃聚合物)相比。表1中所示的数据是针对如表中所示经处理以具有共价改性表面的硅/氧化硅表面。使用静止滴落法获得接触角测量值。(Drelich，J.Colloid Interface Sci.179，37-50，1996.)通过椭圆光度法测量厚度。
使用Biolin Scientific接触角测角仪进行接触角滞后测量。将化学改性的OEW表面置于5cSt硅油的池中，该硅油装在透明容器中。然后将磷酸盐缓冲盐水(PBS)液滴分配到油中的表面上。将铂(Pt)线电极插入液滴中，测量固着的水接触角。接下来，在OEW衬底和插入PBS液滴中的Pt导线之间以30kHz频率施加50Vppk的AC电压10秒。接着，除去施加的电压，再次测定接触角。通过从在施加电压之前在零偏压下的原始接触角减去施加50Vppk AC电压之后在零偏压下的接触角来计算接触角滞后。
表1.选定表面的物理数据
T和Q如上所述。
观察到的改性表面的接触角与等离子体清洁的硅表面上水的小于10度的接触角相反。这些表面中的每一个都比天然硅/氧化硅表面的可湿性小。
适合表征表面的其他分析方法可以包括红外光谱和/或X射线光电子能谱。
本发明改性表面的另一个理想特性是缺乏自发荧光，其可取决于表面改性化合物的化学性质。
在一些实施例中，本文所述的共价改性的表面(包括式II的表面)可以形成单层。单层改性表面的均一性和均匀性可以提供有利的性能，特别是在单层改性表面具有其他功能属性的情况下。例如，本文所述的共价改性的表面(包括式II的表面)还可以包括电极活化衬底，并且可选地还可以包括介电层，如可以在具有介电泳配置或电润湿配置的材料、设备和/或装置中发现的。与含有例如烯烃或芳族部分的单层相比，改性表面的全氟烷基部分的不饱和度的缺乏可以使“电荷捕集”最小化。此外，本文所述表面(包括式II表面)中形成的单层的密集堆积性质可以使阳离子被驱动通过单层到达下面的金属、金属氧化物、玻璃或聚合物衬底的可能性最小化。不受理论限制，通过将阳离子添加至衬底组合物而破坏衬底表面可能破坏衬底的电学性质，从而降低其电动功能的能力。
此外，通过共价链接引入改性表面的能力可以增加改性表面的介电强度并且保护下面的材料在施加电场时不被击穿。具有本文所述共价改性表面(包括式II表面)的材料、设备和/或装置的介电泳或电润湿表面的均匀性和薄度在该材料、设备和/或装置是光学致动的情况下可以进一步提供这种改性介电泳和/或电润湿表面的有利益处。
共价改性表面的制备方法。可以用作设备或装置的部件的材料的表面可以在组装该设备或装置之前被改性。或者，可以改性部分或完全构造的设备或装置，使得将接触包括生物分子和/或微物体(其可包括生物微物体)的生物材料的所有表面同时被改性。在一些实施例中，即使在设备和/或装置内的不同表面处存在不同的材料，该设备和/或装置的整个内部也可以被改性。在一些实施例中，部分或完全构造的设备和/或装置可以是如本文所述的微流体设备或其部件。
待改性的表面可以在改性之前进行清洗以确保表面上的亲核部分可自由地用于反应，例如不被油或粘合剂覆盖。清洁可以通过任何合适的方法来完成，包括用包括醇或丙酮的溶剂处理、超声处理、蒸汽清洁等。在一些实施例中，将待改性的表面用氧等离子体处理进行处理，所述氧等离子体处理除去污染物，其同时可在表面上引入额外的氧化物(例如氢氧化物)部分。这可以有利地提供更多位点用于在表面上进行改性，从而提供更紧密堆积的改性表面层。
待改性的表面可以在改性之前进行清洗以确保表面上的亲核部分可自由地用于反应，例如不被油或粘合剂覆盖。清洁可以通过任何合适的方法来完成，包括用包括醇或丙酮的溶剂处理、超声处理、蒸汽清洁等。在一些实施例中，将待改性的表面用氧等离子体处理进行处理，所述氧等离子体处理除去污染物，其同时可在表面上引入额外的氧化物(例如氢氧化物)部分。这可以有利地提供更多位点用于在表面上进行改性，从而提供更紧密堆积的改性表面层。
在一些实施例中，共价改性表面的方法包括以下步骤：使表面与式I的化合物接触：
其中V是-P(O)(OH)Q或-Si(T)2W。W是-T、-SH或-NH2，并且是被配置为连接至表面的部分。或者，当V是-P(O)(OH)Q时，Q是-OH并且是被配置为连接到表面的部分。T是OH、OC1-3烷基或Cl。R、M、h、j、k、m和n中的每一个是如以上对于式I化合物所定义的。(n+[(h+j)·k]+m)的总和为11到25的整数。在各种实施例中，当k是整数1时，则m至少为2且M为氢；当k为0且R为氟时，则m至少为2且M为氢。式I化合物与表面的亲核部分反应；并形成共价改性的表面。可以使用式I化合物的任何组合或亚组合，如上所述。
该方法的各种实施例中，如此形成的共价改性表面可以是单层。
在该方法的一些实施例中，式I的化合物可以是式110的化合物：
CH3(CH2)mSi(OC1-3烷基)3；
式110
其中m是9至23的整数。在一些实施例中，m可以是11、13、15、17或19。在一些其他实施例中，m可以是13或15。
在该方法的其他实施例中，式I的化合物可以是式111的化合物：
CF3(CF2)n(CH2)2Si(OC1-3烷基)3；
式111
其中n是9至22的整数。或者，n可以是11至17的整数。在其他实施例中，n可以是11至17的整数。在一些其他实施例中，n可以是9、11、13或15。在一些实施例中，n可以是13或15。
在该方法的其他实施例中，式I的化合物可以是式112的化合物：
CR3(CR2)n(CH2)hO(CH2)mSi(OC1-3烷基)3；
式112
其中n是3至21的整数；h是2或3的整数；m是2至21的整数。在一些实施例中，R可以是氟。在一些实施例中，n可以是3至11的整数，h可以是2，并且m可以是2至15的整数。
或者，表面可以与可以是式113的化合物的式I的化合物接触：
CR3(CR2)n(CM2)mP(O)(OH)2；
式113
其中n是3至21的整数；m是2至21的整数。在式113的化合物的一些实施例中，R可以是氟。在一些实施例中，M可以是氢。在各种实施例中，n可以是5、7、9或11。在其他实施例中，m可以是2、4、5、7、9、11或13。
接触步骤可以通过使表面与含有式I的化合物的液体溶液接触来进行。例如，表面可以暴露于含有0.01mM、0.1mM、0.5mM、1mM、10mM或100mM的式I的化合物的溶液。该反应可以在环境温度下进行并且可以进行约2小时、4小时、8小时、12小时、18小时、24小时或其间的任何值的一段时间。溶剂的示例包括但不限于：甲苯、1,3双三氟苯或FluorinertTM(3M)氟化溶剂。如果存在，可以将酸如乙酸加入到溶液中，以通过促进三烷氧基基团的水解来提高反应速率。
或者，表面可以与含有式I的化合物的气相接触。在一些实施例中，当通过使表面与式I的化合物在气相中接触进行反应步骤时，还存在控制量的水蒸气。控制量的水蒸气可以通过将预选量的硫酸镁七水合物放置在与具有待改性表面的物体相同的腔室或封壳中来提供。在其他实施例中，可以通过外部水蒸气供给将控制量的水引入反应室或封壳中。反应可以在相对于大气压的减压下进行。在一些实施例中，减压可以是100托或更小。在其他实施例中，减压可以小于10托或小于1托。
该反应可以在约150℃至约200℃的温度下进行。在各种实施例中，反应可以在约150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃、180℃、185℃或约190℃的温度下进行。反应可以被允许持续约2h、6h、8h、18h、24h、48h、72h、84h或更长时间。
在一些实施例中，共价改性表面可以具有式II的结构：
其中R、M、n、h、j、k、m和V如上所述，以任何组合。在该方法的一些实施例中，共价改性表面可以具有如上所述的式210、211、212或213的式，具有用于每个式的可允许元素的任何组合。
在该方法的各种实施例中，表面可以包括选自由氢氧化物、氨基和硫醇构成的群组的亲核部分。表面可以是金属、金属氧化物、玻璃、聚合物或其任何组合。金属表面可以包括硅、氧化硅、氧化铪、氧化铟钽、氧化铝或其任何组合。
在该方法的各种实施例中，其中形成共价改性表面的步骤可以在DEP衬底或EW衬底上进行。形成共价改性表面的步骤可包括在微流体设备的微流体回路元件的至少一个表面上形成共价改性表面。微流体回路元件可以包括壁、流动区域、围栏和电极活化衬底，包括DEP或EW衬底。可以共价改性的微流体回路内的表面可以是面向微流体设备的流体承载部分的全部或基本上全部的表面。例如，在微流体设备200、230中，所有面向微流体通道122以及围栏244、246、248的顶部电极210的内表面、电极活化衬底206的上表面、微流体回路材料116的表面(参见图1B、1C、2A、2B)可以被改性。类似地，在图2D-2F中，微流体回路材料260的内表面、限定隔绝围栏266的隔离结构272的表面或面向微流体回路262的所有表面可以通过本文所述的方法被共价改性。
不混溶性介质。水性液滴在衬底表面上的移动可以在区域地分布在一个或更多个流动区域(其可以包括流动通道)内并且在流动地连接到流动区域的腔室(如果存在的话)内的水不混溶性流体介质内进行。水不混溶性流体介质可具有大于纯水液滴的运动粘度。水不混溶性流体介质可以具有在约1厘沲(cSt)至约15cSt范围内的运动粘度，其中1cSt等于1毫帕或1厘泊(CPS)。在一些实施例中，水不混溶性流体介质可具有约3cSt至约10cSt或约3cSt至约8cSt范围内的粘度。水不混溶性流体介质在至少100℃的温度下可以是不可燃的。在生物细胞被加工、培养或储存在水不混溶性流体介质内的水性液滴内的时间段内，水不混溶性流体介质可以对活的生物细胞无毒。
水不混溶性流体介质可以在水中具有低的或非常小的溶解度。水不混溶性流体介质在与水层接触(例如用水分开)时可以溶解小于其总水容积的约5％、4％、3％、2％、1％或小于1％。在约25℃至约38℃的范围内的温度下，水不混溶性流体介质可不溶解超过水不混溶性流体介质中存在的水性液滴的体积的约5％、约10％、约15％、约20％、约25％或约30％。在一些实施例中，水不混溶性流体介质溶解小于水不混溶性流体介质内存在的水性液滴的体积的约20％。
水不混溶性流体介质可以包括至少一种具有包含选自碳、硅和氧的原子的主链结构的有机或有机硅化合物。在一些实施例中，水不混溶性流体介质可以包括多于一种有机/有机硅化合物，其中该多于一种化合物是聚合物有机/有机硅化合物，其具有聚合物化合物亚单元的分子量范围。例如，聚合物有机/有机硅化合物可具有构成聚合物的两个不同的亚单元(例如共聚物)，并且两个不同亚单元中的每一个可存在于具有通式AaBb的重复范围内，其中A和B是两种不同的聚合物亚单元，a和b是每个亚单元重复的数量。重复的数量a和b可以不是单个整数，而可以是重复单位的范围。
在其他实施例中，包含多于一种有机/有机硅化合物的水不混溶性流体介质可以包括有机化合物的混合物、有机硅化合物的混合物或其任何组合。水不混溶性流体介质可以包括具有将提供合适的性能的不同化学结构和/或分子量的化合物的任何合适的混合物。
水不混溶性流体介质的化合物可具有小于约1000Da、约700Da、约500Da或约350Da的分子量。在其他实施例中，水不混溶性介质的化合物可以具有比约1000Da更高并且仍然提供合适的性能的分子量。
在各种实施例中，水不混溶性流体介质的有机/有机硅化合物可以具有主链结构，其中构成主链的原子是碳、硅或氧。主链碳的取代基可以是氢或氟。在一些实施例中，水不混溶性流体介质可以包括一种或更多种有机硅化合物，其中有机硅化合物的主链可以包括硅和氧原子。有机硅化合物的硅原子可以具有碳取代基，其又可以具有氢或氟取代基。在一些实施例中，有机硅化合物的碳取代基可以全是氟(例如全氟化的)。在其他实施例中，有机硅化合物的碳取代基可以是部分氟化的。在各种实施例中，有机硅化合物的碳原子的取代基可以不超过约90％氟、80％氟、70％氟、60％氟、50％氟、40％氟、30％氟、20％氟或更少。
在其他实施例中，水不混溶性流体介质的有机化合物可以具有主链结构，其中构成主链的原子是碳或氧。在一些实施例中，主链碳的取代基可以是氢或氟。在其他实施例中，主链碳的取代基可以包括含氧部分，例如醚、羰基或碳酸酯组分。在一些实施例中，水不混溶性流体介质的有机化合物可以具有全碳主链结构。在一些实施例中，水不混溶性流体介质的有机化合物的全碳主链结构可以在碳原子上具有全部氟取代基(例如全氟化)。在其他实施例中，有机化合物的取代基可以是部分氟化的(例如不是全氟化的)。在各种实施例中，包括具有全碳主链的化合物的有机化合物的碳原子的取代基可以不超过约90％氟、80％氟、70％氟、60％氟、50％氟、40％氟或更少。在一些实施例中，水不混溶性流体介质的合适的有机化合物可以包括或可以是单氟取代的碳氢化合物，如1-氟辛烷、1-氟癸烷、1-氟十二烷或1-氟十四烷。
在其他实施例中，水不混溶性流体介质的有机化合物可以在碳上不具有氟取代基，但可以具有氢取代基。在一些实施例中，水不混溶性流体介质的有机化合物可具有不饱和碳-碳键，例如主链碳内或末端位置处的烯属基团。
在一些实施例中，选择待包括在水不混溶性流体介质中的适当化合物将包括考虑化合物的其他性质。在各种实施例中，适合在水不混溶性流体介质内使用的化合物在被激光、投射到微流体设备中的结构化光或日光/实验室照明照射时不会自发荧光。
在其他实施例中，共价改性的疏水表面的性质可以影响在水不混溶性流体介质内使用的合适化合物的选择。例如，共价改性的表面可以具有足够的疏水性，使得全氟化水不混溶性流体介质内的水滴可以表现出足够高的表面张力，使得水滴不能使用如本文所述的光电润湿配置移动。
在一些其他实施例中，微流体回路材料的性质可影响在水不混溶性流体介质内使用的合适化合物的选择。通过水不混溶性流体介质使回路材料膨胀可以保持在可接受的限度内。例如，在一些实施例中，如果微流体回路材料包括SU8或光可图案化的芳基取代的有机硅氧烷，则可以选择包括环状、芳基或杂芳基基团的线性碳氢化合物、线性碳氟化合物或碳主链化合物用于使用。
在其他实施例中，微流体回路材料可以包括其他材料，例如不含芳基取代的可光致图案化的有机硅氧烷，并且通过在水不混溶性流体介质中使用不同的化合物，可以将膨胀限制在可接受的限度内。例如，与预先暴露于水不混溶性流体介质相比，小于约40％、30％、20％或10％的膨胀可以是可接受的。然而，在一些实施例中，仍然可以选择在水不混溶性流体介质内引起膨胀的化合物。
在一些实施例中，水不混溶性流体介质的化合物可以是具有含碳或氧原子主链的有机化合物。在一些实施例中，有机化合物可以具有含有碳原子并且不含氧原子的主链，并且进一步其中碳原子主链是分支的。在各种实施例中，水不混溶性流体介质的有机化合物的分支的碳原子主链是无环的。具有分支的碳主链的水不混溶性流体介质的有机化合物可以进一步不含任何环化部分。
虽然上述选择标准可用于选择一种或更多种待包含在水不混溶性流体介质中的化合物，并且消除不能提供可接受性能的化合物，但可接受的水不混溶性流体介质可以是多组分混合物，并且可以包括单独的有机或有机硅化合物的某些部分，当用作水不混溶性流体介质的唯一组分时，其不会提供可接受的性能。例如，当单独使用时，组分可能过高氟化或可能不可接受地膨胀微流体回路材料，但可以与其他有机或有机硅化合物组合使用以形成水不混溶性流体介质。
单独或任何种类组合地用于水不混溶性流体介质中的一些合适的有机化合物可以包括：异十六烷、2-(三氟甲基)-3-乙氧基十二氟己烷(HFE-7500,3MTM,NovecTM)、七甲基壬烷(HMN)、二(2-乙基己基)碳酸酯(TEGOSOFT DEC，(Evonik))和(十三氟-1,1,2,2-四氢辛基)四甲基二硅氧烷(Gelest，Cat#SIB 1816.0)或硅油(5厘沲粘度，Gelest Cat#DMS-T05)。
水性液滴。水性液滴可含有一个或更多个微物体，其可包含生物细胞或珠粒。水性液滴可含有可包括核酸或蛋白质的生物产物。在一些其他实施例中，水性液滴可含有用于测定的试剂，其可以是任何种类的试剂，例如酶、抗体、荧光标记的探针或化学试剂。
在一些实施例中，水性液滴还可以包含表面活性剂。表面活性剂可以增加水不混溶性流体介质内的水性液滴的便携性。在一些实施例中，合适的表面活性剂可以包括非离子表面活性剂。在各种实施例中，表面活性剂可以是但不限于嵌段氧化烯共聚物，包括F68(ThermoFisher Cat.#2400032)；脂肪酸酯乙氧基脱水山梨糖醇，例如/>20(Signa Aldrich Cat.#PI 379)或/>60(Sigma Aldrich P1629)；2,4,7,9四甲基-5-癸炔-4,7-二醇乙氧基化物(TET，Sigma Aldrich Cat#9014-85-1)；乙氧基化非离子含氟表面活性剂，例如/>FS-30(DuPont TM，Synquest Laboratories Cat.#2108-3-38)。在一些实施例中，十二烷基硫酸钠(SDS)可以用作表面活性剂。在各种实施例中，磷酸盐缓冲盐水(PBS)可以用作表面活性剂。可将表面活性剂以约1％、3％、5％、10％、15％、20％、约25％v/v或其间的任何值的范围添加到水性液滴中。
系统。本发明提供了用于传输与水性介质相容和/或可溶于水性介质的微物体、生物产品和/或试剂的系统。该系统可以包括例如本文公开的任何微流体设备(例如，具有包含基部和微流体回路结构的封壳的微流体设备，其中该基部包含与基部的上表面的至少一部分共价结合的疏水单层)。另外，该系统包括流体介质和水性液滴，其中流体介质和水性液滴是不混溶性流体。流体介质可以是本文所述的任何不混溶性介质，并且水性液滴可以包含本文所述的任何生物材料和/或化学试剂(例如，蛋白质、核酸、去污剂、表面活性剂等)。
试剂盒。本发明还提供适用于传输与水性介质相容和/或可溶于水性介质的微物体、生物产品和/或试剂的试剂盒。试剂盒可以包含本文公开的任何微流体设备(例如，微流体设备具有包含基部和微流体回路结构的封壳，其中基部包含与基部的上表面的至少一部分共价结合的疏水单层)。试剂盒可以进一步包含与水介质不混溶的流体介质以及其他有用的试剂(例如表面活性剂等)。
制造微流体设备的方法。本发明的微流体设备(诸如装置400)可以通过以下步骤制造：(i)将间隔元件108结合到盖110的内表面428，该盖110具有至少一个电极，该电极被配置为连接到AC电压源(未示出)(ii)将间隔元件108(和相关联的盖110)结合到衬底104的介电表面414，该衬底104具有被配置成连接到AC电压源(未示出)的至少一个电极418，由此间隔元件108变得夹在盖110的内表面428和衬底104的介电表面414之间，其中盖110和衬底104基本上彼此平行取向，并且衬底104、间隔元件108和盖110共同限定了配置为容纳液体的封壳435，以及(iii)通过气相沉积在盖110的内表面428的至少一部分上形成外疏水层412，并在衬底104的内介电层414的至少一部分上形成外疏水层412。
通过两亲分子的气相沉积，疏水层422和412可以实现致密堆积的单层，其中两亲分子分别共价结合到基部104的内介电表面414和盖110的内表面428的分子。本文所述的任何自缔合分子及其等同物可以气相沉积在微流体装置的内表面上。为了获得理想的堆积密度，可以在至少110℃(例如至少120、130、140、150、160等)的温度下气相沉积包含例如烷基封端的硅氧烷的自缔合分子持续至少15小时(例如，至少20、25、30、35、40、45或更多小时)的时间段。这种气相沉积通常在真空下并在水源诸如七水硫酸镁(即MgSO4·7H2O)的存在下进行。典型地，增加气相沉积的温度和持续时间产生疏水层422和412的改善的特性。例如，通过预清洁盖110(具有间隔元件108)和衬底104，气相沉积过程可以得到改善。例如，这种预清洁可以包括溶剂浴，例如丙酮浴、乙醇浴或其组合。溶剂浴可以包括声波降解法。可替代地或另外地，这种预清洁可以包括在氧等离子体清洁器中处理盖110(具有间隔元件108)和衬底104。氧等离子体清洁器可以例如在真空条件下以100W工作60秒。
图6示出了微流体装置600的示例，微流体装置600包括具有微流体通道612、614和多个腔室616的封壳以及用于向封壳提供流体液滴620的液滴生成器606。微流体通道614被配置为保持第一流体介质624。典型地，第一流体介质是疏水流体，例如油(例如硅油或氟化油)。微流体通道614经由接口608连接到液滴发生器606，接口608允许通道614接收由液滴发生器606生成的液滴620。接收的液滴620包括在第一流体介质624中不混溶的液体。通常，所接收的液滴将包含水性介质，其可含有微物体，诸如细胞或珠粒或可溶于水性介质的试剂。微流体通道614也连接到多个室616中的每一个，促进所接收的液滴620(以及从不可混合在第一流体介质624中的流体的储存器中抽出的液滴632)进入腔室616中并且在腔室616之间移动。
装置600的微流体通道612连接到腔室616的子集，并因此经由这些腔室616间接连接到微流体通道614。如图所示，微流体通道612和与其连接的腔室616包含在第一流体介质624中不混溶的流体介质622。因此，例如，流体介质622可以是水性介质，例如细胞培养基。当流体介质622是细胞培养基时，含有培养基的腔室616可以用作生长细胞的培养腔室，并且微流体通道612可以是提供新鲜培养基流的灌注通道。如本文所讨论的，灌注通道中新鲜培养基的流动可通过灌注通道与培养腔室之间的分子扩散向腔室提供营养物并从腔室移除废物，从而促进细胞继续生长。
图7示出了微流体装置700的另一示例，其包括具有微流体通道612、614、第一多个腔室716和第二多个腔室616的封壳以及用于向封壳提供流体液滴620的液滴生成器606。图7示出了图6中所示的微流体装置600的变型，其中腔室616包含在第一流体介质624(位于微流体通道614中)中不混溶的介质622，并且腔室616隔着微流体通道614直接定位在对应腔室716对面。该配置有利于流体液滴632(可选地包含微物体630或生物材料)从选择腔室616移动到相应的腔室716，在相应的腔室716可以处理流体液滴(以及任何微物体630或生物材料)。
微流体装置的另一示例包括具有微流体通道612、614、第一多个腔室716和第二多个腔室616的封壳以及用于向封壳提供流体液滴620的液滴生成器606。该实施例呈现图7中所示的微流体装置700的变型，其中腔室616在一端处渐缩，以在微流体装置倾斜从而腔室616的渐缩端部相对于非渐缩端部具有较低的势能(在适用的重力场中)时便于微颗粒移动到第一流体介质624和第二流体介质622的界面。
由微流体通道612、614和腔室616、716形成的微流体回路仅仅是示例，并且本发明涵盖通道和腔室的许多其他配置。例如，在装置600和700中的每一个中，微流体通道612和直接连接到通道612的腔室616是可选特征。因此，装置600和700可以缺少灌注通道和培养腔室。
在存在微流体通道612的实施例中，帮助限定通道612和/或直接连接的腔室616(例如，通过形成通道和/或腔室的基部)的衬底可以具有电润湿配置。然而，可替代地，帮助限定通道612和/或直接连接的腔室616的衬底可以缺少电润湿配置(例如，并且代替地可以具有DEP配置，或者既不具有电润湿配置也不具有DEP配置)。在其中存在微流体通道612并且帮助限定通道612和/或直接连接的腔室616的衬底具有电润湿配置的实施例中，衬底的外疏水表面可以被图案化为比帮助限定通道614的衬底的外疏水表面更亲水。例如，如上所述，可以实现增加的亲水性。
液滴发生器606和其提供液滴的任何微流体回路可以是微流体设备的一部分(或者整体部分或者与其连接)，其可以像图中所示或者本文描述的任何微流体设备。尽管在图6和图7中示出了一个液滴发生器606，但是多于一个这样的液滴发生器606可以向装置600和700的微流体回路提供液滴。液滴发生器606自身可以包括电润湿配置，并且因此可以包括：具有光响应层的衬底，其可以包括a-Si：H(例如，如第6,958,132号美国专利中所示)；光致驱动电路衬底(例如如公开号为2014/0124370的美国专利申请中所示))；基于光电晶体管的衬底(例如，如第7,956,339号美国专利中所示)；或电致动电路衬底(例如，如第8,685,344号美国专利中所示)。或者，液滴发生器可具有T形或Y形流体动力学结构(例如，如第7,708,949号、第7,041,481(重新公布为RE41,780)号、第2008/0014589号、第2008/0003142号、第2010/0137163号和第2010/0172803号美国专利和专利申请公开文本所示)。所有上述美国专利文献的全部内容通过引用并入本文。
如图所示，液滴生成器606可以包括一个或更多个流体输入602和604(示出两个，但可以有更少或更多)和流体输出208，其可以连接到微流体通道614。液体介质622、624、生物微小物体630、试剂和/或其他生物介质可以通过输入602和604加载到液滴发生器606中。液滴发生器606可以生成液体介质622(其可以但不一定包含一个或更多个生物微物体630)、试剂或其他生物介质的液滴620并将其输出到通道614中。如果通道614具有电润湿配置，则可利用电润湿(或光电润湿)使液滴620在通道614中移动。或者，可以通过其他方式在通道614中移动液滴620。例如，可以使用流体流动、重力等使液滴620在通道614中移动。
如上所述，微流体通道614和选择腔室616/716可以填充有第一流体介质624，并且微流体通道612和与其直接连接的腔室616可以填充有第二流体介质622。第二流体介质622(以下称为“水性介质”)可以是水性介质，例如用于维持、培养等生物微物体630的样本介质。第一流体介质624(以下称为“不混溶性介质”)可以是水介质622不混溶的介质。水性介质622和不混溶性介质624的示例包括上面针对各种介质所讨论的任何示例。
液滴发生器606可以用于加载生物微物体和/或促进微流体装置上的生物化学和/或分子生物学工作流的运行。图6和图7示出了非限制性示例。通过使用液滴发生器，该装置可以在整个流体回路中具有电润湿配置。
图6和图7示出了其中液滴发生器606生成包含试剂(或其他生物材料)的液滴620的示例。含有试剂的液滴620可以移动通过微流体通道14并进入包含不混溶性介质624的腔室616/716之一。在将含有试剂的液滴620移入腔室616/716之一之前或之后，一个或更多个液滴632中的一个或更多个微物体630可以移动到相同的腔室616/716中。然后，可以将含有试剂的液滴620与包含微物体630的液滴632合并，使得液滴620的试剂与液滴632的内容物混合并发生化学反应。如图6和图7所示，一个或更多个含微物体的液滴632可以由液滴发生器606供应(未示出)或者可以从保持围栏616获得。微物体630可以是生物微物体，例如细胞，其在移动到处理腔室616/716之前已经可选地被培养(例如，在腔室616中)。或者，微物体630可以是珠粒，例如能够结合样品中感兴趣的分子(例如在样品材料622已经用于培养一种或更多种生物细胞之后存在于样品材料622中的细胞分泌物)的亲和珠粒。在其他替代方案中，一个或更多个液滴632可以不含有微物体，而仅含有水性介质，例如样品材料622，例如其在样品材料622已经用于培养一种或更多种生物细胞之后含有细胞分泌物。
图8示出了可以在包括如装置600和700中的任一个的微流体回路的微流体设备中执行的过程800的示例。
在过程800的步骤802中，可以在充满样品介质(例如细胞培养基)的保持围栏中培养生物微物体。例如，图6或图7的微物体630可以是生物的并且可以在其腔室616中培养。通常可以如上所述进行培养。例如，培养可包括用培养基622灌注通道612。步骤802可以在指定的时间段内执行。
在步骤804，可以将培养的生物微物体从样品介质填充腔室616中移至其中充满样品介质不混溶的介质的腔室616/671，其中生物微物体在样品介质填充腔室616中培养。例如，如上所述，培养的微物体630可以在样品介质622的液滴620或632中从一个保持围栏616移动到一个保持围栏616/716中，如图6和图7所示。
在步骤806，可以在不混溶性介质填充的保持围栏中对培养的生物微物体进行一种或更多种处理或过程。例如，含有一种或更多种试剂的一个或更多个液滴620可由液滴发生器606产生，移入不混溶性介质填充腔室612/716，并与含有培养的生物微物体630的液滴632合并，如图6和图7所示并在上面讨论的。例如，第一含试剂液滴620可以含有溶解剂。含有培养的生物微物体630的液滴632与含有溶解剂的第一含试剂液滴620的合并将导致培养的生物微物体630的溶解。换句话说，将形成组合液滴(未示出)，其包含来自培养的生物微物体630的细胞裂解物。然后可将含有其他(例如第二、第三、第四等)试剂的液滴620与含有细胞裂解物的新液滴合并，从而根据需要进一步处理细胞裂解物。
另外或作为另一个示例，一个或更多个含有一个或更多个标记的捕获微物体(未示出)的液滴可以由液滴生成器606产生并且被移动到不混溶性介质填充的围栏616或716中，并以类似的方式与含有培养的生物微物体630的样本介质622的液滴合并，所述捕获微物体对培养的生物微物体630产生的感兴趣的分泌物或一种或多种物质(例如核酸，诸如DNA或RNA、蛋白质、代谢物或其他生物分子)具有亲和力。在培养的生物微物体630已经被裂解的情况下，包含捕获微物体的液滴620可以包含一个或更多个亲和珠粒(例如，对诸如DNA、RNA、微小RNA等核酸具有亲和力)，其在与保持围栏616或716中的含有细胞裂解物的液滴合并时可以结合到存在于裂解物中的靶分子。
在步骤808，可以可选地加工经处理的生物微物体。例如，如果在步骤806，将捕获物体(未示出)与培养的生物微物体630一起移入不混溶性介质填充的腔室616/716，则可以在步骤808针对反应(例如，荧光信号)来监测腔室616/716，反应指示与标记的捕获微物体结合的感兴趣的材料的量。或者，可从腔室616/716移除(例如，在液滴622中)这样的捕获微物体(未示出)，并从微流体设备(未在图6和图7中示出)将其输出来用于随后的分析。作为又一个示例，可以将处理过的生物微物体630从腔室616/716中去除(例如，在液滴632中)并且从微流体设备(未示出)输出用于随后的分析。
图9概述了用于形成包括电润湿配置和介电泳(DEP)配置的微流体设备的衬底的方法。例如，图9中描绘的方法可用于形成图5的微流体设备中所示类型的整体式衬底。图10-18描绘了在执行了图9的方法中的各个步骤之后形成的中间结构的截面图。具有包括光电晶体管阵列的DEP配置的衬底是图10-18中的起点。当然，如本领域技术人员将理解的，起始衬底不限于具有光电晶体管阵列的DEP配置的衬底，而是可以应用于其他类型的衬底，诸如包括非晶硅层或电致动的电极阵列的衬底。此外，图9的方法中的步骤可以单独使用和/或以其他组合方式使用，以产生具有导电衬底的其他类型的微流体设备，包括本文已经描述的其他微流体设备。
图9的方法中的步骤902包括准备用于进一步加工的初始衬底。如图10中的垂直截面所示，初始衬底1000包括导电硅1010的高度掺杂层，在其上已形成有光电晶体管阵列1020。准备衬底1000的步骤可以包括热退火工艺。步骤902的过程可以准备衬底1000的表面以确保随后沉积在衬底1000上的材料的适当结合。
图9的方法中的步骤904包括在初始衬底的顶表面上沉积选择性抗蚀剂材料。如图11中的垂直截面所示，在衬底1000的顶表面上沉积一层条件抗蚀材料1130，使得其覆盖成阵列的光电晶体管1020的表面。在一些实施例中，条件抗蚀材料1130可以是氮化物。
图9的方法中的步骤906包括将第一图案施加到在步骤904期间沉积在衬底上的条件抗蚀材料上。如图12所示，该图案允许在选定区域(例如，衬底1000左侧的光电晶体管阵列的表面)中从衬底1000去除条件抗蚀材料1130。如在半导体加工工业中众所周知的，将图案施加到在步骤904期间沉积在衬底1000上的条件抗蚀材料1130可以通过光刻工艺来实现。这种光刻工艺包括例如电子束、X射线、UV和深频UV。典型地，使用聚合物来限定该图案。
如图9的方法的步骤908所述，随后通过在图案上沉积光响应层然后选择性地将部分光响应层曝光(例如，对于光响应层的材料具有合适的波长和强度的光)以加工在步骤906中沉积的图案(例如，聚合物)。
图9的方法中的步骤910包括将光响应层(和位于光响应层的可蚀刻部分下方的任何条件抗蚀材料)向下蚀刻到第一预定位置。如图12所示，第一预定位置可以是例如衬底的表面(例如，光电晶体管1020的表面)。
图9的方法中的可选的后续步骤集合(未示出)是一旦衬底已经相对于条件抗蚀层图案化，则沉积、图案化和蚀刻一层导电材料。如图13所示，导电材料1330可以沉积在衬底表面(例如，衬底1000左侧的光电晶体管1020的表面)和在步骤908和910期间未被移除的条件抗蚀层1130的部分上。导电材料1330可以是例如导电硅，诸如非晶硅或高掺杂硅。然后，如图14所示，导电材料1330的图案化和刻蚀可以导致衬底1000的第一部分具有直接沉积在其上的一层导电材料1330(例如，在衬底1000左侧的光电晶体管1020的表面上)，并且衬底1000的第二部分具有直接沉积在其上的一层条件抗蚀材料1130(例如，在衬底1000右侧的光电晶体管1020的表面上)。
图9的方法中的步骤912包括在衬底(或已经沉积在衬底上且未被蚀刻掉的任何材料)上沉积至少一介电层。如本文其他地方所讨论的(例如，结合图1B的设备)，介电层堆叠的各个层(例如第一层介电材料、第二层介电材料、第三层介电材料等)可以顺序地沉积在衬底上。例如，如图15所示，由两层介电材料构成的电介质堆叠1530可以沉积在衬底1000上。为了与本文的其他部分一致，电介质堆叠1530的第一层不需要是沉积在衬底1000上的第一层。相反，术语第一和第二可以任意使用或者关于从表面开始并向内移动到衬底中的介电材料层的顺序使用。因此，在图15的上下文中，沉积在衬底1000上的第一层介电材料可以是“第二层”介电材料，并且沉积在衬底1000上的第二层介电材料可以是“第一层”介电材料。
图9的方法中的步骤914包括在至少一个介电层的顶部上施加第二图案并且将该至少一个介电层蚀刻到第二预定位置。在一些实施例中，第二预定位置可以是该层条件抗蚀材料1130的表面。因此，如图16所示，可将电介质堆叠1530的各层从衬底1000的选定部分向下蚀刻掉直至条件抗蚀材料1130的表面。如上所讨论的，条件抗蚀材料1130可以是氮化物。因此，步骤914中使用的蚀刻材料可以适用于蚀刻掉介电材料而不是氮化物。
在各种实施例中，可以进一步执行可选的步骤。例如，可以沉积第三图案，并且可以执行条件抗蚀层的剥离(其可选地可以导致对硅衬底高达10微米的蚀刻)。如图17所示，条件抗蚀层1130已经从衬底1000的右侧蚀刻掉，导致右侧的光电晶体管1020的表面再次暴露。另外，如图18所示，可以采取步骤来执行衬底1000的底部的氧化物条带和背面金属化以向衬底添加一层导电金属1830(例如银或金)。图18中所示的得到的衬底可以具有被配置成产生DEP力的第一部分(例如，在右侧)以及被配置为产生电润湿力的第二部分(例如，在左侧)。在第一和第二部分之间的接合处，至少关于产生DEP和电润湿力，衬底可以是电不活跃的(electrically inactive)。不活跃区域的厚度将取决于掩模和蚀刻步骤的精度，并且可以是例如小于2mm的厚度(例如，小于1.5mm、小于1.0mm、小于0.5mm或更少)。
尽管在本说明书中已经描述了本发明的具体实施例和应用，但是这些实施例和应用仅仅是示例性的，并且许多变化是可能的。例如，可以关于含有细胞分泌物的样品材料(例如，在样品材料682已经用于培养一种或更多种生物细胞之后)执行图8的方法。在这样的实施例中，步骤802将保持不变，但是步骤804将涉及将可能不含微物体而仅含水性介质(诸如包含细胞分泌物的样品材料622)的液滴632移动到含不混溶性介质的腔室616/716中，并且步骤806和808将针对这种含水性介质的液滴632执行。此外，本文讨论的电润湿配置可以是本领域已知的任何类型的电子润湿配置，其示例公开于第6,958,132号美国专利(用于OEW配置)和公开号为US2016/0158748的美国专利申请(用于单面OEW配置)。电润湿配置的其他示例包括电介质上的电润湿(EWOD)设备，其可以是电子控制的，其一个示例在第8,685,344号美国专利中公开。类似地，本文讨论的介电泳配置可以是本领域中已知的任何类型的介电泳配置，其示例公开于第RE 44,711号(Wu等人)、第7,956,339号(Ohta等人)、第6,294,063号(Becker等人)、第6,942,776号(Medoro)和第9,403,172号(Wu等人)美国专利。所有上述美国专利文献的全部内容通过引用并入本文。
示例
系统和微流体设备：用于操作它的微流体设备和仪器由Berkeley Lights公司制造。该系统至少包括流量控制器、温度控制器、流体介质调节和泵组件、用于光激活DEP或EW配置的光源、安装台和相机。微流体设备包括具有如下所述的表面的EW配置。
示例1。制备具有改性内表面的电润湿微流体设备。使用100W功率、240毫托压力和440sccm氧气流量在氧等离子体清洁器(Nordson Asymtek)中处理微流体设备(BerkeleyLights公司)1分钟，该微流体设备具有基部、盖以及将基部和盖分开的光图案化硅树脂的微流体回路材料，该基部包括具有光敏硅的半导体层和上表面为氧化铝的介电层的电极活化衬底，盖具有带有ITO电极的玻璃支撑件。在真空反应器的底部中的箔舟皿中存在作为水反应源的七水合硫酸镁(0.5g，Acros)的情况下，将等离子体处理过的微流体设备在真空反应器中，用三甲氧基(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,11,12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,16-二十九氟十六烷基)硅烷(0.3g，如2016年10月19日提交的美国临时申请62/410238中所述的合成细节)(在真空反应器的底部的单独箔舟皿中)进行处理。然后，使用真空泵将腔室泵至750毫托并密封。将真空反应器置于加热至180℃的炉中长达24-48小时。在冷却至室温并将氩气引入真空腔室后，从反应器中去除在所有内表面上具有二甲氧基(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,11,12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,16-二十九氟十六烷基)甲硅烷氧基部分的外疏水层的微流体设备。去除后，在使用前用硅油(5厘沲粘度，Gelest Cat.#DMS-T05)填充微流体设备。图20A-20C是在不混溶性的硅油相内的疏水层(即，液滴致动表面)周围移动的水滴的连续照相图像。使用光学致动的电润湿配置和微流体设备的液滴致动表面，液滴表现出优异的移动能力。
实施例的再现
1.一种具有电润湿配置的微流体设备，所述微流体设备包括：
衬底，具有介电层、液滴致动表面和配置成连接到AC电压源的第一电极；以及
第二电极，被配置为连接到所述AC电压源；
其中所述介电层电耦合到所述第一电极，并且，
其中所述液滴致动表面包括共价结合到所述介电层的疏水层。
2.根据实施例1所述的微流体设备，其中所述设备具有单侧电润湿配置。
3.根据实施例2所述的微流体设备，其中所述第二电极是由所述衬底构成的网状电极。
4.根据实施例1所述的微流体设备，其中所述设备具有光电润湿(OEW)配置。
5.根据实施例1所述的微流体设备，其中所述设备具有电介质上电润湿(EWOD)配置。
6.根据实施例1至5中任一项所述的微流体设备，其中所述疏水层为包括表面改性配体和将所述表面改性配体链接至所述表面的链接基团的单层，其中所述液滴致动表面具有式II的结构：
其中是介电层的表面；V是-P(O)(OY)W-或-Si(OZ)2W-；W是-O-、-S-或-NH-并连接到表面；Z是到附着到表面的相邻硅原子的键或是到表面的键；Y是到附着到表面的相邻磷原子的键或是到表面的键；R是氢或氟；M是氢或氟；h独立地是2或3的整数；j是1；k是0或1；m为0或1至20的整数；n是0或1至20的整数；(n+[(h+j)·k]+m)的总和为11至25的整数；当k是1时，则m至少是2并且M是氢；当k为0且R为氟时，则m至少为2且M为氢。
7.根据实施例1至6中任一项所述的微流体设备，其中所述设备的电润湿配置包括所述设备的第一部分，并且其中所述设备还包括具有介电泳(DEP)配置的第二部分。
8.一种微流体设备，包括：衬底，具有被配置为连接到电压源的至少一个电极；盖，具有被配置为连接到所述电压源的至少一个电极；以及至少一个间隔元件，
其中所述衬底和所述盖基本上彼此平行且通过所述间隔元件接合在一起以限定被配置为保持液体的封壳，其中所述衬底具有部分地限定所述封壳的液滴致动表面，所述液滴致动表面具有内介电层和外疏水层，
其中所述外疏水层包括共价结合到所述内介电层的表面的自缔合分子，从而在其上形成致密堆积的疏水单层，并且
其中当所述衬底的至少一个电极和所述盖的至少一个电极连接到所述电压源的相对端子时，所述衬底能够对与所述衬底的所述液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力。
9.根据实施例8所述的微流体装置，其中所述疏水单层的自缔合分子每个包括表面改性配体和将所述表面改性配体链接到所述内介电层表面的链接基团，其中所述液滴致动表面具有式II的结构：
其中是介电层的表面；V是-P(O)(OY)W-或-Si(OZ)2W-；W是-O-、-S-或-NH-并连接到表面；Z是到附着到表面的相邻硅原子的键或是到表面的键；Y是到附着到表面的相邻磷原子的键或是到表面的键；R是氢或氟；M是氢或氟；h独立地是2或3的整数；j是1；k是0或1；m为0或1至20的整数；n是0或1至20的整数；(n+[(h+j)·k]+m)的总和为11至25的整数；当k是1时，则m至少是2并且M是氢；当k为0且R为氟时，则m至少为2且M为氢。
10.根据实施例9所述的微流体设备，其中V是-Si(OZ)2W-。
11.根据实施例9所述的微流体设备，其中V是-P(O)(OY)W-。
12.根据实施例9至11中任一项所述的微流体设备，其中n是1至20的整数，并且其中R是氢。
13.根据实施例12所述的微流体设备，其中m是1至20的整数，并且其中M是氢。
14.根据实施例13所述的微流体设备，其中m是2。
15.根据实施例9至11中任一项所述的微流体设备，其中n是1至20的整数，并且其中R是氟。
16.根据实施例15所述的微流体设备，其中m是1至20的整数，并且其中M是氢。
17.根据实施例16所述的微流体设备，其中m是2。
18.根据实施例9至17中任一项所述的微流体设备，其中k是1。
19.根据实施例9至17中任一项所述的微流体设备，其中k是0。
20.根据实施例9至19中任一项所述的微流体设备，其中(n+[(h+j)·k]+m)的总和为13至19的整数。
21.根据实施例8至20中任一项所述的微流体设备，其中所述衬底的所述液滴致动表面的所述外疏水层具有小于5纳米的厚度。
22.根据实施例8至21中任一项所述的微流体设备，其中所述衬底的所述液滴致动表面的所述外疏水层被图案化，使得与所述外疏水层的其余部分相比，选定区域是相对亲水的。
23.根据实施例8至22中任一项所述的微流体设备，其中所述衬底的所述液滴致动表面的所述内介电层包括包含氧化物的第一层介电材料。
24.根据实施例8至23中任一项所述的微流体设备，其中所述氧化物是金属氧化物。
25.根据实施例24所述的微流体设备，其中所述金属氧化物是氧化铝。
26.根据实施例23至25中任一项所述的微流体设备，其中所述第一层介电材料通过原子层沉积形成。
27.根据实施例23至26中任一项所述的微流体设备，其中所述衬底的所述液滴致动表面的所述内介电层还包括第二层介电材料，并且其中所述外疏水层共价结合到所述第一层介电材料。
28.根据实施例27所述的微流体设备，其中第二层介电材料包括氧化物或氮化物。
29.根据实施例28所述的微流体设备，其中第二层介电材料选自二氧化硅和氮化硅构成的群组。
30.根据实施例27至29中任一项所述的微流体设备，其中所述第二层介电材料通过等离子体增强化学气相沉积形成。
31.根据实施例23至30中任一项所述的微流体设备，其中所述第一层介电材料包括第一子层介电材料和第二子层介电材料，其中所述第一子层共价结合到所述疏水层。
32.根据实施例31所述的微流体设备，其中所述第一子层介电材料包括氧化硅。
33.根据实施例31所述的微流体设备，其中所述第一子层介电材料通过ALD沉积。
34.根据实施例31至33中任一项所述的微流体设备，其中所述第一层介电材料具有约10nm至约20nm的厚度。
35.根据实施例34所述的微流体设备，其中所述第一子层介电材料具有约2nm至约10nm的厚度。
36.根据实施例8至35中任一项所述的微流体设备，其中所述衬底的所述液滴致动表面的所述内介电层具有至少约40纳米的厚度。
37.根据实施例36所述的微流体设备，其中所述衬底的所述液滴致动表面的所述内介电层具有约40纳米至约120纳米的厚度。
38.根据实施例8至37中任一项所述的微流体设备，其中所述衬底还包括光响应层，所述光响应层具有接触所述内介电层的第一侧和接触至少一个电极的第二侧。
39.根据实施例38所述的微流体设备，其中所述光响应层包括氢化非晶硅(a-Si：H)。
40.根据实施例38或39所述的微流体设备，其中所述光响应层具有至少900纳米的厚度。
41.根据实施例40所述的微流体设备，其中所述光响应层具有约900至1100纳米的厚度。
42.根据实施例38所述的微流体设备，其中所述光响应层包括多个导体，每个导体经由光电晶体管开关可控制地连接到所述衬底的至少一个电极。
43.根据实施例8至42中任一项所述的微流体设备，其中所述衬底包括被配置为连接到AC电压源的单个电极，所述单个电极包括氧化铟锡(ITO)层。
44.根据实施例8至42中任一项所述的微流体设备，其中所述衬底包括被配置为连接到AC电压源的单个电极，所述单个电极包括导电硅层。
45.根据实施例8至37中任一项所述的微流体设备，其中所述衬底包括多个电极，每个电极被配置为连接到一个或更多个AC电压源。
46.根据实施例45所述的微流体设备，其中所述多个电极中的每个电极经由晶体管开关可连接到所述一个或更多个AC电压源中的一个。
47.根据实施例8至46中任一项所述的微流体设备，其中所述盖具有部分地限定所述封壳的向内表面，所述盖的所述向内表面具有内层和外疏水层，其中所述盖的所述外疏水层包括共价结合到所述盖的所述内层的表面的自缔合分子，从而在其上形成致密堆积的疏水单层。
48.根据实施例47所述的微流体设备，其中所述盖的疏水单层的自缔合分子每个包括表面改性配体和将所述表面改性配体链接至所述盖的所述内层的表面的链接基团，其中所述盖的向内表面具有式II的结构：
其中是介电层的表面；V是-P(O)(OY)W-或-Si(OZ)2W-；W是-O-、-S-或-NH-并连接到表面；Z是到附着到表面的相邻硅原子的键或是到表面的键；Y是到附着到表面的相邻磷原子的键或是到表面的键；R是氢或氟；M是氢或氟；h独立地是2或3的整数；j是1；k是0或1；m为0或1至20的整数；n是0或1至20的整数；(n+[(h+j)·k]+m)的总和为11至25的整数；当k是1时，则m至少是2并且M是氢；并且当k为0且R为氟时，则m至少为2且M为氢。
49.根据实施例48所述的微流体设备，其中所述盖的疏水单层的自缔合分子与所述衬底的液滴致动表面的疏水单层的自缔合分子相同。
50.根据实施例47至49中任一项所述的微流体设备，其中所述盖的向内表面的外疏水层具有小于5纳米的厚度。
51.根据实施例47至50中任一项所述的微流体设备，其中所述盖的内层是内介电层。
52.根据实施例51所述的微流体设备，其中所述盖还包括光响应层。
53.根据实施例51所述的微流体设备，其中所述盖包括多个电极，每个电极被配置为连接到一个或更多个AC电压源。
54.根据实施例8所述的微流体设备，其中所述至少一个间隔元件包括硅基有机聚合物。
55.根据实施例54所述的微流体设备，其中所述硅基有机聚合物选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)和光可图案化聚硅氧烷(PPS)构成的群组。
56.根据实施例8至53中任一项所述的微流体设备，其中所述至少一个间隔元件包括SU-8。
57.根据实施例8至56中任一项所述的微流体设备，其中所述至少一个间隔元件具有至少30微米的厚度。
58.根据实施例8至57中任一项所述的微流体设备，其中所述至少一个间隔元件在所述封壳内限定一个或更多个微通道。
59.根据实施例58所述的微流体设备，其中所述至少一个间隔元件在所述封壳内进一步限定多个腔室，其中每个腔室从至少一个微通道开口。
60.一种制造微流体装置的方法，所述方法包括：将间隔元件结合到具有被配置为连接到电压源的至少一个电极的盖的内表面；
将所述间隔元件和盖结合到具有配置为连接到电压源的至少一个电极的衬底的介电表面，由此所述间隔元件变得设置在所述盖的内表面和所述衬底的电介质表面之间，所述盖和所述衬底基本上彼此平行定向，并且所述衬底、间隔元件和盖共同限定被配置成保持液体的封壳；通过气相沉积在所述盖的内表面的至少一部分上形成致密堆积的疏水单层，其中所述疏水单层包括共价结合到所述盖的内表面的自缔合分子；以及通过气相沉积在所述衬底的介电表面的至少一部分上形成致密堆积的疏水单层，其中所述疏水单层包括共价结合到所述衬底的介电表面的自缔合分子。
61.根据实施例60所述的方法，其中所述盖的疏水单层的自缔合分子和所述衬底的疏水单层的自缔合分子每个包括表面改性配体和将所述表面改性配体分别链接到所述盖的内表面和衬底的介电表面的链接基团，其中所述盖和所述衬底的所得表面具有式II的结构：
其中是介电层的表面；V是-P(O)(OY)W-或-Si(OZ)2W-；W是-O-、-S-或-NH-并连接到表面；Z是到附着到表面的相邻硅原子的键或是到表面的键；Y是到附着到表面的相邻磷原子的键或是到表面的键；R是氢或氟；M是氢或氟；h独立地是2或3的整数；j是1；k是0或1；m为0或1至20的整数；n是0或1至20的整数；(n+[(h+j)·k]+m)的总和为11至25的整数；当k为1时，则m至少是2并且M是氢；当k为0且R为氟时，则m至少为2且M为氢。
62.根据实施例61所述的方法，其中V是-Si(OZ)2W-。
63.根据实施例61所述的方法，其中V是-P(O)(OY)W-。
64.根据实施例61至63中任一项所述的方法，其中n是1至20的整数，并且其中R是氢。
65.根据实施例64所述的方法，其中m是1至20的整数，并且其中M是氢。
66.根据实施例65所述的方法，其中m是2。
67.根据实施例61至63中任一项所述的方法，其中n是1至20的整数，并且其中R是氟。
68.根据实施例67所述的方法，其中m是1至20的整数，并且其中M是氢。
69.根据实施例68所述的方法，其中m是2。
70.根据实施例61至69中任一项所述的方法，其中k是1。
71.根据实施例61至69中任一项所述的方法，其中k是0。
72.根据实施例61至71中任一项所述的微流体设备，其中(n+[(h+j)·k]+m)的总和为13至19的整数。
73.一种微流体装置，包括：导电硅衬底，具有电介质堆叠和配置成连接到电压源的至少一个电极；盖，具有被配置为连接到电压源的至少一个电极；以及至少一个间隔元件，
其中所述导电硅衬底和所述盖基本上彼此平行并且通过所述间隔元件接合在一起以便限定被配置为保持液体的封壳，
其中所述导电硅衬底具有部分地限定所述封壳的向内表面，所述内向表面包括所述电介质堆叠的最外表面，并且其中当所述衬底的至少一个电极和所述盖的至少一个电极连接到AC电压源的相对端子时，所述衬底能够对与衬底的向内表面接触的水性液滴施加电润湿力。
74.根据实施例73所述的微流体装置，其中所述导电硅衬底包括非晶硅。
75.根据实施例73所述的微流体装置，其中所述导电硅衬底包括光电晶体管阵列。
76.根据实施例73所述的微流体装置，其中所述导电硅衬底包括电极阵列。
77.根据实施例73至76中任一项所述的微流体装置，其中所述导电硅衬底的向内表面还包括外疏水层，所述外疏水层包括共价结合到所述内电介质堆叠的自缔合分子。
78.根据实施例73至77中任一项所述的微流体装置，其中所述内电介质堆叠包括第一层介电材料和第二层介电材料。
79.根据实施例78所述的微流体装置，其中第一层介电材料具有第一表面和相对表面，其中所述第一层的第一表面邻接所述第二层，并且其中所述第一层的相对表面形成所述电介质堆叠的最外表面。
80.根据实施例78或79所述的微流体装置，其中所述第一层介电材料包括金属氧化物。
81.根据实施例80所述的微流体装置，其中所述第一层介电材料包括氧化铝或氧化铪。
82.根据实施例78至81中任一项所述的微流体装置，其中所述第二层介电材料包括氧化物或氮化物。
83.根据实施例82所述的微流体装置，其中所述第二层介电材料包括氧化硅或氮化硅。
84.根据实施例78至83中任一项所述的微流体装置，其中所述第二层通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术来沉积。
85.根据实施例78至84中任一项所述的微流体装置，其中所述第一层通过原子层沉积(ALD)技术沉积。
86.根据实施例78至85中任一项所述的微流体装置，其中所述内电介质堆叠包括具有第一表面和相对表面的第三层，其中所述第三层的第一表面邻接所述第一层的相对表面，并且其中所述第三层的相对表面形成所述电介质堆叠的最外表面。
87.根据实施例86所述的微流体装置，其中所述第三层包括氧化硅。
88.根据实施例86或87所述的微流体装置，其中所述第三层通过原子层沉积(ALD)技术沉积。
89.根据实施例78至85中任一项所述的微流体装置，其中所述第一层介电材料具有约10nm至约50nm的厚度。
90.根据实施例86至88中任一项所述的微流体装置，其中所述第一层介电材料具有约5nm至约20nm的厚度，并且所述第三层介电材料具有约2nm至约10nm的厚度。
91.根据实施例78至90中任一项所述的微流体装置，其中所述第二层介电材料具有约30nm至约100nm的厚度。
92.根据实施例73至91中任一项所述的微流体装置，其中所述衬底的液滴致动表面的电介质堆叠具有至少约40纳米的厚度。
93.根据实施例92所述的微流体装置，其中所述衬底的液滴致动表面的电介质堆叠具有约40纳米至约120纳米的厚度。
94.根据实施例73至93中任一项所述的微流体装置，其中所述介电层具有约50k欧姆至约150k欧姆的阻抗。
95.根据实施例73至94中任一项所述的微流体装置，其中所述装置包括：
介电泳模块，用于响应于第一频率下的第一施加电压以执行第一微流体操作；以及
电润湿模块，用于接收来自所述介电泳模块的输出，并且响应于第二频率下的第二施加电压以执行第二微流体操作，
其中所述电润湿模块包括所述导电硅衬底的电介质堆叠。
96.根据实施例95所述的微流体装置，还包括在第一模块和第二模块之间的桥。
97.根据实施例96所述的微流体装置，其中所述桥不执行所述第一微流体操作或所述第二微流体操作。
98.根据实施例96或97所述的微流体装置，其中所述桥是电中性区。
99.根据实施例96至98中任一项所述的微流体装置，其中所述桥包括管道。
100.根据实施例96至98中任一项所述的微流体装置，其中所述桥包括聚合物。
101.根据实施例95至100中任一项所述的微流体装置，其中所述输出是生物材料。
102.根据实施例95至101中任一项所述的微流体装置，其中所述第一频率在100kHz至10mHz的范围内。
103.根据实施例95至102中任一项所述的微流体装置，其中所述第二频率在1kHz至300kHz的范围内。
104.根据实施例95至103中任一项所述的微流体装置，其中所述第一电压在1至10伏的范围内。
105.根据实施例95至104中任一项所述的微流体装置，其中所述第二电压在10至100伏的范围内。
106.根据实施例95至105中任一项所述的微流体装置，其中所述导电硅衬底是整体的。
107.根据实施例95至106中任一项所述的微流体装置，其中所述导电硅衬底是双体的。
108.根据实施例106所述的微流体装置，其中所述导电硅衬底包括非晶硅。
109.根据实施例107所述的微流体装置，其中所述导电硅衬底包括非晶硅。
110.根据实施例106所述的微流体装置，其中所述导电硅衬底包括光电晶体管阵列。
111.根据实施例107所述的微流体装置，其中所述导电硅衬底包括光电晶体管阵列。
112.根据实施例106所述的微流体装置，其中所述导电硅衬底包括电极阵列。
113.根据实施例107所述的微流体装置，其中所述导电硅衬底包括电极阵列。
114.一种用于传输与水性介质相容和/或可溶于水性介质的微物体、生物产品和/或试剂的系统，所述系统包括：
微流体设备，具有包括基部和微流体回路结构的封壳，其中所述基部包括共价结合到所述基部的上表面的至少一部分的疏水单层；
与水性介质不混溶的第一流体介质；以及
至少一个水性液滴。
115.根据实施例114所述的系统，其中所述疏水单层具有表面改性配体和将表面改性配体链接至表面的链接基团，其中疏水表面具有式II的结构：
其中是表面；V是-P(O)(OY)W-或-Si(OZ)2W-；W是-O-、-S-或-NH-并且连接到表面；Z是到附着到表面的相邻硅原子的键或是到表面的键；Y是到附着到表面的相邻磷原子的键或是到表面的键；R是氢或氟；M是氢或氟；h独立地是2或3的整数；j是1；k是0或1；m为0或1至20的整数；n是0或1至20的整数；(n+[(h+j)·k]+m)的总和为11至25的整数；当k是1时，则m至少是2并且M是氢；并且当k为0且R为氟时，则m至少为2且M为氢。
116.根据实施例114或115所述的系统，其中所述基部包括导电衬底。
117.根据实施例114至116中任一项所述的系统，其中所述微流体设备是根据实施例1至59中任一项所述的微流体设备。
118.根据实施例117所述的系统，其中所述微流体设备包括光学致动的EW配置。
119.根据实施例117或118所述的系统，其中所述微流体设备还包括DEP配置。
120.根据实施例114至119中任一项所述的系统，其中所述第一流体介质包括具有主链结构的至少一种有机化合物或至少一种有机硅化合物，所述主链结构包括选自碳、硅和氧的原子。
121.根据实施例120所述的系统，其中所述至少一种有机硅化合物的主链结构包括硅原子和可选的氧原子。
122.根据实施例120所述的系统，其中所述至少一种有机化合物的主链结构包括碳原子和可选的氧原子。
123.根据实施例122所述的系统，其中所述主链结构是分支的。
124.根据实施例120至123中任一项所述的系统，其中所述第一流体介质包括一种或更多种无环有机或有机硅化合物。
125.根据实施例124所述的系统，其中所述第一流体介质由无环有机或有机硅化合物组成。
126.根据实施例114至125中任一项所述的系统，其中所述第一流体介质不包括全氟化碳原子。
127.根据实施例114至125中任一项所述的系统，其中所述第一流体介质的化合物的碳原子的取代基包括不超过90％的氟取代基。
128.根据实施例115至125中任一项所述的系统，其中所述表面改性配体包括至少第一部分，所述第一部分在所述疏水单层的面向内侧的末端包括全氟化碳原子。
129.根据实施例128所述的系统，其中所述疏水单层的全部碳原子是全氟化的。
130.根据实施例114至129中任一项所述的系统，其中所述第一流体介质包括多于一种有机或有机硅化合物。
131.根据实施例114至130中任一项所述的系统，其中所述封壳还包括盖。
132.根据实施例131所述的系统，其中所述盖对光是透明的。
133.根据实施例131或132所述的系统，其中所述盖包括玻璃和/或氧化铟钽(ITO)。
134.根据实施例131至133中任一项所述的系统，其中所述盖包括电极。
135.根据实施例114至134中任一项所述的系统，其中水性液滴包括表面活性剂。
136.根据实施例135所述的系统，其中所述表面活性剂包括非离子表面活性剂。
137.根据实施例135或136所述的系统，其中所述表面活性剂包括嵌段氧化烯共聚物、脂肪酸酯乙氧基化脱水山梨糖醇、乙氧基化含氟表面活性剂、十二烷基硫酸钠或2,4,7,9-四甲基-5-癸炔-4,7-二醇乙氧基化物。
138.根据实施例135至137中任一项所述的系统，其中所述表面活性剂包括FS-30(DuPontTM，Synquest Laboratories)。
139.根据实施例114至139中任一项所述的系统，其中所述液滴包括磷酸盐缓冲盐溶液。
140.根据实施例114至139中任一项所述的系统，其中所述水性液滴包括至少一个微物体。
141.根据实施例140所述的系统，其中所述微物体是生物微物体。
142.根据实施例114至141中任一项所述的系统，其中水性液滴包括含有核酸和/或蛋白质的生物产品。
143.根据实施例114至142中任一项所述的系统，其中水性液滴包括试剂。
144.一种用于传输与水性介质相容和/或可溶于水性介质的微物体、生物产品和/或试剂的试剂盒，所述试剂盒包括：
微流体设备，具有包括基部和微流体回路结构的封壳，其中所述基部包括共价结合到所述基部的上表面的至少一部分的疏水单层；以及与水性介质不混溶的第一流体介质。
145.根据实施例144所述的试剂盒，其中疏水单层具有表面改性配体和将表面改性配体链接至表面的链接基团，其中疏水表面具有式II的结构：
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其中是表面；V是-P(O)(OY)W-或-Si(OZ)2W-；W是-O-、-S-或-NH-并连接到表面；Z是到附着到表面的相邻硅原子的键或是到表面的键；Y是到附着到表面的相邻磷原子的键或是到表面的键；R是氢或氟；M是氢或氟；h独立地是2或3的整数；j是1；k是0或1；m为0或1至20的整数；n是0或1至20的整数；(n+[(h+j)·k]+m)的总和为11至25的整数；当k是1时，则m至少是2并且M是氢；当k为0且R为氟时，则m至少为2且M为氢。
146.根据实施例144或145所述的试剂盒，其中所述基部包括导电衬底。
147.根据实施例144至146中任一项所述的试剂盒，其中所述微流体设备是根据实施例1至59中任一项所述的微流体设备。
148.一种操作根据实施例8至59中任一项所述的微流体装置的过程，所述过程包括：
用第一液体介质填充所述封壳或其一部分；
在衬底的至少一个电极和盖的至少一个电极之间施加AC电压电势；
将第一液体液滴引入所述封壳中，其中所述第一液滴不混溶于所述第一液体介质中；以及
通过对所述第一液滴施加电润湿力，将所述第一液滴移动到所述封壳内的期望位置。
149.根据实施例148所述的过程，其中所述第一液体介质是油。
150.根据实施例148所述的过程，其中所述第一液体介质是硅油、氟化油或其组合。
151.根据实施例148至150中任一项所述的过程，其中所施加的AC电压电势至少为20ppV。
152.根据实施例151所述的过程，其中施加的AC电压电势在约25和35ppV之间。
153.根据实施例148至152中任一项所述的过程，其中所施加的AC电压电势具有约1至100kHz的频率。
154.根据实施例148至153中任一项所述的过程，其中所述微流体装置包括液滴生成器，并且其中所述液滴生成器将所述第一液滴引入所述封壳。
155.根据实施例148至154中任一项所述的过程，其中所述第一液滴包水性溶液。
156.根据实施例155所述的过程，其中第一液滴包括至少一个微物体。
157.根据实施例156所述的过程，其中所述至少一个微物体是生物微物体。
158.根据实施例157所述的过程，其中所述生物微物体是细胞。
159.根据实施例155至158中任一项所述的过程，其中所述水性溶液是细胞培养基。
160.根据实施例156所述的过程，其中所述至少一个微物体是对感兴趣的材料具有亲和力的捕获珠粒。
161.根据实施例160所述的过程，其中所述第一液滴包括2至20个捕获珠粒。
162.根据实施例160所述的过程，其中感兴趣的材料是生物细胞分泌物。
163.根据实施例160或161所述的过程，其中感兴趣的材料选自由DNA、基因组DNA、线粒体DNA、RNA、mRNA、miRNA或其任何组合组成的群组。
164.164.根据实施例155或156所述的过程，其中所述第一液滴包括试剂。
165.根据实施例164所述的过程，其中所述试剂是细胞裂解试剂。
166.根据实施例165所述的过程，其中所述试剂包括非离子型去污剂。
167.根据实施例166所述的过程，其中所述非离子型去污剂的浓度小于0.2％。
168.根据实施例164所述的过程，其中所述试剂是蛋白水解酶。
169.根据实施例168所述的过程，其中蛋白水解酶可以被失活。
170.根据实施例148至169中任一项所述的过程，还包括：
将第二液滴引入所述封壳中，其中所述第二液滴的液体在所述第一液体介质中不混溶但与所述第一液滴的液体混溶；
通过将电润湿力施加到所述第二液滴，将所述第二液滴移动到与所述第一液滴相邻的封壳内的位置；以及
合并所述第二液滴与所述第一液滴以形成第一组合液滴。
171.根据实施例170所述的过程，其中通过对所述第二液滴和/或所述第一液滴施加电润湿力使所述第二液滴与所述第一液滴合并。
172.根据实施例170或171所述的过程，其中所述第一液滴包括生物微物体，并且其中所述第二液滴包括试剂。
173.根据实施例172所述的过程，其中所述第二液滴中包含的试剂选自裂解缓冲液、荧光标记物和发光测定试剂构成的群组。
174.根据实施例172所述的过程，其中第二液滴中包含的试剂是裂解缓冲液，并且其中所述生物细胞在所述第一液滴和所述第二液滴合并时被裂解。
175.根据实施例170至174中任一项所述的过程，还包括：
将第三液滴引入封壳中，其中第三液滴的液体在所述第一液体介质中不混溶但与所述第一组合液滴的液体混溶；以及通过将电润湿力施加到所述第三液滴，将所述第三液滴移动到所述封壳内与所述第一组合液滴相邻的位置；以及
合并所述第三液滴与所述第一组合液滴以形成第二组合液滴。
176.根据实施例175所述的过程，其中通过对所述第三液滴和/或所述第一组合液滴施加电润湿力使所述第三液滴与所述第一组合液滴合并。
177.根据实施例175或176所述的过程，其中所述第三液滴包括试剂。
178.根据实施例177所述的过程，其中所述第三液滴包括蛋白酶抑制剂。
179.根据实施例177所述的过程，其中所述第三液滴包括对感兴趣的材料具有亲和力的一至二十个捕获珠粒。
180.根据实施例179所述的过程，其中捕获珠粒包括寡核苷酸捕获剂。
181.根据实施例180所述的过程，其中所述寡核苷酸捕获剂是聚-dT寡核苷酸。
182.根据实施例179至181中任一项所述的过程，其中所述感兴趣的材料选自由DNA、基因组DNA、线粒体DNA、RNA、mRNA、miRNA或其任何组合构成的群组。
183.根据实施例179至182中任一项所述的过程，还包括：
从所述微流体装置输出一至二十个捕获珠粒。
184.根据根据实施例175至183中任一项所述的过程，还包括：
将第四液滴引入所述封壳中，其中所述第四液滴的液体在所述第一液体介质中不混溶但与所述第二组合液滴的液体混溶；
通过将电润湿力施加到第四液滴，将所述第四液滴移动到与所述第二组合液滴相邻的封壳内的位置；以及
合并所述第四液滴与所述第二组合液滴以形成第三组合液滴。
185.根据实施例184所述的过程，其中通过对所述第四液滴和/或所述第二组合液滴施加电润湿力使所述第四液滴与所述第二组合液滴合并。
186.根据实施例184或185所述的过程，其中所述第四液滴包括试剂。
187.根据实施例186所述的过程，其中所述第四液滴中包含的试剂包括含有缓冲液、dNTP和适于执行逆转录反应的聚合酶的混合物。
188.根据实施例186所述的过程，其中所述第四液滴中包含的试剂包括含有缓冲液、dNTP和适于进行全基因组扩增反应的聚合酶的混合物。
189.根据实施例148至188中任一项所述的过程，其中所述第一液滴、第二液滴、第三液滴和第四液滴各自具有约5至50纳升的体积。
190.根据实施例189所述的过程，其中所述第一液滴、所述第二液滴和所述第三液滴各自具有约5至20纳升的体积。
191.根据实施例190所述的过程，其中所述第二液滴和/或所述第三液滴的体积基本上等于所述第一液滴的体积。
192.根据实施例190或191所述的过程，其中所述第四液滴具有比所述第一液滴大约1至3倍的体积。
193.根据实施例192所述的过程，其中所述第四个液滴具有约10至30纳升的体积。
194.根据实施例148至193中任一项所述的过程，其中所述封壳包括至少一个微通道。
195.根据实施例194所述的过程，其中将所述第一液滴移动到所述封壳内的期望位置包括将所述第一液滴移动穿过所述至少一个微通道。
196.根据实施例194或195所述的过程，其中所述封壳还包括从所述至少一个微通道开口的多个腔室。
197.根据实施例196所述的过程，其中将所述第一液滴移动到所述封壳内的期望位置包括将所述第一液滴移动到所述多个腔室中的一个腔室中。
198.根据实施例194至197中任一项所述的过程，其中将所述第二液滴移动至与所述第一液滴相邻的位置包括将所述第二液滴移动穿过所述至少一个微通道并且可选地移动至容纳所述第一液滴的腔室中。
199.根据实施例198所述的过程，其中将所述第三液滴移动到与所述第一组合液滴相邻的位置包括将所述第三液滴移动穿过所述至少一个微通道并且可选地移动到包含所述第一组合液滴的腔室中。
200.根据实施例199所述的过程，其中将所述第四液滴移动到邻近第二组合液滴的位置包括将所述第四液滴移动穿过至少一个微通道并且可选地进入包含所述第二组合液滴的腔室中。
201.根据根据实施例148至200中任一项所述的过程，其中施加电润湿力以移动和/或合并液滴包括改变所述衬底表面的接近液滴的区域的有效电润湿特性。
202.根据实施例201所述的过程，其中改变有效电润湿特性包括激活所述衬底表面的接近液滴的区域处的电润湿电极。
203.根据实施例202所述的过程，其中所述衬底包括光响应层，并且其中激活所述衬底表面的接近液滴的区域处的电润湿电极包括将光图案引导到所述电润湿表面的所述区域上。
等同
前述书面说明书被认为足以使本领域技术人员能够实施这些实施例。前面的描述和实施例详述了某些实施方式并描述了预期的最佳模式。然而，应该理解的是，无论文本中如何详述上述内容，该实施例可以以许多方式实践并且应该根据所附权利要求及其任何等同物来解释。
Claims (38)
1.一种微流体设备，所述微流体设备包括：
衬底，具有配置成连接到电压源的至少一个电极；
盖，具有被配置为连接到所述电压源的至少一个电极；以及
至少一个间隔元件，
其中，所述衬底和所述盖基本上彼此平行，且通过所述间隔元件接合在一起以限定被配置为保持液体的封壳，
其中，所述衬底具有部分地限定所述封壳的液滴致动表面，所述液滴致动表面具有内介电层和外疏水层，
其中，所述外疏水层包括共价结合到所述内介电层的表面的自缔合分子，从而在其上形成致密堆积的疏水单层，
其中，所述疏水单层的自缔合分子每个包括表面改性配体和将所述表面改性配体链接到所述内介电层的表面的链接基团，其中，所述液滴致动表面具有式II的结构：
其中，是介电层的表面；
V是-P(O)(OY)W-或-Si(OZ)2W-；
W是-O-、-S-或-NH-并连接到所述表面；
Z是到附着到所述表面的相邻硅原子的键或是到所述表面的键；
Y是到附着到所述表面的相邻磷原子的键或是到所述表面的键；
R是氢或氟；
M是氢或氟；
h独立地是2或3的整数；
j是1；
k是0或1；
m为0或1至20的整数；
n是0或1至20的整数；
(n+[(h+j)·k]+m)的总和为11至25的整数；
当k是1时，则m至少是2并且M是氢；以及
当k为0且R为氟时，则m至少为2且M为氢，
其中，所述衬底的所述至少一个电极和所述盖的所述至少一个电极连接到所述电压源的相对端子时，所述衬底能对与所述衬底的所述液滴致动表面接触的水性液滴施加电润湿力，
其中，所述疏水单层具有小于5纳米的厚度。
2.根据权利要求1所述的微流体设备，其中，V是-Si(OZ)2W-。
3.根据权利要求1所述的微流体设备，其中，V是-P(O)(OY)W-。
4.根据权利要求1所述的微流体设备，其中，m是1至20的整数，并且其中，M是氢。
5.根据权利要求4所述的微流体设备，其中，n是1至20的整数，并且其中，R是氢。
6.根据权利要求5所述的微流体设备，其中，m是2。
7.根据权利要求1所述的微流体设备，其中，k是1。
8.根据权利要求1所述的微流体设备，其中，k是0。
9.根据权利要求1所述的微流体设备，其中，(n+[(h+j)·k]+m)的总和为13至19的整数。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的微流体设备，其中，所述衬底的所述液滴致动表面的所述内介电层包括第一层介电材料，所述第一层介电材料包含氧化物。
11.根据权利要求10所述的微流体设备，其中，所述氧化物是金属氧化物。
12.根据权利要求11所述的微流体设备，其中，所述金属氧化物是氧化铝。
13.根据权利要求10所述的微流体设备，其中，所述衬底的所述液滴致动表面的所述内介电层还包括第二层介电材料，并且其中，所述外疏水层共价结合到所述内介电层的所述第一层介电材料。
14.根据权利要求13所述的微流体设备，其中，所述第二层介电材料包括氧化物或氮化物。
15.根据权利要求14所述的微流体设备，其中，所述第二层介电材料选自由二氧化硅和氮化硅构成的群组。
16.根据权利要求10所述的微流体设备，其中，所述第一层介电材料包括第一子层介电材料和第二子层介电材料，其中，所述第一子层共价结合到所述疏水层。
17.根据权利要求16所述的微流体设备，其中，所述第一子层介电材料包括氧化硅。
18.根据权利要求16所述的微流体设备，其中，所述第一层介电材料具有10nm至20nm的厚度，并且其中，所述第一子层介电材料具有2nm至10nm的厚度。
19.根据权利要求1至9中任一项所述的微流体设备，其中，所述衬底的所述液滴致动表面的所述内介电层具有40纳米至120纳米的厚度。
20.根据权利要求1至9中任一项所述的微流体设备，其中，所述衬底还包括光响应层，所述光响应层具有接触所述内介电层的第一侧和接触所述至少一个电极的第二侧。
21.根据权利要求1至9中任一项所述的微流体设备，其中，所述衬底包括多个电极，每个电极被配置为连接到一个或更多个AC电压源，并且其中，所述多个电极中的每个电极能经由晶体管开关连接到所述一个或更多个AC电压源中的一个。
22.根据权利要求1至9中任一项所述的微流体设备，其中，所述盖具有部分地限定所述封壳的向内表面，所述盖的所述向内表面具有内层和外疏水层，其中，所述盖的所述外疏水层包括共价结合到所述盖的所述内层的表面的自缔合分子，从而在其上形成致密堆积的疏水单层。
23.根据权利要求22所述的微流体设备，其中，所述盖的疏水单层的自缔合分子每个包括表面改性配体和将所述表面改性配体链接至所述盖的所述内层的表面的链接基团，其中，所述盖的向内表面具有式II的结构：
其中，是介电层的表面；
V是-P(O)(OY)W-或-Si(OZ)2W-；
W是-O-、-S-或-NH-并连接到所述表面；
Z是到附着到所述表面的相邻硅原子的键或是到所述表面的键；
Y是到附着到所述表面的相邻磷原子的键或是到所述表面的键；
R是氢或氟；
M是氢或氟；
h独立地是2或3的整数；
j是1；
k是0或1；
m为0或1至20的整数；
n是0或1至20的整数；
(n+[(h+j)·k]+m)的总和为11至25的整数；
当k是1时，则m至少是2并且M是氢；以及
当k为0且R为氟时，则m至少为2且M为氢。
24.根据权利要求23所述的微流体设备，其中，所述盖的疏水单层的自缔合分子与所述衬底的液滴致动表面的疏水单层的自缔合分子相同。
25.根据权利要求1至9中任一项所述的微流体设备，其中，所述至少一个间隔元件在所述封壳内限定一个或更多个微通道。
26.根据权利要求25所述的微流体设备，其中，所述至少一个间隔元件在所述封壳内进一步限定多个腔室，其中，每个腔室从至少一个微通道开口。
27.根据权利要求1至9中任一项所述的微流体设备，其中，具有所述液滴致动表面的所述衬底包括所述设备的第一部分，并且其中，所述设备还包括具有介电泳DEP配置的第二部分。
28.根据权利要求27所述的微流体设备，其中，具有包括有所述液滴致动表面的所述衬底的所述第一部分和包括DEP配置的所述第二部分的所述微流体设备是整体的。
29.根据权利要求1至9中任一项所述的微流体设备，其中，所述内介电层具有50k欧姆至150k欧姆的阻抗。
30.一种用于传输微物体、生物产品和/或试剂的试剂盒，所述微物体、生物产品和/或试剂与水性介质相容和/或可溶于水性介质，所述试剂盒包括：
微流体设备，具有包括基部和微流体回路结构的封壳，其中，所述基部包括共价结合到所述基部的上表面的至少一部分的疏水单层，其中，疏水单层具有表面改性配体和将所述表面改性配体链接至所述表面的链接基团；以及
与水性介质不混溶的第一流体介质，
其中，所述疏水表面具有式II的结构：
其中，是所述表面；
V是-P(O)(OY)W-或-Si(OZ)2W-；
W是-O-、-S-或-NH-并连接到所述表面；
Z是到附着到所述表面的相邻硅原子的键或是到所述表面的键；
Y是到附着到所述表面的相邻磷原子的键或是到所述表面的键；
R是氢或氟；
M是氢或氟；
h独立地是2或3的整数；
j是1；
k是0或1；
m为0或1至20的整数；
n是0或1至20的整数；
(n+[(h+j)·k]+m)的总和为11至25的整数；
当k是1时，则m至少是2并且M是氢；以及
当k为0且R为氟时，则m至少为2且M为氢，
其中，所述疏水单层具有小于5纳米的厚度。
31.根据权利要求30所述的试剂盒，其中，所述微流体设备是根据权利要求1至29中任一项所述的微流体设备。
32.根据权利要求30和31中任一项所述的试剂盒，其中，所述第一流体介质包括一种或更多种无环有机或有机硅化合物。
33.根据权利要求30和31中任一项所述的试剂盒，还包括：非离子表面活性剂。
34.一种操作根据权利要求1至29中任一项所述的微流体设备的过程，所述操作包括：
用第一液体介质填充所述封壳或所述封壳的一部分；
在所述衬底的所述至少一个电极和所述盖的所述至少一个电极之间施加AC电压电势；
将液体的第一液滴引入所述封壳中，其中，所述第一液滴不混溶于所述第一液体介质中；以及
通过对所述第一液滴施加电润湿力，将所述第一液滴移动到所述封壳内的期望位置。
35.根据权利要求34所述的过程，其中，所施加的AC电压电势在25和35ppV之间。
36.根据权利要求34或35所述的过程，其中，所施加的AC电压电势具有1至100kHz的频率。
37.一种用于传输微物体、生物产品和/或试剂的系统，所述微物体、生物产品和/或试剂与水性介质相容和/或能溶于水性介质中，所述系统包括：
微流体设备，具有包括基部和微流体回路结构的封壳，其中，所述基部包括共价结合到所述基部的上表面的至少一部分的疏水单层，
其中，所述基部具有部分地限定所述封壳的液滴致动表面，所述液滴致动表面具有内介电层和外疏水层，
其中，所述疏水单层具有表面改性配体和将所述表面改性配体链接至所述表面的链接基团，
其中，所述疏水表面具有式II的结构：
其中，是所述表面；
V是-P(O)(OY)W-或-Si(OZ)2W-；
W是-O-、-S-或-NH-并连接到所述表面；
Z是到附着到所述表面的相邻硅原子的键或是到所述表面的键；
Y是到附着到所述表面的相邻磷原子的键或是到所述表面的键；
R是氢或氟；
M是氢或氟；
h独立地是2或3的整数；
j是1；
k是0或1；
m为0或1至20的整数；
n是0或1至20的整数；
(n+[(h+j)·k]+m)的总和为11至25的整数；
当k是1时，则m至少是2并且M是氢；以及
当k为0且R为氟时，则m至少为2且M为氢，
其中，所述系统还包括：
与水性介质不混溶的第一流体介质；以及
至少一个水性液滴，
其中，所述疏水单层具有小于5纳米的厚度。
38.一种制造微流体装置的方法，所述方法包括：
将间隔元件结合到具有被配置为连接到电压源的至少一个电极的盖的内表面；
将所述间隔元件和盖结合到具有被配置为连接到电压源的至少一个电极的衬底的介电表面，由此所述间隔元件变得设置在所述盖的内表面和所述衬底的介电表面之间，所述盖和所述衬底基本上彼此平行定向，并且所述衬底、间隔元件和盖共同限定被配置成保持液体的封壳；
通过气相沉积在所述盖的内表面的至少一部分上形成致密堆积的疏水单层，其中，所述疏水单层包括共价结合到所述盖的内表面的自缔合分子；以及
通过气相沉积在所述衬底的介电表面的至少一部分上形成致密堆积的疏水单层，
其中，所述疏水单层包括共价结合到所述衬底的介电表面的自缔合分子，
其中，所述盖的疏水单层的自缔合分子和所述衬底的疏水单层的自缔合分子每个包括表面改性配体和将所述表面改性配体分别链接到所述盖的内表面和所述衬底的介电表面的链接基团，其中，所述盖的内表面和所述衬底的介电表面具有式II的结构：
其中，是所述盖的内表面或所述衬底的介电表面；
V是-P(O)(OY)W-或-Si(OZ)2W-；
W是-O-、-S-或-NH-并连接到所述表面；
Z是到附着到所述表面的相邻硅原子的键或是到所述表面的键；
Y是到附着到所述表面的相邻磷原子的键或是到所述表面的键；
R是氢或氟；
M是氢或氟；
h独立地是2或3的整数；
j是1；
k是0或1；
m为0或1至20的整数；
n是0或1至20的整数；
(n+[(h+j)·k]+m)的总和为11至25的整数；
当k为1时，则m至少是2并且M是氢；以及
当k为0且R为氟时，则m至少为2且M为氢，
其中，所述盖的疏水单层具和所述衬底的疏水单层均具有小于5纳米的厚度。
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