CN115279494A - 在微流体室中使用表面附着的柱和捕获珠粒的微流体装置和方法 - Google Patents

在微流体室中使用表面附着的柱和捕获珠粒的微流体装置和方法 Download PDF

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Abstract

公开了在微流体室中使用表面附着的柱和捕获珠粒的微流体装置和方法。例如，微流体装置包括一对由间隙隔开的基板，从而在其间形成反应(或测定)室。在一个或两个基板上提供可致动的表面附着的柱(例如，磁响应微柱)的区域。表面附着的柱用捕获珠粒官能化。另外，提供了用捕获珠粒官能化表面附着的柱的方法。另外，提供了在微流体装置中使用被捕获珠粒官能化的表面附着的柱的方法，用于结合目标靶标。此外，提供了珠粒喷涂系统和方法，用于在微流体装置中使用的表面附着的微柱的区域之上和/或之中喷涂磁响应和/或非磁响应珠粒。

Description

在微流体室中使用表面附着的柱和捕获珠粒的微流体装置和 方法
相关申请
本公开的主题与于2019年11月15日提交的标题为"在微流体室中使用表面附着的柱和捕获珠粒的微流体装置和方法(MICROFLUIDIC DEVICE FOR and METHODS OF USINGSURFACE-ATTACHED POSTS AND CAPTURE BEADS IN A MICROFLUIDIC CHAMBER)"的第62/936,263号美国临时专利申请，以及于2020年7月20日提交的标题为"在微流体室中使用表面附着的柱和捕获珠粒的微流体装置和方法(MICROFLUIDIC DEVICE FOR and METHODS OFUSING SURFACE-ATTACHED POSTS AND CAPTURE BEADS IN A MICROFLUIDIC CHAMBER)"的第63/053,887号美国临时专利申请有关，并要求它们的优先权，它们的全部公开内容通过引用并入本文。
本发明的技术领域
本公开主题一般涉及生物材料的加工，更具体地涉及在微流体室中使用表面附着的柱(surface-attached post)和捕获珠粒的微流体装置和方法；其中，表面附着的柱可以用捕获珠粒官能化，用于高效结合目标靶标。
背景技术
微流体装置可以包括一个或多个活性表面，其可以是例如用于捕获生物流体中的靶标分析物的反应室中的表面附着的微柱。示例性微流体装置包括第9,238,869号和第9,612,185号美国专利中所描述的那些，这两个专利的标题均为“使用致动表面附着的柱来评估生物流体流变学的方法和系统(Methods and Systems for Using Actuated Surface-Attached Posts for Assessing Biofluid Rheology)”，它们涉及使用致动的表面附着的柱来评估生物流体流变学的方法、系统和计算机可读介质。根据一个方面，一种用于测试生物流体样本的性质的方法包括：将所述样本放置到具有从基板向外延伸的多个微柱的微柱阵列上，其中每个微柱包括连接到所述基板的近端和与所述近端相对的远端；以及在靠近所述微柱阵列处产生致动力以致动所述微柱，从而迫使所述微柱中的至少一些呈现运动。该方法还包括测量至少一个微柱响应于致动力的运动，并基于所测量的至少一个微柱的运动来确定样本的性质。
尽管诸如上述的微流体装置已经是已知的，但是仍然存在相当高的成本和复杂性，这与向微流体装置的反应室内的一个或多个活性表面(例如，表面附着的微柱)提供靶特异性结合性质有关。相比之下，存在许多可用于台式应用(例如，基于管的应用)的基于珠粒的捕获技术的示例，其使用预官能化的珠粒来特异性结合样品流体中的靶物质以用于处理和/或分析。然而，在使用预官能化珠粒的台式方案中常用的常规操作，例如移液、涡旋、摇动、旋转等，对在微流体室中使用基于珠粒的捕获提出了几个挑战。因此，需要新的方法来将现有的基于珠粒的捕获技术与微流体室的环境集成。
发明内容
本发明提供一种微流体盒。微流体盒可以包括形成反应室的壳体。微流体盒可以包括数个表面附着的微柱的一区域，设置在壳体上并延伸到反应室中。微流体盒可以包括附着到数个微柱的数个珠粒。微流体盒还可以包括数个开口，该数个开口布置成用于使流体流入和流出所述室。
壳体可以包括两个间隔开的基板，以形成作为所述基板之间的间隙的所述反应室。微流体盒还可以包括数个表面附着的微柱，所述数个微柱包括可以使用磁致动机构而被致动的数个磁响应微柱。
在本发明的某些实施方案中，所述数个珠粒可以是官能化的。在本发明的某些实施方案中，所述数个珠粒可以进一步包含数个靶特异性珠粒。
在本发明的某些实施方案中，所述数个靶特异性珠粒可以用特异于一种或多种目标靶标的结合剂进行预官能化。在本发明的某些实施方案中，使用官能团连接子使所述预官能化的数个珠粒结合到所述数个表面附着的微柱。
在本发明的某些实施方案中，可以使用化学键合反应将所述数个磁响应珠粒附着到所述数个微柱的表面。
在本发明的某些实施方案中，所述预官能化的数个珠粒可以通过所述珠粒对所述数个微柱的非特异性吸附使所述预官能化的数个珠粒结合到所述数个表面附着的微柱。
在本发明的某些实施方案中，可以使用冻干过程将所述预官能化的数个珠粒结合到所述数个表面附着的微柱。
在本发明的某些实施方案中，可在所述数个表面附着的微柱中产生剩余(潜在)磁场，从而通过磁性将所述数个珠粒吸引并结合到所述数个微柱上。
在本发明的某些实施方案中，所述数个珠粒通过环境磁场结合到所述反应室的至少一个基板表面。
本发明的珠粒可以包含被聚合物壳覆盖的芯核，其中聚合物壳为随后的一个或多个官能化反应提供表面。在某些实施方案中，本发明的珠粒芯核可以包括磁响应材料。在一些实施方案中，聚合物壳可以由聚苯乙烯(polystyrene)或基于二氧化硅的材料组成。
本发明还提供了一种仪器。该仪器可包括致动机构和本发明的微流体盒，其中致动机构产生致动力，从而迫使本发明的至少一部分的所述数个磁响应珠粒移动。在一些实施方案中，致动力可以从选自包括磁、热、超声和/或电力的组。在某些实施方案中，所述数个珠粒可以包括超顺磁性材料。
在某些实施方案中，仪器可以包括用多个珠粒官能化的表面附着的微柱，用于特异性结合一个或多个目标靶标。
在某些实施方案中，仪器的所述数个微柱可以被预磁化以在所述数个微柱中产生磁场。
在仪器的某些实施方案中，数个磁响应珠粒可以结合到所述数个微柱，由此所述数个珠粒提供用于结合一种或多种目标靶标的表面。
在仪器的某些实施方案中，可以通过冻干过程将所述数个微柱维持在直立方向。
在某些实施方案中，仪器可以包括与配体预偶联的珠粒。在某些实施方案中，配体可以选自于由抗体、蛋白质、抗原、DNA/RNA探针或对一种或多种目标靶标具有亲和力的任何其它分子所组成的群组。
本发明还提供了一种捕获靶标的方法。该方法可以包括提供本发明的仪器，并使包含靶标的样品流过仪器的反应室。该方法可以包括使致动机构产生致动力，从而迫使至少一部分的所述数个磁响应微柱移动。该方法可包括接触附着于所述数个微柱的区域的所述数个珠粒，从而使靶标与所述数个珠粒结合。
在某些实施方案中，该方法可包括使洗涤缓冲液流过反应室。在某些实施方案中，该方法可以包括使致动机构产生致动力，从而迫使至少一部分的所述数个磁响应微柱移动，从而清洗所述数个珠粒。
在某些实施方案中，该方法可以包括使洗脱缓冲液流过反应室。在某些实施方案中，该方法可包括使致动机构产生致动力，从而迫使至少一部分的所述数个磁响应微柱移动，从而从所述数个珠粒中洗脱靶标。
本发明还提供了一种将珠粒施加到表面附着的微柱的区域的方法。在某些实施方案中，该方法可以包括将数个珠粒喷涂到所述数个微柱的片材上。在某些实施方案中，该方法可包括使珠粒喷涂过程持续一段时间，足以使所述数个微柱的片材用珠粒完全成层状。在某些实施方案中，该方法可以进一步包括切割片材。
本发明还提供了一种珠粒喷涂系统，用于在微流体装置的处理室中在数个表面附着的微柱的一区域之上和/或之中提供数个珠粒。在某些实施方案中，该珠粒喷涂系统可以包括由辊子装置支撑的可平移移动的多孔承载板。
在某些实施方案中，珠粒喷涂系统可以包括一个或多个喷嘴，其流体连接到在多孔承载板上方一定距离提供的一个或多个喷雾源。
在某些实施方案中，珠粒喷涂系统可以包括真空源。在某些实施方案中，珠粒喷涂系统可包括设置在多孔承载板下方的排出回收机构。
在某些实施方案中，珠粒喷涂系统可以包括一个或多个喷雾源，所述一个或多个喷雾源包括至少一个用于容纳所述数个珠粒的贮存器和至少一个用于容纳载流体的贮存器，由此所述数个珠粒和载流体可以单独供给到喷嘴中，然后在珠粒喷涂操作期间在喷嘴中混合。
在珠粒喷涂系统的某些实施方案中，载流体是挥发性溶剂。在某些实施方案中，挥发性溶剂选自于由非臭氧消耗性的氯氟化碳(CFC)或一种醇所组成的群组。
在珠粒喷涂系统的某些实施方案中，排出回收机构包括在处理室的排出处的载流流体回收机构。
在某些实施方案中，珠粒喷涂系统还可包括设置在处理室中的温度控制单元，用于在挥发性溶剂从喷嘴蒸发期间管理温度。
在珠粒喷涂系统的某些实施方案中，真空源在处理室中提供负压力。
在珠粒喷涂系统的某些实施方案中，真空源被配置在处理室中，以确保气流从多孔承载板的一侧上的喷嘴朝向多孔承载板的相对侧上的排出回收机构。
在珠粒喷涂系统的某些实施方案中，真空源和排出回收机构被组合成单个单元或模块。
在珠粒喷涂系统的某些实施方案中，在珠粒喷涂过程中，辊使容纳数个微柱片材的多孔承载板前进通过处理室。
在某些实施方案中，珠粒喷涂系统还可以包括温度控制单元，其设置在处理室中用于在挥发性溶剂蒸发期间管理温度。
在珠粒喷涂系统的某些实施方案中，真空源和排出回收机构设置在多孔承载板的与一个或多个喷嘴相对的一侧上。
在珠粒喷涂系统的某些实施方案中，通过在其上喷涂一定量珠粒而处理过的所述数个微柱片材可以设置在多孔承载板的顶部。
在某些实施方案中，珠粒喷涂系统可以包括基本上均匀的磁响应和/或非磁响应的数个珠粒的一层，所述数个珠粒被设置在微流体装置中数个表面附着的微柱的一区域之上和/或之中。
在某些实施方案中，珠粒喷涂系统可以包括利用载流体和磁响应和/或非磁响应的数个珠粒的混合物的过程。
在某些实施方案中，珠粒喷涂系统可以包括挥发性溶剂，其在到达所述数个表面附着的微柱的所述一区域之前基本上蒸发，从而基本上仅留下所述磁响应和/或非磁响应的数个珠粒到达所述数个微柱。
在某些实施方案中，珠粒喷涂系统的多孔承载片可以用x-y平移台操作。在某些实施方案中，珠粒喷涂系统的一个或多个喷嘴可以用x-y平移台操作。在某些实施方案中，珠粒喷涂系统的多孔承载板和一个或多个喷嘴都可以用x-y平移台操作。
附图的简要说明
由以下描述结合附图可以更清楚的理解本发明的特征和优点，这些附图不一定按比例绘制，其中：
图1A和图1B分别是包括反应(或测定)室的标准微流体装置的示例的平面图和横截面图，其中所述反应(或测定)室包括可用捕获珠粒官能化的数个微柱的一区域；
图2示出了一部分反应(或测定)室的侧视图，其中反应(或测定)室包括可用捕获珠粒官能化的所述数个微柱的所述一区域；
图3A和图3B示出了在本公开的微流体装置中可用捕获珠粒官能化的微柱的示例的侧视图；
图4A和图4B示出了微柱的侧视图，并示出了一微柱的致动运动的示例；
图5示出了使用数个表面附着的微柱在本公开的微流体装置的反应(或测定)室中进行基于珠粒的捕获测定的方法的示例的流程图；
图6示出了使用在数个微柱中产生的剩余磁场用捕获珠粒在反应(或测定)室中对数个表面附着的微柱进行官能化的过程的示例；
图7示出了在微流体装置中使用数个表面附着的柱和磁响应捕获珠粒来捕获样品流体中的目标靶标的方法的示例的流程图；
图8示出了在微流体装置中使用数个表面附着的柱和磁响应捕获珠粒来捕获样品流体中的目标靶标的方法的另一个示例的流程图；
图9示出了在微流体装置中使用数个表面附着的柱和磁响应捕获珠粒来捕获样品流体中的目标靶标的方法的又一个示例的流程图；
图10示出了使用官能团连接子用捕获珠粒使本公开的微流体装置的数个表面附着的微柱官能化的过程的示例；
图11示出了用于在微流体装置中的数个表面附着的微柱的区域之上和/或之中提供珠粒的珠粒喷涂系统的示例的框图；
图12示出了微流体装置的一部分反应(或测定)室的侧视图，该微流体装置包括已经喷涂在数个表面附着的微柱的区域之上和/或之中的珠粒；
图13至图16示出了定位在多孔承载板上的数个微柱的片材的示例性构造的俯视图，所述多孔承载板用于优化图11所示的珠粒喷涂系统中的下行气流；
图17示出了在图11所示的珠粒喷涂系统中的多个喷嘴的示例性构造的俯视图；
图18A、图18B和图18C示出了在图11所示的珠粒喷涂系统的示例性操作模式的侧视图；
图19示出了在图11所示的珠粒喷涂系统中的二维平移的示例的俯视图；和
图20示出了使用图11所示的珠粒喷涂系统在数个表面附着的微柱的区域之上和/或之中提供珠粒的方法的示例的流程图。
示例性实施方案的详细描述
现在将在下文中参考附图更全面地描述本公开主题，在附图中示出了本公开主题的一些但不是所有实施方案。相同的附图标记始终表示相同的元件。本公开主题可以以多种不同的形式来体现，并且不应被解释为限于本文所述的实施方案；相反，提供这些实施方案是为了使本公开将满足可适用的法律要求。实际上，本公开主题所属领域的技术人员在得益于前述描述和相关附图中呈现的教导后，将会想到本文所提出的本公开主题的许多修改方式和其它实施方案。因此，应当理解，本公开主题不限于所公开的具体实施方案，并且所述修改方式和其它实施方案旨在包括在所附权利要求的范围内。
一般定义
本文所用的“活性表面”是指可用于处理样品的任何表面或区域，所述样品包括但不限于生物材料、流体、环境样品(例如水样品、空气样品、土壤样品、固体和液体废物、以及动物和植物组织)和工业样品(例如食品、试剂等)。活性表面可以是在反应室或测定室的内部。例如，活性表面可以是腔室内任何具有被设计为操纵流体特性的表面。该操纵可以包括，例如，产生流体流动，改变外部驱动流体的流动曲线，将样品分成多个组成部分，建立或消除腔室内的浓度梯度等。可能具有这种效果的表面性质可以包括例如后置技术(posttechnology)，静态的或者激活的(即，活化的)。表面性质还可以包括表面中的微观纹理或形貌、表面由于振动或变形的物理扰动；在表面上或表面内的电、电子、电磁和/或磁系统；光学活性(例如，透镜)表面，例如嵌入式LED或与外部光源相互作用的材料；等等。
如本文所用，术语“表面附着的柱”或“表面附着的微柱”或“表面附着的结构”或“微柱”可互换使用。通常，表面附着的结构具有两个相对的端部：固定端和自由端。固定端可以根据制造技术和所采用的材料，通过任何合适的方式附着到基板上。固定端可以通过与基板一体成型而“连接”，或者通过与基板邻接而“连接”，例如通过微制造工艺。或者，固定端可以通过绑定(bonding)、粘结、熔接(fusion)或焊接工艺“连接”。表面附着的结构具有从固定端到自由端限定的长度，以及位于与该长度垂直的平面内的横截面。例如，使用Cartesian坐标系作为参考坐标系，并将表面附着的结构的长度与z轴(其可以是弯曲的轴)相关联，则表面附着的结构的横截面位于x-y平面中。
通常，表面附着的结构的横截面可以具有任何形状，例如圆形(rounded)(例如，圆的(circular)、椭圆的等)、多边形(或棱形，方格形(rectilinear)等)、具有圆形特征的多边形(例如，具有圆形边角的方格形)或不规则形状。表面附着的结构的在x-y平面中的横截面尺寸可以由横截面的“特征尺寸”限定，该特征尺寸是与形状相关的。例如，在圆横截面的情况下，特征尺寸可以是直径，在椭圆横截面的情况下，特征尺寸可以是长轴，或者在多边形横截面的情况下，特征尺寸可以是最大长度或最大宽度。不规则形状横截面的特征尺寸可以被认为是不规则形状横截面最接近的规则形状横截面的尺寸特征(例如，圆形的直径，椭圆形的长轴，多边形的长度或宽度等)。
如本文所述的表面附着的结构相对于其固定端或连接到基板的点是不可移动的(静态的、刚性的等)或可移动的(柔性的、可偏转的、可弯曲的等)。为了便于可移动的表面附着的结构的可移动性，表面附着的结构可以包括由弹性(柔性)材料构成的柔性体，并且可以具有细长的几何形状，即表面附着的结构的主要尺寸是其长度，即，长度显著大于特征尺寸。柔性体的组合物的示例包括但不限于弹性体材料如水凝胶和其它活性表面材料(例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS))。
可移动的表面附着的结构被配置成使得表面附着的结构相对于其固定端的移动可以以非接触方式被致动或引起，例如，通过所施加的具有期望强度、场线取向和频率(在静磁场或静电场的情况下，其可以是零)的磁场或电场。为了使表面附着的结构能够通过所施加的磁场或电场移动，表面附着的结构可以包括设置在表面附着的结构的柔性体上或柔性体内的适当的金属部件。为了使表面附着的结构响应于磁场，该金属部件可以是铁磁材料，例如铁、镍、钴或其磁性合金，一个非限制性示例是“alnico”(含有铝、镍和钴的铁合金)。为了使表面附着的结构响应于电场，该金属部件可以是表现出良好导电性的金属，例如铜、铝、金和银，以及各种其它金属和金属合金。根据所使用的制造技术，该金属部件可以形成为在柔性体的外表面上在柔性体的选定区域处沿其长度的的层(或涂层、膜等)。该层可以是连续层或颗粒的密集分组布置。或者，该金属部件可以形成为颗粒嵌入柔性体中选定区域处的布置。
如本文所用，术语“致动力”是指施加到数个微柱上的力。例如，致动力可以包括磁、热、超声或电力。值得注意的是，致动力可以作为频率或振幅的函数，或者作为脉冲力(即，阶跃函数)来施加。类似地，在不脱离本主题的范围的情况下，可以使用其它致动力，例如横跨微柱阵列(例如，数个柔性微柱，通过监测它们与光学系统的倾斜角而被用作流量传感器)的流体流动。
因此，致动力的施加致动可移动的数个表面附着的微柱运动。例如，通过使细胞处理室与包括提供致动力(例如磁场或电场)的元件的控制仪器接触来进行致动。相应地，控制仪器包括，例如，用于致动数个微柱的任何机构(例如，磁性系统)，用于对细胞计数的任何机构(例如，成像系统)，用于泵送流体的任何方法(例如，泵、流体端口、阀)，以及控制器(例如，微处理器)。
如本文所用，“流动池”是包括固体表面的任何腔室，其中一种或多种液体可流过所述固体表面，其中所述腔室具有至少一个入口和至少一个出口。
术语“微柱阵列”在本文中用于描述从基板向外延伸的数个小柱的阵列，该数个小柱的高度通常在1至100μm的范围内。在一个实施方案中，微柱阵列的数个微柱可以垂直对准。值得注意的是，每个微柱包括连接到基板基座的近端和与该近端相对的远端或尖端。该数个微柱可以以阵列排列，例如，在2016年1月19日公告的题目为“使用致动的数个表面附着的柱来评估生物流体流变性的方法(Methods and systems for using actuatedsurface-attached posts for assessing biofluid rheology)”的美国专利9,238,869中描述的微柱；该美国专利的全部公开内容通过引用合并到本文中。第9,238,869号美国专利描述了使用致动的数个表面附着的柱来评估生物流体流变性的方法、系统和计算机可读介质。第9,238,869号美国专利中描述的一种方法涉及测试生物流体样本的性质，该方法包括将样本放置到具有多个从基板向外延伸的微柱的微柱阵列上(其中每个微柱包括连接到基板的近端和与近端相对的远端)，以及在靠近微柱阵列处产生致动力以致动微柱。从而迫使至少一些微柱表现出运动。该方法还包括测量至少一个微柱响应于致动力的运动，并基于所测量的至少一个微柱的运动来确定样本的性质。
第9,238,869号美国专利还陈述了微柱阵列的数个微柱和微柱基板可由聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成。此外，该数个微柱可以包括柔性体和设置在该柔性体上或柔性体内的金属部件，其中磁场或电场的施加使该数个微柱相对于它们所附着的表面运动(例如，其中由致动机构产生的致动力是磁和/或电的致动力)。
“磁响应”是指响应于磁场。“磁响应微柱”包括磁响应材料或由磁响应材料组成。磁响应材料的示例包括但不限于顺磁材料、铁磁材料、亚铁磁材料和变磁材料。合适的顺磁材料的示例包括铁、镍和钴、以及金属氧化物，例如但不限于四氧化三铁(Fe3O4)、钡铁氧体(BaFe12O19)、氧化钴(II)(CoO)、氧化镍(II)(NiO)、氧化锰(III)(Mn2O3)、氧化铬(III)(Cr2O3)和磷化钴锰(CoMnP)。
在长期的专利法公约之后，术语“一个”、“一种”和“该(所述)”在本申请(包括权利要求)中使用时是指“一个或多个”。因此，例如，提及“一个主题”包括多个主题，除非上下文明确相反(例如，多个主题)，等等。
在整篇说明书和权利要求书中，术语“包括”以非排他性的意义使用，除非上下文另有要求。同样，术语“包含”及其语法变体旨在是非限制性的，使得对列表中的项目的叙述不排除可被替换或添加到所列项目中的其它类似项目。
为了本说明书和所附权利要求书的目的，除非另有说明，否则在说明书和权利要求书中使用的表示量、大小、尺寸、比例、形状、配方、参数、百分比、数量、特性和其它数值的所有数字应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰，即使术语“约”可能不随值、量或范围明确出现。因此，除非相反表示，否则在以下说明书和所附权利要求书中阐述的数字参数不是且不需要是精确的，而是可以是反映公差、转换因子、舍入、测量误差等、以及本领域技术人员已知的其它因子的近似值和/或根据需要的更大或更小的值，这取决于本公开主题寻求获得的所需特性。例如，当提及一个值时，术语“约”可以意指涵盖与指定量在一些实施方案中±100％、在一些实施方案中±50％、在一些实施方案中±20％、在一些实施方案中±10％、在一些实施方案中±5％、在一些实施方案中±1％、在一些实施方案中±0.5％、和在一些实施方案中±0.1％的变化，因为这些变化适于实施所公开的方法或使用所公开的组合物。
此外，当与一个或多个数字或数值范围结合使用时，术语“约”应理解为是指所有这样的数字，包括一个范围中的所有数字，并且通过扩展所述数值以上和以下的边界来修改该范围。通过端点表述的数值范围包括包含在该范围内的所有数字，例如整数，包括其分数(例如，列举的1至5包括1、2、3、4和5，以及其分数，例如1.5、2.25、3.75、4.1等)和该范围内的任何范围。
在微流体室中使用数个表面附着的柱和捕获珠粒的微流体装置和方法
在一些实施方案中，本公开主题提供了一种用于在微流体室中使用数个表面附着的柱和捕获珠粒的微流体装置和方法。
在一些实施方案中，本公开的微流体装置包括一对被间隙隔开的基板，从而在基板之间形成反应(或测定)室。在一个或两个基板上提供数个表面附着的柱的一区域。该数个表面附着的柱可以是磁响应微柱，其可以使用磁致动机构进行致动。磁致动机构产生致动力，该致动力用于迫使至少一些的磁响应微柱呈现运动。
在一些实施方案中，本公开的微流体装置包括用捕获珠粒官能化的数个可致动微柱，由此捕获珠粒提供用于结合目标靶标的“活性”表面。目标靶标可以是但不限于蛋白质(例如抗体、催化剂)、肽、核酸、细胞、外来体和蛋白质复合物。
在一些实施方案中，本公开的微流体装置包括用靶特异性捕获珠粒官能化的数个可致动微柱，由此捕获珠粒提供用于结合样品流体中的目标分析物的表面。
在一些实施方案中，捕获珠粒的表面用特异于目标靶标的结合剂进行预官能化。例如，捕获珠粒可以与配体预偶联，其中该配体可以是抗体、蛋白质或抗原、DNA/RNA探针、或对目标靶标具有亲和力的任何其它分子。使用预官能化的捕获珠粒作为结合样品中特异性靶标的技术是众所周知的，并且本领域普通技术人员将识别出的商购的珠粒的不同类型及其具体应用。
在一些实施方案中，预官能化的捕获珠粒可以是磁响应珠粒，例如顺磁珠粒或铁磁珠粒。
在一些实施方案中，预官能化的捕获珠粒可通过磁性结合到本公开的微流体装置的数个表面附着的微柱上。在一个示例中，捕获珠粒可以是具有特定表面功能的超顺磁珠粒，例如Dynabead(可得自Thermo Fisher Scientific)。
在一些实施方案中，化学键合反应可用于使磁响应捕获珠粒与微柱表面的粘附(即，“锁定”)最大化。例如，通过磁性结合到由聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成的微柱上的磁响应二氧化硅珠粒可以使用紫外(UV)键合方案“锁定”就位。
在一些实施方案中，预官能化的捕获珠粒可以是非磁性珠粒，例如聚苯乙烯或二氧化硅珠粒。在一个示例中，捕获珠粒可以是抗IgG包被的聚苯乙烯微粒，其由商业供应商提供(例如，可从Spherotech,Inc.(Lake Forest,以色列)获得的聚苯乙烯微粒)或通过已建立的方法如碳二亚胺偶联在实验室中缀合。
在一些实施方案中，可使用官能团连接子将预官能化的捕获珠粒(例如，非磁性珠粒)结合至本公开的微流体装置的数个表面附着的微柱。在一个示例中，官能团连接子例如抗生物素蛋白(例如，抗生物素蛋白、链霉抗生物素蛋白、中性抗生物素蛋白)/生物素复合相互作用，可用于将捕获珠粒连接至该数个表面附着的微柱。在另一个示例中，羧基/胺键可用于将捕获珠粒结合到该数个表面附着的微柱上。
在一些实施方案中，可以使用化学键合(例如，粘附或退火)将预官能化的捕获珠粒(例如，非磁珠粒)结合至本公开的微流体装置的该数个表面附着的微柱上。例如，二氧化硅和PDMS之间的粘附可用于将二氧化硅捕获珠粒连接到PDMS微柱。
在一些实施方案中，预官能化的捕获珠粒可以通过珠粒对微柱的非特异性吸附而结合到本公开的微流体装置的数个表面附着的微柱上。
在一些实施方案中，可以使用冻干工艺将预官能化的捕获珠粒结合到本公开的微流体装置的表面附着的微柱上。
在某些实施方案中，可在表面附着的微柱中产生剩余(潜在)磁场，从而通过磁性将珠粒吸引并结合到微柱上。
在某些实施方案中，数个珠粒可以通过环境磁场结合至反应室的至少一个基板表面上。
在一些实施方案中，本公开的微流体装置包括用捕获珠粒官能化的数个可致动表面附着的微柱，并且由此在反应(或测定)室中发生结合事件的处理，而不需对数个可致动微柱进行致动。例如，用捕获珠粒官能化的数个可致动微柱保持静止。
在一些实施方案中，本公开的微流体装置包括用捕获珠粒官能化的数个可致动表面附着的微柱，并且由此在反应(或测定)室中发生结合事件的处理，其中可致动微柱被致动。例如，用捕获珠粒官能化的数个可致动微柱被迫运动。因此，与没有致动和/或仅单独的扩散相比，由微流体装置中捕获珠粒官能化的致动微柱产生的混合作用和/或流动使反应物快速与结合表面接触。另外，由微流体装置中被捕获珠粒官能化的数个致动微柱产生的混合作用和/或流动可用于促进结合的靶标从捕获珠粒释放。在具有数个可致动的表面附着的微柱的微流体装置中使用捕获珠粒，使现有的基于珠粒的捕获技术的使用与通过在微流体环境中致动微柱而提供的增强的混合相结合。
在一些实施方案中，可以使用适于所用捕获珠粒类型的方法使捕获的目标靶标从结合微柱的捕获珠粒中释放出来。例如，可以使用基于捕获珠粒的化学性质的反应从捕获珠粒中以化学方式释放被捕获的靶标。在一个示例中，靶标(例如蛋白质或抗体)通过二硫键与捕获珠粒结合，以及利用二硫苏糖醇(DTT)反应从捕获珠粒中释放。在另一个示例中，靶标(例如基因组DNA)通过pH敏感键(例如ChargeSwitch试剂(得自Thermo FisherScientific))与捕获珠粒结合，以及利用缓冲液交换反应(即缓冲液pH的变化)从捕获珠粒中释放。在另一个示例中，靶标(例如核酸)利用寡核苷酸“诱饵(bait)”连接子结合至捕获珠粒上，以及使用限制性酶切割(restriction enzyme digestion)裂解该连接子，由此释放靶核酸，从而该靶标从捕获珠粒上进行酶促释放。
在一些实施方案中，可以使用适于用于将捕获珠粒附着到微柱的结合机制的方法从数个表面附着的微柱上释放其上具有结合的靶标的捕获珠粒。例如，可以使用消磁程序以减小或基本上消除微柱的任何剩余磁场，从数个表面附着的微柱释放其上具有被捕获的靶标的磁响应捕获珠粒。
在一些实施方案中，本公开的微流体装置包括用捕获珠粒官能化的表面附着的微柱，其中捕获珠粒提供用于进行化学反应的表面。例如，可以将催化剂结合至捕获珠粒上，其中结合至该数个表面附着的微柱上的捕获珠粒提供了用于在微流体装置的反应(或测定)室中进行催化反应的表面。
在一些实施方案中，本公开的微流体装置包括用捕获珠粒官能化的数个表面附着的微柱，其中捕获珠粒向该数个微柱提供了新的官能团或基体材料(base material)。例如，捕获珠粒可包括被聚合物壳(例如，聚苯乙烯，二氧化硅)覆盖的芯核(例如，磁响应材料)，其中聚合物壳为随后的反应(例如，官能化反应)提供了新的“基体材料”。
在一些实施方案中，可以根据终端用户的要求，在捕获珠粒官能化过程的不同阶段向终端用户提供本公开的具有数个表面附着的微柱的微流体装置。例如，可以向终端用户提供具有结合到微柱的捕获珠粒的具有数个表面附着的微柱的微流体装置(即，捕获珠粒被“预加载”在该数个柱上)。在另一个示例中，可以向终端用户提供在相对表面上(即，在与数个表面附着的微柱相对的表面上)具有干燥捕获珠粒的具有数个表面附着的微柱的微流体装置。在又一个示例中，可以向终端用户提供没有捕获珠粒的具有数个表面附着的微柱的微流体装置，并且其中数个表面附着的微柱被官能化，用于随后在终端使用期间与流入微流体装置的反应(或测定)室内的捕获珠粒结合。
在一些实施方案中，可以使用冻干方案在珠粒官能化过程中的不同阶段对本公开的具有数个表面附着的微柱和捕获珠粒的微流体装置进行处理以用于储存。冻干方案可用于例如在储存期间保持数个表面附着的微柱的完整性和/或捕获珠粒的表面化学(例如官能团)。
在一些实施方案中，标准冻干方案(例如，预冷冻反应室(约-50℃至约-80℃)持续约1-2小时，初级干燥在约-5℃下在约150mTorr的真空下进行约6-12小时，二级干燥在约25℃下在约150mTorr的真空下进行约1-2小时)可用于在珠粒官能化过程中的不同阶段对本公开的微流体装置进行处理以用于储存。例如，可以使用冻干方案对具有数个表面附着的微柱和其上的捕获珠粒的微流体装置进行处理以用于储存。在另一个示例中，可以使用冻干方案对具有数个表面附着的微柱和在相对表面上的干燥捕获珠粒的微流体装置进行处理以用于储存。在又一个示例中，可以使用冻干方案对具有数个表面附着的微柱且没有捕获珠粒的微流体装置进行处理以用于储存，并且在终端用户使用期间，捕获珠粒流入微流体装置的反应(或测定)室中。
在一些实施方案中，可以使用在磁场存在下进行的冻干方案对本公开的具有预磁化的数个表面附着的微柱和捕获珠粒的微流体装置进行处理以用于储存。可以使用在磁场存在下进行的冻干方案，例如，以保持数个微柱的功能性(例如，数个表面附着的微柱的“直立”取向)和/或保持磁响应捕获珠粒与数个表面附着的微柱的结合。
另外，提供了在本公开的微流体装置中使用基于珠粒的测定(或反应)的方法。此外，提供了用磁响应捕获珠粒对本公开的微流体装置中的数个表面附着的微柱进行官能化并且使用该捕获珠粒官能化的微柱来捕获样品流体中目标靶标的过程和方法。
此外，提供了用于在微流体装置中使用的数个表面附着的微柱区域之上和/或之中喷涂磁响应和/或非磁响应的珠粒的珠粒喷涂系统和方法。
在一些实施方案中，本公开的珠粒喷涂系统和方法可用于支持关于在数个表面附着的微柱区域之上和/或之中提供磁响应和/或非磁响应的珠粒的大规模连续制造过程。
在一些实施方案中，本公开的珠粒喷涂系统和方法提供了一种利用载流体(例如，挥发性溶剂)和磁响应和/或非磁响应珠粒的混合物的珠粒喷涂过程。
在一些实施方案中，本公开的珠粒喷涂系统和方法提供了一种珠粒喷涂方法，其中载流体是挥发性溶剂，该挥发性溶剂在到达数个表面附着的微柱的一区域之前可以基本上蒸发，并且基本上仅留下磁响应和/或非磁响应的珠粒到达该数个微柱。
在一些实施方案中，本公开的珠粒喷涂系统和方法提供了一种珠粒喷涂过程，其中磁响应和/或非磁响应珠粒的基本上均匀的层或“撒粉(dusting)”或“粉末涂层”可以设置在数个表面附着的微柱的区域之上和/或之中。
在一些实施方案中，本发明公开的珠粒喷涂系统和方法提供了一种珠粒喷涂过程，其中磁响应和/或非磁响应珠粒可以松散地设置在数个表面附着的微柱的区域之上和/或之中，并且其中珠粒基本上不与该数个表面附着的微柱结合。
现在参考图1A和图1B，图1A和图1B分别是包括反应(或测定)室的标准微流体装置100的示例的平面图和横截面图，其中反应(或测定)室包括可用捕获珠粒官能化的数个微柱的一区域。图1B是沿图1A的线A-A截取的横截面图。在一个示例中，在该数个微柱上存在捕获珠粒(未示出)用于使所述柱官能化，以特异性捕获样品流体中的一种(或多种)靶物质。其上具有捕获珠粒(未示出)的数个微柱的致动可用于促进例如在腔室内更快速的混合动作，以高效地结合样品流体中的靶物质。
在该示例中，微流体装置100包括底部基板110和顶部基板112，两者由间隙113间隔开，从而在底部基板110和顶部基板112之间形成反应(或测定)室114。可在底部基板110与顶部基板112之间设置间隔件或垫圈116以形成间隙113，并界定反应(或测定)室114的区域。底部基板110和顶部基板112可以由例如塑料或玻璃形成。装载端口118设置在例如顶部基板112中。例如，设置两个装载端口118，每个端部设置一个装载端口118(例如，入口和出口)，以将液体装载到反应(或测定)室114中和/或用于排放。在该示例中，微流体装置100提供简单的“流动池”类型的腔室。例如，流动池可以是任何包括一种或多种液体可以流过的固体表面的腔室，其中该腔室具有至少一个入口和至少一个出口。
微流体装置100的反应(或测定)室114的尺寸可以被设计成容纳任何体积的流体。反应(或测定)室114的间隙113的高度可以是例如约50μm至约100μm。各种的流体操作，例如但不限于混合操作、洗涤操作、结合操作和细胞处理操作，可以在反应(或测定)室114内进行。
仍然参考图1A和图1B，微柱区域(micropost field)120设置在例如底部基板110的内表面上。然而，在其它实施方案中，微柱区域120可设置在顶部基板112上(参见图5)或设置在底部基板110和顶部基板112两者上。同样，各种的流体操作，例如但不限于混合操作、洗涤操作、结合操作和细胞处理操作，可以在反应(或测定)室114内进行。
微柱区域120是跨越反应(或测定)室114区域的数个微柱的一基本上连续的区域或阵列。在任何微流体装置例如微流体装置100中，与缺少微柱区域120的腔室相比，微柱区域120可用于促进例如腔室内的更快速的混合动作。另外，在微流体装置100中，微柱区域120的数个微柱可以用捕获珠粒官能化(参见图2和图10)，以特异性结合可流入和/或流出反应(或测定)室114的样品流体中的一种或多种靶物质。
例如，图2示出了微流体装置100的一部分反应(或测定)室114的侧视图，其中反应(或测定)室114包括数个微柱区域120。微柱区域120包括布置在基板124上的多个表面附着的微柱122，其中数个表面附着的微柱122可以通过致动力被致动成运动形式。例如，施加磁场或电场使该数个表面附着的微柱122致动成运动形式。此外，该数个表面附着的微柱122可以用多个捕获珠粒126官能化，以特异性结合可以流入和/或流出反应(或测定)室114的样品流体中的一种或多种靶物质。
图2示出了紧密靠近微流体装置100的反应(或测定)室114布置的致动机构150。致动机构150可以是用于致动微流体装置100中的微柱区域120的微柱122的任何机构。如本文所用，术语“致动力”是指施加到微柱122上的力。致动机构150用于在靠近微柱区域120处产生致动力，该致动力迫使至少一些微柱122表现出运动。致动力可以是例如磁、热、超声和/或电力。此外，致动力可以作为频率或振幅的函数，或者作为脉冲力(即，阶跃函数)来施加。类似地，在不脱离本发明主题的范围的情况下，可以使用其它致动力，例如跨过微柱区域120的流体流动。在一个示例中，微柱122是数个磁响应微柱，并且致动机构150可以是参考以下描述的基于磁的致动机构中的一种：于2018年4月16日提交的标题为“致动反应室中的磁响应微柱的基于磁的致动机构和方法(Magnetic-Based Actuation Mechanisms forand Methods of Actuating Magnetically Responsive Microposts in a ReactionChamber)”的第62/654,048号美国专利申请；其全部公开内容通过引用合并到本文中。在下文中参考图3A、图3B、图4A和图4B示出和描述了微柱122的更多细节。
通过致动微柱122并使其运动，间隙113中的样品流体(未示出)被有效搅拌或使其在反应(或测定)室114的间隙113内流动或循环。包括微柱122的布置的微柱区域120基于例如2016年1月19日公告的标题为“使用致动表面附着的柱来评估生物流体流变学的方法和系统(Methods and systems for using actuated surface-attached posts forassessing biofluid rheology)”的第9,238,869号美国专利中描述的微柱。该'869专利描述了使用致动表面附着的柱来评估生物流体流变学的方法、系统和计算机可读介质。根据一个方面，'869专利的用于测试生物流体样本的特性的方法包括将样本放置到具有从基板向外延伸的多个微柱的微柱阵列上，其中每个微柱包括连接到基板的近端和与近端相对的远端，并且在靠近微柱阵列处产生致动力以致动微柱。从而迫使至少一些微柱表现出运动。'869专利的方法还包括测量至少一个微柱响应于致动力的运动，并基于所测量的至少一个微柱的运动来确定样本的性质。
现在参考图3A和图3B，图3A和图3B是反应(或测定)室114中的一部分微柱区域120的示例的侧视图，其中微柱122可用捕获珠粒(未示出)官能化，以特异性结合可流入和/或流出本公开的微流体装置100的反应(或测定)室114的样品流体中的一种或多种靶物质。术语“微柱区域”或“微柱阵列”在本文中用于描述从基板向外延伸的数个小柱的一区域或阵列，该数个小柱的高度通常在1至100μm的范围内。在一个实施方案中，微柱区域或阵列的数个微柱可以垂直对准。值得注意的是，每个微柱包括连接到基板基座的近端和与近端相对的远端或尖端。因此，在基板124上提供微柱122的布置。
微柱122和基板124可以由例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成。在该区域或阵列中的微柱122的长度、直径、几何形状、取向和间距可以变化。例如，微柱122的长度可以在约1μm至约100μm之间变化。微柱122的直径可在约0.1μm至约10μm之间变化。在一个示例中，微柱122的高度为约50μm且直径为约9μm。此外，微柱122的横截面形状可以变化。例如，微柱122的横截面形状可以是圆形、卵形、正方形、矩形、三角形等。微柱122的取向可以变化。例如，图3A示出了基本上垂直于基板124的平面取向的微柱122，而图3B示出了相对于基板124的平面的法线以角度α取向的微柱122。在没有施加致动力的空档位置(neutral position)，角度α可以是例如约0度到约45度。另外，微柱区域或阵列内的微柱122的间距可例如在约0μm至约100μm之间变化。在一个示例中，基板124上的微柱122的间距可在约10μm至约100μm(或更大)的范围内。此外，微柱122在微柱区域或阵列内的相对位置可以变化。
图4A和图4B示出了一微柱122的侧视图，并示出了其致动运动的示例。现在参考图4A，其示出了基本上垂直于基板124的平面取向的一微柱122的示例。图4A示出了该微柱122的远端可以(1)相对于固定的近端仅进行左右2D运动，或者(2)相对于固定的近端进行圆周运动，这是一种锥形运动。相反，图4B示出了相对于基板124的平面以一定角度取向的一微柱122的示例。图4B示出了该微柱122的远端可以(1)相对于固定近端仅进行倾斜的左右2D运动，或者(2)相对于固定近端进行倾斜的圆周运动，这是一种倾斜的锥形运动。在任何微流体装置100中，通过致动微柱122并使其运动，反应(或测定)室114中的任何流体被有效地搅拌或引起流动或循环。此外，图4A中示出的微柱122的锥形运动，以及图4B中示出的微柱122的倾斜的锥形运动，可以使用旋转磁场来实现。旋转磁场是微柱致动机构的“致动力”的一个示例。
在本公开的微流体装置100中使用的捕获珠粒的选择可以通过微流体装置的预期用途来确定。因此，捕获珠粒的尺寸(或尺寸范围)和/或微柱122的区域或阵列的配置可以变化。在一个实施方案中，捕获珠粒的尺寸(或尺寸范围)可以选择为适应微柱122的一特定区域或阵列的配置。在另一个实施方案中，微柱122的一区域或阵列可以选择为适应所需捕获珠粒的特定尺寸(或尺寸范围)。可商购的捕获珠粒的尺寸范围在例如约10nm至约10(或更大)μm的范围内变化。捕获珠粒的悬浮液可以是单分散的(即尺寸均匀)，或颗粒(珠粒)尺寸的混合物(例如，约2μm至约2.9μm)。捕获珠粒的直径不应超过微柱区域的间距。例如，5μm直径的捕获珠粒可用于包括10μm间距微柱区域的微流体装置中；或者10nm直径的捕获珠粒可用于包括100μm间距微柱区域的微流体装置中。
可以将参数，例如捕获珠粒的尺寸和重量、以及结合在微柱上的捕获珠粒的数量，选择为使得微柱相对于微柱区域的平面的取向(例如，垂直于平面进行取向或与平面成α角进行取向)保持基本上不变。另外，可以选择微柱区域中的微柱的配方，以给其上具有捕获珠粒的柱提供足够的刚度，使得微柱相对于微柱区域的平面的取向(例如，垂直于平面进行取向或与平面成α角进行取向)保持基本上不变。
图5示出了使用表面附着的微柱在本公开的微流体装置100的反应(或测定)室114中进行基于珠粒的捕获测定的方法200的示例的流程图。方法200可以包括但不限于以下步骤。
在步骤210中，确定要在数个表面附着的微柱的环境中进行的捕获珠粒测定的类型。例如，确定要在本公开的微流体装置100中执行的捕获靶标和捕获珠粒的类型，其中所述微流体装置100包括微柱122的区域或阵列。在一个示例中，捕获靶标是细胞表面受体如CD19，并且捕获珠粒是抗CD19磁性或非磁性珠粒。
在步骤215，提供了具有数个表面附着的微柱和适当的捕获珠粒的微流体装置。例如，提供了具有数个表面附着的微柱122的微流体装置100，其中在微柱122上结合有靶特异性预官能化捕获珠粒。
在步骤220中，执行捕获珠粒测定。例如，样品流体流入微流体装置100的反应(或测定)室114。然后使用适于所选择的捕获珠粒测定的测定参数(例如，孵育温度、孵育时间、混合等)进行捕获珠粒测定。
在一些实施方案中，本公开的微流体装置100的数个表面附着的微柱是可以用磁响应捕获珠粒来官能化的数个磁响应柱。捕获珠粒可以是例如顺磁性(例如超顺磁性)或铁磁性珠粒，其中捕获珠粒通过磁性结合到数个表面附着的微柱上。
在一个实施方案中，首先在数个表面附着的微柱中产生剩余(潜在)磁场，然后该磁场用于通过磁性将捕获珠粒吸引和结合到数个微柱表面。在一个示例中，在该数个微柱中产生剩余磁场，然后使磁响应捕获珠粒的悬浮液流入反应(或测定)室中。然后，在没有施加外部磁场(例如，来自致动磁体)的情况下，捕获珠粒流入反应(或测定)室。因为仅存在的磁场是表面附着的微柱中的剩余磁场，所以磁响应捕获珠粒优选吸引到该数个微柱。
可以使用例如永磁体、电磁体或旋转磁体在表数个面附着的微柱中产生剩余磁场。可以选择各种参数，例如磁场强度(例如，磁体与数个柱的距离)、暴露于磁场的持续时间、旋转磁体的旋转速度、以及磁体相对于微柱表面附近的取向，以提供足够的微柱磁化，用于通过磁性吸引和结合捕获珠粒。
图6示出了使用在微柱中产生的剩余磁场，用捕获珠粒对反应(或测定)室中的数个表面附着的微柱进行官能化的过程300的示例。例如，对反应(或测定)室114中的微柱122进行预磁化，以在数个微柱中产生磁场，然后将磁响应捕获珠粒与数个微柱结合，由此捕获珠粒提供用于结合目标分析物的表面。
在步骤310中，缓冲液(例如，磷酸盐缓冲盐水(PBS)或水；未示出)流入微流体装置100的反应(或测定)室114。磁体160布置在靠近微流体装置100的反应(或测定)室114中的微柱122处。磁体160用于产生具有足够强度和持续时间的磁场165以磁化微柱122。在一个示例中，磁体160是永磁体，其位于靠近反应(或测定)室114的顶部基板112的一定距离处并持续一段时间(例如，约30秒至约60秒)，以产生足够强度的磁场165，从而磁化微柱122。然后将磁体160移离反应(或测定)室114。微柱122现在被磁化。
在另一个示例中，磁体160是位于靠近反应(或测定)室114的顶部基板112处的旋转磁体。选择取向(例如，靠近顶部基板112或底部基板110)、与微柱122的距离和磁体160的旋转速度，以产生足够强度的磁场165，从而磁化微柱122。在足以磁化微柱122的一段时间(例如，约30秒至约600秒)之后，磁体160的旋转停止，并且磁体移离反应(或测定室114)。微柱122现在被磁化。
在又一个示例中，磁体160是电磁体。选择取向(例如，靠近顶部基板112或底部基板110)以及磁体160与微柱122的距离，以产生足以磁化微柱122的磁场强度。在一个示例中，磁体160位于靠近反应(或测定)室114的顶部基板112处。然后，磁场165由脉冲磁体160产生一段时间(例如，1至10Hz频率，1至100ms持续时间)，以产生磁场165并磁化微柱122。微柱122现在被磁化。
在步骤315，悬浮在缓冲溶液中的多个磁响应捕获珠粒126流入反应(或测定)室114。在一个示例中，捕获珠粒126是超顺磁珠粒。当捕获珠粒126流入反应(或测定)室114时，微柱122的剩余磁场将捕获珠粒126吸引到数个微柱上，其中捕获珠粒126通过磁性连接到微柱122上。因为捕获珠粒126流入预磁化反应(或测定)室114，所以捕获珠粒126均匀地分布在微柱122的表面上。
在一些实施方案(未示出)中，在使捕获珠粒126的悬浮液流入反应(或测定)室114之前，可以对磁响应捕获珠粒126去磁，以去除任何剩余磁性并使珠粒聚集体分散。
在一些实施方案(未示出)中，在捕获珠粒126的悬浮液流入反应(或测定)室114之前，可以对磁响应捕获珠粒126的悬浮液进行超声处理程序以使珠粒聚集体分散。
在一些实施方案(未示出)中，致动机构可位于靠近微流体装置100的反应(或测定)室114处，并用于致动微柱122。通过致动微柱122并使其运动，反应(或测定)室114中的捕获珠粒126的悬浮液被有效地搅拌以产生更均匀的珠粒分布，从而促进捕获珠粒126与微柱122的结合。
在一些实施方案中，可以使用化学键合反应来使磁响应捕获珠粒126与微柱122的表面的粘附最大化(即，“锁定”)。例如，通过磁性结合到由聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成的微柱上的磁响应二氧化硅珠粒可以使用紫外(UV)键合方案“锁定”就位。
图7示出了在微流体装置中使用数个表面附着的柱和磁响应捕获珠粒来捕获样品流体中的目标靶标的方法400的示例的流程图。例如，微流体装置100的反应(或测定)室114中的微柱122被预磁化以在数个微柱中产生剩余磁场，然后捕获珠粒流入反应(或测定)室114并通过磁性结合到数个微柱，以提供活性捕获表面。方法400可以包括但不限于以下步骤。
在步骤410中，提供具有数个磁响应的表面附着的微柱的微流体装置。例如，提供包括数个磁响应的表面附着的微柱122的区域或阵列的微流体装置100。在一个示例中，微柱122由任何材料形成，例如与磁响应材料(其中可以产生剩余磁场)集成在一起的硅弹性体。
在步骤415，在数个表面附着的微柱中产生剩余磁场。例如，外部磁体用于磁化反应(或测定)室114中的微柱122。例如，位于靠近微流体装置100的反应(或测定)室114处的外部磁体用于在微柱122中产生潜在磁场，如上文参考图6所描述的。
在步骤420，通过磁性将磁响应捕获珠粒结合到表面附着的微柱上。例如，悬浮在缓冲溶液中的多个磁响应捕获珠粒126流入反应(或测定)室114。在一个示例中，捕获珠粒126是超顺磁珠粒。当捕获珠粒126流入反应(或测定)室114时，微柱122的潜在磁场将捕获珠粒126吸引到数个微柱，捕获珠粒126通过磁性被结合在微柱122处。因为捕获珠粒126流入预磁化反应(或测定)室114，所以捕获珠粒126均匀地分布在微柱122的表面上。
在步骤425，将样品流体引入到微流体装置的捕获靶标的反应(或测定)室中。例如，包括目标靶标的样品流体流入微流体装置100的反应(或测定)室114。当样品流体流入反应(或测定)室114时，样品流体中的目标靶标与固定在微柱122上的捕获珠粒126结合。在该示例中，微柱122是静态的，即没有被激活运动。
在一些实施方案中，使用引起样品流体中搅拌或混合效果的致动机构(例如，致动机构150)来致动反应(或测定)室114中的微柱122。由致动的微柱122产生的搅拌或混合效果可用于增加样品流体中靶标的捕获速率。
在步骤430，释放所捕获的目标靶标。在一些实施方案中，捕获的靶标从捕获珠粒126释放，而捕获珠粒与微柱122磁性结合。例如，使用基于捕获珠粒的化学性质的反应，从捕获珠粒126以化学方式释放被捕获的靶。在一个示例中，靶标(例如蛋白质或抗体)通过二硫键与捕获珠粒结合，并使用二硫苏糖醇(DTT)反应从捕获珠粒中释放。在另一个示例中，靶标(例如基因组DNA)通过pH敏感键，例如ChargeSwitch试剂(得自Thermo FisherScientific)，与捕获珠粒结合，并使用缓冲液交换反应(即，缓冲液pH的变化)从捕获珠粒中释放。在另一个示例中，靶标(例如核酸)使用寡核苷酸“诱饵”连接子与捕获珠粒结合，并使用限制性酶切割裂解该连接子，从而释放靶核酸，由此从捕获珠粒上酶促释放。
在一些实施方案中，在捕获的靶标从微柱结合的捕获珠粒126化学地或酶促地释放时，使用引起样品流体中搅拌或混合效果的致动机构(例如，致动机构150)来致动反应(或测定)室114中的微柱122。由致动的微柱122产生的搅拌或混合效果可用于增大靶标从捕获珠粒126的释放效率。
在一些实施方案中，其上具有捕获的目标靶标的捕获珠粒126从微柱122释放。例如，使用消磁程序，例如使用通过以变化的频率交变电磁场实现消磁的市售去磁产品，以减小或基本上消除微柱122的任何剩余磁场，从而将其上具有捕获的靶标的捕获珠粒126从微柱122释放。因为微柱122的剩余磁场被减小或基本上被消除，所以捕获珠粒126不再通过磁性与微柱122结合。
图8示出了在微流体装置中使用数个表面附着的柱和磁响应捕获珠粒来捕获样品流体中的目标靶标的方法500的另一个示例的流程图。在该示例中，捕获珠粒126首先流入反应(或测定)室114，然后使用致动磁体磁化的数个表面附着的微柱122，同时将捕获珠粒126吸引到该数个微柱，捕获珠粒126通过磁性被结合在微柱122处以提供活性捕获表面。方法500可以包括但不限于以下步骤。
在步骤510，提供了具有磁响应的数个表面附着的微柱的微流体装置。例如，提供了包括磁响应的表面附着的微柱122的区域或阵列的微流体装置100。
在步骤515，通过磁性将磁响应捕获珠粒结合到表面附着的微柱上。例如，悬浮在缓冲溶液中的多个磁响应捕获珠粒126流入反应(或测定)室114。磁体(例如图6的磁体160)布置在靠近微流体装置100的反应(或测定)室114中的微柱122处。磁体用于产生足够强度和持续时间的磁场以磁化微柱122并将捕获珠粒126吸引到微柱。在一个示例中，磁体是旋转永磁体(径向磁化的)，其以一定的距离和旋转速度(例如，0.1mm至10mm，或足以产生大于30mT的场强的距离，以从1Hz至160Hz变化的旋转速度操作)定位在靠近反应(或测定)室114的顶部基板112处，并持续一段时间(例如，从约30秒到约600秒)，以将捕获珠粒126吸引到微柱122，捕获珠粒126通过磁性结合在微柱122处。
在步骤520，将样品流体引入微流体装置的反应(或测定)室中以捕获目标靶标。例如，包括目标靶标的样品流体流入微流体装置100的反应(或测定)室114。当样品流体流入反应(或测定)室114时，样品流体中目标靶标与固定在微柱122上的捕获珠粒126结合。在该示例中，微柱122是静态的，即没有被激活运动。
在一些实施方案中，使用引起样品流体中搅拌或混合效果的致动机构(例如，致动机构150)致动反应(或测定)室114中的微柱122。由致动的微柱122产生的搅拌或混合效果可用于增大样品流体中靶标的捕获速率。
在步骤525，释放所捕获的目标靶标。在一些实施方案中，捕获的靶标从捕获珠粒126化学地或酶促地释放，而捕获珠粒磁性地结合到微柱122，如以上在图7的方法400的步骤430中所述。
在一些实施方案中，在捕获的靶标从微柱结合的捕获珠粒126化学地或酶促地释放时，使用引起样品流体中搅拌或混合效果的致动机构(例如，致动机构150)来致动反应(或测定)室114中的微柱122。由致动的微柱122产生的搅拌或混合效果可用于增加靶标从捕获珠粒126的释放效率。
在一些实施方案中，其上具有捕获的目标靶标的捕获珠粒126从微柱122释放。例如，使用消磁程序，例如使用通过以变化的频率交变电磁场来实现消磁的市售去磁产品，以减小或基本上消除微柱122的任何剩余磁场，从微柱122中释放其上具有捕获的靶标的捕获珠粒126。因为微柱122的剩余磁场被减小或基本上被消除，所以捕获珠粒126不再通过磁性与微柱122结合。
图9示出了在微流体装置中使用数个表面附着的柱和磁响应捕获珠粒来捕获样品流体中的目标靶标的方法600的又一个示例的流程图。在该示例中，微流体装置100设置有多个冻干在基板表面上的捕获珠粒126，该基板表面与微柱122的布置相对。方法600可以包括但不限于以下步骤。
在步骤610，提供了一种其中具有数个磁响应的表面附着的微柱和多个捕获珠粒的微流体装置。例如，提供了微流体装置100，其包括在与微柱122的布置相对的基板表面上冻干的多个捕获珠粒126。
在步骤615，将样品流体引入到微流体装置的反应(或测定)室中，用于重新悬浮冻干的捕获珠粒和捕获目标靶标。例如，包括目标靶标的样品流体流入微流体装置100的反应(或测定)室114。当样品流体流入反应(或测定)室114时，反应(或测定)室114中的冻干的捕获珠粒126被重新悬浮，并且样品流体中的目标靶标与重新悬浮的捕获珠粒126结合。
在步骤620，其上结合有目标靶标的磁响应捕获珠粒通过磁性结合到数个表面附着的微柱上。例如，将磁体(例如图6的磁体160)布置在靠近微流体装置100的反应(或测定)室114中的微柱122处。磁体用于产生足够强度和持续时间的磁场以磁化微柱122并将捕获珠粒126吸引到该数个微柱。在一个示例中，磁体是旋转永磁体(径向磁化的)，其以一定的距离和旋转速度(例如，0.1mm至10mm，或足以产生大于30mT的场强的距离，在从1Hz至160Hz变化的旋转速度下操作)定位在靠近反应(或测定)室114的顶部基板112处，并持续一段时间(例如，约30秒到约600秒)，以将捕获珠粒126吸引到微柱122，捕获珠粒126通过磁性结合在微柱122处。
在步骤625，释放所捕获的目标靶标。在一些实施方案中，捕获的靶标从捕获珠粒126化学地或酶促地释放，而捕获珠粒磁性结合到微柱122，如上文在图7的步骤430中所述。
在一些实施方案中，在捕获的靶标从微柱结合的捕获珠粒126化学地或酶促地释放时，使用引起样品流体中搅拌或混合效果的致动机构来致动反应(或测定)室114中的微柱122。由致动的微柱122产生的搅拌或混合效果可用于增加靶标从捕获珠粒126的释放效率。
在一些实施方案中，其上具有捕获的目标靶标的捕获珠粒126从微柱122释放。例如，使用消磁程序，例如使用以变化的频率交变电磁场来实现消磁的市售去磁产品，以减小或基本上消除微柱122的任何剩余磁场，从而将其上具有捕获的靶标的捕获珠粒126从微柱122释放。因为微柱122的剩余磁场被减小或基本上被消除，所以捕获珠粒126不再通过磁性与微柱122结合。
在一些实施方案中，在方法600的步骤610，在重新悬浮冻干的捕获珠粒126之前，在数个表面附着的微柱中产生剩余磁场。例如，外部磁体用于磁化反应(或测定)室114中的微柱122。例如，位于靠近微流体装置100的反应(或测定)室114处的外部磁体用于在微柱122中产生残留磁场，如以上参考图6所述。
在一些实施方案中，使用官能团连接子连接方法将捕获珠粒连接到微柱上。在一个示例中，捕获珠粒是非磁性珠粒，例如二氧化硅珠粒或聚苯乙烯珠粒。在一个示例中，官能团连接子如抗生物素蛋白(例如，抗生物素蛋白、链霉抗生物素蛋白、中性抗生物素蛋白)/生物素复合相互作用可用于将捕获珠粒连接至数个表面附着的微柱。在另一个示例中，羧基胺键可用于将捕获珠粒结合到数个表面附着的微柱上。参考2019年3月11日提交的标题为“用于特定靶标和高效结合的硅酮表面改性方法(Methods of SurfaceModification of Silicones for Specific Target and High Efficiency Binding)”的第62/816892号美国专利申请，描述了官能团连接子将结合剂连接到数个表面附着的微柱的用途；该专利申请的全部公开内容通过引用合并到本文中。第62/816892号美国专利申请描述了将一种或多种官能化试剂掺到微柱的基于硅酮的材料之上(之中)的方法；从而提供用于靶特异性分析物捕获的微柱表面。例如，提供了基于包括反应(或测定)室的微流体流动池结构的微柱处理平台。该方法利用微柱处理平台，该微柱处理平台包括在反应(或测定)室的至少一个表面上布置表面附着的微柱。数个表面附着的微柱的官能化方法包括一个或多个步骤，其中引入一种或多种官能化试剂以提供用于靶特异性分析物捕获的微柱表面。
图10示出了使用官能团连接子利用捕获珠粒来官能化本公开的微流体装置的表面附着的微柱的过程700的示例。在该示例中，微柱122用抗生物素蛋白末端基团预官能化，然后生物素化的捕获珠粒可以通过抗生物素蛋白-生物素复合物的形成与微柱结合，其中捕获珠粒可以用于特异性捕获样品流体中的靶物质。
过程700以抗生物素蛋白官能化微柱122开始。可使用例如题目为“用于特定靶标和高效结合的硅酮表面改性方法(Methods of Surface Modification of Silicones forSpecific Target and High Efficiency Binding)”的第62/816892号美国专利申请，使抗生物素蛋白分子(例如，抗生物素蛋白、链霉抗生物素蛋白或中性抗生物素蛋白)结合至微柱122的表面。在该示例中，示出了单个微柱122，但是通常使用微柱122的区域或阵列，其中微柱122的区域或阵列可以被配置成适应特定尺寸(或尺寸范围)的捕获珠粒的连接。另外，可以选择该区域或阵列中微柱122的长度、直径、几何形状、组成、取向和/或间距，以适应一定尺寸(或尺寸范围)的捕获珠粒的连接。
生物素化的(B)捕获珠粒经由抗生物素蛋白-生物素键的形成连接到微柱122的表面。在一些实施方案中，结合至微柱122的表面的捕获珠粒的尺寸(例如直径)可以具有均匀的尺寸(即，捕获珠粒的单分散)。例如，捕获珠粒的单分散可以包含直径可以在约10nm至约10μm(或更大)范围内的单一尺寸的捕获珠粒。在一些实施方案中，结合到微柱122表面的捕获珠粒可以是具有不同颗粒尺寸的捕获珠粒的混合物。例如，结合至微柱122的不同尺寸的捕获珠粒的混合物可以在约2μm至约2.9μm的范围内。
总而言之并再次参考图1A至图10，本公开的微流体装置100、方法300、方法400、方法500和/或方法600包括可致动微柱122，可致动微柱122用通过磁性结合的磁响应捕获珠粒来官能化，由此捕获珠粒提供用于特异性结合样品流体中目标分析物的“活性”表面。
在一些实施方案中，本公开的微流体装置100和方法700包括微柱122，微柱122使用官能团连接子用非磁响应捕获珠粒来官能化，由此捕获珠粒提供用于特异性结合样品流体中的目标分析物的“活性”表面。
在一些实施方案中，本公开的微流体装置100、方法400、方法500和/或方法600包括经由例如致动机构150致动的捕获珠粒官能化的微柱122。例如，捕获珠粒官能化的微柱122通过致动机构150被迫运动。因此，由致动的捕获珠粒官能化的微柱122产生的混合动作和/或流动被用于增加样品流体中靶标的捕获速率。
在一些实施方案中，本公开的微流体装置100、方法400、方法500和/或方法600包括未被致动的捕获珠粒官能化的微柱122。例如，可致动的捕获珠粒官能化的微柱122保持静止。
在一些实施方案中(并且现在参考方法400、方法500和/或方法600)，可以使用适于捕获珠粒的化学性质(例如，化学反应、酶促反应、消磁反应)的任何方法，将与微流体装置100中的本公开捕获珠粒官能化的微柱122结合的被捕获的目标靶标从捕获珠粒126释放。
在一些实施方案中，本公开的微流体装置100、方法400、方法500和/或方法600包括经由例如致动机构150致动的捕获珠粒官能化的微柱122。因此，由致动的捕获珠粒官能化的微柱122产生的混合动作和/或流动被用于促进结合的靶标从捕获珠粒126的释放。
在一些实施方案中(并且现在参考方法400、方法500和/或方法600)，可以使用消磁程序以减小或基本上消除微柱的任何剩余磁场，将本公开微流体装置100中的其上具有结合的靶标的磁响应捕获珠粒126从微柱122释放。
在一些实施方案中，根据终端用户的要求，可以在捕获珠粒官能化过程的不同阶段向终端用户提供本公开的具有表面附着的微柱122的微流体装置100。例如，参照图7，可以向终端用户提供具有表面附着的微柱122的微流体装置100，其中捕获珠粒结合到微柱122(即，捕获珠粒被“预加载”在柱上)。在另一个示例中并参考图8，可以向终端用户提供具有表面附着的微柱122的微流体装置100，其中(或其上)不含捕获珠粒，并且在终端使用期间捕获珠粒126流入微流体装置100的反应(或测定)室114并与微柱122结合。在又一个示例中并且参考图9，可以向终端用户提供具有表面附着的微柱122的微流体装置100，其中捕获珠粒126在相对表面上干燥(即，在与数个表面附着的微柱相对的表面上)。
在微流体装置100的反应(或测定)室114中的捕获珠粒官能化的微柱122可以以至少两种方式提供益处：(1)捕获珠粒126与微柱122的表面的结合提供了在微流体反应(或测定)室中使用容易获得的预官能化的捕获珠粒来特异性捕获目标靶标的机制，和(2)与没有致动和/或单独的扩散相比，由致动的捕获珠粒官能化的微柱122产生的混合动作和/或流动使得样品流体中的分析物快速地与捕获珠粒接触。由于这些益处，与在微流体环境中使用未结合的捕获珠粒相比，捕获效率和结合的目标靶标的回收率增大。
珠粒喷涂系统及方法
现在参考图11至图20，提供了一种珠粒喷涂系统和方法的示例，用于在微流体装置中使用的表面附着的微柱的区域之上和/或之中喷涂磁响应和/或非磁响应的珠粒。
图11示出了用于在微流体装置中的表面附着的微柱的区域之上和/或之中提供珠粒的珠粒喷涂系统800的示例的框图。在该示例中，珠粒喷涂系统800可包括由辊812(例如，马达驱动的辊)的布置支撑的多孔承载板810。与喷雾源816流体连接的喷嘴814可以设置在多孔承载板810上方的一定距离处。此外，真空源818和排出回收机构820设置在多孔承载板810的下方。也就是说，真空源818和排出回收机构820设置在多孔承载板810的与喷嘴814相对的一侧上。此外，多孔承载板810、辊812、喷嘴814、喷雾源816、真空源818和排出回收机构820的布置可以设置在处理室805中，在处理室805中可以控制处理条件。任选地，温度控制单元822可以设置在处理室805中，用于在蒸发期间管理温度。
在珠粒喷涂系统800中，微柱片材825可以设置在多孔承载板810的顶部，以通过在其上喷涂一定量的珠粒830进行处理。微柱片材825是指其上具有表面附着的微柱122的微柱基板124的大面积块状片，即大面积块状微柱区域120。使用珠粒喷涂系统800的喷涂操作，可以在微流体装置中的表面附着的微柱122的区域之上和/或之中提供磁响应和/或非磁响应珠粒830的基本上均匀的层或“撒粉”或“粉末涂层”。
一旦被处理，其上具有珠粒830的基本上均匀的层或“撒粉”或“粉末涂层”的微柱片材825可以被切割成单独的微柱阵列，用于安装到单独的微流体装置中，例如图12所示的微流体装置100。例如，图12示出了微流体装置100的一部分反应(或测定)室114的侧视图，所述微流体装置100包括珠粒830，珠粒830已经经由珠粒喷涂系统800的喷涂操作被喷涂到微柱区域120的表面附着的微柱122之上和/或之中。在该示例中，通过切割其上具有珠粒830的基本上均匀的层或“撒粉”或“粉末涂层”的微柱片材825来提供具有珠粒830的微柱区域120。例如，在微流体装置100中，在运行时，致动机构150可用于将例如磁响应珠粒830保持在适当的位置，同时反应(或测定)室114填充有流体。
此外，在珠粒喷涂系统800中，喷嘴814可以是例如激光钻孔的、压力驱动的气刀喷嘴(air knife nozzle)。喷嘴814可以由喷雾源816供给，所述喷雾源816容纳在挥发性溶剂中的一定量的磁响应和/或非磁响应珠粒830，并且其中所述挥发性溶剂是用于珠粒830的载流体。因此，喷嘴814必须与被喷涂的溶液相容。在一个示例中，喷雾源816可以是容纳在挥发性溶剂中的珠粒830的单个贮存器。在另一个示例中，喷雾源816可以是两个贮存器；容纳珠粒830的一个贮存器在容纳挥发性溶剂的另一个贮存器中。在该示例中，珠粒830和挥发性溶剂可以分别供给到喷嘴814中，然后在喷涂操作期间在喷嘴814中混合。此外，喷嘴814的出口可稍大于珠粒直径，以确保所需的珠粒分散。珠粒830的直径可以是例如约100nm至约10μm。
在珠粒喷涂系统800中，“挥发性溶剂”是指易于快速蒸发的溶剂。挥发性溶剂可以包括，例如，非臭氧消耗性的氯氟化碳(CFC)或醇之一(例如，异丙基或类似的)。排出回收机构820可以是例如在处理室805的排放处的挥发性物质回收机构(例如，满足环境管理标准的蒸馏器单元)。同样，温度控制单元822可以设置在处理室805中，用于在挥发性溶剂从喷嘴814蒸发期间管理温度。
真空源818可以是用于在处理室805中提供负压的任何真空源。真空源818配置在处理室805中以确保气流从多孔承载板810的一侧上的喷嘴814流向多孔承载板810的相对侧上的排出回收机构820。在一个示例中，真空源818和排出回收机构820可以组合成单个单元或模块。此外，珠粒喷涂系统800可以基于例如辊式气锁系统，其中真空源818可以弥补在多孔承载板810和微柱片材825周围进入和离开处理室805的一些泄漏量。
此外，多孔承载板810中的开口或孔便于处理室805中的气流从多孔承载板810的一侧上的喷嘴814流向多孔承载板810的相对侧上的排出回收机构820。也就是说，多孔承载板810中的未被微柱片材825覆盖的任何开口或孔有利于处理室805中的气流。在下文中参考图13至图16示出和描述了在多孔承载板810顶部的一个或多个微柱片材825的示例，并且该一个或多个微柱片材825显示多孔承载板810的有利于气流的暴露部分。
珠粒喷涂系统800的主要特征是离开喷嘴814的任何载流体在到达微柱片材825之前可以基本上蒸发，并且基本上只有珠粒830到达微柱片材825。
珠粒喷涂系统800的另一个主要特征是，珠粒830的基本上均匀的层或“撒粉”或“粉末涂层”可以设置在微柱片材825的表面附着的微柱122的区域之上和/或之中。
珠粒喷涂系统800的另一个主要特征是，珠粒830可以松散地设置在微柱片材825的表面附着的微柱122的区域之上和/之中，并且其中珠粒830基本上不与表面附着的微柱122结合。
珠粒喷涂系统800的另一个主要特征是，它可以支持关于在表面附着的微柱122的区域之上和/或之中提供磁响应和/或非磁响应珠粒的大规模连续制造过程。
珠粒喷涂系统800的某些操作考虑和/或参数可以包括但不限于：(1)挥发性溶剂表面张力；(2)与柱间距和/或微柱直径相比，在冲击下的液滴尺寸；(3)珠粒直径(例如，约100nm至约10μm)；(4)珠粒在挥发性溶剂中的浓度；(5)喷嘴至基板的距离(即，液滴行进距离)；(6)挥发性溶剂的蒸发速率；(7)挥发性溶剂的蒸发温度；(8)喷嘴814的分配速率；(9)处理室805中的空气流；以及(10)多孔承载板810相对于喷嘴814的水平平移速率(例如，多孔承载板810移动，喷嘴814移动或两者移动)。
珠粒喷涂系统800的操作的一个示例可以总结如下。使用辊812，使容纳微柱片材825的多孔承载板810以一定速率前进通过处理室805，同时喷嘴814保持静止。(例如，多孔承载板810移动，喷嘴814移动，或两者都移动)。然后，喷嘴814被启动以在压力下释放挥发性溶剂和珠粒830的混合物。在这种情况下，通过喷嘴814的压差用于使挥发性溶剂在喷嘴814和多孔承载板810之间的空间中闪发蒸发，使得基本上没有挥发性溶剂的液滴到达微柱片材825。因此，在闪发蒸发之后，基本上仅有珠粒830以由喷嘴814赋予的某一速度被推向微柱片材825。因此，向下的速度和重力有助于将珠粒830推向微柱片材825。通过多孔承载板810的暴露部分中的开口(即，微柱片材825的边缘周围)，排空路径(即，挥发物流动)通过真空源818的真空力朝向排出回收机构820。
通常，在珠粒喷涂系统800中，其使空气流最小化，使到微柱片材825的飞行距离最小化，并优化蒸发参数以确保珠粒830的均匀分散可能是有益的。例如，提供充分的空间以通过多孔承载板810抽真空可能是有益的。可以在位于多孔承载板810上的一个或多个微柱片材825之间和周围设置多个下行气流(downdraft)，以确保珠粒的均匀分散。
现在参考图13至图16，图13至图16是用于优化珠粒喷涂系统800中的下行气流的、位于多孔承载板810上的微柱片材825的示例性构造的俯视图。在一个示例中，图13示出了基本上连续的微柱片材825，其基本上跨越多孔承载板810的整个宽度，但是留下多孔承载板810的在微柱片材825的两个边缘处暴露的一部分，以允许足够的气流(即，下行气流)。
在另一个示例中，图14示出了两个基本上连续的微柱片材825，每个微柱片材825跨越多孔承载板810的宽度的大约一半，并且留下多孔承载板810的在微柱片材825的两个条带周围和之间暴露的一部分，以允许足够的气流(即，下行气流)。
在又一个示例中，图15示出了在多孔承载板810上的微柱片材825的多个窄连续条带，并且留下多孔承载板810的在微柱片材825的窄条带的周围和之间暴露的一部分，以允许足够的气流(即，下行气流)。在一个示例中，微柱片材825的条带的宽度可与微流体装置成品(例如，如图12中所示的微流体装置100)的尺寸相关。
在又一个示例中，图16示出了在多孔承载板810上的微柱片材825的多个单独的正方形或小片，并且留下多孔承载板810的在微柱片材825的正方形或小片周围和之间暴露的一部分，以允许足够的气流(即，下行气流)。
仍然参考图13至图16，可以优化多孔承载板810的暴露部分以获得最佳气流(即，下行气流)。也就是说，在微柱片材825之间和周围的多个下行气流可有助于确保珠粒830的均匀分散。在珠粒喷涂系统800中，可以为被处理的一个或多个微柱片材825中的每一个的中心均指定目标最小珠粒分布。此外，珠粒830在一个或多个微柱片材825的每一个的整个区域上的密度可以根据一些预定的公差而略有不同。
图13至图16示出了包括一个喷嘴814的珠粒喷涂系统800的示例，所述喷嘴814基本上跨越多孔承载板810的整个宽度。然而，珠粒喷涂系统800不限于仅一个喷嘴814。例如，图17示出了一种珠粒喷涂系统800的示例，所述珠粒喷涂系统800包括相对于多孔承载板810布置的一排多个喷嘴814。此外，多个喷嘴814不必排列成一排。它们可以相对于多孔承载板810以任何方式和位置布置。
此外，在珠粒喷涂系统800中，多孔承载板810相对于喷嘴814的平移可以变化，如图18A、图18B和图18C。在一个示例中，图18A示出了珠粒喷涂系统800的操作模式，其中多孔承载板810相对于保持固定的喷嘴814以一定速率水平移动。在另一个示例中，图18B示出了珠粒喷涂系统800的操作模式，其中喷嘴814相对于保持固定的多孔承载板810以一定速率水平移动。在又一个示例中，图18C示出了珠粒喷涂系统800的操作模式，其中多孔承载板810在一个方向上水平移动，而喷嘴814在相反方向上水平移动。在该示例中，在多孔承载板810和喷嘴814之间存在一定的相对平移速率。
此外，在珠粒喷涂系统800中，多孔承载板810和/或喷嘴814不限于仅沿一个方向的线性平移运动。图19示出了珠粒喷涂系统800中的二维平移的示例。例如，多孔承载板810可以与x-y平移台一起操作，或者喷嘴814可以与x-y平移台一起操作，或者多孔承载板810和喷嘴814都与x-y平移台一起操作。
图20示出了使用图11所示的本公开的珠粒喷涂系统800在表面附着的微柱122的区域之上和/或之中提供珠粒830的方法900的示例的流程图。方法900可以包括但不限于以下步骤。
在步骤910，提供一种用于在表面附着的微柱之上喷涂珠粒的珠粒喷涂系统。例如，如上文参照图11至图19所描述的，提供本公开的珠粒喷涂系统800以在表面附着的微柱122的区域之上和/或之中喷涂磁响应和/或非磁响应珠粒830。
在步骤915，基于系统参数设定珠粒喷涂系统的操作条件。在一个示例中，基于某些系统参数，例如但不限于(1)挥发性溶剂表面张力；(2)与柱间距和/或微柱直径相比，在冲击下的液滴尺寸；(3)珠粒直径(例如，约100nm至约10μm)；(4)珠粒在挥发性溶剂中的浓度；(5)喷嘴至基板的距离(即，液滴行进距离)；(6)挥发性溶剂的蒸发速率；(7)挥发性溶剂的蒸发温度；(8)喷嘴814的分配速率；以及(9)处理室805中的空气流，来设定多孔承载板810相对于喷嘴814的平移速率。
在步骤920，微柱片材相对于珠粒喷涂系统的喷嘴平移，然后启动喷嘴。例如，通过启动辊812，容纳一个或多个微柱片材825的多孔承载板810(参见图13至图16)相对于喷嘴814平移，然后喷嘴814被启动以释放挥发性溶剂和珠粒830的混合物，并在一个或多个微柱片材825的表面附着的微柱122的区域之上和/或之中提供磁响应和/或非磁响应珠粒830的基本上均匀的层或“撒粉”或“粉末涂层”。
在步骤925中，珠粒喷涂系统的珠粒喷涂过程持续一段时间，直到块状微柱片材用珠粒完全成层或“被撒粉”。例如，珠粒喷涂系统800的珠粒喷涂过程持续一段时间，直到一个或多个微柱片材825用磁响应和/或非磁响应珠粒830完全成层或“被撒粉”。
在步骤930，在完成珠粒喷涂过程时，可以将现在其上具有基本上均匀的珠粒层的微柱片材转移到下游过程，例如切割。例如，在完成珠粒喷涂过程时，暂停珠粒喷涂系统800的操作。然后，将一个或多个微柱片材825(现在其上具有基本上均匀的磁响应和/或非磁响应珠粒830的层)从珠粒喷涂系统800移除，然后转移到任何下游过程，例如切割。例如，可以将一个或多个微柱片材825(现在其上具有基本上均匀的磁响应和/或非磁响应珠粒830的层)进行切割，并且用于形成单独的微流体装置，例如图12所示的微流体装置100。
仍然参考图11至图20所示的珠粒喷涂系统800，磁响应和/或非磁响应珠粒830可以是非官能化的或官能化的。在官能化珠粒830的情况下，重要的是挥发性溶剂(即载流体)与特定官能化、珠粒材料等相容。
此外，在大规模连续制造过程中，用于在块状微柱片材825上提供基本上均匀的磁响应和/或非磁响应珠粒830的层的过程的另一个示例可以如下。将微柱片材825滚动到处理室805中，然后使其停止。然后，将一个或多个珠粒830“胀泡(puff)”注入到处理室805中，同时给予每个“胀泡”一定的时间以通过重力沉降到微柱片材825上。然后，将喷涂的微柱片材825移出处理室805。然后，平移进来在下一个要处理的微型柱825。然后，重复任何数量的微柱片材825。
总而言之，再次参考图11至图20，本公开的珠粒喷涂系统800和方法900可用于支持关于在表面附着的微柱122的区域之上和/或之中提供磁响应和/或非磁响应珠粒830的大规模连续制造过程。
此外，珠粒喷涂系统800和方法900提供利用载流体(例如，挥发性溶剂)和磁响应和/或非磁响应珠粒830的混合物的珠粒喷涂过程。
此外，珠粒喷涂系统800和方法900提供了一种珠粒喷涂过程，其中载流体是挥发性溶剂，其在到达表面附着的微柱122的区域之前可以基本上蒸发，并且基本上只留下磁响应和/或非磁响应珠粒830到达微柱122。
此外，珠粒喷涂系统800和方法900提供了一种珠粒喷涂过程，其中磁响应和/或非磁响应珠粒830的基本均匀的层或“撒粉”或“粉末涂层”可以设置在表面附着的微柱122的区域之上和/或之中。
此外，珠粒喷涂系统800和方法900提供了一种珠粒喷涂过程，其中磁响应和/或非磁响应珠粒830可以松散地设置在表面附着的微柱122的区域之上和/或之中，并且其中珠粒830基本上不与表面附着的微柱122结合。
尽管为了清楚理解的目的，已经通过附图例示和示例的方式详细描述了上述主题，但是本领域技术人员应理解，在所附权利要求的范围内可以实施某些改变和修改。

Claims (32)

1.一种微流体盒，其特征在于：所述微流体盒包括：
a.壳体，形成反应室；
b.数个表面附着的微柱的一区域，设置在所述壳体的内表面上并延伸到所述反应室中；以及
c.数个珠粒，附着于所述数个微柱。
2.根据权利要求1所述的微流体盒，其特征在于：所述反应室还包括布置成使流体流入和流出所述室的数个开口。
3.根据前述权利要求中任一项所述的微流体盒，其特征在于：所述壳体包括两个被间隔开的基板，以形成作为所述基板之间的间隙的所述反应室。
4.根据前述权利要求中任一项所述的微流体盒，其特征在于：所述数个珠粒被官能化。
5.根据前述权利要求中任一项所述的微流体盒，其特征在于：所述数个表面附着的微柱包括
可使用磁致动机构而被致动的数个磁响应微柱。
6.根据前述权利要求4和以下中任一项所述的微流体盒，其特征在于：所述数个珠粒包括数个靶特异性珠粒。
7.根据前述权利要求6和以下中任一项的微流体盒，其特征在于：所述数个靶特异性珠粒用特异于一种或多种目标靶标的结合剂进行预官能化。
8.根据前述权利要求7和以下中任一项所述的微流体盒，其特征在于：使用官能团连接子使所述预官能化的数个珠粒结合到所述数个表面附着的微柱。
9.根据前述权利要求7和以下中任一项所述的微流体盒，其特征在于：通过所述数个珠粒对所述数个微柱的非特异性吸附使所述预官能化的数个珠粒结合到所述数个表面附着的微柱。
10.根据前述权利要求7和以下中任一项所述的微流体盒，其特征在于：使用冻干过程将所述预官能化的数个珠粒结合到所述数个表面附着的微柱。
11.根据前述权利要求中任一项所述的微流体盒，其特征在于：利用化学反应将磁响应珠粒附着到微柱的表面。
12.根据前述权利要求9和以下中任一项所述的微流体盒，其特征在于：所述化学键合反应选自于由抗生物素蛋白/生物素复合相互作用或羧基/胺键所组成的群组。
13.根据前述权利要求中任一项所述的微流体盒，其特征在于：在所述数个表面附着的微柱中产生剩余(潜在)磁场，从而通过磁性将所述数个珠粒吸引并结合到所述数个微柱。
14.根据前述权利要求中任一项所述的微流体盒，其特征在于：所述数个珠粒通过环境磁场结合到所述反应室的至少一个基板表面。
15.根据权利要求1所述的微流体盒，其特征在于：所述珠粒包括被聚合物壳覆盖的芯核，其中所述聚合物壳为后续一种或多种官能化反应提供表面。
16.根据权利要求15所述的微流体盒，其特征在于：所述芯核包括磁响应材料。
17.根据权利要求15所述的微流体盒，其特征在于：所述聚合物壳选自于由聚苯乙烯或硅基材料所组成的群组。
18.一种仪器，其特征在于：所述仪器包括：
a.致动机构，以及
b.前述权利要求中任一项所述的微流体盒，
其中所述致动机构产生致动力，从而迫使至少一部分的所述数个磁响应微柱移动。
19.根据权利要求12和以下中任一项所述的仪器，其特征在于：所述数个表面附着的微柱用多个珠粒进行官能化，以特异性结合一个或多个目标靶标。
20.根据权利要求12和以下中任一项所述的仪器，其特征在于：所述致动力选自于由磁、热、超声和/或电力所组成的群组。
21.根据权利要求12和以下中任一项所述的仪器，其特征在于：所述数个微柱被预磁化以在所述数个微柱中产生磁场，然后将数个磁响应珠粒结合到所述数个微柱，由此所述数个珠粒提供用于结合一种或多种目标靶标的表面。
22.根据前述权利要求18和以下中任一项所述的仪器，其特征在于：通过冻干过程将所述数个微柱维持在直立方向。
23.根据权利要求18和以下中任一项所述的仪器，其特征在于：所述数个珠粒包括超顺磁性材料。
24.根据权利要求18所述的仪器，其特征在于：所述珠粒与配体预偶联。
25.根据权利要求24所述的仪器，其特征在于：所述配体选自于由抗体、蛋白质、抗原、DNA/RNA探针或对一种或多种目标靶标具有亲和力的任何其它分子所组成的群组。
26.一种捕获靶标的方法，其特征在于：所述方法包括：
a.提供前述权利要求12和以下中任一项所述的仪器；
b.使包含所述靶标的样品流过所述反应室；以及
c.使所述致动机构产生致动力，从而迫使至少一部分的所述数个磁响应微柱移动；
从而接触附着于所述数个微柱的区域的所述数个珠粒，从而使所述靶标与所述数个珠粒结合。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：
a.使洗涤缓冲液流过所述反应室；以及
b.使所述致动机构产生致动力，从而迫使至少一部分的所述数个磁响应微柱移动；
由此洗涤所述数个珠粒。
28.根据权利要求26所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：
a.使洗脱缓冲液流过所述反应室；以及
b.使所述致动机构产生致动力，从而迫使至少一部分的所述数个磁响应微柱移动；
由此从所述数个珠粒中洗脱靶标。
29.一种将珠粒施加到表面附着的微柱的区域的方法，其特征在于：所述方法包括将包含所述数个珠粒和挥发性溶剂的组合物喷涂到所述数个微柱的片材上。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于：所述挥发性溶剂选自于由无臭氧消耗性的氯氟化碳或一种醇所组成的群族。
31.根据权利要求26所述的方法，其特征在于：所述方法包括使所述珠粒喷涂过程持续一段时间，足以使所述数个微柱的片材被数个珠粒完全形成层状。
32.根据权利要求26所述的方法，其特征在于：所述方法还包括切割所述片材。
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