CN116635152A - 用于微流体系统中试剂特异性驱动ewod阵列的电润湿系统和方法 - Google Patents

用于微流体系统中试剂特异性驱动ewod阵列的电润湿系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于致动第一组成和第二组成的液滴的电润湿系统。所述系统包括：被配置成操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，每个电极耦合到向电极施加驱动电压的电路；以及可操作地连接到查找表的处理单元，所述查找表将驱动序列与化学物质和至少一种组成参数相关联。所述处理单元被配置成：接收第一化学物质的数据和第一组成的第一组成参数；接收第二化学物质的数据和第二组成的第二组成参数；将第一驱动序列与第一化学物质和第一组成参数相关联；将第二驱动序列与第二化学物质和第二组成参数相关联；并将第一驱动序列和第二驱动序列输出到电极。

Description

用于微流体系统中试剂特异性驱动EWOD阵列的电润湿系统和 方法
背景
数字微流体(DMF)设备使用独立电极在限定的环境中推动、分裂和连接液滴，从而提供“芯片实验室(lab-on-a-chip)”。数字微流体设备已被用于致动宽范围的体积(nL至μL)，并且或者被称为电介质上电润湿或“EWoD”，以进一步将该方法区别于依赖于电泳流和/或微型泵的竞争性微流体系统。在电润湿中，将连续电信号或脉冲电信号施加至液滴，导致其接触角的切换。能够电润湿疏水表面的液体一般包括极性溶剂，诸如水或离子液体，并且经常以离子物质为特征，电解质水溶液就是这样的情况。Wheeler在“DigitalMicrofluidics”，Annu.Rev.Anal.Chem.2012，5：413-40”中提供了2012年电润湿技术综述。该技术实现使用微量样品和微量试剂二者进行样品制备、测定和合成化学。近年来，使用电润湿的在微流体单元中的受控液滴操纵已变得在商业上可行，并且现在有来自大型生命科学公司的可用的产品。
EWoD数字微流体设备有两种主要架构，即开放系统和封闭系统。一般，两种EWoD配置都包括底板，所述底板的特征在于推进电极、绝缘介电层和提供工作表面的疏水层的堆叠。然而，封闭系统的特征还在于与底板平行的顶板并包括用作所有推进电极的公共反电极的顶部电极。顶板和底板以限定微流体区域的间隔关系提供，以允许液滴在底部电极阵列和顶部电极之间施加推进电压的情况下在微流体区域内运动。将液滴置于工作表面上，一旦致动，电极就会导致液滴变形，并根据施加的电压从表面润湿或反润湿。当设备的电极矩阵被驱动时，DMF的每个像素接收电压脉冲(即与该像素相关的两个电极之间的电压差)或电压脉冲的时间序列(即“波形”或“驱动序列(drive sequence)”或“驱动序列(drivingsequence)”)以便实现从像素的一种电润湿状态到另一种电润湿状态的转变。
大多数关于EWoD的文献报告都涉及所谓的“分段”设备，由此十到几百个电极直接由控制器驱动。虽然分段设备易于制造，但电极的数量受到空间和驱动约束的限制，并且需要针对特定应用设计设备。因此，在分段设备中进行大规模平行测定、反应等可能被证明是相对成问题的。相比之下，“有源矩阵”设备(又名有源矩阵EWoD，又名AM-EWoD)设备可以具有数千、数十万甚至数百万个可寻址电极，并提供可用于许多不同应用的通用面板。
AM-EWoD的电极一般由晶体管矩阵，诸如薄膜晶体管(TFT)来切换，但也可以使用机电开关。基于TFT的薄膜电子器件可用于通过使用与AM显示技术中采用的电路布置非常相似的电路布置来控制电压脉冲到EWoD阵列的寻址。TFT阵列对于该应用是非常理想的，因为具有数千个可寻址像素，从而实现液滴过程的大规模并行化。驱动电路可以集成到AM-EWoD阵列基板上，并且基于TFT的电子器件非常适合于AM-EWoD应用。
发明概述
一方面，提供一种用于致动第一组成的液滴和第二组成的液滴的电润湿系统。所述系统包括：被配置成操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，其中每个电极耦合到被配置成选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及可操作地连接到存储介质的处理单元，所述存储介质可以包括将驱动序列与化学物质和至少一种组成参数相关联的查找表(LUT)。所述处理单元被配置成：接收第一化学物质的输入数据和第一组成的第一组成参数；接收第二化学物质的输入数据和第二组成的第二组成参数；将第一驱动序列与第一化学物质和第一组成参数相关联；将第二驱动序列与第二化学物质和第二组成参数相关联；并将第一驱动序列和第二驱动序列输出到多个电极。
另一方面，提供一种用于在电润湿系统中针对第一组成和第二组成进行液滴操作的方法。所述电润湿系统包括：被配置成操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，其中每个电极耦合到被配置成选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及可操作地连接到存储介质的处理单元，所述存储介质可以包括将驱动序列与化学物质和组成参数相关联的查找表(LUT)。所述方法包括：接收第一化学物质的输入数据和第一组成的第一组成参数；接收第二化学物质的输入数据和第二组成的第二组成参数；将第一驱动序列与第一化学物质和第一组成的第一组成参数相关联；将第二驱动序列与第二化学物质和第二组成的第二组成参数相关联；并将第一驱动序列和第二驱动序列输出到多个电极。
另一方面，提供一种用于致动混合的液滴的电润湿系统，所述系统包括：被配置成操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，其中每个电极耦合到被配置成选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及可操作地连接到存储介质的处理单元，所述存储介质可以包括将驱动序列与化学物质和至少一种组成参数相关联的查找表(LUT)。所述处理单元被配置成：提供具有第一组成、第一体积和第一组成参数的第一液滴，其中第一组成、第一体积和第一组成参数中的至少一个与电润湿系统的第一驱动序列相关联；提供具有第二组成、第二体积和第二组成参数的第二液滴，其中第二组成、第二体积和第二组成参数中的至少一个与电润湿系统的第二驱动序列相关联；混合第一液滴和第二液滴以产生混合的液滴；以及用第三驱动序列驱动混合的液滴，所述第三驱动序列是第一驱动序列和第二驱动序列的预先确定的加权平均值。
另一方面，提供一种用于致动至少一种组成的液滴的电润湿系统，所述系统包括：被配置成操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，其中每个电极耦合到被配置成选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及可操作地连接到存储介质的处理单元，所述存储介质可以包括将驱动序列与化学物质和至少一种组成参数相关联的查找表(LUT)，所述处理单元被配置或编程为：接收化学物质的输入数据和至少一种组成的组成参数；将驱动序列与化学物质和组成参数相关联；并将驱动序列输出到多个电极。
另一方面，提供一种用于致动至少一种组成的液滴的电润湿系统，所述系统包括：被配置成操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，其中每个电极耦合到被配置成选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及可操作地连接到存储介质的处理单元，所述存储介质可以包括将驱动序列与组成识别数据相关联的查找表(LUT)，所述处理单元被配置成：接收识别至少一种组成的输入数据；将驱动序列与识别至少一种组成的数据相关联；以及将驱动序列输出到多个电极，以致动至少一种组成的液滴。
附图简述
图1A是示例EWoD设备的单元的横截面示意图。图1b图示说明采用DC顶面的EWoD操作。图1C图示说明采用顶面切换(TPS)的EWoD操作。图1D是连接到栅极线、源极线和推进电极的TFT的示意图。
图2是在AM-EWoD推进电极阵列中控制液滴操作的示例性TFT背板的示意图。
图3A是示意性图示说明用于存储和检索任意数量的试剂特异性驱动方案的系统的示意图。图3B是用于将输入液滴数据与待输出到DMF电极的驱动序列相关联的示例性方法的流程图。图3C是示例性驱动序列集，每个驱动序列集具体适合于一类液滴组成。
图4图示说明电荷中性的脉冲序列。
图5图示说明非脉冲平衡的脉冲序列。
图6图示说明具有校正、平衡脉冲的脉冲序列。
图7显示简单的三像素颈部，其被致动离开储器以裂开液滴。
图8显示长度为两个液滴直径的颈部的形成，以便成功地断开液滴。
图9示意性地图示说明液滴混合模式。
图10A显示液滴混合模式的第一步。图10B显示在施加延长驱动序列之后的图10B的液滴。图10C图示说明示例加权平均驱动序列的创建。
图11包括根据示例性实施方案的使用驱动配置文件的方法的流程图。
图12是具有不同间歇性值的驱动序列的示意图。
图13A是DMF设备的俯视图。第一储器装有Tris-HCl的0.01M水溶液(“无吐温”)。第二储器包括通过添加浓度为0.05％的吐温20(“0.05％吐温”)而改性的第一储器的溶液。图13B是图13A的DMF在操作约1小时后的照片。图13C是在操作约6小时后拍摄的照片。图13D是在操作约24小时后拍摄的照片。图13E是在操作约25小时后拍摄的照片。
图14是在测试两种不同的分配方案之后，图13A-13E的DMF设备的俯视图。
定义
除非另有注明，下列术语具有所指定的含义。
关于一个或多个电极的“致动”或“激活”是指实现一个或多个电极的电状态的变化，在液滴存在的情况下，这导致对液滴的操纵。电极的激活可以使用交流电(AC)或直流电(DC)完成。在使用交流信号的情况下，可以采用任何合适的频率。
“液滴”是指电润湿疏水表面并且至少部分被载液和/或在某些情况下被气体或气体混合物，诸如环境空气所限制的一定体积的液体。例如，液滴可以完全被载液包围或者可以被载液和EWoD设备的一个或多个表面所限制。液滴可以采取多种形状；非限制性实例通常包括圆盘形、子弹形(slug shaped)、截头球体、椭圆体、球形、部分压缩的球体、半球形、卵形、圆柱形和在液滴操作，诸如合并或分裂期间形成的各种形状，或者由于这样的形状与EWoD设备的一个或多个工作表面接触而形成的各种形状；液滴可以包括典型的极性流体，诸如水，水性或非水性组合物就是这样的情况，或者可以是包括水性和非水性组分的混合物或乳液。液滴还可以包括分散体和悬浮液，例如水性溶剂中的磁珠。在各种实施方案中，液滴可以包括生物样品，诸如全血、淋巴液、血清、血浆、汗液、泪液、唾液、痰液、脑脊液、羊水、精液、阴道分泌物、浆液、滑液、心包液、腹膜液、胸膜液、渗出液(transudate)、渗出物(exudate)、囊液、胆汁、尿液、胃液、肠液、粪便样品、含有单个或多个细胞的液体、含有细胞器的液体、流体化组织、流体化生物体、含有多细胞生物体的液体、生物拭子和生物洗液。此外，液滴可以包括一种或多种试剂，诸如水、去离子水、盐水溶液、酸性溶液、碱性溶液、洗涤剂溶液和/或缓冲液。液滴内容物的其它实例包括试剂，诸如用于生物化学方案、核酸扩增方案、基于亲和力的测定方案、酶测定方案、基因测序方案、蛋白质测序方案和/或用于分析生物流体的方案的试剂。试剂的进一步实例包括在生物化学合成方法中使用的那些，诸如用于合成在分子生物学和医学中发现应用的寡核苷酸、核酸分子的试剂。寡核苷酸可以含有天然或化学修饰的碱基，并且最常用作反义寡核苷酸、小干扰治疗性RNA(siRNA)及它们的生物活性缀合物、用于DNA测序和扩增的引物、用于经由分子杂交检测互补DNA或RNA的探针、用于在基因编辑诸如CRISPR-Cas9的技术背景下靶向引入突变和限制性位点以及用于合成人工基因的工具。在进一步的实例中，液滴内容物可包括用于肽和蛋白质生产的试剂，例如通过化学合成、在活的生物体诸如细菌或酵母细胞中表达或通过在体外系统中使用生物机械。
术语“DMF设备”、“EWoD设备”和“液滴致动器”是指用于操纵液滴的设备。液滴致动器的实例参见Pamula等人的于2005年6月28日公布的名为“Apparatus for ManipulatingDroplets by Electrowetting-Based Techniques”的第6,911,132号美国专利；Pamula等人的于2006年8月31日公开的名为“Apparatuses and Methods for ManipulatingDroplets on a Printed Circuit Board”的第20060194331号美国专利公开申请；Pollack等人的于2007年10月25日公开的名为“Droplet-Based Biochemistry”的第WO/2007/120241号国际专利公开申请；Shenderov的于2004年8月10日公布的名为“ElectrostaticActuators for Microfluidics and Methods for Using Same”的第6,773,566号美国专利；Shenderov的于2003年5月20日公布的名为“Actuators for Microfluidics WithoutMoving Parts”的第6,565,727号美国专利；Kim等人的于2003年11月6日公开的名为“Electrowetting-driven Micropumping”的第20030205632号美国专利公开申请；Kim等人的于2006年7月27日公开的名为“Method and Apparatus for Promoting the CompleteTransfer of Liquid Drops from a Nozzle”的第20060164490号美国专利公开申请；Kim等人的于2007年2月1日公开的名为“Small Object Moving on Printed Circuit Board”的第20070023292号美国专利公开申请；Shah等人的于2009年11月19日公开的名为“Methodfor Using Magnetic Particles in Droplet Microfluidics”的第20090283407号美国专利公开申请；Kim等人的于2010年4月22日公开的名为“Method and Apparatus for Real-time Feedback Control of Electrical Manipulation of Droplets on Chip”的第20100096266号美国专利公开申请；Velev的于2009年6月16日公布的名为“DropletTransportation Devices and Methods Having a Fluid Surface”的第7,547,380号美国专利；Sterling等人的于2007年1月16日公布的名为“Method，Apparatus and Article forMicrofluidic Control via Electrowetting，for Chemical，Biochemical andBiological Assays and the Like”的第7,163,612号美国专利；Becker等人的于2010年1月5日公布的名为“Method and Apparatus for Programmable Fluidic Processing”的第7,641,779号美国专利；Becker等人的于2005年12月20日公布的名为“Method andApparatus for Programmable Fluidic Processing”的第6,977,033号美国专利；Decre等人的于2008年2月12日公布的名为“System for Manipulation of a Body of Fluid”的第7,328,979号美国专利；Yamakawa等人的于2006年2月23日公开的名为“Chemical AnalysisApparatus”的第20060039823号美国专利公开申请；Wu的于2011年3月3日公开的名为“Digital Microfluidics Based Apparatus for Heat-exchanging ChemicalProcesses”的第20110048951号美国专利公开申请；Fouillet等人的于2009年7月30日公开的名为“Electrode Addressing Method”的第20090192044号美国专利公开申请；Fouillet等人的于2006年5月30日公布的名为“Device for Displacement of Small LiquidVolumes Along a Micro-catenary Line by Electrostatic Forces”的第7,052,244号美国专利；Marchand等人的于2008年5月29日公开的名为“Droplet Microreactor”的第20080124252号美国专利公开申请；Adachi等人的于2009年12月31日公开的名为“LiquidTransfer Device”的第20090321262号美国专利公开申请；Roux等人的于2005年8月18日公开的名为“Device for Controlling the Displacement of a Drop Between Two orSeveral Solid Substrates”的第20050179746号美国专利公开申请；及Dhindsa等人，“Virtual Electrowetting Channels：Electronic Liquid Transport with ContinuousChannel Functionality”，Lab Chip，10：832-836(2010)。
“液滴操作”是指在微流体设备上对一个或多个液滴的任何操纵。例如，液滴操作可以包括：将液滴装载到DMF设备中；从源储器分配一个或多个液滴；将液滴分裂、分离或分成两个或更多个液滴；将液滴从一个位置以任何方向移动到另一个位置；将两个或更多个液滴合并或组合成单个液滴；稀释液滴；混合液滴；搅动液滴；使液滴变形；将液滴保持在适当位置；孵育液滴；加热液滴；蒸发液滴；冷却液滴；处理液滴；将液滴输送出微流体设备；本文所述的其它液滴操作；和/或前述的任何组合。术语“合并(merge)”、“合并(merging)”、“组合(combine)”、“组合(combining)”等用于描述由两个或更多个液滴产生一个液滴。应当理解，当针对两个或多个液滴使用这样的术语时，可以使用足以导致两个或多个液滴组合成一个液滴的液滴操作的任何组合。例如，“将液滴A与液滴B合并”可以通过将液滴A输送至与静止液滴B接触、将液滴B输送至与静止液滴A接触、或将液滴A和B输送至彼此接触来实现。术语“分裂”、“分离”和“分开”不是旨在暗示关于所得液滴的体积(即所得液滴的体积可以相同或不同)或所得液滴的数量(所得液滴的数量可以是2、3、4、5或更多)的任何特定结果。术语“混合”是指导致一种或多种组分在液滴内更均匀分布的液滴操作。“装载”液滴操作的实例包括但不限于微透析装载、压力辅助的装载、机器人装载、被动装载和移液器装载。液滴操作可以是电极介导的。在一些情况下，通过使用表面上的亲水和/或疏水区域和/或通过物理障碍进一步促进液滴操作。
“栅极驱动器”是为耦合到EWoD像素电极的高功率晶体管，诸如TFT的栅极引导高电流驱动输入的设备。“源极驱动器”是为高功率晶体管的源极引导高电流驱动输入的设备。“顶面公共电极驱动器”是为EWoD设备的顶面电极产生高电流驱动输入的功率放大器。
“驱动序列”或“脉冲序列”表示用于致动微流体设备中的像素的整个电压相对时间的曲线。一般，如下图示说明的，这样的序列将包括多个要素；在这些要素基本上是矩形的情况下(即在给定要素包括在一段时间内施加恒定电压的情况下)，要素可以被称为“电压脉冲”或“驱动脉冲”。术语“驱动方案”表示在给定的液滴操作过程中足以对一个或多个液滴进行一个或多个操纵的一个或多个驱动序列集。术语“帧”表示微流体设备中所有像素行的单次更新。
“核酸分子”是单链或双链、有义或反义的DNA或RNA的总称。这样的分子由核苷酸组成，所述核苷酸是由三个部分组成的单体：五碳糖、磷酸基团和含氮碱基。如果糖是核糖基，则聚合物是RNA(核糖核酸)；如果糖是源自作为脱氧核糖的核糖，则聚合物是DNA(脱氧核糖核酸)。核酸分子长度不同，从普通的用于基因检测、研究和法医学的约10至25个核苷酸的寡核苷酸到具有大约1000、10000或更多个核苷酸的序列的相对长或非常长的原核和真核基因。它们的核苷酸残基可以是全部天然存在的或者至少部分化学修饰的，例如用以减缓体内降解。可以例如通过引入核苷有机硫代磷酸酯(PS)核苷酸残基对分子骨架进行修饰。另一种用于核酸分子的医学应用的修饰是2’糖修饰。修饰2’位糖被认为通过增强治疗性寡核苷酸的靶点结合能力来增加治疗性寡核苷酸的有效性，尤其是在反义寡核苷酸疗法中。最常用的修饰中的两种是2’-O-甲基和2’-氟。
当任何形式的液体(如液滴或连续体，无论是移动的还是静止的)被描述为在电极、阵列、矩阵或表面“上(on)”、“处(at)”或“上方(over)”时，这样的液体可以与电极/阵列/矩阵/表面直接接触，或者可以与插入在液体和电极/阵列/矩阵/表面之间的一个或多个层或膜接触。
当液滴被描述为在微流体设备“中(in)”、“上(on)”或“被装载”到微流体装置上时，应当理解，液滴被以便于使用设备对液滴进行一个或多个液滴操作的方式布置在设备上，液滴被以便于感测液滴的性质或来自液滴的信号的方式布置在设备上，和/或液滴已经在液滴致动器上经受液滴操作。
“每个”，当就多个项目使用时，旨在标识在集合中的单个项目，但不一定指在集合中的每个项目。如果明确公开或上下文清楚地另外规定，则可以发生例外。
详述
一方面，本申请涉及新的、可适应的EWoD设备，所述EWoD设备被编程以针对不同的液滴含量和其他变量单独调整它们的驱动方案。还提供用于操作所述设备的可编程的处理和控制单元。从操作的角度来看，与该新方法相关的数据处理步骤通常包括：(i)确定哪些像素被液滴占据；(ii)查明哪种物质组成占据一个或多个像素的区域，以及(iii)什么类型的脉冲序列，如果有的话，将被施加到液滴。因此，每个驱动脉冲的电压和持续时间可以基于包括液滴组成、液滴在阵列上的位置以及要进行的操作的变量来选择。调节液滴被处理的方式以适应各种化学和生物试剂和产品的能力使得所述设备能够完成每个期望的液滴操作。在各个实施方案中，本发明适用于开放的或封闭的架构，并且可以在类似的分段和有源矩阵设备，包括但不限于矩阵的晶体管是TFT的AM-EWoD系统中实施。在一个实施方案中，所述设备用于进行多种不同的化学或生物测定，并向其提供对存储可编程指令的存储器的访问，所述指令特别适合于每种测定中使用的每种试剂组成。
栅极线寻址
图1A显示示例传统封闭EWoD设备中的单元的示意性横截面，其中液滴104的侧面被载液102包围，并且夹在顶部疏水层107和底部疏水层110之间。推进电极105可以由晶体管阵列直接驱动或切换，所述晶体管阵列被布置成由数据(源极)线和栅极(选择)线驱动，非常类似于液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(OLED)中的有源矩阵，得到所谓的有源矩阵(AM)EWoD。一般的单元间距通常在约50μm至约500μm的范围。
有两种主要的驱动封闭系统EWoD的模式：“DC顶面”和“顶面切换(TPS)”。图1B图示说明DC顶面模式下的EWoD操作，其中顶面电极106例如通过接地被设置为零伏电势。结果，跨单元施加的电势是有源像素上的电压，即像素101具有与顶面不同的电压，使得导电液滴被吸引到电极。在有源矩阵TFT设备中，这将EWoD单元中的像素驱动电压限制在约±15V，因为在通常使用的非晶硅(a-Si)TFT中，由于在高电压操作下的TFT电不稳定性，最大电压在约15V至约20V的范围。图1C显示用TPS驱动所述单元，在这种情况下，通过与有源像素异相地给顶部电极供电，驱动电压加倍到±30V，使得顶面电压附加到由TFT提供的电压。
非晶硅TFT板通常每个像素只有一个晶体管，尽管也考虑具有两个或更多晶体管的配置。如图1D所示，晶体管连接到栅极线、源极线(也称为“数据线”)和推进电极。当TFT栅极上有足够大的正电压时，源极线和像素之间存在低阻抗(Vg“开”)，因此源极线上的电压被转移到像素的电极。当TFT栅极上有负电压时，则TFT为高阻抗，并且电压存储在像素存储电容器上，并且当其它像素被寻址时不受源极线上的电压的影响(Vg“关”)。如果不需要移动，或者如果液滴打算从推进电极移开，则在像素电极上存在0 V，即相对于顶板没有电压差。理想地，TFT应该充当数字开关。实际上，当TFT处于“开”设置时，仍然存在一定量的电阻，因此像素需要时间来充电。另外，当TFT处于“关”设置时，电压可能从Vs泄漏到Vp，导致串扰。增加存储电容器Cs的电容减少串扰，但代价是使像素更难充电。
TFT阵列的驱动器从处理单元接收与液滴操作相关的指令。处理单元可以是例如通用计算机、专用计算机、个人计算机或其他提供处理能力，诸如存储、解释和/或执行软件指令以及控制设备的整体操作的可编程数据处理装置。处理单元耦合到存储器，所述存储器包括可编程指令以指导处理单元执行各种操作，诸如但不限于，根据本文的实施方案，向TFT驱动器提供指导它们产生电极驱动信号的输入指令。存储器可以在物理上位于DMF设备中，或者位于与设备接口的计算机或计算机系统中，并且保存作为由设备执行的一个或多个任务的工作集的一部分的程序和数据。例如，存储器可以存储可编程指令，以结合液滴操作集执行驱动方案。处理单元执行可编程指令以产生控制输入，所述控制输入被传送到驱动器以实施与给定液滴操作相关的一个或多个驱动方案。
图2是在AM-EWoD推进电极阵列中控制液滴操作的示例性TFT背板的示意图。在该配置中，EWoD设备的元件以由TFT阵列的源极线和栅极线限定的矩阵形式排列。源极线驱动器提供对应于液滴操作的源极电平。栅极线驱动器提供用于打开电极的晶体管栅极的信号，所述电极在操作过程中将被致动。该图仅显示图中所示的那些数据线和栅极线的信号线。栅极线驱动器可以集成在单个集成电路中。类似地，数据线驱动器可以集成在单个集成电路中。集成电路可以包括完整的栅极和源极驱动器组件以及控制器。可商购的控制器/驱动器芯片包括由Ultrachip Inc.(San Jose，California)商业化的芯片，诸如UC8152，一种480通道栅极/源极可编程驱动器。图2的矩阵由1024条源极线和总共768条栅极线制成，尽管任一数字都可以改变以适应DMF设备的尺寸和空间分辨率。矩阵的每个元件包括用于控制相应像素电极的电势的图1D所示类型的TFT，并且每个TFT连接到一条栅极线和一条源极线。
试剂特异性驱动配置文件
如上所述，本申请涉及可适应的DMF设备，所述设备被编程以实施驱动方案集，所述驱动方案集被特别定制以分别适合于任意数量的不同液滴组成和组成参数中的一个或多个。图3A是示意性图示说明用于存储试剂特异性驱动方案的示例系统的框图。所述处理单元可操作地耦合到存储器，在所述存储器中保存可搜索的查找表或其他可搜索的数据结构。存储器存储试剂特异性驱动配置文件。存储器还可以存储由处理单元执行的可编程指令，以执行本文描述的操作。每个配置文件包括一个或多个驱动方案，所述驱动方案可以针对给定试剂的性质进行特别定制。更广泛地，术语“试剂特异性驱动配置文件”延伸到适用于在DMF设备中操作的任何组成的配置文件，包括特定浓度的试剂、两种或多种试剂的混合物、和/或一种或多种反应产物。查找表中还可以包括一个或多个调节函数或表，用于调整配置文件的驱动方案以适合于DMF设备或其任何部件的温度、环境湿度和其他可能影响液滴操作的外部变量。其他试剂特异性驱动配置文件可以取决于例如载液的类型、试剂的pH值、试剂的粘度或试剂的离子浓度。
查找表可以以文件系统的形式保存，或者位于与一个或多个计算机系统相关的虚拟存储器中，并且可以以各种方式布置，诸如在物理上位于计算机系统内部、直接连接到CPU总线、连接到外围总线，或者位于可操作地连接到计算机系统的基于云的存储平台中。对于参与液滴操作的每种新试剂、混合物或产品，从表中的可用的那些中选择合适的试剂特异性配置文件。除了与相应试剂的电润湿响应相关的其他参数之外，试剂特异性配置文件可以包括组成参数，诸如pH、温度、流变性质诸如粘度、离子强度、电导率和在特定波长的吸光度。在液滴操作开始之前或开始时，可以将来自配置文件或其相关部分的驱动方案装载到临时存储器中，供处理单元随后使用。
微流体空间中的液滴的流动性受参数影响，所述参数包括但不限于：液滴溶剂如水中的试剂浓度、离子强度、表面活性剂添加剂的浓度和化学性质、液滴流变性、反过来可能受液滴pH值影响的试剂电荷以及设备内的温度或温度梯度。在使用试剂之前，可以测量每种试剂类型的这些和其他性质，并针对哪个驱动配置文件一般将最适合于给定的试剂或混合物做出确定。供选择地，可以通过应用每个可用的驱动配置文件，在DMF设备上直接测试试剂的液滴，直到找到具有最佳性能的配置文件，并用代码或其他识别数据对其进行标记，以将该配置文件与试剂相匹配，供将来使用。此后，对于DMF设备中试剂的所有后续操作，用户可以指定在设备中的特定位置使用哪种驱动配置文件。
图3B是图示说明用于操作电润湿系统的示例方法300的流程图，其中序列驱动被保存到试剂特异性驱动配置文件。方法300可以使用电润湿系统的处理单元来进行。在框302，处理单元接收液滴数据。例如，处理单元接收与系统中待被致动的液滴的特性有关的数据。所述数据通常包括包含在液滴中的化学物质的身份，例如，在液滴中输送的一种或多种试剂，相关化学物质的各自浓度，和/或与化学物质浓度相关或影响液滴流动性和化学性质的其它组成参数，例如pH值、温度、流变性质诸如粘度、离子强度、电导率和在特定波长下的吸光度。在框304，处理单元然后在查找表中搜索试剂特异性配置文件。在框306，处理单元将相关的液滴数据，诸如它包含哪些试剂化学物质以及它们各自的浓度，与一个或多个驱动序列相关联。在框308，处理单元向电润湿系统的电极输出驱动序列。
每种试剂的液滴可以用特别适合于它们的特性的驱动序列来致动。该新的能力是特别有利的，因为针对不同的化学组成实施相同的驱动方案可能导致对一种或多种组成的次优液滴致动。另外，适合一种组成的电压范围和脉冲长度可能在另一种组成中引起不期望的电化学反应。这反过来会导致进一步的反应，导致DMF设备工作表面的腐蚀。举一个代表性的示例，如图3C所图示说明的，驱动方案A在应用于第一试剂1时的表现令人满意，但是在应用于第二试剂2时导致工作表面上的腐蚀。该问题通过用方案B驱动包含试剂2的液滴来解决，方案B具有比方案A更长持续时间但更低电压的脉冲。相比之下，当用方案A或B致动时，包含第三试剂3的液滴移动缓慢且迟滞。然而，发现以更高电压的脉冲序列为特征的方案C在不扰乱试剂3的化学性质或引起腐蚀的情况下解决了该问题。
在另一个非排他性的实施方案中，为每个单独的试剂类型定制完整的试剂驱动配置文件，并将其添加到查找表中。通过跨越一大组电压、极性和脉冲持续时间的移动、分裂、分配、混合和保持测试来运行每种试剂，以识别具有最适合于该试剂的脉冲序列的驱动方案。然后，该定制的试剂配置文件被添加到查找表中，并通过代码或其他信息标签项与一种或多种试剂匹配，每当所述试剂要在DMF设备上使用时，处理单元将调用所述代码或其他信息标签项。然后存储在查找表中的试剂(以及，如上所述，两种或多种试剂和/或产物的任何混合物)配置文件的数量将高达具有为其确定的试剂驱动配置文件的试剂或混合物的数量。用户可以指定与在DMF设备中的特定位置将使用哪种试剂相关的代码或其他信息标签项。在一个实施方案中，不存在从中选择一个最适合于液滴的有限标准的试剂配置文件集。相反，可以为每种新试剂单独生成特异性试剂驱动配置文件。
对于某些种类的液滴组成，合适的驱动配置文件已经是众所周知的，并且不需要关于化学物质或组成参数的数据来选择合适的驱动序列。在生物化学或生物分子应用，例如核酸扩增、基于亲和力的测定、酶测定、基因测序、蛋白质测序、肽和蛋白质合成和/或生物流体分析中，由用作溶剂和其它角色的标准化缓冲水溶液提供典型示例，其中缓冲液一般大量来自供应商。在这样的情况下，可以通过用代码或其他识别数据标注或标记标准化的组成实现更简单和快速的处理，所述代码或其他识别数据将所述组成与查找表中预先选择的驱动配置文件相匹配。当标准化组成的液滴要参与液滴操作时，处理单元将识别数据与预先选择的驱动配置文件中的一个或多个驱动序列相关联。由于标准化组成和驱动配置文件已经匹配，处理单元不再需要搜索驱动配置文件的查找表并选择适合标准化组成的化学物质和参数的驱动序列。
图11包括根据示例性实施方案的使用驱动配置文件的方法的流程图1100。方法1100可以使用电润湿系统进行。在框1102，电润湿系统的处理单元接收期望的液滴操作(例如，来自用户输入)。在框1104，处理单元被编程为在查找表中搜索和识别适用的试剂配置文件。在框1106，处理单元提取驱动方案。例如，处理单元被编程为从配置文件中选择一个或多个最适合于在操作中将被操纵的组成，例如试剂、产品和/或混合物的驱动方案。在框1108，处理单元形成驱动协议。例如，处理单元将方案的驱动序列组合在一起以形成驱动协议，执行所述驱动协议以实施液滴操作。在框1110，处理单元计算驱动变量。例如，处理单元计算与驱动序列相关的驱动变量，诸如计算相应电压序列的每个脉冲的极性、频率和振幅。在框1112，处理单元向控制器输出指令。在框1114，电润湿系统的控制器向驱动器输出信号。在框1116，电润湿系统的驱动器驱动像素电极。例如，驱动器通过影响作为时间的函数的特定像素电极处的电压驱动像素电极。
驱动方案
给定的液滴操作可能需要不同复杂程度的驱动方案，这取决于与该液滴操作相关的操纵的数量。为此，在查找表的每个试剂特异性驱动配置文件中包括驱动方案集，以促进液滴操作。典型的液滴操作包括上面概述的那些，即：将液滴装载到DMF设备中；从储器分配一个或多个液滴；将液滴分裂、分离或分成两个或多个液滴；以任意方向将液滴从一个位置移动到另一个位置；将两个或多个液滴合并或组合成单个液滴；稀释液滴；混合液滴；搅动液滴；使液滴变形；将液滴保持在适当的位置；孵育液滴；加热液滴；冷却液滴；处理液滴；将液滴输送出DMF设备；和/或前述的任何组合。
定义在给定液滴操作过程中应用的驱动序列集所需的数据以与操作匹配的驱动方案的形式存储。根据操作的要求和复杂性，驱动方案可以包括从仅一个到大量驱动序列中的任何一个。在一些情况下，可以优选存储多个驱动序列数据集，以顾及环境变量诸如温度和湿度的变化。供选择地，驱动方案可以包括调节函数，应用所述调节函数以改变定义其驱动序列的一个或多个系数，以适应不同的环境条件。
根据代表性实施方案，提供一种示例性驱动方案，以下称为“运动方案”，其在DMF设备中实施，用于将给定组成的液滴从一个位置移动到另一个位置。所述方案包括一个或多个驱动序列，所述驱动序列规定被施加以致动组成液滴的脉冲的幅度、持续时间、极性和其他相关特征。其他相关数据也可以被包括在所述方案中，例如像素的移动速度，意味着所施加的电压配置文件从当前被所述液滴占据的一个像素集移动到当前未被所述液滴占据的相邻像素集有多快，其中所述液滴将移动到下一个像素集，以及改变所述液滴后缘上的电压以迫使所述液滴离开先前位置有多快。对于尺寸匹配单个像素的液滴，这是简单的，即激活所述位置以移向其他相邻像素并关闭当前被占据的像素。对于具有占据多个像素的覆盖区的液滴，几何图案、数量和像素被打开和关闭的时间的变化都是可以被优化以适合任何类型的液滴组成的参数。在一个代表性示例中，具有表面活性剂例如0.05重量％吐温20的去离子水的运动方案包括在+/-30V下简单的50Hz方波交变脉冲序列。脉冲序列可以在TFT阵列和顶面切换(TPS)上产生以反转极性。
向像素施加驱动脉冲可能导致有害的副作用，所述副作用是由像素表面上残留电荷的积累引起的，这易于引起不希望的电化学反应和/或表面和电极劣化。一种可以用来将对EWoD设备的损害最小化的方法涉及确保给定的驱动方案是电荷中性的，在这种意义上，对于驱动方案中的任意脉冲序列，电荷表面密度的总变化等于零。当液滴操作的整个驱动方案是电中性时，对像素表面和下面的电极的电化学损害的机会被最小化，甚至当所述方案的所有驱动序列每个单独地是电中性时，对像素表面和下面的电极的电化学损害的机会更被最小化。
作为起点和初步近似，可以通过确保给定的驱动方案是“脉冲平衡的”来尝试电荷中性，在这种意义上，对于属于所述方案的驱动序列中的任意系列脉冲，总的施加的脉冲(即施加电压相对于时间的积分)等于零。这在图4中举例说明，其中正脉冲和负脉冲的数量和持续时间相等。还有其他方式以使设备中的脉冲归零，其中脉冲的数量和持续时间可以不相同，但是每个正脉冲的电压和持续时间的乘积之和等于负驱动脉冲的相同乘积之和。然而，对于许多试剂，脉冲平衡的脉冲可能不是电荷中性的，因为由于正电压脉冲和负电压脉冲的不对称效应，它们仍然会在表面上留下残余电荷。在这样的情况下，可以施加超过脉冲平衡的另外的正或负校正脉冲，以获得表面上的电荷平衡。在代表性示例中，通过施加脉冲平衡的驱动方案，随后通过本领域技术人员已知的方法之一测量残余表面电荷量进行第一次尝试。如果检测到不可接受的表面电荷密度，则可以在进一步的迭代中添加校正脉冲，直到达到电荷平衡，从而创建脉冲不平衡的但电荷中性的驱动序列。该方法确保DMF设备的任何像素所经历的残余电荷为零，或者至少由已知值限制，而不管该像素所经历的确切的系列转换。
还应该注意的是，对于更复杂的试剂和试剂组合，通过应用完全脉冲平衡的驱动方案或者甚至单个驱动序列，可能不总是能够获得期望的液滴运动。这尤其在使用含有酶、核酸分子如DNA或RNA多核苷酸、天然或合成聚合材料和胶体诸如功能化磁珠的水性混合物时可能发生。例如，时间敏感的反应配置文件可能需要试剂液滴以只有采用脉冲不平衡的驱动方案或序列才能达到的速度来改变位置。以所谓的“脉宽调制的”(PWM)重复信号的形式提供在每对脉冲之后将不是脉冲中性的一般驱动序列。在该实例中，负脉冲与正脉冲数量相同，但持续时间更长。如图5图示说明的，随时间的净结果给像素表面施加负脉冲。在其他实施方案中，PWM包括改变脉冲的平衡，并停止以随时间改变有效脉冲，并且如果一个极性的脉冲频率高于另一极性的频率也可以改变净脉冲平衡。
在脉冲不平衡伴随着不期望的表面电荷积累的情况下，正负脉冲持续时间的差异将在试剂的增强运动和对EWoD设备的电化学损坏的可能性之间产生权衡。根据随时间的残余电荷大小，设备可能遭受变得不可逆的电化学损坏。为了解决或至少改善该缺点，可以在液滴已经开始移动之前，将足以部分或完全去除残余电荷的一个或多个相反极性的电荷校正脉冲添加到驱动序列的开始，或者在液滴已经移动到新位置之后，添加到序列的结尾。该类型的简单的校正脉冲如图6所示。在液滴已经被移动到一个位置并且周围的像素已经被关闭之后，几乎任何校正脉冲都可以被使用并且不移动液滴。因此，更复杂的校正脉冲序列可以用于产生电荷中性脉冲序列，并且不同电压的脉冲也可以用作校正工具。
在另一个实施方案中，提供另一个示例性方案，以下称为“分配方案”，用于从储器分配期望试剂的液滴。该类型的方案通常以比前述运动方案性质更复杂的驱动序列为特征，并且可能需要另外的信息以完全适用于每种试剂或试剂混合物。然而，来源于运动方案的关于液滴流动性的信息在选择最适于分配相同或相似组成的液滴的驱动方案中可能仍然被证明是有用的。
应用分配方案以从一般大的储器容积移动试剂等分试样，以形成致动的颈部。液滴被裂开，颈部的液体返回到储器。在液滴能够从颈部的头部成功裂开之前所需的致动的颈部的长度可能是试剂依赖性的。分配配置文件可指定致动的颈部长度，所述致动的颈部长度以像素的数量和在液滴可被安全地假定为已与储器完全分离之前所需经过的持续时间来表示。对于前述含有浓度为0.05重量％的吐温20的水滴，3个像素的颈部长度和500ms的时间间隔通常足以裂开水滴。
图7显示通过PM-EwoD设备中的像素电极的致动而致动离开储器的简单的三像素颈部。在直接驱动配置中，每个液滴的覆盖区通常覆盖一个像素的区域。因此，颈部形成的过程被控制在约一个像素直径的分辨率。该颈部长度允许液滴从分段DMF设备上的颈部头部裂开。因此，根据液滴直径的近似数量来测量致动的颈部的长度更简单。在图8所示的实例中，具有浓度为0.05体积％的吐温20表面活性剂的简单的水被延长以在具有TFT阵列的AM-EWoD设备上形成颈部。在基于TFT的架构中，液滴可以比单个像素电极大得多，因此在形成颈部时有大得多的灵活性。根据液滴相对于储器的尺寸以及液滴的其他性质(例如，表面张力和粘度)，可能需要不同尺寸的颈部。因此，与一般的分段/直接驱动方法相比，TFT架构一般在颈部的成形和调节方面提供最大的灵活性。
已经发现，包含多核苷酸或其他聚合材料通常使得液滴更难从储器裂开。这可以通过增加致动的颈部长度和允许更长的时间间隔来解决，以确保液滴已经被完全裂开。
在某些实施方案中，提供“装载方案”，例如其中液滴可以被直接吸入微流体空间，而不是被从储器裂开。这是将各种材料装载到微流体设备的像素阵列上的常见方式，并且通常需要与所施加的以在阵列内的位置之间移动液滴的脉冲序列不同的脉冲序列。液滴可以从阵列的边缘或从顶板中的转移孔被拉入微流体空间。如果在物理上接触阵列边缘的位置提供材料，则可以在邻近边缘的位置施加像素的重复脉冲，以在阵列上吸引液滴。一般，将试剂装载到微流体空间的能力受到其化学组成的强烈影响，并且一些材料需要更长的脉冲和更高的电压。因此，试剂特异性的“装载方案”可以特别定制以适合不同的试剂组成。
根据进一步的实施方案，提供一种“合并方案”，其可以被实施用于将两个或更多个液滴合并在一起。该类型的方案包括用于在微流体空间内移动不同试剂的液滴的一个或多个驱动序列，以及用于将液滴在物理上组合在一起的合并运动驱动序列。不同试剂的合并可能导致具有与原始液滴不同的迁移率的产物液滴，因此可能需要合并方案以适应这样的迁移率变化。这可以通过包括针对产物液滴的内容物而特别制定和优化的驱动方案来实现。
在两种或多种反应物液滴合并之后，通过应用以下称为“混合方案”的驱动序列，可以实现一种或多种组分在产物液滴中的均匀分布。液滴的物理混合通常取决于液滴中包含的试剂。可以改变变量诸如混合运动模式的重复次数、混合时间和混合期间滴的延长以适应各种试剂。在一个易于混合的极端情况下，合并相同试剂的两个液滴可能根本不需要混合方案，不需要另外的扩散时间，并且不需要延长液滴以引起混合；在另一个极端，两滴含有不同的高分子量聚合物的溶液很可能需要重复执行混合运动模式、长的混合时间以及由混合产生的液滴的多次延长。例如，图9中示意性图示说明的混合方案包括混合运动模式的两次重复，由此产物液滴90随后移动到正方形92的四个角中的每一个，正方形92的直径约为液滴直径长度的两倍。
液滴延长通常适用于具有足够大以覆盖DMF设备中至少四个像素的覆盖区的液滴。在一个实施方案中，混合方案包括图10中示意性图示说明的类型的液滴延长驱动序列。在图10A描绘的初始阶段中，液滴在形状上是对称的，并且分布在2×2像素的正方形上。应用延长驱动序列，拉伸液滴以形成一个像素宽和四个像素长的线性构型(图10B)。然后应用第二驱动序列以恢复图10A的原始构型，并且可以重复所述过程，直到达到令人满意的混合水平。该方法可以应用于具有覆盖高n个像素和长n个像素的正方形区域的覆盖区的任何液滴，n是自然数。延长驱动序列拉伸液滴以产生1个像素高和n2个像素长的线性布置，随后是恢复原始对称液滴几何形状的第二驱动序列。这里，也可以重复所述过程，直到混合完成。如上面所预期的，包含不同试剂的液滴的合并可能导致具有与原始液滴不同的流动性的产物液滴。为了便于混合，混合驱动序列可以通过计算与原始试剂液滴相关联的驱动序列的加权平均值来形成。在图10C的代表性实例中，第一试剂的液滴与第二试剂的液滴合并。可以看出，在第一试剂的情况下被优化并应用的驱动序列的特征在于比第二试剂更高电压的脉冲。在合并之后，通过应用由计算第一和第二序列的加权平均值而形成的混合序列来解决该差异。在这种情况下，第三驱动序列的脉冲在数量和频率上与第一试剂和第二试剂驱动序列相同。然而，在第三序列中施加的脉冲电压是第一和第二试剂驱动序列的加权平均值，从而提供更适合于混合物的驱动方案。在其他非排他性的方法中，计算加权平均值可以应用于脉冲长度和/或频率，导致混合序列在脉冲长度和/或频率上不同于第一和第二序列中的任一个或两者。
在另外的实施方案中，提供一种“分裂方案”，其可以被实施用于将液滴分裂成两个或更多个液滴。如上面所预期的，术语“分裂”不旨在暗示关于所得液滴的体积(即所得液滴的体积可以相同或不同)或所得液滴的数量(所得液滴的数量可以是2、3、4、5或更多)的任何特定结果。该类型的方案包括一个或多个用于延长微流体空间内的液滴以形成颈部的驱动序列，所述颈部被切断以产生两个产物液滴。不同液滴组分的分离可能导致具有与原始液滴不同的内容物的产物液滴。以包含磁响应珠的液滴为例，分裂方案可以涉及通过施加磁场将珠固定在单一位置，并分裂液滴以产生包含珠的第一产物液滴和不含珠的第二产物液滴。在期望的产物化合物共价结合或吸附到珠表面的情况下，该过程实现化合物与液滴的其他组分的分离。
在许多示例性实施方案中，通过实施以下被称为“保持方案”的方案，可以将液滴保持在适当的位置并防止不希望的漂移。由于没有向液滴施加运动，包含有限持续时间的间歇单脉冲的脉冲序列通常是足够的。对于许多含有表面活性剂的溶液，即使在电压脉冲关闭后，单个短的负驱动脉冲也足以将液滴保持在适当位置。液滴保持在适当位置，直到施加正脉冲。一般，在约-30V的电势下持续时间为约200ms的单个脉冲足以保持包含表面活性剂的液滴。如果液滴是纯水，或者如可以在一些洗涤溶液中使用的具有缓冲剂的水，则可能需要用以避免源自延长的DC偏压的设备损坏的交变极性的恒定保持电压来保持液滴，因为单个负脉冲一般不将该类型的液滴保持在适当的位置。如果控制器能够施加可变电势，保持电压可以小于移动电压，但是如果在控制器中移动电压是全部可用的电压，则保持电压可以与移动电压相同。对于每种类型的试剂液滴，可以开发合适的驱动序列并保存到查找表中。
实施例
现在仅通过举例说明的方式给出以下实施例，以显示根据本发明的各种实施方案的特别优选的方法的细节。
实施例1
通过将金属氧化物介电材料沉积到5.61英寸长的正方形TFT阵列上，随后沉积Teflon(聚[4，5-二氟-2，2-双(三氟甲基)-1，3-间二氧杂环戊烯-共-四氟乙烯]，Sigma-Aldrich Inc.，St.Louis，Missouri)疏水涂层，制备DMF设备表面。制备Tris-HCl0.01M在水中的第一溶液，并通过添加无机酸使其达到pH4。通过添加吐温20(聚氧乙烯(20)脱水山梨醇单月桂酸酯)将一部分第一溶液改性至0.05重量％的最终浓度，形成第二溶液。针对第一和第二溶液两者开发并测试了保持方案。每个保持方案的特征是间歇驱动序列，其中液滴之下的电极首先被致动，然后在保持的剩余持续时间内保持空转。如本文所期望的，表征驱动序列的间歇性程度与空转花费的总时间部分成正比。例如，如图12中示意性图示说明的，具有间歇性值为2的驱动序列在一半的保持持续时间内致动电极，而为3的值应用于驱动序列，其中电极被致动三分之一的持续时间，依此类推。
在DMF设备的微流体测试中形成第一和第二溶液两者的储器，并用增加间歇性的保持方案进行测试。当应用于第一溶液时，具有低于4的间歇性值的保持方案降低了DMF的性能，直到在连续驱动的5至6小时内总是发生完全失效。然而，如图13A-13F所描绘的，当保持方案的间歇性值增加到4时，获得了改善的结果。图13A是时间零点(T0)后不久的DMF的照片，其中第一溶液装载在第一储器中(“无吐温”)，第二溶液装载在第二储器中(“0.05％吐温”)。从每个储器分配两个液滴，并通过应用具有间歇性值为4的保持方案保持在适当位置。如图13B所示，操作1小时后，0.05％吐温液滴开始从它们指定的位置显著漂移，表明性能劣化，并且需要间歇性值达到2的滴，以恢复稳定性并停止漂移。约4小时后，0.05％吐温储器开始起泡和串连(stringing)，直到完全失效，并在6小时时观察到储器漂移(图13C)。约24小时后，仅可能从无吐温储器分配1个液滴，并且表面劣化明显地为在吐温溶液存在或曾经存在的区域中的暗条纹(图13D)。然而，液滴的尺寸非常一致，并且未由于表面劣化而有起泡或疏水性增加的迹象。因此，在确定储器是否填充不足的尝试中，液滴分配体积变为6×6像素，并且储器在24小时及之外恢复了分配2个液滴(图13E)。可以看出，没有吐温的储器没有出现起泡、串连或漂移的迹象。
从前述实验的结果可以看出，具有至少4的间歇性的驱动序列可以使Tris缓冲的液滴的操作能持续24小时或更长的持续时间，而DMF性能没有下降。较低程度的间歇性，尽管在将液滴保持在适当位置方面更有效，但看来导致过度明显的劣化和早期系统性失效。将间歇性增加到大于4，例如5、10或更高的水平，很可能导致甚至更慢的性能损失，但代价是限制液滴漂移的效率更低。总之，较低的间歇性与较高的功效但较快的劣化相关，反之亦然。因此，可以通过针对给定组成测试不同间歇性的驱动序列，在这两个竞争要求之间达到平衡，直到找到令人满意的方案。此后，驱动序列可以成为保持方案的一部分，所述保持方案是与组成相关的驱动配置文件的一部分。
实施例2
在实施例1的DMF阵列上进行对最适于分配含有吐温20作为表面活性剂的水性液滴的驱动方案的搜索。将0.1重量％的吐温水溶液沉积到阵列边缘上的两个储器中，然后针对将液滴从储器分配到阵列中各自测试表1的驱动序列。该表列出在每个序列过程中每帧所施加的脉冲电压。如上面所公开的，脉冲电压是与像素相关的两个电极之间的电势差：
表1
驱动序列 帧序列(脉冲电压)
1 高，低，0，高，低，0…
2 高，低，高，0，低，高，低，0…
图14是每个序列测试后DMF阵列的俯视图。成功分配液滴以绿色框出，而失效以红色框出。可以看出，驱动序列2没有分配两个储器。相比之下，驱动序列1成功地分配了所有储器，从而证明它们适合吐温20水溶液。应当理解，驱动序列不限于特定的电压值。例如，高电压可以是+40V、+35V、+30V、+28V、+27V、+25V、+24V、+22V、+20V、+18V、+16V或+15V，并且相应的低电压可以与相应的高电压的符号相反，即-40V、-35V、-30V、-28V、-27V、-25V、-24V、-22V、-20V、-18V、-16V或-15V。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述本发明的具体实施方案进行多种改变和修改。因此，整个前面的描述应以说明性含义，而不是限制性含义来解释。从上文的教导将理解，在处理单元上实施的本发明的功能方面可以使用任何适当的实施环境或编程语言，诸如C、C++、Cobol、Pascal、Java、Java-Script、HTML、XML、dHTML、汇编或机器代码编程等来实施或完成。前述专利和申请的所有内容均通过引用以其整体并入本文。如果本申请的内容与通过引用并入本文的任何专利和申请之间存在任何不一致，应以本申请的内容为准，达到解决这样的不一致所必需的程度。
本公开内容包括以下实施方案：
1.1.一种用于致动第一组成的液滴和第二组成的液滴的电润湿系统，所述系统包括：
被配置成操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，其中每个电极耦合到被配置成选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及
可操作地连接到查找表(LUT)的处理单元，所述查找表将驱动序列与化学物质和至少一种组成参数相关联，所述处理单元被配置成：
接收第一化学物质的输入数据和第一组成的第一组成参数；
接收第二化学物质的输入数据和第二组成的第二组成参数；
将第一驱动序列与第一化学物质和第一组成参数相关联；
将第二驱动序列与第二化学物质和第二组成参数相关联；并且
将第一驱动序列和第二驱动序列输出到多个电极。
2.1.根据实施方案1.1所述的电润湿系统，其中所述处理单元还被配置成：
将第一化学物质和第一组成参数与LUT中的至少一个试剂特异性驱动配置文件相关联；
接收用于第一组成的液滴操作的输入数据；
将液滴操作的输入数据与适用于液滴操作的至少一种试剂特异性驱动方案相关联，其中所述试剂特异性驱动方案选自至少一个试剂特异性驱动配置文件；并且
在将第一驱动序列输出到多个电极之前，从至少一种试剂特异性驱动方案中选择第一驱动序列。
3.1.根据实施方案2.1所述的电润湿系统，其中用于第一组成的液滴操作选自：将液滴装载到微流体空间中；从储器分配一个或多个液滴；将液滴分裂成两个或更多个液滴；将液滴从一个位置移动到另一个位置；将两个或多个液滴合并或组合成单个液滴；稀释液滴；混合液滴；使液滴变形；将液滴保持在适当的位置；加热液滴；冷却液滴；将液滴输送出微流体空间；及其组合。
4.1.根据实施方案1.1所述的电润湿系统，其中所述查找表(LUT)是文件系统形式的，或者位于与一个或多个计算机系统相关的虚拟存储器中。
5.1.根据实施方案1.1所述的电润湿系统，其中所述多个电极是有源矩阵电介质上电润湿(AM-EWoD)设备中的像素电极，其中所述像素电极由晶体管矩阵切换，并且所述矩阵的每个晶体管可操作地连接到栅极线、源极线和像素电极。
6.1.根据实施方案1.1所述的电润湿系统，其中所述第一组成参数和第二组成参数独立地选自化学物质浓度、流变性质、pH、温度、离子强度、电导率、吸光度及其组合。
7.1.根据实施方案1.1所述的电润湿系统，其中所述第一组成参数是第一组成中第一化学物质的浓度，并且第二组成参数是第二组成中第二化学物质的浓度。
8.1.一种用于在电润湿系统中针对第一组成和第二组成进行液滴操作的方法，所述电润湿系统包括：
被配置成操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，其中每个电极耦合到被配置成选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及
可操作地连接到查找表(LUT)的处理单元，所述查找表将驱动序列与化学物质和组成参数相关联，
所述方法包括：
接收第一化学物质的输入数据和第一组成的第一组成参数；
接收第二化学物质的输入数据和第二组成的第二组成参数；
将第一驱动序列与第一化学物质和第一组成的第一组成参数相关联；
将第二驱动序列与第二化学物质和第二组成的第二组成参数相关联；并且
将第一驱动序列和第二驱动序列输出到多个电极。
9.1.根据实施方案8.1所述的方法，其中所述液滴操作选自：将液滴装载到微流体空间中；从储器分配一个或多个液滴；将液滴分裂成两个或更多个液滴；将液滴从一个位置移动到另一个位置；将两个或多个液滴合并或组合成单个液滴；稀释液滴；混合液滴；使液滴变形；将液滴保持在适当的位置；加热液滴；冷却液滴；将液滴输送出微流体空间；及其组合。
10.1.根据实施方案8.1所述的方法，其中所述多个电极是有源矩阵电介质上电润湿(AM-EWoD)设备中的像素电极，其中所述像素电极由晶体管矩阵切换，并且所述矩阵的每个晶体管可操作地连接到栅极线、源极线和像素电极。
11.1.根据实施方案8.1所述的方法，其还包括：
将第一化学物质和第一组成参数与LUT中的至少一个试剂特异性驱动配置文件相关联；
接收用于第一组成的液滴操作的输入数据；
将液滴操作的输入数据与适用于液滴操作的至少一种试剂特异性驱动方案相关联，其中所述试剂特异性驱动方案选自至少一个试剂特异性驱动配置文件；并且
在将第一驱动序列输出到多个电极之前，从至少一种试剂特异性驱动方案中选择第一驱动序列。
12.1.根据实施方案11.1所述的方法，其中所述试剂特异性驱动方案是用于将液滴从第一位置移动到第二位置的运动方案。
13.1.根据实施方案12.1所述的方法，其中所述运动方案包括电荷中性驱动序列。
14.1.根据实施方案12.1所述的方法，其中所述运动方案包括脉宽调制的驱动序列。
15.1.根据实施方案12.1所述的方法，其中所述运动方案包括校正脉冲。
16.1.根据实施方案11.1所述的方法，其中所述试剂特异性驱动方案是用于从储器分配液滴的分配方案。
17.1.根据实施方案11.1所述的方法，其中所述试剂特异性驱动方案是用于将两个或更多个液滴合并在一起的合并方案。
18.1.根据实施方案11.1所述的方法，其中所述试剂特异性驱动方案是用于混合由两个或更多个反应物液滴的合并而形成的液滴的混合方案。
19.1.根据实施方案11.1所述的方法，其中所述混合方案包括液滴延长驱动序列。
20.1.根据实施方案11.1所述的方法，其中所述试剂特异性驱动方案是包括间歇单脉冲的保持方案。
21.1.根据实施方案8.1所述的方法，其中所述第一组成参数和第二组成参数独立地选自化学物质浓度、流变性质、pH、温度、离子强度、电导率、吸光度及其组合。
22.1.根据实施方案8.1所述的方法，其中所述第一组成参数是第一组成中的第一化学物质的浓度，并且所述第二组成参数是第二组成中的第二化学物质的浓度。
23.1.一种用于致动混合的液滴的电润湿系统，所述系统包括：
被配置成操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，其中每个电极耦合到被配置成选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及
可操作地连接到查找表(LUT)的处理单元，所述查找表将驱动序列与化学物质和至少一种组成参数相关联，其中所述处理单元被配置成：
提供具有第一组成、第一体积和第一组成参数的第一液滴，其中第一组成、第一体积和第一组成参数中的至少一个与电润湿系统的第一驱动序列相关联；
提供具有第二组成、第二体积和第二组成参数的第二液滴，其中第二组成、第二体积和第二组成参数中的至少一个与电润湿系统的第二驱动序列相关联；
混合第一液滴和第二液滴以产生混合的液滴；以及
用第三驱动序列驱动混合的液滴，所述第三驱动序列是预先确定的第一驱动序列和第二驱动序列的加权平均值。
24.1.根据实施方案23.1所述的电润湿系统，其中所述第一组成参数和第二组成参数独立地选自化学物质浓度、流变性质、pH、温度、离子强度、电导率、吸光度及其组合。
25.1.根据实施方案23.1所述的电润湿系统，其中所述第一组成参数是第一组成中第一化学物质的浓度，并且第二组成参数是第二组成中第二化学物质的浓度。
26.1.一种用于致动至少一种组成的液滴的电润湿系统，所述系统包括：
被配置成操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，其中每个电极耦合到被配置成选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及
可操作地连接到查找表(LUT)的处理单元，所述查找表将驱动序列与化学物质和至少一种组成参数相关联，所述处理单元被配置成：
接收化学物质的输入数据和至少一种组成的组成参数；
将驱动序列与化学物质和组成参数相关联；并且
将驱动序列输出到多个电极。
27.1.根据实施方案26.1所述的电润湿系统，其中所述处理单元还被配置成：
将化学物质和组成参数与LUT中的至少一个试剂特异性驱动配置文件相关联；
接收用于至少一种组成的液滴操作的输入数据；
将液滴操作的输入数据与适用于液滴操作的至少一种试剂特异性驱动方案相关联，其中试剂特异性驱动方案来自至少一个试剂特异性驱动配置文件；并且
在将第一驱动序列输出到多个电极之前，从至少一种试剂特异性驱动方案中选择驱动序列。
28.1.一种用于进行液滴操作的电润湿系统，所述系统包括：
被配置成操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，其中每个电极耦合到被配置成选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及
可操作地连接到查找表(LUT)的处理单元，所述查找表将驱动序列与化学物质相关联，所述处理单元被配置成：
接收要对至少一种组成的至少一个液滴进行的液滴操作的输入数据；
接收至少一种组成的化学物质的输入数据；
将至少一个驱动序列与液滴操作相关联；
形成包括至少一个驱动序列的驱动协议；以及
将至少一个驱动序列输出到多个电极，以执行驱动协议并进行液滴操作。
29.1.根据实施方案28.1所述的电润湿系统，其中所述LUT还将驱动序列与液滴操作相关联。
30.1.根据实施方案28.1所述的电润湿系统，其中所述多个电极是有源矩阵电介质上电润湿(AM-EWoD)设备中的像素电极，其中像素电极由晶体管矩阵切换，并且矩阵的每个晶体管可操作地连接到栅极线、源极线和像素电极。
31.1.根据实施方案30.1所述的电润湿系统，其中所述晶体管矩阵的晶体管是薄膜晶体管(TFT)。
32.1.根据实施方案28.1所述的电润湿系统，其中所述处理单元还被配置成：
将化学物质与LUT中的至少一个试剂特异性驱动配置文件相关联；
将液滴操作的输入数据与适用于液滴操作的至少一种试剂特异性驱动方案相关联，其中试剂特异性驱动方案选自至少一个试剂特异性驱动配置文件；并且
在将驱动序列输出到多个电极之前，从至少一种试剂特异性驱动方案中选择驱动序列。
33.1.根据实施方案28.1所述的电润湿系统，其中：
查找表(LUT)还将驱动序列与至少一种组成的至少一种组成参数相关联；并且
处理单元还被编程为：
接收至少一种组成的组成参数的输入数据；并且
将至少一种组成的组成参数与LUT中的至少一个试剂特异性配置文件相关联；
将液滴操作的输入数据与适用于液滴操作的至少一种试剂特异性驱动方案相关联，其中试剂特异性驱动方案选自至少一个试剂特异性驱动配置文件；并且
在将驱动序列输出到多个电极之前，从至少一种试剂特异性驱动方案中选择驱动序列。
34.1.根据实施方案28.1所述的电润湿系统，所述处理单元还被配置成：
接收要对第二组成的至少一个液滴进行的第二液滴操作的输入数据；
接收第二组成的第二化学物质的输入数据；
将至少第二驱动序列与第二液滴操作相关联；
在驱动协议中包括至少第二驱动序列。
35.1.一种用于致动至少一种组成的液滴的电润湿系统，所述系统包括：
被配置成操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，其中每个电极耦合到被配置成选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及
可操作地连接到查找表(LUT)的处理单元，所述查找表将驱动序列与组成识别数据相关联，处理单元被配置成：
接收识别至少一种组成的输入数据；
将驱动序列与识别至少一种组成的数据相关联；以及
将驱动序列输出到多个电极，以致动至少一种组成的液滴。
36.1.根据实施方案35.1所述的电润湿系统，其中所述至少一种组成是缓冲水溶液。

Claims (20)

1.一种用于致动至少一种组成的液滴的电润湿系统，所述系统包括：
被配置成操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，其中每个电极耦合到被配置成选择性地向所述电极施加驱动电压的电路；以及
可操作地连接到查找表(LUT)的处理单元，所述查找表将驱动序列与化学物质和至少一种组成参数相关联，所述处理单元被配置成：
接收化学物质的输入数据和至少一种组成的组成参数；
将驱动序列与所述化学物质和组成参数相关联；并且
将所述驱动序列输出到多个电极。
2.根据权利要求1所述的电润湿系统，其用于致动第一组成的液滴和第二组成的液滴，所述系统包括：
被配置成操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，其中每个电极耦合到被配置成选择性地向所述电极施加驱动电压的电路；以及
可操作地连接到查找表(LUT)的处理单元，所述查找表将驱动序列与化学物质和至少一种组成参数相关联，所述处理单元被配置成：
接收第一化学物质的输入数据和所述第一组成的第一组成参数；
接收第二化学物质的输入数据和所述第二组成的第二组成参数；
将第一驱动序列与所述第一化学物质和第一组成参数相关联；
将第二驱动序列与所述第二化学物质和第二组成参数相关联；并且
将所述第一驱动序列和第二驱动序列输出到多个电极。
3.根据权利要求1所述的电润湿系统，其用于致动混合的液滴，所述系统包括：
被配置成操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，其中每个电极耦合到被配置成选择性地向所述电极施加驱动电压的电路；以及
可操作地连接到查找表(LUT)的处理单元，所述查找表将驱动序列与化学物质和至少一种组成参数相关联，其中所述处理单元被配置成：
提供具有第一组成、第一体积和第一组成参数的第一液滴，其中所述第一组成、第一体积和第一组成参数中的至少一个与电润湿系统的第一驱动序列相关联；
提供具有第二组成、第二体积和第二组成参数的第二液滴，其中所述第二组成、第二体积和第二组成参数中的至少一个与电润湿系统的第二驱动序列相关；
混合所述第一液滴和第二液滴以产生混合的液滴；以及
用第三驱动序列驱动所述混合的液滴，所述第三驱动序列是预先确定的第一驱动序列和第二驱动序列的加权平均值。
4.根据权利要求1所述的电润湿系统，其用于进行液滴操作，所述系统包括：
被配置为操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，其中每个电极耦合到被配置为选择性地向所述电极施加驱动电压的电路；以及
可操作地连接到查找表(LUT)的处理单元，所述查找表将驱动序列与化学物质相关联，所述处理单元被配置成：
接收要对至少一种组成的至少一个液滴进行的液滴操作的输入数据；
接收所述至少一种组成的化学物质的输入数据；
将至少一个驱动序列与所述液滴操作相关联；
形成包括所述至少一个驱动序列的驱动协议；以及
将所述至少一个驱动序列输出到多个电极，以执行所述驱动协议并进行所述液滴操作。
5.根据任一项前述权利要求所述的电润湿系统，其中所述处理单元还被配置成：
使第一化学物质和第一组成参数与LUT中的至少一个试剂特异性驱动配置文件相关联；
接收用于所述第一组成的液滴操作的输入数据；
将所述液滴操作的输入数据与适用于所述液滴操作的至少一种试剂特异性驱动方案相关联，其中所述试剂特异性驱动方案选自所述至少一个试剂特异性驱动配置文件；并且
在将所述第一驱动序列输出到多个电极之前，从所述至少一种试剂特异性驱动方案中选择第一驱动序列。
6.根据任一项前述权利要求所述的电润湿系统，其中用于第一组成的液滴操作选自：将液滴装载到微流体空间中；从储器分配一个或多个液滴；将液滴分裂成两个或更多个液滴；将液滴从一个位置移动到另一个位置；将两个或多个液滴合并或组合成单个液滴；稀释液滴；混合液滴；使液滴变形；将液滴保持在适当的位置；加热液滴；冷却液滴；将液滴输送出微流体空间；及其组合。
7.根据任一项前述权利要求所述的电润湿系统，其中所述查找表(LUT)是文件系统形式的，或者位于与一个或多个计算机系统相关的虚拟存储器中。
8.根据任一项前述权利要求所述的电润湿系统，其中所述多个电极是有源矩阵电介质上电润湿(AM-EWoD)设备中的像素电极，其中所述像素电极由晶体管矩阵切换，并且所述矩阵的每个晶体管可操作地连接到栅极线、源极线和像素电极。
9.根据权利要求2所述的电润湿系统，其中所述第一组成参数和第二组成参数独立地选自化学物质浓度、流变性质、pH、温度、离子强度、电导率、吸光度及其组合。
10.根据权利要求9所述的电润湿系统，其中所述第一组成参数是第一组成中第一化学物质的浓度，并且第二组成参数是第二组成中第二化学物质的浓度。
11.一种用于在电润湿系统中针对第一组成和第二组成进行液滴操作的方法，所述电润湿系统包括：
被配置成操纵微流体空间中的流体液滴的多个电极，其中每个电极耦合到被配置成选择性地向所述电极施加驱动电压的电路；以及
可操作地连接到查找表(LUT)的处理单元，所述查找表将驱动序列与化学物质和组成参数相关联，
所述方法包括：
接收第一化学物质的输入数据和第一组成的第一组成参数；
接收第二化学物质的输入数据和第二组成的第二组成参数；
将第一驱动序列与所述第一化学物质和第一组成的第一组成参数相关联；
将第二驱动序列与所述第二化学物质和第二组成的第二组成参数相关联；并且
将所述第一驱动序列和第二驱动序列输出到多个电极。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述液滴操作选自：将液滴装载到微流体空间中；从储器分配一个或多个液滴；将液滴分裂成两个或更多个液滴；将液滴从一个位置移动到另一个位置；将两个或多个液滴合并或组合成单个液滴；稀释液滴；混合液滴；使液滴变形；将液滴保持在适当的位置；加热液滴；冷却液滴；将液滴输送出微流体空间；及其组合。
13.根据权利要求11所述的方法，其还包括：
将所述第一化学物质和第一组成参数与LUT中的至少一个试剂特异性驱动配置文件相关联；
接收用于所述第一组成的液滴操作的输入数据；
将所述液滴操作的输入数据与适用于所述液滴操作的至少一种试剂特异性驱动方案相关联，其中所述试剂特异性驱动方案选自至少一个试剂特异性驱动配置文件；并且
在将所述第一驱动序列输出到多个电极之前，从所述至少一个试剂特异性驱动方案中选择第一驱动序列。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述运动方案包括电荷中性驱动序列。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述运动方案包括脉宽调制的驱动序列。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述运动方案包括校正脉冲。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述试剂特异性驱动方案是用于从储器分配液滴的分配方案。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述试剂特异性驱动方案是用于将两个或更多个液滴合并在一起的合并方案。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述试剂特异性驱动方案是用于混合由两个或更多个反应物液滴的合并而形成的液滴的混合方案。
20.根据权利要求12所述的方法，其中所述混合方案包括液滴延长驱动序列。
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