CN118201982A - 具有含氟二醇添加剂的液滴形成装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了交联氟碳化合物表面涂层、其套件、具有交联含氟聚合物表面涂层的微流体装置，以及用于生成液滴的方法。这些套件、装置及其方法使用涂覆有通过氟碳硅烷和氟碳多元醇的反应而产生的交联含氟聚合物表面涂层的液滴源区域。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2022年8月18日提交的美国专利申请63/371,787号的优先权，该美国专利申请据此以引用方式并入本文。
背景技术
许多生物医学应用依赖于对与液滴或颗粒中的一种或多种试剂结合的样品进行高通量测定。例如，在研究和临床这两类应用中，使用目标特异性试剂的高通量基因检测能够在药物发现、生物标志物发现和临床诊断及其他过程中提供关于样品的信息。许多这些应用依赖于产生均匀样品的能力。然而，大量的分子间相互作用会导致膨胀和/或润湿，从而可能使精确的样品制备变得复杂。用于产生液滴的改进的装置和方法将是有益的。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种交联氟碳化合物表面涂层套件，包括氟碳硅烷和氟碳多元醇。氟碳硅烷具有式I结构：
其中每个Y独立地为C1-C7氟代亚烷基或C1-C7杂氟代亚烷基，每个n独立地为0、1、2、3、4、5、6或7，每个Z独立地为-OR9-或-R9-，其中R9为C1-C6全氟代亚烷基，m为1、2、3、4、5或6，每个W独立地为-C(O)NRa-、-NRaC(O)-、-C(O)O-、-OC(O)-、-C(O)S-、-SC(O)-或-O-，其中Ra为-H、C1-C6全氟代烷基或-F，X1为-[(CH2)jQ]s-(CH2)j-或任选被取代的C1-C6亚烷基，X2为-(CH2)j-[Q(CH2)j]s-或任选被取代的C1-C6亚烷基，其中Q为-O-、-S-、-NRb-、-NRbC(O)-、-C(O)NRb-、-C(O)O-、-C(O)S-或-SC(O)-，Rb为-H或C1-C6烷基，每个j独立地为1、2、3、4、5或6，每个s独立地为1、2、3、4、5或6，R1、R2、R3、R4、R5和R6中的每一者独立地为任选被取代的C1-C6烷氧基、C1-C6烷基，或卤代，其中R1、R2或R3中的至少一者和R4、R5或R6中的一者为C1-C6烷氧基，并且R7和R8中的每一者独立地为F或C1-C6全氟代烷基。在一些实施方案中，m为1至5，诸如3。在某些实施方案中，n+n为4至13，例如7至13，诸如4(例如，1+3、2+2或3+1)、5(例如，1+4、2+3、3+2或4+1)、6(例如，1+5、2+4、3+3、4+2或5+1)、7(例如，1+6、2+5、3+4、4+3、5+2或6+1)、8(例如，1+7、2+6、3+5、4+4、5+3、6+2或7+1)、9(例如，2+7、3+6、4+5、5+4、6+3或7+2)、10(例如，4+5、5+5、6+4或7+3)、11(例如，4+7、5+6、6+5或7+4)、12(例如，5+7、6+6或7+5)，或13(例如，6+7或7+6)。
在一些实施方案中，Y为-O(CR10 2)p-，并且p为1、2、3、4、5或6，并且每个R10独立地为F或C1-C6全氟代烷基。在一些实施方案中，至少一个R10为C1-C6全氟代烷基。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(R11)-，并且R11为C1-C5全氟代烷基。在一些实施方案中，R11为CF3。在一些实施方案中，Yn为C1-C7杂氟代亚烷基，例如-(OCF2-CF2)n-、-(OCF2)n-、-(OCF(CF3)-CF2)n-、 并且n为0、1、2、3、4、5、6或7。
在一些实施方案中，Z为-OCF2-CF2-CF2-CF2-或-OCF2-CF2-CF2-CF2-CF2-。在一些实施方案中，R1、R2、R3、R4、R5和R6中的每一者都是甲氧基。在一些实施方案中，R1、R2、R3、R4、R5和R6中的每一者都是氯。
在一些实施方案中，氟碳硅烷具有式II结构：并且每个n独立地为0、1、2、3、4、5、6或7，并且m为1、2、3、4、5或6。在一些实施方案中，m为1至5，诸如3。在一些实施方案中，n+n为4至13，例如7至13，诸如4(例如，1+3、2+2或3+1)、5(例如，1+4、2+3、3+2或4+1)、6(例如，1+5、2+4、3+3、4+2或5+1)、7(例如，1+6、2+5、3+4、4+3、5+2或6+1)、8(例如，1+7、2+6、3+5、4+4、5+3、6+2或7+1)、9(例如，2+7、3+6、4+5、5+4、6+3或7+2)、10(例如，4+5、5+5、6+4或7+3)、11(例如，4+7、5+6、6+5或7+4)、12(例如，5+7、6+6或7+5)，或13(例如，6+7或7+6)。
在一些实施方案中，氟碳多元醇为二醇。在一些实施方案中，氟碳多元醇为式V化合物：
HO-V-OH
(V)，
其中V为-(CZ2)n’-C1-15全氟代亚烷基-(CZ2)n’-或-(CZ2)n’-(C1-15杂氟代亚烷基)n’-(CZ2)n’-，其中每个Z独立地为H、F或C1-6全氟代烷基，并且每个n’独立地为1、2、3、4、5、6或7。在一些实施方案中，V为-(CZ2)n’-C1-15全氟代亚烷基-(CZ2)n’，例如-CH2-(CF2)k-CH2-或-(C(CF3)2)k-，其中k为1至15(例如，1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15)。在一些实施方案中，V为-(CZ2)n’-(C1-15杂氟代亚烷基)n’-(CZ2)n’-，例如-C(CF3)2(OCF3)-C(CF3)2-、-CH2(OCF2)k’-(OCF2CF2)k’-CH2-或-CH2-CH2(OCF2)k’-(OCF2CF2)k’-CH2-CH2-，其中k’+k’为1至30。在一些实施方案中，V具有式VI结构：
其中每个n独立地为0、1、2、3、4、5、6或7，并且m为1、2、3、4、5或6。在一些实施方案中，V具有结构X-(CF2CF2O)n(CF2O)m(CF2CF(CF3)O)k-Y，其中X和Y独立地为C1-6烷基或C1-6全氟代烷基，并且m、n和k独立地为0至6(例如，1至6)，前提条件是m、n和k中的至少一者大于0。
在另一个方面，本发明提供了一种用于在第二液体中产生第一液体的液滴的装置。该装置包括具有第一深度、第一宽度、第一近侧端部和第一远侧端部的第一通道；以及与第一远侧端部流体连通的液滴源区域，该液滴源区域被构造用于在第二液体中产生第一液体的液滴。液滴源区域具有交联氟碳化合物表面涂层。
在一些实施方案中，氟碳硅烷包括氟碳烷氧基硅烷或氟碳卤代硅烷(例如，氟碳氯硅烷)。在一些实施方案中，氟碳多元醇的醇与R1、R2、R3、R4、R5或R6中任一者的烷氧基或氯反应，形成交联氟碳化合物表面涂层。在一些实施方案中，氟碳硅烷具有式I结构。在一些实施方案中，氟碳硅烷具有式II结构。在一些实施方案中，氟碳硅烷具有式III结构。在一些实施方案中，氟碳硅烷具有式IV结构。在一些实施方案中，氟碳多元醇具有式V结构。
在一些实施方案中，该装置包括具有第二深度、第二宽度、第二近侧端部和第二远侧端部的第二通道，该第二通道在第一近侧端部与第一远侧端部之间与第一通道相交。在一些实施方案中，第二通道包括交联氟碳化合物表面涂层。在一些实施方案中，该装置包括与第二近侧端部流体连通的第二储器。
在一些实施方案中，液滴源区域包括具有第二深度和第二宽度的搁板区域，其中第二宽度大于第一宽度，并且其中第一远侧端部与搁板区域流体连通。在一些实施方案中，液滴源区域包括被构造用于收集液滴的收集储器，并且包括至少一个壁，该壁形成与搁板区域流体连接的台阶区域。
在一些实施方案中，搁板区域包括交联氟碳化合物表面涂层。
本发明还提供了一种用于产生液滴的方法，包括提供本文所述的装置，以及使第一液体从第一近侧端部流向液滴源区域，以在第二液体中产生第一液体的液滴。
在一些实施方案中，第一液体是水性的或者可与水混溶的。
在一些实施方案中，该装置还包括具有第二深度、第二宽度、第二近侧端部和第二远侧端部的第二通道，该第二通道在第一近侧端部与第一远侧端部之间与第一通道相交。第二通道包括第三液体，该第三液体在相交部处与第一液体结合，使得液滴包括第一液体和第三液体。在一些实施方案中，第一液体包括支持物，第三液体包括颗粒，并且液滴包括来自第一液体的支持物和来自第三液体的颗粒。
在一些实施方案中，该方法包括以130Hz至150Hz的生成频率产生液滴。
定义
为了便于理解本发明，下文定义了一些术语。本文定义的术语具有本发明相关领域普通技术人员通常理解的含义。诸如“一个”、“一种”和“该”之类的术语不旨在仅指代单个实体，而是包括其特定实例可以用于说明的一般类别。本文的术语用于描述本发明的具体实施方案，但是除权利要求书中概述的之外，使用这些术语并不对本发明构成限制。
如本文所用，术语“约”是指列举值的±10％。
术语“衔接物”、“衔接子”和“标签”可以同义地使用。可以通过任何方法(包括连接、杂交或其他方法)将衔接物或标签偶联到要“加标签”的多核苷酸序列。
如本文所用，术语“烷氧基”是指-O-烷基基团，其中烷氧基基团通过氧原子附接到化合物的其余部分。
如本文所用，术语“烷基”是指含有1个至6个(例如，1个至3个，或1个至5个)碳的饱和直链或支链单价烃基。在一些实施方案中，烷基基团无支链(即，是直链基团)；在一些实施方案中，烷基基团有支链。烷基基团通过以下示例来举例说明：甲基、乙基，正丙基和异丙基，正丁基、仲丁基、异丁基和叔丁基，以及新戊基，但并不限于这些示例。
如本文所用，术语“亚烷基”是指含有1个至15个(例如，1个至3个，或1个至13个)碳的饱和直链或支链二价烃基。在一些实施方案中，亚烷基基团无支链(即，是直链基团)；在一些实施方案中，亚烷基基团有支链。亚烷基基团通过以下示例来举例说明：亚甲基、亚乙基、正亚丙基和异亚丙基，正亚丁基、仲亚丁基、异亚丁基和叔亚丁基，以及新亚戊基，但并不限于这些示例。
如本文所用，术语“条形码”一般是指传达或能够传达关于分析物的信息的标签或标识符。条形码可以是分析物的一部分。条形码可以是连接至分析物(例如，核酸分子)的标签或该标签加上分析物的内在特性(例如，分析物或末端序列的大小)的组合。条形码可以是独特的。条形码可以具有多种不同的形式。例如，条形码可以包括：多核苷酸条形码；随机核酸和/或氨基酸序列；以及合成核酸和/或氨基酸序列。条形码能够以可逆或不可逆方式连接到分析物。条形码可以在样品测序之前、期间和/或之后加入例如脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)样品的片段中。条形码可以允许实时鉴定和/或量化各个测序读段。
如本文所用，术语“生物颗粒”一般是指来源于生物样品的离散生物系统。生物颗粒可以是病毒。生物颗粒可以是细胞或细胞的衍生物。生物颗粒可以是来自细胞的细胞器。来自细胞的细胞器的实例包括但不限于细胞核、内质网、核糖体、高尔基氏体、内质网、叶绿体、胞吞囊泡、胞吐囊泡、液泡和溶酶体。生物颗粒可以是来自细胞群体的稀有细胞。生物颗粒可以是任何类型的细胞，包括但不限于原核细胞、真核细胞、细菌、真菌、植物、哺乳动物或其他动物细胞类型、支原体、正常组织细胞、肿瘤细胞或无论从单细胞生物体还是多细胞生物体衍生的任何其他细胞类型。生物颗粒可以是细胞的成分。生物颗粒可以是或可以包括DNA、RNA、细胞器、蛋白质或它们的任何组合。生物颗粒可以是或可以包括基质(例如，凝胶或聚合物基质)，该基质包含细胞或来自细胞的一种或多种成分(例如，细胞珠粒)，诸如来自细胞的DNA、RNA、细胞器、蛋白质或它们的任何组合。生物颗粒可以获自受试者的组织。生物颗粒可以是硬化的细胞。此类硬化细胞可以包括或可以不包括细胞壁或细胞膜。生物颗粒可以包括细胞的一种或多种成分，但是可以不包括细胞的其他成分。此类成分的一个实例是细胞核或细胞的另一种细胞器。细胞可以是活细胞。活细胞可以能够进行培养，例如，当被包封在凝胶或聚合物基质中时能够进行培养，或者当包含凝胶或聚合物基质时能够进行培养。
如本文所用，术语“流体地连接”是指至少两个装置元件(例如，通道、储器等)之间的直接连接，其允许流体在此类装置元件之间移动，而无需穿过中间元件。
如本文所用，术语“氟代亚烷基”是指含有1个至15个(例如，1个至3个，或1个至13个)碳且其中至少一个氢原子已被氟替换的二价饱和直链或支链单价烷基基团。在一些实施方案中，氟代亚烷基基团无支链(即，是直链基团)；在一些实施方案中，氟代亚烷基基团有支链。
如本文所用，术语“氟碳化合物”是指至少一个氢替换为氟的烃。在一些实施方案中，氟碳化合物包括-CH2F、CHF2或CF3。
如本文所用，术语“基因组”一般是指来自受试者的基因组信息，该基因组信息可以是例如受试者的遗传信息的至少一部分或全部。基因组可以在DNA中或RNA中编码。基因组可以包含(编码蛋白质的)编码区以及非编码区。基因组可以包含生物体中所有染色体一起的序列。例如，人类基因组具有总共46个染色体。所有这些染色体一起的序列可以构成人类基因组。
如本文所用，术语“杂氟代亚烷基”是指含有1个至15个(例如，1个至3个，或1个至13个)碳和1个至15个杂原子且其中至少一个氢原子已被氟替换的二价饱和直链或支链单价烷基基团。在一些实施方案中，杂原子独立地选自由氮、氧和硫组成的组。在一些实施方案中，杂氟代亚烷基基团无支链(即，是直链基团)；在一些实施方案中，杂氟代亚烷基基团有支链。在一些实施方案中，杂氟代亚烷基基团具有1个至15个碳且其中每个氢原子都已被氟替换。
如本文所用，术语“与……流体连通”是指至少两个装置元件(例如，通道、储器等)之间的连接，其允许流体在穿过或不穿过一个或多个中间装置元件的情况下在此类装置元件之间移动。
如本文所用，术语“大分子成分”一般是指包含在生物颗粒内或来自生物颗粒的大分子。大分子成分可以包含核酸。在一些情况下，生物颗粒可以是大分子。大分子成分可以包括DNA或DNA分子。大分子成分可以包括RNA或RNA分子。RNA可以是编码的或非编码的。RNA可以是例如信使RNA(mRNA)、核糖体RNA(rRNA)或转运RNA(tRNA)。RNA可以是转录物。RNA分子可以是(i)成簇的规则间隔短回文(CRISPR)RNA分子(crRNA)或(ii)单向导RNA(sgRNA)分子。RNA可以是长度小于200个核酸碱基的小RNA，或长度大于200个核酸碱基的大RNA。小RNA可以包括5.8S核糖体RNA(rRNA)、5S rRNA、转运RNA(tRNA)、微RNA(miRNA)、小干扰RNA(siRNA)、小核仁RNA(snoRNA)、与Piwi蛋白相互作用的RNA(piRNA)、tRNA衍生的小RNA(tsRNA)和小rDNA衍生的RNA(srRNA)。RNA可以是双链RNA或单链RNA。RNA可以是环状RNA。大分子成分可以包含蛋白质。大分子成分可以包含肽。大分子成分可以包括多肽或蛋白质。该多肽或蛋白质可以是细胞外或细胞内的多肽或蛋白质。大分子成分也可以包括代谢物。本领域技术人员将会知道这些和其他合适的大分子成分(也称为分析物)(参见美国专利号10,011,872和10,323,278，以及WO/2019/157529，其中每一者均全文以引用方式并入本文)。
如本文所用，术语“分子标签”一般是指能够结合于大分子成分的分子。分子标签可以以高亲和力结合于大分子成分。分子标签可以以高特异性结合于大分子成分。分子标签可以包含核苷酸序列。分子标签可以包含寡核苷酸或多肽序列。分子标签可以包含DNA适体。分子标签可以是或包含引物。分子标签可以是或包含蛋白质。分子标签可以包含多肽。分子标签可以是条形码。
如本文所用，术语“油”通常是指与水不可混溶的液体。油可以具有高于或低于水的密度和/或高于或低于水的粘度。
在本说明书的各位置，本公开化合物的取代基以组或以范围公开。具体地，本公开旨在包括此类组和范围中成员的每一个单独的子组合。例如，术语“C1-C12烷基”明确地旨在单独公开甲基、乙基、C3烷基、C4烷基、C5烷基和C12烷基。此外，当化合物包括取代基以组或以范围在那里公开的多个位置时，除非另外指明，否则本公开旨在涵盖在每个位置处含有成员的每一个单独子组合的单独化合物和化合物组(例如，属和亚属)。
术语“任选被取代的X”(例如，“任选被取代的亚烷基”)意在等同于“X，其中X任选被取代”(例如“亚烷基，其中所述烷基任选被取代)。这并不意味着特征“X”(例如，亚烷基)本身是任选的。如本文所述，某些感兴趣的化合物可以包含一个或多个“任选被取代的”部分。一般来讲，术语“被取代的”，无论前面是否有术语“任选”，均意味着指定部分的一个或多个氢替换为合适的取代基，例如，本文所述的任何取代基或基团。例如但不限于，合适的取代基包括卤代(例如氟代)。除非另外指明，否则“任选被取代的”基团可以在该基团的每个可取代位置处具有合适的取代基，并且当任何给定结构中的超过一个位置可以用超过一个选自指定基团的取代基取代时，每个位置处的取代基可以相同，也可以不同。例如，在术语“任选被取代的C1-C12烷基”中，任何键合到C1-C12上的氢都可以用取代基替换。本公开所设想的取代基的组合优选地是引起形成稳定或化学上可行的化合物的那些。如本文所用，术语“稳定”是指这样的化合物：在经受允许其产生、检测以及在某些实施方案中，允许其回收、纯化和用于本文所公开的一种或多种目的的条件时基本上不改变。
术语“细胞的微粒组分”是指来源于细胞或其片段并且至少一种尺寸为0.1μm(例如，至少0.1μm、至少1μm、至少10μm，或至少100μm)的离散生物系统。细胞的微粒组分可以是例如细胞器，诸如细胞核、内质网、核糖体、高尔基氏体、内质网、叶绿体、胞吞囊泡、胞吐囊泡、液泡、溶酶体或线粒体。
如本文所用，术语“全氟代烷基”是指含有1个至12个(例如，1个至3个，或1个至5个)碳且其中每个氢原子已被氟替换的单价饱和直链或支链单价烷基基团。在一些实施方案中，全氟代烷基基团无支链(即，是直链基团)；在一些实施方案中，全氟代烷基基团有支链。
如本文所用，术语“全氟代亚烷基”是指含有1个至12个(例如，1个至3个，或1个至5个)碳且其中每个氢原子已被氟替换的二价饱和直链或支链二价亚烷基基团。在一些实施方案中，全氟代亚烷基基团无支链(即，是直链基团)；在一些实施方案中，全氟代亚烷基基团有支链。
如本文所用，术语“样品”一般是指受试者的生物样品。生物样品可以是核酸样品或蛋白质样品。生物样品可以来源另一种样品。样品可以是组织样品，诸如活检样品、芯针活检样品、针抽吸物或细针抽吸物。样品可以是液体样品，诸如血液样品、尿液样品或唾液样品。样品可以是皮肤样品。样品可以是颊拭子。样品可以是血浆或血清样品。样品可以包含生物颗粒，例如细胞或病毒，或者它们的群体，或者样品可以替代性地不含生物颗粒。无细胞样品可以包含多核苷酸。可以从身体样品分离多核苷酸，该身体样品可以选自由血液、血浆、血清、尿液、唾液、粘膜分泌物、痰、粪便和泪液组成的组。
如本文所用，术语“测序”一般是指用于确定一个或多个多核苷酸中的核苷酸碱基的序列的方法和技术。这些多核苷酸可以是例如核酸分子，诸如脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)，包括其变体或衍生物(例如，单链DNA)。测序可以由当前可用的各种系统执行，诸如但不限于Pacific Biosciences/>Oxford或Life Technologies(ION />)生产的测序系统。另选地或此外，测序可以使用核酸扩增、聚合酶链反应(PCR)(例如，数字PCR、定量PCR或实时PCR)或等温扩增来执行。此类系统可以提供与受试者(例如，人类)的遗传信息相对应的多个原始遗传数据，如这些系统从受试者提供的样品所生成的。在一些实例中，此类系统提供测序读段(本文也称为“读段”)。读段可以包括与已被测序的核酸分子的序列相对应的一连串核酸碱基。在一些情况下，本文所提供的系统和方法可以与蛋白质组信息一起使用。
如本文所用，术语“受试者”一般是指动物诸如哺乳动物(例如，人类)或禽(例如，鸟)，或其他生物体诸如植物。受试者可以是脊椎动物、哺乳动物、小鼠、灵长类动物、猿或人。动物可以包括但不限于农场动物、运动动物和宠物。受试者可以是健康或无症状的个体、患有或疑似患有疾病(例如，癌症)或易患该疾病的个体或需要治疗或疑似需要治疗的个体。受试者可以是患者。
如本文关于液滴形成所用的术语“基本上静止”，通常是指当连续相中形成的液滴的运动是被动运动(例如，由分散相与连续相之间的密度差引起)时的状态。
如本文所用，术语“载体”通常是指不是生物颗粒的颗粒。该颗粒可以是固体或半固体颗粒。该颗粒可以是珠粒，诸如凝胶珠粒。凝胶珠粒可以包括聚合物基质(例如，通过聚合或交联形成的基质)。聚合物基质可以包括一种或多种聚合物(例如，具有不同官能团或重复单元的聚合物)。聚合物基质中的聚合物可以是随机排列的，例如在随机共聚物中，和/或具有有序结构，例如在嵌段共聚物中。交联可以经由共价、离子或诱导相互作用或者物理缠结实现。珠粒可以是大分子。珠粒可以由结合在一起的核酸分子形成。珠粒可以经由分子(例如，大分子)诸如单体或聚合物的共价或非共价组装形成。此类聚合物或单体可以是天然的或合成的。此类聚合物或单体可以是或包括例如核酸分子(例如DNA或RNA)。珠可以由聚合材料形成。珠粒可以是磁性的或非磁性的。珠粒可以是刚性的。珠粒可以是柔性的和/或可压缩的。珠可以是可破坏的或可溶解的。珠粒可以是覆盖有包含一种或多种聚合物的涂层的固体颗粒(例如，基于金属的颗粒，包括但不限于氧化铁、金或银)。此类涂层可以是可破坏的或可溶解的。
如本文所用，在值范围内提供的任何值既包括上限也包括下限，和这类范围内所有可能的子范围，以及落入这类范围内的具体数值，而不管具体数值或具体子范围是否明确指出。
附图说明
图1是展示合成交联氟碳化合物表面剂的一个示例性实施方案的工艺流程图。
图2是展示使用与1H,10H,10H-全氟癸烷-1,10-二醇交联的交联氟碳化合物表面涂层的液滴生成频率的图表。
图3是展示使用与分子量为1540g/mol或1870g/mol的全氟聚醚二醇交联的氟碳化合物表面涂层的液滴生成频率的图表。
图4是展示使用具有与1H,1H,10H,10H-全氟癸烷-1,10-二醇交联的多个氟碳硅烷的交联氟碳化合物表面涂层的液滴生成频率的图表。
具体实施方式
本发明提供了交联氟碳化合物表面涂层、其套件、具有交联含氟聚合物表面涂层的微流体装置，以及它们的使用方法。该装置包括具有第一深度、第一宽度、第一近侧端部和第一远侧端部的第一通道。该装置可以包括与第一远侧端部流体连通的液滴源区域，该液滴源区域被构造用于在第二液体中产生第一液体的液滴。液滴源区域可以包括交联氟碳化合物表面涂层，该涂层通过氟碳硅烷与氟碳多元醇的反应而产生。
本文所述的交联氟碳化合物表面涂层、套件、装置和方法提供了各种优点。具体地讲，本文所述的表面涂层、装置和方法降低了所形成的每个液滴之间的可变性、产生更小的液滴尺寸，以及/或者以下降的液滴生成失败发生率生成液滴。此外，表面涂层化合物、装置和方法由于独特的表面涂层化合物的稳健性增加，而为液滴生成提供了延长的时间段。经涂覆表面也有利地稳定数月。
氟碳硅烷
本发明的氟碳硅烷可以具有式I结构：
其中，每个Y独立地为C1-C7氟代亚烷基或C1-C7杂氟代亚烷基，每个n独立地为0、1、2、3、4、5、6或7，每个Z独立地为-OR9-或-R9-，其中R9为C1-C6全氟代亚烷基，m为1、2、3、4、5或6，每个W独立地为-C(O)NRa-、-NRaC(O)-、-C(O)O-、-OC(O)-、-C(O)S-、-SC(O)-或-O-，其中Ra为-H、C1-C6全氟代烷基或-F，X1为-[(CH2)jQ]s-(CH2)j-或任选被取代的C1-C6亚烷基，X2为-(CH2)j-[Q(CH2)j]s-或任选被取代的C1-C6亚烷基，其中Q为-O-、-S-、-NRb-、-NRbC(O)-、-C(O)NRb-、-C(O)O-、-C(O)S-或-SC(O)-，Rb为-H或C1-C6烷基，每个j独立地为1、2、3、4、5或6，每个s独立地为1、2、3、4、5或6，R1、R2、R3、R4、R5和R6中的每一者独立地为任选被取代的C1-C6烷氧基、C1-C6烷基，或卤代，其中R1、R2或R3中的至少一者和R4、R5或R6中的一者为C1-C6烷氧基，并且R7和R8中的每一者独立地为F或C1-C6全氟代烷基。在一些实施方案中，m为1至5，诸如3。在某些实施方案中，n+n为4至13，例如7至13，诸如4(例如，1+3、2+2或3+1)、5(例如，1+4、2+3、3+2或4+1)、6(例如，1+5、2+4、3+3、4+2或5+1)、7(例如，1+6、2+5、3+4、4+3、5+2或6+1)、8(例如，1+7、2+6、3+5、4+4、5+3、6+2或7+1)、9(例如，2+7、3+6、4+5、5+4、6+3或7+2)、10(例如，4+5、5+5、6+4或7+3)、11(例如，4+7、5+6、6+5或7+4)、12(例如，5+7、6+6或7+5)，或13(例如，6+7或7+6)。在一些实施方案中，具有式I结构的化合物在交联并结合到表面上时，可以包含至少57％的总氟重量百分比。例如但不限于，具有式I结构的化合物在交联并结合到表面上时，可以包含约50％至70％的总氟重量百分比。作为另一个非限制性实例，具有式I结构的化合物在交联并结合到表面上时，可以包含约63％的总氟重量百分比。应当理解，R1-R6中的卤代或烷氧基基团的烷基部分在该化合物与羟基化表面或多元醇结合时将被裂解。在一些实施方案中，Y为-OCF(CF3)-CF2、-OCF(CF3)-CF2-CF2、-OCF(CF3)-CF2-CF2-CF2、-OCF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2或-OCF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(CF3)、-OCF2-CF2-CF(CF3)、-OCF2-CF2-CF2-CF(CF3)、-OCF2-CF2-CF2-CF2-CF(CF3)或-OCF2-CF2--CF2-CF2-CF2-CF(CF3)。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(C2F5)、-OCF2-CF(C3F7)、-OCF2-CF(C4F9)或-OCF2-CF(C5F11)。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF(C2F5)、-OCF2-CF2-CF(C3F7)或-OCF2-CF2-CF(C4F9)。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF2-CF(C2F5)或-OCF2-CF2-CF2-CF(C3F7)。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF2-CF2-CF(C2F5)。
在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(CF3)-CF2-CF2、-OCF2-CF(C2F5)-CF2-CF2或-OCF2-CF(C3F7)-CF2-CF2。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2或-OCF2-CF(C2F5)-CF2-CF2-CF2。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF(CF3)-CF2、-OCF2-CF2-CF(C2F5)-CF2或-OCF2-CF2-CF(C3F7)-CF2。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2或-OCF2-CF2-CF(C2F5)-CF2-CF2。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2或-OCF2-CF2-CF2-CF(C2F5)-CF2。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2。
在一些实施方案中，Y为-OCF(CF3)-CF2-O、-OCF(CF3)-CF2-CF2-O、-OCF(CF3)-CF2-CF2-CF2-O、-OCF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2-O或-OCF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(CF3)-O、-OCF2-CF2-CF(CF3)-O、-OCF2-CF2-CF2-CF(CF3)-O、-OCF2-CF2-CF2-CF2-CF(CF3)-O或-OCF2-CF2--CF2-CF2-CF2-CF(CF3)-O。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(C2F5)-O、-OCF2-CF(C3F7)-O、-OCF2-CF(C4F9)-O或-OCF2-CF(C5F11)-O。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF(C2F5)-O、-OCF2-CF2-CF(C3F7)-O或-OCF2-CF2-CF(C4F9)-O。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF2-CF(C2F5)-O或-OCF2-CF2-CF2-CF(C3F7)-O。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF2-CF2-CF(C2F5)-O。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(CF3)-CF2-O、-OCF2-CF(C2F5)-CF2-O、-OCF2-CF(C3F7)-CF2-O或-OCF2-CF(C4F9)-CF2-O。
在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(CF3)-CF2-CF2-O、-OCF2-CF(C2F5)-CF2-CF2-O或-OCF2-CF(C3F7)-CF2-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2-O或-OCF2-CF(C2F5)-CF2-CF2-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF(CF3)-CF2-O、-OCF2-CF2-CF(C2F5)-CF2-O或-OCF2-CF2-CF(C3F7)-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2-O或-OCF2-CF2-CF(C2F5)-CF2-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2-O或-OCF2-CF2-CF2-CF(C2F5)-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2-O。
在一些实施方案中，Y为-SCF(CF3)-CF2、-SCF(CF3)-CF2-CF2、-SCF(CF3)-CF2-CF2-CF2、-SCF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2或-SCF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(CF3)、-SCF2-CF2-CF(CF3)、-SCF2-CF2-CF2-CF(CF3)、-SCF2-CF2-CF2-CF2-CF(CF3)或-SCF2-CF2--CF2-CF2-CF2-CF(CF3)。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(C2F5)、-SCF2-CF(C3F7)、-SCF2-CF(C4F9)或-SCF2-CF(C5F11)。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF(C2F5)、-SCF2-CF2-CF(C3F7)或-SCF2-CF2-CF(C4F9)。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF2-CF(C2F5)或-SCF2-CF2-CF2-CF(C3F7)。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF2-CF2-CF(C2F5)。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(CF3)-CF2、-SCF2-CF(C2F5)-CF2、-SCF2-CF(C3F7)-CF2或-SCF2-CF(C4F9)-CF2。
在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(CF3)-CF2-CF2、-SCF2-CF(C2F5)-CF2-CF2或-SCF2-CF(C3F7)-CF2-CF2。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2或-SCF2-CF(C2F5)-CF2-CF2-CF2。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF(CF3)-CF2、-SCF2-CF2-CF(C2F5)-CF2或-SCF2-CF2-CF(C3F7)-CF2。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2或-SCF2-CF2-CF(C2F5)-CF2-CF2。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2或-SCF2-CF2-CF2-CF(C2F5)-CF2。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2。
在一些实施方案中，Y为-SCF(CF3)-CF2-S、-SCF(CF3)-CF2-CF2-S、-SCF(CF3)-CF2-CF2-CF2-S、-SCF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2-S或-SCF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(CF3)-S、-SCF2-CF2-CF(CF3)-S、-SCF2-CF2-CF2-CF(CF3)-S、-SCF2-CF2-CF2-CF2-CF(CF3)-S或-SCF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF(CF3)-S。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(C2F5)-S、-SCF2-CF(C3F7)-S、-SCF2-CF(C4F9)-S或-SCF2-CF(C5F11)-S。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF(C2F5)-S、-SCF2-CF2-CF(C3F7)-S或-SCF2-CF2-CF(C4F9)-S。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF2-CF(C2F5)-S或-SCF2-CF2-CF2-CF(C3F7)-S。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF2-CF2-CF(C2F5)-S。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(CF3)-CF2-S、-SCF2-CF(C2F5)-CF2-S、-SCF2-CF(C3F7)-CF2-S或-SCF2-CF(C4F9)-CF2-S。
在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(CF3)-CF2-CF2-S、-SCF2-CF(C2F5)-CF2-CF2-S或-SCF2-CF(C3F7)-CF2-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2-S或-SCF2-CF(C2F5)-CF2-CF2-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF(CF3)-CF2-S、-SCF2-CF2-CF(C2F5)-CF2-S、-SCF2-CF2-CF(C3F7)-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2-S或-SCF2-CF2-CF(C2F5)-CF2-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2-S或-SCF2-CF2-CF2-CF(C2F5)-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2-S。
在一些实施方案中，Y为-OCF(CF3)-CF2-S、-OCF(CF3)-CF2-CF2-S、-OCF(CF3)-CF2-CF2-CF2-S、-OCF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2-S或-OCF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(CF3)-S、-OCF2-CF2-CF(CF3)-S、-OCF2-CF2-CF2-CF(CF3)-S、-OCF2-CF2-CF2-CF2-CF(CF3)-S或-OCF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF(CF3)-S。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(C2F5)-S、-OCF2-CF(C3F7)-S、-OCF2-CF(C4F9)-S或-OCF2-CF(C5F11)-S。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF(C2F5)-S、-OCF2-CF2-CF(C3F7)-S或-OCF2-CF2-CF(C4F9)-S。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF2-CF(C2F5)-S或-OCF2-CF2-CF2-CF(C3F7)-S。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF2-CF2-CF(C2F5)-S。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(CF3)-CF2-S,-OCF2-CF(C2F5)-CF2-S、-OCF2-CF(C3F7)-CF2-S或-OCF2-CF(C4F9)-CF2-S。
在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(CF3)-CF2-CF2-S、-OCF2-CF(C2F5)-CF2-CF2-S或-OCF2-CF(C3F7)-CF2-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2-S或-OCF2-CF(C2F5)-CF2-CF2-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2-S或-OCF2-CF(C2F5)-CF2-CF2-CF2-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF(CF3)-CF2-S、-OCF2-CF2-CF(C2F5)-CF2-S或-OCF2-CF2-CF(C3F7)-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2-S或-OCF2-CF2-CF(C2F5)-CF2-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2-S或-OCF2-CF2-CF2-CF(C2F5)-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2-S。在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2-S。
在一些实施方案中，Y为-SCF(CF3)-CF2-O、-SCF(CF3)-CF2-CF2-O、-SCF(CF3)-CF2-CF2-CF2-O、-SCF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2-O或-SCF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(CF3)-O、-SCF2-CF2-CF(CF3)-O、-SCF2-CF2-CF2-CF(CF3)-O、-SCF2-CF2-CF2-CF2-CF(CF3)-O或-SCF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF(CF3)-O。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(C2F5)-O、-SCF2-CF(C3F7)-O、-SCF2-CF(C4F9)-O或-SCF2-CF(C5F11)-O。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF(C2F5)-O、-SCF2-CF2-CF(C3F7)-O或-SCF2-CF2-CF(C4F9)-O。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF2-CF(C2F5)-O或-SCF2-CF2-CF2-CF(C3F7)-O。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF2-CF2-CF(C2F5)-O。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(CF3)-CF2-O、-SCF2-CF(C2F5)-CF2-O、-SCF2-CF(C3F7)-CF2-O或-SCF2-CF(C4F9)-CF2-O。
在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(CF3)-CF2-CF2-O、-SCF2-CF(C2F5)-CF2-CF2-O或-SCF2-CF(C3F7)-CF2-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2-O或-SCF2-CF(C2F5)-CF2-CF2-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF(CF3)-CF2-O、-SCF2-CF2-CF(C2F5)-CF2-O或-SCF2-CF2-CF(C3F7)-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2-O或-SCF2-CF2-CF(C2F5)-CF2-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2-O或-SCF2-CF2-CF2-CF(C2F5)-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2-CF2-O。在一些实施方案中，Y为-SCF2-CF2-CF2-CF2-CF(CF3)-CF2-O。
在一些实施方案中，Y为-OCF2-CF2-、-OCF2-CF2-OCF2-CF2-或-OCF2-CF2-OCF2-CF2-OCF2-CF2-。在一些实施方案中，Y为-OCF2-、-OCF2-OCF2-、-OCF2-OCF2-OCF2-、-OCF2-OCF2-OCF2-OCF2-、-OCF2-OCF2-OCF2-OCF2-OCF2-、-OCF2-OCF2-OCF2-OCF2-OCF2-OCF2-或-OCF2-OCF2-OCF2-OCF2-OCF2-OCF2-OCF2-。在一些实施方案中，Y为-OCF(CF3)-CF2-或-OCF(CF3)-CF2-OCF(CF3)-CF2-。在一些实施方案中，Y为其中n为0、1、2、3、4、5、6或7。
在一些实施方案中，Z为-OCF2、-OCF2-CF2、-OCF2-CF2-CF2、-OCF2-CF2-CF2-CF2、-OCF2-CF2-CF2-CF2-CF2或-OCF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2。在一些实施方案中，Z为-CF2、-CF2-CF2、-CF2-CF2-CF2、-CF2-CF2-CF2-CF2、-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2或-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2。在一些实施方案中，每个W独立地为-C(O)NRa-、-NRaC(O)-、-C(O)O-、-OC(O)-、-C(O)S-、-SC(O)-或-O-，其中Ra为-H、C1-C12全氟代烷基或-F，例如，W为-C(O)NH-、-C(O)O-、-C(O)-S-或-O-。在一些实施方案中，X1和/或X2为亚甲基、亚乙基、亚丙基、亚丁基、亚戊基或亚己基。在一些实施方案中，X1为-CH2-O-CH2-、-CH2-S-CH2-、-CH2-NH-CH2-、-CH2-NRb-CH2-、-CH2-NRb-C(O)-CH2-、-CH2-C(O)-NRb-CH2-、-CH2-C(O)-O-CH2-、-CH2-C(O)-S-CH2-或-CH2-S-C(O)-CH2-，并且Rb为-H或C1-C6烷基。在一些实施方案中，X1为-CH2-CH2-O-CH2-、-CH2-CH2-S-CH2-、-CH2-CH2-NH-CH2-、-CH2-CH2-NRb-CH2-、-CH2-CH2-NRb-C(O)-CH2-、-CH2-CH2-C(O)-NRb-CH2-、-CH2-CH2-C(O)-O-CH2-、-CH2-CH2-C(O)-S-CH2-或-CH2-CH2-S-C(O)-CH2-，并且Rb为-H或C1-C6烷基。在一些实施方案中，X1为-CH2-CH2-CH2-O-CH2-、-CH2-CH2-CH2-S-CH2-、-CH2-CH2-CH2-NH-CH2-、-CH2-CH2-CH2-NRb-CH2-、-CH2-CH2-CH2-NRb-C(O)-CH2-、-CH2-CH2-CH2-C(O)-NRb-CH2-、-CH2-CH2-CH2-C(O)-O-CH2-、-CH2-CH2-CH2-C(O)-S-CH2-或-CH2-CH2-CH2-S-C(O)-CH2-，并且Rb为-H或C1-C6烷基。在一些实施方案中，X1为-CH2-CH2-CH2-CH2-O-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-S-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-NH-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-NRb-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-NRb-C(O)-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-C(O)-NRb-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-C(O)-O-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-C(O)-S-CH2-或-CH2-CH2-CH2-CH2-S-C(O)-CH2-，并且Rb为-H或C1-C6烷基。在一些实施方案中，X1为-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-O-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-S-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-NH-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-NRb-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-NRb-C(O)-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-C(O)-NRb-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-C(O)-O-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-C(O)-S-CH2-或-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-S-C(O)-CH2-，并且Rb为-H或C1-C6烷基。在一些实施方案中，X1为-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2O-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-S-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-NH-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-NRb-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-NRb-C(O)-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-C(O)-NRb-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-C(O)-O-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-C(O)-S-CH2-或-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-S-C(O)-CH2-，并且Rb为-H或C1-C6烷基。
在一些实施方案中，X2为-CH2-O-CH2-、-CH2-S-CH2-、-CH2-NH-CH2-、-CH2-NRb-CH2-、-CH2-C(O)-NRb-CH2-、-CH2-NRb-C(O)-CH2-、-CH2-C(O)-O-CH2-、-CH2-C(O)-S-CH2-或-CH2-S-C(O)-CH2-，并且Rb为-H或C1-C6烷基。在一些实施方案中，X2为-CH2-O-CH2-CH2-、-CH2-S-CH2-CH2-、-CH2--NH-CH2-CH2-、-CH2-NRb-CH2-CH2-、-CH2-NRb-C(O)-CH2-CH2-、-CH2-C(O)-NRb-CH2-CH2-、-CH2-C(O)-O-CH2-CH2-、-CH2-C(O)-S-CH2-CH2-或-CH2-S-C(O)-CH2-CH2-，并且Rb为-H或C1-C6烷基。在一些实施方案中，X2为-CH2-O-CH2-CH2-CH2-、-CH2-S-CH2-CH2-CH2-、-CH2-NH-CH2-CH2-CH2-、-CH2-NRb-CH2-CH2-CH2-、-CH2-NRb-C(O)-CH2CH2-CH2-、-CH2-C(O)-NRb-CH2-CH2-CH2-、-CH2-C(O)-O-CH2-CH2-CH2-、-CH2-C(O)-S-CH2-CH2-CH2-或-CH2-S-C(O)-CH2-CH2-CH2-，并且Rb为-H或C1-C6烷基。在一些实施方案中，X2为-CH2-O-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-S-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-NH-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-NRb-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-NRb-C(O)-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-C(O)-NRb-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-C(O)-O-CH2-CH2-CH2-CH2-、CH2-C(O)-S-CH2-CH2-CH2-CH2-或-CH2-S-C(O)-CH2-CH2-CH2-CH2-，并且Rb为-H或C1-C6烷基。在一些实施方案中，X2为-CH2-O-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-S-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-NH-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-NRb-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-C(O)-NRb-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-C(O)-O-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-NRb-C(O)-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-C(O)-S-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-或-CH2-S-C(O)-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-，并且Rb为-H或C1-C6烷基。在一些实施方案中，X2为-CH2-O-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-S-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-NH-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-NRb-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-NRb-C(O)-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-C(O)-NRb-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-C(O)-O-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-、-CH2-C(O)-S-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-或-CH2-S-C(O)-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-，并且Rb为-H或C1-C6烷基。
在一些实施方案中，R1、R2、R3、R4、R5和/或R6中的每一者都是甲氧基、乙氧基、-OCH2-CH2-CH3、-OCH2-CH2-CH2-CH3、-OCH2-CH2-CH2-CH2-CH3或-OCH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3。在其他实施方案中，R1、R2、R3、R4、R5和/或R6为甲基、乙基、丙基、丁基、戊基或己基。在一些实施方案中，R1、R2、R3、R4、R5和/或R6中的每一者都是氯、氟或溴。在一些实施方案中，R7和/或R8中的每一者都是F或C1-C12全氟代烷基。例如但不限于，R7和/或R8为-CF3、-CF2-CF3、-CF2-CF2-、CF3、-CF2-CF2-CF2-CF3、-CF2-CF2-CF2-CF2-CF3或-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF3。
在一些实施方案中，氟碳硅烷具有式II结构：
其中每个n独立地为0、1、2、3、4、5、6或7，并且m为1、2、3、4、5或6。在一些实施方案中，m为1至5，诸如3。在一些实施方案中，n+n为4至13，例如7至13，诸如4(例如，1+3、2+2或3+1)、5(例如，1+4、2+3、3+2或4+1)、6(例如，1+5、2+4、3+3、4+2或5+1)、7(例如，1+6、2+5、3+4、4+3、5+2或6+1)、8(例如，1+7、2+6、3+5、4+4、5+3、6+2或7+1)、9(例如，2+7、3+6、4+5、5+4、6+3或7+2)、10(例如，4+5、5+5、6+4或7+3)、11(例如，4+7、5+6、6+5或7+4)、12(例如，5+7、6+6或7+5)，或13(例如，6+7或7+6)。例如，当氟碳硅烷具有式III结构时，n+n为7：
在一些实施方案中，氟碳硅烷具有式IV结构：
其中n为0、1、2、3、4、5、6或7，并且m为1、2、3、4、5或6。
氟碳多元醇
氟碳多元醇包括至少两个羟基基团(例如，两个、三个、四个、五个等)。在一些实施方案中，氟碳多元醇具有一组约2个至约10个羟基基团(例如，2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或10个)。在一些实施方案中，氟碳化合物为二醇。在一些实施方案中，氟碳化合物为三醇。在一些实施方案中，氟碳化合物为四醇。
在一些实施方案中，氟碳多元醇为式V化合物：
HO-V-OH
(V)，
其中V为-(CZ2)n’-C1-15全氟代亚烷基-(CZ2)n’-或-(CZ2)n’-(C1-15杂氟代亚烷基)n’-(CZ2)n’-，其中每个Z独立地为H、F或C1-6全氟代烷基，并且每个n’独立地为1、2、3、4、5、6或7。在一些实施方案中，V为-(CZ2)n’-C1-15全氟代亚烷基-(CZ2)n’-，例如-CZ2-(CF2)k-CZ2-或-(C(CF3)2)k-，其中k为1至15(例如，1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15)。在一些实施方案中，V为-(CZ2)n’-(C1-15杂氟代亚烷基)n’-(CZ2)n’-，例如-C(CF3)2(OCF3)-C(CF3)2-、-CH2(OCF2)k’-(OCF2CF2)k’-CH2-或-CH2-CH2(OCF2)k’-(OCF2CF2)k’-CH2-CH2-，其中k’+k’为1至30。在一些实施方案中，V为-CH2-CF2-CH2-、-CH2-CF2-CF2-CH2-,-CH2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-，或-CH2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-。在一些实施方案中，V为-CH2-O-CF2-CH2、-CH2-O-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-或-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-。
在一些实施方案中，V为-CH2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CH2、-CH2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CH2、-CH2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CH2、-CH2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CH2或-CH2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CH2。在一些实施方案中，V为-CH2-O-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CH2、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CH2或-CH2-O-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-、CF2-CH2。在一些实施方案中，V为-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2或-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2。在一些实施方案中，V为-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2或-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2--CF2-CF2-CF2-CH2。
在一些实施方案中，V为-CH2-O-CF2-O-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-O-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CH2-、
-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CH2-、
-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CH2-或-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CH2-。在一些实施方案中，V为-CH2-O-CF2-O-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CH2-或-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CH2-。在一些实施方案中，V为-CH2-O-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CH2-或-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CH2-。
在一些实施方案中，V为-CH2-O-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-或-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-。在一些实施方案中，V为-CH2-O-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-或-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-。在一些实施方案中，V为-CH2-O-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-或-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-。
在一些实施方案中，V为-CH2-O-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-或-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-。在一些实施方案中，V为-CH2-O-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-或-CH2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-。在一些实施方案中，V为-CH2-O-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-或-CH2-O-CF2-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-。在一些实施方案中，V为-CH2-O-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-、-CH2-O-CF2-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-或
-CH2-O-CF2-O-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-CH2-。
在一些实施方案中，V为-C(CF3)2-、-C(CF3)2-C(CF3)2-、-C(CF3)2-C(CF3)2-C(CF3)2-、-C(CF3)2-C(CF3)2-C(CF3)2-C(CF3)2-或-C(CF3)2-C(CF3)2-C(CF3)2-C(CF3)2-C(CF3)2-。在一些实施方案中，V为-C(CF3)(OCF3)-C(CF3)2)-、-CH2(OCF2)k’-(OCF2CF2)k’-CH2-或-CH2-CH2(OCF2)k’-(OCF2CF2)k’-CH2-CH2-，其中k’+k’为1至30。
在一些实施方案中，V具有式VI结构：
其中每个n独立地为0、1、2、3、4、5、6或7，并且m为1、2、3、4、5或6。
在一些实施方案中，V具有结构X-(CF2CF2O)n(CF2O)m(CF2CF(CF3)O)k-Y，其中X和Y独立地为C1-6烷基或全氟代烷基，并且m、n和k独立地为0至6(例如，1至6)，前提条件是m、n和k中的至少一者大于0。
在一些实施方案中，交联氟碳化合物表面涂层可以是本文所述的任何氟碳硅烷与氟碳多元醇的羟基基团的反应产物(图1)。例如但不限于，本文所述氟碳硅烷中的一个或多个甲氧基基团可以与氟碳多元醇上的羟基基团反应。
套件
本发明提供了用于涂覆表面的套件，包括氟碳硅烷和氟碳多元醇。该套件可以包括多个容器。例如，第一容器可以储存氟碳硅烷，第二容器可以储存氟碳多元醇。
装置
本发明的装置可以包括第一通道、第一区域或第一储器，其涂覆有交联氟碳化合物表面涂层并且具有深度、宽度、近侧端部和远侧端部。近侧端部与液体源流体连通或被构造成与液体源流体连通，其中液体源例如与装置成一整体或联接到装置(例如通过管道)的储器。本发明的装置还可以包括第二通道、第二区域或第二储器，其涂覆有交联氟碳化合物表面涂层并且具有深度、宽度、近侧端部和远侧端部。第一通道的远侧端部可以与液滴源(例如，液滴源区域)流体连通，例如流体连接。液滴源区域可以允许来自第一通道的液体在至少一个维度上膨胀，从而引起在如本文所述的适当条件下形成液滴。液滴源区域可以具有任何合适的几何形状。
在一个实施方案中，液滴源区域包括搁板区域，该搁板区域允许液体基本上在一个维度上(例如，垂直于流动方向)膨胀。搁板区域的宽度大于第一通道在其远侧端部处的宽度。在某些实施方案中，第一通道是不同于搁板区域的通道，例如，搁板区域相比第一通道的远侧端部加宽，或者以比第一通道的远侧端部更陡的斜率或曲率加宽。在其他实施方案中，第一通道和搁板区域合并成连续的流动路径，例如，从其近侧端部到其近侧端部线性或非线性地加宽的流动路径；在这些实施方案中，第一通道的远侧端部可以被认为是沿合并的第一通道和搁板区域的任意点。在另一个实施方案中，液滴源区域包括台阶区域，其提供空间位移并允许液体在多于一个维度上膨胀。空间位移可以相对于通道向上或向下，或者向上和向下。对方向的选择可以基于分散相和连续相的相对密度来进行，当分散相的密度小于连续相时采用向上的台阶，当分散相的密度大于连续相时采用向下的台阶。液滴源区域也可以包括搁板区域和台阶区域的组合，例如，搁板区域设置在通道与台阶区域之间。液滴源区域也可以涂覆有交联氟碳化合物表面涂层。
通道
本文所述的装置至少包括第一通道。通道可以具有任何合适的几何形状。通道可以是末端开放的(例如，连接到后续通道)，也可以是封闭式的。通道可以具有适于输送一个或多个液滴的任何长度、宽度和高度。例如，长度、宽度和高度可以至少独立地为例如0.1μm至10mm(例如0.1μm至1μm，例如约0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm，或1μm至10μm，例如约1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm，或10μm至100μm，例如约20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm，或100μm至1000μm，例如约200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm，或1mm至10mm，例如约2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm)。通道的体积可以为例如1nL至10mL(例如1nL、2nL、3nL、4nL、5nL、6nL、7nL、8nL、9nL、10nL，或10nL至100nL，例如约20nL、30nL、40nL、50nL、60nL、70nL、80nL、90nL、100nL，或100nL至1μL，例如约200nL、300nL、400nL、500nL、600nL、700nL、800nL、900nL、1μL，或1μL至10μL，例如约2μL、3μL、4μL、5μL、6μL、7μL、8μL、9μL、10μL，或10μL至100μL，例如约20μL、30μL、40μL、50μL、60μL、70μL、80μL、90μL、100μL，或100μL至1mL，例如约200μL、300μL、400μL、500μL、600μL、700μL、800μL、900μL、1mL，或1mL至10mL，例如约2mL、3mL、4mL、5mL、6mL、7mL、8mL、9mL、10mL)。在一些实施方案中，通道的横截面尺寸不大于1mm。
储器
该装置可以包括用于储存液体试剂的储器。例如，该装置可以包括用于储存在第一通道中流动的液体的储器。作为另一个非限制性实例，该装置可以包括与第一近侧端部流体连通的第一储器。单个储器还可以连接到装置中的多个通道，例如，当要在该装置中的两个或更多个不同位置处引入相同的液体时。储器可以具有任何合适的尺寸，例如，以容纳10μL至500mL，例如10μL至300mL、25μL至10mL、100μL至1mL、40μL至300μL、1mL至10mL，或者10mL至50mL。
液滴源区域
本文所述的装置可以用于产生液滴。一般来讲，液滴或颗粒在液滴源区域中形成。液滴或颗粒可以通过本领域已知的任何合适的方法来形成。一般来讲，液滴形成包括两种液相。这两种液相可以是样品相和油相。在形成期间，形成多个离散体积的液滴或颗粒。
液滴可以通过以下方式来形成：摇动或搅拌液体以形成各个液滴，从而产生含有各个液滴的悬浮液或乳液，或者通过移液技术(例如用针头等)形成液滴。可以使用毫米流体、微米流体或纳米流体液滴生成器来形成液滴。此类液滴生成器的实例包括例如T型结液滴生成器、Y型结液滴生成器、通道内通道结液滴生成器、交叉(或“X”形)结液滴生成器、流动聚焦结液滴生成器、微毛细管液滴生成器(例如，同向流动或流动聚焦)和三维液滴生成器。液滴可以使用流动聚焦装置或使用乳化体系(诸如均化、膜乳化、剪切细胞乳化和流体乳化)来产生。
离散的液滴可以被润湿微通道的载送流体包封。这些液滴(有时称为栓塞)形成在其中发生反应的分散相。使用栓塞的系统与分段流动注射分析的不同之处在于栓塞中的试剂不与微通道发生接触。在T型结中，分散相和连续相从“T”的两个分支注入。分散相的液滴由于流体-流体界面处的剪切力和界面张力而产生。与通道壁具有较低界面张力的相是连续相。为了在流动聚焦构造中生成液滴，连续相通过两个外部通道注入，分散相通过中央通道注入窄孔口中。本领域技术人员将会知道用于产生液滴的其他几何设计。产生液滴的方法在以下文献中公开：Song等人，Angew.Chem.45:7336-7356,2006；Mazutis等人，Nat.Protoc.8(5):870-891,2013；美国专利号9,839,911；美国专利公开号2005/0172476、2006/0163385和2007/0003442；PCT公开号WO 2009/005680和WO 2018/009766。在一些实施方案中，电场或声波可以用于产生液滴，例如，如PCT公开号WO 2018/009766中所述。
在一个实施方案中，液滴源区域包括搁板区域，该搁板区域允许液体基本上在一个维度上(例如，垂直于流动方向)膨胀。在一些实施方案中，搁板区域可以包括如下所述的氟碳化合物表面涂层。在一些实施方案中，搁板区域的宽度大于第一通道在其远侧端部处的宽度。在某些实施方案中，第一通道是不同于搁板区域的通道，例如，搁板区域相比第一通道的远侧端部加宽，或者以比第一通道的远侧端部更陡的斜率或曲率加宽。在其他实施方案中，第一通道和搁板区域合并成连续的流动路径，例如，从其近侧端部到其近侧端部线性或非线性地加宽的流动路径；在这些实施方案中，第一通道的远侧端部可以被认为是沿合并的第一通道和搁板区域的任意点。在另一个实施方案中，液滴源区域包括台阶区域，其提供空间位移并允许液体在多于一个维度上膨胀。空间位移可以相对于通道向上或向下，或者向上和向下。对方向的选择可以基于分散相和连续相的相对密度来进行，当分散相的密度小于连续相时采用向上的台阶，当分散相的密度大于连续相时采用向下的台阶。液滴源区域也可以包括搁板区域和台阶区域的组合，例如，搁板区域设置在通道与台阶区域之间。该实施方案的示例性装置在WO 2019/040637中描述，该专利的液滴形成装置据此以引用方式并入本文。
不希望受理论束缚，在本发明的装置中，通过使第一液体从远侧端部流入液滴源区域，可以在第二液体中形成第一液体的液滴。在具有搁板区域和台阶区域的实施方案中，第一液体料流在搁板区域中侧向膨胀成盘状形状。当第一液体料流继续流过搁板区域时，该料流进入台阶区域，在该台阶区域中液滴呈现更接近球形的形状并最终与液体料流分离。当液滴形成时，连续相在初生液滴周围发生被动流动，例如进入搁板区域，在此随着液滴从其液体料流中分离，重新形成连续相。与在其他系统中不同，通过这种机制形成液滴可以在没有外部驱动连续相的情况下发生。应当理解，连续相可以在液滴形成期间被外部驱动，例如通过温和搅拌或振动，但这种运动对于液滴形成不是必需的。
在这些实施方案中，所生成的液滴的尺寸对液体特性的变化明显较不敏感。例如，所生成的液滴的尺寸对分散相流速较不敏感。从布局和制造的角度来看，添加多个源区域也明显更容易。添加另外的源区域使得即使在一个液滴源区域变得堵塞的情况下，也能够形成液滴。可以通过调整流体通道体系结构的一个或多个几何特征(诸如一个或多个流体通道的宽度、高度和/或扩展角)来控制液滴形成。例如，可以控制液滴尺寸和液滴形成速度。在一些情况下，可以增加在驱动压力下的形成区域的数量，以增加液滴形成的通量。
连续相的被动流动可以仅在初生液滴周围发生。液滴或颗粒源区域还可以包括一个或多个通道，其允许连续相流到第一通道的远侧端部与初生液滴本体之间的位置。这些通道允许连续相在初生液滴后面流动，从而改变(例如，增大或减小)液滴形成的速率。此类通道可以流体地连接到液滴或颗粒源区域的储器或连续相的不同储器。尽管外部驱动连续相不是必需的，但是可以采用外部驱动，例如，以经由附加通道将连续相泵送到液滴或颗粒源区域中。此类附加通道可以位于初生液滴的一侧或两侧，或者位于初生液滴平面的上方或下方。
一般来讲，装置的部件(例如通道)可以具有至少部分地确定液滴的尺寸的某些几何特征。例如，本文所述的任何通道具有深度、高度h0和宽度w。液滴或颗粒源区域可以具有扩展角α。液滴尺寸可能会随着扩展角的增加而减小。所得到的液滴半径Rd可以通过前述几何参数h0、w和α的以下关系式来预测：
作为非限制性实例，对于w＝21μm、h＝21μm并且α＝3°的通道，预测的液滴尺寸为121μm。在另一个实例中，对于w＝25μm、h＝25μm并且α＝5°的通道，预测的液滴尺寸为123μm。在又一个实例中，对于w＝28μm、h＝28μm并且α＝7°的通道，预测的液滴尺寸为124μm。在一些情况下，扩展角可以在约0.5°至约4°、约0.1°至约10°或约0°至约90°的范围内。例如，扩展角可以为至少约0.01°、0.1°、0.2°、0.3°、0.4°、0.5°、0.6°、0.7°、0.8°、0.9°、1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°或更高。在一些情况下，扩展角可以为至多约89°、88°、87°、86°、85°、84°、83°、82°、81°、80°、75°、70°、65°、60°、55°、50°、45°、40°、35°、30°、25°、20°、15°、10°、9°、8°、7°、6°、5°、4°、3°、2°、1°、0.1°、0.01°或更小。
第一通道的深度和宽度可以相同，或者一者可以大于另一者，例如宽度大于深度，或者第一深度大于宽度。在一些实施方案中，深度和/或宽度介于约0.1μm与1000μm之间。在一些实施方案中，第一通道的深度和/或宽度为1μm至750μm、1μm至500μm、1μm至250μm、1μm至100μm、1μm至50μm，或3μm至40μm。在一些情况下，当宽度和长度不同时，宽度与深度之比为例如0.1至10，例如0.5至2或大于3，诸如3至10、3至7，或3至5。第一通道的宽度和深度在其长度上可以是恒定不变的，也可以不是恒定不变的。特别地，该宽度可以在远侧端部附近增大或减小。一般来讲，通道可以具有任何合适的横截面，诸如矩形、三角形或圆形，或者它们的组合。在具体实施方案中，通道可以包括沿底表面的沟槽。通道的宽度或深度也可以增大或减小，例如在离散部分中，以改变液体或颗粒的流速或颗粒的排列。
本发明的装置还可以包括在第一通道的近侧端部和远侧端部之间与第一通道相交的附加通道，例如，具有第二深度、第二宽度、第二近侧端部和第二远侧端部的一个或多个第二通道，该第二通道在第一近侧端部与第一远侧端部之间与第一通道相交。在一些实施方案中，第二通道可以包括如下所述的交联氟碳化合物表面涂层。
第一近侧端部和第二近侧端部中的每一个都与液体源流体连通或者被构造成与液体源流体连通，例如流体连接到液体源，该液体源例如与装置成一整体或联接到装置(例如通过管道)的储器。例如，第二通道可以包括与第二近侧端部流体连通的第二储器。包括一个或多个通道相交部允许从第一通道分离液体或将液体引入第一通道中，例如，与第一通道中的液体结合或不与第一通道中的液体结合的液体，例如，以形成鞘流。通道能够以任何合适的角度与第一通道相交，例如相对于第一通道的中心线介于5°与135°之间，诸如介于75°与115°之间，或者介于85°与95°之间。可以类似地存在附加的通道，以允许引入另外的液体或相同液体的附加流动。多个通道可以在第一通道的同一侧或不同侧与第一通道相交。当多个通道在不同侧相交时，这些通道可以沿第一通道的长度相交，以允许在同一点处引入液体。替代性地，这些通道可以在沿第一通道的长度的不同点处相交。在一些情况下，被配置为引导含有多个颗粒的液体的通道可以含有在该通道的一个或多个表面中的一个或多个沟槽，用于将多个颗粒朝向液滴形成流体连接引导。例如，这种引导可以增加所生成的液滴或颗粒的单独占据率。这些附加通道可以具有上文针对第一通道所论述的任何结构特征。
装置可以包括多个第一通道，例如以增加液滴或颗粒形成的速率。一般来讲，通过增大装置中的液滴或颗粒源区域的数量，通量可以显著增加。例如，假设液体流速基本上相同，具有五个液滴或颗粒源区域的装置生成的液滴或颗粒可以是只具有一个液滴或颗粒源区域的装置生成的液滴的五倍。装置具有的液滴或颗粒源区域可以与液体源(例如储器)的尺寸实际所允许的液滴源区域一样多。例如，该装置可以具有至少约2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、20个、30个、40个、50个、60个、70个、80个、90个、100个、150个、200个、250个、300个、350个、400个、450个、500个、600个、700个、800个、900个、1000个、1500个、2000个或更多个液滴或颗粒源区域。包括多个液滴或颗粒源区域可能需要包括横穿但不相交的通道，例如，流动路径在不同的平面中。多个第一通道可以与单独的源储器和/或单独的液滴源区域流体连通，例如流体地连接到单独的源储器和/或单独的液滴或颗粒源区域。在其他实施方案中，两个或更多个第一通道与同一个流体源流体连通，例如流体地连接到同一个流体源，例如，其中多个第一通道从单个上游通道分支。液滴或颗粒源区域可以包括与第一近侧端部流体连通的多个入口，以及多个出口(例如，与收集区域流体连通的多个出口)(例如，流体地连接到第一近侧端部并且与多个出口流体连通)。液滴或颗粒源区域中的入口数量和出口数量可以相同(例如，可以有3个至10个入口和/或3个至10个出口)。替代性地或除此之外，液滴或颗粒形成的通量可以通过增加第一液体的流速来增加。在一些情况下，通过在单个装置中设有多个单一液滴或颗粒形成装置，例如具有第一通道和液滴或颗粒源区域的装置，例如平行液滴或颗粒形成装置，可以增加液滴或颗粒形成的通量。
搁板区域的宽度可以为0.1μm至1000μm。在具体实施方案中，搁板的宽度为1μm至750μm、10μm至500μm、10μm至250μm，或10μm至150μm。搁板区域的宽度沿其长度可以是恒定的，例如形成矩形形状。替代性地，搁板区域的宽度可以沿其长度背离第一通道的远侧端部增加。这种增加可以是线性的、非线性的，或它们的组合。在某些实施方案中，搁板相对于第一通道的远侧端部的宽度加宽5％至10,000％，例如至少300％(例如，10％至500％、100％至750％、300％至1000％，或500％至1000％)。搁板的深度可以与第一通道相同或不同。例如，第一通道在其远侧端部处的底部和搁板区域的底部可以是共面的。替代性地，在该远侧端部与搁板区域汇合的位置可以存在台阶或斜面。该远侧端部的深度也可以大于搁板区域，使得第一通道在搁板区域中形成凹口。搁板的深度可以为0.1μm至1000μm，例如1μm至750μm、1μm至500μm、1μm至250μm、1μm至100μm、1μm至50μm，或3μm至40μm。在一些实施方案中，该深度沿搁板的长度基本上是恒定的。替代性地，搁板的深度从液体通道的远侧端部到台阶区域倾斜，例如向下或向上倾斜。例如，倾斜搁板的最终深度可以比最短深度大5％至1000％，例如10％至750％、10％至500％、50％至500％、60％至250％、70％至200％，或100％至150％。搁板区域的总长度可以为至少约0.1μm至约1000μm，例如0.1μm至750μm、0.1μm至500μm、0.1μm至250μm、0.1μm至150μm、1μm至150μm、10μm至150μm、50μm至150μm、100μm至150μm、10μm至80μm，或10μm至50μm。在某些实施方案中，搁板区域的侧壁(即限定宽度的那些侧壁)可以彼此不平行。在其他实施方案中，搁板区域的壁可以从第一通道的远侧端部朝台阶区域变窄。例如，搁板区域在第一通道远侧端部附近的宽度可以大到足以支持液滴形成。在其他实施方案中，搁板区域基本上不是矩形的，例如，不是矩形或者不是具有圆角或倒角的矩形。
台阶区域包括空间位移(例如，深度)。通常，该位移以约90°(例如，介于85°与95°之间)的角度发生。其他角度也是可能的，例如10°至90°，例如20°至90°、45°至90°，或70°至90°。台阶区域的空间位移可以是要容纳在装置上的任何合适的尺寸，因为位移的最终程度并不影响该装置的性能。优选地，该位移是正在形成的液滴直径的几倍。在某些实施方案中，该位移为约1μm至约10cm，例如至少10μm、至少40μm、至少100μm，或至少500μm，例如40μm至600μm。在一些实例方案中，该位移为至少40μm、至少45μm、至少50μm、至少55μm、至少60μm、至少65μm、至少70μm、至少75μm、至少80μm、至少85μm、至少90μm、至少95μm、至少100μm、至少110μm、至少120μm、至少130μm、至少140μm、至少150μm、至少160μm、至少170μm、至少180μm、至少190μm、至少200μm、至少220μm、至少240μm、至少260μm、至少280μm、至少300μm、至少320μm、至少340μm、至少360μm、至少380μm、至少400μm、至少420μm、至少440μm、至少460μm、至少480μm、至少500μm、至少520μm、至少540μm、至少560μm、至少580μm或至少600μm。在一些情况下，台阶区域的深度基本上是恒定的。替代性地，台阶区域的深度可以背离搁板区域而增加，例如，以允许下沉或上浮的液滴在它们形成时滚离该空间位移。台阶区域还可以相对于搁板区域在两个维度上增加深度，例如，在搁板区域平面的上方和下方都增加深度。台阶区域可以具有入口和/或出口，用于添加连续相、使连续相流过，或者去除连续相和/或液滴。
虽然装置的维度可以描述为宽度或深度，但是通道、搁板区域和台阶区域可以设置在任何平面中。例如，搁板的宽度可以在x-y平面、x-z平面、y-z平面或这些平面之间的任何平面中。此外，液滴源区域(例如包括搁板区域)可以在x-y平面中相对于第一通道侧向间隔开，或者位于第一通道的上方或下方。类似地，液滴源区域(例如包括台阶区域)可以在x-y平面中例如相对于搁板区域侧向间隔开，或者位于搁板区域的上方或下方。台阶区域中的空间位移可以在适于允许初生液滴形成球形形状的任何平面中定向。流体部件也可以在不同的平面中，只要满足连通性和其他尺寸要求即可。
在一些情况下，本发明的装置包括收集区域，例如用于收集所形成的液滴或颗粒的容积。收集区域可以是容纳连续相的储器，或者可以是装置上或装置中的任何其他合适的结构，例如通道、搁板或空腔。对于在收集中使用的储器或其他元件，壁可以是光滑的，并且不包括会阻碍液滴或颗粒运动的正交元件。例如，这些壁可以不包括至少部分地从该表面突出或凹陷的任何特征。然而，应当理解，此类元件可以具有上限或下限。所形成的液滴或颗粒可以在重力作用下移出正在形成的下一个液滴或颗粒的路径(根据液滴或颗粒和连续相的相对密度向上或向下)。替代性地或除此之外，所形成的液滴或颗粒可以在施加到收集区域中的液体上的外力(例如，温和搅拌、流动的连续相，或振动)的作用下移出正在形成的下一个液滴或颗粒的路径。类似地，可以存在用于在附加通道(诸如与第一通道相交的通道)中流动的液体的储器。单个储器还可以连接到装置中的多个通道，例如，当要在该装置中的两个或更多个不同位置处引入相同的液体时。还可以包括废料储器或溢流储器，以在形成液滴或颗粒时收集废料或溢流。替代性地，该装置可以被配置为与液体源配合，该液体源可以是外部储器，诸如小瓶、管或袋。类似地，该装置可以被配置为与容纳储器的独立部件配合。储器可以具有任何合适的尺寸，例如，以容纳10μL至500mL，例如10μL至300mL、25μL至10mL、100μL至1mL、40μL至300μL、1mL至10mL，或者10mL至50mL。当存在多个储器时，每个储器可以具有相同或不同的尺寸。
除上文论述的部件之外，本发明的装置还可以包括附加部件。在一些情况下，本文所述的微流体系统可以包括一个或多个液体流动单元，以引导一种或多种液体(诸如水性液体和/或与该水性液体不可混溶的第二液体)的流动。在一些情况下，液体流动单元可以包括压缩机，以在上游位置处提供正压，从而引导液体从上游位置流向下游位置。在一些情况下，液体流动单元可以包括泵，以在下游位置处提供负压，从而引导液体从上游位置流向下游位置。在一些情况下，液体流动单元可以包括压缩机和泵两者，其各自处于不同的位置。在一些情况下，液体流动单元可以包括位于不同位置处的不同装置。液体流动单元可以包括致动器。在一些情况下，其中第二液体基本上是静止的，储器可以在每个液滴或颗粒源区域处或附近保持恒定的压力场。装置还可以包括各种阀，以控制液体沿通道的流动，或者以允许液体或液滴或颗粒从装置引入或移除。合适的阀在本领域中是已知的。可用于本发明装置的阀包括隔膜阀、电磁阀、夹管阀，或它们的组合。阀能够以手动方式、电动方式、磁力方式、液压方式、气动方式或通过这些方式的组合来控制。该装置还可以包括一体式液体泵，或者能够连接到泵，以允许泵入第一通道以及任何其他需要流动的通道。压力泵的实例包括注射器、蠕动泵、隔膜泵和真空源。其他泵可以采用离心力或电动力。替代性地，液体运动可以通过重力、毛细作用或表面处理来控制。在单个装置中可以采用多个泵和多种促使液体运动的机制。该装置还可以包括一个或多个通气孔以允许压力均衡，以及一个或多个过滤器以从液体中去除微粒或其他不想要的组分。该装置还可以包括一个或多个入口和/或出口，例如，用于引入液体和/或移除液滴或颗粒。此类附加部件可以由可操作地耦接到该装置(例如，通过与该装置集成、物理连接(以机械方式或电气方式)，或者通过有线或无线连接)的一个或多个控制器或计算机来启动或监控。
作为经由微流体通道几何形状控制液滴或颗粒形成的替代或补充，可以使用一个或多个压电元件来控制液滴或颗粒形成。压电元件可以定位在通道内部(即，与通道中的流体接触)、通道外部(即，与流体隔离)，或这两种情况的组合。在一些情况下，压电元件可以位于通道的出口处，例如，通道连接到储器或其他通道上用作液滴或颗粒生成点的位置。例如，压电元件可以与通道集成在一起，或者耦接或以其他方式紧固到通道上。紧固件的实例包括但不限于互补螺纹、形状配合成对紧固件、钩和环、闩锁、螺纹、螺钉、卡钉、夹子、夹钳、尖齿、环、曲头钉、橡胶带、铆钉、索环、销、系带、按扣、粘合剂(例如，胶水)、胶带、真空、密封件、磁铁、焊接，或它们的组合。在一些情况下，压电材料可以沉积在芯片上。在一些情况下，压电元件可以内置到通道中。替代性地或除此之外，压电元件可以连接到储器或通道，或者可以是储器或通道的部件，诸如壁。在一些情况下，压电元件可以还包括穿过其中的孔，使得液体可以在压电元件致动时通过，或者该装置可以包括可操作地耦接到压电元件的孔。
压电元件可以具有各种形状和大小。压电元件可以具有为圆形、三角形、正方形、矩形或局部形状，或者这些形状的组合的形状或横截面。压电元件可以具有从约100毫微微米(fm)至约100毫米(mm)的厚度。压电元件可以具有至少约1mm的尺寸(例如，横截面)。例如，压电元件可以由锆钛酸铅、氧化锌、钛酸钡、铌酸钾、钨酸钠、Ba2NaNb5O5和Pb2KNb5O15形成。例如，压电元件可以是压电晶体。压电元件可以在施加电压时缩小，而在未施加电压时返回其初始状态。替代性地，压电元件可以在施加电压时膨胀，而在未施加电压时返回其初始状态。替代性地或除此之外，向压电元件施加电压可以在其结构中引起机械应力、振动、弯曲、变形、压缩、减压、扩张和/或这些移动的组合，反之亦然(例如，在压电元件上施加某种形式的机械应力或压力可以产生电压)。在一些情况下，压电元件可以包括压电材料和非压电材料两者的复合材料。叉指式换能器(IDT)也可以在压电元件的顶部上形成图案，以根据IDT上指条的大小和距离来生成特定频率的声波。
在一些情况下，当没有施加电荷时，压电元件可以处于第一状态，例如平衡状态。将电荷施加到压电元件时，压电元件可以向后弯曲，从而向外拉动第一通道的一部分，并且经由负压将更多的第一流体(诸如从第一流体的储器)吸入第一通道中。当电荷改变时，压电元件可以在另一个方向上弯曲(例如，朝着通道内容物向内弯曲)，从而向内推动第一通道的一部分，并且推进(例如，至少部分地经由位移)一定体积的第一流体，由此在第二流体中生成第一流体的液滴。在推进液滴后，压电元件可以返回第一状态。可以重复该循环，以生成更多的液滴或颗粒。在一些情况下，每个循环可以生成多个液滴或颗粒(例如，被推进的一定体积的第一流体在其进入第二流体时断开，以形成多个离散的液滴)。多个液滴或颗粒可以被收集在第二通道中，用于继续运输到不同的位置(例如，储器)、直接收获和/或储存。
虽然上述非限制性实例描述了压电元件响应于施加电荷而弯曲，但是在施加电荷时，压电元件也可以发生或经历振动、弯曲、变形、压缩、减压、扩张、其他机械应力和/或这些移动的组合，该移动可以传递到第一通道。
在一些情况下，通道可以包括多个独立或协同工作的压电元件，以实现液滴或颗粒的期望形成(例如，推进)。例如，装置的第一通道可以耦接到至少1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、20个、30个、40个、50个、60个、70个、80个、90个、100个、200个、300个、400个或500个压电元件。在一个实例中，单独的压电元件可以可操作地耦接到通道的每个侧壁(或者成为每个侧壁的一部分)。在另一个实例中，多个压电元件可以沿平行于第一通道中的流动方向的轴线彼此相邻地定位。替代性地或除此之外，多个压电元件可以包围第一通道。例如，多个压电元件可以各自与同一控制器或者一个或多个不同的控制器电连通。通过增加液滴或颗粒的生成点，诸如增加第一流体通道与第二流体通道之间的连接部数量，可以增加液滴或颗粒的生成通量。例如，每个第一流体通道都可以包括压电元件，用于在每个生成点控制液滴或颗粒的生成。压电元件可以被致动，以促进液滴或颗粒的形成以及/或者液滴或颗粒的流动。
可以调节向压电元件施加电荷的频率，以控制液滴或颗粒生成的速度。例如，液滴或颗粒生成的频率可以随着交变电荷的频率增大而增加。此外，可以调节压电元件的材料、通道中压电元件的数量、压电元件的位置、所施加的电荷强度、相应流体的流体动力学力和其他因素来控制液滴或颗粒的生成以及/或者所生成的液滴或颗粒的大小。例如，不希望受特定理论的束缚，如果所施加的电荷强度增加，则压电元件经受的机械应力可能增大，这可能增加对第一通道结构变形的影响，从而增大被推进的第一流体的体积，引起液滴或颗粒尺寸增加。
在一个非限制性实例中，第一通道可以载运第一流体(例如，水性)，第二通道可以载运与第一流体不可混溶的第二液体(例如，油)。这两种流体可以在连接部处连通。在一些情况下，第一通道中的第一流体可以包括悬浮颗粒。这些颗粒可以是支持物、生物颗粒、细胞、细胞珠或它们的任何组合(例如，支持物和细胞的组合，或支持物和细胞珠的组合等)。所生成的离散液滴可以包含颗粒，诸如当一个或多个颗粒悬浮在被推进到第二流体中的一定体积的第一流体中时。替代性地，所生成的离散液滴可以包含多于一个颗粒。另选地，所生成的离散液滴可以不包含任何颗粒。例如，在一些情况下，所生成的离散液滴可以包含一个或多个生物颗粒，其中第一通道中的第一流体包含多个生物颗粒。
替代性地或除此之外，一个或多个压电元件能够用于以声学方式控制液滴形成。
压电元件可以可操作地耦接到缓冲基板(例如，玻璃)的第一端。缓冲基板的第二端与第一端相对，可以包括声学透镜。在一些情况下，声学透镜可以具有球形(例如，半球形)空腔。在其他情况下，声学透镜可以是不同的形状并且/或者包括一个或多个用于聚焦声波的其他物体。缓冲基板的第二端和/或声学透镜可以与第一通道中的第一流体接触。替代性地，压电元件可以在没有中间基板的情况下可操作地耦接到第一通道的一部分(例如，壁)。压电元件可以与控制器电连通。压电元件可以对以RF频率驱动的电压做出响应(例如，受该电压激励)。在一些实施方案中，压电元件可以由氧化锌(ZnO)制成。
驱动施加到压电元件的电压的频率可以为约5兆赫(MHz)至约300MHz，例如，约5MHz、约6MHz、约7MHz、约MHz、约9MHz、约10MHz、约20MHz、约30MHz、约40MHz、约50MHz、约60MHz、约70MHz、约80MHz、约90MHz、约100MHz、约110MHz、约120MHz、约130MHz、约140MHz、约150MHz、约160MHz、约170MHz、约180MHz、约190MHz、约200MHz、约210MHz、约220MHz、约230MHz、约240MHz、约250MHz、约260MHz、约270MHz、约280MHz、约290MHz，或约300MHz。替代性地，RF能量可以具有小于约5MHz或大于约300MHz的频率范围。可以理解，必要的电压和/或驱动该电压的RF频率可以随着压电元件的特性(例如，效率)而改变。
在向压电元件施加电压之前，第一流体和第二流体可以在连接部处或附近经由不可混溶的屏障保持分离。该电压在施加于压电元件时，可以生成在缓冲基板中传播的声波(例如，音波)。缓冲基板(诸如玻璃)可以是能够传递声波的任何材料。缓冲基板的声学透镜可以将声波聚焦于两种不可混溶流体之间的不可混溶界面。声学透镜可以被定位成使得该界面位于声波会聚束的焦平面处。在声脉冲撞击到屏障上时，声波的压力可以促使一定体积的第一流体被推进到第二流体中，从而在第二流体中生成一定体积的第一流体的液滴或颗粒。在一些情况下，每次推进可以生成多个液滴或颗粒(例如，被推进的一定体积的第一流体在其进入第二流体时断开，以形成多个离散的液滴或颗粒)。在喷射液滴或颗粒之后，不混溶界面可以返回其初始状态。随后可以重复向压电元件施加电压，以便接着生成更多的液滴或颗粒。多个液滴或颗粒可以被收集在第二通道中，用于继续运输到不同的位置(例如，储器)、直接收获和/或储存。有利的是，生成的液滴或颗粒可以具有基本上均匀的尺寸、速度(在喷射时)和/或方向性。
在一些情况下，装置可以包括多个独立或协同工作的压电元件，以实现液滴或颗粒的期望形成(例如，推进)。例如，第一通道可以耦接到至少1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、20个、30个、40个、50个、60个、70个、80个、90个、100个、200个、300个、400个或500个压电元件。在一个实例中，多个压电元件可以沿着平行于第一通道的轴线彼此相邻地定位。替代性地或除此之外，多个压电元件可以包围第一通道。在一些情况下，多个压电元件可以各自与同一控制器或者一个或多个不同的控制器电连通。多个压电元件可以各自从同一缓冲基板或者一个或多个不同的缓冲基板发射声波。在一些情况下，单个缓冲基板可以包括位于不同位置处的多个声学透镜。
在一些情况下，第一通道可以与第三通道连通。第三通道可以将第一流体(诸如从第一流体的储器)载运到第一通道。第三通道可以包括一个或多个压电元件，例如，在所述装置中如本文所述的压电元件。如本文别处所述，第三通道可以载运具有一种或多种颗粒(例如，支持物、生物颗粒等)的第一流体以及/或者一种或多种悬浮在该流体中的试剂。替代性地或除此之外，该装置可以包括与第一通道和/或第二通道连通的一个或多个其他通道。
可以调节施加到压电元件上的电压脉冲的数量和持续时间，以控制液滴或颗粒生成的速度。例如，液滴或颗粒生成的频率可以随着电压脉冲的数量增加而增加。此外，可以调节压电元件的材料和大小、缓冲基板的材料和大小，声学透镜的材料、大小和形状，压电元件的数量、缓冲基板的数量、声学透镜的数量、一个或多个压电元件各自的位置、一个或多个缓冲基板各自的位置、一个或多个声学透镜各自的位置、相应通道的尺寸(例如，长度、宽度、高度、展开角度)、施加到压电元件上的电压水平、相应流体的流体动力和其他因素，以控制液滴或颗粒的生成速度和/或所生成的液滴或颗粒的大小。
所生成的离散液滴可以包含颗粒，诸如当一个或多个支持物悬浮在被推进到第二流体中的一定体积的第一流体中时。替代性地，所生成的离散液滴可以包含多于一个颗粒。另选地，所生成的离散液滴可以不包含任何颗粒。例如，在一些情况下，所生成的离散液滴可以包含一个或多个生物颗粒，其中第一通道中的第一流体还包含多个生物颗粒的悬浮液。
在一些情况下，使用压电元件形成的液滴或颗粒可以收集在设置于液滴或颗粒生成点下方的收集区域中。收集区域可以被构造成容纳流体源，以保持所形成的液滴或颗粒彼此隔离。在压电或声学元件辅助的液滴或颗粒形成之后使用的收集区域可以容纳不断循环的油，这种不断循环是例如使用桨式混合器、传送系统或磁力搅拌棒实现的。替代性地，收集区域可以容纳一种或多种化学反应试剂，该试剂可以在液滴或颗粒上提供涂层以确保隔离，例如聚合反应，例如热引发或光引发的聚合反应。
除上文论述的部件之外，本发明的装置还可以包括附加部件。例如，通道可以包括过滤器，以防止碎屑进入装置。在一些情况下，本文所述的微流体系统可以包括一个或多个液体流动单元，以引导一种或多种液体(诸如水性液体和/或与该水性液体不可混溶的第二液体)的流动。在一些情况下，液体流动单元可以包括压缩机，以在上游位置处提供正压，从而引导液体从上游位置流向下游位置。在一些情况下，液体流动单元可以包括泵，以在下游位置处提供负压，从而引导液体从上游位置流向下游位置。在一些情况下，液体流动单元可以包括压缩机和泵两者，其各自处于不同的位置。在一些情况下，液体流动单元可以包括位于不同位置处的不同装置。液体流动单元可以包括致动器。在一些情况下，其中第二液体基本上是静止的，储器可以在每个液滴形成区域处或附近保持恒定的压力场。装置还可以包括各种阀，以控制液体沿通道的流动，或者以允许液体或液滴从装置引入或移除。合适的阀在本领域中是已知的。可用于本发明装置的阀包括隔膜阀、电磁阀、夹管阀，或它们的组合。阀能够以手动方式、电动方式、磁力方式、液压方式、气动方式或通过这些方式的组合来控制。该装置还可以包括一体式液体泵，或者能够连接到泵，以允许泵入第一通道以及任何其他需要流动的通道。压力泵的实例包括注射器、蠕动泵、隔膜泵和真空源。其他泵可以采用离心力或电动力。替代性地，液体运动可以通过重力、毛细作用或表面处理来控制。在单个装置中可以采用多个泵和多种促使液体运动的机制。该装置还可以包括一个或多个通气孔以允许压力均衡，以及一个或多个过滤器以从液体中去除微粒或其他不想要的组分。该装置还可以包括一个或多个入口和/或出口，例如，用于引入液体和/或移除液滴。此类附加部件可以由可操作地耦接到该装置(例如，通过与该装置集成、物理连接(以机械方式或电气方式)，或者通过有线或无线连接)的一个或多个控制器或计算机来启动或监控。
表面颗粒
装置的表面可以包括决定装置的物理特性的材料、涂层或表面纹理。特别地，通过本发明装置的液体流动可以由装置的表面特性(例如，液体接触表面的润湿性)来控制。在一些情况下，装置的一部分(例如，通道)可以具有润湿性适于促进液体流动(例如，在通道中)或协助第一液体在第二液体中(例如，在通道中)形成液滴(例如，如果形成液滴的话)的表面。
润湿性是液体保持与固体表面接触的能力，其可以作为水接触角的函数来测量。材料的水接触角可以通过本领域已知的任何合适的方法来测量，诸如静态静滴法、悬滴法、动态静滴法、动态Wilhelmy法、单纤维Wilhelmy法、单纤维弯月面法和Washburn方程毛细上升法。每个表面的润湿性可能适合于在第二液体中产生第一液体的液滴。
例如，该装置载运水相的部分(例如，通道)可以具有亲水或比该装置的另一部分更亲水的表面材料或涂层，例如包括水接触角小于或等于约90°的材料或涂层，并且/或者该装置的围绕通道的外部可以具有疏水或比通道更疏水的表面材料或涂层，例如包括水接触角大于70°(例如大于90°、大于95°、大于100°(例如95°至120°或100°至10°))的材料或涂层。在某些实施方案中，该装置的部分可以包括减少或防止被水相润湿的材料或表面涂层。该装置可以被设计成在整个装置上具有单一类型的材料或涂层。例如，该装置可以被设计成具有单一类型的材料或涂层，该材料或涂层具有如上所述的式I结构。替代性地，该装置可以具有材料或涂层不同的分离区域。表面纹理也可以用于控制流体流动。
装置表面特性可以是天然表面的特性(即，用于制造装置的基体材料的表面特性)或表面处理的特性。表面处理的非限制性实例包括例如表面涂层和表面纹理。在一些实施方案中，表面涂层可以具有约57％至70％的总氟重量百分比。作为非限制性实例，该表面可以包括具有VII部分的氟碳化合物表面涂层：
其中，每个Y独立地为C1-C7氟代亚烷基或C1-C7杂氟代亚烷基，每个n独立地为0、1、2、3、4、5、6或7，每个Z独立地为-OR9-或-R9-，其中R9为C1-C6全氟代亚烷基，m为1、2、3、4、5或6，每个W独立地为-C(O)NRa-、-NRaC(O)-、-C(O)O-、-OC(O)-、-C(O)S-、-SC(O)-或-O-，其中Ra为-H、C1-C6全氟代烷基或-F，R7和R8中的每一者独立地为F或C1-C6全氟代烷基，并且V为-(CH2)n’-C1-15全氟代亚烷基-(CH2)n’-或-(CH2)n’-(C1-15杂氟代亚烷基)n’-(CH2)n’-，其中每个n’独立地为1、2、3、4、5、6或7。每个R1、R2、R3、R4、R5或R6可以结合到一个或多个表面(例如，装置表面)，或者结合到另一个氟碳多元醇。在一些实施方案中，每个R1、R2、R3、R4、R5或R6可以是羟基。在一些实施方案中，R1、R2、R3、R4、R5或R6中的至少一者结合到表面，并且剩余的R1、R2、R3、R4、R5或R6为羟基，或结合到另一个氟碳多元醇。在一些实施方案中，m为1至5，诸如3。在某些实施方案中，n+n为4至13，例如7至13，诸如4(例如，1+3、2+2或3+1)、5(例如，1+4、2+3、3+2或4+1)、6(例如，1+5、2+4、3+3、4+2或5+1)、7(例如，1+6、2+5、3+4、4+3、5+2或6+1)、8(例如，1+7、2+6、3+5、4+4、5+3、6+2或7+1)、9(例如，2+7、3+6、4+5、5+4、6+3或7+2)、10(例如，4+5、5+5、6+4或7+3)、11(例如，4+7、5+6、6+5或7+4)、12(例如，5+7、6+6或7+5)，或13(例如，6+7或7+6)。在一些实施方案中，氟碳化合物表面涂层具有VIII部分：
其中每个n为0、1、2、3、4、5、6或7，m为1、2、3、4、5或6，并且V为-(CH2)n’-C1-15全氟代亚烷基-(CH2)n’-或-(CH2)n’-(C1-15杂氟代亚烷基)n’-(CH2)n’-，其中每个n’独立地为1、2、3、4、5、6或7。在一些实施方案中，m为1至5，诸如3。在一些实施方案中，n+n为4至13，例如7至13，诸如4(例如，1+3、2+2或3+1)、5(例如，1+4、2+3、3+2或4+1)、6(例如，1+5、2+4、3+3、4+2或5+1)、7(例如，1+6、2+5、3+4、4+3、5+2或6+1)、8(例如，1+7、2+6、3+5、4+4、5+3、6+2或7+1)、9(例如，2+7、3+6、4+5、5+4、6+3或7+2)、10(例如，4+5、5+5、6+4或7+3)、11(例如，4+7、5+6、6+5或7+4)、12(例如，5+7、6+6或7+5)，或13(例如，6+7或7+6)。例如，当氟碳化合物表面涂层具有IX部分时，n+n为7：
本发明的特征还在于一种通过使表面与氟碳硅烷和氟碳多元醇的混合物接触来涂覆表面的方法。在一个实施方案中，将氟碳硅烷和氟碳多元醇混合，使其反应一段时间，诸如1至60分钟(例如，约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59或60分钟)、1至24小时(例如，约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23或24小时)，或者1至7天(例如，1、2、3、4、5、6或7天)，之后再与表面接触。例如，氟碳硅烷和氟碳多元醇可以反应，并且在将表面与经反应的氟碳多元醇和氟碳硅烷接触之前可以经过1天的时间。该表面通常含有用于和该硅烷反应的羟基基团。此类羟基基团可以是天然的或化学引入的，例如，通过等离子体处理或化学反应。混合物可以与表面接触一段时间以允许涂覆，例如1至60分钟(例如，约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59或60分钟)、1至24小时(例如，约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23或24小时)，或者1至7天(例如，约1、2、3、4、5、6或7天)。
在一个实施方案中，氟碳多元醇和氟碳硅烷以10摩尔％至180摩尔％的比例混合，其中如本文所用的“摩尔％”是指氟碳多元醇的摩尔数与氟碳硅烷的摩尔数之比。例如，氟碳硅烷和氟碳多元醇能够以约10摩尔％、20摩尔％、30摩尔％、40摩尔％、50摩尔％、60摩尔％、70摩尔％、80摩尔％、90摩尔％、100摩尔％、110摩尔％、120摩尔％、130摩尔％、140摩尔％、150摩尔％、160摩尔％、170摩尔％或180摩尔％的比例混合。在一些实施方案中，氟碳多元醇和氟碳硅烷以90摩尔％的比例混合。
在一些实施方案中，氟碳硅烷和氟碳多元醇可以在一种或多种能够溶解氟碳硅烷和氟碳多元醇两者的溶剂中合并，该溶剂例如非质子氟化溶剂，诸如氢氟醚(HFE)，或氟碳硅烷的共轭醇。例如，氟碳硅烷和氟碳多元醇可以溶解在HFE-7100中。在一种方法中，装置表面特性可归因于装置部分中存在的一个或多个表面涂层。在一些实施方案中，装置的其他部分包括疏水涂层，该疏水涂层包括含氟聚合物(例如，玻璃处理)、硅烷、硅氧烷、硅酮，或本领域已知的其他涂层。其他涂层包括由前体气相沉积的那些，其中前体诸如：二十一烷基-1,1,2,2-四氢十二烷基二甲基三(二甲基氨基硅烷)、二十烷基-1,1,2,2-四氢十二烷基三氯硅烷(C12)、十七氟-1,1,2,2-四氢癸基三氯硅烷(C10)、九氟-1,1,2,2-四氢己基三(二甲氨基)硅烷、3,3,3,4,4,5,5,6,6-九氟己基三氯硅烷、十三氟-1,1,2,2-四氢辛基三氯硅烷(C8)、双(十三氟-1,1,2,2-四氢辛基)二甲基甲硅烷氧基甲基氯硅烷、九氟己基三乙氧基硅烷(C6)、十二烷基三氯硅烷(DTS)、二甲基二氯硅烷(DDMS)或10-十一碳烯基三氯硅烷(V11)、五氟苯基丙基三氯硅烷(C5)。在一些实施方案中，亲水涂层包括聚合物，诸如多糖、聚乙二醇、聚胺和聚羧酸。亲水表面也可以通过对某些材料进行氧等离子体处理来产生。
可以通过将金属氧化物沉积到装置的表面上来形成带涂层的表面。可用于对表面加涂层的示例金属氧化物包括但不限于Al2O3、TiO2、SiO2，或它们的组合。可用于表面改性的其他金属氧化物在本领域中是已知的。金属氧化物可以通过标准沉积技术沉积到表面上，这些标准沉积技术包括但不限于原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)(例如溅射)、化学气相沉积(CVD)或激光沉积。用于对表面加涂层的其他沉积技术(例如基于液体的沉积)在本领域中是已知的。例如，Al2O3原子层可以通过使其与三甲基铝(TMA)和水接触而沉积在表面上。在一些实施方案中，氟碳化合物表面涂层可以是本文所述任何化合物与羟基基团的反应产物。例如但不限于，本文所述的一种或多种化合物可以与装置和/或装置的一部分的表面上的羟基基团反应，其中可以进行等离子体活化和/或等离子体功能化技术，以形成氟碳化合物表面涂层。
在另一种方法中，装置表面特性可能可归因于表面纹理。例如，表面可以具有纳米纹理，例如表面具有纳米表面特征，诸如改变表面润湿性的锥体或柱体。纳米纹理化表面可以是亲水的、疏水的或超疏水的，例如，具有大于150°的水接触角。示例性的超疏水材料包括氧化锰聚苯乙烯(MnO2/PS)纳米复合材料、氧化锌聚苯乙烯(ZnO/PS)纳米复合材料、沉淀碳酸钙、碳纳米管结构和二氧化硅纳米涂层。超疏水涂层还可以包括低表面能材料(例如，固有疏水材料)和表面粗糙度(例如，使用激光烧蚀技术、等离子体蚀刻技术，或者通过图案化掩模中的开孔来蚀刻材料的光刻技术)。低表面能材料的实例包括氟碳材料，例如聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、聚(氯三氟乙烯)(CTFE)、全氟烷氧基烷烃(PFA)和聚(偏二氟乙烯)(PVDF)。其他超疏水表面在本领域中是已知的。
在一些情况下，亲水或更亲水的材料或涂层的水接触角小于或等于约90°，例如小于80°、70°、60°、50°、40°、30°、20°或10°，例如90°、85°、80°、75°、70°、65°、60°、55°、50°、45°、40°、35°、30°、25°、20°、15°、10°、9°、8°、7°、6°、5°、4°、3°、2°、1°或0°。在一些情况下，疏水或更疏水的材料或涂层的水接触角为至少70°，例如至少80°、至少85°、至少90°、至少95°或至少100°(例如约100°、101°、102°、103°、104°、105°、106°、107°、108°、109°、110°、115°、120°、125°、130°、135°、140°、145°或约150°)。
亲水或更亲水的材料或涂层与疏水或更疏水的材料或涂层之间的水接触角的差值可以为5°至100°，例如5°至80°、5°至60°、5°至50°、5°至40°、5°至30°、5°至20°、10°至75°、15°至70°、20°至65°、25°至60°、30至50°、35°至45°，例如约5°、6°、7°、8°、9°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60、65°、70°、75°、80°、85°、90°、95°或100°。
在一些实施方案中，氟碳化合物表面涂层产生疏水性足够大的经涂覆表面，以在液滴生成期间产生至少105°的水接触角，例如，以减少不对称液滴的生成。例如，氟碳化合物表面涂层可以产生以下疏水涂层：该疏水涂层产生约105°至约150°(例如，105°至120°、120°至130°、130°至140°，或140°至150°)的水接触角。水接触角可以基于施加到装置或装置的一部分(例如，表面、通道、储器等)上的氟碳化合物表面涂层的浓度而变化。例如，当氟碳化合物涂层剂的浓度为约0.02重量％时，水接触角可以为约105°至约113°。作为另一个实例，当氟碳化合物表面涂层剂的浓度为约0.05重量％时，水接触角可以为约109°至约114°。
上面的论述以水接触角为中心。应当理解，在本发明的装置和方法中采用的液体可以不是水，甚至可以不是水性的。因此，液体在装置表面上的实际接触角可以不同于水接触角。此外，当材料或涂层未结合到本发明的装置中时，可以在该材料或涂层上进行对该材料或涂层的水接触角的测定。
颗粒
本发明包括采用颗粒(例如，在分析中使用颗粒)的装置。例如，被构造为具有分析物部分(例如，条形码、核酸、结合分子(例如，蛋白质、肽、适体、抗体或抗体片段)、酶、底物、液滴等)的颗粒可以被包括在含有分析物的液滴中，以修饰分析物和/或检测分析物的存在或浓度。在一些实施方案中，颗粒是合成颗粒(例如支持物，例如凝胶珠粒)。
例如，液滴可以包含一个或多个分析物部分，例如唯一标识符，诸如条形码。分析物部分(例如条形码)可以在液滴形成之前、之后或在液滴形成的同时引入液滴中。将分析物部分(例如，条形码)递送到特定液滴允许随后将各个样品(例如，生物颗粒)的特征归因于该特定液滴。分析物部分(例如条形码)可以例如在核酸(例如寡核苷酸)上经由任何合适的机制递送到液滴。分析物部分(例如加条形码的核酸(例如寡核苷酸))可以经由颗粒(诸如微胶囊)引入液滴中。在一些情况下，分析物部分(例如加条形码的核酸(例如寡核苷酸))可以最初与颗粒(例如微胶囊)缔合，然后在施加刺激时释放，该刺激允许分析物部分(例如核酸(例如寡核苷酸))从颗粒解离或释放。
颗粒(例如支持物)可以是多孔的、无孔的、中空的(例如微胶囊)、固体的、半固体的、半流体的、流体的，以及/或者前述性质的组合。在一些情况下，颗粒(例如支持物)可以是可溶解的、可破裂的和/或可降解的。在一些情况下，颗粒(例如支持物)可能是不可降解的。在一些情况下，颗粒(例如支持物)可以是凝胶支持物。凝胶珠粒可以是水凝胶珠粒。凝胶珠粒可以由分子前体(诸如聚合物或单体物类)形成。半固体颗粒(例如支持物)可以是脂质体支持物。固体颗粒(例如支持物)可以包含金属，其中金属包括氧化铁、金和银。在一些情况下，颗粒(例如支持物)可以是二氧化硅珠粒。在一些情况下，颗粒(例如支持物)可以是刚性的。在其他情况下，颗粒(例如支持物)可以是柔性的和/或可压缩的。
颗粒(例如支持物)可以包含天然材料和/或合成材料。例如，颗粒(例如支持物)可以包含天然聚合物、合成聚合物，或天然聚合物和合成聚合物两者。天然聚合物的实例包括蛋白质和糖，诸如脱氧核糖核酸、橡胶、纤维素、淀粉(例如，直链淀粉、支链淀粉)、蛋白质、酶、多糖、蚕丝、聚羟基链烷酸酯、壳聚糖、葡聚糖、胶原、角叉菜胶、卵叶车前子、阿拉伯树胶、琼脂、明胶、虫胶、梧桐胶、黄原胶、玉米糖胶、瓜尔胶、刺梧桐胶、琼脂糖、藻酸、藻酸盐或它们的天然聚合物。合成聚合物的实例包括丙烯酸、尼龙、硅酮、氨纶(spandex)、粘胶人造丝、聚羧酸、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、聚乙二醇、聚氨酯、聚乳酸、二氧化硅、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚丁二烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚(氯三氟乙烯)、聚(环氧乙烷)、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)、聚乙烯、聚异丁烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲醛)、聚甲醛、聚丙烯、聚苯乙烯、聚(四氟乙烯)、聚(乙酸乙烯酯)、聚(乙烯醇)、聚(氯乙烯)、聚(偏二氯乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、聚(氟乙烯)，和/或它们的组合(例如，共聚物)。支持物也可以由除聚合物之外的材料形成，所述材料包括脂质、胶束、陶瓷、玻璃陶瓷、材料复合物、金属、其他无机材料等。
在一些情况下，颗粒(例如支持物)可以包含分子前体(例如，单体或聚合物)，这些分子前体可以经由分子前体的聚合来形成聚合物网络。在一些情况下，前体可以是能够经历进一步聚合(例如，经由化学交联键)的已经聚合的物类。在一些情况下，前体可以包括丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺单体、寡聚物或聚合物中的一种或多种。在一些情况下，颗粒(例如支持物)可以包含预聚物，这些预聚物是能够进一步聚合的低聚物。例如，可以使用预聚物制备聚氨酯珠粒。在一些情况下，颗粒(例如支持物)可以包含可以进一步聚合在一起的单独的聚合物。在一些情况下，可以经由不同前体的聚合来生成颗粒(例如支持物)，使得它们包含混合的聚合物、共聚物和/或嵌段共聚物。在一些情况下，颗粒(例如支持物)可以包含聚合物前体(例如单体、低聚物、线型聚合物)、寡核苷酸、引物和其他实体之间的共价键或离子键。在一些情况下，共价键可以是碳-碳键或硫醚键。
交联可以是永久的或可逆的，这取决于所使用的特定交联剂。可逆交联可以允许聚合物在适当的条件下线性化或解离。在一些情况下，可逆交联也可以允许结合于支持物表面的材料的可逆附着。在一些情况下，交联剂可以形成二硫键。在一些情况下，形成二硫键的化学交联剂可以是胱胺或经修饰的胱胺。
颗粒(例如支持物)可以具有均匀的尺寸或不均匀的尺寸。在一些情况下，颗粒(例如支持物)的直径可以至少为约1微米(μm)、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、250μm、500μm、1mm，或更大的值。在一些情况下，颗粒(例如支持物)的直径可以小于约1μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、250μm、500μm、1mm，或更小的值。在一些情况下，颗粒(例如支持物)的直径可以在约40μm至75μm、30μm至75μm、20μm至75μm、40μm至85μm、40μm至95μm、20μm至100μm、10μm至100μm、1μm至100μm、20μm至250μm或者20μm至500μm的范围内。用于产生液滴的颗粒(例如支持物，例如凝胶珠粒)的尺寸通常与第一通道的横截面(宽度或深度)近似。在一些情况下，凝胶珠粒大于第一通道和/或搁板的宽度和/或深度，例如至少是第一通道和/或搁板的宽度和/或深度的1.5倍、2倍、3倍或4倍。
在某些实施方案中，颗粒(例如支持物)可以作为具有相对单分散的尺寸分布的一群或多个颗粒(例如支持物)来提供。在可能期望在液滴内提供相对一致量的试剂的情况下，维持相对一致的颗粒(例如支持物)特征(诸如尺寸)可以有助于整体的一致性。特别地，本文所述的颗粒(例如支持物)可以具有其横截面尺寸的变异系数小于50％、小于40％、小于30％、小于20％并且在一些情况下小于15％、小于10％、小于5％或更小百分比的尺寸分布。
颗粒可以具有任何合适的形状。颗粒(例如支持物)形状的实例包括但不限于球形、非球形、椭圆形、长方形、无定形、圆形、圆柱形，以及它们的变型。
注入或以其他方式引入液滴中的颗粒(例如支持物)可以包含可释放地、可裂解或可逆地附接的分析物部分(例如条形码)。注入或以其他方式引入液滴中的颗粒(例如支持物)可以包含可活化的分析物部分(例如条形码)。注入或以其他方式引入液滴中的颗粒(例如支持物)可以是可降解的、可破裂的或可溶解的颗粒，例如可溶解的珠粒。
通道内的颗粒(例如支持物)能够以基本上规则的流动剖面(例如，以规则的流速)流动。此类规则的流动剖面可以允许液滴在形成时包括单个颗粒(例如支持物)和单个细胞或其他生物颗粒。此类规则的流动剖面可以允许液滴具有大于群体的5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％的双重占据率(例如，液滴具有至少一个支持物和至少一个细胞或其他生物颗粒)。在一些实施方案中，液滴具有大于群体的5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％的1:1双重占据率(即，液滴具有恰好一个颗粒(例如支持物)和恰好一个细胞或其他生物颗粒)。例如在美国专利公开号2015/0292988中提供了此类规则流型和可以用于提供此类规则流型的装置，该美国专利公开全文以引用方式并入本文。
如上文所论述的，分析物部分(例如条形码)可以可释放地、可裂解地或可逆地附接到颗粒(例如支持物)，使得分析物部分(例如条形码)可以通过裂解条形码分子与颗粒(例如支持物)之间的键联而释放或可释放，或可以通过颗粒(例如支持物)本身的降解而释放，从而允许条形码被其他试剂接近或可被其他试剂接近，或两者兼而有之。可释放的分析物部分(例如条形码)有时可以被称为可活化的分析物部分(例如可活化的条形码)，因为它们一旦释放就可用于反应。因此，例如，可活化的分析物部分(例如，可活化的条形码)可以通过从颗粒(例如支持物(或本文所述的其他合适类型的液滴))释放分析物部分(例如，条形码)而被活化。在所描述的方法和系统的上下文中也设想了其他可活化的构型。
作为对颗粒(例如支持物)与缔合部分(诸如含有条形码的核酸(例如寡核苷酸))之间的可裂解键联的补充或替代，颗粒(例如支持物)可以是自发地或在暴露于一种或多种刺激(例如，温度变化、pH变化、暴露于特定化学物类或化学相，暴露于光、还原剂等)时可降解的、可破裂的或可溶解的。在一些情况下，颗粒(例如支持物)可以是可溶解的，使得当暴露于特定化学物类或环境变化(诸如温度变化或pH变化)时，颗粒(例如支持物)的材料组分降解或溶解。在一些情况下，凝胶珠粒可以在升高的温度和/或碱性条件下降解或溶解。在一些情况下，颗粒(例如支持物)可以是可热降解的，使得当颗粒(例如支持物)暴露于适当的温度变化(例如热)时，颗粒(例如支持物)降解。与物类(例如核酸，例如寡核苷酸，例如加条形码的寡核苷酸)结合的颗粒(例如支持物)的降解或溶解可以导致该物类从颗粒(例如支持物)释放。根据上文的公开内容将会知道，颗粒(例如支持物)降解可以指代结合或夹带的物类从颗粒(例如支持物)上离解，伴随和不伴随物理颗粒(例如支持物)自身的结构降解。例如，夹带的物类可以通过例如由于化学环境改变导致的渗透压差而从颗粒(例如支持物)释放。举例来说，由于渗透压差引起的颗粒(例如支持物)孔径改变通常可以在没有颗粒(例如支持物)本身结构降解的情况下发生。在一些情况下，由于颗粒(例如，支持物或微胶囊(脂质体))的渗透溶胀而引起的孔径增加可以允许颗粒内夹带的物类释放。在其他情况下，颗粒的渗透收缩可以由于孔径缩小而致使颗粒(例如支持物)更好地保留夹带的物类。
可以将可降解的颗粒(例如支持物)引入液滴中，使得当施加适当的刺激时，颗粒(例如支持物)在液滴内降解并且任何相关联的物类(例如核酸、寡核苷酸，或它们的片段)在液滴内释放。游离物类(例如核酸、寡核苷酸，或它们的片段)可以与液滴中包含的其他试剂相互作用。例如，可以将包含胱胺且经由二硫键连接至条形码序列的聚丙烯酰胺珠粒与还原剂在油包水乳液的液滴内组合。在液滴内，还原剂可以破坏各种二硫键，导致颗粒(例如支持物)降解并且条形码序列释放到液滴的水性内环境中。在另一个实例中，在碱性溶液中加热包含颗粒(例如支持物)结合的分析物部分(例如，条形码)的液滴也可以引起颗粒(例如支持物)降解，以及附接的条形码序列释放到液滴的水性内环境中。
任何合适数量的分析物部分(例如，分子标签分子(例如，引物、加条形码的寡核苷酸等))可以与颗粒(例如支持物)缔合，使得分析物部分(例如，分子标签分子(例如引物，例如加条形码的寡核苷酸等))在从颗粒释放后以预定义浓度存在于液滴中。可以选择这种预定义浓度以促进用于在液滴内生成测序文库的某些反应，例如扩增。在一些情况下，引物的预定义浓度可能受到产生携带寡核苷酸的颗粒(例如支持物)的方法的限制。
可以包括附加试剂作为颗粒的一部分(例如分析物部分)，并且/或者可以将附加试剂包括在溶液中或分散在液滴中，例如，以活化、介导或以其他方式参与反应(例如，分析物与分析物部分之间的反应)。
生物样品
本公开的液滴可以包含生物颗粒(例如细胞或其微粒组分，例如细胞器，诸如细胞核或线粒体)和/或其大分子成分(例如，细胞的组分(例如，细胞内或细胞外蛋白质、核酸、聚糖或脂质)或细胞产物(例如，分泌产物))。来自生物颗粒的分析物(例如其组分或产物)可以被认为是生物分析物。在一些实施方案中，生物颗粒(例如，细胞或其产物)包含在液滴中，例如与一个或多个具有分析物部分的颗粒(例如支持物)一起。在一些实施方案中，生物颗粒(例如，细胞以及/或者其组分或产物)可以被包裹在凝胶内，诸如经由包含生物颗粒和能够聚合或胶凝的前体的液滴的聚合。
就封装的生物颗粒(例如，细胞或其微粒组分)而言，生物颗粒可以被包含在含有裂解试剂的液滴中，以便在该液滴内释放生物颗粒的内容物(例如，含有一种或多种分析物(例如，生物分析物)的内容物)。在此类情况下，裂解剂可以在将生物颗粒引入液滴或颗粒源区域中的同时或在即将把生物颗粒引入液滴或颗粒源区域中之前与生物颗粒悬浮液接触，例如，通过在第二通道上游或近侧的一个或多个附加通道，或者在第二液滴或颗粒源区域上游或近侧的第三通道。裂解剂的实例包括生物活性试剂，例如用于裂解不同细胞类型(例如革兰氏阳性或阴性细菌、植物、酵母、哺乳动物等)的裂解酶，诸如溶菌酶、无色肽酶、溶葡萄球菌素、labiase、立枯丝核菌裂解酶(kitalase)、溶壁酶和可从例如Sigma-Aldrich,Inc.(St Louis,MO)获得的多种其他裂解酶，以及其他可商购获得的裂解酶。除此之外或替代性地，其他裂解剂可以包含在具有生物颗粒(例如，细胞或其微粒组分)的液滴中，以引起生物颗粒的内容物释放到这些液滴中。例如，在一些情况下，可以使用基于表面活性剂的裂解溶液来裂解细胞，但这些对于基于乳液的系统可能不太理想，在这种系统中表面活性剂可干扰稳定的乳液。在某些情况下，裂解溶液可以包含非离子表面活性剂，诸如TRITON X-100和TWEEN 20。在一些情况下，裂解溶液可以包含离子型表面活性剂，诸如十二烷基肌氨酸钠和十二烷基硫酸钠(SDS)。在一些实施方案中，裂解溶液是低渗的，从而通过渗透压休克使细胞裂解。电穿孔、热、声或机械细胞破坏也可以用于某些情况，例如形成基于非乳液的液滴，诸如封装生物颗粒，其可以作为液滴形成的补充或替代，其中在细胞破坏后包封物的任何孔径足够小，以保留所需大小的核酸片段。
除了裂解剂之外，其他试剂也可以包含在具有生物颗粒的液滴中，包括例如DNA酶和RNA酶失活剂或抑制剂，诸如蛋白酶K、螯合剂(诸如EDTA)，以及用于去除或以其他方式降低不同细胞裂解物组分对后续核酸处理的负活性或影响的其他试剂。此外，就封装的生物颗粒(例如，细胞或其微粒组分)而言，可以使生物颗粒暴露于适当的刺激，以从液滴内的微胶囊释放生物颗粒或其内容物。例如，在一些情况下，化学刺激物可以连同封装的生物颗粒一起包含在液滴中，以允许封装基质降解以及细胞或其内容物释放到更大的液滴中。在一些情况下，该刺激物可以与本文别处描述的用于从其相应的颗粒(例如支持物)释放分析物部分(例如寡核苷酸)的刺激物相同。在替代性方面，这可以是不同且非重叠的刺激物，以便允许封装的生物颗粒在与分析物部分(例如，寡核苷酸)释放到同一液滴中的时间不同的时间释放到液滴中。
附加试剂(诸如核酸内切酶)也可以与生物颗粒一起包括在液滴中，以使生物颗粒的DNA、DNA聚合酶和用于扩增生物颗粒的核酸片段的dNTP片段化，并且将条形码分子标签附接到扩增的片段。其他试剂还可以包括逆转录酶(包括具有末端转移酶活性的酶)、引物和寡核苷酸以及可用于模板转换的转换寡核苷酸(本文也称为“转换寡核苷酸”或“模板转换寡核苷酸”)。在一些情况下，模板转换可以用于增加cDNA的长度。在一些情况下，模板转换可以用于将预定义的核酸序列补加至cDNA。在模板转换的实例中，cDNA可以由模板(例如细胞mRNA)的逆转录产生，其中具有末端转移酶活性的逆转录酶可以以不依赖模板的方式向cDNA添加附加核苷酸，例如多聚C。转换寡核苷酸可以包括与附加核苷酸互补的序列，例如多聚G。cDNA上的附加核苷酸(例如，多聚C)可以与转换寡核苷酸上的附加核苷酸(例如，多聚G)杂交，由此逆转录酶可以将转换寡核苷酸用作模板以进一步延伸cDNA。模板转换寡核苷酸可以包含杂交区和模板区。杂交区可以包含能够与靶标杂交的任何序列。在一些情况下，如先前所述，杂交区包含一系列G碱基，以与cDNA分子的3’末端的悬垂C碱基互补。该系列G碱基可以包括1个G碱基、2个G碱基、3个G碱基、4个G碱基、5个G碱基或超过5个G碱基。模板序列可以包含要掺入到cDNA中的任何序列。在一些情况下，模板区包含至少1个(例如，至少2个、3个、4个、5个或更多个)标签序列和/或功能序列。转换寡核苷酸可以包含脱氧核糖核酸；核糖核酸；经修饰的核酸，包括2-氨基嘌呤、2,6-二氨基嘌呤(2-氨基-dA)、倒位dT、5-甲基dC、2’-脱氧肌苷、Super T(5-羟基丁炔-2’-脱氧尿苷)、Super G(8-氮杂-7-脱氮鸟苷)、锁核酸(LNA)、解锁核酸(UNA，例如UNA-A、UNA-U、UNA-C、UNA-G)、Iso-dG、Iso-dC、2’氟代碱基(例如，氟代C、氟代U、氟代A和氟代G)或任何组合。在一些情况下，转换寡核苷酸的长度可以为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111、112、113、114、115、116、117、118、119、120、121、122、123、124、125、126、127、128、129、130、131、132、133、134、135、136、137、138、139、140、141、142、143、144、145、146、147、148、149、150、151、152、153、154、155、156、157、158、159、160、161、162、163、164、165、166、167、168、169、170、171、172、173、174、175、176、177、178、179、180、181、182、183、184、185、186、187、188、189、190、191、192、193、194、195、196、197、198、199、200、201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、212、213、214、215、216、217、218、219、220、221、222、223、224、225、226、227、228、229、230、231、232、233、234、235、236、237、238、239、240、241、242、243、244、245、246、247、248、249、250个核苷酸或更长。
在一些情况下，转换寡核苷酸的长度可以为至少约2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111、112、113、114、115、116、117、118、119、120、121、122、123、124、125、126、127、128、129、130、131、132、133、134、135、136、137、138、139、140、141、142、143、144、145、146、147、148、149、150、151、152、153、154、155、156、157、158、159、160、161、162、163、164、165、166、167、168、169、170、171、172、173、174、175、176、177、178、179、180、181、182、183、184、185、186、187、188、189、190、191、192、193、194、195、196、197、198、199、200、201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、212、213、214、215、216、217、218、219、220、221、222、223、224、225、226、227、228、229、230、231、232、233、234、235、236、237、238、239、240、241、242、243、244、245、246、247、248、249或250个核苷酸或更长。
在一些情况下，转换寡核苷酸的长度可以为至多2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111、112、113、114、115、116、117、118、119、120、121、122、123、124、125、126、127、128、129、130、131、132、133、134、135、136、137、138、139、140、141、142、143、144、145、146、147、148、149、150、151、152、153、154、155、156、157、158、159、160、161、162、163、164、165、166、167、168、169、170、171、172、173、174、175、176、177、178、179、180、181、182、183、184、185、186、187、188、189、190、191、192、193、194、195、196、197、198、199、200、201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、212、213、214、215、216、217、218、219、220、221、222、223、224、225、226、227、228、229、230、231、232、233、234、235、236、237、238、239、240、241、242、243、244、245、246、247、248、249或250个核苷酸。
一旦细胞的内容物释放到它们相应的液滴中，就可以在这些液滴内进一步处理其中包含的大分子组分(例如，生物颗粒的大分子成分，诸如RNA、DNA或蛋白质)。
如上所述，各个生物颗粒(例如，细胞或其微粒组分)的大分子组分(例如，生物分析物)可以具有唯一标识符(例如，条形码)，使得在表征那些大分子组分时，此时来自细胞异质群体的组分可能已经混合并且散布或溶解在共同液体中，任何给定的组分(例如，生物分析物)可以追溯到从其获得该组分的生物颗粒(例如，细胞)。通过将独特标识符特异性地分配给单独生物颗粒或生物颗粒组来提供将特征归属于单独生物颗粒或生物颗粒组的能力。可以为各个生物颗粒(例如，细胞或其微粒组分)或生物颗粒(例如，细胞或其微粒组分)的群体分配或关联例如核酸条形码形式的唯一标识符，以便用这些唯一标识符为生物颗粒的大分子组分(因此其特征)加标签或进行标记。然后，这些独特标识符可以用于将生物颗粒的组分和特征归属于单独生物颗粒或生物颗粒组。如本文的系统和方法中所述，这可以通过形成包括具有唯一标识符的各个生物颗粒或生物颗粒组的液滴(经由颗粒，例如支持物)来实现。
在一些方面，以寡核苷酸的形式提供独特标识符，所述核酸分子包含核酸条形码序列，所述核酸条形码序列可以与单独生物颗粒的核酸内容物连接或以其他方式相关联，或与生物颗粒的其他组分连接，特别是与这些核酸的片段连接。将寡核苷酸分隔开，使得在给定液滴中的寡核苷酸之间，其中所含有的核酸条形码序列相同，但在不同液滴之间，寡核苷酸可以具有并且确实具有不同的条形码序列，或者至少代表给定分析中所有液滴上的大量不同条形码序列。在一些方面，仅一个核酸条形码序列可以与给定液滴相关联，但在一些情况下，可以存在两个或更多个不同的条形码序列。
核酸条形码序列可以在寡核苷酸序列内包含6个至约20个或更多个核苷酸。在一些情况下，条形码序列的长度可以为6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20个核苷酸或更长。在一些情况下，条形码序列的长度可以为至少6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20个核苷酸或更长。在一些情况下，条形码序列的长度可以为至多6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20个核苷酸或更短。这些核苷酸可以是完全连续的，即在相邻核苷酸的单段中，或者它们可以被分成两个或更多个被1个或更多个核苷酸分开的单独子序列。在一些情况下，分开的条形码子序列的长度可以为约4至约16个核苷酸。在一些情况下，条形码子序列可以为4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16个核苷酸或更长。在一些情况下，条形码子序列可以为至少4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16个核苷酸或更长。在一些情况下，条形码子序列可以为至多4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16个核苷酸或更短。
液滴中的分析物部分(例如，寡核苷酸)也可以包括在处理来自包含在液滴中的生物颗粒的核酸时有用的其他功能序列。这些序列包括例如靶向或随机/通用扩增引物序列，以用于扩增来自液滴内各个生物颗粒的基因组DNA，同时附接相关联的条形码序列、测序引物或引物识别位点、杂交或探测序列，例如用于鉴别这些序列的存在或者用于下拉加条形码的核酸或许多其他潜在功能序列中的任何一个。
也可以采用形成含有寡核苷酸的液滴的其他机制，包括例如使两个或更多个液滴(其中一个液滴包含寡核苷酸)聚结，或者将寡核苷酸微分散到液滴(例如微流体装置内的液滴)中。
在一个实例中，提供了颗粒(例如支持物)，其各自包括大量可释放地附接到支持物的上述加条形码的寡核苷酸，其中附接到特定支持物的所有寡核苷酸将包括相同的核酸条形码序列，但是在所使用的支持物群体中代表了大量不同的条形码序列。在一些实施方案中，水凝胶珠粒(例如具有聚丙烯酰胺聚合物基质的支持物)用作寡核苷酸进入液滴的固体载体和递送媒介物，因为它们能够携带大量寡核苷酸分子，并且可以被构造成在暴露于特定刺激时释放那些寡核苷酸，如本文别处所述。在一些情况下，支持物群体提供包括至少约1,000个不同条形码序列、至少约5,000个不同条形码序列、至少约10,000个不同条形码序列、至少约50,000个不同条形码序列、至少约100,000个不同条形码序列、至少约1,000,000个不同条形码序列、至少约5,000,000个不同条形码序列、或至少约10,000,000个不同条形码序列或更多的多样化条形码序列文库。此外，每个支持物可以具有大量附着的寡核苷酸分子。特别地，各个支持物上包含条形码序列的寡核苷酸分子的数目可以为至少约1,000个寡核苷酸分子、至少约5,000个寡核苷酸分子、至少约10,000个寡核苷酸分子、至少约50,000个寡核苷酸分子、至少约100,000个寡核苷酸分子、至少约500,000个寡核苷酸分子、至少约1,000,000个寡核苷酸分子、至少约5,000,000个寡核苷酸分子、至少约10,000,000个寡核苷酸分子、至少约50,000,000个寡核苷酸分子、至少约100,000,000个寡核苷酸分子，并且在一些情况下至少约十亿个寡核苷酸分子，或更多个寡核苷酸分子。
此外，当支持物群体包含在液滴中时，所得的液滴群体也可以包括多样的条形码文库，该条形码文库包括至少约1,000个不同的条形码序列、至少约5,000个不同的条形码序列、至少约10,000个不同的条形码序列、至少约50,000个不同的条形码序列、至少约100,000个不同的条形码序列、至少约1,000,000个不同的条形码序列、至少约5,000,000个不同的条形码序列，或至少约10,000,000个不同的条形码序列。此外，群体中的每个液滴可以包含至少约1,000个寡核苷酸分子、至少约5,000个寡核苷酸分子、至少约10,000个寡核苷酸分子、至少约50,000个寡核苷酸分子、至少约100,000个寡核苷酸分子、至少约500,000个寡核苷酸分子、至少约1,000,000个寡核苷酸分子、至少约5,000,000个寡核苷酸分子、至少约10,000,000个寡核苷酸分子、至少约50,000,000个寡核苷酸分子、至少约100,000,000个寡核苷酸分子，并且在一些情况下至少约十亿个寡核苷酸分子。
在一些情况下，可能期望将多个不同的条形码掺入给定的液滴内，这些条形码附接到液滴内的单个或多个颗粒(例如支持物)。例如，在一些情况下，混合但已知的条形码序列组可以在随后的处理中为鉴别提供更大的保证，例如，通过向给定液滴提供更强的条形码地址或归属，作为对来自给定液滴的输出的重复确认或独立确认。
在施加特定刺激时，寡核苷酸可以能够从颗粒(例如支持物)释放。在一些情况下，该刺激可以是光刺激，例如通过光不稳定键的裂解，由此释放寡核苷酸。在其他情况下，可以使用热刺激，其中颗粒(例如支持物)环境的温度升高将导致键断裂，或者寡核苷酸从颗粒(例如支持物)的其他释放。在还有其他情况下，使用化学刺激物来裂解寡核苷酸与支持物的键联，或以其他方式导致寡核苷酸从颗粒(例如支持物)释放。在一种情况下，此类组合物包括上述用于封装生物颗粒的聚丙烯酰胺基质，并且可以通过暴露于还原剂(诸如二硫苏糖醇(DTT))而降解以释放附接的寡核苷酸。
本文所述的液滴可以包含一个或多个生物颗粒(例如，细胞或其微粒组分)、一个或多个携带条形码的颗粒(例如支持物)，或者至少包含一个生物颗粒和一个携带条形码的颗粒(例如支持物)两者。在一些情况下，液滴可以是未被占据的，既不包含生物颗粒也不包含携带条形码的颗粒(例如支持物)。如前所述，通过控制在液滴源区域处结合的每种液体的流动特性，以及控制液滴源区域的几何形状，可以优化液滴形成，以在所生成的液滴内实现所需的颗粒(例如支持物、生物颗粒或两者)占据水平。
产生液滴的方法
本文所述的方法可以包括产生液滴。本文所公开的方法通常可以产生乳液，即连续相中的分散相的液滴。例如，液滴可以包括第一液体，另一种液体可以是第二液体。第一液体可以基本上与第二液体不可混溶。在一些情况下，第一液体可以是水性液体或者可以基本上与水可混溶。根据本文所公开的方法产生的液滴可以结合多种液体。例如，液滴可以结合第一液体和第三液体。第一液体可以基本上与第三液体可混溶。如本文所述，第二液体可以是油。
多种应用需要评估生物颗粒群内不同生物颗粒或生物体类型的存在和定量，包括例如微生物组分析和表征、环境测试、食品安全性测试、例如在污染物溯源中的流行病学分析等。
本文所述的方法可以允许产生包含单个颗粒(例如支持物)和/或单个生物颗粒(例如细胞或其微粒组分)并具有均匀且可预测的液滴尺寸的一个或多个液滴。该方法还允许分选和/或产生包含单个生物颗粒(例如细胞或其微粒组分)和多于一个颗粒(例如支持物)的一个或多个液滴、包含多于一个生物颗粒(例如细胞或其微粒组分)和单个颗粒(例如支持物)的一个或多个液滴，以及/或者包含多于一个生物颗粒(例如细胞)和多于一个颗粒(例如支持物)的一个或多个液滴。该方法还可以允许增加液滴分选和/或形成的通量。
一般来讲，液滴通过允许第一液体流入液滴源区域中的第二液体中来形成，例如，在液滴如本文所述自发形成的情况下。这些液滴可以包括在非水性连续相(诸如油相)内的水性液体分散相。在一些情况下，液滴形成可以在没有外部驱动的连续相(例如第二液体，例如油)运动的情况下发生。如上文所论述的，尽管连续相不是液滴形成所必需的，但是其仍然可以被外部驱动。用于在非水性(例如油)连续相中产生稳定液滴的乳液体系在例如美国专利号9,012,390中有详细描述，该专利全文以引用方式并入本文用于所有目的。替代性地或除此之外，液滴可以包括例如具有内部液体中心或核心与其周围的外部屏障的微囊泡。在一些情况下，液滴可以包括能够将材料夹带和/或保持在其基质内的多孔基质。液滴可以被收集在基本上静止的液体体积中，例如，利用所形成液滴的浮力将它们移出初生液滴的路径(向上或向下，具体取决于液滴和连续相的相对密度)。替代性地或除此之外，所形成的液滴可以主动地移出初生液滴的路径，例如使用连续相(例如，液体料流或温和搅拌的液体)的温和流动。
将载体(例如颗粒(例如，携带加条形码的寡核苷酸的支持物)或生物颗粒(例如，细胞或其微粒组分))分配到离散的液滴通常可以通过将水性液体中的颗粒(例如支持物)的流动料流引入非水性液体的流动料流或非流动储器中，使得生成液滴来完成。在一些情况下，可以通过提供特定浓度或频率的颗粒(例如支持物)的水性料流并且以合适的方式分选液滴来控制所得液滴的占据率(例如，每个液滴中的颗粒(例如支持物)数量)。在一些情况下，还可以通过相对于给定颗粒(例如支持物)的直径调节液滴形成点处的一个或多个几何特征(诸如运送颗粒(例如支持物)的流体通道的宽度)，随后对液滴进行分选以在收集区域的分隔通道内提供均匀群体，来控制所得液滴的占据率。
在需要包含单个颗粒(例如支持物)的液滴的情况下，可以选择液体的相对流速，使得平均起来，每个液滴包含少于一个颗粒(例如支持物)，以确保那些已被占据的液滴主要被单独占据。在一些实施方案中，可以选择液体的相对流速，使得大多数液滴被占据，例如，仅允许小百分比的液滴未被占据。可以控制流动和通道体系结构，以确保被单独占据的液滴具有期望的数量、未被占据的液滴小于一定水平，并且/或者被多重占据的液滴小于一定水平。
当本文所述方法还包括产生液滴时，可以操作本文所述的装置以使得大部分被占据的液滴在每个被占据的液滴中包括不超过一个生物颗粒(例如，细胞或其微粒组分)。在一些情况下，进行液滴分选和/或形成过程，使得少于25％的已被占据的液滴包含多于一个生物颗粒(例如，被多重占据的液滴)，并且在许多情况下，少于20％的已被占据的液滴具有多于一个生物颗粒。在一些情况下，少于10％或者甚至少于5％的已被占据的液滴在每个液滴中包括多于一个生物颗粒。
例如，从成本角度和/或效率角度来看，可能希望避免产生过多数量的空液滴。然而，尽管这可以通过将足够数量的颗粒(例如支持物)提供到液滴或颗粒源区域中来实现，但是在意料之中，泊松分布可能使可以包括多个生物颗粒的液滴的数量增加。因此，至多约95％、90％、85％、80％、75％、70％、65％、60％、55％、50％、45％、40％、35％、30％、25％、20％、15％、10％、5％或更小百分比的所生成液滴可以未被占据。在一些情况下，可以引导一种或多种颗粒或液体向液滴或颗粒源区域中的流动，使得在许多情况下，不多于约50％的所生成液滴、不多于约25％的所生成液滴或不多于约10％的所生成液滴未被占据。此外，在形成过多空液滴的情况下，希望分选出不为空的液滴以供后续使用。此外，在形成过多不含所需材料但不为空的液滴的情况下，希望分选出不含所需材料的液滴以供后续使用。可以控制流动，以便呈现被单独占据的液滴的非泊松分布，同时提供较低水平的未被占据的液滴。可以实现未被占据的液滴的上述范围，同时仍然提供上述单独占据率中的任何一者。例如，在许多情况下，使用本文所述的装置和方法得到的液滴具有小于约25％、小于约20％、小于约15％、小于约10％并且在许多情况下小于约5％的多重占据率，同时未被占据的液滴少于约50％、少于约40％、少于约30％、少于约20％、少于约10％、少于约5％或更小百分比。
第一流体的流动可以使得液滴包含单个颗粒(例如，支持物)。在某些实施方案中，包含单个颗粒的液滴的收率为至少80％，例如至少85％、至少86％、至少87％、至少88％、至少89％、至少90％、至少91％、至少92％、至少93％、至少94％、至少95％、至少96％、至少97％、至少98％或至少99％。
应当理解，上述占据率也适用于包括生物颗粒(例如，细胞或其微粒组分)和支持物两者的液滴。已被占据的液滴(例如，至少约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％或99％的已被占据的液滴)可以包括支持物和生物颗粒两者。通道(例如，颗粒通道)内的颗粒(例如，支持物)能够以基本上规则的流动剖面(例如，以规则的流速)流动，以在形成和/或分选时提供具有单个颗粒(例如，支持物)和单个细胞或其他生物颗粒的液滴。此类规则的流动剖面可以允许液滴具有大于5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％的双重占据率(例如，液滴具有至少一个支持物和至少一个细胞或生物颗粒)。此类规则的流动剖面可以允许液滴具有大于5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％的1:1双重占据率(例如，液滴具有至少一个支持物和至少一个细胞或生物颗粒)。例如在美国专利公开号2015/0292988中提供了此类规则流型和可以用于提供此类规则流型的装置，该美国专利公开全文以引用方式并入本文。
在一些情况下，附加颗粒可以用于将附加试剂输送到液滴。在此类情况下，将不同的颗粒(例如，支持物)从不同的支持物源(例如，容纳不同的相关试剂)通过不同的通道入口引入共同通道或液滴或颗粒源区域(例如，在液滴或颗粒源区域近侧或在液滴或颗粒源区域上游)或液滴形成相交部中可能是有利的。在此类情况下，可以控制每个不同颗粒(例如，支持物)源进入通道或流体连接部的流量和/或频率，以提供来自每个源的颗粒(例如，支持物)的期望比率，同时任选地确保将此类颗粒(例如，支持物)的期望配对或组合形成为具有期望数量的生物颗粒的液滴。
本文所述的液滴或颗粒可以具有小体积，例如小于约10微升(μL)、5μL、1μL、900皮升(pL)、800pL、700pL、600pL、500pL、400pL、300pL、200pL、100pL、50pL、20pL、10pL、1pL、500纳升(nL)、100nL、50nL，或更小的值。例如，液滴或颗粒的总体积可以小于约1000pL、900pL、800pL、700pL、600pL、500pL、400pL、300pL、200pL、100pL、50pL、20pL、10pL、1pL，或更小的值。在液滴还包含颗粒(例如，支持物或微胶囊)的情况下，应当理解，液滴内的样品液体体积可以小于上述体积的约90％，小于上述体积(例如分配液体的上述体积)的约80％、约70％、约60％、约50％、约40％、约30％、约20％或约10％，例如为上述体积的1％至99％、5％至95％、10％至90％、20％至80％、30％至70％，或40％至60％，例如1％至5％、5％至10％、10％至15％、15％至20％、20％至25％、25％至30％、30％至35％、35％至40％、40％至45％、45％至50％、50％至55％、55％至60％、60％至65％、65％至70％、70％至75％、75％至80％、80％至85％、85％至90％、90％至95％，或95％至100％。
可以生成任何合适数量的液滴或颗粒。例如，在本文所述的方法中，可以生成多个液滴或颗粒，包括至少约1,000个液滴或颗粒、至少约5,000个液滴或颗粒、至少约10,000个液滴或颗粒、至少约50,000个液滴或颗粒、至少约100,000个液滴或颗粒、至少约500,000个液滴或颗粒、至少约1,000,000个液滴或颗粒、至少约5,000,000个液滴或颗粒、至少约10,000,000个液滴或颗粒、至少约50,000,000个液滴或颗粒、至少约100,000,000个液滴或颗粒、至少约500,000,000个液滴或颗粒、至少约1,000,000,000个液滴或颗粒，或者更多个液滴或颗粒。此外，多个液滴可以包括未被占据的液滴(例如空液滴)和已被占据的液滴两者。
液滴或颗粒可以是多分散的、单分散的，或基本上单分散的(例如，具有均匀的直径分布)。在液滴或颗粒的直径分布使得不超过约10％、约5％、约4％、约3％、约2％、约1％或更少的液滴或颗粒的直径大于或小于所有液滴或颗粒的平均直径的约20％、约30％、约50％、约75％、约80％、约90％、约95％、约99％或更多的情况下，多个液滴或颗粒基本上是单分散的。
要分散成液滴的流体可以从储器输送到液滴源区域。替代性地，要分散成液滴的流体通过在装置中结合两种或更多种流体而原位形成。例如，要分散的流体可以通过将包含一种或多种试剂的一种流体与包含一种或多种试剂的一种或多种其他流体结合而形成。在这些实施方案中，混合这些流体料流可以引起化学反应。例如，当采用颗粒时，具有使颗粒破裂的试剂的流体可以与颗粒结合，例如，在紧邻液滴生成区域的上游。在这些实施方案中，颗粒可以是细胞，其可以与裂解试剂(诸如表面活性剂)结合。当采用颗粒(例如支持物)时，颗粒(例如支持物)可以溶解或化学降解，例如通过改变pH(酸或碱)、氧化还原电位(例如添加氧化剂或还原剂)、酶活性、盐或离子浓度，或者其他机制。
第一流体以足以在液滴源区域中产生液滴的流速输送通过第一通道。第一流体的较快流速通常增加液滴产生的速率；然而，在足够高的速率下，第一流体将会形成射流，该射流可能不会分解为液滴。通常，通过第一通道的第一流体的流速可以介于约0.01μL/min至约100μL/min之间，例如介于0.1μL/min至50μL/min之间、介于0.1μL/min至10μL/min之间，或者介于1μL/min至5μL/min之间。在一些情况下，第一液体的流速可以介于约0.04μL/min与约40μL/min之间。在一些情况下，第一液体的流速可以介于约0.01μL/min与约100μL/min之间。替代性地，第一液体的流速可以小于约0.01μL/min。替代性地，第一液体的流速可以大于约40μL/min，例如45μL/min、50μL/min、55μL/min、60μL/min、65μL/min、70μL/min、75μL/min、80μL/min、85μL/min、90μL/min、95μL/min、100μL/min、110μL/min、120μL/min、130μL/min、140μL/min、150μL/min，或更大的值。在较低的流速(诸如约小于或等于10μL/min的流速)下，液滴半径可能不取决于第一液体的流速。替代性地或除此之外，对于任何前面提到的流速，液滴半径可以与第一液体的流速无关。
本发明装置中单个通道的典型液滴或颗粒形成速率介于0.1Hz至10,000Hz之间，例如介于1Hz至1000Hz之间，或者介于1Hz至500Hz之间。使用多个第一通道可以通过增加形成位置的数量来增加液滴或颗粒形成的速率。例如但不限于，单个通道的液滴或颗粒形成速率可以为130Hz至150Hz。
如上文所论述的，液滴或颗粒形成可以在没有外部驱动的连续相运动的情况下发生。在此类实施方案中，连续相响应于第一流体的前进料流的位移或其他力而流动。通道可以存在于液滴或颗粒源区域(例如包括搁板区域)中，以允许连续相围绕第一流体更快速地输送。连续相的这种输送增加可以增加液滴或颗粒形成的速率。替代性地，可以主动输送连续相。例如，连续相可以被主动输送到液滴或颗粒源区域(例如包括搁板区域)中，以增加液滴或颗粒形成的速率；连续相可以被主动输送以在第一流体离开远侧端部时形成围绕第一流体的鞘流；或者连续相可以被主动输送以将液滴或颗粒从形成点移走。
影响液滴或颗粒形成速率的附加因素包括第一流体和连续相的粘度，其中增加任一流体的粘度都会降低液滴或颗粒形成速率。在某些实施方案中，第一流体和/或连续相的粘度介于0.5cP至10cP之间。此外，较低的界面张力导致液滴或颗粒形成较慢。在某些实施方案中，界面张力介于0.1mN/m与100mN/m之间，例如，1mN/m至100mN/m，或2mN/m至60mN/m。搁板区域的深度也可以用于控制液滴或颗粒形成速率，其中较浅的深度导致较快的形成速率。
这些方法可以用于产生直径在1μm至500μm(例如，1μm至250μm、5μm至200μm、5μm至150μm，或12μm至125μm)范围内的液滴或颗粒。影响液滴或颗粒大小的因素包括形成速率、第一通道远侧端部的横截面尺寸、搁板的深度，以及流体特性和动态效应，诸如界面张力、粘度和流速。
第一液体可以是水性的，第二液体可以是油(或者反过来)。油的实例包括全氟化油、矿物油和硅油。例如，氟化油可以包括用于稳定所得液滴(例如，抑制所得液滴随后的聚结)的含氟表面活性剂。特别有用的液体和含氟表面活性剂的实例在例如美国专利号9,012,390中有所描述，该专利全文以引用方式并入本文用于所有目的。具体的实例包括氢氟醚，诸如HFE 7500、7300、7200或7100。合适的液体是US2015/0224466和US 62/522,292中描述的那些，这些专利的液体据此以引用方式并入。在一些情况下，液体包括附加组分，诸如颗粒，例如细胞或凝胶珠粒。如上文所论述的，第一流体或连续相可以包括用于进行各种反应(诸如核酸扩增、裂解或珠粒溶解)的试剂。第一液相或连续相可以包括稳定或以其他方式影响液滴或颗粒或液滴内的组分的附加组分。此类附加组分包括表面活性剂、抗氧化剂、防腐剂、缓冲剂、抗生素、盐、离散剂、酶、纳米颗粒和糖。
本公开的装置和方法可以用于各种应用，诸如处理来自单个细胞的单种分析物(例如生物分析物，例如RNA、DNA或蛋白质)或多种分析物(例如生物分析物，例如DNA和RNA、DNA和蛋白质、RNA和蛋白质，或者RNA、DNA和蛋白质)。例如，生物颗粒(例如，细胞或病毒)可以在液滴中形成，并且来自生物颗粒(例如，细胞)的一种或多种分析物(例如，生物分析物)可以被修饰或检测(例如，被分析物部分结合、标记或以其他方式修饰)用于后续处理。所述多种分析物可以来自单个细胞。该过程可以实现例如对细胞或其群体的蛋白质组、转录组和/或基因组分析(例如，对细胞或其群体同时进行蛋白质组、转录组和/或基因组分析)。
修饰分析物的方法包括在液体载体(例如，水性载体)中提供多个颗粒(例如，支持物)；提供在样品液体中含有分析物(例如，作为细胞或者其组分或产物的一部分)的样品；以及使用该装置来结合这些液体并且形成含有一种或多种颗粒和一种或多种分析物(例如，作为一个或多个细胞或者其组分或产物的一部分)的分析物液滴。液滴中一种或多种颗粒与分析物(例如，与细胞相关联的生物分析物)的这种隔离使得能够对大的异源样品(例如，异源群体内的单个细胞)的离散部分进行标记。液滴或颗粒一旦被标记或以其他方式进行修饰，就可以随后被分选或结合(例如，通过破坏乳液)，并且可以分析所得的液体以确定与众多单细胞中的每一者相关联的多种特性。
在具体实施方案中，本发明的特征在于使用具有在液滴或颗粒源区域近侧相交的颗粒通道和样品通道的装置产生分析物液滴的方法。液体载体中具有分析物部分的颗粒从近侧到远侧(例如，朝向液滴或颗粒源区域)流过颗粒通道，含有分析物的样品液体从近侧到远侧(例如，朝向液滴或颗粒源区域)流过样品通道，直到这两种液体在液滴或颗粒源区域上游(和/或近侧)在样品通道和颗粒通道的相交部处相遇并结合。液体载体与样品液体的组合产生了分析物液体。例如但不限于，来自包括支持物的第一通道的第一液体可以与来自具有生物颗粒的第二通道的第三液体反应，使得液滴包括第一液体和第三液体，以产生具有支持物和生物颗粒两者的分析物液体。在一些实施方案中，这两种液体是可混溶的(例如，它们都含有溶于水或水性缓冲液的溶质)。这两种液体的结合能够以受控的相对速率发生，使得分析物液体具有期望的颗粒液体与样品液体的体积比、期望的颗粒与细胞的数值比，或它们的组合(例如，每50pL每细胞中有一个颗粒)。当分析物液体流过液滴或颗粒源区域进入分隔液体(例如，与分析物液体不可混溶的液体，诸如油)时，形成分析物液滴。替代性地或除此之外，分析物液滴可以在收集区域中积聚(例如，作为基本上静止的群体)。在一些情况下，液滴群体的积聚可以通过收集区域内的流体的平缓流动而发生，例如，以将形成的液滴移出初生液滴的路径。
可用于分析的装置的特征可以在于本文所述的要素的任何组合。例如，在用于分析的装置设计中可以采用各种液滴或颗粒源区域。在一些实施方案中，分析物液滴在具有搁板区域的液滴或颗粒源区域处形成，在该搁板区域处，分析物液体在其穿过液滴或颗粒源区域时在至少一个维度上膨胀。本文所述的任何搁板区域均可以用于本文所提供的分析物液滴分选和/或形成方法中。除此之外或替代性地，液滴或颗粒源区域可以具有台阶区域，该台阶区域在液滴或颗粒源区域的入口处或远侧(例如，在液滴或颗粒源区域内，或者液滴或颗粒源区域远侧)具有台阶。在一些实施方案中，分析物液滴在没有外部驱动的连续相流动的情况下(例如，通过液滴或颗粒源区域处的一个或多个液体交叉流动)形成。替代性地，分析物液滴在存在外部驱动的连续相流动的情况下形成。
可用于形成液滴的装置的特征可以在于多个液滴形成、分选和/或收集区域(例如，(例如作为独立的并联回路)彼此流体连通或不流体连通)。例如，这种装置可以具有2至100、3至50、4至40、5至30、6至24、8至18或9至12个，例如2至6、6至12、12至18、18至24、24至36、36至48或48至96个，例如2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48个或更多个被构造用于产生分析物液滴的液滴形成、分选和/或收集区域。
源储器可以在液滴或颗粒形成之前和期间储存液体。在一些实施方案中，可用于形成分析物液滴的装置包括在近侧连接到一个或多个颗粒通道的一个或多个颗粒储器。在分析物液滴形成之前，颗粒悬浮液可以储存在颗粒储器中。颗粒储器可以被配置为储存含有分析物部分的颗粒。例如，颗粒储器可以包括例如防止颗粒或分析物部分吸附或结合(例如，特异性或非特异性结合)的涂层。除此之外或替代性地，颗粒储器可以被配置为相应地最小化分析物部分(例如，通过包含核酸酶，例如，DNA酶或RNA酶)或颗粒基质本身的降解。
除此之外或替代性地，装置包括在近侧连接到一个或多个样品通道的一个或多个样品储器。在分析物液滴分选和/或形成之前，包含细胞的样品以及/或者可用于分析和/或液滴分选和/或形成的其他试剂可以储存在样品储器中。样品储器可以被配置为减少样品组分的降解，例如通过包括核酸酶(例如，DNA酶或RNA酶)。
本发明的方法包括将样品和/或颗粒施加到装置中，例如，(a)通过将样品液体或者其组分或浓缩物移液到样品储器中，以及/或者(b)通过将液体载体(例如水性载体)和/或颗粒移液到颗粒储器中。在一些实施方案中，该方法涉及在将样品液体或者其组分或浓缩物移液到样品储器中之前，首先将液体载体(例如水性载体)和/或颗粒移液到颗粒储器中。
样品储器和/或颗粒储器可以在适于维持或促进其内容物活性的条件下孵育，直到液滴或颗粒形成和分选启动或开始。
如本文所提供的生物分析物液滴或颗粒的分选和/或形成可以用于各种应用。特别地，通过使用所述的方法和装置分选和/或形成生物分析物液滴，用户可以执行标准的下游处理方法以对细胞的异质群体加条形码，或者执行单细胞核酸测序。
在对细胞群体加条形码的方法中，使具有细胞群体的水性样品在样品通道和颗粒通道的相交部处与水性载体中的具有核酸引物序列和条形码的生物分析物颗粒结合，以形成反应液体。反应液体在穿过液滴或颗粒源区域时，在液滴形成条件下与分隔液体(例如，分隔油)相遇，以在该反应液体中形成多个反应液滴，每个反应液滴具有一个或多个颗粒和一个或多个细胞。反应液滴在足以允许为反应液滴或颗粒中的细胞的核酸加条形码的条件下孵育。在一些实施方案中，对于核酸复制、转录和/或扩增，对足以加条形码的条件进行热优化。例如，反应液滴可以在被配置为使得能够用逆转录酶将液滴中的细胞所产生的RNA逆转录成DNA的温度下孵育。除此之外或替代性地，反应液滴可以循环通过一系列温度以促进扩增，例如，如在聚合酶链反应(PCR)中。因此，在一些实施方案中，反应液滴中包含一种或多种核苷酸扩增试剂(例如，PCR试剂)(例如，引物、核苷酸和/或聚合酶)。用于核酸复制、转录和/或扩增的任何一种或多种试剂可以由水性样品、液体载体或两者提供给反应液滴。在一些实施方案中，用于核酸复制、转录和/或扩增的一种或多种试剂处于水性样品中。
本发明提供了单细胞核酸测序的方法，其中细胞的异源群体可以通过它们各自的基因表达例如相对于该群体的其他细胞来表征。本文论述的和本领域已知的为细胞加条形码的方法可以是本文提供的单细胞核酸测序方法的一部分。在加条形码之后，对已经加条形码的核酸转录物进行测序，并且可以根据已知方法对序列进行处理、分析和储存。在一些实施方案中，这些方法能够生成包含异源群体内的任何单个细胞的基因表达数据的基因组文库。
替代性地，本文所述方法提供的将单细胞或其微粒组分隔离在反应液滴中的能力使得应用能够超出基因组表征的范围。例如，包含单细胞或其微粒组分和能够结合不同蛋白质的各种分析物部分的反应液滴可以允许单细胞或其微粒组分被可检测地标记，以提供相对蛋白质表达数据。在一些实施方案中，分析物部分为抗原结合分子(例如，抗体或其片段)，其中每个抗体克隆被可检测地标记(例如，用具有不同发射波长的荧光标记物)。抗体与蛋白质的结合可以发生在反应液滴内，随后可以根据已知方法分析细胞的结合抗体，以生成蛋白质表达文库。在使用本文提供的方法检测分析物之后，可以采用本领域已知的其他方法来表征异源群体内的细胞。在一个实例中，在分选和/或形成液滴之后，能够进行的后续操作可以包括形成扩增产物、纯化(例如，经由固相可逆固定(SPRI))、进一步加工(例如，剪切、连接功能序列和后续扩增(例如，经由PCR))。这些操作可以成批进行(例如，在液滴外部)。使用本发明方法形成和/或分选的液滴的示例性用途是进行核酸扩增，例如聚合酶链反应(PCR)，其中进行该扩增所必需的试剂包含在第一流体内。在液滴是乳液中的液滴的情况下，可以破坏乳液，然后将液滴的内容物合并，以供附加操作使用。可以连同携带条形码的支持物一起包括在液滴中的附加试剂可以包括用于封闭核糖体RNA(rRNA)的寡核苷酸和用于消化来自细胞的基因组DNA的核酸酶。另选地，可以在附加处理操作期间应用rRNA去除剂。通过这种方法生成的构建体的构型可以帮助在测序期间最小化(或避免)多聚T序列的测序和/或对多核苷酸序列的5’端进行测序。可以对扩增产物(例如第一扩增产物和/或第二扩增产物)进行测序以进行序列分析。在一些情况下，可以使用部分发夹式测序扩增(PHASE)方法进行扩增。
装置制造方法
本公开的微流体装置可以用多种常规方式中的任何一种来制造。装置可以全部或部分地由聚合物材料制成，其中聚合物材料诸如聚乙烯或聚乙烯衍生物，诸如环烯烃共聚物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚苯乙烯等，或者它们可以全部或部分地由无机材料制成，其中无机材料诸如硅或其他基于二氧化硅的材料，例如玻璃、石英、熔融二氧化硅、硼硅酸盐玻璃、金属、陶瓷，以及它们的组合。聚合物装置部件可以使用多种工艺中的任何一种来制造，这些工艺包括软光刻、压花技术、显微机械加工，例如激光加工，或者在一些方面包括层部件的注塑成型，这些层部件包括限定的通道以及其他结构，例如储器、集成的功能部件等。在一些方面，包括储器和通道的结构可以使用例如注塑成型技术来制造，以产生聚合结构。在此类情况下，层压层可以通过现成的方法粘附至模制的结构化零件，这些方法包括热层压、基于溶剂的层压、声波焊接等。
应当理解，由无机材料组成的结构也可以使用已知技术制造。例如，可以使用标准光刻技术将通道和其他结构微加工到表面中或者蚀刻到表面中。在一些方面，微流体装置或其部件可以使用三维印刷技术制造，以制造装置和/或其分立部件的通道或其他结构。
其他实施方案
虽然已结合本发明的具体实施方案描述了本发明，但应理解，其能够进一步修改，并且本申请旨在涵盖本发明的任何变型、使用或修改并遵循权利要求书的范围，所述任何变型、使用或修改一般来说遵循本发明的原理，并且包括与属于本发明所属领域内已知或惯常实践范围内且可应用于上文阐述的基本特征的本发明的此类偏离。其他实施方案在权利要求书内。
实施例
实施例1
图2示出了包含具有式I结构的氟碳硅烷和1H,10H,10H-全氟癸烷-1,10-二醇的交联氟碳化合物表面涂层的一个示例性实施方案。通过使第一氟碳硅烷的R1、R2、R3、R4、R5或R6中的至少一个烷氧基与1H,1H,10H,10H-全氟癸烷-1,10-二醇的第一羟基反应，以及使第二氟碳硅烷的R1、R2、R3、R4、R5或R6中的至少一个烷氧基与1H,1H,10H,10H-全氟癸烷-1,10-二醇的第二羟基反应，来交联氟碳硅烷。将交联氟碳化合物表面涂层施加到装置的液滴源区域，其中1H,1H,10H,10H-全氟癸烷-1,10-二醇以约0.01重量百分比(重量％)至约0.075重量％范围内的浓度添加。1H,1H,10H,10H-全氟癸烷-1,10-二醇以0.03重量百分比(重量％)添加时，液滴生成频率实现141.893+/-2.91668Hz与139.586+/-2.16702Hz的一致结果。此外，1H,1H,10H,10H-全氟癸烷-1,10-二醇以0.03重量％添加时，发生润湿失败与生成不对称液滴的次数减少。
实施例2
图3示出了与全氟聚醚二醇交联的氟碳化合物表面涂层的一个示例性实施方案，该全氟聚醚二醇的分子量为1540g/mol或1870g/mol，一般结构为HO-X-(CF2CF2O)n(CF2O)m(CF2CF(CF3)O)k-Y-OH，其中X和Y是烷基或全氟单元，并且m、n和k在0至6范围内。将交联氟碳化合物表面涂层施加到装置的液滴源区域，其中分子量为1540g/mol的全氟聚醚二醇以约90摩尔％至约150摩尔％范围内的浓度添加。分子量为1540g/mol的全氟聚醚二醇以90摩尔％添加时，液滴生成频率实现139.242+/-2/12496Hz，其中摩尔％是指氟碳多元醇的摩尔数与氟碳硅烷的摩尔数之比。此外，分子量为1540g/mol的全氟聚醚二醇以90摩尔％添加时，发生润湿失败与生成不对称液滴的次数减少。将交联氟碳化合物表面涂层施加到装置的液滴源区域，其中分子量为1870g/mol的全氟聚醚二醇以约90摩尔％至约150摩尔％范围内的浓度添加。分子量为1870g/mol的全氟聚醚二醇以90摩尔％添加时，液滴生成频率实现141.532+/-3.07475Hz的一致结果。此外，分子量为1870g/mol的全氟聚醚二醇以90摩尔％添加时，发生润湿失败与生成不对称液滴的次数减少。
实施例3
图4示出了使用多种氟碳硅烷和1H,1H,10H,10H-全氟癸烷-1,10-二醇的交联氟碳化合物表面涂层的一个示例性实施方案。将交联氟碳化合物表面涂层施加到装置的液滴源区域，其中1H,1H,10H,10H-全氟癸烷-1,10-二醇以约0.01重量％至约0.075重量％范围内的浓度添加。1H,1H,10H,10H-全氟癸烷-1,10-二醇以0.03重量百分比(重量％)添加时，液滴生成频率实现约141Hz+/-2.92Hz的一致结果。此外，1H,1H,10H,10H-全氟癸烷-1,10-二醇以0.03重量％添加时，发生润湿失败与生成不对称液滴的次数减少。
权利要求书也包括其他实施方案。
Claims (46)
1.一种交联氟碳化合物表面涂层套件，包括具有式I结构的氟碳硅烷：
其中：
每个Y独立地为C1-C7氟代亚烷基或C1-C7杂氟代亚烷基；
每个n独立地为0、1、2、3、4、5、6或7；
每个Z独立地为-OR9-或-R9-，其中R9为C1-C6全氟代亚烷基；
m为1、2、3、4、5或6；
每个W独立地为-C(O)NRa-、-NRaC(O)-、-C(O)O-、-OC(O)-、-C(O)S-、-SC(O)-或-O-，其中Ra为-H、C1-C6全氟代烷基或-F；
X1为-[(CH2)jQ]s-(CH2)j-或任选被取代的C1-C6亚烷基并且X2为-(CH2)j-[Q(CH2)j]s-或任选被取代的C1-C6亚烷基，其中Q为-O-、-S-、-NRb-、-NRbC(O)-、-C(O)NRb-、-C(O)O-、-C(O)S-或-SC(O)-，Rb为-H或C1-C6烷基，每个j独立地为1、2、3、4、5或6，并且每个s独立地为1、2、3、4、5或6；
R1、R2、R3、R4、R5和R6中的每一者独立地为任选被取代的C1-C6烷氧基、C1-C6烷基，或卤代，其中R1、R2或R3中的至少一者和R4、R5或R6中的一者为C1-C6烷氧基；并且
R7和R8中的每一者独立地为F或C1-C6全氟代烷基；以及
氟碳多元醇。
2.如权利要求1所述的套件，其中Y为-O(CR10 2)p-，其中p为1、2、3、4、5或6，并且每个R10独立地为F或C1-C6全氟代烷基。
3.如权利要求2所述的套件，其中至少一个R10为C1-C6全氟代烷基。
4.如权利要求1所述的套件，其中Y为-OCF2-CF(R11)-，其中R11为C1-C5全氟代烷基。
5.如权利要求4所述的套件，其中R11为CF3。
6.如权利要求1所述的套件，其中Y为C1-C7杂氟代亚烷基。
7.如权利要求6所述的套件，其中Y为-(OCF2-CF2)n-、-(OCF2)n-、-(OCF(CF3)-CF2)n-、
其中n为0、1、2、3、4、5、6或7。
8.如权利要求1至7中任一项所述的套件，其中Z为-OCF2-CF2-CF2-CF2-或-OCF2-CF2-CF2-CF2-CF2-。
9.如权利要求1至8中任一项所述的套件，其中R1、R2、R3、R4、R5和R6中的每一者都是甲氧基。
10.如权利要求1至8中任一项所述的套件，其中R1、R2、R3、R4、R5和R6中的每一者都是氯。
11.如权利要求3所述的套件，其中所述氟碳硅烷具有式II结构：
其中每个n独立地为0、1、2、3、4、5、6或7；并且
m为1、2、3、4、5或6。
12.如权利要求1所述的套件，其中所述氟碳多元醇是二醇。
13.如权利要求12所述的套件，其中所述氟碳多元醇是式V化合物：
HO-V-OH
(V)，
其中：
V为-(CZ2)n’-C1-15全氟代亚烷基-(CZ2)n’-或-(CZ2)n’-(C1-15杂氟代亚烷基)n’-(CZ2)n’-，其中每个Z独立地为H、F或C1-6全氟代烷基，并且每个n’独立地为1、2、3、4、5、6或7。
14.如权利要求13所述的套件，其中V为–(CZ2)n’-C1-15全氟代亚烷基-(CZ2)n’-。
15.如权利要求14所述的套件，其中V为-CH2-(CF2)k’-CH2-或-(C(CF3)2)k’-，其中k’为1至15。
16.如权利要求13所述的套件，其中V为-(CZ2)n’-(C1-15杂氟代亚烷基)n’-(CZ2)n’-。
17.如权利要求16所述的套件，其中V为-C(CF3)2(OCF3)-C(CF3)2-、-CH2(OCF2)k’-(OCF2CF2)k’-CH2-或-CH2-CH2(OCF2)k’-(OCF2CF2)k’-CH2-CH2-，其中k’+k’为1至30。
18.如权利要求13所述的套件，其中V具有式VI结构：
其中每个n独立地为0、1、2、3、4、5、6或7，并且m为1、2、3、4、5或6。
19.一种微流体装置，包括：
第一通道或区域，其涂覆有交联氟碳化合物表面涂层并且具有第一深度、第一宽度、第一近侧端部和第一远侧端部。
20.如权利要求19所述的装置，其中所述交联氟碳化合物表面涂层通过氟碳硅烷与氟碳多元醇的反应而产生。
21.如权利要求20所述的装置，其中所述氟碳硅烷具有式I结构：
其中：
每个Y独立地为C1-C7氟代亚烷基或C1-C7杂氟代亚烷基；
每个n独立地为0、1、2、3、4、5、6或7；
每个Z独立地为-OR9-或-R9-，其中R9为C1-C6全氟代亚烷基；
m为1、2、3、4、5或6；
每个W独立地为-C(O)NRa-、-NRaC(O)-、-C(O)O-、-OC(O)-、-C(O)S-、-SC(O)-或-O-，其中Ra为-H、C1-C6全氟代烷基或-F；
X1为-[(CH2)jQ]s-(CH2)j-或任选被取代的C1-C6亚烷基并且X2为-(CH2)j-[Q(CH2)j]s-或任选被取代的C1-C6亚烷基，其中Q为-O-、-S-、-NRb-、-NRbC(O)-、-C(O)NRb-、-C(O)O-、-C(O)S-或-SC(O)-，Rb为-H或C1-C6烷基，每个j独立地为1、2、3、4、5或6，并且每个s独立地为1、2、3、4、5或6；
R1、R2、R3、R4、R5和R6中的每一者独立地为任选被取代的C1-C6烷氧基、C1-C6烷基，或卤代，其中R1、R2或R3中的至少一者和R4、R5或R6中的一者为C1-C6烷氧基；并且
R7和R8中的每一者独立地为F或C1-C6全氟代烷基。
22.如权利要求21所述的装置，其中Y为-O(CR10 2)p-，其中p为1、2、3、4、5或6，并且每个R10独立地为F或C1-C6全氟代烷基。
23.如权利要求22所述的装置，其中至少一个R10为C1-C6全氟代烷基。
24.如权利要求21所述的装置，其中Y为-OCF2-CF(R11)-，其中R11为C1-C5全氟代烷基。
25.如权利要求24所述的装置，其中R11为CF3。
26.如权利要求21所述的装置，其中Y为C1-C7杂氟代亚烷基。
27.如权利要求26所述的装置，其中Y或Z独立地为-(OCF2-CF2)n-、-(OCF2)n-、-(OCF(CF3)-CF2)n-、
其中n为0、1、2、3、4、5、6或7。
28.如权利要求21至27中任一项所述的装置，其中Z为-OCF2-CF2-CF2-CF2-或-OCF2-CF2-CF2-CF2-CF2-。
29.如权利要求21至28中任一项所述的装置，其中R1、R2、R3、R4、R5和R6中的每一者都是甲氧基。
30.如权利要求21至28中任一项所述的装置，其中R1、R2、R3、R4、R5和R6中的每一者都是氯。
31.如权利要求21所述的装置，其中所述氟碳硅烷具有式II结构：
其中每个n独立地为0、1、2、3、4、5、6或7；并且
m为1、2、3、4、5或6。
32.如权利要求20所述的装置，其中所述氟碳多元醇是二醇。
33.如权利要求32所述的装置，其中所述氟碳多元醇是式V化合物：
HO-V-OH
(V)，
其中：
V为-(CZ2)n’-C1-15全氟代亚烷基-(CZ2)n’-或-(CZ2)n’-(C1-15杂氟代亚烷基)n’-(CZ2)n’-，其中每个Z独立地为H、F或C1-6全氟代烷基，并且每个n’独立地为1、2、3、4、5、6或7。
34.如权利要求33所述的装置，其中V为-(CZ2)n’-C1-15全氟代亚烷基-(CZ2)n’-。
35.如权利要求34所述的装置，其中V为-CH2-(CF2)k-CH2-或-(C(CF3)2)k-，其中k为1至15。
36.如权利要求33所述的装置，其中V为-(CZ2)n’-(C1-15杂氟代亚烷基)n’-(CZ2)n’-。
37.如权利要求36所述的装置，其中V为-C(CF3)2(OCF3)-C(CF3)2-、-CH2(OCF2)k’-(OCF2CF2)k’-CH2-或-CH2-CH2(OCF2)k’-(OCF2CF2)k’-CH2-CH2-，其中k’+k’为1至30。
38.如权利要求33所述的装置，其中V具有式VI结构：
其中每个n独立地为0、1、2、3、4、5、6或7，并且m为1、2、3、4、5或6。
39.如权利要求19至38中任一项所述的装置，还包括液滴源区域，所述液滴源区域涂覆有所述交联氟碳化合物表面涂层，与所述第一远侧端部流体连通，并且被构造用于在第二液体中产生第一液体的液滴。
40.如权利要求39所述的装置，其中所述液滴源区域包括：
i)具有第二深度和第二宽度的搁板区域，其中所述第二宽度大于所述第一宽度，并且其中所述第一远侧端部与所述搁板区域流体连通；以及
ii)收集区域，所述收集区域被构造用于收集所述液滴并且包括至少一个壁，所述壁形成与所述搁板区域流体连接的台阶区域。
41.如权利要求40所述的装置，其中所述搁板区域包括所述交联氟碳化合物表面涂层。
42.一种产生液滴的方法，包括：
a)提供权利要求39中任一项所述的装置；以及
b)使第一液体从所述第一近侧端部流向所述液滴源区域，以在第二液体中产生所述第一液体的液滴。
43.如权利要求42所述的方法，其中所述第一液体是水性的或能够与水混溶的。
44.如权利要求42所述的方法，其中所述装置包括：
第二通道，所述第二通道包括第三液体并且具有第二深度、第二宽度、第二近侧端部和第二远侧端部，所述第二通道在所述第一近侧端部与所述第一远侧端部之间与所述第一通道相交，其中所述第三液体在所述相交部处与所述第一液体结合；并且其中所述液滴包括所述第一液体和所述第三液体。
45.如权利要求44所述的方法，其中所述第一液体包括支持物，所述第三液体包括颗粒，并且所述液滴包括来自所述第一液体的所述支持物和来自所述第三液体的所述颗粒。
46.如权利要求42至45中任一项所述的方法，其中液滴以130Hz至150Hz的生成频率产生。
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