DE202015009609U1

DE202015009609U1 - Mikrofluidisches System zur Erzeugung von Emulsionen

Info

Publication number: DE202015009609U1
Application number: DE202015009609.3U
Authority: DE
Original assignee: 10X Genomics Inc
Current assignee: 10X Genomics Inc
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2018-08-06
Anticipated expiration: 2025-04-10
Also published as: CN110548550A; CN114534806A; JP2017514151A; IL247934A0; BR112016023625A2; AU2023200224A1; US10071377B2; CN110548550B; CA2943624A1; EP3129143A4; KR20160142883A; US20150292988A1; DE202015009494U1; US20180015473A1; AU2020220097B2; US10150117B2; KR102596508B1; EP3129143A1; AU2015243445B2; US9694361B2

Abstract

Ein mikrofluidisches System, umfassend:
(a) ein mikrofluidisches Kanalnetzwerk umfassend mindestens ein erstes, zweites und drittes Kanalsegment in Fluidverbindung mit einem Tröpfchenerzeugungsknoten;
(b) eine erste Fluidquelle, die fluidisch mit dem ersten Kanalsegment verbunden ist und ein erstes Fluid umfasst, das ein wässriges Fluid umfasst, wobei das wässrige Fluid eine Vielzahl von darin disponierten Mikrokapseln umfasst;
(c) eine zweite Fluidquelle, die mit dem zweiten Kanalsegment fluidisch verbunden ist und ein zweites Fluid umfasst, das mit dem wässrigen Fluid nicht mischbar ist; und
(d) ein Stromkontrollsystem, das mit dem mikrofluidischen Kanalnetzwerk verbunden ist, das
(i) das erste Fluid und das zweite Fluid einem Strömen in den Tröpfchenerzeugungsknoten unterwirft, um Tröpfchen zu erzeugen, die Mikrokapseln umfassen, und
(ii) die Tröpfchen einem Strömen ins dritte Kanalsegment unterwirft, so dass mindestens 75% der Tröpfchen mindestens eine Mikrokapsel umfassen und weniger als 25% der Tröpfchen mehr als eine Mikrokapsel umfassen. wobei das mikrofluidische System weiterhin eine Mikrokapselstromregulierungskomponente umfasst, die eine Frequenz breitstellt, mit der die Mikrokapseln strömen, die einen Variationskoeffizienten von weniger als 50% aufweist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft mikrofluidische Systeme zur Erzeugung von Emulsionen.
HINTERGRUND
Das Gebiet der Biowissenschaften hat in den letzten zwei Jahrzehnten dramatische Fortschritte gemacht. Von der breiten Kommerzialisierung von Produkten, die von der Technologie rekombinanter Desoxyribonukleinsäuren (DNA) abgeleitet sind, bis hin zur Vereinfachung der Forschung, Entwicklung und Diagnostik, die durch kritische Forschungsinstrumente ermöglicht wurden, wie die Polymerasekettenreaktion, Nukleinsäurematrixtechnologien, robuste Nukleinsäuresequenzierungstechnologien und, in jüngerer Zeit, die Entwicklung und Vermarktung von Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation mit hoher Durchsatzrate. Alle diese Verbesserungen haben dazu beigetragen, die Felder der biologischen Forschung, Medizin, Diagnostik, landwirtschaftlichen Biotechnologie und unzähliger anderer verwandter Gebiete sprunghaft voranzubringen.
Keine dieser Technologien existiert allgemein in einem Vakuum, sondern ist in einen breiteren Arbeitsablauf integriert, der vorgelagerte Komponenten der Probengewinnung und -vorbereitung umfasst, sowie die nachfolgenden Komponenten der Datenerfassung, -dekonvolution, -interpretation und letztendlich -nutzung. Darüber hinaus neigte jeder dieser Fortschritte, obwohl er für seine Gebiete einen großen Schritt vorwärts bedeutet hat, dazu, kritische Engpässe in den Arbeitsabläufen aufzudecken, die sich selbst entwickeln müssen, um den Anforderungen des Gebiets zu entsprechen. Zum Beispiel wird die Genomsequenzierung an beiden Enden durch kritische Arbeitsablaufprobleme beschränkt, einschließlich, in vielen Fällen, komplexer und arbeitsintensiver Probenvorbereitungsprozesse, nur um die Sequenzierung von Nukleinsäuren aus Probenmaterialien beginnen zu können. Ähnlich gibt es, sobald Sequenzdaten erhalten wurden, ein komplexes nachgelagertes Informatikerfordernis, um die Sequenzdaten in Basenfeststellungen zu dekonvolvieren und dann die bestimmten Basensequenzen zu zusammenhängenden Sequenzdaten zusammenzusetzen, und letztendlich diese Sequenzdaten mit ganzen Genome für einen gegebenen Organismus abzugleichen.
Ein kritischer Engpass für viele dieser Technologien liegt nicht in ihrer Fähigkeit, massive Datenmengen zu erzeugen, sondern in der Fähigkeit, jene Daten spezifischer einem Teil einer komplexen Probe oder einer bestimmten Probe unter vielen Multiplex-Proben zuzuordnen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Im Folgenden werden die Teile der Beschreibung und Zeichnungen, die sich auf Ausführungsformen beziehen, die nicht durch die Ansprüche abgedeckt sind, nicht als Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, sondern als Beispiele, die zum Verständnis der Erfindung nützlich sind.
Vorrichtungen, Verfahren und Systeme der vorliegenden Offenbarung stellen Lösungen für Herausforderungen auf verschiedenen Gebieten bereit, einschließlich der oben beschriebenen Herausforderungen. Die vorliegende Offenbarung stellt Vorrichtungen, Systeme und Verfahren für die Erzeugung von eingekapselten Reagenzien sowie multiplexierten Partitionen bereit, die diese eingekapselten Reagenzien zur Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungen enthalten.
Die Vorrichtungen, Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung verwenden mikrofluidische Systeme bei der Erzeugung von monodispersen Populationen von Mikrokapseln oder Kügelchen, die Reagenzien, wie damit assoziierte biologische Reagenzien, aufweisen können. Auch bereitgestellt werden Vorrichtungen, Systeme und Verfahren zum selektiven und kontrollierbaren Partitionieren dieser Mikrokapseln oder Kügelchen in Tröpfchen in Emulsionen zur Verwendung bei der Durchführung weiterer Reaktionen und/oder Analysen. Auch bereitgestellt werden die verschiedenen Bestandteile der Vorrichtungen und Systeme sowie Schnittstellenkomponenten zur Erleichterung der Interaktion zwischen solchen Komponenten.
Ein beispielhafter Aspekt der Offenbarung stellt ein Verfahren zum Partitionieren von Mikrokapseln bereit. Das Verfahren kann das Bereitstellen eines wässrigen Fluids umfassen, das eine Suspension von Mikrokapseln umfasst, und Einströmen des wässrige Fluid in einen Tröpfchenerzeugungsknoten umfassend ein Trennfluid, um eine Population von Tröpfchen des wässrigen Fluids in dem Trennfluid zu bilden. Die Flussrate des wässrigen Fluids kann so sein, dass nicht mehr als 50% der Tröpfchen der Population von Tröpfchen durch eine Mikrokapsel aus der Suspension von Mikrokapseln unbesetzt sind.
In manchen Ausführungsformen ist die Flussrate derart, dass nicht mehr als 25% der Tröpfchen der Population von Tröpfchen von einer Mikrokapsel unbesetzt sind. In manchen Ausführungsformen ist die Flussrate derart, dass nicht mehr als 10% der Tröpfchen der Population von Tröpfchen durch eine Mikrokapsel unbesetzt sind. In einigen Ausführungsformen ist die Flussrate derart, dass nicht mehr als 50%, 45%, 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, 15%, 10%, 5%, 2% oder 1% der Population von Tröpfchen von einer Mikrokapsel unbesetzt sind.
In einigen Ausführungsformen umfassen weniger als 25% der Tröpfchen der Population von Tröpfchen mehr als eine Mikrokapsel. In einigen Ausführungsformen umfassen weniger als 20% der Tröpfchen der Population von Tröpfchen mehr als eine Mikrokapsel. In einigen Ausführungsformen umfassen weniger als 15% der Tröpfchen der Population von Tröpfchen mehr als eine Mikrokapsel. In einigen Ausführungsformen umfassen weniger als 10% der Tröpfchen der Tröpfchenpopulation mehr als eine Mikrokapsel. In einigen Ausführungsformen umfassen weniger als 5% der Tröpfchen der Tröpfchenpopulation mehr als eine Mikrokapsel.
In einigen Ausführungsformen umfassen mindestens 80% der Tröpfchen der Population von Tröpfchen eine einzige Mikrokapsel. In einigen Ausführungsformen umfassen mindestens 90% der Tröpfchen der Population von Tröpfchen eine einzige Mikrokapsel. In einigen Ausführungsformen umfassen mindestens 95% der Tröpfchen der Population von Tröpfchen eine einzige Mikrokapsel. In einigen Ausführungsformen umfassen mindestens 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 98% oder 99% Tröpfchen der Tröpfchenpopulation eine einzige Mikrokapsel.
In einigen Ausführungsformen kann der Tröpfchenerzeugungsknoten in einem mikrofluidischen Kanalnetzwerk einer mikrofluidischen Vorrichtung sein. In einigen Ausführungsformen kann das mikrofluidische Kanalnetzwerk ein erstes Kanalsegment umfassen, das eine Quelle von Mikrokapseln mit dem Tröpfchenerzeugungsknoten fluidisch verbindet. Das mikrofluidische Kanalnetzwerk kann auch ein zweites Kanalsegment umfassen, das eine Quelle für Trennfluid mit dem Tröpfchenerzeugungsknoten verbindet, und ein drittes Kanalsegment, das fluidisch mit dem Tröpfchenerzeugungsknoten verbunden ist und einen Auslass für den Tröpfchenerzeugungsknoten bereitstellt.
In einigen Ausführungsformen kann die Flussrate durch Bereitstellen eines oder mehr Druckunterschiede über die ersten und zweiten Kanalsegmente bereitgestellt werden. In manchen Ausführungsformen können das erste und/oder zweite Kanalsegment Querschnittsdimensionen aufweisen, die die Strömungsrate so bereitstellen, dass nicht mehr als 50% der Tröpfchen der Population von Tröpfchen von einer Mikrokapsel aus der Suspension von Mikrokapseln unbesetzt sind. In einigen Ausführungsformen kann das mikrofluidische Kanalnetzwerk ferner eine oder mehr Flusskontrollstrukturen innerhalb des ersten Kanalsegments umfassen, die die Flussrate bereitstellen.
In einigen Ausführungsformen haben die Mikrokapseln der Suspension von Mikrokapseln eine mittlere Querschnittsdimension und einen Variationskoeffizienten der Querschnittsdimension von nicht mehr als 10%. In einigen Ausführungsformen haben die Mikrokapseln der Suspension von Mikrokapseln eine mittlere Querschnittsdimension und einen Variationskoeffizienten der Querschnittsdimension von nicht mehr als 10%, 8%, 6%, 4%, 2% oder 1%.
Ein zusätzlicher Aspekt der Offenbarung stellt ein beispielhaftes Verfahren zum Partitionieren von Mikrokapseln bereit. Das Verfahren kann das Strömen eines wässrigen Fluids umfassend eine Suspension von Mikrokapseln in einen Tröpfchenerzeugungsknoten umfassend ein Trennfluid umfassen. Während eines Fensters der Tröpfchenerzeugung können die Mikrokapseln mit einer Frequenz, die weniger als 30% variiert, in den Tröpfchenerzeugungsknoten strömen. Das Verfahren kann auch das Partitionieren der Mikrokapseln im Trennfluid während des Fensters der Tröpfchenerzeugung umfassen. In einigen Ausführungsformen ist die Frequenz größer als 50 Hz. In einigen Ausführungsformen ist die Frequenz größer als 500 Hz. In einigen Ausführungsformen ist die Frequenz größer als 1000 Hz. In einigen Ausführungsformen ist die Frequenz größer als 50 Hz, 100 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 750 Hz, 1000 Hz, 1250 Hz, 1500 Hz, 1750 Hz oder 2000 Hz.
In einigen Ausführungsformen strömen die Mikrokapseln während des Fensters der Tröpfchenerzeugung mit einer Frequenz in den Tröpfchenerzeugungsknoten, die weniger als 20% variiert. In einigen Ausführungsformen fließen die Mikrokapseln während des Fensters der Tröpfchenerzeugung mit einer Frequenz in den Tröpfchenerzeugungsknoten, die weniger als 10% variiert. In einigen Ausführungsformen fließen die Mikrokapseln während des Fensters der Tröpfchenerzeugung mit einer Frequenz in den Tröpfchenerzeugungsknoten, die weniger als 5% variiert. In einigen Ausführungsformen fließen die Mikrokapseln während des Fensters der Tröpfchenerzeugung mit einer Frequenz in den Tröpfchenerzeugungsknoten, die weniger als 30%, 25%, 20%, 15%, 10%, 5%, 2% oder 1% variiert.
In einigen Ausführungsformen kann das Strömen des wässrigen Fluids umfassend die Suspension von Mikrokapseln in dem Tröpfchenerzeugungsknoten umfassend ein Trennfluid das Strömen des wässrigen Fluids durch einen mikrofluidischen Kanal umfassen, der fluidisch mit dem Tröpfchenerzeugungsknoten verbunden ist. Der mikrofluidische Kanal kann eine Region umfassen, die den Fluss (z. B. Flussrate) der Mikrokapseln reguliert.
Ein zusätzlicher Aspekt der Offenbarung stellt ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung von Mikrokapseln bereit. Das Verfahren kann Bereitstellen eines Gelvorläufers in einem wässrigen Fluid und das Strömen des wässrigen Fluids mit dem Gelvorläufer durch eine Fluidleitung, die fluidisch mit einem Tröpfchenerzeugungsknoten umfassend ein Trennfluid verbunden ist, umfassen. Das Trennfluid kann ein Gelaktivierungsagens umfassen. Das Verfahren kann auch Bilden von Tröpfchen des wässrigen Fluids im Trennfluid umfassen, wo innerhalb der Tröpfchen das Gelaktivierungsagens den Gelvorläufer kontaktiert, um Gelmikrokapseln zu bilden. In einigen Ausführungsformen kann das wässrige Fluid auch ein biologisches Molekül umfassen, wobei beispielsweise das biologische Molekül in den Gelmikrokapseln mitgezogen werden kann.
Ein zusätzlicher Aspekt der Offenbarung stellt ein beispielhaftes Verfahren zum Partitionieren von Mikrokapseln bereit. Das Verfahren kann das Strömen eines wässrigen Fluids umfassend eine Suspension einer monodispersen Population von Mikrokapseln in einen Tröpfchenerzeugungsknoten umfassen. Die monodisperse Population kann eine mittlere Querschnittsdimension und einen Variationskoeffizienten der Querschnittsdimension von nicht mehr als 10% aufweisen. Das Verfahren kann auch Einführen eines Trennfluids in den Tröpfchenerzeugungsknoten und Trennen des wässrigen Fluids in Tröpfchen innerhalb des Trennfluids umfassen, wobei die Tröpfchen eine oder mehr Mikrokapseln enthalten.
Ein zusätzlicher Aspekt der Offenbarung stellt ein mikrofluidisches System bereit. Das mikrofluidische System kann ein mikrofluidisches Kanalnetzwerk umfassen, das mindestens ein erstes, ein zweites und ein drittes Kanalsegment in Fluidverbindung mit einem Tröpfchenerzeugungsknoten umfasst. Das erste Kanalsegment kann fluidisch mit einer ersten Fluidquelle verbunden sein, die ein erstes Fluid umfasst, das ein wässriges Fluid umfasst. Das wässrige Fluid kann eine Vielzahl von darin angeordneten Mikrokapseln umfassen. Des Weiteren kann das zweite Kanalsegment fluidisch mit einer zweiten Fluidquelle verbunden sein, die ein zweites Fluid umfasst, das mit dem wässrigen Fluid nicht mischbar ist. Das mikrofluidische System kann auch ein mit dem mikrofluidischen Kanalsystem verbundenes Flusskontrollsystem umfassen. Das Flusskontrollsystem kann das erste Fluid und das zweite Fluid in den Tröpfchenerzeugungsknoten fließen lassen, um Tröpfchen zu erzeugen, die Mikrokapseln umfassen; und kann die Tröpfchen in das dritte Kanalsegment strömen lassen, so dass mindestens 75% der Tröpfchen mindestens eine Mikrokapsel und weniger als 25% der Tröpfchen mehr als eine Mikrokapsel umfassen.
Ein zusätzlicher Aspekt der Offenbarung stellt ein mikrofluidisches System bereit. Das mikrofluidische System kann ein mikrofluidisches Kanalnetzwerk umfassen. Das mikrofluidische Kanalnetzwerk kann ein erstes Kanalsegment, das an eine Quelle eines ersten wässrigen Fluids gekoppelt ist, das eine Suspension von Mikrokapseln umfasst; mindestens ein zweites Kanalsegment, das an eine Quelle eines zweiten wässrigen Fluids gekoppelt ist, wobei das erste und zweite Kanalsegment in Fluidverbindung an einem ersten Knoten stehen, der das erste wässrige Fluid mit dem zweiten wässrigen Fluid in Kontakt bringt; und ein drittes Kanalsegment, das mit dem ersten Knoten gekoppelt ist und mindestens ein viertes Kanalsegment an einem zweiten Knoten schneidet, umfassen. Das mindestens eine vierte Kanalsegment kann an eine Quelle eines Fluids gekoppelt sein, das mit dem ersten und zweiten wässrigen Fluid nicht mischbar ist. Darüber hinaus kann der zweite Knoten das erste und zweite wässrige Fluid in Tröpfchen innerhalb des Fluids partitionieren. Das mikrofluidische System kann auch ein Flusskontrollsystem umfassen, das operabel mit dem mikrofluidischen Kanalnetzwerk gekoppelt ist. Das Flusskontrollsystem kann das erste, zweite und dritte Fluid durch das mikrofluidische Kanalnetzwerk fließen lassen, um Tröpfchen zu bilden, die das erste und zweite wässrige Fluid in dem Fluid umfassen, mit einer Frequenz von mindestens 50 Hz und die weniger als 20% variiert.
Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, in der nur veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung gezeigt und beschrieben sind, leicht ersichtlich werden. Wie zu erkennen ist, ist die vorliegende Offenbarung in der Lage, andere und verschiedene Ausführungsformen zu verwenden, und ihre verschiedenen Details sind in verschiedenen offensichtlichen Aspekten Modifikationen zugänglich, all dies ohne von der Offenbarung abzuweichen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und die Beschreibung als veranschaulichender und nicht als einschränkender Natur anzusehen.
Figurenliste

Fig. 1A, Fig. 1B und 1C stellen schematische Darstellungen von beispielhaften partitions- oder tröpfchenerzeugenden fluidischen Kanalknoten dar.
2 veranschaulicht schematisch eine einfache, beispielhafte fluidische Kanalarchitektur zur Partitionierung von Mikrokapseln und anderer Fluide in Tröpfchen in einer Wasser-in-Öl-Emulsion.
Fig. 3A und 3B veranschaulichen schematisch eine beispielhafte fluidische Kanalarchitektur zur Partitionierung eingekapselter Reagenzien in Tröpfchen in einer Emulsion.
4 veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes Kanalnetzwerk und mikrofluidische Vorrichtung, die in der Partitionierung eingekapselter Reagenzien nützlich sind.
5 veranschaulicht schematisch eine Seitenansicht einer beispielhaften Speicherstruktur zur Verbesserung der Manipulation von Mikrokapselzusammensetzungen innerhalb fluidischer Systeme.
Fig. 6A und 6B veranschaulichen eine beispielhafte Mikrokapselflussregulierende Struktur.
Fig. 7A und 7B veranschaulichen schematisch ein Beispiel von wechselwirkenden fluidenthaltenden Gefäßen mit einem Fluidspeicher auf einer Vorrichtung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Allgemein
Die vorliegende Offenbarung stellt Vorrichtungen, Systeme und Verfahren bereit, die besonders nützlich sind, um komplexe Proben zur Analyse unter Verwendung von Hochdurchsatz-Analysesystemen zu handhaben, einschließlich zum Beispiel Hochdurchsatz-Nukleinsäureanalysesysteme wie Nukleinsäurearrays, Nukleinsäuresequenziersysteme, Nukleinsäureamplifikations- und - quantifizierungssysteme oder dergleichen. Insbesondere sind die hierin beschriebenen Vorrichtungen, Systeme und Verfahren besonders nützlich, um eingekapselte Reagenzien oder Reagenzsysteme bereitzustellen und diese Reagenzien mit Probenkomponenten für die weitere Reaktion und/oder Analyse zu kopartitionieren. Diese Kopartitionierung von Reagenzien und Probenkomponenten kann zum Beispiel zur Verringerung der Komplexität des Probenmaterials durch Trennen von Teilen der Probe in verschiedene Partitionen verwendet werden. Des Weiteren kann man, indem man auch Reagenzien trennt, jeden Probenportion einer anderen Reaktion unterziehen, einschließlich zum Beispiel der Anbringung von einzigartigen Identifikatoren an verschiedenen Probenkomponenten, z. B. Befestigung eines diskreten Strichcodes oder Markierungsreagenzes an den diskreten Probenkomponenten.
Besonders elegante Beispiele dieser Kopartitionierungsansätze sind in veröffentlichter internationaler Patentanmeldung Nr. WO2014/028537 und U.S.-Patentanmeldungen Nrn. 14/104,650 (eingereicht 12. Dezember 2013), 14/175,935 (eingereicht 7. Februar 2014), 14/175,973 (eingereicht 7. Februar 2014) und 61/937,344 (eingereicht 7. Februar 2014) beschrieben.
Beispielsweise stellt ein besonders eleganter Ansatz eine Polymermikrokapselzusammensetzung bereit, die an die Mikrokapsel gebundene Nukleinsäure-Strichcodesequenzen enthält, wobei die mit einer gegebenen Mikrokapsel assoziierten Strichcodes im Wesentlichen die gleiche Sequenz von Nukleotiden aufweisen, aber wobei unterschiedliche diskrete Mikrokapseln unterschiedliche mit solchen Mikrokapseln assoziierte Strichcodesequenzen haben. Jede dieser Mikrokapseln wird dann mit einem Teil eines Probenfluids in Kontakt gebracht, wie mit einem Probenfluid, das eine Template-Nukleinsäure aus einem Probenmaterial enthält. Die Mischung aus Probenmaterial einschließlich der Template-Nukleinsäure und der Mikrokapsel wird dann in ein kleines Volumen, wie ein Tröpfchen in einer Wasser-in-Öl-Emulsion, partitioniert, so dass die Mikrokapsel und ein Teil des Probenmaterials innerhalb desselben Tröpfchens enthalten sind. Zusätzlich zum Kontrollieren des Tröpfchenerzeugungsprozesses, um eine gewünschte Anzahl von Mikrokapseln in einer gegebenen Partition bereitzustellen, können das Probenmaterial und das Emulsionsverfahren auch kontrolliert werden, um eine gewünschte Menge an Probenmaterial, z. B. Proben-Nukleinsäurematerial, innerhalb jeder Unterteilung zu bereitzustellen, z. B. ein einziges Template-Molekül oder ein gewünschtes Niveau der Genomabdeckung innerhalb einer gegebenen Partition oder eine anderes gewünschtes Niveau an Probenmaterialien.
Innerhalb der Partition wird die Strichcodesequenz mit dem Probenmaterial, z. B. der Template-Nukleinsäure, umgesetzt, um das Probenmaterial oder einen Teil davon wirksam zu markieren. Zum Beispiel kann man durch Umsetzen der Strichcodesequenz mit dem Template, z. B. durch Amplifikation der Template-Sequenz unter Verwendung der Strichcodesequenz als Extensionsprimer, kann man die Strichcodesequenz effektiv an dem replizierten oder amplifizierte Template „befestigen“. Ähnlich erzeugt die Replikation des erweiterten Primers ein Komplement des Templates zusammen mit einem Komplement des Strichcodes, wodurch wiederum der Strichcode an der Vorlage befestigt wird. Das Vorhandensein oder die Befestigung der Strichcodesequenz oder ihres Komplementes an dem amplifizierten Template-Molekül oder seinem Komplement ermöglicht dann ein gewisses Maß an Zuweisung von Sequenzauslesungen, die diesen Strichcode für den gleichen Teil des Probenmaterials enthalten, z. B. dasselbe Template-Molekül oder die gleichen Probenkomponenten, die ursprünglich dieser Partition zugeordnet waren.
In vielen Fällen kann das Molekül, das die Strichcodesequenz oder -sequenzen umfasst, auch funktionelle Elemente umfassen, die bei der nachfolgenden Verarbeitung der amplifizierten Template-Sequenzen verwendet werden. Diese funktionellen Sequenzen umfassen zum Beispiel Primersequenzen (z. B. zielgerichtet oder universell), Primererkennungssequenzen, Sequenzen, die Sekundärstrukturen entweder innerhalb der Sequenz oder nach der Replikation der Sequenz bilden können, Anreicherungssequenzen, die z. B. als Affinitätsreinigungssequenzen verwendet werden, Immobilisierungssequenzen, Sondensequenzen, reverse complement- oder Haarnadelsequenzen oder einer Vielzahl von anderen funktionellen Sequenzen.
Es gibt eine Vielzahl von anderen hochwertigen Anwendungen für solche Partitionierungs- und Strichcodierungs- oder Markierungsprozesse. Die vorliegende Offenbarung stellt vorteilhafterweise Vorrichtungen, Systeme und Verfahren bereit, die die Erzeugung solcher partitionierter Zusammensetzungen oder von Komponenten davon erheblich erleichtern können.
II. Fluidisch Systeme zur Herstellung von eingekapselten Reagenzien und partitionierten Reaktionen
Die vorliegende Offenbarung stellt verbesserte fluidische Systeme und insbesondere verbesserte mikrofluidische Systeme bereit, die sowohl für die Erzeugung von eingekapselten Reagenzien als auch für die Partitionierung jener eingekapselten Reagenzien zur Verwendung in nachfolgenden Reaktionen und/oder Analysen nützlich sind. Wie hierin verwendet, bezeichnen mikrofluidische Systeme typischerweise fluidische Systeme, die eine oder mehr Fluidleitungen, -kanäle,-Kammern oder dergleichen verwenden, die eine oder mehr innere Querschnittsdimensionen, z. B. Tiefe, Länge oder Breite, aufweisen, die weniger als 1000 Mikrometer, weniger als 200 Mikrometer, weniger als 100 Mikrometer und in manchen Fällen weniger als etwa 50 Mikrometer oder sogar weniger als etwa 20 Mikrometer betragen. In manchen Fällen können nur eine oder mehr Querschnittsdimensionen etwa 20 Mikrometer oder weniger oder 10 Mikrometer oder weniger betragen. Typischerweise haben diese mikrofluidischen Kanäle oder Kammern mindestens eine Querschnittsdimension von zwischen etwa 1 und etwa 100 Mikrometern.
Wie zu erkennen ist, soll die Bezugnahme auf eingekapselte Reagenzien nicht den Umfang solcher Reagenzien auf vollständig eingeschlossene Kapseln beschränken, sondern soll jegliches einer Vielzahl von Verfahren zum Assoziieren von Reagenzien mit einem gegebenen Teilchen, Kügelchen oder einer anderen festen oder halbfesten Teilchenphase widerspiegeln. Insbesondere bezieht sich die Einkapselung im Allgemeinen auf das Mitziehen oder andere Anhaftung, Koppeln oder Assoziation einer bestimmten Spezies mit einem festen oder halbfesten Partikel, Kügelchen, Einschluss, Partition oder Tröpfchen und ist nicht auf Zusammensetzungen beschränkt, in denen die Spezies vollständig oder teilweise in einer größeren Struktur eingeschlossen ist.
In einigen Aspekten sind eingekapselte Reagenzien mit Mikrokapseln assoziiert, die eine allgemein kugelförmige Form haben, obwohl sie länglich, zapfenförmig sein oder anderweitig in ihrer spezifischen Form variieren können. In einigen Fällen weisen Mikrokapseln eine oder mehr Querschnittsdimensionen auf, die weniger als 200 Mikrometer, weniger als 150 Mikrometer oder weniger als etwa 100 Mikrometer betragen. In einigen Fällen weisen Mikrokapseln der vorliegenden Offenbarung eine oder mehrere Querschnittsdimensionen auf, die zwischen etwa 10 und etwa 200 Mikrometer, zwischen etwa 20 und 150 Mikrometer, zwischen etwa 30 und 125 Mikrometer, in vielen Fällen zwischen etwa 40 und etwa 100 Mikrometer und noch anderen Fällen zwischen etwa 50 und etwa 75 Mikrometer betragen.
Während die Dimensionen der Mikrokapseln eine wichtige Überlegung sein können, ist in vielen Anwendungen die Variabilität in jenen Dimensionen ebenfalls ein wichtiger Gesichtspunkt. Insbesondere kann zum Beispiel der Transport einer Mikrokapsel durch ein mikrofluidisches System durch die Größe dieser Mikrokapsel signifikant beeinflusst werden. Zum Beispiel kann ein einfacher Strömungswiderstand für viel größere Mikrokapseln größer sein als für kleinere Mikrokapseln. In ähnlicher Weise kann die Neigung zur Verstopfung für größere Mikrokapseln größer sein als für kleinere Mikrokapseln. In beiden Fällen können Flussraten von Mikrokapseln durch ein mikrofluidisches System stark durch die Größe der Mikrokapseln beeinflusst werden. Dementsprechend werden in bestimmten Aspekten die hier beschriebenen Mikrokapseln als Population von Mikrokapseln mit im Wesentlichen monodispersen Querschnittsdimensionen bereitgestellt. Hinsichtlich der Querschnittsdimensionen bezieht sich der Ausdruck im Wesentlichen monodispers auf eine Population, die von der mittleren Querschnittsdimension (z. B. als Variationskoeffizient ausgedrückt und als Prozentsatz angegeben) um nicht mehr als 50%, nicht mehr als 40%, nicht mehr als 30%, nicht mehr als 20% oder in manchen Fällen nicht mehr als 10% abweicht.
Ob im Zusammenhang mit der Erzeugung von Mikrokapseln zur Verwendung beim Mitziehen oder Einkapseln von Reagenzien oder bei der Verteilung wässriger Fluide in nichtwässrigen Tröpfchen, können die Vorrichtungen und Systeme der vorliegenden Offenbarung eine ähnliche Architektur einsetzen. In einem vereinfachten Beispiel kann diese Architektur ein erstes Kanalsegment umfassen, das mit einem ersten Knoten fluidisch verbunden ist, das das erste Kanalsegment mit einem zweiten Kanalsegment und einem dritten Kanalsegment in fluidisch verbindet. Das zweite Kanalsegment liefert an den Knoten ein zweites Fluid, das mit dem ersten wässrigen Fluid, wie einem Öl, nicht mischbar ist, das die Bildung von wässrigen Tröpfchen innerhalb des Stroms von nicht mischbarem Fluid ermöglicht. Dieses zweite Fluid kann hierin als Dispersionsfluid, Trennfluid oder dergleichen bezeichnet werden. Das Strömen des ersten und zweiten Fluids durch den Knoten und in das dritte Kanalsegment wird so gesteuert, dass Tröpfchen des ersten Fluids in einen fließenden Strom des zweiten Fluids in dem dritten Kanalsegment abgegeben werden. Eine Vielfalt von Modifikationen dieser Grundstruktur ist verfügbar, um die Tröpfchenbildung besser zu kontrollieren und zusätzliche Fluidströme einzubringen. Wie hierin verwendet umfasst die Kontrolle von Fluidströmen sowohl die aktive Kontrolle von Fluidströmen durch die Anwendung größerer oder geringerer Antriebskräfte, um jenen Fluidstrom zu verursachen. Zusätzlich können Strömungen ganz oder teilweise durch Kontrollieren der Strömungscharakteristika von einem oder mehr der Fluide und/oder der Leitungen, durch die sie fließen, kontrolliert werden. Zum Beispiel kann der Fluidstrom durch Bereitstellen eines höheren Strömungswiderstands innerhalb einer Leitung, z. B. durch Bereitstellen einer höheren Viskosität, engeren Leitungsdimension, oder Bereitstellen größerer oder kleinerer Mikrokapseln innerhalb eines Fluidstroms oder jegliche Kombination der Obigen kontrolliert werden. In manchen Fällen wird Kontrolle durch mehrere von kontrollierter Triebkraft, kontrollierten Leitungsdimensionen und kontrollierten Fluideigenschaften, z. B. Viskosität oder Teilchenzusammensetzung, verliehen.
1A stellt eine schematische Darstellung einer beispielhaften grundlegenden Kanalarchitektur zum Erzeugen von Tröpfchen in einem Kanal bereit. Wie gezeigt, sind erstes Kanalsegment 102, zweites Kanalsegment 104, drittes Kanalsegment 106 und viertes Kanalsegment 108 alle in Fluidverbindung mit dem ersten Knoten 110 bereitgestellt. 1B veranschaulicht schematisch Tröpfchenbildung innerhalb der Kanalarchitektur von 1A.
Wie gezeigt, strömt ein erstes wässriges Fluid 112 durch das Kanalsegment 102 in Richtung Knoten 110. Ein zweites Fluid 114, das mit dem ersten Fluid 112 nicht mischbar ist, strömt über jedes der Kanalsegmente 104 und 106 in den Knoten 110 und in das vierte Kanalsegment 108. Wenn das wässrige erste Fluid 112 den Knoten 110 erreicht, wird es durch die Strömung des zweiten Fluids 114 aus den Kanalsegmenten 104 und 106 eingeklemmt, und einzelne Tröpfchen 116 des wässrigen ersten Fluids 112 werden in das vierte Kanalsegment 108 abgegeben. In einigen Fällen kann ein Teil des vierten Kanalsegments 108 proximal zum Knoten 110 mit einem reduzierten Querschnitt (nicht gezeigt) im Vergleich zum Knoten und/oder Kanalsegmenten 102, 104 und 106 bereitgestellt werden, um Tröpfchenbildung innerhalb des vierten Kanalsegments 108 zu erleichtern.
Wie nachfolgend ausführlicher erörtert, können zusätzliche Kanalsegmente entweder stromaufwärts, stromabwärts oder beides von dem Knoten 110 in jeglichem von Kanalsegmenten 102, 104, 106 oder 108 bereitgestellt werden, um die Zufuhr zusätzlicher Fluide entweder in den wässrigen ersten Fluidstrom im Segment 102, z. B. zusätzliche Reagenzien, Puffer oder dergleichen, das Trennfluid in Segmenten 104 und/oder 106, oder den Tröpfchen-enthaltenden Strom in Kanalsegment 108 zu erlauben.
Wie zu erkennen ist, ist diese grundlegende Kanalarchitektur sowohl bei der Erzeugung von Mikrokapseln zur Einkapselung von Reagenzien als auch bei der letztlichen Partitionierung dieser eingekapselten Reagenzien mit anderen Materialien sehr nützlich.
In einem bestimmten Beispiel und mit Bezug auf die Fig. 1A und 1B oben kann eine erste wässrige Lösung von Polymervorläufermaterial entlang Kanalsegment 102 zu Knoten 110 als das wässrige Fluid 112 transportiert werden, während ein zweites Fluid 114, das mit dem Polymervorläufer nicht mischbar ist, aus Kanalsegmenten 104 und 106 zum Knoten 110 geliefert wird, um diskrete Tröpfchen des Polymervorläufermaterials zu erzeugen, die in Kanalsegment 108 strömen. In einigen Aspekten umfasst dieses zweite Fluid 114 ein Öl, wie etwa ein fluoriertes Öl, das ein Fluortensid zum Stabilisieren der resultierenden Tröpfchen, z. B. Hemmen anschließender Koaleszierung der resultierenden Tröpfchen, umfasst. Beispiele für besonders nützliche Trennfluide und Fluortenside sind beispielsweise in US-Patentanmeldung Nr. 2010-0105112 beschrieben, deren voller Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke eingegliedert ist. Polymervorläufermaterialien können eines oder mehr von polymerisierbaren Monomeren, linearen Polymeren oder anderen umfassen.
Bei der Herstellung von Gelmikrokapseln kann ein Aktivierungsagens auch mit dem wässrigen Strom 112 aus Kanal 102 kombiniert werden. In einigen Aspekten ist dieses Aktivierungsagens innerhalb der zweiten Fluidströme 114 in einem oder mehr der Kanäle 104 und 106 angeordnet, was die gleichzeitige Bildung von Tröpfchen und den Beginn einer Reaktion erlaubt, um die gewünschten Mikrokapseln 116 zu erzeugen. In dem Fall beispielsweise, in dem das Polymervorläufermaterial ein lineares Polymermaterial, z. B. ein lineares Polyacrylamid, PEG oder ein anderes lineares polymeres Material, umfasst, kann das Aktivierungsagens ein Vernetzungsmittel oder eine Chemikalie umfassen, die ein Vernetzungsmittel in dem ersten Strom aktiviert. In ähnlicher Weise kann das Aktivierungsmittel für Polymervorläufer, die polymerisierbare Monomere umfassen, einen Polymerisationsinitiator umfassen. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen, in denen der Polymervorläufer ein Gemisch aus Acrylamidmonomer mit einem N,N'-Bis(acryloyl)cystamin-(BAC-)Komonomer umfasst, ein Mittel wie Tetraethylmethylendiamin (TEMED) in den zweiten Fluidströmen in Kanalsegmenten 104 und 106 bereitgestellt werden, was die Kopolymerisation des Acrylamids und BAC zu einem quervernetzten Polymernetzwerk oder Hydrogel einleitet.
Bei Kontakt des zweiten Fluidstroms 114 mit dem ersten Fluidstrom 112 an Knoten 110 bei der Bildung von Tröpfchen kann das TEMED aus dem zweiten Fluid 114 in das wässrige erste Fluid 112 diffundieren, das das lineare Polyacrylamid umfasst, was die Vernetzung des Polyacrylamids innerhalb der Tröpfchen aktivieren wird, was zur Bildung der Gel-, z. B. Hydrogel-, Mikrokapseln 116, als feste oder halbfeste Kügelchen oder Teilchen, fuhrt.
Obwohl im Hinblick auf die Polyacrylamid-Einkapselung beschrieben, können auch andere „aktivierbare“ Verkapselungszusammensetzungen im Rahmen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Zum Beispiel kann die Bildung von Alginattröpfchen, gefolgt von einer Exposition gegenüber zweiwertigen Metallionen, z. B. Ca2+, als ein Einkapselungsverfahren unter Verwendung der beschriebenen Prozesse verwendet werden. Ähnlich können Agarosetröpfchen durch temperaturbasiertes Gelieren, z. B. beim Abkühlen oder dergleichen, auch in Kapseln umgewandelt werden.
Gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung können ein oder mehr Reagenzien zur Zeit ihrer Bildung mit der Mikrokapsel assoziiert sein. Insbesondere können ein oder mehr Reagenzien mit einem Vorläuferreagenz zu der Polymermatrix assoziiert sein, aus der die Mikrokapsel besteht, z.B. dem linearen Polymer, so dass das/die Reagenz(ien) in der gebildete Mikrokapsel mitgezogen oder anderweitig damit assoziiert werden. Zum Beispiel kann/können das/die Reagenz(ien) an ein lineares Polymermaterial gekoppelt werden, das unter Verwendung der hierin beschriebenen Verfahren zu einer Mikrokapsel quervernetzt wird, was dazu führt, dass die Reagenzien an die gebildete und quervernetzte Gelmikrokapsel gekoppelt sind. Alternativ kann das Reagenz mit dem Polymervorläufer kombiniert werden, der aktive Bindungsstellen umfasst, die mit dem Reagens interagieren, entweder in dem Vorläuferstrom oder in der Mikrokapsel nach der Bildung. In noch anderen Aspekten kann, wie bei dem hier an anderer Stelle beschriebenen Vernetzungsaktivierungsagens, ein Aktivator auch mit dem Polymervorläufer oder der gebildeten Mikrokapsel in Kontakt gebracht werden, der Stellen auf der Polymermatrix der Mikrokapsel aktiviert, mit der die Reagenzkomponenten kovalent oder nicht-kovalent assoziieren können.
In die Mikrokapsel einzugliedernde Reagenzien können jegliches einer Vielzahl von verschiedenen Reagenzien oder anderen Komponenten umfassen, die bei der letztlichen Verwendung der Mikrokapsel, z. B. einer analytische Reaktion, nützlich sind. Solche Reagenzien können Markierungsgruppen (z. B. Fluoreszenzfarbstoffmoleküle, FREI-Paare, fluoreszierende Nanopartikel, fluoreszierende Proteine, Massenmarkierungen, elektrochemische Markierungen oder dergleichen) umfassen. Diese Reagenzien können biologische oder biochemische Reagenzien wie Nukleinsäuren, Nukleinsäureanaloga, Nukleinsäuremimetika, Polynukleotide oder Analoga, Oligonukleotide oder Analoga, Enzyme, Substrate, Antikörper oder Antikörperfragmente, Antigene, Epitope, Rezeptoren und Rezeptorbindungskomponenten, Proteine, Polypeptide, Aminosäuren, Polysaccharide oder praktisch jegliche Art von biochemischem Reagenz, das in einer breiten Vielfalt von Analysen nützlich ist, umfassen. Ähnlich werden Verbindungen, die auf biologische oder biochemische Systeme einwirken, auch für den Einschluss in solche Mikrokapseln vorgesehen, z. B. kleinmolekulare pharmazeutische Wirkstoffe, radiologische Verbindungen, Inhibitoren und/oder Initiatoren von biologischen oder biochemischen Verbindungen, Verbindungen chemischer Bibliotheken oder dergleichen. In bestimmten Beispielen können diese Reagenzien eine breite Vielfalt verschiedener Reagenzien umfassen, die auf gewünschte Reaktionen, die innerhalb der letztlich erzeugten Partition durchgeführt werden sollen, anwendbar sind, wie Nukleinsäurereplikationsreagenzien (z. B. Primer, Polymerasen, Nukleotide oder Nukleotidanaloga, Puffer, Kofaktoren oder dergleichen), spezifische Bindungsgruppen (z. B. Rezeptoren, Antikörper oder Antikörperfragmente, Bindungspeptide) oder jegliche andere Reagenzien (z. B. Enzyme, Substrate, Katalysatoren/Initiatoren, Substrate, Inhibitoren oder dergleichen).
In einem Beispiel wird ein Polynukleotid mit einer Acryditgruppe im wässrigen Flüid bereitgestellt, wobei das Polynukleotid an den Polymervorläufer vor seiner Vernetzung zu einem Kügelchen, wie hier beschrieben, gekoppelt ist. Dieses Polynukleotid kann eine oder mehr funktionelle Nukleinsäuresequenzen umfassen, wie Primersequenzen, Befestigungssequenzen, Ligationssequenzen oder Strichcodesequenzen. Siehe z. B. U.S.-Patentanmeldung Nr. 61/937,344 .
Sobald sie erzeugt sind, können die Mikrokapseln gesammelt werden, z. B. aus einem Speicher oder anderen Auslass am Ende von Kanalsegment 108. Die gesammelten Mikrokapseln können dann gewaschen werden, um Vernetzungsmittel, nicht vernetztes Polymer, Emulsionsöl und Tensid, jegliche anderen nicht gekoppelten Reagenzien, übergroße Mikrokapseln oder Teile davon, sowie jegliche anderen Verunreinigungen, die den Mikrokapseln während ihrer Erzeugung beigefügt wurden und die möglicherweise die Verwendung der hier beschriebenen Verfahren und Systeme beeinträchtigen könnten, zu entfernen. In einigen Aspekten werden die Mikrokapseln im Wesentlichen reine Mikrokapselzusammensetzungen umfassen. Mit im Wesentlichen reine Mikrokapselzusammensetzungen ist gemeint, dass die monodispersen Populationen von Mikrokapseln, wie oben beschrieben, und ihre assoziierten gewünschten Puffer und Reagenzien mindestens 90% der Zusammensetzung, mindestens 95% der Zusammensetzung, mindestens 99% der Zusammensetzung und in vielen Fällen mindestens 99,9% der Zusammensetzung ausmachen werden. Nach dem Waschen können diese Mikrokapseln in einer wässrigen Lösung, z. B. einem Puffer und/oder einem oder mehr ausgewählten Reagenzien, zur Verwendung bei der nachfolgenden Verarbeitung resuspendiert werden. In Übereinstimmung mit dem Obigen kann eine Vielfalt verschiedener Waschprotokolle in Reihe oder alternativ bei der Erzeugung der oben beschriebenen im Wesentlichen reinen Mikrokapseln verwendet werden. Beispielsweise kann das Waschen in einigen Fällen eine einfache Pufferaustauschwäsche umfassen, bei der die Mikrokapseln von ihrer Trägerflüssigkeit getrennt werden, z. B. durch Absetzen, Zentrifugieren, Filtrieren oder dergleichen, und dann in einer neuen Pufferlösung resuspendiert werden, die derselbe Puffer sein kann oder nicht, der ursprünglich die Mikrokapseln enthielt. Diese Art der Wäsche kann mehrmals wiederholt werden, um freie Verunreinigungen aus den Mikrokapseln zu entfernen. In alternativen oder zusätzlichen Waschschritten kann ein strengeres Waschverfahren angewendet werden, um bestimmte gebundene Spezies aus den Mikrokapseln zu entfernen. Wenn beispielsweise eine Mikrokapsel Nukleinsäure, Protein oder andere assoziierte Reagenzien umfasst, kann ein denaturierender Waschschritt verwendet werden, um zusätzliche gebundene überschüssige Proteine, Nukleinsäuren oder dergleichen zu entfernen. Zum Beispiel können die Mikrokapseln in einigen Fällen mit chaotropen Mitteln wie Harnstoff bei erhöhten Temperaturen gewaschen werden, um andere nicht kovalent gebundene Spezies zu entfernen, z. B. hybridisierte Nukleinsäuren usw. In noch anderen Aspekten können die Waschschritte kombiniert werden mit Extraktionstechniken, um Spezies zu entfernen, die im Inneren der Mikrokapseln mitgezogen werden können. Zum Beispiel können diese Extraktionsverfahren in einigen Fällen Elektroelution, osmotische Elution oder andere Techniken umfassen, um nicht kovalent gebundene Spezies aus Mikrokapseln zu ziehen.
In vielen Fällen sind die im Wesentlichen reinen Mikrokapselzusammensetzungen im Wesentlichen frei von aggregierten Mikrokapseln, z. B. zwei, drei, vier oder mehr Mikrokapseln, die aneinanderhaften. Die Abtrennung von aggregierten Mikrokapseln kann durch eine Vielfalt von Verfahren durchgeführt werden, einschließlich beispielsweise größen- oder flussbasierten Trennverfahren, z. B. Filtration.
Obwohl es mit Bezug auf die in Fig. 1A und 1B gezeigte Kanalarchitektur beschrieben wurde, versteht es sich, dass Variationen dieser Strukturen und Architekturen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung praktiziert werden können. Zum Beispiel kann sich in einigen Fällen die Grenzfläche des wässrigen Stroms mit dem Trennfluid von den oben beschriebenen spezifischen Architekturen unterscheiden. Insbesondere stellt, wie in 1A gezeigt, die Schnittstelle von Kanalsegments 112 mit Kanalsegmenten 104 und 106 eine Grenzfläche zwischen dem wässrigen Fluidstrom in Kanalsegment 102 und dem Trennfluid bereit. Die Tröpfchen werden gebildet, wenn das wässrige Fluid in und durch jene Grenzfläche in Kanalsegment 108 gedrückt wird. In einigen Fällen kann die Grenzfläche jedoch in einem offenen Raum oder einer Kammer oder einem Kanalsegmentverteiler innerhalb einer fluidischen Vorrichtung vorliegen, so dass die Grenzfläche als eine „Wand“ des Trennfluids vorliegt. Ein Beispiel dieser Art von Tröpfchenerzeugungsknoten ist in 1C dargestellt. Wie gezeigt, ist ein erstes Kanalsegment 122 fluidisch mit einem Fluidverteiler 132 verbunden, der einen Teil des Tröpfchenerzeugungsknotens bildet. Der Verteiler 132 ist als eine größere offene Kammer strukturiert, d. h. größer als das erste Kanalsegment, wobei ein Tröpfchenabgabekanal 134 den Verteiler verlässt, durch den gebildete Tröpfchen 138 durch den Abgabekanal oder Öffnung 134 in Kanalsegment 136 ausgestoßen werden. In einigen Fällen sind zusätzliche Seitenkanalsegmente 124 und 126 ebenfalls fluidisch verbunden mit dem Verteiler 132 bereitgestellt, ebenso wie Kanalsegmente 128 und 130. Im Betrieb wird ein erstes wässriges Fluid (z. B. das wässrige Polymervorläuferfluid wie mit Bezug auf 1B beschrieben oder das Mikrokapsel-enthaltende wässrige Fluid, die mit Bezug auf 3B unten beschrieben ist), in den Verteiler 132 geleitet. Eine nicht mischbare Flüssigkeit wird durch Seitenkanäle 128 und 130 in den Verteiler eingeführt. Innerhalb des Verteilers 132 bildet die nicht mischbare Flüssigkeit eine Grenzfläche, die den Verteiler 132 zur Tröpfchenabgabeöffnung (gezeigt als die gestrichelten Linien, die sich von Kanalsegmenten 128 und 130 zu Abgabekanal 134 erstrecken) durchquert. In einigen Fällen werden zusätzliche wässrige Fluide durch die Seitenkanäle 124 und 126 in den Verteiler eingeführt. Wenn die Fluide durch den Tröpfchenabgabekanal 134 strömen, werden die aggregierten wässrigen Fluide, d. h. die aus Kanalsegment 122 und in einigen Fällen aus Segmenten 124 und 126, vom nicht mischbaren Fluid aus Kanalsegmenten 128 und 130 umgeben und durch Abgabekanalsegment 134 in Kanalsegment 136 als Tröpfchen 138 von wässrigen Fluiden innerhalb einer nicht mischbaren Fluidemulsion ausgestoßen. Wie zu erkennen ist, wird die Steuerung der Geschwindigkeit der Tröpfchenbildung, sowie der relativen Volumina von Fluiden, die in Tröpfchen innerhalb dieser Typen von Strukturen kombiniert werden, durch viele der gleichen Mechanismen erreicht, wie oben für grundlegende Kanalschnittstellen beschrieben. Insbesondere kann ein kontrollierter Strom durch eine Anzahl von Mechanismen erreicht werden, einschließlich zum Beispiel Kontrollieren der Flussraten der Fluide, die in den Verteiler eingeführt werden, Kontrollieren der Geometrie der Kanäle, wenn sie in den Verteiler 132 eintreten, z. B. der Kanalform, Dimensionen (Tiefe und/oder Breite), Schnittstellenkonturen und -struktur, und Rücksprungs vom Verteiler verglichen mit anderen Kanälen.
Obwohl in 1A als eine einzelne Grenzfläche für die Tröpfchenerzeugung dargestellt, versteht es sich des Weiteren, dass die Vorrichtungen und Systeme der vorliegenden Offenbarung typischerweise gemultiplexte Tröpfchenerzeugungsgrenzflächen umfassen, um den Durchsatz zu erhöhen, mit dem man Tröpfchen zur Mikrokapselbildung oder zur Partitionierung der Mikrokapseln erzeugen kann, wie an anderer Stelle hierin beschrieben. Zum Beispiel kann eine Vorrichtung oder ein System der vorliegenden Offenbarung mehrere duplizierte Kanalnetzwerke der in 1A und/oder 1C gezeigten Architekturen umfassen. Ferner können für solche gemultiplexte Vorrichtungen oder Systeme einige der verschiedenen Kanalsegmente innerhalb der duplizierten Kanalnetzwerke gemeinsame Fluidquellen in Form eines gemeinsamen Speichers oder eines gemeinsamen Kanals oder Kanalverteilers haben, oder können zu einem gemeinsamen Auslass oder Speicher führen. Ähnlich können im Falle alternativer Architekturen mehrere Zuführkanalsegmente für wässrige Fluide in Verbindung mit der Trennfluidkammer bereitgestellt werden.
2 veranschaulicht schematisch eine mikrofluidische Vorrichtung oder - vorrichtungsmodul zur Herstellung der oben beschriebenen Mikrokapseln. Wie gezeigt umfasst die mikrofluidische Vorrichtung typischerweise eine Körperstruktur 200, die in ihrem inneren Teil ein Kanalnetzwerk umfasst, das Kanalsegmente 202, 204, 206 und 208 umfasst. Diese Kanalsegmente kommunizieren alle mit einem gemeinsamen Kanalknoten 210. Die Vorrichtungskörperstruktur umfasst auch Reagenzspeicher 212 und 214. Wie gezeigt ist Reagenzspeicher 212 fluidisch mit Kanalsegment 202 gekoppelt, während Reagenzspeicher 214 mit Kanalsegmenten 204 und 206 fluidisch gekoppelt ist. Ein dritter Auslassspeicher ist als Speicher 216 gezeigt, der in Fluidverbindung mit Kanalsegment 208 bereitgestellt ist. Es versteht sich, dass der wässrige Polymergelvorläufer in Speicher 212 bereitgestellt werden kann, während das Trennfluid und das Aktivierungsagens in Speicher 214 bereitgestellt werden. Der Fluss dieser Fluide durch Knoten 210 erzeugt wie oben beschrieben die Mikrokapseln, die in Speicher 216 fließen und daraus geerntet werden.
Diese mikrofluidischen Vorrichtungen oder -vorrichtungsmodule können auf jeglicher einer Vielfalt herkömmlicher Arten hergestellt werden. Zum Beispiel umfassen die Vorrichtungen in einigen Fällen geschichtete Strukturen, wobei eine erste Schicht eine planare Oberfläche umfasst, auf der eine Reihe von Kanälen oder Furchen angeordnet ist, die dem Kanalnetz in der fertigen Vorrichtung entsprechen. Eine zweite Schicht umfasst eine planare Oberfläche auf einer Seite und eine Reihe von Speichern, die auf der gegenüberliegenden Oberfläche definiert sind, wobei die Speicher als Durchgänge durch die planare Schicht kommunizieren, so dass wenn die planare Oberfläche der zweiten Schicht mit der planaren Oberfläche der ersten Schicht zusammengeführt wird, die in der zweiten Schicht definierten Speicher in Fluidverbindung mit den Enden der Kanalsegmente auf der ersten Schicht angeordnet werden. Alternativ können sowohl die Speicher als auch die verbundenen Kanalstrukturen zu einem einzigen Teil hergestellt werden, wobei die Speicher auf einer ersten Oberfläche der Struktur bereitgestellt werden und sich die Öffnungen der Speicher zu der gegenüberliegenden Oberfläche der Struktur hindurch erstrecken. Das Kanalnetz wird als eine Reihe von Furchen und Merkmalen in dieser zweiten Oberfläche hergestellt. Eine dünne Laminierschicht wird dann über der zweiten Oberfläche bereitgestellt, um die endgültige Wand des Kanalnetzwerks und die Bodenfläche der Speicher bereitzustellen und diese abzudichten.
Diese geschichteten Strukturen können ganz oder teilweise aus polymeren Materialien wie Polyethylen oder Polyethylen-Derivaten wie zyklischen Olefin-Kopolymeren (COC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polydimethylsiloxan (PDMS), Polycarbonat, Polystyrol, Polypropylen oder dergleichen hergestellt werden, oder sie können ganz oder teilweise aus anorganischen Materialien wie Silizium oder anderen siliziumbasierten Materialien hergestellt werden, z. B. Glas, Quarz, Quarzglas, Borsilikatglas oder dergleichen.
Polymere Vorrichtungskomponenten können unter Verwendung von jeglichem einer Vielzahl von Prozessen hergestellt werden, einschließlich Prägetechniken, Mikrobearbeitung, z. B. Laserbearbeitung, oder in einigen Aspekten Spritzgießen der Schichtkomponenten, die die definierten Kanalstrukturen sowie anderer Strukturen umfassen, Z. B. Speicher, integrierte funktionelle Komponenten usw. In einigen Aspekten kann die Struktur, die die Speicher und Kanalstrukturen umfasst, unter Verwendung von beispielsweise Spritzgussverfahren hergestellt werden, um polymere Strukturen herzustellen. In solchen Fällen kann eine Laminierschicht an das geformte strukturierte Teil durch leicht verfügbare Verfahren angeheftet werden, einschließlich thermischer Laminierung, lösungsmittelbasierter Laminierung, Ultraschallschweißen oder dergleichen.
Es versteht sich, dass auch Strukturen aus anorganischen Materialien unter Verwendung bekannter Techniken hergestellt werden können. Zum Beispiel können Kanal- und andere Strukturen in Oberflächen mikrobearbeitet werden oder unter Verwendung von Standard-Photolithographietechniken in die Oberflächen geätzt werden. In einigen Aspekten können die mikrofluidischen Vorrichtungen oder Komponenten davon unter Verwendung dreidimensionaler Drucktechniken hergestellt werden, um den Kanal oder andere Strukturen der Vorrichtungen und/oder ihrer diskreten Komponenten herzustellen.
Wie zuvor erwähnt, können die oben beschriebenen Kanalarchitekturen auch ohne Weiteres bei der Partitionierung der oben beschriebenen Mikrokapseln verwendet werden, z. B. umfassend die eingekapselten Reagenzien, innerhalb von in einem nicht mischbaren Fluid erzeugten Tröpfchen, wie in einem „Wasser-in-Öl“(WO)-Emulsionssystem, wobei eine wässrige Lösung, und insbesondere eine wässrige Lösung, die die hierin beschriebenen eingekapselten Reagenzien umfasst, als partitionierte Tröpfchen innerhalb einer nicht mischbaren Dispersion oder Trennfluid, wie einem nicht mischbaren Öl, dispergiert ist.
3 veranschaulicht schematisch die Partitionierung der eingekapselten Reagenzien. Wie gezeigt und mit Bezug auf die in 1A gezeigte fluidische Architektur wird ein erstes wässriges Fluid, das die Kügelchen umfasst, die mindestens ein erstes Reagenz einkapseln, durch Kanalsegment 102 in Kanalknoten 110 geströmt. Das Dispersionsfluid wird aus Seitenkanalsegmenten 104 und 106 in Knoten 110 geleitet. Das wässrige Fluid wird dann in Tröpfchen innerhalb des fließenden Stroms von Dispersionsfluid partitioniert, wobei individuelle Tröpfchen die eingekapselten Reagenzien enthalten, und in einigen Fällen nur ein einziges Reagenzkügelchen oder - kapsel enthalten.
Die oben beschriebene Kanalarchitektur ist in einem Beispiel eines in 3A gezeigten Kanalsystems enthalten, zum Partitionieren von Mikrokapseln, umfassend z. B. eingekapselte Reagenzien, mit Probenmaterialien zu, beispielsweise, einem Wasser-in-Öl-Emulsionssystem. Wie gezeigt ist ein erstes Kanalsegment 302 in fluidischer Verbindung mit Kanalsegmenten 304, 306 und 308 an erstem Kanalknoten 310 gezeigt. Viertes Kanalsegment 308 verbindet ersten Kanalknoten 310 fluidisch mit zweitem Kanalknoten 322, der auch fluidisch mit Kanalsegmenten 324, 326 und 328 gekoppelt ist.
Im Zusammenhang mit der Partitionierung von eingekapselten Reagenzien ist das Kanalsystem von 3A in 3B gezeigt. Wie gezeigt, wird ein erster Strom eines ersten wässrigen Fluids 312 umfassend Mikrokapseln 350 (z. B. wie oben beschrieben hergestellte Mikrokapseln), Kügelchen oder dergleichen, die eingekapselte Reagenzien umfassen können, durch Kanalsegment 302 in Kanalknoten 310 geströmt. Zusätzliche Ströme zweiter wässriger Fluide 352 und 354 werden aus Kanalsegmenten 304 und 306 in Kanalknoten 310 eingeführt, um sich mit dem ersten wässrigen Fluid 312, das die Mikrokapseln 350 enthält, zu vereinigen. Die durch jedes von Kanalsegmenten 304 und 306 zugegebenen wässrigen Fluide können gleich oder verschieden sein zueinander und zum Fluidteil von wässrigem Strom 312. Es versteht sich, dass die verschiedenen Kanalsegmente typischerweise fluidisch an Quellen der Fluide gekoppelt sind, die durch diese Kanalsegmente strömen sollen. Solche Fluidquellen können Speicher umfassen, die in eine Vorrichtung integriert sind oder mit einer Vorrichtung verbunden sind, oder können andere Schnittstellen mit anderen fluidischen Systemen umfassen, z. B. Spritzen, Pumpen, Fluidnetzwerken oder dergleichen, oder Schnittstellen mit externen Speichern, z. B. externen Fluidzugangssystemen zum Aufziehen von Fluiden aus Röhren, Fläschchen, Vertiefungen oder dergleichen, oder sogar externe Verarbeitungssysteme, z. B. Amplifikationssysteme, Probenmaterial-Extraktionssysteme, Filtrationssysteme, Trennsysteme, Flüssigchromatographiesysteme oder dergleichen.
In einigen Aspekten können die zusätzlichen wässrigen Fluide, die durch Seitenkanäle 304 und 306 zugegeben werden, Probenmaterialien umfassen, die zusammen mit den in den Mikrokapseln enthaltenen eingekapselten Reagenzien, partitioniert werden sollen. Zum Beispiel kann das zweite wässrige Fluid Probennukleinsäuren umfassen, die zusammen mit den in den Mikrokapseln enthaltenen Reagenzien in separate Tröpfchen partitioniert werden können, wie z. B. Strichcode-Sequenzen, funktionelle Sequenzen und dergleichen. Zusätzliche Reagenzien können auch in den zweiten wässrigen Fluiden zugegeben werden. In einigen Fällen, z. B. wenn die eingekapselten Reagenzien in Nukleinsäurereplikations- oder -synthesereaktionen eingesetzt werden sollen, können die zusätzlichen Fluide Reagenzien für solche Reaktionen enthalten, wie DNA-Polymeraseenzym(e), Primersequenzen, Nukleotide oder Nukleotidanaloga, Reaktionskofaktoren, Puffer und dergleichen, sowie jegliches einer Vielfalt anderer Reagenzien, z. B. Farbstoffe, Markierungen, Chelatbildner, Inhibitoren, Initiatoren, Substrate usw.
In einigen Fällen können die Reagenzien, die zugegeben werden, Reagenzien enthalten, die die Freisetzung der eingekapselten Reagenzien in die resultierenden Tröpfchen stimulieren. Zum Beispiel können in einigen Fällen die Reagenzien über eine Disulfidbindung oder eine andere chemisch spaltbare Bindung mit der Mikrokapsel assoziiert sein, oder die Mikrokapseln können strukturell durch Disulfidvernetzung oder andere chemisch spaltbare Vernetzer zusammengehalten werden. Daher kann die Zugabe eines Reduktionsmittels wie Dithiothreitol (DTT) zur letztlichen Freisetzung der Reagenzien auf den Mikrokapseln führen, entweder durch direkte Freisetzung oder durch Auflösung der Mikrokapsel oder beides (siehe z. B. U.S.-Patentanmeldung Nr. 61/940,318 , eingereicht am 14. Februar 2014). Alternativ oder zusätzlich können andere spaltbare Bindungen verwendet werden, um Mikrokapseln zu vernetzen. Beispiele solcher Bindungen umfassen z. B. durch Licht oder chemisch spaltbare Bindungen und Vernetzer.
Der vereinigte wässrige Strom, z. B. aus Fluiden 312, 352 und 354, fließt durch Kanalsegment 308 in Kanalknoten 322. Ein drittes Fluid 314, das mit dem vereinigten wässrigen Strom, der aus Kanalsegment 308 strömt, nicht mischbar ist, wird aus jedem von Kanalsegmenten 324 und 326 in Kanalknoten 312 eingeführt, um Tröpfchen 356 zu bilden, die die Mikrokapseln 350 sowie eine gewisse Menge der vereinigten wässrigen Fluide umfassen. In vielen Fällen umfasst dieses dritte, nicht mischbare Fluid ein Öl, wie etwa ein fluoriertes Öl umfassend ein Fluortensid, wie oben beschrieben, das zur Bildung von Wasser-in-Öl-Emulsionen mit stabilisierten resultierenden Tröpfchen geeignet ist. Andere geeignete Emulsionssysteme können in manchen Fällen Silikon- und Kohlenwasserstofföl/Tensid-Systeme umfassen.
Wie oben angedeutet, sind die hierin beschriebenen Vorrichtungen nützlich bei der Bereitstellung der Mikrokapseln innerhalb wässriger Tröpfchen in einem nicht mischbaren Fluid. Es versteht sich, dass es in einer Anzahl von Anwendungen besonders vorteilhaft ist, ein gewünschtes Niveau an Mikrokapselbesetzung in den erzeugten Partitionen bereitzustellen. Im Allgemeinen wird dies erreicht durch das Kontrollieren der Verbindung des wässrigen Stroms, der die Mikrokapsel umfasst, und der Ströme des nicht mischbaren Fluids, so dass die Wahrscheinlichkeit, dass mehr als die gewünschte Anzahl an Mikrokapseln in eine gegebene Partition eingegliedert wird, annehmbar niedrig ist. Dies kann im Allgemeinen erreicht werden durch Kontrolle des Stroms der Mikrokapseln, zusammen mit dem Strom der anderen Fluide, die in der Partitionszone, z. B. Knoten 322 in 3, zusammenkommen, können kontrolliert werden, so dass im Wesentlichen eine gewünschte Anzahl an Mikrokapseln pro Partition bereitgestellt wird.
In vielen Fällen werden die Vorrichtungen, Systeme und Verfahren verwendet, um sicherzustellen, dass die substantielle Mehrheit besetzter Partitionen (z. B. Partitionen, die eine oder mehr Mikrokapseln enthalten), nicht mehr als 1 Mikrokapsel pro besetzter Partition umfassen wird. Insbesondere wird in einigen Fällen der Partitionierungsprozess so kontrolliert, dass weniger als 50% der besetzten Partitionen mehr als eine Mikrokapsel enthalten, weniger als 45% der besetzten Partitionen mehr als eine Mikrokapsel enthalten, weniger als 40% der besetzten Partitionen mehr als eine Mikrokapsel enthalten, weniger als 35% der besetzten Partitionen mehr als eine Mikrokapsel enthalten, weniger als 30% der besetzten Partitionen mehr als eine Mikrokapsel enthalten, weniger als 25% der besetzten Partitionen mehr als eine Mikrokapsel enthalten, und in vielen Fällen, weniger als 20% der besetzten Partitionen mehr als eine Mikrokapsel haben, während in manchen Fällen weniger als 10% oder sogar weniger als 5% der besetzten Partitionen mehr als eine Mikrokapsel pro Partition umfassen werden. Dementsprechend werden in vielen Fällen die resultierenden Partitionen dazu führen, dass mindestens 50% der Partitionen eine und nur eine Mikrokapsel (d. h. eine einzige Mikrokapsel) enthalten, mindestens 55% der Partitionen eine und nur eine Mikrokapsel enthalten, mindestens 60% der Partitionen eine und nur eine Mikrokapsel enthalten, mindestens 65% der Partitionen eine und nur eine Mikrokapsel enthalten, mindestens 70% der Partitionen eine und nur eine Mikrokapsel enthalten, mindestens 75% der Partitionen eine und nur eine Mikrokapsel enthalten, mindestens 80% der Partitionen eine und nur eine Mikrokapsel enthalten, mindestens 80% der Partitionen eine und nur eine Mikrokapsel enthalten, mindestens 85% der Partitionen eine und nur eine Mikrokapsel enthalten, mindestens 90% der Partitionen eine und nur eine Mikrokapsel enthalten, und in einigen Fällen mindestens 95% der Partitionen eine und nur eine Mikrokapsel enthalten.
Zusätzlich oder alternativ ist es in vielen Fällen wünschenswert, die Erzeugung einer übermäßigen Anzahl leerer Partitionen zu vermeiden. Während dies durch das Bereitstellen einer ausreichenden Anzahl von Mikrokapseln in der Partitionierungszone erreicht werden kann, kann die Poisson-Verteilung erwartetermaßen die Anzahl von Partitionen erhöhen, die mehrere Mikrokapseln enthalten. Daher wird in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung der Strom von einem oder mehr der Mikrokapseln oder anderer in die Partitionierungszone geleiteter Fluide so kontrolliert, dass in vielen Fällen nicht mehr als 50% der erzeugten Partitionen unbesetzt sein werden, d. h. weniger als 1 Mikrokapsel umfassen, nicht mehr als 25% der erzeugten Partitionen oder nicht mehr als 10% der erzeugten Partitionen unbesetzt sein werden. Weiter werden in einigen Aspekten diese Ströme so kontrolliert, dass sie eine nicht-Poisson'sche Verteilung einzelbesetzter Partitionen aufweisen, während niedrigere Niveaus unbesetzter Partitionen bereitstellen. Anders formuliert werden in einigen Aspekten die oben genannten Bereiche unbesetzter Partitionen erreicht werden, während immer noch jegliche der oben beschriebenen Einzelbesetzungsraten wie oben beschrieben bereitgestellt werden. Zum Beispiel erzeugt in vielen Fällen die Verwendung der Vorrichtungen, Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung resultierende Partitionen, die Mehrfachbesetzungsraten von weniger als 25%, weniger als 20%, weniger als 15%, weniger als 10%, und in vielen Fällen weniger als 5% haben, während sie unbesetzte Partitionen von weniger als 50%, weniger als 40%, weniger als 30%, weniger als 20%, weniger als 10%, und in einigen Fällen weniger als 5% haben. Verfahren, Systeme und Vorrichtungskonfigurationen, zur Kontrolle der verschiedenen Ströme innerhalb der Kanalnetzwerke werden nachfolgend ausführlicher beschrieben.
Obwohl beschrieben mit Bezug auf die Bereitstellung im Wesentlichen einzeln besetzter Partitionen, ist es oben in bestimmten Fällen wünschenswert, mehrfach besetzte Partitionen bereitzustellen, z. B. umfassend zwei, drei, vier oder mehr Mikrokapseln in einer einzelnen Partition. Dementsprechend können, wie oben erwähnt, die Flusscharakteristika der Mikrokapsel-enthaltenden Fluide und Trennfluide kontrolliert werden, um solche mehrfach besetzten Partitionen zu liefern. Insbesondere können die Flussparameter kontrolliert werden, um eine gewünschte Besetzungsrate bei mehr als 50% der Partitionen, mehr als 75% der Partitionen und in manchem Fall mehr als 80%, 90%, 95% oder mehr bereitzustellen.
Zusätzlich können in vielen Fällen die mehreren Mikrokapseln innerhalb einer einzelnen Partition verschiedene darin eingekapselte Reagenzien umfassen. In solchen Fällen kann es vorteilhaft sein, verschiedene Mikrokapseln in einen gemeinsamen Kanal oder Tröpfchenerzeugungsknoten, aus verschiedenen Mikrokapselquellen, d. h. umfassend verschiedene eingekapselte Reagenzien, durch verschiedene Kanaleinlässe in einen solchen gemeinsamen Kanal oder Tröpfchenerzeugungsknoten einzuführen. In solchen Fällen können der Fluss und die Frequenz der verschiedenen Mikrokapseln in den Kanal oder Knoten kontrolliert werden, um das gewünschte Verhältnis von Mikrokapseln aus jeder Quelle bereitzustellen, während die gewünschte Paarung oder Kombination solcher Mikrokapseln in einer Partition sichergestellt wird.
Obwohl mit zwei Knoten und ihren assoziierten Kanalsegmenten gezeigt, versteht es sich, dass zusätzliche Kanäle in den Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt werden können, um zusätzliche Komponenten in die verschiedenen oben beschriebenen Fluide, Kapseln und Partitionen einzubringen. Diese zusätzlichen Kanäle können durch Schneiden von jeglichem der verschiedenen hierin beschriebenen Kanalsegmente zur Zugabe einer Vielfalt von Komponenten zu jeglichem einen oder mehr der verschiedenen Fluide, die in jenen Kanalsegmenten fließen, an unterschiedlichen Positionen und für verschiedene Zwecke bereitgestellt werden. Zum Beispiel können in einem Aspekt ein oder mehr zusätzliche Seitenkanäle bereitgestellt werden, die das oben beschriebene Kanalsegment 328 schneiden, zum Zweck der Einführung neuer Fluide, Reagenzien oder zusätzlicher Trennfluide in partitionierte Fluide innerhalb des Kanalsegments 328.
Ähnlich können Zusätzliche Kanalsegmente bereitgestellt werden, die Kanalsegmente 302 und/oder 308 schneiden, um zusätzliche Fluide in den wässrigen Strom einzuführen, bevor jener Fluidstrom mit dem Trennfluid in Tröpfchen partitioniert wird. Zusätzlich können noch weitere Kanalsegmente bereitgestellt werden, die jegliches der Seitenkanalsegmente, z. B. Kanalsegmente 304, 306, 324 oder 326, schneiden, um ausreichend Fluide in jene Segmente einzubringen. Solche Systeme können das Wechseln der Fluide, die in den Partitionierungsstrom eingeführt werden, in Echtzeit ermöglichen, durch Kontrollieren, welche Fluide durch die jeweiligen Seitenkanäle bereitgestellt werden, z. B. einem erlauben, Reaktanten zu ändern, die Trennfluidcharakteristika zu ändern, oder jegliche einer Vielfalt anderer Bedingungen.
In einigen Fällen können diese zusätzlichen Fluide dazu dienen, verschiedene Reaktionen innerhalb der Partitionen durch Einführen neuer Reagenzien in die Partitionen zu stimulieren. Zum Beispiel können diese zusätzlichen Fluide den Partitionen oder Kapseln ein oder mehr Aktivierungsagenzien bereitstellen, die die Initiierung einer oder mehr Reaktionen in jeglichem Stadium vor oder nach der Partitionierung bewirken.
Solche Aktivierungsagenzien können irgendeine von jegliche einer Anzahl verschiedener Formen annehmen. Zum Beispiel können diese Aktivierungsreagenzien die Freisetzung eines Reagenzes innerhalb einer Partition oder Kapsel bewirken, um es für die Reaktion verfügbar zu machen, z. B. durch Spalten einer Verknüpfung zwischen einer Mikrokapsel und dem Reagenz oder durch Stimulieren des Zerfalls der Mikrokapsel und der nachfolgenden Reagenzfreisetzung. Alternativ oder zusätzlich kann das Aktivierungsreagenz einen Initiator für eine gewünschte Reaktion umfassen, wie ein fehlendes kritisches Reagenz für die gewünschte Reaktion oder dergleichen. Als Beispiel und zum Zweck der Veranschaulichung kann ein Aktivierungsreagenz in Fällen, in denen die gewünschte Reaktion eine Nukleinsäurepolymerase-vermittelte Nukleinsäurereplikation umfasst, ein fehlendes Schlüsselreagenz umfassen, wie ein oder mehr Nukleosidtriphosphate, die ansonsten aus dem Gemisch fehlen, eine Primersequenz oder ein oder mehr Reaktionskofaktoren, die für eine Polymerasereaktion geeignet sind, z. B. divalente Metallionen wie Magnesium oder Mangan. In vielen Fällen wird die Verwendung derartiger fehlender Systeme oder aktivierbarer Reagenzsysteme zum Zweck der kontrollierten Initiierung einer gegebenen Reaktion als „Heißstart“- Reagenzien bezeichnet, die als eine allgemeine Klasse, in Verbindung mit den Systemen der vorliegenden Offenbarung nützlich sind.
Die Aktivierungsreagenzien können alternativ oder zusätzlich Reaktionen an den Partitionen oder Kapseln selbst oder an beiden initiieren, z. B. Aufbrechen der Kapseln oder Freisetzen von Reagenzien aus jenen Kapseln, Stabilisieren oder Destabilisieren von Partitionen, z. B. um Koaleszenz zu verringern bzw. zu fördern. Eine Vielfalt von Reagenzsystemen kann beim Aufbrechen der oder der Freisetzung von Reagenzien aus den Mikrokapseln der vorliegenden Offenbarung eingesetzt werden. Diese umfassen die Verwendung der oben beschriebenen chemischen Stimuli zur Spaltung chemischer Vernetzung oder molekularer Bindung, wie in der U.S.-Patentveröffentlichung Nr. 2014/0378345 diskutiert.
4 stellt eine schematische Darstellung einer beispielhaften mikrofluidischen Gesamtvorrichtung oder eines Vorrichtungsmoduls zum Partitionieren eingekapselter Reagenzien bereit, wie oben beschrieben. Wie in 4 gezeigt, stellt die Gesamtvorrichtung 400 ein oder mehr Kanalnetzwerkmodule 450 zum Erzeugen partitionierter Mikrokapselzusammensetzungen bereit. Wie gezeigt, umfasst das Kanalnetzwerkmodul 450 eine grundlegende Architektur ähnlich der in 3B oben gezeigten. Insbesondere umfasst das dargestellte Kanalnetzwerkmodul einen ersten Kanalknoten 410, der Kanalsegmente 402 ,404 und 406 verbindet, sowie Kanalsegment 408, das ersten Knoten 410 mit zweitem Kanalknoten 422 verbindet. Außerdem sind Kanalabschnitte 424,426 und 428 mit zweitem Knotenpunkt 422 verbunden.
Wie veranschaulicht, ist Kanalsegment 402 auch fluidisch mit Speicher 430 gekoppelt, das zum Beispiel eine Quelle von Mikrokapseln bereitstellt, die ein oder mehr eingekapselte Reagenzien umfassen können, die in einer wässrigen Lösung suspendiert sind. Jedes von Kanalsegmenten 404 und 406 ist in ähnlicher Weise fluidisch mit Fluidspeicher 432 gekoppelt, das zum Beispiel eine Quelle von Probenmaterial sowie andere Reagenzien bereitstellen kann, die zusammen mit den Mikrokapseln partitioniert werden sollen. Wie zuvor erwähnt, können diese Kanalsegmente, obwohl beide Kanalsegmente 404 und 406 als mit dem gleichen Speicher 432 gekoppelt dargestellt sind, mit verschiedenen Speichern gekoppelt sein, um verschiedene Reagenzien oder Materialien einzuführen, die zusammen mit den Mikrokapseln partitioniert werden sollen.
Jedes von Kanalsegmenten 402, 404 und 406 kann mit zusätzlichen Fluidkontrollstrukturen versehen sein, wie etwa passivem Fluidventil 436. Diese Ventile können für ein kontrolliertes Befüllen der Gesamtvorrichtungen sorgen, indem sie die Kapillarkräfte brechen, die die wässrigen Fluide am Punkt der Verbreiterung des Kanalsegments in der Ventilstruktur in die Vorrichtung ziehen. Kurz werden wässrige Fluide zuerst in Speichern 430 und 432 in die Vorrichtung eingeführt, an welchem Punkt diese Fluide durch Kapillarwirkung in ihre jeweiligen Kanalsegmente gezogen werden. Nach Erreichen der Ventilstruktur wird der erweiterte Kanal die Kapillarkräfte brechen, und der Fluidstrom wird stoppen, bis äußere Kräfte, z. B. positive oder negative Drücke, auf ihn wirken, die das Fluid in und durch die Ventilstruktur treiben. Obwohl als eine Verbreiterung des Kanals in der Breitenabmessung dargestellt, versteht es sich, dass eine passive Ventilstruktur eine Erhöhung in jeglicher einen oder mehr Querschnittsdimensionen einer Kanalregion umfassen kann. Zum Beispiel kann ein passives Ventil eine erhöhte gestufte Tiefe eines Kanals im Ventilbereich erhöhen. Wiederum, wenn das Fluid das Kanalsegment mit vergrößertem Querschnitt erreicht, werden die Kapillarkräfte das Fluid innerhalb des flacheren Kanals zurückhalten. Wieder kann, wie erwähnt, die Zunahme der Querschnittsdimension in jeglicher einen oder mehr Querschnittsdimensionen erfolgen, und kann eine Querschnittszunahme von mindestens etwa 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100% oder mehr sein. In vielen Fällen kann es zwischen etwa 5% und etwa 100% größerer Querschnitt, zwischen etwa 5% und etwa 50%, zwischen etwa 5% und etwa 20% einer Querschnittszunahme sein. Obwohl an einer bestimmten Kanalposition dargestellt, versteht es sich, dass diese Ventilstrukturen entlang irgendeiner Kanalposition innerhalb eines mikrofluidischen Kanalnetzwerks angeordnet sein können, einschließlich eines Schnittpunkts von zwei oder mehr Kanalsegmenten oder innerhalb eines einzelnen Kanals.
In Kanalsegment 402 ist auch eine Mikrokapseltrichterstruktur 452 gezeigt, die sowohl das effiziente Sammeln von Mikrokapseln aus Speicher 430, die Regulierung des Mikrokapselstroms (wie hierin an anderer Stelle ausführlicher beschrieben), als auch ein reduziertes Systemversagen auf Grund von Kanalverstopfung ermöglicht. Wie ebenfalls gezeigt, kann in einigen Fällen die Verbindung von Kanalsegment 402 mit Speicher 430 sowie den Knoten von einem oder mehr oder allen der Kanalsegmente und ihrer jeweiligen Speicher mit zusätzlichen funktionalen Elementen versehen sein, wie etwa Filterstrukturen, z. B. Säulen, Pfosten, gewundenen Fluidpfaden oder anderen blockierenden Strukturen, um zu verhindern, dass unerwünschtes Partikelmaterial in die Kanalsegmente eindringt oder sich darin fortschreitet.
Knoten 410 ist fluidisch mit zweitem Knoten 422 gekoppelt. Ebenfalls mit Kanalknoten 422 gekoppelt sind Kanalsegmente 424 und 426, die ihrerseits fluidisch mit Speicher 438 gekoppelt sind, das zum Beispiel Trennfluid bereitstellen kann, das mit den aus Knoten 410 strömenden wässrigen Fluiden nicht mischbar ist. Kanalsegmente 424 und 426 wiederum sind als mit dem gleichen Speicher 438 gekoppelt dargestellt, obwohl sie mit verschiedenen Speichern gekoppelt sein können, z. B. wobei gewünscht ist, dass jedes Kanalsegment eine andere Zusammensetzung zu Knoten 422 liefert, z. B. Trennfluide mit unterschiedlicher Zusammensetzung einschließlich unterschiedlicher Reagenzien oder dergleichen.
Bei einem beispielhaften Betrieb werden in Speicher 430 bereitgestellte Mikrokapseln, durch Kanalsegment 402 in ersten Kanalknoten 410 geströmt. Die Mikrokapseln werden durch Ventil 436 strömen, das zusätzlich zum Bereitstellen einer passiven Fluidventilstruktur auch als ein Mikrokapsel-Durchflussregler wirkt, wie nachstehend ausführlicher beschrieben. Der Mikrokapsel-Durchflussregler stellt einen gleichmäßigeren Strom von Mikrokapseln in und durch Knoten 410 in Kanalsegment 408 sicher. Innerhalb von Knoten 410 wird die wässrige Mikrokapsellösung mit den wässrigen Fluiden aus Speicher 432 in Kontakt gebracht, wie durch Kanalsegmente 404 und 406 eingeführt. Auf Grund laminarer Strömungscharakteristika der mikrofluidischen Kanalnetzwerke, und ohne an eine bestimmte Theorie des Betriebs gebunden zu sein, können wässrige Fluide aus Kanalsegmenten 404 und 406 die Mikrokapselzusammensetzung mit einer zweiten wässrigen Fluidschicht umhüllen, wobei die primäre Wechselwirkung zwischen den beiden Fluiden einfache Diffusion ist, d. h. mit einem wesentlichen Mangel an konvektiver Vermischung.
Der wässrige Fluidstrom wird dann durch Kanalsegment 408 in zweiten Knoten 422 geströmt. Innerhalb Kanalknoten 422 wird der wässrige Fluidstrom, einschließlich der regelmäßig beabstandeten strömenden Mikrokapseln, der durch Kanalsegment 408 strömt, zu Tröpfchen innerhalb des aus Kanalsegmenten 424 und 426 eingeführten nicht mischbaren Trennfluids geformt. In einigen Fällen können eines oder beide der Partitionierungsknoten, z. B. Knoten 422 und eines oder mehr der mit jenem Knoten gekoppelten Kanalsegmente, z. B. Kanalsegmente 408, 424, 426 und 428, weiter konfiguriert sein, den Partitionierungsprozess am Knoten zu optimieren.
Weiter kann, obwohl als Kreuzkanalschnittpunkt dargestellt, an dem wässrige Fluide durch Kanalsegment 408 in Partitionierungsknoten 422 geströmt werden, um durch die nicht mischbaren Fluide aus Kanalsegmenten 424 und 426 partitioniert zu werden, und in Kanalsegment 428 geströmt werden, wie an anderer Stelle hierin beschrieben, die Partitionierungsstruktur innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung der vorliegenden Offenbarung eine Anzahl unterschiedlicher Strukturen umfassen.
Wie hierin an anderer Stelle ausführlicher beschrieben, wird der Strom der Mikrokapseln in Knoten 422, und in einigen Fällen die Flussrate der anderen wässrigen Fluide und/oder Trennfluide durch jeden der Knoten 410 und 422, kontrolliert, um ein gewünschtes Niveau an Partitionierung in Mikrokapseln bereitzustellen, z. B. um die Anzahl an Mikrokapseln, die in jedes Tröpfchen partitioniert werden, die Menge an Reagenzien in jedem Tröpfchen zu kontrollieren, und den Gesamtbetrieb der Vorrichtung zu kontrollieren, z. B. um Verstopfung oder andere Störung zu verhindern, oder dergleichen.
Sobald die Mikrokapseln aufgeteilt sind, werden sie durch das Kanalsegment 428 und in eine Wiedergewinnungsstruktur oder -zone geleitet, wo sie leicht geerntet werden können. Wie gezeigt, umfasst die Wiederherstellungszone beispielsweise das Auslassspeicher 438. Alternativ kann die Wiedergewinnungszone eine beliebige Anzahl verschiedener Schnittstellen enthalten, einschließlich fluidischer Schnittstellen mit Röhren, Bohrungen, zusätzlichen Fluidnetzwerken oder dergleichen. In einigen Fällen, in denen die Rückgewinnungszone ein Auslassspeicher umfasst, ist das Auslassspeicher so strukturiert, dass es ein Volumen aufweist, das größer ist als das erwartete Volumen von Fluiden, die in diesen Speicher fließen. In seinem einfachsten Sinn kann das Auslassspeicher in einigen Fällen eine Volumenkapazität haben, die gleich oder größer ist als das kombinierte Volumen der Eingangsspeicher für das System, z. B. Speicher 430, 432 und 434.
Es versteht sich, dass eine einzelne mikrofluidische Vorrichtung mehrere im Wesentlichen identische Kanalnetzwerkmodule umfassen kann, die jeweils eigenständige Fluidquellen haben können oder sich ein oder mehr Fluidspeicher teilen können. Zum Beispiel kann eine einzelne gemultiplexte Vorrichtung, die mehrere Kanalnetzwerkmodule umfasst, eine einzelne Quelle von einem oder mehr des Trennfluids, des Mikrokapsel-enthaltenden Fluids, eines oder mehr Reagenzfluide sowie Probenfluide umfassen. Somit können die mehreren Kanalmodule verwendet werden, um große Mengen des gleichen Typs von partitionierten Mikrokapseln zu erzeugen, z. B. durch Bereitstellen derselben Zuteilung von Fluiden in den entsprechenden Speichern jedes Moduls 450 in einer gemultiplexten Vorrichtung. In bestimmten Aspekten werden jedoch verschiedene Kanalnetzwerkmodule bei der Erzeugung verschiedener partitionierter Mikrokapseln verwendet werden. Solche verschiedenen partitionierten Zusammensetzungen können verschiedene Probenmaterialien, die den partitionierten Mikrokapseln zugeteilt werden, verschiedene anfängliche Mikrokapseln, die demselben oder verschiedenen Probenmaterialien zugeteilt werden, oder Anwendung verschiedener Reagenzien auf verschiedene auf dieselben oder verschiedene Probenmaterialien und/oder verschiedene Mikrokapseln umfassen. Wie oben erwähnt, kann es, wo dieselben Fluide in die Kanalsegmente verschiedener Module eingeführt werden, effizient sein, solche Kanalsegmente mit dem/n gleichen Speicher(n) fluidisch zu koppeln. Diese Kanalsegmente können dieselben korrespondierenden Kanalsegmente in jedem Modul sein oder, abhängig von der gewünschten Verwendung, sie können verschiedene Kanalsegmente in verschiedenen Modulen sein.
Es versteht sich, dass die Raten, mit denen verschiedene Fluide in den oben beschriebenen Kanalstrukturen zusammengebracht werden, einen Einfluss auf die Erzeugung der Tröpfchen haben können, sei es zum Zwecke der Mikrokapselerzeugung oder zur anschließenden Trennung in diskrete Partitionen oder Tröpfchen. Dementsprechend stellen die in der vorliegenden Offenbarung verwendeten Vorrichtungen in bestimmten Aspekten eine Kontrolle der verschiedenen Fluidströme innerhalb der integrierten Kanalnetzwerke bereit. Die Kontrolle von Fluidströmen in Kanalnetzwerken kann durch eine Vielfalt an Mechanismen erreicht werden. Zum Beispiel können Drücke am Ursprung verschiedener Kanalsegmente, z. B. an Speichern, angelegt werden, um den Fluidstrom innerhalb jenes Kanalsegments zu kontrollieren. Durch Verwenden eines druckbasierten Stroms kann man in der Lage sein, Ströme innerhalb verschiedener Kanalsegmente unabhängig zu kontrollieren, indem unabhängig kontrollierte Druckquellen mit den verschiedenen Kanalsegmenten gekoppelt werden, um Differenzialdruckgradienten über jedes Kanalsegment anzulegen. In solchen Fällen können Flussraten innerhalb verschiedener Kanalsegmente überwacht werden, z. B. durch Schnittstellen-Detektionssysteme, wie optische Detektoren, um eine Rückmeldung über die Strömungskontrollaspekte zu liefern, um Modulation des Stroms zu ermöglichen.
Alternativ kann eine einzige Druckquelle zugleich mit allen Kanalsegmenten gekoppelt werden, z. B. durch Koppeln einer Druckquelle an einen Verteiler, der zugleich an die verschiedenen Kanalsegmentursprünge oder -speicher gekoppelt ist. Wenn ein einzelner Druck an mehreren Kanälen angelegt wird, werden die Flussraten innerhalb jener Kanäle durch den Widerstandswert in jedem Kanal kontrolliert, der der Fluidviskosität und den Kanaldimensionen (Querschnitt und Länge) unterliegt. In solchen Fällen wird Strömungskontrolle durch Vorsehen von Kanalsegmenten mit den geeigneten Dimensionen erreicht, um die gewünschte Flussrate zu erreichen, bei gegebener Viskosität der durch sie hindurchgehenden Fluid. Um beispielsweise äquivalente Flussraten zu erreichen, können Kanäle, die zum Strömen viskoserer Fluide verwendet werden, mit breiteren und/oder kürzeren Kanalsegmenten ausgestattet sein als Kanäle, die zum Transport von Fluiden niedrigerer Viskosität verwendet werden.
Obwohl als eine Druckquelle beschrieben, die an Kanalursprüngen angelegt wird, kann die Druckquelle in einigen Aspekten eine Vakuum- (oder Unterdruck-)Quelle umfassen, die an einem oder mehr der Auslassöffnungen für ein Kanalnetzwerk angelegt wird, z. B. einem Endspeicher, d. h. Speicher 444 in 4. Das Anlegen eines Vakuums bietet eine Anzahl von Vorteilen gegenüber von einem positiven Druck betriebenen Systemen, einschließlich z. B. Bereitstellung eines einzigen Verbindungspunkts zu einem integrierten Kanalnetzwerk am Auslass- gegenüber mehreren Einlasspunkten, Abwesenheit von Mikrokapselkompression, die zu Verstopfung des Kanaleinlasses in Überdrucksystemen führen kann, und dergleichen.
In einigen Fällen kann die Vakuumquelle zum Partitionieren von Mikrokapseln an einem Knoten an einem Auslasskanalsegment angelegt werden, der sich von der Zone unterscheidet, an der die partitionierten Mikrokapseln geerntet werden können. Insbesondere wenn eine Vakuumquelle am Endspeicher, z. B. Speicher 438 in 4, angelegt wird, kann die Quelle vom Speicher getrennt sein, um die partitionierten Mikrokapseln aus dem Endspeicher zu ernten. In einigen Fällen kann durch Trennen des Vakuumquellen-Schnittstellenknotens mit dem Kanalsegment von der Zone, wo die partitionierten Mikrokapseln geerntet werden, die Notwendigkeit vermieden werden, die Vakuumquelle abzutrennen und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. In einigen Fällen kann der Vakuumschnittstellenknoten einen Endspeicher umfassen, z. B. Speicher 438, das mit einer Schnittstellenkomponente zum Anschließen an eine integrierte oder diskrete Partitionserntezone konfiguriert sein kann, die das Ernten der Partitionen ohne Entfernen der angelegten Vakuumquelle ermöglicht. Diese und andere Schnittstellenkomponenten werden nachstehend ausführlich beschrieben.)
III. Zusätzliche verbesserte Komponenten mikrofuidischer Systeme
Die präzise Handhabung und Manipulation von Mikrokapseln, entweder bei ihrer Erzeugung oder bei ihrer nachfolgenden Partitionierung, schafft eine Reihe neuer Herausforderungen in mikrofluidischen Systemen, die durch Aspekte der vorliegenden Offenbarung angegangen werden. Insbesondere kann der Fluss von Mikrokapseln in fluidischen und besonders mikrofluidischen Systemen bestimmten Variabilitäten unterliegen, von denen viele oben erwähnt wurden, einschließlich variierter Flussraten oder Abgabefrequenzen, Kanalverstopfung, variabler Partitionierung, Probennahme- oder Abgabetendenzen oder dergleichen. Diese Offenbarung stellt zahlreiche verbesserte Komponenten, Vorrichtungen, Verfahren und Systeme bereit, um viele dieser Probleme anzugehen.
Zum Beispiel befasst sich die vorliegende Offenbarung in bestimmten Aspekten z. B. mit Probennahmetendenzen oder -variabilität von Mikrokapseln in einem Speicher. Insbesondere sind in einigen Fällen ein oder mehr Speicher, in die Mikrokapseln in einem hierin beschriebenen System oder Vorrichtung deponiert werden, z. B. der in 4 gezeigte Speicher 430, konfiguriert, den Strom von Mikrokapseln in ihre assoziierten Kanalsegmente zu verbessern.
In einem Beispiel können die Speicher, die verwendet werden, um die Mikrokapseln oder andere Reagenzien bereitzustellen, mit einer konischen Bodenfläche versehen sein, um ein Trichterleiten der Mikrokapseln zu den Einlässen für die mit den Speichern verbundenen Kanalsegmente zu ermöglichen. Dies ist schematisch in 5A veranschaulicht, das ein Beispiel von Speichern 500, 502, 504 und 506 von der Seite betrachtet zeigt. Wie gezeigt, umfasst der Speicher 500 Seitenwände 510, die sich von einer oberen Oberfläche 512 einer mikrofluidischen Vorrichtung 506 erstrecken. in innerer Hohlraumbereich 508 des Speichers erstreckt sich in die mikrofluidische Vorrichtung 506 und ist in Verbindung mit einem fluidischen Kanal 516 vorgesehen. Wie gezeigt, hat Hohlraumbereich 508 eine sich verjüngende oder konische Form in Richtung des Einlasses von Kanal 516, wie er durch Verengen des Hohlraums 508 wegen konvergierender Seitenwände 518 des Hohlraums 508 definiert.
In zusätzlichen Aspekten kann die Mikrokapselbeladung in Kanalsegmente durch die Einbeziehung eines verbreiterten Schnittstellenbereichs oder Einlasses zwischen dem Speicher und dem verbundenen Fluidkanal verbessert werden. Ein Beispiel dafür ist in dem Kanalnetzwerk von 4 veranschaulicht, wo die Schnittstelle von Kanalsegment 402 mit Speicher 430 mit Trichterkanalstruktur 452 versehen ist, was sowohl die Einführung von Mikrokapseln in das Kanalsegment verbessert als auch gewisse stromregulierende Charakteristika für die Mikrokapseln in das Kanalsegment bereitstellt. Es sind auch blockierende Strukturen 454 gezeigt, die Barrieren für größeres Partikelmaterial darstellen, das eine Verunreinigung innerhalb des Speichers sein kann und den Strom von Fluiden durch die Kanäle der Vorrichtung beeinträchtigen kann. Es versteht sich, dass die verschiedenen Speicher jeweils oder alle Filtrations- oder Partikelblockierungselemente in sich enthalten können, die in Abhängigkeit von den in dem Speicher zu disponierenden Fluiden gleich oder verschieden sein können. Während zum Beispiel in einigen Fällen eine einfache strukturelle Barriere wie die in 4 gezeigten Säulenstrukturen (z. B. Strukturen 454 ), in den Kanalschnittstellen mit den Mikrokapsel-enthaltenden Speichern verwendet werden kann, können für solche Speicher, die wässrige Lösungen enthalten, z. B. Probenmaterialien oder Reagenzien, mehr oder weniger stringente Filtrationskomponenten darin integriert werden, z. B. am Boden eines Speichers, um den Inhalt des Speichers in situ mehr oder weniger zu filtern. Eine Vielfalt von Filtrationsmedien, einschließlich z. B. Membranfilter, Fritten oder andere bekannte Filtertypen, können leicht in die Speicher innerhalb der Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung eingebaut werden.
Ähnlich wie bei den oben beschriebenen verbreiterten Schnittstellen können die Schnittstellen mehrere diskrete Kanaleinlässe aus einem gegebenen Speicher umfassen, um sicherzustellen, dass der Strom von Mikrokapseln in und durch die Kanalsegmente weniger anfällig für Unterbrechung oder Verstopfung ist, sowie um sicherzustellen, dass im Speicher disponierte Mikrokapseln an mehreren Punkten zugänglich sind, anstatt an einem einzigen Punkt oder Kanaleinlass. Insbesondere kann für einen gegebenen Speicher eine Vielzahl von Kanaleinlässen vorgesehen sein, die den Speicher fluidisch mit einem einzelnen Kanalsegment (oder Stromregulierungsknoten, wie nachstehend ausführlicher beschrieben) innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung verbinden. Ferner können, wie oben beschrieben, die mehreren Kanaleinlässe mit einem oder mehr der zuvor beschriebenen funktionellen Elemente versehen sein, z. B. Trichterstrukturen, Filterelementen wie Säulen, Pfosten oder gewundenen Pfaden, oder dergleichen.
Wie bei der Diskussion der Mikrokapselpartitionierung oben bemerkt wurde, kann der Strom der Mikrokapseln, zusammen mit dem Strom der anderen Fluide, die in der Partitionierungszone zusammenkommen, z. B. Knoten 322 in 3, so kontrolliert werden, dass im Wesentlichen eine gewünschte Anzahl von Mikrokapseln pro Partition bereitgestellt wird. In vielen Fällen wird die wesentliche Mehrheit der besetzten Partitionen (z. B. Partitionen, die eine oder mehr Mikrokapseln umfassen) nicht mehr als 1 Mikrokapsel pro besetzter Partition umfassen, während in einigen Fällen auch die Anzahl der erzeugten unbesetzten Partitionen reduziert wird.
Wie oben beschrieben, erreichen die Verfahren, Vorrichtungen und Systeme der vorliegenden Offenbarung im Allgemeinen einen gewünschten Zuteilungsgrad von Mikrokapseln zu Partitionen durch die kontrollierte Kombination der Mikrokapseln und des Trenn- oder Dispersionsfluids zu Tröpfchen, z. B. durch Kontrollieren der Flussraten von Mikrokapseln und Öl in den Tropfenerzeugungsknoten einer mikrofluidischen Vorrichtung, d. h. Knoten 312, wie in 3 gezeigt.
Das Strömen von Mikrokapseln aus Speichern durch Kanäle und in Kanalknoten kann einer großen Maß an Variabilität unterliegen, da diese Mikrokapseln bei einem strömen können, der durch den Zufall definiert ist, wann die Mikrokapsel in ein Kanalsegment eintritt, und seine Flussrate durch jenes Kanalsegment. Dementsprechend können in bestimmten Aspekten die mikrofluidischen Systeme der vorliegenden Offenbarung Mikrokapselstromregulierungskomponenten innerhalb des geeigneten Kanalsegments umfassen, um solche Mikrokapseln bereitzustellen, die mit einer definierteren Regelmäßigkeit in den Tropfenerzeugungsbereich strömen.
Die Mikrokapselstromregulatoren, die in den hier beschriebenen Kanalsystemen enthalten sind, werden typischerweise Mikrokapseln bereitstellen, die in Kanälen mit einer relativ regelmäßigen Frequenz strömen. Insbesondere wird während eines gegebenen Zeitrahmens, in dem Tröpfchen erzeugt werden, z. B. einem 10-Sekunden-Fenster, einem 30-Sekunden-Fenster, einem 1-Minuten-Fenster, einem 2-Minuten-Fenster, einem 3-Minuten-Fenster oder über den stationären Betriebszustand eines gesamten Tröpfchenerzeugungdurchgangs (z. B. ohne Starten und Herunterfahren), die Frequenz, mit der diese Mikrokapseln strömen, typischerweise einen Variationskoeffizienten von weniger als 50%, weniger als 40%, weniger als 30%, weniger als 20%, weniger als 10%, und in einigen Fällen weniger als 5% haben. Es versteht sich, dass die Stromfrequenz von Mikrokapseln die Anzahl an Mikrokapseln wiedergibt, die innerhalb eines Zeitraums von einer Sekunde an einem bestimmten Punkt in einer Leitung vorbeiströmen. Frequenzmessungen können typischerweise auf Intervallen von unter einer Sekunde oder einer Sekunde basieren, können aber auch auf Intervallen von mehreren Sekunden, mehreren Minuten oder länger basieren, abhängig von den besonderen Erfordernissen des Prozesses.
Obwohl es in einem gegebenen Verfahren wünschenswert sein kann, Mikrokapseln mit einer relativ stabilen Frequenz zu strömen, kann sich die Frequenz für die strömenden Mikrokapseln in einer Anzahl von Aspekten abhängig von den gewünschten Anwendungen, der Art der strömenden Fluide und dergleichen unterscheiden. Im Allgemeinen werden jedoch Mikrokapseln, die in einen Partitionierungs- oder Tröpfchenerzeugungsknoten strömen, mit mehr als 50 Hz, mehr als 100 Hz, mehr als 250 Hz, mehr als 500 Hz, mehr als 750 Hz, mehr als 1000 Hz, mehr als 1500 Hz, mehr als 2000 Hz oder sogar mehr als 5000 Hz oder sogar 10 000 Hz geströmt werden, wobei immer noch die gewünschte Besetzung und andere Prozessziele erreicht werden. In bestimmten Fällen können diese Stromfrequenzen nach dem Partitionierungsknoten aufrechterhalten werden, so dass partitionierte Mikrokapseln aus dem Tröpfchenerzeugungknoten mit Frequenzen von mindestens oder mehr als 50 Hz, mindestens oder mehr als 100 Hz, mindestens oder mehr als 500 Hz, mindestens oder mehr als 750 Hz, mindestens oder mehr als 1000 Hz, mindestens oder mehr als 1500 Hz, mindestens oder mehr als 2000 Hz oder sogar mindestens oder mehr als 5000 Hz oder 10000 Hz strömen.
Eine Anzahl von Ansätzen kann angewendet werden, um Kügelchenströme innerhalb der mikrofluidischen Kanalsegmente der hierin beschriebenen Vorrichtungen zu regulieren. Zum Beispiel umfassen diese Regulatoren in einigen Fällen „Sammelzonen“, in die die Mikrokapseln strömen und in denen sie sich sammeln werden, bevor sie aus der Sammelzone herausströmen. Diese Zonen sind so konfiguriert, dass sie den Strom der Mikrokapseln durch den Einschluss von Trichterstrukturen oder Kanalprofilen messen, um den Strom individueller Mikrokapseln besser zu messen. Beispiele solcher Strukturen sind oben erwähnt und sind in 4 und 6B gezeigt. Ein erstes Beispiel umfasst die Kanalschnittstelle, die als Trichterzone 452 gezeigt ist, die innerhalb der Schnittstelle von Kanalsegment 402 und Speicher 430 integriert ist.
In ähnlicher Weise kann ein Mikrokapselstromregulator in das Kanalsegment selbst integriert sein, z. B. Kanalsegment 402 in 4, anstatt an der Schnittstelle mit dem Speicher, z. B. Speicher 430 von 4. Ein Beispiel dieser Struktur umfasst die in 6A veranschaulichte Stromregulatorstruktur 600. Es versteht sich, dass die Mikrokapselstromregulierungsstruktur 460 auch als ein passives Fluidventil während des Befüllens der Vorrichtung fungieren kann, z. B. Ventil 436, wie oben in Bezug auf Kanalsegmente 402, 404 und 406 beschrieben. Wie bei Trichterstruktur 452 enthält der Stromregulator 600 einen verbreiterten Bereich von Kanalsegment 602 (an der Schnittstelle als Kanal 602a gezeigt) im Bereich 604, der sich im Bereich 606 verengt, bis er die Querschnittsdimensionen des Auslassabschnitts von Kanalsegment 602 (an der Schnittstelle als Segment 602b gezeigt) wieder erreicht. Wenn die Mikrokapseln in den expandierten Bereich 602 eintreten, ermöglicht konvektiver Fluss, dass sich mehrere Mikrokapseln in dem gesamten Sammelbereich ansammeln oder aggregieren. Sobald eine ausreichende Anzahl von Mikrokapseln aggregiert ist, werden sie beginnen, durch den verengten Bereich in das Kanalsegment 604 in einer gemessenen und kontrollierteren Weise auszuströmen. Dies ist schematisch in 6B veranschaulicht, die Mikrokapseln zeigt, die mit unregelmäßiger Frequenz in die Mikrokapselstromregulierungsstruktur strömen und mit einer regelmäßigeren Frequenz aus dem Regulator herausströmen. Es versteht sich, dass ein Kanalnetzwerk einen oder mehr Stromregulatoren umfassen kann, die in Reihe oder parallel innerhalb eines gegebenen Flusspfades angeordnet sind, z. B. die Fluidverbindung zwischen zwei Punkten in dem Gesamtnetzwerk. Während diese Stromregulatoren diejenigen mit der Form und Konfiguration umfassen können, wie in Fig. 6A und 6B gezeigt, können sie auch unterschiedliche Formen und Konfigurationen umfassen. Zum Beispiel können die verbreiterten Bereiche des Stromregulators dreieckige Formen umfassen, ähnlich zu den in Fig. 6A und 6B gezeigten, oder können längliche dreieckige Formen umfassen. Ähnlich kann der verbreiterte Bereich der Stromregulatoren kreisförmige, elliptische oder halbkreisförmige oder halbelliptische Formen umfassen oder kann eine verjüngte Trichterform wie die hierin an anderer Stelle beschriebenen Kanalschnittstellen umfassen. Es versteht sich, dass die grundlegenden strukturellen Komponenten dieser beispielhaften Stromregulatoren ein verbreiterter Kanalbereich an dem Punkt, an dem ein Strom in den Regulator eintritt, mit einem verjüngten, verengten oder trichterförmigen Abschnitt, wenn der Strom in den nachfolgenden Kanal oder Kanalnetzwerk eintritt, ist. Diese verbreiterten Bereiche werden typischerweise breitere Querschnitte haben, die 1,1X bis 20X der Querschnitte von Kanalsegmenten sind, die in den verbreiterten Bereich fließen. In einigen Aspekten liegen diese verbreiterten Bereiche irgendwo zwischen 2X und 10X des Querschnitts des eintretenden Kanalsegments (verglichen mit der gleichen Querschnittsabmessung, z. B. Breite zu Breite, Tiefe zu Tiefe usw.), und in einigen Fällen, von 2X bis 5X des Querschnitts des eintretenden Kanalsegments. In einigen Fällen kann mehr als eine Querschnittsdimension über den Einlasskanal variiert werden, z. B. können sowohl Breite als auch Tiefe unterschiedlich sein. Obwohl weiter in einigen Aspekten, wo beide Dimensionen variiert werden, sie größer sein werden als jene des Einlasskanals, kann in einigen Fällen, vorausgesetzt dass mindestens eines von Breite und Tiefe vergrößert ist, die andere Dimension verringert sein, abhängig von den gewünschten Stromcharakteristika durch den Stromregulator.
In anderen Beispielen werden mehrere Mikrokapsel-enthaltende Kanäle in einer Sammelzone zusammengebracht, um eine höhere Anzahl von Mikrokapseln in den Knoten und Sein Assoziiertes Abflusskanalsegment zu bringen. Dies ermöglicht, dass Leerphasen in dem Strom von Mikrokapseln in einem Kanal durch Mikrokapseln gefüllt werden, die aus dem/n anderen Kanal/Kanälen einströmen. Diese Kanalsegmente können separate Kanalsegmente umfassen, die innerhalb des Kanalnetzwerks als Sammelzone vorgesehen sind, oder, wie oben erwähnt, sie können mehrere Einlasskanalsegmente umfassen, die mit einem Mikrokapsel-enthaltenden Speicher in fluidisch verbunden sind. Ferner können, wie oben erwähnt, diese Kanalsegmente Mikrokapseln aus einer einzigen Quelle oder Population von Mikrokapseln in dasselbe Kanalsegment einbringen, oder sie können Mikrokapseln aus verschiedenen Quellen, Z. B. Speichern, in ein gemeinsames Kanalsegment einbringen, wo solche verschiedenen Mikrokapseln verschiedene Reagenzien enthalten.
Wie oben erwähnt, können die mikrofluidischen Vorrichtungen und Systeme der vorliegenden Offenbarung verbesserte Schnittstellenkomponenten umfassen, die beim Betrieb der Vorrichtungen und Systeme nützlich sind, und Schnittstellenkomponenten, die bei der Handhabung und Manipulation von Mikrokapselzusammensetzungen und partitionierten Zusammensetzungen besonders nützlich sein können.
Beispiele für Schnittstellen, die für die Mikrokapsel- und Partitionsmanipulation nützlich sind, umfassen solche, die für eines oder beides von Deposition und Ernte solcher Zusammensetzungen in und aus solchen Vorrichtungen nützlich sind. Zum Beispiel kann, wie zuvor erwähnt, Bewegung und Transport von Mikrokapseln in Lösung einer gewissen Variabilität unterliegen. Diese Variabilität kann in einigen Fällen in den Transport dieser Lösungen aus den Systemen, in denen sie erzeugt werden, in andere Systeme und/oder Gefäße, z. B. Speichergefäße wie Röhren, Vertiefungen, Gefäße und dergleichen, in ihren Transport aus Speichergefäßen, wie Röhren, Vertiefungen, Gefäße und dergleichen, in Systeme für ihre nachfolgende Verarbeitung, z. B. mikrofluidische Partitionierungssysteme wie die oben beschriebenen, übertragen werden. In einem Beispiel wird eine Mikrokapsellösung oder -suspension innerhalb eines Speichergefäßes bereitgestellt, das eine durchstechbare Wand- oder Bodenoberfläche umfasst. Entsprechende Stechstrukturen innerhalb eines Speichers auf einer fluidischen Vorrichtung bereitgestellt sein. Durch Einführen des Speichergefäßes in den Speicher wird die durchstechbare Wand durch die Stechstrukturen penetriert, um die Mikrokapselsuspension in den Speicher zu entlassen.
Ein Beispiel für diese Art von Schnittstelle ist schematisch in Fig. 7A und 7B veranschaulicht. Wie in 7A gezeigt, wird ein Speichergefäß bereitgestellt, wie eine Röhre 702, zum Halten von Fluidreagenzien, wie einer Mikrokapselsuspension 704, wie an anderer Stelle hier beschrieben. Eine Oberfläche des Gefäßes, z. B. Bodenoberfläche 706, ist als eine durchstechbare Schicht bereitgestellt. Durchstechbare Schichten können in jeglicher einer Vielfalt verschiedener Konfigurationen bereitgestellt werden. Zum Beispiel können sie einfach Wände aus demselben Material wie der Rest des Gefäßes umfassen, die jedoch dünn genug sind, um Durchstechen zu ermöglichen. Solche Wände können dünner sein als andere Wände im Gefäß. Alternativ können die durchstechbaren Oberflächen andere Materialien als die des Restes des Gefäßes umfassen, wie ein durchstechbares Septum (z. B. Nitrocellulose, PVDF, Latex oder andere ähnlich verwendete Materialien), eine Folienoberfläche oder irgendeine einer Anzahl anderer durchstechbarer Membranen. Ähnlich kann eine Oberfläche des Speicherbehälters mit einer Ventilstruktur versehen sein, die aktiv oder passiv sein kann. In vielen Fällen können passive Ventile, wie druckgesteuerte Rückschlagventile, in der Bodenoberfläche 706 des Speichergefäßes eingesetzt werden.
Im Gebrauch ist das Speichergefäß mit dem Speicher 708 in einer Vorrichtung 710 verbunden, wie in 7B gezeigt. Der Speicher 708 ist mit Stechstrukturen 712 konfiguriert, die positioniert sind, um die Basisoberfläche 706 des Speicherbehälters zu kontaktieren und zu penetrieren, wenn das Gefäß in den Speicher 708 eingesetzt wird. Sobald die Basisoberfläche 706 eingesetzt ist, wird sie durchbrochen und die in Gefäß 702 enthaltene Mikrokapselsuspension 704 kann in Speicher 708 abfließen. In einigen Fällen kann Gefäß 702 mit zusätzlichen Komponenten versehen sein, um das Einleiten der Suspension in den Speicher zu erleichtern, wie einem Kolben oder einer anderen Druckvorrichtung, um die Suspension aus dem Gefäß zu drücken. In anderen Fällen kann einfacher Schwerkraftfluss verwendet werden, um die Suspension zu übertragen. In einigen Fällen können die Stechstruktur und die Wand- oder Bodenkomponente des Gefäßes konfiguriert sein, die Übertragung der Suspension von dem Gefäß auf den Speicher zu optimieren, durch Einschließen hydrophober innerer Beschichtungen auf dem Gefäß, blitzmildernder Stechstrukturen (z. B. um die Möglichkeit zu verringern, dass Reste der durchbohrten Oberfläche den Fluss der Suspension aus dem Gefäß heraus blockieren können). In alternativen Aspekten können auflösbare, abbaubare oder anderweitig aktivierbare Barrieren bereitgestellt werden, um die kontrollierte Abgabe der Suspension zu ermöglichen. Derartige Barrieren umfassen z. B. auflösbare Filme oder Membranen, die abgebaut, aufgelöst oder ausreichend durchlässig gemacht werden, um die Suspension nach Anlegen eines Stimulus abzugeben. Solche Barrieren können bei Anlegen eines spezifischen chemischen, thermischen, elektromagnetischen oder anderen Stimulus abgebaut werden.
Ähnlich wie bei den oben beschriebenen Schnittstellen können in einigen Fällen der Ernte von entweder Mikrokapseln oder partitionierten Mikrokapseln oder anderen Materialien aus Vorrichtungen solche Schnittstellenkomponenten z. B. eine durchstechbare Bodenschicht für den Erntespeicher, z. B. Speicher 216 wie in 2 gezeigt, oder Speicher 438 der in 4 dargestellten Vorrichtung, umfassen, um den Zugang zu und das Entfernen von partitionierten Mikrokapseln aus dem Endspeicher zu ermöglichen, ohne notwendigerweise die angeschlossene Vakuumquelle zu entfernen. Im Betrieb kann am Ende einer Partitionierungsoperation der Boden des Endspeichers durchstochen werden, und die erzeugten Partitionen werden entweder entfernt oder in eine wartende Aufnahme ablaufen oder fließen gelassen, z. B. durch Umkehren der Vakuumquelle, um Druck auf Speicher 438 auszuüben, um die partitionierten Mikrokapseln durch die durchstochene Bodenschicht des Speichers zu treiben, oder durch einen von der Schwerkraft angetriebenen Strom. Dieser wartende Behälter kann in die Vorrichtung integriert sein oder an die mikrofluidische Vorrichtung benachbart positioniert sein, um die partitionierten Mikrokapseln aufzunehmen.
In anderen Beispielen können eines oder beides von dem Speicher und dem Speichergefäß konfiguriert sein, um eine effiziente Übertragung vom einen zum anderen bereitzustellen. Zum Beispiel kann in einigen Fällen ein Gefäß, das eine Mikrokapselsuspension enthält, mit einer Schnittstellenkomponente versehen sein, die es ihm ermöglicht, mit dem empfangenden Speicher gepaart, verbunden und/oder direkt gekoppelt zu werden, um seinen Inhalt effizient zu übertragen. In manchen Fällen kann die Verbindung durch ein Rückschlagventil begrenzt werden, um Bewegung der Suspension zu verhindern, bis eine geeignete Triebkraft an die Suspension angelegt wird.
Zusätzlich zu fluidischen Schnittstellen können die hierin beschriebenen Vorrichtungen und Systeme auch eine oder mehr einer Vielfalt mechanischer oder physikalischer Schnittstellenkomponenten umfassen. Solche Komponenten umfassen beispielsweise Handhabungskomponenten zur Erleichterung der manuellen oder automatisierten Bewegung und Handhabung der Vorrichtungen, Ausrichtungskomponenten, um eine ordnungsgemäße Platzierung und Ausrichtung der Vorrichtungen an Instrumenten, Halter und dergleichen sicherzustellen, sowie funktionelle Komponenten, um zusätzliche Manipulation von Probenmaterialien innerhalb der Vorrichtungen zu erlauben. Beispiele von Handhabungskomponenten umfassen Laschen, Wände oder andere Oberflächen, die von kritischen oder empfindlichen Oberflächen einer Vorrichtung (z. B. optischen Fenstern, Oberflächen, die für Verschmutzung anfällig sind, usw.) entfernt positioniert sind, sowie Oberflächen, die konfiguriert sind, die Handhabung zu erleichtern, ob manuell oder automatisiert, z. B. mit ausreichender Größe und/oder texturierte Oberflächen, um Griffigkeit und Kontrolle zu gewährleisten.
Beispiele von Ausrichtungsstrukturen umfassen mechanische Elemente, die die Ausrichtung einer Vorrichtung mit einem entsprechenden Instrument oder einer anderen Einrichtung sicherstellen, wie beispielsweise abgeschrägte Ecken, Vorrichtungsformen und integrierte Schlüsselelemente (z. B. Laschen, Schlitze, Pfosten oder dergleichen), die sich mit komplementäre Strukturen auf der anderen Einrichtung paaren. Solche Ausrichtungskomponenten umfassen auch optisch detektierte Komponenten, wie Registrierungsmarkierungen oder Bezugsmarken, StrichcodeTags oder andere maschinenlesbare Komponenten, die in ein Gerät integriert oder daran befestigt sind.
Eine breite Vielfalt von funktionellen Komponenten oder funktionellen Komponentenschnittstellen sind ebenfalls vorgesehen, einschließlich z. B. jener Schnittstellenkomponenten, die für den Betrieb der Vorrichtung wichtig sind. Beispiele derartiger Schnittstellenkomponenten umfassen zum Beispiel Dichtungsstrukturen, die in die oberen Oberflächen von einem oder mehr Speichern integriert oder getrennt darauf platziert werden können, um eine abgedichtete Anlegung von Drücken oder Vakua auf die hierin beschriebenen Vorrichtungen sicherzustellen. Unter bestimmten Gesichtspunkten werden diese Dichtungen entweder in die Vorrichtung integriert oder als separate Wegwerfkomponente bereitgestellt werden, statt in ein Instrument integriert zu werden, um die Möglichkeit der Instrumentenverunreinigung zu minimieren. Andere Beispiele von funktionellen Schnittstellenkomponenten umfassen Schnittstellen zum Mischen oder Rühren von Komponenten innerhalb der Speicher. Solche Komponenten sind in manchen Fällen nützlich, um ein Absetzen von Mikrokapselzusammensetzungen zu verhindern. Diese Schnittstellen können tatsächliche Rührkomponenten umfassen, wie zum Beispiel in die Vorrichtungen integrierte piezoelektrische, akustische oder mechanische Vibrationskomponenten, oder sie können Oberflächen umfassen, die geeignet sind für oder konfiguriert sind, Schnittstellen zu bilden mit diesen Komponenten auf einem entsprechenden Instrumentensystem oder einer anderen Einrichtung.
Während die vorstehende Erfindung zum Zwecke der Klarheit und des Verständnisses in einigen Einzelheiten beschrieben wurde, ist es für einen Fachmann aus der Lektüre dieser Offenbarung klar, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom wahren Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können alle oben beschriebenen Techniken und Vorrichtungen in verschiedenen Kombinationen verwendet werden. Zum Beispiel kann die Partikelabgabe mit Array-Gefäß-Dimensionierungsverfahren wie beschrieben durchgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2014/028537 [0024]
US 14/104650 [0024]
US 14/175935 [0024]
US 14/175973 [0024]
US 61/937344 [0024]
US 20100105112 [0038]
US 61937344 [0044]
US 61940318 [0059]
US 2014/0378345 [0070]

Claims

Ein mikrofluidisches System, umfassend: (a) ein mikrofluidisches Kanalnetzwerk umfassend mindestens ein erstes, zweites und drittes Kanalsegment in Fluidverbindung mit einem Tröpfchenerzeugungsknoten; (b) eine erste Fluidquelle, die fluidisch mit dem ersten Kanalsegment verbunden ist und ein erstes Fluid umfasst, das ein wässriges Fluid umfasst, wobei das wässrige Fluid eine Vielzahl von darin disponierten Mikrokapseln umfasst; (c) eine zweite Fluidquelle, die mit dem zweiten Kanalsegment fluidisch verbunden ist und ein zweites Fluid umfasst, das mit dem wässrigen Fluid nicht mischbar ist; und (d) ein Stromkontrollsystem, das mit dem mikrofluidischen Kanalnetzwerk verbunden ist, das (i) das erste Fluid und das zweite Fluid einem Strömen in den Tröpfchenerzeugungsknoten unterwirft, um Tröpfchen zu erzeugen, die Mikrokapseln umfassen, und (ii) die Tröpfchen einem Strömen ins dritte Kanalsegment unterwirft, so dass mindestens 75% der Tröpfchen mindestens eine Mikrokapsel umfassen und weniger als 25% der Tröpfchen mehr als eine Mikrokapsel umfassen. wobei das mikrofluidische System weiterhin eine Mikrokapselstromregulierungskomponente umfasst, die eine Frequenz breitstellt, mit der die Mikrokapseln strömen, die einen Variationskoeffizienten von weniger als 50% aufweist.
Ein mikrofluidisches System, umfassend: (a) ein mikrofluidisches Kanalnetzwerk umfassend: (i) ein erstes Kanalsegment gekoppelt mit einer Quelle eines ersten wässrigen Fluids, das eine Suspension von Mikrokapseln umfasst; (ii) mindestens ein zweites Kanalsegment gekoppelt mit einer Quelle eines zweiten wässrigen Fluids, das erste und zweite Kanalsegment in Fluidverbindung an einem ersten Knoten, der das erste wässrige Fluid mit dem zweiten wässrigen Fluid in Kontakt bringt; (iii) ein drittes Kanalsegment gekoppelt an den ersten Knoten, das mindestens ein viertes Kanalsegment an einem zweiten Knoten schneidet, wobei das mindestens eine vierte Kanalsegment an eine Quelle eines Fluids gekoppelt ist, das mit dem ersten und zweiten wässrigen Fluid nicht mischbar ist, und wobei der zweite Knoten das erste und zweite wässrige Fluid zu Tröpfchen innerhalb des Fluids partitioniert; und (b) ein Stromkontrollsystem operativ gekoppelt mit dem mikrofluidischen Kanalnetzwerk, das das erste, zweite und dritte Fluid einem Strömen durch das mikrofluidische Kanalnetzwerk unterwirft, um Tröpfchen umfassend das erste und zweite wässrige Fluid in dem Fluid zu bilden, mit einer Frequenz von mindestens 50 Hz und die weniger als 20% variiert. wobei das mikrofluidische System weiterhin eine Mikrokapselstromregulierungskomponente umfasst, die eine Frequenz breitstellt, mit der die Mikrokapseln strömen, die einen Variationskoeffizienten von weniger als 50% aufweist.
Das mikrofluidische System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Kanalsegment des mikrofluidischen Kanalnetzwerks mit einem passiven Fluidventil bereitgestellt ist.
Das mikrofluidische System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikrokapselstromregulierungskomponente eine Frequenz breitstellt, mit der die Mikrokapseln strömen, die einen Variationskoeffizienten von weniger als 30%, bevorzugt weniger als 20%, noch bevorzugter von weniger als 10 % und am meisten bevorzugt von weniger als 5 % aufweist.
Das mikrofluidische System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikrofluidische System dazu eingerichtet ist, das wässrige Fluid einem Strömen in den Tröpfchenerzeugungsknoten zu unterwerfen um eine Population von Tröpfchen zu erzeugen, wobei eine Flussrate des wässrigen Fluids so ist, dass nicht mehr als 50% bevorzugt nicht mehr als 25% und noch bevorzugter nicht mehr als 10 % der Tröpfchen der Population von Tröpfchen unbesetzt sind mit einer Mikrokapsel aus der Suspension von Mikrokapseln.
Das mikrofluidische System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikrofluidische System dazu eingerichtet ist, das wässrige Fluid einem Strömen in den Tröpfchenerzeugungsknoten zu unterwerfen um eine Population von Tröpfchen zu erzeugen, wobei weniger als 25%, bevorzugt weniger als 20%, noch bevorzugter weniger als 15%, sogar noch bevorzugter weniger als 10% und am bevorzugtesten weniger als 5% der Tröpfchen der Population von Tröpfchen mehr als eine Mikrokapsel umfassen.
Das mikrofluidische System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikrofluidische System dazu eingerichtet ist, das wässrige Fluid einem Strömen in den Tröpfchenerzeugungsknoten zu unterwerfen um eine Population von Tröpfchen zu erzeugen, wobei mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90% und besonders bevorzugt mindestens 95% der Tröpfchen der Population von Tröpfchen eine einzelne Mikrokapsel umfassen.
Das mikrofluidische System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Tröpfchenerzeugungsknoten in einem mikrofluidischen Kanalnetzwerk einer mikrofluidischen Vorrichtung liegt.
Das mikrofluidische System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikrofluidische System dazu eingerichtet ist, einen oder mehrere Druckunterschiede über das erste und zweite Kanalsegment bereitzustellen, um eine gewünschte Flussrate bereitzustellen.
Das mikrofluidische System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und/oder zweite Kanalsegment Querschnittsdimensionen hat, die die Flussrate so bereitstellen, dass nicht mehr als 50% der Tröpfchen der Population von Tröpfchen unbesetzt sind mit einer Mikrokapsel aus der Suspension von Mikrokapseln.
Das mikrofluidische System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikrofluidische Kanalnetzwerk weiterhin eine oder mehr Stromkontrollstrukturen innerhalb des ersten Kanalsegments umfasst, die eine gewünschte Flussrate bereitstellen.
Das mikrofluidische System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenz größer als 50 Hz, bevorzugt größer als 500 Hz und besonders bevorzugt größer 1000 Hz ist.
Das mikrofluidische System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wässrige Fluid auch ein biologisches Molekül umfasst, wobei das biologische Molekül in den Gelmikrokapseln mitgezogen wird.