專利名稱：從用于芯片微流控的液柱中抽取液滴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微流控技術(shù)，即微小規(guī)模的流體試樣的傳送和處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明要解決的問(wèn)題是基于表面現(xiàn)象、尤其基于電潤(rùn)濕來(lái)從液柱中抽取試樣液滴，以實(shí) 現(xiàn)多級(jí)分離，并實(shí)現(xiàn)在初始微流控回路外部進(jìn)行分析的功能。數(shù)字微流控技術(shù)(參見(jiàn)Sung KwonCho， HyejinMoon，及Chang-Jin Kim,"通過(guò)用于數(shù)字微流控回路的基于電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng) 的產(chǎn)生、傳送、切斷、和合并液滴"，JoumalofMicroelectromechanical Systems,第12巻， 第1期，2003年2月，70-80頁(yè);和M. G. Pollack, R. B. Fair,以及A. D. Shenderov，"用于 微流控應(yīng)用的基于電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)的液滴"，Appl. Phys. Lett.，第77巻，第11期，1725-1726頁(yè)， 2000)作為示例的技術(shù)用于說(shuō)明芯片上的液滴抽取。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將意識(shí)到本發(fā)明 適用于多種流控技術(shù)，其中流體在通道或柱子中傳送，并且預(yù)期在不干擾總的傳送的條件下 除去流體試樣。"柱子"包括通常傳送流體的裝置比如通道、管道、或毛細(xì)管(例如，其內(nèi) 用有形壁限制流體的管子)、以及任何使流體形成直通液流的結(jié)構(gòu)(比如，其表面性能將流 體的流動(dòng)膜限制在該表面上一部分上的表面)。通過(guò)任何限制或抑制液體流動(dòng)從而使其沿特 定方向或路徑流動(dòng)的安排，比如在通道(例如，限制流體的有形壁)中填充液體或通過(guò)利用 不均勻的表面特性及其效應(yīng)以產(chǎn)生對(duì)液柱的方向親合性(比如，沒(méi)有有形壁)，從而形成液 柱。
在許多情況中，液柱被設(shè)計(jì)成不僅能傳送流體，而且能分離并濃縮流體內(nèi)的溶質(zhì)分子或 顆粒。許多流控分析系統(tǒng)和傳感芯片(例如，用于生物化學(xué)領(lǐng)域，即化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)
用)利用連續(xù)的液柱來(lái)傳送以及分離和分析流體試樣。例如，微流控傳感芯片通常依靠壁式 液柱(微通道)來(lái)傳送流體試樣，并通過(guò)毛細(xì)管電泳(CE)、介電泳分離(DEP)以及其他 分離技術(shù)來(lái)促進(jìn)流體試樣分離成溶質(zhì)分子或懸浮粒子的濃縮帶或濃縮區(qū)。濃縮帶產(chǎn)物的評(píng)估 典型地通過(guò)使用各種光學(xué)、電學(xué)或化學(xué)分析系統(tǒng)來(lái)在液柱內(nèi)(或末端處)進(jìn)行。為降低誤差 概率，需用二次分離和分析設(shè)備對(duì)分離帶進(jìn)行評(píng)估。然而，這些二次設(shè)備通常與一次分析設(shè) 備不在同一位置或與一次分析設(shè)備不相鄰；這些二次設(shè)備可以位于下游或通道結(jié)構(gòu)的外部， 于是需要將濃縮帶從一次分析設(shè)備中傳送或轉(zhuǎn)運(yùn)到該二次位置處。濃縮帶到這些二次評(píng)估位 置處的隨后的傳送難以在不干擾一次通道中液柱的條件下實(shí)現(xiàn)，從而引起濃縮分子或顆粒產(chǎn) 生不希望有的擴(kuò)散或壓力驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散。于是，為整合或運(yùn)行多級(jí)分離和分析位置，在分析位置 之間的傳送期間，需要精確地去掉一次液柱的不連續(xù)部分并保留濃縮帶。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的微流控設(shè)備和方法使用補(bǔ)充液滴以促進(jìn)從微流控裝置中的通道或分離柱中抽取 液滴。許多例子可證明該補(bǔ)充液滴有利于從微流控通道或柱子中抽取一部分液流。該抽取使 分離顆?；蛉苜|(zhì)分子的不連續(xù)帶能從液流中去掉，從而可獨(dú)立地進(jìn)行處理和分析。通道或分 離柱可用有形壁限定；或者它可存在于流控設(shè)備的表面上，其邊界基于表面的表面性能差異 而被限定。抽取點(diǎn)沿柱子或通道的長(zhǎng)度方向設(shè)置。如果柱子或通道用有形壁封閉，那么抽取 點(diǎn)包括穿過(guò)有形壁的開(kāi)口。
在抽取點(diǎn)處，在柱子或通道的一側(cè)提供某種裝置，以便從通道或柱子中抽取一部分流體。 同時(shí)提供EWOD表面或其他的微流控技術(shù)，用于驅(qū)動(dòng)鄰近抽取點(diǎn)的液滴。通常，抽取點(diǎn)還包 括與抽取裝置相對(duì)的通道或柱壁中的開(kāi)口。該開(kāi)口上設(shè)有EWOD表面或其他裝置，以便將補(bǔ) 充液滴傳送到與抽取裝置相對(duì)的開(kāi)口中。當(dāng)抽取裝置試圖從柱子或通道中抽出大量流體時(shí)， 水分子的粘附性會(huì)阻止該抽力并施加相反的"回抽"力。如果液滴仍被抽取，那么柱子或通 道內(nèi)的分離顆粒或分子的其他帶彼此混合或變紊亂。進(jìn)一步地，通道或柱子中的部分或全部 內(nèi)容物或許會(huì)隨著被抽取的液滴，有效地排出一部分微流控系統(tǒng)。補(bǔ)充液滴通過(guò)抵消"回抽" 力并穩(wěn)定柱子或通道內(nèi)的液流來(lái)消除該問(wèn)題。由于抽取裝置將液滴從柱子或通道一側(cè)抽出， 故補(bǔ)充液滴進(jìn)入通道或柱子內(nèi)以占據(jù)先前被抽取的液滴所占據(jù)的區(qū)域。這抑制了柱子或通道 內(nèi)顆粒帶或分子帶的紊亂或混合，從而防止流控系統(tǒng)任一部分的排出。


圖1所示為從通道中抽取液滴的示意圖，該液滴抽取通過(guò)結(jié)合使用基于液柱的分離和數(shù)
字微流控、以使?jié)饪s的試樣液滴能傳送到二次評(píng)估位置處來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖2是示意圖，顯示A)阻止液滴抽取的通道回抽、和B)補(bǔ)充液滴的使用，該補(bǔ)充、液滴 減輕了通道的回抽力并替代因抽取損失的流體，從而防止了通道的排放、以及隨后的濃縮溶 質(zhì)帶的混合和稀釋。
圖3所示為液滴抽取用測(cè)試芯片，有3幅圖。
圖4是一系列顯微圖，用于說(shuō)明使用測(cè)試用EWOD芯片的液滴抽取階段。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供下述說(shuō)明，以使本領(lǐng)域的所有技術(shù)人員均能使用本發(fā)明，接著列舉實(shí)施本發(fā) 明的發(fā)明人預(yù)期的最佳方式。然而，由于本發(fā)明的一般原理在此已被具體地限定，從而提供 一種從微流控設(shè)備中的分離柱或通道中抽取單個(gè)液滴的方法，故該方法的各種變化對(duì)本領(lǐng)域 的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。
本發(fā)明通過(guò)結(jié)合使用基于液柱的傳送和分離作用和數(shù)字微流控液滴處理，以抽取富含經(jīng) 柱子濃縮的溶質(zhì)分子的流動(dòng)液滴，從而解決了上述問(wèn)題。富含溶質(zhì)的液滴的抽取使附加的繼 續(xù)操作能應(yīng)用于經(jīng)濃縮的試樣體積中，比如液滴內(nèi)試樣的進(jìn)一步純化(參見(jiàn)，例如，SungKwon Cho和Chang - Jin " CJ " Kim，"用于數(shù)字微流控系統(tǒng)的顆粒分離和濃縮控制"，IEEE Conf. MEMS， Kyoto,日本，2003年1月，686-689頁(yè))、和/或使液滴能轉(zhuǎn)運(yùn)到二次分析或成像位 置而不需要稀釋經(jīng)濃縮的溶質(zhì)分子。
圖1用示意圖顯示了發(fā)明工藝。圖1A是顯示為管子或毛細(xì)管20的分離柱或通道的示意 圖，在其側(cè)壁具有用作抽取點(diǎn)的有形開(kāi)口22。此外，液柱也可以不用有形壁限定，而使用表 面性質(zhì)差異及其效應(yīng)來(lái)限制和引導(dǎo)液柱。在該狀態(tài)中，"開(kāi)口"不是有形壁中的開(kāi)口，并且 抽取可沿柱子在任一點(diǎn)處進(jìn)行。圖中顯示的壁式液柱20包含三種不同種類的溶質(zhì)分子或顆粒 24、 26和28。中間的粒子群26毗鄰開(kāi)口 22。在圖1B中，粒子群24作為單獨(dú)的液滴30被 抽出或抽取。 一旦液滴被抽取，就可沿流控通道32而被傳送到二次評(píng)估位置上。如圖1C所 示，還可以對(duì)分離液滴進(jìn)行多個(gè)進(jìn)一步的操作。在圖1C的左面，液滴30包含中心區(qū)的分子 26。圍繞這些分子的是最初在粒子群28中發(fā)現(xiàn)的分子。對(duì)液滴施加額外的力，以使液滴內(nèi)產(chǎn) 生額外的顆?；蛉苜|(zhì)分離，例如，如圖1C的右面所示，帶負(fù)電荷的粒子位于液滴的一端， 而帶正電荷的粒子位于另一端(箭頭代表施加的電場(chǎng))。 一旦粒子或溶質(zhì)完成端對(duì)端的分離， 就可以通過(guò)施加的力(用兩個(gè)箭頭代表)將液滴30 (圖1D)分裂成單獨(dú)的液滴30'和30"， 從而能對(duì)單獨(dú)的顆?；蛉苜|(zhì)分別進(jìn)行分析。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)利用表面產(chǎn)生的效應(yīng)比如表面聲波(SAW)和通過(guò)電學(xué)、光學(xué)或化學(xué) 方法進(jìn)行的表面潤(rùn)濕性控制，無(wú)需使用機(jī)械結(jié)構(gòu)(比如，閥門或泵)或氣體學(xué)效應(yīng)(例如， 通過(guò)氣體壓力驅(qū)動(dòng)液體)，來(lái)實(shí)現(xiàn)從用于芯片微流控的液柱中抽取液滴。利用表面產(chǎn)生的效 應(yīng)的具體實(shí)施例，有利用基于電潤(rùn)濕的數(shù)字微流控進(jìn)行的液滴抽取。
基于表面效應(yīng)的液滴抽取可方便地應(yīng)用于任何微流控作用，包括用于傳送、聚焦、濃縮、 或分離包含于柱子內(nèi)的液柱(例如，連續(xù)的線性流體體積)中的靶分子。該微流控技術(shù)的例 子包括毛細(xì)管電泳(CE)、介電泳(DEP)、液相色譜法、高效液相色譜法、和俘獲及釋放 機(jī)制比如使用珠粒的免疫磁分離技術(shù)(IMS)、以及蛋白和核酸的電泳捕獲。在這些技術(shù)中 的一些中，液柱流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致相對(duì)于液柱的流動(dòng)移動(dòng)更慢(甚至靜止不動(dòng))的溶質(zhì)分離，而在 其他的技術(shù)中，液柱相對(duì)靜止而溶質(zhì)相對(duì)流體運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致溶質(zhì)從其中有效分離。
可沿非壁式液柱的任一處、或如圖2A所示在限定液體通道的有形壁末端之間任一有形 壁開(kāi)口處進(jìn)行液滴抽取。如圖2A所示，被有形壁20限定的液柱典型地以回抽力(用柱子20 中的箭頭表示)形式對(duì)液滴30的抽取提供較大的阻力，該回抽力由抽取位置處的流體內(nèi)分子 間引力或結(jié)合力產(chǎn)生。如果該回抽力未被減輕，那么通道內(nèi)的液柱將發(fā)生分裂，于是試樣分 子或顆粒彼此混合或互相干擾，并且/或者液滴抽取實(shí)際上被抑制?？梢允褂靡恍┓椒▉?lái)降低 該通道回抽力，包括如圖2B所示，將補(bǔ)充液滴34并入或添加到抽取位置22處。補(bǔ)充液滴 34通過(guò)補(bǔ)充液滴抽取中損失的流體來(lái)減輕由柱子產(chǎn)生的回抽力。該補(bǔ)充防止了通道內(nèi)相鄰流 體的排放，從而防止了在抽取點(diǎn)處或其附近的任何溶質(zhì)帶的混合及稀釋。
可以使用其他方法來(lái)減輕通道回抽力、以及替代液滴抽取中的流體損失。這些方法也可 以用在非壁式液柱上，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)中將被減輕的回抽力低于具有限定通道的液柱中的回抽力。
一旦液滴被抽取，就可對(duì)液滴內(nèi)的試樣進(jìn)行進(jìn)一步的分離和分流操作，也可將試樣分裂 成兩個(gè)更小的子液滴(圖1D)，以實(shí)現(xiàn)物理分離并將特定試樣類型驅(qū)使到分析位置或免疫捕 獲位置。也就是說(shuō)， 一旦包含試樣的液滴被抽取，就可對(duì)液滴施加作用力(比如，電場(chǎng))， 以進(jìn)一步間隔性地分離液滴內(nèi)的試樣分子或顆粒。接著，可對(duì)液滴進(jìn)一步細(xì)分，比如將其分 成兩個(gè)液滴，以實(shí)現(xiàn)永久的空間分離?？蛇x地，對(duì)同一液滴可進(jìn)行重復(fù)分裂和分離以形成多 個(gè)相同的液滴，從而允許進(jìn)行對(duì)比分析。
使用如圖3A所示的測(cè)試用芯片設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)明從液柱中抽取液滴。在該設(shè)計(jì)中，通道或柱 子40是用CE電極42 (通過(guò)連接線52供電)供電的被繪制成從儲(chǔ)液池44經(jīng)過(guò)柱子40的CE 柱子。從儲(chǔ)液池44到電極42的柱子的長(zhǎng)度在2 3 cm之間。液體實(shí)際流經(jīng)的通道約為100 寬和80pm高。隔離物46支撐設(shè)備上的玻璃層(或近似透明的材料)，以形成通道的上邊界。
設(shè)置兩個(gè)T形EWOD電極48，以便從抽取點(diǎn)22 (柱子壁中1.5 mm長(zhǎng)的開(kāi)口 )中抽取^^滴， 該抽取點(diǎn)位于柱子40通過(guò)其間的兩個(gè)EWOD電極48之間的位置處。EWOD電極通過(guò)多個(gè) 連接線54供電。所有的連接線均通向正方形連接墊片56 (總共20個(gè)墊片)，這些墊片56 用連接器(圖中未顯示)互連，以便給設(shè)備供電，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。
圖3B所示為近似原物尺寸大小的實(shí)際制得的芯片的照片。圖3B顯示了抽取點(diǎn)22的顯 微圖。在EWOD電極48任一側(cè)處的柱子末端的側(cè)壁60留有100 pm寬的流體通道58，從而 不用側(cè)壁就可跨越電極48。在該顯微圖中，EWOD電極48將通道58中的液體抽出，從而在 通道58兩側(cè)上形成彎月面62。
圖4A所示為將供給補(bǔ)充液滴的較大儲(chǔ)液池水滴64。 EWOD電極陣列48從左到右運(yùn)行。 圖4B顯示出彎月面66 (向右邊)，其為從儲(chǔ)液池水滴64中拉出的補(bǔ)充液滴68的輪廓線。 注意，通道58與EWOD電極48在較遠(yuǎn)的右邊處相交叉。圖4C所示為在補(bǔ)充液滴68從儲(chǔ) 液池水滴中被擠出并被驅(qū)向右邊和通道58時(shí)的收縮情況。圖4D所示為移向分離通道58的 最后形成的補(bǔ)充液滴68。圖4E所示為從通道開(kāi)口的右側(cè)抽取液滴70的情況(同時(shí)補(bǔ)充液滴 68從左側(cè)進(jìn)入)。圖4F所示為從分離通道58中拉出的抽取液滴70的收縮情況。圖4G所示 為完全分離的抽取液滴70，而圖4H所示為被進(jìn)一步驅(qū)向EWOD電極48右端的抽取液滴70。
令人驚奇地，豁口或有形壁開(kāi)口并未妨礙液體通道的作用比如分離。例如，在如圖3所
示的具有長(zhǎng)度為1.5 mm的中間通道開(kāi)口的測(cè)試用芯片通道(lOOpm寬)中，成功地進(jìn)行了
CE分離。在那個(gè)試驗(yàn)中，將紅色的羧基修飾的乳膠(CML)珠粒(直徑為10pm)與白色的
涂覆硫酸氨的珠粒(直徑為10nm)的混合物滴入通道輸入儲(chǔ)液池中。接著，將約80V的電
勢(shì)施加到位于通道相對(duì)端的CE電極上。紅色珠粒與白色珠粒因珠粒表面電荷的差異而在通
道內(nèi)明顯分離成各自的區(qū)帶。紅色珠粒帶首先到達(dá)抽取點(diǎn)，在該抽取點(diǎn)處，按照如圖4所示
的步驟對(duì)其進(jìn)行抽取。白色珠粒帶隨后到達(dá)其中紅色珠粒較早到達(dá)的抽取點(diǎn)處。如預(yù)期地，
兩種珠粒的再混合受到液滴抽取-補(bǔ)充液滴工藝的抑制，并顯示l)分離順序可被保留；和2)
盡管存在抽取點(diǎn)開(kāi)口，但CE分離仍繼續(xù)正常進(jìn)行。
于是應(yīng)當(dāng)將如下權(quán)利要求理解為包括了如上所述具體說(shuō)明的內(nèi)容、概念上等效的內(nèi)容、
明顯可替換的內(nèi)容、以及實(shí)質(zhì)上結(jié)合有本發(fā)明主要構(gòu)思的內(nèi)容。本領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)上述優(yōu)
選實(shí)施方式所作的各種改進(jìn)和修改均不超出本發(fā)明的保護(hù)范圍。已列舉的實(shí)施方式僅用于示
例，不應(yīng)看作是對(duì)本發(fā)明的限制。因此，應(yīng)當(dāng)理解，在附后的權(quán)利要求的范疇內(nèi)，可以用不
同于此處具體說(shuō)明的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于從微流控柱子或通道內(nèi)的流體中抽取液滴的方法，包括如下步驟在柱子或通道上設(shè)置抽取點(diǎn)；提供補(bǔ)充液滴；利用表面現(xiàn)象在抽取點(diǎn)處從柱子或通道中抽取流體；以及通過(guò)使補(bǔ)充液滴同時(shí)進(jìn)入鄰近抽取點(diǎn)的柱子或通道中以替代被抽取的流體，從而形成抽取液滴。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述柱子或通道用有形壁限定，并且所述抽 取點(diǎn)包括所述有形壁中的有形開(kāi)口。
3. —種微流控設(shè)備，包括 分離通道或柱子； 在所述柱子或通道上的抽取點(diǎn)； 用于提供鄰近抽取點(diǎn)的補(bǔ)充液滴的裝置；以及利用表面現(xiàn)象用于在抽取點(diǎn)處從柱子或通道中抽取流體的裝置，借此，通過(guò)使補(bǔ)充液滴 進(jìn)入柱子或通道中以替代被抽取的流體，從而可以形成抽取液滴。
4. 如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述柱子或通道用有形壁限定，并且所述抽 取點(diǎn)包括所述有形壁中的有形開(kāi)口 。
全文摘要
補(bǔ)充液滴可以促進(jìn)從微流控裝置的通道側(cè)面抽取液滴。該抽取方法使分離顆?；蛉苜|(zhì)分子的不連續(xù)帶能從液流中去掉，從而可獨(dú)立地進(jìn)行處理和分析。抽取點(diǎn)沿通道的長(zhǎng)度方向設(shè)置，并且包括EWOD表面或類似的微流控技術(shù)，從而抽取液滴。與抽取裝置相對(duì)的通道中的開(kāi)口采用微流控技術(shù)，以便將補(bǔ)充液滴傳送到開(kāi)口中。將補(bǔ)充液滴注入通道或柱子中以占據(jù)先前被抽取的液滴所占據(jù)的區(qū)域。這抑制了通道內(nèi)顆粒帶或分子帶的紊亂或混合，從而防止了流控系統(tǒng)任一部分的排出。
文檔編號(hào)B01L3/00GK101351270SQ200680047526
公開(kāi)日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2006年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月22日
發(fā)明者義貞·布蘭登·易, 彼德·帕特里克·德古茨曼, 金昌津, 韋恩·劉 申請(qǐng)人:精華微技有限公司