用于組合液滴的高生產(chǎn)量的生產(chǎn)的系統(tǒng)和設(shè)備及使用方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及包括微流體芯片的微流體系統(tǒng)以及執(zhí)行化學(xué)測定的方法，其中，樣本被處理成多個子液滴并且所述子液滴利用不同的試劑進(jìn)行培養(yǎng)。這些液滴的性質(zhì)可被檢測以提供測定數(shù)據(jù)。
【專利說明】用于組合液滴的高生產(chǎn)量的生產(chǎn)的系統(tǒng)和設(shè)備及使用方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2014年I月24日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/931，516的優(yōu)先權(quán)，該臨時專利申請的內(nèi)容通過引用被全部并入本文。
[0003]美國政府的聯(lián)邦資金
[0004]本發(fā)明是在國立衛(wèi)生研究院(NIH)的健康與人類服務(wù)部授予的R01CA155305號基金的政府支持下完成的。美國政府在本發(fā)明中有某些權(quán)利。
[0005]背景
技術(shù)領(lǐng)域
[0006]本發(fā)明當(dāng)前要求的實(shí)施例的領(lǐng)域涉及微流體系統(tǒng)、設(shè)備以及方法，并且更具體地涉及提供組合液滴的高生產(chǎn)量的生產(chǎn)的微流體系統(tǒng)、設(shè)備以及方法。
[0007]相關(guān)技術(shù)的討論
[0008]隨著液滴可以作為在生物和化學(xué)應(yīng)用中的微型反應(yīng)器，近期對數(shù)字微流體的研究已經(jīng)迅速成長。液滴微流體平臺吹噓具有短時間內(nèi)產(chǎn)生許多反應(yīng)的能力。然而，大部分的液滴平臺將樣本數(shù)字化成離散的液滴，并且局限于根據(jù)同類的試樣條件I的單一樣本的分析。這樣的平臺是不能解決需要大量的樣本和試樣庫的下一代應(yīng)用的需要。示例包括用于作物改良和對于常見疾病相關(guān)基因的鑒定所需的基因分型的單核苷酸多態(tài)性SNP分析。因此，仍然是需要改進(jìn)的微流體系統(tǒng)、設(shè)備和方法。
[0009]概述
[0010]本發(fā)明的一些實(shí)施例包括微流體系統(tǒng)，微流體系統(tǒng)包括微流體芯片，微流體芯片包括芯片主體、第一樣本源、第二樣本源和清洗液源，芯片主體界定液滴形成部分、液滴拆分部分、試劑注入部分，其中，液滴形成部分包括樣本輸入通道，液滴拆分部分被流體地連接到所述液滴形成部分，以及，試劑注入部分被流體地連接到所述液滴拆分部分;第一樣本源被選擇性地連接到所述樣本輸入通道;第二樣本源被選擇性地連接到所述樣本輸入通道;以及清洗液源被選擇性地連接到所述樣本輸入通道。
[0011]本發(fā)明的附加的實(shí)施例包括微流體芯片，微流體芯片包括芯片主體，芯片主體界定液滴形成部分、液滴拆分部分、試劑注入部分，液滴形成部分包括:主通道、樣本輸入通道、輸入通道閥門、清洗通道、清洗通道閥門，其中，樣本輸入通道具有流體地連接到所述主通道的第一端以及配置為接收樣本和清洗液的第二端，輸入通道閥門在所述輸入通道中以選擇性地允許以及阻止流體從所述樣本輸入通道流到所述主通道，清洗通道在所述輸入通道閥門和所述樣本輸入通道的所述第二端之間的位置處被流體地連接到所述樣本輸入通道，以及清洗通道閥門在所述清洗通道中以選擇性地允許以及阻止從所述輸入通道到所述清洗通道的流體流動，其中，所述液滴形成部分具有第一配置，其中，所述輸入通道閥門是打開的，并且所述清洗通道閥門是關(guān)閉的以提供在惰性流體中懸浮的在所述主通道中具有基本上預(yù)定的體積的樣本液滴，并且，其中，所述液滴形成部分具有第二配置，其中，所述輸入通道閥門是關(guān)閉的，并且所述清洗通道閥門是打開的，使得清洗液通過所述清洗液穿過所述樣本輸入通道以及從所述清洗通道流出的流動清洗所述樣本輸入通道;液滴拆分部分被流體地連接到所述液滴形成部分的所述主通道以從所述主通道接收所述樣本液滴，并且將所述樣本液滴拆分成多個子液滴以從多個次級通道中的相應(yīng)的一個通道中的所述液滴拆分部分輸出；以及試劑注入部分被流體地連接到所述多個次級通道的每一個通道，并且具有對應(yīng)的被布置的多個試劑注入通道，當(dāng)所述子液滴在所述試劑注入部分中時，使得多個試劑中的每個試劑基本同時被注入到所述多個子液滴的相應(yīng)的一個液滴以在來自所述試劑注入部分的多個輸出通道中的對應(yīng)的一個通道中提供多個樣本-試劑液滴的輸出。
[0012]本發(fā)明的一些附加的實(shí)施例包括執(zhí)行化學(xué)測定的方法，包括:提供來自穿過所述流體設(shè)備的輸入通道的第一樣本的在流體設(shè)備的主通道中的第一液滴;清洗所述流體設(shè)備的所述輸入通道以從所述輸入通道基本除去所述第一樣本的所有的殘余;繼所述清洗之后，立即提供來自穿過所述流體設(shè)備的所述輸入通道的第二樣本的在所述流體設(shè)備的所述主通道中的第二液滴，使得所述第一液滴和所述第二液滴由惰性流體分開;把所述第一液滴分成第一多個子液滴;把所述第二液滴分成第二多個子液滴;將第一多個試劑添加到所述第一多個子液滴的對應(yīng)的一個子液滴;將第二多個試劑添加到所述第二多個子液滴的對應(yīng)的一個子液滴;檢測所述第一多個子液滴和第二多個子液滴中的每一個子液滴的物理性質(zhì)以提供測定數(shù)據(jù)；以及基于所述測定數(shù)據(jù)確定所述第一樣本和第二樣本的性質(zhì)。
[0013]附圖簡述
[0014]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的原理圖。
[0015]圖2是同使用串行操作的流體設(shè)備相比的本發(fā)明的實(shí)施例的原理圖。
[0016]圖3是并行的液滴分裂和融合平臺的原理圖。
[0017]圖4示出示例微流體設(shè)備的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)。
[0018]圖5示出又一個示例微流體設(shè)備的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)。
[0019]圖6是樣本液滴生成和通道清洗的原理圖。
[0020]圖7示出示例樣本設(shè)備的分裂和培養(yǎng)區(qū)的一部分的顯微照片以及依賴于閥門開啟時間和回壓的樣本液滴體積的曲線圖。
[0021]圖8示出表示設(shè)備多路復(fù)用能力的微流體設(shè)備的熒光顯微照片。
[0022]圖9示出液滴分叉的均勻性。
[0023]圖10示出均勻的試劑液滴。
[0024]圖11示出融合的樣本-試劑液滴。
[0025]圖12示出對融合的液滴的基于圖像的并行檢測。
[0026]圖13示出耦合到微流體設(shè)備的用于自動加載的設(shè)備。
[0027]圖14示出耦合到微流體設(shè)備的用于阻抗檢測的設(shè)備。
[0028]詳細(xì)描述
[0029]以下詳細(xì)討論本發(fā)明的一些實(shí)施例。在描述實(shí)施例時，為清晰起見使用了具體的術(shù)語。然而，本發(fā)明不旨在局限于所選的具體的術(shù)語。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到可以使用其它等價組件以及開發(fā)未脫離本發(fā)明的廣義概念的其它方法。在包括背景和詳細(xì)描述部分的說明書中任何地方所引用的所有參考文獻(xiàn)通過引用被并入，好像每篇已經(jīng)被單獨(dú)并入一樣。
[0030]根據(jù)組合產(chǎn)生納升的液滴的需要，本發(fā)明的一些實(shí)施例提供并行的基于液滴的平臺。
[0031]通過并行拆分和融合模塊，生產(chǎn)量可提高兩個數(shù)量級。利用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的32Hz的液滴生產(chǎn)，在單個設(shè)備(支持75萬不同混合物的4次復(fù)制)上這種并行的設(shè)計(jì)的計(jì)劃的生產(chǎn)量幾乎是每天3百萬試樣樣本的液滴。這轉(zhuǎn)化為每分鐘復(fù)制4次的240個單一的試樣樣本混合物。
[0032]如圖1所示，本發(fā)明的實(shí)施例可包括微流體芯片101，微流體芯片101具有液滴形成部分102、液滴拆分部分103、試劑注入部分104，液滴拆分部分103連接到液滴形成部分，試劑注入部分104流體地連接到液滴拆分部分。
[0033]如圖2所示，本發(fā)明的實(shí)施例可以是允許并行處理樣本液滴的微流體芯片。圖2將傳統(tǒng)線性設(shè)計(jì)的微流體芯片(上圖)和允許并行操作來處理以及檢測樣本液滴(下圖)的本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行比較。如圖2的下圖所示，樣本液滴在注入試劑前經(jīng)歷分叉步驟。在這個實(shí)施例中，分叉導(dǎo)致至少4個子樣本液滴的形成。接著，這些子液滴每個被注入四種試劑(尺1、1?2、1?、1?4)中的一種以形成加試劑的樣本液滴(3+1?1、3+1?2、3+1?、3+1?4)。最后，這些樣本加試劑的液滴進(jìn)行并行檢測。這與傳統(tǒng)方法(上圖)形成對照，在傳統(tǒng)方法中，樣本液滴和試劑(R4、R3、R2和Rl)一起培養(yǎng)，以線性的方式創(chuàng)建樣本加試劑的液滴(S+R4、S+R3、S+R2和S+Rl)o
[0034]圖3詳細(xì)說明圖2中描述的實(shí)施例。在這個實(shí)施例中，本發(fā)明完成一系列的步驟:步驟1:液滴平臺(或微流體芯片)有能力從多孔板接受無限數(shù)量的樣本。隨后，無限數(shù)量的樣本可被加載并處理;在這種情況下，至少7個樣本是以S1、S2、S3、S4、S5、S6和S7表示的。從圖3可見，當(dāng)它們各自的樣本液滴(31、32、33、34、35、36和37)通過通道移動時，樣本1-樣本7可按照先后順序被處理。液滴平臺可制成能夠從具有定制的串行樣本加載(SSL)系統(tǒng)的多孔板接受無限數(shù)量的樣本。步驟2:樣本液滴被數(shù)字化成大小約為?30nL的更小的子液滴。一旦液滴被處理，進(jìn)樣口在注入新的樣本前被清洗以防止交叉污染。樣本液滴的體積由閥門的開啟時間和入口背壓控制。通過減少下游的阻力，上游和下游卸壓通道(分別是卸壓通道I和卸壓通道2)有助于液滴的分散性。步驟3:當(dāng)子液滴流經(jīng)3個串聯(lián)的分叉交叉點(diǎn)時發(fā)生拆分，并且拆分成8個液滴。一旦子液滴通過啟動油閥門到達(dá)試劑的注入部位，流動停止。第三個下游卸壓通道(卸壓通道3)保證液滴被均勻拆分。步驟4:然后，試劑庫同時被直接注入到8個樣本的子液滴內(nèi)。在這種情況下，試樣(1?1、1?2、1?、1?4、1?5、1?6、1?7和1?8)被直接注入到液滴。試樣的體積由閥門的開啟時間和入口背壓控制。步驟5:注入后，8個樣本-試劑滴狀物在蛇形通道中混合，并且流經(jīng)2個附加的串聯(lián)的分叉交叉點(diǎn)，產(chǎn)生8個唯一的組分的總共32個液滴。使用成像或平行的共焦的熒光光譜學(xué)系統(tǒng)3可執(zhí)行檢測。
[0035]這整個操作程序在少于I秒內(nèi)被完成。此外，液滴的序列被保持在液滴平臺上。這允許空間索引用于液滴識別。這排除對包括在每個液滴中的識別它的內(nèi)容的條碼的需要。
[0036]上述樣本實(shí)施例涉及具有2種不同通道高度的區(qū)域。正、淺的通道(25μπι)并入附近的樣本引入?yún)^(qū)域和試樣入口以允許閥動。剩下的流體層是45μπι高。我們使用SPR220-7(1?011111&]^&8使用254111)和31]-8(]\1;[01'00116111，3000系列，45μηι)的光刻膠作為結(jié)構(gòu)材料用于制造我們的設(shè)備的模具。
[0037]示例微流體芯片或平臺的制造
[0038]此外，使用具有改進(jìn)的三層制造工藝的多層軟刻蝕技術(shù)制造說明上述樣本的實(shí)施例的微流體芯片。軟刻蝕用于利用這些模具制作多個設(shè)備。SYLGARD184硅橡膠工具箱用于制造說明本發(fā)明的實(shí)施例的微流體芯片。來自工具箱的高彈體和固化劑按照重量以10:1(H)MS支持材料),15:1(流體的)、7:1(閥門)的比率混合，在倒入各自的模具前脫氣約30分鐘。一旦單個的PDMS層已經(jīng)裝配，全部的組合裝置在80°C的環(huán)境中被燒制20分鐘。然后，凝固的聚合物被剝?nèi)ィ⑶仪谐蓡蝹€芯片。然后，流體通導(dǎo)孔被沖壓進(jìn)單獨(dú)的芯片，并且使用02等離子體使芯片與蓋玻璃(I號)粘合。所有的設(shè)備均采用聚烷基烯酮膠料使其表面具有疏水性。載液用于保持樣本塞之間的間隔，其中樣本塞由按照體積4:1的比率進(jìn)行混合的全氟化碳(FC-3283)和非離子的溶于氟的表面活性劑(1H、1H、2H、2H-全氟-1-辛醇)組成。
[0039]圖4和圖5示出在圖2和圖3以及上述示出的本發(fā)明的實(shí)施例。圖4示出能夠執(zhí)行單個設(shè)備上的樣本液滴生成、液滴拆分、液滴與試樣的結(jié)合以及液滴檢測的微流體芯片。
[0040]圖4示出流體通道(121)、閥層(￥1、￥2、￥3、￥4、￥5、￥6、￥7、￥8)和連接到具有并行融合、拆分和培養(yǎng)區(qū)域(123)的中心通道(或主通道)(122)的進(jìn)油口(油)。有2個具有對應(yīng)的清洗通道(126和127)的進(jìn)樣口(或樣本輸入通道)(124和125)?？拷M(jìn)樣口的兩個卸壓通道通過將液滴的大小與培養(yǎng)通道的流阻解耦來確保最初的樣本液滴是單分散性的。在拆分區(qū)之后的第三個卸壓通道將液滴拆分性能與培養(yǎng)通道的流阻解耦。培養(yǎng)通道在設(shè)計(jì)128中是蛇形。
[0041]圖5示出上述微流體芯片的又一個實(shí)施例。圖5的微流體設(shè)備采用兩層結(jié)構(gòu)，其中，在流體層的油流、樣本液滴和試劑液滴受到閥層中的指定閥門的調(diào)節(jié)。油經(jīng)由它的入口被栗送到中心通道內(nèi)以驅(qū)動液滴形成并流動。中心通道(122)-液滴生成、分叉、融合以及檢測在此處發(fā)生-經(jīng)歷幾個拆分，與試劑入口通道連接，并且最終分成具有相同長度進(jìn)而具有相同流阻的32個通道。有兩個具有對應(yīng)的清洗通道(顯微照片插圖1)的進(jìn)樣口?？拷M(jìn)樣口的兩個卸壓通道通過將液滴的生成與培養(yǎng)通道的流阻解耦確保樣本液滴的均勻性。樣本液滴經(jīng)過前三個階段的分叉的Y聯(lián)接(顯微照片插圖2)，產(chǎn)生總共八個相同的子液滴。八個試劑經(jīng)由試劑入口(試劑注入通道)(R1-R8)可被注入，并且直接與樣本子液滴(顯微照片插圖3)融合。經(jīng)融合的樣本-試劑液滴經(jīng)過兩個附加的分叉的Y聯(lián)接，使得樣本和試劑的每個注入導(dǎo)致總共32個液滴(八個不同組分的四次復(fù)制)。然后，每個子液滴流過它的蛇形培養(yǎng)通道，并且和在相同組中的所有其他子液滴一起同時到達(dá)檢測區(qū)，其中，所有32個通道變平行，并且適合在顯微鏡的視野區(qū)內(nèi)，因此促進(jìn)經(jīng)由顯微鏡的并行檢測(顯微照片插圖4)。
[0042]在本發(fā)明的實(shí)施例中，按照如圖6中示出的一系列步驟形成樣本液滴。在圖6的步驟I中:當(dāng)閥門1(清洗通道閥門)(163)和閥門2(輸入通道閥門)(164)保持關(guān)閉時，輸入通道161和清洗通道162保持是空的。在步驟2中:當(dāng)閥門I保持在關(guān)閉的配置并且閥門2在打開的配置時，樣本被加載到進(jìn)樣口中。在步驟3中:樣本加載階段完成，并且兩個閥門都被關(guān)閉。在步驟4中:閥門I打開并且液滴形成，進(jìn)入主通道165。在步驟5中，閥門I關(guān)閉，并且閥門2打開以允許清洗流體清洗樣本輸入通道。使用過的清洗流體退出清洗通道。利用相同的樣本或不同的樣本，在步驟6-步驟8中復(fù)制步驟2-步驟4的過程。
[0043]在圖4和圖5以及上述中示出的微流體芯片接著用于樣本液滴準(zhǔn)備和處理。設(shè)備上的所有輸入端都保持在常壓下，對于I)載液輸入端、2)進(jìn)樣口和3)所有8個試樣輸入端具有獨(dú)立的輸入壓力。施加到進(jìn)樣口的壓力受到用于SSL系統(tǒng)的壓力控制器的直接控制。正如前面已經(jīng)演示的，設(shè)備上的所有的閥門受控于芯片外的電磁閥陣列。為了閥門陣列的計(jì)算機(jī)控制，我們開發(fā)Matlab(Mathworks，Natick MA)軟件。這個軟件允許我們對每個致動執(zhí)行具有獨(dú)立的時間控制的閥門致動的預(yù)置序列。對應(yīng)于設(shè)備上的輸入端的閥門的打開導(dǎo)致釋放的流體的樣本液滴從那里進(jìn)入到設(shè)備上的中心通道。這個液滴的體積可通過閥門的開啟時間以及背壓的變化來控制。
[0044]關(guān)于試劑:使用微流體設(shè)備產(chǎn)生的樣本和試樣液滴的體積被估計(jì)。這個體積估計(jì)通過使用軟件ImageJ處理這些液滴的圖像被執(zhí)行。對于樣本液滴體積估計(jì)，我們使用微流體設(shè)備上的四個試劑入口中的一個產(chǎn)生由藍(lán)色食用染料組成的液滴，直到設(shè)備上的整個培養(yǎng)區(qū)充滿液滴。接著，整個設(shè)備使用DSLR照相機(jī)進(jìn)行成像。將圖像輸入到ImageJ，并且剪裁以獲得設(shè)備上的培養(yǎng)區(qū)的圖像。接著，這個圖像使用顏色閾值轉(zhuǎn)換法被轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制圖像以在背景圖像上識別液滴。接著，使用‘分析顆粒’函數(shù)獲得圖像中的每個液滴的液滴面積的估計(jì)。這個分析只限于顆粒區(qū)大于下限閾值以從分析排除任何顆粒以及偶然衛(wèi)星滴。因此，經(jīng)估計(jì)的液滴面積接著使用培養(yǎng)通道區(qū)的已知的深度(200μπι)被轉(zhuǎn)換成液滴體積。
[0045]設(shè)備對于同樣的液滴生成和拆分條件具有優(yōu)良的樣本液滴均勻性。通過壓力和閥門開啟時間的變化，從獨(dú)立的進(jìn)樣口在設(shè)備上生成的液滴的大小的精細(xì)控制在圖7中被演示。對于這些測量，拆分后的最終的液滴大小被測量。設(shè)備的獨(dú)特的特征是具有3個卸壓通道。這些卸壓通道將I)生成的最初的液滴的大小對培養(yǎng)通道的流阻的依賴解耦以及2)將設(shè)備上的液滴的拆分對培養(yǎng)通道的流阻的依賴解耦。在圖7中，左圖顯示設(shè)備的拆分以及培養(yǎng)區(qū)的一部分的顯微照片，并且顯示正被拆分以及被培養(yǎng)的包含綠色食用染料的樣本液滴。圖7的頂部中間圖是依賴于閥門開啟時間和背壓的樣本液滴的體積的曲線圖。液滴體積在液滴拆分后進(jìn)行測量。液滴體積隨著閥門的開啟時間線性地變化。小的誤差棒表示單分散性。下部中間的圖是樣本液滴體積(閥門開啟時間是0.05秒)的直方圖。直方圖疊加Kerne I密度曲線圖?？梢娙齻€數(shù)據(jù)集:對于2PS1、3PSI和4PSI的液滴體積。液滴的所有總體具有表示單分散性的窄分布并且是良好分離的(液滴體積沒有重疊)。圖7的頂部右側(cè)的圖是依賴于閥門開啟時間和背壓的試樣液滴的體積的曲線圖。液滴體積在液滴拆分后進(jìn)行測量。液滴體積隨著閥門的開啟時間線性地變化。小的誤差棒表示單分散性。底部右側(cè)的圖是試樣液滴體積(閥門開啟時間是0.05秒)的直方圖的示例。直方圖疊加Kernel密度曲線圖?？梢娝膫€數(shù)據(jù)集:對于2PS1、3PS1、4PSI和5PSI的液滴體積。液滴的所有總體具有表示單分散性的窄分布并且是良好分離的(液滴體積沒有重疊)。
[0046]在圖8中示出樣本塞和試樣的8個組合混合物的生成。在圖8中，具有變化的濃度的不同的熒光物質(zhì)被使用(FITC、Cy5、DI H2O)以模擬不同的樣本和試樣。在圖8中，頂部左側(cè)的圖顯示試劑注入:在試劑(Cy5-5yM)注入口處的樣本液滴(綠色:FITC-ΙμΜ)的熒光顯微照片。頂部右側(cè)的圖顯示在培養(yǎng)區(qū)中融合的樣本-試劑液滴。頂部4排液滴注入試劑8 (Cy5-10yΜ)。底部4排注入試劑7(Cy5-105yM)。底部的圖顯示組合液滴的熒光顯微照片:上排顯示僅包含試劑(R1-R8)的液滴以及底部的圖顯示融合的樣本(ΙμΜ FITC)和試劑(R1-R8)液滴。
[0047]在圖9中可看出液滴分叉的均勻性。液滴能夠拆分成相等的兩等份-如通過貫穿所有五個分叉階段的?50%的分叉效率所示。插入的顯微照片顯示為了提高可視化被黑色食用染料涂色的液滴在五個分叉階段將被拆分成相等的兩等份。在每個顯微照片下面的刻度條表不500ym。
[0048]在圖10中可見統(tǒng)一的試劑液滴的并行的、八路注入。八個試劑入口的同時致動導(dǎo)致穿過所有入口的具有統(tǒng)一大小的試劑液滴。
[0049]在圖11中可見樣本液滴與試劑液滴的并行的、八路融合。在圖8中，八個試劑直接同時注入到八個進(jìn)入的子樣本導(dǎo)致八個融合的樣本-試劑液滴。
[0050]在圖12中顯示融合的液滴的基于圖像的并行檢測。八個融合的樣本-試劑液滴中的每一個液滴經(jīng)過兩個附加的分叉，導(dǎo)致融合的子液滴的四個復(fù)制。培養(yǎng)之后，這些液滴在檢測區(qū)被并行檢測?？潭葪l表示500微米。
[0051]在上述平臺的其他實(shí)施例中，試劑入口通道中的每一個通道配備有單獨(dú)的清洗通道以及閥門(如在上面以及圖3-圖6中對進(jìn)樣口通道的描述)，因此試劑入口通道在隨后的使用前可被清洗。
[0052]在上述平臺的其他實(shí)施例中，多個樣本輸入通道被合并使得多個樣本同時被處理。在這樣的實(shí)施例中，進(jìn)樣口通道以交替的方式工作使得當(dāng)?shù)谝粯颖据斎胪ǖ勒峁颖疽旱螘r，可選的樣本輸入通道被清洗并且后來被加載樣本的附加的等分試樣或不同樣本的等分試樣。一旦第一樣本輸入通道已經(jīng)提供樣本液滴，它就被清洗，而第二樣本輸入通道提供樣本液滴。重復(fù)該過程。
[0053]在上述平臺的其他實(shí)施例中，用于創(chuàng)建混亂的混合的附加部分也被包括以混合樣本和/或樣本-試劑液滴。
[0054]示例設(shè)備
[0055]本發(fā)明的其他實(shí)施例可提供并行的微流體乳化設(shè)備，其在保持生成組合的混合物的能力的同時提高生產(chǎn)量。在這樣的實(shí)施例中，如在以前的實(shí)施例中以上描述的微流體芯片被連接到附加的系統(tǒng)。在這樣的實(shí)施例中，設(shè)備通過一系列步驟(如在圖3中所示)工作:步驟I:液滴平臺可制成能夠從具有定制的串行樣本加載(SSL)系統(tǒng)(也在圖14和圖15的頂部圖中被描述)的多孔板接受無限數(shù)量的樣本。步驟2:樣本液滴被數(shù)字化成更小的子液滴(?30nL)。一旦液滴被處理，進(jìn)樣口在注入新的樣本前被緩沖劑清洗以防止交叉污染。步驟3:當(dāng)子液滴流經(jīng)3個串聯(lián)的分叉交叉點(diǎn)時發(fā)生拆分，并且拆分成8個液滴。一旦子液滴通過啟動油閥門到達(dá)試樣的注入部位，流動停止。步驟4:然后，試樣庫同時被直接注入到8個樣本的子液滴內(nèi)。步驟5:注入后，8個樣本-試樣滴狀物在蛇形通道中混合，并且流經(jīng)2個附加的串聯(lián)的分叉交叉點(diǎn)，產(chǎn)生8個獨(dú)特的組分的總共32個液滴。這整個操作程序在少于I秒內(nèi)被完成。此外，液滴的序列被保持在設(shè)備上。這允許空間索引用于液滴識別。這排除對包括在每個液滴中的識別它的內(nèi)容的條碼2的需要。
[0056]在上述設(shè)備的又一個實(shí)施例中，如在圖13中所見，自動的樣本加載系統(tǒng)(如自動進(jìn)樣器或自動移液管)與樣本輸入通道相連。這可允許無限量的樣本被處理，以及設(shè)備的自動化。在每次采樣之后，使用設(shè)備內(nèi)置的清洗通道來對通道清洗以防止交叉污染(圖14，頂部圖)。在圖14(頂部圖)中，樣本從樣本庫(240)加載到輸入通道(241)。一旦樣本液滴在主通道(242)中被生成，輸入通道利用來自清洗儲液器(243)的清洗液清洗，并且清洗液從廢物通道(244)排出。自動進(jìn)樣器或自動吸液管也可裝有毛細(xì)管、毛細(xì)管轉(zhuǎn)接器和橡膠密封圈以有助于樣本加載和輸入通道的清洗。
[0057]在上述設(shè)備的又一個實(shí)施例中，卸壓通道耦合到本發(fā)明。當(dāng)液滴正被生成時，這些卸壓通道是打開的，這反過來導(dǎo)致單分散的液滴。基于液滴的面積的大小分析表示液滴具有優(yōu)良的單分散性。
[0058]在上述設(shè)備的又一個實(shí)施例中，液滴拆分和拆分后的試劑注入的新穎的組合耦合到本發(fā)明。這可允許液滴生成過程是高度并行的。在上述示例的設(shè)備的實(shí)施例中，單樣本塞被拆分成8個子液滴。8種不同的試劑被直接并行注入到液滴。在試劑注入后，附加的拆分創(chuàng)建四個復(fù)制液滴，以后達(dá)到總共32個液滴的獨(dú)特的組合。值得注意的是，此處描述的具體的設(shè)備是概念的一個實(shí)施例，通過改變通道、端口、閥門的數(shù)量或布置、拆分的階段的數(shù)量，等等，實(shí)施例可變化以適合廣泛的需求。
[0059]在上述設(shè)備的又一個實(shí)施例中，樣本-試樣液滴保持在單一的文件配置中，因此排除對識別每個單獨(dú)液滴的內(nèi)容的條形碼機(jī)制的需要。
[0060]如在圖14中所見，在上述描述的設(shè)備的又一個實(shí)施例中，阻抗檢測系統(tǒng)被連接到樣本輸入通道。在這樣的實(shí)施例中，為了樣本或清洗液的自動檢測，阻抗檢測系統(tǒng)通過光學(xué)地監(jiān)控樣本輸入通道以及清洗通道的內(nèi)容運(yùn)行。如果通道包含樣本，阻抗系統(tǒng)反饋到控制器以管理樣本流體釋放到主通道用于樣本液滴的生成?？蛇x地，如果通道中包含清洗液，阻抗系統(tǒng)反饋到控制器以管理清洗液通過清洗通道釋放。如在圖14的底部圖中可見的，當(dāng)設(shè)備正在使用時，阻抗系統(tǒng)提供通道的內(nèi)容的讀出。這樣的阻抗系統(tǒng)也可被添加到試劑注入通道以確定這些通道的內(nèi)容以及管理它們的清洗或試劑注入。
[0061]按需的并行的納升的基于液滴的平臺和設(shè)備的上述示例是本發(fā)明的示例性實(shí)施例，這些平臺和設(shè)備接受來自多孔板的不限量的樣本塞，數(shù)字化這些塞成小的子液滴，并行執(zhí)行液滴拆分以及利用試樣庫并行執(zhí)行強(qiáng)大的自由同步融合。在上述示例中，設(shè)備上的樣本-試樣液滴的序列被保持以允許空間索引來識別液滴的內(nèi)容。上述設(shè)備結(jié)合了基于閥的設(shè)備的精度，同時具有增加的生產(chǎn)量。上述按需的平臺滿足靈活的并且成本效益好的工具的需要，可對下一代生成應(yīng)用進(jìn)行高生產(chǎn)量的篩選。
[0062]鑒于上述的示例實(shí)施例，下面的權(quán)利要求應(yīng)被理解為包括具體顯示的內(nèi)容和如上所述的內(nèi)容、概念等價物、能夠明顯地被取代的內(nèi)容和基本上符合本發(fā)明主要思想的內(nèi)容。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在沒有背離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對剛剛描述的優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行各種改編和修改。所示的實(shí)施例僅用于闡明本實(shí)施例的目的，不應(yīng)將其視為對本發(fā)明的限制。因此，應(yīng)該理解，在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明能夠以不同于在這里具體描述的其它方式實(shí)施。
[0063]參考文獻(xiàn)
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【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微流體系統(tǒng)，包括: 微流體芯片，所述微流體芯片包括芯片主體，所述芯片主體界定: 液滴形成部分，所述液滴形成部分包括樣本輸入通道， 液滴拆分部分，所述液滴拆分部分被流體地連接到所述液滴形成部分，以及 試劑注入部分，所述試劑注入部分被流體地連接到所述液滴拆分部分； 第一樣本源，所述第一樣本源被選擇性地連接到所述樣本輸入通道； 第二樣本源，所述第二樣本源被選擇性地連接到所述樣本輸入通道；以及 清洗液源，所述清洗液源被選擇性地連接到所述樣本輸入通道。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體系統(tǒng)，其中，自動的樣本加載系統(tǒng)被流體地連接到所述微流體芯片。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體系統(tǒng)，其中，阻抗檢測系統(tǒng)被流體地連接到所述微流體芯片。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流體系統(tǒng)，其中，樣本檢測系統(tǒng)被流體地連接到所述微流體芯片。5.一種微流體芯片，所述微流體芯片包括芯片主體，所述芯片主體界定: 液滴形成部分，包括: 主通道， 樣本輸入通道，所述樣本輸入通道具有流體地連接到所述主通道的第一端以及配置為接收樣本和清洗液的第二端， 輸入通道閥門，所述輸入通道閥門在所述輸入通道中以選擇性地允許以及阻止從所述樣本輸入通道到所述主通道的流體流動， 清洗通道，所述清洗通道在所述輸入通道閥門和所述樣本輸入通道的所述第二端之間的位置處流體地連接到所述樣本輸入通道，以及 清洗通道閥門，所述清洗通道閥門在所述清洗通道中以選擇性地允許以及阻止從所述輸入通道到所述清洗通道的流體流動， 其中，所述液滴形成部分具有第一配置，其中，所述輸入通道閥門是打開的并且所述清洗通道閥門是關(guān)閉的以在所述主通道中提供在惰性流體中懸浮的具有基本上預(yù)定的體積的樣本液滴，并且，其中，所述液滴形成部分具有第二配置，其中，所述輸入通道閥門是關(guān)閉的并且所述清洗通道閥門是打開的，使得通過清洗液流動穿過所述樣本輸入通道以及從所述清洗通道流出，來由所述清洗液清洗所述樣本輸入通道； 液滴拆分部分，所述液滴拆分部分被流體地連接到所述液滴形成部分的所述主通道以從所述主通道接收所述樣本液滴，并且將所述樣本液滴拆分成多個子液滴以在多個次級通道中的相應(yīng)的一個通道中從所述液滴拆分部分輸出；以及 試劑注入部分，所述試劑注入部分被流體地連接到所述多個次級通道的每一個通道，并且具有對應(yīng)的多個試劑注入通道，所述對應(yīng)的多個試劑注入通道被布置為使得當(dāng)所述子液滴在所述試劑注入部分中時，多個試劑中的每個試劑基本能夠同時被注入到所述多個子液滴的相應(yīng)的一個子液滴，以在來自所述試劑注入部分的多個輸出通道中的對應(yīng)的一個通道中提供多個樣本-試劑液滴的輸出。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微流體芯片，其中，所述液滴形成部分包括卸壓通道，以當(dāng)所述樣本液滴正被形成時可控地調(diào)節(jié)所述樣本液滴上的壓力。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微流體芯片，其中，所述試劑注入部分包括卸壓通道，以當(dāng)所述多個試劑中的每個正被注入到所述多個子液滴中的對應(yīng)的一個子液滴時可控地調(diào)節(jié)所述多個子液滴上的壓力。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微流體芯片，其中，所述液滴拆分部分是多級液滴拆分器。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微流體芯片，還包括樣本-試劑液滴拆分部分，所述樣本-試劑液滴拆分部分被流體地連接到來自所述試劑注入部分的所述多個輸出通道中的每一個輸出通道，以接收所述多個樣本-試劑液滴，并且將所述樣本-試劑液滴中的每一個液滴拆分成多個子樣本-試劑液滴，以在多個輸出通道中的相應(yīng)的一個通道中從所述樣本-試劑液滴拆分部分輸出。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的微流體芯片，其中，所述樣本-試劑液滴拆分部分是多級液滴拆分器。11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微流體芯片，還包括培養(yǎng)部分，所述培養(yǎng)部分被流體地連接到來自所述樣本-試劑液滴拆分部分的所述多個輸出通道中的每一個輸出通道，使得所述樣本-試劑液滴中的每一個樣本-試劑液滴流進(jìn)相應(yīng)的一個培養(yǎng)通道，以便保持其可辨別的樣本和試劑信息。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的微流體芯片，其中，所述培養(yǎng)通道是等長度的。13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微流體芯片，還包括具有檢測通道的部分，其中，所述檢測通道至少部分是透明的以用于光學(xué)測量。14.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微流體芯片，其中，所述試劑注入部分還包括: 試劑注入閥門，所述試劑注入閥門在所述試劑注入通道中的每一個試劑注入通道中以選擇性地允許以及阻止從所述試劑注入通道中的每一個試劑注入通道到所述多個次級通道的流體流動， 清洗通道，所述清洗通道被流體地連接到所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道，以及 清洗通道閥門，所述清洗通道閥門在所述清洗通道中以選擇性地允許以及阻止從所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道到所述清洗通道的流體流動， 其中，所述試劑注入部分具有第一配置，其中，在所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道中的所述試劑注入閥門是打開的并且在所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道中的所述清洗通道閥門是關(guān)閉的，以在所述多個次級通道中提供試劑，并且，其中，所述試劑注入部分具有第二配置，其中，在所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道中的所述試劑注入閥門是關(guān)閉的并且在所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道中的所述清洗通道閥門是打開的，使得通過清洗液流動穿過所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道并且從在所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道中的所述清洗通道出去，來由所述清洗液清洗所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道。15.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微流體芯片，其中，所述液滴形成部分還包括: 第二樣本輸入通道，所述第二樣本輸入通道具有流體地連接到所述主通道的第一端以及配置為接收樣本和清洗液的第二端， 輸入通道閥門，所述輸入通道閥門在所述第二樣本輸入通道內(nèi)以選擇性地允許以及阻止從所述第二樣本輸入通道到所述主通道的流體流動， 第二清洗通道，所述第二清洗通道在所述輸入通道閥門和所述第二樣本輸入通道的所述第二端之間的位置處被流體地連接到所述第二樣本輸入通道，以及 清洗通道閥門，所述清洗通道閥門在所述第二清洗通道中以選擇性地允許以及阻止從所述第二輸入通道到所述第二清洗通道的流體流動， 其中，所述液滴形成部分具有第三配置，其中，所述第二樣本輸入通道的所述輸入通道閥門是打開的并且所述第二樣本輸入通道的所述清洗通道閥門是關(guān)閉的，以在所述主通道中提供在惰性流體中懸浮的具有基本上預(yù)定的體積的樣本液滴，并且，其中，所述液滴形成部分具有第四配置，其中，所述第二樣本輸入通道的所述輸入通道閥門是關(guān)閉的并且所述第二樣本輸入通道的所述清洗通道閥門是打開的，使得通過清洗液流動穿過所述第二樣本輸入通道以及從所述第二清洗通道流出，來由所述清洗液清洗所述第二樣本輸入通道。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的微流體芯片，其中，所述輸入通道以交替的方式運(yùn)行，使得當(dāng)所述輸入通道中的第一個輸入通道被配置為將樣本液滴提供給所述主通道時，所述輸入通道中的第二個輸入通道同時被配置為清洗，并且，其中，在通過所述輸入通道中的所述第一個輸入通道的樣本液滴的形成后，所述樣本輸入通道中的所述第一個樣本輸入通道被配置為清洗，并且所述樣本輸入通道中的所述第二個樣本輸入通道同時被配置為將樣本液滴提供給所述主通道。17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的微流體芯片，其中，所述液滴形成部分包括卸壓通道，以當(dāng)所述樣本液滴正被形成時可控地調(diào)節(jié)所述樣本液滴上的壓力。18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的微流體芯片，其中，所述試劑注入部分包括卸壓通道，以當(dāng)所述多個試劑中的每一個試劑正被注入到所述多個子液滴中的對應(yīng)的一個子液滴時可控地調(diào)節(jié)所述多個子液滴上的壓力。19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的微流體芯片，其中，所述液滴拆分部分是多級液滴拆分器。20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的微流體芯片，還包括樣本-試劑液滴拆分部分，所述樣本-試劑液滴拆分部分被流體地連接到來自所述試劑注入部分的所述多個輸出通道中的每一個輸出通道以接收所述多個樣本-試劑液滴，并且將所述樣本-試劑液滴中的每一個樣本-試劑液滴拆分成多個子樣本-試劑液滴，以在多個輸出通道中的相應(yīng)的一個輸出通道中從所述樣本-試劑液滴拆分部分輸出。21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的微流體芯片，其中，所述樣本-試劑液滴拆分部分是多級液滴拆分器。22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的微流體芯片，還包括培養(yǎng)部分，所述培養(yǎng)部分被流體地連接到來自所述樣本-試劑液滴拆分部分的所述多個輸出通道中的每一個輸出通道，使得所述樣本-試劑液滴中的每一個樣本-試劑液滴流進(jìn)相應(yīng)的一個培養(yǎng)通道，以便保持其可辨別的樣本和試劑信息。23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的微流體芯片，其中，所述培養(yǎng)通道是等長度的。24.根據(jù)權(quán)利要求15所述的微流體芯片，其中，所述試劑注入部分還包括: 試劑注入閥門，所述試劑注入閥門在所述試劑注入通道中的每一個試劑注入通道中以選擇性地允許以及阻止從所述試劑注入通道中的每一個試劑注入通道到所述多個次級通道的流體流動， 清洗通道，所述清洗通道被流體地連接到所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道，以及 清洗通道閥門，所述清洗通道閥門在所述清洗通道中以選擇性地允許以及阻止從所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道到所述清洗通道的流體流動， 其中，所述試劑注入部分具有第一配置，在所述第一配置中，在所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道中的所述試劑注入閥門是打開的并且在所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道中的所述清洗通道閥門是關(guān)閉的，以提供在所述多個次級通道中的試劑，并且，其中，所述試劑注入部分具有第二配置，在所述第二配置中，在所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道中的所述試劑注入閥門是關(guān)閉的并且在所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道中的所述清洗通道閥門是打開的，使得通過清洗液流動穿過所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道并且從在所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道中的所述清洗通道流出，來由所述清洗液清洗所述多個試劑注入通道中的每一個試劑注入通道。25.根據(jù)權(quán)利要求15所述的微流體芯片，還包括具有檢測通道的部分，其中，所述檢測通道至少部分是透明的以用于光學(xué)測量。26.一種執(zhí)行化學(xué)測定的方法，包括: 通過流體設(shè)備的輸入通道在所述流體設(shè)備的主通道中提供來自第一樣本的第一液滴； 清洗所述流體設(shè)備的所述輸入通道以從所述輸入通道基本除去所述第一樣本的所有的殘余； 繼所述清洗之后，立即通過所述流體設(shè)備的所述輸入通道在所述流體設(shè)備的所述主通道中提供來自第二樣本的第二液滴，使得所述第一液滴和所述第二液滴由惰性流體分開； 把所述第一液滴分成第一多個子液滴； 把所述第二液滴分成第二多個子液滴； 將第一多個試劑添加到所述第一多個子液滴的對應(yīng)的一個子液滴； 將第二多個試劑添加到所述第二多個子液滴的對應(yīng)的一個子液滴； 檢測所述第一多個子液滴和第二多個子液滴中的每一個子液滴的物理性質(zhì)以提供測定數(shù)據(jù)；以及 基于所述測定數(shù)據(jù)確定所述第一樣本和第二樣本的性質(zhì)。27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的執(zhí)行化學(xué)測定的方法，其中，所述第一多個試劑和第二多個試劑中的每一個試劑是彼此不同的。28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的執(zhí)行化學(xué)測定的方法，其中，所述第一多個試劑和第二多個試劑中至少兩個試劑是化學(xué)上相同的試劑。
【文檔編號】B01L3/00GK106029233SQ201580009203
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年1月26日
【發(fā)明人】澤-輝·王, 圖沙爾·迪尼安德奧·萊恩, 海倫娜·克萊爾·澤克
【申請人】約翰霍普金斯大學(xué)