[发明专利]高速按需微流体珠滴生成和操控

说明书

本发明提供用于形成和/或合并微流体系统中的珠滴的方法和装置。在某些实施方案中，提供了一种微流体珠滴合并部件，所述部件包括：中央通道，所述中央通道包括被设置并间隔开以产生多个横向通路的多个元件，所述多个横向通路将载体流体从流体流引流出去，所述流体流包括包含于所述载体流体中的第一流体的珠滴；和可变形横向膜片阀，所述可变形横向膜片阀被设置来控制所述中央通道的宽度。

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年3月15日提交的USSN61/798,516的权益和优先权，其全文出于所有目的以引用的方式并入本文。

政府资助的声明

本发明是在政府的支持下根据国家科学基金会(National Science Foundation)授予的资助号ECCS 0901154进行的。政府享有本发明中的某些权利。

背景技术

在过去的十年中，微流体系统已经发展成为用来执行高通量化学和生物的有价值的仪器平台(deMello(2006)Nature,442:394-402)。当执行复杂的化学或生物分析时，可控制地将珠滴合并在分段流动系统中的能力是重要的(Shestopalov等人(2004)Lab Chip,4:316-321)。遗憾的是，以连续的方式对多个珠滴进行可控合并并不简单。尽管在微流体系统中产生的乳液处于热力学亚稳态，但是由于在界面张力、微通道的表面形状和如珠滴大小、珠滴速度和珠滴粘性的流体特性的微小变化，合并的过程并未被证明是可预测的(例如参见Fuerstman等人(2007)Science,315:828-832)。

珠滴合并在包括连续反应(Kim等人(2006)Anal.Chem.,78(23):8011-8019)、细胞的多步骤操控(He等人(2005)Anal.Chem.,77(6):1539-1544)、高通量生物鉴定法(Srisa-Art等人(2007)Anal.Chem.,79:6682-6689)等的许多应用中是重要的或必要的。另外，以高通量的方式合并和分离珠滴或气泡的能力可影响用于交换化学信息和电子信息的气泡逻辑系统的使用(Prakash和Gershenfeld(2007)Science,315(5813):832-835)。

在通常的珠滴合并过程中涉及到相对较长的时间和相对较大的空间尺度。例如，时间尺度可在用于一些化学反应情况下的亚微秒到用于基于细胞阵列的许多小时和甚至天数的范围内变化。类似地，例如在待被合并的珠滴之间和在珠滴与相互反应以驱使合并过程的部件界面之间也存在较大的空间尺度。

已经研发出了若干种技术来合并珠滴。这些技术是有源的并且涉及如电场的部件(Priest等人(2006)Appl.Phys.Lett.,89:134101:1-134101:3；Ahn等人(2006)Appl.Phys.Lett.,88:264105)，或是无源的并且利用流体导管表面特性(Fidalgo等人(2007)Lab Chip,7(8):984-986)或结构(Tan等人(2004)Lab Chip,4(4):292-298)。

发明内容

在各种实施方案中，提供了(例如，用于集成到微流体系统如芯片实验室(lab-on-a-chip)系统等中的)微流体珠滴合并部件。在说明性但非限制性的珠滴合并结构包括中央通道，所述中央通道包括多个元件(例如，微柱阵列)，所述多个元件被设置并间隔开以产生多个横向通路，所述多个横向通路将载体流体从流体流引流出去，所述流体流包括包含于所述载体流体中的第一流体的珠滴；和可变形横向膜片阀，所述可变形横向膜片阀被设置来控制所述中央通道的宽度。不同数目的珠滴的捕获和合并可由横向通路和/或形成此类通路(例如，微柱阵列结构)的元件的间隔和布置、定时和可变形横向膜片阀的结构大小控制。可变形横向膜片(膜片阀)例如在捕获结构的下游处形成可控制的、尺寸可变的收缩。通过控制收缩大小和定时，可在离开所述装置之前捕获和合并不同数目的珠滴。本发明也提供了微流体珠滴生成器和包括一个或多个微流体珠滴生成器和/或一个或多个珠滴器合并结构的装置。