[发明专利]由诱发的空化所驱动的高速按需液滴生成及单细胞包封

说明书

公开了用于在第二流体中形成第一流体的液滴并在这种液滴内包封颗粒或细胞的方法和设备。用于液滴形成的动力由暂态泡的产生来提供，暂态泡可以使用脉冲激光器来诱发。通过调制脉冲激光器能够控制液滴形成的液滴体积和频率。所公开的方法和设备尤其适用于微流体设备。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年2月9日提交的USSN13/370,196的权益和优先权，其整体通过引用并入本文以用于所有目的。

政府支持声明

本发明是在政府支持下进行的，美国航空和航天局颁发的许可号NCC2-1364，美国卫生研究院颁发的许可号Y018228；以及美国国家科学基金会颁发的许可号0747950、0852701和0901154。政府对该发明具有某些权利。

技术领域

本发明涉及微流体领域。在某些实施方案中，提供了用于高速形成液滴和/或包封液滴、颗粒和/或细胞的方法和设备。

背景技术

微流体设备吸引了很多关注，因为它们提供平台用于对极小体积的流体执行分析，当利用光蚀刻技术产生该设备时，能够以低成本制造。这些设备具有作为“实验室晶片”的潜力，集成多个功能性，包括例如，样本制备、支撑聚合酶链式反应的热循环以及吸收或者荧光监控。它们的紧凑尺寸使其尤其适用于便携式设备，这潜在地允许在临床医生办公室或现场进行复杂分析的性能。然而，在分析多个样本时使用微流体设备的挑战之一是样本区室化。尽管常规实验室分析器可以利用一系列试管或者类似容器以防止样本之间的污染，但是该方法难以应用于小体积流体，其中与设备表面的相互作用会取代总体流动属性。

典型微流体设备利用连续通过设备的单个流体相。将离散体积的流体测试样本或者试剂引入这种设备会导致形成移过装置通道的流体段。不幸地是，这种流体段将趋于变得散布，这是由于流道内的力(诸如扩散和湍流)。此外，流体段的组分会与微流体设备的通道壁相互作用，仅在稍晚的时间被释放。这种现象会导致流体段之间的污染，并且致使需要使用降低流体通道内湍流的特征来设计这种微流体芯片，并需要设计测试协议(包括样本之间的内部体积的耗时的洗涤或者冲刷)。另外，流体段的分散使得对于特征反应难以提供流体段内含物的可再现体积和浓度。

解决该问题的一个方法是引入数字微流体设备，在该设备中，用于分析或者其他处理的样本流体以离散的低体积液滴形式被引入设备的通道中。例如，以在包含不混溶油介质的通道内行进的水性液滴形式引入具有生物化学或者生物学内含物的水性样本降低了与通道壁的相互作用并且防止了散布，从而最小化液滴之间的污染。能够类似地处理用于表征这种样本的试剂。然而，为了有效，数字微流体设备需要以下机制，即，用于以精确的体积控制进行高速液滴生成以充分实现精确的高通量分析。

被动机制可以用于快速连续的液滴生成，作为通过这种设备的流动的函数。以该方式可以以每秒几千液滴的速率生成高度均匀的液滴(Yobas等人，(2006)Lab on a chip，6:1073-1079)。US7,759,111描述了这种设备，其中由不混溶的油流从水性介质流中剪切出液滴。被动设备的另一实例公开于WO2010/110843A1，其中侵入流体通道的屏障与流体以及通道的流动特性结合作用以形成涡旋，该涡旋提供了驱动液滴形成的压力的周期变化。然而，这种设备不提供包含专门指定体积的样本流体的液滴的按需生成(例如，体积包含特定的关注细胞)，也不能自身生成具有不同体积的个体液滴。这限制了它们用于表征不同样本体积的实用性以及在各种测试协议的性能方面的实用性。