阅读说明：本技术 用于在数字微流控装置中过滤小体积非均相悬浮液的方法 (Method for filtering small size heterogeneous suspension in digital microcurrent-controlled device ) 是由 C·A·狄克逊 J·L·拉曼纳 A·R·惠勒 于 2018-04-03 设计创作，主要内容包括：本文中公开了用于液体的数字微流控(DMF)处理的两种相关技术,所述技术依赖于对流体静电致动使之通过固体多孔介质的条带。在第一种技术中,驱动DMF装置中的含有不同大小的颗粒的小滴通过固体多孔介质,允许基于大小来过滤、浓缩所述颗粒并将所述颗粒回收到小滴中。在第二种技术中,将液体介质的试样直接装载到固体多孔介质上,其中所述液体介质渗入到DMF装置中,使得滤液能够被收集到小滴中。两种技术都可用于在DMF装置上由全血产生血浆,这是对数字微流控的诊断应用具有深远影响的操作。(There is disclosed herein two kinds of the relevant technologies of digital microcurrent-controlled (DMF) processing for liquid, the technology depends on the band that solid porous media is run through to fluid electrostatically actuated.In the first technology, drives the droplet containing different size of particle in DMF device by solid porous media, allow to filter based on size, the particle is concentrated and the particle is recovered in droplet.In second of technology, the sample of liquid medium is loaded directly on solid porous media, wherein the liquid medium penetrates into DMF device, filtrate is collected into droplet.Two kinds of technologies can be used in generating blood plasma by whole blood on DMF device, this is the operation for having profound influence to digital microcurrent-controlled diagnostic application.)

用于在数字微流控装置中过滤小体积非均相悬浮液的方法

技术领域

本公开涉及用于在数字微流控装置中过滤小体积非均相悬浮液的基于数字微流控(DMF)的方法和系统。

背景技术

虽然在宏观上是十分普遍的，但是在微流控装置内对均相混合物进行过滤和/或分离已成为最近研究的对象。在微流控领域中，已记载了若干过滤策略，即，主动技术，诸如介电泳(DEP)、磁性和声方法(参考文献1)，以及被动技术，包括确定性侧向位移、错流过滤、水动力过滤和夹流过滤(参考文献2)。对于前一种(主动)技术，施加所需外部操纵场所需要的设备给微流控装置增加了复杂性和成本，而后一种(被动)技术通常需要泵和阀系统以及连续流来过滤和分离颗粒。影响基于微流控的过滤系统的另一个典型的挑战是形成所述装置所需的制造方法通常涉及复杂的基于洁净室的技术以及需要单独的设计迭代来形成能够过滤不同大小或等级的颗粒的结构。

数字微流控(DMF)是稳健的液体处理技术，所述技术包括使用静电力对离散的皮升到微升大小的液体小滴进行操纵(参考文献3)。DMF与传统的连续流微流控不同，即，不是连续流在通道内，而是小滴夹在对电极顶板与承载了绝缘驱动电极的阵列的底板之间。在这种配置中，可以施配、混合、融合和分离单独的小滴，每个小滴充当不同的微反应器，使DMF成为强大的样本处置和化学处理技术。更重要的是，DMF是可重新配置的—可以使用一般的装置架构并且所述一般的装置架构重复用于几乎无限的操作组合。

迄今，在DMF装置内进行过滤和/或分离还很少有实例。一种方法涉及在所述装置内形成的用于固相提取的多孔聚合物整料(PPM)圆盘(参考文献4)，而其它方法使用抗体功能化磁珠来将生物分子从复杂基质(诸如血液或血清)分离并隔离(参考文献5)。虽然成功了，但是这些方法需要复杂且耗时的制造步骤(PPM圆盘的制造)，尤其是功能化磁珠(以及安装在步进电动机上的磁体)，或对于要在分析之前在片外稀释的样本。最后，开发出使用重力和水动力在装置内分离颗粒的DMF方法(参考文献6)。然而，这种方法的范围受限，因为其要求非漂浮颗粒以及在特定大小范围内的那些颗粒。

发明内容

本文中公开了用于DMF的两种相关技术，所述技术依赖于对流体静电致动使之通过固体多孔介质条带。在技术(1)中，驱动DMF装置中的含有不同大小的颗粒的小滴通过固体多孔介质，允许基于大小来过滤、浓缩所述颗粒并将所述颗粒回收到小滴中。在技术(2)中，将液体介质的试样直接装载到固体多孔介质上，其中所述液体介质的试样渗入到DMF装置中，使得滤液能够被收集到小滴中。两种技术都可用于在DMF装置上由全血产生血浆，这是对数字微流控的诊断应用具有深远影响的操作。

在第一实施方案中，提供一种用于过滤非均相悬浮液的基于数字微流控的方法，所述方法包括：

a)将多孔材料定位于数字微流控装置中的底板与顶板之间，所述多孔材料具有预选孔隙度以防止大于预选大小的颗粒通过，同时允许小于所述预选大小的颗粒从中通过；

b)将含有不同大小的颗粒的小滴施配到位于所述底板上的电极阵列上并且以某种方式致动所述电极阵列以驱动所述小滴从所述多孔材料的第一侧到第二侧通过所述多孔材料，使得小于所述预选大小的所述颗粒通过所述多孔材料，而大于所述预选大小的所述颗粒被截留在所述多孔材料中或被截留在所述多孔材料在所述第一的表面上；

c)致动所述电极阵列以使经过滤的小滴移动远离所述多孔材料来等待进一步处理；

d)在所述多孔材料的所述第二侧将重悬缓冲液的小滴施配到所述电极阵列上并且致动所述电极阵列以驱动所述重悬缓冲液的小滴从所述第二侧到所述第一侧通过所述多孔材料，使得所述较大的被截留颗粒从所述多孔材料去除并悬浮到所述重悬缓冲液的小滴中；以及

e)致动所述电极阵列以使重悬缓冲液的小滴移动远离所述多孔材料来等待进一步处理。

在第二实施方案中，提供一种用于过滤非均相悬浮液的基于数字微流控的方法，所述方法包括：a)将多孔材料定位于数字微流控装置中的底板与顶板之间，所述多孔材料具有预选孔隙度以防止大于预选大小的颗粒通过，同时允许小于所述预选大小的颗粒从中通过，所述多孔材料具有延伸超出所述顶板的边缘的装载部分；

b)将含有不同大小的颗粒的样本小滴施配到所述多孔材料的所述装载部分上，使得所述样本小滴渗入到所述多孔材料中；

c)将试剂施配到位于所述底板上的电极阵列上并且以某种方式致动所述电极阵列以驱动所述小滴从所述多孔材料的第一侧到第二侧通过所述多孔材料，使得小于所述预选大小的所述颗粒流过所述多孔材料以在所述第二侧上得到具有所述较小颗粒的含有颗粒的试剂小滴，而大于所述预选大小的所述颗粒保持被截留在所述多孔材料中；以及

c)致动所述电极阵列以使所述含有颗粒的试剂小滴移动远离所述多孔材料来等待进一步处理。

通过参考以下详细描述和图式，可以实现对本公开的功能方面和有利方面的进一步理解。

附图说明

现在将参看图式仅举例来描述实施方案，在图式中：

图1A示出一种DMF装置，所述DMF装置经过修改而包括用于分离流体中的不同大小的颗粒的多孔膜；

图1B(i)至图1B(iv)示出图1A的装置在本文中公开的分离过程中实施不同步骤的序列；

图1C示出绘示使用图1A和图1B的DMF装置进行的颗粒分离实验的结果的相片(在UV照射下收集)；

图2A示出DMF装置的另一个实施方案，所述DMF装置经过修改而包括用于分离流体中的不同大小的颗粒的两个多孔膜；

图2B(i)至图2B(iii)示出图2A的装置在本文中公开的分离过程中实施不同步骤的序列；

图2C(i)至图2C(ii)示出绘示使用图2A的DMF装置进行的分离实验的序列的相片；

图2D示出如图2B的序列中所示般处理的全血试样的代表性结果；

图2E示出如图2B的序列中所示般处理的全血试样与未经处理的全血相比的相对纯度(红血细胞的计数)；

图3示出DMF装置的另一个实施方案，所述DMF装置经过修改而包括与图1A的DMF装置相比位于不同定向的用于分离流体中的不同大小的颗粒的多孔膜；以及

图4示出DMF装置的另一个实施方案，所述DMF装置经过修改而包括用于分离流体中的多种不同大小的颗粒的多个连续定位的多孔膜。

具体实施方式

将参考下文论述的细节来描述本公开的各种实施方案和方面。以下描述和图式是用于说明本公开并且不应被理解为限制本公开。图式未按比例绘制。描述众多具体细节以提供对本公开的各种实施方案的透彻理解。然而，在某些情况下，未描述熟知或常规的细节以便提供对本公开的实施方案的简明论述。

如本文中使用，术语“包括”和“包括了”将被理解为是包括性和开放的，而非排他性的。具体地说，当在说明书和权利要求书中使用时，术语“包括”和“包括了”以及其变体表示包括指定的特征、步骤或部件。这些术语将不会被解释为排除其它特征、步骤或组件的存在。

如本文中所使用，术语“示例性”表示“用作实例、例子或例示”并且将不会被理解为比本文中公开的其它配置优选或有利。

如本文中使用，术语“约”和“大约”打算涵盖值范围的上限与下限可能存在的变化，诸如性质、参数和尺寸的变化。在一个非限制性实例中，术语“约”和“大约”表示加或减百分之10或更少。

除非另外限定，否则本文中使用的所有科技术语意欲具有与本领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。

如本文中使用，在本公开的背景中，术语“颗粒”表示流体介质中可以与体相流体(包括细胞)区分开的任何东西。

在技术(1)中，通过对一连串电极施加电压以驱迫小滴通过多孔材料的液体饱和的条带来将颗粒从小滴滤出，通过疏水障壁将所述条带的每个末端锚固并夹在DMF装置的顶板与底板之间。直径大于多孔介质的孔径的颗粒被截留在条带上，而液体(包括直径小于多孔介质的孔径的颗粒的悬浮液)从中通过到达另一侧。随后可以通过使新鲜的小滴在相反方向上往回通过所述条带来收集被截留在过滤器上的颗粒。通过调整小滴单程移动通过多孔介质的次数(和体积)，可以浓缩或稀释颗粒。

图1A示出DMF装置10，所述DMF装置经过修改而包括用于分离流体中的不同大小的颗粒的多孔材料12。流体和多孔材料12夹在承载了驱动电极的阵列的DMF底板16与顶板对电极18之间。多孔材料12可以是具有小于要分离的颗粒的孔的任何介质。多孔材料12包括位于所述材料的末端处的疏水锚20以防止液体渗出到材料12的末端周围。多孔材料12的非限制性实例包括基于聚合物的、基于纤维的或该两者的一些组合的多孔膜。图1A示出被定位以进行过滤的小滴24。

在图1B中示出了技术(1)的示例性说明，并且在图1C中示出初步数据。在后一种情况中，在DMF装置10上使用技术(1)来处理含有直径分别为0.3μm和10μm的红色和绿色荧光珠的混合物的小滴。多孔材料12的条带具有孔径，使得绿色的10μm颗粒被截留，而所述小滴和较小的红色颗粒通过(28)。随后将绿色颗粒收集到缓冲液的新鲜小滴中(34)。

更明确地说，图1A、图1B和图1C说明了技术(1)，其中图1A至图1B(iv)说明了DMF装置上的小滴过滤和颗粒重悬的步骤。在图1A中，如上文所论述，通过疏水障壁20将多孔材料12的条带的两端锚固到DMF装置10的顶板或底板(在这种情况中，经由石蜡)并且经过组装使得介质12处于相应的顶板18与底板16之间。已施配小滴24并且所述小滴准备好进行过滤，在多孔材料12的左手边示出。施配待过滤的小滴24并且通过对底板16的电极施加一连串电压来致动所述小滴。在图1B(i)中，在小滴通过多孔材料12时，无法通过材料12的颗粒被截留在所述条带上，而含有大小小于多孔材料12的孔径的任何较小颗粒的滤液继续到另一侧。在图1B(ii)中，颗粒如图所示被截留在多孔材料12中，并且经过滤的小滴28移动远离多孔材料12，在多孔条带12的右手边示出。在图1B(iii)中，为了收集被截留的颗粒，施配重悬缓冲液的小滴32并且从相反方向朝向多孔条带材料12(条带12的右手边到左右边)致动所述小滴。在图1B(iv)中，在缓冲液通过所述条带时，被截留的颗粒离开条带12并且悬浮到小滴34中。

图1C示出绘示颗粒分离实验的结果的相片(在UV照射下收集)。首先，使含有0.3μm直径的颗粒与较大的10μm直径的颗粒的混合物的小滴从左到右通过多孔材料12的条带，所述条带的两端通过疏水障壁20锚固。在相片的右手边可看到所得的经过滤小滴28，所述经过滤小滴含有0.3μm直径的颗粒。第二，施配缓冲液的小滴并且使所述小滴从左到右通过所述条带，这样释放了截留在多孔材料中的较大颗粒，并且在相片的左手边可看到所得小滴34。

技术(2)像技术(1)一样依赖于DMF装置中的多孔固体介质的条带。但是在技术(2)中，将待过滤的液体悬浮液直接装载到多孔介质中(所述多孔介质可以只是条带的“边缘”或者是层压到条带的边缘的单独的“膜”)。在溶液渗透通过固定介质时，直径大于固定材料的孔径的颗粒被截留在所述介质的顶部上或之内，而流体经由毛细管力流到条带中。随后使缓冲液的小滴通过条带以收集溶质或小颗粒。

图2A示出DMF装置50的另一个实施方案，所述DMF装置经过修改而包括用于分离流体中的不同大小的颗粒的两个多孔膜52和54。在这个实施方案中，将具有疏水锚64的多孔膜54放置于DMF装置50的顶板56与底板58之间，其中一端延伸超出顶板56的边缘。将第二分离膜52层压在顶板56的外部的第一多孔膜54的顶部上。多孔膜54用作用于将已分离的流体输送到DMF装置50中的介质，之后在所述DMF装置中对所述流体进行回收。将待分离的含有颗粒悬浮液的小滴68馈送到如图2A中所示的分离膜52中。对重悬缓冲液62的源定位，使得在需要所述缓冲液时，可以将小滴72移动到多孔材料54旁边，如在图2A中在材料54的左手边所示。分离膜52的目的是允许要过滤的颗粒悬浮液68未经过任何事先的预处理直接施加到所述装置上，并且捕获悬浮液68中存在的所有非所要的颗粒，同时允许其它所要的组份经由毛细管作用移动到多孔条带54中。

在图2B(i)至图2B(iii)中示出方法(2)的示例性例示，并且在图2C、图2D和图2E中示出初步数据。图2C(i)示出一张相片，其中将染色缓冲液的50μL试样装载到DMF装置50上，使多孔膜52和54充满染料。将未染色缓冲液的新鲜小滴62从左到右通过收集染色液体的多孔膜54(如在图2B(iii)中)。图2C(ii)示出在所述相片的右手边可见的所得的提取出的小滴(80)，所述小滴含有蓝色染料。多孔膜54中耗尽了蓝色染料的区域也是可见的。

在图2D和图2E中，将全血的50μL试样装载到DMF装置50上，其中细胞和其它颗粒被截留在膜52中。使用缓冲液的新鲜小滴来收集血浆(如在图2B(iii)中)，随后使用蛋白质测定试剂盒通过在620nm下测量光密度来评估所述血浆的蛋白质含量。供参考，还示出了使用黄金标准血浆分离技术(离心法)回收的蛋白质含量。蛋白质回收率是由分别如图2B的序列中所示般处理以及经过黄金标准技术处理的全血试样产生的血浆小滴之间的蛋白质浓度的比。

通过计算在使用图2B中所示的序列处理全血试样之后剩下的红血细胞的数目来测量所产生的血浆小滴的纯度。供参考，还示出了全血中的红血细胞计数。分离效率是所移除的红血细胞的百分数。这些数据是初步的；我们坚信通过调整血液的体积、膜和多孔材料的大小以及回收小滴的数目和体积，所述新技术将能够完全在简单的手持式DMF装置上达成与黄金标准技术相当的回收率，所述DMF装置是在无任何活动部件的情况下操作。另外，初步证据(此处未示出)表明针对所述新技术观察到的溶血水平与针对黄金标准观察到的溶血水平相当或较低。

更明确地说，图2A、图2B(i)至图2B(iii)、图2D和图2E说明了技术(2)，其中图2A至图2B(iii)说明了在DMF装置上过滤的步骤。在图2A中，通过疏水障壁64将多孔材料54的条带的一端锚固到DMF装置50的相应的顶板56或底板58(在这种情况下，经由石蜡)并且经过组装使得介质位于DMF装置50的顶板56与底板58之间。条带54的几何形状被设计成使得一端延伸超过顶板56的边界。如果需要，可以将额外的分离膜52层压到所述条带的自由端。在图2B(i)中，将固体的悬浮液的试样68装载到膜/条带52上，使得流体渗入到装置50中，使多孔材料54饱和。在图2B(ii)中，通过对底板58电极施加一连串电压来使缓冲液小滴72通过多孔材料54的条带。在图2B(iii)中，将溶质的悬浮液(和/或直径小于膜/介质54的孔径的颗粒的悬浮液)收集到小滴80中。

图2D示出如图2B(i)至图2B(iii)中所示般处理的全血试样的代表性结果。蛋白质回收率表示血浆样本中的蛋白质的量与使用黄金标准离心技术产生的血浆相比的比值。“DMF-1”、“DMF-2”、“DMF-3”和“DMF-4”表示在DMF装置上从单独的血液试样回收的血浆小滴，而“离心”是通过黄金标准离心技术回收的血浆。对“DMF-1”、“DMF-2”、“DMF-3”和“DMF-4”的蛋白质回收率进行校正以虑及从多孔膜54提取出的血浆的体积。

图2E示出针对在图2B(i)至2B(iii)中概述的方法的分离效率的数据。简单地说，将全血的50μL试样装载到DMF装置50上，其中细胞和其它颗粒被截留在膜52中。使用缓冲液的新鲜小滴来收集血浆(如在图2B(iii)中)，并且使用血球计来计算所回收的血浆小滴中的红血细胞(RBC)的数目(200RBC/μL)。供参考，示出全血的RBC计数(6.1x10⁶ RBC/μL)以及通过离心技术回收的血浆的RBC计数(0RBC/μL)。分离效率是通过DMF或黄金标准离心方法移除的RBC的百分数，并且也示出了分离效率。

图3示出DMF装置70的另一个实施方案，所述DMF装置经过修改而包括与图1A的DMF装置10相比位于不同定向的用于分离流体中的不同大小的颗粒的多孔膜条带72。多孔条带72已变得更长，并且与图1A的装置10中的条带54的定向相比，所述多孔条带在装置70中旋转了90度，以允许进行多重分离。

图4示出DMF装置90的另一个实施方案，所述DMF装置90经过修改而包括用于分离流体中的多种不同大小的颗粒的多个连续定位的多孔膜92。将膜92放置于装置90中，所述膜是基于递减的孔径来布置以顺序地过滤可以在之后回收的颗粒。

以上论述已认为DMF装置是具有固持DMF电极的底板，而顶板是对电极。在本方法的可选实施方案中，可以使用单板DMF装置，其中驱动电极与对电极是共面的。所述单板装置与双板装置的不同之处在于施加电压的方式。替代对底板施加驱动电压以及对顶部施加接地电压，均对底板上的相邻电极施加驱动电压和接地电压。在这个实施方案中，程序保持与上述情况一样。仍需要顶板，但是顶板未起到对电极的作用。

已呈现了对本公开的优选实施方案的前文描述，以说明本公开的原理但不会将本公开限于所说明的特定实施方案。希望本公开的范围由所附权利要求书以及其等效物内涵盖的所有实施方案限定。

参考文献

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