СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕСМЕШИВАЕМЫХ ЖИДКОСТЕЙ С ЦЕЛЬЮ ЭФФЕКТИВНОГО ОТДЕЛЕНИЯ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНОЙ ИЗ ЖИДКОСТЕЙ
METHOD AND DEVICE FOR SEPARATION OF IMMISCIBLE LIQUIDS IN ORDER TO EFFICIENTLY SEPARATE AT LEAST ONE OF LIQUIDS

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка претендует на полезный эффект предварительной патентной заявки US 62/062134, поданной 9 октября 2014 г., содержание которой полностью включено в настоящее описание посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
В общем, предмет настоящего изобретения относится к системам и способам для разделения несмешиваемых жидкостей и, в частности, к системам и способам, которые позволяют эффективно отделять по меньшей мере одну из жидкостей, после чего жидкость (жидкости) может быть подвергнута анализу и/или применена в исследовании.
Различные протоколы биологических или химических анализов включают проведение большого количества контролируемых реакций. Означенные реакции могут быть проведены для синтеза и/или анализа биологического вещества. Одной из методик, которые могут быть применены для проведения таких реакций, является цифровая жидкодинамическая методика (англ. Digital fluidics, сокращенно DF). С помощью методики DF можно перемещать капли водной жидкости или манипулировать ими (например, объединять или разделять) посредством проведения операций, основанных на электрохимическом смачивании. Например, устройство DF может включать картридж, имеющий закрытую полость, ограниченную одной или более подложками (основами). Вдоль подложки (подложек) может быть установлено множество (набор) электродов, которые могут быть расположены вблизи полости. Полость может быть заполнена жидкостью-наполнителем (например, маслом), которая не может смешиваться с каплями водной жидкости. Конструкция электродов позволяет создавать различные электрические поля в соответствии с заранее заданной последовательностью или графиком для транспортировки, смешивания, фильтрования, мониторинга и/или анализ капель водной жидкости внутри устройства DF. В соответствии с заранее заданной последовательностью капли водной жидкости могут быть введены в требуемые реакции, например, реакции образования биологического вещества.
Для управления каплями водной жидкости и синтеза требуемого биологического вещества могут быть предприняты комплексные шаги. В качестве одного из примеров можно указать, что методика DF может быть применена для синтеза библиотек фрагментированных нуклеиновых кислот для проведения секвенирования (т.е. определения последовательности аминокислот) нового поколения (англ. next generation sequencing, сокращенно NGS). По завершении заданных реакций капли могут транспортироваться в различные участки устройства DF, которые доступны пользователю. Пользователь может извлекать каждую каплю, например, вводя в полость пипеточный дозатор и извлекая небольшой объем (например, 20 мкл), который включает как водный раствор, так и жидкость-наполнитель. Часто водный раствор представляет собой долю всей жидкости, в которой основную часть составляет жидкость-наполнитель. Например, объем жидкости-наполнителя может в два (2Х), десять (10Х) или двадцать (20Х) раз превышать объем водного раствора.
В некоторых областях применения может возникнуть необходимость отделения водного раствора от жидкости-наполнителя для дальнейшего применения водного раствора в исследовании или для его извлечения по окончании исследования или технологического процесса. Однако надежное и эффективное отделение небольших объемов жидкости от других жидкостей может вызывать затруднения. Один из традиционных способов разделения смеси жидкостей, которая включает водный раствор и жидкость-наполнитель, включает помещение смеси в приемник и центрифугирование приемника для разделения жидкостей на разные слои. Слой жидкости-наполнителя может образовываться поверх слоя водного раствора. Слой жидкости-наполнителя может быть удален с помощью пипеточного дозатора или декантацией. В некоторых протоколах процесс разделения может занимать 45 минут или более. Кроме того, способ может протекать с осложнениями и быть непредсказуемым, в частности, при работе с несколькими различными образцами.
Соответственно, имеется необходимость создания такого способа разделения двух или более несмешиваемых жидкостей, который отличается по меньшей мере меньшей продолжительностью, большей эффективностью или большей надежностью по сравнению с известными способами разделения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному из примеров осуществления, предложен способ, который включает обеспечение наличия устройства для разделения фаз, в котором имеется пористая мембрана, имеющая фильтрующую поверхность. Фильтрующая поверхность имеет неплоскую конфигурацию которая образует приемную полость. Способ также включает подачу смеси жидкостей в приемную полость пористой мембраны. Смесь жидкостей включает полярную жидкость и неполярную жидкость, несмешиваемые друг с другом. Фильтрующая поверхность, расположенная вдоль приемной полости, имеет такую поверхностную энергию, которая затрудняет течение полярной жидкости через фильтрующую поверхность и не препятствует течению неполярной жидкости внутрь пористой мембраны. Способ также включает обеспечение возможности течения неполярной жидкости внутрь пористой мембраны. Полярная жидкость образует каплю в приемной полости, в то время как неполярная жидкость протекает внутрь пористой мембраны.
Согласно одному из примеров осуществления, предложено устройство для разделения фаз, которое включает пористую мембрану, имеющую фильтрующую поверхность. Фильтрующая поверхность имеет неплоскую конфигурацию, которая образует приемную полость, причем фильтрующая поверхность, расположенная вдоль приемной полости, препятствует абсорбции полярной жидкости, но не препятствует абсорбции неполярной жидкости пористой мембраной.
Согласно одному из примеров осуществления, предложен способ, который включает обеспечение наличия устройства для разделения фаз, включающего пористую мембрану, имеющую фильтрующую поверхность. Фильтрующая поверхность имеет неплоскую конфигурацию, которая образует приемную полость. Способ также включает помещение смеси жидкостей в приемную полость пористой мембраны. Смесь жидкостей включает первую жидкость и вторую жидкость, несмешиваемые друг с другом. Фильтрующая поверхность, расположенная вдоль приемной полости, выполнена так, что она препятствует течению первой жидкости через фильтрующую поверхность и не препятствует течению второй жидкости внутрь пористой мембраны. Способ также включает обеспечение возможности течения второй жидкости внутрь пористой мембраны. Первая жидкость образует каплю внутри приемной полости, в то время как вторая жидкость протекает внутрь пористой мембраны.
Согласно одному из примеров осуществления, предложена система для исследования, которая включает систему подготовки образца, предназначенную для получения смеси жидкостей, которая включает полярную жидкость и неполярную жидкость, несмешиваемые друг с другом. Система для исследования также включает устройство для разделения фаз, включающее пористую мембрану, имеющую фильтрующую поверхность. Фильтрующая поверхность имеет неплоскую конфигурацию, которая образует приемную полость, предназначенную для подачи в нее смеси жидкостей. Фильтрующая поверхность, расположенная вдоль приемной полости, выполнена так, что она препятствует течению полярной жидкости через фильтрующую поверхность и не препятствует течению неполярной жидкости внутрь пористой мембраны, в результате чего полярная жидкость образует каплю в приемной полости, в то время как неполярная жидкость протекает внутрь пористой мембраны.
Согласно одному из примеров осуществления, предложена система для исследования, которая включает устройство для разделения фаз, включающее пористую мембрану, имеющую фильтрующую поверхность. Фильтрующая поверхность имеет неплоскую конфигурацию, которая образует приемную полость, предназначенную для подачи в нее смеси жидкостей. Смесь жидкостей включает полярную жидкость и неполярную жидкость, несмешиваемые друг с другом; при этом фильтрующая поверхность, расположенная вдоль приемной полости, выполнена так, что она препятствует течению полярной жидкости через фильтрующую поверхность и не препятствует течению неполярной жидкости внутрь пористой мембраны, в результате чего полярная жидкость образует каплю в приемной полости, в то время как неполярная жидкость протекает внутрь пористой мембраны. Система для исследования также включает аналитическую систему, предназначенную для выполнения одного или более протоколов исследования, в которых используют каплю полярной жидкости.
Согласно одному из примеров осуществления, предложена система для исследования, которая включает систему подготовки образца, предназначенную для получения смеси жидкостей, включающей первую жидкость и вторую жидкость, несмешиваемые друг с другом. Система для исследования также включает устройство для разделения фаз, включающее пористую мембрану, имеющую фильтрующую поверхность. Фильтрующая поверхность имеет неплоскую конфигурацию, которая образует приемную полость, предназначенную для подачи в нее смеси жидкостей. Фильтрующая поверхность, расположенная вдоль приемной полости, выполнена так, что она препятствует течению первой жидкости через фильтрующую поверхность и не препятствует течению второй жидкости внутрь пористой мембраны, в результате чего первая жидкость образует каплю внутри приемной полости, в то время как вторая жидкость протекает внутрь пористой мембраны.
Согласно одному из примеров осуществления, предложена система для исследования, которая включает устройство для разделения фаз, включающее пористую мембрану, имеющую фильтрующую поверхность. Фильтрующая поверхность имеет неплоскую конфигурацию, которая образует приемную полость, предназначенную для подачи в нее смеси жидкостей. Смесь жидкостей включает первую жидкость и вторую жидкость, несмешиваемые друг с другом; при этом фильтрующая поверхность, расположенная вдоль приемной полости, выполнена так, что она препятствует течению первой жидкости через фильтрующую поверхность и не препятствует течению второй жидкости внутрь пористой мембраны, в результате чего первая жидкость образует каплю внутри приемной полости, в то время как вторая жидкость протекает внутрь пористой мембраны. Система для исследования также включает аналитическую систему, предназначенную для выполнения одного или более протоколов исследования, в которых используют каплю первой жидкости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На Фиг. 1 представлена технологическая схема системы для исследования, предназначенной для проведения определенных реакций, сконструированная согласно одному из примеров осуществления.
На Фиг. 2 представлен вид сверху жидкодинамической системы, которая может быть применена совместно с системой для исследования, представленной на Фиг. 1.
На Фиг. 3 схематично представлен вид сбоку жидкодинамической системы, сконструированной согласно одному из примеров осуществления.
На Фиг. 4 представлен ряд капель жидкости на соответствующих поверхностях.
На Фиг. 5 представлено перспективное изображение устройства для разделения фаз согласно одному из примеров осуществления.
На Фиг. 6 представлен вид устройства для разделения фаз в разрезе вдоль линии 6-6, показанной на Фиг. 5.
На Фиг. 7 представлен увеличенный вид в разрезе устройства для разделения фаз, представленного на Фиг. 5, на котором показан один из возможных примеров осуществления приемной полости.
На Фиг. 8 представлен вид в разрезе приемной полости во время первого этапа способа фильтрования или разделения.
На Фиг. 9 представлен вид в разрезе приемной полости во время проведения последующего второго этапа способа фильтрования или разделения.
На Фиг. 10 представлено перспективное изображение фильтрующего элемента согласно одному из примеров осуществления.
На Фиг. 11 представлен вид фильтрующего элемента в разрезе вдоль линии 11-11, показанной на Фиг. 10.
На Фиг. 12 показано устройство для разделения фаз согласно одному из примеров осуществления, которое включает множество фильтрующих элементов.
На Фиг. 13 представлена блок-схема, на которой показан способ согласно одному из примеров осуществления.
На Фиг. 14 представлено перспективное изображение устройства для разделения фаз согласно одному из примеров осуществления.
На Фиг. 15 представлен вид в разрезе устройства для разделения фаз, представленного на Фиг. 14.
На Фиг. 16 представлено перспективное изображение устройства для разделения фаз согласно одному из примеров осуществления.
На Фиг. 17 представлена горизонтальная проекция сверху устройства для разделения фаз, представленного на Фиг. 16.
На Фиг. 18 представлена горизонтальная проекция снизу устройства для разделения фаз, представленного на Фиг. 16.
На Фиг. 19 представлен вид в разрезе вдоль линии А-А, показанной на Фиг. 17, устройства для разделения фаз, представленного на Фиг. 16.
На Фиг. 20 представлено перспективное изображение устройства для разделения фаз согласно одному из примеров осуществления.
На Фиг. 21 представлена горизонтальная проекция сверху устройства для разделения фаз, представленного на Фиг. 20.
На Фиг. 22 представлен вид в разрезе устройства для разделения фаз, представленного на Фиг. 20, вдоль линии А-А, показанной на Фиг. 21.
На Фиг. 23 представлено перспективное изображение устройства для разделения фаз согласно одному из примеров осуществления.
На Фиг. 24 представлена горизонтальная проекция снизу устройства для разделения фаз, представленного на Фиг. 23.
На Фиг. 25 представлена горизонтальная проекция сверху устройства для разделения фаз, представленного на Фиг. 23.
На Фиг. 26 представлен вид в разрезе устройства для разделения фаз, представленного на Фиг. 16, вдоль линии А-А, показанной на Фиг. 25.
На Фиг. 27 представлено перспективное изображение устройства для разделения фаз согласно одному из примеров осуществления.
На Фиг. 28 представлен вид в разрезе устройства для разделения фаз, представленного на Фиг. 27, вдоль линии 28-28, показанной на Фиг. 27.
На Фиг. 29 представлен вид сверху устройства для разделения фаз, представленного на Фиг. 27.
На Фиг. 30 представлен вид сбоку сборного модуля, полученного согласно одному из примеров осуществления, который включает устройство для разделения фаз.
На Фиг. 31 схематично представлена система, полученная согласно одному из примеров осуществления.
На Фиг. 32 представлено изображение в разобранном виде сборного модуля согласно одному из примеров осуществления, который включает устройство для разделения фаз, представленное на Фиг. 27.
На Фиг. 33 представлено перспективное изображение полностью смонтированного сборного модуля, показанного на Фиг. 32.
На Фиг. 34 схематично представлена система, полученная согласно одному из примеров осуществления.
На Фиг. 35 схематично представлена система, полученная согласно одному из примеров осуществления.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Представленные в настоящем описании примеры осуществления могут иметь различное применение в тех случаях, в которых требуется разделение несмешиваемых жидкостей. В конкретных примерах осуществления по меньшей мере одну из несмешиваемых жидкостей затем подвергают анализу и/или используют для получения целевого вещества. Например, несмешиваемые жидкости могут включать полярную жидкость (например, водный раствор) и неполярную жидкость (например, масло). Несмешиваемые жидкости могут быть скомбинированы в виде смеси жидкостей. В некоторых случаях несмешиваемые жидкости могут быть применены для выполнения одной или более операций, таких как одна или более заданных реакций одной из жидкостей. В конкретных примерах осуществления полярная жидкость включает биологическое вещество, которое затем применяет и/или анализирует пользователь. Например, полярная жидкость может включать библиотеку фрагментированных нуклеиновых кислот, которую применяют для определения последовательности посредством синтеза (англ. sequencing-by-synthesis, сокращенно SBS). Библиотека фрагментированных нуклеиновых кислот может быть получена с помощью протокола синтеза библиотеки, такого как один или более протоколов, рассмотренных в патентных публикациях US 2013/0203606 и US 2013/0225452, содержание каждой из которых полностью включено в настоящее описание посредством ссылки.
Представленные в настоящем описании примеры осуществления дают возможность разделять несмешиваемые жидкости. Например, смесь жидкостей может быть помещена в общее пространство (например, приемную полость), ограниченное пористой мембраной. Пористая мембрана может пропускать поток по меньшей мере одной из несмешиваемых жидкостей через пористую мембрану, и препятствовать протеканию по меньшей мере одной другой несмешиваемой жидкости внутрь пористой мембраны. Оставшаяся жидкость может собираться внутри общего пространства. Если оставшаяся жидкость включает полярную жидкость, то межмолекулярные силы, такие как силы, генерируемые водородными связями и Ван-дер-Ваальсовым взаимодействием, могут заставлять молекулы полярной жидкости собираться воедино или объединяться в виде большего объема (например, капли). Затем более крупный объем полярной жидкости может быть извлечен и использован в других операциях. В некоторых случаях поверхность пористой мембраны может иметь заданную форму и/или иметь определенные свойства, которые заставляют полярную жидкость собираться в виде (шаровидной) капли в общем пространстве. Капля может содержать определенный объем полярной жидкости, который легче обнаружить и извлечь по сравнению с жидкостями, которые не образуют шаровидной капли.
Употребляемый в настоящем описании термин "жидкость" означает относительно несжимаемое вещество, которое способно течь и по существу принимать форму сосуда или поверхности, которая удерживает вещество. Жидкость может иметь водную основу и включать полярные молекулы, создающие поверхностное натяжение, которое удерживает молекулы жидкости вместе. Жидкость также может включать неполярные молекулы, такие как молекулы вещества на основе масла или неводного вещества. Следует понимать, что упоминание жидкости в настоящей заявке может включать жидкость, образованную комбинацией двух или более жидкостей. Например, отдельные смешиваемые растворы могут быть объединены в одну жидкость.
Употребляемый в настоящем описании термин "несмешиваемый" используют для описания жидкостей, которые по существу не могут растворяться друг в друге или не могут быть смешаны друг с другом с образованием гомогенной жидкости при заданных условиях. Заданные условия могут означать обычные условия, такие как температура от 15°С до 30°С и давление приблизительно 1,0 атмосфера. Однако для облегчения разделения различных жидкостей могут быть созданы другие условия. При смешивании в ограниченном пространстве несмешиваемые текучие среды могут разделяться на по меньшей мере две фазы, каждая из которых содержит по меньшей мере 90%, по меньшей мере 95%, по меньшей мере 99,0%, или по меньшей мере 99,5% одной текучей среды. Кроме того, термин "несмешиваемый" охватывает жидкости, которые остаются в отдельных фазах текучей среды в течение длительного периода времени, но в конечном итоге могут смешиваться. Например, несмешиваемые текучие среды могут оставаться по существу отдельными фазами текучей среды в течение по меньшей мере десяти минут, в течение по меньшей мере двадцати минут или в течение по меньшей мере тридцати минут. В некоторых примерах осуществления несмешиваемые текучие среды могут оставаться по существу отдельными фазами текучей среды в течение по меньшей мере одного часа, по меньшей мере двенадцати часов или по меньшей мере двадцати четырех часов. Несмешиваемые жидкости могут иметь различные плотности, то есть одна из фаз текучей среды обычно образуется сверху или снизу другой фазы текучей среды. Например, в некоторых примерах осуществления неполярные жидкости могут собираться над полярными жидкостями. Несмешиваемые жидкости могут смешиваться, образуя гетерогенную жидкость, такую как эмульсия.
Жидкости, включающие капли жидкостей, в различных примерах осуществления могут испытывать действие различных сил. Такие силы могут включать когезионные силы (т.е. силы притяжения между одинаковыми молекулами жидкости) и адгезионные силы (т.е. силы притяжения между молекулами жидкости и твердой поверхностью или паром, который окружает жидкость). Когезионные и адгезионные силы возникают в результате взаимодействия атомов и молекул, расположенных, например, вдоль поверхности раздела жидкость-пар и поверхности раздела жидкость-твердое вещество. Другая сила, которая влияет на течение жидкости в примерах осуществления, рассмотренных в настоящем описании, представляет собой силу тяжести (или гравитационную силу), которая воздействует не только на интересующую жидкость, но и на другие вещества. В представленных примерах осуществления эти силы могут быть использованы для разделения несмешиваемых жидкостей и эффективного отделения по меньшей мере одной из жидкостей, после чего жидкость (жидкости) может быть использована в последующей задаче или операции.
В зависимости от свойств поверхности, с которой контактирует жидкость, жидкость может иметь различные характеристики или свойства смачивания. В частности, капля жидкости может иметь краевой угол (краевой угол смачивания, также называемый контактным углом смачивания), который зависит от свойств жидкости и твердой поверхности. Краевой угол представляет собой угол, образованный при пересечении двух плоскостей, касательных к поверхности капли и соответствующей твердой поверхности, на которой находится капля. Краевой угол определяет смачивающую способность жидкости по отношению к поверхности. Смачивание представляет собой способность жидкости растекаться по твердой поверхности. Смачивание твердой поверхности жидкостью регулируется межмолекулярными взаимодействиями молекул, находящихся на поверхности раздела между двумя фазами. Если величина адгезионных сил относительно больше величины когезионных сил, то жидкость лучше смачивает поверхность (т.е. краевой угол будет относительно небольшим). Если величина когезионных сил относительно больше величины адгезионных сил, то жидкость хуже смачивает поверхность (т.е. краевой угол будет относительно большим). Если краевой угол имеет большую величину, то жидкость образует на поверхности шаровидную каплю.
Поверхностное натяжение создается в жидкости под действием когезионных сил жидкости, и, таким образом, оно может влиять на величину краевого угла. По мере повышения поверхностного натяжения также повышается способность жидкости уменьшать площадь ее поверхности (т.е. собираться в шаровидную каплю). Однако поверхности твердых веществ могут обладать поверхностной энергией. По мере повышения поверхностной энергии твердого вещества также повышается способность твердого вещества взаимодействовать с жидкостью (при этом краевой угол снижается). Например, если жидкость с низким поверхностным натяжением помещают на поверхность твердого вещества с высокой поверхностной энергией, то жидкость растекается по поверхности и образует малый краевой угол. Если жидкость, имеющую высокое поверхностное натяжение, помещают на поверхность с низкой поверхностной энергией, то жидкость может образовывать на поверхности шаровидную каплю, т.е. образовывать большой краевой угол. Как указано в настоящем описании, образование жидкостью шаровидной капли в приемной полости частично может быть обусловлено величиной поверхностного натяжения жидкости и поверхностной энергии твердой поверхности, на которой находится жидкость.
Аналогично, способность жидкости протекать вовнутрь пористой мембраны главным образом может определяться по меньшей мере одним из следующих факторов: (а) поверхностным натяжением жидкости (или его отсутствием); (b) поверхностной энергией твердой поверхности; (с) средним размером пор пористой мембраны; и (d) пористостью пористой мембраны. Например, пористая мембрана может иметь такие значения поверхностной энергии, пористости и среднего размера пор, совокупность которых позволяет одной из жидкостей (например, неполярной жидкости) проникать вовнутрь пористой мембраны, в то время как другая жидкость (например, полярная жидкость) образует каплю внутри приемной полости. Форма твердой поверхности также может способствовать течению одной из жидкостей и/или формированию капли другой жидкостью. Соответственно, в примерах осуществления, рассмотренных в настоящем описании, для регулирования течения жидкостей могут быть использованы свойства, присущие жидкостям (например, поверхностное натяжение), свойства, присущие твердой поверхности (например, поверхностная энергия), контактирующей с жидкостями, и форма твердой поверхности. Совокупность этих параметров может позволить одной жидкости проникать вовнутрь пористой мембраны, но будет затруднять течение другой жидкости внутрь пористой мембраны и, необязательно, облегчать образование шаровидной капли другой жидкости.
Следует отметить, что на величину краевого угла или способность жидкости смачивать твердое вещество и на то, протекает ли жидкость внутрь пористой мембраны, могут влиять другие факторы. Например, чистота жидкости или возможное присутствие поверхностно-активного вещества могут влиять на величину поверхностного натяжения жидкости и молекулярные взаимодействия на поверхности раздела твердое-жидкость. На поверхностную энергию твердого вещества может влиять чистота твердого вещества (например, пористой мембраны) или наличие покрытия на поверхности твердого вещества. Кроме того, на взаимодействия между жидкостью и поверхностью твердого вещества могут влиять: температура окружающей среды, состав окружающего воздуха и шероховатость или гладкость поверхности. Рассмотренные выше соображения более подробно обсуждены в следующих публикациях: Surfaces, Interfaces, and Colloids: Principles and Applications (Поверхности, поверхности раздела и коллоиды: Принципы и применение), второе изд., Drew Meyers, 1999, John Wiley & Sons, Inc., и Contact Angle, Wettability, and Adhesion (Краевой угол, смачивающая способность и адгезия), под ред. Robert F. Gould (1964), содержание каждой из которых включено в настоящее описание посредством ссылки.
В некоторых примерах осуществления может быть применена методика DF, которая также может быть названа цифровой микрожидкодинамической методикой (англ. digital microfluidics, сокращенно DMF) или электрохимическим смачиванием на диэлектриках (англ. electrowetting-on-dielectric, сокращенно EWOD). Однако рассматриваемые примеры осуществления не ограничены применением DF и могут быть применены в других системах, в которых имеются несмешиваемые жидкости. Примеры осуществления изобретения могут включать системы распределительного анализа, в которых перенос одной или более жидкостей из одной части системы для исследования в другую осуществляет вручную оператор и/или автоматически осуществляет механизм. Примеры осуществления изобретения также могут включать системы для исследования, представляющие собой по существу закрытые системы, такие как устройства "лаборатория на чипе" (англ. lab-on-chip, сокращенно LOC) или микроэлектромеханические системы (англ. micro-electro-mechanical system, сокращенно MEMS). В некоторых примерах осуществления системы могут представлять собой одноразовые устройства для однократного использования, такие как устройства для диагностики на месте (англ. point-of-care, сокращенно РОС).
Употребляемый в настоящем описании термин "заданная (определенная) реакция" включает изменение по меньшей мере одного из химических, электрических, физических или оптических свойств (или качеств). В общем, заданная реакция может представлять собой химическое превращение, химическое изменение или химическое взаимодействие. Неограничивающие примеры реакций включают химические реакции, такие как восстановление, окисление, присоединение, отщепление, перегруппировку, этерификацию, амидирование, образование простого эфира, циклизацию или замещение; связующие взаимодействия, при которых первое химическое вещество связывается со вторым химическим веществом; реакции диссоциации, в которых два или более химических вещества отделяются друг от друга; флуоресценцию; люминесценцию; биолюминесценцию; хемилюминесценцию; и биологические реакции, такие как репликация нуклеиновых кислот, амплификация нуклеиновых кислот, гибридизация нуклеиновых кислот, лигирование (сшивание) нуклеиновых кислот, фосфорилирование, ферментативный катализ, связывание рецептора или связывание лиганда.
С помощью заданных реакций могут быть синтезированы биологические вещества для последующего применения и/или последующего анализа согласно протоколу исследования. В конкретных примерах осуществления с помощью заданных реакций может быть синтезирована библиотека фрагментов нуклеиновых кислот. Документы, в которых описан синтез биологических образцов с помощью DF методики, включают патентные публикации US 2013/0203606, US 2013/0225452, US 2010/0291578, US 2013/0164742, US 2013/0092539, US 2013/0178374, US 2013/0225450, US 2007/0275415, и US 2013/0092539, содержание каждой из которых полностью включено в настоящее описание посредством ссылки.
В некоторых примерах осуществления заданная реакция включает введение в аналит флуоресцентно меченой молекулы. Аналит может представлять собой олигонуклеотид, и флуоресцентно меченая молекула может представлять собой нуклеотид. Заданная реакция может быть обнаружена при освещении олигонуклеотида, содержащего меченый нуклеотид, возбуждающим светом, и флуорофор испускает подходящий для обнаружения флуоресцентный сигнал. В альтернативных примерах осуществления обнаруженная флуоресценция является результатом хемилюминесценции или биолюминесценции. Заданная реакция также может повышать резонансный перенос энергии флуоресценции (эффект Forster) (англ. fluorescence resonance energy transfer, сокращенно FRET), например, за счет сближения донорного флуорофора и акцепторного флуорофора, понижать FRET за счет разделения донорного и акцепторного флуорофоров, повышать флуоресценцию за счет отделения гасителя от флуорофора или понижать флуоресценцию посредством близкого размещения гасителя и флуорофора.
Употребляемый в настоящем описании при описании биомолекулы или биохимического вещества термин "иммобилизованный" включает по существу присоединение биомолекулы или биохимического вещества на молекулярном уровне к поверхности. Например, биомолекула или биохимическое вещество может быть иммобилизовано на поверхности материала подложки с помощью адсорбционных методик, включающих нековалентные взаимодействия (например, электростатические силы, Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия и дегидратацию гидрофобных поверхностей раздела) и методики ковалентного связывания, в которых присоединение биомолекул к поверхности происходит с помощью функциональных групп или линкеров. Иммобилизация биомолекул или биохимических веществ на поверхности материала подложки может быть основана на свойствах поверхности подложки, жидкостной среды, переносящей биомолекулу или биохимическое вещество, и свойств самих биомолекул или биохимических веществ. В некоторых случаях поверхность подложки может быть функционализирована (например, химически или физически модифицирована) для облегчения иммобилизации биомолекул (или биологических или химических веществ) на поверхности подложки. Поверхность подложки сначала может быть модифицирована для закрепления на ее поверхности функциональных групп. Затем функциональные группы могут связаны с биомолекулами или биологическими или химическими веществами, иммобилизуя их на подложке. Вещество может быть иммобилизовано на поверхности посредством геля, например, как рассмотрено в патенте US 8563477, патентной публикации US 2011/0059865 А1 или патентной публикации US 2014/0079923 А1, содержание каждой из которых включено в настоящее описание посредством ссылки.
В некоторых примерах осуществления к поверхности могут быть присоединены нуклеиновые кислоты, которые затем амплифицируют, применяя мостиковую амплификацию. Подходящие способы мостиковой амплификации рассмотрены, например, в патенте US 5641658, WO 07/010251, в патенте US 6090592, в патентной публикации US 2002/0055100 А1, в патенте US 7115400, в патентной публикации US 2004/0096853 А1, в патентной публикации US 2004/0002090 А1, в патентной публикации US 2007/0128624 А1 и в патентной публикации US 2008/0009420 А1, и содержание каждого из цитируемых документов включено в настоящее описание посредством ссылки. Другой подходящий способ амплификации нуклеиновых кислот на поверхности представляет собой амплификацию по типу катящегося кольца (рамификацию) (англ. rolling circle amplification, сокращенно RCA), например, способами, более подробно описанными ниже. В некоторых примерах осуществления нуклеиновые кислоты могут быть присоединены к поверхности и амплифицированы с помощью одной или более пар праймеров. Например, один из праймеров может находиться в растворе, а другой праймер может быть иммобилизован на поверхности (например, 5'-присоединением). Например, молекула нуклеиновой кислоты может гибридизована с одним из праймеров на поверхности с последующим удлинением (достройкой) иммобилизованного праймера с образованием первой копии нуклеиновой кислоты. Затем находящийся в растворе праймер гибридизуется, присоединяясь к первой копии нуклеиновой кислоты, которая может быть удлинена при использовании первой копии нуклеиновой кислоты в качестве матрицы. Необязательно, после получения первой копии нуклеиновой кислоты первоначальная молекула нуклеиновой кислоты может гибридизоваться, присоединяясь ко второму праймеру, иммобилизованному на поверхности, который может быть достроен одновременно или после достройки находящегося в растворе праймера. В любом примере осуществления повторные циклы удлинения (например, амплификация) с использованием иммобилизованного праймера и праймера в растворе приводят к получению множества копий нуклеиновой кислоты.
Употребляемый в настоящем описании термин "капля" включает относительно небольшой объем жидкости (или жидкостей) (например, менее 1 мл), имеющий трехмерную форму, определяемую по меньшей мере одним из неотъемлемых свойств жидкости (жидкостей) (например, когезионными силами), формой поверхности, контактирующей с жидкостью (жидкостями), или свойствами поверхности, контактирующей с жидкостью (жидкостями). Капля может иметь внешнюю поверхность, имеющую криволинейный контур. Например, внешняя поверхность может иметь выпуклую форму.
При некоторых обстоятельствах капля может быть по меньшей мере частично ограничена другой жидкостью. Например, в устройстве DF капля может быть полностью окружена жидкостью-наполнителем или может быть ограничена жидкостью-наполнителем и одной или более поверхностями устройства DF. В качестве другого примера можно указать, что капля может быть ограничена жидкостью-наполнителем, одной или более поверхностями устройства DF и/или атмосферой. В качестве другого примера можно указать, что капля может быть ограничена жидкостью-наполнителем и атмосферой. Капли могут быть, например, водными или неводными или могут представлять собой смеси или эмульсии, включающие водные и неводные компоненты. Капли могут иметь разнообразные формы. Неограничивающие примеры включают следующие обычно встречающиеся формы: форму диска, форму пули, усеченную сферу, эллипсоид, сферическую форму, форму частично сжатой сферы, полусферическую форму, яйцевидную форму, цилиндрическую форму, комбинации перечисленных форм и различные формы, образующиеся в результате действий с каплями, такими как слияние или расщепление, или образующиеся в результате контакта таких форм с одной или более поверхностями устройства для манипуляций с каплями.
В различных примерах осуществления капля может включать биологический образец, такой как цельная кровь, лимфатическая жидкость, сыворотка крови, плазма крови, пот, слезы, слюна, мокрота, спинномозговая жидкость, околоплодная жидкость, семенная жидкость, вагинальные выделения, серозная жидкость, синовиальная жидкость, перикардиальная жидкость, перитонеальная жидкость, плевральная жидкость, транссудаты, экссудаты, содержимое кисты, желчь, моча, желудочный сок, желудочно-кишечная жидкость, образцы кала, жидкости, содержащие одну или множество клеток, жидкости, содержащие органеллы, флюидизированные ткани, флюидизированные организмы, жидкости, содержащие многоклеточные организмы, биологические мазки и биологические промывные воды. Кроме того, капля может включать реагент, такой как вода, деионизированная вода, солевые растворы, кислотные растворы, основные (щелочные) растворы, растворы моющих средств и/или буферные растворы. Капля может включать нуклеиновые кислоты, такие как ДНК, геномная ДНК, РНК, мРНК или их аналоги; нуклеотиды, такие как дезоксирибонуклеотиды, рибонуклеотиды или их аналоги, такие как аналоги, имеющие терминаторные фрагменты, такие как фрагменты, рассмотренные в следующих публикациях: Bentley с соавт., Nature 456: 53-59 (2008); Gormley с соавт., международная патентная заявка WO/2013/131962, озаглавленная "Improved Methods of Nucleic Acid Sequencing (Улучшенные способы определения последовательности нуклеиновой кислоты)", опубликованная 12 сентября 2013 г.; Barnes с соавт., патент US 7057026, озаглавленный "Labelled Nucleotides (Меченые нуклеотиды)", выданный 6 июня 2006 г.; Kozlov с соавт., международная патентная заявка WO/2008/042067, озаглавленная "Compositions and Methods for Nucleotide Sequencing (Композиции и способы определения последовательности нуклеотида)", опубликованная 10 апреля 2008 г.; Rigatti с соавт., международная патентная заявка WO/2013/117595, озаглавленная "Targeted Enrichment and Amplification of Nucleic Acids on a Support (Целевое обогащение и амплификация нуклеиновых кислот на подложке)", опубликованная 15 августа 2013 г.; Hardin с соавт., патент US 7329492, озаглавленный "Methods for Real-Time Single Molecule Sequence Determination (Способы определения последовательности одиночных молекул в реальном времени)", выданный 12 февраля 2008 г.; Hardin с соавт., патент US 7211414, озаглавленный "Enzymatic Nucleic Acid Synthesis: Compositions and Methods for Altering Monomer Incorporation Fidelity (Ферментативный синтез нуклеиновых кислот: Композиции и способы изменения правильности встраивания мономера)", выданный 1 мая 2007 г.; Turner с соавт., патент US 7315019, озаглавленный "Arrays of Optical Confinements and Uses Thereof (Множество оптических волноводных эффектов и их применение)", выданный 1 января 2008 г.; Xu с соавт., патент US 7405281, озаглавленный "Fluorescent Nucleotide Analogs and Uses Therefor (Флуоресцентные аналоги нуклеотидов и их применение)", выданный 29 июля 2008 г.; и Rank с соавт., патентная публикация US 20080108082, озаглавленная "Polymerase Enzymes and Reagents for Enhanced Nucleic Acid Sequencing (Полимеразные ферменты и реагенты для улучшенного определения последовательности нуклеиновых кислот)", опубликованная 8 мая 2008 г.; содержание всех указанных документов полностью включено в настоящее описание посредством ссылки; ферменты, такие как полимеразы, лигазы, рекомбиназы или транспозазы; партнеры по связыванию, такие как антитела, эпитопы, стрептавидин, авидин, биотин, лецитины или углеводы; или другие биохимически активные молекулы. Другие примеры содержимого капли включают реагенты, такие как реагент для биохимического протокола, такого как протокол амплификации нуклеиновой кислоты, протокол исследования на основании сродства, протокол ферментативного исследования, протокол определения последовательности и/или протокол анализа биологических жидкостей. Капля может включать одну или более шаровидных гранул субстрата.
Употребляемый в настоящем описании термин "устройство для манипуляций с каплями" означает устройство, систему или сборный модуль, который может производить операции (манипулировать) с каплями. В одном или более примерах осуществления манипуляции с каплями производят, используя операции, основанные на эффекте электрохимического смачивания. Примеры устройств для манипуляций с каплями представлены в следующих публикациях: Pamula с соавт., патент US 6911132, озаглавленный "Apparatus for Manipulating Droplets by Electrowetting-Based Techniques (Устройство для манипуляций с каплями с помощью методик, основанных на эффекте электрохимического смачивания)", выданный 28 июня 2005 г.; Pamula с соавт., патентная публикация US 20060194331, озаглавленная "Apparatuses and Methods for Manipulating Droplets on a Printed Circuit Board (Устройства и способы манипуляций с каплями на печатной монтажной плате)", опубликованная 31 августа 2006 г.; Pollack с соавт., международная патентная заявка WO/2007/120241, озаглавленная "Droplet-Based Biochemistry (Биохимия на капельной основе)", опубликованная 25 октября 2007 г.; Shenderov, патент US 6773566, озаглавленный "Electrostatic Actuators for Fluidics and Methods for Using Same (Электростатические исполнительные механизмы для струйных систем и способы их применения)", выданный 10 августа 2004 г.; Shenderov, патент US 6565727, озаглавленный "Actuators for Fluidics Without Moving Parts (Исполнительные механизмы для струйных систем, не имеющие движущихся частей)", выданный 20 мая 2003 г.; Kim с соавт., патентная публикация US 20030205632, озаглавленная "Electrowetting-driven Micropumping (Микронасосы с приводом на основе электрохимического смачивания)", опубликованная 6 ноября 2003 г.; Kim с соавт., патентная публикация US 20060164490, озаглавленная "Method and Apparatus for Promoting the Complete Transfer of Liquid Drops from a Nozzle (Способ и устройство для полного выпуска капель жидкости из сопла)", опубликованная 27 июля 2006 г.; Kim с соавт., патентная публикация US 20070023292, озаглавленная "Small Object Moving on Printed Circuit Board (Перемещение мелких объектов по печатной монтажной плате)", опубликованная 1 февраля 2007 г.; Shah с соавт., патентная публикация US 20090283407, озаглавленная "Method for Using Magnetic Particles in Droplet Fluidics (Способ применения магнитных частиц в капельно-жидкостной методике)", опубликованная 19 ноября 2009 г.; Kim с соавт., патентная публикация US 20100096266, озаглавленная "Method and Apparatus for Real-time Feedback Control of Electrical Manipulation of Droplets on Chip (Способ и устройство для контроля обратной связи электрических манипуляций с каплями на чипе в режиме реального времени)", опубликованная 22 апреля 2010 г.; Velev, патент US 7547380, озаглавленный "Droplet Transportation Devices and Methods Having a Liquid Surface (Способы и устройства для транспортировки капель, имеющие жидкостную поверхность)", выданный 16 июня 2009 г.; Sterling с соавт., патент US 7163612, озаглавленный "Method, Apparatus and Article for Fluidic Control via Electrowetting, for Chemical, Biochemical and Biological Assays and the Like (Способ, устройство и изделие для контроля текучей среды с применением электрохимического смачивания для химических, биохимических и биологических анализов и подобных методик)", выданный 16 января 2007 г.; Becker с соавт., патент US 7641779, озаглавленный "Method and Apparatus for Programmable Fluidic Processing (Способ и устройство для программируемой обработки текучих сред)", выданный 5 января 2010 г.; Becker с соавт., патент US 6977033, озаглавленный "Method and Apparatus for Programmable Fluidic Processing (Способ и устройство для программируемой обработки текучих сред)", выданный 20 декабря 2005 г.; Decre с соавт., патент US 7328979, озаглавленный "System for Manipulation of a Body of Fluid (Система для манипуляций с объемом текучей среды)", выданный 12 февраля 2008 г.; Yamakawa с соавт., патентная публикация US 20060039823, озаглавленная "Chemical Analysis Apparatus (Устройство для химического анализа)", опубликованная 23 февраля 2006 г.; Wu, международная патентная заявка WO/2009/003184, озаглавленная "Digital Fluidics Based Apparatus for Heat-exchanging Chemical Processes (Устройство на основе цифровой жидкодинамической технологии для теплообменных химических способов)", опубликованная 31 декабря 2008 г.; Fouillet с соавт., патентная публикация US 20090192044, озаглавленная "Electrode Addressing Method (Способ, относящийся к электроду)", опубликованная 30 июля 2009 г.; Fouillet с соавт., патент US 7052244, озаглавленный "Device for Displacement of Small Liquid Volumes Along a Micro-catenary Line by Electrostatic Forces (Устройство для перемещения небольших объемов жидкости вдоль микроцепной линии под действием электростатических сил)", выданный 30 мая 2006 г.; Marchand с соавт., патентная публикация US 20080124252, озаглавленная "Droplet Microreactor (Капельный микрореактор)", опубликованная 29 мая 2008 г.; Adachi с соавт., патентная публикация US 20090321262, озаглавленная "Liquid Transfer Device (Устройство для перемещения жидкости)", опубликованная 31 декабря 2009 г.; Roux с соавт., патентная публикация US 20050179746, озаглавленная "Device for Controlling the Displacement of a Drop Between Two or Several Solid Substrates (Устройство для регулирования перемещения капли между двумя или несколькими твердыми подложками)", опубликованная 18 августа 2005 г.; и Dhindsa с соавт., "Virtual Electrowetting Channels: Electronic Liquid Transport with Continuous Channel Functionality (Виртуальные каналы электросмачивания: Электронный транспорт жидкости при непрерывном функционировании канала)", Lab. Chip, 10: 832-836 (2010).
Содержание каждой из приведенных выше публикаций полностью включено в настоящее описание посредством ссылки.
Некоторые устройства для манипуляций с каплями включают одну или более подложек, в расположении которых имеется зазор для операций с каплями, находящийся между подложками и электродами, связанными с (например, нанесенными в виде слоя, присоединенными к подложкам и/или внедренными в подложки) одной или более подложками, предназначенный для проведения одной или более операций с каплями. Например, некоторые устройства для манипуляций с каплями включают основную (или нижнюю) подложку, электроды, связанные с подложкой, один или более диэлектрических слоев поверх подложки и/или электродов и необязательно один или более гидрофобных слоев поверх подложки, диэлектрических слоев и/или электродов, образующие поверхность для операций с каплями. Также может иметься верхняя подложка, которая отделена от поверхности для операций с каплями зазором, который может быть назван зазором для операций с каплями. Различные расположения электродов на верхней и/или нижней подложках рассмотрены в цитируемых выше патентах и патентных публикациях.
При проведении операций с каплями, капли могут оставаться в непрерывном контакте или частом контакте с электродом заземления или эталонным электродом. Электрод заземления или эталонный электрод может быть связан с верхней подложкой, обращенной к зазору, или нижней подложкой, обращенной к зазору, или электрод может быть установлен в зазоре. Если электроды имеются на обеих подложках, то электрические контакты для присоединения электродов к инструменту для манипуляций с каплями для регулирования или мониторинга электродов, могут быть связаны с одной или обеими подложками. В некоторых случаях электроды на одной подложке электрически присоединены к другой подложке таким образом, что только одна подложка находится в контакте с устройством для манипуляций с каплями. В одном из примеров осуществления проводящий материал (например, эпоксид, такой как MASTER BOND™ Polymer System EP79, который поставляет Master Bond, Inc., Hackensack, NJ) обеспечивает электрическое соединение между электродами, находящимися на одной подложке, и электрическими цепями, находящимися на других подложках; например, с помощью такого проводящего материала как электрод заземления, находящийся на верхней подложке, может быть соединен с электрической цепью, находящейся на нижней подложке. Если применяют множество подложек, то между подложками может быть расположен разделитель, определяющий высоту зазора между ними и ограничивающий дозирующие резервуары на исполнительном механизме. Высота разделителя может составлять, например, по меньшей мере приблизительно 5 мкм, 100 мкм, 200 мкм, 250 мкм, 275 мкм или более. В альтернативном варианте или дополнительно максимальная высота разделителя может составлять приблизительно 600 мкм, 400 мкм, 350 мкм, 300 мкм или менее. Например, разделитель может быть сформирован из слоя выступов верхней или нижней подложек и/или из материала, вставленного между верхней и нижней подложками.
В одной или более подложках для создания канала для жидкости, через который жидкость может быть доставлена в зазор для операций с каплями или извлечена из него, могут быть сделаны одно или более отверстий или ходов. В некоторых случаях одно или более отверстий могут быть ориентированы для обеспечения взаимодействия с одним или более электродами, например, ориентированы таким образом, что поток жидкости, текущей через отверстие, достаточно близко подходит к одному или более электродам для операций с каплями, что позволяет электродам для операций с каплями выполнять такие операций, используя жидкость. Отверстия могут давать доступ к приемной полости, в которой может располагаться резервуар с жидкостью. Для управления жидкостью, электроды для операций с каплями могут быть связаны с приемными полостями.
В некоторых случаях основная (или нижняя) и верхняя подложки могут быть сформированы в виде одного интегрированного компонента. Один или более эталонных электродов могут быть установлены на основной (или нижней) и/или верхней подложках и/или в зазоре. Примеры расположения эталонных электродов рассмотрены в приведенных выше патентах и патентных заявках, содержание которых полностью включено в настоящее описание посредством ссылки.
В различных примерах осуществления манипуляции с каплями, осуществляемые устройством для манипуляций с каплями, могут быть выполнены при задействовании электрода, например, могут включать применение электрохимического смачивания или диэлектрофореза или кулоновских сил. Однако рассматриваемые в настоящем описании примеры осуществления не ограничены манипуляциями с каплями, опосредуемыми электродами. Примеры других методик управления операций с каплями могут включать применение устройств, которые создают гидродинамическое давление текучей среды, таких как устройства, в основе работы которых лежат механические принципы (например, внешние шприцевые насосы, пневматические мембранные насосы, вибрационные мембранные насосы, вакуумные устройства, центробежные силы, пьезоэлектрические/ультразвуковые насосы и акустические силы); электрические или магнитные принципы (например, электроосмотическое течение, электрокинетические насосы, уплотнения из магнитной жидкости, электрогидродинамические насосы, притяжение или отталкивание за счет магнитных сил и магнитогидродинамические насосы); термодинамические принципы (например, образование газовых пузырьков/объемное расширение, обусловленное изменением фаз); другие принципы смачивания поверхности (например, электрохимическое смачивание и оптоэлектрохимическое смачивание, а также градиенты поверхностного натяжения, обусловленные химическим, термическим, структурным и радиационным воздействием); сила тяжести; поверхностное натяжение (например, капиллярное действие); электростатические силы (например, электроосмотическое течение); центробежное течение (подложку располагают на компакт-диске, который вращают); магнитные силы (например, течение, вызываемое осцилляцией ионов); магнитогидродинамические силы и вакуум или разность давлений. В некоторых примерах осуществления для проведения операции с каплями устройством для манипуляций с каплями согласно настоящему изобретению могут быть применены комбинации двух или более перечисленных выше методик. Соответственно, одна или более из перечисленных выше методик может быть применена для доставки жидкости в зазор для операций с каплями, например, из резервуара, находящегося в другом устройстве, или из внешнего резервуара устройства для манипуляций с каплями (например, резервуара, связанного с подложкой устройства для манипуляций с каплями и каналом для течения из резервуара в зазор для операций с каплями).
В определенных механизмах для манипуляций с каплями поверхности для операций с каплями могут быть изготовлены из гидрофобных материалов, или они могут иметь соответствующее покрытие или пройти соответствующую обработку для придания им гидрофобности. Например, в некоторых случаях некоторая часть поверхности или все поверхности, предназначенные для операций с каплями, могут быть обработаны материалами или химическим веществами, обладающими низкой поверхностной энергией, например, осаждением соответствующих соединений или синтезом in situ с использованием, например, таких соединений, как поли- или перфторированные соединения в растворе или полимеризуемые мономеры. Примеры таких материалов включают TEFLON AF (поставляемый DuPont, Wilmington, DE), члены группы материалов CYTOP, покрытия из гидрофобных и супергидрофобных материалов группы покрытий FLUOROPEL (поставляемые Cytonix Corporation, Beltsville, MD), силановые покрытия, фторсилановые покрытия, гидрофобные производные фосфонатов (например, поставляемые Aculon, Inc) и электронные покрытия NOVEC™ (поставляемые 3М Company, St. Paul, MN), другие фторированные мономеры, подходящие для плазмохимического осаждения из газовой фазы (англ. plasma-enhanced chemical vapor deposition, сокращено PECVD), и органосилоксан (например, SiOC), подходящий для PECVD. В некоторых случаях поверхность для операций с каплями может включать гидрофобное покрытие, толщина которого составляет от приблизительно 10 нм до приблизительно 1000 нм. Кроме того, в некоторых примерах осуществления верхняя подложка устройства для манипуляций с каплями включает электропроводный органический полимер, на который затем наносят гидрофобное покрытие или обрабатывают иным образом для придания гидрофобности поверхности для операций с каплями. Например, электропроводный органический полимер, осаждаемый на полимерную подложку, может представлять собой поли-3,4-этилендиокситиофен/полистиролсульфонат (англ. poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(styrenesulfonate), сокращенно PEDOT:PSS). Другие примеры электропроводных органических полимеров и альтернативных проводящих слоев рассмотрены в международной патентной заявке Pollack с соавт.WO/2011/002957, озаглавленной "Droplet Actuator Devices and Methods (Устройства и способы для манипуляций с каплями)", опубликованной 6 января 2011 г., содержание которого полностью включено в настоящее описание посредством ссылки.
Одна или обе подложки устройства для манипуляций с каплями могут быть изготовлены с использованием в качестве подложки печатной монтажной платы (англ. printed circuit board, сокращенно РСВ), стекла, стекла с покрытием из смешанного оксида олова-индия (англ. indium tin oxide, сокращено ITO) и/или полупроводниковых материалов. Если подложку изготавливают из стекла с покрытием из ITO, то толщина ITO покрытия может составлять по меньшей мере приблизительно 20 нм, 50 нм, 75 нм, 100 нм или более. В альтернативном варианте или дополнительно максимальная толщина может составлять приблизительно 200 нм, 150 нм, 125 нм или менее. В некоторых случаях верхняя и/или нижняя подложка включает подложку из РСВ, на которую нанесено покрытие из диэлектрического материала, такого как полиимидный диэлектрик, на который в некоторых случаях также может быть нанесено покрытие или произведена иная обработка для придания поверхности для операций с каплями гидрофобности. Если подложка включает РСВ, то в качестве примеров подходящих материалов можно назвать следующие: MITSUI™ BN-300 (поставляемый MITSUI Chemicals America, Inc., San Jose CA); ARLON™ 11N (поставляемый Arlon, Inc, Santa Ana, CA).; NELCO N4000-6 и N5000-30/32 (поставляемые Park Electrochemical Corp., Melville, NY); ISOLA™ FR406 (поставляемый Isola Group, Chandler, AZ), в частности, IS620; группу фторполимеров (подходящих для флуоресцентного обнаружения, поскольку они обладают низкой фоновой флуоресценцией); группу полиимидов; сложный полиэфир; полиэтиленнафталат; поликарбонат; простой полиэфирэфиркетон; жидкокристаллический полимер; циклоолефиновый сополимер (англ. cyclo-olefin copolymer, сокращенно СОС); циклоолефиновый полимер (англ. cyclo-olefin polymer, сокращенно СОР); арамид; нетканый армированный арамидом материал THERMOUNT (поставляемый DuPont, Wilmington, DE); волокно бренда NOMEX (поставляемое DuPont, Wilmington, DE); и бумагу. Для применения в качестве диэлектрического компонента подложки подходят различные материалы. Их примеры включают: диэлектрики, осаждаемые из газовой фазы, такие как PARYLENE™ С (в частности, на стекле), PARYLENE™ N и PARYLENE™ НТ (для высоких температур, ~300°С) (поставляемые Parylene Coating Services, Inc., Katy, TX); покрытия из TEFLON AF; CYTOP; паяльные маски (англ. soldermask), такие как жидкие фотопроявляемые паяльные маски (например, на РСВ), такие как серия материалов TAIYO™ PSR4000, серия TAIYO™ PSR и AUS (поставляемые Taiyo America, Inc. Carson City, NV) (хорошие термические характеристики для применения, включающего термический контроль) и PROBIMER™ 8165 (хорошие термические характеристики для применения, включающего термический контроль) (поставляемые Huntsman Advanced Materials Americas Inc., Los Angeles, CA); паяльные маски из сухих пленок, такие как паяльные маски из сухих пленок линии VACREL (поставляемые DuPont, Wilmington, DE); пленки из диэлектриков, такие как полиимидные пленки (например, полиимидная пленка KAPTON, поставляемая DuPont, Wilmington, DE), полиэтилен и фторполимеры (например, FEP), политетрафторэтилен; сложный полиэфир; полиэтиленнафталат; циклоолефиновый сополимер (СОС); циклоолефиновый полимер (СОР); любые другие материалы подложки РСВ, перечисленные выше; смола (полимер) черной матрицы; полипропилен; и черные материалы для гибких печатных схем, такие как DuPont™ Pyralux НХС и DuPont™ Kapton МВС (поставляемые DuPont, Wilmington, DE).
Величины напряжения и частоты для транспортировки капель могут быть выбраны для работы с реагентами, используемыми в определенных протоколах исследования. Параметры конструкции могут быть различными; например, в зависимости от типа конкретных реагентов, протоколов, объемов капли и т.д. может варьироваться количество и размещение резервуаров, находящихся в исполнительном устройстве, количество независимых электродных соединений, размер (объем) различных резервуаров, размещение магнитов / зон промывки капли, размер электрода, расстояние между электродами и высота зазора (между верхней и нижней подложками). В некоторых случаях подложки согласно настоящему изобретению могут быть обработаны материалами или химическим веществами, обладающими низкой поверхностной энергией, например, осаждением соответствующих соединений или синтезом in situ с использованием таких соединений, как поли- или перфторированные соединения в растворе или полимеризуемые мономеры. Примеры включают покрытия из TEFLON AF и покрытия из FLUOROPEL для нанесения погружением или распылением, другие фторированные мономеры, подходящие для плазмохимического осаждения из газовой фазы (PECVD), и органосилоксан (например, SiOC), подходящий для PECVD. Дополнительно, в некоторых случаях на некоторую часть поверхности или всю поверхность для операций с каплями может быть нанесено покрытие из вещества, снижающего фоновый шум, такой как фоновая флуоресценция подложки из РСВ. Например, покрытие, снижающее шум, может включать смолу (полимер) для черной матрицы, такую как полимеры для черной матрицы, поставляемые Toray industries, Inc., Japan.
К устройству для манипуляций с каплями могут быть доставлены реагенты, направляемые в зазор для операций с каплями или в резервуар, соединенный соединением для текучей среды с зазором для операций с каплями. Реагенты могут находиться в виде жидкости, например, капель, или они могут быть доставлены в зазор для операций с каплями или в резервуар, соединенный соединением для текучей среды с зазором для операций с каплями, в виде восстанавливаемой (ресуспендируемой) формы. Восстанавливаемые реагенты обычно могут быть смешаны с жидкостями для восстановления (ресуспендирования). В качестве примера восстанавливаемых реагентов, подходящих для применения в способах и устройствах настоящего изобретения, можно отметить реагенты, рассмотренные в патенте US 7727466 Meathrel с соавт. озаглавленном "Disintegratable Films for Diagnostic Devices (Разлагаемые пленки для диагностических устройств)", выданном 1 июня 2010 г., содержание которого полностью включено в настоящее описание посредством ссылки.
Употребляемый в настоящем описании в отношении одного или более электродов термин "активировать" означает создание изменений в электрическом состоянии одного или более электродов, которое в присутствии капли может приводить к выполнению операции с каплей. Активация электрода может быть выполнена с применением переменного тока (англ. alternating current, сокращенно АС) или постоянного тока (англ. direct current, сокращенно DC). Может быть использована любая подходящая величина напряжения. Например, электрод может быть активирован при приложении напряжения, величина которого составляет более приблизительно 150 В, или более приблизительно 200 В, или более приблизительно 250 В или от приблизительно 275 V до приблизительно 1000 В, или приблизительно 300 В. Если используют сигнал переменного тока (АС), то он может иметь любую подходящую частоту. Например, электрод может быть активирован АС сигналом с частотой, составляющей от приблизительно 1 Гц до приблизительно 10 МГц или от приблизительно 10 Гц до приблизительно 60 Гц, или от приблизительно 20 Гц до приблизительно 40 Гц, или приблизительно 30 Гц. Управление электродами устройства для манипуляций с каплями может осуществлять контроллер или процессор, который может представлять собой часть системы для исследования. Функции контроллера или процессора могут включать обработку данных, а также хранение данных и программного обеспечения и возможности для ввода и вывода.
Употребляемый в настоящем описании термин "операция с каплей" включает любую манипуляцию с каплей, производимую на или внутри устройства для манипуляций с каплями. Операция с каплей может, например, включать: загрузку (помещение) капли в устройство для манипуляций с каплями; дозирование одной или более капель из капли-источника; расщепление, отделение или разделение капли на две или более капли; транспортировку капли из одного места в другое в любом направлении; слияние или объединение двух или более капель в одну каплю; разбавление капли; смешивание капли; встряхивание капли; деформацию капли; удержание капли в соответствующем положении; инкубацию капли; нагревание капли; испарение капли; охлаждение капли; отбрасывание капли; транспортировку капли из устройства для манипуляций с каплями; другие операции с каплями, рассмотренные в настоящем описании, и/или любую комбинацию перечисленных манипуляций. Термины "слияние", "объединение" и подобные термины применяют для описания создания одной капли из двух или более капель. Следует понимать, что, если такой термин употребляют в отношении двух или более капель, то может быть применена любая комбинация операций с каплями, достаточная для объединения двух или более капель в одну каплю. Например, "слияние капли А с каплей В" может быть осуществлено посредством перемещения капли А до достижения ее контакта с неподвижной (стационарной) каплей В, перемещения капли В до достижения ее контакта с неподвижной каплей А или посредством перемещения капель А и В до их контакта друг с другом. Термины "расщепление", "отделение" и "разделение" не предполагают какого-либо конкретного результата в отношении объема получающихся капель (т.е. объем получающихся капель может быть тем же самым или другим) или количества получающихся капель (количество получающихся капель может составлять 2, 3, 4, 5 или более). Термин "смешивание" относится к операциям с каплями, которые приводят к более гомогенному распределению одного или более компонентов внутри капли. Примеры операций "загрузки (размещения)" капель включают загрузку микродиализом, загрузку с помощью приложения давления, загрузку с помощью робота (механизма), пассивную загрузку и загрузку через пипетку.
Операции с каплями могут быть проведены опосредованно при помощи электрода. В некоторых случаях операции с каплями дополнительно облегчаются при использовании гидрофильных и/или гидрофобных областей на поверхностях и/или при использовании физических препятствий. Примеры операций с каплями представлены в патентах и патентных заявках, перечисленных выше при определении "устройства для манипуляций с каплями".
В некоторых случаях для определения или подтверждения результата операции с каплей или для определения или подтверждения объема или уровня жидкости в приемной полости или лунке могут быть применены методики определения импеданса или электрической емкости или методики получения изображения. Примеры таких методик рассмотрены в международной патентной заявке WO/2008/101194 Sturmer с соавт., озаглавленной "Capacitance Detection in а Droplet Actuator (Определение электрической емкости в устройстве для манипуляций с каплями)", опубликованной 30 декабря 2009 г., содержание которой полностью включено в настоящее описание посредством ссылки. В общем, сенсорные методики или методики получения изображения могут быть применены для подтверждения присутствия или отсутствия капли у определенного электрода или в лунке или приемной полости. Например, присутствие полученной дозированием капли у целевого электрода после операции дозирования капли подтверждает, что операция дозирования капли прошла успешно. Соответственно, присутствие капли на участке обнаружения на соответствующем этапе протокола исследования может подтвердить, что в результате выполнения предшествующего ряда операций с каплями была получена капля для обнаружения.
Транспортировка капель может быть достаточно быстрой. Например, в различных примерах осуществления транспортировка капли от одного электрода к следующему может превышать приблизительно 1 секунду или приблизительно 0,1 секунды, или приблизительно 0,01 секунды, или приблизительно 0,001 секунды. В одном из примеров осуществления электрод работает в режиме переменного тока, но его переключают на постоянный ток для получения изображения. Операции с каплями удобнее проводить, если площадь поверхности, занимаемой каплей, близка к площади электрохимического смачивания; другими словами, для управления 1-й, 2-мя и 3-мя каплями применяют 1, 2, и 3 электрода, соответственно. Если в определенный момент времени площадь поверхности, занимаемой каплей, требует применения большего количества электродов, чем имеется, для проведения операции с каплей, то разность между размером капли и количеством электродов обычно должна составлять более 1; другими словами, 2 капли лучше контролировать, используя 1 электрод, а 3 капли лучше контролировать, используя 2 электрода. Если капли включают шаровидные капли, полезно, если размер капли равен количеству электродов, контролирующих каплю, например, транспортирующих каплю.
Употребляемый в настоящем описании термин "жидкость-наполнитель" включает жидкость, связанную с подложкой для операций с каплями устройства для манипуляций с каплями, причем жидкость не смешивается с фазой капли в степени, достаточной для того, чтобы фаза капли была способна подвергаться операциям с каплями, осуществляемыми под действием электродов. Например, зазор для операций с каплями устройства для манипуляций с каплями обычно заполнен жидкостью-наполнителем. Жидкость-наполнитель может представлять собой неполярную жидкость. Например, жидкость-наполнитель может представлять собой или включать масло с низкой вязкостью, такое как кремнийорганическое масло или гексадекановую жидкость-наполнитель. Жидкость-наполнитель может представлять собой или включать галогенированное масло, такое как фторированное или перфорированное масло. Жидкость-наполнитель может заполнять весь зазор устройства для манипуляций с каплями или может покрывать одну или более поверхностей устройства для манипуляций с каплями. Жидкости-наполнители могут быть проводящими или непроводящими. Жидкости-наполнители могут быть выбраны так, чтобы улучшить проведение операций с каплями и/или снизить потери реагента или целевых веществ из капли, улучшить образование микрокапель, снизить взаимное загрязнение капель, снизить загрязнение поверхностей устройства для манипуляций с каплями, снизить износ материалов, из которых изготовлено устройство для манипуляций с каплями, и т.д. Например, жидкости-наполнители могут быть выбраны с целью повышения совместимости с материалами, из которых изготовлено устройство для манипуляций с каплями. Например, фторированные жидкости-наполнители полезно применять в устройствах, имеющих поверхности с фторированными покрытиями. Фторированные жидкости-наполнители способствуют снижению потерь липофильных соединений, таких как подложки на основе умбеллиферона (7-оксикумарина), такие как подложки из 6-гексадеканоиламидо-4-метилумбеллиферона (например, применяемые в анализах Krabbe, Niemann-Pick или других анализах); другие подложки из умбеллиферона рассмотрены в патентной публикации US 20110118132 Winger с соавт., озаглавленной "Enzymatic Assays Using Umbelliferone Substrates with Cyclodextrins in Droplets of Oil (Ферментативные анализы с использованием подложек из умбеллиферона с циклодекстринами в каплях масла)", опубликованной 19 мая 2011 г., содержание которой полностью включено в настоящее описание посредством ссылки. Примеры подходящих фторированных масел включают продукты линии Galden, такие как Galden НТ170 (т.кип. = 170°С, вязкость = 1,8 сСтокс, плотность = 1,77), Galden НТ200 (т.кип. = 200°С, вязкость = 2,4 сСтокс, d=1,79), Galden НТ230 (т.кип. = 230°С, вязкость = 4,4 сСтокс, d=1,82) (все поставляет Solvay Solexis); продукты линии Novec, такие как Novec 7500 (т.кип. = 128°С, вязкость = 0,8 сСтокс, d=1,61), Fluorinert FC-40 (т.кип. = 155°С, вязкость = 1,8 сСтокс, d=1,85), Fluorinert FC-43 (т.кип. = 174°С, вязкость = 2,5 сСтокс, d=1,86) (оба поставляет 3М). В общем, при выборе перфорированных жидкостей-наполнителей в основном учитывают их кинематическую вязкость (<7 сСтокс, но не обязательно) и температуру кипения (>150°С, но не обязательно, для работы с ДНК/РНК (полимеразная цепная реакция (сокращенно ПЦР) (англ. polymerase chain reaction, сокращенно PCR) и т.д.)). Например, в жидкости-наполнители могут быть добавлены поверхностно-активные вещества или другие добавки. Например, могут быть выбраны добавки, улучшающие операции с каплями и/или снижающие потери реагента или целевых веществ из капель, образование микрокапель, взаимное загрязнение капель, загрязнение поверхностей устройства для манипуляций с каплями, разрушение материалов, из которых изготовлено устройство для манипуляций с каплями, и т.д. Композиция жидкости-наполнителя, включающая добавленное поверхностно-активное вещество, может быть выбрана для удобства работы с реагентами, применяемыми в определенных протоколах исследования, и для эффективного взаимодействия или отсутствия взаимодействия с материалами, из которых изготовлено устройство для манипуляций с каплями. Примеры жидкостей-наполнителей и композиций жидкостей-наполнителей, подходящих для применения в способах и устройстве согласно настоящему изобретению, представлены в международной патентной заявке WO/2010/027894 Srinivasan с соавт., озаглавленной "Droplet Actuators, Modified Fluids and Methods (Устройства для манипуляций с каплями, модифицированные текучие среды и способы)", опубликованной 3 июня 2010 г.; в международной патентной заявке WO/2009/021173 Srinivasan с соавт., озаглавленной "Use of Additives for Enhancing Droplet Operations (Применение добавок для улучшения операций с каплями)", опубликованной 12 февраля 2009 г.; в международной патентной заявке WO/2008/098236 Sista с соавт., озаглавленной "Droplet Actuator Devices and Methods Employing Magnetic Beads (Устройства для манипуляций с каплями и способы применения магнитных микроносителей)", опубликованной 15 января 2009 г.; и в патентной публикации US 20080283414 Monroe с соавт., озаглавленной "Electrowetting Devices (Устройства электрохимического смачивания)", опубликованной 20 ноября 2008 г., содержания которых полностью включены в настоящее описание посредством ссылки, а также в других патентах и патентных заявках, цитируемых в настоящем описании. Во фторированные масла в некоторых случаях могут быть добавлены фторированные поверхностно-активные вещества, например, Zonyl FSO-100 (Sigma-Aldrich) и/или другие. Жидкость-наполнитель обычно находится в жидком виде. В некоторых примерах осуществления вместо жидкости может быть применен газ-наполнитель. Примеры жидкостей-наполнителей рассмотрены в патентной публикации US 2014/0231259, содержание которой полностью включено в настоящее описание посредством ссылки.
Если о жидкости в любой форме (например, в виде капли или непрерывного объема, как движущегося, так и неподвижного) говорится, что она находится "на", "вблизи" или "над" электродом, множеством (набором) электродов, матрицей или поверхностью, то такая жидкость может быть либо в непосредственном контакте с электрод / множеством (набором) электродов / матрицей / поверхностью, либо она может контактировать с одним или более слоями или пленками, которые расположены между жидкостью и электродом / множеством (набором) электродов) / матрицей / поверхностью. В одном из примеров жидкость-наполнитель может рассматриваться как пленка между такой жидкостью и электродом / множеством (набором) электродов / матрицей / поверхностью.
Если о капле говорят, что она находится "на" или "загружена (помещена) на" устройство для манипуляций с каплями, следует понимать, что капля помещена на или внутрь устройства для манипуляций с каплями таким образом, который позволяет устройству для манипуляций с каплями производить одну или более операций с каплями, или таким образом, который позволяет определять свойство или обнаруживать сигнал капли.
Приведенное ниже подробное описание некоторых примеров осуществления может стать более доступным при его рассмотрении совместно с прилагаемыми графическими материалами. В тех случаях, когда в графических материалах показаны диаграммы функциональных блоков различных примеров осуществления, функциональные блоки не обязательно указывают на разделения между электрическими схемами элементов оборудования (технического обеспечения). Так, например, один или более функциональных блоков (например, процессор или блоки памяти) может быть выполнен в виде одного элемента оборудования (например, универсальный процессор сигналов или оперативное запоминающее устройство, жесткий диск или подобное устройство). Соответственно, программы могут представлять собой независимые (автономные) программы, могут быть включены в виде подпрограмм в операционную систему, могут представлять собой функции в установленном пакете программного обеспечения и т.д. Следует понимать, что различные примеры осуществления не ограничены структурами и аппаратурой, представленными в графических материалах.
На Фиг. 1 представлена технологическая схема системы 100 для исследования, предназначенной для проведения заданных реакций, сконструированной согласно одному из примеров осуществления, в которой используют несмешиваемые жидкости. Система 100 для исследования включает жидкодинамическую систему 102, которая функционально расположена по отношению к сборному модулю 104 для транспортировки жидкости или функционально соединена со сборным модулем 104 для транспортировки жидкости, детектор 106 в сборе, систему 108 для обнаружения жидкости и одно или более нагревательных устройств 110. Система 100 для исследования также может включать устройство 125 для разделения фаз, устройство 184, способствующее течению, и аналитическую систему 186. В некоторых примерах осуществления жидкодинамическая система 102 может быть названа системой подготовки образца. Жидкодинамическая система 102 может представлять собой устройство для манипуляций с каплями, такое как устройство DF или картридж, которое предназначено для применения DF методики для проведения операций с каплями на дискретных каплях. Жидкодинамические системы также могут включать устройства типа MEMS, LOC и/или РОС (расшифровки аббревиатур см. выше). Следует отметить, что термины "устройство DF", "проточная ячейка", "устройство MEMS", "устройство LOC" и "устройство РОС" не обязательно являются взаимоисключающими. Например, одна жидкодинамическая система может быть охарактеризована как устройство MEMS, устройство LOC и/или устройство РОС.
В некоторых примерах осуществления жидкодинамическая система 102 представляет собой устройство для манипуляций с каплями, которое включает первую подложку и вторую подложку, которые разделены зазором для операций с каплями (не показан). Зазор для операций с каплями может ограничивать внутреннюю полость, в которой капли находятся во время работы жидкодинамической системы 102. Первая подложка может включать комплект электродов с электрическим доступом (управлением). В некоторых случаях вторая подложка может включать пластину эталонного электрода, изготовленную, например, из проводящей краски или оксида индия и олова (англ. indium tin oxide, сокращенно ITO). На первую подложку и вторую подложку может быть нанесено покрытие из гидрофобного материала. Операции с каплями проводят в зазоре для операций с каплями. Пространство вокруг капель (т.е. зазор для операций с каплями между первой и второй подложками) может быть заполнен жидкостью-наполнителем, которая является несмешиваемой по отношению к материалу капель. Например, жидкость-наполнитель может представлять собой инертную текучую среду, такую как кремнийорганическое масло, которая предотвращает испарение капель и которую применяют для облегчения их транспортировки (перемещения) внутри устройства. В некоторых случаях операции с каплями могут быть осуществлены посредством изменения режимов активации подачей напряжения. Операции с каплями могут включать слияние, расщепление, смешивание и дозирование капель.
Конструкция жидкодинамической системы 102 может позволять помещать ее на или внутрь корпуса (не показан) системы 100 для исследования. Корпус системы может содержать жидкодинамическую систему 102 и другие компоненты системы для исследования, такие как, без ограничений, сборный модуль 104 для транспортировки жидкости, детектор 106 в сборе, систему 108 для обнаружения жидкости и одно или более нагревательных устройств 110. Например, корпус системы может содержать один или более магнитов 112, которые могут представлять собой постоянные магниты. Необязательно, корпус системы может содержать один или более электромагнитов 114. Магниты 112 и/или электромагниты 114 могут быть расположены по отношению к жидкодинамической системе 102 образом, подходящим для иммобилизации магниточувствительных капельна подложке. Необязательно положения магнитов 112 и/или электромагнитов 114 может регулировать двигатель 116 установки магнитов. Дополнительно, корпус системы может содержать одно или более нагревательных устройств 110 для регулирования температуры, например, определенных реакционных зон и/или зон промывки, находящихся в жидкодинамической системе 102. В одном из примеров нагревательные устройства 110 могут представлять собой стержневые нагреватели, расположенные таким образом, чтобы обеспечивать термическое регулирование жидкодинамической системы 102.
Система 100 для исследования может включать системный контроллер 120, сообщающийся с различными компонентами системы 100 для исследования и предназначенный для автоматического управления системой 100 для исследования при осуществлении одного или более протоколов. Например, системный контроллер 120 может быть соединен с возможностью связи с жидкодинамической системой 102, электромагнитами 114, двигателем 116 установки магнитов, нагревательными устройствами 110, детектором 106 в сборе, системой 108 для обнаружения жидкости и сборным модулем 104 для транспортировки жидкости. Системный контроллер 120 также может быть соединен с возможностью связи с пользовательским интерфейсом (не показан), который предназначен для введения пользователем вводных данных, необходимых для функционирования системы 100 для исследования.
Системный контроллер 120 может включать одно или более логических устройств, включающих один или более микроконтроллеров, процессоров, компьютеров с сокращенным набором машинных команд (англ. reduced instruction set computer, сокращенно RISC), заказных специализированных микросхем (англ. application specific integrated circuit, сокращенно ASIC), матриц логических элементов с эксплуатационным программированием (англ. field programmable gate array, сокращенно FPGA), логических цепей и любых других электрических схем, способных выполнять функции, рассмотренные в настоящем описании. В одном из возможных примеров осуществления системный контроллер 120 выполняет набор инструкций, которые хранятся в одном или более элементах хранения, для выполнения одного или более протоколов. Элементы хранения могут находиться в виде источников информации или физических запоминающих элементов, находящихся в системе 100 для исследования. Протоколы, выполняемые системой 100 для исследования, могут быть нужны для проведения, например, количественного анализа ДНК или РНК, анализа белка, определения последовательности ДНК (например, определения последовательности посредством синтеза (SBS)), приготовления образца и/или приготовления библиотек фрагментов для определения последовательности. В тех примерах осуществления, в которых применяют устройство для манипуляций с каплями, системный контроллер 120 может контролировать манипуляции с каплями посредством активации/деактивации электродов с целью выполнения одного или более протоколов. Системный контроллер 120 также может контролировать работу и расположение сборного модуля 104 для транспортировки жидкости, рассмотренные в настоящем описании.
Набор инструкций может включать различные команды, согласно которым система 100 для исследования выполняет определенные операции, такие как способы и процессы различных рассмотренных в настоящем описании примеров осуществления. Набор инструкций может быть в виде программного обеспечения. Употребляемые в настоящем описании термины "программное обеспечение" и "встроенные программы" взаимозаменяемы и включают любую компьютерную программу, хранящуюся в памяти для выполнения компьютером, включая память RAM (от англ. Random Access Memory, т.е. оперативное запоминающее устройство), память ROM (от англ. Read-Only Memory, т.е. память, доступная только для чтения), память EPROM (от англ. Erasable Programmable Read Only Memory, т.е. стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)), память EEPROM (от англ. Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory, т.е. электронно-стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство) и энергонезависимую память RAM (от англ. Non-Volatile Random Access Memory, сокращенно NVRAM, т.е. энергонезависимая память с произвольным доступом). Перечисленные выше типы памяти приведены только для примера и, таким образом, не ограничиваются типами памяти, используемыми для хранения компьютерной программы.
Программное обеспечение может быть представлено в различных формах, таких как системное программное обеспечение или прикладное программное обеспечение. Дополнительно, программное обеспечение может быть представлено в виде набора отдельных программ или программного модуля в составе более крупной программы или в виде части программного модуля. Программное обеспечение также может включать модульное программирование в виде объектно-ориентированного программирования. После сбора данных по обнаружению эти данные могут быть автоматически обработаны системой 100 для исследования, обработаны в ответ на ввод данных пользователем или обработаны в ответ на запрос, сделанный другим процессором (например, по удаленному запросу через коммуникационный канал).
Системный контроллер 120 может быть соединен с другими компонентами или подсистемами системы 100 для исследования через коммуникационные каналы, которые могут быть проводными или беспроводными. Системный контроллер 120 также может быть соединен с возможностью связи с системами или серверами, находящимися вне рабочего места. Системный контроллер 120 может получать данные или команды, вводимые пользователем, через пользовательский интерфейс (не показан). Пользовательский интерфейс может включать клавиатуру, мышь, сенсорную панель и/или систему распознавания голоса и подобные устройства.
Системный контроллер 120 может обеспечивать возможность обработки, такую как хранение, интерпретация и/или выполнение программных инструкций, а также управление всей работы системы 100 для исследования. Системный контроллер 120 может быть предназначен и запрограммирован для управления данными и/или аспектами питания различных компонентов. Несмотря на то, что на Фиг. 1 системный контроллер 120 представлен в виде одной структуры, следует понимать, что системный контроллер 120 может включать множество отдельных компонентов (например, процессоров), которые установлены на различных участках системы 100 для исследования. В некоторых примерах осуществления один или более компонентов могут быть интегрированы с основным инструментом, и один или более компонентов могут находиться за пределами инструмента.
В некоторых примерах осуществления детектор 106 в сборе представляет собой систему получения изображения, которая расположена по отношению к жидкодинамической системе 102 таким образом, который позволяет обнаруживать световые сигналы (например, сигналы поглощения, отражения/преломления или испускания света), поступающие от жидкодинамической системы 102. Система получения изображения может включать один или более источников света (например, светоизлучающие диоды (англ. light-emitting diode, сокращенно LED) и устройство обнаружения, такое камера, снабженная устройством с зарядовой связью (англ. charge-coupled device, сокращенно CCD), или датчик изображения на комплементарной структуре металл-оксид-полупроводник (англ. complementary-metal-oxide semiconductor, сокращенно CMOS)). В некоторых примерах осуществления детектор 106 в сборе может обнаруживать световые сигналы хемилюминесцентного характера. В других примерах осуществления детектор 106 в сборе может не являться системой получения изображения. Например, детектор 106 в сборе может представлять собой один или более электродов, которые определяют электрическое свойство жидкости.
Система 108 для обнаружения жидкости может быть предназначена для определения местонахождения жидкости и/или объема жидкости. Например, система 108 для обнаружения жидкости может быть предназначена для определения местонахождения капли внутри жидкодинамической системы 102 и/или объема капли внутри жидкодинамической системы 102 или жидкости в резервуаре (или приемной полости). В некоторых примерах осуществления система 108 для обнаружения жидкости может включать электрические схемы для определения импеданса (полного электрического сопротивления) внутри капли или резервуара. Например, система 108 для обнаружения жидкости может включать электроды, образующие импеданс-спектрометр. Система 108 для обнаружения жидкости может быть применена для мониторинга емкостной нагрузки любого электрода, такого как любой электрод для операций с каплями, на котором капля может находиться или отсутствовать. Примеры подходящих методик определения электрической емкости рассмотрены в следующих публикациях: Sturmer с соавт., Международная патентная заявка WO/2008/101194, озаглавленная "Capacitance Detection in a Droplet Actuator (Определение электрической емкости в устройстве для манипуляций с каплями)", опубликованной 21 августа 2008 г.; и Kale с соавт., Международная патентная заявка WO/2002/080822, озаглавленная "System and Method for Dispensing Liquids (Система и способ дозирования жидкостей)", опубликованной 17 октября 2002 г.; содержание которых полностью включено в настоящее описание посредством ссылки. В альтернативном варианте для определения местоположения и/или объема жидкости в жидкодинамической системе 102 могут быть применены другие устройства или элементы. Например, детектор 106 в сборе может обнаруживать световые сигналы, распространяющиеся через определенную область и/или испускаемые определенной областью. На основании обнаруженных световых сигналов система 108 для обнаружения жидкости может подтверждать нахождение капли в заданной области и/или определять, какой приблизительный объем имеет жидкость в заданной области. Система 108 для обнаружения жидкости может включать зонды для определения уровня жидкости.
Необязательно, жидкодинамическая система 102 может включать дезинтегрирующее устройство 122. Дезинтегрирующее устройство 122 может включать любое устройство, обеспечивающее разрушение (лизис) в устройстве для манипуляций с каплями таких материалов, как ткани, клетки и споры. Например, дезинтегрирующее устройство 122 может представлять собой механизм для ультразвуковой обработки, нагревательный механизм, механизм для механического скола (среза), механизм для разрушения капель, физические приспособления в составе жидкодинамической системы 102, механизм для генерации электрического поля, механизм для циклической термообработки и любые их комбинации. Управление дезинтегрирующим устройством 122 может осуществлять системный контроллер 120.
Сборный модуль 104 для транспортировки жидкости может включать резервуар 115 для хранения и перемещающий двигатель 117. Резервуар 115 для хранения включает резервуар или полость, предназначенную для хранения жидкостей (например, реагентов, буферных растворов, жидкости-наполнителя и т.д.), используемых для проведения заданных реакций. Перемещающий двигатель 117 предназначен для перемещения резервуара 115 для хранения относительно жидкодинамической системы 102 для загрузки жидкостей в и/или удаления жидкостей из жидкодинамической системы 102. Жидкости могут быть загружены в или пропущены через отверстия 129 для доступа, обеспечивающие доступ во внутреннюю полость жидкодинамической системы 102. Например, перемещающий двигатель 117 (и двигатель 116 установки магнитов) может включать один или более двигателей непосредственной передачи вращения, двигателей постоянного тока (англ. - direct current, DC), соленоидных приводов, линейных исполнительных механизмов, пьезоэлектрических двигателей и подобных двигателей.
Устройство 125 для разделения фаз имеет множество приемных полостей 127, каждая из которых предназначена для подачи в нее смеси жидкостей 102. Смеси жидкостей могут быть автоматически пропущены через сборный модуль 104 для транспортировки жидкости или могут быть вручную перемещены пользователем (например, лаборантом). В конкретных примерах осуществления смесь жидкостей может включать полярную жидкость (например, водный раствор, включающий биологический образец) и неполярную жидкость (например, кремнийорганическое масло). Устройство 125 для разделения фаз может быть предназначено для отделения полярной жидкости от неполярной жидкости за счет значительного снижения объема неполярной жидкости. Например, устройство 125 для разделения фаз может всасывать неполярную жидкость в корпус устройства 125 для разделения фаз и при этом удерживать полярную жидкость в приемных полостях. В одном из возможных примеров осуществления смесь жидкостей может быть вручную извлечена из жидкодинамической системы 102. Например, пользователь может ввести один или более носиков пипеточного дозатора (или мультипипеточного дозатора) через отверстия 129 для доступа и извлечь смесь жидкостей из жидкодинамической системы 102. В других примерах осуществления смесь жидкостей может быть извлечена автоматически с помощью, например, пипеточных дозаторов или трубок, перемещение текучей среды в которых регулируется с помощью автоматизированной машины. В альтернативном варианте система 100 для исследования может включать один или более каналов для текучей среды, соединенных соединением для текучей среды с приемными полостями 127 и насосной системой (не показана), обеспечивающей течение жидкостной смеси в приемные полости 127.
В некоторых примерах осуществления смесь жидкостей разделяют пассивным образом. Например, смесь жидкостей может находиться поверх пористой мембраны устройства для разделения фаз, и под действием силы тяжести одна или более жидкостей могут протекать вовнутрь пористой мембраны, которая препятствует течению другой жидкости (жидкостей) внутрь пористой мембраны. В других примерах осуществления система 100 для исследования включает устройство 184, способствующее течению. Устройство 184, способствующее течению, может представлять собой, например, систему, которая предназначена для поддержки и перемещения устройства 125 для разделения фаз. Например, устройство 184, способствующее течению, может взбалтывать или встряхивать устройство 125 для разделения фаз или оказывать вибрационное воздействие в устройстве 125 для разделения фаз с целью перемещения смеси жидкостей и ускорения разделения смеси жидкостей. В другом примере устройство 184, способствующее течению, может представлять собой центрифугу, в которую помещают устройство 125 для разделения фаз и подвергают вращению для ускорения разделения смеси жидкостей.
После эффективного извлечения одной или более жидкостей извлеченные жидкости могут быть перемещены в аналитическую систему 186 для дополнительной подготовки и/или анализа. Например, извлеченные жидкости могут быть помещены в систему для проведения ПЦР и/или определения последовательностей нуклеиновых кислот, полученных из извлеченных жидкостей. Однако приведенные в настоящем описании примеры осуществления не ограничены протоколами определения последовательности, и могут быть применены другие протоколы исследования.
Системы для исследования, с помощью которых могут быть выполнены один или более рассмотренных выше протоколов SBS, включают системы, созданные Illumina, Inc., такие как системы MiSeq, HiSeq 2500, HiSeq X Ten и HiScan. Системы, с помощью которых могут быть выполнены один или более рассмотренных выше протоколов SBS, рассмотрены в патентных заявках US 13/273666 и 13/905633, WO 07/123744; в патентных заявках US 2012/0270305 А1, US 2013/0023422 А1 и US 2013/0260372 А1; и в патентах US 5528050, US 5719391, US 8158926 и US 8241573, содержание которых полностью включено в настоящее описание посредством ссылки.
Следует понимать, что один или более аспектов приведенных в настоящем описании примеров осуществления может быть воплощен в виде способа, системы, считываемого компьютером носителя и/или компьютерной программы. Термин "система" следует интерпретировать в широком смысле, и он может означать любой сборный модуль или устройство. Аспекты также могут быть воплощены в виде примеров осуществления оборудования, примеров осуществления программного обеспечения (включая встроенные программ, резидентное программное обеспечение, микрокод и т.д.) или примеров осуществления, объединяющих аспекты программного обеспечения и оборудования, которые обобщенно могу быть названы "цепью", "модулем" или "системой". Кроме того, способы могут принимать вид компьютерного программного продукта, размещаемого на носителе для хранения информации, считываемой компьютером, на котором имеется введенный код программы, которая может быть выполнена компьютером.
На Фиг. 2 представлен вид сверху устройства 130 для манипуляций с каплями, которое может быть применено в качестве жидкодинамической системы в составе системы для исследования, такой как система 100 для исследования (Фиг. 1). Устройство 130 для манипуляций с каплями включает нижнюю подложку 132 и верхнюю подложку 134, расположенную над нижней подложкой 132. Нижняя подложка 132 может включать, например, печатную монтажную плату (РСВ), на которой имеется множество электродов для проведения операций с каплями. Верхняя подложка 134 может представлять собой покровную пластину, установленную над нижней подложкой 132. Верхняя подложка 134 включает множество отверстий 136 для доступа. Например, в показанном примере осуществления отверстия 136 для доступа включают отверстие 138 для впуска наполнителя, ряды отверстий 140, 142 для впуска реагента, ряд впускных отверстий 144 для адаптера, ряд отверстий 146 для впуска образца и ряд отверстий 148 для выпуска жидкостной смеси. Каждое из отверстий 136 для доступа обеспечивает доступ текучей среды во внутреннюю полость (или зазор для операции с каплями), которая расположена между верхней и нижней подложками 134, 132. В устройство 130 для манипуляций с каплями жидкости (например, с одним или более реагентами, буферными растворами, жидкостью-наполнителем и подобными жидкостями) могут поступать через отверстия 136 для доступа и/или жидкости могут быть извлечены через отверстия 136 для доступа, такие как отверстия 148 для выпуска жидкостной смеси.
На Фиг. 3 схематично представлен вид в разрезе части жидкодинамической системы 160, сконструированной согласно одному из примеров осуществления. Жидкодинамическая система 160 может представлять собой или включать устройство DF или устройство для манипуляций с каплями, такое как устройство 130 для манипуляций с каплями (Фиг. 2). Жидкодинамическая система 160 имеет корпус 162, предназначенный для удержания жидкости-наполнителя 164 (например, масла) и одного или более растворов 166 (например, растворов реагента или образца). Корпус 162 может быть сформирован из множества компонентов. Например, корпус 162 включает верхнюю или покровную подложку 168 и нижнюю подложку 170. Верхнюю подложку 168 устанавливают на нижнюю подложку 170. Верхняя и нижняя подложки 168, 170 разделены рабочим зазором (или зазором для операций с каплями), который ограничивает канал 172 устройства. Верхняя подложка 168 имеет отверстие 173 для доступа.
При установке верхней подложки 168 на нижнюю подложку 170 верхняя и нижняя подложки 168, 170 образуют полость 174 для удаления, в которую имеется доступ через отверстие 173 для доступа и которая соединена соединением для текучей среды с каналом 172 устройства. Размер и форма полости 174 для удаления достаточны для удержания раствора 166 и позволяют извлекать жидкость из полости 174 для удаления с помощью инструмента 176. Извлекаемая жидкость может включать как раствор 166, так и жидкость-наполнитель 164 и называется смесью жидкостей (а также жидкостной смесью). На представленном изображении инструмент 176 имеет носик 177, который введен через отверстие 173 для доступа. Инструмент 176 может представлять собой, например, пипеточный дозатор или мультипипеточный дозатор (также называемый многоканальной пипеткой). В других примерах осуществления инструмент 176 может включать гибкую трубку, которая удерживается в полости 174 для удаления. Однако следует понимать, что могут быть применены другие механизмы для извлечения заданного объема смеси жидкостей.
В представленном примере осуществления капли 178 могут перемещаться через канал 172 устройства и затем скапливаться и образовывать более крупную каплю или объем 179 внутри полости 174 для удаления. Более крупная капля 179 может образовываться из множества капель 178, имеющих одинаковый состав, или множества капель 178, в которых по меньшей мере две капли имеют разные составы. В альтернативных примерах осуществления каждую отдельную капли 178 по отдельности извлекают из полости 174 для удаления до того, как следующая капля 178 размещается над электродом 182 резервуара. Для транспортировки капель 178 жидкодинамическая система 160 может включать комплект электродов 180, которые расположены вдоль канала 172 устройства. Например, нижняя подложка 170 включает набор электродов 180, расположенных вдоль канала 172 устройства. Верхняя подложка 168 может включать эталонный электрод (не показан). В альтернативном варианте нижняя подложка 170 может включать эталонный электрод. Нижняя подложка 170 также может включать электрод 182 резервуара. Электрод 182 резервуара может применяться системным контроллером для удержания большего объема раствора 166. Например, в показанном примере осуществления размер и форма электрода 182 таковы, что он имеет большую площадь, чем электроды 180. Электроды 180, 182 соединены электрическим соединением с системным контроллером (не показан), таким как системный контроллер 120 (Фиг. 1). Системный контроллер предназначен для регулирования напряжения на электродах 180, 182 для выполнения операций электрохимического смачивания. В частности, электроды 180, 182 могут быть активированы/деактивированы для проведения заданных реакций и последующей транспортировки капель 178 к полости 174 для удаления через канал 172 устройства.
В альтернативном варианте или в дополнение к удержанию более крупной капли 179, электрод 182 резервуара может быть применен для определения объема более крупной капли 179. В частности, электрод 182 может передавать информацию, которая может быть использована для определения того имеется ли заданный объем раствора 166 выше электрода 182. Если определяемая величина объема достаточна, то системный контроллер может активировать механизм, предназначенный для инициирования течения жидкости в полости 174 для удаления через носик 177. В частности, механизм может извлекать по меньшей мере часть раствора 166 и жидкости-наполнителя 164. Количество удаленной жидкости может быть задано предварительно или приблизительно определено предварительно. Например, конструкция пипеточного дозатора может быть подходящей для извлечения по существу одинакового количества жидкости при каждом откачивании или ходе пипеточного дозатора.
1
6
g
На Фиг. 4 представлен ряд капель жидкости L-L на соответствующих твердых поверхностях. Как было рассмотрено выше, для регулирования течения жидкости через пористую мембрану и/или для регулирования формы жидкости внутри приемной полости, в рассмотренных в настоящем описании примерах осуществления используют силы, действующие на жидкость. Эти силы включают когезионные силы (т.е. силы притяжения между одинаковыми молекулами жидкости) и адгезионные силы (т.е. силы притяжения между молекулами жидкости и твердой поверхностью, которая контактирует с жидкостью, или паром, который окружает жидкость). Когезионные и адгезионные силы возникают в результате взаимодействия атомов и молекул, находящихся вблизи поверхности раздела, например, поверхности раздела жидкость-пар и жидкость-твердое вещество. Другой силой, которая, воздействует на жидкость, в некоторых примерах осуществления является сила тяжести или гравитационная сила F.
R1
R6
1
6
1
6
R
R
1
2
R
R5
R6
1
2
5
6
На Фиг. 4 представлены диаметры D-D в состоянии покоя и краевые углы θ-θ капель жидкостей L-L. Диаметр D в состоянии покоя представляет собой диаметр капли жидкости на соответствующей плоской твердой поверхности, причем капля жидкости не находится в сжатом состоянии и не удерживается стенками. Диаметр D в состоянии покоя измеряют параллельно плоской твердой поверхности. Краевой угол θ представляет собой угол, образованный при пересечении двух плоскостей (P и P), касательных к жидкости L и соответствующей твердой поверхности. Если краевой угол θ составляет более 90°, то диаметр D в состоянии покоя остается по существу постоянным (например, D и D приблизительно равны). Краевой угол θ указывает на способность жидкости смачивать поверхность. Смачивание является способностью жидкости распределяться по твердой поверхности. Смачивание твердой поверхности жидкостью регулируется межмолекулярными взаимодействиями молекул, располагающихся вдоль поверхности раздела между двумя фазами. Если адгезионные силы относительно превышают когезионные силы, то жидкость больше смачивает поверхность (т.е. краевой угол θ будет небольшим, как показано на примере краевых углов θ и θ на Фиг. 1). Если когезионные силы относительно превышают адгезионные силы, то жидкость меньше смачивает поверхность (т.е. краевой угол θ будет большим, как показано на примере краевых углов θ и θ).
1
2
5
6
Поверхностное натяжение в жидкости вызывается когезионными силами жидкости и может влиять на величину краевого угла θ. Например, по мере повышения поверхностного натяжения повышается способность жидкости уменьшать площадь поверхности контакта с твердой поверхностью (т.е. собираться в шаровидную каплю). Однако поверхности твердых веществ можно охарактеризовать как обладающие поверхностной энергией. По мере повышения поверхностной энергии твердого вещества также повышается способность твердого вещества взаимодействовать с жидкостью (при этом краевой угол снижается). Например, если жидкость с низким поверхностным натяжением помещают на поверхность твердого вещества с высокой поверхностной энергией, то жидкость растекается по поверхности и образует малый краевой угол θ, такой, как показано на примере жидкостей L и L. Если жидкость, имеющую высокое поверхностное натяжение, помещают на поверхность с низкой поверхностной энергией, то жидкость может образовывать на поверхности шаровидную каплю, т.е. образовывать большой краевой угол θ, такой, как показано на примере жидкостей Lи L. Как указано в настоящем описании, течение жидкости через пористую мембрану и/или форма, принимаемая жидкостью внутри приемной полости, может определяться поверхностным натяжением жидкости и поверхностной энергией пористой мембраны.
Взаимодействие между полярной жидкостью и твердой поверхностью может быть охарактеризовано как гидрофобное или гидрофильное. Согласно настоящему изобретению, твердая поверхность считается гидрофобной, если она отталкивает водную или полярную жидкость. Например, краевой угол θ между водной или полярной жидкостью L и гидрофобной поверхностью твердого вещества обычно составляет более 75 градусов или 85 градусов. Поверхность является гидрофильной, если она притягивается к водной или полярной жидкости. Например, краевой угол θ между водной или полярной жидкостью и гидрофильной поверхностью твердого вещества обычно составляет менее 75 градусов.
Неполярные жидкости, такие как алканы, масла и жиры, могут образовывать часть смеси жидкостей. Неполярные жидкости могут притягиваться к поверхности, гидрофобно взаимодействующей с водными или полярными жидкостями. Аналогично, неполярные жидкости не притягиваются к поверхности, гидрофильно взаимодействующей с водными или полярными жидкостями. В конкретных примерах осуществления для осуществления течения неполярной жидкости внутрь пористой мембраны могут быть применены гидрофобные поверхности.
В примерах осуществления, рассмотренных в настоящем описании, краевой угол или смачивание жидкости и форму твердой поверхности используют для регулирования течения жидкости (например, неполярной жидкости) через пористую мембрану и/или для регулирования формы, образуемой жидкостью (например, полярной жидкостью), в приемной полости. На величину краевого угла θ или смачивание твердого вещества жидкостью могут влиять другие факторы. Например, на поверхностное натяжение жидкости и молекулярные взаимодействия на границе раздела твердое-жидкость могут влиять чистота жидкости или возможное применение поверхностно-активных веществ. На величину поверхностной энергии твердого вещества может влиять чистота твердого вещества или покрытие, которое может быть нанесено на поверхность твердого вещества. Кроме того, на взаимодействия между жидкостью L и поверхностью твердого вещества могут влиять температура окружающей среды, состав окружающего воздуха и шероховатость или гладкость поверхности.
На Фиг. 5 представлено перспективное изображение устройства 200 для разделения фаз. Устройство 200 для разделения фаз может быть аналогично или идентично устройству 125 для разделения фаз (Фиг. 1). Устройство 200 для разделения фаз включает опорную рамку 202 и множество приемных полостей 204, которые соединены с опорной рамкой 202. Размер и форма каждой из приемных полостей 204 подходят для вмещения заданного количества смеси жидкостей. Опорная рамка 202 расположена между приемными полостями 204 и объединяет их. Опорная рамка 202 может удерживать приемные полости 204 в фиксированных положениях относительно друг друга.
Приемные полости 204 могут быть расположены в виде определенного или заранее заданного множества 206. Как показано, множество 206 представляет собой двухмерное множество, но в других примерах осуществления множество 206 может быть одномерным. Согласно изобретению, в других примерах осуществления множество 206 также может представлять собой трехмерное множество. Например, устройство 200 для разделения фаз может иметь такую конструкцию, в которой приемные полости расположены на различных высотах или уровнях (например, первый ряд на одной высоте или уровне, второй ряд - на другой высоте или уровне). Количество и положения приемных полостей 204 во множестве 206 может соответствовать заданному протоколу, который применяют при использовании устройства 200 для разделения фаз. Например, множество 206 включает два ряда 211, 212 приемных полостей 204, где каждый ряд включает серию из восьми приемных полостей 204. Количество приемных полостей 204 может зависеть от количества различных жидкостных смесей, извлекаемых из жидкодинамической системы (не показана). Положения приемных полостей 204 могут облегчать помещение жидкостных смесей в приемные полости 204. Например, положения приемных полостей 204 относительно друг друга могут зависеть от положения носиков, имеющихся в мультипипеточном дозаторе, так что жидкостные смеси могут быть одновременно помещены во множество приемных полостей 204 и/или могут быть одновременно извлечены из полостей.
Устройство 200 для разделения фаз включает рабочую или активную сторону 208, которая обращена или доступна пользователю устройства 200 для разделения фаз. Приемные полости 204 имеют соответствующие края 209 полостей, которые ограничивают отверстия 210 для доступа в приемные полости 204. Доступ к приемным полостям 204 имеется только с рабочей стороны 208. Соседние приемные полости 204 в том же ряду могут быть разделены промежутком 214 между полостями, и соседние приемные полости 204, находящиеся в разных рядах, могут быть разделены промежутком 216 между полостями. Аналогично, каждый ряд приемных полостей 204 может иметь расстояние 218 от центра до центра. Соседние приемные полости 204 в разных рядах могут иметь расстояние 220 от центра до центра. Промежутки 214, 216 между полостями и расстояния 218, 220 от центра до центра могут зависеть от предполагаемого использования или применения устройства 200 для разделения фаз. В некоторых примерах осуществления промежутки между 214, 216 полостями и расстояния 218, 220 от центра до центра зависят от конфигурации или формы приемной полости 204.
В представленном примере осуществления опорная рамка 202 по существу представляет собой двухмерную конструкцию. Например, опорная рамка 202 может иметь форму панели или доски. Рабочая сторона 208 имеет поверхность 224 стороны, которая имеет по существу плоскую форму, если не учитывать наличия приемных полостей 204. В других примерах осуществления поверхность 224 стороны может быть неплоской. Например, опорная рамка 202 может включать множество мостиков или соединительных элементов, располагающихся между приемными полостями 204 и соединяющих их между собой.
Устройство 200 для разделения фаз может иметь края 231-234 корпуса, которые определяют профиль устройства 200 для разделения фаз. Как показано, профиль имеет по существу прямоугольную форму и включает ключевой элемент 205. Ключевой элемент 205 может визуально показывать пользователю ориентацию устройства 200 для разделения фаз. В альтернативном варианте устройство 200 для разделения фаз может быть установлено в гнезде или держателе. В таких примерах осуществления ключевой элемент 205 может обеспечивать правильную ориентацию устройства 200 для разделения фаз в гнезде. Несмотря на то, что на Фиг. 5 ключевой элемент 205 изображен в виде срезанного угла, в других примерах осуществления ключевой элемент 205 может иметь другие формы. Например, ключевой элемент 205 может представлять собой выступ.
На Фиг. 6 представлен вид в разрезе устройства 200 для разделения фаз вдоль линии 6-6, обозначенной на Фиг. 5. В некоторых примерах осуществления рабочая сторона 208 или поверхность 224 стороны может совпадать с базовой плоскостью 246. В показанном примере осуществления края 209 полостей, которые ограничивают соответствующие отверстия 210 для доступа, могут совпадать с базовой плоскостью 246. Однако в других примерах осуществления края 209 полостей могут находиться вне общей плоскости и, например, могут иметь неплоские каналы. В одном из возможных примеров осуществления, если устройство 200 для разделения фаз функционально расположено для приема смеси жидкостей в приемные полости 204, то направление 248 силы тяжести может быть перпендикулярно к базовой плоскости 246. Однако следует понимать, что устройство 200 для разделения фаз не обязательно должно иметь определенную ориентацию относительно направления силы тяжести и в других примерах осуществления может иметь другие ориентации. Например, в некоторых примерах осуществления при фильтровании жидкостей устройство 200 для разделения фаз может быть наклонено (например, на 30°, 45° и т.д.) относительно базовой плоскости 246, показанной на Фиг. 6. Согласно изобретению, в плотно закрытых системах устройство 200 для разделения фаз может быть повернуто еще сильнее (например, на 90°, 180° и т.д.).
Как показано, устройство 200 для разделения фаз также может включать фильтрующие элементы 226. Каждый из фильтрующих элементов 226 может включать пористую мембрану 228, имеющую фильтрующую поверхность 230, которая ограничивает соответствующую приемную полость 204. Фильтрующие элементы 226 могут иметь фиксированные положения относительно друг друга. В одном из возможных примеров осуществления устройство 200 для разделения фаз включает монолитный корпус пористой мембраны 228. Конструкция монолитного корпуса пористой мембраны 228 может иметь форму, ограничивающую фильтрующие элементы 226 и опорную рамку 202 устройства 200 для разделения фаз. Однако в других примерах осуществления устройство 200 для разделения фаз может включать отдельные компоненты, собранные вместе. Например, опорная рамка 202 может включать соединительные элементы (например, полимерные или металлические), которые расположены между отдельными фильтрующими элементами 226 и соединяют отдельные фильтрующие элементы 226, каждый из которых включает пористую мембрану 228.
Устройство 200 для разделения фаз включает монтажную сторону 236, которая обычно противоположна рабочей стороне 208. Фильтрующие элементы 226 расположены вдоль монтажной стороны 236. Каждый из фильтрующих элементов 226 имеет наружную поверхность 238. Фильтрующие элементы 226 могут образовывать соответствующие абсорбирующие области 240, обычно ограниченные наружной поверхностью 238 и фильтрующей поверхностью 230 соответствующего фильтрующего элемента 226. Абсорбирующая область 240 расположена вблизи приемной полости 204 и может представлять собой пространство пористой мембраны 228, которое поглощает жидкость из приемной полости 204. Абсорбирующая область 240 обычно может находиться ниже соответствующей приемной полости 204. Толщина соответствующего фильтрующего элемента 226 (или абсорбирующей области 240) ограничена наружной поверхностью 238 и фильтрующей поверхностью 230. В показанном примере осуществления толщина не везде одинакова. В некоторых примерах осуществления толщина и/или объем абсорбирующей области 240 превышает объем приемной полости 204. Однако в других примерах осуществления толщина и/или объем абсорбирующей области 240 составляет менее или равен объему приемной полости 204.
В некоторых примерах осуществления фильтрующие элементы 226 имеют определенные формы и расположение относительно друг друга, которое позволяет вставлять фильтрующие элементы 226 в соответствующие углубления многолуночного планшета (не показаны). В таких примерах осуществления многолуночный планшет может служить опорой устройству 200 для разделения фаз и удерживать устройство 200 для разделения фаз по существу в неподвижном положении. Как рассмотрено ниже, лунки (не показаны) многолуночного планшета также могут обеспечивать пространство для приема любой жидкости, которая протекает только через фильтрующие элементы 226.
На Фиг. 7 представлен увеличенный вид в разрезе устройства 200 для разделения фаз, на котором более подробно показан один из примеров осуществления приемной полости 204. Приемная полость 204 может быть полностью ограничена фильтрующей поверхностью 230 пористой мембраны 228. Однако в других примерах осуществления фильтрующая поверхность 230 может лишь частично ограничивать приемную полость 204. Например, устройство 200 для разделения фаз может включать уплотнительную прокладку (не показана), расположенную поверх рабочей стороны 208. Уплотнительная прокладка может иметь отверстия, совпадающие с отверстиями 210 для доступа. Вместе с фильтрующей поверхностью 230 уплотнительная прокладка может ограничивать приемную полость 204.
Пористая мембрана 228 может включать один или более материалов, которые имеют поры, позволяющие жидкости (например, полярной жидкости или неполярной жидкости) проникать через пористую мембрану 228. В показанном примере осуществления все устройство 200 для разделения фаз образовано из монолитного куска пористой мембраны. Таким образом, в одной и той же поверхности 224 стороны могут быть сформованы приемные полости 204. В других примерах осуществления устройство 200 для разделения фаз может быть сформовано из множества пористых мембран, соединенных друг с другом. Такие пористые мембраны могут быть мембранами одного типа или различных типов (например, иметь различные свойства или характеристики).
В конкретных примерах осуществления пористая мембрана 228 может включать политетрафторэтилен (сокращенно ПТФЭ), но изобретение допускает применение других материалов наряду с ПТФЭ или вместо ПТФЭ. Для придания пористой мембране 228 заданных свойств на нее может быть нанесено одно или более покрытий. Например, пористая мембрана 228 может быть пропитана или смочена гидрофобным покрытием, которое препятствует проникновению полярной жидкости через пористую мембрану 228, или гидрофильным покрытием, которое способствует течению полярной жидкости через пористую мембрану 228. В некоторых примерах осуществления на всю фильтрующую поверхность 230 или ее части нанесено покрытие, придающее требуемые свойства. Например, фильтрующая поверхность 230 может быть смочена гидрофобным покрытием, которое препятствует проникновению полярной жидкости внутрь пористой мембраны 228, или гидрофильным покрытием, которое способствует проникновению полярной жидкости внутрь пористой мембраны 228.
Пористая мембрана 228 может иметь заданную пористость. Пористость может представлять собой пустое или полое пространство внутри пористой мембраны 228. Например, пористость может находиться в диапазоне от минимальной пористости, составляющей 20%, до максимальной пористости, составляющей 85%. Минимальная пористость может составлять 25%, 30% или 35%. В более конкретных примерах осуществления минимальная пористость может составлять 40%, 41%, 42%, 43%, 44%, 45%, 46%, 47%, 48%, 49% или 50% или более. Максимальная пористость может составлять 80%, 75% или 70%. В более конкретных примерах осуществления максимальная пористость может составлять 69%, 68%, 67%, 66%, 65%, 64%, 63%, 62%, 61% или 60% или менее. В одном или более примерах осуществления величина пористости может находиться в диапазоне между любыми из минимальных и максимальных значений, указанных выше. Например, в некоторых примерах осуществления пористость пористой мембраны составляет от 40% до 70%. В некоторых примерах осуществления пористость пористой мембраны составляет от 50% до 65%. Пористая мембрана может иметь по существу постоянную пористость по всему протяжению или в альтернативном варианте может включать различные области с разной пористостью. Например, пористая мембрана 228 может включать множество слоев мембраны, где каждый слой мембраны имеет пористость, отличную от других.
Пористая мембрана 228 может иметь заданный средний размер пор. Например, средний размер пор может находиться в диапазоне от минимальной средней величины, составляющей 1 мкм, до максимальной средней величины, составляющей 100 мкм. В некоторых примерах осуществления минимальный средний размер пор составляет 2 мкм, 4 мкм, 6 мкм, 8 мкм или 10 мкм. В некоторых примерах осуществления минимальный средний размер пор составляет 11 мкм, 12 мкм, 13 мкм, 14 мкм, 15 мкм, 16 мкм, 17 мкм, 18 мкм, 19 мкм, 20 мкм или более. В некоторых примерах осуществления максимальный средний размер пор составляет 90 мкм, 85 мкм, 80 мкм, 75 мкм или 70 мкм. В некоторых примерах осуществления максимальный средний размер пор составляет 65 мкм или 60 мкм. В конкретных примерах осуществления максимальный средний размер пор составляет 59 мкм, 58 мкм, 57 мкм, 56 мкм, 55 мкм, 54 мкм, 53 мкм, 52 мкм, 51 мкм или 50 мкм. В конкретных примерах осуществления максимальный средний размер пор составляет 49 мкм, 48 мкм, 47 мкм, 46 мкм, 45 мкм, 44 мкм, 43 мкм, 42 мкм, 41 мкм или 40 мкм или менее. В одном или более примерах осуществления средний размер пор может находиться в диапазоне между любым из минимальных и максимальных значений, указанных выше. Например, в некоторых примерах осуществления средний размер пор пористой мембраны составляет от 10 мкм до 50 мкм. В некоторых примерах осуществления средний размер пор пористой мембраны составляет от 20 мкм до 40 мкм.
Пористость и средний размер пор пористой мембраны могут быть определены на основании информации, предоставляемой изготовителем или поставщиком (например, на основании спецификации материала пористой мембраны). В некоторых случаях пористость и средний размер пор пористой мембраны могут быть определены на основании принятых в промышленности методик для предполагаемого применения пористой мембраны (например, разделения несмешиваемых жидкостей). Такие методики могут быть найдены в следующих публикациях: Souhaimi с соавт., "Membrane Distillation: Principles and Applications, Chapter 8: Membrane Characterization (Мембранная дистилляция: Принципы и применение, Часть 8: Характеристики мембран)", Elsevier (2011), или Nakao, "Determination of Pore Size and Pore Size Distribution. 3. Filtration Membranes: Review (Определение размера пор и распределения размера пор. 3. Фильтрационные мембраны: Обзор)", J. Membr. Sci., 96 (1994) 131-165.
Фильтрующая поверхность 230 может иметь неплоскую конфигурацию, которая образует или ограничивает приемную полость 204. Фильтрующая поверхность 230 может включать один или более различных наклонных участков 251, 252, которые определяют участки фильтрующей поверхности 230. Глубина 250 приемной полости может зависеть от наклона участков 251, 252. Глубина 250 может быть измерена относительно края 209 полости или базовой плоскости 246. Наклонные участки 251, 252 могут соответствовать тем участкам фильтрующей поверхности 230, которые отклонены от направления 248 силы тяжести и/или базовой плоскости 246. Наклонные участки 251, 252 могут быть линейными или нелинейными, то есть глубина 250 приемной полости 204 изменяется линейно или нелинейно, соответственно. Точка на фильтрующей поверхности 230, которая соответствует максимальной величине глубины 250 (или максимальной глубине) приемной полости 204 может представлять собой дно (нижнюю точку) 256 приемной полости 204.
Приемная полость 204 может быть ориентирована относительно оси 260 полости. В показанном примере осуществления ось 260 полости проходит через геометрический центр отверстия 210 для доступа и дно 256 приемной полости 204. Фильтрующая поверхность 230 может окружать ось 260 полости таким образом, что фильтрующая поверхность 230 образует фигуру вращения, симметричную относительно оси 260 полости. Например, приемная полость 204 может представлять собой перевернутый конус с прямым углом при вершине. В других примерах осуществления приемная полость 204 может быть конической, но при этом может быть конусом, имеющим угол при вершине, отличный от прямого. Например, приемная полость 204 может представлять собой конус с тупым углом при вершине. В других примерах осуществления отверстие 210 для доступа имеет многоугольный профиль, то есть приемная полость 204 имеет пирамидальную форму.
Приемной полости 204 может быть придана такая форма, при которой при помещении смеси жидкостей в приемную полость 204, фильтрующая поверхность 230 контактирует со смесью жидкостей на различных глубинах. Пористой мембране 228 может быть придана такая форма, при которой пористая мембрана 228 окружает смесь жидкостей и может вмещать части смеси жидкостей на различных глубинах.
Отверстие 210 для доступа имеет максимальный диаметр 262. В некоторых примерах осуществления максимальный диаметр 262 может представлять собой самое большое расстояние между двумя точками края 209 полости. В некоторых примерах осуществления максимальный диаметр 262 может представлять собой линию, проходящую через ось 260 полости между двумя точками края 209 полости. Приемной полости 204 может быть придана такая форма, при которой максимальная глубина 250 меньше величины максимального диаметра 262. Например, аспектное отношение (соотношение геометрических размеров) максимального диаметра 262 к максимальной глубине 250 может составлять по меньшей мере 1,5:1. В некоторых примерах осуществления аспектное отношение максимального диаметра 262 к максимальной глубине 250 может составлять по меньшей мере 2:1. В конкретных примерах осуществления аспектное отношение максимального диаметра 262 к максимальной глубине 250 может составлять по меньшей мере 2,5:1. В конкретных примерах осуществления аспектное отношение максимального диаметра 262 к максимальной глубине 250 может составлять по меньшей мере 3:1. Например, максимальный диаметр 262 может составлять не более 10 мм, не более 8 мм, не более 6 мм, не более 5 мм или не более 4 мм. Например, максимальная глубина 250 может составлять не более 4 миллиметров (мм), не более 3 мм, не более 2 мм или не более 1 мм. В некоторых примерах осуществления приемной полости 204 может быть придана такая форма, которая позволяет пользователю осматривать каплю, которую образует одна из жидкостей после проникновения другой жидкости внутрь пористой мембраны 228.
В представленном примере осуществления фильтрующая поверхность 230 имеет единственную точку перегиба на дне 256, и, таким образом, глубина 250 непрерывно уменьшается по мере подъема по фильтрующей поверхности 230 от дна 256 к краю 209 полости. В других примерах осуществления фильтрующая поверхность 230 может иметь более одной точки перегиба. В таких примерах осуществления глубина 250 может снижаться не непрерывным образом, а, напротив, может иметь области большей глубины. Таким образом, приемная полость 204 может иметь более одного дна и/или содержать пространства, отделенные друг от друга.
Как показано, наклонный участок 251 по мере изменения глубины 250 изменяется с линейной скоростью, а наклонный участок 252 по мере изменения глубины 250 изменяется с нелинейной скоростью (например, с экспоненциальной скоростью). Таким образом, в показанном примере осуществления большая часть фильтрующей поверхности 230 представляет собой наклонный участок, который по мере изменения глубины 250 изменяется с линейной скоростью. В некоторых примерах осуществления фильтрующая поверхность 230, находящаяся вблизи дна 256 имеет радиус кривизны. Наклонные участки 251, 252 могут быть изготовлены с другими параметрами, обусловливающими образование капли жидкости в приемной полости 204. Например, наклонные участки 251, 252 могут быть изготовлены так, что они способствуют образованию шаровидной капли полярной жидкости, располагающейся на дне 256 приемной полости 204.
На Фиг. 8 и 9 представлены первый и второй этапы, соответственно, операции фильтрования. При выполнении первого этапа смесь 270 жидкостей доставляют в приемную полость 204. Как показано на Фиг. 8, изначально смесь 270 жидкостей включает эмульсию первой жидкости 272 и второй жидкости 274. В некоторых примерах осуществления первая жидкость 272 может образовывать микрокапли во второй жидкости 274. Например, несмотря на то, что на Фиг. 8 представлены лишь несколько капель первой жидкости 272, первая жидкость 272 может образовывать десятки, сотни или тысячи микрокапель во второй жидкости 274. В момент помещения микрокапель в приемную полость 204 они могут иметь различные объемы (например, различающиеся на порядок величины) или они могут иметь практически одинаковый объем. Например, смесь 270 жидкостей и соответствующие микрокапли могут быть аналогичны смесям и микрокаплям, которые образуются в случаях работы с эмульсиями. В некоторых примерах осуществления в содержимом микрокапель могут протекать индивидуальные аналитические реакции, такие как обратная транскрипция, и затем после разделения фаз и объединения они могут быть собраны в один сосуд для проведения следующего этапа.
На Фиг. 8 смесь 270 жидкостей для наглядности изображена до начала фильтрования, но следует понимать, что фильтрование может начинаться сразу же в момент контакта смеси 270 жидкостей с фильтрующей поверхностью 230. Первая жидкость 272 может представлять собой полярную жидкость, такую как водный раствор, включающий биологический образец, а вторая жидкость 274 может представлять собой неполярную жидкость, такую как жидкость-наполнитель (например, масло) из устройства DF. В альтернативном варианте первая жидкость 272 может представлять собой неполярную жидкость, и вторая жидкость 274 может представлять собой полярную жидкость. Приемная полость 204 имеет объем, ограниченный фильтрующей поверхностью 230 и отверстием 210 для доступа или базовой плоскостью 246 (Фиг. 7).
В некоторых примерах осуществления приемная полость 204 может иметь объем, составляющий менее 1000 мкл. В некоторых примерах осуществления приемная полость 204 может иметь объем, составляющий менее 750 мкл или менее 500 мкл. В некоторых примерах осуществления приемная полость 204 может иметь объем, составляющий менее 400 мкл, менее 300 мкл, менее 200 мкл или менее 150 мкл. В конкретных примерах осуществления приемная полость 204 может иметь объем, составляющий менее 100 мкл, менее 90 мкл, менее 80 мкл или менее 70 мкл. Обычно смесь 270 жидкостей имеет объем меньше объема приемной полости 204. Например, смесь 270 жидкостей может иметь объем, составляющий менее 200 мкл, менее 150 мкл, менее 100 мкл, менее 90 мкл, менее 80 мкл, менее 70 мкл, менее 60 мкл или менее 50 мкл. В конкретных примерах осуществления смесь 270 жидкостей может иметь объем, составляющий менее 40 мкл, менее 30 мкл, менее 20 мкл, менее 15 мкл, менее 14 мкл, менее 13 мкл, менее 12 мкл, менее 11 мкл или менее 10 мкл.
Как показано, в смеси 270 жидкостей объем второй жидкости 274 может быть больше объема первой жидкости 272. В других примерах осуществления объем второй жидкости 274 может быть меньше объема первой жидкости 272. Например, объемное отношение второй жидкости 274 к первой жидкости 272 может составлять по меньшей мере 1:1, по меньшей мере 1,5:1, по меньшей мере 2:1, по меньшей мере 3:1, по меньшей мере 4:1, по меньшей мере 5:1 или более. В некоторых примерах осуществления объемное отношение второй жидкости 274 к первой жидкости 272 может составлять по меньшей мере 6:1, по меньшей мере 8:1, по меньшей мере 10:1, по меньшей мере 12:1, по меньшей мере 14:1, по меньшей мере 16:1, по меньшей мере 18:1 по меньшей мере 20:1. В более конкретных примерах осуществления объемное отношение второй жидкости 274 к первой жидкости 272 может составлять по меньшей мере по меньшей мере 22:1, по меньшей мере 24:1, по меньшей мере 26:1, по меньшей мере 28:1, по меньшей мере 30:1, по меньшей мере 32:1 или более.
В некоторых примерах осуществления объем первой жидкости 272 составляет от 1 нанолитра (нл) до 10000 нл. В некоторых примерах осуществления объем первой жидкости 272 составляет от 10 нанолитров (нл) до 5000 нл. В некоторых примерах осуществления объем первой жидкости 272 составляет от 50 нанолитров (нл) до 1000 нл. В конкретных примерах осуществления объем первой жидкости 272 составляет от 200 нанолитров (нл) до 500 нл. В некоторых примерах осуществления объем второй жидкости 274 составляет от 1 мкл до 500 мкл. В некоторых примерах осуществления объем второй жидкости 274 составляет от 2 мкл до 200 мкл. В некоторых примерах осуществления объем второй жидкости 274 составляет от 4 мкл до 100 мкл. В конкретных примерах осуществления объем второй жидкости 274 составляет от 5 мкл до 50 мкл, от 5 мкл до 25 мкл или от 5 мкл до 15 мкл. В одном из примеров объем второй жидкости 274 может составлять приблизительно 10 мкл, и объем первой жидкости 272 может составлять приблизительно 300 нл. В таких примерах осуществления отношение объема второй жидкости 274 к объему первой жидкости 272 превышает или приблизительно равно 30:1.
Как показано на Фиг. 8, вторая жидкость 274 разделяет первую жидкость 272 на множество более мелких капель (субкапель) 276. В некоторых примерах осуществления смесь 270 жидкостей может быть охарактеризована как эмульсия, содержащая множество субкапель 276 (или микрокапель). В других примерах осуществления смесь 270 жидкостей может быть по существу разделена на два или более слоя без образования более мелких капель. Как показано на Фиг. 8, между фильтрующей поверхностью 230 и смесью 270 жидкостей первоначально может существовать поверхность раздела или граница 282, имеющая сложную форму.
На Фиг. 9 представлен последующий второй этап, в котором вторая жидкость 274 из предыдущего этапа (Фиг. 8) проникает внутрь пористой мембраны 228. Штриховой линией 278 показана граница насыщения пористой мембраны 228 второй жидкостью 274. Как указано в настоящем описании, конструкция фильтрующей поверхности 230 позволяет второй жидкости 274 протекать из приемной полости 204 внутрь пористой мембраны 228. Например, размер пор и/или пористость вблизи фильтрующей поверхности 230 может пропускать вторую жидкость 274 через фильтрующую поверхность 230 в абсорбирующую область 240 пористой мембраны 228. Фильтрующая поверхность 230 может иметь поверхностное свойство, которое позволяет второй жидкости 274 протекать через нее, но при этом препятствует течению первой жидкости 272. Например, первая жидкость 272 может представлять собой полярную жидкость, которая отталкивается фильтрующей поверхностью 230 благодаря гидрофобности последней. Однако гидрофобность не препятствует просачиванию второй жидкости 274, которая проникает внутрь пористой мембраны 228. По мере того, как вторая жидкость 274 протекает внутрь пористой мембраны 228 более мелкие капли 276 (Фиг. 8) первой жидкости 272 могут объединяться, образуя каплю 285.
В некоторых примерах осуществления контур фильтрующей поверхности 230 увеличивает поверхность контакта между фильтрующей поверхностью 230 и смесью 270 жидкостей. В некоторых примерах осуществления первая и вторая жидкости 272, 274 могут иметь различные плотности, что приводит к тому, что в приемной полости 204 первая и вторая жидкости 272, 274 разделяются на различные слои. В таких примерах осуществления форма фильтрующей поверхности 230 повышает вероятность того, что фильтрующая поверхность 230 будет контактировать с жидкостью, имеющей меньшую плотность. Например, если вторая жидкость 274 имеет меньшую плотность, чем первая жидкость 272, то вторая жидкость 274 может образовывать слой поверх первой жидкости 272. Тем не менее, благодаря неплоской конфигурации, фильтрующая поверхность 230 способна контактировать со второй жидкостью 274, в результате чего пористая мембрана 228 способна поглощать вторую жидкость 274.
Приведенные в настоящем описании примеры осуществления могут быть выполнены таким образом, который обеспечивает приемлемое разделение или фильтрование несмешиваемых жидкостей, находящихся в смеси жидкостей. В некоторых примерах осуществления одна из жидкостей может быть эффективно отделена от других жидкостей. Например, примеры осуществления могут дать возможность отделить или отфильтровать вторую жидкость 274 так, что по меньшей мере 75% второй жидкости 274 удаляется из приемной полости 204. Вторая жидкость 274 может быть поглощена пористой мембраной 228 и/или может быть пропущена пористой мембраной 228 в другое пространство через наружную поверхность 238. В некоторых примерах осуществления из приемной полости 204 может быть удалено по меньшей мере 85% второй жидкости 274. В конкретных примерах осуществления из приемной полости 204 может быть удалено по меньшей мере 95% или по меньшей мере 97% второй жидкости 274. В более конкретных примерах осуществления из приемной полости 204 может быть удалено по меньшей мере 98% или по меньшей мере 99% второй жидкости 274.
Пористая мембрана 228 может абсорбировать вторую жидкость 274 с заданной скоростью абсорбции. Скорость абсорбции определенной жидкости может зависеть от окружающих условий (например, температуры и давления окружающей среды), свойства жидкостей, находящихся в смеси жидкостей, свойств фильтрующей поверхности и пористой мембраны и формы фильтрующей поверхности 230. Например, скорость абсорбции может возрастать при увеличении наклонного участка 251 фильтрующей поверхности 230.
Например, с помощью примеров осуществления может стать возможным удаление по меньшей мере 75% второй жидкости 274 в течение 30 секунд, по меньшей мере 85% второй жидкости в течение 30 секунд, по меньшей мере 95% второй жидкости в течение 30 секунд, по меньшей мере 98% второй жидкости в течение 30 секунд или по меньшей мере 99% второй жидкости в течение 30 секунд. В частности, с помощью примеров осуществления может стать возможным удаление по меньшей мере 85% второй жидкости 274 в течение 20 секунд, по меньшей мере 85% второй жидкости в течение 10 секунд или по меньшей мере 85% второй жидкости в течение 5 секунд. Более конкретно, с помощью примеров осуществления может стать возможным удаление по меньшей мере 95% второй жидкости 274 в течение 20 секунд, по меньшей мере 95% второй жидкости в течение 10 секунд или по меньшей мере 95% второй жидкости в течение 5 секунд. По сравнению с традиционными способами разделения с применением центрифуг, применение по меньшей мере некоторых примеров осуществления может существенно снизить продолжительность, сложность и затраты на разделение несмешиваемых жидкостей.
Спустя определенный промежуток времени (например, секунды, минуты, часы), жидкость, оставшаяся в приемной полости 204 (называемая оставшейся жидкостью или остатком 286), может быть удалена. Оставшаяся жидкость 286 включает каплю 285 первой жидкости 272 и, возможно, меньшее количество или остаток второй жидкости 274, то есть первая жидкость 272 эффективно извлечена из второй жидкости 274. Например, вторая жидкость 274 может включать не более 25% объема оставшейся жидкости 286 или не более 15% объема оставшейся жидкости 286. В частности, вторая жидкость 274 может включать не более 10% объема оставшейся жидкости 286, не более 5% объема оставшейся жидкости 286 или не более 1% объема оставшейся жидкости 286.
В некоторых примерах осуществления форма фильтрующей поверхности 230 и свойства поверхности могут вызвать превращение капли 285 в шаровидную каплю в приемной полости 204. Например, на Фиг. 9 наружная поверхность капли 285 имеет выпуклую форму. В таких примерах осуществления пользователь может визуально обнаружить каплю 285 и ввести в приемную полость 204 и в каплю 285 инструмент. В некоторых случаях с помощью инструмента можно извлечь только жидкость из капли 285, оставляя при этом вторую жидкость 274 в приемной полости 204.
В других примерах осуществления после фильтрования второй жидкости 274, но перед удалением оставшейся жидкости 286, в приемную полость 204 может быть помещена вторая смесь жидкостей (не показана). Аналогично смеси 270 жидкостей, вторая смесь жидкостей может включать первую жидкость (например, полярную жидкость) и вторую жидкость (например, неполярную жидкость). Состав первой жидкости может отличаться или не отличаться от состава первой жидкости 272 (например, представлять собой другой биологический образец). Устройство 200 для разделения фаз также может пропускать вторую жидкость внутрь пористой мембраны 228 и препятствовать течению первой жидкости внутрь пористой мембраны 228. В таких примерах осуществления две различные первые жидкости (например, два разных биологических образца) могут быть объединены в приемной полости 204.
В альтернативных примерах осуществления фильтрующая поверхность 230 не имеет искривленной конфигурации. Например, фильтрующая поверхность 230 может быть ровной или плоской, так что приемная полость имеет форму диска, куба и т.д. Необязательно, устройство 200 для разделения фаз может включать стенки (не показаны), которые соединены с фильтрующей поверхностью 23 и которые определяют наружные границы приемной полости 204. Тем не менее, в таких примерах осуществления фильтрующая поверхность 230 может пропускать вторую жидкость 274 внутрь пористой мембраны 228 и препятствовать течению первой жидкости 272 внутрь пористой мембраны 228. В некоторых примерах осуществления капля 285 первой жидкости 272 может принимать шаровидную форму на фильтрующей поверхности 230.
На Фиг. 10 представлено перспективное изображение корпусного фильтрующего элемента 300, который может представлять собой устройство для разделения фаз или составлять часть устройства для разделения фаз, такого как устройство 350 для разделения фаз (см. Фиг. 12). На Фиг. 11 представлен вид в разрезе корпусного фильтрующего элемента 300 вдоль линии 11-11, показанной на Фиг. 10. Фильтрующий элемент 300 может быть аналогичен фильтрующему элементу 226 (Фиг. 6). Например, фильтрующий элемент 300 включает пористую мембрану 302, имеющую фильтрующую поверхность 304, которая ограничивает соответствующую приемную полость 306 корпусного фильтрующего элемента 300. Так же как и приемная полость 204 (Фиг. 6), приемная полость 306 может представлять собой перевернутый конус с прямым углом при вершине. Однако в других примерах осуществления приемная полость 306 может иметь другие формы. В одном из возможных примеров осуществления фильтрующий элемент 300 образован исключительно пористой мембраной 302. Однако в других примерах осуществления фильтрующий элемент 300 может включать отдельные компоненты, собранные вместе. Например, фильтрующий элемент 300 может включать крышку или обод, установленные на пористой мембране 302.
Фильтрующий элемент 300 имеет наружную поверхность 308, которая определяет форму корпусного фильтрующего элемента 300. Наружная поверхность 308 может иметь такую форму, что фильтрующий элемент 300 может, например, быть установлен внутри полости пластины или трубки (не показана). Фильтрующий элемент 300 имеет наружный диаметр 326. Как показано на Фиг. 11, фильтрующий элемент 300 включает верхнюю часть 322 элемента и нижнюю часть 324 элемента. В показанном примере осуществления наружный диаметр 326 одинаков или постоянен по всей верхней части 322 элемента. При этом наружный диаметр 326 снижается или уменьшается по мере продления нижней части 324 элемента от верхней части 322 элемента.
Фильтрующий элемент 300 включает отверстие 310 для доступа. В показанном примере осуществления отверстие 310 для доступа имеет круглый профиль. Однако в других примерах осуществления отверстие 310 для доступа может иметь различные профили. Например, отверстие 310 для доступа может быть многоугольным, полукруглым и т.д. Как показано на Фиг. 11, отверстие 310 для доступа имеет максимальный диаметр 312, и приемная полость 306 имеет глубину 314. В показанном примере осуществления приемная полость 306 имеет такую форму, что максимальная глубина 314 превышает максимальный диаметр 312. Например, аспектное отношение максимальной глубины 314 к максимальному диаметру 312 может составлять по меньшей мере 1,5:1. В некоторых примерах осуществления аспектное отношение максимальной глубины 314 к максимальному диаметру 312 может составлять по меньшей мере 2:1. В конкретных примерах осуществления аспектное отношение максимальной глубины 314 к максимальному диаметру 312 может составлять по меньшей мере 2,5:1. В конкретных примерах осуществления аспектное отношение максимальной глубины 314 к максимальному диаметру 312 может составлять по меньшей мере 3:1 или по меньшей мере 5:1. Соответственно, фильтрующая поверхность 304 имеет больший наклон по сравнению с фильтрующей поверхностью 230 (Фиг. 6). В некоторых примерах осуществления фильтрующая поверхность 304 может обеспечивать большую площадь контакта между смесью жидкостей и фильтрующей поверхностью 304.
Как показано выше при описании устройства 200 для разделения фаз (Фиг. 5), конструкция фильтрующего элемента 300 позволяет помещать смесь жидкостей (не показана) в приемную полость 306. Пористая мембрана 302 может поглощать одну из жидкостей, находящихся в смеси жидкостей, и препятствовать течению другой жидкости, в результате чего в приемной полости 306 образуется капля другой жидкости. Характеристики и свойства пористой мембраны 302 и фильтрующей поверхности 304 могут быть аналогичными или идентичными характеристикам и свойствам пористой мембраны 228 и фильтрующей поверхности 230, соответственно. Скорости абсорбции фильтрующего элемента 300 могут быть аналогичны скоростям абсорбции пористой мембраны 228. В некоторых примерах осуществления скорость абсорбции может превышать скорость абсорбции пористой мембраны 228.
На Фиг. 12 представлено устройство 350 для разделения фаз согласно одному из примеров осуществления, которое включает множество фильтрующих элементов 352. Фильтрующие элементы 352 могут быть аналогичными или идентичными фильтрующим элементам 300 (Фиг. 10). Как показано, устройство 350 для разделения фаз также включает состоящую из отдельных частей опорную рамку 354. Опорная рамка 354 включает множество трубок или флаконов 356 и множество соединительных элементов 358, которые соединяют трубки 356 друг с другом. Соединительные элементы 358 могут отличаться некоторой гибкостью, позволяющей перемещать трубки 356 относительно друг друга. Каждая из трубок 356 имеет внутреннюю поверхность, размер и форма которой позволяет вставлять в трубку один из фильтрующих элементов 352. Как показано, между дном 362 корпусного фильтрующего элемента 352 и внутренней поверхностью трубки 356 образуется резервуар 360. В некоторых примерах осуществления резервуар 360 может быть предназначен для размещения в нем жидкости, протекающей через фильтрующие элементы 352.
В других примерах осуществления устройство 350 для разделения фаз может включать единственный фильтрующий элемент 352 и единственную трубку 356. В таких примерах осуществления устройство 350 для разделения фаз может быть загружено в центрифугу для улучшения разделения или фильтрования смеси жидкостей. Однако применение центрифуги не обязательно ограничивается теми примерами осуществления, которые включают только один фильтрующий элемент. Согласно изобретению, центрифуги могут быть применены в других примерах осуществления, таких как устройство 200 для разделения фаз (Фиг. 5). Другие примеры осуществления могут включать источник вакуума (не показан), способствующий проникновению жидкости внутрь пористой мембраны. Источник вакуума может воздействовать на воздух, заставляя его проталкивать жидкость через мембрану, или в альтернативном варианте источник вакуума может заставлять жидкость течь через пористую мембрану.
На Фиг. 13 представлена блок-схема, на которой показан способ 400 согласно одному из примеров осуществления. Несмотря на то, что на Фиг. 13 представлен один из примеров способа, который может быть осуществлен в соответствии с одним или более примерами осуществления, следует понимать, что примеры осуществления не ограничены этапами, показанными на Фиг. 13. Этапы могут отсутствовать, этапы могут быть модифицированы и/или другие этапы могут быть добавлены. Кроме того, этапы, рассмотренные в настоящем описании, могут быть скомбинированы, этапы могут быть выполнены одновременно, этапы могут быть выполнены параллельно, этапы могут быть разделены на множество подэтапов, этапы могут быть выполнены в различном порядке, или этапы (или серия этапов) могут быть выполнены в повторяющемся режиме. Один или более этапов могут быть выполнены вручную. Один или более этапов могут быть выполнены автоматически с помощью автоматизированной системы.
Способ 400 включает подготовку согласно этапу 402 интересующего образца из множества несмешиваемых жидкостей. Например, интересующий образец может представлять собой биологический образец (например, нуклеиновые кислоты), суспендированный в первой жидкости. Как указано выше, первая жидкость может представлять собой полярную жидкость (например, водный раствор). Согласно некоторым протоколам, первая жидкость может находиться в устройстве DF в виде капель, окруженных второй жидкостью (например, неполярной жидкостью). Для приготовления или модификации биологического образца капли первой жидкости могут быть перемещаться через вторую жидкость под действием операций, опосредуемых электрохимическими смачиванием. В конкретных примерах осуществления биологический образец включает фрагменты нуклеиновых кислот, предназначенные для применения при выполнении протокола SBS.
Способ 400 также включает получение согласно этапу 404 смеси жидкостей, которая включает первую жидкость и вторую жидкость. Операция 404 получения может включать удаление заданного объема первой и второй жидкостей из, например, устройства DF. Например, операция 404 получения может включать введение носика пипеточного дозатора в полость устройства DF и извлечение заданного объема смеси жидкостей. В некоторых примерах осуществления большая часть заданного объема включает вторую жидкость, и меньшая часть заданного объема включает первую жидкость. В конкретных примерах осуществления первая жидкость может составлять лишь фракцию от всего объема, такую как менее 25% от всего объема.
Получение согласно этапу 404 также необязательно может включать введение в смесь жидкостей третьей жидкости. Например, после всасывания первой и второй жидкости в пипеточный дозатор, пипеточный дозатор может быть перенесен к другому источнику жидкости, который включает третью жидкость. Третья жидкость может включать полярную жидкость, способную смешиваться с первой жидкостью. В частности, третья жидкость может представлять собой водный раствор (например, буферный раствор), способный гомогенно смешиваться с первой жидкостью. В некоторых примерах осуществления третья жидкость может быть предназначена для реакции с образцом, находящимся в первой жидкости, и/или для модификации этого образца. В конкретных примерах осуществления третья жидкость может быть предназначена для разбавления или стабилизации одного или более содержимого первой жидкости. Таким образом, третья жидкость не должна реагировать с содержимым первой жидкости или химически модифицировать содержимое первой жидкости. Совместно первая, вторая и третья жидкости могут образовывать эмульсию. Для упрощения первая и третья жидкости могут быть названы первой жидкостью или объединенной жидкостью.
При выполнении этапа 406 может быть обеспечено наличие устройства для разделения фаз. Устройство для разделения фаз может быть аналогично или идентично устройствам для разделения фаз, рассмотренным в настоящем описании. Например, устройство для разделения фаз может включать пористую мембрану, имеющую фильтрующую поверхность. Фильтрующая поверхность может иметь неплоскую конфигурацию, которая образует приемную полость. Способ 400 также может включать этап 408, состоящий в размещении смеси жидкостей в приемную полость пористой мембраны. Этап 408 размещения может включать размещение измеренного объема смеси жидкостей. Измеренный объем может приблизительно соответствовать величине, определяемой, например, инструментом, применяемым для переноса смеси жидкостей в устройство для разделения фаз. Например, для извлечения приблизительного или измеренного объема (например, приблизительно 10 мкл) из устройства DF могут быть сконструированы пипеточные дозаторы. Пипеточные дозаторы могут быть необязательно сконструированы для извлечения дополнительного объема (например, еще 10 мкл) третьей жидкости. Измеренный объем в инструменте может быть меньше или равен объему приемной полости.
Фильтрующая поверхность, расположенная вдоль приемной полости, может быть выполнена так, чтобы препятствовать течению первой жидкости (или объединенной жидкости) через фильтрующую поверхность. Например, если первая жидкость представляет собой полярную жидкость, то фильтрующая поверхность и/или пористая мембрана может иметь гидрофобные свойства, которые затрудняют течение полярной жидкости внутрь пористой мембраны. Однако фильтрующая поверхность может не препятствовать течению второй жидкости внутрь пористой мембраны. Соответственно, этап 410 способа 400 может включать проникновение второй жидкости внутрь пористой мембраны. Остаток смеси жидкостей может образовывать каплю внутри приемной полости.
В некоторых примерах осуществления этап 410 проникновения второй жидкости внутрь пористой мембраны проводят, не перемещая устройство для разделения фаз. Например, устройство для разделения фаз может быть размещено на поверхности или внутри многолуночного планшета или трубки. Вторая жидкость может проникать внутрь пористой мембраны в отсутствие перемещения или встряхивания устройства для разделения фаз или в отсутствие центростремительных сил. Другими словами, устройство для разделения фаз может быть неподвижным во время протекания второй жидкости внутрь пористой мембраны.
Однако в других примерах осуществления этап 410 проникновения второй жидкости внутрь пористой мембраны может включать содействие или усиление потока второй жидкости. Например, устройство для разделения фаз может быть расположено в центрифуге. Центрифуга может создавать центростремительную силу, которая прижимает смесь жидкостей к фильтрующей поверхности. Центростремительная сила может вталкивать вторую жидкость внутрь пористой мембраны. В альтернативном варианте устройство для разделения фаз может быть соединено с подсистемой для перемешивания, которая перемещает устройство для разделения фаз. Например, подсистема для перемешивания может встряхивать или оказывать вибрационное воздействие на устройство для разделения фаз, что приводит к встряхиванию или вибрационному воздействию на смесь жидкостей в приемной полости. В некоторых случаях встряхивание/вибрация могут способствовать разделению смеси жидкостей.
Способ 400 может включать этап 412 удаления капли из приемной полости. Например, носик инструмента может быть вручную или автоматически введен в приемную полость и соединен соединением для текучей среды с каплей. Капля может быть затянута в инструмент. Инструмент может быть перенесен, например, пользователем или механической рукой-манипулятором, в заданный участок. Затем капля может быть выпущена из инструмента, такого как пипеточный дозатор, в другую систему, в которой производят работу с каплей. Например, инструмент может поместить каплю в систему SBS. В альтернативных примерах осуществления отдельный инструмент может не использоваться. Например, в других примерах осуществления конец трубки может иметь фиксированное положение в приемной полости. После размещения смеси жидкостей в приемной полости и протекания определенного периода времени, может быть инициировано течение капли внутрь через трубку (например, под действием источника вакуума). Капля может быть направлена в определенный участок системы для исследования. При выполнении этапа 414 капля может быть использована в соответствии с заданным протоколом исследования, таким как SBS.
На Фиг. 14 представлено перспективное изображение устройства 500 для разделения фаз согласно одному из примеров осуществления, и на Фиг. 15 представлен вид в разрезе устройства 500 для разделения фаз вдоль линии 15-15. Устройство 500 для разделения фаз может быть аналогично устройству 125 для разделения фаз (Фиг. 1) или устройству 200 для разделения фаз (Фиг. 5). Изображенное на Фиг. 14 устройство 500 для разделения фаз включает опорную рамку 502 и множество приемных полостей 504, которые соединены с опорной рамкой 502. Каждая из приемных полостей 504 имеет размер и форму, подходящие для вмещения заданного количества смеси жидкостей. Опорная рамка 502 объединяет приемные полости 504, перекрывая пространство между ними. Опорная рамка 502 может удерживать приемные полости 504 в фиксированных положениях относительно друг друга.
Приемные полости 504 могут быть расположены в виде определенного или заранее заданного множества 506. Как показано, множество 506 представляет собой двухмерное множество, но в других примерах осуществления множество 506 может быть одномерным. Аналогично устройству 200 для разделения фаз (Фиг. 5), количество и положения приемных полостей 504 во множестве 506 могут зависеть от заданного протокола, выполняемого с помощью устройства 500 для разделения фаз.
Устройство 500 для разделения фаз включает рабочую или активную сторону 508, которая обращена к пользователю устройства 500 для разделения фаз или доступна пользователю устройства 500 для разделения фаз. Приемные полости 504 имеют соответствующие края 509 полостей, которые ограничивают отверстия 510 для доступа в приемные полости 504. Доступ к приемным полостям 504 имеется только с рабочей стороны 508. В представленном примере осуществления опорная рамка 502 по существу представляет собой двухмерную конструкцию. Например, опорная рамка 502 может иметь форму панели или доски. Рабочая сторона 508 имеет поверхность 524 стороны, которая имеет по существу плоскую форму, если не учитывать наличия стенок устройства или выступов 511, которые ограничивают края 509 полостей. В других примерах осуществления поверхность 524 стороны может быть неплоской. Например, опорная рамка 502 может включать множество мостиков или соединительных элементов, располагающихся между приемными полостями 504 и соединяющих их между собой. Устройство 500 для разделения фаз может иметь края 531-534 корпуса, которые определяют профиль устройства 500 для разделения фаз. Как показано, профиль имеет по существу прямоугольную форму.
Примеры осуществления могут включать один или более ориентирующих элементов. Употребляемый в настоящем описании термин "ориентирующий элемент" включает визуально идентифицируемый элемент, который может быть применен для определения ориентации устройства для разделения фаз. В конкретных примерах осуществления ориентирующий элемент представляет собой конструкционный элемент. Например, устройство 500 для разделения фаз включает ключевой элемент 505, который визуально показывает пользователю ориентацию устройства 500 для разделения фаз. В альтернативном варианте устройство 500 для разделения фаз может быть установлено в гнезде или держателе. В таких примерах осуществления ключевой элемент 505 может обеспечивать правильную ориентацию устройства 500 для разделения фаз в гнезде. В некоторых примерах осуществления устройство 500 для разделения фаз также может включать числовой определитель 507. Аналогично ключевому элементу 505, числовые определители 507 могут визуально показывать пользователю ориентацию устройства 500 для разделения фаз. В показанном примере осуществления числовой определитель 507А указывает на первую приемную полость 504, и числовой определитель 507В указывает на последнюю (или шестнадцатую) приемную полость 504.
На Фиг. 15 представлен вид в разрезе устройства 500 для разделения фаз вдоль линии 15-15, показанной на Фиг. 14. В некоторых примерах осуществления рабочая сторона 508 или поверхность 524 стороны может совпадать с базовой плоскостью 546. В показанном примере осуществления стенки 511 устройства, которые ограничивают края 509 полостей и соответствующие отверстия 510 для доступа, могут иметь выступ или превышение 550 над базовой плоскостью 546.
В одном из возможных примеров осуществления, если устройство 500 для разделения фаз функционально расположено для приема смеси жидкостей в приемные полости 504, то направление 548 силы тяжести может быть перпендикулярно к базовой плоскости 546. Однако следует понимать, что устройство 500 для разделения фаз не обязательно должно иметь определенную ориентацию относительно направления силы тяжести и в других примерах осуществления может иметь другие ориентации. Например, в некоторых примерах осуществления при фильтровании жидкостей устройство 500 для разделения фаз может быть наклонено (например, на 30°, 45° и т.д.) относительно базовой плоскости 546, показанной на Фиг. 15. Согласно изобретению, в плотно закрытых системах устройство 500 для разделения фаз может быть повернуто еще сильнее (например, 90°, 180°, и т.д.).
Аналогично устройству 200 для разделения фаз (Фиг. 5), устройство 500 для разделения фаз также может включать фильтрующие элементы 526. Каждый из фильтрующих элементов 526 может включать пористую мембрану 528, имеющую фильтрующую поверхность 530, которая ограничивает соответствующую приемную полость 504. Как указано выше, пористая мембрана 528 может быть аналогична или идентична пористой мембране 228 и может иметь аналогичные или идентичные характеристики мембраны (например, размер пор, пористость и т.д.). Фильтрующие элементы 526 могут иметь фиксированные положения относительно друг друга. В одном из возможных примеров осуществления устройство 500 для разделения фаз включает монолитный корпус пористой мембраны 528. Конструкция монолитного корпуса пористой мембраны 528 может иметь форму, ограничивающую фильтрующие элементы 526 и опорную рамку 502 устройства 500 для разделения фаз. Однако в других примерах осуществления устройство 500 для разделения фаз может включать отдельные компоненты, собранные вместе. Например, опорная рамка может включать соединительные элементы (например, полимерные или металлические), которые расположены между отдельными фильтрующими элементами 526 и соединяют отдельные фильтрующие элементы 526, каждый из которых включает пористую мембрану 528.
Устройство 500 для разделения фаз включает монтажную сторону 536, которая обычно противоположна рабочей стороне 508. Фильтрующие элементы 526 расположены вдоль монтажной стороны 536. Каждый из фильтрующих элементов 526 имеет наружную поверхность 538. Фильтрующие элементы 526 могут образовывать соответствующие абсорбирующие области 540, обычно ограниченные наружной поверхностью 538 и фильтрующей поверхностью 530 соответствующего фильтрующего элемента 526. Абсорбирующая область 540 расположена вблизи приемной полости 504 и может представлять собой пространство пористой мембраны 528, которое поглощает жидкость из приемной полости 504. Абсорбирующая область 540 обычно может находиться ниже соответствующей приемной полости 504 или отверстия 510 для доступа. Толщина соответствующего фильтрующего элемента 526 (или абсорбирующей области 540) ограничена наружной поверхностью 538 и фильтрующей поверхностью 530. В показанном примере осуществления толщина не везде одинакова. В некоторых примерах осуществления толщина и/или объем абсорбирующей области 540 превышает объем приемной полости 504. Однако в других примерах осуществления толщина и/или объем абсорбирующей области 540 меньше или равен объему приемной полости 504.
В некоторых примерах осуществления фильтрующие элементы 526 имеют определенные формы и расположение относительно друг друга, которое позволяет вставлять фильтрующие элементы 526 в соответствующие углубления многолуночного планшета (не показаны). В таких примерах осуществления многолуночный планшет может служить опорой устройству 500 для разделения фаз и удерживать устройство 500 для разделения фаз по существу в неподвижном положении. Как рассмотрено ниже, лунки (не показаны) многолуночного планшета также могут обеспечивать пространство для приема любой жидкости, которая протекает только через фильтрующие элементы 526.
На Фиг. 16-19 представлено устройство 601 для разделения фаз согласно одному из примеров осуществления. На Фиг. 20-22 представлено устройство 602 для разделения фаз согласно одному из примеров осуществления, и на Фиг. 23-26 представлено устройство 603 для разделения фаз согласно одному из примеров осуществления. Устройства для 601-603 разделения фаз могут иметь характеристики и признаки, аналогичные характеристикам и признакам других примеров осуществления, рассмотренных в настоящем описании. Например, каждое из устройств 601-603 для разделения фаз может включать ПТФЭ (например, марки PTFE 10532). В конкретных примерах осуществления устройства 601-603 для разделения фаз могут представлять собой монолитные конструкции из ПТФЭ, то есть все устройства 601-603 для разделения фаз, за исключением необязательной пропитки жидкостью и/или внешнего покрытия или финишной обработки, могут включать ПТФЭ. На Фиг. 17, 19, 22, 25 и 26 показаны различные размеры соответствующих устройств. Если не указано иное, размеры приведены в миллиметрах. Эти размеры и допуски (и другие размеры и допуски, рассмотренные при описании других примеров осуществления) могут быть расшифрованы American Society of Mechanical Engineers (ASME) Y14.5M-1994. Размеры могут относиться к изделию до или после завершения способа.
На Фиг. 27 представлено перспективное изображение устройства 700 для разделения фаз согласно одному из примеров осуществления. Устройство 700 (для разделения фаз может быть аналогично устройству 125 для разделения фаз (Фиг. 1), устройству 200 для разделения фаз (Фиг. 5) или устройству 500 для разделения фаз (Фиг. 14). Представленное на Фиг. 27 устройство 700 для разделения фаз включает опорную рамку 702 и множество приемных полостей 704, которые соединены с опорной рамкой 702. Размер и форма каждой из приемных полостей 704 подходят для вмещения заданного количества смеси жидкостей. Опорная рамка 702 расположена между приемными полостями 704 и объединяет их. Опорная рамка 702 может удерживать приемные полости 704 в фиксированных положениях относительно друг друга.
Приемные полости 704 могут быть расположены в виде определенного или заранее заданного множества 706. Множество 706 может представлять собой одно-, двух- или трехмерное множество. Аналогично устройствам 200, 500 для разделения фаз, количество и положения приемных полостей 704 во множестве 706 могут зависеть от заданного протокола, выполняемого с помощью устройства 700 для разделения фаз. Устройство 700 для разделения фаз включает рабочую или активную сторону 708, которая обращена к пользователю устройства 700 для разделения фаз или доступна пользователю устройства 700 для разделения фаз. Приемные полости 704 имеют соответствующие края 709 полостей, которые ограничивают отверстия 710 для доступа в приемные полости 704. Доступ к приемным полостям 704 имеется только с рабочей стороны 708. В представленном примере осуществления опорная рамка 702 по существу представляет собой двухмерную конструкцию. Например, опорная рамка 702 может иметь форму панели или доски. В других примерах осуществления опорная рамка 702 может представлять собой трехмерную структуру. Например, опорная рамка 702 может иметь ступенчатую форму, и одна или более групп приемных полостей 704 могут располагаться на разных высотах.
Рабочая сторона 708 имеет поверхность 724 стороны, которая имеет по существу плоскую форму, если не учитывать наличия приемных полостей 704. В других примерах осуществления поверхность 724 стороны может быть неплоской. Например, опорная рамка 702 может включать множество мостиков или соединительных элементов, располагающихся между приемными полостями 704 и соединяющих их между собой. Устройство 700 для разделения фаз имеет края 731-734 корпуса, которые определяют профиль устройства 700 для разделения фаз. Как показано, профиль имеет по существу прямоугольную форму, но в других примерах осуществления профиль может иметь другие формы.
На Фиг. 28 представлен вид в разрезе устройства 700 для разделения фаз вдоль линии 28-28, обозначенной на Фиг. 27. В некоторых примерах осуществления рабочая сторона 708 или поверхность 724 стороны может совпадать с базовой плоскостью 746. Аналогично устройствам 200, 500 для разделения фаз, устройство 700 для разделения фаз также может включать фильтрующие элементы 726. Каждый из фильтрующих элементов 726 может включать пористую мембрану 728, имеющую фильтрующую поверхность 730, которая ограничивает соответствующую приемную полость 704. Пористая мембрана 728 может быть аналогична или идентична пористой мембране 228 или 528 и, как указано выше, может иметь аналогичные или идентичные характеристики мембраны (например, размер пор, пористость и т.д.). Фильтрующие элементы 726 могут иметь фиксированные положения относительно друг друга. В одном из возможных примеров осуществления устройство 700 для разделения фаз включает монолитный корпус пористой мембраны 728. Конструкция монолитного корпуса пористой мембраны 728 может иметь форму, ограничивающую фильтрующие элементы 726 и опорную рамку 702 устройства 700 для разделения фаз. Однако в других примерах осуществления устройство 700 для разделения фаз может включать отдельные компоненты, собранные вместе. Например, опорная рамка может включать соединительные элементы (например, полимерные или металлические), которые расположены между отдельными фильтрующими элементами 726 и соединяют отдельные фильтрующие элементы 726, каждый из которых включает пористую мембрану 728.
Устройство 700 для разделения фаз включает монтажную сторону 736, которая обычно противоположна рабочей стороне 708. Фильтрующие элементы 726 расположены вдоль монтажной стороны 736. Каждый из фильтрующих элементов 726 имеет наружную поверхность 738. Фильтрующие элементы 726 могут образовывать соответствующие абсорбирующие области 740, обычно ограниченные наружной поверхностью 738 и фильтрующей поверхностью 730 соответствующего фильтрующего элемента 726. Абсорбирующая область 740 расположена вблизи приемной полости 704 и может представлять собой пространство пористой мембраны 728, которое поглощает жидкость из приемной полости 704. Абсорбирующая область 740 обычно может находиться ниже соответствующей приемной полости 704 или отверстия для доступа 710. Толщина соответствующего фильтрующего элемента 726 (или абсорбирующей области 740) ограничена наружной поверхностью 738 и фильтрующей поверхностью 730 и может быть выбрана таким образом, чтобы абсорбирующая область 740 имела заданный объем. В некоторых примерах осуществления объем абсорбирующей области 740 меньше объема приемной полости 704. Однако в других примерах осуществления объем абсорбирующей области 740 больше или равен объему приемной полости 704.
В некоторых примерах осуществления фильтрующие элементы 726 имеют определенные формы и расположение относительно друг друга, которое позволяет вставлять фильтрующие элементы 726 в соответствующие углубления многолуночного планшета (не показаны). В таких примерах осуществления многолуночный планшет может служить опорой устройству 700 для разделения фаз и удерживать устройство 700 для разделения фаз по существу в неподвижном положении. Как рассмотрено ниже, лунки (не показаны) многолуночного планшета также могут обеспечивать пространство для приема любой жидкости, которая протекает только через фильтрующие элементы 726.
На Фиг. 29 представлен вид сверху устройства 700 для разделения фаз. На Фиг. 30 представлен вид сбоку сборного модуля 750, который включает устройство 700 для разделения фаз. Сборный модуль 750 также может быть назван сборным модулем для проведения разделения фаз. Сборный модуль 750 также включает составную опорную конструкцию 752, предназначенную для поддержки устройства 700 для разделения фаз. В показанном примере осуществления опорная конструкция 752 включает крышку 754 и основание 756, которые соединены друг с другом с возможностью поворота. Крышка 754 предназначена для расположения ее вдоль рабочей стороны 708, и основание 756 предназначено для его расположения вдоль монтажной стороны 736 или по меньшей мере части монтажной стороны 736. Опорная конструкция 752 может быть предназначена для улучшения структурной целостности (например, повышения прочности) устройства 700 для разделения фаз, что позволяет снизить вероятность поломки устройства 700 для разделения фаз во время перемещения (например, перевозки), хранения и/или использования. В показанном примере осуществления крышка и основание 756 соединены с возможностью поворота шарнирным соединением 757. Если опорная конструкция 752 находится в закрытом положении (как показано на Фиг. 30), крышка 754 и основание 756 могут образовывать посадку с натягом (например, замковое соединение), чтобы не произошло случайного разъединения крышки 754 и основания 756.
В некоторых примерах осуществления опорная конструкция 752 предназначена для поддержки устройства 750 для разделения фаз во время перемещения или перевозки, но позволяют извлекать устройство 750 для разделения фаз перед использованием. Например, крышка 754 и/или основание 756 могут быть разделяемыми. Однако в других примерах осуществления опорная конструкция 752 также может использоваться в процессе применения устройства 750 для разделения фаз. Например, крышка 754 может включать необязательные каналы или отверстия 756 (показанные штриховыми линиями), которые расположены в одну линию с приемными полостями 704. Основание 756 необязательно может включать отверстия 758, через которые могут выступать нижние части фильтрующих элементов 726. В таких примерах осуществления фильтрующие элементы 726 могут быть расположены в лунках многолуночного планшета, и при этом основание 756 располагается между многолуночным планшетом и устройством 700 для разделения фаз. В других примерах осуществления в основание 756, внутрь общей полости, которая ограничена основанием 756, могут быть введены и установлены фильтрующие элементы 726. В таких примерах осуществления перед использованием устройства 700 для разделения фаз может быть необходимо удаление основания 756. В альтернативном варианте устройством 700 для разделения фаз можно пользоваться, оставив фильтрующие элементы 726 в общей полости. В полость может поступать вторая жидкость, если вторая жидкость вытекает на внешнюю поверхность фильтрующих элементов 726.
На Фиг. 31 схематично представлена система 800. Система 800 предназначена для введения биологического (или химического) интересующего вещества в несмешиваемые жидкости и отделения несмешиваемых жидкостей, в результате которого интересующее вещество может быть использовано в определенном анализе или другом способе. В конкретных примерах осуществления система 800 предназначена для автоматического получения библиотеки для определения последовательности способом SBS. Однако в других примерах осуществления система 800 может быть применена для получения биологического или химического вещества для других целей.
Система 800 включает первое устройство 802, жидкодинамическую систему 804 и второе устройство 806. Жидкодинамическая система 804 соединяет соединением для текучей среды первое устройство 802 и второе устройство 806. В показанном примере осуществления первое и второе устройства 802, 806 представляют собой DF устройство 802 и устройство 806 для разделения фаз, соответственно. DF устройство 802 предназначено для приготовления (получения) интересующего вещества. Например, может быть осуществлено управление каплями одной или более жидкостей посредством, например, проведения операций электрохимического смачивания, выполняемых DF устройством 802. DF устройство 802 включает отверстие 808, из которого может быть извлечена смесь жидкостей 810. Смесь 810 жидкостей включает первую жидкость 812 и вторую жидкость 814. Как указано выше, первая и вторая жидкости 812, 814 представляют собой несмешиваемые жидкости. В показанном примере осуществления первая жидкость 812 представляет собой водный раствор (например, полярная жидкость), и вторая жидкость 814 представляет собой жидкость-наполнитель (например, неполярная жидкость). Необязательно, смесь 810 жидкостей может включать дополнительные жидкости, которые могут быть несмешиваемыми или смешиваемыми с первой жидкостью 812 и/или второй жидкостью 814.
Жидкодинамическая система 804 сконструирована для автоматического извлечения смеси 810 жидкостей из отверстия 808 и помещения смеси 810 жидкостей в приемную полость 816 устройства 806 для разделения фаз. Извлечение и размещение смеси жидкостей 810 может быть проведено в соответствии с заранее заданной инструкцией или последовательностью операций. Например, извлечение смеси 810 жидкостей может не производиться до тех пор, пока DF устройством 802 не будет получено заданное количество первой жидкости 812. Устройство 806 для разделения фаз может быть аналогично или идентично устройствам для разделения фаз, рассмотренным в настоящем описании.
Жидкодинамическая система 804 включает один или более клапанов и один или более насосов. Регулирование клапана (клапанов) и насоса (насосов) может быть автоматизированным, то есть в жидкодинамической системе 804 транспортировка смеси 810 жидкостей в приемную полость 816 осуществляется в соответствии с заданной программой, а не пользователем с помощью пипеточного дозатора. Несмотря на то, что это не показано, система 800 может включать системный контроллер (например, процессор или процессоры), который управляет работой устройства DF 802, клапана (клапанов) и насоса (насосов). Системный контроллер также может управлять работой аналитической системы.
В представленном примере осуществления жидкодинамическая система 804 включает линию 820 для текучей среды, регулирующий клапан 822 и насос 824. Как показано, линия 820 для текучей среды представляет собой единственный трубопровод, который соединяет соединением для текучей среды отверстие 806 и регулирующий клапан 822. Однако следует понимать, что линия 820 для текучей среды может включать множество взаимосвязанных трубопроводов (например, трубок, проточных каналов устройств MEMS, другие клапаны и подобные устройства). Конструкция регулирующего клапана 822 может позволять переводить его из одних состояний или положений в другие. В одном или всех различных состояниях регулирующий клапан 822 может быть соединен соединением для текучей среды с насосом 824. Например, в первом состоянии регулирующий клапан 822 соединяет соединением для текучей среды насос 824 и линию 820 для текучей среды так, что насос 824 может отбирать смесь 810 жидкостей из DF устройства 802 и направлять в накопительную линию 826 (линию для хранения), имеющуюся в жидкодинамической системе 804. Накопительная линия 826 расположена между регулирующим клапаном 822 и насосом 824 и может соединять соединением для текучей среды насос 824 и регулирующий клапан 822. Насос 824 предназначен для создания отрицательного давления (вакуума) для всасывания (или перемещения) заданного объема в накопительную линию 826.
Накопительная линия 826 сконструирована так, что может содержать заданный объем смеси 810 жидкостей. После всасывания заданного объема смеси 810 жидкостей в накопительную линию 826, регулирующий клапан 822 может быть переведен из первого состояния во второе состояние. Например, регулирующий клапан 822 может быть повернут таким образом, что отверстие 838 клапана перемещается из состояния соединения соединением для текучей среды с линией 820 для текучей среды в состояние соединения соединением для текучей среды с питающей линией 830 жидкодинамической системы 804. Питающая линия 830 включает носик 844, расположенный внутри или вблизи приемной полости 816. Во втором состоянии регулирующий клапан 822 соединяет соединением для текучей среды накопительную линию 826 и питающую линию 830. Носик 844 имеет выпускное отверстие 832, расположение которого позволяет подавать смесь 810 жидкостей в приемную полость 816. В частности, если регулирующий клапан 822 находится во втором состоянии, то насос 824 может создавать положительное (избыточное) давление, которое заставляет смесь 810 жидкостей протекать через выпускное отверстие 832 в приемную полость 816. После подачи смеси 810 жидкостей в приемную полость 816, в устройстве 802 для разделения фаз может быть проведено разделение первой и второй жидкостей 812, 814. Например, вторая жидкость 814 может проникать внутрь пористой мембраны устройства 802 для разделения фаз, а первая жидкость 812 - оставаться в приемной полости 816, как указано выше.
Система 800 может необязательно включать отводящую линию 840, которая предназначена для отвода первой жидкости 812 из приемной полости 814, спустя определенный период времени или после удовлетворения определенных условий (например, достижения заданного объема первой жидкости 812). Например, носик 842 отводящей линии 840 может быть соединен соединением для текучей среды с насосом (не показан), создающим разрежение, который отсасывает первую жидкость 812 в отводящую линию 840. Первая жидкость 812 может быть направлена через сеть для текучей среды, позволяющую перемещать первую жидкость 812 в определенное место, такое как участок аналитической системы. В одном из возможных примеров осуществления система для исследования представляет собой систему SBS.
В некоторых примерах осуществления система 800 предназначена для многократной доставки объемов смеси 810 жидкостей в приемную полость 804 до извлечения первой жидкости 812 из приемной полости 804. В таких примерах осуществления несколько жидкостей может быть собрано в приемной полости 804. Эти жидкости могут, например, с трудом проникать внутрь пористой мембраны. Жидкости, не проникающие в пористую мембрану, могут быть смешиваемыми или несмешиваемыми друг с другом. Находящиеся в приемной полости 804 жидкости затем могут быть удалены через линию 840 для текучей среды.
На Фиг. 32 представлено изображение в разобранном виде сборного картриджа 900 согласно одному из примеров осуществления, который включает устройство 700 для разделения фаз. На Фиг. 33 представлено перспективное изображение полностью собранного сборного картриджа 900. Сборный картридж 900 также может быть назван сборным модулем для разделения фаз. Сборный картридж 900 включает составную опорную конструкцию или компоновочный модуль 902, предназначенный для опоры устройства 700 для разделения фаз. Опорная конструкция 902 может повышать структурную целостность (например, прочность) устройства 700 для разделения фаз, что позволяет снизить вероятность поломки устройства 700 для разделения фаз во время перемещения (например, перевозки), хранения и/или использования. В показанном примере осуществления опорная конструкция 902 включает крышку 904 и основание 906. В собранном состоянии крышка 904 расположена вдоль рабочей стороны 708, и основание 906 расположено вдоль монтажной стороны 736 (Фиг. 32). Крышка 904 и/или основание 906 могут включать жесткий материал, такой как полимер и/или металл.
В представленном примере осуществления конструкции крышки 904 и основания 906 позволяют соединять их друг с другом и фиксировать между ними устройство 700 для разделения фаз. Крышка 904, устройство 700 для разделения фаз и основание 906 могут составлять конструкцию типа "сэндвич". Основание 906 включает стенку 910 основания, которая ограничивает крепежную полость 912 основания 906, которая предназначена для введения в нее устройства 700 для разделения фаз и крышки 904. Основание 906 также может включать буртик (выступ) 911 основания (Фиг. 32), расположенный в крепежной полости 912. Конструкция устройства 700 для разделения фаз позволяет устанавливать его с опорой на буртик 911 основания так, что во время работы устройства фильтрующие элементы 726 (Фиг. 32) оказываются подвешенными в крепежной полости 912. В альтернативном варианте фильтрующие элементы 726 могут находиться в зацеплении с внутренней нижней поверхностью основания 906, которая ограничивает крепежную полость 912.
Стенка 910 основания может окружать устройство 700 для разделения фаз и крышку 904 по периметру. Конструкции основания 906 и крышки 904 позволяют соединять их за счет сил трения (например, с образованием посадки с натягом или замкового соединения) и могут включать взаимодополняющие элементы для присоединения друг к другу. В показанном примере осуществления, представленном на Фиг. 32, крышка 904 включает выступы или ножки 914, и основание 906 включает щели 916, размеры и форма которых позволяют вводить в них выступы 914. После расположения устройства 700 для разделения фаз в крепежной полости 912, крышка 904 может быть установлена на основание 906 так, что устройство 700 для разделения фаз находится между крышкой и основанием. После установки крышки 904 выступы 914 могут быть введены в контакт со стенкой 910 основания и отогнуты вовнутрь. После введения выступов 914 в щели 916, выступы 914 могут отгибаться наружу. Как показано, выступы 914 могут включать зажимные элементы 918, которые захватывают основание 904. Зажимные элементы 918 могут предотвращать случайное отделение крышки 904 от устройства 700 для разделения фаз во время работы или транспортировки.
Как показано на Фиг. 32, крышка 904 включает каналы или отверстия 930, которые расположены в одну линию с приемными полостями 704. Крепежная полость 912 может включать каналы 922, 924 полости, разделенные разделительной стенкой 923, которые образуют части крепежной полости 912. Размеры и форма каждого из каналов 922, 924 полости могут подходить для введения соответствующего ряда или колонки фильтрующих элементов 726. В некоторых примерах осуществления жидкость, проникающая внутрь пористой мембраны устройства 700 для разделения фаз, может вытекать из фильтрующих элементов 726 и собираться в крепежной полости 912.
В некоторых примерах осуществления сборный картридж 900 представляет собой одноразовое изделие, которое выбрасывают после однократного использования. В других примерах осуществления основание 906 и крышка 904 составной опорной конструкции 902 могут быть разделяемыми, и опорная конструкция 902 может быть повторно использована с другими устройствами 700 для разделения фаз.
На Фиг. 34 и 35 схематично представлены соответствующие системы, в которых капли эмульсии собираются в общей приемной полости устройства для разделения фаз. На Фиг. 34 представлена система 950, которая включает первую и вторую жидкодинамические системы 952, 954 и устройство 956 для разделения фаз, которое расположено таким образом, что в него из жидкодинамических систем 952, 954, соответственно, могут быть поданы первая и вторая смеси жидкостей. Жидкодинамические системы 952, 954 могут быть аналогичны или идентичны жидкодинамической системе 804 (Фиг. 31).
Каждая из жидкодинамических систем 952, 954 включает соответствующее выпускное отверстие 958. Устройство 956 для разделения фаз расположено таким образом, что в приемную полость 960 устройства 956 для разделения фаз поступают соответствующие смеси жидкостей. Смеси жидкостей могут включать капли водной жидкости или капли эмульсии. Смеси жидкостей могут разделяться; при этом первые жидкости (например, водные жидкости) собираются в приемной полости 960, образуя скопление 962 жидкости. Вторые жидкости смеси жидкостей могут представлять собой те же или другие жидкости, и они могут втекать в устройство 956 для разделения фаз. Несмотря на то, что это не показано, система 950 необязательно может включать отводящую линию, сконструированную для автоматического удаления скопления 962 жидкости. В некоторых примерах осуществления устройство 956 для разделения фаз может быть соединено с перемешивающим устройством (например, встряхивателем, вибратором и т.д.), которое может встряхивать устройство 956 для разделения фаз, способствуя разбиению капель водной жидкости и/или слиянию капель водной жидкости друг с другом. В некоторых примерах осуществления на скопление 962 жидкости может быть оказано определенное воздействие (например, тепловой энергией или другими реактивами), инициирующее протекание в приемной полости 958 определенных реакций. Несмотря на то, что на Фиг. 34 показана только одна приемная полость 960, следует понимать, что с помощью жидкодинамических систем 952, 954 капли жидкостных смесей могут быть доставлены во множество приемных полостей.
На Фиг. 35 схематично представлена система 970, сконструированная согласно одному из примеров осуществления. Система 970 может быть аналогична системам, в которых проводят цифровую ПЦР, или другим системам, в которых получают капли эмульсии с помощью микрожидкодинамических устройств и, необязательно, объединяют капли эмульсии для проведения заданных реакций. Такие примеры осуществления могут включать сеть каналов для течения, в которых неполярная жидкость течет по одному или более каналам, а водный раствор (или растворы) течет по одному или более другим каналам. Каналы пересекаются друг с другом, что приводит к образованию капель эмульсии. Такая методика и соответствующие системы более подробно рассмотрены в патентных публикациях US 2009/0239308 А1, US 2009/0131543 А1, US 2010/0173394 А1, US 2010/0137163 A1, US 2013/0099018 A1, US 2013/0323732 A1, US 2014/0272996 A1, US 2014/0216579 A1 и US 2014/0256595 A1, содержание каждой из которых полностью включено в настоящее описание посредством ссылки.
Например, система 970 включает сеть 980 для текучей среды, имеющую множество проточных каналов, которые включают первую группу 972 каналов и вторую группу 974 каналов. Первая группа 972 каналов включает множество взаимопересекающихся каналов, сконструированных для создания капель 973 эмульсии. Капли 973 эмульсии могут включать, например, смесь реактивов для проведения ПЦР. Вторая группа 974 каналов включает множество взаимопересекающихся каналов, сконструированных для создания капель 975 эмульсии. Капли 975 эмульсии могут включать, например, геномную ДНК. ДНК может быть диспергирована в водном растворе 978 таким образом, что каждая капля 975 эмульсии в среднем включает единственный фрагмент нуклеиновой кислоты. Однако следует понимать, что капли 973, 975 эмульсий могут включать реактивы (например, реагенты, ферменты) и/или образцы других типов.
Как показано, течение жидкостей через сеть 980 для текучей среды сформировано таким образом, что капли 973 эмульсии обычно сливаются только с одной из капель 975 эмульсии с образованием объединенной капли 982. По мере течения объединенных капель 982 через систему 970, на объединенные капли может быть оказано определенное воздействие и/или объединенные капли могут сливаться с каплями, содержащими другие реактивы. Расположенный в конце сети 980 для текучей среды сливной канал 984 может направлять объединенные капли 982 в приемную полость 986 устройства 988 для разделения фаз. В некоторых примерах осуществления единственная объединенная капля 982 может быть направлена в приемную полость 986. В других примерах осуществления множество объединенных капель 982 может собираться в приемной полости 986. Необязательно, вторая отводящая линия (не показана) другой сети для текучей среды может направлять объединенные капли в приемную полость 984 так же, как описано выше при рассмотрении Фиг. 34. В приемной полости 986 необязательно может быть расположена отводящая линия (не показана), предназначенная для направления течения собранной жидкости в другой этап протокола исследования.
Следует понимать, что конкретные приведенные в настоящем описании примеры осуществления, включающие примеры осуществления, показанные на Фиг. 16-26, приведены для иллюстрации и не ограничивают объем изобретения. Например, один или более размеров, указанных на Фиг. 16-26, могут быть увеличены или уменьшены, в то время как один или более размеров имеют приведенное значение. Например, размеры могут быть увеличены или уменьшены пропорционально друг другу так, чтобы соблюдалось исходное отношение размеров. Величины углов могут быть увеличены или уменьшены. Соответственно, для адаптации примеров осуществления к определенным вариантам применения, они могут быть модифицированы.
Согласно одному из примеров осуществления, предложен способ. Способ включает обеспечение наличия устройства для разделения фаз, включающего пористую мембрану, которая имеет фильтрующую поверхность. Фильтрующая поверхность имеет неплоскую конфигурацию, которая образует приемную полость. Способ также включает помещение смеси жидкостей в приемную полость пористой мембраны. Смесь жидкостей включает полярную жидкость и неполярную жидкость, несмешиваемые друг с другом. Фильтрующая поверхность, расположенная вдоль приемной полости, выполнена так, что она препятствует течению полярной жидкости через фильтрующую поверхность и не препятствует течению неполярной жидкости внутрь пористой мембраны. Способ также включает обеспечение возможности течения неполярной жидкости внутрь пористой мембраны. Полярная жидкость образует каплю в приемной полости, в то время как неполярная жидкость протекает внутрь пористой мембраны.
Согласно одному из аспектов, полярная жидкость может иметь большую плотность, чем неполярная жидкость.
Согласно другому аспекту, фильтрующая поверхность может быть гидрофобной.
Согласно другому аспекту, пористая мембрана может быть гидрофобной.
Согласно другому аспекту, фильтрующая поверхность может контактировать со смесью жидкостей на различных глубинах приемной полости.
Согласно другому аспекту, приемная полость может иметь вогнутую форму.
Согласно другому аспекту, приемная полость может иметь коническую форму.
Согласно другому аспекту, по меньшей мере часть фильтрующей поверхности может иметь радиус кривизны.
Согласно другому аспекту, большая часть фильтрующей поверхности может иметь наклон, который линейно возрастает по мере увеличения глубины приемной полости.
Согласно другому аспекту, приемная полость может иметь дно, расположенное на максимальной глубине приемной полости. Дно может быть расположено в центре приемной полости.
Согласно другому аспекту, приемная полость может иметь дно, расположенное на максимальной глубине приемной полости. Фильтрующая поверхность может иметь наклонный участок, поднимающийся от дна до отверстия для доступа в приемную полость.
Согласно другому аспекту, приемная полость может иметь дно, расположенное на максимальной глубине приемной полости. Фильтрующая поверхность может образовывать фигуру вращения, симметричную относительно оси полости, проходящей через дно.
Согласно другому аспекту, приемная полость может иметь отверстие для доступа, ограниченное краем полости. Приемная полость может иметь максимальную глубину, которая меньше максимального диаметра отверстия для доступа. Необязательно, аспектное отношение максимального диаметра к максимальной глубине может составлять 1,5:1 или более. Необязательно, аспектное отношение максимального диаметра к максимальной глубине может составлять 2:1 или более.
Согласно другому аспекту, приемная полость может иметь отверстие для доступа, ограниченное краем полости. Приемная полость может иметь максимальную глубину, которая превышает максимальный диаметр отверстия для доступа. Необязательно, аспектное отношение максимального диаметра к максимальной глубине может составлять 1:2 или менее. Необязательно, аспектное отношение максимального диаметра к максимальной глубине может составлять 1:3 или менее.
Согласно другому аспекту, капля может образовывать краевой угол с фильтрующей поверхностью. Краевой угол может быть больше или равен 60°. Необязательно, краевой угол может быть больше или равен 65°. Необязательно, краевой угол может быть больше или равен 70°. Необязательно, краевой угол может быть больше или равен 75°. Необязательно, краевой угол может быть больше или равен 80°. Необязательно, краевой угол может быть больше или равен 85°.
Согласно другому аспекту, капля может иметь наружную поверхность, имеющую выпуклый контур.
Согласно другому аспекту, пористая мембрана может включать абсорбирующую область, расположенную вблизи приемной полости. Абсорбирующая область имеет объем, величина которого превышает объем приемной полости.
Согласно другому аспекту, пористая мембрана может быть заключена между фильтрующей поверхностью и наружной поверхностью. Наружная поверхность может пропускать поток неполярной жидкости из пористой мембраны.
Согласно другому аспекту, пористая мембрана может включать политетрафторэтилен (ПТФЭ). Необязательно, пористая мембрана может по существу состоять из политетрафторэтилена (ПТФЭ). Необязательно, пористая мембрана может состоять из политетрафторэтилена (ПТФЭ).
Согласно другому аспекту, размер пор пористой мембраны может составлять от 10 мкм до 50 мкм.
Согласно другому аспекту, размер пор пористой мембраны может составлять от 20 мкм до 40 мкм.
Согласно другому аспекту, пористость пористой мембраны может составлять от 40% до 70%.
Согласно другому аспекту, пористость пористой мембраны может составлять от 50% до 65%.
Согласно другому аспекту, по меньшей мере 75% неполярной жидкости может удаляться из приемной полости в течение 30 секунд.
Согласно другому аспекту, по меньшей мере 85% неполярной жидкости может удаляться из приемной полости в течение 30 секунд.
Согласно другому аспекту, по меньшей мере 95% неполярной жидкости может удаляться из приемной полости в течение 30 секунд.
Согласно другому аспекту, по меньшей мере 98% неполярной жидкости может удаляться из приемной полости в течение 30 секунд.
Согласно другому аспекту, по меньшей мере 85% неполярной жидкости может удаляться из приемной полости в течение 20 секунд.
Согласно другому аспекту, по меньшей мере 85% неполярной жидкости может удаляться из приемной полости в течение 10 секунд.
Согласно другому аспекту, по меньшей мере 85% неполярной жидкости может удаляться из приемной полости в течение 5 секунд.
Согласно другому аспекту, помещение смеси жидкостей в приемную полость включает помещение измеренного объема.
Согласно другому аспекту, при помещении смеси жидкостей в приемную полость, как полярная жидкость, так и неполярная жидкость может иметь соответствующий объем. Соответствующий объем неполярной жидкости может превышать соответствующий объем полярной жидкости.
Согласно другому аспекту, отношение соответствующего объема неполярной жидкости к соответствующему объему полярной жидкости может составлять по меньшей мере 2:1.
Согласно другому аспекту, отношение соответствующего объема неполярной жидкости к соответствующему объему полярной жидкости может составлять по меньшей мере 5:1.
Согласно другому аспекту, отношение соответствующего объема неполярной жидкости к соответствующему объему полярной жидкости может составлять по меньшей мере 10:1.
Согласно другому аспекту, капля может быть расположена по центру приемной полости.
Согласно другому аспекту, способ дополнительно включает удаление капли из приемной полости. Необязательно, не более 25% объема удаленной капли представляет собой неполярную жидкость. Необязательно, не более 10% объема удаленной капли представляет собой неполярную жидкость. Необязательно, не более 5% объема удаленной капли представляет собой неполярную жидкость.
Согласно другому аспекту, обеспечение возможности течения неполярной жидкости внутрь пористой мембраны не включает перемещение устройства для разделения фаз с целью усиления течения неполярной жидкости внутрь пористой мембраны.
Согласно другому аспекту, обеспечение возможности течения неполярной жидкости внутрь пористой мембраны не включает встряхивание устройства для разделения фаз или создания центростремительной силы для осуществления течения неполярной жидкости внутрь пористой мембраны.
Согласно другому аспекту, обеспечение возможности течения неполярной жидкости внутрь пористой мембраны включает перемещение устройства для разделения фаз с целью усиления течения неполярной жидкости внутрь пористой мембраны.
Согласно другому аспекту, обеспечение возможности течения неполярной жидкости внутрь пористой мембраны включает по меньшей мере одно из следующих воздействий: встряхивание устройства для разделения фаз или создание центростремительной силы для осуществления течения неполярной жидкости внутрь пористой мембраны.
Согласно другому аспекту, устройство для разделения фаз включает множество приемных полостей, и этап помещения смеси жидкостей может включать помещение смеси жидкостей в каждую из приемных полостей.
Согласно другому аспекту, приемные полости могут включать первую приемную полость и вторую приемную полость. Полярная жидкость смеси жидкостей, находящейся в первой приемной полости, может отличаться от полярной жидкости смеси жидкостей, находящейся во второй приемной полости. В альтернативном варианте полярные жидкости могут иметь одинаковый или по существу одинаковый состав.
Согласно другому аспекту, фильтрующая поверхность пористой мембраны может образовывать каждую из приемных полостей.
Согласно другому аспекту, устройство для разделения фаз имеет высоту, величина которой превышает ширину или длину устройства для разделения фаз.
Согласно другому аспекту, устройство для разделения фаз включает трубку, и размеры и форма пористой мембраны подходят для ее размещения в трубке.
Согласно другому аспекту, способ также может включать удаление смеси жидкостей из цифрового жидкодинамического (англ. Digital fluidics, сокращенно DF) устройства перед подачей в него смеси жидкостей.
Согласно другому аспекту, способ также может включать получение биологического образца с помощью устройства DF. Биологический образец может находиться в полярной жидкости, имеющейся в смеси жидкостей. Необязательно, биологический образец может включать библиотеку фрагментированных нуклеиновых кислот.
Согласно другому аспекту, способ также может включать удаление капли из приемной полости и использование капли для проведения заданных биохимических реакций.
Согласно другому аспекту, обеспечение наличия устройства для разделения фаз включает ориентацию устройства для разделения фаз таким образом, чтобы сила тяжести удерживала смесь жидкостей в приемной полости.
Согласно одному из примеров осуществления, предложено устройство для разделения фаз, которое включает пористую мембрану, имеющую фильтрующую поверхность. Фильтрующая поверхность может иметь неплоскую конфигурацию, которая образует приемную полость. Фильтрующая поверхность предназначена для препятствования течению полярной жидкости внутрь пористой мембраны и пропускания неполярной жидкости внутрь пористой мембраны.
Согласно одному из аспектов, фильтрующая поверхность может быть гидрофобной.
Согласно другому аспекту, пористая мембрана может быть гидрофобной.
Согласно другому аспекту, фильтрующая поверхность может быть выполнена так, что фильтрующая поверхность контактирует со смесью жидкостей на различных глубинах.
Согласно другому аспекту, приемная полость может иметь вогнутую форму.
Согласно другому аспекту, приемная полость может иметь коническую форму.
Согласно другому аспекту, по меньшей мере часть фильтрующей поверхности может иметь радиус кривизны.
Согласно другому аспекту, большая часть фильтрующей поверхности может иметь наклон, который линейно увеличивается по мере увеличения глубины.
Согласно другому аспекту, приемная полость может иметь дно, расположенное на максимальной глубине приемной полости. Дно может быть расположено в центре приемной полости.
Согласно другому аспекту, приемная полость может иметь дно, расположенное на максимальной глубине приемной полости. Фильтрующая поверхность может иметь наклонный участок, поднимающийся от дна до отверстия для доступа в приемную полость.
Согласно другому аспекту, приемная полость может иметь отверстие для доступа, ограниченное краем полости. Приемная полость может иметь максимальную глубину, величина которой меньше максимального диаметра отверстия для доступа.
Согласно другому аспекту, аспектное отношение максимального диаметра к максимальной глубине составляет 1,5:1 или более. Необязательно, аспектное отношение максимального диаметра к максимальной глубине составляет 2:1 или более.
Согласно другому аспекту, приемная полость может иметь отверстие для доступа, ограниченное краем полости. Приемная полость может иметь максимальную глубину, величина которой превышает максимальный диаметр отверстия для доступа. Необязательно, аспектное отношение максимального диаметра к максимальной глубине составляет 1:2 или менее. Необязательно, аспектное отношение максимального диаметра к максимальной глубине составляет 1:3 или менее.
Согласно другому аспекту, пористая мембрана может включать абсорбирующую область, расположенную вблизи приемной полости. Абсорбирующая область имеет объем, величина которого превышает объем приемной полости.
Согласно другому аспекту, пористая мембрана может быть заключена между фильтрующей поверхностью и наружной поверхностью. Наружная поверхность может быть предназначена для пропускания потока неполярной жидкости из пористой мембраны.
Согласно другому аспекту, пористая мембрана может включать политетрафторэтилен (ПТФЭ). Необязательно, пористая мембрана может по существу состоять из политетрафторэтилена (ПТФЭ). Необязательно, пористая мембрана может состоять из политетрафторэтилена (ПТФЭ).
Согласно другому аспекту, размер пор пористой мембраны может составлять от 10 мкм до 50 мкм.
Согласно другому аспекту, размер пор пористой мембраны может составлять от 20 мкм до 40 мкм.
Согласно другому аспекту, пористость пористой мембраны может составлять от 40% до 70%.
Согласно другому аспекту, пористость пористой мембраны может составлять от 50% до 65%.
Согласно другому аспекту, устройство для разделения фаз включает множество приемных полостей.
Согласно другому аспекту, фильтрующая поверхность пористой мембраны может образовывать каждую из приемных полостей.
Согласно другому аспекту, устройство для разделения фаз может иметь высоту, величина которой превышает ширину или длину устройства для разделения фаз.
Согласно другому аспекту, устройство для разделения фаз может включать трубку, и размеры и форма пористой мембраны могут быть подходящими для размещения ее в трубке.
Согласно одному из примеров осуществления, предложен способ, который включает обеспечение наличия устройства для разделения фаз, включающего пористую мембрану, имеющую фильтрующую поверхность. Фильтрующая поверхность имеет неплоскую конфигурацию, которая образует приемную полость. Способ также включает помещение смеси жидкостей в приемную полость пористой мембраны. Смесь жидкостей включает первую жидкость и вторую жидкость, несмешиваемые друг с другом. Фильтрующая поверхность, расположенная вдоль приемной полости, выполнена так, что она препятствует течению первой жидкости через фильтрующую поверхность и не препятствует течению второй жидкости внутрь пористой мембраны. Способ также включает обеспечение возможности течения второй жидкости внутрь пористой мембраны. Первая жидкость образует каплю внутри приемной полости, в то время как вторая жидкость протекает внутрь пористой мембраны.
Согласно одному из аспектов, первая жидкость может представлять собой полярную жидкость, а вторая жидкость может представлять собой неполярную жидкость. Необязательно, гидрофобным является по меньшей мере один из следующих элементов: фильтрующая поверхность, пористая мембрана.
Согласно другому аспекту, первая жидкость может представлять собой неполярную жидкость, и вторая жидкость может представлять собой полярную жидкость. Необязательно, гидрофильным является по меньшей мере один из следующих элементов: фильтрующая поверхность, пористая мембрана.
Согласно одному из примеров осуществления, предложена система для исследования, которая включает систему подготовки образца, предназначенную для получения смеси жидкостей, которая включает полярную жидкость и неполярную жидкость, несмешиваемые друг с другом. Система для исследования также может включать устройство для разделения фаз, включающее пористую мембрану, имеющую фильтрующую поверхность. Фильтрующая поверхность имеет неплоскую конфигурацию, которая образует приемную полость, предназначенную для подачи в нее смеси жидкостей. Фильтрующая поверхность, расположенная вдоль приемной полости, выполнена так, что она препятствует течению полярной жидкости через фильтрующую поверхность и не препятствует течению неполярной жидкости внутрь пористой мембраны, в результате чего полярная жидкость образует каплю в приемной полости, в то время как неполярная жидкость протекает внутрь пористой мембраны.
Согласно одному из аспектов, система для исследования включает устройство, способствующее течению, которое предназначено для перемещения устройства для разделения фаз с целью усиления течения неполярной жидкости.
Согласно одному из примеров осуществления, предложена система для исследования, которая включает устройство для разделения фаз, включающее пористую мембрану, имеющую фильтрующую поверхность. Фильтрующая поверхность имеет неплоскую конфигурацию, которая образует приемную полость, предназначенную для подачи в нее смеси жидкостей. Смесь жидкостей включает полярную жидкость и неполярную жидкость, несмешиваемые друг с другом. Фильтрующая поверхность, расположенная вдоль приемной полости, выполнена так, что она препятствует течению полярной жидкости через фильтрующую поверхность и не препятствует течению неполярной жидкости внутрь пористой мембраны, в результате чего полярная жидкость образует каплю в приемной полости, в то время как неполярная жидкость протекает внутрь пористой мембраны. Система для исследования также включает аналитическую систему, предназначенную для выполнения одного или более протоколов исследования, в которых используют каплю полярной жидкости.
Согласно одному из аспектов, система для исследования включает устройство, способствующее течению, которое предназначено для перемещения устройства для разделения фаз с целью усиления течения неполярной жидкости.
Согласно одному из примеров осуществления, предложена система для исследования, которая включает систему подготовки образца, предназначенную для получения смеси жидкостей, включающей первую жидкость и вторую жидкость, несмешиваемые друг с другом. Система для исследования также включает устройство для разделения фаз, включающее пористую мембрану, имеющую фильтрующую поверхность. Фильтрующая поверхность имеет неплоскую конфигурацию, которая образует приемную полость, предназначенную для подачи в нее смеси жидкостей. Фильтрующая поверхность, расположенная вдоль приемной полости, выполнена так, что она препятствует течению первой жидкости через фильтрующую поверхность и не препятствует течению второй жидкости внутрь пористой мембраны, в результате чего первая жидкость образует каплю внутри приемной полости, в то время как вторая жидкость протекает внутрь пористой мембраны.
Согласно одному из аспектов, система для исследования также включает устройство, способствующее течению, которое предназначено для перемещения устройства для разделения фаз с целью усиления течения второй жидкости.
Согласно одному из примеров осуществления, предложена система для исследования, которая включает устройство для разделения фаз, которое включает пористую мембрану, имеющую фильтрующую поверхность. Фильтрующая поверхность имеет неплоскую конфигурацию, которая образует приемную полость, предназначенную для подачи в нее смеси жидкостей. Смесь жидкостей включает первую жидкость и вторую жидкость, несмешиваемые друг с другом. Фильтрующая поверхность, расположенная вдоль приемной полости, выполнена так, что она препятствует течению первой жидкости через фильтрующую поверхность и не препятствует течению второй жидкости внутрь пористой мембраны, в результате чего первая жидкость образует каплю внутри приемной полости, в то время как вторая жидкость протекает внутрь пористой мембраны. Система для исследования также включает аналитическую систему, предназначенную для выполнения одного или более протоколов исследования, в которых используют каплю первой жидкости.
Согласно одному из аспектов, система для исследования включает устройство, способствующее течению, которое предназначено для перемещения устройства для разделения фаз с целью усиления течения второй жидкости.
Следует понимать, что термин "элемент" или "этап", употребляемый в настоящем описании в единственном числе, не исключает использования множественного числа названных элементов или этапов, если ясно не указана необходимость такого исключения. Кроме того, упоминание "одного примера осуществления" не означает исключения дополнительных примеров осуществления, которые также включают названные признаки. Кроме того, если ясно не указано иное, примеры осуществления "включающие" или "имеющие" элемент или множество элементов, обладающих определенным свойством, могут включать дополнительные элементы, независимо от того, обладают ли они названным свойством.
Следует понимать, что приведенное выше описание является иллюстративным и неограничивающим. Например, рассмотренные выше примеры осуществления (и/или их аспекты) могут быть использованы в комбинации друг с другом. Кроме того, для соответствия определенной ситуации или материала к применению в различных примерах осуществления, в этих примерах осуществления могут быть выполнены различные модификаций, не противоречащие объему изобретения. Размеры, типы материалов, ориентации различных компонентов, а также количество и положения различных компонентов, рассмотренных в настоящем описании, описывают параметры определенных примеров осуществления и не являются ограничивающими, но представляют собой возможные примеры осуществления. После прочтения приведенного выше описания специалисты в данной области техники смогут создать множество других примеров осуществления и модификаций, не противоречащих букве и объему, определяемым пунктами формулы изобретения. Таким образом, патентуемый объем изобретения должен определяться прилагаемыми пунктами формулы изобретения, а также их эквивалентов в полном объеме.
Употребляемая в описании фраза "(возможный) пример осуществления" и подобные выражения означают, что рассмотренный пример осуществления представляет собой всего один пример. Эта фраза не ограничивает предмет изобретения конкретным примером осуществления. Другие примеры осуществления предмета изобретения могут не включать рассмотренный признак или структуру. В прилагаемых пунктах формулы изобретения термины "включающий" и "в котором" применяются как непосредственные эквиваленты соответствующих терминов "содержащий" и "где". Кроме того, в нижеследующих пунктах формулы изобретения термины "первый", "второй", "третий" и т.д. применяются лишь для обозначения и не относятся к порядковым номерам обозначаемых объектов. Кроме того, ограничения приведенных ниже пунктов формулы изобретения не представлены в формате "средство плюс функция" и не должны интерпретироваться на основании пункта 35 U.S.С. § 112(f), если и до тех пор, пока в таком пункте ясно не указано "средство для" с последующим упоминанием функции, не имеющей конструкции.