一种具有感测设备的EWOD装置的制作方法

一种具有感测设备的ewod装置
技术领域
1.本发明涉及微流体装置，和在此类装置中操纵流体液滴的方法。更具体地，本发明涉及电介质上电润湿(ewod)微流体装置，诸如例如，电介质上有源矩阵电润湿(am-ewod)微流体装置。电介质上电润湿(ewod)是用于操纵阵列上的液滴的已知技术。有源矩阵ewod(am-ewod)指例如通过使用薄膜晶体管(tft)在结合有晶体管的有源矩阵阵列中实现ewod。


背景技术：

2.微流体学是一个迅速发展的领域，涉及小规模流体的操纵和精确控制，通常处理亚微升体积。人们越来越关注其在化学或生化分析和合成中的应用，无论是在研究和生产中，还是应用于医疗保健诊断(“芯片实验室”)。在后一种情况下，此类装置的小特性允许在需要时使用比传统的基于实验室的测试小得多的临床样本量进行快速测试。
3.微流体装置具有至少一个尺寸小于1毫米(mm)的一个或多个通道(或更通常的间隙)。微流体装置中常用的流体包括全血样品、细菌细胞悬浮液、蛋白质或抗体溶液以及各种缓冲液。微流体装置可用于获得各种感兴趣的测量结果，包括分子扩散系数、流体粘度、ph值、化学结合系数和酶反应动力学。微流体装置的其他应用包括毛细管电泳、等电聚焦、免疫测定、酶测定、流式细胞术、经由质谱分析的蛋白质样品注射、pcr扩增、dna分析、细胞操作、细胞分离、细胞图案化和化学梯度形成。这些应用中的许多对于临床诊断具有实用性。
4.已知许多技术可用于处理亚毫米级的流体，其主要特征是层流和表面力优于体积力。大多数属于连续流动系统，通常采用笨重的外部管道和泵。相反，采用离散液滴的系统具有功能更灵活的优点。
5.电介质上电润湿(ewod)是一种众所周知的用于通过施加电场来操纵离散的流体液滴的技术。因此，它是用于芯片实验室技术的微流体的候选技术。有关该技术基本原理的介绍可以在“数字微流体：可能是真正的芯片实验室吗？(digital microfluidics:is a true lab-on-a-chip possible？)”(r.b.fair,《微流体动力学与纳流体动力学(microfluid nanofluid)》(2007)3:245-281)中找到。
6.图1示出了传统ewod装置的部分的横截面。装置包括下基板72，其上提供导电材料，该导电材料被图案化以实现多个阵列元件电极38(例如，图1中的38a和38b)。给定阵列元件的电极可以称为元件电极38。包括极性材料(通常也是水性的和/或离子性的)的液滴4被限制在下基板72和上基板36之间的平面内。两个基板之间的适当间隙可以实现两个基板之间的流体腔室，例如通过间隔件32来创建。非极性流体34(例如油)可用于占据流体腔室中未被液滴4占据的那部分容积。设置在下基板72上的绝缘层20将导电元件电极38a、38b与第一疏水涂层16隔开，液滴4以θ表示的接触角6位于该第一疏水涂层上。疏水涂层由疏水材料(通常但不一定是含氟聚合物)形成。
7.在上基板36上是第二疏水涂层26，液滴4可以与其接触。插在上基板36和第二疏水涂层26之间的是参比电极28。
8.液滴与绝缘层的疏水表面具有接触角6。接触角6由以下表面张力分量的平衡确定：(1)从疏水涂层16到液滴4的液体(γsl)界面，(2)从液滴4的液体到周围流体介质34(γlg)界面，以及(3)从疏水涂层16到周围流体介质34(γsg)界面。在未施加电压的情况下，接触角6满足杨氏定律(young
′
s law)，其大小θ由下式给出：
9.cosθ＝((γsg-γsl)/γlg)
ꢀꢀ
(等式1)。
10.在操作中，称为ew驱动电压的电压(例如图1中的v
t
、v0和v
00
)可以从外部施加到不同的电极(例如分别为参比电极28、元件电极38、38a和38b)。产生的电力有效地控制了疏水涂层16的疏水性。通过安排不同的ew驱动电压(例如v0和v
00
)施加到不同的元件电极(例如38a和38b)，液滴4可以在两个基板72和36之间的横向平面内移动。
11.图2是以示意性透视图描绘示例性am-ewod装置的附加细节的图，其可以结合图1中的分层结构。am-ewod装置具有下基板72，薄膜电子器件74设置在下基板72上，参比电极(未示出，但可与上面的参比电极28相当)结合到上基板36(对应于图1的上基板)中。(可替代地，电极配置可以与图2所示的相反，薄膜电子器件被结合到上基板中，参比电极被结合到下基板中。)薄膜电子器件74被布置成驱动阵列元件电极38——例如，与阵列元件电极相关联的薄膜电子器件74可以包含由ewod控制单元(未示出)控制的一个或多个薄膜晶体管(tft)。多个阵列元件电极38布置在电极或元件阵列42中，具有x
×
y阵列元件，其中x和y可以是任何整数。可以包括任何极性液体并且通常可以是水性的液滴4被封装在由隔离件32分隔的下基板72和上基板36之间，尽管应该理解可以存在多个液滴4。
12.如上文关于代表性ewod结构所述，由两个基板限定的ewod通道或间隙最初填充有非极性填充流体(例如油)。包括极性材料的液滴4(即由ewod装置操作的液滴)必须从外部流体“容器”输入到ewod通道或间隙中。外部容器可以例如是移液管，或者可以是结合到装置的塑料外壳中的结构。当输入来自液滴容器的流体时，填充液被排出，并从ewod通道中移除。
13.下面描述了ewod装置的示例配置和操作。us 6911132(pamula等人，2005年六月28日授权)公开了一种用于在两个维度上控制液滴的位置和移动的二维ewod阵列。us 6565727(shenderov，2003年五月20日授权)进一步公开了用于其他液滴操作(包括液滴的分裂和合并，以及将不同材料的液滴混合在一起)的方法。us 7163612(sterling等人，2007年一月16日授权)描述了可以如何使用基于tft的薄膜电子器件来通过使用与am显示技术中采用的电路布置非常相似的电路布置来控制对ewod阵列的电压脉冲的寻址。
14.ewod装置通过操纵油基质中的水滴，可用于生化/化学过程的小型化和自动化；ewod装置可用于分离、移动、合并和混合液滴。通常，生化/化学工作流程涉及对生物/化学样品进行一系列反应，每个步骤都涉及将一个或多个含有该步骤所需试剂的液滴与样品液滴合并。将含有试剂的液滴合并到样品液滴内的过程意味着样品液滴的体积通常随着工作流程的进行而增加，并且反应液滴的成分变成工作流程产物和任何剩余的反应物和副产物的总和。
15.ewod装置通常作为微流体系统的部分操作，该微流体系统包含控制系统，该控制系统配置为控制施加到ewod装置(或其他微流体装置)的电极阵列的启动电压，以对流体液滴执行操纵操作。例如，图3a是微流体系统1的示意框图。系统包含ewod(或其他微流体)装置2，在这一示例中是有源矩阵ewod(am-ewod)装置，以及控制器单元3。控制器单元包含电
极控制电子器件3a和运行适当软件3c的处理器3b。存储装置(未示出)可存储任何应用软件和与系统相关联的任何数据。在处理器3b的控制下，电极控制电子器件产生启动电压5，用于施加到微流体装置2的元件电极38和公共电极(未示出)，例如以实现预定的液滴操作序列。图3a示出了处理器3b与控制电子器件3a分隔开，并通过数据链路7与控制电子器件3a通信，但是处理器3b和控制电子器件3a可以可替代地彼此集成在一起。图3a示出了与ewod装置2分隔开并经由电连接器8与ewod装置通信的电极控制电子器件3a，但是控制电子器件3a和ewod装置2可以可替代地彼此集成在一起。控制电子器件可以包括配置为执行与ewod装置的控制相关的各种控制操作的合适的电路和/或处理装置，诸如cpu、微控制器或微处理器。
16.控制电子器件3a可以进一步从ewod装置2的一个或多个传感器(未示出)接收数据信号9。传感器数据信号9可以包括通过在感测模式下操作ewod阵列元件获得的信号，和/或可以包括由ewod阵列元件外部的一个或多个传感器(诸如照明和/或检测光学器件、热控制单元或用于与液滴4相互作用的磁系统中的一些或全部)获得的信号。
17.有几种已知的测量ewod装置中的液滴电特性的方法。schetrzer(sensors and actuators b 145(2010)340-347)描述了通过底部基板电极的(复杂)阻抗测量如何确定液滴电导率。us20140194305(kayyem，genmark)也描述了在底部基板上具有检测电极的电润湿装置，以执行电化学感测。us7163612(sterling，keck grad.inst.)描述了如何将传感器电路集成到上基板上。wo2019126715 a1公开了测量两个液滴之间的界面的电特性的方法。


技术实现要素：

18.本发明的第一方面提供了电介质上电润湿(ewod)装置，包含：在其间限定流体腔室的第一和第二基板；第一基板上的多个电润湿电极；第二基板上的至少一个第一电极和至少两个第二电极；以及电流传感器，用于感测(1)经由ewod装置的流体腔室中的第一流体包在第一电极和第二电极中的一个之间流动的第一电流和(2)经由ewod装置的流体腔室中的第二流体包在第一电极和第二电极中的另一个之间流动的第二电流之间的差。
19.电流传感器可以是接收第一电流和第二电流作为输入的差分电流传感器。
20.装置可以进一步包含第二基板上的至少一个第三电极。
21.第一流体包可以是与第一电极和第二电极中的一个电接触的流体液滴
22.液滴可以与第三电极电接触。
23.可替代地，第一流体包可以包含其间具有液滴界面双层的第一和第二流体液滴，第一液滴与第一电极电接触，并且第二液滴与一个第二电极电接触
24.第一电极可以在第一方向上延伸，并且第二电极中的一个和第二电极中的另一个基本上彼此平行地延伸，并且可以在与第一方向交叉(例如垂直)的第二方向上延伸。
25.第一电极和第二电极可以限定在公共导电层中。
26.可以在第一电极和第二电极之间提供保护电极。保护电极可以限定在公共导电层中。
27.在第二基板上可以设置多个第一电极，第一电极在第一方向上基本上彼此平行地延伸；并且第二电极可以基本上彼此平行地延伸，并且在与第一方向交叉的第二方向上延伸。
28.第一电极可以限定在第一导电层中，第二电极可以限定在第二导电层中。
29.可以在第二基板上的电极上提供疏水涂层，并且可以在疏水涂层中提供孔以限定流体包和电极之间的电接触区域。
30.疏水涂层中的孔的直径可以被选择为足够小而不会破坏疏水涂层的宏观疏水表面特性。
31.本发明的第二方面提供了感测电介质上电润湿(ewod)装置中的流体包的电特性的方法，ewod装置具有在其间限定流体腔室的第一和第二基板，在第一基板上的多个电润湿电极，以及在第二基板上的至少一个偏置电极和至少两个感测电极，方法包含：将第一偏置电压施加到第一偏置电极，并且将第二偏置电压施加到第二偏置电极；经由电耦合到第一偏置电极和感测电极中的一个的第一流体包，感测在第一偏置电极和感测电极中的一个之间流动的第一电流；并且经由电耦合到第二偏置电极和感测电极中的另一个的第二流体包，感测在第二偏置电极和感测电极中的另一个之间流动的第二电流。第一偏置电极可以与第二偏置电极电连续以形成公共偏置电极，并且将第一偏置电压施加到第一偏置电极和将第二偏置电压施加到第二偏置电极可以包含将公共偏置电压施加到公共偏置电极。可替代地，第一和第二偏置电极可以是可彼此独立寻址的单独电极。
32.第一流体包可以包含至少一种反应成分；第二流体包可以是参比流体包；并且方法可以进一步包含通过将第一流体包的电特性随时间的变化与第二流体包的电特性随时间的变化进行比较来监测第一流体包中的反应进程。
33.第一流体包可以是流体液滴，第二流体包可以是第二流体液滴。
34.第一流体包可以包含其间具有第一液滴界面双层的第一和第二流体液滴，并且第二流体包可以包含其间具有第二液滴界面双层的第三和第四流体液滴，第一液滴电耦合到第一偏置电极，第二液滴电耦合到感测电极中的一个，第三液滴电耦合到第二偏置电极，并且第四液滴电耦合到感测电极中的另一个。
35.方法可以进一步包含在将第一偏置电压施加到第一偏置电极和将第二偏置电压施加到第二偏置电极之前：选择性地启动电润湿电极以将ewod装置的流体腔室中的第一流体包移动以电耦合到第一偏置电极和感测电极中的一个；以及选择性地启动电润湿电极以将ewod装置的流体腔室中的第二流体包移动到邻近第二偏置电极和感测电极中的另一个。
36.现在将参考附图通过说明性的实例来描述本发明的优选实施例，其中：
37.图1是ewod装置的示意性横截面图；
38.图2是ewod装置的示意性透视图；
39.图3a是ewod系统的示意图；
40.图3b是具有改进的感测电子器件的ewod系统的示意图；
41.图4a是具有集成感测电极的ewod装置的示例性顶板的平面图；
42.图4b是具有集成感测电极的ewod装置的另一示例性顶板的平面图；
43.图4c是具有集成感测电极的ewod装置的又一示例性顶板的平面图，示出了连接器。
44.图5表示具有差分电路的传感器配置的第一实施例。
45.图6a表示示例性ewod装置的横截面图，其描绘了腔室内的单个液滴和具有图案化疏水涂层的相应电极之间的关系。
46.图6b表示示例性ewod装置的横截面图，其描绘了腔室内的单个液滴和不具有图案化疏水涂层的相应电极之间的关系。
47.图7a表示第一差分电路配置。
48.图7b表示第二差分电路配置。
49.图7c表示第三差分电路配置。
50.图7d表示第四差分电路配置。
51.图8表示具有差分电路的传感器配置的第二实施例。
52.图9表示具有差分电路的传感器配置的第三实施例。
53.图10表示具有差分电路的传感器配置的第四实施例。
54.图11表示具有差分电路的传感器配置的第五实施例。
55.图12表示具有差分电路的传感器配置的第六实施例。
56.图13a-b表示示例性ewod装置的横截面图，其描绘了腔室内的液滴和相应电极之间的关系。
具体实施方式
57.图3b是具有改进的传感器电路的微流体系统1的示意框图。系统包含ewod(或其他微流体)装置2，在这一示例中是有源矩阵ewod(am-ewod)装置，以及控制器单元3。控制器单元包含ewod控制电子器件3a和运行适当软件3c的处理器3b。存储装置(未示出)可存储任何应用软件和与系统相关联的任何数据。在处理器3b的控制下，ewod控制电子器件产生启动电压5，用于施加到微流体装置2的下基板36上的元件电极38(未示出)和上基板72上的公共电极(未示出)，例如以实现预定的液滴操作序列。图3b示出了处理器3b与控制电子器件3a、3d分隔开，并通过数据链路7与控制电子器件3a、3d通信，但是处理器3b和控制电子器件3a可以可替代地彼此集成在一起。图3b还示出了与ewod装置2分隔开并经由电连接器8与ewod装置通信的ewod控制电子器件3a，但是ewod控制电子器件3a和ewod装置2可以可替代地彼此集成在一起。控制电子器件可以包括配置为执行与ewod装置的控制相关的各种控制操作的合适的电路和/或处理装置，诸如cpu、微控制器或微处理器。
58.感测控制电子器件3d从ewod装置2的一个或多个传感器(未示出)接收传感器数据信号9。传感器数据信号9可以包括通过在感测模式下操作ewod阵列元件获得的信号，和/或可以包括由ewod阵列元件外部的一个或多个传感器(诸如照明和/或检测光学器件、热控制单元或用于与液滴4相互作用的磁系统中的一些或全部)获得的信号。ewod 2的传感器输出最初由差分电流传感器200接收，该差分电流传感器配置为减少可能从ewod装置2传输的任何干扰信号的影响。传感器输出随后由电压放大器300处理，以产生数据信号9，该数据信号经由感测控制电子器件3d传递回配置为在用户界面上显示结果并将结果存储在存储设备(未示出)中的处理器3b。
59.图4a示出了改进的上基板36的示例性实施例的平面图，该改进的上基板可以与图1的ewod装置一起使用以实现与液滴相关的电流的高灵敏度测量，或者液滴之间设置有dib界面，或者用于执行直接电化学测量液滴内的流体成分，该液滴在ewod装置内被操纵。图4a包含与图1的装置相同的参比电极28；然而，图4a进一步包含一系列离散定义的电极，这些电极可以与参比电极28共同寻址，并且因此在一种情况下用作参比电极28的延伸，但是可
以可替代地作为可独立寻址的电极，包括偏置电极100、感测电极a 110、感测电极b 120和保护电极130。从下面的描述中可以理解，感测电极a 110旨在与控制液滴或控制液滴对一起使用，而感测电极b 120旨在与其特性要被测量或监测的液滴或液滴对一起使用。感测电极是感测电极a 110还是感测电极b 120在某种程度上在使用中确定，且原则上所有感测电极可彼此相同。然而，在一些情况下，在感测电极a 110(或“控制电极”)和感测电极b120之间，电极和/或连接到它的布线的最佳几何形状可能不同，(例如，感测电极可以更小以最小化对它的串扰)—在这些情况下，可能优选在ewod装置的设计/制造期间将感测电极指定为感测电极a 110或感测电极b 120，并且为电极和/或连接布线提供适当的几何形状。基板36可以例如通过在基板的整个区域(或整个有效区域)上设置导电层，并且图案化导电层以形成参比电极28和进一步可独立寻址的电极100、110、120、130来制造。用于导电层的合适材料的非限制性实例包括但不限于氧化铟锡(ito)、氧化铟锌(izo)、金、银、铂、铝或聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(pedot：pss)。
60.在图4a的配置中，感测通道由感测电极a 110、感测电极b 120和偏置电极100限定。图4a示出了多个感测通道，尽管原则上只需要提供一个或所需的任何数量的感测通道。在图4a的实施例中，偏置电极100是所有感测通道共用的，然而，如果需要，不同的感测通道可以具有单独的偏置电极。提供保护电极130以减轻潜在的电感影响，否则当与偏置电极100配对时，电感影响可能损害使用相应的感测电极a 110和感测电极b 120产生的测量信号的完整性。
61.在ewod装置内的液滴的电润湿操纵期间，参比电极28和偏置电极100、感测电极a 110、感测电极b 120和保护电极130都可以被偏置，以相对于下基板72上的元件电极38a和38b充当单个参比电极28(如图1中所描绘的)。然而，在本发明的一些方面，当此类液滴定位在图案化有偏置电极100、感测电极a 110、感测电极b 120和保护电极130的顶板36的区域下方时，液滴在ewod装置内的移动可以仅通过经由阵列元件电极(38a、38b)施加的电势来实现，而不需要经由参比电极28的路径。
62.在本发明的示例性实施例中，偏置电极100、感测电极a 110和感测电极b 120用于感测液滴的特性或特征，或者监测由感兴趣的溶质或分子转移到液滴内或从液滴内转移出来所导致的变化。可在相应感测电极a 110或感测电极b 120与偏置电极100之间进行测量。这样，感测电极a 110或感测电极b 120可以充当阴极，而偏置电极100充当阳极(反之亦然)。因此，在示例性实施例中，液滴可以定位成分别与偏置电极100和感测电极a 110或者偏置电极100和感测电极b 120电接触。可以在偏置电极100和感测电极a 110或感测电极b 120之间施加电压，这导致电流流过与其接触的液滴。可以随时间监测电流，以获得关于液滴内发生的过程的信息。
63.图4b描绘了改进的上基板36的另一实施例。在这一配置中，在制造过程期间，将第一导电层施加到基板，其被图案化以将感测电极对a和b限定为水平条。施加在第一导电层上的绝缘层确保两层电极不在交叉点直接连接。施加另一导电层，其被图案化以限定表示偏置电极100的垂直条。然后，在交叉点的区域中移除绝缘层，以确保两个电极层都可以与任何与其接触的液滴直接电接触。示出了两个相关联的液滴对，每个液滴对连接到公共偏置电极和不同的感测电极。
64.可以定位两个(或者原则上更多)液滴，使得每个液滴接触相应的偏置电极和相应
的感测电极，并且通过选择性地将电势施加到相关的行和列，可以在相应的偏置电极100和感测电极110、120之间的交叉点处监测个别液滴。感测装置如图5所示。
65.与图4a的电极布置的情况相比，图4b的电极布置便于感测更多数量的相关液滴对。对于图4a的布置，感测n个液滴对所需的电极总数为～n 1。在图4b的布置中，其比例为～sqrt(n)。然而，与此相反，与图4a的实施例相比，图4b的实施例的构造的方法表示更昂贵的过程，因为需要多个施加的层。
66.图4c表示改进的上基板36的进一步实施例。在图4c的配置中，将单个导电层施加到基板，导电层被图案化以限定参比电极28和相应组偏置电极100和感测电极a 110、b 120、c 140、d 150。使用外部连接器101对相应的偏置电极和感测电极进行电连接。在图4c的配置中(如所描绘的)，通过选择性地将电压施加到a、b、c或d中的每个，并分别测量通过a、b、c、d中的每个源出(或吸收)的相关电流，可以同时在相应组电极a、b、c、d上进行测量。偏置电极100为每组四个感测电极所共用，但是用于一组四个感测电极a-d的偏置电极不与用于另一组四个感测电极a-d的偏置电极共享连接器101上的公共导体。因此，例如，尽管相应感测电极a共享连接器101上的公共导体，但是因为每个感测电极a与不同的偏置电极100相关联，所以为每个相应感测电极形成不同的电路，从而允许并行进行多个测量。可以实现电极组的其他配置，然而，添加进一步感测电极将需要在连接器101上更密集地封装一系列导体，这可能使装置更容易受到寄生电容效应的影响。
67.例如，当使用根据图4a图案化的顶板进行成对测量时，可能希望使用具有大致相似导电路径长度的相应感测电极a或b进行比较测量，以便最小化寄生电容或电磁干扰的影响。例如，图9示出了两对液滴，一对与偏置电极100和感测电极a 110接触，另一对与偏置电极100和感测电极b 120接触。与偏置电极100和感测电极b 120接触的液滴对可以被认为是参比液滴对，因为流过参比液滴对的电流i
ref
的预期行为预期仅受“噪声”影响。这样，测量的电流可以用于补偿噪声对分别与偏置电极100和感测电极a 110接触的感测液滴对之间的测量的任何影响。因此，流过已减少噪声影响的感测液滴对的电流i
sense
可以被认为是感测液滴对中发生的感兴趣过程的更真实的表示。方便地，参比液滴对可以被布置成使得其特性不会变化，使得测量的电流i
ref
仅期望作为噪声的函数随时间变化。
68.优选提供保护电极130以最小化相应感测电极a 110和感测电极b 120之间的寄生耦合的影响。随着相应感测电极a110与感测电极b 120之间的相对密度(即，电极总数)增加，相应的宽度和间隙距离减小，寄生电容对个别感测电极的影响可能更大。也就是说，当两个导体足够接近并且承载不同的电压时，则在相应的轨道之间会发生电荷耦合效应。保护电极130可以接地或连接到电极控制电子器件3a的dc电路，用作减轻感测电极a110或感测电极b 120中不期望的充电效应的屏蔽。
69.图4a的电极结构还可以使用单个液滴而不是液滴对，例如如图5中所示。同样，与偏置电极100和感测电极b 120接触的液滴可以被认为是参比液滴，因为已知流过参比液滴的电流i
ref
随时间的预期行为仅作为噪声的函数而变化，而不是由于液滴成分而改变。
70.图5和图7a至12表示根据本发明的一系列实施例的示例性电路配置，其可用于监测流体包中(即，单个液滴内)的过程，诸如液滴内的电化学反应。在传统的测量配置中，已经观察到，当感兴趣的物质穿过dib时，电干扰(诸如emi和其他干扰)(包括寄生电容)可能对pa范围内的小电流的测量产生不利影响。
71.根据第一电路实施例，图5描绘了一种布置，其中两个液滴a和b(为了清楚起见，在图5中显示为细长的液滴，尽管它们不一定需要具有图5中所示的形状)被提供为分别与偏置电极100接触以及与感测电极a 110或感测电极b 120接触。分别在偏置电极100和感测电极a110或感测电极b 120之间施加偏置电压vb，这产生电流i
sense
和i
ref
。期望测量通过液滴a的电流i
sense
，以提供关于液滴a的电特性的信息(诸如其电导率)，或者关于液滴内发生的产生电化学可检测物质的过程的信息，该物质可以在感测电极110处被氧化(或还原)，从而当在偏置电极100和感测电极a 110之间施加电势时产生可测量的电流。例如，如果在液滴a中发生的反应具有改变电导率的效果，则在一段时间内测量电流i
sense
提供了关于液滴的电导率如何随时间变化的信息，并因此提供了关于导致电导率变化的反应进程的信息。感测电极a 110和感测电极b 120都可能经由由电容器c
p
表示的寄生电容而易受噪声/串扰的影响。通常，液滴a的测量值i
sense
表示感兴趣的参数，液滴b的测量值i
ref
表示参比信号，干扰或噪声将以与i
sense
类似的方式耦合到该参比信号上。通过差分感测，例如感测两个电流之间的差异(i
sense-i
ref
)，可以从测得的i
sense
中减去干扰或噪声。这两个值i
sense
和i
ref
被馈送到差分感测电路，该差分感测电路处理相应的值以产生表示i
sense
和i
ref
之间的差并且包含基本上不受干扰或噪声影响的感兴趣信号的更真实的测量的输出v
out
。根据传感器电路的预期目的，vb可以作为恒定幅度的dc电压或恒定峰-峰幅度的ac电压提供。当vb被提供为ac电压时，差分电流传感器(dcs)200对值进行采样的频率比ac频率更低，通常低一个数量级。dcs接收i
sense
和i
ref
作为电流值，并将它们转换为基本上没有噪声/串扰的输出电压值。当构造电路时，本领域技术人员将认识到在成对电路之间使用在路径长度、宽度和导电性方面基本相等的导电路径的期望，使得寄生电容和emi类似地影响每个电路。
72.本实施例是用于确定差分输出i
sense-i
ref
的示例性布置。差分电流传感器200可以是包含将参考图7a-d更详细描述的部件的标准布置。这样，dcs 200可以选自图7a至d中所描绘的任何一个(或其功能等同物，这对本领域技术人员来说是显而易见的)。dcs 200以此类方式处理输入信号，使得噪声基本上被抵消，从而提高信噪比。放大器300接收从dcs输出的电压，并进一步处理信号以产生合适大小的电压，该电压将被合适的记录器(未示出)记录。放大器300产生电压v
out
，该电压被传送到感测控制电子器件3d(如图3b中所示)，其中电压数据被用于准备信号随时间的分布图，该分布图表示在感兴趣的液滴内发生的过程。
73.图6a和b表示穿过如图5中所描绘的单个液滴的截面图。图6a示出了定位在感测电极a 110和感测电极b 120下方的单个液滴a；其中在疏水涂层26中提供孔，由此形成感测电极a 110和感测电极b 120与液滴a之间直接接触的路径。在此类配置中，例如通过在感测电极a 110和感测电极b 120之间施加电压，并监测在一个或另一个电极处流动的所得电流，可以监测液滴a内的电化学过程。在这一实施例中，感测电极中的一个充当其他实施例的偏置电极，而不是如图5中所示经由偏置电极100施加电压，感测电极中的一个用于将偏置电压施加到液滴。
74.图6b描绘了图6a的横截面图的可替代配置，其中疏水涂层26邻接感测电极a 110和感测电极b 120的表面，因此在液滴a和相应的感测电极110、120之间提供阻挡层。电极表面上的疏水涂层的效果意味着液滴a通过电容方式电耦合到相应的感测电极110、120。有利的是，保持连续的疏水涂层避免了在这一区域对层进行图案化的需要，从而使装置更易于制造。此外，感测电极110、120上疏水涂层26的存在使得当在偏置电极100和感测电极a 110
或感测电极b 120之间施加超过1.23v的dc电压时，诸如极性流体水解的影响可以被最小化
75.例如，当测量ewod装置内的电流响应时，其中电流通常可能在皮安培范围内，存在诸如电磁干扰的影响的风险，电磁干扰例如通过寄生电容耦合到将感测电极a 110和感测电极b 120连接到微处理器的导电路径上，微处理器配置为确定电极控制电子器件3a内的测量值(如图3a中所描绘的；如参考图5和图7a至12所讨论的)。本发明的各方面寻求通过使用基于差分电流传感器的选择性传感器电路配置来减轻此类干扰，该传感器电路配置结合了被设计为最小化“噪声”影响的特征，并因此实现了增加的信噪比，提高了非常灵敏的测量成功的可能性。
76.图7a描绘了dcs 200的第一电路配置。该电路包含以单端操作模式配置的一对运算放大器(op-amps)，其包含op-amps 240、240
′
，配置为接收分别由液滴a和液滴b产生的电流输入i
sense
和i
ref
；每个op-amps 240、240
′
输出电压v
sense
和v
ref
被馈送到放大器300，该放大器产生被传送到感测控制电子器件3d的单个输出v
out
。
77.图7b描绘了dcs 200的第二电路配置。电路包含以差分操作模式配置的运算放大器240、开关260、260
′
和电容器270、270
′
。op-amp 240接收电流输入i
sense
和i
ref
，它们以共模电压v
cm
为基准。dcs 200对来自i
sense
和i
ref
的信号进行采样，并处理这些信号以产生单个输出v
out
。反馈回路250、250
′
包括开关260、260
′
，当开关闭合时，复位存储在电容器270、270
′
中的电荷，这导致输出v
out
也被复位。开关260、260
′
的采样率决定了输入信号被采样以产生输出v
out
的频率。
78.图7c表示用于确定差分输出信号i
sense-i
ref
的不同示例性电路布置。图6c的dcs配置有跨阻放大器(tia)，其包含差分放大器320和电阻器310、310
′
。在这一配置中，当vb为dc时，电路将测量感测液滴和参比液滴的电阻差；当vb为ac时，电路将通过测量ac电流i
sense
和i
ref
的相对幅度和相位变化来测量实部和虚部液滴阻抗。dcs产生v
sense
和v
ref
，其被进一步处理以产生v
out
，其表示由于感兴趣的过程而产生的期望信号，基本上没有干扰，类似于图7a和7b的电路。
79.图7d表示用于确定差分输出信号i
sense-i
ref
的又一示例性电路布置。在图6d的配置中，i
sense
经由电阻器r连接到地，使得感测电路的第一级配置为单端积分器。期望图7d的电路产生与图7b的电路类似的性能改进，然而，它可以用标准的单端积分器装置来实现，并且因此可以更方便地使用市场上可买到的部件来制造。
80.图8类似于图5，但是在这一实施例中，vb作为锯齿波提供，其具有线性增加的值，从最小值到最大值扫描，然后下降回到起始值并重复(如图8的插图所示)。dcs 200可以使用图7a至d中所描绘的任何电路来配置。在改变电压值的过程中，当暴露于增加的电压时，dcs 200可用于测量液滴的不同特性。当vb作为ac电压提供时，可以用在不同vb值下记录的测量值v
out
来调制峰间振幅或频率。
81.图9表示图5中描述的电路的进一步修改，其中包括第二偏置电极100
′
。一个液滴与一个偏置电极100和感测电极a 110接触，其他液滴与第二偏置电极100
′
和感测电极b 120接触，使得液滴a和液滴b可以分别暴露于不同的施加偏置电压v
b1
和v
b2
。在液滴a内的反应过程已经开始之前，在测试程序开始时，可以调制v
b1
和v
b2
，使得i
sense
和i
ref
的初始值基本上是相等的值，从而补偿两个液滴的尺寸或体积的可能变化；或者每个液滴是其部分的相应电路中的其它变化。因此，对发生在液滴a内的感兴趣的反应过程进行的任何测量可以进
一步细化输出v
out
的值，因为在产生v
out
时，除了由液滴b补偿的寄生电容或电磁干扰的影响之外，还可以考虑由尺寸、体积或成分的变化引起的差异所导致的进一步的变化。
82.图9的实施例(包含两个可独立寻址的偏置电极)可以应用于任何合适的电路布置，该电路布置用于确定差分输出信号i
sense-i
ref
，其中dcs可以选自参考图7a至d描述的那些中的一个。
83.图10至12表示根据本发明的一系列实施例的示例性电路配置，其可用于监测形成液滴界面双层的一对液滴内的过程，诸如通过扩散或渗透过程在液滴之间的溶质转移，或者由于液滴内的电化学反应。
84.图10对应于图5的电路，然而与图5不同，提供两对液滴来代替单个细长液滴。在一个实施例中，液滴的感测对可以不同于参比对，因为感测对可以包括感兴趣的溶质，该溶质预期通过跨界面的扩散或渗透过程从一个液滴转移到其他液滴；或者哪种溶质可能参与产生电化学可测量产物的反应。。可以从来自感测对的信号中减去来自参比对的信号，以产生指示感测对中发生的感兴趣的反应或过程的信号，该信号基本上不受如上文所述的噪声的影响。偏置电压vb通常是dc电压，但原则上也可以是ac电压。
85.因此，如参考图5所述，dcs 200接收i
sense
和i
ref
，并产生值v
out
，该值更准确地表示在感测对的液滴a和液滴b内或之间发生的感兴趣的反应或过程。
86.由于经由寄生电容或电磁干扰的耦合而发生的电流的任何变化，否则可能不利地改变当反应发生在液滴a或b内或者溶质物质通过渗透穿过dib扩散或移动时所测量的电流值通过使用参比液滴对基本上消除了这些干扰，该参比液滴对预期在可接受的容限内经历与感测液滴对基本上相同的寄生电容或电磁干扰。
87.图11对应于图10，但是存在两对液滴，其间分别具有dib，其中相应液滴a与不同的偏置电极100、100
′
接触。如参考图9所述，两个偏置电极100、100
′
的存在允许对v
b1
和v
b2
进行调制，以分别补偿在开始测量过程之前可能出现的i
sense
和i
ref
的任何初始不平衡。这样，进行持续的微小调整可以进一步增强测量的基线信号与由感测的液滴对产生的感兴趣的测量信号之间的差异，导致信噪比的提高。通过dcs 200对i
sense
和i
ref
的处理可以进一步增强信号和噪声之间的差异，因此提高辨别低电平信号的能力，否则低电平信号可能会消失在系统噪声中。
88.图13a-b示出了微流体装置如am-ewod装置中液滴界面双层的横截面图。首先，参考图13a，提供了两个流体液滴，液滴a和液滴b。通常，液滴a和液滴b是极性流体的液滴，并且被设置在非极性填充流体34(例如油)中，该非极性填充流体被设置在ewod装置的流体空间中，如图1中总体所示。
89.如本文所使用的，指定第一液滴和第二液滴“可以被操纵以便通过ewod装置的阵列元件电极的适当启动而聚集在一起”涵盖了启动ewod装置的阵列元件电极以保持第一液滴静止并移动第二液滴与第一液滴接触的情况、启动ewod装置的阵列元件电极以保持第二液滴静止并移动第一液滴与第二液滴接触的情况、以及启动ewod装置的阵列元件电极以移动第一液滴并移动第二液滴使得第一和第二液滴彼此接触的情况。
90.液滴a包含第一组合物的流体(例如液体)，第一组合物包括第一溶剂中的至少第一溶质物质。例如，在极性流体液滴的情况下，第一溶剂通常是水，尽管它可以是另一极性溶剂，诸如甲醇。第二液滴(液滴b)包含第二成分的流体(例如液体)，该第二成分可以与液
滴a的流体成分相同或不同。液滴b中的流体可以在溶剂中包含一种或多种溶质物质，并且液滴b的流体可以具有与液滴a的流体相同或更高的总溶质浓度。如本文所用，“溶质”是溶解在另一称为“溶剂”的物质中以形成称为“溶液”的混合物的物质。
91.液滴b中的溶剂通常与液滴a中的溶剂相同，尽管本发明原则上不限于此。结果，液滴b中的溶液可能具有比液滴a更高的渗透压。(在液滴b中的溶剂(第二溶剂)与液滴a中的溶剂(第一溶剂)不同的情况下，液滴a和液滴b之间的dib可能对第一溶剂和第二溶剂都是可渗透的，使得两个所得液滴包括第一溶剂和第二溶剂—作为实例，如果以甲醇为溶剂的液滴和以水为溶剂的液滴形成液滴界面双层，则可以预期dib对水和甲醇都是可渗透的。在dib形成之后，每个液滴因此可能包含第一和第二溶剂的混合物，因为这些可能通过扩散或渗透穿过dib。液滴的溶质成分将取决于dib对初始液滴内存在的溶质的渗透性。
92.根据图13a-b的实施例，液滴a和液滴b被操纵以此类方式聚集在一起，即它们不会合并成单个液滴，而是在每个液滴的相应弯液面之间接触时形成液滴界面双层(dib)。每个液滴被两亲分子的单层包围，诸如脂质单层。用于构成dib的两亲分子可以从液滴(使用“脂质进入”方法)或填充液(使用“脂质排出”方法)中引入。“脂质进入”和“脂质排出”方法是用于形成dib的众所周知的技术，并且在例如“sensors and actuators b:chemical(传感器和执行器：b化学)”,2013,185pp530至542中有描述。广泛的两亲分子可用于形成脂质单层；包括脂类、表面活性剂和去污剂，聚合物表面活性剂的实例是二嵌段和三嵌段共聚物(但本发明不限于此)。
93.当例如通过ewod装置中的电润湿来操纵两个液滴以使它们聚集在一起时，一个液滴的两亲分子与另一液滴的两亲分子相互作用，使得两个液滴的两亲单层形成如图13a中所示的液滴界面双层10。液滴界面双层的形成是可逆的过程，如果两个液滴没有合并成一个液滴，那么随后可以操纵这两个液滴相互分离。
94.液滴界面双层10形成半透膜，使得小分子能够从一个液滴通过液滴界面双层进入第二个液滴，而较大分子不能通过液滴界面双层10。假设液滴a中的极性溶剂分子很小—例如，如果溶剂是水或甲醇，溶剂分子能够穿过液滴界面双层。液滴a和液滴b中溶液的渗透压差导致溶剂分子从液滴a穿过液滴界面双层10进入液滴b。
95.液滴a和液滴b中的溶质物质通常是大分子、带电分子或离子，它们可以通过液滴界面双层，尽管它们可以通过dib，但是其速率比溶剂分子通过dib的速率低得多。例如，很可能包含离子或高电荷分子的溶质物质将不能通过dib，而中性或具有小电荷的染料分子可能会通过dib，但速率较低。dib的传输特性尤其取决于dib的结构，以及在其形成过程中使用了哪些表面活性剂。
96.当在液滴a和液滴b之间形成dib时，溶剂穿过液滴界面双层从液滴a传递到液滴b的速率将尤其取决于液滴a中的流体和液滴b中的流体之间的渗透压差。液滴a和b的相对渗透压将在很大程度上取决于具体应用
97.根据图13a的实施例，液滴a和液滴b被布置成在具有单个参比电极28和多个阵列元件电极38a和38b的ewod装置内形成dib。疏水涂层26均匀地存在于参比电极28上。因此，液滴a和b通过电容方式电耦合到参比电极28。在此类配置中，监测液滴a或b内发生的过程；或者基于电特性的变化来监测溶质或溶剂从液滴a到液滴b的转移，本质上可能是不可行的(例如，如上文参考差分电流传感器所述)。然而，可以使用来自集成ewod传感器的电容或阻
抗反馈来监测任一液滴的相应尺寸的变化(例如us 10,078,986中描述，其内容通过引用并入本文)。或者特定液滴的颜色或荧光的变化可以如例如申请人的未决美国申请16/014,006(其通过引用并入本文)中所述来确定。在这一实施例中，感测电极中的一个充当其他实施例的偏置电极，而不是如图10或11中所示经由偏置电极100施加电压，感测电极中的一个用于将偏置电压施加到液滴对。
98.图13b类似于图13a的视图，除了可独立寻址的电极已经在上基板36上图案化。描绘了由感测电极a 110和感测电极b 120构成的一个电极对，但是应当理解，可以根据需要在上基板36上提供附加的电极对。在这一实施例中，感测电极中的一个充当其他实施例的偏置电极，而不是如图10或11中所示经由偏置电极100施加电压，感测电极中的一个用于将偏置电压施加到液滴对。
99.除了定义可独立寻址的电极110、120之外，还在疏水层26中形成孔200。孔200的尺寸使得对于定位在其下的液滴来说，孔对于一般的电润湿效应来说是不重要的(即不会显著阻碍液滴运动)；然而，孔200具有足够的尺寸[从约1μm到约100μm]以允许当液滴直接定位在孔200下方时，分别与液滴a或液滴b以及感测电极a 110或感测电极b 120直接连接。不会显著阻碍液滴运动的孔的典型直径大约小于在其上操作的液滴直径的50％。因此，对于打算用小液滴(d＝100μm)操作的装置，孔200的直径应该是50μm或更小，而对于打算用较大液滴(d＝1000μm)操作的装置，孔200的直径可以是500μm或更小。
[0100]
感测电极a 110和感测电极b 120可以独立于电润湿电极38a、38b进行操作，尽管如果需要的话，它们可以配置为与参比电极28一起作为一个电极起作用(如上文所述)。当在感测电极a 110和感测电极b 120之间施加电压时，可以监测流过dib 10的所得电流。例如，此类电流可能是由于感兴趣的分子18通过扩散、渗透或电渗过程从液滴a移动到液滴b。
[0101]
在使用偏置电极100而不是感测电极向液滴或液滴对施加偏置电压的实施例中，可以再次在疏水层中形成孔，以允许在偏置电极和液滴或液滴对的液滴之间进行直接接触。再一次，此类孔的尺寸优选为使得对于定位在其下的液滴来说，孔对于一般的电润湿效应来说是不重要的(即不会显著阻碍液滴运动)，但是具有足够的尺寸[从约1μm到约100μm]以允许与直接定位在孔下方的液滴直接接触。
[0102]
下文将描述本发明的改进的测量电路在测量一个或多个液滴的特性的方法中的示例性应用。
[0103]
生化分析
[0104]
当在ewod装置中通过操纵水性液滴来执行生化或化学工作流程时，通常希望测量液滴的流体成分的特性，以便确定反应是否发生或发生到什么程度。液滴测量/检测技术的实例包括光学测量(诸如吸收或荧光)、电化学测量(诸如流体的ph、po2或pco2的确定)；流体成分的氧化还原电位的确定；液滴电导率的测量(提供液滴离子含量的测量)，或者对于给定的启动电压在液滴内引起的运动速度的测量。如果在进行测量之前使用本发明的改进电路来确定液滴的流体成分的确定，则这些和其他电检测技术可以变得更加可靠。例如，测量由于流体中溶质的电化学氧化而产生的电流，其中感兴趣的物质可能在感测电极a 110的表面被氧化。例如，由葡萄糖氧化酶或葡萄糖脱氢酶催化的葡萄糖氧化可以由于还原的介体物质在感测电极a110表面的最终氧化而被监测。此类介体物质的实例包括二茂铁、铁氰化物、过氧化氢，如本领域众所周知的，例如如chen等人,rsc advances,2013,3,4473中所
述。
[0105]
在另一过程中，在将感兴趣的分子或溶质物质从液滴a转移到液滴b的过程中，可以监测液滴成分的变化。例如，过程可以确定感兴趣的分子或溶质物质的转移是否发生，以及如果发生，转移到什么程度。可能受益于监测物质穿过液滴界面双层的过程的实例包括但不限于：
[0106]-一个或两个液滴的ph值的变化可以通过设置在ewod装置中/上的ph传感器来测量；
[0107]-可以测量一个或多个液滴的电导率的变化，例如使用阵列元件电极38a、38b和公共电极28，或者使用感测电极a 110和感测电极b 120；
[0108]-可以测量液滴的一个或多个光学特性的变化，诸如吸收或荧光；
[0109]-可以测量一个或两个液滴的粘度的变化，以检测溶质物质从一个液滴转移到另一液滴所引起的变化；此类变化可以被确定为液滴阻抗的变化或者通过ewod移动液滴的能力的变化；
[0110]-感测溶质物质从液滴a转移到液滴b的过程中液滴尺寸的变化。液滴尺寸的任何变化将取决于脂质双层的渗透性和液滴溶液的渗透压。