用于精细液滴操纵的基于薄膜晶体管的数字微流体装置上的可变电极大小区域阵列的制作方法

用于精细液滴操纵的基于薄膜晶体管的数字微流体装置上的可变电极大小区域阵列
1.相关申请
2.本技术要求2019年12月4日提交的美国临时专利申请no.62/943,295的优先权。本文公开的所有专利和出版物均通过引用整体并入本文。


背景技术：

3.数字微流体装置使用独立的电极在密闭环境中推动、拆分和连接液滴，从而提供“芯片上实验室”。数字微流体装置可替代地被称为电介质上电润湿或“ewod”，以进一步将该方法与依赖电泳流和/或微泵的竞争微流体系统区分开。wheeler在annu.rev.anal.chem.2012,5:413-40的“digital microfluidics”中提供了对电润湿技术的2012评论，其通过引用整体并入本文。该技术允许采用少量样品和试剂二者进行样品制备、测定和合成化学。近年来，使用电润湿在微流控单元中控制液滴操纵已成为商业上可行的。现在存在来自大型生命科学公司(诸如oxford nanopore)的产品。
4.大多数关于ewod的文献报道都涉及所谓的“直接驱动”装置(又名“分段”装置)，其中十到数百个电极由控制器直接驱动。虽然分段装置易于制造，但电极的数量受到空间和驱动约束限制。因此，不可能在直接驱动装置中执行大规模的平行测定、反应等。相比之下，“有源矩阵”装置(又名有源矩阵ewod，又名am-ewod)装置可以具有数千、数十万或甚至数百万个可寻址电极。在am-ewod装置中，电极通常由薄膜晶体管(tft)切换，并且液滴运动是可编程的，使得am-ewod阵列可以用作通用装置，该通用装置为控制多个液滴和执行同时分析过程提供了很大的自由度。
5.对于有源矩阵装置，驱动信号通常从控制器输出到栅极和扫描驱动器，进而提供所需的电流-电压输入以激活有源矩阵中的各种tft。然而，能够接收例如图像数据并输出必要的电流-电压输入以激活tft的控制器驱动器是市售的。参见例如从ultrachip可获得的各种控制器驱动器。
6.am-ewod装置的所有区域都不一定需要高密度的电极，特别是在所有位置处都没有执行复杂功能的情况下。在所有位置处都具有高密度电极需要更快(且更昂贵)的驱动器，并且还会增加所需的数据处理量。在一些情况下，在一些区域具有较大的电极而在其它区域中具有较小的电极将是有益的。传统上，电极组(即“成组”电极)已用于表示比基本(较小)电极大小更大的结构。尽管如此，由于增加的驱动器线数量和数据需求，组合较小的电极来表示较大的电极会增加系统的复杂性。美国公开的专利申请no.2016/0184823提出了该问题的解决方案。它公开了8种不同大小的电极子阵列，然而，由于驱动器线和几何形状的要求，'823公开的架构不适合在同一tft平台上创建不同大小的电极的子阵列。事实上，在'823公开中，微型电极布置必须跨越较大的电极，以在微型和常规大小的子阵列二者上保持正方形对称性和相同大小的液滴结构。


技术实现要素：

7.本技术通过为具有可变电极大小区域的am-ewod提供替代架构来解决现有技术的缺点。在一个实例中，本发明提供了一种具有不同电极密度的两个区域(即，高密度(又名“高分辨率”)区域和低密度(又名“低分辨率”)区域)的数字微流体装置。此类设计将允许用户在需要时执行液滴操纵。总体上，此类配置简化了装置的制造，同时也简化了与感测功能相关联的数据处理。
8.在一个方面，数字微流体装置包括基板和控制器。基板包括第一高分辨率区域和第二低分辨率区域，以及疏水层。第一区域包括具有d1个电极/单位面积的第一密度的第一多个电极，以及耦合到第一多个电极的第一组薄膜晶体管。第二区域包括具有d2个电极/单位面积的第二密度的第二多个电极，其中d2＜d1，以及耦合到第二多个电极的第二组薄膜晶体管。单位面积可以是任何标准的单位面积，诸如mm2、cm2或in2。疏水层覆盖第一和第二多个电极以及第一组和第二组薄膜晶体管。控制器可操作地耦合到第一组和第二组薄膜晶体管并且被配置为向第一多个电极的至少一部分和第二多个电极的至少一部分提供推进电压。在一个实施例中，比率d1:d2等于大约2n，n是自然数。例如，比率d1:d2可以等于大约2、4、8或16。在另一个实施例中，比率d1:d2等于大约3、5、6、7、9或不等于2n的其它整数。在进一步的实施例中，第一多个电极在大小上可为约25μm至约200μm。在另外的实施例中，第二多个电极在大小上可为约100μm至约800μm。第一区域可以小于第二区域，并且第一多个电极可以布置成正方形或矩形子阵列。疏水层可以由绝缘材料制成，或者介电层可以插入在疏水层与第一和第二多个电极之间。
9.在一个实施例中，该装置进一步包括一个或多个流体储存器，该流体储存器通过储存器出口可操作地连接到第一区域。该装置可以包括多于一个的高分辨率区域，每个高分辨率区域连接到其薄膜晶体管组和一个或多个储存器。在代表性实施例中，微流体装置进一步包括单个顶部电极、覆盖单个顶部电极的顶部疏水层、以及将疏水层和顶部疏水层分开并在疏水层和顶部疏水层之间产生微流体单元间隙的间隔物。顶部介电层可以插入在顶部疏水层和单个顶部电极之间。在一个实施例中，单元间隙为约20μm至500μm。在一个实施例中，顶部电极包括至少一个透光区域，例如面积为10mm2，以实现对装置内的液滴的视觉或分光光度监测。
10.在第二方面，一种数字微流体装置，包括(i)包括第一高分辨率区域的基板，该第一高分辨率区域包括第一多个电极，第一多个电极中的每一个与第一多条源极线电连通，第一多条源极线具有d1个源极线/单位面积的第一源极线密度，以及耦合到第一多个电极和第一多条源极线的第一组薄膜晶体管。基板另外包括第二低分辨率区域，该第二低分辨率区域包括第二多个电极，第二多个电极中的每一个与第二多条源极线电连通，第二多条源极线具有d2个源极线/单位面积的第二源极线密度，其中d1》d2，以及耦合到第二多个电极和第二多条源极线的第二组薄膜晶体管。基板包括覆盖第一和第二多个电极以及第一组和第二组薄膜晶体管的疏水层。数字微流体装置还包括(ii)源极驱动器，其可操作地耦合到第一多条源极线和第二多条源极线，并且被配置为向第一多个电极的至少一部分和第二多个电极的至少一部分提供源极电压。在数字微流体装置中，第二多条源极线的至少一部分连接到第一多条源极线之一。
11.在第三方面，本技术提供了一种用上述第一方面的数字微流体装置测定样品中的
分析物的方法。该方法包括：在装置的高分辨率区域的表面上沉积样品液滴；使液滴经受选自由稀释、混合、大小调整(sizing)及其组合组成的组的一个或多个处理步骤，以形成包含测定产品的流体；将包含测定产品的流体的液滴转移到装置的低分辨率区域的表面；检测测定产品；以及可选地测量测定产品的浓度。在一个实施例中，分析物是诊断生物标志物，其可以通过结合至与生物标志物匹配的抗体来检测和量化，例如在酶联免疫吸附测定中。
附图说明
12.图1是示例性可变大小电极阵列的示意图。
13.图2描绘了通过在相邻电极上提供不同电荷状态而在相邻电极之间的水相液滴的运动。
14.图3示出用于本发明的ewod装置的多个推进电极的tft架构。
15.图4是第一基板的一部分的示意图，包括推进电极、薄膜晶体管、存储电容器、介电层和疏水层。
16.图5示出可以终止某些驱动器线以减少驱动器线和较大像素电极之间的电容耦合。
17.图6是另一个示例性可变大小电极阵列的示意图。
18.图7是具有可变大小电极阵列和流体储存器的am-ewod装置的示意图。
具体实施方式
19.如上所述，本发明提供了一种有源矩阵电介质上电润湿(am-ewod)装置，包括在薄膜晶体管(tft)平台上的不同大小电极的阵列，即，如图1中所示。通过修改传统tft制造工艺中通常使用的掩模图案，可以很容易地制造该配置，即，其中通常(几乎)所有像素电极在大小上相同，并且电极和驱动器线的密度横跨tft平台是均匀的。
20.可变电极大小可以更好地利用am-ewod装置上可用的表面，并且可以在不增加整体复杂性的情况下添加高级功能。在一个示例实施例中，该阵列包括一个或多个高密度、高分辨率区域，微型电极的子阵列位于该区域中。该微型子阵列实施方式允许改进与计量系统完全兼容的液滴大小调整(例如，拆分)，并被设计为实现最优的大小控制。此外，微型电极区域允许更大的浓度范围，并将减少达到期望浓度所需的连续稀释液的数量。
21.微型电极、高分辨率区域可以包括可以创建/组装“常规”大小液滴并将其送入包含常规或更大大小的电极子阵列的区域的位置。该区域与tft制造兼容，并且可以轻松跨越ewod装置的主要数字微流体(dmf)阵列。高分辨率区域将增加扩散界面的数量并促进更完全的混合。该技术与标准混合技术完全兼容。
22.典型的am-ewod装置由薄膜晶体管背板组成，该背板具有规则形状的电极的暴露阵列，该电极可以布置为像素。像素可以作为有源矩阵进行控制，从而允许样品液滴的操纵。该阵列通常涂覆有介电材料，然后涂覆有疏水材料的涂层。典型的ewod装置的基本操作在图2的截面图像中示出。ewod 200包括填充有油层(或其它疏水流体)202和至少一个液滴204的单元。单元间隙通常在50至200μm的范围内，但间隙可以更大或更小。在基本配置中，如图2中所示，推进电极205的阵列设置在一个基板上，并且单个顶部电极206设置在相对表面上。该单元另外包括在与油层202接触的表面上的疏水涂层207，以及在推进电极205的阵
列和疏水涂层207之间的介电层208(上基板也可以包括介电层，但它未在图2中示出)。疏水涂层207防止液滴润湿表面。当电极和顶板之间没有施加电压差时，液滴将保持球形，以最小化与疏水表面(油和疏水层)的接触。由于液滴不会润湿表面，因此它们不太可能污染表面或与其它液滴相互作用，除非需要该行为。因此，如本领域已知的，可以围绕有源矩阵操纵单独的水滴，并且可以混合、拆分、组合。
23.虽然可以使用单层来实现介电和疏水功能二者，但此类层通常需要厚的无机层(以防止针孔)，从而导致低介电常数，由此需要超过100v的电压来移动液滴。为了实现低电压致动，通常最好具有薄无机层以实现高电容，并且没有针孔，顶部是薄的有机疏水层。通过该组合，可以采用 /-10到 /-50v范围内的电压进行电润湿操作，这在传统tft阵列可以提供的范围内。
24.当在相邻电极之间施加电压差时，一个电极上的电压在电介质-液滴界面处吸引液滴中的相反电荷，并且液滴向该电极移动，如图2中所示。可接受的液滴推进所需的电压取决于介电层和疏水层的特性。ac驱动用于减少各种电化学对液滴、电介质和电极的劣化。ewod的操作频率可以在100hz到1mhz的范围内，但1khz或更低的较低频率优选与具有有限操作速度的tft一起使用。
25.如图2中所示，顶部电极206是单个导电层，通常设置为零伏或公共电压值(vcom)以考虑由于来自用于切换电极上电压的tft的电容反冲而导致的推进电极205上的偏移电压(见图3)。“顶部”和“底部”的使用只是约定俗成的，因为两个电极的位置可以切换，并且装置可以以多种方式定向，例如，顶部和底部电极可以大致平行，而整个装置被定向为使得基板垂直于工作表面。在一个实施例中，顶部电极包括例如面积为10mm2的透光区域，以能够对装置内部的液滴(未示出)进行视觉或分光光度监测。顶部电极也可以施加方波以增加横跨液体的电压。此类布置允许将较低的推进电压用于tft连接的推进电极205，因为顶板电压206附加于由tft提供的电压。
26.如图3中所示，推进电极的有源矩阵可以布置成用数据(源极)线和栅极(选择)线驱动，很像液晶显示器中的有源矩阵。扫描栅极(选择)线以进行一次一行的寻址，而数据(源极)线承载要传输到推进电极以进行电润湿操作的电压。如果不需要移动，或者如果液滴要远离推进电极，则将向该(非目标)推进电极施加0v。如果液滴要向推进电极移动，则将向该(目标)推进电极施加ac电压。
27.示例性tft开关的推进电极的架构如图4中所示。介电层408应该足够薄并且具有与低压ac驱动兼容的介电常数，诸如可从用于lcd显示器的传统图像控制器获得的。例如，介电层可以包括顶部涂覆有200-400nm等离子体沉积氮化硅的大约20-40nm sio2的层。可替代地，介电层可以包括5-500nm厚、优选150-350nm厚的原子层沉积的al2o3。采用本领域技术人员已知的方法，tft通过创建不同掺杂的si结构的交替层以及各种电极线来构造。
28.疏水层407可由含氟聚合物中的一种或混合物构成，诸如ptfe(聚四氟乙烯)、fep(氟化乙烯丙烯)、pvf(聚氟乙烯)、pvdf(聚偏二氟乙烯)、pctfe(聚氯三氟乙烯)、pfa(全氟烷氧基聚合物)、fep(氟化乙烯-丙烯)、etfe(聚乙烯四氟乙烯)和ectfe(聚乙烯氯三氟乙烯)。市售含氟聚合物af(sigma-aldrich,milwaukee,wi)和cytonix(beltsville,md)的fluoropel
tm
涂层，可旋涂在介电层408上。含氟聚合物薄膜的优点是它们可以是高度惰性的，并且即使在暴露于氧化处理(诸如电晕处理和等离子体氧化)后仍可保持疏水性。
具有较高接触角的涂层可以由一种或多种超疏水材料制成。超疏水材料上的接触角通常超过150
°
，这意味着只有一小部分液滴基底与表面接触。这赋予水滴几乎球形的形状。已发现某些氟化硅烷、全氟烷基、全氟聚醚和rf等离子体形成的超疏水材料可用作电润湿应用中的涂层，并使其相对更容易沿表面滑动。某些类型的复合材料的特征在于化学异质表面，其中一种成分提供粗糙度，而另一种提供低表面能，以便产生具有超疏水特性的涂层。仿生超疏水涂层依靠精细的微米或纳米结构来实现排斥，但应小心，因为此类结构往往容易因磨损或清洁而损坏。
29.可变电极大小区域
30.在本发明的一个方面，薄膜晶体管阵列的总体布局通过划分成两个或更多个区域而被修改(参见图1)。一个区域的电极具有与至少另一个区域不同的大小，从而产生具有不同电极矩阵密度并因此具有不同像素分辨率的两个或更多个区域。除非另有说明，本文所指的电极的术语“大小”被定义为连接电极外周上的两个点并完全位于电极表面内的最长直线段的长度。该新颖的架构可在阵列的特定区域中实现高级功能和高分辨率操作，同时通过降低不需要高功能的低分辨率区域的电极分辨率，将驱动器和数据要求的复杂性降至最低。该方法使制造困难最小化并且包含成本。如下所示，基于可变电极大小区域的电极矩阵配置减少了所需的源极/栅极线的数量和阵列的数据密度。
31.栅极源极线密度
32.除非另有说明，否则术语“线密度”是指子阵列的每表面积单位的源极或栅极驱动器线的数量。如果沿着阵列的源极驱动器存在包含线密度为a或b的子阵列的n个区域，其中比率a:b＝q，则假设存在x个密度为a的区域，可以证明当n全部为a(na)时所需的源极线/栅极线与n由a和b(n
ab
)组成时所需的源极线/栅极线之间的比率r
lines
如方程(1)中所示：
[0033][0034]
对于较大的n，r
lines
接近q。因此，减少所需的源极线和栅极线的数量有直接的好处。同样，该阵列可以包括包含递减线密度的子阵列的若干个区域，例如密度为a的区域x1、密度为b的区域x2和密度为c的区域x3，等等，其中a》b》c》d》...，则可以证明r
lines
如方程(2)中所示：
[0035][0036]
由于则根据方程(2)r必然大于1，从而证明qn大于1，这是在假设x1、x2、x3
…
具有低于x1的密度时。
[0037]
数据密度
[0038]
此外，可以看出，当所有n个区域都具有线密度a(na)时与当n由a和b(n
ab
)组成的情况下，比较数据密度的比率r
data
如方程(3)中所示，x和y分别是源极线和栅极线的密度为a的区域数量：
[0039]
[0040]
需要注意，乘积xy≤n2，因为x和y最多可以等于n，即沿驱动器或源极侧的区域数量可以是电极密度a。对于递减x和y，该比率接近q2。对于较大的x，该比率接近1的值。总之，来自可变电极大小区域的好处包括接近q的值的源极/栅极驱动器复杂性和接近q2的值的数据复杂性。
[0041]
示例性架构
[0042]
示例1
[0043]
图1的图示出示例性可变大小电极阵列的结构。该阵列被划分为三个区域10、12和14，其中每个区域的子阵列由其相应的驱动器线密度a、b或c定义。虽然图1的区域具有相同的行和列线密度，但是这不是要求。例如，区域10的特征可以是行线密度a，也可以是列线密度a*，a*可以大于或小于a，这取决于当前应用的要求。在一个示例性实施方式中，低密度区域从高密度区域分支。此外，如果需要，可以终止栅极线和源极线以调节期望的密度，因为使阵列承担更大风险以避免在低密度区域中由高密度线引起的额外电容。该设计特征的优点是能够以减少的栅极和/或源极线要求和更少的数据处理对阵列执行高分辨率操作。
[0044]
源极线和驱动器线的示例性布线在图5中示出。在优选实施例中，较高密度的驱动电极42的区域更靠近源极和栅极驱动器分布，并且较低密度的驱动电极44的区域从较高密度的区域呈扇形散开。栅极驱动器线47从栅极驱动器45延伸，并且源极驱动器线48从源极驱动器46延伸。(值得注意的是，控制每个驱动电极的薄膜晶体管未在图5中示出。在图5中，tft将位于每个驱动电极的左上角)。在图5的实施例中，多条栅极驱动器线47和多条源极驱动器线48提前终止，如图5中的椭圆49突出显示的。也就是说，某些驱动器线不会横跨整个阵列延伸，因为没有更多的tft控制超过驱动器线的终端。在本发明的实施例中，该架构允许单个栅极驱动器45和单个源极驱动器26驱动整个阵列，尽管驱动电极(42、44)的密度不同。虽然可以创建信号来激活像素，但在tft处不会同时存在源极和栅极驱动器信号来激励较低密度区域中的电极。此外，通过提前终止栅极驱动器线47和源极驱动器线48，低密度电极44与栅极驱动器线47和源极驱动器线48之间存在较少的电容耦合，否则其原本会在低密度电极44下方延伸。在其它情况下，单个驱动器线可能仅跨越一种大小和密度的电极。如图5中所示，从一个角落开始布置较高密度驱动电极42导致较高密度驱动电极42的第一正方形阵列(图5中的4
×
4)的自然图案导致均匀间隔开的较低密度驱动电极44。在该布置中，偶数的栅极驱动器线47和源极驱动器线48提前终止。
[0045]
示例2
[0046]
图6中所示的是另一个示例性可变大小阵列的结构。区域50具有线密度(行和列)a，并且区域32具有线密度b。线密度a大于b。因此，如果将d1定义为区域50的电极密度，例如以每100mm2的电极数量表达，并且将d2定义为区域52的电极密度，则比率d1:d2超过值1。在代表性实施例中，比率d1:d2等于大约2n，n是自然数，以便保持正方形电极形式。例如，比率d1:d2可以等于大约2、4、8或16以适应手头的应用。am-ewod装置中单个电极的大小通常在大约50μm到大约600μm的范围内。因此，如果区域52的电极在大小上为600μm，则区域50的电极大小可能为300、150或75μm，这取决于期望的比率d1:d2是2、4还是8。
[0047]
还设想了其中d1:d2比率等于3、5、6、7、9或不等于2n的其它整数的实施例。在一种情况下，区域50电极的大小可以在从大约25μm到大约200μm的范围内，而区域52的那些电极的大小可以在大约100μm到大约800μm之间的范围内。因此，如果区域50的电极在大小上为
50μm，则比率d1:d2可以是2、3、4、5、6、7等，这取决于为区域52的电极选择的大小。
[0048]
在一个实施例中，区域50更靠近阵列的上边缘和左边缘放置，并且从那里密度随着远离边缘而降低。当从区域50进入区域52时，该布置能够降低子阵列的线密度。可替代地，线密度可以沿每一行或每一列保持恒定，但不对像素本身进行连接。
[0049]
示例3
[0050]
图7的示意图示出示例性am-ewod装置60。储存器r1包含第一类型的流体，储存器r2包含第二类型的流体，并且储存器r3包含第三类型的流体。该装置的tft阵列在储存器入口附近包括高电极密度区域62，使得样品液滴可以从储存器中取出并沉积在高电极密度区域的表面上。区域62的子阵列的高电极密度使得能够以高精度执行测定步骤，诸如样品液滴的稀释、混合和大小调整(拆分)。在一个示例性实施例中，待测定用于分析物的存在和可选浓度的样品滴通过与溶剂的一个或多个液滴组合而被稀释，并且可以重复稀释步骤直到达到期望的分析物浓度范围。然后，稀释样品的液滴与一种或多种反应物的液滴混合，该反应物与分析物形成可检测的、可量化的测定产品。
[0051]
此后，样品液滴可以被转移到低分辨率区63，用于检测和测量测定产品的浓度。示例性检测和测量技术包括可见光、uv和ir范围内的分光光度法、时间分辨光谱法、荧光光谱法、拉曼光谱法、磷光光谱法和动电位电化学测量法，诸如循环伏安法(cv)。在分析物是诊断生物标志物(例如与给定疾病或病症相关联的蛋白质)的情况下，样品液滴可以与包含针对待测量蛋白质的抗体的溶液液滴混合。在酶联免疫吸附测定(elisa)中，抗体与酶相连，并且然后加入另一个液滴，这次是包含酶底物的物质。随后的反应产生可检测的信号，最常见的是可以在低分辨率区域中的一个或多个像素处检测和测量的颜色变化。
[0052]
如果样品液滴的平均直径测量到大约n个高分辨率像素的长度，则高密度区域应优选包括至少2n个像素，以便为液滴操纵提供足够的空间。通过将专用于生成高分辨率区域的源极和/或驱动器线的份额限制在总数的大约25％到50％，栅极和/或源极驱动器的复杂性以及数据复杂性都会降低。这反过来意味着栅极/源极需求减少了大约30％到60％，并且数据量减少了2.3到3.4倍。
[0053]
从上述内容可以看出，本发明可以提供一种仅在需要保证的区域具有高复杂性的装置，从而将总体复杂性保持在最低限度并降低制造和运营成本等。对本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述本发明的具体实施例进行多种改变和修改。因此，前述描述的全部内容将被解释为说明性的而不是限制性的。