Un aparato para manipular gotitas, comprendiendo el aparato:

(a) un sustrato de placa de circuito impreso (12) que comprende una primera superficie lateral (13) y una segunda superficie lateral (14);

(b) una serie de electrodos (16) dispuestos sobre la primera superficie lateral del sustrato;

(c) una capa dieléctrica (22) dispuesta sobre la primera superficie lateral del sustrato y modelada para cubrir los electrodos; y

(d) un selector de electrodos para crear de forma dinámica una secuencia de activación de los electrodos de la serie, con lo cual una gotita dispuesta sobre la primera superficie lateral del sustrato es manipulada eléctricamente, en el que el sustrato de la placa de circuito impreso (12) comprende una pluralidad de aberturas de sustrato definidas en su interior y que se extienden desde la primera superficie lateral del sustrato (13) a la segunda superficie lateral del sustrato (14) y cada electrodo (16) comprende una abertura de electrodo, en el que cada abertura de electrodo está alineada con una de la pluralidad de aberturas de sustrato para definir una pluralidad de lagunas de tránsito (24, 24', 24", 24"') a través del aparato.

Aparatos y métodos para manipular gotitas en una placa de circuito impreso.

Solicitudes relacionadas

Esta solicitud está relacionada con la Solicitud de Patente de Estados Unidos Nº de serie 10/253.342, presentada el 24 de septiembre de 2002 y la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos Nº de serie 60/648.051, presentada el 28 de enero de 2005.

Campo técnico

La materia desvelada en el presente documento se refiere, en general, a aparatos y métodos para realizar micromanipulación de gotitas sobre un sustrato de placa de circuito impreso (PCB) . Más particularmente, la materia desvelada en el presente documento se refiere a aparatos y métodos para fabricar y manejar sistemas microfluídicos a base de gotitas basados en tecnología de PCB convencional en los que las gotitas se mueven sobre la superficie de la PCB mediante la aplicación de potenciales eléctricos a electrodos definidos en la PCB. La materia desvelada en el presente documento también describe el uso de una máscara de soldadura como aislante de electrodos para la manipulación de gotitas, así como técnicas para adaptar otras capas y materiales de PCB tradicionales para microfluídica a base de gotitas.

Antecedentes

La microfluídica es un campo que avanza rápidamente, que trata con el estudio de fluidos con un volumen por debajo del microlitro. Los dispositivos microfluídicos cada vez se aplican más y están más aceptados en muchos campos de biología, química, medicina, monitorización del entorno, descubrimiento de fármacos y componentes electrónicos para el consumidor. Se espera que la miniaturización de dispositivos tradicionales, particularmente dispositivos analíticos, conduzca a muchos beneficios incluyendo un consumo (y un coste) reducido de reactivos y muestras, un mayor rendimiento y automatización, tiempos de análisis más rápidos e instrumentación más fiable, económica y portátil. Dado que más funcionalidad viene incluida en estos dispositivos, los microsistemas de análisis total ( TAS) totalmente integrados o “laboratorios en un chip” se están convirtiendo en una realidad y son cada vez más importantes. El laboratorio en un chip es un paradigma emergente que pretende miniaturizar e integrar el manejo de fluidos en un chip. Un laboratorio en un chip debe permitir el dispensado, transporte, mezclado, incubación, detección/separación de fluido y el desechado de residuos para que sea una auténtica unidad autónoma. Los sistemas de laboratorio en un chip microfluídicos pueden clasificarse ampliamente en sistemas de flujo continuo y de flujo discreto. Un sistema de flujo continuo es auto-descriptivo y en los sistemas de flujo discreto el fluido se separa en gotitas. Una limitación habitual de los sistemas de flujo continuo es que el transporte de fluido está confinado físicamente a canales fijos mientras que los sistemas basados en gotitas (o de flujo discreto) pueden estar confinados a canales físicos o funcionar en sistemas planos y sin canales. Los mecanismos de transporte usados generalmente en los sistemas de flujo continuo son impulsados por presión mediante bombas externas o son impulsados de forma electrocinética por altos voltajes. Los sistemas de flujo continuo pueden implicar una compleja canalización y requieren grandes instrumentos de soporte en forma de válvulas o suministros de energía externos. En otro enfoque de sistemas a base de canales, las fuerzas centrifugas impulsan los fluidos para que fluyan de forma unidireccional en los canales. El paradigma microfluídico de flujo continuo tiene limitaciones de versatilidad, haciendo difícil conseguir altos grados de integración y control funcionales.

Los sistemas microfluídicos de flujo discreto o a base de gotitas han estado progresando de forma constante hasta cumplir la promesa del concepto de laboratorio en un chip para manejar todas las etapas de análisis, incluyendo extracción de muestras, preparación de muestras, procesamiento de muestras incluyendo transporte, mezclado e incubación, detección y manejo de residuos. Estas etapas se han diseñado para ser realizadas en un chip sin sistemas de apoyo fuera del chip significativos. Recientemente se han desarrollado varios enfoques de flujo discreto para manipular gotitas basados en litografía blanda multicapa, flujos multifase hidrodinámicos, técnica de electrowetting continua, electrowetting en dieléctrico (EWOD) , dielectroforesis, electrostática y ondas acústicas en superficie. Algunas de las técnicas anteriores manipulan gotitas o lingotes en canales confinados físicamente mientras que otras técnicas permiten la manipulación de gotitas sobre superficies planas sin canales físicamente

definidos algunos. Los enfoques a base de gotitas sin canales se han denominado como “microfluídica digital”, dado

que el líquido se separa y se manipula de forma programable.

Los protocolos a base de gotitas son muy similares a protocolos biométricos a escala de laboratorio que también se ejecutan generalmente en volúmenes discretos de fluidos. Por lo tanto, los protocolos establecidos pueden adaptarse fácilmente al formato microfluídico digital. Algunas de las características distintivas de los sistemas microfluídicos digitales incluyen: reconfigurabilidad (las operaciones y las trayectorias de las gotitas se seleccionan mediante un panel de control del software para permitir a los usuarios crear cualquier combinación de operaciones microfluídicas sobre la marcha) ; la programabilidad del software también da como resultado flexibilidad del diseño donde un chip procesador microfluídico genérico puede diseñarse y reprogramarse para diferentes aplicaciones; pueden implementarse etapas de ejecución condicionales, dado que cada operación microfluídica puede realizarse bajo en control directo de un ordenador para permitir la máximo flexibilidad operacional; transporte de gotitas multidireccional dado que los canales solamente existen en sentido virtual y pueden reconfigurarse al instante mediante el software; pequeños volúmenes de gotita (< 1 l) ; funcionamiento completamente electrónico sin usar bombas o válvulas externas; control simultáneo e independiente de muchas gotitas; y funcionamiento sin canales (donde no se requiere cebado) .

Muchas tecnologías de laboratorio en un chip actuales (incluyendo dispositivos tanto de flujo continuo como de flujo discreto) son relativamente inflexibles y están diseñados para realizar solamente un único ensayo o un pequeño conjunto de ensayos muy similares. Debido a las disposiciones fijas de los actuales chips microfluídicos, se requiere un nuevo diseño de chip para cada aplicación, lo que hace costoso desarrollar nuevas aplicaciones. Además, muchos de estos dispositivos se fabrican usando costosas técnicas de microfabricación derivadas de la fabricación de circuitos semiconductores integrados. Como resultado, las aplicaciones para dispositivos microfluídicos se expanden de forma relativamente lenta debido al coste y al esfuerzo requeridos para desarrollar nuevos dispositivos para cada aplicación específica. Aunque la fabricación por lotes permite que los dispositivos microfabricados sean económicos cuando se producen en masa, el desarrollo de nuevos dispositivos puede ser prohibitivamente costoso y requerir mucho tiempo debido a los altos costes de desarrollo de prototipos y el largo tiempo de respuesta asociado a las técnicas de microfabricación de semiconductores convencionales. Para ampliar la gama de aplicaciones y el impacto de la microfluídica en medicina, el descubrimiento de fármacos, la monitorización del entorno y de alimentos, y otras áreas incluyendo componentes electrónicos para el consumidor, existe una necesidad percibida desde hace tiempo tanto de enfoques microfluídicos que proporcionen dispositivos integrados más reconfigurables y flexibles, así como de técnicas para desarrollar y fabricar de forma más económica y rápida estos chips.

En los últimos varios años se han producido avances utilizando diferentes enfoques para microfluídica en base a la manipulación de gotitas de tamaño del nanolitro individuales mediante control eléctrico directo. Los ejemplos de dichos sistemas pueden encontrarse en la Patente de Estados Unidos Nº 6.911.132 y la Publicación de Solicitud de Patente de Estados Unidos Nº 2004/0058450, ambas de Pamula et al., (y asignadas habitualmente al Cesionario de la presente materia) .

El documento US-A-2004/0055891 también desvela un aparato para manipular gotitas que comprende un diseño de electrodo de lado único en el que todos los elementos... [Seguir leyendo]

1. Un aparato para manipular gotitas, comprendiendo el aparato:

(a) un sustrato de placa de circuito impreso (12) que comprende una primera superficie lateral (13) y una segunda superficie lateral (14) ;

(b) una serie de electrodos (16) dispuestos sobre la primera superficie lateral del sustrato;

(c) una capa dieléctrica (22) dispuesta sobre la primera superficie lateral del sustrato y modelada para cubrir los electrodos; y

(d) un selector de electrodos para crear de forma dinámica una secuencia de activación de los electrodos de la serie, con lo cual una gotita dispuesta sobre la primera superficie lateral del sustrato es manipulada eléctricamente,

en el que el sustrato de la placa de circuito impreso (12) comprende una pluralidad de aberturas de sustrato definidas en su interior y que se extienden desde la primera superficie lateral del sustrato (13) a la segunda superficie lateral del sustrato (14) y cada electrodo (16) comprende una abertura de electrodo, en el que cada abertura de electrodo está alineada con una de la pluralidad de aberturas de sustrato para definir una pluralidad de lagunas de tránsito (24, 24', 24", 24"') a través del aparato.

2. El aparato de la reivindicación 1, que comprende, además, una serie de uno o más electrodos de referencia (18) ajustable a un potencial de referencia común dispuestos en relación al menos sustancialmente co-planar con la serie de electrodos impulsores (16) .

3. El aparato de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la serie de electrodos de referencia (18) comprende una rejilla de estructuras alargadas.

4. El aparato de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la altura de la rejilla de estructuras alargadas es al menos igual a la altura de la gotita dispuesta sobre la primera superficie lateral del sustrato (13) .

5. El aparato de la reivindicación 1, que comprende, además, un electrodo de referencia alargado (18) sustancialmente paralelo a y separado de la primera superficie lateral del sustrato (13) una distancia para definir un espacio (G) entre el electrodo de referencia y la primera superficie lateral del sustrato, en el que la distancia es suficiente para contener a una gotita dispuesta en el espacio.

6. El aparato de acuerdo con la reivindicación 5, en el que el electrodo de referencia alargado (18) es una serie de uno o más cables.

7. El aparato de acuerdo con la reivindicación 5, en el que el electrodo de referencia alargado (18) es una placa.

8. El aparato de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la placa del electrodo de referencia (18) comprende una superficie de placa (14') enfrentada a la superficie del sustrato (13) , y la superficie de placa es hidrófoba.

9. El aparato de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que las lagunas de tránsito (24') se llenan con una sustancia dieléctrica.

10. El aparato de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que las lagunas de tránsito (24") se llenan con una resina.

11. El aparato de acuerdo con la reivindicación 10, en el que la resina es una epoxi conductora o una epoxi ópticamente transparente.

12. El aparato de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el sustrato (12) define al menos un orificio de entrada de gotitas (32) adyacente a al menos uno de los electrodos de la serie de electrodos.

13. El aparato de acuerdo con la reivindicación 12, en el que la al menos un orificio de entrada de gotitas (32) está en comunicación con una fuente de flujo líquido seleccionada entre el grupo constituido por un tubo flexible, una jeringa, una pipeta, una bomba fluídica externa, un tubo capilar de vidrio, un tubo intravenoso y una luz de microdiálisis.

14. El aparato de acuerdo con la reivindicación 12 ó 13, en el que el sustrato (12) define al menos un orificio de salida de gotitas (32) adyacente a al menos uno de los electrodos de la serie de electrodos.

15. El aparato de acuerdo con la reivindicación 14, en el que el al menos un orificio de salida de gotitas (32) está en comunicación con una fuente de flujo líquido seleccionada entre el grupo constituido por un tubo flexible, una jeringa, una pipeta, una bomba fluídica externa, un tubo capilar de vidrio, un tubo intravenoso y una luz de microdiálisis.

16. El aparato de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que la sustancia dieléctrica es un material de máscara de soldadura, material depositado por rotación, material de recubrimiento por inmersión, material de recubrimiento con cepillado o por pulverización, depositable por vapor, o depositado por pulverización catódica.

17. El aparato de acuerdo con la reivindicación 16, en el que el material de máscara de soldadura se selecciona

entre el grupo constituido por máscara de soldadura fotosensible líquida (LPI) y máscara de soldadura de película seca (DFSS) .

18. El aparato de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que comprende, además, un componente electrónico conectado de forma operativa al sustrato de la placa de circuito impreso, estando el componente electrónico seleccionado entre el grupo constituido por microcontroladores, relés, multiplexores de alto voltaje, conversores de

voltaje, diodos emisores de luz (LED) , fotodiodos, tubos foto-multiplicadores (PMT) , elementos calefactores, termistores, dispositivos de resistencia a temperatura (RTD) y electrodos para mediciones electroquímicas.

FRECUENCIA DE TRANSFERENCIA (Hz) FRECUENCIA DE TRANSFERENCIA (Hz) VOLTAJE UMBRAL (V) TRANSFERENCIA (Hz) VOLTAJE UMBRAL (V)