本发明实施例涉及微流控系统技术领域，尤其涉及一种数字微流控系统。
背景技术：
目前，单细胞组学研究中，细胞分选主要基于微滴微流体技术(microdroplet)实现，该技术通过油压或气压的规律性控制将细胞分配到离散微液滴中，从而实现对单个细胞独立研究的可能。
通常，采用微滴芯片及配套系统实现细胞分选的过程包括：首先通过微滴微流控技术将单个细胞和带有一段引物的磁珠包裹在凝胶微球中，这段引物包括条形码编码(barcode)、单分子标签(umi)、反转录引物等。通过barcode实现对每个细胞的dna的唯一性标记，然后进行微球的混合、细胞裂解、引物释放、磁珠提取、分子扩增等步骤，最终将所有已标记和扩增的dna进行测序，通过分析软件对细胞的测序结果进行分析。其中，umi的主要用于减少后续由于扩增引起的误差。umi可以添加至dna分子上，在扩增时可以使每个单分子都被复制成千万个带有标记的分子，通过对带有umi标签的序列进行一致性统计，可进一步提高测序数据的准确性。磁珠主要作为提纯的介质，需要配合机器中的电磁模块使用。但是，该微滴微流体技术的主要缺陷在于：测序过程依然只能将所有已经被barcode标记的细胞的基因一起进行测序，无法剔除大量不符合要求的细胞，因此造成实验时间、成本、材料的浪费。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种数字微流控系统，以实现单细胞或微球的捕获，从而有利于节省时间、材料以及成本。
本发明实施例提出一种数字微流控系统，该数字微流控系统包括：数字微流控芯片和驱动控制系统；
所述数字微流控芯片包括基底、电极阵列、介电层、第一疏水层、至少一个微控结构、第二疏水层、上盖、以及间隙控制结构；
所述上盖与所述基底相对设置，所述间隙控制结构的底部穿插于所述基底中或抵接固定于所述基底朝向所述上盖的一侧，所述间隙控制结构的顶部一端与所述上盖朝向所述基底的一侧固定，以形成液体移动空间；
所述基底朝向所述上盖的一侧依次层叠设置所述电极阵列、所述介电层以及所述第一疏水层，所述上盖朝向所述基底一侧设置所述第二疏水层；所述微控结构设置于所述液体移动空间内，且位于所述第一疏水层与所述第二疏水层之间；
所述电极阵列包括阵列排布的多个电极；在所述数字微流控芯片的捕获区：单个所述微控结构在所述基底上的垂直投影位于一所述电极在所述基底上的垂直投影内，且相邻两个所述微控结构之间间隔至少一个所述电极；
所述驱动控制系统依次向所述电极供电，以使液体移动空间中的液滴沿所述微控结构的开口方向移动；所述微控结构用于在所述液滴经过时截留所述液滴中的至多一个细胞或微球。
在一实施例中，在所述数字微流控芯片的捕获区：所述电极阵列中的多个电极呈m行n列的阵列排列；
所述微控结构的开口方向平行于所述m行n列的阵列的行方向，或者
所述微控结构的开口方向平行于所述m行n列的阵列的列方向，或者
所述微控结构的开口方向与所述m行n列的阵列的行方向以预设角度交叉。
在一实施例中，所述微控结构还包括缺口，所述缺口与所述微控结构的开口连通，且沿所述液滴移动的方向相对设置。
在一实施例中，所述微控结构在所述基底上的垂直投影的形状包括v字型、w字型以及c字型中的至少一种。
在一实施例中，所述微控结构的厚度等于所述液体移动空间在垂直于所述基底的方向上的高度，或者
所述微流控结构的厚度小于所述液体移动空间在垂直于所述基底的方向上的高度，且等于或大于所述液体移动空间在垂直于所述基底的方向上的高度的一半。
在一实施例中，所述微控结构的厚度为a11，所述液体移动空间的高度为a12，待截留细胞或待截留微球在垂直于所述基底的方向上的高度为a00，a11、a12与a00之间满足：
a00≤a11≤2a00，a00≤a12≤2a00。
在一实施例中，所述电极阵列中，各所述电极分别通过一导线与所述驱动控制系统电连接。
在一实施例中，所述数字微流控芯片还包括多个控制元件、多条第一信号线以及多条第二信号线；
所述第一信号线与所述第二信号线交叉限定电极区域，每个电极区域中设置一所述电极，每个电极均通过一所述控制元件与一所述第一信号线以及一所述第二信号线电连接；
所述控制元件包括控制端、输入端和输出端；位于同一行的各所述控制元件的控制端均与同一所述第一信号线电连接，位于同一列的各所述控制元件的输入端均与同一所述第二信号线电连接，各所述控制元件的输出端分别与所述电极电连接；
其中，所述第一信号线用于传输所述控制元件的控制信号，所述第二信号线用于传输所述电极的电位信号。
在一实施例中，所述数字微流控芯片还至少包括第一进样口、第一储液区、至少一级第一分离区、第二进样口、第二储液区以及至少一级第二分离区；
所述第一储液区用于存储由所述第一进样口注入的含有细胞和/或微球的第一液滴，所述第二储液区用于存储由所述第二进样口注入的不含细胞及微球的第二液滴；
至少一级所述第一分离区依次设置于所述第一储液区与所述捕获区之间，至少一级所述第二分离区依次设置于所述第二储液区与所述捕获区之间；至少一级所述第一分离区用于将所述第一液滴逐级分离为第三液滴，至少一级所述第二分离区用于将所述第二液滴逐级分离为第四液滴；
其中，所述第三液滴的尺寸小于所述第一液滴的尺寸，所述第四液滴的尺寸小于所述第二液滴的尺寸；
以及在所述捕获区内，所述第四液滴经过所述微控结构时，沿所述微控结构的开口方向的反方向移动，以将所述微控结构截留的细胞或微球带出。
在一实施例中，所述至少一级第一分离区包括沿所述第一进样口至所述捕获区之间的路径依次设置的第一级第一分离区、第二级第一分离区以及第三级第一分离区，所述第一级第一分离区复用为所述第一储液区；
所述至少一级第二分离区包括沿所述第二进样口至所述捕获区之间的路径依次设置的第一级第二分离区、第二级第二分离区以及第三级第二分离区，所述第一级第二分离区复用为所述第二储液区；
各所述第一分离区中，所述电极的大小依次为：所述第一级第一分离区中的电极、所述第二级第一分离区中的电极、所述第三级第一分离区中的电极；
各所述第二分离区中，所述电极的大小依次为：所述第一级第二分离区中的电极、所述第二级第二分离区中的电极、所述第三级第二分离区中的电极。
在一实施例中，所述数字微流控芯片还包括反应区；
携带细胞或微球的所述第四液滴移动至所述反应区，以进行片上生化反应。
在一实施例中，所述数字微流控芯片还包括出样口；
所述出样口处用于提取携带细胞或微球的所述第四液滴，用于排出在所述反应区经过反应后的液滴，或者用于排出细胞与微球均被截留耗尽的所述第二液滴。
在一实施例中，所述电极的形状包括圆形、椭圆形、多边形、组合图形以及不规则图形中的至少一种。
在一实施例中，该数字微流控系统还包括声波发生单元，所述声波发生单元对称设置于所述捕获区的两侧。
在一实施例中，该数字微流控系统还包括检测单元；所述检测单元包括光学检测单元、电学检测单元以及电化学检测单元中的至少一种。
本发明实施例提供的数字微流控系统包括：数字微流控芯片和驱动控制系统；通过设置数字微流控芯片包括基底、上盖、间隙控制结构、至少一个微控结构、电极阵列、介电层、第一疏水层以及第二疏水层；上盖与基底相对设置，间隙控制结构的底部穿插于基底中或抵接固定于基底朝向上盖的一侧，间隙控制结构的顶部一端与上盖朝向基底的一侧固定，以形成液体移动空间；基底朝向上盖的一侧依次层叠设置电极阵列、介电层以及第一疏水层，上盖朝向基底一侧设置第二疏水层；微控结构设置于液体移动空间内，且位于第一疏水层与第二疏水层之间；电极阵列包括阵列排布的多个电极；在数字微流控芯片的捕获区：单个微控结构在基底上的垂直投影位于一电极在基底上的垂直投影内，且相邻两个微控结构之间间隔至少一个电极；驱动控制系统依次向电极供电，以使液体移动空间中的液滴沿微控结构的开口方向移动；微控结构用于在液滴经过时截留液滴中的至多一个细胞或微球；如此，可基于数字微流控技术、利用微控结构对液滴中的至多一个细胞或微球进行截留，从而能够精准实现单细胞/微球液滴的生成，从而有利于节省时间、材料以及成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种数字微流控系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的数字微流控系统中一种数字微流控芯片的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的数字微流控系统中另一种数字微流控芯片的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种数字微流控系统的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的数字微流控系统的截留单细胞的原理示意图；
图6是本发明实施例提供的数字微流控系统截留单细胞的实物示意图；
图7是本发明实施例提供的数字微流控系统中又一种数字微流控芯片的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的数字微流控系统的带出单细胞的原理示意图；
图9是本发明实施例提供的数字微流控系统的液滴分离的原理示意图；
图10是本发明实施例提供的数字微流控系统的截留单细胞的原理示意图；
图11和图12是本发明实施例提供的数字微流控系统的带出单细胞的原理示意图；
图13是本发明实施例提供的数字微流控系统中又一种数字微流控芯片的结构示意图；
图14是本发明实施例提供的又一种数字微流控系统的结构示意图；
图15是本发明实施例提供的数字微流控系统中数字微流控芯片的速度场线分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
上述背景技术中，微滴微流体技术的主要缺陷在于：
1)虽然通过barcode对每个单细胞进行唯一性标记实现了单个细胞的基因测序，但是由于对barcode的设计要求(要求数量大、特异性高)以及测序后的数据处理要求很高(统一测序后需要通过数据处理进行精准溯源)，由此提高了实验的成本。
2)测序过程依然只能将所有已经被barcode标记的细胞的基因一起进行测序，无法剔除大量不符合要求的细胞(例如有些细胞基因编辑未成功或不含有目标dna/rna片段，因此不具有进一步研究意义)，因此造成实验时间、成本、材料的浪费。由于无法在单细胞生成过程中挑选出特定的目标细胞进行试验，因此单个细胞的测序通常只能进行一种测试，限制了从单个细胞所获得更多的类型的生物信息。具体的，由于微滴微流控技术本身的限制，大量的微滴仍然只能够一起进行处理，无法挑选出单个微滴进行测试，许多生化测试在进行完一项以后就无法再进行其他测试，因此通常只能进行一种测试。
3)微滴微流体技术的系统通常采取模块化的方式，不同模块实现不同的功能，例如单细胞分选(微流控)模块、扩增(温度)模块、提纯(磁吸)模块等，因此设备体积较大，集成度较低且成本高昂。
针对上述技术问题中的至少之一，本发明实施例提出一种能够精准生成单细胞/微球的数字微流控系统，该系统由数字微流控芯片(利用例如电润湿、介电泳、声波等本领域技术人员可知的技术手段)和驱动控制系统组成，利用数字微流控技术能够实现单细胞/微球液滴的生成并进行筛选(例如利用光学、电学，电化学等本领域技术人员可知的技术手段进行测试)，从而剔除不满足条件的液滴。该系统可同时集成例如分子扩增、细胞培养等本领域技术人员可知的生化实验实现单细胞/微球片上实验室。在该方案的技术平台(也称实验平台，或称平台)上，用户能够挑选出任意一个满足要求的单细胞/微球液滴进行后续实验(例如基因测序等本领域技术人员可知的生化实验)；同时，可将液滴分成若干份分别进行不同的测试，如此可获得较多的生物信息。该实验平台提供了一种全新的单细胞/微球研究手段，弥补了现有技术至少一个上述缺陷；同时，该实验平台具有很高的集成度，与现有技术相比具有成本优势。
可理解的是，介电泳与电润湿的区别主要在于驱动液滴(或微滴)时所提供的电压信号，在直流和较低频率时主要时电润湿力在起作用，高频时主要是介电泳力在起作用，一般情况是两者的复合作用，因此在设备、结构上并无明显差别。同时，上述测试手段可以探知任意微滴中的细胞/微球个数，由于该实验平台可以控制任意液滴，因此可以将非单细胞/微球的液滴转移至废液区或者运回蓄液池重新分离，直至分出满足要求的微滴。
以上为本发明实施例的核心思想，下面结合附图1-15，对本发明实施例提供的数字微流控系统以及其控制原理进行示例性说明。
参考图1和图2，该数字微流控系统1包括：数字微流控芯片10和驱动控制系统20；数字微流控芯片10包括基底101、电极阵列105、介电层106、第一疏水层107、至少一个微控结构104、第二疏水层108、上盖102以及间隙控制结构103；上盖102与基底101相对设置，间隙控制结构103的底部穿插于基底101中或抵接固定于基底101朝向上盖102的一侧，间隙控制结构103的顶部一端与上盖102朝向基底101的一侧固定，以形成液体移动空间100；基底101朝向上盖102的一侧依次层叠设置电极阵列105、介电层106以及第一疏水层107，上盖102朝向基底101一侧设置第二疏水层108；微控结构104设置于液体移动空间100内，且位于第一疏水层107与第二疏水层108之间；电极阵列105包括阵列排布的多个电极1051；在数字微流控芯片10的捕获区110：单个微控结构104在基底101上的垂直投影位于一电极1051在基底101上的垂直投影内，且相邻两个微控结构104之间间隔至少一个电极1051；驱动控制系统20依次向电极1051供电，以使液体移动空间100中的液滴30沿微控结构104的开口方向移动；微控结构104用于在液滴经过时截留液滴30中的至多一个细胞301或微球301。
其中，驱动控制系统20主要用于控制电极阵列105的电压时序信号、用于控制功能模块，如下文中的温控装置、检测装置等，以及收集处理检测装置收集的数据。
其中，驱动控制系统20通过为电极阵列105中的电极1051有序供电，可实现通过电润湿力和/或介电泳力对任意微滴的独立控制，从而实现本发明实施例中的液滴移动、单细胞/微球截留以及其他片上实验、液滴转移。
其中，基底101用于支撑数字微流控芯片10的其他功能膜层结构，其材料通常为非导电材料，例如塑料、玻璃、pcb基板等。上盖102通常为接地状态，用于保证电极阵列105和该上盖102之间保持有足够大的电势差，以驱动液滴移动。上盖102的材料可为镀有ito的玻璃、金属等。间隙控制结构103用于控制液体移动空间100的间隙，通常为几十至几百微米。
其中，液体移动空间100是容纳并操控微滴的空间，数字微流控芯片10的整体结构可视为三明治结构，液体仅在该液体移动空间100内移动，该液体移动空间100可以以空气或油为介质。示例性的，液体移动空间100的大小由基底101与上盖102之间的距离决定，与间隙控制结构103的尺寸相关。示例性的，间隙控制结构103的两端可分别穿插于基底101与上盖102中，或分别与基底101和上盖102抵接固定，可实现固定作用以及决定基底101与上盖102之间的距离即可，还采用本领域技术人员可知的其他连接固定方式，可根据数字微流控芯片10和数字微流控系统1的需求设置，本发明实施例对此不赘述也不限定。
其中，微控结构104用于实现部分功能，例如后文提到的用于细胞/微球捕获的v字结构，材料可选择例如su8，厚度可与液体移动空间100的厚度相同。
其中，电极阵列105用于传输控制液体移动的电压信号，当电极1051开启时，电极1051将呈现高压状态；当电极1051关闭时，电极1051呈现接地、悬浮电压或高阻状态(即阻抗很大的状态，类似于断路的状态)。利用电润湿或电介泳现象，当电极1051开启时，其表面的电压能够调节其上方第一疏水层107的亲疏水性，从而对其上方的液滴30产生切向推力。示例性的，电极阵列105中电极1051的材料可为导电材料，例如铜、金、银、钛等金属材料，或如氧化铟锡(ito)等透明导电材料。
其中，介电层106用于隔绝电极阵列105与液体，避免电流流进液体；其材料为绝缘材料，例如parylene、pe、su8等，尺寸通常为纳米或微米级别厚度。第一疏水层107和第二疏水层108用于提供液体移动的顺滑表面，以减小运动阻力；其材料可为特氟龙、
本发明实施例提供的数字微流控系统1中，当电极阵列105中的电极1051依序开启时，利用电润湿力或介电泳力推动液滴沿预设方向运动，当该液滴经过微控结构104时，微控结构104可截留液滴中的至多一个细胞/微球，从而实现精准捕获单细胞/微球。
示例性的，参照图5，其中示出了3个电极1051，液滴30中包含若干(例如4)个细胞/微球301；以图5示出的方位为例，3个电极1051由右向左依次供电，液滴30由右向左运动，a、b和c分别示出了三种不同的状态。具体的，当开启中间电极1051时，液滴30将受到电润湿力向中间电极1051移动，液滴状态由a变化至b，当液滴30经过微控结构104时，有一定几率捕获1个细胞301/微球301，微控结构104根据细胞/微球的尺寸进行设计,使得一个微控结构104仅能容纳1个细胞301/微球301。当开启最左侧的电极1051后，液滴30会移动至最左侧电极1051，从而将一个细胞301/微球301留在微控结构104中，其状态如c所示。
示例性的，图6展示了在显微镜下一个微控结构104捕获一个直径为20微米的ps微球301的照片。
示例性的，图1和图5中仅示出了电极1051的形状为方形，在其他实施方式中，电极1051的形状还可包括圆形、椭圆形以及其他多边形中的至少一种，可根据数字微流控芯片10以及数字微流控系统1的需求设置，本发明实施例对此不限定。
在其他实施方式中，电极1051的形状还可为本领域技术人员可知的其他简单图形(例如三角形、长方形、六边形、八边形等)、简单图形组合而成的复杂图形以及不规则图形，本发明实施例对此不赘述也不限定。
在一实施例中，参照图1和图4，在数字微流控芯片10的捕获区110：电极阵列105中的多个电极1051呈m行n列(例如4行7列)的阵列排列；微控结构104的开口方向平行于m行n列的阵列的行方向(如图1或图4所示)，或者微控结构104的开口方向平行于m行n列的阵列的列方向(图中未示出)。
如此设置，可使微控结构104的开口方向与电极阵列105中的电极1051的排列方向保持一致，从而便于利用电极1051驱动液滴移动的过程中，利用微控结构104的开口截获细胞或微球。
示例性的，图1和图4中，微控结构104的开口方向为水平向右方向，阵列的行方向为水平左右方向。在其他实施方式中，基于图1和图4示出的电极阵列105，微控结构104的开口方向还可为水平向左、水平向上或水平向下，本发明实施例对此不限定。
在其他实施方式中，微控结构104的开口方向还可为m行n列的阵列平面内的其他方向；示例性的，微控结构104的开口方向可与m行n列的阵列的行方向以预设角度(固定角度)交叉。示例性的，该预设角度可为15°、30°、45°或本领域技术人员可知的其他角度值，本发明实施例对此不赘述也不限定。
在其他实施方式中，当电极阵列105中电极1051的排布方式还可为本领域技术人员可知的其他方式；微控结构104的开口方向还可根据其所在电极1051以及与之相邻的电极1051的相对位置关系确定，优选为平行于两电极1051的中心连线，也可为其他可选方向，本发明实施例对此不赘述也不限定。
在一实施例中，继续参照图5，微控结构104还包括缺口1041，缺口1041与微控结构104的开口1040连通，且沿液滴30移动的方向相对设置。
如此设置，可在液滴30经过微控结构104时，利用缺口1041允许液滴30中的液体流过，从而可减少液滴30移动经过微控结构104时的阻力，便于液滴30的移动。
示例性的，缺口1041的最大尺寸小于单个细胞301/微球301的尺寸，以确保细胞301或微球301可被微控结构104截留。
在一实施例中，继续参照图1、图4或图5，微控结构104在基底101上的垂直投影的形状包括v字型，在其他实施方式中，该形状也可为w字型、c字型以及本领域技术人员可知的其他形状，通过对微控结构104的形状的设计，可利用微控结构104精准地捕获液滴30中的单细胞301/微球301。
微控结构104的结构满足具有可容纳且仅容纳单细胞/微球的开口，以及具有沿液滴流向的缺口即可，本发明实施例对此不限定。
在一实施例中，参照图2或图3，微控结构104的厚度为a11，液体移动空间100的高度为a12，待截留细胞301或待截留微球301在垂直于基底101的方向上的高度为a00，a11、a12与a00之间满足：a00≤a11≤2a00，a00≤a12≤2a00。
如此设置，可使微控结构104和液体移动空间100在垂直于基底101的方向(即竖直方向)上的厚度介于单个细胞301/微球301的厚度与两个细胞301/微球301的厚度之间，从而液体移动空间100仅允许液滴30中携带单层细胞301/微球301，且微控结构104在竖直方向上仅截留单个细胞301/微球301，从而有利于精准捕获单个细胞301或微球301。
示例性的，在细胞301/微球301被捕获的过程中，为了避免微控结构104由于细胞/微球在竖直方向上的堆叠导致捕获超过1个细胞301/微球301，图2和图3中，微控结构104的垂直厚度以及液体移动空间100的垂直距离均需要根据细胞301/微球301的尺寸设计。例如：细胞/微球直径为20微米(μm)，则该距离a11和a12需满足：20μm≤a11≤40μm，20μm≤a12≤40μm。例如：该实例中，a11和a12的取值均可为30μm。同时，微控结构104的平面尺寸需根据细胞301/微球301尺寸进行相应设计，使得在水平方向上，微控结构104仅能最多捕获1个细胞301/微球301，
此外，微控结构104的厚度a11可小于液体移动空间100的高度a12，从而有利于提高工艺容忍度，工艺容忍度较高，有利于降低工艺组装难度，提高数字微流控芯片10和数字微流控系统1的产品良率，从而有利于降低其成本。
在一实施例中，继续参照图3，微控结构104的厚度a11等于液体移动空间100在垂直于基底101的方向上的高度a12。
如此设置，使得微控结构104与液体移动空间100的上下表面均接触，即微控结构104与其上下表面之间均不存在间隙，从而可避免细胞301/微球301从二者之间的间隙处逃离。
在一实施例中，继续参照图2，微控结构104的厚度小于液体移动空间100在垂直于基底101的方向上的高度a12时，微控结构104的厚度还应等于或大于液体移动空间100在垂直于基底101的方向上的高度a12的一半。
如此设置，可使微控结构104的高度适宜，在提高工艺容忍度的同时，还可有效截留单细胞301/微球301。
在上述实施方式中，电极阵列可采用无源式(被动式)驱动或有源式(主动式)驱动，下面结合图1和图4进行示例性说明。
在一实施例中，参照图1，电极阵列105中，各电极1051分别通过一导线1055与驱动控制系统20电连接。
如此设置，可利用驱动控制系统20通过与各电极1051连接的导线1055，分别独立的依序为电极1051提供电压，从而实现无源驱动。该结构中，电极阵列105通过导线1055与驱动控制系统20直接电连接，而无需设置其他电路元器件，从而电路结构较简单，设计难度以及制作工艺难度较低，有利于提高产品良率。
在一实施例中，参照图4，数字微流控芯片10还包括多个控制元件111、多条第一信号线112以及多条第二信号线113；第一信号线112与第二信号线113交叉限定电极区域115，每个电极区域115中设置一电极1051，每个电极1051均通过一控制元件111与一第一信号线112以及一第二信号线113电连接；控制元件111包括控制端、输入端和输出端；位于同一行的各控制元件111的控制端均与同一第一信号线112电连接，位于同一列的各控制元件111的输入端均与同一第二信号线113电连接，各控制元件111的输出端分别与电极电1051连接；其中，第一信号线112用于传输控制元件111的控制信号，第二信号线113用于传输电极1051的电位信号。
如此设置，可结合第一信号线112和第二信号线113的控制时序，依序分别为各电极1051提供电压。示例性的，控制元件111可为晶体管，如此，电极阵列105通过晶体管阵列与驱动控制系统20电连接，以实现电压信号的控制，从而实现有源驱动。该电路结构中，同一行电极1051与同一条第一信号线112电连接，同一列电极1051与同一条第二信号线113电连接，从而第一信号线112和第二信号线113的数量较少，有利于减少驱动控制系统20的连接端口数量，从而有利于降低数字微流控芯片10以及数字微流控系统1的成本。
在一实施例中，参照图7-图12，数字微流控芯片10还至少包括第一进样口121、第一储液区122、至少一级第一分离区123、第二进样口131、第二储液区132以及至少一级第二分离区133；第一储液区122用于存储由第一进样口121注入的含有细胞301和/或微球301的第一液滴310，第二储液区132用于存储由第二进样口131注入的不含细胞及微球的第二液滴320；至少一级第一分离区123依次设置于第一储液区122与捕获区110之间，至少一级第二分离区133依次设置于第二储液区132与捕获区110之间；至少一级第一分离区123用于将第一液滴310逐级分离为第三液滴311，至少一级第二分离区133用于将第二液滴320逐级分离为第四液滴321；其中，第三液滴311的尺寸小于第一液滴310的尺寸，第四液滴321的尺寸小于第二液滴320的尺寸；以及在捕获区110内，第四液滴321经过微控结构104时，沿微控结构104的开口方向的反方向移动运动，以将微控结构104截留的细胞301或微球301带出。
其中，第一液滴310和第二液滴320的体积通常较大，通过设置至少一级第一分离区123和至少一级第二分离区133，可将体积较大的液滴逐级分离成体积较小的液滴，即对应形成第三液滴311和第四液滴321，从而便于在捕获区110内，利用微控结构104精准捕获单细胞/微球，以及利用较小液滴，将单独的一个细胞/微球带出，从而有利于精准得到单细胞/微球液滴。
示例性的，单细胞/微球被带出的过程可参见图8，结合图7-图12，以图中示出的方位为例，将含有细胞/微球的液滴311转移走后，可从最左侧引入一个空的第四液滴321，如图8中d所示。其后，开启中间的电极1051，第四液滴321将受力移动至中间的电极1051，并与被截留在微控结构104中的细胞/微球混合，如图8中e所示。其后，开启最右侧的电极1051后，第四液滴321将移动至该电极1051，并将细胞/微球从微控结构104中带出，形成单细胞/微球液滴，如图8中c所示。其后，该液滴可移动至出样口处提取或移动至数字微流控芯片的其他反应区(例如图13中的反应区140)进行生化反应。
下文中，结合三级第一分离区和三级第二分离区对数字微流控芯片10的完整工作过程进行示例性说明，在其他实施方式中，分离区的级数还可根据数字微流控芯片10和数字微流控系统1的需求设置，本发明实施例对此不限定。
在一实施例中，继续参照图7，至少一级第一分离区123包括沿第一进样口121至捕获区110之间的路径依次设置的第一级第一分离区1231、第二级第一分离区1232以及第三级第一分离区1233，第一级第一分离区1231复用为第一储液区122；至少一级第二分离区133包括沿第二进样口131至捕获区110之间的路径依次设置的第一级第二分离区1331、第二级第二分离区1332以及第三级第二分离区1333，第一级第二分离区1331复用为第二储液区132；各第一分离区123中，电极1051的大小依次为：第一级第一分离区1231中的电极1051、第二级第一分离区1232中的电极1051、第三级第一分离区1233中的电极1051；各第二分离区133中，电极1051的大小依次为：第一级第二分离区1331中的电极1051、第二级第二分离区1332中的电极1052、第三级第二分离区1333中的电极1051。
其中，电极1051的尺寸越小，分离出的液滴的尺寸越小。基于上述电极1051的尺寸的设置设置，可沿由进样口(包括第一进样口121和第二进样口131)至捕获区110的路径，逐级分离出体积逐渐变小的液滴。
示例性的，参照图9-图11,310、313和312可分别代表一级分离、二级分离和三级分离的剩余液滴，311可代表待截留细胞/微球的液滴，其尺寸逐渐减小；同理，320、323和322可分别代表一级分离、二级分离和三级分离的剩余液滴，321可代表带出被截留细胞/微球的液滴，其尺寸逐渐减小。
其中，第一进样口121用于注入含有细胞/微球的样本(即第一液滴310)，第二进样口131用于注入不含有细胞/微球的试剂(即第二液滴320)，第一储液区122和第二储液区132分别用于储存上述第一液滴310和第二液滴320。其中，第一液滴310和第二液滴320的溶剂可以相同，也可以不同，例如：第一液滴310的溶剂是细胞培养液，第二液滴320的溶剂是用于进行分子扩增的反应试剂。在其他实施方式中，第一液滴310和第二液滴320的溶剂还可为本领域技术人员可知的其他种类的溶剂，本发明实施例对此不赘述也不限定。
其中，当想要从一个较大尺寸的液滴(例如液滴310和320)，利用电润湿力分离出一个较小尺寸的液滴(例如液滴311和321)时，大液滴和小液滴的体积差距越大分离越困难，因此在该实施例中包含两种尺寸的电极，以用于完成二级分离和三级分离，即先将大液滴分离出一滴体积稍小一些的液滴，再进一步把这滴稍小一些的液滴分离出一滴更小的液滴，以此类推，从而最终分离出一个满足要求的小液滴。在其他实施方式中，还可根据数字微流控芯片10和数字微流控系统1的需求，以及实验需求，设置分离区的电极的尺寸为多个不同的等级，本发明实施例对此不赘述也不限定。需要说明的是，各级分离区中的电极的尺寸需要根据待截留细胞301/微球301的尺寸进行设置。
在一实施例中，继续参照图7，第二级第一分离区1232中的电极1051的最大宽度为a21，第三级第一分离区1233中的电极1051的最大宽度为a22；第二级第二分离区1332中的电极1051的最大宽度为a31，第三级第二分离区1333中的电极1051的最大宽度为a32；待截留细胞301或待截留微球301在平行于基底101的方向上的高度为a01；a21、a22、a31、a32以及a01之间满足：a01<a22<a21，a01<a32<a31。
如此，可使各分离区中的电极的尺寸与液滴分离需求相适应。其中，电极的尺寸需要根据细胞/微球的尺寸进行相应设计。例如，在细胞/微球的直径为20μm时，若最终的液滴尺寸太大则其包含的细胞/微球直径可能较多，不利于单细胞/微球实验。因此，在此实例中，以电极为六边形为例，第三级分离区中电极的对角线尺寸可以是300-500μm，第二级分离区中的电极的对角线尺寸可以是600-1000μm。
可理解的是，上述对角线尺寸的取值范围取决于样本中细胞/微球的浓度以及分离时细胞/微球的随机分布，在该实例中，由于设计了4个捕获位置，样本中细胞/微球的数量以10个以内为宜。
在其他实施方式中，电极的尺寸设计还需要考量进样液滴的尺寸，液滴越大，初级分离区的电极的尺寸越大；此时，可设计多级分离，以使液滴尺寸逐渐减小。分离区的级数以及电极的尺寸范围均可根据数字微流控芯片10和数字微流控系统1的实际需求以及其所应用的具体实验场景的需求进行设置，本发明实施例对此不作限定。
在一实施例中，第一级第一分离区1231中的电极1051与第一级第二分离区1331中的电极1051相同，第二级第一分离区1232中的电极1051与第二级第二分离区1332中的电极1051相同，第三级第一分离区1233中的电极1051与第三级第二分离区1333中的电极1051相同。
如此设置，可使各级分离区的电极形状和尺寸均相同，从而各液滴传输路径的设置方式以及电极的供电方式可相同，从而设计方式和制作方法简单，操作方式便捷。
在一实施例中，参照图13，数字微流控芯片10还包括反应区140；携带细胞或微球的第四液滴321移动至反应区140，以进行片上生化反应。
如此，可集成片上实验，提高数字微流控系统1的集成度，有利于节省空间，以及有利于降低实验成本。
示例性的，片上实验可为细胞培养实验。此时，反应区140包括温控区域，可以设置细胞培养的温度未设定温度，例如37度，将单细胞液滴移动至该区域进行细胞培养，细胞培养完成后可通过加入胰酶，将细胞消解成游离态，从出样口处提取出来。
在其他实施方式中，片上实验还可包括本领域技术人员可知的其他生物化学实验(生化实验)，本发明实施例对此不赘述也不限定。
在一实施例中，继续参照图13，数字微流控芯片10还包括出样口150；出样口150处用于提取携带细胞或微球的第四液滴321，用于排出在反应区140经过反应后的液滴，或者用于排出细胞与微球均被截留耗尽的第二液滴311。
如此，整个实验过程完结时，数字微流控芯片10中可不保留液滴，从而有利于保证实验有序进行，且便于实现基于该数字微流控芯片10的实验平台的日常维护。
在一实施例中，液滴30基于电润湿或介电泳实现移动。
如此，便于基于电学远离实现数字微流控芯片10中液滴的定向移动。
在一实施例中，该数字微流控系统1还包括检测单元，检测单元用于检测液滴30中的细胞和/或微球的数量，用于检测微控结构104是否成功截留细胞或微球，或者用于检测反应区140的生化反应相关信号。
如此，便于对细胞/微球截留状态进行监控；以及便于对片上实验进行监控。
示例性的，检测单元的检测方式可包括本领域技术人员可知的任一种方式。
在一实施例中，检测单元包括光学检测单元、电学检测单元以及电化学检测单元中的至少一种。
示例性的，光学检测单元可包括光学显微镜，通过光学显微镜可观测液滴或微控结构中是否存在细胞/微球。
示例性的，电学检测单元可包括阻抗测试仪，阻抗测试仪可以测量捕获结构(即微控结构)下方电极与上盖间的阻抗以区分捕获成功与失败，细胞/微球的存在与否会使该阻抗值发生变化。
示例性的，可以在微控结构上方的导电盖子的位置处设计电化学检测电极，当检测细胞/微球是否被捕获时，可通过读取该电极判断是否捕获成功。
在其他实施方式中，检测单元还可包括其他类型的光学、电学或电化学设备，本发明实施例对此不赘述也不限定。
下面结合图7-图13，示例性的说明基于该数字微流控芯片10的实验平台的具体实验流程，该流程可包括：
1)从两个进样口分别注入第一液滴310和第二液滴320，如图7。
2)通过三级分离产生一滴包含若干个细胞301/微球301的小液滴(即第三液滴311)，如图9；以及产生不包含细胞310及微球301的小液滴(即第四液滴321)如图11。
3)如图10所示，依次开启电极，控制第三液滴按照移动方向28移动使其依次经过若干个微控结构104进行细胞/微球捕获，由于捕获过程使随机过程，因此也可以让液滴继续沿移动方向29和移动方向28循环经过上述微控结构104，以进行细胞/微球捕获，直至所有微控结构104捕获到细胞/微球，或者直至液滴中的细胞/微球耗尽。其中，微控结构104是否成功捕获细胞/微球，可通过显微镜进行观察，如图6所示。
4)使用后的液滴可沿原路返回第一储液区，若液滴中的细胞/微球已耗尽，也可将液滴从一个出样口排出数字微流控芯片。
5)同样通过三级分离产生与成功捕获细胞/微球的微控结构104数量相同的若干个不包含细胞/微球的小液滴，并依次开启电极沿移动方向33和移动方向34移动小液滴至图11所示位置。
6)利用小液滴，按照图8所示方式，将微控结构104所捕获的细胞/微球取出，成为包含单个细胞/微球的液滴，并沿移动方向36依次移动至出样口处提取出来，如图12所示。
7)重复步骤2)-6)，直至生成满足要求数量的单细胞/微球液滴。
8)上述步骤6)中生成的单细胞/微球液滴也可不直接从出样口取出；而是转移至数字微流控芯片的其他片上实验区域(即反应区)进行相应的生化实验，例如分子扩增、细胞培养等，如图13所示。
如此，本发明实施例提供的数字微流控系统1可用于生成并操控单细胞/微球液滴，并完成单细胞/微球液滴的片上实验，集成度较高，且具有成本优势。
在一实施例中，参照图14，该数字微流控系统1还包括声波发生单元420，声波发生单元420对称设置于捕获区110的两侧。
如此，可通过声波发生单元420修正细胞/微球的移动方向，以使细胞/微球较易被微控结构捕获。
示例性的，结合图5和图15，当液滴按照图5所示方式移动时，根据仿真结果(图15)可以看出，沿移动方向的中心线上的速度场线37最为密集，因此，当微控结构104位于中心线上，且细胞/微球沿中心线移动时最容易被捕获。
其中，通过声波形成的压力波能够形成一系列压力节点使得细胞/微粒倾向于在压力节点间移动，例如通过声波生成一系列沿着中心线的压力节点，则细胞/微球倾向于沿着中心线移动。
基于此，利用一定频率的声波能够对液滴中的细胞/微球的移动方向进行控制，由此可以在驱动细胞/微球移动的电极阵列两侧增加声波发生单元420，以使得细胞/微球沿中心线移动，增加其被微控结构捕获的概率。
可理解的是，声波频率取决于细胞/微球的种类、电极的尺寸以及期望实现的细胞/微球的具体移动轨迹，需根据以上参数以及数字微流控系统的其他需求设置，本发明实施例对此不赘述也不限定。
在一实施例中，声波发生单元420可包括叉指换能器(interdigitaltransducer)。
如此，声波发生单元420的结构较简单，且声波频率易控。
在其他实施方式中，声波发生单元420的实际产品结构还可根据数字微流控系统1的需求设置，可为本领域技术人员可知的任一种发生装置或结构，本发明实施例对此不赘述也不限定。
本发明实施例提供的数字微流控系统(下文可简称为“系统”)具有至少如下优势：
1)本系统将用于捕获细胞/微球的微控结构与数字微流控芯片(技术)相结合，实现细胞/微球捕获和操控的目的。
2)本系统可以应用于确定数目的细胞或微球的捕获及分选，细胞或微球的数目一般在0-10之间；0即微滴中不好含任何细胞/微球。
3)电极、微控结构的尺寸根据细胞/微球尺寸进行相应设计，使得一个微控结构可控地捕获单一细胞或微球。
4)电极、微控结构的尺寸根据细胞/微球尺寸进行相应设计，使得一组微控结构可控地捕获特定数目的细胞或微球。
5)通过数字微流控芯片的多级分离设计及操作，可精准生成含有若干个细胞/微球的小液滴。
6)驱动含有细胞/微球的液滴通过若干个微控结构，进行细胞/微球捕获。
7)可通过循环移动增加捕获的成功率。
8)可通过光学、电学，电化学或其他手段检测细胞或微球是否捕获成功。
9)驱动空的液滴将捕获的细胞/微球取出，精准生成单细胞/微球液滴。
10)应用该系统，可精准操控任意一个含有确定细胞数目的液滴。
11)该系统可集成例如分子扩增、细胞培养的功能实现单细胞/微球的片上实验，以提高细胞分选以及实验的集成度。
12)任意一个单细胞/微球液滴可以被取出，以进行其他后续实验。
13)该系统可集成声波发生单元(装置)，以用于控制细胞/微球的移动方向，增加捕获的成功率。
14)该系统可进行扩展以实现更高通量的要求，例如通过增加微控结构的数量，可用于旋出更多数量的单细胞/微球液滴。
15)该系统成本较低。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
1.一种数字微流控系统，其特征在于，包括：数字微流控芯片和驱动控制系统；
所述数字微流控芯片包括基底、电极阵列、介电层、第一疏水层、至少一个微控结构、第二疏水层、上盖、以及间隙控制结构；
所述上盖与所述基底相对设置，所述间隙控制结构的底部穿插于所述基底中或抵接固定于所述基底朝向所述上盖的一侧，所述间隙控制结构的顶部一端与所述上盖朝向所述基底的一侧固定，以形成液体移动空间；
所述基底朝向所述上盖的一侧依次层叠设置所述电极阵列、所述介电层以及所述第一疏水层，所述上盖朝向所述基底一侧设置所述第二疏水层；所述微控结构设置于所述液体移动空间内，且位于所述第一疏水层与所述第二疏水层之间；
所述电极阵列包括阵列排布的多个电极；在所述数字微流控芯片的捕获区：单个所述微控结构在所述基底上的垂直投影位于一所述电极在所述基底上的垂直投影内，且相邻两个所述微控结构之间间隔至少一个所述电极；
所述驱动控制系统依次向所述电极供电，以使液体移动空间中的液滴沿所述微控结构的开口方向移动；所述微控结构用于在所述液滴经过时截留所述液滴中的至多一个细胞或微球。
2.根据权利要求1所述的数字微流控系统，其特征在于，在所述数字微流控芯片的捕获区：所述电极阵列中的多个电极呈m行n列的阵列排列；
所述微控结构的开口方向平行于所述m行n列的阵列的行方向，或者
所述微控结构的开口方向平行于所述m行n列的阵列的列方向，或者
所述微控结构的开口方向与所述m行n列的阵列的行方向以预设角度交叉。
3.根据权利要求1所述的数字微流控系统，其特征在于，所述微控结构还包括缺口，所述缺口与所述微控结构的开口连通，且沿所述液滴移动的方向相对设置。
4.根据权利要求1所述的数字微流控系统，其特征在于，所述微控结构在所述基底上的垂直投影的形状包括v字型、w字型以及c字型中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的数字微流控系统，其特征在于，所述微控结构的厚度等于所述液体移动空间在垂直于所述基底的方向上的高度，或者
所述微流控结构的厚度小于所述液体移动空间在垂直于所述基底的方向上的高度，且等于或大于所述液体移动空间在垂直于所述基底的方向上的高度的一半。
6.根据权利要求1所述的数字微流控系统，其特征在于，所述微控结构的厚度为a11，所述液体移动空间的高度为a12，待截留细胞或待截留微球在垂直于所述基底的方向上的高度为a00，a11、a12与a00之间满足：
a00≤a11≤2a00，a00≤a12≤2a00。
7.根据权利要求1所述的数字微流控系统，其特征在于，所述电极阵列中，各所述电极分别通过一导线与所述驱动控制系统电连接。
8.根据权利要求2所述的数字微流控系统，其特征在于，所述数字微流控芯片还包括多个控制元件、多条第一信号线以及多条第二信号线；
所述第一信号线与所述第二信号线交叉限定电极区域，每个电极区域中设置一所述电极，每个电极均通过一所述控制元件与一所述第一信号线以及一所述第二信号线电连接；
所述控制元件包括控制端、输入端和输出端；位于同一行的各所述控制元件的控制端均与同一所述第一信号线电连接，位于同一列的各所述控制元件的输入端均与同一所述第二信号线电连接，各所述控制元件的输出端分别与所述电极电连接；
其中，所述第一信号线用于传输所述控制元件的控制信号，所述第二信号线用于传输所述电极的电位信号。
9.根据权利要求1所述的数字微流控系统，其特征在于，所述数字微流控芯片还至少包括第一进样口、第一储液区、至少一级第一分离区、第二进样口、第二储液区以及至少一级第二分离区；
所述第一储液区用于存储由所述第一进样口注入的含有细胞和/或微球的第一液滴，所述第二储液区用于存储由所述第二进样口注入的不含细胞及微球的第二液滴；
至少一级所述第一分离区依次设置于所述第一储液区与所述捕获区之间，至少一级所述第二分离区依次设置于所述第二储液区与所述捕获区之间；至少一级所述第一分离区用于将所述第一液滴逐级分离为第三液滴，至少一级所述第二分离区用于将所述第二液滴逐级分离为第四液滴；
其中，所述第三液滴的尺寸小于所述第一液滴的尺寸，所述第四液滴的尺寸小于所述第二液滴的尺寸；
以及在所述捕获区内，所述第四液滴经过所述微控结构时，沿所述微控结构的开口方向的反方向移动，以将所述微控结构截留的细胞或微球带出。
10.根据权利要求9所述的数字微流控系统，其特征在于，所述至少一级第一分离区包括沿所述第一进样口至所述捕获区之间的路径依次设置的第一级第一分离区、第二级第一分离区以及第三级第一分离区，所述第一级第一分离区复用为所述第一储液区；
所述至少一级第二分离区包括沿所述第二进样口至所述捕获区之间的路径依次设置的第一级第二分离区、第二级第二分离区以及第三级第二分离区，所述第一级第二分离区复用为所述第二储液区；
各所述第一分离区中，所述电极的大小依次为：所述第一级第一分离区中的电极、所述第二级第一分离区中的电极、所述第三级第一分离区中的电极；
各所述第二分离区中，所述电极的大小依次为：所述第一级第二分离区中的电极、所述第二级第二分离区中的电极、所述第三级第二分离区中的电极。
11.根据权利要求9所述的数字微流控系统，其特征在于，所述数字微流控芯片还包括反应区；
携带细胞或微球的所述第四液滴移动至所述反应区，以进行片上生化反应。
12.根据权利要求11所述的数字微流控系统，其特征在于，所述数字微流控芯片还包括出样口；
所述出样口处用于提取携带细胞或微球的所述第四液滴，用于排出在所述反应区经过反应后的液滴，或者用于排出细胞与微球均被截留耗尽的所述第二液滴。
13.根据权利要求1所述的数字微流控系统，其特征在于，所述电极的形状包括圆形、椭圆形、多边形、组合图形以及不规则图形中的至少一种。
14.根据权利要求1所述的数字微流控系统，其特征在于，还可以包括声波发生单元，所述声波发生单元对称设置于所述捕获区的两侧。
15.根据权利要求1所述的数字微流控系统，其特征在于，还包括检测单元；所述检测单元包括光学检测单元、电学检测单元以及电化学检测单元中的至少一种。
技术总结