專利名稱：用于分選粒子的懸臂式同軸流動(dòng)注射裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在層流微流體通道(microfluidic channel)中分選粒子 的方法，更具體地說，涉及在采用了起動(dòng)的懸臂式同軸流動(dòng)通道的集成微流 體裝置中，來自應(yīng)用于分選生物細(xì)胞的光散射、熒光標(biāo)記或圖像分析的光學(xué) 細(xì)胞檢測。
背景技術(shù)：
隨著能夠產(chǎn)生流體通路(fluidic circuit)網(wǎng)絡(luò)的許多微制造技術(shù)的出現(xiàn)， 微流體結(jié)構(gòu)在血細(xì)胞計(jì)數(shù)中的使用已得到快速增長。微流體中的許多血細(xì)胞 計(jì)數(shù)應(yīng)用嘗試在細(xì)胞群體中對(duì)細(xì)胞類型或者具有特定特征的細(xì)胞進(jìn)行區(qū)分。 可用于將細(xì)胞分類的檢測器從光散射檢測到熒光標(biāo)記、染色標(biāo)記、以及形態(tài) 學(xué)圖像和特征區(qū)分。檢測必需先于分選且接下來將細(xì)胞協(xié)調(diào)導(dǎo)入一個(gè)或另一 個(gè)通路中。按照常規(guī)，將含有目標(biāo)細(xì)胞的高速細(xì)胞分選流體液滴噴射并使其 帶有電荷，因而它們可以使用高壓場而靜電偏移以引導(dǎo)該液滴在進(jìn)一步處理 的兩個(gè)位置之一被收集。分選細(xì)胞具有許多目的，包括進(jìn)一步研究具有相似特征的集中的細(xì)胞群 體，例如能用熒光或染色標(biāo)記的干細(xì)胞或具有特殊基因或化學(xué)特性的細(xì)胞。 分選還是一種驗(yàn)證檢測方案的有效方法，其中，使用給定的檢測方案機(jī)理或 標(biāo)記人們的觀察或其它相關(guān)儀器可以對(duì)細(xì)胞進(jìn)行評(píng)估。Wang等人在2004年8月17日頒發(fā)的、名稱為"Optical Switching and Sorting of Biological Samples and Microparticles Transported in a Microfluidic Device, Including Integrated Biochip Devices"(在包括集成生物芯片裝置的微 流體裝置中傳輸?shù)纳飿悠泛臀⒘Ｗ拥墓忾_關(guān)和分選)的美國專利6,778,724 中發(fā)現(xiàn)了一種分選技術(shù)。其中公開了通過在拉蓋爾高斯模式(Laguerre-Gaussianmode)下運(yùn)行的垂直共振腔面射型激光器(VCSEL)中產(chǎn) 生的激光，在微流體通道中的分叉點(diǎn)轉(zhuǎn)換和分選由光壓力(optical pressure force)推動(dòng)的小粒子，以進(jìn)入選擇的下游分支，從而實(shí)現(xiàn)粒子的轉(zhuǎn)換和分選， 包括平行的方法。Spence等人在2003年4月1日頒發(fā)的、名稱為"Microfabricated Cell Sorter for Chemical and Biological Materials"(用于化學(xué)和生物材料的微制造 的細(xì)胞分選器)的美國專利6,540,895中發(fā)現(xiàn)了另一種分選技術(shù)。其中公開 了基于在有刺激或沒有刺激時(shí)，例如暴露到光下以增加熒光，可檢測的信號(hào) 例如光學(xué)信號(hào)的存在或數(shù)量，將細(xì)胞分選到合適的分支通道內(nèi)的方法。分支 點(diǎn)內(nèi)可以包括細(xì)小的懸臂，使得該細(xì)小懸臂通?？梢酝ㄟ^靜電吸引朝向主通 道的一個(gè)或另一個(gè)壁轉(zhuǎn)移，因此隔離選擇的分支通道。在微流體通道內(nèi)分選例如細(xì)胞的粒子利用了使用小于l^L少量流體樣 品容量的能力，并且使樣品粒子的檢測和隨后的分離進(jìn)入許多可能通路中的 一個(gè)。所述分選機(jī)械裝置保持封閉(contained)并且十分接近于檢測點(diǎn)，因 而消除了對(duì)長的流體途徑的需要，該長的流體通道稀釋樣品，需要額外的處 理步驟以進(jìn)一步濃縮用于隨后的檢測或分析的樣品。微流體方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，通過對(duì)各個(gè)處理的樣品提供低成本的替 換流體通路，能夠從機(jī)器上完全地除去樣品遺留物。在樣品處理之間清洗流 體的復(fù)雜性和不確定性通常為被忽略的系統(tǒng)細(xì)節(jié)，當(dāng)用于處理樣品時(shí)，這通 常需要5-20倍的流體沖刷通過管道系統(tǒng)以進(jìn)行清潔。當(dāng)使用微通道時(shí)清洗 變得更加復(fù)雜，所述微通道迫使消除產(chǎn)生湍流剪切力可能性的層流條件很強(qiáng) 足以清潔管壁。從管壁除去污染物的唯一機(jī)理即是使該壁的污染物擴(kuò)散進(jìn)入 沖洗溶液中。置換的而非清洗的流體路徑需要更少的流體并充分改進(jìn)了消除 樣品交叉污染物的確定性。在基礎(chǔ)流體學(xué)中發(fā)現(xiàn)了流體儀表(fluidic instrumentation)中主要的失靈來源。所述流體失靈形式包括泄露、堵塞、不 合格密封、生物膜生長、或者積累的污染物。清洗溶液構(gòu)成了來源于例如流 式細(xì)胞儀等儀器中的巨大量的生物廢棄物(biowaste)。然而，直至本發(fā)明為止，還沒有人預(yù)期在微流體分選系統(tǒng)中使用層流通 道，所述微流體分選系統(tǒng)包括粒子檢測系統(tǒng)、分選控制以及同軸懸臂注射器。 對(duì)于第一次，使用所述同軸懸臂注射器，使得能將包括生物細(xì)胞的粒子導(dǎo)入 存在于層流通道中的多個(gè)層中被選擇的一個(gè)層內(nèi)。得到的分選的粒子從而含 有用于促進(jìn)分析疾病狀況的富集樣品，所述疾病狀況包括各種癌癥例如肺 癌、結(jié)腸癌、前列腺癌、乳腺癌、子宮頸癌和卵巢癌。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種使用整合入微流體裝置中的細(xì)長的懸臂元件在層流 微流體通道內(nèi)分選粒子的設(shè)備和方法。同軸通道穿過所述細(xì)長的懸臂元件， 其中，所述同軸通道制成通過預(yù)定大小粒子的尺寸。執(zhí)行器(actuator)連接 到所述細(xì)長的懸臂元件上，用于起動(dòng)所述細(xì)長的懸臂元件。


圖1為示意性地表示了如本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式所預(yù)期的，用于使用起 動(dòng)的懸臂式同軸流體通道分選粒子的系統(tǒng)的示例方框圖。圖2為示意性地表示了如本發(fā)明的實(shí)施方式所預(yù)期的，用于在層流路徑 內(nèi)分選粒子的集成微流體裝置的側(cè)視圖的示例說明。圖3為示意性地表示了如本發(fā)明的實(shí)施方式所預(yù)期的，用于在層流路徑 內(nèi)分選粒子的操作中的集成微流體裝置的截面圖的示例說明。圖4為示意性地表示了如本發(fā)明所預(yù)期使用的檢測系統(tǒng)的示例實(shí)施方式 的方框圖。
圖5為示意性地表示了如本發(fā)明所預(yù)期使用的分選方法的示例實(shí)施方式 的流程圖。圖6為示意性地表示了如本發(fā)明所預(yù)期使用的粒子檢測系統(tǒng)的另一種示 例實(shí)施方式的方框圖，該粒子檢測系統(tǒng)使用了光散射檢測系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
接下來的描述為當(dāng)前預(yù)期的用于實(shí)施本發(fā)明的最佳方式。此描述是為了 闡述本發(fā)明的普遍原理的目的，而不應(yīng)被理解為限制方式。通過參考所附的 權(quán)利要求書而最佳地確定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的系統(tǒng)利用了在低雷諾數(shù)下流體流動(dòng)特性所得到的層流條件。層流被定義為雷諾數(shù)在2000以下的流動(dòng)，但對(duì)于大部分微流體應(yīng)用，特別是 那些使用粘度大于水的流體的應(yīng)用，幾乎經(jīng)常得到20以下的雷諾數(shù)。低雷 諾數(shù)流動(dòng)保證在通道內(nèi)的薄層的或分層的流路(flowstream)。對(duì)于低雷諾數(shù) 的流動(dòng)，流體垂直于流動(dòng)方向的移動(dòng)僅僅在由外力而不是流動(dòng)產(chǎn)生的力驅(qū)使 時(shí)發(fā)生。 一些可能的分裂力包括由流體的溫度和分子量所驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)散力、作 為流路中物質(zhì)的重量或密度的函數(shù)的重力沉降/浮力、包括了由在物體不同側(cè) 的不平衡流動(dòng)產(chǎn)生不同壓力的柏努利力、以及機(jī)械力或電磁力。通常地，在 流路的層內(nèi)流動(dòng)的粒子將傾向于停留在該層中直至外力作用其上。在示例性的實(shí)施方式中，本發(fā)明使用了懸臂式同軸流動(dòng)注射器裝置，該 裝置能夠在指令下彎曲以將粒子輸送至通道內(nèi)的層流流路中特定的層內(nèi)。層 流將保持所注射的粒子流路的位置直到在流動(dòng)路徑內(nèi)發(fā)生分裂。所述流動(dòng)路 徑能夠被分裂為兩個(gè)或更多個(gè)具有對(duì)稱的通道尺寸和材料特性的通路，從而 該流動(dòng)路徑發(fā)生幾乎相同的分裂。這通常有利于抽空空氣的路徑以防止少量 空氣滯留影響層流分裂的對(duì)稱性。在操作中，在同軸連接的層流路徑內(nèi)起動(dòng)或彎曲所述懸臂的居中的流動(dòng)
注射管能夠引導(dǎo)被導(dǎo)至兩個(gè)或更多通道中的一個(gè)通道的細(xì)胞。起動(dòng)的限制速 度將依賴于施加到懸臂上的力和制造中使用的材料的自然剛度常數(shù)、通道內(nèi) 的流體的粘性阻尼、以及執(zhí)行器必須移動(dòng)的距離。在典型的微流體通道中， 所需要的偏移將少于100微米。在按照本發(fā)明所構(gòu)建的微流體裝置內(nèi)，使用觸變?nèi)芤夯蚣羟邢』芤豪绻鈱W(xué)凝膠(optical gel)，能使流體內(nèi)粒子沒有重力沉降時(shí)在分選或檢測流 體路徑內(nèi)的流動(dòng)減慢或停止。所述溶液將分選器的使用進(jìn)一步地?cái)U(kuò)展到非常 慢的操作，例如，沒有重力沉降的限制下，超過數(shù)小時(shí)地分選粒子。由于它 們的光學(xué)性能而選擇即用的觸變光學(xué)凝膠，并且具有合適的透明度和折射率 的光學(xué)凝膠可以商購得到?，F(xiàn)在參照?qǐng)D1，其中示意性地表示了如本發(fā)明的一種實(shí)施方式所預(yù)期的 用于在微流體通道中分選粒子的系統(tǒng)的實(shí)例方框圖。分選系統(tǒng)100包括流體 控制系統(tǒng)IO，該流體控制系統(tǒng)10被設(shè)置為提供分選控制信號(hào)19、泵控制信 號(hào)20以及真空控制信號(hào)22。將粒子檢測系統(tǒng)12電連接以向流體控制系統(tǒng) 10傳輸成像信息。流體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5接收來自泵控制信號(hào)20和真空控制 信號(hào)22的信息。界面歧管(interfacemanifold) 15也可以連接至流體流動(dòng)驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)5上?？梢詫⒓晌⒘黧w裝置101安裝至界面歧管15中。如本領(lǐng)域 技術(shù)人員所理解的是，所述界面歧管不需要用于本發(fā)明的每個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)用中， 而是可以用于一些應(yīng)用中。所述集成微流體裝置101有利地包括樣品保持通道30、液力集中單元 (focus cell) 37、與分選通道36相通的檢査區(qū)32，所述分選通道36包括位 于所述樣品保持通道30下游的懸臂式同軸流動(dòng)注射器35 (如圖2中所詳細(xì) 表示的)。包括生物細(xì)胞的粒子穿過所述分選通道36被分選進(jìn)入包括廢物通 道38和獲得細(xì)胞通道40的至少兩條輸出通道。設(shè)置所述檢查區(qū)32以使粒 子進(jìn)入由粒子檢測系統(tǒng)12檢測的位置。所述粒子檢測系統(tǒng)12包括顯微鏡時(shí)，置于顯微鏡光學(xué)裝置的視區(qū)內(nèi)。在本發(fā)明的一個(gè)有效的實(shí)施方式中，分選執(zhí)行器34被設(shè)置為緊鄰懸臂式同軸流動(dòng)注射器35， 并被連接以接收來自流體控制系統(tǒng)10的分選控制信號(hào)19。所述粒子檢測系統(tǒng)12可以為適合于檢測正在處理的粒子固有的或被賦 予的區(qū)別特征的任何檢測系統(tǒng)。例如，所述粒子檢測系統(tǒng)12可以為電敏感 區(qū)系統(tǒng)、光散射檢測系統(tǒng)、熒光系檢測系統(tǒng)、光學(xué)圖像捕獲和處理系統(tǒng)、顯 微鏡系統(tǒng)、光學(xué)斷層X射線照相系統(tǒng)或等同物。所述檢測系統(tǒng)可以在所述微 流體裝置的外部、整合入所述微流體裝置內(nèi)或部分整合入所述微流體裝置 內(nèi)。所述流體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置5可以有利地包括至少一個(gè)儲(chǔ)液器26、與所述至 少一個(gè)儲(chǔ)液器26相連的至少一個(gè)流體泵24和與所述至少一個(gè)流體泵24相 連的至少一個(gè)真空泵28。享有本公開的利益的本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以接受的 是，所述儲(chǔ)液器、真空泵以及流體泵可以根據(jù)應(yīng)用而具有不同的數(shù)量、尺寸 以及結(jié)構(gòu)，只要它們被設(shè)置為適合于輸送流體驅(qū)動(dòng)壓力和真空壓力以通過界 面歧管向集成微流體裝置提供層流條件。所述流體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以有利地 使用正位移或正壓力和/或真空壓力輸送流體驅(qū)動(dòng)以提供層流條件。在一個(gè)示 例實(shí)施方式中，所述層流條件包括栓塞流。在一個(gè)有效的示例實(shí)施方式中，所述樣品保持通道30容納有生物細(xì)胞 樣品。因此，在粒子被分選為目標(biāo)細(xì)胞和其它粒子的情況下，可以通過操作 分選執(zhí)行器將所述目標(biāo)細(xì)胞引導(dǎo)至所述細(xì)胞獲得通道40，而其它粒子被引導(dǎo) 至廢物通道38。在一些應(yīng)用中，可能需要進(jìn)一步將未獲得的細(xì)胞處理成為其 它的粒子或細(xì)胞類型。在這種情況下，可以將多個(gè)本發(fā)明的分選系統(tǒng)連接到 一起，以基于不同的標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)分選，或者可以使用超過兩個(gè)的分選通道。因 此，本發(fā)明的設(shè)備和方法提供了富集生物樣品的方法以便于促進(jìn)下游的例如 癌癥的疾病狀況的分析。 依賴于從檢測系統(tǒng)接收的信息，所述流體控制系統(tǒng)10向分選執(zhí)行器34提供響應(yīng)的分選控制信號(hào)19，從而所述分選執(zhí)行器34運(yùn)轉(zhuǎn)以起動(dòng)懸臂式同 軸流動(dòng)注射器35，將生物細(xì)胞分選進(jìn)入至少兩個(gè)輸出通道中選擇的輸出通道 內(nèi)。例如，在獲得生物細(xì)胞的情況下，將驅(qū)使所述懸臂式同軸流動(dòng)注射器35 彎曲，從而將目標(biāo)細(xì)胞輸送入層流流路(laminar flow stream)的選擇的層中， 導(dǎo)入所述獲得細(xì)胞通道中。所述集成微流體裝置101可以包括在微流體裝置的結(jié)構(gòu)中典型的多個(gè)層 壓結(jié)構(gòu)。已知用于制備復(fù)合微流體系統(tǒng)的各種方法包括，化學(xué)濕法蝕刻、激 光切割、分層激光切割(laminate laser cutting)、微模塑(micromolding)、光 致聚合以及等同的方法和各方法的結(jié)合。使用多層聚合層壓方法使得通道交 叉，并使得能夠?qū)Σ煌瑢邮褂貌煌牟牧稀?一些有效地用于制造集成微流體 裝置的材料包括硅、玻璃、聚合膜、硅氧烷彈性體、光致抗蝕劑材料、水凝 膠、熱塑性塑料和等同的己知材料?，F(xiàn)在參照?qǐng)D2，示意性地表示了如本發(fā)明的實(shí)施方式所預(yù)期的用于在層 流路徑內(nèi)分選粒子的集成微流體裝置側(cè)視圖的示例闡述。結(jié)合在懸臂式同軸 流動(dòng)注射器35內(nèi)的懸臂式同軸流動(dòng)通道200使粒子或細(xì)胞的注射進(jìn)入層流 鞘液(sheath fluid)內(nèi)，所述鞘液在流動(dòng)中分裂為繼續(xù)向通道40流動(dòng)的流路 "A"，和繼續(xù)向通道38流動(dòng)的流路"B"。使中心通道200伸出懸臂并懸浮 在從左側(cè)進(jìn)入通道218和209的鞘液中。在被噴射進(jìn)入稱為分選通道36的 組合流動(dòng)區(qū)域之前，例如生物細(xì)胞237的物體移動(dòng)到所述懸臂式中心通道。 可以將亞鐵涂層235或嵌入的亞鐵材料例如鎳絲嵌入或另外地施用于通道 200的壁。作為替代地，材料235可以為雙金屬的彎折物或壓電彎曲材料 (piezo bending material)以移動(dòng)所述懸臂式通道向上進(jìn)入流路"A"或向下 進(jìn)入流路"B"內(nèi)。至所述流體通道的外部，可以有電磁執(zhí)行器34和341， 當(dāng)所述電磁執(zhí)行器34和341起動(dòng)時(shí)，它們將朝所述執(zhí)行器拉動(dòng)懸臂。也可
以使用其它等同的起動(dòng)配置。在一個(gè)實(shí)施例中，同軸通道所在的所述懸臂式同軸流動(dòng)注射器的直徑可 以為100微米到1毫米。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述懸臂式同軸流動(dòng)注射器的 直徑可以有利地為50微米到1毫米?，F(xiàn)在參照?qǐng)D3，其中示意性地表示了如本發(fā)明的實(shí)施方式所預(yù)期的用于處于起動(dòng)狀態(tài)下的在層流路徑內(nèi)分選粒子的集成微流體裝置的側(cè)視圖的實(shí)例闡述。在所示的起動(dòng)狀態(tài)下，響應(yīng)于對(duì)目標(biāo)物體例如生物細(xì)胞237識(shí)別的 控制信號(hào)通過線圈208處的電信號(hào)引起第一執(zhí)行器34起動(dòng)。作為響應(yīng)，所 述第一分選執(zhí)行器34，在此為電磁體，在通道內(nèi)將懸臂式通道200輕微地向 上拖動(dòng)約20-100微米。該輕微的向上的偏移足以將細(xì)胞237注射入獲得細(xì) 胞通道40的層流流路"A"，隨后從該獲得細(xì)胞通道40中獲得細(xì)胞。由于流 動(dòng)是連續(xù)的，在通過懸臂式同軸流動(dòng)注射器35分選前，在中心通道200內(nèi) 的下一個(gè)細(xì)胞203隨后將必須按照由粒子檢測系統(tǒng)12 (圖1)所確定的而引 導(dǎo)至選擇的通道內(nèi)。在噴射細(xì)胞237后，但在下一個(gè)細(xì)胞203達(dá)到噴射點(diǎn)之 前，將通過起動(dòng)具有線圈28的第一執(zhí)行器34或第二執(zhí)行器341而發(fā)生對(duì)下 一個(gè)細(xì)胞203的引導(dǎo)。注意到若在檢查區(qū)域目標(biāo)物體沒有被識(shí)別，則起動(dòng)所 述第二分選執(zhí)行器341使得所述懸臂式同軸流動(dòng)注射器35以相反的方向彎 曲，因而將非目標(biāo)物體引導(dǎo)入廢物通道38內(nèi)。現(xiàn)在參考圖4，其中表示了按照預(yù)期地用于本發(fā)明的粒子檢測系統(tǒng)12 的一個(gè)示例實(shí)施方式。所述粒子檢測系統(tǒng)12可以有利地包括連接的顯微鏡 光學(xué)裝置(microscope optics) 42以向照相機(jī)50發(fā)送圖像信息。根據(jù)應(yīng)用和 成像的光譜頻率，所述照相機(jī)50可以有利地包括任何傳統(tǒng)相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、 或等同的圖像傳感器，例如一種使用電荷耦合器件(charge coupled device) 的傳感器、色彩傳感器、紅外線傳感器、紫外線傳感器以及其它類似的傳感 器。所述照相機(jī)50向圖像處理系統(tǒng)51傳輸成像信息。所述圖像處理系統(tǒng)51 可以有利地包括細(xì)胞表征系統(tǒng)、目標(biāo)識(shí)別軟件程序、 一維或多維圖像重建軟 件程序或在個(gè)人電腦、專用集成電路或等同的處理器中運(yùn)行的等同物。所述 軟件能夠區(qū)別成像粒子的特征和特性。所述圖像處理系統(tǒng)基于圖像信息做出 分選決定，并且將該決定傳遞至流體控制系統(tǒng)10，該流體控制系統(tǒng)10產(chǎn)生 響應(yīng)于在軟件程序中處理的圖像的分選控制信號(hào)。所述流體控制系統(tǒng)可以有 利地結(jié)合有延時(shí)發(fā)生器11，用于確定在檢查區(qū)內(nèi)檢測粒子的時(shí)間和粒子達(dá)到 尖端39的時(shí)間之間的延遲。計(jì)時(shí)的機(jī)理可以為結(jié)合在流體控制中或集成微 流體裝置101中的計(jì)時(shí)器，或者作為傳感器的獨(dú)立裝置而加入的計(jì)時(shí)器。作 為替代地，可以使用己知的系統(tǒng)參數(shù)和檢測粒子或等同物的時(shí)間來計(jì)算時(shí)間 延遲。設(shè)置所述集成微流體裝置101以使檢査區(qū)32位于所述顯微鏡光學(xué)裝置 42的視區(qū)內(nèi)。當(dāng)圖像處理51從檢査區(qū)內(nèi)的照相機(jī)圖像識(shí)別粒子和細(xì)胞時(shí)， 該圖像處理51向流體控制10發(fā)送信息。所述流體控制10響應(yīng)地向分選執(zhí) 行器34、 341 (在此未示出341)中的一個(gè)發(fā)送分選控制信號(hào)19?？梢岳斫?的是，該控制信號(hào)19可以表現(xiàn)為按照公認(rèn)的工程原理建立的多個(gè)模擬線路 或數(shù)字線。換而言之，例如說如果圖像處理識(shí)別了生物細(xì)胞，相應(yīng)的分選控 制信號(hào)將起動(dòng)所述分選執(zhí)行器，以偏移懸臂式噴射器的尖端39從而將細(xì)胞 送入獲得細(xì)胞通道。如果情況相反，通過反方向地偏移所述懸臂將該粒子引 導(dǎo)到廢物通道。在一種實(shí)施方式中，如本發(fā)明所預(yù)期的系統(tǒng)可以使用用于檢測系統(tǒng)的光 學(xué)斷層X射線照相。包括重建算法的一些有用的基于光學(xué)斷層X射線照相 系統(tǒng)的例子在美國專利6,522,775中有描述，該專利為Ndson的在2003年2 月18日頒發(fā)的，并且名稱為"Apparatus and Method for Imaging Small Objects In a Flow Stream Using Optical Tomography"(使用光學(xué)斷層X射線照相使流 路中小物體成像的設(shè)備和方法)。美國專利6,522,775的全部公開內(nèi)容在本文 中引用作為參考。現(xiàn)在參考圖5，示意性地表示了如預(yù)期地用于本發(fā)明的在微流體層流路 徑中分選方法的示例實(shí)施方式的方框圖。該分選方法300包括以下步驟在步驟302中，在集成微流體裝置內(nèi)運(yùn)輸層流路徑中的粒子， 在步驟303中，檢測在所述層流路徑中多個(gè)粒子的至少部分的特征， 在步驟304中，使用連續(xù)的圖像或檢測來檢測所述粒子的速度， 在步驟305中，響應(yīng)于檢測到的特征產(chǎn)生檢測信息， 在步驟306中，基于所述檢測到的特征對(duì)選擇的粒子做出分選決定， 在步驟307中，延遲至所述粒子位于噴射器尖端，以及 在步驟308中，將選擇的粒子引導(dǎo)入層流路徑中被選擇的層中。 在一種有效的實(shí)施方式中，可以有利地通過操作流體控制系統(tǒng)以提供泵 控制信號(hào)和真空控制信號(hào)，并響應(yīng)于所述泵控制信號(hào)和真空控制信號(hào)而驅(qū)使 流體流過可選擇的界面歧管，而進(jìn)行在層流路徑中輸送粒子的所述步驟302。 在使用光學(xué)檢測系統(tǒng)的實(shí)施方式中，可以有利地通過用電連接于所述流體控 制系統(tǒng)的照相機(jī)捕獲圖像而進(jìn)行檢測層流路徑中的粒子特征的所述步驟 303。當(dāng)來自樣品保持通道的樣品被液力集中并輸送通過顯微鏡光學(xué)裝置的 視區(qū)并且在該視區(qū)的光學(xué)深度(optics depth)以內(nèi)時(shí)，可以連接顯微鏡光學(xué) 裝置，以將圖像發(fā)送到照相機(jī)?？梢杂欣赝ㄟ^所述保持樣品通道和所述光 學(xué)觀察通道下游的懸臂式同軸流動(dòng)注射器而進(jìn)行引導(dǎo)所述選擇的粒子的所 述步驟304。操作所述流體控制系統(tǒng)向作用于所述懸臂式同軸流動(dòng)注射器上 的分選執(zhí)行器提供分選控制信號(hào)，以將物體引導(dǎo)入層流路徑內(nèi)，所述層流路 徑分離為至少兩條輸出通道之一。延遲至粒子位于噴射器尖端的所述步驟 307可以有利地取決于定時(shí)延遲，所述定時(shí)延遲通過測量或預(yù)定流路中粒子 或細(xì)胞的速度以及所述噴射器尖端與檢査區(qū)之間的距離而確定。因此，對(duì)檢 查區(qū)的粒子的檢測引起了時(shí)間延遲。作為替換地，該時(shí)間延遲可以設(shè)置在所 述檢測系統(tǒng)或圖像處理系統(tǒng)的其它部分，或它們的結(jié)合?，F(xiàn)在參考圖6，其中示意性地表示的是如預(yù)期地用于本發(fā)明的粒子檢測系統(tǒng)12A的另一種示例實(shí)施方式。所述粒子檢測系統(tǒng)12A可以有利地包括 光散射檢測系統(tǒng)，其中光可以由光源142傳送通過光學(xué)裝置144以在檢査區(qū) 32中撞擊細(xì)胞1。來自物體的散射光155通過返程光學(xué)裝置155傳送到光敏 感元件151上。來自光敏元件的輸出信號(hào)由特征檢測器160來處理，所述特 征檢測器160基于光集中的給定角度內(nèi)的散射光強(qiáng)度做出分選決定。所述特 征檢測器對(duì)流體開關(guān)控制輸出分選信息，基本上參考如圖l-圖6所描述的， 所述流體開關(guān)控制響應(yīng)地起動(dòng)分選機(jī)械裝置。在享有本公幵的利益的本領(lǐng)域 技術(shù)人員的技能范圍內(nèi)，通過替換傳感器和光源，可以使用類似的檢測系統(tǒng) 以檢測來自物體的熒光或光譜編碼的信號(hào)，其中將色彩或光譜編碼的生物標(biāo) 記的存在輸入決定中以將粒子或細(xì)胞(在此實(shí)施例中為細(xì)胞l)引導(dǎo)到一個(gè) 通道或另外的通道中。雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的特殊實(shí)施方式在本文中進(jìn)行了描述，可以理解 的是，這些實(shí)施方式均僅作為示例，并僅僅是用以說明可以應(yīng)用本發(fā)明原理 的許多可能的具體實(shí)施方式
。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，很顯然的是本發(fā)明所 適合的各種改變和修改都認(rèn)為是在隨附的權(quán)利要求所進(jìn)一步限定的本發(fā)明 的實(shí)質(zhì)、范圍和意圖內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種在層流微流體裝置(100)內(nèi)的懸臂式同軸流動(dòng)注射器，該懸臂式同軸流動(dòng)注射器包括整合入所述層流微流體裝置(100)中的細(xì)長的懸臂元件(35)；穿過所述細(xì)長的懸臂元件(35)的同軸通道(200)，所述同軸通道(200)具有能通過預(yù)定大小的粒子(237)的尺寸；以及執(zhí)行器(34)，該執(zhí)行器(34)連接到所述細(xì)長的懸臂元件(35)上，用于起動(dòng)所述細(xì)長的懸臂元件(35)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂式同軸流動(dòng)注射器，其中，所述起動(dòng)的 裝置包括選自由壓電彎曲裝置、磁場發(fā)生器、電磁元件和靜電吸引裝置所組 成的組中的執(zhí)行器(34)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂式同軸流動(dòng)注射器，其中，所述細(xì)長的 懸臂元件(35)結(jié)合有線材、亞鐵涂層、嵌入的亞鐵材料以及鎳絲中的至少一種。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂式同軸流動(dòng)注射器，其中，所述同軸通 道(200)具有使層流中的生物細(xì)胞(1)通過的尺寸。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂式同軸流動(dòng)注射器，其中，所述細(xì)長的 懸臂元件(35)是適于被起動(dòng)的，以將粒子(237)分配到所述微流體裝置(100)內(nèi)的多個(gè)層流層中。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂式同軸流動(dòng)注射器，其中，所述同軸通 道(200)的直徑為100微米至1毫米。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂式同軸流動(dòng)注射器，其中，所述同軸通道(200)的直徑為50微米至1毫米。
8、 一種用于在微流體通道內(nèi)分選粒子(237)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 粒子檢測系統(tǒng)(12)，該粒子檢測系統(tǒng)(12)用于產(chǎn)生檢測信息； 流體控制系統(tǒng)(10)，該流體控制系統(tǒng)(10)電連接至所述粒子檢測系統(tǒng)(12)，將所述流體控制系統(tǒng)(10)設(shè)置為提供分選控制信號(hào)(19)，該分 選控制信號(hào)(19)響應(yīng)于從所述粒子檢測系統(tǒng)(12)接收的信息；流體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(5)，該流體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(5)連接到所述流體控制系統(tǒng)(10);微流體裝置(100)，該微流體裝置(100)包括樣品保持通道(30)、檢 查區(qū)(32)、位于該檢査區(qū)(32)下游的懸臂式同軸流動(dòng)注射器(35)和至 少兩條輸出通道(38， 40);以及被連接以接收所述分選控制信號(hào)(19)的分選執(zhí)行器(34)，設(shè)置所述 分選執(zhí)行器(34)以起動(dòng)所述懸臂式同軸流動(dòng)注射器(35)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)還包括被連接以將粒子 (237)輸送至檢査區(qū)(32)的液力集中單元(37)，在該檢查區(qū)(32)所述液力集中單元(37)集中所述粒子(237)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述粒子檢測系統(tǒng)(12)選自 由電傳感區(qū)系統(tǒng)、光散射檢測系統(tǒng)、熒光檢測系統(tǒng)、光譜檢測系統(tǒng)、光學(xué)圖 像捕獲和處理系統(tǒng)、顯微鏡系統(tǒng)和光學(xué)斷層X射線照相系統(tǒng)所組成的組中。
11、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述流體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(5) 包括至少一個(gè)儲(chǔ)液器、連接至所述至少一個(gè)儲(chǔ)液器的至少一個(gè)流體泵，以及 連接到所述流體泵和所述微流體通道的至少一個(gè)真空泵。
12、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述流體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(5) 使用正位移或正壓力和/或真空壓力傳輸流體驅(qū)動(dòng)，以提供層流條件。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述層流系統(tǒng)包括栓塞流。
14、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述粒子(237)包括生物細(xì) 胞(1)。
15、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述分選控制信號(hào)(19)起動(dòng) 所述懸臂式同軸流動(dòng)注射器(35)，以將生物細(xì)胞(1)分選到所述至少兩條 輸出通道(38， 40)中選擇的輸出通道中。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述懸臂式同軸流動(dòng)注射器 (35)彎曲，以在所述至少兩條輸出通道(38， 40)中選擇的輸出通道內(nèi)將粒子(237)分送到層流流路的選擇的層中。
17、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述分選執(zhí)行器(34)選自由 壓電彎曲裝置、磁場發(fā)生器、電磁體和靜電吸引裝置所組成的組中。
18、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述懸臂式同軸流動(dòng)注射器(35) 結(jié)合有線材、亞鐵涂層、嵌入的亞鐵材料以及鎳絲中的至少一種。
19、 一種在微流體層流路徑內(nèi)分選粒子(237)的方法，所述分選的方法包括以下步驟在集成微流體裝置(100)內(nèi)輸送層流路徑中的多個(gè)粒子的步驟(302); 檢測在所述層流路徑中的多個(gè)粒子的特征的步驟(303); 產(chǎn)生響應(yīng)于所述檢測特征的檢測信息的步驟(305); 基于所述檢測信息對(duì)選擇的粒子做出分選決定的步驟(306); 將所述選擇的粒子注射入位于保持樣品通道的下游的懸臂式同軸流動(dòng) 注射器(35)內(nèi)；以及向作用于所述懸臂式同軸流動(dòng)注射器(35)的分選執(zhí)行器(34)提供響 應(yīng)于所述分選決定的分選控制信號(hào)，以引導(dǎo)所述選擇的粒子通過至少兩條輸 出通道(38， 40)中的一條進(jìn)入層流路徑的選擇的層內(nèi)的步驟(308)。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述輸送的步驟還包括在層 流路徑中液力地集中所述多個(gè)粒子(237)。
21、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述檢測特征的步驟(303) 包括操作檢測包括散射特性的特征的光散射檢測系統(tǒng)、檢測包括熒光特性的 特征的熒光檢測系統(tǒng)、用于檢測包括成像特性的特征的顯微鏡系統(tǒng)、光學(xué)圖 像捕獲系統(tǒng)、用于檢測包括成像特性的特征的光學(xué)斷層X射線照相系統(tǒng)、和 用于檢測包括成像特性的特征的處理系統(tǒng)中的至少一種。
22、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述操作光學(xué)圖像捕獲和處 理系統(tǒng)的步驟包括用照相機(jī)(151)捕獲層流路徑中的粒子(237)的圖像的 步驟。
23、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述光學(xué)圖像捕獲和處理系統(tǒng)還包括目標(biāo)識(shí)別軟件程序，用于做出所述分選決定。
24、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述在層流路徑中輸送粒子 (237)的步驟包括操作流體控制系統(tǒng)(10)以提供泵控制信號(hào)(20)和真空控制信號(hào)(22)，以及使用流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(5)來驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)。
25、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述懸臂式同軸流動(dòng)注射器 (35)彎曲以將粒子(237)輸送到層流流路的選擇的層(38， 40)內(nèi)。
26、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述分選執(zhí)行器(34)選自由 壓電彎曲裝置、磁場發(fā)生器、電磁體以及靜電吸引裝置所組成的組中。
27、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述懸臂式同軸流動(dòng)注射器 (35)結(jié)合有線材、亞鐵涂層、嵌入的亞鐵材料以及鎳線中的至少一種。
28、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述粒子(237)包括生物細(xì) 胞(1)。
29、 一種用于在層流路徑中分選粒子(237)的微流體裝置(100)，該 微流體裝置包括微流體芯片(101)，該微流體芯片(101)包括樣品保持通道(30)、位 于所述樣品保持通道(30)下游的懸臂式同軸流動(dòng)注射器(35)以及至少兩 條輸出通道(38， 40);并且將所述懸臂式同軸流動(dòng)注射器(35)設(shè)置為連接到用于傳輸分選控制信 號(hào)(19)的分選執(zhí)行器(34)，以起動(dòng)所述懸臂式同軸流動(dòng)注射器(35)，從 而引導(dǎo)粒子流動(dòng)通過所述懸臂式同軸流動(dòng)注射器(35)進(jìn)入選擇的層內(nèi)。
30、 根據(jù)權(quán)利要求29所述的微流體裝置(100)，其中，所述分選執(zhí)4亍 器(34)選自由壓電彎曲裝置、磁場發(fā)生器、電磁體以及靜電吸引裝置所組 成的組中。
31、 根據(jù)權(quán)利要求30所述的微流體裝置(100)，其中，所述懸臂式同 軸流動(dòng)注射器(35)結(jié)合有磁性材料、線材以及磁性涂層中的至少一種。
32、 根據(jù)權(quán)利要求29所述的微流體裝置(100)，其中，所述樣品保持 通道(30)內(nèi)容納有生物細(xì)胞(1)。
33、 根據(jù)權(quán)利要求29所述的微流體裝置(100)，其中，所述懸臂式同 軸流動(dòng)注射器(35)響應(yīng)于所述分選控制信號(hào)(19)而彎曲，以將粒子(237) 輸送入所述至少兩條輸出通道(38， 40)中的一條內(nèi)的層流流路的選擇的層 內(nèi)。
全文摘要
一種用于在層流微流體通道內(nèi)分選粒子(237)的設(shè)備和方法，包括在微流體裝置(100)內(nèi)的懸臂式同軸流動(dòng)注射器(35)，所述懸臂式同軸流動(dòng)注射器(35)包括整合入所述微流體裝置(100)中的細(xì)長的懸臂元件(35)。同軸通道(200)穿過所述細(xì)長的懸臂元件(35)，其中所述同軸通道(200)具有通過預(yù)定大小的粒子(237)的尺寸。執(zhí)行器(34)被連接到所述細(xì)長的懸臂元件(35)上，用于起動(dòng)所述細(xì)長的懸臂元件(35)。
文檔編號(hào)C12M1/34GK101400437SQ200780008932
公開日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2007年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者A·C·納爾遜, J·W·哈延加 申請(qǐng)人:維森蓋特有限公司