基于形狀的粒子分離的裝置和方法
【專(zhuān)利摘要】一種粒子分選系統(tǒng)，包括入口，和設(shè)置在基板上并且在遠(yuǎn)端具有下游擴(kuò)張區(qū)的慣性聚集微通道，其中，所述入口連接到所述微通道的上游端。不同形狀的粒子的源連接到所述入口，其中，所述不同形狀的粒子的源配置為用于連續(xù)引入至所述入口。多個(gè)出口在所述下游擴(kuò)張區(qū)連接到所述微通道。流阻器位于各自的出口。不同阻力可以用于所述出口以捕獲具有特定粒子形狀的粒子的富集組分。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于形狀的粒子分離的裝置和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)要求于2011年9月30日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)朥S61/541，934的優(yōu)先權(quán)，和于2012年3月2日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)朥S61/606，287的優(yōu)先權(quán)，在此引入其全部?jī)?nèi)容以供參考。要求優(yōu)先權(quán)符合美國(guó)法典35 § 119。
[0003]關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開(kāi)發(fā)的聲明
[0004]本發(fā)明是由政府支持批準(zhǔn)號(hào)0930501，榮獲美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)。政府對(duì)本發(fā)明具有一定權(quán)力。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0005]本發(fā)明的領(lǐng)域總體涉及用于分離和分選應(yīng)用的微流體裝置。更具體地，本發(fā)明的領(lǐng)域涉及基于其各自形狀用于分離和分選粒子(顆粒，particle)的微流體裝置。
【背景技術(shù)】[0006]已進(jìn)行了各種嘗試，利用微流體用于細(xì)胞或微粒的連續(xù)分離。一些方法使微流體與外部施加的力場(chǎng)相結(jié)合。例如，已經(jīng)嘗試基于電、磁、光、和聲的力來(lái)分離粒子。還有其它方法基于微通道里產(chǎn)生的被動(dòng)流體力學(xué)(passive hydrodynamics)。例如，已經(jīng)提出了基于尺寸排阻原理操作的各種過(guò)濾器(如，堰式、橫流式)和膜。例如，Takagi等人，已開(kāi)發(fā)出使用具有不對(duì)稱(chēng)設(shè)置的多個(gè)分支通道的微通道的連續(xù)粒子分離技術(shù)。參見(jiàn)Takagi等，Continuous particle separation in a microchannel having asymmetrically arrangedmultiple branches, Lab Chip，Jul ;5 (7) 778-84 (2005)。該方法提高微通道內(nèi)使用層流的捏流分選(pinched flow fractionation, PFF)的分離方案。
[0007]Yamada等已經(jīng)提出了一種利用流體力學(xué)過(guò)濾(HDF)用于粒子連續(xù)濃縮和分類(lèi)的微流體裝置。該方法使用各種側(cè)通道以沿微流體通道壁對(duì)齊粒子。附加的下游選擇通道用于從主通道選擇性地提取不同粒子。參見(jiàn)Yamada等人，Hydrodynamic filtration foron-chip particle concentration and classification utilizing microfluidics， LabChip，Nov ;5 (11):1233-39(2005)。Choi等已開(kāi)發(fā)了一種使用水電泳用于微粒子的微流體分離和定量技術(shù)，懸浮粒子在微結(jié)構(gòu)誘發(fā)的壓力場(chǎng)影響下的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)利用在微通道中傾斜的障礙物，可以產(chǎn)生側(cè)向壓力梯度，使得微?？梢匝赜商荻日T發(fā)的側(cè)流偏轉(zhuǎn)和排列。參見(jiàn) Choi 等人，Continuous hydrophoretic separation and sizing of microparticlesusing slanted obstacles in a microchannel, Lab Chip，Jul ;7(7):890-97(2007)。
[0008]Huang等人已提出了通過(guò)確定性側(cè)向位移(deterministic lateraldisplacement, DLD)的連續(xù)粒子分離方法。參見(jiàn) Huang 等人，Continuous ParticleSeparation Through Deterministic Lateral Displacement，Science，Vol.304N0.5673第987-990頁(yè)(2004年5月)。這項(xiàng)技術(shù)利用了在障礙物周?chē)膶恿鞯姆菍?duì)稱(chēng)分叉。粒子在其尺寸的基礎(chǔ)上確定性地選擇其路徑。其它方法基于離心分離。例如，Ookawara等人報(bào)道了使用具有2mm半圓半徑的200 μ mX 170 μπι微通道進(jìn)行離心分離，其中漿液粒子被定向到分叉通道的一個(gè)臂。參見(jiàn) Ookawara 等人，K.Feasibility Study on Concentratorof Slurry and Classification of Contained Particles by Micro-Chennel, Chem.Eng.J.，v.101，171-178(2004)。最近，Di Carlo等人已開(kāi)發(fā)出一種慣性聚集、排列、和分離技術(shù)，以受控的方式在微流體通道內(nèi)使粒子排列。參見(jiàn)Di Carlo等，Continuousinertial focusing, ordering, and separation of particles in microchannels.PNAS, 104，48，18892-18897(2007)。
[0009]然而，在大多數(shù)這些集成分離技術(shù)中很少考慮形狀，一般使用粒子大小、可變形性、密度、電或磁特性或甚至其表面分子來(lái)分離粒子，同時(shí)假設(shè)細(xì)胞和粒子是球形的。離心分離，是用于微粒子分離的宏觀(guān)尺度常規(guī)技術(shù)，近來(lái)已考慮用于球和棒的形狀分離。參見(jiàn) Sharma 等人，Shape separation of gold nanorods using centrifugation.PNAS, 106，13, 4981-4985 (2009) 0僅在最近，在微系統(tǒng)中，流體動(dòng)力學(xué)過(guò)濾(HDF)、確定性側(cè)向位移(DLD)和介電泳(DEP)已經(jīng)開(kāi)始考慮形狀作為分離的標(biāo)準(zhǔn)。Beech等人首先介紹了利用DLD技術(shù)的基于形狀的分選，顯示了非球形粒子可以在DLD裝置中通過(guò)控制導(dǎo)致不同有效尺寸的裝置深度，被定向到柱形網(wǎng)格。參見(jiàn)Beech等人，Shape-based particlesorting - A new paradigm in microfluidics, Proc.Micro Total Analysis Systems, Jej
u,Korea, 800-802 (2009)。最近,Sugaya等人研究了用于基于形狀的分離的HDF的適用性,并論證了在分叉點(diǎn)球形和非球形粒子的不同分離行為，并且利用該項(xiàng)技術(shù)用于從酵母細(xì)胞混合物中分選出芽/單體細(xì)胞。參見(jiàn)Sugaya等人,Observation of nonspherical particlebehaviors for continuous shape-based separation using hydrohynamic filtration,Biomicrofluidics, 5, 024103 (2011)。類(lèi)似地，Valero等,通過(guò)在多個(gè)頻率下平衡相反DEP力驗(yàn)證了酵母基于形狀的分選。參見(jiàn)Valero等人，Tracking and synchronization of theyeast cell cycle using dielectrophoretic opacity, Lab Chip, 11，1754-1760(2011)。
[0010]HDF和DLD是連續(xù)且高效的技術(shù)，但兩者都需要低流速(分別地，2_3 μ L/min和60nL/min)和高稀釋因子，從而提供低通量。這些技術(shù)還需要精確限定的制造工藝和復(fù)雜的設(shè)計(jì)，因?yàn)楸仨毦_設(shè)計(jì)(〈I μ m-分辨率)為了確保分離所必須的特性(用于DLD的柱形網(wǎng)格，用于HDF的高并聯(lián)通道)。另一方面，DEP需要在各次實(shí)驗(yàn)之間集成主動(dòng)元件(activeelement)以及精確和可重復(fù)控制緩沖電導(dǎo)率，在整個(gè)集成微系統(tǒng)中，這還使集成復(fù)雜化?；贒EP的方案需要在運(yùn)行之間主動(dòng)元件以及精確且可重復(fù)控制的緩沖電導(dǎo)率的另外的集成，這使得基于DEP的裝置復(fù)雜且昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011 ] 在本發(fā)明的一個(gè)方面中，粒子分選系統(tǒng)包括入口，和設(shè)置在基板上并且在遠(yuǎn)端具有下游擴(kuò)張區(qū)的慣性聚集微通道，其中入口連接到微通道的上游端。不同形狀粒子的源連接到入口，其中所述不同形狀粒子的源配置為用于連續(xù)引入到入口。多個(gè)出口在下游擴(kuò)張區(qū)連接到微通道。流阻器(fluidic resistor)位于各自的出口處。不同阻力可以用于出口處以捕獲具有特定粒子形狀的粒子的富集組分。
[0012]分選懸浮在樣品流體內(nèi)的不同形狀的粒子的方法包括使包含懸浮在其中的不同形狀粒子的樣品流體流過(guò)粒子分選系統(tǒng)的操作。系統(tǒng)包括設(shè)置在基板上并且在遠(yuǎn)端具有下游擴(kuò)張區(qū)的慣性聚集微通道，以及連接到下游擴(kuò)張區(qū)的多個(gè)出口。多個(gè)流阻器位于各自的出口處。在該方法中，在多個(gè)出口的每一個(gè)中收集流體，其中與樣品流體相比，至少一個(gè)出口包含富含至少一種形狀的粒子的流體。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的粒子分選系統(tǒng)或裝置。
[0014]圖2A示出了終止于三個(gè)單獨(dú)出口的下游擴(kuò)張區(qū)的放大圖。兩個(gè)出口具有相同的流阻器，而中央流阻器具有更小的阻力。
[0015]圖2B示出了粒子分選裝置的可替換的實(shí)施方式，使用壓力控制器以調(diào)節(jié)多個(gè)出口的流阻(流體阻力，fluidic resistance)。
[0016]圖3示出了連接到粒子分選系統(tǒng)的入口的粒子的源。
[0017]圖4A示出了矩形形狀的通道，如具有高的高寬比(H>W)的慣性聚集微通道，其中隨機(jī)粒子分布被引入到入口。
[0018]圖4B示出了表示在圖1的區(qū)域A的慣性聚集微通道14的截面。
[0019]圖4C示出了表示在圖1的區(qū)域B的慣性聚集微通道14的截面。
[0020]圖4D示出了流過(guò)粒子分選系統(tǒng)的具有不同大小和形狀的各種粒子的高寬比和尺寸。在a和b方向上顯不尺寸，該方向一般彼此正交。
[0021]圖4E示出了在入口處捕獲的粒子的顯微照片。比例尺是ΙΟμπι。
[0022]圖4F示出了在出口處捕獲的粒子的顯微照片。比例尺是ΙΟμπι。
[0023]圖5Α示出了繪制的柱狀圖以示出在不同雷諾數(shù)(插入)下和以不同通道幾何形狀(面板圖A、D和G所示)獲得的各種形狀的粒子(球形、具有3:1高寬比的棒，和具有5:1高寬比的棒)的分布變化。
[0024]圖5Β示出了為所有三種通道幾何形狀和測(cè)試的流動(dòng)條件繪制的平均Xeq。
[0025]圖6A示出了面板圖A中代表球形和1:5棒狀粒子的歸一化粒子計(jì)數(shù)的高斯擬合(% )作為Xeq的函數(shù)。面板圖B顯示了 I的可分因子。面板圖C顯示了 2的可分因子。
[0026]圖6B示出了 25 μ m寬通道(圖D)、30 μ m寬通道(圖E)和35 μ m寬通道(圖F)在不同流速下獲得的可分因子。
[0027]圖7A-7C示出了測(cè)試的粒子分選系統(tǒng)的三種不同配置。
[0028]圖7D示出了出口 I和2之間區(qū)域的顯微圖像。
[0029]圖7E示出了出口 4和5之間區(qū)域的顯微圖像。
[0030]圖7F示出了圍繞出口 5區(qū)域的顯微圖像。
[0031]圖7G示出了各種粒子在圖7A裝置的每個(gè)出口處的EY和ER。
[0032]圖7H示出了各種粒子在圖7B裝置的每個(gè)出口處的EY和ER。
[0033]圖71示出了各種粒子在圖7C裝置的每個(gè)出口處的EY和ER。
[0034]圖7J示出了各種粒子在圖7A裝置的每個(gè)出口處的EP。
[0035]圖7K示出了各種粒子在圖7B裝置的每個(gè)出口處的EP。
[0036]圖7L示出了各種粒子在圖7C裝置的每個(gè)出口處的EP。
[0037]圖8A示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式的粒子分選系統(tǒng)。
[0038]圖8B示出了圖8A裝置的五個(gè)出口的每個(gè)的EY曲線(xiàn)圖。
[0039]圖8C示出了圖8A裝置的五個(gè)出口的每個(gè)的EP曲線(xiàn)圖。[0040]圖8D示出了圖8A裝置的五個(gè)出口的每個(gè)的ER曲線(xiàn)圖。
[0041]圖9A示出了在粒子分選系統(tǒng)的入口處的細(xì)胞的顯微圖像。細(xì)胞歸類(lèi)為五組:小單體(頂部插圖)、大單體(從頂部插圖數(shù)第二個(gè))、出芽(從頂部插圖數(shù)第三個(gè))、雙重體(從頂部插圖數(shù)第四個(gè))和團(tuán)聚體(最后插圖)。
[0042]圖9B示出了出口 2和出口 3的各自的圖像。單體在出口 2中具有高提取率，而在出口 3中出芽細(xì)胞的純度增加。
[0043]圖9C示出了六個(gè)出口的每個(gè)的EY和ER曲線(xiàn)圖。
[0044]圖9D示出了六個(gè)出口的每個(gè)的EP曲線(xiàn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045]圖1示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的粒子分選系統(tǒng)10。所述粒子分選系統(tǒng)10可以以適合于微流體應(yīng)用的任意數(shù)量的材料形成。例如，所述粒子分選系統(tǒng)10的構(gòu)件(feature)可以以聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成，然后連接到平面基板，如使用常用的PDMS復(fù)制成型工藝的玻璃或塑料。簡(jiǎn)單地說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)用來(lái)從主旋涂有(master spin-coated) SU_8光致抗蝕劑的娃生產(chǎn)模具。使用Sylgardl84彈性體試劑盒(Dow Corning Corporation)和
I: 10的交聯(lián)劑與聚合物比例，從這種模具生產(chǎn)PDMS芯片。在連接在一起之前，為包封通道，通過(guò)空氣等離子(等離子清洗機(jī)，Harrick等離子，500毫托，30秒)激活PDMS和玻璃兩者。
[0046]可替換地，粒子分選系統(tǒng)10的構(gòu)件可以直接形成在基板上，如硅或甚至聚合物如塑料，利用光刻或其它類(lèi)似已知技術(shù)來(lái)生產(chǎn)微流體裝置。粒子分選系統(tǒng)10的優(yōu)點(diǎn)在于，它可以用標(biāo)準(zhǔn)微流體制造技術(shù)制造，這降低了制造時(shí)間和成本。此外，無(wú)需任何外部設(shè)置來(lái)誘導(dǎo)粒子分離，這與主動(dòng)法(active method)相反。分離依賴(lài)于裝置幾何形狀和流體作為驅(qū)動(dòng)力的存在。與基于DLD和HDF的裝置需要低流速不同，本文描述的粒子分選系統(tǒng)10可以以相對(duì)高的流速使用，這意味著該裝置可以實(shí)現(xiàn)高通量(throughout)。
[0047]如本文所使用的，“粒子”是指微米或更小尺寸的小物體。粒子可以包括活的和非生命物體。粒子的實(shí)例包括細(xì)胞、細(xì)菌、病毒等。粒子可包括細(xì)胞器或更大生物成分的子組份。粒子還可以包括無(wú)生命物體如珠粒等。粒子可以與其他物質(zhì)結(jié)合或綴合。粒子包括單一或單獨(dú)粒子以及其他更小物體的聚集體(團(tuán)塊，agglomeration)。
[0048]粒子分選系統(tǒng)包括連接到慣性聚集微通道14的上游端的入口 12。如圖1所示，存在可選過(guò)濾器16用于捕獲碎片或其它關(guān)注的大粒子。可選過(guò)濾器16可以形成在一個(gè)或多個(gè)突起、柱等上，防止較大的或整塊粒子通過(guò)進(jìn)入慣性聚集微通道14。慣性聚集微通道14可以具有幾厘米長(zhǎng)(例如，4cm)和矩形截面。例如，慣性聚集微通道14可以具有約50μπι的高度和約25-35 μ m范圍內(nèi)的寬度，但是考慮了在此范圍之外的其它尺寸。
[0049]慣性聚集微通道14在下游端終止于下游擴(kuò)張區(qū)18。下游擴(kuò)張區(qū)18優(yōu)選隨著物體沿流動(dòng)方向(圖2A中箭頭A的方向)移動(dòng)而逐漸側(cè)向延伸。在這方面，限定下游擴(kuò)張區(qū)18的通道19的邊緣輪廓，如圖2A所示，是彎曲的或拋物線(xiàn)形的，與直角膨脹室相反。一般地，優(yōu)選從慣性聚集微通道14到下游擴(kuò)張區(qū)18的平滑形轉(zhuǎn)變。例如，限定下游擴(kuò)張區(qū)18的壁可以隨著物體在流體流動(dòng)方向下游移動(dòng)而以漸進(jìn)角向外擴(kuò)展。例如，限定下游擴(kuò)張區(qū)的壁可以沿流體流動(dòng)方向每移動(dòng)100 μπι逐漸增加角度2°。如下面所解釋的，下游擴(kuò)張區(qū)18保持聚集的粒子在聚集流線(xiàn)(streamline)上，同時(shí)增加其側(cè)向間距(Xeq)。[0050]仍然參照?qǐng)D1，多個(gè)出口 20連接到下游擴(kuò)張區(qū)18上。每個(gè)出口 20可以是在一端打開(kāi)擴(kuò)張區(qū)域18的出口通道。示出了五個(gè)(5)這種出口，雖然可以使用更多或更少。顯示了包括流阻器22的每個(gè)出口 20，以示意圖示于圖1。可以由限制出口 20中的流體的一個(gè)結(jié)構(gòu)或多個(gè)結(jié)構(gòu)形成流阻器22。作為一個(gè)實(shí)例，限流器(flow restrictor)是具有多個(gè)轉(zhuǎn)彎的蛇形通道24，如圖2A所示。例如，對(duì)于總長(zhǎng)度幾厘米的流阻器22可具有20個(gè)這樣的轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)彎數(shù)可以用來(lái)調(diào)節(jié)或調(diào)整流阻器22的阻力。例如，如圖2A所示，中間流阻器22b具有外部流阻器22a、22c阻力的1/2。作為另一個(gè)實(shí)例，該限流器可以是具有減小的直徑的通道或甚至包含一個(gè)或多個(gè)配置為減少?gòu)闹辛鲃?dòng)的結(jié)構(gòu)的通道。在另一個(gè)實(shí)施方式中，流阻器22在出口 20內(nèi)的任何形式的結(jié)構(gòu)，而是在出口 20處施加或產(chǎn)生的壓力。
[0051]例如，圖2B示出了粒子分選系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施方式，該實(shí)施方式使用連接至每個(gè)出口 20的壓力控制器23。壓力控制器23包括連接至每個(gè)出口 20的單獨(dú)流體管線(xiàn)25。配置所述壓力控制器23使得其可以選擇性地對(duì)各個(gè)出口 20施加不同壓力。在這方面，所述壓力控制器23可以調(diào)節(jié)出口 20的相對(duì)流阻。在該實(shí)施方式中，蛇形通道沒(méi)有必要產(chǎn)生流阻。這個(gè)功能被轉(zhuǎn)移到壓力控制器23。此外，可以通過(guò)壓力控制器23動(dòng)態(tài)調(diào)整或調(diào)節(jié)各種流阻。因此，可以重新配置粒子分選系統(tǒng)10，無(wú)需對(duì)粒子分選系統(tǒng)10進(jìn)行任何物理變化。
[0052]每個(gè)流阻器22可具有相同或不同的流阻，取決于在粒子分選系統(tǒng)10分選的粒子的性質(zhì)。可以專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)或“調(diào)節(jié)”每個(gè)出口 20內(nèi)的流阻器22，以捕獲具有特定粒子形狀的粒子的富集組分。在壓力用作流阻器22的情況下，可以通過(guò)將相應(yīng)出口 20的壓力單獨(dú)設(shè)置為定義量，控制相對(duì)流過(guò)不同出口 20。圖1示出了五個(gè)(5)流阻器22 dm R5),但是可以使用更多或更少。另外，在一些實(shí)施方式中，可以有一個(gè)或多個(gè)出口 20，在其中沒(méi)有任何流阻器22或施加于其上(在壓力是流阻器22的情況下)。如圖1和2所示，在每個(gè)流阻器22之后，有相應(yīng)出口 26(在圖1表示為1、2、3、4，和5)。
[0053]圖3示出了粒子分選系統(tǒng)10的部分的側(cè)視圖。粒子分選系統(tǒng)10通過(guò)入口 12連接到不同形狀粒子的源(來(lái)源，source) 30上，將其配置為連續(xù)引入到入口 12。圖3示出了以細(xì)胞32形式的粒子。在該圖中源30包括具有圓形、棒狀、和不規(guī)則形狀的細(xì)胞32，但是考慮了其它粒子類(lèi)型和形狀。圖3示出了作為不同形狀粒子的源30的注射器，可以用于將細(xì)胞32連續(xù)注射到粒子分選系統(tǒng)10。如本文所用，連續(xù)引入意味著在延長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)注射粒子，與單一批次流動(dòng)過(guò)程相反。注射器(或多個(gè)注射器)可以連接到常用的注射器泵上以泵送含細(xì)胞32的流體通過(guò)粒子分選系統(tǒng)10。通過(guò)載送流體(通常是液體)運(yùn)載粒子，該載送流體也被注入到入口 12。粒子分選系統(tǒng)10可以在很寬的流速范圍內(nèi)工作。如下面所解釋的，在20μ L/min到110μ L/min范圍內(nèi)的流速下觀(guān)察聚集位置的基于形狀的差異，然而，上限通過(guò)裝置的結(jié)合強(qiáng)度(bonding strength)而不是流體現(xiàn)象本身而限制。因此，預(yù)期在該特定范圍之外的流速也正常工作。
[0054]圖3示出了注射器用作泵送源30的不同形狀的粒子通過(guò)粒子分選系統(tǒng)10，其它用于連接微流體裝置的壓力或基于流體的遞送裝置可以用于使粒子連續(xù)流動(dòng)通過(guò)粒子分選系統(tǒng)10。在一方面，含不同大小或形狀的粒子的流體被連續(xù)泵送通過(guò)粒子分選系統(tǒng)10?？梢哉{(diào)整通過(guò)粒子分選系統(tǒng)10的粒子流速以實(shí)現(xiàn)不同形狀粒子的不同富集和收集。流體流經(jīng)系統(tǒng)的流速可以隨通道幾何形狀和不同流阻比率而變化。更廣義地說(shuō)，可以改變條件以改變雷諾數(shù)。[0055]為了使用粒子分選系統(tǒng)10，利用如本文所討論的壓力或流式技術(shù)，將不同形狀的粒子的源30連續(xù)引入到入口 12。粒子形狀可以包括任何數(shù)量的不同形狀，包括圓形、棒狀、長(zhǎng)方形、橢圓形、不規(guī)則形狀粒子。參考圖1，在粒子分選系統(tǒng)10的位置A，不同形狀的粒子隨機(jī)分布在整個(gè)慣性聚集微通道14。在沿慣性聚集微通道14的大部分流過(guò)之后(如在位置B約4cm)，不同形狀粒子在不同位置變得集中或在慣性聚集微通道14內(nèi)流動(dòng)。
[0056]每個(gè)流具有特定富集量的特定形狀的粒子。然后，這些流通過(guò)下游擴(kuò)張區(qū)18給出另外的側(cè)向間隔，在該區(qū)域它們被收集在出口 20內(nèi)。流阻器22內(nèi)的不同阻力可以用來(lái)收集不同富集組分的粒子。此外，可以調(diào)整慣性聚集微通道14的尺寸以及通過(guò)粒子分選系統(tǒng)10的粒子的流速或者雷諾數(shù)以改變裝置內(nèi)產(chǎn)生的單獨(dú)流的數(shù)量和位置。
[0057]圖4A示意性地示出了矩形形狀的通道，如具有高的高寬比(H>W)的慣性聚集微通道14，其中隨機(jī)粒子分布被引入入口，如圖所示。已知在中等粒子雷諾數(shù)(Rp)(例如，在約
0.3到約4范圍內(nèi)的那些)下隨機(jī)分布的粒子聚集在位于通道中心面的兩個(gè)平衡區(qū)域。圖4B示出了表示在圖1的區(qū)域A的慣性聚集微通道14的截面。如圖4B所示，各種形狀的粒子隨機(jī)分布在流體內(nèi)。由于Fyw(壁效應(yīng))和Fys (剪切梯度)的組合效應(yīng)，粒子慣性聚集。圖4C示出了表示在圖1的區(qū)域B的慣性聚集微通道14的截面。如圖4C所示，不同形狀的粒子到達(dá)沿慣性聚集微通道14的寬度的各個(gè)平衡位置如圖4C所示，圓形粒子排列在接近慣性聚集微通道14的壁，而長(zhǎng)形或棒狀粒子定位在位于靠近慣性聚集微通道14的中心線(xiàn)的流線(xiàn)上。棒狀粒子遷移到相比于具有相同體積的球形粒子更接近通道中心線(xiàn)的穩(wěn)定位置，并對(duì)齊使得它們周期性地“滾動(dòng)”繞著Jeffery軌道短軸旋轉(zhuǎn)，并從通道壁推出。類(lèi)似于上面提到的觀(guān)測(cè)結(jié)果，具有較大旋轉(zhuǎn)直徑(Dmax)的粒子將趨向于收集在位于靠近通道中心線(xiàn)的流線(xiàn)上(參照所述慣性聚集微通道14)，而具有更小旋轉(zhuǎn)直徑的粒子將趨向于收集在位于側(cè)向遠(yuǎn)離通道中心線(xiàn)的流線(xiàn)。因此，相對(duì)于慣性聚集微通道14，可以選擇性地側(cè)向定位出口，以選擇性地捕獲具有不同旋轉(zhuǎn)直徑的粒子亞群(sub-population)。
[0058]圖4D示出了流經(jīng)粒子分選系統(tǒng)的具有不同大小和形狀的各種粒子的高寬比和尺寸。圖4E示出了在入口處捕獲的粒子的顯微照片。圖4F示出了在出口處捕獲的粒子的顯微照片。圖4E和4F的比例尺是10 μ m。由珠粒形成各種球形或棒狀粒子。將3和6 μ m球形珠粒(Polyscience)拉伸成具有不同高寬比(R= 1:3和1:5)的棒,根據(jù)Champion等人之前公開(kāi)的方案。參見(jiàn)Champion等，Role of target geometry in phagocytosis, Proc.Natl.Acad.Sc1.USA103(13):4930-4934(2006)。使珠粒懸浮于 75°C水-熱水可溶性聚(乙烯醇)(PVA),直到最終濃度為10% wt/vol, 5% wt/vol甘油，和0.08% wt/vol球形聚苯乙烯粒子。在19X 27cm平整表面擴(kuò)散該溶液并過(guò)夜干燥。然后，在120°C下以及在礦物油中拉伸膜并在室溫下干燥20分鐘。為回收棒狀粒子，用異丙醇清洗所述膜并在75°C下溶解在30%異丙醇/水中。最后清洗粒子八次，每次減小異丙醇的量，以便從粒子表面去除所有PVA。在I X IO6個(gè)珠/mL的最大濃度下,使用注射泵(Harvard Apparatus PHD2000)和玻璃注射器(Hamilton),在20到110 μ L/min范圍內(nèi)的流速Q(mào)下,將粒子懸浮液注入到測(cè)試裝置中。
[0059]不同形狀的粒子，在不同平衡位置Xrai排列后，然后進(jìn)入下游擴(kuò)張區(qū)18，該區(qū)域增加粒子之間的Xeq差異，同時(shí)仍保持粒子在各自聚集的流線(xiàn)上。然后在各個(gè)出口通道20捕獲粒子。如上面所解釋的，可以調(diào)整流阻器22的阻力以調(diào)節(jié)將從每個(gè)出口 20收集的粒子的組分。通過(guò)調(diào)整出口 20的流阻的比率進(jìn)行?？梢杂忙帘硎?，α代表從特定出口通道的出口流速(Q)的比率U1:2 =這直接關(guān)系到出口流阻的比率U1:2 = R1/
R2)。
[0060]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，已經(jīng)流過(guò)粒子分選系統(tǒng)10并已在出口 26收集的粒子可以流過(guò)粒子分選系統(tǒng)10另外的一次或多次，以進(jìn)一步濃縮或富集所需粒子組分的粒子。例如，粒子可以首先以第一流速(即雷諾數(shù))流過(guò)粒子分選系統(tǒng)，接著以不同流速(即不同雷諾數(shù))一次或多次流過(guò)相同裝置。在其它實(shí)施方式中，粒子可以流過(guò)粒子分選系統(tǒng)10僅一次。
[0061]形狀表示特異性識(shí)別粒子的最重要的因素之一。在其它特性中，形狀可以是細(xì)胞周期狀態(tài)的標(biāo)志。例如，真核細(xì)胞表現(xiàn)出細(xì)胞周期依賴(lài)性的形狀的物理變化，如酵母細(xì)胞從一個(gè)球演變成雙球?qū)?bispherical twin)或更大團(tuán)聚體(aggregate),取決于其細(xì)胞周期階段。形狀也是細(xì)胞狀態(tài)的指示，并且可以成為用于臨床診斷的指示。例如，由于許多臨床條件、疾病和藥物，血細(xì)胞形狀可以變化，如源于寄生蟲(chóng)感染的紅細(xì)胞形態(tài)變化(如，鐮狀細(xì)胞疾病、貧血、瘧疾)。因此，在微流體粒子分離中形狀可以用作特異性標(biāo)志物，并且可以作為無(wú)標(biāo)記粒子組分的基礎(chǔ)。可替代地，不同大小的粒子，如寄生蟲(chóng)或其它病原體，可以從體液中去除或提取。連續(xù)聚集并分離基于其形狀的粒子的能力在不同工業(yè)、臨床和研究應(yīng)用中具有廣泛效用。甚至可以分選具有不同形狀但類(lèi)似體積的粒子。
[0062]粒子分選系統(tǒng)10的另一個(gè)應(yīng)用是從含有球形物體的復(fù)合樣品如污水、血液等中，提取非球形目標(biāo)的基于形狀的過(guò)程。例如，水泥強(qiáng)度和穩(wěn)定性決定性地與粒子形狀和大小相關(guān)聯(lián)。將水泥微粒分離成純組分被不規(guī)則形狀的粒子阻礙，這導(dǎo)致傳統(tǒng)過(guò)濾器的堵塞。過(guò)濾尺寸高度限定的粒子而不容易堵塞過(guò)濾器的方法，將有助于優(yōu)化水泥配方的發(fā)展-為各種建筑應(yīng)用節(jié)省材料成本。
[0063]粒子分選系統(tǒng)10也可以用于分選具有不同伸長(zhǎng)率的粒子。也已經(jīng)確定細(xì)胞形狀的伸長(zhǎng)為細(xì)胞周期的指示，因?yàn)檎婧撕驮思?xì)胞顯示物理周期依賴(lài)性變化。了解細(xì)胞周期是許多研究調(diào)查的主題，這在很大程度上使用酵母細(xì)胞完成，由于其眾所周知的遺傳特征和在增殖過(guò)程中其特征形狀變化，例如出芽酵母細(xì)胞從球演變成雙球?qū)蚋蟮膱F(tuán)聚體。另一個(gè)實(shí)例是桿狀細(xì)菌(如桿菌)，變得更長(zhǎng)同時(shí)保持相同短尺寸取決于細(xì)胞周期的階段。細(xì)胞在一定生命周期階段的富集可以避免細(xì)胞周期依賴(lài)性噪音(noise)，并有助于微生物學(xué)家同步化種群以更好地了解種群動(dòng)態(tài)，環(huán)境影響導(dǎo)致去同步化，和單細(xì)胞行為隨機(jī)性。通常通過(guò)以下各項(xiàng)進(jìn)行在給定周期階段的這種同步:(i)通過(guò)侵入方法，使用干擾細(xì)胞生理的化學(xué)物質(zhì)(代謝劑)或使用溫度升高，或者(ii)通過(guò)基于大小的淘析(elutriation)，來(lái)分離小細(xì)胞。侵入方法干擾細(xì)胞代謝并擾亂自然周期，而淘析僅提供了尚未活躍分裂的初期細(xì)胞。粒子分選系統(tǒng)10提供了非浸入的、無(wú)標(biāo)記和無(wú)藥物的連續(xù)方法用于基于形狀的酵母細(xì)胞分選和同步化。
[0064]更一般地，非球形粒子的慣性聚集在各種研究領(lǐng)域備受關(guān)注。有許多任意形狀的粒子廣泛地在生物學(xué)和工業(yè)加工中研究，這對(duì)集中用于計(jì)數(shù)和分析將是重要的。最近已經(jīng)證實(shí)球形對(duì)稱(chēng)的偏差演變的這些粒子導(dǎo)致阻抗不確定性相當(dāng)大的增加，這在形狀的電測(cè)量的解釋中需要加以考慮。類(lèi)似地，在基于大小的粒子的光學(xué)測(cè)量如散射測(cè)量中，形狀可以是難以確定的。成形粒子通過(guò)慣性聚集的精密排列，特別是其定向的可預(yù)測(cè)性，將有助于解決這種不確定性，并產(chǎn)生更可靠的測(cè)量。
[0065]粒子分選系統(tǒng)10的另一個(gè)應(yīng)用是條形碼粒子(bar-coded particle)的流體對(duì)齊。使用停流光刻制造條形碼粒子并用于復(fù)合和高通量生物測(cè)定。這些粒子仍然局限于一些研究應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)鞘流(sheath flow)或活動(dòng)導(dǎo)軌(active guiding rail)對(duì)齊的要求，使其在微系統(tǒng)中的集成復(fù)雜化。慣性效應(yīng)能夠精確控制對(duì)齊和聚集條形碼粒子用于其圖案的光學(xué)讀取。通過(guò)省去鞘流的需求，結(jié)合高流速工作的可能性，這樣可以大大增加基于粒子的生物測(cè)定的通量，通過(guò)聚集系統(tǒng)的高平行化結(jié)合寬視場(chǎng)光學(xué)檢測(cè)。
[0066]另一個(gè)潛在的應(yīng)用是血細(xì)胞計(jì)數(shù)前分選微藻，用于更有效地識(shí)別水中海洋微生物。浮游生物具有形狀和大小的較大多樣性；非球形物體以振蕩模式在通道內(nèi)旋轉(zhuǎn)和垂直移動(dòng)，并且取決于它們的初始角度，具有相同長(zhǎng)度的細(xì)胞可以以不同角度通過(guò)詢(xún)問(wèn)區(qū)域(interrogation region),從而導(dǎo)致不同散射信號(hào)。粒子分選系統(tǒng)10也可以用作微粒制造質(zhì)量控制的原始和被動(dòng)程序，例如根據(jù)它們的高寬比，從合成的粒子中選擇性消除團(tuán)聚體。
[0067]
[0068]為了研究在慣性聚集位置的形狀差異的影響，使用具有不同通道寬度(25、30和35 μπι)和長(zhǎng)度為4cm的慣性聚集通道的粒子分選系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)研究。測(cè)試大范圍的流速(20到110 μ L/min)并評(píng)估這些條件中的每一個(gè)的Xeq。Xeq是粒子平均平衡位置，通過(guò)測(cè)量粒子中心和通道壁之間的距離(0%或50%分別表示，粒子中心位于通道壁(0% )或通道中心(50%))評(píng)估，每個(gè)條件有超過(guò)100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖5A示出了繪制的柱狀圖來(lái)說(shuō)明在不同通道幾何形狀及不同雷諾數(shù)(插入)下獲得的各種形狀的粒子(球、高寬比為3:1的棒和高寬比為5:1的棒)的分布變化。由具有35 μ m寬度的通道和20 μ L/min流速制得圖5A的柱狀圖A。由具有35 μ m寬度的通道和110 μ L/min流速制得圖5A的柱狀圖B。由具有30 μ m寬度的通道和30 μ L/min流速制得圖5A的柱狀圖D。由具有30 μ m寬度的通道和40 μ L/min流速制得圖5A的柱狀圖E。由具有25 μ m寬度的通道和20 μ L/min流速制得圖5A的柱狀圖G。由具有25 μ m寬度的通道和50 μ L/min流速制得圖5A的柱狀圖H。
[0069]圖5B示出了所有三種通道幾何形狀和測(cè)試的流動(dòng)條件繪制的平均Xeq。由具有35 μ m通道寬度的裝置制得圖5B的曲線(xiàn)C。由具有30 μ m通道寬度的裝置制得圖5B的曲線(xiàn)F。由具有25μπι通道寬度的裝置制得圖5B的曲線(xiàn)I。誤差條表示從至少100次測(cè)量獲得的標(biāo)準(zhǔn)偏差。流速和通道寬度大大影響了成形粒子的平衡位置。
[0070]在35 μ m寬度通道內(nèi)(通道高寬比接近I)，雷諾數(shù)高于10 (Re = 13或20 μ L/min)，慣性效應(yīng)開(kāi)始集中球形和棒狀粒子。具有各種形狀的最初隨機(jī)分布的粒子移向通道中心線(xiàn)，最重要的是，不同形狀的粒子顯示粒子位置的完全不同的頻譜。球體開(kāi)始精確聚集并占據(jù)四個(gè)聚集位置，同時(shí)棒沿通道寬度更大分布。隨著流體慣性進(jìn)一步增加(Re = 72或110 μ L/min)，不同粒子類(lèi)型更明顯地相互遷移。球形粒子最靠近壁，而對(duì)于更高的粒子高寬比，相距任一壁的距離增加。
[0071]通道寬度從35減小到30 μ m改變了通道截面的高寬比，從而導(dǎo)致僅遷移至兩個(gè)
(2)不同平衡位置。在SOyL/minOte = 21)下，1:5的棒最初從球體和1:3的棒中分離。為了表征分離的可能性，定義了可分因子(separability factor) (SF1 s_2 s),計(jì)算作為在平均聚集位置兩種粒子之間的差異，通過(guò)其標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值歸一化顯示為方程式(I)如下:[0072]
【權(quán)利要求】
1.一種粒子分選系統(tǒng),包括: 入口 ； 慣性聚集微通道，設(shè)置在基板上并且在遠(yuǎn)端具有下游擴(kuò)張區(qū)，其中，所述入口連接到所述微通道的上游端； 不同形狀的粒子的源，連接到所述入口，其中，所述不同形狀的粒子的源配置為用于連續(xù)引入至所述入口； 多個(gè)出口，在所述下游擴(kuò)張區(qū)連接到所述微通道；以及 多個(gè)流阻器，每個(gè)阻止器連接到各自的出口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述粒子包括細(xì)胞。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)流阻器包括限流器。
4.根據(jù)權(quán)利要求 3所述的系統(tǒng)，其中，所述限流器包括蛇形通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)流阻器包括施加到或在所述多個(gè)出口中產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)壓力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，多個(gè)流阻器包括不同的流阻。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)流阻器的流阻是可調(diào)節(jié)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述不同形狀的粒子的源的流速是可調(diào)節(jié)的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述下游擴(kuò)張區(qū)包括相對(duì)壁，所述相對(duì)壁在流體流動(dòng)方向上逐漸向外成角。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述相對(duì)壁在流體流動(dòng)方向上以2°的角度每移動(dòng)100 μ m逐漸向外成角。
11.一種分選懸浮在樣品流體中的不同形狀的粒子的方法，包括: 使包含懸浮在其中的不同形狀的粒子的所述樣品流體流動(dòng)通過(guò)粒子分選系統(tǒng)，所述粒子分選系統(tǒng)包括: 設(shè)置在基板上并且在遠(yuǎn)端具有下游擴(kuò)張區(qū)的慣性聚集微通道， 連接到所述下游擴(kuò)張區(qū)的多個(gè)出口，和 多個(gè)流阻器，每個(gè)阻止器連接到各自的出口 ；以及 在所述多個(gè)出口的每個(gè)中收集流體，其中，至少一個(gè)所述出口包括與所述樣品流體相比富含至少一種形狀的粒子的流體。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述粒子包括細(xì)胞。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述樣品流體的流速是可變的。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述多個(gè)流阻器的流阻是可調(diào)節(jié)的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述流阻是通過(guò)壓力可調(diào)節(jié)的。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，至少一些所述流阻器具有不同的流阻。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，至少一些經(jīng)分選的所述不同形狀的粒子具有基本上相同的體積。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，至少一些經(jīng)分選的所述不同形狀的粒子在一個(gè)維度中具有類(lèi)似的截面輪廓，而在另一個(gè)維度中具有不同的截面輪廓。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括在第一雷諾數(shù)下，使包含懸浮在其中的不同形狀的粒子的所述樣品流體流動(dòng)通過(guò)粒子分選系統(tǒng)，隨后在不同于所述第一雷諾數(shù)的第二雷諾數(shù)下，使包含懸浮在其中的不同形狀的粒子的所收集的樣品流體流動(dòng)通過(guò)粒子分選系統(tǒng)。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述多個(gè)出口包括位于或鄰近于所述慣性聚集微通道的中心線(xiàn)的至少一個(gè)出口和位于側(cè)向偏離所述慣性聚集微通道的所述中心線(xiàn)的至少一個(gè)出口，以及其中，相比于在所述位于側(cè)向偏離所述慣性聚集微通道的所述中心線(xiàn)的至少一個(gè) 出口中收集的具有較小旋轉(zhuǎn)直徑的粒子的另一個(gè)亞組，所述位于或鄰近于所述慣性聚集微通道的中心線(xiàn)的至少一個(gè)出口捕獲具有較大旋轉(zhuǎn)直徑的粒子的亞組。
【文檔編號(hào)】B01D43/00GK103959069SQ201280059414
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月30日
【發(fā)明者】迪諾·迪卡洛, 馬赫多赫特·馬賽利, 埃洛迭·索利耶 申請(qǐng)人:加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)