本發(fā)明涉及用于在微制造的流體通道中操縱小顆粒的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是使用表面或塊體光刻處理技術(shù)（諸如用于制造半導(dǎo)體裝置的那些技術(shù)）在基底上制造的非常小的、時(shí)?；顒?dòng)的結(jié)構(gòu)。MEMS裝置可以是例如活動(dòng)的致動(dòng)器、傳感器、閥、活塞或開(kāi)關(guān)，其帶有幾微米至幾百微米的特征尺寸。例如，活動(dòng)的MEMS開(kāi)關(guān)可被用于將一個(gè)或多個(gè)輸入端子連接到一個(gè)或多個(gè)輸出端子，這些都微制造在基底上。用于活動(dòng)開(kāi)關(guān)的致動(dòng)器件可以是例如熱的、壓電的、靜電的或磁性的。可以在半導(dǎo)體基底上制造MEMS裝置，該基底可以操縱在流體流中經(jīng)過(guò)MEMS裝置的顆粒。

在另一示例中，MEMS裝置可以是活動(dòng)閥，其用作分選機(jī)構(gòu)以便從流體流中分選各種顆粒，諸如從血液中分選細(xì)胞。顆粒可以在封閉在微通道中的流體流內(nèi)被輸送至分選裝置，流體流在壓力下流動(dòng)。在到達(dá)MEMS分選裝置時(shí)，分選裝置將諸如血液干細(xì)胞的所關(guān)注的顆粒引導(dǎo)至單獨(dú)的接收器，并且將流體流的其余部分引導(dǎo)至廢料接收器。

相比于被稱為流式細(xì)胞儀的現(xiàn)有熒光激活細(xì)胞分選系統(tǒng)（FACS），基于MEMS的細(xì)胞分選器系統(tǒng)可具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。流式細(xì)胞儀通常是大且昂貴的系統(tǒng)，其基于來(lái)自粘附于所關(guān)注的細(xì)胞上的標(biāo)簽的熒光信號(hào)來(lái)分選細(xì)胞。細(xì)胞被稀釋并懸浮在鞘液流中，然后通過(guò)噴嘴經(jīng)由快速減壓分離成單個(gè)的液滴。在從噴嘴射出之后，液滴基于來(lái)自標(biāo)簽的熒光信號(hào)被靜電地分離到不同的容器（bin）中。關(guān)于這些系統(tǒng)的問(wèn)題當(dāng)中存在由于減壓導(dǎo)致的細(xì)胞損傷或功能喪失、在樣本之間的困難且昂貴的消毒程序、不能根據(jù)不同參數(shù)再分選子群體，以及擁有、操作和維護(hù)這些大型且昂貴的設(shè)備件所必需的大量培訓(xùn)。出于至少這些原因，流式細(xì)胞儀的使用已被局限于大醫(yī)院和實(shí)驗(yàn)室，并且該技術(shù)對(duì)于小的實(shí)體而言尚不可用。

已授予了涉及這樣的基于MEMS的顆粒分選裝置的多個(gè)專利。例如，美國(guó)專利No.6,838,056（‘056專利）涉及基于MEMS的細(xì)胞分選裝置，美國(guó)專利No. 7,264,972 b1（‘972專利）涉及用于基于MEMS的細(xì)胞分選裝置的微機(jī)械式致動(dòng)器。美國(guó)專利No. 7,220,594（‘594專利）涉及用MEMS細(xì)胞分選設(shè)備制造的光學(xué)結(jié)構(gòu)，并且美國(guó)專利No. 7,229,838（‘838專利）涉及用于操作基于MEMS的顆粒分選系統(tǒng)的致動(dòng)機(jī)構(gòu)。另外，美國(guó)專利申請(qǐng)No. 13/374,899（‘899申請(qǐng)）和No. 13/374,898（‘898申請(qǐng)）提供了其它MEMS設(shè)計(jì)的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。這些專利（‘056、‘972、‘594和‘838）和專利申請(qǐng)（‘898和‘899）中的每一者均通過(guò)引用并入本文中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于MEMS的微制造顆粒分選系統(tǒng)的一個(gè)特征在于，流體可以貫穿整個(gè)分選過(guò)程被約束在形成于半導(dǎo)體基底中的小的微制造的通道。顆粒，也許是生物細(xì)胞，貫穿整個(gè)過(guò)程保持在輕柔流動(dòng)的樣本流中。MEMS裝置可以是閥，其將樣本流的一種或多種目標(biāo)顆粒與其它組分分離。當(dāng)信號(hào)指示目標(biāo)顆粒存在時(shí)，MEMS裝置可使來(lái)自一個(gè)通道的顆粒流轉(zhuǎn)向到另一個(gè)通道內(nèi)。該信號(hào)可以是來(lái)自熒光標(biāo)簽的光子，該標(biāo)簽粘附于目標(biāo)顆粒并且由MEMS裝置的上游的判讀區(qū)域（interrogation region）中的激光照射激發(fā)。因此，MEMS裝置可以是顆?；蚣?xì)胞分選器，其在約束于微制造的流體通道的流體樣本上操作，但使用類(lèi)似于FACS流式細(xì)胞儀的檢測(cè)器件。

由于MEMS裝置的本質(zhì)，該體系結(jié)構(gòu)提供了在細(xì)胞持續(xù)地沉浸在輕柔地流動(dòng)的流體中的同時(shí)操縱微型顆粒（諸如生物細(xì)胞）的可能性。通過(guò)使用本文所公開(kāi)的系統(tǒng)和方法，這些小的閥可以被用于制備包含單個(gè)目標(biāo)細(xì)胞的流體樣本。這個(gè)目標(biāo)細(xì)胞可以是進(jìn)一步的下游研究或者操縱的主題，并且可以是例如腫瘤細(xì)胞、T細(xì)胞、B細(xì)胞、干細(xì)胞或癌細(xì)胞。

本文公開(kāi)的系統(tǒng)和方法可以利用與流體中介件相關(guān)聯(lián)的微制造的MEMS流體性閥以形成基于MEMS的單個(gè)顆粒分離裝置?；贛EMS的分離裝置可以在流體流中將一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)顆粒與非目標(biāo)材料分離，并且以離散的流體量（例如，單個(gè)液滴）輸出目標(biāo)顆粒。

顆粒分離系統(tǒng)可以包括多個(gè)微流體通道，包括樣本進(jìn)入通道和分選物通道，樣本流體流動(dòng)通過(guò)所述微流體通道，其中樣本流體包含一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)顆粒以及非目標(biāo)材料。在樣本進(jìn)入通道內(nèi)可以是布置于樣本進(jìn)入通道內(nèi)的判讀區(qū)域，其中從流體流中的非目標(biāo)材料區(qū)分出所述一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)顆粒。微制造的流體閥可以被構(gòu)造成分離流體流內(nèi)的所述一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)顆粒。載流體入口可以供應(yīng)載流體，以用一定量的載流體圍繞所述一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)顆粒?，F(xiàn)在包含被分離的單個(gè)顆粒的所述一定量的載流體可以由出口離散地分配到接收器上。接收器可以包含單個(gè)區(qū)域以便以索引方式（indexed fashion）儲(chǔ)存離散量的流體，使得特定量的流體可以與其它量的流體分離地被儲(chǔ)存在已知的特定位置。

用于將一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)顆粒從樣本流分離的方法可以包括提供微制造流體閥，其被構(gòu)造成將所述一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)顆粒分離到多個(gè)微流體通道中的一者內(nèi)。然后該方法可以將一定量的載流體添加到至少一個(gè)所述微流體通道內(nèi)，以用一定量的載流體圍繞所述一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)顆粒。然后可以將離散量的載流體和所述一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)顆粒分配到接收器上。該方法可以進(jìn)一步包括使接收器運(yùn)動(dòng)到新位置以接收包含一個(gè)或多個(gè)不同目標(biāo)顆粒的另一離散量的流體。

基于MEMS的單個(gè)顆粒分離裝置可以利用特定MEMS閥，其具有至少一個(gè)微制造流體通道來(lái)導(dǎo)引流出微制造閥的制造平面的流動(dòng)。這樣的閥可以具有足以提供足夠液滴體積而不需要單獨(dú)的通道和閥的泄漏率。

MEMS閥可以包括具有第一轉(zhuǎn)移表面的微制造的活動(dòng)構(gòu)件，其中活動(dòng)構(gòu)件可以響應(yīng)于施加于活動(dòng)構(gòu)件的力從第一位置運(yùn)動(dòng)至第二位置。活動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)可以實(shí)質(zhì)上處于平行于所述表面的平面中；樣本進(jìn)入通道，其形成于基底中并且流體流動(dòng)通過(guò)該通道，所述流體包括至少一種目標(biāo)顆粒以及非目標(biāo)材料。樣本進(jìn)入通道中的流動(dòng)可以實(shí)質(zhì)上平行于所述表面?；顒?dòng)構(gòu)件可以使流體轉(zhuǎn)移到多個(gè)輸出通道內(nèi)，其中在至少一個(gè)所述輸出通道中的流動(dòng)不平行于所述平面，其中至少一個(gè)輸出通道在其運(yùn)動(dòng)的至少一部分上位于轉(zhuǎn)移表面的至少一部分緊接著的下方。

目標(biāo)顆粒可以由該MEMS閥分離到分選物通道內(nèi)，該分選物通道可以將顆粒與載流體結(jié)合。分離裝置然后可以添加足夠量的載流體以形成液體液滴。載流體中的目標(biāo)顆粒可以在分選物通道的末端處形成液滴，在該點(diǎn)處錐形區(qū)域形成系統(tǒng)的點(diǎn)滴器。當(dāng)包括目標(biāo)顆粒的液滴從點(diǎn)滴器落下時(shí)，其可以被收集在滴定板中，或者更具體地，在微量滴定板中，其具有多個(gè)小的流體孔穴或者貯存器以便裝納多個(gè)這樣的液滴，且每個(gè)液滴均在一個(gè)單獨(dú)的、索引的孔穴中。微量滴定板可以由機(jī)器人定位，以便在已知的、索引的、可定位孔穴中收集特定的目標(biāo)顆粒。

這些和其它特征及優(yōu)點(diǎn)在以下詳細(xì)描述中描述或從以下詳細(xì)描述中顯而易見(jiàn)。

附圖說(shuō)明

參照附圖描述各種示例性細(xì)節(jié)，附圖中：

圖1是被構(gòu)造成分離單個(gè)顆粒的MEMS顆粒分離裝置的第一示例性實(shí)施例的簡(jiǎn)化構(gòu)思圖示；

圖2是用于控制圖1的微制造的單個(gè)顆粒分離系統(tǒng)以分配包含單個(gè)顆粒的液滴的簡(jiǎn)化的時(shí)間線視圖；

圖3是被構(gòu)造成分離單個(gè)顆粒的MEMS顆粒分離裝置的第二示例性實(shí)施例的簡(jiǎn)化構(gòu)思圖示；

圖4是用于控制圖1的微制造單個(gè)顆粒分離裝置以分配包含單個(gè)顆粒的液滴的簡(jiǎn)化時(shí)間線視圖；

圖5是被構(gòu)造成分離單個(gè)顆粒的MEMS顆粒分離裝置的第三示例性實(shí)施例的簡(jiǎn)化構(gòu)思圖示；

圖6a是具有多個(gè)實(shí)質(zhì)上等同的流體孔穴的微量滴定板的橫截面視圖；圖6b是圖6a的微量滴定板的平面視圖；

圖7a是具有多個(gè)不等同的流體孔穴的微量滴定板的橫截面視圖；圖7b是圖7a的微量滴定板的平面視圖；

圖8是MEMS顆粒分選閥的平面視圖，其能夠被用于在圖1、圖3和圖5中所示的MEMS顆粒分離裝置中分離單個(gè)顆粒，且閥處于未致動(dòng)（廢料）位置；

圖9是MEMS顆粒分選閥的平面視圖，其能夠被用于在圖1、圖3和圖5中所示的MEMS顆粒分離裝置中分離單個(gè)顆粒，且閥處于致動(dòng)（分離）位置；

圖10是示例性料筒和中介件的分解視圖，其能夠與圖1、圖3或圖5的MEMS顆粒分離裝置一起使用；

圖11是示例性料筒和中介件的側(cè)視圖，其能夠被用在圖1、圖3或圖5的MEMS顆粒分離裝置中；

圖12a是示例性中介件的透視圖，其能夠被用在圖1、圖3或圖5的MEMS顆粒分離裝置中；圖12b是圖12a的示例性中介件的正面（obverse side）；

圖13是使用MEMS顆粒分離裝置的MEMS單個(gè)顆粒分離系統(tǒng)的示意視圖。

具體實(shí)施方式

所述系統(tǒng)和方法描述了顆粒分離系統(tǒng)，其能夠隔離流體液滴中的單個(gè)目標(biāo)顆粒以便進(jìn)一步操縱或者研究?；贛EMS的顆粒分離系統(tǒng)可以利用特定類(lèi)型的MEMS閥，不過(guò)顆粒分離系統(tǒng)也可以利用MEMS閥的其它設(shè)計(jì)，并且不限于微制造的閥的任何具體設(shè)計(jì)。

在下文討論的圖中，類(lèi)似的附圖標(biāo)記旨在指代類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，并且這些結(jié)構(gòu)以各種細(xì)節(jié)水平圖示，以給出該新型裝置的重要特征的清楚視圖。應(yīng)當(dāng)理解的是，這些圖不必然按比例描繪結(jié)構(gòu)，并且諸如“頂部”、“底部”、“上部”、“下部”、“左”和“右”的方向名稱是隨意的，因?yàn)榭梢砸匀魏尉唧w取向建構(gòu)和操作所述裝置。術(shù)語(yǔ)"分選"和"分離"在本文中能夠互換地使用，以指代從流體流中流動(dòng)的非目標(biāo)材料中隔離目標(biāo)顆粒。也應(yīng)當(dāng)理解，名稱“分選物”和“廢料”也是能夠互換的，因?yàn)樗鼈儍H指代顆粒的不同群體，并且哪一個(gè)群體被稱為“目標(biāo)”或“分選物”群體是隨意的。也應(yīng)當(dāng)理解，為了描述的簡(jiǎn)易，一些附圖可以不包括所有可能的特征和選項(xiàng)，并且在實(shí)際方法、裝置和系統(tǒng)的圖示中可以使用相當(dāng)多的簡(jiǎn)化。

圖1是可以從流體流的剩余物中分選、分離或隔離單個(gè)目標(biāo)顆粒的單個(gè)細(xì)胞分離裝置的第一實(shí)施例的簡(jiǎn)化的構(gòu)思圖示。在分選或者分離之后，由這樣的裝置隔離的單獨(dú)細(xì)胞或者目標(biāo)顆?？梢跃哂形⑸蛏踔疗ど臄?shù)量級(jí)的流體圍繞著它，這是過(guò)小以致于難以方便地處理的量。本文公開(kāi)的系統(tǒng)和方法可以在使流體懸浮和處理流體時(shí)向細(xì)胞添加一定量的"載體"流體，以便形成包含目標(biāo)細(xì)胞或顆粒的離散流體量（諸如液滴或者這種待分配的其它量）。在添加流體之后，現(xiàn)在被包裹在一定量的載流體內(nèi)的單個(gè)細(xì)胞能夠在下游加工或操縱之前被發(fā)送到適當(dāng)大小的器皿內(nèi)以便存儲(chǔ)。載流體和目標(biāo)細(xì)胞的分配可以離散地完成，即作為有限量的流體，諸如以液滴而不是連續(xù)流的形式，且每個(gè)離散量被存儲(chǔ)在不同的索引的接收器中。更通常地，其中包含有一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)顆粒的多個(gè)離散量的載流體可以由輸出結(jié)構(gòu)122分配到接收器上，或者分配到布置在接收器中的多個(gè)流體孔穴中的至少一個(gè)內(nèi)。

在圖1中所示的實(shí)施例中，載流體入口24被聯(lián)接到分選物通道22，并且布置在微制造流體閥1的下游。在這種實(shí)施例中，所述一定量的載流體可以作為液滴被分配到適當(dāng)?shù)?、索引的接收器?nèi)。索引的接收器應(yīng)該被理解為意指帶有多個(gè)已知位置的接收器，所述已知位置能夠被重復(fù)地通達(dá)以存儲(chǔ)所述一定量的流體。適當(dāng)?shù)慕邮掌鞯氖纠梢允菐в杏糜谌菁{流體的多個(gè)孔穴的索引的滴定板或者微量滴定板。滴定板因此可以以索引的方式存儲(chǔ)各個(gè)流體量，使得特定量的流體被容納在已知的特定位置。在這種實(shí)施例中，滴定板或者微量滴定板1200可以具有形成在其中的多個(gè)孔穴1220?？籽?220可以被構(gòu)造成保持大約1-100微升（μl）的流體，使得它們能夠充裕地保持適當(dāng)量的材料，其可以處于從小于1 μl到100 μl的范圍。例如，單個(gè)液滴可以具有15-30 μl的體積。可以由機(jī)器人器件1500使微量滴定板1200如所示的那樣運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人器件1500可以是能夠重復(fù)地定位微量滴定板1200的被致動(dòng)的和/或活節(jié)連接的定位器。機(jī)器人器件1500可以具有閉環(huán)反饋控制，以準(zhǔn)確且可重復(fù)地定位微量滴定板1200，使得微量滴定板1200的多個(gè)孔穴1220中的任意孔穴可以被定位在輸出點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122下方。機(jī)器人器件1500可以索引微量滴定板1200，使得一系列孔穴1220定位在形成在基于MEMS的單個(gè)顆粒分離裝置10中的錐形點(diǎn)滴器122下方。應(yīng)當(dāng)理解的是，錐形點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122是示例性實(shí)施例，并且可以提供其它類(lèi)型的輸出機(jī)構(gòu)以分配包含單個(gè)顆粒的載流體。流體100的每個(gè)液滴可以包含由基于MEMS的單個(gè)顆粒分離裝置10從非目標(biāo)材料分離的單個(gè)目標(biāo)顆粒。替代性地，液滴100可以包含多個(gè)目標(biāo)顆粒，但是包含很少或者不包含非目標(biāo)材料或者非目標(biāo)顆粒。

基于MEMS的單個(gè)顆粒分離裝置10可以包括輸入分選物通道20，其將輸入樣本從樣本貯存器2載送到微制造的MEMS活動(dòng)閥或致動(dòng)器1。閥或致動(dòng)器1可以能夠運(yùn)動(dòng)以關(guān)閉一個(gè)微制造流體通道并且打開(kāi)另一個(gè)。在圖1中所示的實(shí)施例中，MEMS閥1關(guān)閉廢料通道40，該廢料通道40通常將輸入流體引導(dǎo)到垂直于紙的廢料通道內(nèi)。該通道在圖1中被示為環(huán)形虛線40。應(yīng)當(dāng)理解的是，該孔口不必須是環(huán)形，而且通向廢料通道40的孔洞可以具有任意隨意或復(fù)雜的形狀。通道20、22和40可以具有大約20-50 μm的尺寸，并且流體可以以大約4 ml/小時(shí)的速率流過(guò)這些通道。

輸入樣本流20可以包括懸浮在合適的流體中的顆粒（諸如生物材料或者細(xì)胞）。流體可以是例如緩沖流體、鹽水、水、血液、等離子體等等。流體中的目標(biāo)細(xì)胞的濃度可以是從大約10,000/ml至大約1x10⁶/ml的任意值。目標(biāo)顆?？梢允抢鏐細(xì)胞、T細(xì)胞、癌細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞、精細(xì)胞等等。目標(biāo)顆?？梢砸愿鞣N各樣的出現(xiàn)率存在于更廣的細(xì)胞或顆粒群體中，從普遍的（也許十分之一）或者甚至呈多數(shù)的或者甚至純粹的，至非常罕見(jiàn)的（一百萬(wàn)或者更多分之一）。通道可以具有被選擇成適應(yīng)具有大約5-20微米的直徑的生物細(xì)胞的通行的尺寸，其足夠大以減少堵塞但是也足夠小以促進(jìn)細(xì)胞單列地通行通過(guò)通道。

判讀區(qū)域200可以存在于輸入流體通道20中。判讀區(qū)域200是在輸入樣本流20中的區(qū)域，其中從非目標(biāo)材料區(qū)分出目標(biāo)顆粒。用于判讀區(qū)域200的合適區(qū)分機(jī)構(gòu)的示例將在下文更具體地描述，并且可以包括例如對(duì)熒光標(biāo)簽的激光判讀，不過(guò)也可以使用其它機(jī)構(gòu)。

在接收來(lái)自判讀區(qū)域200的信號(hào)時(shí)，MEMS閥1可以使來(lái)自樣本入口接收器2的流動(dòng)轉(zhuǎn)向并且使樣本流20輸入單個(gè)顆粒輸出流22。MEMS閥1在圖1中被標(biāo)記為"X1"以將其與載流體閥X2區(qū)分開(kāi)。MEMS閥1可以在大約20-50微秒（μsecs）內(nèi)從第一位置運(yùn)動(dòng)到第二位置，并且可以同時(shí)地關(guān)閉通向廢料通道40的孔洞并且打開(kāi)通向單個(gè)顆粒輸出通道22的孔洞。MEMS閥1可以保持在這種第二位置大約20-50 μsecs，從而允許單個(gè)目標(biāo)顆粒與其相關(guān)聯(lián)的流體一起流入分選物通道22。因而，在上文描述的流體流動(dòng)速率下，MEMS閥1的打開(kāi)可以將非常小量的流體（皮升數(shù)量級(jí)）引入單個(gè)細(xì)胞輸出通道22。

為了提供足夠的流體以處理單個(gè)顆粒，也可以提供載流體通道24。該載流體通道24可以將載流體從載流體貯存器4引導(dǎo)到分選物通道22。載流體可以是例如緩沖流體、鞘流體、鹽水或培養(yǎng)基。載流體可以與懸浮流體相同，或者其可以是不同的流體。載流體的功能是提供足夠的流體體積以在微量滴定板1200孔穴1220中運(yùn)輸和維持目標(biāo)細(xì)胞。載流體也可以包含活性成分，諸如生長(zhǎng)抑制劑或促進(jìn)劑、營(yíng)養(yǎng)化合物、抗生素劑、抗病毒劑等。

可以通過(guò)如圖1中被示為"X2"的另一個(gè)閥從載流體貯存器4分配載流體。這個(gè)閥X2可以是宏觀的閥，諸如電磁閥或者球閥，或者其也可以是諸如X1的微制造閥或者類(lèi)似于MEMS閥1。允許載流體通過(guò)閥X2從載流體貯存器4流動(dòng)通過(guò)載流體通道24并且進(jìn)入通道分選物輸出通道22，直到其連結(jié)目標(biāo)顆粒并且在分選物通道22的末端處的點(diǎn)滴器122中形成液滴100。在達(dá)到足夠的大小和重量時(shí)，液滴100可以被分配到微量滴定板1200的孔穴1220內(nèi)。

因?yàn)镸EMS閥1可以是非常小的，在數(shù)百微米的數(shù)量級(jí)，并且微量滴定板具有宏觀尺寸，例如3 cm x 8 cm，所以可以方便地將MEMS閥1保持在中介件1400中，該中介件1400被設(shè)計(jì)成跨越MEMS閥1的顯微特征和微量滴定板1200的宏觀孔穴之間的尺寸。中介件1400可以提供該功能，并且在下文關(guān)于圖10、圖11、圖12a和圖12b更具體地描述。

簡(jiǎn)化的正時(shí)圖被示于圖2中，其圖示與由基于MEMS的顆粒分離系統(tǒng)10從流體流中分離單個(gè)目標(biāo)顆粒相關(guān)聯(lián)的事件正時(shí)。如圖2中所示，過(guò)程以在步驟A中在判讀區(qū)域200中檢測(cè)單個(gè)目標(biāo)細(xì)胞開(kāi)始。在步驟B中，在檢測(cè)到目標(biāo)顆粒時(shí)，向MEMS閥1發(fā)送脈沖，從而引起其從第一位置運(yùn)動(dòng)到第二位置，關(guān)閉廢料通道40并且打開(kāi)分選物通道22。也可以將信號(hào)發(fā)送到控制微量滴定板1200的位置的機(jī)器人，從而引起其使孔穴1220運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122下方的位置，即到達(dá)索引孔穴位置的位置。在步驟C中，可以打開(kāi)載流體閥X2，使得液滴100開(kāi)始形成，該液滴將包含目標(biāo)顆粒。在達(dá)到必要體積時(shí)，液滴100從點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122掉落。在步驟D中，在檢測(cè)到已經(jīng)分配液滴時(shí)，機(jī)器人可以在步驟E中使微量滴定板1200運(yùn)動(dòng)到新的索引位置，以接收包含一個(gè)或多個(gè)不同目標(biāo)顆粒的另一定量的流體?？梢栽诓襟EF中重新裝備系統(tǒng)。

圖2的時(shí)間線中的示例性持續(xù)時(shí)間為：

步驟A和步驟B之間的時(shí)間：20 μsecs

步驟B和步驟C之間的時(shí)間：10 μsecs-10 msecs

步驟C持續(xù)時(shí)間：10-100 msecs

步驟D和步驟E之間的時(shí)間：10 msecs

步驟E和步驟F之間的時(shí)間：10 msecs。

因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，圖2中所示的空間間隔不必然與各步驟之間流逝的時(shí)間成比例。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，這些間隔僅是示例性的，并且這些細(xì)節(jié)將取決于所使用的應(yīng)用和硬件。例如，步驟C的持續(xù)時(shí)間將取決于載流體通道24中所使用的壓力。也應(yīng)當(dāng)理解的是，所使用的方法可以遠(yuǎn)比圖2中所示的更加復(fù)雜。諸如測(cè)量液滴大小、關(guān)閉閥X1和X2以及許多其它的步驟是隱含的，但是出于附圖的簡(jiǎn)化和清晰而未被提及。

用于控制載流體的流動(dòng)的閥X2可以非常緩慢，耗用10毫秒或更多時(shí)間來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉，并且機(jī)器人運(yùn)動(dòng)可以是相似地緩慢的，在毫秒的量級(jí)。另一選項(xiàng)可以是根本不使用閥X2，而是允許載流體以恒定速率流至分選物通道22中。液滴可以被動(dòng)地形成并且作為被動(dòng)鞘流處于恒定速率。這些液滴通常將不包含目標(biāo)顆粒并且可以僅簡(jiǎn)單地被存儲(chǔ)在廢料接收器中或被丟棄。在下文中關(guān)于圖3描述該實(shí)施例。

圖3是可以從流體流的剩余物中分選、分離或隔離單個(gè)目標(biāo)顆粒的基于MEMS的單個(gè)細(xì)胞分離裝置的第二實(shí)施例10'的簡(jiǎn)化的構(gòu)思圖示。該實(shí)施例10'類(lèi)似于圖1中所示的實(shí)施例，除了載流體流動(dòng)不由閥控制，而是簡(jiǎn)單地被允許連續(xù)地流動(dòng)。由于這種持續(xù)流動(dòng)，因此液滴可以由點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122連續(xù)地排出。第二類(lèi)微量滴定板1200'可以具有更大的貯存器1210'以容納這些"空"液滴。機(jī)器人可以將該廢料貯存器1210'的位置維持在點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122下方，直到在判讀區(qū)域200中檢測(cè)到目標(biāo)顆粒。

為了從不包含目標(biāo)顆粒的液滴分離包含單個(gè)顆粒的液滴，可以向控制微量滴定板1200'上的定位的機(jī)器人器件1500發(fā)送信號(hào)，從而通知其已經(jīng)檢測(cè)到目標(biāo)顆粒。在接收該信號(hào)時(shí)，機(jī)器人器件1500可以使微量滴定板1200'的位置移動(dòng)到使得形成的液滴將掉落到更小的孔穴1220'內(nèi)而不是更大的廢料孔穴1210'內(nèi)的位置。微量滴定板1200和微量滴定板1200'的細(xì)節(jié)在圖6a、圖6b、圖7a和圖7b中示出。應(yīng)當(dāng)理解的是，圖1、圖3和圖5中的微量滴定板1200、中介件1400和MEMS閥1的描繪不必須成比例，并且微量滴定板1200和中介件1400可以在MEMS閥1的尺度上呈現(xiàn)以便示出每個(gè)的特征。實(shí)際上，相比于微量滴定板1200和中介件1400，MEMS閥1可以遠(yuǎn)為更小。

簡(jiǎn)化的正時(shí)圖在圖4中示出，其圖示與由圖3中所示的基于MEMS的顆粒分離系統(tǒng)從流體流分離單個(gè)目標(biāo)顆粒相關(guān)聯(lián)的事件的正時(shí)。如先前方法中那樣，過(guò)程以在步驟A'中在判讀區(qū)域200中檢測(cè)單個(gè)目標(biāo)細(xì)胞開(kāi)始。在步驟B'中，當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)顆粒時(shí)，向MEMS閥1發(fā)送脈沖，從而引起其從第一位置運(yùn)動(dòng)到第二位置，關(guān)閉廢料通道40并且打開(kāi)分選物通道22。也可以向控制微量滴定板1200的位置的機(jī)器人器件1500發(fā)送信號(hào)，從而引起其使孔穴1220'運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122下方的位置。即，可以命令機(jī)器人器件1500使微量滴定板1200'運(yùn)動(dòng)，使得小體積的索引的孔穴位置1220'而不是更大的廢料孔穴1210'被定位在點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122下方。因?yàn)樵谠搶?shí)施例中不使用閥X2，所以步驟C僅需要載流體流動(dòng)時(shí)的時(shí)間流逝。流體連續(xù)地聚積直到液滴被分配。當(dāng)在步驟D'中檢測(cè)到已經(jīng)分液滴配時(shí)，在步驟E'中機(jī)器人器件1500可以使微滴定板1200'運(yùn)動(dòng)到新位置?？梢栽诓襟EF'中重新裝備系統(tǒng)。

由于閥X2和使微量滴定板1200運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人致動(dòng)器的緩慢運(yùn)動(dòng)，可以更早地且在預(yù)期到一定事件的情況下發(fā)起動(dòng)作。即，因?yàn)橐阎纬梢旱嗡璧臅r(shí)間的近似長(zhǎng)度，也已知MEMS閥1的激活所需的時(shí)間的近似長(zhǎng)度，因此可以在液滴形成且準(zhǔn)備掉落之前激活機(jī)器人器件1500。

圖4的時(shí)間線中的示例性持續(xù)時(shí)間為：

步驟A'和步驟B'之間的時(shí)間：20 μsecs

步驟B'和步驟C之間的時(shí)間：10 μsecs-10 msecs

步驟C持續(xù)時(shí)間：10-100 msecs

步驟D'和步驟E'之間的時(shí)間：10 msecs

步驟E'和步驟F'之間的時(shí)間：10 msecs

如前所述，應(yīng)當(dāng)理解的是，圖4中所示的空間間隔不必然與各步驟之間流逝的時(shí)間成比例。所示的間隔僅是示例性的，并且這些細(xì)節(jié)將取決于所使用的應(yīng)用和硬件。例如，步驟C'的持續(xù)時(shí)間將取決于載流體管線中所使用的壓力。也應(yīng)當(dāng)理解的是，可以在圖2和圖4中所示的時(shí)間點(diǎn)之外的時(shí)間使機(jī)器人器件1500運(yùn)動(dòng)。例如，在告知MEMS閥1已被激活并且目標(biāo)顆粒已被分離時(shí)，可以使微量滴定板1200或者1200'運(yùn)動(dòng)至恰當(dāng)位置。如在圖2中所示的時(shí)間線中那樣，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，可以存在比圖中所示的那些步驟更多的許多步驟，為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)圖中僅限于五個(gè)步驟。

圖5是可以從流體流的剩余物中分選、分離或隔離單個(gè)目標(biāo)顆粒的基于MEMS的單個(gè)細(xì)胞分離裝置的第三實(shí)施例10"的簡(jiǎn)化的構(gòu)思圖示。該實(shí)施例10"類(lèi)似于圖1中所示的實(shí)施例，除了載流體輸入位于MEMS閥1上游而非如前兩種實(shí)施例那樣位于下游。來(lái)自載流體輸入貯存器4的載流體輸入可以如圖所示裝備有閥X2。如果不需要控制流動(dòng)，則其可以在沒(méi)有閥（如先前的實(shí)施例那樣）的情況下連續(xù)地流動(dòng)。因?yàn)閳D5中所示的實(shí)施例10"可以不使用額外閥X2或者額外通道24，因此當(dāng)由于成本或可用性決定流體材料的消耗不成問(wèn)題時(shí)或者當(dāng)簡(jiǎn)化實(shí)施是重要的時(shí)，可以使用該實(shí)施例10"。該實(shí)施例10"類(lèi)似于其它顆粒分選系統(tǒng)中的鞘流注入，其可以發(fā)生在分選裝置的上游，并且由于載流體持續(xù)地流動(dòng)可以消耗數(shù)十ml的流體。

當(dāng)MEMS閥1充分泄漏使得足夠的流體在裝置周?chē)鲃?dòng)以在點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122處以合理速率生成液滴時(shí)，可以使用這種實(shí)施例。即，液滴形成速率可以由分選的材料的體積以及MEMS閥1周?chē)男孤┧俾蚀_定。因此，這種實(shí)施例可以特別適用于與圖8和圖9中詳細(xì)示出的MEMS閥一起使用。

圖6a和圖6b圖示微量滴定板1200的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。應(yīng)當(dāng)理解的是，微量滴定板1200僅是一個(gè)示例性實(shí)施例，并且可以使用任意其它的接收器來(lái)接收被分離的單個(gè)顆粒100。適當(dāng)?shù)慕邮掌骺梢栽谄渲芯哂袑Ｓ玫?、被索引的、單?dú)的區(qū)域，以便存儲(chǔ)單獨(dú)的量的流體。例如，微量滴定板1200可以由在其中形成的凹部或孔穴的陣列構(gòu)成，所述凹部或孔穴中的每一個(gè)均能夠接收并存儲(chǔ)一定量的流體。微量滴定板1200在圖6a中以橫截面示出，并且在圖6b中以平面視圖示出。雖然圖6b中示出50個(gè)孔穴1220，不過(guò)應(yīng)當(dāng)理解的是，這是為了簡(jiǎn)化描繪，并且實(shí)際上可以存在遠(yuǎn)為更多的孔穴。

孔穴的尺寸可以適合于充裕地保持例如大約1-100 μl的流體，以便保持具有1-100 μl的流體體積的液滴100?？籽ㄖg的間距可以變化若干數(shù)量級(jí)，例如在大約50微米和大約5毫米之間變化。應(yīng)當(dāng)理解的是，這些尺寸僅是示例性的，并且這樣的細(xì)節(jié)可以取決于應(yīng)用的情形。微量滴定板1200可以由生物相容塑料制成，并且可以通過(guò)注塑以+/-10 μm的中間公差制成。如圖6a和圖6b中所示，在微量滴定板1200中，所有孔穴均具有近似相同的形狀和大小，并且被索引使得可以由機(jī)器人器件1500使微量滴定板1200沿圖1、圖3或圖5所示的方向運(yùn)動(dòng)。這可以將50個(gè)孔穴或凹部1220中的任意一個(gè)定位在點(diǎn)滴器122下方。下文將更詳細(xì)地討論檢測(cè)系統(tǒng)1300。

圖7a和圖7b圖示微量滴定板1200'的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。如微量滴定板1200那樣，微量滴定板1200'可以由形成在其中的凹部或孔穴的陣列構(gòu)成，所述凹部或孔穴能夠接收一定量的流體。微量滴定板1200在圖7a中以橫截面示出，并且在圖7b中以平面視圖示出。如能夠看到的，微量滴定板1200'可以具有不同尺寸的孔穴或凹部，其能夠保持不同體積的流體。在圖7a中所示的實(shí)施例中，除了更小大小的凹部1220'之外，單個(gè)大凹部1210'可以被設(shè)在微量滴定板1200'內(nèi)中。該大凹部可以能夠保持更大量的流體，并且因此可以適于存儲(chǔ)不包含目標(biāo)顆粒的多個(gè)液滴。這是例如在圖3中所示的基于MEMS的分離系統(tǒng)10的第二實(shí)施例中的狀況。

可以產(chǎn)生一定技術(shù)問(wèn)題，即怎樣檢測(cè)液滴100已經(jīng)從點(diǎn)滴器122被釋放并且掉落到微量滴定板1200'內(nèi)。多種技術(shù)可以被使用來(lái)確定液滴100是否已經(jīng)掉落。所述技術(shù)可以包括測(cè)量重量變化、振動(dòng)或者直接光學(xué)成像，在此僅列出一些。檢測(cè)系統(tǒng)在圖6a和圖7a中在種屬上被示為光學(xué)成像器1300。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，這種實(shí)施例僅是示例性的，并且可以使用其它技術(shù)來(lái)確定液滴100是否已經(jīng)被釋放以及液滴100何時(shí)被釋放。

也應(yīng)當(dāng)理解的是，可以通過(guò)吸取而不是滴落來(lái)將液滴轉(zhuǎn)移到微量滴定板1200'，即通過(guò)依賴于彎月面力而不是重力將液滴100轉(zhuǎn)移到微量滴定板1200'。在這種實(shí)施例中，微量滴定板1200'可以由機(jī)器人器件1500豎直地抬升直到液滴100觸碰微量滴定板1200'的表面。此時(shí)，作用在液滴100上的彎月面力可以促進(jìn)液滴100從點(diǎn)滴器122被芯吸（wick）到微量滴定板1200或1200'內(nèi)?？梢酝ㄟ^(guò)上文提及的任意技術(shù)確認(rèn)轉(zhuǎn)移的完成。

也可能的是搖動(dòng)部件MEMS閥10和/或中介件1400以將液滴100釋放到微量滴定板1200。在這種實(shí)施例中，MEMS閥1可以被安裝在振動(dòng)臺(tái)（未示出）上并且被振動(dòng)以促進(jìn)液滴的釋放?？梢赃x擇振動(dòng)的頻率使其落在將干擾與判讀區(qū)域200相關(guān)聯(lián)的檢測(cè)設(shè)備的那些頻率之外。

圖8是微制造的細(xì)胞分選機(jī)構(gòu)MEMS閥1的示意圖，其可以被用在本文所描述的顆粒分離系統(tǒng)10、10'和10"中?？梢栽?013年10月1日提交的共同未決美國(guó)專利申請(qǐng)序列No. 13/998,095（以下被稱為'095專利申請(qǐng)）中找到MEMS閥1及其制造的細(xì)節(jié)，該專利申請(qǐng)通過(guò)引用并入本文。MEMS閥1的獨(dú)特特征當(dāng)中存在細(xì)胞分選閥110的運(yùn)動(dòng)平行于閥的制造平面。此外，廢料通道140實(shí)質(zhì)上正交于樣本進(jìn)入通道20和分選物輸出通道22，并且正交于該平面。這些特征使得實(shí)現(xiàn)就速度和準(zhǔn)確度、閥吞吐量和微流體分選的容易性而言的顯著優(yōu)點(diǎn)。分選物通道22可以通向錐形點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122，液滴100可以從該結(jié)構(gòu)形成。

在圖8的平面視圖圖示中，新穎的MEMS閥1處于休止（未致動(dòng)）位置。MEMS閥1可以包括微制造的流體閥或活動(dòng)結(jié)構(gòu)110以及多個(gè)微制造的流體通道20、22和140。可以使用在'095申請(qǐng)中更詳細(xì)地描述的MEMS光刻制造技術(shù)將流體活動(dòng)結(jié)構(gòu)110和微制造流體通道20、22及140形成在諸如硅基底的合適基底中。制造基底可以具有制造平面，所述裝置形成在該平面中并且活動(dòng)構(gòu)件110在該平面中運(yùn)動(dòng)。

可以經(jīng)由下文所描述的中介件1400由樣本進(jìn)入通道20將樣本流引入微制造流體活動(dòng)結(jié)構(gòu)110。在由流體活動(dòng)結(jié)構(gòu)110分選之前，樣本流可以被存儲(chǔ)在可移除料筒中的樣本貯存器2（也如下文所描述的）中。樣本流可以包含顆粒的混合物，包括至少一種期望的目標(biāo)顆粒和多種其它非期望的非目標(biāo)顆粒。顆粒可懸浮在稀釋流體或緩沖流體或培養(yǎng)基中。例如，目標(biāo)顆?？梢允抢鐟腋≡谥T如鹽水的緩沖流體中的生物材料，諸如干細(xì)胞、癌細(xì)胞、受精卵、蛋白、T細(xì)胞、細(xì)菌、血液的組分、DNA片段。

進(jìn)入通道20可以形成在與活動(dòng)結(jié)構(gòu)110相同的制造平面中，使得流體的流動(dòng)實(shí)質(zhì)上處于該平面中?；顒?dòng)結(jié)構(gòu)110的運(yùn)動(dòng)也在該制造平面內(nèi)。關(guān)于分選/保存或者處置/報(bào)廢給定顆粒的決策可基于任何數(shù)量的區(qū)分信號(hào)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，決策基于由顆粒發(fā)出的熒光信號(hào)、基于粘附于顆粒且由照明激光器激發(fā)的熒光標(biāo)簽。激光判讀區(qū)域200是微流體通路的一部分，其中照明或判讀激光指向目標(biāo)顆粒，以便將其與流體樣本的其它成分區(qū)分。關(guān)于這種檢測(cè)機(jī)構(gòu)的細(xì)節(jié)在文獻(xiàn)中是眾所周知的。然而，可以預(yù)料到其它種類(lèi)的區(qū)分信號(hào)，包括散射光或側(cè)向散射光（這可基于顆粒的形態(tài)），或者任何數(shù)量的能夠?qū)㈩w粒識(shí)別為或者是目標(biāo)顆粒（且因此被分選或保存）或者是非目標(biāo)顆粒（且因此被丟棄或以其它方式處置）的機(jī)械、化學(xué)、電學(xué)或磁性效應(yīng)。

在活動(dòng)結(jié)構(gòu)110處于圖示位置的情況中，輸入流無(wú)阻礙地傳到輸出孔口和通道140，輸出孔口和通道140在進(jìn)入通道20的平面之外，且因此在MEMS閥1的制造平面之外。即，流動(dòng)是從進(jìn)入通道20至輸出孔口140，流動(dòng)從輸出孔口140實(shí)質(zhì)上豎直地且因此相對(duì)于進(jìn)入通道20正交地流動(dòng)。該輸出孔口140通向可以垂直于示出圖8的紙的平面的平面外通道。更一般地，輸出通道140不平行于進(jìn)入通道20或分選物通道22的平面或者活動(dòng)結(jié)構(gòu)110的制造平面中的至少一者。下文將討論活動(dòng)物體110上的轉(zhuǎn)移表面112和坡莫合金鑲嵌材料116。

輸出孔口140可以是形成在制造基底中或者粘接于制造基底的覆蓋基底中的開(kāi)孔。此外，活動(dòng)結(jié)構(gòu)110可以具有彎曲的轉(zhuǎn)移表面112，該表面能夠使輸入流的流動(dòng)轉(zhuǎn)向至分選物輸出流內(nèi)。孔口140的輪廓可以使得它與進(jìn)入通道20和分選物通道22的一些但非全部重疊。通過(guò)使輪廓140與進(jìn)入通道重疊，當(dāng)活動(dòng)結(jié)構(gòu)或閥110處于未致動(dòng)廢料位置時(shí)，存在用于使輸入流直接流入廢料孔口140中的路線。廢料通道140可以通向廢料貯存器40，其可以收集非目標(biāo)材料。由于與MEMS閥1的制造相關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)和制造公差，懸浮流體的泄漏也可以發(fā)生在樣本進(jìn)入通道20與廢料通道140和分選物通道22之間，而不論活動(dòng)結(jié)構(gòu)110的位置如何。

MEMS閥1的特征尺寸可以是大約300-400微米寬，且通道50微米深且25微米寬。通向廢料輸出孔口140的孔的寬度可以是大約50-100微米。

圖9是處于致動(dòng)位置的MEMS閥1的平面視圖。在該位置，使活動(dòng)結(jié)構(gòu)110向上偏轉(zhuǎn)到圖9中所示的位置。轉(zhuǎn)移表面112是使進(jìn)入通道20的流動(dòng)轉(zhuǎn)向至分選物輸出通道22中的分選輪廓。輸出通道22可以安置在與進(jìn)入通道20實(shí)質(zhì)上相同的平面中，使得分選物通道22內(nèi)的流動(dòng)也處于與進(jìn)入通道20內(nèi)的流動(dòng)實(shí)質(zhì)上相同的平面中。進(jìn)入/通道20和分選物通道22之間可存在角度a。該角度可以是高達(dá)大約90度的任意值。在一個(gè)實(shí)施例中，進(jìn)入通道20和分選物通道22之間的角度是大約180度，使得相應(yīng)通道中的流動(dòng)基本上反平行。

活動(dòng)結(jié)構(gòu)110的致動(dòng)可起因于由圖9中總體地示出的力生成設(shè)備400生成的力。在一些實(shí)施例中，力生成設(shè)備可以是如下文所述的電磁體。不過(guò)，應(yīng)當(dāng)理解的是，力生成設(shè)備也可以是靜電式、壓電式或一些其它器件，以在活動(dòng)結(jié)構(gòu)110上施加力，從而引起其從第一位置（圖8）運(yùn)動(dòng)至第二位置（圖9）。分選物通道22可以通向錐形點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122，液滴可以從該結(jié)構(gòu)122形成。

在一些實(shí)施例中，力生成設(shè)備400可以包括生成磁場(chǎng)的線圈，該磁場(chǎng)然后與活動(dòng)構(gòu)件相互作用。為了使活動(dòng)構(gòu)件響應(yīng)這樣的電磁力，其可以具有鑲嵌于活動(dòng)結(jié)構(gòu)110中的可導(dǎo)磁材料。這種材料的范圍可以達(dá)到圖8和圖9中所示的110的廓線的邊緣但恰在其內(nèi)側(cè)。

可導(dǎo)磁材料應(yīng)當(dāng)被理解為意指能夠支持在其自身內(nèi)形成磁場(chǎng)的任何材料。換言之，材料的磁導(dǎo)率是該材料響應(yīng)于施加的磁場(chǎng)所獲得的磁化的程度。

如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“可導(dǎo)磁材料”或“帶有高磁導(dǎo)率的材料”應(yīng)當(dāng)被理解為帶有相比于空氣或真空的磁導(dǎo)率較大的磁導(dǎo)率的材料。即，可導(dǎo)磁材料或帶有高磁導(dǎo)率的材料是帶有至少大約100的相對(duì)磁導(dǎo)率（相比于空氣或真空）的材料，即，為空氣或真空的磁導(dǎo)率（為大約1.26x10^-6 H·m^-1）的100倍。存在可導(dǎo)磁材料的許多示例，包括鉻（Cr）、鈷（Co）、鎳（Ni）和鐵（Fe）合金。一種流行的可導(dǎo)磁材料被稱為坡莫合金，其具有在大約60%和大約90%之間的Ni與在40%和10%之間的鐵的成分。最常見(jiàn)的成分是80%的Ni和20%的Fe，其具有大約8000的相對(duì)磁導(dǎo)率。因此，活動(dòng)閥110可以具有坡莫合金材料鑲嵌部116，其被嵌入活動(dòng)特征110內(nèi)且隨后被平面化使得活動(dòng)閥的外形保持平坦。在結(jié)合的'095專利申請(qǐng)中可以找到關(guān)于這樣的導(dǎo)磁特征的制造的額外細(xì)節(jié)。

從靜磁學(xué)眾所周知的是，可導(dǎo)磁材料被拖入其中磁通線集中的區(qū)域內(nèi)，以便降低由可導(dǎo)磁材料對(duì)磁通提供的磁路的磁阻。因此，由于嵌入的可導(dǎo)磁材料116的存在，磁場(chǎng)中的梯度促使活動(dòng)構(gòu)件110朝向具有高磁通密集度的區(qū)域運(yùn)動(dòng)。即，帶有嵌入的可導(dǎo)磁材料116的活動(dòng)構(gòu)件110將沿磁通中的梯度的方向被拖引。

當(dāng)閥或活動(dòng)構(gòu)件110如圖8中那樣未致動(dòng)時(shí)，進(jìn)入通道20的流動(dòng)可以通過(guò)越過(guò)、繞過(guò)或經(jīng)過(guò)活動(dòng)構(gòu)件或閥110直接流入廢料通道140。在閥或活動(dòng)構(gòu)件110的頂部上的區(qū)域可被釋放，以為這種流動(dòng)提供間隙，并且因此根據(jù)期望增加泄漏率。因此，當(dāng)未致動(dòng)活動(dòng)構(gòu)件時(shí)，流動(dòng)將被直接送至廢料通道。當(dāng)致動(dòng)活動(dòng)構(gòu)件時(shí)，大部分流體將被導(dǎo)向至分選物通道，盡管液體可能仍然在活動(dòng)構(gòu)件上方和下方流動(dòng)。MEMS活動(dòng)構(gòu)件110可以在任一位置泄漏，使得懸浮流體可以原則上泄漏到廢料通道140以及分選物通道22二者，并且該特征在圖5中所示的實(shí)施例中特別有用。

圖10是示例性一次性料筒1000的分解透視圖，其可以被用在將關(guān)于圖13示出且在下文描述的顆粒分選系統(tǒng)中。一次性料筒1000可以包括多個(gè)可組裝件，諸如頂部1120和基部1130。一次性料筒1000可以保持基于MEMS的單個(gè)顆粒分離裝置10，其包括MEMS閥1以及在下文進(jìn)一步描述的中介件1400。

一次性料筒1000也可以提供用于可以被容納在其中的流體貯存器中的各種流體的存儲(chǔ)。因此，一次性料筒1000的基部1130可以具有形成在其中的多個(gè)空穴或隔室，包括樣本流體貯存器2、載流體貯存器4和廢料貯存器40。如下文進(jìn)一步描述的，帶分選的樣本可以被存儲(chǔ)在樣本貯存器2內(nèi)，載流體可以被存儲(chǔ)在載流體貯存器4中并且廢料流出物可以被存儲(chǔ)在廢料貯存器40中。這些空穴之間的流體通路可以全部布置在中介件1400和/或MEMS閥1中。

在頂部1120和基部1130之間可以布置有許多過(guò)濾器1180以保護(hù)樣本不受污染物或碎屑污染。這些過(guò)濾器1180例如可以是20微米的Sterifilter。過(guò)濾器1180可以直接位于各種流體貯存器2、4和40上方。

磁化螺旋槳1150和針1160可以在樣本貯存器2內(nèi)且被封裝在頂部1120和基部1130之間，且針1160可以用作磁化螺旋槳1150的軸。在暴露于循環(huán)磁場(chǎng)時(shí)，磁化螺旋槳1150可以在軸1160上旋轉(zhuǎn)，從而引起樣本貯存器2的內(nèi)容物被混合或者被均質(zhì)化。最后，0.20微米的過(guò)濾器1170可以被放置在載流體貯存器4上，以保護(hù)內(nèi)容物不被來(lái)自周?chē)h(huán)境的污染物污染。

可以用移液管或者用注射器和柱塞（未示出）通過(guò)所示的通達(dá)端口1111將樣本流體引入樣本貯存器，此時(shí)可以用翼形螺釘（thumbscrew）1110密封料筒。替代性地，可以在料筒中已經(jīng)裝載有樣本流體的情況下遞送料筒。微量滴定板1200或者其它接收器可以被定位在中介件1400和MEMS閥1下方，如圖10中所示。于是輸出點(diǎn)滴器可以將液滴分配到接收器1200內(nèi)，如接下來(lái)在圖11中所示。

圖11是組裝的一次性料筒1000的側(cè)視圖，其示出樣本流體貯存器2、載流體貯存器4和廢料貯存器40。以組裝視圖示出的是MEMS閥1和中介件1400相對(duì)于料筒基部1130的相對(duì)位置。應(yīng)當(dāng)注意的是，圖11相比于圖10是倒置的，使得在圖10中在料筒左側(cè)上示出的樣本貯存器2現(xiàn)在在圖11中位于右側(cè)上，相關(guān)聯(lián)的通道、攪拌器等等也被倒置。圖11中也示出滴定板接收器1200的相對(duì)定位和機(jī)器人1500對(duì)其的定位。應(yīng)當(dāng)理解的是，圖11未按比例繪制，因?yàn)閱蝹€(gè)顆粒液滴100的外觀相對(duì)于其它部件被顯示為比其實(shí)際上可能的大小大得多。

為了提供MEMS閥1的非常精密的微制造特征和料筒1000中的大得多的流體容量的貯存器2、4和40之間的過(guò)渡區(qū)域，可以提供中介件1400。中介件1400可以例如通過(guò)注塑由塑料形成，并且可以具有在+/-10 mm的量級(jí)的中間公差。中介件1400的目的是提供在MEMS閥1的非常小的結(jié)構(gòu)和料筒1000和貯存器2、4和50的大的宏觀結(jié)構(gòu)之間的過(guò)渡，并且為分選物通道22提供點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122。

因?yàn)槟軌蛞院侠淼鼐艿墓睿?/-10 mm）制造中介件1400，因此當(dāng)通向中介件通道的孔口為大約300微米的量級(jí)時(shí)，可以使中介件1400中的通路與MEMS芯片中的通路對(duì)齊。雖然通向活動(dòng)結(jié)構(gòu)110和來(lái)自活動(dòng)結(jié)構(gòu)110的通道的寬度可以實(shí)質(zhì)上更小，大約150微米，但將流體引入通道的孔口也可以被制成接近這個(gè)尺度。圖12a和圖12b中示出孔洞。

因此，中介件可以如圖12a中所示具有形成在其中的通路1120、1122和1140，其可以對(duì)應(yīng)于圖8和圖9中所示的MEMS閥1的通道20、22和140。即，通路1120可以與MEMS閥1上的通路20匹配，以提供從樣本貯存器2至MEMS閥1上的樣本輸入通道20的流體路徑。中介件1400也可以提供從活動(dòng)結(jié)構(gòu)110經(jīng)由（在芯片上且在圖1和圖3中示出）載流體通道24和（中介件上的）載流體通道1122至載流體貯存器4（在料筒中）的流體路徑。類(lèi)似地，中介件1400可以提供從活動(dòng)閥110經(jīng)由廢料通道140（在芯片上且在圖8和圖9中示出）和廢料通道1140（中介件上）至廢料貯存器40（在料筒中）的流體路徑。

中介件的另一目的是提供來(lái)自釋放的液滴區(qū)域1450的點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122，以分配包含單個(gè)目標(biāo)顆粒的液滴。該液滴區(qū)域1450在圖12b中示出。

具體地，應(yīng)當(dāng)注意到，液滴區(qū)域1450的底板處于比分選物通道1122的底部更低的高度。因此，液滴100可以在重力和來(lái)自MEMS閥1的彎月面力的輔助下流動(dòng)到點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122且落入定位在下方的微量滴定板1200內(nèi)。這種液滴形成可以幫助抵銷(xiāo)可以由于非常小的通道中的小體積流動(dòng)產(chǎn)生的毛細(xì)力。

如圖12a和圖12b中能夠看出的，中介件1400可以從分選物通道1122中的MEMS閥1遞送小量的材料。材料可以在該通道中與通過(guò)液滴區(qū)域1450或分選物通道1122中的開(kāi)口的載流體結(jié)合。廢料通道1140可以將非目標(biāo)材料遞送到一次性料筒1000中的廢料貯存器40或者微量滴定板1200中的廢料孔穴1210'。

中介件1400可以通過(guò)注塑、模壓、激光加工或3D打印由聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或者環(huán)烯烴聚合物（COP）制成。中介件1400中的通路上的公差在大約100至400微米的總直徑的情況下可以是大約+/-1-10微米。MEMS閥1中的對(duì)應(yīng)通路可以是大約50至150微米?？梢酝ㄟ^(guò)將MEMS閥1安放在圖10中所示的芯片腔1470中來(lái)使其膠粘到中介件?？梢宰銐蚓_地形成腔1470，使得MEMS閥1中的通路大致覆于中介件1400中的通路上，如上文所述。所允許的失配可以高達(dá)大約20微米，能夠容易地實(shí)現(xiàn)并且適于防止泄漏。在印刷電路板制造中眾所周知的拾取和放置機(jī)器可以適合該任務(wù)。在對(duì)齊之后，MEMS閥1可以在腔1470內(nèi)被膠粘在恰當(dāng)位置。

通過(guò)將中介件1400定位孔洞1410定位成抵靠料筒主體1000中的對(duì)應(yīng)柱，于是可以將中介件1400用膠或水泥粘合到料筒基部1130。由于將需要該膠或者水泥是不漏水的，且不干擾通路1120、1122或者1140，因此一些特征可以被形成為圍繞這些通道的膠壩1460，如圖12a和圖12b中所示。這些膠壩1460可以用于阻止液體的、未固化的膠進(jìn)入小通道1120、1122和1140。特征1460可以是塑料材料的凸起脊，其防止液體進(jìn)入通道或者其它凹部。具體地，膠可以被注入通達(dá)中介件1400和料筒主體1000的剩余部分之間的界面的端口。膠將圍繞該區(qū)域芯吸，而且可以由圖12a所示的圍繞微流體通路1120、1140和1122的膠壩1460被保持在這些通路之外。膠壩可以將中介件1400和料筒主體1000的剩余部分之間的界面的厚度從大約5至10 μm減小到0.2至2 μm，從而形成可以防止膠流過(guò)所述壩進(jìn)入微流體通路的毛細(xì)效應(yīng)。應(yīng)當(dāng)理解的是，這些尺寸僅是示例性的，并且這樣的細(xì)節(jié)將取決于應(yīng)用的具體細(xì)節(jié)。根據(jù)所使用的膠的類(lèi)型，可以例如通過(guò)熱、壓力或曝露于UV輻射使液體膠固化。

圖12b是中介件1400的正面的簡(jiǎn)化透視圖。該側(cè)面包括用于MEMS閥1的安置區(qū)域1470。MEMS閥1可以抵靠安置區(qū)域1470的特征被膠粘或以其它方式粘接。也示出了點(diǎn)滴器區(qū)域1450的輸出孔口。

一次性料筒1000和中介件1400中的特征的示例性尺寸可以如下：中介件可以是16 mm長(zhǎng)、6 mm寬、1 mm高。廢料和樣本貯存器可以具有20 mm的直徑。樣本通道1120、載流體通道1122和廢料通道1140中的每一個(gè)均可以具有300微米的寬度。膠壩的高度可以是大約20-50微米高。

圖13是基于MEMS的單個(gè)顆粒分離系統(tǒng)2000的示意圖示，其可以使用基于MEMS的單個(gè)顆粒分離裝置10并且其中中介件1400被裝納在一次性料筒1000中。下文是系統(tǒng)的一些其它部件以及它們?cè)鯓优c基于MEMS的單個(gè)顆粒分離裝置10相互作用的描述。具體地，圖13展示判讀區(qū)域200的判讀激光的光學(xué)路徑，以及系統(tǒng)中的流體流動(dòng)的控制和基于MEMS的單個(gè)顆粒分離裝置10的控制。

如所圖13中所示，微制造的MEMS閥1和中介件1400可以被裝納在一次性料筒1000中，如上文所描述的那樣。一次性料筒1000可以被裝載到活動(dòng)臺(tái)上并且相對(duì)于單個(gè)顆粒分離系統(tǒng)2000中的檢測(cè)光學(xué)裝置和判讀激光器2400取向。然后流體從也被裝納在一次性料筒1000中的流體貯存器經(jīng)由中介件1400中的通路流動(dòng)通過(guò)MEMS閥1，如上文關(guān)于圖10-12所描述的那樣。

在系統(tǒng)2000的正常操作中，目標(biāo)顆?？梢允且延脽晒庥浱?hào)加了標(biāo)簽的特定細(xì)胞（諸如干細(xì)胞或癌細(xì)胞）。當(dāng)用以預(yù)先限定的波長(zhǎng)操作的激光器2400輻照該標(biāo)記時(shí)，該標(biāo)記發(fā)射具有特定能量的光子。因此，在該細(xì)胞分選系統(tǒng)中，激光源2400可以通過(guò)檢測(cè)/收集光學(xué)裝置2100由轉(zhuǎn)動(dòng)鏡2250被引導(dǎo)到圖8和圖9中所示的激光判讀區(qū)域200。檢測(cè)/收集光學(xué)裝置2100和激光源2400的光軸可以是共線的，至少在光學(xué)路徑的一部分上共線。因此，激光應(yīng)用和光學(xué)檢測(cè)沿該光軸的取向可以與基底制造平面垂直或正交、與活動(dòng)閥110的運(yùn)動(dòng)平面正交并且與通過(guò)檢測(cè)區(qū)域的樣本流體的流動(dòng)正交。

從被輻照的顆粒發(fā)射的熒光可由檢測(cè)/收集光學(xué)裝置2100成形，并由二向色鏡2200分離且被引導(dǎo)到一排光檢測(cè)器2300內(nèi)。多個(gè)光檢測(cè)器可以適應(yīng)發(fā)射的光的多個(gè)波長(zhǎng)以便多參數(shù)檢測(cè)。由光檢測(cè)器2300輸出的信號(hào)指示激光判讀區(qū)域200中目標(biāo)顆粒的存在或不存在。該信號(hào)可以被遞送至控制器2900，其管理基于MEMS的單個(gè)顆粒分離系統(tǒng)2000中的部件的相對(duì)正時(shí)，并且收集數(shù)據(jù)?？刂破?900可以是通用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ秒娐坊駻SIC。在檢測(cè)到目標(biāo)顆粒時(shí)，由為力生成或通量生成設(shè)備400功能的控制器2900生成信號(hào)。

控制器2900也可以經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)由流體控制器件2500總體上示出的氣動(dòng)、液壓、基于活塞或基于機(jī)械力的機(jī)構(gòu)為MEMS閥1或X1和載流體閥X2提供流體控制。流體控制器件2500可以包括用于打開(kāi)和關(guān)閉閥X1和X2的機(jī)構(gòu)。在圖13中總體地示出的流體控制器件可以被理解為包括液滴檢測(cè)器件2510，其檢測(cè)在點(diǎn)滴器122的末端處一定量的流體的形成。液滴檢測(cè)器件可以檢測(cè)針對(duì)吸取到諸如滴定板1200、1200'的接收器內(nèi)的大小恰當(dāng)?shù)囊旱蔚男纬桑蛘咭旱芜M(jìn)入接收器1200、1200'內(nèi)的釋放。液滴檢測(cè)器件可以檢測(cè)液滴已準(zhǔn)備好或已經(jīng)從點(diǎn)滴器122被分配，并且可以基于例如重量、振動(dòng)或者光學(xué)測(cè)量。檢測(cè)液滴的速率可以由控制器2900監(jiān)測(cè)，該控制器2900可以維持流體控制器件2500并且因此維持來(lái)自載流體貯存器4的載流體的流動(dòng)的速率。

力生成設(shè)備400是引起力出現(xiàn)在活動(dòng)結(jié)構(gòu)110本身中從而引起活動(dòng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)的裝置。該力生成設(shè)備400可以不直接地機(jī)械聯(lián)接到MEMS顆粒操縱裝置10，如圖13中由虛線指示。例如，力生成設(shè)備400可以是磁通量的源，其引起靜磁力出現(xiàn)在MEMS活動(dòng)閥110中的嵌入可導(dǎo)磁材料116中，如先前所描述的那樣。因此，通量生成設(shè)備400可以是帶有磁芯和繞組的電磁體。該力可以朝向力生成設(shè)備400拉動(dòng)活動(dòng)閥110，打開(kāi)點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122，并關(guān)閉廢料通道140，如圖8和圖9中所示。重要的是，力生成設(shè)備400可以存在于基于MEMS的單個(gè)顆粒分離系統(tǒng)2000中，而不是存在于MEMS閥1中。如先前所提及的，這可降低可以被裝納在系統(tǒng)1的一次性部分1000中的MEMS閥1的成本和復(fù)雜性。

也可以包括另一可選激光器2410以提供在細(xì)胞分選系統(tǒng)2000中的第二光學(xué)通道。

在通過(guò)檢測(cè)區(qū)域200時(shí)，由檢測(cè)器2300生成信號(hào)，其指示在判讀區(qū)域200中存在目標(biāo)顆粒。在已知的延遲之后，由控制器2900生成信號(hào)，其指示分選門(mén)（即活動(dòng)閥110）將被打開(kāi)，以便將檢測(cè)到的目標(biāo)顆粒與流體流中的其它組分分離。活動(dòng)MEMS閥110可以包括如先前所述的可導(dǎo)磁材料116，使得在存在磁場(chǎng)的情況下其中可以生成磁性力。當(dāng)由控制器2900生成信號(hào)時(shí)，在嵌入的可導(dǎo)磁材料116中形成力，其朝向力生成設(shè)備400拖動(dòng)活動(dòng)閥110。該運(yùn)動(dòng)可以使廢料通道140關(guān)閉并且使目標(biāo)顆粒轉(zhuǎn)向到點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122內(nèi)。隨后從點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122的末端處的分選物貯存器收集已分選樣本，點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122保持已分選樣本。如先前所提及的，控制器2900也可以基于記錄分選事件的速率控制流動(dòng)速率。

在現(xiàn)在已經(jīng)從流體流分離的情況下，目標(biāo)顆粒進(jìn)入分選物通道22，在此其可以與來(lái)自流體載體通道24的載流體混合，如先前所描述的。流體最終可以進(jìn)入錐形點(diǎn)滴器結(jié)構(gòu)122，從該處其可以作為液滴掉入或被吸入微量滴定板1200內(nèi)。微量滴定板可以由機(jī)器人（圖13中未示出）定位。

流體控制器件2500可以控制流動(dòng)通過(guò)MEMS閥1的通道的流體的方向和速度，所述流體包括樣本流體和載流體。為了描述的簡(jiǎn)潔性，這些控制線和閥控機(jī)構(gòu)未在圖13中示出。此外，圖13可以省略許多其它信號(hào)和控制線，其被隱含地包括在基于MEMS的單個(gè)顆粒分離系統(tǒng)2000中。

控制器2900可以控制基于MEMS的單個(gè)顆粒分離系統(tǒng)2000的多數(shù)方面，包括載體閥X2、機(jī)器人器件1500、激光判讀器件2400和MEMS閥1。如先前所提及的，通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉各種閥和通過(guò)激活控制微量滴定板1200或者1200'的定位的機(jī)器人器件，控制器2900可以實(shí)現(xiàn)圖2和圖4中所示的時(shí)間線?？梢匀绾螌?shí)現(xiàn)這些控制算法的細(xì)節(jié)對(duì)于本領(lǐng)域一個(gè)技術(shù)人員而言應(yīng)當(dāng)是清楚的。為了維持描述的清楚，圖13中可以不示出許多連接和關(guān)系，并且可以為了簡(jiǎn)單性起見(jiàn)從附圖中省略許多更小的細(xì)節(jié)和特征。

雖然已結(jié)合上文概述的示例性實(shí)施方式描述了各種細(xì)節(jié)，但在回顧前述公開(kāi)時(shí)，各種替代、改型、變型、改進(jìn)和/或?qū)嵸|(zhì)上的等價(jià)物（無(wú)論已知還是未預(yù)見(jiàn)到的或可能目前未預(yù)見(jiàn)到的）可以變得顯而易見(jiàn)。雖然上述系統(tǒng)和方法涉及諸如細(xì)胞的生物材料的分離，但是它們也可以被應(yīng)用于懸浮在流體（諸如涂料或漿料）中的其它種類(lèi)的惰性顆粒的分離。并且雖然上文關(guān)于分離單個(gè)單獨(dú)的顆粒或細(xì)胞描述系統(tǒng)和方法，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，可以分離多個(gè)細(xì)胞或顆粒。因此，上文所闡述的示例性實(shí)施方式旨在是說(shuō)明性的，不是非限制性的。