相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求享有2014年11月3日提交的62/074,213號美國臨時專利申請和2014年11月3日提交的62/074,315號美國臨時專利申請的權(quán)益，每個申請都通過引用被整體結(jié)合到本文中。

本公開涉及跨越微流體流線的顆粒分選。

背景技術(shù)：

顆粒分離和過濾已經(jīng)用在不同行業(yè)和不同領(lǐng)域的許多應(yīng)用中。這些應(yīng)用的例子包括化工工藝和發(fā)酵過濾、水凈化/廢水處理、分選和過濾血液成分、濃縮膠體溶液以及凈化和濃縮環(huán)境樣本。已經(jīng)開發(fā)了各種宏觀尺度的技術(shù)用在這些應(yīng)用中，包括諸如離心和基于過濾技術(shù)的方法。通常這些技術(shù)需要龐大、笨重且昂貴的系統(tǒng)，并且具有復(fù)雜的活動部件。

在某些情況下，微觀尺度的技術(shù)相對于宏觀尺度的技術(shù)提供的優(yōu)點在于，尺度的降低允許使用獨特的流體動力效應(yīng)進行顆粒分選和過濾，從而消除對具有復(fù)雜活動部件的大型系統(tǒng)的需要。此外，微觀尺度技術(shù)使得能夠以比較大的宏觀尺度系統(tǒng)低得多的成本進行分選和過濾的便攜式裝置成為可能。但是，典型的微觀尺度分選和過濾裝置可能會受到在規(guī)定時段內(nèi)可以處理的流體量的限制(即低產(chǎn)能)，相比于其宏觀尺度的同類產(chǎn)品來說，這可能將此類裝置置于不利地位。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本公開至少部分基于如下發(fā)現(xiàn)：如果小心地控制微流體裝置的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸，就可以將流體抽取和慣性升力結(jié)合起來，以便在流體內(nèi)或流體之間分選和/或移動顆粒。尤其是，通過流體抽取和慣性升力，此處公開的微流體裝置可用于向和跨越裝置的不同流體通道輸送流體，不伴隨顆粒移動，以便顆?？梢蚤g接轉(zhuǎn)移到另一流體。作為替代或者另外地，此處公開的技術(shù)可被用于某些實施方式，從而不僅操縱流體跨越微通道的轉(zhuǎn)移，而且還通過讓顆?？缭搅黧w流線移動來操縱懸浮于流體樣本內(nèi)的顆粒的位置。

例如，包含顆粒第一流體可以引入第一微流體通道，第一微流體通道具有將該通道與兩個相鄰的微體流通道分開的剛性島狀結(jié)構(gòu)陣列。流體通過第一陣列中島狀結(jié)構(gòu)之間的缺口被從第一微流體通道抽取到其中一個相鄰的微流體通道，使得顆粒被抽到更靠近島狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)顆粒更靠近島狀結(jié)構(gòu)時，顆粒受到背離流體抽取方向的慣性升力，使得顆粒留在第一通道內(nèi)。同時，第二流體通過第二陣列中島狀結(jié)構(gòu)之間的缺口從另一個相鄰的微流體通道進入第一微流體通道。當(dāng)流體從另一個相鄰?fù)ǖ肋M入第一通道時，第一通道內(nèi)的顆粒越過流體流線，導(dǎo)致顆粒從第一流體位移到第二流體。如果在第一陣列的每個缺口處從第一通道中抽取的第一流體的量等于在第二陣列的每個缺口處進入第一通道中的第二流體的量，那么可以保持恒定的顆粒濃度。

除了使顆粒在流體之間移動之外，流體抽取和慣性升力的結(jié)合允許多種不同的操縱流體和顆粒的方式。例如，在某些實施方式中，不同種類的顆?？梢苑秩氩煌耐ǖ溃绱箢w?？梢耘c小顆粒分開，以實現(xiàn)微觀尺度的顆粒分選和/或從流體中過濾顆粒。備選地，在某些實施方式中，流體抽取和慣性升力的結(jié)合可用于混合不同種類的顆粒。在某些情況下，流體之間的顆粒分離和位移(或者流體之間的顆?；旌虾臀灰?可以一起進行。在其他例子中，流體抽取和慣性升力的結(jié)合可用于將顆粒聚集到微流體通道中期望的位置。這些和其他應(yīng)用可以擴展到大量的微流體通道，以在低裝置制造成本的系統(tǒng)中實現(xiàn)高處理量的流體分選/過濾。

一般來說，一方面，本公開的主題可以體現(xiàn)為一種微流體裝置，它包括顆粒分選區(qū)域，該區(qū)域具有第一微流體通道、沿著第一微流體通道延伸的第二微流體通道和將第一微流體通道與第二微流體通道分開的島的第一陣列，其中陣列中的每個島與陣列中的相鄰島被流體連接第一微流體通道與第二微流體通道的開口分開，并且其中第一微流體通道、第二微流體通道和島的第一陣列如此布置，以便第一微流體通道的流體阻力相對于第二微流體通道的流體阻力沿著顆粒分選區(qū)域的縱截面變化，使得來自第一微流體通道或者第二微流體通道中的流體樣本的一部分流體通過該開口。

一般來說，另一方面，本公開的主題可以體現(xiàn)為一種微流體裝置，它包括:顆粒分選區(qū)域，該區(qū)域具有第一微流體通道，沿著第一微流體通道的第一側(cè)延伸的第二微流體通道，將第一微流體通道與第二微流體通道分開的島的第一陣列，其中第一陣列中的每個島與第一陣列中的相鄰島被流體連接第一微流體通道與第二微流體通道的開口分開，沿著第一微流體通道的第二側(cè)延伸的第三微流體通道，第二側(cè)與第一微流體通道的第一側(cè)相對，將第一微流體通道與第三微流體通道分開的第二陣列，其中第二陣列中的每個島與第二陣列中的相鄰島被流體連接第一微流體通道與第三微流體通道的開口分開，其中第一微流體通道、第二微流體通道和島的第一陣列如此布置，以便第二微流體通道的流體阻力沿著顆粒分選區(qū)域的縱向相對于第一微流體通道的流體阻力減小，使得在微流體裝置操作期間，來自第一微流體通道中的流體樣本的一部分流體通過第一陣列進入第二微流體通道，并且其中第一微流體通道、第三微流體通道和島的第二陣列如此布置，使得第三微流體通道的流體阻力沿著顆粒分選區(qū)域的縱向相對于第一微流體通道的流體阻力增加，以便在微流體裝置的操作期間，來自第三微流體通道中的流體樣本的一部分流體通過第二陣列進入第一微流體通道。

這些裝置的實施方式可以具有一個或多個下列特征。例如在某些實施方式中，流體阻力的變化是第一微流體通道或者第二微流體通道沿著顆粒分選區(qū)域的縱向增加的橫截面積的函數(shù)。例如，第一微流體通道或者第二微流體通道之一的寬度可以沿著縱向增加。第一微流體通道或者第二微流體通道之另一個的寬度沿著縱向可以基本恒定。備選地，第一微流體通道或者第二微流體通道之另一個的寬度沿著縱向可以減小。

在某些實施方式中，第二微流體通道的流體阻力相對于第一微流體通道的流體阻力的減少是第二微流體通道沿著顆粒分選區(qū)域的縱向增加的橫截面積的函數(shù)。第一微流體通道的寬度沿著縱向可以基本恒定。

在某些實施方式中，第一陣列中各島之間的缺口的橫截面沿著縱向增加，第一陣列中每個缺口的橫截面沿著橫向于流過該缺口的流體的平面限定。第三微流體通道的流體阻力相對于第一微流體通道的流體阻力的增加可以是第三微流體通道沿著顆粒分選區(qū)域的縱向減小的橫截面積的函數(shù)。第一微流體通道的寬度沿著縱向可以基本恒定。

在某些實施方式中，第二陣列中各島之間的缺口的橫截面沿著縱向增加，第二陣列中每個缺口的橫截面沿著橫向于流過該缺口的流體的平面限定。

在某些實施方式中，微流體裝置還包括：第一入口通道；第二入口通道，其中第一入口通道和第二入口通道中的每一個流體連接到顆粒分選區(qū)域。

在某些實施方式中，沿著縱截面，第一陣列中每個開口的尺寸大于該陣列中前一個開口的尺寸。

在某些實施方式中，顆粒和流體移動區(qū)域還包括沿著第一微流體通道延伸的第三微流體通道，和將第一微流體通道和第三微流體通道分開的島的第二陣列，其中第一微流體通道位于第二和第三微流體通道之間。變化的相對流體阻力可以是第二微流體通道或者第三微流體通道沿著顆粒分選區(qū)域的縱向增加的橫截面積的函數(shù)。例如，第二微流體通道或者第三微流體通道之一的寬度可以沿著縱向增加。作為替代，第二微流體通道或者第三微流體通道之另一個的寬度可以沿著縱向減小。有時，第一微流體通道的寬度沿著縱向可以基本恒定。變化的相對流體阻力可以是第二微流體通道和第三微流體通道沿著顆粒分選區(qū)域的縱向增加的橫截面積的函數(shù)。

在某些實施方式中，裝置還包括第一入口通道和第二入口通道，其中第一入口通道和第二入口通道中的每一個流體連接到顆粒分選區(qū)域。

另一方面，本公開的主題可以體現(xiàn)為分選流體樣本中的顆粒的方法，其中該方法包括讓包含一組第一種顆粒的第一流體樣本進入微流體裝置的顆粒分選區(qū)域，其中顆粒分選區(qū)域包括第一微流體通道、沿著第一微流體通道延伸的第二微流體通道和將第一微流體通道與第二微流體通道分開的島的第一陣列。該方法還可以包括讓第二流體樣本流入顆粒分選區(qū)域，其中第一微流體通道和第二微流體通道之間的流體阻力沿著顆粒分選區(qū)域的縱截面變化，使得一部分第一流體樣本通過第一陣列中各島之間的開口從第一微流體通道進入第二微流體通道，并且其中第一微流體通道、第二微流體通道和島的第一陣列被進一步布置成產(chǎn)生慣性升力，該力基本上防止該組第一種顆粒隨通過第一陣列的開口的虹吸流體部分傳播。

另一方面，本公開的主題可以體現(xiàn)為在微流體裝置中使顆粒在流體樣本之間位移的方法，該方法包括讓包含多個第一種顆粒的第一流體樣本流入微流體裝置的顆粒分選區(qū)域，其中顆粒分選區(qū)域包括第一微流體通道、沿著第一微流體通道的第一側(cè)延伸的第二微流體通道、將第一微流體通道與第二微流體通道分開的島的第一陣列、沿著第一微流體通道的第二側(cè)延伸的第三微流體通道、以及將第一微流體通道與第三微流體通道分開的島的第二陣列，第二側(cè)與第一微流體通道的第一側(cè)相對，第一陣列中的每個島與第一陣列中的相鄰島被流體連接第一微流體通道與第二微流體通道的開口分開，且第二陣列中的每個島與第二陣列中的相鄰島被流體連接第一微流體通道與第三微流體通道的開口分開；然后讓第二流體樣本流入顆粒分選區(qū)域，其中第二微流體通道的流體阻力相對于第一微流體通道的流體阻力沿著顆粒分選區(qū)域的縱向變化，使得一部分第一流體樣本通過第一陣列中各島之間的開口從第一微流體通道進入第二微流體通道，第三微流體通道的流體阻力相對于第一微流體通道的流體阻力沿著顆粒分選區(qū)域的縱向變化，使得一部分第二流體樣本通過第二陣列中各島之間的開口從第三微流體通道進入第一微流體通道，并且第一微流體通道、第二微流體通道和島的第一陣列被進一步布置成產(chǎn)生慣性升力，該力基本上防止多個第一種顆粒隨著通過第一陣列的開口的部分第一流體樣本傳播。

這些方法的實施方式可以具有一個或多個下列特征。例如，在某些實施方式中，第一流體樣本和第二流體樣本都被輸送到第一微流體通道。第二流體樣本可以連續(xù)流過第一微流體通道，基本上不通過開口被虹吸進第二微流體通道。慣性升力可以使該組第一種顆?？缭搅黧w流線位移，以便該組第一種顆粒被轉(zhuǎn)移到第二流體樣本中。

在某些實施方式中，第一流體樣本被輸送到第一微流體通道，第二流體樣本被輸送到第三微流體通道。

在某些實施方式中，慣性升力使多個第一種顆粒跨越流體流線位移，以便多個第一種顆粒從第一流體樣本被輸送到第一微流體通道內(nèi)的第二流體樣本中。

在某些實施方式中，第一流體樣本包括多個第二種顆粒，其中多個第二種顆粒隨著進入第二微流體通道的第一流體樣本的部分流體傳播。第一種顆?？梢源笥诘诙N顆粒。

在某些實施方式中，第一流體樣本包括與第二流體樣本不同的流體。

在某些實施方式中，從第一微流體通道進入第二微流體通道的第一流體樣本的量基本上等于從第三微流體通道進入第一微流體通道的第二流體樣本的量，因此第一微流體通道內(nèi)第一種顆粒的濃度保持基本恒定。

在某些實施方式中，第二微流體通道的流體阻力相對于第一微流體通道的流體阻力的變化包括第二微流體通道的橫截面積沿著縱向的增加。

在某些實施方式中，第三微流體通道的流體阻力相對于微流體通道的流體阻力的變化包括第三微流體通道的橫截面積沿著縱向的增加。

在某些實施方式中，第一流體樣本包括多個第二種顆粒，并且多個第二種顆粒隨著進入第二微流體通道的第一流體樣本的部分流體傳播。第一種顆?？梢源笥诘诙N顆粒。

第一種顆?？梢跃哂性诮橛诩s1μm和約100μm之間的平均直徑。

另一方面，本公開的主題可以體現(xiàn)為分選流體樣本中的顆粒的方法，其中該方法包括讓包含一組第一種顆粒和一組第二種顆粒的流體樣本流入微流體裝置的顆粒分選區(qū)域，其中顆粒分選區(qū)域包括的一微流體裝置、沿著第一微流體裝置延伸的第二微流體裝置和將第一微流體裝置與第二微流體裝置分開的島的第一陣列，其中第一微流體裝置的流體阻力相對于第二微流體裝置的流體阻力沿著顆粒分選區(qū)域的一段變化，使得流體樣本的第一部分通過第一陣列中各島之間的開口被從第一微流體通道虹吸進第二微流體通道，并且其中第一微流體通道、第二微流體通道和島的第一陣列被進一步布置成產(chǎn)生慣性升力，該力基本上防止該組第一種顆粒隨著被虹吸穿過第一陣列的開口的流體部分傳播，同時允許該組第二種顆粒隨著被虹吸進第二微流體通道中的流體部分傳播。

這些方法的實施方式可以具有一個或多個下列特征。例如在某些實施方式中，慣性升力使該組第一種顆粒跨越流體流線移動，使得該組第一種顆粒繼續(xù)隨留在第一微流體通道中的第二部分流體樣本傳播。在某些實施方式中，第一種顆?？梢源笥诘诙N顆粒。在某些實施方式中，第一部分的流體樣本響應(yīng)于第一微流體通道和第二微流體通道之間的流體阻力的變化通過島的第一陣列中的開口。流體阻力的變化可包括第一微流體通道或者第二微流體通道之一的橫截面積沿著流體流動方向的變化。流體阻力的變化可包括陣列中各島之間的開口的尺寸的變化。

此處描述的主題的實施方式具有幾個優(yōu)點。例如在某些實施方式中，此處描述的主題可用于分離流體內(nèi)的顆粒和/或聚集流體內(nèi)的顆粒。在某些實施方式中，此處描述的主題可用于從流體中過濾顆粒和/或使顆粒從一種流體移動到另一種流體。使用此處描述的技術(shù)可以用廉價且簡單的設(shè)備實現(xiàn)高體積容量和處理能力、顯著且可調(diào)的流體體積減少以及高顆粒得率。在某些實施方式中，當(dāng)前描述的技術(shù)還可以提供改進的處理和與其他微流體模塊的簡單集成。對于臨床應(yīng)用，此處描述的系統(tǒng)可以被設(shè)置成自備的和一次性的。相比之下，對于生物處理/工業(yè)應(yīng)用，該裝置可以設(shè)置成連續(xù)流動/處理。

為了本公開的目的，通道是指流體可以在其中流動的結(jié)構(gòu)。

為了本公開的目的，微流體是指通常至少有一個橫截面尺寸介于約10nm到約10mm之間的流體系統(tǒng)、裝置、通道或者腔室。

為了本公開的目的，缺口是指流體或顆?？梢栽谄渲辛鲃拥膮^(qū)域。例如，缺口可以是兩個障礙之間的、流體在其中流動的空間。

為了本公開的目的，剛性島狀結(jié)構(gòu)是指顆粒通常不能刺過的物理結(jié)構(gòu)。

為了本公開的目的，流體阻力是指跨越通道(例如微流體通道)的壓降與通過通道的流體流率的比值。

樣本內(nèi)的顆?？梢跃哂腥我獬叽?，該尺寸允許樣本在微流體通道內(nèi)傳輸。例如，顆?？梢跃哂薪橛?μm和100μm之間的平均水力尺寸。顆粒尺寸僅受限于通道幾何形狀；因此可以使用大于或小于上述顆粒的顆粒?？梢允褂帽绢I(lǐng)域公知的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)確定顆粒(例如細胞、卵子、細菌、真菌、病毒、藻類、任何原核或者真核細胞、細胞器、外泌體、液滴、氣泡、污染物、沉淀物、有機和無機物顆粒、磁性珠粒、和/或磁性標(biāo)記分析物)的尺寸，例如平均水力顆粒尺寸或者平均直徑。

除非有不同的定義，此處使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常所理解的相同含義。雖然與此處描述的類似或者等價的方法、材料和裝置可以用在本發(fā)明的實踐或者試驗中，合適的方法、材料和裝置描述如下。此處提到的所有公開、專利申請、專利和其他參考文獻都通過引用被整體結(jié)合于本文中。若有抵觸，以包含定義的本說明書為準(zhǔn)。另外，材料、方法和例子僅是說明性的，而非意在限制。

一個或多個實施方式的細節(jié)在附圖和下面的說明書中闡述。從說明書、附圖和權(quán)利要求書中可明顯看出其他特征和目的。

附圖說明

圖1是示意圖，其展示了能夠使顆粒的位置在流體流線內(nèi)和跨越流體流線移動的微流體裝置的一個例子的頂視圖。

圖2是示意性圖，其展示了顆粒和流體移動裝置的一個例子的頂視圖，其中允許流體跨越顆粒的傳播通道。

圖3是示意圖，其展示了具有兩個入口微流體通道的裝置的一個例子的頂視圖，這兩個入口微流體通道結(jié)合到合流通道，后者又結(jié)合到顆粒移動區(qū)域。

圖4是示意圖，其展示了具有顆粒移動區(qū)域的裝置的一個例子的頂視圖，用于基于尺寸分選顆粒。

圖5是示意圖，其展示了具有顆粒動移區(qū)域的裝置的一個例子的頂視圖，用于基于尺寸分選顆粒。

圖6a是示意圖，其展示了包括顆粒分選區(qū)域的微流體系統(tǒng)的一個例子的頂視圖。

圖6b是圖6a的顆粒分選區(qū)域的放大圖。

圖7和8是示意圖，其展示了顆粒分選區(qū)域的例子的頂視圖。

圖9是一系列的圖(圖9a-9d)，其展示了根據(jù)慣性升力進行分級的裝置的減積特性。

圖10是白血球(wbc)得率對液體流率的一系列圖(圖10a-10b)。

圖11是跨越不同流率的不同尺寸的熒光珠的得率圖。

圖12是白血球得率對流體移動的圖。

圖13是容納有流體移動裝置的多路復(fù)用陣列的顯微鏡載片的圖片。

具體實施方式

顆粒(例如細胞，例如一般的血細胞以及母體血液中的胎兒血細胞、骨髓細胞和循環(huán)的腫瘤細胞(ctcs)、精子、卵子、細菌、真菌、病毒、藻類、任何原核或者真核細胞、細胞群、細胞器、外泌體、液滴、氣泡、污染物、沉淀物、有機和無機顆粒、珠子、珠子標(biāo)記的分析物、磁性珠粒和/或磁性標(biāo)記的分析物)、顆粒在其中行進的流體(例如血液、水溶液、油或氣體)和剛性結(jié)構(gòu)之間的相互作用可用于以受控的方式使顆?？缭轿⒘黧w裝置中的流體流線移動。尤其是，在微流體裝置中行進的顆粒所受的力可用于精確定位顆粒，因此可以進行各種有用的微流體操作。可以用這些力進行的微流體操作的例子包括但不僅限于集中載流流體中的顆粒，使顆粒從一種載流液體移動到另一種流體，根據(jù)顆粒尺寸(例如平均直徑)分離流體中的顆粒，把載流液體內(nèi)的顆粒聚集到單個流線(或者多個不同的流線)上，將顆粒精確定位在微通道內(nèi)的任何位置處，以及混合(分散)顆粒。此外，上述任一操作可以與其他技術(shù)(例如磁選)同時進行，以增強操作的有效性。

幾種不同的機制可用于產(chǎn)生能夠使顆?？缭搅黧w流線移動的力。第一種力被稱為“碰撞力”(也稱為決定性側(cè)位移(dld))。碰撞力是結(jié)構(gòu)的剛性壁和顆粒之間因顆粒相對于壁的尺寸而出現(xiàn)的直接相互作用。由于半徑為rp的顆粒的中心距離相鄰結(jié)構(gòu)不能小于rp，因此如果顆粒中心位于距離該結(jié)構(gòu)小于rp的流線上，那么顆粒會被該結(jié)構(gòu)撞離到至少rp遠的距離處。這一撞擊可以使顆?？缭搅黧w流線移動。

另一種力被稱為慣性升力(亦稱壁力或者壁誘導(dǎo)慣性)。相對于碰撞力，慣性升力是顆粒上的流體力，不是因與剛性結(jié)構(gòu)接觸而產(chǎn)生的力。雖然尚未完全理解，但是慣性升力是當(dāng)顆粒靠近壁時由顆粒產(chǎn)生的流動擾動引起的斥力?？拷⑼ǖ辣诹鲃拥念w粒受到正交于壁的慣性升力。在高流率下，慣性升力很強，并且可以使顆?？缭搅骶€移動。此外，因為該力高度取決于尺寸(大顆粒受到的力更大)，所以可以利用它來根據(jù)尺寸分組顆粒。關(guān)于慣性流動的更多細節(jié)可見于d.dicarlo、d.irimia、r.g.tompkins和m.toner的“continuousinertialfocusing,ordering,andseparationofparticlesinmicrochannels”，美國國家科學(xué)院會報，第104卷，第48期，第18892–18897頁，2007年11月；d.dicarlo、j.f.edd、k.j.humphry、h.a.stone和m.toner的"particlesegregationanddynamicsinconfinedflows”物理學(xué)評論快報，第102卷，第9期，第094503頁，2009年3月；和d.dicarlo的“inertialmicrofludics”，實驗室芯片，第9卷，第21期，第3038頁，2009年，每一篇都被整體并入本文中。

另一種力是來自迪安流的壓差阻力的結(jié)果。具有曲率的微流體通道可以在顆粒上產(chǎn)生附加阻力。當(dāng)將曲率引入矩形通道時，因流體的不均勻慣性可以產(chǎn)生垂直于流動流方向的二次流(即迪安流)。因此，與通道邊緣附近的流體元相比，在彎曲通道中心內(nèi)的較快移動的流體元可以產(chǎn)生更大的慣性。由于高迪安流，流體內(nèi)的懸浮顆粒上的阻力可以變得顯著。

另一種力發(fā)生在高斯托克斯數(shù)流動中。斯托克斯數(shù)(stk)描述了隨流體軌跡的變化粒子軌跡變化得有多快。若stk大于1，則流體軌跡的變化和粒子軌跡的變化之間存在滯后。在高斯托克斯流動條件下(例如，斯托克斯數(shù)大于約0.01)，改變流體流動方向可用于迫使顆粒跨越流線。關(guān)于迪安流和高斯托克斯數(shù)的更多細節(jié)可見于例如8,186,913號美國專利，它通過引用被整體并入本文中。在高斯托克斯流應(yīng)用和迪安流應(yīng)用中，流體位移導(dǎo)致顆?？缭搅黧w流線。

使顆粒移動的其他技術(shù)包括粘彈性和慣性彈性聚集。關(guān)于這些方法的細節(jié)可見于“sheathlesselasto-inertialparticlefocusingandcontinuousseparationinastraightrectangularmicrochannel”(yang等，實驗室芯片(11)，266-273，2011)、“singlelineparticlefocusinginducedbyviscoelasticityofthesuspendingliquid:theory,experimentsandsimulationstodesignamicropipeflow＝focuser”(d’avino等，實驗室芯片(12)，1638-1645，2012)和“inertio-elasticfocusingofbioparticlesinmicrochannelsathighthroughput”(lim等，自然通訊，5(5120)，1-9，2014)，每一篇都通過引用被整體并入本文中。

上述技術(shù)是“內(nèi)部的”，因為它們使用流體流動和/或微流體通道本身的結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生使顆粒跨越流線移動所必需的力。有時，其他外部機制也可用于與一個或多個內(nèi)部力一起來改變顆粒在流體內(nèi)行進的路線。例如，有時外部施加的磁力、重力/離心力、電場力、或者聲場力可用于引起顆粒位置跨越流體流線移動。關(guān)于如何施加這種力的詳細信息可見于例如名稱為“sortingparticlesusinghighgradientmagneticfields”的wo2014/004577、名稱為“acousticfocusing”的7,837,040號美國專利、名稱為“dielectrophoreticfocusing”的wo2004/074814、和“microfluidic,label-freeenrichmentofprostatecancercellsinbloodbasedonacoustophoresis”(augustsson等，分析化學(xué)84(18)，2012年9月18日)。

本公開主要關(guān)注于將慣性升力與周期性的流體抽取結(jié)合來使顆?？缭搅黧w流線移動，以用于分選流體之間的顆粒和/或從流體中分離顆粒。特別是，包含顆粒的第一流體被引入第一微流體通道中，該第一微流體通道具有將第一通道與相鄰的微流體通道分開的剛性的島狀結(jié)構(gòu)陣列。當(dāng)?shù)谝涣黧w通過島狀結(jié)構(gòu)之間的缺口被從第一微流體通道抽取到第二微流體通道中時，顆粒被抽到更靠近島狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)顆粒更靠近島狀結(jié)構(gòu)時，顆粒受到背離流體抽取方向的慣性升力，使得顆?？缭搅黧w流線，并保持在第一通道內(nèi)。同時，第二流體從第三微流體通道通過第二島狀結(jié)構(gòu)陣列進入第一微流體通道中，使得第一通道內(nèi)的顆粒被轉(zhuǎn)移到第一通道內(nèi)的第二流體。在某些實施方式中，從第一通道進入第二通道的第一流體的量與從第三通道進入第一通道的第二流體的量相同。因此，顆?？梢詮囊环N流體移動到另一種流體，同時保持相同的顆粒濃度。流體抽取和慣性升力的結(jié)合可用于進行顆粒定位、顆粒過濾、顆粒混合、流體混合和/或使流體跨越顆粒流移動以及其他操作。

但是，應(yīng)當(dāng)指出此處描述的用于顆粒和/或流體分選的技術(shù)不局限于使用慣性升力。相反，周期性的流體抽取也可以與一種或多種上述(內(nèi)部的和外部的)力相結(jié)合，來控制在微流體裝置中傳播的流體中的顆粒的位置。

此處公開的用于使顆粒移動的機制還可以基于尺寸，因此可用于執(zhí)行基于尺寸的顆粒操作(例如基于顆粒的平均直徑)。通過讓顆?？缭搅骶€反復(fù)移動，微流體裝置中的流體和顆粒兩者都可以被操縱以執(zhí)行如下操作，諸如將顆粒聚集到一個或多個流體流線、從流體中過濾顆粒、混合來自不同流體流的不同顆粒、和/或根據(jù)尺寸分選顆粒。通常，“聚集”顆粒是指跨越通道的橫向范圍將顆粒重新定位在小于通道寬度的寬度內(nèi)。例如，此處公開的技術(shù)可以將懸浮在流體中的顆粒定位到流體流中，其中通道寬度與流體流寬度的比值約為1.05、2、4、6、8、10、20、30、40、50、60、70、80、90或者100。顆?？梢跃哂懈鞣N尺寸，包括但不局限于介于約1μm和約100μm之間的平均直徑。

此處公開的用于使顆粒移動的機制還可以根據(jù)顆粒的形狀(例如球形對圓柱形)和可變形性(例如剛性對柔性)，從而實現(xiàn)根據(jù)形狀和可變形性有差異地操縱和分選顆粒。

使用慣性升力的顆粒移動/分選

在討論如何使用此處公開的一種或多種裝置將顆粒從一種流體移動到另一種流體之前，首先在更基礎(chǔ)的裝置結(jié)構(gòu)(諸如圖1所示的裝置)的背景下回顧一下流體抽取和慣性力是有幫助的。圖1是示意圖，其展示了微流體裝置100的一個例子的頂視圖，它能夠在流體通過微流體裝置100傳播時，跨越流體流線移動/分選顆粒102的位置。如下所述，顆粒跨越流體流線的移動依賴于當(dāng)從微流體通道中周期性地抽取流體時顆粒所受的慣性升力。顯示了笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)供參考，其中x方向延伸進出頁面。

在裝置100的操作過程中，攜帶顆粒102的流體通過入口微流體通道104被引入。在這一和其他實施方式的顆粒移動裝置中，可以通過使用泵或者其他流體驅(qū)動機構(gòu)來引入流體。入口通道104分成具有兩個不同的流體流動通道(第二微流體通道106和基本平行于第二微流體通道106的第一微流體通道108)的顆粒分選區(qū)域，兩個通道由一維陣列的剛性島狀結(jié)構(gòu)110分開。一維陣列的島狀結(jié)構(gòu)110基本沿與流體流過第二和第一微流體通道的方向相同的方向延伸。陣列中的每個島狀結(jié)構(gòu)110與相鄰的島110由流體可流過的開口或缺口114分開。在圖1的例子中，相鄰島110之間的每個缺口114具有相同的距離。在其他實施方式中，在相鄰的島110之間的不同缺口可以具有不同的距離。例如，在某些實施方式中，第一陣列中的每后一個開口的長度(例如沿著流體傳播方向即圖1中的z向測量)大于陣列中前一個開口的尺寸?；蛘咴谀承嵤┓绞街校瑢τ诤罄m(xù)的開口，該距離可以大小交替。此外，雖然圖1中顯示的是一維陣列，但是島110可以按不同的構(gòu)型排列，例如包括二維島陣列。微流體通道內(nèi)流體流動區(qū)域的邊界由裝置壁112和島110的壁限定。

當(dāng)流體基本沿著z向從入口通道104向通道(106，108)傳播時，顆粒102受到使顆粒102跨越流體流線移動并且沿著第一微流體通道108行進的力(在該例子中為慣性升力)。這些慣性升力在負y向上(見圖1中每個顆粒102附近的短箭頭)。

例如，當(dāng)顆粒102位于入口通道104內(nèi)并且接近頂壁112時，顆粒受到的慣性升力推動顆粒朝著第一微流體通道108向下。一旦處于第一微流體通道108中，顆粒102就可以接近第一島110的壁，使得它再次受到推動顆粒102向下的慣性升力，其將顆粒保持在第一微流體通道108內(nèi)。因此在圖1所示的每個“顆粒移動”區(qū)域內(nèi)，重復(fù)施加到顆粒102的慣性升力用于從通過第二微流體通道106傳播的流體中分離/過濾出顆粒。

同時，在第一微流體通道108中行進的部分流體在裝置100中的一個或多個“流體移動”或者“流體抽取”區(qū)域處(見圖1)被抽入或流入第二微流體通道中。在圖1的例子中，每個流體移動區(qū)域?qū)?yīng)于在第一微流體通道108和第二微流體通道106之間延伸的開口或者缺口。每個“流體移動”區(qū)域主要允許流體從第一微流體通道108被抽取到第二微流體通道106中。由于顆粒遵循流體流線，流體進入缺口的運動傾向于將顆粒102也拉向缺口。但是，當(dāng)顆粒移動靠近缺口114時，它們接近島狀結(jié)構(gòu)112，這會施加慣性升力以引起入流顆粒沿著遠離缺口114的方向越過流體流線。也就是說，顆粒102從進入第二微流體通道106的流體流線移動到繼續(xù)在第一微流體通道108內(nèi)流動的流體流線。因此，顆粒102繼續(xù)在第一微流體通道108內(nèi)傳播，而不是隨流體移動到第二微流體通道106內(nèi)。如果沒有流體從第一微流體通道108移動到第二微流體通道106，顆粒會因慣性聚集而遷移。但是，通過使流體跨越通道移動，顆粒102傾向于跟隨流體流向慣性升力比剪切梯度力強得多的區(qū)域，從而使得顆粒以非常高效且受控的方式跨越流線移動。

在本實施例中，流體因流體阻力下降而被抽取經(jīng)過流體移動區(qū)域。也就是說，對于恒定粘度的流體，相鄰島110之間的缺口114增加了流體可以流過的通道面積，導(dǎo)致流體阻力減小。當(dāng)流體通過裝置100的通道108傳播并到達缺口114時，一部分流體會流進缺口114，并隨后流進第二微流體通道106(即該部分流體被抽取進通道106)。增加第二微流體通道106的通道寬度也會減小流體阻力。在某些實施方式中，通道106的寬度可以被理解為第二通道壁112上的一個位置和島110的表面上位于第二通道壁112上的上述位置的正對面且面向第二通道壁112上的上述位置的位置之間的距離。對于島110之間的缺口區(qū)域，通道106的寬度在某些實施方式中可以理解為第二通道壁112上的一個位置和貫穿相鄰島110之間的缺口的虛擬表面上位于通道壁112上的上述位置的正對面且面向通道壁112上的上述位置的位置之間的距離，其中虛擬表面與相鄰島的最接近于且面向壁112的側(cè)面共線。

在一特殊例子中，例如如圖1所示，第二微流體通道壁112以一角度遠離島傾斜(相對于島傾斜定向)，以便第二微流體通道106的寬度沿著通道的縱向(例如沿流體傳播方向或者如圖1所示的例子的正z向)增加，從而導(dǎo)致流體阻力減小。也可以利用通道106的橫截面積沿著第一微流體通道縱向的任何增加，而不僅僅是寬度的增加，來減小流體阻力。備選地或者額外地，相對于通道106的流體阻力，在通道108中流體可以經(jīng)受流體阻力的增加(例如，通過沿縱向減小通道108的橫截面積)。因此可以說，流體是響應(yīng)于第二和第一微流體通道之間的相對流體阻力的變化而被抽取，該變化導(dǎo)致流體從第一通道108被抽取到第二通道106中。相對流體阻力的變化可以發(fā)生在整個顆粒分選區(qū)域或者小于整個顆粒分選區(qū)域的一部分分選區(qū)域上。相對流體阻力的變化可以沿著流過顆粒分選區(qū)域的流體方向發(fā)生(例如如圖1所示沿著顆粒分選區(qū)域的縱向)。

隨著缺口114處和/或通道106中的流體阻力逐漸減小，更大量的流體流進第二微流體通道106中。此外，流體反復(fù)移動到第二通道106內(nèi)減少了第一通道108中的流體的量。對于圖1所示的構(gòu)造，反復(fù)的流體抽取從而增加了第一通道108中的顆粒對流體的濃度，同時降低了第二微流體通道106中的顆粒濃度，因此第二微流體通道106中的流體被“過濾”或者“凈化”。

由此引起的聚集顆粒流線可以被結(jié)合到微流體裝置100的獨立的處理區(qū)域，或者從裝置100上移走，用于附加處理和/或分析。同樣，第二通道106中的“經(jīng)過濾的”流體可以被結(jié)合到微流體裝置100的獨立區(qū)域，或者從裝置100上移走，用于附加處理和/或分析。在某些實施方式中，進入裝置100的顆粒102被“預(yù)聚集”到與第一微流體通道108對齊的期望流體流線位置。通過將顆粒102預(yù)聚集到期望位置，顆粒無意中進入第二微流體通道106的概率可以降低。

此處描述的顆粒移動技術(shù)的另一個優(yōu)點是它可用于沿著一個或多個流線聚集顆粒。例如如上所述，部分流體可以從初始的微流體通道被抽取到一個或多個平行的微流體通道內(nèi)。在某些情況下，包含抽取出的流體的平行微流體通道隨后可以在下游與初始的微流體通道再結(jié)合，以便顆粒被限制到單通道中的指定流線。將流體移動與慣性升力結(jié)合的這一技術(shù)的優(yōu)點是可以通過控制從初始通道的每一側(cè)除去多少流體，將顆粒聚集到下游通道內(nèi)的期望位置(例如靠近通道壁，在通道中央，或者在通道壁和通道中央之間的中途以及別的位置)，從而為微流體裝置的設(shè)計和使用增加靈活性。相比之下，對于主要基于慣性聚集的微流體系統(tǒng)，在通道內(nèi)只能有限地選擇聚集流的位置。

回顧了流體抽取和慣性力之后，現(xiàn)可描述用于在流體之間移動/分選顆粒的微流體裝置。尤其是，此處描述的流體和顆粒移動技術(shù)可用于使流體跨越通道移動，而無伴生的顆粒移動，因此顆粒被間接輸送到另一流體。圖2是示意圖，其展示了用于使顆粒在流體之間移動的裝置200的一個例子。裝置200包括第一入口微流體通道204和第二入口微流體通道，兩者由例如壁或者其他物體的分割結(jié)構(gòu)205分開，其防止在第一入口204和第二入口206之間的混合。在分割結(jié)構(gòu)205的端部，第一和第二入口微流體通道(204、206)被流體結(jié)合到具有三個不同的流體流動區(qū)域(第二微流體通道208、第一微流體通道210、和第三微流體通道212)的顆粒移動區(qū)域。

第二微流體通道208與第一微流體通道210由第一陣列214的島狀結(jié)構(gòu)218分開。第三微流體通道212與第二微流體通道210由第二陣列216的島218分開。第一陣列214中每個相鄰的島狀結(jié)構(gòu)和第二陣列216中每個相鄰的島狀結(jié)構(gòu)被用于使流體移動的缺口分開。微流體通道的邊界由裝置壁220和島的壁限定。第二通道208的微流體通道壁220以一角度遠離島218傾斜(相對于島傾斜定向)，因此第二通道的寬度沿著流體傳播方向增加，從而導(dǎo)致流體阻力減小，并導(dǎo)致流體被從第一通道210抽取到第二通道208內(nèi)。相比之下，第三通道212的壁220以一角度朝著島218傾斜，因此第三通道212的寬度沿著流體傳播方向減小，從而導(dǎo)致流體阻力增加，并導(dǎo)致流體被從第三通道212抽取到第一通道210內(nèi)。

在操作裝置200的過程中，在第一入口通道204中的第一流體內(nèi)流動的顆粒202與通道壁相互作用，因此它們受到慣性升力，這使得顆粒202朝著液體流的中心流線移動或聚集。中心微流體通道210的流體路徑與第一入口通道204的流體路徑基本對齊，因此來自通道204的聚集顆粒和一部分第一流體流入第一通道210。一旦顆粒202進入第一微流體通道210，它們就受到來自島狀結(jié)構(gòu)218的慣性升力，其繼續(xù)使顆粒202沿著貫穿通道210延伸的一個或多個中心流線聚集。同時，由于流體阻力減小，一些第一流體被抽取入“流體移動”區(qū)域中的第二微流體通道208中。因為顆粒202在第一通道210中受到慣性升力，所以大部分顆粒202留在第一通道210中，而不是被第一流體攜帶到第二通道208中。

第二流體被提供于第二入口通道206中。第二流體可以是與用于從入口通道204引入顆粒的載流流體相同的流體，或不同的流體。第二流體主要從第二入口206流入第三微流體通道212。部分第二流體在"流體移動"區(qū)域中被從入口206和/或第三通道212抽取入第一微流體通道210中。當(dāng)?shù)诙黧w沿通道212向下傳播時，第二流體的抽取因第二流體受到的流體阻力增加(例如通道寬度減小)而發(fā)生。因此，更多量的第二流體開始在第一通道210內(nèi)流動。在例如有足夠長的微流體通道的某些實施方式中，第二流體甚至可以從第三微流體通道212跨越至第一微流體通道210中，并最后進入第二微流體通道208中與第一流體匯合。但是，因為顆粒202在第一通道210中受到慣性升力，所以大部分顆粒202留在第一通道210中，并且未被第一或第二流體攜帶至第二通道208中。因此，流體移動區(qū)域和顆粒移動區(qū)域的結(jié)合允許顆粒202與第一流體分離。即，當(dāng)?shù)诙黧w被引入通道210時，顆粒202被從第一流體移動至第二流體。由于慣性力將顆粒202保持在通道210內(nèi)，因此在某些實施方式中，顆粒也可以與穿過通道208的匯合的第一和第二流體分離。

如果從第一通道210被抽取到第二通道208中的第一流體的量在裝置的長度上保持等于或基本等于從第三通道引入到第一通道中的第二流體的量，那么穿過通道210傳播的流體的量可以保持基本恒定。類似地，由于慣性升力使得穿過通道210傳播的顆粒的數(shù)目保持基本恒定，因此即使通道210內(nèi)的流體有變化，顆粒的總濃度也沒有明顯變化。即，在通道210起點處第一流體內(nèi)的顆粒202濃度基本等于流體移動已經(jīng)完成之后在通道210末端附近第二流體中的顆粒202濃度。

在某些實施方式中，第一流體未被從通道210完全抽入通道208中。相反，微流體裝置可以如此設(shè)置，即在操作裝置之后，第一流體和第二流體兩者在通道210內(nèi)匯合。在此情況下，第一流體和第二流體可以根據(jù)層流并排傳播，或者可以因例如擴散而混合。在任一情況下，如果被抽取到通道208中的第一流體的量在裝置的長度上基本等于從通道212引入通道210中的第二流體的量，那么顆粒202相對于通道210內(nèi)的任何流體的濃度可以保持基本恒定。

來自第二、第一或第三通道的流體流中的任一個可以結(jié)合到微流體裝置的分離區(qū)域，或者從裝置上移走，用于額外的處理或分析。在某些實施方式中，第二和第三通道的尺寸/流體阻力的變化可以如此設(shè)置，以確保在每個單元處有等量的流體流入第三通道和流出第二通道。

能夠使顆粒在流體之間轉(zhuǎn)移的裝置的另一個例子如圖3所示，該圖是示意圖，其展示了裝置300的一個例子，它包括兩個入口微流體通道(304，306)，兩者結(jié)合到單個微流體通道305以匯合流體。合流通道305進而結(jié)合到顆粒移動區(qū)域，該區(qū)域包括兩個不同的流動區(qū)域(第二微流體通道308和第一微流體通道310)。第二微流體通道308與第一微流體通道310通過島狀結(jié)構(gòu)312陣列分開，其中各島312與相鄰的島312被用于流體移動的缺口314分開。另外，第二微流體通道308的頂壁316以一定角度遠離島312傾斜，以便減小z向上的流體阻力。

在操作裝置300期間，包含顆粒302的第一流體(“流體1”)被引入第一入口通道304中，而沒有顆粒的第二流體(“流體2”)被引入第二入口通道306中。假定流體以對應(yīng)于低雷諾數(shù)(并因此為層流)的流率引入，那么兩個不同的流體在合流區(qū)域305中幾乎不混合，即兩個流體基本上以彼此靠近的層繼續(xù)流動。合流區(qū)域305中的流體路徑與第一微流體通道310的流體路徑對齊，因此匯合的流體主要流進第一通道310中。當(dāng)兩個流體進入第一微流體通道310時，第一流體內(nèi)的顆粒302受到來自島狀結(jié)構(gòu)312的慣性升力，該慣性升力橫向于流向，且將顆粒302保持在第一微流體通道內(nèi)。

同時，第二微流體通道308的寬度增加(由于傾斜的通道壁316)會降低流體阻力，因此部分第一流體(最接近島狀結(jié)構(gòu)的第一流體)在島312之間的各缺口處被抽取入第二通道308。因為第一流體是作為在第二流體上方的層流動，所以很少到?jīng)]有第二流體被抽取入第二通道308中。在傳播經(jīng)過島312足夠的距離后，大部分第一流體被抽取入第二通道308，而顆粒302和大部分或者所有的第二流體留在第一通道310中。因此，如圖3所示的微流體裝置構(gòu)型也可用于將顆粒從一種流體轉(zhuǎn)移到不同的第二流體。如果流過入口304的第一流體的量基本等于流過入口306的第二流體的量，那么在通道310內(nèi)(且在抽取第一流體之后)第二流體中的顆粒302濃度可以保持基本等于在入口304內(nèi)第一流體中的顆粒302濃度。在某些實施方式中，傳播距離足夠長，因此第二流體也被抽取入第二微流體通道308。在此情況下，在第一微流體通道310內(nèi)第二流體中的顆粒302濃度可以增加到高于通道304內(nèi)的顆粒濃度的水平。

在某些實施方式中，反復(fù)的顆粒和流體移動可用于執(zhí)行基于尺寸的流體內(nèi)顆粒分離。圖4是展示裝置400的一個例子的示意圖，該裝置用于基于尺寸的顆粒分選。該裝置的構(gòu)造與圖3所示的裝置300相同。在操作裝置400期間，包含不同尺寸的顆粒(大顆粒402和小顆粒403)的第一流體(“流體1”)被引入第一入口通道304，而沒有顆粒的第二流體(“流體2”)被引入第二入口通道406。第一和第二流體可以為同種或者不同種的流體。再次，假定流體以對應(yīng)于低雷諾數(shù)(并因此為層流)的流率引入，那么兩種不同的流體在合流區(qū)域405中幾乎不混合，即兩個流體基本上以彼此靠近的層繼續(xù)流動。當(dāng)兩個流體進入第一微流體通道410時，大顆粒402上的力大到足以將顆粒402保持在第一微流體通道410內(nèi)。相反，小顆粒403上的力不夠大，不足以防止小顆粒403隨第一流體被抽取到第二微流體通道408內(nèi)。在足夠長距離上經(jīng)反復(fù)的顆粒移動和流體抽取之后，大部分第一流體和小顆粒403被抽取到第二通道408中，而大顆粒402和大部分第二流體留在第一通道410中。這一過程也稱為分級，可用于根據(jù)尺寸分離顆粒與流體。

為何大顆粒402相對于小顆粒403優(yōu)先留下有多種原因。第一，慣性升力在顆粒直徑上是高度非線性的。例如，據(jù)信通道壁附近的慣性升力的尺度在a³到a⁶范圍內(nèi)，其中a是顆粒直徑，因此大顆粒比小顆粒受到大得多的力。較大的慣性升力可用于將顆粒從靠近島從島狀結(jié)構(gòu)陣列的一個或一排向上移動到下一個的流體流中移出。關(guān)于顆粒尺寸和慣性升力之間的關(guān)系的其他信息可見于dicarlo等的“particlesegregationanddynamicsinconfinedflows”(物理評論文集，2009)，該文通過引用被整體結(jié)合于本文中。第二，大顆粒的平衡位置與小顆粒相比通常更遠離壁，因此更遠離流體抽取通道，并且更可能落在流線上，不向抽取通道移動。因此大顆?？梢员槐３衷谥付ǖ呐胖?，而在島附近流動的小顆粒從該陣列的一排向上移動到下一排。

因而，分級通過反復(fù)地(1)使用慣性升力使大顆粒遠離通道壁移動，且隨后(2)使沒有大顆粒的流體移動到相鄰?fù)ǖ纴硗瓿?。在某些實施方式中，分級也可以用于從源流體(例如血液)中跨越流體流線將顆粒分選到相鄰的目標(biāo)流體(例如緩沖液)中。

例如，圖5是展示裝置500的一個例子的示意圖，該裝置也可用于根據(jù)尺寸分離顆粒。裝置500的構(gòu)造與圖2所示的裝置200相同。第三微流體通道512中的流體阻力因通道寬度減小而逐漸增加，而第二微流體通道508中的流體阻力因通道寬度增加而逐漸降低。因此，在操作裝置500期間，第一流體(“流體1”)從第一微流體通道510到第二微流體通道508的反復(fù)流體移動發(fā)生在第一陣列514中的島518之間的缺口處。類似地，第二流體(“流體2”)從第三微流體通道512到第一微流體通道510的反復(fù)流體移動發(fā)生在第二陣列516中的島518之間的缺口處。流體抽取力足夠大以將小顆粒503隨第一流體抽走，但不足以對抗大顆粒502受到的慣性升力。因此，大顆粒保持沿著第一微流體通道510內(nèi)的流線流動。在反復(fù)的顆粒和流體移動之后，大顆粒502開始沿已經(jīng)移動到第一通道510內(nèi)的第二流體中的流線流動，如果在顆粒分選/或移動區(qū)域的長度上從通道510流到通道508的流體的量基本等于從通道512流入通道510的流體的量，那么在通道510內(nèi)流動的流體的量可以保持基本恒定。

圖1-5所示的微流體裝置使用來自微流體通道壁和來自島狀結(jié)構(gòu)周期矩陣的慣性升力來實施跨越流體流線的顆粒移動。除慣性升力之外的技術(shù)可用于幫助顆?？缭搅黧w流線移動。例如因高迪安流和/或高斯托克斯流而產(chǎn)生的內(nèi)部力，例如慣性聚集，可用于使顆?？缭搅黧w流線移動和/或?qū)㈩w粒保持在微流體通道內(nèi)。備選地或者額外地，諸如磁力、聲場力、重力/離心力、光場力和/或電場力之類的外部力可用于使顆?？缭搅黧w流線移動。另外，分隔不同流動區(qū)域的剛性島狀結(jié)構(gòu)的形狀不局限于圖1-5所示的形狀。例如，剛性的島狀結(jié)構(gòu)可以具有類似于立柱、立方體或其他多面體的形狀，其中頂面或底面是或者可以是全等多邊形。在一些情況下，例如在高流率下，使用具有流線型、漸縮端部的島是有利的，因為這有助于最小化流動再循環(huán)(渦流)的形成，該流動再循環(huán)會以不可預(yù)知且不合需要的方式干擾流動。剛性島狀結(jié)構(gòu)的其他形狀也是可能的。剛性島狀結(jié)構(gòu)的長軸可相對于流體的平均流向、顆粒的平均流向或者分選區(qū)域的長軸成一定角度定向。通道段的形狀不局限于圖1-5所示的近似矩形。通道段可以包括彎道或相當(dāng)大的寬度變化。關(guān)于橫截面，圖1-5中描述的通道可以是正方形、矩形、梯形、或者圓形。通道橫截面的其他形狀也是可能的。通道深度在顆粒分選區(qū)域上可以是均勻的，或者通道深度可以沿橫向或沿縱向變化。另外，雖然圖1-5顯示的微流體通道為近似直線的路徑，但是通道可以設(shè)置成其他不同的布局。例如，在某些實施方式中，微流體通道可以形成為具有螺旋構(gòu)型。例如，第一微流體通道和第二微流體通道可以布置成螺旋構(gòu)型，其中第一和第二微流體通道仍然由島狀結(jié)構(gòu)陣列分隔，但流過通道的流體的縱向會遵循大致螺旋形的路徑。在某些實施方式中，島狀結(jié)構(gòu)的尺寸或形狀沿著分選區(qū)域的長度(例如沿流體流向)和/或沿著分選區(qū)域的寬度(例如流體流向的橫向)可以變化。在某些實施方式中，通過島狀結(jié)構(gòu)之間的流體的比例在通道內(nèi)的不同位置處有變化。例如，通過兩個島狀結(jié)構(gòu)之間的第一缺口的流體的百分比可以高于或低于通過兩個島狀結(jié)構(gòu)之間的下一相鄰缺口的流體的百分比。

雖然圖1-5所示的有些實施方式包括兩個入口通道，但是額外的入口通道可以結(jié)合到微流體通道。在有些實施方式中，3個、4個或更多的入口通道可以將流體引入通過流體交換和慣性升力使顆粒移動的裝置區(qū)域中。例如，在一些實施方式中，可以有三個入口通道，一個輸送血液，一個輸送染色劑，還有一個輸送緩沖液流。使用此處公開的流體移動和慣性升力技術(shù)的結(jié)合，來自血流的白血球可以被移動到試劑流中，然后到緩沖液流中。

在一些實施方式中，此處描述的裝置可以與其他微流體模塊(舉例來說，包括用于過濾某些尺寸的顆粒子群的過濾器)一起用于操縱流體和/或顆粒。另外，此處描述的裝置可以在微流體系統(tǒng)內(nèi)串聯(lián)和/或并聯(lián)使用。

微流體裝置的設(shè)計參數(shù)

現(xiàn)將描述各種設(shè)計參數(shù)對微流體裝置的操作的影響。僅供參考，圖7是示意圖，其展示了典型的顆粒分選區(qū)域700的頂視圖，它包含幾排島狀結(jié)構(gòu)710，每排島與鄰排的島被對應(yīng)的內(nèi)部微流體通道703分開。另外，還有在島陣列的上方延伸的外部微流體通道705a和在島陣列下方延伸的外部微流體通道705b。流體流的主要方向由箭頭701表示。外部通道705a的寬度(沿著y向限定)沿著通道的長度擴大，而外部通道705b的寬度(沿著y向限定)沿著通道的長度收縮。為便于下面的討論，通道和島可以被理解為排列成分開的“單元”(見圖7中的單元1、單元2與單元3)。具體地說，圖7展示了具有兩個內(nèi)部通道和兩個外部通道的陣列的三個單元。

顆粒分選區(qū)域700的相關(guān)設(shè)計參數(shù)是單元長度、寬度和流體移動。在這里，寬度w是指內(nèi)部微流體通道703的尺寸，而長度l是指單元內(nèi)島狀結(jié)構(gòu)710的長度。內(nèi)部通道因而具有固定寬度w和流導(dǎo)(fluidicconductance)g。擴張通道具有寬度we,i和流導(dǎo)ge,i，其中i是指單元號。類似地，收縮通道具有寬度wc,i和流導(dǎo)gc,i，其中i是指單元號。流體移動f是內(nèi)部通道中的流量q在每個單元處在各排(通道)之間移動的分?jǐn)?shù)。內(nèi)部通道中的凈流量不變，因為在各單元處流量fq(f和q的乘積)移出這些通道(在島狀結(jié)構(gòu)之間的開口707處)，且流量fq移入這些通道(在島狀結(jié)構(gòu)之間的開口707處)。相比之下，外部通道705中的凈流量有變化。收縮通道705b中的凈流量在各單元處下降fq，而擴張通道705a中的凈流量在各單元處增加fq。因而，各單元的外部通道的寬度也可以調(diào)整到提供所需的跨越陣列的流體移動。

對于每個連續(xù)單元，擴張通道的流導(dǎo)增加fg(f和g的乘積)，而收縮通道的流導(dǎo)減少fg。變化的流導(dǎo)轉(zhuǎn)化為體積流率的成比例變化，因為每個單元的壓降p跨越單元中的所有通道近似相等，并且流率與流導(dǎo)的關(guān)系為q＝pg。因此，當(dāng)擴張通道(例如通道705a)的流導(dǎo)增加fg時，擴張通道中的流率增加fq。類似地，當(dāng)收縮通道(例如通道705b)的流導(dǎo)下降fg時，收縮通道中的流率增加fq。

陣列中每個通道的流導(dǎo)是其尺寸和流體粘度的函數(shù)。在圖7所示的陣列中，假定每個通道具有矩形的橫截面，因此具有由下式描述的流導(dǎo)：

在這里，η是流體粘度，l是通道長度，w是通道寬度，h是通道高度，而α＝h/w。也可以利用更精確的基于無窮級數(shù)的公式(tanyeri等，“amicrofluidic-basedhydrodynamictrap:designandimplementation(supplementarymaterial)”，芯片實驗室(2011))。計算模型或經(jīng)驗方法可用于確定更復(fù)雜的通道幾何結(jié)構(gòu)的流導(dǎo)。(注釋：在本說明書中更簡單的是關(guān)注流導(dǎo)g，而非流體阻力r。兩個量通過g＝1/r簡單地關(guān)聯(lián)。)

在內(nèi)部通道的流導(dǎo)確定之后，擴張通道的第i個單元的流導(dǎo)ge,i可以表示為

ge，i＝ifg

即，第一單元的流導(dǎo)是fg，且每個連續(xù)單元的流導(dǎo)增加fg。注意擴張通道的第i個單元中的流率qe,i與流導(dǎo)的關(guān)系為qe,i＝pge,i，且q＝pg，則擴張通道的第i個單元中的流率可以表示為

qe，i＝ifq

因而，第一單元中的流率是fq，且每個連續(xù)單元中的流率增加fq。

收縮通道第i個單元的流導(dǎo)gc,i可以表示為

gc，i＝2g-ifg

即，第一單元的流導(dǎo)是2g-fg，且每個連續(xù)單元的流導(dǎo)增加fg。注意收縮通道的第i個單元的流率qc,i與流導(dǎo)的關(guān)系為qc,i＝pgc,i，且q＝pg，則擴張通道的第i個單元中的流率可以表示為

qc，i＝2q-ifq

因而，第一單元中的流率是2q-fq，且每個連續(xù)單元中的流率增加fq。

選擇擴張通道的寬度we,i以給出所需的ge,i，選擇收縮通道的寬度wc,i以給出所需的gc,i。實際上，這些寬度可以通過(使用上述公式)評估寬范圍的通道寬度的流導(dǎo)然后插值求出給出所需的通道流導(dǎo)的通道寬度。

將擴張通道中的流量增加到q并將收縮通道中的流量減少到q所需的單元數(shù)目是n＝1/f。因此，在第n個單元中，所有通道中的流率相等：qe,n＝qc,n＝q。

在n個單元以后，陣列可以“重置”。例如，圖8是示意圖，其展示了顆粒分選區(qū)域800的一個例子的頂視圖，它類似于圖7所示的區(qū)域700，其中在n個上述單元的島狀結(jié)構(gòu)710之后，引入“重置”區(qū)域。在重置時，收縮通道705b和相鄰的內(nèi)部通道703結(jié)合以形成新的收縮通道709b，擴張通道705a變成內(nèi)部通道，并且引入新的擴張通道709a。

單元長度、寬度、移動、流速和顆粒尺寸是最能顯著地影響裝置性能的因素。簡單地說，每個因素的影響如下：

●單元長度決定慣性升力作用在顆粒上的距離(和時間)，從而決定顆粒在每個單元遷移的橫向距離。為了保留顆粒，單元必須足夠長，以讓顆粒逃離在島之間的下一個開口處將要移動的流體。

●流速也影響慣性升力的幅度和顆粒在每個單元遷移的橫向距離。每縱向距離的遷移(橫向)距離與流速近似成比例。為了保留顆粒，流速必須足夠快，以讓顆粒逃離在島之間的下一個開口處將要移動的流體。

●移動不直接影響顆粒遷移，而是決定顆粒必須遷移多遠(即跨越多少流體分?jǐn)?shù))以逃離將要在島之間的下一個開口處移動的流體。移動越大，顆粒必須遷移得越遠。

●單元寬度以兩種方式影響性能。第一，單元寬度(和高度)影響作用于顆粒的慣性升力的幅度，隨著單元寬度增加，力減小。第二，寬度將移動與顆粒必須遷移的距離相關(guān)聯(lián)。換句話說，對于給定的移動，單元寬度越大，顆粒必須遷移得越遠，以逃離將要在島之間的下一個開口處移動的流體。

●慣性升力的幅度強烈地取決于顆粒尺寸，隨著顆粒尺寸的增加，力急劇增加(d.dicarlo.，“inertialmicrofluidics”，芯片實驗室(2009))。因此，大顆粒比小顆粒在每一單元橫向遷移得更遠。正是遷移速度上的這一差異允許基于尺寸分選顆粒。

為了在通道之間交換流體，可以選擇上述因素，以確保所關(guān)心的顆粒被留在陣列的排中。對于基于尺寸的顆粒分選應(yīng)用，可以選擇上述因素，以便大顆粒的子群被留在排內(nèi)，而小顆粒的子群則不。

例如，下組參數(shù)可用于為血液減積(即從紅血球(rbcs)和血小板分離白血球(wbcs))：約200μm的單元長度，約50μm的單元寬度，約52μm的單元深度，約3.0％的移動，約80μl/min/排的流率(0.51m/s的平均流速)。這組參數(shù)對于分離白血球是十分有效的，其帶有極少量紅血球和血小板遺留。在此情況下，白血球是球形，直徑通常>8μm。紅血球是盤狀的，直徑約7μm，厚度約1.5μm(因此其期望的表現(xiàn)類似于中等尺寸的球體)。血小板是直徑3μm的盤狀。

島具有200μm的長度(即和單元長度一樣)和50μm的寬度。島的目的僅僅是隔離通道，以便在裝置內(nèi)形成合適的流動條件。因此，島的寬度不具有特殊的功能價值。島可以做得稍微窄些或?qū)捫?，而不會顯著影響裝置的性能。

但是島的寬度確會影響制造的難度。制造的難度主要取決于微流體裝置內(nèi)結(jié)構(gòu)的高寬比(高度除以寬度)，高寬比越小的裝置越易于以低成本和高產(chǎn)量制造。我們可以用兩種方式確定高寬比。最小的高寬比是結(jié)構(gòu)高度h除以最小的結(jié)構(gòu)寬度wmin?？偢邔挶仁墙Y(jié)構(gòu)高度h除以和結(jié)構(gòu)面積相同的圓的直徑d。在這里，d可以表示為其中a是結(jié)構(gòu)的面積。

因為上述例子中的島具有50μm的寬度和52μm的高度，因此它們具有1.04的最小高寬比和0.46的總高寬比。這允許簡單地制造模制的聚二甲基硅氧烷和環(huán)氧樹脂裝置以及注模的塑料裝置。因此，該裝置不僅從功能性的角度來說極其有用，而且從商業(yè)化的角度來說它也可從根本上縮放且具經(jīng)濟性。此外，上面列出的那組裝置參數(shù)可以改變，以分選其他尺寸的顆粒。

被設(shè)置成使給定尺寸的顆粒移動的微流體裝置在某些實施方式中可以被縮放到有效地使不同尺寸的顆粒移動。例如，對于使用慣性升力使顆?？缭搅黧w流線移動的裝置，可以根據(jù)顆粒尺寸縮放顆粒移動區(qū)域的尺寸，并改變流動條件，只要保持顆粒雷諾數(shù)的值rp。顆粒雷諾數(shù)可以表示為：

其中um是最大通道速度，a是粒徑，ν是流體的運動粘度以及dh是通道的水力直徑。對于具有寬度w和高度h的矩形橫截面的通道，dh可以表示為(2wh)/(w+h)，其中h是通道高度，w是通道寬度。例如，假定有一個移動區(qū)域1，它能使尺寸為a的顆粒有效地移動。設(shè)計能使尺寸2a的顆粒有效移動的移動區(qū)域2的一個方法是將移動區(qū)域1的所有尺寸放大1倍(即將所有特征的長度、寬度和高度都加倍)。為了在移動區(qū)域2中保持相同的rp，最大通道速度um必須減小到1/2。

根據(jù)顆粒尺寸縮放顆粒移動區(qū)域的尺寸和流動條件的其他方法也是可以的。

對于依靠慣性升力使顆粒跨越流線移動的帶有直通道的分選裝置，下面提供裝置設(shè)計和操作的指南：

首先，如在“inertialmicrofluidics”(dicarlo，芯片實驗室(9)，3038-3046，2009)(通過引用整體結(jié)合于本文中)中所述，橫向(跨越通道)顆粒速度uy與縱向(流體流動方向上)速度uz的比值與顆粒雷諾數(shù)rp成比例，并且可以表示為：

在這里，um是最大通道速度，a是顆粒直徑，ν是流體的運動粘度以及dh是通道的水力直徑。(對于具有寬度w和高度h的矩形橫截面的通道，dh＝(2wh)/(w+h)。)此處描述的顆粒分選裝置的目標(biāo)在某些實施方式中是使用慣性升力使顆?？缭搅骶€有效地移動(即使uy/uz最大化)。為此目的，建議通道尺寸和流動條件的選擇應(yīng)使顆粒通道中的顆粒雷諾數(shù)rp最大化到諸如操作壓力的其他實際約束條件所能允許的程度。在整個裝置中，顆粒通道中的顆粒雷諾數(shù)rp最好是大于約0.01，但是其可能遠大于此，可能大于100。rp約等于1是好的中間目標(biāo)。

對于給定的顆粒直徑a和運動粘度ν，目標(biāo)顆粒雷諾數(shù)rp可以通過通道尺寸和通道速度的多個不同的組合來實現(xiàn)。增大rp的一個可能策略是選擇(相對于a)非常小的水力直徑dh。但是，通道阻力與dh是四次函數(shù)關(guān)系，并且不必要地選擇小的dh的代價是極大地增加了操作壓力。相反，操作壓力隨著通道速度um線性縮放，因此一個好的備選策略是設(shè)計具有適度水力直徑dh的裝置，然后在操作時根據(jù)需要增加通道速度um(進而增加rp)，以獲得高的顆粒產(chǎn)量。對于具有方形橫截面即dh＝w＝h的通道，dh的值約為顆粒直徑a的五倍是一個合理的選擇：dh＝5a。

第二，島之間的開口的長度(縱向上)優(yōu)選，但非必須，大于約a且小于或等于約w。如果開口的長度小于a，則開口會被顆粒所阻塞，從而中斷通過開口的流動。長度約等于w的開口不太可能被顆粒阻塞，且在兩島之間為流體提供足夠的空間，以使之跨越到相鄰?fù)ǖ?。長度大于w的開口有效，只是沒有特別的好處，并且代價是浪費空間。

第三，島的長度l優(yōu)選大于或等于島之間開口的長度。因為當(dāng)顆?？拷鼚u而非在開口處行進時，顆粒受到慣性升力，所以顆粒應(yīng)當(dāng)靠著島而非跨越島之間的開口行進大部分縱向距離。換一種方式，如果島的長度和島之間的開口的長度相等，那么顆粒沿著它們行進的距離的正好50％受到慣性升力。另一方面，如果島的長度是開口長度的4倍，那么顆粒沿著它們行進距離的80％受到慣性升力。

島的長度l的寬松上限是讓顆粒遷移到平衡聚集位置所需的長度。超過使顆粒達到平衡所需的長度的任何額外通道長度無助于使顆?？缭搅骶€移動。顆粒達到平衡所需的通道長度lf的公式見于“inertialmicrofluidics”(dicarlo，芯片實驗室(9)，3038-3046，2009)，并且可以表示為：

這里μ是動態(tài)粘度，w是通道寬度，ρ是流體密度，um是最大通道速度，a是顆粒直徑，對于高寬比(h/w)從約2到0.5的通道，fl是從約0.02與0.05的無量綱常數(shù)。盡管lf提供上界，但它是寬松的上界，并超過島的最佳長度l。這是因為顆粒上的升力在通道壁附近非常強(與a⁶成比例)，但隨著離開壁的距離明顯下降(在通道中心附近與a³成比例)。因此，如果通過使用長度l明顯小于lf的島將顆粒保持在通道壁附近，那么分選裝置會使顆粒更有效地跨越流線移動。

給定這些條件，島長度合理的中間值約為l＝4w。這是近似值，它必然取決于其他參數(shù)所選擇的值，例如流體移動fs。

第四，流體移動fs應(yīng)該大于0.2％，且最好是大于1.0％。如果流體移動小，例如0.1％，那么使顆粒移動跨越分選陣列的寬度所需的總移動數(shù)(單元)則非常大，因此裝置本身一定很長。假定最大通道速度um高得足以將顆粒雷諾數(shù)rp定位在規(guī)定范圍內(nèi)，則應(yīng)該不需要極小的移動，例如0.1％。根據(jù)最大通道速度um，對于如此處概括的那樣設(shè)計和操作的裝置而言，在約1％至5％范圍內(nèi)的流體移動fs應(yīng)該表現(xiàn)良好。

對于任何給定的裝置設(shè)計和顆粒尺寸a，最終的參數(shù)選擇是裝置工作流率，它直接確定顆粒通道中的顆粒雷諾數(shù)rp和最大通道速度um。對于如概括的那樣設(shè)計的裝置而言，會存在提供良好性能的下端流速。低于這一流速閾值，慣性升力將不足以使顆粒移動得離島壁足夠遠，以避免隨著流體移動通過這些島，從而導(dǎo)致低的顆粒產(chǎn)量。盡管此處提供的公式允許大致估計流速閾值，但是確定流速閾值的最精確且最相關(guān)的方法是根據(jù)經(jīng)驗。

如果使用該分選裝置以根據(jù)尺寸分級顆粒(即有兩個或多個不同尺寸的顆粒群)，那么工作流率應(yīng)如此選擇，以便慣性升力足以讓大顆粒移動，而不讓小顆粒移動。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)此處描述的設(shè)計和操作參數(shù)指南適用于細胞分選裝置。但是，其他設(shè)計和優(yōu)化策略也可能導(dǎo)致有效的、高性能的顆粒分選裝置。

微流體裝置尺寸

對于通過微流體裝置輸送的大致球形的顆粒，其中微流體裝置具有至少兩個由島狀結(jié)構(gòu)陣列分開的通道，且相鄰島之間有缺口(例如見圖1)，每個微流體通道的深度(例如沿著圖1中的x方向測量)和寬度(例如沿著圖1中的y向測量)優(yōu)選在單個顆粒直徑的約2倍到約50倍的范圍內(nèi)。相對于形成有缺口(其中流體通過這些缺口被抽取)的剛性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的寬度可以高達單個微流體通道的寬度的約10倍，而結(jié)構(gòu)的長度可以在通道寬度的約0.25倍直到通道寬度的約50倍之間。

舉例來說，對于具有約8μm直徑的大致球狀的顆粒，類似于圖1所示的構(gòu)造的、具有由剛性結(jié)構(gòu)陣列分開的兩個微流體通道的微流體裝置可以具有下列參數(shù)：每個微流體通道和島狀結(jié)構(gòu)可以具有約50μm的深度，每個微流體通道可以具有約50μm的寬度，每個島狀結(jié)構(gòu)可以具有約50μm的寬度，每個島狀結(jié)構(gòu)可以具有約200μm的長度。

其他尺寸的例子闡述如下。

例如，包含不同流體流動范圍的區(qū)域的外壁之間的距離，即橫向于流體流動方向測量的，可以設(shè)置成在約1μm到約100mm之間(例如約10μm、約50μm、約100μm、約500μm、約1mm、約50mm、約10mm或者約50mm)。其他尺寸也是可能的。每個流體流動范圍的橫向于流體流動方向測量的寬度可以設(shè)置成在約1μm到約10mm之間(例如約50μm、約100μm、約250μm、約500μm、約750μm、約1mm或者約5mm)。其他距離也是可能的。

島狀結(jié)構(gòu)之間的缺口/開口的沿流體流動方向(例如沿著圖1中的z向)測量的長度可以設(shè)置成在約500nm到約1000μm之間(例如約1μm、約2μm、約54μm、約106μm、約50μm、約100μm、約200μm、約500μm、或者約750μm)。在某些實施方式中，每個連續(xù)的開口的長度大于或者小于上一個開口的長度。例如，在被設(shè)置成沿著流體路徑具有減小的流體阻力的通道中，每個連續(xù)的開口可以更大，以便有更多的流體經(jīng)過開口被抽取。分隔不同流體流動區(qū)域的島狀結(jié)構(gòu)可以被設(shè)置成具有介于約10nm到約1000μm之間的長度和介于約10nm到約1000μm之間的寬度。其他的缺口和島狀結(jié)構(gòu)尺寸也是可能的。

顆粒移動區(qū)域內(nèi)的流體流動區(qū)域和島狀結(jié)構(gòu)的高度(例如沿著圖1在x方向測量的)在約100nm到約10mm的范圍內(nèi)。例如，通道的高度可以為約500nm、約1μm、約5μm、約10μm、約50μm、約100μm、約500μm、約750μm、約1mm、或者約5mm。其他高度也是可能的。微流體流動區(qū)域具有的橫截面積可以落在例如約1μm²到約100mm²的范圍內(nèi)。

微流體系統(tǒng)

在某些實施方式中，此處描述的微流體裝置的顆粒移動區(qū)域是較大的可選的微流體系統(tǒng)的一部分，該微流體系統(tǒng)具有微流體通道網(wǎng)絡(luò)。這種微流體系統(tǒng)可用于促進控制、操作(例如分選、分離、偏析、混合、聚集、濃縮)以及將液體和/或顆粒與復(fù)雜的母體樣本分離。在分離過程中，微流體元件提供重要功能，例如，生物流體處理或者顆粒與樣本可重復(fù)混合。

例如，微流體系統(tǒng)可以包括使用不同于慣性升力的其他技術(shù)根據(jù)尺寸和/或形狀分選顆粒的額外區(qū)域。這些其他技術(shù)可以包括如決定性側(cè)位移。額外區(qū)域可以使用缺口網(wǎng)絡(luò)陣列，其中流過缺口的流體被不均勻地分到后續(xù)的缺口中。該陣列包括缺口網(wǎng)絡(luò)，該缺口網(wǎng)絡(luò)如此布置，以便流過缺口的流體被不均勻地分開，即使缺口的尺寸可能是相同的。與此處描述的用于基于慣性升力和流體抽取的組合分離顆粒的技術(shù)相比，決定性側(cè)向移動依賴于顆粒與形成缺口的立柱直接接觸時出現(xiàn)的碰撞。流體的流動相對于陣列的瞄準(zhǔn)線以小角度(流動角)排列。流體內(nèi)的流體尺寸大于臨界尺寸的顆粒沿著陣列的瞄準(zhǔn)線遷移，而流體尺寸小于臨界尺寸的顆粒沿不同方向跟隨流動。裝置內(nèi)的流動一般在層流條件下發(fā)生。在裝置中，不同形狀的顆粒可以表現(xiàn)得就像它們具有不同的尺寸。例如，淋巴細胞是直徑約5μm的球體，紅血球是直徑約7μm、厚約1.5μm的雙凹盤形。紅血球的長軸(直徑)大于淋巴細胞的長軸，但短軸(厚度)較小。如果當(dāng)紅血球被流動驅(qū)動穿過立柱陣列時，它們的長軸與該流動對齊，則它們的流體尺寸實際上是它們的厚度(約1.5μm)，該厚度小于淋巴細胞。當(dāng)紅血球由流體流動驅(qū)動穿過立柱陣列時，它往往使其長軸與流動對齊，并且表現(xiàn)就像約1.5μm寬的顆粒，這實際上“小”于淋巴細胞。因此決定性側(cè)位移的區(qū)域可以根據(jù)它們的形狀分離細胞，即使細胞的體積可能相同。另外，具有不同可變形性的顆粒表現(xiàn)得就像它們具有不同的尺寸一樣。例如，兩個具有未變形的形狀的顆?？梢杂蓻Q定性側(cè)位移分開，因為當(dāng)可變形性較大的顆粒接觸陣列中的障礙時，它可以變形并改變形狀。因此，可以根據(jù)影響水力尺寸的任何參數(shù)，包括顆粒的外形尺寸、形狀和可變形性，來實現(xiàn)裝置中的分離。

關(guān)于微流體通道網(wǎng)絡(luò)及其制造的附加信息可見于，例如，2011/0091987號美國專利申請公開、8,021,614號和8,186,913號美國專利，每一篇都通過引用被整體公開于本文中。

在某些實施方式中，微流體系統(tǒng)包括在將流體樣本引入顆粒移動區(qū)域之前用于制備攜帶顆粒的流體樣本的部件。例如，圖6a是示意圖，其展示了微流體系統(tǒng)600的一個例子的頂視圖，它包括與圖1所示的顆粒移動區(qū)域類似的顆粒移動區(qū)域601(標(biāo)記為“分選單元”)。其他構(gòu)造也可以用作顆粒移動區(qū)域，例如圖2-5所示的任一構(gòu)造。對于包括兩個或多個入口通道的構(gòu)造，系統(tǒng)600可以包括用于這些入口的一個或多個輔助流體源。

圖6b是示意性地展示顆粒分選區(qū)域601的放大圖。如該放大圖所示，區(qū)域601包括第一微流體通道650和沿著第一微流體通道650延伸的第二微流體通道652。第二和第一微流體通道被島狀結(jié)構(gòu)654的陣列彼此分開，其中陣列中的每個島與陣列中的相鄰島被缺口或者開口656分開，該缺口或開口將第一微流體通道650與第二微流體通道652流體結(jié)合在一起。區(qū)域601的流體阻力沿著區(qū)域601的縱向(例如沿流體傳播方向)變化，以便在第一微流體通道650中流動的流體通過開口656。慣性升力導(dǎo)致在第一微流體通道650內(nèi)在島狀結(jié)構(gòu)附近流動的顆粒越過流線，因此它們不隨流體進入第二微流體通道652。

系統(tǒng)600還包括位于顆粒移動區(qū)域601上游的過濾段603(標(biāo)記為“過濾器”)和顆粒聚集段605(標(biāo)記為“聚集通道”)。過濾段603包括多個不同尺寸的立柱結(jié)構(gòu)的布局。根據(jù)該結(jié)構(gòu)布局，過濾段603被設(shè)置成根據(jù)顆粒尺寸(例如平均直徑)過濾包含于進入流體中的顆粒，以便只有預(yù)定尺寸或者更小的顆粒能傳遞到系統(tǒng)600的下一級。例如，對于復(fù)雜基體，例如骨髓吸出物，過濾段603可設(shè)置成用于除去骨碎片和纖維蛋白凝塊，以提高下游的增強濃縮的效率。在一個典型布局中，過濾段603可以包括具有柱子尺寸和陣列偏移的立柱陣列，它被設(shè)計成能使大于某一尺寸的顆粒偏轉(zhuǎn)，從而將它們與主懸浮液分開。通常，尺寸限制根據(jù)可以通過系統(tǒng)600的后級的最大顆粒尺寸來確定。例如，過濾器603可設(shè)置成過濾/阻斷此種顆粒的通道，其中顆粒的平均直徑大于顆粒移動區(qū)域601中的通道的最小寬度的50％、60％、70％、80％或者90％。

過濾器段603被流體結(jié)合到顆粒聚集段605。顆粒聚集段605被配置成在顆粒被提供給顆粒移動區(qū)域601之前，將退出過濾器段603的顆粒預(yù)聚集到期望的流體流線位置。使顆粒預(yù)聚集的優(yōu)點在于它將顆粒跨越通道寬度的分布減小到狹窄的橫向范圍。然后顆粒的聚集線可以被復(fù)位，以便顆粒無意進入顆粒分選區(qū)域601內(nèi)的錯誤通道的概率被減小(例如避免顆粒進入第二微流體通道652而是進入第一微流體通道650)。使用慣性聚集技術(shù)可以實現(xiàn)預(yù)聚集。慣性聚集的更多細節(jié)可見于如8,186,913號美國專利，它通過引用被整體并入本文中。

一旦顆粒在顆粒移動區(qū)域601中已經(jīng)被分類，被分類的顆?？梢员唤Y(jié)合到微流體系統(tǒng)600的單獨處理區(qū)域，或者從系統(tǒng)600中移走，以進行額外的處理和/或分析。例如，顆粒移動區(qū)域601的第二通道被結(jié)合到第一出口607，而顆粒移動區(qū)域601的第二通道被結(jié)合到第二出口609。

外力

其他功能可以添加到微流體系統(tǒng)，以增強顆粒的聚集、濃縮、分離和/或混合。例如，在某些實施方式中，可以引入附加力，它導(dǎo)致顆粒流動的目標(biāo)明確的改進。附加力可以包括例如磁力，聲場力，重力/離心力，電場力和/或慣性力。

微流體裝置的制造

根據(jù)本公開制造微流體裝置的工藝闡述如下。首先提供基片層?；瑢涌梢园ɡ绮Ａ?、塑料或者硅片。使用例如熱或者電子束沉淀可以在基片層的表面上形成可選的薄膜層(例如二氧化硅)。基片和可選的薄膜層提供了可以在其上形成微流體區(qū)域的基礎(chǔ)?；暮穸瓤梢月湓诩s500μm到約10mm的范圍內(nèi)。例如，基片210的厚度可以為約600μm、750μm、900μm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、或者9mm。其他厚度也是可能的。

在提供基片層以后，在基片層上形成微流體通道。微流體通道包括顆粒移動區(qū)域的不同流體流動路徑，以及系統(tǒng)的其他微流體部件，包括任何過濾段、慣性聚集段和磁泳段。也可以使用用于微流體裝置的其他處理和分析部件的微流體通道。微流體通道和蓋子是通過將聚合物(例如聚二甲硅氧烷(pdms)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚碳酸酯(pc)或者環(huán)烯烴聚合物(cop))沉淀在限定流體通道區(qū)域的模具中而形成的。聚合物一旦熟化，就被轉(zhuǎn)移并結(jié)合到基片層的表面上。例如，聚二甲基硅氧烷首先可以被注入模具(例如用兩步光刻法(microchem)制造的su-8模具)，該模具限定了通道的微流體網(wǎng)絡(luò)。聚二甲基硅氧烷然后被熟化(例如在65℃下加熱約3小時)。在將固體聚二甲基硅氧烷結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到該裝置以前，基片層的表面用氧氣等離子體處理，以增強結(jié)合。作為替代，微流體通道和蓋子可以用玻璃或硅酮之類的其他材料制造。

應(yīng)用

此處描述的新的微流體技術(shù)和裝置可用于各種不同的應(yīng)用。

離心置換

此處公開的顆粒移動技術(shù)和裝置可用于離心置換。通常，離心被理解為包括通過施加離心力到流體而濃縮流體內(nèi)的子群。通常，本工藝需要具有活動部件的裝置，該活動部件易于磨損和斷裂。此外，活動部件需要復(fù)雜且昂貴的制造工藝。離心法的另一個問題是它是一種通常應(yīng)用在封閉系統(tǒng)中的工藝，即，離心法需要手動轉(zhuǎn)移樣本往返于離心器。

相比之下，目前公開的技術(shù)能夠使用相對簡單的微觀結(jié)構(gòu)而不需要活動部件即可顯著增加流體成分的濃縮。這類技術(shù)可以作為單開口微流體系統(tǒng)的一部分來實施，因此不需要手動干涉即可往返于顆粒移動區(qū)域轉(zhuǎn)移流體樣本。另外，顆粒移動可以擴展到需要大處理能力(即可以處理的流體的體積率)的裝置，且顆粒分離效率不會顯著退化。例如，此處公開的裝置可以設(shè)置成允許高達10、25、50、75、100、250、500、1000、5000或者10000μl/min的流體流動。其他流率也是可能的。例如，使用圖1中的裝置100作為例子，如果第二和第一微流體通道106、108具有約50μm的深度和約50μm的寬度，那么裝置100可以獲得高達約5ml/min的綜合樣本流率。改變通道尺寸可以改變裝置能達到的最大體積流率。另外或者作為備選，可以通過改變島狀結(jié)構(gòu)的長度來調(diào)節(jié)體積流率(見上述章節(jié)“微流體裝置的設(shè)計參數(shù)”)。此外，復(fù)用多通道(例如并行操作多個顆粒分選區(qū)域)可以允許甚至更高的流率。

在有些實施方式中，顆粒移動技術(shù)允許根據(jù)尺寸分離顆粒。例如，在包含兩種不同尺寸的顆粒的流體樣本中，根據(jù)本公開描述的顆粒分選區(qū)域可用于分離大顆粒與小顆粒(例如，通過虹吸作用使小顆粒從流體樣本進入到相鄰的微流體通道中，同時使用慣性升力將大顆粒保留在原微流體通道中)。在其他例子中，流體樣本可以包括三種或以上不同尺寸的顆粒，其中顆粒分選區(qū)域被設(shè)計成能根據(jù)它們的不同尺寸將顆粒分選到不同區(qū)域中。

因此，在某些實施方式中，顆粒移動技術(shù)相對于常規(guī)的離心工藝可以提供的優(yōu)點是顯著地節(jié)省成本和時間?？梢允褂梦⒘黧w代替離心裝置的應(yīng)用實例包括骨髓和尿液分析。

檢測傳染物

另外，此處公開的顆粒移動技術(shù)可以用作研究所關(guān)心的分析物(例如蛋白質(zhì)、細胞、細菌、病原體、和dna)的研究平臺的一部分，或者作為用于診斷病人的潛在疾病狀態(tài)或者傳染物的診斷化驗的一部分。通過分離并聚集流體樣本中的顆粒，此處描述的微流體裝置可用于測量許多不同的生物目標(biāo)，包括小分子、蛋白質(zhì)、核酸、病原體和癌細胞。進一步的例子描述如下。

稀有細胞檢測

此處描述的微流體裝置和方法可用于檢測稀有細胞，例如血樣中的循環(huán)腫瘤細胞(ctc)或者懷孕雌性的血樣中的胎兒細胞。例如，在血樣中可以加強原發(fā)腫瘤細胞或者ctcs的富集，以快速而全面地了解癌癥。將此處描述的顆粒偏轉(zhuǎn)技術(shù)與磁泳結(jié)合起來，可以檢測不同類型的細胞(例如心臟病的循環(huán)內(nèi)皮細胞)。因此，微流體裝置可以用作強大的診斷和預(yù)測工具。目標(biāo)和檢測細胞可以是癌細胞、干細胞、免疫細胞、白血球或者其他細胞，包括例如循環(huán)內(nèi)皮細胞(使用抗體于上皮細胞表面標(biāo)志，例如上皮細胞附著分子(epcam))或者循環(huán)腫瘤細胞(使用抗體于癌細胞表面標(biāo)志，例如黑素瘤細胞粘著分子(cd146))。該系統(tǒng)和方法也可用于檢測ctc群、小分子、蛋白質(zhì)、核酸或者病原體。

流體交換

此處描述的微流體裝置和方法可用于使細胞從一個載流流體移動到另一個載流流體。例如，所公開的顆粒移動技術(shù)可用于使細胞移動進出于包含例如藥物、抗體、細胞著色劑、磁性珠粒、防凍劑、賴氨酸試劑和/或其他分析物之類的試劑的流體流。

單顆粒移動區(qū)域可以包含多個平行的流體流(來自多個入口)，移動的細胞會通過它們。例如，白血球可以從血流移動到包含染色劑的液流，然后到緩沖劑流。

在生物處理和相關(guān)領(lǐng)域，所描述的裝置和技術(shù)可用于允許細胞從舊介質(zhì)(包含廢物)無菌、連續(xù)地轉(zhuǎn)移到新鮮的生長介質(zhì)中。類似地，胞外流體和細胞產(chǎn)品(例如抗體、蛋白質(zhì)、糖、類脂物、生物藥劑、酒精和各種化學(xué)品)可以以無菌、連續(xù)的方式從生物反應(yīng)器中抽出，同時細胞被留在生物反應(yīng)器內(nèi)。

分離和分析細胞

此處描述的微流體裝置和方法可用于根據(jù)例如尺寸之類的生物物理學(xué)性質(zhì)分級細胞。例如，該裝置和方法可用于將血液分級成單獨的血小板、紅血球和白血球流。在另一個例子中，該裝置和方法可用于將白血球分級成單獨的淋巴細胞、單核細胞和粒性白血球流。

可以通過將分級的細胞流輸送到單獨的流體出口來分離它們。作為替代，可以實時地檢測和分析細胞流(例如使用光學(xué)技術(shù))，以確定每股液流中細胞的數(shù)目或者每股液流中細胞的性質(zhì)，例如尺寸或者粒度。

這些技術(shù)可用于在分選之前或期間改變細胞或者它們的載流流體，以促進它們的分級和/或分析。例如，大的磁珠可以結(jié)合到特殊的細胞類型上，以增加該類細胞的有效尺寸。受控的細胞集合也可以用于增加細胞的有效尺寸。流體的溫度、密度、粘度、彈性、ph、滲透性和其他性質(zhì)可以改變，從而或者直接影響分選過程(例如慣性作用是粘度依賴型的)，或者通過改變細胞的性質(zhì)(例如滲透膨脹或者收縮)間接影響分選過程。

流體滅菌和凈化

此處描述的微流體裝置和方法可用于從流體中除去病原體、污染物和其他特殊污染物。通過讓污染物跨越流體流線移動，可以從流體樣本中除去污染物，并將其作為單獨的廢液流收集。

收集藻類作生物燃料

從生長介質(zhì)中收集藻類是生物燃料生產(chǎn)中的主要費用，因為藻類以中性浮力生長在非常稀的懸浮液中，這使得有效地抽取和富集藻類生物質(zhì)很困難。此處描述的微流體裝置和方法可以提供收集藻類的有效方式，該方式不依賴密度或過濾。描述的裝置和技術(shù)允許生長箱中的藻類被從生長介質(zhì)中抽取出來，并被富集到高容量密度。這可以作為單個步驟或者作為連續(xù)方法的一部分來進行。另外，因為此處描述的裝置可以以依賴尺寸的方式分選細胞，所以它們可以設(shè)計成僅分選和富集已經(jīng)達到成熟的較大藻類，而將不成熟的較小藻類返回到箱中。

微型換熱器

此處描述的裝置和方法可用于處理的不僅有液體流，還有氣態(tài)和多相流。所關(guān)心的一個典型應(yīng)用是在用于集成電路的高效換熱器中。微晶片中的大功率密度需要高效地移走廢熱。這種冷卻變得日益困難，因為微晶片堆疊在一起降低了總的表面和容積之比。熱從熱源傳遞到流動液體中的液體冷卻是一種用于增加微晶片冷卻速率的方法。這種冷卻在液體的沸點附近可以是特別有效的，因為在液氣轉(zhuǎn)化中吸收了相當(dāng)多的能量。但是，蒸氣(氣泡)積聚在換熱表面會急劇降低熱通量。此處描述的裝置和技術(shù)可用于從換熱表面清除氣泡，使液體的吸熱率最大化(通過相變)，同時使與蒸氣接觸的表面部分最小化。對于本應(yīng)用，分選模塊的一側(cè)會接觸微晶片熱源。當(dāng)流經(jīng)模塊的液體吸收熱量時，氣泡會形成在換熱表面上，然后一達到臨界尺寸就被清掃到該液流內(nèi)(通過流體拖拽)。然后分選陣列會引導(dǎo)這些氣泡跨越分選模塊并遠離換熱表面，從而使從微晶片到冷卻液的熱通量最大化。

實施例

本發(fā)明會在下面的例子中進一步描述，它們沒有限制在權(quán)利要求書中描述的發(fā)明的范圍。

實施例1：減積

減積是從血液和其他混合流體(例如骨髓吸出物(bma))中相對于有核細胞(例如白血球(wbcs))除去血漿、紅血球(rbcs)、血小板和其他小的成分(例如磁性珠粒)。這通常通過密度離心法實現(xiàn)，該方法將血液按密度分層。但是，在下面的例子中，我們描述了分選裝置的使用，它依賴于慣性升力為血液減積。

裝置制造

為了制造微流體裝置，標(biāo)準(zhǔn)的su8光刻法和軟刻蝕技術(shù)分別用于制造主摸和pdms微通道。簡單地說，陰性光阻材料su8-50(馬薩諸塞州microchemcorp)以2850轉(zhuǎn)/分鐘旋轉(zhuǎn)到約50μm的厚度，通過限定了通道的微流體網(wǎng)絡(luò)的聚酯乳劑印刷的光掩膜(科羅拉多州finelineimaging)暴露于紫外光，然后在bts-220su8-顯影劑(新澤西州j.t.baker)中顯影以形成凸紋模具。然后將sylgard184彈性體基質(zhì)和熟化劑(密歇根州dowcorning)的10:1的混合物澆注到凸紋模具上，允許它在烘箱中在65℃下熟化8小時，然后將它從su8主模中除去，形成具有圖形化通道的微流體裝置蓋。通道的入口和出口孔是用常規(guī)的尖針頭沖出的。然后用低殘余膠帶清除裝置中的微粒和氧等離子體結(jié)合到預(yù)清潔的1mm厚的顯微鏡載玻片上。

裝置具有下列參數(shù)：200μm的單元長度，50μm的單元寬度，52μm的單元深度(根據(jù)上面針對圖7所討論的單元長度設(shè)計)。島狀結(jié)構(gòu)具有200μm的長度(即和單元長度相同)和50μm的寬度。

樣本制備

減積裝置的性能是通過大量(n＝63)獨立實驗評估的。在每個實驗中，≥2ml的帶有edta或者acd抗凝劑的新鮮全血用帶有1％的f68普郎尼克的磷酸鹽緩沖鹽水(pbs)(1x)進行1：1稀釋。

實驗步驟和結(jié)果

對于每個流程，血樣用以60μl/min操作的注射泵打入到裝置中。緩沖劑共流(磷酸鹽緩沖鹽水(1x)及1％的f68普郎尼克)用以272μl/min操作的注射泵打入裝置中。輸入物、產(chǎn)品和廢品的成分使用血液學(xué)分析器(sysmexkx21n)分析。在產(chǎn)品和廢品上也使用neubaur和nageotte腔室進行手工計數(shù)，以確保以低濃度存在的細胞類型(特別是廢品中的白血球以及產(chǎn)品中的紅血球和血小板)的數(shù)據(jù)精確。

來自實驗的數(shù)據(jù)概括于圖9a-9d中。中位數(shù)白血球得率是85.9％，而中位數(shù)中性粒細胞得率是93.4％。中性粒細胞得率稍微高于總的白血球得率，這與中性粒細胞是實際尺寸最大的白血球亞群這一事實相一致。產(chǎn)品的純度很好。紅血球的中位數(shù)攜帶率(即最終位于產(chǎn)品中的輸入紅血球的百分比)只有0.0054％，血小板的中位數(shù)攜帶率只有0.027％，表明只有非常少的紅血球和血小板留在與白血球和中性粒細胞所在的相同流體流中。與微流體分級的其他方法相比，此處提出的方法對裝置中的流速敏感。這是因為慣性升力強烈取決于流速。在陣列中，相關(guān)的流率是每排的流率。

還進行了額外的實驗，其中改變流率以評估其對減積的影響。圖10a-10b顯示了白血球得率對每排流率的曲線。在低流率下(<10μl/min)，慣性升力太弱，不足以將白血球從移動的流體流中移出，因此得率約為0％。當(dāng)流速朝著60μl/min增加時，慣性升力增加，更大比例的白血球逃離移動的流體流，從而到達產(chǎn)品，增加得率。在最高流速下(>60μl/min)，慣性升力大得足以讓大多數(shù)白血球跨越陣列導(dǎo)入產(chǎn)品，白血球得率穩(wěn)定于約85％。僅供參考，圖9的減積實驗中每排的流率為80μl/min。

白血球得率對流率的高度依賴表明可以通過調(diào)節(jié)每排的流率控制分級尺寸閾值。對于給定的任何流率，顆粒上的慣性升力取決于其尺寸。因此，我們會希望對于較大細胞(或者白血球群內(nèi)的大細胞亞群)，圖10a-10b所示的曲線會左移，而對于較小細胞(或者白血球群內(nèi)的小細胞亞群)，該曲線會右移。在每排流率大得足以使大細胞(例如中性粒細胞)跨越陣列移動但又不足以讓小細胞(例如淋巴細胞)跨越陣列移動下操作可能是一種高純度地分離特殊細胞亞群的方式。

實施例2：評估顆粒尺寸、流體流率和流體移動的影響

設(shè)計和工藝因子對裝置性能的影響可以用兩個實驗來說明。第一個實驗使用熒光珠來展示顆粒尺寸和每排流率對得率的影響，第二個實驗使用白血球(wbcs)來顯示移動對得率的影響。用于該實驗的裝置根據(jù)與上面在實施例1中所說的方法相同的方法制造。

對于第一個實驗，跨越每排流率的范圍使用幾個不同尺寸的熒光珠。每個珠的尺寸獨立測試。在每種情況下，包含懸浮于緩沖劑(磷酸鹽緩沖鹽水(1x)與1％的f68普郎尼克)中的珠子在內(nèi)的樣本與緩沖劑流一起進入裝置。

圖11顯示了不同流率下不同尺寸的熒光珠的得率。選擇總流率(樣本+緩沖劑)以給出所示的每排流率，然后選擇樣本和緩沖劑的相對輸入流率，以便18％的總輸入流是樣本。在裝置的端部，已經(jīng)向下遷移的顆粒通過產(chǎn)品通道退出裝置，并被收集在管瓶中。留在陣列頂部的顆粒通過廢品通道退出裝置，并被收集在單獨的管瓶中。產(chǎn)品和廢品管瓶的容積通過質(zhì)量來測量，顆粒的富集使用標(biāo)準(zhǔn)的neubauer和nageotte計數(shù)室來確定。相對得率按產(chǎn)品中輸出珠子的分?jǐn)?shù)來計算。

在結(jié)果數(shù)據(jù)中有些趨勢很突出。首先，對于任何給定的珠子尺寸，得率隨流率增加。這是因為慣性升力隨流速增加。第二，對于任何給定的流率，得率隨珠子的尺寸增加。這是因為慣性升力隨顆粒尺寸急劇增加。以80μl/min/排為例，對于20μm和10μm的珠子，得率是100％。然后對8μm的珠子，這降到68％，對7μm的珠子為1％，而對6μm的珠子為0％。第三，對于任何給定的裝置，每排流率提供了微調(diào)臨界顆粒尺寸的方式。例如，為了將10μm的顆粒與≤7μm的顆粒分開，80μl/min是理想的每排流率。為了將8μm的顆粒與≤6μm的顆粒分開，150μl/min是理想的每排流率。

在第二實驗中，評估流體移動對白血球得率的影響。白血球使用羥乙基淀粉沉積法來隔離。特別的是，1ml6％羥乙基淀粉(stemcelltechnologieshetasep)被加到10ml新鮮全血中，混合，然后留下來沉淀30分鐘。然后用吸液管吸出白血球富集(且紅血球耗盡)的頂層。該樣本被引入6個不同的裝置之一，每個裝置具有不同的移動(2.5％、3.0％、3.2％、3.4％、3.6％、或者4.0％)和如上所述的尺寸。在每種情況下，樣本隨緩沖劑流一起進入裝置。選擇總流率(樣本+緩沖劑)以給定80μl/min的每排流率，然后選擇樣本和緩沖劑的相對輸入流率，以便有18％的總輸入流是樣本。在裝置的端部，已經(jīng)向下(跨越陣列)遷移的白血球通過產(chǎn)品通道退出裝置，并被收集在管瓶中。留在陣列頂部的白血球通過廢品通道退出裝置，并被收集在一單獨的管瓶中。產(chǎn)品和廢品管瓶的容積通過質(zhì)量來測量，并且白血球的富集使用標(biāo)準(zhǔn)的neubauer和nageotte計數(shù)室來確定。相對得率按產(chǎn)品中輸出白血球的分?jǐn)?shù)來計算。

圖12是顯示白血球得率對流體移動的函數(shù)關(guān)系的曲線圖。從2.5％的移動到3.2％的移動，得率從96％降到93％。移動超過3.2％，得率下降變陡，在4.0％的移動處降到71％。這表明對于測試的較小移動，白血球因慣性升力導(dǎo)致的遷移大得足以讓基本上所有的白血球逃離在島之間移動的流體。但是，對于較大的移動，有些白血球，假定是較小的白血球，不能逃離在島之間移動的流體，從而留在廢品中。

多路復(fù)用裝置

在有些實施方式中，島陣列，例如此處描述的島陣列，可以被多路復(fù)用，以產(chǎn)生處理能力很高的裝置，因為每個陣列的基底面很小。圖13是標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡載片(25mmx75mm)的圖像，它容納46個并行操作且排列成23個復(fù)式結(jié)構(gòu)的陣列。多路復(fù)用陣列能讓血樣綜合處理能力高達約1.4ml/min。

其他實施方式

不難理解盡管本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合其詳細說明作了描述，但是上述說明意在闡明而非限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明由所附的權(quán)利要求書的范圍來限定。