相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求2014年11月3日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)62/074,213和2014年11月3日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)62/074,315的優(yōu)先權(quán)，每個(gè)申請(qǐng)都通過引用被整體結(jié)合到本文中。

本公開涉及在微流體裝置中對(duì)顆粒的聯(lián)合分選和濃縮(或反之亦然)。

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(dòng)部件。

在某些情況下，微觀尺度的技術(shù)相對(duì)于宏觀尺度的技術(shù)提供的優(yōu)點(diǎn)在于，尺度的降低允許使用獨(dú)特的流體動(dòng)力效應(yīng)進(jìn)行顆粒分選和過濾，從而消除對(duì)具有復(fù)雜活動(dòng)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(jìn)行分選和過濾的便攜式裝置成為可能。然而，典型的微觀尺度分選和過濾裝置可能會(huì)受到在規(guī)定時(shí)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(shí)現(xiàn)要素：

本公開至少部分地基于以下發(fā)現(xiàn)：如果仔細(xì)控制微流體裝置的幾何形狀和尺寸，則不僅可以在不同流體樣品之間轉(zhuǎn)移顆粒，而且可以顯著改變特定流體樣品中的顆粒濃度。特別地，公開的微流體裝置采用兩個(gè)單獨(dú)的微流體模塊，其例如集成在單個(gè)基片或基底上，其中一個(gè)模塊基于慣性升力和流體移動(dòng)的組合使用島結(jié)構(gòu)的陣列來處理源流體樣品(例如，將顆粒從源流體轉(zhuǎn)移到分開的第二流體)，和其中第二模塊也使用與慣性會(huì)聚結(jié)合的流體移動(dòng)以增強(qiáng)或增加顆粒(例如轉(zhuǎn)移到第二流體樣品的顆粒)的濃度。通過平行放置多個(gè)每種類型的模塊，可以獲得超高吞吐量的微流體裝置。模塊可以以任何順序布置，例如，各種模塊可以以任何順序連續(xù)地和/或平行地布置。

一般地，在一個(gè)方面中，本公開的主題可以體現(xiàn)在一種微流體裝置中，該微流體裝置包括：第一流體樣品輸入口；流體樣品輸入口；在第一基底中的流體交換模塊，流體交換模塊包括對(duì)應(yīng)的第一微流體通道和在第一微流體通道中的島結(jié)構(gòu)的第一陣列，島結(jié)構(gòu)的第一陣列布置成沿著第一微流體通道的縱向方向延伸的一個(gè)或多個(gè)排，一排中的每個(gè)島結(jié)構(gòu)與該排中的相鄰島結(jié)構(gòu)間隔開以形成開口，其中每個(gè)流體交換模塊中的島結(jié)構(gòu)的第一陣列配置和布置成使部分流體移動(dòng)通過一排內(nèi)的相鄰島結(jié)構(gòu)之間的開口；和在第二基底中的顆粒濃縮模塊，顆粒濃縮模塊包括對(duì)應(yīng)的第二微流體通道和島結(jié)構(gòu)的第二陣列，第二陣列中的每個(gè)島結(jié)構(gòu)與相鄰島結(jié)構(gòu)間隔開以形成開口，其中每個(gè)顆粒濃縮模塊中的第二陣列島結(jié)構(gòu)配置和布置成使部分產(chǎn)品流體通過第二陣列中的相鄰島結(jié)構(gòu)之間的開口朝向島結(jié)構(gòu)的第二陣列的第一側(cè)移動(dòng)，并且使包含在產(chǎn)品流體內(nèi)的顆粒沿著島結(jié)構(gòu)的第二陣列的第二相對(duì)側(cè)上的一個(gè)或多個(gè)流線會(huì)聚。

裝置的實(shí)現(xiàn)可以具有以下一個(gè)或多個(gè)特征。例如，在一些實(shí)施方案中，流體交換模塊的第一微流體通道的輸出部流體地耦聯(lián)到顆粒濃縮模塊的第二微流體通道的輸入部。流體交換模塊可布置成在第一微流體通道中接收來自第一流體樣品輸入口的第一流體樣品以及來自第二流體樣品輸入口的第二流體樣品。

在一些實(shí)施方案中，顆粒濃縮模塊的第二微流體通道的輸出部流體地耦聯(lián)到流體交換模塊的第一微流體通道的輸入部。顆粒濃縮模塊可以布置成在第二微流體通道中接收來自第一流體樣品輸入口的第一流體樣品，并且其中流體交換模塊布置成在第一微流體通道中接收來自第二流體樣品輸入口的第二流體樣品。

在一些實(shí)施方案中，第一基底和第二基底是相同的基底。

在一些實(shí)施方案中，每個(gè)流體交換模塊中的島結(jié)構(gòu)的第一陣列配置和布置成由于開口另一邊減小的流體阻力而使部分流體移動(dòng)通過一排內(nèi)的相鄰島結(jié)構(gòu)之間的開口，并且其中每個(gè)顆粒濃縮模塊中的第二陣列島結(jié)構(gòu)配置和布置成由于開口另一邊減小的流體阻力而使部分產(chǎn)品流體通過第二陣列中的相鄰島結(jié)構(gòu)之間的開口朝向島結(jié)構(gòu)的第二陣列的第一側(cè)移動(dòng)。

在一些實(shí)施方案中，對(duì)于流體交換模塊，第一微流體通道的第一壁和島結(jié)構(gòu)的第一陣列之間的距離沿著第一微流體通道的縱向方向逐漸增加。對(duì)于流體交換模塊，第一微流體通道的第二壁和島結(jié)構(gòu)的第一陣列之間的距離可以沿著所述微流體通道的縱向方向逐漸減小。

在一些實(shí)施方案中，對(duì)于顆粒濃縮模塊，第二微流體通道的第一壁和島結(jié)構(gòu)的第二陣列之間的距離沿著第二微流體通道的縱向方向逐漸增加。對(duì)于顆粒濃縮模塊，島結(jié)構(gòu)的第二陣列和第二微流體通道的第二壁可以布置和配置成在第二陣列的島結(jié)構(gòu)和第二壁之間限定沿著第二微流體通道的縱向方向的波狀流體路徑。第二壁的曲率可以在高曲率區(qū)域和低曲率區(qū)域之間交替。島結(jié)構(gòu)的第二陣列內(nèi)的每個(gè)島結(jié)構(gòu)可以包括三棱柱。

在一些實(shí)施方案中，該裝置包括：平行布置的多個(gè)流體交換模塊；和平行布置的多個(gè)顆粒濃縮模塊。

在一些實(shí)施方案中，微流體裝置包括過濾器，過濾器流體地耦聯(lián)到第一流體樣品輸入口并且流體地耦聯(lián)到布置在過濾器下游的流體交換模塊或顆粒濃縮模塊，其中每個(gè)過濾器都包括柱結(jié)構(gòu)的陣列。

在一些實(shí)施方案中，微流體裝置包括過濾器，過濾器流體地耦聯(lián)到流體交換模塊或顆粒濃縮模塊中布置在過濾器上游的一個(gè)，并且流體地耦聯(lián)到流體交換模塊或顆粒濃縮模塊中布置在過濾器下游的另一個(gè)，其中過濾器包括柱結(jié)構(gòu)的陣列。

在一些實(shí)施方案中，微流體裝置包括慣性濃縮器，慣性濃縮器流體地耦聯(lián)到布置在慣性濃縮器上游的流體交換模塊或顆粒濃縮模塊，并且流體地耦聯(lián)到流體交換模塊或顆粒濃縮模塊中布置在慣性濃縮器下游的另一個(gè)，其中慣性濃縮器包括第三微流體通道，其具有橫向于第三微流體通道的縱向方向的橫截面，和其中所述橫截面的尺寸沿著第三微流體通道的縱向方向周期性地增加和減小。

在另一方面中，本公開的主題可以體現(xiàn)在從第一流體樣品提取和濃縮顆粒的方法中，該方法包括：將第一流體樣品提供給微流體裝置的流體交換模塊；將第二流體樣品提供給微流體裝置的流體交換模塊，流體交換模塊包括對(duì)應(yīng)的第一微流體通道和在第一微流體通道中的島結(jié)構(gòu)的第一陣列，島結(jié)構(gòu)的第一陣列布置成沿著第一微流體通道的縱向方向延伸的一個(gè)或多個(gè)排，一排中的每個(gè)島結(jié)構(gòu)與該排中的相鄰島結(jié)構(gòu)間隔開以形成開口，其中在使得第一流體樣品的無顆粒部分移動(dòng)通過一排內(nèi)的相鄰島結(jié)構(gòu)之間的開口，并且慣性升力使第一流體樣品中的顆?？缭搅骶€并轉(zhuǎn)移到第二流體樣品中的條件下，將第一流體樣品和第二流體樣品提供給流體交換模塊；使包含轉(zhuǎn)移的顆粒的第二流體樣品從流體交換模塊進(jìn)入顆粒濃縮模塊，顆粒濃縮模塊包括對(duì)應(yīng)的第二微流體通道和成排布置的島結(jié)構(gòu)的第二陣列，第二陣列中的每個(gè)島結(jié)構(gòu)與該排中的相鄰島結(jié)構(gòu)間隔開以形成開口，其中在使得第二流體樣品的無顆粒部分移動(dòng)通過第二微流體通道內(nèi)的相鄰島結(jié)構(gòu)之間的開口，并且使得第二流體樣品內(nèi)的顆粒會(huì)聚到顆粒濃縮模塊的慣性會(huì)聚段內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)流線的條件下，將包含轉(zhuǎn)移的顆粒的第二流體樣品提供給顆粒濃縮模塊。

該方法的實(shí)施可以具有以下一個(gè)或多個(gè)特征。例如，在一些實(shí)施方案中，第一流體樣品是全血，并且第二流體樣品是緩沖劑溶液。

在一些實(shí)施方案中，顆粒是白細(xì)胞，白細(xì)胞可以是嗜中性粒細(xì)胞。

在一些實(shí)施方案中，該方法還包括在將第一流體樣品提供給流體交換模塊之前過濾第一流體樣品。

在一些實(shí)施方案中，該方法還包括：使包含轉(zhuǎn)移的顆粒的第二流體樣品從流體交換模塊進(jìn)入過濾器；和在使第二流體樣品進(jìn)入顆粒濃縮模塊之前在過濾器中過濾第二流體樣品。

在一些實(shí)施方案中，該方法還包括對(duì)于從流體交換模塊輸出的第二流體樣品，在使包含轉(zhuǎn)移的顆粒的第二流體樣品進(jìn)入顆粒濃縮模塊之前，使顆粒會(huì)聚到第三微流體通道中的第二流體樣品內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)流線，其中對(duì)于第二流體樣品，使在第三微流體通道的輸出部處的一個(gè)或多個(gè)流線與顆粒濃縮模塊的慣性會(huì)聚側(cè)對(duì)齊。

在一些實(shí)施方案中，該方法還包括在顆粒濃縮模塊的輸出部處獲得第二流體樣品的一部分，該部分所包含的顆粒濃度相對(duì)于在到顆粒濃縮模塊的輸入部處的第二流體樣品中的顆粒濃度更高。在顆粒濃縮模塊的輸出部處的第二流體樣品內(nèi)的顆粒濃度可以比在顆粒濃縮模塊的輸入部處的第二流體樣品內(nèi)的顆粒濃度多10倍至100倍。

本文描述的主題的實(shí)現(xiàn)提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，在一些實(shí)施方案中，本文描述的微流體系統(tǒng)和方法可用于分離連續(xù)流動(dòng)的流體中的顆粒，增加連續(xù)流動(dòng)的流體中的顆粒濃度，而不需要離心，和/或獲得具有低顆粒濃度的凈化流體樣品。在一些實(shí)施方案中，本文描述的微流體系統(tǒng)和方法可用于將顆粒從一種流體移動(dòng)到另一種流體，例如從全血移動(dòng)到緩沖劑溶液。本文描述的連續(xù)流微流體技術(shù)利用可以實(shí)施到各種床旁檢測(cè)裝置中的便宜且簡(jiǎn)單的儀器提供了高容量和吞吐量，相當(dāng)大且可調(diào)的流體體積減小量，以及高的顆粒產(chǎn)率。特別地，目前描述的技術(shù)提供了優(yōu)于現(xiàn)有離心技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)，特別是在離心的尺寸和費(fèi)用使其使用受限的應(yīng)用中。在一些實(shí)施方案中，目前描述的技術(shù)還提供了改進(jìn)的處理和與其它微流體模塊的簡(jiǎn)單集成。對(duì)于臨床應(yīng)用，本文描述的系統(tǒng)既可以配置為自足的也可以配置為一次性的。相反，對(duì)于生物處理/工業(yè)應(yīng)用，裝置可以配置為用于連續(xù)流/處理。

為了本公開的目的，“樣品”(有時(shí)稱為“流體”或“流體樣品”)能夠流過微流體通道。樣品可以包括流體懸浮液或可以變?yōu)榱黧w懸浮液形式，并且可流過或被驅(qū)動(dòng)通過微流體通道的任何樣品中的一種或多種。

為了本公開的目的，流體可以包括任何類型的流體，例如液體或氣體。流體可以包括工業(yè)流體、環(huán)境流體或其它實(shí)體使用的流體，所述實(shí)體將顆粒分散在這種流體中以便進(jìn)行工業(yè)或其它類型的處理。例如，流體可以包括油或水溶液。流體可以包括生物流體，例如全血、血漿、血沉棕黃層、腦脊髓液、骨髓穿刺液、腹膜液、肺泡液、腹水、尿液或其它體液。包含在流體中的顆?？梢园ㄉ镱w粒，例如循環(huán)腫瘤細(xì)胞、紅細(xì)胞、白細(xì)胞、骨髓細(xì)胞、細(xì)菌、真菌、病毒、藻類、任何原核或真核細(xì)胞、精子、卵子、細(xì)胞器、外泌體、或者天然存在或被人工引入到流體中的其它類型的生物顆粒。顆?？梢园ㄒ旱?、氣泡、污染物、沉淀物、有機(jī)和無機(jī)顆粒、珠、珠標(biāo)記的分析物、磁珠和/或磁性標(biāo)記的分析物。

為了本公開的目的，術(shù)語通道是指流體可以在其中流動(dòng)的結(jié)構(gòu)。

為了本公開的目的，術(shù)語微流體系統(tǒng)是指通常具有至少一個(gè)在約10nm至約5mm范圍內(nèi)的橫截面尺寸的流體系統(tǒng)、裝置、通道或室。

為了本公開的目的，術(shù)語間隙或開口是指流體或顆粒可以在其中流動(dòng)的區(qū)域。例如，間隙或開口可以是流體流過的在兩個(gè)障礙物之間的空間。

為了本公開的目的，術(shù)語剛性島結(jié)構(gòu)是指顆粒通常不能透過的物理結(jié)構(gòu)。

為了本公開的目的，術(shù)語體積減小意味著處理細(xì)胞/顆粒的懸浮液以使得該方法的產(chǎn)品具有比輸入更高的細(xì)胞/顆粒的濃度(和因而更小的體積)。

為了本公開的目的，術(shù)語無顆粒層被理解為基本上不含一種或多種不同類型的顆粒的在微流體裝置內(nèi)連續(xù)流動(dòng)的流體樣品的細(xì)長(zhǎng)區(qū)域。

為了本公開的目的，術(shù)語絕對(duì)顆粒產(chǎn)率被理解為是指產(chǎn)品中的總顆粒數(shù)除以輸入中的總顆粒數(shù)。

為了本公開的目的，術(shù)語相對(duì)產(chǎn)率被理解為是指產(chǎn)品中的總顆粒數(shù)除以輸出(即產(chǎn)品加上廢物)中的總顆粒數(shù)。

為了本公開的目的，術(shù)語長(zhǎng)度分?jǐn)?shù)被理解為是指該流中由顆粒占據(jù)的分?jǐn)?shù)(與顆粒之間的空間相對(duì)比)。

為了本公開的目的，術(shù)語流體阻力是指跨過通道(例如，微流體通道)的壓降與通過通道的流體流率之比。

樣品中的顆?？梢跃哂性试S其在微流體通道內(nèi)被排序和會(huì)聚的任何尺寸。例如，顆粒具有的平均流體動(dòng)力學(xué)尺寸可以在1μm至100μm之間。顆粒尺寸僅受通道幾何尺寸限制；因此，可以使用大于和小于上述顆粒并且利用微通道會(huì)聚的顆粒。顆粒(例如細(xì)胞，卵，細(xì)菌，真菌，病毒，藻類，任何原核或真核細(xì)胞，細(xì)胞器，外泌體，液滴，氣泡，污染物，沉淀物，有機(jī)和無機(jī)顆粒，磁珠和/或磁性標(biāo)記分析物)的尺寸，例如平均流體動(dòng)力學(xué)顆粒尺寸或平均直徑，可以利用本領(lǐng)域中熟知的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)來確定。

在一些實(shí)施方案中，流體內(nèi)的多個(gè)顆?？梢匝亓黧w的流線會(huì)聚。

在一些實(shí)施方案中，可以通過改變流過恒定橫截面通道的攜帶懸浮顆粒的流體的流率來實(shí)現(xiàn)顆粒向流線的慣性會(huì)聚(有時(shí)被稱為“定位”)。在一些實(shí)施方案中，可以通過減小顆粒通量通過的通道的橫截面的面積來實(shí)現(xiàn)會(huì)聚。顆?？梢远ㄎ辉诰哂欣珙w粒寬度的1.05,2,3,4或5倍的寬度的區(qū)域內(nèi)。定位可以發(fā)生在通道內(nèi)的任何位置，例如在通道的無障礙部分。定位可以發(fā)生在通道的具有小于50％，40％，30％，20％，10％，5％，2％，1％或0.1％的橫截面積減小的部分中。

除非另有定義，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同的含義。雖然在本發(fā)明的實(shí)踐或測(cè)試中可以使用與本文中描述的類似或等同的方法、材料和裝置，但會(huì)在下面描述合適的方法、材料和裝置。本文提及的所有出版物、專利申請(qǐng)、專利和其它參考文獻(xiàn)通過引用的方式整體并入本文。在發(fā)生沖突的情況下，以本說明書(包括定義)為準(zhǔn)。此外，材料、方法和例子僅是說明性的而不是限制性的。

一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)在附圖和下面的描述中闡述。根據(jù)下面的描述、附圖和權(quán)利要求，其它特征、對(duì)象將是顯而易見的。

附圖說明

圖1是根據(jù)本公開的代表性微流體裝置的總體結(jié)構(gòu)的俯視圖。

圖2是示意圖，其示出了圖1中所示裝置的流體樣品接收段、流體樣品過濾段和緩沖劑樣品接收段的一部分的俯視圖。

圖3是示意圖，其示出了圖1中所示裝置的流體交換模塊的一部分的俯視圖。

圖4是示意圖，其示出了圖3中所示的流體交換模塊的產(chǎn)品接收器和廢物接收器兩者的俯視圖。

圖5是示意圖，其示出了圖1中所示裝置的顆粒濃縮模塊的入口部的俯視圖。

圖6是示意圖，其示出了圖1中所示裝置的顆粒濃縮模塊的俯視圖。

圖7是示意圖，其示出了圖1中所示裝置的顆粒濃縮模塊的俯視圖。

圖8是示意圖，其示出了圖7中所示的顆粒濃縮模塊的廢物段和產(chǎn)品輸出段的俯視圖。

圖9是示意圖，其示出了根據(jù)本公開的微流體裝置的概括性橫截面。

圖10是示意圖，其示出了包括根據(jù)本公開的裝置的微流體基片的俯視圖。

圖11是示意圖，其示出了激光焊接到基底的接口層的俯視圖，所述基底包含根據(jù)本公開的微流體裝置。

圖12是根據(jù)本公開的微流體裝置的不同組實(shí)驗(yàn)的白細(xì)胞相對(duì)產(chǎn)率分布和白細(xì)胞絕對(duì)產(chǎn)率分布的一系列(圖12a，12b)圖。

圖13是根據(jù)本公開的微流體裝置的不同組實(shí)驗(yàn)的在流體交換器模塊(“分級(jí)器”)之后的白細(xì)胞相對(duì)產(chǎn)率和在顆粒濃縮模塊之后的白細(xì)胞相對(duì)產(chǎn)率的一系列(圖13a，13b)圖。

圖14是根據(jù)本公開的微流體裝置的不同組實(shí)驗(yàn)的相對(duì)嗜中性粒細(xì)胞產(chǎn)率和絕對(duì)嗜中性粒細(xì)胞產(chǎn)率的一系列(圖14a，14b)圖。

圖15示出了根據(jù)本公開的微流體裝置的不同組實(shí)驗(yàn)的白細(xì)胞(wbc)相對(duì)產(chǎn)率-樣品嗜中性粒細(xì)胞分?jǐn)?shù)的圖。

圖16示出了紅細(xì)胞(rbc)和血小板損耗排除的圖。

具體實(shí)施方案

聯(lián)合的微流體顆粒分選器與濃縮器的概述

圖1是示意圖，其示出了根據(jù)本公開的代表性微流體裝置100的總體結(jié)構(gòu)的俯視圖。特別地，該示意圖示出了，除了其他方面之外，用于接收、輸送、移動(dòng)、調(diào)節(jié)和/或存儲(chǔ)流體樣品的各種微流體通道、端口、儲(chǔ)存器和輸出接收器的輪廓。裝置100設(shè)計(jì)成在流體交換模塊中接收包含一種或多種不同類型的顆粒的懸浮液的流體樣品，例如血液，以將顆粒亞群與主體流體分開(例如，通過將一種或多種類型的顆粒從流體樣品提取并轉(zhuǎn)移到第二種不同的溶液)，然后在顆粒濃縮模塊中濃縮所提取的顆粒亞群的濃度，以便隨后進(jìn)行分析和處理。替代地，流體(例如，如經(jīng)稀釋)可以首先通過顆粒濃縮模塊，然后通過流體交換模塊。除用于操縱流體和顆粒的其它結(jié)構(gòu)之外，各種通道、進(jìn)出口和儲(chǔ)存器被制造在單個(gè)裝置層內(nèi)。裝置層的表面用蓋層(圖1中未示出)密封，蓋層充當(dāng)裝置層通道和儲(chǔ)存器的蓋子?？蛇x的歧管層(圖1中未示出)可以布置在蓋層的表面上，以同時(shí)提供各種通孔與宏觀尺度的輸出/輸入連接件(例如管道)的流體耦聯(lián)。例如，所有模塊都可以布置和固定在同一基底上和/或制造在同一基底上，或者每個(gè)模塊都可以布置和固定在單獨(dú)的基底上和/或制造在單獨(dú)的基底上，然后通過基底的機(jī)械連接件和/或流體管道進(jìn)行連接。

微流體裝置100可以細(xì)分為如下所述的不同的部分：流體樣品接收段102，流體樣品過濾段104，緩沖劑樣品接收段106，流體交換器模塊(本文中也稱為流體力分級(jí)(fff)模塊或慣性交換器)108，顆粒濃縮模塊(本文中也稱為慣性濃縮器)110，流體交換器模塊產(chǎn)品接收器段112，流體交換器模塊廢物接收器段114，流體交換器模塊廢物儲(chǔ)存器116，顆粒濃縮模塊輸入段118，顆粒濃縮模塊廢物段120和顆粒濃縮模塊產(chǎn)品輸出段122。首先將提供裝置100怎樣操作的概覽，然后詳細(xì)討論不同的段。

在第一步驟中，包含一種或多種不同類型顆粒的流體樣品通過流體樣品接收段102進(jìn)入基片。流體樣品接收段102可以包括可以引入流體樣品的一系列孔。例如，每個(gè)孔可以耦聯(lián)到對(duì)應(yīng)的管道，流體樣品通過所述管道輸送。替代地或另外，流體樣品接收段102可以包括可手動(dòng)地或者通過自動(dòng)化過程打開和關(guān)閉的閥，以控制流體樣品向裝置100的輸送。也可以利用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的用于將流體樣品引入到微流體裝置的其它機(jī)構(gòu)?？梢允褂美鐚?duì)流體樣品施加壓力并使樣品能連續(xù)流過裝置100的泵系統(tǒng)將流體樣品驅(qū)動(dòng)到裝置100中。

當(dāng)在裝置100中接收到流體樣品時(shí)，流體樣品進(jìn)入流體樣品過濾段104，該流體樣品過濾段104配置為根據(jù)顆粒尺寸(例如，平均直徑)過濾包含在進(jìn)入流體中的顆粒，使得只有預(yù)定或更小尺寸的顆粒能夠進(jìn)入系統(tǒng)的下一級(jí)。在過濾段104的末端，裝置100包括配置為接收第二流體樣品(為了示例性裝置100的目的而稱為緩沖劑樣品或緩沖劑流)的緩沖劑樣品接收段106。緩沖劑樣品接收段106包括用于接收緩沖劑樣品的多個(gè)孔，其中孔正好布置在流體交換器模塊108的上游。類似于流體樣品接收段，每個(gè)孔可以耦聯(lián)到流體樣品輸送通過的對(duì)應(yīng)管道。替代地或另外，緩沖劑樣品接收段106可以包括可手動(dòng)地或通過自動(dòng)化過程打開和關(guān)閉的閥，以控制緩沖劑流體樣品向裝置100的輸送。

在一些實(shí)施方案中，經(jīng)過濾的流體樣品和緩沖劑流體樣品隨后進(jìn)入流體交換器模塊108。在其它實(shí)施方案中，經(jīng)過濾的流體樣品和緩沖劑流體樣品首先進(jìn)入顆粒濃縮模塊。緩沖劑和流體樣品在能實(shí)現(xiàn)層流的條件下在流體交換器模塊108內(nèi)傳播。也就是說，流體在使緩沖劑和流體樣品之間沒有湍流混合的條件下流動(dòng)。更確切地說，緩沖劑和流體樣品兩者在流體交換器模塊108的長(zhǎng)度上基本上并排地作為平行流傳播。而在模塊108中，至少第一類型的顆粒從流體樣品轉(zhuǎn)移到緩沖劑樣品，以使得在模塊108的末端，至少第一類型顆粒的大部分(如果不是全部)已經(jīng)被從流體樣品中提取出來。如將要解釋的，將顆粒從樣品流體轉(zhuǎn)移到緩沖劑的過程可能部分地依賴于在模塊108內(nèi)的島結(jié)構(gòu)之間的開口處提取流體樣品和迫使顆粒離開被提取的流體并進(jìn)入緩沖劑樣品的慣性升力的組合。因?yàn)閼T性升力依賴于尺寸，所以利用其基于尺寸來分級(jí)(例如，分選)顆粒。通過重復(fù)地(1)利用慣性升力使大顆粒移離通道壁和然后(2)使沒有大顆粒的流體移動(dòng)到相鄰?fù)ǖ乐衼韺?shí)現(xiàn)分級(jí)。在多次迭代之后，大顆?？梢詮脑戳黧w(例如流體樣品)跨越流線移動(dòng)到相鄰的目標(biāo)流體(例如緩沖劑流體樣品)中。

在流體交換器模塊108的末端，流體樣品進(jìn)入流體交換器模塊廢物站114。雖然被稱為“廢物站”，但流體樣品可以被處理掉、再次用于其它目的或被處理以便進(jìn)一步分析。

另一方面，現(xiàn)包含經(jīng)轉(zhuǎn)移的顆粒的緩沖劑流體樣品進(jìn)入流體交換器產(chǎn)品接收器段112。在本例子中，流體交換器產(chǎn)品接收器段112包括通孔，包含顆粒的緩沖劑樣品進(jìn)入所述通孔，離開裝置100并進(jìn)入歧管層(未示出)，該歧管層在顆粒濃縮模塊輸入段118處將緩沖劑樣品引導(dǎo)回裝置100中。在替代的實(shí)施方案中，包含經(jīng)轉(zhuǎn)移的顆粒的緩沖劑樣品可以直接流體耦聯(lián)到顆粒濃縮模塊110而不必退出并重新進(jìn)入裝置100。

顆粒濃縮模塊110包含三個(gè)區(qū)域：過濾區(qū)域，會(huì)聚區(qū)域，和濃縮器區(qū)域。在進(jìn)入模塊110時(shí)，包含顆粒的緩沖劑樣品傳播通過過濾區(qū)域，其中過濾區(qū)域配置為根據(jù)顆粒尺寸(例如平均直徑)過濾包含在進(jìn)入流體中的顆粒，使得只有預(yù)定或更小尺寸的顆粒能夠進(jìn)入系統(tǒng)的下一級(jí)。緩沖劑樣品隨后進(jìn)入會(huì)聚區(qū)域。會(huì)聚區(qū)域采用的結(jié)構(gòu)配置為引起緩沖劑樣品內(nèi)的顆粒沿著一個(gè)或多個(gè)流線的慣性會(huì)聚。通過使顆粒沿著規(guī)定的流線會(huì)聚，顆?？梢栽谶M(jìn)入濃縮器區(qū)域之前定位在精確的位置，這在某些實(shí)施方案中使?jié)饪s器能更有效地濃縮緩沖劑樣品內(nèi)的顆粒濃度。濃縮器區(qū)域包含被配置和布置成增加緩沖劑內(nèi)的顆粒濃度的結(jié)構(gòu)陣列。特別地，緩沖劑內(nèi)的顆粒受到慣性升力，其使得它們跨越流體流線朝向通道橫截面內(nèi)的平衡位置遷移。通過重復(fù)地(1)利用慣性力使顆粒移離通道壁和然后(2)使無顆粒的緩沖劑樣品移動(dòng)或虹吸到相鄰?fù)ǖ乐衼韺?shí)現(xiàn)顆粒的濃縮。這導(dǎo)致來自顆粒濃縮模塊110的兩個(gè)流體輸出：包含高濃度提取顆粒的濃縮緩沖劑溶液和無顆粒的緩沖劑樣品。

在顆粒濃縮模塊110的末端，濃縮的緩沖劑流體進(jìn)入顆粒濃縮模塊產(chǎn)品輸出部122，在那里可以將其收集起來用于進(jìn)一步的分析和/或處理。無顆粒的緩沖劑樣品進(jìn)入廢物段120。流體交換器模塊108和顆粒濃縮模塊110中的每一個(gè)都采用多路復(fù)用技術(shù)來建立能夠處理大量樣品流體的超高吞吐量裝置，以在相對(duì)短的時(shí)間段內(nèi)獲得高濃度的顆粒亞群。

樣品接收和過濾段

圖2是示意圖，其示出了裝置100的流體樣品接收段102、流體樣品過濾段104和緩沖劑樣品接收段106的一部分的俯視圖。為了增加微流體裝置的吞吐量，在基片上多次復(fù)制前述各段。在本示例中，這些段平行布置。如上所述，流體樣品接收段102包括可以引入流體樣品的多個(gè)通孔200。每個(gè)通孔200可以例如在一端耦聯(lián)到流體樣品通過其輸送的對(duì)應(yīng)管道。替代地，在一些實(shí)施方案中，裝置100包括位于通孔200上方的單獨(dú)的歧管層(未示出)，其配置為將每個(gè)通孔200同時(shí)流體地耦聯(lián)到單個(gè)宏觀尺度的輸入連接件(例如，管道)。替代地或另外，流體樣品接收段102可以包括可手動(dòng)地或者通過自動(dòng)化過程打開和關(guān)閉的閥，以控制流體樣品向裝置100的輸送。也可以利用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的用于將流體樣品引入到微流體裝置的其它機(jī)構(gòu)。可以使用例如對(duì)流體樣品施加壓力并使樣品能連續(xù)流過裝置100的泵系統(tǒng)將流體樣品驅(qū)動(dòng)到裝置100中。

流體樣品從每個(gè)通孔200進(jìn)入對(duì)應(yīng)的流體樣品過濾段104。在本例子中，每個(gè)流體樣品過濾段104包括第一區(qū)域202，其包含平行布置的兩個(gè)分開的直通道203，流體樣品通過通道203傳播。在兩個(gè)通道203的末端，流體樣品再次合并和流入過濾段104的第二區(qū)域204中。盡管在圖2中的每個(gè)過濾段104中示出了兩個(gè)平行通道，但第一區(qū)域202可以包括單個(gè)微流體通道或多于兩個(gè)微流體通道。

每個(gè)過濾段104還包括流體地耦聯(lián)到第一區(qū)域202的第二區(qū)域204，其中第二區(qū)域204包含多個(gè)島或柱結(jié)構(gòu)205，其布置成充當(dāng)流體樣品過濾器的一個(gè)或多個(gè)交錯(cuò)陣列。第二區(qū)域204中的柱結(jié)構(gòu)205的陣列布置和配置成根據(jù)顆粒尺寸(例如平均直徑)過濾包含在流體樣品中的顆粒，以使得只有預(yù)定或更小尺寸的顆粒能夠進(jìn)入系統(tǒng)的下一個(gè)級(jí)。例如，在流體樣品包含諸如骨髓穿刺液的復(fù)雜基質(zhì)的情況下，柱205的陣列可以配置為去除骨屑和纖維蛋白凝塊，以提高在下游執(zhí)行的裝置操作(例如，濃縮流體內(nèi)的顆粒濃度和/或?qū)㈩w粒從一個(gè)流體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)流體)的效率。在圖2所示的示例性布置中，第二區(qū)域204內(nèi)的柱205具有基本上三棱柱形狀，其中立柱尺寸(例如，跨越每個(gè)立柱的短面的近似直徑)和陣列偏移間隔被設(shè)計(jì)成使超過某一尺寸的顆粒轉(zhuǎn)向，從而將它們與主懸浮液分開。通常，尺寸限制是基于期望通過裝置100的后級(jí)的最大顆粒尺寸來確定的。例如，柱205的陣列可以配置為過濾具有的平均直徑大于后續(xù)流體交換器模塊108中的微流體通道的最小寬度的50％，60％，70％，80％或90％的顆粒/阻止該顆粒通過。

在圖2所示的具體示例中，流體樣品通常沿著箭頭209所示的方向進(jìn)入?yún)^(qū)域204，直到流體樣品與壁/分隔件207接觸為止，壁/分隔件207迫使流體通過柱205之間的開口傳播，用于過濾流體樣品。流體樣品被迫繞過壁/分隔件207，穿過另一個(gè)或多個(gè)柱205的陣列，然后沿著箭頭209的方向繼續(xù)。在過濾段104中可以包括任何數(shù)量或布置的這種柱陣列，以實(shí)現(xiàn)所需水平的流體樣品過濾。此外，過濾段104的第一和第二區(qū)域的布置順序?qū)τ谘b置100的操作并不重要。也就是說，包含直通道的第一區(qū)域202可以布置在包含柱陣列205的第二區(qū)域204的上游或下游，只要兩個(gè)區(qū)域流體地耦聯(lián)在一起即可。例如，如圖2中所示，過濾段104的第一區(qū)域202和第二區(qū)域204對(duì)于每個(gè)通孔200以交替順序布置，以便實(shí)現(xiàn)基片上的微流體通道的更緊密的堆積。

在流體樣品過濾段104之后，經(jīng)過濾的流體樣品進(jìn)入通道211以產(chǎn)生流體地耦聯(lián)到流體交換器模塊108的多個(gè)流。在流體交換器模塊108的入口處，經(jīng)過濾的流體樣品流與第二流體(例如緩沖劑流體樣品)并排傳播。緩沖劑流體樣品在緩沖劑樣品接收段106中進(jìn)入裝置，每個(gè)緩沖劑樣品接收段106均包括用于接收緩沖劑流體樣品的通孔213。類似于通孔200，通孔213可以在一端流體地耦聯(lián)到輸送緩沖劑樣品的對(duì)應(yīng)管道。替代地，在一些實(shí)施方案中，可以使用單獨(dú)的歧管層(未示出)將流體引入到每個(gè)通孔213。通孔213布置在流體交換器模塊108的入口的上游，從通孔213進(jìn)入的緩沖劑流體被分成多個(gè)流體流，每個(gè)經(jīng)過濾的流體樣品流對(duì)應(yīng)一個(gè)流體流。在一些情況下，緩沖劑流體通過流阻器，其確保經(jīng)過濾的流體樣品和緩沖劑樣品之間的正確流量比。例如，在圖2所示的本例中，緩沖劑樣品流均通過正弦波狀的通道，其功能是增加流體阻力。

壁或其它分隔件215保持每對(duì)緩沖劑樣品/流體樣品流之間的分隔。經(jīng)過濾的流體樣品和緩沖劑兩者都在促進(jìn)層流的條件下傳播，以使得所述樣品和緩沖劑之間的任何混合被限制為由擴(kuò)散引起的混合?？紤]到緩沖劑流體流進(jìn)入流體交換器模塊108的位置，緩沖劑流體流最接近壁/分隔件215地傳播，而經(jīng)過濾的流體樣品最遠(yuǎn)離壁/分隔件215地傳播。

流體交換器模塊

圖3是示出流體交換器模塊108的一部分的頂視圖的示意圖。流體交換器模塊108的目的是排除經(jīng)過濾的流體樣品中的大顆粒。也就是說，流體交換器模塊108配置為從經(jīng)過濾的流體樣品中分選出所需的顆粒亞群(例如相對(duì)大的顆粒)并將這些顆粒轉(zhuǎn)移到緩沖劑溶液中。因此，流體交換器模塊108“交換”所需顆粒懸浮在其中的流體。該過程也可以稱為“分級(jí)”。為了對(duì)經(jīng)過濾的流體樣品進(jìn)行分級(jí)，流體交換器108包括布置成一個(gè)或多個(gè)陣列的多個(gè)島結(jié)構(gòu)300，其中每個(gè)島300都與陣列中的相鄰島分開一間隙，流體可以流過該間隙。在圖3所示的例子中，流體交換器模塊108實(shí)際上包括兩個(gè)分開的陣列，每個(gè)陣列都具有三排島300，其中陣列通過壁/分隔件215彼此分開。島300被表示為基本上矩形的結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)邊大體上沿著與流體流相同的方向延伸，但是也可以使用其它形狀和取向。此外，島的排數(shù)和島陣列的數(shù)量也可以根據(jù)期望的配置改變?yōu)橐粋€(gè)或多個(gè)。

利用流體交換器模塊108進(jìn)行的分級(jí)是通過重復(fù)地(1)使經(jīng)過濾的流體樣品的沒有顆粒的部分移動(dòng)通過島之間的間隙或通過所述間隙提取所述經(jīng)過濾的流體樣品的沒有顆粒的部分，并同時(shí)依靠(2)慣性升力使流體樣品內(nèi)的顆粒移離提取流體的位置來實(shí)現(xiàn)的。在多次重復(fù)之后，過濾的流體樣品中的顆?？梢砸苿?dòng)跨越流體流線，并移動(dòng)到與流體樣品并排傳播的第二種不同的流體中(例如移動(dòng)到緩沖劑中)。流體內(nèi)的慣性力來自在微流體通道壁附近以較高速度流動(dòng)的顆粒。因此，例如，當(dāng)流體樣品在島300的壁附近傳播時(shí)，流體樣品內(nèi)的顆粒將經(jīng)歷將顆粒推離島的慣性力。另一方面，流體提取或移動(dòng)由流體在其傳播通過陣列時(shí)遇到的相對(duì)流體阻力來控制。對(duì)于流體阻力在通道長(zhǎng)度上變化的微流體通道，流體將趨向于沿著流體阻力減小的方向行進(jìn)，從而導(dǎo)致流體的一部分遠(yuǎn)離最初的傳播方向移動(dòng)。

在圖3中，通道的流體阻力由每個(gè)通道的外邊界的幾何形狀控制。例如，關(guān)于每個(gè)陣列，外通道壁305和島之間的距離沿著流體流動(dòng)的方向逐漸增加，導(dǎo)致更低的流體阻力。相比之下，分隔件215的壁307和島300之間的距離在流體流動(dòng)的方向上沿著陣列的長(zhǎng)度逐漸減小，導(dǎo)致增加的流體阻力。結(jié)果是，流體沿著箭頭304所示的方向移動(dòng)通過島300之間的間隙。對(duì)于流體內(nèi)的相對(duì)大的顆粒，顆粒也遭受推動(dòng)顆粒遠(yuǎn)離間隙的慣性升力，通過間隙提取的流體部分基本上是無顆粒的。

在流體交換器108的操作期間，經(jīng)過濾的流體樣品進(jìn)入更靠近通道的壁305的兩個(gè)島陣列，而緩沖劑流體流進(jìn)入更靠近分隔件215的壁307的島陣列。平均來說，經(jīng)過濾的流體樣品和緩沖劑流體遵循穿過流體交換器108的水平軌跡。雖然流體樣品在該級(jí)之前已被過濾，但是它仍可能包含一個(gè)或多個(gè)具有不同尺寸的不同顆粒亞群。取決于島300之間的間隙的尺寸和流體樣品的流速，較大的顆粒在島300旁邊流動(dòng)時(shí)可經(jīng)受強(qiáng)烈的排斥性慣性升力，這使得這些顆粒遵循具有一分量的軌跡，該分量引導(dǎo)顆粒從經(jīng)過濾的流體樣品流(更靠近壁305)跨越流體流線并進(jìn)入緩沖劑流體流(更靠近壁307)。較小的顆粒在島300旁邊流動(dòng)時(shí)可經(jīng)受相對(duì)較弱的慣性升力，結(jié)果是，較小的顆粒可以遵循與經(jīng)過濾的流體樣品相同的平均軌跡，并且不能轉(zhuǎn)移到緩沖劑流體流中。在流體交換器108的輸出部，經(jīng)過濾的流體流將離開陣列而沒有一個(gè)或多個(gè)顆粒亞群(例如沒有相對(duì)大的顆粒)，而緩沖劑流體流將已經(jīng)獲得所述一個(gè)或多個(gè)顆粒亞群。在一些實(shí)施方案中，進(jìn)入流體交換模塊108的一個(gè)或多個(gè)流體樣品可以來自下文更詳細(xì)描述的顆粒濃縮模塊110。

如上所述，慣性升力具有高度的尺寸依賴性，使得大顆?？墒艿奖刃☆w粒更大的力。此外，可以基于島的設(shè)計(jì)和配置來調(diào)節(jié)通過島300之間的間隙提取的流體的分?jǐn)?shù)。關(guān)于這種流體交換器的參數(shù)和設(shè)計(jì)原理的進(jìn)一步討論可以在2014年11月3日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)us62/074,213和2014年11月3日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)us62/074,315中找到，它們通過引用的方式整體并入本文中。

流體交換器模塊產(chǎn)品接收器和流體交換器模塊廢物接收器

在通過流體交換器模塊108之后，排除了大顆粒的經(jīng)處理的流體樣品流和緩沖劑樣品流分別進(jìn)入流體交換器模塊廢物接收器114和流體交換器模塊產(chǎn)品接收器112。圖4是示意圖，其示出了產(chǎn)品接收器112和廢物接收器114兩者的頂視圖。流體流動(dòng)的方向在圖的底部被注明。在離開流體交換器模塊108時(shí)，緩沖劑流體流繼續(xù)靠近分隔件215的壁行進(jìn)，直到其進(jìn)入通道403為止。在一些實(shí)施方案中，通道403包括用于調(diào)節(jié)緩沖劑樣品流的流率的流阻器。例如，通道403可以具有正弦波形狀以增加流體阻力。在通過通道403之后，緩沖劑流進(jìn)入通孔400，通孔400將緩沖劑流流體耦聯(lián)到顆粒濃縮模塊110。例如，通孔400可以耦聯(lián)到諸如管道的連接器，其允許緩沖劑流進(jìn)入顆粒濃縮模塊。替代地，通孔400可以耦聯(lián)到將緩沖劑流體流重定向到顆粒濃縮模塊的歧管。在一些實(shí)施方案中，緩沖劑流直接從流體交換器模塊108進(jìn)入顆粒濃縮模塊110，而不必首先傳播通過通道和/或通孔400。

相比之下，經(jīng)處理的流體樣品流(排除了大顆粒)從流體交換器模塊108通過微流體通道401和通道405進(jìn)入流體交換器廢物接收器114。廢物接收器段114可以包括例如收集經(jīng)處理的流體流的通孔406。同樣，通孔可以耦聯(lián)到將流體流重定向的管道或歧管。在一些實(shí)施方案中，廢物接收器段114不包括通孔，而是包含儲(chǔ)存器以接收處理過的流體樣品流。用于將流體交換器模塊108耦聯(lián)到廢物接收器段114和耦聯(lián)到產(chǎn)品接收器段112的通道的數(shù)量可以不同于圖4中所示的數(shù)量。例如，在一些實(shí)施方案中，可以使用一個(gè)通道、三個(gè)通道、四個(gè)通道或更多通道將來自流體交換器模塊108的經(jīng)處理的流體樣品流耦聯(lián)到廢物接收器段114。類似地，在一些實(shí)施方案中，可以使用一個(gè)通道、三個(gè)通道、四個(gè)通道或更多通道將來自流體交換器模塊108的緩沖劑流體流耦聯(lián)到產(chǎn)品接收器段112。

顆粒濃縮模塊

如上所述，包含從樣品流體流中提取的一個(gè)或多個(gè)顆粒亞群的緩沖劑流體流從流體交換器產(chǎn)品接收器段112進(jìn)入顆粒濃縮模塊110。顆粒濃縮模塊110配置和布置成通過慣性會(huì)聚技術(shù)和流體移動(dòng)的組合，進(jìn)一步濃縮緩沖劑流中的顆粒亞群的濃度。

圖5是示出了通向顆粒濃縮模塊110的入口部(例如，對(duì)應(yīng)于圖1中所示的顆粒濃縮模塊輸入段118)的俯視圖的示意圖。流體流動(dòng)的總體方向在頁面底部顯示。包含一個(gè)或多個(gè)顆粒亞群的緩沖劑流體流在通孔500處進(jìn)入顆粒濃縮模塊110。通孔500可以例如利用管道或歧管流體地耦聯(lián)到來自產(chǎn)品接收器段112的通孔400。在進(jìn)入顆粒濃縮模塊110時(shí)，緩沖劑流體流進(jìn)入一個(gè)或多個(gè)過濾器陣列。過濾器陣列可以構(gòu)造成類似于圖2中所示的過濾器陣列。例如，過濾器陣列可以包括多個(gè)柱結(jié)構(gòu)505，其布置和配置為根據(jù)顆粒尺寸(例如平均直徑)過濾包含在緩沖劑流中的顆粒，使得只有預(yù)定或更小尺寸的顆粒能夠進(jìn)入系統(tǒng)的下一級(jí)。如圖5中所示，柱505的陣列布置在緩沖劑流體流(由箭頭506指示)的任一側(cè)上。過濾器陣列還可以包括壁/分隔件507，使得緩沖劑流506被迫繞過壁507并通過柱505。陣列的柱505可以配置和布置成過濾與先前過濾的顆粒相同尺寸的顆?；蚓哂休^小尺寸的顆粒。

過濾器陣列流體地耦聯(lián)到顆粒濃縮模塊110的顆粒會(huì)聚段。顆粒會(huì)聚段配置為在濃縮顆粒濃度之前將離開過濾器陣列的顆粒預(yù)會(huì)聚到期望的流體流線位置。預(yù)會(huì)聚顆粒的優(yōu)點(diǎn)在于，在某些實(shí)施方案中，其將跨越通道寬度的顆粒分布減小到窄的橫向區(qū)域。然后，可以重新定位顆粒的會(huì)聚線，使得顆粒無意中進(jìn)入錯(cuò)誤通道或與廢物流體一起被提取的可能性減小。

可以利用慣性會(huì)聚來實(shí)現(xiàn)預(yù)會(huì)聚，其中流體路徑的結(jié)構(gòu)和布置被設(shè)計(jì)成產(chǎn)生將流體樣品內(nèi)的顆粒驅(qū)動(dòng)到期望流線的力。圖5所示的顆粒會(huì)聚段包括分隔壁502，其分隔與過濾器陣列的輸出部流體耦聯(lián)的兩個(gè)微流體通道504。每個(gè)通道504都具有由分隔壁502和外通道壁的表面限定的波紋狀路徑，其中分隔壁表面的輪廓與其所面對(duì)的外通道壁的輪廓相匹配。利用圖5中所示的波紋狀路徑，微流體通道在具有較高曲率的區(qū)域和具有較低曲率的區(qū)域之間交替。

通常，“會(huì)聚”顆粒是指跨越通道的橫向區(qū)域并且在小于通道寬度的寬度內(nèi)重新定位顆粒。例如，本文中公開的技術(shù)可以將懸浮在流體中的顆粒定位在寬度為1.05,2,4,6,8,10,20,30,40,50,60,70,80,90或100倍顆粒平均直徑的一段長(zhǎng)度的通道內(nèi)。在一些實(shí)施方案中，顆粒被會(huì)聚到流體的流線。在一些實(shí)施方案中，流線限定的寬度基本上等于或略大于顆粒的平均水力直徑，其可以是但不限于在約1μm至約100μm之間。

關(guān)于制造慣性會(huì)聚結(jié)構(gòu)的參數(shù)和設(shè)計(jì)原理的進(jìn)一步討論可以例如在美國(guó)專利us8,186,913、2014年11月3日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)us62/074,213和2014年11月3日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)us62/074,315中找到，其全部?jī)?nèi)容通過引用的方式并入本文中。

例如，各種通道幾何形狀可能要求待會(huì)聚顆粒的預(yù)定的顆粒-體積比以便實(shí)現(xiàn)所需的顆粒間的間隔，從而保持該顆粒的有序和會(huì)聚。特別地，可以根據(jù)需要計(jì)算和調(diào)整懸浮在流體內(nèi)的顆粒的顆粒-體積比，以在某些通道幾何形狀內(nèi)實(shí)現(xiàn)會(huì)聚。通常，可以使用以下公式確定對(duì)于特定顆粒尺寸和通道幾何形狀的最大顆粒-體積比：

最大體積分?jǐn)?shù)＝2nπa²/3hw

其中n是通道中會(huì)聚位置的數(shù)量，a是會(huì)聚顆粒直徑，h是通道高度，以及w是通道寬度。因此，在將樣品引入系統(tǒng)中之前和/或期間，樣品可以被稀釋或濃縮達(dá)到預(yù)定比例。本文中描述的通道內(nèi)的樣品的顆粒-體積比可以具有足以實(shí)現(xiàn)顆粒的排序和會(huì)聚的任何值。一般而言，顆粒-體積比可以小于約50％。在其它實(shí)施方案中，顆粒-體積比可以小于約40％，30％，20％，10％，8％或6％。更具體地，在一些實(shí)施方案中，顆粒-體積比可以在約0.001％至約5％的范圍內(nèi)，并且可以優(yōu)選地在約0.01％至約4％的范圍內(nèi)。

一般而言，在直的、對(duì)稱的和不對(duì)稱的微流體通道內(nèi)存在某些參數(shù)，其導(dǎo)致懸浮在樣品中的顆粒的最佳排序和會(huì)聚條件。這些參數(shù)例如可以包括通道幾何形狀，顆粒相對(duì)于通道幾何形狀的尺寸，通過微流體通道的流體流特性，以及與層流條件下在微流體通道內(nèi)流動(dòng)的顆粒相關(guān)聯(lián)的力。目前相信，作用在顆粒上的力可以被稱為慣性力，然而，其它力可能有助于會(huì)聚和排序行為。示例性的慣性力可以包括但不限于沿著剪切梯度向下并且遠(yuǎn)離通道壁的慣性升力，迪安阻力(粘滯阻力)，來自迪安流動(dòng)的壓力阻力，和作用在各個(gè)顆粒上的離心力。下面討論的理論僅僅是描述性和示例性的，并且雖然可以利用該理論預(yù)測(cè)用這些原理設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的行為，但是所提出的理論不應(yīng)被認(rèn)為是將本發(fā)明局限于與本文中公開的任何系統(tǒng)實(shí)施方案或任何特定操作理論相關(guān)聯(lián)的任何參數(shù)。

通常，層流微流體系統(tǒng)中的慣性升力，例如本文的實(shí)施方案中描述的那些，可以用于將隨機(jī)分布的顆粒連續(xù)地并以高速率會(huì)聚到單個(gè)流線中。顆粒幾何形狀依賴性可用于開發(fā)高吞吐量分離的系統(tǒng)。可以改變通道幾何形狀以將會(huì)聚顆粒從環(huán)形區(qū)域減少成四個(gè)點(diǎn)，兩個(gè)點(diǎn)，然后減少成通道內(nèi)的單個(gè)點(diǎn)。可以觀察到兩個(gè)附加水平的顆粒排序，特別是沿著通道長(zhǎng)度縱向的和旋轉(zhuǎn)的(對(duì)于不對(duì)稱的顆粒)。一般而言，分開、排序和會(huì)聚主要由顆粒尺寸與通道尺寸之比和系統(tǒng)的流動(dòng)特性來控制。有利地，會(huì)聚不依賴于顆粒密度。

剪切流中顆粒的橫向遷移是由存在的慣性升力所引起的，其主要?dú)w因于剪切梯度引起的慣性(無界拋物線流中的升力)和壁引起的慣性，剪切梯度引起的慣性沿著剪切梯度向下指向壁，壁引起的慣性將顆粒推離壁。懸浮在流體中的顆粒受到與系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)獨(dú)立地調(diào)節(jié)的阻力和升力?？梢远x兩個(gè)無量綱的雷諾數(shù)來描述封閉通道系統(tǒng)中的顆粒流動(dòng)：描述無擾流道流動(dòng)的通道雷諾數(shù)(rc)，和包括描述顆粒和顆粒正在平移通過的通道的參數(shù)的顆粒雷諾數(shù)(rp)。

rc＝(umdh)/v和rp＝rc(a²/dh²)＝(uma²)/(vd)

兩個(gè)無量綱組取決于最大通道速度um，流體的運(yùn)動(dòng)粘度v＝μ/ρ(μ和ρ分別是流體的動(dòng)態(tài)粘度和密度)，和水力直徑dh，其被限定為2wh/(w+h)(w和h為通道的寬度和高度)。顆粒雷諾數(shù)還取決于顆粒直徑a?；谄骄ǖ浪俣榷x的雷諾數(shù)可以通過re＝2/3rc而與rc相關(guān)。

當(dāng)顆粒雷諾數(shù)在1的量級(jí)時(shí)，慣性升力主導(dǎo)顆粒行為。通常，在rp<<1的情況下，微尺度通道中的顆粒流動(dòng)由粘性相互作用主導(dǎo)。在這些系統(tǒng)中，由于流體在顆粒表面上的粘滯阻力，顆粒被加速到局部流體速度。沒有觀察到跨越流線遷移的中性浮力顆粒的稀釋懸浮液，這導(dǎo)致在通道入口處、沿著通道長(zhǎng)度和在通道出口處觀察到相同的分布。隨著rp的增加，跨越流線的遷移發(fā)生在宏觀尺度系統(tǒng)中。在圓柱形管中，觀察到顆粒遷移遠(yuǎn)離管中心和壁，形成會(huì)聚的環(huán)。這種“管狀收縮”效應(yīng)的理論基礎(chǔ)是在高顆粒雷諾數(shù)下作用于顆粒上的慣性升力的結(jié)合。剛性顆粒上的主導(dǎo)力是“壁效應(yīng)”，其中壁附近的顆粒的不對(duì)稱尾流(wake)導(dǎo)致的遠(yuǎn)離壁的升力，以及剪切梯度引起的沿著剪切梯度向下且指向壁的升力。

具有曲率的通道對(duì)顆粒產(chǎn)生額外的阻力。當(dāng)將曲率引入矩形通道時(shí)，由于流體的不均勻慣性，會(huì)垂直于流動(dòng)方向產(chǎn)生二次流。在拋物線速度分布中，彎曲通道的中心內(nèi)的較快運(yùn)動(dòng)的流體部分可以產(chǎn)生比通道邊緣附近的部分更大的慣性。這些部分可以朝向通道外邊緣移動(dòng)，而為了在所有點(diǎn)處使質(zhì)量守恒，流體沿通道的頂部和底部再循環(huán)?？梢远x兩個(gè)無量綱數(shù)來表征該流動(dòng)，基于通道中的最大速度的迪安數(shù)(de)，和曲率比(δ)。迪安數(shù)de＝rc(dh/2r)^1/2，和曲率比δ＝dh/2r，其中r是通道的平均曲率半徑。對(duì)于在本文描述的微流體系統(tǒng)中觀察到的中等de<75，二次旋轉(zhuǎn)流或迪安流僅由兩個(gè)渦流組成。迪安流的速度大小的量級(jí)為ud～ρde²/(μdh)，因此，由于該二級(jí)流，懸浮顆粒上的斯托克斯阻力對(duì)于大的de變得顯著。一般來說，由于迪安流引起的阻力或迪安阻力(fd)的量級(jí)為

fd～(ρum²adh²)/r。

簡(jiǎn)而言之，可以考慮三種流動(dòng)方式：(1)在低流速下，在通道橫截面的大部分上，升力與阻力之比rf可大于1；然而，fz和fd的大小太低而不能在通道長(zhǎng)度內(nèi)產(chǎn)生會(huì)聚流。(2)在中間流速下，在通道橫截面的有限區(qū)域上，rf可大于或等于1，并且力的大小足夠大以產(chǎn)生對(duì)一個(gè)或多個(gè)流的會(huì)聚。(3)對(duì)于高流速，在整個(gè)通道橫截面上，rf小于1，迪安阻力占優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致顆粒混合。

再次參考裝置100，緩沖劑流體流從顆粒濃縮模塊110的慣性會(huì)聚段進(jìn)入微流體通道，該微流體通道配置成增加緩沖劑流中的一個(gè)或多個(gè)顆粒亞群的濃度。圖6是示意圖，其示出了顆粒濃縮模塊110的用于濃縮顆粒濃度的部分的俯視圖。流體流過模塊110的方向顯示在頁面的底部。特別地，緩沖劑流離開預(yù)會(huì)聚段的微流體通道504并且進(jìn)入微流體通道512或514。第一對(duì)通道512,514通過壁502保持與第二對(duì)通道512,514分開，每個(gè)通道512和514本身通過柱結(jié)構(gòu)506的陣列彼此分開。柱結(jié)構(gòu)通過間隙彼此間隔開，流體可以通過該間隙被提取(例如沿著箭頭510所示的方向)。

通常，預(yù)會(huì)聚使位于緩沖劑流內(nèi)的顆粒沿著更靠近壁502的表面的一個(gè)或多個(gè)流線，以使得當(dāng)緩沖劑流離開預(yù)會(huì)聚器時(shí)，顆粒對(duì)齊到通道512。通道512的設(shè)計(jì)和配置類似于通道504，該類似在于通道是波狀的并且在相對(duì)高曲率的區(qū)域和相對(duì)低曲率的區(qū)域之間交替。這個(gè)通道形狀再次產(chǎn)生將一個(gè)或多個(gè)顆粒亞群會(huì)聚到通道512內(nèi)的流線的慣性力。然而與此同時(shí)，通道514配置為具有減小的流體阻力，以使得部分緩沖劑流體如箭頭510所示那樣被重復(fù)地提取到通道514中，這類似于在流體交換器模塊108中發(fā)生的流體提取。也就是說，外壁516和島結(jié)構(gòu)506之間的距離沿通道514的長(zhǎng)度逐漸增加。例如，圖7是示意圖，其示出了壁516相對(duì)于島506成角度取向，以使得通道514的寬度在下游繼續(xù)增加(從島結(jié)構(gòu)至壁的距離與輸入部附近(如圖6所示)相比沿著通道向下越來越大(如圖7所示))。由于慣性會(huì)聚將顆粒驅(qū)動(dòng)到遠(yuǎn)離發(fā)生流體提取的間隙的流線，所以提取的流體部分基本上是無顆粒的。通過從通道512重復(fù)地去除/虹吸無顆粒的緩沖劑流體，通道512中的顆粒相對(duì)于緩沖劑流體的濃度相對(duì)于顆粒在離開通道504時(shí)的濃度相當(dāng)大地增加。

與實(shí)現(xiàn)在島506之間的每個(gè)間隙處提取的無顆粒流體的量相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)和與沿著一個(gè)或多個(gè)流線定位會(huì)聚顆粒相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)包括，除其他參數(shù)之外，通道512、514的長(zhǎng)度，通道512、514的寬度，島506之間的間隔，和流體流過顆粒濃縮模塊110的流速。例如，能夠形成無顆粒層并且能夠通過島506之間的間隙提取無顆粒層的最大流率遵循與顆粒濃縮通道的寬度(在圖7的x方向上在通道壁512和分隔件502的相對(duì)壁之間測(cè)量)大致呈線性的關(guān)系。在另一個(gè)實(shí)例中，裝置100的產(chǎn)率可能受到通過顆粒濃縮模塊110的過低流率(即低雷諾數(shù))的不利影響，使得慣性力不足夠大到可以將顆粒會(huì)聚到流線。

關(guān)于制造結(jié)合慣性會(huì)聚和流體提取以增強(qiáng)顆粒濃度的結(jié)構(gòu)的參數(shù)和設(shè)計(jì)原理的進(jìn)一步討論可以例如在2014年11月3日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)us62/074,213和2014年11月3日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)us62/074,315中找到，其全部?jī)?nèi)容通過引用方式并入本文中。例如，

顆粒濃縮模塊廢物和顆粒濃縮模塊產(chǎn)品輸出

在離開顆粒濃縮模塊時(shí)，包含濃縮的顆粒群的緩沖劑流進(jìn)入產(chǎn)品輸出段122，在那里可以收集顆粒以進(jìn)行進(jìn)一步處理和/或分析。已經(jīng)提取的無顆粒緩沖劑流體部分進(jìn)入廢物段120，在那里可以處理掉或進(jìn)一步分析和/或處理緩沖劑流體。圖8是示出了廢物段120和產(chǎn)品輸出段122的俯視圖的示意圖。如圖8中所示，包括無顆粒緩沖劑溶液的通道514流體地耦聯(lián)到廢物段120。廢物段120可以包括一個(gè)或多個(gè)通孔800，無顆粒緩沖劑溶液進(jìn)入通孔800。相比之下，容納富含顆粒的緩沖劑溶液的通道流體地耦聯(lián)到產(chǎn)品輸出段122。在圖8所示的實(shí)施方案中，耦聯(lián)到產(chǎn)品輸出部122的通道可以包括一個(gè)或多個(gè)流阻器段，例如流阻器802和804。流阻器802和804可以配置和布置成當(dāng)緩沖劑流體進(jìn)入產(chǎn)品輸出部122時(shí)獲得緩沖劑流體的正確流率。例如，在圖8所示的本示例中，流阻器802和804包括增加流體阻力的正弦波形通道。耦聯(lián)到通孔806的中心通道包括附加流阻器804以改變?cè)撏ǖ乐械木彌_劑流體流率，以使其與來自同樣耦聯(lián)到通孔806的較長(zhǎng)上部和下部通道的緩沖劑溶液的流率相匹配。

通過使用顆粒濃縮模塊110，在一些實(shí)施方案中，可以將已經(jīng)從第一流體樣品轉(zhuǎn)移到第二流體樣品的顆粒濃度提高相當(dāng)大的量。例如，可以將該濃度提高到進(jìn)入顆粒濃縮模塊之前的顆粒原始濃度的約5倍至約100倍之間，例如包括約10倍，約20倍，約30倍，約40倍，約50倍，約60倍，約70倍，約80倍或約90倍的原始顆粒濃度。

此外，通過將流體交換器模塊108和顆粒濃縮模塊110結(jié)合在單個(gè)微流體裝置中，可以從流體樣品中提取相當(dāng)高產(chǎn)率的所需顆粒亞群。例如，在一些實(shí)施方案中，裝置100可用于從初始流體樣品中獲得大于約70％，大于約80％，大于約85％，大于約90％，大于約95％，大于約99％，大于約99.9％，或大于約99.99％產(chǎn)出的顆粒產(chǎn)率，其中產(chǎn)率可以理解為是指從流體樣品中提取的目標(biāo)顆粒數(shù)相對(duì)于當(dāng)流體樣品被引入到裝置中時(shí)最初包含在流體樣品內(nèi)的目標(biāo)顆粒數(shù)的百分比。

在上述例子中，流體交換模塊可用于從流體樣品中排除相對(duì)大的顆粒，并將這些顆粒轉(zhuǎn)移到例如緩沖劑流體的第二流體。因此，經(jīng)排除的流體樣品變成廢物，而緩沖劑溶液變成產(chǎn)品。在一些實(shí)施方案中，也可以將排除了相對(duì)大顆粒的流體樣品作為產(chǎn)品保持，并將相對(duì)大的顆粒已經(jīng)轉(zhuǎn)移到其中的第二流體作為廢物移除。在這種情況下，裝置可以配置為改變(例如濃縮)保持在顆粒濃縮模塊中作為產(chǎn)品的流體樣品的濃度，而不是包含經(jīng)轉(zhuǎn)移的顆粒的第二流體樣品的濃度。例如，流體交換模塊分級(jí)器可以被設(shè)計(jì)成具有用于從血液樣品中除去白細(xì)胞和紅細(xì)胞的截留尺寸，然后濃縮保留在血液樣品流中的血小板的濃度。

微流體裝置的制造

根據(jù)本公開的微流體裝置的制造方法闡述如下。首先提供基底層，基底層可以包括例如玻璃、塑料或硅晶片。可以利用例如熱或電子束沉積在基底層的表面上形成可選的薄膜層(例如sio2)。基底和可選的薄膜層提供了基部，在圖2-8中所示的微流體通道可以形成在基部中?；椎暮穸瓤梢月湓诖蠹s500μm至大約10mm的范圍內(nèi)。例如，基底210的厚度可以是600μm，750μm，900μm，1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，6mm，7mm，8mm或9mm。其它厚度也是可能的。

在基底內(nèi)形成的微流體通道包括用于流體樣品和緩沖劑的不同流體流動(dòng)路徑，例如直通道、過濾器陣列、流阻器、流體交換器模塊內(nèi)的通道和顆粒濃度模塊內(nèi)的通道。在一些實(shí)施方案中，可以通過在限定了流體通道區(qū)域的模具中沉積聚合物(例如聚二甲基硅氧烷(pdms)，聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，聚碳酸酯(pc)，或環(huán)烯烴共聚物(cop))來形成微流體通道。一旦固化，聚合物隨后就可以被轉(zhuǎn)移并結(jié)合到支撐層的表面。例如，可以首先將pdms倒入限定了微流體通道網(wǎng)絡(luò)的模具(例如，用兩步光刻法制造的su-8模具(microchem))中，然后使pdms固化(例如，在65℃下加熱約3小時(shí))。在將固態(tài)pdms結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到支撐層之前，用o2等離子體處理基底層的表面以增強(qiáng)結(jié)合。替代地，如果在諸如玻璃或硅晶片的其它基底材料中制造微流體通道，則可以使用限定通道的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體光刻工藝與制造通道的濕和/或干蝕刻技術(shù)的結(jié)合來形成通道。

在基底內(nèi)形成微流體通道之后，可以用蓋層覆蓋基底(基底也稱為“流體層”)。蓋層密封流體層微通道(即，形成每個(gè)通道的“天花板”)并且對(duì)齊且結(jié)合到流體層。可以利用例如粘合劑來實(shí)現(xiàn)結(jié)合。蓋層可以包括與形成于流體層中的通孔對(duì)齊的通孔，以便允許從裝置引入和取回流體。替代地或另外，通孔可以形成在流體層中，所以在一些實(shí)施方案中，蓋層不是必需的。在一些實(shí)施方案中，第三接口層耦聯(lián)到蓋層的表面。接口層可以包括能夠與裝置進(jìn)行宏觀尺度連接的歧管。

圖9是示出了根據(jù)本公開的裝置，諸如裝置100，的橫截面的示意圖。圖9中所示的視圖是概括性橫截面，不對(duì)應(yīng)于裝置100中的任何一個(gè)特定位置。如橫截面中所示，裝置100包括流體層900，微流體通道形成在其中。流體層900的頂面結(jié)合到蓋層902(圖1中未示出)，流體層900的通孔可以與蓋層中的通孔對(duì)齊。接口層904(圖1中未示出)包括一個(gè)或多個(gè)歧管部分906，用于建立與裝置100的多個(gè)通孔的公共宏觀連接(例如，到管道)。例如，接口層904可以包括用于提供與多個(gè)通孔200(參見圖2)的單個(gè)耦聯(lián)連接的第一歧管部分和用于提供來自多個(gè)通孔800(參見圖8)的單個(gè)耦聯(lián)連接的另一個(gè)歧管部分。接口層904可以激光焊接到蓋層902上。在一些實(shí)施方案中，接口層904的歧管包括用于實(shí)現(xiàn)宏觀連接的端口908。

關(guān)于微流體通道網(wǎng)絡(luò)及其制造的另外的信息可以例如在公開號(hào)為2011/0091987的美國(guó)專利申請(qǐng)、美國(guó)專利us8,021,614和美國(guó)專利us8,186,913中找到，其各自的全部?jī)?nèi)容通過引用方式在本文中公開。

微流體裝置尺寸

對(duì)于輸送通過微流體裝置的總體上球形的顆粒，微流體通道的深度(例如，對(duì)于圖2-8來說進(jìn)入/離開頁面測(cè)量)和寬度(例如，沿圖2-8中的x方向測(cè)量)可以在裝置100被設(shè)計(jì)為對(duì)其進(jìn)行濃縮的顆粒類型的直徑的例如約2倍至約50倍的范圍內(nèi)。關(guān)于島結(jié)構(gòu)300或島結(jié)構(gòu)506，結(jié)構(gòu)的寬度可以例如高達(dá)相鄰微流體通道的寬度的約10倍，而這些結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度可以在相鄰?fù)ǖ缹挾鹊募s0.25倍至相鄰?fù)ǖ缹挾鹊募s50倍之間，其中島結(jié)構(gòu)300形成間隙，在流體交換器模塊108中通過該間隙提取流體，島結(jié)構(gòu)506形成間隙，在顆粒濃縮模塊110中通過該間隙提取流體。

在一些實(shí)施方案中，島結(jié)構(gòu)300的長(zhǎng)度(總體上沿著圖3中的z方向測(cè)量)可以在例如約10μm至約5mm長(zhǎng)之間，包括約100μm長(zhǎng)，約250μm長(zhǎng)，約500μm長(zhǎng)，約750μm長(zhǎng)，或約1mm長(zhǎng)。在一些實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)300的寬度(總體上沿著圖3中的x方向測(cè)量)可以在例如約1μm寬至約1mm寬之間，包括約10μm寬，約50μm寬，約100μm寬，約250μm寬，約500μm寬，或約750μm寬。在一些實(shí)施方案中，相鄰的島300之間的距離(總體上沿著圖3中的z方向測(cè)量)可以在例如約1μm至約1mm之間，包括約10μm，約50μm，約100μm，約250μm，約500μm，或約750μm。在一些實(shí)施方案中，陣列的最外面的島300和微流體通道壁(例如壁305或307)之間的距離可以在約1μm至約500μm之間變化，包括例如約10μm，約20μm，約30μm，約40μm，約50μm，約60μm，約70μm，約80μm，約90μm，約100μm，約150μm，約200μm，約250μm，約300μm，約350μm，約400μm，或約450μm。在一些實(shí)施方案中，流體交換器模塊108的長(zhǎng)度(總體上沿z方向從島300的陣列的一端至島300的陣列的另一端測(cè)量)可以在例如約10mm至約100mm之間，包括約20mm，約30mm，約40mm，約50mm，約60mm，約70mm，約80mm，或約90mm。

與島結(jié)構(gòu)300相對(duì)比，顆粒濃縮模塊110的島結(jié)構(gòu)具有總體上三棱柱的形狀，其最大寬度總體上對(duì)應(yīng)于三角形面的一個(gè)基部。在一些實(shí)施方案中，島結(jié)構(gòu)506的最大長(zhǎng)度可以在例如約10μm至約5mm長(zhǎng)之間，包括約100μm長(zhǎng)，約250μm長(zhǎng)，約500μm長(zhǎng)，約750μm長(zhǎng)，或約1毫米長(zhǎng)。在一些實(shí)施方案中，相鄰島506之間的距離(總體上沿著圖7中的z方向測(cè)量)可以在例如約1μm至約1mm之間，包括約10μm，約50μm，約100μm，約250μm，約500μm，或約750μm。在一些實(shí)施方案中，陣列的最靠外的島506和微流體通道壁(例如壁516或分隔件502的壁)之間的距離可以在約1μm至約500μm之間變化，包括例如約10μm，約20μm，約30μm，約40μm，約50μm，約60μm，約70μm，約80μm，約90μm，約100μm，約150μm，約200μm，約250μm，約300μm，約350μm，約400μm，或約450μm。在一些實(shí)施方案中，顆粒濃縮模塊110的長(zhǎng)度(總體上沿著z方向從島506的陣列的一端至島506的陣列的另一端測(cè)量)可以在例如約10mm至約100mm之間，包括約20mm，約30mm，約40mm，約50mm，約60mm，約70mm，約80mm，或約90mm。

作為例子，對(duì)于直徑為約8微米的總體上球形的顆粒，類似于圖1中所示配置、具有被剛性結(jié)構(gòu)陣列分開的兩個(gè)微流體通道的微流體裝置可以具有以下參數(shù)：每個(gè)微流體通道可以具有約52μm的深度，每個(gè)微流體通道可以具有在約10μm至約5000μm之間的寬度范圍，每個(gè)島結(jié)構(gòu)可以具有約50μm的寬度，每個(gè)島結(jié)構(gòu)可以具有約200μm的長(zhǎng)度。

應(yīng)用

本文描述的新型微流體技術(shù)和裝置可用于各種不同的應(yīng)用中。例如，本文公開的技術(shù)和裝置可用于從流體樣品中分離和濃縮細(xì)胞或其它顆粒的濃度。這樣的細(xì)胞或顆?？梢园?，例如通常的血細(xì)胞以及母體血液中的胎兒血細(xì)胞，骨髓細(xì)胞和循環(huán)腫瘤細(xì)胞(ctcs)，精子，卵子，細(xì)菌，真菌，病毒，藻類，任何原核或真核細(xì)胞，細(xì)胞器，外泌體，液滴，氣泡，污染物，沉淀物，有機(jī)和無機(jī)顆粒，磁珠和/或磁性標(biāo)記的分析物)。替代地或另外，本文公開的技術(shù)和裝置可以用于提取已經(jīng)提取了顆粒和/或細(xì)胞的純化流體樣品。這樣的流體可以例如包括血液，水溶液，油或氣體。具體應(yīng)用的實(shí)例闡述如下。

離心的替代方案

本文描述的組合的流體交換器和顆粒濃縮裝置可用作離心的替代方案。一般而言，離心被理解為包括通過對(duì)流體施加離心力而濃縮流體內(nèi)的亞組分。通常，該工藝需要的裝置具有易于磨損和破損的運(yùn)動(dòng)部件。此外，運(yùn)動(dòng)部件需要復(fù)雜且昂貴的制造工藝。離心的另一個(gè)問題是它是典型地在封閉系統(tǒng)中應(yīng)用的工藝，即離心法需要手動(dòng)地將樣品轉(zhuǎn)移到離心機(jī)和從離心機(jī)轉(zhuǎn)移出來。

相比之下，目前公開的裝置能夠使用相對(duì)簡(jiǎn)單的微結(jié)構(gòu)相當(dāng)大地增加流體組分的濃度，而不需要運(yùn)動(dòng)部件。這些技術(shù)可以被實(shí)施為單個(gè)開放的微流體系統(tǒng)的一部分，以使得流體樣品可以在流體交換器模塊和顆粒濃縮模塊之間轉(zhuǎn)移，在裝置的其它部分之間轉(zhuǎn)移而不需要手動(dòng)干涉。此外，本文描述的裝置可以用于需要大吞吐量(即可以處理的流體的體積率)的應(yīng)用。例如，本文公開的裝置可以配置為能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)10,25,50,75,100,250,500,1000,5000或10000μl/分鐘的流體流動(dòng)。其它流率也是可能的。改變通道尺寸可以改變?cè)O(shè)備能夠達(dá)到的最大體積流率。此外，由于流體交換器模塊和顆粒濃縮模塊中的通道被多路復(fù)用(即，平行地使用流體交換器和顆粒濃度結(jié)構(gòu)的多個(gè)副本)，所以甚至可以實(shí)現(xiàn)更高的流量。因此，在某些實(shí)施方案中，本文公開的裝置和技術(shù)可以提供比傳統(tǒng)的離心法工藝顯著地節(jié)省成本和時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。替代離心裝置的微流體替代方案可以用于的應(yīng)用實(shí)例包括骨髓和尿液分析。

檢測(cè)傳染因子

此外，本文公開的裝置和技術(shù)可用作研究平臺(tái)的一部分以研究感興趣的分析物(例如，蛋白質(zhì)，細(xì)胞，細(xì)菌，病原體和dna)，或者用作用于診斷病人身上的潛在疾病狀態(tài)或傳染因子的診斷分析的一部分。通過提取、會(huì)聚和濃縮顆粒濃度，本文描述的微流體裝置可用于測(cè)量許多不同的生物靶，包括小分子、蛋白質(zhì)、核酸、病原體和癌細(xì)胞。其它例子在下面描述。

稀有細(xì)胞檢測(cè)

本文描述的微流體裝置和方法可用于檢測(cè)稀有細(xì)胞，例如血液樣品中的循環(huán)腫瘤細(xì)胞(ctc)或懷孕女性的血液樣品中的胎兒細(xì)胞。例如，可以增強(qiáng)在血液樣品中原有的腫瘤細(xì)胞或ctc的濃度，以快速和全面地分析癌癥。因此，微流體裝置可以用作強(qiáng)大的診斷和預(yù)后工具。靶向和檢測(cè)的細(xì)胞可以是癌細(xì)胞，干細(xì)胞，免疫細(xì)胞，白細(xì)胞或其它細(xì)胞，例如包括循環(huán)內(nèi)皮細(xì)胞(對(duì)上皮細(xì)胞表面標(biāo)記物，例如上皮細(xì)胞粘附分子(epcam)，使用抗體)，或循環(huán)腫瘤細(xì)胞(對(duì)癌細(xì)胞表面標(biāo)記物，例如黑素瘤細(xì)胞粘附分子(cd146)，使用抗體)。系統(tǒng)和方法也可用于檢測(cè)小分子、蛋白質(zhì)、核酸或病原體。

有核細(xì)胞的分離和濃縮

本文公開的微流體裝置和技術(shù)可用于從例如血液和骨髓的復(fù)雜輸入流體中分離和濃縮有核細(xì)胞(例如白細(xì)胞)。例如，所述裝置可用于將嗜中性粒細(xì)胞與血液分離以進(jìn)行放射性標(biāo)記和隨后的注射和核成像(“白細(xì)胞成像”)和/或用于從骨髓穿刺液中濃縮祖細(xì)胞，以便隨后注射到矯形損傷部位。

流體交換

本文描述的微流體裝置和方法可用于將細(xì)胞從一種載體流體移動(dòng)到另一種載體流體。例如，所公開的顆粒轉(zhuǎn)移技術(shù)可用于將細(xì)胞轉(zhuǎn)移到包含例如藥物、抗體、細(xì)胞染劑、磁珠、冷凍保護(hù)劑、破胞試劑和/或其它分析物的試劑的流體流中或?qū)⒓?xì)胞從該流體流中轉(zhuǎn)移出來。

單個(gè)顆粒移動(dòng)區(qū)域可以包含許多平行的流體流(來自許多入口)，移動(dòng)的細(xì)胞將通過所述流體流。例如，白細(xì)胞可以從血流移動(dòng)到包含染色試劑的流中，然后進(jìn)入緩沖劑流。

在生物處理和相關(guān)領(lǐng)域中，所描述的裝置和技術(shù)可以用于使細(xì)胞從舊培養(yǎng)基(包含廢物)無菌且連續(xù)轉(zhuǎn)移到新鮮的生長(zhǎng)培養(yǎng)基中。類似地，可以以無菌且連續(xù)的方式從生物反應(yīng)器中提取細(xì)胞外液和細(xì)胞產(chǎn)物(例如抗體，蛋白質(zhì)，糖，脂類，生物藥物，醇和各種化學(xué)物質(zhì))，同時(shí)使細(xì)胞保留在生物反應(yīng)器內(nèi)。

分離和分析細(xì)胞

本文描述的微流體裝置和方法可用于基于生物物理性質(zhì)(例如尺寸)分級(jí)細(xì)胞。例如，所述裝置和方法可以用于將血液分級(jí)成分開的血小板、紅細(xì)胞和白細(xì)胞流。類似地，所述裝置和方法可用于將白細(xì)胞分級(jí)成分開的淋巴細(xì)胞、單核細(xì)胞和粒細(xì)胞流。

被分級(jí)的細(xì)胞流可以通過將它們發(fā)送到單獨(dú)的流體出口來隔離。替代地，可以實(shí)時(shí)地(例如使用光學(xué)技術(shù))檢測(cè)和分析細(xì)胞流，以確定每個(gè)流中的細(xì)胞數(shù)量或每個(gè)流中的細(xì)胞的屬性，諸如尺寸或粒度。

技術(shù)可以用于在分選之前或分選期間改變細(xì)胞或其載體流體，以幫助其分組和/或分析。例如，大珠可以結(jié)合到特定的細(xì)胞類型，增加該細(xì)胞類型的有效尺寸。受控的細(xì)胞聚集也可用于增加細(xì)胞的有效尺寸?？梢愿淖兞黧w的溫度、密度、粘度、彈性、ph值、滲透性和其它性質(zhì)以直接影響分選過程(例如，慣性效應(yīng)依賴于粘度)，或通過改變細(xì)胞的性質(zhì)(例如，滲透膨脹或收縮)間接影響分選過程。

流體滅菌和凈化

本文描述的微流體裝置和方法可用于從流體中去除病原體、污染物和其它特定雜質(zhì)。通過使雜質(zhì)跨越流體流線轉(zhuǎn)移，雜質(zhì)可以被從流體樣品中去除并作為單獨(dú)的廢物流收集。

收獲用于生物燃料的藻類

從生長(zhǎng)介質(zhì)中收獲藻類是生物燃料生產(chǎn)的主要費(fèi)用，因?yàn)樵孱愒诜浅Ｏ〉膽腋∫褐幸越行愿×ιL(zhǎng)，使得藻類生物量的高效提取和濃縮很困難。本文描述的微流體裝置和方法可以提供不依賴于密度或過濾的收集藻類的有效手段。所描述的裝置和技術(shù)使得生長(zhǎng)箱中的藻類能夠被從生長(zhǎng)培養(yǎng)基中提取并且濃縮成高體積密度。這可以作為單個(gè)步驟或連續(xù)過程的一部分來完成。另外，因?yàn)楸疚拿枋龅难b置可以以依賴尺寸的方式對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分選，所以它們可以被設(shè)計(jì)成僅對(duì)已經(jīng)達(dá)到成熟的較大的藻類進(jìn)行分選和濃縮，使更小的未成熟的藻類返回到箱中。

例子

在下面的例子中進(jìn)一步描述本發(fā)明，這些例子不限制在權(quán)利要求中描述的本發(fā)明的范圍。

裝置制造

進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)以分析將流體交換器模塊與顆粒濃縮模塊組合起來的微流體裝置的行為，其中裝置的結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為遵循圖1-8中所示的部件的結(jié)構(gòu)和布置。在這些實(shí)驗(yàn)中使用的裝置如下設(shè)計(jì)和制造。

圖10是示意圖，其示出了包括根據(jù)本公開的裝置的微流基片的俯視圖。如圖10所示，基底1000(其是類似于dvd或cd形狀的塑料盤)被制造成包括微流體裝置1002的兩個(gè)副本。裝置1002的設(shè)計(jì)類似于圖1-8中所示的結(jié)構(gòu)。利用注射成型將裝置1002的通道形成在塑料盤基底中，因此，盤是圖9中所示的流體層900的例子。每個(gè)裝置1002在圖10中被表示為被矩形盒狀邊框包圍，該邊框并未形成在實(shí)際裝置中，而是包括在圖10中以示出每個(gè)裝置1002的總體封裝匹配在顯微鏡載玻片區(qū)域(例如大約75mm×25mm)內(nèi)。

將蓋層熱結(jié)合到盤的表面，然后將充當(dāng)宏觀-微觀接口的接口層激光焊接到裝置1002的通孔。圖11是示意圖，其示出了激光焊接到包含微流體裝置1002的基底的接口層的頂視圖。接口層包括一系列開口1100，其配置成耦聯(lián)到管道，并且當(dāng)接口層結(jié)合到基底時(shí)，位于對(duì)應(yīng)的通孔上面，用于引入流體樣品或從裝置1002取回流體樣品。

在裝置1002中制造的微流體通道的深度全部都為大約52μm。每個(gè)裝置1002的流體交換器模塊包括30個(gè)陣列，布置為15個(gè)雙重陣列(例如，圖3中所示的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)單獨(dú)的陣列或1個(gè)雙重陣列，其中每個(gè)陣列包括三排島300)。對(duì)于制造的裝置，每個(gè)陣列包括3排島結(jié)構(gòu)(例如島結(jié)構(gòu)300)。每個(gè)裝置1002的顆粒濃縮模塊包括布置為3個(gè)雙重陣列的6個(gè)陣列(例如，圖7中所示的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)陣列或單個(gè)雙重陣列)。

細(xì)胞提取和濃縮

在制造之后，使用制造的裝置1002進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中將全血加載到裝置中以提取和濃縮嗜中性粒細(xì)胞的濃度。

所有實(shí)驗(yàn)組中加載的血的體積為50ml。用50ml緩沖劑(1xpbs，含1％普朗尼克f-127)對(duì)其進(jìn)行1:1稀釋，使總樣品體積達(dá)到100ml。根據(jù)輸入樣品的血細(xì)胞比容和流體交換器的廢物計(jì)算出的被處理的體積中位數(shù)為約87ml(87％)。約13ml(13％)的損失可能由在樣品容器、注射器、管道和配件中的死區(qū)容積損失所引起。因此，經(jīng)稀釋的血液樣品對(duì)應(yīng)于本文中描述的流體樣品。第二流體樣品包括緩沖劑流體樣品(1xpbs，含1％普朗尼克f-127)，來自經(jīng)稀釋的血液樣品的細(xì)胞將被轉(zhuǎn)移到第二流體樣品中并被濃縮。經(jīng)稀釋的血液樣品進(jìn)入裝置1002的流率約為1.79ml/分鐘，緩沖劑樣品進(jìn)入裝置的流率約為8.17ml/分鐘，從裝置1002出來的產(chǎn)品(包含來自血液樣品的濃縮細(xì)胞的緩沖劑)的流率為約90μl/分鐘，離開裝置1002的廢物流率約為9.87ml/分鐘。每個(gè)裝置的流體交換器模塊的體積減小因子(輸入體積/產(chǎn)品體積)確定為約0.62x。每個(gè)裝置的顆粒濃縮模塊的體積減小因子確定為約32x。

為了評(píng)估實(shí)驗(yàn)，我們定義了以下參數(shù)：ep對(duì)應(yīng)于從流體交換器以產(chǎn)品形式輸出的白細(xì)胞(wbcs)的數(shù)量，ew對(duì)應(yīng)于從流體交換器以廢物形式輸出的wbcs的數(shù)量，eo對(duì)應(yīng)于從流體交換器輸出的wbcs的總數(shù)，cp對(duì)應(yīng)于從顆粒濃縮模塊以產(chǎn)品形式輸出的wbcs的數(shù)量，cw對(duì)應(yīng)于從顆粒濃縮模塊以廢物形式輸出的wbcs的數(shù)量，co對(duì)應(yīng)于從顆粒濃縮模塊輸出的wbc的總數(shù)。使用上述參數(shù)，成立以下關(guān)系：ep＝co＝cp+cw；eo＝ep+ew＝cp+cw+ew。因此，對(duì)于流體交換器模塊，相對(duì)產(chǎn)率可以表示為ep/eo＝(cp+cw)/(cp+cw+ew)，而對(duì)于顆粒濃縮模塊，相對(duì)產(chǎn)率可以表示為cp/co＝cp/(cp+cw)。

流體交換器模塊后的白細(xì)胞(wbcs)的相對(duì)產(chǎn)率中位數(shù)約為78％，絕對(duì)產(chǎn)率中位數(shù)(基于處理的體積計(jì)算)是非常近似的81％。圖12示出了對(duì)于不同組實(shí)驗(yàn)的白細(xì)胞相對(duì)產(chǎn)率分布(圖12a)和白細(xì)胞絕對(duì)產(chǎn)率分布(圖12b)的圖。顆粒濃縮模塊階段后的相對(duì)產(chǎn)率中位數(shù)為約100％。也就是說，基本上所有的細(xì)胞損失都發(fā)生在流體交換器模塊階段。圖13示出了對(duì)于不同組實(shí)驗(yàn)的在流體交換器模塊(“分級(jí)器”)后的白細(xì)胞相對(duì)產(chǎn)率(圖13a)和在顆粒濃縮模塊之后的白細(xì)胞相對(duì)產(chǎn)率(圖13b)的圖。

可以使用幾種方法來評(píng)估wbc亞群的產(chǎn)率。以嗜中性粒細(xì)胞為例，因?yàn)樗鼈兛梢员焕斫鉃槭前准?xì)胞成像應(yīng)用的重要亞群，所以嗜中性粒細(xì)胞相對(duì)產(chǎn)率可以計(jì)算為

嗜中性粒細(xì)胞相對(duì)產(chǎn)率＝wbc相對(duì)產(chǎn)率×(產(chǎn)品嗜中性粒細(xì)胞分?jǐn)?shù)/樣品嗜中性粒細(xì)胞分?jǐn)?shù))

其中產(chǎn)品嗜中性粒細(xì)胞分?jǐn)?shù)是產(chǎn)品中的所有wbcs中嗜中性粒細(xì)胞的分?jǐn)?shù)，而樣品嗜中性粒細(xì)胞分?jǐn)?shù)是血液樣品中的所有wbcs中嗜中性粒細(xì)胞的分?jǐn)?shù)。因此，嗜中性粒細(xì)胞相對(duì)產(chǎn)率可以基本上表示為基于嗜中性粒細(xì)胞亞群的相對(duì)濃縮調(diào)節(jié)的總wbc相對(duì)產(chǎn)率。嗜中性粒細(xì)胞的相對(duì)產(chǎn)率中位數(shù)為84％，其明顯高于wbc相對(duì)產(chǎn)率中位數(shù)。第二種方法是嗜中性粒細(xì)胞絕對(duì)產(chǎn)率。這被計(jì)算為以產(chǎn)品中的嗜中性粒細(xì)胞的總數(shù)除以在樣品中處理的嗜中性粒細(xì)胞的總數(shù)。嗜中性粒細(xì)胞的絕對(duì)產(chǎn)率中位數(shù)為78％。圖14示出了對(duì)于不同組實(shí)驗(yàn)的來自裝置1002的相對(duì)嗜中性粒細(xì)胞產(chǎn)率(圖14a)和絕對(duì)嗜中性粒細(xì)胞產(chǎn)率(圖14b)的圖。

應(yīng)該注意的是，關(guān)于嗜中性粒細(xì)胞的相對(duì)和絕對(duì)產(chǎn)率計(jì)算，這些值取決于從裝置輸出獲得的產(chǎn)品的血液分析儀分析，該產(chǎn)品作為細(xì)胞溶液其成分與分析儀設(shè)計(jì)要處理的成分(全血的成分)非常不同。因此，wbc亞群的濃度和頻率的血液分析儀報(bào)告可能不是特別準(zhǔn)確。

評(píng)估嗜中性粒細(xì)胞產(chǎn)率的第三種方法不會(huì)受到這種限制，但它要依賴于收集大量數(shù)據(jù)，并且僅跨許多樣品而不是在逐個(gè)樣品的基礎(chǔ)上提供嗜中性粒細(xì)胞產(chǎn)率的估計(jì)。在該方法中，將樣品嗜中性粒細(xì)胞分?jǐn)?shù)相對(duì)于每個(gè)分?jǐn)?shù)的相對(duì)產(chǎn)率作圖，并且找到與數(shù)量相關(guān)的最佳擬合線。最佳擬合線可以擴(kuò)展到具有100％嗜中性粒細(xì)胞分?jǐn)?shù)的樣品的假設(shè)情況。在這種情況下，wbc相對(duì)產(chǎn)率和嗜中性粒細(xì)胞相對(duì)產(chǎn)率是相等的。對(duì)于該數(shù)據(jù)集，最佳擬合線的斜率為正：樣品中的嗜中性粒細(xì)胞的含量越高，wbc總產(chǎn)率越高。這強(qiáng)烈地表明裝置1002濃縮了嗜中性粒細(xì)胞，這與因嗜中性粒細(xì)胞的更大尺寸而給出的預(yù)期相一致。此外，使用描述的外推法表明，嗜中性粒細(xì)胞產(chǎn)率在100％的范圍內(nèi)。圖15示出了對(duì)于不同組實(shí)驗(yàn)的wbc相對(duì)產(chǎn)率-樣品嗜中性粒細(xì)胞分?jǐn)?shù)的圖，并且包括上述最佳擬合線。

wbc純度被計(jì)算為產(chǎn)品中wbc的總數(shù)除以產(chǎn)品中的細(xì)胞(wbcs，rbcs和血小板)總數(shù)?？偧兌戎形粩?shù)約為97％。即使在緩沖劑入口可能被阻塞(導(dǎo)致rbc攜帶)的情況下，純度通常在約70-90％之間。然而，沒有阻塞緩沖劑口或沒有遭受不均勻注入的實(shí)驗(yàn)組具有約99％的wbc純度。因此，隨著流程的改善，可期待wbc中位數(shù)趨向約99％。

如圖16中所示，純度數(shù)據(jù)與rbc和血小板排除數(shù)據(jù)密切相關(guān)。rbc排除中位數(shù)為4.8log，血小板排除中位數(shù)為3.7log。除了在緩沖劑口被阻塞或注射不均勻的情況下之外，兩種細(xì)胞類型的排除通常是相當(dāng)好的。

其它實(shí)施方案

應(yīng)當(dāng)理解，盡管已經(jīng)結(jié)合其詳細(xì)說明描述了本發(fā)明，但是前述說明旨在闡述而不是限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求的范圍限定。