使用可調(diào)諧聲表面駐波進(jìn)行微流體操控和顆粒分選的制作方法
【專利說明】使用可調(diào)諧聲表面駐波進(jìn)行微流體操控和顆粒分選
所涉及的相關(guān)申請(qǐng)
[0001]本專利申請(qǐng)請(qǐng)求享有美國專利(臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)N0.61/592，855，申請(qǐng)日2012年I月31日)的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容合并于此。
所涉及的政府支持
[0002]本發(fā)明來自于美國政府支持，包括美國國立衛(wèi)生研宄院項(xiàng)目(N0.1DP20D007209-01)和美國國家科學(xué)基金會(huì)項(xiàng)目(N0.ECCS0824183)。美國政府擁有本發(fā)明的某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及使用聲表面波進(jìn)行顆粒操控和分選的方法和裝置，包括顆粒、細(xì)胞和微生物的濃縮、聚焦和表征。
【背景技術(shù)】
[0004]對(duì)很多應(yīng)用來說，改進(jìn)用于顆粒分選、操控和表征的方法和裝置將是非常有用的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的實(shí)例包括用于顆粒操控和分選的方法和裝置。方法可用于多種顆粒類型，包括微米顆粒和納米顆粒。顆?？梢允?或包括)天然來源的組分，并且可包括細(xì)胞(特別是血細(xì)胞)和微生物。本發(fā)明的實(shí)例可用于顆粒的濃縮和分離，所述顆粒如細(xì)胞，及特別地，人體血液內(nèi)部的細(xì)胞。顆粒也可包括無機(jī)物、聚合物和各種其它類型的顆粒。
[0006]本發(fā)明的實(shí)例包括〃聲波鑷子"，它可以捕獲和巧妙地操控單個(gè)顆粒，比如微米顆粒、細(xì)胞或微生物。該聲波鑷子使用線性調(diào)頻(線性調(diào)頻的)叉指換能器(IDTs，有時(shí)稱為指叉換能器)的寬共振帶，來獲得聲表面駐波場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制，可靈活地操控顆粒。
[0007]該聲波設(shè)備實(shí)例所使用的功率密度明顯低于光鑷子所需(通常是光鑷子的1/10000000，是光電鑷子的1/100)。相對(duì)于傳統(tǒng)方法，基于聲波的顆粒操控方法提供極好的、無創(chuàng)性的替代方案。這里所示的聲波鑷子是第一個(gè)在二維空間精密控制單個(gè)微粒的聲波操控方法。
[0008]一種設(shè)備結(jié)構(gòu)的實(shí)例包括鄰接壓電基底的通道，其位于兩個(gè)垂直的線性調(diào)頻叉指換能器(IDTs)對(duì)之間。線性調(diào)頻叉指換能器在其指周期上具有漸變，允許它們?cè)诤軐挼念l率范圍內(nèi)有效地共振。各對(duì)線性調(diào)頻叉指換能器被獨(dú)立地加以射頻信號(hào)(RF)，以產(chǎn)生相同的聲表面波(SAWs)，它們之間的干涉形成了聲表面駐波(SSAW)。這些聲表面駐波漏入鄰接的流體介質(zhì)中，并在該流體中建立差壓場(chǎng)，而該場(chǎng)產(chǎn)生聲輻射力，其作用在懸浮顆粒上。所述通道是偏離叉指換能器中心的，這樣，通道中零階壓力節(jié)點(diǎn)的位置在通道工作區(qū)之外。
[0009]該聲輻射力驅(qū)動(dòng)顆粒至壓力場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)或腹點(diǎn)，這取決于它們的彈性特征。由于相對(duì)于懸浮流體介質(zhì)的密度和/或壓縮性差異，大多數(shù)顆粒被推向壓力場(chǎng)中的節(jié)點(diǎn)。
[0010]線性調(diào)頻叉指換能器的大帶寬轉(zhuǎn)化為可訪問聲表面駐波波長(zhǎng)的寬譜范圍，其限定了設(shè)備的大顆粒操控范圍。使用具有變化的輸入RF頻率的線性調(diào)頻叉指換能器，可精密地調(diào)整產(chǎn)生自聲表面駐波干涉的壓力節(jié)點(diǎn)的位置，而且，可在二維空間自由操控在壓力節(jié)點(diǎn)處捕獲的一個(gè)或多個(gè)顆粒。也可以精密地修正流體流內(nèi)部的顆粒流軌，從而改善顆粒分選。
[0011]另一個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)實(shí)例包括位于一對(duì)可變頻率叉指換能器之間的通道。該通道具有一個(gè)通道輸入和多個(gè)通道輸出。對(duì)該叉指換能器對(duì)加以RF信號(hào)，以產(chǎn)生相同的聲表面波(SAWs)，它們之間的干涉在通道的工作區(qū)內(nèi)部形成聲表面駐波(SSAW)，并在流體內(nèi)建立差壓場(chǎng)。通過驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率調(diào)整來調(diào)整該壓力場(chǎng)，流過通道的顆粒的流軌就可以被導(dǎo)向任一期望的通道輸出。分選可由電子控制的，并基于一個(gè)或多個(gè)顆粒特征，所述顆粒特征是在通道中為該顆粒確定的。因此，有效的顆粒分選是可能的，包括血細(xì)胞成分分選，包括熒光激活細(xì)胞分選。
[0012]應(yīng)用實(shí)例包括顆粒分選(包括細(xì)胞分選)，流式細(xì)胞術(shù)等等。本發(fā)明的實(shí)例可以同微流體顆粒聚焦設(shè)備相結(jié)合，以改善顆粒分選，包括改善的流式細(xì)胞儀。改進(jìn)的流式細(xì)胞儀可包括顆粒聚焦級(jí)、顆粒表征級(jí)和顆粒分選級(jí)。該分選級(jí)可與表征級(jí)進(jìn)行電子通信，這樣，可在檢測(cè)的顆粒參數(shù)的基礎(chǔ)上，分選不同的顆粒。
[0013]一種用于顆粒操控的裝置實(shí)例包括基底(例如，支持SSAW的基底，比如壓電基底)、界定在該基底上的通道(例如，具有至少一個(gè)小于I毫米的橫截面的通道)和在該基底上形成的分隔開的可變頻率或線性調(diào)頻叉指換能器(IDTS)對(duì)，所述通道位于叉指換能器對(duì)之間并偏離其中心?？商峁┮环N電子控制電路來驅(qū)動(dòng)叉指換能器對(duì)，以在該通道的工作區(qū)內(nèi)產(chǎn)生聲表面駐波。該通道被設(shè)置為接收包括有顆粒的懸浮流體，而且，可通過調(diào)節(jié)聲表面駐波(SSAW)的頻率和/或相位來調(diào)整該顆粒的位置?；卓商峁┩ǖ赖谋凇ｎw?？梢允蔷酆衔镱w粒、細(xì)胞(例如，血細(xì)胞)、微生物、顆粒集合或其它具有不同于環(huán)繞的支持介質(zhì)的彈性的物體。該支持介質(zhì)可以是流體，更特別地，可以是液體。
[0014]在某些實(shí)例中，通道是具有一個(gè)輸入通道和多個(gè)輸出通道的流道，通過調(diào)節(jié)聲表面駐波的頻率來將顆粒導(dǎo)向該多個(gè)輸出通道中所選的通道。實(shí)例包括改進(jìn)的細(xì)胞分選裝置和方法，包括改進(jìn)的血液分選。
[0015]通道可位于產(chǎn)生第一聲表面駐波的第一對(duì)叉指換能器和產(chǎn)生第二聲表面駐波的第二對(duì)叉指換能器之間，所述第一和第二聲表面駐波(例如垂直聲表面駐波)具有第一和第二頻率，可調(diào)節(jié)該頻率以控制顆粒至少在二維空間的位置。
[0016]可變頻率或線性調(diào)頻叉指換能器可包括由基底支持的第一和第二叉指電極，其通過電子控制電路由施加在該電極間的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)。相鄰電極指之間的指間距是其在基底上的位置的函數(shù)，這樣，線性調(diào)頻IDT可具有寬頻率響應(yīng)。用于本發(fā)明的可變頻率IDT可具有至少1MHz的可調(diào)頻帶，例如，至少1MHz。一個(gè)線性調(diào)頻IDT實(shí)例可具有至少1MHz的工作帶寬，而工作頻率在IMHz到10MHz的范圍內(nèi)，更特別地，5MHz到50MHz。工作在18.5MHz到37MHz范圍內(nèi)的線性調(diào)頻IDTs實(shí)例，對(duì)應(yīng)的SAW波長(zhǎng)大約為100微米到200微米，而操控分辨率大約為I微米。顯然，此處的術(shù)語"聲波的"并不將頻率范圍限制在人聽得到的頻率內(nèi)。
[0017]操控顆粒的方法包括將包括有顆粒的懸浮流體引入到通道、其中，所述通道貼近(例如，鄰接)基底；使用一對(duì)線性調(diào)頻IDTs在基底內(nèi)產(chǎn)生SSAW，以及通過調(diào)節(jié)SSAW的頻率來操控顆粒。該方法可以是顆粒分選的方法，通道是流道，可調(diào)節(jié)SSAW的頻率來將顆粒的流軌導(dǎo)向多個(gè)輸出通道中所選的輸出通道。顆?？梢允羌?xì)胞，例如，血細(xì)胞。可使用第二對(duì)線性調(diào)頻IDTs在基底內(nèi)產(chǎn)生第二 SSAW，而通過調(diào)節(jié)第二 SSAW的頻率來進(jìn)一步操控顆粒。
【附圖說明】
[0018]圖1根據(jù)本發(fā)明示出用于顆粒操控的裝置的實(shí)施例的透視圖；
[0019]圖2示出圖1的實(shí)施例沿2-2線的兩個(gè)橫斷面視圖，顯示聲表面駐波的變化如何影響顆粒的運(yùn)動(dòng)；
[0020]圖3A示出本發(fā)明的實(shí)施例的部分工作區(qū)的模擬壓力場(chǎng)；
[0021]圖3B示出一維顆粒運(yùn)動(dòng)，其由施加不同的聲波功率時(shí)的恒定頻率改變而引起；
[0022]圖3C示出顆粒的速度，對(duì)應(yīng)于圖3B中的位移曲線；
[0023]圖3D示出實(shí)驗(yàn)上測(cè)量的顆粒上的聲輻射力(ARF)，表示為不同的輸入功率時(shí)到最近的壓力節(jié)點(diǎn)(離散點(diǎn))的距離的函數(shù)，其中實(shí)線為擬合曲線；
[0024]圖3E示出顆粒位移對(duì)時(shí)間的曲線，作為可再現(xiàn)顆粒運(yùn)動(dòng)的實(shí)證；
[0025]圖3F示出顆粒運(yùn)動(dòng)對(duì)時(shí)間的曲線，作為顆粒以限定好的步階沿X方向連續(xù)移動(dòng)而在Y方向保持不動(dòng)的實(shí)證；
[0026]圖4A-4D示出對(duì)單個(gè)線蟲進(jìn)行獨(dú)立的二維操控的圖像；
[0027]圖5A-5I示出用于可變頻率叉指換能器和用于基于PDMS的微通道的示例性的制造過程的橫斷面視圖；
[0028]圖6A根據(jù)本發(fā)明示出用于顆粒操控的裝置的實(shí)施例，其中，在流道里操控顆粒，以選擇性地將其導(dǎo)向多個(gè)輸出通道中的一個(gè)；
[0029]圖6B類似于圖6A，其中，操控顆粒以將其導(dǎo)向多個(gè)輸出通道中不同的一個(gè)；
[0030]圖7A-7C示出熒光顆粒被選擇性地分選至三個(gè)輸出通道中的一個(gè)；
[0031]圖8根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出雙流道分選裝置，說明細(xì)胞被分選至五個(gè)通道；
[0032]圖9A根據(jù)本發(fā)明示出兩種顆粒在裝置工作區(qū)內(nèi)的混合；
[0033]圖9B是圖9A標(biāo)志為9B部分的放大圖；
[0034]圖9C示出通過調(diào)整聲表面駐波選走較大的顆粒后的圖9A的工作區(qū)；
[0035]圖9D是圖9C標(biāo)志為9D部分的放大圖；和
[0036]圖10根據(jù)本發(fā)明示出用于顆粒操控的裝置，其中，當(dāng)流過工作區(qū)時(shí)，大的顆粒與較小的顆粒分離。
【具體實(shí)施方式】
[0037]本發(fā)明的實(shí)例包括用于微米/納米顆粒的高精度分選的方法和裝置，包括但不僅限于細(xì)胞(例如，血細(xì)胞，包括哺乳類動(dòng)物血細(xì)胞，如人體血細(xì)胞及牛類血細(xì)胞)和微生物，其使用可調(diào)諧的聲表面駐波。裝置和方法實(shí)例使用單層平面微流設(shè)備，可用標(biāo)準(zhǔn)的軟刻蝕技術(shù)制造該設(shè)備。與當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)(例如，聲表面行波分選、光鑷分選和電動(dòng)分選)相比，本方案的精度要高得多，且設(shè)備制造非常簡(jiǎn)單，較少侵害，成本也低。
[0038]本發(fā)明的實(shí)例可用于顆粒的濃縮、操控、分選和分離，所述顆粒如細(xì)胞，及特別地，人體血液內(nèi)部的細(xì)胞。細(xì)胞分離，特別是人體全血細(xì)胞分離，在生物醫(yī)學(xué)研宄和診斷中是很重要的。使用聲操控技術(shù)，大規(guī)模的應(yīng)用是可能的，包括細(xì)胞/顆粒分選、細(xì)胞/顆粒分離和細(xì)胞/顆粒濃縮。
[0039]本發(fā)明的實(shí)例包括〃聲波鑷子〃，其可在微流芯片內(nèi)捕獲并巧妙地操作單個(gè)微粒、細(xì)胞和整個(gè)生物體如秀麗隱桿線蟲(C.elega