專利名稱：顆粒分選的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于分選懸浮液中的顆粒的方法和設(shè)備，其中分選模塊的流體進(jìn)入通道被分成幾個(gè)流出通道。本發(fā)明尤其涉及一種具有多個(gè)互連分選模塊用以提高顆粒通過(guò)量的顆粒分選系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在生物技術(shù)領(lǐng)域，尤其是細(xì)胞學(xué)和藥物篩選領(lǐng)域，需要以高通過(guò)量來(lái)分選顆粒。需要分選的顆粒是各種類型的細(xì)胞，如血小板、白細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞、胚胎細(xì)胞等等.在細(xì)胞學(xué)領(lǐng)咸這些顆粒是人們尤其感興趣的。其它顆粒有(大)分子物質(zhì)，例如蛋白質(zhì)、酶和多聚核苷酸.在新藥物的開發(fā)的藥物篩選領(lǐng)域中，該顆粒家族是人們特別感興趣的，
用于分選顆粒的方法和設(shè)備是已知的，并且現(xiàn)有技術(shù)中所描述的大部分是在如下情況下工作的，顆粒懸浮于流經(jīng)具有至少一個(gè)下游分支點(diǎn)的通道網(wǎng)絡(luò)的液體之中，并且依照檢測(cè)-決定-導(dǎo)流的原理工作.首先要分析移動(dòng)的顆粒的特定特性，諸如吸光度、熒光強(qiáng)度、尺寸大小等等。根據(jù)該檢測(cè)階段的結(jié)果，決定在下游階段如何進(jìn)一步處理該顆粒。再將所做決定的結(jié)果加以應(yīng)用，使特定的顆粒朝著通道網(wǎng)絡(luò)的預(yù)定分支方向偏轉(zhuǎn)(deflect )。分選設(shè)備的通過(guò)量，即單位時(shí)間內(nèi)可分選顆粒的數(shù)量，是十分重要的因素。對(duì)于每單個(gè)分選單元，采用閉合通道中的顆粒懸浮液流的分選器的典型分選速率為幾百顆粒每秒至幾千顆粒每秒.
美國(guó)專利No. 4175662中描述了分選裝置的例子，在此引入其內(nèi)容作為參考(下文中稱為'662專利L在'662專利中，顆粒流，此處為細(xì)胞，流經(jīng)直型通道的中央，直型通道在下游分支點(diǎn)處盆分成兩個(gè)垂直通道(T型分支)，流入顆粒被相容流體構(gòu)成的外層所包圍，使得該顆粒限制在通道的中央。在通常情況下，可調(diào)節(jié)通過(guò)兩個(gè)分支的流量比，使顆粒自動(dòng)地流過(guò)其中之一。在通道的一個(gè)區(qū)域內(nèi)可用例如光學(xué)系統(tǒng)的檢測(cè)器檢測(cè)顆粒的特性(檢測(cè)階段)。在決定階段，當(dāng)檢測(cè)器檢測(cè)到具有預(yù)定特性的顆粒時(shí)，檢測(cè)器就發(fā)出信號(hào)。在導(dǎo)流階段，一_§^險(xiǎn)測(cè)到顆粒，導(dǎo)流器就被激活使該顆粒發(fā)生偏轉(zhuǎn).在此例中，導(dǎo)流器包括安裝在通道分支處的電M,在該分支處顆粒通常流經(jīng)處于非激活狀態(tài)的導(dǎo)流器。通過(guò)應(yīng)用電流脈沖，水溶液被電解，在電極對(duì)之間釋放出所產(chǎn)生的氣泡.釋放階段中隨著氣泡尺寸的增大，通過(guò)該分支的流速降4氐。在施加了電流脈沖之后，氣泡停止了增大，并且被流體攜帶著。結(jié)果，通過(guò)特定分支的流體暫時(shí)減少，而目標(biāo)顆粒改變了流路流向另 一分支的下游。
'662專利中的裝置對(duì)于分選顆粒是有效的.然而有一個(gè)嚴(yán)重的缺陷在于產(chǎn)生的氣泡可能會(huì)在流控網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)點(diǎn)聚集.該氣泡的產(chǎn)生可能會(huì)阻塞流動(dòng)通道，造成錯(cuò)誤分選.另一個(gè)缺點(diǎn)在于所產(chǎn)生的氣體(主要是氧氣和氫氣)和離子物質(zhì)(主要為0H —和IT)影響了顆粒流經(jīng)具有電極對(duì)的分支。另外，細(xì)胞和易損傷的蛋白質(zhì)如酶是非常脆弱的，會(huì)被與氣泡共同產(chǎn)生的污染成分所破壞.另一個(gè)缺點(diǎn)在于整個(gè)分選裝置很復(fù)雜。特別是在系統(tǒng)的小型通道中安裝和組裝微電極構(gòu)造是十分復(fù)雜的，因此，分選單元的成^目對(duì)較高。
美國(guó)專利3984307中描迷了現(xiàn)有技術(shù)的顆粒分選系統(tǒng)的另一個(gè)例子，在此引入其內(nèi)容作為參考(下文中稱為'307專利)。在'307專利中，被流動(dòng)的外層液體限制的顆粒流經(jīng)通道的中央。經(jīng)過(guò)檢測(cè)器區(qū)域之后，該通道盆分為之間成銳角的兩個(gè)通道(例如，Y型分支).在通道的分支點(diǎn)稍前處，安裝了一個(gè)電激活的換能器，用于偏轉(zhuǎn)具有適當(dāng)預(yù)定特性的特定的顆粒.所述換能器為壓電致動(dòng)器或者超聲換能器，電激活后在通道中產(chǎn)生壓力波。所產(chǎn)生的壓力波會(huì)暫時(shí)干擾一個(gè)分支中的流動(dòng)，從而使目標(biāo)顆粒偏轉(zhuǎn)到另一個(gè)分支中。
在'307專利的裝置中，如同前面所討論的裝置一樣，將導(dǎo)流器加到 通道系統(tǒng)中會(huì)導(dǎo)致較高的造價(jià)。該裝置的另一個(gè)缺點(diǎn)在于所使用的導(dǎo)流器 原理。所產(chǎn)生的壓力波并不局限在分支點(diǎn)，而是向上游區(qū)傳播到檢測(cè)器區(qū) 域，以及向下傳播到兩個(gè)分支。這會(huì)影響到所有通過(guò)通道的流體。如果將 此類型的分選器串聯(lián)或并聯(lián)，如構(gòu)建高通過(guò)量分選系統(tǒng)時(shí)所做那樣，此缺 點(diǎn)就尤為突出。 一個(gè)分選器中所產(chǎn)生的壓力波可能接著影響鄰近分選器單 元中的顆粒的流動(dòng)和導(dǎo)流。
美國(guó)專利No. 4756427中描述了另一種分選器，在此引入其內(nèi)容作為 參考。該分選器類似于'662專利中的分選器。但是，在此例中，通過(guò)暫 時(shí)改變一個(gè)分支的阻力來(lái)干擾在該分支中的流動(dòng)。阻力的改變是通過(guò)外部 致動(dòng)器來(lái)改變分支通道的高度.在優(yōu)選實(shí)施方案中，該外部致動(dòng)器為粘合 在通道頂部的壓電圓盤，4吏之在激活后向下移動(dòng)，
盡管'427專利中所述的分選器構(gòu)造比先前描述的分選器結(jié)構(gòu)筒單一 些，但是當(dāng)所述類型的多個(gè)分選器模塊連接到一起以提高分選速率時(shí)，它 仍然存在問(wèn)題。如同'307專利中所述的分選器一樣，這是因?yàn)槠渌a(chǎn)生 的壓力波會(huì)造成對(duì)其它分選器模塊的干擾。
美國(guó)專利第5837200號(hào)中描述了另一種顆粒分選裝置，在此引入其內(nèi) 容作為參考。'200專利描述了一種利用磁導(dǎo)流模塊，根據(jù)顆粒的磁性特 征來(lái)分類或選擇的分選裝置.'200專利還進(jìn)一步描述了并聯(lián)處理和分離 單股顆粒流的過(guò)程.

發(fā)明內(nèi)容
本法明提供了用于分選流過(guò)毛細(xì)尺寸的封閉通道系統(tǒng)的顆粒的方法 和設(shè)備.本發(fā)明的顆粒分選系統(tǒng)提供了一種分選模塊，其可以低成本地組 裝并提供在每單位時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確分選大量顆粒的手段。該顆粒分選系統(tǒng)可包 括多個(gè)緊密連接的分選模塊，其結(jié)合起來(lái)以進(jìn)一步提高了分選速率.為了 降低錯(cuò)誤率，該顆粒分選系統(tǒng)可包括多步分選裝置用于連續(xù)地分選顆粒 流。
根據(jù)本發(fā)明，顆粒分選系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的流控顆粒轉(zhuǎn)向的方法和轉(zhuǎn)向 的裝置。該顆粒分選系統(tǒng)包括用于分選顆粒的毛細(xì)尺寸的封閉通道系統(tǒng)。 該通道系統(tǒng)包括用于引入顆粒流的第一供管和用于提供載液的第二供管。
6第一供管形成的管口將顆粒流引入栽液中。第一供管和第二供管與測(cè)量管 流體連通，測(cè)量管在分支點(diǎn)處岔分成笫一支路和第二支路。測(cè)量區(qū)域被限 定在測(cè)量管中，并且與檢測(cè)器聯(lián)合以檢測(cè)測(cè)量區(qū)域中的顆粒的預(yù)定特性。 兩個(gè)相對(duì)的氣泡閥與測(cè)量管連通放置并彼此相對(duì)隔開。氣泡閥通過(guò)一對(duì)相 對(duì)的邊路通道與測(cè)量管連通。液體可以部分填充這些邊路通道從而在其中 形成彎液面，作為載液與氣泡岡儲(chǔ)液池的分界面。還提供了一個(gè)外部致動(dòng) 器用于調(diào)節(jié)其中一個(gè)氣泡岡.當(dāng)外部致動(dòng)器被激活后，受激活的氣泡閥的 儲(chǔ)液池壓力增加，使彎液面發(fā)生偏轉(zhuǎn)并在測(cè)量管中造成流動(dòng)干擾以使其中 的流體發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
當(dāng)位于測(cè)量區(qū)域的傳感器檢測(cè)到流經(jīng)測(cè)量區(qū)域的顆粒的預(yù)定特性時(shí)， 該傳感器就發(fā)出信號(hào)以響應(yīng)所檢測(cè)到的特性。外部致動(dòng)器對(duì)傳感器發(fā)生響 應(yīng)，在第一氣泡閥的加壓腔室中產(chǎn)生壓力脈沖，使具有預(yù)定特性的顆粒發(fā) 生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致所選顆粒流到笫二分支管下游.
一方面，本發(fā)明包括分選顆粒的方法，步驟包括提供具有入口和分 支點(diǎn)的測(cè)量管，該管在分支點(diǎn)處岔分為兩個(gè)分支管道，將其中具有懸浮顆 粒流的流體流導(dǎo)入管的入口，這樣該顆粒通常流過(guò)第一個(gè)分支管道，并且 在分支點(diǎn)的上游提供兩個(gè)相對(duì)的邊路通道用于使管道中的液流暫時(shí)發(fā)生 偏轉(zhuǎn)。第一個(gè)邊路通道液壓式地與第一個(gè)氣泡閥的加壓腔室相連，該氣泡 閥通過(guò)用于改變其中壓力的外部致動(dòng)器來(lái)激活。第二個(gè)邊路通道與第二個(gè) 氣泡閥的緩沖器腔室液壓式連接用于吸收壓力變化量。該方法進(jìn)一步包括 沿邊路通道上游的測(cè)量管提供測(cè)量站，用于檢測(cè)液流中顆粒的預(yù)定特性， 并且當(dāng)檢測(cè)到預(yù)定的特性時(shí)產(chǎn)生信號(hào).該方法進(jìn)一步包括以下步驟響應(yīng) 于對(duì)預(yù)定特性的檢測(cè)，激活外部致動(dòng)器用以在邊路通道之間的管道中產(chǎn)生 流動(dòng)干擾，從而使具有預(yù)定特性的顆粒發(fā)生偏轉(zhuǎn)并使所選顆粒流向第二分 支管道的下游。
本發(fā)明的另 一些方面，通過(guò)分別并聯(lián)多個(gè)分選模塊或者以二叉樹形構(gòu) 造串聯(lián)多個(gè)分選模塊，分別增加了顆粒的分選速率或者增加了被分選顆粒 的類型。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種顆粒分選系統(tǒng)。該顆粒分選系統(tǒng) 包括用于運(yùn)送限制在載液中的懸浮顆粒流的第一管道，其包含入口、第一 出口和第二出口，用于檢測(cè)顆粒的預(yù)定特性的傳感器，與第一管道相連通 的邊路通道，位于邊路通道附近的封閉腔室，其中載液在邊路通道中形成彎液面以將封閉腔室與載液相隔開；以及致動(dòng)器。當(dāng)傳感器檢測(cè)到所述的 預(yù)定特性時(shí)，致動(dòng)器改變封閉腔室內(nèi)的壓力使彎液面發(fā)生偏轉(zhuǎn).彎液面的 偏轉(zhuǎn)使得具有預(yù)定特性的顆粒流向第二出口 ，而不具有預(yù)定特性的顆粒流 向第一出口。
預(yù)計(jì)本發(fā)明在高通過(guò)量的篩選中將十分有價(jià)值；例如在針對(duì)抗對(duì)一種 或多種細(xì)胞的活性篩選大量候選化合物時(shí).其對(duì)于例如，篩選合成或天然 產(chǎn)物庫(kù)中的活性化合物或生化特性時(shí)尤其具有價(jià)值.
另外還預(yù)計(jì)本發(fā)明在高通過(guò)量地篩選樣品中的多個(gè)諸如生物分子這 樣的分子時(shí)，將十分有價(jià)值。本發(fā)明可用于篩選樣品，以確認(rèn)大量生物分 子的存在與否，例如多肽、受體配體、酶底物、酶或受體活性的激動(dòng)劑或 拮抗物，或者核酸。


圖1是根據(jù)本法明的說(shuō)明性實(shí)施方案的顆粒分選系統(tǒng)的示意圖。 圖2至圖4表示了圖1中的顆粒分選系統(tǒng)的工作過(guò)程。 圖5表示具有用于致動(dòng)器腔室和緩沖器腔室的備選位置的顆粒分選 系統(tǒng)。
圖6表示根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的顆粒分選系統(tǒng)。 圖7表示適用于本發(fā)明的顆粒分選系統(tǒng)的氣泡閥。 圖8是本法明的說(shuō)明性實(shí)施方案的顆粒分選系統(tǒng)的示意圖。 '圖9表示根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的用于分選平行顆粒流的顆粒分選系統(tǒng)的 一個(gè)實(shí)施方案。
圖IO表示根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的構(gòu)造成二叉樹型分選構(gòu)造的顆粒分選系 統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案.
圖11表示用于以多個(gè)階段分選平行顆粒流的多級(jí)顆粒分選系統(tǒng)的另 一個(gè)實(shí)施方案。
圖12表示根據(jù)本發(fā)明的備選實(shí)施方案的并聯(lián)顆粒分選系統(tǒng). 圖13表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的并聯(lián)顆粒分選系統(tǒng)。 圖14a和14b表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的顆粒分選系統(tǒng)，包括 用來(lái)測(cè)量顆粒尺寸和/或速度的光掩模。
圖15表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的具有可變通道的并聯(lián)分選系^i。圖16表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的并聯(lián)分選系統(tǒng)的可變陣列設(shè)計(jì)。
圖17表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的并聯(lián)分選系統(tǒng)，
圖18表示用于實(shí)施本發(fā)明的顆粒分選系統(tǒng)的藥物篩選系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種用于分選懸浮在液體中的顆粒的顆粒分選系統(tǒng)。該 顆粒分選系統(tǒng)具有對(duì)預(yù)定特性顆粒的高通過(guò)量和低錯(cuò)誤分選度。以下將結(jié) 合說(shuō)明性實(shí)施方案來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白本發(fā)明可以 具有多種應(yīng)用方式和實(shí)施方案，并不特別局限于應(yīng)用在此處所描述的特定 實(shí)施方案中.
在此所用的術(shù)語(yǔ)"管道""通道"和"流動(dòng)通道"指的是在媒質(zhì)里形 成的或者穿過(guò)媒質(zhì)形成的允許流體如液體和氣體移動(dòng)的路徑。在微流控系 統(tǒng)中通道的橫截面尺寸優(yōu)選為大約1. Ojim至大約500jim，優(yōu)選為大約25jim 至大約250,，最優(yōu)選為大約50,至大約150jim。 一個(gè)本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員能夠確定該流動(dòng)通道的容積和長(zhǎng)度，該范圍意在包括上述值作為上 限或下限。流動(dòng)通道可具有任何選定的形狀或排布方式，例如包括線性的 或非線性的構(gòu)造以及U型構(gòu)造。
術(shù)語(yǔ)《顆粒"指的是物質(zhì)的離散單元，包括但不限于細(xì)胞.
在此所用的術(shù)語(yǔ)"傳感器"指的A^I于測(cè)量目標(biāo)物質(zhì)，例如顆粒的特 性的裝置.
在此所用的術(shù)語(yǔ)"氣泡閥"指的是可產(chǎn)生壓力脈沖以控制通過(guò)通道的 流體流動(dòng)的裝置。
在此所用的術(shù)語(yǔ)"載液"指的是用于運(yùn)載一個(gè)或多個(gè)顆粒通過(guò)管道或 通道的顆粒周圍的相容性液體外層.
圖1是根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的顆粒分選系統(tǒng)10的示意說(shuō)明。根據(jù)本發(fā)明 的一項(xiàng)應(yīng)用，顆粒分選系統(tǒng)10包括用于分選顆粒的毛細(xì)尺寸的封閉通道 系統(tǒng)。該通道系統(tǒng)包括用于引入顆粒流18的第一供管12和用于提供載液 的笫二供管14。第一供管12形成管口 12a，并且將顆粒流引入載液流中。 第一供管12和笫二供管14與測(cè)量管16流體連通，用于運(yùn)送懸浮在栽液 中的顆粒。測(cè)量管在分支點(diǎn)21處貪分成笫一支路通道22a和第二支路通 道22b。測(cè)量區(qū)域20限定在測(cè)量管16中，并且與檢測(cè)器19聯(lián)合以檢測(cè)
9通過(guò)測(cè)量區(qū)域20的顆粒的預(yù)定特性。兩個(gè)相對(duì)的氣泡閥100a和100b相 對(duì)于測(cè)量管放置并與其流體連通。這些閥彼此相對(duì)地隔開，當(dāng)然普通技術(shù) 人員應(yīng)明白還可以用其它的構(gòu)造方式。氣泡閥100a和100b通過(guò)一對(duì)相對(duì) 的邊路通道24a和2仆分別與測(cè)量管16連通。液體可以部分填充這些邊 路通道24a和24b從而在其中形成彎液面25。彎液面確定了載液與相關(guān) 氣泡岡100的儲(chǔ)液池中其它流體，譬如氣體的分界面。還提供了一個(gè)致動(dòng) 器26用于啟動(dòng)其中一個(gè)氣泡閥，當(dāng)其被致動(dòng)器26激活后可以在管道中暫 時(shí)地造成流動(dòng)干擾使其中的流體發(fā)生偏轉(zhuǎn)。如圖所示，致動(dòng)器與氣泡閥 100b耦連。笫二氣泡閥100a用作緩沖器以吸收由笫一氣泡閥100b產(chǎn)生 的壓力脈沖。
第一個(gè)邊路通道24b與第一個(gè)氣泡閥100b中的加壓腔室70b液壓式 地相連，這樣如果該加壓腔室的壓力升高，邊路通道附近的測(cè)量管中的流 動(dòng)就向內(nèi)位移，基本垂直于與管內(nèi)常規(guī)的流動(dòng)方向。與笫一邊路通道24b 相對(duì)設(shè)置的第二邊路通道24a與在第二氣泡閥100a內(nèi)的緩沖器腔室70a 液壓式的相連接，用于吸收瞬間壓力。笫一邊路通道24b與第二邊路通道 24a協(xié)同作用從而控制了前面所提到的通過(guò)向加壓腔室70b加壓而造成的 液體位移，這樣該位移就具有與通過(guò)測(cè)量管的常規(guī)顆粒流的方向相垂直的 分量.
通過(guò)向加壓腔室70b加壓，許多液體瞬間從第 一邊路通道24b中放出。 一旦加壓釋放時(shí)，第二邊路通道24a的彈性就導(dǎo)致管道中的瞬間液流流入 第二邊路通道24a。通過(guò)外部致動(dòng)器26響應(yīng)于檢測(cè)裝置19發(fā)出的信號(hào)而 向加壓腔室70b加壓和減壓，兩個(gè)邊路通道的協(xié)同作用和它們相互交連的 流控構(gòu)造使得通過(guò)測(cè)量管16的流體瞬間來(lái)回地移動(dòng)到支路中。這種瞬間 液體位移具有與管道中常規(guī)流動(dòng)相垂直的分量，可以被用于使具有預(yù)定特 性的顆粒發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以便將它們和混合物中的剩余顆粒分離開來(lái).
如圖所示，測(cè)量管16在分支點(diǎn)21岔分為兩個(gè)支路22a， 22b，這些 支路中的流體流動(dòng)速度調(diào)整后使得顆粒通常流過(guò)兩個(gè)支路中的第二個(gè)支 路22b。支路22a和22b之間的角度為0至180度，優(yōu)選為10至45度。 然而，該角度甚至可以為0度，這對(duì)應(yīng)于兩個(gè)彼此間具有直型隔壁的平行 管道。
優(yōu)選將被分選顆粒提供到中心流體流的測(cè)量位置上，其周圍是不含顆 粒的液體外層。限制顆粒流的方法是已知的，通常稱為"外層流"構(gòu)型。通常，通過(guò)將懸浮顆粒流經(jīng)過(guò)狹窄出口噴嘴注射到在管道16中流動(dòng)的不 含顆粒的載液中，可以得到限制構(gòu)型。通過(guò)調(diào)節(jié)懸浮液和載液的流速，就 可以調(diào)整管內(nèi)的徑向限制構(gòu)型以及內(nèi)部顆粒距離。較大流速的載液會(huì)導(dǎo)致 更受限制的顆粒流，其顆粒之間具有較大的距離。
在由第一供管12引入的懸浮液中，可以區(qū)分開兩種類型的顆粒，普 通顆粒18a和目標(biāo)顆粒18b. —但險(xiǎn)測(cè)到測(cè)量區(qū)域20中的顆粒18b有預(yù) 定特性，檢測(cè)器19就發(fā)出信號(hào).當(dāng)外部致動(dòng)器26收到由檢測(cè)器19響應(yīng) 于所檢測(cè)的預(yù)定特性而發(fā)出的信號(hào)，就激活笫一致動(dòng)器氣泡閥100b在邊 路通道24a， 24b之間的測(cè)量管16內(nèi)產(chǎn)生流動(dòng)干擾.該流動(dòng)干擾使具有預(yù) 定特性的顆粒18b發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使之流向第一支路管道22a而并非第二支路 管道22b的下游。檢測(cè)器與致動(dòng)器26連接，使得當(dāng)檢測(cè)器19檢測(cè)到顆粒 的預(yù)定特性時(shí)，致動(dòng)器就激活第一氣泡閥100b,以在第一氣泡閥的儲(chǔ)液 池70b中產(chǎn)生壓力變化。笫一氣泡閥的激活4吏在笫一氣泡閥100b內(nèi)的彎 液面25b發(fā)生偏轉(zhuǎn)并在笫一邊路通道24b中造成瞬間壓力變化。第二邊路 通道24a和第二氣泡閥100a吸收測(cè)量管16中由致動(dòng)器26引起的瞬間壓 力變化。主要來(lái)說(shuō)，第二氣泡閥100a的儲(chǔ)液池70a是具有彈性壁或者裝 有可壓縮流體如氣體的緩沖器腔室。該彈性特性使得液流從測(cè)量管進(jìn)入第 二邊路通道24a，使壓力脈沖被吸收并且防止顆粒流中的非選擇的顆粒的 流動(dòng)受到干擾.
在測(cè)量區(qū)域20，利用適當(dāng)?shù)膫鞲衅?9來(lái)檢測(cè)單個(gè)顆粒的特定特性， 例如尺寸、形態(tài)、熒光強(qiáng)度以及其它對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見的特 性?？捎玫膫鞲衅骼绫绢I(lǐng)域公知的各種類型的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，例如顯微 鏡，機(jī)器視覺系統(tǒng)以及用于測(cè)量顆粒的電子特性的電子裝置。用于測(cè)量顆 粒的熒光強(qiáng)度的系統(tǒng)是本領(lǐng)域尤為ziS知的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括具有適當(dāng)波 長(zhǎng)用以引發(fā)熒光的光源，以及用于測(cè)量所引發(fā)的熒光強(qiáng)度的檢測(cè)系統(tǒng)。該 方法常常與用熒光標(biāo)記物標(biāo)記的顆粒結(jié)合使用，熒光標(biāo)記物即那些用特定 的第一波長(zhǎng)光照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生另一種特定波長(zhǎng)光(熒光)的附著分子。如果 檢測(cè)到該第二波長(zhǎng)的光，就感測(cè)到所述特性并發(fā)出信號(hào)。
其它例子包括測(cè)量被流經(jīng)測(cè)量區(qū)域的顆粒散射的光。分析散射光可得 到有關(guān)顆粒尺寸和形態(tài)的信息，當(dāng)檢測(cè)到預(yù)定特性時(shí)這些信息可被用于引 發(fā)信號(hào)。
用于向笫一氣泡閥的加壓腔室加壓的致動(dòng)器26可包括外部致動(dòng)器，
ii其可對(duì)傳感器發(fā)出的顆粒具有預(yù)定特性的信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng)。適合于加壓的外
部致動(dòng)器有兩種'第一種直接向第一邊路通道24b內(nèi)的液體提供氣壓。例 如，致動(dòng)器包括加壓氣體供源，其與邊路通道24b內(nèi)液柱的轉(zhuǎn)換閥相連接。 轉(zhuǎn)換器的激活將通道與加壓氣體供源相連接，使得液體內(nèi)的彎液面發(fā)生偏 轉(zhuǎn)。 一旦停止激活后，轉(zhuǎn)換器又將通道24b連接回常規(guī)的工作壓力。
或者，位移致動(dòng)器可以與具有可移動(dòng)壁的加壓腔室結(jié)合使用。當(dāng)位移 致動(dòng)器使加壓腔室的壁發(fā)生向內(nèi)的位移時(shí)，其內(nèi)部的壓力就升高。如果可 移動(dòng)壁向后位移到最初的位置，則壓力又降回至常規(guī)的工作壓力.合適的 位移致動(dòng)器例如通iti^磁線團(tuán)使活塞發(fā)生位移的電磁致動(dòng)器。另 一個(gè)例子 是使用壓電材料，例如以柱狀或者疊層圓片的形式，通過(guò)施加電壓來(lái)產(chǎn)生 線性位移。兩種類型的致動(dòng)器都可驅(qū)動(dòng)加壓腔室70的可移動(dòng)壁，使其中 的壓力發(fā)生改變.
圖2-4表示圖1的顆粒分選系統(tǒng)10中的轉(zhuǎn)換器40的轉(zhuǎn)換操作情況。 圖2中，檢測(cè)器19檢測(cè)到顆粒中的預(yù)定特性并發(fā)出信號(hào)激活致動(dòng)器26。 一旦致動(dòng)器被激活，笫一氣泡閥10Ob的儲(chǔ)液池70b內(nèi)的壓力升高，彎液 面25b發(fā)生偏轉(zhuǎn)并使液體瞬間從第一邊路通道24b釋放，如箭頭所示。由 于第二氣泡閥100a的儲(chǔ)液池的彈性性能，管內(nèi)該處壓力的突然增加使得 液體流進(jìn)第二邊路通道24a.箭頭表示出了液體進(jìn)入第二邊路通道24a的 移動(dòng)過(guò)程.結(jié)果，如圖所示，測(cè)量管16內(nèi)的流體流動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使位于 笫一邊路通道24b和第二邊路通道2化之間的所選目標(biāo)顆粒18b朝著與其 常規(guī)狀態(tài)下的流向相垂直的方向轉(zhuǎn)移。選擇對(duì)測(cè)量管16、第一支路22a 以及第二支路22b的流動(dòng)阻力，使到達(dá)或者來(lái)自第一邊路通道24b和第二 邊路通道24a的流體的優(yōu)選流動(dòng)方向具有明顯的與測(cè)量管16中常規(guī)流動(dòng) 方向垂直的分量。該目標(biāo)可以通過(guò)例如笫一支路22a和第二支路22b來(lái)達(dá) 到，使它們對(duì)流體的阻力比笫一邊路通道24b和笫二邊路通道24a的大。
圖3表示笫一氣泡閥的儲(chǔ)液池處于減壓過(guò)程中的顆粒分選系統(tǒng)10， 此時(shí)目標(biāo)顆粒18b已離開笫一邊路通道24b和笫二邊路通道24a之間的容 積.致動(dòng)器26停止激活后，使儲(chǔ)液池70a, 70b內(nèi)的壓力回到常規(guī)的壓力 下。在該減壓階段，氣泡閥的兩個(gè)儲(chǔ)液池70a， 70b之間存在負(fù)壓差，使 第一邊路通道24b和笫二邊路通道24a之間通過(guò)的液流方向與前幅圖中箭 頭所示的液流方向相反。
圖4表示完成了轉(zhuǎn)換順序的顆粒分選系統(tǒng)10.氣泡閥的儲(chǔ)液池內(nèi)的壓力相等，使通過(guò)測(cè)量管16的流體流動(dòng)趨于正常。因?yàn)槟繕?biāo)顆粒18b已 經(jīng)發(fā)生徑向位移，其將流入第一支路22a，而其它的顆粒則繼續(xù)流入第二 支路22b,從而根據(jù)預(yù)定的性質(zhì)將顆粒分離開。
檢測(cè)和選擇性地使顆粒發(fā)生偏轉(zhuǎn)的這種過(guò)程可以每秒鐘重復(fù)多次，從 而高速地分選顆粒.采用所述的流體轉(zhuǎn)換過(guò)程時(shí)，轉(zhuǎn)換操作可以每秒鐘執(zhí) 行到大約幾千次之多，達(dá)到的分選速率為每小時(shí)大約分選百萬(wàn)個(gè)顆粒。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，致動(dòng)器氣泡閥100a和緩沖器氣泡閥 100b可放置到不同的位置。例如，如圖5所示，致動(dòng)器氣泡閥100a與第 一邊路通道24a和/或緩沖器氣泡閥100b與笫二邊路通道24b可以設(shè)置在 分支點(diǎn)21的上游。這些元件可設(shè)置在任何適當(dāng)?shù)奈恢?，以使致?dòng)器腔室 70a和緩沖器腔室70b之間的流動(dòng)阻力小于任何這些后面的組件與其它壓 力供源之間的流動(dòng)阻力.更特別的是，致動(dòng)器腔室70a和緩沖器腔室70b 可設(shè)置得使它們之間的流動(dòng)阻力小于在顆粒流中的所選顆粒與后繼顆粒 之間的流動(dòng)阻力.這些組件以這種方式放置，因而防止了由上述使單個(gè)所 選顆粒發(fā)生偏轉(zhuǎn)的方法產(chǎn)生的壓力波向上游或者下游傳播，以及避免影響 顆粒流中其余顆粒的流動(dòng).流動(dòng)阻力之間較大的差異使得具有相關(guān)瞬間壓 力的流控轉(zhuǎn)換操作和系統(tǒng)中剩余部分的流動(dòng)特性以較高水平分隔開。此 外，現(xiàn)場(chǎng)抑制所產(chǎn)生的用于分選的壓力脈沖允許實(shí)施包含多個(gè)轉(zhuǎn)換器40 的分選網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)轉(zhuǎn)換器與其它的轉(zhuǎn)換器之間液壓和氣壓地隔離開。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，如圖6所示，本發(fā)明的顆粒分選系統(tǒng)可將任何 適合的壓力波發(fā)生器(代替氣泡岡)與一個(gè)或多個(gè)作為緩沖器的氣泡閥， 例如閥100b結(jié)合^^用，例如，壓力波發(fā)生器260可包舍漆如壓電柱或步 進(jìn)電機(jī)這樣的致動(dòng)器，其具有直接或通過(guò)通道系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)而對(duì)流動(dòng)液體起 作用的活塞，用以在致動(dòng)器被信號(hào)激活時(shí)選擇性地使顆粒發(fā)生偏轉(zhuǎn).其它 合適的壓力波發(fā)生器包括電磁致動(dòng)器、熱力氣動(dòng)致動(dòng)器以及熱脈沖發(fā)生 器，通過(guò)施加熱脈沖用以在流動(dòng)液體中產(chǎn)生蒸汽氣泡。緩沖器氣泡閥100b 設(shè)置成可吸收由壓力波發(fā)生器260產(chǎn)生的壓力波以防止對(duì)顆粒流中其它 顆粒的干擾。通過(guò)改變緩沖器腔室70b的容積，邊路通道24b的橫截面面 積和/或構(gòu)成緩沖器腔室70b的彈性膜(圖7中附圖標(biāo)記72)的剛性或厚 度，可使緩沖器100b的彈性常數(shù)根據(jù)特定的需要而改變。
圖7表示根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，適用于產(chǎn)生壓力脈沖來(lái)將目標(biāo)顆粒從顆 粒流中的其它顆粒中分離出來(lái)和/或起到緩沖器作用以吸收壓力脈沖的閥100的實(shí)施方案。如圖所示，閥100與基長(zhǎng)上形成的通向測(cè)量管16的邊 路通道24a或24b相鄰近.邊路通道24a包括由通道側(cè)壁上的開口形成的 流體分界面口 17.密封的加壓腔室70位于邊路通道24a附近并通過(guò)流體 分界面口與邊路通道相連通。所示腔室70由密封壁71和彈性膜72構(gòu)成。 邊路通道24a中的載體流在邊路通道和腔室之間的分界面形成彎液面25。 致動(dòng)器26壓下彈性膜使腔室內(nèi)的壓力升高，使彎液面發(fā)生偏轉(zhuǎn)并在載液 中形成壓力脈沖。
圖8表示分選模塊50，其具有適當(dāng)供管52用于提供被分選的顆粒流， 以及第一出口管54和笫二出口管56，兩個(gè)出口管都可運(yùn)載在分選模塊50 中被分選的顆粒。分選模塊50包括檢測(cè)系統(tǒng)19，用于檢測(cè)通過(guò)供管52 進(jìn)入分選模塊50的顆粒，供管52可操作地與轉(zhuǎn)換器40連接用以提供所 需的轉(zhuǎn)換性能來(lái)分選顆粒。圖1中的笫一支路22b與第二支路22a可設(shè)置 成與出口管54第二出口管56流控連接。
圖9表示根據(jù)本發(fā)明另一備選實(shí)施方案的顆粒分選系統(tǒng)500，包括多 個(gè)可以以任何結(jié)構(gòu)連接在一起的分選模塊50。例如，該實(shí)施方案中的模 塊50成并聯(lián)形式。分選模塊50的出口管54與第一聯(lián)合出口 58相連接， 第二出口管56與第二聯(lián)合出口 60相連接.該分選模塊的并聯(lián)排布形式得 到聯(lián)合的分選模塊50系統(tǒng)，其具有的總分選速率為單個(gè)分選模塊50分選 速率的N倍，其中N為所并聯(lián)的分選模塊50的數(shù)目。
圖10表示根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案的顆粒分選系統(tǒng)550，包括與笫二分 選模塊50b串聯(lián)的第一分選模塊50a。笫二分選模塊50b用于分選具有預(yù) 定特性的顆粒，該性質(zhì)與第一分選模塊50a所分選顆粒的預(yù)定特性相同或 者不同.顆粒流通過(guò)供管52 ii^第一分選模塊50a，可含有至少兩種類 型的顆粒。笫一類型的顆粒在第一分選模塊50a中分選出，并通過(guò)第一出 口管54a流出。其余的顆粒通過(guò)笫二出口管56a流出第一分選模塊50a， 并通過(guò)第二供管52b i^第二分選模塊50b.具有其它預(yù)定特性的顆粒從 該顆粒流分選出來(lái)并通過(guò)第二出口管54b流出.兩種預(yù)定特性都不具備的 顆粒通過(guò)第二出口管56b流出笫二分選模塊50b。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易得 知，根據(jù)所需要的結(jié)果，可使用任何適合類型的分選模塊50，并以各種 方式相連接.
圖11表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的高通過(guò)量-低誤差性分選過(guò) 程的分級(jí)構(gòu)造。該說(shuō)明性實(shí)施方案為兩級(jí)顆粒分選系統(tǒng)800，第一步用于分選多個(gè)平行的顆粒流，匯集第一步的流出結(jié)果，然后在笫一步流出結(jié)果
的基礎(chǔ)上實(shí)施第二級(jí)分選過(guò)程。來(lái)自顆粒輸入腔室88的懸浮液80中的流入顆粒流被分在N個(gè)單獨(dú)的分選通道81a-81n中，每個(gè)通道每秒鐘能夠分選預(yù)定數(shù)目的顆粒。每個(gè)通道81包括檢測(cè)區(qū)域84，用于檢測(cè)顆粒并識(shí)別具有預(yù)定特性的顆粒，以及轉(zhuǎn)換區(qū)域82，用于將具有預(yù)定特性的顆粒與流體中的其它顆粒分離開來(lái)，如上面所述。轉(zhuǎn)換區(qū)域82根據(jù)在檢測(cè)區(qū)域84所測(cè)的顆粒特性在該轉(zhuǎn)換區(qū)域82形成兩股顆粒的流出流"選定"流和"廢棄"流.來(lái)自每一通道的"選定"流在匯集區(qū)域86匯集成一股流，以便在二級(jí)分選通道810中再次被分選。如圖所示，二級(jí)分選通道810根
據(jù)預(yù)定的特性重復(fù)檢測(cè)和分選的分選過(guò)程。
假如每個(gè)單獨(dú)通道的分選過(guò)程產(chǎn)生某個(gè)誤選擇的誤差(y)率(y是
顆粒被錯(cuò)誤選擇的概率，小于1)，則對(duì)如圖所示的2步分級(jí)過(guò)程來(lái)說(shuō)分級(jí)構(gòu)造產(chǎn)生更低的錯(cuò)誤率y2，或者對(duì)n步分級(jí)過(guò)程來(lái)說(shuō)產(chǎn)生錯(cuò)誤率為yD。例如，如果單個(gè)通道的錯(cuò)誤率為1%，則2步的錯(cuò)誤率為0. 01%，或者104分之一.
或者，該構(gòu)造是每個(gè)二級(jí)通道有M套初級(jí)裝置，每套初級(jí)裝置包含N個(gè)分選通道。假設(shè)在該應(yīng)用中需要捕獲在輸入流中存在概率為Z的顆粒，并且單個(gè)的通道分選器的每秒最大顆粒分選率為x。系統(tǒng)的通過(guò)量為M*N*x個(gè)顆粒每秒.每秒聚集在N個(gè)通道中的顆粒數(shù)目為N*x*z，這樣l^z必須小于1以使從N個(gè)通道聚集的所有顆粒可以由單個(gè)二級(jí)通道來(lái)分選。為了使通過(guò)量高于N-l/z，必須增加并聯(lián)的N個(gè)初級(jí)+1個(gè)二級(jí)通道。這樣總通過(guò)量就來(lái)自M*N*x并具有M個(gè)二級(jí)通道.
圖12表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的并聯(lián)-串聯(lián)顆粒分選系統(tǒng)160.該并聯(lián)-串聯(lián)顆粒分選系統(tǒng)160包括笫一并聯(lián)分選模塊161和笫二并聯(lián)分選模塊162.第一并聯(lián)分選模塊161用于分選多重標(biāo)記的顆粒，并且分選出具有兩種標(biāo)記物的顆粒并運(yùn)送到出口通道165,
圖13表示另 一種并聯(lián)- 串聯(lián)顆粒分選系統(tǒng)17 0。第 一并聯(lián)分選模塊171分離具有第一標(biāo)記物的顆粒，收集這些來(lái)自于不同通道的顆粒并運(yùn)送這些具有第一標(biāo)記物的顆粒通過(guò)第一出口通道175。然后所有其它的顆粒被引入笫二并聯(lián)分選器172，用以分選具有笫二標(biāo)記物的顆粒。收集具有第二標(biāo)記物的顆粒并運(yùn)送通過(guò)第二出口通道176.既不具有第一標(biāo)記物也不具有笫二標(biāo)記物的顆粒被運(yùn)送通過(guò)笫三出口通道177。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，如圖14a和14b中所示，顆粒分選系統(tǒng)可包括用于測(cè)量顆粒速度、位置和/或尺寸的傳感器。對(duì)速度、位置和/或尺寸的測(cè)量可以與對(duì)分選顆粒的分類同時(shí)進(jìn)行或不同時(shí)進(jìn)行.如圖11所示，基于并聯(lián)通道的系統(tǒng)中，不同的通道可具有不同的流動(dòng)阻力，使每個(gè)通道中顆?；蚣?xì)胞的速度不同。在檢測(cè)區(qū)84與轉(zhuǎn)換區(qū)域82以距離L相隔開的系統(tǒng)中，必須已知通道81中顆粒的速度以便設(shè)定轉(zhuǎn)換滯后時(shí)間T(即相對(duì)于檢測(cè)目標(biāo)顆粒的時(shí)刻滯后的致動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)間)。
在用于檢測(cè)細(xì)胞或顆粒的大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)中，在其中細(xì)胞引起檢測(cè)區(qū)中的光電檢測(cè)器發(fā)光的區(qū)域具有比細(xì)胞直徑大得多的尺寸。這樣，當(dāng)在檢測(cè)區(qū)域檢測(cè)到光時(shí)，細(xì)胞可以在該區(qū)域的任何位置，使得難以定位細(xì)胞的確切位置。為了提供更精確的檢測(cè)，可以使光學(xué)檢測(cè)器的多個(gè)像素覆蓋檢一測(cè)區(qū)，但是這樣將會(huì)造成很高的費(fèi)用而且需要復(fù)雜的支持電子設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明所示的實(shí)施方案，可將光掩膜140加到檢測(cè)區(qū)域，以便通過(guò)在分選芯片上直接沉積"掩膜圖案"，提供對(duì)速度的準(zhǔn)確檢測(cè)?？梢赃@樣沉積掩膜圖案，使掩膜圖案的邊^(qū)目對(duì)于細(xì)胞分選致動(dòng)器區(qū)域82定位精確(現(xiàn)有技術(shù)精確至〈1咖)。當(dāng)細(xì)胞沒有被掩膜時(shí)，用于捕獲檢測(cè)區(qū)84內(nèi)細(xì)胞發(fā)出的光的單個(gè)光學(xué)檢測(cè)器就可見到光。通過(guò)已知長(zhǎng)度的掩膜的不透明連接組件"條"中的一個(gè)所產(chǎn)生的避光持續(xù)時(shí)期，可以對(duì)速度進(jìn)行測(cè)定.
具有一些尺寸為IO咖到30咖、變化幅度為l咖的條l41的掩膜圖案導(dǎo)致只有尺寸大于細(xì)胞的條可以最小化來(lái)自于細(xì)胞的信號(hào)。因此，這樣的圖案也可以用于測(cè)量細(xì)胞大小，而不依賴細(xì)胞的信號(hào)。這樣一種"梯度掩膜"也可在光學(xué)檢測(cè)器上產(chǎn)生圖案，其可用于多次分析和測(cè)量速度以減小速度估計(jì)值的偏差，由掩膜140引起的光圖案還使檢測(cè)器能識(shí)別掩膜140的每條邊緣.如果所有條141都相同，則對(duì)每個(gè)條的光信號(hào)也相同，并且人們只有通過(guò)順序才可以把它們區(qū)分開.因此，梯度掩膜圖案將使得單個(gè)檢測(cè)器監(jiān)測(cè)到較寬范圍的區(qū)域(細(xì)胞大小的幾倍)，從而測(cè)量細(xì)胞的速度，測(cè)量檢測(cè)區(qū)域84內(nèi)位置精度為lum，其和通道結(jié)構(gòu)以及芯片上致動(dòng)器的位置相關(guān)的準(zhǔn)確，以及識(shí)別細(xì)胞尺寸，其精度由梯度圖案決定。梯度掩膜140使檢測(cè)器能測(cè)量這些參數(shù)，而與光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率或光學(xué)檢測(cè)器本身的性質(zhì)無(wú)關(guān)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白，按照本發(fā)明的教導(dǎo)，分選系統(tǒng)也可以利用用
16于測(cè)量顆粒尺寸、位置和或速度的其它裝置。這些適合的裝置對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是很容易獲得并已知的.
根據(jù)被發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，如圖15所示，顆粒分選系統(tǒng)包括不相同分選通道的陣列8000。就空間、光強(qiáng)度利用以及和最佳外部致動(dòng)器的適配性來(lái)說(shuō)，使用包括一系列不相同的分選器通道810a-810n的并聯(lián)陣列更為有效率。由于能夠準(zhǔn)確地感測(cè)顆粒的速度，因此在性能檢測(cè)過(guò)程和使具有預(yù)定特性的顆粒發(fā)生偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換激活過(guò)程之間，通道就不需要固定的滯后段.這樣就可以改變通道的一些^，例如檢測(cè)器84和轉(zhuǎn)換器82之間的距離L，或檢測(cè)器84與轉(zhuǎn)換器82之間的通路形狀。
將單個(gè)激光器用作垂直于芯片方向的單波長(zhǎng)光源時(shí)，需要該激光器照射的區(qū)域限定為(通道數(shù)目)x ((檢測(cè)區(qū)域處通道的寬度)+ (內(nèi)部通道間隔C))(見圖15).然而，能'及收光從而產(chǎn)生熒光的活性區(qū)域僅僅是通道面積(通道數(shù)目)x (通道寬度)，其得到填充因子為(通道寬度)/ (通道寬度+C)。優(yōu)選接近100%的填充因子以避免浪費(fèi)有效入射光。
因此，使并聯(lián)分選系統(tǒng)的通道間間隔最小化對(duì)于光檢測(cè)區(qū)域和光學(xué)系統(tǒng)的效率來(lái)說(shuō)十分重要.在本發(fā)明的可變陣列設(shè)計(jì)中，如圖16所示，在檢測(cè)區(qū)域84中的通道間隔達(dá)到了通道的寬度，這樣光利用率達(dá)到了大約50%。在致動(dòng)區(qū)域82中的通道間隔可以更大，如圖16所示。沿通道的致動(dòng)器26的位置也可以改變以便使外部驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器具有較大的有效半徑。
可變陣列8000在選定通道處還可包括用于平衡所有通道的流動(dòng)阻力的曲徑(meander),這樣假如所有通道的壓力都降了定值，顆粒的速度也幾乎相匹配.這些可以加在所示系統(tǒng)的上游或者下流，即在檢測(cè)器和致動(dòng)器之間的區(qū)域中.由于通過(guò)設(shè)計(jì)可以得知每個(gè)通道的檢測(cè)區(qū)域821與其致動(dòng)器26i之間的長(zhǎng)度Li，測(cè)量顆粒速度與確定哪些顆粒應(yīng)保留下來(lái)可以同時(shí)進(jìn)行，就提供了一種改進(jìn)的細(xì)胞分選系統(tǒng).
圖17表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的顆粒分選系統(tǒng)1700,該顆粒分選系統(tǒng)1700包括多個(gè)并聯(lián)工作的分選模塊1701。顆粒分選系統(tǒng)1700包括用于將樣品引入各個(gè)分選模塊的注入?yún)^(qū)域1710和用于測(cè)量檢測(cè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)分選通道1702中的顆粒預(yù)定特性的檢測(cè)區(qū)域1720。系統(tǒng)還含有轉(zhuǎn)換區(qū)域1730，包括在每個(gè)分選模塊中的致動(dòng)器，用于將具有預(yù)定特性的顆粒與不具有預(yù)定特性的顆粒分離開來(lái)。如圖所示，在圖17的實(shí)施方案中，檢測(cè)區(qū)域1720中每個(gè)分選通道1702之間的分選通iU巨離小于轉(zhuǎn)換區(qū)域1730中通道間距離，檢測(cè)區(qū)域中靠近的間距節(jié)約了用激光檢測(cè)顆粒時(shí)的成本，而轉(zhuǎn)換區(qū)域1730內(nèi)較大的距離間隔可適應(yīng)各種尺寸的致動(dòng)器。
顆粒分選系統(tǒng)1700還可包括二級(jí)分選模塊1740，用于根據(jù)預(yù)定的特性重復(fù)檢測(cè)和分選的分選過(guò)程，以提高分選過(guò)程的準(zhǔn)確度，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，在初級(jí)分選模塊1701和二級(jí)分選模塊1740陣列之間，系統(tǒng)可包括富集區(qū)域1750,用于將顆粒從初級(jí)分選過(guò)程過(guò)渡到二級(jí)分選過(guò)程。根據(jù)所示實(shí)施方案，富集區(qū)域1750對(duì)顆粒的過(guò)渡是通過(guò)在顆粒進(jìn)入二級(jí)分選模塊1740之前從顆粒中去除多余的載液來(lái)完成的。富集區(qū)域1750還可包括水合裝置，用于向富集后的顆粒中加入二級(jí)載液。富集區(qū)域1750可包括插入出口通道1703的膜件，隔斷出口通道1703的富集通道，以及將出口通道與富集通道相隔開的膜件.在將所選顆粒送入第二分選模塊1740之前，通過(guò)膜件去除出口通道1703中所選顆粒流中的過(guò)量載液，并將其送入富集通道.
申請(qǐng)?zhí)枮?0/329018，題目為"微流控系統(tǒng)中微流控組件的實(shí)現(xiàn)"的美國(guó)專利中描述了適用于形成富集區(qū)域的系統(tǒng)，在此引入其內(nèi)容作為參考。
根據(jù)所示實(shí)施方案，去掉的載液可以再利用并填注回初級(jí)通道的入口。回收通道或者其它裝置可以將富集區(qū)域連接到初級(jí)通道，使后面的分選過(guò)程可以再利用上述載液?；蛘撸梢栽谌コ龔U棄顆粒之前將載液中從廢棄顆粒中去掉并引入初級(jí)通道進(jìn)口中.
本發(fā)明的顆粒分選系統(tǒng)在微流控技術(shù)領(lǐng)域具有多種應(yīng)用.根據(jù)一種應(yīng)用，可以將顆粒分選系統(tǒng)實(shí)施于如圖18所示藥物篩選系統(tǒng)中。如圖18所示，藥物篩選系統(tǒng)140包括顆粒分選模塊10,用于將目標(biāo)細(xì)胞從包含該目標(biāo)細(xì)胞的樣品中識(shí)別和分離出來(lái)。將含有目標(biāo)細(xì)胞的樣品由注入通道引入篩選系統(tǒng)，并通過(guò)顆粒分選模塊，其使目標(biāo)細(xì)胞與剩余樣品分離開來(lái)并使目標(biāo)細(xì)胞經(jīng)過(guò)混合溫育區(qū)域141。將測(cè)試化合物通過(guò)測(cè)試通道142引入混合溫育區(qū)域141并與由顆粒分選子系統(tǒng)IO提供的目標(biāo)細(xì)胞接觸。然后在檢測(cè)區(qū)域145檢測(cè)測(cè)試化合物對(duì)目標(biāo)細(xì)胞產(chǎn)生的效果。
具有顆粒分選器10的說(shuō)明性藥物篩選系統(tǒng)140可以使用多種類型的標(biāo)記物。該藥物篩選系統(tǒng)可使用能測(cè)量特定酶的活性的標(biāo)記物，從而可以用來(lái)搜尋對(duì)酶存在的通路的調(diào)節(jié)器。藥物篩選系統(tǒng)還可以使用能測(cè)量任何細(xì)胞內(nèi)信使/信號(hào)和標(biāo)記物的濃度的標(biāo)記物，以識(shí)別特定細(xì)胞類型，特別是稀有的(每一百個(gè)細(xì)胞中少于一個(gè))類型.例如，適合的標(biāo)記物包括但不限于，細(xì)胞表面標(biāo)記物，如抗體和重組體顯示技術(shù)，以及焚光酶底物標(biāo)
記物，細(xì)胞內(nèi)信號(hào)結(jié)合化合物如Ca"結(jié)合熒光染料(Fura-3， Indo-l )，和生物發(fā)光酶底物標(biāo)記物。在熒光酶底物標(biāo)記物中，化合物a細(xì)胞并被特定的細(xì)胞內(nèi)酶轉(zhuǎn)變成熒光物質(zhì)。例如用于ALDH酶的Bodipy氣基乙醛或BAAA,用于磷酸酶的MUP (4-methylumbelliferyl phosphate)和用于細(xì)胞氧化還原體系的二氫羅丹明123?？捎糜诒景l(fā)明方法的其它熒光染料的例子包括，在生物發(fā)光酶底物標(biāo)記物中，化合物進(jìn)入細(xì)胞并與特定的胞內(nèi)酶作用直接發(fā)光。通常該技術(shù)可與報(bào)a因結(jié)合以觀察基因的活化。例子包括D-熒光素和相關(guān)的報(bào)道基因，以及DMNPE和相關(guān)的報(bào)道基因。
在所示的應(yīng)用中，可以根據(jù)對(duì)各種化學(xué)和生化體系的效應(yīng)篩選任何數(shù)目的不同化合物.例如可以篩選化合物對(duì)阻斷、減緩或其它方式抑制與效應(yīng)不可預(yù)料的生化體系相關(guān)的關(guān)鍵事件的效應(yīng).例如，可以篩選測(cè)試化合物阻斷體系的能力，該體系造成，或至少部分造成了疾病的發(fā)作或疾病出現(xiàn)特殊的癥狀，包括例如，遺傳性疾病，癌癥，細(xì)菌或病毒感染等等。在這些篩選測(cè)定方法中顯示了樂觀結(jié)果的化合物可接著被用于進(jìn)一步的試驗(yàn)以鑒別對(duì)疾病或疾病癥狀治療有效的藥理學(xué)試劑。
或者，可以針對(duì)促進(jìn)，提高或者其它方式引發(fā)生化體系的能力篩選化合物，該生化系統(tǒng)具有預(yù)期的功能，例如治療患者中存在的缺陷癥.
本發(fā)明可用于分離稀有細(xì)胞(即組成不到注入樣品的0. 1%-1%)的各種應(yīng)用，例如但不限于細(xì)胞再植，細(xì)胞移植和細(xì)胞轉(zhuǎn)染或者再植或移植前的基因修飾。本發(fā)明還可用于分離樣品中的腫瘤細(xì)胞，以用于t艮特定治療法。
本發(fā)明還可被用于篩選作用于原生細(xì)胞的化合物，例如在通過(guò)血液分離(apheresis)獲得1011個(gè)細(xì)胞并且篩選任何亞群而非細(xì)胞系。本發(fā)明
還可以用于篩選作用于不完全細(xì)胞系的化合物，其中在該篩選程序中不到100%的細(xì)胞系表達(dá)了正確的基因。本發(fā)明還可被用于篩選對(duì)處于特定細(xì)胞周期階段的細(xì)胞起作用的化合物，例如，篩選對(duì)僅處于復(fù)制期的細(xì)胞起作用的化合物。
本發(fā)明已通過(guò)有關(guān)說(shuō)明性實(shí)施方案進(jìn)行了描述。由于在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，上述構(gòu)造可以做一定的改變，因此上述說(shuō)明中所包含或附圖所示的所有內(nèi)容只意在解釋性說(shuō)明而并無(wú)限制性含義.
19還應(yīng)明白的是，下面的權(quán)利要求將包含這里描述的本發(fā)明的所有一般 和特殊的特征，并且可以說(shuō)本發(fā)明所有要求的范圍，作為語(yǔ)言表述，都落 在其中。
說(shuō)明了本發(fā)明之后，作為新發(fā)明所要求的并被專利許可證保護(hù)的內(nèi)容
有
權(quán)利要求
1.一種測(cè)試化合物對(duì)靶細(xì)胞的作用的方法，包括基于對(duì)一組細(xì)胞中的每個(gè)細(xì)胞的預(yù)定特性和速度的檢測(cè)來(lái)分選該組細(xì)胞；通過(guò)連接通道將具有所述預(yù)定特性的細(xì)胞運(yùn)送到混合區(qū)域；以及將化合物引入到所述混合區(qū)域。
2. —種篩選原生細(xì)胞的方法，包括基于對(duì)一組細(xì)胞中的每個(gè)細(xì)胞的預(yù)定特性和速度的檢測(cè)來(lái)分選該組細(xì)胞以將一個(gè)細(xì)胞亞群從該組中分離出來(lái)；將化合物加入所述細(xì)胞亞群中；以及分析所述細(xì)胞亞群以確定所述化合物對(duì)所述細(xì)胞亞群的作用.
3. —種分析化合物副作用的方法，包括提供一組原生細(xì)胞；將化合物加入所述原生細(xì)胞中；測(cè)量所述原生細(xì)胞以確定由所述化合物引起的活性；基于對(duì)每個(gè)原生細(xì)胞的活性和速度的檢測(cè)，將具有活性的原生細(xì)胞與不具有活性的原生細(xì)胞分離開來(lái)。
4. 權(quán)利要求l所述的方法，其中所述預(yù)定特性為存在預(yù)期的標(biāo)記物。
5. 權(quán)利要求4所述的方法，其中所述預(yù)期的標(biāo)記物為抗體、酶、底物、輔助因子、熒光染料或者報(bào)il^因.
6. —種分離用于細(xì)胞移植的細(xì)胞亞群的方法，包括識(shí)別具有預(yù)期表現(xiàn)型的細(xì)胞；利用具有檢測(cè)細(xì)胞的預(yù)定特性和速度的傳感器的微流控裝置分離所述細(xì)胞；從而分離用于移植的細(xì)胞亞群。
7. 權(quán)利要求6的方法，其中分離所述細(xì)胞的步驟包括運(yùn)送通過(guò)所述微流控裝置的分選通道；使用所述微流控裝置中的致動(dòng)器對(duì)具有預(yù)期表現(xiàn)型的細(xì)胞施加壓力脈沖，使得具有預(yù)期表現(xiàn)型的細(xì)胞偏轉(zhuǎn)進(jìn)入所述分選通道的第一出口，而不具有預(yù)期表現(xiàn)型的細(xì)胞流進(jìn)所述分選通道的第二出口；以及在所述分選通道中用緩沖器吸收所述壓力脈沖。
8. —種分離將進(jìn)行遺傳修飾的細(xì)胞亞群的方法，包括基于預(yù)期的表現(xiàn)型識(shí)別細(xì)胞群體中的細(xì)胞亞群；利用具有檢測(cè)細(xì)胞的預(yù)定特性和速度的傳感器的微流控裝置分離所述細(xì)胞；從而分離將進(jìn)行遺傳修飾的細(xì)胞亞群。
9. 權(quán)利要求8的方法，其中分離所述細(xì)胞的步驟包括運(yùn)送通過(guò)所i^微流控裝置的分選通道；、'使用所述微流控裝置中的致動(dòng)器對(duì)具有預(yù)期表現(xiàn)型的細(xì)胞施加壓力脈沖，使得具有預(yù)期表現(xiàn)型的細(xì)胞偏轉(zhuǎn)進(jìn)入所述分選通道的第一出口，而不具有預(yù)期表現(xiàn)型的細(xì)胞流進(jìn)所述分選通道的第二出口；以及在所述分選通道中用緩沖器吸收所述壓力脈沖。
10. —種分離細(xì)胞亞群的方法，包括識(shí)別顯示了細(xì)胞周期階段特定標(biāo)記物的細(xì)胞亞群；利用具有檢測(cè)細(xì)胞的預(yù)定特性和速度的傳感器的微流控裝置分離所述細(xì)胞；從而分離處于相同細(xì)胞周期階段的細(xì)胞亞群。
11. 權(quán)利要求10的方法，其中分離所述細(xì)胞的步驟包括運(yùn)送通過(guò)所述微流控裝置的分選通道；使用所述微流控裝置中的致動(dòng)器對(duì)具有預(yù)期表現(xiàn)型的細(xì)胞施加壓力脈沖，使得具有預(yù)期表現(xiàn)型的細(xì)胞偏轉(zhuǎn)進(jìn)入所述分選通道的第一出口，而不具有預(yù)期表現(xiàn)型的細(xì)胞流進(jìn)所述分選通道的第二出口；以及在所述分選通道中用緩沖器吸收所述壓力脈沖.
12. —種測(cè)試化合物對(duì)體內(nèi)酶活性調(diào)節(jié)能力的方法，包括向細(xì)胞群體加入化合物，其中所述化合物被所述細(xì)胞酶激活時(shí)會(huì)發(fā)出熒光；以及測(cè)量所述細(xì)胞熒光以確定所述化合物對(duì)調(diào)節(jié)酶活性的能力.
全文摘要
本發(fā)明是“顆粒分選的設(shè)備和方法”。本發(fā)明涉及一種通過(guò)毛細(xì)尺寸的封閉通道系統(tǒng)來(lái)分選顆粒的方法和設(shè)備，包括氣泡閥，用于選擇性地產(chǎn)生壓力脈沖以將具有預(yù)定特性的顆粒從顆粒流中分選出來(lái)。該顆粒分選系統(tǒng)可進(jìn)一部包括用于吸收所述壓力脈沖的緩沖器。顆粒分選系統(tǒng)可包括多個(gè)緊密相連的分選模塊，它們相結(jié)合可進(jìn)一步提高分選率。顆粒分選系統(tǒng)可包括多級(jí)分選裝置，用于連續(xù)地分選顆粒流，以降低錯(cuò)誤率。
文檔編號(hào)B07C5/00GK101653768SQ20091016680
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2003年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月16日
發(fā)明者J·R·吉爾伯特, M·德什潘德, S·貝姆 申請(qǐng)人:塞通諾米公司