使用可调谐声表面驻波进行微流体操控和颗粒分选的利记博彩app
【专利说明】使用可调谐声表面驻波进行微流体操控和颗粒分选
所涉及的相关申请
[0001]本专利申请请求享有美国专利(临时专利申请序列号N0.61/592，855，申请日2012年I月31日)的优先权，其全部内容合并于此。
所涉及的政府支持
[0002]本发明来自于美国政府支持，包括美国国立卫生研宄院项目(N0.1DP20D007209-01)和美国国家科学基金会项目(N0.ECCS0824183)。美国政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
[0003]本发明涉及使用声表面波进行颗粒操控和分选的方法和装置，包括颗粒、细胞和微生物的浓缩、聚焦和表征。
【背景技术】
[0004]对很多应用来说，改进用于颗粒分选、操控和表征的方法和装置将是非常有用的。
【发明内容】
[0005]本发明的实例包括用于颗粒操控和分选的方法和装置。方法可用于多种颗粒类型，包括微米颗粒和纳米颗粒。颗粒可以是(或包括)天然来源的组分，并且可包括细胞(特别是血细胞)和微生物。本发明的实例可用于颗粒的浓缩和分离，所述颗粒如细胞，及特别地，人体血液内部的细胞。颗粒也可包括无机物、聚合物和各种其它类型的颗粒。
[0006]本发明的实例包括〃声波镊子"，它可以捕获和巧妙地操控单个颗粒，比如微米颗粒、细胞或微生物。该声波镊子使用线性调频(线性调频的)叉指换能器(IDTs，有时称为指叉换能器)的宽共振带，来获得声表面驻波场的实时控制，可灵活地操控颗粒。
[0007]该声波设备实例所使用的功率密度明显低于光镊子所需(通常是光镊子的1/10000000，是光电镊子的1/100)。相对于传统方法，基于声波的颗粒操控方法提供极好的、无创性的替代方案。这里所示的声波镊子是第一个在二维空间精密控制单个微粒的声波操控方法。
[0008]一种设备结构的实例包括邻接压电基底的通道，其位于两个垂直的线性调频叉指换能器(IDTs)对之间。线性调频叉指换能器在其指周期上具有渐变，允许它们在很宽的频率范围内有效地共振。各对线性调频叉指换能器被独立地加以射频信号(RF)，以产生相同的声表面波(SAWs)，它们之间的干涉形成了声表面驻波(SSAW)。这些声表面驻波漏入邻接的流体介质中，并在该流体中建立差压场，而该场产生声辐射力，其作用在悬浮颗粒上。所述通道是偏离叉指换能器中心的，这样，通道中零阶压力节点的位置在通道工作区之外。
[0009]该声辐射力驱动颗粒至压力场的节点或腹点，这取决于它们的弹性特征。由于相对于悬浮流体介质的密度和/或压缩性差异，大多数颗粒被推向压力场中的节点。
[0010]线性调频叉指换能器的大带宽转化为可访问声表面驻波波长的宽谱范围，其限定了设备的大颗粒操控范围。使用具有变化的输入RF频率的线性调频叉指换能器，可精密地调整产生自声表面驻波干涉的压力节点的位置，而且，可在二维空间自由操控在压力节点处捕获的一个或多个颗粒。也可以精密地修正流体流内部的颗粒流轨，从而改善颗粒分选。
[0011]另一个设备结构实例包括位于一对可变频率叉指换能器之间的通道。该通道具有一个通道输入和多个通道输出。对该叉指换能器对加以RF信号，以产生相同的声表面波(SAWs)，它们之间的干涉在通道的工作区内部形成声表面驻波(SSAW)，并在流体内建立差压场。通过驱动信号的频率调整来调整该压力场，流过通道的颗粒的流轨就可以被导向任一期望的通道输出。分选可由电子控制的，并基于一个或多个颗粒特征，所述颗粒特征是在通道中为该颗粒确定的。因此，有效的颗粒分选是可能的，包括血细胞成分分选，包括荧光激活细胞分选。
[0012]应用实例包括颗粒分选(包括细胞分选)，流式细胞术等等。本发明的实例可以同微流体颗粒聚焦设备相结合，以改善颗粒分选，包括改善的流式细胞仪。改进的流式细胞仪可包括颗粒聚焦级、颗粒表征级和颗粒分选级。该分选级可与表征级进行电子通信，这样，可在检测的颗粒参数的基础上，分选不同的颗粒。
[0013]一种用于颗粒操控的装置实例包括基底(例如，支持SSAW的基底，比如压电基底)、界定在该基底上的通道(例如，具有至少一个小于I毫米的横截面的通道)和在该基底上形成的分隔开的可变频率或线性调频叉指换能器(IDTS)对，所述通道位于叉指换能器对之间并偏离其中心。可提供一种电子控制电路来驱动叉指换能器对，以在该通道的工作区内产生声表面驻波。该通道被设置为接收包括有颗粒的悬浮流体，而且，可通过调节声表面驻波(SSAW)的频率和/或相位来调整该颗粒的位置。基底可提供通道的壁。颗粒可以是聚合物颗粒、细胞(例如，血细胞)、微生物、颗粒集合或其它具有不同于环绕的支持介质的弹性的物体。该支持介质可以是流体，更特别地，可以是液体。
[0014]在某些实例中，通道是具有一个输入通道和多个输出通道的流道，通过调节声表面驻波的频率来将颗粒导向该多个输出通道中所选的通道。实例包括改进的细胞分选装置和方法，包括改进的血液分选。
[0015]通道可位于产生第一声表面驻波的第一对叉指换能器和产生第二声表面驻波的第二对叉指换能器之间，所述第一和第二声表面驻波(例如垂直声表面驻波)具有第一和第二频率，可调节该频率以控制颗粒至少在二维空间的位置。
[0016]可变频率或线性调频叉指换能器可包括由基底支持的第一和第二叉指电极，其通过电子控制电路由施加在该电极间的控制信号驱动。相邻电极指之间的指间距是其在基底上的位置的函数，这样，线性调频IDT可具有宽频率响应。用于本发明的可变频率IDT可具有至少1MHz的可调频带，例如，至少1MHz。一个线性调频IDT实例可具有至少1MHz的工作带宽，而工作频率在IMHz到10MHz的范围内，更特别地，5MHz到50MHz。工作在18.5MHz到37MHz范围内的线性调频IDTs实例，对应的SAW波长大约为100微米到200微米，而操控分辨率大约为I微米。显然，此处的术语"声波的"并不将频率范围限制在人听得到的频率内。
[0017]操控颗粒的方法包括将包括有颗粒的悬浮流体引入到通道、其中，所述通道贴近(例如，邻接)基底；使用一对线性调频IDTs在基底内产生SSAW，以及通过调节SSAW的频率来操控颗粒。该方法可以是颗粒分选的方法，通道是流道，可调节SSAW的频率来将颗粒的流轨导向多个输出通道中所选的输出通道。颗粒可以是细胞，例如，血细胞。可使用第二对线性调频IDTs在基底内产生第二 SSAW，而通过调节第二 SSAW的频率来进一步操控颗粒。
【附图说明】
[0018]图1根据本发明示出用于颗粒操控的装置的实施例的透视图；
[0019]图2示出图1的实施例沿2-2线的两个横断面视图，显示声表面驻波的变化如何影响颗粒的运动；
[0020]图3A示出本发明的实施例的部分工作区的模拟压力场；
[0021]图3B示出一维颗粒运动，其由施加不同的声波功率时的恒定频率改变而引起；
[0022]图3C示出颗粒的速度，对应于图3B中的位移曲线；
[0023]图3D示出实验上测量的颗粒上的声辐射力(ARF)，表示为不同的输入功率时到最近的压力节点(离散点)的距离的函数，其中实线为拟合曲线；
[0024]图3E示出颗粒位移对时间的曲线，作为可再现颗粒运动的实证；
[0025]图3F示出颗粒运动对时间的曲线，作为颗粒以限定好的步阶沿X方向连续移动而在Y方向保持不动的实证；
[0026]图4A-4D示出对单个线虫进行独立的二维操控的图像；
[0027]图5A-5I示出用于可变频率叉指换能器和用于基于PDMS的微通道的示例性的制造过程的横断面视图；
[0028]图6A根据本发明示出用于颗粒操控的装置的实施例，其中，在流道里操控颗粒，以选择性地将其导向多个输出通道中的一个；
[0029]图6B类似于图6A，其中，操控颗粒以将其导向多个输出通道中不同的一个；
[0030]图7A-7C示出荧光颗粒被选择性地分选至三个输出通道中的一个；
[0031]图8根据本发明的实施例示出双流道分选装置，说明细胞被分选至五个通道；
[0032]图9A根据本发明示出两种颗粒在装置工作区内的混合；
[0033]图9B是图9A标志为9B部分的放大图；
[0034]图9C示出通过调整声表面驻波选走较大的颗粒后的图9A的工作区；
[0035]图9D是图9C标志为9D部分的放大图；和
[0036]图10根据本发明示出用于颗粒操控的装置，其中，当流过工作区时，大的颗粒与较小的颗粒分离。
【具体实施方式】
[0037]本发明的实例包括用于微米/纳米颗粒的高精度分选的方法和装置，包括但不仅限于细胞(例如，血细胞，包括哺乳类动物血细胞，如人体血细胞及牛类血细胞)和微生物，其使用可调谐的声表面驻波。装置和方法实例使用单层平面微流设备，可用标准的软刻蚀技术制造该设备。与当前现有技术(例如，声表面行波分选、光镊分选和电动分选)相比，本方案的精度要高得多，且设备制造非常简单，较少侵害，成本也低。
[0038]本发明的实例可用于颗粒的浓缩、操控、分选和分离，所述颗粒如细胞，及特别地，人体血液内部的细胞。细胞分离，特别是人体全血细胞分离，在生物医学研宄和诊断中是很重要的。使用声操控技术，大规模的应用是可能的，包括细胞/颗粒分选、细胞/颗粒分离和细胞/颗粒浓缩。
[0039]本发明的实例包括〃声波镊子〃，其可在微流芯片内捕获并巧妙地操作单个微粒、细胞和整个生物体如秀丽隐杆线虫(C.elega