帶有面外通道的顆粒操縱系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種顆粒操縱系統(tǒng)使用基于MEMS的微制造式顆粒操縱裝置，所述裝置具有入口通道、輸出通道和形成于基底上的可移動構(gòu)件?？梢苿訕?gòu)件平行于制造平面移動，就像在入口通道中流動的流體那樣?？梢苿訕?gòu)件將目標顆粒與顆粒的其余部分分離，將其轉(zhuǎn)移到輸出通道中。然而，至少一個輸出通道不平行于制造平面。所述裝置可用來將樣本料流中的目標顆粒與非目標材料分離。目標顆?？梢允抢绺杉毎⑹芫?、癌細胞、T細胞、血液的組分、細菌或DNA樣本。所述顆粒操縱系統(tǒng)也可包括使目標顆粒會聚于入口通道的特定部分中的微流體結(jié)構(gòu)。
【專利說明】帶有面外通道的顆粒操縱系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于在微制造式流體通道中操縱小顆粒的系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 微機電系統(tǒng)（MEMS)是使用諸如用來制造半導(dǎo)體裝置的那些的表面或塊體光刻處 理技術(shù)在基底上制造的非常小的、常?？梢苿拥慕Y(jié)構(gòu)。MEMS裝置可以是例如可移動的促動 器、傳感器、閥、活塞或開關(guān)，其具有幾微米至幾百微米的特征尺寸。例如，可移動的MEMS 開關(guān)可用來將一個或多個輸入端子連接到一個或多個輸出端子，這些部件都微制造在基底 上。用于可移動開關(guān)的促動器件可以是例如熱的、壓電的、靜電的或磁性的。MEMS裝置可制 造在半導(dǎo)體基底上，該基底可操縱在流體料流中經(jīng)過MEMS裝置的顆粒。
[0003] 在另一示例中，MEMS裝置可以是可移動閥，其用作分選機構(gòu)以用于從流體料流中 分選各種顆粒，例如從血液中分選細胞。顆?？稍诜忾]在微通道中的流體料流內(nèi)被輸送至 分選裝置，流體料流在壓力下流動。在到達MEMS分選裝置時，分選裝置將諸如血液干細胞 的所關(guān)注的顆粒導(dǎo)向至單獨的貯器，并且將流體料流的其余部分導(dǎo)向至廢物貯器。
[0004] 相比稱為流式細胞儀的現(xiàn)有的熒光激活的細胞分選系統(tǒng)（FACS)，基于MEMS的細 胞分選器系統(tǒng)可具有顯著的優(yōu)點。流式細胞儀通常是大而昂貴的系統(tǒng)，其基于來自粘附到 所關(guān)注的細胞上的標簽的熒光信號來分選細胞。細胞被稀釋和懸浮在鞘（sheath)流體中， 然后通過噴嘴經(jīng)由快速解壓分離成單獨的小滴。在從噴嘴射出之后，小滴基于來自標簽的 熒光信號而以靜電方式被分離到不同的倉中。與這些系統(tǒng)有關(guān)的問題有由解壓導(dǎo)致的細胞 損傷或功能喪失、在樣本之間的困難且昂貴的消毒程序、不能根據(jù)不同參數(shù)再分選子群體、 以及擁有、操作和維護這些大型且昂貴的設(shè)備部件所需的大量培訓(xùn)。由于至少這些原因， 流式細胞儀的使用已被局限到大型醫(yī)院和實驗室，并且該技術(shù)對于較小的實體來說還不可 用。
[0005] 已授予了涉及這樣的基于MEMS的顆粒分選裝置的多個專利。例如，美國專利 Ν〇·6,838,056 ('056專利）涉及基于MEMS的細胞分選裝置，美國專利No. 7,264,972 bl ( '972專利）涉及用于基于MEMS的細胞分選裝置的微機械式促動器。美國專利No. 7, 220, 594 ( '594專利）涉及用MEMS細胞分選設(shè)備制造的光學(xué)結(jié)構(gòu)，并且美國專利No. 7, 229, 838 ( '838專利）涉及用于操作基于MEMS的顆粒分選系統(tǒng)的促動機構(gòu)。另外，美 國專利申請No. 13/374,899 ('899申請）和No. 13/374,898 ('898申請）提供了其 它MEMS設(shè)計的另外的細節(jié)。這些專利（'056、'972、'594和'838)和專利申請（'898和 '899)中的每一份均以引用方式并入本文中。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 基于MEMS的微制造式顆粒分選系統(tǒng)的一個特征在于，流體在整個分選過程中可 被限制到形成于中半導(dǎo)體基底中的小的微制造式通道。MEMS裝置可以是閥，該閥將樣本料 流的一種或多種目標顆粒與其它組分分離。當信號指示目標顆粒存在時，MEMS裝置可將來 自一個通道的顆粒料轉(zhuǎn)向到另一個通道中。該信號可以是來自熒光標簽的光子，該標簽粘 附到目標顆粒上并且由在MEMS裝置上游的詢問區(qū)域中的激光照射來激發(fā)。因此，MEMS裝 置可以是顆粒或細胞分選器，其對限制于微制造式流體通道的流體樣本進行操作，但使用 類似于FACS流式細胞儀的檢測器件。特別地，'898申請公開了一種微制造式流體閥，其中 入口通道、分選物通道和廢物通道均在平行于微制造式流體閥的制造平面的平面中流動。
[0007] 通過使微制造式流體通道中的至少一個將流導(dǎo)引出微制造式閥的制造平面之外， 可以對現(xiàn)有技術(shù)裝置做出顯著改進。具有這樣的構(gòu)造的閥的優(yōu)點在于：當閥打開或關(guān)閉時， 抵抗閥移動的壓力被最小化，因為不需要可移動構(gòu)件來將流體柱移開。相反，包含非目標顆 粒的流體可在可移動構(gòu)件上方和下方移動以到達廢物通道。此外，力生成設(shè)備可設(shè)置成更 靠近可移動閥，導(dǎo)致更高的力和更快的促動速度。結(jié)果，打開或關(guān)閉閥所需的時間可以遠短 于現(xiàn)有技術(shù)閥，從而提高分選速度和準確度。本文所公開的系統(tǒng)和方法可描述具有至少一 個面外通道的這樣一種微制造式顆粒分選裝置。
[0008] 在本文所公開的系統(tǒng)和方法中，在制造基底的表面上可形成微機械式顆粒操縱裝 置，其中微機械式顆粒操縱裝置可包括：具有第一轉(zhuǎn)移表面的微制造式可移動構(gòu)件，其中可 移動構(gòu)件響應(yīng)于施加到可移動構(gòu)件上的力而從第一位置移動至第二位置，其中移動基本上 在平行于所述表面的平面中；樣本入口通道，其形成于基底中并且在其中流過流體，所述 流體包括至少一種目標顆粒和非目標材料，其中樣本入口通道中的流基本上平行于所述表 面；以及多個輸出通道，微制造式構(gòu)件將所述流體轉(zhuǎn)移到所述多個輸出通道中，并且其中在 所述輸出通道中的至少一個中的流不平行于所述平面，其中至少一個輸出通道在微制造式 轉(zhuǎn)移器的移動的至少一部分期間位于微制造式轉(zhuǎn)移器的正下方或正上方。
[0009] 在一個實施例中，根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械式顆粒操縱裝置，其中第一轉(zhuǎn)移 表面具有平滑地彎曲的形狀，該形狀在該形狀上的一點處基本上相切于入口通道中的流向 并且在該形狀上的第二點處基本上相切于第一輸出通道的流向，其中第一轉(zhuǎn)移表面在可移 動構(gòu)件處于第一位置時將流從入口通道轉(zhuǎn)移到第一輸出通道中，并且在第二位置上允許流 進入第二輸出通道。
[0010] 最后，由于其包括微制造式通道和新穎的閥設(shè)計，本文所公開的系統(tǒng)和方法可允 許實現(xiàn)附加的有用特征。例如，該技術(shù)可形成具有細胞計數(shù)能力的顆粒操縱系統(tǒng)，如在共 同未決的美國專利申請No. 13/507,830 (Owl-Cytometer)中所描述的那樣，該申請?zhí)峤挥?2012年8月1日并且轉(zhuǎn)讓給與本申請相同的受讓人。該專利申請以引用方式全文并入本文 中。本文所描述的MEMS裝置可用來操縱封閉在微制造式通道中的流體料流中的顆粒，同時 也存在多個詢問區(qū)域，其可提供關(guān)于操縱的反饋。例如，在細胞分選的情況中，在MEMS裝置 的上游可存在一個激光詢問區(qū)域，并且在MEMS裝置的下游可存在至少一個附加的激光詢 問區(qū)域，以確認關(guān)于是否已分選了正確的細胞的顆粒操縱的結(jié)果。
[0011] 本文所公開的系統(tǒng)和方法也允許構(gòu)造單輸入/雙輸出分選裝置，其中來自單個輸 入通道的流可被轉(zhuǎn)移至兩個分選物輸出通道中的任一個，或被允許一直流到廢物通道。
[0012] 在另一個實施例中，新型的閥構(gòu)造可利用流體力學(xué)學(xué)顆粒會聚技術(shù)，如由例 如 Xaiole Mao 等人的" Single-layer planar on-chip flow cytometer using microfluidic drifting based three-dimensional (3D) hydrodynamic focusing,，'（以 下稱為"Mao,，' Journal of Royal Society of Chemistry, Lab Chip, 2009，9，1583 - 1589)所教導(dǎo)的技術(shù)。本文所公開的系統(tǒng)和方法的微制造式構(gòu)造使它們尤其適合在Mao中 所公開的技術(shù)，如下文進一步所述。
[0013] 這些和其它特征和優(yōu)點在以下詳細描述中描述或根據(jù)該詳細描述是顯而易見的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 參照附圖描述各種示例性細節(jié)，在附圖中： 圖1是處于靜態(tài)（不分選）位置的微制造式顆粒分選系統(tǒng)的簡化平面圖； 圖2是處于促動（分選）位置的微制造式顆粒分選系統(tǒng)的簡化平面圖； 圖3a是示出檢測器的視場的微制造式顆粒分選系統(tǒng)的簡化平面圖，其中微流體閥處 于靜態(tài)（不分選）位置；圖3b是示出檢測器的視場的微制造式顆粒分選系統(tǒng)的簡化圖，其 中微流體閥處于促動（分選）位置； 圖4a是處于促動（分選）位置的微制造式顆粒分選系統(tǒng)的簡化剖視圖，示出了樣本 料流向分選物通道內(nèi)的流動，該分選物通道與入口通道在相同的平面中；圖4b是處于靜態(tài) (不分選）位置的微制造式顆粒分選系統(tǒng)的簡化剖視圖，示出了樣本料流向廢物通道內(nèi)的 流動，該廢物通道與入口通道不在相同的平面中；圖4c是處于靜態(tài)（不分選）位置的微制 造式顆粒分選系統(tǒng)的簡化剖視圖，示出了樣本料流向廢物通道內(nèi)的流動，該廢物通道與入 口通道不在相同的平面中，其中樣本料流圍繞轉(zhuǎn)移器的頂部和底部流動； 圖5是處于靜態(tài)（不分選）位置的微制造式顆粒分選系統(tǒng)的簡化平面圖，示出了靜止 的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)； 圖6是用于微制造式顆粒分選系統(tǒng)的促動機構(gòu)的平面圖，示出了外部磁場與靜止的可 導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)結(jié)合的工作； 圖7是處于促動（分選）位置的用于微制造式顆粒分選系統(tǒng)的促動機構(gòu)的平面圖，示 出了外部磁場與靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)結(jié)合的工作； 圖8是微制造式顆粒分選系統(tǒng)的簡化視圖，其中多個微制造式顆粒分選器被布置成提 供串聯(lián)的分選能力； 圖9是雙向微制造式顆粒分選系統(tǒng)的平面圖，其中該系統(tǒng)具有不止一個分選物輸出； 圖10是具有不止一個分選物輸出的雙向微制造式顆粒分選系統(tǒng)的平面圖，其中雙向 微制造式顆粒分選裝置處于促動位置； 圖11是與流體力學(xué)學(xué)會聚歧管結(jié)合的微制造式顆粒分選系統(tǒng)的平面圖； 圖12是根據(jù)本發(fā)明的微制造式顆粒分選系統(tǒng)的系統(tǒng)級圖示，示出了各種檢測和控制 部件的布置方式；以及 圖13是從控制系統(tǒng)到微制造式顆粒分選裝置的信號波形圖，示出了用來控制裝置的 移動的脈沖中的不同。

【具體實施方式】
[0015] 本文所述系統(tǒng)是一種顆粒分選系統(tǒng)，其可利用MEMS顆粒操縱系統(tǒng)的微通道構(gòu)造。 更一般地說，所述系統(tǒng)和方法描述了具有入口通道和多個輸出通道的顆粒操縱系統(tǒng)，其中 多個輸出通道中的至少一個被設(shè)置在與入口通道不同的平面中。該構(gòu)造相對于現(xiàn)有技術(shù)具 有一些顯著的優(yōu)點。
[0016] 在下文討論的圖中，類似的附圖標記旨在表示類似的結(jié)構(gòu)，并且這些結(jié)構(gòu)以各種 細節(jié)水平示出，以提供該新型裝置的重要特征的清楚視圖。應(yīng)當理解，這些圖不一定按比例 描繪各結(jié)構(gòu)，并且諸如"頂部"、"底部"、"上部"、"下部"、"左"和"右"的方向名稱是隨意的， 因為所述裝置可在任何特定取向下被構(gòu)造和操作。特別地，應(yīng)當理解，名稱"分選物"和"廢 物"是可互換的，因為它們僅表示顆粒的不同群體，并且哪一個群體被稱為"目標"或"分選 物"群體是隨意的。
[0017] 圖1是處于靜態(tài)（未促動）位置的新型微制造式流體裝置10的平面圖示。裝置 10可包括微制造式流體閥或可移動構(gòu)件110 (陰影區(qū)域）以及多個微制造式流體通道120、 122和140。微制造式流體通道140 (在圖1和圖2中顯示為虛線區(qū)域140)充當輸出通道， 并且可位于微制造式構(gòu)件110的至少一部分的正下方且不平行于微制造式流體通道120、 122或微制造式構(gòu)件110的平面。微制造式構(gòu)件110在平行于該平面或在該平面內(nèi)的路徑 中制造和移動。優(yōu)選地，微制造式流體通道140正交于微制造式流體通道120U22的平面 和微制造式構(gòu)件110的移動路徑。微制造式流體通道140的孔隙可覆蓋（優(yōu)選地重疊）微 制造式構(gòu)件110的移動路徑的至少一部分，即，虛線區(qū)域在微制造式構(gòu)件110的移動的至少 一部分期間與微制造式構(gòu)件110重疊，如圖1和圖2所示。這種重疊在微制造式構(gòu)件處于 "廢物"或未促動位置（圖1)時可允許在輸入通道120和輸出通道140之間存在流體路徑， 并且在"分選物"或促動位置處（圖2)該路徑關(guān)閉且顆粒被轉(zhuǎn)向。如前所述，該構(gòu)造可減 小流體阻力，從而增加微制造式構(gòu)件110的速度。
[0018] 流體閥110和微制造式流體通道120U22及140可使用下文更詳細描述的MEMS 光刻制造技術(shù)形成于諸如硅基底的合適基底中。制造基底可具有制造平面，所述裝置形成 于該平面中并且可移動構(gòu)件110在該平面中移動。
[0019] 樣本料流可由樣本入口通道120引入到微制造式流體閥110。樣本料流可包含顆 粒的混合物，包括至少一種所需的目標顆粒和多種其它非所需的非目標顆粒。顆?？蓱腋?在流體中。例如，目標顆?？梢允菓腋≡谥T如鹽水的緩沖流體中的生物材料，例如，干細胞、 癌細胞、受精卵、蛋白、T細胞、細菌、血液的組分、DNA片段。入口通道120可形成于與閥110 相同的制造平面中，使得流體的流動基本上在該平面中。閥110的移動也在該制造平面內(nèi)。 關(guān)于分選/保存或處置/報廢給定顆粒的決策可基于任何數(shù)量的有區(qū)別的信號。在一個示 例性實施例中，該決策基于由顆粒發(fā)射的熒光信號、基于粘附到顆粒且由照明激光器激發(fā) 的熒光標簽。關(guān)于該檢測機構(gòu)的細節(jié)是文獻中熟知的，并且在下文中將結(jié)合圖12進一步討 論。然而，可以預(yù)料其它種類的有區(qū)別的信號，包括散射光或側(cè)面散射光，這可基于顆粒的 形態(tài)或許多機械、化學(xué)、電學(xué)或磁性效應(yīng)，這些效應(yīng)可將顆粒識別為目標顆粒（且因此被分 選或保存）或非目標顆粒（且因此被放棄或以其它方式處置）。
[0020] 當閥110處于圖示位置時，輸入料流無阻礙地傳送到輸出孔口和通道140,通道 140在入口通道120的平面之外且因此在裝置10的制造平面之外。也就是說，流是從入口 通道120到輸出孔口 140,流從輸出孔口 140基本上堅直地且因此正交于入口通道120地流 動。該輸出孔口 140通往面外通道，該通道垂直于圖1中顯示的紙平面，并且描繪于圖4a-4c 的剖視圖中。更一般地說，輸出通道140不平行于入口通道120或分選物通道122的平面 或可移動構(gòu)件110的制造平面。
[0021] 輸出孔口 140可以是形成于制造基底中或結(jié)合到制造基底的覆蓋基底中的孔。在 分選閥或可移動構(gòu)件Iio上方和下方的釋壓區(qū)域允許流體在可移動構(gòu)件Iio上方和下方 流至輸出孔口 140,并且在圖4a-4c中更詳細地顯示。此外，閥110可具有彎曲的轉(zhuǎn)移表面 112,該表面可將輸入料流的流動轉(zhuǎn)向至分選物輸出料流中，如接下來結(jié)合圖2所描述的。 孔口 140的輪廓可以使得它與入口通道120和分選物通道122的一些（但非全部）重疊。 通過使輪廓140與入口通道重疊，并且利用以上所述釋壓區(qū)域，當可移動構(gòu)件或閥110處于 未促動的廢物位置時，存在讓輸入料流直接流入廢物孔口 140中的路線。
[0022] 圖1是處于靜態(tài)（未促動）位置的新型微制造式流體裝置10的平面圖示。裝置 10可包括微制造式流體閥或可移動構(gòu)件110 (陰影區(qū)域）以及多個微制造式流體通道120、 122和140。微制造式流體通道140充當輸出通道，并且可位于微制造式構(gòu)件110的至少一 部分的正下方或正上方且不平行于微制造式流體通道120U22或微制造式構(gòu)件110的平 面。優(yōu)選地，微制造式流體通道120正交于微制造式流體通道120、122或微制造式構(gòu)件110 的平面。微制造式流體通道140可覆蓋微制造式構(gòu)件110的移動路徑的至少一部分，S卩，在 虛線/帶虛線的形狀內(nèi)的區(qū)域。
[0023] 圖2是處于促動位置的微制造式裝置10的平面圖。在該位置，可移動構(gòu)件或閥 11〇(陰影區(qū)域）被向上偏轉(zhuǎn)到圖2中所示位置。轉(zhuǎn)移表面112是將入口通道120的流轉(zhuǎn)向 至分選物輸出通道122中的分選輪廓。輸出通道122可位于與入口通道120基本上相同的 平面中，使得在分選物通道122內(nèi)的流也在與在入口通道120內(nèi)的流基本上相同的平面中。 在入口通道120和分選物通道122之間可存在角度α。該角度可以是至多約90度的任何 值?？梢苿訕?gòu)件110的促動可起因于來自圖2中一般地示出的力生成設(shè)備400的力。在一 些實施例中，力生成設(shè)備可以是電磁體，但應(yīng)當理解，力生成設(shè)備也可以是靜電式、壓電式 或一些其它器件，用于在可移動構(gòu)件110上施加力，從而使其從第一位置（圖1)移動至第 二位置（圖2)。
[0024] 更一般地說，例如在圖1和圖2中示出的微機械式顆粒操縱裝置可形成于制造基 底的表面上，其中微機械式顆粒操縱裝置可包括：具有第一轉(zhuǎn)移表面112的微制造式可移 動構(gòu)件110,其中可移動構(gòu)件110響應(yīng)于施加到可移動構(gòu)件的力而從第一位置移動至第二 位置，其中所述移動基本上在平行于所述表面的平面中；樣本入口通道120,其形成于基底 中并且流體流過其中，所述流體包括一種或多種目標顆粒和非目標材料，其中樣本入口通 道中的流基本上平行于所述表面；以及多個輸出通道122、140,微制造式構(gòu)件將流體轉(zhuǎn)移 到其中，并且其中在輸出通道140中的至少一個中的流不平行于所述平面，并且其中至少 一個輸出通道140在可移動構(gòu)件110的移動的至少一部分期間位于可移動構(gòu)件110的至少 一部分的正下方。
[0025] 在一個實施例中，轉(zhuǎn)移表面112可以幾乎相切于輸入流方向和分選物輸出流方 向，并且在這些切線之間的斜度可以平滑地變化。在該實施例中，料流的移動質(zhì)量具有從輸 入方向向輸出方向平滑地轉(zhuǎn)變的動量，因此當目標顆粒為生物細胞時，最小的力被傳遞到 顆粒。如圖1和圖2所示，微機械式顆粒操縱裝置10包括具有平滑地彎曲的形狀的第一轉(zhuǎn) 移表面112,其中該表面在該形狀上的一點處基本上相切于樣本入口通道中的流向并且在 該形狀上的第二點處基本上相切于第一輸出通道的流向，其中第一轉(zhuǎn)移表面在可移動構(gòu)件 110處于第一位置時將流從樣本入口通道轉(zhuǎn)移到第一輸出通道中，并且在第二位置處允許 流進入第二輸出通道。
[0026] 在其它實施例中，微機械式顆粒操縱設(shè)有第一轉(zhuǎn)移表面，該表面具有三角形、梯 形、拋物線形、圓形和V形中的至少一種，其中轉(zhuǎn)移表面在可移動構(gòu)件處于第一位置時將流 從入口通道轉(zhuǎn)移到第一輸出通道中，并且在第二位置處允許所述流進入第二輸出通道。轉(zhuǎn) 移器在所有情況下都用來將流從入口通道導(dǎo)向至另一個通道。
[0027] 應(yīng)當理解，雖然通道122被稱為"分選物通道"，而孔口 140被稱為"廢物孔口"，但 這些術(shù)語可以互換，使得分選物料流被導(dǎo)入廢物孔口 140,并且廢物料流被導(dǎo)入通道122， 而不失任何一般性。類似地，"入口通道"120和"分選物通道"122可反過來。用來命名這 三個通道的術(shù)語是隨意的，但入口料流可由閥110轉(zhuǎn)移到兩個單獨的方向中的任一個，這 些方向中的至少一個不位于與另兩個相同的平面中。當參照角向方向使用時，術(shù)語"基本 上"（即，基本上相切的或基本上堅直的）應(yīng)理解為表示在所參照的方向的15度內(nèi)。例如， "基本上正交"于一線應(yīng)理解為表示相對于該線為約75度至約105度。
[0028] 圖3a和圖3b示出了其中在入口通道120和分選物通道122之間的角度α為大 約零度的實施例。相應(yīng)地，分選物通道122大致反平行于入口通道120,使得流動在入口通 道120中是從右向左。在閥110處于圖3a所示未促動的靜態(tài)位置的情況下，入口料流直接 流至廢物孔口 140并且堅直地離開裝置10。
[0029] 在圖3b中，閥110處于促動的分選位置。在該位置，流被閥110的轉(zhuǎn)移表面112 轉(zhuǎn)向，并且進入反平行的分選物通道122中。該構(gòu)型可具有這樣的優(yōu)點：檢測器150的視場 覆蓋入口通道120和分選物通道122兩者。因此，單組檢測光學(xué)器件可用來檢測目標顆粒 通過相應(yīng)的通道的傳送。也可能有利的是使檢測區(qū)域和閥110之間的距離最小化，以便使 在閥的打開和關(guān)閉中的定時不確定性最小化。
[0030] 可移動構(gòu)件或閥110可利用柔性彈簧114附連到基底。彈簧可以是基底材料的狹 窄峽部。在以上闡述的示例中，基底材料可以是單晶硅，該材料因其突出的機械性能（例如 其強度、低殘余應(yīng)力和抗蠕變性）而聞名。在適當摻雜的情況下，該材料也可變成充分導(dǎo)電 的，以避免電荷積聚在所述裝置的任何部分上，否則這可能妨礙裝置的移動。彈簧可具有如 圖所示的蛇形形狀，其具有約1微米至約10微米的寬度以及在約l〇N/m和lOON/m之間并 且優(yōu)選地約40N/m的彈簧常數(shù)。
[0031] 圖4a、圖4b、圖4c為示出面外廢物通道140的操作的剖視圖。圖4c相對于圖4a 和圖4b略微放大，以便示出繞過可移動構(gòu)件110且通過廢物孔口 140進入廢物通道142的 流。箭頭指示可移動構(gòu)件110在通道120和122的平面中的移動路徑。在該實施例中，廢 物通道142為堅直的，基本上正交于入口料流120和分選物料流122。入口通道120和120 正交于廢物通道142,其中入口通道122的方向在紙平面之外。應(yīng)當理解，除正交之外的其 它實施例是可能的，但在任何情況下，進入廢物通道142的流都在入口通道120和/或分選 物通道122中的流的平面之外。如圖4a所示，在閥110處于分選促動位置的情況下，入口 料流和目標顆?？闪魅敕诌x物料流122中，該分選物料流在圖4a中流出紙外，并且廢物孔 口 140大部分（雖然不是完全地）被可移動構(gòu)件110阻塞。在閥或可移動構(gòu)件110的頂部 上的區(qū)域144(在圖4c中的大小不按尺寸）可被釋壓，以便為這種流動提供間隙。
[0032] 當閥或可移動構(gòu)件110如在圖4b中那樣未促動時，入口通道120的流可通過越 過、繞過或經(jīng)過可移動構(gòu)件或閥110而直接流入廢物通道142。在閥或可移動構(gòu)件110的頂 部上的區(qū)域144可被釋壓，以便為這種流動提供間隙。釋壓區(qū)域144在放大的圖4c中更詳 細地示出。因此，當可移動構(gòu)件未被促動時，流可以被直接輸送至廢物通道。當可移動構(gòu)件 被促動時，大部分流體將被導(dǎo)向至分選物通道，但液體可能仍然在可移動構(gòu)件上方和下方 流動。
[0033] 因此，在可移動構(gòu)件110上方和下方均提供流的目的是減小由促動器移動在閥或 可移動構(gòu)件110之后的區(qū)域中所產(chǎn)生的流體壓力。換言之，目的是在閥110之前的高壓區(qū) 域和該閥之后的低壓區(qū)域之間提供盡可能短的路徑。這允許閥在抵抗其移動的壓力極小的 情況下操作。結(jié)果，圖1-4C所示可移動閥110可以顯著快于將所有通道都設(shè)置在相同平面 中的閥。
[0034] 堅直的廢物通道142的另一個優(yōu)點在于：通過將其定位在靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)130 和可移動的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)116的正下方，在可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)116和130之間的磁間隙可比當流體 通道經(jīng)過兩者間時更窄。相比現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計，更窄的間隙能夠?qū)崿F(xiàn)更高的力和因此更快的 促動。接下來將提供磁性部件和磁性促動機構(gòu)的描述，并且面外通道構(gòu)造的優(yōu)點將是顯而 易見的。
[0035] 圖5是裝置10的裝置100的另一個示例性實施例的平面圖，示出了靜止的可導(dǎo)磁 結(jié)構(gòu)130的布置和可移動構(gòu)件110的更多細節(jié)。在該實施例中，可移動構(gòu)件110可包括轉(zhuǎn) 移表面112、柔性鉸接件或彈簧114、以及被對應(yīng)于可移動構(gòu)件110的線包圍但在該線內(nèi)部 的單獨的區(qū)域116。該區(qū)域116可嵌有諸如鎳鐵導(dǎo)磁合金的可導(dǎo)磁材料，并且可如下文進一 步描述那樣起作用。
[0036] 在另一個實施例中，微機械式顆粒操縱裝置還包括：第一可導(dǎo)磁材料，其嵌入可移 動構(gòu)件中；第一靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)，其被設(shè)置在基底上；以及第一磁通源，其在可移動構(gòu)件 和上面形成可移動構(gòu)件的基底的外部。
[0037] 優(yōu)選地，當磁通源被激活時，微機械式顆粒操縱裝置的可移動構(gòu)件從第一位置移 動至第二位置。
[0038] 可導(dǎo)磁的材料應(yīng)理解為表示能夠支持在其自身內(nèi)磁場的形成的任何材料。換言 之，材料的磁導(dǎo)率是該材料響應(yīng)于施加的磁場而獲得的磁化的程度。
[0039] 如本文所用，術(shù)語"可導(dǎo)磁材料"或"具有高磁導(dǎo)率的材料"應(yīng)理解為磁導(dǎo)率相比 空氣或真空的磁導(dǎo)率較大的材料。也就是說，可導(dǎo)磁材料或具有高磁導(dǎo)率的材料是具有 至少約100的相對磁導(dǎo)率（相比空氣或真空）的材料，S卩，為空氣或真空的磁導(dǎo)率（為約 UeXKT6Hinr1)的100倍。存在可導(dǎo)磁材料的許多示例，包括鉻（Cr)、鈷（Co)、鎳（Ni) 和鐵（Fe)合金。一種流行的可導(dǎo)磁材料被稱為導(dǎo)磁合金，其具有在在約60%和約90%之間 的Ni與在40%和10%之間的鐵的成分。最常見的成分是80%的Ni和20%的Fe,其具有約 8000的相對磁導(dǎo)率。
[0040] 從靜磁學(xué)熟知的是，可導(dǎo)磁材料被引入其中磁通線集中的區(qū)域中，以便降低由可 導(dǎo)磁材料提供的磁路對磁通的磁阻。相應(yīng)地，由于嵌入的可導(dǎo)磁材料116的存在，磁場中的 梯度朝具有高磁通集中度的區(qū)域驅(qū)使可移動構(gòu)件110的移動。即，帶有嵌入的可導(dǎo)磁材料 116的可移動構(gòu)件110將在正磁通梯度的方向上被吸引。
[0041] 磁場磁通線的外部源可設(shè)置在裝置100外部，如圖6所示。該來源可以是電磁體 500。電磁體500可包括周圍卷繞導(dǎo)體514的可導(dǎo)磁芯512。卷繞的導(dǎo)體或線圈514和芯 512生成磁場，該磁場離開磁體的極、發(fā)散并且返回到相對的極，如從電磁學(xué)熟知的。相應(yīng) 地，可移動構(gòu)件110通常被吸向電磁體500的極，如圖7所示。
[0042] 然而，裝置100的性能可通過使用靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)130來提高。術(shù)語"靜止的結(jié) 構(gòu)"應(yīng)理解為表示這樣的結(jié)構(gòu)：其固定到基底上并且不像可移動構(gòu)件或閥110那樣相對于 基底移動。靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)130可被成形為收集這些發(fā)散的磁通線，并且將它們再會聚 到緊鄰具有嵌入的可導(dǎo)磁材料的可移動構(gòu)件110的區(qū)域中。靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)可具有帶有 較窄的喉部134的膨脹區(qū)域132。磁通線被收集在膨脹區(qū)域132中并且被會聚進出狹窄的 喉部區(qū)域134。相應(yīng)地，喉部區(qū)域134中的磁通線的密度顯著高于不存在靜止的可導(dǎo)磁結(jié) 構(gòu)130的情況下的密度。因此，靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)130的使用（盡管是可選的）允許更高 的力、更快的促動，并且減少對電磁體500緊鄰裝置10的需求。磁場線從狹窄的喉部區(qū)域 134離開可導(dǎo)磁材料并且返回到外部源500的相對的磁極。但由于磁場線在喉部區(qū)域134 中的高度集中，嵌入可移動構(gòu)件110的可導(dǎo)磁材料116可被吸向靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)130,并 帶動可移動構(gòu)件的剩余部分。
[0043] 當電磁體為靜態(tài)并且沒有電流被供應(yīng)至線圈514時，彈簧114的恢復(fù)力致使可移 動構(gòu)件110處于"關(guān)閉"或"廢物"位置。在該位置，入口料流無阻礙地通過裝置100傳送到 廢物通道140。該位置在圖5中示出。當電磁體500被激活并且電流被施加通過線圈514 時,磁場在芯512中產(chǎn)生并離開芯512的極。這些磁通線由靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)130收集并 會聚并且會聚在緊鄰喉部134的區(qū)域中。如此前所提及的，可移動構(gòu)件110的可導(dǎo)磁部分 116被吸向喉部134,從而移動可移動構(gòu)件110和轉(zhuǎn)移表面112,使得入口通道120中的入口 料流被轉(zhuǎn)向至輸出或分選物通道122。該位置在圖7中示出。
[0044] 導(dǎo)磁合金可用來形成可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)116和130,但應(yīng)當理解，也可使用其它可導(dǎo)磁材 料。導(dǎo)磁合金是一種適用于MEMS光刻制造技術(shù)的熟知的材料。用于制造可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)116 和130的方法在下文中進一步描述。
[0045] 如此前所提及的，使廢物通道140和142在可移動構(gòu)件或閥110正下方允許可移 動的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)116設(shè)置得更靠近靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)130。相反，如果廢物通道在相同平面 中，那么該間隙將不得不至少足夠大以適應(yīng)廢物通道，并伴有相關(guān)聯(lián)的公差。結(jié)果，促動力 更高，并且閥打開和關(guān)閉時間要短得多。這又對應(yīng)于更快的分選或更高的分選準確度或兩 者。
[0046] 在使用上述電磁促動技術(shù)的情況下，可實現(xiàn)接近10微秒的促動時間。相應(yīng)地，顆 粒分選裝置能夠以超出50kHz或更高的頻率分選顆粒，假設(shè)需要10微秒來拉入促動器，并 且需要10微秒來將促動器返回到出廠位置。
[0047] 然而，對于任何顆粒分選機構(gòu)來說，在分選純度和分選速度之間存在固有的折衷。 我們只能將流體速度增加至某個點，在該點之后，進入分選器的物理極限，例如，這時閥速 度使得在檢測到細胞時沒有足夠的時間來打開閥或活門。超出該極限，每秒實現(xiàn)更多事件 的最明顯方式是增加細胞密度。但隨著細胞密度的增加，其中所需的和非所需的細胞均被 收集的分選沖突的發(fā)生率也增加。
[0048] 為了克服這種局限性，細胞樣本理論上在順序分選策略中可被處理多次-開始 是非?？焖俚拇致苑诌x，然后是更慢的高精度分選。由于大量的細胞稀釋物（來自鞘流 體）、緩慢的處理速度和由多次通過高壓力靜電分選機構(gòu)導(dǎo)致的不可接受的細胞受損，對于 傳統(tǒng)的FACS系統(tǒng)來說，這通常是不可行的選項。在以10米/秒的速度從60psi爆炸性地 解壓到Opsi的情況下，單次通過流式細胞儀是異常暴力的。細胞不可能幸免于多次這樣的 處理，而不顯著喪失生活力。即使人們愿意接受稀釋液、人工處理和細胞死亡，F(xiàn)ACS的產(chǎn)率 損失也是讓人難以接受的。另外，用于處理、清潔、消毒和驗證的每周期時間常數(shù)是無法承 受的，并且樣本的無菌性被徹底犧牲。因此，這種順序分選對于基于FACS的臨床細胞分選 來說不是可行的方法。
[0049] 相比之下，對于上述微制造式顆粒分選系統(tǒng)來說，利用微流體通道構(gòu)造，多級"順 序"分選可通過如下文所述的直接方式進行?？墒褂枚鄠€MEMS分選裝置10或100進行多 個顆粒操縱操作。分選裝置可以在單獨的MEMS芯片上并且封閉在一次性盒中，或者多個閥 可利用MEMS制造技術(shù)形成于單個基底上。在一個實施例中，多個MEMS分選芯片在一定程 度上分離，使得通過側(cè)向地偏移裝置，附加的MEMS芯片可變得可操作。該實施例在下文中 進一步描述并且在圖8中示出。更廣泛地，分選裝置系統(tǒng)可包括在第一操縱裝置或分選級 100下游的第二操縱裝置或分選級200。分選級100意指利用例如分別如圖1和圖5所示 的裝置10或裝置100的級。
[0050] 第一分選級100和第二分選級200前面分別為激光詢問區(qū)域170和270。在該區(qū) 域中，激光用來照射樣本料流中的顆粒。帶有熒光標簽的那些顆?？梢杂捎诩す庹丈涠l(fā) 熒光。該熒光信號被檢測并且指示樣本料流中目標顆粒的存在。在檢測到目標顆粒時，信 號被發(fā)送至控制器，該控制器控制電磁體500,激勵電磁體并且因此打開可移動構(gòu)件或閥 110。目標顆粒因此被導(dǎo)入分選物通道122。該功能在下文中結(jié)合圖12所示整個顆粒分選 系統(tǒng)更詳細地描述。分選級100和200也可伴有在最末分選級200下游的第三激光詢問區(qū) 域280。該詢問可被進行以評價分選的準確度或者為了調(diào)整各種分選參數(shù)。雖然在圖12中 僅示出兩個順序布置的分選操作，但應(yīng)當理解，這種基本概念可以擴展至任何數(shù)量的附加 分選級，并且代替串聯(lián)構(gòu)型或除了串聯(lián)構(gòu)型之外，各級可以布置成并聯(lián)構(gòu)型。
[0051] 因此，第一分選物可以快速地運行通過第一分選級100,以便以可忽略不計的產(chǎn)率 損失富集目標細胞。第一分選級100的輸出可根據(jù)位于區(qū)域170中的鑒別器或檢測器的輸 出而流入廢物通道140或分選物通道122。如果料流流至分選物通道122,那么它會繼續(xù)流 至第二分選級200,第二分選級200可具有其自身的相關(guān)聯(lián)的檢測區(qū)域270。類似于分選級 100,流可被導(dǎo)向至廢物通道240或分選物通道222。利用該方法，樣本通過整個順序分選過 程保持無菌且被溫柔地處理。應(yīng)當理解，雖然難以在二維圖中描繪，但廢物通道140和240 可位于相對于入口通道120以及分選物通道122和222不同的平面中。在圖8中，廢物通 道140和240描繪為流入紙內(nèi)。
[0052] 在另一個實施例中，利用圖1、圖3或圖5中所示構(gòu)造，也可設(shè)想出雙輸出雙位置顆 粒操縱裝置。在該實施例中，微機械式顆粒操縱裝置還可包括第二轉(zhuǎn)移表面，當可移動構(gòu)件 處于第三位置時，該第二轉(zhuǎn)移表面將流從入口通道轉(zhuǎn)移到第三輸出通道內(nèi)。
[0053] 為了在閥的打開和關(guān)閉期間更好且更快地控制可移動構(gòu)件，該實施例的微機械式 顆粒操縱裝置可設(shè)有嵌入可移動構(gòu)件中的第二可導(dǎo)磁材料、設(shè)置在基底上的第二靜止的可 導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)、以及在可移動構(gòu)件外部的第二磁通源。
[0054] 這樣的裝置在圖9中示出。圖9示出了雙輸出裝置800,其中單個入口通道820可 為兩個單獨的分選物輸出通道822和824中的任一個進料，具體取決于可移動構(gòu)件810的 位置。雙輸出裝置800可具有兩個可導(dǎo)磁區(qū)域816和818,可導(dǎo)磁區(qū)域816和818可被分別 吸向兩個靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)830和850中的任一個。例如，如果諸如電磁體500(以虛線/ 點劃線示出）的外部磁通源被定位在靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)830附近，那么從電磁體500發(fā)出 的磁通由靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)830集中，并且可移動的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)816被吸向靜止的可導(dǎo)磁 結(jié)構(gòu)830。圖10中描繪了這種情況。當可移動結(jié)構(gòu)順時針旋轉(zhuǎn)時，通過轉(zhuǎn)移表面842使分 選物通道822對來自入口通道820的流打開。當另一個外部磁體（未示出）在裝置800和 上部靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)850上方被激勵時，可移動構(gòu)件810逆時針旋轉(zhuǎn)，由分選物轉(zhuǎn)移表面 812將入口通道820中的流導(dǎo)入上部分選物通道824中。廢物通道孔口 840可相比140被擴 大，使得它被設(shè)置在可移動構(gòu)件810的至少一部分的正下方，但不妨礙分選物轉(zhuǎn)移表面812 或842的移動?？梢苿訕?gòu)件810由薄壁810固定在基底處。包括鉸接點814的薄壁810充 當類似于圖3a/b的114的柔性彈簧。
[0055] 雖然圖1-11中所示實施例結(jié)合電磁促動機構(gòu)進行描述，但應(yīng)當理解，也可以使用 其它促動力。例如，如果可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)116和130由導(dǎo)電而非可導(dǎo)磁的材料制成，則可橫跨元 件116和130設(shè)置電勢，以產(chǎn)生用于移動可移動構(gòu)件110的靜電力。也可使用壓電力。
[0056] 由于顆粒操縱裝置10和100的微制造式構(gòu)造，它適用于可利用這樣的封閉的明確 限定的構(gòu)造的技術(shù)。圖11中示出了一種這樣的技術(shù)，其中微制造式顆粒操縱裝置可具有將 鞘流體提供至樣本料流的至少一個附加的通道，以及聯(lián)接到入口通道的會聚元件。鞘流體 可用來調(diào)整目標顆粒在入口通道內(nèi)的濃度和定位。會聚元件可被構(gòu)造成將目標顆粒驅(qū)迫到 樣本入口通道的特定部分中，如下文進一步描述的。會聚元件可被設(shè)置在與可移動構(gòu)件110 基本上相同的平面中，并且可以形成在與可移動構(gòu)件110和入口通道120相同的基底表面 中。
[0057] 圖11描繪了微制造式流體歧管300,其可用來將顆粒會聚在流體料流內(nèi)的某個區(qū) 域中。用于設(shè)計這樣的歧管的技術(shù)可見于例如Xiaole Mao等人的"Single-layer planar on-chip flow cytometer using microfluidic drifting based three-dimensional (3D) hydrodynamic focusing，''(Journal of Royal Society of Chemistry, Lab Chip, 2009, 9，1583 - 1589)中。該歧管可包括樣本入口 310和鞘流體通道320。顧名思義，鞘通道將 鞘流體添加到樣本料流中，鞘流體是一種緩沖流體，其趨于稀釋料流中的顆粒的流并且將 它們定位在料流的特定部分中?；旌系牧黧w接著圍繞聯(lián)接到入口通道120的會聚元件（這 里為會聚通道330)流動，該會聚元件趨于將顆粒聚在流內(nèi)的特定平面中。該平面基本上在 圖11的紙平面中。混合的流體接著經(jīng)過另一個交點（"y-交點"350)，該交點在顆粒的平 面上方和下方引入額外的鞘流體。在y-交點350處，兩股流可從基本上反平行并且正交于 Z-會聚通道330的方向加入Z-會聚通道330。這種相交可將顆粒的平面壓縮成基本上在 料流的中心的單個點。相應(yīng)地，在y-交點350處，目標顆粒可從平面壓縮成接近Z-會聚通 道330和樣本入口通道120的中心的料流線。將顆粒會聚到某個體積內(nèi)趨于降低其位置的 不確定性和因此降低可移動構(gòu)件或閥110的打開和關(guān)閉定時中的不確定性。這樣的流體力 學(xué)會聚可因此提高分選操作的速度和/或準確度。
[0058] 在具有圖11中所示流體力學(xué)會聚的微制造式顆粒操縱裝置10或100的一個示例 性實施例中，Z-彎曲部330的角度掃掠范圍（angular sweep)是約180度的彎曲弧線。艮P， 在鞘入口和細胞入口的結(jié)合部與y-交點350之間的近似角度掃掠范圍可以為約180度。通 常，Z-彎曲部330的曲率半徑可以為至少約100微米且小于約500微米，并且通道的特征 尺寸（即寬度）典型地為約50微米，以提供會聚效應(yīng)。在一個實施例中，通道的曲率半徑 可以為約250微米，并且樣本入口通道120和Z-彎曲通道的通道寬度或特征尺寸為接近約 50微米。這些特征尺寸可提供足以會聚顆粒的曲率，使得顆粒在y-交點350處從Z-會聚 通道330離開時趨于被限制于紙平面。該平面接著在y-交點350處被壓縮到通道中的點。
[0059] 微制造式顆粒操縱裝置10或100可在顆粒分選系統(tǒng)1000中使用，該系統(tǒng)封閉在 包含圖12中所示部件的外殼中。MEMS顆粒操縱裝置10、100或800可被封閉在塑料的一 次性盒中，該一次性盒被插入系統(tǒng)1000中。插入?yún)^(qū)域可以是可移動級，其具有可用于相對 于一個或多個數(shù)據(jù)精確定位顆粒操縱裝置10、100或800的機構(gòu)和相關(guān)聯(lián)的微流體通道，所 述數(shù)據(jù)相對于收集光學(xué)器件1100對檢測區(qū)域和顆粒操縱裝置10、100或800進行定向和定 位。如果需要更精確的定位，入口級也可以是平移級，其基于可移動構(gòu)件110相對于數(shù)據(jù)的 位置的觀測來調(diào)整定位。
[0060] 應(yīng)當理解，雖然圖12示出了使用多個激光源1400和1410的顆粒分選系統(tǒng)1000， 但根據(jù)應(yīng)用可能僅需要單個激光器。對于圖12中所示多個激光器來說，激光源1410中的 一個可與一組相關(guān)聯(lián)的平行光學(xué)器件（圖12中未示出）一起使用以照射至少一個附加的 激光詢問區(qū)域170和/或270。該設(shè)備可以在一定程度上比單激光器系統(tǒng)布置起來更加復(fù) 雜和昂貴，但可具有優(yōu)點，因為光學(xué)路徑和檢測路徑可針對不同的激光詢問區(qū)域分離。對于 該實施例來說，可能不需要改變激光器1410光的軌線、光譜內(nèi)容、定時或持續(xù)時間。雖然在 圖12中未明確示出，但應(yīng)當理解，附加的激光器1410的檢測路徑也可與激光器1400的檢 測路徑分開。相應(yīng)地，顆粒分選系統(tǒng)的一些實施例可包括多個激光源和多個光學(xué)檢測路徑， 而其它實施例盡可使用單個激光源1400和收集光學(xué)器件1100。在此處所述實施例中，多個 激發(fā)激光器使用共同的光學(xué)路徑，并且光學(xué)信號由圖12中所示系統(tǒng)以電子方式分離。
[0061] 圖12中所示實施例基于FACS型檢測機構(gòu)，其中一個或多個激光器1400、1410激 發(fā)粘附到目標顆粒的一個或多個熒光標簽。激光激發(fā)可發(fā)生在多個詢問區(qū)域中，例如區(qū)域 170、270和280。由此發(fā)射的熒光被檢測，并且信號被饋送至計算機1900。計算機接著生成 控制信號，該信號控制電磁體500或多個電磁體（如果諸如圖8中那樣使用多個分選器）。 應(yīng)當理解，也可以使用其它檢測機制，包括可分辨目標顆粒與非目標顆粒的電學(xué)、機械、化 學(xué)或其它效應(yīng)。
[0062] 相應(yīng)地，圖12中所示MEMS顆粒分選系統(tǒng)1000可包括多個元件，這些元件可能有 助于實現(xiàn)附加的詢問區(qū)域170和270或更多。首先，光學(xué)操縱器件1600可改變激光輻射從 激光器1400到第二或第三詢問點的軌線、光譜內(nèi)容、定時或持續(xù)時間?？砂ㄔ诠鈱W(xué)操縱 器件1600中的項目的示例為例如雙折射晶體、旋轉(zhuǎn)棱鏡、反射鏡、可飽和吸收器、聲光調(diào)制 器、諧波型晶體、Q開關(guān)。更一般地說，光學(xué)操縱器件1600可包括沿著到附加的詢問區(qū)域的 光學(xué)路徑的支路改變激光頻率、幅度、定時或軌線的一個或多個項目。
[0063] 例如，光學(xué)操縱器件1600可包括分束器和/或聲光調(diào)制器。分束器可將入射激光 束的一部分分成二級分支或分枝，其中該二級分支或分枝穿過調(diào)制器，該調(diào)制器在高頻率 下調(diào)制二級光束的幅度。調(diào)制頻率可以是例如約2MHz或更高。相比之下，入射在第一激光 詢問區(qū)域101上的光可以是連續(xù)波（未調(diào)制的）。二級分支或分枝接著被導(dǎo)向至附加的激 光詢問區(qū)域170或270。這種激發(fā)接著將從帶合適標簽的細胞產(chǎn)生對應(yīng)的熒光圖案。
[0064] 這種調(diào)制的熒光圖案接著可由檢測光學(xué)器件1600拾取，該光學(xué)器件可以將檢測 到的來自詢問區(qū)域170和/或270的熒光與來自激光詢問區(qū)域170的熒光重新結(jié)合。結(jié)合 后的輻射可接著入射在一個或多個檢測器1300上。
[0065] 附加的光學(xué)部件1700也可改變第二光束路徑的頻率、幅度、定時或軌線；然而，它 可能在收集光學(xué)器件1100的上游（在檢測器側(cè)）而不是像光學(xué)部件1600那樣在其下游 (在樣本側(cè)）執(zhí)行該操作。
[0066] 檢測器1300的輸出可被分析以將對應(yīng)于激光詢問區(qū)域280的內(nèi)容與對應(yīng)于激光 詢問區(qū)域170或270的內(nèi)容分離。這可以通過將某些電子分辨器件施加到來自檢測器1300 的信號來實現(xiàn)。電子分辨器件1800的細節(jié)可取決于對光學(xué)操縱器件1600的選擇。例如，分 辨器件1800可包括與包括在光學(xué)操縱器件1600中的聲光調(diào)制器一致的高通級和低通級。 或者，電子分辨器件1800可包括例如濾波器（高通和/或低通）和/或包絡(luò)檢測器。
[0067] 因此，根據(jù)光學(xué)操縱器件1600的選擇，從檢測器1300輸出的未濾波信號可包括連 續(xù)波、低頻部分和已調(diào)制的高頻部分。在通過高通濾波器級濾波之后，信號可具有基本上僅 高頻部分，并且在低通級之后，僅具有低頻部分。這些信號可接著在計算機1900的邏輯電 路中被容易地分離。備選地，高通濾波器可以是包絡(luò)檢測器，其產(chǎn)生與高頻脈沖的幅度的包 絡(luò)線相對應(yīng)的信號。
[0068] 可在電子分辨器件1800中包括其它種類的部件以分離信號。這些部件可包括例 如信號濾波器、混合器、鎖相環(huán)路、復(fù)用器、觸發(fā)器、或可以分離或分辨信號的任何其它類似 裝置。部件1800也可包括此前描述的高通和/或低通電子濾波器或包絡(luò)檢測器。來自電 子分辨器件1800的兩組信號可由邏輯電路1900不同地處理以便分離信號。
[0069] 因此，MEMS顆粒操縱系統(tǒng)可結(jié)合一個或多個附加的下游激光詢問區(qū)域使用，其中， 附加的激光詢問區(qū)域用來確認操縱級在操縱顆粒料流方面的有效性或準確度。來自經(jīng)過分 選級100和200的激光詢問區(qū)域280的下游評價可允許操作者為單獨的顆粒類型測量一個 事件數(shù)（例如，捕獲的分選后事件率）除以另一個事件數(shù)（例如，初始分選前事件率）的比 率，并且基于該比率進行反饋以調(diào)整初始詢問參數(shù)（例如，x、y、z位置以及"開窗口"時間 長度）。該方法可用來優(yōu)化系統(tǒng)1000的產(chǎn)率或準確度。備選地，操作者可測量目標細胞的 分選后事件率除以分選后總事件率反饋的比率，以調(diào)整諸如x、y、z位置以及"開窗口"時間 長度的初始激光詢問參數(shù)，以便優(yōu)化分選系統(tǒng)1000的純度。通過改變由計算機1900發(fā)送 至電磁體500的控制信號2000,或者通過改變光學(xué)檢測參數(shù)或者如圖12所示通過改變激光 控制信號，可調(diào)整這些分選參數(shù)。
[0070] 根據(jù)本發(fā)明的顆粒操縱系統(tǒng)還可包括電磁體、以及提供對電磁體的控制波形的電 路。圖12中描繪的系統(tǒng)如何可用來調(diào)整分選參數(shù)的一個示例是通過遞送至電磁體500的 控制信號波形2000。該波形2000可被微調(diào)以調(diào)整閥或可移動構(gòu)件110或810的分選性能， 并且可由邏輯電路1900產(chǎn)生。
[0071] 控制波形可用來微調(diào)閥的打開和關(guān)閉過程，從而增加分選過程的速度。在另一個 實施例中，顆粒操縱系統(tǒng)的控制波形包括將可移動構(gòu)件設(shè)定成移動的更高幅度的加速階 段、打開可移動構(gòu)件的恒定幅度階段、以及在關(guān)閉時減緩可移動構(gòu)件的制動階段。
[0072] 圖13描繪了具有附加特征的控制信號波形2000,該附加特征可用來控制可移動 構(gòu)件110或810的移動。該控制信號波形2000可由計算機1900生成，并且因此可變得基本 上任意復(fù)雜的?？刂菩盘柌ㄐ?000可以是電壓波形或電流波形。控制信號波形2000可被 施加到電磁體500的線圈510,例如，以驅(qū)動電流通過線圈以產(chǎn)生促動磁場。控制信號2000 可包括初始加速階段2110,該階段具有比控制信號波形2000的其余部分顯著更大的幅度， 并且持續(xù)幾十微秒。
[0073] 在加速階段的電流的較大幅度可用來克服由移動的磁體在線圈中產(chǎn)生的反電動 勢。它也可以產(chǎn)生更高的力，這可能是將可移動構(gòu)件110、810從其靜止位置啟動并克服 可能正阻礙移動的任何摩擦力所需的。在該初始加速階段之后，控制信號可具有維持階段 2120,在此期間，電流為基本上恒定的并且持續(xù)幾十微秒。在該階段期間，可移動構(gòu)件110 或810從其在圖1、圖5或圖9中的關(guān)閉位置行進至在圖2、圖7或圖10中的促動位置。雖 然電流可能在此期間為恒定的，但在可移動構(gòu)件上的力可能是可變的，其為在可移動的可 導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)116、816和840與相應(yīng)的靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)130、840和850之間的閉合距離的函 數(shù)。如2130中所示反轉(zhuǎn)控制信號的極性使磁場的方向反轉(zhuǎn)，并且使可導(dǎo)磁部分退磁。階段 2130允許閥關(guān)閉。在反轉(zhuǎn)期2130之后，持續(xù)幾微秒的靜態(tài)期2140可能緊隨其后，在此期 間，不產(chǎn)生磁場，并且在可移動構(gòu)件110或810上的彈簧元件114或814的彈簧力可使可移 動構(gòu)件返回到其未促動狀態(tài)。這可以處于廢物或放棄位置。在促動器正關(guān)閉并且將要到達 出廠位置的時期之后，短暫的"制動"脈沖2150可減慢可移動構(gòu)件的速度。這可以避免在 硬停止部上不合需要地反彈，否則，這可能允許非目標顆粒進入分選物通道122?；蛘撸绻?不存在硬停止部，那么這可能允許最快地返回到未促動位置。
[0074] 利用如上文結(jié)合圖12描述的分選物通道內(nèi)容物的下游確認，圖13中所示電流分 布的可調(diào)整參數(shù)中的任一個（例如，加速階段的幅度和持續(xù)時間、打開階段的幅度和持續(xù) 時間、靜態(tài)階段的持續(xù)時間、或制動階段的幅度和持續(xù)時間）可被調(diào)整以改善系統(tǒng)的分選 性能。
[0075] 描述現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1-11中所示裝置的制造。制造可始于在第一基底中形成嵌入的 可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)116和130?；卓梢允抢鐔尉Ч杌住榱诵纬蛇@些結(jié)構(gòu)，可通過蝕刻在基 底表面的這些區(qū)域中形成凹陷。首先，可將光致抗蝕劑沉積在基底表面上并且在對應(yīng)于116 和130的區(qū)域上移除。然后，可通過例如在氫氧化鉀（KOH)中蝕刻基底來形成溝槽以形成 合適的凹陷。可將晶種層適形地沉積在第一基底表面上并且圖案化，以提供用于將NiFe鍍 覆到溝槽中的晶種層。晶種層可以是例如Ti/W，或者可以接著通過濺鍍、CVD或等離子沉積 來沉積Cr/Au。該層可用光致抗蝕劑覆蓋并且根據(jù)區(qū)域116和130的所需形狀圖案化。光 致抗蝕劑和晶種層的非所需區(qū)域可接著通過化學(xué)蝕刻來移除。然后可通過濺鍍、等離子沉 積或電鍍法將可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)沉積在圖案化的晶種層上。例如，已知導(dǎo)磁合金（80% Ni和20% Fe)可通過電鍍?nèi)菀椎爻练e。
[0076] 備選地，可使用剝離法來沉積一層可導(dǎo)磁材料，然后將大部分材料從除116和130 之外的區(qū)域剝離。關(guān)于嵌入的可導(dǎo)磁材料的光刻形成的更多細節(jié)可見于例如美國專利No. 7, 229, 838中。美國專利No. 7, 229, 838以引用方式全文并入本文中。然后可通過化學(xué)機 械拋光（CMP)將基底平面化，留下用于隨后結(jié)合蓋板的平坦表面。
[0077] 在已經(jīng)制造了可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)116和130的情況下，可以形成可移動構(gòu)件或閥110和 810。表面可再次被光致抗蝕劑覆蓋并且被圖案化以保護嵌入的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)116和130。入 口通道120和輸出通道122以及釋壓區(qū)域144可與可移動構(gòu)件110和810同時形成。在可 移動構(gòu)件110、810以及其表面結(jié)構(gòu)將保留的其它區(qū)域被覆以光致抗蝕劑的情況下，可通過 例如深反應(yīng)離子蝕刻（DRIE)來形成結(jié)構(gòu)110、810、120、122和144。
[0078] 為了形成流體通道，可將蓋板結(jié)合到此前為此目的而平面化的基底的表面。蓋板 可以是光學(xué)上透明的，以允許將激光施加到流入入口通道120的流體料流中的顆粒，并且 使由粘附到顆粒上的熒光標簽發(fā)射的熒光被上文所述光學(xué)檢測系統(tǒng)檢測。在該透明材料中 形成的孔可形成廢物通道142。備選地，廢物通道142可形成于第二基底中，例如第二硅基 底，并且結(jié)合到第一基底的表面。備選地，可在使用絕緣體上硅（SOI)基底的第一基底的相 對表面上形成輸出通道142,其中廢物通道142和孔口 140形成于SOI基底的操作層和介質(zhì) 層中，并且可移動結(jié)構(gòu)形成于裝置層中。
[0079] 關(guān)于執(zhí)行上文概述的該過程的更多細節(jié)是本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的，或者容易在 許多光刻處理參考文獻中找到。
[0080] 示例 將全血用緩沖液稀釋并且用綴合到熒光團的人抗CD4抗體染色。在如圖5所示的微機 械式顆粒操縱裝置中分選樣本，并使用熒光團作為分選標簽將樣本嵌入根據(jù)圖12的顆粒 分選系統(tǒng)中。
[0081] 將樣本以約1. 3百萬細胞/秒的速度分選5輪，以顯示分選過程是可再現(xiàn)的。僅 結(jié)合白細胞（WBC)計算純度和產(chǎn)率數(shù)，因為被分選的細胞大部分是紅細胞。表1顯示，耗竭 產(chǎn)率（cbpletion yield)和分選純度為基本上恒定的，即便是高分選速度。
[0082] 表 1

【權(quán)利要求】
1. 一種形成于制造基底的表面上的微機械式顆粒操縱裝置，包括： 微制造式可移動構(gòu)件，其形成于所述基底上且具有第一轉(zhuǎn)移表面，其中所述可移動構(gòu) 件響應(yīng)于施加到所述可移動構(gòu)件上的力而從第一位置移動至第二位置，其中所述移動基本 上在平行于所述基底的表面的平面中； 樣本入口通道，其形成于所述基底中并且流體流過其中，所述流體包括至少一種目標 顆粒和非目標材料，其中所述樣本入口通道中的流基本上平行于所述表面； 多個輸出通道，所述微制造式構(gòu)件將所述流體轉(zhuǎn)移到所述多個輸出通道中，并且其中 在所述輸出通道中的至少一個中的流不平行于所述平面，并且其中至少一個輸出通道在所 述微制造式構(gòu)件的移動的至少一部分期間位于所述微制造式構(gòu)件的正下方或正上方。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械式顆粒操縱裝置，其特征在于，所述第一轉(zhuǎn)移表面具 有平滑地彎曲的形狀，所述平滑地彎曲的形狀在所述形狀上的一點處基本上相切于所述入 口通道中的流向并且在所述形狀上的第二點處基本上相切于第一輸出通道的流向，其中所 述第一轉(zhuǎn)移表面在所述可移動構(gòu)件處于所述第一位置時將流從所述入口通道轉(zhuǎn)移到所述 第一輸出通道中，并且在所述第二位置上允許所述流進入第二輸出通道。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械式顆粒操縱裝置，其特征在于，所述第一轉(zhuǎn)移表面具 有三角形、梯形、拋物線形、圓形和V形中的至少一種，并且其中所述轉(zhuǎn)移表面在所述可移 動構(gòu)件處于所述第一位置時將流從所述入口通道轉(zhuǎn)移到所述第一輸出通道中，并且在所述 第二位置上允許所述流進入第二輸出通道。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械式顆粒操縱裝置，其特征在于，所述多個輸出通道包 括分選物通道和廢物通道，其中在所述分選物通道中的流基本上反平行于在所述樣本入口 通道中的流，并且其中在所述廢物通道中的流基本上正交于在所述樣本入口通道和所述分 選物通道中的流。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微機械式顆粒操縱裝置，其特征在于，還包括： 第一可導(dǎo)磁材料，其被嵌入所述可移動構(gòu)件中； 第一靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)，其被設(shè)置在所述基底上；以及 第一磁通源，其在所述可移動構(gòu)件和上面形成所述可移動構(gòu)件的基底外部。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微機械式顆粒操縱裝置，其特征在于，當所述磁通源被激活 時，所述可移動構(gòu)件從所述第一位置移動至所述第二位置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械式顆粒操縱裝置，其特征在于，所述力為磁力、靜電 力和壓電力中的至少一種。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微機械式顆粒操縱裝置，其特征在于，還包括： 第二轉(zhuǎn)移表面，其在所述可移動構(gòu)件處于第三位置時將來自所述入口通道的流轉(zhuǎn)移到 第三輸出通道中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微機械式顆粒操縱裝置，其特征在于，還包括： 第二可導(dǎo)磁材料，其被嵌入所述可移動構(gòu)件中； 第二靜止的可導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)，其被設(shè)置在所述基底上；以及 第二磁通源，其在所述可移動構(gòu)件外部。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械式顆粒操縱裝置，其特征在于，還包括： 在所述表面中鄰近所述可移動構(gòu)件的釋壓區(qū)域，其允許流體在所述可移動構(gòu)件上方和 下方流到不平行于所述平面的至少一個輸出通道。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械式顆粒操縱裝置，其特征在于，所述目標顆粒包括 干細胞、癌細胞、T細胞、受精卵、血液的組分、蛋白、DNA片段和細菌中的至少一種。
12. -種顆粒操縱系統(tǒng)，包括： 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械式顆粒分選裝置； 至少一個激光器，其被導(dǎo)向至設(shè)置在所述入口通道中的激光詢問區(qū)域；以及 至少一組檢測光學(xué)器件，其檢測來自粘附到所述流體中的目標顆粒上的熒光標簽的熒 光信號。
13. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的顆粒操縱系統(tǒng)，其特征在于，還包括： 電磁體；以及 電路，其將控制波形提供至所述電磁體。
14. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的顆粒操縱系統(tǒng)，其特征在于，還包括： 至少一個附加的激光器，其被導(dǎo)向至在所述輸出通道中的至少一個中的區(qū)域處，以被 構(gòu)造成確認顆粒操縱的結(jié)果。
15. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的顆粒操縱系統(tǒng)，其特征在于，所述控制波形包括將所述可 移動構(gòu)件設(shè)定成移動的較高幅度的加速階段、打開所述可移動構(gòu)件的恒定幅度階段、以及 在關(guān)閉時減緩所述可移動構(gòu)件的制動階段。
【文檔編號】B01L3/00GK104511325SQ201410524040
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月1日
【發(fā)明者】馬丁內(nèi)斯 N., 卡蘭達爾 K., 希爾茲 K., 特納 K., 米爾騰依 S., 福斯特 J. 申請人:Owl生物醫(yī)學(xué)公司