[发明专利]微流体颗粒操纵

说明书

本发明涉及使用声波来操纵和分选颗粒和细胞。在实施方式中，提供了用于操纵流体悬浮液中的颗粒的微流体装置，该装置包括：(a)基底；(b)限定在该基底中的通道，该通道具有用于接收流体悬浮液的入口和用于排出流体悬浮液的出口；以及(c)声源，该声源被配置为传递横向于流体悬浮液在通道中的流动的行进的表面声波，其中该声源是叉指换能器(IDT)，该IDT包括具有指向通道的锥形端的多个同心圆弧，并且该锥形端具有在4μm和150μm之间的孔径。在可替代的实施方式中，该装置包括部署在第一通道与声源中间的第二通道，其中第一和第二通道通过泵送通道连接。

技术领域

本发明涉及操纵并且更具体地分选颗粒(particle，粒子)。又更具体地说，本发明涉及使用声波，包括表面声波，来操纵和分选颗粒。在实施例中，本发明可以用于分选细胞。

背景技术

快速的细胞和颗粒分选是许多研究、工业和临床医学应用——包括癌症研究、^1、2生殖技术、³定向进化、⁴高通量药物筛选、⁵声学造影剂生产、⁶水监测⁷以及稀有细胞富集^8、9——中的基本过程。为了在细胞群体之间进行区分，理想地，这些方法利用了不同群体之间不同的物理参数，诸如大小、^10-12磁化率、^13-15声学造影、^16、17介电常数¹⁸或可变形性¹⁹，使得分选在存在连续施加的力场和/或流动的情况下被动地发生。在细胞的情况下，该方法学可以容易地用于在不同类型的细胞之间进行分选，但是不太擅长在异质(heterogeneous，异相、异形)细胞群体内分选，其中荧光检测²⁰或阻抗谱^21、22可以基于参数诸如细胞功能或形态来区分。这些方法尽管更通用，但需要单独和协调的按需致动系统来将选定的细胞物理地平移到单独的储存器。流式细胞技术中的荧光激活细胞分选(FACS)是用于细胞分选的黄金标准，其中选定的细胞在电场中被电力地充电、呈雾状散开并随后被偏转。²³虽然FACS用于在高速下分选，但集合系统通常是大型的、昂贵的，并且不适用于便携式平台。

人们越来越关注等效的片上分选系统，其中的许多旨在在便宜的集成平台上复制常规流式细胞技术中的分选效应，但是这必须需要开发微尺度致动系统，其不需要生成与FACS中的情况一样的含有细胞的气雾剂。最常见地，由于油相和水相之间大的介电常数差值，介电泳力被局部地施加到含有细胞的珠滴，²⁴其中珠滴是用于局部地容纳细胞周围的体积的有用工具，²⁵尽管在单相中进行分选的情况下通量受到限制。可替代地，Chen等人展示了一种利用脉冲激光诱导的空化(cavitation，空穴作用)以将各个细胞在kHz速率下平移到单独的出口流的装置。²⁶然而，考虑到空化已经在其他地方用于细胞溶解，在这种情况下的空化的生物相容性尚未被很好地理解。²⁷

声场为分选提出了一种有吸引力的生物相容性的替代，其中细胞已经被捕获，同时在从数分钟至数小时的暴露时间段内保持细胞活力/形态，^28-33并且其中电驱动电路可以被容易地小型化以用于便携的和有成本效益的使用。³⁴利用由附连至谐振室的体波模换能器生成的体声波(BAW)，Jakobsson等人展示了在连续流动中荧光珠的主动分选，其中选定的颗粒被平移到驻波节点位置。³⁵然而，表面声波(SAW)换能器通常更容易与微流体系统集成，其中通过选择合适的叉指换能器(IDT)模式和位置而可以容易地限定声场的形状，其中IDT限定压电基底上的SAW路径。SAW同样被应用于高通量分选；Nawaz等人和Ren等人使用相对的IDT结构来生成亚-ms的驻SAW脉冲，其中选定的颗粒和细胞在其穿过声场时被平移，^36、37在概念上类似于Ding等人的工作成果，其中驻波场中的频移导致节点位置中的移位。³⁸