[发明专利]利用微流控芯片构型和动力学进行光力测量和细胞成像的微流控芯片设备

说明书

一种微流控芯片配置，其中注入在垂直向上的方向上进行，流体容器位于芯片下方，以便在芯片通道的分析部处和该处之前最小化粒子沉降。输入和流体向上流动通过芯片底部，在一个方面使用歧管，这避免了流体动力学的正交重新定向。小瓶所容之物位于芯片下方，并被直接垂直向上泵送到芯片的第一通道中。长通道从芯片底部延伸至芯片顶部附近，其在该处转一个短水平弯。流体被向上泵送到水平分析部，而水平分析部是芯片中的最高通道/流控点，因此靠近芯片顶部，这使得成像更加清晰。在分析过程中，激光器也可使这条通道中的细胞或粒子悬浮。

技术领域

本发明总体上涉及用于粒子分析以及流体中粒子或细胞成像的设备和方法，尤其涉及利用压力、流体动力学、电动力学和光力(optical forces)对流体进行粒子成像的设备和方法。

本发明针对一种微流控芯片，其中注入发生在垂直向上的方向上，流体小瓶位于芯片下方，以便在芯片通道的分析部处和该处之前最小化粒子沉降。

实现本发明需对现有微流控芯片设计进行改变。例如，为了使小瓶与芯片垂直对齐，需建立与现有技术不同的芯片接口。具体而言，本发明使输入和流体经过芯片底部向上，在一个方面使用歧管，这避免了流体/流体动力学的水平重新定向，而不是使输入管经由端口以正交方式与芯片接合（微流控芯片实验室系统中的典型做法），端口附接至芯片最大面上，然后首先横过芯片泵送流体，然后将流体泵送到芯片上方。

根据本发明，小瓶所容之物位于芯片下方，并被直接垂直向上泵送到芯片的第一通道中。长通道从芯片底部延伸至芯片顶部附近。然后，该通道转一个短水平弯，但新通道太短，几乎可以抵消任何由于重力和壁处零流速导致的细胞沉降的影响。然后，与现有技术相反，将流体向上泵送至分析部。因此，水平分析部是芯片中的最高通道/流控点，所以水平分析部靠近芯片顶部，这使得显微镜/照相机和样本之间的芯片材料（如玻璃）比现有技术少，成像也就更加清晰。在分析过程中，激光也会使细胞悬浮在该通道中，防止它们沉降。

背景技术

相关技术说明

根据现有技术，将含有待分离和/或分析的细胞或粒子的微流控芯片小瓶放置于侧面，并水平泵送至微流控芯片中的通道中。首先，小瓶所容之物（例如，粒子或细胞）被垂直向上泵送，然后转U型弯向下行进，接着被水平泵送至芯片中（参见例如第9594071号美国专利）。

与芯片的水平连接，再加上连接中的死体积（流控连接中的空白空间，在某种程度上不可避免），在重力作用下导致显著的额外沉降。这种配置还使连接所需的相对较大直径通道成为必要，除了死体积外，还形成了一个相对低速的区域，进一步加重了粒子沉降的问题。根据本发明的芯片不仅消除了对大型水平输入通道的需要，还消除了对从大型水平输入通道到第一垂直芯片管道中的相对较细上升流的较突然变化的需要。这种配置消除了水平沉降和导致沉降的不必要方向变化。使细胞进入芯片的底部边缘也解决了死体积中沉降的问题，方法是将其定向为与重力垂直，使得细胞或粒子无法在水平通道的底部沉降，相反它们不断被流动向上引导。这并不是凭直觉获知的，且在设计当前展现的解决方案之前，需要进行大量实验来理解该问题。与本发明相比，当前可用的微流控设备在抛光表面和更大面积的玻璃上包括定制或商业上可获得的连接，这一般迫使样本流中所含的如细胞的任何粒子在进入芯片后立即转弯并水平行进。

此外，现有技术中，细胞或粒子在到达分析通道之前，在微流控芯片上进行几次水平移动，而这导致沉降。当小瓶所容之物进入芯片和芯片中的通道时，所容之物相对垂直的芯片内通道被水平泵送。然后，通道向上流动，转一个长水平弯，此时由于重力作用，细胞往往在通道底部沉降，同时由于层流条件，细胞往往在壁处出现较低的速度。本质上，由于抛物线速度剖面，在通道中部流量最大，在通道壁处或其附近降至零。在第一个水平芯片内通道之后，流体在分析通道之前向下转弯，在分析通道进行粒子成像或分离。由于这种配置，显微镜/照相机与分析通道之间存在相对较远的距离。在这种典型的现有技术配置中，粒子被迫向下并最终离开芯片底部。