使用可調(diào)諧聲表面駐波進行微流體操控和顆粒分選的制作方法
【專利說明】使用可調(diào)諧聲表面駐波進行微流體操控和顆粒分選
所涉及的相關申請
[0001]本專利申請請求享有美國專利(臨時專利申請序列號N0.61/592，855，申請日2012年I月31日)的優(yōu)先權，其全部內(nèi)容合并于此。
所涉及的政府支持
[0002]本發(fā)明來自于美國政府支持，包括美國國立衛(wèi)生研宄院項目(N0.1DP20D007209-01)和美國國家科學基金會項目(N0.ECCS0824183)。美國政府擁有本發(fā)明的某些權利。
技術領域
[0003]本發(fā)明涉及使用聲表面波進行顆粒操控和分選的方法和裝置，包括顆粒、細胞和微生物的濃縮、聚焦和表征。
【背景技術】
[0004]對很多應用來說，改進用于顆粒分選、操控和表征的方法和裝置將是非常有用的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的實例包括用于顆粒操控和分選的方法和裝置。方法可用于多種顆粒類型，包括微米顆粒和納米顆粒。顆?？梢允?或包括)天然來源的組分，并且可包括細胞(特別是血細胞)和微生物。本發(fā)明的實例可用于顆粒的濃縮和分離，所述顆粒如細胞，及特別地，人體血液內(nèi)部的細胞。顆粒也可包括無機物、聚合物和各種其它類型的顆粒。
[0006]本發(fā)明的實例包括〃聲波鑷子"，它可以捕獲和巧妙地操控單個顆粒，比如微米顆粒、細胞或微生物。該聲波鑷子使用線性調(diào)頻(線性調(diào)頻的)叉指換能器(IDTs，有時稱為指叉換能器)的寬共振帶，來獲得聲表面駐波場的實時控制，可靈活地操控顆粒。
[0007]該聲波設備實例所使用的功率密度明顯低于光鑷子所需(通常是光鑷子的1/10000000，是光電鑷子的1/100)。相對于傳統(tǒng)方法，基于聲波的顆粒操控方法提供極好的、無創(chuàng)性的替代方案。這里所示的聲波鑷子是第一個在二維空間精密控制單個微粒的聲波操控方法。
[0008]一種設備結(jié)構的實例包括鄰接壓電基底的通道，其位于兩個垂直的線性調(diào)頻叉指換能器(IDTs)對之間。線性調(diào)頻叉指換能器在其指周期上具有漸變，允許它們在很寬的頻率范圍內(nèi)有效地共振。各對線性調(diào)頻叉指換能器被獨立地加以射頻信號(RF)，以產(chǎn)生相同的聲表面波(SAWs)，它們之間的干涉形成了聲表面駐波(SSAW)。這些聲表面駐波漏入鄰接的流體介質(zhì)中，并在該流體中建立差壓場，而該場產(chǎn)生聲輻射力，其作用在懸浮顆粒上。所述通道是偏離叉指換能器中心的，這樣，通道中零階壓力節(jié)點的位置在通道工作區(qū)之外。
[0009]該聲輻射力驅(qū)動顆粒至壓力場的節(jié)點或腹點，這取決于它們的彈性特征。由于相對于懸浮流體介質(zhì)的密度和/或壓縮性差異，大多數(shù)顆粒被推向壓力場中的節(jié)點。
[0010]線性調(diào)頻叉指換能器的大帶寬轉(zhuǎn)化為可訪問聲表面駐波波長的寬譜范圍，其限定了設備的大顆粒操控范圍。使用具有變化的輸入RF頻率的線性調(diào)頻叉指換能器，可精密地調(diào)整產(chǎn)生自聲表面駐波干涉的壓力節(jié)點的位置，而且，可在二維空間自由操控在壓力節(jié)點處捕獲的一個或多個顆粒。也可以精密地修正流體流內(nèi)部的顆粒流軌，從而改善顆粒分選。
[0011]另一個設備結(jié)構實例包括位于一對可變頻率叉指換能器之間的通道。該通道具有一個通道輸入和多個通道輸出。對該叉指換能器對加以RF信號，以產(chǎn)生相同的聲表面波(SAWs)，它們之間的干涉在通道的工作區(qū)內(nèi)部形成聲表面駐波(SSAW)，并在流體內(nèi)建立差壓場。通過驅(qū)動信號的頻率調(diào)整來調(diào)整該壓力場，流過通道的顆粒的流軌就可以被導向任一期望的通道輸出。分選可由電子控制的，并基于一個或多個顆粒特征，所述顆粒特征是在通道中為該顆粒確定的。因此，有效的顆粒分選是可能的，包括血細胞成分分選，包括熒光激活細胞分選。
[0012]應用實例包括顆粒分選(包括細胞分選)，流式細胞術等等。本發(fā)明的實例可以同微流體顆粒聚焦設備相結(jié)合，以改善顆粒分選，包括改善的流式細胞儀。改進的流式細胞儀可包括顆粒聚焦級、顆粒表征級和顆粒分選級。該分選級可與表征級進行電子通信，這樣，可在檢測的顆粒參數(shù)的基礎上，分選不同的顆粒。
[0013]一種用于顆粒操控的裝置實例包括基底(例如，支持SSAW的基底，比如壓電基底)、界定在該基底上的通道(例如，具有至少一個小于I毫米的橫截面的通道)和在該基底上形成的分隔開的可變頻率或線性調(diào)頻叉指換能器(IDTS)對，所述通道位于叉指換能器對之間并偏離其中心。可提供一種電子控制電路來驅(qū)動叉指換能器對，以在該通道的工作區(qū)內(nèi)產(chǎn)生聲表面駐波。該通道被設置為接收包括有顆粒的懸浮流體，而且，可通過調(diào)節(jié)聲表面駐波(SSAW)的頻率和/或相位來調(diào)整該顆粒的位置?；卓商峁┩ǖ赖谋?。顆?？梢允蔷酆衔镱w粒、細胞(例如，血細胞)、微生物、顆粒集合或其它具有不同于環(huán)繞的支持介質(zhì)的彈性的物體。該支持介質(zhì)可以是流體，更特別地，可以是液體。
[0014]在某些實例中，通道是具有一個輸入通道和多個輸出通道的流道，通過調(diào)節(jié)聲表面駐波的頻率來將顆粒導向該多個輸出通道中所選的通道。實例包括改進的細胞分選裝置和方法，包括改進的血液分選。
[0015]通道可位于產(chǎn)生第一聲表面駐波的第一對叉指換能器和產(chǎn)生第二聲表面駐波的第二對叉指換能器之間，所述第一和第二聲表面駐波(例如垂直聲表面駐波)具有第一和第二頻率，可調(diào)節(jié)該頻率以控制顆粒至少在二維空間的位置。
[0016]可變頻率或線性調(diào)頻叉指換能器可包括由基底支持的第一和第二叉指電極，其通過電子控制電路由施加在該電極間的控制信號驅(qū)動。相鄰電極指之間的指間距是其在基底上的位置的函數(shù)，這樣，線性調(diào)頻IDT可具有寬頻率響應。用于本發(fā)明的可變頻率IDT可具有至少1MHz的可調(diào)頻帶，例如，至少1MHz。一個線性調(diào)頻IDT實例可具有至少1MHz的工作帶寬，而工作頻率在IMHz到10MHz的范圍內(nèi)，更特別地，5MHz到50MHz。工作在18.5MHz到37MHz范圍內(nèi)的線性調(diào)頻IDTs實例，對應的SAW波長大約為100微米到200微米，而操控分辨率大約為I微米。顯然，此處的術語"聲波的"并不將頻率范圍限制在人聽得到的頻率內(nèi)。
[0017]操控顆粒的方法包括將包括有顆粒的懸浮流體引入到通道、其中，所述通道貼近(例如，鄰接)基底；使用一對線性調(diào)頻IDTs在基底內(nèi)產(chǎn)生SSAW，以及通過調(diào)節(jié)SSAW的頻率來操控顆粒。該方法可以是顆粒分選的方法，通道是流道，可調(diào)節(jié)SSAW的頻率來將顆粒的流軌導向多個輸出通道中所選的輸出通道。顆?？梢允羌毎?，例如，血細胞?？墒褂玫诙€性調(diào)頻IDTs在基底內(nèi)產(chǎn)生第二 SSAW，而通過調(diào)節(jié)第二 SSAW的頻率來進一步操控顆粒。
【附圖說明】
[0018]圖1根據(jù)本發(fā)明示出用于顆粒操控的裝置的實施例的透視圖；
[0019]圖2示出圖1的實施例沿2-2線的兩個橫斷面視圖，顯示聲表面駐波的變化如何影響顆粒的運動；
[0020]圖3A示出本發(fā)明的實施例的部分工作區(qū)的模擬壓力場；
[0021]圖3B示出一維顆粒運動，其由施加不同的聲波功率時的恒定頻率改變而引起；
[0022]圖3C示出顆粒的速度，對應于圖3B中的位移曲線；
[0023]圖3D示出實驗上測量的顆粒上的聲輻射力(ARF)，表示為不同的輸入功率時到最近的壓力節(jié)點(離散點)的距離的函數(shù)，其中實線為擬合曲線；
[0024]圖3E示出顆粒位移對時間的曲線，作為可再現(xiàn)顆粒運動的實證；
[0025]圖3F示出顆粒運動對時間的曲線，作為顆粒以限定好的步階沿X方向連續(xù)移動而在Y方向保持不動的實證；
[0026]圖4A-4D示出對單個線蟲進行獨立的二維操控的圖像；
[0027]圖5A-5I示出用于可變頻率叉指換能器和用于基于PDMS的微通道的示例性的制造過程的橫斷面視圖；
[0028]圖6A根據(jù)本發(fā)明示出用于顆粒操控的裝置的實施例，其中，在流道里操控顆粒，以選擇性地將其導向多個輸出通道中的一個；
[0029]圖6B類似于圖6A，其中，操控顆粒以將其導向多個輸出通道中不同的一個；
[0030]圖7A-7C示出熒光顆粒被選擇性地分選至三個輸出通道中的一個；
[0031]圖8根據(jù)本發(fā)明的實施例示出雙流道分選裝置，說明細胞被分選至五個通道；
[0032]圖9A根據(jù)本發(fā)明示出兩種顆粒在裝置工作區(qū)內(nèi)的混合；
[0033]圖9B是圖9A標志為9B部分的放大圖；
[0034]圖9C示出通過調(diào)整聲表面駐波選走較大的顆粒后的圖9A的工作區(qū)；
[0035]圖9D是圖9C標志為9D部分的放大圖；和
[0036]圖10根據(jù)本發(fā)明示出用于顆粒操控的裝置，其中，當流過工作區(qū)時，大的顆粒與較小的顆粒分離。
【具體實施方式】
[0037]本發(fā)明的實例包括用于微米/納米顆粒的高精度分選的方法和裝置，包括但不僅限于細胞(例如，血細胞，包括哺乳類動物血細胞，如人體血細胞及牛類血細胞)和微生物，其使用可調(diào)諧的聲表面駐波。裝置和方法實例使用單層平面微流設備，可用標準的軟刻蝕技術制造該設備。與當前現(xiàn)有技術(例如，聲表面行波分選、光鑷分選和電動分選)相比，本方案的精度要高得多，且設備制造非常簡單，較少侵害，成本也低。
[0038]本發(fā)明的實例可用于顆粒的濃縮、操控、分選和分離，所述顆粒如細胞，及特別地，人體血液內(nèi)部的細胞。細胞分離，特別是人體全血細胞分離，在生物醫(yī)學研宄和診斷中是很重要的。使用聲操控技術，大規(guī)模的應用是可能的，包括細胞/顆粒分選、細胞/顆粒分離和細胞/顆粒濃縮。
[0039]本發(fā)明的實例包括〃聲波鑷子〃，其可在微流芯片內(nèi)捕獲并巧妙地操作單個微粒、細胞和整個生物體如秀麗隱桿線蟲(C.elega