BR112015001844B1 - método e sistema para orientação e/ou classificação de partícula microfluídica - Google Patents

método e sistema para orientação e/ou classificação de partícula microfluídica Download PDF

Info

Publication number
BR112015001844B1
BR112015001844B1 BR112015001844-0A BR112015001844A BR112015001844B1 BR 112015001844 B1 BR112015001844 B1 BR 112015001844B1 BR 112015001844 A BR112015001844 A BR 112015001844A BR 112015001844 B1 BR112015001844 B1 BR 112015001844B1
Authority
BR
Brazil
Prior art keywords
particles
channel
stage
orientation
fluid
Prior art date
Application number
BR112015001844-0A
Other languages
English (en)
Other versions
BR112015001844A2 (pt
Inventor
Miriam Cather Simpson
Charles Alan Rohde
Original Assignee
Engender Technologies Limited
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Engender Technologies Limited filed Critical Engender Technologies Limited
Publication of BR112015001844A2 publication Critical patent/BR112015001844A2/pt
Publication of BR112015001844B1 publication Critical patent/BR112015001844B1/pt

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1456—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1404—Handling flow, e.g. hydrodynamic focusing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/50273—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the means or forces applied to move the fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502761—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip specially adapted for handling suspended solids or molecules independently from the bulk fluid flow, e.g. for trapping or sorting beads, for physically stretching molecules
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1425—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry using an analyser being characterised by its control arrangement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1425—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry using an analyser being characterised by its control arrangement
    • G01N15/1427—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry using an analyser being characterised by its control arrangement with the synchronisation of components, a time gate for operation of components, or suppression of particle coincidences
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1456—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals
    • G01N15/1459—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals the analysis being performed on a sample stream
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1484—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry microstructural devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/06—Fluid handling related problems
    • B01L2200/0647—Handling flowable solids, e.g. microscopic beads, cells, particles
    • B01L2200/0652—Sorting or classification of particles or molecules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0663—Whole sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0816—Cards, e.g. flat sample carriers usually with flow in two horizontal directions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/0874—Three dimensional network
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0887—Laminated structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/14—Means for pressure control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0454—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces radiation pressure, optical tweezers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0475—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure
    • B01L2400/0487—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure fluid pressure, pneumatics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/01—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials specially adapted for biological cells, e.g. blood cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/149—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry specially adapted for sorting particles, e.g. by their size or optical properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N2015/0288—Sorting the particles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N2015/1006—Investigating individual particles for cytology

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

MÉTODO E SISTEMA PARA ORIENTAÇÃO E/OU CLASSIFICAÇÃO DE PARTÍCULA MICROFLUÍDICA. A presente invenção refere-se a um sistema para orientar partículas em um sistema microfluídico que inclui uma ou mais fontes de pressão de radiação dispostas para expor as partículas à pressão de radiação para fazer com que as partículas adotem uma orientação específica no fluido. Um sistema para classificar partículas em um sistema microfluídico inclui um estágio de detecção disposto para detectar pelo menos uma diferença ou discriminar entre as partículas dentro do fluxo de fluido que passa pelo estágio de detecção, e uma ou mais fontes de pressão de radiação passando pelas quais as partículas movem sequencialmente e um controlador disposto para mudar a energia de radiação para causar uma mudança em direção de movimento de partículas selecionadas dentro do fluxo de fluido para classificar as partículas. As partículas podem ser partículas biológicas tais como espermatozoides. A pressão de radiação pode ser uma pressão ótica e pode ser de uma ou mais guias de onda as quais podem estender através de um canal do sistema microfluídico.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção refere-se a um método e sistema para orientação e/ou classificação de partícula em um sistema microfluídico. ANTECEDENTES
[002] Os desenvolvimentos em biotecnologia comercial e médica acadêmica dirigiram um forte foco sobre métodos para a classificação de células biológicas. As duas propostas principais que emergiram - separação em massa e classificação de célula única - ambas enriquecem uma população de células com um subconjunto direcionado com características fisicoquímicas (isto é, tamanho, volume, propriedades de dispersão de luz, etc.), imunológicas ou funcionais. A classificação em massa geralmente focaliza sobre uma única característica celular discriminante. Exemplos incluem filtração de células, centrifugação / sedimentação e extração baseada em afinidade. As principais desvantagens da classificação em massa são pureza menor, perda de células durante o processo de classificação, dificuldade em classificar células relativamente raras, e dificuldade em discriminar entre subpopulações de células similares. A classificação em massa, no entanto, é um método relativamente simples que oferece um alto rendimento. Em contraste, os métodos de célula única, o mais importante dos quais é a classificação de células ativadas por fluorescência (FACS) por citome- tria de fluxo, examina cada célula individualmente para direcionar a subpopulação desejada para isolamento e então guia-las para diferentes fluxos de saída. A redução em rendimento é compensada pelas maiores vantagens em especificidade de classificação que é sintonizá- vel ao resultado desejado, uma recuperação de células geralmente mais alta, a capacidade de classificar populações de células raras ou somente ou fracamente discriminadas, e a disponibilidade de classificação de múltiplos alvos com base em uma rede de múltiplas características celulares (isto é, diversos tipos de receptor de superfície, cada um identificado com uma diferente etiqueta fluorescente). Um importante desafio enfrentado por métodos citométricos de fluxo FACS é o dano incorrido por algumas células no fluxo (tensão de cisalhamento) e processos de classificação (danos de campo elétrico). Um exemplo importante é a fertilidade reduzida de amostras de esperma classificadas que pode ser atribuída a estes processos físicos disruptivos.
[003] No setor de agricultura, a discriminação de células é espe cificamente importante em espécies de rebanho onde a inseminação artificial é comumente praticada tal como o gado. A utilização de sêmen de sexo identificado facilita o controle do sexo das crias para benefício comercial. O método comercialmente importante corrente para a classificação de esperma utiliza a citometria de fluxo FACS, na qual os espermas são discriminados por suas diferenças em conteúdo de DNA. O DNA de cada espermatozoide é tingido com um corante fluorescente em proporção ao conteúdo de conteúdo de DNA. Como o cromossoma X é maior (isto é, tem mais DNA) do que o cromossoma Y, a espermatozoide "fêmea" (que contém cromossoma X) absorverá uma maior quantidade de corante do que o espermatozoide "macho" (que contém cromossoma Y) e como uma consequência quando exposto à luz UV durante a citometria de fluxo fluorescerá com maior intensidade do que o espermatozoide Y. Antes da detecção ou discriminação o esperma pode ser orientado hidrodinamicamente e o esperma pode ser separado em gotículas individuais que então podem ser eletricamente carregadas. Após a detecção ou discriminação, os espermas são classificados por campo elétrico - interações de gotículas carregadas.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[004] Em termos amplos em um aspecto a invenção compreende um método para orientar partículas em um sistema microfluídico, qual inclui expor as partículas à pressão de radiação em um sistema micro- fluídico para fazer com que pelo menos uma maioria das partículas adote uma orientação específica dentro do fluido.
[005] Em termos amplos em outro aspecto a invenção compre ende um sistema para orientar partículas em um sistema microfluídico, o qual inclui uma ou mais fontes de radiação de pressão dispostas para expor as partículas no sistema microfluídico à pressão de radiação para fazer com que pelo menos uma maioria das partículas adote uma orientação específica dentro do fluxo.
[006] As partículas podem ser partículas biológicas ou não bioló gicas. Tipicamente as partículas são partículas assimétricas. A assimetria pode estar em qualquer propriedade física que leve a uma interação assimétrica com a radiação incidente, incluindo mas não limitado a assimetria em dimensões físicas das partículas. Em algumas modalidades, as partículas podem ser esperma, células sanguíneas vermelhas, ou bactérias, por exemplo.
[007] A pressão de radiação pode ser uma pressão ótica e pode ser de uma ou mais guias de onda as quais podem estender através de um canal do sistema microfluídico, por exemplo, através de acima, abaixo, ou através das paredes laterais do canal, ou podem topar um canal por cima, por baixo ou pelo lado. A(s) guia(s) de onda pode(m) ser uma ou mais guias de onda óticas que estão conectadas a uma fonte de luz, tal como um laser, para transportar a luz e gerar a pressão de radiação também referida como força ótica, pressão de fótons ou pressão eletromagnética. As uma ou mais guias de onda podem ser fabricadas como uma parte do processo de fabricação intrínseco do sistema microfluídico, ou podem ser inseridas como unidade de fibra ótica na construção do sistema final.
[008] Um sistema microfluídico para orientar as partículas como acima podem também compreender um pré-estágio para focalizar e/ou singularizar as partículas em uma localização particular dentro do canal. Este sistema pode ser hidrodinâmico ou baseado em pressão de radiação.
[009] Em termos amplos em outro aspecto a invenção compre ende um método para classificar partículas em um sistema microfluídi- co, o qual inclui:
[0010] - detectar pelo menos uma diferença ou discriminação entre partículas, e
[0011] - mudar com base em uma entrada da detecção ou discri minação, uma ou mais fontes de pressão de radiação passando pelas quais as partículas movem sequencialmente para causar uma mudança em direção de movimento de partículas selecionadas no fluxo de fluido para classificar as partículas.
[0012] As partículas podem ser direcionada para dentro de duas ou mais do que duas diferentes saídas.
[0013] As uma ou mais fontes de pressão de radiação podem ser uma ou mais guias de onda, as quais podem estender através de um canal sistema microfluídico, por exemplo, através de acima, abaixo ou através das paredes laterais do canal, ou podem topar um canal por cima, por baixo ou pelo lado.
[0014] A etapa de detectar pelo menos uma diferença ou discrimi nação entre as partículas pode compreender uma técnica ótica para avaliar uma característica da partícula, a técnica pode ser uma técnica de detecção baseada em fluorescência.
[0015] O método pode também compreender singularizar o fluxo de partículas e pode também compreender focalizar as partículas para uma localização específica dentro dos canais. As forças podem ser hidrodinâmicas ou baseadas em pressão de radiação.
[0016] O método pode também compreender fazer com que pelo menos uma maioria das partículas primeiro adote uma orientação específica dentro do fluido antes da detecção, onde as partículas são partículas assimétricas. A etapa de orientação pode compreender expor as partículas à pressão de radiação tal como pressão ótica para fazer com que pelo menos uma maioria das partículas adore uma orientação específica dentro do fluido.
[0017] Em termos amplos em outro aspecto a invenção compre ende um sistema para classificar partículas em um sistema microfluídi- co, o qual inclui: - um estágio de detecção disposto para detectar pelo menos uma diferença ou discriminar entre partículas no fluxo de fluido que passa pelo estágio de detecção, e - uma ou mais fontes de pressão de radiação passando pelas quais as partículas movem sequencialmente e um controlador disposto para mudar com base em uma entrada da detecção ou estágio de discriminação, a energia de radiação nas uma ou mais fontes de pressão de radiação para causar uma mudança em direção de movimento de partículas selecionadas no fluxo de fluido para classificar as partículas.
[0018] O sistema pode estar disposto para mudar ou classificar as partículas de modo que cada partícula seja direcionada para dentro de uma de duas ou mais do que duas diferentes saídas.
[0019] As uma mais fontes de pressão de radiação podem ser uma ou mais guias de onda as quais podem estender pelo menos parcialmente através de um canal do sistema microfluídico, por exemplo, através de acima, abaixo ou através das paredes laterais do canal, ou podem topar o canal por cima, por baixo ou pelo lado.
[0020] O estágio de detecção o estágio de detecção pode estar disposto para detectar ou discriminar as partículas por uma técnica ótica tal como uma técnica de detecção baseada em fluorescência.
[0021] As partículas podem ser partículas biológicas ou não bioló gicas. Tipicamente as partículas são partículas assimétricas. A assimetria pode estar em qualquer propriedade física que leve a uma interação assimétrica com a força ótica, incluindo mas não limitado à assimetria em dimensões físicas. Em algumas modalidades as partículas podem ser esperma, células sanguíneas vermelhas, bactérias, ou na- nopartículas, por exemplo.
[0022] Um sistema microfluídico para orientar as partículas como acima pode também compreender um pré-estágio para singularizar o fluxo de partícula e pode também compreender um pré-estágio para focalizar as partículas em uma localização específica dentro do canal. Este sistema pode ser hidrodinâmico ou ótico.
[0023] O sistema pode também compreender um estágio de orien tação disposto para fazer com que pelo menos uma maioria das partículas primeiro adote uma orientação específica dentro do fluido, especificamente onde as partículas são partículas assimétricas. O estágio de orientação pode compreender uma ou mais guias de onda dispostas em uso para expor as partículas à radiação tal como uma pressão ótica para fazer com que pelo menos uma maioria das partículas adote uma orientação específica dentro do fluido.
[0024] Em termos amplos, em outro aspecto a invenção compre ende um sistema microfluídico para identificar o sexo de esperma, o qual inclui: - uma ou mais fontes de pressão de radiação de orientação dispostas para expor o esperma à pressão para fazer com que o esperma individual adote uma orientação comum dentro do fluido, - um estágio de detecção baseado em fluorescência disposto para discriminar o esperma macho e fêmea no fluxo de fluido passando pelo estágio de detecção, e - uma ou mais fontes de pressão de radiação de mudança passando pelas quais o esperma individual subsequentemente move, e - um controlador disposto para receber uma entrada do estágio de detecção e controlar a energia de radiação nas uma ou mais fontes de pressão de radiação de mudança para separadamente direcionar o esperma macho e/ou fêmea.
[0025] Um sistema microfluídico para orientar as partículas como acima pode também compreender um pré-estágio para singularizar o fluxo de esperma e um pré-estágio para focalizar o esperma em uma localização específica dentro do canal. Este sistema pode ser hidrodinâmico ou ótico.
[0026] O termo "compreendendo" como utilizado nesta especifica ção significa "consistindo pelo menos em parte em". Quando interpretando declarações nesta especificação as quais incluem este termo, as características prefaceadas por este termo em cada declaração todas não precisam estar presentes mas outras características podem também estar presentes. Os termos relativos tais como "compreende" e "compreendido" devem ser interpretados do mesmo modo.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0027] A invenção é adicionalmente descrita com referência às fi guras acompanhantes nas quais:
[0028] Figura 1 ilustra esquematicamente uma modalidade de um sistema microfluídico da invenção para classificação de partículas,
[0029] Figuras 2a e 2b ilustram esquematicamente modalidades para orientação de partícula nas quais uma única guia de onda - Figura 2a, ou múltiplas guias de onda - Figura 2b, topam o microcanal por cima, por baixo ou de um lado do canal,
[0030] Figuras 3a e 3b ilustram esquematicamente modalidades para orientação de partícula nas quais uma única guia de onda - Figu- ra 3a, ou múltiplas guias de onda - Figura 3b, estendem através do microcanal por cima, por baixo ou ao longo de uma parede lateral do canal,
[0031] Figuras 4a e 4b ilustram esquematicamente modalidades para classificar ou mudar partículas selecionadas em um fluxo de fluxo dentro de um microcanal, nas quais múltiplas guias de onda topam o canal por cima, por baixo ou de um lado do canal,
[0032] Figuras 5a e 5b ilustram esquematicamente modalidades para classificar ou mudar partículas selecionadas em um fluxo de fluxo dentro de um microcanal, nas quais múltiplas guias de onda estendem através do canal por cima, por baixo ou ao longo da parede lateral do canal,
[0033] Figura 6a mostra uma modalidade de um chip microfluídico da invenção para executar a orientação e separação de esperma e Figura 6b mostra uma rede de chips de classificação individuais que podem estar dispostos para implementação microfluídica massivamen- te paralela para classificar o esperma de acordo com o sexo,
[0034] Figuras 7a e 7b são geometrias computacionais utilizadas em simulações de FEM referidas na descrição subsequente de trabalho experimental - Figura 7a - cilindro elíptico em água colocado ao longo do eixo geométrico ótico de guia de onda 40 μm do terminal de guia de onda e Figura 7b - cilindro elíptico colocado acima de uma guia de onda de foto-epóxi SU8 com uma pequena folga separando o cilindro da guia de onda,
[0035] Figura 8 mostra o torque sobre o cilindro elíptico em água em uma variedade de distâncias do terminal de uma guia de onda, referido na descrição subsequente do trabalho experimental,
[0036] Figura 9 mostra o torque sobre o cilindro elíptico em água acima de uma guia de onda em 3 distâncias de separação, referido na descrição subsequente do trabalho experimental,
[0037] Figura 10 mostra as forças Fx e Fy sobre um cilindro elípti co em água no terminal de uma guia de onda na orientação vertical para uma variedade de distância de separação, referidas na descrição subsequente do trabalho experimental,
[0038] Figura 11 mostra as forças óticas Fx e Fy sobre um cilindro elíptico em água acima de uma guia de onda para uma variedade de distância de separação, referidas na descrição subsequente do trabalho experimental,
[0039] Figuras 12a-c mostram o deslocamento de partícula simé trica por um campo ótico conforme a partícula flui passando pela extremidade de um terminal de guia de onda em um canal microfluídico referido na descrição subsequente do trabalho experimental,
[0040] Figuras 13a e b mostram o deslocamento de partícula as simétrica por, e orientada por um campo ótico conforme a partícula flui passando pela extremidade de um terminal de guia de onda em um canal microfluídico referido na descrição subsequente do trabalho experimental, e
[0041] Figura 14 mostra a eficiência de deslocamento medido co mo uma função de velocidade de fluxo de partícula para partículas simétricas - Figura 14a, e partículas assimétricas - Figura 14b.
DESCRIÇÃO DETALHADAS DAS MODALIDADES PREFERIDAS
[0042] Referindo à Figura 1, o sistema microfluídico tipicamente provido sobre um chip microfluídico para orientação e classificação de partículas compreende a focalização, orientação, detecção de uma característica discriminante que pode ser a fluorescência, e estágios de tempo e mudança sequencialmente ao longo de um microcanal ao longo do qual as partículas movem com o fluxo de fluido dentro do canal, de um estágio para o seguinte.
[0043] Na modalidade mostrada um estágio de focalização e/ou singularização hidrodinâmico 1 coloca as partículas em uma localiza- ção específica dentro do canal.
[0044] Se as partículas forem assimétricas, tal como esperma, por exemplo, a orientação inicial das partículas pode ser randômica, e um estágio de orientação 2 orienta as partículas substancialmente todas ou pelo menos uma maioria com uma orientação comum predeterminada em relação à geometria de canal. Na Figura esquemática as partículas estão mostradas estando verticalmente orientadas. Em uma modalidade preferida as partículas são orientadas no estágio de orientação por forças óticas tal como de uma guia de onda ótica como será adicionalmente descrito. Uma ou mais guias de onda podem estender através do canal, por exemplo através por cima, por baixo, ou ao longo da parede lateral do canal, ou podem topar o canal por cima, por baixo ou pelo lado do canal. A guia de onda pode formar parte da parede de canal, ou pode ser fisicamente separada da câmara microfluídica.
[0045] Nesta modalidade o estágio de detecção 3 é um estágio de detecção baseado em fluorescência e as partículas são previamente manchadas com um corante fluorescente, e o estágio de detecção de fluorescência 3 avalia a intensidade de fluorescência de cada partícula e passa as informações de fluorescência para os estágios de tempo e mudança 4 e 5, os quais mudam ou classificam as partículas de modo que cada partícula seja direcionada para dentro de uma de duas diferentes saídas 6 e 7. Os estágios de tempo e mudança 4 e 5, são controlados por um controlador eletrônico 15. Por exemplo as partículas podem ser esperma e o esperma macho pode ser direcionado para a saída 6 e o esperma fêmea para a saída 7 por exemplo. Alternativamente as partículas podem ser classificadas para selecionar um tipo de partícula o qual é desejado de outro tipo de partícula o qual é não desejado para a aplicação específica, tal como selecionar células sanguíneas vermelhas, por exemplo, e em tal modalidade as partículas desejadas podem ser direcionadas para uma coletamento ou para processamento adicional enquanto que as partículas indesejadas podem ser direcionadas para o refugo ou uma saída para refugo ou algum outro processamento.
[0046] As partículas entram no sistema microfluídico da fonte 8. Na figura a fonte 8 e as saídas 6 e 7 estão esquematicamente mostradas como volumes de coletamento tal como câmaras para conter as partículas, mas as partículas podem entrar no sistema ou na seção de classificação do sistema microfluídico, de um canal ou canais microflu- ídicos de um estágio de processamento anterior e sair da seção de classificação para canais microfluídicos carregando as partículas para outro processamento subsequente, por exemplo.
[0047] As Figuras 2a e 2b ilustram esquematicamente modalida des para orientação de partícula nas quais uma única guia de onda - Figura 2a, ou múltiplas guias de onda - Figura 2b, topam o microcanal de um lado (por cima, por baixo ou de cada lado) do canal, a qual pode ser utilizada no estágio de orientação 2 do sistema da Figura 1. Na Figura 2a, uma guia de onda de radiação 9 tal como fibra ótica conectada a uma fonte tal como um laser topa o canal de um lado do canal. A guia de onda pode formar parte da parede do canal ou pode ser fisicamente separada da câmara microfluídica. Conforme as partículas assimétricas em orientação randômica passam pelo terminal da guia de onda 9, estas são sujeitas a uma força ótica a qual tende a fazer com que as partículas assimétricas orientem com uma orientação co-mum e predeterminada. Na modalidade da Figura 2b, as partículas passam por três guias de onda 9a - 9c em uma série, as quais cumulativamente orientam as partículas. A força ótica da primeira guia de onda 9a pode fazer com que cada partícula comece a girar na direção de uma orientação desejada, enquanto que a força ótica das guias de onda 9b e 9c subsequentes continua a fazer com que a partícula se mova para a orientação desejada. A Figura 2a mostra uma única guia de onda topando o lado do canal e a Figura 2b três guias de onda topando o lado do canal mas modalidades alternativas podem compreender duas ou mais do que três guias de onda, e as guias de onda podem topar no canal por cima, por baixo ou de cada lado.
[0048] As guias de onda podem ser fabricadas como parte do dis positivo (isto é, in situ) ou inseridas durante a montagem do dispositivo (isto é, componentes de fibra ótica). Tipicamente as guias de onda podem aplicar uma força ótica em uma faixa de comprimento de onda ótica da visível até próximo de infravermelho (500 nm - 2 μm ), e fontes de luz laser serão as fontes de emissão de CW com potências de saída de menos de 1 W / guia de onda, para minimizar as forças óticas aplicadas em cada interação com a partícula. A emissão da luz de laser pode ser controlada eletronicamente, para ligar e desligar conforme desejado para gerar pulsos na escala de tempo de microssegundo até milissegundo.
[0049] As Figuras 3a e 3b esquematicamente ilustram modalida des para orientação de partícula nas quais uma única guia de onda 10a - Figura 3a, e múltiplas guias de onda 10a - 10d - Figura 3b, estendem através do microcanal acima ou abaixo do canal. A(s) guia de onda(s) estende(m), acima, abaixo ou ao longo de uma parede lateral do microcanal de modo que as partículas passem pelas guias de onda, e fazendo isto sejam sujeitas à radiação que emana das guias de onda e a qual aplica uma pressão de fótons para orientar as partículas acima descritas. A radiação ótica pode ser suprida para a(s) guia de on- da(s) de uma lente de acoplamento 12 como mostrado.
[0050] Uma vantagem das modalidades de orientação baseada em guia de onda acima descrita, sobre a orientação de partícula através de pressão hidrodinâmica como comumente utilizado na determinação de sexo de esperma com citometria de fluxo convencional, por exemplo, é que menos força é aplicada nas partículas tal como o es- perma para orienta-la, de modo que existe uma menor probabilidade de danos de partícula durante ou como um resultado da orientação de partícula. Isto pode ser especificamente assim para as modalidades das Figuras 2b e 3b as quais orientam as partículas através de uma série de guias de onda sequenciais cada uma aplicando uma pressão de radiação menor do que seria requerida para orientar as mesmas partículas com uma pressão de radiação de uma única guia de onda. Isto pode ser especificamente vantajoso para as partículas biológicas tais como esperma, e células, por exemplo.
[0051] As Figuras 4a e 4b mostram uma modalidade para classifi car ou mudar partículas selecionadas para mudar a direção de movimento dentro do fluxo de fluido no microcanal, na qual as múltiplas guias de onda 11a - 11e topam o canal de um lado (ou acima ou abaixo) do canal. As Figuras 5a e 5b mostram uma modalidade para classificar ou mudar partículas selecionadas para mudar a direção de movimento dentro do fluxo de fluido no microcanal, na qual as múltiplas guias de onda estendem através do canal acima, abaixo, ou ao longo do lado do canal. Após o estágio de detecção de fluorescência 3 (Figura 1), no estágio de mudança 4 (Figura 1) cada partícula passa por uma série de guias de onda 11a-11e as quais entram no microcanal do lado nas Figuras 4a e 4b, ou 13a-13d as quais passam abaixo ou acima do microcanal na modalidade das Figuras 5a e 5b. As guias de onda nas Figuras 4a, 4b, 5a e 5b podem formar parte da parede do canal ou podem ser fisicamente separadas da câmara microfluídica.
[0052] Referindo às Figuras 4a e 5a, quando uma partícula dese jada ser mudada para uma saída específica 6 ou 7 passa através do estágio de mudança 5 (ver Figura 1), a fonte de energia para cada uma das guias de onda 11a-11e ou 13a-13d é ligada. Conforme a partícula passa pela primeira guia de onda, esta é defletida pela força ótica, e é adicionalmente defletida conforme esta passa pelas subse- quentes guias de onda. Todas as guias de onda podem ser energiza- das juntas, de uma fonte de laser comum através de uma lente de acoplamento 12 como mostrado nas Figuras 5a e 5b por exemplo, ou em um sistema de velocidade mais alta o movimento de partícula pode ser temporizado com a ligação de cada uma das guias de onda 11a- 11e ou 13a-13d de modo que cada guia de onda seja energizada, uma após a outra, conforme a partícula selecionada passa por cada guia de onda individual. O controlador 6 (ver Figura 1) com entrada(s) do estágio de tempo 4 (ver Figura 1) sequencia a energização das guias de onda em comutação com a passagem do estágio de mudança das partículas selecionadas. Na modalidade mostrada, existe um fluxo laminar através do canal e, referindo às Figuras 4a e 5a, as guias de onda quando energizadas atual para defletir as partículas selecionadas do fluxo sobre um lado na direção da saída 7 através do limite de fluxo e para dentro do fluxo na direção da saída 6. Quando as guias de onda não estão excitadas, não há deflexão das partículas as quais portanto continuam a mover na direção da saída 7, como mostrado nas Figuras 4b e 5b. Nas modalidades mostradas o sistema está disposto para mudar ou classificar as partículas de modo que cada partícula seja direcionada para dentro de uma de duas saídas 6 e 7 mas em modalidades alternativas o sistema pode estar disposto para mudar ou classificar as partículas entre mais de duas diferentes saídas tal como três ou quatro saídas, por exemplo. Por exemplo, as guias de onda quando sequencialmente energizadas podem defletir partículas selecionadas do fluxo em um lado através de um primeiro limite de fluxo e para dentro de um segundo fluxo e então através de um segundo limite de fluxo e para dentro de um terceiro fluxo na direção de uma terceira saída. A mudança ou classificação pode ser baseada em características ternárias ao invés de binárias das partículas por exemplo. Também em modalidades alternativas as guias de onda podem operar para fazer com que partículas selecionadas deflitam para virar para dentro de um diferente canal ou canais ao invés de volumes de coletamento, por exemplo.
[0053] A Figura 6a mostra um chip microfluídico que incorpora uma modalidade da invenção para executar a orientação e separação de esperma bovino. A amostra de esperma, com o DNA já manchado e enxaguado, entra no chip em entrada de Amostra, juntamente com fluxos de fluidos de invólucro Sh. A amostra de esperma e os fluxos de invólucro são resfriados por um estágio de resfriamento Peltier (não mostrado) sob o chip, e mantidos em baixa temperatura através e todo o processamento no chip. O esperma é focalizado para dentro da região desejada do canal na região FF. Este é então orientado em O utilizando a pressão de radiação de um banco de fibras FBI. Neste exemplo, o banco de fibras topa no canal do lado e quatro fibras de modo único são mostradas. Estas fibras transmitem luz de um laser dentro do chip. Após a orientação, a intensidade de fluorescência do DNA de esperma é avaliada utilizando um LED UV L1 que ilumina a região de detecção por baixo do chip. A fluorescência é acoplada para fora do canal utilizando a fibra de modo único SMF e enviada para um detector de tubo fotomultiplicador PMT. A saída do detector de tubo fotomul- tiplicador PMT é utilizada para controlar o sistema de mudança Sw. Se um esperma for selecionado para ser direcionado para um novo canal de saída, o laser envia a luz através do segundo banco de fibras FB2 para mover o esperma dentro do canal para um novo fluxo de fluido. O esperma então flui através de um segundo gradiente térmico para aumentar a temperatura em um modo controlado para uma temperatura desejada tal como a temperatura ambiente ou do corpo - note que o percurso de serpentina requerido para o equilíbrio térmico com o gradiente não está mostrado para os canais de saída para clareza. Os canais de saída também incluem as saídas de fluxo para o fluido do invólucro e um fluxo de refugo, assim como para o esperma de cromossoma X- e Y. Uma fonte de luz branca L2 sob os canais de saída induz a dispersão de partículas que entram nos canais de saída individuais. Esta dispersão é detectada utilizando um terceiro banco de fibras FB3 de modo que a mudança de esperma possa ser detectada pelos diodos PIN de Si e enviada para o controlador para contagem.
[0054] A Figura 6b mostra como uma rede de chips de classifica ção individuais pode ser utilizada para conseguir uma classificação em massa de amostras de esperma. A eletrônica de controle, as fontes de laser, os sensores, o driver para o estágio de Peltier (controle T- 30) e o fluxo de entrada e saída de fluido em massa são externos ao chip de classificação. Neste diagrama, somente quatro chips estão mostrados, para clareza somente.
[0055] Novamente uma vantagem das modalidades de mudança de partícula baseada em guia de onda acima descritas, sobre a mudança de partícula através de pressão hidrodinâmica, por exemplo, é que menos força é aplicada nas partículas, e isto pode ser especificamente vantajoso para as partículas biológicas tal como esperma e células, por exemplo. Assim apesar de um estágio de mudança de partícula baseada em guia de onda como acima descrito poder ser precedido por um estágio de orientação de partícula baseado em pressão hidrodinâmica (se um estágio de orientação de partícula for requerido), e vice versa um estágio de orientação de partícula baseado em guia de onda como acima descrito pode ser seguido por um estágio de mu-dança de partícula hidrodinâmico, em uma modalidade preferida um sistema especificamente for classificar partículas biológicas assimétricas tal como esperma pode compreender um estágio de orientação baseado em guia de onda disposto para orientar o esperma por pressão de radiação, um estágio de detecção tal como um estágio de detecção baseado em fluorescência, e um estágio de mudança baseado em guia de onda o qual utiliza a força ótica para separadamente direcionar o esperma macho e fêmea. O sistema também terá uma eletrônica tal como um sistema de controle baseado em microprocessador. O estágio de detecção de fluorescência 3 pode estar disposto para irradiar o esperma previamente contactado ou manchado com um corante marcador fluorescente o qual adere no DNA de cada espermato- zoide, e compreende um detector para detectar a intensidade da fluorescência resultante. O esperma fêmea absorve uma maior quantidade de corante do que o macho, e portanto uma fluorescência com intensidade mais alta e permitindo a discriminação.
[0056] Os sistemas os quais são compreendidos de somente uma única guia de onda estão restringidos em sua velocidade de processamento pelo impulso limitado (força x tempo) da força ótica sobre a partícula de interesse. O tempo de interação está limitado pelo tamanho físico da guia de onda e a velocidade de fluxo das partículas. A força de manipulação está limitada pelo potencial de aprisionamento ótico da guia de onda. Forças mais altas levam a um aprisionamento ótico completo, no qual as partículas não estão mais livres para mover com o fluido circundante. Isto determina a utilização típica de manipulação de partícula de única guia de onda a um processamento de partículas de baixo rendimento, alta precisão. As modalidades de orientação e mudança de múltiplas guia de onda, tal como acima descritas oferecem a vantagem de uma aplicação contínua de força ótica bem controlada sobre um tempo prolongado sem a ocorrência de aprisio-namento ótico. Isto permite um rendimento (velocidade de fluxo de partícula) arbitrariamente alto pela adição em série de guias de onda de produção de força ótica aumentando o impulso aplicado na partícula.
[0057] Um sistema microfluídico da invenção para classificar es perma ou as partículas pode ter pelo menos um microcanal com uma seção de classificação na qual as partículas são processadas como acima descrito, ou redes de tais seções de classificação para aumentar o rendimento. Os sistemas são de preferência incorporado em um pequeno dispositivo ou chip microfluídico preparado por microusina- gem, técnicas de processamento de polímero ou outras tecnologias de microfabricação para formar as estruturas microfluídicas e compreende bombas de suporte, válvulas e instrumentação. Tipicamente o(s) microcanal(is) pode(m) ter uma largura na faixa de 10 a 500 mícrons, ou 100 a 400 mícrons, e uma profundidade na faixa de 5 a 250 mí- crons, por exemplo. As dimensões de canal de fluxo microfluídico suportam um fluxo laminar, com mínima turbulência. Nas modalidades descritas e ilustradas nas figuras, a microestrutura tem uma forma plana com um comprimento e largura no plano maior do que a profundidade transversal ao plano. Em modalidades alternativas, a profundidade pode ser maior do que o comprimento e/ou largura do microcanal e reservatório e outras cavidades do microssistema. Em modalidades alternativas, os microcanais podem estender em três direções, e podem apresentar segmentos curvos assim como ângulos. Nas modalidades mostradas nas figuras as microcavidades têm uma seção transversal retangular ou quadrada mas em modalidades alternativas as microestruturas podem ter uma seção transversal circular ou oval, por exemplo, ou uma seção transversal de outra forma.
EXPERIMENTAL
[0058] A invenção está adicionalmente ilustrada como exemplo pela descrição seguinte de trabalho de simulação e testes.
EXEMPLO 1
[0059] As simulações foram conduzidas utilizando o método de elemento finito (FEM) para aproximar a ação de forças óticas sobre partículas assimétricas. Especificamente, as forças aplicadas a partículas elípticas situadas próximo de guias de onda tais como aquelas acima descrita foram calculadas. Os torques anulares de orientação foram calculados e as forças de aprisionamento / propulsivas foram também calculadas. Uma aproximação bidimensional (2D) de partículas elípticas (um cilindro) com um eixo geométrico maior : menor de 10 μm : 2 μm foram colocadas no terminal da aproximação 2D de uma fibra ótica de modo único, uma guia de onda de placa - Figura 7a. O torque resultante aplicado a tal partícula elíptica como uma função de sua orientação com relação ao eixo geométrico ótico de guia de onda está mostrado na Figura 7b. A potência de entrada aplicada na guia de onda é de 50 mW. Modos de guia de onda polarizadas paralelas (TM) e perpendiculares (TE) ao plano de simulação estão mostrados. A mesma aproximação de partícula 2D foi colocada acima de uma aproximação 2D de uma guia de onda de aresta, como mostrado na Figura 8, e o torque resultante como uma função de orientação paralela ao eixo geométrico ótico de guia de onda está mostrado na Figura 9. Ambos os resultados mostram que a partícula está orientada (não tem um torque aplicado) quando o seu eixo geométrico menor está paralelo ao eixo geométrico ótico das guias de onda. Isto é, quando este está na orientação vertical (ânulo = 90°). Ainda os gráficos mostram que o torque está restaurando (em oposição à direção de movimento) ao redor deste ângulo de orientação. Esta é a orientação de equilíbrio da partícula devido às forças óticas aplicadas. A força ótica resultante aplicada ao cilindro elíptico acima em água quando no terminal de uma guia de onda está mostrada na Figura 10. A força ótica aplicada no mesmo cilindro elíptico em água quando acima de uma guia de onda está mostrada na Figura 11. Estas forças óticas estão mostradas separadas em uma direção paralela aos (Fx) e perpendicular aos (Fy) eixos geométricos óticos de guia de onda para uma variedade de separações de partícula / guia de onda para ambos os modos de guia de onda polarizada TM e TE. As partículas estão na orientação vertical / de equilíbrio como acima descrito.
EXEMPLO 2
[0060] As imagens das Figuras 12a - c as quais mostram o deslo camento de partícula simétrica por um campo ótico conforme uma partícula P moveu passando pela extremidade de um terminal de guia de onda W em um fluxo F de canal microfluídico retangular de 100 μm de largura foram coletadas com uma objetiva de microscópio 10x com imagem formada sobre um sensor de câmera digital de CMOS. A partícula era uma conta esférica de polistireno de 10 μm de diâmetro, e está mostrada fluindo do topo para o fundo na Figura 12. A figura 12a mostra a partícula dentro do fluxo de fluido antes da guia de onda. A partícula interagiu com o feixe ótico (250 mW de 532 nm acoplado em uma fibra de modo único a >50% de eficiência) divergindo do terminal de guia de onda. Esta interação gerou a forte dispersão vista saturando a imagem da Figura 12b. A força ótica empurrou a partícula pelo deslocamento d como mostrado na Figura 12c sem parar o fluxo da partícula ao longo do canal microfluídico.
EXEMPLO 3
[0061] A Figura 13 ilustra os efeitos de orientação do campo ótico no terminal de uma guia de onda W adjacente à parede de um canal microfluídico. Uma partícula P com uma forma assimétrica, especificamente um espermatozoide bovino, foi carregada dentro de um fluxo de fluido F dentro de um canal microfluídico. A partícula estava inerte e incapaz de mover sob sua própria propulsão. Como mostrado na Figura 13a o espermatozoide inicialmente apresentou uma orientação de dispersão escura para o sistema de imagem. Após passar através do e interagir com o campo ótico no terminal da guia de onda ótica (delineada na Figura 13) o espermatozoide continuou a fluir para baixo pelo canal microfluídico com uma nova orientação e um deslocamento de sua posição inicial. A partícula foi movida afastando da parede de ca- nal após a interação e girada para uma nova orientação, mas continuou a fluir para baixo pelo canal. A nova orientação do espermatozoide apresentou uma cabeça branca, indicando uma rotação de 90 graus ao redor do eixo geométrico longo da partícula após interagir com o campo ótico.
[0062] Múltiplos eventos de interação tais como aqueles observa dos na Figura 12 e Figura 13 foram analisados quadro a quadro e os resultados apresentados na Figura 14. Um processamento de imagem foi utilizado para medir a posição e orientação de partícula antes e após iteragir com o campo ótico. A Figura 14 mostra a eficiência de deslocamento medido como uma função de velocidade de fluxo de partícula para partículas simétricas a saber uma conta de polistireno de 10 μm de diâmetro - Figura 14a, e partículas assimétricas a saber um espermatozoide bovino sem mobilidade- Figura 14b. Por exemplo, estas partículas estão fluindo passando pelo termina de única guia de onda com menos de 200 mW de potência de saída em um comprimento de onda de 532 nm. O deslocamento indica a distância de terminação de fibra para a borda do canal microfluídico.

Claims (15)

1. Sistema para classificar partículas em um sistema micro- fluídico, caracterizado pelo fato de que compreende: pelo menos um canal adequado para fluxo de fluido dentro do canal compreendendo pelo menos uma fonte de entrada (8) e pelo menos duas fontes de saída (6, 7), e uma pluralidade de estágios dispostos ao longo do canal, um estágio de orientação (2) seguinte, e na comunicação do fluido com pelo menos uma fonte de entrada (8), o estágio de orientação (2) compreendendo pelo menos uma guia de onda ótica (9, 9a-c, 10a, 10a-d) disposta e configurada para expor as partículas à pressão de radiação para fazer com que pelo menos uma maioria das partículas adote uma orientação específica dentro do fluido, - um estágio de detecção (3) seguinte, e na comunicação do fluido com o estágio de orientação (2), o estágio de detecção (3) compreendendo um detector ótico configurado para detectar pelo menos uma diferença ou discriminar entre partículas no fluxo de fluido que passa pelo estágio de detecção, e um estágio de mudança (5) compreendendo uma pluralidade de guias de onda óticas (11a-e, 13a-d) dispostas de modo que o fluxo de partículas passe por cada guia de onda ótica na pluralidade, ditas guias de onda óticas (11a-e, 13a-d) dispostas e configuradas para expor as partículas à pressão de radiação para causar uma mudança na direção de movimento de partículas selecionadas no fluxo de fluido para classificar as partículas em uma das pelo menos duas fontes de saída (6, 7) com base na entrada do estágio de detecção, e um controlador (15).
2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as guias de onda óticas são conectadas a um laser ou lasers.
3. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a guia de onda (9-13d) se estende através do canal ou se estende através do canal do sistema microfluídico.
4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o controlador (15) está disposto para ativar a pressão de radiação das guias de onda óticas (9-13a-d).
5. Sistema de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a pressão de radiação deflete uma partícula de um fluxo em um lado, através de um limite ou limites de fluxo, e para dentro de um fluxo na direção de uma saída selecionada (6,7).
6. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o detector ótico está disposto para detectar ou discriminar partículas por uma técnica baseada em fluorescência.
7. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por também compreender antes do estágio de orientação (2), um estágio de focalização (1), na comunicação do fluido com a pelo menos uma fonte de entrada (6,7), o estágio de orientação (1) compreendendo um aparato para fornecer uma força de pressão hidrodinâmica, uma força de pressão de radiação, ou uma combinação das mesmas, para focalizar as partículas para uma localização específica dentro de um fluido.
8. Sistema de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de guias de onda óticas (9-13d) se estende através do canal acima, abaixo ou ao longo das paredes laterais do canal.
9. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um estágio de resfriamento capaz de resfriar o fluido e as partículas dentro do fluido.
10. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um canal apresenta uma largura de 10 μm a 500 μm.
11. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um canal tem a profundidade de 5 μm a 500 μm.
12. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as partículas são esperma.
13. Método para classificar partículas em um sistema micro- fluídico, caracterizado pelo fato de que compreende: forçar partículas a adotar uma orientação específica no fluxo de fluido dentro de pelo menos um canal do sistema microflúidico, contatando as partículas com uma força de radiação produzida por pelo menos uma guia de onda ótica (9-10d); - seguir a orientação, detectar pelo menos uma diferença, ou discriminar entre partículas, no fluxo de fluido, e -causar uma mudança na direção de movimento de partículas selecionadas no fluxo de fluido para classificar as partículas com base em pelo menos uma diferença ou discriminação detectada, em que a mudança na direção é causada por contatar as partículas com uma força de radiação produzida por uma pluralidade de guias de onda óticas (11a-e, 13a-d).
14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que as partículas são esperma.
15. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o esperma é classificado pelo sexo.
BR112015001844-0A 2012-07-27 2013-07-29 método e sistema para orientação e/ou classificação de partícula microfluídica BR112015001844B1 (pt)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201261676391P 2012-07-27 2012-07-27
US61/676,391 2012-07-27
PCT/NZ2013/000135 WO2014017929A1 (en) 2012-07-27 2013-07-29 Method and system for microfluidic particle orientation and/or sorting

Publications (2)

Publication Number Publication Date
BR112015001844A2 BR112015001844A2 (pt) 2018-05-29
BR112015001844B1 true BR112015001844B1 (pt) 2021-03-02

Family

ID=49997621

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
BR112015001844-0A BR112015001844B1 (pt) 2012-07-27 2013-07-29 método e sistema para orientação e/ou classificação de partícula microfluídica

Country Status (14)

Country Link
US (4) US9784663B2 (pt)
EP (2) EP3845885A1 (pt)
CN (1) CN104884934B (pt)
AU (1) AU2013293647B2 (pt)
BR (1) BR112015001844B1 (pt)
CA (2) CA2894459C (pt)
DK (1) DK2877832T3 (pt)
EA (1) EA030193B1 (pt)
ES (1) ES2842552T3 (pt)
IN (1) IN2015KN00498A (pt)
MX (1) MX359348B (pt)
NZ (1) NZ725649A (pt)
UA (1) UA116637C2 (pt)
WO (1) WO2014017929A1 (pt)

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11243494B2 (en) 2002-07-31 2022-02-08 Abs Global, Inc. Multiple laminar flow-based particle and cellular separation with laser steering
EP2562531A3 (en) 2007-04-16 2013-03-06 The General Hospital Corporation d/b/a Massachusetts General Hospital Systems and methods for particle focusing in microchannels
US10908066B2 (en) 2010-11-16 2021-02-02 1087 Systems, Inc. Use of vibrational spectroscopy for microfluidic liquid measurement
CA2894459C (en) 2012-07-27 2020-07-07 Engender Technologies Limited Method and system for microfluidic particle orientation and/or sorting
US8961904B2 (en) 2013-07-16 2015-02-24 Premium Genetics (Uk) Ltd. Microfluidic chip
CN103499534B (zh) * 2013-07-25 2015-09-09 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 高灵敏太赫兹微流通道传感器及其制备方法
US11796449B2 (en) 2013-10-30 2023-10-24 Abs Global, Inc. Microfluidic system and method with focused energy apparatus
US10481075B2 (en) * 2013-12-16 2019-11-19 Sobru Solutions, Inc. Microorganism evaluation system
EP3040750A1 (en) * 2014-12-29 2016-07-06 IMEC vzw Device and method for performing lens-free imaging
US9739751B2 (en) * 2015-02-05 2017-08-22 International Business Machines Corporation Devices for trapping and controlling microparticles with radiation
EP3259579B1 (en) 2015-02-19 2022-09-14 1087 Systems, Inc. Scanning infrared measurement system
WO2017180325A1 (en) * 2016-04-15 2017-10-19 Becton, Dickinson And Company Enclosed droplet sorter and methods of using the same
GB201608549D0 (en) * 2016-05-16 2016-06-29 Dublin Inst Of Technology A multianalyte photonic biosensor system
CA3039857A1 (en) * 2016-10-18 2018-04-26 Menarini Silicon Biosystems S.P.A. Microfluidic device, microfluidic system and method for the isolation of particles
IT201600104612A1 (it) * 2016-10-18 2018-04-18 Menarini Silicon Biosystems Spa Sistema microfluidico e metodo per l'isolamento di particelle
IT201600104645A1 (it) * 2016-10-18 2018-04-18 Menarini Silicon Biosystems Spa Dispositivo microfluidico e metodo per l'isolamento di particelle
CN106885807B (zh) * 2017-02-21 2020-04-24 澳门大学 基于微流控技术的大规模活生物体筛选系统
CN107603940B (zh) * 2017-09-07 2020-10-27 中国科学技术大学 利用楔形光镊光场分选微粒的方法
IT201700105948A1 (it) * 2017-09-21 2019-03-21 Menarini Silicon Biosystems Spa Metodo e sistema microfluidico per il recupero di particelle
EP3499215B1 (en) 2017-12-15 2023-06-28 ams AG Particle density sensor using evanescent wave of waveguide
EP3784398A4 (en) * 2018-04-25 2022-01-19 Engender Technologies Ltd. SYSTEMS, DEVICES AND METHODS RELATED TO MICROFLUIDIC SYSTEMS
US11331670B2 (en) * 2018-05-23 2022-05-17 Abs Global, Inc. Systems and methods for particle focusing in microchannels
CN109880744B (zh) * 2019-03-22 2022-07-29 华南师范大学 光流控细胞分选芯片及其分选细胞的方法
EP4245140A3 (en) 2019-04-18 2024-01-17 ABS Global, Inc. System and process for continuous addition of cryoprotectant
CN110468027B (zh) * 2019-09-07 2022-04-19 桂林电子科技大学 一种基于同轴双波导光纤的细胞分选微流芯片
CN111172010B (zh) * 2019-09-07 2022-05-13 桂林电子科技大学 一种基于三芯光纤的细胞分选微流芯片
US11628439B2 (en) 2020-01-13 2023-04-18 Abs Global, Inc. Single-sheath microfluidic chip
CN116685675A (zh) * 2020-12-23 2023-09-01 产生技术有限公司 颗粒分类和分选系统及方法
US11921026B2 (en) * 2021-04-16 2024-03-05 Cytonome/St, Llc Method and apparatus for an anti-sorting flow cytometer
CN113834764A (zh) * 2021-08-26 2021-12-24 桂林电子科技大学 一种用于微粒定向弹射的光纤来福枪系统及控制方法

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07104191A (ja) * 1991-09-02 1995-04-21 Jasco Corp 細胞等の微粒子の姿勢位置制御装置
US6586193B2 (en) * 1996-04-25 2003-07-01 Genicon Sciences Corporation Analyte assay using particulate labels
US20030007894A1 (en) * 2001-04-27 2003-01-09 Genoptix Methods and apparatus for use of optical forces for identification, characterization and/or sorting of particles
US6778724B2 (en) * 2000-11-28 2004-08-17 The Regents Of The University Of California Optical switching and sorting of biological samples and microparticles transported in a micro-fluidic device, including integrated bio-chip devices
AU2003216175A1 (en) * 2002-02-04 2003-09-02 Colorado School Of Mines Laminar flow-based separations of colloidal and cellular particles
US6976590B2 (en) * 2002-06-24 2005-12-20 Cytonome, Inc. Method and apparatus for sorting particles
US6808075B2 (en) * 2002-04-17 2004-10-26 Cytonome, Inc. Method and apparatus for sorting particles
US7118676B2 (en) * 2003-09-04 2006-10-10 Arryx, Inc. Multiple laminar flow-based particle and cellular separation with laser steering
EP1563908B1 (en) * 2002-11-01 2010-12-15 Techno Network Shikoku Co., Ltd. Method for sorting and recovering fine particle and apparatus for recovery
CN102818761B (zh) * 2003-03-28 2015-07-01 英格朗公司 用于分拣颗粒和提供性别分拣的动物精子的设备、方法和程序
US20050067337A1 (en) * 2003-09-30 2005-03-31 Hart Sean J. Laser optical separator and method for separating colloidal suspensions
US7676122B2 (en) * 2006-12-11 2010-03-09 Jiahua James Dou Apparatus, system and method for particle manipulation using waveguides
WO2008122051A1 (en) * 2007-04-02 2008-10-09 Acoustic Cytometry Systems, Inc. Methods and devices for enhanced analysis of field focused cells and particles
EP2562531A3 (en) * 2007-04-16 2013-03-06 The General Hospital Corporation d/b/a Massachusetts General Hospital Systems and methods for particle focusing in microchannels
US8691164B2 (en) * 2007-04-20 2014-04-08 Celula, Inc. Cell sorting system and methods
US8120770B2 (en) * 2007-09-10 2012-02-21 The Penn State Research Foundation Three-dimensional (3D) hydrodynamic focusing using a microfluidic device
US8266950B2 (en) * 2007-12-19 2012-09-18 Los Alamos National Security, LLP Particle analysis in an acoustic cytometer
US9239302B2 (en) * 2008-09-08 2016-01-19 Technological Resources Pty. Limited Method and apparatus for analysing a material
US8162149B1 (en) * 2009-01-21 2012-04-24 Sandia Corporation Particle sorter comprising a fluid displacer in a closed-loop fluid circuit
WO2010104993A2 (en) * 2009-03-10 2010-09-16 The Regents Of The University Of California Fluidic flow cytometry devices and particle sensing based on signal-encoding
CN103331186A (zh) * 2009-07-07 2013-10-02 索尼公司 微流体装置
US8496889B2 (en) * 2010-03-23 2013-07-30 California Institute Of Technology Microfluidic device for separating and sorting particles in a fluid medium
US20120225475A1 (en) * 2010-11-16 2012-09-06 1087 Systems, Inc. Cytometry system with quantum cascade laser source, acoustic detector, and micro-fluidic cell handling system configured for inspection of individual cells
EP2661614A2 (en) * 2011-01-03 2013-11-13 Cytonome/ST, LLC Method and apparatus for monitoring and optimizing particle sorting
CA2894459C (en) * 2012-07-27 2020-07-07 Engender Technologies Limited Method and system for microfluidic particle orientation and/or sorting
US9757726B2 (en) * 2013-03-14 2017-09-12 Inguran, Llc System for high throughput sperm sorting
FR3024738B1 (fr) * 2014-08-11 2018-06-15 Genes Diffusion Dispostif et procede de selection de cellules eucaryotes dans un canal de transport par alteration des cellules eucaryotes au moyen d'un rayonnemement electromagnetique

Also Published As

Publication number Publication date
ES2842552T3 (es) 2021-07-14
CA2894459A1 (en) 2014-01-30
MX359348B (es) 2018-09-26
EP2877832B1 (en) 2020-10-28
EP2877832A1 (en) 2015-06-03
CA3079158A1 (en) 2014-01-30
WO2014017929A1 (en) 2014-01-30
US20190331588A1 (en) 2019-10-31
US10393644B2 (en) 2019-08-27
IN2015KN00498A (pt) 2015-07-17
US20200408666A1 (en) 2020-12-31
US11480516B2 (en) 2022-10-25
BR112015001844A2 (pt) 2018-05-29
EA030193B1 (ru) 2018-07-31
MX2015001251A (es) 2015-08-14
UA116637C2 (uk) 2018-04-25
CN104884934A (zh) 2015-09-02
EA201590285A1 (ru) 2015-10-30
EP3845885A1 (en) 2021-07-07
CN104884934B (zh) 2018-11-02
US9784663B2 (en) 2017-10-10
DK2877832T3 (da) 2021-01-18
AU2013293647A1 (en) 2015-03-12
CA2894459C (en) 2020-07-07
US10712255B2 (en) 2020-07-14
AU2013293647B2 (en) 2017-08-31
US20150198517A1 (en) 2015-07-16
EP2877832A4 (en) 2016-04-20
US20170370822A1 (en) 2017-12-28
CA3079158C (en) 2023-03-07
NZ725649A (en) 2018-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11480516B2 (en) Method and system for microfluidic particle sorting
JP5055351B2 (ja) 粒子を分類するカンチレバー型同軸フロー射出装置及び方法
Wang et al. Measurements of scattered light on a microchip flow cytometer with integrated polymer based optical elements
Chung et al. Recent advances in miniaturized microfluidic flow cytometry for clinical use
JP5086101B2 (ja) 細胞分類方法及び装置
US7745221B2 (en) Methods and apparatus for sorting cells using an optical switch in a microfluidic channel network
US20170299492A1 (en) Method, device and system for hydrodynamic flow focusing
Li et al. Optical separation and controllable delivery of cells from particle and cell mixture
JP6919215B2 (ja) マイクロチップ及び微小粒子分取装置
BR112020012748A2 (pt) dispositivo de chip microfluídico para medições de força óptica e imagiologia de células usando configuração e dinâmica de chip microfluídico
Terao et al. Characterisation of optically driven microstructures for manipulating single DNA molecules under a fluorescence microscope
Sugino et al. Integration in a multilayer microfluidic chip of 8 parallel cell sorters with flow control by sol–gel transition of thermoreversible gelation polymer
Wang et al. Robot-assisted automatic cell sorting with combined optical tweezer and microfluidic chip technologies
Yamada et al. Blood cell counter in gravity-driven microchannel
Mao et al. Focusing fluids and light
Ferrara Design and Characterization of Integrated Optical Devices for Biophotonics
Terray et al. Preparative separations using optical chromatography
Goel Optobiochips for Microcytometry (PhD thesis, Electrical Engineering, University of Alberta by Sanket Goel-Jan, 2006)

Legal Events

Date Code Title Description
B06F Objections, documents and/or translations needed after an examination request according [chapter 6.6 patent gazette]
B06U Preliminary requirement: requests with searches performed by other patent offices: procedure suspended [chapter 6.21 patent gazette]
B07A Application suspended after technical examination (opinion) [chapter 7.1 patent gazette]
B25G Requested change of headquarter approved

Owner name: ENGENDER TECHNOLOGIES LIMITED (NZ)

B09A Decision: intention to grant [chapter 9.1 patent gazette]
B16A Patent or certificate of addition of invention granted [chapter 16.1 patent gazette]

Free format text: PRAZO DE VALIDADE: 20 (VINTE) ANOS CONTADOS A PARTIR DE 29/07/2013, OBSERVADAS AS CONDICOES LEGAIS.