CN101644703B - 微流控芯片、微粒分类装置以及流控方法 - Google Patents

Abstract

本文中披露了微流控芯片、微粒分类装置以及流控方法，其中，该微流控芯片包括：通道，含微粒液体从中流过；以及气体喷射部，被配置为朝向从通道喷出的含微粒液体喷射气体。通过本发明，几乎对微粒没有损害并且可以快速、精确且安全地控制微粒在密封的微流控芯片通道中的移动方向。

Description

微流控芯片、微粒分类装置以及流控方法

相关申请的交叉参考

本申请包含于2008年8月8日向日本专利局提交的日本优先专利申请JP 2008-205375的主题，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及用在诸如细胞和微珠的微粒收集中的微流控芯片、其上安装有微流控芯片的微粒分类装置以及控制微流控芯片中的流动的方法。更具体地，本发明涉及用于从混合存在多种微粒的溶液中分离和收集所需微粒的技术。

背景技术

近年来，已开发了微流控芯片，其中，通过用在半导体工业中的微加工技术的应用，在由诸如硅和玻璃的无机材料或诸如塑料的聚合物材料形成的基板中制造用于化学和生物分析的微细通道和区(zone)。能够使用少量样品进行测量的这些微流控芯片可以以低成本制造，并且适合于任意使用。因此，这些微流控芯片已开始用在各种领域(诸如流式细胞仪、液相色谱法中的电化学检测器、医疗保现场中的小型电化学传感器等)中。

另外，也提出用于基于在分析区中的分析结果来分类和收集诸如细胞和微珠的微粒的技术(参见下文称为专利文献1的日本专利公开第2003-107099号、下文称为专利文献2的日本专利公开第2006-220423号、下文称为专利文献3的日本专利公开第2004-85323号、下文称为专利文献4的日本专利公开第2003-344260号)。例如，在专利文献1所述的微流控芯片中，在用于分类和收集微粒的分类通道的入口附近生成交变电场，并通过相斥的介电迁移力来对微粒进行分类。此外，在专利文献2所述的细胞分类器芯片中，在与含微粒液体接触的位置处设置具有含电解质凝胶的凝胶电极，并通过利用电泳力对微粒进行分类。

另一方面，在专利文献3所述的细胞分析和分离装置中，通过利用超声波或静电力将微粒导入预定的分支通道来分离微粒。此外，专利文献4披露了一种用于控制微粒的移动方向的方法，其中，用激光照射禁止微粒穿透的分支通道，并且在液体中生成冲击波。

发明内容

然而，根据相关技术的上述微流控芯片具有以下问题。在如专利文献1～4中所述的相关技术的分离和收集方法中，微粒将沿与含微粒液体的流动方向不同的方向移动，为此，需要向微粒施加强作用力。因此，将收集的微粒易于受到损害。具体地，在微粒为诸如细胞的生物材料的情况下，会杀死将被收集的细胞等。

另外，在专利文献1～4中所述的方法中，在通道中连续流动的液体中所包含的微粒的移动方向被改变。在移动方向的这个改变的影响下，扰乱了在上游侧的流动，从而降低了微粒的分析精度和收集精度。此外，在应用通过电场或磁场控制微粒的移动方向的方法的情况下，微流控芯片的结构复杂。

此外，在根据相关技术的流式细胞仪中所使用的“Jet in Air”系统中，诸如细胞的微粒在大气中被分离和收集，从而易于生成包含微粒的气溶胶。因此，存在微粒相互污染的可能性或由于包含在气溶胶中的生物危害材料(微粒)而引起的测量操作者受传染病感染的可能性。

因此，需要微流控芯片、微粒分类装置以及流控方法，它们几乎对微粒没有损害，并且通过它们，可以快速、精确且安全地控制微粒在密封的微流控芯片通道中的移动方向。

根据本发明的实施例，提供了一种微流控芯片，包括：通道，含微粒液体从中流过；以及气体喷射部，被配置为朝向从通道喷出的含微粒液体喷射气体。

在该微流控芯片中，从气体喷射部朝向含微粒液体喷射气体，从而可以在抑制对微粒的损害的同时精确地控制微粒的移动方向。

另外，微流控芯片可以包括：腔区，包含微粒的液滴被引入其中；以及多个分支区，与腔区连通。在这种情况下，可以通过气体来改变液滴在腔区中的移动方向，从而将液滴导入任意选择的一个分支区中。

此外，在设置气体引入部的情况下，在通道中流动的液体可以被通过气体引入部引入的气体分成液滴，其中，气体引入部从至少一个横向侧与通道合流(join)并且气体通过其被引入通道。

此外，也可以通过调节气体的流率和/或压力来任意地控制微粒的移动方向。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种其上可以安装上述微流控芯片的微粒分类装置。

在微粒分类装置中，通过气体来控制微粒的移动方向，以使对微粒的损害很少。另外，可以快速、精确且安全地控制微粒的移动方向。

根据本发明的另一个实施例，提供了微流控芯片中的流控方法，包括以下步骤：朝向包含微粒并且在微流控芯片中形成的通道中流动的液体喷射气体，以控制微粒的移动方向。

在该流控方法中，可以基于预定数量的微粒，将含微粒液体分为液滴。

此外，为了收集，含微粒液体可以通过气体被导入任选的一个区中。

根据本实施例，通过吹气体来控制微粒的移动方向，以在几乎不会使微粒受到损害的同时，可以快速且精确地控制微粒的移动方向。另外，可以在微流控芯片中的封闭空间中分类并收集微粒。因此，不存在微粒相互污染的可能性或由于气溶胶等引起的测量操作者受传染病感染的可能性。因此，即使在微粒为生物危害材料的情况下，仍能够安全且卫生地执行预期的操作。

附图说明

图1是示出根据本发明第一实施例的微流控芯片的结构的平面图；

图2是示意性示出利用图1所示的微流控芯片来对微粒进行分类的方法的截面图；

图3是示出根据本发明第一实施例的变型的微流控芯片的结构的平面图；以及

图4是示出根据本发明第二实施例的微流控芯片的部分结构的放大截面图。

具体实施方式

现在，以下将参照附图描述本发明的优选实施例。顺便提及，本发明并不限于以下的实施例。

首先，将描述根据本发明第一实施例的微流控芯片。图1是示意性示出根据本实施例的微流控芯片的结构的平面图。如图1所示，该实施例中的微流控芯片1具有：液体通道2，含微粒液体从中流过；以及气体通道3，诸如空气或惰性气体(例如，二氧化碳或氮)的气体从中流过。

在液体通道2的上游侧，形成有通过其引入其中分散有微粒的样品液的样品液引入通道21和用于将鞘液引入其中的鞘液引入通道22。样品液被鞘液包住以形成层流，并且使处于这个状态的层流流入液体通道2。这就确保样品液中的微粒在被鞘液包围的状态下相继流动，并且粒子基本上沿流动方向按行对准。

用于形成这种层流的方法实例包括以下方法：样品液引入通道21由微管构成，并且样品液被引入到流过鞘液引入通道22的鞘液的中心部分中。用以此方式配置的样品液引入通道21和鞘液引入通道22，无需形成复杂通道就能够容易产生层流。

另外，可以在样品液引入通道21和鞘液引入通道22合流的位置或者合流位置的下游侧设置通道宽度向下游逐渐缩小的缩小部23。在通道宽度在合流位置的下游侧缩小的情况下，可以将样品液引入通道21的宽度设置为充分大于微粒的尺寸，使得可以防止发生通道21被微粒堵塞。此外，在设置这种缩小部23的情况下，可以将在样品液和鞘液形成层流的条件下的流动宽度调节为任意尺寸，使得还能够提高用测量光进行照射的精度。

顺便提及，样品液引入通道21和鞘液引入通道22并不限于图1中所示的结构，而是在可以由样品液和鞘液形成上述层流的范围内，可以应用各种结构。

另一方面，在液体通道2和气体通道3的下游端部处设置腔(腔区)4，并且液体通道2和气体通道3被配置为使分别流过它们的液体和气体的流动方向在腔4内交叉。具体地，在根据本实施例的微流控芯片1中，从气体通道3中喷射的气体撞击在从液体通道2喷出的含微粒液体或液滴上。

另外，腔4的内部充满了从气体通道3喷射的气体。流过液体通道2的含微粒液体一旦流入腔4就被分为液滴，使得在腔4中，含微粒流体以含微粒液滴的状态移动。因此，在液体通道2的末端处将气体吹向含微粒液体或液滴，从而可以抑制气体喷射对液体通道2中的上游侧上的流动的影响。顺便提及，腔4的表面优选地被抛光以防水，以在腔4中维持液滴状态。

此外，分支区5和分支区6被设置为与腔4相连。分支区5和6中的一个用作用于保留将被收集的微粒的收集液体贮存部，而另一个用作用于保留包含其他微粒的废弃液体的废弃液体贮存部。例如，分支区5和6可以被配置为如图1所示，使分支区5与液体通道2的流动方向同轴地形成，并且在与分支区5相比更远离气体通道3的末端(气体喷出部)的位置处形成分支区6。

在这种情况下，可以通过从气体通道3喷射的气体的存在/不存在来调节含微粒液滴的移动方向。具体地，当期望将液滴导入分支区5中时，并不从气体通道3向液滴喷射气体，并且仅对应当导入分支区6中的液滴喷射气体。

另外，分支区5和6需要设置有通过其取出保留在内部的微粒和液体的孔或开口(aperture)，并设置有通过其释放从气体通道3喷射的气体的排气口。通过排气口排出从气体通道3喷射的气体，从而可以防止腔4内部的压力上升。

顺便提及，构成上述微流控芯片1的材料实例包括聚碳酸酯、环烯聚合物、聚丙烯、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、玻璃和硅。在这些材料中，鉴于其良好的可加工性及其利用成型装置就能够廉价复制的能力，优选的是诸如聚碳酸酯、环烯聚合物和聚丙烯的聚合物材料。

现在，以下将以微流控芯片在被安装在微粒分类装置上的状态下被使用的情况为例来描述本实施例中的微流控芯片1的操作。图2是示意性示出通过使用本实施例中的微流控芯片1来分类微粒的方法的截面图。顺便提及，图2示出了与微流控芯片1的厚度方向垂直的截面。

其上安装本实施例中的微流控芯片1的微粒分类装置可能需要至少包括：样品液供给部，用于将样品液引入样品液引入通道21；鞘液供给部，用于将鞘液引入鞘液引入通道22；气体供给部，能够在预定条件下将气体引入气体通道3；以及检测部，用于检测在液体通道2中流动的微粒。

在将微流控芯片1安装在细微粒分类装置上并且从包含多种微粒10a、10b的样品液中收集将被收集的所需微粒10a的情况下，首先，将样品液引入通道21和鞘液引入通道22连接至分别设置在样品液供给部和鞘液供给部中的液体进给泵。通过液体进给泵将样品液供给样品液引入通道21，并将鞘液供给鞘液引入通道22。

这导致样品液被鞘液外围包围并在缩小部23中形成了具有预定宽度的层流。在这种情况下，通过在样品液和鞘液之间产生轻微的压力差，基本上就可以使包含在样品液中的多种微粒10a和10b按行对准。

接下来，在检测部处，检测引入到液体通道2中的微粒10a和10b中的每一个并辨别该微粒是否为将收集的所需微粒。用于辨别的方法没有具体限制，而是可以采用在根据相关技术的基于微流控芯片的微粒分析系统中所使用的任何方法。例如，当用作为激发光的激光来照射穿过液体通道2的层流时，微粒10a和10b逐一横穿(pass across)激光。在这种情况下，检测到通过激光的激发而从每个微粒产生的荧光和/或散射光，从而可以辨别每个微粒的种类等。

随后，如图2所示，基于在检测部的辨别结果，将层流7中的微粒10a和微粒10b均导入分支区6或分支区5。例如，在分支区6为用于保留将收集的微粒10a的收集液体贮存部而分支区5为用于保留包含另一些微粒10b的废弃液体的废弃液体贮存部的情况下，当喷出将被收集的微粒10a时，以预定流速和预定流率从气体通道3喷射空气或诸如二氧化碳和氮的惰性气体。结果，通过从气体通道3喷射的气体引导包含将被收集的微粒10a的液滴9a并且使液滴9a在腔4中朝向分支区6移动。

另一方面，当喷出不是将被收集的微粒10b时或当喷出不包含任何微粒的液滴时，并不进行从气体通道3的气体喷射。结果，包含不是将被收集的微粒10b的液滴9b和不包含任何微粒的液滴均被导致在腔4中朝向分支区5移动。因此，在使用本实施例中的微流控芯片1的分类方法中，可以通过从气体通道3喷射的气体的存在/不存在来控制微粒10a、10b的移动方向。

顺便提及，例如，可以从检测部至液体通道2的下游端部(液滴喷出部)的距离和流过液体通道2的液体(层流7)的流速来计算用于从气体通道3喷射气体的定时。虽然在本实施例中分支区6用作收集液体贮存部并且向包含将被收集的微粒10a的液滴喷射气体，但是本发明并不限于该结构，而是可以采用分支区5用作收集液体贮存部的结构。在后一情况下，当喷出包含将被收集的微粒10a的液滴时，不执行从气体通道3的气体喷射，而当喷出另一些液滴时，喷射气体。例如，在样品液中包含的将被收集的微粒的比例较高的情况下，该方法很有效。

如上所述，在根据本实施例的微流控芯片1中，向将被收集的所需微粒10a喷射气体，从而控制微粒10a的移动方向。因此，与通过电场或磁场控制微粒的移动方向的相关技术的微流控芯片的情况相比，可以减少对微粒10a的损害。

另外，虽然在通过电场控制液滴的移动方向的情况下需要以高精度对含微粒的液滴进行充电，但是在根据本实施例的微流控芯片1中，无需使液滴经历充电处理等。因此，在本实施例的微流控芯片1中，可以简化结构，此外，尽管简单结构，但仍可以快速且精确地控制微粒的移动方向。结果，与根据相关技术的微流控芯片的情况相比，可以实现以较低成本并且更高速和更高精度进行分类。

此外，在根据本实施例的微流控芯片1中，可以在微流控芯片1的封闭内部空间中分类并收集微粒10a，从而不必担心微粒相互污染或由于包含在气溶胶等中的生物危害材料引起的测量者受传染的感染。因此，即使微粒为生物材料，仍可以安全且卫生地执行预期操作。

顺便提及，虽然在根据本实施例的微流控芯片1中，在微流控芯片体内部形成气体通道3并且从气体通道3朝向微粒喷射气体，但是本发明并不限于该结构，并且代替气体通道3，可以使用细管。这确保可以更容易地调节喷射条件，诸如朝向含微粒液体或液滴喷射气体的位置。

此外，虽然在图1所示的微流控芯片中，液体通道2和气体通道3被配置在其流动方向垂直相交的位置，但是本发明并不限于该配置。具体地，可以根据期望液滴移动的方向任意地设置流动方向相交的角度。

此外，在本实施例的微流控芯片1中，用于保留收集液体的分支区6可以填满防干燥凝胶。将被分类的稀有细胞(诸如干细胞)的数量(比例)极其小，在从每成千上万个细胞有一个细胞到每几百万个细胞有一个细胞的范围内。因此，即使被分类到分支区6中，但是在测量和恢复时间较长的情况下，细胞也可能干燥致死。另外，在分支区6填满用于防止细胞干燥的生理盐水的情况下，包含在收集液体中的细胞的数量很小使得难以从液体中拾取细胞。此外，这些稀有细胞具有以下问题：当分类速度提高时，通过与通道或分类区的侧壁的碰撞会损害细胞。

鉴于此，用于保留收集液体的分支区6优选地填满抗干燥凝胶，从而能防止分类细胞干燥并且防止细胞与分支区等的侧壁碰撞。另外，在通过打开收集液体保留的分支区6的上表面进行分类操作之后连同凝胶一起恢复分类细胞的情况下，可以确定且容易地收集分类细胞。在这种情况下，在从分支区6填满凝胶到连同凝胶一起恢复分类细胞的期间，分支区6的上表面中的开口可以保持用膜等封闭，从而可以防止凝胶干燥。

可以根据将收集的细胞的种类和特征来适当地选择抗干燥凝胶。例如，可以使用琼脂培养基、常用于细胞的凝胶等作为抗干燥凝胶。

另外，在用磁抗体等预先改变诸如细胞的微粒的情况下，可以通过利用磁力等将被分类到分支区6中的将被收集的微粒10a收集到特定位置。这样即使所需微粒的数量极小，仍能够有效地收集将收集的所需微粒。

另一方面，虽然在根据本实施例的微流控芯片1中仅设置两个分支区，但是本发明并不限于该结构，而是可以设置三个以上的分支区。例如，在极少收集多种微粒的情况下，设置用于保留收集液体的对应数量的分支区，从而，可以基于种类来分类并收集将收集的微粒。图3是示出根据本实施例的变型的微流控芯片的结构的平面图。顺便提及，在图3中，与图1所示微流控芯片1相同的组件用与以上使用相同的符号来表示，并且这里省略了这些组件的详细描述。

如图3所示，在该变型中的微流控芯片11中，三个分支区5、6a和6b被设置为与腔4相连。在这些分支区5、6a和6b中，与液体通道2的流动方向同轴地形成的分支区5用作废弃液体贮存部，并且在与分支部5相比更远离气体通道3的下游端部(气体喷出部)的位置处形成的分支区6a和6b用作收集液体贮存部。

在微流控芯片11中，基于在检测部处进行的辨别结果来调节从气体通道3喷射的气体的流率或压力，从而可以控制微粒的移动方向。具体地，在将微粒导入分支区6a的情况下，与将微粒导入分支区6b的情况相比，充分降低了从气体通道3喷射的气体的流率或压力。这确保了可以基于种类来对微粒进行分类。顺便提及，除前述结果和效果之外，本实施例中的微流控芯片11的结构和效果与上述第一实施例中的微流控芯片1相同。

现在，以下将描述根据本发明第二实施例的微流控芯片。图4是示出本实施例中的部分微流控芯片的放大截面图。顺便提及，在图4中，与根据以上第一实施例的微流控芯片1相同的组件用与以上所使用相同的符号来表示，并且这里省略了这些组件的详细描述。虽然在上述第一实施例的微流控芯片1中，在向液体通道2的下游端部或腔4中喷出液体时形成液滴，但是本发明并不限于该结构，而是可以在液体通道2中形成液滴。

如图4所示，在根据本实施例的微流控芯片31中，在检测部和液体通道32的下游端部之间设置一对气体引入部34a和34b。此外，在该微流控芯片31中，以预定定时从气体引入部34a和34b引入气体，从而将由样品液和在样品液的外围中流动的鞘液构成的层流分为液滴。结果，在液体通道32中形成包含微粒10a或微粒10b的液滴。

顺便提及，虽然在图4中将气体引入部34a和34b设置液体通道32的两个横向侧，但是本发明并不限于该结构，只要将至少一个气体引入部设置在液体通道32的横向侧。

与上述的第一实施例相同，基于在检测部中进行的辨别的结果，通过从气体通道33喷射的气体来分别控制包含微粒10a和10b的液滴9a和9b中的每一个的移动方向。具体地，设置与液体通道32连通的两个分支通道35和36，在流动方向与液体通道32的流动方向同轴的分支通道35的端部处形成废弃液体贮存区37，并且与流动方向与气体通道33的流动方向同轴的分支通道36相连地形成收集液体贮存区38。

当从液体通道32喷出包含将被收集的微粒10a的液滴9a时，从气体通道33喷出诸如空气或惰性气体(例如，二氧化碳或者氮)的气体，从而将液滴9a导入与收集液体贮存区38连通的分支通道36。另一方面，当从液体通道32的端部喷出包含不是将被收集的微粒10b的液滴9b时，不进行从气体通道33的气体喷射，以将液滴9b导入与废弃液体贮存区37连通的分支通道35中。

顺便提及，虽然在本实施例中的微流控芯片31中将包含微粒的液滴9a、9b导入分支通道35和36，但是本发明并不限于该结构。可以采用另一结构，其中，与图1所示的微流控芯片1相同，在液体通道32的下游端部处设置一个腔，并且液滴在被从气体通道喷射的气体引导的同时移入预定的分支区中。此外，与在根据上述第一实施例的变型的微流控芯片一样，可以设置三个以上的分支通道，并且可以调节气体喷射的强度或方向，从而可以控制每个液滴的移动距离或移动方向等。

在根据本实施例的微流控芯片31中，由此在含微粒的液体流过液体通道32的过程中形成了含微粒液滴，从而含微粒液体可以以任意定时分离，以在液体通道32中形成液滴。这确保可以任意设置包含在每个液滴中的微粒的数量。此外，由于液体通过气体的引入而被强制性地分为液滴，所以可以形成稳定液滴。

顺便提及，除上述之外，本实施例中的微流控芯片31的结构和效果与在上述第一实施例中的微流控芯片相同。

另外，能够在收集诸如生物聚合物材料的生物相关微粒(例如，细胞或微生物)以及各种合成微粒等时应用根据本实施例的微流控芯片。细胞的实例包括诸如血细胞的动物细胞以及植物细胞。此外，微生物的实例包括诸如大肠杆菌等的细菌、诸如烟草花叶病毒等的病毒以及诸如酵母的真菌。此外，生物聚合物材料的实例包括诸如染色体、脂质体、线粒体和细胞器官的、构成各种细胞的那些材料。

另一方面，合成微粒包括：由诸如聚苯乙烯、苯乙烯-二乙烯苯、聚甲基丙烯酸甲酯等有机聚合体材料形成的微粒；由诸如玻璃、硅石、磁性材料等无机材料形成的微粒；以及由诸如金胶体、铝等金属材料形成的微粒。顺便提及，虽然微粒通常为球形形状，但是根据本实施例的收集微粒的方法还可应用于非球形微粒，并且微粒的尺寸和质量没有具体限制。

此外，由于根据本实施例的微流控芯片能够在封闭空间中进行分类，所以该微流控芯片对临床再生医学领域中的细胞分类尤其优选。

本领域的技术人员应理解，根据设计要求和其他因素，可以有多种修改、组合、再组合和改进，均应包含在本发明的权利要求或等同物的范围之内。

Claims (8)

1.一种微流控芯片，包括：

通道，含微粒液体从中流过；

气体喷射部，被配置为朝向从所述通道喷出的所述含微粒液体喷射气体；以及

腔区，设置在所述通道和所述气体喷射部的下游端部处，其内部充满从所述气体喷射部喷射的气体，所述含微粒液体一流入所述腔区就被分为包含微粒的液滴，其中，流过所述通道的所述含微粒液体和从所述气体喷射部喷射的所述气体的流动方向在所述腔区内交叉。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，还包括：

多个分支区，与所述腔区连通；

其中，所述液滴在所述腔区中的移动方向被所述气体改变，以将所述液滴导入任意选择的一个所述分支区中。

3.根据权利要求1或2所述的微流控芯片，包括：

气体引入部，从至少一个横向侧与所述通道合流并通过其将气体引入所述通道，

其中，在所述通道中流动的所述液体被通过所述气体引入部引入的所述气体分为液滴。

4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，通过调节所述气体的流率和/或所述气体的压力来控制所述微粒的移动方向。

5.一种微粒分类装置，其上安装有根据权利要求1至4中任一项所述的微流控芯片。

6.一种流控方法，包括以下步骤：

通过气体喷射部向在微流控芯片中所形成的通道中流动的含微粒液体喷射气体，以控制所述微粒的移动方向，

其中，所述含微粒液体一流入设置在所述通道和所述气体喷射部的下游端部处、内部充满从所述气体喷射部喷射的气体的腔区，就被分为包含微粒的液滴，其中，流过所述通道的所述含微粒液体和从所述气体喷射部喷射的所述气体的流动方向在所述腔区内交叉。

7.根据权利要求6所述的流控方法，其中，基于预定数量的所述微粒，将所述含微粒液体分为所述包含微粒的液滴。

8.根据权利要求7所述的流控方法，包括以下步骤：通过所述气体将所述包含微粒的液滴导入到任意选择的一个区中，以对所述包含微粒的液滴进行分类。

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