CN103403557A - 铁磁流体中目标物质的微流处理 - Google Patents

Abstract

公开了系统、装置、方法和其它实施方式，包括检测样品中至少一种目标物质的装置，所述装置包括配置为接受包含至少一种目标物质和其中悬浮至少一种目标物质的生物相容的铁磁流体的样品的微流通道，确定样品中至少一种目标物质的检测器，和位置邻近微流通道的至少两个电极，所述至少两个电极配置为当可控的至少一种电流施加到至少两个电极时，在包含铁磁流体的样品中产生可控的磁力。所产生的可控的磁力导致至少一种目标物质导向检测器。还公开了用于分离铁磁流体中目标物质，和用于集中悬浮在铁磁流体中的目标物质的装置。

Description

铁磁流体中目标物质的微流处理

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年12月7日提交的，PCT申请号PCT/US10/59270，题目为“通过生物相容的铁磁流体进行的无标记细胞操作和分选”和2009年12月7日提交的美国临时申请序列号 61/267,163和2010年10月28日提交的美国临时申请序列号61/407,738的优先权，其所有内容在此通过引用整体并入。

领域

本公开一般涉及铁磁流体的微流处理，包括包含多种目标物质（例如生物目标物质）的铁磁流体。更特别地，本公开涉及装置、系统和方法，以进行这些操作，如在生物相容的铁磁流体中分离多种目标物质，在生物相容的铁磁流体中集中目标物质，在样品中检测目标物质等。

背景

涉及血液中稀有细胞的疾病（如转移癌或低水平菌血症）的早期诊断和某些遗传性疾病状态（如镰状细胞贫血）的准确监测需要快速和准确的分离、分选和指引目标细胞类型朝向传感器表面。在这方面，细胞操作、分离和分类在癌症诊断(Dittrich等, 2006, Nat Rev Drug Discovery 5:210-218)、病原体检测(Beyor 等, 2008, Blamed Microdevices 10:909-917)和基因组测试(Kamei 等 2005, Biotned Microdevices 7:147-152; Cheong 等, 2008, Lab Chip 8:810-813)背景下的各种生物测定中正越来越多地发现应用潜力。

存在各种非接触微操作方法，包括光镊(Ashkin 等, 1987, Nature 330:769-771; Chian et al., 2005, Nature 436:370-372)、介电泳(DEP) (Hughes, 2002, Electrophoresis 23:2569-2582)、基于磁珠的分离器 (Lee et al., 2001, Appl Phys Lett 79:3308-3310; Yan et al., 2004, Phys Rev E 70:011905)和确定性流体动力学(Davis et al., 2006, Proc Natl Acad Sci USA 103:14779-14784)。但是，很多已有的方法不能可靠地实现快速、高通量和分辨率，同时低成本 (Dufresne et al., 1998, Rev Sci Instrum 69:1974-1977; Kremser et al., 2004, Electrophoresis 25:2282-2291;Cabrera et al., 2001, Electrophoresis 22:355-362)。光镊提供对操作单细胞的高分辨率和灵敏度，尽管这些操作可能导致样品加热（Liu et al., 1995, Biophys J68:2137-2144)，并且通常受限于极小的区域(Ashkin et al., 1987, Science 235:1517-1520）。全息方案最近已经将光镊范围延伸至同时触及几十个细胞(Applegate et al., 2004, Optical Express 12:4390-4398)，尽管总通量仍然非常低。

基于电场的方案，例如DEP，提供了实现综合的、成本有效的装置用于同时操作多种细胞的潜能。然而，它们的性能敏感地取决于具体液体介质的电性质、颗粒形状和其有效介电常数（Pethig et al., 1997, Trends Biotechnol 15:426-432）。DEP装置操作方案和工作离子介质对于每个不同的细胞类型需要小心优化，以达到在减少加热(Menachery et al., 2005, NanoBiotechnology 152:145149; Muller, et al., 2003, IEEE Eng Biol Med Mag 22:51-61)和将细胞极化减到最少(Sebastian et al., 2006, J Micromech Microeng 16:1769-1777)的需要之间可使用的平衡。使用功能化的磁珠分离目标分子和细胞通过使用磁场而非电场来克服这些挑战。但是，此技术的不利方面是过长的孵育时间和清洗循环，以及去除后验标记的困难（Gijs 2004, Microfluidics Nanofluidics 1:22-40）。由Davis等（Davis et al., 2006, Proc Natl Acad Sci USA 103:14779-14784）展示的确定性流体动力学方法能够实现高分辨率的分离，而不使用任何电磁场。但是此装置的高通量需要在大面积上高分辨率的光刻，使每个装置成本保持高昂。

生物医药中铁磁流体大部分的通常的应用涉及磁性纳米颗粒的高度稀释的胶体悬浮液。其最广泛的商业用途是MRI造影剂（Kim et al., 2005, J Magn Magn Mater 289:328-330）。当适当地用目标抗体包衣时，它们还可以用于癌症的高温疗法或作为传感器检测病原体（Scherer et al., 2005, Brazilian J Phys 45:718-727）。

尽管铁磁流体使用中的这些发展提供很多在医药和诊断中的机会，但本领域仍然需要将生物相容的铁磁流体用于微粒和活细胞两者的受控操作和快速分离的微流平台。

概述

描述了分离在生物相容的铁磁流体中悬浮的颗粒样品的装置。在一些实施方案中，装置包括微流通道，其具有样品入口、至少一个出口、和样品入口和至少一个出口间的长度，其中样品可以加入至样品入口，并沿长度流向至少一个出口。装置包括多个电极，其中微流通道长度横穿多个电极，并且进一步包括向多个电极施加电流的电源，以沿微流通道的长度产生磁场模式。在一些实施方案中，电极间的间隔逐渐增加。在一些实施方案中，电极间的间隔逐渐减少。在一些实施方案中，多个电极包含至少一个电极层。在一些实施方案中，多个电极包含多个电极层。在一些实施方案中，多个电极层是基本上直角模式。在一些实施方案中，多个电极包含同心圆模式。在一些实施方案中，微流通道长度的壁包括小型的、脊状的、有凹槽的、有沟槽的或倾斜的区域。在一些实施方案中，微流通道长度以约0-360（并且更特别地，0-90度）间的角度横穿多个电极的至少一部分。在一些实施方案中，颗粒是活细胞。

还描述了从悬浮在生物相容的铁磁流体中的样品中分离至少一个靶标的系统。系统包括微流通道，其具有样品入口、至少一个出口、和样品入口和至少一个出口间的长度，其中样品可以加入至样品入口，并沿长度流向至少一个出口。系统还包括多个电极，其中微流通道长度横穿多个电极，并且当电流施加到电极时，进一步产生沿微流通道长度的磁场模式。系统进一步包括悬浮在生物相容的铁磁流体中的样品中至少一个靶标，其中当至少一个靶标沿微流通道长度的至少一部分通过时，至少一个靶标从剩余样品中分离。在一个实施方案中，生物相容的铁磁流体包含适量的离子物质以控制细胞上的渗透压来促进细胞持续性。在一些实施方案中，生物相容的铁磁流体包含约5-200mM的柠檬酸盐浓度。在一些实施方案中，生物相容的铁磁流体包含约40mM的柠檬酸盐浓度。在一些实施方案中，生物相容的铁磁流体具有约7.4的pH。在一些实施方案中，至少一个靶标基于目标大小分离。在一些实施方案中，至少一个靶标基于目标形状分离。在一些实施方案中，至少一个靶标基于目标弹性分离。在一些实施方案中，靶标通过被导向至所选择的出口分离。在一些实施方案中，靶标基于电极间隔被捕获。在一些实施方案中，至少一个靶标是细胞。在一些实施方案中，至少一个靶标是颗粒。

还描述了分离至少一种细胞类型的方法。方法包括下列步骤，将两种或更多种细胞类型悬浮在生物相容的铁磁流体中以形成样品，使样品通过横穿多个电极的微流通道，向多个电极施加电流以沿微流通道长度产生磁场模式，并且基于细胞尺寸、形状和弹性的至少一种的差异分选细胞进入至少一个出口通道。在一个实施方案中，细胞分离效率为至少90%。在一些实施方案中，分离的尺寸分辨率少于约10μm。在一些实施方案中，细胞在小于约1分钟内分离。

在一些实施方案中，本文所述系统、装置、方法和产品涉及微流平台，其将生物相容的铁磁流体用于微粒和活细胞两者的受控操作和快速分离。在一些实施方案中，本文所述的系统、装置、方法，和产品能够通过生物相容的浓缩的铁磁流体进行细胞的高通量操作、无标记分选和分离。铁磁流体的生物相容性基于离子表面活性剂，例如柠檬酸盐的有效的平衡，或浓度。生物相容性通常需要中性pH，细胞上足够的渗透压，和稳定的铁磁流体（例如，太多离子内容物可以使悬浮液不稳定）。该平台利用颗粒尺寸、形状、弹性、形态等的差异，以实现快速和有效的分离。使用微球的基于尺寸的分离展示出在小于例如约45秒内，约99%的分离效率和亚10μm分辨率。本文所述的系统、装置、方法和产品还提供从镰状细胞和细菌中进行活的红细胞的连续操作和基于形状的分离。本文所述铁磁微流体系统、装置，方法和产品在细胞测定中通过快速分离和将目标细胞递送到传感器阵列，显著减少孵育时间并增加诊断灵敏度。

因此，在一些实施方案中，公开了分离多种悬浮在生物相容的铁磁流体中的目标物质的系统。系统包括微流通道，其包括至少一个样品入口和至少一个出口，微流通道具有在至少一个样品入口和至少一个出口之间延伸的长度，微流通道配置为从至少一个样品入口接受基本上连续的样品流，通道配置为使样品沿通道长度流向至少一个出口，样品包括多种目标物质和生物相容的铁磁流体。系统还包括多个电极，其中微流通道长度经过多个电极的最近的至少一部分，并且电源配置为可控地向多个电极施加至少一种电流，以沿微流通道的至少一部分通道长度可控产生磁场模式，导致样品中多种目标物质中的至少两种分离。

系统的实施方案可以包括本公开中所述的任何特征，包括任何下列特征。

电源可以配置为额外可控地施加至少一种电流以产生磁力分量和磁矩分量。

分离的多种目标物质可以在与微流通道中基本上连续的样品流的方向基本上垂直的方向上分离。

基本上连续的样品流可以通过例如，压力泵、注射器泵、蠕动泵、真空装置、重力，和/或毛细管力的至少一种提供。

电源可以配置为根据例如，所选的幅值、所选的频率、和/或所选的相位的至少一种施加电流。样品的至少两种目标物质的分离可以至少部分基于例如电流的所选的幅值、所选的频率、和/或所选的相位的一种或多种。

多个电极间的间隔可以沿其长度逐渐增加。

多个电极的至少一些之间的间隔可以沿其长度逐渐减少。

多个电极可以布置在电极层中。

多个电极可以布置在多个电极层中。

多个电极层可以基本上垂直的模式布置。

多个电极层可以同心圆的模式布置。

微流通道的壁可以限定例如小型的、脊状的、有凹槽的、有沟槽的或倾斜的区域。

微流通道的长度可以以约0-90度之间的角度穿过多个电极的最近的至少一部分。

多种目标物质可以包括至少一种基于细胞的物质。基于细胞的物质可以包括下列的一种或多种，例如，白细胞、红细胞、肿瘤细胞、和/或基于细菌的细胞。

在一些实施方案中，公开了分离多种悬浮在生物相容的铁磁流体中的目标物质的装置。装置包括微流通道，包括至少一个样品入口和至少一个出口，微流通道具有在至少一个样品入口和至少一个出口之间延伸的通道长度，微流通道配置为从至少一个样品入口接受基本上连续的样品流，并且进一步配置为使样品沿通道长度流向至少一个出口。样品包括多种目标物质和生物相容的铁磁流体。装置还包括位置邻近微流通道的多个电极，多个电极配置为当电流施加到多个电极时，产生沿微流通道的通道长度的至少一部分的磁场模式。磁场模式配置为当样品流沿至少部分的微流通道行进时，导致样品流中多种目标物质的至少两种分离。

装置的实施方案可以包括本公开中所述的任何特征，包括任何与系统有关的上述特征和下文所述特征。

装置可以进一步包括电源，配置为向多个电极可控地施加电流以可控地产生磁场模式。

多个电极可以配置为产生可控的磁力分量和可控的磁矩分量。

多个电极可以配置为导致至少两种目标物质在与微流通道中基本上连续的样品流的方向基本上垂直的方向上分离。

装置可以进一步包括配置为产生基本上连续流的流产生单元。流产生单元可以包括下列的至少一种，例如，压力泵、注射器泵、蠕动泵、真空装置、通过重力使之流动的结构，和/或产生毛细管力的装置。

生物相容的铁磁流体可以包括适量的离子物质以控制细胞上的渗透压来促进细胞的持续性。生物相容的铁磁流体可以包括约5-200 mM的柠檬酸盐浓度。生物相容的铁磁流体可以包括约40 mM的柠檬酸盐浓度。生物相容的铁磁流体可以包括设计的约150mM的离子强度，从而生物相容的铁磁流体是等渗的并且适合维持活的真核细胞。

生物相容的铁磁流体可以具有约7.4的pH。

所述至少两种物质可以基于目标尺寸分离。

所述至少两种物质可以基于目标形状分离。

所述至少两种物质可以基于目标弹性分离。

所述至少两种物质可以基于目标形态分离。

所述至少两种物质可以基于下列的一种或多种被捕获，例如，电极间距、所施加电流的频率、和/或所施加电流的相位。

在一些实施方案中，公开了分离多种目标物质的方法。方法包括在微流通道的入口接受包括悬浮在生物相容的铁磁流体中的多种目标物质的基本上连续的样品流，使该样品沿微流通道通过，并向多个位置邻近通道的电极施加至少一种可控的电流。电流配置为沿微流通道的至少一部分通道长度可控地产生磁场模式，以导致样品中多种目标物质的至少两种被分离。

方法的实施方案可以包括本公开所述的任何特征，包括任何与系统和装置有关的上述特征和下文所述特征。

方法可以进一步包括分选所分离的多种目标物质中的至少两种进入至少一个输出通道，其基于下列的至少一种的差异，例如，细胞尺寸、形状、弹性，和/或形态。

施加至少一种可控的电流可以包括可控地施加至少一种电流以产生磁力分量和磁矩分量。

向多个电极可控地施加电流导致多种目标物质的至少两种在与微流通道中基本上连续的样品流的方向基本上垂直的方向上分离。

接受基本上连续的样品流包括使用下列的至少一种从外源产生压力以提供连续的样品流，例如，压力泵、注射器泵、蠕动泵、真空装置、能产生重力辅助的压力的结构，和/或产生毛细管力的装置。

可控地施加至少一种电流可以包括根据下列的一种或多种施加电流，例如，所选幅值、所选频率、和/或所选相位，其中样品的至少两种目标物质的分离是至少部分基于例如电流的所选幅值、所选频率、和/或所选相位的一种或多种。

在一些实施方案中，公开了集中悬浮在生物相容的铁磁流体中的至少一种目标物质的装置。装置包括微流通道，配置为接受包含至少一种目标物质和生物相容的铁磁流体的样品，接受的样品中的至少一种目标物质基本浓缩在具有相关的输入宽度的输入流中。设备还包括至少两个电极，位置邻近微流通道，所述至少两个电极配置为当可控的电流施加于至少两个电极时，在包含铁磁流体的样品中产生可控的磁力。所产生的可控的磁力导致至少一种目标物质集中到所产生的流中，其宽度窄于输入流相关的输入宽度。

装置的实施方案可以包括本公开所述的任何特征，包括任何与系统、第一装置和方法有关的上述特征和下文所述特征。

所述位置邻近微流通道的至少两个电极可以配置为传导可控供应的电流和产生可控的磁力，这至少部分根据至少两个电极的物理特性。所述至少两个电极包括具有下列的至少一种的结构，例如，至少两个电极的一个或多个的基本上直的形状、至少两个电极的一个或多个基本上波浪形的形状、至少两个电极的基本上平行的布置，和/或至少两个电极基本上锥形的定位，其中所述至少两个电极逐渐互相接近。

所述至少两个电极可以配置为导致至少一种目标物质流入位于上方和至少两个电极之间的微流通道中的空间。

至少两个电极可以配置为产生反向行波场（reverse traveling field）的至少两个磁波，以导致至少一种目标物质被集中到至少两个产生的磁波之间的边界中心附近。

至少两个电极可以包括多个基本上平行布置的电极。

所述至少两个电极可以包括电极的阵列，阵列的至少一些第一电极相对相邻的电极基本上成锥形定向布置，以使第一电极配置为逐渐接近相邻电极，电极阵列配置为产生磁力，以导致产生的至少一种目标物质的流在上方和相邻电极对之间形成。

至少两个电极可以配置为当具有相关相位的可控电流施加到所述至少两个电极时，在样品中产生可控的磁力。至少一种电流的相关相位可以不同于另一电流的相关相位。

至少一种目标物质包括至少两种目标物质。多个电极可以进一步配置为导致在所产生的集中的流中多种目标物质的至少两种被分离。

至少两个电极之间的间隔可以逐渐增加。

至少两个电极之间的间隔可以逐渐减少。

至少两个电极可以布置在至少一个电极层中。

至少两个电极可以布置在多个电极层中。

微流通道的长度可以以约0-90度之间的角度穿过邻近的至少两个电极的至少一部分。

所述至少一种目标物质包括基于细胞的目标物质。

在一些实施方案中，公开了集中悬浮在生物相容的铁磁流体中的至少一种目标物质的系统。所述系统包括微流通道，配置为接受包含至少一种目标物质和生物相容的铁磁流体的样品，接受的样品中的至少一种目标物质基本浓缩在具有相关的输入宽度的输入流中。系统还包括至少两个电极，位置邻近微流通道，所述至少两个电极配置为当可控的电流施加于至少两个电极时，在包含铁磁流体的样品中产生可控的磁力。所产生的可控的磁力导致至少一种目标物质集中到所产生的流中，其宽度窄于输入流相关的输入宽度。系统进一步包括电源以可控地向至少两个电极施加可控的电流。

系统的实施方案可以包括本公开所述的任何特征，包括任何与第一系统、装置和方法有关的上述特征和下文所述特征。

电源可以配置为施加电流，其包括各自所选的幅值，所选的相关的各自频率，和/或所选的相关的各自相位。至少一种目标物质的集中可以至少部分基于例如，所施加电流的各自所选的幅值、所选的频率、和/或所选的相位。

系统进一步包括压力产生单元，以提供输入流，压力产生单元包括下列的至少一种，例如，压力泵、注射器泵、蠕动泵、真空装置、能产生重力辅助的压力的结构，和/或产生毛细管力的装置。

可控的磁力可以导致至少一种目标物质的产生的流被推入位于上方和至少两个电极之间的微流通道中的空间。

位置邻近微流通道的至少两个电极可以配置为产生反向行波场的至少两个磁波，导致至少一种目标物质被集中到至少两个产生的磁波之间的边界中心附近。

配置为产生相关的反向行波场的至少两个磁波的至少两个电极可以包括多个基本上平行布置的电极。

所述至少两个电极可以包括电极的阵列，包括相对相邻的电极基本上成锥形定向布置的多个第一电极，以使第一电极逐渐接近相邻电极，电极阵列配置为产生磁力，以导致产生的至少一种目标物质的流在上方和相邻电极对之间形成。

至少两种电极可以配置为当具有相关相位的可控的电流施加到至少两个电极时，在包含铁磁流体的样品中产生可控的磁力。至少一种电流的相关相位可以不同于另一电流的相关相位。

在一些实施方案中，公开了在微流通道中集中至少一种目标物质的方法。所述方法包括接受包含悬浮在生物相容的铁磁流体中的至少一种目标物质的样品，接受的样品中的至少一种目标物质基本浓缩在具有相关的输入宽度的输入流中。方法还包括向位置邻近微流通道的至少两个电极可控地施加至少一种电流，以在包含铁磁流体通道的样品中产生可控的磁力。磁力导致至少一种目标物质集中到所产生的流中，其宽度窄于输入流相关的输入宽度。

方法的实施方案可以包括本公开中所述的任何特征，包括任何与系统、装置和第一个方法有关的上述特征和下文所述特征。

可控地施加至少一种电流可以包括可控地选择至少一种电流的下列的一种或多种，例如，相关的各自幅值、相关的各自频率、和相关的各自相位。至少一种目标物质的集中可以至少部分基于，例如，所施加的至少一种电流的各自所选的幅值、各自所选的频率、和/或各自所选的相位。

方法可以进一步包括使用压力产生单元提供输入流，压力产生单元包括下列的至少一种，例如，压力泵、注射器泵、蠕动泵、真空抽气装置、能产生重力辅助的压力的结构，和/或产生毛细管力的装置。

至少两个电极配置为传导可控地施加的电流以产生可控的磁力，导致产生的至少一种目标物质的流被推入位于上方和至少两个电极之间的微流通道中的空间。

在一些实施方案中，公开了检测样品中至少一种目标物质的装置。装置包括微流通道，其配置为接受包含至少一种目标物质和其中至少一种目标物质悬浮于其中的生物相容的铁磁流体的样品，测定样品中至少一种目标物质的检测器，和位置邻近微流通道的至少两个电极。至少两个电极配置为当至少一种电流可控施加到至少两个电极时，在包含铁磁流体的样品中产生可控的磁力，所产生的可控的磁力导致至少一种目标物质导向检测器。

装置的实施方案可以包括本公开中所述的任何特征，包括与系统、装置和方法有关的任何上述特征和下文所述特征。

至少两个电极可以包括电极阵列，至少一些电极以相对相邻电极基本上锥形定位布置，从而至少一些电极逐渐接近它们的相邻电极。

至少两个电极可以配置为当包括相关相位的可控的电流施加到至少两个电极时，在包含铁磁流体的样品中产生可控的磁力。至少一种电流的相关相位可以不同于另一电流的相关相位。

样品可以包括多种目标物质，并且装置可以进一步包括电极组，配置为当可控的电流施加到该电极组时，沿微流通道长度的至少一部分产生可控的磁场模式，导致样品中多种目标物质的至少两种被分离。

微流通道可以配置为接受来自外部样品来源的样品流。

检测器可以包括测量微流通道中的电容的一对间隔的电极，和基于所测量的电容确定至少一种目标物质的存在的鉴定单元。

配置为确定至少一种目标物质存在的鉴定单元可以配置为基于由于至少一种目标物质的存在所导致的所测量的微流通道中的电容的变化来确定至少一种目标物质的存在。

检测器可以进一步包括捕获区域，包括配置为与多种目标物质之一相互作用的物质，捕获区域位于间隔的电极对的微流通道下游，另一对间隔的电极位于捕获区域的下游以测量微流通道中的电容。鉴定单元可以配置为基于在间隔的电极对处测量的电容确定至少一种目标物质在间隔的电极对处的初始数，和基于在另一对间隔的电极处测量的电容确定至少一种目标物质的末尾数，并且至少部分基于初始和末尾数之间的差异确定被捕获区域所捕获的至少一种目标物质的水平是否超出预先确定的阈值。

检测器可以包括串联的顺序设置的检测组，每个串联的顺序设置的检测组包括第一对间隔的电极以测量微流通道内的电容，捕获区域包括配置为与多种目标物质之一相互作用的物质，捕获区域位于第一对间隔的电极的下游，第二对间隔的电极位于捕获区域的下游以测量微流通道中的电容。装置还可以包括鉴定单元，以在每个检测组处基于在第一对间隔的电极处测量的电容确定至少一种目标物质在第一对间隔的电极处的初始数，和基于在第二对间隔的电极处测量的电容确定至少一种目标物质在第二对间隔的电极处的末尾数，并且至少部分基于初始和末尾数之间的差异确定被捕获区域所捕获的至少一种目标物质的水平是否超出预先确定的阈值。

检测器可以包括测量微流通道中的阻抗的一对间隔的电极，和基于所测量的阻抗确定至少一种目标物质的存在的鉴定单元。

配置为确定至少一种目标物质存在的鉴定单元可以配置为基于由于至少一种目标物质的存在所导致的所测量的微流通道中的阻抗的变化来确定至少一种目标物质的存在。

检测器可以进一步包括捕获区域，包括配置为与多种目标物质之一相互作用的物质，捕获区域位于间隔的电极对的微流通道下游，另一对间隔的电极位于捕获区域的下游以测量微流通道中的阻抗。鉴定单元可以配置为基于在间隔的电极对处测量的阻抗确定至少一种目标物质在间隔的电极对处的初始数，和基于在另一对间隔的电极处测量的阻抗确定至少一种目标物质在另一对间隔的电极处的末尾数，并且至少部分基于初始和末尾数之间的差异确定被捕获区域所捕获的至少一种目标物质的水平是否超出预先确定的阈值。

检测器可以包括串联的顺序设置的检测组，每个串联的顺序设置的检测组包括第一对间隔的电极以测量微流通道内的阻抗，捕获区域包括配置为与多种目标物质之一相互作用的物质，捕获区域位于第一对间隔的电极的下游，第二对间隔的电极位于捕获区域的下游以测量微流通道中的阻抗。装置还可以包括鉴定单元，以在每个检测组处基于在第一对间隔的电极处测量的阻抗确定至少一种目标物质在第一对间隔的电极处的初始数，和基于在第二对间隔的电极处测量的阻抗确定至少一种目标物质在第二对间隔的电极处的末尾数，并且至少部分基于初始和末尾数之间的差异确定被捕获区域所捕获的至少一种目标物质的水平是否超出预先确定的阈值。

在一些实施方案中，公开了检测样品中至少一种目标物质的系统。系统包括微流通道，配置为接受包含至少一种目标物质和至少一种目标物质悬浮于其中的生物相容的铁磁流体的样品，确定样品中至少一种目标物质的检测器，位置邻近微流通道的至少两个电极，至少两个电极配置为当可控的至少一种电流施加于至少两个电极时，在包含铁磁流体的样品中产生可控的磁力，所产生的可控的磁力导致至少一种目标物质被导向检测器，和向至少两个电极可控地施加可控的至少一种电流的电源。

系统的实施方案可以包括本公开中所述的任何特征，包括与系统、装置和方法有关的任何上述特征和下文所述特征。

向至少两个电极可控地施加可控的至少一种电流的电源可以配置为施加具有相关的各自所选的幅值、所选的频率和所选的相位的电流，其中将至少一种目标物质导向检测器是至少部分基于所施加的电流各自所选的幅值、所选的频率和所选的相位。

系统进一步包括压力产生单元，以提供样品流，压力产生单元包括下列一种或多种，例如，压力泵、注射器泵、蠕动泵、真空抽气装置、能产生重力辅助的压力的结构，和/或产生毛细管力的装置。

在一些实施方案中，公开了检测样品中至少一种目标物质的方法。方法包括在微流通道中接受包含悬浮于生物相容的铁磁流体中的至少一种目标物质的样品，向位置邻近微流通道的至少两个电极可控地施加至少一种电流，以在包含铁磁流体通道的样品中产生可控的磁力导致至少一种目标物质被导向检测器，并且基于检测器对微流通道中的样品进行的测量确定样品中的至少一种目标物质。

方法的实施方案可以包括本公开中所述的任何特征，包括与系统、装置和方法有关的任何上述特征和下文所述特征。

可控地施加至少一种电流可以包括可控地选择至少一种电流的下列的一种或多种，例如，各自相关的幅值、各自相关的频率、和/或各自相关的相位。将至少一种目标物质导向检测器是至少部分基于例如所施加的至少一种电流的各自所选的幅值、所选的频率、和/或所选的相位。

方法可以进一步包括使用压力产生单元提供在微流通道中接受的样品，压力产生单元包括下列的至少一种，例如，压力泵、注射器泵、蠕动泵、真空抽气装置、能产生重力辅助的压力的结构，和/或产生毛细管力的装置。

检测器可以包括测量微流通道中的电容的间隔的电极对，并且确定至少一种目标物质可以包括基于所测量的电容确定至少一种目标物质的存在。

检测器可以进一步包括捕获区域，包括配置为与多种目标物质之一相互作用的物质，捕获区域位于间隔的电极对的微流通道下游，另一对间隔的电极位于捕获区域的下游以测量微流通道中的电容。确定样品中至少一种目标物质的存在可以包括，基于在间隔的电极对处测量的电容确定至少一种目标物质在间隔的电极对处的初始数，和基于在另一对间隔的电极处测量的电容确定至少一种目标物质在另一对间隔的电极处的末尾数，并且至少部分基于初始和末尾数之间的差异确定被捕获区域所捕获的至少一种目标物质的水平是否超出预先确定的阈值。

检测器可以包括串联的顺序设置的检测组，每个串联的顺序设置的检测组包括第一对间隔的电极以测量微流通道内的电容，捕获区域包括配置为与多种目标物质之一相互作用的物质，捕获区域位于第一对间隔的电极的下游，第二对间隔的电极位于捕获区域的下游以测量微流通道中的电容。确定至少一种目标物质可以包括在每个检测组处基于在间隔的电极对处测量的电容确定至少一种目标物质在第一对间隔的电极处的初始数，和基于在另一对间隔的电极处测量的电容确定至少一种目标物质在第二对间隔的电极处的末尾数，并且在每个检测组处至少部分基于初始和末尾数之间的差异确定被捕获区域所捕获的至少一种目标物质的水平是否超出预先确定的阈值。

检测器可以包括测量微流通道中的阻抗的间隔的电极对，并且确定至少一种目标物质可以包括基于所测量的阻抗确定至少一种目标物质的存在。

检测器可以进一步包括捕获区域，包括配置为与多种目标物质之一相互作用的物质，捕获区域位于间隔的电极对的微流通道下游，另一对间隔的电极位于捕获区域的下游以测量微流通道中的阻抗。确定样品中至少一种目标物质的存在可以包括，基于在间隔的电极对处测量的阻抗确定至少一种目标物质在间隔的电极对处的初始数，和基于在另一对间隔的电极处测量的阻抗确定至少一种目标物质在另一对间隔的电极处的末尾数，并且至少部分基于初始和末尾数之间的差异确定被捕获区域所捕获的至少一种目标物质的水平是否超出预先确定的阈值。

检测器可以包括串联的顺序设置的检测组，每个串联的顺序设置的检测组包括第一对间隔的电极以测量微流通道内的阻抗，捕获区域包括配置为与多种目标物质之一相互作用的物质，捕获区域位于第一对间隔的电极的下游，第二对间隔的电极位于捕获区域的下游以测量微流通道中的阻抗。确定至少一种目标物质可以包括在每个检测组处基于在间隔的电极对处测量的阻抗确定至少一种目标物质在第一对间隔的电极处的初始数，和基于在另一对间隔的电极处测量的阻抗确定至少一种目标物质在第二对间隔的电极处的末尾数，并且在每个检测组处至少部分基于初始和末尾数之间的差异确定被捕获区域所捕获的至少一种目标物质的水平是否超出预先确定的阈值。

除非另有说明，本文所用的所有技术和科学术语具有如通常或传统所理解相同的意思。如本文所用，冠词“a（一个）”和“an（一个）”指一个或多于一个（即，至少一个）冠词的语法对象。例如，“元件”意思是一个元件或多于一个元件。如本文所用，“约”当指可测量的值，例如量、持续时间等时，是指包括具体值±20%、或±10%、±5%、或±0.1%的变化，因为在本文所述系统、装置和方法的情况下，这些变化是适合的。本公开通篇提到范围是仅是为了方便和简要，不应理解为对本文所述系统、装置和方法的实施方案的固定的限制。因此，范围的描述应当被认为已经具体公开了该范围内所有可能的亚范围，以及个别的数值。例如，范围的描述，例如从1到6应当被认为已经具体公开了亚范围，例如从1到3、从1到4、从1到5、从2到4、从2到6、从3到6等，以及该范围内的个别数，例如 1、2、2.7、3、4、5、5.3、6和其间的任何整的和部分的增量。

依据下列附图的详细描述，本公开其它和进一步的对象、特征、方面，和优点将变得更好理解。

附图说明

参照下列附图，这些和其它方面现在将详细描述。

图1A是包括微流通道和电极以产生磁场的装置的示意图。

图1B是穿过铁磁微流体装置横截面的磁场（黑色箭头）和磁通密度量级的COMSOL模拟。

图1C是沿微通道长度的微球上的计算的力和力矩的图。

图1D是作为频率的函数计算的磁力和磁矩的图。

图2A是包括100、150、200和300 μm间距的电极排列的可选的可能的微通道配置的示例实施方案的图。

图2B是具有多个入口和出口的示例通道的图。

图3A是包括正交电极层的示例多维电极配置的示意图。

图3B是同心圆模式的电极的图。

图4A是通过微流通道实施连续流操作的装置图。

图4B-D是图4A中所示装置的各个部分的放大视图。

图5是用连续流实现不连续分离的装置的另一示例实施方案的示意图。

图6A-C是例示使用连续流进行三分离操作的装置的图。

图7是对悬浮在铁磁流体中悬浮的多种目标物质进行不连续分离的示例程序的流程图。

图8A是描述铁磁流体内钴铁氧体纳米颗粒尺寸分布的图。

图8B是描述铁磁流体的AC磁化率和去磁化曲线的图。

图 8C是描述活细胞计数对柠檬酸盐浓度的图。

图9A-B包括显示在存在磁场的情况下铁磁流体内颗粒行为的图。

图10A-D包括显示在存在磁场的情况下铁磁流体内颗粒行为的曲线图和图解。

图11A和11B是描述各种目标物质的细胞分离的图。

图12A-C包括显示在存在磁场的情况下铁磁流体内颗粒行为的曲线图和图解。

图13是微流装置的示意图，其包括电极组，其配置为产生磁场将样品的目标物质集中到基本单行流。

图14是配置为能将目标物质集中到交替间隙的另一个示例微流装置的一部分的示意图。

图15是微流装置的另一个示例实施方案的部分的示意图。

图16是在微流通道中集中目标物质的示例程序的流程图。

图17是微流装置的另一个示例实施方案的部分的示意图。

图18包括电容检测器的示意图和描述细菌通过检测器面附近引起的电容变化的图。

图19是检测样品中至少一种目标物质的示例程序的流程图。

图20是通用计算系统的示意图。

各图中类似的引用符号表示类似的元件。

详述

本文公开了系统、方法、装置、产品，和各种实施方式，包括装置（例如，用于分离悬浮在生物相容的铁磁流体中的多种目标物质），其包括微流通道，该微流通道包括至少一个样品入口和至少一个出口，微流通道具有在至少一个样品入口和至少一个出口之间延伸的通道长度。微流通道配置为从至少一个样品入口接受基本上连续的样品流，并且还配置为使样品沿通道长度流到至少一个出口。样品包括多种目标物质和生物相容的铁磁流体。装置还包括位置邻近微流通道的多个电极，多个电极配置为当电流施加到多个电极时，沿微流通道长度的至少一部分产生的磁场模式，磁场模式配置为当样品流沿微流通道的至少部分行进时，导致样品流中多种目标物质的至少两种被分离。

还公开了集中悬浮在生物相容的铁磁流体中的至少一种目标物质的装置。装置包括微流通道，配置为接受包含至少一种目标物质和生物相容的铁磁流体的样品，所接受样品中至少一种目标物质基本浓缩在具有相关输入宽度的输入流中，和位置邻近微流通道的至少两个电极，至少两个电极配置为当可控的电流施加于至少两个电极时，在包含铁磁流体的样品中产生可控的磁力。所产生的可控的磁力导致至少一种目标物质集中到所产生的流中，其宽度窄于输入流相关的输入宽度。

进一步公开了系统、装置、方法，和实施方案，包括检测样品中至少一种目标物质的装置，装置包括微流通道，其配置为接受包含至少一种目标物质和其中至少一种目标物质悬浮于其中的生物相容的铁磁流体的样品，测定样品中至少一种目标物质的检测器，和位置邻近微流通道的至少两个电极。至少两个电极配置为当可控的至少一种电流施加到至少两个电极时，在包含铁磁流体的样品中产生可控的磁力，所产生的可控的磁力导致至少一种目标物质导向检测器。

一般来说，本文所述系统、装置和方法所用的铁磁流体是纳米尺寸的磁性颗粒的胶体混合物，例如钴铁氧体，覆盖表面活性剂，悬浮于与表面活性剂材料相容的载体介质中。例如，产生磁性颗粒的样品反应如下：

2 FeCl3 + FeCl2 + 8 NH3 + 4H2O Fe3O4 + 8 NH4Cl。

10体积%的磁铁矿的悬浮液具有约560G的饱和磁化强度。每个单畴颗粒的磁化对高磁场的响应时间常数为10μs量级。高磁场梯度可用于定位铁磁流体。在此高磁场存在的条件下，“尖峰”和其他有意思的特征可能会出现在铁磁流体表面。

在一些实施方案中，颗粒直径范围可以从约1nm到约100nm，和其间的任何整的或部分的增量。例如，并且无任何限制，颗粒直径范围可以为1-10nm、1-20nm、5-50nm或10-100nm。在一些实施方案中，颗粒直径平均为约10nm。体积分数可以从0.1%到约10%，和其间的任何整的或部分的增量。

在一些实施方案中，本文所述铁磁流体是生物相容的，并且可以使活细胞维持几个小时，物理性质或持续性不发生退化，能延长目标样品的检测。生物相容的铁磁流体可以适用于维持任何活的细胞类型和/或形状，例如任何动物或植物组织细胞类型、任何微生物，或其任何组合。铁磁流体还可以适于悬浮任何类型的颗粒，和任何尺寸或形状的颗粒，或颗粒簇或丛，无论活的或非活的。

柠檬酸盐是铁磁流体中有效的表面活性剂，并且其在细胞培养物中大部分也是相容的。因此，在一些实施方案中，柠檬酸盐用于稳定化铁磁流体并且提供使细胞存活其中的离子介质。在此背景下，确定新的和最优的柠檬酸盐浓度是希望的，因为太少或太多柠檬酸盐可以在铁磁流体内造成颗粒聚集和沉淀。并且，铁磁流体内细胞存活取决于具有足够的离子物质以控制细胞上的渗透压来促进细胞的持续性。在一个示例实施方案中，造成磁性纳米颗粒稳定的胶体悬浮液的铁磁流体内柠檬酸盐浓度是约40mM。而较高柠檬酸盐浓度可能开始逐渐降低铁磁流体稳定性，柠檬酸盐的浓度可以在5-200mM间的任何位置，和其间任何整的或部分增量，取决于所用铁磁流体的特征和类型。在示例实施方案中（图8C中描述），还确定了用柠檬酸稳定得到pH约7.4，首先导致在几个小时期间大部分细胞存活的柠檬酸盐的最低浓度约40mM。在此离子浓度下，细胞有活力并且铁磁流体稳定。因此，在一些实施方案中，约40mM的柠檬酸盐浓度可以用作有效的生物相容的铁磁流体。如本文预期地，并且取决于所使用的铁磁流体的类型，本文描述的铁磁流体还可以在下列pH范围被稳定化：约2-11，以及其间任何整的或部分增量。在一些实施方案中，铁磁流体是生物相容的，从而细胞可以在铁磁流体内存活至少约1小时、约2小时、约3小时、约5小时、约10小时、高至约24小时、或甚至更长。在一些实施方案中，所用的生物相容的铁磁流体包括设计的生物相容的铁磁流体，具有约150mM的离子强度，并且该生物相容的铁磁流体配置为等渗的和适于维持活的真核细胞例如人细胞、人细胞等。

1. 分离系统和装置

如本文所述，提供了基于铁流体动力学用于生物相容铁磁流体内目标物质（例如，细胞和微生物）的无标记操作和分离的微流系统。在一些实施方案中，系统包括用作微流通道内围绕细胞或其它颗粒的均匀磁环境的基于水的铁磁流体。铁磁流体内细胞和其它非磁性颗粒以类似于半导体中电子孔的方式充当“磁性空间”(Kashevsky, 1997, Phys Fluids 9:1811-1818)。外部施加的磁场梯度可以吸引磁性纳米颗粒，这导致非磁性微粒或细胞被有效地推开（Rosensweig RE (1997) Ferrohydrodynamics (Dover, New York); Odenbach S (2002) Ferrofluids: Magnetically Controllable Fluids and TheirApplications (Springer, New York）)。最近，此原理被应用于捕获装填铁磁流体的微通道中磁性薄膜岛之间的非磁性微珠(Yellen et al., 2005, Prot Natl Acad Sci USA 102:8860-8864)。与此相反，本公开的系统、装置和方法包括带有电极（可以任选地是集成电极，例如集成铜电极）的微流装置，其传输电流以局部产生可设计/可配置的磁场梯度。下面的附录A和B提供了由于向微流通道（包括要处理的目标物质的样品通过其流动）施加磁场导致发生的行为和交互关系的数学描述和分析。

图1A-1D阐释铁微流装置和颗粒操作平台的实例实施方案。图1A是包括微流通道110和下面的电极120（未按比例画出）的装置100的示意图。在一些实施方案中，在一些实施方式中，来自放大器的两个输出通道提供了相对于彼此相位锁定90°的正弦电流（例如，I ₁ 和I ₂ ）。在基材上的相邻的电极以一定方式布置/连接，以以正交方式运输电流并支持微流通道内的行波磁场。产生的磁场梯度推动铁微流通道内的非磁性微球或细胞上升并进入电极间的间隙。行波场还导致细胞??沿着通道的顶部旋转和翻滚，导致沿该通道长度以高于阈值的频率连续平移。所导致的微粒运动可以用直立显微镜130从上方观察到，并且，例如使用CCD照相机以每秒18帧捕获，用于进一步的分析。铁微流装置和颗粒操作平台的进一步描述提供在，例如，2010年12月7日提交的，PCT申请号PCT/US10/59270, 题目为“通过生物相容的铁磁流体进行的无标记细胞操作和分选”以及2009年12月7日提交的美国临时申请序列号 61/267,163和2010年10月28日提交的美国临时申请序列号 61/407,738中，其所有内容在此通过引用整体并入。

继续参考图1A，电极120可以布置在电极层中，并且位置邻近微流通道110，可以位于基材上面，例如标准的绝缘金属基材150。例如，可以使用包被绝缘聚合物的铝基材，其能高效地散热，并进一步能使至多例如10A的AC电流在低电压下通过电极被传导。在一个示例实施方案中，可以使用单电极层，如图1A所描述。在一些实施方案中，多电极层用于提供多维控制（以从而能够实现磁场的多维控制，所述磁场可被产生并施加于微流通道中的样品以操作和分离样品中的目标物质）。例如，图3A描述了包括正交电极层的多维电极配置的实例。

在给定的电极层内，电极可以是约30μm高，约300μm宽和约2cm长。在可选的实施方案中，给定层内的电极可以在约5-100μm高，约0.01-1mm宽，和约0.1-10cm长的任意范围，以及其间任何整的或部分增量。因此，应当认识到，所用电极的尺寸没有限制，并且可以在多个电极层间变化。并且，电极可以包括任何形状、曲率或图案，并且电极之间可包括可变间隙尺寸。例如，图2A描述了通道区域内100、150、200和300 μm间隔的电极排列。如所述，在一些实施方式中，可以使用多层正交模式，例如，如图3A所述。在一个示例实施方案中，可以使用如图3B所述的同心圆电极模式，以使行波能更有效地移动颗粒或细胞进入圆相关区域、离开圆相关区域、或在圆相关区域的不同部分内捕获它们。在一些实施方案中，电极可以具有“波浪状的”（弯曲），或通常为弯曲的形状，以便对附近的颗粒或细胞引入干扰力和力矩。这些波浪状的区域实质上可以为均匀、不均匀、随机和/或周期性的，并且可以遍布于电极。应该指出，在一个给定的电极层内，电极的形状、间隔和模式可能会发生变化，并可以进一步在多个层间变化，使得形状、尺寸、间隔和模式的任何组合可以在电极层和跨多层发生，以产生具有所希望的属性的希望的磁场（这些属性进一步是可控的，或可配置的，例如，通过控制施加在电极上的电流）。

在一些实施方案中，电极可以包括任何合适的导电材料，例如铜。在一些实施方式中，电极可以通过用光致抗蚀剂掩模湿蚀刻热包层的印制电路板（在绝缘金属基材上）的铜层来制作。应该指出，任何蚀刻类型或其它合适的制作方法可以用于产生电极。

通道（例如图1A所示的微流通道110）可以包括至少一个入口和至少一个出口，并且可以配置为使通道的长度通过电极的邻近的至少一部分，并且可以因而横穿电极的至少一部分。例如，做一些实施方案中，微流通道可以旋转约90度，从而装置的电极基本上与其长度平行。在一些其他实施方案中，通道以约0-90度之间和其间的任何整的和部分的增量的角度，横穿电极。在进一步的示例实施方案中，通道以基本直线横穿电极。在另一些其它示例实施方案中，通道以弧形、弯曲或通常不规则的模式横穿电极。

在一些实施方式中，微流通道范围可以为20-100μm高、1-3 mm宽、和2-3 cm长，和其间任何整的或部分增量。对于通道可以使用其它尺寸值。在一些实施方案中，通道可以包括通道壁内任何数目和尺寸的口袋、脊、槽、沟、和/或斜面，从而在通道内行进的颗粒或细胞可以基于通道壁轮廓的构象效应局部集中或分散。具有多个入口和出口的通道的额外实例在图2B中描述。通道可以包括任何合适的材料。例如，在一些实施方案中，通道可以通过软光刻技术印花，从聚二甲基硅氧烷（PDMS）制备，并与覆盖电极的薄PDMS绝缘层连接（Mao et al., 2006, Nanotechnology 17:3447）。在一些实施方案中，通道高度可以选择低于局部铁流体动力学流最优值，以便最小化其对于颗粒移动的潜在效应。

虽然不需要，在将铁磁流体/微球混合物导入微流装置之前，通道可以用1% triton-X溶液清洗约10分钟，以最小化对PDMS壁的颗粒粘附。应当认识到，可替换地，基材、绝缘层和通道可以各自包括具有类似特征和/或性质的材料。因此，为了定义电极，本文所述装置和系统可以被建造在例如特征为通过单一低分辨率的透明掩模蚀刻的绝缘铜层的廉价印制电路板上。如所述，微流通道可以通过使用低分辨率模具的软光刻技术建造。在一些实施方案中，装置制作不需要清洁房间，并且从而，可以快速和廉价地制作。

为了操作样品以对样品进行所希望的处理（例如，分离多种目标物质的至少两种，集中目标物质等），通过向电极（例如图1A中描述的电极120）施加来自电源的可控的至少一种电流（并且，在一些实施方案中，至少两种电流）在通道内产生行进的磁场，以创造沿微流通道长度的至少一部分的磁场模式。可以向电极施加至多约7A峰-峰幅值和从约10Hz至100kHz的频率的交流电，这对应铁磁流体内约90 Oe的最大磁场强度。在一些变化中，所产生的磁场强度范围可以为1-200 Oe和其间的任何整的或部分的增量。在一个实例中，磁场是通过向单层电极施加正交的交流电产生，以创造沿微通道长度行进的周期性磁场模式。根据此配置，装置能够创造导致对细胞或颗粒的时间平均力的磁场梯度，以及铁磁流体磁化的局部旋转，其最终导致非磁性颗粒上的力矩，如图1B所示。图1B描述给定时间瞬间穿过铁磁微流体装置横截面的磁场（黑色箭头）和磁通密度量级的COMSOL模拟。较浅箭头描述一个周期内每30°的磁场。所示的模拟结果在1670 Hz频率下12-A峰-峰电流输入下进行。

当可控的至少一种电流施加到电极时，两种或更多目标物质（细胞或颗粒），至少部分由于磁力，被从电极推向通道顶部，在那里至少部分由于磁矩，它们开始沿其长度旋转和翻滚。装置行为可以因而模拟所使用的特定铁磁流体的频率依赖性的磁化率。对于给定的颗粒尺寸，其速率可以取决于沿通道长度的局部力和力矩值，例如，如图1C所示（显示在4.6kHz下在7-A的峰-峰输入励磁下，6-μm直径的微球上沿微通道长度的计算的力和力矩的图）。

在低频率下，磁力分量通常主导，推动非磁性微粒向上到通道顶部（即，邻近电极的表面相对的表面），并进入电极间的空间。在高频率下，翻滚的微粒可以克服磁力导致的正在减少的排斥，并连续沿通道移动，如图1D所示。 图1D是对于通道顶部上位于电极之间的同样的颗粒作为频率函数计算的磁力和磁矩的图（用于进行模拟的输入电流幅值是7A峰-峰，假设对于所有模拟的滑率是1）。

例如，可以被施加到几微米直径的颗粒上的典型的磁力可以在几十皮牛顿的量级，其显著大于光镊在微米尺寸颗粒上典型的磁力。在一些实施方案中，驱动力可以通过施加较大的励磁电流来增加。例如，简单的散热片可以在室温下保持通道的内容物至多10-A的峰-峰输入电流（Mao L, Koser H (2006) Toward ferrofluidics for p-TAS and lab on-a-chip applications. Nanotechnotogy 17:34-47）。

因此，通过向电极（例如电极120）施加至少一种电流产生的磁场的属性（强度、频率、相位等）可以基于，例如，通过电极所施加的电流的特别的性质（例如，所施加电流的幅值、频率、相位）。在一些实施方式中，施加到电极的至少一种电流的属性可以使用控制器控制，例如基于处理器的控制器，例如图1A中描述的控制器160（或一些其它计算装置），其可以确定为产生和保持一些所需磁场所需的需要的电流属性。例如，在一些实施方案中，控制器能够使电流属性基于在装置内检测的条件进行动力学调整（例如，如果确定样品中的非磁性目标物质，例如颗粒，细胞等没有按照需要或预期处理，例如它们没有被适当地分离，则改变磁场）。

额外地，和/或可选地，在一些实施方式中，所产生磁场的属性还可以基于微流通道的配置（例如，用于实施通道的其结构、材料），电极的配置（例如，它们的布置、电极相对微流通道的空间关系、用于实施电极的材料等），以及其它因素。因此，为了控制所产生的磁场以控制和调节例如装置100的分离功能，组成装置的一个或多个元件可以被控制或操作。例如，如所述，在一些实施方式中，施加到样品以使样品中多种目标物质中至少两种能被分离的磁场可以通过向电极（例如图1A的电极120）可控地施加至少一种电流（由电源提供，其可以与分离装置，例如装置100连接）来控制。在一些实施方案中，向装置100的电极可控地施加至少一种电流可以包括控制/设置电源，从而电源施加具有各自所选的幅值、所选的频率、和/或所选的相位的至少一种电流。在那些环境下，样品的至少两种目标物质的分离可以至少部分基于，所施加电流的各自所选的幅值、所选的频率、和所选的相位的一种或多种。

如所述，在一些实施方案中，产生并施加于样品的磁场的属性可以例如根据微流通道的配置和/或位置邻近微流通道的电极的配置确定。例如，再次参照图2A，显示了包括通道中100、150、200和300 μm间距的电极排列的可选的可能的微通道配置的示例实施方案的示意图。图 2B描述了约0.17-0.19cm之间，具有4个入口和4个出口的通道排列。在另一个实例中，并且再次参照图3A和3B，显示了描述电极模式可选的实施方案的示意图。具体地，图3A描述了基本上正交的多层电极模式，并且图3B描述同心圆模式的电极。图2和3中描述的各个配置从而提供另一种方法/机制控制磁场属性，其可以被产生以例如分离、集中、引导、和/或另外操作和驱动在微流通道中流动的样品中的目标物质（例如图1A的通道110）。

在一些实施方式中，分离装置，例如图1A的装置100，可以配置为能够分离以连续流递送到装置的微流通道的样品中的目标物质。现在参照图4A，图4A显示了显示部分的连续流分离装置200的图，使用配置为能够使样品中目标物质流动的微流通道实现，通过电极产生的磁场施加于其上。装置200可以类似图1A中描述的装置100，或者其可以基于具有，例如不同电极配置和/或不同微流通道配置的不同实施方式。图4A描述了允许铁磁流体250中悬浮的样品240进入装置入口并通过分离室，和经过配置为捕获特别尺寸的颗粒的多个出口离开的连续流装置。具体地，装置200包括入口（也称为入口阶段）210、分离室220、和出口（也称为出口阶段）230。在图4A的实例中，包含两种不同目标物质，即2μm颗粒和5μm颗粒的连续流样品，通过入口210导入。例如，在一些实施方案中，样品可以使用压力泵、注射器泵、蠕动泵、真空装置、和/或任何其它偶联入口210的装置的至少一种导入，导致样品240进入装置200的入口并流向分离室220和出口230。额外地和/或可选地，在一些实施方案中，连续流可以通过重力（例如，入口和出口池之间的高度差）或通过毛细管力实现。图4B中显示包括两种目标物质的样品的放大视图。

通过装置200的特别的电极配置施加可控的电流，具有相关属性（至少部分基于通过电极施加的可控的电流）的磁场产生，并导致目标颗粒分离。通常地，颗粒的分离在样品（包括目标物质）流过分离室220时进行。如图4A和图4C（显示分离室的放大视图）中所示，在图4A和4C中描述的实例中，所产生的磁场导致 2 μm 颗粒与5 μm 颗粒分离，后者在中心间隙流中被捕获。随后，并如图4A和4D所示，2μm流向出口阶段230的出口A，而5μm颗粒流向出口阶段230的出口B。剩余的样品流向废料出口C。图4A-D中描述的装置200从而适于两种或更多颗粒类型的分离和分选，基于尺寸、形状、弹性、形态等的一种或组合。

参照图5，显示了用连续流实现不连续分离的装置300的另一个示例实施方案的示意图。装置300包括一个或多个入口，例如，接受铁磁流体和细胞样品的入口310，和接受铁磁流体的两个入口312和314。在一些实施方案中，可以使用任何数目的入口，每个可以配置为接受将要被装置处理的铁磁流体和/或目标物质的混合物，例如通过在装置的微流通道导向的磁场的可控施加。在图5的实施方式中，通过入口接受的材料可以被接受为通过一种或多种压力机制提供的连续流，例如压力机制302，导致该连续流。如本文所解释，提供连续流的机制可以包括下列的一种或多种，例如，压力泵、注射器泵、蠕动泵、真空装置、基于重力的设备，和/或毛细管力。在一些实施方式中，入口阶段可以包括集中机制，以将目标物质集中到单一流中，其然后通过施加到装置300的微流通道的磁场处理。集中机制可以基于流体力学集中和/或可以根据基于磁性的集中（例如，使用永久磁铁和/或另一组电极来产生在入口阶段附近施加到样品的场）。

如图5进一步所示，装置300还包括微流通道320，其可以类似于图1A的通道110，并且从而可以是各种形状和配置，并且可以构建自多种不同材料中的一种。微流通道320经过多个电极330（例如铜电极，或其它类型的电极）邻近的至少一部分。多个电极330可以配置为具有尺寸和其它物理属性，以促进产生具有可控的属性的可控的磁场（当可控的电流经过电极时），用于对在微流通道320中流动的样品进行处理。例如，在图5的实施方式中，所产生的磁场能够进行两种或更多悬浮在铁磁流体中的目标物质的分离，作为磁场分离分离多个目标物质的结果，分离的材料被导向到至少一个出口池。如图5所示，多个电极包括8个“波浪状的”电极，其布置（例如，以相对微流通道320的各种角度）使得当可控的电流施加到多个电极330时，具有箭头350所示方向的磁场被产生。所产生的磁场的其它属性可以通过控制施加到多个电极的至少一种电流来控制。在一些实施方案中，控制所施加的电流可以使用控制器如图1A的控制器160来进行。并且，通过使用电极的不同配置，磁场的属性可以进一步被调整/控制，例如，以产生具有不同方向的磁场。使用装置300产生的磁场导致悬浮在铁磁流体中的非磁性目标物质被导向到基本上限定在电极332和334之间的区域。在一些实施方案中，可以使用永久磁铁以补充或替代多个电极，以产生施加到微流通道中流动的样品上的磁场。例如永久磁铁可以用于施加与流垂直的磁场梯度，以推动目标物质，来促进目标物质的分离。

所产生的行进磁场（例如，通过至少一种电流的施加，例如具有不同相位的两种电流的施加）导致产生磁力和转矩，其施加到多种目标物质上（例如细胞、细菌、其它颗粒）。这导致多个目标物质同时被推动（例如，使用磁力向上到顶部和向电极间间隙上部空间）并使用磁矩沿顶部翻滚横穿通道的宽度（例如，离电极最近的表面相对的表面）。在高频和小电极间隙中，磁矩主导（导致细胞行进横穿间隙的轨迹），在低频和/或大间隙中，磁力主导（导致细胞停留集中在每个轨迹内）。所施加的磁场从而可以用于实现目标物质不连续的分离，因为在具有增加的间隙间隔的装置内，细胞将最终被限制在各自轨迹内。磁场导致目标物质的分离，这基于下列的一种或多种，例如，它们的各自尺寸、它们的各自形状、它们的各自弹性、它们的各自形态、以及目标物质的其它特性。

当磁场作用的样品沿微流通道长度行进并接近出口阶段时，多种物质被分离（例如，根据它们的尺寸、形状、形态、弹性等），并且被导向各自的分离出口池。例如，在图5描述的实施方案中，小的目标物质（例如，小细胞或细菌）漂流向装置300的左侧，例如，在出口池344的方向，较大的目标物质（例如白细胞、红细胞等）漂流向不同的方向，例如向出口池342。样品的其它材料（例如，废料）可以导向出口池340。在一些实施方案中，可以仅使用一个出口。

递送连续样品流的装置300实现微粒和细胞的连续高通量的分离、操作和分选。在一些实施方式中，目标物质处理/操作发生与外部施加流垂直。在此情况下，多种目标物质的转运和分离的机制可以是不偶联的。流速可以优化用于高通量，并且细胞分离区域尺寸可以随后相应地被选择。通过流体动力学剪切来自侧面的鞘流或通过磁力，目标物质（例如，细胞）混合物可以集中到相邻电极上和相邻电极之间的单一间隙。通过电极中电流产生的行进的磁场将继续分离和分选细胞，在它们随流拖向下游时，横穿分离室的宽度。

在一些实施方案中，通过控制励磁频率可以实现控制，其中目标物质将被捕获在最初的电极间隙中，并且目标物质将被分离。通过相邻的电极之间的间隙宽度逐渐变化，也可实现分离参数的其它控制。更大的间隙使其更容易捕获和集中更小的微粒/细胞。例如，相邻间隙尺寸的梯度(例如, 100 μm、200 μm 和300 μm)可以分离并然后分别集中10 μm、5 μm 和2 μm微球，例如，如图6A-C所示，其显示装置如装置300的操作，使用连续流进行三分离。 在一些实施方案中，类似的方法可以用于从血液中创造白细胞、红细胞和血小板单独的流。这将使其可能在几分钟内快速和准确地得到血液计数结果。其它目标细胞（例如循环的肿瘤细胞）可以从剩余的血细胞分离，这通过将它们用微球（磁性或非磁性的）标记使得它们总流体动力学体积基本上不同于血细胞以进行可靠地分离。不同于普通的分离设备，例如流式细胞仪，典型地在?10万美元级的成本，占据整个实验台顶部，并需要许多组件，包括多个激光器、泵、管道、试剂、荧光染料和熟练的技术人员，本文所述的离散的微流通道分离装置和系统在几分钟之内（而不是几小时）完成样品处理，并在足够便宜的包装中，其可以在处理结束后被处理。

参照图7，显示了对悬浮在铁磁流体中的多种目标物质进行不连续分离的示例程序400的流程图。程序400包括在微流通道如图1A、4和5中描述的微流通道的入口中接受410基本上连续的包括多种悬浮在生物相容的铁磁流体中的目标物质的样品流。生物相容的铁磁流体可以是任何本文所述铁磁流体，配置为维持生物样本（例如，人或动物细胞）达相对延长的时间段（例如几分钟到几小时）。为了能够获得包括多个目标流体的连续的样品流，使用下列的至少一种，例如，压力泵、注射器泵、蠕动泵、真空装置、能产生重力辅助的压力的结构/装置，和/或产生毛细管力的装置,产生来自外源的为提供连续样品流的压力。也可以使用其它类型的装置。

已经在基于微流通道的装置的入口接受样品，样品沿微流通道通过420。当样品流动经过装置的微流通道时，至少一种可控的电流施加430于多个位置邻近通道的电极（如，电极，例如图5中描述的电极330）。可控的至少一种电流配置为沿微流通道的至少一部分通道长度可控地产生磁场模式，以导致样品中多种目标物质的至少两种被分离。特别地，如本文所述，可控的至少一种电流（以及所选的电极的配置和/或微流通道的配置）使所产生磁场的属性能控制使得磁场是可设计的或可配置的。所产生的磁场通常包括磁力和磁矩分量，导致非磁性材料（包括目标物质）在铁磁微流通道内被推动上升并进入电极间的间隙。行进场还导致细胞??沿着通道的顶部旋转和翻滚，导致沿该通道长度以高于阈值的频率连续平移。所产生的磁场造成不同的目标物质在微流通道内具有不同空间行为和运动，其至少部分取决于目标物质的尺寸、形状、形态、弹性和其它特征。从而，各种目标物质被分离、分选或另外彼此区分，使存在于连续流动的样品中的不同目标物质能被鉴定。

因此，如本文所述，可以实现基于流的试验系统，其合并生物相容的铁磁流体。在一些实施方案中，更高的通量可以通过进行生物铁磁流体分离来实现，同时流动的流连续地将新鲜的目标物质（例如，细胞）导入通道的入口。在出口，进入的珠、细胞、颗粒被分选到不同的出口通道中。从那里，细胞可以收集用于检测或导向外部或内部（即整合的）传感器。例如，流装置允许铁磁流体中悬浮的样品进入装置入口并通过分离室，和经过适合捕获特别尺寸的颗粒的多个出口离开。例如，如图4A所述，2μm颗粒可以流入出口A，5μm颗粒可以流入出口B等，并且剩余的样品可以流入出口C。在一些实施方案中，不需要流来引导细胞。相反，励磁可用于引导它们。并且，例如，传感器可以直接整合到沿流通道的旁边的口袋中。

操作不仅取决于细胞尺寸，还取决于细胞形状和弹性。例如，细菌和镰状细胞的不同的尺寸、形状和弹性允许它们从健康血细胞中分离。在一些实施方案中，颗粒分离可以取决于尺寸和频率。在一些实施方案中，关键频率还可以取决于电极间隙。例如，更大的微球可以在更小的间隙中首先被捕获。通过利用此现象，分选可以基于颗粒或目标尺寸进行。并且，系统可以在所选频率和另一个频率的操作励磁间交替，帮助打断可能的纳米颗粒链，其可以由于励磁形成。在一些变化中，“波浪状的”电极可用于防止珠或细胞在流下通道时团聚成大块。“波浪状的”电极在珠或细胞上引入干扰力和力矩以打碎团聚，允许更大的个别珠或细胞像项链上的珍珠一样排列。通过周期性打断纳米颗粒的链，铁磁流体的物理属性随时间保持不变。并且，目标细胞可以有效地、快速地，并且以无标记的方式被浓缩、捕获、定位、或简单地导向传感器表面。例如分离方法可以基于尺寸、形状、弹性、形态等将细胞或颗粒类型导向出口，或通过增加或降低电极间的间距，基于尺寸、形状、形态、弹性和/或某些其它特性捕获细胞或颗粒类型将细胞或颗粒类型导向出口。

实现从样品中分离至少一种目标细胞（细胞类型）的程序包括在生物相容铁磁流体中悬浮细胞形成样品，使样品通过横穿多个电极（这些电极可以相对微流通道0-360o的角度布置，例如以相对微流通道的纵轴90o的角度布置时）的微流通道，多个电极基本上与微流通道的长度平行。本文所述程序可以进一步包括向多个电极施加电流以创造沿微流通道长度的磁场模式，并且基于细胞尺寸、形状和弹性的至少一种的差异分选细胞进入至少一个输出出口。分离可以通过有效地、快速地，并且以无标记的方式浓缩、捕获、定位、或简单地导向传感器表面发生。

例如，在一些实施方案中，本文所述程序还能基于尺寸分离目标物质（例如细胞和/或颗粒）。此基于尺寸的分离可以证明具有，例如，约 50% 的效率、约 60% 的效率、约 70% 的效率、约 80% 的效率、约 90% 的效率、约 92% 的效率、约 94% 的效率、约 96% 的效率、约 97% 的效率、约 98% 的效率、和约 99% 的分离效率。分离处理中的尺寸分辨率可以是，例如，少于约 10 μm、少于约 9 μm、少于约 8 μm、少于约 7 μm、少于约 6 μm、少于约 5 μm、少于约 4 μm、少于约 3 μm、少于约 2 μm、少于约 1 μm、少于约 0.5 μm、少于约 0.1 μm、和少于约 10 nm。这种分离可以在少于约 2分钟、少于约 1分钟、少于约 45 秒、少于约 30 秒、少于约 20 秒、和少于约 10 秒内完成。

如本文进一步所述，目标物质的连续操作和基于形状的分离（例如，细胞，例如活的红细胞与镰状细胞和/或细菌的分离）也可以实现。这突出证明铁磁微流体在细胞测定中通过快速分离和将目标细胞递送到传感器阵列，显著减少孵育时间并增加诊断灵敏度的能力。

本文所述微流系统和装置具有一些独特的优点，因为它们提供了层流平台以在微小样品尺寸下使用。系统/装置进一步提供快速扩散和快速结果，可以是便携的，并且可以整合其它现有传感器（如将在下文进一步详细描述的）。例如，本文所述系统、装置和方法可以用于从血液样品获得的成人干细胞的灭菌，用于战斗中士兵和水兵伤口愈合和器官再生的背景。本文所述系统、装置和方法还可以用于快速检测（例如，< 1 分钟）捐献的血液中低水平的细菌污染。在战场创伤紧急状况下，这可以是特别有用的。本文所述系统、装置、方法还可以用于需要检测血液中极低浓度的细胞的“大海捞针”式的应用，例如搜索血液中循环的肿瘤细胞。

实验实验例

为了进一步阐明本文所述系统、装置和方法的实施方式和操作，提供了下列实施例。这些实施例不被解释为限制本文所述系统、装置和方法，而更应当被解释为包括任何和所有变体，其作为本文提供的公开的结果而变得显而易见。

在实施下文实验实验例中，使用共沉淀程序合成钴-铁氧体纳米颗粒，最终合并到基于水的铁磁流体（20％固体含量）中(Khalafalla SE, Reimers GW (1973) 美国专利号 3,764,540)。通过加入六水合氯化钴（II）和氯化铁（III）的混合物，将钴铁氧体纳米颗粒从沸腾的1M氢氧化钠溶液中沉淀出来。磁性沉淀使用DI水清洗两次。向沉淀中加入2 M 硝酸和0.35 M 硝酸铁(III)溶液(Massart, 1981,IEEE Trans Magn 17:1247-1248; Fischer 等, 2008, IEEE Int Conlon Nano/Micro Eng and Molecular Syst China, 907-910)。混合物然后在80℃搅拌20分钟。硝酸溶液然后轻轻倒出而沉淀物用磁铁固定在适当位置。沉淀内的钴铁氧体颗粒后来分散在DI水中，并且获得的铁磁流体对40mM的柠檬酸钠和柠檬酸溶液（pH水平7.4）透析1周。在透析期间，溶液在每天基础上更新。获得的铁磁流体在20℃具有1.5cP的粘度。

在实施下文实验实验例中，使用来自Philips的Tecnai 12电子显微镜(120 keV)取得透射电子显微镜（TEM）图像。用碳薄膜覆盖铜/铑网（来自Electron Microscopy Sciences）并蘸入用乙醇稀释的铁磁流体样品。获得TEM图像后，图像中的颗粒尺寸使用ImageJ软件表征。从TEM图像（计数约200个颗粒）获得的磁性纳米颗粒芯尺寸分布用对数正态分布的概率密度函数拟合，如下所示

                    （方程1）

其中D是描绘芯直径的随机变量，而D ₀ 和σ分别为ln（D）的平均值和标准偏差。

频率依赖性的铁磁流体的AC磁化率，可以通过存在和不存在铁磁流体的情况下测量电磁线圈对的互感变化获得（Maiorov, 1979, Magnetohydrodynamics 15:135-139）。在这方面，一个拾波线圈（200匝，平均直径为9.76毫米）被集中于螺线管的励磁线圈（340匝，平均直径为13.34毫米）内，并且两个线圈的互感通过来自Agilent的LCR表（E4980A）来表征。铁磁流体样品在1cc的塑料注射器中被导入两组线圈内。设置中的对称性保证平行场力线在拾波线圈位置处并且能够根据测得的数据进行互感分析计算，并最终对AC磁化率进行分析计算。

磁化弛豫方程，假设没有流体运动或对流（Rosensweig RE (1997) Ferrohydrodynamics (Dover: New York)），是

                    （方程2）

其中ω是铁磁流体内的局部涡度， χ ₀是铁磁流体的DC磁化率值，而τ是磁性纳米颗粒相关的磁弛豫时间常数。圆筒设置内的均匀磁场导致对称，其使得涡度（并因此上述方程中的第二项）在测量空间内可以忽略不计。磁弛豫时间常数表示两个物理弛豫过程的组合。如果颗粒的磁芯足够小，它们的磁矩将简单地旋转里面的纳米颗粒 (Néel relaxation) (Rosensweig RE (1997) Ferrohydrodynamics (Dover: New York)) ，并且特征时间常数由

                    （方程3）

给出，其中f ₀是进动频率（通常在10⁸-10¹²赫兹的范围内），K _a 是磁各向异性能量密度，V _core 是纳米颗粒的磁芯体积，并且k _B T是热能。具有较大芯的颗粒将具有较高的磁各向异性能量，导致芯内固定的磁矩，并且颗粒本身将在溶液中与外加磁场同向旋转（布朗弛豫），特征时间常数由

                    （方程4）

给出。

此处η是流体的动态粘度，k _B 是玻尔兹曼常数，T是绝对温度（开尔文），和D _hyd 是颗粒的流体力学直径，包括其表面活性剂层。这两种机制中较快的占弛豫过程的主导地位。钴铁氧体具有高的磁各向异性能量密度（对散装材料在1.8x10⁵至3.0x10⁵ J/m³，并且对于纳米颗粒高达3.15×10⁶ J/m³（Tung等人，2003年，J Appl Phys 93:7486-7488）），并且基于这种材料的铁磁流体弛豫主要是通过高于约5nm直径的临界纳米颗粒尺寸的颗粒旋转（布朗机制）。由于TEM图片中观察到的大部分纳米颗粒大于此临界尺寸，仅布朗时间常数在解释我们的AC磁化率的测量中被考虑。

在没有涡度的情况下，方程2的正弦稳态解产生有效磁化率的概念，其作为频率的函数，描述铁磁流体的磁化强度和所施加磁场的幅值和相位之间的关系：

                    （方程5）

(Debye PJW (1929) Polar Molecules. (Dover: New York))。此处，χ ₀是铁磁流体的DC磁化率值，并且τ是磁性纳米颗粒相关的布朗弛豫时间常数。

铁磁流体由具有尺寸分布（典型地为对数正态分布）的颗粒组成，其也导致弛豫时间分布。考虑到这一点，整体的AC磁化率描述为铁磁流体中存在的颗粒尺寸产生的所有磁化率谱的线性组合，由给定的粒径相关的对数正态分布的概率密度函数F(D _hyd )计量：

                    （方程6）

纳米颗粒内总磁化强度的幅度与其芯体积成正比，其对磁化率谱的个别贡献也是如此。因此，方程1中概率密度函数由V ² _core 衡量。归一化因子A由下式给出

                    （方程7）。

假设流体动力学直径对数正态分布（方程4-7），AC磁化率数据（如图8B所示的实例）可以用磁弛豫方程的正弦稳态解拟合。同时，再次假设相同的流体动力学直径（并且颗粒浓度作为自由参数）的对数正态分布，DC磁化数据的相对形状（如图8B插图所示）可以用Langevin方程拟合。同时拟合很好地解释了实验结果，得到72.5 nm的平均流体动力学直径。该值远大于用TEM获得的纳米颗粒的平均芯直径。此差异的一个合理的解释是，在平衡中，纳米颗粒形成中等尺寸的聚集，作为单个单位响应测量期间施加的磁场。对同样铁磁流体的稀释的样品还进行了动态光散射实验。那些结果证实了流体动力学直径远大于芯直径，支持本文提出的解释。

典型地，所使用的表面活性剂的浓度高到足以防止胶体稳定性连续退化（至少在几个月内）。因此，可能颗粒聚集体在铁磁流体合成方案的简短沉淀阶段之一已经形成，为加快处理速度，其经常涉及永久磁铁的使用。表面活性剂后来加入，不能打碎已经形成的聚集。

在下文实验实验例的进一步实施中，使用来自Brookhaven Instruments Group的ZetaPALS设备进行动态光散射实验。对于这些测量，铁磁流体用DI水稀释避免多重散射。发现流体动力学颗粒直径是64.9nm。

在下文实验实验例的额外实施中，实验中使用的颗粒操作装置（例如，图1A中所示的装置100）包括两部分：微流通道和下面的铜电极。电极（30 μm高，300 μm宽和2cm长）可以通过使用光致抗蚀剂掩模湿蚀刻热包层的印制电路板（在绝缘金属基材上）的铜层来制作。通过施加与电极单层正交的交流电在通道中产生行进磁场。微流通道（20 μm至100 μm高，1mm至3mm宽和2cm至3cm长）可以通过软光刻技术印花，从聚二甲基硅氧烷（PDMS）制备，并与覆盖电极的非常薄的PDMS绝缘层连接（Mao et al., 2006, Nanotechnology 17:34-47）。选择远低于局部铁流体动力学流最优值的通道高度，以便最小化其对于颗粒移动潜在的效应。在使用亚微米级的示踪颗粒的分离实验中，没有观察到可辨别的流体动力学流。绝缘金属基材能够有效散热，从而使在低电压下通过电极的AC电流能高达10A。向微流装置中引入铁磁流体/微球混合物之前，通道用1％的Triton-X溶液清洗约10分钟，以最小化附着在PDMS壁上的颗粒。

在下文的实验实验例的实施中，从Duke Scientific (Fremont, CA, USA)获得不同尺寸(1.2 μm、1.9 μm、2.2 μm、3.1 μm、5.0 μm、6.0 μm、9.9 μm 直径)的绿色荧光聚苯乙烯微球。微球直径变异系数为约1％。这些定制生产的微球具有非常低的孔隙度并在其表面上携带最小量的带电基团。微球悬浮于去离子（DI）水中，并保存在4℃ ，直至它们用于铁磁流体实验。

另外，为了使细胞在铁磁流体内可见，血细胞用绿色荧光膜染料PKH67（获自Sigma-Aldrich）染色。此染料在490nm具有激发峰，在502nm具有发射峰（Horan et al., 1989, Nature 340:167 – 168）。按照制造商的方案并有一些修改进行细胞染色。

用于进行下文实验实验例的普通制备方案如下：实验之前从捐赠者取血，在染色前保存于 4℃。将约1千万个细胞离心，随后除去血浆。然后将细胞悬浮在不含血清的500 μl RPMI 1640培养基（获自Invitrogen, Carlsbad, CA, USA）中，并充分混合以除去任何附着和结合的细胞。所获得的细胞悬液在1000rpm再次离心5分钟。

小心吸干上清液，并且将小球悬浮在500 μl 稀释液C中(补充有染色试剂盒)。之后立刻，制备于稀释液C中的4微摩尔PKH67染料。混合等体积的染料和细胞溶液。获得的细胞悬液避光孵育4分钟。通过加入等体积胎牛血清（FBS）终止染色反应，并且细胞悬液进一步孵育1分钟。细胞然后在1200rpm离心5分钟以除去染色溶液。它们在含10%FBS的细胞培养基中清洗3次以除去任何剩余的溶液中的染料。清洗完全后，细胞悬浮于培养基。标记细胞的亮度用荧光显微镜测试。混合铁磁流体之前，染色的细胞用含10%FBS的Dulbecco磷酸盐缓冲盐水（PBS）缓冲液清洗。

此外，因为柠檬酸盐是铁磁流体中有效的表面活性剂，并且在细胞培养中大部分情况下是生物相容的，因此柠檬酸盐被用为稳定铁磁流体，和提供使细胞生存其中的离子介质。在此背景下，确定适当浓度是重要的，因为太少或太多柠檬酸盐将在铁磁流体内造成颗粒聚集和沉淀。并且，铁磁流体内细胞存活取决于具有足够的离子物质以控制细胞上的渗透压来促进持续性。仍然造成磁性纳米颗粒稳定的胶体悬浮液的铁磁流体内最高的柠檬酸盐浓度被确定为约40mM。更高的柠檬酸盐浓度将开始逐渐去稳定化铁磁流体。

采用台盼蓝（获自Invitrogen）染色技术监测细胞活力。台盼蓝是选择性将死细胞染为蓝色，使活细胞和死细胞可以被区分的染料（The Sigma-Aldrich Handbook of Stains, Dyes & Indicators, Green, F.J., ed., Aldrich Chemical Co. (Milwaukee, WI: 1990), 721-722）。按照制造商的方案，向90μl 0.4％台盼蓝染色液加入10μl浓度为每1毫升培养基中5×10⁵个细胞的细胞悬液。在室温下孵育5分钟后，取自该混合物的小样本被放置到血球计以计数活细胞。确定了首先导致在几个小时期间大部分细胞存活的柠檬酸盐（用柠檬酸稳定得到pH 7.4）的最低浓度是40mM（如图8C所示）。在此离子浓度下，细胞有活力并且铁磁流体稳定。因此，在涉及悬浮在我们的铁磁流体中细胞的所有实验中，使用40mM的柠檬酸盐浓度。

实施例1：铁磁流体性质和装置特征

使用含活细胞的高度浓缩的铁磁流体历来被证明是一个挑战，因为其需要精心设计的胶体系统。维持活细胞最相关的铁磁流体参数包括：pH、离子强度、和纳米颗粒-表面活性剂组合，连同它们整体和相对的浓度。

找到合适的纳米颗粒-表面活性剂的组合在这方面是非常重要的：铁磁流体需要在pH 7.4稳定，并且胶体稳定性需要保持高达可以维持活细胞的离子强度。还应当注意铁磁流体内的纳米颗粒的尺寸分布。如果有直径只有几纳米的纳米颗粒，它们可以通过细胞膜，并导致直接的细胞毒性（Scherer 等, 2005,Brazilian J Phys 45:718-727）。出于这个原因，本文所描述的系统、装置和方法包括生物相容的铁磁流体的合成中的磁性沉淀步骤，以特定地将最小的纳米颗粒留下。

改善铁磁流体的生物相容性的普通方法典型地涉及用厚的聚合物层，如葡聚糖永久覆盖磁性纳米颗粒（Bautista 等人，2004年，Aranotechnology15：S154-S159），因为表面活性剂分子通过妨碍直接接触无机纳米颗粒的表面来降低毒性。然而，这样的方法导致铁磁流体内的磁性纳米颗粒的体积含量显著减少，和其磁化率的相应下降。更高的铁磁流体的磁化率典型地转化为更快的颗粒操作，所以本公开的铁磁流体通过使用短的表面活性剂分子优化。

在一些实施方案中，所使用的铁磁流体包括悬浮于水中，并用柠檬酸盐稳定的钴铁氧体纳米颗粒。用透射电子显微镜（TEM）确定的铁磁流体内的平均纳米颗粒芯直径被发现是约11.3±4.4纳米（如图8A中所示，显示描述通过TEM获得的铁磁流体内钴铁氧体纳米颗粒尺寸分布的图，比例尺为50nm）。根据对AC磁化率和DC磁化数据的同步拟合，平均流体动力学直径被确定为约72.5 nm。特别地，如图8B所示，显示描述铁磁流体的AC磁化率和去磁曲线的图，假设对数正态尺寸分布的对AC磁化率数据的拟合表明平均流体动力学直径72.5 nm的中度颗粒聚集。在TEM图像中观察到的平均流体动力学直径和单独的芯尺寸之间的差异表明铁磁流体的胶体悬浮液内一定程度的颗粒聚集。这一发现也通过动态光散射测量证实，其在高度稀释的铁磁流体样品上获得约64.9 nm的平均流体动力学直径。然而，磁性纳米颗粒与微米尺寸的微球和细胞相比仍足够小，以使铁磁流体近似作为连续的磁性介质。

在合成过程中，确定铁磁流体内的最佳离子浓度是约40mM，以在细胞活力（通过台盼蓝试验确定）和铁磁流体稳定性之间提供良好的平衡。特别地，参考图8C，提供了描述活细胞计数与柠檬酸盐浓度的图。如图所示，40mM的柠檬酸盐浓度（用柠檬酸稳定以获得pH 7.4）被认为对细胞活力和铁磁流体稳定性的结合是最佳的。虚线表示在原始血液样品中的细胞计数。计数3对应在柠檬酸盐溶液中消耗≈ 1h的细胞。在给定实验的过程中，细胞保持其活力。观察到75%的细胞保持有活力，即使在铁磁流体中悬浮几个小时后，使涉及活细胞操作和分离的测试能被延长。

细胞操作实验之前，铁磁微流体装置使用荧光聚苯乙烯微球（Duke Scientific; 单分散设置，直径范围为1.2至9.9μm）。为了理解励磁频率和电流幅值对分散在铁磁流体中的非磁性微粒的行为的影响，使用不同尺寸的微球在不同的励磁频率和电流幅值下进行了一系列实验。少量给定尺寸的微球混合铁磁流体（对于最小的微粒直径，每毫升至多1.1×10⁶个微球），并随后加入微流通道。通道入口和出口两端夹紧，以防止瞬态流体运动。微流通道顶部附近的微球使用直立荧光显微镜（Zeiss Axiolmager A1）和高灵敏度的摄像机(Retiga2000R)（采用StreamPix软件）从上面成像。在MATLAB（MathWorks）中通过光流程序进行离线图像分析。该程序可以在视野内在小于一(1)分钟内自动跟踪轨迹，并确定成千上万个单独的微球的大小。

在这些实验中，观察了两类颗粒的动力学。在低频时，微球定位在电极之间，其中磁场梯度导致的排斥力形成局部最小。参照图9A，高于临界值f _c 的频率，导致微球沿通道顶部长度连续平移。这个临界频率取决于颗粒尺寸和电极间距，但不必须取决于输入电流的幅值（图9B）。给定尺寸微球的平均速度取决于励磁频率、电流的幅值、和它们相对下面电极的位置。

特别地，图9A和9B表明颗粒速度作为输入频率和电流幅值的函数。在图9A中，中间的图显示在7-A的输入电流幅值（峰-峰）下，在两个不同的频率下，直径6pm颗粒的瞬时平均x速度的空间分布。由于来自磁场梯度的排斥力，微粒在电极之间减慢或完全停止。过零负斜率对应稳定的平衡点（即颗粒捕获）。图9A顶部的图显示，在10 Hz，颗粒轨迹在电极之间终止，造成捕获。图9A底部的图显示，在4,640 Hz，颗粒在通道长度中连续移动。这是来自行波的局部旋转分量的磁矩主导超过排斥力的区域。每条轨迹末端的黑点表示颗粒最终停止的地方。图9B显示高于临界频率（f _c ）后，6μm的微球沿顶部通道表面连续翻滚而不被捕获。

图10A-10D显示频率依赖性的颗粒分离。在各种微球直径的实验中，发现随颗粒尺寸增加，临界频率单调增加，表明通过励磁频率控制对于基于尺寸的颗粒分离的潜力。图10A显示临界频率（f _c ）的颗粒尺寸依赖性。不同直径的颗粒离散f _c 值使通过调到合适的频率能够进行基于尺寸的分离。这种现象可以通过简单的流体动力力学推理来解释。磁力和磁矩用颗粒体积（R ³ ）衡量，抵制线性颗粒运动的流体动力力学阻力用相对磁力的R和相对使颗粒翻滚的磁矩的R ² 来衡量。因此，磁力单独导致的线性颗粒速度取决于R ² ，而磁矩导致的用R衡量。该观察表明，磁矩对更小的颗粒的影响相对更为显著，并解释了为什么更小的微粒可以克服磁力捕获的排斥，并在更低频率下在通道内连续扩散。图10A中所示的实线曲线表示临界频率的模拟结果并且很好地解释了纳米（1纳米）的平均微球壁间隙和施加到微球的旋转的无滑移条件的数据。

图10B显示2.2和9.9μm的微球（在相同的铁磁流体内按8:1的比例混合）在10Hz至100kHz的励磁频率下的平均速度（也称为操作速度）。如图10B所示，2.2-和9.9-μm颗粒可以在400 Hz下分离。对于宽的频率范围，更小的颗粒连续转移，而更大的颗粒被捕获在电极之间。在此特定的和其它的实验中，颗粒/细胞混合物最终被分为两组，例如，那些被捕获的相对那些被从通道清除的。假设目标颗粒/细胞是那些意图用于捕获的，捕获效率可以定义为被捕获的组中的目标部分的数目与其相应的初始混合物中的数目的比。同样，分离效率定义为被清除的组内非目标部分的数目与它们在初始混合物中相应的数目的比。然而，颗粒/细胞纯度仅是捕获组内目标细胞的数目与该组中细胞总数的比。在400 Hz的励磁频率下，96.5％的9.9-μm的微球（173中的167）在10秒内被捕获，而2.2-μm颗粒（1,294中的1,285）继续沿通道转移并被清除出视窗（45s）而不被捕获（如图10C和10D所示），具有99.3％的分离效率。捕获组中颗粒纯度是94.9％（176个总被捕获颗粒中的167个目标）。未能从通道中清除的大多数的小微球粘在聚二甲基硅氧烷（PDMS）壁上随机的位置，而不是在电极间被捕获。通道制备的越好，分离效率和颗粒纯度可以越高。

图10C是含有恰好在励磁前随机分散在通道内的2.2和9.9-μm微球的微流通道的一段的荧光显微镜图像。垂直线表示电极边界。图10D是来自图10C所示相同的位置在励磁（6A峰-峰，400Hz）打开后45秒的通道快照。9.9-μm的颗粒在最近的电极间间距内快速定位，而97％的2.2-μm的微球从右至左连续行进而不被捕获。图10D中视野内几乎所有的更小的微球已作为新一批从右边进入。

图11A和图11B描述细菌和血细胞的细胞分离。图11A描述在包含大肠杆菌细菌(E. coli)和红细胞的样品中在200Hz下x速度的空间分布。在此频率下，大部分红细胞在电极之间被捕获（通过它们的零局部速度表明），而大肠杆菌可以缓慢但连续地移动通过该区域。如本文所述，红细胞数据中的波动是统计性质的。图11B描述镰状细胞分离。镰状细胞，与正常红细胞相比具有伸长的形状和改变的弹性，在电极之间被捕获和集中，而健康细胞在300Hz下仍然能够在微流通道内循环。图11A中的装置的电极间距不同于图11B，导致在每个通道内对红细胞的f _c 不同。

图12A描述微粒的平均速度，由电流幅值（峰 - 峰）的平方相对12A的最大值进行归一化，描述为励磁频率的函数。颗粒速度与电流的平方成正比，直到约7A。图12B描述在6A峰-峰下，9.9pm微球在不同间距的电极行进的平均速率相对频率。更小的间距导致更高的颗粒速度和更小的临界频率。图12C描述在图12C中观察到的效果的基础上的微粒分选器的概念草图。在给定的励磁频率下，更小的间距捕获更大的颗粒，而让更小的颗粒通过。最终，即使是最小的颗粒也可以被捕获在更大的间隙内。因此，假设颗粒从左向右移动，并且所述电极的通道最初是无细胞的。

因此，颗粒运动被确定为取决于电极间距，更小的间距导致更快的微球行进和临界频率的减少（参见图12B）。该现象可以用于装置，其特征在于具有不同间隙的电极区域，以使用同样的励磁频率来分离具有多于两个不同尺寸的颗粒混合物。电极模式还可以使用逐渐增加的间隙创造，以基于尺寸分选颗粒（例如，如图12C中所示）。在这方面，观察到实际的电极间距中小的不均匀性（制造导致的）部分地确定分离的分辨率，定义为仍然可以高效（例如，> 90％）分离的颗粒中最小的尺寸差异。给定一定范围的颗粒尺寸，此分离分辨率直接涉及相应临界频率中的差异。在理想条件下（即，优选控制的电极间隙和非常稀的细胞浓度），分离分辨率可以任意小。但是，在每个不均匀的电极间隙周围，临界频率倾向于显示轻微的局部变化。如图10A所示，最佳临界频率非线性地取决于颗粒半径。因此，9-μm和10-μm微球间直径的1-μm差异比1-μm和2-μm颗粒间的1-μm差异更容易分辨（在电极间距中有略微随机的变化）。最终，本文所述实验中实现的分离的分辨率对于2μm或更大的颗粒是≈ 1 μm 。

实施例2：电流幅值对微粒速度的影响

在附加的实验中，研究和确定了微粒操作速度作为输入电流幅值函数的依赖性。根据本文中概述的计算，并假定铁磁流体保持线性磁性，颗粒速度用输入电流的平方衡量。如图12A所示，此假设开始突破高于7A的峰-峰输入电流幅值。

电极间距也改变（电极宽度固定在210μm）以确定其对颗粒操作的影响。更小的电极间距导致更快的平均颗粒速度和更低的临界频率（如图12B所示）。此观察可以通过指出电极间距更接近减少对微粒产生磁力的局部磁场梯度来解释。更接近的电极也将更多能量投入到对这些微粒产生磁矩的行波的基频。更低的磁力和更高的磁矩导致更快的微粒旋转和整体行进速度。它们还导致临界频率更低（Tung LD, et al. (2003) Magnetic properties of ultrafine cobalt ferrite particles. J Appl Phys 93:7486-7488）。此观察进一步支持使用微粒分选装置的想法，其中电极之间的间距可以逐渐增加以捕获越来越小的颗粒或细胞（如图12C所示）。

实施例3：活细胞的分离

基于铁磁微流平台的物理行为，用活的人红细胞和细菌进行操作和分离实验，以证明本文所述的用于生物医学应用的铁磁微流系统和装置的效用和实用性。红细胞和大肠杆菌细菌[K12菌株（Blattner 等, 1997, Science 277:1453-1474)）]在悬浮于铁磁流体之前用绿色的荧光标记物染色并混合。通道内的细胞和细菌的平均速度用6A的峰-峰电流幅值在从10Hz到100kHz的频率下测量。发现细胞和细菌的临界频率分别为215和77Hz。这些f _c 值稍低于尺寸相当的聚苯乙烯微球，可能是由于依从的形状和导致沿通道顶部翻滚的难度增加的非球形几何学的组合。此外，具有其复杂的表面化学的细菌和细胞，与PDMS通道的相互作用比裸微球更强烈（导致更为普遍的细胞附着），表明细胞和PDMS表面之间潜在的更高的有效的动摩擦系数。再次参考图11A，显示了200 ??Hz的励磁频率下细胞和细菌沿通道的空间平均的线速度。更小的大肠杆菌沿通道连续地移动（图11A中的速度点没有过零），并最终离开视窗，而血细胞定位于电极之间（速度点达到零）。应当指出的是，图11A的红细胞数据中观察到的更大的变化来自于统计的波动：仅有少量红细胞在视窗内通过给定的x位置，并且它们的非球形形状意味着，当其在该位置翻滚出通道时，每个细胞将为随机的角度取向（和稍微不同的瞬时速度）。细菌，尽管长度不同并且非球形，也有足够的数目（几百个通过给定的x位置）获得良好的平均统计。最终，最初呈现在样品视野内的7,050个大肠杆菌中的≈6,750个在45秒内被清除(95.7%分离效率) 。最初呈现的 1,018个红细胞的954个被捕获，对应93.7%的捕获效率和76.1%的细胞纯度。

在不同的实验中，健康的红细胞与那些患有镰状细胞贫血的细胞分离，这通过利用它们之间的形状和弹性的差异（如图11B所示）。将包含比例约4:1的健康对镰状的红细胞的血液样品加入至铁磁流体并导入微通道。在300Hz，镰状细胞被捕获，而健康的血细胞从通道中连续地被清除（图11B所示每个数据集中的波动是统计性质的）。在最初包含≈ 501个健康的红细胞和145个镰状细胞的样品中，300个健康细胞被清除，而109个镰状细胞被捕获。假设目标是从镰状细胞中清除样品，这些数字对应75.2％的分离效率（145个镰状细胞中的109个从健康细胞中分离），和89.3％的健康细胞纯度（300个健康细胞和36个镰状细胞被清除）。

这些实例证明铁磁微流体在细胞测定中通过快速分离和将目标细胞选择性递送到传感器阵列，显著减少孵育时间并增加诊断灵敏度的用途。虽然微流装置内微粒和活细胞的操作和分离也可能通过已建立的技术（例如DEP和基于磁性标记的方法）进行，本文所述的铁磁微流体方法与现有方法相比具有许多优点。例如，目标细胞可以有效地、快速地，并且以无标记的方式被浓缩、捕获、定位、或简单地导向传感器表面。本公开的生物相容的铁磁流体可以使活血细胞维持几个小时，而物理性质不发生退化，允许延长目标样品的检测。

与简单的光电二极管结合时，细胞的铁磁微流体分离可以提供快速的、自动化的、和一次性血液测定，其能在例如1分钟内计数和估计任何靶细胞类型（如细菌或镰状细胞）的浓度，不需要显微镜、泵、或冗长的样品制备步骤。本文所述的系统、装置和方法还可以用于选择性浓缩稀有细胞，例如血液样品中的循环肿瘤细胞，通过利用目标细胞类型的杨氏模量（Young's modulus）的差异（Lekka et al., 1999, Eur Biophys J 28:312-316）。以此方式应用的本文所述的系统、装置和方法可以增加现有细胞测定的检测灵敏度。

本文所述的系统、装置和方法从而包括在低成本的微流装置内使用生物相容的铁磁流体的细胞操作和分离平台。已证明可以在少于一(1)分钟内实现高效颗粒分离。作为实例，细菌可以从活的血细胞中分离，并且镰状细胞可以从健康红细胞中分离。对于基于流的装置，分离可以通过与流方向垂直的颗粒操作实现。通过改变电极的几何学和输入励磁频率，本文所述的系统、装置和方法可适用于不同尺寸范围的颗粒和细胞。连同微通道的表面化学的控制，本文所述的系统、装置和方法可以整合在芯片实验室传感器和诊断系统中以将目标细胞导向活性区域。在这种方式中，本文所述的系统、装置和方法可以显著地减少孵育时间和增加现有的传感器和诊断平台中实现的实际检测灵敏度。

2. 目标物质集中

如所述，本文还描述系统、装置、方法、和其它实施方式，包括集中悬浮于生物相容的铁磁流体中至少一种目标物质的装置，其包括配置为接受包含至少一种目标物质的样品和生物相容的铁磁流体的微流通道，所接受样品中的至少一种目标物质基本浓缩在具有相关输入宽度的输入流中。该装置进一步包括位置邻近微流通道的至少两个电极，所述至少两个电极配置为当可控电电流被施加到所述至少两个电极时，在含有铁磁流体的样品中产生可控的磁力，所产生的可控磁力导致至少一种目标物质集中在所获得的流中，其宽度窄于输入流相关的输入宽度。在一些实施方案中，所产生的磁力可以通过对电极的至少电流的可控施加来控制（即，以关于控制用于使多种目标物质能不连续分离的磁场所述的类似方式）。

如本文所述，微流通道和电极技术的优点是其在通道顶部集中和浓缩细胞成单行排列的能力。因此，由于潜在的微模式的电极，具有此能力可以实现高精度。使用来自外部永久磁铁的磁场，也可以实现一定程度的集中。将细胞推向通道的顶部，而集中它们使其易于检测、计数和捕获它们。

如将在下文更详细描述的，有至少三种方式，其中可以在铁磁微流装置中使用不同电极几何学实现细胞集中：(i) 沿通道的长度携带DC或AC电流（以不同的相对相位）的至少两个平行电极将细胞推到它们之间的间隙上方的空间；（ii）至少两组在相反方向携带行进磁场的电极，可以使细胞翻滚到每组之间的边界；（ⅲ）携带DC或AC电流（在不同的相对相位，包括导致行进场的那些），相邻之间间隙逐渐减小的电极的阵列，将推动并把细胞保持在那些间隙内，直至间隙变得足够小，以使磁矩的效果变得突出。前两种方法可用于将目标细胞流集中在检测器/计数器附近，而第三种方法理想用于实现输入样品的大规模并行集中和随后的分离。具体而言，在第三种方法中，目标物质（例如，细胞）可以首先被集中在交替捕获间隙中，并且目标细胞将随后被分离到相邻间隙中。

使用电极和微流通道配置实现细胞集中的优点如下：

· 因为没有流体动力学鞘流，可以实现非常有效的集中，装置的整个体积可以是输入细胞流专用的。因此，使用本文所述实施方式相比使用流体动力学集中的现有方法可以实现更高通量。

· 通过将输入细胞流集中到每隔一个的电极间隙，目标物质（例如，细胞或病原体）可以分离到相邻的间隙。此能力使在分离和分选功能实现了戏剧性的并行，因为该设备的特色在于跨越流通道宽度排列的许多这样的电极模式。

· 当细胞在通道的顶部附近排成单行时，它们可以很容易地被检测（通过各种方式，包括，例如，光、磁、电阻抗和电容测量）和计数。以这种方式，所实现的系统/装置可以作为“纳米细胞计数器”使用，能够在几分钟内对数以百万计的细胞进行分离和计数。系统/装置可以用作病原体的检测器，或可以用于帮助表征其他非目标细胞（如CD4、红细胞、血小板等）的浓度。

参照图13，显示微流装置500的示意图，其包括电极组，其配置为产生磁场以将样品的目标物质集中到基本单行流。装置500包括微流通道装置510和电极组520。微流通道510可以类似于图1A、4和5所述的微流通道。电极组520包括，在图13的示例实施方案中包括两个通常基本上互相平行的“波浪状的”电极。向电极组施加可控的至少一种电流时产生磁场，导致悬浮于铁磁流体中的目标物质在微流通道内被推动和集中。施加到电极的可控的至少一种电流可以使用控制器例如图1A的控制器160（可以是基于处理器的控制器）控制/调节。

在一些实施方式中，所述至少两个电极（例如电极520）可以包括具有下列的至少一种的结构，例如，至少两个电极的一个或多个的基本上直的形状，至少两个电极的一个或多个的基本上波浪形的形状，至少两个电极的基本上平行的布置，和/或至少两个电极基本上锥形的定位，其中所述至少两个电极逐渐互相接近。

在一些实施方案中，电极组被配置为产生磁场，当施加所述至少一种电流在其上时，其基本上在微流装置的入口区域施加到目标物质。在这些实施方案中，多个电极组可被用于微流装置，一组作用以集中包括至少一种目标物质的样品到流经微流通道的单行排列中，而另一电极组，其主要目的是实施不连续分离（例如，对基于铁磁流体的连续流）样品，以能够以涉及例如图1-7所述的方式分离两种或更多不同的目标物质。

在一些实施方案中，集中在微流装置入口的磁力，可以导致将细胞快速分选到微流装置中定义的捕获间隙（例如，该装置的通道中）。因此，该集中功能可以用于首先集中目标物质（例如，目标细胞）到交替捕获，并且目标细胞然后分离到相邻间隙。

因此，参照图14，显示配置为能将目标物质集中到交替间隙的另一示例微流装置600的一部分的示意图。装置600包括微流通道610，其可以类似于关于图1A、4、5和13所述的微流通道。装置600进一步包括具有多个电极620的一组电极，其包括至少两类电极几何学。在图14的实例中，每两个相邻电极的一个（定义一对电极）具有基本上延伸到装置的入口区域630的长度，以从而定义集中电极622。与每个这种集中电极622相邻的是更短的电极624。在一些实施方案中，可以使用一对电极，其包括集中电极622和更短的电极624，这些电极布置为相对彼此的基本上锥形定位，从而它们互相接近。多个电极620（包括集中电极和更短的电极）从微流通道中的一个点起具有波浪状的形状，其经过入口阶段，并延伸向装置的出口区域。在一些实施方案中，从多个电极620采取通常波浪状形状的空间位置，电极通常以基本上互相平行的方向延伸。

根据图14中所示电极的示例几何学，向多个电极620施加至少一种电流时，入口区域周围的电极的几何学导致产生磁场，这导致目标物质被导向多个单行流，其集中在电极对定义的交替捕获间隙中（包括图14所示捕获间隙640）。一旦流动的流（其每一个可以包括装置入口接受的目标物质的类似混合物）形成，作用于现在集中的多个样品流的磁场导致不同的目标物质分离进入相邻间隙（即，作为集中操作的结果，没有接受任何目标物质的间隙）。流体通道区域处形成的磁场（该处电极620基本上是平行的，并且其操作以进行不连续的分离操作）相比在入口区周围的磁场可以具有不同的（或类似）的属性。通过基本上平行的电极620所在位置的磁场进行的不连续的分离操作类似于关于图1-12所述系统、设备和方法进行的操作。

因此，在一些实施方式中，装置可以包括电极阵列，阵列的至少一些第一电极布置为相对相邻电极成基本锥形的定位，使得所述第一电极配置为逐渐接近相邻电极。电极阵列配置为产生磁力导致所获得的至少一种目标物质的流在相邻电极对的上方和之间形成。集中操作后电极对之间的每个间隙从而逐渐变空，但是当对流动流进行分离操作时，空的间隙接受在相邻间隙中流动的至少一种从混合物中分离的目标物质，其中所述混合物被集中于相邻间隙中。

与图13和14所示那些不同的其它电极几何学可以用于行使集中功能。

在一些实施方案中，用于进行集中操作的电极可以配置为产生反向行波场的至少两个磁波，以导致至少一种目标物质集中到至少两个产生的磁波之间边界中心附近。参照图15，显示了微流装置700的另一示例实施方案的部分的示意图。装置700包括微流通道710，其可以类似于关于图1A、4、5、13和/或14所述的微流通道。在图15的实施方案中，装置700进一步包括具有多个电极720的一组电极，具有通常波浪状的形状，并且相对彼此具有基本上平行的定位。电极720位置邻近微流通道710。例如，电极720可以布置在位于微流通道外面的电极层中。

向图15的电极施加可控的至少一种电流时，产生两个反向行场磁波（标记为波730和732）。反向行场的两个磁波导致样品流中目标物质被集中在两个产生的磁波之间的边界740附近（描述为虚线）。

其它电极配置可以用于产生用于在样品中集中目标物质的磁场（和从而产生磁力）。在一些实施方案中，配置为产生用于进行集中功能的磁场的至少两个电极可以传导具有确定为实施所希望的集中功能的可控属性的可控的AC电流。在一些实施方案中，至少两个该电极可以传导直流电流。在一些实施方案中，单个电极可以包裹自身以形成两个（或更多）平行臂，其定义多个用于产生集中磁场的电极部分。在一些实施方案中，一个或多个永久磁铁组可以用于补充或替代电极组以帮助集中功能的实施。

参照图16，显示了在微流通道中集中目标物质的示例程序800的流程图。程序800包括接受810包含悬浮在生物相容的铁磁流体中的至少一种目标物质的样品，接受的样品中的至少一种目标物质基本浓缩在具有相关的输入宽度的输入流中。

接受样品后，至少一种电流（例如，具有可控的频率、相位、和/或幅值的AC电流，DC电流等）可控地施加820到至少两个位置邻近微流体的电极上，以在包含样品的铁磁流体通道中产生可控的磁力。磁力导致至少一种目标物质集中到所产生的流中，其宽度窄于输入流相关的输入宽度。在一些实施方案中，至少两个电极配置为传导可控地提供的电流和产生可控的磁力，根据，例如所施加电流的属性、微流通道的属性、和/或至少两个电极的属性（例如其结构或形状）。

3. 将目标物质导向检测器的磁力

如先前提到的，本文还描述了装置、系统、方法和实施方式，包括检测样品中至少一种目标物质的装置，所述装置包括配置为接受包含至少一种目标物质和其中悬浮至少一种目标物质的生物相容的铁磁流体的样品的微流通道，确定样品中至少一种目标物质的检测器，和位置邻近微流通道的至少两个电极，所述电极配置为当可控的至少一种电流施加到至少两个电极时在包含铁磁流体的样品中产生可控的磁力。所产生的可控的磁力导致至少一种目标物质导向检测器。因为检测目标物质的效力和质量至少部分地取决于目标物质到电极的垂直距离，如果垂直距离不能被控制，则不同类型的目标物质不能被可靠地区分。相应地，通过将目标物质推到顶部（附近可以布置检测机制），作为目标物质到检测器的垂直距离的结果，阻碍成功地检测目标物质的挑战可以被控制并在一定程度上被克服。

在一些实施方案中，本文所述的检测方案涉及通过一对平行的平面电极的直接的电阻抗测量，和/或电容测量。关于阻抗测量检测器，需要被计数和检测的细胞尺寸范围决定这些电极之间的间距。典型地，此间距应相当于或略大于细胞直径。对于血细胞，间距可以是10-20微米。对于细菌检测，间距可以是5-10微米。

对样品中目标物质的存在计数和检测的各种技术/方法包括通过在两个电极间经过少量电流来测量微流通道内流动的缓冲溶液的电导率。此电流(AC或DC)中的任何快速尖峰将表明介质的局部电导率的短暂变化-最有可能由细胞的经过引起，其导电性能不同于介质。当传感电极之间的间隙与细胞尺寸相当时，在电极之间的电场模式的干扰是最大的，并且电信噪比是最佳的。

在一些实施方案中，对铁磁流体溶液中存在的细胞的检测和计数可以通过测量电容进行。电容性传感器的电极布局和细胞检测机制与阻抗法相同：一对电极，具有宽度与感兴趣的细胞直径相当的间隙。测量的电容典型地是小的，并且其测量一般用高频AC励磁（典型地，>1 MHz）进行以得到电容信号。如果被检测的目标物质是细菌，这些细菌目标物质的相对介电常数是在100的量级，并且铁磁流体将在80的量级，所以，它们在铁磁流体内的存在可以检测到，如果细胞可以位于接近传感电极的位置。

因此，通过使用所产生的磁场，例如，使用与关于图1-16所述的那些类似的电极配置，目标物质可以推向通道顶部，传感电极可以定位于此处。在一些实施方案中，结合微流装置和系统使用的检测器包括抗体“毯”（特异性地捕获目标细胞），和一对电容检测器——一个在捕获毯上游，另一个在下游。在这样的配置中，传感电容器可以计数进入（N_in）和离开（N_out）捕获区域的细胞数目并根据计算差（即，N_in-N_out）确定有多少被毯捕获。可选地，可以使用测量阻抗的电极对，或测量表示个别目标物质的数目/量的一些其它性质的一些其它装置。实施本文所述的微流系统和设备以在抗体毯表面上获得的剪切流是足够强的，以防止其它细胞的非特异性附着，但不是太强以至于不会导致目标细胞的损失。在该操作模式中，不同的捕获区域可以连续地放置在彼此的下游，并为多个目标物质，例如，病原体或其它靶细胞如CD4+白血细胞、表达上皮细胞粘附分子（EpCAM）的具体癌细胞等提供定量的和具体的检测能力。

抗体毯可以通过各种表面官能化学实现。传感电极可以是打印的、模式转印的、或微加工的（在光刻模式表面上的金属的蒸发或溅射）。

基于传感器的微流通道的一些优点包括：

· 通过使表面官能化与实际细胞传感器（检测器）分离简化制造过程。

· 很多普通的现有带有整合的电子器件的生物传感器直接功能化传感器表面。根据微米或纳米尺度传感器（据称给出高得多的灵敏度），官能化的总表面面积微乎其微。有时，对传感器表面上不超过仅有少数细胞也有空间。因此，如果目标细胞浓度较高，可以保证传感器信号的快速饱和。为了解决这个问题，一些普通的装置将其传感器布置成广阔的阵列（多达数千个），导致系统的复杂性和可制造性的挑战显著增加。在本文所述基于微流的系统和装置中，使用这些系统和装置的检测器能够检测经过检测区域的少至单个细胞；信号饱和前可以被检测的细胞的最大数目由捕获毯的相对程度给出。增加所公开的微流系统和装置中使用的传感器的动态范围可以简单至增加捕获区域的范围，而不需要增加传感器的数目。

· 本文所述的检测方法是无标记的（即，无荧光标志物或其它标记附着在细胞上使能够进行检测）。

· 通道下面的将细胞流集中和推向检测区域的载流电极的使用（或一些其它的磁场产生机制的使用，例如，根据永久磁铁的机制），能使用输入压力提供样品流，在一些实施例中，小于1 psi（磅每平方英寸），同时保持良好的通量。相反，在普通的细胞操作中，必须使用与细胞直径（典型地50微米或更小）相当的高度和宽度的通道，并且从而或者那些装置的通量较低，或者必须使用非常大的压力来源以推动快速流通过这些微小的通道。

因此，参照图17，显示了微流装置900的一个示例实施方案的部分的示意图。装置900包括微流通道910，其可以类似于，例如关于图1A，4，5，13和/或14所述的微流通道。装置900进一步包括一个或多个检测器920a-n，位置邻近通道910的一侧（在描述的实施方案中，检测器定位在通道910的外壁，其定义通道的顶部），配置为检测并确定流经微流通道910样品中目标物质的存在和数目，并且还确定所检测目标物质的类型或身份。装置900还包括磁场产生机制以产生将铁磁流体样品中的目标物质推向微流通道910顶部，并从而推向检测器920a-n的磁场。在一些实施方案中，磁场产生机制可以使用一组电极实施，例如电极930（虚线所示），其可以类似例如关于图1-17所示和所述的那些。这些电极可以具有预先确定的配置，使得当至少一个可控的电流通过这些电极时产生可控的磁场，其将非磁性的目标物质（细胞、细菌等）推向与靠近电极的表面相对的微流通道表面。

例如，电极可以包括位置邻近微流通道的至少两个电极，其配置为传导可控地提供的至少一种电流和产生可控的磁力，这至少部分地根据电极的物理属性、微流通道的物理属性、和/或所施加电流的属性。这些物理属性可以包括至少两个电极的结构，其中所述至少两个电极的结构可以包括下列的一种或多种，例如，至少两个电极的一个或多个的基本上直的形状、至少两个电极的一个或多个的基本上波浪形的形状、至少两个电极的基本上平行的布置、和/或至少两个电极基本上锥形的定位，其中所述至少两个电极逐渐互相接近。电极配置为当至少一种可控的电流（其可以使用控制器，例如图1A的控制器160进行控制）施加到至少两个电极时，在包含铁磁流体的样品中产生可控的磁力，所述电流包括相关属性（例如，相位、频率、幅值等）。

在一些实施方式中，可以使用永久磁铁补充或替代电极，以促进产生磁场将目标物质推向离检测器920a-n最近的通道表面。

如所述，和如图17所示，在一些实施方案中可使用基于电容的检测器、基于阻抗的检测器等。例如，检测器920a包括上游电容检测器922a，包括两个传感电极板、捕获区域（也称为毯区）924a，和位于电容器922a下游的下游电容检测器926a和毯924（下游电容检测器926a也作为上游电容检测器，标记为922n），用于下一个连续的结合图17的微流装置900使用的检测器。

上游电容检测器922a配置为确定样品中存在的目标物质（如细胞、细菌等）的数目（或近似数）所产生的电容。基于检测到的电容（或阻抗），鉴定单元940（其可以是基于处理器的计算装置），可以用于确定进入检测器的数目（或近似数）N_in。参照图18，显示了电容检测器的示意图和描述细菌通过检测器面附近引起的电容变化的图。如图18的图所阐明的，经过细菌（或一些其它目标物质）的数目越大，所检测到的电容越大。

由上游电容检测器922a确定经过的目标物质数目后，目标物质流过抗体毯924a附近，其被官能化以捕获，并从而检测特定类型的目标物质（细胞或某些病原体）。毯924帮助在目标物质的检测中获得特异性，目标物质可以具有类似的尺寸和结构（这使得目测鉴定，例如用显微镜，更加困难和不确定）。例如，大肠杆菌和沙门氏菌属是杆状，具有相似的尺寸分布，但这些目标物质可以使用用于官能化一个或多个抗体毯的抗体加以区分。

如所述，磁场产生机制（电极或永久磁铁）的使用能将目标物质推向与毯924a足够接近，以实现更有效的捕获能力。随后，未捕获的目标物质继续流动并经过下游电容检测器926a，其测量剩余未捕获的目标物质引起的电容（或可选地，阻抗），然后基于下游电容检测器926a所确定的电容，可以确定剩余目标物质的数目（N_out）（例如，通过鉴定单元940）。N_in和N_out 的差异从而可以获得被毯924a捕获的目标物质的数目。在一些实施方案中，所捕获目标物质的个别成员的确定表明样品中存在目标物质，如果N_in 和N_out之间差异超过预先确定的阈值。也可以使用其它类型的检测机制（例如，基于阻抗的检测机制），类似地确定流动的样品中的各种目标物质的数量和身份。

在一些实施方案中，可以使用类似（或甚至不同）配置的串联目标细胞检测器。例如，在图17所示的实施方案中，第一检测器920a后接连续的检测器920b，其毯区（即，捕获区域）可以被配置（由适当的官能化）来捕获，并且从而检测不同类型的目标物质。

因此，在一些实施方案中，本文所述的微流装置和系统使用的检测器可以各自包括一对间隔的电极，以测量微流通道内的电容（或阻抗），和鉴定单元，以基于所测量的电容确定至少一种目标物质的存在。鉴定单元可以配置为基于由于至少一种目标物质的存在所导致的所测量的微流通道中的电容的变化来确定至少一种目标物质的存在。在一些实施方案中，检测器可以配置为测量被目标细胞的存在所影响的其它性质，例如阻抗等。每个检测器可以进一步包括捕获区域，其包括配置为与多种目标物质之一相互作用的物质，捕获区域位于间隔的电极对的微流通道下游，另一对间隔的电极位于捕获区域的下游以测量微流通道中的电容（或阻抗）。

如所述，在一些实施方式中，鉴定单元配置为确定至少一种目标物质在间隔的电极对处的初始数，和确定至少一种目标物质在另一对间隔的电极处的末尾数，并且至少部分基于初始和末尾数之间的差异确定被捕获区域所捕获的至少一种目标物质的水平是否超出预先确定的阈值。

如进一步所述，在一些实施方案中，检测器包括串联的顺序设置的检测组，每个串联的顺序设置的检测组包括第一对间隔的电极以测量微流通道内的电容（或阻抗），捕获区域包括配置为与多种目标物质之一相互作用的物质，捕获区域位于第一对间隔的电极的下游。每个串联的顺序设置的检测组还包括位于捕获区域下游的第二对间隔的电极以测量微流通道内的电容（或阻抗），和鉴定单元以在每个检测组处确定至少一种目标物质在第一对间隔的电极处的初始数，和至少一种目标物质在第二对间隔的电极处的末尾数，并且至少部分基于初始和末尾数之间的差异确定被捕获区域所捕获的至少一种目标物质的水平是否超出预先确定的阈值。

参照图19，显示了检测样品中至少一种目标物质的示例程序1000的图。方法包括：1010在微流通道（例如图1A、4、5、13、14、和17中所示的一个）接受包含悬浮于生物相容的铁磁流体中的至少一种目标物质（例如，细胞、细菌、非有机体物质等）的样品，例如如本文所述那些。

接受样品后，1020至少一种电流被可控地施加（例如，使用控制器，例如基于处理器的控制器，手动控制等）到位置邻近微流通道的至少两个电极（或者甚至只是单一电极），以在含有样品的铁磁流体通道中产生可控的磁力，使所述至少一种目标物质导向检测器。电极可以是本文所述涉及例如图1-18的任何电极配置。在一些实施方案中，检测器可以是基于电容测量，或基于测量包含目标物质的样品的其它性质（例如，阻抗）的检测器。这种检测器可以在捕获区域（例如，用配置为与样品中存在的特定目标物质相互作用的特定抗体功能化的毯）的输入和输出阶段确定目标物质的数目（或量）。在输入和输出阶段测量的目标物质数目的差异可以表明被配置（例如，官能化）为捕获特定目标物质类型的捕获区域所捕获的目标物质成员（例如，单个有机体）的数目。因此，基于检测器对微流通道中样品进行的测量，样品中的至少一种目标物质被确定1030。

参照图20，显示通用计算系统1100的示意图，其可用于实施任何基于处理器的系统/设备，可用于结合本文所述的系统和设备，包括图1A的控制器160，图17的鉴定单元940等。该计算系统1100包括基于处理器的装置1110，例如个人计算机、专门的计算设备，等等，其典型地包括中央处理器单元1112。除了CPU1112，系统包括主存储器、高速缓冲存储器、总线接口电路（未显示）。基于处理器的装置1110包括大容量存储元件1114，例如与计算机系统相关联的硬盘驱动器。计算系统1100可以进一步包括键盘，或小键盘1116和显示器1120，例如，CRT（阴极射线管）或LCD（液晶显示器）显示器。

基于处理器的装置1110配置为有利于，例如，本文所述的控制和处理操作，例如，确定和/或控制施加到电极的至少一种可控的电流，以产生可控的磁场，基于所检测的性质（例如，电容、阻抗）来确定目标物质的数目/量，等。存储设备1114从而也可以包括计算机程序产品，当在基于处理器的装置1110上执行时导致基于处理器的装置进行操作，以利于实施本文所述的控制和/或处理操作。基于处理器的装置还可以包括能行使输入/输出功能的外围装置。这些外围装置可以包括，例如，CD-ROM驱动器和/或闪存驱动器，或网络连接，用于下载相关内容到所连接的系统。这些外围装置还可以用于下载包含计算机指令的软件，使各自的系统/设备能进行一般操作。可选地和/或另外地，在一些实施方案中，专门目的的逻辑电路，例如，FPGA（现场可编程门阵列）或ASIC（应用专用集成电路）可以用于系统1100的实施。与所述基于处理器的装置1110可以被一起包括的其它模块是扬声器、声卡、定点设备，例如鼠标或轨迹球，用户利用它们可以提供输入到计算系统1100。基于处理器的装置1110可以包括操作系统，例如：Windows XP? 微软公司的操作系统。可选地，可以使用其它操作系统。

此外，各种说明性逻辑块、模块、以及涉及本文所公开的实施方案中所描述的方法可以使用设计为执行本文所述功能的通用处理器、数字信号处理器（“DSP”）、或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件、或其任何组合来实施或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以被实施为计算装置的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP内核的结合、或者任何其它此类配置。

计算机程序（也称为程序、软件、软件应用或代码）包括用于可编程的处理器的机器指令，并且可以以高层次的程序和/或面向对象的编程语言，和/或以组装/机器语言实施。如本文所用，术语“机器可读介质”是指任何非临时性计算机程序产品、设备和/或装置（例如，磁盘，光盘，存储器，可编程逻辑器件（PLD）），用于向可编程的处理器提供机器指令和/或数据，包括非短暂性的机器可读介质，其接受为机器可读的信号的机器指令。

为了提供与用户的交互，本文所述主题可以在计算机上实施，所述计算机具有显示装置（例如，CRT（阴极射线管）或LCD（液晶显示器）显示器）用于显示信息给用户，以及键盘和定点设备（例如，鼠标或轨迹球），利用其用户可以提供输入到计算机。其他种类的装置也可用来提供与用户的交互，例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感官反馈（例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈）；并且用户的输入可以以任何形式被接收，包括声音、语音或触觉输入。

本文所述的主题的部分或全部可以在包括后端组件（例如作为数据服务器）、或者包括中间件组件（例如，应用程序服务器）、或者包括前端组件（例如具有图形用户界面或Web浏览器，通过其用户可以与本文所述主题的实施方案交互的客户端计算机），或这些后端、中间件、或前端组件任何组合的计算系统中实施。系统的组件可以通过任何形式或介质的数字数据通信（例如，通信网络）互连。通信网络的实例包括局域网（“LAN”）、广域网（“WAN”）、和互联网。

该计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般都远离对方，并且典型地通过通信网络互动。客户端和服务器之间的关系通常凭借运行在各自的计算机上，并彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序而产生。

各种说明性逻辑块、模块、电路和涉及上述图和本文公开的实施方案中所述的方法，经常可以实施为电子硬件、计算机软件、或两者的组合。

此外，涉及本文所公开的实施方案中所描述的方法/程序，可以直接体现在硬件，由处理器执行的软件模块，或两者的组合中。软件模块可驻留在RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或任何其它形式的存储介质，包括网络存储介质中。示例性的存储介质可以偶联到处理器，使得该处理器能够从其读取信息，以及将信息写入到存储介质中。在替代方案中，该存储介质可以集成到处理器。处理器和存储介质也可以驻留在ASIC中。

已经描述了本发明的一些实施方式。然而，其将被理解为，可以进行各种修饰而不偏离本发明的精神和范围。因此，其它实施方案在下列权利要求的范围内。

附件A——颗粒操作的计算

本文提供的是使本文所述铁磁微流体系统、装置和方法中观察的颗粒速度和临界频率能被求值的分析方法。为了简化计算，假定了完美地球形不可压缩的微粒、磁线性的铁磁流体，和独立于磁场强度和频率的滑动系数（见下文）。进一步假定球形颗粒的半径（R）相比由电极尺寸和间距确定的行波磁场(H ^→ )的波长是小的，使得R|

H ^→ | << | H ^→ |成立。根据这些假设，紧邻微粒的铁磁流体磁化——和颗粒的体积Vp内的有效的磁化强度M _eff  ——可以近似是均匀的。还近似的是，任何场值（但不是其梯度）在微粒的内延内是恒定的。

然后，在该偶极上的总瞬时力由下列方程给出

                    （方程A）

其中B _in 是球形微粒内的磁通密度，并且对颗粒内部体积积分（Zahn 等, 1995, J of Magnetism and Magnetic Materials 149:165-173）。根据这些假设，方程A的表面项，由于M和B的不连续性产生积分为0的压力项，被积函数的简单矢量扩大显示，此项与开尔文（Kelvin）力密度相同。因此，瞬时力表达式可以简化为

                    （方程B）。

为了获得最终的磁力的分析表达式，在微粒不存在的情况下根据外部磁场(H _ext )来表示M _eff  及B _in 是有帮助的，因为此场值可以从简单的模拟而容易地获得。铁磁流体内（具有复杂的，频率依赖性的磁导率μ _p =  μ ₀ (1 + χ _f )）具有磁导率μ _P （基本上是μ ₀ ）的颗粒的净磁化如下取决于H _ext

                    （方程C）。

确定颗粒内的磁通密度和磁场需要考虑其内部的退磁场。颗粒内的总场对于球体是H ^→ _in  =  H ^→ _ext  - H ^→ _dmag , with H ^→ _dmag  = M ^→ _eff  / 3。因此，在线性状态下，颗粒磁化可以写为 M ^→ _eff  = χ _eff H ^→ _in , 可以得到

                    （方程D）。

比较方程C和D表明在铁磁流体磁化率方面的有效颗粒磁化率：

                    （方程E）。

应当指出的是，有效的磁化率取决于铁磁流体，由于微粒响应磁力仅是因为其代替铁磁流体，并产生“磁孔”。在这方面，孔所在的磁介质确定了磁孔和所施加的场之间的相互作用的强度。方程E中的负号表明微粒的有效的磁化是在静态条件下局部铁磁流体磁化相反的方向。虽然对于χ _eff   ≈ χ _f ，对于χ _f  << 1, 磁孔的有效磁化率在强磁化介质中趋向 -1。实际上，对于微粒操作使用过于强烈的铁磁流体可能会适得其反。

颗粒上的瞬时磁力可以表示为

                    （方程F）。

这里, θ 是 M ^→ _eff 和H ^→ _in   之间的角度,由复合磁化率χ _eff 的角度给出。使用 

,我们获得

                    （方程G）。

在存在行场的情况下，局部磁场正弦变化，并且时间平均力仅是瞬时力最大值的一半：

                    （方程H）。

类似地，磁偶极子上的瞬时转矩由下列方程给出

                    （方程I）

(Zahn et al., 1995, J of Magnetism and Magnetic Materials 149:165-173)。在此，非磁性微粒的旋转可能会受到介于0和1之间的滑动系数 s 的影响的可能性已被允许。此滑动系数表示非磁性微粒在本文所述铁磁微流体系统和装置中经历的转矩与同样尺寸和有效磁化的孤立的颗粒将感受到的转矩的值的比。

对磁矩的其余详细的推导与磁力相同。取代磁通密度，获得

                    （方程J）。

由于

 ,获得

                    （方程K）。

时间平均转矩由下式给出

                    （方程L）。

对于给定的输入电流幅值，有限元分析程序(COMSOL)被用于计算 H _ext  ，使用铁磁微流体通道和下面电极的写实的二维截面。与微米尺度珠和细胞在静态铁磁流体内的运动相关的雷诺数（Reynolds' number）是非常小的。在此方案中，惯性的影响可以忽略不计，斯托克斯流体方程主导流体动力学。因此，粘滞曳力和磁力之间的平衡决定微粒动力学。因为斯托克斯流体方程是线性的，所有涉及的流体动力学系数可以被组合到电阻矩阵中：

                    （方程M）

(Happel J, Brenner 1-1 (1983) Low Reynolds Number Hydrodynamics with special applications to particulate media. (Martinus Nijhoff: Dordrecht))。此处, ν是微粒沿通道长度的线速度, ω是其角速度， η是铁磁流体粘度, R 是微球半径, 并且 f _i  是取决于颗粒半径和其与通道顶部之间距离 (h)的电阻因子。假设 h << < R, 这些电阻因子可以从标准润滑理论获得为

                    （方程N）

(Goldman et al., 1967, Chem Eng Sci 22:637-651)。通常，有可能通过Dedaguin, Landau, Verwey 和 Overbeek理论（DLVO理论）（Ise, 2007, Proc Jpn Acad B Phys. Mal Sci 83;192-198），使用微粒上和通道表面的表面电荷密度估计It，同时考虑到铁磁流体内的离子条件。有意思的是，将微粒推向通道顶部的垂直方向的力 (F _avg, y )是nN的量级，并且预期它们将接近接触通道壁。

方程M可以通过一个简单的矩阵逆求 ν和ω，

                    （方程O）

其中

                    （方程P）。

这里, G= f _l  f ₄  - f ₂ f ₃  已根据符号上的便利被定义。因此，由于磁力和转矩的颗粒线速度可以单独确定：

                    （方程Q和R）

净颗粒速度则由下式给出

                    （方程S）。

磁力和磁矩用颗粒体积（R ³ ）衡量；根据方程Q和R，清楚的是由于磁力的颗粒速度取决于R ² ，而由于磁矩的颗粒速度用R衡量。此观察结果表明，磁矩在更小的颗粒上的影响相对更为显著，并解释了为什么更小的微粒在它们的动态中显示更小的临界频率。

前述的理论方法很好地解释了滑动系数1和约1nm的h的实验结果（例如，图10A），证实了微粒的确被强烈地推向通道顶部的预期。滑动系数1表示微球在无滑动的条件下旋转。

附件B——磁偶极子上的力

通常，磁偶极子上的磁力可以使用开尔文力表达式发现，即

                    （方程T）。

此表达式大约相当于附录A中显示的方程A。关键的假设是，所施加的场不是太不均匀并且颗粒半径（R）足够小，使得R|

H ^→ | << | H ^→ |在任何方向。根据这一假设，紧接微粒周围的铁磁流体的磁化可以认为是均匀的。进一步近似的是，任何场值（但不是其梯度）在微粒的内延内是恒定的。

记住这些简化的假设，向量标识可以用于改写方程A的积分函数为如下：

                 （方程U）。

方程U右手边（RHS）的第一项涉及磁通密度的卷曲，可以扩大为

                    （方程V）。

方程A的积分体积内任何位置的磁场的卷曲是0，因为铁磁流体和塑料微粒是绝缘的并且不支持电流。因此，方程V的 RHS的第一项消失。微粒内部磁化的卷曲是0，但是在其表面，有效的磁化作为一个步骤变化。因此，对力密度的表面贡献应当通常被考虑。然而，由于紧接微粒周围的铁磁流体的磁化被假定为是恒定的，当在球体周围积分时，方程V的第二项也消失（由于对称）。同样的逻辑可以应用到方程U中的 B ^→  x (

 x M ^→ )  项：微球内部(

 x M ^→ )是0，并且在球表面周围B ^→  x (

 x M ^→ )积分为0，在紧邻微球处的磁通密度和铁磁流体磁化假定恒定。

基于同样的理由，方程U中的 (B ^→ · 

)M ^→ 项在微球内部将也是0，并且在其周围积分为0。则唯一涉及场向量的非零梯度的项是

                    （方程W）。

对非磁性微粒的体积积分有效。因此，在微粒内部B ^→ = μ ₀ H ^→  ，并且方程W变得与方程T相同。换句话说，根据上文强调的假设，方程A和T在本文所示的设置的情况下是等价的。

方程A可被用作力的表达式，而不是在方程T中，因为前者导致力，其方向是由梯度算子确定的，需要采取单一衍生工具沿着给定的空间方向以确定沿着这个方向的力。

还考虑的是方程A中表达式相关的表面梯度发生了什么。再一次，使用铁磁流体的磁化强度和磁通密度在微球内部和表面周围（但不是它们的衍生物）是恒定的这一假设，其可以确定为

                    （方程X）。

这里，场和磁化矢量在x-z平面上，由于铁磁微流通道的对称性。如前所述，对方程X中的表达仅在微粒内部进行了评价，以计算x方向的力。如果没有一般性的任何损失，微球的中心取为原点。M ^→  和 B ^→   在颗粒-铁磁流体边界是不连续的，因此它们的衍生物造成脉冲，当在微球表面积分时, M _x,out B _x,out – M _z,in B _z,in  对从在 x = √ (R ² – y ² – z ²)处的表面小片积分的每个贡献被在 x = -√ (R ² – y ² – z ²)处相对小片的负面贡献所抵消。结果表面积分是0。由于球体对称性，对F _z 中的项也是如此。因此，根据所述假设，在微粒内部对方程A求值获得其上的磁力。

Claims (55)

1. 分离悬浮在生物相容的铁磁流体中的多种目标物质的装置，所述装置包括：

微流通道，包括至少一个样品入口和至少一个出口，该微流通道具有在至少一个样品入口和至少一个出口之间延伸的通道长度，该微流通道配置为从至少一个样品入口接受基本上连续的样品流，该通道配置为使样品沿通道长度流向至少一个出口，所述样品包括多种目标物质和生物相容的铁磁流体；和

位置邻近微流通道的多个电极，多个电极配置为当电流施加到多个电极时沿微流通道的至少一部分通道长度产生磁场模式，磁场模式配置为当样品流沿微流通道的至少一部分行进时导致样品流中多种目标物质的至少两种被分离。

2. 权利要求1的装置，其进一步包含电源，所述电源配置为向多个电极可控地施加电流以可控地产生磁场模式。

3. 权利要求2的装置，其中所述电源配置为施加具有所选幅值、所选频率、和/或所选相位的一种或多种的电流，其中样品的至少两种目标物质的分离至少部分基于电流的所选幅值、所选频率、和所选相位的一种或多种。

4. 权利要求1的装置，其中所述多个电极配置为产生可控的磁力分量和可控的磁矩分量。

5. 权利要求1的装置，其中所述多个电极配置为导致至少两种目标物质在与微流通道中基本上连续的样品流的方向基本上垂直的方向上分离。

6. 权利要求1的装置，其进一步包括流产生单元，该流产生单元配置为产生基本上连续的流，所述流产生单元包括下列的至少一种：压力泵、注射器泵、蠕动泵、真空装置、能通过重力流动的结构，和产生毛细管力的装置。

7. 权利要求1的装置，其中所述样品包含基于细胞的物质。

8. 权利要求1的装置，其中所述生物相容的铁磁流体包含适量的离子物质以控制细胞上的渗透压来促进细胞的持续性。

9. 权利要求8的装置，其中所述生物相容的铁磁流体包含约5-200mM的柠檬酸盐浓度。

10. 权利要求9的装置，其中所述生物相容的铁磁流体包含约40mM的柠檬酸盐浓度。

11. 权利要求9的装置，其中所述生物相容的铁磁流体包含约150mM的设计的离子强度，以使生物相容的铁磁流体是等渗的并且适合维持活的真核细胞。

12. 权利要求1的装置，其中所述生物相容的铁磁流体具有约7.4的pH。

13. 权利要求1的装置，其中所述至少两种目标物质基于目标尺寸被分离。

14. 权利要求1的装置，其中所述至少两种目标物质基于目标形状被分离。

15. 权利要求1的装置，其中所述至少两种目标物质基于目标弹性被分离。

16. 权利要求1的装置，其中所述至少两种目标物质基于目标形态被分离。

17. 权利要求1的装置，其中所述至少两种目标物质基于电极间距、所施加电流的频率，和所施加电流的相位的一种或多种被捕获。

18. 分离多种目标物质的方法，所述方法包括：

在微流通道的入口接受基本上连续的包含多种悬浮在生物相容的铁磁流体中的目标物质的样品流；

使样品沿微流通道经过；和

向位置邻近通道的多个电极施加至少一种可控的电流，所述电流配置为沿微流通道的至少一部分通道长度可控地产生磁场模式，以导致样品中多种目标物质的至少两种被分离。

19. 集中悬浮在生物相容的铁磁流体中的至少一种目标物质的装置，所述装置包括：

微流通道，所述微流通道配置为接受包含至少一种目标物质和生物相容的铁磁流体的样品，接受的样品中的至少一种目标物质基本浓缩在具有相关的输入宽度的输入流中；和

位置邻近微流通道的至少两个电极，所述至少两个电极配置为当可控的电流被施加到所述至少两个电极时，在含有铁磁流体的样品中产生可控的磁力，所产生的可控磁力导致至少一种目标物质被集中在所获得的宽度窄于输入流相关的输入宽度的流中。

20. 权利要求19的装置，其中至少部分根据至少两个电极的物理属性，所述位置邻近微流通道的至少两个电极配置为传导可控地提供的电流和产生可控的磁力。

21. 权利要求20的装置，其中所述至少两个电极包括具有下列的至少一种的结构：至少两个电极的一个或多个的基本上直的形状、至少两个电极的一个或多个的基本上波浪形的形状、至少两个电极的基本上平行的布置，和至少两个电极基本上锥形的定位，其中所述至少两个电极逐渐互相接近。

22. 权利要求20的装置，其中所述至少两个电极配置为导致至少一种目标物质流入位于上方和至少两个电极之间的微流通道中的空间。

23. 权利要求19的装置，其中所述至少两个电极配置为产生反向行波场的至少两个磁波，以导致至少一种目标物质集中到至少两个产生的磁波之间边界中心附近。

24. 权利要求23的装置，其中所述至少两个电极包括多个基本上平行布置的电极。

25. 权利要求19的装置，其中所述至少两个电极包括电极的阵列，其中至少一些第一电极阵列相对相邻的电极基本上成锥形定位布置，以使第一电极配置为逐渐接近相邻电极，电极阵列配置为产生磁力，以导致产生的至少一种目标物质的流在上方和相邻电极对之间形成。

26. 权利要求19的装置，其中所述至少两个电极配置为当具有相关相位的可控的电流施加到至少两个电极时，在样品中产生可控的磁力，其中至少一种电流的相关相位与另一电流的相关相位不同。

27. 权利要求19的装置，其中所述至少一种目标物质包括至少两种目标物质，并且其中所述多个电极进一步配置为导致所获得的集中流中多种目标物质的至少两种被分离。

28. 权利要求19的装置，其中所述至少两个电极间的间距逐渐增加。

29. 权利要求19的装置，其中所述至少两个电极间的间距逐渐减少。

30. 权利要求19的装置，其中所述至少两个电极布置在至少一个电极层中。

31. 权利要求30的装置，其中所述至少两个电极布置在多个电极层中。

32. 权利要求19的装置，其中微流通道长度以约0-90度的角度经过邻近的至少两个电极的至少一部分。

33. 权利要求19的装置，其中所述至少一种目标物质包括基于细胞的目标物质。

34. 集中微流通道中至少一种目标物质的方法，所述方法包括：

接受包含悬浮在生物相容的铁磁流体中的至少一种目标物质的样品，接受的样品中的至少一种目标物质基本浓缩在具有相关的输入宽度的输入流中；和

向位置邻近微流体的至少两个电极可控地施加至少一种电流，以在包含样品的微流通道中产生可控的磁力，

其中磁力导致至少一种目标物质集中到宽度窄于输入流相关的输入宽度的所产生的流中。

35. 检测样品中至少一种目标物质的装置，所述装置包括：

微流通道，其配置为接受包含至少一种目标物质和其中悬浮至少一种目标物质的生物相容的铁磁流体的样品；

确定样品中至少一种目标物质的检测器；和

位置邻近微流通道的至少两个电极，所述至少两个电极配置为当可控的至少一种电流施加到至少两个电极时，在包含铁磁流体的样品中产生可控的磁力，所产生的可控的磁力导致至少一种目标物质导向检测器。

36. 权利要求35的装置，其中至少部分根据至少两个电极的物理属性，所述位置邻近微流通道的至少两个电极配置为传导可控地提供的至少一种电流和产生可控的磁力。

37. 权利要求36的装置，其中所述至少两个电极的物理属性包括至少两个电极的电极结构，根据该属性产生可控的磁力，所述至少两个电极的结构包括下列的一种或多种：至少两个电极的一个或多个的基本上直的形状、至少两个电极的一个或多个的基本上波浪形的形状、至少两个电极的基本上平行的布置，和至少两个电极基本上锥形的定位，其中所述至少两个电极逐渐互相接近。

38. 权利要求35的装置，其中所述至少两个电极包括电极阵列，阵列的至少一些第一电极布置为相对相邻电极成锥形的定位，使得所述第一电极配置为逐渐接近相邻电极。

39. 权利要求35的装置，其中所述至少两个电极配置为当具有相关相位的可控的电流施加到至少两个电极时，在含铁磁流体的样品中产生可控的磁力，至少一种电流的相关相位与另一电流的相关相位不同。

40. 权利要求35的装置，其中所述样品包括多种目标物质，并且其中装置进一步包括：

电极组，配置为当可控的电流施加到该电极组时，沿微流通道长度的至少一部分产生可控的磁场模式，导致样品中多种目标物质的至少两种被分离。

41. 权利要求35的装置，其中微流通道配置为接受来自外部样品来源的样品流。

42. 权利要求35的装置，其中所述至少两个电极间的间距逐渐增加。

43. 权利要求35的装置，其中所述至少两个电极间的间距逐渐减少。

44. 权利要求35的装置，其中所述至少两个电极布置在至少一个电极层中。

45. 权利要求35的装置，其中微流通道的长度以约0-90度的角度横穿至少两个电极的至少一部分。

46. 权利要求35的装置，其中所述至少一种目标物质包括基于细胞的目标物质。

47. 权利要求35的装置，其中所述检测器包括：

间隔的电极对，以测量微流通道内的电容；和

鉴定单元以基于所测量的电容确定至少一种目标物质的存在。

48. 权利要求47的装置，其中所述配置为确定至少一种目标物质存在的鉴定单元配置为基于由于至少一种目标物质的存在所导致的所测量的微流通道中的电容的变化确定至少一种目标物质的存在。

49. 权利要求47的装置，其中所述检测器进一步包括：

捕获区域，其包括配置为与多种目标物质之一相互作用的物质，所述捕获区域位于间隔的电极对的微流通道下游；和

另一对位于捕获区域下游的间隔的电极，以测量微流通道内的电容；

其中所述鉴定单元配置为基于在间隔的电极对处测量的电容确定至少一种目标物质在间隔的电极对处的初始数，和基于在另一对间隔的电极处测量的电容确定至少一种目标物质的末尾数，并且至少部分基于初始和末尾数之间的差异确定被捕获区域所捕获的至少一种目标物质的水平是否超出预先确定的阈值。

50. 权利要求35的装置，其中所述检测器包括：

串联的顺序设置的检测组，每个串联的顺序设置的检测组包括：

     第一对间隔的电极，以测量微流通道内的电容，

     捕获区域，其包括配置为与多种目标物质之一相互作用的物质，所述捕获区域位于第一对间隔的电极的下游，和

     第二对位于捕获区域下游的间隔的电极，以测量微流通道内的电容；和

鉴定单元，以在每个检测组处基于在第一对间隔的电极处测量的电容确定至少一种目标物质在第一对间隔的电极处的初始数，和基于在第二对间隔的电极处测量的电容确定至少一种目标物质在第二对间隔的电极处的末尾数，并且至少部分基于初始和末尾数之间的差异确定被捕获区域所捕获的至少一种目标物质的水平是否超出预先确定的阈值。

51. 权利要求35的装置，其中所述检测器包括：

间隔的电极对，以测量微流通道内的阻抗；和

鉴定单元以基于所测量的阻抗确定至少一种目标物质的存在。

52. 权利要求51的装置，其中所述配置为确定至少一种目标物质存在的鉴定单元配置为基于由于至少一种目标物质的存在所导致的所测量的微流通道中的阻抗的变化确定至少一种目标物质的存在。

53. 权利要求51的装置，其中所述检测器进一步包括：

捕获区域，其包括配置为与多种目标物质之一相互作用的物质，所述捕获区域位于间隔的电极对的微流通道下游；和

另一对位于捕获区域下游的间隔的电极，以测量微流通道内的阻抗；

其中所述鉴定单元配置为基于在间隔的电极对处测量的阻抗确定至少一种目标物质在间隔的电极对处的初始数，和基于在另一对间隔的电极处测量的阻抗确定至少一种目标物质在另一对间隔的电极处的末尾数，并且至少部分基于初始和末尾数之间的差异确定被捕获区域所捕获的至少一种目标物质的水平是否超出预先确定的阈值。

54. 权利要求35的装置，其中所述检测器包括：

串联的顺序设置的检测组，每个串联的顺序设置的检测组包括：

     第一对间隔的电极，以测量微流通道内的阻抗，

     捕获区域，其包括配置为与多种目标物质之一相互作用的物质，所述捕获区域位于第一对间隔的电极的下游，和

     第二对位于捕获区域下游的间隔的电极，以测量微流通道内的阻抗；和

鉴定单元，以在每个检测组处基于在第一对间隔的电极处测量的阻抗确定至少一种目标物质在第一对间隔的电极处的初始数，和基于在第二对间隔的电极处测量的阻抗确定至少一种目标物质在第二对间隔的电极处的末尾数，并且至少部分基于初始和末尾数之间的差异确定被捕获区域所捕获的至少一种目标物质的水平是否超出预先确定的阈值。

55. 检测样品中至少一种目标物质的方法，所述方法包括：

在微流通道接受包含悬浮在生物相容的铁磁流体中的至少一种目标物质的样品；

向位置邻近微流通道的至少两个电极可控地施加至少一种电流，以在包含样品的铁磁流体通道中产生可控的磁力，以导致至少一种目标物质被导向检测器；和

基于检测器对微流通道中的样品进行的测量确定样品中的至少一种目标物质。

Images