CN104321126A - 连续的整体芯片三维dep细胞分选器及相关制造方法 - Google Patents

Abstract

一种三维PDMS细胞分选器，该三维PDMS细胞分选器具有在PDMS层中的多个通路，所述多个通路在DEP分离区域中遵循相同路径并在该区域中彼此流体连通。各通路在横向于通路内流动方向的宽度上可以不同。在PDMS层之间可以夹有平坦板。每个板可具有平坦电极，该平坦电极用于在通路内流动的样品流体内产生DEP场。该DEP场可将目标细胞或颗粒集中在DEP分离区域内的通路之一内。各通路可以在DEP分离区域之后岔开，留下具有高度集中的目标细胞或颗粒的一个通路。还提供了这种结构以及其它微流控结构的制造技术。

Description

连续的整体芯片三维DEP细胞分选器及相关制造方法

相关申请交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2012年3月27日提交的题为“CONTINUOUSWHOLE-CHIP 3-DIMENSIONAL DEP CELL SORTER AND ITS FABRICATION”的美国临时专利申请第61/616,385号和2013年3月15日提交的题为“CONTINUOUS WHOLE-CHIP3-DIMENSIONAL DEP CELL SORTER AND RELATED FABRICATION METHOD”的美国临时专利申请第61/799,451号的权益，两者的全部内容以引用的方式纳入本文。

政府许可权

本发明在由自然科学基金授予的批准号为第0901154号的美国政府支持下进行。美国政府在该发明中享有一定权利。

背景技术

微流控装置对不同流体夹带样品进行小规模的流体操控具有一个成本-效益机制。例如，一些微流控装置可用来对流体样品中所含有的细胞进行输送、分选和分析。

多层软光刻(MSL)是迄今为止使用最广泛的用于制造微流控装置的方法。已有多种装置用来提供通用的微流控功能，包括液体输送、混合和计量，这些装置从简单的单层聚二甲基硅氧烷(PDMS)通道，到具有气动控制泵和阀的多层结构。已有以微流控多路复用器的形式实现了微流控大规模集成(MLSI)，例如芯片实验室装置，从而对用于进行复杂的多步骤生化分析的数以千计的阀门和数百个腔室进行单独寻址。到目前为止，大部分的多层PDMS装置被证明是不是真正的三维微流控装置。虽然多层二维微流控网络可堆叠，但是由于难以高产率地制造用于不同层流体性连接的高精度穿层孔，因此通常不存在层间流体的连通。如果没有穿层孔，则对于大型三维微流控网络而言，液体的输送和界面交互就成了复杂的问题。

微流控装置可提供的一个功能是细胞或颗粒分选。例如，流体样品可具有夹带在其中的各种不同类型的细胞或颗粒，且其可能需要将特定类型的细胞或颗粒从总体样品分离或集中。介电电泳(DEP)是用来分选细胞或颗粒的最常用的机制。DEP是指由于颗粒的感应电偶极与所施加的电场之间的相互作用而引起的沿电场梯度的感应颗粒运动。作用于悬浮在介质中的球形颗粒、FDEP的DEP力可表示为：

${\stackrel{\→}{F}}_{\mathrm{DEP}}=2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_1\mathrm{Re}\left[K\left(\mathrm{\ω}\right)\right]r^3\▿E^2$

其中，r是颗粒半径，K是克劳修斯-莫索蒂(Clausius–Mossotti)因子，E是电场强度，ω是外加磁场的角频率，和ε₁是介质的介电常数。由于所得到的力取决于电场强度梯度颗粒可以被吸向场内的任何不均质物质，例如由微图案化模板上的金属斑块所产生的。球形粒子的信号(sign)和有效极化率可以表示为：

$\begin{array}{ccc}\mathrm{Re}\left[K\right]=\frac{{{\mathrm{\ϵ}}_2}^{*}-{{\mathrm{\ϵ}}_1}^{*}}{{{\mathrm{\ϵ}}_2}^{*}+2{{\mathrm{\ϵ}}_1}^{*}}& {{\mathrm{\ϵ}}_1}^{*}={\mathrm{\ϵ}}_1+\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{\mathrm{j\ω}}& {{\mathrm{\ϵ}}_2}^{*}={\mathrm{\ϵ}}_2+\frac{{\mathrm{\σ}}_2}{\mathrm{j\ω}}\end{array}$

其中，σ₁是介质的导电率，而ε₂和σ₂是颗粒的介电常数和导电率。如果Re[K]是正的，颗粒朝向强电场区域移动；相反，如果Re[K]是负的，颗粒则运动至低电场区域。

因此，经受非均匀电场的细胞或颗粒经历由DEP效应引起的力。该力的大小取决于各种因素，包括细胞或颗粒的电介质信号(dielectric signature)以及电场的频率。根据所使用的DEP场和该场内个体细胞或颗粒的特性，细胞或颗粒可以经历正DEP(经历沿增加强度方向推细胞或颗粒的力)或负DEP(经历沿与增加强度方向相反的方向推细胞或颗粒的力)。很多情形中，基于细胞或颗粒的特性、用于输送这些细胞或颗粒的常用介质、以及微流控系统的电特性，由DEP引起的细胞或颗粒运动实际上约限于100μm/s。

通过对感兴趣的细胞或颗粒用分子(例如标记或未标记的抗体)、或用某些感兴趣的细胞或颗粒的特异性小珠进行标签，可以改变或增强细胞或颗粒的DEP反应。如此，以允许使用DEP来更容易地分离靶细胞或颗粒。虽然这种加标签可以增强DEP技术，但这在很多情况下并非必要。

图1显示了二维DEP细胞分选器100的一个例子。图1仅显示出细胞分选器100的PDMS层的部分俯视图；在实际中，PDMS层夹在两个板之间，例如玻璃板(图中未示出)。PDMS层可包括样品通道102和缓冲通道104，这两个通道平行于彼此延伸并通过薄壁116彼此分开。流体样品和缓冲剂可以经由其对应的通道从左向右(相对于图1的定向)流入分选器。薄壁116可以具有开口118，开口118使样品通道102与缓冲剂通道104之间的流体连通。图案化电极106可以以一定角度延伸并穿过样品通道102；所述图案化电极106可以在两个板上各自形成图案。当使用交流电流来在电极之间产生电压时，在图案化电极106之间的样品通道102流过的样品流体内就会产生电磁场。根据电磁场的频率，一些细胞，例如“方形”细胞110，可以被抽向最大磁场强度，而“圆形”细胞108则可被排斥或不受影响。当在样品通道102和缓冲剂通道104中流体流动从左向右(相对于图1的定向)行进时，电磁场的角度特性(由于图案化电极106的角度)可以导致方形细胞110被抽向缓冲剂通道104。在开口118端部之后，已经朝向缓冲剂通道104分流的方形细胞110可以流入收集通道112，而圆形细胞可以流入废物通道114。

图2显示了二维DEP细胞分选器200的另一个例子。该情形中，细胞分选器200包括将缓冲剂通道104括在一起的两个样品通道202。流体样品可以经由样品通道202流入细胞分选器200，而中性缓冲剂可以经由缓冲剂通道204流入细胞分选器200。该缓冲剂/样品的组合流体流过分选区域，该分选区包含多个图案化电极206。当图案化电极206以特定频率通电时，所得到的电磁场可以使方形细胞210朝向细胞分选器200的中心转移，而圆形细胞208可以朝向细胞分选器200的外边缘转移或停留在细胞分选器200的外边缘。然后，集中在中心的方形细胞210可以流入收集通道212，而圆形细胞208可以流入废物通道214。

二维细胞分选器通常具有最大流速，超过该最大流速时，细胞分选的功能丧失或显著弱化。由DEP产生的力以及由此DEP使细胞移动穿过流体流并使其流入收集通道位置的速率，受到了电极的大小和形状以及其它系统特性的限制。如果流体流动速率足够快，使得在由DEP效应产生的力可重新定位细胞并流入收集通道之前，细胞就流过了所述图案化电极，则细胞将不能被有效地分选。这限制了二维细胞分选器的最大流量，且因此限制了二维细胞分选器的最大处理能力。这种二维DEP细胞分选器由此通常限于约1毫米/秒的最大流率，这又限制了这种细胞分选器的处理能力。

发明内容

附图和下面的描述共同阐述了本说明书中描述的主题的一种或多种实施方式的细节。通过说明书、附图和权利要求书，其它特征、方面和优点将变得明显。应注意，除非特别指出是按比例绘制的附图，以下附图的相对尺寸可能不按比例绘制。

各方面中，本文所考虑的发明可包括但不限于下面任何一个或多个实施例：

实施例1：一种三维介电电泳(DEP)分选装置，该装置包括：第一电极；第二电极；电绝缘层，所述电绝缘层夹在所述第一电极与所述第二电极之间，其中：所述电绝缘层包括分离通路，所述分离通路的壁部分地由所述第一电极和所述第二电极界定，所述电绝缘层包括收集通路，所述收集通路在横截面厚度上小于所述分离通路并位于所述第一电极与所述第二电极之间的电极间位置，所述分离通路形状做成产生电磁场，所述电磁场导致介电电泳作用将响应的细胞或颗粒抽至所述第一电极与所述第二电极之间的位置，该位置实质上与所述收集通路的电极间位置相对应，以及所述收集通路和所述分离通路构造成使得被抽至所述分离通路中的在所述第一电极与所述第二电极之间的电极间位置的细胞或颗粒随后流入所述收集通路。

实施例2：一种三维介电电泳(DEP)分选装置，该装置包括：第一电极；第二电极；电绝缘层，所述电绝缘层夹在所述第一电极与所述第二电极之间，其中：所述电绝缘层包括：流体流动通路，所述流体流动通路具有部分地由所述第一电极和所述第二电极限定的横截面；第一侧通路，所述第一侧通路平行于所述装置的DEP分离区域内的流体流动通路并通过第一可变形薄壁与所述流体流动通路分隔；第二侧通路，所述第二侧通路平行于所述DEP分离区域内的流体流动通路并通过第二可变形薄壁与所述流体流动通路分隔，其中：所述第一侧通路和所述第二侧通路与所述流体流动通路之间密闭，以及对所述第一侧通路和所述第二侧通路施加的加压气体或流体使得所述第一可变形薄壁和所述第二可变形薄壁膨入所述流体流动通路。

实施例3：根据实施例2所述的三维DEP分选装置，其中对所述第一侧通路和所述第二侧通路抽真空使得所述第一可变形薄壁和所述第二可变形薄壁膨入侧通路。

实施例4：根据实施例2或实施例3所述的三维DEP分选装置，其中所述侧通路填充有液体或凝胶。

实施例5：根据实施例4所述的三维DEP分选装置，其中所述液体或凝胶在加压之后固化成固体形式，由此使得所述可变形薄壁膨入流体流动通路，或者进行抽真空，由此使得该可变形薄壁膨入侧通路。

实施例6：一种三维介电电泳(DEP)分选装置，该装置包括：第一电极层；第二电极层；电绝缘层，所述电绝缘层介于所述第一电极层与所述第二电极层之间并具有第一子层和第二子层；位于所述第一子层中的第一通路；以及位于所述第二子层中的第二通路；其中：所述第一电极层、所述第二电极层以及所述电绝缘层形成基本平坦的组件，所述第一电极层在所述第一子层的与第二层相反的侧上，所述第二电极层在所述第二子层的与第一层相反的侧上，所述第一通路和所述第二通路遵循所述电绝缘层的DEP分离区域内的共同路径并在所述DEP分离区域内彼此直接进行流体连通，所述第一通路和所述第二通路各自具有不同的垂直于所述共同路径并垂直于标准基本平坦组件的横截面宽度，以及在后DEP分离区域中，所述第一通路从所述第二通路岔开，所述后DEP分离区域位于所述DEP分离区域的下游。

实施例7：根据实施例6所述的三维DEP分选装置，进一步包括：所述电绝缘层的第三子层；位于所述第三子层中的第三通路；其中：所述第二子层介于所述第一子层与所述第三子层之间，所述第三子层介于所述第二子层与所述第二电极层之间，所述第三通路遵循在所述DEP分离区域内的所述共同路径并与所述DEP分离区域内的第二通路直接流体连通，所述第三通路具有垂直于所述共同路径并垂直于所述标准基本平坦组件的横截面宽度，该横截面宽度不同于所述第二通路的横截面宽度，以及在所述后DEP分离区域中，所述第三通路从所述第二通路岔开。

实施例8：根据实施例7所述的三维DEP分选装置，其中所述第二通路的横截面宽度小于所述第一通路和所述第三通路的横截面宽度。

实施例9：根据实施例7所述的三维DEP分选装置，其中所述第二通路的横截面宽度大于所述第一通路和所述第三通路的横截面宽度。

实施例10：根据实施例7至9任一个所述的三维DEP分选装置，其中：所述第一通路、所述第二通路以及所述第三通路沿垂直于所述共同路径并平行于所述基本平坦组件的方向上大致位于彼此的正中心。

实施例11：根据实施例6所述的三维DEP分选装置，进一步包括：一个或多个附加的通路，每个位于附加的子层中，其中：所述一个或多个附加的通路包括第三通路，所述一个或多个附加的通路遵循所述电绝缘层的DEP分离区域内的共同路径并在所述DEP分离区域内彼此直接流体连通且与所述第一通路和所述第二通路流体连通，所述一个或多个附加的通路每个具有垂直于所述共同路径并垂直于所述标准的大致平坦组件的横截面宽度，每个特定的附加通路的横截面宽度不同于与该特定的附加通路相邻的每个附加通路的横截面宽度，以及所述一个或多个附加通路中的至少一个在后DEP分离区域中从所述第二通路岔开。

实施例12：根据实施例6至11任一个所述的三维DEP分选装置，其中：所述第一电极层和所述第二电极层包括在所述DEP分离区域中的图案化电极。

实施例13：根据实施例6至11任一个所述的三维DEP分选装置，其中：所述第一电极层和所述第二电极层是基本平坦的板，所述基本平坦的板具有面向所述电绝缘层的导电表面。

实施例14：根据实施例13所述的三维DEP分选装置，其中所述导电表面基本上延伸穿过所有的电绝缘层。

实施例15：根据实施例13所述的三维DEP分选装置，其中所述导电表面在由所述DEP分离区域和所述第一通路的侧壁界定的区域中或者由所述DEP分离区域和所述第二通路的侧壁界定的区域中是大致均匀的。

实施例16：根据实施例13至15任一个所述的三维DEP分选装置，其中：一个或两个所述导电表面涂覆有厚度小于2微米的非导电涂层。

实施例17：根据实施例6至16任一个所述的三维DEP分选装置，其中：所述电绝缘层是聚二甲基硅氧烷(PDMS)结构。

实施例18：根据实施例6至17任一个所述的三维DEP分选装置，其中：所述电绝缘层是通过将多层单独的PDMS层结合在一起而形成的聚二甲基硅氧烷(PDMS)结构。

实施例19：根据实施例18所述的三维DEP分选装置，其中所述第一子层由一层或多层单独的PDMS层形成，以及所述第二子层由一层或多层单独的PDMS层形成。

实施例20：根据实施例18所述的三维DEP分选装置，其中所述电绝缘层是包括不同材料组合的复合结构。

实施例21：根据实施例20所述的三维DEP分选装置，其中所述电绝缘层是包括悬浮在PDMS中的非PDMS材料的复合结构。

实施例22：根据实施例6至21任一个所述的三维DEP分选装置，其中：所述第一子层的厚度约为1微米至约100微米，而所述第二子层的厚度约为10微米至100微米。

实施例23：根据实施例6至22任一个所述的三维DEP分选装置，其中：所述第一子层的厚度约为100微米至约500微米，而所述第二子层的厚度约为100微米至500微米。

实施例24：根据实施例6至22任一个所述的三维DEP分选装置，其中：所述第一通路的横截面宽度至少为1微米，而所述第二通路和所述第二通路的横截面宽度至少为2微米。

实施例25：根据实施例6至22任一个所述的三维DEP分选装置，其中：所述第一通路的横截面宽度小于1微米，而所述第二通路的横截面宽度小于2微米。

实施例26：根据实施例7至24任一个所述的三维DEP分选装置，其中：所述第一通路和所述第三通路具有不同的横截面宽度。

实施例27：根据实施例7至26任一个所述的三维DEP分选装置，其中：所述第一通路、所述第二通路以及所述第三通路的总体横截面在所述DEP分离区域内大致呈岔路“H”形状，由此当在所述第一电极层与所述第二电极层之间施加交流电压时，夹带在流体中的具有正DEP的颗粒或者细胞收集在分选通路中。

实施例28：根据实施例6至26任一个所述的三维DEP分选装置，其中：所述第一通路、所述第二通路以及所述第三通路的总体横截面在所述DEP分离区域内大致呈岔路“+”形状，由此当在所述第一电极层与所述第二电极层之间施加交流电压时，夹带在流体中的具有负DEP的颗粒或者细胞收集在分选通路中。

实施例29：根据实施例6至27任一个所述的三维DEP分选装置，其中：施加穿过所述第一电极和所述第二电极的交流(AC)电压导致非均匀电磁场形成在流过所述DEP分离区域内的所述第一通路和所述第二通路的流体内，其中该非均匀电磁场的强度偏向所述第一通路或者所述第二通路之一。

实施例30：根据实施例6至29任一个所述的三维DEP分选装置，其中：所述三维DEP分选装置被纳入手持设备。

实施例31：根据实施例6至30任一个所述的三维DEP分选装置，其中：所述三维DEP分选装置联接至手动泵送装置，所述手动泵送装置配置成将流体样品驱动穿过所述分选装置的所述第一通路和所述第二通路。

实施例32：一种多层聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控结构的制造方法，所述方法包括：a)将第一未固化PDMS凝胶沉积到阳模上；b)在所述阳模与冲模之间压缩所述第一未固化PDMS凝胶，所述冲模具有板和PDMS薄层，该板的模量实质上大于PDMS的模量，该PDMS薄层在该板的面向所述阳模的一侧上；c)将所述第一未固化PDMS凝胶固化为PDMS层；d)从所述阳模释放所述PDMS层，所述PDMS层具有模具界面表面，所述模具界面表面在释放之前与所述阳模匹配；e)将所述PDMS层转移至接收面；f)将所述PDMS层的模具界面表面的各部分结合至所述接收面；以及g)从PDMS冲模释放所述PDMS层。

实施例33：根据实施例32所述的方法，进一步包括：对于其它的PDMS层重复步骤a)至g)。

实施例34：根据实施例32至33中任一个所述的方法，其中，所述PDMS薄层厚度小于500微米。

实施例35：根据实施例32至34中任一个所述的方法，其中，所述PDMS薄层厚度在10微米与30微米之间。

实施例36：根据实施例32至35中任一个所述的方法，进一步包括：用第二未固化PDMS凝胶对所述板进行旋涂，以形成所述PDMS薄层；以及固化所述第二未固化PDMS凝胶。

实施例37：根据实施例36所述的方法，其中，所述第二未固化PDMS凝胶添加有铂-二乙烯四甲基二硅氧烷(C₈H₁₈OPtSi₂)。

实施例38：根据实施例36或37所述的方法，其中，除了用于PDMS凝胶的标准固化剂之外，所述第二未固化PDMS凝胶添加有铂-二乙烯四甲基二硅氧烷(C₈H₁₈OPtSi₂)。

实施例39：根据实施例37所述的方法，其中，所述铂-二乙烯四甲基二硅氧烷是标准PDMS固化剂的一部分。

实施例40：根据实施例37至39中任一个所述的方法，其中，所述铂-二乙烯四甲基二硅氧烷添加量在16-20微升/10克PDMS基和1克PDMS固化剂。

实施例41：根据实施例37至40中任一个所述的方法，其中，所述PDMS薄层用CYTOP表面处理来处理。

实施例42：一种形成混合式聚二甲基硅氧烷(PDMS)冲模的方法，所述方法包括：通过将铂催化剂和固化剂添加至PDMS基来制备PDMS基，其中当固化时，所述PDMS基具有固化的PDMS刚度；利用PDMS基对具有比PDMS固化刚度实质上更高刚度的板进行旋涂；以及将PDMS基、固化剂和铂催化剂固化入软的PDMS层。

实施例43：根据实施例42所述的方法，其中，所述铂催化剂是铂-二乙烯四甲基二硅氧烷(C₈H₁₈OPtSi₂)。

实施例44：根据实施例43所述的方法，其中，所述铂-二乙烯四甲基二硅氧烷是固化剂的一部分。

实施例45：根据实施例43所述的方法，其中，所述铂-二乙烯四甲基二硅氧烷是由与固化剂不同的单独来源加入。

实施例46：根据实施例43至45中任一个所述的方法，其中，所述铂-二乙烯四甲基二硅氧烷添加量在16-20微升/10克PDMS基和1克PDMS固化剂。

实施例47：根据实施例42至46中任一个所述的方法，其中，所述PDMS薄层用CYTOP表面处理来处理。

下面更详细地解释各实施例的这些和其它方面。如从下面的解释变得明显的，这些实施例是说明性而不是限制性的。根据本文的教导，对于本领域的技术人员，可进行多种变化和改型。

附图说明

图1示出二维DEP细胞分选器的一个示例。

图2示出二维DEP细胞分选器的另一个示例。

图3A示出三维DEP细胞分选器的一部分的立体图。

图3A′是图3A的细胞分选器的各种通路的可视横截面的细节图。

图3B是图3A的隐藏线版本，其示出图3A中看不到的内部特征。

图3C和3D示出图3A的细胞分选器的反面立体图。

图4A至4C示出三维细胞分选器的一示例在DEP分离区域中的横截面。

图4D示出图4A至4C的三维细胞分选器后DEP分离区域的横截面。

图4E示出三维DEP细胞分选器中模拟电磁场强度的剖视图。

图5A至5C示出具有动态变化通路横截面的微流控细胞分选器结构的剖视图。

图6A示出通过显微镜捕获的三维DEP细胞分选结构的图像。

图6B-6D示出通过显微镜捕获的图像，这些图像是图6A的三维DEP细胞分选结构的DEP分选区域的图像。

图7A至7ZB经由简化的剖视图示出生产多层PDMS结构的制造技术的各个阶段。

图8示出总结PDMS层制造技术的流程图。

图9示出使用两种不同的制造工艺来形成模制微流控特征和边缘棱脊(或没有边缘棱脊)的两个示例。

具体实施方式

附图和以下进一步描述将说明各种实施方式的示例。应当理解的是，本文的讨论并非旨在将权利要求限制于所描述的特定实施方式。相反，其旨在覆盖各种替代方式、修改和等同物，这些替代方式、修改和等同物被包含在由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内。下面的描述中，阐述了多个具体实施方式以提供对本发明的完全理解。可在缺省本发明部分或所有这些特定实施方式情况下实施本发明。其它情形中，不对众所周知的工艺操作进行详细描述，从而避免不必要地使得本发明不明显。

应当理解的是，虽然下面的讨论可能主要聚焦于诸如用于分选例如细胞、微生物等的生物材料的细胞分选器的各结构或装置，这种结构可用来对可响应于DEP分选技术的任何颗粒或目标进行分选。因此，本文所讨论的观点和结构不仅仅限于细胞分选应用，而是同样可应用于各种其它分选应用，例如DNA、颗粒、分子等的分选。

还应当理解的是，本公开和附图的各个位置中，颗粒或细胞可能由简单的几何形状，例如圆形、正方形和星形来表示。这种约定仅仅是为了清楚起见而采用并应被理解为仅仅指代不同类型的细胞或颗粒，而不是各颗粒或细胞实际上具有这些形状。

还应当理解的是，本文所讨论的结构和技术是关于微流控结构，例如在几何上将流体在至少一个维度上限制到亚毫米级的体积的结构。微流控结构通常是微流控芯片形式，其可以是硬材料、软材料或软硬材料的组合，在其内部具有一个或多个流体流过其的通路或通道。所述一个或多个通路可以在微流控芯片的各个区域之间输送流体，这些区域包括室、入口端口、出口端口、反应器、阀、泵、分选装置等。在给定的微流控芯片内的总工作体积(当然)可以随着芯片内的微流体特征的密度和尺寸以及微流控芯片的总体大小而变化。对于10平方厘米微流控芯片，这种流体工作体积通常可以在亚微升范围内。典型的通路和通道宽度和/或深度通常在数百微米至数百纳米之间的级别上。一些情形中，这种宽度和/或深度可以在亚毫米级上。然而，典型的通路和通道长度可以在数微米至数毫米级别上。由于微流控结构特征的尺寸较小，传统的加工工艺通常被证明不适于生产这种结构。由此，在很多情形中，微流控结构制造可依赖于提取自半导体制造的至少一些观念，例如与用于生产半导体芯片的微米级或纳米级特征技术相似的光蚀刻技术，其可用于生产微流控方面的一些特征。

图3A示出三维DEP细胞分选器300的一部分的立体图，其类似于美国临时专利申请61/616,385中图1A、1B和1C所示的细胞分选器，并类似于美国临时专利申请61/799,451中第39页上的图3a、3b和3c所示的细胞分选器。图3A′是细胞分选器300的各种通路的可视横截面的细节图。图3B是图3A的隐藏线版本，其示出图3A中看不到的内部特征。图3C和3D示出细胞分选器300的反面立体图。

电绝缘层324可以夹在第一电极层320与第二电极层322之间。第一电极层320和第二电极层322可以例如通过玻璃或塑料衬底来提供，该玻璃或塑料衬底的面向电绝缘层324的表面上具有铟-锡-氧化物(ITO)导电涂层。某些实施方式中，可使用其它衬底和导电涂层(或不需要涂层就为自然导电的材料)来提供第一电极层320和第二电极层。

电绝缘层324可以包括第一通路326、第三通路328以及第二通路330。第二通路330可以位于细胞分选器300的DEP分离区域332内的第一通路326与第三通路328之间。第一通路326可以位于第一电极层320与第二通路330之间，而第三通路328可以位于第二电极层322与第二通路330之间。第二通路330、第一通路326以及第三通路328可以在DEP分离区域332内彼此连续，例如沿垂直于细胞分选器300标称层平面方向的三个通路内流动的流体可不受到物理障碍的阻碍。电绝缘层可以由PDMS或具有高电阻率的其它材料制成。

在DEP分离区域332下游，第二通路330可以从后接第一通路326和第三通路328的路径岔开。虽然第一通路326和第三通路328显示为遵循在DEP分离区域332下游的共同路径，一些情形中，第一通路326和第三通路328可以遵循DEP分离区域332下游的不同或者甚至相反的路径。

可以看见，第二通路330、第一通路326、以及第三通路328各自具有在DEP分离区域332中的横截面宽度，该横截面宽度垂直于标称流体流动方向并基本上垂直于细胞分选器300的标称层平面。第二通路330的横截面宽度可以小于第一通路326和第三通路328的横截面宽度。当在第一电极层320与第二电极层322之间施加交流电压时，在正流过该DEP分离区域332内的第一通路326、第三通路328和第二通路330的流体样品内产生电磁场。由于第二通路横截面宽度更小，电磁场可以集中在第二通路330中或偏向第二通路330。这可导致由于DEP而被吸附至电磁场的颗粒，即带正DEP的颗粒转移进入第二通路330，且可导致由于DEP而被电磁场排斥的颗粒，即带负DEP的颗粒转移进入或转向第一通路326或第三通路328。

图4A至4C示出三维细胞分选器的一示例在DEP分离区域中的横截面；图4D示出图4A至4C的三维细胞分选器后DEP分离区域的横截面。

图4A中，具有圆形细胞和星形细胞混合物的流体样品夹带在第一通路426、第三通路428以及第二通路430中；流体流动方向垂直于页面。如可看到的，第一通路426和第三通路428的宽度都宽于第二通路430的宽度。虽然每个通路显示为具有大致相同的厚度，例如为电绝缘层424的总厚度的1/3，各通路也可具有不同的厚度。各通路可以在第一电极层420与第二电极层422之间形成连续的流体流动区域。

图4B中，在第一电极层420与第二电极层422之间施加交流电压，产生集中在第二通路430附近的电磁场(阴影区域)。该实施方式中，电磁场的频率使得星形细胞通过DEP被吸附至磁场，而圆形细胞通过DEP从磁场排开。设置箭头来指示各细胞的总体转移方向。应当理解的是，电磁场同样可以存在于图4A和4C中(虽然图未示)，由于图4A至4D所示的细胞分选器结构，流体样品可以在几乎整个DEP分选区域都经受DEP。

应当理解的是，虽然图4A至4C所示的电极层与第一和第三通路426和428中的流体直接接触，电极层420和422也可以具有薄的，电绝缘的，即非导电的涂层，该涂层将电极层420和422与流体样品分开。如果涂层足够薄，例如约2微米或更小级别，所使用的交流电压频率可以足够高使得该薄层不以实质上影响液体样品内的电磁场样式的方式，来阻挡电磁场穿透入液体样品。这可允许电极层420和422涂覆有电绝缘材料，该电绝缘材料可以防止(或者，如果需要的话支持)细胞或颗粒黏附至电极层。

图4C中，流体样品已经暴露于电磁场足够长时间，使得已经发生星形细胞DEP感应转移至第二通路430，并已经发生圆形细胞DEP感应转移至第一通路426和第三通路428。

图4D中，通过将第一通路426和第三通路428从第二通路430岔开，流体样品被分成两股流。由于第一通路426和第三通路428在电绝缘层424内自第二通道430分出，因此使用隐藏线来表示。这使得集中在第二通路中的星形细胞与第一通路426和第三通路428中的圆形细胞物理性分离。

图4E示出分析曲线，示出穿过三维DEP细胞分选器的横截面的电磁场强度。图4E中，深色阴影表示增加的电磁场强度，而浅色阴影指示相反。可以看到，电磁场强度偏向三维DEP细胞分选器的Z方向中心高度。

二维细胞分选器中，电磁场强度由电极的形状来控制，为了产生所需要的电磁场形状，必须适当地设置电极图案。相反，诸如图3A至3D所示的三维DEP细胞分选器的电磁场强度由第一通路、第三通路以及第二通路的相对宽度来控制。这使得电磁场强度以及由此对所夹带的细胞的DEP作用与电极的形状无关，允许电极层简单地成为平坦的非图案化的电极。当然，在某些情形中，如果需要的话，仍然可使用图案化电极，虽然这可改变电磁场强度，并由此改变细胞分选器的性能。在一些实施方式中，细胞分选器阵列可以设置在共同的电绝缘层中，每个细胞分选器具有单独的平坦电极，其可以与其它细胞分选器的平坦电极电绝缘，却仍然位于共同的衬底上，当然，在这种情形下，可存在一些层水平电极图案以允许对每个细胞分选器分离施加电压，但在各单独的细胞分选器水平处的电极可以是“非图案化的”。很多实施方式中，电极可以沿DEP分离区域内的通道的整个长度延伸。然而，其它实施方式中，电极可在第二通路从第一通路和第三通路岔开之前终止，而在这样的情况下，由于在DEP分离区域中较少电极区域缺乏电磁场强度，使得所集中的细胞开始往第二通路外移动，从而降低了细胞分选能力。但是虽然三维DEP细胞分选器可以在DEP分离区域设置有均匀的电极，这种细胞分选器的一些实施方式可以利用在DEP分离区域中的图案化电极。

因为各电极可以沿DEP分离区域332内的第二通道330的整个长度保持相对一致，在样品流体内产生的电磁场也可以沿相同的长度相对恒定。这使得由这种电磁场产生的DEP力在整个DEP分离区域332上持续地作用于向下流过第一通路326、第三通路328和第二通路330的细胞上，而与流体样品的流率无关。实际上，在分选效果方面，对于流体流率的唯一主要限制在于流率必须足够低使得第一通道326和第二通道328中的细胞有足够长时间暴露于DEP力，以允许这些细胞从第一通道326和第二通道328移动进入分选通道330，并且流率足够低(例如10米/秒级)使得经受剪应力的细胞可存活。

由于上面讨论的DEP细胞分选器对样品流率极其不敏感，因此在样品离开二维DEP细胞分选器时，不必对样品流率进行主动控制。实际上，三维DEP细胞分选器甚至可以手动驱动，例如使用手驱动挤压球状物或波纹管来驱动流体流过该分选器。这可以取消很多微流控系统中用精确压力控制的体积大的泵。使用大规模阵列三维DEP细胞分选器可以允许例如2厘米宽的芯片(其可支撑100个独立100微米宽度分选器)接受手动提供的动力，并实现10毫升/分钟的处理能力。

虽然上面的讨论着重于三维DEP细胞分选器，其将正DEP细胞积聚到第二通路，而同样也可使用其它设置的通路。例如，如果第二通路具有比第一通路和第三通路更大的宽度，例如形成“+”横截面，则所得到的产生的电磁场可以集中在第一和第三通路中，而不是第二通路。这可导致具有负DEP的细胞聚集在第二通路中，而具有正DEP的细胞聚集在第一通路和第三通路中。具有这种横截面的三维DEP细胞分选器可用于收集负DEP细胞。

一般来说，三维DEP细胞分选器通过主要沿“z”方向(即垂直于电极层和电绝缘层的总体平面)分选细胞而发挥作用。这可以通过定制电磁场来完成，该电磁场根据相对于电极层的z方向位置而驱动细胞的DEP运动改变。这种电磁场定制可以通过改变样品流体流过其并在其内部产生电磁场的通路的横截面来实现。通过改变这些通路沿z方向的横截面几何形状，通路沿z轴线的具有电磁场集中的一些区域可以吸引具有正DEP的目标细胞，而通路的沿z轴线的具有弱电磁场的其它区域可以吸引具有负DEP的靶细胞。三维细胞分选器中，细胞沿横向于流体流动方向的转移与流体流率无关，而是由DEP效果产生的力所驱动。因此，在零流动和高流动情形中，DEP作用都能够沿z方向转移细胞并将其转移入收集区域。

相反，二维DEP细胞分选器通过沿“y”方向(即横向于流体流动方向(“x”方向)并平行于电极层和电绝缘层的总体平面的方向)分选细胞而发挥作用。这种二维DEP细胞分选器中，电磁场通过在电极层形成电极图案来定制，从而所产生的电磁场具有在与流体流动方向成一角度的x-y平面的图案。由流体流动和二维DEP细胞分选器的DEP作用提供的力联合导致细胞沿y方向转移，如果细胞沿该y方向转移得足够远，则它们可以被分流至收集通道。然而，该横向运动与流体流动速度直接相关，如果没有流体流动，则细胞不会转移(除了朝向电极的一些小运动之外)。如果没有太多的流体流动，则流体流动力将克服DEP力并且细胞可以被推出DEP作用区域，而且直到流体样品到达废物和收集通道，细胞都无法转移足够远以到达收集通道。

实际上，在处理能力上，三维细胞分选器可以通过在二维细胞分选器的基础上提高两到三个量级或更多，使得它们与其它技术(诸如惯性细胞分选器)同水准。然而，与这些其它技术不同的是，三维细胞分选器可以以小得多体积来封装。

应当理解的是，虽然上面讨论的三维DEP细胞分选器特征是呈岔路“H”构造的一组三个通路，其它三维DEP细胞分选器特征可以是其它横截面和多个通路。例如，可以制作两通路DEP细胞分选器，其中通路之一与另一通路宽度不同。还可以有更多数量的通路。例如，可以在三维DEP细胞设置7个通路，每个奇数编号的通路可以比偶数通路更宽，使得电磁场在每个偶数编号的通路中集中。因此，当存在电磁场时，在DEP分离区域，细胞或颗粒可以从奇数编号的通路转移入偶数编号的通路。在后DEP分离区域中，每个偶数编号的通路可以从奇数编号的通路岔开。在一些这样的实施方式中，每个偶数编号通路可以通向不同的位置，在所给的示例中，这可允许从共同的样品中提取三批独立的细胞，同时允许在所提取的细胞上执行三种不同的提取后分析。

一些实施方式中，沿通路z方向的横截面变化可以动态地设置。例如，可以设置用于样品流体流动的流体通路，例如矩形横截面通路。流体通路可具有由电极层提供的底和顶。两个平行的通路可以毗邻该流体通路放置，一侧一个。所述平行通路可以通过可变形薄壁与该流体通路分开。如果向所述的平行通路施压，例如通过气体或液体，该压力可导致该可变形的壁扩张入该流体通路，导致该流体通路的横截面变窄，该变窄与薄壁的变形度相当。通过施加穿过电极层的电压而产生的电磁场可以集中在该狭窄点，然后，正DEP颗粒或细胞可以收集在该位置。相反，如果对平行通路抽真空，则这可导致可变形壁扩张入所述平行通路，导致该流体通路向外膨胀。这可导致具有负DEP的细胞聚集在最大膨胀变形点附近。

图5A至5C示出具有动态变化通道横截面的微流控细胞分选器结构的剖视图。可以看见，电绝缘层524可以夹在第一电极层520与第二电极层522之间。流体流动通路542可以沿上侧由第一电极层520而沿下侧由第二电极层来界定。应当理解的是，术语“上”和“下”用于指这种边界相对于图纸的定向，而不反应这种边界在实际实施中的实际定向。

该流体流动通路542也可由薄壁540界定，薄壁540可将流体流动通路542与侧通路538分开，侧通路538可以构造成大致平行于流体流动通路542延伸。在流体流动通路542与侧通路538之间的距离上，薄壁540可以具有大致均匀的厚度。侧通路538可以构造成与流体流动通路542的流体相隔离。可以设置致动端口536并且致动端口536可以与侧通路538流体连通。该致动端口536可以用来提供流体流动通路542与侧通路538之间的压差。根据压差特性，薄壁540可以扩张入流体流动通路542，如图5B所示的侧通路538具有更大的压力，或者扩张入侧通路538，如图5C所示的侧通路538具有更小的压力。虚线示出薄壁540变形之前的位置。

当在第一电极层520与第二电极层522之间施加交流电压时，可在被泵送穿过流体通路542的流体内产生DEP作用。图A中，流体通路542的横截面可以相对恒定，且在流体通路542的任一区域中可能很少有甚至没有细胞(例如圆形细胞和星形细胞)由于DEP作用而聚集。然而，如果薄壁540由于侧通路538与流体通路542之间的正压差而扩张入流体通路542，则这可导致流体内产生的电磁场集中在或偏向流体通路542的横截面的最窄部分，例如该示例中，流体通路542的中心。该情形中，在用于交流电压的频率下，星形细胞是正DEP细胞并被吸向流体通路542的中心，在该中心，DEP作用最显著。

如果薄壁540相反扩张入侧通路538，则电磁场在流体通路542的中心处可能最弱或者远离流体通路542的中心偏置。这可导致负DEP细胞在所使用的频率下朝向流体通路542的中心转移。

该动态结构可以允许单个结构用于根据薄壁如何变形而对同时暴露于负和正DEP的细胞或颗粒进行分选。这种DEP分选结构可以类似于图3A至3D所示的实施方式用于DEP分选区域322中，从而自更大的样品中分离所需要的细胞。

应当理解的是，薄壁可以动态地变形，例如从未变形状态转换至变形状态，或者根据需要从变形状态转换到未变形状态，或者可以作为制造工艺的一部分永久地变形。例如，在一些情形中，与要求彼此对齐的多层不同的是，可能需要在单层制造工艺中制成三维DEP细胞分选器的电绝缘层。这种情形中，可使用类似于图5A至5C所示的结构，不同在于侧通路538和致动端口536改为沿z方向一路延伸到第一电极层520和第二电极层522。在电绝缘层夹在电极层中间之后，PDMS凝胶或其它物质可以流入侧通路538以替换空气或气体。然后，PDMS凝胶或其它物质可以被加压，从而将薄壁540扩张入流体通路542或部分地吸出以将薄壁540扩张入侧通道538。一旦流体通路538达到所需要的横截面，可以密封PDMS凝胶或其它物质从而防止薄壁扩张的改变，或者甚至固化从而凝固和形成实质刚性结构。这种技术也可实施于不能作为单层电绝缘层来制造的其它动态可变结构。

应当理解的是，一些实施方式中，经由收集通路从流体样品完全物理分离所需要的细胞可能不是必须的，例如在一些实施方式中，可能仅仅沿z方向，即沿正交于细胞分选微流控结构的总体平面的方向，将所需要的细胞从流体样品中的其它细胞分离就已足够。例如，图6B-6D示出通过显微镜捕获的图像，这些图像是原型三维DEP细胞分选结构的DEP分选区域的图像，其中样品流体从页面的顶部至页面的底部流过该三维DEP细胞分选结构。图6A示出该三维DEP细胞分选结构的总体视图。为了清楚起见，图6B至6C中的每个图像重新生成两次，原始图像在左侧，而对比加强图像在右侧。在每个图像中，对比加强图像仅仅在虚线矩形或多个矩形内对比加强。图6A至6D是平面图，即观察方向垂直于微流控结构的总体平面。图6B至6C所示的部分可以例如相对应于图3A至3D的DEP分离区域332。用于捕获图6B至6D的图像的显微镜聚焦于焦平面，该焦平面相对应于一通路，例如相对应于图3A至3D的第二通路330或者图4A至4C的第二通路430。在焦平面中的通路上方或下方通路中的细胞将在焦点之外，而在焦平面中通路内的细胞将在焦点之内(或至少部分在焦点之内)。

图6B中，没有施加提供DEP作用的交流电压。虚矩形描绘出“未聚焦”细胞几乎看不到且未经清晰对焦的区域。该细胞在右侧图像的对比加强区域中稍微更可看到。

图6C中，提供DEP作用的交流电压已经施加至位于三维DEP细胞分选结构的顶部和下方的电极层。电极层可以例如是ITO涂层玻璃，从而几乎光学透明，以便于(在该情形中)成像该细胞分选结构内的细胞行为。这种光学透明电极层可以允许使用以光学为基础的分析技术来对可能集中在三维细胞分选器或颗粒分选器的DEP聚集区域内聚集的细胞或其它材料进行分析。如可从图6C看到的，对电极层施加的交流电压已经导致图6B中可看到的第一细胞沿z方向转移并转移到与焦平面相对应的通路中。第一细胞更上游的第二细胞在图6C的通路中也几乎不可见。

图6D中，通过施加穿过电极层的交流电压而引起的DEP作用已经同时导致第一细胞和第二细胞移动入与焦平面相对应的通路中，允许两种细胞清晰成像。一些实施方式中，z分离和适当的焦平面对齐的组合可允许目标细胞与DEP分离区域内的流体样品分离并进行光学处理，例如使用机器可视系统计数，而不将三维DEP细胞分选器的收集流与废物流进行实际机械分离。然而，其它实施方式中，仍然可能发生后DEP分离区域的分选后细胞与废物流的实际分离，允许这种分离的细胞被输送至后续的小室来分析，在该小室中不希望存在其它的细胞材料。

三维DEP细胞分选器，诸如本文所讨论的三维DEP细胞分选器，可以呈现相对于诸如图1和2所示的“倾斜电极”DEP细胞分选器的显著改进。例如，倾斜电极设计的典型特征在于：DEP相互作用距离限于电极图案的长度，其长度上通常限制在数百微米，而诸如本文所讨论的三维DEP细胞分选器可具有横跨整个微流控芯片的DEP相互作用距离(目前，微流控芯片具有10厘米×10厘米的典型大小)，且由此可具有10厘米或更长的DEP相互作用距离，这比目前市面上最快的倾斜电极DEP分选器大三个数量级。

由于三维DEP分选效果依赖于流体通路的横截面几何形状，由于特定的横截面通路形状，DEP分选可能沿这种通路或多个通路发生，只要该横截面通路形状存在。因此，三维DEP分选可在横跨整个微流控芯片的通路或多个通路中发生，例如在10平方厘米芯片上约10厘米(对于平行于芯片边缘的通路)或者14厘米(对于芯片对角上的通路)。此外，三维DEP分选结构也可以以非线性图案来实施，例如其中发生三维DEP分选的通路可以被引导成转角或者向其自身环回(类似于图9(d)所示的U形弯转)以形成蜿蜒的通路。使用这种非线性样式，10平方厘米微流控芯片上的三维DEP细胞分选器长度可以达到1米至10米。

虽然各种材料可用于电绝缘层，用于微流控装置的一种常见材料是PDMS。PDMS是光学透明的弹性体材料，其可流到模具上、固化并然后被移除。PDMS尤其良好地适于复制小规模(例如纳米级或微米级)特征，诸如微流控通道、端口等。目前，现有的PDMS结构制造方法集中于单独PDMS层，单独PDMS层含有各种微流控特征并然后其彼此接合，以生成多层堆叠，每层具有不同组的特征。这种技术允许多个分开的流体流动通路存在于单个多层PDMS堆叠内。然而，目前的生产技术通常存在问题在于：可靠地产生穿层过孔以允许不同层上的通路彼此流体连通。具体地，本发明人意识到目前的生产技术可以产生围绕这种过孔的边缘棱脊。在大的，线性或曲线过孔方面，诸如由第一通路326与第三通路328之间形成的过孔，这种棱脊可能妨碍层间接合并导致非所需的样品流体内电磁场干扰的产生。由于很多PDMS结构使用多层方法来制造，这种边缘棱脊可出现在多层上，而且在总体上导致PDMS结构的总体厚度的极其不均匀，这通常是不理想的。可适于用于电绝缘材料层的其它材料可以包括二氧化硅、氮化硅、以及无定形的多晶硅和单晶硅，以及其他的电绝缘材料。由此，虽然PDMS可以良好地适用于形成三维DEP细胞分选器电绝缘层，但也可使用其它材料。

考虑到PDMS适于生产上面讨论的三维DEP细胞分选器结构，对于多层PDMS结构，本发明人考虑一种新的制造技术，其允许穿层过孔特征边缘棱脊减少或消除。该技术可以用于生产本文详细描述的细胞分选器，但也可用于生产任何数量其它PDMS多层结构。尤其适用于生产需要穿层过孔结构的多层PDMS结构中。该技术也可用于(通过适当的变型)由除PDMS以外的弹性体材料来生产层结构。

应当理解的是，也可使用本文详细讨论的技术之外的技术来制作本文所讨论的三维DEP细胞分选器。例如，可以使用塑料模制来形成通道或通路结构以及激光钻孔来形成层间孔(例如用于在DEP分离区域内沿z方向将各通路连接在一起)，从而制作三维DEP细胞分选器。

图5A至5ZB经由简化的剖视图示出生产多层PDMS结构的制造技术的各个阶段。图5A至5ZB中构造的结构是三维DEP细胞分选器的一部分，例如这种细胞分选器的DEP分离区域内的特征。图5A至5ZB未按比例绘制。图5A至5P中，各图示出两种不同的制造流程，各流程中的步骤可以大部分相同，但所使用的模具可以具有不同的特征大小。例如，每个图左侧上的横截面示出PDMS层的形成，其可用于提供细胞分选器的第一通路或第三通路，而每个图右侧上的横截面可示出PDMS层的形成，其可用于提供细胞分选器的第二通路。图5Q至5ZB示出各层组装成组装后的细胞分选器。

图7A中，可以通过沉积或在衬底上设置光致图案化或光阻材料来制备用于蚀刻的硬衬底，这种光致图案化或光阻材料可以例如是负性光刻胶SU8或正性光刻胶AZ4620，而衬底可以例如是硅或玻璃，但是同样可使用其它光刻胶或光致图案化材料，以及其它衬底材料。图7B中，蚀刻操作可以将材料从硬衬底移除以形成硬主模。或者，在硬主模上的凸起特征可以通过沉积而不是蚀刻来形成。图7C中，硬主模涂覆有保形的硅烷表面处理，以便于之后从硬主模除去固化的PDMS。图7D中，未固化的PDMS可以浇筑到硬主模上并固化以形成互补的PDMS模具。图7E中，PDMS模具然后可以与硬主模分开。图7F中，PDMS模具可以涂覆有保形硅胶表面处理。

图7G中，暂时搁置PDMS模具，而可以通过将未固化的PDMS浇筑到硬衬底上来制备另一应衬底，例如硅或玻璃。图7H中，重新取回PDMS模具，而图7I中，PDMS模具可以被压入衬底上未固化的PDMS，然后固化该未固化的PDMS。图7J中，PDMS模具可以从衬底上的固化PDMS上移除。所得到的在衬底上的PDMS结构可以完全或接近完全复制硬主模，其在本文中称为PDMS主模。本方法的一些实施方式中，可以跳过PDMS主膜的制造，而在下面步骤中使用硬主模来替代PDMS主模。硬主模可以更适于大规模生产运行，因为这种主模比PDMS主模更牢固。PDMS主模可以用于小规模生产运作或用于实验室，这些地方可能要求更高质量的特征。

图7K中，PDMS主模可以涂覆有CYTOP^TM表面处理，以在后面辅助去除铸造PDMS部件。

图7L中，未固化PDMS可以施加至PDMS主模。图7M中，混合式冲模用来将未固化的PDMS压靠PDMS主模。混合式冲模可以包括具有比PDMS高得多模量的板材料，例如比PDMS硬的材料，该板可在至少一侧上具有PDMS薄层。例如，该板可具有杨氏模量为3.2GPa的塑料板并可在一侧上覆盖有30μm厚的PDMS层(杨氏模量0.0006GPa)。该板可以放置成使得在该板与未固化PDMS和PDMS主模之间存在非常薄的PDMS层。该薄层厚度可以例如在500微米量级或更薄。实际中，已经发现10至30微米的厚度能够良好地工作。该板可以是塑料、玻璃或比PDMS的模量实质上更高的其它材料。实际中，塑料板已经被证明为比玻璃板更牢固。该板可以用作PDMS冲模内的中间负载散布部件，从而将压缩载荷分布到整个PDMS主模和未固化的PDMS上。该PDMS薄层可以允许非常小的局部形变，这使得PDMS模具与冲模之间的完全接触，由此确保清洁过孔形成，同时避免在使用非混合式冲模时形成大的边缘棱脊。

所示的嵌入板冲模可以通过对该板旋涂有PDMS来获得。然而，已发现施加层太薄时，PDMS呈现不一致固化表现，PDMS常常不具有诸如上面所讨论的厚度并仍然呈液态，导致制造技术不可靠。然后，意外地发现，将铂催化剂添加至PDMS可导致薄PDMS层可靠而与厚度无关。虽然已有使用催化剂来加速固化率，但是据信应用这种催化剂无法逆转未固化的或不一致的固化情形。由此，该技术可包括通过对基本刚化板涂覆添加有铂催化剂的PDMS薄层来制备冲模(该步骤未示出)。该冲模也可在板反面上的具有更厚的PDMS层，以便于操作或与现有仪器集成，然而这种更厚的层并非是严格必须的。该PDMS薄层(或整个PDMS冲模)可以用硅烷表面处理，如三氯(1H，1H，2H，2H-全氟辛基)硅烷(也称作“PFOCTS”)来处理。这种PFOCTS处理可以通过在封闭腔室内的蒸发工艺来进行。

所述铂催化剂可以例如是铂-二乙烯四甲基二硅氧烷(C₈H₁₈OPtSi₂)，其通常用作硬PDMS的成分(在此所讨论的PDMS是软的PDMS，并且即使在添加铂催化剂之后，仍然保持柔软的PDMS)。除了任何常规施加的固化剂之外，可以添加铂催化剂，即使施加的铂催化剂的量可能非常小。例如，在一些实施方式中，每10克PDMS基和1克PDMS固化剂可以添加16至20微升的铂-二乙烯四甲基二硅氧烷(C₈H₁₈OPtSi₂)。当然，未来，制造商可以开始将这种催化剂添加至现有的固化剂，以取消单独地添加该催化剂，因此，应当理解的是，上面的比例是在提交该申请时，参考标准的PDMS固化剂而得到的。具有类似于现有固化剂的组分并具有铂-二乙烯四甲基二硅氧烷(C₈H₁₈OPtSi₂)的后期提供的固化剂具有大致相同的比例。例如，固化剂具有约1％至2.5％的铂-二乙烯四甲基二硅氧烷的质量分数，则这大致等同于上面所描述的单独添加的催化剂。

一些实施方式中，如果使用PDMS主模，则混合式冲模可以由硬冲模(例如玻璃板或硬塑料板)来替代。这种实施方式中，PDMS主模可以稍微偏转以允许PDMS主模与冲模之间形成紧密的机械界面，由此允许清洁过孔的形成。

图7N中，冲模已经压靠了未固化的PDMS和PDMS主模，然后，未固化的PDMS固化。图7O中，通过将冲模拖离PDMS主模而将固化的PDMS层从PDMS主模移除。由于与CYTOP处理表面相比，硅烷处理表面结合强度更高，PDMS层可以保持与冲模的结合，使其易于向其它结构转移。

图7P示出去除的结合在冲模上的PDMS层；该PDMS层可以用氧等离子体来处理，以便于氧等离子体与玻璃或PDMS结构结合。图7Q中，PDMS层之一定位在制备好的玻璃衬底上方。该玻璃衬底可以通过例如用导电涂层(如ITO)涂覆来制备，从而使该玻璃衬底可以用作DEP细胞分选器的电极层。图7R中，PDMS层可以由于PDMS层的氧等离子体处理而直接结合至玻璃衬底。图7S中，可以去除冲模，因为与硅烷处理后表面的结合相比，经由氧等离子处理的直接结合的结合强度更高。PDMS层可以与冲模分开并保持清洁地附着于玻璃衬底。该情形中，放置在衬底上的PDMS相对应于DEP细胞分选器中的电绝缘层的子层，其中该DEP细胞分选器内具有第一或第三通路。

图7T中，另一PDMS层(此时对应于其中具有第二通路的DEP细胞分选器中的电绝缘层的子层)可以使用冲模(该另一PDMS层附连至该冲模)来定位于先前附着的PDMS层上方。该第二PDMS层也可用氧等离子体来处理，以便于直接共价键合至先前放置的PDMS层。图7U中，第二PDMS层可以通过用冲模将其压至第一PDMS层而直接结合至第一PDMS层。图7V中，该冲模可以以与图7S几乎相同的方式去除。

图7W中，第三PDMS层(该情形中类似于第一PDMS层)可以定位在第一和第二PDMS层上方。该第三PDMS层(与其它PDMS层一起)可以用氧等离子体来处理。图7X中，第三PDMS层可以直接结合至第二PDMS层，以形成三层堆叠的PDMS层，其融合成一个基本连续的结构。图7Y中，该冲模可以被移除，留下3-层PDMS结构。图7Z中，可以制备PDMS结构的暴露顶部，用于结合至另一硬衬底，例如玻璃。图7ZA中，硬衬底可以定位在组装好的PDMS堆叠上方，而图7ZB中，硬衬底可与该堆叠相结合。

对于经由氧等离子体处理使用直接结合的每层PDMS层，在氧等离子体处理表面处形成的直接共价结合可以比混合式冲模与PDMS层之间的结合实质上更强，使得混合式冲模从PDMS层去除并在PDMS层结合在氧等离子体处理表面之后重新使用。

图8示出高度总结上述技术的流程图。模块802中，该技术开始。模块804中，未固化PDMS凝胶可以浇筑或沉积到模具上。模块806中，可以使用混合式冲模将未固化PDMS凝胶压入模具。应当理解的是，如果使用PDMS模具，该混合式冲模可以用硬冲模(例如平坦塑料板)来替代。模块808中，可以固化该压缩后的未固化PDMS凝胶。在固化之后，在模块810中，可以使用冲模将所得到的固化PDMS层从模具脱模。模块812中，固化的PDMS层可以被转移至接收面(例如玻璃或塑料衬底或者先前施加的PDMS层)，或者结合至该接收面。模块814中，PDMS层可以从该冲模释放且该冲模然后可重新用于另一模制工艺。模块816中，可以决定是否需要做成另一PDMS层。如果是，则该技术可以返回至模块804(但是根据需要可以使用不同的模具)。如果不是，则该技术前进至模块818。应当理解的是，可通过额外的作业(图未示)来扩增上述的技术，这些额外的作业介于图8所示的各个动作之间。另外，在模块802之前或模块818之后，可以进行其它的作业，即该技术仅不限于所列的作业。

从这些技术所得到的结构，诸如上面参考图7A至7ZB和图8所概述的那些结构，可以提供非常干净的层间过孔特征，并可由此可特别好地适于诸如过孔的微流控装置特征，例如上面参考图3A至3D所讨论的DEP细胞分选器。上面的技术可以根据需要来修改，以省略某些步骤、增加其它步骤，以及以其它方式对该技术修剪，用于特定的设计要求。例如，能够在模具中形成具有台阶横截面的特征，由此减少必须制作并结合在一起的单层数量。虽然所示出的技术用于3层PDMS层堆叠，但是可以以此方式制造更多或更少的PDMS层并组装入PDMS层堆叠。除了三维DEP细胞分选器结构之外，该制造技术可以用于各种其它PDMS结构，例如具有高纵横比特征的微流控结构。

图9示出使用两种不同的制造工艺来形成模制微流控特征和边缘棱脊(或没有边缘棱脊)的两个示例。图9的上半部分中，使用非混合式冲模，即大厚度实心PDMS冲模生产的通道或通路的图像在右侧(b)，而在(b)中圈出位置处的边缘轮廓的曲线示出在左侧(a)。如可看到的，存在着60微米的边缘棱脊。

图9的下半图中，在右侧(d)示出使用本文所讨论的混合式冲模制作的通道或通路的图像，而在左侧(c)示出在(d)中圈出位置处的边缘轮廓。如可看到的，不存在可辨别的边缘。

应当理解的是，虽然本文所讨论的三维DEP细胞分选器结构主要关注其中电绝缘层夹在离散的电极层之间的结构，但是，三维DEP细胞分选器的一些实施方式中，电绝缘层的各部分可以直接形成在电极层上。例如，一些实施方式中，电绝缘层的子层可以通过使用图案化沉积在电极层上直接沉积材料来形成，或者使用蚀刻技术从沉积在电极层上的电绝缘层移除来形成。该图案可包括部分形成三维DEP细胞分选器的通路。然后，另一电绝缘材料子层，例如PDMS子层，可以夹在具有图案化电绝缘子层的电极层之间，。由此，集合的电绝缘结构可以包括PDMS子层以及直接形成在电极层上的电绝缘子层。直接形成在电极层上的电绝缘子层可以例如大于2微米厚。

虽然本文已经描述了各种实施方式，应当理解的是，它们仅以示例性方式而非限制性方式呈现。因此，本发明的宽度和范围不应限于本文所描述的任何实施方式，而是应仅根据下面和后面提交的权利要求书及其等同物来限定。

应当理解的是，除非任意上述实施方式中的特征清楚地定义为不彼此兼容或者上下文暗示它们相互排除且不容易互补和/或支持意义上的可组合，本发明的整体考虑和设想这些实施方式的特定特征可以选择性地组合，以提供一种或更多种全面的，但稍微不同的技术方案。因此，还应理解，上面的描述仅以示例性方式给出且可在本发明的范围内进行细节上的修改。

Claims (37)

1.一种三维介电电泳(DEP)分选装置，该装置包括：

第一电极；

第二电极；以及

电绝缘层，所述电绝缘层夹在所述第一电极与所述第二电极之间，其中：

所述电绝缘层包括分离通路，所述分离通路的壁部分地由所述第一电极和所述第二电极界定，

所述电绝缘层包括收集通路，所述收集通路在横截面厚度上小于所述分离通路并位于所述第一电极与所述第二电极之间的电极间位置，

所述分离通路形状做成产生电磁场，所述电磁场导致介电电泳作用将响应的细胞或颗粒抽至所述第一电极与所述第二电极之间的位置，该位置实质上与所述收集通路的电极间位置相对应，以及

所述收集通路和所述分离通路构造成使得被抽至所述分离通路中的在所述第一电极与所述第二电极之间的电极间位置的细胞或颗粒随后流入所述收集通路。

2.一种三维介电电泳(DEP)分选装置，该装置包括：

第一电极；

第二电极；以及

电绝缘层，所述电绝缘层夹在所述第一电极与所述第二电极之间，其中：

所述电绝缘层包括：

流体流动通路，所述流体流动通路具有部分地由所述第一电极和所述第二电极限定的横截面；

第一侧通路，所述第一侧通路平行于所述装置的DEP分离区域内的流体流动通路并通过第一可变形薄壁与所述流体流动通路分隔；

第二侧通路，所述第二侧通路平行于所述DEP分离区域内的流体流动通路并通过第二可变形薄壁与所述流体流动通路分隔，其中：

所述第一侧通路和所述第二侧通路与所述流体流动通路之间密闭，以及

对所述第一侧通路和所述第二侧通路施加加压气体或流体导致所述第一可变形薄壁和所述第二可变形薄壁膨入所述流体流动通路。

3.一种三维介电电泳(DEP)分选装置，该装置包括：

第一电极层；

第二电极层；

电绝缘层，所述电绝缘层介于所述第一电极层与所述第二电极层之间并具有第一子层和第二子层；

位于所述第一子层中的第一通路；以及

位于所述第二子层中的第二通路；其中：

所述第一电极层、所述第二电极层以及所述电绝缘层形成基本平坦的组件，

所述第一电极层在所述第一子层的与第二层相反的侧上，

所述第二电极层在所述第二子层的与第一层相反的侧上，

所述第一通路和所述第二通路遵循所述电绝缘层的DEP分离区域内的共同路径并在所述DEP分离区域内彼此直接流体连通，

所述第一通路和所述第二通路每个具有不同的垂直于所述共同路径并垂直于标准基本平坦组件的横截面宽度，以及

在后DEP分离区域中，所述第一通路从所述第二通路岔开，所述后DEP分离区域位于所述DEP分离区域的下游。

4.根据权利要求3所述的三维DEP分选装置，进一步包括：

所述电绝缘层的第三子层；以及

位于所述第三子层中的第三通路；其中：

所述第二子层介于所述第一子层与所述第三子层之间，

所述第三子层介于所述第二子层与所述第二电极层之间，

所述第三通路遵循在所述DEP分离区域内的所述共同路径并与所述DEP分离区域内的第二通路直接流体连通，

所述第三通路具有垂直于所述共同路径并垂直于所述标准的基本平坦组件的横截面宽度，该横截面宽度不同于所述第二通路的横截面宽度，以及

在所述后DEP分离区域中，所述第三通路从所述第二通路岔开。

5.根据权利要求4所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第二通路的横截面宽度小于所述第一通路和所述第三通路的横截面宽度。

6.根据权利要求4所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第二通路的横截面宽度大于所述第一通路和所述第三通路的横截面宽度。

7.根据权利要求4至6任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一通路、所述第二通路以及所述第三通路沿垂直于所述共同路径并平行于所述基本平坦组件的方向上大致位于彼此的正中心。

8.根据权利要求3所述的三维DEP分选装置，进一步包括：一个或多个附加的通路，每个位于附加的子层中，其中：

所述一个或多个附加的通路包括第三通路，

所述一个或多个附加的通路遵循所述电绝缘层的DEP分离区域内的共同路径并在所述DEP分离区域内彼此直接流体连通且与所述第一通路和所述第二通路流体连通，

所述一个或多个附加的通路每个具有垂直于所述共同路径并垂直于所述标准的大致平坦组件的横截面宽度，

每个特定的附加通路的横截面宽度不同于与该特定的附加通路相邻的每个附加通路的横截面宽度，以及

所述一个或多个附加通路中的至少一个在后DEP分离区域中从所述第二通路岔开。

9.根据权利要求3至8任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一电极层和所述第二电极层包括在所述DEP分离区域中的图案化电极。

10.根据权利要求3至8任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一电极层和所述第二电极层是基本平坦的板，所述基本平坦的板具有面向所述电绝缘层的导电表面。

11.根据权利要求10所述的三维DEP分选装置，进一步包括：所述导电表面基本上延伸穿过所有的电绝缘层。

12.根据权利要求10所述的三维DEP分选装置，进一步包括：所述导电表面在由所述DEP分离区域和所述第一通路的侧壁界定的区域中或者由所述DEP分离区域和所述第二通路的侧壁界定的区域中是大致均匀的。

13.根据权利要求10至12任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：一个或两个所述导电表面涂覆有厚度小于2微米的非导电涂层。

14.根据权利要求3至13任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述电绝缘层是聚二甲基硅氧烷(PDMS)结构。

15.根据权利要求3至14任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述电绝缘层是通过将多层单独的PDMS层结合在一起而形成的聚二甲基硅氧烷(PDMS)结构。

16.根据权利要求15所述的三维DEP分选装置，其特征在于：

所述第一子层由一层或多层单独的PDMS层形成，以及

所述第二子层由一层或多层单独的PDMS层形成。

17.根据权利要求15所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述电绝缘层是包括不同材料组合的复合结构。

18.根据权利要求17所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述电绝缘层是包括悬浮在PDMS中的非PDMS材料的复合结构。

19.根据权利要求3至18任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一子层的厚度为约1微米至约100微米，而所述第二子层的厚度为约10微米至100微米。

20.根据权利要求3至19任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一子层的厚度为约100微米至约500微米，而所述第二子层的厚度为约100微米至500微米。

21.根据权利要求3至19任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一通路的横截面宽度为至少1微米，而所述第二通路和所述第二通路的横截面宽度为至少2微米。

22.根据权利要求3至19任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一通路的横截面宽度小于1微米，而所述第二通路的横截面宽度小于2微米。

23.根据权利要求4至21任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一通路和所述第三通路具有不同的横截面宽度。

24.根据权利要求4至23任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一通路、所述第二通路以及所述第三通路的总体横截面在所述DEP分离区域内大致呈岔路“H”形状，由此当在所述第一电极层与所述第二电极层之间施加交流电压时，夹带在流体中的具有正DEP的颗粒或者细胞收集在分选通路中。

25.根据权利要求3至23任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一通路、所述第二通路以及所述第三通路的总体横截面在所述DEP分离区域内大致呈岔路“+”形状，由此当在所述第一电极层与所述第二电极层之间施加交流电压时，夹带在流体中的具有负DEP的颗粒或者细胞收集在分选通路中。

26.根据权利要求3至24任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：施加穿过所述第一电极和所述第二电极的交流(AC)电压导致非均匀电磁场形成在流过所述DEP分离区域内的所述第一通路和所述第二通路的流体内，其中该非均匀电磁场的强度偏向所述第一通路或者所述第二通路之一。

27.根据权利要求3至26任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述三维DEP分选装置被纳入手持设备。

28.根据权利要求3至27任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述三维DEP分选装置联接至手动泵送装置，所述手动泵送装置配置成将流体样品驱动穿过所述分选装置的所述第一通路和所述第二通路。

29.一种多层聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控结构的制造方法，所述方法包括：

a)将第一未固化PDMS凝胶沉积到阳模上；

b)在所述阳模与冲模之间压缩所述第一未固化PDMS凝胶，所述冲模具有板和PDMS薄层，该板的模量实质上大于PDMS的模量，该PDMS薄层在该板的面向所述阳模的一侧上；

c)将所述第一未固化PDMS凝胶固化为PDMS层；

d)从所述阳模释放所述PDMS层，所述PDMS层具有模具界面表面，所述模具界面表面在释放之前与所述阳模配合；

e)将所述PDMS层转移至接收面；

f)将所述PDMS层的模具界面表面的各部分结合至所述接收面；以及

g)从PDMS冲模释放所述PDMS层。

30.根据权利要求29所述的方法，进一步包括：

对于其它的PDMS层重复步骤a)至g)。

31.根据权利要求29至30中任一项所述的方法，其特征在于：所述PDMS薄层厚度小于500微米。

32.根据权利要求29至31中任一项所述的方法，其特征在于：所述PDMS薄层厚度在10微米与30微米之间。

33.根据权利要求29至32中任一项所述的方法，进一步包括：

用第二未固化PDMS凝胶对所述板进行旋涂，以形成所述PDMS薄层；以及

固化所述第二未固化PDMS凝胶。

34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于：所述第二未固化PDMS凝胶添加有铂-二乙烯四甲基二硅氧烷(C₈H₁₈OPtSi₂)。

35.根据权利要求33或34所述的方法，其特征在于：除了用于PDMS凝胶的标准固化剂之外，所述第二未固化PDMS凝胶添加有铂-二乙烯四甲基二硅氧烷(C₈H₁₈OPtSi₂)。

36.根据权利要求34或35所述的方法，其特征在于：所述铂-二乙烯四甲基二硅氧烷添加量在16-20微升/10克PDMS基和1克PDMS。

37.根据权利要求34至36中任一项所述的方法，其特征在于：所述PDMS薄层用CYTOP表面处理来处理。