CN104540594B - 使用高梯度磁场对粒子进行分类 - Google Patents

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Abstract

本发明描述微流体设备，其含有一个或多个磁体，每个磁体可操作地发射磁场；和邻近于所述一个或多个磁体的可磁化层，其中所述可磁化层配置为在至少一个所述磁体的磁场中诱导梯度。例如，在离所述可磁化层的表面至少20μm的位置处，所述梯度可为至少103T/m。所述可磁化层包括第一高导磁性材料和邻近所述高导磁性材料布置的低导磁性材料。所述设备也含有布置在所述可磁化层的表面上的微流体通道，其中所述微流体通道的中心纵轴以与在所述高导磁性材料和所述低导磁性材料之间的界面成一定角度布置，或者偏离该界面在侧面布置。

Description

使用高梯度磁场对粒子进行分类
技术领域
本发明涉及使用高梯度磁场对粒子进行分类。
背景技术
磁性细胞分离是一项使用磁场来分离流体样品中的细胞的技术。通常，使用结合至细胞表面的抗体将磁性粒子选择性地附接至一种或多种期望的细胞。然后可以使用外加磁场来限制或者偏转具有所附接的磁性粒子的细胞，从而将磁性标记的细胞与流体样品中的其它分析物分离。
发明内容
总地来说，本发明的一个方面能够体现为微流体设备，所述微流体设备使用高磁场梯度用于对在该设备的微流体通道内流动的粒子进行分类。该装置能够包括一个或多个磁体和具有高导磁性区域的层，该高导磁性区域包围低导磁性区域。所述高导磁性区域提供从所述一个或多个磁体发出的磁通线的优选路径，从而使得在所述低导磁性区域之上延伸的磁场线形成具有高场梯度的边缘磁通场。所述高磁场梯度，其在离通道底面至少20μm距离处为至少约103T/m，然后能够被用于在磁性粒子上建立磁力，所述磁性粒子在相邻的微流体通道内流动以便分类。
根据本发明的总的方面1，提供一种微流体设备，其包括一个或多个磁体，每个磁体可操作地发射磁场；邻近于所述一个或多个磁体的可磁化层，其中所述可磁化层配置为在至少一个所述磁体的磁场中诱导梯度，在离所述可磁化层的表面至少20μm的位置处，所述梯度为至少103T/m，和其中所述可磁化层包括第一高导磁性材料，和邻近所述高导磁性材料布置的低导磁性材料；和布置在所述可磁化层的表面上的微流体通道，其中所述微流体通道的中心纵轴以与在所述高导磁性材料和所述低导磁性材料之间的界面成一定角度布置，或者偏离该界面在侧面布置。
前述和其它实施方式能够各自任选地以单独的方式或者组合的方式含有一个或多个以下特征。例如，在根据第1方面的第2方面中，所述高导磁性材料和所述低导磁性材料是细长的。在第3方面中，根据第2至3方面中的任一方面，所述设备还包括第二高导磁性材料，其以离所述第一高导磁性材料一定的距离布置从而在它们之间形成间隙(例如，均匀间隙)，其中所述间隙用低导磁性材料填充。在第4方面中，根据第3方面，在所述间隙中的低导磁性材料与所述可磁化层其余部分中的低导磁性材料相同。
在第5方面中，根据第1-4方面中的任一方面，所述梯度在离所述可磁化层的表面至少20μm的位置处，能够为至少104T/m，例如，在离所述可磁化层的表面至少50μm的位置处，为至少104T/m。
在第6方面中，根据第1-5方面中的任一方面，所述高导磁性材料的厚度为大于或等于约10μm，例如，大于或等于约100μm，或大于或等于约1mm。
在第7方面中，根据第1-6方面中的任一方面，所述高导磁性材料的饱和磁通密度为大于1T，例如，大于1.5T。在第8方面中，根据第1-6方面中的任一方面，所述饱和磁通密度能够为约1.8T。
在第9方面中，根据第1-8方面中的任一方面，所述微流体设备包括在所述一个或多个磁体和所述可磁化层之间的低导磁性分隔层。
在第10方面中，根据第3-9方面中的任一方面，所述间隙的厚度为等于或小于第一和第二高导磁性材料中每一个的厚度。
在第11方面中，根据第1-10方面中的任一方面，所述角度为斜角，例如，锐角，如角度为约0.5°至约30°，例如，1°，2°，3°，5°，10，15°，20°，或25°，从所述设备的微流体通道的纵轴测得。
在第12方面中，根据第1-11方面中的任一方面，所述高导磁性材料含有铁。在第13方面中，根据第1-12方面中的任一方面，所述高导磁性材料选自包含以下物质的组或者由以下物质构成的组：铁，镍，钴，镍-铁合金，SiFe合金，FeAlN合金，CoFe合金，CoFeNi，钢，含有磁性粒子的聚合物复合材料，含有磁性粒子的玻璃复合材料，和含有磁性粒子的陶瓷复合材料。
在第14方面中，根据第1-13方面中的任一方面，所述微流体设备包括细长的覆盖物，其限定所述微流体通道的上表面和侧表面。
在第15方面中，根据第1-14方面中的任一方面，所述低导磁性材料能够为非-磁性材料例如聚合物或者空气。
在第16方面中，根据第1-15方面中的任一方面，所述微流体设备包括布置在所述可磁化层的表面上并且形成所述微流体通道的下表面的钝化层。
在第17方面中，根据第1-16方面中的任一方面，所述低导磁性材料的宽度从所述可磁化层的第一侧面至所述可磁化层的第二相对侧面变窄。
在第18方面中，根据第1-17方面中的任一方面，所述微流体设备包括两个或更多个磁体的阵列，每个磁体的磁极取向与在该阵列中的相邻磁体的磁极取向相对，从而使得在该阵列中每个磁体的磁场延伸至该阵列中的相邻磁体。在第19方面中，根据第18方面，所述细长的低导磁性材料能够与该阵列的两个相邻磁体之间的界面基本上对齐。
在第20方面中，根据第1-19方面中的任一方面，所述微流体设备包括偏转通道和，与所述偏转通道分开的输出通道，其中所述输出通道和所述偏转通道二者都流体连接至所述微流体通道的出口。
在第21方面中，根据第1-20方面中的任一方面，所述可磁化层能够包括多个细长的低导磁性材料的片，其中每片低导磁性材料都布置在所述高导磁性材料中的相应的细长的间隙内。在第22方面中，根据第21方面，所述多个细长的间隙能够平行布置。在第23方面中，根据第21-22方面中的任一方面，至少一个间隙的厚度可以完全延伸贯穿所述所述高导磁性材料的厚度。在第24方面中，根据第21-23方面中的任一方面，对于一个或者多个低导磁性材料的片，所述一个或多个片各自的宽度沿着与所述相应的片相关的中心纵轴变窄。
根据本发明的另一总的方面，第25方面，提供一种微流体设备，其包括一个或多个磁体，其中每个磁体可操作地发射磁场；布置在所述一个或多个磁体的表面上的可磁化层，其中所述可磁化层含有高导磁性材料和邻近所述高导磁性材料的或者至少部分地与所述高导磁性材料接界的低导磁性材料，其中所述高导磁性材料的厚度为大于10μm，和所述高导磁性材料的饱和磁通密度为大于0.2T，其中所述可磁化层配置为在至少一个所述磁体的磁场中诱导梯度；和
布置在所述可磁化层的表面上的微流体通道，其中所述微流体通道的中心纵轴以与在所述高导磁性材料和所述低导磁性材料之间的界面成一定角度布置，或者偏离该界面在侧面布置。
在第26方面中，根据第25方面，所述设备还包括偏转通道，与所述偏转通道分开的输出通道，其中所述输出通道和所述偏转通道二者都流体连接至所述微流体通道的出口。
根据本发明的另一总的方面，第27方面，提供使用第20-24和26方面中任一方面的微流体设备对目标分析物进行分类的方法，所述方法包括：使流体样品流动通过所述微流体通道，所述流体样品含有所述目标分析物和结合至所述目标分析物的一个或多个磁性粒子；在操作所述微流体设备的过程中，将所述流体样品暴露于所述磁场中的梯度，其中所述磁场中的梯度将所述目标分析物偏转朝向远离所述流体样品的初始流体流动轨迹的通道；和在所述偏转通道的出口收集所述目标分析物。
前述和其它实施方式能够各自任选地以单独的方式或者组合的方式含有一个或多个以下特征。例如，在第28方面中，根据第27方面，所述一个或多个磁性粒子能够包括或者选自超顺磁珠，抗磁珠，铁磁珠，及其组合。在第29方面中，根据第27-28方面中的任一方面，所述目标分析物的尺寸与结合至所述目标分析物的磁性粒子的数目的比能够为大于约10μm，或大于约15μm，或大于约20μm，或大于约25μm。在第30方面中，根据第27-29方面中的任一方面，一个或多个磁性粒子的直径能够小于或等于约0.5μm，或小于或等于约0.1μm。在第31方面中，根据第27-30方面中的任一方面，一个或多个磁性粒子的磁矩为小于或等于约35kA/m。
在第32方面中，根据第27-31方面中的任一方面，所述方法还包括使所述磁场在打开和关闭之间循环变化。
根据本发明的另一总的方面，第33方面，提供制造微流体设备的方法，其中所述方法包括：提供一个或多个磁体，每个磁体可操作地发射磁场；形成邻近于所述一个或多个磁体的可磁化层，其中所述可磁化层配置为在至少一个所述磁体的磁场中诱导梯度，其中在离所述可磁化层的表面至少20μm的位置处，所述梯度为至少103T/m；和在所述可磁化层的表面上形成微流体通道。
前述和其它实施方式能够各自任选地以单独的方式或者组合的方式含有一个或多个以下特征。例如，在第34方面中，根据第33方面，形成所述可磁化层包括：提供高导磁性材料的层；和在所述高导磁性材料中形成一个或多个细长的间隙。在第35方面中，根据第34方面，提供高导磁性材料的层能够包括浇铸该高导磁性材料的层，模塑该高导磁性材料的层，热成型该高导磁性材料的层，或使用溅射、热沉积、等离子体沉积、电镀或者电子束沉积来沉积该高导磁性材料的层。在第36方面中，根据第34方面，提供高导磁性材料的层能够包括将磁性带置于所述一个或多个磁体的表面上。在第37方面中，根据第34-36方面中的任一方面，形成所述一个或多个细长的间隙能够包括机械加工该高导磁性材料的层。在第38方面中，根据第37方面，该方法还包括贯穿该高导磁性材料的层的整个厚度进行机械加工。
在第39方面中，根据第34-38方面中的任一方面，所述方法还包括用低导磁性材料例如非-磁性材料填充所述一个或多个细长的间隙，例如填充所述一个或多个细长的间隙包括对所述低导磁性材料进行注塑或者对所述低导磁性材料进行热压花。
在第40方面中，根据第34-39方面中的任一方面，所述方法包括以相对于至少一个所述细长的间隙成一定的角度布置所述微流体通道的中心纵轴。
在第41方面中，根据第34-40方面中的任一方面，所述方法还包括将低导磁性基板例如非-磁性基板置于所述一个或多个磁体的表面上；和在所述低导磁性基板例如非-磁性基板的表面上形成所述可磁化层。
根据本发明的另一总的方面，第42方面，提供微流体设备，所述微流体设备包括一个或多个磁体，其中每个磁体可操作地发射磁场；邻近于所述一个或多个磁体的可磁化层，所述可磁化层包括第一高导磁性部分和至少一个低导磁性部分；和与所述可磁化层相邻的微流体通道，其中所述微流体通道包括：第一分析物隔离区；以及流体连接至所述第一分析物隔离区的第二分析物隔离区，其中所述可磁化层配置为在至少一个所述磁体的磁场中诱导梯度，其中在所述第一分析物隔离区中诱导的磁场梯度不同于在第二分析物隔离区中诱导的磁场梯度，和其中在离所述可磁化层的表面至少20μm的位置处，在所述第一分析物隔离区和所述第二分析物隔离区中的至少一个中诱导的磁场梯度为至少103T/m。
根据本发明的另一总的方面，第43方面，提供微流体模块(microfluidiccartridge)，其包括可磁化层，所述可磁化层含有高导磁性材料和邻近所述高导磁性材料布置的，或者至少部分地与所述高导磁性材料接界的低导磁性材料；布置在所述可磁化层的表面上的微流体通道，其中所述微流体通道的中心纵轴以与在所述高导磁性材料和所述低导磁性材料之间的界面成一定角度布置，或者偏离该界面在侧面布置；和布置在所述可磁化层的表面上并且形成所述微流体通道的下表面的钝化层，其中所述可磁化层的表面配置为可移动地固定于一个或多个磁体。
在第44方面中，根据第43方面，所述可磁化层的表面包含突起结构，所述突起结构配置为可移动地锁止到所述一个或多个磁体的相应部分中。
在第45方面中，根据第43至44方面中的任一方面，其中所述微流体通道的中心纵轴以与在所述高导磁性材料和所述低导磁性材料之间的界面成一定角度布置，或者偏离该界面在侧面布置。
在第46方面中，根据第43至45方面中的任一方面，所述低导磁性材料布置在所述高导磁性材料中的间隙内或者布置在分开的所述高导磁性材料的片之间。
在第47方面中，根据第43至46方面中的任一方面，所述高导磁性材料的第一表面和所述低导磁性材料的第一表面与所述钝化层直接接触，并且其中从钝化层测得的所述低导磁性材料的厚度大于所述高导磁性材料的厚度。
根据本发明的另一总的方面，第48方面，提供微流体装置，所述微流体装置包括一个或多个磁体，每个磁体可操作地发射磁场；和邻近所述一个或多个磁体布置的可磁化层，其中所述可磁化层配置为在至少一个所述磁体的磁场中诱导梯度，和其中所述可磁化层含有高导磁性材料，和邻近所述高导磁性材料的或者至少部分地与所述高导磁性材料接界的低导磁性材料，其中所述可磁化层的表面配置为可移动地固定于微流体模块。
在第49方面中，根据第48方面，所述可磁化层的表面包括突起结构，所述突起结构配置为可移动地锁止到所述微流体模块的相应部分中。
在第50方面中，根据第48至49方面中的任一方面，所述低导磁性材料布置在所述高导磁性材料中的间隙内或者布置在分开的所述高导磁性材料的片之间。
在第51方面中，根据第48至50方面中的任一方面，所述高导磁性材料第一表面和所述低导磁性材料的第一表面形成所述可磁化层的表面，和其中所述低导磁性材料的从所述可磁化层的表面测得的厚度大于所述高导磁性材料的厚度。
根据本发明的另一总的方面，第52方面，提供使用第1至26和42-47方面中任一方面的微流体设备或微流体模块对目标分析物进行分类的方法。所述方法包括使流体样品流动通过所述微流体通道，所述流体样品含有所述目标分析物和结合至所述目标分析物的一个或多个磁性粒子；在操作所述微流体设备或者所述微流体模块的过程中，将所述流体样品暴露于所述磁场中的梯度，其中所述磁场中的梯度将所述目标分析物的轨迹偏转远离所述流体样品的初始流体流动轨迹。
在第53方面中，根据第52方面，所述磁场中的梯度在朝向所述可磁化层的第一方向上在目标分析物上施加力。在第54方面中，根据第53方面，所述磁场中的梯度也在不同于所述第一方向的第二方向上在所述目标分析物上施加力。在第55方面中，根据第3方面，所述间隙的宽度为等于或大于约100nm，例如，等于或大于约500nm，等于或大于约1μm，等于或大于约10μm，等于或大于约50μm，等于或大于约75μm，或等于或大于约100μm。
在第56方面中，根据第1至26和42-51方面中的任一方面，所述微流体通道是弯曲的。在第57方面中，根据第1至26，42-51和56方面中的任一方面，所述高导磁性材料和所述低导磁性材料之间的边界线是弯曲的。在第58方面中，根据第48-51方面中的任一方面，所述装置配置为以相对于所述微流体模块成多个不同取向中的任一个取向可移动地固定于所述微流体模块。
在第59方面中，根据第1至58方面中的任一方面，所述高导磁性材料的相对磁导率(relative permeability)比所述较低导磁性材料的相对磁导率大至少约4。在第60方面，根据第1至59方面中的任一方面，所述高导磁性材料的相对磁导率为至少约5。
本申请使用的"连接的(linked)"是指通过共价键、非共价键或其它键(例如范德华力)附接或者键合。
本申请所用的"特异性结合(specifically binds)"是指一个分子，例如结合部分，例如，低聚核苷酸或者抗体，在其它分子存在下在样品中优先结合至另一分子，例如目标分子，例如，核酸或者蛋白质，例如，细胞表面标记物。
本申请所用的"磁矩"是磁性材料与磁场对齐的趋势。
本申请所用的"饱和磁通密度"是当材料完全磁化时(即，当在进一步增加磁化场的情况下磁通密度有可忽略的增加时)该材料的磁通密度。
本申请使用的"可磁化的"理解为是指能够被磁化。
除非另外定义，否则，本申请使用的所有的技术和科学术语都具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。虽然与本申请所述的那些类似的方法、材料和设备能够用于本发明的实践或者测试中，但是下面描述合适的方法、材料和设备。本申请提及的所有的出版物，专利申请，专利，和其它参考文献都通过参考将他们全部并入本申请。在冲突的情况下，以本说明书(包括定义)为准。此外，材料、方法和实例仅是说明性的，不意图是限制。
本发明的一种或多种实施方式的细节列于附图和以下的描述中。本发明的其它特征，目的，和优点从说明书和附图以及从权利要求看将会是显而易见的。
附图说明
图1A是本申请所述的微流体设备的实例的横截面视图。
图1B是图1A的微流体设备的可磁化层的顶视图。
图1C是微流体设备的实例的横截面视图，所述微流体设备在可磁化层和微流体覆盖物之间包括薄膜层。
图2是本申请所述的微流体设备的实例的侧视图。
图3A是微流体设备的横截面视图，在所述微流体设备中低导磁性区域从侧面偏离微流体通道的中心纵轴。
图3B是图3A的微流体设备的可磁化层的顶视图。
图4是微流体设备的顶视图，除去了覆盖物，其中低导磁性区域以相对于微流体通道的流动方向成一定的角度延伸。
图5A是微流体设备的实例的横截面视图，所述微流体设备具有可磁化层，其中形成并且平行布置了多个低导磁性区域。
图5B是微流体设备的实例的顶视图，其中除去了覆盖物并且显示可磁化层的表面。
图5C是标记的和未标记的细胞在微流体设计中流动的示意图，所述设计包括多个平行的低导磁性区域。
图5D是标记的和未标记的细胞在微流体设计中流动的示意图，所述设计包括单个低导磁性区域。
图6A是微流体设备的实例的横截面视图，其中微流体覆盖物包括多个微流体通道区域。
图6B是图6A的微流体设备的顶视图。
图7是微流体设备的横截面视图，其中低导磁性区域并不自始至终(all the way)延伸至可磁化层的下表面。
图8A-8H是微流体设备的可磁化层周围的磁体的不同布置的横截面视图。
图9A-9D是系统的实例的示意图，所述系统包括微流体设备，所述微流体设备用于基于高磁通量梯度对目标分析物进行分离和/或分类。
图10A-10D是系统的实例的示意图，所述系统包括本申请所述的微流体设备，其用于基于高磁通量梯度对目标分析物进行分离和/或分类。
图11是用于多阶段设备的实例布置的示意图，所述多阶段设备利用高磁通量梯度来分离目标分析物。
图12A是系统的实例的示意图，其包括两个分开的阶段用于基于磁通量梯度的使用而分离分析物。
图12B是图12A中所示的用于分析物分离的两个分开的阶段的特写视图(close-upview)。
图13是描述制造本申请所述的微流体设备的方法的流程图。
图14A是微流体设备的实例的第一配置的示意图，所述微流体设备包括可移除和/或可替代部分。
图14B是微流体设备的实例的第二配置的示意图，所述微流体设备包括可移除和/或可替代部分。
图15A和15B是条形图，其分别显示对于根据表1制造的提取(stripe)设备，珠加载量(bead load)和珠加载量-产率关系。
图16是整合的微流体设备的横截面示意图。
图17是热图(heat map)，其显示在整合的微流体设备的第一分离阶段中模拟的磁场梯度的顶视图。
图18是热图，其显示在整合的微流体设备的第二分离阶段中模拟的磁场梯度的顶视图。
图19A-19C是示意图，其显示可磁化层的三种不同实例配置的横截面。
图20A-20B是在整合的微流体设备的第一和第二分离阶段中模拟的磁场梯度的热图分区图(plot)。
图21A-21C是不同的配置实例的示意图，所述配置在整合的微流体设备中用于布置磁体。
图22是整合的微流体设备排除所述流体通道和磁体后的部分的横截面的示意图。
图23A-23B各自是示意图，其描述整合的微流体设备的第一和第二阶段的顶视图。
图24A-24B分别是在第一分离阶段和第二分离阶段中的模拟的磁通量梯度的大小(magnitude)作为饱和磁通密度的函数的曲线。
图25A-25B分别是在第一分离阶段和第二分离阶段中模拟的磁通量梯度的大小作为钝化层厚度的函数的曲线。
图26A-26B分别是在第一分离阶段和第二分离阶段中模拟的磁通量梯度的大小作为高导磁性材料(例如，合金材料)的厚度的函数的曲线。
图27A-27F是示意图，其描述不同微流体通道设计和诱导高磁通量梯度的结构的实例的顶视图。
图28A-28F是示意图，其描述相对于诱导高磁通量梯度的结构的微流体通道不同布置的实例的顶视图。
具体实施方式
本发明涉及使用高梯度磁场对粒子进行分类的方法和系统。总的来说，本发明的一方面能够体现为微流体设备，其使用高磁场梯度用于对在所述设备的微流体通道内流动的目标试剂或者分析物(例如，核酸，多肽，细菌，细胞)进行分类。所述设备能够包括一个或多个磁体和具有与低导磁性区域邻近或者与低导磁性区域至少部分接界的一个或多个高导磁性区域的层。所述高导磁性区域提供给从一个或多个磁体发出的通量线优选的路径，从而使得在所述低导磁性区域之上延伸的磁场线形成具有高磁场梯度的边缘磁通量场。所述高磁场梯度提升了"牵引"磁性粒子(和所述磁性粒子所附着到的分析物)的磁力，所述磁性粒子(和所述磁性粒子所附着到的分析物)在相邻的微流体通道内流向间隙，以便分类。
图1A是微流体设备100的实例的横截面视图，微流体设备100能够产生高磁性梯度用于分离目标分析物。提供笛卡儿坐标系用于参考，其中正的z-方向是进入页面的。设备100包括一个或多个磁体102，可磁化层104，和限定微流体通道区域112的微流体通道覆盖物110，样品流体可通过微流体通道区域112流动。所述设备可任选地包括在所述一个或多个磁体102之间的分隔层114。可磁化层104可由如下分开的部分构成：高导磁性部分106，其具有相对于细长的低导磁性部分108更高的导磁性。该高导磁性部分优选具有相对磁导率(介质的磁导率与自由空间的磁导率之比)比所述较低导磁性材料的相对磁导率大至少约4。所述高导磁性材料优选具有至少5的相对磁导率。在操作设备100的过程中，流体样品可流动通过通道区域112，例如，沿着z-方向。
图IB是可磁化层104的顶视图，其中除去了覆盖物110。如图IB中所示，该细长的低导磁性部分108也沿z-方向延伸。
设备100操作背后的原理之一是将可磁化层104配置为驱动大的磁通量进入小区域空间，由此产生高的磁通密度，和因此在通道区域112内产生强的磁力。尤其是，层104的高导磁性部分106给从一个或多个磁体102发射的磁通量提供优选的(低磁阻)路径。相反，该磁通量往往会避开位于高导磁性区域106之间的低导磁性部分108。此外，该可磁化层104之上的区域(例如，包含通道区域112的微流体覆盖物110)优选也具有相对于部分106而言低的导磁性。由于磁通量偏好高导磁性区域的趋势的结果，一部分磁通量通过在低导磁性区域108的第一侧上的高导磁性部分106的表面，通过该微流体通道112，并且然后返回到在低导磁性区域108的第二相对侧上的高导磁性部分106中。延伸到微流体通道112中的磁通量部分是"边缘通量(fringing flux)"或者"漏通量(leakage flux)"(场)。
延伸进入通道112的边缘通量的大小在接近于可磁化层104的表面处是非常大的，但是随着离可磁化层表面的距离的增加快速降低，产生大的磁通量梯度。在穿过该通道的磁性粒子上的力与的大小成比例，其中对应于向量微分操作符(vectordifferential operator)而B是磁通量。通量的梯度在高导磁性部分106和低导磁性部分108之间的边缘处可能是最大的。因此，流动通过在低导磁性部分108之上的区域中的通道112的磁性粒子(和附着至该磁性粒子的分析物)通过强的磁力被吸引到可磁化层104的表面。与均匀磁场遍布该流体通道延伸的设备相反，该磁场梯度使得，在某些实施方式中，能够在磁性粒子上产生较大的"拉力"，由此容许较快地从流体样品中的其它分析物分离磁性标记的分析物。结果，较高的样品流体速度和/或较短的流体通道长度能够用于分离该目标分析物。
图2是图1的在线A-A处截取的设备100的实例的侧视图。图2描述使用该高磁场梯度如何能够在流体样品200中使该磁性粒子分类。再次显示坐标系用于参考。流体样品200从左边进入设备100(如箭头所示)。样品200包含在流体中的磁性粒子202和非-磁性粒子204，所述流体如水、缓冲液、盐水、血液(例如，稀释的血液或者全血)，或其它可应用的流体。对于本实施例，该流体样品200遵循压力驱动的层流，其具有抛物线形速度分布(parabolic velocity profile)，其中最高流体速度在通道112的中心，低流体速度靠近通道112的边界壁。但是，也能够使用具有不同的速度分布的其它的流体驱动机理，例如电动力学技术(electrokinetic techniques)。
在流体样品200在可磁化的区域104之上流过时，通过该设备产生的高磁性梯度产生磁力，该磁力将磁性粒子204从样品200牵引到区域104的表面。非-磁性粒子202不受该磁力的影响，继续随着样品200在通道112中大约相同的高度流动。将该磁性粒子204与非-磁性粒子202分离使得能够独立地收集磁性粒子和/或附着至该磁性粒子204的分析物。
再次参考图1A，驱动通过该高导磁性区域106的磁通量越大，在该低导磁性区域108上方的区域中的磁力就越强，并且因此，在该低导磁性区域108的周围移动的磁性粒子经受的力就越强。磁通的大小能够基于微流体设备100的一个或多个参数受到影响，包括，例如，发射磁场的磁体的强度。使用的磁体越强，能够获得的磁通量就越大。能够从磁体产生的最大磁场的强度使用符号Br表示，即，所述磁体的剩余磁化率(remanentmagnetization)。可使用的磁体的类型包括，例如，永磁体或电磁体。所述磁体可由包含以下物质的材料构成：例如，NdFeB，SmCo，AINiCo，或铁氧体的合金。通过所述一个或多个磁体102提供的磁场可为约0.001T至约1.5T。例如，通过所述一个或多个磁体102发射的磁场可为约0.1T，约0.3T，约0.5T，约1T，或约1.3T。其它值对于所述磁场也是可能的。
影响磁通大小(并因此影响能够获得的磁通量梯度)的另一参数是区域106的最大导磁性，即，饱和磁通密度Bs。饱和磁通密度越大，能够通过区域106导致获得磁通量梯度的磁通量越大。因此，优选通过高相对导磁性区域106的磁通量为至少等于或大于形成区域106的材料的饱和磁通密度Bs。能够用于所述高导磁性区域106的材料包括但不限于铁，镍，钴，和镍-铁合金，例如Ni80Fe20或Ni45Fe55，钢，CoFeNi，FeAlN合金，SiFe合金，或CoFe合金。该高导磁性材料可具有的饱和磁导率(导磁性)大于或等于约1T。例如，所述高导磁性材料可具有的饱和磁通密度大于或等于约1.2T，大于或等于约1.4T，大于或等于约1.6T，大于或等于约1.8T，或大于或等于约2.0T。
参数Br和Bs也可用来确定微流体设备100的其它性质，使得能够获得在低导磁性区域108之上的高磁通量梯度，例如，对于第一位近似值而言(to a first orderapproximation)，高导磁性区域的剩余磁化率和饱和磁通密度之间的关系应该遵循(Br)wm>(Bs)(hs)，其中wm是所述一个或多个磁体102的横截面宽度，而hs是可磁化层104的高度。因此，对于具体的磁体/高导磁性材料组合而言，应该用于获得最大磁通量梯度的最小横截面宽度可以表示为wm≥(Bs/Br)hs。横截面宽度wm的实例可为约1μm至约50mm，包括，例如，约50μm，约500μm，约1mm，约2mm，约5mm，或约10mm。类似的，约等于该横截面宽度的磁体厚度hm应该大于足以获得最大磁通量梯度的值。磁体厚度的实例为约500μm，约1mm，约2mm，约4mm，约5mm，或约10mm。
可磁化层104的厚度hs可落入约1μm至约10mm的范围。例如，该厚度hs可为约10μm，约100μm，约250μm，约500μm，约1mm，或约5mm。其它厚度也是可能的。该高导磁性材料106的厚度可为等于或小于可磁化层104的厚度。例如，高导磁性材料106的厚度可为约1μm，10μm，约100μm，约250μm，约500μm，约1mm，约5mm，或约10mm。对于高导磁性区域而言其它厚度也是可能的。
优选地，可磁化层104的宽度ws足以容纳层104下面的一个或多个磁体102的宽度，以及层104之上通道112的宽度，并且可以落入约500μm至约100mm的范围。例如，宽度ws可为约1mm，约5mm，约10mm，约25mm，约50mm，或约75mm。其它宽度也是可能的。在一些实施方式中，宽度ws可延伸超过100mm从而容纳多路通道(multiplexing)，其中在设备100内例如以平行或者连续方式形成多个通道112。
用于分离目标分析物的可磁化层104的合适的长度ls(和，在一些情况下，通道区域112和磁体102的长度)取决于各种因素，包括尤其是通道区域112中磁力的强度，通道112内分析物的停留时间，流体样品通过通道112时的速度或者流动速率，和磁性粒子在通道112中对磁力的响应度。可磁化层的长度ls可落入约1mm至约500mm的范围。例如，长度ls可为约5mm，约10mm，约50mm，约100mm，约250mm，约500mm，或约750mm。其它长度也是可能的。高导磁性材料106的长度可为等于或小于可磁化层104的长度。例如，高导磁性材料106的长度可为约1mm，5mm，约10mm，约50mm，约100mm，约250mm，约500mm，或约750mm。对于高导磁性区域来说，其它长度也是可能的。
虽然该高导磁性区域108在图1A中显示为具有矩形横截面，但是对于区域108来说其它形状也是可能的。例如，该区域能够具有任何数量的不同横截面，例如，方形，环形，三角形，六边形，弯曲的，例如，凹的或者凸的，或椭圆形横截面。其它横截面也是可能的。重要的方面是产生在所述高导磁性材料和所述低导磁性材料之间的界面。
优选地，所述低导磁性区域108具有比高导磁性区域106显著较小的相对磁导率。例如，低导磁性材料的相对磁导率低于高导磁性材料的相对磁导率至少约4。各种材料都可用作该低导磁性区域108。例如，低导磁性部分108能够包括但不限于聚合物(例如，聚乙烯，聚酰亚胺，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚苯乙烯，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，环氧化合物，玻璃，陶瓷，金属(例如，黄铜)，或硅。低导磁性材料能够包括非-磁性材料。包含在低导磁性部分108中的材料不限于固体材料，并且包括流体例如水。在一些实施方式中，部分108可对应于间隙，所述间隙含有空气，气体(例如，惰性气体)，或真空。部分108的相对磁导率可为约1至约1000。如上所解释的，部分108的饱和磁通量应该小于部分106的饱和磁通量。优选，饱和磁通量的差为约1T，但是该差值也能够为大于或小于1T。
优选，磁通量梯度跨通道112的宽度广泛地分布，从而使得即使磁性粒子在离可磁化层104的表面较远的距离(例如，在通道112的顶部)也经受所述磁力并且朝着层104向下"牵引"，并且更具体地，朝着细长的低导磁性部分108，此处磁通量梯度是最大的。优选地，低导磁性部分108的宽度为与目标分析物的宽度尺寸大致相同或者更大。例如，对于约20μm的典型细胞(cell)，部分108的宽度为约约20μm。部分108的宽度可落入范围约100nm至约500μm。例如，部分108的宽度可为约500nm，约1μm，约10μm，约50μm，或约75μm。类似地，通道区域112的宽度优选为与低导磁性部分108的宽度一样宽或者比它更宽从而容许期望的目标分析物穿过。此外，通道区域112的宽度可比细长的部分108的宽度宽或窄。
在一些实施方式中，低导磁性部分108的宽度能够跨可磁化层104的长度ls而变化。例如，在一些情况下，部分108的宽度可为从可磁化层104的第一侧朝向可磁化层104的第二相对侧沿着z-方向逐渐减少。或者，或此外，低导磁性部分108的宽度可跨可磁化层104的厚度hs而变化。例如，在一些情况下，部分108的宽度可为从可磁化层104的接近于通道区域112的上表面朝向可磁化层104的接近于任选的分隔层114的下表面而逐渐变小，或反之亦然。部分108的宽度从可磁化层104的底部至可磁化层的接近通道区域112的顶部的逐渐变小在一些实施方式中可以提供通道112中更大空间分布的磁通量梯度。
在一些实施方式中，可磁化层104可由条带或箔形式的柔性磁性带构成，其中所述带材用作所述高导磁性材料。柔性磁性带在一些情况下给出优点，容易施用至一个或多个磁体102或分隔层114。可将粘合剂形成于磁性带的一侧上用于粘合至所述一个或多个磁体102或分隔层114。可用于柔性磁性带的材料的实例包括但不限于Master Magnetics磁性带(Master Magnetics，Inc.)或者Magna Card磁性带(Magna Card，Inc.)。低导磁性部分108可通过蚀刻或者切出该磁性带的预定的区域形成于该磁性带中。
微流体覆盖物110能够由与要递送通过所述微流体通道的流体样品相容的任何可施用材料形成。例如，微流体覆盖物110能够由以下物质形成：玻璃，硅，PDMS，PMMA，环烯烃聚合物(COP)，聚碳酸酯，聚酰亚胺，或其它合适的材料。分隔层114是任选的，并且可用作支撑层，在该支撑层上可形成可磁化层104。分隔层114可由低导磁性材料，例如，非-磁性材料，包括，例如，玻璃或者任何宽泛的各种塑料形成。
在一些实施方式中，另外的材料层可形成于所述可磁化层104的表面上。例如，可将材料层形成于可磁化层104的表面上从而保护所述可磁化层104不受流体样品的损害和/或腐蚀，以提供目标分析物可结合的表面，以提供微流体覆盖物110能够粘结的表面，和/或从流体样品中分离低-导磁性区域108。图1C是样品微流体设备150的横截面视图，其包括可磁化层104和微流体覆盖物110之间的薄膜层152。薄膜层152可由一种或多种不同的材料形成，包括但不限于硅材料，例如二氧化硅，玻璃，或任何广泛的各种惰性塑料。所述薄膜层152的厚度可为约几纳米至几十微米。例如，薄膜层152可为约10nm厚，约100nm厚，约500nm厚，约1μm厚，或约5μm厚。也可使用其他厚度。
在图1A中所示的实施例中，低导磁性部分108基本上与微流体通道112的中心纵轴对齐。通道112的中心纵轴沿着z-轴延伸进入页面并且离通道112的壁是等距离的。类似地，细长的低导磁性部分108的中心纵轴也沿着z-方向延伸。其它配置的通道112和低导磁性部分108也是可能的，并且，在一些实施方式中，可提高磁性或磁性标记的粒子与流体样品的分离。
例如，在一些实施方式中，低导磁性区域108可在侧面偏离微流体通道112的中心轴向。图3A是微流体设备300的横截面视图，其中与高导磁性区域106结合的低导磁性区域108在侧面偏离微流体通道112的中心纵轴。图3B是微流体设备300的可磁化层104的顶视图，其中除去了覆盖物110。图3B中的虚线113表示通道112的中心纵轴。如这些实施例中所示，低导磁性区域108位于更加接近于通道112的侧壁115，而不是通道的中心，其中通道中心对应于中心纵轴113。区域106和108建立的磁通量梯度仍然产生磁力，该磁力牵引流动通过该通道的磁性粒子向下朝向可磁化层104的表面。但是，因为部分108和通道112之间的侧面偏移，流动通过流体通道112的磁性粒子也会在低导磁性区域108的方向上在侧面被牵引。在沿着通道112的流动方向上具有足够距离的情况下，就能够基本上将磁性粒子与样品中的其它粒子和/或分析物分离。在一些情况中，通道112可包括在一端的分叉(bifurcation)，从而使得基本上分离的粒子遵循该分叉的一条路径，而样品的剩余部分遵循该分叉的其它路径。
在一些实施方式中，细长的低导磁性区域能够以相对于微流体通道的中心纵轴成斜角布置。图4是微流体设备400的顶视图，其中除去了覆盖物110，其中与高导磁性区域106结合的低导磁性区域108以相对于微流体通道112的流动方向成角度θ延伸，或相对于微流体通道112的中心纵轴113，例如，成斜角或锐角延伸。同样，区域106和108诱导磁通量梯度，该磁通量梯度产生磁力来将磁性粒子牵引朝向部分108并远离在该样品中流动的其它分析物。角度θ可为在例如0°至30°之间的任何值，包括例如，约0.25°，约0.5°，约1.5°，约5°，或约15°。
可磁化层104不限于具有单个细长的低导磁性区域。相反，在一些实施方式中，所述可磁化层104能够包括多个平行布置的细长的低导磁性区域108，每个区域108与相邻区域108被高导磁性部分106分开。以此方式，磁通量梯度的宽度能够显著延伸。结果，能够使用较宽的微流体通道112，其中该磁通量梯度跨通道的宽度延伸。
图5A是微流体设备500的实例的横截面视图，所述微流体设备500具有可磁化层104，其中形成多个低导磁性区域108，并将它们平行布置。如在其它实施例中，微流体覆盖物110形成于可磁化层104上并包括微流体通道112。部分108之间的距离(即，部分108之间的高导磁性部分106的宽度)可为类似于部分108的宽度并且在约100nm至约100μm范围内。例如，位于低导磁性区域108之间的部分106的宽度可为约500nm，约1μm，约10μm，约50μm，或约75μm。其它宽度也是可能的。
在一些实施方式中，多个低导磁性部分108可平行布置以及以相对于微流体通道112的中心纵轴成斜角布置。图5B是微流体设备550的实例的顶视图，其中除去了覆盖物110并且显示可磁化层104的表面。在此实施方式中，可磁化层104包括多个细长的低导磁性部分108，其平行布置和以相对于微流体通道的中心纵轴113成斜角布置。当采用单个低导磁性区域设计时，平行设置的低导磁性区域108诱导磁通量梯度，所述磁通量梯度产生磁力，该磁力将磁性粒子牵引朝向可磁化层104并且远离微流体通道112的中心纵轴。
图5C-5D是示意图，其描述标记的和未标记的细胞在包括多个平行的低导磁性区域("条(stripes)")的微流体设计中的定向流动，和在包含单个低导磁性区域("间隙")的微流体设计中的定向流动。所述示意图显示所述偏转通道区域的顶视图。标记的细胞沿着所述可磁化的结构，以相对于流体流动的方向成缓的角度移动，例如，以约0.25°，约0.5°，约1.5°，约10°，或约15°移动，而未标记的细胞在通道中的流体流动的方向上移动。
或者，或此外，多个微流体通道112能够形成于所述可磁化层104上。多个通道区域112容许同时检测较大数目的流体样品和/或大量的流体样品，由此提高微流体设备的效率。在一些实施方式中，该多通道区域112可平行布置从而使得它们各自跨越可磁化层104的一个或多个低导磁性区域的一部分。
图6A是微流体设备600的实例的横截面视图，其中所述微流体覆盖物110包括多个微流体通道区域112a，112b，112c。图6B是微流体设备600的顶视图。虽然通道112a，112b，112c未在图6B中示出，但是每个通道112a，112b，112c的中心纵轴113a，113b，113c通过虚线标出。如这些实施例中所示的，单个细长的低导磁性区域108用于所述可磁化层中。但是，该低导磁性区域108以相对于每个微流体通道的中心纵轴成斜角布置，从而使得随着样品从微流体设备的第一侧移动至微流体设备的第二侧，所述低导磁性区域108跨越每个通道112。虽然在图6A和6B中显示了单个低导磁性区域108，但多个低导磁性区域能够用于可磁化层104中，例如以平行的方式。
如图1A中所示，低导磁性区域108的厚度等于可磁化层104的厚度。也即，低导磁性区域108从可磁化层104的上表面延伸至该层104的下表面。在一些实施方式中，低导磁性区域108可能仅延伸通过可磁化层104的一部分，其比层104的厚度薄。例如，图7是微流体设备700的横截面视图，其中所述低导磁性区域108没有自始至终延伸至可磁化层的下表面。相反，将部分108在它的下表面暴露于高导磁性材料106。在图7中所示的实例设备中，优选在低导磁性区域108下方的高导磁性区域106a是用来自磁体102的磁通量饱和的。这是因为当高导磁性材料饱和时，该材料的相对磁导率接近于1。因此，通过使部分108下方的区域106a饱和，部分108和区域106a的行为类似于完全从可磁化层104的上表面延伸至可磁化层104的下表面的低导磁性部分108。没有使区域106a饱和可能显著劣化可在通道区域112中获得的磁通量梯度。
可磁化层的不同配置也能够影响在流体通道中得到的场梯度。例如，图19A至19C是一系列的示意图，其显示可磁化层的三个不同可能的配置的横截面。图19A显示该流体设备的横截面，其中所述可磁化层1904主要由高导磁性材料1906构成，例外是间隙区域含有低导磁性材料1908。
图19B显示了流体设备的横截面，其中所述间隙仍然存在，但是含有高导磁性材料1906的可磁化层1904的部分已经相对于流体通道减少了尺寸，从而使得低导磁性材料1908包围可磁化层1904中的高导磁性材料1906。此外，该微流体通道之间的间隔已经增加，从而所述第一分离阶段("S I")不再直接位于高导磁性材料1906的上方。此外，限定所述第一分离阶段和第二分离阶段("S2")的流体通道覆盖物1910能够由与所述间隙材料(或具有类似低导磁性的材料)相同的低导磁性材料形成。例如，所述微流体覆盖物和所述低磁性材料二者都能够由塑料，例如，由相同类型的塑料形成。
图19C显示与图19B中所示类似的流体设备的横截面，所不同的是仅有一个区域含有高导磁性材料1906，因此将该"间隙"加宽至该设备的全尺寸。换句话说，这是一种只有一边的"间隙"，其在本申请中称为"边"配置。例如，该高导磁性区域1906可为具有边1907的单片磁性合金。虽然未示出，但是假设图19A-19C每一个中的低和高导磁性材料都延伸进入和伸出页面。
返回去参考图1A，这个图显示了两个磁体102的阵列，其布置使得每个磁体102的磁极取向与相邻磁体102的磁极取向相对。在这种布置中，该阵列中的每个永磁体的磁场都延伸至阵列中的相邻永磁体。在该阵列中使用的磁体的数目不限于2个，但是，可以基于微流体设备的设计要求增加。或者，可使用单个磁体来提供产生磁通量梯度所需的磁通量。在一些实施方式中，可布置该磁体从而使得相邻磁体的磁极处于相同的取向，而不是相对的取向。在一些实施方式中，所述磁体布置在可磁化层104的上方或者在其侧面。
图8A-8H是微流体设备的可磁化层104周围的磁体102的不同布置的横截面视图，其中每个磁体102具有标记为"N"的"北"磁极，和标记为"S"的"南"磁极。图8A-8H中所示的每个实施方式能够产生可被可磁化层使用来在微流体设备的通道区域112中产生磁通量梯度的磁通量。
当增加第一和第二阶段中隔开微流体通道的距离时，该磁通量的梯度应该在离所述间隙或者边距离远的通道中是足够大的，以至于仍然诱导在该通道中的磁性粒子的一些偏转。为了确保足够的磁通量，能够将另外的磁体置于位于离所述间隙或者边相对远的通道的周围。例如，对于图21A中所示的设备配置(类似于图19A中所示的配置)，足够的磁通量梯度能够使用间隙区域下方的仅两个磁体2150提供。相反，对于图21B所示的间隙配置(类似于图19B中所示的配置)，另外的磁体2152能够用于在对应于第一分离阶段SI的区域中产生磁通量。在一些实施方式中，能够添加另外的磁体，例如，除了在所述设备下方，还在所述流体设备设备上方，如图21B中所示。类似的磁体布置会适合于该边和其它配置，例如图21C中所示。
本申请所述的微流体设备的不同布置能够在离最接近微流体通道的可磁化层的表面较远的距离处产生极高的磁通量梯度。例如，在一些实施方式中，可磁化层104能够，在离可磁化层104的表面至少10，20，30，40，或至少50μm远的位置，产生至少103T/m的磁通量梯度。在一些实施方式中，可磁化层104能够，在离可磁化层104的表面至少20，30，40，或至少50μm远的位置，产生至少104T/m的磁通量梯度。
取决于微流体通道的下表面和可磁化层的上表面之间的任何中间层的厚度，所述设备也能够在离微流体通道的下表面较远的距离处产生高磁通量梯度。例如，在一些实施方式中，所述可磁化层104能够离微流体通道下表面至少10，20，30，40，或至少50μm远的位置产生至少103T/m的磁通量梯度。在一些实施方式中，可磁化层104能够，在离微流体通道下表面的表面至少20，30，40，或至少50μm远的位置，产生至少104T/m的磁通量梯度。
能够使用本申请所述的设备获得的高磁通量梯度具有几个优点。例如，在一些实施方式中，所述高磁通量梯度使得能够分离结合至具有非常低磁矩的磁性粒子的目标分析物：微流体通道中的高磁力施加了较大的"牵引"到具有低磁矩的磁性粒子上。或者，或此外，该高磁通量梯度使得能够分离结合至较少数目的磁性粒子的目标分析物，这是因为磁力是高的，需要较少的具有特定磁矩的磁性粒子结合至目标分析物。
在一些实施方式中，高磁通量梯度使得能够磁性标记的分析物以高的流速(例如，至少约50μL/min，至少约100μL/min，至少约150μL/min，至少约300μL/min，至少约500μL/min，或至少约1000μL/min)分开/分离，由此增加效率，借助于这种效率该设备能够用于探测和分离目标分析物。
在一些实施方式中，所述高磁通量梯度使得能够使用较短的微流体通道/隔离区(例如，小于约150mm，小于约100mm，小于约50mm，小于约10mm，或约1mm)，这是由于磁性标记的分析物能够在短得多的距离上被分离。
在一些实施方式中，高磁通量梯度使得所述低导磁性区域能够以相对于微流体通道的中心纵轴较浅的角度布置。通过以较浅的角度布置所述低导磁性区域，该流体能够较快地流动通过所述微流体通道，同时仍然获得样品流体中期望的粒子与不期望的粒子的分离。较快流动的优点是在某些实施方式中能够减少微流体通道中的堵塞。但是，借助于较浅的角度(和增加的速度)，微流体通道的长度必须增加从而从样品流体中不期望的粒子获得指定的期望的粒子的侧向布置。这是因为被分离的粒子的侧向速度保持基本上恒定，而无论低导磁性区域的角度如何。因此，获得给定的侧向分离所需的时间也保持恒定。
样品流动速率v与sin(θ)约成反比，其中θ是低导磁性区域相对于微流体通道的中心纵轴成的角度。
表征通过使用磁力分离目标分析物的微流体设备的一种方式是规定分离目标分析物所需的目标分析物的尺寸A与结合至所述目标分析物的磁性粒子的最小数目P的比率Ra/P。对于计算该比率的目的，尺寸理解为对应于目标分析物的平均直径或平均长度。本申请所述的微流体设备的实施方式能够获得，例如，分析物尺寸与粒子数目比率为大于或等于约1μm，大于或等于约5μm，大于或等于约10μm，大于或等于约50μm，或大于或等于约100μm。
图9A是系统900的实例的示意图，其包括用于基于高磁通量梯度分离和/或分类目标分析物的微流体设备。该系统包括微流体通道，其从入口902延伸通过惯性聚集阶段(inertial focusing stage)904和偏转通道906到达出口908。惯性聚集阶段904将细胞聚集在微流体通道的中心。惯性聚集的实例和进一步的讨论能够在例如美国专利8,186,913中找到，将该文献的全部内容通过参考并入本申请。可磁化层位于偏转通道906的下方并且包括多个细长的低导磁性部分108，其是平行布置的和嵌在高导磁性材料中。低导磁性区域108相对于微流体通道的流动路径的角度为约0°至约30°，例如，约0.25°，约0.5°，约1°，约1.5°，约10°，约15°或约25°。出口908分成废物通道910和目标通道912。一个或多个磁体(未示出)邻近系统100放置并且提供磁场。
图9B，9C，和9D中示出的三个插图是区域108分别在偏转通道906的开始、中间和末端的特写视图。当将含有结合至一个或多个磁性粒子的目标分析物的流体样品引入到偏转通道906中时，通过可磁化层产生的磁力将该磁性粒子(和所附的分析物)沿着低导磁性区域108的方向牵引。该磁性粒子将会在通道906的长度上，在区域108附近并沿着区域108聚集，从而使得当流体样品到达出口908时，该磁性粒子(和所附的分析物)与样品中的其它非-标记的分析物分离。含有非-标记的分析物的流体样品的部分流出进入废物通道910，而该磁性粒子流入目标通道912。在图9中所示的实例中，假设区域108为约40μm宽，具有约40μm的间隔。
图10A是另一系统1000的实例的示意图，其含有基于高磁通量梯度分离和/或分类目标分析物的微流体设备。系统1000类似于系统900，所不同的是没有在可磁化层中的多个细长的低导磁性区域，所述可磁化层包括单个低导磁性区域108。在图10A的实例中，偏转通道1006相对于低导磁性区域108角度变大(angles up)约0.5°，从而使得区域108和偏转通道1006的壁之间的距离沿着偏转通道1006的长度增加(或者减少)。在图10B，10C，和10D中示出的三幅插图是区域108分别在偏转通道1006的开始、中间和最后的特写视图。
低导磁性材料和高导磁性材料之间的间隙(其提供两个界面)或界面(单个界面)的位置不必要在微流体通道宽度的中心。相反，在一些实施方式中，所述间隙(即，高导磁性材料之间的低导磁性区域)或界面(即，高导磁性材料和低导磁性材料之间的界面)可具有不同的布置。例如，图27A至27C是示意图，其描述不同的流体通道和用于诱导高梯度的结构的实例的顶视图。每个图显示如在图1A的“间隙”结构中形成的流体通道2700和低导磁性区域2702的略图。或者，区域2702能够对应于微流体设备的"边"配置中的高导磁性材料和低导磁性材料之间的界面。如图27A中所示，所述间隙或边界面的位置可为侧向偏离通道2700的壁，从而使得从顶视图看所述间隙或者边似乎在通道的外面。或者，间隙或边的位置可位于通道2700的直接下方(例如，参见图27B)。或者，该间隙或者边能够相对于通道2700的中心纵轴成斜角布置(例如，参见图27C)。
在一些实施方式中，通道2700本身能够包括一些曲率。在磁场中诱导高梯度的可磁化层的间隙或边也能够是弯曲的，从而基本上遵循通道2700的曲率。例如，图27D是弯曲的通道2700的顶视图的示意，其中可磁化层的间隙/边区域2702也是弯曲的，但是侧向偏离所述通道2700。图27E是弯曲的通道2700的顶视图的示意，其中间隙/边区域2702遵循通道2700的曲率，并且也位于通道2700的直接下方。图27F是弯曲的通道2700的顶视图的示意，其中所述间隙/边区域2702是弯曲的并且位于通道2700下方，但是不遵循流体通道的中心轴。相反，如图27F中所示，弯曲的间隙/边区域2702相对于流体通道2700的中心轴以斜角取向。
使用在微通道内产生大的磁通量梯度的可磁化结构的潜在危险是磁性粒子或者大量装载磁性粒子的分析物(其非常强地吸附至该可磁化层)的堵塞。这种堵塞的负面影响包括分析物的聚集流的品质降低和/或目标分析物的损失(例如，通过靶标细胞的溶胞(lysis))。堵塞的危险能够通过使用多阶段微流体设备而缓解，所述多阶段微流体设备使用多个区域来分离表现出不同水平的磁矩的目标分析物。在一些实施方式中，堵塞能够通过使用可磁化层中不同配置的高导磁性材料和低导磁性材料来最小化。
例如，所述可磁化层能够构建为包括图19C中所示的"边"配置，其中在所述高导磁性材料和所述低导磁性材料之间存在单个界面来代替"间隙"配置。与间隙配置(在间隙配置中磁性粒子(或结合至磁性粒子的目标分析物)直接在低导磁性材料和高导磁性材料之间的两个界面上方被牵引朝向通道区域)相反，所述磁性粒子(或结合至磁性粒子的目标分析物)在边配置中的低导磁性区域和高导磁性材料之间的单个界面上方被牵引朝向单个区域。因此该边配置具有的优点是，目标分析物偏转朝向单线线路(single line)，例如，在微流体通道的中间或者朝向微流体通道的中间，而不是被牵引至微流体通道的分开的区域，例如，朝向微流体通道的壁)，由此改善目标分析物的收集和分离。
图11是利用高磁通量梯度来分离目标分析物的多阶段设备的布置的实例的示意图。该多阶段设备包括第一阶段1102，其用于分离显示出高磁矩或者结合至显示出高磁矩的粒子的分析物，第二阶段1104，其用于分离显示出较低磁矩或者结合至显示出较低磁矩的粒子的分析物，和第三阶段1106，其用于除去废物或其它期望的分析物。如图11的示意图中所示，第一阶段1102分离显示出高磁矩的粒子，这通过将那些粒子偏转朝向第一出口1103而进行。第二阶段1104分离显示出较低磁矩的粒子，这通过将那些粒子偏转朝向第二出口1105而进行。
多阶段设备，例如两阶段设备1100，使得能够以高动态范围(high-dynamicrange)分离不同的分析物。例如，第一阶段1102捕获可能具有大的磁矩的分析物，该分析物在其它情况下会在第二阶段1104被诱捕。该大的磁矩可由于结合至流体样品中的分析物的大量磁性粒子所导致或者因为在该流体样品中的磁性粒子各自具有高的磁矩。第二阶段1104是更加敏感的，并因此能够捕获具有较小磁矩的分析物。例如，在第二阶段中捕获的分析物可结合至第二类型的磁性粒子，每个磁性粒子具有相对于第一类磁性粒子较低的磁矩，或在第二阶段1104中捕获的分析物可结合至比第一阶段1102中捕获的分析物少的磁性粒子。例如，如果分析物是细胞，第一阶段能够捕获以高水平表达特异性表面标记物分子(从而使得许多磁性粒子结合至许多表面标记物)的细胞，而第二阶段能够捕获表达相同表面标记物但是以较低的水平表达的细胞(从而使得较少的磁性粒子结合至这些细胞的表面)。剩余的分析物，例如图11的实例中的白血球(WBC)被传递至第三阶段1106。
图11中所示的多阶段设备通过在第一阶段1102中移动未结合的磁性粒子和磁性粒子聚集而解决了堵塞的问题。在堵塞减少的情况下，该多阶段设备使得，在一些实施方式中，能够使用较大的磁性粒子和较高的磁性粒子浓度。此外，所谓的"边"配置也能够用于通过将期望的分析物导向微流体通道的中心(与通道壁相反)而避免堵塞。
图12A是系统1200的实例的示意顶视图，其包括两个分开的阶段用于基于通过磁通量梯度的偏转进行分析物分离。第一和第二阶段形成单个连续通道，其具有两个近似同心的环。系统1200包括入口1206，第一聚集阶段1208，第一偏转通道/分离阶段1202，和出口1210，该出口1210用于在第一偏转通道1202中分离一种或多种第一目标分析物。偏转通道1202依赖于可磁化层，其包括一个或多个低导磁性区域，其布置在高导磁性材料中用来偏转所述一种或多种第一目标分析物。所述一种或多种目标分析物的偏转导致那些分析物和一些样品流体流动至出口1210，在此处收集它们。
系统1200也包括第二入口1212，其接收一部分来自第一偏转通道1202的剩余流体样品。流入入口1212的部分可包括不流进出口1210的所有剩余的流体样品。或者，来自第一通道1202的一些剩余流体样品可为"废物"流体，流进出口1203，而含有第二目标分析物的剩余流体样品的不同部分可流入入口1212。一旦通过了第二入口1212，剩余的流体部分就进入第二聚集阶段1214，和然后进入第二偏转通道/分离阶段1204，此处该第二目标分析物因磁通量梯度偏转进入出口1216而被收集。在第二偏转通道1204中的任何废物流体(即，流体样品减去第一和第二目标分析物的部分)流入出口1218。
含有低导磁性材料的细长的间隙区域1201基本上在第二阶段1204的下方延伸跨过设备的长度。图12B是示意图，其显示第一分离阶段1202和第二分离阶段1204的不同部分的特写视图。如图12B中所示，该细长的间隙区域1201以相对于第二分离阶段1204的中心纵轴成斜角布置。相反，没有低导磁性材料1201的部分在相邻的第一分离阶段1202下方延伸。作为这种配置的结果，第二阶段1204中的磁场梯度远高于第一阶段1202中的磁场梯度，并且可将比在第一分离阶段1202中大得多的力施加在第二分离阶段1204中的磁性粒子。
因此，第二分离阶段1204可能更好地适合于偏转具有低的总磁矩的目标分析物(例如，附接至小的磁性粒子和/或具有低磁矩的粒子的分析物)，而第一分离阶段1202可能更加适合于偏转显示出高磁矩的目标分析物(例如，附接至大磁性粒子和/或具有高磁矩的粒子的分析物)，其中所述磁力对于诱导偏转不必要是非常高的。
在一些实施方式中，在设备中的阻塞，例如，如图12中所示的那些，能够通过将磁场循环开启和关闭来得到最小化。通过移除或关闭磁通量源，消除了接近于低导磁性区域的磁通量，容许粘结至接近可磁化层的通道壁的未结合的磁性粒子和磁性标记的粒子得以释放它们本身。对于具有永磁体的系统，循环所述磁场可包括从所述设备物理分开所述永磁体从而使得该磁场不延伸进入微流体通道。对于具有电磁体的系统，循环所述磁场可进行供应至电磁体的电流的循环。通过最小化磁性粒子的聚集，可重复使用该设备，由此减少浪费。
制造微流体设备
总的来说，用于使用高磁通量梯度分离和/或分开目标分析物的微流体设备能够如下制备。参考图13，最初提供一个或多个磁体(1302)。该磁体可以由能够发射高磁场的任何合适的磁性材料(例如，SmCo，AINiCo，铁氧体，或NdFeB的合金)构成。然后可在一个或多个磁体的表面上提供任选的分隔层(1304)。该任选的分隔层能够包括任何合适的低导磁性材料，例如，非-磁性材料，包括，例如，玻璃，塑料或硅。
然后邻近所述一个或多个磁体形成可磁化层(1306)。例如，所述可磁化层可形成于所述一个或多个磁体的表面上或者所述任选的分隔层的表面上。该可磁化层可包括，例如，一片粘性磁性带。或者，可使用任何合适的沉积技术例如热沉积，等离子体沉积，电镀，或电子束沉积，将该可磁化层沉积作为磁性材料的薄或者厚的膜。优选地，该可磁化层包括具有高饱和磁通密度的高导磁性材料。如上所解释的，饱和磁通密度越大，能够穿过该高导磁性材料导致磁通量梯度增益的磁通的量就越大。能够用于所述高导磁性材料的材料包括但不限于铁，镍，钴，或镍-铁合金，例如Ni80Fe20或Ni45Fe55，钢，CoFeNi，FeAlN合金，SiFe合金，或CoFe合金。在一些实施方式中，所述高导磁性材料能够为复合材料，例如含有高导磁性粒子的聚合物，玻璃，或陶瓷(例如，铁，镍，钴，或镍-铁合金例如Ni80Fe20或Ni45Fe55，钢，CoFeNi，CoFe合金，FeAlN合金，或SiFe合金，粒子)。
形成所述可磁化层能够包括在所述可磁化层的磁性材料中形成低导磁性区域。例如，当使用粘性磁性带作为所述磁性材料时，在将所述磁性带放在磁体或分隔层的表面上之前，能够切出所述磁性带的一个或多个细长的部分。任选地，所述细长的区域可通过机械加工所述粘性磁性带从而除去磁性材料而形成。机械加工可包括任何标准的机械加工技术，例如车削(turning)，镗屑(boring)，钻孔(drilling)，铣削(milling)，拉削(broaching)，锯切(sawing)，刨削(shaping)，刨平(planning)，铰孔(reaming)，攻丝(tapping)，打磨抛光(grinding)，电火花加工(electrical discharge machining)，电化学机械加工(electrochemical machining)，电子束机械加工(electron beammachining)，光化学机械加工(photochemical machining)，激光机械加工(lasermilling)，或超声加工(ultrasonic machining)。该切出的部分可空着或者可用低导磁性材料，例如，非-磁性材料填充，从而在可磁化层中形成低导磁性区域。与粘合剂相反，在沉积该磁性材料的情况下，该细长的区域能够使用可适用的蚀刻技术例如湿蚀刻或干蚀刻(例如，等离子体蚀刻)形成。从磁性材料除去的部分的厚度在任何情况下(机械加工，切出或者蚀刻)都可为等于或小于磁性材料的厚度。
该切出部分可用低导磁性材料，例如，非-磁性材料，使用技术例如热沉积，等离子体沉积，电镀，或电子束沉积填充。任选的薄膜层(例如，SiO2)能够使用例如热或电子束沉积形成于可磁化层的表面上，从而使得该薄膜保护一部分所述可磁化层。
在一些实施方式中，该高导磁性材料能够使用模塑方法或者热成型方法形成。例如，含有磁性粒子的复合材料例如塑料，玻璃，或陶瓷，能够经受模塑或者热成型工艺。
在形成所述可磁化层之后，该微流体通道和覆盖物形成于所述可磁化层(1308)之上。在一些实施方式中，所述微流体通道和覆盖物通过在限定流体通道区域的模具中沉积聚合物(例如，PDMS，PMMA或聚碳酸酯(PC))而形成。一旦固化，则就将所述聚合物转移和粘结至可磁化层的表面。例如，能够将PDMS首先倒入限定通道的微流体网络的模具(例如，使用两步光刻法(photolithography)制造的SU-8模具(MicroChem))中。然后将PDMS固化(例如，在65℃加热约3小时)。在将该固体PDMS结构710转移至该设备之前，氧化物层的表面使用O2等离子体处理来提高粘结。
在一些实施方式中，能够制造该微流体设备从而使得它包括可移除和/或可替代部分。所述可替代部分能够包括，例如，所述微流体通道，从而使得在使用所述设备一次或多次之后(例如，使样品流体流动通过微流体通道)，能够处置该弄脏的通道。然后所述通道能够使用新的新鲜通道代替，由此消除洗涤步骤，并且，在一些实施方式中，导致加工时间减少。在一些情况下，将该设备设计为包含可移除部分也可减少制造成本。
图14A是微流体设备的第一配置1500的示意图，所述微流体设备包括可移除和/或可替代部分。配置1500包括模块部分1502和装置部分1504。所述装置部分包括用于产生所述磁场的磁体1506。所述模块部分1502能够可移动地固定于装置部分1504，并且包括所述微流体通道覆盖物1508，该微流体通道1510(例如，其通过微流体通道覆盖物1508限定)，钝化层1512，其用作微流体通道1510的底面，该低导磁性区域1514(例如，含有真空或空气或其它低导磁性材料的间隙)，和该高导磁性区域1516(例如，可磁化的合金)。
图14B是微流体设备的第二配置1550的示意图，所述微流体设备包括可移除和/或可替代部分。配置1550包括模块部分1552和装置部分1554。装置部分1554包括用于产生磁场的磁体1506，低导磁性区域1514(例如，含有真空或空气或其它低导磁性材料的间隙)，和高导磁性区域1516(例如，可磁化的合金)。模块部分1552能够可移动地固定于装置部分1504，并且包括微流体通道覆盖物1508，微流体通道1510(例如，其通过微流体通道覆盖物1508限定)，和钝化层1512，其用作微流体通道1510的底面。
在任一种设计中，该钝化层1512优选是不-可磁化的并且足够薄从而使可磁化的合金1516的上表面和微流体通道1510的底面之间的距离最小。例如，钝化层的厚度能够为小于约5μm。钝化层1512能够使用等离子体或者使用粘合剂例如环氧树脂粘结至微流体覆盖物1508。为了确保合适地对齐，优选该基础层不显著拉伸。用于钝化层的材料的实例包括共挤出的金属和聚合物(例如，夹在聚合物层之间的铝层)。
为了帮助模块部分1502(1552)偶连至装置部分1504(1554)，装置部分1504(1554)和模块部分1502(1552)能够包括对齐标记物，例如十字准线或其它形状，其能够用于将该两个部分彼此对齐。例如，对于配置1500，该对齐标记物能够形成于磁体1506上，并且使用已知的蚀刻或者沉积技术形成在模块部分1502的各个层的一个上(例如，微流体通道覆盖物1508)。在一些实施方式中，低导磁性区域1514本身能够用作对齐标记物。对齐能够手动或者使用自动对齐系统进行。在一些情况下，可以使用对齐标记来使得能够进行5μm精度内的对齐。
一旦对齐，就能够将该模块部分1502(1552)固定到装置部分1504(1554)。为了使得该模块部分1502(1552)能够可移动地固定于装置部分1504(1554)，模块部分1502(1552)和装置部分1504(1554)能够包括相互匹配并且弹簧锁止在适当位置(snap-lock intoplace)的凹槽或脊状物。或者，在一些实施方式中，该模块部分1502(1552)可包括在它的下表面上的脊状物部分，其滑进在装置部分1504(1554)上形成的凹槽并且锁止到适当位置，或者反之亦然。例如，所述脊状物可形成为具有T-形(例如，宽的顶部和窄的基底)，其滑进在该装置部分上形成的狭槽，其中所述狭槽在它的基底具有宽的开口而在顶部具有窄的开口以确保该模块在合适的位置。
在一些实施方式中，含有所述高导磁性材料和低导磁性材料的层能够作为该模块部分1552的一部分包含，但是也是可再利用的。但是，微流体通道覆盖物1508和钝化层1512会是一次性的。在这个实施例中，钝化层会是可逆地结合或者机械保持至含有高导磁性材料和低导磁性材料的层。在使用该设备之后，该流体层能够从含有所述高导磁性材料和低导磁性材料的层上移除/释放。在一些情况下，该合金/间隙部件则能够返回，例如，回到生产中心(source factory)从而与新的流体层一起再利用。这种方法的优点是流体层与含有所述高和低导磁性材料的层的对齐能够在中心设施(central facility)完成，而不是由最终用户完成。
在一些实施方式中，微流体通道的取向能够相对于该可磁化层手动地改变。例如，在一些情况下，该微流体通道形成为模块的一部分，所述模块可移动地偶联至含有所述可磁化层和所述一个或多个磁体的装置部分。所述模块可为相对于所述装置部分的可磁化层可旋转地固定或者转移(translated)，从而使得该磁性梯度诱导的力的方向相对于微流体通道的流动方向改变。也即，该模块可相对于可磁化层旋转或者转移至几个不同位置中的一个，并且然后使用锁止机构将其在所述不同位置的任一个之中固定在合适的位置，所述锁止机构例如，配置为彼此匹配的脊状物和狭槽的组合。
图28A-28F是示意图，其描述相对于诱导高磁通量梯度的结构而言，不同布置的微流体通道的实例的顶视图。每个图显示流体通道2800和低导磁性区域2802的概要，如在图1A的“间隙”结构中形成的。或者，区域2802能够对应于微流体设备的"边"配置中高导磁性材料和低导磁性材料之间的界面。每个流体通道都包括三个可能的出口("出口1"，"出口2"和"出口3")。当将含有流体通道的模块相对于低导磁性区域2803旋转时(参见图28A-28C)，磁性粒子2804经受的力可能导致粒子2804遵循朝向三个出口之一的轨迹，这取决于模块的旋转的量。例如，在图28A中，粒子2804沿着低导磁性区域2802朝向出口1。
在图28B和28C中，随着流体通道旋转，粒子2804分别沿着低导磁性区域2802朝向出口2和3。或者，或此外，该模块可相对于低导磁性区域2802转移(参见图28D-28F)，流动通过流体通道2800的粒子2804再次可能经受导致它流动朝向不同出口之一的力，这取决于偏移的量。例如，在图28D中，流体通道相对于区域2802向下偏移，从而使得粒子2804沿着低导磁性区域2802朝向出口1，而在图28E和28F，粒子2804分别沿着低导磁性区域2802朝向出口2和3。
微流体
在一些实施方式中，本申请所述的微流体设备的微流体通道112能够为较大的任选的微流体通道网络的一部分。这种微流体网络能够用来便于控制和操纵(例如，分离，隔离)小体积的液体并且帮助分离目标分析物和复杂的母样品。在分离过程期间，微流体元件提供重要的功能，例如，处置生物流体，磁性粒子与样品的可再现混合，将等份试样分配至不同的盘管(coils)用于平行检测，并且将样品限制至给定的微盘管(microcoil)的最敏感的区域。关于微流体通道网络和它们的制造的另外的信息能够在美国专利申请公开2011/0091987中找到，例如，在第81至88段中找到。
磁性粒子的用途
如上所述，可含有目标分析物的流体样品，其混合有含有大量设计为特异性结合至所述目标分析物的粒子的样品。该粒子能够包括在溶液中形成目标物-粒子复合物的磁性粒子(例如，纳米粒子)。
粒子
磁性粒子能够包括一个或多个内部磁性核芯和外部涂层，例如，包覆聚合物。该磁性核芯能够为单一金属(例如，Fe，Ni，Co)，双金属(例如，FePt，SmCo，FePd，FeAu)，或者能够由铁氧体制备(例如，Fe2O3，Fe3O4，MnFe2O4，NiFe2O4，CoFe2O4)。磁性粒子能够为纳米或者微米尺寸，并且能够为反磁性，铁磁性，顺磁性，或超顺磁性，其中尺寸对应于平均直径或者平均长度。例如，所述磁性粒子的尺寸能够为约1μm，约600nm，约500nm，约300nm，约280nm，约160nm，或约100nm。其它粒子尺寸也是可能的。粒子的外部涂层能够增加它的水溶性和稳定性，并且也能够提供位点用于用结合部分进行进一步的表面处理。
结合部分
通常，结合部分是分子(合成的或天然的)，其特异性结合或者通过其它方式连接至(例如，共价或非共价结合至)目标分子，或者与目标分子混杂，或与另一结合部分(或者，在某些实施方式中，与诱导聚集的分子)连接。例如，所述结合部分能够为合成的寡核苷酸，其杂交至具体的互补核酸目标。该结合部分也可为导向抗原或任何蛋白质-蛋白质相互作用的抗体。同样地，该结合部分能够为结合至相应的目标的多糖。在某些实施方式中，能够设计或者选择该结合部分从而，当结合至另一结合部分时，用作目标分子例如溶液中的酶的基板。结合部分包括，例如，寡核苷酸，多肽，抗体，和多糖。作为实例，链酶抗生物素蛋白的每个分子具有四个将会被生物素识别的位点(结合部分)。对于任何给定的分析物，例如，具有特异性表面标记物的具体类型的细胞，通常存在许多已知的结合部分，其对于相关技术领域的技术人员是已知的。
例如，某些标记方法和结合部分技术详细描述于1999年5月21日提交的题为"Microfabricated Cell Sorter for Chemical and Biological Materials"的美国专利6,540,896；1997年2月26日提交的题为"Method for magnetically Separating cellsinto Fractionated Flow Streams"的美国专利5,968,82050；和2001年6月5日提交的题为"Integrated Active Flux Microfluidic Device and Methods"的美国专利6,767,706中。
结合物的制备(Conjugate Preparation)
处理磁性粒子的表面以具备能够用作连接点(linkers)的官能团(例如，-NH2，-COOH，-HS，-CnH2n-2)，从而接下来将该磁性粒子附着至细胞和其它目标分子(例如，抗体、药物)。在一些情况下，表面处理物使得该磁性粒子是基本上亲水的或者疏水的。这些表面处理物能够由聚合物形成，包括但不限于合成聚合物例如聚乙二醇或硅烷，天然聚合物，合成或天然聚合物的衍生物，及其组合。
在一些实施方式中，表面处理物不是所述磁性粒子周围连续的膜，而是附着至和包围该磁性粒子的延伸的聚合物链的"网状物(mesh)"或"雾斑(cloud)"。示例性的聚合物包括但不限于多糖和衍生物，例如右旋糖苷，芽霉菌糖(pullanan)，羧基右旋糖苷，羧甲基右旋糖苷，和/或还原的(reduced)羧甲基右旋糖苷，PMMA聚合物和聚乙烯醇聚合物。在一些实施方式中，这些聚合物涂层提供表面，比起结合至壳材料，目标部分和/或结合基团能够更容易结合至该表面。例如，在一些实施方式中，磁性粒子(例如，铁氧化物纳米粒子)用10kDa右旋糖苷的层包覆，然后用表氯醇交联从而使得该涂层稳定化并形成交联的磁性粒子。
关于制造，改性和使用磁性粒子的另外的信息能够在例如PCT公开WO/2000/061191，美国专利申请公开20030124194，美国专利申请公开20030092029，和美国专利申请公开20060269965中找到。
应用
本申请所述的新的微流体设备能够用于各种应用，包括例如作为研究平台的一部分来研究感兴趣的分析物(例如，蛋白质，细胞(例如循环肿瘤细胞(CTCs)或胎儿细胞，例如，在母体血液(maternal blood)中的)，细菌，病原体，和DNA)或者作为诊断试验的一部分用于诊断患者的蛋白质疾病状态或者感染剂(infectious agents)。检测目标的实例更加详细地在下文和实施例部分中讨论。
检测感染剂
通过改性磁性粒子上的官能配体(例如，结合部分)，本申请所述的微流体设备能够用来检测，分离，和/或测量许多不同的生物分析物，包括小分子，蛋白质，核酸，病原体，和细胞，例如，稀有细胞例如癌细胞。
稀有细胞检测
本申请描述的微流体设备和方法能够用于检测稀有细胞，例如血液样品中的循环肿瘤细胞(CTC)，或怀孕的母体的血液样品中的胎儿细胞。例如，主要肿瘤细胞或CTCs能够靶向和连接至磁性粒子，并且能够使用所述新的微流体设备检测，用于快速和全面地给出癌症的分布。通过改变磁性粒子表面上的结合分子，能够检测不同类型的细胞(例如，用于心脏病的循环内皮细胞)。因此，该微流体设备可用作强有力的诊断和预后(prognostic)工具。靶向的和检测的细胞能够为癌细胞，干细胞，免疫细胞，白血球，或其他细胞，包括，例如，循环内皮细胞(使用上皮细胞表面标记物的抗体，例如，上皮细胞附着分子(EpithelialCell Adhesion Molecule,EpCAM))，或循环肿瘤细胞(使用癌细胞表面标记物的抗体，例如，黑素瘤细胞附着分子(Melanoma Cell Adhesion molecule,CD146))。在一些实施方式中，系统敏感性能够检测低至每毫升检测体积几个细胞或者更少的细胞，即，该设备本身具有单细胞检测能力。该系统和方法也能够用于检测小分子，蛋白质，核酸，或病原体。
多路检测(Multiplexed Detection)
在一个母样品中检测多个生物标记物对于复杂疾病的诊断和预后(prognosis)是重要的和高度希望的任务。例如，不存在普遍的用于癌症的生物标记物；需要多-通道的筛选来正确地确定肿瘤类型。本申请所述的新的微流体设备给出了从例如具有癌症或代谢疾病的患者的单个母样品的等分试样检测不同的相关生物标记物的方法。多阶段微流体设备很好地适用于本应用。在多阶段设备中，不同的目标分析物(例如，白血球对红血球)可结合至不同的磁性粒子或者不同量的磁性粒子从而使得不同的目标分析物对微流体通道中磁通量梯度显示出不同响应。结合至具有高响应度的磁性粒子的目标分析物可比结合至较低响应度的磁性粒子的目标分析物更容易偏转。
因此，在微流体设备的第一阶段中，可将显示出较高响应度的分析物从样品中滤出从而分离显示出较低响应度的分析物(或者反之亦然)。在微流体设备的第二阶段，则能够将显示出对磁通量梯度具有较低响应度的分析物从样品中滤出。能够检测的肿瘤细胞标记物的实例包括MUC-1，EGFR，B7-H3，Her2，Ki-67，EpCam，Vim，和CK18。
实施例
在以下实施例中进一步描述本发明，其不限定权利要求中所述的本发明的范围。
实施例1–分离血液中的癌细胞
本实例的目的是通过将细胞系(cell line)癌细胞(CTCs)添加(spiking)到健康供体的血液样品中来模拟癌症患者的血液，用磁珠有效地标记这些癌细胞，并且分离该癌细胞用于检测和/或进一步测量。也分析白血球。
设备制造
制造和评价几种不同类型的微流体设备，来确定性能。为了制备该设备，遵照以上以图13所列的制备步骤。具体地，给每个设备提供1mm厚玻璃基板。使用溅射将约1μm FeAlN沉积在玻璃基板的表面上。FeAlN的饱和磁通密度为约1.8T。然后将该FeAlN层图案化成多个平行布置的条。图案化伴随着将FeAlN溅射到玻璃基板上，然后在该条之外的区域蚀刻掉FeAlN。每个样品具有不同的条宽度和/或条之间的分隔距离(间隙)。
下表1提供不同样品设备M5.1至M5.5的尺寸。用于该"间隙"设备的低导磁性区域的尺寸为20μm。
表1
然后该条的表面用SiO2薄层(约0.2μm厚)钝化。使用标准的软蚀刻(lithography)制造微流体通道。SU-8(MicroChem)模具使用光蚀刻(photolithography)制造。该模具的形状限定了微流体通道区域。将聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒到该模具上并在65℃固化约8小时。对于每个设备，该PDMS微流体覆盖物使用O2等离子体处理，使用掩模对准器(maskaligner)与该设备基板对齐，并永久粘结至该基板。该PDMS覆盖物与该条对齐从而使得该条以与微流体通道的中心纵轴成约1°的角度。该"间隙"设备构建为与微流体通道的中心纵轴成约0.5°的角度。
磁珠制备
制备具有约1.0μm直径的磁珠用于在全血中标记CTCs。
具体地，链酶抗生物素蛋白涂覆的磁珠(Dynabeads MyOne链酶抗生物素蛋白T1磁珠，来自Invitrogen)使用生物素(酰)化的(biotinylated)抗-hEpCAM抗体(R&DBiosystems)温育。抗-hEpCAM涂覆的珠特异性结合至在它们的表面上表达EpCAM分子的CTCs。在该过程中使用的1μm磁珠用稀释在lxPBS中的0.01％20(FisherScientific)洗涤。然后将EpCAM抗体添加到该珠，再次使用稀释在lxPBS中的0.01％TWEEN20洗涤。在抗体温育过程中，抗体浓度为约100μg/ml，而珠浓度为约2mg/ml。然后在即将添加到血液样品中之前通过减少体积将该浓度增加至约5mg/ml。从Veridex接受160nm磁珠(Veridex Ferro fluid)备用(即，该珠是我们自己用EpCAM预官能化的。)。
样品制备
将EpCAM添加到健康的全血流体样品中，然后将1.0μm用EpCAM抗体涂覆的磁珠或者160nm用EpCAM抗体涂覆的磁珠添加到流体样品。将该样品添加到样品管并使用三级磁体(Veridex)有效混合，从而将该磁珠结合至CTCs。有效混合包括将该样品管邻近磁体放置，并在几分钟的时间里改变该管的取向。有效的磁性混合增加了该珠和靶标细胞之间碰撞的数目和增加相互作用的机会。
设备操作
首先制备1％Pluronic F68(BASF)，并使用注射器泵(syringe pump)(New EraPump System)将其引入微流体设备的微流体通道约15分钟，从而使该微流体设备投入使用。在微流体设备的出口收集缓冲溶液之后，将含有结合至磁珠的CTCs的混合物的血液样品流(约7mL)引入到微流体设备。在将该血液样品引入到微流体设备之前，将血液减量(debulked)(即，除去RBCs，游离的珠(free beads)，血小板)。微流体设备将样品中的磁性标记的细胞和非-标记的细胞分离开。含有磁性标记的细胞的流体样品的部分收集在产物管中，剩余的血液样品收集在废物管中。在使血液样品通过微流体设备后，该通道再次使用缓冲溶液冲洗一次。
分析产物管和废物管中收集的血液样品从而获得添加的细胞(spiked cell)的精确计数和它们中的WBC含量。用Red对添加的细胞进行预染色从而允许从IFD产物和废物样品手动计数。血液样品也用Calcein-AM染色，由此使WBCs和特异性细胞二者染色，并还允许计数WBC浓度。
血液样品和废物中的添加细胞(Spike cell)和WBC浓度通过手动计数测量或测定；然后，对它们各自中细胞的总数进行插值来估算百分比回收产率和产物纯度。
结果
设备性能的量度是(1)相对产率，(2)绝对产率，和(3)白血球残留物(carryover)(或纯度)。相对产率定义为产物中测得的计数的输出(产物+废物)细胞的百分比。绝对产率定义为产物中测得的(假设的)输入(添加的)细胞的百分比。
表2，3，和4总结了磁性设计比较实验的结果。表2显示相对产率，表3显示绝对产率，和表4显示白血球残留物。在珠类型栏中，"DB"表示Dynal Dynabeads(1μm直径)而"FF"表示Veridex Ferrofluid(160nm直径)。
表2：比较实验中的相对产率
表3：比较实验中的绝对产率
表4：比较实验中的WBC残留物
从表2能够看出，对于大部分的不同浓度的珠和珠类型，不同的设备各自具有非常高的相对产率。总的来说，该"间隙"设备在相对产率和绝对产率方面相当于或者明显胜过该"条"设备。如表4中所示，该"间隙"设备也能够比"条"设备获得较高的白血球残留物，由此表明间隙设计可提供最高的灵敏度用于分离流体样品中磁性标记的分析物。
图15A和15B是条形图，其显示用于根据表1中M5.2制造的条设备中的捕获所需的珠含量。此处，珠含量根据在实验中收集的血液样品和废物中在MB321细胞上计数的DynalMyOne Dynabeads(1μm直径)的数目而量化。如果用于捕获的阈值珠含量定义为捕获50％的靶标细胞的珠含量，那么该条设备的阈值珠含量是低的3珠。因此，该条设计对于小的磁矩水平极其灵敏，并且提供有效的方法来分离流体样品中的分析物。
实施例2–模拟两阶段设备中的场梯度
也进行了各种模拟来分析根据本发明构建的集成的微流体设备的操作。例如，图16包括磁场梯度的模拟中使用的集成的微流体设备1600的示意性横截面图。该设备1600基于图12中所示的配置，其中具有两个目标分离阶段的流体层1610布置在含有高导磁性部分1606和低导磁性部分1608的可磁化层1604上方(在该图中的"合金(基础)层")。两个磁体1602布置在可磁化层1604的下方提供所述磁场。第二分离阶段是直接位于包括低导磁性区域的细长的间隙区域上方的流体通道。第一分离阶段也是流体通道，所不同的是侧向偏离所述第二分离阶段和低导磁性区域。图16也包括热图，其说明模拟的磁场梯度，所述磁场梯度对应于集成的微流体设备1600的部分，该部分包括磁体1602的部分，可磁化层1604和两个分离的阶段。含有该两个分离阶段的热图的区域被放大以便于容易观察该磁场梯度。
使用COMSOL有限元分析软件进行模拟。假设永磁体1602为5mm x 5mm，具有1.3T剩余磁化率并且具有如图16中所示的极性。该高导磁性材料是500μm厚，并且具有1.8T饱和磁通密度。该高导磁性材料向间隙中低导磁性材料的左边延伸6mm，和向该间隙的右边延伸20mm。间隙宽度为40μm。该系统边界远离该设备，具有约100mm x100mm的总尺寸。高导磁性材料的相对磁导率(介质的导磁性与自由空间导磁性的比)假设为10,000，而低导磁性材料的相对磁导率假设为1。
如该热图中所示，在该场梯度中同时存在局部最小值1620和局部最大值1630。对于这种"间隙"结构，其中低导磁性材料位于高导磁性材料之间，两个局部最大值1630出现在第二分离阶段("阶段2")本身中。相反，在相对于间隙区域侧向布置该第一分离阶段("阶段1")时，该磁场梯度在整个第一分离阶段是相对均匀的，比第二分离阶段中的最大值低一个数量级。结果，第二分离阶段中的磁性粒子将会经历比第一分离阶段中相同的粒子大的偏转力。该另外的力可用于分离显示出低的总导磁性(例如，低磁珠含量和/或小磁珠尺寸)的目标分析物。相反，第一分离阶段可用于分离表现出较高的相对总导磁性(例如，高磁珠含量和/或大磁珠尺寸)的目标分析物。
例如，图17是显示第一分离阶段中磁场梯度的视图的热图。所述热图的不同部分(1-5)是x-y平面中该梯度的横截面视图，并且对应于沿着流体流动方向的不同位置，如该热图的左边上第一分离阶段的顶视图中所示。流体样品中分析物在不同部分的顶视图图像在该热图上叠加。在流体通道的末端，该第一分离阶段分离成三个分开的路径：一个用于期望的产物，一个用于废物，和一个用于含有其它目标分析物的剩余的流体样品("阶段2")。虽然没有示出，该可磁化层的低导磁性区域位于第一分离阶段的左侧(即，沿着x-方向)。
因此，通过该磁场梯度产生的磁力的强度在图17中所示的通道的左边稍微大于右边。由于稍微较高的磁力，表现出高的总导磁性的目标分析物将会偏转至通道的左边并朝向产物的路径。例如，三种不同的分析物叠加地示于图17的热图上：结合至大量磁珠的第一循环肿瘤细胞(CTC)(高表达性目标分析物)，结合至小得多的数目的磁珠的第二CTC(低表达性目标分析物)，和白血球(WBC)。在流体流动下，该高表达性目标对于稍微较大的磁力更加敏感，并且偏转至该通道的左边，而该低表达性目标分析物和WBC剩余分析物都不太敏感，并且保持沿着通道行进，随流体流向阶段2。
图18是热图，其显示第二分离阶段中磁场梯度的视图。同样，所述热图的不同部分(1-5)是x-y平面中该梯度的横截面视图，并且对应于沿着流体流动方向的不同位置，如该热图的左边上第二分离阶段的顶视图中所示。但是，对于第二分离阶段，含有低导磁性材料的间隙区域以相对于通道的中心纵轴成斜角的方式位于该通道的下方。如该热图中所示，随着向前从部分(1)至部分(5)移动，该磁性梯度的最大值偏移至通道的右侧。在该高磁力下，表现出导磁性的目标分析物将会偏转至该通道的右侧。例如，低表达性CTC将会偏转朝向产物路径，然而WBC将会跟随流体流向废物路径。
也进行使用该两阶段整合的微流体设备的实验测试来观察第一阶段和第二阶段如何分离细胞。在那些实验中，DY(约1μm直径)和Ferrofluid珠(约160nm直径)都结合至不同的细胞系(例如，MB231，PC3-9，和SKBR3)并引入到流体样品进入该两阶段设备。当该珠含量大时(即，表现出高磁矩的大珠和/或细胞系)，大部分细胞被不太敏感的阶段1捕获(例如，至少约80％细胞捕获)。但是，当该珠含量小时(即，表现出低磁矩的小珠和/或细胞系)，大部分细胞通过更加敏感的阶段2捕获。
实施例3-用于不同设备参数的磁场梯度的模拟
对于图19B和19C中所示的间隙配置和"边"配置二者，图20A和20B分别包括第一和第二分离阶段中模拟的磁场梯度的热图分区图。在图19C的边配置中，磁场梯度的单个局部最大值在对应于第二分离阶段的通道中产生(参见图20B)，这与间隙设计中的第二分离阶段中的两个局部最大值相反(参见图20A)。因此，对于图19A的间隙配置，磁性粒子(或结合至该磁性粒子的目标分析物)将倾向于直接在对应于低导磁性材料和高导磁性材料之间的两个边界的两个边的上方，被牵引朝向通道的区域。相反，在边配置中，该磁性粒子(或结合至磁性粒子的目标分析物)将会被牵引朝向单个区域，该区域对应于低导磁性区域和高导磁性材料之间的单个界面的上方的区域。由此，该边配置具有的优点是：目标分析物被偏转朝向单线线路，而不是被牵引至流体通道的单独区域，改善了对目标分析物的收集和分离。
能够改变集成的微流体设备的各种参数来改进磁通量梯度和改善该设备性能。图22是不包括该微流体通道和磁体部分的微流体设备的横截面的示意图。从图22中看出，能够改变一些参数，其包括微流体通道下方钝化/底面层2202的厚度2202a，钝化层和可磁化层的总厚度2204(其包括图22中所示的高导磁性层2206和低导磁性间隙2208)，高导磁性材料2206下方的低导磁性材料2210(即，该"塑料层")的厚度2210a，和该高导磁性材料的饱和磁通密度。
为了评价这些参数中的一些，对于图21A中所示的间隙配置和图21B中所示的间隙配置，进行了几次模拟。如上所指出的，该模拟使用COMSOL有限元分析软件进行。该永磁体是5mm x 5mm，具有1.3T剩余磁化率，并且具有图21A中所示的极性。该高导磁性材料向低导磁性间隙的左侧延伸6mm，和向间隙的右侧延伸20mm。间隙宽度为40μm。系统边界离该设备远，具有约100mm x100mm的总尺寸。假设高导磁性材料的相对磁导率(介质的导磁性与自由空间导磁性的比)为10,000而假设低导磁性材料的相对磁导率为1。对于每个模拟一次仅变化一个参数。
图23A对应于其中两个流体通道远远隔开的配置(即，图21B中所示的配置)。图23B对应于其中两个流体通道的间隔靠在一起的配置(即，图21A中所示的配置)。两种配置中的每个通道都假设为500μm宽。此外，与和轴成斜角相反，假设低导磁性间隙区域2308平行延伸至第二分离阶段"S2"的中心纵轴。对于图23A中所示的配置，假设第一分离阶段"S1"的第一边侧向偏离所述低导磁性间隙2308区域1000μm。但是，对于图23B中所示的配置，第一分离阶段的边相对于低导磁性间隙2308的侧向偏离为550μm。对于图24-26中所示的曲线的目的，图23A中所示的配置称为"IFD v.9.6/v.9.8"，而图23B中所示的配置称为"IFD v.9.7/v.9.9"。
图24A是跨第一分离阶段(S1)中流体通道宽度的模拟磁通量的梯度大小作为在该间隙区域周围的高导磁性材料的饱和磁通密度的函数的曲线。如该曲线中所示，高导磁性材料的饱和磁通密度越大，则能够施加到两个设备配置中的磁力就越大。类似地，如图24B中所示，第二分离阶段(S2)中的平均磁力也与高导磁性材料的饱和磁通密度成比例地增加。因此，根据本发明制备的微流体设备应该优选使用对于高导磁性材料而言可能的最大饱和磁通密度。对于图24A和24B中所示的模拟，假设该总的基础厚度(包括底面厚度和可磁化层厚度)为500μm(即，该高导磁性材料厚度固定为500μm，该底面厚度固定为0μm，而低导磁性材料厚度(即，该塑料层)固定为0μm。
图25A是跨第一分离阶段(S1)中流体通道宽度的模拟的磁通量梯度大小作为钝化层底面厚度的函数的曲线。从该曲线可以看出，对于两个设备，直到底面厚度达到约100μm，跨该通道的磁力都基本上是恒定的。在该点，该通道离高导磁性材料的距离开始减少磁场梯度的大小。增加底面厚度的效果在第二分离阶段中甚至更加显著，如图25B中所示，在图25B中该磁场梯度从在0.1微米的约14kT/m减少至在200微米的约小于1kT/m。因此，优选的钝化层厚度应该为小于约10μm，或薄至制造方法所容许的程度。对于图25中的每个曲线，都假设总的基底厚度(包括底面厚度和可磁化层厚度)为500μm。饱和磁通对于高导磁性材料固定在1.8T。该高导磁性材料厚度固定在500μm。位于高导磁性材料下方的低导磁性材料(即，塑料层)具有固定在0μm的厚度。
图26A是对于不同的总基底厚(即，该钝化层，高导磁性材料，和该高导磁性材料下方的低导磁性材料(如果有的话)的总厚度)，跨第一分离阶段(S1)的流体通道宽度的模拟的磁通量梯度大小作为高导磁性材料厚度的函数的曲线。如图26A中所示，磁场梯度诱导的磁力通常随着高导磁性材料(即，该磁性合金)的厚度增加而增加。图26A也确认了，对于特定的基底厚度，其中两个分离阶段一起分隔较近的间隙配置通常表现好于厚度相同的在分离阶段进一步分隔开的间隙配置。
图26B是第二分离阶段中模拟的磁通量的梯度的平均大小(在间隙上中心的100μmx 50μm区域上的平均值)相对于合金厚度的曲线。如图26B中所示，即使该磁力随着合金厚度类似于第一分离阶段增加，该磁力也在约100-200μm处于稳定水平(plateaus)。因此，典型的设备的厚度应该为至少约200μm从而使微流体设备的至少第二分离阶段的磁力最大化。对于图26A和26B中产生的两个曲线，高导磁性材料饱和磁通都固定在1.8T，钝化底面厚度固定在0μm，和该基底厚度固定在或者500μm或者1000μm，如图例中所指定的。该低导磁性材料厚度(即，塑料层厚度)等于基底厚度500μm(或者1000μm)减去高导磁性材料厚度得到的差。
通常，总基底厚度的增加将会减少第一分离阶段中经历的磁力，对于固定的高导磁性材料厚度而言，每增加1μm基底厚度减少约0.1至0.25T/m。对于第二分离阶段，随着基底厚度增加，该磁力可经历最小的增加。因此，基底厚度似乎对于最大化该通道内的磁力不是关键参数。
其它实施方式
应该理解，虽然已经结合本发明的详细描述描述了本发明，但是前述描述意图说明本发明而不限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求的范围限定。

Claims (63)

1.一种微流体设备，其包括：
包含一个或多个磁体以及邻近所述一个或多个磁体布置的可磁化层的装置部分，其中每个磁体可操作地发射磁场；
包含微流体通道的模块部分，
其中所述可磁化层的表面配置成可移动地固定到模块部分，
其中所述可磁化层配置为在至少一个所述磁体的磁场中诱导梯度，其中在离所述可磁化层的表面至少20μm的位置处，所述梯度为至少103T/m，并且其中所述可磁化层包括
第一高导磁性材料，和
邻近所述第一高导磁性材料布置的，或者至少部分地与所述第一高导磁性材料接界的低导磁性材料，和
其中所述微流体通道的中心纵轴以与在所述第一高导磁性材料和所述低导磁性材料之间的界面成一定角度布置，或者偏离该界面在侧面布置。
2.如权利要求1所述的微流体设备，其中所述第一高导磁性材料和所述低导磁性材料是细长的。
3.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，还包括第二高导磁性材料，其以离所述第一高导磁性材料一定的距离布置从而在它们之间形成间隙，其中所述间隙用低导磁性材料填充。
4.如权利要求3所述的微流体设备，其中在所述间隙中的低导磁性材料是与在所述可磁化层的其它部分中的低导磁性材料相同的材料。
5.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，其中在离所述可磁化层的表面至少20μm的位置处，所述梯度为至少104T/m。
6.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，其中所述可磁化层的厚度大于或等于10μm。
7.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，其中所述第一高导磁性材料的饱和磁通密度大于1T。
8.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，其中所述第一高导磁性材料的饱和磁通密度为1.8T。
9.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，还包括在所述一个或多个磁体和所述可磁化层之间的低导磁性分隔层。
10.如权利要求3所述的微流体设备，其中所述间隙的厚度等于或小于第一和第二高导磁性材料各自的厚度，而所述间隙的宽度等于或大于100nm。
11.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，其中所述角度是斜角。
12.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，其中所述第一高导磁性材料含有铁。
13.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，其中所述第一高导磁性材料为选自以下中的一种：镍，钴，镍-铁合金，SiFe合金，FeAlN合金，CoFe合金，CoFeNi，钢，含有磁性粒子的聚合物复合材料，含有磁性粒子的玻璃复合材料，和含有磁性粒子的陶瓷复合材料。
14.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，还包括细长的覆盖物，其限定所述微流体通道的上表面和侧表面。
15.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，其中所述低导磁性材料包括聚合物或者空气。
16.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，其包括布置在所述可磁化层的表面上并且形成所述微流体通道的下表面的钝化层。
17.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，其中所述低导磁性材料的宽度从所述可磁化层的第一侧面至所述可磁化层的第二相对侧面变窄。
18.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，其中装置部分包括两个或更多个磁体的阵列，每个磁体的磁极取向与在该阵列中的相邻磁体的磁极取向相对从而使得在该阵列中每个磁体的磁场延伸至该阵列中的相邻磁体。
19.如权利要求18所述的微流体设备，其中所述低导磁性材料与该阵列的两个相邻磁体之间的界面基本上对齐。
20.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，还包括：
偏转通道；和
与所述偏转通道分开的输出通道，其中所述输出通道和所述偏转通道二者都流体连接至所述微流体通道的出口。
21.如权利要求20所述的微流体设备，其中所述可磁化层包括多个低导磁性材料的片，其中每片低导磁性材料都布置在所述第一高导磁性材料中的或者在分开的第一高导磁性材料的片之间的相应的细长的间隙内。
22.如权利要求21所述的微流体设备，其中所述细长的间隙平行布置。
23.如权利要求21所述的微流体设备，其中至少一个间隙的厚度完全延伸贯穿所述第一高导磁性材料的厚度。
24.如权利要求21所述的微流体设备，其中，对于一个或者多个所述低导磁性材料的片，所述一个或多个片各自的宽度沿着与所述相应的片相关的中心纵轴变窄。
25.如权利要求3所述的微流体设备，其中所述间隙的宽度为等于或大于100nm。
26.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，其中所述微流体通道是弯曲的。
27.如权利要求1和2中任一项所述的微流体设备，其中所述第一高导磁性材料和所述低导磁性材料之间的边界线是弯曲的。
28.如权利要求1所述的微流体设备，其中在离所述可磁化层的表面至少50μm的位置处，所述梯度为至少104T/m。
29.如权利要求1所述的微流体设备，其中所述可磁化层的厚度大于或等于1mm。
30.如权利要求1所述的微流体设备，其中所述第一高导磁性材料的饱和磁通密度大于1.5T。
31.如权利要求3所述的微流体设备，其中所述间隙的厚度等于或小于第一和第二高导磁性材料各自的厚度，而所述间隙的宽度等于或大于100μm。
32.如权利要求3所述的微流体设备，其中所述间隙的宽度为等于或大于100μm。
33.一种微流体设备，其包括：
包含一个或多个磁体以及邻近所述一个或多个磁体布置的可磁化层的装置部分，其中每个磁体可操作地发射磁场；
包含微流体通道的模块部分，
其中所述可磁化层的表面配置成可移动地固定到模块部分，
其中所述可磁化层含有高导磁性材料和邻近所述高导磁性材料的或者至少部分地与所述高导磁性材料接界的低导磁性材料，其中所述高导磁性材料的厚度为大于10μm，和所述高导磁性材料的饱和磁通密度为大于0.2T，其中所述可磁化层配置为在至少一个所述磁体的磁场中诱导梯度，和
其中所述微流体通道的中心纵轴以与在所述高导磁性材料和所述低导磁性材料之间的界面成一定角度布置，或者偏离该界面在侧面布置。
34.如权利要求33所述的微流体设备，还包括：
偏转通道；和
与所述偏转通道分开的输出通道，其中所述输出通道和所述偏转通道二者都流体连接至所述微流体通道的出口。
35.使用如权利要求20-24和34中任一项所述的微流体设备对目标分析物进行分类的方法，所述方法包括：
使流体样品流动通过所述微流体通道，所述流体样品含有所述目标分析物和结合至所述目标分析物的一个或多个磁性粒子；
在操作所述微流体设备的过程中，将所述流体样品暴露于所述磁场中的梯度，其中所述磁场中的梯度将所述目标分析物偏转朝向远离所述流体样品的初始流体流动轨迹的通道；和
在所述偏转通道的出口收集所述目标分析物。
36.如权利要求35所述的对目标分析物进行分类的方法，其中所述一个或多个磁性粒子选自超顺磁珠，抗磁珠，铁磁珠，及其组合。
37.如权利要求35和36中任一项所述的对目标分析物进行分类的方法，其中所述目标分析物的尺寸与结合至所述目标分析物的磁性粒子的数目的比为大于10μm/粒子，其中所述目标分析物的尺寸是指目标分析物的平均直径或平均长度。
38.如权利要求35和36中任一项所述的对目标分析物进行分类的方法，其中所述一个或多个磁性粒子的直径小于或等于0.5μm。
39.如权利要求35和36中任一项所述的对目标分析物进行分类的方法，其中所述一个或多个磁性粒子的磁矩小于或等于35kA/m。
40.如权利要求35和36中任一项所述的对目标分析物进行分类的方法，还包括使所述磁场在打开和关闭之间循环变化。
41.如权利要求35所述的对目标分析物进行分类的方法，其中所述目标分析物的尺寸与结合至所述目标分析物的磁性粒子的数目的比为大于25μm/粒子，其中所述目标分析物的尺寸是指目标分析物的平均直径或平均长度。
42.如权利要求35所述的对目标分析物进行分类的方法，其中所述一个或多个磁性粒子的直径小于或等于0.1μm。
43.制造如权利要求1-24任一项所述的微流体设备的方法，所述方法包括：
提供包含一个或多个磁体的装置部分；和
形成可磁化层，其中所述可磁化层配置为在至少一个所述磁体的磁场中诱导梯度，其中在离所述可磁化层的表面至少20μm的位置处，所述梯度为至少103T/m，
其中形成可磁化层包括提供高导磁性材料的层和在高导磁性材料中形成一个或多个细长的间隙。
44.如权利要求43所述的方法，其中提供高导磁性材料的层包括浇铸该高导磁性材料的层，模塑该高导磁性材料的层，热成型该高导磁性材料的层，或使用溅射、热沉积、等离子体沉积、电镀或者电子束沉积来沉积该高导磁性材料的层。
45.如权利要求43所述的方法，其中提供高导磁性材料的层包括将磁性带置于所述一个或多个磁体的表面上。
46.如权利要求43至45中任一项所述的方法，其中形成所述一个或多个细长的间隙包括机械加工该高导磁性材料的层。
47.如权利要求46所述的方法，还包括贯穿该高导磁性材料的层的整个厚度进行机械加工。
48.如权利要求43至45中任一项所述的方法，还包括用低导磁性材料填充所述一个或多个细长的间隙，其中填充所述一个或多个细长的间隙包括对所述低导磁性材料进行注塑或者对所述低导磁性材料进行热压花。
49.如权利要求43至45中任一项所述的方法，还包括以相对于至少一个所述细长的间隙成一定的角度布置所述微流体通道的中心纵轴。
50.如权利要求43至45中任一项所述的方法，还包括：
在所述一个或多个磁体的表面上提供低导磁性基板；和
在所述低导磁性基板的表面上形成所述可磁化层。
51.一种微流体设备，其包括：
包含一个或多个磁体以及邻近所述一个或多个磁体布置的可磁化层的装置部分，其中每个磁体可操作地发射磁场；
包含微流体通道的模块部分，
其中所述可磁化层的表面配置成可移动地固定到模块部分，所述可磁化层包括第一高导磁性材料和至少一种低导磁性材料，和
其中所述微流体通道包括：
第一分析物隔离区；和
流体连接至所述第一分析物隔离区的第二分析物隔离区，其中所述可磁化层配置为在至少一个所述磁体的磁场中诱导梯度，其中在所述第一分析物隔离区中诱导的磁场梯度不同于在第二分析物隔离区中诱导的磁场梯度，和其中在离所述可磁化层的表面至少20μm的位置处，在所述第一分析物隔离区和所述第二分析物隔离区中的至少一个中诱导的磁场梯度为至少103T/m。
52.如权利要求51所述的微流体设备，其中所述微流体通道是弯曲的。
53.如权利要求51所述的微流体设备，其中所述第一高导磁性材料和所述低导磁性材料之间的边界线是弯曲的。
54.一种微流体装置，其包括：
一个或多个磁体，其中每个磁体可操作地发射磁场；和
邻近所述一个或多个磁体布置的可磁化层，其中所述可磁化层配置为在至少一个所述磁体的磁场中诱导梯度，和其中所述可磁化层含有高导磁性材料，和邻近所述高导磁性材料的或者至少部分地与所述高导磁性材料接界的低导磁性材料，
其中所述可磁化层的表面配置为可移动地固定于含有一个或多个微流体通道的微流体模块。
55.如权利要求54所述的微流体装置，其中所述可磁化层的表面包括突起结构，所述突起结构配置为可移动地锁止到所述微流体模块的相应部分中。
56.如权利要求54和55中任一项所述的微流体装置，其中所述低导磁性材料布置在所述高导磁性材料中的间隙内或者布置在分开的所述高导磁性材料的片之间的间隙内。
57.如权利要求54和55中任一项所述的微流体装置，其中所述高导磁性材料的第一表面和所述低导磁性材料的第一表面形成所述可磁化层的表面，和其中所述低导磁性材料的从所述可磁化层的表面起测得的厚度大于所述高导磁性材料的厚度。
58.如权利要求54和55中任一项所述的微流体装置，其中所述装置配置为以相对于所述微流体模块成多个不同取向中的任一个取向可移动地固定于所述微流体模块。
59.如权利要求54和55中任一项所述的微流体装置，其中所述微流体通道是弯曲的。
60.如权利要求54和55中任一项所述的微流体装置，其中所述高导磁性材料和所述低导磁性材料之间的边界线是弯曲的。
61.对目标分析物进行分类的方法，上述方法使用如权利要求1至34中任一项所述的微流体设备，或如权利要求54至60中任一项所述的微流体装置，所述方法包括：
使流体样品流动通过所述微流体通道，所述流体样品含有所述目标分析物和结合至所述目标分析物的一个或多个磁性粒子；和
在操作所述微流体设备或者所述微流体模块的过程中，将所述流体样品暴露于所述磁场中的梯度，其中所述磁场中的梯度将所述目标分析物的轨迹偏转远离所述流体样品的初始流体流动轨迹。
62.如权利要求61所述的方法，其中所述磁场中的梯度在朝向所述可磁化层的第一方向上在目标分析物上施加力。
63.如权利要求62所述的方法，其中所述磁场中的梯度也在不同于所述第一方向的第二方向上在所述目标分析物上施加力。
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