CN104801355A - 具有保湿算法的颗粒操纵系统 - Google Patents

Abstract

具有保湿算法的颗粒操纵系统。一种使用颗粒操纵级和传感器来检测样本体积被耗尽或几乎耗尽的时间的基于MEMS的颗粒操纵系统。传感器向流体控制装置发送信号，其使输出通道中的一个与输入通道之间的压力反向，以用一定体积的样本流体来保持表面湿润。可以在通道中保持此体积直至操作员干预为止，或者可以使其反复地在输入通道与输出通道之间来回穿梭。通过保持通道湿润，来自样本流的材料未变得粘附于通道壁，否则其可能不可逆地改变或损坏器件。

Description

具有保湿算法的颗粒操纵系统

相关申请的交叉引用

本美国专利申请涉及2013年12月12日提交且被通过引用并入的美国专利申请序列号14/104,084（代理人档案号Owl-Backflow）。

关于联邦资助研究的声明

不适用

关于缩微胶片附件的声明

不适用。

技术领域

本发明涉及一种用于操纵微制造流体通道中的小颗粒的系统和方法。

背景技术

微机电系统（MEMS）是非常小的，常常是使用表面或块体平版印刷处理技术（诸如用来制造半导体器件的那些）在基板上实现的可移动结构。MEMS器件可以是例如可移动致动器、传感器、阀、活塞或开关，具有几微米至数百微米的特性尺寸。可移动MEMS开关例如可用来将一个或多个输入端子连接到一个或多个输出端子，其全部是在基板上微制造的。用于可移动MEMS器件的致动装置可以是例如热、压电、静电或磁性的。还可以实现操纵经过或通过MEMS器件的液流中的颗粒的MEMS器件。

此类颗粒操纵器件可以是MEMS可移动阀，其可以用作用于将来自液流的各种颗粒、诸如来自血液的细胞分类的分类机构。颗粒可被传送至在被包含在微通道中的液流（其在压力下流动）内的分类器件。在到达MEMS分类器件时，分类器件将诸如血液干细胞之类的感兴趣颗粒指引到分开的容器，并将液流的其余部分指引到废物容器。

作为对称为流动血细胞计数器的现有荧光激活细胞分类系统（FACS）的改善已提出了基于MEMS的细胞分类器系统。流动血细胞计数器一般地是大的且昂贵的系统，其基于来自被附加于感兴趣细胞的标签的荧光信号而将细胞分类。细胞被稀释并悬浮在鞘液中，并且然后经由通过喷嘴的快速解压而分开成单个的微滴。在从喷嘴喷射之后，微滴基于来自标签的荧光信号而被静电地分开到不同的料箱中。由于解压而引起的细胞损坏或功能丧失、样本之间的困难且昂贵的消毒程序、无能力来沿着不同的参数对子群分类、以及拥有、操作和维护这些大型昂贵的各台设备所必需的相当大的训练是在这些系统具有的问题之中。由于至少这些原因，流动血细胞计数器的使用已局限于大型医院和实验室且该技术还不是较小实体可得到的（accessible）。

基于MEMS的细胞分类器相比于现有FACS流动血细胞计数器可至少在尺寸、成本和复杂性方面具有相当大的优点。针对此类基于MEMS的细胞分类器件的多个专利已被许可。例如，美国专利号美国专利6,838,056（'056专利）针对一种基于MEMS的细胞分类器件，美国专利号7,264,972（'972专利）针对一种用于基于MEMS的细胞分类器件的微机械致动器。美国专利号7,220,594（'594专利）针对用MEMS细胞分类装置制造的光学结构，并且美国专利号7,229,838（'838专利）针对一种用于操作基于MEMS的颗粒分类系统的致动机构。这些专利中的每一个特此通过引用被并入。

此类颗粒分类器件可以是更广泛种类的颗粒操纵系统的示例，其可对在液流中经过的颗粒执行某些操纵。该流可包括目标颗粒以及非目标材料。操纵可以是例如向目标颗粒施加电荷、施加力、施加场或者施加激光。目的可以是识别、改变或毁坏目标颗粒。替换地，目的可以是将目标颗粒与非目标材料区别开和/或将其与液流的其余部分分开。

发明内容

许多（如果不是全部的话）此类微制造操纵器件使用小的微流体通道来将样本流体从上游输入通道传送经过颗粒操纵器件至下游输出通道。当使用微流体器件且流体包括任何种类的颗粒时，然后后面是干燥的微流体通道内部的润湿可导致颗粒到微流体通道壁的非常强的粘附。这对生物材料、诸如血液或细胞悬浮液尤其正确。材料的粘附可对器件造成非期望且可能不可逆的改变。不期望改变包括后续流体阻力的增加、被引入器件中的任何后续样本的污染以及器件内的流型变化。如在这里公开的，可通过使用检测“干涸”条件并作为响应而调用“保湿”算法的传感器来避免此结果。保湿算法可包括确保器件保持润湿条件或以其它方式避免由于流动停止而引起的损坏的措施。

因此，颗粒操纵系统可包括颗粒操纵器件、样本流体流过的在颗粒操纵器件上游的至少一个微制造输入通道和在颗粒操纵器件下游的至少一个微制造输出通道、检测微制造通道中的至少一个内的干燥条件并在检测该条件时放出信号的传感器、以及用于在所述至少一个微制造输入通道与至少一个微制造输出通道之间建立受控前向流动且然后在从传感器接收到信号时使输出通道与输入通道之间的流动反向的流体控制装置。

在一个实施例中，使用保湿系统的颗粒操纵系统可包括微流体通道和微制造（MEMS）细胞分类器件，其中，小的微制造阀将一个或多个目标颗粒与样本流的其它组成部分分开。细胞分类器件可在信号指示存在目标颗粒时使从一个通道到另一通道中的颗粒流动改向。此信号可以是来自荧光标签的光子，该荧光标签被附加于目标颗粒且被细胞分类器件上游的询问区中的激光照明激励。因此，细胞分类器件可以是对被限制于微制造流体通道的流体样本进行操作但使用类似于FACS流动血细胞计数器之类的检测装置的颗粒或细胞分类器。此类系统可被装配干涸传感器和控制器，其在从干涸检测器接收到信号时调用保湿算法，指示微通道正在或将要即将干涸。

在另一实施例中，微制造颗粒操纵系统可以是使用具有一个输入样本流和至少两个输出通道的微制造阀、用于目标颗粒的分类通道和用于非目标颗粒的废物通道的分类器件。微制造阀可在基板的表面上形成，并且可在基本上平行于该表面的平面中移动。然而，微制造流体通道中的至少一个可从此平面向外取向，使得此通道内的流体不在与输入通道中的流体相同的平面中流动。此阀可将目标细胞（例如癌细胞、精细胞、干细胞）与液流的其它组成部分分类。微制造阀可以被磁或电磁致动，以响应于在通道中检测目标颗粒而使流动改向。该阀将流动指引到分类通道而不是废物通道中。保湿颗粒分类系统可特别地利用此平面外的阀，因为平面外的阀的架构尤其对流体通过微制造器件的反向（向后）流动具有低阻力。如前所述，使用此微制造阀的系统还可被装配干涸传感器和控制器，其在从干涸检测器接收到信号时调用保湿算法，指示微通道正在或将要即将干涸。

可使用感测机构的许多不同种类基于任何数目的效应来感测干涸条件。仅举几例，此类效应包括电容、电压、压力、机械力、声学、流体泵特性、光学特性，其在器件从润湿状态转成干燥状态时可改变。替换地，在诸如细胞分类器之类的数据记录系统中，数据本身可指示系统即将干涸的时间，并且系统然后可调用保湿算法。在另一替换中，可监视流体贮器的条件以预期流体供应的耗尽。保湿算法可包括直至所有通道都湿润为止的器件内的反向流动。另外，保湿算法可包括减少、改变或禁用询问激光器的输出；减少、改变或禁用电源输出；减少、禁用泵输出或使其反向；使可听警报发声；以及向计算机监视器发送警告消息。

在以下详细描述中描述了这些及其它特征和优点或根据以下详细描述，其是显而易见的。

附图说明

参考以下各图来描述各种示例性细节，其中：

图1a是在前向流中具有干涸检测器的保湿微制造颗粒操纵系统的简化图示；

图1b是在逆向流中具有干涸检测器的保湿微制造颗粒操纵系统的简化图示；

图2a是在前向流中具有干涸检测器的保湿微制造颗粒分类系统的简化图示；

图2b是在逆向流中具有干涸检测器的保湿微制造颗粒分类系统的简化图示；

图3a是在第一位置上具有平面外阀和干涸检测器的保湿微制造颗粒分类系统的简化图示；

图3b是在第二（分类）位置上具有平面外阀和干涸检测器的保湿微制造颗粒分类系统的简化图示；

图4a是在输入通道中具有平面外阀和干涸检测器的保湿微制造颗粒分类系统的简化图示，其中流动在样本进入通道和废物通道与第一位置上的流体阀之间的反向方向上；

图4b是在输入通道中具有平面外阀和干涸检测器的恒湿微制造颗粒分类系统的简化图示，其中流动在样本进入通道和分类通道与第二位置上的流体阀之间的反向方向上；

图5a是在样本进入通道中具有平面外阀和干涸检测器的保湿微制造颗粒分类系统的简化图示；

图5b是在分类通道中具有平面外阀和干涸检测器的保湿微制造颗粒分类系统的简化图示；

图5c是在废物通道中具有平面外阀和干涸检测器的保湿微制造颗粒分类系统的简化图示；

图5d是具有平面外阀和干涸检测器的保湿微制造颗粒分类系统的简化图示，所述干涸检测器具有覆盖系统的较大面积的视场；

图6是包括保湿检测器和控制实现的微制造颗粒分类系统的简化图示；

图7a、7b和7c是可应用于驱动气动流体控制装置的示例性控制波形；以及

图8是可与根据本发明的微制造颗粒操纵系统相组合地使用的保湿算法的示例性流程图。

具体实施方式

本文所述的系统是可利用微通道架构、诸如在上述专利中公开的那些的颗粒操纵系统。更一般地，该系统和方法描述了具有在传感器或检测器检测微通道内部的干燥或即将干燥条件时被调用的保湿算法的颗粒操纵系统。干燥或即将干燥条件的检测可基于微制造通道中的至少一个内的流体压力、光学性质、粘度、电容、声学和流体阻力。替换地，干涸传感器可以是数据记录系统的一部分，使得数据本身可指示系统即将干涸的时间，并且系统然后可调用保湿算法。在另一替换中，可监视流体贮器的条件以预期流体供应的耗尽。该保湿算法可包括意图避免或缓解干燥或即将干燥条件的一个或多个步骤，诸如使流体流动反向和禁用激光器和电源。

在下面所讨论的图中，类似的参考数字意图指的是类似的结构，并且以各种细节水平图示出该结构以给出此新型器件的重要特征的清楚视图。

图1a是使用微流体通道的基于MEMS的颗粒操纵系统1的示意图，其中，微流体通道保持恒湿。该系统可包括第一通道120、检测器101、颗粒操纵级10、以及输出通道122。颗粒操纵级10可以是改变、毁坏或检测样本流120中的颗粒的器件。在颗粒操纵级10和第一通道120下游的是一个或多个输出通道122。第一通道120和第二通道122中的每一个与压力的第一源A和压力的第二源B相关联。应理解的是可存在与输入通道120相关联的输入流体贮器和与输出通道122相关联的输出流体贮器。参考数字120可指的是输入贮器和/或关联的输入通道并且参考数字122可指的是输出贮器和/或关联的输出通道。

在一个实施例中，第一微流体通道120可以是进入通道120，其将样本流从输入贮器指引到颗粒操纵级10。微流体通道120中的流体流还流动通过干涸检测器101。在此区域中，传感器或检测器101检测在输入通道中发生的干燥或即将干燥条件。检测器可基于任何数目的性质的变化而检测此条件，包括检测器101的区域中的通道的光学、电、压力、粘度、电容、声学、流体阻力或其它特性。输出通道122可将流动从颗粒操纵级10指引到输出贮器122。

在一个实施例中，检测器101是光学检测器或照相机，其检测在边界转到玻璃/空气而不是玻璃/液体，或硅/空气而不是硅/液体时发生的反射率的变化，这取决于在形成颗粒操纵级10时的基板的材料。在另一实施例中，检测器101监视泵特性并检测泵的功率消耗、体积输出、占空比或其它特性的变化，其可以由由于空气或环境气体进入微通道的微通道内的流体体积变化而产生。因此，虽然在图1a中与微流体通路120相关联地示出传感器101，但应理解的是可替换地将传感器耦合到另一微流体通道或者流体控制装置或控制计算机，而不是到微通道120，并且本描述仅仅是示例性的。

在一个示例性实施例中，颗粒操纵级10可向目标颗粒施加电荷。在下面进一步讨论的另一示例性实施例中，操纵级10可以是致动器，其将目标颗粒转向到与非目标颗粒不同的流动路径中。

图1b是使用以平版印刷方式形成的微流体通道的基于MEMS的颗粒操纵系统1的示意图，其中微流体通道保持恒湿。在图1b中，保湿算法已被调用。如在图1a中，该系统可包括第一通道或120、干涸检测器101、颗粒操纵级10以及输出通道122，并且第一通道120和第二通道122中的每一个与压力的第一源A和压力的第二源B相关联。在图1b中，第二压力源B大于第一压力源A，使得流体向后流动通过系统。压力已由于干涸检测器101在颗粒操纵系统内检测干燥或即将干燥条件并输出调用保湿算法的信号而反向。压力和流动的反向引起来自输出贮器122的流体朝着输入贮器120向后流动。流动的反向可用于将通道壁重新润湿以防止不可逆变化，如上所述。保湿算法可要求将一定体积的流体简单地存储在操纵系统中，直至操作员能够通过例如再充满样本流体或向样本贮器添加缓冲流体来修正该情形为止。取决于颗粒操纵级10的应用和性质，还可用减少干涸条件的有害效应或使其最小化的其它措施来伴随向后的流动。此类附加步骤可包括减少、改变或禁用询问激光器的输出，禁用、减少泵输出、使其反向，使可听警报发声，以及向计算机监视器发送警告消息。可修整保湿算法的确切的细节以适应颗粒操纵器件及其区别特征或特定应用的需要。

例如，颗粒操纵级10可向通过的颗粒施加电荷。保湿算法可包括除使得流体的流动反向之外还停止供应给级10的充电或电压。

替换地，颗粒操纵级10可施加致死剂量的辐射而毁坏所选则的通过颗粒的存活力。保湿算法可包括停止此辐射，其可能以其它方式使流体加热、沸腾或蒸发，并且留下粘附于通道壁的组成颗粒。

图2a是使用保持恒湿的以平版印刷方式形成的微流体通道的另一颗粒操纵系统2的示意性图示。如前所述，输入通道120将流体从输入贮器递送到颗粒操纵级10。然而，在图2a中，在操纵级10的输出处形成两个或更多通道，形成交叉点。一个通道122可在远离操纵级10的一个路径、分类路径中移动，而另一通道140可在远离操纵级10的另一路径、废物路径中移动。颗粒操纵级10可以是微制造颗粒分类器，其将目标颗粒指引到分类通道122中，并且允许非目标材料流入废物通道140中。

该系统还可包括询问区201，其中将目标颗粒与非目标材料区别开。区别装置可基于将目标颗粒与流体流中的其它材料区别开的任何数目的特性或属性。虽然下面描述了激光询问，但应理解的是可使用其它特征来区别目标颗粒。例如，仅举几个例子，可用颗粒的电属性、流体动力属性、磁属性、光学属性、热属性、质量或机械属性方面的差异来区别颗粒。此列表并不意图是穷举的，而是替代地提供可与本文所述的操纵级10使用的区别系统的示例。

在一个实施例中，区别装置201可基于激光荧光。在此技术中，目标颗粒可以是特定细胞，诸如干细胞、癌或肿瘤细胞、性配子（sex gamete）等，其可用荧光标签对其进行标记。此类标签在本领域中是众所周知的，并且包括例如荧光素、德克萨斯红、藻胆蛋白、花青衍生物和玫瑰精。虽然本公开的大部分是针对此应用，但应理解的是本文所述的系统和方法也适用于用来将颗粒相互区别开的其它区别机制。这些机制可以是众所周知的，或者可以是仍被发明的。

如果用荧光标签来标记颗粒，则其可响应于激光激励而发射光子，并且此荧光辐射是在激光询问区中存在目标颗粒的指示。如果未检测荧光辐射，则颗粒可能是未标记、非目标颗粒。颗粒操纵级10可将已标记目标颗粒分类或转向到分类通道122中并允许未标记、非目标材料流入废物通道140中。

如图2a中所示，颗粒分类系统还可装配有干涸检测器101。此干涸检测器101可使用上文相对于图1a和1b所述的效果中的任何一个，以检测输入通道120内的干燥或即将干燥条件。如果检测干燥或即将干燥条件，则传感器或检测器101可向计算机或控制器发送信号以调用保湿算法。作为此算法的一部分，控制计算机可使器件内的流体的流动反向。例如，控制器可相对于点A处的压力使点B处的压力反向（invert），使得流体现在从B流动到A。替换地或另外地，控制器可相对于点A处的压力使点C处的压力反向，使得流体从C流到A。

可存在由于干涸检测器发射即将干燥条件的信号而采取的其它措施，下面将更详细地对其中的某些进行讨论。在这里所述的激光致荧光系统的情况下，保湿算法可包括禁用或停止激光询问区201中的激光。如果激光器未被禁用，则由激光生成的热可使样本流的组成部分加热、蒸发、聚合或氧化。这些组成部分然后可变得粘附于微通道的壁，从而改变流动特性或阻塞小通道。此粘附材料还可在多个样本将在颗粒分类系统中行进时引起样本的交叉污染。

图3a是具有以平版印刷方式形成的微流体通道和颗粒分类级10的颗粒操纵系统的平面图，示出了新型颗粒分类机构10的附加细节。因此，图3a和3b中所示的系统是一般地图2a和2b中所示的系统的实施例。在2013年10月1日提交且转让给与本申请相同受让人的美国专利申请序号13/998,095（'095申请）中详细地描述了新型颗粒操纵器件10。'095申请被整体地通过引用而并入。如在'095申请中详细地描述的，颗粒分类器件10可具有至少一个输出通道，在这里为废物通道140，其在与器件10的制造平面基本上正交的方向上流动。

这里所述的保湿颗粒操纵系统可特别地适合于此类平面外类型的微制造阀。特别地，已经确定具有设置在样本进入通道的平面外的至少一个输出通道和一个其它平面内输出通道的微制造阀可对向后流动通过器件的流体具有大大地减小的阻力以及极小的死体积（dead volume）。该减小的阻力和小的死体积可使在其期间通道为干燥的时间量最小化，因为流体可以非常快速地返回到微通道。此类架构可以对这里所述的概念的实现特别有利。

图3a中所示的器件10处于静止（未致动）位置。器件10可包括微制造流体阀或可移动构件110和多个微制造流体通道120、122和140。流体阀110和微制造流体通道120和122可使用如在下面和在'095申请中更详细地描述的MEMS平版印刷制造技术而在适当的基板、诸如硅基板中形成。制造基板可具有其中形成器件的制造平面，并且可移动构件110可在此平面中移动。

可通过样本进入通道120将样本流从样本贮器A引入到微制造流体阀110。在制造基板的表面中形成的样本流可在该表面的平面中流动。应理解的是在附图中描述的结构可不按比例绘制，并且事实上，贮器可远大于微流体通道。包含在样本进入通道120中的样本流可包含颗粒混合物，包括至少一个期望、目标颗粒和多个其它非期望、非目标废物颗粒。该颗粒可悬浮在流体中。例如，目标颗粒可以是例如悬浮在诸如盐水（saline）或牛血清白蛋白（BSA）之类的缓冲流体中的生物材料，诸如干细胞、癌细胞、受精卵、蛋白质、T细胞、细菌、血液组分、DNA片断。如所述，可在与阀110相同的制造平面中形成进入通道120，使得流体的流动基本上在该平面中。阀110的运动也在此制造平面内。

将给定颗粒分类/保存或处理/浪费的决定可基于任何数目的区别信号。在一个示例性实施例中，该决定是基于由颗粒发射的荧光信号、基于被附加于颗粒且被照明激光激励的荧光标签。关于此检测机制的细节在文献中是众所周知的。然而，可预期其它种类的区别信号，包括散射光或侧向散射光，其可基于颗粒的形态或能够将颗粒识别为目标颗粒且因此被分类或保存或为非目标颗粒且因此被拒绝或以其它方式处理掉的任何数目的机械、化学、电或磁效应。

在阀110处于所示位置上的情况下，进入流无妨碍地传递至输出孔口和通道140，其可在进入通道120的平面外，并且因此在颗粒操纵器件10的制造平面之外。参考C指示流体贮器和从那里引导至可移动阀110的通道。从C流动的此方向自纸张离开，如图3a中所指示的。也就是说，该流动从进入通道120和样本进入贮器A至输出孔口140，其从那里基本上垂直地流入输出孔口140中。来自C的流动因此基本上与进入通道120正交，并且因此与颗粒操纵器件10的制造平面和运动的平面基本上正交。到输出孔口140中的流动C因此可垂直于纸张的平面。更一般地，输出通道140可不平行于进入通道120或分类通道122的平面或者可移动构件110的制造平面。

输出孔口140可以是在制造基板中或在被结合到制造基板的覆盖基板中形成的孔。在分类阀或可移动构件110上面和下面的缓和（relieved）区域允许流体在可移动构件110上面和下面流到输出孔口140。此外，阀110可具有弯曲转向表面112，其可以使进入流的流动改向至分类输出流中。孔口140的轮廓可使得其与进入通道120和分类通道122中的某些但不是全部重叠。通过使轮廓140与进入通道重叠且用上述缓和区域，存在当可移动构件或阀110处于未致动废物位置时用于进入流直接地流入废物孔口140的路线。

图3a中所示的器件被设计成当阀处于图3a中所示的位置时从样本进入源A向废物孔口C输送标称地流体/小时的4ml，并相对于C向A施加前向压力。通过使压力梯度的符号反向（即相对于A向C施加较高压力），可以使此流动的方向反向，如图4a中所示。

图3b是已致动位置上的颗粒操纵器件10的平面图。在此位置上，可移动构件或阀110向上偏转到图3b中所示的位置中。

输出通道122可落在与进入通道120基本上相同的平面中，使得分类通道122内的流动也在与进入通道120内的流动基本上相同的平面中。在进入通道120与分类通道122之前可以存在角α。此角可以是达到约90度的任何值。在一个实施例中，进入通道120与分类通道122之间的角α可约为0，意味着两个相应通道中的流动是基本上反平行的。废物通道140中的流动可与样本进入通道120和分类通道122中的流动基本上正交。此布置可在使激光询问区内的路径长度最小化和如前所述减小对流体流动的阻力方面具有优点，并且因此可改善器件的准确度。

可移动构件110的致动可起因于来自一般地在图3b和4b中示出的力生成装置400的力。在某些实施例中，力生成装置400可以是磁体或电磁体，然而，应理解的是力生成装置400也可以是用以在可移动构件110上施加力、促使其从第一位置（图3a）移动至第二位置（图3b）的静电、压电或一些其它装置。如果使用磁力，则可通过包括有渗透性的（permeable）磁性特征来增强该效果，诸如嵌入可移动构件中的嵌入NiFe坡莫合金的区域。可将该嵌入特征嵌入可移动构件110中，使得参考数字110可指的是可移动构件以及嵌入其中的有渗透性的材料。嵌入材料的边界一般地仅仅落在可移动构件110的边界内部。在并入的‘095申请中可找到关于此类嵌入有渗透性的特征的设计和制造的细节。在此有渗透性的特征与力生成装置400（在这里为外部电磁体）之间引起的磁力可产生从第一位置（图3a）至第二位置（图3b）的运动。

更一般地，图3a和3b示出了颗粒操纵系统，其包括颗粒操纵器件、样本流体流动通过的在颗粒操纵器件上游的至少一个微制造输入通道和在颗粒操纵器件下游的至少一个微制造输出通道、检测微制造通道中的至少一个内的干燥或即将干燥条件并在检测该条件时放出信号的传感器以及用于在所述至少一个微制造输入通道与至少一个微制造输出通道之间建立受控前向流动且然后在从传感器接收到信号时使输出通道与输入通道之间的流动反向的流体控制装置。

微制造颗粒操纵系统10可具有可移动构件110，其具有具有平滑弯曲形状的转向表面112，其可以使进入通道120的流动改向至分类输出通道122。转向表面112可几乎正切于输入流动方向以及分类输出流动方向，并且斜率可在这些切线之间平滑地改变。用此形状，流的移动质量具有平滑地从输入方向移位至分类输出方向的动量，并且因此如果目标颗粒是生物细胞，则最少的力被递送至颗粒。转向表面从而在可移动构件110处于第一位置（图3a）时允许来自样本进入通道的流动进入第一输出（废物）通道，并且在第二位置（图3b）上使该流动转向至第二输出（分类）通道。换言之，当颗粒分类机构处于第一位置（图3a）上时在样本进入通道与第一输出通道（即，废物通道）之间形成通路，并且当颗粒分类机构处于第二位置（图3b）上时在样本进入通道与第二输出通道（即，分类通道）之间形成通路。

应理解的是虽然将通道122称为“分类通道”并将孔口140称为“废物通道”或“废物孔口”，但是在不失一般性的情况下，可将这些术语互换，使得分类流被指引到废物孔口140中且将废物流指引到通道122中。类似地，可使“进入通道”120和“分类通道”122反向。用来指定三个通道的术语是任意的，但是进入流可被阀110转向至两个分开的方向中的任一个中，其中的至少一个并未落在与其它两个相同的平面中。当参考角度方向来使用时，应将术语“基本上”、即基本上正切或基本上垂直理解成意指在参考方向的约40度内。例如，应将与线“基本上正交”理解成意旨离该线从约70度至约110度。在本文中将术语“微通道”、“微制造通道”和“微流体通道”可互换地使用，并且其指的是包含流体流动且具有约200微米或以下的特性尺寸的通道。

在图3a中，在A、B和C之间施加前向压力，使得从样本进入通道A流动至分类贮器B或废物贮器C。在可移动构件110处于图3a中所示的第一位置上的情况下，从输入A流动至废物C。在可移动构件110处于图3b中所示的第二位置上的情况下，从输入A流动至分类B。在正常分类操作期间，流动如图3a或图3b中所描述的那样。

在一段时间的正常分类之后，由干涸检测器101检测干涸条件，其向流动控制器发送信号以使流动方向反向。图4a示出了处于流体反向位置的器件，用在A和C之间的反向压力，使得流体现在从C流到A。在这种情形下，可移动构件或阀处于第一位置上，如图4a中所示。在阀110处于第一位置上的情况下，流可从废物贮器C向后通过MEMS颗粒操纵机构110，向后通过询问区201并返回到样本进入贮器A中。因此，在一个实施例中，可在微制造颗粒分类机构处于第一位置上的情况下用流体控制装置使流动反向。此反向流动和确认所需的时段可取决于包含在器件10中的流体的总体积。在一个实施例中，保持反向压力直至基本上所有通道都被填充有流体。在这里，可将压力阀关掉，并且流体可在通道内保持固定。然后可取决于应用而采取任何数目的措施。可向器件10引入附加或不同的样本流体，或者例如可去除分类或废物材料。

图4b示出了处于流体反向位置上的器件，其中在A与B之间压力反向，使得流体现在从分类贮器B流到样本贮器A。在这种情形下，可移动构件或阀处于第二位置上。因此可用来自分类通道和分类贮器B的液体再填充图4b中所示的体积。然而，一般地，在分类贮器中可存在较少的流体，因为目标细胞一般地是稀少的。因此，除非此类细胞的浓度是先验地已知的，否则可能不知道分类贮器B中的材料的总体积。这种方法可能更加难以实施，并且可能基于分类细胞的分数（fraction）或总分类对比总预期而要求一定的计算，以确定样本贮器几乎被耗尽的时间。取决于已分类细胞的数目，可能不存在足以使用分类贮器中的体积而彻底地重新润湿微流体通道的表面的流体量，并且优选地将使用废物贮器来重新润湿该表面，如图4a中所示。

保湿程序可特别适合于图3a和3b中所示的平面外类型的微制造阀。特别地，已经确定具有设置在样本进口通道的平面外的至少一个输出通道和一个其它平面内输出通道的微制造阀可对通过器件向后流动的流体具有较低阻力。由于其对流体流动的低阻力，可更快速地执行反向流动和询问，并且因此具有比其它阀架构更少的处理开销。因此，此类架构可以对实现这里描述的概念特别有利，因为即使通道干涸，流体也非常快速地反向，并且流体体积在几秒或更少内返回到微流体通道。

在图3a和3b中一般地示出了检测器或传感器101，并且应理解的是检测器101可基于任何数目的检测现象，在这里列出了其中的某些。此列表并不意图是穷举的，而是仅仅给出感测方法的多个示例。特别地，检测器可检测光学性质、机械性质、电或流体性质的变化。检测器还可监视由泵通过器件泵送流体所消耗的力或能量。因此，可将检测器或传感器101放置在多个位置中的任何一个上，并且在图5a—5d中示出了这些替换中的某些。在图5a中，检测器或传感器101被设置在输入通道120中，使得监视输入通道120的条件以检测干燥或即将干燥条件。在图5b中，检测器或传感器101被设置在分类通道122中，使得监视分类通道122的条件以检测干燥或即将干燥的条件。在图5c中，检测器或传感器101被设置在废物通道140中，使得监视废物通道140的条件以检测干燥或即将干燥条件。在图5d中，检测器或传感器101被设置在较大视场上，覆盖基本上全部的三个微流体通道以及可移动构件110。还应理解的是可将传感器耦合到流体控制装置或控制计算机而不是微通道本身，如下面更详细地描述的。

在一个实施例中，干涸检测器或传感器101是专用光学照相机，其指向通道120、122或140内的流体与通道的壁之间的界面。已知道空气的折射率约为1.0，而水的折射率约为1.3。由于来自界面的反射系数取决于两个相邻材料之间的折射率的差，所以从界面反射的光的量将基本上在通道120、122和/或140内的流体变成空气时改变。干涸检测器或传感器101将在检测到从界面反射的光的量值的变化时放出信号，指示通道是或不久将是干燥的。

在另一实施例中，干涸检测器101可以是检测来自用荧光染料标记的颗粒的荧光的光学检测器。此类荧光化合物被例行地结合成抗体以便识别目标颗粒上的特定抗原。当激光被指引在荧光标签上时，其以较长的波长发荧光，并且此荧光被检测器（通常为光电倍增管（PMT））检测。该同一检测器或PMT可用来检测光水平的基线的变化，例如指示通道已或不久将干涸。下面相对于图6来描述适当的检测器。

图3a、3b、4a、4b和5a—5d中所示的器件10被设计成当阀处于图3a中所示的位置上时从样本进入源A向分类贮器B输送标称地流体/小时的4ml，并且相对于B向A施加前向压力。样本贮器中的开始的流体的总体积一般地是已知的。因此，在另一实施例中，监视分类、废物或输入贮器的重量、流体水平或条件或分类时间的持续时间或记录的事件的数目，以确定输入贮器中的流体几乎被耗尽的时间也可以是可能的。更一般地，可监视输入、分类或废物贮器的条件或这些贮器和/或颗粒操纵器件之间的通道的条件。通过在该处贮器几乎为空的点处的压力梯度的符号反向（即通过相对于B和/或C降低施加于A的压力，或者通过相对于A向B和/或C施加较高压力），可以使输入通道120与分类通道122和/或废物通道140之间的流动方向反向，因此基本上始终保持微流体通道的壁湿润。因此，在本实施例中，传感器可基于输入、分类或废物贮器的重量或条件或基于分类时间的持续时间而检测干燥或即将干燥条件。这些因素中的任何一个都可指示样本体积几乎被耗尽。

在又一实施例中，干涸检测器可以是分类控制器或计算机，其将分类结果和所记录事件的数目制成表格。如果操作员知道其样本中的细胞的大约数目，则计算机可跟踪事件的总数是否已或不久将发生，并且发送出提示系统调用保湿算法的信号。在本实施例中，干涸检测器101可以在控制颗粒操纵系统的计算机中，如下面将相对于图6所描述的。干涸条件的检测是基于系统已经记录的事件的数目，并且因此是其微通道很可能不久要干涸的预测因子（predictor）。

然而，一旦确定了干涸点，则当达到此点时可调用保湿算法。保湿程序可包括被设计成避免使器件干涸达到流体中的颗粒变得粘附于壁或堵塞的时间长度的多个步骤。否则，如上面简要地描述的，其可防止微流体通道在任何时间干涸。

应理解的是，用“干燥”，其意指微通道内的区域除样本液体之外或作为其替代包括局部周围气体。通常，此周围气体是空气，其在样本液体干涸时透过系统。在其中使用其它气体作为到系统的输入的其它情况下，空气可能再次地是局部周围气体，指示预定流体或样本气体正被耗尽。

在一个实施例中，可使用流体控制装置来控制A、B和C之间的压力和因此的流动。流体控制装置可以是气动或液压的，并且可包括具有泵和关联流体通路的活塞。流体控制装置可在正常操作期间实行受控流体速度。在一个实施例中，受控速度可被控制装置保持恒定。或者替换地，流体控制装置可基于保持恒定事件速率，使得流体速度因由于例如不完美混合或细胞死亡而引起的变化样本浓度而改变。反馈信号可以是例如检测的速率或所检测信号的宽度。在任何情况下，可将流体控制装置配置成使流动方向从前向反向成反向，如下面进一步描述的。

图6是实施上述保湿算法的颗粒操纵系统1000的示意性图示。特别地，图6展示询问激光器的光学路径和干涸传感器101的实现以及与保湿算法相关联的控制路径。相对于图6，将首先描述系统的正常操作，然后将描述保湿算法和实现，如在图6中体现的。

在系统1000的正常操作中，目标颗粒可以是已被用荧光标记加标签的特定细胞，诸如干细胞或癌细胞。此标记在被以预定义波长操作的激光器1400照射时发射具有特定能量的光子。因此，在此细胞分类系统中，激光源1400可被转动反射镜1250通过检测/收集光学件1100指引到激光询问区201中的可移动构件110上，如在图3a中所示。检测/收集光学件1100和激光源1400的光轴可以是共线的，至少在光学路径的一部分上。因此，激光应用和光学检测沿着此光轴的取向可与基板制造平面垂直或正交、与可移动阀110的运动平面正交，并且与通过检测区域的样本流体的流动正交。这可具有重要后果，因为光以正交入射角穿过表面，其可减少镜面反射并因此减少或消除检测方案中的噪声源。

可用检测/收集光学件1100对从被照射颗粒发射的荧光进行成形并用二向色镜1200分离且指引到光检测器组1300中。多个光检测器可适应发射光的多个波长以用于多参数检测。由光检测器1300输出的信号指示激光询问区201中的目标颗粒的存在或缺少。该信号可被递送至控制器1900，其管理颗粒分类系统1000中的部件的相对定时，并且收集数据。控制器1900可以是通用计算机或专用电路或ASIC。在检测目标颗粒时，由激励力生成或通量生成装置400的控制器1900来生成信号。控制器1900还可经由一个或多个气动、液压、基于活塞或基于机械力的机制向颗粒操纵器件10提供流体控制。

力生成装置400是促使力出现在可移动结构110本身中、引起可移动结构的运动的设备。此力生成装置400可未被直接地以机械方式耦合到MEMS颗粒操纵器件10，如由图6中的虚线所指示的。例如，力生成装置400可以是磁通量的源，其促使静磁力出现在MEMS颗粒操纵器件10中的嵌入有渗透性的材料中。因此，通量生成装置400可以是具有磁芯和绕组的电磁体。此力可将可移动阀110朝着力生成装置400拉动，打开分类通道122并闭合废物通道140，如图3a、3b、4a和4b中所示。重要的是，力生成装置400可存在于颗粒分类系统1000中而不是在MEMS颗粒操纵器件10中。如先前所述，这可降低MEMS颗粒操纵器件10的成本和复杂性。还可包括另一可选激光器1410以提供第二光学通道。

在激光询问区201中，可将目标颗粒与流体样本的其它组分区别开。检测装置可以是激光器1400和关联光学件，其将激光指引到在MEMS可移动构件110的上游且一般地在激光询问区201中的斑点。如先前所述，还可使用其它区别机制，仅举几个例子，诸如颗粒的电属性、流体动力属性、磁属性、光学属性、热属性、质量以及机械属性方面的差异。

在通过检测区域201时，由检测器1300生成信号，指示在询问区201中存在目标颗粒。在已知延迟之后，由控制器1900生成信号，其指示分类门、即可移动阀110将被打开，以便将被检测的目标颗粒与流体流中的其它组成部分分开。可移动MEMS阀110可包括有渗透性的磁性材料，使得磁力可在存在磁场的情况下出现在其中。当由控制器1900生成信号时，在嵌入式磁性有渗透性的材料中出现力，其将可移动阀朝着力生成装置400吸引。此运动关掉废物通道140并使目标颗粒改向至分类通道122中。已分类样本随后在分类通道122的末端处被从分类贮器收集，其保持已分类样本。

可将微制造颗粒操纵系统10插入包含图6中所示的部件的外壳中。该插入区域可以是具有可用于颗粒操纵器件10和关联微流体通道针对一个或多个数据的精定位的机构的可移动级。这些数据可相对于检测/收集光学件1100对激光询问区201和颗粒操纵器件10进行定向和定位。如果要求更精细的定位，则输入级也可以是平移级，其基于可移动转向器110或MEMS颗粒操纵机构10相对于基准点（datum）的位置的观察来调整定位。

应理解的是激光询问区201事实上可包括起因于一个或多个激光器的几个激光光斑，并且实际上，询问根本不需要是激光，而是基于例如某些其它光学、机械或电差异的某些其它区别手段，如在血细胞计数领域中已知的。如在下面进一步描述的，区别手段可以是散射光或侧向散射光，其可基于颗粒的形态，或者可以是可以将颗粒识别为目标颗粒的任何数目的机械、化学、电或磁效应。可分析检测器1300的输出以将对应于不同照射激光的含量或被所述多个激光器1400和1410激励的不同荧光波长分开。

流体控制装置1500可控制流动通过微制造颗粒操纵系统10的通道的流体的方向和速度。可基于如上所述的多个标准来控制流体控制装置。该流体控制装置可包括气动、液压和/或单向阀和/或可包括具有泵和关联流体通路的活塞。在正常操作期间，可由具有用以保持例如流体速度、压力或事件速率常数的控制器1900的反馈环路中的流体控制装置1500来控制该流动。

干涸检测器或传感器101可以是上述示例中的任何一个，但是使用用于检测条件的至少一个方法，其中，微流体通道是干燥或即将干燥的。在检测此条件时，检测器101可向控制器1900发送信号以调用保湿算法。

在从检测器或传感器101接收干涸信号时，控制器1900可指引流体控制装置1500以使例如样本贮器与废物贮器之间的压力梯度反向，如上所述。反向压力可持续直到确定微通道再次被填充流体为止。在这里，控制器1900还可禁用激光器1400和1410，以便避免使剩余流体蒸发或将现在固定的流体加热。替换地，可在从检测器101接收信号时且在流体反向之前立即禁用激光器1400和1410。当然，控制器可另外将任何其它未使用电路停电，将分类结果合计并输出，或者在分类重新开始之前采取任何数目的附加动作。

图7a、7b和7c是如上所述的用于保湿算法的控制波形的图。该图可图示出在样本进入贮器与分类贮器之间施加的压力或样本进入贮器和废物贮器之间的压力。在第一时段期间，分类如常地继续，直至干涸检测器101指示样本贮器即将干涸为止。当检测到该条件时，发出干涸信号，并且压力如图7a中所示地反向。在反向的一段时间的运行之后，检测器确定微通道再次被润湿，并终止驱动压力。允许流体简单地保持在器件的腔中，直至分类重新开始为止，或者采取某个其它动作。

在图7b中，监视流体泵的条件以确定干涸条件。可将泵配置成保持恒定流体速度或恒定事件速率，并且其可在闭合反馈环路中操作以便保持流体速度被紧紧地控制。可通过测量电流消耗的增加、体积输出、占空比的增加、泵的输出处的压降或指示泵和微通道正在干涸的某个其它条件来检测干涸条件。在这里，使泵压力反向并使流体返回至器件中的腔。该算法可相对于大气在通道内保持某个标称流体压力，使得流体处于某个压力下，或者可将压力减小至周围环境，如图7b中所示。

应理解的是虽然在图7a和7b中将用于前向流体方向和反向流动方向的流动速率以及这些流动的持续时间示为近似相等，但情况不一定如此。特别地，由于细胞浓度可大大地不同且在回流期间不发生分类，所以反向流体速度可超过前向速度。替换地，反向流体速度可小于前向速率，以便在通过微通道的同时减小细胞上的应力。最后，作为在通道中保持流体固定不动的替代，保湿算法可替代地使一定量的流体在样本贮器A与废物贮器C或不太可能的分类贮器B之间来回穿梭。恒定运动可避免颗粒在流体中的附聚。图7c示出了本实施例，其中，流体通过颗粒操纵器件10来回穿梭，以将各部件保持在恒定运动中直至添加新样本或操作员干预为止。

应理解的是保湿算法可应用于具有窄通道的颗粒分类系统的所有部件。例如，如果分类器是在基板上形成的MEMS型微制造器件10，则可对往返窄的且因此易于堵塞的MEMS芯片的所有其它流体通道应用保湿算法。这些其它通路可包括将MEMS芯片连接到更大流体贮器的管道或通路。

图8示出了用于执行保湿算法的示例性方法。该方法在步骤S100中开始，其中，样本流体流过颗粒操纵系统。在步骤S200中，由传感器来检测干涸条件，并且传感器为此发送信号。在步骤S300中，在系统中使流动反向。在步骤S400中，减弱或禁用激光。如先前所述，应理解的是步骤S400可在步骤S300前面，使得激光器在步骤S200中的接收到信号时且在流动反向之前立即被禁用或减弱。在步骤S500中，将驱动压力减小至周围环境，例如使得流体停止流动。在步骤S600中，进行附加样本是否等待运行的确定。如果是，则在步骤S700中改变样本，并且过程返回至开始，S100。如果没有，则方法在步骤S800中结束。

应理解的是可能并不是图8中所示的所有步骤都是必需的，例如如果不在使用激光器或者如果预期干涸条件将具有有限的持续时间，则可省略步骤S400激光器禁用。类似地，不需要按照所指示的顺序来执行步骤，例如可在流动反向之前禁用激光器。作为步骤S400的替代或除其之外，该方法还可包括减少询问激光器的输出，禁用、减少泵输出、使其反向，使可听警报发声，以及向计算机监视器发送警告消息。

虽然已结合上文概述的示例性实施方式来描述了各种细节，但在回顾前述公开时，各种替换、修改、变更、改善和/或显著等价物（无论是已知还是目前已或可能未预见到的）可变得显而易见。因此，上文所阐述的示例性实施方式意图是说明性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种颗粒操纵系统，包括：

颗粒操纵器件；

在颗粒操纵器件上游的至少一个微制造输入通道和在颗粒操纵器件下游的至少一个微制造输出通道，样本流体通过其而流动；

传感器，其检测微制造通道中的至少一个内的干燥或即将干燥条件并在检测条件时放出信号；以及

流体控制装置，用于在所述至少一个微制造输入通道与所述至少一个微制造输出通道之间建立受控前向流动，并且然后在从传感器接收信号时使输出通道与输入通道之间的流动反向。

2.权利要求1的颗粒操纵系统，其中，所述颗粒操纵器件包括在基板的表面上形成的微制造颗粒分类机构，并且样本流体包括目标颗粒和非目标材料。

3.权利要求2的颗粒操纵系统，其中，所述微制造颗粒分类机构移动以响应于力而将目标颗粒从微制造输入通道转向至微制造分类输出通道中，并且其中，颗粒分类机构使目标颗粒转向的运动基本上在平行于基板表面的平面中。

4.权利要求3的颗粒操纵系统，其中，输入通道中的流动基本上反平行于微制造分类输出通道中的流动，并且力是磁力，并且其中，废物输出通道与输入通道和分类输出通道基本上正交，并且其中，当从传感器接收信号时由废物通道与输入通道之间的流体控制装置使流动反向。

5.权利要求2的颗粒操纵系统，其中，微制造颗粒分类机构还包括：

有渗透性的磁性材料，嵌入微制造颗粒分类机构中；以及

磁通量源，在微制造颗粒分类机构和在其上面形成微制造颗粒分类机构的基板外部，其中，磁通量与嵌入有渗透性的磁材料相互作用以移动微制造颗粒分类机构，由此，微制造颗粒分类机构在磁通量源被激活时从第一位置移动至第二位置。

6.权利要求1的颗粒操纵系统，其中，所述传感器基于微制造通道中的至少一个内的流体压力、光学性质、粘度、电容以及流体阻力中的至少一个来检测干燥或即将干燥条件。

7.权利要求1的颗粒操纵系统，其中，所述传感器基于输入、分类或废物贮器的条件或这些贮器与颗粒操纵器件之间的通道条件或系统已记录的多个事件或分类时间的持续时间中的至少一个来检测干燥或即将干燥条件。

8.权利要求3的颗粒操纵系统，其中，当所述微制造颗粒分类机构处于第一位置时，形成微制造输入通道与废物通道之间的通路，并且当微制造颗粒分类机构处于第二位置时，形成微制造输入通道与微制造分类输出通道之间的通路。

9.权利要求8的颗粒操纵系统，其中，所述流体控制装置在微制造颗粒分类机构处于第一位置中的情况下使流体流动的方向反向。

10.权利要求8的颗粒操纵系统，其中，所述流体控制装置在微制造颗粒分类机构处于第二位置中的情况下使流体流动的方向反向。

11.权利要求2的颗粒操纵系统，还包括：

控制器，其控制流体控制装置以在正常分类期间保持前向流动方向，并在从传感器接收信号时使流体方向反向。

12.权利要求11的颗粒操纵系统，其中，所述控制器在从传感器接收信号时调用保湿算法。

13.权利要求12的颗粒操纵系统，其中，所述保湿算法包括以下各项中的至少一个：

减少、改变或禁用询问激光器的输出；

减少、改变或禁用电源输出；

减少、禁用泵输出或使其反向；

使可听警报发声；以及

发送警告消息。

14.一种用于用颗粒操纵器件来操纵颗粒的方法，包括：

提供颗粒操纵器件；

提供在颗粒操纵器件上游的至少一个微制造输入通道和在颗粒操纵器件下游的至少一个微制造输出通道，

在正常操作期间使流体流动通过微制造输入通道流到所述至少一个微制造输出通道；

感测微流体通道即将或正在干涸；

输出指示干涸条件的信号；以及

在接收信号时使所述至少一个微制造输入通道与至少一个微制造输出通道之间的流动反向。

15.权利要求14的方法，其中，所述颗粒操纵器件包括在基板的表面上形成的微制造颗粒分类机构，并且样本流体包括目标颗粒和非目标材料。

16.权利要求15的方法，其中，所述微制造颗粒分类机构移动以响应于力而将目标颗粒从微制造输入通道转向至微制造分类输出通道中，并且其中，颗粒分类机构使目标颗粒转向的运动基本上在平行于基板表面的平面中，

并且其中，微制造颗粒分类机构在施加力时从第一位置移动至第二位置以使颗粒转向。

17.权利要求16的方法，其中，输入通道中的流动基本上反平行于分类输出通道中的流动，并且其中，力是磁力，并且其中，废物输出通道与输入通道和分类输出通道基本上正交，并且其中，当从传感器接收信号时使流动在废物通道与输入通道之间反向。

18.权利要求14的方法，还包括以下步骤中的至少一个：

减少、改变或禁用询问激光器的输出；

减少、改变或禁用电源输出；

减少、禁用泵输出或使其反向；

使可听警报发声；以及

发送警告消息。

19.权利要求14的方法，其中，感测微流体通道即将干涸包括检测微制造通道中的至少一个内的流体压力、光学性质、粘度、电容、流体阻力中的至少一个的变化以及样本体积几乎被耗尽。

20.权利要求17的方法，其中，所述流体控制装置在微制造颗粒分类机构处于第一位置中的情况下使流体流动的方向反向。