CN106999927A - 用于流体动力流动聚焦的方法、装置和系统 - Google Patents

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Abstract

在用于层流和平面样本流体流的流体动力聚焦的方法中，提供了用于分析和/或分选样本流体中的微观对象的系统，其包括用于微观对象的光学检查的光学物镜。微观对象在样本流体的层流中传送，并且提供两个层流和平面的鞘流体流。样本流体的流动通过鞘流体被流体动力学地聚焦在系统的光学检查区。控制样本流体的流动的聚焦，使得样本流体中的所有微观对象在系统的检查区域处在单个平面中沿着共同的流动方向被传送，并且流体中的微观对象通过光学物镜进行光学检查。

Description

用于流体动力流动聚焦的方法、装置和系统
技术领域
本发明涉及流式细胞计量领域。具体地，本发明涉及流体动力流动聚焦领域和流动池的结构(称为流体动力流动聚焦装置)及其在生物细胞和微粒(称为微观对象)的光学分析或光学激光分选中的用途。流动池可以实施为微流体流动池。
背景技术
介绍
在生物技术、临床诊断和研究中，需要在个体基础上研究和分选生物细胞，这可以用能够进行流式细胞计量和细胞分选的仪器进行。流式细胞仪是细胞计量、细胞和细菌的分析中的工具。它是一个统计工具，它使用大量的事件、个体细胞测量，推导出关于细胞功能、亲和力、群体等的信息。因此，高吞吐量(速度)对于测量统计上显著数量的事件的必要的。吞吐量通常为50,000细胞/秒，对应于100mio.细胞/小时。相比之下，1ml血液含有500万个细胞。
流式细胞计量的程序是使用鞘流体来聚焦样本悬浮液。然后形成细小的细胞样本悬浮液的细串，并被引导通过光学激发源和光学检测器的路径。选择性荧光标记物用于根据细胞的大小、类型、化学功能等来表征细胞。流式细胞计量和细胞分选仪器不限于细胞学中感兴趣的微粒，例如血小板、白细胞、红细胞、胚胎细胞、肿瘤细胞、蛋白质产生细胞和其它类型的生物细胞，而是也可以应用于其它微粒如细菌、藻类、囊泡、大分子如蛋白质和非生物颗粒的分析和分选。在下文中，我们通常将所有上述类型称为“微粒”。
样本串的目的可以是，1.将单元保持在光收集光学器件和/或光激发的焦点中。2.避免两个细胞在单个事件中暴露，通常称为双联体。3.为了确定所有单元具有相同的速度并因此接收相同量的曝光。这保证了低的变化系数。
微粒分选(例如荧光活化细胞分选(FACS))和流式细胞计量的方法和装置是现有技术中已知的和已描述的。中心组分是流动池，其将悬浮的微粒聚焦到流动介质中的单个纵列。理想地，在任何给定时间只有单个微粒在光学分析的区域中。另一任务是所有微粒被紧密聚焦以通过光学检查的受限区域。另外，微粒应当以相同的速度行进，使得激光光学曝光和所得到的信号对于所有细胞在质量上相同，并且使得避免当两个细胞在给出错误读出的光学检查区域中彼此通过时的偶然事件。通常，这些目标通过从插入有包含鞘流的较大同轴圆形玻璃管的圆形喷嘴中喷射微粒、样本来实现。通过调节鞘流和样本流的流速，可以使细胞以高精度在单个纵列中行进，直到50nm，并且具有均匀的速度。
商业上已知的微粒分选机实施聚焦-检测-决定-偏转操作循环，其中微粒首先在流体介质中聚焦到穿过光学检查(检测)的路径，这取决于电子信号(决定)微粒被偏转到两个或更多的储层。流式细胞仪可以被认为仅实施微粒分选机的聚焦-检测子集操作。
在光学检查中，在光收集效率和光学系统的焦深之间存在折衷。这通常由光学显微镜物镜的数值孔径(NA)确定。
流式细胞计量通常不赋予成像能力。相反，使用光电倍增管(PMT)记录组合信号。对于成像，一个受到适用于显微镜的基本物理定律的限制。这些决定了分辨率以下式给出
Res＝1.22λ/(2*NA)
其中λ是光的波长，NA是光收集物镜或透镜的数值孔径。分辨率确定了可以用给定的光学装置分辨的特征的尺寸，因此当成像直径为2-20微米的细胞和直径为0.5-3微米的细菌时非常重要。焦深也受到限制。
Δz＝λ/(2*NA2)
正如分辨率确定最小可检测特征的尺寸一样，焦深确定任何给定物体可能偏离光学器件的焦平面的最大距离。视场由下式给出
FOV＝FN/M
其中FN是由光学器件确定的参数，M是物镜的放大率。
作为示例，2微米的分辨率仅需要更适中的NA＝0.125，这导致使用上述等式的焦深Δz＝16微米。
作为另一个例子，在波长λ＝500nm处的0.5微米的分辨率需要NA＝0.5。这导致使用上述等式的浅焦深Δz＝1.0微米。作为另一示例，在波长λ＝500nm处的0.25微米的分辨率需要NA＝1。这导致使用上述等式浅焦深Δz＝0.25微米。
NA处的视场可以容易地为400微米。因此，焦深和横向FOV的方面是1:1600(0.25微米：400微米)。在剩余的当中，FOV将被纳入以也包含焦深，使得FOV变成3维参数。
另外，应当注意，对于较高的NA，光收集效率～NA2较高。
流式细胞仪的吞吐量由下式给出
样本串的截面x vstring x颗粒浓度。
其中“样本串的截面”垂直于流动方向，vstring是样本串相对于光学检测器行进的速度。
上面的基本事实设置了流式细胞仪如果使用成像的情况下的性能的一些物理约束。将其与光子检测极限对于PMT或光电二极管(或其它单点检测器)比对诸如CCD、CMOS的成像装置更好的观察相结合，因为成像装置中的光子被分布到多个单个检测器，像素上。为了补偿成像装置的这种固有的较低灵敏度，必须使用较低的样本串速度。吞吐量变得不令人满意。
物镜的视场的深度，例如对于横截面为圆形且直径为约1微米的样本串的NA＝0.5的限制。视场的宽度可以是400微米，留下399微米未使用。因此，如果样本串横截面可以制成1微米深和400微米宽，则可以获得高吞吐量。因此，如果流动池可以被设计成形成垂直于光学平面的平坦样本串，则成像流式细胞仪的吞吐量量为因子400。在过去的几十年中，小型化的分析系统已经受到了极大的关注，有望用于更便宜的核心实验室外，用于化学和生物分析，以及运行完整的片上自动实验室例程。通过转向片上微流体实验室方法可以获得多个优点。然而，与已建立的仪器相比，微流体系统迄今仅提供有限的分析和分选能力。主要障碍是所建立的器械的流动池的设计不容易转移到微流体流动池制造技术中这一事实。在微流体系统中，难以在同轴管内制造圆形喷嘴。
微流体芯片通常在一个或多个衬底中制造。衬底具有凹槽和结构，其在组装时变成通道、腔室和这些的网络。衬底的材料通常是聚合物、硅或其它材料，并且可以通过铸造、注射成型、微铣削、光刻和蚀刻等制造。在处理之后，将衬底堆叠并结合以形成微流体芯片。
在堆叠的衬底中，如何实现具有一维(1D)鞘流的流动池是众所周知的，其中样本流在沿衬底平面取向的方向上被流体动力学聚焦。由于衬底的积累结构，微流体系统2D流体动力学聚焦是更具挑战性。
Wolff 2003
Wolff及其同事(1)证明了在微流体流动池上2D液体动力聚焦和分选的实例。他们在微流体系统中实现了通道，其中样本喷嘴突出到通道中。他们展示了将微粒聚焦到纵列。他们称设计为“吸烟烟囱”。喷嘴和通道的取向是垂直的，并且通道的横截面是矩形的，并且喷嘴是圆形的。在通常的实践中，通道和喷嘴同轴定向并且在横截面上都是圆形的。他们使用阀门来控制出口流量，并通过流体力学分选对细胞进行分选。虽然直观和看似良好的设计，但是在制造中需要对具有严格公差的硅衬底进行洁净室处理是相当苛刻的。具有尖锐角度的设计易于发生微粒的沉积，从而污染微流体系统以及样本流体的吹扫。由于突出的喷嘴在较大通道的中心，设计也容易捕获将被粘在喷嘴前侧的气泡。气泡的出现是微流体系统的结垢的常见来源。微流体系统容易受到气泡的污染，在原型之外的大规模使用中不鲁棒。
Yang 2005
Yang和他的同事(2)证明了二维流动聚焦微流体系统的一个例子。微流体系统将微粒聚焦到纵列上，并且不遭受“吹扫”效应和气泡结垢的高敏感性。制造的复杂性显著增加，因为SU-8聚合物衬底需要在几个步骤中使用复杂的非标准光刻。实现的衬底不能使用聚合物显微注射成型或使用标准光刻制造。该设计的特征还在于具有突出的空隙和锐角，其易于由于气泡和微粒沉降而污染微流体系统。
Simonnet 2005
Simonnet及其同事(3)实现了可以使用标准制造技术制造的微流体系统2D流动聚焦微流体系统。微流体系统可以将微粒聚焦到纵列以及片材上。因此，微流体系统允许高度控制聚焦的样本流，因为样本鞘流的高度，厚度和宽度可以被控制。
微流体系统能够以高精度聚焦样本染料。然而，为了证明聚苯乙烯珠添加剂的聚焦，将蔗糖和葡聚糖添加到样本液体培养基和鞘液体培养基中。目的是确保在浮力下中和的珠粒是严重的限制。该设计具有许多锐角和通道的紧密限制，从而导致易于发生由沉积造成的结垢。由于层流梯度和固体微粒的复杂的相互作用，通过聚焦染料实现的性能不能预期用微粒在所实现的复杂的通道网络中再现。
虽然微流体系统可以产生2D流体动力学聚焦流，这具体地不是通过2D流体动力学聚焦实现，如同所有先前提及的系统，而是通过级联1D流体动力学聚焦因此，所展示的微流体系统不呈现新的、可延伸的聚焦原理或设计，而是简单地已知技术的组合。
微流体系统具有9个入口，需要总共5个流量泵，虽然在纸张中仅使用7个入口和4个流量泵，其余的是不活动的。四个或五个流量泵导致相当大的硬件花费，并增加了许多流体互连和更多电子器件的复杂性。
Wang 2005
用于微粒分选的微流体系统的实例(4)，其使用1D流动聚焦。因此，包含芯片的仪器被设计为具有光学物镜的低NA(0.2)，以允许长的聚焦深度增加沿着光轴离焦的微粒的检测概率。作为分选的手段，施加激光束以相对于光轴切向移动微粒，因此在衬底平面中移动微粒。证明了每秒100个微粒的分选速度。
Chiu 2013
已经证明用于微粒2D聚焦的微流体系统的实例仅具有三个入口(两个鞘，一个样本)(5)。在参考文献中，由于场中术语的不一致使用，2D聚焦被称为3D聚焦。他们声称能够进行流动聚焦的微流体系统与商业流式细胞仪相当，其中微粒在纵列中。因此，通过与1D聚焦微流体系统相比降低速度变化系数，他们声称在光电倍增管检测器中的偶然事件的风险较低。微流体系统实现样本到片材而不是纵列的2D聚焦，但是片材的形成是微流体系统的无意和未利用的伪像。实际上，片材被定向为使得光轴和衬底法向矢量都在片材内部，而不是在与其成法向的方向上定向。其结果是在光电倍增管检测器中存在增加的同时事件的风险。片材沿光轴约为30微米宽。他们声称微流体系统可与商业流式细胞仪相当，在商业流式细胞仪中微粒在纵列中。此外，该系统仅用于不用于成像的荧光。该工作确实呈现来自CMOS相机的图像，其具有与片材定向成法向的光轴，但这仅仅是为了表征聚焦的流动而不是微粒的成像的目的。此外，其在标准实验室显微镜(低NA-长工作距离)上进行，不实际用于高NA物镜将呈现增加的光收集效率以及高光学分辨率的测量。由于与可用的最小距离相比高NA物镜的短工作距离，将不可能从侧面安装用于光学检查的高NA物镜。对于高质量显微镜成像，衬底的结合界面将与光学光相交，使得高分辨率衍射限制不可能。
发明概述
介绍
本发明的实施方案提供了一种方法和设备，其特别适用于分选悬浮在流体中的微粒，所述流体在例如直径小于1mm的毛细管尺寸的通道中流动。作为所述方法和设备的子集，提到电子设备是用于分析悬浮在毛细管尺寸通道中流动的流体中的微粒的方法和装置。
微流体系统的优选实施方案特征在于微粒的2D流聚焦，特别适于用高NA光学物镜分析和用于激光分选。这里，微粒也称为微观对象。
在第一方面，本发明提供了一种用于在用于分析和/或分选样本流体中的微观对象的系统中进行层流和平面样本流体流的流体动力聚焦的方法，其中所述系统包括用于微观对象的光学检查的光学物镜，所述方法包括：
-在样本流体的层流中输送微观对象；
-提供至少第一鞘流体的第一层流和平面流和第二鞘流体的第二层流和平面流；
-通过使所述第一和第二鞘流中的每一个在所述样本流体流的两个相对的平面流动表面处与所述样本流体的流动进行平面接触，在所述系统的光学检查区域处流体动力学地聚焦所述样本流体的流动；
-控制所述样本流体的流动和所述鞘流体的第一流动和第二流动，使得所述样本流体和所述第一和第二鞘流体在所述系统的所述检查区域处沿共同的流动方向流动；
–以这样的方式控制聚焦所述样本流体的流动的所述步骤：使得所述样本流体中的所有微观对象在所述系统的检查区域处在单个平面中沿所述流动方向被传送；
-通过所述光学物镜光学检查所述流体中的微观对象中的至少一个。
在第二方面，本发明提供了一种用于对样本流体中的微观对象进行分析和/或分选的光学分析的流体动力流动聚焦装置，所述系统包括：
-光学检查区，用于光学检查样本流体流中的微观对象；
-在光学检查区的光学物镜；
-用于控制样本流体的层流和平面流的样本流控制器；
-鞘流控制器，用于控制第一鞘流体的层流和平面流以及第二鞘流体的层流和平面流；
-流动结构，其被构造成流体动力地使所述第一和第二鞘流中的每一个与所述样本流体流的两个相对的平面流表面处的样本流体的流平面接触，以便将所述样本流体的流动聚焦在所述光学检查区；
其中所述流动结构的形状和尺寸使得所述样本流体中的微观对象在系统使用期间在系统的检查区域处在单个平面中传送。
在第三方面，本发明提供了一种用于选择包括在层流和平面样本流体流中的微观对象的方法，所述方法包括：
-通过根据本发明的第一方面所述的方法对所述样本流体流进行流体动力学聚焦；
-在所述光学检查区对所述样本流体中的微观对象进行显微镜检查和分析；
-基于所述显微分析在所述样本流体中选择至少一个微观对象；
-通过光或电磁束将所述至少一个选定的微观对象从样本流体流中喷出；
-随后将鞘流体和样本流体的流的组合流分成；
-包括所述至少一个所选微观对象的选定流，以及
-废物流。
在第四方面，本发明提供了一种用于选择包括在层流和平面样本流体流中的微观对象的系统，所述系统包括：
-根据本发明的第三方面所述的流体动力流聚焦装置；
-用于在所述光学检查区对所述样本流体中的微观对象进行显微镜检查和分析的装置；
-用于通过光或电磁束将至少一个选定的微观对象从样本流体流中喷出的装置；
-流分离装置，用于将鞘流体和样本流体的流的组合流分成包括所述至少一个选择的微观对象的选定流和废物流。
如在本上下文中所使用的，平面是指横向于光轴的平面，如图5中举例所示。因此，在本发明的优选实施方案中，将样本流体的流动流体动力学地聚焦在系统的光学检查区处是通过使第一鞘流和第二鞘流中的每一个沿着平面界面与样本流体流在样本流体流的两个相对的平面流动表面处沿横向，优选垂直于共同的流动方向的方向接触而实现的。样本流体流因此夹在鞘流之间，由此样本流体和每个相应鞘流之间的界面形成两个平行的二维平面，在它们之间提供样本流体流。在检查区域，样本流体的流动以这样的方式聚焦，即使得所述样本流体中的所有微观对象在系统的检查区域处在单个平面中沿流动方向被传送，由此单平面位于鞘流之间。在检查区，多个微观对象可以优选地同时被检查，因为它们可以沿着横向于，优选垂直于流动方向延伸的直线形成或同时定位，即优选地在光学物镜的观察方向上。
在本发明的优选实施方案中，样本入口的宽度小于鞘流入口的宽度。优选地，鞘流入口的宽度之比为样本流体入口的宽度的至少1.5倍，更优选至少2倍，例如至少2.5倍，或甚至更优选至少3倍。
分析功能的总体概述
在优选的实施方案中，本发明实现的微流体系统将样本流动流体动力地聚焦到薄片，例如厚度为5微米，但具有较大的宽度，例如，150微米。片的宽度可以覆盖包含显微镜的光学系统的视场。薄片可以使所有的微粒使用具有浅焦深的高NA物镜(NA>0.2)时，处于显微镜的焦点。高NA光学物镜使得能够进行微粒的详细光学检查，或者利用电子照相机例如CCD或CMOS器件，或利用例如488nm波长的询问激光器，以及光电倍增管(PMT)。高NA有助于与NA成比例的高光学分辨率以及与NA平方成比例的高光收集效率，例如，用于荧光信号检测。因此，可以在高NA光学物镜的聚焦平面中同时检查多个微观对象。
微流体流动池的描述
在低雷诺数(<1000)的层流中，微粒优选地遵循流体介质的流动线路。
根据本发明的流体动力流动聚焦装置在本文中也称为微流体流动池。芯片可以保持样本入口通道和构成到交叉接头的入口的两个鞘流通道。在该交叉接头中的三个入口优选地布置成使得它们在横截面上是矩形的，并且该交叉接头的单个出口也是矩形的。到该交叉接头的第四连接可以构成光学分选室。
样本入口通道可以布置成在交叉接头的每一侧具有两个鞘流通道。鞘入口的功能可以在腔室中组合，使得样本流通过流体动力学聚焦显著减小厚度。两个鞘流通道的存在的一个优点是，样本流可以由两个鞘流最佳地引导，而没有几何上将样本流限制到更窄的横截面，这可能是仅有一个鞘流的情况。样本入口通道高度可以是70μm，具有较小的由较大微粒和碎屑堵塞的趋势，但是对于微粒的通道含量的微观检查来说太大。流体动力学聚焦将样本流的厚度减小到5μm，使得其适合于使用显微镜的光学检查，而没有堵塞的风险。
本发明的优选实施方案的特殊特性是鞘通道的宽度大于样本入口通道的宽度。这意味着样本流仅在光学分选室中心的片材中被流体动力学聚焦。期望的性状是可以实现微粒的非常低的CV(速度变化系数)。在相反的情况下，与本发明的优选实施方案相反，样本流将延伸到光学分选室的侧面。由于通道侧面的流速为零(防滑边界条件)，接近侧面的微粒将具有低得多的流速，导致更高的CV，这在该领域是众所周知的，以增加结果的变化。
样本流比光学室窄的另一个期望特性有助于使用高NA显微镜物镜(NA>0.2)，使得能够同时检查多个微观对象。这些需要高NA和宽光锥以实现高分辨率和对比度。在光学室的侧面附近，通过材料-流体界面上的不匹配的光学折射率，光锥变形，损害光学质量。
在该系统中特别感兴趣的是通道的简单网络，其对于微粒沉降和具有类似于较大系统的鲁棒性的气泡是鲁棒的。
分选
在本发明的另外的方面和实施方案中，提出了对微粒进行光学分选的新方法。
在基于图像或基于荧光的光学分析之后，微流体流动池可以使用在光学镊子领域中公知的光辐射压力的物理力，使用激光来分选微粒。光辐射压力在具有比其周围介质更大(或更小)的光学折射率的微粒上是可能的。
具体地，激光束可以是可操纵的，以便处理片材中的期望位置，以在在流体中移动的微粒上施加连续的限制力。光学分选室中的流可以到达通向两个出口的Y分支。样本流缺省地进入“废物”出口，而激光曝光的微粒跟随流进入“选定物”出口。
成像方法可以提供用于可操纵激光器的微粒的位置，其然后可以在微粒通过的精确时间寻址微粒，并且快速移动移动流体中的微粒。
通过适当地控制流速，激光曝光的微粒(其在流中移位例如40微米)进入“选定物”出口。所有未曝光的微粒可以进入“废物”出口。因此优选的是，微流体系统的几何精度优于40微米，以避免偶然的假正确和假错误分选的微粒。
微流体系统由两个或更多个衬底构成，其可以使用本领域技术人员公知的制造技术加工。通过粘合技术组装衬底以形成最终的微流体系统。在一个实施方案中，芯片设置在堆叠的四个衬底中。各个衬底的设计使得它们能够使用聚合物显微注射模制来制造，其非常适合于大量生产并且具有非常低的边际成本。
后处理
在“选定物”出口处，分选的微粒可以被回收或用于芯片上的进一步处理。可能的分析技术是PCR、共聚焦显微镜、培养室、全分析微流体系统中的技术人员已知的其它片上功能。
应用
本发明特别适合于在诊断应用中分析和分选未标记的全血。在该应用中，具有很少或没有预处理的全血可以插入到微流体流动池中。可以基于来自显微镜图像的形态来分选特定细胞。本发明还在整个细胞学中应用以及分选其它微粒。通过使用激光用于激发荧光，分选仪可以使用细胞学中大范围的生物标记物。这些生物标记物允许使用本发明中并入的荧光激发来鉴定特异性细胞。
本发明的进一步的实施方案
参考本发明的第一方面、第二方面、第三方面和第四方面的方法、装置和系统的上述叙述，现在将描述本发明的实施方案的另外的特征。光学物镜可以被布置成在垂直于共同的流动方向的观察方向上在检查区处提供在样本流体上的视图，并且样本流体的平面流可以在所述观察方向上具有小于或等于光学物镜的焦深的高度。第一鞘流体和第二鞘流体的流动可以形成到所述检查区的平面入口，当在每个相应的平面入口的平面中看时，每个所述平面入口优选在垂直于共同的流动方向的方向上宽于检查区的宽度。样本流体以及第一鞘流体和第二鞘流体可以在检查区处沿所述共同的流动方向以共同的流速传送。样本流体流以及第一鞘流体流和第二鞘流体流的各自的流速可以通过在所述流中施加的压力梯度来控制。流动可以由至少三个平面且相互平行的衬底元件三维地引导，提供：
-用于所述检查区上游的所述流的相应入口，包括由鞘流体形成的所述平面入口，
-检查区下游的至少一个废物出口，以及
-用于检查区下游的选定流的至少一个另外的出口。
鞘流体可以具有相同的组成或不同的组成。因此，一种鞘流体可以具有与其它鞘流体相同的组成，或者它们可以具有不同的组成。
可以提供将鞘流体和样本流体的流的组合流分成选定流和检查区下游的废物流的另一步骤。分流所述组合流的步骤可以在组合流流过平行于所述衬底元件并与共同流动方向成法向延伸的分流边缘时进行。
在根据本发明的流体动力学流动聚焦装置中，用于所述流动的流动通道的至少一个维度在检查区的整个长度上是恒定的，所述至少一个维度横向于所述流的流动方向且在所述光学物镜的观察方向上延伸。流体动力学流动聚焦装置可包括至少三个平面且相互平行的衬底元件，提供用于所述检查区上游的所述流的相应的入口，检查下游的至少一个废物出口，以及至少一个用于检查区下游的选定流的选定物出口。衬底元件可以在所述检查区处形成流动通道的相对的顶壁和底壁以及相对的侧壁，以便提供样本流体流的三维流体动力学聚焦。所述衬底元件中的相应衬底元件可以限定用于第一和第二鞘流体的所述检查区的平面入口，当在平面中看时，每个所述平面入口在垂直于共同的流动方向的方向上宽于检查区的宽度。至少一个所述衬底元件可限定用于样本流体的检查区的平面入口，当在光学检测区的平面中看时，用于样本流体的检查区的平面入口在垂直于共同流动方向的方向上最大与光学检查区的宽度一样宽。可以在检查区的下游提供流动分离装置，用于将鞘流体和样本流体的组合流分成废物流和选定流。流分离装置可以包括平行于所述衬底元件并与所述流体流的流动方向成法向延伸的流分离边缘。用于在没有激光操纵微观对象(或其其他选择)的流式细胞计量应用中使用的装置(微流体流动池)的实施方案可以仅包括单个出口。
为了对流动室的第一部分成像，可以提供通过光学通路照明微观对象的发光装置。例如，微观对象可以包括可以由发光器件诱导的荧光材料。发光器件可以是激光器，特别是可见光或红外域中的激光器、激光二极管、光纤激光器或适于诱发荧光的激光器，例如可调谐激光器。
与在垂直于衬底板的平面中具有光学通路相比，在衬底板的平面中具有光学通路可能是有利的。通过在衬底板的平面中具有光学通路，光学通路可以在衬底板的顶部，其中存在大的光学进入区域的可能性，而通过在垂直于衬底板的平面中具有光学通路，光学通路可以在衬底板的一侧，其中仅存在小的光学进入区域的可能性。特别地，高NA物镜的使用通常需要短的工作距离，因此需要沿着光轴薄的芯片。此外，在侧视图中不需要微流体流动池的高光学材料质量。因此，与现有技术相比，本发明提供了大的改进。
因此，本公开提供了一种用于分选微观对象的系统，其包括流体动力流聚焦装置，其中流动室包括在衬底板的平面中的光学通路，具有与光学通路成法向的光轴且配置成对流通道成像的成像装置，具有与光学通路成法向的入射并且被配置为以流动室为目标的发光装置，以及分选控制器，分选控制器被配置为分析成像装置的输出并控制发光装置。本公开的一个目的是提供一种用于流体动力流动装置的设计，其可以由部件制造，每个部件属于被称为2.5D对象的组。2.5D是指这样的表面：该表面是平面在第三维的的投影—尽管对象是3维的，但是没有可能的悬垂元素。2.5D对象通常优选用于加工。这意味着该设计可以使用诸如用于玻璃和聚合物的那些的普通制造工艺来设计。
如上所述，本公开涉及微观对象的光学分析，但是本公开还涉及微观对象的分选。为了进行分选，可优选具有两个鞘流出口通道，每个鞘流出口通道与两个鞘流出口相连，使得微观对象可以流入一个或另一个鞘流出口通道中，并进一步流入一个或其他鞘流出口，从而在物理上彼此分离，即分选。
使发光器件具有与光学通路成法向的入射并且被配置成以流动室的第二部分为目标的一个目的是对细胞进行光学分选，即，发光器件的作用是通过光学力对细胞分选。
关于细胞分选，具有在分离的衬底板中形成的第一和第二鞘流入口通道并且每个与鞘流入口中的一个连接的另一个优点可以是，这种构造允许光学力与衬底板成法向。以这种方式，光学力可以能够光学地移置微观对象，从而对它们进行分选。
因此，本公开的目的是提供一种用于光学分析和分选的有成本效益的流体动力流动装置。
附图说明
现在将参考附图来描述本发明的实施方案和特征，在附图中：
图1示出了具有样本鞘流的光学分选室，为光学通路提供光学物镜；
图2示出了样本和鞘流入口的截面；
图3显示出产生细的样本流的样本流的流体动力压缩；
图4示出了在本发明的实施方案中样本流和鞘流的流动；
图5示出了微粒流动通过光学物镜的视场；
图6是示出利用鞘流沿流线进行水平流聚焦的截面图；
图7是示出微粒的流动的分析系统的截面图；
图8是示出微粒的流动的分选系统的截面图；
图9-11显示弹射到另一条流线的正确微粒；
图12示出了包括四个衬底的微流体流动池的实施方案；
图13是微流体流动池的实施方案的显微照片；
图14示出了通过根据本发明的流体动力流聚焦装置的流体的流动；
图15示出了通过光学分选室的横截面流；
图16和图17示出了本发明的集总电路；和
图18示出了根据本发明的实施方案获得的变化系数。
发明详述
术语
术语“微粒”是指小颗粒，但不限于微米级，<500微米，并且不限于生物细胞。微粒优选是电介质，但也可以在光学上是金属性的。
本文使用的术语“衬底”是指具有恒定厚度的材料片，其优选是透明的并且具有光学质量，但不限于此。优选玻璃、石英、SU-8、聚碳酸酯、环烯烃共聚物(COC)聚合物如聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。衬底不必是硬的刚性片，而是也可以是软箔，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或其它弹性体材料。衬底的厚度通常为0.25mm至1mm厚，但不限于该厚度范围。
术语“衬底平面”是指平行于衬底的顶部或底部的几何平面。
术语“衬底法向”是指相对于衬底平面具有两个90度角的向量的方向。
术语“泵”是指能够在结构内部的管中实现压力驱动的流体流的电子控制装置。
术语“流量控制泵”是指其中输出流量是主要参数并且压力可以是浮动参数的泵。它通常通过移动活塞或蠕动泵来实现。
术语“压力控制泵”是指其中输出压力是主要参数并且流量可以是浮动参数的泵。
“流体通道”被理解为用于流体的例如管道的通道，诸如实心元件中的中空通道，例如由壁限定的通道。流体通道的尺寸典型地为100-1.000μm宽，但不限于该尺寸。流体通道的深度典型地为50-300μm，但不限于该尺寸。
如本文所使用的术语“微流体流动池”是指提供光学分析或光学分选的流动池。
本文使用的术语“光学分选室”是指微流体流动池中的流体通道。光学分选室连接到流体入口和一个或多个出口，如下文所定义。光学分选室通常为600μm宽，350μm高和1mm长，但不限于这些尺寸。
“入口”被理解为进入光学分选室的入口，流体可以通过该入口进入。
“出口”理解为光学分选室的出口，流体可以通过该出口离开。
本文使用的术语“鞘流体”是指围绕微粒的相容性液体的鞘，用于携带一种或多种颗粒通过通道。
本文使用的术语“顶部衬底”是指位于微流体流动池顶部的衬底板，并且是微流体流动池的从顶部到底部计数的第一个衬底。
本文使用的术语“顶部中间衬底”是指位于顶部衬底正下方的衬底板，并且是微流体流动池的从顶部到底部计数的第二个衬底。
本文使用的术语“底部中间衬底”是指位于顶部中间衬底正下方的衬底板，并且是微流体流动池的从顶部到底部计数的第三个衬底。
如本文所用的术语“底部衬底”是指位于底部中间衬底正下方的衬底板，并且是微流体流动池的从顶部到底部计数的第四个衬底。
如本文所使用的术语“微流体系统”是指具有用于操作通过芯片的流的必要辅助部件的微流体流动池，将被称为微流体系统。微流体系统可以包括本领域技术人员已知的管道、互连、管道、阀、泵、控制电子器件、样本注射环路、与芯片连接的其它微流体流动池和附加的芯片上功能，例如过滤，PCR，通过生物标记物的芯片上染色。
如本文所用的术语“样本室”是指通常(但不限于)在微流体流动池的底部中间衬底中结构化的2-5μl体积的室。该室连接到样本入口且在泵外部。
本文使用的术语“样本入口”是指进入光学样本室的入口。入口引入其中悬浮有微粒的流体介质。样本入口通道出口处的宽度通常为125μm，250μm，500μm，但不限于这些尺寸。样本入口通道的出口处的深度通常为70μm，但不限于该尺寸。
本文所使用的术语“鞘流入口”是指将微粒样本夹在流体动力学聚焦样本流的薄层中的通道。鞘流入口的宽度通常为500μm，750μm，1000μm，但不限于这些尺寸。鞘流入口的高度通常为300μm，但不限于该尺寸。
本文使用的术语“废物流通道”是指在底部衬底中结构化的一个通道。未被选择的微粒从光学分选室排出并进入废物流动通道。
如本文所使用的术语“选定物流通道”是指在顶部中间衬底中构造的一个通道。所选定的微粒从光学分选室排出并进入选定物流通道。
如本文所使用的术语“显微镜”是指折衷一个或多个光学物镜的任何光学系统。该术语比实验室光学显微镜使用的含义更广泛。通常，显微镜还可能损害用于图像采集的电子装置，例如CCD和CMOS装置。它们还可以包括用于激发用于细胞成像的荧光的激光器。
如本文所使用的术语“发光装置”是指光源，特别是在可见光或红外域中的激光器、激光二极管、光纤激光器或适于诱导荧光的激光器。
本发明提出了一种依赖于通常的分选程序的光学细胞分选器：
1.将流体与微粒流体动力地聚焦在薄纵列(或鞘层)中。
2.检测和分析(光学荧光，细胞形态等)作为分选的依据。
3.用光学激光器偏转流动的液体介质(选定细胞)中的感兴趣的细胞。
4.两个不对称偏置的出口，使得每个细胞如果在步骤3中没有被偏转则进入废物出口。
这些步骤在图7-11中说明。
流体动力聚焦的详细说明
本发明提出了将样本流体动力地聚焦到薄鞘(分选程序步骤1)的新方法，其通过允许检测和分析的视场(分选程序步骤2)，基于选择偏转微粒(分选程序步骤3)，以及通过具有两个出口的Y分支分离偏转的微粒(分选程序步骤4)。
流体动力学聚焦用于将样本流体空间聚焦到薄层上。在图2中，示出了通过具有高度为Hsheath的鞘流体的两个相对的通道而应用于高度为Hsample的样本入口通道中的样本流体的原理。鞘流体的流速Qsheath高于样本流速Qsample，导致样本流根据流体的连续性方程被压缩到较小的厚度Hsample<Tsample。流动通常是层流的，具有低雷诺数(Re<1000)，得到非湍流的层流。悬浮在鞘流体中的微粒通常遵循流动的流线，从而允许微粒紧密聚焦。本领域技术人员显而易见，流体动力学聚焦的原理可以扩展到3维结构以实现2维聚焦，但是由于其复杂性，这种结构可能非常难以制造。同样明显的是，由于层流的性质，鞘流入口的取向具有较小的重要性，因为流是层流的。因此，鞘流入口31,32同样可以与样本流成法向定向，并且流体动力学聚焦将是类似的。
图3示出了具有入口31,32,33和出口34,35的连接的光学分选室4。鞘入口31,32位于一端，样本入口33位于两个相对的鞘入口之间。三个入口31,32,33将样本入口中的样本流体聚焦到具有接近样本入口43的宽度的宽度的薄片。鞘入口31,32具有宽度41，宽度41比样本入口43，并且这在样本片3的形成中是重要的。空间上薄的样本鞘3形成穿过光学分选室4的与光轴101正交的其余部分的平面，如图5和图6所示。
在图4中可以按比例看到三个入口31,32,33的实施方案。
在一个实施方案中，CV在图18中为1.9％。鞘流速为Qsheath＝2.5微升/分钟，样本流速为Qsample＝0.025微升/分钟。样本是10微米直径的聚苯乙烯珠在蒸馏水中的悬浮液。将样本聚焦成约150微米宽度的鞘64，厚度约为12微米65。
在一个实施方案中，CV在图18中为1.9％。鞘流速为Qsheath＝2.5微升/分钟，样本流速为Q样本＝0.025微升/分钟。样本是10微米直径的聚苯乙烯珠在蒸馏水中的悬浮液。将样本聚焦成约150微米宽度的鞘64，厚度约为12微米65。
在光学分选室的另一端有两个出口，一种类型的物种的“选定物”出口35和第二类物种的“废物”出口34。尽管名称，“废物”出口也可以输出微粒1的纯化的悬浮液。
在出口侧，聚焦的样本鞘3在“废物”出口34处离开。待选择的微粒1在选定物出口35处离开。样本鞘层3中的微粒遵循默认为具有在废物出口的末端的流线61。
使用诸如计算流体动力学(CFD)的计算模拟工具，可以精确地预测复杂几何形状中的流动轮廓。图15(左)示出了通过光学分选室4的截面，展示了所得到的样本鞘。光学分选室45的宽度为600微米，高度46为350微米。样本入口43的宽度为300微米，其高度为70微米44。所得样本鞘3为346微米宽64和13微米高65。流动沿与该截面成法向的方向取向。CFD模拟显示样本流经历取决于几何设计和流速的约20％的加宽。
鞘流
在本公开的优选实施方案中，装置被配置为使得两个平面鞘流在流动室内彼此平行地建立。
在本公开的另一个优选实施方案中，平面鞘流的宽度小于100微米，小于200微米，小于300微米，小于400微米，小于500微米，小于600微米，小于800微米，小于1000微米。
根据样本流以及与鞘流的关系，平面鞘流的速度分布可以在20％，15％，10％或5％内恒定。
在本公开的优选实施方案中，每个鞘流的厚度小于500微米，或小于40微米，或小于30微米，或小于20微米，或小于15微米，或小于14微米，或小于13微米，或小于12微米，或小于11微米，或小于10微米，或小于9微米，或小于8微米，或小于7微米，或小于6微米，或小于5微米，或小于4微米，或小于3微米，或小于2微米，或小于1微米。
在本公开的另一个优选实施方案中，微流体流动池被配置为使得通过样本流入口33入射到光学分选室的样本流通过流体动力学流动压缩而被流体动力地聚焦到平面鞘流中的一个。以这种方式，可以存在自然的液体流，使得分选可以被配置为用于将微粒1遵从流线61的自然流中分离，使得微粒1可以被引导到遵从流线62的另一平面鞘流中。
鞘流和样本流入口
在本公开的优选实施方案中，鞘流入口31,32和样本入口33形成在单独的衬底板中。以这种方式，可以存在至少三个分离的衬底板。
在本公开的另一个优选实施方案中，顶部鞘流入口31和底部鞘流入口32布置成与衬底板法向。以这种方式，可以以相同的方式获得连接到样本流入口33的鞘流，使得来自鞘入口31,32的鞘流可以接近相同并且因此被最佳地构造。这种构造的另一个优点可以涉及随后精密结合的各个衬底的制造的容易性。
在本公开的一些实施方案中，顶部鞘流入口31和底部鞘流入口32中的一个布置成与衬底板成法向。
在本公开的一些实施方案中，顶部鞘流入口31和底部鞘流入口32中的一个以小于90度的角度布置到衬底板，优选地倾斜，使得经过鞘入口31,32的流的方向经历小于90度的方向变化。
在本公开的优选实施方案中，鞘流入口通道的宽度和/或高度小于50微米，小于100微米，小于200或小于300微米。在本公开的另一个优选实施方案中，鞘流入口的宽度小于100微米，小于200微米，小于300微米，小于400微米，小于500微米，小于600微米，小于800微米，小于1000微米。
在本公开的一个实施方案中，鞘流入口31,32的横截面面积相同，使得例如横跨顶部鞘流入口31和鞘流出口并且在底部鞘流入口32和鞘流出口上方的压力梯度可以能够在流动室中建立相同的鞘流。通道的横截面面积可以是任何合适的形状，特别是矩形、椭圆形或圆形。
在本公开的优选实施方案中，光学分选室的宽度与任何鞘流入口31,32的宽度相同。
鞘流出口通道和鞘流出口
在本公开的另一个优选实施方案中，鞘流出口通道形成在单独的衬底板中。
在本公开的优选实施方案中，鞘流出口通道的宽度和/或高度小于50微米，小于100微米，小于200或小于300微米。在本公开的另一个优选实施方案中，鞘流出口的宽度小于100微米，小于200微米，小于300微米，小于400微米，小于500微米，小于600微米，小于800微米，小于1000微米。
在本公开的优选实施方案中，光学分选室的宽度与任何鞘流出口34,35的宽度相同。
流动室
在本公开的优选实施方案中，光学分选室4的长度小于0.5mm，小于1mm，小于1.5mm或小于2.0mm。光学分选室4的长度可以是0.5mm，1mm，1.5mm或2.0mm。
在本公开的另一优选实施方案中，光学分选室4的宽度小于0.3mm，小于0.6mm，小于0.9mm或小于1.2mm。光学分选室4的宽度可以是0.3mm，0.6mm，0.9mm或1.2mm。
在本公开的又一优选实施方案中，光学分选室4的高度小于0.1mm，小于0.2mm，小于0.3mm或小于0.4mm。光学分选室4的高度可以是0.1mm，0.2mm，0.3mm或0.4mm。
在本公开的优选实施方案中，样本流的厚度小于50微米，或小于40微米，或小于30微米，或小于20微米，或小于15微米，或小于14微米，或小于13微米，或小于12微米，或小于11微米，小于10微米，小于9微米，小于8微米，小于7微米，小于6微米，小于5微米，小于4微米，小于3微米，小于2微米或小于1微米。样本流可以在两个鞘流之间，特别是在流动室内。因此，光学分选室4和鞘流可以被配置用于建立如上所述的样本鞘层3流动。
光学器件
如所描述的具有样本鞘层3的厚度65的一个目的可以是，微粒1然后可以处于良好限定的平面中，其中可以建立最佳光学聚焦，特别是由光学物镜104的成像装置与光学检测系统201相结合。
更优选地，光学分选室4可以包括在衬底板的平面中的光学通路。光学接入可以用于光学分析或光学分析和光学分选。
微流体流动池4具有在光轴101的方向上薄的方面。这允许使用具有小于1mm的短工作长度的物镜104，诸如具有20X，50X和100X的放大倍数的物镜。这些物镜具有高的NA，用于高效的光收集和高的光学分辨率和对比度。高NA表示光学物镜104接受来自传送带中的每个点的宽光锥。因此，光学分选室的方面和从传送带到光学分选室的侧面的距离必须设计成使得光锥不会从侧面折射，从而在靠近通道侧面处提供失真的图像。
在本公开的优选实施方案中，从鞘样本层3到光学分选室4侧面的距离长于光学分选室的高度的一半乘以光学物镜23的数值孔径除以鞘缓冲液折射率。物镜的光锥因此可以避免干扰光学分选室的侧面。从鞘样本层3到光学分选室4的侧面的距离明显是光学样本室宽度减去样本鞘层宽度的一半。
在本公开的优选实施方案中，两个物镜104可以用于聚光器和光收集。聚光器物镜将照明光聚焦到图像平面上，并且收集物镜将光引导到电子成像装置201或人眼。
使用激光进行光学分选
光学分选可以是驻留在可在微流体流动池2中流动的流体中的微粒1。
在优选实施方案中，光学激光束103被配置为提供与衬底板成法向的光学力，如图10和图12所示。因此，激光束103的光学力可以在与衬底成法向的方向上并且适于移动悬浮在流动室中的液体介质中的微观对象。光学激光束103还可以被配置为在具有衬底的平面中产生光学力。
通过光学力使微粒1垂直于流线移动，微粒可以遵循具有在选定物出口中的末端的流线62，从而被光学地和物理地分选。
根据本公开，分选控制器202可以被配置为识别在光学分选室4中流动的液体介质中的多个预定义/预标记/特定的微粒。以这种方式，可以获得选择性分选处理。
在特定实施方案中，提供201电子成像装置，如图5中所示。通过图像分析，可以发现微粒1的位置和优选地速度。控制器202可以将检测到的微粒的位置传递到系统203，系统203提供与微粒1的位置重合的激光束103，以便通过光学力来移动微粒。光学分选在图8-11中示出。
激光束103在与具有衬底板的平面中的光学力可以减慢微观对象。微观对象速度的减小可以是一个优点，因为它可以允许增加成像装置的曝光时间。另一个优点是增加了对操纵激光束103的曝光时间。以这种方式，微观对象速度的减小可以用于增加与衬底板成法向的力的操纵时间。
在特定实施方案中，微流体系统提供到样本流的光学通路。由至少一个光学物镜104组成的显微镜具有与样本鞘层的宽度64和厚度65相关的视场和焦深。显微镜提供用于照射样本鞘层3的光源。
在另一实施方案中，显微镜具体地具有一个光学物镜104，其使用样本照明和光收集。
在另一个实施方案中，显微镜具体地具有两个光学物镜104，一个光学物镜104提供光学样本照明，另一个物镜104提供光收集。
在另一个实施方案中，微流体系统提供出口Y分支和连接到任何出口34,35之一的泵，用于分离“选定物”微粒和“废物”微粒。
在另一实施方案中，视场102被分成分析区域105和操纵区域106，如图6所示。
预期显微镜可以包括用于在电子成像装置之前激发荧光和必要的滤光器的一个或多个激光器。
预期微粒可以用于光学活性标签的特异性附着，例如细胞学领域中已知的特异性生物标记物的荧光标签。
流管理
该实施方案还提供了用于施加压力梯度以便驱动鞘和样本流体的装置。
在本公开的优选实施方案中，微流体流动池被配置成使得可以在顶部鞘、底部鞘和样本入口31,32,33以及选定物出口35和废物出口34上施加压力梯度。
流体经历沿着通道的压降，并且总压降与流速成比例，该常数称为液压阻力：ΔP＝RhydQ。这类似于电阻的欧姆定律，并且可以应用相同的电路示意图。ΔP，通道两端的压差，对应于电压，Q，流速，对应于电流。
Qsheath＝Qtop+Qbottom是通过顶部的体积流速Qtop 31和通过底部鞘入口的体积流速Qbottom 32之和，Qsample是通过样本入口33的体积流速，Qwaste是通过废物出口34的体积流速，Qselected是通过选定物出口35的体积流速。
图16示出了用于分析的微流体流动池中的流的等效集总电路，图17示出了用于分选的电路。使用基于集总电路的基尔霍夫定律，我们得到以下流量方程
Qsample+Qtop+Qbottom＝Qwaste+Qselected
为了聚焦样本流体，样本流应当比鞘流低得多。典型的值是：典型的值是：Qsheath＝0.1微升/分钟，Qsheath＝1微升/分钟，Qsheath＝10微升/分钟，Qsheath＝100微升/分钟，Qsheath＝1mL/分钟，且Qsample<Qsheath/10，Qsample<Qsheath/20，Qsample<Qsheath/30。
因此，可能非常重要的是，如所描述的那样建立压力梯度，和/或如所描述地制造入口和/或出口和/或通道以允许本文所述的样本流。因此，连接入口31,32,33和/或出口34,35的通道的端子的压力梯度可以被配置为使得样本流的速度分布可以是层流和非湍流。以这种方式，微粒可以以相对于流动的速度被携带通过光学分选室4，并且在薄的样本鞘层3中进一步移动。微观对象的典型速度可以是10微米/s，100微米/s，500微米/s，1000微米/s，2000微米/s或5000微米/s。
在一个实施方案中，流动偏压可以被配置成在给定假正确或假错误的情况下防止应进入废物出口34的微粒1进入选择物出口35，反之亦然，以防止应进入选定物出口35的微粒进入废物出口34。在废物出口34处的流速被设定为
Qwaste＝Qsample+Qbottom+Qbias
其中Qbias是小参数，例如Qsheath/100，Qsheath/50，Qsheath/25，Qsheath/10，其产生保持距离，使得鞘层的薄层在出口的Y接头中的样本鞘层3的顶部。目的是避免假正确微粒进入选定物出口35。Qwaste是废液泵将液体从微流体流动池2抽出的流速，如图17所定义的。由于没有泵连接到连接选定物出口35的通道，通过选定物出口35的流速，QSelected由下式确定
Qselected＝Qtop-Qbias
Qselected以及因此分选纯度被Qsample,Qtop,Qbottom,或Qwaste中的任何波动干扰。波动可以导致选定物流线62进入废物出口34或废物流线61进入选定物出口35。为了控制微流体流动池中的流体流动，总五个入口和出口31,32,33,34,35中只有四个需要主动控制流量。对于位于顶部31和底部32上的两个鞘入口，鞘流速Qtop,Qbottom可以是相同的，Qsheath/2，以使样本鞘层3的中心恰好在光学分选室中流动。只有三个流量是唯一的(Qwaste，Qsample，Qsheath)。
在实施方案中，三个泵用于分选。一个泵用于控制流量Qwaste，Qsample和Qsheath。
在另一个实施方案中，两个泵连接到样本入口33和用于微粒1的光学分析的鞘入口34,35。
微流体流动池的制造的详细描述
这里描述的制造微流体流动池的方法不限于以一种材料构造芯片。微流体流动池的材料优选是光学透明的，例如聚合物、玻璃和弹性体聚合物。
对于聚合物中的衬底，可以使用铣削、注射成型、热压花或飞秒激光加工来在每个单独的衬底中产生结构。可以使用热或其它结合方法例如超声波焊接或飞秒激光焊接来形成用于微流体流动池的大规模生产的微流体流动池的实施方案或本领域技术人员已知的其它技术。
用于构造玻璃衬底的典型方法是通过在基于氢氟酸(HF)的溶液中的湿蚀刻，或通过使用深反应离子蚀刻(DRIE)技术的干蚀刻。玻璃衬底通常通过熔融结合技术结合以形成微流体流动池或本领域技术人员已知的其它技术。
在本公开的优选实施方案中，衬底的厚度小于0.05mm，小于0.1mm，小于0.2mm，小于0.4mm，小于0.6mm，小于0.8mm，小于1.0mm，小于1.2mm，小于1.4mm，小于1.6mm，小于1.8mm或小于2mm。
在本公开的优选实施方案中，两个或更多个结合的衬底彼此平行。以这种方式，可以将结构从一个衬底板连接到另一个，从而形成一个完整的微流体流动池。衬底单独地制造有结构，例如在衬底平面中的流体通道和光学分选室，以及与衬底平面成法向的通孔。一旦衬底被结合，凹槽和结构可以被封闭以形成通道和室的网络。在这些通道中，可以通过在开放通道端子上感应流动压力来输送介质。图12示意性地显示了可以结合以形成微流体流动池的四个衬底的堆叠。
在一些实施方案中，流体动力流聚焦装置包括四个结合的平行衬底板21,22,23,24，其中四个衬底板是单面的，或其中两个衬底板是双面的，两个衬底板是盖，或其中两个衬底板是单面的，一个衬底板是双面的，一个板是盖。
本发明的一个实施方案可以在图4的显微照片中看到。从左侧有三个入口通道31,32,33。样本入口33在最左侧具有用作样本室的较宽部分。该部分逐渐变细至具有蜿蜒部分的通道，以分散悬浮的微粒。曲折不是操作本发明所必需的。图13显示了根据本发明的微流体流动池的另一个实施方案。图7和图8示出了流体动力流动聚焦装置的侧视图，图14是微流体流动池的透视图，其中示出了样本流从样本流入口33到废物流出口34。参见图7和图8，可以看出，分别有顶部鞘流入口31和底部鞘流入口32以及废物出口34和选定物出口35。样本流然后流体动力学地压缩到样本鞘层3，样本鞘层3穿过光学分选室4，其横截面如图15所示。光学分选室4允许通过单独的激光束103对在样本鞘3中的各个微粒1的检测、分析和偏转。这在图7中可见。然后将流分离成“废物”出口34和“选定物”出口35。出口的布置使得选定物出口35是光学分选室4的连续部分，即，“废物”出口34相对于通过光学分选室4的流动方向成90度角成定向。该实施方案的该方面在图8中可见。该实施方案更多地对于改善分选纯度的微粒1的沉降是鲁棒的，并且优于选定物出口34和废物出口35相对于通过光学分选室4的流动方向形成90度的角度并且取向与衬底平面成法向的设计。
参考图1和图8，示出了用于分选包括微流体流动池的微粒的系统的可能示意性构造，其中光学分选室包括在衬底板平面中的光学通路，具有与光学通路成法向的光轴101并且被配置成对光学分选室4的第一部分成像的成像装置，入射与光学通路成法向并且被配置为瞄准光学分选室4的第二部分的激光束103。
附图标记列表
0 非常基础
1 微粒
2 微流体流动池
3 样本鞘层
4 光学分选室
7 正确微粒
8 微粒悬浮液
20 几何结构
21 顶部衬底
22 顶部中间衬底
23 底部中间衬底
24 底部衬底
31 顶护鞘入口
32 底部鞘入口
33 样本入口
34 废液出口
35 选定物出口
41 宽度鞘入口
42 高度鞘入口
43 宽度样本入口
44 高度样本入口
45 宽度光学样本室
46 高度光学样本室
60 流量参数
61 到废物的流线
62 到选定物的流线
63 水平流动剖面
64 样本鞘层的宽度
65 样本鞘层的高度
71 Q样本
72 Q鞘
73 Q废物
74 Q选择物
100 光学器件
101 光轴
102 视场5
103 激光束
104 光学物镜
105 分析区
106 激光区
200 电子器件
201 光学检测系统
202 控制器
203 操纵激光系统
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Claims (15)

1.用于在用于分析和/或分选样本流体中的微观对象的系统中对层流和平面样本流体流动进行流体动力聚焦的方法，其中所述系统包括用于对所述微观对象进行光学检查的光学物镜，所述方法包括：
-在样本流体的层流中输送微观对象；
-提供第一鞘流体的至少第一层流和平面流和第二鞘流体的第二层流和平面流；
-通过使所述第一和第二鞘流中的每一个在所述样本流体流的两个相对的平面流动表面处与所述样本流体的流动进行平面接触，在所述系统的光学检查区域处流体动力学地聚焦所述样本流体的流动；
-控制所述样本流体的流动和所述鞘流体的第一流动和第二流动，使得所述样本流体和所述第一和第二鞘流体在所述系统的检查区域处沿共同的流动方向流动；
-以这样的方式控制聚焦所述样本流体的流动的所述步骤：使所述样本流体中的所有微观对象在所述系统的检查区域处在单个平面中沿所述流动方向被传送；
-通过所述光学物镜光学检查所述流体中的微观对象中的至少一个。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述光学物镜限定焦深并且被布置成在垂直于所述共同的流动方向的观察方向上在所述检查区处提供在所述样本流体上的视图，并且其中所述样本流体的平面流具有在所述观察方向上的、小于或等于光学物镜的焦深的高度。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述第一和第二鞘流体的流动形成了到所述检查区的平面入口，当在每个相应的平面入口的平面中看时，每个所述平面入口在垂直于共同的流动方向的方向上宽于检查区的宽度。
4.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述样本流体和所述第一和第二鞘流体在所述检查区处沿所述共同的流动方向以共同的流速传送。
5.如任一前述权利要求所述的方法，其中样本流体流和第一和第二鞘流体流的相应流速由所述流中施加的压力梯度控制。
6.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述流由至少三个平面且相互平行的衬底元件三维地引导，提供：
-用于所述检查区上游的所述流的相应入口，包括由鞘流体形成的所述平面入口，
-检查下游的至少一个废物出口，以及-
-用于检查区下游的选定流的至少一个另外的出口。
7.如权利要求6所述的方法，包括将鞘流体和样本流体的流的组合流分成选定流和检查区下游的废物流的步骤。
8.如权利要求6和7所述的方法，其中，随着所述组合流流过平行于所述衬底元件并与所述共同的流动方向成法向延伸的流动分离边缘，执行分离所述组合流的步骤。
9.用于选择包括在层流和平面样本流体流中的微观对象的方法，所述方法包括：
-通过根据权利要求1-8中任一项所述的方法对所述样本流体流进行流体动力学聚焦；
-在所述光学检查区对所述样本流体中的微观对象进行显微镜检查和分析；
-基于所述显微分析在所述样本流体中选择至少一个微观对象；
-通过光或电磁束将所述至少一个选定的微观对象从样本流体流中喷出；
-随后将鞘流体和样本流体的流的组合流分成；
-包括所述至少一个所选微观对象的选定流，以及
-废物流。
10.用于对样本流体中的微观对象进行分析和/或分选的光学分析的流体动力流动聚焦装置，所述系统包括：
-光学检查区，用于光学检查样本流体流中的微观对象；
-在光学检查区的光学物镜；
-用于控制样本流体的层流和平面流的样本流控制器；
-鞘流控制器，用于控制第一鞘流体的层流和平面流以及第二鞘流体的层流和平面流；
-流动结构，其被构造成流体动力地使所述第一和第二鞘流中的每一个与所述样本流体流的两个相对的平面流表面处的样本流体的流平面接触，以便将所述样本流体的流动聚焦在所述光学检查区；
其中所述流动结构的形状和尺寸使得所述样本流体中的微观对象在系统使用期间在系统的检查区域处在单个平面中传送。
11.如权利要求10所述的流体动力流动聚焦装置，其中用于所述流的流动通道的至少一个维度在检查区的整个长度上是恒定的，所述至少一个维度横向于所述流的流动方向并且在光学物镜的观察方向上延伸。
12.如权利要求10或11所述的流体动力流动聚焦装置，包括至少三个平面且相互平行的衬底元件，提供所述检查区上游的所述流的相应的入口，检查区下游的至少一个废物出口以及用于检查区下游的选定流的至少一个选定物出口。
13.如权利要求10-12中任一项所述的流体动力流动聚焦装置，包括在所述检查区下游的流分离装置，用于将所述鞘流体和所述样本流体的组合流分成废物流和所述选定流。
14.如权利要求13所述的流体动力流动聚焦装置，其中所述流分离装置包括平行于所述衬底元件延伸并与所述流体流的流动方向成法向的流分离边缘。
15.用于选择包括在层流和平面样本流体流中的微观对象的系统，所述系统包括：
-根据权利要求10-14中任一项所述的流体动力流聚焦装置；
-用于在所述光学检查区对所述样本流体中的微观对象进行显微镜检查和分析的装置；
-用于通过光或电磁束将至少一个选定的微观对象从样本流体流中喷出的装置；
-流分离装置，用于将鞘流体和样本流体的流的组合流分成包括所述至少一个选择的微观对象的选定流和废物流。
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