CN107110761B - 实时分析流体中悬浮的颗粒的装置和分析所述颗粒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于分析颗粒的装置，其包括被配置为容纳定位流体的分析室。利用检测和控制单元来检测悬浮在定位流体中的颗粒的参数。在颗粒分析操作期间，基于所检测到的颗粒的参数来启用和停用定位单元。检测和控制单元可以启用至少一个定位单元以在定位流体中产生临时定位流，使得所述临时定位流直接作用于颗粒并且驱动颗粒的位置以使该颗粒移动到分析室内的预定义位置。在待分析颗粒处于预定义位置的情况下，检测和控制单元还可以停用至少一个定位单元，使得定位流体静止。

Description

实时分析流体中悬浮的颗粒的装置和分析所述颗粒的方法
技术领域
本发明涉及用于分析浸在流体中的颗粒的装置。特别地，本发明涉及包括用于控制分析室中的待分析颗粒的位置的定位单元的装置。针对待分析颗粒的位置的控制通过利用在分析室内的流体中选择性地产生的流驱动待分析颗粒而发生。本发明还涉及用于分析浸在流体中的颗粒的方法。
背景技术
根据现有技术已知用于通过使用微流体系统来执行生物材料、特别是单细胞的分析的装置和方法。具体地，细胞分析或生物材料的分析所用的微流体系统使得能够将待分析材料引入分析室并且在分析室中俘获待分析材料。为了分析的目的，细胞或待分析材料必须在预定时间段内保持处于预定义位置(其中该预定义位置可以是光学分析系统的焦点)。
根据现有技术已知使得能够在分析室或微流体通道的准确位置俘获细胞或颗粒的各种解决方案。具体地，已知通过光学阱(optical trap)来控制待分析颗粒的位置的微流体分析系统。在这种系统中，使用聚焦激光束来向颗粒转移动量，从而在该激光束的方向上俘获该颗粒并且操纵该颗粒。可选地，已知通过介电泳阱(dielectrophoretic trap)来提供针对待分析颗粒的位置的控制的解决方案。在这些系统中，可以通过生成可变的非均匀电场来控制介电颗粒的位置。作为代替，可以使用磁阱来俘获磁性颗粒。根据现有技术已知的其它解决方案提供了使得能够例如通过粘合来在准确部位处阻挡待分析颗粒的机械阱的使用。
这些解决方案存在如下缺点：所使用的系统需要诸如激光器、四极配置或电磁系统等的用于俘获待分析颗粒的相当复杂的装置。在期望不是沿着仅一个方向而是在三个空间维度上控制待分析颗粒的位置的情况下，设计和经济方面的工作量增加。这些解决方案的另一缺点是由以下事实给出的：上述阱使待分析颗粒经受机械、化学和/或热型应力。这些解决方案的又一缺点是由以下事实给出的：对细胞进行培养和分析的流体必须遵守针对装置操作的严格特性，例如对于光学阱而言缺少浮动小体、或者在介电泳阱的情况下电导率低。如果待分析颗粒是细胞或生物材料，则这些应力可能会损害或破坏细胞本身，从而改变或者甚至毁坏分析。另外，使用机械阱的分析装置除以上列出的缺点外，在必须使先前俘获到的颗粒移动或使其从该装置移除的情况下，还不能容易地重新定位该颗粒。
根据现有技术已知的其它系统提供使得能够利用流体动力阱来俘获待分析颗粒的装置。这种微流体系统包括主输送通道和多个横向通道，其中在该主输送通道中，采用流体来输送待分析颗粒。各个横向通道具有使得能够在主通道中流动的流体的一部分被吸引到所述横向通道内的情况下经由吸力来俘获细胞的大小。即使这种系统使得能够在仪器的明确位置俘获待分析颗粒，基于流体动力阱的装置也不允许灵活地控制待分析颗粒在分析室中的位置：可以俘获颗粒，然后该颗粒仅在横向通道处才可以维持预定义位置。在这种系统中无法准确地调节待分析颗粒在分析室中的任意部位处的位置。此外，一旦被吸入到二级室内，待分析颗粒可以附着至二级室的壁，从而使待分析颗粒经受可能的机械应力。另外，如果待分析颗粒是细胞，则细胞附着至通道的壁可能会引起细胞的变化，由此使分析结果失真。
用于观察和/或分析颗粒的其它装置使得能够通过在分析室中引入连续且相对的流体流来利用流体动力阱俘获待分析颗粒，从而在分析室中产生流体具有零速度的平衡点或滞留点。在US 2014/0087412 A1和US 2006/0005634A1中可以发现利用这种原理的系统的示例。
另外，图1示出利用这种原理的流体动力系统的示例。用于俘获待分析颗粒的装置包括与流体引入通道1010和排出通道1020流体连通的分析室1100。在滞留区1110内俘获到待分析颗粒10，其中在该滞留区1110中，该颗粒被浸入的流体的速度为零。待分析颗粒10在滞留区1110内移动或保持于适当位置，其中可以通过控制穿过引入通道的流来移动待分析颗粒10。
图2示出根据现有技术已知的替代分析装置。流体经由引入通道2020被引入到具有倾斜侧壁的井部2100中。颗粒10如此冲向井部2100的底部，而流体流动到贯通横向排出通道2010的外部。经由通道2020所引入的流体在井部2100的底部发生分支，并且沿着倾斜壁流向所述井部外，从而在该井部的底部产生滞留点2110。待分析颗粒10在井部底部上的滞留点2110中保持被俘获，直到流体经由通道2010被引入井部2100中为止。
以上参考图1和2所述的技术需要将至少一个流连续地引入分析室内，并且需要用以能够产生滞留区的分析室的几何形状。基于产生滞留区的技术在分析室或阱中包括具有用以在分析室内产生流是静止的、颗粒保持被俘获的流体区域的流量和方向的连续流。通常，在这些系统中，连续流存在于分析室中除该分析室中的流汇合的区以外的流体中。换句话说，在分析室中引入用以产生颗粒被俘获的最小流区的流梯度。
这些装置不能用于直接控制作用于待分析颗粒的流体的流，其中该颗粒不是通过施加于其上的流的动作而直接移动(被驱动)，而是通过最小流区(滞留区)的移动而间接移动：在分析室中引起的连续流其中之一的流量的变化将产生滞留区的不稳定性，这不一定导致维持阱内的颗粒的运动。提供通过连续流体流来俘获颗粒的这种解决方案一方面涉及使用大量流体(在生物分析的情况下经常昂贵)，并且另一方面使位置控制系统相当复杂且昂贵。
在上述的利用阱来对待分析颗粒的位置进行三维控制的所有技术解决方案中，致动组件是系统的一部分并且必须被视为技术解决方案的不可或缺部分。特别地，除特定致动器(例如介电泳阱所用的电极)或者光学阱所用的激光系统外，这些系统还包括流的选择和产生所专用的阀和泵。上述装置中的常用于产生流的泵具有利用上述的技术手段来使这些流适合颗粒的定位的特性。通常对这种泵调整大小以在与发生颗粒的分析的区域相连接的通道中产生高线性速度。这些速度为100微米/秒以上的数量级。
本发明设置解决以上列出的问题的目标。具体地，本发明的目的是研发如下技术，其中该技术使得能够有效地控制分析室中的浸入流体中的颗粒的位置，以防止使待分析颗粒经受应力、特别是机械应力、化学应力、生化应力和生物应力。另外，本发明的目的是研发使得能够精确地控制待分析颗粒在三维空间维度上的位置的装置和方法，其中该方法使用简单并且使得能够降低使用成本。
发明内容
本发明的目的通过独立权利要求来解决。本发明的有利实施例是从属权利要求的目的。
特别地，本发明涉及如下一种装置，其中该装置用于分析颗粒，并且特别适合用来分析诸如细胞等的生物材料、或者诸如高分子微颗粒等的非生物材料。该装置包括被配置为容纳定位流体的分析室。利用检测和控制单元来检测悬浮在定位流体中的颗粒的参数。该装置还包括至少一个定位单元，其中该定位单元被配置为在颗粒分析操作期间，基于所检测到的颗粒的参数而启用和停用。特别地，该检测和控制单元被配置为启用至少一个定位单元以在定位流体中产生临时定位流，使得所述临时定位流直接作用于颗粒并且驱动或控制该颗粒的位置以使该颗粒移动到分析室中的预定义位置。该检测和控制单元还被配置为在待分析颗粒处于预定义位置的情况下停用至少一个定位单元，使得定位流体静止。
换句话说，定位单元被配置为在定位流体中引起使得在所检测到的待分析颗粒的位置处的移动流体部分沿特定方向按特定速度移动的流(以下称为定位流)。定位流体的该部分的这种移动、特别是定位流体的该部分的方向和速度是基于所检测到的待分析颗粒的参数所确定的。
针对待分析颗粒的位置的控制经由驱动而不是经由俘获而发生。实际上，在分析室内不存在可被定义为“阱”的位置，即不存在光强度端部(如光学阱的情况那样)、不存在电磁场强度端部(如介电泳阱的情况那样)、或者不存在产生针对待分析颗粒的阱的局部零流动的部位(如滞留点阱的情况那样)。“端部”意指相对最大或最小点。
由于本发明的系统，可以直接对细胞的位置进行操作，从而避免来自应力的损坏和阱的典型不稳定性。特别地，分析室中的压力梯度和通过摩擦的驱动对悬浮在流体中的颗粒的正常行为存在不可忽略的影响。
利用本发明的分析装置，还可以维持待分析颗粒(诸如通常为细胞、分子或生物材料等)在三维空间中的准确部位(诸如光学装置的焦点或者传感器或致动器的工作区域等)处基本停止，其中该传感器或致动器包括但不限于以下：电化学微传感器、光学或电化学生物传感器、具有原子力的显微镜前端、悬臂、针、微管、纳米管。实际上，可以使用所生成的流来抵消作用于分析室中的处于静止状态的颗粒的力，诸如万有引力、阿基米德推力和/或随机运动(例如，待分析颗粒所浸入的流体的对流运动)等。另外，还可以将期望位置定义为相对于分析室中的其它漂浮对象(诸如其它细胞、药物载体、微球等)的距离的函数。在其它方面，所产生的流可用来引起待分析颗粒遵循三维空间中的预定义路径。
本发明还涉及一种用于分析颗粒、特别是生物材料(诸如细胞等)或非生物材料(诸如高分子微球等)的方法。所述方法包括将待分析颗粒引入容纳定位流体的分析室中。然后，通过诸如检测和控制单元等的位置检测装置来检测分析室中的颗粒的参数，其中在该分析室中，待分析颗粒以悬浮状态处于定位流体中。该方法还包括在颗粒分析操作期间通过启用至少一个定位单元来在定位流体中产生临时定位流，其中所述临时定位流直接作用于颗粒并且将该颗粒驱动到分析室中的预定义位置。该方法还包括在颗粒分析操作期间，在待分析颗粒处于预定义位置的情况下停用至少一个定位单元，使得定位流体静止。
根据本发明的一个方面，临时定位流是在机械或电气元件不会与定位流直接接触的情况下产生的。
附图说明
附图的简要说明
为了例示本发明的不同实施例的目的，附图包含在说明书中并且构成说明书的一部分。所述附图连同说明书一起用来解释本发明的原理。附图仅是为了例示可以如何实现并使用本发明的优选且替代示例的目的而提供的，并且不应被解释为将本发明局限于仅例示和所述的实施例。如附图所示，通过以下针对本发明的不同实施例的详细说明，附加的特性和优点将显而易见，其中等同的附图标记指代等同的元件。
附图的详细说明
图1示意性示出根据现有技术已知的颗粒的分析所用的第一微流体装置的详情；
图2示意性示出根据现有技术已知的颗粒的分析所用的第二微流体装置的详情；
图3是根据本发明的一个实施例的分析装置的示意表示；
图4是根据本发明的一个实施例的分析装置的详情的示意表示；
图5是根据本发明的进一步发展的分析装置200的详情的示意表示；
图6示出根据替代实施例的分析装置的详情；
图7A和7B是示出工作中的分析装置的示意图示；
图8是示出工作中的分析装置的进一步发展的示意图示，其中分析室中的流体的变化通过扩散输送而发生；
图9示出根据本发明的分析装置的一部分的流体电路图；
图10是示出根据本发明的用于分析分析室中的颗粒的方法的流程图。
具体实施方式
以下段落描述本发明的不同例示性实施例。作为示例并且为了便于理解，将参考以下利用颗粒的一般术语所表示的针对诸如细胞或细胞团等的生物材料的分析来说明这些实施例。在任何情况下均应理解，本发明的装置和方法还可用于通过选择性地产生定位流来控制流体中的非生物性质的颗粒的位置。特别地，还可以使用参考以下所述的例示性实施例所述的解决方案以分析与细胞或细胞团不同的颗粒。
结果，在本发明的上下文中用来表示细胞、细胞团或一般的生物材料的术语“颗粒”还可用来表示不同的对象，诸如微颗粒和纳米颗粒、工业生产过程的残留颗粒、悬浮中的大气粉尘、花粉、水悬浮液中的油滴、液体中的气泡等。
在本发明的例示性实施例中使用术语“流体”来表示一般的细胞培养地带(cellculture terrain)。然而，本领域技术人员将清楚地理解，术语流体必须以其最一般的含义进行解释，因而不仅包括液体而且还包括气体。特别地，根据设计需求和待分析颗粒，本领域技术人员将清楚地理解，在本发明的装置的分析室中还可以使用另一性质的气体或液体，以支持颗粒并且控制该颗粒的位置。
在下文，术语“驱动”意指利用分析室中所产生的单向流和待分析颗粒之间的摩擦的针对该待分析颗粒的输送机制。该驱动机制与基于滞留区的产生的俘获机制形成对比，这是因为在俘获机制中，对颗粒进行定位的流具有鞍型分布、即俘获机制不是单向的。
该上下文中所使用的术语“单向流”意图作为在分析室中在待分析颗粒周围引起的多个流的结果。
术语“分析室”用来表示如下的井部，其中该井部被配置为容纳待分析颗粒可以漂浮的流体，并且用于产生定位流的一个或多个通道可以会聚到该井部中。特别地，术语分析室不仅意指紧挨待分析颗粒附近的空间而且还意指整个井部。
在本发明的上下文中，控制待分析颗粒的位置必须采用其最广泛的含义，并且包括使颗粒维持于分析室中的预定义位置并且使悬浮在流体中的待分析颗粒在分析室内移动。在以下说明中，用于控制颗粒的位置的其它可能性将更加清楚。
本发明基于以下观察结果：根据现有技术已知的并且用来执行细胞分析的微流体装置可以使用侵入性技术来俘获待分析颗粒并且利用阱来控制该待分析颗粒的位置，或者这些微流体装置不能对分析室中的颗粒的位置进行容易且精确的控制。具体地，基于俘获以及机械、光学、电磁或介电泳定位的方法的装置使待分析细胞经受应力，其中这些应力在一些情况下存在修改待分析颗粒的结构本身的风险。另一方面，基于诸如利用滞留点的产生的技术等的非侵入性的流体动力技术的分析装置需要如下控制系统：其中该控制系统如今仅能利用由于复杂且昂贵而阻止了市场扩散的技术来实现。
本发明的一个目的是提供一种用于分析浸入流体中的颗粒的装置，其中该流体能够使诸如细胞或一组细胞等的颗粒维持于分析小室中的预定义位置。待分析颗粒维持于的预定义位置例如可以是光学分析仪器的焦点。可选地，预定义位置可以是执行颗粒的分析或刺激的位置。具体地，根据本发明的装置使得能够控制待分析颗粒的位置。
本发明的基础思想是使用在分析室内的定位流体中引起的局部流，其中这些局部流在分析室的与颗粒的当前位置相对应的一个部位中产生将待分析颗粒驱动到预定义位置的单向流。在分析室内的定位流中所引起的这些局部流直接作用于颗粒的空间位置，从而通过驱动(摩擦力)来使该颗粒移动；如以上在利用滞留区的技术的分析装置中所述，这些局部流不会通过形成吸引颗粒的阱来起作用。另外，在定位操作期间，待分析颗粒的位置处的局部流非零，并且这种流的速度被直接传递至颗粒，从而增加了颗粒在流体内的移动。
待分析颗粒相对于流体的相对运动例如可以是由于诸如重力、阿基米德推力或定位流体内的局部对流运动等的外营力而产生的随机运动。可选地，待分析颗粒相对于流体的相对运动可以是由于待分析颗粒在系统初始化期间获取到的初始速度而产生的漂移运动。换句话说，在本发明的分析装置中，通过使用基于系统的一个或多个参数而产生的并且实时地产生期望运动的局部流来驱动待分析颗粒，甚至还抵消待分析颗粒相对于流体的相对运动。
如以下将说明的，根据本发明，针对颗粒的位置的控制通过在待分析颗粒处直接选择性地产生定位流而发生，由此防止使用机械或电气部件来进行待分析颗粒的定位。这样，可以防止使待分析颗粒经由应力，特别机械、化学、电化学和生物应力。同时，本发明的装置和方法使得能够精确地控制待分析颗粒的位置。
图3是根据本发明的分析装置100的示意表示。装置100包括分析室110，其中该分析室110被配置为容纳定位流体。利用检测和控制单元130来检测一个参数，例如悬浮在定位流体中的颗粒的位置或待分析颗粒在分析室中的位置和速度。在分析室110中，定位流体基本静止。换句话说，根据以上给出的“驱动”机制的定义，在流体中，仅存在流量比在可比较的微流体系统中传统上引起的流低得多的定位流。换句话说，在静止的流体中，不存在如下的流，其中这些流是恒定且永久的，或者是由与分析室流体连接并且被配置为在分析室110中产生滞留区的泵所引起的。
装置100还包括至少一个定位单元120，其中该定位单元120被配置为控制定位流体中的颗粒的位置。针对位置的这种控制通过基于所检测到的颗粒的参数在定位流体中产生定位流而发生，从而将颗粒驱动到期望位置。具体地，如以下所解释的，在颗粒分析操作期间，可以基于所检测到的颗粒的参数来启用和停用定位单元。
检测和控制单元130在检测到分析室110中处于悬浮状态的颗粒的一个或多个当前参数之后，启用至少一个定位单元120以在定位流体中产生临时定位流。所述临时定位流直接作用于颗粒并且将颗粒驱动到分析室中的预定义位置。
在待分析颗粒10处于预定义位置、例如光学分析装置的焦点的情况下，检测和控制单元130可以停用至少一个定位单元120，使得定位流体静止。
在颗粒定位操作期间，颗粒处的定位流的速度为非零。换句话说，定位单元120被配置为在定位流体中引起如下的流(称为定位流)，其中该定位流使检测到的待分析颗粒的位置处的定位流体部分沿特定方向并且以特定速度移动。定位流体的该部分的这种移动、特别是定位流体的该部分的方向和速度是基于诸如检测到的待分析颗粒的位置等的参数所确定的。
至少一个定位单元120产生可以采取任何空间方向和空间感的定位流。另外，如果待分析颗粒停止在期望位置，则定位单元120不必产生流。在这种情况下，流体将静止。
上述机制与根据现有技术已知的使用流体阱的机制(通过产生滞留区进行工作并且无法被视为驱动机制)形成对比，这是因为对颗粒进行定位的流具有鞍型分布、即该流不是单向的。在参考图3所述并且以下参考图4～9更详细地解释的装置中，一旦待分析颗粒到达预定义位置，则不必在分析室中维持恒定流。这样使得能够大幅减少在分析期间所使用的定位流体的量。相反，在使用流体阱的装置中，为了维持滞留区的稳定性，需要流在整个分析期间是活动的，即即使在颗粒到达期望位置的情况下装置也产生流。
分析装置100适合分析处于悬浮状态的细胞。所述装置还可用来分析处于附着状态的细胞。在这种情况下，为了能够利用分析装置100的优势并且特别是利用定位流体的针对待分析颗粒10的定位机制的优势，可以将处于附着状态的细胞连同这些细胞所附着的介质一起引入分析装置100中。在这种情况下，分析电路100并且特别是定位单元120可用于控制细胞附着于的介质的位置，使得处于附着状态的细胞例如集中于光学系统的焦点。本领域技术人员将清楚地理解，在这种情况下，本发明所提及的颗粒10将包括介质和该介质上的处于附着状态的细胞。
特别地，根据本发明的一个实施例，所检测的至少一个参数可以包括颗粒在分析室110中的位置或者颗粒在分析室110中的位置和速度。以下将参考其它附图来说明分析装置100为了定位待分析颗粒10所使用的参数的其它示例。根据本发明的一个实施例的分析装置还可以包括多个通道101。所述通道101连接至定位单元120。所述定位单元120可以使定位流体的至少一部分经由多个通道至少之一从分析室释放以及/或者将定位流体的至少一部分经由多个通道至少之一引入分析室，从而产生定位流。该定位流可以是通过选择性地控制流体在多个通道至少之一中的流动而产生的。
将参考图4来更详细地说明分析装置100的操作。图4是图3所述的分析装置100的可能实施例的示意表示。以下将不说明以上参考图3已经说明的元件。在分析装置100的该实施例中，至少一个定位单元包括泵121。泵121具有使得能够通过使具有足够低且充分控制的流量的定位流直接作用于颗粒来对颗粒进行定位的配置。例如，泵121可被配置为在少于10秒的时间内使所产生的流反转。这样，可以防止颗粒由于附着至分析室的表面或者由于经由连接至分析室的表面的微通道离开而损失。另外，可以对泵121调整大小，以在通道的中央产生小于100微米/秒的线性速度。这些速度能够使待分析颗粒保持于分析室的尺寸为毫米的数量级的区域(诸如光学装置的焦点或任何其它关注区域)内。泵121的启用和停用可以由控制电路131来控制，其中该控制电路131可以处理光学装置所提供的信息并且将控制信号发送至至少一个定位单元。
即使颗粒的分析和定位常用的微流体系统可以具有包括用于将流体注入到分析室中的通道的结构，但是在这些装置中用来引入/移除流体的泵的几何形状、大小和技术结构也不适合通过使用如在图3和以下附图的装置中所发生的临时流来控制颗粒的位置，因而这些泵不适合本发明所述的用途。特别地，诸如以上所述的泵等的微流体系统常用的泵包括用于生成滞留点的系统，并且通常不能在部分为10,000平方微米的通道的中央产生线性速度小于100微米/秒的流，并且在这些泵正传送该流量的流的情况下，通常不能在小于10秒内使流的方向反转。
以下将说明分析装置100中可以使用的泵的特定示例。特别地，定位单元120可以是热水泵、蠕动泵、机械泵或压力控制系统。特别地，分析装置100可以包括以流体方式连接至分析室110的通道101的网络。在分析装置100的使用期间，可以使分析室110以及通道101充满待分析颗粒10可被浸入的定位流体。流体可以是诸如水溶液或生物材料的培养溶液等的液体。可选地，流体可以是诸如空气或惰性气体等的气体或者气体的混合物。
可选地，根据本发明的一个实施例，定位单元120还可被配置成由于在壁处和/或分析室内产生的温度梯度而在包括对流运动的定位流体中产生临时局部定位流。这种温度梯度例如可以是通过热传递、利用电热元件和/或利用聚焦激光所产生的。可以以在分析室110的不同部位之间产生温度差的方式控制定位流体的温度。分析室110的不同部位之间的温度差意味着不同温度的定位流体部分具有不同的质量密度。定位流体部分中的质量密度的差异根据定位流体的质量密度而在预定义方向上产生定位流体的运动。在一个特定实施例中，分析室110的壁与包括热电元件的定位单元120直接接触，其中该定位单元120的启用和停用由检测和控制单元130来控制。在替代实施例中，定位单元120包括会聚在分析室110中的至少一个激光束。该至少一个激光束由检测和控制单元130来启用和停用，以产生上述的温度差和质量密度差。
与根据现有技术已知的解决方案相反，根据本发明的分析装置100使得能够控制颗粒的位置，并由此利用间歇流(即，在无需在分析室110中引起产生滞留区的连续流的情况下)将颗粒驱动到分析室110中的预定义位置。换句话说，在根据本发明的分析装置中，通过在分析室中引起直接作用于待分析颗粒的目标瞬态流来驱动待分析颗粒，从而对抗并且抵消待分析颗粒的运动。在定位期间或者通常在分析室110内的分析期间，使用间歇单向定位流使得在分析室中使用连续流并且结果产生滞留区是多余的，或者使用间歇单向定位流使得其它阱的存在是多余的。
具体地，在静止状态，待分析颗粒10由于外部因素(诸如重力、流体的对流运动或者由外部扰动在流体中自发地引起的其它局部流)因而可以在分析室110内随机地运动。结果，颗粒10可以相对于分析室110中的预定义部位(诸如为了分析颗粒10所使用的光学装置的聚焦中心等)而移动。如上所述，可以通过在颗粒被浸入的流体中在颗粒10处直接选择性地引起流来校正颗粒10在分析室110内的这些移动。可以通过选择性地控制位于以流体方式连接至分析室110的通道101中的定位流体的流动来引起流。为此，定位单元120可连接至控制电路131，这种控制电路131接收检测和控制单元130所检测到的与待分析颗粒的至少一个参数有关的信息。待分析颗粒的至少一个参数例如可以是待分析颗粒10在分析室中的位置。可选地，颗粒的至少一个参数可以包括颗粒10的位置和速度或者颗粒10的形态、物理、生化或化学特性。这样，可以以极其精确的方式来控制颗粒10的位置。具体地，基于所检测到的颗粒10的至少一个参数来控制定位流体在通道101中的流动，这使得能够按数量级为10微米/秒的精度来控制分析室110中颗粒在三维空间方向上的位置。至少一个定位单元所检测到的参数可以以两个不同的方式影响定位机制：可以使用诸如形态、物理、生化或化学特性等的参数来选择使颗粒移动至何处，而可以使用诸如位置和速度等的参数来确定颗粒移动机制的参数。
基于检测和控制单元130所检测到的至少一个参数，定位单元可以控制定位流体在通道101的网络中的流动以控制待分析颗粒10的位置。针对待分析颗粒10的位置的控制可以包括维持待分析颗粒10的当前位置和使待分析颗粒10在分析室110内移动。具体地，如果待分析颗粒10已处于分析位置，则可以停用定位单元120，或者可以使用定位单元120来使待分析颗粒10在分析的整个持续时间内维持处于这种位置。分析位置例如可以是光学设备的焦点。可选地，定位单元120可用于使待分析颗粒10在分析室110内移动。这样，可以使待分析颗粒10定位于分析室110中的预定义位置。该预定义位置例如可以是分析位置，即通道101其中之一(特别是用于将待分析颗粒10引入分析室110或者用于从分析室110引出颗粒10的通道)中的位置。另外，例如，如果颗粒的分析包括通过对颗粒的万有引力下降进行观察来确定颗粒的重量或质量密度，则预定义位置例如可以是分析室内的较宽区域。然而，本领域技术人员将清楚地理解，必须以例如包括引起颗粒的转动的移动的广泛方式进行待分析颗粒10的位置的控制，从而利用检测和控制单元130从不同角度显示该位置并且例如执行该位置的三维重建。
在图4的实施例中，定位单元120包括至少一个泵121和多个阀122。各通道101分别设置相应的阀122，其中可以对各阀122进行控制以改变相应通道101的阻抗。这样，可以在各个通道101中独立且选择性地控制泵121所产生的流的流量，从而在分析室110中在待分析颗粒的位置处产生速度、流量和方向有所不同的多个流。具体地，通过对阀进行选择性控制，可以在分析室110中产生直接作用于颗粒10的具有预定义方向和速度的临时流。这样，在分析室110内在恰好邻近待分析颗粒10的悬浮流体中在将该颗粒驱动到预定义位置所需的时间内产生具有非零速度的流。结果，在定位单元120所产生的具有非零速度的流中驱动待分析颗粒10，并且使待分析颗粒10在分析室中在定位单元120所产生的流流动所沿着的方向移动。一旦待分析颗粒10到达分析室110中的预定义位置，则可以使阀以遮断在待分析颗粒10上引起的流的方式进行工作。此时，如果待分析颗粒从所述预定义位置起移动，则如上所述，可以使泵121和阀122进行工作以将待分析颗粒10维持于预定义位置。
分析装置100还包括排出阀123，其中经由该排出阀123，可以从分析室110引出悬浮液体和/或待分析颗粒10。在一个例示性实施例中，排出阀123连接至排出通道140，其中该排出通道140以流体方式连接至分析室110的基部。排出通道140还可以连接至通道101其中之一。可选地，排出通道可以连接至容纳培养流体或液体的储存器(图中未示出)。当然，这种实施例仅是例示性的，并且本领域技术人员将清楚地理解，排出通道140可以连接于分析室140的任何其它部位。
在装置100中，可以相对于分析室的尺寸来调整多个通道各自的大小，使得分析室内的流体改变操作至少部分通过扩散输送而发生。
图5是根据本发明的进一步发展的分析装置200的详情的示意表示。该装置与以上参考图4所述的装置基本相同，并且以下将不说明等同部分。不同于图4的装置，分析装置200的定位单元120包括多个泵121，其中各泵连接至相应通道101。由于各个通道101中的流体的流动可以由相应泵121独立且选择性地控制，因此这种解决方案使得与图4有关地所述的阀的使用是多余的。本领域技术人员将清楚地理解，尽管阀122在分析装置200中是多余的，但可以考虑包括这些阀122的装置200的实施例。
根据本实施例，可以极其精确地控制在分析室110中产生的单个流的速度和方向这两者。具体地，检测和控制单元130被配置为检测待分析颗粒10的一个或多个性质，诸如与前述附图有关地已经说明的性质等，其中这些性质例如包括颗粒10的当前位置、颗粒10的速度和漂移方向。基于这样检测到的颗粒10的性质，控制电路131针对与分析室110流体连接的各个通道101，确定控制颗粒10的位置所需的流的流量和方向。可以利用如下的光学系统来检测待分析颗粒10的一个或多个性质，其中该光学系统例如包括标准相衬显微镜物镜、聚光透镜、包括相位环的滤波器以及白光显微镜和荧光显微镜所用的照明系统。如此产生的图像可以由光学传感器记录并且由计算机或者由微控制器处理。另外，可以利用商用快门来启用或停用分析室的照明。
例如，可以基于分析室110中的预定义位置的三维值和待分析颗粒的当前位置的三维值来确定各个通道101中的流的流量和方向。预定义位置的三维值可以是用户利用可连接至控制电路131或者通常可连接至分析装置200的输入/输出接口(图中未示出)所插入的值。可选地，预定义位置的三维值可以是预设值。例如，预定义位置的预设值可以是分析装置200中所包括的或可连接至分析装置200的光学器件的焦点。除颗粒的预定义位置和当前位置的值外，控制电路131还可以基于待分析颗粒的速度及其漂移方向来确定通道101中的流的流量。当然，本领域技术人员将清楚地理解，可以考虑到待分析颗粒10的其它参数以确定通道101中的用来控制颗粒10的位置的流的流量和方向。参考图4和后续附图的装置所述的检测和控制单元130以及控制电路131也可用在参考图3所述的装置中。
泵121例如可以是蠕动泵和注射泵等。有利地，定位单元120可以包括经由热电元件或者通过(例如，采用红外谱)照射电磁波所控制的至少一个热水泵。以下将更好地论述利用经由热电元件所控制的热水泵的控制的情况的例示性实施例。通过说明书显而易见，基于本发明的使用连接至诸如利用图5所述的控制电路等的控制电路131的泵的一个方面，在分析室110的外部产生临时定位流，由此防止定位单元在分析中的颗粒上、特别是在细胞上产生应力。很清楚，如果在分析室的内部产生临时定位流、或者如果通过施加穿过分析室的内部的力场来产生临时定位流，则将不存在该优点。
图6示意性示出使用连接至控制电路131的热水泵的分析装置200。在本实施例中，各通道101连接至热水泵221，其中经由该热水泵221，可以精确地控制定位流体的流的流量和方向。热水泵221包括容纳定位流体的至少一个通道222。容纳定位流体的通道222例如可以是通道101的一部分。可以从外部控制通道222的内部的定位流体的温度，以在通道222的不同部位之间产生温度差。通道222的不同部位之间的温度差意味着不同温度下的通道222的部分中的定位流体的部分具有不同的质量密度。定位流体的部分中的质量密度的差根据定位流体的质量密度而在预定义方向上产生定位流体的运动。在热水泵221的一个特定实施例中，通道的几何形状包括利用至少一个水平排列部分彼此连接的至少两个垂直排列部分。在以下论述中，使用术语垂直来表示与分析室110的基部的面垂直的方向，而术语水平定义与分析室110的基部的面平行的方向。在这种实施例中，可以以通道222的第一垂直部分的温度大于通道222的第二垂直部分的温度的方式控制通道222中的定位流体的温度。针对温度的这种控制在通道的垂直部分中产生定位流体的质量浓度差，由此引起定位流体的运动。显然，通过反转温度的控制、使得通道222的第一垂直部分中的定位流体的温度低于通道222的第二垂直部分中的定位流体的温度，可以反转定位流体的流的方向。前述段落所述的通道222的几何形状仅是例示性的，并且本领域技术人员将清楚地理解，使得能够在通道101的至少一个部分中引起定位流体的质量密度差的任何解决方案均落在本发明的思想内。例如，热水泵221所使用的通道的几何形状可以包括至少两个水平排列部分。
根据装置200的一个特定实施例，可以利用热泵223或者诸如帕尔贴单体(Peltiercell)等的热电元件来执行针对通道222内的温度的控制。热泵连接至控制电路131并且由该控制电路131进行操作，以产生期望定位流。特别地，热泵223可以包括与通道222的第一垂直部分热连接的第一面和与通道222的第二垂直部分热连接的第二面。第一面和第二面可以由维持温度差的核心部件、例如利用电子电路而分离。在图6和接下来的图7所报告的示例中，通道222的第一垂直部分是直接面向分析室110的通道部，并且热泵的第一面是热连接至通道的所述第一垂直部分的面，而通道222的第二垂直部分是远离分析室110的通道部。在这种情况下，热泵的第二面是热连接至通道222的所述第二垂直部分的面。
可选地，可以以与通道222的第一垂直部分和第二垂直部分直接接触的方式分别配置电阻器。这些电阻器可以基于控制电路131所确定的流的流量的值和方向而选择性地进行工作，以引起通道222的第一垂直部分和第二垂直部分中的温度差并由此引起该定位流体的质量密度差，从而产生所请求的定位流体的流。
可选地，基于根据本发明的装置200的特定实施例，可以利用诸如一系列PT100热敏电阻(即，0℃的阻抗等于100ohm的铂热敏电阻)等的一系列热敏电阻来执行通道222中的温度的控制。这一系列热敏电阻连接至控制电路131并且由控制电路131进行操作，以产生期望的定位流。特别地，根据本发明的一个实施例，这些热敏电阻可用来生成温度所需的热，同时这些热敏电阻可用来测量温度，以防止诸如过热等的例如可能导致定位流体的沸腾的不期望效果。特别地，除温度测量外，所述热敏电阻的使用还提供了另外两个工作优点：1)所述热敏电阻是通常仅为了测量温度所制造的商用组件，因而与通道222的大小相比，即使在小型区域中，也优化这些热敏电阻用于热交换。相反，为了诸如通道222的侧面等的平坦面上的热交换所优化的其它商用电阻相对于所述通道222通常具有过大的尺寸。2)所述商用热敏电阻的成本为比具有与通道222相当的尺寸的帕尔贴单体的成本低的数量级。
通常，通过本说明书还显而易见，基于如图6所示那样的本发明的使用连接至控制电路131的热水泵的一个方面，临时定位流是在机械或电气元件不会与定位流体直接接触的情况下产生的。
图7A示出工作中的分析装置200。为了说明简单，图7A所示的分析装置200包括以流体方式连接至分析室110的两个通道101。在任何情况下均应理解，根据本发明的分析装置可以包括两个以上的通道。具体地，通道101的数量越多，待分析颗粒10的位置控制和/或定位本身越精确。
图7A示出如下状态的分析装置200，其中该分析装置200进行工作，以使待分析颗粒10在垂直方向上从分析室110的基部向着分析室110的上端移动。在该上下文中，垂直方向意指与分析室110的基部垂直的方向。为了获得沿着垂直方向的这种移动，在分析室中产生全部具有相同流量并且从分析室110的内部向着定位通道101流动的多个流。为了获得该移动，在各个室101中，(基于如以上参考图5所述的控制电路131所计算出的数据)产生在室101内从分析室110中引入通道的部位向着该通道的相对端的方向上流动的流。在各个通道中，如此产生的流的流量如下：如此产生的定位流在分析室中的颗粒所在的部位处沿着与分析室的基部垂直的方向流动。为了产生一个这种流，控制电路131使热泵223进行工作，使得与通道222的第二垂直部分热连接的第二面处于比与通道222的第一垂直部分热连接的第一面的温度高的温度。这样，通道222的第二垂直部分中的流体部分的质量密度低于通道222的第一垂直部分中的流体部分的质量密度，由此使流体从通道的第一垂直部分向着通道222的第二垂直部分移动。各通道中的流体部分的质量密度的变化与在这种通道中期望产生的流的流量成比例。
通过利用控制电路131控制各个通道101内的定位流体中的流、使得这些流具有相同流量并且与通道222的第一垂直部分热连接的第一面处于比与通道222的第二垂直部分热连接的第二面的温度高的温度，如下的整个流将作用于待分析颗粒10，其中该流相对于与分析室的基部垂直的颗粒10的轴对称，并且指向分析室110的基部。该整个流将对抗颗粒10所经受的阿基米德推力，并且将使颗粒10在垂直方向上向着分析室的基部移动。
类似地，为了在通道101中产生从通道101的端部向着分析室110流动的流，以与通道222的第一垂直部分热连接的第一面处于比热泵223的第二面的温度高的温度的方式来控制热泵223。
图7B示出以使颗粒10在分析室110中横向移动的方式进行工作的分析装置200。控制电路131可以控制热泵以仅在通道101其中之一中产生定位流。具体地，控制电路131可以引起热泵223中的仅一个热泵的表面之间的温度差，并且使其余热泵的表面保持于相同温度。这样，在连接至表面处于相同温度的热泵223的通道101中，定位流体将静止。可选地，可以使各个通道101中的热泵进行工作，以在单一意义上使定位流体流入各个通道101。
另外，如果例如颗粒10必须在与分析室的基部平行的方向上移动，则控制电路131可以控制热泵223以在通道101其中之一内产生定位流从而引起颗粒10的横向移动，并且在其余通道101中产生流量较小的可能间歇的定位流，其中该定位流具有校正颗粒10的位置的功能，使得校正后的颗粒10基本沿着与分析室110的基部平行的方向移动。本领域技术人员显然将能够理解，通道101和产生定位流的各个热泵的数量越多，颗粒10的位置的校正将越准确。
另外，可以使分析装置200以如下方式进行工作：颗粒10的移动沿着预定义路径发生，这也用于根据预定义时间到达分析室110中的预定义位置。在本发明的一个发展中，控制电路131可以基于根据颗粒相对于期望位置的相对位置所获得的比例、积分和微分信息，通过使用PID类型的标准反馈系统来控制热水泵的启用。
通常，本领域技术人员将清楚地理解，可以通过在各个通道101中选择性地产生具有不同的流量并且可能地具有不同力感的定位控制流，来获得颗粒10的沿着相对于与分析室110的基部垂直或平行的方向不平行的方向的移动。这样，可以以极其精确的方式调整作用于待分析颗粒10的产生的力的方向、力感和力的强度。
根据本发明的分析装置100、200还可以包括温度和pH调节电路，其中该温度和pH调节电路被配置为调节分析室中的定位流体的温度和pH。
图8示出分析装置200的又一实现，其中使分析装置200进行工作，以使得能够至少部分通过扩散输送来在分析室110内进行流体改变操作。如以上已经说明的，在根据本发明的分析装置中，相对于分析室的大小来对通道101调整大小，使得分析室内的流体改变操作至少部分通过扩散输送而发生。
具体地，在本实施例中，流体改变室115连接至分析室、排出通道140和注入通道150，并且排出泵170(例如，注射泵)连接至排出通道140。由排出泵170引入排出通道140中的流可以在注入通道150和排出通道140之间产生流，该流可以在不会直接侵入分析室110的情况下替换流体改变室115中所容纳的流体。流体改变室115和分析室110之间的流体的扩散将使这两个室的容纳物均一，即具有组合物等同的单一流体。在本实施例中，流体改变室115的容积和分析室110的容积之间的比大于50。这样，伴随着扩散输送，最终流体的组合物与所注入流体基本等同。另外，通道101的网络的整体流体动力阻抗与包括排出通道140和注入通道150的网络的流体动力阻抗之间的比至少大于10，使得颗粒不受流体改变操作在分析室中引起的流所影响。
即使在图3～8所示的分析装置100、200中，分析室110并入分析装置内并且以固定方式连接至定位单元和通道101，分析室110也可以可选地被配置为分析装置的可移除部分。根据这种实施例，分析室可以是每次针对该分析室内所容纳的颗粒的分析结束时均要替换的一次性元件。在本实施例中，在分析装置100、200中，分析室包括在一次性芯片中，其中所述一次性芯片可以包括用以分析处于悬浮状态的颗粒的分析室和/或用以分析处于附着状态的颗粒的分析室。结果，可以通过利用同一装置替换适合被配置成可移除的单个元件来进行不同的分析类型，这样大幅降低了成本。
图9示出根据本发明的分析装置100、200的流体电路图。在图9中将分析室110示意性表示为圆形。显然，这种表示仅是分析室110的实际形状和结构的例示性和非限制性表示。根据本发明，分析室110连接至至少一个通道101以对颗粒10进行定位，并且连接至如图3～8其中之一那样所配置的至少一个定位单元120。
图9所示的电路图特别表示实现如图3～8所示的分析装置的实施例。然而，本领域技术人员将清楚地理解，与诸如图4所示的实施例等的分析装置的替代实施例相对应的其它电路表示在本发明的目标的范围内并且没有背离本发明的目标的情况下是可能的。
分析室110还可以连接至至少一个注入通道150，其中可以从该注入通道150将定位流体和待分析颗粒10引入分析室110和通道101中。注入通道150可以连接至诸如阀系统、用于选择不同流体的系统或者用于选择分析中颗粒的装置等的另一流体装置160。分析室110还可以连接至至少一个排出通道140以移除定位流体。为了维持流体系统平衡的目的，通道101、140和150可以经由通风通道180连接至通道网络的其它部位。具体地，图9示出流体电路图，其中注入通道150仅连接至流体选择系统160，而排出通道140整体连接至定位通道101和排出泵170。在图9的图示中，使用排出泵170来进行用于改变分析室中的定位流体的操作、以及相对于提供利用流体填充包括元件101、110、120、140、150、180的流体网络的仪器使用的预备操作，其中对通道的网络调整大小以使得能够填充该网络的所有元件。
通道网络的一个可能实施例提供具有不同的流体动力阻抗的通道的使用。在该上下文中，可以通过改变通道本身的长度和/或直径来改变各种电路分支(通道)中的流体动力阻抗。具体地，参考图9的电路，可以选择构成分析装置的网络的各种通道的阻抗，以遵循以下关系：
R1/4＞R3＞＞R2。
对于如图9所述的结构那样的通道网络的结构，并联连接的通道101的系统的等效流体动力阻抗R1必须大于通风通道180的流体动力阻抗R3，其中通风通道180的流体动力阻抗R3必须比排出通道140的流体动力阻抗R2大得多。术语大得多意指至少大一个数量级的阻抗。然而，本领域技术人员将清楚地理解，如果使用与图9所示的通道网络不同的通道网络来实现分析装置100、200，则对于在图10的电路图中示意性示出的通道网络而言有效的上述关系可以改变。
即使在图3～8中所述的分析装置仅示出容纳定位流体的两个通道101，也必须明确，本发明不限于这种实施例，并且仅为了说明简单才将图3～8的实施例例示为包括两个通道101。在任何情况下均应理解，在没有背离本发明的目的的情况下，例如图9的电路图所示，与图3～8有关地所述的分析装置100、200可以包括两个以上的通道101。
可选地，根据本发明的分析装置100、200可以包括与通道101其中之一流体连接的初始化通道。在图9的电路图中，可以利用连接至分支101其中之一的电路分支来表示这种初始化通道181。而初始化通道181可以连接至例如注射泵等的排出泵170，其中利用该排出泵170，可以将流体引入电路内。
同样、另外或可选地，图9所述的电路还可以包括注入通道182，其中经由注入通道182，可以将诸如细胞等的待分析颗粒引入分析装置100、200的通道的电路中。如以上已经说明的，关于初始化通道181和排出通道140，注入通道也可以连接至例如注射泵等的排出泵170。在任何情况下均应理解，在没有背离本发明的目的的情况下，如果使用与图9所示的通道网络不同的通道网络，则图9所示的与通道101其中之一流体连接的初始化通道181和注入通道182可以可选地流体连接至微流体网络的其它区域。例如，这种初始化通道181和注入通道182可以连接至分析室110和/或注入通道150。
本发明还涉及用于分析颗粒、特别是诸如细胞等的特定生物材料的方法。所述方法可以包括如在各个图3～9中所述的一个或多个步骤。
特别地，该方法包括将待分析颗粒引入容纳定位流体的分析室中。然后，例如通过上述的检测和控制单元来检测待分析颗粒以悬浮状态处于定位流体中的分析室内的颗粒的一个参数。该方法还包括在颗粒分析操作期间通过启用至少一个定位单元来在定位流体中产生临时定位流，其中所述临时定位流直接作用于颗粒并且将颗粒驱动到分析室内的预定义位置。在颗粒分析操作期间，在待分析颗粒处于预定义位置的情况下，可以停用至少一个定位单元，使得定位流体静止。
这样，可以通过在定位流体中产生直接作用于待分析颗粒的定位流来控制待分析颗粒的位置。如以下将解释的，从分析室110中的定位流可以在颗粒的分析期间基于颗粒在分析室110内的位置来产生以及中断的意义上来说，该定位流是临时的。由于在分析室110中存在恒定流对于控制待分析颗粒的位置而言并非必需的，因此这里所述的方法使得能够减少完成分析所需的流体的量，由此降低装置本身的复杂度和使用成本。
基于所检测到的待分析颗粒的至少一个参数来产生定位流。
图10是示出根据本发明的一个实施例的用于在分析室110中分析颗粒的方法的流程图。用于分析颗粒10的方法包括用于将待分析颗粒10引入容纳定位流体的分析室110中的步骤(步骤S00)。在步骤S01中，分析装置100、200可以要求用户引入与待分析颗粒的期望最终位置即结尾(finale)有关的数据。该步骤是可选的。如果与颗粒的期望最终位置有关的数据不是用户所引入的，则分析装置100、200在步骤S02中从控制电路131的存储器内所存储的一系列位置值中选择与期望最终位置相对应的值。该期望最终位置例如可以是基于针对颗粒10要执行的分析的类型所选择的。期望最终位置例如可以是分析仪器的物镜的焦点、激光束的轨迹上的点或者分析装置的引出通道处的分析室110的区域等。一旦选择了最终位置，则该方法进入步骤S03。如果颗粒的最终位置的值是由用户直接插入的，则该方法从步骤S01直接进入步骤S03。
在步骤S03中，控制电路131检测分析室内的颗粒的至少一个参数，其中在分析室内，待分析颗粒以悬浮状态处于定位流体中。在一些实施例中，本发明可被称为如下方法，其中颗粒的参数的检测还包括颗粒的位置的检测或者待分析颗粒在定位流体内的位置和速度的检测。具体地，待分析颗粒的至少一个参数例如可以包括颗粒10的当前位置、颗粒10的当前速度的值和/或其漂移方向。显然，基于所需的分析和定位的要求和类型，待分析颗粒的参数可以仅包括上述参数其中之一或其它参数(诸如颗粒的大小、其密度和其重量等)。通常，可以考虑可能影响或调节颗粒的运动的各参数。
在步骤S04中，分析装置判断颗粒是否已位于诸如物镜或光束的焦点等的期望最终位置。如果颗粒位于期望位置，则该方法进入步骤S06，其中在该步骤S06中，分析装置停用定位单元，以使分析室中的流体维持静止。
如果在步骤S04中确定在期望位置中没有发现颗粒，则在步骤S05中，分析电路如以上参考图3～9所述使定位单元120进行工作，从而使待分析颗粒从其当前位置移动至期望最终位置。在这种情况下，调整定位流，以还抵消由外营力所引起的颗粒10的随机运动。之后，该方法进入上述的步骤S06。
在颗粒运动步骤期间，基于所检测到的待分析颗粒的至少一个参数来产生定位流。特别地，在根据本发明的一个实施例的分析装置中使用定位流用于直接对抗待分析颗粒的运动。这种运动可以是由于扰动或外力(诸如重力或对流运动等)而产生的待分析颗粒10的随机运动、或者经由定位流先前引入的颗粒10的运动。结果，在分析室110中，在不会在分析室内产生待分析颗粒被俘获的滞留区的情况下，存在定位单元120所产生的直接作用于颗粒的一个或多个定位流。另外，在分析室110中，在颗粒位于预定义位置的情况下，可以停用定位流。
换句话说，与根据现有技术已知的分析装置相反，在分析室110中，没有产生用于在最小流点处俘获颗粒的流梯度，而是通过使用定位流来驱动颗粒。结果，与根据现有技术已知的装置相反，在用于定位颗粒10的操作期间，待分析颗粒处的定位流的速度为非零：利用定位流在分析室110内驱动颗粒。另外，与根据现有技术已知的分析装置相反，不必生成产生针对颗粒的阱的连续流，而是利用按照需要所生成的可以停用的流来驱动颗粒，从而避免昂贵流体的浪费，并且使得能够在分析室内实现流体静态情形。
最后，在步骤S07中，分析装置100、200继续进行颗粒10的分析。特别地，分析装置对分析数据进行处理。可以根据基于现有技术已知的形式和方法来执行这种分析。
如以上参考图3～9已经解释的，同样在根据本发明的方法中，可以通过对连接至分析室的一个或多个通道内的一个或多个流进行选择性控制来实现利用定位流的针对颗粒的位置的控制。特别地，在流的选择性控制期间，可以注入或从分析室排出定位流体的至少一部分。
还表明，基于本发明的一个方面，临时定位流是在机械或电气元件不会与定位流体直接接触的情况下产生的。
尽管已参考图3～9并参考图10的方法说明了不同的实施例。但本领域技术人员将清楚地理解，在可能的情况下，特别是还通过仅选择不同的例示性实施例的一些特性并将这些特性组合到一起，可以组合这些不同的实施例。

Claims (23)

1.一种用于进行细胞分析的装置，所述装置包括：
分析室(110)，其被配置为容纳定位流体；
检测和控制单元(130)，其被配置为检测悬浮于所述分析室(110)内的所述定位流体中的颗粒(10)的至少一个参数；以及
至少一个定位单元(120)，其被配置为在所述颗粒(10)的分析期间，基于所述颗粒(10)的所检测到的参数而启用和停用，
其中，所述检测和控制单元(130)被配置为启用所述至少一个定位单元(120)以在所述定位流体中产生三维空间内的任意空间方向上的临时定位流，其中所述临时定位流直接作用于所述颗粒(10)并且将所述颗粒(10)驱动到所述分析室(110)内的预定义位置，以及
所述检测和控制单元(130)被配置为在所述颗粒处于所述预定义位置的情况下停用所述至少一个定位单元(120)，使得所述分析室(110)内的流体静止。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，在所述分析室(110)中没有产生用于生成滞留点或滞留区的流，并且在所述定位流体中也没有产生用于生成滞留点或滞留区的流。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，在所述颗粒(10)向预定义位置驱动期间，所述检测和控制单元启用所述定位单元，使得所述颗粒(10)的位置处的局部流为非零。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，将所述颗粒(10)驱动到预定义位置是直接利用作用在所述临时定位流和所述颗粒之间的摩擦来实现的。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述颗粒(10)的定位仅通过所述临时定位流来控制，并且在所述定位流体静止的情况下，在所述分析室(110)中不存在流。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所检测到的至少一个参数包括所述颗粒(10)在所述分析室(110)内的位置、或者所述颗粒(10)在所述分析室(110)内的位置和速度。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其中，还包括多个定位通道(101)，其中，所述定位通道(101)连接至一个或多个定位单元(120)，其中所述一个或多个定位单元(120)被配置为使所述定位流体的至少一部分从所述分析室(110)经由所述多个定位通道(101)释放以及/或者将所述定位流体的至少一部分经由所述多个定位通道(101)引入所述分析室(110)中，以产生所述临时定位流。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述一个或多个定位单元(120)被配置为在所述多个定位通道(101)中的各定位通道中独立且选择性地产生具有不同的速度、流量和方向的位置控制流。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述定位通道与所述分析室(110)流体连接，使得在所述分析室(110)的外部产生所述临时定位流。
10.根据权利要求7所述的装置，其中，所述多个定位通道(101)中的各定位通道的大小是相对于所述分析室(110)的大小以使得所述分析室(110)内的流体改变操作至少部分通过扩散输送而发生的方式来调整的。
11.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述临时定位流是在机械元件或电气元件没有与所述定位流体直接接触的情况下产生的。
12.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述至少一个定位单元(120)是泵。
13.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述至少一个定位单元(120)是包括热电元件的热水泵。
14.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述分析室(110)包括在一次性芯片中，其中所述一次性芯片被配置为包括用以分析处于悬浮状态的颗粒的分析室(110)和/或用以分析处于附着状态的颗粒的分析室(110)。
15.一种用于分析颗粒(10)的方法，所述方法包括以下步骤：
将所述颗粒(10)引入容纳定位流体的分析室(110)中；
检测所述分析室(110)中的所述颗粒(10)的参数，其中所述颗粒(10)以悬浮状态处于所述定位流体中；
在所述颗粒(10)的分析期间，通过启用至少一个定位单元(120)来在所述定位流体中产生三维空间内的任意空间方向上的临时定位流，其中所述临时定位流直接作用于所述颗粒(10)并且将所述颗粒(10)驱动到所述分析室(110)内的预定义位置；以及
在所述颗粒(10)的分析期间，在所述颗粒(10)处于所述预定义位置的情况下停用所述至少一个定位单元(120)，使得所述分析室(110)内的流体静止。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在所述分析室(110)内没有产生用于生成滞留点或滞留区的流，并且在所述定位流体中也没有产生用于生成滞留点或滞留区的流。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，在所述颗粒(10)向所述预定义位置驱动期间，所述颗粒(10)的位置处的局部流为非零。
18.根据权利要求15或16所述的方法，其中，通过直接作用在所述临时定位流和所述颗粒之间的摩擦来将所述颗粒(10)驱动到所述预定义位置。
19.根据权利要求15或16所述的方法，其中，所述颗粒的定位仅通过所述临时定位流来控制，并且在所述定位流体静止的情况下，在所述分析室(110)中不存在流。
20.根据权利要求15或16所述的方法，其中，检测所述颗粒(10)的参数包括检测所述颗粒(10)的位置、或者所述颗粒(10)在所述定位流体中的位置和速度。
21.根据权利要求15或16所述的方法，其中，通过独立且选择性地控制连接至所述分析室(110)的多个通道(101)中的多个流的速度、流量和力感，来实现利用所述临时定位流对所述颗粒(10)的位置的控制。
22.根据权利要求15或16所述的方法，其中，所述临时定位流是在所述分析室(110)的外部产生的。
23.根据权利要求15或16所述的方法，其中，所述临时定位流是在机械元件或电气元件没有与所述定位流体直接接触的情况下产生的。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3168439B1 (en) * 2015-11-16 2019-03-20 Wema System AS Debubbling sleeve for fluid sensors and sensor systems comprising same
CN109883906B (zh) * 2019-02-21 2020-08-21 浙江大学 一种纳米金属两相流体稳定性测量方法
US20210039100A1 (en) * 2019-08-06 2021-02-11 Bio-Rad Laboratories, Inc. Structures on microfluidic devices to control sedimentation
IT202000006031A1 (it) * 2020-03-20 2021-09-20 Celldynamics I S R L Dispositivo fluidico per analisi di corpuscoli e relativo metodo
JP2023539473A (ja) * 2020-08-21 2023-09-14 テクニーシェ・ユニバーシタイト・アイントホーベン 粒子運動を用いたバイオセンサ
CN112229761A (zh) * 2020-10-13 2021-01-15 北京化工大学 一种细胞密度测量方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102472739A (zh) * 2010-01-29 2012-05-23 三星电子株式会社 离心式微流装置和用于检测来自液体样本的分析物的方法
CN103282123A (zh) * 2010-12-30 2013-09-04 艾博特健康公司 带有样品处理区和分析室区的生物液体分析卡式盒

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61271817A (ja) * 1985-05-27 1986-12-02 Anelva Corp 分子線エピタキシ−装置
CN1115407C (zh) * 1998-11-05 2003-07-23 四川大学华西医院 复合场三维细胞培养装置
US7312085B2 (en) * 2002-04-01 2007-12-25 Fluidigm Corporation Microfluidic particle-analysis systems
EP2666849A3 (en) * 2002-04-01 2014-05-28 Fluidigm Corporation Microfluidic particle-analysis systems
JP2003322604A (ja) * 2002-05-07 2003-11-14 Kajima Corp 水中の濁り監視方法および濁り監視装置
WO2004034020A2 (en) 2002-10-08 2004-04-22 Case Western Reserve University Hydrodynamic micromanipulation of individual cells to patterned attachement sites
ATE285590T1 (de) * 2002-10-25 2005-01-15 Evotec Technologies Gmbh Methode und vorrichtung zur aufnahme dreidimensionaler abbildungen von schwebend gehaltenen mikroobjekten unter verwendung hochauflösender mikroskopie
US7220592B2 (en) * 2002-11-15 2007-05-22 Eksigent Technologies, Llc Particulate processing system
WO2004091795A2 (en) * 2003-04-10 2004-10-28 U.S. Genomics, Inc. Manipulation of polymers in a microchannel
US7013739B2 (en) 2003-08-29 2006-03-21 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University System and method for confining an object to a region of fluid flow having a stagnation point
WO2007088517A2 (en) 2006-02-01 2007-08-09 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) Apparatus for manipulating, modifying and characterizing particles in a micro channel
JP5254949B2 (ja) * 2006-03-15 2013-08-07 マイクロニクス， インコーポレイテッド 一体型の核酸アッセイ
CN101548172A (zh) * 2006-12-01 2009-09-30 皇家飞利浦电子股份有限公司 流式细胞操纵器
DE102009019697A1 (de) * 2009-05-05 2010-11-18 Bayer Technology Services Gmbh Container
US20140087412A1 (en) 2011-04-20 2014-03-27 4Dx Pty Ltd Method and Device for Application of Fluid Forces to Cells
JP5849503B2 (ja) * 2011-08-01 2016-01-27 株式会社Ihi 粒子観察装置及びマニピュレート装置
CN103175766A (zh) * 2011-12-23 2013-06-26 陶靖 一种用于微粒分析的自动化装置及方法
EP2623589A1 (en) * 2012-02-06 2013-08-07 Centre National de la Recherche Scientifique Method of forming a multilayer aggregate of objects
CN203220910U (zh) * 2013-03-01 2013-10-02 东南大学 生物微粒高通量分选和计数检测的集成芯片
CN103823073A (zh) * 2013-06-03 2014-05-28 陶靖 用于样品处理和微粒分析的自动化装置及方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102472739A (zh) * 2010-01-29 2012-05-23 三星电子株式会社 离心式微流装置和用于检测来自液体样本的分析物的方法
CN103282123A (zh) * 2010-12-30 2013-09-04 艾博特健康公司 带有样品处理区和分析室区的生物液体分析卡式盒

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