CN108472621B - 声波分拣 - Google Patents

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Abstract

本发明一般涉及使用诸如表面声波之类的声波对物种的操纵。在一些方面，可以提供具有两个或更多个出口的诸如微流体通道之类的通道，并且向通道内的物种施加声波以确定物种被引导至哪个出口。例如，表面声波可以被施加到诸如细胞或粒子之类的物种，以将其从通道偏转到沟槽或其它部分中，沟槽或其它部分将其引导至不同的出口。在一些情况下，出乎意外地，物种的这种偏转可以与通道上的入射声波在不同的方向上。本发明的其它实施例一般针对包括这种系统的套件、用于产生这种系统的技术等。

Description

声波分拣
相关申请
本申请要求Weitz等人于2015年8月27日提交的标题为“Acoustic Wave Sorting”的美国临时专利申请序列No.62/210899的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。
政府资助
本发明是在DARPA(国防部)授予的批准号HR0011-11-C-0093的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。
技术领域
本发明一般涉及使用诸如表面声波之类的声波对物种的操纵。
背景技术
表面声波(SAW)提供了用于例如在微流体系统中驱动流和引导粒子运动的方法。由SAW换能器生成的声波可以高效地致动大范围的物种，包括持续流动中的粒子、珠子、细胞、凝胶和液滴。基于声波的设备可以用于操纵细胞和粒子。这些设备的特征在于通过对底层声驻波的动态图案化来控制每个粒子的空间位置。然而，尽管事实上声波的法向分量在量值上要大几倍，但是大多数SAW分拣器仅利用定向在设备平面内的声波分量。还没有利用声波的法向分量来进行分拣的SAW设备。
发明内容
本发明一般涉及使用诸如表面声波之类的声波对物种的操纵。在一些情况下，本发明的主题涉及相关的产品、对特定问题的替代解决方案、和/或一个或多个系统和/或制品的多个不同用途。
在一个方面，本发明一般针对一种装置。在一组实施例中，该装置包括具有被限定在第一表面中的沟槽的微流体通道以及被定位为贴近微流体通道的第二表面的声波发生器，沟槽的截面维度(cross-sectional dimension)的尺寸为允许哺乳动物细胞适合在沟槽内，第二表面与第一表面相邻。
根据另一组实施例，该装置包括具有被限定在第一表面中的沟槽的微流体通道以及被定位为贴近微流体通道的第二表面的声波发生器，沟槽的截面维度是至少约30微米，第二表面与第一表面相邻。
在又一组实施例中，该装置包括具有第一通道部分和第二通道部分的微流体通道以及被定位成向微流体通道施加声波的换能器。在一些情况下，第二通道被定位成使得来自换能器的声波可以在不经过第一通道部分的情况下到达第二通道部分，并且在不经过第二通道部分的情况下到达第一通道部分。在某些情况下，第二通道被定位成使得来自换能器的声波不直接经过第二通道部分。
在另一组实施例中，该装置包括具有第一部分和第二部分的微流体通道，第一部分具有第一出口并且第二部分具有第二出口。在一些情况下，关于通道内的平均流体流动的方向正交地布置第一部分和第二部分。该装置还可以包括被定位成向微流体通道的至少一部分施加声波的换能器。在一些实施例中，换能器被定位成在与通道内的平均流体流动的方向基本正交和/或与第一部分和第二部分的布置基本正交的方向上施加声波。
根据又一组实施例，该装置包括具有第一部分和第二部分的微流体通道以及声波发生器，第一部分包含流过其中的多个物种并且第二部分不含所述物种，声波发生器被定位成向微流体通道的至少一部分施加声波以使至少一些物种从微流体通道的第一部分移动到第二部分。在一些情况下，分离第一部分和第二部分的假想平面基本上不与自换能器的声波传播方向正交。
另一方面，本发明一般涉及分拣方法。在一组实施例中，该方法包括使在具有第一出口和第二出口的微流体通道内的流体中所包含的物种流动，并且施加声波以使物种偏转进入第二出口，其中在没有声波的情况下，物种进入第一出口。在一些情况下，可以使用声波发生器来施加声波，以使微流体通道内的物种在具有由来自声波发生器的声波的传播定义的轴向分量和与其基本正交地定义的横向分量的方向上偏转。在一些实施例中，横向分量大于轴向分量。
在另一个方面，本发明涵盖实现本文所述的一个或多个实施例的方法，例如用于分拣细胞、粒子或其它物种的微流体设备。在又一个方面，本发明涵盖使用本文所述的一个或多个实施例的方法，例如用于分拣细胞、粒子或其它物种的微流体装置。
当结合附图考虑时，根据本发明的各种非限制性实施例的以下详细描述，本发明的其它优点和新颖特征将变得清楚。在本说明书和通过引用并入的文档包括相冲突和/或不一致的公开内容的情况下，本说明书应主导。如果通过引用并入的两个或更多文档包括关于彼此相冲突和/或不一致的公开内容，那么有效日期较晚的文件应主导。
附图说明
将参考附图以示例的方式描述本发明的非限制性实施例，附图是示意性的并且未打算按比例绘制。在附图中，所示的每个相同或几乎相同的部件通常由单个数字表示。为了清楚起见，如果图示不是本领域的普通技术人员理解本发明所必需的，不是每个部件都在每个附图中标注，并且不是本发明的每个实施例的每个部件都示出。在图中：
图1A-1D示意性地图示了根据本发明的一个实施例的用于分拣物种的设备；
图2A-2B图示了在本发明的另一个实施例中用于分拣细胞的设备；
图3A-3D图示了在本发明的又一个实施例中的分拣设备的特点；
图4图示了在本发明的又一个实施例中的分拣纯度；
图5A-5B图示了根据本发明的其它实施例的对于设备的流速和沟槽宽度的变化；
图6A-6C图示了在本发明的又一个实施例中的设备的操作；
图7图示了根据本发明的另一个实施例的锥形的叉指式换能器(interdigitaltransducer)；以及
图8A-8C图示了根据本发明的又一些实施例的各种设备。
具体实施方式
本发明一般涉及使用声波(诸如表面声波)对物种的操纵。在一些方面，可以提供具有两个或更多个出口的通道(诸如微流体通道)，并且向通道内的物种施加声波，以确定物种被引导至哪个出口。例如，表面声波可以施加到诸如细胞或粒子之类的物种，以使其从通道偏转到沟槽或其它部分中，该沟槽或其它部分将其引导至不同的出口。在某些情况下，出乎意外地，物种的这种偏转可以在与通道上的入射声波不同的方向上。本发明的其它实施例一般针对包括这种系统的套件、用于产生这种系统的技术等。
作为说明性的非限制性示例，现在参考图6A描述本发明的一个方面。在此图中，物种10(诸如细胞或粒子)将被分拣或以其它方式被操纵。物种10被包含在通道20(诸如微流体通道)内的流体15中。流体可以是例如水或另一种含水的流体(诸如盐水)。在一组实施例中，物种将被分拣到第一出口21或第二出口22。
通常，如箭头18所指示的，物种10将从左向右流过通道20，直到其通过出口21离开通道(例如，进入另一个通道、反应器、收集室等)，如此图中的点线所示。但是，在一些情况下，可以由换能器35或其它声波发生器施加声波30。换能器可以是例如叉指式换能器，诸如锥形的叉指式换能器(参见例如图7)。如图6A中所示，换能器可以被定位成在通道的侧面或表面40处施加声波。
声波可以造成物种10的偏转，以促进分拣。例如，当检测到或确定某个物种10时(例如，荧光信号)，可以施加声波。出乎意外地，相对于换能器35的位置和来自换能器的声波的传播，物种10可以向上偏转或以远离换能器35的一定角度偏转，而不是简单地直接远离换能器35排斥偏转。偏转可以被认为具有两个分量：由来自换能器的声波的传播定义的轴向分量，以及与轴向分量正交地定义的横向分量，例如如图1中所示的向上。不希望受任何理论界定，相信在一些条件下，当声波进入流体15时声波30的折射可以使声波改变方向，使得波不仅仅直接传播离开换能器，而是相对于其初始方向以一个角度传播。
在一些实施例中，这可以被用于移动物种，例如通道20内的流体15中包含的物种。因此，例如，这可以用于将物种移动到第二通道部分中。在图6A中，这个通道部分被描绘为沟槽50，并且被定位在与被施加声波的表面相邻的表面45上。在本示例中只有单个沟槽50。沟槽50被定位成按一个角度朝着出口22。但是，在其它实施例中，第二通道的其它构造也是可能的，并且偏转不一定是向上的(图6A中示出“向上”仅仅为了便于陈述)。在此图中，物种10可以被移入沟槽50中并包含在沟槽50内，并由此被引导至出口22而不是出口21。因而，在施加合适的声波时，物种10可以被引导至沟槽50从而到出口22，而不是前进到出口21。以这种方式，可以分拣多个物种。
以上讨论是可被用于分拣物种(诸如细胞或粒子)的本发明的一个实施例的非限制性示例。但是，其它实施例也是可能的。因此，更一般地，本发明的各个方面针对用于使用诸如表面声波之类的声波来操纵物种的各种系统和方法。
例如，在一方面，本发明一般针对使用诸如表面声波之类的声波对通道中的物种进行操纵。物种可以是例如可以使用声波以某种方式操纵(例如移动、排斥、偏转等)的细胞或粒子，或者本文所述的其它物种。例如，物种可以在声波的影响下从通道的第一部分移动到通道的第二部分。
在一组实施例中，声波被施加在通道的表面处，以操纵通道内的流体中包含的物种。出乎意外地，声波可以使物种在与到达通道的声波的传播方向不同的方向上移动。不希望受任何理论的束缚，相信声波在进入流体(即，通过通道壁，由此在不同方向上传播)时可能折射。声波被衍射的角度可以由诸如流体中和通道壁中的声速之类的因素决定。例如，如图6B中所示，通过壁33进入流体15的声波30可能折射，这可能造成物种10在横向方向(由箭头61指示)而不是在远离传播方向的轴向方向(由箭头62指示)上的移动或偏转。
这种偏转可以被认为具有两个向量分量：如图6C中所示的轴向分量70(由声波的传播方向定义)以及与轴向分量正交地定义的横向分量75。这两个向量分量之间的比率定义了偏转角度。在一些情况下，横向分量等于或大于轴向分量，并且在一些情况下，横向分量可以是至少约1.5倍、至少约2倍、至少约2.5倍、至少约3倍、至少约4倍、至少约5倍、至少约10倍、至少约20倍、至少约30倍、至少约50倍、至少约75倍或至少约100倍大。此外，在其它实施例中，横向分量可以小于轴向分量。应当注意的是，“向上”在这里仅仅是为了方便和易于陈述而使用；实际上，通道和通道壁可以被定位成任何合适的朝向，不一定平行于地面。而且，在一些情况下，偏转可以是“下”而不是“上”。
在一组实施例中，一个或多个物种可以存在于第一通道部分中，但不存在于第二通道部分中。例如，可以使用障碍或其它阻碍将物种转移到第一通道部分，诸如图8A中所示；作为另一个非限制性示例，物种可以简单地被插入第一通道部分中的流体中，而非第二通道部分。通过施加合适的声波，第一通道部分中的物种可以被转移到第二通道部分，例如如图8A中所示的沟槽。在一些情况下，声波可以仅在第一通道部分处施加，或者穿过两个部分，使得到达第二通道部分的声波不穿过第一通道部分。在一些实施例中，第二通道部分可以被定位成使得：相对于声波传播的方向，第二通道部分的至少一部分相对于第一通道部分横向定位。可选地，第一部分和第二部分可以被假想平面分离，该假想平面可以被定位成使得它基本上不与声波传播的方向正交。
第二通道部分可以存在于通道的表面上或由通道的表面定义。第二通道部分可以是沟槽、凹陷或其它表面特征。第二通道部分可以具有直的侧面、弯曲的侧面等。第二通道部分可以被调整形状或调整尺寸为允许物种进入和/或使物种移动到出口(即，第二出口)。以这种方式，基于声波的施加，一个或多个物种可以期望地被引导至第一出口或者第二出口。
在一组实施例中，第二通道部分可以具有沟槽的形状。图8A中图示了非限制性示例。第二通道部分可以被调整尺寸为具有允许物种进入第二通道部分内的截面维度，例如以将物种引导至出口。此外，在一些情况下，第二通道部分可以例如相对于通道以非零角度倾斜或定位，以将物种引导至出口。可以使用任何合适的角度，例如约0°、约5°、约10°、约20°、约30°、约40°、约50°、约60°、约70°、约80°、约90°、约100°、约110°、约120°、约130°、约140°、约150°、约160°、约170°、约175°、约180°等等。因此，作为示例，第二通道部分可以包含至少一个不平行于或垂直于通道的壁。
但是，虽然图8A中示出了斜沟槽，但应当理解的是，这仅仅是举例。在其它实施例中，第二通道部分可以具有各种其它形状，诸如图8B和8C中所示的。此外，如所提到的，在一些情况下，可以存在三个、四个或更多个出口，诸如图8D(顶视图)中所示具有出口21、22和23。一个或多个物种的分拣或操纵可以由一个或多于一个声波发生器控制。例如，在一些情况下，第一声波可以将物种偏转到第二部分50，而第二声波(来自相同或不同的声波发生器)可以将物种偏转到第三部分53。通过施加合适的声波(或不施加声波)，物种可以被引导至任何期望的出口。
如所提到的，至少在某些实施例中，第二通道部分可以被调整尺寸为接受物种进入其中。第二通道部分可以具有例如至少约10微米、至少约15微米、至少约20微米、至少约25微米、至少约30微米、至少约40微米、至少约50微米、至少约75微米、至少约100微米、至少约150微米、至少约200微米、至少约250微米、至少约500微米等的截面维度(即，相对于第二通道部分内的平均流体流动)。在一些情况下，第二通道部分的最大截面维度小于通道的最大截面维度。
因此，本发明的某些方面涉及例如在微流体系统中对物种的控制或操纵。例如，根据一组实施例，可以使用声波对诸如细胞或粒子之类的物种进行分拣。物种可以是能通过施加的声波进行操纵的任何合适的物种。非限制性示例包括细胞(例如，人类细胞、哺乳动物细胞、细菌细胞等)、粒子、液滴、凝胶、气泡、量子点、珠子(例如，荧光珠)、病毒等。在一些情况下，物种中可以包含其它实体(例如，核酸(诸如siRNA、RNAi和DNA)、蛋白质、肽或酶、化学物、聚合物、药物等等)。
在一些情况下，例如，物种可以以相对高的速率被分拣或以其它方式被操纵。例如，可以以某种方式感测和/或确定物种的特性(例如，如本文进一步描述的)，然后可以将物种指向设备的特定区域，诸如通道或出口，以例如用于分拣目的。
在某些实施例中，通道可以包括至少第一出口和第二出口。在一些情况下，可以存在多于一个入口通道和/或多于一个出口通道。通过合适地施加表面声波，流过通道的流体内包含的液滴可以被引导至第一出口或第二出口中。但是，在其它实施例中，可以使用通道和接合点的其它构造，例如，如本文所述。
在一些实施例中，诸如细胞或粒子之类的物种可以以相对高的速率被分拣。例如，在一些情况下，每秒至少约10个物种可以被分拣，并且在其它情况下，每秒至少约20个物种、每秒至少约30个物种、每秒至少约100个物种、每秒至少约200个物种、每秒至少约300个物种、每秒至少约500个物种、每秒至少约750个物种、每秒至少约1000个物种、每秒至少约1500个物种、每秒至少约2000个物种、每秒至少约3000个物种、每秒至少约5000个物种、每秒至少约7500个物种、每秒至少约10000个物种、每秒至少约15000个物种、每秒至少约20000个物种、每秒至少约30000个物种、每秒至少约50000个物种、每秒至少约75000个物种、每秒至少约100000个物种、每秒至少约150000个物种、每秒至少约200000个物种、每秒至少约300000个物种、每秒至少约500000个物种、每秒至少约750000个物种、每秒至少约1000000个物种、每秒至少约1500000个物种、每秒至少约2000000个或更多个物种、或每秒至少约3000000或更多个物种可以被分拣或以其它方式被操纵。在一些情况下，如所讨论的，这种控制可以基于单个物种，例如通过使用合适的声波。
在一方面，本发明一般涉及将声波(诸如表面声波)施加到在通道(诸如微流体通道)中流动的包含物种的流体。声波可以由合适的声波发生器施加。一般而言，表面声波(“SAW”)是能够沿着呈现弹性的材料的表面行进的声波，其振幅典型地随着进入材料的深度成指数衰减。通过选择合适的声波，可以在流体中引起压力改变，在一些情况下这可以被用来操纵流体。例如，施加到流体的声波可以增加或减小流体上的压力，相对于不存在声波时的流体流动，这可以使流体由于压力的改变而更快或更慢地流动。作为其它示例，声波可以被用于偏转流体或使流体流向不同的地点。
在一些情况下，压力改变的量值与所施加的声波的功率或振幅相关。在某些实施例中，声波可以以选定的振幅和/或方向施加，以更改流体的流动特性，例如其流速或流动的方向。因此，例如，可以使用声波来分拣诸如细胞或粒子之类的物种或本文讨论的其它物种。
在一些情况下，可以以变化的振幅或功率来施加声波。在一些情况下，流体中创建的压力改变可以是声波功率的函数。例如，声波可以具有至少约0dBm、至少约3dBm、至少约6dBm、至少约9dBm、至少约12dBm、至少约15dBm、至少约20dBM等的功率。在各种实施例中，声波也可以具有任何合适的平均频率。例如，声波的平均频率可以在约100MHz与约200MHz之间、在约130MHz与约160MHz之间、在约140MHz与约150MHz之间、在约100MHz与约120MHz之间、在约120MHz与约140MHz之间、在约140MHz与约160MHz之间、在约160MHz与约180MHz之间或在约180MHz与约200MHz之间等，和/或其组合。在其它实施例中，频率可以在约50Hz与约100KHz之间、在约100Hz与约2kHz之间、在约100Hz与约1000Hz之间、在约1000Hz与约10000Hz之间、在约10000Hz与约100000Hz等之间，和/或它们的组合。在一些情况下，频率可以是至少约10Hz、至少约30Hz、至少约50Hz、至少约100Hz、至少约300Hz、至少约1000Hz、至少约3000Hz、至少约10000Hz、至少约30000Hz、至少约100000Hz、至少约300000Hz、至少约1MHz、至少约3MHz、至少约10MHz、至少约30MHz、至少约100MHz、至少约300MHz或者在一些实施例中至少约1GHz或更高。在某些情况下，频率可以不超过约1GHz、不超过约300MHz、不超过约100MHz、不超过约30MHz、不超过约10MHz、不超过约3MHz、不超过约1MHz、不超过约300000Hz、不超过约100000Hz、不超过约30000Hz、不超过约10000Hz、不超过约3000Hz、不超过约1000Hz、不超过约1000Hz、不超过约300Hz、不超过约100Hz等。
在一些实施例中，声波可以相对于通道中流体的流动在下游方向或上游方向上施加，这可以用于增加或减少通道内的流体流动。例如，可以在通道内的流体流动的方向、在与通道内的流体流动相反的方向或在另一个方向(例如，垂直于通道内的流体流动)上将声波施加到通道(诸如微流体通道)。在其它实施例中，可以相对于通道以任何合适的角度施加声波，例如约0°、约5°、约10°、约20°、约30°、约40°、约50°、约60°、约70°、约80°、约90°、约100°、约110°、约120°、约130°、约140°、约150°、约160°、约170°、约175°、约180°等等)。应当注意的是，除了这个角度之外，如本文所讨论的，还可以存在由折射引起的角度改变。
在一些情况下，可以施加多于一个声波来控制通道内的流体流动，例如以分拣诸如细胞或粒子之类的物种。例如，可以使用第一声波发生器来增加通道内的压力并且使用第二声波发生器来降低通道内的压力(例如，相对于不存在声波时的压力)，可以使用第一声波发生器来增加流体流动并且使用第二声波发生器来减少流体流动等等(例如，相对于不存在声波时的流体流动)。取决于应用，声波可以在通道的相同或不同区域施加。例如，在一些情况下，第一声波和第二声波可以被施加到流体的重叠部分，或者第一声波可以被施加到通道内的流体的第一部分，而第二声波可以被施加到通道内的流体的第二部分。如果多于一个声波被施加到流体，那么声波可以以任何合适的次序被施加，例如，同时地、顺序地、周期性地等等。
不希望受任何理论的束缚，应当注意的是，声波可以被非常快速地控制(例如，以电的方式)，并且典型地可以以非常小的时间尺度被施加到流体。因此，流体的各个区域(例如，在通道内)可以被控制到任意程度，例如，不影响流体的其它区域，甚至附近或相邻的区域。因此，例如，单个物种可以与流体内的其它物种相独立地被分拣。在一些情况下，可以向第一区域施加声波，然后向相邻或附近的第二区域不施加声波或施加不同幅度和/或频率的声波。因此，每个区域可以被独立控制，例如为了分拣目的，而不影响相邻或附近的区域。
在一组实施例中，特征响应时间(即，看到由声波的存在而产生的流体区域中的变化所花费的时间)可以小于流体区域完全通过通道内的特定地点的时间，由此允许对流体区域的高度控制。因此，可以在不影响其它附近物种的情况下控制单个物种(诸如细胞或粒子)。相比之下，用于控制通道(诸如微流体通道)内的流体的许多其它系统或方法典型地依赖于流体的特性或通道的特性，其常常具有长得多的特征响应时间，例如使得各个液滴或地区不能被独立控制。
此外，在一些情况下，可以连续地或者间歇地或者“脉动地”施加声波。此外，在一些情况下，声波可以是恒定的(即，具有固定的幅度)，或者声波的振幅的幅度可以随时间变化，例如，声波可以具有与声波的频率独立地变化的振幅。
如所讨论的，声波可以被施加到任何合适的通道。在一组实施例中，声波被施加到通道(诸如微流体通道)内包含的流体，以分拣物种。本文讨论了微流体通道的各种示例。在一些情况下，通道内可以存在多于一种流体，例如作为分开的相(例如，并排地、作为第二流体内包含的第一流体的液滴等等)流动。这种通道的非限制性示例包括直通道、弯曲通道、液滴形成的通道构造等。
此外，在一些实施例中，声波可以以相似的调制频率被施加，即，至少约10Hz、至少约20Hz、至少约30Hz、至少约100Hz、至少约200Hz、至少约300Hz、至少约500Hz、至少约750Hz、至少约1000Hz、至少约1500Hz、至少约2000Hz、至少约3000Hz、至少约5000Hz、至少约7500Hz、至少约10000Hz、至少约15000Hz、至少约20000Hz、至少约30000Hz、至少约50000Hz、至少约75000Hz、至少约100000Hz、至少约150000Hz、至少约200000Hz、至少约300000Hz、至少约500000Hz、至少约750000Hz、至少约1000000Hz、至少约1500000Hz、至少约2000000Hz或至少约3000000Hz。
在一些情况下，声波可以是表面声波。表面声波可以使用诸如叉指式换能器之类的表面声波发生器和/或诸如压电基板之类的材料来产生。在一组实施例中，除了处于或贴近要施加声波的地点(例如，贴近第一或第二通道、贴近两个或更多个通道的接合点，等等)之外，压电基板可以与基板隔离。在这种地点，基板可以通过一个或多个耦合区域耦合到压电基板(或其它材料)。
可以使用任何合适的技术来产生表面声波。例如，表面声波可以由附连到材料的表面的发生器创建。在某些实施例中，通过使用能够将电信号转换为能沿着材料的表面传播的声波的叉指式电极或换能器来创建表面声波，并且在一些情况下，表面声波的频率可以通过控制叉指式电极或换能器的指状物重复距离(finger repeat distance)的间距来控制。表面声波可以在可在特点地点(例如，微流体基板内要发生分拣的地点)耦合到微流体基板的压电基板或其它材料上形成。合适的电压(例如，正弦或其它周期性变化的电压)被施加到压电基板，压电基板将电信号转换为机械振动，即，表面声波或声音。然后，该声音例如从材料的表面耦合到微流体基板。在微流体基板中，振动进入微流体基板中的微流体通道内的液体(例如，含有待分拣的细胞或其它物种的液体)，这在流体内引起内部流传输或散射。在一些情况下，散射的量可以大于流传输。因此，通过控制所施加的电压，可以控制微流体通道内的流传输和/或散射，这可以在一些实施例中用于引导或分拣微流体通道内的物种。
叉指式换能器典型地包括一个、两个或更多个包含远离电极延伸的多个“指状物”的电极，其中至少一些指状物是相间错杂的。指状物可以具有任何长度，并且可以独立地具有相同或不同的长度。指状物可以规律或不规律地在换能器上间隔开。在一些情况下，指状物可以基本上平行，但是在其它实施例中它们不需要基本上平行。例如，在一组实施例中，叉指式换能器是锥形的叉指式换能器。在一些情况下，锥形的叉指式换能器中的指状物可以被布置成使得指状物向内成角度，例如，如图7中所示。这种换能器的示例可以在例如Weitz等人的标题为“Acoustic Wave in Microfluidics”的国际专利申请No.PCT/US2011/048804(2011年8月23日提交，2012年3月1日作为WO2012/027366公开)；以及Weitz等人的标题为“Control of Entities such as Droplets and Cells Using Acoustic Waves”的美国临时专利申请序列No.61/665087(2012年6月27日提交)中找到，这些申请各自通过引用整体上并入本文。
叉指式电极典型地包括两个互锁的梳形金属电极，它们不接触，但是相间错杂。电极可以由任何合适的电极材料形成，例如，诸如金、银、铜、镍等之类的金属。在一些实施例中，叉指式电极的工作频率可以由基板中的声速与两倍指状物间距的比率确定。例如，在一组实施例中，指状物重复距离可以在约10微米与约40微米之间、在约10微米与约30微米之间、在约20微米与约40微米之间、在约20微米与约30微米之间或在约23微米与约28微米之间。
叉指式电极可以位于压电基板或能够将表面声波发送到例如耦合区域的其它材料上。压电基板可以由任何合适的压电材料形成，例如石英、铌酸锂、钽酸锂、硅酸镧镓等。在一组实施例中，压电基板是各向异性的，并且在一些实施例中，压电基板是Y切LiNbO3材料。
压电基板可以由到压电基板(或其一部分)的任何合适的电子输入信号或电压激活。例如，输入信号可以是其中例如使用周期性变化信号以创建对应的声波的输入信号。例如，信号可以是正弦波、方波、锯齿波、三角波等。频率可以例如在约50Hz与约100KHz之间、约100Hz与约2kHz之间、约100Hz与约1000Hz之间、约1000Hz与约10000Hz之间、约10000Hz与约100000Hz之间Hz等，和/或它们的组合。在一些情况下，频率可以是至少约50Hz、至少约100Hz、至少约300Hz、至少约1000Hz、至少约3000Hz、至少约10000Hz、至少约30000Hz、至少约100000Hz、至少约300000Hz、至少约1MHz、至少约3MHz、至少约10MHz、至少约30MHz、至少约100MHz、至少约300MHz或在在一些实施例中至少约1GHz或更大。在某些情况下，频率可以不超过约1GHz、不超过约300MHz、不超过约100MHz、不超过约30MHz、不超过约10MHz、不超过约3MHz、不超过约1MHz、不超过约300000Hz、不超过约100000Hz、不超过约30000Hz、不超过约10000Hz、不超过约3000Hz、不超过约1000Hz、不超过约300Hz、不超过约100Hz等。
叉指式电极可以位于压电基板(或其它合适的材料)上，使得由叉指式电极产生的声波指向压电基板与微流体基板之间的声耦合区。例如，压电基板和微流体基板可以例如使用臭氧等离子体处理或其它合适的技术彼此耦合或物理结合。在一些情况下，压电基板和微流体基板的其余部分至少在声学上彼此隔离，并且在某些实施例中，压电基板和微流体基板彼此物理隔离。不希望受任何理论的束缚，相信由于隔离，除了在期望施加声波的区域(例如，在通道或接合点处)以外，由叉指式电极和压电基板创建的声波不会影响微流体基板。
如果存在耦合区域，那么耦合区域可以具有任何合适的形状和/或尺寸。取决于实施例，耦合区域可以是圆形、椭圆形或者具有其它形状。在一些情况下，可以使用两个、三个或更多个耦合区域。在一组实施例中，耦合区域被调整尺寸为包含在微流体通道内。但是，在其它实施例中，耦合区域可以更大。在一些实施例中，耦合区域可以位于通道内或贴近通道。参见例如由Weitz等人的标题为“Acoustic Waves in Microfluidics”的国际专利申请序列No.PCT/US2011/048804(2011年8月23日提交、2012年3月1日作为WO 2012/027366公开)，该申请通过引用并入本文。
在一些情况下，物种的控制可以通过使用锥形的叉指式换能器来实现。与所有指状物彼此平行并且电极之间的间距恒定的叉指式换能器相比，锥形的叉指式换能器可以允许对于向通道施加SAW的地点的相对高的控制。不希望受任何理论的束缚，相信可以至少部分地通过电极之间的间距来控制由叉指式换能器施加SAW的地点。通过控制施加到叉指式换能器的电位并由此控制所施加的SAW的谐振频率，可以对应地控制由叉指式换能器施加的SAW的位置和/或强度。因此，例如，向叉指式换能器施加第一电压可以引起所得到的SAW的第一谐振频率被施加(例如，在通道内)，而施加第二电压可以引起所得到的SAW的第二谐振频率被施加到不同的地点(例如，在频道内)。作为另一个示例，可以使用多个耦合区域，例如与一个或多个锥形的叉指式换能器结合使用。
微流体基板可以是包含或限定一个或多个微流体通道的任何合适的基板。例如，如以下所讨论的，至少根据各种非限制性示例，微流体基板可以由聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯或其它合适的弹性聚合物形成。
在一些实施例中，物种可以以某种方式被确定或感测，并且基于该确定，例如使用声波将物种分拣或引导至第一地点(例如，第一出口)或第二地点(例如，第二出口)。例如使用可以感测和/或确定物种的一个或多个特性和/或包含物种的流体系统的一部分(例如，围绕物种的液体)的特性的一个或多个传感器，以允许确定物种的一个或多个特性的方式，可以确定物种。本领域普通技术人员可以识别关于物种可确定的特性。这种特性的非限制性示例包括物质(诸如生物物质(例如，蛋白质、核酸等))的荧光、光谱学(例如，光学、红外、紫外等)、放射性、质量、体积、密度、温度、粘度、pH、浓度。在一些情况下，传感器可以连接到处理器，处理器继而使声波被施加(或不被施加)。
一个或多个传感器和/或处理器可以被定位成与怀疑存在于通道内的物种进行感测通信。如本文所使用的，“感测通信”意指传感器可定位在任何位置，使得流体系统内(例如，通道内)的物种和/或含有物种的流体的一部分可以以某种方式被感测和/或确定。例如，传感器可以流体地、光学地或可视地、热地、气动地、电子地等与物种和/或包含物种的流体的部分进行感测通信。传感器可以被定位为贴近含有物种的流体，例如嵌入或整体连接到通道的壁，或者被定位为与流体分开但与流体物理地、电气地和/或光学地连通，以便能够感测和/或确定物种和/或包含物种的流体的一部分。例如，传感器可以与包含物种的通道没有任何物理连接，但可以被定位成检测由物种或流体产生的电磁辐射(诸如红外线、紫外线或可见光)。电磁辐射可以由物种产生，和/或可以从流体的其它部分(或流体的外部)产生，并且以指示物种的一个或多个特性的方式，例如通过吸收、反射、衍射、折射、荧光、磷光、极性的改变、相位改变、相对于时间的改变等，与物种和/或含有物种的流体的部分相互作用。作为示例，可以朝着物种和/或围绕该物种的流体引导激光，并且可以确定物种和/或周围流体的荧光。如本文使用的“感测通信”也可以是直接或间接的。作为示例，来自物种的光可以被引导至传感器，或者在被引导至传感器之前首先被引导通过光纤系统、波导等。
在本发明中有用的传感器的非限制性示例包括光学的或基于电磁的系统。例如，传感器可以是荧光传感器(例如，由激光激发)、显微镜系统(其可以包括相机或其它记录设备)等。作为另一个示例，传感器可以是电子传感器，例如能够确定电场或其它电特性的传感器。例如，传感器可以检测物种和/或含有物种的流体系统的部分的电容、电感等。
如本文所使用的，“处理器”或“微处理器”是能够接收来自一个或多个传感器的信号、存储信号和/或指引一个或多个响应(例如，如上所述)的任何部件或设备，例如，通过使用数学公式或者电子或计算电路。信号可以是指示由传感器确定的环境因素的任何合适的信号，例如气动信号、电信号、光信号、机械信号等。
现在提供帮助理解本发明的各个方面的各种定义。在这些定义之后并且与这些定义穿插的是将更完整地描述本发明的进一步公开。
如本文所使用的，术语“流体”一般是指倾向于流动并符合其容器的轮廓的物质，即，液体、气体、粘弹性流体等。典型地，流体是不能够承受静态剪切应力的材料，并且当施加剪切应力时，流体经历持续且永久的变形。流体可以具有允许流动的任何合适的粘度。如果存在两种或更多种流体，那么本领域普通技术人员可以通过考虑流体之间的关系独立地从基本上任何流体(液体、气体等)中选择每种流体。流体可以各自是可混溶或不可混溶的。例如，可以选择两种流体在形成流体流的时间帧内或者在反应或相互作用的时间帧内基本不混溶。当这些部分在相当长的一段时间内保持液态时，流体应当是基本上不可混溶的。当接触和/或形成之后分散的部分通过聚合等迅速硬化时，流体不必是不可混溶的。本领域普通技术人员可以使用接触角测量等来选择合适的可混溶或不可混溶的流体，以执行本发明的技术。
如本文所使用的，如果可以仅通过第二实体围绕第一实体绘制出闭合的平面环，那么第一实体由第二实体“包围”。如果仅通过第二实体的闭环可以围绕第一实体绘制而不管方向(环的方向)如何，那么第一实体“完全被包围”。在一个实施例中，第一实体是细胞，例如，悬浮在介质中的细胞被介质包围。在另一个实施例中，第一实体是粒子。在又一个实施例中，第一实体是流体。第二实体在一些情况下也可以是流体(例如，如在悬浮液、乳液等中)，例如，亲水性液体可以悬浮在疏水性液体中、疏水性液体可以悬浮在亲水性液体中、气泡可以悬浮在液体中等。典型地，疏水性液体和亲水性液体基本上不可相互混溶，其中亲水性液体比疏水性液体对水具有更大的亲和力。亲水性液体的示例包括但不限于水和其它含水的水溶液(诸如细胞或生物介质、盐溶液等)，以及其它亲水性液体(诸如乙醇)。疏水性液体的示例包括但不限于油(诸如烃、硅油、矿物油、氟碳油、有机溶剂等)。之前已描述了合适的流体的其它示例。
类似地，如本文所使用的，“液滴”是被第二流体完全包围的第一流体的隔离部分。要注意的是，液滴不一定是球形的，而是也可以呈现其它形状，例如，取决于外部环境。在一个实施例中，液滴具有基本上等于与液滴所在的流体流垂直的通道的最大维度的最小截面维度。
如所提到的，在一些但不是全部实施例中，本文描述的系统和方法可以包括一个或多个微流体部件，例如一个或多个微流体通道。如本文所使用的，“微流体”是指包括至少一个流体通道的设备、装置或系统，所述流体通道的截面维度小于1mm并且长度与最大截面维度的比率为至少3:1。如本文所使用的，“微流体通道”是满足这些标准的通道。与通道内流体流动的方向垂直地测量通道的“截面维度”。因此，本发明的微流体实施例中的一些或全部流体通道可以具有小于2mm的最大截面维度，并且在某些情况下小于1mm。在一组实施例中，包含本发明实施例的所有流体通道是微流体的或具有不大于2mm或1mm的最大截面维度。在某些实施例中，流体通道可以部分地由单个部件(例如，蚀刻基板或模制单元)形成。当然，可以使用更大的通道、管道、腔室、储存器等来存储流体和/或将流体输送到本发明的各种部件或系统。在一组实施例中，包含本发明实施例的(一个或多个)通道的最大截面维度小于500微米、小于200微米、小于100微米、小于50微米或小于25微米。
如本文所使用的，“通道”意指至少部分地引导流体的流动的制品(基板)上或中的特征。通道可以具有任何截面形状(圆形、椭圆形、三角形、不规则形、正方形或矩形等)并且可以被覆盖或不被覆盖。在其被完全覆盖的实施例中，通道的至少一部分可以具有完全封闭的截面，或者，除了其(一个或多个)入口和/或(一个或多个)出口之外，整个通道可以沿其整个长度被完全封闭。通道也可以具有至少2:1的纵横比(长度与平均截面维度之比)，更典型地是至少3:1、5:1、10:1、15:1、20:1或更大。开放通道一般将包括便于控制流体运输的特性，例如结构特性(细长凹痕)和/或物理或化学特性(疏水性对亲水性)或可以在流体上施加力的其它特性(例如，包含力)。通道内的流体可以部分或完全地填充通道。在使用开放通道的一些情况下，例如可以使用表面张力(即，凹面或凸面弯液面)将流体保持在通道内。
通道可以具有任何尺寸，例如，其垂直于流体流动的最大维度小于约5mm或2mm、或小于约1mm、或小于约500微米、小于约200微米、小于约100微米、小于约60微米、小于约50微米、小于约40微米、小于约30微米、小于约25微米、小于约10微米、小于约3微米、小于约1微米、小于约300nm、小于约100nm、小于约30nm或小于约10nm。在一些情况下，通道的维度可以被选择为允许流体自由地流过制品或基板。通道的维度也可以被选择为例如允许通道中的流体的某个体积的或线性的流速。当然，通道的数量和通道的形状可以通过本领域普通技术人员已知的任何方法来改变。在一些情况下，可以使用多于一个通道或毛细管。例如，可以使用两个或更多个通道，其中它们被定位在彼此内部、彼此相邻定位、被定位成彼此相交等。
在一组实施例中，物种是细胞或其它实体，诸如蛋白质、病毒、大分子、粒子等。如本文所使用的，“细胞”被赋予其在生物学中使用的普通含义。细胞可以是任何细胞或细胞类型。例如，细胞可以是细菌或其它单细胞生物体、植物细胞或动物细胞。如果细胞是单细胞生物体，那么细胞可以是例如原生动物、锥虫、变形虫、酵母细胞、藻类等。如果细胞是动物细胞，那么细胞可以是例如无脊椎动物细胞(例如，来自果蝇的细胞)、鱼细胞(例如，斑马鱼细胞)、两栖动物细胞(例如，蛙细胞)、爬行动物细胞、鸟类细胞或哺乳动物细胞(诸如灵长类动物细胞、牛细胞、马细胞、猪细胞、山羊细胞、狗细胞、猫细胞或来自啮齿动物(诸如大鼠或小鼠)的细胞)。如果细胞来自多细胞生物体，那么细胞可以来自生物体的任何部分。例如，如果细胞来自动物，那么细胞可以是心脏细胞、成纤维细胞、角质形成细胞、七核细胞、软骨细胞、神经细胞、骨细胞、肌肉细胞、血细胞、内皮细胞、免疫细胞(例如，T细胞、B细胞、巨噬细胞、嗜中性粒细胞、嗜碱性粒细胞、肥大细胞、嗜酸性粒细胞)、干细胞等。在一些情况下，细胞可以是基因工程细胞。在某些实施例中，细胞可以是中国仓鼠卵巢(“CHO”)细胞或3T3细胞。
根据本发明的某些方面，可以使用各种材料和方法来形成本发明的系统和设备的任何上述部件。在一些情况下，选择的各种材料有助于各种方法。例如，本发明的各种部件可以由固体材料形成，其中通道可以经由微机械加工、膜沉积工艺(诸如旋涂和化学气相沉积)、激光制造、光刻技术、蚀刻方法(包括湿化学或等离子体工艺)等。参见例如ScientificAmerican，248：44-55，1983(Angell等人)。在一个实施例中，通过在硅芯片中蚀刻特征，流体系统的至少一部分由硅形成。用硅精确且高效地制造本发明的各种流体系统和设备的技术是已知的。在另一个实施例中，本发明的系统和设备的各种部件可以由聚合物形成，例如弹性聚合物(诸如聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)、聚四氟乙烯(“PTFE”或特氟隆)等)。
不同的部件可以由不同的材料制成。例如，包括底壁和侧壁的底座部分可以由诸如硅或PDMS之类的不透明材料制成，而顶部可以由透明或至少部分透明的材料(诸如玻璃或透明聚合物)制成，以便观察和/或控制流体过程。部件可以被涂覆，以便使接触内部通道壁的流体具有期望的化学功能性，其中底座支撑材料不具有精确的期望功能性。例如，部件可以如图所示那样地制造，内部通道壁涂覆有另一种材料。用于制造本发明的系统和设备的各种部件的材料(例如，用于涂覆流体通道的内壁的材料)可以期望地选自那些不会不利地影响流经流体系统的流体或受流经流体系统的流体影响的材料，例如在存在设备内待使用的流体的情况下具有化学惰性的(一种或多种)材料。
在一个实施例中，本发明的各种部件由聚合物和/或柔性和/或弹性体材料制成，并且可以方便地由可硬化的流体形成，从而促进经由模制(例如，复制模制、注射模制、铸造模制等等)制造。可硬化的流体可以基本上是任何如下流体：该流体可以被诱导固化或自发固化成能够包含和/或运输被设想用于流体网络中并与流体网络一起使用的流体的固体。在一个实施例中，可硬化的流体包括聚合物液体或液体聚合物前体(即，“预聚合物”)。合适的聚合物液体可以包括例如热塑性聚合物、热固性聚合物或加热到其熔点以上的这些聚合物的混合物。作为另一个示例，合适的聚合物液体可以包括一种或多种聚合物在合适溶剂中的溶液，该溶液例如通过蒸发除去溶剂后形成固体聚合物材料。这种可以从例如熔融状态或通过溶剂蒸发而固化的聚合物材料对于本领域普通技术人员来说是众所周知的。对于其中一个或两个模具母版由弹性体材料组成的实施例，多种聚合材料是合适的，并且也适用于形成模具或模具母版，其中许多聚合材料是弹性体的。这种聚合物的示例的非限制性列表包括一般类别的有机硅聚合物、环氧聚合物和丙烯酸酯聚合物的聚合物。环氧聚合物的特征在于存在通常称为环氧基、1,2-环氧化物或环氧乙烷的三元环醚基团。例如，除了基于芳族胺、三嗪和脂环族主链的化合物之外，还可以使用双酚A的二缩水甘油醚。另一个示例包括众所周知的Novolac聚合物。根据本发明适合使用的硅氧烷弹性体的非限制性示例包括由包括氯硅烷(例如甲基氯硅烷、乙基氯硅烷、苯基氯硅烷等)的前体形成的那些。
在一组实施例中，硅氧烷聚合物是优选的，例如硅氧烷弹性体聚二甲基硅氧烷。PDMS聚合物的非限制性示例包括由Dow Chemical Co.(米德兰，密歇根州)以商标Sylgard销售的那些，特别是Sylgard 182、Sylgard 184和Sylgard 186。包括PDMS的硅氧烷聚合物具有几个有益的特性，简化了本发明的微流体结构的制造。例如，这种材料便宜、容易获得，并且可以通过用热固化而从预聚合液体固化。例如，PDMS典型地可通过将预聚合液体暴露于例如约65℃至约75℃的温度下例如约1小时的暴露时间来固化。而且，诸如PDMS之类的有机硅聚合物可以是弹性体的，因此可用于形成本发明的某些实施例中所必需的具有相对高纵横比的非常小的特征。在这方面，柔性(例如，弹性体)模具或母模可以是有利的。
从有机硅聚合物(诸如PDMS)形成诸如本发明的微流体结构之类的结构的一个优点是例如能够通过暴露于诸如空气等离子体之类的含氧等离子体来氧化这些聚合物，使得经氧化的结构在其表面处含有能够交联到其它经氧化的硅氧烷聚合物表面或各种其它聚合物和非聚合物材料的氧化表面的化学基团。因此，不需要单独的粘合剂或其它密封手段，部件就可以被制造，然后被氧化并且基本上不可逆地被密封到其它硅氧烷聚合物表面或其它与经氧化的硅氧烷聚合物表面反应的基板表面上。在大多数情况下，密封可以简单地通过使经氧化的硅氧烷表面与另一个表面接触来完成，而不需要施加辅助压力来形成密封。即，预氧化的硅氧烷表面充当针对合适配合表面的接触粘合剂。具体而言，除了不可逆地密封到其本身之外，经氧化的硅氧烷(诸如经氧化的PDMS)也可以不可逆地密封到除本身之外的已经以与PDMS表面类似的方式氧化(例如，通过暴露于含氧的等离子体)的一系列氧化材料，包括例如玻璃、铌酸锂、硅、氧化硅、石英、氮化硅、聚乙烯、聚苯乙烯、玻璃碳和环氧聚合物。本领域中描述了在本发明上下文中有用的氧化和密封方法以及整体模制技术。
由经氧化的硅氧烷聚合物形成本发明的微流体结构(或内部，流体接触表面)的另一个优点是这些表面可以比典型的弹性体聚合物(其中期望亲水的内表面)的表面更亲水。这种亲水性通道表面因此可以比由典型的未氧化的弹性体聚合物或其它疏水性材料构成的结构更容易用水溶液填充和润湿。
在一个实施例中，底壁由与一个或多个侧壁或顶壁或其它部件不同的材料形成。例如，底壁的内表面可以包括硅晶片或微芯片或其它基板的表面。如上所述，其它部件可以被密封到这种替代基板。在期望将包括硅氧烷聚合物(例如，PDMS)的部件密封到不同材料的基板(底壁)的情况下，基板可以选自这样的一组材料：经氧化的硅氧烷聚合物能够不可逆地密封到该组材料，例如，玻璃、硅、氧化硅、石英、氮化硅、聚乙烯、聚苯乙烯、环氧聚合物和已被氧化的玻璃状碳表面。可替代地，本领域普通技术人员将明白，可以使用其它密封技术，包括但不限于使用单独的粘合剂、热结合、溶剂结合、超声波焊接等。
以下文档通过引用整体上并入本文：美国专利申请公开No.2013/0213488和2015/0192546；国际专利申请公开No.WO 2012/027366、WO 2014/004630和WO 2014/066624；以及美国专利申请序列No.62/017301。此外，以下文档通过引用整体上并入本文：美国专利No.5512131、6355198、8765485和9038919；美国专利申请公开No.2005/0172476、2007/0003442和2010/0248064；国际专利申请公开No.WO 96/29629、WO 01/89787、WO 2004/002627、WO 2004/091763和WO 2005/021151。此外，由Weitz等人于2015年8月27日提交的标题为“Acoustic Wave Sorting”的美国临时专利申请序列No.62/210899通过引用整体上并入本文。
下面的示例旨在说明本发明的某些实施例，但并未例示本发明的全部范围。
示例1
通过利用垂直的流动聚焦接合点和斜的天花板沟槽，本示例说明了表面声波细胞分拣的增强。就事件率和纯度而言，这些设备可以能够达到接近现有技术的荧光激活细胞分拣器的性能水平。本示例演示了微流体细胞分拣器，它以接近市场上可买到的FACS的速率筛选细胞。这个设备使三维流动聚焦喷嘴与斜天花板沟槽结合，通过利用垂直于基板平面朝向的SAW的部件，增强了SAW换能器的能力。本示例确定用于设备性能的条件，并使用这些原则来实现细胞分拣器。该设备以速度为9000事件/秒、纯度为55％实现分拣，而在以1000事件/秒的速度操作时纯度达到90％。
不希望受任何理论的束缚，相信当SAW撞击微流体设备内的液体的流动时，它发生折射，从而在液体中形成纵向声波。正是这种声波可以使细胞偏转。SAW的折射角被称为Rayleigh角θR，并且它取决于声音在液体中的速度vl和SAW的速度vs，根据斯涅耳定律，sinθR＝vl/vs。在用于SAW微流体的材料中，SAW沿着基板表面传播的速度比声波在液体中传播的速度快，因此Rayleigh角小，并且折射波的方向更接近基板的表面法线而非基板的平面。结果，折射声波的法向分量一般大于平行分量。基板平面还限制了流动通道的设计，因为由光刻技术制造的微流体通道受通常为二维的掩模限定。而且，微流体设备被组装成使得光刻平面平行于基板平面。因此，大多数微流体设备利用平行于基板的声波分量进行粒子操纵。
为了利用垂直于基板的声波分量，本示例使用多层微流体设备。与现有设计相比，利用SAW的法向分量进行分拣的多层SAW设备可以获得增强的分拣性能，因为它引导更多的可用功率致动细胞。
本示例实现了利用声波的法向分量进行细胞分拣应用的多层设备几何结构，如图1中所示。在这里，锥形的叉指式换能器(IDT)可以生成能驱动粒子、细胞或其它物种的表面声波。(细胞在这里和下面的示例中仅作为示例使用，并且旨在说明而不是限制。)在锥形的IDT设计中，一系列频率可以在沿换能器的不同位置处激发SAW，因为由电极的节距定义的谐振波长沿换能器变化。通过限制换能器的其中给定频率产生谐振的区域，IDT成锥形的斜率决定了SAW的孔径。如图1A中所示，通过最小化SAW在折射到通道中的液体之前必须行进的距离，IDT被定位为直接与微流体设备的分拣通道相邻，以增加转移到液体的功率量。IDT的指状物位于气隙下方，以防止由SAW携带的功率过早泄漏到设备中。微流体设备的流动通道包含微制造的特征，其使得设备能够利用声波的法向分量、斜的天花板沟槽和垂直的流动聚焦喷嘴。图1B中示出了它们相对于IDT和分拣通道以及气隙的位置。
斜沟槽生成具有随高度强烈变化的速度剖面(velocity profile)的流动；在天花板沟槽内，流体沿沟槽的长度流动，而分拣通道底部的流体保持大部分平静。因此，它是利用了声波的法向分量的斜沟槽，因为声波将细胞推到通道的顶部，在那里它们与沟槽内的流动相互作用。因此，沟槽确保细胞穿过分拣通道的高度决定了它是被丢弃还是被保留。图1C中更详细地呈现了斜沟槽。斜沟槽必须与垂直的流动聚焦喷嘴配对，以确保只有目标细胞与沟槽相互作用。垂直流动聚焦喷嘴的细胞入口通道在比携带鞘流体(sheath fluid)的通道低的高度处制造。当鞘通道与细胞入口相交时，在分拣通道的入口处，鞘流体使细胞流横向地和垂直地聚焦在分拣通道底部的窄线中。鞘通道与分拣通道形成Y形，这消除了正好在喷嘴后的停滞点。喷嘴偏离通道的中线，使得流速的变化或其它意外扰动不会导致细胞错误地进入保留通道。喷嘴的几何结构在图1D中绘出。
在没有表面声波的情况下，穿过设备的细胞不与天花板沟槽相互作用；它直接经过分拣通道并经由废物出口不受干扰地从设备中排出。当检测到感兴趣的细胞时，施加SAW的脉冲，并且所得到的声波的法向分量将粒子推到分拣通道的顶部，在那里对流将其携带跨过分拣通道；然后这个细胞通过保留出口离开设备，在那里它可以被回收。与先前的使用斜沟槽阵列来引导流动或粒子的斜沟槽微流体设备相比，在这里，细胞与沟槽的相互作用取决于SAW脉冲的施加；细胞被完全偏转到沟槽中，并且单个沟槽足以实现期望的效果(但是也可以使用多于一个沟槽)。斜沟槽的角度创建流动，这确保细胞在被分拣时不断流出设备，而不像其中期望的粒子被固定在垂直屏障之后的诱捕设计那样。结果，这提供了特别适于细胞快速分拣的设备几何结构。
图1示出了在本特定示例中使用的沟槽增强型细胞分拣设计的示意图。在这里，图示了流动通道和叉指式换能器(左/中心条)的相对位置(图1A)。金属焊盘(最左边)通过汇流条连接到IDT的指状物。流动通道有细胞入口(上中)和两个鞘入口(左上和右上)以及废物出口(右下)和保留出口(右下)。放大视图示出了流动聚焦喷嘴(左)、分拣通道(中央)和斜沟槽(分拣通道上方)的位置以及锥形IDT指状物(底部)。流动聚焦喷嘴位于两个鞘流动和细胞入口相遇处。通道在斜沟槽之后分叉。上部通道通向保留出口，而下部出口通向废物出口(图1B)。在图1C和1D中分别提供了斜沟槽和喷嘴设计的更多细节。
示例2
在本示例中，通过确定所施加的SAW脉冲一般成功地将目标细胞重新引导至保留出口的条件，测试用于细胞分拣应用的斜沟槽设备的能力。作为测试的基础，使用由聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)制成的设备，其具有50微米宽且25微米高的垂直流动聚焦喷嘴；250微米宽且50微米高的分拣通道；以及120微米宽、在分拣通道(例如，其可以容纳细胞)上方上升25微米并且从整个流动方向倾斜60°的矩形沟槽。这些维度不旨在是限制性的。无论何时检测到感兴趣的细胞(例如，由于荧光)，仪器就触发SAW脉冲，并且使用高速相机捕获各个细胞的轨迹。分析所得到的每个影片以提取目标细胞的轨迹；如果期望的细胞通过保留出口离开分拣通道，那么给定的分拣事件被认为是成功的，或者如果期望的细胞通过废物出口离开分拣通道，那么被认为是失败的。
图2中示出了显示非荧光细胞通过分拣通道到达废物出口并且目标细胞被成功地推到沟槽中并随后沿着沟槽的长度行进到保留出口的细胞轨迹。对于每个被测试的参数，设备性能变得一致的阈值被定义为至少90％的测量事件成功的最低值。使用至少48个单独的事件，在三个独立的实验日确定每个分拣条件的阈值。这些实验评估该技术在不同条件下的健壮性和可重复性。
图2图示了斜沟槽增强表面声波(SAW)致动。从具有斜沟槽的设备中捕获两个单细胞轨迹，其中斜沟槽在分拣通道上方升高25微米。在一种情况下，不施加分拣脉冲(图2A)，而在另一种情况下施加脉冲(图2B)。如果没有施加SAW，那么细胞遵循与大量的细胞相流体相同的轨道。细胞在不偏转的情况下经由分拣通道并在斜沟槽下方通过，并经由废物通道(右下方)离开设备。当施加SAW脉冲时，细胞被偏转到斜沟槽中，在那里它被沟槽内鞘流体的流动携带跨过分拣通道。分拣后的细胞横向移动超过150微米，并通过保留出口(右上方)离开设备。由于磷酸盐缓冲盐水鞘相与包含Optiprep的细胞相之间的折射率差异，细胞相流体是可见的。在这里绘出的细胞轨迹是用高速相机以11267fps拍摄的近似20帧的投影。比例尺表示50微米。
示例3
本示例确定对于一系列不同RF功率电平和细胞类型，斜沟槽设备可再现地将细胞致动到分拣通道中所需的SAW脉冲的最小长度。随着用于生成SAW的射频(RF)功率增加，越短的脉冲提供足够的能量将细胞重新引导至沟槽中。细胞可以用短至20微秒的脉冲高效地致动。对于模型粘附和非粘附细胞类型，细胞被可再现地偏转到具有相似SAW脉冲参数的沟槽中，如图3A中所示。但是，一个细胞系(cell line)一贯比另一个细胞系需要更少的能量来偏转，这表明这两个细胞系可能在其平均尺寸或声学对比度方面存在固有差异。尽管如此，斜沟槽设备可以致动粘附和非粘附的细胞这两者，并且高效致动的参数范围与高速分拣应用兼容。
在本示例中，总流速被改变，以确定平均流速对分拣过程的影响。对于每个流速，SAW脉冲的长度恒定为50微秒，并且细胞相与鞘流动的比率也保持恒定。所施加的功率被改变，并且记录细胞被一致地成功致动的最小功率。
在低流速，阈值功率和流速基本上是不相关的，但是在较高的流速，流速和施加的功率之间存在相关性，因为细胞的偏转变得受暴露于声波脉冲的持续时间的限制。图3B中绘出了SAW脉冲的阈值功率与总体设备流速之间的关系。这些结果表明，分拣效果在宽范围的细胞速度下是健壮的。
通过独立改变沟槽的宽度、高度和角度来量化沟槽几何形状对这个设计中的细胞致动的影响。在每组实验中只改变沟槽的一个维度，并且测量分拣所需的阈值功率，同时流速和分拣脉冲的长度以及其它沟槽维度都保持固定。如图3C中所演示的，随着沟槽变宽，需要越少的功率来引起细胞与沟槽内的流动相互作用。虽然有可能使用没有任何沟槽或具有非常浅的沟槽的垂直流动聚焦喷嘴来对细胞进行分拣，但是如图3D中所示，在25微米的高度处制造的沟槽获得良好的分拣结果。不同的沟槽角度对分拣所需的阈值功率没有显著影响。由于沟槽的有效孔径的改变或者因为具有较低角度的沟槽中的流速较高，可以有微小的变化，但是这些在测量误差的范围内，并且对分拣所需的阈值功率影响很小。
这些结果表明，沟槽的深度和宽度都提供了可以影响SAW致动之后细胞与沟槽的相互作用的几何调节参数，但是沟槽角度没有。
图3示出了沟槽增强型设备的细胞分拣性能。对于大范围的操作条件，具有斜沟槽的分拣设备可靠地致动细胞。图3中每个图上的符号都以三个独立阈值的均值为中心，而误差条绘出了阈值的全范围。对于没有可见误差条的点，标记尺寸超出了误差条的范围。随着施加的RF功率降低，偏转给定细胞类型所需的脉冲的长度增加。该设备致动具有足以实现高速细胞分拣的性能水平的粘附Madin-Darby犬肾(MDCK；空心符号)细胞和非粘附慢性骨髓性白血病(K-562；实心符号)细胞(图3A)。随着流速改变，除了在看起来存在分拣所需的最小功率量的较低的流速范围，分拣所需的阈值功率增加(图3B)。随着沟槽加宽，用于分拣的阈值功率线性下降(图3C)。随着沟槽高度的增加，阈值功率非单调地变化(图3D)，但是对于最高的被测试沟槽，分拣以最低的所需功率发生。
示例4
在本示例中，通过从细胞混合物中分拣荧光细胞，在实际条件下操作沟槽增强型细胞分拣器。在每个实验中，制备具有已知细胞密度和荧光K-562细胞比例的参考库。斜沟槽分拣器仅提取荧光细胞。该设备使用两种不同的鞘流速和两种不同的沟槽宽度来测量这些参数如何影响分拣器性能。收集纯化的样本，并使用共焦显微镜对回收的细胞进行成像以获得细胞纯度的独立测量。为了阐明被分拣部分的纯度对分拣器操作的事件率的依赖性，对于具有相同样本流速的一系列细胞密度的参考库重复这个过程。分拣器能够在低事件率下实现高纯度，但是随着细胞浓度增加，纯度呈现线性趋势下降，如图4中所示。
总体趋势拟合成线，该线与纯度轴相交于93％，其斜率为每千赫兹-4.3％。虽然这种设备使用相对高水平的SAW功率，但被分拣的细胞部分的生活力仍然很高，大于96％。乍看之下，整个数据集充分地拟合成线，但该拟合平均了由于在不同流速条件下或使用不同沟槽宽度操作设备所产生的任何影响。
为了确定不同的流速条件和沟槽宽度是否对回收的样品纯度具有最小影响，首先根据鞘流速然后通过沟槽宽度对数据进行分仓，并针对每个参数检查残差分布–给定的数据点与在该点处的拟合之间的差异。以不同鞘流速操作的设备的纯度之间没有明显的差异，但具有40微米窄沟槽的设备一贯比具有80微米沟槽的设备提取更高纯度的样本；这种对比在图4所示的箱形图中是明显的。但是，应当注意的是，通过80微米的沟槽仍然实现了分拣。观察到最窄的沟槽提供了改进的纯度，这表明沟槽充当空间过滤器；只有进入沟槽的细胞被携带跨过分拣通道到达分拣出口，并且如果在施加声波时它们与沟槽对齐，那么细胞进入沟槽。这增加了只有正确的细胞进入沟槽的可能性。与先前的只能通过改变SAW换能器的设计或操作流速来增加分拣纯度的SAW分拣设计相比，这种效果具有优势。
图4图示了细胞纯度对事件率。相对于样本被分拣的事件率，将每个回收样本的纯度绘图。实心符号用于利用40微米沟槽设备分拣的样本，而空心符号表示利用80微米沟槽分拣的样本。方形符号表示以45ml/h的总鞘流速搜集的数据，以及圆形用于60ml/h的鞘流速。所有的数据集都遵循相同的总体趋势。
图5图示了流量和沟槽宽度的变化的残差。对于每个数据点，确定残差值，该残差值测量在纯度轴上距线性拟合到整个数据集的距离。基于设备操作参数将残差数据关联到组中，并将离整体趋势线的残差的分布绘制为每个组的箱形图和须状图。根据总鞘流速(图5A)和斜沟槽宽度(图5B)对数据进行分组。由箱体中心的线所表示的中间值对于两个不同流速条件是基本相同的，而设备在沟槽较窄的情况下产生比在沟槽较大的情况下纯约5％的样本。
因此，上述示例中讨论的斜沟槽增强型细胞分拣器表示使用SAW将细胞快速分拣至高纯度水平的微流体细胞分拣器的一个实施例。这些示例中使用的设计的特征在于用于引导声波的法向分量驱动细胞运动的新颖机制。分拣器以高速率运行，接近商用FACS仪器的分拣器，并且对于回收富集样本还可以实现高纯度。斜沟槽SAW设备提供了若干线路以增强性能，因为IDT、垂直流动聚焦喷嘴和斜沟槽本身的设计的改进都可以进行调整和集成，以进一步增加整体性能。例如，调整喷嘴设计以减小细胞速度的散布可以导致分拣纯度的增加；惯性聚焦设备可以被用于对齐细胞而不需要多层喷嘴设计；或者可以采用完全无鞘的聚焦技术来完全消除对鞘通道的需要。同样，通过使用聚焦几何结构可以改进IDT设计，使得功率密度散布在更广的区域上，以减少IDT在使用过程中受损的几率。像其它微流体细胞分拣器一样，流体处理区域被封闭，并且不会由于系统中的声波而产生气溶胶；因此，分拣器可以在筛选生物危害性样本方面找到应用，而无需附加的遏制措施。目前的设计是一次性的，但为了完全消除交叉污染的风险，IDT也需要丢弃或消毒。例如，可以通过将PDMS流动通道与具有微型制造的柱子的PDMS膜结合来解决这个问题，其中微型制造的柱子将来自IDT的SAW引导至其可以使细胞偏转的流动通道中。然后，PDMS流动通道完全是一次性的，而IDT可以被保留，同时全都维持无菌操作条件。SAW细胞分拣器也适于并行化，其中多个单元格并行地一起工作，以产生具有增强的聚集性能的单个分拣器。每个SAW单元格只需要几个部件，或者压控振荡器、RF开关和RF放大器。通过组合数十个或数百个单元格，并行化仪器可以真正实现前所未有的分拣速率。而且，相同的SAW设备平台与细胞和液滴都兼容，这意味着单个仪器可以为用户提供FACS和液滴分拣能力这两者。
示例5
本示例说明了上述示例中使用的各种实验技术。
设备设计。用于IDT和微流体通道这两者的绘图均使用AutoCAD(Autodesk Inc.，圣拉斐尔，加利福尼亚州)创建。IDT设计中的指状物的间距被选择为使得谐振频率沿着换能器在161和171MHz之间线性变化。IDT任意一侧的汇流条连接到边长为1.5mm的正方形焊盘，通过这些焊盘，外部电压以最小的阻抗施加到所有IDT指状物。附加标记界定每个传感器，使得IDT可以从晶片切割成17.4毫米边长的独立正方形。该设计被蚀刻成铬掩模(Photo-Sciences Inc.，托伦斯，加利福尼亚州)，以确保实际的指状物宽度与设计值紧密匹配。微流体设备具有三层，每层使用单独的光刻掩模制造。第一层仅包含喷嘴，因为喷嘴比设备的其余部分浅。喷嘴在细胞入口区域和分拣通道这两者的下方延伸，以确保喷嘴对后续层的对准不敏感。喷嘴被设计为标称40微米长，从而减少细胞堵塞喷嘴的机会。大多数其它特征在设备的第二层上，包括用于IDT的指状物的气隙、鞘和细胞入口、分拣通道和设备出口。第三层只包含被图案化在分拣通道顶部的斜沟槽。沟槽被绘制为230微米宽，略小于整个分拣通道的宽度，从而确保即使沟槽与分拣通道略微错位，声波遇到液体的通道壁也不会变形。通道壁的变形可能以意想不到的角度折射声波。每层包含至少两组由不对称的十字图案组成的对准标记，从而使不同的层能够精确对准到相同的位置。从CAD/ArtServices Inc.(班登，俄勒冈州)订购用于各个微流体设备层的掩膜，并以25400dpi的分辨率成像。
换能器制造。叉指式换能器使用在哈佛大学纳米尺度系统中心的协议中描述的剥离过程来制造。基板是具有4英寸直径和128°Y切口的黑色铌酸锂晶片(Precision Micro-Optics，LLC，沃本，马萨诸塞州)。黑铌酸锂在SAW应用中是有效的，并且展现出较少的热电效应，从而使其更易于处理。晶片在旋涂机上用丙酮清洁，然后用异丙醇清洁，然后旋转干燥。在180℃脱水烘烤1分钟，以除去残留的水分。在180℃烘烤之前和之后立即将晶片置于115℃的热板上1分钟，从而缓解温度变化率。使用一次性滴管将抗蚀剂分配到晶片上。将一层LOR3A抗蚀剂(MicroChem，韦斯特伯鲁，马萨诸塞州)添加到晶片表面；然后，以4000rpm旋转晶片以形成300nm厚的层。使用与脱水烘烤相同的升温方法将抗蚀剂在180℃下烘烤4分钟。添加一层Shipley 1805(MicroChem，韦斯特伯鲁，马萨诸塞州)并以4000rpm旋转。这层在115℃下烘烤1分钟。在掩模对准器(MJB4，Karl Suss，加尔兴，德国)上使用IDT铬掩模对光致抗蚀剂进行图案化。通过将晶片浸入CD-26显影剂(Microposit，奥斯丁，得克萨斯州)中75秒以形成用于电子束沉积的阴影掩模来显影该图案。晶片用水冲洗干净并用氮气吹干。使用氧等离子体清洁器(SCE106，Anatech，联合市，加利福尼亚州)用75W的RF功率和40sccm的氧气流速清洁晶片的暴露表面20秒。使用电子束蒸发器(Denton Vacuum LLC，莫里斯敦，新泽西州)沉积10nm的钛作为粘合层，然后沉积50nm的金，以在晶片表面上形成电极。然后通过在80℃下将晶片浸泡在Remover-PG(MicroChem，韦斯特伯鲁，马萨诸塞州)中约60分钟来剥离光致抗蚀剂。加入一层Shipley 1813，并在115℃下烘烤1分钟以形成保护层。使用切割锯(Disco DAD321，东京，日本)对图案化的基板进行刻痕，以在铌酸锂中形成深度为250微米的切口。晶圆沿刻痕线干净地分裂，从而每个晶片产生多达21个设备。在使用前用丙酮清洗IDT以除去保护层。
软光刻。执行多层光刻以创建用于PDMS复制品的模具。按照用于SU-83025抗蚀剂(MicroChem，韦斯特伯鲁，马萨诸塞州)的制造商数据表中推荐的方法处理各层。对于每层，将少量的抗蚀剂分配到晶片上。晶片以3000rpm旋转，以产生25微米厚的抗蚀剂层。每层在95℃下预烘烤共12分钟，在烘烤时间过去一半后在热板上旋转晶片。然后将该层与任何底层特征对准，并使用掩模对准器(ABM，斯科茨谷，加利福尼亚州)曝光新的特征。然后将抗蚀剂在65℃下烘烤1分钟，在95℃下烘烤5分钟。在这个时候，可以在先前的层上添加附加的层。一旦所有层都曝光并完成所有烘烤步骤，就通过使用定轨摇床(Roto Mix 8x8，ThermoFisher，沃尔瑟姆，马萨诸塞州)搅拌显影剂，将晶片浸入聚乙二醇单甲基醚乙酸酯中5分钟以对特征进行显影。在显影之后，晶片用异丙醇冲洗并用氮气吹干。晶片现在被用作用于在PDMS中创建复制品的模具。使用Thinky混合器(AR-100，Thinky Corporation，东京，日本)将PDMS(Sylgard 184，Dow-Corning，米德兰，密歇根州)基料和交联剂以10:1的比例混合。混合器在混合模式下运行30秒并且在脱气模式下再运行30秒。将模具放入塑料培养皿中，将未固化的PDMS倒在上面。将PDMS脱气10分钟，然后将盘放入65℃的烘箱中过夜。一旦PDMS固化，就用手术刀切割晶片的边缘，并将PDMS复制品从模具中取出。每个PDMS复制品包含16个独立的设备；复制品在使用之前被切割成单独的流动通道。利用活检穿孔器(UniCore，GEHealthcare Life Sciences，匹兹堡，宾夕法尼亚州)创建界面孔。入口采用0.75mm直径的孔，出口采用1.5mm直径的孔。一旦形成界面孔，就可以将单独的PDMS流动通道安装到样本支架中。
分拣装置。分拣装置的显微镜主体由模块化的光学部件构建。荧光由具有100mW输出的473nm激光器(Laserglow Technologies，多伦多，安大略省)激发。激光束通过扩束器(BE-05-10-A，Thorlabs Inc.，牛顿市，新泽西州)扩展，并且被转向到显微镜的主体中。激发光从激发二色性部件(FF495-Di03-25x36，Semrock，Inc.，水牛城，纽约州)反射并穿过目标。圆柱形消色差镜(ACY254-200-A，Thorlabs Inc.，牛顿市，新泽西州)将光束的一个轴线聚焦在显微镜物镜(尼康10X/0.45NA)的后孔径中的线上。物镜将激发光聚焦在显微镜的焦平面的线上，并从样本中收集所得到的任何荧光发射。所发射的荧光通过激发二色性部件，但从荧光二色性部件(FF605-Di01-25x36，Semrock，Inc.，水牛城，纽约州)反射；荧光通过彩色玻璃长通滤光片(FGL495，Thorlabs Inc.，牛顿市，新泽西州)和电介质带通滤光片(FF01-520/44-25，Semrock Inc.，水牛城，纽约州)，照射光电倍增管(H10723-20，Hamamatsu Photonics KK，滨松，日本)的光电阴极，而光的噪声源被滤光片衰减。使用红外发光二极管照亮显微镜的视场。红外光穿过显微镜的二色滤光片，并从转向镜(CM1-PO1，Thorlabs Inc.)反射。通过管透镜(AC254-100-B-ML，Thorlabs Inc.)将红外图像聚焦到快速相机(HiSpecl，Fastec Imaging，圣迭戈，加利福尼亚州)的传感器上，以允许以高速记录分拣过程的视频。Leica手动级通过提供相对于光学系统的样本位置的微调来完成显微。
实时分析经过通道的细胞的荧光，并将RF脉冲施加到换能器，以便以最小等待时间分拣期望的细胞。光电倍增管模块测量可接受的波长范围内的光强度并生成与入射光强度成比例的电压。通过数据采集卡(PCIe-7842R，National Instruments Corp.，奥斯丁，得克萨斯州)对这个电压进行数字化并使用板上现场可编程门阵列实时进行分析，以提取荧光峰的细节并生成针对期望的峰的分拣脉冲。仪器设置和仪器性能的图在相关PC上被读出。在这里，分拣脉冲是5V信号，被用于通过其脉冲调制输入来调制波形发生器(SMB 100A，Rohde&Schwarz，慕尼黑，德国)的输出。使用高增益RF放大器(LZY-22+，Mini-Circuits，布鲁克林，纽约州)增强波形发生器的输出。放大的RF信号驱动IDT生成SAW。
定制的样本支架支撑沟槽增强设备。使用MMCX公卡边缘连接器将印刷电路板(PCB)连接到RF放大器。通过使用M3螺丝将PCB固定在机械底板上来保持PCB。当安装在板上的弹簧针被压到与换能器表面上的金属焊盘接触时，从PCB到IDT的电连接被创建。将丙烯酸垫片铣削至3.7mm并进行激光切割以匹配安装孔，以确保引脚施加足够的力将IDT固定到位，并保持一致的电气接触，但力不致大到使基板在应力下破裂。使用机械力将每个PDMS设备结合到基板。PDMS复制品包含设备的流动通道的三个侧面，而铌酸锂基板形成流动通道的底部。激光切割6mm的丙烯酸片材，以允许流体连接穿过片材。丙烯酸树脂使用M2螺钉将PDMS压到基板上，以将丙烯酸树脂层耦合到底板上。一旦组装好，整个样本架就可以放入显微镜载物台中。
表征实验。在每天的实验之前收集Madin Darby犬肾(MDCK)和人慢性骨髓性白血病(K-562，ATCC，马纳萨斯，弗吉尼亚州)细胞。MDCK具有荧光核，已经用融合到核定位序列的绿色荧光蛋白稳定转染，而K-562细胞通过将钙黄绿素AM(Life Technologies，格兰德岛，纽约州)添加到细胞悬液中染色，浓度为1微摩尔并将悬浮液在37℃下培养20分钟。将细胞以每毫升5至10百万个细胞重悬于注射缓冲液中。注射缓冲液为18％的Optiprep(D1556，Sigma-Aldrich Co.LLC，圣路易，密苏里州)，6U/ml DNAse I(New England Biolabs Inc.，伊普威奇，马萨诸塞州)，3微摩尔氯化镁和1X磷酸盐缓冲溶液。
除非另有说明，否则测试条件适用于具有120微米宽并且其长轴相对于整个流动方向倾斜60°的斜沟槽的设备。使用1X磷酸盐缓冲盐水(PBS，P3813，Sigma-AldrichCo.LLC，圣路易，密苏里州)鞘。总鞘流速典型地为45ml/h，来自鞘入口的四分之一的流接近废物通道，并且来自鞘入口的四分之三的流接近设备的保留侧。细胞相流速为0.5ml/h。RF脉冲的频率通常保持恒定在163.1MHz，但是当沟槽宽度改变时，频率变化，以确保SAW致动与沟槽对准。在测试用于每种不同条件下的分拣性能之前，进行对照实验，以确保当仪器被触发但未施加声波时细胞不被分拣。每个表征实验一次只改变标准条件的一个要素，并且每个条件在三个独立的实验日进行测试。如前面所提到的，分析各个分拣事件的快速影片，以确定细胞是否成功偏转穿过分拣通道进入保留出口。
分拣实验。如对于表征实验所详述的，在进行实验之前从培养物中收获K-562细胞。为了创建细胞参考库，仔细混合细胞样本并收集10％体积的细胞悬浮液。将这一部分细胞用1微摩尔的钙黄绿素AM在37℃下染色20分钟，而剩余的细胞保持不染色。然后将两部分组合，并将细胞以目标细胞密度重悬于注射缓冲液中。
使用斜沟槽分拣设备分拣细胞。使用标准喷嘴几何形状以及在164.1MHz具有38.26dBm瞬时功率和100微秒持续时间的RF脉冲。细胞悬液的流速保持恒定在0.5ml/h。该设备采用一系列细胞密度进行操作，以创建不同事件率的测试。在整个细胞密度范围内，测量来自两种不同鞘流速(45ml/h和60ml/h)下操作的设备的纯度，并且在相同的分拣条件下使用两种不同的槽宽度(40微米和80微米)。在这里，鞘流动也是1X PBS。通过分拣仪器测量荧光事件的实际速率，并通过将其除以初始参考库的测量纯度来获得预计总事件率。用于分拣的阈值被设置为确保：通过忽略荧光的下限和上限，仅当预期在通道中仅存在单个荧光细胞时施加脉冲。此外，当分拣率高时，分拣阈值进一步受限，将分拣率设置为低于500个事件/秒，从而减少IDT将被无法修复地损坏的可能性。但是，这个限制有些随意地设置。
使用共聚焦显微镜(SP5，Leica Microsystems Inc.，布法罗格罗夫，伊利诺伊州)测量从保留出口回收的细胞的荧光。除了使用钙黄绿素来测量回收样本中标记细胞的比例外，还以500nM的最终浓度添加DRAQ5(Life Technologies，格兰德岛，纽约州)，以标记存在于每个样本中的所有细胞的DNA。为了测量分拣之后的细胞生活力，将乙锭同型二聚体(Life Technologies，格兰德岛，纽约州)加至2微摩尔最终浓度，并将细胞在37℃下培养20分钟。使用定制的Matlab(The Mathworks，Inc.，纳蒂克，马萨诸塞州)脚本分析图像，以检测三个单独的荧光通道中的荧光。通过确定用钙黄绿素标记的细胞与细胞总数的比率来确定分拣部分的纯度，并且确定生活力作为死细胞与总细胞的比例的补充。
虽然本文已经描述和说明了本发明的几个实施例，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能和/或获得结果和/或本文描述的一个或多个优点的各种其它手段和/或结构，并且这些变化和/或修改均被认为是在本发明的范围内。更一般而言，本领域技术人员将容易认识到的是，本文描述的所有参数、维度、材料和配置意在是示例性的，并且实际的参数、维度、材料和/或配置将取决于使用本发明教导的一个或多个具体应用。本领域技术人员将认识到或仅仅使用常规实验就能够确定本文描述的本发明的具体实施例的许多等同物。因此，应当理解的是，前述实施例仅作为示例给出，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，本发明可以以与具体描述和要求保护的方式不同的方式实践。本发明针对本文描述的每个单独特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。此外，如果两个或更多个特征、系统、制品、材料、套件和/或方法不相互不一致，那么这些特征、系统、制品、材料、套件和/或方法的任意组合都包括在本发明的范围内。
如本文所定义和使用的，所有定义都应当被理解为支配字典定义、通过引用并入的文献中的定义和/或所定义术语的普通含义。
除非有明确的相反指示，否则如本文在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一”和“一个”应当理解为意指“至少一个”。
如本文在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应当理解为意指如此结合的元素的“任一者或两者”，即，在一些情况下联合存在并且在其它情况下分开存在的元素。用“和/或”列出的多个元素应当以相同的方式解释，即，如此连接的元素中的“一个或多个”。除了由“和/或”子句具体标识的元素之外，其它元素可以可选地存在，不管与具体标识的那些元素相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，当与开放式语言(诸如“包括”)结合使用时，对“A和/或B”的引用在一个实施例中可以仅指A(可选地包括除B以外的元素)，在另一个实施例中仅指B(可选地包括除A以外的元素)，在又一个实施例中指A和B两者(可选地包括其它元素)等等。
如本文在说明书和权利要求中所使用的，“或”应当被理解为具有与以上定义的“和/或”相同的含义。例如，当分离列表中的项时，“或”或“和/或”应当被解释为包含性的，即，包括多个元素或元素列表中的至少一个元素，但也包括多于一个元素，以及可选的其它未列出的项。只有清楚地指示相反的术语(诸如“仅一个”或“恰好一个”，或者当在权利要求中使用时，“由......组成”)将指包括多个元素或元素列表中的恰好一个元素。一般而言，如本文所使用的术语“或”仅当前面有排他性术语(诸如“任一个”、“之一”、“仅一个”或“恰好一个”)时才被解释为指示排他性替代(即，“一个或另一个，但不是两个”)。当在权利要求书中使用时，“基本上由......组成”应当具有其在专利法领域中使用的普通含义。
如本文在说明书和权利要求书中所使用的，关于一个或多个元素的列表的短语“至少一个”应当被理解为意指选自元素列表中的任何一个或多个元素中的至少一个元素，但不一定包括在元素列表内具体列出的每个元素中的至少一个，并且不排除元素列表中的元素的任意组合。这个定义还允许，除在短语“至少一个”所指的元素列表内具体标识的元素之外，元素可以可选地存在，不管与具体标识的那些元素相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或者等同地，“A或B中的至少一个”，或者等同地，“A和/或B中的至少一个”)可以在一个实施例中指至少一个(可选地包括多于一个)A，而不存在B(并且可选地包括除B以外的元素)；在另一个实施例中指至少一个(可选地包括多于一个)B，而不存在A(并且可选地包括除A以外的元素)；在又一个实施例中指至少一个(可选地包括多于一个)A，以及至少一个(可选地包括多于一个)B(并且可选地包括其它元素)等等。
当本文中关于数字使用词“约”时，应当理解的是，本发明的另一个实施例包括不被词“约”的存在修改的数字。
还应当理解的是，除非清楚地指示为相反，否则在本文要求保护的包括多于一个步骤或动作的任何方法中，方法的步骤或动作的次序都不一定限于方法的步骤或动作被叙述的次序。
在权利要求书以及以上说明书中，所有过渡性短语(诸如“包括”、“携带”、“具有”、“包含”、“涉及”、“保持”、“由......构成(composed of)”等)都应当被理解为是开放式的，即，意味着包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，只有过渡性短语“由......组成”和“基本上由......组成”才分别是封闭式或半封闭式过渡性短语。

Claims (42)

1.一种装置，包括：
微流体通道，具有被限定在第一表面中的沟槽，沟槽的截面维度的尺寸设计为允许细胞适合在沟槽内；以及
声波发生器，被定位为贴近微流体通道的第二表面，第二表面与第一表面相邻，
其中由声波发生器生成的声波施加于微流体通道的第二表面，
其中所述沟槽是斜的，
其中，垂直的流动聚焦喷嘴与斜的沟槽配对并且流动聚焦喷嘴被定位为偏离微流体通道的中线，
其中，斜的沟槽定位在分拣通道上方，
其中，在施加表面声波脉冲时，斜的沟槽允许感兴趣的细胞偏转，并且
其中微流体通道包括入口和第一出口，并且沟槽将细胞引导至第二出口。
2.如权利要求1所述的装置，其中沟槽相对于微流体通道以非零角度被定位。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中沟槽由与微流体通道的第一表面不平行且不垂直的至少一个壁限定。
4.如权利要求1所述的装置，其中沟槽具有至少20微米的截面维度。
5.如权利要求1所述的装置，其中沟槽具有至少25微米的截面维度。
6.如权利要求1所述的装置，其中沟槽具有至少30微米的截面维度。
7.如权利要求1所述的装置，其中沟槽的截面维度小于与该沟槽相邻的微流体通道的截面维度。
8.如权利要求1所述的装置，其中声波发生器包括一个或多个叉指式换能器。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述一个或多个叉指式换能器中的至少一个叉指式换能器具有在20微米和30微米之间的指状物间隔。
10.如权利要求8或9所述的装置，其中所述一个或多个叉指式换能器中的至少一个叉指式换能器是锥形的叉指式换能器。
11.如权利要求8所述的装置，其中所述一个或多个叉指式换能器中的至少一个叉指式换能器包括互相交叉的第一电极和第二电极。
12.如权利要求1所述的装置，其中微流体通道被限定在压电基板中。
13.如权利要求12所述的装置，其中压电基板包括LiNbO3。
14.如权利要求1所述的装置，其中微流体通道被限定在聚合物中。
15.如权利要求14所述的装置，其中聚合物包括聚二甲基硅氧烷。
16.如权利要求1所述的装置，其中微流体通道具有小于1mm的截面维度。
17.一种装置，包括：
微流体通道，具有被限定在第一表面中的沟槽，沟槽具有至少30微米的截面维度；以及
声波发生器，被定位为贴近微流体通道的第二表面，第二表面与第一表面相邻，
其中由声波发生器生成的声波施加于微流体通道的第二表面，
其中所述沟槽是斜的，
其中，垂直的流动聚焦喷嘴与斜的沟槽配对并且流动聚焦喷嘴被定位为偏离微流体通道的中线，
其中，斜的沟槽定位在分拣通道上方，
其中，在施加表面声波脉冲时，斜的沟槽允许感兴趣的细胞偏转，并且
其中微流体通道包括入口和第一出口，并且沟槽将细胞引导至第二出口。
18.一种分拣方法，包括：
使流体中包含的物种在具有第一出口和第二出口的微流体通道内流动；以及
施加声波到微流体通道的表面以通过使用微流体通道中的斜沟槽将流体引导至第二出口使物种偏转进入第二出口，其中在没有声波的情况下，物种进入第一出口，
使用声波发生器来施加声波，以使微流体通道内的物种在具有由来自声波发生器的声波的传播定义的轴向分量和与该轴向分量基本正交地定义的横向分量的方向上偏转，其中横向分量大于轴向分量，
其中，垂直的流动聚焦喷嘴与斜的沟槽配对并且流动聚焦喷嘴被定位为偏离微流体通道的中线，
其中，斜的沟槽定位在分拣通道上方，并且
其中，在施加表面声波脉冲时，斜的沟槽允许物种偏转。
19.如权利要求18所述的方法，其中物种是粒子。
20.如权利要求18所述的方法，其中物种是细胞。
21.如权利要求18-20中任一项所述的方法，其中横向分量是轴向分量的至少2倍大。
22.如权利要求18所述的方法，其中横向分量是轴向分量的至少3倍大。
23.如权利要求18所述的方法，其中横向分量是轴向分量的至少10倍大。
24.如权利要求18所述的方法，其中横向分量是轴向分量的至少30倍大。
25.如权利要求18所述的方法，其中横向分量是轴向分量的至少100倍大。
26.如权利要求18所述的方法，其中沟槽具有至少20微米的截面维度。
27.如权利要求18所述的方法，其中沟槽具有至少25微米的截面维度。
28.如权利要求18所述的方法，其中沟槽具有至少30微米的截面维度。
29.如权利要求18所述的方法，其中沟槽的截面维度小于与沟槽相邻的微流体通道的平行截面维度。
30.如权利要求18所述的方法，其中物种具有不超过1mm的平均直径。
31.如权利要求18所述的方法，其中物种具有不超过100微米的平均直径。
32.如权利要求18所述的方法，其中物种具有不超过30微米的平均直径。
33.如权利要求18所述的方法，其中物种具有不超过25微米的平均直径。
34.如权利要求18所述的方法，其中流体是含水的。
35.如权利要求18所述的方法，其中声波是表面声波。
36.如权利要求18所述的方法，其中声波具有至少3dBm的功率。
37.如权利要求18所述的方法，其中声波具有至少6dBm的功率。
38.如权利要求18所述的方法，其中声波具有至少15dBm的功率。
39.如权利要求18所述的方法，其中声波具有在130MHz和160MHz之间的平均频率。
40.如权利要求18所述的方法，其中声波具有在140MHz和150MHz之间的平均频率。
41.如权利要求18所述的方法，其中与微流体通道内物种的流动方向基本正交地施加声波。
42.如权利要求18所述的方法，其中声波发生器包括一个或多个叉指式换能器。
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