CN110366451B - 颗粒分离 - Google Patents

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Abstract

流体夹带颗粒分离器可包括用于引导流体夹带的颗粒的入口通道、从入口通道分支出来的第一分离通道、从入口通道分支出来的第二分离通道、和用于产生作用在颗粒上的介电泳力的电场来将颗粒引导到第一分离通道或第二分离通道的电极，其中第一分离通道、第二分离通道、电场、和介电泳力在平面中延伸。

Description

颗粒分离
背景技术
颗粒的分离在各行各业中进行。例如，在生物学和医学中，稀有细胞通常从患者的血液中分离出来以进行诊断。诸如稀有血细胞的颗粒的分离面临着许多挑战。
附图说明
图1是示例性流体夹带颗粒分离器的一部分的示意图；
图2是用于分离流体夹带颗粒的示例性方法的流程图；
图3是另一示例性流体夹带颗粒分离器的一部分的示意图；
图4是又一示例性流体夹带颗粒分离器的一部分的示意图；
图5是再一示例性流体夹带颗粒分离器的一部分的示意图；
图6是沿线6-6截取的图5的流体夹带颗粒分离器的剖视图；
图7是沿线7-7截取的图5的流体夹带颗粒分离器的剖视图；
图8是另一示例性流体夹带颗粒分离器的一部分的示意图；
图9是沿线9-9截取的图8的流体夹带颗粒分离器的剖视图；
图10是沿线10-10截取的图8的流体夹带颗粒分离器的剖视图；
图11是沿图8的线11-11截取的另一示例性流体夹带颗粒分离器的剖视图；
图12是沿着图8的线12-12截取的图11的流体夹带颗粒分离器的剖视图；
图13是又一个示例性的流体夹带颗粒分离器的一部分的示意图；
图14是沿线14-14截取的图13的流体夹带颗粒分离器的剖视图；
图15是沿线15-15截取的图13的流体夹带颗粒分离器的剖视图；
图16是用于形成流体夹带颗粒分离器的示例性方法的流程图；
图17是另一示例性的流体夹带颗粒分离器的部分的顶部透视图；
图18是图17的流体夹带颗粒分离器的顶视图；
图19是示出在图18的流体夹带颗粒分离器的部分中产生的介电泳力的图；
图20是示意性地示出另一示例性流体夹带颗粒分离器的顶视图；
图21是示意性地示出又一示例性流体夹带颗粒分离器的顶视图。
在整个附图中，相同的附图标记指定相似但不一定相同的元件。附图不一定按比例绘制，并且可增大某些部分的尺寸以更清楚地说明所示出的示例。此外，附图提供了与说明书一致的示例和/或实施方式；然而，说明书不限于附图中提供的示例和/或实施方式。
具体实施方式
本文公开了一种基于颗粒相对于彼此和/或周围介质的尺寸和电极化率来分离颗粒(例如生物细胞)的示例性颗粒分离器。颗粒极化特性是所施加的电场频率的函数。由于电场频率可很容易地修改，因此这种颗粒分离器高度地适应于和应用于各种范围的颗粒和应用。
本文公开的示例性颗粒分离器具有有利于均匀力场的几何形状和架构。结果是提高了颗粒分离的再现性和可靠性。所公开的颗粒分离器可以进一步使流内的颗粒定位在所生成的流体动力场内可预测的位置。结果是颗粒可再现地且可靠地分离并且被引导到两个不同的区域或两个不同的分离通道，以获得一致的结果。
本文公开的示例性的流体夹带颗粒分离器使用介电泳力来促进不同颗粒的分离。被分离的流体颗粒被夹带在被引导通过入口通道的流体中。电极创建电场，该电场在颗粒上施加介电泳力以将颗粒从入口通道引导到不同的分离通道。
在一些实施方式中，利用颗粒聚集器在分离之前在入口通道内将被夹带在流体中的颗粒聚集成层流。在一个实施方式中，颗粒聚集器可以包括流体动力聚集器，其利用缓冲溶液的第一和第二鞘流，所述第一和第二鞘流将包含颗粒的溶液夹在中间以提供这样的层流。在其他实施方式中，可采用其他颗粒聚集器，例如自由流负介电电泳颗粒聚集器和自由流等速电泳颗粒聚集器。
在一个实施方式中，分离通道和电极被定位和定向，使得由电极产生的电场和所导致的介电泳力与分离通道在单一平面中延伸。因为分离通道、电场、和介电泳力在单一平面中延伸，所以颗粒的分离更可预测且更不混乱，从而产生更可靠的结果。
本文公开了一种示例性流体夹带颗粒分离器，其可包括用于引导流体中夹带的颗粒的入口通道，从入口通道分支出来的第一分离通道，从入口通道分支出来的第二分离通道和用于创建在颗粒上施加介电泳力的电场的电极。介电泳力将颗粒引导至第一分离通道或第二分离通道。第一分离通道、第二分离通道、电场和介电泳力在一个平面中延伸。
本文公开了一种用于分离夹带在流体中的颗粒的示例性方法。该方法可包括引导夹带在流中的颗粒通过入口通道。该方法可进一步包括向该流施加在一个平面中的电场以在颗粒上施加该平面中的介电泳力，从而将该流中的颗粒的第一子集转移到在该平面中延伸的第一分离通道并将该流中颗粒的第二子集转移到在该平面中延伸的第二分离通道。
本文公开了一种用于形成流体夹带颗粒分离器的示例性方法。该方法可包括形成入口通道、从入口通道分支出来的第一分离通道、和从入口通道分支出来的第二分离通道。在第一分离通道和第二分离通道的侧表面上形成电极。电极在彼此相对的侧表面上被电隔离。
图1是示出了一种示例性流体夹带颗粒分离器20的一些部分的示意图。分离器20包括入口通道24，分离通道26，分离通道36，和电极40A，40B和40C(统称为电极40)。入口通道24包括沟道，例如微流体沟道，其引导包含待分离颗粒的溶液。
分离通道26和36包括沟道，例如从入口通道24延伸并从入口通道24分支出来的微流体通道。分离通道26，36通向不同的、在那里可收集和分析所分离的颗粒或细胞的目的地。在一些实施方式中，被引导到分离通道26或被引导到分离通道36的颗粒可以在下游进行进一步分离。在所示出的示例中，分离通道26，36在单一平面中延伸，例如单一水平平面。在一些实施方式中，分离通道26，36与入口通道24在相同的平面中延伸。虽然通道26，36示出为以135°的角度从入口通道24分支出来，但是应当理解，通道26和36可以从入口通道24以其他角度延伸。
提供电极40以创建跨通道24，26和36的电场。电极40在单一平面中延伸，使得它们产生在与通道24，26和36的平面相同的平面中延伸的电场。因为分离通道、电场、和介电泳力在单一平面中延伸，所以颗粒的分离更可预测且更不混乱，从而产生更可靠的结果。
在所示出的示例中，电极40A沿通道24和26延伸。电极40B沿通道24和36延伸。电极40C沿通道26和36延伸。应当理解，每个电极40可以是连续电极，或者可以由连接到地或到电流源(例如交流频率电流源)的多个单独元件形成。
在一个实施方式中，电极40A和40B被分隔开跨入口通道24的距离，是待分离的目标颗粒的直径的至少10倍的距离。同样地，电极40A和40C以及电极40B和40C也分别被分隔开跨分离通道26和36的距离，是被分离的目标颗粒直径的至少10倍的距离。这种分隔降低了全局电场不会因颗粒的存在而显著扭曲的可能性，从而对流中的所有颗粒进行类似的分离。
图2是一种用于分离流体夹带颗粒的示例性方法100的流程图。方法100以更可预测和更不混乱的方式提供颗粒分离，从而产生更可靠的结果。虽然方法100被描述为用分离器20进行，但是应当理解，方法100可以用下面描述的任何分离器或其他类似的颗粒分离器来进行。
如方框106所示，待分离的颗粒被夹带在流中并且被引导通过入口通道24。这些颗粒可以与其他颗粒混合。例如，待分离的某些目标颗粒，例如稀有生物细胞，可以与其他生物细胞或其他颗粒混合。如将在下文所描述的，在一些实施方式中，颗粒可在分离之前在入口通道24之前或之内被聚集。在一个实施方式中，颗粒可以被聚集成穿过入口通道24的层流。在一个实施方式中，颗粒可以用流体动力学聚集器进行聚集，所述流体动力聚集器将流体夹带颗粒夹在至少一种缓冲溶液的片流之间。在其他实施方式中，流体夹带颗粒可以以其他方式进行聚集。
如方框108所示，电极40将在一个平面中的电场施加到流体夹带颗粒的流。在一个实施方式中，将预定频率的交流电施加到电极40。在一个实施方式中，施加到电极40的交流电流的频率在20kHz和200kHz之间，通常为60kHz。电场在颗粒上施加在一个平面中的介电泳力，该平面是入口通道24和分离通道26，36在其中延伸的同一平面和电场在其中延伸的同一平面。颗粒基于它们对介电泳力的不同响应(作为它们尺寸和电极化率差异的结果)而分离。介电泳力将该流中的颗粒的第一子集转移到在该平面中延伸的第一分离通道26中，并将该流中的颗粒的第二子集转移到在该平面中延伸的第二分离通道36中。
图3是另一种示例性流体夹带颗粒分离器220的示意图。除了分离器220另外还包括颗粒聚集器222外，分离器220类似于上述分离器20。分离器220的中对应于分离器20的组件的那些剩余组件被类似地标号。
颗粒聚集器222在分离之前在入口通道24之前或之内将流体夹带的颗粒聚集。在一个实施方式中，聚集器222将颗粒聚集成通过入口通道24的层流。在一个实施方式中，聚集器222包括流体动力学聚集器，其将流体夹带的颗粒夹在至少一种缓冲溶液的鞘流(sheath flow)之间。在其他实施方式中，聚集器222可以包括其他颗粒聚集器，例如自由流负介电电泳颗粒聚集器或自由流动等速电泳颗粒聚集器。在其他实施方式中，流体夹带颗粒可以以其他方式进行聚集。包含待分离颗粒的流体的聚集增强了分离器220的分离性能。然而，在一些实施方式中，可以省略这种颗粒聚集。
图4是又一种示例性的流体夹带颗粒聚集器320的示意图。除了分离通道26，36包括主分离通道以及颗粒聚集器320另外还包括副分离通道328，329，338，339和电极340A，340B(统称为电极340)之外，颗粒聚集器320类似于聚集器220。聚集器320中对应于聚集器220的组件的那些剩余组件被类似地标号。
副分离通道328，329包括沟道，例如从主分离通道26延伸和分支出来的微流体沟道。分离通道328，329通向不同的目的地，在该目的地处可收集和分析分离的颗粒或细胞。在所示出的示例中，分离通道328，329在单一平面中延伸，例如单一水平平面。在一些实施方式中，分离通道328，329与分离通道26在相同的平面中延伸。虽然通道328，329被示出为以135°的角度从分离通道26分支出来，但是应当理解，通道328，329可以从分离通道26以其他角度延伸。
副分离通道338，339包括从主分离通道28延伸和分支出来的沟道，例如微流体沟道。分离通道338，339通向不同的目的地，在这些目的地可收集和分析分离的颗粒或细胞。在所示出的示例中，分离通道338，339在单一平面中延伸，例如单一水平平面。在一些实施方式中，分离通道338，339与分离通道28在相同的平面中延伸。尽管通道338，339被示出为以135°的角度从分离通道28分支出来，但是应当理解，通道338，339可以从分离通道28以其他角度延伸。
提供电极340以建立创建副分离通道328，329，338，339的电场。电极340在单一平面中延伸，使得它们产生的电场在与通道24，26和36以及通道328，329，338，339的平面相同的平面中延伸。因为分离通道、电场、和介电泳力在单一平面上延伸，颗粒的分离更可预测且更不混乱，从而产生更可靠的结果。
在所示出的示例中，电极340A沿通道328，329延伸。电极340B沿通道338，339延伸。电极340A与电极40A配合以建立跨副分离通道328的电场。电极340A与电极40C配合以建立跨副分离通道329的场。电极340B与电极40C配合以建立跨副分离通道338的场。电极340B与电极40B配合以建立跨副分离通道339的电场。应当理解，电极40B和40C中的每一个可以是连续电极，或者可以由连接到地或到电流源(例如交流频率电流源)的多个单独元件形成。
在一个实施方式中，电极340A和40A被分隔开跨副分离通道328的距离，是待分离的目标颗粒的直径的至少10倍的距离。同样地，电极340A和40C，电极340B和40C，以及电极340B和40B也分别被分隔开跨分离通道329，338和339的距离，是一个或多个目标颗粒直径的至少10倍的距离。这种分隔降低了全局电场不会因颗粒的存在而显著扭曲的可能性，从而对流中的所有颗粒进行类似的分离。
颗粒聚集器320执行多级颗粒分离。在所示出的示例中，包含待分离颗粒的流体的层流沿着入口通道24被引导。跨通道24以及通道26和28延伸的电场产生介电泳力，基于颗粒尺寸和电极性的差异，介电泳力有区别地引导不同的颗粒。不同颗粒对介电泳力的差异响应导致流体的层流分裂，第一部分颗粒沿分离通道26转向，第二部分颗粒沿分离通道28转向。此后，跨通道328和329创建的电场产生介电泳力，基于颗粒尺寸和电极性的差异，介电泳力与分离通道26内的不同颗粒有差别地相互作用，以进一步分裂分离通道26内的颗粒的流，使得第一部分沿分离通道328进一步转移，并且第二部分沿分离通道329进一步转移。
同样地，创建跨通道338和339的电场产生介电泳力，基于颗粒尺寸和电极性的差异，介电泳力差异地引导分离通道28内的不同颗粒，以进一步分裂分离通道28内的颗粒的流，使得第一部分进一步沿分离通道338转移，并且第二部分沿分离通道339进一步转移。结果是，原始的流体夹带颗粒的流被分离成四个不同的颗粒集或颗粒组。每个颗粒组具有相似的尺寸和/或电极性的颗粒。每个颗粒组具有与其他组的颗粒大小不同或具有与其他组的颗粒不同的电极性的颗粒。
图5-图7示出了再一个示例性的流体夹带颗粒分离器420。图6是沿图5中线6-6截取的分离器420的剖视图。图7是沿图5中线7-7截取的剖视图。颗粒分离器420包括衬底422，介电层423，入口通道424，主分离通道426，428，电极440A，440B和440C，颗粒222(如上所述)和覆盖层450。
衬底422包括至少一层材料，其具有在其中形成的一系列连接的分支凹槽452，分支凹槽452部分地形成通道424，426和428。在一个实施方式中，通过压印或模制形成衬底422的材料层来形成凹槽452。在另一个实施方式中，通过在形成衬底422的一层或多层材料上进行的切割、烧蚀、蚀刻、或其他材料去除工艺来形成凹槽452。在另一个实施方式中，通过在底部基层或平台上进行诸如印刷或加法制造工艺的选择性沉积来形成凹槽452。
在所示出的示例中，衬底422包括阻抗小于或不足以大于要待被引导通过这些通道424，426，428的流体颗粒的流的阻抗的材料。在一个实施方式中，衬底422包含阻抗小于10,000欧姆厘米的材料。在一个实施方式中，衬底822包含阻抗小于10,000欧姆厘米的硅材料。
介电层423包括形成在凹槽452的底和相对的侧壁上或涂覆凹槽452的底和相对的侧壁形成的一层材料。介电层423由能够使得电场穿过和跨通道424，426，428内的流体时而不穿过衬底422的材料形成，并且具有足够的厚度以达到该效果。在一个实施方式中，介电层423由具有足够介电特性的材料形成，并且其尺寸使得通过层423的路径的阻抗处于穿过通道424，426，428的流体的路径的阻抗的至少五倍的水平。在一个实施方式中，层423由具有足够介电特性的材料形成，并且其尺寸使得通过层423的路径的阻抗处于穿过通道424，426，428的流体的路径的阻抗的至少10倍的水平。在一个实施方式中，层423由具有至少10,000欧姆厘米的阻抗的材料形成。在一个实施方式中，层423由诸如氮化硅或二氧化硅的材料形成。在其他实施方式中，层423可以由具有足够阻抗的其他材料形成。
提供电极440以创建跨通道424，426和428的电场。电极440在单一平面中延伸，使得它们产生在与通道424，426和428的平面相同的平面中延伸的电场。由于分离通道、电场、和介电泳力在单一平面内延伸，因此颗粒的分离更可预测且更不混乱，从而产生更可靠的结果。
在所示出的示例中，电极440A沿通道424和426延伸。电极440B沿通道424和428延伸。电极440C沿通道426和428延伸。电极440中的每一个连接到电荷源，例如具有基于待分离的颗粒的极化特性的预定频率的交流电流源。
在一个实施方式中，电极440A和440B被分隔开跨入口通道424的距离，是待分离的目标颗粒的直径的至少10倍的距离。同样地，电极440A和440C，以及电极440B和440C也分别被分隔开跨分离通道428和426的距离，是被分离的目标颗粒的直径的至少10倍的距离。这种分隔降低了全局电场不会因颗粒的存在而显著扭曲的可能性，从而对流中的所有颗粒进行类似的分离。
在一个实施方式中，电极440形成在凹槽452的侧表面上的介电层423之上，而不在这些凹槽452的底上延伸。在一个实施方式中，使用定向溅射或成角度溅射来形成电极440，定向溅射或成角度溅射将导电材料沉积在凹槽452的侧面上的层423上，而在这种凹槽425的底上不沉积或者在这种凹槽452的底上具有最小的沉积。在其他实施方式中，形成电极440的导电材料可以沉积在凹槽452的底上的层423上，其中沉积在凹槽452的底上的层423上的导电材料被随后去除，同时在侧面留下导电材料以形成电极440。
通过形成或提供覆盖层或覆盖板450完成通道424，426和428。在这样的一个实施方式中，覆盖板450的阻抗也大于待被引导通过这些通道424，426，428的流体颗粒的流的阻抗，使得由电极440创建的电场将穿过流体颗粒的流而不是通过由覆盖板450提供的顶。在一个实施方式中，覆盖板450由具有至少10,000欧姆厘米的阻抗的材料形成。在一个实施方式中，覆盖板450由诸如玻璃，氮化硅或二氧化硅的材料形成。在其他实施方式中，覆盖板450可以由具有足够阻抗的其他材料形成。
图8-图10示出了分离器520，其是根据不同的示例性方法形成的分离器420的另一示例。图8是分离器520的顶视图。图9是沿线9-9截取的分离器520的剖视图。除了分离器520包括衬底522代替衬底422并省略了介电层523外，分离器520类似于分离器420。颗粒分离器520中对应于颗粒分离器420的组件的那些剩余组件被类似地标号。
衬底522类似于衬底422，也是在衬底522中形成有凹槽452，凹槽452限定通道424，426和428。然而，与衬底422不同，衬底522由具有足够介电特性的材料形成，并且其尺寸设计成使得通过衬底522的路径的阻抗处于穿过通道424，426和428的流体的路径的阻抗的至少五倍的水平。在一个实施方式中，衬底522由具有足够介电特性的材料形成，并且其尺寸设计成使得通过衬底522的路径的阻抗处于穿过通道424，426和428的流体的路径的阻抗的至少10倍的水平。在一个实施方式中，衬底522由具有至少10,000欧姆厘米的阻抗的材料形成。在一个实施方式中，衬底522由诸如氮化硅，二氧化硅或玻璃的材料形成。在其他实施方式中，衬底522可以由具有足够阻抗的其他材料形成。由于衬底522提供的高阻抗，省略了介电层423，其中电极440沿着凹槽452的侧面直接形成在衬底522的材料上。在一个实施方式中，使用定向溅射或成角度溅射来形成电极440，定向溅射或成角度溅射将导电材料沉积在通道424，426和428的侧面上，而在这些通道的底上没有沉积或者在底上具有最小的沉积。在其他实施方式中，形成电极440的导电材料可以沉积在通道424，426和428的底上，其中这些通道的底上的材料随后被去除。通过形成或提供如上所述的覆盖层或覆盖板450来完成通道424，426和428。
图8，图11和图12示出了另一个示例性流体夹带颗粒分离器620。图11是沿线11-11截取的分离器620的剖视图。图12是沿12-12线的剖视图。除了分离器620包括衬底622并且另外还包括底层650外，分离器620类似于上述分离器520。分离器620中对应于分离器520的组件的那些剩余组件被类似地标号。
除了不是具有延伸到衬底622中并且至少部分地限定通道424，426和428的凹槽452之外，衬底622类似于衬底522，衬底622具有一系列连接的并且分支、完全穿过衬底622延伸的贯通槽623。在一个实施方式中，通过在衬底622上执行的诸如蚀刻、烧蚀、或切割的材料去除工艺穿过衬底622来形成贯通槽623。在其他实施方式中，狭槽623可以在衬底622的模制或加法制造/印刷期间形成。因为衬底622不形成通道424，426和428的底，所以衬底622由阻抗小于衬底522的阻抗的更多种类或范围的材料形成。
底层650包括与覆盖层450相对的、连结到衬底622的层或板。与覆盖层450一样，底层650的阻抗大于要被引导通过这些通道424，426，428的流体颗粒流的阻抗，使得由电极440产生的电场将穿过流体颗粒的流而不通过底层650提供的底。在一个实施方式中，底层650由具有至少10,000欧姆厘米的阻抗的材料形成。在一个实施方式中，底层650由诸如玻璃，氮化硅或二氧化硅的材料形成。在其他实施方式中，地板层650可以由具有足够阻抗的其他材料形成。
在一个实施方式中，在已经穿过衬底622形成沟道424，426和428之后并且在已经沿着槽623的侧面形成电极440之后，将底层650层压或以其他方式结合到衬底622。在其他实施方式中，在衬底622内形成槽623之前，在衬底层650上形成衬底622。通过形成或提供如上所述的覆盖层或覆盖板450来完成通道424，426和428。
图13-图15示出了又一个示例性流体夹带颗粒分离器720。除了分离器720包括还形成电极440的衬底722外，分离器720类似于分离器620。图13是分离器720的顶视图。图14是沿图13的线14-14截取的分离器720的一个实例的剖视图。图15是沿图13中15-15线截取的剖视图。在图13-图15所示的示例中，通道424，426和428由完全穿过衬底722延伸的沟道形成，其中衬底722包括还形成电极440的导电材料膜或层。如图13所示，不同的电极440被衬底722中的间隙或开口725彼此分隔开，衬底722中的间隙或开口725被填充有诸如氮化硅的非导电或绝缘材料727。在其他实施方式中，不同电极440可以通过没有材料的这种间隙或开口725彼此分离。覆盖层450和底层650(如上所述)将衬底722夹在其之间以形成通道424，426和428。
图16是另一种用于形成流体夹带颗粒分离器的示例方法800的流程图。如方框802所指示的，形成入口通道、从入口通道分支出来的第一分离通道、和从入口通道分支出来的第二分离通道。如方框804所指示的，沿第一分离通道和第二分离通道的侧表面形成电极。如方框806所指示的，将在第一分离通道和第二分离通道的相对侧表面上的电极彼此电隔离。方法800可用于形成上述任何颗粒分离器420，520，620和720。
图17和图18示出了另一个示例性流体夹带颗粒分离器820。图17是颗粒分离器820的顶部透视图。图18是颗粒分离器820的顶视图。颗粒分离器820包括衬底822，介电层823，涉及底的入口通道，主分离通道826，828，副分离通道836，838，电极840A，840B和840C，颗粒聚集器844和覆盖层850。衬底822包括至少一层材料，其具有在其中形成的一系列连接的分支凹槽852，分支凹槽852部分地形成通道824，826，828，836和838。在一个实施方式中，通过压印或模制形成衬底822的一层材料来形成凹槽852。在另一个实施方式中，通过在形成衬底822的一层或多层材料上进行的切割、烧蚀、蚀刻、或其他材料去除工艺来形成凹槽852。在另一个实施方式中，通过在底部基层或平台上进行诸如印刷或加法制造工艺的选择性沉积来形成凹槽852。
在所示出的示例中，衬底822包括阻抗小于或不足以大于待引导通过这些通道24，26，28的流体颗粒的流的阻抗的材料。在一个实施方式中，衬底822包含阻抗小于10,000欧姆厘米的材料。在一个实施方式中，衬底822包括阻抗小于10,000欧姆厘米的丝状材料。
介电层823包括形成在凹槽825的底和相对的侧壁上或涂覆凹槽825的底和相对的侧壁形成的一层材料。介电层823由使得电场通过和跨通道824，826，828，836，838内的流体而不穿过衬底822的材料形成并且具有足够的厚度以达到该效果。在一个实施方式中，介电层823由具有足够介电特性的材料形成，并且其尺寸使得通过层523的路径的阻抗处于穿过通道824，826，828，836和838的流体的路径的阻抗的至少五倍的水平。在一个实施方式中，层523由具有足够的介电特性的材料形成，并且其尺寸使得通过层823的路径的阻抗处于通过通道824，826，828，836和838的流体的路径的阻抗的至少10倍的水平。在一个实施方式中，层823由具有至少10,000欧姆厘米的阻抗的材料形成。在一个实施方式中，层823由诸如氮化硅或二氧化硅的材料形成。在其他实施方式中，层823可以由具有足够的阻抗的其他材料形成。
提供电极840以跨通道824，826，828，836和838产生电场。电极840在单一平面中延伸，使得它们产生的电场与通道824，826，828，836和838的平面相同的平面中延伸。因为分离通道、电场、和介电泳力在单一平面中延伸，所以颗粒的分离更可预测且更不混乱，从而产生更可靠的结果。
在所示出的示例中，电极840A沿通道824和828延伸。电极840B沿通道824和828延伸。电极840C沿通道826和828延伸。应当理解，电极840中的每一个可以是连续电极，或者可以由连接到地或连接到电流源(例如交流频率电流源)的多个单独元件形成。
在一个实施方式中，电极840A和840B被分隔开跨入口通道824的距离，是待分离的目标颗粒的直径的至少10倍的距离。同样地，电极840A和840C，以及电极840B和840C也分别被分隔开跨分离通道828和826的距离，是被分离的目标颗粒的直径的至少10倍的距离。这种分隔降低了全局电场不会因颗粒的存在而显著扭曲的可能性，从而对流中的所有颗粒进行类似的分离。
在一个实施方式中，电极840形成在凹槽852的侧表面上的介电层823之上，而不在这些凹槽852的底上延伸。在一个实施方式中，使用定向溅射或成角度溅射形成电极840，定向溅射或成角度溅射将导电材料沉积在凹槽852的侧面上的层823上，而在这种凹槽825的底上没有沉积或者在这种凹槽852的底上具有最小的沉积。在其他实施方式中，形成电极840的导电材料可以沉积在凹槽852的底上的层823上，其中沉积在凹槽852的底上的层823上的导电材料被随后去除，同时在侧面留下导电材料以形成电极840。
在其他实施方式中，衬底822可以由阻抗大于待被引导通过这些通道24，26，28的流体颗粒流的阻抗的材料形成，使得由电极440创建的电场将穿过该流体颗粒的流而不穿过衬底822。在一个实施方式中，衬底822可由阻抗为至少10,000欧姆厘米的材料形成。在一个实施方式中，衬底822由诸如玻璃，氮化硅或二氧化硅的材料形成。在其他实施方式中，衬底822可以由具有足够阻抗的其他材料形成。在这样的实施方式中，可以省略介电层823，其中衬底822形成通道824，826，828，836，838的底，并且其中电极840直接形成在凹槽852的侧面上，直接形成在衬底822上。
在其他实施方式中，颗粒分离器820可以具有类似于上面关于颗粒分离器620或720描述的架构并且可以以与上面关于颗粒分离器620或720描述的方式类似的方式形成。在这样的实施方式中，通道824，826，828，836，838由衬底内的贯通槽而不是凹槽限定或形成，其中底层位于衬底下方并形成通道的底。
颗粒聚集器844类似于上述的颗粒聚集器222，除了颗粒聚集器844被具体示出为流体动力聚集器。颗粒聚集器844包括鞘流通道870，鞘流通道872和颗粒流通道874。鞘流通道870，872在颗粒流动通道874的相对的两侧延伸并引导缓冲溶液的层流，其将流体夹带的颗粒的供应(例如血液的流)夹在中间，以于其之间将流体夹带的颗粒流聚集成层流。流体夹带颗粒流的层流有助于更好地控制随后从该流中分离不同颗粒。通道870，872和874中的每一个会聚在入口通道824处。
在其他实施方式中，颗粒聚集器844可以包括其他类型的颗粒聚集器。例如，颗粒聚集器844可包括自由流负介电电泳颗粒聚集器和自由流等速电泳颗粒聚集器。在一些实施方式中，可省略颗粒聚集器844。
在操作中，包含待分离颗粒的流体的流通过入口875供应到通道874。同样，缓冲溶液的流分别通过输入端871和873提供给通道870，872。缓冲溶液流形成片流，其将包含待分离部分的流体流夹在中间，形成通过入口通道824的层流。在一个实施方式中，每个鞘流通道870，872中的缓冲溶液以大于包含待分离细胞的溶液的供应速率的速率供应。在一个实施方式中，缓冲溶液以每分钟0.2mL的速率供应，而含有待分离部分的溶液流以0.2mL/分钟的速率供应。
电极840A和840B具有不同的电势，以跨入口通道824形成电场。在一个实施方式中，电极840A接地，而电极840B具有正电荷。电场产生介电泳力。图19是示出所产生的介电泳力的图。由于尺寸和电极化率的差异，在入口通道824内具有第一尺寸和/或第一电极化率的第一份或部分颗粒被促使朝向分离通道828，而具有不同于第一部分的颗粒的尺寸/电极化率的第二尺寸和/或第二极化率的第二份或部分颗粒被促使朝向分离通道826。输送到分离通道828的被分离的颗粒被引导至出口880。
被引导到分离通道826的所分离的颗粒通过由电极840B和840C产生的电场所产生的介电泳力被进一步分离。在一个实施方式中，当电极840B被加以正电荷时，电极840C是负电荷。由于尺寸和电极化率的差异，在分离通道826内具有第一尺寸和/或第一电极化率的第一份或部分颗粒被促使朝向分离通道836，而具有不同于第一部分的颗粒的尺寸/电极化率的第二尺寸和/或第二电极化率的第二份或部分颗粒被促使朝向分离通道838。输送到分离通道836的被分离的颗粒被引导至出口882。偏向到分离通道838的被分离颗粒被引导至出口884。
图20是另一个示例性的流体夹带颗粒分离器920的顶视图。除了分离器920包括从入口通道824延伸的三个分离通道，即通道926，928和930，并包括读取不同电荷的四个电极，即电极940A，940B，940C和940C(统称为电极940)之外，分离器920类似于分离器820。通道824，926，928和930具有类似于通道824，826和828的结构。在一个限制中，这样的通道824，926，928和930由形成在衬底中的凹槽形成，其中凹槽的底和侧面涂覆有或以其他方式覆盖有介电层，类似于上述介电层423，并且其中电极940形成在通道的侧壁上，而不在通道的底上延伸。在衬底具有足够阻抗的其他实施方式中，类似于上述衬底522的阻抗，可以省略衬底和电极之间的介电层。
在操作中，包含待分离颗粒的溶液的流由颗粒聚集器844聚集并被引导至入口通道824。由电极940A和940B创建的跨通道824的电场形成介电泳力，其与不同尺寸的颗粒或具有不同电极化率的颗粒有差异地相互作用，以将这些颗粒引导到分离通道926，分离通道928或分离通道930。在一些实施方式中，这种分离通道可包括如上所述的另外的副分离通道和电极。
图21是另一个示例性的流体夹带颗粒分离器1020的顶视图。除了分离器1020另外还包括圆柱或支柱1087外，分离器1020类似于分离器920。分离器1020中对应于分离器920的组件的那些剩余组件被类似地标号。
支柱1087在通道824，926，928和930的连结处延伸。支柱1087阻止溶液流或颗粒流直接地跨该连结处从入口通道824到分离通道930。支柱1087降低了由于流过入口通道824的溶液的动量而不是由于颗粒的尺寸或电极化率使得颗粒进入分离通道930的可能性。
尽管已经参考示例性实施方式描述了本公开，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。例如，虽然可能已经将不同的示例性实施方式描述为包括提供一个或多个益处的一个或多个特征，但是可以预期在所描述的示例性实施方式或在其他替代实施方式中，所描述的特征可以彼此互换或者可选地彼此组合。因为本公开的技术相对复杂，所以并非该技术的所有变化都是可预见的。参考示例性实施方式描述并在以下权利要求中阐述的本公开明显旨在尽可能广泛。例如，除非特别指出，否则记载单一特定要素的权利要求也包括多个这样的特定要素。权利要求中的术语“第一”，“第二”，“第三”等仅仅区分不同的要素，并且除非另有说明，否则不与本公开中的要素的特定顺序或特定标号具体相关联。

Claims (13)

1.一种流体夹带颗粒分离器，包括：
入口通道，用于引导流体中夹带的颗粒；
从所述入口通道分支出来的第一分离通道；
从所述入口通道分支出来的第二分离通道；
颗粒聚集器，用于在所述入口通道内将所述颗粒聚集成层流；
电极，用于创建对所述颗粒施加介电泳力以将所述颗粒引导到所述第一分离通道或所述第二分离通道的电场，其中所述第一分离通道、所述第二分离通道、所述电场、和所述介电泳力在平面中延伸，并且其中，所述电极至少包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极被分隔开的距离是所述颗粒的直径的至少10倍。
2.根据权利要求1所述的流体夹带颗粒分离器，其中所述颗粒聚集器包括流体动力聚集器。
3.根据权利要求2所述的流体夹带颗粒分离器，其中所述流体动力颗粒聚集器包括通向所述入口通道的第一鞘流通道，通向所述入口通道的第二鞘流通道，和通向所述入口通道的颗粒流通道，所述颗粒流通道用于在来自所述第一鞘流通道和所述第二鞘流通道的鞘流体之间供应颗粒。
4.根据权利要求1所述的流体夹带颗粒分离器，其中所述颗粒聚集器选自包括自由流负介电电泳颗粒聚集器和自由流等速电泳颗粒聚集器的一组颗粒聚集器。
5.根据权利要求1所述的流体夹带颗粒分离器，其中所述第一分离通道和所述第二分离通道中每一个通道包括相对的侧壁，并且其中所述电极具有平行于且沿着所述相对的侧壁的面。
6.根据权利要求1所述的流体夹带颗粒分离器，还包括：
从所述第一分离通道分支出来的第三分离通道；和
从所述第一分离通道分支出来的第四分离通道，其中所述电场对所述颗粒施加介电泳力以将所述第一分离通道中的所述颗粒引导到所述第三分离通道或所述第四分离通道，其中所述第三分离通道和所述第四分离通道在所述平面中延伸。
7.根据权利要求1所述的流体夹带颗粒分离器，还包括第三分离通道，从所述入口通道分支出来并在所述平面中延伸，其中所述电场对所述颗粒施加介电泳力以将所述入口通道中的所述颗粒引导到所述第一分离通道、所述第二分离通道、或所述第三分离通道。
8.根据权利要求1所述的流体夹带颗粒分离器，其中所述第一分离通道和所述第二分离通道中的每一个通道包括底面，所述底面由具有至少10,000欧姆厘米的阻抗的材料形成。
9.根据权利要求1所述的流体夹带颗粒分离器，包括：
衬底，具有至少10,000欧姆厘米的阻抗；
第一层，在所述衬底上且形成所述电极，其中所述入口通道、所述第一分离通道、和所述第二分离通道形成在所述第一层中；和
在所述第一层上的第二层，其中所述衬底和所述第二层分别形成所述入口通道、所述第一分离通道、和所述第二分离通道中每一个通道的底和顶。
10.根据权利要求1所述的流体夹带颗粒分离器，包括：
具有至少10,000欧姆厘米的阻抗的层，所述层形成沟道，所述沟道形成所述入口通道、所述第一分离通道、和所述第二分离通道；
电极材料的层，在所述沟道的相对的侧壁上以形成所述电极。
11.一种用于分离流体中夹带的颗粒的方法，所述方法包括：
引导流中夹带的颗粒通过入口通道；
通过颗粒聚集器在所述入口通道内将所述颗粒聚集成层流；
由电极向所述流施加在平面中的电场以对所述颗粒施加处于所述平面中的介电泳力，以将所述流中的所述颗粒的第一子集转移进在所述平面中延伸的第一分离通道，以及将所述流中的所述颗粒的第二子集转移进在所述平面中延伸的第二分离通道，
其中，所述电极至少包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极被分隔开的距离是所述颗粒的直径的至少10倍。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述入口通道、所述第一分离通道和所述第二分离通道中的每一个通道具有底和侧壁，其中所述侧壁具有形成施加所述电场的所述电极的导电材料的层，并且其中所述底具有高于所述流的阻抗的阻抗。
13.一种用于形成流体夹带颗粒分离器的方法，所述方法包括：
形成入口通道、从所述入口通道分支出来的第一分离通道、和从所述入口通道分支出来的第二分离通道；
在所述入口通道内形成颗粒聚集器以将所述颗粒聚集成层流；
沿所述第一分离通道和所述第二分离通道的侧表面形成电极；和
将位于相对的侧表面上的所述电极彼此电隔离，其中，所述电极至少包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极被分隔开的距离是所述颗粒的直径的至少10倍。
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