CN112292207A - 具有不混溶流体的微制造的液滴分配器 - Google Patents

Abstract

描述了一种微制造的液滴分配结构，其可以包括被构造成打开和关闭微流体通道的MEMS微流体流体阀。所述阀的打开和关闭可以从样品流中分离目标颗粒和珠粒，并且将这两个颗粒引导到在基底的边缘处形成的单个液滴中。然后，可以将所述液滴包封在不混溶流体的鞘流中。

Description

具有不混溶流体的微制造的液滴分配器

相关申请的交叉引用

不适用。

关于联邦资助研究的声明

不适用。

关于缩微胶片附件的声明

不适用。

背景技术

本发明涉及一种用于操纵颗粒和生物材料并形成含有这些颗粒的液滴的系统。

生物医学研究者一段时间以来已经意识到需要用少量的流体样品工作，并且需要在这些小体积内独特地鉴定化合物。这些属性使大量实验得以平行进行，节省设备和试剂方面的时间和金钱，并且减少患者产生大体积样品的需要。

实际上，对悬浮在少量缓冲流体中的核酸和蛋白质的小片段进行分析是分子生物学的基本要素。检测、区分和利用遗传和蛋白质组信息的能力允许灵敏和特异性的诊断，以及治疗的开发。特别地，需要明确地鉴定少量的生物材料和分析物。

大多数遗传和蛋白质组分析需要标记以检测关注的分析物。这种标记可以被称为“条形码”，表明该标记是独特的并且与某一特征或身份相关。例如，在测序应用中，在合成测序期间添加到模板链的核苷酸通常被标记，或旨在在并入生长链中后产生标记。标记的存在允许检测并入的核苷酸。为了改进诊断和治疗结果，期望有效的标记技术。

同时，用微流体装置精确操纵流体流正在彻底改革许多基于流体的技术。小通道的网络是用于精确操纵少量流体的灵活平台。这种微流体装置的应用关键取决于使能技术，例如微流体泵和阀、电动泵、介电泳泵或电润湿驱动流。将这类模块组装成完整的系统提供了一种方便和稳健的构造微流体装置的方式。

然而，实际上所有微流体装置都是基于流体流的流动；由于扩散和表面吸附的污染效应，这对可以有效使用的试剂的最小体积设置了限制。随着小体积的尺寸缩小，扩散成为导致反应物分散的混合的主要机制。如本领域越来越多的授权专利所指示，这是生物医学技术的一个大且正在增长的领域。

USP 9,440,232描述了用于操纵流体和反应的微流体结构和方法。所述结构和方法涉及将流体样品(例如，以液滴的形式)定位在微流体网络中的预定区域中的载液(例如，油，其可以与流体样品不混溶)中。在一些实施方案中，液滴的定位可以它们被引入微流体网络中的顺序(例如，顺序地)发生，而在液滴之间没有显著的物理接触。由于液滴之间有很少或没有接触，因此液滴之间可能有很少或没有聚结。因此，在一些这样的实施方案中，在流体样品或载液中均不需要表面活性剂来防止液滴的聚结。

USP 9,410,151提供了可用于执行高通量筛选测定和组合化学的微流体装置和方法。该专利提供了含有经独特标记的细胞、酶、核酸等的水基乳液，其中所述乳液还包含引物、标记、探针和其他反应物。油基载液在微流体装置上包被乳液库。这样使得连续通道提供不混溶流体的流动，以实现乳液库的汇集、聚结、混合、分选、检测等。

USP 9,399,797涉及基于液滴的数字PCR和使用其分析目标核酸的方法。在某些实施方案中，提供了用于确定样品的核酸组成的方法。

USP 9,150,852描述了条形码库及其制备和使用方法，包括获得多种核酸构建体，其中每种构建体包含独特N聚体(N-mer)和功能N聚体，以及将所述构建体分隔到流体隔室中，使得每个隔室含有独特构建体的一个或多个拷贝。

这些参考文献中没有一个使用小的微机械阀调结构来控制条形码化物品周围的流体体积，和选择液滴中包围的颗粒。因此，不能“按需”制备液滴，并且不能使液滴包围作为研究对象的颗粒。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种微制造的系统，其可以将目标颗粒与非目标材料分离，还分离经标记珠粒，并且将这两个颗粒组合在单个液滴中。除了目标颗粒和珠粒之外，所述液滴可以包含第一水性流体，例如盐水或缓冲流体。液滴可以被分配到与第一流体不混溶的第二流体的流中。因此，液滴可以作为单个、离散、良好界定的单元保持其完整性，因为这些流体是不混溶的并且液滴不接触或聚结。

当目标颗粒是生物材料如细胞、且抗原位于其外表面上时，目标颗粒可以通过这些抗原与设置在珠粒上的抗体的缀合而附接到珠粒。所述珠粒还可以通过识别性荧光标记物进行标记，所述荧光标记物可以是多个附着到珠粒的荧光标签。因此，现在结合到可识别的经标记荧光珠粒的每个目标细胞可以基本上被条形码化以用于其自身的识别。这可以允许对包封在不混溶流体中的大量这种液滴执行大量实验，因为颗粒都是可识别和可区分的。

因此，描述了微制造的液滴分配结构，其可以包括被构造成打开和关闭微流体通道的MEMS微机械流体阀。阀的打开和关闭可以从流体样品流中分离目标颗粒和/或珠粒，并且将这两个颗粒引导到单个液滴中。然后，液滴可以被包封在不混溶流体的鞘中，并被递送到下游容器或出口。

所述系统还可以包括在微流体通道中流动的流体样品流，其中所述流体样品流包含目标颗粒和非目标材料，以及在微流体通道中的询问区域。在所述询问区域内，可以在非目标材料中识别出目标颗粒，并且微制造的MEMS流体阀可以响应于来自询问区域的信号而将目标颗粒与非目标材料分离，并且将目标颗粒引导到液滴中。

所述系统还可以利用与多个荧光标签附接的珠粒，其中所述荧光标签用荧光信号指明珠粒的身份，并且其中所述微制造的MEMS流体阀被构造成分离所述珠粒并将所述珠粒引导到所述液滴中，其中所述珠粒和目标颗粒位于同一液滴内。

附图说明

参考以下附图描述各种示例性细节，其中：

图1是具有不混溶流体的微制造的液滴分配器的实施方案的示意图，其中微制造的MEMS流体阀处于关闭位置；

图2是具有不混溶流体的微制造的液滴分配器的实施方案的示意图，其中微制造的MEMS流体阀处于打开(分选)位置；

图3是示出水滴尺寸与微制造的MEMS流体阀打开的持续时间的函数相关性的图表；

图4是具有产生油中空液滴的不混溶流体的微制造的液滴分配器的实施方案的示意图；

图5是具有产生液滴的不混溶流体的微制造的液滴分配器的实施方案的示意图，其中所述液滴含有颗粒和珠粒两者；

图6是在对接头中具有不混溶流体的微制造的液滴分配器的实施方案的示意图；

图7是具有激光辅助的液滴聚结的微制造的液滴分配器的实施方案的示意图；以及

图8是具有可变通道横截面的微制造的液滴分配器的实施方案的示意图。

应当理解，附图不一定是按比例的，并且类似的数字可以指代类似的特征。

具体实施方式

以下讨论提供了新型微制造的液滴分配系统的多个示例性实施方案。在附图中使用以下参考数字来指代以下：

110 微制造的MEMS阀

120 流体输入通道

122 分选物通道

140 废料通道

150 喷嘴

170 询问区域

145 非分选物流

200 油

220 油输入部1

240 油输入部2

260 油流向出口通孔

300 油中的水滴

310 水滴中的珠粒

320 水滴中的目标颗粒

400 激光加热器

500 合并区。

所述系统包括将液滴分配到不混溶流体中的微制造的液滴分配器。所述系统可以应用于流体样品流，其可以包括目标颗粒以及非目标材料。所述目标颗粒可以是生物学性质的，例如生物细胞，如T细胞、肿瘤细胞、干细胞。所述非目标材料可以是例如血浆、血小板、缓冲溶液或营养物。

微制造的MEMS阀可以是例如图1和图2中一般性示出的装置。应当理解，这种设计仅是示例性的，并且可以使用其他种类的MEMS阀来代替图1和图2中所绘的MEMS阀。

在下文讨论的图中，类似的参考数字旨在指代类似的结构，并且这些结构以各种细节水平图示，以给出这种新型装置的重要特征的清楚视图。应当理解的是，这些图不一定按比例描绘结构，并且例如“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“左”和“右”的方向名称是随意的，因为可以以任何具体取向构造和操作该装置。特别地，应当理解，名称“分选物”和“废料”也是能够互换的，因为它们仅指代颗粒的不同群体，并且哪一个群体被称为“目标”或“分选物”群体是随意的。

图1是处于静止(未致动)位置的新型微制造的流体MEMS液滴分配装置10的平面图。MEMS液滴分配装置10可以包括微制造的流体阀或可移动构件110和多个微制造的流体通道120、122和140。流体阀110和微制造的流体通道120、122和140可以使用如下面更详细描述的MEMS光刻制造技术形成在合适的基底、如硅基底中。制造基底可以具有制造平面，装置在所述制造平面中形成，并且可移动构件110在所述制造平面中移动。关于阀110的制造的细节可以在2016年6月21日颁布并且通过引用的方式整体并入本文的美国专利9,372,144 (‘144专利)中见到。

流体样品流可以通过样品入口通道120引入微制造的流体阀110。样品流可以含有颗粒混合物，所述颗粒混合物包含至少一种所需的目标颗粒和多种其他不需要的非目标材料。颗粒可以悬浮在流体中，所述流体通常是水性流体，例如盐水。出于本讨论的目的，这种水性流体可以是第一流体，并且这种第一流体可以与第二流体不混溶，如下所述。

目标颗粒可以是生物材料，例如悬浮在缓冲流体如盐水中的干细胞、癌细胞、受精卵、蛋白质、T细胞、细菌、血液组分、DNA片段。流体入口通道120可以在与阀110相同的制造平面中形成，使得流体的流动基本上在该平面中。阀110的运动也可以在该制造平面内。分选/保存或处置/废弃给定颗粒的决定可以基于任何数量的区分信号。

在一个实施方案中，流体样品流可以穿过询问区域170，询问区域170可为激光询问区域，其中激发激光器激发附着到目标颗粒的荧光标签。作为激发的结果，所述荧光标签可以发射荧光辐射，并且该辐射可以被附近的检测器检测到，并且因此可以识别出目标颗粒或细胞。在识别出目标颗粒或细胞后，可以如下所述致动微制造的MEMS阀，且该流被从非分选物(废料)通道145引导到分选物通道122，如图2中所示。例如，致动手段可以是电磁的。荧光信号的分析，分选还是丢弃颗粒的决定，以及阀的致动可以在微处理器或计算机的控制下进行。

在一些实施方案中，致动可以通过激励阀110附近的外部电磁线圈和芯来发生。阀110可以包括嵌入的磁性渗透性材料，其被拉入改变磁通量密度的区域中，其中该通量由外部电磁线圈和芯产生。在其他实施方案中，可以使用其他致动机构，包括静电的和压电的。关于这种阀的构造和操作的其他细节可以在并入的‘144专利中见到。

在一个示例性实施方案中，所述决定乃是基于由颗粒发射的荧光信号，基于附着到颗粒并由照射激光器激发的荧光标签。因此，这些荧光标签可以是识别符或条形码系统。然而，可以预期其他种类的区分信号，包括可以基于颗粒形态的散射光或侧向散射光，或者可以将颗粒识别为是目标颗粒并因此分选或保存、或非目标颗粒并因此拒绝或以其他方式处置的任何数量的机械、化学、电或磁效应。

本系统也可以用于对经标记的或条形码化的珠粒进行分选。因此，“目标颗粒”可以是细胞和/或经标记珠粒。

当阀110处于图1中所示的位置时，微制造的MEMS流体阀110显示为关闭位置，其中流体样品流、目标颗粒和非目标材料直接流入废料通道140。因此，输入流无阻碍地传送到输出孔口和通道140，其可以在入口通道120的平面之外，且因此在装置10的制造平面之外。也就是说，该流是从入口通道120流到输出孔口140，它从输出孔口140基本上竖直地流动，并且因此与入口通道120正交。该输出孔口140通向可以垂直于示出图1的纸平面的平面外通道。更一般地讲，输出通道140不平行于入口通道120或分选物通道122的平面、或可移动构件110的制造平面。

输出孔口140可以是形成在制造基底中或者在与制造基底粘合的覆盖基底中的孔。此外，阀110可以具有弯曲的转向表面112，其能够将输入流的流动改方向到分选物输出流中，如接下来关于图2所述。孔口140的轮廓可以使得其与入口通道120和分选物通道122中的一些但不是全部重叠。通过使轮廓140与入口通道重叠，并且利用上述释放区(relieved area)，当可移动构件或阀110处于未致动的废料位置时，存在使输入流直接流入废料孔口140的路径。

图2是具有与微制造的MEMS装置10不混溶的流体的微制造的液滴分配器的实施方案的示意图。在图2中，MEMS装置10可以包括处于打开(分选)位置的MEMS流体阀110。在该打开(分选)位置，在激光询问区域170中所检测到的目标细胞5可以与一定量的悬浮(缓冲)流体一起被偏转到分选物通道122中。

在该位置，可移动构件或阀110向上偏转到图2中所示的位置。转向表面112是分选轮廓，其将入口通道120的流动改方向到分选物输出通道122中。分选物输出通道122可以位于与入口通道120基本相同的平面中，使得分选物通道122内的流动也与入口通道120内的流在基本相同的平面中。可移动构件110的致动可以由来自力产生设备(未示出)的力产生。在一些实施方案中，力产生设备可以是电磁体，然而，应当理解，力产生设备也可以是静电的、压电的或一些其他手段，以在可移动构件110上施加力，从而使其从第一位置(图1)移动到第二位置(图2)。

更一般地讲，图1和2中所示的微机械颗粒操纵装置可以形成在制造基底的表面上，其中微机械颗粒操纵装置可以包括：微制造的可移动构件110，其中可移动构件110响应于施加到可移动构件的力从第一位置移动到第二位置，其中该运动基本上在平行于表面的平面中；流体样品入口通道120，其形成在基底中并且流体流过其中，所述流体包含至少一种目标颗粒和非目标材料，其中流体样品入口通道中的流动基本上平行于所述表面；以及多个输出通道122、140，其中微制造的构件将流体转向到所述输出通道122、140，并且其中输出通道140中的至少一个中的流动不平行于所述平面，并且其中至少一个输出通道140在可移动构件110的至少一部分运动内直接位于可移动构件110的至少一部分的下方。

应当理解，尽管通道122被称为“分选物通道”而孔口140被称为“废料孔口”，但这些术语可以互换，使得分选物流被引入废料孔口140而废料物流被引入通道122，而完全不失一般性。类似地，“入口通道”120和“分选物通道”122可以颠倒。用于指明这三个通道的术语是任意的，但是入口流可以被阀110转向到两个分开方向中的任一个，其中至少一个方向不与另外两个方向位于同一平面中。术语“基本”，当涉及角度方向使用时(即基本相切或基本垂直)，应当理解为是指在所涉及方向的15度内。例如，与线“基本正交”应当被理解为是指与线成约75度至约105度。

当阀处于图2中所示的打开或分选位置时，悬浮性水性流体与至少一种悬浮颗粒一起可以流入分选物通道122，并从所述分选物通道流到制造基底的边缘。曾在流体样品入口通道120中流动的流体然后可以在制造基底的边缘处形成液滴。或者，产生的液滴可以流到并积聚在分选室中。

在该区域中可以使用各种结构以促进液滴的形成。这些结构可以是例如圆角或锐边，其可以影响或操纵弯液面力的强度或形状、第一流体液滴的润湿角或表面张力。这些结构通常可以被称为“喷嘴”，指示形成液滴处的区域。在形成液滴的该喷嘴点处，额外歧管可以将不混溶第二流体递送到水性液滴，从而将水性液滴悬浮在流体中，并且保持其大体轮廓和边界层。

如上所述，阀110可以用于分选目标细胞和珠粒两者。激光诱导的荧光可以是任一或两种颗粒的区别特征。这些颗粒都可以被递送到单个液滴中。这些颗粒可以悬浮在水性第一流体如盐水中，并被其包围。因此，液滴可以主要包含该第一流体，以及选定的颗粒即目标细胞和/或珠粒。所述珠粒可以是“条形码化的”，即，其可以携带识别性标志。然后，液滴可以被由第二流体源提供的不混溶第二流体包围。这些特征在下面关于多个实施方案进一步描述。

因此，由于微制造的通道中的流动，液滴可以在与不混溶流体的相交处形成。这些液滴可以包封在不混溶第二流体如脂类流体(lepidic fluid)或油200中，如图1和图2中所示。油200可以由油输入部220和油输入部240对称地施加。不混溶流体可以用来维持液滴之间的分离，使得它们不聚结，并且每个液滴通常含有仅一个目标颗粒和仅一个珠粒。油流可以离开分选物出口通孔260。所述脂类流体可以是石油基脂类流体，或植物基脂类流体，或动物基脂类流体。

液滴形成的步调、品质和速率可以主要由MEMS阀110的动力学控制。也就是说，液滴中所含的流体的量以及由此液滴的尺寸可以是MEMS阀110处于图2中所示的打开或分选位置的时间量的函数。图3中示出液滴尺寸对阀打开时间的函数相关性。如图3中可见，液滴的直径与阀打开时间在宽范围的值内成比例。只有在极其大的液滴和长打开时间(大于约100μs和60微米直径)下，函数相关性才与其线性行为不同。

因此，分选脉冲的长度可以决定所产生的液滴的尺寸。如果脉冲太短，则油弯液面可以保持完整并且没有水滴形成。如果分选脉冲足够长，则在出口处可以形成液滴，并将其释放到第二不混溶流体流中。

如果在该时间范围内分选目标细胞5，则目标细胞5可以被包围在水性液滴中。如果在该时间范围内没有分选目标颗粒，则可能形成空水性液滴，即没有包围的颗粒5的液滴。图4中示出了这种情况。

如上所述，MEMS阀110可以在至少一个半导体基底的制造表面上制造。更一般地讲，可以使用多基底堆叠来制造MEMS阀110。如‘144专利中所详述，该多层堆叠可以包括至少一个半导体基底如硅基底，和透明玻璃基底。可能需要透明基底以允许在激光询问区域170中施加激发激光。

液滴300可以形成在半导体基底的边缘处，或者更特定地，形成在多层堆叠的边缘处。液滴300可以在自该多层堆叠的分选物通道122的出口处形成。在另一实施方案中，液滴不形成在多层堆叠的边缘处，而是可以形成在半导体基底内分选物流和油输入部的相交处。在该位置处，可以形成促进液滴形成的结构。该结构可以包括尖锐的圆角，以便操纵表面张力，以及弯液面和润湿角的形成。设计成促进液滴形成的结构在本文中可被称为喷嘴150，并且术语“喷嘴”大体上可指可形成液滴的位置。

在图4中所示的结构中，在微制造的MEMS阀的下游，并且在喷嘴结构150的附近，可以设置与不混溶第二流体的汇流接头。在分选物通道中，在阀的下游，可以存在与从侧面流向分选物通道122的油(作为水滴的载体)的汇流接头。该汇流接头可以具有在分选物通道122的每一端上的入口220和240，在喷嘴150和分选物通道122的下游形成油流200。

使用阀执行分选策略以在油中形成液滴

在油中形成液滴的方法可以如下。首先在激光询问区域170中检测到目标细胞。计算机或控制器可以监视来自激光询问区域的信号。在该区域中检测到目标颗粒时，计算机或控制器可以发送信号以通过激励电磁体来打开MEMS阀110。然后，磁相互作用如图2中所示移动MEMS阀。在此打开(分选)位置，目标细胞5可以与一定量的悬浮流体一起偏转到分选物通道中。

然后将珠粒分选以作为独特的条形码伴随经分选的细胞。第二分选脉冲足够长以引起油-水界面的不稳定性，并在含有细胞和珠粒的油中形成水滴。

当阀静止且没有发生分选时，如图1中所绘，油继续朝向分选物出口通孔流动，阻断分选物中的水流。然而，实际上，由于图1和2中所示的MEMS阀110的移动边缘之间的有限间隙，少但有限量的流体样品流流体可以继续沿分选物通道122向下流动。然而，在正常操作中，通过阀间隙的这些泄漏流率不足以破坏油前部并产生水滴。

然而，由于油可以继续流动，流出物可以被引导到废料容器中，直到检测到目标颗粒。也可能是流体样品流通过MEMS阀110周围的间隙的持续泄漏最终可以导致水滴形成的情况。因为没有检测到目标细胞，并且MEMS阀110没有打开，所以该水性液滴可以是空的。

因此，图4是具有在油200中产生空的第一流体液滴300的不混溶流体的微制造的液滴分配器的实施方案的示意图。如果在流体样品流中不存在目标颗粒，则可能发生这种情况。MEMS阀110可能轻微地泄漏，导致形成水性液滴，但没有被包围的目标颗粒。在这种情况下，可以允许液滴流入保持容器的废料区中。

在另一个实施方案中，MEMS阀110可以分选目标颗粒5 (这里是目标细胞320)和珠粒310两者，如图5中所示。所述珠粒可以是涂覆有生物活性材料和额外化合物的生物惰性材料。所述生物活性材料可以是抗体，所述抗体可以与出现在目标细胞表面320上的抗原缀合。除了抗原和惰性材料之外，所述珠粒还可以与多个荧光标签(即，当被适当波长和强度的激发激光器照射时发出荧光的化合物)偶联。该多个荧光标签对于每个珠粒310可以是不同的，并且因此可以充当珠粒的标记物或识别符。

当珠粒310接近目标细胞320，并且珠粒310的抗体可以与细胞的抗原缀合时，珠粒连同其识别性荧光标签可以附着到细胞320。因此，珠粒310提供细胞320的识别性标志或识别所述细胞的“条形码”。计算机或控制器可以将该特定条形码与特定细胞相关联。因此，大量的这种液滴可以被放置在小体积的流体中，每个液滴含有目标细胞和识别性条形码，并且全部在单个检测器的视场内。这可以允许平行地、并且在单个检测系统下进行非常大量的生物测定或聚合酶链反应。

图5是具有在油中产生液滴的不混溶流体的微制造的液滴分配器的实施方案的示意图，其中液滴含有颗粒或细胞320和珠粒310两者。因此，MEMS阀110可以首先分选颗粒320，如上所述将颗粒320包围在水性液滴中。然后MEMS阀110还可以分选条形码化的珠粒310，并且颗粒320和珠粒310两者可以被包围在同一水性液滴中，如图5所示。

图6是在对接头中具有不混溶流体的微制造的液滴分配器的另一实施方案的示意图。在本实施方案中，周围的第二不混溶流体的施加是不对称的。油200不是来自喷嘴区域的右侧和左侧两者，取而代之，油200油接头与分选物通道122平行地施加，并且可以在分选物通道122的下游260离开。第二不混溶流体可以从右向左流动。水性流体液滴可以从侧通道打破油弯液面，如图所示。如前所述，油200中的每个液滴300可以含有目标细胞320和识别性珠粒310两者。

激光辅助的液滴形成

图7是具有激光辅助的液滴聚结的微制造的液滴分配器的另一实施方案的示意图。在本实施方案中，两个颗粒：目标细胞320和珠粒310被分开地分选，并被置于油流200中的两个分开的水滴中。对于每种情况，即目标细胞320通过和珠粒310通过，分选脉冲足够长以引起油-水界面的不稳定性并在含细胞的油中形成水滴。然后通过将激光400施加到含有水性液滴的油通道上，将两个分开的液滴合并。

多种脉冲或连续波激光器中的任一种都可以适用于这种应用。例如，脉冲CO₂激光器可以如图7中所示导向到通道上，以加热液滴。施加能量导致流体变热，这削弱了弯液面和膜力，从而允许液滴合并。

在图7中，如在先前的实施方案中，图7中的微制造的液滴分配器可以具有对称(或不对称)的油输入部构造。在任一构造中，液滴300可以包封在不混溶第二流体如脂类流体或油200中。油200可以由油输入部220和油输入部240对称地施加。油流可以离开分选物出口通孔260。

图7中所示的实施方案可以具有流动通道，所述流动通道能够分选两个水性液滴，然后将它们合并成单个较大液滴。在本实施方案中，分选脉冲足够长以引起油-水界面的不稳定性并在含有细胞的油中形成水滴。然后，分选珠粒并形成单独的液滴。因此，第一液滴可以含有目标细胞320，并且第二水性液滴可以含有如前所述的珠粒310。合并区是分选物流通道122的一部分，激光器400被导向到到其中。激光可以被聚焦以增加其峰值强度。所施加的激光可以加热液滴以及周围的流体，并且允许两个液滴合并。合并可以由激光诱导的加热和随后的流体液滴表面张力的削弱引起。

或者，第一液滴可以含有珠粒310，且第二水性液滴可以含有目标细胞320。在任一情况下，激光器400中将热施加到通道上可以用于加热流体并且允许两个液滴合并。因此，在微制造的液滴分配器的输出部处，可以出现包封在油中的水性液滴，其中所述液滴含有目标细胞320和珠粒310两者。珠粒310可以具有附着到其上的荧光条形码，并且珠粒可以与目标细胞320缀合。

几何形状诱导的流动减速

图8是具有可变通道横截面的微制造的液滴分配器的实施方案的示意图。与前述实施方案类似，图8中的微制造的液滴分配器可以具有对称(或不对称)的油输入部构造。在这种构造中，液滴可以包封在不混溶第二流体如脂类流体或油200中。油200可以由油输入部220和油输入部240对称地施加。油流可以离开分选物出口通孔260。

图8中所示的实施方案可以具有流动通道，所述流动通道能够分选两个水性液滴，然后将它们合并成单个较大液滴。在本实施方案中，分选脉冲足够长以引起油-水界面的不稳定性并在含有细胞的油中形成水滴300。然后，分选珠粒310并形成单独的液滴。因此，第一液滴可以含有目标细胞320，并且第二水性液滴可以含有如前所述的珠粒310。合并区500是分选物通道122的一部分，具有可变的横截面500。合并区500中通道的突然加宽可以用于减缓合并区内的向下流动，从而允许两个液滴合并。换句话说，突然加宽可以产生几何形状诱导的流动减速，这允许液滴合并。

或者，第一液滴可以含有珠粒310，且第二水性液滴可以含有目标细胞320。在任一情况下，合并区500中通道的突然加宽可以用于减缓合并区内的向下流动，从而允许两个液滴合并。因此，在微制造的液滴分配器的输出部处，可以出现包封在油200中的水性液滴300，其中所述液滴300含有目标细胞320和珠粒310。珠粒310可以具有附着到其上的荧光条形码，并且珠粒可以与目标细胞320缀合。

因此，这里描述的是一种微制造的液滴分配器，其包括：形成在基底中的微流体通道和在所述微流体流体通道中流动的流体；微制造的MEMS流体阀，其被构造成打开和关闭所述微流体通道；液滴，其包含在所述微流体通道的端部分配的第一流体，其中所述液滴的尺寸由所述微制造的微流体阀的打开和关闭的时机决定；以及与所述第一流体不混溶的第二流体的源，其中所述液滴从所述微流体通道分配到并浸没在所述第二不混溶流体中。

所述液滴分配器还可以包括：在所述微流体通道中流动的流体样品流，其中所述流体样品流包含目标颗粒和非目标材料，在所述微流体通道中的询问区域，其中在非目标材料之中识别出目标颗粒；并且其中所述微制造的MEMS流体阀被构造成响应于来自所述询问区域的信号而将所述目标颗粒与所述非目标材料分离，并且将所述目标颗粒引导到所述液滴中。其还可以包括与多个荧光标签附接的珠粒，其中所述荧光标签用荧光信号指明所述珠粒的身份，并且其中所述微制造的MEMS流体阀被构造成分离所述珠粒并将所述珠粒引导到所述液滴中，其中所述珠粒和目标颗粒位于同一液滴内。所述珠粒可以包含多个荧光标签，使得所述珠粒具有识别性荧光标记物。所述珠粒还可以具有至少一种抗体，所述抗体结合到目标颗粒上的抗原。

当打开和关闭时，所述微制造的MEMS阀可以在单个平面中移动，并且其中所述平面平行于所述基底的表面。液滴可以在形成于基底中的微流体通道中的喷嘴结构处分配。不混溶流体源关于喷嘴对称地设置。可以将表面活性剂添加到流体流中。

液滴分配器还可以包括聚焦在喷嘴上游的微流体通道上的激光器，其加热液滴以帮助从微流体通道中的流体分离液滴，或者加热液滴以使微流体通道中的相邻液滴聚结。微流体通道可以具有通道加宽区域，其中通道的横截面增加，然后减小。微通道可以在对接头中与不混溶流体源相交。目标颗粒是T细胞、干细胞、癌细胞、肿瘤细胞、蛋白质和DNA链中的至少一种。

还描述了一种用于分配液滴的方法。所述方法可以包括在基底上形成微流体通道，提供在所述微流体通道中流动的流体，打开和关闭微制造的MEMS流体阀。所述方法还可以包括打开和关闭微制造的MEMS流体阀，以打开和关闭所述微流体通道，捕获目标颗粒和其上设置有识别符的珠粒中的至少一个，提供与第一流体不混溶的不混溶第二流体源，以及分配所述第一流体的液滴，其中所述液滴的尺寸由所述微制造的微流体阀的打开和关闭的时机决定，并且其中所述液滴包围所述珠粒和所述目标颗粒中的至少一个。

在微流体通道中流动的流体可以包含目标颗粒和非目标材料。所述方法还可以包括在激光询问区域中识别非目标材料中的目标颗粒，响应于来自所述询问区域的信号来打开和关闭所述微制造的MEMS流体阀以将识别出的目标颗粒与所述非目标材料分离，以及将所述目标颗粒引导到所述液滴中。

所述方法还可以包括提供与多个荧光标签附接的珠粒，其中所述荧光标签用荧光信号指明珠粒的身份，使用所述微制造的MEMS流体阀分离所述珠粒，以及将所述珠粒引导到所述液滴中，其中所述珠粒和所述目标颗粒位于同一液滴内。

液滴可以形成在形成于基底中的喷嘴结构处。所述方法还可以包括用聚焦在喷嘴恰好上游的激光加热流体。

尽管已经结合上面概述的示例性实施方式描述了各种细节，但是在回顾前述公开内容时，各种替代、修改、变化、改进和/或实质等同物，无论是已知的还是目前可能无法预料的，都可以变得显而易见。因此，上述示例性实施方式旨在是说明性的，而非限制性的。

Claims (23)

1.一种微制造的液滴分配器，其包括：

微流体通道，其形成在基底中；

第一流体，其包含至少一种目标颗粒和非目标材料；此时在所述微流体流体通道中流动；

微制造的MEMS流体阀，其被构造成打开和关闭所述微流体通道；

液滴，其包含一定量的所述第一流体，其中所述液滴的尺寸由所述微制造的微流体阀的打开和关闭的时机决定；和

与所述第一流体不混溶的第二流体的源，并且所述液滴被分配到并浸没在第二不混溶流体中。

2.权利要求1的微制造的液滴分配器，其还包括：

在所述微流体通道中的询问区域；以及

导向到所述激光询问区域中的激光器，其中所述激光器识别目标颗粒，并且其中所述微制造的MEMS流体阀被构造成响应于来自所述询问区域的信号而将所述目标颗粒与所述非目标材料分离，并且将所述目标颗粒引导到所述液滴中。

3.权利要求1的微制造的液滴分配器，其还包括：

设置在所述第一流体中的珠粒，其中所述珠粒与多个荧光标签附接，其中所述荧光标签用荧光信号识别所述珠粒，并且其中所述微制造的MEMS流体阀被构造成分离所述珠粒并将所述珠粒引导到所述液滴中，其中所述珠粒和目标颗粒位于同一液滴内。

4.权利要求1的微制造的液滴分配器，其中所述微制造的MEMS流体阀在打开和关闭时在单个平面中移动，并且其中该平面平行于所述基底的表面。

5.权利要求1的微制造的液滴分配器，其中所述微制造的MEMS流体阀在打开和关闭时在单个平面中移动，并且是由于作用在所述微制造的MEMS流体阀上的电磁力而移动。

6.权利要求1的微制造的液滴分配器，其中所述液滴包含目标细胞和经荧光标记的珠粒中的至少一者。

7.权利要求6的微制造的液滴分配器，其中所述不混溶流体源关于形成在所述基底中的喷嘴结构对称地设置。

8.权利要求1的微制造的液滴分配器，其中表面活性剂被添加到所述第一流体中。

9.权利要求3的微制造的液滴分配器，其中所述珠粒包括多个荧光标签，使得所述珠粒具有识别性荧光标记物。

10.权利要求9的微制造的液滴分配器，其中所述珠粒还包含至少一种抗体，所述抗体结合到所述至少一个目标颗粒上的抗原。

11.权利要求7的微制造的液滴分配器，其中所述不混溶流体源关于所述喷嘴不对称地设置。

12.权利要求3的微制造的液滴分配器，其还包括聚焦在所述微流体通道上并且被导向到所述液滴上的激光器，其中所述激光器被构造成加热所述液滴以使所述微流体通道中的相邻液滴聚结。

13.权利要求3的微制造的液滴分配器，其中所述微流体通道具有通道加宽区，其中所述通道的横截面增加，且然后减小。

14.权利要求3的微制造的液滴分配器，其中所述微通道在对接头中与所述不混溶流体源相交。

15.权利要求3的微制造的液滴分配器，其中所述目标颗粒包括T细胞、干细胞、癌细胞、肿瘤细胞、蛋白质和DNA链中的至少一种。

16.一种用于在不混溶流体中形成液滴的方法，其包括：

在基底上形成第一流体通道；

提供在第一微流体流体通道中流动的第一流体；

打开和关闭微制造的MEMS流体阀，以打开和关闭微流体通道；

捕获目标颗粒和其上设置有识别符的珠粒中的至少一者；

提供与所述第一流体不混溶的不混溶第二流体的源；以及

将所述第一流体的液滴分配到所述不混溶第二流体中，其中所述液滴的尺寸由所述微制造微流体阀的打开和关闭的时机决定，并且其中所述液滴包围所述珠粒和所述目标颗粒中的至少一者。

17.权利要求16的方法，其中在所述微流体通道中流动的所述第一流体包含目标颗粒和非目标材料，并且所述目标颗粒包含T细胞、干细胞、癌细胞、肿瘤细胞、蛋白质和DNA链中的至少一种。

18.权利要求16的方法，其还包括：

在激光询问区域中识别非目标材料中的目标颗粒；

响应于来自所述询问区域的信号，打开和关闭所述微制造的MEMS流体阀，以将识别出的目标颗粒与非目标材料分离，以及

将所述目标颗粒引导到所述液滴中。

19.权利要求16的方法，其还包括：

提供与多个荧光标签附接的珠粒，其中所述荧光标签用荧光信号指明所述珠粒的身份，

使用所述微制造的MEMS流体阀分离所述珠粒；以及

将所述珠粒引导到所述液滴中，其中所述珠粒和所述目标颗粒位于同一液滴内。

20.权利要求16的方法，其中所述液滴在形成于所述基底中的喷嘴结构处形成。

21.权利要求16的方法，其还包括：

用导向到所述液滴的激光器加热流体的所述液滴。

22.权利要求16的方法，其还包括：

产生第一分选脉冲以捕获经标记珠粒；以及

然后随后产生第二分选脉冲以捕获目标细胞，

其中产生分选脉冲，使得所述珠粒和目标颗粒位于分配到第二不混溶流体中的同一液滴内。

23.权利要求16的方法，其还包括：

产生第一分选脉冲以捕获目标细胞；以及

然后随后产生第二分选脉冲以捕获经标记珠粒，

其中产生分选脉冲，使得所述珠粒和目标颗粒位于分配到第二不混溶流体中的同一液滴内。

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