CN115266543A - 识别对象的装置及相关方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种识别对象的装置及相关方法，该识别对象的装置包括：微流体芯片，在所述微流体芯片中设置有多个通道，所述多个通道包括：主流体通道，待识别的对象的样本流体混合物被引入到所述主流体通道中；多个鞘液通道，鞘液被引入到所述多个鞘液通道中，所述鞘液将所述主流体通道中的所述对象定向在预定方向上，同时仍保持所述主流体通道中的层流；询问装置，所述询问装置检测和询问所述主流体通道中的定向的所述对象；以及聚焦能量装置，所述聚焦能量装置对所述对象执行动作。
Description
本发明是申请人于2014年06月18日提出的名为“具有聚焦能量装置的微流体系统和方法”、申请号为2014800719520的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及微流体处理技术领域，尤其是涉及识别对象的装置及相关方法。
背景技术
在各种粒子或细胞物质的分离中(例如，将精子分离成有活力的且能动的精子和无活力的或不能动的精子，或者按照性别进行分离)，过程通常是耗时的任务，具有严格的体积约束。因此，当前的分离技术例如无法产生预期的产量、或及时地处理大量的细胞物质。
光损伤激光系统已利用激光器来光损伤或杀死不期望的细胞对象。然而，现有技术已要求使用喷嘴的流式细胞仪，以询问和布置液滴流中的个体对象，以及在这些对象落入各个容器中时试图分离和光损伤这些对象，这难以实现。
因此，需要一种在目标对象之间进行识别和区分的方法和装置，该方法和装置是连续的、具有高吞吐量、是时间和成本有效的，并且该方法和装置对各个目标对象产生可忽略不计的或最小的损伤。此外，这样的装置和方法应当还适用于其它生物学领域和医学领域，不仅仅在精子区分上，而是在血液和其它细胞材料的区分上，该其它细胞材料包括病毒、细胞器官、球状组织、胶态悬浮体、和其它生物材料。
发明内容
本发明涉及识别对象的装置及相关方法。
在一个实施方式中，一种识别对象的装置，所述装置包括：
微流体芯片，在所述微流体芯片中设置有多个通道，所述多个通道包括：
主流体通道，待识别的对象的样本流体混合物被引入到所述主流体通道中；
在所述主流体通道和第一多个鞘液通道相交的第一交叉口之前的所述主流体通道中设置有坡道，所述坡道使得所述样本流体混合物偏离中心平面；
多个鞘液通道，鞘液被引入到所述多个鞘液通道中，所述鞘液将所述主流体通道中的所述对象定向在预定方向上，同时仍保持所述主流体通道中的层流；其中所述多个鞘液通道水动力聚集所述对象，从而当所述对象流经所述主流体通道时，所述对象被设置在受限制的核心体积中；
其中，所述多个鞘液通道包括：
第一多个鞘液通道，所述第一多个鞘液通道在第一交叉口处与所述主流体通道交叉，从而所述鞘液在所有侧面上围绕并压缩所述样本流体混合物，从而所述样本流体混合物变为被所述鞘液束缚的相对较小、较窄的流，同时保持所述主流体通道中的层流；和
询问装置，所述询问装置检测和询问所述主流体通道中的定向的所述对象；以及
聚焦能量装置，所述聚焦能量装置对所述对象执行动作。
在一个实施方式中，还包括：
其中，所述询问装置检测和询问所述对象以确定关于所述对象的信息；
其中，关于所述对象的所述信息决定所述对象是否将被所述聚焦能量装置瞄准，其中，被所述聚焦能量装置瞄准的对象为目标对象；
其中，所述聚焦能量装置的所述动作作用于所述目标对象或围绕所述目标对象的区域。
在一个实施方式中，还包括：
从所述主流体通道引导的至少一个输出通道，所述至少一个输出通道将所述对象从所述微流体芯片移除，其中，所述至少一个输出通道将目标对象和非目标对象二者从所述微流体芯片移除。
在一个实施方式中，如权利要求3所述的装置，还包括：
动作腔，所述询问装置在所述动作腔中询问所述样本流体混合物中的水动力聚焦的所述对象，所述动作腔设置在所述微流体芯片中的所述第二交叉口的下游；以及
光源，所述光源将光束发射到所述动作腔中，以照明和激发所述样本流体混合物中的所述对象。
在一个实施方式中，所述光束激发所述对象中的荧光，从而将所述目标对象区分于非目标对象。
在一个实施方式中，还包括：
光信号检测器，所述光信号检测器检测所述光束并将所述光束转换为电信号；以及
控制器，所述控制器分析所述电信号以决定是否将所述对象作为目标。
在一个实施方式中，所述主流体通道成锥形进入所述动作腔。
在一个实施方式中，所述主流体通道在入口点处成锥形进入所述微流体芯片中的所述第一交叉口。
在一个实施方式中，所述对象为细胞。
在一个实施方式中，待被所述聚焦能量装置作用的所述细胞包括区分于无活力的或不能动的精子的有活力的或能动的精子、或者按照性别或其它性别区分变量来区分的精子中的至少一者。
在一个实施方式中，在对所述对象的所述询问之后，所述聚焦能量装置对所述对象作用预定量的时间。
在一个实施方式中，还包括：
并行设置的多个微流体芯片，所述多个微流体芯片包含多个样本流体混合物；
其中，单个询问装置用于所述多个微流体芯片中的至少一者。
在一个实施方式中，一种识别对象的装置，所述装置包括：
微流体芯片，在所述微流体芯片中设置有多个通道，所述多个通道包括：
主流体通道，待识别的对象的样本流体混合物被引入到所述主流体通道中；
多个鞘液通道，鞘液被引入到所述多个鞘液通道中，所述鞘液将所述主流体通道中的所述对象定向在预定方向上，同时仍保持所述主流体通道中的层流；
其中所述多个鞘液通道在第一交叉口处与所述主流体通道相交，从而所述鞘液在至少两侧压缩所述样本流体混合物，从而所述样本流体混合物变为被所述鞘液束缚的相对较小、较窄的流，同时保持所述主流体通道中的层流；和
询问装置，所述询问装置包括第一激光器，用于检测和询问所述主流体通道中的定向的所述对象；以及
第二激光器，所述第二激光器用于向所述对象提供电磁能，且所述第二激光器布置在所述询问装置的下游。
在一个实施方式中，还包括：
其中，所述询问装置检测和询问所述对象以确定关于所述对象的信息；
其中，关于所述对象的所述信息决定所述对象是否将被第二激光器瞄准；以及
其中，所述第二激光器作用于所述目标对象或围绕所述目标对象的区域。
在一个实施方式中，还包括：
从所述主流体通道引出的至少一个输出通道，所述至少一个输出通道将所述对象从所述微流体芯片移除；
其中，所述至少一个输出通道将目标对象和非目标对象二者从所述微流体芯片移除。
在一个实施方式中，第二鞘液通道从所述至少两侧压缩所述样本流体混合物。
在一个实施方式中，所述多个鞘液通道水动力聚集所述对象，使所述对象在流经所述主流体通道时朝向所述预定方向，并被设置在受限制的核心体积中。
在一个实施方式中，还包括：
动作腔，其中所述询问装置的所述第一激光器在所述动作腔中询问所述样品流体混合物中的水动力聚焦的所述对象，所述动作腔设置在所述微流体芯片中的所述第一交叉口的下游，所述第一激光器位于所述主流体通道一侧。
在一个实施方式中，还包括：
光信号检测器，所述光信号检测器检测由所述对象发射的光束并将所述光束转换为电信号；以及
控制器，所述控制器分析所述电信号以决定是否将所述对象作为目标。
在一个实施方式中，
所述主流体通道在入口点处成锥形进入所述微流体芯片中的所述第一交叉口，以便所述主流体通道的宽度在所述入口点之前逐渐变窄。
在一个实施方式中，根据权利要求20所述的装置，其中，
所述主流体通道成锥形进入所述动作腔，以便所述主流体通道的宽度在与所述动作腔相交之前逐渐变窄。
在一个实施方式中，
在所述主流体通道和所述多个鞘液通道相交的第一交叉口之前的所述主流体通道中设置有坡道，以使所述主流体通道的宽度在第一交叉口之前变窄。
在一个实施方式中，所述对象为细胞。
在一个实施方式中，待被所述第二激光器作用的所述细胞包括区分于无活力的或不能动的精子的有活力的或能动的精子、或者按照性别或其它性别区分变量来区分的精子中的至少一者。
在一个实施方式中，在对所述对象的所述询问之后，所述第二激光器对所述对象作用预定量的时间。
在一个实施方式中，一种非人哺乳动物精子组合物的生产方法，包括：
使精细胞群流经通道；
将所述精细胞分成X精细胞亚群和Y精细胞亚群；
选择所需的亚群，消除不需要的亚群；和，
收集精细胞的两个亚群，所述两个亚群包括所述所需的亚群和消除的所述不需要的亚群。
在一个实施方式中，所述使精细胞群流经通道，包括：
将所述群体中的精细胞定向到所述通道中的特定位置；
将所述精细胞对齐，且所述精细胞以单个队列的方式移动穿过所述通道；和
通过所述通道的输出部分排出所述精细胞。
在一个实施方式中，在所述将所述精细胞分成X精细胞亚群和Y精细胞亚群、以及所述选择所需的亚群，消除不需要的亚群的步骤中，所述精细胞群和鞘液呈层流。
在一个实施方式中，所述将所述精细胞分成X精细胞亚群和Y精细胞亚群，包括：
用光束照射所述精细胞；和
检测所需的亚群和所述不需要的亚群之间的差异。
在一个实施方式中，所述光束被分成多个光束，其中所述多个光束中的每一光束被配置为照亮不同的精细胞。
在一个实施方式中，所述选择所需的亚群，包括：
基于不同亚群之间的物理差异，对每个亚群进行门控；和
识别所需的亚群。
在一个实施方式中，所述对每个亚群进行门控、以及所述识别所需的亚群，包括：
对每个亚群关联图表；和，
选择或标记所需的亚群。
在一个实施方式中，所述消除与所述精细胞的移动时间相协调，且所述精细胞以预定速度移动。
在一个实施方式中，一种精子的性别组分的生产方法，所述精子包括非人类动物精子，所述方法通过从样本流体中的精子群中识别精子亚群来实现，所述方法包括：
用染料对所述样本流体中的所述精子群进行染色；
根据所述精子群中精子的一个或多个物理特性，定义用于区分所述精子群的所述样本流体中所述精子亚群的门控策略，其中，所述一个或多个物理特征部分基于所述染料在所述精子群中可识别，且所述门控策略包括识别所述精子亚群的一个或多个物理特征；
测量所述精子群中精子的一种或多种物理特性；
基于所定义的所述门控策略测量所述样本流体的跨度分布；
基于所述一个或多个物理特性和所定义的所述门控策略来识别所述精子亚群中的精子；和，
生成所述精子的性别组分，所述精子包括根据所述一个或多个物理特性、所述跨度分布和所定义的所述门控策略识别的精子亚群。
在一个实施方式中，所述精子群包含牛精子。
在一个实施方式中，所述精子的性别组分基本上包括携带X染色体的精细胞，或，所述精子的性别组分基本上包括携带Y染色体的精细胞。
在一个实施方式中，所述门控策略还包括在所述精子群中精子的一个或多个物理特征的图表中识别精子亚群的一个或多个物理特征。
在一个实施方式中，所述门控策略还包括在图表中绘制所述样本流体中的所述精子群中每个精细胞的一种或多种物理特征中每个物理特征的位置。
在一个实施方式中，所述门控策略包括在所述一个或多个物理特征的图表中标记所述精子亚群。
在一个实施方式中，所述方法还包括：
确定图表中是否存在精子的一个或多个物理特征的可接受分辨率。
在一个实施方式中，所述一个或多个物理特征包括DNA含量。
在一个实施方式中，一种定义门控策略的方法，所述门控策略用于通过从样本流体中的精子群中识别精子亚群生产精子的性别组分，所述精子包括非人类动物精子，所述方法包括：
确定所述精子的性别组分中待出现的一个或多个物理或遗传特征；
基于所述一个或多个物理或遗传特征，设置用于从所述精子群的所述样本流体中区分的精子亚群的门控参数，以生成所述门控策略；其中，所述一个或多个物理或遗传特征部分基于具有染料的样本流体的所述精子群的染料在所述精子群中可识别，且所述门控参数包括标记所述精子亚群的一个或多个物理或遗传特征；
测量所述精子群中的精子的一个或多个物理或遗传特征；
基于所定义的门控策略测量所述样本流体的跨度分布；
根据所测量的一个或多个物理或遗传特征以及所述门控策略，识别所述精子亚群中的精子；和
生成所述精子的性别组分，所述精子包括根据所测量的所述一个或多个物理或遗传特性、所述跨度分布和所述门控策略识别的所述精子亚群。
在一个实施方式中，所述精子群包含牛精子。
在一个实施方式中，所述精子的性别组分基本上包括携带X染色体的精细胞，或，所述精子的性别组分基本上包括携带Y染色体的精细胞。
在一个实施方式中，标记所述精子亚群的一个或多个物理或遗传特征，包括：在所述精子群中的精子的一个或多个物理或遗传特征的图表中标记所述精子亚群的一个或多个物理或遗传特征。
在一个实施方式中，所述门控参数还包括所述图表中的所述样本流体的所述精子群中的每个精子的一个或多个物理或遗传特征的每个物理或遗传特征的位置。
在一个实施方式中，所述方法还包括确定所述图表中是否存在精子的一个或多个物理或遗传特征的可接受分辨率。
在一个实施方式中，所述一个或多个物理或遗传特征包括DNA含量。
因此，概述了符合本发明的一些特征，以便随后的详细描述可以被更好地理解，且以便对本领域的当前贡献可以被更好地领会。当然，具有符合本发明的附加特征，这些附加特征将在下文被描述且将形成所附权利要求的主题。
在这方面，在详细阐述符合本发明的至少一个实施方式之前，应当理解，本发明在其应用上不限于在以下描述中提出的或在附图中示出的结构的细节和对象的布置。符合本发明的方法和装置能够实现其它实施方式以及能够以各种方式来实践和执行。而且，应当理解，本文及以下包括的摘要中采用的词组和术语出于描述目的且不应当被视为限制。
因此，本领域的技术人员将理解，本公开内容所基于的概念可以很容易地被用作用于执行本发明的多个目的的其它结构、方法和系统的设计基础。因此，重要的是，在这样的等效构造不脱离符合本发明的方法和装置的精神及范围的情况下，权利要求被视为包括这样的等效构造。
附图说明
在结合附图考虑时，参考以下公开内容，本发明的目标、特征和优势将更易于理解，附图中：
图1A示出根据符合本发明的一个实施方式的具有顶部“空白”层的单层微流体芯片的说明性实施方式的分解透视图。
图1B(a)示出根据符合本发明的另一个实施方式的在底层的顶部上及在顶层的下侧上具有功能层的双层微流体芯片的说明性实施方式的分解透视图。
图1B(b)示出在图1B(a)中所示的实施方式的底层的俯视图及顶层的下侧。
图1C(a)示出根据符合本发明的另一个实施方式的具有三个功能层的三层微流体芯片的说明性实施方式的分解透视图，顶层和中间层在这些层的下侧具有功能部分。
图1C(b)从相反视角示出图1C(a)的三层说明性实施方式，其中这些层被翻转，示出了顶层和中间层的下侧功能层。
图1D示出根据符合本发明的另一个实施方式的四层微流体芯片的说明性实施方式的分解透视图，其中顶层为“空白”层。
图2示出根据符合本发明的一个实施方式的微流体芯片的说明性实施方式的俯视图。
图3A示出根据符合本发明的一个实施方式的双(功能)层微流体芯片中的样本通道、和鞘或缓冲通道的透视图。
图3B示出根据符合本发明的另一个实施方式的单层微流体芯片中的样本通道、和鞘或缓冲通道的透视图。
图4A示出根据符合本发明的一个实施方式的具有锥形体和内部坡道的样本通道的透视图，该样本通道进入第一水动力聚焦区域的交叉口。
图4B示出根据符合本发明的一个实施方式的具有锥形体和内部坡道的主通道的透视图，该主通道进入第二水动力聚焦区域。
图4C示出根据符合本发明的一个实施方式的在动作腔之前的样本通道中的坡道特征。
图5示出根据符合本发明的一个实施方式的光源对流经图1A的微流体芯片系统的主通道的流体混合物中的对象的说明性询问的横截面内部视图。
图6A示出根据符合本发明的一个实施方式的对象在微流体芯片系统的主通道中从询问到区分的流动的倾斜示意性侧视图，其中在询问之后激活聚焦能量设备。
图6B示出根据符合本发明的另一个实施方式的对象在微流体芯片系统的主通道中从询问到区分的流动的倾斜示意性侧视图，其中在输出通道出口处激活聚焦能量设备。
图6C示出根据符合本发明的另一个实施方式的对象在微流体芯片系统的主通道中从询问到区分的流动的倾斜示意性侧视图，其中在输出通道出口和收集之间不连贯的液滴上激活聚焦能量设备。
图6D示出根据符合本发明的另一个实施方式的对象在微流体芯片系统的主通道中从询问到区分的流动的倾斜示意性侧视图，其中在询问之前激活聚焦能量设备。
图7示出根据符合本发明的一个实施方式的跨越微流体主通道的剪切力梯度的透视图。
图8A示出微流体芯片的主通道在第一步水动力聚焦之后的横截面视图，其中样本流体被压在主通道的侧面上，以及对象偏离主通道的中心部分。
图8B示出微流体芯片的主通道在第二步水动力聚焦之后的横截面视图，其中样本流体从主通道之上和之下被压紧，从而对象基本上位于主通道的中心。
图9示出根据符合本发明的一个实施方式的微流体芯片的主通道的横截面，其中对象位于该主通道的中心。
图10是示出根据符合本发明的一个实施方式的跨越微流体芯片的主通道的流速分布的图。
图11示出根据符合本发明的一个实施方式的微流体芯片的主通道的横截面，其中对象偏离中心。
图12A示出根据符合本发明的一个实施方式的第二水动力聚焦步骤，其中鞘或缓冲通道从上面和从下面平行于微流体芯片的样本通道且从垂直方向进入样本通道。
图12B示出根据符合本发明的另一个实施方式的图12A的第二水动力聚焦步骤，其中微流体芯片的一个鞘或缓冲通道小于另一个通道。
图13A示出根据符合本发明的一个实施方式的微流体芯片的主通道的中心内的精细胞的直方图。
图13B示出根据符合本发明的一个实施方式的偏离微流体芯片的主通道的中心的精细胞的直方图。
图14示出根据符合本发明的一个实施方式的流经微流体芯片的对象的透视内部斜视图以及两步式水动力聚焦的说明性操作，其中单个鞘或缓冲流体从主通道的上部进入。
图15示出根据符合本发明的一个实施方式的微流体芯片的透视图以及两步式水动力聚焦的说明性操作，其中鞘或缓冲流体通道从样本通道的上部和下部垂直进入。
图16示出根据符合本发明的一个实施方式的具有询问和区分装置的微流体芯片系统的倾斜的侧面示意图以及光束光学器件从样本通道的相反侧的实现，其中与聚焦能量设备光学器件共享会聚光学器件。
图17示出根据符合本发明的一个实施方式的具有询问和区分装置的微流体芯片系统的倾斜的侧面示意图以及光束光学器件从样本通道的同一侧的实现，其中询问光束和聚焦能量光束通过同一个单独的光学器件来进行组合。
图18示出根据符合本发明的一个实施方式的多个并行设置的、使用单个询问装置的微流体芯片系统的示意图。
图19示出根据符合本发明的一个实施方式的微流体芯片系统的流动控制网的示意图，该流动控制网具有用于样本流体和鞘或缓冲流体的外部个体储液器。
图20示出根据符合本发明的一个实施方式的微流体芯片系统的流动控制网的示意图，该流动控制网具有外部单个鞘或缓冲储液器及样本储液器。
图21示出根据符合本发明的一个实施方式的微流体芯片系统的具有单个鞘或缓冲储液器的压力调节网的示意图。
图22A和图22B分别示出根据符合本发明的一个实施方式的微流体芯片座的正面和背面，该微流体芯片座具有用于去往功能性多层微流体芯片的流体的三个端口。
图23A和图23B分别示出根据符合本发明的一个实施方式的微流体芯片座的正面和背面，该微流体芯片座具有用于去往单层微流体芯片的流体的四个端口。
具体实施方式
在转到详细示出说明性实施方式的附图之前，应当理解，本发明不限于在说明书中提出的或在附图中示出的细节和方法论。还应当理解，术语仅出于描述目的且不应当被视为限制。已经进行了努力以贯穿附图使用相同或相似的附图标记来指示相同或相似的部分。
本发明涉及具有询问装置和聚焦能量装置的微流体芯片，该询问装置检测并询问样本流体混合物中的对象，该聚焦能量装置对对象或对象周围的区域执行动作。在一个实施方式中，询问装置询问对象以识别该对象、以及确定该对象是否应当被聚焦能量装置作为目标。在一个实施方式中，目标对象是不需要的目标对象。
在一个实施方式中，聚焦能量装置是通过损伤、杀死、改变、使其丧失能力、或破坏目标对象而在目标对象和非目标对象之间进行区分的区分装置。在微流体网内以流动的连续液流来实施本发明，在这里，对象经受水动力聚焦、定位和定向，且允许非目标对象未受干扰地流经微流体芯片，以及通过聚焦能量装置对目标对象起作用，包括光损伤、杀死、改变、使其丧失能力、或破坏。
应用
本发明的各个实施方式提供了在流体混合物中选择对象，例如：选择区分于无活力的且不能动的精子的有活力的且能动的精子；按性别或其它性别选择变量来选择精子；从群体细胞选择干细胞；选择区分于未标记的细胞的一个或多个标记的细胞，区分需要的/不合需要的特性；针对需要的特征选择细胞；根据指定特征在细胞中的核DNA中选择基因；基于表面标记选择细胞；基于膜完整性(活力)、潜在的或预计的生殖状况(生育能力)、冷冻存活能力等选择细胞；选择区分于污染物或废弃物的细胞；选择选择区分于损伤的细胞(即，癌细胞)的健康的细胞(如在骨髓提取中)；在血浆混合物中选择区分于白血细胞和血小板的红血细胞；以及选择区分于进入对应小部分的任何其它细胞对象的任何细胞；选择损伤的细胞、或污染物或废弃物、或任何其它期望区分的生物物质。对象可以是用链接体分子处理或涂有链接体分子的、或者嵌入有一个或多个荧光或冷光标记分子的细胞或珠子。对象可以具有各种物理属性或化学属性，诸如尺寸、形状、材料、纹理等。
在一个实施方式中，可以测量异源群体的对象，其中针对不同添加量或在相似添加量下的不同物理环境检查每个对象(例如，多重测量)，或者可以基于标签(例如，荧光)、图像(由于尺寸、形状、不同的吸收、散射、荧光、冷光特性，荧光或冷光发射轮廓、荧光或冷光衰减寿命)、和/或粒子位置等来检查和区分对象。
此外，本发明的主题也适合于其它医学应用。例如，下文讨论的各种层流可以被用作肾透析过程的一部分，在该肾透析过程中，清除全血中的废物并将全血返回到患者。进一步，本发明的各个实施方式还可以适用于其它生物学领域或医学领域，诸如用于选择细胞、病毒、细菌、细胞器或子部、球状组织、胶态悬浮液、脂肪或脂肪粒、胶体、非混相粒子、分裂球、细胞的聚集体、微生物、和其它生物材料。例如，根据本发明的对象选择可以包括细胞“清洗”，其中，从细胞悬浮液去除污染物(诸如细菌)，这在医学应用和食品工业应用中可以是特别有用的。进一步，本发明适用于选择区分于能动的细胞对象的不能动的细胞对象。
本发明的主题还可以用于将物种从一种溶液转移到另一种溶液，其中，通过过滤或离心进行的分离是不实际的或不可取的。除了上文讨论的应用外，附加的应用包括选择区分于其它尺寸的胶体的给定尺寸的胶体(用于研究或商业应用)，以及清洗诸如细胞、卵细胞等的粒子(有效地更换包含上述粒子的介质，并去除污染物)，或从盐和表面活性剂的溶液清洗诸如纳米管的粒子，该溶液例如具有不同盐浓度或不具有表面活性剂。
选择物种的动作可以依赖于对象的多个物理属性，包括自我能动性、自我扩散性、自由落体速度、或外力(诸如致动器、电磁场或全息光阱)下的动作。可选择的属性例如包括细胞能动性、细胞活力、对象尺寸、对象质量、对象密度、对象彼此吸引或排斥或者吸引或排斥流中的其它对象的趋势、对象电荷、对象表面化学性质、和某些其它对象(即分子)附着到该对象的趋势。
尽管以下讨论聚焦于选择区分于无活力的或不能动的精子的有活力的或能动的精子，或按性别和其它性别选择变量选择精子，或选择区分于未标记的细胞的一个或多个标记的细胞，区分需要的/不合需要的特性等，但是本发明的装置、方法和系统可以被扩展到其它类型的微粒状的生物物质或细胞物质，该微粒状的生物物质或细胞物质能够在液流内通过荧光技术来询问，或该微粒状的生物物质或细胞物质能够在不同液流之间被操控到一个或多个输出口。
样本制备
在一个实施方式中，使用细胞计数设备(诸如体细胞计数器(Nucleocounter))来确定对象160(诸如细胞(即，未经处理的精液))的浓度。在一个实施方式中，获得合适的染色体积(即，使用染色计算器工作表)，并且针对预定细胞浓度(即，200x106/ml精子浓度)计算需要相加的染色TALP和对象160(即，纯净精液)的体积。例如，当纯净精液浓度＝1500x106/ml时，制备1ml量的染色样本。因此，200x106/ml/1500x106/ml＝0.133ml的纯净精液，其被添加到(按次序)0.012ml的赫斯特(Hoechst)33342(5mg/ml的储备溶液)和0.885染色TALP(pH7.4)，以在200x106/ml处等于1ml的总染色体积。
在一个实施方式中，通过用Milli-Q水填充容器(即，烧杯)达2/3的总期望体积，来制备染色TALP。当添加化学物质时，使用搅拌棒和搅拌盘来混合溶液。以列出的次序添加的化学物质(直到后续添加的庆大霉素)包括：
表：染色TALP的化学成分
在一个实施方式中，在充分混合化学物质之后，使用NaOH将pH调整到7.4。在容器(即，容量瓶)中使用另外的Milli-Q水来使溶液达到最终体积。使用无菌过滤器(即，0.22无菌过滤器)对该体积进行过滤/杀菌。在过滤之后添加抗菌素(即，庆大霉素溶液)，以及在5℃下存储该体积的染色TALP，并且可以被使用7天至10天。
因此，在用染色TALP对该体积的样本进行染色之后，在一个实施方式中，染色的样本120被放在容器(即，导管)中进入设置在34℃至35℃下的水浴槽中，并且被培养预定时间(即，45分钟)。在一个实施方式中，在培养之后，将染色的样本从水浴槽中移除，并且添加相等体积的具有红色食用染料的4.0％的卵黄TALP，该卵黄TALP已经在设置到34℃至35℃的水浴槽中被加热。
为了获得具有红色食用染料的4.0％卵黄TALP，制备如上所述的染色TALP，并且确定最终溶液的预期体积。制备4.0％卵黄溶液所需的染色TALP和卵黄的体积按如下来计算：
预期的体积：对于4％的溶液需要(250ml)x0.04＝10ml的卵黄。将240ml的染色TALP添加到带刻度的容器(即，量筒)内，并且添加10ml的卵黄。将FD&C#40食用染料添加到该容器(即，量筒)，以获得：0.261ml/100ml的溶液。利用预期的250ml总体积，红色食用染料为0.261mlx250ml/100＝0.653ml。该容器(即，量筒)覆盖有封口膜，并且很仔细地被倒转，直到该体积被充分混合。然后允许体积容器在制冷室中静置一夜且被冷却。然后仔细地将该体积容器倾注到无菌容器中，使任何沉淀物留在体积容器的底部。然后通过0.22μm的瓶盖过滤器对该体积进行过滤/杀菌，并且添加适量的抗菌素溶液(即，0.250ml的庆大霉素/100ml的卵黄TALP)。
因此，在将相等体积的具有红色食用染料的4.0％卵黄TALP添加到染色的样本120之后，通过将样本120倒入20微米的过滤器(即，CellTrics过滤器)来过滤染色的样本120，其被排入另一无菌5ml的培养容器中。在预定时间(即，45分钟)的染色之后，添加相等体积的4.0％卵黄TALP。染色的样本120(即细胞)穿过过滤器(即，Partec过滤器，具有50微米的网眼)，并且将样本放入样本容器或储液器233中，用以引入微流体芯片100中(参看图19至图21)。
在一个实施方式中，最终精子浓度＝100x106/ml，并且最终卵黄百分比＝2％。预期每个小时可以制备和使用新样本小份120。
微流体芯片系统
如下所述的微流体芯片的各个实施方式利用一个或多个流体通道，具有多个基本上的层流，允许询问装置询问一个或多个对象用以识别以及允许聚焦能量装置对一个或多个对象起作用，其中对象离开微流体芯片进入一个或多个输出口。在一个实施方式中，未被聚焦能量装置作为目标的对象不受干扰，聚焦能量装置光损伤、改变、使其丧失能力、杀死、或破坏目标对象。
本发明的各个实施方式因而在连续基础上(诸如在连续的、封闭的系统内)提供对对象的选择，而不存在现有技术的方法的潜在性损伤和污染，尤其如在精子分离中所提供的。在选择和区分对象方面，本发明的连续过程还提供了显著的时间节省。
尽管相对于图1A至图2中所示的微流体芯片100和图20至图21中所示的微流体芯片座200详细地讨论本发明的主题，但是应当理解，该讨论同样适用于在本文中所讨论的各种其它实施方式或其任何变型。
微流体芯片
图1A是微流体芯片100的说明性实施方式。通过如本领域的普通技术人员所熟知的压印成型工艺、软光刻技术、或注模成型工艺，微流体芯片100由合适材料制成，该合适材料诸如玻璃、或热塑性塑料(例如，低自动发荧光的聚合物等)、或材料的组合，该微流体芯片100具有合适的尺寸。每层可以具有任何合适的厚度，例如，厚度可以在大约300μm至400μm的范围内，更优选地，该厚度可以大约为400μm。
微流体芯片100包括一个或多个结构层，其中设置有微通道，这些微通道用作一个或多个样本输入通道、一个或多个鞘液或缓冲流体通道、一个或多个输出通道等。微通道具有合适尺寸以容纳包含对象的层流，并且可以以合适长度被设置在芯片100的任何层中，只要实现本发明的目的即可。在一个实施方式中，微流体通道的维度范围从50微米到500微米，优选地100微米到300微米用以避免堵塞。
通过微流体芯片100的预期流速可以由如下几者来控制：进入芯片100的预定引入流速、通过在芯片100内保持合适的微通道维度、通过将外部流体泵送到芯片100中的泵送机构、以及通过在各个位置处收窄微通道或使微通道成锥形、和/或通过在微通道内提供障碍物、坡道或分隔器(下文进一步讨论)。
更具体地，多个输入口被提供到微流体芯片100中，这些输入口提供通向微通道/通道的入口。在一个实施方式中，如图1A至图2所示，样本输入口106用于将样本流体混合物120中的粒子或对象(即细胞)160的样本从至少一个储液器源(参看图19)引入到微流体芯片100的主流体通道164中。
微流体芯片100还包括至少一个鞘或缓冲输入口，用于引入鞘液或缓冲流体。在一个实施方式中，在微流体芯片100中具有两个鞘或缓冲输入口，其包括鞘或缓冲输入口107和鞘或缓冲输入口108，二者均设置成接近样本输入口106，且二者均将鞘液或缓冲流体163引入到微流体芯片100中(参看图1A至图3B)。
在一个实施方式中，具有三个鞘或缓冲输入口107、108和172(参看图1A和图3B)，其将鞘液或缓冲流体引入到微流体芯片100的通道164中。鞘或缓冲输入口107、108、172的位置可以改变，且它们可以在芯片100中接入处于相同或不同结构层的通道。在一个实施方式中，将鞘液或缓冲流体163从公共储液器引入到输入口107、108、172中(参看图20至图21)，或在另一实施方式中，将鞘液或缓冲流体163从单独的储液器引入到输入口107、108、172中(参看图19)。
鞘液或缓冲流体在微流体领域中是熟知的，且在一个实施方式中，可以包含本领域中所熟知的营养素以保持流体混合物中的对象160(即精细胞)的活力。市场上买得到的三羟甲基氨基甲烷(如Chata Biosystems公司所出售的)是一个示例，并且鞘液或缓冲流体163可以按配方制作成包括以下项：
水-0.9712L；三羟甲基氨基甲烷-23.88gg；一水柠檬酸-11.63g；D-果糖-8.55g。利用盐酸将pH调整到6.80±0.05，并且如果需要的话则利用高纯度果糖将渗透度调整到270mOsm至276mOsm。使用0.22微米过滤器过滤混合物。
微流体芯片100可以具有一个或多个结构层，其中设置有微通道。这些通道可以设置在一个或多个层中或者设置在层间之中。以下实施方式描述了粘接工艺，但是本领域的普通技术人员将知晓如何通过使用注模成型工艺来实现各个特征。例如，在注模成型中，代替形成两个层，可以制作两个模具并将其结合在一起，从而进行对凹腔的注入以便获得本发明的芯片。
在一个实施方式中，如图1A所示，在微流体芯片中包括一个结构层101，在该结构层101上设置有顶部“空白”可塑层104。该顶部“空白”可塑层104与功能层101粘接以形成封闭的微流体网，并且可以具有多个孔以提供通往芯片100的一个或多个下层的入口。例如，顶部“空白”层104可以具有对应于输入口106、输入口107、输入口108、输入口172等的孔，或者提供用销将芯片100的层101、层102、层104等固定在一起的孔145。在一个实施方式中，微流体芯片100的顶层104包括多个开口，这些开口配置成与微流体芯片座200(下文进一步描述)上的配件对齐。
在另一个实施方式中，如图1B(a)所示，在微流体芯片100中包括两个功能性的结构可塑层101-102，而不具有顶部“空白”层。在本实施方式中，顶层102的功能侧设置在层102的下侧，从而当这些层放在一起时，形成通道114、通道115、通道116、通道117(参看图1B(b))。
在另一个实施方式中，如图1C(a)所示，在微流体芯片100中使用三个功能性的结构层101、102、103。如同图1B(a)，层102、层103包括在层102、层103的下侧的功能侧，其中当层101和层102放在一起时形成通道116、通道117。层103具有设置在层103的下侧的通道114、通道115(参看图1C(b))。
在另一个实施方式中，如图1D所示，在微流体芯片100中使用四个结构的可塑层101-103和顶部“空白”层104。在本实施方式中，层102包括通道114、通道115，以及层101和层103分别包括通道116、通道117中的一者。
然而，本领域的普通技术人员将知晓，可以使用更多或更少具有功能侧以及具有或不具有“空白”层的结构层，并且通道可以设置在任何结构层中或不同结构层中，以及具有任何布置，其中通过顶部“空白”层接入那些通道，只要达到本发明的目的即可。
在一个实施方式中，包括对象160的样本流体混合物120被引入到样本输入口106中，并且流体混合物120流经主通道164去往动作腔129(参看图1A至图2)。鞘液或缓冲流体163在大部分实施方式中被引入到鞘或缓冲输入口107、108中(参看图1A至图2)，在另一实施方式中被引入到鞘或缓冲输入口107、108和172中(参看图1A)。在层流中，鞘液或缓冲流体163在通过至少输出通道140和输出通道142流出之前流经通道114、通道115和通道116、通道117，进入主通道164，以及去往动作腔129。
在一个实施方式中，来自主通道164的流体混合物120与来自通道114、通道115的鞘液或缓冲流体163在微流体芯片100的交叉口161处汇合。在一个实施方式中，来自通道116、通道117的缓冲流体163在第二交叉口162处下游汇合来自第一交叉口161的组合的流体混合物120和鞘液或缓冲流体163(参看图1A至图2)。在一个实施方式中，在第二交叉口162的下游，通过输入口172将鞘液或缓冲流体163输入到主流体通道164(参看图1A和图3B)。
在一个实施方式中，通道114、通道115的维度基本上与通道116、通道117的维度相同，只要达到预期流速以实现本发明的目的即可，但是本领域的普通技术人员将知晓，维度可以是不同的，只要它们实现预期结果即可(下文进一步讨论)。
在一个实施方式中，通道114-117和通道140-142可以具有基本上相同的维度，然而，本领域的普通技术人员将知晓，微流体芯片100中的任何通道或全部通道的尺寸维度可以改变(例如，在50微米和500微米之间)，只要达到预期流速以实现本发明的目的即可。
在一个实施方式中，通道114、通道115或通道116、通道117设置在微流体芯片100的同一结构层或平面中，除了设置有通道164的层或平面以外(例如参看图1A)，或者可以设置在不同的结构层或平面中(例如参看图1B)。在另一个实施方式中，输入通道164和鞘通道114、115或鞘通道116、117可以设置在芯片100的结构层或平面之间。因此，本领域的普通技术人员将知晓，通道114-117、通道164和通道140-142等可以设置在任何层中或任何两层之间。进一步，尽管在如图所示的示例性实施方式中描述了通道114-117、通道164和通道140-142等，但是本领域的普通技术人员将知晓，芯片100上的通道的具体布置或布局可以为任何预期布置，只要它们实现本发明的描述特征即可。
在一个实施方式中，通道116、通道117穿透层101(参看图1A和图2)，并且通过穿透层的孔在同一平面内结合通道164中的流体混合物120。在一个实施方式中，通道116、通道117基本上平行于输入通道164，并且每个通道以偏离通道164的一定角度结合交叉口161(参看图2至图3)。来自通道116、通道117的鞘液或缓冲流体从侧面水平地或者侧向地压缩流体混合物120流，从而使流体混合物120中的对象160沿着所选方向或预期方向变平坦和/或定向，同时仍保持通道164中的层流(即，两步式水动力聚焦中的第一步骤，如下文进一步描述)。
另外，在一个实施方式中，通道114、通道115在交叉口162处结合通道164中的流体混合物120，其中每个通道114、115偏离通道164一定角度(参看图1A)。来自通道114、通道115的鞘液或缓冲流体相对于通道164压缩流体混合物120流(参看图14)，从而进一步使流体混合物120中的对象160沿着所选方向或预期方向变平坦和/或定向，同时仍保持通道164中的层流(即，两步式水动力聚焦中的第二步骤，如下文进一步描述)。
接着本实施方式，在交叉口162的下游设置有第三鞘液或缓冲流体输入口172(参看图3B)，这允许第三水动力聚焦步骤发生，在该步骤，通过引入其中的鞘液或缓冲流体163从通道164上方压缩样本流体混合物120。
在替选实施方式中，在上述第一水动力聚焦步骤之后，通道114、通道115从通道164上方偏离一定角度地(参看图3A)(以及可以是上方和下方(参看图12A))在交叉口162处结合通道164中的流体混合物120，以从垂直方向压缩流体混合物120，进而使通道164中的对象160变平坦和/或定向(即，第二水动力聚焦步骤)。
然而，本领域的普通技术人员将领会到，所描绘的微流体芯片100的鞘或缓冲输入口、样本输入口、和样本输入通道与鞘或缓冲通道的配置、角度和结构布置，以及水动力聚焦步骤可以是不同的，只要它们实现本发明的预期特征即可。
在一个实施方式中，如图2所示，通道114、通道115和通道116、通道117被描绘成彼此局部共轴，中心点由样本输入口106限定。因此，在一个实施方式中，通道114、通道115和通道116、通道117按照基本上平行的布置方式进行设置，其中通道114、通道115和通道116、通道117到主通道164的距离相等。然而，本领域的普通技术人员将认识到，所描绘的配置可以是不同的，只要它实现本发明的预期特征即可。
在一个实施方式中，孔和销/杆145设置在层101、层102、层103、层104等中的各个便利位置处，以在芯片100制作期间固定和对齐多个层。
在一个实施方式中，可以提供任何预期形状的衬垫105或O型环，以保持微流体芯片100和微流体芯片座200之间的紧密密封(例如参看图1D和图21至图22)。在衬垫105的情况下，在任何配置中，该衬垫105可以是单片或具有任何配置或如预期材料(即，橡胶、硅胶等)的多个对象。在一个实施方式中，如图1D所示，第一衬垫105放置在微流体芯片100的一端，并且与层104接合或粘合。多个孔144设置在第一衬垫105中，且配置成与样本输入口106、鞘/缓冲输入口107、及鞘/缓冲输入口108对齐。
在一个实施方式中，第二衬垫143可以设置在微流体芯片100的另一端与第一衬垫105相对(例如参看图1D)，并且与顶部结构层104接合或粘合(使用环氧树脂)(参看图1D和图21至图22)。
在一个实施方式中，使用O型环替代衬垫，以辅助密封，以及将微流体芯片100稳定在芯片座200中。
然而，本领域的普通技术人员将知晓，一个或多个衬垫或O型环可以应用于芯片100的外层，以在芯片100的操作期间保护芯片座200中的芯片100。
在一个实施方式中，微流体芯片100的通道114-117和通道140-142可以不仅维度变化，而且可以在进入芯片100中的其它通道的入口点处具有锥形体形状，以便控制流体流经这些通道的流动。例如，主通道164可以在进入交叉口161的入口点处成锥形体(参看图4A，锥形体166A)，或者在进入交叉口162的入口点处成锥形体(参看图4B，锥形体166A)，以控制且加速样本120流入交叉口161，以及允许分别来自通道116、通道117或通道114、通道115的鞘液或缓冲流体163在至少两侧上(如果不是所有侧(取决于流体通道164进入交叉口161的位置))沿着第一方向(即水平地或侧向地)和第二方向(即垂直地)压缩样本流体混合物120(参看图3A至图3B、图4A至图4B、和锥形体166A)。
在另一个实施方式中，坡道可以设置在通道164或通道114-117中以实现控制且加速样本流经通道的效果。该坡道可以附加于锥形体之外或代替锥形体。
例如，在样本流体分别接近交叉口161和交叉口162之前或者在进入动作腔129之前，在通道164中可以设置有坡道166B(参看图4A和图4B)。
因此，样本流体混合物120变为被鞘液或缓冲流体163束缚或环绕的相对较小、较窄的流，同时保持通道164中的层流。然而，本领域的普通技术人员将知晓，主通道164或缓冲通道114-117可以是具有锥形体、坡道或其它内部特征的任何物理布置，诸如矩形的或圆形的通道，只要达到本发明的目的即可。
在一个实施方式中，源于主通道164的多个输出通道(参看图2)被设置成用于去除流经微流体芯片100的流体，该流体包括任何目标或非目标对象160和/或鞘液或缓冲流体163。在如图1A至图2所示的一个实施方式中，具有三个输出通道140-142，其包括左侧输出通道140、中间输出通道141和右侧输出通道142。左侧输出通道140结束于第一输出口111、中间输出通道141结束于第二输出口112、以及右侧输出通道142结束于第三输出口113。然而，可以仅具有一个输出通道141和输出口112。
在一个实施方式中，输出通道140-142在腔129内偏离通道164，到达输入口111-113。在一个实施方式中，输出通道140-142的横截面和长度应当保持处于预定体积比(即2:1:2或1:2:1等)以获得输出通道140-142的预期的水阻力。
在一个实施方式中，输出通道140-142从通道164起维度增大，离开腔129，从而用于对象160的输出比通过相关通道141而增大。
在一个实施方式中，代替笔直边缘，在需要的情况下，多个槽口或凹口146可以设置在微流体芯片100的底部边缘处以分离输出口(即输出口111-113)以及用于附接容器和外部管道(用于回收鞘液或缓冲流体163，参看图19至图21)等。通过源于动作腔129的输出通道140-142到达第一输出口111、第二输出口112和第三输出口113(参看图2)。
在一个实施方式中，容器188从第二输出口112收集对象160，但是其它容器可以从第一输出口111和第三输出口113收集输出物(参看图6A至图6D)。在一个实施方式中，可以以电子方式使第一输出口111、第二输出口112和第三输出口113的部分特征化，以检测对象160的浓度、pH测量、细胞160计数、电解质浓度等。
在一个实施方式中，聚焦能量装置157对目标对象160起作用，并且可以从第二输出口112收集那些对象160以及非目标对象160作为产物165。
在一个实施方式中，目标对象160和非目标对象160的产物165可以继续被加工，以供储存、进一步分离或加工，诸如低温保藏(下文进一步讨论)。
在一个实施方式中，微流体芯片100设置在无菌状态下，且可以装填一种或多种溶液(即鞘液或缓冲流体163)，或者根据已知方法，通过使微流体芯片100排空或通过使鞘液或缓冲流体153或其它溶液流经微流体芯片100来清除掉任何流体或材料。
动作腔
在一个实施方式中，在交叉口162的下游，流体混合物120中的对象160流经通道164进入动作腔129，在动作腔129处询问对象160并对对象160起作用。在一个实施方式中，通道164成锥形进入腔129(参看图4B)，这加速流体混合物流经腔129。然而，本领域的普通技术人员将知晓，通道164不必成锥形且能够为任何维度和尺寸，只要本发明根据预期要求执行即可。
在一个实施方式中，使用询问装置147来询问和识别通道164内的流体混合物中穿过腔129的对象160。另外，在一个实施方式中，聚焦能量装置157也对穿过腔129的对象160起作用。
在一个实施方式中，腔129包括穿透微流体芯片100和层101-102的直径相对小的开口或窗口150(参看图5)，当对象160通过通道164时，可以通过开口或窗口150使对象160可视化。
另外，直径相对较大的且浅的开口切入层104中作为顶部窗口，以及切入层101中作为底部窗口。在一个实施方式中，顶部窗口被配置成容纳第一透明覆盖物133，且底部窗口152被配置成容纳第二透明覆盖物132。覆盖物133、覆盖物132可以由符合预期透射要求的任何材料(诸如塑料、玻璃)制成，或者甚至可以为透镜。在另一个实施方式中，代替具有覆盖物的窗口，可以使用连续的塑料片材。注意，尽管在图5中示出了覆盖物132、覆盖物133和开口150的相对直径，但是这些可以根据设计或制造考虑而改变。
在一个实施方式中，上述第一覆盖物133和第二覆盖物132被配置成封闭腔129。窗口和覆盖物133、覆盖物132(参看图5)允许在通道164内的流体混合物120中的对象160流经腔129时通过开口150而被观看到，以及由合适的光源147和聚焦能量装置167对该对象160起作用(后文讨论)。
在一个实施方式中，由于芯片层(即玻璃)的结构和/或其配置，因此不需要窗口和/或开口，或者聚焦能量装置157和光源147的波长和功率级使得将不会出现对芯片100的损伤。
询问装置
本发明的询问装置包括光源147，该光源147被配置成发射高强度光束148，该高强度光束148具有匹配流体混合物120中的可激发的对象的任何波长(参看图5)。尽管激光器147是优选的，但是可以使用任何合适的其它光源147(诸如发光二极管(LED)或弧光灯等)来发射激发对象的光束。
在一个实施方式中，需要来自预选波长的合适激光器147(例如349nm或355nm连续波(CW)、或准CW脉冲激光器147)的这种高强度激光束148来激发流体混合物中的对象160(即精细胞)。在另一个实施方式中，使用532nm绿光激光器147。
在一个实施方式中，激光器147(参看图5)发射激光束148，该激光束148在芯片100的最上部分处穿过覆盖物133，穿过开口150，以在芯片100的腔129中照亮流经通道164的对象160，然后通过在芯片100的层101中的覆盖物132。
在一个实施方式中，可以通过光纤将光束148传递到对象160，该光纤在开口150处被嵌入在微流体芯片100中。
高强度光束148与对象160相互作用(参看以下详细阐述)，并且穿过第一覆盖物133，以从底部窗口处的覆盖物132离开，从而由光束148诱发的发射光151被物镜153或其它会聚光学器件接收。物镜153或其它会聚光学器件可以放置在相对于微流体芯片100的任何合适位置，例如物镜153或其它会聚光学器件平行于主通道，其光轴垂直于样本流体流120。由于通过第一覆盖物133和第二覆盖物132密封腔129，因此高强度光束148不会撞击在微流体芯片100上且不损伤层101、层104(参看图1A)。因此，第一覆盖物133和第二覆盖物132帮助防止高强度光束148和由微流体芯片100材料(即塑料)诱发的光子噪声对微流体芯片100的损伤。
在一个实施方式中，光束148穿过芯片100，以及由物镜153或其它会聚光学器件接收的发射光151被检测器154检测，并且被光学传感器154(诸如光电倍增管(PMT)或光电二极管等)转换为电信号。该电信号可以被模数转换器(ADC)155数字化或处理，并被发送到基于数字信号处理器(DSP)的控制器156或计算机。电子控制器156可以是具有足够处理能力的任何电子处理器，诸如DSP、微控制单元(MCU)、现场可编程门阵列(FPGA)、或者甚至中央处理单元(CPU)。
在一个实施方式中，基于DSP的控制器156监控电信号，并且基于预定标准，当检测目标对象160时可以采用聚焦能量装置157。
然而，在另一个实施方式中，询问装置仅仅询问样本流体流120中用于识别的对象160，并且不连接到采用的聚焦能量装置157(参看图6C)。
聚焦能量装置
在一个实施方式中，为了将预期能量级传送到对象160，使用聚焦能量装置157来将聚焦能量脉冲提供给对象160。聚焦能量装置157可以是热设备、电子设备、光学设备或电磁设备157，其具有预期波长，且以非常高的重复率(或脉冲频率)将高峰值功率传送到目标对象160。
在一个实施方式中，在被控制器156激活之后，聚焦能量装置157被触发预定时间(即毫秒)(该时序基于对象160通过通道164的行进速度设置，下文进一步讨论)，以及将脉冲分发到所选对象或目标(即不需要的)对象160。
脉冲激光器157的示例包括锁模的Q开关，以及那些使用锁模技术和Q开关技术二者的激光器。例如，聚焦能量装置157(诸如Avia 355-5-100(由加利福尼亚州的圣克拉拉市的Coherent公司制造))或者来自Spectra-Physics公司的Explorer XP激光器Q开关激光器能够在脉冲按需模式下工作，并且可以以每秒1000脉冲以上的速率将15ns的能量脉冲或更少的能量脉冲传送到目标对象160。
在一个实施方式中，使用0.5μJ至8.0μJ的脉冲能量级，以及在优选实施方式中，使用处于脉冲按需模式的Q开关激光器157来传送在用于1.3μJ至2.3μJ的单个脉冲的范围内的1.8μJ的平均脉冲能量。在一个实施方式中，脉冲宽度的范围从3纳秒到1微秒，优选地5纳秒到9纳秒。然而，本领域的普通技术人员将知晓，目前存在的或后续开发的具有合适高能量脉冲和脉冲频率的任何高功率激光器将适合于本发明，以实现预期的目标精度和/或效果。
在一个实施方式中，为了将脉冲能量从聚焦能量装置157传送到目标对象160或其周围区域而需要密封的动作区域(即，腔129或芯片100与容器188之间的空间)，这对于使目标对象160或区域外部的能量传送到另外未被选择的对象或非目标对象160的潜在影响最小化而言是重要的。例如，聚焦能量装置157(诸如Explorer XP355-1Q开关激光器)能够传送<4％rms，当以规律的均匀间隔发光时，提供了高的脉冲对脉冲稳定性。
然而，对于其中对象160或细胞以非均匀间隔进入动作区域(即，腔129或芯片100与容器188之间的空间，参看图6A至图6D)的流式细胞术分析和动作系统，采用其他措施来传送均匀脉冲能量158以仅撞击目标对象160或细胞或其周围区域。这种措施包括匹配激光器157性能参数，诸如脉冲长度和峰值功率级，以实现本发明的系统从而达到预期目标精度(即，在一个实施方式中，对目标对象160的光损伤率或杀死率为95％或更高的命中率)。
此外，进一步调谐激光器157的脉冲按需操作和性能，从而当以非均匀间隔发光时，实现极高的脉冲对脉冲稳定性，这极大地减小了被脉冲158影响的区域中的空间变异性。因此，通过减小聚焦能量装置157中的脉冲对脉冲的变异性，极大地减小了对非目标对象160或细胞的非故意的动作、损伤或破坏，从而对于活的非目标对象160或细胞，实现了例如85％或更高的成活率。
在一个实施方式中，在询问装置157进行询问之前，在动作区域129(诸如腔129)中利用聚焦能量装置157(参看图6D)，以及在另一个实施方式中，在询问装置157进行询问之后，在动作区域(即腔129)中利用聚焦能量装置157(参看图6A)。在又一个实施方式中，在具有对象160的样本流体离开芯片100且进入容器188之后(在进入容器188之前处于输出口112或以不连贯的液滴形式187)，聚焦能量装置157对该样本流体起作用(参看图6B至图6C)。
在询问装置147在动作区域129(即腔129)中询问对象160之后聚焦能量装置157对对象160起作用的实施方式中，基于对将要作为目标的对象160的确定，聚焦能量装置157发射聚焦能量光束158以对流经通道164的对象160起作用(例如参看图5和图6A至图6C)。
在该实施方式中，在动作区域129中的询问之后且在对象160流经输出通道141之后，但是在容器188收集样本流体120之前，聚焦能量装置157对对象160起作用。在本实施方式中，如上文利用聚焦能量装置157，但是将聚焦能量装置157定位成在芯片100和容器188之间发射光束。在一个实施方式中，样本流体120仅仅以液滴形式187从输出口112通过空气落入容器188，以及在另一个实施方式中，在芯片100和容器188之间可以具有透明外壳。
聚焦能量装置157可以被设置成利用脉冲损伤、改变、使其丧失能力、杀死、或破坏样本流体120中的目标对象或不需要的对象160，或者激活对象160或细胞中的多个机制之一，从而发生细胞损伤或死亡。
然而，根据预期布置(下文进一步参看各个实施方式)，目标或所选对象160可以是需要的对象160，在该情况下，聚焦能量装置157不被激活或触发，或者目标或所选对象160可以是不需要的对象160，这里，聚焦能量装置167被激活成对目标160起作用，诸如损伤、改变、使其丧失能力、杀死、或破坏所选的、不需要的对象160。然而，这些不是唯一的实施方式，下文进一步讨论各个实施方式。
在一个实施方式中，当聚焦能量装置157损伤、改变、使其丧失能力、杀死、或破坏所选目标160时，目标160伴随任何非目标对象160继续流经主通道164到达中间输出通道141且到达第二输出口112，进入容器188中。鞘液或缓冲流体163以层流行进分别通过输出通道140、输出通道142，到达输出口111、输出口112。
然而，在一个实施方式中，如上所述，通道164中的对象160可以通过输出通道141和单个输出口112从芯片100流出。
因此，在一个实施方式中，本发明的方法和装置能够在容器188中产生对象160的区分产物165(参看图6A至图6D)，包括高活力的非目标对象或需要的对象160，和高百分比的光损伤的、改变的、使其丧失能力的、破坏的、或死亡的目标对象160。
光束成形和光学器件
为了实现令人满意的信号重复和对对象160的有效损伤、改变、使其丧失能力、杀死、或破坏，有利的是，将光束成形光学器件用于询问光束148和聚焦能量光束158二者(参看图16至图17)。如本文中所使用的，短语“光束斑点”指的是光束148或光束158的横截面。
在一个实施方式中，聚焦能量装置157设置在光源147的下游，且与光源147在同一侧(参看图17)，但是聚焦能量装置157也可以设置在光源147的下游且在光源147的相对侧(例如参看图16)。
在图16的实施方式中，用于询问光束148的光束成形光学器件设置在芯片100的一侧。来自光源147的询问光束148穿过动作区域(即腔129)且被物镜153接收。
在一个实施方式中，光束148被光束成形光学器件181扩展，该光束成形光学器件181可以包括多个透镜，其布置是本领域的普通技术人员所熟知的。例如，光束成形光学器件181可以包括具有合适焦距的一对棱镜和一对柱面透镜，或者可以包括其它透镜而具有或不具有棱镜，这对于本领域的普通技术人员来说是可用的。光束扩展在询问区域129中的焦点处实现了最终斑点的尺寸。在一个实施方式中，圆形光束148的斑点使用光束扩展器180来扩展。光束扩展还减小了对下游光学器件的影响，从而限制损伤并延长使用寿命。然而，在一个实施方式中，不利用光束扩展器。可替选地，如果源光束具有过大的直径，则可以使用光学器件来将该直径减小到合适尺寸。
在一个实施方式中，光束成形光学器件181包括两个垂直的柱面透镜，以当聚焦于其中心时将光束形状148改变成垂直于样本流体120流的方向的椭圆形，并且沿着样本流体120流的方向。该椭圆形光束148光斑用于激发通过微流体芯片100的通道164的对象160，并且在光束148光斑的中心区域处提供最大的均匀照明，以补偿在通过通道164的对象160的流中的小幅波动。另外，在一个实施方式中，具有垂直于样本流体120流的较宽维度的椭圆形光束形状帮助减小来自对象160(即精细胞)的荧光信号的变化，这些对象160的中心没有完全地位于样本流体120流动流内。窄维度将光束148保持在足够高的强度以充分激发用于询问对象160(即精细胞)的荧光染料。尽管椭圆形光束148光斑是优选的，但是在本发明的其它实施方式中，可以利用不同形状的光束。也可以调整询问光束的功率以辅助询问且限制对询问目标的影响。
在一个实施方式中，还通过光束成形光学器件180使聚焦能量光束158成形。聚焦能量装置157的聚焦光束158斑点的形状影响期望目标精度和影响通道164中的非目标对象160的可能性，并且根据应用需要可以是变化的光束形状。在基于流动的系统中，沿着样本流体120的流动方向的光束宽度应当被调整成足够窄，从而仅影响目标对象160，并且达到足够的光束强度集中。光束158光斑横跨流体通道164的长度可以有意地被调整成补偿样本流体120的聚焦流中的任何轻微的不稳定性和可变性。本领域的技术人员可以很容易地获得期望的光束成形。
在一个实施方式中，如图16所示，用于聚焦能量光束158的光束成形光学器件180被用于使光束158向下聚焦到小得多的尺寸以增大动作区域129中的激光通量。在一个实施方式中，光束扩展器光学器件180将光束158扩展(参看图16)，该光束扩展器光学器件180可以包括多个具有合适焦距的透镜或棱镜，这对于本领域的普通技术人员来说是容易知晓的。
在一个实施方式中，光束158穿过一对变形棱镜，例如以使光束158成形。光学物体由于高斯光束属性而进一步使光束158沿着水平方向和垂直方向聚焦和压缩。在一个实施方式中，该光学物体例如可以是检测器光学器件153，诸如具有短焦距的显微镜物镜或聚焦透镜。光束斑点提供用于有效动作(即杀死等)的能量浓度和足以补偿对象160流经微流体通道164中的小幅波动的宽度的组合。在一个实施方式中，使用一对柱面透镜来在垂直维度上扩展光束，在使用球面聚焦透镜或物镜来使光束聚焦成小直径为2μm且大直径为20μm的椭圆形光束斑点。
在替选实施方式中，不同形状和/或维度可以用于光束158。注意，其它大直径和小直径可以被本领域的技术人员得到且可以应用于相同过程。
在另一个实施方式中，从与询问光束148相对的一侧实施聚焦能量装置157，如图17所示。示出的配置是有利的，这是因为该聚焦能量装置157易于实施且有效地使用系统的光检测器侧的自由空间。
在一个实施方式中，使用分色镜来分离特定波长，或将特定波长整合到光路中。另外，尽管可以使用镜子和分色镜/分束器，但是本领域的普通技术人员将知晓，在本系统中可以利用多于一个镜子和/或分色镜/分束器。
在一个实施方式中，会聚光学器件153(包括显微镜物镜)会聚来自芯片100中的对象160的荧光发射，并且分色镜将来自会聚光学器件153的荧光发射传递到光信号检测器154。在一个实施方式中，聚焦能量装置157发射光束158，该光束158穿过光束成形光学器件180(如上所述)，以及被镜子导向且还被分色镜反射而通过会聚光学器件153到达芯片100上。具体地，在一个实施方式中，会聚光学器件153的物镜使进入物镜的后出光口的聚焦能量光束158仅在动作区域129中的询问/激发点的略微下游聚焦成对象160上的紧密斑点。然而，本领域的普通技术人员将知晓，聚焦能量光束158可以设置在芯片100的输出口112之下，或在询问/激发区域129的略微上游。
在一个实施方式中，询问光束148的光束斑点和聚焦能量光束158的光束斑点之间的距离是可调的。
在一个实施方式中，分色镜或任何分束设备可以分离一小点光到照相机182(参看图5)，从而允许用户在视觉上检查对齐。
在一个实施方式中，出于一般性对齐目的，照相机182提供微流体流动环境的视觉图像。可以使用照相机来确定用于聚焦能量装置157发光的位置和时序。
在另一个实施方式中，从与询问光束148相同的一侧实施聚焦能量光束158(参看图17)。利用该方法，用于聚焦能量装置157的聚焦透镜不与检测侧共享，因此光束成形更为灵活，并且消除了对显微镜物镜的需要，该显微镜物镜针对处于动作(即，光损伤、杀死)波长的高功率是额定的，这可以降低系统成本。
在本实施方式中，聚焦能量装置157从与询问装置147相同的一侧发射光束158，并且光束成形光学器件180使光束158成形(上文所述)，以被镜子和分色镜导向且对齐，以被聚焦到芯片100的通道164中的对象160上。在一个实施方式中，光束聚焦光学器件181(如上所述)设置在分色镜和芯片100之间以聚焦光束158。
如上所述，在该实施方式中，仅在动作区域129中的询问/激发点的略微下游使光束158聚焦成对象160上的紧密斑点。然而，本领域的普通技术人员将知晓，聚焦能量光束158可以设置在芯片100的输出口112下方，或在询问/激发区域129的略微上游(参看图6A至图6D)。
另外，如上所述，在该实施方式中，询问光束148的光束斑点和聚焦能量光束158的光束斑点之间的距离是可调的。
对象聚焦和定向
在传统的流式细胞术系统中，由于对象或细胞(尤其具有非对称形状)因其靠近固体表面流动而趋向于定向，因此对象或细胞定向的功能和改进依赖于复杂的喷嘴设计，诸如喷嘴内部的定向挡板和支管结构。为了避免基于喷嘴的流式细胞术系统的复杂设计及其高制造成本，本发明的微流体芯片100的设计使对象160聚焦、定位和定向，以便优化其解析能力。因此，在一个实施方式中，具有非球形形状的对象160(即细胞)在通过询问/检测光束148时被对齐到通道164内的受限制的核心体积中，并且保持处于类似的且期望的定向。因此，将获得更多均匀的散射信号和检测信号，从而帮助提高系统100的敏感度和稳定性。
在一个实施方式中，使用水动力聚焦，可以通过使样本核心流120定位成相对于通道164的横截面的中央平面的中心进行偏离来实现对对象160的定向。
两步式水动力聚焦
下文描述两步式水动力聚焦，在微流体芯片100的一个实施方式中，该两步式水动力聚焦发生在流体流动期间(参看图1B至图1D)。
在一个实施方式中，本发明的第一水动力聚焦步骤通过如下来实现：通过样本输入口106输入包含对象160(包括诸如精细胞160等的生物样本)的样本流体120，以及通过鞘或缓冲输入口107、鞘或缓冲输入口108输入鞘液或缓冲流体163。在一个实施方式中，根据已知方法用染料(例如，Hoechst染料)对对象160进行预染色，从而允许其发荧光和成像。
在一个实施方式中，样本流体混合物120中的对象160流经主通道164，被流体流围绕和定形，并且具有随机的定向和位置(参看图3A和图6A)。在交叉口161，在主通道164中流动的样本混合物120被来自通道116、通道117的鞘液或缓冲流体163围绕和定形，并且在鞘液或缓冲流体163遇到样本混合物120时沿着第一方向(即，在流的至少两侧上(如果不是所有侧的话，这取决于主通道164进入交叉口161的位置)至少水平地)被压缩。这种压缩被称为水动力聚焦(三维(3D))，且可以用于将通道164中的对象160对齐到受限制的核心体积中，该受限制的核心体积可以近似单个队列构造。水动力聚焦利用通道164中的显著大的鞘液或缓冲流来增加对象160通过平面型微流体通道164的行进速度。在一个实施方式中，样本核心流120也可以通过通道164中的坡道166B或锥形体166A结构偏离中心平面，该坡道166B或锥形体166A结构在通道164和第一步的鞘或缓冲通道116、117的交点161之前。
因此，对象160被加速，且微流体通道164中的对象160之间的间距也可以被拉大。对象160的速度取决于样本120的流速以及该值与总的鞘液或缓冲流体163流速的比率。该功能可用于避免堵塞问题以及对象160与高浓缩的对象样本120聚集。
然而，如图8A所示，在该阶段，横跨主通道164的形成的样本120核心流仍示出沿着通道164深度方向或垂直轴线重叠的对象160或细胞。特别地，使对象160围绕通道164的中心聚焦，并且可以将对象160压缩到横跨通道164的深度的薄带中。因此，在交叉口161处，由于来自通道114、通道115的鞘液或缓冲流体163将样本流体120朝向通道164的中心压缩，因此对象160(即精细胞)朝向通道164宽度的中心移动。
在一个实施方式中，本发明包括第二聚焦步骤，在该第二聚焦步骤，在交叉口162处从通道114、通道115进入的鞘液或缓冲流体163从第二方向(即，从顶部到底部的垂直方向)进一步压缩包括对象160的样本混合物120(参看图14)。引入通道164B中的交叉口162是第二聚焦区域。注意，尽管从通道114、通道115进入交叉口162的入口被示出为矩形，但是本领域的普通技术人员将领会到，可以使用任何其它合适配置(即锥形、圆形)。
在一个实施方式中，通道114、通道114中的鞘液或缓冲流体163从同一平面(参看图3A和图6A)或者从不同平面进入通道164(参看图15，在这里，通道114、通道115设置在主通道的上方和下方，从而垂直地进入通道164)，以在对象160沿着通道164B流动时使对象160按照宽度和深度(即水平地和垂直地)二者在通道164B的中心中对齐。于是，随后第二步的鞘流借助通道114、通道115对主通道164中形成的流进行压缩和重定位。
因此，在本发明的第二聚焦步骤中，在通道114、通道115处进入的垂直的鞘液或缓冲流体163再次压缩样本混合物120，并且将样本120流聚焦在通道164深度的中心处，如图8B所示，以及对象160以受限制的核心体积沿着通道164的中心流动，该受限制的核心体积可以在特定方向上近似单个队列构造。
因此，在这两个依次的水动力聚焦步骤之后，获得对象160或细胞的受限制的核心体积，并且还可以将流的位置沿着垂直轴调整到期望位置(参看图8B)。因此，引入到样本输入口106中的对象160经历两步式水动力聚焦，这允许对象160以可以近似单个队列构造的受限制的核心体积沿着更均匀的方向(取决于对象160的类型)移动穿过通道164B，这允许更容易地询问对象160。
三步式水动力聚焦
在一个实施方式中，对芯片100中的对象160执行三步式水动力聚焦。在本实施方式中，如图1A和图3B所示，前两个水动力聚焦步骤通过在交叉口161和交叉口162处水平地压缩样本流体流120来实现，然后在第三步骤中，在通道164中垂直地压缩样本流体流120。鞘或缓冲通道114、鞘或缓冲通道115和鞘或缓冲通道116、鞘或缓冲通道117从水平方向以对于各通道的45度或更小的角度进入通道164。
更具体地，在第一水动力聚焦步骤中，样本120流动进入第一交叉口161，以及来自通道116、通道117的鞘液或缓冲流体163围绕样本120流且立即将样本120流压缩成通道164中的薄样本120流。在一个实施方式中，利用在交叉口之前的内部坡道使样本流体通道164成锥形，这里，鞘液或缓冲流体通道116、鞘液或缓冲流体通道117进入通道164(参看图3B)。同时，由于通道164比第一鞘通道116、第一鞘通道117浅(即维度小)，因此来自通道116、通道117的鞘液或缓冲流体163将样本120流提升，以流向主通道164的顶部。
在第二水动力聚焦步骤中，将鞘液或缓冲流体163从通道114、通道115引入到通道164中，通道114、通道115设置成靠近主通道164的顶部(参看图3B)。在一个实施方式中，如图3B所示，鞘或缓冲通道114、鞘或缓冲通道115水平地结合通道164，以及可以具有比鞘或缓冲通道116、鞘或缓冲通道117的维度更小的维度。因此，由于通道114、通道115的深度比主通道164浅，因此鞘液或缓冲流体163沿着通道164宽度进一步压缩样本120流，以限制样本120流的宽度。该鞘液或缓冲流体163流显著地提高了信号测量敏感度。
在不具有第三水动力聚焦步骤的情况下，在交叉口161和交叉口162处缺少垂直压缩可以导致多个对象160或细胞同时进入检测区域129，因此降低检测敏感度或导致测量误差，尤其对于高吞吐量的流式细胞术应用。
然而，三维水动力聚焦是在通道164内将对象对齐在受限制的核心体积中的有效方式，该受限制的核心体积可以近似单个队列构造。另外，通道164中的对象160的一致定位导致在抛物线型的流动中从对象到对象的速度的可变性最小。
在基于微流体的流式细胞术中，流速分布是沿着微通道的矩形横截面的抛物线型的。图7示出了作用在微流体通道164的横截面上的剪切力的分布。图7中示出的剪切力梯度在锥形尖端具有最小剪切力，且在后面的较大区域具有最大剪切力值。因此，横跨通道164的横截面形成水动力剪切力梯度。靠近通道164壁的大剪切力帮助定向非对称对象160。
在本实施方式中，在水动力聚焦的前两个步骤之后，样本120流沿着水平方向和垂直方向二者收缩成非常薄的流。来自通道116、通道117和通道114、通道115的独立控制的鞘液或缓冲流体163的比率均确定通道164中形成的样本120流的尺寸。在由来自通道114、通道115的鞘液或缓冲流体163引起的压缩之后，对象160可以沿着通道164深度展开一些，但对象160仍跟随样本120流，其非常靠近主通道164的顶部衬板(注意：为了便于参考，芯片被描述成水平设置)。因此，需要具有来自通道172的第三鞘液或缓冲流体163流，以沿着垂直方向进一步压缩样本120流，以及将对象160良好地限制在薄的样本120流内部。
此外，由于鞘液或缓冲流体163流从鞘或缓冲通道172被垂直地引入预限制的样本120流，因此该鞘液或缓冲流体163流帮助将样本120流定位到沿着通道164的横截面的位置(即，实现如图8B所示的最终结果)。当对象160通过检测区域129时，通过微调来自通道172的鞘液或缓冲流体163的流速，可以精确地控制对象160的位置。
在一个实施方式中，通过来自外部鞘管道(参看图20)的通道172引入鞘液或缓冲流体163，而非通过贯穿微流体芯片100的微通道。因此，需要外部流控制器来提供通过输出通道172的恒定的且稳定的流速(参看图19至图21)。
本发明的设计允许核心样本流120定向扁平形的对象、以接近均匀的物理布置方式将对象160定位在通道164中，所有的这些改善了下游的聚焦能量装置157的精密动作。
尽管上文公开了三个水动力聚焦步骤，但是本领域的普通技术人员将知晓，鞘或缓冲通道的配置和数量可以相对于样本流体120中的对象的定向和聚焦而改变，只要它们实现本发明的期望特征即可。
流动控制方法
为了实现上文描述的示例性的三维水动力聚焦方法，样本流体120和鞘液或缓冲流体163二者需要精确地被传送，从而可以使恒定流通过微流体芯片100涌出。在被鞘液或缓冲流体163压缩之后，对象160或细胞已经被加速，且样本120核心流中的对象160或细胞之间的平均间距也由此被显著拉长。总的鞘液或缓冲流体163流速和样本120流速的比率可以在100:1和1000:1之间调整。优选地，在本发明的微流体芯片100中使用200:1至400:1的比率。微流体芯片100中总流体的流速约为2ml/分钟至4ml/分钟。引入的鞘液或缓冲流体163必须是恒定的且无脉冲的，以确保对象160在询问和信号检测期间以及在检测/询问位置和聚焦能量装置157的动作位置之间的稳定行进速度(参看图6A)。这促进准确的信号读取以及聚焦能量装置157对目标对象160的动作。利用对流经主通道164的流体的精确控制，总流速变化小于设定流速的1％，并且从对象160的询问和检查发生的位置到聚焦能量装置157对对象160起作用的位置，用于聚焦能量装置157进行潜在动作的目标对象160的行进速度发生的变化小于1％(参看图6A)。
对象的定向
在扁平形的对象160(即精细胞)的检测中的挑战性问题之一是，当对象160通过询问光束148时沿均匀定向限制对象160。因此，对象160的近似均匀的定位和对象160在通道164中的对应定向有助于提高系统的敏感度。利用前述水动力聚焦策略，对象160沿着通道164的位置可以以受控方式来操纵。因此，通过调整来自通道116、通道117和通道114、通道115和通道172的鞘液或缓冲流体163流之间的比率，聚焦样本120流偏离通道164的中心约5微米至20微米(例如基于通道164的宽度为150微米且高度为100微米的横截面)的位置优选用于检测扁平形的对象160。通常，可以实现对象160的0至100微米的偏置位置的调整。
具体地，为了对齐通道164中的对象160以改善其定向，利用微流体通道164的高深宽比来引起剪切力以使对象160(即精细胞)的扁平表面翻转到面对通道164壁。另外，可以主动地采用鞘液或缓冲流体163流来压缩和定位通道164中的对象160。下文更详细地描述这些方法。
i)被动方法
在一个实施方式中，可以利用非对称几何结构来通过如下方式之一定位通道164中的聚焦对象160：a)将非对称坡道166B放置在样本主通道164中以提升样本流120(参看上文关于图4A的阐述)；以及b)在动作腔129之前将非对称坡道166B放置在主通道164中，以提升聚焦样本流120(参看上文关于图4B的阐述)。可以单独地或以二者或更多者的合适组合使用以上非对称特征。然而，本领域的普通技术人员将知晓，对于实现对象160在通道164中的位置，这些特征不是必需的。
在一个实施方式中，如上所述，可以在通道114-117中使用坡道以提升样本流120，但是坡道不是必需的。坡道在通道中的布置取决于为了改善对象160或细胞定向而需要使样本核心流120的对象160偏离中心的方向。然而，以上被动方法的改变主通道164中的对象160位置的灵活度较小。
ii)主动方法
在使通道164中的样本120核心流偏离的替选方法中，引入非对称鞘流163以调整对象160或细胞在通道164中的位置。具有几种实现非对称鞘液或缓冲流体流163的方法，下文描述其中的两个实施方式。
一个实施方式是引入单个鞘液或缓冲流体流163，其与主通道164壁形成90度角，如图3A(在两步式水动力聚焦方法中)或图3B(在三步式水动力聚焦方法中)所示。在两步式水动力聚焦实施方式中，继在交叉口161处的第一步水动力聚焦之后，在第二步水动力聚焦交叉口162处引入的鞘液或缓冲流体流163进一步压缩样本核心流120。
在替选的三步式水动力聚焦实施方式中，对样本核心流120的这种压缩发生在通道172结合主通道164的第三步水动力聚焦交叉口处。因此，最终水动力聚焦步骤将对象160或细胞沿着垂直轴定位到期望位置。通过控制水动力聚焦流速的比率，可以获得对象160的期望位置以实现最佳定向。
在使用两步式水动力聚焦方法的第二实施方式中，两个第二步鞘或缓冲通道114、115相对于主通道164壁以一定角度合并，以及从上方和下方平行于主通道164，如图12A至图12B所示。第二步水动力聚焦通道114、115与主通道164的角度可以改变且取决于制造方法。优选地，选择90度角(参看图12A至图12B)。不同流速的鞘液或缓冲流体164可以通过两个通道114、115流动，这两个通道114、115能够将样本核心流120重定位在主通道164中。在对象160偏离通道164的中心平面之后，改善对象160的定向。在诸如精细胞160的具体实施方式中，精细胞160趋于将其扁平侧沿着垂直轴翻转到通道164壁。
如从图12B的实施方式可知，通道114、通道115的维度不一定是相同的(如图12A所示)，以便获得不同的水阻力。因此，第二步的鞘液或缓冲流体流164在通道114、通道115中的相同流速也将生成偏置流体流。
总而言之，以上被动方法和主动方法二者均可以帮助以最佳方式定位对象160且改善其在通道164中的定向。
在一个实施方式中，将饼状精细胞160作为对象160的示例。由于其饼型或扁平泪珠状头部，因此当精细胞160经历第二聚焦步骤或第三聚焦步骤时(取决于实施方式)，精细胞160将沿着预定方向进行自身重定向，即其扁平平面垂直于光束148的方向(参看图6)。因此，精细胞160在通过水动力聚焦过程时发展对其主体定向的偏好。具体地，在精细胞160的主体垂直于压缩方向的情况下，精细胞160趋于更稳定。因此，在鞘液或缓冲流体163的控制下，以随机定向开始的精细胞160现在实现了均匀定向。因此，精细胞160不仅被设置在通道164B的中心处的受限制的核心体积中，而且它们还在最近水动力聚焦步骤中实现了均匀定向，其中精细胞160的扁平平面垂直于压缩的方向。
以上方法改善了精细胞160的定向以及区分X精子染色体和Y精子染色体的DNA含量(从而区分X精子和Y精子)的能力。图13A和图13B的直方图分别示出了位于通道164的中心的精细胞160，和偏离通道164的中心的精细胞160。图13A中的直方图的左侧和右侧的圆圈示出了异常定向的精细胞160的群体。主群体的左峰使其丧失能力了区分X精亚群体和Y精亚群体的能力，且促成X精亚群体和Y精亚群体的非对称分布。
微流体芯片系统的操作
对象的询问
在一个实施方式中，询问光源147是激励式激光器147(参看图16)，其具有350mW的功率、355nm的波长、12ps的脉冲宽度。
在一个实施方式中，在水动力聚焦步骤的进一步下游，在通道164中，使用光源147穿过覆盖物133在开口150处、在动作腔129中检测对象160。光源147发射光束148(其可以借助光纤)，该光束148在开口150处被聚焦在通道164的中心。
在一个实施方式中，对象160是精细胞160，其通过水动力聚焦步骤来定向，从而精细胞160的扁平表面面向光束148。此外，当所有对象160或精细胞160在光束148下通过时，通过水动力聚焦步骤将所有对象160或精细胞160移动到可以近似单个队列构造的受限制的核心体积中。当对象160在光源147下通过且被光束148作用时，对象160发射荧光，该荧光指示期望对象160的身份。
光源147提供荧光激发能，用于在动作腔129中检测对象160。在对象160为精细胞160的示例性实施方式中，X染色体细胞以与Y染色体细胞不同的强度发荧光(基于DNA含量，如在本领域中所熟知的)(注意：针对用在DNA上的Hoescht33342染料选择355nm)。另外，在其它实施方式中，对象160(其为携带一种特性的细胞)可以以与携带不同组特性的细胞不同的强度或波长发荧光。此外，可以针对形状、尺寸或任何其它区分指标来观看对象160。
因此，在精细胞160的实施方式中，精细胞160相比于其它细胞，朝向细胞160的扁平表面和边缘的照明大不相同。从精细胞160的边缘导出的荧光信号显著强于从扁平表面导出的荧光信号，这增大了数字处理器156处理来自边缘的较强信号以及来自细胞160的X扁平表面和Y扁平表面的常规较弱信号的难度。因此，将精细胞160的扁平表面翻转到面对激光照明(即光束148)有助于降低定向可变性且提高系统区分X精细胞160或Y精细胞160的能力。
在光束诱发的荧光的实施方式中，发射的光束151(在图5中)然后被物镜153会聚，且随后被光学传感器154转换为电信号。然后电信号被模数转换器(ADC)155数字化且被发送到用于信号处理的电子控制器156。
如上所述，在一个实施方式中，基于DSP的控制器156监控电信号，以及当注意到特定信号时，可以采用聚焦能量装置157对目标对象160起作用(参看图6A至图6C)。然而，在替选实施方式中，在聚焦能量装置157对对象160起作用之后，询问装置询问对象160(参看图6D)。
在一个实施方式中，利用其它方法实现对包含对象160(即生物材料)的样本120的询问。因此，可以光学地或视觉地检查微流体芯片100的部分或来自微流体芯片100的输出。总的来说，用于询问的方法可以包括直接的视觉成像，诸如利用照相机，并且可以利用直接的强光成像或荧光成像；或者，可以使用更复杂的技术，诸如光谱学、透射光谱学、光谱成像、或诸如动态光散射或扩散波的散射光谱学。
在一些情况下，光学询问区域129可以连同添加剂一起使用，该添加剂诸如结合到或影响样本混合物120的化学物质、或在存在某些物质或疾病时被功能化成凝固和/或发荧光的珠子。这些技术可以用于测量细胞浓度、检测疾病、或检测使对象160特征化的其它参数。
然而，在另一个实施方式中，如果不使用荧光，则还可以使用偏振光后向散射方法。使用光谱学方法，如上所述询问对象160。具有阳性反应且发荧光的那些对象160(即，与标签起反应的那些对象160)的光谱被识别，以被聚焦能量装置157选择。
在一个实施方式中，可以基于对象160与添加剂或鞘液或缓冲流体163的反应或结合、或者通过使用对象160的自然荧光或与对象160相关联的物质的荧光作为身份标签或背景标签、或者满足所选尺寸、维度或表面特征等，来询问和识别对象160。
在一个实施方式中，在完成试验之后，可以借助计算机182(其监控电信号并且采用聚焦能量装置157)和/或操作器来选择哪些对象160被丢弃以及哪些被收集。
对于聚焦能量装置的应用
本发明的聚焦能量装置157可以在通道164中或在芯片100和容器188之间对对象160执行多个动作。
在一个实施方式中，聚焦能量装置157按多个方式起到光损伤或破坏对象160的作用。
具体地，聚焦能量装置157起到杀死对象160(即细胞)的作用。例如，目标对象160可以是不需要的对象160，且在聚焦能量装置167起作用之后，细胞内环境过热可以引起细胞死亡，内环境过热可以促进但不限于蛋白质变质和酶活性降低。
在另一方法中，来自聚焦能量装置157的能量剂量158的动作强大到足以导致细胞膜破裂和细胞内容物从细胞160泄漏出而进入周围环境(即鞘液或缓冲流体163)。
在另一方法中，对象160或细胞死亡可以由活性氧(ROS)的形成引起，ROS的形成是由于从来自聚焦能量装置157的聚焦能量脉冲158吸收能量，除了其它方面，这将引起DNA和蛋白质损伤。
在另一个实施方式中，聚焦能量装置157可以使用来自聚焦能量装置157的聚焦能量脉冲158使目标对象160(诸如细胞160)暂时地或永久地丧失能力。
例如，使精细胞160暴露于聚焦能量脉冲158(诸如由激光器或LED157产生的那些聚焦能量脉冲158)，生成细胞160内的光激活且导致负责精子160能动性的细胞机制暂时地或永久地丧失能力。在使目标精细胞160丧失能力之后，形成的样本120包含能动的精子160和不能动的(目标)精子160，其中不能动的精子无法自然地使卵细胞受精。
在另一个实施方式中，可以期望的是，使用聚焦能量脉冲158以通过DNA中核苷酸的二聚作用使精子160不能生殖。当使细胞160(诸如精细胞160)暴露于UV光时，二聚作用发生，从而导致嘧啶碱基之间的结合，以及形成一种“交联”，如果未被修复，则该“交联”抑制复制和转录。因此，尽管目标精细胞160仍然活着(如由其能动性证明的)，但是目标精细胞160的生育能力被极大降低。
除了精细胞160外，还可以使用高功率的聚焦能量源157(诸如LED或激光器157)来光消退对象160(诸如细胞或胶体160)中的荧光，该对象160表现出预定级别的荧光。例如，在许多自集合的对象建立中，形成宽尺寸范围的难以彼此分离的对象160。为了产生具有期望尺寸的对象160的增强型样本120，可以使用本领域中已知的方法来用荧光标记所有对象160，以及可以使用光学询问来确定对象160的尺寸，且对拥有预定级别的荧光的对象160进行光消退。
在具体示例中，精液样本120可能包含污染物，诸如细菌性细胞或病毒性细胞，这些污染物是光消退的目标。另一示例可以包括精细胞160，其包含给定特性的细胞160或DNA且标记有用于定量测量和/或定性测量的荧光团。包含该特性的精细胞160可以被聚焦能量装置157作为目标。在另一个实施方式中，不包含该特性的精细胞160可以作为用于光消退的目标。在其它细胞混合物(诸如血液)中的特定细胞160也作为用以降低生存能力的光消退处理的候选者。在另一个实施方式中，光消退的细胞/对象160在下游可以是不可检测的且因此不经受后续处理步骤(即，可以绕过后续处理步骤)。
在另一个实施方式中，对比于使对象160丧失能力，聚焦能量脉冲158可以用于激活材料，诸如对象160内的被困分子或化合物。
在一个应用中，被困化合物表示但不限于荧光标记或细胞响应分子。在这些应用中，聚焦能量脉冲158可以用于引起被困分子或化合物的光激活，这改变用于离体疗法的细胞160信号动力学。
在另一个实施方式中，聚焦能量脉冲158可以激活光聚合事件，该光聚合事件通过改变对象160的内部属性使细胞或胶体160丧失能力。
在另一个实施方式中，相对于细胞内的信号通路，可以使用聚焦能量脉冲158来在对象160或细胞(包括生殖细胞)内激活热激蛋白或者引发线粒体生物合成或激活，以增强细胞生存能力和功能。还可以激活额外的细胞内的通路以修复由询问/检查设备147或多个其它因素进行的损伤，其它因素太多而不再列出(即环境因素、热因素、化学因素等)。
在一个实施方式中，本领域的技术人员可以通过聚焦能量脉冲158生成光聚合，以使用多臂聚乙二醇丙烯酸酯/聚乙二醇乙烯树脂等暂时地封装或永久地包含目标细胞160、胶体、或其它对象，这促进目标对象160或细胞的封装。可以封装精细胞160以增强在商业储存过程和交付过程中对活力和生育能力的保留。
在另一个实施方式中，使用聚焦能量脉冲158来在目标细胞或对象160的表面上引起光聚合事件，这增大了封装物质的尺寸和密度，从而改变目标对象160的尺寸和密度或改善封装物质的特性和性能。
在另一个实施方式中，在泡囊的疏水部分中的可光聚合型序列可以用于通过其中的封装而永久地密封期望分子或对象160。
在另一方法中，可以使用聚焦能量装置157在外部对目标对象160起作用或改变目标对象160周围的环境。
在一种方法中，使用聚焦能量脉冲158加热目标细胞或对象160周围的局部环境，从而热增强足以引起对目标细胞160的毒性。
在另一个实施方式中，使用聚焦能量脉冲158促进非常靠近目标细胞160的包含分析物的运载媒介(诸如泡囊)的破裂。运载媒介携带分子，诸如导致精细胞160暂时不能移动的氟化钠(NaF)、或促进精细胞160的获得能力的肝素。当分析物或激活剂的浓度局部增大时，目标精细胞160或其它对象响应于本地信号，而不在非目标对象160中激活类似的响应。
在另一个实施方式中，当对象160或细胞附接到表面时，利用聚焦能量脉冲158改变周围环境以改变该表面的弹性模量或从周围对象160或细胞的表面释放细胞响应的化学物质。
在一个实施方式中，通过吸收光/电磁(EM)波158产生的热引起温度变化，该温度变化杀死对象160或细胞。
在另一个实施方式中，使用聚焦能量脉冲158在附着材料中形成预定的化学键或打破化学键，从而引导对象160(诸如干细胞160)分化成不同的细胞系。
在一个实施方式中，对于一些应用，期望的是，使用聚焦能量脉冲158来促进细胞摄取或粘附到目标对象160上。
在一个实施方式中，通过局部加热增强抗体、细胞探针或DNA的细胞摄取。
在一个实施方式中，利用所述局部加热，当温度升高也被最佳化以保持对象160或细胞的活力时，选择性地促进对象160内化为目标活细胞160。
在一个实施方式中，将待传送的对象160附着到一物体，该物体在作为光源147的目标时可以引起短暂的微泡，例如，寡核苷酸可以与金纳米粒子共轭。当利用处于最佳波长的光源147加热该金纳米粒子时，短暂地形成微泡。在微泡的空穴现象之后，金纳米粒子被分裂开，且附着于该微泡的多块纳米粒子和对象透过细胞膜。
在另一个实施方式中，目标对象160的温度升高不足以引起微泡的形成。局部温度升高被优化以保持细胞活力且选择性地促进对象160内化到目标活细胞中。
类似地，在另一个实施方式中，通过使用聚焦能量脉冲158将材料附着到胶体或对象上，对象160的几何结构或对象160的特性被改变，因此使得附加的分离技术(诸如磁场或电场)能分离通常不易受这些力影响的物质。
聚焦能量装置的操作
通常，使用电磁辐射源(诸如聚焦能量装置157)或激光器来对所选对象160起作用的流式细胞术分析和动作系统，通常期望将受控能量级传送到个体对象160。在一个实施方式中，这样的系统可以使用聚焦能量装置157杀死、改变、损伤、或破坏目标对象160或细胞。在另一个实施方式中，在其它方法之中，这样的系统可以激活在所选对象160或细胞中或者在围绕所选对象160的流体、媒介或基质中的目标，如上所述。
在以上利用聚焦能量脉冲158的方法中，可以通过目标发射或连续消除的方法应用辐射，从而使期望目标160不受影响，且从样本120中区分不需要的、改变的、杀死的、破坏的、或损伤的对象160。当针对目标发射模式和连续发射模式选择激光波长和激光功率时，给出如上所述的类似考虑。
a、目标发射模式：
更具体地，在目标发射中，聚焦能量装置157用于目标对象160。具体地，样本120流体混合物中的对象160可以通过腔129中的询问/检测区域，例如，在此处，通过一种或多种上述方法来评估对象160的指定特征。
因此，在基于流动的系统中，例如，聚焦能量装置157的动作区域129在使用光源147进行询问的光学询问区域的下游。可替选地，在询问更远的下游之前利用聚焦能量装置157。在一个实施方式中，聚焦能量装置157在动作腔129中对对象起作用。光学询问区域与动作区域之间的距离可以被调整成适应不同时序。
基于预定标准来决定保持、丢弃或作用于所需对象160。利用来自聚焦能量装置157的触发能量脉冲158击打用于动作而标记的对象160(例如参看图6A至图6C)。
当对象160或细胞未被作为目标时，该对象160或细胞保持不受影响，且流经腔129，经由通道164到达输出通道141和容器188，该容器188收集目标对象160和非目标对象160作为区分产物165。
在一个实施方式中，激光器脉冲158具有短暂的持续时间且可以选择性地瞄准个体对象160或细胞，同时不对可能在附近的非目标对象160或细胞施加故意的影响，从而避免对非目标对象160或细胞的“过量喷涂”。脉冲能量被选择用于给予期望效果，同时避免对周围媒介的非期望干扰，或例如，在流动系统中，不引起非故意的空穴现象或气泡形成。可以使用各种激光波长；然而，流量需求可以根据目标对象160、染料和环境的特征而不同。
激光器单元157具有有限功率，尤其那些工作在高脉冲频率(通常大于100kHz)的密集模型，并且优选的是选择使所需流量最小化的激光波长。例如，使激光器157波长匹配于用在动作过程中的染料、其它目标、或对象160(即分子)的吸收度极大地提高了效率和有效性。另外，脉冲能量158被选择用于给予期望效果，同时避免对周围媒介的非期望干扰，或者例如，在流动系统中，不引起非故意的空穴现象或气泡形成。
在关于作为对象160的精细胞160的一个具体示例中，使用355nm的激光器157来利用染料(即，Hoechst 33342染料)，该染料用于细胞染色工艺。在类似示例中，可以使用349nm的激光器157。在这些示例中，当不需要的精细胞160被光损伤、破坏或杀死时，使用0.5μJ至8.0μJ的脉冲能量级别。
b、连续发射：
在连续发射中，诸如在基于流动的系统中，不断地采用聚焦能量脉冲158，且仅针对不需要被作用的非目标对象160(即不被损伤、破坏、改变或杀死的需要的对象160)或者废弃物或污染物的通过而被中断。
如上所述，基于预定标准来决定保持或丢弃对象160，或者作用于(包括光损伤、杀死、改变、使其丧失能力、或破坏)对象160。在示例性流动系统中，聚焦能量装置157(诸如连续波(CW)或快速脉冲激光器或LED)将聚焦能量158的连续流传送到对象160，且用于对穿过样本120流体流的流动流中的特定位置的每个对象160起作用，即包括光损伤、改变、使其丧失能力、破坏、或杀死。当在动作区域中遇到非目标对象160时，将激光光束158切断、偏向、或以其它方式中断短暂的时间段，以允许非目标对象160(在一些情况，丢弃的项目)不受影响地通过。目标对象160或目标对象160流经通道141而进入容器188。
用于中断或扩散光束158的方法包括机械方法(遮板、斩波器、反射镜)、光学方法(声光偏转器、声光调制器、空间光调制器、数字微镜器件、偏振修改、液晶显示器)、电学方法(Q开关激光器的脉冲调节、下落、或更改)、或声学方法。可以利用任何其它已知的或未来的合适方法或技术来中断聚焦能量光束158。
利用目标方法或连续方法，能量脉冲158具有短暂的持续时间，且聚焦能量装置157可以选择性地仅瞄准单个对象160且不影响样本120流体流中附近的其它对象160(即可以限制“附带损伤”)。根据用户需求，选择能量脉冲158足以实现对对象160的期望动作(即损伤、改变、杀死或破坏对象160)。来自聚焦能量装置157的脉冲能量158应当落在将不引起由于空穴现象、气泡形成、或能量吸收方法而对样本120流体的干扰的范围内。
用于减小对非目标对象160的非故意动作、损伤或破坏的其它技术包括如下技术：吸收绝大部分的脉冲能量158、更改光束158的方向、或通过发射脉冲158将多余能量排出到流动流120中。具体地，这些技术可以包括机械地移动镜子或透镜以将多余的激光脉冲158散焦或偏转到能量吸收设备中、电气地更改透镜以改变激光器157的传播角度、以及复杂的触发技术，该触发技术使来自激光器157的脉冲能量数据与关于在当前流动流中的对象160的对象到对象时序的数据协调。
c、脉冲时序
聚焦能量装置157对对象160的动作之间的时序不是一致的且遵循泊松分布，其中许多短间隔和极长间隔出现。因为基于激光的动作系统157包括固有限制因素，所以优选的是在激光脉冲158之间包括短的“再充电时间”。等待时间(聚焦能量装置157中固有的)加上“充电/再充电”时间，是聚焦能量装置157可以反应(传送脉冲)且仍向目标对象160提供所需能量级的最小时间。
在一个实施方式中，充电时间的范围应当从0.1μs到1秒，优选地应当从0.1μs到4ms。能量级中脉冲对脉冲的变化影响对目标对象160或细胞产生期望效果的速率，以及影响非目标对象160或细胞的可能性。当以非均匀间隔发射时，脉冲到脉冲的稳定性应当很高。在一个示例中，脉冲按需模式下的Q开关激光器157被用于传送1.8μJ的平均脉冲能量，其中个体脉冲的范围是1.3μJ至2.3μJ。
在基于流的系统中，动作区域129可以位于腔129中的光学询问区域的下游，或其上游，并且光学询问区域和动作区域之间的距离可以被调整成适应不同时序。为了适应用于脉冲激光器157的足够充电时间，对对象160或细胞的询问和对所需对象160或细胞的动作之间的最小时序应当不小于1μs。
聚焦能量装置157以可以选择的准确率(例如范围从75％到95％)、在高达每秒5600个对象的动作速率下、在大量时段内成功运行。在流动流中的对象160之间的间隔受控制的系统中，系统157可以在高达激光器157的重复率的动作速率下运行。
d、对象的选择
在一个实施方式中，在对象160的询问之前采用聚焦能量装置157。然而，在另一个实施方式中，为了确定选择哪个对象160被聚焦能量装置157作用，如上所述，可以使用对象160在询问之后的测量/计算特征的直方图或任何图解表示，以便决定对对象160的群体起作用。在一个实施方式中，在完成询问之后，跨度(即，通过腔129的询问区域的渡越时间)的标绘可以反映在特定芯片100设计内，样本120核心流在不同流动条件下的相对尺寸、跨越主通道164的对象160或细胞分布、和对象160的行进速度，以及对象160速度变化。
如上所述，主通道164的高深宽比对于对象160或细胞的水动力聚焦、迁移和定向来说是重要的。在一个实施方式中，在本发明中使用用于微流体通道164的小于1的高深宽比。优选地，将2/3高深宽比用于主通道164。跨度本身的值粗略地指示对象160速度。大的跨度值指示，对象160缓慢地通过询问光束148。跨度的严格尺寸指示出，样本120核心流靠近通道164中心平面，且具有较小的对象160速度变化。
在一个实施方式中，为了精确地作用于所选对象160(无论流经芯片100还是从输出口112离开)，对象160较小的速度变化被允许，以确保聚焦能量装置157可以精确地瞄准所选对象160或细胞。因此，基于上述定位和定向方法(即主动方法、被动方法)，对象160被定位成靠近通道164的横截面的中心，以减小对象160的速度变化。
在一个实施方式中，对于扁平状的对象160或细胞，诸如活的精细胞160，定向变化和速度变化二者都需要被考虑在内。因此，沿着垂直轴被推离通道164的中心平面(参看图9B)的精细胞160趋向于获得更好的分辨率(例如，X精细胞160和Y精细胞160的区分度大于在询问后获得的直方图上分离的50％)、和更小的异常定位的细胞160群体。因此，分辨率和目标(即光损伤、杀死)效率得到平衡，在一个示例性实施方式中，样本120核心流优选地被定形成：在腔129的询问/检测区域中跨越主通道164的横截面，在主通道164的宽度上约为10微米，在主通道164的高度上为5微米至10微米，以及从主通道164的中心平面偏离约2微米至10微米，优选地通过控制水动力聚焦步骤来实现。
在一个实施方式中，在对象160是精细胞的情况下，目标精细胞160可以是男性生育精细胞(即，携带Y染色体的精细胞)，且非目标精细胞160可以是女性生育精细胞(即，携带X染色体的精细胞)。在另一个实施方式中，目标精细胞160可以是女性生育精细胞(即，携带X染色体的精细胞)，且非目标精细胞160可以是男性生育精细胞(即，携带Y染色体的精细胞)。
在一个实施方式中，通过利用局部热激来合并通过保护性外层并进入对象(即通过保护膜并进入细胞)的分子(诸如DNA或其它探针)，在询问之前对对象160起作用(参看图6D)。使用成功电穿孔以渗透细胞膜所需的高电压合并分子的传统方法可以是令人满意的，如高的细胞死亡率所证明的。局部热激表示更温和的过程，因此对于保持细胞的活力可以是更令人满意的。使用聚焦能量装置157来生成温度的局部上升，因此实现局部热激。局部热激导致使细胞160渗透化，从而促进期望分子的合并。此后使用询问装置147来检测和询问对象160，询问装置147由此确定已针对其获得分子合并的对象160的数量或比例。该方法可以在生物检测、细胞工程、靶向治疗、和药物/基因递送方面是特别令人满意的。
e、动作区
在一个实施方式中，在执行询问之后，且在获得可接受的直方图(即，具有可接受的分辨率和相对小的跨度分布)之后，决定采用聚焦能量装置157对所选对象160或细胞起作用。更重要参数之一是用于来自聚焦能量装置157的脉冲的时序设置(即，用于询问/检测光束148和聚焦能量光束158之间的对象160的延时或时间间隔)。
聚焦能量装置157动作区是主通道164的横截面中的区域，在此处可以有效地作用于(即，光损伤、改变、使其丧失能力、杀死、破坏等)所选对象160或细胞，如图16所示。基于聚焦能量装置157的预定能量级和光束形状以及基于微流体通道164设计和流动条件，可以按动作百分比(例如小于97％)来估计动作区。聚焦能量装置157的能量级取决于聚焦能量装置157的电流和充电时间。在主通道164中的较大的整体流速意味着，对象160正在较快地行进。因此，对象160通过聚焦能量光束158的渡越时间较短。例如，对于聚焦能量装置157的具有特定光束形状(例如2.5微米x15微米)的2.3μJ的能量级、以及对象160的约为7.5m/s的行进速度，聚焦能量装置157动作区被估计成：在Y轴方向上约为20微米，且在垂直方向上约为16微米。
在动作区内，受影响的(即，损伤的、改变的、或杀死的)目标对象160的百分比还依赖于样本120核心流的形状和位置。通过调整鞘或缓冲水动力聚焦流的流速，样本120核心流的尺寸和位置可以被定制成在水平方向和垂直方向上适应动作区。最后，在聚焦能量装置157的期望能量级下，可以确定用于本微流体芯片100的流动条件。因此，样本120流的形状可以优选地被限制成大约宽度为10微米、高度为5微米至10微米的示例。
在另一个实施方式中，基本如上所述的动作区设置在询问之前，或样本流体120离开芯片100用于容器188之后(参看图6B至图6D)。
f、对精细胞的操作
如上文所讨论，在使用精细胞160作为对象160的一个示例性实施方式中，活的精细胞160(即，牛的精细胞，具有约50个X染色体细胞和50个Y染色体细胞)被引入样本输入口106，且通过水动力聚焦步骤，以到达询问区域129。在询问区域129中，染料(即Hoechst33342染料)被来自光源147(诸如激光器147)的询问光束148激发，这在细胞160中产生荧光，该荧光在通过物镜153之后被光信号检测器154捕获。
基于荧光信号的特征，例如，反射特性的差异，控制器156可以单独地识别和区分非目标精细胞160与目标精细胞160。如果精细胞160是需要的精细胞(即，X染色体精细胞和Y染色体精细胞中的一者)，则确定允许需要的或非目标精细胞160不受影响地流经微流体通道164到达收集装置188。然而，如果精细胞160是不需要的精细胞(即，X染色体精细胞和Y染色体精细胞中的另一者)，则在预定延迟时间之后将采用聚焦能量装置157对目标精细胞160起作用，以允许不需要的/目标精细胞到达动作区(其可以在腔129内，或在输出口112和收集装置188之间)。
本发明允许在本发明的系统中的抖动，以便聚焦能量装置157在预定延迟时间之后、在动作区中具有更有效的操作。根据目标精细胞160的行进速度，目标精细胞160将在动作区中达到约2μs，且聚焦能量光束148在瞄准目标精细胞160的中心时是最有效的。因此，优选的是将抖动限制到1μs或更小以内。
如上所述，目标精细胞160可以通过聚焦能量装置157的如下模式来被改变、光损伤、杀死、改变、使其丧失能力、或破坏：1)目标或“脉冲按需”模式，或2)“连续发射”模式。如上所述，优选的是为聚焦能量装置157选择使所需流量最小化的激光波长。例如，使激光波长匹配于用在精细胞染色中的染料的吸收率，这可以提高效率和有效性。例如，如果将Hoechst33342染料用于染色工艺，则对于聚焦能量装置157，355nm的激光波长是最佳的。
在一个实施方式中，目标精细胞被杀死或破坏。在另一实施方式中，使目标精细胞160充分丧失能力，从而目标精细胞160不再能够执行限定的功能。例如，可以使目标精细胞160的尾巴丧失能力，从而目标精细胞160不再呈现前进的能动性。因此，将阻止目标的、丧失能力的精细胞160对卵细胞受精。
在一个实施方式中，用于控制器156的复杂软件可以被设计用于满足上述需求的高功率激光器157，这允许发射单个激光脉冲158。因此，无论聚焦能量装置157何时发出请求，目标发射或“脉冲按需”模式都传送恒定的激光脉冲158。目标发射模式优选地用于包含多数的非目标精细胞160和需要被消除的数量仅相对小的目标精细胞160的样本120。然而，利用市场上可购买到的高速脉冲按需系统，目标发射模式可以针对具有非目标精细胞与目标精细胞的其它比率的样本而被实施。
在替选实施方式中，当目标精细胞160的数目极大地超过非目标精细胞160的数目时，聚焦能量装置157可能无法产生快到足以对所有目标精细胞160起作用(即杀死或使之丧失能力)的激光脉冲158。因此，目标发射模式变得效率较低。在该情况下，“连续发射”模式变得更有利。
在连续发射模式下，如上文所讨论的，聚焦能量装置157是连续波(CW)或准CW、或快速脉冲激光器157，用于作用于(即杀死或使之丧失能力)通过微流体通道164中的特定位置的每个精细胞160，而不在目标精细胞160和非目标精细胞160之间进行区分。当识别到一组非目标精细胞160时，将聚焦能量光束158切断、偏转、或以其它方式中断短暂的时间段，以允许非目标精细胞160(即X染色体细胞和Y染色体细胞之一)不受影响地通过。该组可以是任何预定数量的非目标精细胞160。在非目标精细胞160通过动作区之后，再次启动连续发射模式。
在目标操作模式和连续发射操作模式下，在样本流体120中彼此太靠近或彼此重叠的精细胞160均被杀死或均丧失能力，即使这些精细胞160之一是非目标精细胞160而不是目标精细胞160。如本文中所使用，术语“太靠近”指的是两个或更多个精细胞存在于聚焦能量光束158的范围内，从而两个对象160足以被在两个细胞中发生期望动作的聚焦能量光束158作用。此外，聚焦能量光束158杀死不能够有效地被识别成非目标对象160或目标对象160的精细胞160或使之丧失能力，以确保区分产物165的整体样本纯度。本发明的区分系统可能无法有效识别非目标精细胞160的原因可以是微流体通道164内的流动问题、染色问题、这两者的双重问题等。因为本发明的系统在杀死目标精细胞160或使其丧失能力或无法有效地被识别为目标或非目标的任何精细胞160方面犯错，所以可以使用比在样本129中存在的实际目标精细胞160的总数更多的脉冲158。
在一个实施方式中，如上所述，优选的是在聚焦能量装置157的激光脉冲158之间包括短“再充电/充电时间”。首先，两个连续的精细胞160之间的间隔不是一致的，反而遵循泊松分布。在样本流体流120中，具有一定百分比的彼此相对靠近的精细胞160。为了在具有较近间距(即较短流逝时间)的情况下采用聚焦能量装置157，较小的聚焦能量光束158“再充电/充电时间”将被允许。另外，如果两个精细胞160彼此太靠近使得其荧光信号彼此干扰且无法清楚识别精细胞160是目标细胞还是非目标细胞时，则聚焦能量装置157将必须在短时间段中发射多个激光脉冲158，以杀死所有未识别的精细胞160或使其丧失能力，从而最大化样本纯度。因此，为了实现较高的吞吐量，通常需要脉冲158之间的较短的平均流逝时间。
如上所述，在被聚焦能量装置157作用之后，区分的样本120被收集在收集设备188中。因此，在一个实施方式中，收集的产物165包含非目标精细胞160和目标(即杀死的、改变的、破坏的、丧失能力的)精细胞160二者，仍然处于与原始样本120相同的性别比。单个容器188中的收集不影响整体样本120的质量。因此，在一个实施方式中，用于最终受精的最终产物165包括非目标精细胞160和目标精细胞160二者。可替选地，后续的产物165分离技术(即流式细胞术、静电板、全息光学捕获等)可以用来例如将产物165的精细胞160分离成活的或死的/丧失能力的精细胞160，或者可以使用离心分离来去除不需要的废弃物，诸如杀死的或丧失能力的目标精细胞160的遗留物。
在一个实施方式中，本发明的微流体芯片系统与分离或隔离机制合作使用，分离或隔离机制诸如为在2013年7月16日递交的审查中的美国专利申请No.13/943,322中描述的示例性压电致动器组装设备，或例如在美国专利No.7,241,988、No.7,402,131、No.7,482,577、No.7,545,491、No.7,699,767、No.8,158,927和No.8,653,442中描述的光学捕获系统，以上所有美国专利的全部内容通过引用并入在本文中。
在一个实施方式中，如图6B至图6C所示，主通道164被缩短越过动作腔129，从而区分对象160在落向收集装置188之前以液滴187形式离开输出通道141和输出口112。聚焦能量装置157的操作是相同的，除了对象160在离开输出通道112的出口时(参看图6B)或在不连贯液滴187下落时(参看图6C)且在进入收集装置188之前被作用。
区分产物的后期收集
在一个实施方式中，区分对象160被收集在具有20％三羟甲基氨基甲烷的容器188(注意：市场上可购买到的，诸如ChataBiosystems公司出售的)中，该容器188设置在芯片100的输出口112之下。在一个实施方式中，以预定间隔使容器188的内容物流通，以确保其中的产物165的混合。在一个实施方式中，当容器188达到预定体积(即18ml)时，该容器188可以被新的容器188替换。
在一个实施方式中，将抗生素添加到填充的容器188(即，将0.5ml的CSS抗生素添加到30ml的产物165中)，记录时间，以及将具有产物165的多个容器188收集在大容器中并进行冷却。在一个示例中，每次将具有含抗生素的产物165的三个容器188放置在400ml的塑料容器中且被放在冷却室中。
在一个实施方式中，在冷却了预定量的时间(即2小时)之后，每隔预定时间间距(即15分钟)将三羟甲基氨基甲烷B增量剂(14％的甘油三羟甲基氨基甲烷)以两个小份添加到每个管。在最新样本120已经被冷却预定时间(即2小时)且添加B增量剂之后，在处于5℃的冷冻离心机中将样本120在850xG下用离心法分离20分钟。从每个管抽出上层清液，留下约0.2ml的颗粒状物。所有颗粒状物被合并到单个预称重的容器(即管)中，并且使用市场上可购买到的计数方案(即精子显现(SpermVision))来确定组合的颗粒状物的浓度，以及最终浓度被计算为11.35x106细胞/ml。利用完整的三羟甲基氨基甲烷A+B+CSS抗生素增量剂(即，比率为50:50的20％的卵黄三羟甲基氨基甲烷+14％的甘油三羟甲基氨基甲烷)来调整最终体积。
在精细胞160的示例性实施方式中，填充和密封印制的精液细管，并且该细管使用液态氮蒸汽冷冻。
在一个实施方式中，冷冻后的质量控制措施包括细菌感染步骤，其中冷冻的细管在水浴槽中被解冻，且用酒精擦拭解冻的细管以对其消毒。细管内容物被平铺到血琼脂平板(5％的羊血)上，且在37℃下被培养24小时以确定细菌性内容物。
在一个实施方式中，用于前进的能动性的质量控制测量包括在水浴槽中解冻一个冻结的细管，且将细管内容物排出到在试管暖化阶段中放置的小试管中。使用商业方法(诸如能动性分析或精子显现)来确定每个细管的能动细胞的数量。
在一个实施方式中，用于样本纯度的质量控制措施包括在水浴槽中解冻一个冷冻的细管，且通过用玻璃丝处理活细胞而隔离活细胞。然后对活细胞群体执行FISH(荧光原位杂交)分析，以确定性别染色体比率。
多系统
在一个实施方式中，多个微流体芯片100、光学询问装置和聚焦能量装置被并行设置以提高吞吐量。
现在参照图18，在一个实施方式中，示出了例如具有“n”个系统401、402等的多系统布局400，每个系统均配备有聚焦能量装置157。在一个实施方式中，多系统布局400包括单个询问装置147和单个询问光束148，该询问光束148被配置成提供用于检测对象160(例如精子DNA含量)的荧光激发能量。
在一个实施方式中，多系统布局400还包括光束成形光学器件181以及一系列分束器189，每个分束器提供对进入功率的50/50分离。这使得用于多个系统401、402等中每一者的光束158的功率几乎相等。
外部设备
分离装置
在一个实施方式中，在聚焦能量装置157作用于流经微流体芯片100而非流入输出通道141的对象160之后，分离机构(即，压电致动器组装设备(外部的或内部的)、光学捕获组件、静电板、或本领域的技术人员熟知的其它分离机构)可以分离目标对象160和非目标对象160(例如参看2013年7月16日递交的美国专利申请No.13/943,322，或者美国专利No.7,241,988、No.7,402,131、No.7,482,577、No.7,545,491、No.7,699,767、No.8,158,927和No.8,653,442，以上所有美国专利的全部内容通过引用并入在本文中)。
因此，在一个示例性实施方式中，可以使已经被聚焦能量装置157损伤、杀死、使其丧失能力、破坏、或改变的目标对象160与非目标对象160分离，其中分离机构将目标对象分离到输出通道140至输出通道142中的一者中，且将非目标对象160分离到输出通道140至输出通道142中的其它者中。
在另一个实施方式中，在从输出口112离开之后，使用分离机构分离目标对象，例如通过使用本领域中熟知的静电板。
在另一个实施方式中，当对象160从输出口112离开或滴落时，聚焦能量装置157作用于对象160，并且此后分离机制也将目标对象160与非目标对象160或产物165分离。
泵送机构
如图19至图21所示，在一个实施方式中，泵送机构包括具有加压气体235的系统，该加压气体235提供用于借助管道242将来自储液器233(或样本管233)的样本流体混合物120泵送到微流体芯片100的样本输入口106中的压力。
中央储液器240(参看图20至图21)或单个的储液器241(参看图19)包含鞘液或缓冲流体163，且借助管道连接到微流体芯片100的各个鞘或缓冲输入口107、108和172，以便将鞘液或缓冲流体163引入其中。在一个实施方式中，储液器是可拆卸的容器237(参看图20至图21)，其设置在加压容器240中，且加压气体235将鞘液或缓冲流体163推入微流体芯片100。在一个实施方式中，加压容器240将鞘液或缓冲流体163推入具有多个不同输出口的歧管238(参看图21)，从而分别借助管道231a、管道231b或管道231c将鞘液或缓冲流体163传送到芯片100的鞘或缓冲输入口107、鞘或缓冲输入口108或鞘或缓冲输入口172。尽管示出了三个输入口式鞘液或缓冲流体布置(参看图1D)，但是本领域的普通技术人员将知晓，可以使用更少或更多管道将鞘液或缓冲流体传送到微流体芯片100。此外，尽管在图18至图21中将管道示出成进入微流体芯片100，但是没有以精确顺序示出管道相对于芯片100上的输入口的设置。另外，本领域的普通技术人员将知晓，管道借助芯片座200(下文讨论)进入芯片100。
在一个实施方式中，每个个体储液器241或中央储液器240包括压力调节器234，该压力调节器234调节储液器241、储液器240内的气体235的压力(参看图19至图21)。在一个实施方式中，压力调节器239调节样本容器233内的气体235的压力。流量计243和流量阀244分别控制分别借助管道231a、管道231b或管道231c泵送到鞘或缓冲输入口107、鞘或缓冲输入口108或鞘或缓冲输入口172中的鞘液或缓冲流体163(借助座200)。因此，在将鞘液或缓冲流体120初始载入到芯片100时使用管道230、管道231a、管道231b、管道231c，且这些管道可以贯穿芯片100操作使用以将样本流体120载入到样本输入口106、或者鞘或缓冲输入口107、鞘或缓冲输入口108(和鞘或缓冲输入口172)中。
在一个实施方式中，流量计243用于提供反馈给放在鞘流路中的流量阀244(参看图19至图20)，以在微流体通道中实现流速恒定的稳定流动。利用对流动的精确控制，整体流速变化小于设置流速的1％，且在检测期间以及在询问/检测点与动作点之间，目标对象160的行进速度的变化小于1％。
在一个实施方式中，通过真空腔(未示出)泵送鞘液或缓冲流体163，该真空腔设置在压力罐和歧管之间，以便去除鞘液或缓冲流体中的溶解气体。在真空腔内部，一段气体可透过的管道设置在输入端口和输出端口之间。在鞘液或缓冲流体借助气体可透过的管道行进在真空腔内部时，溶解气体透过管道的壁，同时液体仍在管道内部。施加的真空帮助气体透过管道壁。在一个实施方式中，气体可透过的管道由疏水性多孔材料(例如膨体聚四氟乙烯(EPTFE))制成，该疏水性多孔材料对于液体具有高的入水压力，但对于气体是可透过的。
计算机控制
在一个实施方式中，计算机系统156的用户界面包括计算机屏幕，该计算机屏幕显示在CCD照相机182在微流体芯片100上获取的视野中的对象160。
在一个实施方式中，计算机156或控制器156控制任何外部设备，诸如用于将任何样本流体120、鞘液或缓冲流体163泵送到微流体芯片100中的泵(即图19至图20的泵送机构)(若使用的话)，而且还控制任何加热设备，这些加热设备设置被输入到微流体芯片100中的流体120、流体163的温度。
根据说明性实施方式，任何操作、步骤、控制选项等可以通过指令来实现，这些指令被存储在计算机可读介质(诸如计算机存储器、数据库等)上。在执行存储在计算机可读介质上的指令时，这些指令可以引起计算设备156执行本文中描述的任何操作、步骤、控制选项等。
在本说明书中描述的操作可以被实施为由数据处理装置或处理电路对存储在一个或多个计算机可读存储设备上或从其它源接收的数据执行的操作。计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言来编写，这些编程语言包括编译型或解释型语言、声明式或过程式语言，并且计算机程序可以用任何形式来调配，包括作为独立程序或作为模块、对象、子程序、对象、或适合于用在计算环境中的其它单元。计算机程序可以但不必须对应于文件系统中的文件。程序可以被存储在文件的一部分中，该文件将其它程序或数据(即存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)保持在专用于问题程序的单个文件，或在多个协作文件(例如，存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件)中。计算机程序可以被调配成在一个计算机上或多个计算机上执行，该多个计算机位于一个地点或跨越多个地点分布且通过通信网络互连。适合于执行计算机程序的处理电路例如包括通用微处理器和专用微处理器，以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。
微流体芯片座
在一个实施方式中，微流体芯片100装载在芯片座200上(参看图22A至图23B)。芯片座200安装在平移平台(未示出)上以允许座200相对于询问装置和聚焦能量装置而定位。微流体芯片座200被配置成将微流体芯片100保持在一位置，使得来自询问装置的光束148可以在开口150处按上述方式拦截对象160，并且聚焦能量装置157可以作用于对象160。
在下文描述用于将芯片100附接到座200的机构及其操作方法，但是本领域的普通技术人员将知晓，这些设备可以是容纳微流体芯片100的任何配置，只要满足本发明的目标即可。
如图22A至图23B所示，在一个实施方式中，微流体芯片座200由合适材料(诸如铝合金或其它合适金属/聚合物材料)制成，且包括主板201和装配板202。主板201和装配板202可以是任何合适形状，但它们的配置取决于芯片100的布局和接入芯片100的要求。
在一个实施方式中，主板201具有基本L形，但座200的形状取决于芯片100的布局(参看图22A至图23B)。L形主板201的一个支柱包括多个槽，这些槽配置成接收安装螺钉219，这些安装螺钉219用于将座200安装在平移平台上。在主板201中可以包括任何数量的任何合适形状和尺寸的槽。在一个实施方式中，使用四个螺钉219将座200安装在平移平台上且调整座200的位置。然而，本领域的普通技术人员将知晓，可以使用任何数量的任何尺寸的槽和安装螺钉。
在一个实施方式中，在位于L形主板201的一个支柱上的安装螺钉219上方，开关阀220被附接到主板201(参看图22A至图23B)。此外，在L形主板201的另一个支柱上，一对线性致动器(诸如气缸式致动器207A和气缸式致动器207B)设置在主板201的与开关阀220相同的一侧(参看图22A至图23B)。
在一个实施方式中，装配板202在另一侧且沿着L形主板201的另一个支柱附接到主板201(参看图22A至图23B)。装配板202包括多个孔，这些孔容纳多个装配件204-206(例如参看图22A至图22B)，这些装配件204-206配置成接收外部管道且与该外部管道接合(参看图19至图23B)，该外部管道用于将流体/样本传送到微流体芯片100。在一个实施方式中，装配板202包括三个装配件204-206，这三个装配件204-206分别用于与鞘或缓冲输入口107、鞘或缓冲输入口108以及样本输入口106对齐(参看图1B和图22A至图22B)。在另一个实施方式中，使用四个装配件204-206和装配件216来分别与鞘或缓冲输入口107、鞘或缓冲输入口108、样本输入口106、以及鞘或缓冲输入口172对齐(参看图1A和图23A至图23B)。然而，本领域的普通技术人员将知晓，可以以任何数量和位置方式来布置装配件，以便与微流体芯片100中的该数量的输入口对齐且允许借助管道传输来自一个或多个储液器的流体(参看图19至图21)。
在一个实施方式中，一对开口垫圈203A、203B将装配板202和气缸式致动器207A、气缸式致动器207B粘附到主板201(参看图22A至图23B)。因此，很容易从主板201移除装配板202，而无需从主板201拆除开关阀220和气缸式致动器207A、气缸式致动器207B。
在一个实施方式中，气缸式致动器207A、气缸式致动器207B均包括活塞(未示出)，该活塞具有联接到其上的活塞杆且相对于缸体部分可延伸和可缩回。在一个实施方式中，通过端口209将空气供给到开关阀208，并且在气缸式致动器207A中分别通过端口210、端口211排出到端口212、端口213。还将空气从气缸式致动器207A中的端口214A、端口214B分别供给到气缸式致动器208A中的端口215A、端口215B。
开关阀208的拨动开关220断开和闭合以分别允许或阻止来自气源的空气通过端口209进入和到达气缸式致动器207A、气缸式致动器207B。当空气被提供给气缸式致动器207A、气缸式致动器207B时，气缸式致动器207A、气缸式致动器207B的活塞杆向外延伸到打开位置(未示出)，且装配板202被向外推离微流体芯片100到达打开位置以允许用户装载(或卸载)微流体芯片100(参看图22A至图23B)。当气源关闭时，气缸式致动器207A、气缸式致动器207B的活塞杆向内缩回到关闭位置(如图22A至图23B所示)，且装配板202被拉向芯片100且被压在芯片100上，形成芯片100与用于鞘液或缓冲流体和样本流体的管道的连接件之间的液封。
在一个实施方式中，当微流体芯片100位于关闭位置时，O型环(其设置在装配板202的表面上、装配板202和芯片100之间)形成基本上不漏的密封以保护微流体芯片100免受损伤。然而，本领域的普通技术人员将知晓，可以使用任何数量和配置的O型环或衬垫。
在一个实施方式中，座200定位成使得芯片100处于足够高度以适应设置在芯片100下面的至少一个收集容器188。在另一个实施方式中，收集容器设置于各输出口111-113之间。
如在各个说明性实施方式中所示的具有聚焦能量装置的微流体芯片系统的构造和布置仅是说明性的。应当注意，各个元件的定向可以根据其它说明性实施方式而不同，以及变型意图被本发明涵盖。尽管在本发明中已经详细描述了仅一些实施方式，但是在实质上不脱离本文中描述的主题的新颖教导和优势的情况下，许多修改是可行的(例如，各个元件的尺寸、维度、结构、形状和比例的变化；参数值的变化；安装布置的变化；材料、颜色、定向的使用变化等)。示出成整体形成的一些元件可以由多个部件或元件构成，元件的位置可以颠倒或以其它方式改变，以及分立元件的性质或数量或位置可以被更改或改变。根据替选实施方式，可以改变或重排任何过程、逻辑算法或方法步骤的次序或顺序。在不脱离本发明的范围的情况下，可以在各个说明性实施方式的设计、操作条件和布置中进行其它替代、修改、改变和省略。所有的这些修改和变型意图被包括在本发明的范围内且受所附权利要求保护。
Claims (48)
1.一种识别对象的装置，所述装置包括：
微流体芯片，在所述微流体芯片中设置有多个通道，所述多个通道包括：
主流体通道，待识别的对象的样本流体混合物被引入到所述主流体通道中；
在所述主流体通道和第一多个鞘液通道相交的第一交叉口之前的所述主流体通道中设置有坡道，所述坡道使得所述样本流体混合物偏离中心平面；
多个鞘液通道，鞘液被引入到所述多个鞘液通道中，所述鞘液将所述主流体通道中的所述对象定向在预定方向上，同时仍保持所述主流体通道中的层流；其中所述多个鞘液通道水动力聚集所述对象，从而当所述对象流经所述主流体通道时，所述对象被设置在受限制的核心体积中；
其中，所述多个鞘液通道包括：
第一多个鞘液通道，所述第一多个鞘液通道在第一交叉口处与所述主流体通道交叉，从而所述鞘液在所有侧面上围绕并压缩所述样本流体混合物，从而所述样本流体混合物变为被所述鞘液束缚的相对较小、较窄的流，同时保持所述主流体通道中的层流；和
询问装置，所述询问装置检测和询问所述主流体通道中的定向的所述对象；以及
聚焦能量装置，所述聚焦能量装置对所述对象执行动作。
2.如权利要求1所述的装置，还包括：
其中，所述询问装置检测和询问所述对象以确定关于所述对象的信息；
其中，关于所述对象的所述信息决定所述对象是否将被所述聚焦能量装置瞄准，其中，被所述聚焦能量装置瞄准的对象为目标对象；
其中，所述聚焦能量装置的所述动作作用于所述目标对象或围绕所述目标对象的区域。
3.如权利要求2所述的装置，还包括：
从所述主流体通道引导的至少一个输出通道，所述至少一个输出通道将所述对象从所述微流体芯片移除，其中，所述至少一个输出通道将目标对象和非目标对象二者从所述微流体芯片移除。
4.如权利要求3所述的装置，还包括：
动作腔，所述询问装置在所述动作腔中询问所述样本流体混合物中的水动力聚焦的所述对象，所述动作腔设置在所述微流体芯片中的所述第二交叉口的下游；以及
光源，所述光源将光束发射到所述动作腔中，以照明和激发所述样本流体混合物中的所述对象。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述光束激发所述对象中的荧光，从而将所述目标对象区分于非目标对象。
6.如权利要求4所述的装置，还包括：
光信号检测器，所述光信号检测器检测所述光束并将所述光束转换为电信号；以及
控制器，所述控制器分析所述电信号以决定是否将所述对象作为目标。
7.如权利要求4所述的装置，其中，所述主流体通道成锥形进入所述动作腔。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述主流体通道在入口点处成锥形进入所述微流体芯片中的所述第一交叉口。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述对象为细胞。
10.如权利要求9所述的装置，其中，待被所述聚焦能量装置作用的所述细胞包括区分于无活力的或不能动的精子的有活力的或能动的精子、或者按照性别或其它性别区分变量来区分的精子中的至少一者。
11.如权利要求1所述的装置，其中，在对所述对象的所述询问之后，所述聚焦能量装置对所述对象作用预定量的时间。
12.如权利要求1所述的装置，还包括：
并行设置的多个微流体芯片，所述多个微流体芯片包含多个样本流体混合物；
其中，单个询问装置用于所述多个微流体芯片中的至少一者。
13.一种识别对象的装置，所述装置包括：
微流体芯片，在所述微流体芯片中设置有多个通道，所述多个通道包括：
主流体通道，待识别的对象的样本流体混合物被引入到所述主流体通道中；
多个鞘液通道，鞘液被引入到所述多个鞘液通道中，所述鞘液将所述主流体通道中的所述对象定向在预定方向上，同时仍保持所述主流体通道中的层流；
其中所述多个鞘液通道在第一交叉口处与所述主流体通道相交，从而所述鞘液在至少两侧压缩所述样本流体混合物，从而所述样本流体混合物变为被所述鞘液束缚的相对较小、较窄的流，同时保持所述主流体通道中的层流；和
询问装置，所述询问装置包括第一激光器，用于检测和询问所述主流体通道中的定向的所述对象；以及
第二激光器，所述第二激光器用于向所述对象提供电磁能，且所述第二激光器布置在所述询问装置的下游。
14.根据权利要求13所述的装置，还包括：
其中，所述询问装置检测和询问所述对象以确定关于所述对象的信息；
其中，关于所述对象的所述信息决定所述对象是否将被第二激光器瞄准；以及
其中，所述第二激光器作用于所述目标对象或围绕所述目标对象的区域。
15.根据权利要求14所述的装置，还包括：
从所述主流体通道引出的至少一个输出通道，所述至少一个输出通道将所述对象从所述微流体芯片移除；
其中，所述至少一个输出通道将目标对象和非目标对象二者从所述微流体芯片移除。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，第二鞘液通道从所述至少两侧压缩所述样本流体混合物。
17.根据权利要求15所述的装置，其中，所述多个鞘液通道水动力聚集所述对象，使所述对象在流经所述主流体通道时朝向所述预定方向，并被设置在受限制的核心体积中。
18.根据权利要求17所述的装置，还包括：
动作腔，其中所述询问装置的所述第一激光器在所述动作腔中询问所述样品流体混合物中的水动力聚焦的所述对象，所述动作腔设置在所述微流体芯片中的所述第一交叉口的下游，所述第一激光器位于所述主流体通道一侧。
19.根据权利要求18所述的装置，还包括：
光信号检测器，所述光信号检测器检测由所述对象发射的光束并将所述光束转换为电信号；以及
控制器，所述控制器分析所述电信号以决定是否将所述对象作为目标。
20.根据权利要求13所述的装置，其中，
所述主流体通道在入口点处成锥形进入所述微流体芯片中的所述第一交叉口，以便所述主流体通道的宽度在所述入口点之前逐渐变窄。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，
所述主流体通道成锥形进入所述动作腔，以便所述主流体通道的宽度在与所述动作腔相交之前逐渐变窄。
22.根据权利要求13所述的装置，其中，
在所述主流体通道和所述多个鞘液通道相交的第一交叉口之前的所述主流体通道中设置有坡道，以使所述主流体通道的宽度在第一交叉口之前变窄。
23.根据权利要求13所述的装置，其中，所述对象为细胞。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，待被所述第二激光器作用的所述细胞包括区分于无活力的或不能动的精子的有活力的或能动的精子、或者按照性别或其它性别区分变量来区分的精子中的至少一者。
25.根据权利要求13所述的装置，其中，在对所述对象的所述询问之后，所述第二激光器对所述对象作用预定量的时间。
26.一种非人哺乳动物精子组合物的生产方法，包括：
使精细胞群流经通道；
将所述精细胞分成X精细胞亚群和Y精细胞亚群；
选择所需的亚群，消除不需要的亚群；和，
收集精细胞的两个亚群，所述两个亚群包括所述所需的亚群和消除的所述不需要的亚群。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述使精细胞群流经通道，包括：
将所述群体中的精细胞定向到所述通道中的特定位置；
将所述精细胞对齐，且所述精细胞以单个队列的方式移动穿过所述通道；和
通过所述通道的输出部分排出所述精细胞。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，在所述将所述精细胞分成X精细胞亚群和Y精细胞亚群、以及所述选择所需的亚群，消除不需要的亚群的步骤中，所述精细胞群和鞘液呈层流。
29.根据权利要求26所述的方法，其中，所述将所述精细胞分成X精细胞亚群和Y精细胞亚群，包括：
用光束照射所述精细胞；和
检测所需的亚群和所述不需要的亚群之间的差异。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述光束被分成多个光束，其中所述多个光束中的每一光束被配置为照亮不同的精细胞。
31.根据权利要求26所述的方法，其中，所述选择所需的亚群，包括：
基于不同亚群之间的物理差异，对每个亚群进行门控；和
识别所需的亚群。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述对每个亚群进行门控、以及所述识别所需的亚群，包括：
对每个亚群关联图表；和，
选择或标记所需的亚群。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述消除与所述精细胞的移动时间相协调，且所述精细胞以预定速度移动。
34.一种精子的性别组分的生产方法，所述精子包括非人类动物精子，所述方法通过从样本流体中的精子群中识别精子亚群来实现，所述方法包括：
用染料对所述样本流体中的所述精子群进行染色；
根据所述精子群中精子的一个或多个物理特性，定义用于区分所述精子群的所述样本流体中所述精子亚群的门控策略，其中，所述一个或多个物理特征部分基于所述染料在所述精子群中可识别，且所述门控策略包括识别所述精子亚群的一个或多个物理特征；
测量所述精子群中精子的一种或多种物理特性；
基于所定义的所述门控策略测量所述样本流体的跨度分布；
基于所述一个或多个物理特性和所定义的所述门控策略来识别所述精子亚群中的精子；和，
生成所述精子的性别组分，所述精子包括根据所述一个或多个物理特性、所述跨度分布和所定义的所述门控策略识别的精子亚群。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述精子群包含牛精子。
36.根据权利要求34所述的方法，其中，所述精子的性别组分基本上包括携带X染色体的精细胞，或，所述精子的性别组分基本上包括携带Y染色体的精细胞。
37.根据权利要求34所述的方法，其中，所述门控策略还包括在所述精子群中精子的一个或多个物理特征的图表中识别精子亚群的一个或多个物理特征。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述门控策略还包括在图表中绘制所述样本流体中的所述精子群中每个精细胞的一种或多种物理特征中每个物理特征的位置。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述门控策略包括在所述一个或多个物理特征的图表中标记所述精子亚群。
40.根据权利要求38所述的方法，其中，所述方法还包括：
确定图表中是否存在精子的一个或多个物理特征的可接受分辨率。
41.根据权利要求34所述的方法，其中，所述一个或多个物理特征包括DNA含量。
42.一种定义门控策略的方法，所述门控策略用于通过从样本流体中的精子群中识别精子亚群生产精子的性别组分，所述精子包括非人类动物精子，所述方法包括：
确定所述精子的性别组分中待出现的一个或多个物理或遗传特征；
基于所述一个或多个物理或遗传特征，设置用于从所述精子群的所述样本流体中区分的精子亚群的门控参数，以生成所述门控策略；其中，所述一个或多个物理或遗传特征部分基于具有染料的样本流体的所述精子群的染料在所述精子群中可识别，且所述门控参数包括标记所述精子亚群的一个或多个物理或遗传特征；
测量所述精子群中的精子的一个或多个物理或遗传特征；
基于所定义的门控策略测量所述样本流体的跨度分布；
根据所测量的一个或多个物理或遗传特征以及所述门控策略，识别所述精子亚群中的精子；和
生成所述精子的性别组分，所述精子包括根据所测量的所述一个或多个物理或遗传特性、所述跨度分布和所述门控策略识别的所述精子亚群。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述精子群包含牛精子。
44.根据权利要求42所述的方法，其中，所述精子的性别组分基本上包括携带X染色体的精细胞，或，所述精子的性别组分基本上包括携带Y染色体的精细胞。
45.根据权利要求42所述的方法，其中，标记所述精子亚群的一个或多个物理或遗传特征，包括：在所述精子群中的精子的一个或多个物理或遗传特征的图表中标记所述精子亚群的一个或多个物理或遗传特征。
46.根据权利要求45所述的方法，其中，所述门控参数还包括所述图表中的所述样本流体的所述精子群中的每个精子的一个或多个物理或遗传特征的每个物理或遗传特征的位置。
47.根据权利要求42所述的方法，其中，所述方法还包括确定所述图表中是否存在精子的一个或多个物理或遗传特征的可接受分辨率。
48.根据权利要求42所述的方法，其中，所述一个或多个物理或遗传特征包括DNA含量。
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