EA030193B1 - Способ и система для ориентирования и/или сортировки микрофлюидных частиц - Google Patents

Способ и система для ориентирования и/или сортировки микрофлюидных частиц Download PDF

Info

Publication number
EA030193B1
EA030193B1 EA201590285A EA201590285A EA030193B1 EA 030193 B1 EA030193 B1 EA 030193B1 EA 201590285 A EA201590285 A EA 201590285A EA 201590285 A EA201590285 A EA 201590285A EA 030193 B1 EA030193 B1 EA 030193B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
particles
channel
fluid
orientation
radiation
Prior art date
Application number
EA201590285A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201590285A1 (ru
Inventor
Мириам Кэтер Симпсон
Чарлз Алан Роди
Original Assignee
Инджендер Текнолоджиз Лимитед
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Инджендер Текнолоджиз Лимитед filed Critical Инджендер Текнолоджиз Лимитед
Publication of EA201590285A1 publication Critical patent/EA201590285A1/ru
Publication of EA030193B1 publication Critical patent/EA030193B1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1456—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1404—Handling flow, e.g. hydrodynamic focusing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/50273—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the means or forces applied to move the fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502761—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip specially adapted for handling suspended solids or molecules independently from the bulk fluid flow, e.g. for trapping or sorting beads, for physically stretching molecules
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1425—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry using an analyser being characterised by its control arrangement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1425—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry using an analyser being characterised by its control arrangement
    • G01N15/1427—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry using an analyser being characterised by its control arrangement with the synchronisation of components, a time gate for operation of components, or suppression of particle coincidences
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1456—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals
    • G01N15/1459—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals the analysis being performed on a sample stream
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1484—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry microstructural devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/06—Fluid handling related problems
    • B01L2200/0647—Handling flowable solids, e.g. microscopic beads, cells, particles
    • B01L2200/0652—Sorting or classification of particles or molecules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0663—Whole sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0816—Cards, e.g. flat sample carriers usually with flow in two horizontal directions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/0874—Three dimensional network
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0887—Laminated structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/14—Means for pressure control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0454—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces radiation pressure, optical tweezers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0475—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure
    • B01L2400/0487—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure fluid pressure, pneumatics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/01—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials specially adapted for biological cells, e.g. blood cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/149—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry specially adapted for sorting particles, e.g. by their size or optical properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N2015/0288—Sorting the particles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N2015/1006—Investigating individual particles for cytology

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)

Abstract

Система для ориентирования частиц в микрофлюидной системе содержит один или более источников давления излучения, выполненных с возможностью воздействия давлением излучения на частицы для обеспечения установления ориентации частиц в жидкости. Система для сортировки частиц в микрофлюидной системе включает блок обнаружения, предназначенный для обнаружения по меньшей мере одного отличия или дискриминации между частицами в потоке жидкости на блоке обнаружения, и один или более источников давления излучения, рядом с которыми последовательно проходят частицы, и устройство управления, выполненное с возможностью изменения направления энергии излучения для обеспечения изменения в направлении перемещения отобранных частиц в потоке жидкости для сортировки частиц. Частицы могут быть биологическими частицами, такими как сперматозоиды. Давление излучения может быть оптическим давлением и может быть образовано из одного или более световодов, которые могут проходить через канал микрофлюидной системы.

Description

Изобретение относится к способу и системе для ориентирования и/или сортировки частиц в микрофлюидной системе.
Уровень техники
Развитие коммерческой и академической медицины и биотехнологии привлекли внимание к способам для биологической сортировки клеток. Появилось два основных подхода - объемное отделение и сортировка единичных клеток, - которые обогащают клеточную популяцию желаемой субпопуляцией, имеющей конкретные физико-химические (т.е. размер, объем, характеристики рассеивания света и т.п.), иммунологические или функциональные характеристики. Объемная сортировка обычно направлена только на характеристику клеточной дискриминации. Примеры включают клеточную фильтрацию, центрифугирование/седиментацию и пэннинг способы на основании аффинности. Основные недостатки объемной сортировки заключаются в более низкой чистоте, потере клеток во время процесса сортировки, сложности в отсортировании относительно редких клеток, и сложности в дискриминировании между подобными субпопуляциями клеток. Однако объемная сортировка является относительно простым способом, который обеспечивает высокую производительность. В отличие от него способы сортировки единичных клеток, основным из которых является способ флуоресцентной сортировки клеток (ФСК) посредством проточной цитометрии, исследуют каждую клетку отдельно для фокусировки на требуемой субпопуляции для изоляции и затем их направления в различные выпускные потоки. Уменьшение производительности компенсируется значительными преимуществами в точности сортировки, регулируемой для требуемого результата, в целом лучшего восстановления клеток, возможности сортировки редких или слабо дискриминированных клеточных популяций, и возможность многоцелевой сортировки на основании массива из множества клеточных характеристик (т.е. несколько типов поверхностных рецепторов, каждый из которых отмеченный отличающимся флуоресцентным ярлыком). Одна значимая трудность, с которой столкнулись способы флуоресцентной сортировки клеток (ФСК) посредством проточной цитометрии, заключается в повреждении некоторых клеток в потоке (напряжение сдвига) и во время процессов сортировки (повреждение электрического поля). Важным примером является уменьшенная фертильность сортированных образцов семенной жидкости, которая может быть обусловлена этими деструктивными физическими процессами.
Дискриминация клеток имеет особое значение в сельскохозяйственном секторе для пород сельскохозяйственных животных, таких как рогатый скот, в котором обычно применяют искусственное оплодотворение. Использование сексированного семени способствует контролю над полом потомства для коммерческой выгоды. Известный имеющий коммерческое значение способ для сортировки семенной жидкости использует флуоресцентную сортировку клеток (ФСК) посредством проточной цитометрии, в которой семенную жидкость дискриминируют на основании отличий их состава ДНК. ДНК каждого сперматозоида обозначают флуоресцентным красящим веществом пропорционально составу ДНК. Так как Ххромосома больше (т.е. имеет больше ДНК) Υ-хромосомы, "женские" (несущие Х-хромосому) сперматозоиды поглотят большее количество красящего вещества, чем "мужские" (несущие Υ-хромосому) сперматозоиды, и, в результате, при воздействии УФ-излучения во время проточной цитометрии будут обеспечивать более интенсивное свечение, чем Υ-сперматозоиды. Перед обнаружением или дискриминацией семенная жидкость может быть ориентирована гидродинамическим способом, и семенная жидкость может быть разделена на отдельные частицы, на которые затем могут воздействовать электрическим током. После обнаружения или дискриминации семенную жидкость сортируют посредством электрического поля - взаимодействия заряженных частиц.
Раскрытие изобретения
В широком значении один аспект изобретения содержит способ ориентирования частиц в микрофлюидной системе, который включает воздействие давлением излучения на частицы в микрофлюидной системе для обеспечения установления ориентации, по меньшей мере, большинства частиц в текучей среде.
В широком значении в еще одном аспекте изобретение содержит систему для ориентирования частиц в микрофлюидной системе, которая содержит один или более источников давления излучения, предназначенных для воздействия давлением излучения на частицы в микрофлюидной системе для обеспечения установления ориентации, по меньшей мере, большинства частиц в текучей среде.
Частицы могут быть биологическими или небиологическими частицами. Обычно частицы являются асимметричными частицами. Асимметрия может проявляться в любой физической характеристике, которая приводит к асимметричному взаимодействию с падающим излучением, включая асимметрию в физических размерах частиц, но не ограничиваясь ей. В некоторых вариантах реализации частицы могут быть частицами семенной жидкости, красными кровяными клетками или бактериями, например.
Давление излучения может быть оптическим давлением и может быть образовано из одного или более световодов, которые могут проходить через канал микрофлюидной системы, например над или под каналом, или через его боковые стенки, или могут примыкать к каналу сверху, снизу или со стороны. Световод(ы) может быть одним или более оптическими световодами, присоединенными к источнику излучения, такому как лазер, для передачи излучения и образования давления излучения, которое также
- 1 030193
называют оптической силой, фотонным давлением или электромагнитным давлением. Один или более световодов могут быть изготовлены в качестве части свойственного изготовлению микрофлюидной системы процесса, или могут быть введены в оптоволоконные блоки при изготовлении завершенной системы.
Микрофлюидная система для ориентирования частиц, описанная ранее, может также включать предварительную блок для фокусировки и/или сингулирования частиц на конкретные участки внутри канала. Эта система может быть основана на гидродинамическом давлении или давлении излучения.
В широком значении в еще одном аспекте изобретение содержит способ сортировки частиц в микрофлюидной системе, который включает
обнаружение по меньшей мере одного отличия или дискриминации между частицами, и переключение на основании входных данных от обнаружения или дискриминации одного или более
источников давления излучения, рядом с которыми последовательно проходят частицы, для обеспечения изменения в направлении перемещения отобранных частиц в потоке текучей среды для сортировки частиц.
Частицы могут быть направлены в два или более чем два различных выпускных блока.
Один или более источников давления излучения могут быть одним или более световодами, которые могут проходить через канал микрофлюидной системы, например над или под каналом, или через его боковые стенки, или могут примыкать к каналу сверху, снизу или со стороны.
Этап обнаружения по меньшей мере одного отличия или дискриминации между частицами может включать оптическую технологию для проверки характеристики частицы, технология может быть технологией флуоресцентного обнаружения.
Способ может также содержать сингулирование потока частиц и может также включать фокусировку частиц на конкретном участке внутри каналов. Силы могут быть основаны на гидродинамическом давлении или давлении излучения.
Способ может также включать изначальное обеспечение установления ориентации, по меньшей мере, большинства частиц в текучей среде перед обнаружением, в котором частицы являются асимметричными частицами. Этап ориентирования может включать воздействие давлением излучения, таким как оптическое давление, на частицы для обеспечения установления ориентации по меньшей мере большинства частиц в текучей среде.
В широком значении в еще одном аспекте изобретение включает систему для сортировки частиц в микрофлюидной системе, которая включает
блок обнаружения, предназначенный для обнаружения по меньшей мере одного отличия или дискриминации между частицами в потоке текучей среды на блоке обнаружения, и
один или более источников давления излучения, рядом с которыми последовательно проходят частицы, и устройство управления, выполненное с возможностью изменение направления на основании входных данных от блока обнаружения или дискриминации, энергии излучения в одном или более источниках давления излучения для обеспечения изменения в направлении перемещения отобранных частиц в потоке текучей среды для сортировки частиц.
Система может быть выполнена с возможностью изменения направления или сортировки частиц таким образом, чтобы направлять каждую частицу в один из двух или в один из более, чем двух, различных выпускных блоков.
Один или более источников давления излучения могут быть одним или более световодами, которые могут проходить, по меньшей мере, частично через канал микрофлюидной системы, например над или под каналом, или через его боковые стенки, или могут примыкать к каналу сверху, снизу или со стороны.
Блок обнаружения может быть предназначен для обнаружения отличия или дискриминации частиц посредством оптической технологии, такой как технология флуоресцентного обнаружения.
Частицы могут быть биологическими или небиологическими частицами. Обычно частицы являются асимметричными частицами. Асимметрия может проявляться в любой физической характеристике, которая приводит к асимметричному взаимодействию с оптической силой, включая асимметрию в физических размерах, но не ограничиваясь ей. В некоторых вариантах реализации частицы могут быть частицами семенной жидкости, красными кровяными клетками, бактериями или наночастицами, например.
Микрофлюидная система для ориентирования частиц, описанная ранее, может также включать предварительный блок сингулирования потока частиц, а также может включать предварительный блок фокусировки частиц в конкретные участки внутри канала. Эта система может быть гидродинамической или оптической.
Система может также включать блок ориентирования, предназначенный для обеспечения изначального установления ориентации, по меньшей мере, большинства частиц в текучей среде, в частности, в которой частицы являются асимметричными частицами. Блок ориентирования может включать один или более световодов, выполненных с возможностью воздействия излучением, таким как оптическое давление, на частицы при эксплуатации для обеспечения установления ориентации, по меньшей мере, большинства частиц в текучей среде.
В широком значении в еще одном аспекте изобретение содержит микрофлюидную систему для ус- 2 030193
тановления пола семенной жидкости, содержащую
один или более ориентирующих источников давление излучения, выполненных с возможностью
воздействия давлением на семенную жидкость для обеспечения установления ориентации отдельных частиц семенной жидкости, аналогичной общей ориентации в текучей среде;
блок флуоресцентного обнаружения, предназначенный для дискриминации мужских и женских частиц семенной жидкости в потоке текучей среды на блоке обнаружения; и
одно или более изменяющих направление источников 8 давления излучения, рядом с которыми последовательно проходят отдельные частицы семенной жидкости; и
устройство управления, выполненное с возможностью приема входных данных от блока обнаружения и управления энергией излучения в одном или более изменяющих направление источниках давления излучения для отдельного направления мужских и/или женских частиц семенной жидкости.
Микрофлюидная система для ориентирования частиц, описанная ранее, может также включать предварительный блок для сингулирования потока семенной жидкости и предварительный блок для фокусировки семенной жидкости в конкретные участки внутри канала. Эта система может быть гидродинамической или оптической.
Использованный в этом описании термин "содержащий" следует понимать как "состоящий, по меньшей мере, частично из". При интерпретации утверждений этого описания, содержащих этот термин, наличие всех элементов, следующих за термином в каждом утверждении, обязательно, однако также возможно наличие других элементов. Родственные термины, такие как "содержит" и "содержится" следует понимать аналогичным образом.
Краткое описание чертежей
Далее следует описание изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых на фиг. 1 схематически изображен вариант реализации микрофлюидной системы изобретения для
сортировки частиц,
на фиг. 2а и 2Ь схематически изображены варианты реализации для ориентирования частиц, в которых один световод - фиг. 2а, или несколько световодов - фиг. 2Ь, примыкают к микроканалу сверху, снизу или со стороны канала,
на фиг. 3а и 3Ь схематически изображены варианты реализации для ориентирования частиц, в которых один световод - фиг. 3а, или несколько световодов - фиг. 3Ь, проходят через микроканал сверху, снизу или вдоль боковой стенки канала,
на фиг. 4а и 4Ь схематически изображены варианты реализации для сортировки или изменения направления отобранных частиц в потоке текучей средыв микроканале, в которых несколько световодов примыкают к каналу сверху, снизу или со стороны канала,
на фиг. 5а и 5Ь схематически изображены варианты реализации для сортировки или изменения направления отобранных частиц в потоке текучей среды в микроканале, в которых несколько световодов проходят через канал сверху, снизу или вдоль боковой стенки канала,
на фиг. 6а изображен вариант реализации микрофлюидного чипа изобретения для осуществления ориентации и отделения семенной жидкости, а на фиг. 6Ь изображено множество отдельных сортировочных чипов, выполненных с возможностью микрофлюидного внедрения с массовым параллелизмом для сортировки семенной жидкости в соответствии с полом,
на фиг. 7а и 7Ь изображены вычислительные геометрии, используемые в моделированиях методом конечных элементов, на которые делается ссылка в дальнейшем описании экспериментальной работы, на фиг. 7а изображен эллиптический цилиндр, расположенный в воде вдоль оптической оси световода 40 мкм от конечного участка световода, а на фиг. 7Ь изображен эллиптический цилиндр, расположенный над 8И8 фотоэпоксидным световодом, при этом цилиндр отделен от световода небольшим промежутком, на фиг. 8 - крутящий момент, воздействующий на эллиптический цилиндр в воде на различных расстояниях от конечного участка световода, на который делается ссылка в дальнейшем описании экспериментальной работы,
на фиг. 9 - крутящий момент, воздействующий на эллиптический цилиндр в воде на 3 отделяющих расстояниях над световодом, на который делается ссылка в дальнейшем описании экспериментальной работы,
на фиг. 10 - силы Рх и Ру, воздействующие на эллиптический цилиндр в воде на конечном участке световода при вертикальной ориентации для различных отделяющих расстояний, на которые делается ссылка в дальнейшем описании экспериментальной работы,
на фиг. 11 - оптические силы Рх и Ру, воздействующие на эллиптический цилиндр в воде над световодом для различных отделяющих расстояний, на которые делается ссылка в дальнейшем описании экспериментальной работы,
на фиг. 12а-с - смещение симметричных частиц посредством оптического поля при прохождении частицы рядом с концом конечного участка световода в микрофлюидном канале, на которое делается ссылка в дальнейшем описании экспериментальной работы,
на фиг. 13а и 13Ь - смещение и асимметричных частиц посредством оптического поля, ориентированных посредством оптического поля, при прохождении частицы через конец конечного участка свето- 3 030193
вода в микрофлюидном канале, на которое делается ссылка в дальнейшем описании экспериментальной работы, и
на фиг. 14 - измеренная эффективность смещения в зависимости от скорости потока частиц для симметричных частиц - фиг. 14а, и асимметричных частиц - фиг. 14Ь.
Осуществление изобретения
В соответствии с фиг. 1 микрофлюидная система, обычно образованная на микрофлюидном чипе для ориентирования и сортировки частиц, включает фокусировку, ориентирование, обнаружение дискриминационный характеристики, которая может быть флюоресценцией (свечением), и блоки регулирования времени и изменения направления, расположенные последовательно вдоль микроканала, вдоль которого обеспечено перемещение частиц с потоком текучей среды в канале, от одного блока к следующему.
В изображенном варианте реализации гидродинамический блок 1 фокусировки и/или отделения обеспечивает расположение частиц в конкретный участок в канале.
Если частицы, такие как частицы семенной жидкости, например, симметричны, изначальная ориентация частиц может быть случайной, а на блоке 2 ориентирования обеспечивается ориентирование, по существу, всех или, по меньшей мере, большинства частиц в общей ориентации, заданной относительно геометрии канала. На схематическом чертеже частицы изображены в вертикальной ориентации. В предпочтительном варианте реализации частицы ориентированы на блоке ориентирования посредством оптических сил, например из оптического световода, в соответствии со следующим описанием. Один или более световодов могут проходить через канал, например через канал сверху, снизу или вдоль боковой стенки канала, или могут примыкать к каналу сверху, снизу или со стороны канала. Световод может образовывать часть стенки канала или может быть физически отделенным микрофлюидной камеры.
В этом варианте реализации блок 3 обнаружения является блоком флуоресцентного обнаружения, а частицы предварительно окрашены флуоресцентным красящим веществом, при этом блок 3 флуоресцентного обнаружения оценивает интенсивность свечения каждой частицы и передает данные о свечении блокам 4 и 5 регулирования времени и изменения направления, которые обеспечивают изменение направления или сортировка частиц таким образом, чтобы направлять каждую частицу в один из двух различных выпускных блоков 6 и 7. Управление блоками 4 и 5 регулирования времени и изменения направления осуществляют посредством электронного устройства 15 управления. Например, частицы могут быть семенной жидкостью, а мужские частицы семенной жидкости могут быть направлены к выпускному блоку 6, а женские частицы семенной жидкости к выпускному блоку 7, например. Альтернативно, сортировка частиц может осуществляться для отделения частиц одного требуемого типа от частиц другого типа, который не требуется для конкретного применения, например, для отделения красных кровяных клеток, и в таком варианте реализации требуемые частицы могут быть направлены для сбора или для дальнейшей обработки, в то время как нетребуемые частицы могут быть направлены в отход или в выпускное отверстие для выброса или другой обработки.
Частицы попадают в микрофлюидную систему из источника 8. На чертеже источник 8 и выпускные блоки 6 и 7 изображены схематически в качестве емкостей для сбора, таких как камеры для вмещения частиц, однако частицы могут попадать в систему или сортировочный участок микрофлюидной системы из микрофлюидного канала или каналов от предыдущих блоков обработки и выходить из сортировочного участка к микрофлюидным каналам с содержанием частиц для следующей обработки, например.
На фиг. 2а и 2Ь схематически изображены варианты реализации для ориентирования частиц, в которых один световод - фиг. 2а, или несколько световодов - фиг. 2Ь, примыкают к микроканалу со стороны (сверху, снизу или с любой стороны) канала и выполнены с возможностью использования в блоке 2 ориентирования системы по фиг. 1. На фиг. 2а световод 9 излучения, такой как оптическое волокно, присоединенное к источнику, такому как лазер, примыкает к каналу с одной стороны канала. Световод может образовывать часть стенки канала или может быть физически отделенным от микрофлюидной камеры. При прохождении асимметричных частиц рядом с конечным участком световода 9 в случайной ориентации, на них воздействуют оптической силой, обеспечивающей ориентацию асимметричных частиц, аналогичную общей и заданной ориентации. В варианте реализации по фиг. 2Ь частицы последовательно проходят рядом с тремя световодами 9а-9с, которые суммарно ориентируют частицы. Оптическая сила от первого световода 9а может обеспечивать начало вращения каждой частицы по направлению к требуемой ориентации, а оптическая сила от последующих световодов 9Ь и 9с продолжает обеспечение перемещения частиц к требуемой ориентации. На фиг. 2а изображен один световод, примыкающий к стороне канала, а на фиг. 2Ь изображены три световода, примыкающие к стороне канала, однако альтернативные варианты реализации могут содержать два или более, чем три световода, причем световоды могут примыкать к каналу сверху, снизу или с любой стороны.
Световоды могут быть изготовлены в качестве части устройства (т.е. на месте) или введены во время сборки устройства (т.е. оптоволоконные компоненты). Обычно световоды могут воздействовать оптической силой в диапазоне длины оптической волны от видимой до ближней ИК области спектра (500 нм - 2 мкм), а источники лазерного излучения будут представлены источниками передачи непрерывным излучением, выходная мощность которых составляет меньше, чем 1 Вт/световод, для минимизации оп- 4 030193
тических сил, прикладываемых в каждом взаимодействии с частицей. Управление передачей лазерного излучения может быть осуществлено электронным образом для включения и выключения в зависимости от требований для образования пульсов на шкале времени от микросекунды до миллисекунды.
На фиг. 3а и 3Ь схематически изображены варианты реализации для ориентирования частиц, в которых один световод 10а - фиг. 3а, или несколько световодов 10а-б - фиг. 3Ь, проходят через микроканал сверху или снизу канала. Световод(ы) проходят сверху, снизу или вдоль боковой стенки микроканала таким образом, чтобы обеспечивать прохождение частиц рядом со световодами, при этом подвергая их излучению, образуемому световодами, и воздействуют фотонным давлением для ориентирования частиц, описанных ранее. Оптическое излучение может быть подано к световоду (световодам) от линзы 12 связи, как показано.
Преимущество описанных в ранее вариантов реализации световодного ориентирования по сравнению с ориентированием частиц посредством гидродинамического давления обычно, используемого в установления пола семенной жидкости с известной проточной цитометрией, например, заключается в приложении меньшей силы к частицам, таким как частицам семенной жидкости, для их ориентирования, при этом обеспечивается меньшая вероятность повреждения частицы во время или в результате ориентирования частиц. Это, в частности, может относиться к вариантам реализации по фиг. 2Ь и 3Ь, которые обеспечивают ориентацию частиц рядом с несколькими последовательными световодами, каждый из которых прикладывает более низкое давление излучения, чем требуемое для ориентирования этих частиц посредством давления излучения, образованного одним световодом. Это может обеспечивать особенное преимущество для биологических частиц, таких как семенная жидкость и клетки, например.
На фиг. 4а и 4Ь показан вариант реализации для сортировки или изменения направления отобранных частиц для изменения направления перемещения в потоке текучей среды в микроканале, в котором несколько световодов 11а-11е примыкают к каналу со стороны (или сверху, или снизу) канала. На фиг. 5а и 5Ь показан вариант реализации для сортировки или изменения направления отобранных частиц для изменения направления перемещения в потоке текучей средыв микроканале, в котором несколько световодов проходят через канал сверху, снизу или вдоль стороны канала. После блока 3 обнаружения свечения (фиг. 1) на блоке 4 изменения направления (фиг. 1) каждая частица проходит несколько световодов 11а-11е, которые введены в микроканал сбоку по фиг. 4а и 4Ь, или 13а-13б, которые проходят снизу или сверху микроканала в варианте реализации по фиг. 5а и 5Ь. Световоды по фиг. 4а, 4Ь, 5а и 5Ь могут образовывать часть стенки канала или могут быть физически отделенными от микрофлюидной камеры.
В соответствии с фиг. 4а и 5а при прохождении частицы, направление которой требуется изменить к конкретному выпускному блоку 6 и 7, через блок 5 изменения направления (см. фиг. 1) обеспечивается включения источника энергии каждого из световодов 11а-е или 13а-б. Во время прохождения частицей рядом с первым световодом, обеспечивается ее отклонение посредством оптической силы, и дальнейшее отклонение во время ее прохождения рядом с последующими световодами. Все световоды могут быть включены вместе от общего источника лазерного излучения через линзу 12 связи, как показано на фиг. 5а и 5Ь, например, или в более высокоскоростной системе регулирование времени перемещения частицы может быть обеспечено изменением направления каждого из световодов 11а-е или 13а-б таким образом, чтобы включать каждый световод один за другим по мере прохождения отобранной частицей каждого конкретного световода. Устройство 6 управления (см. фиг. 1) с входными данными от блока 4 регулирования времени (см. фиг. 1) обеспечивает последовательное включение изменяющих направление световодов при прохождении отобранными частицами блока изменения направления. В изображенном варианте реализации через канал проходит ламинарный поток и в соответствии с фиг. 4а и 5а световоды при включении обеспечивают отклонение отобранных частиц от потока на одну сторону по направлению к выпускному блоку 7 через границу потока и в поток по направлению к выпускному блоку 6. При нахождении световодов в состоянии покоя не происходит отклонение частиц, которые, следовательно, продолжают перемещение по направлению к выпускному блоку 7, как показано на фиг. 4Ь и 5Ь. В вариантах реализации изображенная система выполнена с возможностью изменения направления или сортировки частиц таким образом, чтобы направлять каждую частицу в один из двух выпускных блоков 6 и 7, однако в альтернативных вариантах реализации система может быть выполнена с возможностью изменения направления или сортировки частиц между более, чем двумя различными выпускными блоками, например тремя или четырьмя выпускными блоками. Например, световоды при последовательном включении могут обеспечивать отклонение отобранных частиц от потока на одну сторону через первую границу потока и во второй поток, а затем через вторую границу потока и в третий поток по направлению к третьему выпускному блоку. Изменение направления или сортировка может быть основано на троичных, а не двоичных характеристиках частиц, например. Также в альтернативных вариантах реализации световоды могут обеспечивать отклонение отобранных частиц для направления в различные каналы или каналы вместо емкостей для сбора, например.
На фиг. 6а изображен микрофлюидный чип, включающий вариант реализации изобретения, для осуществления ориентирования и отделения семенной жидкости крупного рогатого скота. Образец семенной жидкости, с окрашенной и промытой ДНК, поступает в чип на входе образца вместе с двумя проточными потоками δΐι жидкости. Образец семенной жидкости и проточные потоки охлаждают блоком
- 5 030193
термоэлектрического охлаждения на основе эффекта Пельтье (не показано) под чипом, и поддерживают в условиях низкой температуры на протяжении обработки на чипе. Семенную жидкость фокусируют в требуемую область канала в области РР. Затем ее ориентируют в области О посредством давления излучения, образованного пучком РВ1 волокна. В этом примере пучок волокна примыкает к каналу со стороны и показаны четыре одномодовых волокна. Эти волокна передают излучение от лазера в чип. После ориентирования интенсивность свечения ДНК семенной жидкости оценивается посредством ультрафиолетового светодиода УФ СИД Ь1, обеспечивающего освещение области обнаружения снизу чипа. Свечение выводят из канала посредством одномодового волокна ОМВ и направляют к устройству обнаружения с фотоэлектронным умножителем ФЭУ. Выпускной блок устройства обнаружения с фотоэлектронным умножителем ФЭУ используют для управления системой §№ изменения направления. При отборе семенной жидкости для направления к новому выпускному каналу лазер посылает излучение через второй пучок РВ2 волокна для перемещения семенной жидкости в канал к новому потоку. Семенная жидкость затем проходит через второй температурный градиент для повышения температуры управляемым способом до требуемой температуры, такой как комнатная температура или температура тела - следует отметить, что извилистая траектория, требуемая для температурного равновесия, с температурным градиентом для выпускных каналов не показана для ясности. Впускные каналы также содержат выпускные потоки для проточной жидкости и потока отходов, а также для Х- и Υ-хромосомной семенной жидкости. Источник Ь2 белого излучения, расположенный под выпускными каналами, обеспечивает рассеивание частиц, которые поступают в отдельные выпускные каналы. Рассеивание обнаруживают посредством третьего пучка РВ3 волокна таким образом, чтобы обеспечивать возможность обнаружения изменения направления семенной жидкости посредством кремниевых точечных диодов и направления к устройству управления для подсчета.
На фиг. 6Ь изображено множество отдельных сортировочных чипов, выполненных с возможностью использования для осуществления объемной сортировки образцов семенной жидкости. Электронные устройства управления, источники лазерного излучения, датчики, привод для блока термоэлектрического охлаждения на основе эффекта Пельтье (управление температурой) и впускной и выпускной поток объемной жидкости расположены за пределами сортировочного чипа. На этой диаграмме исключительно для ясности показаны только четыре чипа.
Еще одно преимущество описанных ранее вариантов реализации световодного изменения направления частиц по сравнению с изменением направления частицы посредством гидродинамического давления, например, заключается в приложении меньшей силы к частицам, и это может обеспечивать особенное преимущество для биологических частиц, таких как семенная жидкость и клетки, например. Следовательно, хотя блок световодного изменения направления частицы, описанный ранее, может следовать за блоком изменения направления частиц посредством гидродинамического давления (при необходимости блока ориентирования частиц), и, наоборот, блок световодного ориентирования частиц, описанный ранее, может предшествовать блоку изменения направления частиц посредством гидродинамического давления, в предпочтительном варианте реализации система, в частности, для сортировки асимметричных биологических частиц, таких как семенная жидкость, может включать блок световодного ориентирования частиц, предназначенный для ориентирования семенной жидкости посредством давления излучения, блок обнаружения, такой как блок флуоресцентного обнаружения и блок световодного изменения направления частицы, который использует оптическую силу для отдельного направления мужских и женских частиц семенной жидкости. Система также содержит электронную систему управления, например, на основе микропроцессора. Блок 3 флуоресцентного обнаружения может быть предназначен для облучения семенной жидкости, предварительно контактировавшей или окрашенной флуоресцентным маркерным красящим веществом, связывающимся с ДНК каждого сперматозоида, и включать обнаружение для обнаружения интенсивности полученного в результате свечения. Женские частицы семенной жидкости поглощают большее количество красящего вещества, чем мужские частицы семенной жидкости, и, следовательно, обеспечивают более высокую интенсивность свечения, позволяя осуществить дискриминацию.
Скорость обработки систем, содержащих только один световод, ограничена ограниченным импульсом (сила х время) оптической силы, воздействующим на конкретную частицу. Время взаимодействия ограничено физическим размером световода и скоростью потока частиц. Сила манипулирования ограничена оптического потенциала удержания световода. Более высокие значения сил приводят к полному оптическому удержанию, при котором исключается свобода перемещения частиц с окружающей текучей средой. Это приводит к низкой производительности и высокой точности обработки частиц при обычном использовании манипулирования частицами одним световодом. Варианты реализации ориентирования и изменения направления с несколькими световодами, такие как описанные ранее, предлагают преимущество непрерывного применения хорошо контролируемой оптической силы на протяжении длительного времени без возникновения оптического удержания. Это обеспечивает произвольно высокую производительность (скорость потока частиц) частиц посредством последовательного добавления световодов, образующих оптическую силу, увеличивая импульс, воздействующий на частицу.
Микрофлюидная система изобретения для сортировки семенной жидкости или частиц может со- 6 030193
держать по меньшей мере один микроканал с сортировочным участком, в котором осуществляется обработка частиц, как описано ранее, или множества таких сортировочных участков для увеличения производительности. Системы предпочтительно реализованы в небольшом микрофлюидном устройстве или чипе, изготовленном посредством микромеханической обработки, технологий обработки полимеров или других технологий микрообработки, для образования микрофлюидных конструкций, и содержат опорные насосы, клапаны и оборудование. Обычно, микроканал(ы) может иметь ширину в пределах от 10 до 500 мкм или от 100 до 400 мкм и глубину в пределах от 5 до 250 мкм, например. Размеры каналов микрофлюидного потока поддерживают ламинарный поток с минимальной турбулентностью. В вариантах реализации, описанных и изображенных на чертежах, микроконструкция имеет плоскую форму, причем двухмерная длина и ширина превышают глубину, поперечную плоскости. В альтернативных вариантах реализации глубина может превышать длину и/или ширину микроканала, и резервуар и другие полости микросистемы. В альтернативных вариантах реализации микроканалы могут отходить в трех направлениях и могут содержать изогнутые участки, а также углы. В вариантах реализации, изображенных на чертежах, микрополости выполнены с прямоугольным или квадратным поперечным сечением, однако в альтернативных вариантах реализации микроконструкции могут быть выполнены, например, с круглыми или овальными поперечными сечениями, или поперечными сечениями другой формы.
Далее изобретение описано на примере посредством следующего описания моделирования и испытаний.
Пример 1.
Для выполнения приблизительного расчета воздействия оптических сил на асимметричные частицы были проведены моделирования с использованием метода конечных элементов (МКЭ). В частности, были вычислены оптические силы, воздействующие на эллиптические частицы, расположенные рядом со световодами, такими как описанные ранее. Были вычислены ориентирующие угловые крутящие моменты, а также силы удержания/движущие силы. Приблизительные двухмерные (2Ό) расчеты эллиптических частиц (цилиндр) с соотношением большой: малой оси, составляющим 10 мкм: 2 мкм, были помещены в конечный участок приблизительных 2-мерных расчетов одномодового оптического волокна, пластинчатого световода - фиг. 7а. На фиг. 7Ь изображен полученный в результате крутящий момент, воздействующий на такую эллиптическую частицу в зависимости от ее ориентации относительно оптической оси световода. Воздействующая в световоде входная мощность составляет 50 мВт. Изображены режимы поляризации световода, параллельной (ПМ поперечная магнитная) и перпендикулярной (ПЭ поперечная электронная) плоскости моделирования. Аналогичный приблизительный 2-мерный расчет частиц был помещен сверху приблизительного 2Ό расчета гребенчатого световода, как показано на фиг. 8, а полученный в результате крутящий момент, в зависимости от ее ориентации параллельно оптической оси световода изображен на фиг. 9. Оба результата показывают, что ориентирование частицы (отсутствие воздействующего крутящего момента) осуществляется при расположении ее малой оси параллельно оптической оси световодов. Т.е. при вертикальном (угол = 90°) ориентировании. Дополнительно, на графиках показано, что восстановление крутящего момента (в направлении, противоположном направлению перемещения) обеспечивается вокруг угла ориентирования. Это равновесная ориентация частицы в результате воздействующих оптических сил. На фиг. 10 изображена полученная в результате оптическая сила, воздействующая на описанный ранее эллиптический цилиндр, при нахождении в воде возле конечного участка световода. На фиг. 11 изображена оптическая сила, воздействующая на этот эллиптический цилиндр при нахождении в воде над световодом. Эти оптические силы изображены разделенными на направление, параллельное (Рх) и перпендикулярное (Ру) оптическим осям световода для различных отделений частицы/световода для режимов ПМ поперечной магнитной и ПЭ поперечной электронной поляризации световода. Частицы расположены в вертикальной/равновесной ориентации, как описано ранее.
Пример 2.
Изображения на фиг. 12а-с, на которых изображено смещение симметричных частиц оптическим полем при прохождении частицы Р рядом с концом конечного участка световода Υ в потоке Р прямоугольного микрофлюидного канала, ширина которого составляет 100 мкм, были получены посредством 10х объектива микроскопа с визуализацией посредством цифрового КМОП-датчика камеры. Частица была представлена полистирольной сферической шайбой, диаметр которой составляет 10 мкм, изображенной при перемещении сверху вниз на фиг. 12. На фиг. 12а изображена частица в потоке жидкости перед световодом. Частица взаимодействовала с оптическим лучом (250 мВт, 532 нм, соединенным в одномодовое волокно при >50% эффективности), расходящимся от конечного участка световода. Это взаимодействие образовало сильное рассеивание, насыщающее изображение по фиг. 12Ь. Оптическая сила толкала частицы посредством смещения ά, как изображено на фиг. 12с, без остановки потока частиц вдоль микрофлюидного канала.
Пример 3.
На фиг. 13 изображены результаты ориентирования оптического поля на конечном участке световода Υ, примыкающем к стенке микрофлюидного канала. Частица Р, имеющая асимметричную форму, в частности, сперматозоид крупного рогатого скота, переносилась в потоке текучей среды сверху вниз в
- 7 030193
поток текучей среды Р в микрофлюидном канале. Частица находилась в инертном состоянии и не могла перемещаться посредством своей движущей силы. Как показано на фиг. 13 а, изначально сперматозоиды представляли темную рассеивающую ориентацию для системы визуализации. После прохождения через оптическое поле и взаимодействия с ним на конечном участке оптического световода (выделенном на фиг. 13) сперматозоиды продолжили перемещение вниз по микрофлюидному каналу с новой ориентацией и смещением от их изначального положения. Частица была перемещена от стенки канала после взаимодействия и повернута к новой ориентации, продолжая перемещение вниз по каналу. Новая ориентация сперматозоидов обеспечила белую головную часть, указывающую на 90-градусный поворот вокруг продольной оси частицы после взаимодействия с оптическим полем.
Несколько взаимодействий, таких как наблюдаемых на фиг. 12 и 13, были покадрово анализированы, и результаты представлены на фиг. 14. Для измерения положения и ориентации частицы до и после взаимодействия с оптическим полем была использована обработка изображений. На фиг. 14 изображена измеренная эффективность смещения в зависимости от скорости потока частицы для симметричных частиц, а именно полистирольной шайбой, диаметр которой составляет 10 мкм - фиг. 14а, и асимметричных частиц, а именно неподвижных сперматозоидов крупного рогатого скота - фиг. 14Ь. Например, эти частицы проходят рядом с конечным участком одного световода, выходная мощность которого составляет меньше, чем 200 мВт, а длина волны 532 нм. Смещение указывает на расстояние от конца волокна до края микрофлюидного канала.

Claims (16)

  1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
    1. Система для сортировки частиц в микрофлюидной системе, содержащая
    по меньшей мере один канал, предназначенный для потока текучей среды внутри канала, содержащий по меньшей мере один впуск и по меньшей мере два выпуска и множество блоков, расположенных вдоль канала;
    блок ориентирования, расположенный после по меньшей мере одного впуска и сообщающийся с ним по текучей среде, при этом блок ориентирования содержит по меньшей мере один световод, выполненный с возможностью воздействия давлением излучения на частицы для обеспечения установления определенной ориентации, по меньшей мере, большинства частиц в потоке текучей среды;
    блок обнаружения, расположенный после блока ориентирования и сообщающийся с ним по текучей среде, при этом блок обнаружения выполнен с возможностью обнаружения по меньшей мере одного отличия между частицами в потоке текучей среды, прошедшего блок обнаружения; и
    блок переключения, содержащий множество световодов, выполненных таким образом, чтобы поток частиц проходил мимо каждого световода из множества световодов, и указанные световоды выполнены с возможностью направления излучения для воздействия давлением излучения на частицы для обеспечения изменения направления перемещения отобранных частиц в потоке текучей среды в один по меньшей мере из двух выпусков, на основании входных данных из блока обнаружения; и
    устройство управления.
  2. 2. Система по п.1, в которой световоды выполнены с возможностью соединения с лазером или лазерами.
  3. 3. Система по п.1, в которой световоды проходят через канал микрофлюидной системы или примыкают к нему.
  4. 4. Система по п.1, в которой устройство управления выполнено с возможностью активирования давления излучения из световодов.
  5. 5. Система по п.1, в которой по меньшей мере один световод выполнен с возможностью обеспечения давления излучения для отклонения частиц из потока на одну сторону, через границу или границы потока и в поток по направлению к отобранному выпуску.
  6. 6. Система по п.1, в которой в которой блок обнаружения является блоком оптического обнаружения.
  7. 7. Система по п.1, в которой блок обнаружения выполнен с возможностью обнаружения или различения частиц посредством технологии флуоресцентного обнаружения.
  8. 8. Система по п.1, дополнительно содержащая перед блоком ориентирования блок фокусировки, сообщающийся по текучей среде по меньшей мере с одним впуском для обеспечения фокусировки частиц на конкретном участке внутри текучей среды.
  9. 9. Система по п.6, в которой множество световодов примыкают к каналу над, снизу или вдоль боковых стенок канала.
  10. 10. Система по п.1, дополнительно содержащая блок охлаждения, выполненный с возможностью охлаждения текучей среды и частиц в текучей среде.
  11. 11. Система по п.1, в которой по меньшей мере один канал имеет ширину приблизительно от 10 до приблизительно 500 мкм.
  12. 12. Система по п.1, в которой по меньшей мере один канал имеет глубину от приблизительно 5 до приблизительно 500 мкм.
    - 8 030193
  13. 13. Система по п.1, в которой сортируемые частицы представляют собой частицы семенной жидкости.
  14. 14. Способ сортировки частиц в микрофлюидной системе по п.1, содержащий этапы, на которых ориентируют частицы в заданном направлении в потоке текучей среды по меньшей мере в одном
    канале микрофлюидной системы посредством воздействия на частицы излучением, сформированным по меньшей мере одним световодом;
    после этапа ориентирования выявляют по меньшей мере одно отличие между частицами в потоке текучей среды и
    изменяют направление перемещения отобранных частиц в потоке текучей среды для сортировки частиц на основании по меньшей мере одного обнаруженного отличия, при этом изменение направления перемещения частиц обусловлено воздействием на частицы излучением, сформированным множеством световодов.
  15. 15. Способ по п.14, в котором частицы представляют собой частицы семенной жидкости.
  16. 16. Способ по п.15, в котором семенная жидкость сортируется в зависимости от пола.
EA201590285A 2012-07-27 2013-07-29 Способ и система для ориентирования и/или сортировки микрофлюидных частиц EA030193B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201261676391P 2012-07-27 2012-07-27
PCT/NZ2013/000135 WO2014017929A1 (en) 2012-07-27 2013-07-29 Method and system for microfluidic particle orientation and/or sorting

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201590285A1 EA201590285A1 (ru) 2015-10-30
EA030193B1 true EA030193B1 (ru) 2018-07-31

Family

ID=49997621

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201590285A EA030193B1 (ru) 2012-07-27 2013-07-29 Способ и система для ориентирования и/или сортировки микрофлюидных частиц

Country Status (14)

Country Link
US (4) US9784663B2 (ru)
EP (2) EP2877832B1 (ru)
CN (1) CN104884934B (ru)
AU (1) AU2013293647B2 (ru)
BR (1) BR112015001844B1 (ru)
CA (2) CA3079158C (ru)
DK (1) DK2877832T3 (ru)
EA (1) EA030193B1 (ru)
ES (1) ES2842552T3 (ru)
IN (1) IN2015KN00498A (ru)
MX (1) MX359348B (ru)
NZ (1) NZ725649A (ru)
UA (1) UA116637C2 (ru)
WO (1) WO2014017929A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU220009U1 (ru) * 2023-04-05 2023-08-21 Полина Андреевна Монахова Устройство для автоматической сортировки и визуализации биологических объектов

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11243494B2 (en) 2002-07-31 2022-02-08 Abs Global, Inc. Multiple laminar flow-based particle and cellular separation with laser steering
CN103630470B (zh) 2007-04-16 2016-03-16 通用医疗公司以马萨诸塞州通用医疗公司名义经营 使粒子在微通道中聚集的系统和方法
US10908066B2 (en) 2010-11-16 2021-02-02 1087 Systems, Inc. Use of vibrational spectroscopy for microfluidic liquid measurement
NZ725649A (en) * 2012-07-27 2018-05-25 Engender Tech Limited Method and system for microfluidic particle orientation and/or sorting
US8961904B2 (en) 2013-07-16 2015-02-24 Premium Genetics (Uk) Ltd. Microfluidic chip
CN103499534B (zh) * 2013-07-25 2015-09-09 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 高灵敏太赫兹微流通道传感器及其制备方法
US11796449B2 (en) 2013-10-30 2023-10-24 Abs Global, Inc. Microfluidic system and method with focused energy apparatus
US10481075B2 (en) * 2013-12-16 2019-11-19 Sobru Solutions, Inc. Microorganism evaluation system
EP3040750A1 (en) * 2014-12-29 2016-07-06 IMEC vzw Device and method for performing lens-free imaging
US9739751B2 (en) 2015-02-05 2017-08-22 International Business Machines Corporation Devices for trapping and controlling microparticles with radiation
JP2018509615A (ja) 2015-02-19 2018-04-05 プレミアム ジェネティクス （ユーケー） リミテッド 走査型赤外線測定システム
KR20180137506A (ko) * 2016-04-15 2018-12-27 벡톤 디킨슨 앤드 컴퍼니 밀폐형 액적 분류기 및 이의 사용 방법
GB201608549D0 (en) * 2016-05-16 2016-06-29 Dublin Inst Of Technology A multianalyte photonic biosensor system
IT201600104612A1 (it) * 2016-10-18 2018-04-18 Menarini Silicon Biosystems Spa Sistema microfluidico e metodo per l'isolamento di particelle
IT201600104645A1 (it) * 2016-10-18 2018-04-18 Menarini Silicon Biosystems Spa Dispositivo microfluidico e metodo per l'isolamento di particelle
KR102637616B1 (ko) * 2016-10-18 2024-02-16 메나리니 실리콘 바이오시스템스 에스.피.에이. 마이크로 유체 장치, 마이크로 유체 시스템 및 입자 분리 방법
CN106885807B (zh) * 2017-02-21 2020-04-24 澳门大学 基于微流控技术的大规模活生物体筛选系统
CN107603940B (zh) * 2017-09-07 2020-10-27 中国科学技术大学 利用楔形光镊光场分选微粒的方法
IT201700105948A1 (it) * 2017-09-21 2019-03-21 Menarini Silicon Biosystems Spa Metodo e sistema microfluidico per il recupero di particelle
EP3499215B1 (en) 2017-12-15 2023-06-28 ams AG Particle density sensor using evanescent wave of waveguide
CA3098299A1 (en) * 2018-04-25 2020-01-16 Engender Technologies Ltd. Systems, devices and methods associated with microfluidic systems
US11331670B2 (en) * 2018-05-23 2022-05-17 Abs Global, Inc. Systems and methods for particle focusing in microchannels
CN109880744B (zh) * 2019-03-22 2022-07-29 华南师范大学 光流控细胞分选芯片及其分选细胞的方法
EP3955735B1 (en) 2019-04-18 2024-05-22 ABS Global, Inc. System and process for continuous addition of cryoprotectant
CN110468027B (zh) * 2019-09-07 2022-04-19 桂林电子科技大学 一种基于同轴双波导光纤的细胞分选微流芯片
CN111172010B (zh) * 2019-09-07 2022-05-13 桂林电子科技大学 一种基于三芯光纤的细胞分选微流芯片
US11628439B2 (en) 2020-01-13 2023-04-18 Abs Global, Inc. Single-sheath microfluidic chip
CA3200930A1 (en) * 2020-12-23 2022-06-30 Lakshmi Krishnan Particle classification and sorting systems and methods
US11921026B2 (en) * 2021-04-16 2024-03-05 Cytonome/St, Llc Method and apparatus for an anti-sorting flow cytometer
CN113834764A (zh) * 2021-08-26 2021-12-24 桂林电子科技大学 一种用于微粒定向弹射的光纤来福枪系统及控制方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7068874B2 (en) * 2000-11-28 2006-06-27 The Regents Of The University Of California Microfluidic sorting device
US7676122B2 (en) * 2006-12-11 2010-03-09 Jiahua James Dou Apparatus, system and method for particle manipulation using waveguides
US20110008767A1 (en) * 2009-07-07 2011-01-13 Durack Gary P Microfluidic device

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07104191A (ja) * 1991-09-02 1995-04-21 Jasco Corp 細胞等の微粒子の姿勢位置制御装置
US6586193B2 (en) * 1996-04-25 2003-07-01 Genicon Sciences Corporation Analyte assay using particulate labels
US20030007894A1 (en) 2001-04-27 2003-01-09 Genoptix Methods and apparatus for use of optical forces for identification, characterization and/or sorting of particles
AU2003216175A1 (en) * 2002-02-04 2003-09-02 Colorado School Of Mines Laminar flow-based separations of colloidal and cellular particles
US6976590B2 (en) * 2002-06-24 2005-12-20 Cytonome, Inc. Method and apparatus for sorting particles
US6808075B2 (en) * 2002-04-17 2004-10-26 Cytonome, Inc. Method and apparatus for sorting particles
US7118676B2 (en) * 2003-09-04 2006-10-10 Arryx, Inc. Multiple laminar flow-based particle and cellular separation with laser steering
DE60335411D1 (de) 2002-11-01 2011-01-27 Techno Network Shikoku Co Ltd Verfahren zum sortieren und rückgewinnen von feinen teilchen und rückgewinnungsvorrichtung
DK2305173T3 (en) * 2003-03-28 2016-08-22 Inguran Llc Apparatus and method for providing sorted particles
US20050067337A1 (en) * 2003-09-30 2005-03-31 Hart Sean J. Laser optical separator and method for separating colloidal suspensions
EP2664916B1 (en) * 2007-04-02 2017-02-08 Acoustic Cytometry Systems, Inc. Method for manipulating a fluid medium within a flow cell using acoustic focusing
CN103630470B (zh) * 2007-04-16 2016-03-16 通用医疗公司以马萨诸塞州通用医疗公司名义经营 使粒子在微通道中聚集的系统和方法
US8691164B2 (en) * 2007-04-20 2014-04-08 Celula, Inc. Cell sorting system and methods
US8120770B2 (en) * 2007-09-10 2012-02-21 The Penn State Research Foundation Three-dimensional (3D) hydrodynamic focusing using a microfluidic device
US8266950B2 (en) * 2007-12-19 2012-09-18 Los Alamos National Security, LLP Particle analysis in an acoustic cytometer
CN102187206B (zh) * 2008-09-08 2015-10-14 技术资源有限公司 用于分析材料的方法和设备
US8162149B1 (en) * 2009-01-21 2012-04-24 Sandia Corporation Particle sorter comprising a fluid displacer in a closed-loop fluid circuit
WO2010104993A2 (en) * 2009-03-10 2010-09-16 The Regents Of The University Of California Fluidic flow cytometry devices and particle sensing based on signal-encoding
US8496889B2 (en) * 2010-03-23 2013-07-30 California Institute Of Technology Microfluidic device for separating and sorting particles in a fluid medium
US20120225475A1 (en) * 2010-11-16 2012-09-06 1087 Systems, Inc. Cytometry system with quantum cascade laser source, acoustic detector, and micro-fluidic cell handling system configured for inspection of individual cells
WO2012094325A2 (en) * 2011-01-03 2012-07-12 Cytonome/St. Llc Method and apparatus for monitoring and optimizing particle sorting
NZ725649A (en) * 2012-07-27 2018-05-25 Engender Tech Limited Method and system for microfluidic particle orientation and/or sorting
US9757726B2 (en) * 2013-03-14 2017-09-12 Inguran, Llc System for high throughput sperm sorting
FR3024738B1 (fr) * 2014-08-11 2018-06-15 Genes Diffusion Dispostif et procede de selection de cellules eucaryotes dans un canal de transport par alteration des cellules eucaryotes au moyen d'un rayonnemement electromagnetique

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7068874B2 (en) * 2000-11-28 2006-06-27 The Regents Of The University Of California Microfluidic sorting device
US7676122B2 (en) * 2006-12-11 2010-03-09 Jiahua James Dou Apparatus, system and method for particle manipulation using waveguides
US20110008767A1 (en) * 2009-07-07 2011-01-13 Durack Gary P Microfluidic device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WANG M. et al., "Microfluidic sorting of mammalian cells by optical force switching", Nature Biotechnology, Volume 23, Number 1, January 2005, pages 83-87, abstract, figure 1, figure 1 description, figure 2, figure 2 description *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU220009U1 (ru) * 2023-04-05 2023-08-21 Полина Андреевна Монахова Устройство для автоматической сортировки и визуализации биологических объектов

Also Published As

Publication number Publication date
NZ725649A (en) 2018-05-25
EP2877832A4 (en) 2016-04-20
US11480516B2 (en) 2022-10-25
MX359348B (es) 2018-09-26
US20150198517A1 (en) 2015-07-16
US20200408666A1 (en) 2020-12-31
DK2877832T3 (da) 2021-01-18
UA116637C2 (uk) 2018-04-25
CN104884934B (zh) 2018-11-02
US10712255B2 (en) 2020-07-14
EA201590285A1 (ru) 2015-10-30
CA3079158C (en) 2023-03-07
EP3845885A1 (en) 2021-07-07
US20190331588A1 (en) 2019-10-31
EP2877832A1 (en) 2015-06-03
IN2015KN00498A (ru) 2015-07-17
BR112015001844A2 (pt) 2018-05-29
AU2013293647B2 (en) 2017-08-31
CA2894459C (en) 2020-07-07
MX2015001251A (es) 2015-08-14
CA2894459A1 (en) 2014-01-30
US10393644B2 (en) 2019-08-27
US20170370822A1 (en) 2017-12-28
US9784663B2 (en) 2017-10-10
AU2013293647A1 (en) 2015-03-12
BR112015001844B1 (pt) 2021-03-02
WO2014017929A1 (en) 2014-01-30
CA3079158A1 (en) 2014-01-30
CN104884934A (zh) 2015-09-02
ES2842552T3 (es) 2021-07-14
EP2877832B1 (en) 2020-10-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11480516B2 (en) Method and system for microfluidic particle sorting
Huh et al. Microfluidics for flow cytometric analysis of cells and particles
Chung et al. Recent advances in miniaturized microfluidic flow cytometry for clinical use
Cho et al. Recent advancements in optofluidic flow cytometer
CN106413901B (zh) 用于颗粒分选的方法和设备
US20170299492A1 (en) Method, device and system for hydrodynamic flow focusing
US20060171846A1 (en) Microfluidic systems incorporating integrated optical waveguides
US11530975B2 (en) Control device, microparticle sorting device and microparticle sorting system using control device, and control method
US20220396757A1 (en) Method of collecting fine particles, microchip for sorting fine particles, device for collecting fine particles, method of producing emulsion, and emulsion
Fan et al. Development of a parallel three-dimensional microfluidic device for high-throughput cytometry
Maruyama et al. Immobilization of individual cells by local photo-polymerization on a chip
Kang et al. On-chip fluorescence-activated particle counting and sorting system
Sugino et al. Integration in a multilayer microfluidic chip of 8 parallel cell sorters with flow control by sol–gel transition of thermoreversible gelation polymer
Wang et al. Robot-assisted automatic cell sorting with combined optical tweezer and microfluidic chip technologies
Taylor The design and evaluation of a microfluidic cell sorting chip
Merenda et al. Refractive multiple optical tweezers for parallel biochemical analysis in micro-fluidics
Ježek et al. Microfluidic systems for optical sorting
Meade et al. Microfluidic flow cytometry: Advancements toward compact, integrated systems
Keloth Three dimensional optofluidic devices for manipulation of particles and cells
Mao et al. Focusing fluids and light
Asrar Investigation of microscale particles using a microfluidic flow cytometer equipped with a sensitive photodetector
Bragheri et al. Femtosecond laser fabricated microfluorescence-activated cell sorter for single cell recovery
Wang Evaluation of Miniaturized Mixer and Integrated Optical Components for Cell Sorting
Hole et al. Sorting of polystyrene microspheres using a Y-branched optical waveguide
Wang Applications of Integrated Polymer Waveguides in Microsystems

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM