ES2628181T3

ES2628181T3 - Dispositivo de matriz de choque que tiene espacios de separación asimétricos para la segregación de partículas

Info

Publication number: ES2628181T3
Application number: ES09801077.0T
Authority: ES
Inventors: James C. Sturm; Robert Austin; Kevin Loutherback; Keith Morton; Jason Puchalla
Original assignee: Princeton University
Current assignee: Princeton University
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2029-07-24
Also published as: WO2010011934A2; US8579117B2; US20130098813A1; US8783467B2; EP2304414A4; WO2010011934A3; US20100059414A1; EP3196642A1; EP2304414B1; EP2304414A2

Abstract

Un dispositivo de matriz de choque para segregar partículas por tamaño, comprendiendo el dispositivo un cuerpo que define un canal microfluídico de flujo para contener el flujo del fluido en una primera dirección y una matriz de obstáculos dispuesta dentro y que se extiende a través del canal de flujo, en el que el canal está limitado por un par de superficies paralelas sustancialmente planas entre las cuales se extienden los obstáculos, estando colocados los obstáculos en filas y columnas, en las que las filas definen una dirección de matriz que difiere de la primera dirección por un ángulo de inclinación (ε) que tiene una magnitud mayor que cero; definiendo los obstáculos en columnas espacios de separación entre sí a través de los cuales el fluido puede fluir en términos generales transversalmente con respecto a las columnas, estando conformados y colocados los obstáculos en una configuración tal que las superficies de dos obstáculos que definen un espacio de separación están orientadas asimétricamente respecto del plano que se extiende a través del centro del espacio de separación y que es paralelo a dichas superficies paralelas, bisecando dicho plano el espacio de separación en dos partes, con lo que la configuración de los obstáculos hace que el perfil de velocidad de flujo del fluido a través del espacio de separación esté orientado asimétricamente respecto del plano y el tamaño crítico de partículas para las partículas que pasan a través de la parte del espacio de separación adyacente a uno de los obstáculos sea diferente del tamaño crítico de partícula para partículas que pasan a través de la otra parte del espacio de separación adyacente al otro de los obstáculos, en el que el tamaño crítico de partícula es tal que las partículas que tienen un tamaño mayor que ese tamaño crítico viajarán en la dirección de la matriz, en lugar de la dirección de flujo del fluido a granel y las partículas que tienen tamaños menores que el tamaño crítico viajarán en la dirección de flujo del fluido a granel.

Description

DESCRIPCION

Dispositivo de matriz de choque que tiene espacios de separacion asimetricos para la segregacion de partfculas 5 ANTECEDENTES DE LA DIVULGACION

La divulgacion se refiere en terminos generales al campo de separacion de partfculas tales como esferas, celulas, virus y moleculas. En particular, la divulgacion se refiere a la separacion de partfculas basada en su comportamiento de flujo en un campo de obstaculos lleno de fluido en el que el transporte advectivo de partfculas por un fluido en 10 movimiento supera los efectos del transporte difusivo de partfculas.

La separacion de partfculas por tamano o masa es una tecnica analttica y preparatoria fundamental en biologfa, medicina, qmmica y la industria. Los procedimientos convencionales incluyen electroforesis en gel, fraccionamiento de campo-flujo, sedimentacion y cromatograffa de exclusion por tamano. Mas recientemente, se ha descrito la 15 separacion de partfculas y biopolfmeros cargados usando matrices de obstaculos a traves de partfculas que pasan bajo la influencia del flujo del fluido o de un campo electrico aplicado. La separacion de las partfculas por estos dispositivos de matrices de obstaculos esta mediada por interacciones entre los biopolfmeros y los obstaculos y por el comportamiento de flujo del fluido que pasa entre los obstaculos.

20 Se han descrito una variedad de matrices de tamizado microfabricadas para separar partfculas (Chou et al, 1999, Proc. Natl. Acad. Sci. 96:13762; Han, et al, 2000, Science 288:1026; Huang et al, 2002, Nat. Biotechnol. 20:1048; Turner et al, 2002, Phys. Rev. Lett. 88(12):128103; Huang et al, 2002, Phys. Rev. Lett. 89:178301; patente de EE. UU. n.° 5.427.663; patente de EE. UU. n.° 7.150.812; patente de EE. UU. n.° 6.881.317). Estas matrices dependen de la fabricacion precisa de pequenas caractensticas (por ejemplo, postes en un canal microflmdico). La 25 precision con la que se pueden fabricar pequenas caractensticas esta limitada en todos los procedimientos de microfabricacion, especialmente a medida que disminuye el tamano de las caractensticas. La tenacidad y rigidez de los materiales en los que las pequenas caractensticas estan fabricadas tambien pueden limitar la utilidad practica del dispositivo fabricado. Ademas, el pequeno tamano de los espacios de separacion entre los obstaculos en tales matrices puede hacer que las matrices sean susceptibles de obstruccion por partfculas demasiado grandes para 30 encajar entre los obstaculos. La fabricacion a escala de micrometros y nanometros tambien requiere tecnicas de fabricacion de vanguardia, y los dispositivos fabricados usando tales procedimientos pueden tener un alto coste.

Se han descrito dispositivos de matriz de choque (tambien conocidos como «matriz de obstaculos»), y su funcionamiento basico se explica, por ejemplo, en la patente de EE. UU. n.° 7.150.812. Haciendo referencia a las 35 figuras 3 y 4 de la patente de EE. UU. n.° 7.150.812, una matriz de choque funciona esencialmente segregando partfculas que pasan a traves de una matriz (en terminos generales, una matriz ordenada periodicamente) de obstaculos, con segregacion que ocurre entre partfculas que siguen una «direccion de matriz» que se desvfa de la direccion de flujo del fluido a granel o de la direccion de un campo aplicado.

40 A nivel del flujo entre dos obstaculos adyacentes en condiciones de numero de Reynolds relativamente bajo, el flujo del fluido en terminos generales se produce de una manera laminar. Considerando el flujo volumetrico entre dos obstaculos en capas hipoteticas (por ejemplo, modelando el flujo considerando multiples tubos de corriente adyacentes de igual flujo volumetrico entre los obstaculos, segun se muestra en la figura 8 de la patente de EE. UU. n.° 7.150.812), la probabilidad de que el fluido en una capa pasara por un lado o por el otro del obstaculo siguiente 45 (es decir, corriente abajo) se puede calcular mediante procedimientos estandar (vease, por ejemplo, Inglis et al, 2006, Lab Chip 6:655-658). Para una matriz de obstaculos ordenada que se desvfa de la direccion de flujo del fluido a granel, la colocacion de los obstaculos definira una direccion de la matriz correspondiente a la direccion en la que viaja la mayona de las capas de fluido entre dos obstaculos. Una minona de capas de fluido viajara alrededor del obstaculo corriente abajo en una direccion distinta a la direccion de la matriz.

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La via que tomara una partfcula que pasa entre los dos obstaculos depende del flujo del fluido en las capas ocupadas por la partfcula. Conceptualmente, para una partfcula que tiene un tamano igual a una de las capas hipoteticas de fluido descritas en el parrafo anterior, la partfcula seguira la via de la capa de fluido en la que se produce, a menos que se difunda a una capa diferente. Para partfculas mas grandes que una unica capa de fluido, 55 la partfcula tomara la via correspondiente a la mayona de las capas de fluido que actuan sobre ella. Las partfculas

que tienen un tamano mayor que dos veces la suma de los grosores de la minona de capas que viajan alrededor de un obstaculo corriente abajo en la direccion distinta de la direccion de la matriz seran necesariamente influenciadas por mas capas de fluido que se mueven en la direccion de la matriz, lo que significa que tales partmulas viajaran en la direccion de la matriz. Este concepto tambien se ilustra en las figuras 5-11 de la patente de EE. UU. n.° 7.150.812.

5 Por lo tanto, hay un «tamano cntico» para las partmulas que pasan entre dos obstaculos en tal matriz, de tal manera que las partmulas que tienen un tamano mayor que ese tamano cntico viajaran en la direccion de la matriz, en lugar de en la direccion de flujo del fluido a granel y partmulas que tienen un tamano menor que el tamano cntico viajaran en la direccion de flujo del fluido a granel. Las partmulas que tienen un tamano exactamente igual al tamano cntico tienen la misma probabilidad de fluir en cualquiera de las dos direcciones. Al operar de un dispositivo de este tipo a 10 un numero de Peclet alto (es decir, de tal manera que el transporte advectivo de partmulas por capas de fluido supera en gran medida al transporte difusivo de partmulas entre capas), los efectos de la difusion de partmulas entre capas de fluido pueden ignorarse.

El documento WO 2004/037374 A2 se refiere a procedimientos y dispositivos para separar partmulas de acuerdo 15 con el tamano. Mas espedficamente, dicha publicacion se refiere a un procedimiento y dispositivo microflmdicos para la separacion de partmulas de acuerdo con el tamano usando una matriz que comprende una red de espacios de separacion, en la que el flujo de campo de cada espacio de separacion se divide de manera desigual en espacios de separacion subsiguientes.

20 El documento US 2008/0135502 se dirige a un separador de plasma sangumeo para separar el plasma sangumeo y las celulas sangumeas de sangre entera sin una estructura complicada adicional haciendo pasar la sangre entera a traves de un microcanal que tiene una forma predeterminada para hacer que la sangre entera fluya turbulentamente y cause una diferencia de velocidad o deflexion entre los flujos del plasma sangumeo y las celulas sangumeas de la sangre entera.

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Un procedimiento para mejorar la capacidad de separacion de las matrices de obstaculos sin requerir una disminucion en el tamano de las caractensticas de la matriz o la exactitud de las tecnicas de microfabricacion usadas para fabricarlas sena altamente beneficioso. La presente invencion se refiere a tales procedimientos y a las matrices de obstaculos fabricadas usando tales procedimientos.

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BREVE RESUMEN DE LA DIVULGACION

La invencion se refiere a dispositivos de matriz de choque para segregar partmulas por tamano. En un modo de realizacion, estos dispositivos incluyen un cuerpo que define un canal microflmdico de flujo. El canal esta 35 conformado y dimensionado de manera que es adecuado para contener fluido que fluye en una primera direccion (es decir, la direccion de flujo del fluido a granel a traves del dispositivo). Dentro del canal esta dispuesta una matriz de obstaculos. Los obstaculos se extienden a traves del canal de flujo (es decir, el fluido que pasa a traves del canal fluye entre y en medio de los obstaculos, pero todavfa en la direccion de flujo global de fluido a granel. Los obstaculos estan colocados en filas y columnas. Las filas definen una direccion de matriz que difiere de la primera 40 direccion por un angulo de inclinacion (e) que tiene una magnitud mayor que cero. Los obstaculos en las columnas definen espacios de separacion entre sf a traves de los cuales el fluido puede fluir en terminos generales transversalmente con respecto a las columnas (es decir, en terminos generales, en la direccion de flujo del fluido a granel, pero con variaciones direccionales locales cuando el fluido fluye alrededor y entre obstaculos individuales). Los obstaculos estan conformados de tal manera que las superficies de dos obstaculos que definen un espacio de 45 separacion estan orientadas asimetricamente respecto del plano que se extiende a traves del centro del espacio de separacion y que es paralelo a la primera direccion. En esta configuracion, el perfil de velocidad del fluido que fluye a traves del espacio de separacion esta orientado asimetricamente respecto del plano. Como resultado, el tamano cntico de partmula para las partmulas que pasan a traves del espacio de separacion adyacente a uno de los obstaculos es diferente del tamano cntico de partmula para las partmulas que pasan a traves del espacio de 50 separacion adyacente al otro de los obstaculos.

Las superficies de los dos obstaculos pueden ser, por ejemplo, superficies no paralelas sustancialmente planas. Por ejemplo, cada uno de los dos obstaculos puede tener una seccion transversal triangular. Como un ejemplo alternativo, la superficie de uno de los obstaculos puede ser curvada y la superficie del otro obstaculo puede ser 55 sustancialmente plana. Para facilitar la construccion, por ejemplo, el canal de flujo puede estar limitado por un par de

superficies paralelas sustancialmente planas entre las cuales se extienden los obstaculos.

En un modo de realizacion, las columnas de obstaculos se repiten periodicamente. En un ejemplo preferente, la periodicidad con la que se repiten las columnas es igual a 1/£ cuando £ se mide en radianes.

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Los dispositivos descritos en el presente documento pueden llenarse con fluido y acoplarse con uno o mas aparatos de manipulacion de fluidos para proporcionar lfquido a, extraer lfquido de, o tanto para proporcionar lfquido como para extraer lfquido del canal de flujo.

10 La invencion tambien se refiere a otro tipo de dispositivos de matriz de choque para segregar partfculas por tamano. Estos dispositivos incluyen un cuerpo que define un canal microflmdico de flujo para contener el flujo del fluido en una primera direccion y una segunda direccion. Una matriz de obstaculos esta dispuesta dentro del canal de flujo y los obstaculos se extienden a traves del canal de flujo. Los obstaculos estan colocados en filas y columnas, y las filas definen una direccion de conjunto que difiere de la primera direccion por un angulo de inclinacion (£) que tiene 15 una magnitud mayor que cero. Los obstaculos en las columnas definen espacios de separacion entre sf a traves de los cuales el fluido puede fluir en la primera direccion en terminos generales transversalmente con respecto a las columnas y a traves de las cuales el fluido puede fluir en la segunda direccion en terminos generales transversalmente con respecto a la columna. Los obstaculos estan conformados de tal manera que el tamano cntico de partfcula para las partfculas que pasan a traves del espacio de separacion en la primera direccion sea diferente 20 que el tamano cntico de partfcula para las partfculas que pasan a traves del espacio de separacion en la segunda direccion. Las direcciones primeras y segundas pueden desviarse en un angulo de 120 a 180 grados, por ejemplo. En una configuracion preferente, las direcciones primera y segunda estan desviadas 180 grados.

La invencion tambien se refiere a procedimientos de uso de tales dispositivos para segregar partfculas por tamano. 25

BREVE RESUMEN DE LAS VARIAS VISTAS DE LOS DIBUJOS

La figura 1 es un diagrama esquematico de la seccion transversal de un dispositivo de «matriz de choque» que tiene obstaculos rectos de forma triangular dispuestos en un canal microflmdico. En la figura, el flujo del fluido alterna 30 entre las direcciones de derecha a izquierda y de izquierda a derecha, como se indica con la flecha de doble punta marcada, «Flujo del fluido». En esta matriz, los postes triangulares rectangulos estan dispuestos en una colocacion de reticula cuadrada que esta inclinada con respecto a las direcciones del flujo del fluido. El angulo de inclinacion £ (epsilon) se elige de modo que el dispositivo sea periodico. En este modo de realizacion, un angulo de inclinacion de 18,4 grados (1/3 de radian) hace que el dispositivo sea periodico despues de tres filas. El espacio de separacion 35 entre postes se denomina G con longitud del lado del triangulo S y paso de la matriz P. Se muestran lmeas de corriente que se extienden entre los postes, dividiendo el flujo del fluido entre los postes en tres regiones («tubos de corriente») de igual flujo volumetrico.

La figura 2, que consiste en las figuras 2A, 2B y 2C, muestra las trayectorias de perlas esfericas de poliestireno de 40 tres tamanos diferentes en una matriz del tipo mostrado en la figura 1 a medida que la direccion de flujo del fluido se cicla hacia atras y hacia delante dos veces. La orientacion de los postes triangulares rectangulos se indica en la parte inferior derecha de cada figura. Los triangulos isosceles rectos son de 6 micrometros en un lado con una separacion de poste a poste de 10 micrometros y un angulo de inclinacion de 5,71 grados (0,1 radianes). Los tamanos de partfcula son 1,1 micrometros en la figura 2A, 3,1 micrometros en la figura 2B, y 1,9 micrometro en la 45 figura 2C. Las partfculas mostradas en las figuras 2A y 2B vuelven a recorrer sus vfas cuando se cambia la direccion del fluido, con las partfculas en la figura 2A en terminos generales siguiendo la direccion del fluido en cada direccion de flujo del fluido y las partfculas en la figura 2B en terminos generales siguiendo la direccion de la matriz en cada direccion de flujo del fluido. Por el contrario, la trayectoria de las partfculas mostradas en la figura 2C vana con la direccion del flujo del fluido. En la figura 2C, las flechas pequenas indican la direccion del fluido a lo largo de la via 50 de la partfcula; las partfculas en terminos generales siguen la direccion del fluido cuando la direccion de flujo del fluido es de izquierda a derecha y en terminos generales siguen la direccion de la matriz cuando la direccion de flujo del fluido es de derecha a izquierda.

La figura 3 consiste en tres diagramas de las trayectorias simuladas de las partfculas que se mueven a traves de 55 una matriz de postes triangulares rectangulos dispuestos en un canal microflmdico de flujo en el que el flujo del

fluido alterna entre las direcciones de derecha a izquierda y de izquierda a derecha. La figura 3A muestra trayectorias simuladas de particulas de 1,0 micrometros de diametro. La figura 3B muestra trayectorias simuladas de particulas de 3,6 micrometros de diametro. La figura 3A muestra trayectorias simuladas de particulas de 3,2 micrometros de diametro. En estos diagramas, las particulas de 1,0 micrometros de diametro son mas pequenas que 5 el tamano cntico de la matriz en ambas direcciones de flujo del fluido, las particulas de 3,6 micrometros de diametro son mas grandes que el tamano cntico de la matriz en ambas direcciones de flujo del fluido, y las particulas de 3,2 micrometros de diametro son mas pequenas que el tamano cntico de la matriz en una direccion de flujo (de derecha a izquierda), pero mas grande que el tamano cntico de la matriz en la otra direccion de flujo (de izquierda a derecha).

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La figura 4 es un par de graficos, que consiste en las figuras 4A y 4B. La figura 4A es un grafico que muestra el flujo de velocidad normalizado simulado entre dos postes triangulares rectangulos. La figura 4B es un grafico que muestra los perfiles de velocidad normalizados a traves de espacios de separacion entre obstaculos redondos (curva que es simetrica respecto de Y/Espacio de separacion = 0,5) y obstaculos con forma de triangulo rectangulo en una 15 matriz del tipo mostrado en la figura 1 (£ = 1/3 de radian). En estos perfiles, las lmeas verticales delinean las areas bajo cada curva en tercios, representando tres tubos de corriente de igual flujo volumetrico. La curva de los obstaculos redondos demuestra que un tercio del flujo volumetrico entre obstaculos redondos se produce en un tubo de corriente que es adyacente a cualquiera de los obstaculos y tiene un ancho que es el 38 % de la anchura del espacio de separacion. La curva de los obstaculos triangulares demuestra que un tercio del flujo volumetrico entre 20 obstaculos triangulares se produce en un tubo de corriente que es adyacente al lado plano de uno de los dos obstaculos triangulares y tiene una anchura que es del 42 % de la anchura del espacio de separacion y que se produce un tercio adicional en un tubo de corriente que es adyacente al lado afilado del par de obstaculos triangulares y tiene una anchura que es del 34 % de la anchura del espacio de separacion.

25 La figura 5 es un grafico del diametro cntico del pronosticado frente al angulo de inclinacion de la matriz (£) para matrices de obstaculos triangulares (lmea inferior) y circulares (lmea superior).

La figura 6 consiste en las figuras 6A y 6B. La figura 6A es un diagrama esquematico de la seccion transversal de un dispositivo de «matriz de choque» que tiene obstaculos con forma de triangulo equilatero dispuestos en un canal 30 microflmdico. En la figura, el fluido fluye en la direccion de izquierda a derecha, como se indica con la flecha marcada, «Fluido». En esta matriz, los postes triangulares equilateros estan dispuestos en una colocacion de reticula de paralelogramo que esta inclinada con respecto a las direcciones de flujo del fluido. Pueden usarse tambien otras colocaciones de reticulas (por ejemplo, cuadradas, rectangulares, trapezoidales, hexagonales, etc.). El angulo de inclinacion £ (epsilon) se elige de modo que el dispositivo sea periodico. En este modo de realizacion, un 35 angulo de inclinacion de 18,4 grados (1/3 de radian) hace que el dispositivo sea periodico despues de tres filas. El angulo de inclinacion £ tambien representa el angulo por el cual la direccion de la matriz se desvfa respecto de la direccion de flujo del fluido. El espacio de separacion entre postes se denomina G con longitud del lado del triangulo equilatero S. Se muestran lmeas de corriente que se extienden entre los postes, dividiendo el flujo del fluido entre los postes en tres regiones («tubos de corriente») de igual flujo volumetrico. Una particula relativamente grande (que 40 tiene un tamano mayor que el tamano cntico para la matriz) sigue el angulo de inclinacion de la matriz cuando el flujo del fluido es en la direccion mostrada. Una particula relativamente pequena (que tiene un tamano mas pequeno que el tamano cntico para la matriz) sigue la direccion de flujo del fluido. La figura 6B es una comparacion del flujo de velocidad normalizado entre dos postes triangulares equilateros (panel izquierdo) y un flujo de velocidad normalizado entre dos postes circulares (panel derecho). Las partes sombreadas representan una proporcion igual 45 de area bajo la curva, lo que demuestra que el radio cntico para las particulas que fluyen mas alla del punto del triangulo es significativamente mas pequeno (<15 % de la anchura del espacio de separacion) que el radio cntico para las particulas que fluyen mas alla del poste redondo (>20 % de la anchura del espacio de separacion).

La figura 7 es un grafico que ilustra efectos hipoteticos y experimentales del angulo de inclinacion («Inclinacion de la 50 matriz» en la figura 7) sobre el desplazamiento de particulas.

La figura 8 es un grafico que ilustra el efecto del angulo de inclinacion («Inclinacion de la matriz» en la figura 8) sobre la longitud de espacio de separacion G. Gt se refiere a la longitud de espacio de separacion entre postes triangulares, y Gc se refiere a la longitud de espacio de separacion entre postes redondos.

La figura 9 es un grafico que ilustra el efecto de la presion aplicada sobre la velocidad de partfcula en matices de choque que tienen postes triangulares (datos mostrados como triangulos) y matrices de choque que tienen postes circulares (datos mostrados como drculos).

5 La figura 10 es un grafico que ilustra el efecto de la redondez de borde de los obstaculos (expresada como r/S) sobre el tamano cntico exhibido en el lado de un espacio de separacion limitado por el borde.

La figura 11 es una imagen de una matriz construida como se describe en el presente documento.

10 La figura 12 ilustra el movimiento de partfculas en una matriz de choque de trinquete del tipo descrito en el presente documento.

La figura 13 ilustra el movimiento de partfculas en una matriz de choque de trinquete del tipo descrito en el presente documento.

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La figura 14 ilustra el movimiento de partfculas en una matriz de choque de trinquete del tipo descrito en el presente documento.

La figura 15 es un grafico que compara las caractensticas de tamano cntico de los postes redondos y triangulares.

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DESCRIPCION DETALLADA

La invencion se refiere a formas de estructurar y operar matrices de obstaculos para separar partfculas. En matrices de obstaculos anteriores descritas por otros, los obstaculos teman formas y estaban colocados de tal manera que el 25 perfil de flujo del fluido a traves de los espacios de separacion entre los obstaculos adyacentes era simetrico respecto de la lmea central del espacio de separacion. Visto de otra manera, la geometna de los obstaculos adyacentes en tales matrices de obstaculos mas antiguas es tal que las partes de los obstaculos que definen el espacio de separacion son simetricas respecto del eje del espacio de separacion que se extiende en la direccion de flujo del fluido a granel. La velocidad o el perfil volumetrico del flujo del fluido a traves de tales espacios de 30 separacion es aproximadamente parabolico a traves del espacio de separacion, siendo el flujo y la velocidad de fluido cero en la superficie de cada obstaculo que define el espacio de separacion (asumiendo condiciones de flujo no deslizante), y alcanza un valor maximo en el punto central del espacio de separacion. Siendo el perfil parabolico, una capa de fluido de una anchura dada adyacente a uno de los obstaculos que definen el espacio de separacion contendra una proporcion igual de flujo del fluido como una capa de fluido de la misma anchura adyacente al otro 35 obstaculo que define el espacio de separacion, lo que significa que el tamano de las partfculas que son «golpeadas» durante el paso a traves del espacio de separacion es igual independientemente del obstaculo que la partfcula viaje cerca.

La presente invencion se refiere, en parte, al descubrimiento de que el rendimiento de segregacion por tamano de 40 partfcula de una matriz de obstaculos puede mejorarse mediante la conformacion y disposicion de los obstaculos de tal manera que las partes de obstaculos adyacentes que desvfan el flujo del fluido dentro de un espacio de separacion entre obstaculos no sean simetricas respecto del eje del espacio de separacion que se extiende en la direccion de flujo del fluido a granel. Tal falta de simetna de flujo en el espacio de separacion conduce a un perfil de flujo del fluido no simetrico dentro del espacio de separacion. La concentracion del flujo del fluido hacia un lado de 45 un espacio de separacion (es decir, una consecuencia del perfil de flujo del fluido no simetrico a traves del espacio de separacion) reduce el tamano cntico de las partfculas que se inducen a viajar en la direccion de la matriz, en lugar de en la direccion de flujo del fluido a granel. Esto es asf porque la no simetna del perfil de flujo causa diferencias entre la anchura de la capa de flujo adyacente a un obstaculo que contiene una proporcion seleccionada de flujo del fluido a traves del espacio de separacion y la anchura de la capa de flujo que contiene la misma 50 proporcion de flujo del fluido y que es adyacente al otro obstaculo que define el espacio de separacion. Las diferentes anchuras de las capas de fluido adyacentes a los obstaculos que definen un espacio de separacion que presenta dos tamanos cnticos de partfcula diferentes. Una partfcula que atraviesa el espacio de separacion sera golpeada (es decir, viaja en la direccion de la matriz, en lugar de en la direccion de flujo del fluido a granel) si excede el tamano cntico de la capa de fluido en la que es transportada. Por lo tanto, es posible que una partfcula que 55 atraviesa un espacio de separacion que tenga un perfil de flujo no simetrico sea golpeada si la partfcula viaja en la

capa de fluido adyacente a un obstaculo, pero no sea golpeada si viaja en la capa de fluido adyacente al otro obstaculo que define el espacio de separacion.

Las partfculas que atraviesan una matriz de obstaculos pasan a traves de multiples espacios de separacion entre 5 obstaculos y tienen multiples oportunidades de ser golpeadas. Cuando una partfcula atraviesa un espacio de separacion que tiene un perfil de flujo no simetrico, la partfcula siempre sera golpeada si el tamano de la partfcula excede los tamanos cnticos (diferentes) definidos por las capas de flujo adyacentes a los dos obstaculos que definen el espacio de separacion. Sin embargo, la partfcula sera golpeada solo a veces si el tamano de la partfcula excede el tamano cntico definido por la capa de flujo adyacente a uno de los dos obstaculos, pero no excede el tamano 10 cntico definido por la capa de flujo adyacente al otro obstaculo. Las partfculas que no excedan el tamano cntico definido por la capa de flujo adyacente a cualquiera de los obstaculos no seran golpeadas. Hay al menos dos implicaciones que se derivan de esta observacion.

En primer lugar, en una matriz de obstaculos en la que los obstaculos definen espacios de separacion que tienen un 15 perfil de flujo no simetrico, las partfculas que tienen un tamano que excede al tamano mas pequeno de los dos tamanos cnticos definidos por las capas de flujo adyacentes a los obstaculos se separaran de las partfculas que tienen un tamano mas pequeno que el tamano cntico de partfcula. Significativamente, esto significa que el tamano cntico definido por un espacio de separacion puede disminuirse alterando la simetna del flujo a traves del espacio de separacion sin disminuir necesariamente el tamano del espacio de separacion («G» en la figura 1). Esto es 20 importante porque la disminucion del tamano del espacio de separacion puede aumentar significativamente el coste y la dificultad de produccion de la matriz. A la inversa, para un tamano cntico dado, el tamano del espacio de separacion que define ese tamano cntico puede aumentarse alterando la simetna del flujo a traves del espacio de separacion. Debido a que los espacios de separacion mas pequenos son mas propensos a obstruirse que los mas grandes, esto es significativo para mejorar la capacidad operativa de las matrices, lo que permite un mayor 25 rendimiento y una menor probabilidad de obstruccion.

En segundo lugar, en una matriz de obstaculos en la que los obstaculos definen espacios de separacion que tienen un perfil de flujo no simetrico, las partfculas pueden separarse en tres poblaciones: i) partfculas que tienen un tamano mas pequeno que cualquiera de los tamanos cnticos definidos por las capas de flujo adyacentes a los 30 obstaculos; ii) partfculas que tienen un tamano intermedio entre los dos tamanos cnticos definidos por las capas de flujo adyacentes a los obstaculos; y iii) partfculas que tienen un tamano mas grande que cualquiera de los tamanos cnticos definidos por las capas de flujo adyacentes a los obstaculos.

En otro aspecto de la invencion, se ha descubierto que la disminucion de la redondez de los bordes de los 35 obstaculos que definen los espacios de separacion puede mejorar el rendimiento de la segregacion por tamano de partfcula de una matriz de obstaculos. A modo de ejemplo, las matrices de obstaculos que tienen una seccion transversal triangular con vertices afilados presentan un tamano cntico de partfcula mas bajo que el que presentan las matrices de obstaculos triangulares de tamano y espaciados identicos que tienen vertices redondeados.

40 Por lo tanto, al afilar los bordes de los obstaculos que definen espacios de separacion en una matriz de obstaculos, el tamano cntico de las partfculas desviadas en la direccion de la matriz bajo la influencia del flujo del fluido a granel puede disminuirse sin reducir necesariamente el tamano de los obstaculos. A la inversa, los obstaculos que tienen bordes mas afilados pueden separarse mas entre sf que, pero todavfa producen propiedades de segregacion de partfculas equivalentes a, obstaculos de tamano identico que tienen los bordes menos afilados.

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En otro aspecto mas de la invencion, se ha descubierto que la conformacion de los obstaculos en una matriz de obstaculos de tal manera que la geometna de los obstaculos encontrados por el fluido que fluye a traves de la matriz en una direccion difiere (y define un tamano cntico de partfcula diferente) de la geometna de los obstaculos encontrados por el fluido que fluye a traves de la matriz en una segunda direccion. Por ejemplo, el fluido que fluye a 50 traves de la matriz ilustrada en la figura 1 en una direccion de izquierda a derecha encuentra y fluye alrededor de los vertices redondeados de los postes triangulares rectangulos de la matriz (en esta direccion de flujo, el perfil de flujo del fluido a traves de los espacios de separacion es asimetrico respecto del eje de los espacios de separacion). Sin embargo, fluyendo el fluido a traves de la misma matriz en una direccion de derecha a izquierda encuentra y fluye alrededor de los bordes planos de los postes triangulares rectangulos de la matriz (en esta direccion de flujo, el perfil 55 de flujo del fluido a traves de los espacios de separacion es simetrico respecto del eje de los espacios de

separacion, siendo esencialmente parabolico).

Matrices de choque que tienen espacios de separacion con perfiles de flujo asimetricos

5 Esta divulgacion se refiere a dispositivos de matriz de choque que son utiles para segregar partfculas por tamano. En un modo de realizacion, el dispositivo incluye un cuerpo que define un canal microflmdico de flujo para contener el flujo del fluido. Una matriz de obstaculos esta dispuesta dentro del canal de flujo, de tal manera que el fluido que fluye a traves del canal fluye alrededor de los obstaculos. Los obstaculos se extienden a traves del canal de flujo, estando en terminos generales fijados, integrados o en contacto con la superficie del canal de flujo en cada extremo 10 del obstaculo.

Los obstaculos estan colocados en filas y columnas, en una configuracion tal que las filas definen una direccion de la matriz que difiere de la direccion de flujo del fluido en el canal de flujo mediante un angulo de inclinacion (e) que tiene una magnitud mayor que cero. El valor operativo maximo de e es 1/3 de radian. El valor de e es 15 preferentemente de 1/5 de radian o menos, y se ha encontrado que un valor de 1/10 de radian es adecuado en varios modos de realizacion de las matrices descritas en el presente documento. Los obstaculos que estan en las columnas definen espacios de separacion entre sf, y el fluido que fluye a traves del canal de flujo es capaz de pasar entre estos espacios de separacion, en una direccion que es en terminos generales transversal con respecto a las columnas (es decir, en terminos generales perpendicular al eje largo de los obstaculos en la columna y en terminos 20 generales perpendicular a un plano que se extiende a traves de los obstaculos en la columna).

Los obstaculos tienen formas de modo que las superficies (corriente arriba, corriente abajo o puenteando el espacio de separacion, con respecto a la direccion de flujo del fluido a granel) de dos obstaculos que definen un espacio de separacion estan orientadas asimetricamente respecto del plano que se extiende a traves del centro del espacio de 25 separacion y que es paralelo a la direccion de flujo del fluido a granel a traves del canal. Es decir, las partes de los dos obstaculos causan un flujo asimetrico del fluido a traves del espacio de separacion. El resultado es que el perfil de velocidad del flujo del fluido a traves del espacio de separacion esta orientado asimetricamente respecto del plano. Como resultado de esto, el tamano cntico de partfcula para las partfculas que pasan a traves del espacio de separacion adyacente a uno de los obstaculos es diferente del tamano cntico de partfcula para las partfculas que 30 pasan a traves del espacio de separacion adyacente al otro de los obstaculos.

Los materiales y el numero de piezas de las que se construye el cuerpo son irrelevantes. El cuerpo puede fabricarse a partir de cualquiera de los materiales a partir de los cuales se fabrican dispositivos de manipulacion de fluidos a escala de micrometros y nanometros, como por ejemplo silicio, cristales, plasticos y materiales hfbridos. Para facilitar 35 la fabricacion, el canal de flujo puede construirse usando dos o mas piezas que, una vez ensambladas, forman una cavidad cerrada (preferentemente una que tenga orificios para anadir o retirar fluidos) que tiene los obstaculos dispuestos dentro de ella. Los obstaculos pueden fabricarse sobre en una o mas piezas que se ensamblan para formar el canal de flujo, o pueden fabricarse en forma de un elemento interno que esta intercalado entre dos o mas piezas que definen los lfmites del canal de flujo. Los materiales y procedimientos para fabricar tales dispositivos son 40 conocidos en la tecnica.

Para facilitar el modelado y el funcionamiento predecible de los dispositivos de matriz de choque descritos en el presente documento, el canal de flujo se forma preferentemente entre dos superficies paralelas sustancialmente planas, con los obstaculos formados en una de las dos superficies (por ejemplo, mediante el grabado de la superficie 45 para retirar el material que originalmente rodeaba las partes no grabadas que permanecen como obstaculos). Los obstaculos tienen preferentemente una seccion transversal sustancialmente constante a lo largo de su longitud, siendo admitido que las tecnicas usadas para fabricar los obstaculos pueden limitar la uniformidad de la seccion transversal.

50 Los obstaculos son cuerpos solidos que se extienden a traves del canal de flujo, preferentemente desde una cara del canal de flujo hasta una cara opuesta del canal de flujo. Cuando un obstaculo esta integrado en (o es una extension de) una de las caras del canal de flujo en un extremo del obstaculo, el otro extremo del obstaculo se sella preferentemente o se presiona contra la cara opuesta del canal de flujo. Un espacio pequeno (preferentemente demasiado pequeno para acomodar cualquiera de las partfculas de interes para un uso previsto) es tolerable entre 55 un extremo de un obstaculo y una cara del canal de flujo, siempre que el espacio no afecte negativamente a la

estabilidad estructural del obstaculo o a las propiedades de flujo relevantes del dispositivo. En algunos modos de realizacion descritas en el presente documento, los obstaculos estan definidos por una forma de seccion transversal (por ejemplo, redonda o triangular). Los procedimientos para impartir una forma a un obstaculo formado a partir de un material monolttico son bien conocidos (por ejemplo, fotolitograffa y varias tecnicas de micromecanizacion) y 5 sustancialmente cualquiera de tales tecnicas puede usarse para fabricar los obstaculos descritos en el presente documento. Los tamanos de los espacios de separacion, obstaculos y otras caractensticas de las matrices descritas en el presente documento dependen de la identidad y tamano de las partfculas que se van a manipular y separar en el dispositivo, segun se describe en otras partes de este documento. Las dimensiones tfpicas son del orden de micrometros o cientos de nanometros, pero son posibles dimensiones mas grandes y mas pequenas, sujeto a las 10 limitaciones de las tecnicas de fabricacion.

Como se describe en el presente documento, pueden conseguirse ciertas ventajas formando obstaculos que tienen bordes afilados (es decir, no redondeados), especialmente en la parte mas estrecha de un espacio de separacion entre dos obstaculos. Para aprovechar las ventajas de los bordes afilados, un experto en la materia reconocera que 15 ciertas tecnicas de microfabricacion son preferibles a otras para formar tales bordes. El afilado de los bordes puede describirse de varias maneras. A modo de ejemplo, se puede medir o estimar el radio de curvatura de un borde (por ejemplo, el vertice de un poste triangular) y ese radio puede compararse con una dimension caractenstica del obstaculo (por ejemplo, el lado mas corto adyacente al vertice de un poste triangular, cuadrado o rectangular, o el radio de un poste redondo que tiene una seccion puntiaguda). El afilado puede describirse, por ejemplo, como una 20 proporcion del radio de curvatura y la dimension caractenstica. Usando postes triangulares equilateros como ejemplo, las proporciones adecuadas incluyen aquellas que no son mayores de 0,25, y preferentemente no mayores de 0,2.

El numero de obstaculos que se producen en una matriz no es cntico, pero los obstaculos deben ser suficientemente 25 numerosos para que puedan realizarse las propiedades de separacion de partfculas de las matrices que se describen en el presente documento. De manera similar, con excepcion de lo que se describe en el presente documento, la distribucion y la forma precisas de la matriz no son cnticas. A la vista de las divulgaciones descritas en el presente documento, un experto en la materia puede disenar la distribucion y el numero de obstaculos necesarios para fabricar matrices de choque capaces de separar partfculas, teniendo en cuenta los tamanos e 30 identidades de las partfculas que se van a separar, el volumen de fluido en el que estan contenidas las partfculas que se van a separar, la tenacidad y rigidez de los materiales usados para fabricar la matriz, la capacidad de presion de los dispositivos de manipulacion de fluidos que se van a usar con la matriz y otras caractensticas de diseno ordinarias.

35 Como se discute en el presente documento, la forma y la separacion de los obstaculos son parametros de diseno importantes para las matrices. Los obstaculos se organizan en terminos generales en filas y columnas (el uso de los terminos filas y columnas no significa ni implica que las filas y columnas sean perpendiculares entre sf). Los obstaculos que estan en terminos generales alineados en una direccion transversal al flujo del fluido en el canal de flujo se denominan obstaculos en una columna. Los obstaculos adyacentes entre sf en una columna definen un 40 espacio de separacion a traves del cual fluye el fluido. Tfpicamente, los obstaculos en columnas adyacentes estan desviados unos de otros por un grado caracterizado por un angulo de inclinacion, designado como £ (epsilon). Por lo tanto, para varias columnas adyacentes entre sf (es decir, varias columnas de obstaculos que el flujo del fluido pasa consecutivamente en una unica direccion en terminos generales transversal a las columnas), los obstaculos correspondientes en las columnas estan desviados unos de otros de tal manera que los obstaculos correspondientes 45 forman una fila de obstaculos que se extiende en el angulo £ con respecto a la direccion de flujo del fluido mas alla de las columnas. El angulo de inclinacion puede seleccionarse y las columnas pueden estar separadas entre sf de tal manera que 1/£ (cuando £ se expresa en radianes) es un numero entero, y las columnas de obstaculos se repiten periodicamente. Los obstaculos en una unica columna tambien pueden estar desviados unos de otros por el mismo angulo de inclinacion o por un angulo de inclinacion diferente. A modo de ejemplo, las filas y columnas pueden estar 50 colocadas en un angulo de 90 grados unas respecto de las otras, con tanto las filas como las columnas inclinadas, con respecto a la direccion de flujo del fluido a granel a traves del canal de flujo, en el mismo angulo de £.

La forma de los obstaculos individuales es importante y se ha descubierto que puede conseguirse una funcion mejorada de la matriz de choque dando forma a una o mas partes de dos obstaculos que definen un espacio de 55 separacion de tal manera que las partes de los obstaculos que estan corriente arriba, corriente abajo o puenteando

(o alguna combinacion de estos, haciendo referencia a la direccion de flujo del fluido a granel a traves del canal de flujo) la parte mas estrecha del espacio de separacion entre los obstaculos sean asimetricas respecto del plano que biseca el espacio de separacion y es paralelo a la direccion de flujo del fluido a granel. Tanto para simplificar la fabricacion como para ayudar a modelar el comportamiento de la matriz, todos los obstaculos en una matriz son 5 preferentemente identicos en tamano y forma, aunque esto no tiene por que ser el caso. Ademas, pueden hacerse matrices que tengan partes en las que los obstaculos sean identicos entre sf dentro de una unica parte, pero diferentes de los obstaculos en otras partes.

Sin estar limitado por ninguna teona particular de funcionamiento, se cree que la asimetna en una o mas partes de 10 uno o ambos de los obstaculos que definen un espacio de separacion conduce a un flujo del fluido aumentado en un lado o en el otro del espacio de separacion. Una partfcula es golpeada al pasar a traves de un espacio de separacion solo si la partfcula excede el tamano cntico de partfcula correspondiente al espacio de separacion. El tamano cntico de partfcula esta determinado por la densidad del flujo del fluido cerca de los lfmites del espacio de separacion (es decir, los bordes de los obstaculos que definen el espacio de separacion). El flujo aumentado del 15 fluido en un lado de un espacio de separacion (es decir, contra uno de los dos obstaculos que definen la parte mas estrecha del espacio de separacion) intensifica la densidad de flujo cerca de ese lado, reduciendo el tamano de la partfcula que sera golpeada al pasar a traves de ese lado del espacio de separacion.

En un modo de realizacion, la forma de cada uno de los multiples obstaculos en una columna es sustancialmente 20 identica y simetrica respecto del plano que biseca cada uno de los multiples obstaculos. Es decir, para cualquier columna de obstaculos, la geometna encontrada por las partfculas que viajan en el fluido que fluye a traves de los espacios de separacion entre los obstaculos en la columna es identica cuando el fluido esta viajando en una primera direccion y cuando el fluido esta viajando en una segunda direccion que esta separada de la primera direccion en 180 grados (es decir, el flujo en la direccion opuesta).

25

En otro modo de realizacion importante, la geometna encontrada por las partfculas que viajan en el fluido que fluye a traves de los espacios de separacion entre los obstaculos en la columna es diferente cuando el fluido esta viajando en una primera direccion que la geometna encontrada cuando el fluido esta viajando en una segunda direccion que es diferente de la primera direccion en 90-180 grados. En este modo de realizacion, el flujo del fluido puede, por 30 ejemplo, oscilarse entre las dos direcciones de flujo, y las partfculas en el fluido encontraran la geometna de obstaculo diferente. Si estas diferencias geometricas dan lugar a diferentes perfiles de fluido a traves de los espacios de separacion (comparense los paneles en la figura 6B, por ejemplo), entonces el espacio de separacion puede presentar tamanos cnticos de partfcula diferentes en las dos direcciones. Si un espacio de separacion presenta tamanos cnticos diferentes para el flujo en las dos direcciones, entonces las poblaciones de partfculas que seran 35 golpeadas al pasar a traves del espacio de separacion diferiran dependiendo de la direccion de flujo. Esta diferencia de las poblaciones golpeadas en las dos direcciones puede usarse para efectuar la segregacion de las partfculas que actuan de forma diferente.

Por ejemplo, considerese un espacio de separacion que presenta un primer tamano cntico para el flujo del fluido a 40 granel en una direccion, pero que presenta un tamano cntico diferente para el flujo del fluido a granel en una segunda direccion. Para el flujo del fluido en la primera direccion, las partfculas que tienen un tamano mayor que el primer tamano cntico seran golpeadas, y las partfculas que tienen un tamano menor que el primer tamano cntico no seran golpeadas. De manera similar, para el flujo del fluido en la segunda direccion, las partfculas que tienen un tamano mayor que el segundo tamano cntico seran golpeadas, y las partfculas que tienen un tamano menor que el 45 segundo tamano cntico no seran golpeadas. Si el flujo se oscila entre las direcciones primera y segunda, entonces las partfculas que tienen un tamano mas grande que los tamanos cnticos primero y segundo seran golpeadas en ambas direcciones. De manera similar, las partfculas que tienen un tamano mas pequeno que los tamanos cnticos primero y segundo no seran golpeadas en ninguna direccion. Para estas dos poblaciones de partfculas, las oscilaciones de flujo de cantidades aproximadamente iguales en ambas direcciones dejaran estas partfculas 50 sustancialmente en su posicion inicial. Sin embargo, las partfculas que tienen un tamano intermedio entre los dos tamanos cnticos seran golpeadas cuando el flujo del fluido a granel es en una direccion, pero no seran golpeadas cuando el flujo del fluido a granel es en la otra direccion. Por lo tanto, cuando se realizan oscilaciones de flujo de cantidades aproximadamente iguales en ambas direcciones, estas partfculas no se dejaran en su posicion inicial, sino que se habran desplazado de esa posicion original en una cantidad igual a (el tamano de un obstaculo + la 55 distancia del espacio de separacion G) x el numero de oscilaciones. De esta manera, estas partfculas (las que tienen

un tamano intermedio entre los dos tamanos cnticos) pueden separarse de las otras partfculas con las que inicialmente estaban mezcladas.

En el caso especial de cuando las direcciones primera y segunda difieren en 180 grados (es decir, los flujos estan en 5 direcciones opuestas, las partfculas que tienen un tamano intermedio entre los dos tamanos cnticos seran desplazadas en un angulo de 90 grados con respecto a la direccion del flujo oscilante.

El comportamiento de las partfculas en una matriz de choque no es una funcion de la direccion absoluta en la que se mueven las partfculas (o el fluido en el que estan suspendidas), sino que es una funcion de la geometna de la matriz 10 que las partfculas encuentran. Como una alternativa al funcionamiento de una matriz de choque con flujo alterno entre las direcciones primera y la segunda, se pueden obtener los mismos efectos de desplazamiento de partfculas usando flujo solo en la primera direccion por medio del aumento del tamano de la matriz en dos veces el numero de oscilaciones, manteniendo una parte de la matriz en su colocacion original, pero alterando la segunda parte de la matriz de tal manera que la geometna de la matriz sea identica a la geometna encontrada por las partfculas en el 15 fluido que se mueve en la segunda direccion en la matriz original (aunque el fluido se mueve en la primera direccion solamente). Usando la matriz ilustrada en la figura 1 a modo de ejemplo, los mismos efectos de desplazamiento sobre las partfculas pueden obtenerse mediante dos oscilaciones de flujo en esta matriz (es decir, dos unidades de flujo de izquierda a derecha y dos unidades de flujo de derecha a izquierda, izquierda) tal como puede obtenerse mediante cuatro unidades de flujo de izquierda a derecha a traves de una matriz que tiene cuatro veces la longitud 20 (de izquierda a derecha) de la matriz de la figura 1, siempre y cuando dos longitudes de la matriz esten colocadas segun se muestra en la figura 1 y dos longitudes de la matriz esten colocadas como la imagen especular (de izquierda a derecha) de la matriz mostrada en la figura 1.

Texto de la solicitud de prioridad 25

Uno o mas aspectos de la invencion descritos en el presente documento se describieron previamente en la solicitud provisional de EE. UU. n.° 61/135.854. El texto pertinente de esa solicitud (asf como una descripcion adicional) se incluye en esta seccion.

30 La invencion se refiere a un dispositivo microflmdico disenado para separar objetos sobre la base del tamano ffsico. Los objetos pueden ser celulas, biomoleculas, perlas inorganicas u otros objetos de forma redonda u otra forma. Los tamanos tfpicos fraccionados hasta la fecha oscilan de 100 nanometros a 50 micrometros, aunque son posibles tamanos mas pequenos o mas grandes. El trabajo anterior con estas matrices implicaba flujos continuos en una direccion, y las partfculas se separan de la direccion de flujo por un angulo que es una funcion monotonica de su 35 tamano.

Esta invencion es una modificacion del diseno de la matriz de choque que anade funcionalidad. Al cambiar la forma de los postes de drculos a una forma que es asimetrica respecto de un eje paralelo al flujo del fluido, pueden anadirse dos nuevas funcionalidades:

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1. El tamano cntico de partfcula para golpear puede ser diferente dependiendo de la direccion en la que una partfcula se mueve a traves de la matriz. Esto ha sido verificado experimentalmente con postes triangulares rectangulos, y se extiende a formas arbitrarias que son asimetricas respecto del eje de flujo.

45 2. Con tales disenos, el angulo de desplazamiento desde el flujo del fluido de partfculas puede disenarse para no ser monotono, por ejemplo, maximo a un cierto tamano de partfcula.

Tales matrices de choque tienen multiples usos, como por ejemplo, todos los usos que eran previamente conocidos para las matrices de choque.

50

El dispositivo puede usarse para separar de una mezcla partfculas de una banda de tamano seleccionada mediante desplazamiento lateral determinista. El mecanismo para la separacion es el mismo que el de la matriz choque, pero funciona en condiciones de flujo oscilatorio (condiciones de CA, es decir, flujo del fluido a granel alternando entre dos direcciones) en lugar de flujo continuo (condiciones de CC, es decir, flujo del fluido a granel solamente en una 55 unica direccion). En condiciones de flujo oscilatorio, las partfculas de un intervalo de tamano dado pueden separarse

perpendicularmente de una corriente de entrada (perpendicular al eje de flujo alterno cuando los flujos alternos difieren en la direccion en 180 grados) sin ningun desplazamiento neto del fluido a granel ni desplazamiento neto de partfculas fuera del intervalo deseado. Por lo tanto, inyectando una muestra que incluye partfculas del intervalo dado en una matriz de obstaculos y despues alternando el flujo del fluido a traves de la matriz de obstaculos en 5 direcciones opuestas (es decir, en direcciones separadas entre sf en 180 grados), la partfculas que exceden el tamano cntico en una direccion de flujo, pero no exceden el tamano cntico en la otra direccion de flujo, pueden separarse de otras partfculas en la muestra por medio del choque inducido por la matriz. Tales partfculas son golpeadas (y siguen la direccion de la matriz) cuando el fluido fluye en una direccion, pero no son golpeadas (y siguen la direccion de flujo del fluido a granel) cuando el fluido fluye en la direccion opuesta. Las partfculas que no 10 exceden el tamano cntico en cualquier direccion de flujo no seran golpeadas por la matriz (seguiran el fluido a granel en ambas direcciones), y permaneceran con el bolo de la muestra. Las partfculas que exceden el tamano cntico en ambas direcciones de flujo seran golpeadas por la matriz (seguiran la direccion de la matriz) cuando el fluido fluya en una direccion y tambien seran golpeadas (seguiran la direccion de la matriz en la direccion opuesta) cuando el fluido fluya en la direccion opuesta y, por tanto, permanecera con el bolo de la muestra.

15

Es decir, en dispositivos de este tipo, el tamano cntico de partfcula depende de la direccion de flujo del fluido. Se pueden hacer partfculas de tamanos intermedios para intensificar un dispositivo en condiciones de flujo oscilatorio.

En segundo lugar, en un modo de flujo continuo, se pueden inducir las partfculas de un tamano deseado para que se 20 muevan a un lado de una corriente del fluido y las partfculas por encima o por debajo de ese tamano para que se muevan al otro lado o no sean desplazadas en absoluto. Por lo tanto, la recogida de las partfculas deseadas puede ser mas facil. En los dispositivos convencionales, las partfculas por encima de un intervalo deseado tambien se desplazan desde el flujo del fluido al mismo lado del flujo, por lo que la separacion de las partfculas deseadas de las partfculas mas grandes no deseadas puede ser mas diffcil. En este modo de realizacion, los obstaculos que definen 25 diferentes tamanos cnticos para el flujo del fluido en direcciones opuestas se emplean en dos configuraciones que son imagenes especulares entre sf. Por ejemplo, haciendo referencia a la figura 1, tal matriz incluina postes triangulares rectangulos colocados segun se muestra en la figura 1 (es decir, la hipotenusa inclinada desde la parte inferior derecha hasta la parte superior izquierda y el angulo de inclinacion £ que se extiende desde la horizontal hacia la parte inferior de la figura) y tambien incluinan postes triangulares rectangulos colocados como aparecenan 30 en un espejo sostenido perpendicularmente en el lado derecho o izquierdo de la matriz mostrada en la figura 1 (es decir, postes triangulares rectangulos que tienen su hipotenusa inclinada desde la parte superior derecha a la izquierda inferior y el angulo de inclinacion £ que se extiende desde la horizontal hacia la parte superior de la figura). La separacion de partfculas obtenida por el flujo del fluido a granel en una unica direccion (es decir, de izquierda a derecha o de derecha a izquierda) a traves de tal matriz sena equivalente a un flujo de ida y vuelta a traves de la 35 matriz ilustrada en la figura 1. Las partfculas en el intervalo de tamano seleccionado senan empujadas hacia la parte superior de la matriz (segun se muestra en la figura 1), mientras que las partfculas que tienen de tamanos mas grandes o mas pequenos permanecenan en el nivel vertical en el que entran en la matriz (asumiendo que son encontrados numeros aproximadamente iguales de obstaculos en cada una de las dos configuraciones).

40 Tambien hemos descubierto que se produce una reduccion en el tamano cntico de partfcula como proporcion del espacio de separacion, en comparacion con los postes circulares, cuando las partfculas chocan con los bordes afilados. Esto permite un angulo de separacion mas grande sin temor a obstruir el dispositivo (separaciones mas rapidas).

45 Estos desarrollos reducen potencialmente el area ocupada necesaria en comparacion con una matriz de choque de flujo continuo.

El dispositivo es una matriz de postes microfabricados construida usando fotolitograffa estandar. Una unica capa de mascara se graba en el silicio o se usa para hacer una plantilla para el moldeo de PDMS. Las matrices de postes se 50 suelen sellar con un cubreobjetos recubierto con PDMS para proporcionar canales cerrados.

Los nuevos procedimientos pueden requerir un control mas cuidadoso de la forma de los postes que un dispositivo convencional. El funcionamiento del flujo oscilatorio puede requerir controladores e interfaces de control de fluidos mas complicados que el funcionamiento de flujo continuo.

Ambos aspectos de la invencion se han verificado experimentalmente en una matriz de choque con postes triangulares rectangulos.

Veanse las diapositivas adjuntas:

5

La figura 11 es una imagen de microscopio electronico de barrido de los postes en una matriz de obstaculos del tipo descrito en el presente documento. Se colocaron postes triangulares isosceles rectangulos, de 6 micrometros en un lado, sobre una reticula cuadrada con un espaciamiento de 10 micrometros, dando un espacio de separacion de aproximadamente 4 micrometros. La reticula cuadrada se inclino 5,71 grados (0,1 radianes) con respecto a las 10 paredes laterales del dispositivo para proporcionar la asimetria necesaria. El fluido fluye a lo largo del eje horizontal.

En la figura 1, el flujo total de fluido a traves de cada espacio de separacion puede dividirse en n = 1/e' corrientes de flujo (tubos de corriente), donde n es un numero entero. Cada corriente de flujo lleva un flujo de fluido igual, mostrado esquematicamente en la figura 1 para n = 3. Los tubos de corriente estan separados por las tineas de 15 separacion del flujo, comenzando y terminando cada tinea de separacion del flujo en un poste. Los tubos de corriente cambian sus posiciones dclicamente, de modo que despues de n filas cada lmea de corriente vuelve a su posicion inicial dentro del espacio de separacion.

La anchura de la corriente mas cercana a un poste determina el tamano critico de particula. Si el radio de la 20 particula es mas pequeno que la anchura de la corriente, entonces la trayectoria de la particula no se ve perturbada por los postes y viaja en la misma direccion de flujo. Si el radio de la particula es mas grande que el ancho de la corriente mas cercana, entonces se desplaza a traves de la tinea de separacion del flujo y su trayectoria sigue el eje inclinado de la matriz (es decir, la direccion de la matriz).

25 La anchura de la corriente mas cercana al poste puede determinarse asumiendo que el perfil de velocidad a traves de un espacio de separacion es parabolico, como es el caso de un flujo completamente desarrollado en un canal rectangular. Puesto que cada corriente lleva flujo igual y hay n corrientes, podemos integrar sobre el perfil de flujo de tal manera que el flujo a traves de una corriente de anchura Dc/2 (Dc es el diametro critico de una particula) mas cercano al poste es igual al flujo total a traves del espacio de separacion dividido por n. Es decir, la integral desde 0 30 a Dc/2 de u(x)dx (siendo u una funcion del flujo en cualquier posicion x dentro del espacio de separacion) es igual a 1/n veces la integral de u(x)dx sobre la totalidad del espacio de separacion.

Por lo tanto, el tamano critico de particula puede determinarse a partir del perfil de flujo. Para el caso de postes circulares, un perfil de flujo parabolico se aproxima estrechamente al perfil de flujo a traves del espacio de 35 separacion y el tamano critico de particula puede determinarse anatiticamente.

La figura 4A muestra una simulacion numerica del perfil de flujo para una matriz de postes triangulares. No podemos asumir que el perfil de flujo a traves de postes triangulares sea parabolico debido a la simetria quebrada. Por tanto, el perfil de flujo a traves del espacio de separacion de los postes triangulares se extrajo de la simulacion numerica 40 (programa - COMSOL) de flujo a traves de una matriz con el mismo tamano y el espaciamiento que los dispositivos realmente hechos.

La figura 4B ilustra una comparacion de perfiles de flujo de velocidad entre postes circulares y triangulares. Se muestran los perfiles de velocidad normalizados a traves del espacio de separacion para postes triangulares y 45 circulares. Segun se muestra, el perfil de flujo para los postes en triangulo es asimetrico respecto del centro del espacio de separacion; fluye mas fluido a lo largo del vertice del triangulo que a lo largo del borde plano.

Las figuras 12-14 ilustran el movimiento de particulas en una matriz de choque de trinquete del tipo descrito en el presente documento. Cuando las particulas se mueven a traves de la matriz, el lado del poste con la que interactuan 50 depende de la direccion en la que se mueven en la matriz. En este caso, cuando las particulas se estan moviendo de derecha a izquierda, chocan con el borde plano de los postes triangulares. Cuando las particulas se estan moviendo de izquierda a derecha, chocan con el vertice afilado de los postes triangulares. Por lo tanto, dado que el perfil de flujo es asimetrico, no podemos esperar que las particulas sigan la misma trayectoria cuando viajan en ambas direcciones a traves de la matriz.

Tamano cntico de partfculas para postes triangulares - Empleando el mismo tipo de analisis descrito en Inglis et al, 2006, Lab Chip 6:655-658, podemos integrar sobre el perfil de flujo para encontrar la achura de las corrientes caractensticas. Sin embargo, puesto que el perfil de flujo es asimetrico respecto del centro del espacio de separacion, la anchura de la corriente y, por ende, el tamano cntico de partfcula seran diferentes dependiendo del 5 lado que examinemos. Segun se muestra en la figura 4B, el resultado de la asimetna introducida por los postes triangulares es que el tamano cntico de partfcula es diferente dependiendo del lado del obstaculo triangular con el que las partfculas interactuan. Si estan moviendo a lo largo del vertice afilado, entonces el tamano cntico de partfcula es mas pequeno que si se estan moviendo a lo largo del borde plano. El tamano cntico de partfcula frente al angulo de la matriz (e) estan trazados en la figura 15 en comparacion con los postes circulares. El tamano cntico 10 de partfcula para que choque a lo largo del vertice afilado del triangulo es sustancialmente mas pequeno que para el de postes circulares o de borde plano. Esto permite usar angulos de separacion mas altos sin temor a obstruir los dispositivos. Cuando el diametro de partfcula es mas grande que el tamano del espacio de separacion (G en la figura 1), hay un riesgo sustancial de que la matriz se obstruya si la densidad de partfculas es alta.

15 Las figuras 3A-3C ilustran el comportamiento de partfcula representativo en una matriz de choque de trinquete. Para un dispositivo construido segun se muestra en la figura 11, se eligieron tres partfculas representativas para esta ilustracion. Se eligio una partfcula (ilustrada en la figura 3B) mas grande que los dos tamanos de partfcula cnticos (es decir, mas grande que los tamanos de partfcula cnticos definidos por los flujos del fluido de derecha a izquierda y de izquierda a derecha). Se eligio una partfcula (ilustrada en la figura 3A) mas pequena que los dos tamanos de 20 partfcula cnticos. Finalmente, se eligio una partfcula (ilustrada en la figura 3C) en el intervalo intermedio: mas pequena que el tamano cntico de partfcula (Df en la figura 12) a lo largo del borde plano, pero mas grande que el tamano cntico de partfcula (Dv en la figura 12) a lo largo del borde. Estas figuras ilustran el comportamiento de las partfculas que se pusieron en el dispositivo y se observo su trayectoria en condiciones de flujo oscilatorio.

25 Partfcula grande (figura 3B): Puesto que la partfcula es mas grande que el tamano cntico de partfcula a lo largo de ambos bordes, sigue el eje de inclinacion de la matriz (e) en ambas direcciones y no muestra desplazamiento neto en condiciones de flujo oscilatorio.

Partfcula pequena (figura 3A): Puesto que la partfcula es mas pequena que el tamano cntico de partfcula a lo largo 30 de ambos bordes, sigue la trayectoria del fluido en ambas direcciones y no muestra desplazamiento neto.

Partfcula intermedia (figura 3C): Cuando la partfcula se mueve a la derecha, choca con el borde plano de los postes triangulares. Puesto que es mas pequena que el tamano cntico de partfcula (Df), sigue la trayectoria del fluido. Cuando la partfcula se mueve hacia la izquierda, choca con el vertice afilado de los postes triangulares. Puesto que 35 es mas grande que el tamano cntico de partfcula en este lado (Dv), sigue el eje de inclinacion de la matriz y es desplazada hacia arriba. Segun se muestra, en condiciones de flujo oscilatorio, las partfculas en el intervalo intermedio son desplazadas perpendicularmente a la direccion de flujo. Despues de tres ciclos de movimiento hacia atras y hacia delante, el fluido a granel no ha sido desplazado, pero la partfcula se ha movido mas de 200 micrometros.

40

Si los tres tipos de partfculas se mezclaran y se colocaran en un solo conjunto en condiciones de flujo oscilatorio (es decir, el flujo del fluido oscilando entre las direcciones de derecha a izquierda y de izquierda a derecha), las partfculas intermedias senan desplazadas hacia la parte superior de estas figuras, mientras que las partfculas pequenas y grandes no tendnan movimiento neto.

45

En las figuras 12-14, las representaciones de partfculas intermedias, pequenas y grandes (respectivamente) fueron superpuestas en la parte superior de la simulacion numerica de tubos de corriente para mostrar el movimiento de las partfculas mas claramente. Se eligio que n = 1/e fuera 3 para permitir que la periodicidad se vea mas facilmente.

50 Cuando las partfculas intermedias (figura 12) viajan a lo largo del borde afilado, chocan como se esperaba. Sin embargo, cuando las partfculas viajan a lo largo del borde plano, su movimiento es diferente al de las partfculas pequenas. Cuando realizan su giro caractenstico para seguir adelante con la direccion del fluido, son demasiado grandes para permanecer en esa corriente que esta cerca del vertice afilado y son desplazadas a traves de la primera lmea de separacion del flujo. El resultado es que su movimiento es periodico en dos filas en lugar de tres. 55 Con cualquier otro angulo de inclinacion, el movimiento es similar y la periodicidad es n-1. El resultado de esta

periodicidad n-1 es que las partfculas de tamano intermedio son desplazadas realmente contra el angulo de inclinacion del eje. Asf, una mezcla de partfculas grandes, pequenas e intermedias se separara en tres corrientes. Las partfculas pequenas iran directamente a traves (vease la figura 13). Las partfculas grandes seguiran el eje de inclinacion de la matriz (vease la figura 14).

5

Las partfculas intermedias seguiran una via separada que depende de la geometna del poste.

Las aplicaciones para las cuales son utiles los dispositivos descritos en el presente documento son las mismas descritas en la patente Huang (patente de EE. UU. n.° 7.150.812): biotecnologfa y otras operaciones microflmdicas 10 que implican la separacion de partfculas.

El fraccionamiento del flujo continuo de partfculas pequenas en un lfquido basado en su tamano en una «matriz de choque» de micropostes mediante desplazamiento lateral determinista se demostro previamente (por ejemplo, Huang et al, 2004, Science 304:987-990). La matriz de choque de trinquete descrita en el presente documento 15 posee todas las mismas ventajas del trabajo anterior, pero anade dos nuevas funcionalidades:

En primer lugar, los dispositivos pueden usarse para separar de una mezcla partfculas de una banda de tamano seleccionada mediante desplazamiento lateral determinista en condiciones de flujo oscilatorio (condiciones de CA) en lugar de flujo continuo (condiciones de CC). En condiciones de flujo oscilatorio, las partfculas de un intervalo de 20 tamano dado pueden separarse perpendicularmente de una corriente de entrada (perpendicular al eje de flujo de CA) sin ningun desplazamiento neto del fluido a granel ni de partfculas fuera del intervalo deseado.

En segundo lugar, en el modo de flujo continuo, el dispositivo presenta un comportamiento trimodal. Las partfculas de un intervalo tamano deseado se pueden inducir para que se muevan a un lado de una corriente del fluido y las 25 partfculas por encima o por debajo de ese tamano para que se muevan al otro lado o no sean desplazadas en absoluto. Por lo tanto, la recogida de estas partfculas deseadas puede ser mas facil. En los dispositivos convencionales, los dispositivos eran bimodales y todas las partfculas por encima de un intervalo de tamano deseado son desplazadas desde el flujo del fluido al mismo lado del flujo, por lo que separar las deseadas de las mas grandes no deseadas requiere multiples etapas, mientras que la matriz de choque requiere solamente una.

30

Definiciones

Tal y como se usa en este documento, cada uno de los terminos siguientes tiene el significado asociado con el en esta seccion.

35

Los terminos «matriz de choque» y «matriz de obstaculos» se usan sinonimamente en el presente documento para describir una matriz ordenada de obstaculos que estan dispuestos en un canal de flujo a traves del cual se puede hacer pasar un fluido portador de partfculas.

40 Una superficie «sustancialmente plana» es una superficie que se ha hecho aproximadamente tan plana como una superficie puede hacerse a la vista de las tecnicas de fabricacion usadas para obtener una superficie plana. Se entiende que ninguna tecnica de fabricacion producira una superficie perfectamente plana. Mientras las partes no planas de una superficie no alteren significativamente el comportamiento de los fluidos y las partfculas que se mueven en o cerca de la superficie, la superficie debe considerarse sustancialmente plana.

45

En un dispositivo de matriz de choque, el «flujo del fluido» y el «flujo del fluido a granel» se usan sinonimamente para referirse al movimiento macroscopico de fluido en una direccion general a traves de una matriz de obstaculos. Estos terminos no tienen en cuenta los desplazamientos temporales de las corrientes del fluido que se necesitan para que el fluido se mueva alrededor de un obstaculo para que el fluido continue moviendose en la direccion 50 general.

En un dispositivo de matriz de choque, el angulo de inclinacion £ es el angulo entre la direccion de flujo del fluido a granel y la direccion definida por el alineamiento de filas de obstaculos secuenciales (en la direccion de flujo del fluido a granel) en la matriz. Este angulo se ilustra en las figuras 1,6 y 11, por ejemplo.

55

En un dispositivo de matriz de choque, la «direccion de la matriz» es una direccion definida por el alineamiento de filas de obstaculos secuenciales (en la direccion de flujo del fluido a granel) en la matriz.

Un «tamano cntico» de las partfculas que pasan a traves de una matriz de obstaculos es un parametro que describe 5 el lfmite de tamano de las partfculas que son capaces de seguir el flujo laminar de fluido mas proximo a un lado de un espacio de separacion a traves del cual las partfculas estan viajando cuando el flujo de tal fluido diverge de la mayona del flujo del fluido a traves del espacio de separacion. Las partfculas mas grandes que el tamano cntico seran 'golpeadas' desde la via de flujo del fluido mas cercano a ese lado del espacio de separacion hacia la via de flujo de la mayona del fluido que fluye a traves del espacio de separacion. En un dispositivo de matriz de choque, tal 10 partfcula sera desplazada por la distancia de (el tamano de un obstaculo + el tamano del espacio de separacion entre obstaculos) al pasar a traves del espacio de separacion y encontrarse con la columna corriente abajo de obstaculos, mientras que las partfculas tienen tamanos inferiores al tamano cntico no seran necesariamente desplazadas. Significativamente, cuando el perfil de flujo del fluido a traves de un espacio de separacion es simetrico respecto del plano que biseca el espacio de separacion en la direccion de flujo del fluido a granel, el tamano cntico 15 sera identico para ambos lados del espacio de separacion; sin embargo, cuando el perfil es asimetrico, los tamanos cnticos de los dos lados del espacio de separacion pueden diferir. Al evaluar una partfcula no esferica, su tamano puede considerarse como el volumen esferico de exclusion barrido por la rotacion de la partfcula respecto de un centro de gravedad en un fluido, al menos para las partfculas que se mueven rapidamente en solucion. Por supuesto, las caractensticas de tamano de las partfculas no esfericas pueden determinarse empmcamente usando 20 una variedad de procedimientos conocidos, y tales determinaciones pueden usarse para seleccionar o disenar matrices de obstaculos apropiadas para su uso como se describe en el presente documento. Son bien conocidos el calculo, la medicion y la estimacion de los volumenes de exclusion de partfculas de todo tipo.

Una partfcula es «golpeada» en una matriz de choque si, al pasar a traves de un espacio de separacion y encontrar 25 un obstaculo corriente abajo, la trayectoria global de la partfcula sigue la direccion de la matriz de choque (es decir, viaja con el angulo de inclinacion £ con respecto al flujo del fluido a granel). Una partfcula no es golpeada si su trayectoria global sigue la direccion de flujo del fluido a granel en esas circunstancias. Conceptualmente, si el flujo a traves de un espacio de separacion se visualiza como compuesto de multiples capas individuales de fluido (es decir, tubos de corriente, si se piensa en una seccion transversal de fluido que fluye a traves del espacio de separacion), 30 una partfcula es «golpeada» si la partfcula es desplazada por un poste fuera de su tubo de flujo incidente en un tubo de flujo adyacente cuando atraviesa un espacio de separacion delimitado por el poste.

«La direccion de flujo del fluido a granel» en un dispositivo de matriz de obstaculos se refiere a la direccion promedio (por ejemplo, macroscopica) del flujo del fluido a traves del dispositivo (es decir, ignorando las desviaciones de flujo 35 locales necesitadas por el flujo alrededor de obstaculos en el canal del fluido).

EJEMPLOS

El objeto de esta divulgacion se describe ahora haciendo referencia a los siguientes ejemplos. Estos ejemplos se 40 proporcionan con fines ilustrativos solamente, y la divulgacion no se limita a estos ejemplos, sino que abarca todas las variaciones que son evidentes como resultado de las explicaciones proporcionadas en el presente documento.

Ejemplo 1

45 Un trinquete microflmdico determinista

Este ejemplo describe un dispositivo microflmdico en el que la trayectoria de las partfculas dentro de un cierto intervalo de tamanos vana con la direccion en que las partfculas se mueven a traves del dispositivo. Este efecto de trinquete se produce empleando postes triangulares en lugar de los postes circulares convencionales en un 50 dispositivo de desplazamiento lateral determinista en el que una matriz de postes desplaza selectivamente las partfculas a medida que se mueven a traves de la matriz. Entonces, este efecto se usa para demostrar una tecnica de fraccionamiento en la que las partfculas pueden separarse de un tapon de fluido sin ningun movimiento neto del tapon de fluido original. El mecanismo subyacente de este procedimiento se basa en una distribucion asimetrica de la velocidad del fluido a traves del espacio de separacion entre los postes.

55

Los dispositivos microflmdicos, tales como los que se usan en las aplicaciones de «lab on a chip», funcionan tfpicamente a un numero de Reynolds bajo (el numero de Reynolds «bajo» se refiere al numero de Reynolds no mayor que 1, y preferentemente mas pequeno, tal como 0,1, 10-3 o mas pequeno). En este regimen, el flujo del fluido a traves de una geometna arbitraria puede considerarse invariable en el tiempo; invertir el gradiente de presion 5 aplicado que impulsa el fluido invertira el campo de flujo debido a que los efectos inerciales son insignificantes. A un numero de Peclet alto (el numero de Peclet «alto» se refiere a un numero de Peclet mayor que 1, y preferentemente mucho mayor, tal como 10, 100 o mas), esto puede extenderse para decir que los efectos difusivos pueden ignorarse y los objetos en el fluido fluiran de forma determinista a lo largo de un tubo de corriente a menos que alguna otra interaccion, tal como desplazamiento por repulsion esterica desde una pared del canal, interrumpa su via 10 y los mueva a un tubo de corriente adyacente. El grado en que la via de las partfculas es desplazada de su via original depende directamente de su tamano; las partfculas mas grandes seran desplazadas mas lejos que las partfculas mas pequenas y, en consecuencia, seguiran a diferentes tubos de corriente a medida que progresen a traves del dispositivo. Este fenomeno, que llamamos desplazamiento lateral determinista, se ha usado en varios esquemas para realizar separaciones de partfculas a microescala.

15

La «matriz de choque» es un dispositivo microflmdico que se basa en el desplazamiento lateral determinista para separar las partfculas con alta resolucion. Este dispositivo se basa en la bifurcacion asimetrica de las corrientes de fluido en una matriz de postes que esta inclinada en un angulo £ (tfpicamente del orden de 0,1 radianes) con respecto a la direccion de flujo del fluido global. El fluido que fluye a traves de un espacio de separacion se divide 20 alrededor de un poste en la fila siguiente, con 1 - £ del fluido que pasa a traves del espacio de separacion en un lado del poste siguiente, mientras que el otro £ de fluido pasa alrededor del otro lado del poste siguiente. Como resultado, el movimiento del fluido puede caracterizarse por corrientes de 1/£ que circulan a traves de las posiciones en el espacio de separacion, pero que viajan de manera recta en promedio. Si una partfcula suspendida en el fluido es pequena en comparacion con la anchura de una corriente en un espacio de separacion, los postes no la afectaran 25 cuando se mueve a traves de la matriz y esta viajara recta con el flujo del fluido. Sin embargo, si la partfcula es grande con respecto a la anchura de una corriente, sera desplazada a una corriente adyacente cuando la corriente que ocupa es la mas proxima a un poste cuando se mueve a traves de un espacio de separacion. Debido a la forma cfclica en que las corrientes se mueven a traves de los espacios de separacion, este desplazamiento o «choque» ocurrira en cada fila y la partfcula viajara en un angulo con respecto al fluido y a otras partfculas pequenas. Con un 30 dispositivo suficientemente largo, puede obtenerse una separacion significativa entre partfculas grandes y pequenas.

La figura 2A muestra una imagen en intervalos de tiempo fluorescente en el tiempo de una partfcula pequena (perla de poliestireno de 1,1 micrometros de diametro) que fluye a traves de tal matriz a una velocidad tfpica de 100 micrometros/segundos. A medida que la partfcula se mueve hacia delante, da muchos pasos pequenos paralelos al 35 eje de la matriz cuando mueve a su traves, seguido por un paso mas grande perpendicular al movimiento del fluido (en lo que nos referimos como «modo en zigzag»), de modo que el movimiento global es seguir el tapon del fluido que originalmente contema la partfcula. Al tomar la imagen de la figura 2A, el flujo del fluido se ciclo hacia atras y hacia delante (invirtiendo la presion) dos veces. La partfcula volvio a recorrer su via, como se esperaba de los flujos a un numero de Reynolds bajo y un numero de Peclet alto en un dispositivo determinista que no dependfa de la 40 difusion.

La figura 2B muestra una imagen similar pero para una partfcula mas grande (3,1 micrometros). En este caso, la partfcula sigue claramente el eje de la matriz (es decir, viaja en la direccion de la matriz) y no el flujo del fluido. Debido a que la partfcula es desplazada de su via de flujo por los postes en cada fila, nos referimos a esto como 45 «modo de choque». Esta diferencia en la direccion de flujo como un tamano de partfcula de funcion se ha explotado para fabricar dispositivos de fraccionamiento tanto para perlas de poliestireno como partfculas biologicas. Como en la figura 2A, la imagen en intervalos de tiempo muestra la via de la partfcula a lo largo de dos ciclos de flujo hacia delante y hacia atras, y de nuevo la via de las partfculas es reversible (es decir, las partfculas terminan donde comenzaron).

50

La figura 2C muestra el mismo experimento en la misma matriz para una partfcula de tamano intermedio (1,9 micrometros). Los resultados son muy diferentes de los mostrados en las figuras 2A y 2B. Esta partfcula «zigzaguea» cuando va a la derecha (es decir, moviendose de izquierda a derecha) para seguir el flujo del fluido, pero «choca» cuando se va a la izquierda para seguir el eje de la matriz de postes. Su via no se invierte cuando se 55 invierte la direccion de flujo del fluido, con el resultado neto de que tales partfculas se separan de un tapon de fluido

en una direccion perpendicular cuando el fluido se somete a un flujo oscilatorio.

El desplazamiento de una partmula fuera de un poste es una interaccion intnnsecamente irreversible, pero las trayectorias de partmulas en una matriz de choque de postes circulares son ostensiblemente reversibles debido a la 5 simetna. No hay controversia en esta afirmacion para partmulas pequenas que siguen al fluido porque el flujo del fluido debe ser reversible en el regimen de numero de Reynolds bajo (Re 10e-3 tfpico para una velocidad de fluido de 100 micrometros/segundos y una escala de longitud de 10 micrometros). Sin embargo, las partmulas grandes no siguen el fluido; en cambio, son desplazadas de los postes por repulsion esterica de modo que aunque el fluido pueda invertir la direccion, la trayectoria de las partmulas que interactuan con los postes no sera necesariamente 10 reversible a menos que su interaccion con los postes sea simetrica con la direccion del fluido. En el esquema de la figura 3A, las partmulas que se mueven hacia la izquierda son desplazadas hacia abajo por la fila superior de postes mientras que las partmulas que se mueven a la derecha son desplazadas de la misma manera por la fila inferior de postes. Sin embargo, si giramos la imagen 180 grados, lo que es analogo a conmutar la direccion del fluido, la situacion se conmuta exactamente, de modo que el resultado debe ser el mismo en cualquier direccion. Esta 15 rotacion funciona porque tanto los puntos de la reticula como la forma del poste son invariantes en una rotacion de 180 grados. Como resultado, tanto las partmulas grandes como las pequenas en una matriz de choque con postes circulares volveran a recorrer sus pasos si el flujo se conmuta hacia atras y hacia delante.

Las simulaciones numericas mostraron que el perfil de velocidad a traves de un espacio de separacion entre postes 20 triangulares se desplazo hacia el lado del espacio de separacion con el vertice. El perfil de velocidad del fluido a traves de un espacio de separacion entre postes depende en gran medida de la geometna local en el espacio de separacion. Para el caso de los postes triangulares presentados aqm, donde hay un vertice afilado en la parte inferior y un borde plano en la parte superior, se debe esperar una desviacion significativa del perfil de flujo parabolico usado para describir el flujo impulsado por presion a traves de los postes circulares. La figura 4A muestra 25 una simulacion numerica de la velocidad del fluido en una matriz como la que se usa para producir las trayectorias de las partmula en la figura 2, junto con una seccion transversal del perfil de velocidad a traves del espacio de separacion. La lmea se coloco a traves del espaciamiento mas pequeno entre los postes para que se corresponda con las anchuras de corriente mas estrechas donde es mas probable que se produzcan las lmeas de separacion de flujo transversales. Los vertices del triangulo se redondearon con una curvatura de 500 nm para aproximar el 30 redondeo de un punto agudo que resulta de la litograffa optica. Se encontro que el perfil de flujo era invariante a los cambios en la inclinacion de la matriz, de modo que se puede asumir que este perfil de flujo es el perfil de flujo general para postes triangulares colocados de esta manera.

La figura 4B muestra una comparacion entre los perfiles de flujo de postes triangulares y circulares. Para postes 35 redondos, el perfil es casi parabolico como se esperaba para el flujo de Poiseuille a traves de un canal unidimensional infinitamente largo. Para los postes triangulares, sin embargo, el perfil de flujo esta sesgado hacia la esquina triangular afilada que apunta hacia arriba hacia la corriente de flujo. En otras palabras, las corrientes se agrupan mas cerca de este vertice y el tamano cntico de partmula para que una partmula sea golpeada a traves de una lmea de separacion de flujo es mas pequeno que el que sena para una matriz con el mismo tamano de espacio 40 de separacion pero con obstaculos redondos. A lo largo del borde plano, lo opuesto es cierto. Debido a que el fluido viaja preferentemente a lo largo del vertice, la anchura de la corriente a lo largo del borde plano es mas ancha que para los postes circulares. El efecto de los postes triangulares es crear dos tamanos cnticos de partmula separados, uno para moverse a lo largo del vertice del triangulo y otro para moverse a lo largo del borde plano. Por tanto, las partmulas entre estos dos tamanos cnticos de partmula deben presentar un comportamiento diferente dependiendo 45 de la direccion en la que se estan moviendo a traves de la matriz. Para demostrar esto, empleamos la tecnica utilizada por Inglis et al, 2006, Lab Chip 6:655-658 para estimar el tamano cntico de partmula para los postes circulares usando el perfil de velocidad extrafdo en lugar de la parabola asumida para los postes circulares.

La figura 5 muestra este calculo del tamano cntico de partmula como una proporcion del espacio de separacion para 50 el vertice y el borde plano del triangulo, asf como para los postes circulares frente al angulo de inclinacion de la matriz. Las partmulas mostradas en la figura dos se muestran como drculos sobre la curva. Ellas muestran una buena coincidencia con el comportamiento pronosticado. La perla de 1,1 micrometres es mas pequena que los dos tamanos cnticos de partrnula, de modo que viaja con el fluido en ambas direcciones y no muestra desplazamiento neto cuando se cicla la direccion del fluido. La partrnula de 3,1 micrometros es mas grande que los dos tamanos de 55 partrnula cnticos, por lo que se desplaza a lo largo del eje de la matriz en ambas direcciones y no muestra

desplazamiento neto cuando se cicla la direccion del fluido. La partfcula de 1,9 micrometros se encuentra entre los dos tamanos cnticos de partfcula, por lo que viaja con el fluido cuando se mueve a lo largo del borde plano del triangulo y con el eje de la matriz cuando se mueve a lo largo del vertice del triangulo. Como resultado, muestra un desplazamiento neto cuando se cicla el flujo del fluido. Esto es caractenstico de un comportamiento de trinquete. Sin 5 desplazamiento neto del fluido, las partfculas en el intervalo intermedio de una matriz muestran un desplazamiento neto despues de varias oscilaciones del flujo del fluido. Este trinquete difiere de otros trinquetes en que el movimiento de trinquete no se produce a lo largo del eje de la fuerza aplicada correspondiente al flujo del fluido en cualquier direccion. Mas bien, es perpendicular al movimiento del fluido.

10 Ejemplo 2

Matriz de choque que emplea postes triangulares

En este ejemplo se describen matrices microflmdicas que clasifican partfculas en funcion en tamano de acuerdo con 15 el procedimiento de desplazamiento lateral determinista, usando postes triangulares en lugar de los postes redondos habituales. Cuando se utilizan postes triangulares en lugar de postes redondos, y los postes triangulares estan orientados adecuadamente (es decir, de tal manera que las superficies que definen el espacio de separacion son asimetricas), el tamano cntico disminuye para un tamano de espacio de separacion dado entre los postes. Esto se debe a que la diferente geometna del poste a cada lado del espacio de separacion provoca un perfil de flujo 20 asimetrico a traves del espacio de separacion, con el flujo desplazandose hacia el vertice del triangulo. Este cambio en el flujo del fluido reduce la anchura de la corriente que determina el tamano cntico de partfcula. En este ejemplo, se usan tanto el experimento como el modelado para mostrar que el cambio de la forma del poste de circular a triangular da lugar a varias ventajas practicas sobre matrices similares con postes circulares, como por ejemplo, un mayor rango dinamico y rendimiento.

25

El desplazamiento lateral determinista es una tecnica de separacion de partfculas en funcion del tamano que se basa en el desplazamiento selectivo de partfculas por una matriz de obstaculos dispuestos en un fluido que fluye. La figura 6A ilustra un esquema de los parametros de matriz relevantes y las caractensticas importantes de los dispositivos descritos en este ejemplo. La matriz de obstaculos esta compuesta por columnas de postes en las que 30 cada columna adyacente esta desviada una pequena distancia con respecto a las paredes del canal mas grande que dictan la direccion de flujo del fluido a granel («FLUIDO» en la figura 6A). En este caso, los postes son triangulos equilateros con longitud de lado S (al contrario que la figura 6A, S es la longitud del lado, no la distancia desde un vertice del triangulo a la base opuesta a ese vertice).

35 Esta desviacion produce una matriz en la que un eje, a lo largo del cual estan situados los obstaculos, esta situado con un angulo de inclinacion £ con respecto a la direccion de flujo del fluido. El angulo de inclinacion se selecciona de tal manera que la matriz sea periodica despues de 1/£ filas. En este caso, el fluido que fluye a traves de los espacios de separacion entre postes (la longitud del espacio de separacion se designa como G en la figura 6A) se puede dividir en un numero entero de tubos de flujo delineados por lmeas de corriente de estancamiento. 40 Restringidos por la periodicidad y la direccion de flujo promedio del fluido, cada uno de estos tubos de corriente lleva un flujo volumetrico igual.

Las partfculas suspendidas en el fluido presentan uno de los dos comportamientos dependiendo de su tamano con respecto a la anchura del tubo de corriente mas proximo al poste cuando se mueven a traves de un espacio de 45 separacion. Sin estar perturbadas por otros efectos, las partfculas seguiran aproximadamente los tubos del flujo en el flujo del fluido. Este comportamiento se observa para las partfculas que tienen radios mas estrechos que la anchura del tubo de corriente. Estas partfculas, mostradas como la partfcuia inferior y la trayectoria punteada en la Figura 6A, no se ven afectadas por los postes y zigzaguean a traves de la matriz mientras permanecen dentro de los lfmites de una sola corriente. Como resultado, viajan en promedio en la misma direccion que el flujo del fluido a 50 granel. Las partfculas que tienen radios mas grandes que la anchura del tubo de corriente, denotada como la partfcula superior y la trayectoria punteada en la figura 6A, no encajan dentro de un unico tubo de corriente cuando viajan a traves del espacio de separacion. Estas partfculas mas grandes son desplazadas de forma determinista por el poste a traves de la lmea de corriente de estancamiento hacia el tubo de corriente adyacente. Debido a la forma en que los tubos de la corriente recorren su posicion en el espacio de separacion, este desplazamiento se producira 55 en cada columna de postes y la partfcula mas grande viajara a lo largo del eje de la matriz (es decir, en la direccion

de la matriz, que difiere de la direccion del fluido a granel segun el angulo de inclinacion £). Este comportamiento binario nos lleva a describir un tamano cntico que separa estos dos comportamientos. Como las partmulas que se van a separar se describen con mayor frecuencia por su diametro, denotamos el tamano cntico como el doble de anchura del tubo de corriente mas proximo al poste en el espacio de separacion entre postes.

5

El cambio de la forma de los postes puede tener un efecto importante en el tamano cntico de partmula al cambiar la forma del perfil de flujo a traves del espacio de separacion. Las alteraciones en el perfil de flujo alteran la anchura de los tubos de corriente mas proximos a los postes que definen un espacio de separacion. Debido a que el tamano cntico de partmula esta directamente relacionado con estas anchuras, la alteracion del perfil de flujo dentro de un 10 espacio de separacion tambien altera el tamano o tamanos cnticos definidos por el espacio de separacion. Cambiando la forma de la seccion transversal de los postes de la forma circular tfpica a triangulos equilateros, se crea una asimetna en el perfil de flujo a traves del espacio de separacion que desplaza mas flujo de fluido hacia el vertice del triangulo, segun se muestra en la figura 6B. Esto da lugar a diferentes anchuras de tubo de corriente en la parte superior (adyacente al borde plano de un poste triangular) y al en la parte inferior (adyacente al vertice de un 15 poste triangular) del espacio de separacion y da a la matriz dos tamanos cnticos de partmula distintos.

El desplazamiento del flujo hacia el vertice del triangulo conduce a una anchura de tubo de corriente reducida a lo largo de este borde y, por ende, reduce el tamano cntico de partmula correspondiente a ese tubo de corriente y borde, con respecto a una matriz similar con postes circulares. Esto se demuestra en los dos paneles de la figura 6B, 20 que muestra perfiles de flujo simulados numericamente a traves de los espacios de separacion. Los dos perfiles de flujo, normalizados para la anchura del espacio de separacion entre postes y la velocidad maxima, estan trazados uno al lado del otro para la comparacion. El fluido que constituye el primer tubo de corriente para el angulo de inclinacion £ = 1/10 se ha sombreado para enfatizar la diferencia en la anchura de la corriente, disminuyendo de aproximadamente el 20 % del espacio de separacion limitado por postes circulares a aproximadamente el 15 % del 25 espacio de separacion delimitado por postes triangulares. Este cambio es central para la reduccion en el comportamiento cntico del tamano de partmula exhibido por los dispositivos con postes triangulares. El perfil de flujo cambiado creado por los postes triangulares puede usarse para crear un trinquete microflmdico determinista, como se discutio en el ejemplo 1. En la informacion discutida en este ejemplo, el foco esta en la mejora de los dispositivos de separacion de partmulas de flujo continuo y el desplazamiento lateral determinista de partmulas dentro de los 30 mismos que se habilitan cambiando la forma de los postes.

La reduccion en tamano cntico de partmula habilitado por los postes triangulares se caracterizo al examinar el comportamiento de las perlas fluorescentes en matrices con varias cantidades de inclinacion de matriz y al comparar los resultados con predicciones teoricas. La figura 7 muestra el comportamiento observado de las partmulas 35 (desplazadas por la matriz o no desplazadas por la matriz) normalizado para el tamano del espacio de separacion frente a la inclinacion de la matriz, asf como los tamanos de partmula cnticos pronosticados usando el procedimiento descrito por Inglis et al, 2006, Lab Chip 6:655-658. Las lmeas de la Figura 7 representan el tamano cntico de partmula pronosticado para un angulo de inclinacion dado, representando la lmea continua los pronosticos para las matrices con postes triangulares y representando la lmea punteada los pronosticos para las matrices con postes 40 redondos. Se espera que las partmulas por encima de la lmea sean desplazadas por la matriz, no se espera que las partmulas por debajo de la lmea sean desplazadas. Los datos demostraron que hay una coincidencia razonable con el comportamiento pronosticado para angulos de inclinacion mas altos mientras que haya alguna desviacion en los angulos de inclinacion mas bajos, especialmente a un angulo de inclinacion £ de 1/20 radianes. Esta desviacion podna ser causada por que el flujo a traves de la matriz no sea completamente horizontal, lo que tendra un gran 45 efecto en las inclinaciones de la matriz mas bajas, o debido al redondeo de los bordes de los postes triangulares, que se discutira mas adelante en este ejemplo.

El comportamiento de partmulas pronosticado para los postes circulares, senalados por la lmea punteada, se ha anadido como una comparacion. Para cualquier angulo de inclinacion practico (entre 1/5 y 1/100), el tamano cntico 50 en una matriz con postes triangulares es sustancialmente mas pequeno que el tamano cntico en una matriz similar con postes circulares, llegando a ser la diferencia hasta el 10 % del espacio de separacion para los angulos de inclinacion mas pronunciados. Estas propiedades permiten separar partmulas mas pequenas mediante una matriz de postes triangulares que las que pueden separarse mediante una matriz de postes redondos que tiene el mismo espaciamiento de los espacios de separacion. Estas propiedades tambien significan que el espaciamiento los 55 espacios de separacion para postes triangulares que es necesario para separar partmulas de un tamano

seleccionado es mas grande que el espaciamiento de los espacios de separacion correspondiente para postes redondos que sena necesario para separar las mismas partfculas.

En cualquier caso, un tamano cntico de partfcula reducido segun una fraccion del espacio de separacion es util para 5 reducir la obstruccion en la matriz. Una de las principales limitaciones de estas matrices es que las partfculas mas grandes que el espacio de separacion obstruiran la entrada, causando perdida de funcion. Las muestras biologicas contienen a menudo especies con una amplia gama de tamanos, de modo que es necesario realizar una filtracion cuidadosa o multiples etapas de separacion para asegurar que la matriz continue funcionando. El uso de postes triangulares permite aumentar el tamano del espacio de separacion para un tamano cntico de partfcula dado y 10 reducir las probabilidades de que la matriz se obstruya. La figura 8 ilustra cuanto mas grande puede ser el espacio de separacion entre postes en funcion de la inclinacion de la matriz. Representado como una proporcion de los dos espacios de separacion para un tamano cntico de partfcula fijo, se puede observar una mejora de al menos un 20 % con el aumento del tamano del espacio de separacion a medida que se reduce la inclinacion, con una proporcion de 1,25 para un angulo de inclinacion de 1/4 y una proporcion de 1,94 para un angulo de inclinacion de 1/100. Por lo 15 tanto, los angulos de inclinacion mas bajos facilitan el uso de espacios de separacion mas grandes a costa de un angulo de separacion mas pequeno y un mayor tamano de la matriz. Sin embargo, los espacios de separacion mas grandes proporcionan otro beneficio en terminos de aumento del rendimiento de la matriz.

Una comparacion de rendimiento entre una matriz con postes triangulares y circulares mostro un aumento sustancial 20 en la velocidad promedio para una cafda de presion dada en la matriz con postes triangulares. Las matrices con postes triangulares o con postes circulares se construyeron con caractensticas casi identicas. Cada una de ellas tema la misma anchura y longitud globales de canal, profundidad, angulo de inclinacion (1/10) y tamano de postes (los diametros de los postes redondos eran iguales que las longitudes lados de los postes triangulares equilateros). La unica variacion fue el espacio de separacion entre postes, que fue disenado y verificado con simulacion numerica 25 para dar un diametro cntico de partfcula de aproximadamente 3,2 micrometros para ambas matrices. Esas simulaciones numericas indicaron que el diametro cntico de partfcula se logro usando un espacio de separacion de 10,5 micrometros en matrices con postes triangulares y un espacio de separacion de 8,3 micrometros en matrices con postes circulares.

30 Las trayectorias de las perlas fluorescentes de 500 nanometros se registraron con una camara con dispositivo de carga acoplada con multiplicacion de electrones (EMCCD, por sus siglas en ingles) que capturaba video a 10 imagenes por segundo y luego se analizaron usando el software MATLAB™ para un gradiente de presion dado a traves de la matriz. Se eligieron partfculas pequenas que no senan desplazadas (es decir, golpeadas) por la matriz, de modo que mostranan de manera uniforme cada una de las corrientes de flujo y proporcionanan una 35 representacion exacta de la velocidad promedio global del fluido.

Las velocidades promedio de las partfculas estan trazadas graficamente en la figura 9 en funcion del gradiente de presion junto con un ajuste lineal ponderado. Las lmeas ajustadas demuestran que las partfculas de la matriz de postes triangulares se movfan mucho mas rapido. El intervalo superior de presiones estaba limitado por el campo de 40 vision del microscopio y la velocidad de captura de la camara. Mas alla de varios kPa de presion, las partfculas atravesaron todo el campo de vision dentro de una o dos imagenes del video y no se pudo hacer una estimacion precisa de la velocidad. Sin embargo, dado que el numero de Reynolds en estos experimentos es del orden de 10-2, el ajuste lineal puede extenderse con seguridad hacia el intervalo de decenas de kPa para que coincida con la relacion lineal esperada entre la velocidad y la presion que se observa para flujos a numeros de Reynolds bajos. Los 45 postes no necesitan ser triangulares en su seccion transversal. Pueden utilizarse tambien postes con otras secciones transversales (cuadradas, oblongas o irregulares), siempre que la forma de los obstaculos haga que el espacio sea asimetrico.

Al comparar las pendientes de los dos ajustes lineales en la figura 9, puede verse que las partfculas en la matriz con 50 postes triangulares viajaron un 85 % mas rapido en promedio que las de una matriz con postes circulares. Este resultado concuerda con la simulacion numerica realizada con el software COMSOL™ que mostro que la velocidad promedio fue un 82 % mas rapida para los postes triangulares. El mecanismo detras de estos hallazgos se puede entender trazando una analogfa con el flujo de Poiseuille entre dos placas paralelas, en la que la velocidad promedio para un gradiente de presion fijo es proporcional a la distancia mas pequena entre las placas al cuadrado. La 55 analogfa no es exacta porque la estructura de confinamiento es una matriz de postes en lugar de dos placas

paralelas, pero subraya los beneficios de aumentar la anchura del espacio de separacion, en el que solo unos pocos micrometros producen un aumento sustancial en el rendimiento.

Las ganancias obtenidas cambiando la forma de los postes se degradan si no se tiene cuidado de mantener los 5 vertices de los postes afilados. La figura 10 muestra el efecto del redondeo de los bordes de los postes triangulares sobre el tamano cntico de partfcula. Se simulo una matriz con postes de 10 micrometros, espacios de separacion de 10 micrometros entre postes y un angulo de inclinacion de 1/20 usando el software COMSOL™, con los vertices redondeados a varios radios de curvatura que van desde ninguno (r = 0) hasta redondeo completo en el que la forma final es un cfrculo (r = S/121/2). Los perfiles de flujo a traves de los espacios de separacion se extrajeron para cada 10 redondeo y el tamano cntico para la inclinacion dada se calculo usando procedimientos previamente establecidos. Segun se muestra en la figura 10, existe un aumento drastico en el tamano cntico de partfcula a medida que la forma del poste pasa de triangular a circular. Empezando en 0,174 G cuando el poste es completamente triangular (es decir, r = 0), el tamano cntico de partfcula aumenta un 35 % hasta 0,235 G cuando el poste es completamente circular (r = S/121/2). La transicion sugiere que si un proceso de fabricacion que produce un redondeo indeseable de 15 los vertices, el uso de postes mas grandes (aumento de S) ayudara a mantener el tamano cntico de partfcula reducido que resulta del uso de postes triangulares.

Esta observacion tambien ayuda a explicar la desviacion del comportamiento esperado observada para algunas de las perlas fluorescentes en la figura 7. Las imagenes SEM de los postes muestran un redondeo de vertices (r/S) de 20 0,118 ± 0,006, que corresponde a un aumento en el tamano cntico de partfcula de 0,93 micrometros a 1,12 micrometros.

Aunque el objeto se ha divulgado en el presente documento haciendo referencia a modos de realizacion espedficos, es evidente que otros expertos en la materia podnan desarrollar otros modos de realizacion y variaciones de este 25 objeto sin apartarse del alcance del objeto. Las reivindicaciones adjuntas incluyen todos estos modos de realizacion.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo de matriz de choque para segregar partfculas por tamano, comprendiendo el dispositivo un cuerpo que define un canal microflmdico de flujo para contener el flujo del fluido en una primera direccion y

5 una matriz de obstaculos dispuesta dentro y que se extiende a traves del canal de flujo,

en el que el canal esta limitado por un par de superficies paralelas sustancialmente planas entre las cuales se extienden los obstaculos,

estando colocados los obstaculos en filas y columnas, en las que las filas definen una direccion de matriz que difiere de la primera direccion por un angulo de inclinacion (e) que tiene una magnitud mayor que cero;

10 definiendo los obstaculos en columnas espacios de separacion entre sf a traves de los cuales el fluido puede fluir en terminos generales transversalmente con respecto a las columnas,

estando conformados y colocados los obstaculos en una configuracion tal que las superficies de dos obstaculos que definen un espacio de separacion estan orientadas asimetricamente respecto del plano que se extiende a traves del centro del espacio de separacion y que es paralelo a dichas superficies paralelas, bisecando dicho plano el espacio 15 de separacion en dos partes,

con lo que la configuracion de los obstaculos hace que el perfil de velocidad de flujo del fluido a traves del espacio de separacion este orientado asimetricamente respecto del plano y el tamano cntico de partfculas para las partfculas que pasan a traves de la parte del espacio de separacion adyacente a uno de los obstaculos sea diferente del tamano cntico de partfcula para partfculas que pasan a traves de la otra parte del espacio de separacion adyacente 20 al otro de los obstaculos, en el que el tamano cntico de partfcula es tal que las partfculas que tienen un tamano mayor que ese tamano cntico viajaran en la direccion de la matriz, en lugar de la direccion de flujo del fluido a granel y las partfculas que tienen tamanos menores que el tamano cntico viajaran en la direccion de flujo del fluido a granel.
2. El dispositivo de la reivindicacion 1, en el que las superficies de los dos obstaculos son superficies 25 sustancialmente planas no paralelas.
3. El dispositivo de la reivindicacion 2, en el que cada uno de los dos obstaculos tiene una seccion transversal triangular.

30 4. El dispositivo de la reivindicacion 1, en el que la superficie de uno de los obstaculos es curvada y la

superficie del otro obstaculo es sustancialmente plana.
5. El dispositivo de la reivindicacion 1, en el que las columnas de obstaculos se repiten periodicamente.

35 6. El dispositivo de la reivindicacion 1, en el que la periodicidad con la que las columnas se repiten es

igual a 1/e cuando e se mide en radianes.
7. El dispositivo de la reivindicacion 1, en el que las filas y columnas forman un angulo de 90 grados entre st

40
8. El dispositivo de la reivindicacion 1, en el que la forma de cada uno de los multiples obstaculos en una columna es sustancialmente identica y simetrica respecto del plano que biseca cada uno de los multiples obstaculos.
9. El dispositivo de la reivindicacion 8, en el que la forma de sustancialmente todos los obstaculos en la 45 matriz es sustancialmente identica.
10. El dispositivo de la reivindicacion 1, que comprende ademas un lfquido que llena completamente el canal de flujo.

50 11. El dispositivo de la reivindicacion 10, que comprende ademas un aparato de manipulacion del fluido

para proporcionar lfquido a, extraer lfquido de, o tanto para proporcionar lfquido como para extraer lfquido del canal de flujo.
12. El dispositivo de la reivindicacion 1, en el que la superficie de al menos uno de los dos obstaculos es

55 una superficie plana corriente arriba del espacio de separacion y tiene un borde afilado en el espacio de separacion.
13. Un procedimiento para segregar partfculas, comprendiendo el procedimiento la induccion de

movimiento de un fluido en una primera direccion en un canal de flujo que tiene una matriz de obstaculos dispuesta dentro del mismo y que se extiende a su traves,

5

teniendo el fluido las partfculas suspendidas dentro del mismo,

estando colocados los obstaculos en filas y columnas, en las que las filas definen una direccion de matriz que difiere de la primera direccion por un angulo de inclinacion (e) que tiene una magnitud mayor que cero;

10

definiendo los obstaculos en columnas espacios de separacion entre sf a traves de los cuales el fluido puede fluir de manera generalmente transversal con respecto a las columnas,

estando conformados y colocados los obstaculos en una configuracion tal que las superficies de dos obstaculos que 15 definen un espacio de separacion estan orientadas asimetricamente respecto del plano que se extiende a traves del centro del espacio de separacion y que es paralelo a la primera direccion,

bisecando dicho plano el espacio de separacion en dos partes, con lo que la configuracion de los obstaculos hace que el perfil de velocidad de flujo del fluido a traves del espacio de separacion este orientado asimetricamente 20 respecto del plano y el tamano cntico de partfcula para las partfculas que pasan a traves de la parte del espacio de separacion adyacente a uno de los obstaculos sea diferente que el tamano cntico de partfcula para partfculas que pasan a traves de la otra parte del espacio de separacion adyacente al otro de los obstaculos,

y con lo que las partfculas que tienen un tamano mayor que al menos uno de i) el tamano cntico de partfcula para 25 partfculas que pasan a traves de la parte del espacio de separacion adyacente a uno de los obstaculos y ii) el tamano cntico de partfcula para partfculas que pasan a traves de la otra parte del espacio de separacion adyacentes al otro de los obstaculos estan segregados de otras partfculas.