ES2856851T3 - Dispositivo y procedimiento para dispensar en gotas que vuelan libremente partículas orientadas usando un campo acústico - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para dispensar partículas (10) en gotas de líquido que vuelan libremente, con las siguientes características: una cámara de fluido (14, 24, 44) acoplada fluídicamente a una boquilla (16, 26, 46); un transductor (18, 48) configurado para generar un campo acústico en la cámara de fluido (14, 24, 44) mediante el cual las partículas (10) en un líquido en la cámara de fluido (14, 24, 44) pueden orientarse en una disposición; un mecanismo de gota a demanda (20, 50) configurado para dispensar selectivamente desde la boquilla (16, 26, 46) una gota de líquido (12) individual que contiene una o más partículas (10) en un instante seleccionado, en donde el mecanismo de gota a demanda (20, 50) está configurado para mover las partículas (10) gradualmente en dirección a la boquilla (16, 26, 46) en un primer modo, en donde el transductor (18, 48) está configurado para conmutar entre el primer modo, en el que el campo acústico se genera con una primera frecuencia, de manera que las partículas (10) se orientan a lo largo de al menos una línea (32) paralela a la dirección de movimiento, y un segundo modo, en el que el campo acústico se genera con una segunda frecuencia, de manera que las partículas (10) se orientan a lo largo de al menos una línea (34) perpendicular a la dirección de movimiento y quedan retenidas en la cámara de fluido (14, 24, 44), y un control diseñado para conmutar el transductor (18, 48) entre el primer modo y el segundo modo.
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo y procedimiento para dispensar en gotas que vuelan libremente partículas orientadas usando un campo acústico
La presente invención se refiere a dispositivos y procedimientos para dispensar partículas en gotas de líquido que vuelan libremente y, en particular, a dispositivos y procedimientos para dispensar partículas en gotas de líquido que vuelan libremente usando un mecanismo de gota a demanda.
Las células y otras micropartículas pueden manipularse o analizarse mediante métodos de impresión por chorro libre o dentro de un sistema de fluido cerrado. A este respecto, el término "partícula" debe entenderse en el presente documento como un término genérico que abarca tanto micropartículas sólidas orgánicas o inorgánicas como células biológicas.
En el caso de los métodos de impresión por chorro libre se puede distinguir entre sistemas de dispensación con sistemas sensores que presentan sensores para detectar las partículas/células y aquellos que funcionan sin sensor. Los sistemas que funcionan sin sensor no permiten ni un control de la cantidad de partículas entregadas ni un análisis de estas partículas. En el caso de los sistemas dispensadores o dispensadores de partículas con sistemas sensores, se puede distinguir entre los denominados dispensadores de gota a demanda y los dispensadores de chorro continuo. Los dispensadores de gota a demanda normalmente permiten un mayor grado de control, mientras que los dispensadores de chorro continuo suelen tener un mayor rendimiento.
Por dispensador o generador de gotas se entiende en el presente documento generalmente un aparato para entregar cantidades de líquido en forma de gotas que vuelan libremente. Por tecnología de gota a demanda o mecanismo de gota a demanda se entiende en el presente documento generalmente una tecnología o un mecanismo en el que se generan selectivamente gotas individuales desde una boquilla en un instante seleccionado. En otras palabras, cada gota individual se genera a demanda (bajo pedido) usando una señal de activación independiente. A diferencia de la tecnología de impresión de gota a demanda, la tecnología de impresión por chorro continuo utiliza presión para entregar un chorro fino de líquido desde una boquilla, descomponiéndose el chorro de líquido en gotitas individuales tras salir de la boquilla, las cuales pueden desviarse electrostáticamente, por ejemplo. Por tanto, en la tecnología de impresión de chorro continuo no está prevista una señal de activación independiente para cada gota individual y las gotas individuales no se pueden generar selectivamente en un instante seleccionado.
Por término fuerza de radiación sonora se entiende la fuerza promediada a lo largo del tiempo que experimenta un objeto cuando un campo sonoro incide sobre él. Por acustoforética o acustoforesis se entiende un movimiento de partículas en suspensiones generado por ondas sonoras o su manipulación o manejo selectivo con vistas a un movimiento o disposición definido que se genera por una aparición definida de ondas sonoras. Además, se entiende en el presente documento por volumen de observación una cuadrícula bidimensional definida o un área volumétrica en la que se realizan mediciones u observaciones. Se entiende en el presente documento por manipulación de partículas, por ejemplo, el desvío o la disposición de partículas dentro de cámaras o canales, por ejemplo microcámaras o microcanales, conociéndose diferentes tipos para este fin. Son métodos técnicos de manipulación, por ejemplo, la acustoforética, la electroforética y la hidrodinámica.
Se conocen en la técnica cabezales de impresión biocompatibles que permiten imprimir células vivas, como por ejemplo Nakamura etal,, "Biocompatible inkjet printing technique for designed seeding of individual living cells", Tissue Engineering (2005), 11 (11-12), páginas 1658-1666. En función de la concentración, también se pueden imprimir celdas individuales. Sin embargo, no existen sistemas sensores para detectar las partículas/células. En Yusof et a l, "Inkjetlike printing of single-cell", Lab on a Chip (2011), 11(14), páginas 2447-2454 se describe un cabezal de impresión con reconocimiento óptico de células, pero aquí las células están dispuestas aleatoriamente en la cámara de dosificación. También en una disposición comparable, como la de Yamaguchi et al,, "Cell patterning through inkjet printing one cell per droplet", Bio-fabrication (2012), 4(4), las partículas están distribuidas uniformemente en la boquilla.
Además, August Kund ya describió en el siglo XIX que las ondas sonoras pueden producir una disposición regular de partículas en un fluido, véase "Annalen der Physik und Chemie", Volumen CXXVII, N.° 4, 1866. En Mandralis et al, "Fractionation of Suspension using synchronized ultrasonic and flow fields", AlChE Journal (1993), 39(2), páginas 197 206, se describe la aplicación de este efecto a micropartículas en pequeños canales. También describen T. Laurell et al,, "Chip integrated strategies for acoustic Separation and manipulation of cells and particles", Chemical Society Reviews (2007), 36(3), páginas 492-506, el manejo o manipulación de células en estructuras microfluídicas por medio de acustoforética y señalan diversas disposiciones posibles en condiciones de flujo continuo.
En I. Leibacher et al,, "Impedance matched Channel walte in acoustofluidic Systems", Lab on a Chip (2014), 14(3), páginas 463-470, se describen los conceptos básicos de cómo pueden manipularse partículas en un sistema microfluídico usando ondas sonoras estacionarias.
Por citometría de flujo, por ejemplo FACS (= Fluorescence-Activated Cell Sorting, clasificación de células activadas por fluorescencia), se entiende un procedimiento de medición que permite el análisis de células que fluyen individualmente pasando por una tensión eléctrico o un haz de luz a alta velocidad. Se conoce un procedimiento para la citometría de flujo por el documento US 3.380.584. Normalmente se aplica un procedimiento de impresión por chorro
continuo en la citometría de flujo. Esto tiene el inconveniente de que las gotas se generan de manera continua sin que pueda interrumpirse el flujo de gotas de manera controlada. En el caso de una clasificación selectiva de partículas, incluidas células, por medio de esta tecnología, es necesario, por consiguiente, depositar las gotas en diferentes posiciones en función de su contenido. Esto se realiza mediante desviación electrostática en vuelo. A este respecto, cuanto mayor sea el número de posiciones y la precisión de deposición requerida (por ejemplo, en placas de microtitulación de 96 o 384 pocillos), más difícil y técnicamente complejo será el proceso.
El documento EP 0421 406 A2 describe un cabezal de impresión de chorro de tinta térmica para dispensar partículas. Las partículas están dispuestas aleatoriamente en un depósito y solo son analizadas por medio de un detector una vez expulsadas en vuelo.
El documento WO 2013/003498 A2 describe un procedimiento para citometría de flujo en el que partículas concentradas acústicamente, incluidas células, fluyen a través de un área de medición, teniendo lugar una lectura óptica de un parámetro cualitativo o cuantitativo de estas partículas para caracterizarlas.
El documento US 2012/0298564 A1 describe un procedimiento para la manipulación acústica de una o más partículas con el fin de posicionar las partículas con mayor precisión en el canal para obtener mejores resultados de los sensores.
El documento WO 2011/154042 A1 describe dispositivos y procedimientos para dispensar partículas/células que están contenidas en una gota que vuela libremente. Está previsto un dispensador con un generador de gotas a demanda mediante el cual se pueden expulsar gotas que contienen partículas desde una abertura. De acuerdo con este documento, las partículas se concentran hidrodinámica o dieléctricamente en el dispensador de gota a demanda.
Por el documento US 2009/139332 A1 se conoce un procedimiento en el que se orientan partículas a una distancia uniforme en una cavidad alargada llena de fluido usando un campo acústico axial de ondas estacionarias y se concentran sobre un eje central.
El objetivo de la presente invención consiste en crear dispositivos y procedimientos que permitan dispensar de manera fiable partículas en gotas de líquido que vuelan libremente.
Este objetivo se consigue mediante un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 y un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8.
Ejemplos de realización de la invención crean un dispositivo para dispensar partículas en gotas de líquido que vuelan libremente, con las siguientes características:
una cámara de fluido acoplada fluídicamente a una boquilla;
un transductor configurado para generar un campo acústico en la cámara de fluido mediante el cual las partículas en un líquido en la cámara de fluido pueden orientarse en una disposición; y
un mecanismo de gota a demanda configurado para dispensar selectivamente desde la boquilla una gota de líquido individual que contiene una o más partículas en un instante seleccionado, estando el mecanismo de gota a demanda configurado para mover, en un primer modo, las partículas gradualmente en dirección a la boquilla, estando el transductor configurado para conmutar entre el primer modo, en el que se genera el campo acústico con una primera frecuencia, de manera que las partículas se orientan a lo largo de al menos una línea paralela a la dirección de movimiento, y un segundo modo, en el que se genera el campo acústico con una segunda frecuencia, de manera que las partículas se orientan a lo largo de al menos una línea perpendicular a la dirección de movimiento y quedan retenidas en la cámara de fluido. El dispositivo presenta un control configurado para conmutar el transductor entre el primer y el segundo modo.
Ejemplos de realización de la invención crean un procedimiento para dispensar partículas en una gota de líquido que vuela libremente, con las siguientes características:
generar un campo acústico en una cámara de fluido acoplada fluídicamente a una boquilla, para orientar partículas en un líquido en la cámara de fluido en una disposición; y
activar un mecanismo de gota a demanda configurado para dispensar selectivamente una gota individual desde la boquilla en un instante seleccionado con el fin de expulsar desde la boquilla una gota de líquido que vuela libremente y que contiene una o más partículas, en donde, al activar el mecanismo de gota a demanda (20, 50) en un primer modo, las partículas (10) se mueven gradualmente en dirección a la boquilla (16, 26, 46),
conmutar entre el primer modo, en el que el campo acústico se genera con una primera frecuencia, de manera que las partículas (10) se orientan a lo largo de al menos una línea (32) paralela a la dirección de movimiento, y un segundo modo, en el que el campo acústico se genera con una segunda frecuencia, de manera que las partículas (10) se orientan a lo largo de al menos una línea (34) perpendicular a la dirección de movimiento y quedan retenidas en la cámara de fluido (14, 24, 44).
A continuación se explican con más detalle ejemplos de realización de la invención, en parte haciendo referencia a los
dibujos adjuntos. Muestran:
la Figura 1 esquemáticamente, un ejemplo de realización de un dispositivo para dispensar partículas en gotas de líquido que vuelan libremente;
las Figuras 2a-2c representaciones esquemáticas para explicar diferentes orientaciones de partículas en una cámara de fluido;
la Figura 3 esquemáticamente, un ejemplo de realización de un dispositivo para dispensar partículas en gotas de líquido que vuelan libremente, con un sistema de sensores.
Ejemplos de realización de la invención se basan en una dispensación de líquidos que arrastran partículas, debiendo entenderse por partículas en el líquido objetos insolubles que no solo comprenden partículas sólidas, sino también, en particular, células vivas, partículas de gel, gotas de aceite o partículas llenas de líquido. El líquido puede ser, por ejemplo, una suspensión tampón que contiene células vivas. Se dispensan partículas en gotas de líquido que vuelan libremente usando un mecanismo de gota a demanda, orientándose o concentrándose las partículas usando un campo acústico. Ejemplos de realización de la invención se basan, en particular, en el conocimiento de que es posible, usando procedimientos acustoforéticos, ordenar las partículas dentro del líquido y suministrarlas ordenadas a la boquilla del dispensador. Así, posibles ejemplos de realización de realización de la invención permiten el uso de tecnologías de un microactuador que permite la generación de ondas sonoras con el fin de provocar un campo acústico correspondiente en la cámara de fluido. En ejemplos de realización, las partículas se pueden llevar al centro de la cámara de fluido, que puede tener la forma de un canal, donde la distribución de velocidades es más uniforme y, por tanto, la progresión de las partículas es más predecible. Además, las partículas orientadas pueden detectarse mejor porque están separadas de influencias interferentes, por ejemplo una parada, en las zonas de borde de las estructuras portadoras de líquido, es decir, la cámara de fluido.
En ejemplos de realización, el dispositivo puede estar equipado con un sensor para dispensar selectivamente partículas específicas o un número específico de partículas. El transductor puede estar configurado para generar un campo acústico mediante el cual se disponga una de las partículas en un volumen de interés. A este respecto, el sensor solo tiene que vigilar una región de interés más pequeña (ROI = Region of Interest, volumen de interés), es decir, una sección de canal más pequeña, y por lo tanto puede trabajar de manera más rápida y eficiente. En ejemplos de realización, el transductor, es decir, el actuador acústico, se puede acoplar desde el exterior a la estructura portadora de líquido, es decir, la cámara de fluido, del dispensador y no tiene que estar integrado en ella. Esto tiene la ventaja de que no es necesario cambiar el dispositivo dispensador en sí. Por tanto, los costes de fabricación y la complejidad del dispensador pueden permanecer cambios.
Por tanto, no es necesaria una concentración de las partículas que se van a dispensar mediante hidrodinámica (como se describe, por ejemplo, en el documento WO 2011/154042 A1). Tal concentración mediante hidrodinámica tiene algunos inconvenientes en el caso de la dispensación gradual usando un mecanismo de gota a demanda, que se pueden evitar usando una concentración acustoforética. No se requieren varios depósitos de líquido o entradas, de modo que se pueden evitar los problemas que surgen al llenar las estructuras fluídicas correspondientes, en particular con respecto a la formación de burbujas de gas. Además, la acustoforesis permite una concentración más precisa que depende menos de las tolerancias de fabricación y, por lo tanto, es más robusta. También se reconoció que la concentración dieléctrica tiene el inconveniente de que los electrodos deben introducirse en la cámara de dosificación, lo que requiere un cambio en el propio dispensador. En cambio, con ejemplos de realización de la invención, no es necesario cambiar el propio dispensador, es decir, sus estructuras fluídicas, pudiendo ajustarse o desconectarse el transductor usado para la concentración según sea necesario.
Ejemplos de realización de la invención se basan en el primer reconocimiento de que la concentración acústica se puede implementar en un dispensador de gota a demanda, es decir, un dispensador que genera un flujo discreto y no continuo. En ejemplos de realización de la invención, la cámara de fluido tiene la forma de un canal que se estrecha hacia una boquilla. Se ha reconocido que tal forma es adecuada para la acustoforesis y, a este respecto, ofrece ventajas inesperadas. Así pues, se ha reconocido que se pueden generar diferentes imágenes sonoras estacionarias que, además de concentrar las partículas en el centro de la cámara de fluido, también ofrecen la posibilidad de retener partículas transversalmente a la dirección de flujo. Los inventores han reconocido que el menisco estático y estable que se produce en la boquilla del dispensador de gota a demanda entre las operaciones de dispensación no se ve afectado por el campo acústico de tal manera que se vuelva inestable. Fue este reconocimiento lo que hizo posible la combinación de dispensadores de gota a demanda y acustoforesis y las ventajas que se pueden lograr de este modo.
En comparación con las técnicas para la dispensación de partículas mediante gota a demanda, en las que las partículas se distribuyen aleatoriamente en la suspensión, ejemplos de realización de la invención reducen notablemente el esfuerzo requerido para detectar partículas. Esto puede aumentar la velocidad y la precisión de la detección. De este modo, se puede aumentar la capacidad de predecir si una gota contendrá partículas y, de ser así, cuántas. Por tanto, ejemplos de realización de la invención permiten una determinación más precisa del número de partículas y, por tanto, un mayor rendimiento.
Ejemplos de realización de la invención se basan, por tanto, en el conocimiento de que una orientación o concentración
acustoforética de partículas en un dispensador que utiliza un mecanismo de gota a demanda se puede utilizar de manera ventajosa para suministrar selectivamente partículas individuales a una boquilla o para retener selectivamente las partículas. Por el contrario, las técnicas descritas en los documentos WO 2013/003498 A2 y US 2012/0298564 A1 utilizan fuerzas acústicas para poder analizar mejor las partículas en un flujo continuo, pero las disposiciones allí descritas no pueden aislar partículas.
La Figura 1 muestra una representación esquemática de un ejemplo de realización de un dispositivo para dispensar partículas 10 en gotitas de líquido 12 que vuelan libremente. El dispositivo presenta una cámara de fluido 14 que, en el ejemplo de realización mostrado, tiene la forma de un canal. Un extremo superior de la cámara de fluido 14 representa una entrada y un extremo inferior de la cámara de fluido 14 representa una boquilla 16 a la que está acoplada fluídicamente la cámara de fluido 14. El dispositivo presenta un transductor 18 configurado para generar un campo acústico en la cámara de fluido 14 mediante el cual las partículas 10 en un líquido en la cámara de fluido 14 pueden orientarse en una disposición. El dispositivo presenta, además, un mecanismo de gota a demanda 20 que está configurado para dispensar selectivamente desde la boquilla 16 una gota de líquido 12 individual que contiene una partícula 10 en un instante seleccionado. El mecanismo de gota a demanda puede ser un mecanismo de accionamiento piezoeléctrico que presenta, por ejemplo, una membrana mecánica que limita con la cámara de fluido y un elemento activador piezoeléctrico configurado para activar la membrana mecánica con el fin de reducir un volumen de la cámara de fluido para expulsar desde la boquilla 16 las gotitas 12 que vuelan libremente. En cuanto a un ejemplo de un mecanismo de gota a demanda se puede remitir, por ejemplo, a las enseñanzas del documento WO 2011/154042 A1, que se incorpora por la presente como referencia.
El transductor 18 puede estar formado, por ejemplo, por un transductor piezoeléctrico que está configurado para generar un campo acústico a la frecuencia apropiada. El transductor está en contacto mecánico con la cámara de fluido y, por tanto, también con el líquido. La frecuencia de excitación del transductor 18 puede situarse a una frecuencia de resonancia de la cámara de fluido 14, es decir, es válida para la longitud de onda A = 2 ■ b /n, donde b es el ancho de la cámara de fluido 14 y n es el modo de la oscilación. De esta manera, en el modo n=1, se puede generar una onda estacionaria en la cámara de fluido 14, mediante la cual las partículas 10 se orientan en el centro en la cámara de fluido a lo largo de una línea, como se muestra en la Figura 1. Las partículas no fluyen de forma continua, sino que se van transportando gradualmente en dirección a la boquilla 16 mediante la dispensación a demanda. La región de interés (ROI) o el volumen de interés 22 se encuentra en un lugar adecuado, por ejemplo, en las proximidades de la boquilla 16. Puede estar previsto un sensor o detector, no mostrado en la Figura 1, para detectar información acerca de si está dispuesta una partícula en el volumen 22 correspondiente. El volumen de interés puede ser, a este respecto, un volumen que se dispensa desde la boquilla con una de las siguientes gotas. En ejemplos de realización, el volumen de interés puede ser un volumen que se expulsa desde la boquilla durante la siguiente operación de dispensación.
En ejemplos de realización, el mecanismo de gota a demanda puede estar configurado, por tanto, para mover las partículas gradualmente en dirección a la boquilla, estando configurado el transductor para generar el campo acústico con una primera frecuencia a la que las partículas se orientan a lo largo de al menos una línea paralela a la dirección de movimiento. Además, la línea puede estar orientada en el centro en la cámara de fluido hacia la boquilla. Las paredes de cámara de la cámara de fluido opuestas transversalmente a la dirección de movimiento, por ejemplo las paredes de cámara izquierda y derecha en la Figura 1, pueden estar dispuestas a una distancia entre sí que se corresponde con un múltiplo entero de la mitad de la longitud de onda de la frecuencia del campo acústico. En ejemplos de realización de la invención, la cámara de fluido puede presentar una sección transversal de flujo redonda o rectangular, por ejemplo cuadrada, en la dirección de flujo.
En la Figura 2a se muestra una representación esquemática de una cámara de fluido 24 que presenta una boquilla 26 y una entrada 28. La entrada 28 puede estar acoplada fluídicamente a una zona de entrada 30. En ejemplos de realización de la invención, las estructuras fluídicas, que representan las estructuras fluídicas mostradas en la Figura 2a, pueden estar formadas en un microchip, que se compone, por ejemplo, de silicio y vidrio. Por ejemplo, las estructuras fluídicas que comprenden la cámara de fluido 24, la boquilla 26 y la entrada 28 pueden estar formadas en un sustrato de silicio y estar cubiertas con una placa de vidrio. Está previsto un transductor, no mostrado en las Figuras 2a-2c, mediante el cual se puede generar un campo sonoro resonante en la cámara de fluido 24. Como se muestra en la Figura 2a, la cámara de fluido 24 se estrecha hacia la boquilla 26 y termina en la boquilla. Además, la cámara de dosificación se estrecha hacia la entrada y termina con una resistencia fluídica delante de la entrada 28. Las ondas sonoras se reflejan, a este respecto, en la interfaz entre el líquido y el material en el que está formada la cámara de fluido, por ejemplo, silicio. El líquido puede ser, por ejemplo, agua o una solución tampón en la que están suspendidas partículas, que pueden ser células. En la representación de la Figura 2a, no hay campo acústico y las partículas 10 están dispuestas aleatoriamente en la cámara de fluido 24.
En ejemplos de realización de la invención, el transductor está configurado para generar un campo acústico en la cámara de fluido 24, mediante el cual las partículas, que se mueven gradualmente hacia la boquilla 26 con cada expulsión de gota, se disponen paralelas al movimiento del fluido. La frecuencia del transductor se elige, a este respecto, de modo que la distancia entre las paredes de silicio transversales a la dirección de movimiento de las partículas sea un múltiplo (múltiplo entero) de A/2, donde A es la longitud de onda de la onda sonora en el líquido. Las paredes de la cámara de fluido representan, a este respecto, interfaces entre el material en el que está formada la cámara de fluido y el líquido, en las que tiene lugar un salto de impedancia acústica. Esto permite que se generen una
o más líneas nodales de presión paralelas al movimiento del fluido. Por tanto, la concentración acústica puede tener lugar en este caso en paralelo al movimiento del fluido. La boquilla y la cámara de fluido pueden estar dispuestas de tal manera que el modo de oscilación principal y, por tanto, la línea nodal de presión principal esté centrada en la cámara de fluido y dirigida hacia la boquilla. De este modo resulta posible mover las partículas con cada expulsión de gota, es decir cada activación a demanda, de manera definida en dirección hacia la boquilla 26. La correspondiente línea nodal del campo de presión se muestra mediante un marco de rayas 32 en la Figura 2b.
Un caso de excitación, como se describió anteriormente con referencia a la Figura 2b, es particularmente ventajoso para suministrar selectivamente partículas a la boquilla 26. Un caso de excitación de este tipo también es ventajoso si se lleva a cabo una detección óptica de partículas. Las partículas se pueden posicionar o concentrar selectivamente en una región de interés. A este respecto, se puede evitar el sombreado de partículas, que normalmente puede ocurrir con partículas no concentradas en la cámara de fluido o en el canal cuando las partículas se encuentran en el borde de la cámara de fluido o del canal. También existe la posibilidad de hacer que la región del sensor óptico, que se corresponde con la región de interés, sea más pequeña, lo que también permite un mayor rendimiento.
Ahora se describirá un segundo caso de excitación con referencia a la Figura 2c. En el caso que se muestra en la Figura 2c, la frecuencia del transductor se establece para generar un campo sonoro resonante que está rotado 90 grados en comparación con los campos de sonido descritos previamente. La onda estacionaria es en este caso paralela a la dirección de movimiento del fluido o, dicho de otro modo, las líneas nodales son transversales (es decir, perpendiculares) a la dirección de movimiento del fluido. Esto es posible debido a la geometría de la cámara de fluido, que está configurada de manera que se estrechar tanto hacia la boquilla como hacia la entrada. En otras palabras, la cámara de fluido está configurada de manera que se estrecha por dos extremos opuestos en la dirección de flujo, de modo que se pueden generar ondas de sonido estacionarias mediante reflexiones en las paredes así formadas. Debido a las pequeñas dimensiones de las aberturas de la entrada 28 y de la boquilla 26 en comparación con el ancho de la cámara b, es posible que las aberturas apenas tengan influencias perturbadoras sobre el campo sonoro. Por tanto, se puede generar un campo sonoro resonante que presenta una o más líneas nodales transversales a la dirección de movimiento del fluido. Por ejemplo, en la Figura 2c se muestran tres de tales líneas nodales 34. Las partículas pueden quedar retenidas en estas líneas nodales. La frecuencia debe seleccionarse, a este respecto, de modo que la distancia entre las paredes de la cámara de fluido opuestas entre sí en la dirección de movimiento del fluido, es decir, la longitud I, que está dibujada en la Figura 2c, se corresponda con un múltiplo entero de la mitad de la longitud de onda de la onda sonora en el líquido. En ejemplos de realización, las dimensiones de las aberturas de la boquilla 26 y de la entrada 28 pueden ser como máximo del 50%, aunque mejor de menos del 25% del ancho de la cámara de fluido transversalmente a la dirección de movimiento del fluido. En ejemplos de realización, el ancho de las aberturas puede ascender a entre 10 y 125 gm y el ancho total de la cámara puede ascender a entre 750 gm y 1250 gm. En ejemplos de realización, el ancho de las aberturas puede ascender a del 1% al 15%, por ejemplo al 10%, del ancho de la cámara.
Mediante tal excitación, como se explicó con referencia a la Figura 2c, es posible retener así partículas a pesar de un movimiento del fluido. Como resultado, se puede dispensar líquido, por ejemplo, solución tampón, sin dispensar partículas desde la boquilla 26, ya que las partículas quedan retenidas en las líneas nodales, es decir, en los mínimos de presión. De esta manera, puede evitarse que la boquilla se seque distribuyendo líquido ocasionalmente, por ejemplo periódicamente, sin dispensar partículas. Ejemplos de realización permiten así retener las partículas contra la sedimentación, que podría conducir a una obstrucción de la boquilla. Además, es posible, en caso necesario, alternar entre dispensación con o sin partículas, sin tener que perder partículas, controlando el transductor de manera correspondiente. Por tanto, es posible seleccionar el volumen entregado y el número de partículas entregadas independientemente entre sí.
Ejemplos de realización de la invención crean así dispositivos y procedimientos en los que el mecanismo de gota a demanda está configurado para mover las partículas gradualmente en dirección a la boquilla, estando configurado el transductor para generar el campo acústico con una frecuencia a la que las partículas se orientan a lo largo de al menos una línea perpendicular a la dirección de movimiento. En tales ejemplos de realización, la cámara de fluido puede presentar paredes de cámara opuestas en la dirección de movimiento, en las que están formadas la boquilla y una abertura de entrada, presentando las paredes de cámara opuestas en la dirección de movimiento una distancia entre sí que se corresponde con un múltiplo entero de la mitad de la longitud de onda de la segunda frecuencia. Si, como se muestra en las Figuras 2a-2c, la cámara de fluido presenta paredes de cámara inclinadas en esta dirección, se puede usar una posición de pared virtual para determinar la distancia correspondiente, que se obtiene, por ejemplo, a partir de un valor de media aritmética debido al curso inclinado de la pared de cámara.
La Figura 3 muestra un ejemplo de realización de un dispositivo para dispensar partículas en gotitas de líquido que vuelan libremente usando una concentración acustoforética y un mecanismo de gota a demanda. El dispositivo presenta una cámara de fluido 44 que puede estar formada, por ejemplo, por la cámara de fluido 24 descrita en las Figuras 1 y 2a-2c. La cámara de fluido 44 está acoplada fluídicamente a una boquilla 46 y puede estar formada en un chip dispensador 47. Un transductor 48 puede estar colocado directamente en el chip dispensador 47. Alternativamente, el transductor 48 puede estar colocado en un soporte (no mostrado) en el que está colocado el chip dispensador. El soporte puede estar hecho de plástico, por ejemplo. Está previsto un mecanismo de gota a demanda 50, que puede corresponderse con el mecanismo a demanda 20 descrito con referencia a la Figura 1, para dispensar selectivamente desde la boquilla 46 una única gota de líquido, que puede contener una partícula, en un instante seleccionado. El transductor 48 puede estar configurado para provocar disposiciones de las partículas en el líquido en
la cámara de fluido 46, tal como se describieron anteriormente, por ejemplo, con referencia a las Figuras 2a-2c. Está previsto un sensor 52 configurado para detectar información acerca de si está dispuesta una partícula en un área de interés 22, por ejemplo, un volumen que se dispensa desde la boquilla con una de las siguientes gotas. El área de interés o el volumen de interés pueden estar dispuestos, a este respecto, en un área de la boquilla. Por ejemplo, el volumen de interés puede ser el volumen final de la boquilla, cuyo contenido es expulsado desde la boquilla con la siguiente gota durante la siguiente operación de dispensación a demanda.
La información detectada por el sensor 52 puede ser, por ejemplo, información relativa al número, tamaño, posición, tipo, color y cualquier otra propiedad de las partículas/células dentro del volumen de observación del generador de gotitas. Por ejemplo, el sensor 52 puede ser una cámara que proporciona imágenes del volumen de observación con partículas/células contenidas en el mismo, de modo que las propiedades de las partículas/células que se encuentran en el volumen de observación pueden derivarse utilizando técnicas de procesamiento de imágenes conocidas, por ejemplo mediante comparación con patrones conocidos y similares. Esto se puede hacer, por ejemplo, mediante un control 54 acoplado al sensor 52, al transductor 48 y al mecanismo de gota a demanda 50 para controlar el funcionamiento de los mismos. Además, el control 54 puede estar acoplado a un dispositivo de succión 56 para controlar este en función de la información detectada. Si, por ejemplo, se detecta que no se encuentra ninguna partícula o ninguna partícula del tipo deseado en el volumen de observación 22, el dispositivo de succión 56 puede ser activado por el control 54 para succionar una gota correspondiente, tal como se representa mediante una flecha 58 en la Figura 3. Sin embargo, si una partícula o una partícula del tipo deseado se encuentra en el volumen de observación 22, el dispositivo de succión 56 no se activa, de modo que la gota correspondiente es expulsada sobre un soporte 60, tal como se indica mediante una flecha 62 en la Figura 3. El soporte 60 puede ser, por ejemplo, una placa de microtitulación o algún otro dispositivo que permita el procesamiento adicional de la gota dispensada con la partícula contenida en la misma. Por tanto, ejemplos de realización están diseñados para dispensar una gota dispensada en una primera posición (soporte 60) o en una segunda posición (dispositivo de succión 56) en función de la información detectada. No es necesario explicar adicionalmente que pueden preverse opciones alternativas para dispensar gotas en diferentes posiciones, como por ejemplo las descritas en el documento WO 2011/154042 A1.
De este modo puede ser posible, por ejemplo, expulsar solo gotas que contengan exactamente una partícula o una célula sobre la bandeja 60, mientras que todas las demás gotas son aspiradas por el dispositivo de succión 56. El dispositivo de succión 56 puede estar conectado, por ejemplo, a un contenedor de desechos.
El control 54 está diseñado, además, para controlar el transductor 48 con el fin de generar campos acústicos con diferentes frecuencias en la cámara de fluido 44, por ejemplo para generar líneas nodales del campo de presión, tal como se describió anteriormente con referencia a las Figuras 2b y 2c.
Ejemplos de realización de la presente invención crean así un sistema que puede usarse para dispensar, contar y caracterizar partículas, por ejemplo células biológicas, en líquido. A este respecto, la concentración de células en el líquido se puede ajustar de modo que las células fluyan individualmente hacia la cámara de fluido (cámara de dosificación), por ejemplo a través de una cámara de entrada y una entrada. Sin la concentración, las partículas suministradas individualmente se distribuirían aleatoriamente en la cámara. Sin embargo, mediante la concentración acustoforética, las partículas se pueden orientar a lo largo de una línea dirigida hacia la boquilla de expulsión. A continuación, se puede dispensar en cada caso una partícula usando un generador de gotas, que puede ser, por ejemplo, un desplazador de volumen directo de gota a demanda, entregándose un cierto volumen de líquido, incluidas la o las células contenidas en el mismo, desde la boquilla con cada dispensación. De este modo pueden hacerse avanzar más partículas procedentes de un depósito. Mediante el transductor se puede acoplar un campo sonoro a la cámara de fluido, es decir, a la cámara de dosificación, del dispensador. La frecuencia puede seleccionarse de tal manera que se obtenga un patrón de partículas deseado gracias a la resonancia. Por ejemplo, todas las partículas pueden concentrarse en el centro de la cámara de fluido, pudiendo estar formada la boquilla igualmente centrada en la pared que delimita la cámara de fluido en el extremo delantero en cuanto al flujo. Puede usarse una óptica de formación de imágenes para detectar la posición y el número de partículas en el campo de visión de la cámara, la región de interés, de modo que un algoritmo de procesamiento de imágenes, que es ejecutado, por ejemplo, en el control 54, pueda predecir de este modo el número de partículas en la siguiente gota.
Por tanto, ejemplos de realización de la invención son adecuados para imprimir células individuales o un número específico de células. Otros ejemplos pueden referirse a la impresión de bacterias individuales u otros organismos o grupos de los mismos. Otros ejemplos pueden referirse, por su parte, a la impresión de gotas de aceite individuales en suspensión o grupos de un determinado número de gotas de aceite. Además, ejemplos de realización de la invención también pueden referirse a la impresión de partículas artificiales individuales o grupos de partículas artificiales en suspensiones, por ejemplo, perlas, puntos cuánticos y similares. Otros ejemplos de realización pueden referirse a una preselección de partículas con contraste acústico para dispensar solo determinadas partículas.
Con respecto a la tecnología en la que se basa la acustoforesis, puede remitirse, por ejemplo, a la publicación mencionada anteriormente de I. Leibacher. Como se indicó anteriormente, para orientar partículas en un líquido en una disposición, se generan ondas sonoras estacionarias en el líquido, de modo que las partículas se acumulan en los nodos del campo de presión. Una onda estacionaria se genera superponiendo una onda progresiva y una onda reflejada. La reflexión se logra mediante un salto de impedancia en la transición entre dos materiales. La impedancia acústica Z de un material resulta de su densidad de material p y de su velocidad acústica c:
Z=pc.
Por ejemplo, el agua y el silicio, que entran en consideración como materiales, tienen las siguientes propiedades:
El coeficiente de reflexión R y el coeficiente de transmisión T dan como resultado la parte de la intensidad de onda que se refleja o se transmite en un salto de impedancia:
(Z 2 Z l ) _ = 4 ^ 1 ^ 2
R , \Z2+ Z 1) , _ ( Z i Z 2 ) 2
Con
Ri Ti = 100%
Para la interfaz agua/silicio es válido que
agua/silicio^ Ri = 75%, Ti = 25%
Así pues, el 75% de la intensidad de la onda se refleja en una pared de silicio que delimita un canal de agua, de modo que puede producirse una resonancia.
Por supuesto, los materiales anteriores son meramente a modo de ejemplo y se pueden implementar ejemplos de realización de la invención usando otros materiales con diferentes impedancias acústicas, siempre que sea posible la generación de un campo acústico correspondiente.
Ejemplos de realización de la invención crean así dispositivos y procedimientos para dispensar (imprimir, dosificar) partículas y células, que presentan un mecanismo de gota a demanda para dispensar gotas individuales, un transductor que genera un campo acústico en la unidad dispensadora de modo que las partículas o las células se suministren ordenadas al área de detección, y un mecanismo sensor para detectar partículas o células individuales o varias antes de dispensarlas.
En ejemplos de realización, en función de la geometría del canal del dispensador, es posible conmutar entre diferentes disposiciones de partículas de manera específica a las necesidades, independientemente del movimiento del fluido. El transductor se puede colocar en cualquier posición si hay suficiente energía acoplada. Una unidad de control puede seleccionar la frecuencia de excitación según el caso de aplicación. Por ejemplo, la frecuencia de excitación puede corresponder a una frecuencia de resonancia de un campo transversal a la dirección de flujo, o puede corresponder a una frecuencia de resonancia de un campo paralelo a la dirección de flujo. Alternativamente, una frecuencia de excitación puede ser cualquier combinación de tales frecuencias.
Ejemplos de realización de la presente invención crean por tanto la posibilidad de disponer en fila partículas o células en un líquido en un dispensador, en particular en un dispensador de gota a demanda. En ejemplos de realización de la invención, esto se logra mediante la concentración acustoforética. Esto provoca una fuerza sobre las partículas en el líquido, de modo que las partículas se pueden mover con respecto al líquido para lograr la disposición correspondiente. Por tanto, en ejemplos de realización, es posible retener partículas en una cámara de fluido mientras se expulsan gotas de líquido sin partículas.
Las dimensiones típicas de las estructuras fluídicas, por ejemplo, la cámara de fluido y la boquilla, pueden situarse en un intervalo de 1 gm a 1000 gm. Los volúmenes típicos de líquido, por ejemplo las gotitas expulsadas, pueden situarse en un intervalo de un picolitro a un microlitro. Como se ha descrito, como sensores de partículas se pueden usar sensores de generación de imágenes. Alternativamente, se pueden usar sensores de medición de fluorescencia u otros sensores ópticos (por ejemplo, espectroscopía Raman), sensores eléctricos o sensores mecánicos. En general, se puede usar cualquier sensor que permita detectar información acerca de las partículas presentes en un área de interés.
Mediante la disposición acústica de las partículas, ejemplos de realización de la invención permiten una mayor precisión en la detección de partículas, ya que las señales de sensor de la detección de partículas se vuelven más uniformes. En el caso de una detección por generación de imágenes, se puede seleccionar un campo de imagen pequeño o un aumento mayor. Además, la variabilidad del fondo se puede reducir con una posición de las partículas siempre igual. Si la disposición de las partículas se eligió de manera que las partículas no estén ubicadas en el borde del canal de líquido o del canal de fluido, también se evitan errores de detección debidos a efectos de borde, tales como sombreado. Esto puede reducir notablemente la pérdida de partículas, es decir, el número de partículas no
detectadas. Además, la frecuencia de detección o muestreo se puede aumentar en muchos sistemas de sensores. Esto se debe al hecho de que el campo de medición o el volumen de medición (región de interés) se reduce considerablemente. Además, el movimiento de las partículas en el fluido es más predecible si su posición es uniforme. Esto tiene la ventaja en particular de que el número de partículas en la siguiente gota puede predecirse con mayor certeza. La ROI más pequeña permite mejorar la relación señal a ruido para un mismo tamaño de partícula.
Las características funcionales que se han descrito en el presente documento con referencia a un dispositivo, como resulta evidente para los expertos en la técnica, también representan características de un procedimiento correspondiente configurado para proporcionar una funcionalidad correspondiente, mientras que las características que se han descrito en el presente documento con referencia a un procedimiento también representan en cada caso características de un dispositivo correspondiente configurado para poner en práctica características correspondientes.
Claims (10)
1. Dispositivo para dispensar partículas (10) en gotas de líquido que vuelan libremente, con las siguientes características:
una cámara de fluido (14, 24, 44) acoplada fluídicamente a una boquilla (16, 26, 46);
un transductor (18, 48) configurado para generar un campo acústico en la cámara de fluido (14, 24, 44) mediante el cual las partículas (10) en un líquido en la cámara de fluido (14, 24, 44) pueden orientarse en una disposición; un mecanismo de gota a demanda (20, 50) configurado para dispensar selectivamente desde la boquilla (16, 26, 46) una gota de líquido (12) individual que contiene una o más partículas (10) en un instante seleccionado,
en donde el mecanismo de gota a demanda (20, 50) está configurado para mover las partículas (10) gradualmente en dirección a la boquilla (16, 26, 46) en un primer modo,
en donde el transductor (18, 48) está configurado para conmutar entre el primer modo, en el que el campo acústico se genera con una primera frecuencia, de manera que las partículas (10) se orientan a lo largo de al menos una línea (32) paralela a la dirección de movimiento, y un segundo modo, en el que el campo acústico se genera con una segunda frecuencia, de manera que las partículas (10) se orientan a lo largo de al menos una línea (34) perpendicular a la dirección de movimiento y quedan retenidas en la cámara de fluido (14, 24, 44), y
un control diseñado para conmutar el transductor (18, 48) entre el primer modo y el segundo modo.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que el transductor (18, 48) tiene una frecuencia ajustable.
3. Dispositivo según la reivindicación 1 o 2, en el que las paredes de cámara de la cámara de fluido (14, 24, 44) opuestas transversalmente a la dirección de movimiento presentan una distancia entre sí que se corresponde con un múltiplo entero de la mitad de la longitud de onda de la primera frecuencia.
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la línea (32) paralela a la dirección de movimiento está orientada en el centro en la cámara de fluido (14, 24, 44) hacia la boquilla (16, 26, 46).
5. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la cámara de fluido (14, 24, 44) presenta paredes de cámara opuestas en la dirección de movimiento, en las que están formadas la boquilla (16, 26, 46) y una abertura de entrada (28), en donde las paredes de cámara opuestas en la dirección de movimiento presentan una distancia entre sí que se corresponde con un múltiplo entero de la mitad de la longitud de onda de la segunda frecuencia.
6. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende, además, un sensor (52) configurado para detectar información acerca de si está dispuesta una partícula (10) en un volumen de interés (22) que se dispensa desde la boquilla (16, 26, 46) con una de las siguientes gotas (12), estando el transductor configurado para generar un campo acústico mediante el cual una de las partículas (10) se dispone en el volumen de interés (22).
7. Dispositivo según la reivindicación 6, que está diseñado para dispensar una gota (12) dispensada en una primera posición o en una segunda posición en función de la información detectada.
8. Procedimiento para dispensar partículas (10) en gotas de líquido (12) que vuelan libremente, con las siguientes características:
generar un campo acústico en una cámara de fluido (14, 24, 44) acoplada fluídicamente a una boquilla (16, 26, 46), para orientar partículas (10) en un líquido en la cámara de fluido (14, 24, 44) en una disposición; y
activar un mecanismo de gota a demanda (20, 50) configurado para dispensar selectivamente una gota (12) individual desde la boquilla (16, 26, 46) en un instante seleccionado, con el fin de expulsar desde la boquilla (16, 26, 46) una gota de líquido (12) que vuela libremente y que contiene una o más partículas (10),
en donde, al activar el mecanismo de gota a demanda (20, 50) en un primer modo, las partículas (10) se mueven gradualmente en dirección a la boquilla (16, 26, 46),
conmutar entre el primer modo, en el que el campo acústico se genera con una primera frecuencia, de manera que las partículas (10) se orientan a lo largo de al menos una línea (32) paralela a la dirección de movimiento, y un segundo modo, en el que el campo acústico se genera con una segunda frecuencia, de manera que las partículas (10) se orientan a lo largo de al menos una línea (34) perpendicular a la dirección de movimiento y quedan retenidas en la cámara de fluido (14, 24, 44).
9. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que las partículas (10) se orientan a lo largo de la línea (34) perpendicular a la dirección de movimiento y quedan retenidas, mientras que, al activar el mecanismo de gota a demanda, una gota (12) que no contiene ninguna partícula (10) es expulsada desde la boquilla (16, 26, 46).
10. Procedimiento según la reivindicación 8 o 9, que presenta, además, detectar información acerca de si está
dispuesta una partícula (10) en un volumen de interés que se dispensa desde la boquilla (16, 26, 46) con una de las siguientes gotas (12), en donde una de las partículas (10) se dispone en el volumen de interés (22) por medio del campo acústico, y que presenta dispensar una gota (12) en una primera posición o en una segunda posición en función de la información detectada.
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