JP2021507202A - 圧力パルスを用いる微細加工されたセルソータ - Google Patents

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Abstract

本明細書には、目標粒子を逸らせるために流体圧力の瞬間的なパルスを利用する微細加工された粒子選別装置が記載されている。瞬間的なパルスが、所定の体積の流体をチャネルへ押し込むかまたは所定の体積の流体をチャネルから吸い込む微細加工された（ＭＥＭＳ）アクチュエータによって発生されてもよい。瞬間的な圧力パルスは、目標粒子を選別チャネル内へ逸らせてもよい。

Description

関連出願との相互参照
該当なし
連邦政府から援助を受けた研究に関する申告
該当なし
マイクロフィッシュ付録に関する申告
該当なし
背景
本発明は、微細加工された流体チャネル内で小さな粒子を操作するためのシステムおよび方法に関する。
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、半導体デバイスを製造するために使用されるような、表面またはバルクリソグラフィ処理技術を使用して基板に形成された非常に小さな、しばしば可動な構造である。ＭＥＭＳデバイスは、例えば、数ミクロン〜数百ミクロンの特徴寸法を備える、可動なアクチュエータ、センサ、弁、ピストンまたはスイッチであってもよい。可動なＭＥＭＳスイッチは、例えば、全て基板上に微細加工された１つまたは複数の入力端子を１つまたは複数の出力端子に接続するために使用されてもよい。可動なスイッチのための作動手段は、例えば、熱式、圧電式、静電式または磁気式であってもよい。ＭＥＭＳデバイスは、流体流れ内でＭＥＭＳデバイスを通過する粒子を操作してもよい半導体基板に製造されていてもよい。
別の例では、ＭＥＭＳデバイスは、血液または生理食塩水内の細胞などの様々な粒子を流体流れから選別するための選別機構として使用される可動な弁であってもよい。粒子は、圧力下で流れる、マイクロチャネルに閉じ込められた流体流れ内で選別装置へ搬送されてもよい。ＭＥＭＳ選別装置に到達すると、選別装置は、血液幹細胞などの目的の粒子を別個の容器へ方向付け、残りの流体流れを廃棄容器へ方向付ける。
ＭＥＭＳベースのセルソータシステムは、フローサイトメータとして知られる既存の蛍光活性化細胞選別システム（ＦＡＣＳ）よりも実質的な利点を有することがある。フローサイトメータは、目的の細胞に固定されたタグからの蛍光信号に基づき細胞を選別する通常は大型で高価なシステムである。細胞は、シース流体内で希釈されかつ浮遊し、次いで、ノズルを通じた急速な減圧により個々の液滴に分離される。ノズルから排出された後、液滴は、タグからの蛍光信号に基づき、それぞれ異なる容器内へ静電的に分離される。特に、これらのシステムの問題は、減圧による細胞損傷または機能の損失、試料ごとの困難かつコストのかかる滅菌作業、異なるパラメータに沿って部分母集団を再選別することができないこと、および機器のこれらの大型で高価な部品を所有、操作および維持するために必要な実質的なトレーニングである。少なくともこれらの理由から、フローサイトメータの使用は、大きな病院および研究室に限られており、技術は、より小さな存在にはアクセス可能ではなかった。
ＭＥＭＳベースの粒子選別装置に関連する多数の特許が認められている。例えば、米国特許第６８３８０５６号明細書（’０５６特許）は、ＭＥＭＳベースの細胞選別装置に関し、米国特許第７２６４９７２号明細書（’９７２特許）は、ＭＥＭＳベースの細胞選別装置のためのマイクロメカニカルアクチュエータに関する。米国特許第７２２０５９４号明細書（’５９４特許）は、ＭＥＭＳ細胞選別装置によって製造された光学構造に関し、米国特許第７２２９８３８号明細書（’８３８特許）は、ＭＥＭＳベースの粒子選別システムを操作するための作動機構に関する。加えて、米国特許出願第１３／３７４８９９号明細書（’８９９出願）および第１３／３７４８９８号明細書（’８９８出願）は、その他のＭＥＭＳ設計の別の詳細を提供している。各特許（’０５６，’９７２，’５９４および’８３８）および特許出願（’８９８および’８９９）は、引用したことにより本明細書に組み込まれる。
これらの装置の複雑さおよび製造の困難さにより、ＭＥＭＳベースの粒子選別装置は、市場に出現するのが遅かった。
本明細書では、自然に微細加工される粒子選別構造が開示される。
微細加工された粒子選別装置は、目標粒子を逸らせるために流体圧力の瞬間的なパルスを利用してもよい。瞬間的なパルスは、微細加工された（ＭＥＭＳ）アクチュエータによって発生されてもよい。幾つかの実施形態では、微細加工された粒子選別装置は、電磁式に作動される。その他の実施形態では、微細加工された粒子選別装置は、一平面内で移動してもよく、同じ平面に選別チャネルおよび試料入口チャネルを有するが、別の平面に廃棄チャネルを有していてもよい。幾つかの実施形態では、微細加工された粒子選別装置は、目標粒子を選別チャネルに引き込むために負圧パルスを利用してもよい。幾つかの実施形態では、微細加工された粒子選別装置は、目標粒子を選別チャネルに押し込むために正圧パルスを利用してもよい。別の実施形態では、微細加工された粒子選別装置は、目標粒子を選別チャネルに押し込みかつ引き込むために正圧パルスおよび負圧パルスの両方を利用してもよい。
加圧された流体の短時間のパルスは、狭いオリフィスのノズルから排出されてもよい。流体圧力パルスは、基板に微細加工された構造の動きの結果であってもよい。強制または作動手段も、基板に製造されていてもよい。作動力は、例えば、静電力、圧電力または電磁力であってもよい。従来の装置とは対照的に、力発生および移動機構は、微細加工された手段を用いて、半導体基板に直接的に形成される。したがって、強制構造は、一体的部分であってもよく、試料流が通流するマイクロ流体チャネルと同じ製造基板に直接的に形成されてもよい。また、選別は、機械式ではなく、流体力学的に行われ、その場合、機械的な分流器ではなく流体圧力パルスが粒子を選別チャネル内へ移動させる。流体力学的な力は、機械式選別よりも穏やかでかつより信頼性が高いことが多い。
より一般的に、微細加工された粒子選別装置は、基板上に製造されてもよく、微細加工された粒子選別装置は、流体流れ内を流れる非目標材料から目標粒子を分離させる。粒子選別装置は、やはり同じ基板上に製造された、非目標材料から目標粒子を区別する信号を生成する検出領域と、試料入口チャネルと、選別チャネルと、廃棄チャネルとを有していてもよく、目標粒子は、流体圧力の瞬間的なパルスによって、廃棄チャネルでなく選別チャネル内へ送り込まれ、圧力のパルスは、試料入口チャネルと同じ基板に製造されたアクチュエータによって発生される。
以下の図面を参照しながら様々な典型的な詳細が説明される。
図１ａは、休止位置における微細加工された圧力パルス発生選別装置の概略図であり、図１ｂは、作動位置における微細加工された粒子選別装置の概略図である。 アクチュエータが解放されたときに加えられる流体圧力の正のパルスを利用して粒子を選別する粒子選別システムの一実施形態である。 装置が作動されたときに流体圧力の正のパルスを利用して粒子を選別する粒子選別システムの一実施形態である。 正圧および負圧を利用して、流体圧力のパルスを利用して粒子を選別する粒子選別システムの一実施形態である。 死容積の量が減らされた、流体圧力のパルスを利用して粒子を選別する粒子選別システムの一実施形態である。 廃棄チャネルが、鉛直方向に開放したキャビティであり、かつ具備される必要がない、粒子操作構造の概略図である。 流体圧力のパルスを利用して粒子を選別する別の粒子選別システムの詳細図である。 図７に示した実施形態の付加的な詳細を示している。 図９ａ〜図９ｃは、アクチュエータが移動するときの試料チャネルを通る流れの流線を示している。 図１０ａは、ノズル角度に関する入口流量の逸脱のプロットであり、図１０ｂは、性能とノズル角度との機能的依存を示している。 選別経路と廃棄経路との相対的な流体抵抗の重要性の概略図である。
図面は必ずしも実寸ではなく、同じ参照符号は同じ特徴を表すことが理解されるべきである。
目標粒子に瞬間的な圧力パルスを加え、その軌道を廃棄チャネルから選別チャネル内へ逸らせることによって、試料流内の非目標材料から目標粒子を分離する粒子操作システムが説明される。以下に説明される典型的な実施形態では、基板に形成されたアクチュエータは、アクチュエータに力を加えることによって動かされる。この動きは流体コラムに加わり、流体に瞬間的な圧力パルスを発生させる。正圧パルスまたは負圧パルスであるこの圧力パルスは、試料流内でアクチュエータを通流する目標粒子の軌道を変化させてもよい。瞬間的な圧力パルスを発生させるための機構は、試料流体が流れるチャネルと同じ基板上に製造されてもよい。
少なくとも１つの目標粒子および非目標材料を含む試料流が、試料リザーバから試料入口チャネルへ、装置に導入されてもよい。試料入口チャネルは、クエリ（query）ゾーンを通過してもよく、ここで、検出器が、目標粒子の存在を検出してもよい。クエリゾーンにおいて目標粒子を検出すると、制御装置は、力発生構造を、アクチュエータの可動部材を動かすための力を発生させるように方向付けてもよい。アクチュエータの動きは、瞬間的な圧力パルスを発生させてもよく、瞬間的な圧力パルスは、目標粒子を廃棄流から選別流内へ、次いで、選別リザーバへ方向付ける。幾つかの実施形態では、瞬間的な圧力パルスは、目標粒子を選別チャネルへ押し込むように正であってもよい。その他の実施形態では、瞬間的な圧力パルスは、目標粒子を選別チャネルへ引き込むように負であってもよい。幾つかの実施形態では、目標粒子は、アクチュエータを作動させながら（通常は閉鎖されている）選別される。その他の実施形態では、目標粒子は、アクチュエータを作動から解放させながら（通常は開放している）選別される。
幾つかの実施形態では、瞬間的な圧力パルスは、試料流の中心線に対して所定の角度で加えられる。角度は、試料流の中心線に対して約３０度〜６０度であってもよいが、略９０度未満（実質的に直交未満）である。瞬間的な圧力パルスは、チャネルの中心線に対して所定の角度で配置されたノズルによって形成されてもよい。
作動手段は、電磁式であってもよく、その場合、流体チャネルおよびアクチュエータを支持する基板とは別個の、基板の外部における電磁石が、アクチュエータの近くに磁束を発生させる。基板およびアクチュエータにおける透磁性特徴が、電磁石と相互作用し、アクチュエータを動かしてもよい。アクチュエータの動きは、瞬間的な圧力パルスを発生させてもよく、この瞬間的な圧力パルスは、流体を、チャネル内で流れさせ、公称経路から廃棄リザーバへの目標粒子を、別の選別チャネル経路および選別リザーバへ逸らせる。
以下の説明は、新規の粒子操作システムの複数の典型的な実施形態を示している。以下の参照符号が、添付の図面内で使用される。
１００〜１０６ 圧力選別装置の実施形態
５ 目標粒子
１０ 試料リザーバ
１５ 試料チャネル
２０ レーザクエリ領域
３０ 選別リザーバ
３５ 選別チャネル
６０ 廃棄チャネル／リザーバ
６５ 廃棄出口チャネル
５０ 透過性特徴
５５ 透過性特徴
４０ 磁極
４５ 極
８５ 瞬間的圧力領域／圧力チャネル
７０ 復元ばね
７５ 復元ばね
８０ 可動部材
８２ 可動部材
９０ レバーアーム
９５ ピストン
９７ ピストン圧力チャネル
１２０ ノズル
２ ノズル（図８）
３ 角度ピストン／入口チャネル
１３０ 透過性特徴
４００ 電磁石／力発生装置
図１ａは、休止（非作動）位置における微細加工された流体圧力選別装置１００の平面図である。圧力選別装置１００は、微細加工された可動部材８０と、複数の微細加工された流体チャネル１５，３５および６５とを有していてもよい。可動部材８０および微細加工された流体チャネル１５，３５および６５は、以下でより詳細に説明されるＭＥＭＳリソグラフィ製造技術を用いて、シリコン基板などの適切な基板に形成されてもよい。製造基板は製造平面を有していてもよく、この製造平面にデバイスが形成されかつ可動部材８０が動く。以下でさらに説明するように、微細加工された流体チャネル１５および選別チャネル３５もこの平面に位置してもよい。
試料流は、試料リザーバ１０から通じた試料入口チャネル１５によって圧力選別装置１００へ導入されてもよい。試料流は、粒子の混合物を含んでもよく、この粒子の混合物は、少なくとも１つの所望の目標粒子５と、複数のその他の望ましくない、非目標粒子とを含んでいる。粒子は、流体に浮遊していてもよい。例えば、目標粒子５は、例えば、生理食塩水などのバッファ流体に浮遊した、幹細胞、がん細胞、接合体、たんぱく質、Ｔ細胞、細菌、血液成分、ＤＮＡ断片などの生物学的材料であってもよい。
入口チャネル１５は、可動部材８０と同じ製造平面に形成されてもよく、これにより、流体の流れは実質的にその平面にある。可動部材８０の動きも、この製造平面内で生じてもよい。
任意の粒子を選別する／残存させるまたは処分／廃棄するための決定は、あらゆる数の識別信号に基づいてもよい。１つの典型的な実施形態では、この決定は、粒子によって発射される蛍光信号に基づき、粒子に固定されかつ照明レーザによって励起される蛍光タグに基づく。この検出機構に関する詳細は、文献において周知である。しかしながら、その他の種類の識別信号が使用されてもよく、この識別信号は、粒子の形態に基づくことがある散乱光または側方散乱光、または粒子を目標粒子５として、ひいては選別されまたは残存されるものとしてまたは非目標粒子として、ひいては排除またはさもなければ処分されるものとして識別することができるあらゆる数の機械的、化学的、電気的または磁気的効果を含む。
可動部材８０が、動かず、図１ａに示された位置にあるとき、流入した流れは、妨げられることなく出口チャネル６５および廃棄リザーバ６０それぞれへ移動してもよい。廃棄リザーバ６０は、入口チャネル１５の平面、ひいては圧力選別装置１００の製造平面から外れていてもよい。すなわち、流れは、入口チャネル１５から出口チャネル６５へ生じ、出口チャネル６５から、流れは、廃棄出口リザーバ６０へ実質的に鉛直方向に流入する。これにより、入口チャネル１５から廃棄リザーバ６０への流れは、実質的に直交方向である。言い換えれば、この短い出口または廃棄チャネル６５は、図１ａの紙面に対して垂直であってもよい、平面から外れた廃棄チャネルリザーバ６０へ通じていてもよい。幾つかの実施形態では、廃棄チャネル６５は、極端に短く、これにより、入口チャネル１５は鉛直方向廃棄リザーバ６０へほぼ直接に流入する。より一般的には、出口チャネル６５は、入口チャネル１５または選別チャネル３５の平面または可動部材８０の製造平面または可動部材８０の運動平面に対して平行でなくてもよい。
出口または廃棄チャネルリザーバ６０は、製造基板、または製造基板に結合されたカバー基板に形成された孔であってもよい。廃棄チャネル６５と廃棄チャネルリザーバ６０との間のオリフィスの輪郭は、入口チャネル１５および選別チャネル３５のうちの全てではないが幾つかと重なり合うようになっていてもよい。鉛直方向の孔の輪郭を入口チャネルと重ね合わせることによって、可動部材８０が動かないときには、流入した流れが廃棄オリフィス６０へ直接に流入するためのルートが存在してもよい。
図１ｂは、作動位置における微細加工された圧力選別装置１００の平面図である。この位置では、可動部材８０は、図１ｂに示された位置へたわまされている。選別出口チャネル３５は、入口チャネル１５と実質的に同じ平面にあってもよく、これにより、選別チャネル３５内の流れも、入口チャネル１５内の流れと実質的に同じ平面にある。しかしながら、以下でさらに説明するように、選別チャネル３５は、試料入口チャネル１５に対して非直交角度で配置されていてもよい。
可動部材８０の作動は、図１ｂに概略的に示された力発生装置４００からの力により生じてもよい。幾つかの実施形態では、力発生装置４００は、電磁石であってもよいが、力発生装置は、可動部材８０を第１の位置（図１ａ）から第２の位置（図１ｂ）へ移動させる力を可動部材８０に加えるための静電手段、圧電手段またはその他の手段であってもよいことが理解されるべきである。
可動部材８０が、図１ａに示された位置から図１ｂに示された位置へ移動するとき、可動部材８０は、流体を圧力チャネル８５から試料流１５内へ押し込んでもよい。圧力チャネル８５は、通常、正（または負）の瞬間的な流体圧力パルスを受け取る微細加工されたチャネルである。これは、チャネル８５の出口において流体圧力の瞬間的な増大を生じてもよい。この瞬間的な圧力パルスは、目標粒子５を、試料廃棄流から試料選別チャネル３５内へ方向転換させてもよい。
チャネル３５は「選別チャネル」と呼ばれ、オリフィス６０は「廃棄オリフィス」と呼ばれているが、これらの用語は、普遍性のいかなる損失もなしに、試料流が廃棄チャネル６５へ方向付けられかつ廃棄流が選別チャネル３５へ方向付けられるように互いに入れ替えることができることが理解されるべきである。同様に、「入口チャネル」１５と「選別チャネル」３５とは入れ替えられてもよい。３つのチャネルを示すために使用される用語は任意であるが、入口流は、弁８０によって２つの別々の方向のいずれかへ逸らされてもよく、３つのチャネルのうちの少なくとも１つは、他の２つと同じ平面にはない。角度方向に関して使用されるときの「実質的に」という用語、すなわち実質的に接線方向または実質的に鉛直方向という用語は、言及された方向の１５度以内を意味すると理解されるべきである。例えば、ある線に対して「実質的に直交する」とは、その線に対して約７５度〜約１０５度を意味すると理解されるべきである。
可動部材または弁８０は、可撓性のばね７０によって基板に取り付けられていてもよい。ばね７０は、基板材料の狭い峡部であってもよい。本明細書に示す例では、基板材料は、強度、低い残留応力およびクリープ抵抗などの顕著な機械的特性により知られる、単結晶シリコンであってもよい。適切なドーピングにより、材料は、装置のあらゆる部分における電荷蓄積を回避するために十分に伝導性であるように形成することもできる。電荷蓄積は、さもなければ、装置の動きを妨げることがある。ばね７０は、図２に示したように蛇行した形状を有していてもよく、約１ミクロン〜約１０ミクロンの幅と、約１０Ｎ／ｍ〜１００Ｎ／ｍ、好ましくは約４０Ｎ／ｍのばね定数とを有している。
図１ａおよび図１ｂの微細加工された実施形態では、可動部材８０に埋め込まれてもよい透磁性特徴１３０も示されている。この透磁性特徴は、透過性特徴１３０に隣接してかつ透過性特徴１３０の近くで発生される磁束源と相互作用してもよい。透過性特徴１３０は、例えば、当業者に公知の十分に透過性の強磁性材料であるニッケル−鉄パーマロイであってもよい。パーマロイは、一般的に、約５０〜８０％のニッケルと、４０〜２０％の鉄とから成る。５５％対４５％が、一般的な透磁性合金である。Ｎｉ−Ｆｅは、スパッタリングによって堆積され、堆積後に平坦化されてもよい。この材料インレーは、可動部材８０が基板から解放される前に行われてもよい。典型的な製造技術は、２０１６年６月２１日に発行された米国特許第９３７２１４４号明細書に開示されており、これは、引用したことによりその全体が本明細書に組み込まれる。
多くの実施形態は、基板に埋め込まれた不動の透磁性特徴５０も有している。透過性特徴５０は、透過性特徴１３０とは別個である。なぜならば、透過性特徴５０は、基板上で不動のままであるのに対し、透過性特徴１３０は、それが埋め込まれた可動部材と一緒に移動するからである。不動の磁気特徴５０の目的は、電磁石４００のＮ極から拡散する磁束線を収束させ、それらを可動部材８０の領域に集中させることであってもよい。これは、磁界の勾配を高め、ひいては、可動部材８０の磁力、ひいては速度を高めるために機能する。
磁束源は、別の透磁性コアの周囲に巻き付けられた伝導性コイルであってもよい電磁石であってもよい。適切な電磁石の設計は、２０１５年３月２日に出願された米国特許出願第１４／６３４９０９号明細書に開示されている。
したがって、磁界磁束線の外部源は、圧力選別装置１００の外側に設けられていてもよい。この外部源は、電磁石４００であってもよい。電磁石４００は、透過性コアを有していてもよく、透過性コアの周囲に導体が巻き付けられている。電磁気学から公知のように、巻き付けられた導体またはコイルと、コアとは磁界を発生させ、この磁界は、磁極から出て、拡散し、反対の極へ戻る。したがって、可動部材８０は、通常、図１ｂに示したように電磁石４００の極に向かって引き付けられる。
電磁石４００が休止しており、電流がコイルに供給されていないとき、ばね７０の復元力は、可動部材８０を図１ａに示された位置へ戻す。この位置において、入口流は、廃棄チャネル６５まで妨げられることなく装置を通過する。この位置は、図１ａに示されている。電磁石４００が作動し、電流がコイルに流されると、磁界がコアに生じ、コアの極から出る。これらの極は、図１〜図７を通じて、極に関連した参照符号４０を有している。前述のように、可動部材８０の透過性部分１３０は、電磁石４００に向かって引き付けられ、これにより、可動部材８０を移動させ、入口チャネル１５における入口流は、瞬間的な流体圧力パルスによって選別チャネル３５へ方向転換される。この位置は、図１ｂに示されている。
特に、粒子圧力選別装置１の顕著な特徴は、選別チャネル３５と試料入口チャネル１５との間の非直交角度である。同様に、圧力チャネル８５と試料入口チャネル１５との間の鋭角であってもよい。
別の顕著な特徴は、圧力パルスを生じるための手段が、基板に搭載された構造であることである。言い換えれば、可動部材およびアクチュエータ８０は、基板上に微細加工されていてもよい。この可動部材またはアクチュエータ８０を動かすための手段は、この同じ基板に搭載されて製造されていてもよい。
別の顕著な特徴は、作動手段が電磁石であってもよく、動きが、透磁性特徴１３０と、この同じ基板に直接に取り付けられていない別個の電磁石４００との静電的相互作用によって生じるということである。
瞬間的な圧力パルスを用いる微細加工されたセルソータの別の顕著な特徴は、異なる平面にある廃棄チャネル６０であり、これは、特に図６に関連して後述される利点を有している。
しかしながら、これらの有利な特徴は全ての実施形態に見られなくてもよく、その存在または不存在は発明の範囲を規定しないことが理解されるべきである。その代わり、範囲は、添付の請求項によって規定される。
図２は、圧力パルスを用いる微細加工された粒子選別装置１０１の概略図である。この実施形態では、瞬間的な正の圧力パルスは、可動部材が、作動されるのではなく解放されたとき、目標粒子を逸らせてもよい。
図２において、図１ａおよび図１ｂの実施形態の場合のように、および後続の実施形態に関する場合であることもあるが、試料流は、試料入口リザーバ１０から進入し、入口チャネル１５を流れ、レーザクエリゾーン２０を通過する。前述のように、粒子は、レーザ放射によって問い合わせられてもよい。所望の目標粒子は、目標粒子に結合された蛍光タグの存在により、放射により蛍光を発してもよい。蛍光の存在または不存在から、目標粒子５または非目標材料のいずれが入口チャネル１５を通過しているかが判定されてもよい。目標粒子５が検出された場合、コンピュータは、アクチュエータに選別パルスを送信してもよい。コンピュータは、電磁石４００に通電してもよく、透過性材料１３０が電磁石４００に引き付けられる。可動部材８０の（作動時または作動からの解放時における）動きは、瞬間的な圧力パルスを圧力チャネル８５に生じさせてもよい。圧力パルスは、目標粒子を、廃棄チャネル６５および廃棄リザーバ６０内ではなく、選別チャネル３５内、最終的には選別リザーバ３０内へ押し込んでもよい。
特に、圧力選別機１０１の顕著な特徴は、可動部材が、作動されるのではなく解放されたとき、瞬間的な正の圧力パルスが目標粒子を逸らせてもよいということである。図１ａおよび図１ｂに示したように、フラップタイプのアクチュエータ８０ではなく、プランジャタイプのアクチュエータ８１が概略的に示されている。上述のように、透磁性材料１３０が可動プランジャ８１に埋め込まれていてもよく、基板上に製造された透過性特徴５０に向かって引き付けられてもよい。
この静電的相互作用により、電磁石４００が作動すると、プランジャ８１は透過性特徴５０に向かって引き付けられ、これにより、流体をチャネル８５へ吸い込み、試料チャネル内で瞬間的な負の圧力パルスを生じる。負の瞬間が終了すると、電磁石４００は消磁されてもよく、復元ばね７０によって提供される復元力によりプランジャ８１が元の位置へ戻る。この動きは、圧力チャネル８５に正の瞬間的な流体圧力を生じてもよく、この正の瞬間的な流体圧力は目標粒子５を選別チャネル３５内へ逸らせてもよい。
したがって、試料チャネル３５内で目標粒子を検出すると、アクチュエータ４００が作動されてもよく、極４０において磁束を発生させることによってプランジャ８１を引き付ける。粒子がレーザクエリ領域２０を通過し、選別チャネル３５と廃棄チャネル６５との交差箇所に到達した後、プランジャ８１は、瞬間的な正の圧力パルスによって目標粒子５を選別するように解放されてもよい。
したがって、圧力選別機１０１の制御アルゴリズムは、目標粒子が圧力チャネル８５の開口に現れるより十分に前に電流パルスを加え、選別するために電磁石を消磁させてもよい。代替的に、プランジャ８１は、一般に電磁石に電流を提供することによって、基本的に後退した位置に保持されていてもよい。次いで、プランジャ８１は、選別するために解放されてもよい。
重要な設計的考慮は、選別チャネル３５と廃棄チャネル６５との間の相対的な流体抵抗であることがある。通常、選別経路３５は、廃棄経路６５の流体抵抗の約３倍の流体抵抗を有していてもよい。選別チャネルおよび廃棄チャネルの両方に沿った実質的な流体流れは、瞬間的な圧力パルスを、流体流れに沿って向けられたベクトル上で有効に作用させるために必要とされる。粒子は、入口チャネル内で中心に位置していてもよく、通常、選別装置が作動し、目標粒子を選別チャネルに向かって押し付けない限り、廃棄オリフィスへ流れる。この中心配置は、粒子を流体流れ内のある領域に集中させるために、微細加工された流体マニホールドによって達成されてもよい。マニホールドは、試料入口およびシース流体チャネルを有していてもよい。次いで、組み合わされた流れは、粒子を流れの中の特定の平面に集中させる傾向がある、入口チャネルに接続された集中エレメント、ここではｚ−集中チャネルの周囲を流れてもよい。次いで、組み合わされた流れは、「ｙ−交差箇所」のような別の交差箇所を通過してもよく、これは、粒子の平面の上方および下方に付加的なシース流体を導入する。ｙ−交差箇所において、２つの流れは、ｚ−集中チャネル３３０に対して直交する実質的に逆平行方向からｚ−集中チャネル３３０に接続してもよい。この交差は、実質的に流れの中心において、粒子の平面を一点に圧縮してもよい。粒子をある体積に集中させることは、その位置における不確実性、ひいてはタイミングにおける不確実性を減らす傾向がある。したがって、このような流体力学的集中は、選別操作の速度および／または精度を改善することがある。
図２から分かるように、廃棄チャネル６５はかなり短くてもよく、過度に低い流体抵抗を有する、より大きな鉛直方向流れチャネルと流体連通していてもよい。これは、重要な設計的特徴であることがある。なぜならば、可動部材８０の後側における流体圧力は、可動部材を作動させることができる速度、ひいては選別機の速度に対する制限要因であることがあるからである。この背圧を最小限にすることによって、装置の速度が高められることがある。低い流体抵抗で流体連通した可動部材８０を有することにより、流体のこの大きな体積は、背圧を最小限に減らし、選別速度を最大限に高めてもよい。加えて、可動部材の後側への背圧を低下させることで、作動によって生じる入口流れに対する妨害を減らすことがある。流れ妨害の減少は、高い選別速度用途では特に重要である。
廃棄オリフィス６０は、製造平面に対して略直交して、すなわち試料チャネル１５および選別チャネル３５に対して直交して、かつ可動部材８０および８１の運動平面に対して直交して配置されていてもよい。これらの特徴は、発明の範囲にとって必要ではないが、発明は、これらの特徴に限定されると解釈されるべきではなく、これらの特徴は、ここで説明された実施形態の間で共通であってもよい。
図３は、瞬間的圧力選別機の別の実施形態１０２を示している。図３に示した実施形態では、選別機は、図２の実施形態１０１におけるような作動からの解放ではなく、可動部材８０の作動時に選別してもよい。
図３に示した実施形態１０２では、試料流は、やはり、入口リザーバ１０から進入し、入口チャネル１５を流れ、レーザクエリゾーン２０を通過してもよい。粒子は、粒子をレーザ放射することによって問い合わせられる。所望の目標粒子５は、目標粒子に結合された蛍光タグの存在により、放射により蛍光を発してもよい。蛍光の存在または不存在から、目標粒子または非目標材料のいずれが入口チャネル１５を通過しているかが判定されてもよい。目標粒子が検出された場合、コンピュータは、やはり、アクチュエータに選別パルスを送信する。これにより、選別機能が行われる。
実施形態１０２のための選別機能は、加圧された流体を圧力チャネル８５に押し込む、可動部材８０の後退であってもよい。圧力のこのパルスは、目標粒子５を試料チャネル１５から選別チャネル３５内へ方向転換してもよい。選別チャネル３５から、目標粒子は選別リザーバ３０に貯蔵されてもよい。やはり、作動手段は、電磁式であってもよく、可動部材８０は、磁束の拡散源に静電的に引き付けられる。
透過性特徴５０は、基板に埋め込まれていてもよく、外部の電磁石４００と相互作用してもよい。電磁石４００が作動すると、コアから、次いで、透過性特徴５０から出た磁束が、透過性の可動部材８０を透過性特徴５０に向かって引き付け、ばね７０をたわませる。電磁石が休止しているとき、図１ａおよび図１ｂに示したように、ばねが可動部材８０を元の位置へ戻す。
圧力チャネル８５内の圧力パルスは、目標粒子５を、試料チャネル１５の反対側に配置された選別チャネル３５へ押し込んでもよい。
図４は、瞬間的な圧力パルスを用いる粒子選別装置の別の実施形態１０３を示している。この実施形態の顕著な特徴は、瞬間的な圧力パルスが正および負の両方である、すなわち、一方の可動部材８０が、正の圧力パルスによって目標粒子５を押し込む一方で、別の可動部材８２は、負の圧力パルスによって目標粒子５を引き込む。
図４に示した実施形態１０３では、試料流は、やはり、入口リザーバ１０から進入し、入口チャネル１５を流れ、レーザクエリゾーン２０を通過してもよい。粒子は、粒子をレーザ放射することによって問い合わせられてもよい。所望の目標粒子５は、目標粒子５に結合された蛍光タグの存在により、放射により蛍光を発してもよい。蛍光の存在または不存在から、目標粒子５または非目標材料のいずれが入口チャネル１５を通過しているかが判定されてもよい。目標粒子５が検出された場合、コンピュータは、やはり、アクチュエータに選別パルスを送信する。これにより、選別機能が行われる。
信号に応じて、コンピュータは、目標粒子５がチャネル内に存在し、選別されるべきであることを判定してもよい。この場合、コンピュータは、電流発生装置に信号を送信してもよく、電流発生装置は、電磁石４００のコイル（図示せず）に電流を流してもよい。電磁石コア４０および４５は、透過性特徴５０および５５に進入する磁束を生じる。次いで、磁束は、特徴５０および５５の先端から出て、遠くの磁界において電磁石のＳ極へ戻る。
この磁束の発生の結果、可動部材８０および８２はそれぞれの透過性の極５０および５５に向かって引き付けられる。可動部材８０および８２により、圧力パルス（可動部材８０の場合には正、可動部材８２の場合には負）が試料流に加えられてもよく、可動部材８０からの正圧パルスは流体および目標粒子５を押し込み、可動部材８２からの負圧パルスは試料流体および目標粒子５を引き込む。しかしながら、両圧力パルスは、目標粒子５を選別チャネル３５内へ、最終的には選別リザーバ３０内へ促す傾向がある。瞬間的な圧力パルスを用いる粒子選別装置１００〜１０６は、目標粒子５を選別チャネル３５へ押し込む、目標粒子５を選別チャネル３５へ引き込むまたは目標粒子５を選別チャネル３５内へ押し込みかつ引き込んでもよい。その他の実施形態のように、復元ばね７０および７５は、可動部材８０および８２を元の位置へ戻してもよい。
したがって、図４に示した実施形態１０３は、「プッシュ−プル」タイプであってもよく、一方の可動部材８０が流体をチャネル３５へ押し込む一方で、他方の可動部材８２は流体をチャネル３５へ引き込む。図４に示した実施形態を用いて、押し込み可動部材８０および引き込み可動部材８２の両方は、１つの電磁コイル（図４には示されていない）によって作動されてもよい。したがって、幾つかの実施形態では、可動部材８０および８２の両方が、装置１０３の一方の側に配置された１つの電磁コイルによって作動されてもよい。電磁石４００は、基板自体の境界部の外側に配置されていてもよく、基板は、透磁性の極５０および５５を含む、構造の残りを含んでいる。したがって、幾つかの実施形態では電磁石モータであると理解されてもよい力発生手段４００は、機構の残りを支持する基板に機械的に取り付けられていなくてもよい。
図４に見られるように、プッシュ−プル構成は、閉じ込められたチャネル内で所定の体積の流体を前後に移動させるように構成されていてもよい。これは、より小さな体積の流体が移動されるという点で利点を有していてもよく、これにより、流体抵抗は最小限に減少し、選別速度が最大化される。また、入口流れの妨害が減少することがある。
図５は、瞬間的な圧力パルスを用いる粒子選別装置の別の実施形態１０４を示している。この実施形態の顕著な特徴は、押し込み可動部材（８０）と引き込み可動部材（８２）とによって交換される流体の体積が、図４に示した前の実施形態よりも実質的に小さいということである。
図５に示した実施形態１０４は、これもプッシュ−プルタイプの作動機構であるという点で、図４に示した実施形態と類似である。上記のように、図４に示した実施形態では、試料流は、入口リザーバ１０から進入し、入口チャネル１５を流れ、レーザクエリゾーン２０を通過してもよい。粒子は、粒子をレーザ放射することによって問い合わせられる。所望の目標粒子５は、目標粒子５に結合された蛍光タグの存在により、放射により蛍光を発してもよい。蛍光の存在または不存在から、目標粒子５または非目標材料のいずれが入口チャネル１５を通過しているかが判定されてもよい。目標粒子５が検出された場合、コンピュータは、やはり、アクチュエータに選別パルスを送信する。これにより、選別機能が行われる。
選別パルスが電磁石に加えられると、可動部材８０は、透過性特徴５０に向かって引き付けられてもよく、流体を右へ押し付け、選別チャネルへの入口において高圧の瞬間的な流体圧力領域８５を形成する。この高圧パルスは、目標粒子５を選別チャネル３５へ押し込む傾向がある。同時に、引き込み可動部材８２は、透過性特徴５５と相互作用してもよく、それにより、透過性の極５５に向かって引き付けられ、これが、流体をさらに選別チャネル３５に沿って吸い込む。この低圧パルスは、目標粒子５を選別チャネル３５へ引き込む傾向がある。流れは継続するので、目標粒子５は、最終的に選別リザーバ３０へ流入する。
図４に示した実施形態１０３と比較した、図５に示した実施形態１０４の１つの異なる態様は、透過性特徴５０および５２において磁界を駆動する電磁石が、チップの互いに反対側にあることが要求されることがあるということである。すなわち、一方の電磁石が、図の底部に配置されてもよく、他方の電磁石が、図の上部に配置される必要があることがある。これは、困難な製造問題を生じることがある。しかしながら、流体圧力チャネルにおける「死」容積は、８０と８２との間のより短い経路により、図４に示した実施形態１０３よりも、この実施形態１０４においてより小さいことがある。
図６は、圧力選別装置の別の実施形態１０５の概略平面図である。実施形態１０５の顕著な特徴は、可動部材８０が、流体の大きなリザーバと直接に流体連通しており、これにより、その移動に対して比較的小さな流体力学的抵抗があるということである。
図６では、試料流は、やはり、入口リザーバ１０において進入し、入口チャネル１５に沿って、レーザクエリ領域２０へ移動する。試料流は、目標粒子５および非目標材料を含んでもよい。クエリステーション２０において、目標粒子５に対応する信号が検出されると、コンピュータは、その粒子５を選別するために信号を提供する。信号に基づき、電磁石（図示せず）が励磁され、磁束が極４０から出て透過性特徴５０に進入する。明らかに示されていないが、図１ａおよび図１ｂに関して前に説明したように、可動部材８０は、部材８０に埋め込まれた透過性磁気材料１３０を有していてもよく、部材８０を磁束に応答させる。透過性特徴５０に存在する磁化により、可動部材８０は透過性特徴５０に向かって引き付けられ、これは、所定の体積の流体が圧力チャネル８５から可動部材８０によって選別チャネル３５内へ押し込まれることを強制する。より高圧の流体のこのパルスにより、目標粒子５が選別チャネル３５内へ、最終的に選別リザーバ３０内へ逸らされてもよい。可動部材８０が逸らされないとき、目標粒子は、妨げられることなく廃棄チャネル６０まで通過する。
この実施形態１０５では、廃棄チャネル６０は、選別チャネル３５および入口チャネル１５の平面から外れて配置されていてもよい。可動部材８０は、廃棄チャネル６０とすぐに流体連通していてもよい。なぜならば、構造およびその動きは、図６に示したように、開口６０の範囲と重なっていてもよいからである。したがって、廃棄チャネルは、チャネルの出口に取り付けられた大きな鉛直方向チャネルであるので、流れに対して過度に低い抵抗を有することがある。可動部材８０は廃棄チャネル６０と流体連通しているので、可動部材８０の動きに対するその抵抗は、最小限であってもよい。廃棄チャネル６０の寸法および配置を強調するために、廃棄チャネル６０は、図６および図７に破線で示されている。
図６に示した実施形態１０５は、可動部材８０が透過性特徴５０に向かって引き付けられたとき、高圧流体のパルスが入口チャネル１５内へ押し込まれる、通常開放装置である。したがって、目標粒子５がレーザクエリ領域２０において検出されると、選別チャネル３５と廃棄チャネル６５との交差箇所までの所定の時間のインターバルが考慮された後、電磁石４００が励磁されてもよく、瞬間的な高圧の流体パルスがこの交差箇所で発生する。この圧力パルスは、目標粒子５を選別チャネル３５内へ駆動することがある。
図７は、この新規の装置の別の典型的な実施形態１０６の平面図における概略図である。実施形態１０６の顕著な特徴は、可動部材８０の可動領域を増大させ、したがって、目標粒子における作用力を増大させるための、レバー、またはアームおよびジェット形成ノズルの使用である。
図７においてもやはり、入口リザーバは１０、選別リザーバは３０、廃棄リザーバは６０である。入口流は、入口オリフィス１０で進入し、入口チャネル１５に沿ってレーザクエリゾーン２０を通過する。目標粒子５および流れは、廃棄チャネル６５を介して廃棄チャネル６０に向かって継続する。目標粒子５がレーザクエリゾーン２０内で検出されると、コンピュータは、その粒子５を選別するために信号を提供する。信号に基づき、電磁石（図示せず）が消磁されてもよく、磁束は、透過性極片５０から消失する。極片５０の消磁により、可動部材８０は、極５０から解放され、製造されたときの位置へ戻り、所定の体積の流体が、ピストン領域から入口チャネル１５へ押し込まれる。より高圧の流体のこのパルスにより、目標粒子５が選別チャネル３５内へ、最終的に選別リザーバ３０内へ逸らされる。可動部材８０が逸らされないとき、目標粒子は、妨げられることなく廃棄チャネル６０まで通過する。装置は、代替的に、アクチュエータが励磁または消磁されたときのいずれかに圧力パルスを発生させるように設計されてもよいことが明らかであるべきである。
実施形態１０６の電磁アクチュエータ機構は、可動構造８０に埋め込まれた透過性特徴１３０から成っていてもよい。可動構造８０は、アーム９０によって可動構造８０に接続されたピストン状構造９５を有していてもよい。このアーム９０は、前の実施形態よりも、ピストン９５に、より大きな可動範囲もしくは運動範囲を提供することがある。この付加的な可動範囲は、圧力チャネル８５内へ噴射される加圧された流体の強さまたは体積を増大させてもよく、したがって、発生するジェットの速度を高める。
可動構造８０は、アーム９０、およびかなりきつく嵌っているチャネルまたは管９７内のピストン９５として構成されていてもよい（図８参照）。ピストン９５は、液体を、きつく嵌っているチャネルまたは管９７の端部に配置されたノズル１２０へ押し込む。流体はピストン９５によって圧縮されるので、流体の圧力が高まり、流体はノズル１２０へ押し込まれ、圧力チャネル８５内への高圧流体の噴射となる。この圧力により、入口流に浮かぶ目標粒子５は、選別チャネル３５内へ、次いで、選別リザーバ３０内へ押し込まれることがある。
図７に示した実施形態１０６は、廃棄チャネル６０が、下にある基板に形成された鉛直方向チャネルであるという点で、図５に示した実施形態と同様である。この直交ジオメトリの付加的な詳細は、引用したことによりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１６年６月２１日に発行された米国特許第９３７２１４４号明細書に示されている。
図８は、図７の実施形態１０６をより詳細に示している。図８では、入口チャネルは１０、選別チャネルは３０、廃棄チャネルリザーバは６０である。入口流は、入口オリフィス１０において進入し、入口チャネル１５に沿ってレーザクエリゾーン２０を通過する。目標粒子５および流れは、廃棄チャネル６５を介して廃棄チャネルリザーバ６０に向かって継続する。目標粒子５がレーザクエリゾーン２０内で検出されると、コンピュータは、その粒子５を選別するために信号を提供する。信号に基づき、電磁石（図示せず）は消磁され、磁束は、透過性極片５０から消失する。明らかに示されていないが、図１ａおよび図１ｂに関して前に説明したように、可動部材８０は、部材８０に埋め込まれた透過性磁気材料１３０を有していてもよく、部材８０を磁束に応答させる。極片５０からの磁化消失により、可動部材８０が極５０から解放され、これにより、所定の体積の流体がノズル領域２から選別チャネル３５内へ押し込まれる。より高圧の流体のこのパルスにより、目標粒子５が選別チャネル３５内へ、最終的に選別リザーバ３０内へ逸らされる。可動構造８０が逸らされないとき、目標粒子は、妨げられることなく廃棄チャネル６５まで通過する。
多くの実施形態では、復元ばね７０は、可動部材８０を非作動位置へ戻すために使用されてもよい。すなわち、作動力または作動機構が休止しているとき、可動部材８０を元の位置へ戻すための力が必要とされることがある。復元ばね７０は、可動部材の形成後に残された基板材料の峡部であってもよい。基板材料が単結晶シリコンであるならば、復元ばね７０も単結晶シリコンであることができる。その結果、ばねは、さらに、この材料の顕著な機械的特性により、かなり狭く、しかしながら剛性に形成されてもよい。しかしながら、その他のタイプの復元ばねが使用されてもよい、または可動部材は、反対方向に力発生機構によって力を加えることによって元の位置へ戻されてもよい。
やはり、電磁アクチュエータ機構は、可動構造８０に埋め込まれた透過性特徴１３０を有していてもよい。可動構造８０は、かなりきつく嵌っているチャネルまたは管９７内のピストン９５として構成されていてもよく、ピストン９５はアーム９０によって可動部材８０に接続されている。ピストン９５は、液体を、きつく嵌っているチャネルまたは管９７の端部に配置されたノズル１２０へ押し込んでもよい。流体はピストン９５によって圧縮されるので、流体の圧力が高まり、高圧流体のパルスにおいてノズル１２０から押し出される。流体は、入口チャネル１５内へ排出されてもよい。この圧力は、入口流に浮かぶ目標粒子５を、選別チャネル３５内へ、次いで、選別リザーバ３０内へ押し込んでもよい。
図８に示したように、ピストン９５の軸線と入口チャネル１５の中心線との間に所定の角度が存在してもよい。この角度は、参照符号３として図示されている。この角度は、性能に対して決定的な効果を有することがあり、図９を参照して後述する。したがって、この新規の装置における通路は、試料入口チャネルおよび／または廃棄チャネルに対して略直交していないことに留意すべきである。以下に説明するように、この非直交角度は、重要な設計的選択であってもよく、以下でさらに説明するように、装置の全体的な作動に有利な形式で影響することがある。
別の重要なパラメータは、ノズル１２０のための開口寸法である。より大きな開口は、加圧流体の体積を増大させることがあるが、圧力を減らし、かつ発生するジェットの狭さを減らすことがある。微細加工された入口チャネルおよび選別チャネルは、通常１つのファイル内に細胞サイズの粒子を受け入れるために十分な幅の、約２０ミクロン〜約５０ミクロンのオーダであってもよい。
典型的な実施形態では、ピストン幅１は約３０ミクロン、ノズル幅２は約４ミクロン、ノズル角度３は約４５度、チャネル幅（入口チャネルおよび選別チャネル）は約５０ミクロンである。
図９は、ノズル１２０が圧力の瞬間的なパルスを発生させるときの圧力チャネル内の流れのモデル化された詳細を示している。図９ａでは、ピストンは、ちょうど流体をノズル１２０から押し出し始めている。図９ｂでは、最大の瞬間的な圧力が発生し、目標粒子５を選別チャネル３５の開口に向かって押し付けている。図９ｃでは、圧力パルスはほとんど消失しており、目標粒子５は十分に選別チャネル３５内へ入っている。図９ｃにおいておよびその後、流れは、比較的妨げられない状態に戻り、次に説明するように、試料流の８０％は廃棄チャネルへ流入し、約２０％は選別チャネルへ流入する。
瞬間的圧力選別機において観察される効果のうちの１つは、アクチュエータからの圧力の提供が、加圧された流体を選別チャネル内へ噴射するということである。この流体圧力は、選別チャネル、試料チャネルおよび廃棄チャネルにわたって伝わり、入口チャネルにおける流速を減速させる。なぜならば、この流体圧力は、通常この流れに逆らうように作用するからである。この瞬間的効果は、チャネルに沿って流れる流量の不確実性を生じ、このことは、いつ目標粒子５が選別領域に到達するかのタイミングに影響し、したがって、瞬間的効果は、選別における不確実性を生じる。したがって、瞬間的圧力パルスの作用（あらゆる発生源からの）は、それによって装置が作動されてもよい選別装置または選別速度の純度または歩留まりの低下を生じることがある。
図１０ａおよび図１０ｂはこの効果を示している。図１０ａは、ノズル角度に関する入口流量の逸れのプロットを示している。高流量ジェットがノズルから出るとき、圧力がチャネル内の流れに抵抗することがあり、レーザクエリゾーン２０およびノズル領域１２０内の流速を減速させる。言い換えれば、入口流量は、ジェットが作動すると減少することがあり、減少の大きさは、ノズル角度に依存することがある。流量のこの変化により、試料チャネル１５内の目標粒子５の速度はより不確実性を有している。これは、後続の粒子のタイミングに不確実性を付加し、これにより、粒子を選別することができる速度を制限する。図１０ａに見ることができるように、摂動の大きさは、ノズルがチャネルに対して形成する角度に依存する。９０度の角度（直交）では、摂動は深刻である。４５度では、摂動は、約３〜５倍減じられる。より小さなノズル角度は、入口流をより摂動させない。したがって、次に選別される細胞のための速度測定は、より正確になる。しかしながら、０°では、目標粒子５を選別することは不可能である。なぜならば、選別された粒子が進入することができる特有の流れチャネルが存在しないからである。言い換えれば、選別チャネルは廃棄チャネルと同じであり、それにより、選別は不可能であり、または少なくとも選別純度が、角度がより浅くなるほど著しく悪化することがある。プッシュ−プル構成を用いることにより、入口流体流量の摂動をほぼゼロに減らすことが可能である場合があることに留意すべきである。なぜならば、押付け部材による減速が、引き付け部材による加速によって相殺されることがあるからである。
最適化研究は、最適性能が約４５度のノズル角度で達成されることを明らかにしている。より大きな角度では、流量摂動はより大きくなり、選別精度を低下させる。より小さな角度では、目標粒子を選別チャネルへ駆動する有効な力が減少する。また、選別精度も低下する。なぜならば、意図しない粒子が不意に選別チャネルへ流入する可能性があるからである。図１０ｂは、選別チャネルと、試料入口および廃棄チャネルとの間の角度への機能的依存を示している。図１０ｂに示したように、約４５度の最適角度が存在し、流れチャネルの圧力摂動が最小限に減少し、これにより、圧力パルスの有効性が最大化される。有効範囲は、約３０〜約６０度であってもよいが、約４５度が最適である。
したがって、ノズル角度は、入口流摂動および選別効率の両方に影響することがある。角度がより小さくなるに従い、ジェットはより有効でなくなり、目標粒子５を選別チャネルに押し込むことができないことがある。その結果、約４５度であってもよいノズル角度の場合に最適値があってもよい。
図１１は、選別機構の下流の出口チャネルの間の相対流量、すなわち流体の流れに対する経路の相対抵抗を示す概略図である。図１１では、水平のチャネルは廃棄経路であり、傾斜したチャネルは選別経路である。見られるように、前に説明した、廃棄／入口経路と選別経路との間の角度が存在する。しかしながら、別の重要な設計的考慮は、他方に対する一方の経路の流体抵抗である。特に、選別経路の流体抵抗は、廃棄経路の流体抵抗の倍数であるべきである。実際、廃棄経路抵抗に対する選別経路流体抵抗の比は、５のオーダにおける数字であるべきであることが示されている。チャネル内への著しい流れにより、比較的穏やかな瞬間的圧力パルスが、目標粒子５を選別チャネルへ流入させることができる。すなわち、選別チャネル内の流れに対する抵抗は、廃棄経路内の流れに対する抵抗より５倍のオーダで大きくあるべきであり、これにより、選別経路よりも廃棄経路へ５倍多い流体が流入する。したがって、幾つかの実施形態では、流れの２０％は選別チャネルへ流入してもよく、８０％は、通常、廃棄チャネルへ進入する。選別チャネルへの流れが少なすぎると、圧力パルスは、目標粒子を選別チャネル内へ移動させることに対して有効でなくなる。
選別経路流体工学抵抗Ｒsおよび廃棄Ｒwの正しい比を有することが重要であることがある。別の実施形態では、これらの量Ｒs／Ｒwのための比は、５のオーダであってもよい。選別経路に沿った多すぎる流れは、（作動さえなしに）選別リザーバへ移動する望ましくない粒子を結果として生じ、選別経路内の大きすぎる抵抗は、瞬間的圧力パルス選別を有効でなくする。
選別装置１０，１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５および１０６は全て、類似のリソグラフィプロセスを用いて形成されてもよい。透過性の埋め込まれた特徴は、例えば、基板の表面からエッチング除去された凹みにめっきされてもよいニッケル−鉄パーマロイ（５０〜８０％Ｎｉおよび４０〜２０％Ｆｅ）であってもよい。埋め込まれた材料１３０が、オーバーめっき（基板の表面のレベルより高くめっき）されているならば、埋め込まれた材料１３０は、例えば化学機械的研磨によって平坦に研磨されてもよい。
可動部材８０および８２は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板のデバイス層を通じて深掘り反応性イオンエッチングによって形成されてもよい。可動構造は、エッチングされた輪郭の下の二酸化ケイ素層をエッチング除去することによって解放されてもよい。マイクロ流体チャネルも、ＤＲＩＥを用いてデバイス層に形成されてもよい。チャネルは、光学的に透明な材料のルーフによってシールされてもよく、これにより、レーザ励起は、レーザクエリ領域２０へ送られてもよい。ホウ珪酸塩ガラスは、微細加工された入口、選別および廃棄チャネルをカバーするための許容可能な透明材料であってもよい。
可動部材８０および８２は、ＳＯＩ基板のデバイス層から形成されていてもよいので、これらの構造は、著しく有利な機械的特性を有する単結晶シリコンを含んでもよい。これらの特徴には、極めて高い剛性、高いこわさおよび低いクリープが含まれる。この材料は、可動部材８０を残りの基板に取り付けてもよい復元ばね７０および７５の形成のために特に有利であることがある。このばね７０および７５は、著しく薄くかつ可撓性に、ただし破壊およびクリープに対する抵抗の観点から極めて信頼できるように形成されてもよい。
鉛直方向廃棄チャネル６０は、付加的な基板に孔を形成し、付加的な基板をＳＯＩウェハに接着することによって形成されてもよい。これらのデバイスの製造に関する付加的な詳細は、２０１６年６月２１に発行された米国特許第９３７２１４４号明細書に見られることがある。
基板に製造され、流体流れ内を流れる非目標材料から目標粒子を分離させてもよい微細加工された粒子選別装置が説明される。粒子分離装置は、やはり同じ基板上に製造された、非目標材料から目標粒子を区別する信号を生成する検出領域と、試料入口チャネルと、選別チャネルと、廃棄チャネルとを有していてもよく、目標粒子は、流体圧力の瞬間的なパルスによって、廃棄チャネルでなく選別チャネル内へ送り込まれ、圧力のパルスは、試料入口チャネルと同じ基板に製造されたアクチュエータによって発生される。
瞬間的パルスは、周囲流体より高い圧力を有していてもよく、より高い圧力は目標粒子を選別チャネルへ押し込む。代替的に、瞬間的パルスは、周囲流体より低い圧力を有していてもよく、より低い圧力は目標粒子を選別チャネルへ引き込む。代替的に、瞬間的パルスは、周囲流体よりも、１つの位置におけるより高い圧力および別の位置におけるより低い圧力を有していてもよく、より高い圧力およびより低い圧力は目標粒子を選別チャネルへ方向付ける。瞬間的パルスは、基板に形成された、テーパしたノズルの先端部で発生してもよく、テーパしたノズルおよび選別チャネルは、廃棄チャネルに対して非直交角度で配置されており、かつレーザクエリ領域の下流に、互いに対して廃棄チャネルを横切って配置されている。角度は、３０〜６０度であってもよい。
アクチュエータは、静電力、電磁力および圧電力のうちの少なくとも１つに基づいて作動してもよい。廃棄チャネルは、選別および試料入口チャネルを含む平面に対して実質的に直交して配置されていてもよい。テーパしたノズルは、約３ミクロン〜１５ミクロンの幅を有していてもよい。流体流れは、アクチュエータが休止状態へ解放されながら（通常はオンである）選別チャネルへ逸らされてもよい。流体流れは、アクチュエータが休止状態から作動状態へ駆動されながら（通常はオフである）選別チャネルへ逸らされてもよく、試料入口流れは、アクチュエータが休止状態にあるとき（通常はオンである）選別チャネルへ流れてもよい。
アクチュエータは、外部電磁石と、可動部材に埋め込まれた透過性材料との間に生じる電磁力によって作動される。可動部材は、外部電磁石の励磁に応答して移動してもよく、試料入口チャネルおよび選別チャネルをも含む平面内で移動し、外部電磁石と、可動部材に埋め込まれた透過性材料との間に生じる電磁力によって作動される。
可動部材は、可動部材の形成後に残留する基板材料の峡部によって、基板にしっかりと接続されていてもよく、この基板材料の峡部は、電磁石が消磁されたときに可動部材を元の位置へ戻すための復元力を提供する。可動部材は、その移動の少なくとも一部にわたって、廃棄チャネル上に配置されていてもよく、これにより、通路は、可動部材が平面内の所定の位置に位置したまま目標粒子が試料入口チャネルから廃棄チャネルへ流れるために存在する。
検出領域は、レーザ放射が試料流へ提供されるレーザ呼びかけ領域であってもよい。試料流は、識別光学信号を送信するために、レーザ放射と相互作用する蛍光タグがタグ付けされた、浮遊した目標粒子を含んでもよい。検出領域は、目標粒子を非目標材料から識別するために、目標粒子の機械的、光学的、電気的、磁気的または化学的特性のうちの少なくとも１つを測定してもよい。外部電磁石は、Ｎ極およびＳ極を有する１つの透過性コアの周囲に巻き付けられたコイルを有していてもよく、磁束は、Ｎ極から出て、空間を通過し、透過性コアのＳ極へ戻る。
上記において概説した典型的な実施態様に関連して様々な詳細を説明してきたが、様々な代替例、変更例、変化例、改良および／または実質的な均等物が、既知であるか、現時点で予測されていないまたは現時点で予測されることがあるかにかかわらず、上記開示を検討することによって明らかになることがある。したがって、上記した典型的な実施形態は、例示的であり、限定的でないことが意図されている。

Claims (20)

  1. 流体流れ内を流れる非目標材料から目標材料を分離する、基板上に製造された、微細加工された粒子選別装置であって、粒子分離装置は、
    前記非目標材料から前記目標粒子を区別する信号を生成する検出領域と、
    やはり同じ前記基板上に製造された試料入口チャネルと、選別チャネルと、廃棄チャネルとを有しており、前記目標粒子は、流体圧力の瞬間的なパルスによって、前記廃棄チャネルでなく前記選別チャネル内へ送り込まれ、圧力のパルスは、前記試料入口チャネルと同じ前記基板に製造されたアクチュエータによって発生される、微細加工された粒子選別装置。
  2. 前記瞬間的パルスは、周囲流体より高い圧力を有しており、該より高い圧力は、前記目標粒子を前記選別チャネルへ押し込む、請求項１記載の微細加工された粒子選別装置。
  3. 前記瞬間的パルスは、周囲流体より低い圧力を有しており、該より低い圧力は、前記目標粒子を前記選別チャネルへ引き込む、請求項１記載の微細加工された粒子選別装置。
  4. 前記瞬間的パルスは、周囲流体よりも、１つの位置におけるより高い圧力および別の位置におけるより低い圧力を有しており、前記より高い圧力および前記より低い圧力は、前記目標粒子を選別チャネルへ方向付ける、請求項１記載の微細加工された粒子選別装置。
  5. 前記瞬間的パルスは、前記基板に形成されたテーパしたノズルの先端部で発生し、前記テーパしたノズルおよび前記選別チャネルは、前記廃棄チャネルに対して非直交角度で配置されており、かつレーザ呼びかけ領域の下流に、互いに対して前記廃棄チャネルを横切って配置されている、請求項１記載の微細加工された粒子選別装置。
  6. 前記角度は、３０〜６０度である、請求項１記載の微細加工された粒子選別装置。
  7. 前記アクチュエータは、静電力、電磁力および圧電力のうちの少なくとも１つに基づいて作動する、請求項１記載の微細加工された粒子選別装置。
  8. 前記廃棄チャネルは、前記選別チャネルおよび前記試料入口チャネルを含む平面に対して実質的に直交して配置されている、請求項１記載の微細加工された粒子選別装置。
  9. 前記テーパしたノズルの幅は、３ミクロン〜１５ミクロンである、請求項５記載の微細加工された粒子選別装置。
  10. 前記流体流れは、前記アクチュエータが休止状態へ解放されながら（通常はオンである）前記選別チャネルへ短時間で逸らされる、請求項１記載の微細加工された粒子選別装置。
  11. 前記流体流れは、前記アクチュエータが休止状態から作動状態へ駆動されながら（通常はオフである）前記選別チャネルへ短時間で逸らされる、請求項１記載の微細加工された粒子選別装置。
  12. 前記試料入口流は、前記アクチュエータが休止状態において（通常はオンである）、前記選別チャネルへ流れる、請求項１記載の微細加工された粒子選別装置。
  13. 前記アクチュエータは、外部電磁石と、可動部材に埋め込まれた透過性材料との間に生じる電磁力によって作動される、請求項１記載の微細加工された粒子選別装置。
  14. 前記可動部材は、前記外部電磁石の励磁に応答して移動し、前記試料入口チャネルおよび前記選別チャネルをも含む平面内で移動し、前記外部電磁石と、前記可動部材に埋め込まれた透過性材料との間に生じる電磁力によって作動される、請求項１３記載の微細加工された粒子選別装置。
  15. 前記可動部材は、該可動部材の形成後に残留する基板材料の峡部によって、前記基板にしっかりと接続されており、この基板材料の峡部は、前記電磁石が消磁されたときに前記可動部材を元の位置へ戻すための復元力を提供する、請求項１４記載の微細加工された粒子選別装置。
  16. 前記可動部材は、その移動の少なくとも一部にわたって、前記廃棄チャネル上に配置されており、これにより、通路は、前記可動部材が平面内の所定の位置に位置したまま前記目標粒子が前記試料入口チャネルから前記廃棄チャネルへ流れるために存在する、請求項１５記載の微細加工された粒子選別装置。
  17. 前記検出領域は、レーザ放射が前記試料流へ提供されるレーザ呼びかけ領域である、請求項１記載の微細加工された粒子選別装置。
  18. 前記試料流は、識別光学信号を送信するために、前記レーザ放射と相互作用する蛍光タグがタグ付けされた、浮遊した目標粒子を含む、請求項１７記載の微細加工された粒子選別装置。
  19. 前記検出領域は、前記目標粒子を前記非目標材料から識別するために、前記目標粒子の機械的、光学的、電気的、磁気的または化学的特性のうちの少なくとも１つを測定する、請求項１記載の微細加工された粒子選別装置。
  20. 前記外部電磁石は、Ｎ極およびＳ極を有する１つの透過性コアの周囲に巻き付けられたコイルを有しており、磁束は、前記Ｎ極から出て、空間を通過し、前記透過性コアの前記Ｓ極へ戻る、請求項１３記載の微細加工された粒子選別装置。
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