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CN104884934A - 用于微流体微粒定向和/或分选的方法和系统 - Google Patents

用于微流体微粒定向和/或分选的方法和系统 Download PDF

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CN104884934A CN201380048702.0A CN201380048702A CN104884934A CN 104884934 A CN104884934 A CN 104884934A CN 201380048702 A CN201380048702 A CN 201380048702A CN 104884934 A CN104884934 A CN 104884934A
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Abstract

一种用于在微流体系统中定向微粒的系统包括被布置为将微粒暴露于辐射压力以使所述微粒采用该流体中的特定定向的一个或多个辐射压力源。一种用于在微流体系统中分选微粒的系统，包括：检测级，被布置为检测通过所述检测级的所述流体流中的微粒间的至少一种差异或鉴别所述微粒；所述微粒顺序移动通过的一个或多个辐射压力源；以及被布置为切换辐射能量使得所述流体流中被选微粒的移动方向改变以便分选所述微粒的控制器。所述微粒可以是诸如精子的生物微粒。所述辐射压力可以是光压力并且来自可以延伸跨过所述微流体系统的通道的一个或多个波导。

Description

用于微流体微粒定向和/或分选的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于在微流体系统内微粒定向和/或分选的方法和系统。
背景技术
商用和学术医疗以及生物技术的发展已经导致了对生物细胞分选的强烈关注。已经出现了两种主要方法，即批量分离和单细胞分选，这两种方法使用具有特定物理化学(即大小、体积、光散射性等)、免疫或功能特性的目标子集来丰富细胞群。批量分选通常侧重于单个鉴别细胞特征。例子包括细胞过滤、离心/沉淀以及基于亲和力的淘选方法。批量分选的主要缺点在于纯度较低、分选过程中的细胞损失、难以分选出相对罕见的细胞、以及难以在类似的亚群细胞之间进行鉴别。然而，批量分选是一种提供高产量的相对简单的方法。相比之下，单细胞方法(其中最重要的是凭借流式细胞仪的荧光激活细胞分选(FACS))单独检查每个细胞以把用于隔离的期望亚群作为目标，并在随后将该亚群引导至不同的输出流。产量的降低由如下主要优点所补偿：可调谐到期望结果的分选特异性、通常更高的细胞回收、分选稀有或仅仅弱鉴别的细胞群的能力、以及基于多个细胞特征阵列(即若干类型的表面受体，每种用不同的荧光标记物标记)的多目标分选的可用性。FACS流式细胞计数法所面临的一个重要的挑战是由流体中的某些细胞(剪切应力)和分选(电场损伤)处理引起的损伤。一个重要的例子是可以归因于这些破坏性物理处理的被分选精子样本的生育力降低。
在农业领域，细胞鉴别对于通常进行人工授精的畜禽品种(例如牛)尤为重要。使用性别已知的精液便于出于商业利益来控制后代性别。当前商用的重要的精子分选方法使用FACS流式细胞仪，其中通过精子的DNA含量差别来鉴别精子。使用荧光染料把每个精子的DNA与DNA含量成比例地着色。由于X染色体比Y染色体更大(即具有更多的DNA)，因此“雌性”(携带有X-染色体)精子将比“雄性”(携带有Y-染色体)精子吸收更大量的染料，并且由此在位于流式细胞仪期间暴露于UV光时，将比Y精子发出具有更高强度的荧光。在检测或鉴别之前，精子可被流体动力学定向，并且精子可以被分离到随后可以带电的单独小滴中。在检测或鉴别之后，精子可通过电场—带电小滴相互作用来分选。
发明内容
在一个方面广义而言，本发明包括一种在微流体系统中定向微粒的方法，包括在微流体系统中将微粒暴露于辐射压力以使微粒中的至少多数在该流体中采用特定定向。
在另一个方面广义而言，本发明包括一种在微流体系统中定向微粒的系统，该系统包括一个或多个辐射压力源，该辐射压力源被布置为把微流体系统中的微粒暴露于辐射压力，以使微粒中的至少多数在该流体中采用特定定向。
所述微粒可以是生物或非生物微粒。典型地，所述微粒是不对称微粒。不对称可以是导致与入射辐射的不对称相互作用的任何物理属性，包括但不限于微粒物理尺寸的不对称。在某些实施例中，所述微粒例如可以是精子、红血细胞或细菌等。
所述辐射压力可以是光压力并且可以来自一个或多个波导，所述一个或多个波导可以延伸跨过微流体系统的通道，例如从上方、下方跨过或跨过通道的侧壁，或者可以从上方、下方或侧面邻接通道。所述一个或多个波导可以是连接至光源(诸如激光器)以传输光并生成辐射压力(也被称为光学力、光子压力或电磁压力)的一个或将多个光波导。所述一个或多个波导可以被制造作为生产微流体系统的固有处理的一部分，或者可被作为光纤单元插入最终系统构造中。
一种如上所述用于定向微粒的微流体系统还可以包括用于将所述微粒聚焦和/或单独分离到所述通道内特定位置的前级。这一系统可以是基于流体动力学或辐射压力的。
在另一个方面广义而言，本发明包括在一种在微流体系统中分选微粒的方法，包括：
·检测微粒间的至少一种差异或鉴别所述微粒，以及
·基于来自所述检测或鉴别的输入，切换所述微粒顺序移动通过的一个或多个辐射压力源，由此改变流体流中所选微粒的移动方向以分选所述微粒。
所述微粒可被引导至两个或多于两个的不同输出装置。
所述一个或多个辐射压力可以是一个或多个波导，所述一个或多个波导可以延伸跨过所述微流体系统的通道，例如从通道的上方、下方跨过或跨过通道的侧壁，或者可以从上方、下方或侧面邻接通道。
检测微粒间的至少一种差异或鉴别所述微粒的步骤可以包括用于评估所述微粒的特性的光学技术，所述技术可以是基于荧光的检测技术。
所述方法还可以包括单个化微粒流，并且还可以包括将所述微粒聚焦至所述通道内的特定位置。所述力可以是基于流体动力学或辐射压力的。
所述方法还可包括在检测之前首先使得所述微粒的至少多数采用所述流体中的特定定向，其中所述微粒是不对称微粒。所述定向步骤可以包括将所述微粒暴露于诸如如光压力的辐射压力以使所述微粒的至少多数采用所述流体中的特定定向。
在另一个方面广义而言，本发明包括在一种在微流体系统中分选微粒的系统，包括：
·检测级，被布置为检测通过所述检测级的所述流体流中的微粒间的至少一种差异或鉴别所述微粒，以及
·所述微粒顺序移动通过的一个或多个辐射压力源以及被布置为基于来自所述检测级或鉴别级的输入而进行切换的控制器，所述一个或多个辐射压力源中的辐射能量使得所述流体流中被选微粒的移动方向改变，以便分选所述微粒。
所述系统可被布置为切换或分选所述微粒，以使得每个微粒都被引导至两个或多于两个的不同输出装置之一。
所述一个或多个辐射压力可以是一个或多个波导，所述一个或多个波导可以至少延伸在中途跨过所述微流体系统的通道，例如从通道的上方、下方跨过或跨过通道的侧壁，或者可以从上方、下方或侧面邻接通道。
所述检测级可被布置为通过诸如基于荧光的检测技术的光学技术来检测或鉴别微粒。
所述微粒可以是生物或非生物粒子。典型地，所述微粒是不对称微粒。不对称可以是导致与光学力进行不对称相互作用的任何物理属性，包括但不限于物理尺寸的不对称。在某些实施例中，微粒例如可以是精子、红血细胞、细菌或纳米颗粒等。
一种如上所述用于定向微粒的微流体系统还可以包括用于单个化所述微粒流的前级并且还可以包括将所述微粒聚焦到所述通道内特定位置的前级。这一系统可以是流体动力学或光学的。
所述系统还可以包括被布置为使得所述微粒的至少多数首先采用所述流体中的特定定向的定向级，尤其在所述微粒是不对称微粒的情况下。所述定向级可以包括被布置为使用以将微粒暴露于诸如如光压力的辐射以使所述微粒的至少多数采用所述流体中的特定定向的一个或多个波导。
在另一个方面广义而言，本方面包括一种用于鉴别精子性别的微流体系统，包括：
·一个或多个定向辐射压力源，被布置为将精子暴露于压力以使单个精子采用所述流体内的共同定向，
·基于荧光的检测级，被布置为鉴别通过所述检测级的流体流中的雄性和雌性精子，以及
·单个精子顺序移动通过的一个或多个切换辐射压力源，以及
·控制器，被布置为接收来自所述检测级的输入并且控制所述一个或多个切换辐射压力源中的辐射能量，以分别引导雄性和/或雌性精子。
一种如上所述用于定向微粒的微流体系统还可以包括用于单个化精子流的前级以及用于将所述精子聚焦到所述通道内特定位置的前级。这一系统可以是流体动力学或光学的。
在本说明书中使用的术语“包括”指的是“至少部分由如下组成”。当在本说明书中解释包括该术语的语句时，每个语句中由该术语开始的特征都需要存在，但其他特征也可以存在。诸如“包括”和“被包括”的相关术语也以相同方式解释。
附图说明
本发明还参考如下附图进一步描述：
图1示例性地示出了一种用于微粒分选的本发明的微流体系统的实施例，
图2a和2b示例性地示出了用于微粒定向的实施例，其中单个波导(图2a)或多个波导(图2b)从通道的上方、下方或通道的侧面邻接所述微通道，
图3a和3b示例性地示出了其中单个波导(图3a)和多个波导(图3b)从通道的上方、下方跨过微通道或沿着通道的侧壁延伸的用于微粒定向的实施例，
图4a和4b示例性地示出了用于分选或切换微通道内流体流中的被选微粒的实施例，其中多个波导从所述通道的上方、下方或侧面邻接所述通道，
图5a和5b示例性地示出了用于分选或切换微通道内流体流中的被选微粒的实施例，其中多个波导从所述通道的上方、下方跨过所述通道或沿着通道的侧壁延伸，
图6a示出了用于执行精子定向和分离的本发明的微流体芯片的实施例，并且图6示出了单个分选芯片的阵列可被布置用于根据性别分选精子的大规模并行微流体实现，
图7a和7b是在有关实验工作的后续描述的FEM模拟中使用的计算几何形状，图7a-在水中距波导末端40μm沿着该波导光轴放置的椭圆柱，以及图7b-在SU8光环氧树脂波导之上与波导间隔微小间隙放置的椭圆柱，
图8示出了有关实验工作的后续描述的与波导末端相距各种距离的水中椭圆柱的扭矩，
图9示出了有关实验工作的后续描述的在波导之上3个分离距离处的水中椭圆柱的扭矩，
图10示出了有关实验工作的后续描述的针对各种分离距离的在垂直定向上的波导末端处的水中椭圆柱上的Fx和Fy力，
图11示出了有关实验工作的后续描述的针对各种分离距离的在波导上方的水中椭圆柱的Fx和Fy光学力，
图12a-c示出了有关实验工作的后续描述的当微粒在微流体通道内流经波导末端的一端时由光场引起的对称微粒位移，
图13a和b示出了有关实验工作的后续描述的当微粒在微流体通道内流经波导末端的一端时由光场引起的不对称微粒位移以及由光场引起的定向，以及
图14示出了作为对称微粒(图14a)和不对称微粒(图14b)的微粒流速度的函数的测得的位移效率。
具体实施方式
参见图1，通常被设置在微流体芯片上用于微粒定向和分选的微流体系统包括对可以是荧光性的鉴别特征的聚焦、定向和检测级，以及定时和切换级，所述各级沿着微粒随着流体流在通道中流动的微通道依次从一级到下一级。
在所示的实施例中，流体动力学聚焦和/或单个化级1将微粒布置到所述通道的特定位置内。
如果微粒是不对称的(例如，精子)，则微粒的初始定向可以是随机的，并且定向级2将基本上全部或至少多数微粒定向到相对于通道几何形状预定的共同定向上。在示意图中，微粒被示出为垂直定向。在优选实施例中，微粒在定向级如将进一步描述地被诸如来自光波导的光学力定向。一个或多个波导可以延伸跨过通道，例如跨过上方、下方或沿着通道的侧壁，或者可以从通道的上方、下方或侧面邻接通道。波导可以形成通道壁的一部分，也可以与微流体腔物理分隔开。
在该实施例中，检测级3是基于荧光的检测级，微粒事先被荧光染料着色，荧光检测级3评估每个微粒的荧光强度并将荧光信息传递给定时级4和切换级5，后者切换或分选微粒以使得每个微粒被引导至两个不同输出装置6和7之一。定时级4和切换级5由电子控制器15控制。例如，微粒可以是精子，并且例如雄性精子可被引导至输出装置6而雌性精子则被引导至输出装置7。作为替换，微粒可被分选，由此从特定应用中非期望的其他特定类型中选择一种期望微粒类型，例如选择红血细胞，并且在这类实施例中，期望微粒被引导以供收集或进行进一步处理，而非期望微粒可以被引导至废弃装置或通向废弃装置的出口或一些其它处理。
微粒从源8进入微流体系统。在图中，源8以及输出装置6和7是示意性地示出为例如用于包含微粒的腔的收集容器，但是微粒可以从在前处理级的一个或多个微流体通道进入系统或微流体系统的分选部，并且离开分选部进入将微粒携带至例如用于其他后续处理的微流体通道。
图2a和2b示例性地示出了其中可在图1系统的定向级2中使用的单个波导(图2a)或多个波导(图2b)从通道一侧(上方、下方或从任一侧面)邻接微通道的用于微粒定向的实施例。在图2a中，连接至源(诸如激光器)的辐射波导9(诸如光纤)从通道的一侧邻接该通道。波导可以形成通道壁的一部分，也可以与微流体腔物理分隔开。在不对称微粒以随机定向经过波导9的末端时，这些微粒受到光学力，所述光学力使得不对称微粒以共同的预定方向定向。在图2b的实施例中，微粒通过累积的方式定向微粒的一系列的三个波导9a-9c。来自第一波导9a的光学力可以使得每个微粒开始朝向期望定向旋转，而来自后续波导9b和9c的光学力继续引起微粒朝向期望定向移动。虽然图2a示出了邻接通道侧面的单个波导，而图2b则示出了邻接通道侧面的三个波导，但是替换实施例可以包括两个或者三个以上的波导，并且波导可以从上方、下方或从任一侧邻接通道。
波导可以被制造为该设备的一部分(即，原地)或者可以在设备组装期间被插入(例如，光纤部件)。典型地，波导可以施加光波长范围从可见到近红外(500nm-2μm)的光学力，并且激光源将会是输出功率小于1W/波导的CW发射源，以最小化每次与微粒相互作用时施加的光学力。激光的发射可被电子地控制，由此按需开启和关闭，以生成微米到毫秒时间尺度的脉冲。
图3a和3b示例性地示出了其中单个波导10a(图3a)或多个波导10a-10d(图3b)从微通道的上方或下方延伸跨过所述通道的用于微粒定向的实施例，一个或多个波导延伸到微通道的上方、下方或沿着微通道侧壁延伸，以使得微粒经过波导附近并由此受到从波导散发的辐射的作用，该辐射施加光子压力以定向上述微粒。光学辐射可以如图所示从耦接透镜12施加至一个或多个波导。
上述基于波导定向的实施例优于例如通常使用常规流式细胞仪鉴别精子性别的经由流体动力学压力进行微粒定向的益处在于，施加至诸如精子的用于将其定向的力更小，由此在微粒定向期间或作为结果得到的微粒损伤的概率更低。这对于图2b和3b的实施例而言尤其如此，图2b和3b的实施例经由一系列相续波导来定向微粒，各个波导施加的辐射压力比使用来自单个波导的辐射压力来定向微粒所需的压力更低。这对于诸如精子和细胞等的生物微粒而言尤为有益。
图4a和4b示出了分选或切换所选微粒以改变微通道中流体流内的移动方向的实施例，其中多个波导11a-11e从通道一侧(或上方或下方)邻接通道。图5a和5b示出了分选或切换所选微粒以改变微通道中流体流内的移动方向的实施例，其中多个波导从在通道上方或下方或沿着通道的一侧延伸跨过所述通道。在荧光检测级3(图1)之后，在切换级4(图1)中，每个微粒经过从图4a和4b的一侧进入微通道的一系列波导11a-11e，或是在图5a和5b的实施例中在微通道上方或下方经过的波导13a-13d。图4a、4b、5a和5b中的波导可以形成通道壁的一部分，也可以与微流体腔物理分隔开。
参见图4a和图5a，当期望被切换至特定输出装置6或7的微粒通过切换级5(参见图1)时，连接至各波导11a-11e或13a-13d的能量源被打开。随着微粒通过第一波导，微粒被光学力偏转，并且随着微粒通过后续波导而被进一步偏转。所有波导可以例如图5a和5b所示通过耦接透镜12由一个公共激光源一并激励，或者在更高速系统中，微粒移动可以在时间上与各个波导11a-11e或13a-13d的切换一致，由此每个波导可以随着被选微粒通过各单独的波导而被逐个激励。接收来自定时级4(见图1)的一个或多个输入的控制器6(见图1)在被选微粒通过切换级时顺序激励各切换波导。在示出的实施例中，存在通过通道的层流，并且参见图4a和5a，波导在被激励时动作以使得被选微粒从朝向位于一侧的输出装置7的流中偏转跨过流边界并进入朝向输出装置6的流。在波导未被激励时，不存在微粒偏转，因此微粒如图4b和5b所示朝向输出装置7继续移动。在示出的实施例中，系统被布置为切换或分选微粒以使得每个微粒都被引导至两个输出装置6和7之一，但是在替换实施例中，系统可被布置为在多于两个的不同输出(诸如三个或四个输出)之间切换或分选微粒。例如，波导在被顺序激励时可将被选微粒从位于一侧的流中偏转跨过第一流边界并进入第二流，并在随后跨过第二流边界并进入朝向第三输出装置的第三流。切换或分选例如可以基于微粒的三元特征而非二元特征。同样在替换实施例中，波导可以操作以使得被选微粒偏转进入例如一个或多个不同的通道而非进入收集容器。
图6a示出了并入本发明的实施例以执行牛精子定向和分离的微流体芯片。DNA已被着色和清洗的精子样本在样本in处与两个鞘流体流Sh一起进入芯片。精子样本和鞘流由芯片下的Peltier冷却级(未示出)冷却，并在整个片上处理中被保持在低温。精子被聚焦到区域FF内的期望通道区域。它们随后在O处被使用来自光纤组FB1的辐射压力所定向。在此例中，光纤组从一侧邻接通道并且示出了四个单模光纤。这些光纤将光从激光器传送至芯片内。在定向之后，使用从芯片下方照明检测区域的UV LED L1来评估精子DNA的荧光强度。使用单模光纤SMF将荧光耦合到通道外并将其送至光电倍增管检测器PMT。光电倍增管检测器PMT的输出被用来控制切换系统Sw。如果选择将精子引导至新的输出通道，激光器就通过第二光纤组FB2发送光以将位于通道内的精子移动至新的流动流。精子随后流动跨过第二热梯度，从而以受控方式将温度提高至诸如室温或体温的期望温度——应该注意的是为了清楚起见并未为输出通道示出热平衡所需的蜿蜒路径。输出通道还包括用于鞘流体的流输出和废弃流，以及用于X和Y-染色体精子的流。位于输出通道之下的白光源L2引起来自进入各单独输出通道的微粒的散射。使用第三组光纤FB3检测该散射，以使得精子切换可被Si PIN二极管检测并被发送至控制器以供计数。
图6b示出了单个分选芯片的阵列可被如何用于实现精子样本的批量分选。控制电子器件、激光源、传感器、用于珀耳帖级的驱动器(T控制)以及批量流体输入和输出流位于分选芯片外部。在此图中，只是出于清楚考虑才仅示出了四个芯片。
重申地，如上所述的基于波导的微粒切换实施例优于例如经由流体动力学压力的微粒切换的益处在于施加至微粒的力更小，而这对于例如精子和细胞的生物微粒而言尤其有益。因此，虽然如上所述的基于波导的微粒切换级可以前接基于流体动力学压力的微粒定向级(如果需要微粒定向级的话)，并且反之亦然，如上所述的基于波导的微粒定向级可以后接流体动力学微粒切换级，但是在优选实施例中，特别用于分选不对称生物微粒(诸如精子)的系统可以包括被布置为通过辐射压力定向精子的基于波导的定向级、诸如基于荧光的检测级的检测级、以及使用光学力来分开引导雄性和雌性精子的基于波导的切换级。该系统还将具有诸如基于微处理器的控制系统的电子器件。荧光检测级3可被布置为照射以前接触过与每个精子的DNA结合的荧光标记物染料或由其染色的精子，并且包括用于检测所得荧光的强度的检测器。雌性精子比雄性精子吸收更大量的染料，由此发出更强的荧光并且能被鉴别。
仅包括单个波导的系统的处理速度受到施加至感兴趣的微粒上的光学力的有限冲量(力x时间)的限制。相互作用时间则受波导的物理尺寸和微粒的流速限制。操作力受波导的光捕获势能的限制。更大的力导致微粒不再随周围流体自由移动的完全光捕获。这将单波导微粒操作的典型使用限制为低吞吐量、高精度微粒处理。诸如上述的多波导定向和切换实施例提供了在不出现光捕获的情况下在延长的时间上对持续施加受控良好的光学力的益处。这允许通过串行附加提高施加至微粒的冲量的光学力产生光导得到任意高微粒吞吐量(微粒流速)。
用于分选精子或微粒的本发明的微流体系统可以包括具有在其中微粒被如上处理的分选部的至少一个微通道，或是具有上述分选部的阵列以提升吞吐量的至少一个微通道。系统被优选地实现为通过微加工、聚合物处理技术或其他微制造技术形成微流体结构而制备的小型微流体器件或芯片，并且包括支持泵浦、阀控和仪表。典型地，一个或多个微通道例如可以具有范围在10到500微米或100到400微米的宽度以及范围在5到250微米的深度。微流体流动通道的尺寸在具有最小的湍流的情况下支持层流。在描述并在附图中示出的实施例中，微结构具有平面内的长度和宽度大于横切该平面的深度的平面形式。在替换实施例中，深度可以大于微通道和储存器以及微系统的其他空腔的长度和/或宽度。在替换实施例中，微通道可以沿三个方向延伸，并且可以具有弯曲部以及角特征。在图中示出的实施例中，微空腔具有矩形或方形横截面，而在替换实施例中，微结构例如可以具有圆形或椭圆形或是其他形状的横截面。
实验
本发明通过如下的仿真和试验工作而进一步例示。
例1
仿真是采用有限元法(FEM)来近似光学力对不对称粒子的作用而进行的。具体地，计算施加至位于诸如上述的波导附近的椭圆微粒的光学力。计算定向角扭矩并且还计算捕获/推进力。10μm：2μm(长轴:短轴)的椭圆微粒(柱体)的二维(2D)近似位于单模光纤的2D近似的末端，图7a的平板波导。施加至这一椭圆微粒的最终扭矩作为该微粒相对于波导光轴的定向的函数而在图7b中示出。波导内施加的输入功率是50mW。示出了与仿真平面平行(TM)和垂直(TE)极化的波导模式。相同的2D微粒近似如图8所示位于脊型波导的2D近似之上，并且得到的扭矩作为平行于波导光轴的定向的函数而在图9中示出。两结果都示出微粒在其短轴与波导光轴平行时被定向(不具有施加的扭矩)。也就是说，在其处于垂直定向(角度＝90°)中时。进一步地，这些图示出了扭矩围绕该定向角恢复(与运动方向相反)。这是归因于施加的光学力而导致的微粒的平衡定向。在波导末端处时向水中的上述椭圆柱施加的所导致的光学力如图10所示。在波导之上时向水中的相同椭圆柱施加的光学力如图11所示。这些光学力被示出为针对TM和TE极化波导模式两者的各种微粒/波导分离而分开进入与波导光轴平行(Fx)和垂直(Fy)的方向。微粒如上所述处于垂直/平衡定向。
例2
示出了在100μm宽的矩形微流体通道流F中的微粒P移动通过波导末端W的端部时由光场得到的对称微粒位移的图12a-c的图像是通过使用10倍的显微镜物镜成像在CMOS数码相机传感器上而被采集的。微粒是10μm直径的聚苯乙烯球形珠，并在图12中被示出为从顶部流向底部。图12a示出了在波导之前的流体流中的微粒。微粒与从波导末端发散出的光束(以>50％效率耦接到单模光纤内的532nm的250mW的光束)相互作用。这种相互作用所产生的强散射看上去使图12b的图像饱和。光学力如图12c所示在微粒不停止沿着微流体通道的流动的情况下推动微粒达位移d。
例3
图13示出了在微流体通道壁附近的波导的末端W处的光场的定向效果。具有不对称形状的微粒P(具体为牛精子)由流体流携带而在微流体通道中的流体流F中从上到下流动。微粒是静止的并且无法在其自身的推力下移动。如图13a所示，精子最初呈现出面向成像系统的黑散射定向。在通过光波导末端处的光场(图13中画出轮廓)并与其相互作用之后，精子以新的定向和距离其初始位置的位移继续向微流体通道下方流动。微粒在相互作用之后移动远离通道壁并旋转至新的定向，但仍继续向通道下方流动。精子的新定向呈现出白头，表明微粒在与光场相互作用之后围绕其长轴旋转了90度。
诸如图12和图13中观察到的多个相互作用事件被逐帧分析并且结果在图14中呈现。图像处理被用来测量在与光场相互作用前后的微粒位置和定向。图14示出了作为图14a的对称微粒(即10μm直径聚苯乙烯珠)和图14b的不对称微粒(即非游动牛精子)的微粒流速度的函数的测得的位移效率。例如，这些微粒流经输出功率小于200mW且波长为532nm的单波导末端。偏移表示从光纤末端到微流体通道边缘的距离。

Claims (35)

1.一种用于在微流体系统中分选微粒的系统，包括：
·检测级，被布置为检测通过所述检测级的所述流体流中的微粒间的至少一种差异或鉴别所述微粒，以及
·所述微粒顺序移动通过的一个或多个辐射压力源以及被布置为基于来自所述检测级或鉴别级的输入而进行切换的控制器，所述一个或多个辐射压力源中的辐射能量使得所述流体流中被选微粒的移动方向改变以便分选所述微粒。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述系统被布置为切换或分选所述微粒，以使得每个微粒被引导至两个不同输出装置之一。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述系统被布置为切换或分选所述微粒，以使得每个微粒被引导至多于两个的不同输出装置之一。
4.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述一个或多个辐射压力源包括一个或多个光压力源。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述一个或多个光压力源包括一个或多个激光器。
6.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述一个或多个辐射压力源包括延伸跨过所述微流体系统的通道的一个或多个波导。
7.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述一个或多个辐射压力源包括在所述微流体系统的通道的侧壁上方或下方延伸跨过所述通道的一个或多个波导。
8.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述一个或多个辐射压力源包括从所述通道的一个或多个侧壁邻接所述通道的一个或多个波导。
9.如权利要求1至8中任一项所述的系统，其中所述系统包括多个辐射压力源，以使得每个微粒通过一系列的辐射压力源。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述控制器被布置为随着一个或多个被选微粒通过切换级而对所述多个辐射压力源的激励进行排序。
11.如权利要求1至10中任一项所述的系统，其中所述一个或多个辐射压力源被布置为在被激励时将微粒从位于一侧的流中偏转跨过一个或多个流边界并进入朝向被选输出装置的流。
12.如权利要求1至11中任一项所述的系统，其中所述检测级包括光学检测级。
13.如权利要求1至12中任一项所述的系统，其中所述检测级被布置为通过基于荧光的检测技术来检测或鉴别微粒。
14.如权利要求1至13中任一项所述的系统，所述系统还包括被布置为使得不对称微粒首先采用所述流体流中的特定定向的定向级。
15.一种用于在微流体系统中定向粒子的系统，包括：一个或多个辐射压力源，被布置为在微流体系统中将不对称微粒暴露于辐射压力，以使所述微粒的至少多数采用所述流体中的特定定向。
16.如权利要求14或15所述的系统，其中所述定向级包括：一个或多个波导，所述一个或多个波导被布置为将微粒暴露于辐射以使所述微粒的至少多数采用所述流体中的特定定向。
17.如权利要求14或15所述的系统，其中所述定向级包括被布置为将微粒暴露于光压力的一个或多个波导。
18.如权利要求14至17中任一项所述的系统，所述系统在所述定向级之前还包括单个化级，所述单个化级被布置为使所述流中的微粒单个化。
19.如权利要求14至18中任一项所述的系统，所述系统在所述定向级之前还包括聚焦级，所述聚焦级被布置为将所述微粒聚焦到微流体通道内的特定位置。
20.一种在微流体芯片上实现的如在前任一权利要求所述的系统。
21.一种用于鉴别精子性别的微流体系统，包括：
·一个或多个定向辐射压力源，被布置为将精子暴露于压力以使单个精子采用所述流体内的共同定向，
·基于荧光的检测级，被布置为鉴别通过所述检测级的流体流中的雄性和雌性精子，以及
·单个精子顺序移动通过的一个或多个切换辐射压力源，以及
·控制器，被布置为接收来自所述检测级的输入并且控制所述一个或多个切换辐射压力源中的辐射能量，以分别引导雄性和/或雌性精子。
22.如权利要求21所述的系统，其中所述一个或多个辐射压力源包括一个或多个光压力源并且包括延伸跨过所述微流体系统的通道或是从所述通道的一个或多个侧壁邻接所述通道的一个或多个波导。
23.如权利要求21或22所述的系统，其中所述一个或多个辐射压力源包括多个波导，以使得每个微粒通过一系列波导。
24.一种用于在微流体系统中分选微粒的方法，包括：
·检测微粒间的至少一种差异或鉴别所述微粒，以及
·基于来自所述检测或鉴别的输入，切换所述微粒顺序移动通过的一个或多个辐射压力源，由此改变流体流中所选微粒的移动方向以分选所述微粒。
25.如权利要求24所述的方法，所述方法包括切换所述微粒以使得每个微粒被引导至两个不同输出装置之一。
26.如权利要求24所述的方法，所述方法包括切换所述微粒以使得每个微粒被引导至多于两个的不同输出装置之一。
27.如权利要求24或25所述的方法，其中所述一个或多个辐射压力源包括一个或多个光压力源。
28.如权利要求24至27中任一项所述的方法，其中所述一个或多个辐射压力源是延伸跨过所述微流体系统的通道或是从所述通道的一个或多个侧壁邻接所述通道的一个或多个波导。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述一个或多个辐射压力源包括多个波导，以使得每个微粒通过一系列波导，并且所述切换包括随着一个或多个被选微粒通过所述切换级而顺序地激励所述多个切换波导。
30.如权利要求24至29中任一项所述的方法，其中所述微粒是不对称微粒，并且所述方法还包括在检测之前使得所述微粒的至少多数首先采用所述流体流中的特定定向。
31.一种用于在微流体方法中定向微粒的方法，包括在微流体方法中将微粒暴露于辐射压力，以使所述微粒的至少多数采用所述流体中的特定定向。
32.如权利要求14或15所述的方法，还包括在检测之前通过将微粒暴露于一个或多个波导中的辐射来使所述微粒的至少多数首先采用所述流体中的特定定向，其中所述一个或多个波导被布置为将微粒暴露于光压力以使所述微粒的至少多数采用所述流体中的特定定向。
33.如权利要求24至32中任一项所述的方法，还包括单个化所述流体流中的所述微粒。
34.如权利要求24至中任一项所述的方法，此处的所述微粒是生物微粒。
35.如权利要求24至中任一项所述的方法，其中所述微粒是精子。
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