專利名稱：利用激光操縱進(jìn)行基于多層流的顆粒和細(xì)胞分離的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及用于分離顆?；虿牧?，例如將血液，精子以及其它顆粒和細(xì)胞分離出它們不同的成分和離分的技術(shù)和系統(tǒng)，該技術(shù)和系統(tǒng)使用多層流并進(jìn)一步與激光操縱結(jié)合，例如與全息光學(xué)陷獲和操縱結(jié)合使用。
背景技術(shù)：
血細(xì)胞有幾種分類。紅細(xì)胞或紅細(xì)胞(RBC)的量對女人是4.8百萬個細(xì)胞/μl，對男人是5.4百萬個細(xì)胞/μl。RBC構(gòu)成血液93％的固體成分并占血液容積的約42％。血小板是2μm-3μm大小，它們構(gòu)成血液7％的固體成分并占血液容積的約3％，相當(dāng)于每公升約1.5到4×1011個細(xì)胞。有5種常規(guī)類型的白細(xì)胞(WBCs)或白細(xì)胞，數(shù)量每公升約1.5到4×109個細(xì)胞。WBCs包括50-70％嗜中性粒細(xì)胞(12μm-15μm大小)；2-4％嗜曙紅細(xì)胞(12μm-15μm大小)；0.5-1％嗜堿細(xì)胞(9μm-10μm大小)；20-40％淋巴細(xì)胞(25％的B細(xì)胞和75％的T細(xì)胞)(8μm-10μm大小)；以及3-8％單核細(xì)胞(16μm-20μm大小)。它們包括血液0.16％的固體成分并占血液容積的接近0.1％，相當(dāng)于每公升約4到12×109個細(xì)胞。感染的對象WBC的量可高達(dá)每公升25×109。
血小板是血液中最小的細(xì)胞，而其對凝固時向血液中釋放的蛋白質(zhì)是重要的。有造成此數(shù)量減少(例如腫瘤，白血病和其它化療患者)的免疫疾病的患者有時需要血小板注入以防止它們的數(shù)量變得過低。成人正常血小板數(shù)量在140,000-440,000個細(xì)胞/μl之間，而該數(shù)字不應(yīng)下降到低于50,000個細(xì)胞/μl，因?yàn)檠“逶谘耗讨邪缪葜饕巧?br> 血液分離技術(shù)傳統(tǒng)上已采用不連續(xù)的離心法處理。更具體地，在特定時間從供體取出一定容積的血液。該容積的血液接受不同水平的離心力，以提供相應(yīng)的對血液成分的血液離分，例如血漿、血小板、紅細(xì)胞和白細(xì)胞。這樣的處理是不連續(xù)的而不是連續(xù)的，這樣如果要從供體取更多的血液處理，就要從供體取出另一個容積的血液，并重復(fù)處理過程。
血小板收集的步驟是從供體收集血液；添加抗凝血劑；通過離心力分離；將紅細(xì)胞、白血球和血漿返回供體。一次收集包含200-400ml血漿，降低它以避免不相容性。該收集通常包含約8.5×1010血小板。盡管更多的血小板可從血液中分離出來，但一個供體通常獻(xiàn)出他/她的血小板的接近10％不會喪失其凝血能力。這些血小板必須在收集的五天內(nèi)用掉。
血小板分離術(shù)(被叫做體外清除法(apheresis))是現(xiàn)有將血小板分離的處理方法[Haemonetics Component Collection System(CCS)and Multi Component System(Multi)(Haemonetics，Braintree，MA)]。這種自動化機(jī)器從血液中分離血小板要持續(xù)1.5到2小時的時間(假定10％的獻(xiàn)血量)。該處理比傳統(tǒng)的方法快而且完全自動化，并可用作一或兩次血小板劑量。然而，這種處理相對于患者的耐性還是慢的，并且對分離血小板離分的純度的改進(jìn)是有可能的。
其它處理方法也是耗時的，經(jīng)常要花費(fèi)幾個小時，特別是當(dāng)沒用的血液離分要輸回供體時。例如，血小板捐獻(xiàn)制造要花費(fèi)幾個小時，全血從供體抽出，通過離心分離得到血小板，而剩下的血液成分接著注射回供體。這種離心處理也是比較粗糙的，還可造成采集細(xì)胞一定比例的破壞，明顯降低有用血液離分的產(chǎn)量。
其它分離類型也是耗時或不能在一定時間內(nèi)處理大量的材料。例如，精子的篩分(其中將游動的或有活性的精子與不游動的或無活性的精子隔離)是十分耗時的工作，其受嚴(yán)格的容量限制。
如下面更詳細(xì)地描述本發(fā)明那樣，對顆粒的操縱(例如在第二和第五個相關(guān)應(yīng)用中描述的)，也可是新穎分離技術(shù)的一部分。在操縱微觀物體中一項(xiàng)傳統(tǒng)技術(shù)是光學(xué)陷獲。光學(xué)陷獲效果的可接受的描述是緊密聚焦的光(例如由高數(shù)值孔徑顯微透鏡組聚焦的光)具有急劇變化的強(qiáng)度梯度。光學(xué)陷阱使用光束的梯度力根據(jù)其介電常數(shù)陷獲顆粒。
為了最小化其能量，一個介電常數(shù)比周圍介質(zhì)高的顆粒將移到光學(xué)陷阱區(qū)域，在此處電場最強(qiáng)。帶有至少與其周圍介電常數(shù)有微小差異的顆粒對該梯度是敏感的，并相對最高光強(qiáng)度點(diǎn)被吸引或被排斥，即接近或遠(yuǎn)離光束焦點(diǎn)。在構(gòu)造的光學(xué)陷阱中，由單束光產(chǎn)生的光學(xué)梯度力操縱介電顆粒的位置，該顆粒浸入帶有小于顆粒折射率的流體介質(zhì)中，但也操縱折射、吸收和低介電常數(shù)的顆粒。
光學(xué)陷阱中的光學(xué)梯度力與趨向于沿光束軸移動陷獲的顆粒的輻射壓力競爭。通過近似地選擇輸入光束的傳播方向和準(zhǔn)直度可將光學(xué)陷阱放在物鏡聚焦空間的任何地方。準(zhǔn)直光束射入物鏡的后孔徑到達(dá)透鏡聚焦平面中心的焦點(diǎn)，同時另一個光束以一個角度射入并到達(dá)偏心焦點(diǎn)。稍微發(fā)散的光束聚焦在聚焦平面下游而會聚的光束聚焦在上游。多束光同時射入透鏡的光瞳，每個在聚焦空間形成一個光學(xué)陷阱，其位置由其入射角度決定。全息光學(xué)陷獲技術(shù)使用相位調(diào)制衍射光學(xué)元件來強(qiáng)迫將多束光的相位圖加到單輸入光的波陣面上，以此將單束光變?yōu)槎嗍狻?br> 入射光束的相位調(diào)制優(yōu)選地用于產(chǎn)生光學(xué)陷阱，因?yàn)橄莴@依賴于光束強(qiáng)度而并不依賴于它們的相對相位。振幅調(diào)制可將光從陷阱轉(zhuǎn)移并降低其效果。
當(dāng)光學(xué)陷獲顆粒時，由陷阱施加的光學(xué)梯度力超過從散射和吸收上升的其它輻射壓力。對于高斯TEMoo輸入激光束，這通常意味光束直徑應(yīng)該基本上與入口光瞳相符。優(yōu)選的形成陷阱的最小數(shù)值孔徑約0.9到約1.0。
在實(shí)施光學(xué)陷獲技術(shù)的一個難點(diǎn)是通常產(chǎn)生的每個陷阱要求其擁有聚焦的光束。感興趣的許多系統(tǒng)要求多個光學(xué)陷阱，已經(jīng)改進(jìn)了數(shù)個用于實(shí)現(xiàn)多個陷阱結(jié)構(gòu)的方法。一個現(xiàn)有的方法使用單個光束在多個陷阱位置之間改變方向，以在各個陷阱之間“時間共享”該束光。然而，隨著陷阱數(shù)量的增加，在每個陷阱“關(guān)”狀態(tài)的間期變長，由此顆粒在陷阱重新加電之前就從陷阱擴(kuò)散出去。所有這些關(guān)系將該方法的實(shí)施限制在每個系統(tǒng)小于10個陷阱。
另一個產(chǎn)生多個陷阱系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法依賴于多個光束同時穿過單個高數(shù)值孔徑透鏡組。這是由使用多束激光或在單個激光束中使用一個或多個分光器來完成。該技術(shù)的一個問題是，隨著陷阱數(shù)量的增加，光學(xué)系統(tǒng)變得逐漸地越來越復(fù)雜。因?yàn)檫@些問題，已知該方法的實(shí)施限制在每個系統(tǒng)小于約5個陷阱。
在實(shí)現(xiàn)多陷阱系統(tǒng)的第三個方法中，一衍射光學(xué)元件(DOE)(例如利用傳送或者反射幾何學(xué)之一的相移全息圖)被用于轉(zhuǎn)變單一激光束的波陣面。該發(fā)明公開在Grier等人的美國專利No.6,055,106中。轉(zhuǎn)變波陣面，使下游的激光束基本上變成大量的單個激光束，并且有由衍射光學(xué)元件的本質(zhì)確定的相對位置和傳播方向。實(shí)際上，DOE的傅立葉變換產(chǎn)生一組光強(qiáng)波峰，每一個作為單獨(dú)的陷阱或“光鉗”。
第三種方法的某些實(shí)施已經(jīng)使用一個固定的傳送全息圖來創(chuàng)造16至400之間的單獨(dú)陷獲中心。
已經(jīng)使用固定全息圖證實(shí)全息光學(xué)陷獲的原理，但使用液晶光柵作為用于每個陷阱新的分布的單獨(dú)全息圖“生產(chǎn)”的全息圖?？臻g變化的相位調(diào)制由液晶光柵施加在陷獲激光上，這可容易地由計(jì)算機(jī)實(shí)時控制，從而允許各種動態(tài)操縱。
可使用其它類型的陷阱來光學(xué)陷獲顆粒，包括但不限于，光學(xué)旋渦、光學(xué)瓶、光學(xué)旋轉(zhuǎn)器和光學(xué)籠。光學(xué)旋渦產(chǎn)生零電場區(qū)周圍的梯度，其對操縱帶有介電常數(shù)低于周圍介質(zhì)的顆?；蚍瓷涞?、或由光學(xué)陷阱排斥的其它類型顆粒有用。為了最小化其能量，該顆粒將移到電場最低的區(qū)域，就是在適當(dāng)?shù)爻尚图す馐慕裹c(diǎn)處的零電場區(qū)。光學(xué)旋渦提供零電場區(qū)很像在圓環(huán)(環(huán)形)中的洞。光學(xué)梯度是徑向的，其最高電場在圓環(huán)的周緣。光學(xué)旋渦將小顆粒滯留在圓環(huán)的洞中。通過使旋渦沿零電場線滑動經(jīng)過小顆?？赏瓿蓽簟?br> 光學(xué)瓶不同于光學(xué)旋渦之處在于，它只是在焦點(diǎn)具有零電場而在旋渦一端環(huán)繞焦點(diǎn)的所有其它方向具有非零電場。光學(xué)瓶在陷獲原子和微團(tuán)方面有用，因?yàn)檫@些顆粒太小或太有吸收力而不能用光學(xué)旋渦或光鉗陷獲(見J.Arlt and M.J.Padgett.″Generation of a beam with adark focus surrounded by regions of higher intensityThe optical bottlebeam，″Opt.Lett.25，191-193，2000)。
光學(xué)籠(美國專利No.5,939,716)是松散地肉眼可見的光學(xué)旋渦的同類。光學(xué)籠形成光學(xué)陷阱的時間平均環(huán)，以環(huán)繞太大或產(chǎn)生反射的用介電常數(shù)低于周圍介質(zhì)不能陷獲的顆粒。
當(dāng)激光束通過相位圖光學(xué)元件直射或反射時，相位圖光學(xué)元件產(chǎn)生具有多個具有可變相位外形的小光束。依據(jù)所需光學(xué)陷阱的數(shù)量和類型，改變可包括衍射、波陣面修整、相位轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)向、發(fā)散和會聚?；谙辔煌庑芜x擇，可使用相位圖光學(xué)元件產(chǎn)生光學(xué)陷阱，該光學(xué)陷阱可以以光學(xué)陷阱、光學(xué)旋渦、光學(xué)瓶、光學(xué)旋轉(zhuǎn)器、光學(xué)籠以及這些形式中兩個或多個的組合。
研究者已尋求用于操縱細(xì)胞的間接方法，例如標(biāo)記帶有菱形微粒的細(xì)胞并接著鉗獲菱形微粒。細(xì)胞操縱包括用于微觀分析的細(xì)胞定位以及拉伸細(xì)胞。組織細(xì)胞還由生物體外用光鉗布置，如同在體內(nèi)同樣的空間布置。
除細(xì)胞本身之外，光鉗已經(jīng)用于操縱細(xì)胞器(如沿微管傳遞的氣泡、染色體、或球狀的DNA)。使用光鉗還可將對象插入細(xì)胞。
因此，作為利用激光操縱的光學(xué)陷阱篩分新類型的例子，需要一種使用從其它細(xì)胞，組織和污染物中分離有價值細(xì)胞的技術(shù)進(jìn)行細(xì)胞、篩分的方法。進(jìn)一步，需要一種實(shí)現(xiàn)光學(xué)陷獲的獨(dú)特貢獻(xiàn)以滿足大量血細(xì)胞篩分的工業(yè)需求和提純需要的方法。還有，在動物飼養(yǎng)市場需要分離精子細(xì)胞。
結(jié)果，依然需要連續(xù)的、具有高生產(chǎn)量的、節(jié)約時間的并對要分離的各種成分造成可以忽略的或微小損傷的分離的技術(shù)和裝置。另外，這種技術(shù)應(yīng)該對生物或醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有進(jìn)一步的應(yīng)用價值，例如用于分離血液、精子、其它細(xì)胞材料以及病毒、細(xì)胞器、球狀結(jié)構(gòu)、膠質(zhì)懸浮體以及其它生物材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明示例性實(shí)施例提供了用于在混合物中分離成分，例如將全血的不同血液成分分離成相應(yīng)的離分，例如血小板離分、紅細(xì)胞離分、白細(xì)胞離分以及血漿離分。本發(fā)明不同的實(shí)施例提供了連續(xù)基底(basis)(例如在一連續(xù)封閉系統(tǒng)之內(nèi))上進(jìn)行成分的分離，而沒有對現(xiàn)有技術(shù)方法造成的潛在損害和污染，特別是對于血液成分分離法的。本發(fā)明的連續(xù)處理過程也有效的節(jié)省了血液分離的時間并提供較高的生產(chǎn)量。另外，不同的實(shí)施例還包括用于分離和操縱成分、特別是全息光學(xué)操縱和分離的附加裝置。本發(fā)明不同的實(shí)施例還可應(yīng)用于其它類型的細(xì)胞和生物材料的分離，例如精子、病毒、細(xì)菌、細(xì)胞碎片、細(xì)胞器、球狀組織、膠質(zhì)懸體、細(xì)胞體碎片及其它生物材料。
這里使用的“顆粒”是指生物或其它化學(xué)材料，包括但不限于，低(聚)核苷酸、多(聚)核苷酸、化學(xué)化合物、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、多醣、配合基、細(xì)胞、抗體、抗原、細(xì)胞器、脂質(zhì)、分裂球、細(xì)胞聚集體、微生物、縮氨酸、cDNA、RNA等。
分離血液成分示例性方法包括如下步驟提供具有多種血液成分的第一液流；提供第二液流；用第二液流與第一液流接觸以提供第一分離區(qū)；以及分異性地將多種血液成分的第一血細(xì)胞成分沉降入第二液流，同時保持在第一液流中多種血液成分的第二血細(xì)胞成分。具有第一血細(xì)胞成分的第二液流接著分異性地從具有第二血細(xì)胞成分的第一液流中去除。
本發(fā)明不同的沉降步驟可是速率帶狀的或是等密度的。另外，第一液流和第二液流基本上是無湍流的，并也可是基本上層流的。
在可選實(shí)施例中，第一血細(xì)胞成分是眾多的紅細(xì)胞和眾多的白細(xì)胞，而第二血細(xì)胞成分是眾多的血小板。對于第一血細(xì)胞成分，可全息地從眾多的紅細(xì)胞中分離(通過激光操縱)出眾多的白細(xì)胞。本發(fā)明其它的全息操縱包括以全息方式地從第一液流中去除眾多的污染物，以全息方式從第一液流中分離出生物學(xué)碎片，以及以全息方面從第一液流中分離出眾多的第二血細(xì)胞成分。
示例性方法的附加的分離步驟中還可包括提供第三液流示例性；用第三液流與第一液流接觸以提供第二分離區(qū)；以及分異性地將多種血液成分的第二血細(xì)胞成分沉降入第三液流，同時保持在第一液流中多種血液成分的第三血細(xì)胞成分。在可實(shí)施例中，第二血細(xì)胞成分是眾多的血小板，而第三血細(xì)胞成分是血漿。
多種分離步驟還可組合形成具有多種分離步驟串聯(lián)連接、并聯(lián)連接或兩者的組合的更復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的將流體混合物分離組成不游動成分的示例性方法包括提供具有流體混合物的基本上為層流的第一液流，該流體混合物具有多種成分，該多種成分具有相應(yīng)的多種沉降速率；提供基本上為層流的第二液流；用第二液流與第一液流接觸以提供第一分離區(qū)，在分離區(qū)中，第一液流和第二液流基本上無湍流界面；分異性地從第一液流中將多種成分的第一成分沉降入第二液流，以形成富集的第二液流和貧化的第一液流，同時保持在第一液流中多種成分的第二成分，第一成分具有多種沉降速率的第一沉降速率，而第二成分具有多種沉降速率的第二沉降速率，其中第一沉降速率相對地比第二沉降速率大；分異性地將富集的第二液流從貧化的第一液流去除；以及在貧化的第一液流中全息地操縱第二成分。
第二示例性方法還可包括附加的分離步驟，例如全息分離，其包括提供第三液流；用第三液流與貧化的第一液流接觸以提供第二分離區(qū)；以及全息陷獲第二成分并從貧化的第一液流去除第二成分加入到第三液流，同時保持在貧化的第一液流中多種成分的第三成分。
在本發(fā)明的用于將流體混合物分離成組成的不游動成分的示例性裝置的實(shí)施例中，該裝置包括具有用于第一液流的第一進(jìn)口和用于第二液流的第二進(jìn)口的第一篩分通道；該第一篩分通道進(jìn)一步具有用于第一液流的第一出口和用于第二液流的第二出口，該第一篩分通道進(jìn)一步具有保持第一液流和第二液流基本上無湍流的部件，第一篩分通道適應(yīng)于在第一液流中允許第一液流中多種成分的第一成分沉積入第二液流，以形成富集的第二液流和貧化的第一液流，而同時在第一液流中保持多種成分的第二成分；第二光學(xué)透明的篩分通道，其具有與用于第一液流的第一出口連接的第一光學(xué)入口和第一光學(xué)出口，第二光學(xué)透明的篩分通道進(jìn)一步具有用于第三液流的第二光學(xué)入口和用于第三液流的第二光學(xué)出口；以及與第二光學(xué)透明篩分通道連接的全息光學(xué)陷阱，該全息光學(xué)陷阱適于產(chǎn)生全息光學(xué)陷阱，以選擇和從第一液流移動第二成分進(jìn)入第三液流?？煞蛛x的不同成分例如可以是不同血液離分或其它生物材料，例如從不游動的精子中分離出游動的。
分離流體中多種成分的另一裝置或系統(tǒng)包括具有用于第一液流的第一進(jìn)口和用于第二液流的第二進(jìn)口的光學(xué)透明篩分通道，該光學(xué)透明篩分通道進(jìn)一步具有用于第一液流的第一出口和用于第二液流的第二出口；以及與光學(xué)透明篩分通道連接的全息光學(xué)陷阱系統(tǒng)，該全息光學(xué)陷阱系統(tǒng)適于產(chǎn)生全息光學(xué)陷阱，以選擇和在第一液流中移動第一液流中多種成分的第一成分進(jìn)入第二液流，從而形成富集的第二液流和貧化的第一液流，而多種成分中的第二成分同時保持在第一液流中。
另一個提供用于分離多種細(xì)胞方法的實(shí)施例包括提供具有多種細(xì)胞的第一液流；提供第二液流；用第二液流與第一液流接觸以提供第一分離區(qū)；以及分異性地將多種細(xì)胞的第一細(xì)胞移動加入第二液流，同時保持在第一液流中多種細(xì)胞的第二細(xì)胞。該方法通常還包括分異性地從具有第二細(xì)胞的第一液流中去除具有第一細(xì)胞的第二液流。該方法還包括于提供第三液流；用第三液流與第一液流接觸，以提供第二分離區(qū)；以及分異性地將多種細(xì)胞的第二細(xì)胞沉降入第三液流，同時保持在第一液流中多種細(xì)胞的第三細(xì)胞。另外，可全息地從第一液流分離眾多的第二細(xì)胞，并且全息地從第一液流中去除多種污染物或生物學(xué)碎片。
在另一個與本發(fā)明一致的實(shí)施例中，使用了已經(jīng)用作操縱微小對象工具的光學(xué)陷獲(或者激光操縱)技術(shù)。一種被接受的對于該效果的描述是緊密的聚焦光(例如由高數(shù)值孔徑顯微透鏡組聚焦的光)有急劇變化的強(qiáng)度梯度。光學(xué)陷阱使用光束的梯度力以陷獲顆粒，基于其介電常數(shù)以最小化其能量，一個介電常數(shù)比周圍介質(zhì)的高顆粒將移到光學(xué)陷阱區(qū)域，在此處電場最強(qiáng)。
本發(fā)明的光學(xué)陷獲用于闡述用若干方式進(jìn)行的細(xì)胞篩分和提純(諸如，從污染物(例如病毒和細(xì)菌))中。例如，由光學(xué)陷阱施加于材料的力對介電常數(shù)的準(zhǔn)確分布是敏感的，這是由于材料-光學(xué)力依賴于對象的成分和形狀。
進(jìn)一步，對象上的其它力對于對象和環(huán)境流體對流體流探測材料的形狀、尺寸和如表面粗糙度的特征的控制之間的流體動力學(xué)相互作用是敏感的。
更進(jìn)一步，定位對象在已知位置允許另外的使訪問自動化的方法，例如高速成像和顆粒特性散射測量。
在一個與本發(fā)明一致的實(shí)施例中，在實(shí)現(xiàn)多陷阱系統(tǒng)中，一衍射光學(xué)元件(″DOE″，即利用透射或者反射幾何學(xué)之一的相移全息圖)被用于轉(zhuǎn)變單一激光束的波陣面。該轉(zhuǎn)變波陣面以使下游的激光束基本上變成大量的其相對位置和傳播方向由衍射光學(xué)元件的本質(zhì)確定的單個激光束。
本發(fā)明提供了通過用透鏡聚焦激光束產(chǎn)生光學(xué)陷阱的光學(xué)，其中透鏡有小于0.9的數(shù)值孔徑，并且優(yōu)選的減少直到最優(yōu)化地小于0.1。
利用全息激光操縱的篩分包括制定用于篩分對象的識別類，將篩分對象引入篩分區(qū)，并根據(jù)其識別類利用受控激光操縱該對象。該操作可以是基于其識別類而進(jìn)行夾持、移動、旋轉(zhuǎn)、標(biāo)記或者使用不同的方法破壞該對象。從而，本發(fā)明提供了執(zhí)行利用全息光學(xué)陷獲并行進(jìn)行血細(xì)胞篩分和精子細(xì)胞篩分的方法。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，生物材料樣品的分光鏡檢查可以使用適于非彈性的分光鏡檢查或者偏振光反向散射的成像照明源來完成，前者對于評定化學(xué)制品識別是有用的，而后者適合于測量內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸，例如核尺寸。利用這種分光鏡分析法，在某些實(shí)施例中，對細(xì)胞進(jìn)行查詢。有陽性結(jié)果(即，與標(biāo)記物起反應(yīng)或結(jié)合的細(xì)胞)的細(xì)胞的光譜可以利用成像照明獲得。
計(jì)算機(jī)程序可以分析譜線的數(shù)據(jù)以識別想要的目標(biāo)(即攜帶X或者Y染色體的細(xì)胞，或者懷疑是癌、癌癥前期的和/或不是癌的細(xì)胞類型，等等)，然后可以提交信息以引導(dǎo)相位圖光學(xué)元件(即光學(xué)陷阱)以離析或者包含想要的或者選定的目標(biāo)(即細(xì)胞類型)。被包含的細(xì)胞可以基于被包含細(xì)胞與化學(xué)制品的反應(yīng)或者結(jié)合來識別，或者利用對象的自然熒光、或者與該對象關(guān)聯(lián)物質(zhì)的熒光作為識別標(biāo)志或者背景標(biāo)志。在試驗(yàn)完成后，可以由電腦和/或操作者進(jìn)行選擇，丟棄哪些細(xì)胞和收集哪些細(xì)胞。
對細(xì)胞的操作通常具有多種可用光束而更加安全。與甲床相似，多種鉗保證了在該細(xì)胞內(nèi)的任意具體點(diǎn)引入更少的能量。這樣消除了過熱點(diǎn)并減少了造成損害的危險。任何破壞性的雙光量子處理很有益，因?yàn)槲张c激光能量的平方成正比例。僅僅增加第二個鉗減少了在特定點(diǎn)的雙光量子吸收率的四分之一。陷獲大細(xì)胞包括了用于有效的陷獲的大量激光能量。使能量進(jìn)入單一的陷阱可以導(dǎo)致對該細(xì)胞的瞬間損害。
甚至僅僅對單一細(xì)胞的操作可通過利用全息光學(xué)陷獲而得到很大加強(qiáng)?？梢酝ㄟ^一隊(duì)鉗來操作單一細(xì)胞，該隊(duì)鉗在一側(cè)沿著周長支撐該細(xì)胞。導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)對該細(xì)胞允許360度的觀察。除對生物材料的觀察這個優(yōu)點(diǎn)之外，還存在準(zhǔn)確定向樣品的能力，這很明顯對于例如對樣品定向有很強(qiáng)依賴性的散射實(shí)驗(yàn)等研究有益。
采用寬視野(wide field of view)的篩分有許多優(yōu)點(diǎn)，例如較高的生產(chǎn)量。然而，在一WFOV(寬視野)中的標(biāo)準(zhǔn)鉗獲可由于過大的輻射壓力而失敗。有寬視野的利用全息光學(xué)陷獲的鉗獲可以允許形成能夠很大減少光束的輻射壓力的外來光模式。渦流陷阱例如因?yàn)楣飧淖兊南辔皇瓜葳宓闹行南Ф哂邪抵行?。此暗中心意味著沿著光束中心傳播的光線的大多數(shù)不再存在。此光束含有光的輻射壓力中大多數(shù)，這個事實(shí)是準(zhǔn)確的，所以它們的去除很大的減輕了軸向陷獲的難度。其它的模式，例如環(huán)形方式，有相同的優(yōu)點(diǎn)。
在與本發(fā)明一致的一個實(shí)施例中，此方法和系統(tǒng)使其自身有半自動化的或者自動化的對追蹤各光學(xué)陷阱的移動過程和內(nèi)容物的處理過程。在與本發(fā)明一致的一個實(shí)施例中，可以通過可以觀察的光學(xué)數(shù)據(jù)流監(jiān)視移動過程，或者將其轉(zhuǎn)化為視頻信號，通過操作者視覺性的、利用光譜方法、和/或通過視頻監(jiān)視器進(jìn)行觀察而對其進(jìn)行監(jiān)視或者研究。光學(xué)數(shù)據(jù)流也可由光電探測器處理以監(jiān)視強(qiáng)度，或者通過任一適當(dāng)?shù)难b置將該光學(xué)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為適用于電腦和程序的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。計(jì)算機(jī)程序控制細(xì)胞的選定和光學(xué)陷阱的產(chǎn)生。
在與本發(fā)明一致的其它實(shí)施例中，跟蹤細(xì)胞移動是基于由編碼相位圖光學(xué)元件引起各光學(xué)陷阱預(yù)定的移動。另外，在某些實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)程序保存了包含于各光學(xué)陷阱的各細(xì)胞記錄。
從而已經(jīng)相當(dāng)廣泛地列出與本發(fā)明一致的某些特征，以在下述詳細(xì)說明中可以較好的理解，還為了對于本技術(shù)文獻(xiàn)可以較好的理解。當(dāng)然，有一些與本發(fā)明一致的附加特征將在下面描述，并組成所附的關(guān)于這一點(diǎn)的附加權(quán)利要求。
在此方面，在詳細(xì)說明至少一個與本發(fā)明一致的實(shí)施例以前，應(yīng)理解此發(fā)明并不限制其申請于在下文描述或在


中闡述的結(jié)構(gòu)和組件的布置細(xì)節(jié)。與本發(fā)明一致的方法和裝置可用于其它的實(shí)施例，并可以以多種方式實(shí)際施作和完成。并且，應(yīng)理解在這里使用的措辭和術(shù)語、還有下面包括的摘要是用于描述目的并且不應(yīng)視為限制。
同樣地，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)意識到本公開所基于的概念可以容易的作為其它的用于完成本發(fā)明若干目的結(jié)構(gòu)、方法與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。因此，重要的是，權(quán)利要求書應(yīng)被視為包括這種在不背離與本發(fā)明一致的方法和裝置的精神和范圍之內(nèi)的等價結(jié)構(gòu)。
從下面的本發(fā)明的詳細(xì)說明和其實(shí)施方式，以及從權(quán)利要求和所附附圖可以更清楚本發(fā)明的許多其它優(yōu)點(diǎn)和特征。

本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將在結(jié)合附圖同時參照在下面公開的內(nèi)容變得更加清楚，其中圖(或“附圖”)1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的裝置100的側(cè)視圖。
圖2是在裝置200中用于成分分離的光學(xué)陷獲的視圖。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于血液成分分離的閉合的二步階段系統(tǒng)300的示意圖。
圖4示例性地示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的全息光學(xué)陷獲系統(tǒng)。
圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于篩分物體的全息光學(xué)陷獲系統(tǒng)的示意圖。
圖6示出了(分為圖6A和圖6B)根據(jù)本發(fā)明一個方法實(shí)施例的流程圖。
圖7A和7B分別是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的顯示出一種樣本被引入樣本室的示意性側(cè)視圖和俯視圖。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的樣本室的掃描電子顯微圖。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的樣本室工作區(qū)的放大圖。
圖10示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例對篩分的橫向偏轉(zhuǎn)的例子。
圖11A-11B分別示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的漏斗形陷阱的主視圖和側(cè)視圖。
圖12示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第二和第五個相關(guān)應(yīng)用的基于旋轉(zhuǎn)碟的細(xì)胞篩分器。
圖13示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)蠕動。
圖14示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的篩分系統(tǒng)。
圖15示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的篩分系統(tǒng)。
圖16是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高長寬比平面篩分器的側(cè)視圖。
圖17是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高長寬比平面篩分器的平面圖。
圖18是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有多種數(shù)個篩分器的三維篩分裝置的透視圖。
圖19是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多通道篩分器的平面圖。
圖20是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的有窄廢液流動區(qū)域的篩分器的平面圖。
圖21是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的利用不同的流速的篩分器的平面圖。
圖22是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有數(shù)個選擇通道的篩分器的平面圖。
圖23是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有變窄的篩分區(qū)域的篩分器的平面圖。
圖24A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多層層流篩分器的側(cè)視圖。
圖24B是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多層層流篩分器平面圖。
圖25示出利用本發(fā)明不同的實(shí)施例進(jìn)行精子活性或者可運(yùn)動性的篩分的結(jié)果。
圖26是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性篩分與分離系統(tǒng)的方框圖。
圖27是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性雙重反應(yīng)器產(chǎn)品提純和分離系統(tǒng)的方框圖。
具體實(shí)施方案雖然本發(fā)明允許有許多不同形式的實(shí)施例，如圖所示的和將要在此處詳細(xì)地敘述的具體實(shí)施例應(yīng)被理解為本公開是本發(fā)明的原理性范例，而不是將本發(fā)明限制于這些具體闡述的實(shí)施例。
如以上所述，本發(fā)明不同實(shí)施例用于分離混合物的成分，比如將全血中不同的血液成分分離成為相應(yīng)的離分，比如血小板離分、紅細(xì)胞離分、白細(xì)胞離分和血漿離分。這些不同的實(shí)施例如下所述地利用一系或多條具有多重穩(wěn)定層流的篩分通道，并允許一或多種成分分異性地從一個液流沉淀入另一個，由此將這些成分分離成為相應(yīng)的液流。另外，這些不同的成分可以利用光學(xué)機(jī)機(jī)(例如全息光學(xué)陷阱)篩分。本發(fā)明不同的實(shí)施例由此提供在一連續(xù)基底(basis)上進(jìn)行成分的分離(例如在一連續(xù)封閉系統(tǒng)內(nèi))，并且沒有特別是用于血液成分分離法的現(xiàn)有技術(shù)方法造成的潛在損害和污染。本發(fā)明的連續(xù)處理過程也有效的節(jié)省了血液分離的時間。
除了全血篩分和分離應(yīng)用之外，本發(fā)明也適用于其它的細(xì)胞篩分應(yīng)用，諸如在例如骨髓提取物中從正常或健康的細(xì)胞中進(jìn)行癌細(xì)胞的分離。本發(fā)明不同的實(shí)施例可進(jìn)一步適用于其它的生物學(xué)或醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如細(xì)胞、精子、病毒、細(xì)菌、細(xì)胞器或亞微粒子(subparts)，球狀結(jié)構(gòu)、膠質(zhì)懸體、脂質(zhì)和脂質(zhì)球、凝膠、不可混和的顆粒、裂球，細(xì)胞集合體、微生物及其它生物材料的分離。例如，依照本發(fā)明，成分的分離可以包括細(xì)胞“清洗”，在其中將污染物(例如細(xì)菌)從細(xì)胞懸浮液中除去，其在醫(yī)學(xué)和食品工業(yè)應(yīng)用中特別有用。值得注意的是，基于液流的現(xiàn)有技術(shù)還沒有認(rèn)識到利用可變的沉降速率和光學(xué)操作進(jìn)行不可移動的細(xì)胞成分的篩選或分離的任何應(yīng)用。
雖然以下討論集中于篩分血液成分以形成不同血液離分上，但本發(fā)明的裝置、方法和系統(tǒng)可擴(kuò)展至其它類型的微粒、生物學(xué)或細(xì)胞的物質(zhì)，這些物質(zhì)能夠在流體流中沉積或分層，或這些物質(zhì)能夠在不同流體流之間進(jìn)行光學(xué)操作。例如，本發(fā)明的方法可以用于從活細(xì)胞中分離不游動的或無活性的精子細(xì)胞，通過允許不可游動的細(xì)胞從第一液流沉積入第二液流，同時維持第一液流中的游動細(xì)胞或允許游動細(xì)胞移動至第三液流。其它的細(xì)胞分離的篩分法也是可行的，例如通過流動分離或光學(xué)光鉗(陷阱)之一或兩者實(shí)現(xiàn)從其它類型的胰腺細(xì)胞中分離島細(xì)胞，或者分離不同尺寸的島細(xì)胞群。使用本發(fā)明也可以分離病毒、蛋白質(zhì)及有不同沉降速率的其它大分子。與不同的分離階段一起使用的全息光學(xué)陷阱特別是對其它類型的細(xì)胞或顆粒的分離是有用的。
本發(fā)明還有其它的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。例如，可以利用下述多種層流作為腎透析處理的一部分，在此處理中清除全血中的廢物并且返回至病人。因此，除了以相對密度為基礎(chǔ)的顆粒離析之外，例如，可將本發(fā)明用于以擴(kuò)散、運(yùn)動性及其它梯度類型為基礎(chǔ)的分離。
例如，本發(fā)明可用于從一種溶液向另一種溶液移動成分，而在此通過過濾器或離心作用進(jìn)行分離是無用的或不期望的。除了以上論述的這些應(yīng)用，其它應(yīng)用包括從其它尺寸的膠體中離析規(guī)定尺寸的膠體(用于研究或商業(yè)應(yīng)用)，以及清洗顆粒(例如細(xì)胞、卵細(xì)胞、等等(有效地替代將它們包含于其中的介質(zhì)并清除污染物)，或從鹽和表面活性劑的溶液中用不同鹽濃度或無表面活性劑的溶液清洗顆粒(例如nanotubes)。
這些分離成分的活動可取決于對象的許多物理性質(zhì)，包括自運(yùn)動性、自擴(kuò)散性、自由下落速度或取決于外力作用(例如電磁場或全息光學(xué)陷阱)下的活動。可用其進(jìn)行篩分的這些特性可以包括細(xì)胞運(yùn)動性、細(xì)胞耐存活性、對象大小、對象質(zhì)量、對象密度、顆粒在液流中吸引或排斥另一個或其它對象的趨勢、對象電荷、對象表面化學(xué)性質(zhì)和某些分子粘附于對象的趨勢。
雖然本發(fā)明詳細(xì)地論述了關(guān)于裝置100、200和300，應(yīng)該理解為這些論述同樣適用于在圖13-24和26-27中說明的其它不同的實(shí)施例。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的裝置100的側(cè)視圖。如圖1所示例的，篩分裝置100包括篩分通道110、多個進(jìn)口120和多個出口130。相應(yīng)的流體流(例如所示出的液流W、X、Y、Z)進(jìn)入其中一個進(jìn)口120并通過該篩分通道(或篩分區(qū)域)110基本上無湍流的或者作為層流的流過并通過相應(yīng)的出口130流出，如圖所示。
裝置100(和以下的200)可以由多種材料(例如金屬、陶瓷、玻璃和塑料)體地制成或利用各式各樣的材料形成為分離的元件。不同的材料和制造方法在第三和第四相關(guān)應(yīng)用中論述，并包括例如使用不同的暴露于紫外線下進(jìn)行處理的聚合體。其它的詳情也在第三和第四相關(guān)應(yīng)用中提供，例如對不同類型的抽吸裝置的使用和選擇，例如注射器抽吸、蠕動泵抽吸、重力驅(qū)動抽吸和不同抽吸活動的組合。
在所選實(shí)施例中，當(dāng)與全息陷阱或其它形式的光學(xué)光鉗連用時，裝置100(或200)對于所選波長的全息發(fā)生器是透明的，例如當(dāng)全息發(fā)生器利用可見光波長時是光學(xué)透明的。依賴于所選應(yīng)用，裝置100(200)還應(yīng)是經(jīng)過消毒的并也具有控制的溫度?？赏ㄟ^本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的各種方式將不同的流體流注入進(jìn)口120，在本發(fā)明的范圍內(nèi)包括使用蠕動泵或重力注入，并且這種方法也可用于控制不同的液流W，Y和Z的流速。當(dāng)使用蠕動泵時，為了保持恒定流速和壓力，可將氣泡陷阱結(jié)合在裝置100(或200)的進(jìn)口120處。
分離流體所利用的不同液流可被稀釋或濃縮，以增加或降低其中一種溶液的體積或影響某些溶解或懸浮材料的濃度，或影響溶液的物理特性，例如粘度、溫度或密度。當(dāng)被用于血液篩分時，裝置100的一個樣例包括(a)稀釋血液，以減少堵塞和血細(xì)胞之間的流體動力學(xué)的相互作用，(b)血液或血液離分的容積擴(kuò)展，(c)血液、血液離分或影響流體特性或篩分行為的另一種溶液的密度的修正，(d)對溶液容量的擴(kuò)展以保持流體的體積的增加，特別是流體體積從系統(tǒng)中去除的條件下。如以下更詳細(xì)的敘述，不同的化學(xué)引誘劑或防護(hù)劑可加至液流，這些物質(zhì)也可以有不同的溫度和粘度水平改善精液篩分。
流體分離中所利用的不同液流可以是“有活性的”，已通過某些外部效應(yīng)激活溶液中的某些過程，或與外部溶液混合。外部效應(yīng)的樣例包括(a)是加電場，(b)施加磁場，(c)暴露于光線，(d)修正溫度，(e)引入化學(xué)物質(zhì)，(f)引入生物材料，(g)切變?nèi)芤?shearing thesolution)，及(h)振動溶液。由外部溶液引起的活化作用包括(a)顆粒、分子、或細(xì)胞的排列，(b)一或多種成分的極化，(c)交聯(lián)，(d)化學(xué)反應(yīng)的開始或終止，(e)生物學(xué)反應(yīng)的開始或終止，(f)化學(xué)、物理或生物學(xué)反應(yīng)的類型或速率的改變，或(g)根據(jù)正在反應(yīng)的特殊成分的特性導(dǎo)致反應(yīng)或分離。用于血液篩分的裝置100的樣例包括(a)添加試劑，以減少凝結(jié)；(b)添加試劑以保持血液溶液或其成分的活性或健康性；(c)添加這樣的試劑，該試劑可通過例如粘合或聚集附近的某種成分從而影響一或幾種的物理性質(zhì)而擴(kuò)大篩分過程，包括添加小球或其它能夠黏附于一或多種成分的顆?；蚓酆衔?，還包括鹽或其它能夠影響材料的靜電相互作用或流體動力大小或材料特性的材料；(d)添加例如通過改變密度、粘性、表面張力或其它參數(shù)來影響流體特性的試劑；(e)添加增強(qiáng)或抑制某種材料聚集的試劑；以及(f)添加增強(qiáng)或抑制某種材料黏附于其它材料或流動裝置部件的試劑。
根據(jù)本發(fā)明其中一個流體流(例如所示的液流W)包括多種成分A、B、C和E。例如，當(dāng)流體是全血時，這些成分可以是紅細(xì)胞(“RBC”)，白細(xì)胞(“WBC”)、血小板、細(xì)胞碎屑和污染物，全部在血漿中。典型地，眾多成分中的多數(shù)有不同沉降速率，典型地利用斯維德貝格系數(shù)測量。例如，紅細(xì)胞有比血小板較大的沉降速率，并且將在起支撐功能作用的基底上沉積速度更快，屬于由于重力的或浮力作用，無其它的作用機(jī)制，例如離心作用的介入。當(dāng)不同的液流W、X、Y和Z流過篩分區(qū)域110，基于不同沉降速率，多種成分(例如細(xì)胞或其它的顆粒)將沉積，從而從一個液流向另一個液流移動。如所示出的，具有相對最大沉降速率的成分A被示出從液流W移動至最低層液流Z，具有相對其次高的沉降速率的成分B示出為從液流W移動至液流Y(在Z之上)，具有比較小的沉降速率的成分C示出為從液流W移動至液流X(在Y之上)，而有相比較為最小的沉降速率的成分E示出為仍在液流W(在Y之上)中。利用不同的沉降特性，可分離這些成分的每一種進(jìn)入相應(yīng)的液流，并且互相隔離并從相應(yīng)的出口130流出。因?yàn)槊糠N液流W、X、Y和Z通過其相應(yīng)的出口130流出，該種液流分異性地從其它液流中去除，即一種液流已經(jīng)去除而另一種液流完全保持不動或者分別個別的從剩下的液流中去除。另外，這種分異式去除可以是并行的，也就是所有液流同時或連續(xù)去除。
繼續(xù)參照圖1，利用加入抗凝劑(例如檸檬酸鈉或肝素)的全血作為流體流W，例如，不同的血液離分可以彼此分離，由于紅細(xì)胞沉積最快，用成分A表示(例如，4.59μm/s)而白細(xì)胞以稍慢沉積的速率沉積，用成分B表示(例如，2.28μm/s)，血小板以相對較慢的速率沉積，用成分C表示(例如，0.055μm/s)，而血漿仍構(gòu)成液流W，由成分E表示。各血液離分可以通過相應(yīng)的出口130去除。
沒有圖1中分開表示，由于浮力和相對密度的原因，在流體流中的一個或多個中可能有顆?；虺煞謱⑾蛏狭髦凛^高處的液流(例如乳狀液)。例如，流入液流X的密度小的顆?？缮胍毫鱓，通過相應(yīng)的出口130與液流W一起流出。
如側(cè)視圖所示出的，裝置11的篩分通道(或篩分區(qū)域)110在平行于流動方向具有可變的長度“L″，垂直于流動方向具有可變的深度“D”，以及所示的延伸入頁面內(nèi)的寬度“WW”(WW這樣敘述是為了避免與液流W混淆)?；诤芏嘁蛩剡x擇這些不同尺寸，特別是所感興趣的成分的流速和沉降速率。例如，由于所選流速，篩分通道的總長度應(yīng)該足夠長的以分異性地移動相對最慢的沉降速率的成分，如圖2所述的成分C，同時于其它液流相應(yīng)的較短長度以分離沉降速率較快的成分，如圖所示的含成分A的液流Z和含成分B的液流Y。
本發(fā)明更進(jìn)一步地不同于現(xiàn)有技術(shù)的方面在于，在長寬比上有相當(dāng)更大的寬容度或容許度，但仍保持了基本上是層流。長度對于寬度的長寬比例如可在5(或更大)比1(5∶1)，(此時長度大于寬度)到大約1(或者更小)比2(此時長度是小于寬度的)變化。一優(yōu)選的長度與寬度的長寬比大約為2∶1，并可從3∶1到1∶2之間變化。
流速也可在裝置100所利用的大量液流之間變化。例如，較低層液流(例如Y和Z)更高的流速可趨向壓縮液流W和X，導(dǎo)致在更短距離上特定成分必須橫穿沉積物進(jìn)入液流Y和Z。
另外，通過裝置100的不同液流成分的沉積作用是典型地速率帶狀的，即基于該成分的相對密度和尺寸兩方面分離，還有材料的形狀和靜電特性。然而，在其它的條件下，例如較低流速、較薄的流深和/或較長的篩分通道100，沉積作用也可等密度線，即，僅基于成分的相對密度。
當(dāng)希望等密度線分離時，包括液流W、X、Y和Z的不同液流可以經(jīng)過選擇和校準(zhǔn)以形成期望的密度梯度，以與成分密度相配以用于所選分離。例如，包括液流W、X、Y和Z的不同液流經(jīng)過選擇和校準(zhǔn)以各有一不同的漸增的或漸減的密度，從而形成梯級密度梯度，不同的顆粒沉積于適當(dāng)?shù)奶菁?。另外，通過利用足夠多的流體流層，密度梯級有效的成為連續(xù)的，同時有相應(yīng)的結(jié)晶分離能力。
包括大致的層流例如液流W、X、Y和Z的不同的流體，也可根據(jù)適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)被選擇用于特殊要求的成分分離。例如用于血液分離，不同的液流組成全血，例如液流W，血漿或緩沖溶液作為剩余的液流。此不同的流體也可是在通過進(jìn)口120進(jìn)入之前經(jīng)過預(yù)處理，例如通過稀釋、添加其它的成分例如添加劑(例如抗凝血劑，絮凝劑或膠結(jié)劑)，粘度或其它的流體特質(zhì)操作或通過其它的分離技術(shù)的預(yù)處理。再例如，全血可以預(yù)處理以初步地去除一些紅細(xì)胞或添加抗凝血劑(例如檸檬酸鈉)。
雖然用四個液流或通道來說明，應(yīng)該理解為裝置100(或以下的200，)可以用許多液流和相應(yīng)的液流入口120和出口130實(shí)施。一個對流體流的總數(shù)限制為根據(jù)有能力保持各液流在基本上層流的或非湍流狀態(tài)。如此以使液流之間的各分界面基本上是非湍流狀態(tài)，以使任何不需要的液流混合最小化。另外，也可能有相對密度方面的考慮，因?yàn)榱黧w包括也可以導(dǎo)致液流數(shù)目限制的利用規(guī)定分離步驟的液流。
不同的裝置100(或以下的200)可以更進(jìn)一步地與附加的裝置100(200，以下)配合，并行用于更高的流量，和串聯(lián)用于增加分離階段，例如為了提高提純水平。另外，不同的裝置100也可與非沉積作用分離組合，或與隨后的利用非沉積作用機(jī)械的分離串聯(lián)配合，與以完成的液流之間成分附加分離配合，例如，利用光學(xué)力，例如第五個相關(guān)應(yīng)用中的全息光學(xué)陷阱，在此處引用以作參考。而且，不同的裝置100、200或300可有不同尺寸和許多不同的通道或液流。
圖2(以及圖13)是利用這樣的由用于在裝置200中進(jìn)行的附加成分分離的全息或光學(xué)陷阱產(chǎn)生的光學(xué)力的總體性說明。對大量的全息光學(xué)陷阱210的形成和操作在下面參照圖4和5有更詳細(xì)的說明，其中裝置200構(gòu)成圖5的樣品506。兩種液流W和X在圖2中示出，而液流W最初有兩種成分A和B。利用全息光學(xué)陷阱210(在圖2中描述為圓錐形的部分)從而捕獲“A”成分，并且移動它們進(jìn)入液流X。這樣的光學(xué)陷阱特別是對增加特殊離分的純度是有用的，特別是對基于沉降速率的具有不充分區(qū)別的離分。這樣的光學(xué)陷阱對于去除不希望的成分也特別有用，例如細(xì)胞碎屑和其它的雜質(zhì)。另外，對成分的混合或再混合可在上述的速率帶狀層流分離過程中實(shí)現(xiàn)，光學(xué)陷阱在去除不希望的成分時是特別精確的。例如白細(xì)胞的比較小的部分可能沉降的不是足夠快，導(dǎo)致在血小板離分中有一些白細(xì)胞污染物?？梢岳霉鈱W(xué)陷阱選擇和去除白細(xì)胞進(jìn)入單獨(dú)的液流，從而增加血小板離分的純度。
用于血液篩分應(yīng)用時，應(yīng)該理解，對血小板和紅細(xì)胞的光學(xué)操作(或“鉗獲”)好于白細(xì)胞的。但是利用在系統(tǒng)500中的低數(shù)值孔徑(以下有論述)可顯著地改善對白細(xì)胞的光學(xué)操作。
當(dāng)與光學(xué)陷阱同時使用執(zhí)行時，裝置100、200或300應(yīng)該利用對于所選光波長的光學(xué)透明材料實(shí)施。當(dāng)全息陷阱是在其它的波長執(zhí)行時，可以利用其它的相應(yīng)的透明材料以適于所選波長。執(zhí)行和放置該裝置100、200或300在圖5標(biāo)記為樣品506的位置，而利用系統(tǒng)500執(zhí)行該全息光學(xué)陷阱，作為本發(fā)明分離步驟一個或一部分。
圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的用于血液或其它的成分分離的閉合的二階段系統(tǒng)300。在第一階段305，從所選供體的血液成分通過進(jìn)口315流入形成第一液流，而血漿通過進(jìn)口320返回(或最好在最初的起點(diǎn))形成第二液流。第一和第二液流不是湍流的，換言之是層流，并且在第一分離區(qū)325中彼此之間形成非湍流的接觸，在二液流之間形成非湍流的交界區(qū)。在第一分離區(qū)325，紅細(xì)胞和白細(xì)胞兩者都從第一液流沉積入第二液流，并且是集中于儲液槽330中，以供其它的應(yīng)用(例如作為醫(yī)學(xué)上用于聚集細(xì)胞)或用于返回所選供體。如以上指出的，第一分離區(qū)325的長度和第一液流的流速是預(yù)定的，以使紅細(xì)胞和白細(xì)胞都有充分的時間在重力和浮力作用下被動沉積成為第二液流。
繼續(xù)參照圖3，現(xiàn)在已經(jīng)基本上去除其中紅細(xì)胞和白細(xì)胞的第一液流無湍流的流過一連續(xù)的路徑進(jìn)入第二分離步驟310。在第二分離步驟310中，第一液流與第三液流從進(jìn)口335進(jìn)入第二分離區(qū)340。在本示例性實(shí)施例中，第三液流是也由從所選供體來的血漿組成。第二分離區(qū)340中，剩余在液流中的血小板被動地沉積進(jìn)入液流3，并且與液流3的血漿在儲液槽345中聚集，以用于醫(yī)學(xué)使用，例如。更進(jìn)一步地清除的液流1是從出口350流出后再循環(huán)返回進(jìn)口320和335，各自形成第一和第三液流。如以上所述指出的，系統(tǒng)300可以系統(tǒng)啟動時在例如通過離心所選供體血液的一部分注入供體血漿，或在初始時用另一個生物相容的無毒的液流直到清除過的液流1(基本上是或主要是血漿)在出口350處產(chǎn)生。
未在圖3中單獨(dú)示出也可利用附加的全息陷獲分離步驟輔助這些血液離分的分離。例如，可以利用全息陷獲分離步驟作為代替或附加到第二階段310。另外，已經(jīng)說明第二步驟分離利用了液流1，在其它的實(shí)施例中，液流2可經(jīng)過第二(或更多的)步驟分離，另外或代替液流1附加分離步驟。而且，附加分離階段可以利用串聯(lián)或者并聯(lián)。
更一般地，分離區(qū)是其中材料基于某些材料特性進(jìn)行部分或完全地篩分或分離的區(qū)域。分離區(qū)在本發(fā)明實(shí)施例中的任何不同的液流中可單個的，順次的，或同時發(fā)生的使用一個或多個以下的技術(shù)(a)沉降速率帶狀的分離通過沉降速率分離。沉降速率主要是材料大小和密度的函數(shù)，也是材料形狀和靜電特性的函數(shù)。對于此分離，建立層流并在重力作用下，或某些情況下通過其它的慣性力(例如一離心機(jī)式裝置的旋轉(zhuǎn)力)發(fā)生分離。
(b)通過密度分離。對于此分離，建立線性的、梯級的、平穩(wěn)的梯級或交替的密度梯度并且允許材料在本梯度中沉積和/或乳化直到材料到達(dá)或接近到達(dá)該材料處于匹配密度環(huán)境的區(qū)域。
(c)擴(kuò)散性分離通過擴(kuò)散性分離。對于此分離，材料是基于一定的時間內(nèi)它們擴(kuò)散的距離而分離。
(d)運(yùn)動性分離通過運(yùn)動性分離。在此分離中，材料基于在一定的時間內(nèi)材料自其自身擁有的運(yùn)動性而移動的距離而分離。
(e)光學(xué)分離法利用光學(xué)力分離，典型地?zé)o需反饋機(jī)制地傳達(dá)和影響基于對個體對象分析的光學(xué)系統(tǒng)。
(f)直接光學(xué)分離法利用光學(xué)力分離，典型地利用反饋機(jī)制以傳達(dá)并且影響基于對個體對象分析進(jìn)行的光學(xué)系統(tǒng)。
(g)介電電泳分離利用介電電泳分離。這種力依靠對象在所施加的電場中的位置施加于該對象，而絕緣體依材料和它的環(huán)境而作出反應(yīng)。
(h)電泳分離利用電泳分離。這種力依靠對象在所施加的電場中的位置以及材料和其環(huán)境的電荷施加于該對象。
(i)磁力分離法利用磁力分離，這種力依據(jù)它的在所加磁場中的位置和對象的磁性施加于對象。
(j)表面張力分離利用表面張力或材料的表面化學(xué)特性分離。這可以例如涉及對被吸引到或穩(wěn)定存在的某材料的液流界面的構(gòu)造。
更具體的，用于血液篩分示范分離法包括(a)利用沉降速率帶狀的分離，從一些或所有其它血球類型和/或從血漿或流體培養(yǎng)基中分離一種或更多血細(xì)胞類型；(b)如(a)那樣進(jìn)行分離，但是利用等密度線分離；(c)利用沉積作用僅僅從溶液中去除紅細(xì)胞(RBC)或紅細(xì)胞和白細(xì)胞(WBC)；(d)利用沉積作用從血漿中濃縮血小板；(e)利用介電電泳、電泳、或磁力分離提取紅細(xì)胞；(f)利用光學(xué)技術(shù)包括光學(xué)鉗獲和光學(xué)分離法從溶液中濃縮或提取血小板；以及(g)利用可與特殊細(xì)胞類型結(jié)合(例如功能化的顆粒)試劑并依據(jù)以上所述分離技術(shù)的任何一種作用分離血液成分，在那之后，試劑從或不從該細(xì)胞類型解除。
對于血液篩分，組合方法可能是最有效，例如首先利用沉降速率帶狀的分離提取大多數(shù)RBC和WBC，然后利用光學(xué)分離法提取和濃縮的血小板，論述如下。光學(xué)分離法步驟將不僅用于濃縮血小板(此法也可以，例如，最后在離心作用步驟采取)，而且提供了第二步驟，將對WBC偶然的與血小板共同聚集發(fā)揮強(qiáng)抑制作用，用于血小板無耐受力的例子。這樣的濃縮步驟也可包括過濾，例如從血小板離分或血漿離分中過濾WBC。
雖然已經(jīng)關(guān)于血液分離法描述了裝置300，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，除了這樣的血液分離法之外，可以將裝置300用于各式各樣的分離。另外，也可認(rèn)為裝置300是本發(fā)明的系列相關(guān)分離步驟一個具體的實(shí)施例。
細(xì)胞″清洗″也是裝置100200或300一項(xiàng)有效應(yīng)用。這種清洗可包括介質(zhì)的變化，用于貯存、保存或其它的醫(yī)學(xué)目的。這種清洗也可包括通過分離所感興趣的細(xì)胞進(jìn)入另一個不含這樣的污染物的介質(zhì)液流，從而清除一包含污染物例如細(xì)菌的介質(zhì)。如以上所述，精子分離也是裝置100、200或300的一項(xiàng)有效的應(yīng)用。
篩分設(shè)備100、200或300的部分或從其中的輸出可以用光學(xué)手段觀察。這可以為利用直接地自然光(brightlight)成像或熒光性成像而直接地可見成像，例如用一架相機(jī)?；蛘撸梢詾楦鼜?fù)雜的技術(shù)例如光譜學(xué)、傳播光譜學(xué)、頻譜成像或散射例如動力學(xué)光散射或擴(kuò)散波譜學(xué)。在許多情況下，這些觀察區(qū)域可以直接合并入液流裝置以表征輸入、輸出或中間步驟。它們可以用于診斷或保持記錄，或者可以用于傳達(dá)此整體過程，例如反饋處理是如何完成的或液流的速率或使用各溶液的量。在某些情況下，光學(xué)觀察區(qū)域可與添加劑一起使用，該添加劑例如結(jié)合或影響溶液的一部分的化學(xué)制品，或是在特定材料或疾病存在時功能化凝固和/或發(fā)出熒光的顆粒。對于血液篩分的例子，這些技術(shù)可以用于測量細(xì)胞濃度，以檢測疾病，或于檢測表征血液的其它參數(shù)。
篩分設(shè)備100、200或300的一些部分或從其中的輸出可以用電學(xué)手段表征。例如，篩分設(shè)備可以植入電子器件。例如，電子器件可包括(a)電容，(b)電流計(jì)，(c)用于確定流體的體積電導(dǎo)率的電阻計(jì)，通過該參數(shù)可以測量濃度或成分，或(d)PH測量儀。對于血液篩分應(yīng)用，細(xì)胞濃縮程度、鐵含量、流速、細(xì)胞總數(shù)、電解液濃度、PH值及其它參數(shù)的測量都可以為篩分設(shè)備重要的部分。
篩分裝置100、200或300的液流成分可以是被動的，從而通過輸入和輸出的流速進(jìn)行從外部地完全控制?；蛘撸梢栽?不是分開描述)裝置中植入起作用的液流成分，例如可以利用電子學(xué)的、光學(xué)的、熱學(xué)、力學(xué)的或其它的影響部分或完全地打開或關(guān)閉的閥。對于血液篩分應(yīng)用，篩分設(shè)備100、200或300可以有用于篩分和/或傳輸一或多種溶液的綜合方法。例如，將可消耗的篩分設(shè)備做成在儲液槽的一側(cè)有可變形的薄膜。此儲液槽可以用溶液裝滿，例如一種與病人生物相容的并可用于稀釋血液的緩沖劑。另一個例子是它可填充抗凝結(jié)劑。輸送和/或?qū)σ粋€這種流體的利用可以動態(tài)的通過機(jī)械的影響控制，壓迫該薄膜輸送該流體。或者，可以用另一機(jī)構(gòu)傳送該流體。對于特別的目的，為了簡化起見和節(jié)省，在篩分過程中，在不同步驟需要不同的流體溶液的集合。融合這些成分可相當(dāng)程度的簡化和減少所有權(quán)與操作的總消耗。它也可減少污染和誤差的風(fēng)險。例如在圖14和15中示出了這種容納輸入和緩沖溶液或流體的儲液槽。
裝置100、200或300可包括對一或更多種流體或流體成分進(jìn)行生物學(xué)或化學(xué)檢驗(yàn)的方面(未單獨(dú)示出)。這可包括PH值的測量，特定生物學(xué)或化學(xué)材料的添加，或其它測量。對于血液篩分應(yīng)用，這可包括疾病檢測、對不同細(xì)胞類型或材料在血漿的濃度表征，鐵含量的表征、血型的確定、或其它的血液質(zhì)量、類型或品類的估計(jì)。
裝置100，200或300可包括一區(qū)域(未單獨(dú)示出)，對溶液利用光學(xué)法(例如暴露于紫外線燈)或者其它的方法進(jìn)行殺菌。殺菌可對該裝置初始的部分或添加到其中的用于緩沖、清洗、稀釋的或其它的影響樣品溶液的溶液作用?；蛘?，殺菌可以對正被處理的樣品溶液的部分或全部作用。對于血液篩分應(yīng)用，對于該裝置使用的除全血之外的溶液光學(xué)殺菌是重要的。還有，血液或某種離分的殺菌也是重要的。
該裝置100、200或300可包括一或多個表面已經(jīng)構(gòu)造完成的材料以使與某材料進(jìn)行物理學(xué)或化學(xué)的反應(yīng)。例如，一個表面可以功能化以便某材料粘附于它，為了從該溶液中提取這些材料或?yàn)榱嗽\斷目的。對于血液篩分應(yīng)用，功能化的表面可以用來從某離分中提取不需要的材料?？蛇x擇性地，它們可用于聚集低濃度的材料以用于測量現(xiàn)有的一材料或一種類型材料的濃度，例如疾病檢測。
篩分設(shè)備100、200或300可包含其中并行地進(jìn)行篩分但無物理器壁分隔液流的區(qū)域。例如，并行篩分的區(qū)域可以有多個進(jìn)口120和出口130，其中有一些是功能上彼此類似的。用于取代區(qū)別于多重并行篩分器物理分流器，分流作為溶液和液流的物理性質(zhì)所導(dǎo)致的結(jié)果實(shí)現(xiàn)。這些接觸的并行化篩分器區(qū)域可用更簡單和便宜的裝置產(chǎn)生高篩分率。它們也可進(jìn)行以避免表面的接觸。對于血液篩分，可用這些區(qū)域最小化接觸面積并最大化篩分率同時降低消耗和復(fù)雜性。
可設(shè)計(jì)裝置100、200或300用于控制流動速率或者流動特征的區(qū)域(未單獨(dú)示出)。例如，在許多情況下需要層流，往往也希望得到特殊的流動剖面。在其它情況下，裝置的幾個區(qū)域應(yīng)有一致的流動速率和行為。因?yàn)檫@個原因，經(jīng)常需要具有形狀和其它特性的區(qū)域影響流動行為。在某些情況下，這由十分對稱的流動設(shè)計(jì)來完成。在其它情況下，流動區(qū)域直徑大的變動和/或存在儲液槽以幫助保持流動速率的一致。在其它情況下，精心設(shè)計(jì)的通道提供對所需流動速率的精確平衡。為了保持層流，通道尺寸有緩慢變化的區(qū)域是重要的。障礙物或分流器也可以用于保持層流。對于血液篩分，流動調(diào)整對在保持離分的產(chǎn)量和純度的同時達(dá)到高的分離率是重要的。
沒有單獨(dú)示出，裝置100、200或300可以含有設(shè)計(jì)來用于液流的機(jī)械混合區(qū)域，例如激發(fā)湍流的區(qū)域。例如，一個有快速狹窄區(qū)域的液流進(jìn)入一個大尺寸區(qū)域可以產(chǎn)生湍流和混合。對于血液篩分，一個混合區(qū)域可以將稀釋液或抗凝血劑與血液混合，或根據(jù)需要將其它溶液混合在一起。
裝置100、200或300可以含有設(shè)計(jì)用來以某種方法排列細(xì)胞或原料的區(qū)域(沒有單獨(dú)示出)。這有時候通過剪切流來完成，但也可以通過施加外場例如電場來完成。
裝置100、200或300可以含有設(shè)計(jì)用來溶解細(xì)胞或分解原料的區(qū)域(沒有單獨(dú)示出)。這可以通過剪切流、振動、強(qiáng)迫穿過一個孔、電的或其它裝置來完成。對于血液篩分，這可能對于除去特定細(xì)胞類型或產(chǎn)生的聚合體有價值。這也可能對診斷目的，例如疾病檢測或?qū)儆诩?xì)胞內(nèi)含物的參數(shù)測量有價值。
該裝置可以含有使細(xì)胞膨脹或脫水或?qū)ο蟮膮^(qū)域(沒有單獨(dú)示出)，例如通過引入改變滲透壓的試劑或通過改變物理壓力。這可以，例如，作為一個步驟在進(jìn)行等密度篩分以調(diào)整細(xì)胞或?qū)ο蟮拿芏戎巴瓿伞Ｋ部梢酝瓿捎脕須⑺阑虼驌籼囟ǔ煞?。以血液篩分為例，這可以作為后階段提純步驟以去除或控制不想要的成分來完成。
裝置100，200或300可以含有加熱或冷卻一種或多種溶液的區(qū)域(沒有單獨(dú)示出)。這可以實(shí)現(xiàn)對其物理屬性的影響，例如粘性與密度。或者，它可以實(shí)現(xiàn)對其化學(xué)屬性的影響，例如化學(xué)反應(yīng)速率或化學(xué)穩(wěn)定性?；蛘?，它可以實(shí)現(xiàn)對其對生物屬性的影響，例如活性，新陳代謝率，或生存力。例如，一種流體流可以比另一流體流的溫度高，導(dǎo)致能活動的精子遠(yuǎn)離熱的液流到達(dá)較涼的液流。還有，它可完成對實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的兼容，例如為了后續(xù)處理步驟而進(jìn)行的準(zhǔn)備。以血液篩分為例，用于返回至病人的溶液保持在適當(dāng)?shù)臏囟纫员苊馐共∪烁械胶?。貯存的溶液則可以在操作中冷卻以保持那些成份或者使其為下一步的操作或貯存步驟做準(zhǔn)備。
裝置100、200或300可以包含一些儲液槽以儲存過程進(jìn)行中用到的溶液，或在過程進(jìn)行中產(chǎn)生的溶液(沒有單獨(dú)示出)。擁有這些與篩分裝置整合在一起的儲液槽簡化了使用裝置并減少了所需的附加部分。以血液篩分為例，儲液槽可以裝有抗凝血劑，稀釋液，和過程中所需的任何其它溶液。儲液槽還可以合并以保存篩分過的離分和廢棄的離分。
裝置100、200或300可以包含通過擴(kuò)散增強(qiáng)混合度的區(qū)域(沒有單獨(dú)示出)。例如，當(dāng)兩股層流相接觸來混合，使其平行分為許多狹窄，互相接觸的液流通過擴(kuò)散增強(qiáng)了整體的混合率。以血液篩分為例，可用來擴(kuò)散混合區(qū)域混合稀釋液，抗凝血劑或其它含全血或血液離分的溶液。
同樣沒有單獨(dú)示出，裝置100、200或300可以包含有氣泡陷阱的區(qū)域以去除系統(tǒng)中的空氣泡。這可以由一個能使空氣泡從流動區(qū)域上升到原來的流動區(qū)域之上的區(qū)域來完成。以血液篩分為例，這可以以一種簡單的方式實(shí)現(xiàn)以保證來自系統(tǒng)裝載或運(yùn)行階段的小空氣泡不會傳到病人或采集樣本上。
如上所示，裝置100、200或300可以包含一些作用來抑制任何液流中的震動(pulsation)的區(qū)域(沒有單獨(dú)示出)，例如那些在蠕動泵使用時產(chǎn)生的。一種抑制震動的方法是在裝置中整合一個“氣泡陷阱”。一個與流體接觸的空氣囊的存在，允許空氣囊隨壓縮流體壓力的增減。從而，空氣囊起到一個減震器的作用，使流動平滑。其它裝置也同樣可以使用，例如一片彈性膜，能在更高的壓力下彎曲，從而平滑壓力和流動速率。對于血液篩分的應(yīng)用，震動衰減區(qū)域?qū)a(chǎn)生更精確及平滑的流動，因此有更高的篩分率，純度和產(chǎn)量。
裝置100、200或300可以包含顯示裝置狀態(tài)的區(qū)域(沒有單獨(dú)示出)。對于一種耗材，它可以指示設(shè)備是否已滅菌，或是否已使用。對于血液篩分的應(yīng)用，人們將想通過一個指示器來確認(rèn)篩分設(shè)備已經(jīng)滅菌并且還沒被使用或污染。
篩分裝置100、200或300，或整個篩分系統(tǒng)，可以包含一組機(jī)構(gòu)用于精確流體篩分器水平。這是重要的，因?yàn)閷τ谀承┖Y分器，在裝置并非精確水平的情況下，浮力可以引起無意的流動并對篩分產(chǎn)量和純度產(chǎn)生消極影響。另外，篩分裝置可以包含可顯示裝置是否已十分平衡或偏離平衡度數(shù)的元件。例如，它可以有一個電子的或基于重力的天平整合在自身篩分器上。這種裝置的一個例子是一根成型的通道，內(nèi)有流體和一個空氣泡?？諝馀莸奈恢每娠@示裝置傾斜的角度。另一種這樣的裝置用一個位于滑軌中的金屬球來顯示傾斜角。另一種表現(xiàn)形式是用光學(xué)校正，例如讓光源從一個表面反射回來或者讓光源穿過一個光楔以確定其方向。對于血液篩分的應(yīng)用，水平控制及指示對保證高產(chǎn)量與高純度產(chǎn)品有重大意義。
篩分裝置100、200或300，或整個篩分系統(tǒng)，可以包含用于保持裝置和/或溶液的均勻溫度和/或恒定的機(jī)構(gòu)(沒有單獨(dú)示出)。這對消除可能引起無意流動并對篩分產(chǎn)量和純度產(chǎn)生消極影響的熱致浮力是重要的。另外，篩分裝置可以內(nèi)含指示器，或在篩分系統(tǒng)內(nèi)作為一個整體，指示器指示一個或多個成分的溫度和/或溫度均勻程度。對于血液篩分的應(yīng)用，控制和指示溫度的均勻程度可以對獲得高產(chǎn)量和高純度產(chǎn)品有重大意義。
篩分裝置100、200或300，或整個篩分系統(tǒng)，可以包含測量一個或多個輸入或輸出溶液的水平面和濃度的機(jī)構(gòu)(沒有單獨(dú)示出)。用這些測量值可以判斷操作的速度、完成時間、錯誤狀態(tài)，綜合監(jiān)控或其它應(yīng)用。對于血液篩分的應(yīng)用，可以用水平面和濃度指示器指示何時已收集到足夠的樣本，或檢測何時溶液發(fā)生錯誤或倒空。
最后，篩分裝置100、200或300，或整個篩分系統(tǒng)，可具有利用標(biāo)準(zhǔn)的倒置填充或排干法，以一種或多種流體啟動系統(tǒng)的方法。清洗可以由排干該裝置或用溶液流過其中來簡單地完成。在篩分進(jìn)行的早期，啟動溶液可以直到它已被大部分貧化并且已經(jīng)獲得時所需溶液才被丟棄。類似的，在篩分進(jìn)行的后期，可用一種流體來把篩分過的物質(zhì)從頭到尾排出系統(tǒng)以獲得最少的浪費(fèi)和最大的產(chǎn)量。
不同的篩分裝置100、200或300也可以被一種提供通常用途的裝置的系統(tǒng)所利用，該裝置允許用戶提取溶液中的一種或多種離分，其取決于S值(大小，密度，或大小*密度)的范圍。圖26是一張依照一個與本發(fā)明一致的實(shí)施例來說明示例性篩分與分離系統(tǒng)2600的結(jié)構(gòu)圖。這個通常用途的篩分器可響應(yīng)用戶的控制(用戶輸入2610)來改變每個輸入輸出通道的流動速率。用戶控制器可允許用戶決定通過每個輸出通道的S值的范圍。此裝置將是一有價值的實(shí)驗(yàn)室工具，用于實(shí)施各種提純、洗滌、分離及樣本的診斷評估。它也將成為一個研究、開發(fā)和原形應(yīng)用的重要平臺。
篩分用的硬件可以包含在一個外殼內(nèi)，可能有或可能沒有溫度控制。此硬件包括以下部分(1)消耗性的流動板2620(例如篩分裝置100、200或300)上有幾個輸入與輸出，(2)幾個可由計(jì)算機(jī)控制的蠕動泵2625，(3)溫度控制和監(jiān)視裝置2630，(4)儲液槽支架(或儲液槽2635和2640)。篩分由計(jì)算機(jī)2650控制，該計(jì)算機(jī)還監(jiān)視和控制流動速率、溫度和其它為了控制或診斷目的而附加的部分。
流動板2620可以是一個簡單的通常用途裝置，適于如上所述的多種應(yīng)用。它可以含有二到四個輸入和二到十個輸出。它可以以已消毒、預(yù)先準(zhǔn)備好的、密封的形式提供。那些儲液槽可以是流動板的一部分，或者是附屬于流動板的在使用前單獨(dú)消毒的部分。中央篩分區(qū)域的全部或部分可以覆蓋一防護(hù)玻璃罩以允許進(jìn)行光鉗、光電泳或激光殺滅/切割樣本的操作。
計(jì)算機(jī)2650對泵和溫度控制硬件進(jìn)行測量和控制。它也可以干預(yù)其它可以被加上的硬件部件。用戶軟件提供一個十分方便的前端來實(shí)時控制所有的泵。它會進(jìn)行必要的計(jì)算來控制每個泵的速率以給予用戶特定的篩分應(yīng)用所要的流動。
系統(tǒng)2600可以是很通用的以允許多種篩分應(yīng)用，或者獨(dú)立運(yùn)作，或者與一臺附加的激光設(shè)備協(xié)作。這些應(yīng)用包括但不限于用熒光法辨認(rèn)細(xì)胞、用高強(qiáng)度激光照射殺死細(xì)胞、用光電泳分離細(xì)胞、基于運(yùn)動性的游動細(xì)胞分離、用擴(kuò)散法被動篩分物體，及液流帶狀密度被動篩分。液流帶狀密度被動篩分應(yīng)用廣泛，通常可由最少或無附加的設(shè)備來完成。
示例性使用以及用于此種通用目的篩分系統(tǒng)2600的應(yīng)用，使用了被動性流控的篩分和/或光學(xué)梯級力(如下所述)的使用，在下面的表格中列出



圖27是根據(jù)與本發(fā)明一致的實(shí)施例描述示例性雙重反應(yīng)器產(chǎn)品提純和分離系統(tǒng)2700的方框圖。雙重反應(yīng)器用于單克隆抗體的產(chǎn)生、重組蛋白質(zhì)產(chǎn)品、病毒和病毒抗原和活細(xì)胞的聚集。雙重反應(yīng)器最通常應(yīng)用在不同的藥物治療酸甘油酯的生產(chǎn)中。雙重反應(yīng)器可使在理想條件下允許細(xì)胞在高濃度環(huán)境中增殖而起作用。在細(xì)胞增殖過程中，培養(yǎng)介質(zhì)流過此雙重反應(yīng)器。此介質(zhì)集中這些細(xì)胞的廢產(chǎn)物，而且為細(xì)胞提供營養(yǎng)。為了獲取這些產(chǎn)品接著對已經(jīng)流過此雙重反應(yīng)器的介質(zhì)進(jìn)行處理。為了集中產(chǎn)品，通過許多不同處理過程過濾充滿了廢物的介質(zhì)，其中一個是通過顆粒萃取色譜法。此處理過程耗費(fèi)很長時間，并且很昂貴，而且產(chǎn)出最終產(chǎn)品不占較大比率。本發(fā)明解決了所有這三個問題。
雙重分應(yīng)器產(chǎn)品提純裝置2700可以快速的、容易的并精確的從廢介質(zhì)中提取所想要的產(chǎn)品。廢介質(zhì)可通過一個通道2701流入篩分裝置，同時覆蓋了適當(dāng)?shù)挠H和點(diǎn)的顆粒溶液通過第二通道2702流入篩分器兩個通道都通向第一混合器2705，在其中它們將混合在一起。在混合過程中，該產(chǎn)品都與顆粒的點(diǎn)結(jié)合?；旌掀魅缓笈c輸入的緩沖溶液(輸入通道2715)流過第一分離區(qū)2710。通過使用被動的擴(kuò)散篩分利用，這些顆粒與所選產(chǎn)品通過通道2718輸出并且廢液將通過通道2716輸出并丟棄。被動擴(kuò)散篩分成功是因?yàn)榇箢w粒停留在一個通道而較輕的分子將擴(kuò)散到該通道的另一邊顆粒溶液接著流過通道2718同時變性溶液流過第二通道2720。這兩通道都將流到第二混合器2725，在其中它們混合在一起。當(dāng)混合它們時，變性溶液將破壞產(chǎn)品和顆粒的結(jié)合。在混合之后，溶液將與通過通道2730的另一個緩沖溶液一起流過輸出通道2735，進(jìn)入第二分離區(qū)2740。通過使用被動擴(kuò)散篩分，顆粒將流過底部通道2745并作為廢液丟棄。經(jīng)過提純和恢復(fù)的產(chǎn)品將流過頂部通道2750。這個提純方法降低了成本，減少了時間，并增加了最終產(chǎn)品的產(chǎn)量。
圖4圖示了根據(jù)與本發(fā)明一致的一個實(shí)施例的全息光學(xué)陷阱系統(tǒng)400，通常與裝置100、200或300一起使用。關(guān)于全息光學(xué)陷獲的補(bǔ)充細(xì)節(jié)可在第五個相關(guān)應(yīng)用時得到。在如在圖4中所描述的全息光學(xué)陷獲裝置或系統(tǒng)400，光從一激光系統(tǒng)入射，沿所示向下的箭頭方向進(jìn)入，激發(fā)系統(tǒng)400。
相位圖光學(xué)元件401優(yōu)選的是帶動態(tài)表面光學(xué)元件(DOE)，此動態(tài)表面也是僅相位的空間光調(diào)制器(SLM)例如由日本Hamamatsu制造的“PAL-SLM系列X7665”，由科羅拉多Lafayette的BoulderNonlinear Systems Nonlinear Systems制造的“SLM512SA7”或″SLM512SA1″均。這些動態(tài)相位圖光學(xué)元件401是由計(jì)算機(jī)控制來使介質(zhì)中的代碼化全息圖產(chǎn)生光束，這些介質(zhì)可變化產(chǎn)生光束并選擇光束的形式。在圖4下左部產(chǎn)生的相位圖402產(chǎn)生下右部所示的充滿懸浮在水405中的直徑1μm硅球404的陷阱403。這樣，系統(tǒng)400受左側(cè)下部所示的動態(tài)全息圖控制。
激光束通過透鏡組406，407傳播至分色鏡408。光束分光器408由分色鏡、光子波段裂縫鏡、全向鏡或其它類似儀器構(gòu)成。光束分光器408選擇性地反射利用于形成光學(xué)陷阱408的光的波長和傳播其它的波長。從光束分光器408的區(qū)域反射的光的部分接著通過代碼化相位圖的區(qū)域。從光束分光器408反射的該部分光進(jìn)而通過基本上分布在與聚焦(物鏡)透鏡組409的平面背部孔徑配合的平面內(nèi)的編碼相位圖光學(xué)元件所在區(qū)。
在本發(fā)明第五的相關(guān)應(yīng)用之前，在已經(jīng)構(gòu)思的單束光學(xué)陷阱(也稱激光或光學(xué)鉗)中，高倍口徑透鏡對于可接受的光學(xué)陷阱是所必須的。對于光學(xué)陷獲，這種設(shè)想的一個基礎(chǔ)是人們利用入射光的電場的梯度陷獲這些粒子。為了有大的陷獲力，已認(rèn)識到必須有較大的電場梯度(或光線的數(shù)量密度)。人們通常完成這些的方式是將通過高數(shù)值孔徑顯微透鏡而通過光場。
在大視野內(nèi)對樣品觀測和陷獲的關(guān)注是這種觀測和陷獲包括帶有低數(shù)值孔徑的物鏡。與先前的教導(dǎo)相反，第五個相關(guān)應(yīng)用的本發(fā)明提供了低數(shù)值孔徑透鏡，例如，圖4中的物鏡409。在此情況下觀察和陷獲的能力可以是在任何應(yīng)用中都是有用的，在應(yīng)用中人們將受益于由于使用低倍放大鏡頭而有的大視野，例如安置顯微制造的零件或?qū)τ诖罅康膶ο蠊ぷ?，例如?xì)胞。
如根據(jù)本發(fā)明的例子，懸浮在水105中的3微米直徑的硅球104被透鏡組109和前面未述的低數(shù)值孔徑陷獲。所使用的透鏡109是由Nikon(a)平面4x與0.10的NA；和(b)平面lOx與0.25的NA生產(chǎn)的。
合適的相位圖光學(xué)元件的特征在于它們是根據(jù)它們引導(dǎo)光或其它的能源的聚焦束的方式而透射的或反射的。透射的衍射光學(xué)元件透射光束或其它的能源束，而反射的衍射光學(xué)元件反射該束。
相位圖光學(xué)元件401也可按照具有靜態(tài)或動態(tài)的表面來進(jìn)行劃分。適當(dāng)?shù)撵o態(tài)相位圖光學(xué)光學(xué)元件的例子包括那些與一或多種固定表面區(qū)域，例如光柵(包括衍射光柵、反射光柵、和透射光柵)全息圖(包括多色全息圖、鏤花模板、光成形全息濾波器、多色全息圖)、透鏡組、反射鏡、棱鏡、波片等等。靜態(tài)的透射的相位圖光學(xué)元件特征為固定表面。
然而，在某些實(shí)施例中，相位圖光學(xué)元件401本身是可移動的，以此允許通過相對于激光束移動該相位圖光學(xué)元件401以選擇適當(dāng)?shù)膮^(qū)域，進(jìn)行對多個固定表面區(qū)域的選擇。
靜態(tài)相位圖光學(xué)光學(xué)元件可以固定于一個軸并與受控電動機(jī)(未示出)共同旋轉(zhuǎn)。靜態(tài)相位形光學(xué)元件具有固定表面和離散區(qū)域。在靜態(tài)相位形光學(xué)元件(透射的或反射的)的其它的實(shí)施例中，固定表具有不同源的包括基本上連續(xù)變化區(qū)域的表面，或離散的區(qū)域與基本上連續(xù)變化區(qū)域組合的表面。
功能取決于時間的的適當(dāng)?shù)膭討B(tài)相位圖光學(xué)元件的例子包括計(jì)算機(jī)生成衍射圖案、相移材料、液晶相移陣列、微鏡陣列，包括活塞模式微鏡陣列、空間光調(diào)制器、電光學(xué)導(dǎo)向器、accousto光調(diào)制器、可變形鏡、反射MEMS陣列等等。與動態(tài)相位圖光學(xué)元件401一起，包括相位圖光學(xué)元件401的介質(zhì)405編碼可改變的全息圖，以使得形狀相移，此相移是使導(dǎo)致在聚焦光束的相位輪廓中相應(yīng)變化的聚焦光束，此類變化例如衍射或會聚。另外，可以改變介質(zhì)405以生成在光學(xué)陷阱403位置的改變。動態(tài)相位圖光學(xué)元件401的一個優(yōu)點(diǎn)是可以改變介質(zhì)405以獨(dú)立地移動各光學(xué)陷阱403。
在那些光束(beamlet)的外圍相位輪廓較疏、從外圍向內(nèi)則更密的實(shí)施例中，以小于約15％的幅度的超量充填后孔徑對在外圍形成具有高強(qiáng)度的光學(xué)陷阱是有用的，這是對比沒有超量充填后孔徑形成的光學(xué)陷阱而言。
在某些實(shí)施例中，一個光學(xué)陷阱的形式可從其原始形式變成點(diǎn)狀光學(xué)陷阱、光學(xué)漩渦、貝塞爾光束、光學(xué)瓶、光學(xué)旋轉(zhuǎn)體或者光學(xué)籠。該光學(xué)陷阱可以在二維或三維中移動。相位圖光學(xué)元件對于施加于激光的特定拓?fù)淠Ｊ揭灿凶饔?，例如，通過把高斯模式轉(zhuǎn)化為高斯—拉格朗日模式，以此，一束光成為高斯—拉格朗日模式而另一束光成為高斯模式。對高斯—拉格朗日模式的利用通過減少輻射壓力大大增強(qiáng)了陷獲能力。
1.成像系統(tǒng)當(dāng)前儀器設(shè)計(jì)使用一個高分辨率CCD照相機(jī)作為主成像系統(tǒng)110。CCD相機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)(見圖5標(biāo)號511)是其良好的性能價格比，因?yàn)檫@是一項(xiàng)成熟的技術(shù)。CCD相機(jī)的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是其寬廣的動態(tài)范圍并且容易生成數(shù)字輸出。
圖像顯示在計(jì)算機(jī)屏幕(見圖5標(biāo)號510)上，以提供一個用于選擇光學(xué)陷阱位置的參考坐標(biāo)系，同時使操作者無意中暴露在激光下的可能性降至最低。
2.界面a.物體顯示用戶界面包括一個計(jì)算機(jī)屏幕，其顯示由CCD相機(jī)獲得的視野。用戶用鼠標(biāo)指定光學(xué)陷阱的位置。也有刪除位置的選項(xiàng)。
如下面所更詳細(xì)地描述的，用戶還可以指定每個光學(xué)陷阱的功率以避免損傷樣本。另外，它還可以改變光學(xué)陷阱的功率，因?yàn)橄莴@依賴于樣本和懸浮媒介之間折射率的不同，可以預(yù)期，這將隨樣本而異。
b.全息圖指定光學(xué)陷阱位置的目的是提供全息圖計(jì)算的輸入。全息圖在本質(zhì)上是一個其傅立葉變換產(chǎn)生所需的光學(xué)陷阱列陣的函數(shù)。然而在液晶顯示的情況下此函數(shù)是相位物體(即，一種不吸收任何能量就能改變波陣面的物體)。
c.選擇全套光學(xué)陷阱的方法通常人們希望用光學(xué)陷阱沿特定方向移動物體。這可以由鼠標(biāo)生成一條直線(通過拖曳)來完成。計(jì)算機(jī)程序解釋此直線為沿其順序展開一系列靠得足夠近的光學(xué)陷阱，這樣小步移動目標(biāo)而不至于丟失對目標(biāo)的鎖定。
本發(fā)明還包括改變光學(xué)陷阱改變高度的能力。如果激光束平行于物鏡409的光軸，那么光學(xué)陷阱將在與透鏡409的焦點(diǎn)平面等高的地方形成。通過調(diào)整全息圖完成光學(xué)陷阱高度的改變，這樣使形成光學(xué)陷阱的光束在進(jìn)入顯微鏡的物鏡409時稍微匯聚(或發(fā)散)。調(diào)整光學(xué)陷阱的高度有可能使用透鏡，但只有全息光學(xué)陷獲允許對每個單獨(dú)光學(xué)陷阱的高度獨(dú)立于其它光學(xué)陷阱進(jìn)行調(diào)整。這是通過計(jì)算機(jī)程序去調(diào)整由液晶所產(chǎn)生的相位調(diào)制來完成的。
3.樣品固定器a.概要本發(fā)明的樣品室700(見圖7A和7B)是廉價且一次性的。盡管本發(fā)明的樣本室700在下面已有描述，本發(fā)明的另一目的是創(chuàng)造一種可隨應(yīng)用不同而改變的彈性的設(shè)計(jì)。除樣品室700之外，本發(fā)明可利用其它各種分離階段，例如設(shè)備100、200或300，或參照圖13-24和26—27下述的其它單獨(dú)部分。
樣品室700位于顯微鏡載物片701的表面上。樣品室700有一系列通道703以引入樣本或物體。通道703由細(xì)管704(商業(yè)上有售)與供應(yīng)和收集儲液槽相連。樣本或物體將懸浮在流體介質(zhì)中并經(jīng)通道703引入工作區(qū)域。樣品室700被滑蓋705蓋著。
b.樣品室的制造在本發(fā)明包括的實(shí)施例中，使用一種聚乙烯(二甲基硅氧烷)(PDMS)樹脂來制作樣品室700。該過程涉及在計(jì)算機(jī)上使用標(biāo)準(zhǔn)CAD/CAM方法生成所需的通道703的形狀，并將該形狀用慣用的光阻/蝕刻技術(shù)轉(zhuǎn)成一張光掩膜。該光掩膜而后用作負(fù)片來生成與通道相反的形狀，蝕刻在硅晶片上。通道703的深度由蝕刻時間控制。此硅晶片是實(shí)際樣品室700的復(fù)制陰模。最后的步驟包括通過往晶片上澆注PDMS并聚合來生成實(shí)際的樣品室700。這導(dǎo)致一個PDMS鑄型粘在玻璃片701上，其上覆蓋著滑蓋705。玻璃和PDMS之間的粘連由作用于外露表面的氧蝕刻達(dá)成。
許多附加步驟對確保質(zhì)量穩(wěn)定是必要的。例如，PDMS的熔化/硬化都保持在真空中以防止產(chǎn)生氣泡。硅晶片經(jīng)過硅烷化以防止PDMS粘住晶片。有多種步驟涉及清洗復(fù)制品及維持適當(dāng)?shù)沫h(huán)境控制。這些代表了標(biāo)準(zhǔn)工藝。
通道703用小注射器針頭706與微孔導(dǎo)管704相連，注射器針頭用膠714固定，插入PDMS中以鑄成與每個通道703相連的圓柱形小井707。樣本溶液用微型泵708引入通道703。
圖7B顯示了一種經(jīng)注射泵708在710處引入樣本的典型布置的例圖。媒質(zhì)在711引入，廢物在71處收集，所需要的在713收集。
圖8表示了圖7B中例圖的掃描電子顯微圖的一幅圖像作為從上述過程實(shí)際生成的。通道大約50微米寬，50微米深。圖9表示了工作區(qū)域的掃描電子顯微圖的一幅圖像，對所研究樣本的操作將在此進(jìn)行。例圖清晰地顯示通道703光滑干凈。盡管通道703在橫截面上是矩形，它也可以設(shè)計(jì)成其它形狀。通道703設(shè)計(jì)成允許樣本流入其形狀由用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要定制設(shè)計(jì)的“工作區(qū)域”。
c.全息光學(xué)陷阱與順序放置多個陷獲點(diǎn)而且是分時的掃描光學(xué)陷阱不同，全息光學(xué)陷阱不斷地照亮每一個光學(xué)陷阱。對于掃描光學(xué)陷阱，要達(dá)到與連續(xù)照明的光學(xué)陷阱一樣的陷獲力，它必須提供至少同樣的時均光強(qiáng)。這意味著掃描光學(xué)陷阱必須擁有更高的峰值強(qiáng)度，由一個至少與陷獲區(qū)域的數(shù)量成比例的因數(shù)決定。更高的峰值強(qiáng)度增加了所陷獲的材料產(chǎn)生光致?lián)p傷的機(jī)會。這種損傷可以由至少三種機(jī)制產(chǎn)生(1)單光子吸收導(dǎo)致局部過熱，(2)單光子吸收導(dǎo)致光化學(xué)轉(zhuǎn)化，和(3)多光子吸收導(dǎo)致光化學(xué)轉(zhuǎn)化。事件(1)和(2)可通過選擇光的波長，該波長為所陷獲的材料及周圍的流體媒質(zhì)吸收微弱的波長來減輕。事件(3)是一個更普遍的問題，用更長的波長光來工作可部分減輕。因此，全息光學(xué)陷阱可以更高效更輕柔地操作精細(xì)的材料，它是通過在一個物體的各點(diǎn)中分配較小的持續(xù)的力，而不是在一點(diǎn)上施加全力或在一段時間內(nèi)施加更高強(qiáng)度以致造成潛在損傷物體。
在一個包含本發(fā)明的實(shí)施例中，用標(biāo)準(zhǔn)CAD/CAM計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的，該設(shè)計(jì)是靈活的，任何形狀的通道703均可設(shè)計(jì)的。只要通道703之間離得足夠遠(yuǎn)使得不會互相影響，形狀的復(fù)雜程度并不是一個因素。如圖7B和圖8中可以看到的，多組通道703可以輕易得到，所以可使用一片做多于一次的實(shí)驗(yàn)。另外，一旦制造出一個鑄模來，就可以用來制造數(shù)千個樣品室，所以此方法很容易變?yōu)榇笠?guī)模生產(chǎn)的技術(shù)。據(jù)估計(jì)，大規(guī)模生產(chǎn)時單個樣品室的邊際成本將低至幾美分。
4.光學(xué)系統(tǒng)全息光學(xué)陷阱的早期版本使用固定的由多種材料構(gòu)成的全息圖。這對證明使用全息圖來生成數(shù)百個光學(xué)陷阱的原理已經(jīng)足夠了。但這些全息圖的主要缺點(diǎn)是它們是靜止的，且制作一張全息圖要用數(shù)小時。隨著硬件的進(jìn)步產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)驅(qū)動的液晶顯示器使每秒內(nèi)多次生成全息圖成為可能，把光學(xué)陷阱作為動態(tài)設(shè)備來利用已成為實(shí)際現(xiàn)實(shí)。軟件控制允許通過簡單的執(zhí)行程序來控制激光束鉗以達(dá)成分離和陷獲的自動化。計(jì)算全息圖的原理描述如下。
b.顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)410包含標(biāo)準(zhǔn)的高質(zhì)量光學(xué)顯微鏡。接物鏡是高數(shù)值孔徑透鏡409，與長焦距聚光器透鏡耦合。高數(shù)值孔徑透鏡409用來陷獲。盡管長焦距聚光器透鏡可能稍微降低圖像的分辨率，這并不危及陷獲并在載玻片附近提供額外空間以容納管路和插頭。物體可通過抓住它們來移動。
在一個包含本發(fā)明的實(shí)施例中，用大約2mW的激光功率為在光學(xué)陷阱上產(chǎn)生200微瓦。從一個2W的激光器獲得的功率水平足夠產(chǎn)生大約1000個光學(xué)陷阱。這里用了綠色激光(523nm)，但其它波長的激光也可使用，包括例如遠(yuǎn)紅外激光，用于與吸收波長在532nm附近光的材料工作。
陷獲依賴于折射率梯度，這樣折射率與周圍媒質(zhì)接近的材料需要功率水平更高的光學(xué)陷阱。另外，材料對損傷的耐受力隨陷阱功率而異，因此對用戶來說能夠控制此參數(shù)是合意的。用戶可使用在圖形界面顯示的“功率滑動片”升高任何特定陷阱的功率水平。
c.液晶全息圖(也稱作空間光調(diào)制器或SLM)空間光調(diào)制器408本質(zhì)上是一個由電場控制的液晶陣列，電場又由計(jì)算機(jī)程序控制。此液晶陣列具有延遲光的相位的特性，延遲量依賴于所施加的電場強(qiáng)度。
向列型液晶設(shè)備用于顯示或需要大的僅相位調(diào)制深度(2TT或更大)的應(yīng)用。向列型液晶分子通常平行于設(shè)備表面放置以給予最大延遲作用，歸因于液晶的雙折射作用。當(dāng)施加電場時，分子傾斜致平行于電場方向。隨著電壓的增強(qiáng)，沿特別軸的折射率指標(biāo)及雙折射顯著地降低，導(dǎo)致設(shè)備延遲的減少。
d.激光器有用的激光器包括固態(tài)激光器、半導(dǎo)體泵激光器、氣激光器、染色激光器、紫翠玉激光器、自由電子激光器、VCSEL激光器、半導(dǎo)體激光器、鈦—藍(lán)寶石激光器、參雜的YGA激光器、參雜的YLF激光器、半導(dǎo)體泵YGA激光器和閃爍燈泵激光器。半導(dǎo)體泵Nd:YGA激光器優(yōu)選運(yùn)作在10mW到5W之間。用于形成研究生物學(xué)材料的激光束優(yōu)選的波長包括紅外線、近紅外、紅色可見光、綠色可見光和可見藍(lán)光，波長從大約400nm到大約1060nm最好。
圖5是用于篩分物體的全息光學(xué)陷獲系統(tǒng)的原理圖，并根據(jù)一個與本發(fā)明一致的實(shí)施例與設(shè)備100、200或300一起使用。在一個這樣的實(shí)施例中，光學(xué)陷獲系統(tǒng)500(見圖5)(例如由伊利諾斯州芝加哥市Arryx公司銷售的BioRyx系統(tǒng))包含Nixon TE 2000系列顯微鏡501，在其內(nèi)已安置了一個用全息光學(xué)陷獲單元505來形成光學(xué)陷阱的底座。物鏡轉(zhuǎn)換器502連在機(jī)架上，通過該底座直接裝在顯微鏡501。為了成像，在物鏡504上方提供了一個照明光源503以照亮樣本506。與本發(fā)明一致，樣本506是設(shè)備100，200或300的分離階段之一。
在一實(shí)施例中，光學(xué)陷阱系統(tǒng)400(見圖4和圖5)包括第一光通道的一端，該通道在光學(xué)元件很接近，且第一光通道的另一端與第二光通道相交并相互聯(lián)系在那里形成正交。第二光通道形成于顯微透鏡安裝轉(zhuǎn)臺或“物鏡轉(zhuǎn)換器”的底部內(nèi)。該物鏡轉(zhuǎn)換器適于安裝在Nixon TE 200系列顯微鏡內(nèi)。第二光學(xué)通道與第三光學(xué)通道聯(lián)接，其同樣與第二光學(xué)通道正交。第三光通道從物鏡裝換器的頂部表面開始橫貫物鏡轉(zhuǎn)換器的底部并與物鏡調(diào)焦透鏡409平行。調(diào)焦透鏡409具有形成后孔徑的頂部和底部。插入第三光通道內(nèi)位于第二光通道和調(diào)焦透鏡后孔徑之間的是一個分光鏡光束分光器408。
光學(xué)陷阱系統(tǒng)內(nèi)用于形成光學(xué)陷阱的其它部分包括第一鏡面，它反射通過第一光通道的從相位圖光學(xué)元件401發(fā)出的光束；安裝在第一光通道內(nèi)的第一光學(xué)轉(zhuǎn)換組件406，排列好該組件以接收第一鏡面反射的光束；安裝在第一光學(xué)通道內(nèi)的第二光學(xué)轉(zhuǎn)換組件407，排列好該組件以接受透過第一轉(zhuǎn)換透鏡組的光束；以及位于第一光通道和第二光通道交點(diǎn)處的第二鏡面408，它被安裝來反射透過第二光學(xué)轉(zhuǎn)換組件的光束進(jìn)入第三光通道。
為了產(chǎn)生光學(xué)陷阱，一束激光直接從激光器507射出(見圖5)穿過瞄準(zhǔn)儀并通過光纖末端508且從衍射光學(xué)元件509的動態(tài)表面反射出去。離開光纖的瞄準(zhǔn)儀末端的光束被衍射光學(xué)元件的動態(tài)表面衍射分散成多個束光。每束光的數(shù)目、類型和方向可以由編碼于動態(tài)表面媒質(zhì)內(nèi)的全息圖改變來控制和改變。該光束而后經(jīng)第一鏡面反射，通過第一光學(xué)轉(zhuǎn)換組件，沿第一光通道通過第二光學(xué)轉(zhuǎn)換組件到達(dá)第二鏡面；并對準(zhǔn)分光鏡509，直到物鏡504的后孔徑，經(jīng)物鏡504匯聚，以此產(chǎn)生生成光學(xué)陷阱所需的光學(xué)梯度條件。經(jīng)分光鏡509分裂后的部分光，為了成像，穿過第三光通道的下部形成光學(xué)數(shù)據(jù)流(見圖4)。
生物學(xué)材料樣本的光譜分析可以由一成像光源503完成，該光源適合光譜分析或偏振光反向散射，前者有助于評定化學(xué)特性，后者適合測量內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺度，例如原子核大小。在某些實(shí)施例中使用這種光譜分析方法來探詢細(xì)胞。計(jì)算機(jī)501可以被用于分析光譜數(shù)據(jù)，并且，識別細(xì)胞具有X還是Y染色體，或是疑似癌細(xì)胞、癌前期細(xì)胞、和/或非癌細(xì)胞類型，或例如識別各種血細(xì)胞。計(jì)算機(jī)程序接著可以將信息應(yīng)用于引導(dǎo)光學(xué)陷阱以包含所選細(xì)胞類型。而后所包含的細(xì)胞可以根據(jù)反應(yīng)被識別出來，或與別的化學(xué)物質(zhì)綁定所包含的細(xì)胞。
本方法和系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)跟蹤每個光學(xué)陷阱的運(yùn)動和內(nèi)容的半自動或全自動過程。運(yùn)動可以被視頻攝像頭511、頻譜或光學(xué)數(shù)據(jù)流監(jiān)視，并提供一計(jì)算機(jī)程序來控制細(xì)胞的選擇和光學(xué)陷阱的生成。
在另一個實(shí)施例中，對細(xì)胞的運(yùn)動的跟蹤是基于由對相位圖光學(xué)元件進(jìn)行編碼而產(chǎn)生的每個光學(xué)陷阱預(yù)定的運(yùn)動。另外，在某些實(shí)施例中，一計(jì)算機(jī)程序被用來保存各個光學(xué)陷阱中所含每個細(xì)胞的紀(jì)錄。
然后光學(xué)數(shù)據(jù)流就可以轉(zhuǎn)換成視頻信號，操作者使用分光鏡和/或視頻監(jiān)視器進(jìn)行視覺觀察，監(jiān)視或分析。光學(xué)數(shù)據(jù)流還可以被觀點(diǎn)探測器處理以監(jiān)視強(qiáng)度，或其它合適的設(shè)備將光學(xué)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為適于計(jì)算機(jī)使用的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。
在一沒有使用SLM(空間光調(diào)制器)的方法中，移動通過把物體從第一組光學(xué)陷阱中轉(zhuǎn)到第二、第三、然后第四組等等中去實(shí)現(xiàn)移動。為了把物體從一個位置移到另一位置，一靜態(tài)相位圖光學(xué)元件繞一紡錐體旋轉(zhuǎn)使激光束對準(zhǔn)另一個區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的第二組預(yù)定位置上將產(chǎn)生第二組光學(xué)陷阱。通過在適當(dāng)?shù)慕咏谝晃恢脴?gòu)造第二組光學(xué)陷阱，探針可以從第一組光學(xué)陷阱被傳送至第二組光學(xué)陷阱。次序可以繼續(xù)從第二組預(yù)定位置繼續(xù)傳送探針至第三組預(yù)定的位置，從第三組位置至第四組預(yù)定光學(xué)的位置，并從第四組預(yù)定的位置等等，通過相位圖光學(xué)元件的旋轉(zhuǎn)以對準(zhǔn)對應(yīng)于想要的位置的適當(dāng)?shù)膮^(qū)域。在一組光學(xué)陷阱的終止與其次的產(chǎn)生之間的時間間隔具有一段持續(xù)時間以保證探針在它們游離之前被傳遞至下一組光學(xué)陷阱。
在對象從一寬到窄的附近區(qū)域的交錯移動過程中，細(xì)胞的交錯以類似的方式進(jìn)行。然而如同對象被從第一組光學(xué)陷阱到第二組進(jìn)行傳送并移動第二和隨后的位置，陷阱的交錯布置允許對象被密集的群集，而不是同時過于接近兩個對象的附近位置，這樣可能引起對象被包含于錯誤的光學(xué)陷阱中。
一旦對象或者細(xì)胞有與陷阱的相互作用，波譜法就可以用于觀測細(xì)胞。那些有正結(jié)果的細(xì)胞(即與標(biāo)記物反應(yīng)或與其結(jié)合的細(xì)胞)的光譜可以通過利用成像照明獲得例如適于非彈性的光譜學(xué)或偏振光反向散射的。電腦可以分析譜線的數(shù)據(jù)以識別想要的目標(biāo)并且引導(dǎo)相位圖光學(xué)元件以離析想要的目標(biāo)。緊接試驗(yàn)的完成，可以由電腦和/或操作者做出丟棄那些細(xì)胞與收集細(xì)胞的選擇。
光學(xué)蠕動(見圖13)是現(xiàn)有的操作，該操作在微液流通道1301排列中使用陷阱1300的平行線以使在線間的間距，在第一陷阱線關(guān)閉時，允許陷獲的顆粒1302為一條線以被拉入在另一個線上的陷阱。光學(xué)蠕動可以被利用作為與熒光標(biāo)簽一起使用的可選方案(如下文相應(yīng)的應(yīng)用所述)。該處理通過調(diào)節(jié)定時陷阱線的消滅操作，以便朝由陷阱線的排列指定的想要的方向顆粒被移動。通過選擇顆粒的另一側(cè)在一側(cè)的陷阱是否開啟或關(guān)閉的線，顆粒可以在一個方向被向前或者向后的移動。通過使用大量的陷阱，大量的顆粒從而可以在與給定一致的方向上移動。這樣，被吸引到陷阱的顆?？梢苿又两o定的區(qū)域，并且，如果需要，在那里收集。此處理也可以被利用在與裝置100，200或者300共同使用的多種流體流中。
同樣的通過逐漸的減少向給定方向成直線的陷阱之間的間距和/或改變陷阱線的曲率，顆?？梢员粧叱梢痪劢剐螤钜詽饪s它們。反之這樣的形狀將分散這些顆粒。
陷阱線間的間距可以是相對較大以加速顆粒的移動，或者相對較窄以使其減速。相似的，改變選定陷阱或者線的密度，由此它們作用于顆粒，也可以使用。通過收集或者擴(kuò)散液流，顆?？梢越M合或者分離。另外，光學(xué)蠕動可以與粘性阻力或者電場的差動效應(yīng)結(jié)合以為優(yōu)良的分離材料生成復(fù)雜和特殊的參數(shù)值組。通過相反的陷獲及其它的力，兩個力的平衡點(diǎn)確定顆粒用陷阱還是另一個力一起移動。
在與本發(fā)明一致的一個實(shí)施例中，光學(xué)蠕動可以與通過以執(zhí)行對應(yīng)的全息光學(xué)陷獲形狀的次序的相位圖次序而循環(huán)的全息系統(tǒng)一起執(zhí)行。這樣的形狀可以是依據(jù)設(shè)置在棱柱面上的反射衍射光學(xué)的元件代碼化的，其中每個形狀通過馬達(dá)旋轉(zhuǎn)至某位置。同樣地，透射的衍射光學(xué)的元件可以被放置于碟的周緣并旋轉(zhuǎn)以瀏覽形狀。也可以使用在碟片上的代碼化可換向的相柵與相位全息圖。
因?yàn)轭w粒被由外部的偏向力操縱通過直線性的陣列，例如流體流，在陷獲力顯著大于外部驅(qū)動力的地方，陷獲顆粒。在偏向力較大的地方，顆粒液流通過陣列，在這些極限之間，偏向力超過陷獲力以用于顆粒不同離分的差異度，導(dǎo)致顆粒沿著陣列的主軸方向從陷阱跳躍至陷阱。零度凈偏轉(zhuǎn)可以在陣列旋轉(zhuǎn)至45度的地方可以被觀察到，因?yàn)?1)正反位移等概率發(fā)生；或者(2)顆粒被鎖入[11]方向，跳躍對角線通過該陣列。
由陣列偏斜較大的角度的顆粒偏差比因偏置力的顆粒偏差至一個更大的角度。光學(xué)梯度力施加于粒子隨著而變化大約為a3，此處a＝半徑。作用在顆粒上的斯托克司力隨“a”而變化。這樣，較大的顆粒不同程度的受陷阱陣列影響，而較小的顆粒經(jīng)歷較小的偏轉(zhuǎn)。將陣列定向在最理想的偏轉(zhuǎn)角度陣列附近并校準(zhǔn)密度在飄移條件下安置最大顆粒的，因此，這里比小顆粒有在較大的偏轉(zhuǎn)位置，不同程度偏斜的顆?？梢允占蚋M(jìn)一步地利用第一下游的附加陣列進(jìn)行分離。
一些用于分離傳統(tǒng)方法在施加力的方向完成分離。然而，這種技術(shù)對成批的樣品操作不是連續(xù)的。
用于顯微分離的其它傳統(tǒng)方法使用了二維晶格屏障或柵欄構(gòu)成的顯微成型的濾網(wǎng)。例如，一不均勻的屏障的安置校正穿過濾網(wǎng)的顆粒的布朗運(yùn)動，導(dǎo)致這些顆粒沿由該顆粒擴(kuò)散系數(shù)所決定的路徑運(yùn)動。然而，對顯微成型晶格的使用容易阻塞而且根據(jù)顆粒大小和類型不是可調(diào)的。
在圖10中，根據(jù)本發(fā)明的顆粒篩分的例子是舉例證明。雖然說明性的例子例證了橫向偏轉(zhuǎn)、光學(xué)蠕動在同一系統(tǒng)可以獲得。視頻圖像的代表顯示了基于光線的材料分離，在這種情況下，轉(zhuǎn)而基于顆粒大小分離對象。上左部的通道中的液流包含1，2.25，和4.5μm的顆粒，而另一個液流從下左部進(jìn)入。這些重疊線路各自地表示通道的每條液流，當(dāng)系統(tǒng)激光電源關(guān)閉時。當(dāng)激光電源打開時，光線進(jìn)入相互作用區(qū)(以重疊綠色方框指示)，從上面的液流提取4.5μm顆粒并將其傳送至用重疊的白色路徑所標(biāo)示的下右部的通道。
6.血細(xì)胞篩分應(yīng)用
a.背景在與本發(fā)明一致的一個應(yīng)用中，使用一個利用光學(xué)陷阱技術(shù)的高分辨，高通透的細(xì)胞篩分器。對于作為細(xì)胞篩分新的基礎(chǔ)施行該技術(shù)的需要，傳統(tǒng)的流動血細(xì)胞計(jì)數(shù)器的失敗證明在許多篩分問題中執(zhí)行細(xì)胞特征必要的高分辨確實(shí)是需要的。
b.使用全息光學(xué)陷阱的篩分本發(fā)明的施行高分辨、高生產(chǎn)量的細(xì)胞篩分的方法具有以下組成顯微流控的開發(fā)、光學(xué)陷阱系統(tǒng)的開發(fā)(用于漏斗系統(tǒng)的陷獲組件和用于分離系統(tǒng)的陷阱組件)，高分辨熒光測量儀，系統(tǒng)控制(包括全息圖計(jì)算)，和原理設(shè)計(jì)。
第一組件是具有運(yùn)送輸入樣品的液流輸入通道和傳送分離后細(xì)胞從輸入通道出兩個輸出通道的液流單元。第二組件是一組實(shí)施“漏斗”功能的陷阱(該″漏斗功能″是相等的噴管形成小滴流入一傳統(tǒng)的流動血細(xì)胞計(jì)數(shù)器)。第三組件是檢測系統(tǒng)，以及最后，第四個組件是篩分系統(tǒng)。圖11A-11B示出了這四個組件的關(guān)系?？梢杂门c裝置100，200或300一起使用的流體流施行相似的功能。
允許建議的本發(fā)明實(shí)施例完成高生產(chǎn)量的必要特性是其內(nèi)容量同時以并行線路在彼此極接近的狀況下運(yùn)作材料。對于最初的實(shí)施，帶有10個由造成10微米分離的每個輸入線路1100的流動系統(tǒng)。這設(shè)置了從110微米的輸入儲液槽進(jìn)入的液流整體寬度。輸出通道1102，1103各自一樣是110微米寬，和輸入通道301相同，并且它們與輸入通道301平行延伸，如圖11A和11B所示。引入“輸出通道”1102，1103的是緩沖溶液，也就是說以在輸入通道1101保持的相同流速注入該通道。所有這些通道1101，1102，1103的三個是用來保持超過所感興趣的流量范圍的層流。也可利用上述關(guān)于裝置100，200或300的篩分步驟。在篩分區(qū)域中，特定細(xì)胞被從輸入通道1101傳送至輸出通道1102，1103之一，所有的三個液流是相鄰的，之間沒有機(jī)械分隔。層流保持在它們各自液流中任一材料，除非引入特定外力以使材料從一個流動通道傳送至另一個。
漏斗陷阱1105作用于輸入細(xì)胞1106以使它們都有明顯確定的流線，并使輸入細(xì)胞1106彼此以由操作者設(shè)定的最短距離分隔。通道1101，1102，1103中的流速由此最短距離1106設(shè)備，通過執(zhí)行分隔功能設(shè)備的“更新”速度，和要求的全部細(xì)胞處理率而決定。
漏斗系統(tǒng)由以一組設(shè)置在轉(zhuǎn)輪上以使形狀作為轉(zhuǎn)動形狀函數(shù)變化的靜態(tài)全息圖建立的低強(qiáng)度陷阱1105組成。最下游的漏斗陷阱強(qiáng)度和位置固定，只提供以保持細(xì)胞流線之間的分離上游的陷阱1105被允許隨時間改變強(qiáng)度和位置而作用以干擾凝結(jié)細(xì)胞上的液流并讓單個的、未凝結(jié)的細(xì)胞通過。
確定篩分的測量發(fā)生在漏斗陷阱1105的下游區(qū)或者發(fā)生在更遠(yuǎn)的在漏斗系統(tǒng)之外的區(qū)域。對于該初始系統(tǒng)，測定將由高分辨率熒光檢測組成。在將來，可以施行其它的起作用的篩分標(biāo)準(zhǔn)，比如可以使用散射測量，或者被動技術(shù)，比如前面列出的利用光學(xué)偏轉(zhuǎn)的那些。
裝置的最終組件是獨(dú)立系統(tǒng)，在其中篩分標(biāo)準(zhǔn)被利用以轉(zhuǎn)移細(xì)胞進(jìn)入輸出通道1102，1103其中的一個或者允許它們留存在輸入通道1101的液流中。該組件的關(guān)鍵參數(shù)是用于施行動態(tài)陷阱1105陣列執(zhí)行分離的高數(shù)值孔徑物鏡1104的視場。視場的寬度與單個通道的寬度一樣是110微米。長度，然而，依賴于流速、通道深度，和用于控制陷阱的光學(xué)裝置的更新速度。
現(xiàn)在，一個與本發(fā)明一致的實(shí)施例包括產(chǎn)生在驅(qū)動光學(xué)陷獲系統(tǒng)中有高效的相位掩模的空間光調(diào)制器。這些裝置的更新速度在30赫茲或更高。估計(jì)通道深度為10微米，并且設(shè)定精子細(xì)胞應(yīng)該移動1微米梯級，空間光調(diào)制器10次更新被用于從輸入通道1101中心移動一個細(xì)胞到輸出通道1102，1103之一的中心。一個更新值為30Hz，這10個梯級的施行將存在于1/3秒。在3毫米/秒的流速下，這10個梯級朝流動方向在1毫米的長度上實(shí)施。用于分離組件的物鏡1104因此有一個110微米x1000微米的工作區(qū)。該工程的重要的改進(jìn)領(lǐng)域是該透鏡組的設(shè)計(jì)。透鏡設(shè)計(jì)中的平衡通常在于視場和孔徑倍數(shù)之間。即，對于特別的復(fù)雜的透鏡組，一個在這些方面重要的性能增加將與在另一個方面的性能減少同時出現(xiàn)。此正是用例如高分辨集成電路電子學(xué)的印刷生產(chǎn)區(qū)域高的性能的透鏡是相當(dāng)復(fù)雜的原因。然而本發(fā)明，不要求這些透鏡組的全部性能水平。
7.在寬場旋渦光鉗方面的公開在寬視場下的光鉗包括具有低數(shù)值孔徑顯微物鏡。光學(xué)陷阱對象的能力在軸向依賴于以在軸向有最大梯度的方式向下聚焦光束。這里暗示形成光錐所用的最寬半徑。圓錐體的半徑直接決定于物鏡的數(shù)值孔徑，即高數(shù)值孔徑意味著寬圓錐體半徑。這與寬視場必要條件的直接沖突。這常規(guī)的使軸向?qū)捯晥龉忏Q變得困難。導(dǎo)致軸向光鉗困難的主要原因是聚焦光束的輻射壓力。尤其對于在密度上與周圍介質(zhì)最佳匹配的顆粒，例如聚苯乙烯微球體，輻射壓力可以將顆粒沖擊出陷阱。在低數(shù)值孔徑物鏡下，難以克服帶有軸向足夠光鉗力的輻射壓力。然而，全息光學(xué)陷阱有能力形成大大減少光束的輻射壓力的光模式。旋渦陷阱，例如，具有暗中心因?yàn)楣飧淖兿辔辉谙葳宓闹行牡窒?。該暗中心意味著大多?shù)沿光束中心向下傳播的光線不再存在。正是這些光束含有大多數(shù)光的輻射壓力，所以它們的去除大大減輕了軸向陷獲的困難。其它的方式，即圓環(huán)方式，有相同的優(yōu)點(diǎn)。
通常對于對象的或者細(xì)胞的操縱(推，引導(dǎo)，篩分)是通過得到多種光束而更安全。如甲床，多種光鉗保證引入更少的驅(qū)動力在細(xì)胞中的任何特定點(diǎn)。這除去了過熱點(diǎn)并減少了受損風(fēng)險。任何有害的雙-光量子處理有很大好處，因?yàn)槲张c激光功率的平方成正比例。僅僅增加第二鑷子減少在特定點(diǎn)對雙量光子吸收的四分之一。
最終，通過利用全息的光學(xué)陷獲，甚至對于僅僅單一細(xì)胞的操縱也得到很大的增強(qiáng)。單一細(xì)胞可以通過光鉗線(tweezerslin)操作，此鉗線在一側(cè)沿著周長支撐該細(xì)胞。導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)對該細(xì)胞允許360度的觀察。另外，用于生物樣品觀察的優(yōu)點(diǎn)，還存在穩(wěn)固定向樣品的能力，這已經(jīng)顯著的對于研究例如對樣品定向有很強(qiáng)的依賴性的散射實(shí)驗(yàn)有好處。
8.基于旋轉(zhuǎn)碟的細(xì)胞篩分器利用激光以迅速的訪問大量區(qū)域已經(jīng)以旋轉(zhuǎn)激光碟、CD播放機(jī)或者DVD播放機(jī)的形式存在。這些設(shè)備包括帶有難以置信的高速激光訪問區(qū)的徑向運(yùn)動的碟的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。例如，典型的DVD播放機(jī)在大約兩小時內(nèi)可以訪問在碟上的大約的40億獨(dú)立的“位”。將此旋轉(zhuǎn)碟的方法與光學(xué)陷獲(見圖12)組合允許以相似的速率訪問細(xì)胞，并且全息光學(xué)陷獲以100倍或更高倍數(shù)的增加此速率。
圖12描述了一基于旋轉(zhuǎn)碟的細(xì)胞篩分器，依照一個與本發(fā)明的第二和第五個相關(guān)應(yīng)用一致的實(shí)施例。如圖12所示，對象或者細(xì)胞在樣品入口1200引入，并利用適當(dāng)?shù)臉悠份斔拖到y(tǒng)1201，細(xì)胞被提供給通過發(fā)動機(jī)操縱而旋轉(zhuǎn)的樣品分配碟1202。與控制和分析系統(tǒng)1204連接的成像和陷獲系統(tǒng)1203對細(xì)胞進(jìn)行篩分，這些細(xì)胞被集中在樣品室1205和1206中。
有很多在碟的表面分布細(xì)胞的原理。容納單個細(xì)胞的液流室，固著細(xì)胞的凝膠，固定細(xì)胞的粘性和蠟質(zhì)表面，或者甚至凍結(jié)細(xì)胞成為固體塊，這些是可以使用的全部方法。一旦細(xì)胞定位以使它們保持其相對位置，它們可以被合理的測量?？梢允褂霉鈱W(xué)陷獲從表面或體中釋放想要的或者不想要的細(xì)胞。在其中篩分超過兩個的群的條件是想要，每個群可以解除單步，并可以實(shí)行多步。
9.利用溶解酶進(jìn)行細(xì)胞和非生物材料的篩分比如熒光激活細(xì)胞篩分(FACS)之類的技術(shù)，雖然較好的建立，仍承受它們是順序處理方法的事實(shí)。因?yàn)樵谏飳W(xué)上的標(biāo)記染料的普遍性，基于這些染料的篩分是可能的。這些染料經(jīng)常產(chǎn)生對在染色和未染色的樣品的某些波長或者波長范圍的吸收的差異，假設(shè)要篩分的群已經(jīng)內(nèi)在存在這樣一個吸收差異。全息光學(xué)陷阱從而可以用于加熱和操作樣品從提高樣品的溫度酶解為底質(zhì)。植入的樣品可以被隨后解除而隨著整體溫度的增加。另外，一更快的，甚至更多平行操作是可能的，其中細(xì)胞由同時處理樣品的整體陣列的一寬的、高功率光源照明。相同一組方法可以應(yīng)用于在吸收光譜方面不同的非生物材料，或者可選擇性地用于此。
10.基于凝膠的篩分全息光學(xué)激光陷阱解釋了對操作對象的一大優(yōu)點(diǎn)，用這些操作對象可以在三維上訪問和移動對象。因?yàn)樯飳W(xué)篩分應(yīng)用變得更先進(jìn)，經(jīng)常用更少的時間，更多的樣品需要被篩分。全息光學(xué)陷阱的三維訪問意味著這些篩分應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)。大量的細(xì)胞及其它麻煩的或者不可能順序篩分或者在二維基質(zhì)上的所感興趣的生物學(xué)樣品，可以被有效的篩分。
一個這樣的三維的篩分的實(shí)施依賴可逆的凝膠化處理。細(xì)胞凝膠固著在網(wǎng)絡(luò)上，于是想要的或者不想要的細(xì)胞利用全息光學(xué)陷阱從凝膠中提取。從陷阱中出的熱量可以用來熔化凝膠和提供退出通道。
或者，細(xì)胞是可選擇性地被殺滅，基于某些全息的激光陷阱標(biāo)準(zhǔn)。整個凝膠然后熔化和活細(xì)胞從死細(xì)胞中被分離。代替僅僅殺滅，一更有害的熱爆炸可能產(chǎn)生，該爆炸可以使細(xì)胞碎裂為許多小的部分，于是根據(jù)尺寸的篩分可能受到影響，再次將某些細(xì)胞成群或者連接在一起。
11.殺滅生物標(biāo)本的應(yīng)用大量多種應(yīng)用從選擇性的殺滅生物標(biāo)本收益。從血液中清除病原體就是一個這樣的應(yīng)用。細(xì)胞篩選是另一個應(yīng)用。識別細(xì)胞，殺滅一個或多個細(xì)胞群，以及去除死細(xì)胞。殺滅通過從激光自身而來的光能完成，并且未必需要光學(xué)陷阱以完成此功能。
實(shí)質(zhì)上，用激光束使細(xì)胞受熱或者使環(huán)繞細(xì)胞的介質(zhì)受熱，破壞和殺死細(xì)胞。全息光學(xué)陷阱，因?yàn)樗鼈兊耐ㄓ眯院腿S控制，允許選擇性的，大量并行殺死細(xì)胞。
12.示例利用BioRyx200系統(tǒng)(Arryx公司，芝加哥，II)可從全血中鉗獲血小板。鉗獲的血小板在532nm低激光功率(0.2W)下進(jìn)行并且容易在3-D空間上進(jìn)行移動。使用略高的功率用于使血小板傳送通過自動陷阱是優(yōu)選的，盡管0.8W是足夠的。甚至使用了抗凝結(jié)劑，血小板仍有短鏈纖維蛋白附著于它們。超過很長時間，血小板可能不可避免的與蓋玻片結(jié)合。血小板在尺寸上大約為2-3微米，并且它們幾乎在532nm下與2-3微米的硅球一起被鉗獲。當(dāng)RBC處于和血小板相同的視圖坐標(biāo)系下，它們趨向于被未聚焦的光錐排斥，即使RBC離陷阱很遠(yuǎn)。然而，如果紅細(xì)胞與激光接觸，激光將擊穿它們并經(jīng)常導(dǎo)致它們爆炸，依賴于介質(zhì)的滲透性和激光功率。不同類型的WBC的對于激光鉗的反應(yīng)則稍有不同。通常，WBC被從它們略微排斥。這樣的對于光學(xué)陷阱的不同反應(yīng)提供了用于分離細(xì)胞類型的基礎(chǔ)，通過它們對于陷獲光束的不同反應(yīng)。例如，血小板可以被陷獲并通過操縱激光束移動，而同時RBC和某些WBC被排斥并且其它的WBC被陷獲并移動至中間度。
通過將上述技術(shù)組合，據(jù)計(jì)算人們可以以每20分鐘1011個血小板的速率分離血細(xì)胞成分。篩分的更高速率可以通過進(jìn)一步將這些技術(shù)與儀器100，200或者300的層流篩分組合實(shí)現(xiàn)。
上述不同技術(shù)可以被用于篩分很多不同的物質(zhì)。例如，對于篩分精子，精子可以基于運(yùn)動性或者活性被篩分，比如通過可活動精子移動或者游入一選擇的液流，或者通過使不游動的或無活性的精子沉積入廢液流。精子也可被篩分進(jìn)入多個通道，每個都有不同的平均運(yùn)動性。精子也可被孤立并從精子混合物中多種不同病原體或者其它不想要的材料中分離。也可以利用上述的分離清洗和/或冷卻過程。另外，產(chǎn)出或者可運(yùn)動的或者有活性的精子可以被改善，例如，通過控制不同液流的溫度和液流的化學(xué)成分，比如通過增加誘導(dǎo)劑或者防護(hù)劑。
圖25描述了牛的精子的活性或者可運(yùn)動性的篩分，利用本發(fā)明不同的實(shí)施例，其中一高運(yùn)動性和活性樣品從低活性的和運(yùn)動性的樣品產(chǎn)生。凝固精液被解凍并在鹽水中漂清并除去甘油，測試蛋黃，及其它的材料，以提供與緩沖溶液或鹽水、PEG和BSA的相匹配的密度，被第二液流利用?？蛇x擇性地，可以添加甘油至緩沖流中。過去使用0.01到0.1ml/min的流速，而0.025ml/min使用的最普遍，在篩分器中，比如裝置200。大約的5百萬個細(xì)胞/ml的精子密度，其中5-60％或者更高的有活性，被利用，如輸入液流溶液。在篩分之后，發(fā)現(xiàn)所選液流已經(jīng)被提高到80％有活性，而結(jié)果預(yù)期達(dá)到接近90-100％有活性并可運(yùn)動。
也可以利用其它不同的篩分器配置，并且改善結(jié)果也可以通過利用將激光操縱與基于層流的篩分一起使用而實(shí)現(xiàn)。例如，增加緩沖流的相對于輸入流的速度增加了在分離區(qū)的緩沖通道的寬度，減少精子必須移動進(jìn)入緩沖流的距離(并增加退出緩沖流的距離)，增加在緩沖流中的產(chǎn)出(如選定的液流)。增加廢液通道流速也可以改善產(chǎn)出，使任何在輸入通道附近的緩沖層中的死精子再次引入廢液通道。
上述的篩分也可以利用梯度以提高篩分效率，而不同的液流有不同的特性，產(chǎn)生坡度例如，溫度梯度，速度梯度，粘度梯度以及擴(kuò)散梯度。
除篩分之外，也可利用本發(fā)明的不同的實(shí)施例改變顆粒的細(xì)胞濃度，例如，比如增加選定液流中的顆粒濃度，或者通過輸入緩沖溶液而稀釋濃度。擴(kuò)散系數(shù)也是可操作的，改變在不同的獨(dú)立的液流中的對象擴(kuò)散性(或者可運(yùn)動性)，比如通過改變溫度，化學(xué)濃度，液流的粘滯性，液流密度，鹽濃度，使用表面活性劑等等到，例如，改變液流動力學(xué)半徑或者對象的表面吸引力。
因此，依照本發(fā)明，許多全息光學(xué)陷阱，能夠獨(dú)立操作這些陷阱，可以與裝置100、200、300一起使用，以操作成分或者顆粒，比如血細(xì)胞及其它血液成分，從一個液流到另一個液流，成為獨(dú)立步驟的一部分。例如，可識別所感興趣的液流一中的成分和由全息光學(xué)陷阱移動至液流2，并以此于另一個液流1中的成分分離。
圖6示出了本發(fā)明的一個方法實(shí)施例的流程圖，并且提供了一個有用的概要。以起始步驟600開始，該方法提供具有多種成分的第一液流，步驟605，比如多種血液成分。提供第二液流，步驟610，并且第一液流與第二液流接觸以提供第一分離區(qū)，步驟615。多種成分中第一成分分異性地沉積入第二液流，步驟620，而多種成分中的第二成分同時保持在第一液流中，步驟625。具有第一成分的第二液流分異性地從具有第二成分的第一液流中去除，步驟630。當(dāng)沒有附加的分離(或者步驟)存在，步驟635，此方法可以終止返回步驟680。
當(dāng)另外的分離存在，步驟635，此方法進(jìn)行至步驟640，并且提供了第三液流。第一液流與第三液流接觸以提供第二分離區(qū)，步驟645。當(dāng)全息操縱將在第二附加分離利用時，步驟650，此方法進(jìn)行至步驟655，并且許多全息陷阱產(chǎn)生，典型的利用光波長。利用全息陷阱，多種成分中的第二成分分異性地移動入第三液流，步驟660。當(dāng)全息操作不在第二輔助分離中使用，步驟650，此方法進(jìn)行至步驟665，并多種成分的第二成分分異性地沉積入第三液流。繼步驟660或者665之后，多種成分中的第三成分同時保持在第一液流中，步驟670。具有第二成分的第三液流接著分異性地從具有第三成分的第一液流去除，步驟675并且此方法可以終止，返回步驟680。雖然在圖6中沒有示出，應(yīng)被理解此方法可以繼續(xù)用于另外的分離步驟，比如第三、四、五，等等。
另外的本發(fā)明的實(shí)施例在圖14-24中描述。圖14和15描述了使用裝置100，200或者300的不同的篩分步驟的不同篩分系統(tǒng)1400和1500，包括利用用于流體流的儲液槽和動泵。圖16是側(cè)視圖，而圖17是高長寬比平面篩分器的平面圖。此高長寬比的篩分器可以被利用于提供一個相對大的層流液流在不同的液流之間分離面，提供了用于在液流之間的成分分離的一個較大的接觸面積。
圖18是一具有多種平面篩分器(說明了一個，比如篩分器1600)三維篩分裝置的透視圖。圖19是多通道篩分器1700平面圖。圖20是具有窄廢液流動區(qū)域1801的篩分器1800的平面圖。圖21是用于不同的通道的利用不同的流速的篩分器1900的平面圖。圖22是具有多重選擇通道2001的篩分器2000的平面圖。圖23是具有壓縮篩分區(qū)域2105的篩分器2100的平面圖。
圖24A、圖24B分別是多層層流篩分器2200的側(cè)視圖和平面圖，其中輸入通道在層1(2210)中，層2提供多種篩分步驟(2200)，而層3提供輸出通道(2230)。這些不同的篩分步驟可以按照無數(shù)的串并聯(lián)關(guān)系連接。這種多步驟篩分器許多其它的變種將對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是容易顯而易見。
也可利用其它通道的形狀和結(jié)構(gòu)。例如，可以利用彎曲的或者“蛇形”的通道結(jié)構(gòu)以在較小的區(qū)域或體積之內(nèi)提供一較長的相互作用區(qū)域。在分離區(qū)中也可以利用流量控制桿，以調(diào)節(jié)通道中的流體流。例如，豎桿提供了對流體流的障礙，有效地減少了通道尺寸和雷諾數(shù)，還改善了層流。
再總起來說，并舉例來說，多種成分中的第一成分可以是眾多紅細(xì)胞和眾多白細(xì)胞，而第二成分是眾多的血小板。在第二實(shí)施例中，眾多的白細(xì)胞可以全息式地從眾多紅細(xì)胞中分離，利用的技術(shù)例如全息(光學(xué))陷獲。也可利用全息陷獲從第一液流全息地去除多種污染物，或者從第一液流中全息分離生物學(xué)碎片。在不同的實(shí)施例中第一液流可基本上包含從供體來的全血和抗凝血劑，而第二液流可基本上包含從供體來的血漿。不同的沉降可是帶狀的或者等密度線。不同的液流是基本上無湍流的，并且也可是基本上層流。
第一和第二分離區(qū)各具有一預(yù)定的完全與流向平行的長度和完全垂直于流向的預(yù)定的深度，預(yù)定的長度和預(yù)定的深度已經(jīng)根據(jù)第一成分的第一沉降速率、第二成分的第二沉降速率、第一液流的第一流速和第二液流的第二流速確定。第一液流和第二液流也可具有基本相同的流速?？蛇x擇性地，第一液流也可以具有第一流速，第二液流也具有第二流速，其中第二流速相對比第一流速大。
再總起來說，本發(fā)明進(jìn)一步包括用于分離流體混合物成為單一成分、不活動的成分的裝置，包括(1)具有用于第一液流的第一進(jìn)口(120或315)和用于第二液流的第二進(jìn)口(120或320)的第一篩分通道(110或325)；第一篩分通道進(jìn)一步具有用于第一液流的第一出口(130或圖3中的連續(xù)通道)和用于第二液流的第二出口130(或320)，第一篩分通道適應(yīng)于允許第一液流中的多種成分中的第一成分沉積入第二液流以形成富集的第二液流和貧化的第一液流，而同時在第一液流中，保持多種成分的第二成分，(2)具有第一光學(xué)入口與用于第一液流的第一出口(圖3中的連續(xù)通道)連接的和第一光學(xué)出口(350)，進(jìn)一步具有用于第三液流的第二光學(xué)入口(335)第二光學(xué)透明的篩分通道和用于第三液流(345)的第二光學(xué)出口，以及(3)與第二光學(xué)透明的篩分通道連接的全息光學(xué)陷阱系統(tǒng)(400，500)，此全息光學(xué)陷阱系統(tǒng)適于產(chǎn)生全息光學(xué)陷阱以選擇和從第一液流移動第二成分進(jìn)入第三液流。
用于分離流體中的多種成分的另一種裝置或者系統(tǒng)包括一光學(xué)透明篩分通道100，200或者300，具有用于第一液流的第一進(jìn)口和用于第二液流的第二進(jìn)口，光學(xué)透明的篩分通道更進(jìn)一步地具有用于第一液流的第一出口和用于第二液流的第二出口；和與光學(xué)透明的篩分通道連接的全息光學(xué)陷阱系統(tǒng)，全息光學(xué)陷阱系統(tǒng)500適應(yīng)于產(chǎn)生全息的光學(xué)陷阱以選擇和在第一液流中移動第一液流中的多種成分的第一成分，進(jìn)入第二液流形成富集的第二液流和貧化的第一液流，而多種成分中的第二成分同時保持在第一液流中。
最后，另一種提供用于分離多種細(xì)胞的方法實(shí)施例，包括提供了具有多種細(xì)胞的液流；提供了第二液流；使第一液流與第二液流接觸，以提供第一分離區(qū)；并分異性地使多種細(xì)胞中的第一細(xì)胞沉積入第二液流，而在第一液流同時保持多種細(xì)胞中的第二細(xì)胞。此方法通常還包括分異性地從具有第二細(xì)胞的第一液流中去除具有第一細(xì)胞的第二液流。此方法還可提供用于提供第三液流；使第一液流與第三液流接觸以提供第二分離區(qū)；并分異性地使多種細(xì)胞中的第二細(xì)胞沉積入第三液流，而在第一液流中同時保持多種細(xì)胞中的第三細(xì)胞。另外，可以全息地從第一液流中分離眾多第二細(xì)胞，并且全息地從第一液流中去除多種污染物或者生物學(xué)碎片。
雖然上述討論集中于對血液成分篩分以產(chǎn)生不同的血液離分，本發(fā)明的裝置，方法與系統(tǒng)可以擴(kuò)展至其它的類型的微粒，生物學(xué)或者細(xì)胞狀的物質(zhì)，這些物質(zhì)是不游動的，能夠在流體流中沉積或者乳化或者能夠進(jìn)行光學(xué)操作。例如，本發(fā)明的方法論可以利用于從活細(xì)胞中分離不游動的或者無活性的精子細(xì)胞，通過允許不游動細(xì)胞的從第一液流沉積入第二液流中。其它的細(xì)胞分離的篩分也可以執(zhí)行，例如從其它的類型的胰腺細(xì)胞中分離島細(xì)胞或者其它的，分離不同尺寸的島細(xì)胞群，通過液流分離和光學(xué)光鉗(陷獲)中兩者或其中之一。有不同的沉降速率的病毒，蛋白質(zhì)及其它大分子也可以用本發(fā)明分離。利用多個分離步驟的全息光學(xué)陷獲也可以在這些其它類型的細(xì)胞或者顆粒分離是特別的有用的。
從上文中，很顯然許多的變異與修改在不背離本發(fā)明新穎概念的精神和范圍前提下是有效的。應(yīng)該理解，并沒有打算或者推測關(guān)于這里描述的具體方法與裝置的限制。當(dāng)然，將通過所附的權(quán)利要求書使對于所有這些修改的都包含在權(quán)利要求書范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種分離血液成分的方法，該方法包括提供具有多種血液成分的第一液流；提供第二液流；用第二液流與第一液流接觸，以提供第一分離區(qū)；以及分異性地將多種血液成分的第一血細(xì)胞成分沉降入第二液流，同時將多種血液成分的第二血細(xì)胞成分保持在第一液流中。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括分異性地從具有第二血細(xì)胞成分的第一液流中去除具有第一血細(xì)胞成分的第二液流。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一血細(xì)胞成分是眾多的紅細(xì)胞和眾多的白細(xì)胞。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，進(jìn)一步包括以全息方式從眾多的紅細(xì)胞中分離出眾多的白細(xì)胞。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第二血細(xì)胞成分是眾多的血小板。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括提供第三液流；用第三液流與第一液流接觸，以提供第二分離區(qū)；以及分異性地將多種血液成分的第二血細(xì)胞成分沉降入第三液流，同時將多種血液成分的第三血液成分保持在第一液流中。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括以全息方式陷獲第二血細(xì)胞成分。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，第二血細(xì)胞成分是眾多的血小板，且第三血液成分是血漿。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括再循環(huán)第一液流以形成第二液流。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括以全息方式從第一液流中分離出眾多的第二血細(xì)胞成分。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括以全息方式從第一液流中去除眾多的污染物或生物學(xué)碎片。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中。第一液流基本上包括來自供體的全血和抗凝血劑，且第二液流基本上包括來自供體的血漿。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述沉降步驟是速率帶狀的。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述沉降步驟是等密度的。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一液流和第二液流是基本上無湍流的。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一液流和第二液流基本上為層流。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述分離區(qū)具有基本上平行于第一和第二液流流動方向的預(yù)定長度，基本上垂直于第一和第二液流流動方向的預(yù)定深度，所述預(yù)定長度和預(yù)定深度取決于第一血細(xì)胞成分的第一沉降速率、第二血細(xì)胞成分的第二沉降速率、第一液流的第一流速以及第二液流的第二流速。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一液流和第二液流具有基本上相同的流速。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一個液流具有第一流速，第二液流具有第二流速，并且第二流速相對地比第一流速大。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一液流在所述分離區(qū)的第一容積相對地比第二液流在所述分離區(qū)的第二容積小。
21.一種實(shí)施如權(quán)利要求1所述的方法的裝置。
22.一種將流體混合物分離成組成成分的方法，該方法包括提供具有流體混合物的基本上為層流的第一液流，所述流體混合物具有多種成分，所述多種成分具有相應(yīng)的多種沉降速率；提供基本上為層流的第二液流；用第二液流與第一液流接觸，以提供第一分離區(qū)，第一液流和第二液流在分離區(qū)中具有基本上無湍流的界面；分異性地從第一液流中將多種成分的第一成分沉降入第二液流以形成富集的第二液流和貧化的第一液流，同時將多種成分的第二成分保持在第一液流中，所述第一成分具有多種沉降速率的第一沉降速率而第二成分具有多種沉降速率的第二沉降速率，其中第一沉降速率相對地比第二沉降速率大；分異性地將富集的第二液流從貧化的第一液流去除；以及以全息方式在貧化的第一液流中操縱第二成分。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述流體混合物是全血，所述第一成分是眾多的紅細(xì)胞和白細(xì)胞，所述第二成分是眾多的血小板。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述流體混合物是精子，所述第一成分是眾多不游動的或無活性的精子細(xì)胞，所述第二成分是眾多游動的或有活性的精子細(xì)胞。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述光學(xué)操縱步驟進(jìn)一步包括以全息方式陷獲第二成分，以從貧化的第一液流去除第二成分。
26.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括以全息方式從第一液流中去除眾多的污染物或生物學(xué)碎片。
27.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括提供第三液流；用第三液流與貧化的第一液流接觸以提供第二分離區(qū)；以及以全息方式陷獲第二成分，并將第二成分從貧化的第一液流運(yùn)動到第三液流中，同時將多種成分的第三成分保持在貧化的第一液流中。
28.如權(quán)利要求27述的方法，進(jìn)一步包括再循環(huán)貧化的第一液流，以形成第二液流。
29.一種實(shí)施如權(quán)利要求22所述的方法的裝置。
30.一種將流體混合物分離成組成成分的方法，該方法包括提供具有流體混合物的基本H為層流的第一液流，所述流體混合物具有多種成分，所述多種成分具有相應(yīng)的多種沉降速率；提供基本上為層流的第二液流；提供基本上為層流的第三液流；用第二液流和第三液流與第一液流接觸，以提供第一分離區(qū)，第一液流和第二液流在所述分離區(qū)中具有基本上無湍流的第一界面，且第一液流和第三液流在所述分離區(qū)中具有基本上無湍流的第二界面；分異性地從第一液流中將多種成分的第一成分移動到第二液流中，以形成富集的第二液流和貧化的第一液流；分異性地從第一液流中將多種成分的第二成分移動到第三液流中，以形成富集的第三液流和更貧化的第一液流；分異性地從貧化的第一液流中去除富集的第二液流；以及分異性地從貧化的第一液流中去除富集的第三液流。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，第一液流、第二液流以及第三液流每個均具有不同的密度，以在第一分離區(qū)內(nèi)形成梯級密度梯度。
32.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，通過擴(kuò)散法從第一液流去除第一成分和第二成分。
33.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，通過等密度或速率帶狀沉降從第一液流去除第一成分和第二成分。
34.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，通過全息光學(xué)陷獲操作從第一液流去除第二成分。
35.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，通過電磁場從第一液流去除第一成分和第二成分。
36.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述流體混合物是全血，所述第一成分是眾多的紅細(xì)胞和白細(xì)胞，所述第二成分是眾多的血小板。
37.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述流體混合物是精子，第一成分是眾多不游動的或無活性的精子細(xì)胞，第二成分是眾多游動的或有活性的精子細(xì)胞。
38.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，分異性地從第一液流中去除第二成分的步驟進(jìn)一步包括以全息方式陷獲第二成分，以從貧化的第一液流去除第二成分。
39.一種將流體混合物分離成組成成分的裝置，該裝置包括用于提供具有流體混合物的基本上為層流的第一液流的部件，所述流體混合物具有多種成分，所述多種成分具有相應(yīng)的多種沉降速率；用于提供基本上為層流的第二液流的部件；用于提供基本上為層流的第三液流的部件；用于將第二液流和第三液流與第一液流接觸以提供第一分離區(qū)的部件，第一液流和第二液流在分離區(qū)中具有基本上無湍流的第一界面，且第一液流和第三液流在分離區(qū)中具有基本上無湍流的第二界面；用于分異性地從第一液流中將多種成分的第一成分移動到第二液流中以形成富集的第二液流和貧化的第一液流的部件；用于分異性地從第一液流中將多種成分的第一成分移動到第三液流中以形成富集的第三液流和更貧化的第一液流的部件；用于分異性地從貧化的第一液流中去除富集的第二液流的部件；以及用于分異性地從貧化的第一液流中去除富集的第三液流的部件。
40.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，第一液流、第二液流以及第三液流每個均具有不同的密度，以在第一分離區(qū)內(nèi)提供梯級密度梯度。
41.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，用于從第一液流去除第一成分和第二成分的部件采用擴(kuò)散法。
42.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，用于從第一液流去除第一成分和第二成分的部件通過等密度或速率帶狀沉降實(shí)施。
43.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，用于從第一液流去除第二成分的部件采用全息光學(xué)陷阱。
44.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，所述流體混合物是全血，第一成分是眾多的紅細(xì)胞和白細(xì)胞，第二成分是眾多的血小板。
45.如權(quán)利要求39所述的裝置，其中，所述流體混合物是精子，第一成分是眾多不游動的或無活性的精子細(xì)胞，第二成分是眾多游動的或有活性的精子細(xì)胞。
46.一種分離血液成分的方法，該方法包括提供具有多種血液成分的基本上為層流的第一液流；提供基本上為層流的第二液流；用第二液流與第一液流接觸，以提供第一分離區(qū)，第一分離區(qū)的尺寸已基于多種血液成分的多種沉降速率預(yù)先確定；分異性地將多種血液成分的眾多紅細(xì)胞和眾多白細(xì)胞以速率帶狀沉降入第二液流，同時在第一液流中保持多種血液成分的眾多血小板和血漿；分異性地從具有第二血細(xì)胞成分的第一液流中去除具有第一血細(xì)胞成分的第二液流；提供第三液流；用第三液流與第一液流接觸以提供第二分離區(qū)；分異性地將眾多的血小板速率帶狀沉降入第三液流，同時在第一液流中保持血漿；以及再循環(huán)第一液流以形成第二液流。
47.一種在流體中分離多種成分的裝置，該裝置包括具有用于第一液流的第一進(jìn)口和用于第二液流的第二進(jìn)口的光學(xué)透明篩分通道，該光學(xué)透明篩分通道進(jìn)一步具有用于第一液流的第一出口和用于第二液流的第二出口；以及與該光學(xué)透明篩分通道連接的全息光學(xué)陷阱系統(tǒng)，該全息光學(xué)陷阱系統(tǒng)適于產(chǎn)生全息光學(xué)陷阱，以選擇和在第一液流中移動第一液流中多種成分的第一成分，使之進(jìn)入第二液流，以形成富集的第二液流和貧化的第一液流，同時將多種成分中的第二成分保持在第一液流中。
48.一種將流體混合物分離為組成的不游動成分的裝置，該裝置包括具有用于第一液流的第一進(jìn)口和用于第二液流的第二進(jìn)口的第一篩分通道；該第一篩分通道進(jìn)一步具有用于第一液流的第一出口和用于第二液流的第二出口，所述第一篩分通道適于在第一液流中允許第一液流中多種成分的第一成分沉積入第二液流，以形成富集的第二液流和貧化的第一液流，同時將多種成分的第二成分保持在第一液流中；第二光學(xué)透明的篩分通道，其具有與用于第一液流的第一出口連接的第一光學(xué)入口和第一光學(xué)出口，該第二光學(xué)透明的篩分通道進(jìn)一步具有用于第三液流的第二光學(xué)入口和用于第三液流的第二光學(xué)出口；以及與該第二光學(xué)透明的篩分通道連接的全息光學(xué)陷阱系統(tǒng)，該全息光學(xué)陷阱系統(tǒng)適于產(chǎn)生全息光學(xué)陷阱，以選擇和從第一液流移動第二成分進(jìn)入第三液流。
49.一種分離多種細(xì)胞的方法，該方法包括提供具有多種細(xì)胞的第一液流；提供第二液流；用第二液流與第一液流接觸以提供第一分離區(qū)；以及分異性地將多種細(xì)胞的第一細(xì)胞移動到第二液流中，同時將多種細(xì)胞的第二細(xì)胞保持在第一液流中。
50.如權(quán)利要求49所述的方法，進(jìn)一步包括分異性地從具有第二細(xì)胞的第一液流中去除具有第一細(xì)胞的第二液流。
51.如權(quán)利要求49所述的方法，進(jìn)一步包括提供第三液流；用第三液流與第一液流接觸以提供第二分離區(qū)；以及分異性地將多種細(xì)胞的第二細(xì)胞移入第三液流，同時將多種細(xì)胞的第三細(xì)胞保持在第一液流中。
52.如權(quán)利要求49所述的方法，進(jìn)一步包括以全息方式地從第一液流分離出眾多的第二細(xì)胞。
53.如權(quán)利要求49所述的方法，進(jìn)一步包括以全息方式從第一液流中去除多種污染物或生物學(xué)碎片。
54.如權(quán)利要求49所述的方法，其中，第一液流和第二液流的每個均具有不同密度，以在第一分離區(qū)內(nèi)提供梯級密度梯度。
55.如權(quán)利要求49所述的方法，其中，通過等密度或速率帶狀沉降從第一液流去除第一細(xì)胞。
56.如權(quán)利要求55所述的方法，其中，所述第一細(xì)胞是無活性或不游動的精子細(xì)胞。
57.如權(quán)利要求49所述的方法，其中，通過自身活動性將第一細(xì)胞從第一液流中移除。
58.如權(quán)利要求57所述的方法，其中，所述第一細(xì)胞是游動的或有活性的精子細(xì)胞。
59.一種用于分離多種細(xì)胞的裝置，該裝置包括用于提供具有多種細(xì)胞的第一液流的部件；用于提供第二液流的部件；用于將第二液流與第一液流接觸以提供第一分離區(qū)的部件；以及用于分異性地將多種細(xì)胞的第一細(xì)胞移動到第二液流中、同時將多種細(xì)胞的第二細(xì)胞保持在第一液流中的部件。
60.如權(quán)利要求59所述的裝置，進(jìn)一步包括用于分異性地從具有第二細(xì)胞的第一液流中去除具有第一細(xì)胞的第二液流的部件。
61.如權(quán)利要求59所述的裝置，進(jìn)一步包括用于提供第三液流的部件；用于將第三液流與第一液流接觸以提供第二分離區(qū)的部件；以及用于分異性地將多種細(xì)胞的第二細(xì)胞移入第三液流中、同時將多種細(xì)胞的第三細(xì)胞保持在第一液流中的部件。
62.如權(quán)利要求59所述的裝置，進(jìn)一步包括用于以全息方式從第一液流分離眾多第二細(xì)胞的部件。
63.如權(quán)利要求59所述的裝置，其中，第一液流和第二液流的每個均具有不同密度，以在第一分離區(qū)內(nèi)提供梯級密度梯度。
64.如權(quán)利要求59所述的裝置，其中，用于從第一液流去除第一細(xì)胞的部件是通過等密度或速率帶狀沉降。
65.如權(quán)利要求64所述的裝置，其中，第一細(xì)胞是無活性或不游動的精子細(xì)胞。
66.如權(quán)利要求59所述的裝置，其中，用于將第一細(xì)胞從第一液流移除的部件是通過自身活動性。
67.如權(quán)利要求66所述的裝置，其中，第一細(xì)胞是游動的或有活性的精子細(xì)胞。
68.一種從流體中的多種成分分離出一種成分的裝置，該裝置具有長度對寬度的長寬比，該裝置包括具有用于第一液流的第一進(jìn)口和用于第二液流的第二進(jìn)口的第一篩分通道；第一和第二液流的每個具有沿裝置長度的液流方向，該第一篩分通道進(jìn)一步具有用于第一液流的第一出口和用于第二液流的第二出口，該第一篩分通道適于在第一液流中允許第一液流中多種成分的第一成分可選地移動入第二液流，以形成富集的第二液流和貧化的第一液流，同時在第一液流中保持多種成分的第二成分；以及長度對寬度的長寬比小于大約2∶1。
69.如權(quán)利要求68所述的裝置，其中，長度對寬度的長寬比從大約2∶1到1∶2。
70.如權(quán)利要求68所述的裝置，進(jìn)一步包括第二光學(xué)透明的篩分通道，其具有與用于第一液流的第一出口連接的第一光學(xué)入口和第一光學(xué)出口，該第二光學(xué)透明的篩分通道進(jìn)一步具有用于第三液流的第二光學(xué)入口和用于第三液流的第二光學(xué)出口；以及與該第二光學(xué)透明的篩分通道連接的全息光學(xué)陷阱系統(tǒng)，該全息光學(xué)陷阱系統(tǒng)適于產(chǎn)生全息光學(xué)陷阱，以選擇和從第一液流移動第二成分進(jìn)入第三液流。
71.一種從流體混合物分離多種成分的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括流動板，其具有用于第一液流和第二液流的多個進(jìn)口并具有用于第一液流和第二液流的多個出口，該流動板進(jìn)一步具有至少一個分離區(qū)，在該分離區(qū)中，第一液流和第二液流基本上是層流；多個泵，以控制第一液流和第二液流的流速；溫度控制器，其控制第一液流和第二液的溫度；以及計(jì)算機(jī)，其適于提供用戶輸入，以控制多種成分在分離區(qū)內(nèi)從流體混合物中分離。
全文摘要
一種用于分離流體中的多種成分(A、B、C、D)的裝置(100)，其包括一光學(xué)透明的篩分通道(110)，其具有用于第一液流(W)的第一進(jìn)口(120)，用于第二液流(X)的第二進(jìn)口(120)，用于第一液流(W)的第一出口(130)以及用于第二液流(X)的第二出口(130)；與光學(xué)透明篩分通道(200)連接的全息光學(xué)陷阱系統(tǒng)(210)，其用于將第一液流(W)中的多種成分(A、B、C、D)的第一成分(A)可選地移到第二液流(X)中，以形成富集的第二液流(X)。
文檔編號B01D61/00GK1871058SQ200480030689
公開日2006年11月29日 申請日期2004年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月4日
發(fā)明者埃米·安迪生, 劉易斯·格魯伯, 丹·米特, 約瑟夫·普萊瓦, 杰西卡·沙伊爾曼, 尼爾·哈里斯·羅森鮑姆 申請人:阿爾利克斯公司