用于以聲學(xué)方式集中的硬件與實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于以聲學(xué)方式集中的硬件與實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)和方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的奪叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求2008年1月16日提交的Kaduchak的、題為"用于以聲學(xué)方式集中的 硬件與實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)和方法"的第61/021，443號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)，以及2008年9月11日 提交的題為"用于以聲學(xué)方式集中的硬件與實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)和方法"的第12/209, 084號(hào)美國(guó)專 利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，在此通過引用將其全部?jī)?nèi)容并入本文。
[0003] 發(fā)明背景
[0004] 發(fā)明領(lǐng)域（摶術(shù)領(lǐng)域）
[0005] 本發(fā)明的實(shí)施方式涉及聲學(xué)細(xì)胞儀，更具體地涉及聲學(xué)集中的硬件與實(shí)現(xiàn)。
【背景技術(shù)】
[0006] 注意下述的討論涉及大量的流式細(xì)胞儀系統(tǒng)。此處給出這些系統(tǒng)的討論作為更完 整的【背景技術(shù)】而不能解釋為承認(rèn)這些系統(tǒng)是用于確定專利性的現(xiàn)有技術(shù)。
[0007] 流式細(xì)胞儀是在無數(shù)應(yīng)用中，主要是在生物科學(xué)研究與醫(yī)學(xué)中用于分析顆粒與細(xì) 胞的強(qiáng)大工具。這項(xiàng)技術(shù)的分析強(qiáng)度在于使單個(gè)顆粒（包括生物顆粒，如細(xì)胞、細(xì)菌和病 毒）以超過每秒數(shù)千顆粒的速率快速連續(xù)地行進(jìn)通過光源（通常是一個(gè)或多個(gè)激光器）的 集中光斑的能力。該集中光斑處的高光子通量通過顆粒和/或來自顆粒和/或來自附著于 顆粒的標(biāo)記的能夠被收集和分析的光發(fā)射產(chǎn)生光的散射。這給予用戶關(guān)于單個(gè)顆粒的大量 信息，該信息可被快速記入關(guān)于顆?；蚣?xì)胞群的統(tǒng)計(jì)信息。
[0008] 在傳統(tǒng)的流式細(xì)胞儀中，顆粒流過集中詢問點(diǎn)，在該點(diǎn)處激光器將激光束指向在 通道內(nèi)包括芯體內(nèi)徑的焦點(diǎn)。包含顆粒的樣本流體通過使鞘液圍繞樣本流以非常高的約為 樣本的體積流速的100-1000倍的體積流速流動(dòng)而以流體動(dòng)力學(xué)方式集中于非常小的大約 10-50微米的芯體內(nèi)徑。這導(dǎo)致了集中的顆粒非?？斓募s每秒數(shù)米的線速度。反過來，這意 味著每個(gè)顆粒在激勵(lì)光斑處花費(fèi)的時(shí)間非常有限，通常僅有1-10微秒。當(dāng)流體動(dòng)力學(xué)鞘液 的線性流動(dòng)停止時(shí)，顆粒就不再集中。只有重新恢復(fù)流體動(dòng)力學(xué)鞘液的流動(dòng)才可以重新集 中顆粒。另外，一旦顆粒經(jīng)過詢問點(diǎn)，顆粒就不能再被導(dǎo)向詢問點(diǎn)，因?yàn)榫€性流速不能夠逆 轉(zhuǎn)。更進(jìn)一步，顆粒不能夠保持在詢問點(diǎn)一段用戶定義的用于進(jìn)一步詢問的時(shí)間，因?yàn)榧?已丟失且沒有流體動(dòng)力學(xué)鞘液的流動(dòng)。由于激勵(lì)點(diǎn)處非常高的光子通量，流式細(xì)胞儀仍然 是非常靈敏的技術(shù)，但是這個(gè)快速的傳送時(shí)間限制了能夠達(dá)到的靈敏度和分辨率。通常，較 大的激光功率用于增加光子通量，從而提取出更多的信號(hào)，但是這種方法是受限制的，因?yàn)?太多的光可經(jīng)常光漂白（或激發(fā)到非輻射態(tài)）用于產(chǎn)生信號(hào)的熒光團(tuán)并且能夠增加背景瑞 利散射、拉曼散射以及熒光。
[0009] 相對(duì)較慢的流式細(xì)胞儀系統(tǒng)已被開發(fā)用來改進(jìn)靈敏度的限制并且顯示出探測(cè)限 制下降到單個(gè)分子水平。在這些系統(tǒng)中的一個(gè)系統(tǒng)中，示出較低的激光功率（〈lmW)對(duì)于插 入熒光染料的雙鏈DNA片段的單個(gè)分子的探測(cè)是優(yōu)選的。由于較慢的傳送時(shí)間（數(shù)百微秒 到毫秒），當(dāng)以較低的激光功率減少背景、光漂白以及非輻射的三重狀態(tài)時(shí)，可以從染料中 獲得最大的熒光產(chǎn)量。
[0010] 緩流流體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)雖然非常靈敏但不能被廣泛使用，因?yàn)樯淞鞒叽缤ǔ７浅?小，這導(dǎo)致容易堵塞以及非常有限的樣本吞吐量。為了集中樣本流到足夠小的芯體內(nèi)徑以 保持精確顆粒測(cè)量所需的均勻亮度和流速，必須仍然以非常高的體積流速將鞘提供給樣 本。為了達(dá)到緩慢的線速度，體積樣本速率必須極小。因此，要處理可觀數(shù)量的事件，樣本 必須高度集中。例如如果對(duì)于大約10微米的典型芯體直徑，期望1厘米每秒的相對(duì)緩慢的 線速度，則必須以大約0. 05微升每分鐘的速度傳送樣本。為了每秒只處理100個(gè)細(xì)胞，細(xì) 胞濃度必須為每微升120, 000或每毫升1. 2億。反過來這個(gè)濃度要求甚至更有可能造成堵 塞。當(dāng)樣本傳送速度較慢時(shí)，許多類型的細(xì)胞以高濃度聚集和沉淀、并且粘附到表面的趨勢(shì) 使問題進(jìn)一步復(fù)雜。由多恩博斯創(chuàng)建的系統(tǒng)，通過使用具有流阻的傳統(tǒng)流通池降低流速?gòu)?而避免了堵塞問題，但是他發(fā)現(xiàn)非常難以控制樣本的精確集中傳送。該方法也不能消除對(duì) 慢速體積傳送和高度濃縮樣本的需求。
[0011] 無鞘的，非集中的流式細(xì)胞儀已被開發(fā)，但是這些工具由于需要激勵(lì)顆粒穿過通 道的焦斑尺寸而遭受低靈敏度。焦斑尺寸通過使用非常小的毛細(xì)管來減小，但是根據(jù)通道 中發(fā)展的層流剖面通道中的顆粒以可變流速流動(dòng)。這就導(dǎo)致不同的傳送時(shí)間以及激光焦斑 處顆粒的一致性而上述兩點(diǎn)使得分析更難。此外，背景不能通過設(shè)計(jì)用來從緊密地集中的 芯流中收集光的空間濾波光學(xué)器件而得到削減。這限制了靈敏度與分辨率。
[0012] 已經(jīng)演示了其他方法在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用聲輻射壓力操控顆粒。這些裝置為在笛 卡兒坐標(biāo)中建模的平面裝置。應(yīng)用聲場(chǎng)來產(chǎn)生將顆粒集中到矩形腔內(nèi)一條帶上的準(zhǔn)一維力 場(chǎng)。對(duì)于層流而言，穿過腔的顆粒的最終分布將顆粒安置在不同的速度流線上。不同流線 上的顆粒不僅處在不同的位置而且它們還以不同的速度流動(dòng)。相應(yīng)地，這就導(dǎo)致處在裝置 中的顆粒具有不同的停留時(shí)間。平面集中不能以適合與流式細(xì)胞儀一起的使用的方式將顆 粒排成一條直線。
[0013] 發(fā)明概沐
[0014] 本發(fā)明的實(shí)施方式包括以聲學(xué)方式集中的毛細(xì)管，其包括耦合到至少一個(gè)振動(dòng)源 的毛細(xì)管并且所述至少一個(gè)振動(dòng)源具有凹槽。優(yōu)選地，該實(shí)施方式的毛細(xì)管在凹槽處耦合 到振動(dòng)源。優(yōu)選地，所述凹槽具有與所述毛細(xì)管大致相同的橫截面形狀。所述毛細(xì)管可以 是圓形、橢圓形、扁圓形或矩形的。優(yōu)選地，所述振動(dòng)源包括壓電材料。在此實(shí)施方式中，優(yōu) 選地，所述凹槽增大毛細(xì)管的聲源孔。
[0015] 本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式包括制造以聲學(xué)方式集中的毛細(xì)管的方法。該實(shí)施方式 還包括：提供毛細(xì)管和至少一個(gè)振動(dòng)源；在所述振動(dòng)源中加工凹槽；并在所述凹槽處將所 述至少一個(gè)振動(dòng)源耦合到所述毛細(xì)管。優(yōu)選地，所述凹槽具有與所述毛細(xì)管大致相同的橫 截面形狀。所述毛細(xì)管可以是圓形、橢圓形、扁圓形或矩形。優(yōu)選地，至少一個(gè)振動(dòng)源包括 壓電材料。該實(shí)施方式可選地包括增大毛細(xì)管的聲源孔。
[0016] 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，以流體動(dòng)力學(xué)方式和聲學(xué)方式集中顆粒流中的顆 粒的設(shè)備包括：流動(dòng)腔；所述流動(dòng)腔的外部邊界，用于使流體動(dòng)力學(xué)流體流過；所述流動(dòng)腔 的中心芯體，用于使顆粒樣本流流過；和至少一個(gè)換能器，耦合到所述流動(dòng)腔以產(chǎn)生聲輻射 壓力。優(yōu)選地，該實(shí)施方式的換能器耦合到流體腔的外壁。所述換能器可替代地形成流體 腔的壁。
[0017] 本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施方式包括流體動(dòng)力學(xué)方式和聲學(xué)方式集中顆粒流的方法。 該方法優(yōu)選包括：使鞘液流入毛細(xì)管的外部邊界中；使顆粒流入所述毛細(xì)管的中心芯體 中；以及對(duì)鞘液內(nèi)的顆粒流施加聲輻射壓力。該方法的顆粒流先以流體動(dòng)力學(xué)方式集中，隨 后以聲學(xué)方式集中?？蛇x地，顆粒流同時(shí)以聲學(xué)方式和流體動(dòng)力學(xué)方式集中。
[0018] 以流體動(dòng)力學(xué)方式和聲學(xué)方式集中顆粒的另一方法是本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施方 式。優(yōu)選地，該實(shí)施方式包括提供其中包含顆粒的流體；使鞘液流入流動(dòng)腔的外部邊界中； 使包含顆粒的流體流入所述流動(dòng)腔的中心芯體中；以及對(duì)包含顆粒的流體施加聲輻射壓 力。該實(shí)施方式也可包括分析顆粒。
[0019] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式包括利用聲輻射壓力排列顆粒的方法。優(yōu)選地，該實(shí)施方 式包括提供其中包含顆粒的流體，使所述流體經(jīng)受聲輻射壓力，將所述流體旋轉(zhuǎn)90度，以 及使所述流體再次經(jīng)受聲輻射壓力以排列顆粒。該實(shí)施方式也可包括分析經(jīng)排列的顆粒。 [0020] 本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式包括以流體動(dòng)力學(xué)方式和聲學(xué)方式集中流體中顆粒的 方法。該實(shí)施方式包括：使其中包含顆粒的流體流動(dòng)；使所述流體經(jīng)受一個(gè)平面方向上的 聲輻射壓力從而以聲學(xué)方式集中顆粒；以及使鞘液在第二平面方向上流動(dòng)，由此以流體動(dòng) 力學(xué)方式使流體在第二平面方向上集中，從而進(jìn)一步集中所述顆粒。
[0021] 本發(fā)明進(jìn)一步包括移除射流系統(tǒng)中的氣泡的方法。這些方法包括提供經(jīng)過通道的 流束，以及使所述通道在聲頻下共振。這些方法還包括提供經(jīng)過通道的流束和使通道壁在 低頻下振動(dòng)。
[0022] 本發(fā)明的實(shí)施方式是將顆粒以聲學(xué)方式集中到流體中的準(zhǔn)平面布置中的設(shè)備。該 實(shí)施方式優(yōu)選包括具有扁圓形橫截面