УСТРОЙСТВО С МИКРОФЛЮИДНЫМ ЧИПОМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИЛЫ И ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ КЛЕТОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНФИГУРАЦИИ МИКРОФЛЮИДНОГО ЧИПА И ДИНАМИКИ
APPARATUS WITH A MICROFLUID CHIP FOR MEASURING THE OPTICAL STRENGTH AND IMAGING CELLS USING THE MICROFLUID CHIP CONFIGURATION AND DYNAMICS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[01] В общем, это изобретение относится к устройству и способу для анализа частиц и формирования изображения частиц или клеток во флюидах и в частности, к устройству и способу формирования изображения частиц во флюидах при использовании давления, динамики флюида, электрокинетических и оптических сил.
[02] Настоящее изобретение относится к микрофлюидному чипу, в котором нагнетание производится в вертикальном направлении, а пробирки с флюидом расположены под чипом для минимизации осаждения частиц перед участком анализа и на участке анализа каналов чипа.
[03] Для реализации изобретения, описанного в этой заявке, должны быть сделаны изменения в существующих конструкциях микрофлюидного чипа. Например, для поддержания пробирок в вертикальном положении на одной линии с чипом, должно быть установлено другое связующее звено по сравнению со связующим звеном из предшествующего уровня техники. В частности, вместо использования входной трубки, связанной с чипом через впускное отверстие в наибольшей передней поверхности чипа (как обычно делается в микрофлюидных системах «лаборатория на чипе»), расположенной перпендикулярно, и затем закачивания флюида прежде всего в поперечном направлении, после этого вверх в чипе в настоящем изобретении имеется входное устройство и согласно одному аспекту флюид поднимается через нижнюю часть чипа при использовании манифольда, что исключает изменение ориентации флюида/динамики флюида до горизонтальной.
[04] Согласно изобретению, изложенному в этой заявке, содержимое пробирки расположено под чипом и закачивается вверх и в вертикальном направлении непосредственно в первый канал чипа. Длинный канал продолжается от нижней части чипа почти до верхней части чипа. Затем канал сменяется коротким горизонтальным, но новый канал является настолько коротким, что делаются почти невозможными никакое осаждение клеток вследствие силы тяжести и нулевая скорость потока на стенках. После этого в противоположность предшествующему уровню техники флюид закачивается вверх на участок анализа. Следовательно, горизонтальный участок анализа представляет собой самый верхний канал/самое верхнее место флюида в чипе и поэтому находится близко к верхней части чипа, следствием чего являются меньшее количество материала чипа (например, стекла) между микроскопом/камерой и пробой, чем в предшествующем уровне техники, и поэтому формирование более ясного изображения. Кроме того, лазер суспендирует клетки в этом канале во время анализа, и это предотвращает их осаждение.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[05] Согласно предшествующему уровню техники пробирки микрофлюидного чипа, содержащие клетки или частицы, подлежащие разделению и/или анализу, расположены в стороне и закачивание выполняется в горизонтальном направлении в каналы в микрофлюидном чипе. Сначала содержимое пробирок (например, частицы или клетки) закачивается вверх в вертикальном направлении, затем направление движения изменяется на противоположное для перемещения вниз и после этого выполняется закачивание в горизонтальном направлении в чип (см., например, патент США № 9594071).
[06] Соединение с чипом является горизонтальным, и это в сочетании с мертвым объемом (свободным пространством во флюидных соединениях, которое в известной степени является неизбежным) в соединении приводит к значительному дополнительному осаждению вследствие силы тяжести. Кроме того, при такой конфигурации требуется канал относительно большого диаметра, необходимый для соединения, при этом в дополнение к мертвому объему образуется участок относительно низкой скорости, что также усугубляет проблему осаждения частиц. В современном чипе согласно настоящему изобретению исключена необходимость в широком горизонтальном входном канале и довольно резком переходе от широкого горизонтального входного канала к первому вертикальному каналу чипа с относительно небольшим направленным вверх потоком. При такой конфигурации исключаются горизонтальное осаждение и необходимость изменения направления, которое является причиной осаждения. Кроме того, благодаря входу клеток в нижний край чипа решается проблема осаждения в мертвом объеме путем ориентации его в вертикальном направлении относительно силы тяжести, так что клетки или частицы не осаждаются на дне горизонтального канала, а вместо этого они постоянно направляются вверх потоком. Это решение не является интуитивным и потребовало проведения многочисленных исследований для ясного представления проблемы перед разработкой современного решения. Доступные в настоящее время микрофлюидные устройства включают в себя изготовленные по заказу или серийные соединения на полированной поверхности и имеют больший участок стекла в противоположность настоящему изобретению, на котором обычно осуществляется воздействие на любые частицы, такие как клетки, содержащиеся в потоке пробы, для немедленного поворота после входа в чип и перемещения в горизонтальном направлении.
[07] Кроме того, в предшествующем уровне техники для клеток или частиц существуют несколько горизонтальных отрезков пути в микрофлюидном чипе перед достижением канала анализа, что приводит к осаждению. В тот момент, когда содержимое пробирки входит в чип и в каналы в чипе, содержимое закачивается в горизонтальном направлении, а не в вертикальный канал чипа. Затем канал проходит вверх и сменяется длинным горизонтальным, и в этом месте клетки стремятся осаждаться на дно канала вследствие силы тяжести, а также меньшей скорости около стенки вследствие режима ламинарного потока. По существу, вследствие параболического профиля скорости поток является самым сильным в середине канала и уменьшается до нуля на стенке или вблизи стенки канала. После первого горизонтального канала в чипе флюид поворачивает вниз перед каналом анализа, где осуществляются формирование изображения и разделение частиц. Вследствие этой конфигурации имеется относительно большое расстояние между микроскопом/камерой и каналом анализа. В этой типичной конфигурации из предшествующего уровня техники частицы вынуждаются перемещаться вниз и в конечном счете выходят из нижней части чипа.
[08] Кроме того, в предшествующем уровне техники вследствие ограничивающих условий требуются многочисленные горизонтальные отрезки пути, являющиеся причиной осаждения клеток на многочисленных местах в каналах. В свою очередь, это является причиной снижения качества изображения вследствие необходимости получать изображение через дополнительный материал на краю чипа. В чип из предшествующего уровня техники закачивание вверх осуществляется по вертикали, затем в горизонтальном направлении, после чего по зигзагообразной линии для надлежащего суспендирования клеток или частиц, затем вниз и из чипа. Зигзагообразные каналы исключены в настоящем изобретении.
[09] Кроме того, в предшествующем уровне техники рассматривается воспроизведение трехмерных изображений клеток или частиц во флюиде. Например, в M. Habaza, M. Kirschbaum, C. Guernth-Marschner, G. Dardikman, I. Barnea, R. Korenstein, C. Duschl, N. T. Shaked, Adv. Sci., 2017, 4, 1600205, показаны захват клетки, вращение ее с высокой скоростью и использование интерферометрии для измерения распределения показателя преломления в клетке. Кроме того, интерферометрию используют для анализа клеток в микрофлюидных каналах (см., например, Y. Sung et al., Phys. Rev. Appl., 2014, Feb. 27; 1:014002). Однако в настоящем изобретении заявлено получение многочисленных изображений клетки или частицы, когда она перемещается в потоке флюида по фокальным плоскостям устройства (устройств) формирования изображения, вследствие чего исключается всякая необходимость в захвате клетки для воспроизведения трехмерного изображения. Предложены другие способы, такие как использование механического поступательного перемещения, без использования формирования изображения светлого поля, описанного в этой заявке, и без использования потока флюида для обеспечения перемещения клетки относительно плоскости изображения (например, N. Lue et al., Opt. Express, 2008, Sep. 29; 16 (20):16240-6).
[10] Все источники из предшествующего уровня техники, цитируемые в этой заявке, полностью включены в нее путем ссылки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[11] Настоящее изобретение относится к микрофлюидному чипу, в который осуществляется нагнетание, а пробирки с пробами расположены под чипом для минимизации осаждения частиц. Таким образом, содержимое пробирки расположено под чипом и закачивается вверх и в вертикальном направлении непосредственно в канал чипа. Длинный канал продолжается от нижней части чипа до почти верхней части чипа. Затем канал сменяется коротким горизонтальным, но новый канал образован довольно коротким, чтобы в нем не проявлялся никакой эффект осаждения клеток, обусловленный нулевой скоростью потока около стенок канала. В таком случае в противоположность предшествующему уровню техники проба закачивается вверх на участок анализа. Следовательно, горизонтальный участок анализа представляет собой самый верхний канал/самое верхнее место флюида в чипе и поэтому находится близко к верхней части чипа, вследствие чего меньшая толща стекла находится между микроскопом/камерой и пробой, чем в предшествующем уровне техники, и поэтому формируется более ясное изображение. Расстояние канала анализа от верхней части чипа может быть от 100 мкм до 2 мм, но и до 100 мм, таким как от 100 мкм до 200 мкм, от 200 мкм до 300 мкм, от 300 мкм до 400 мкм и т.д. В одном варианте осуществления после участка анализа чипа, проба, например флюид, клетки и/или частицы, закачивается вниз к нижней части чипа и вытесняется наружу.
[12] Кроме того, настоящее изобретение относится к микрофлюидному чипу, в котором горизонтальные отрезки пути минимизированы, особенно на месте входа флюида в каналы чипа. Чипы из предшествующего уровня техники содержат горизонтальные каналы общей длиной 13 мм (не анализируемые участки), нагнетательное отверстие намного большего диаметра на длине около 2 мм, усиливающее осаждение вследствие низкой скорости. Согласно предпочтительному варианту осуществления чип, описанный в этой заявке, имеет горизонтальные каналы (не анализируемые) длиной от 0,2 до 3,0 мм, хотя длина горизонтальных каналов может быть в пределах от 0,01 до 100,0 мм, такой как от 0,01 мм до 0,02 мм, от 0,02 мм до 0,03 мм, от 0,03 мм до 0,04 мм и т.д. Следствием этого является система каналов согласно изобретению, размеры которых на порядок величины отличаются от принятых в предшествующем уровне техники, что улучшает характеристики потока и исключает осаждение клеток/частиц.
[13] Согласно другому аспекту изобретение относится к микрофлюидному чипу, в котором формирование изображения и анализ происходят на углу или вблизи угла чипа, благодаря чему улучшаются изображения из многочисленных точек наблюдения вследствие меньшей толщи стекла и меньшего расстояния между камерой и каналом анализа. Кроме того, это позволяет использовать объектив с большей числовой апертурой для улучшения детальности изображения при повышении увеличения. В такой конструкции уменьшается искажение изображения, обусловленное стеклом (или другим веществом, из которого состоит чип, таким как пластик или любой прозрачный или полупрозрачный материал) и расстоянием (например, вследствие несовершенства стекла). Расстояние между устройством формирования изображения и каналом анализа может быть от 100 мкм до 2 мм, но и до 100 мм, таким как от 100 мкм до 200 мкм, от 200 мкм до 300 мкм, от 300 мкм до 400 мкм и т.д.
[14] Кроме того, настоящее изобретение относится к микрофлюидному сортировочному чипу с осуществлением разделения ниже по потоку от канала анализа, что позволяет одновременно или последовательно и отдельно использовать давление и/или лазерную силу (или другую оптическую силу) для активации функции сортировки. Согласно одному аспекту для реализации функции сортировки поток из канала анализа должен быть непрерывным. Например, частицы направляются в вертикальный канал и затем в горизонтальный сортировочный канал. В одном варианте осуществления оптическая сила и/или давление прикладываются в направлении потока в сортировочном канале для продвижения частиц по каналу. Частицы, на которые непосредственно не действует оптическая сила, отводятся в другой канал вследствие действия, например, силы тяжести, электрокинетических сил, магнитных сил, линий ламинарного потока, линий течения, пониженной скорости потока, ортогональной оптической силы или вакуума, прилагаемых для втягивания частиц в другой канал. Согласно другому аспекту, относящемуся к сортировочному каналу после анализа, в настоящем изобретении допускается направление оптической силы от задней стороны чипа (лазерная или оптическая сила ориентирована по направлению потока), а согласно некоторым аспектам производится расщепление пучка этого основного лазера. В вариантах осуществления оптическая сила и/или давление могут быть приложены в направлении, противоположном направлению перемещения вещества по каналу, например против потока, или могут быть приложены в направлении перемещения вещества в канале, например по потоку. Сортировка клеток или частиц может происходить в общем устройстве или отдельном чипе. Например, на фиг. 1В пятый канал перед выпускной трубкой 145 содержит одно или несколько разветвлений, что позволяет иметь одну или многочисленные сортировочные области.
[15] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения манифольд соединен с пробиркой таким образом, что трубка проходит через манифольд и соединяется с пробиркой или другим резервуаром на другой стороне, входя в соприкосновение с веществом (например, флюидом) в пробирке. Манифольд обеспечивает соединение пробирок, сохраняемых под чипом, с микрофлюидным чипом и/или манифольд позволяет нагнетать содержимое пробирок из нижней части чипа, при этом сглаживаются несколько проблем, проявляющихся в предшествующем уровне техники, таких как осаждение клеток или частиц, когда пробирка или трубка из пробирки соединена или находится в сообщении с микрофлюидным чипом.
[16] Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение относится к держателю микрофлюидного чипа, при этом держатель содержит структуру для направления источника света, включающую встроенный призменный резонатор, который при наличии установленной призмы побуждает свет выходить под углом относительно чипа, и это является предпочтительным способом освещения при ограниченной геометрии. В вариантах осуществления источник света включает в себя, но без ограничения, волоконную оптику или источник коллимированного или сфокусированного света. Этот источник света точно направлен или ориентирован, в частности, направлен в канал анализа.
[17] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения устройство включает в себя второе устройство формирования изображения, ориентированное ортогонально к первой камере и каналу. Причины включения второй камеры являются разнообразными. Согласно одному аспекту причина включения второго устройства формирования изображения заключается в содействии визуальной юстировке лазера или оптической силы в канале анализа. Согласно другому аспекту при использовании способа, описанного в этой заявке, данные от первой камеры можно регистрировать. При наличии второй камеры данные можно объединять с данными от первой камеры, в результате чего получаются дополнительные данные, которые можно использовать для более точной экстраполяции положения, размера, формы объема и т.д. клетки. Эта дополнительная информация относительно одной и той же клетки (или частицы) повышает точность и расширяет диапазон измерений и анализа. Согласно дальнейшему аспекту вторая камера в сочетании с первой камерой позволяет осуществлять трехмерную реконструкцию клетки или частицы или группы клеток или частиц, изображения которых получены ортогональной камерой и камерой по потоку или камерой, направленной к стороне чипа. При использовании алгоритма, описанного в этой заявке или иного, включающего реверсирование или замедление потока и использование одного или нескольких изображений конкретной клетки или частицы или группы клеток или частиц, изобретение позволяет анализировать и обрабатывать многочисленные изображения и тем самым позволяет определять характеристики/атрибуты/количественные результаты измерений, такие как объем клетки, форма клетки, местоположение ядра клетки, объем ядра клетки, местоположение органеллы или внутриклеточного включения и т.д. Согласно другому аспекту настоящего изобретения камера ориентирована для получения изображения по оси, то есть в направлении потока.
[18] Согласно одному аспекту для настоящего изобретения не требуется извилистый или зигзагообразный канал, который является предпочтительным в предшествующем уровне техники, для поддержания частиц должным образом суспендированными. Вследствие нагнетания в чип флюида и частиц или клеток в вертикальном направлении зигзагообразный канал становится ненужным, закачиваемые в вертикальном направлении частицы протекают непосредственно вверх по каналу в первый горизонтальный канал (называемый в этой заявке вторым каналом).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[19] Сопровождающими чертежами иллюстрируются определенные аспекты из некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения и они не должны использоваться для ограничении или определения изобретения. Совместно с описанием чертежи служат для пояснения некоторых принципов изобретения.
[20] На фиг. 1А представлен схематичный общий вид конфигурации устройства, включающего чип, манифольд и пробирки. На фиг. 1В представлены схематичные изображения, иллюстрирующие ориентации и местоположения каналов чипа.
[21] На фиг. 2А и 2В представлены схематичные изображения, иллюстрирующие держатель микрофлюидного чипа согласно настоящему изобретению.
[22] На фиг. 3А и 3В представлены схематичные изображения, иллюстрирующие положения и аспекты держателя чипа согласно настоящему изобретению.
[23] На фиг. 4А и 4В представлены схематичные изображения, иллюстрирующие примеры пути клетки и конфигурацию устройств формирования изображения относительно чипа. На фиг. 4С представлено схематичное изображение, иллюстрирующее другой путь клетки.
[24] На фиг. 5 представлены схематичные изображения, иллюстрирующие многоплоскостное формирование изображения с чипа и каким образом его можно использовать для воспроизведения трехмерных изображений и информации.
[25] На фиг. 6А и 6В представлены схематичные изображения, иллюстрирующие многоплоскостное формирование изображение с чипа в потоке флюида и каким образом его можно использовать для воспроизведения трехмерного изображения.
[26] На фиг. 7 представлено схематичное изображение, иллюстрирующее, каким образом клетка может захватываться и/или уравновешиваться на участке анализа чипа и отображаться под многочисленными углами.
[27] На фиг. 8 представлено схематичное изображение, иллюстрирующее расположение камеры и источника освещения на одной линии с лазером и направлением потока таким образом, что частицы могут перемещаться от камеры.
[28] На фиг. 9 представлено схематичное изображение, иллюстрирующее расположение камеры и источника освещения на одной линии с лазером и направлением потока таким образом, что частицы могут перемещаться от камеры.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[29] Настоящее изобретение описывается с обращением к конкретным вариантам осуществления, имеющим различные признаки. Для специалистов в данной области техники должно быть очевидно, что различные модификации и изменения могут быть сделаны при применении на практике настоящего изобретения без отступления от объема и сущности изобретения. Специалист в данной области техники должен осознавать, что эти признаки могут использоваться индивидуально или в любом сочетании с учетом требований и условий конкретного применения или проектирования. Кроме того, варианты осуществления, содержащие различные признаки, могут состоять по существу из этих различных признаков или содержать их. Другие варианты осуществления изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники в результате рассмотрения описания изобретения и при применении на практике изобретения. Описание изобретения является только примерным или поясняющим по своей сути и поэтому изменения, которые будут сделаны без отступления от сущности изобретения, предполагаются находящимися в объеме изобретения.
[30] Перед уяснением в деталях по меньшей мере одного варианта осуществления изобретения, следует понять, что применение изобретения не ограничено особенностями конструкции и расположением компонентов, представленными в нижеследующем описании или показанными на чертежах. В изобретении допускаются другие варианты осуществления или возможно применение на практике или осуществление его различными способами. Кроме того, должно быть понятно, что фразеология и терминология используются в этой заявке для целей описания не должны рассматриваться как ограничивающие.
[31] Теперь обратимся к чертежам, где на фиг. 1А показан общий вид устройства согласно идее изобретения. Пробирки 130 с пробами расположены под микрофлюидным чипом 100 (который в этой заявке в общем случае также может называться подложкой) и при этом отсутствуют ограничения относительно количества или размеров пробирок. Пробирки выполнены с возможностью удержания пробы любого вида, которая может быть перемещена через устройство, такой как одно или несколько веществ, включая, но без ограничения, один или несколько из флюидов, жидкостей, газа, плазмы, сыворотки, крови, клеток, тромбоцитов, частиц и т.д. или сочетаний их. В контексте этого описания термин флюид или проба в общем случае может использоваться для обозначения такого одного или нескольких веществ. Пробирки соединены либо непосредственно, либо опосредованно, например опосредованно при использовании воздухопровода 110, в рабочем состоянии находящегося в сообщении с нижней стороной чипа. Кроме того, они могут соединены при помощи манифольда 120, также показанного на фиг. 1А. На фиг. 1В показан предпочтительный вариант осуществления микрофлюидного чипа 100, в соответствии с которым вещество, флюид, частицы и/или клетки нагнетаются на одной внешней поверхности, такой как край, микрофлюидного чипа (например, в плоскости XZ на фиг. 1В). Нагнетание показано на фиг. 1В вдоль одной из передних поверхностей, разделенных небольшим расстоянием, такой как передняя поверхность XZ или передняя поверхность XY. В этом конкретном варианте осуществления длина стороны X 160 меньше, чем длина стороны Y 170 и длина стороны Z 180. При такой конфигурации обеспечивается минимальное отклонение пробы при входе в каналы чипа (например, отсутствует необходимость в повороте направо, который является обычным в современном уровне техники).
[32] На фиг. 1А манифольд 120 показан соединяющим пробирку или пробирки 130 с микрофлюидным чипом 100, так что вещество, флюид, частицы и/или клетки могут нагнетаться или закачиваться в микрофлюидный чип вертикально в направлении вверх. Манифольд позволяет нагнетать вещества от нижней части чипа, кроме того, в нем электроника, датчики потока и трубки (как для жидкости, так и для воздуха) расположены таким образом, что минимизируется осаждение клеток, и этим оптимизируется пропускная способность. Воздухопровод создает давление или вакуум, который в случае герметизации обеспечивает возможность создания герметизированной системы в пределах узла манифольда. В одном варианте осуществления имеется расстояние между пробиркой (пробирками) и манифольдом, свидетельствующее, что герметизация отсутствует и давление во внутреннем объеме равно атмосферному. Это позволяет откачивать вещества из контейнера или закачивать в контейнер, сообщающийся с атмосферой (вакуум требуется для откачивания из открытого контейнера). Электроника, датчики потока и трубки (как для жидкости, так и для воздуха) расположены в манифольде таким образом, что минимизируется осаждение клеток, и этим оптимизируется пропускная способность.
[33] Согласно изобретению при нагнетании содержимого из нижней части чипа минимизируется горизонтальное перемещение впускной трубки 140 и выпускной трубки 145, которое является причиной таких проблем, как осаждение частиц или клеток в канале (каналах) 150. В этом примере выпускная трубка смещена от впускной трубки в направлениях Z и X (фиг. 1В). В вариантах осуществления выпускная трубка смещена, не смещена, прямолинейна, находится на одной линии с впускной трубкой или наклонена относительно нее. Такая конфигурация исключает необходимость в извилистых или зигзагообразных вертикальных каналах, поскольку в текущей конфигурации разрешаются проблемы из предшествующего уровня техники, связанные с образованием осадка, как в случае, когда флюид, объединенный с клетками или частицами, нагнетается или закачивается со стороны в чип в горизонтальном направлении, после чего направление и динамика флюида должны изменяться для продвижения кверху. Кроме того, положение манифольда и нагнетание от нижней части чипа позволяют располагать ниже чипа дополнительные элементы, компоненты, механизмы или аппаратное обеспечение (см. фиг. 1А).
[34] Манифольд 120 работает при регулировании давления воздуха над содержимым в пробирке и обеспечивает точную геометрию для размещения датчиков потока и электроники. Трубка, такая как трубка для флюида или воздуха, пропущена через манифольд и соединена с пробиркой на другой стороне. Сжатый воздух проходит через одну сторону манифольда и приводит к образованию закрытой вытеснительной системы внутри манифольда. Путем регулирования давления в закрытой области в системе можно изменять параметры, такие как скорость потока и динамика флюида. Область высокого давления имеется как в пробирке (пробирках) 130, так и в манифольде 120. Согласно другому аспекту для пробирки воздухопровод не требуется, поскольку она открыта в окружающую атмосферу. Это позволяет отбирать пробы из большего многообразия контейнеров и источников. В таком варианте осуществления вакуум прилагается к другой одной или нескольким пробиркам, так что создается перепад давления для вытеснения потока флюида из открытого контейнера.
[35] В одном варианте осуществления используется основанное на давлении нагнетание пробы. Пробирки заполняют пробой во флюиде и закрывают крышкой или с помощью трубки, соединенной с чипом. До прикрепления крышки пробирка может быть открыта для воздуха или закрыта перегородкой или другим газонепроницаемым элементом. Согласно одному аспекту крышка может содержать два соединения, одно для флюида, такого как газ, и одно для жидкости. В качестве опции вариант осуществления способа также включает в себя создание соединения наконечника для входной линии пробы с входной линией пробы, которая находится в сообщении с первым каналом.
[36] В другом варианте осуществления используется основанное на вакууме нагнетание пробы. Пробирки заполняют пробой во флюиде и закрывают крышкой или с помощью трубки, соединенной с чипом. До прикрепления крышки пробирка может быть открыта для воздуха или закрыта перегородкой. Согласно одному аспекту крышка может содержать два соединения, одно для флюида, такого как газ, и одно для жидкости. Опционально, флюид может быть отсосан из пробирки, открытой в атмосферу, путем приложения разрежения к одной или нескольким из других пробирок. Опционально, вариант осуществления способа также включает в себя создание соединения наконечника для входной линии пробы с входной линией пробы, которая находится в сообщении с первым каналом.
[37] На фиг. 2А-В и 3А-В показан держатель 200, 300 чипа. Держатель чипа содержит структуру для направления источника 210 света, такого как волоконно-оптический источник света, светодиод или лазер, и встроенный призматический резонатор 220, 320, который может быть установлен вместе с призмой. Источник света направляется на заданное место или выравнивается относительно встроенной структуры или канала 240 в держателе чипа. Встроенное пространство для волоконно-оптического источника света позволяет получать освещение, такое как конус 250 освещения, даже в ограниченном геометрическом окружении, таком как микрофлюидный чип 230, 330 или канал в микрофлюидном чипе. В частности, согласно предпочтительному аспекту этот источник света точно направляется, или ориентируется, или фокусируется на канал 260 анализа. В предпочтительном варианте осуществления держатель чипа включает в себя встроенное пространство для призмы 220, 230, а волоконно-оптический источник 210 света обеспечивает освещение с ограниченной геометрией. Кроме того, чип включает в себя отверстия или проемы в основании держателя 350 для точного выравнивания трубки для флюида, описанной в этой заявке. Для надлежащего выравнивания в одном варианте осуществления регулируемые винты введены в резьбовые отверстия 360 на одной или нескольких поверхностях.
[38] На фиг. 4А представлен предпочтительный вариант осуществления микрофлюидного чипа 400, описанного в этой заявке. Как показано, флюид сначала перемещается вверх в вертикальном направлении по первому каналу 410, после чего поступает во второй горизонтальный канал 420. Другой вертикальный канал 430 получает флюид еще ближе к верхней части чипа, в которой четвертый канал 440 является горизонтальным и, как показано на фиг. 4, представляет собой канал анализа. Каналы в рабочем состоянии находятся в сообщении друг с другом, что позволяет пробе перемещаться по системе из одного канала в другой. В вариантах осуществления проба может перетекать из первого канала во второй канал, в третий канал, в четвертый канал, или обратно, или в комбинацию их. Насос и/или вакуумный аппарат могут быть предусмотрены для создания положительного и/или отрицательного давления на одном из входного отверстия и выходного отверстия или на обоих отверстиях каналов для, чтобы обеспечить возможность перемещения веществ по каналам. Канал анализа находится вблизи одной или нескольких внешних поверхностей подложки, таких как передние поверхности, края или стороны чипа. Например, согласно этой конфигурации канал анализа находится вблизи верхней части и стороны чипа, вследствие чего улучшаются формирование изображения и анализ вещества в микрофлюидном чипе. В предпочтительных вариантах осуществления канал анализа находится на расстоянии от около 1 мм до около 2 мм от верхней части и стороны чипа. Однако расстояние канала анализа от верхней части чипа может быть от 0,1 мм до 100 мм, таким как от 0,1 мм до 0,2 мм, от 0,2 мм до 0,3 мм, от 0,3 мм до 0,4 мм и т.д. Выражаясь иначе, канал анализа может быть расположен в пределах 50%, 33%, 25%, 10% или 5% верхней части подложки. Согласно настоящему изобретению длина горизонтального канала анализа может быть от около 250 мкм до около 10 мм. Однако длина канала анализа может быть от 100 мкм до 100 мм, такой как от 0,1 мм до 0,2 мм, от 0,2 мм до 0,3 мм, от 0,3 мм до 0,4 мм и т.д. Выражаясь иначе, длина канала анализа может составлять около 75% или меньше высоты, ширины или длины подложки/чипа, например 50% или меньше, 33% или меньше, 25% или меньше, 10% или 5% или меньше высоты ширины или длины подложки/чипа.
[39] На фиг. 4В показаны два устройства 450 формирования изображения, такие как компьютерные видеокамеры. В одном варианте осуществления камера может быть расположена над чипом и ориентирована ортогонально к каналу анализа. В другом варианте осуществления камера может быть расположена относительно стороны чипа и ориентирована ортогонально к направлению потока или диагонально по отношению к направлению потока (например, выше канала, ниже канала или под углами к стороне канала). В вариантах осуществления камера может быть расположена так, что формирование изображения будет осуществляться при любом угле относительно потока одного или нескольких веществ, таком как прямой угол или 90° относительно потока одного или нескольких веществ, или при таком как от 0 до 90°, или от 10 до 80°, или от 30 до 60° и т.д. В другом варианте осуществления две или большее количество камер могут быть использованы для формирования изображения клеток или частиц в канале анализа. Например, одна камера может находиться над чипом и может быть ориентирована ортогонально к каналу анализа. Вторая камера может быть расположена относительно стороны чипа и ориентирована ортогонально к направлению потока или диагонально по отношению к направлению потока (например, выше канала, ниже канала или под углом к стороне канала). Как показано на фиг. 4В, один или несколько источников 460 света могут использоваться для освещения канала 440 анализа и такие источники света могут быть расположены ниже чипа и светить вверх, относительно стороны чипа и светить в направлении потока или противоположно направлению потока, выше чипа и светить вниз или же расположены диагонально по отношению к каналу анализа.
[40] Как показано на фиг. 8, в ином случае дихроичное зеркало 840 или другой подходящий оптический элемент может быть использован для избирательного отклонения света в конкретном диапазоне длин волн и пропускания света других длин волн. Это позволит располагать камеры 810 на одной линии с каналом анализа. Как показано на фиг. 8 и 9, имеются несколько вариантов осуществления, включающих размещение лазера 830 оптической силы и камеры 810 на одном и том же конце или противоположных концах области анализа. Кроме того, для камеры может требоваться источник 860 освещения, который можно ориентировать несколькими способами, например, как это показано на фиг. 8 и 9. Источник света может быть источником света с широким спектром, таким как один или несколько светодиодов, или источником света с узким спектром, таким как лазер. Камера может использоваться как единственная камера или как часть многокамерной системы в сочетании с другими точками наблюдения, описанными в этой заявке.
[41] Как показано на фиг. 4А, источник 480 света, такой как лазер, может использоваться для воздействия на поток клеток. Лазер может быть расположен на одной линии с потоком клеток в согласии или против потока клеток. Кроме того, лазер может быть расположен и/или ориентирован ортогонально или диагонально по отношению к потоку клеток.
[42] Вариант осуществления изобретения включает в себя устройство для анализа частиц (см., например, фиг. 4-9). Вариант осуществления изобретения включает в себя по меньшей мере одну камеру 450 для захвата изображений частиц или клеток в микрофлюидных каналах (например, 440). В один вариант осуществления включен лазер или другой источник 480 оптической силы, такой как источник коллимированного света, в рабочем состоянии генерирующий по меньшей мере один пучок коллимированного света. По меньшей мере один пучок источника коллимированного света имеет по меньшей мере одно поперечное сечение пучка. Вариант осуществления изобретения включает в себя подложку с первым каналом 410, продолжающимся в вертикальном направлении в подложке так, что первая плоскость пересекает первый канал 410 по существу вдоль длины его и вследствие этого проба флюида нагнетается в подложку/чип из нижней части чипа и вытесняется вверх положительным или отрицательным давлением. Вариант осуществления изобретения включает в себя второй канал 420, ортогональный к первому каналу и поэтому расположенный горизонтально в подложке, так что вторая плоскость пересекает второй канал 420 по существу вдоль длины его и вторая плоскость расположена ортогонально к первой плоскости. Второй канал в чипе проходит в горизонтальном направлении. Второй канал находится в сообщении с первым каналом непосредственно или опосредованно. Второй канал находится в сообщении непосредственно или опосредованно с коротким восходящим вертикальным третьим каналом 430, который относится к сети каналов, близких к верхней части чипа. Третий канал находится в сообщении непосредственно или опосредованно с четвертым горизонтальным каналом 440, который расположен вблизи верхней части и/или угла чипа. В предпочтительном варианте осуществления четвертый канал представляет собой канал, ближайший к верхней части чипа. В варианте осуществления четвертый канал представляет собой канал анализа. Согласно одному аспекту камера 450 ориентирована ортогонально к направлению потока в четвертом канале. Вариант осуществления изобретения включает в себя сопло сфокусированного потока частиц, в рабочем состоянии соединенное с первым каналом. Согласно другому аспекту настоящего изобретения размер второго канала изменен и он проходит через сопло перед сообщением с третьим каналом.
[43] На фиг. 4С показан другой вариант осуществления пути пробы в микрофлюидном чипе. Как показано, в чипе флюид прежде всего проходит вверх в вертикальном направлении по первому каналу 410, и этот канал находится непосредственно или опосредованно в сообщении с вторым горизонтальным каналом 420, находящимся в этом примере в верхней части чипа и в этом варианте осуществления представляющим собой канал анализа. Канал анализа согласно этой конфигурации находится вблизи верхней части чипа, вследствие чего улучшаются формирование изображения и анализ вещества в микрофлюидном чипе. В предпочтительных вариантах осуществления канал анализа находится на расстоянии от около 1 мм до около 2 мм от верхней части и стороны чипа. Однако расстояние канала анализа от верхней части чипа может быть от 0,1 мм до 100 мм, таким как от 0,1 мм до 0,2 мм, от 0,2 мм до 0,3 мм, от 0,3 мм до 0,4 мм и т.д. Выражаясь иначе, канал анализа может быть расположен в пределах 50%, 33%, 25%, 10% или 5% верхней части подложки. Согласно настоящему изобретению длина горизонтального канала анализа может быть от около 250 мкм до около 10 мм. Однако длина канала анализа может быть от 100 мкм до 100 мм, такой как от 0,1 мм до 0,2 мм, от 0,2 мм до 0,3 мм, от 0,3 мм до 0,4 мм и т.д. Выражаясь иначе, длина канала анализа может составлять около 75% или меньше высоты, ширины или длины подложки/чипа, например 50% или меньше, 33% или меньше, 25% или меньше, 10% или 5% или меньше высоты, ширины или длины подложки/чипа. В вариантах осуществления подложка может содержать один или несколько каналов анализа, например 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 каналов анализа.
[44] Кроме того, на фиг. 4С показан источник 480 света, такой как лазер, который может использоваться для воздействия на поток вещества, такой как поток клеток. Лазер может быть расположен на одной линии с потоком клеток в согласии или против потока клеток. Кроме того, лазер может быть расположен и/или ориентирован ортогонально или диагонально по отношению к потоку клеток.
[45] На фиг. 1 и 4 поток флюида, содержащий клетки или частицы, направляется по первому каналу вертикально. Одно или несколько веществ (флюид, клетки и/или частицы) входят через нижнюю часть чипа в отверстие первого канала и входят в подложку в вертикальном направлении. Первый вертикальный канал имеет длину от 100 мкм до 100 мм, такую как от 0,1 мм до 0,2 мм, от 0,2 мм до 0,3 мм и т.д. За первым каналом следует второй ортогональный/горизонтальный канал, который в предпочтительном варианте осуществления является более коротким, чем первый канал. Второй канал может иметь длину от 250 мкм до 100 мм, такую как от 0,25 мм до 0,5 мм, от 0,5 мм до 0,75 мм, от 0,75 мм до 1,0 мм и т.д. Третий канал проходит вертикально и параллельно первому каналу. Третий канал может иметь длину от 50 мкм до 100 мм, такую как от 0,05 мм до 0,1 мм, от 0,1 мм до 0,15 мм, от 0,15 мм до 0,2 мм и т.д. Каналы в рабочем состоянии расположены в сообщении либо непосредственно, либо опосредованно таким образом, что обеспечивается перемещение одного или нескольких веществ по многочисленным каналам. Типичное направление потока флюида показано стрелками потока на фиг. 4А и 4С, но может быть противоположным.
[46] В предпочтительных вариантах осуществления четвертый канал представляет собой канал анализа, и этот канал имеет длину от 250 мкм до 100 мм, такую как от 0,25 мм до 0,5 мм, от 0,5 мм до 0,75 мм, от 0,75 мм до 1 мм и т.д. В этом варианте осуществления четвертый канал является ближайшим каналом к верхней части чипа. Расстояние четвертого канала от верхней части чипа, измеренное по вертикали, может быть от 100 мкм до 2 мм, но и до 100 мм, таким как от 100 мкм до 200 мкм, от 200 мкм до 300 мкм, от 300 мкм до 400 мкм и т.д. Выражаясь иначе, четвертый канал может быть расположен в пределах 50%, 33%, 25%, 10% или 5% верхней части чипа. Устройство формирования изображения, такое как камера, может быть ориентировано ортогонально к четвертому каналу и находиться на расстоянии от около 100 мкм до 2 мм от четвертого канала, но и до 100 мм, таком от 100 мкм до 200 мкм, от 200 мкм до 300 мкм, от 300 мкм до 400 мкм и т.д.
[47] В одном варианте осуществления лазер или другой оптический источник представлен вместе с фокусирующей линзой. На фиг. 4 изобретение показано с работающим лазером 480, излучающим лазерный пучок, при этом пучок направляется через фокусирующую линзу в четвертый канал 440 потока. Частицы выравниваются в лазерном пучке вследствие наличия градиентной силы, которая вытягивает частицы по направлению к области наибольшей интенсивности лазера. Рассеивающая сила лазера продвигает частицы в направлении распространения лазерного пучка (например, слева направо на фиг. 4А).
[48] Как показано на фиг. 4В, в другом варианте осуществления вторая камера или устройство захвата изображения (см. 450) в дополнение к камере или устройству захвата изображения, ориентированному ортогонально к четвертому каналу, ориентирована относительно стороны канала анализа (или четвертого) и направлена ортогонально или под любым углом к четвертому каналу. Получение одного изображения каждой клетки на ортогональных видах позволяет вычислять многочисленные параметры клеток, например размер и форму в двух измерениях, вследствие чего возрастает количество информации, которая может захватываться для каждой клетки. Кроме того, это позволяет вычислять объемные характеристики клеток, включая общий объем, форму, и получать представление о клетках, которые не являются симметричными относительно оси, параллельной направлению потока (оси Z, изображенной на фиг. 5). При использовании двух или большего количества камер базисная трехмерная модель клетки 550 может быть построена путем объединения ортогональных изображений при использовании, например, существующих алгоритмов трехмерной реконструкции, таких как метод теории дифракции или метод поворота освещения. Трехмерная модель и анализ трехмерной модели позволяют более точно анализировать параметры клетки, такие как размер, форма, ориентация клетки, и другие количественные и качественные результаты измерений, относящиеся к частице (частицам) или клетке (клеткам) в четвертом канале микрофлюидного чипа.
[49] На фиг. 5 участок канала 540 анализа показан в двух различных плоскостях, таких как плоскости, которые могут отображаться устройством формирования изображения (см., например, фиг. 4). В первой плоскости 520 одна часть клетки или частицы 510 изображена в определенной ориентации. Во второй плоскости 530 другая часть той же самой клетки или ячейки изображена от другой камеры в другой проекции. Это позволяет вычислять многочисленные характеристики клеток, создавать матрицу данных для каждой клетки от каждой камеры и осуществлять трехмерную визуализацию клетки или частицы 550.
[50] Различные участки клетки проходят по фокальным плоскостям (например, 630 (фокальная плоскость XZ) и 640 (фокальная плоскость YZ)) устройства (устройств) формирования изображения, различные срезы клетки могут быть отображены, когда клетка перемещается, например, потоком 620 флюида. Это показано на фиг. 6А. На фиг. 6А части клетки и частицы отображены в многочисленные моменты времени и/или в многочисленных точках пространства при различных ориентациях и в различных проекциях. Поскольку в этом примере клетка перемещается по фокальной плоскости и вращается, она появляется как имеющая разный размер в последовательных изображениях (таких как показанных для примера на фиг. 6А четырех изображениях для каждой плоскости от двух различных камер). При использовании алгоритмов трехмерной реконструкции это позволяет получать более сложное трехмерное изображение 650 частицы или клетки. На основании такого изображения можно экстраполировать определенные атрибуты клетки или частицы, такие как размер, объем, местоположение клетки и других органелл, а также размер ядра клетки и измерять или описывать клеточную топографию. Кроме того, вращение клетки можно измерять как функцию основанного на оптической силе крутящего момента, связанного с изменениями биофизических и биохимических свойств, включая, но без ограничения, показатель преломления, двулучепреломление, форму и морфологию клетки.
[51] На фиг. 6В показано для примера многоплоскостное формирование изображения вместе с многочисленными изображениями одной и той же клетки, получаемыми в течение некоторого периода времени, поскольку клетка перемещается по фокальной плоскости. В таких случаях в данной области техники изображение клетки называют «срезом» или «срезом изображения». Срез изображения представляет собой по существу толщину оптической плоскости изображения. Толщина плоскости изображения или срез определяется, помимо всего прочего, оптическим увеличением системы формирования изображения. При более сильных увеличениях рабочее расстояние объектива уменьшается, что приводит к необходимости располагать объектив ближе к отображаемой клетке или частице. В одном варианте осуществления лазер или другой источник 670 оптической силы может использоваться для воздействия на движение клетки в канале анализа. В предпочтительном варианте осуществления при формировании изображения клетки или частицы могут целенаправленно приводиться в фокальную плоскость канала или выводится из нее путем перемещения лазера и/или камеры или регулирования потока (потоков) или положения при использовании гидродинамической фокусировки. Например, лазерный источник может быть перемещен на расстояние 660 при использовании, например, пьезоэлектрического исполнительного механизма или линейного электрического оптомеханического подвижного столика. Это может быть выполнено для каждой клетки или для каждой популяции. Гидродинамическую фокусировку клеток можно изменять для воздействия на исходное положение и траекторию клеток. Например, частицы можно выравнивать или ориентировать в фокальной плоскости в лазерном пучке с помощью градиентной силы, которая перемещает частицы к области наивысшей интенсивности лазера. Рассеивающая сила лазера продвигает частицы в направлении распространения лазерного пучка. См. фиг. 6В. Перемещение лазера, в этом случае по оси X, позволяет формировать изображение признаков в различных частях клетки, показанной диском 680. Они могут представлять собой, например, ядра клеток, органеллы, внутриклеточные включения и другие признаки клетки или частицы. Лазер продвигает клетку к центру в результате действия градиентной силы. Кроме того, предполагается, что при наличии двух или большего количества камер можно повысить детальность и точность.
[52] На фиг. 7 вариант осуществления изобретения показан в статическом режиме, в котором частица или клетка 710 остановлена в определенном месте удержания путем уравновешивания оптической 730 силы и флюидной силы 735. Оптическая сила может быть приложена, например, лазером или источником коллимированного света. Изображения могут быть получены в многочисленных плоскостях, таких как показанные на описанных фиг. 5 и 6А-В. Датчик потока используется для измерения скорости потока, в котором каждую частицу останавливают при заданной мощности лазера. Поскольку оптическая и флюидная силы уравновешены, флюидная сила сопротивления (то есть, являющаяся результатом скорости потока и размера канала) равна оптической силе. В этом способе свойства каждой клетки могут быть измерены последовательно. Хотя высокопроизводительная измерительная система отсутствует, этот вариант осуществления позволяет осуществлять тщательное наблюдение и формирование изображения захваченной клетки и также отслеживать динамические изменения оптической силы, являющиеся следствием биохимических и биологических изменений в клетке. Реагентные потоки, содержащие химикаты, биологические химикаты, клетки или другие стандартные биологические агенты, могут быть введены в каналы потока для взаимодействия с захваченной клеткой (клетками). Эти динамические процессы можно количественно контролировать путем измерения изменений оптической силы в течение проведения экспериментов над одной клеткой или клетками.
[53] В одном варианте осуществления камера или другое устройство формирования изображения ориентировано и/или сфокусировано по потоку или противоположно потоку в канале анализа так, что оно находится на одной линии или параллельно потоку (см., например, фиг. 8 и 9). На фиг. 8 показаны камера 810 на одной линии с каналом 820 анализа и лазер или источник 830 коллимированного света. Дихроичное зеркало или аналогичное устройство 840 отражает лазерный свет 835 в сторону от камеры для предотвращения повреждения ее, но пропускает свет 865, создаваемый источником 860 освещения, чтобы сделать возможным формирование изображения. Камера ориентирована параллельно потоку 870 флюида так, что в одном варианте осуществления клетки или частицы 880 перемещаются от камеры. Источник освещения ориентирован ортогонально к каналу и лазеру. Второе дихроичное зеркало 845, которое пропускает лазерный свет и отражает свет освещения, используется для направления как света освещения, так и лазерного света по каналу. В другом варианте осуществления этой конфигурации выполнен обмен мест расположения лазера и источника освещения, так что лазер ориентирован ортогонально к каналу и источник освещения расположен параллельно каналу. Второе дихроичное зеркало по-прежнему направляет по каналу как лазерный свет, так и видимый свет.
[54] Другой вариант осуществления показан на фиг. 9. В этом случае камера или устройство 910 формирования изображения ориентировано так, что клетки или частицы 980 движутся по направлению к камере в потоке 970 флюида. Таким образом, камера и лазер 930 находятся на одной и той же стороне канала, тогда как источник 960 освещения находится на противоположной стороне канала. Два дихроичных зеркала 940 и 945 используются для направления лазерного света 935 и света 965 освещения в канал, направления света освещения для камеры и отклонения лазерного света от источника освещения. В другом варианте осуществления этой конфигурации выполнен обмен мест расположения лазера и камеры, так что лазер расположен ортогонально к каналу и источник освещения расположен параллельно каналу. В таком случае второе дихроичное зеркало 945 направляет лазерный свет по каналу и свет освещения для камеры.
00
01
10
[55] Опционально, вариант осуществления изобретения также включает в себя по меньшей мере один оптический элемент между источником оптической силы и четвертым каналом, который в рабочем состоянии создает стандартную пучковую моду ТЕМ, стандартную пучковую моду ТЕМ, стандартную пучковую моду ТЕМ, стандартную пучковую моду Эрмита-Гаусса, стандартную пучковую моду Лагерра-Гаусса, пучок Бесселя или стандартный многомодовый пучок. Опционально, по меньшей мере один оптический элемент включает в себя стандартную цилиндрическую линзу, стандартный аксикон, стандартное вогнутое зеркало, стандартное тороидальное зеркало, стандартный пространственный модулятор света, стандартный акустооптический модулятор, стандартную матрицу пьезоэлектрических зеркал, дифракционный оптический элемент, стандартную четвертьволновую пластинку и/или стандартную полуволновую пластинку. Опционально, источник оптической силы может формировать стандартный циркулярно-поляризованный пучок, стандартный линейно-поляризованный пучок или стандартный эллиптически-поляризованный пучок.
[56] Опционально, может быть осуществлено устройство, содержащее микрофлюидный канал, источник лазерного света, фокусируемого оптикой в микрофлюидный канал, и источник электрического поля, в процессе работы соединенный с микрофлюидным каналом с помощью электродов; частицы в жидкости, движущиеся по микрофлюидному каналу; при этом осуществляется управление лазерным светом и электрическим полем для совместного воздействия на частицы в микрофлюидном канале, вследствие чего происходит разделение частиц по размеру, форме, показателю преломления, электрическому заряду, распределению электрических зарядов, подвижности зарядов, проницаемости и/или способности к деформации. В еще одном варианте осуществления устройство содержит микрофлюидный канал, выполненный с возможностью приложения диэлектрофоретического (DEP) поля к внутреннему пространству канала с помощью (1) системы электродов или (2) системы диэлектрофоретических изоляторов, и источник лазерного света, фокусируемый оптикой в микрофлюидный канал; в устройстве осуществляются движение множества частиц в жидкости в микрофлюидном канале и совместное воздействие лазерного света и поля на частицы в микрофлюидном канале для захвата частиц или изменения скорости их, при этом диэлектрофоретическое поле является линейным или нелинейным. Еще один возможный вариант осуществления устройства включает в себя микрофлюидный канал, содержащий впускное отверстие и множество выходов, и источник лазерного света, фокусируемого оптикой поперек микрофлюидного канала под критическим углом, согласованным со скоростью потока в микрофлюидном канале, для образования оптической силы, действующей на частицы, при максимизации времени воздействия лазерного света на выбранные частицы, при этом лазерный свет способен осуществлять операцию приложения сил к частицам, движущимся по микрофлюидному каналу, вследствие чего частицы разделяются по множеству выходов.
[57] Опционально, вариант осуществления изобретения также включает в себя по меньшей мере один блок опроса частиц, находящийся в сообщении с одним или несколькими каналами, такими как канал (каналы) анализа и в частности, четвертый канал. Блок опроса частиц включает в себя стандартный осветитель, стандартную оптику и стандартный датчик. Опционально, по меньшей мере один блок опроса частиц включает в себя стандартный формирователь изображения светлого поля, стандартный детектор рассеяния света, стандартный флуоресцентный детектор, работающий на одной длине волны, стандартный спектроскопический флуоресцентный детектор, стандартную камеру на приборах с зарядовой связью, стандартную камеру на комплементарной структуре металл-оксид-полупроводник, стандартный фотодиод, стандартный фотоэлектронный умножитель, стандартную матрицу фотодиодов, стандартный хемилюминесцентный детектор, стандартный биолюминесцентный детектор и/или стандартный детектор рамановской спектроскопии.
[58] По меньшей мере один блок опроса частиц, находящийся в сообщении с четвертым каналом, содержит основанный на лазерной силе прибор или устройство, которое облегчает решение задачи идентификации патологии клеток, выбора и сортировки клеток. Согласно одному аспекту в блоке используются существенные различия в оптических давлениях, которые возникают вследствие изменений размера, формы, показателя преломления или морфологии частиц, для разделения и определения характеристик частиц. Согласно одному аспекту лазерный пучок света в ближней инфракрасной области спектра прилагает физическую силу к клеткам, после чего осуществляется измерение их характеристик. Оптическая сила, создаваемая с помощью давления излучения, когда она уравновешена сопротивлением флюида частицам, приводит к изменениям скорости частиц, что можно использовать для идентификации различий или изменений частиц в популяции частиц на основании внутренних различий. Кроме того, уравновешенность флюидной и оптической сил можно использовать для изменения положения частиц относительно друг друга с учетом их собственных свойств, что позволяет физически разделять их. В другом варианте осуществления блок опроса включает в себя устройство для анализа и/или разделения частиц, такое как по меньшей мере один источник коллимированного света, в рабочем состоянии генерирующий по меньшей мере один пучок коллимированного света. По меньшей мере один пучок коллимированного света включает в себя по меньшей мере одно поперечное сечение пучка.
[59] Вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя сочетание нескольких из упомянутых выше конструктивных элементов, рассмотренных выше в унитарном устройстве. Кроме того, варианты осуществления включают в себя способы использования такого устройства. Пример такого унитарного устройства показан на фиг. 1. Показанный вариант осуществления изобретения представляет собой 5-слойную структуру с 5 слоями, соединенными друг с другом для получения твердотельного микрофлюидного чипа, хотя в противоположность соединенным слоям чип может быть единой структурой. Чип может быть образован при использовании некоторого количества стандартных материалов, включая, но без ограничения, кварцевое стекло, кронглас, боросиликатное стекло, известково-натриевое стекло, сапфировое стекло, циклический олефиновый полимер (COP), полидиметилсилоксан (PDMS), OSTE, полистирол, полиметилметакрилат, поликарбонат, другие пластики или полимеры. Этот чип позволяет вводить пробу, осуществлять гидродинамическую фокусировку, оптический опрос, формирование изображения, анализ, выход пробы и полный оптический доступ лазерного света при входе в области и выходе из них. Кроме того, чип согласно вариантам осуществления может быть изготовлен методом трехмерной печати, формованием или иным способом.
[60] Опционально, по меньшей мере один вид частиц включает в себя множество видов частиц. Каждый вид частиц из множества видов частиц включает в себя соответствующие собственные свойства и соответствующие наведенные свойства. Опционально, собственные свойства включают в себя размер, форму показатель преломления, морфологию, собственную флуоресценцию и/или отношение размеров. Опционально, наведенные свойства включают в себя деформацию, угловую ориентацию, вращение, скорость вращения, флуоресценцию меченых антител, флуоресценцию меченых аптамеров, флуоресценцию меченых ДНК, флуоресценцию меченых красителей, дифференциальную метрику ретенции и/или метрику градиентной силы. Этот вариант осуществления способа также включает в себя идентификацию и разделение множества частиц в соответствии с видами частиц на основании по меньшей мере одного из собственных свойств и наведенных свойств. Опционально, вариант осуществления способа также включает в себя опрос потока пробы или управление им. Опционально, опрос потока пробы включает в себя определение по меньшей мере одного из собственных свойств и наведенных свойств видов частиц и измерение скорости частиц из множества частиц. Измерение по меньшей мере одного из собственных свойств может быть использовано для ряда применений, включая, но без ограничения, определение вирусной инфективности пробы клеток (количества функционально инфекционных вирусных частиц, присутствующих в конкретной популяции клеток, аналогично анализу бляшек или анализу конечного разведения) для вирусной квантификации, разработку и мониторинг процесса, анализ высвобождения пробы, исследование занесенного агента, клиническую диагностику, обнаружение биомаркера, определение продуктивности клетки относительно антитела или протеина при разработке и мониторинге процесса, определение эффективности, качества или состояния активации клеток, производимых для клеточной терапии и других онкологических применений, включая Т-клетки c химерными антигенными рецепторами и стволовые клетки, определение действия химикатов, бактерий, вирусов, противомикробных и противовирусных препаратов на конкретную популяцию клеток и определение патологического состояния или возможность исследования его или анализ клинической пробы клеток. Опционально, источник оптической силы имеет по меньшей мере одну ось пучка, а поток пробы имеет ось потока пробы. Этап определения по меньшей мере одного из собственных свойств и наведенных свойств видов частиц и этап измерения скорости частиц из множества частиц совместно содержат смещение оси пучка от оси потока пробы. Опционально, этап определения по меньшей мере одного из собственных свойств и наведенных свойств видов частиц и этап измерения скорости частиц из множества частиц совместно содержат вычисление наклона и траектории частицы из множества частиц, отклоняющихся от оси потока пробы к по меньшей мере одной оси пучка.
[61] Специалисту в данной области техники следует осознавать, что раскрытые признаки можно использовать индивидуально, в любом сочетании или опускать, основываясь на технических требованиях и описании данной заявки. Когда вариант осуществления относится к «содержащему» определенные признаки, следует понимать, что в ином случае вариант осуществления может «состоять из» или «состоять по существу из» любого одного или нескольких признаков. Другие варианты осуществления станут понятными специалистам в данной области техники при рассмотрении описания и применении изобретения на практике.
[62] Следует особо отметить, что, когда в этом описании представлен диапазон значений, каждое значение между верхним и нижним пределами этого диапазона к тому же точно раскрывается. Верхний и нижний пределы этих небольших диапазонов могут быть независимо включены или исключены. Сингулярные формы неопределенных и определенных артиклей включают в себя множественные объекты, если иное четко не следует из контекста. Предполагается, что описание и примеры будут рассматриваться как примерные или пояснительные по своей сути и что варианты, которые не отклоняются от сущности изобретения, попадают в объем изобретения. Кроме того, все источники, приведенные в этом раскрытии, полностью включены в эту заявку путем ссылок и как таковые предполагаются обеспечивающими эффективный способ пополнения достаточного для воспроизведения раскрытия этого изобретения, а также обеспечивающими детализацию предпосылок создания изобретения.