利用激光操纵进行基于多层流的颗粒和细胞分离的制作方法

专利名称：利用激光操纵进行基于多层流的颗粒和细胞分离的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及用于分离颗粒或材料，例如将血液，精子以及其它颗粒和细胞分离出它们不同的成分和离分的技术和系统，该技术和系统使用多层流并进一步与激光操纵结合，例如与全息光学陷获和操纵结合使用。
背景技术：
血细胞有几种分类。红细胞或红细胞(RBC)的量对女人是4.8百万个细胞/μl，对男人是5.4百万个细胞/μl。RBC构成血液93％的固体成分并占血液容积的约42％。血小板是2μm-3μm大小，它们构成血液7％的固体成分并占血液容积的约3％，相当于每公升约1.5到4×1011个细胞。有5种常规类型的白细胞(WBCs)或白细胞，数量每公升约1.5到4×109个细胞。WBCs包括50-70％嗜中性粒细胞(12μm-15μm大小)；2-4％嗜曙红细胞(12μm-15μm大小)；0.5-1％嗜碱细胞(9μm-10μm大小)；20-40％淋巴细胞(25％的B细胞和75％的T细胞)(8μm-10μm大小)；以及3-8％单核细胞(16μm-20μm大小)。它们包括血液0.16％的固体成分并占血液容积的接近0.1％，相当于每公升约4到12×109个细胞。感染的对象WBC的量可高达每公升25×109。
血小板是血液中最小的细胞，而其对凝固时向血液中释放的蛋白质是重要的。有造成此数量减少(例如肿瘤，白血病和其它化疗患者)的免疫疾病的患者有时需要血小板注入以防止它们的数量变得过低。成人正常血小板数量在140,000-440,000个细胞/μl之间，而该数字不应下降到低于50,000个细胞/μl，因为血小板在血液凝固中扮演主要角色。
血液分离技术传统上已采用不连续的离心法处理。更具体地，在特定时间从供体取出一定容积的血液。该容积的血液接受不同水平的离心力，以提供相应的对血液成分的血液离分，例如血浆、血小板、红细胞和白细胞。这样的处理是不连续的而不是连续的，这样如果要从供体取更多的血液处理，就要从供体取出另一个容积的血液，并重复处理过程。
血小板收集的步骤是从供体收集血液；添加抗凝血剂；通过离心力分离；将红细胞、白血球和血浆返回供体。一次收集包含200-400ml血浆，降低它以避免不相容性。该收集通常包含约8.5×1010血小板。尽管更多的血小板可从血液中分离出来，但一个供体通常献出他/她的血小板的接近10％不会丧失其凝血能力。这些血小板必须在收集的五天内用掉。
血小板分离术(被叫做体外清除法(apheresis))是现有将血小板分离的处理方法[Haemonetics Component Collection System(CCS)and Multi Component System(Multi)(Haemonetics，Braintree，MA)]。这种自动化机器从血液中分离血小板要持续1.5到2小时的时间(假定10％的献血量)。该处理比传统的方法快而且完全自动化，并可用作一或两次血小板剂量。然而，这种处理相对于患者的耐性还是慢的，并且对分离血小板离分的纯度的改进是有可能的。
其它处理方法也是耗时的，经常要花费几个小时，特别是当没用的血液离分要输回供体时。例如，血小板捐献制造要花费几个小时，全血从供体抽出，通过离心分离得到血小板，而剩下的血液成分接着注射回供体。这种离心处理也是比较粗糙的，还可造成采集细胞一定比例的破坏，明显降低有用血液离分的产量。
其它分离类型也是耗时或不能在一定时间内处理大量的材料。例如，精子的筛分(其中将游动的或有活性的精子与不游动的或无活性的精子隔离)是十分耗时的工作，其受严格的容量限制。
如下面更详细地描述本发明那样，对颗粒的操纵(例如在第二和第五个相关应用中描述的)，也可是新颖分离技术的一部分。在操纵微观物体中一项传统技术是光学陷获。光学陷获效果的可接受的描述是紧密聚焦的光(例如由高数值孔径显微透镜组聚焦的光)具有急剧变化的强度梯度。光学陷阱使用光束的梯度力根据其介电常数陷获颗粒。
为了最小化其能量，一个介电常数比周围介质高的颗粒将移到光学陷阱区域，在此处电场最强。带有至少与其周围介电常数有微小差异的颗粒对该梯度是敏感的，并相对最高光强度点被吸引或被排斥，即接近或远离光束焦点。在构造的光学陷阱中，由单束光产生的光学梯度力操纵介电颗粒的位置，该颗粒浸入带有小于颗粒折射率的流体介质中，但也操纵折射、吸收和低介电常数的颗粒。
光学陷阱中的光学梯度力与趋向于沿光束轴移动陷获的颗粒的辐射压力竞争。通过近似地选择输入光束的传播方向和准直度可将光学陷阱放在物镜聚焦空间的任何地方。准直光束射入物镜的后孔径到达透镜聚焦平面中心的焦点，同时另一个光束以一个角度射入并到达偏心焦点。稍微发散的光束聚焦在聚焦平面下游而会聚的光束聚焦在上游。多束光同时射入透镜的光瞳，每个在聚焦空间形成一个光学陷阱，其位置由其入射角度决定。全息光学陷获技术使用相位调制衍射光学元件来强迫将多束光的相位图加到单输入光的波阵面上，以此将单束光变为多束光。
入射光束的相位调制优选地用于产生光学陷阱，因为陷获依赖于光束强度而并不依赖于它们的相对相位。振幅调制可将光从陷阱转移并降低其效果。
当光学陷获颗粒时，由陷阱施加的光学梯度力超过从散射和吸收上升的其它辐射压力。对于高斯TEMoo输入激光束，这通常意味光束直径应该基本上与入口光瞳相符。优选的形成陷阱的最小数值孔径约0.9到约1.0。
在实施光学陷获技术的一个难点是通常产生的每个陷阱要求其拥有聚焦的光束。感兴趣的许多系统要求多个光学陷阱，已经改进了数个用于实现多个陷阱结构的方法。一个现有的方法使用单个光束在多个陷阱位置之间改变方向，以在各个陷阱之间“时间共享”该束光。然而，随着陷阱数量的增加，在每个陷阱“关”状态的间期变长，由此颗粒在陷阱重新加电之前就从陷阱扩散出去。所有这些关系将该方法的实施限制在每个系统小于10个陷阱。
另一个产生多个陷阱系统的传统方法依赖于多个光束同时穿过单个高数值孔径透镜组。这是由使用多束激光或在单个激光束中使用一个或多个分光器来完成。该技术的一个问题是，随着陷阱数量的增加，光学系统变得逐渐地越来越复杂。因为这些问题，已知该方法的实施限制在每个系统小于约5个陷阱。
在实现多陷阱系统的第三个方法中，一衍射光学元件(DOE)(例如利用传送或者反射几何学之一的相移全息图)被用于转变单一激光束的波阵面。该发明公开在Grier等人的美国专利No.6,055,106中。转变波阵面，使下游的激光束基本上变成大量的单个激光束，并且有由衍射光学元件的本质确定的相对位置和传播方向。实际上，DOE的傅立叶变换产生一组光强波峰，每一个作为单独的陷阱或“光钳”。
第三种方法的某些实施已经使用一个固定的传送全息图来创造16至400之间的单独陷获中心。
已经使用固定全息图证实全息光学陷获的原理，但使用液晶光栅作为用于每个陷阱新的分布的单独全息图“生产”的全息图。空间变化的相位调制由液晶光栅施加在陷获激光上，这可容易地由计算机实时控制，从而允许各种动态操纵。
可使用其它类型的陷阱来光学陷获颗粒，包括但不限于，光学旋涡、光学瓶、光学旋转器和光学笼。光学旋涡产生零电场区周围的梯度，其对操纵带有介电常数低于周围介质的颗粒或反射的、或由光学陷阱排斥的其它类型颗粒有用。为了最小化其能量，该颗粒将移到电场最低的区域，就是在适当地成型激光束的焦点处的零电场区。光学旋涡提供零电场区很像在圆环(环形)中的洞。光学梯度是径向的，其最高电场在圆环的周缘。光学旋涡将小颗粒滞留在圆环的洞中。通过使旋涡沿零电场线滑动经过小颗粒可完成滞留。
光学瓶不同于光学旋涡之处在于，它只是在焦点具有零电场而在旋涡一端环绕焦点的所有其它方向具有非零电场。光学瓶在陷获原子和微团方面有用，因为这些颗粒太小或太有吸收力而不能用光学旋涡或光钳陷获(见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)。
光学笼(美国专利No.5,939,716)是松散地肉眼可见的光学旋涡的同类。光学笼形成光学陷阱的时间平均环，以环绕太大或产生反射的用介电常数低于周围介质不能陷获的颗粒。
当激光束通过相位图光学元件直射或反射时，相位图光学元件产生具有多个具有可变相位外形的小光束。依据所需光学陷阱的数量和类型，改变可包括衍射、波阵面修整、相位转换、转向、发散和会聚。基于相位外形选择，可使用相位图光学元件产生光学陷阱，该光学陷阱可以以光学陷阱、光学旋涡、光学瓶、光学旋转器、光学笼以及这些形式中两个或多个的组合。
研究者已寻求用于操纵细胞的间接方法，例如标记带有菱形微粒的细胞并接着钳获菱形微粒。细胞操纵包括用于微观分析的细胞定位以及拉伸细胞。组织细胞还由生物体外用光钳布置，如同在体内同样的空间布置。
除细胞本身之外，光钳已经用于操纵细胞器(如沿微管传递的气泡、染色体、或球状的DNA)。使用光钳还可将对象插入细胞。
因此，作为利用激光操纵的光学陷阱筛分新类型的例子，需要一种使用从其它细胞，组织和污染物中分离有价值细胞的技术进行细胞、筛分的方法。进一步，需要一种实现光学陷获的独特贡献以满足大量血细胞筛分的工业需求和提纯需要的方法。还有，在动物饲养市场需要分离精子细胞。
结果，依然需要连续的、具有高生产量的、节约时间的并对要分离的各种成分造成可以忽略的或微小损伤的分离的技术和装置。另外，这种技术应该对生物或医学领域具有进一步的应用价值，例如用于分离血液、精子、其它细胞材料以及病毒、细胞器、球状结构、胶质悬浮体以及其它生物材料。

发明内容
本发明示例性实施例提供了用于在混合物中分离成分，例如将全血的不同血液成分分离成相应的离分，例如血小板离分、红细胞离分、白细胞离分以及血浆离分。本发明不同的实施例提供了连续基底(basis)(例如在一连续封闭系统之内)上进行成分的分离，而没有对现有技术方法造成的潜在损害和污染，特别是对于血液成分分离法的。本发明的连续处理过程也有效的节省了血液分离的时间并提供较高的生产量。另外，不同的实施例还包括用于分离和操纵成分、特别是全息光学操纵和分离的附加装置。本发明不同的实施例还可应用于其它类型的细胞和生物材料的分离，例如精子、病毒、细菌、细胞碎片、细胞器、球状组织、胶质悬体、细胞体碎片及其它生物材料。
这里使用的“颗粒”是指生物或其它化学材料，包括但不限于，低(聚)核苷酸、多(聚)核苷酸、化学化合物、蛋白质、脂质、多醣、配合基、细胞、抗体、抗原、细胞器、脂质、分裂球、细胞聚集体、微生物、缩氨酸、cDNA、RNA等。
分离血液成分示例性方法包括如下步骤提供具有多种血液成分的第一液流；提供第二液流；用第二液流与第一液流接触以提供第一分离区；以及分异性地将多种血液成分的第一血细胞成分沉降入第二液流，同时保持在第一液流中多种血液成分的第二血细胞成分。具有第一血细胞成分的第二液流接着分异性地从具有第二血细胞成分的第一液流中去除。
本发明不同的沉降步骤可是速率带状的或是等密度的。另外，第一液流和第二液流基本上是无湍流的，并也可是基本上层流的。
在可选实施例中，第一血细胞成分是众多的红细胞和众多的白细胞，而第二血细胞成分是众多的血小板。对于第一血细胞成分，可全息地从众多的红细胞中分离(通过激光操纵)出众多的白细胞。本发明其它的全息操纵包括以全息方式地从第一液流中去除众多的污染物，以全息方式从第一液流中分离出生物学碎片，以及以全息方面从第一液流中分离出众多的第二血细胞成分。
示例性方法的附加的分离步骤中还可包括提供第三液流示例性；用第三液流与第一液流接触以提供第二分离区；以及分异性地将多种血液成分的第二血细胞成分沉降入第三液流，同时保持在第一液流中多种血液成分的第三血细胞成分。在可实施例中，第二血细胞成分是众多的血小板，而第三血细胞成分是血浆。
多种分离步骤还可组合形成具有多种分离步骤串联连接、并联连接或两者的组合的更复杂结构。
根据本发明的将流体混合物分离组成不游动成分的示例性方法包括提供具有流体混合物的基本上为层流的第一液流，该流体混合物具有多种成分，该多种成分具有相应的多种沉降速率；提供基本上为层流的第二液流；用第二液流与第一液流接触以提供第一分离区，在分离区中，第一液流和第二液流基本上无湍流界面；分异性地从第一液流中将多种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贫化的第一液流，同时保持在第一液流中多种成分的第二成分，第一成分具有多种沉降速率的第一沉降速率，而第二成分具有多种沉降速率的第二沉降速率，其中第一沉降速率相对地比第二沉降速率大；分异性地将富集的第二液流从贫化的第一液流去除；以及在贫化的第一液流中全息地操纵第二成分。
第二示例性方法还可包括附加的分离步骤，例如全息分离，其包括提供第三液流；用第三液流与贫化的第一液流接触以提供第二分离区；以及全息陷获第二成分并从贫化的第一液流去除第二成分加入到第三液流，同时保持在贫化的第一液流中多种成分的第三成分。
在本发明的用于将流体混合物分离成组成的不游动成分的示例性装置的实施例中，该装置包括具有用于第一液流的第一进口和用于第二液流的第二进口的第一筛分通道；该第一筛分通道进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，该第一筛分通道进一步具有保持第一液流和第二液流基本上无湍流的部件，第一筛分通道适应于在第一液流中允许第一液流中多种成分的第一成分沉积入第二液流，以形成富集的第二液流和贫化的第一液流，而同时在第一液流中保持多种成分的第二成分；第二光学透明的筛分通道，其具有与用于第一液流的第一出口连接的第一光学入口和第一光学出口，第二光学透明的筛分通道进一步具有用于第三液流的第二光学入口和用于第三液流的第二光学出口；以及与第二光学透明筛分通道连接的全息光学陷阱，该全息光学陷阱适于产生全息光学陷阱，以选择和从第一液流移动第二成分进入第三液流。可分离的不同成分例如可以是不同血液离分或其它生物材料，例如从不游动的精子中分离出游动的。
分离流体中多种成分的另一装置或系统包括具有用于第一液流的第一进口和用于第二液流的第二进口的光学透明筛分通道，该光学透明筛分通道进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；以及与光学透明筛分通道连接的全息光学陷阱系统，该全息光学陷阱系统适于产生全息光学陷阱，以选择和在第一液流中移动第一液流中多种成分的第一成分进入第二液流，从而形成富集的第二液流和贫化的第一液流，而多种成分中的第二成分同时保持在第一液流中。
另一个提供用于分离多种细胞方法的实施例包括提供具有多种细胞的第一液流；提供第二液流；用第二液流与第一液流接触以提供第一分离区；以及分异性地将多种细胞的第一细胞移动加入第二液流，同时保持在第一液流中多种细胞的第二细胞。该方法通常还包括分异性地从具有第二细胞的第一液流中去除具有第一细胞的第二液流。该方法还包括于提供第三液流；用第三液流与第一液流接触，以提供第二分离区；以及分异性地将多种细胞的第二细胞沉降入第三液流，同时保持在第一液流中多种细胞的第三细胞。另外，可全息地从第一液流分离众多的第二细胞，并且全息地从第一液流中去除多种污染物或生物学碎片。
在另一个与本发明一致的实施例中，使用了已经用作操纵微小对象工具的光学陷获(或者激光操纵)技术。一种被接受的对于该效果的描述是紧密的聚焦光(例如由高数值孔径显微透镜组聚焦的光)有急剧变化的强度梯度。光学陷阱使用光束的梯度力以陷获颗粒，基于其介电常数以最小化其能量，一个介电常数比周围介质的高颗粒将移到光学陷阱区域，在此处电场最强。
本发明的光学陷获用于阐述用若干方式进行的细胞筛分和提纯(诸如，从污染物(例如病毒和细菌))中。例如，由光学陷阱施加于材料的力对介电常数的准确分布是敏感的，这是由于材料-光学力依赖于对象的成分和形状。
进一步，对象上的其它力对于对象和环境流体对流体流探测材料的形状、尺寸和如表面粗糙度的特征的控制之间的流体动力学相互作用是敏感的。
更进一步，定位对象在已知位置允许另外的使访问自动化的方法，例如高速成像和颗粒特性散射测量。
在一个与本发明一致的实施例中，在实现多陷阱系统中，一衍射光学元件(″DOE″，即利用透射或者反射几何学之一的相移全息图)被用于转变单一激光束的波阵面。该转变波阵面以使下游的激光束基本上变成大量的其相对位置和传播方向由衍射光学元件的本质确定的单个激光束。
本发明提供了通过用透镜聚焦激光束产生光学陷阱的光学，其中透镜有小于0.9的数值孔径，并且优选的减少直到最优化地小于0.1。
利用全息激光操纵的筛分包括制定用于筛分对象的识别类，将筛分对象引入筛分区，并根据其识别类利用受控激光操纵该对象。该操作可以是基于其识别类而进行夹持、移动、旋转、标记或者使用不同的方法破坏该对象。从而，本发明提供了执行利用全息光学陷获并行进行血细胞筛分和精子细胞筛分的方法。
在本发明的一个实施例中，生物材料样品的分光镜检查可以使用适于非弹性的分光镜检查或者偏振光反向散射的成像照明源来完成，前者对于评定化学制品识别是有用的，而后者适合于测量内部结构的尺寸，例如核尺寸。利用这种分光镜分析法，在某些实施例中，对细胞进行查询。有阳性结果(即，与标记物起反应或结合的细胞)的细胞的光谱可以利用成像照明获得。
计算机程序可以分析谱线的数据以识别想要的目标(即携带X或者Y染色体的细胞，或者怀疑是癌、癌症前期的和/或不是癌的细胞类型，等等)，然后可以提交信息以引导相位图光学元件(即光学陷阱)以离析或者包含想要的或者选定的目标(即细胞类型)。被包含的细胞可以基于被包含细胞与化学制品的反应或者结合来识别，或者利用对象的自然荧光、或者与该对象关联物质的荧光作为识别标志或者背景标志。在试验完成后，可以由电脑和/或操作者进行选择，丢弃哪些细胞和收集哪些细胞。
对细胞的操作通常具有多种可用光束而更加安全。与甲床相似，多种钳保证了在该细胞内的任意具体点引入更少的能量。这样消除了过热点并减少了造成损害的危险。任何破坏性的双光量子处理很有益，因为吸收与激光能量的平方成正比例。仅仅增加第二个钳减少了在特定点的双光量子吸收率的四分之一。陷获大细胞包括了用于有效的陷获的大量激光能量。使能量进入单一的陷阱可以导致对该细胞的瞬间损害。
甚至仅仅对单一细胞的操作可通过利用全息光学陷获而得到很大加强。可以通过一队钳来操作单一细胞，该队钳在一侧沿着周长支撑该细胞。导致的旋转对该细胞允许360度的观察。除对生物材料的观察这个优点之外，还存在准确定向样品的能力，这很明显对于例如对样品定向有很强依赖性的散射实验等研究有益。
采用宽视野(wide field of view)的筛分有许多优点，例如较高的生产量。然而，在一WFOV(宽视野)中的标准钳获可由于过大的辐射压力而失败。有宽视野的利用全息光学陷获的钳获可以允许形成能够很大减少光束的辐射压力的外来光模式。涡流陷阱例如因为光改变的相位使陷阱的中心消失而具有暗中心。此暗中心意味着沿着光束中心传播的光线的大多数不再存在。此光束含有光的辐射压力中大多数，这个事实是准确的，所以它们的去除很大的减轻了轴向陷获的难度。其它的模式，例如环形方式，有相同的优点。
在与本发明一致的一个实施例中，此方法和系统使其自身有半自动化的或者自动化的对追踪各光学陷阱的移动过程和内容物的处理过程。在与本发明一致的一个实施例中，可以通过可以观察的光学数据流监视移动过程，或者将其转化为视频信号，通过操作者视觉性的、利用光谱方法、和/或通过视频监视器进行观察而对其进行监视或者研究。光学数据流也可由光电探测器处理以监视强度，或者通过任一适当的装置将该光学数据流转换为适用于电脑和程序的数字数据流。计算机程序控制细胞的选定和光学陷阱的产生。
在与本发明一致的其它实施例中，跟踪细胞移动是基于由编码相位图光学元件引起各光学陷阱预定的移动。另外，在某些实施例中，计算机程序保存了包含于各光学陷阱的各细胞记录。
从而已经相当广泛地列出与本发明一致的某些特征，以在下述详细说明中可以较好的理解，还为了对于本技术文献可以较好的理解。当然，有一些与本发明一致的附加特征将在下面描述，并组成所附的关于这一点的附加权利要求。
在此方面，在详细说明至少一个与本发明一致的实施例以前，应理解此发明并不限制其申请于在下文描述或在


中阐述的结构和组件的布置细节。与本发明一致的方法和装置可用于其它的实施例，并可以以多种方式实际施作和完成。并且，应理解在这里使用的措辞和术语、还有下面包括的摘要是用于描述目的并且不应视为限制。
同样地，本领域普通技术人员应意识到本公开所基于的概念可以容易的作为其它的用于完成本发明若干目的结构、方法与系统的设计基础。因此，重要的是，权利要求书应被视为包括这种在不背离与本发明一致的方法和装置的精神和范围之内的等价结构。
从下面的本发明的详细说明和其实施方式，以及从权利要求和所附附图可以更清楚本发明的许多其它优点和特征。

本发明的目的、特征和优点将在结合附图同时参照在下面公开的内容变得更加清楚，其中图(或“附图”)1是根据本发明实施例的装置100的侧视图。
图2是在装置200中用于成分分离的光学陷获的视图。
图3示出了根据本发明实施例的用于血液成分分离的闭合的二步阶段系统300的示意图。
图4示例性地示出根据本发明实施例的全息光学陷获系统。
图5是根据本发明实施例的用于筛分物体的全息光学陷获系统的示意图。
图6示出了(分为图6A和图6B)根据本发明一个方法实施例的流程图。
图7A和7B分别是根据本发明实施例的显示出一种样本被引入样本室的示意性侧视图和俯视图。
图8示出根据本发明实施例的样本室的扫描电子显微图。
图9示出根据本发明实施例的样本室工作区的放大图。
图10示出根据本发明实施例对筛分的横向偏转的例子。
图11A-11B分别示出根据本发明实施例的漏斗形陷阱的主视图和侧视图。
图12示出根据本发明实施例的第二和第五个相关应用的基于旋转碟的细胞筛分器。
图13示出根据本发明实施例的光学蠕动。
图14示出根据本发明实施例的筛分系统。
图15示出根据本发明实施例的筛分系统。
图16是根据本发明实施例的高长宽比平面筛分器的侧视图。
图17是根据本发明实施例的高长宽比平面筛分器的平面图。
图18是根据本发明实施例的具有多种数个筛分器的三维筛分装置的透视图。
图19是根据本发明实施例的多通道筛分器的平面图。
图20是根据本发明实施例的有窄废液流动区域的筛分器的平面图。
图21是根据本发明实施例的利用不同的流速的筛分器的平面图。
图22是根据本发明实施例的具有数个选择通道的筛分器的平面图。
图23是根据本发明实施例的具有变窄的筛分区域的筛分器的平面图。
图24A是根据本发明实施例的多层层流筛分器的侧视图。
图24B是根据本发明实施例的多层层流筛分器平面图。
图25示出利用本发明不同的实施例进行精子活性或者可运动性的筛分的结果。
图26是根据本发明实施例的示例性筛分与分离系统的方框图。
图27是根据本发明实施例的示例性双重反应器产品提纯和分离系统的方框图。
具体实施方案虽然本发明允许有许多不同形式的实施例，如图所示的和将要在此处详细地叙述的具体实施例应被理解为本公开是本发明的原理性范例，而不是将本发明限制于这些具体阐述的实施例。
如以上所述，本发明不同实施例用于分离混合物的成分，比如将全血中不同的血液成分分离成为相应的离分，比如血小板离分、红细胞离分、白细胞离分和血浆离分。这些不同的实施例如下所述地利用一系或多条具有多重稳定层流的筛分通道，并允许一或多种成分分异性地从一个液流沉淀入另一个，由此将这些成分分离成为相应的液流。另外，这些不同的成分可以利用光学机机(例如全息光学陷阱)筛分。本发明不同的实施例由此提供在一连续基底(basis)上进行成分的分离(例如在一连续封闭系统内)，并且没有特别是用于血液成分分离法的现有技术方法造成的潜在损害和污染。本发明的连续处理过程也有效的节省了血液分离的时间。
除了全血筛分和分离应用之外，本发明也适用于其它的细胞筛分应用，诸如在例如骨髓提取物中从正常或健康的细胞中进行癌细胞的分离。本发明不同的实施例可进一步适用于其它的生物学或医学领域，例如细胞、精子、病毒、细菌、细胞器或亚微粒子(subparts)，球状结构、胶质悬体、脂质和脂质球、凝胶、不可混和的颗粒、裂球，细胞集合体、微生物及其它生物材料的分离。例如，依照本发明，成分的分离可以包括细胞“清洗”，在其中将污染物(例如细菌)从细胞悬浮液中除去，其在医学和食品工业应用中特别有用。值得注意的是，基于液流的现有技术还没有认识到利用可变的沉降速率和光学操作进行不可移动的细胞成分的筛选或分离的任何应用。
虽然以下讨论集中于筛分血液成分以形成不同血液离分上，但本发明的装置、方法和系统可扩展至其它类型的微粒、生物学或细胞的物质，这些物质能够在流体流中沉积或分层，或这些物质能够在不同流体流之间进行光学操作。例如，本发明的方法可以用于从活细胞中分离不游动的或无活性的精子细胞，通过允许不可游动的细胞从第一液流沉积入第二液流，同时维持第一液流中的游动细胞或允许游动细胞移动至第三液流。其它的细胞分离的筛分法也是可行的，例如通过流动分离或光学光钳(陷阱)之一或两者实现从其它类型的胰腺细胞中分离岛细胞，或者分离不同尺寸的岛细胞群。使用本发明也可以分离病毒、蛋白质及有不同沉降速率的其它大分子。与不同的分离阶段一起使用的全息光学陷阱特别是对其它类型的细胞或颗粒的分离是有用的。
本发明还有其它的医学应用。例如，可以利用下述多种层流作为肾透析处理的一部分，在此处理中清除全血中的废物并且返回至病人。因此，除了以相对密度为基础的颗粒离析之外，例如，可将本发明用于以扩散、运动性及其它梯度类型为基础的分离。
例如，本发明可用于从一种溶液向另一种溶液移动成分，而在此通过过滤器或离心作用进行分离是无用的或不期望的。除了以上论述的这些应用，其它应用包括从其它尺寸的胶体中离析规定尺寸的胶体(用于研究或商业应用)，以及清洗颗粒(例如细胞、卵细胞、等等(有效地替代将它们包含于其中的介质并清除污染物)，或从盐和表面活性剂的溶液中用不同盐浓度或无表面活性剂的溶液清洗颗粒(例如nanotubes)。
这些分离成分的活动可取决于对象的许多物理性质，包括自运动性、自扩散性、自由下落速度或取决于外力作用(例如电磁场或全息光学陷阱)下的活动。可用其进行筛分的这些特性可以包括细胞运动性、细胞耐存活性、对象大小、对象质量、对象密度、颗粒在液流中吸引或排斥另一个或其它对象的趋势、对象电荷、对象表面化学性质和某些分子粘附于对象的趋势。
虽然本发明详细地论述了关于装置100、200和300，应该理解为这些论述同样适用于在图13-24和26-27中说明的其它不同的实施例。
图1是根据本发明的装置100的侧视图。如图1所示例的，筛分装置100包括筛分通道110、多个进口120和多个出口130。相应的流体流(例如所示出的液流W、X、Y、Z)进入其中一个进口120并通过该筛分通道(或筛分区域)110基本上无湍流的或者作为层流的流过并通过相应的出口130流出，如图所示。
装置100(和以下的200)可以由多种材料(例如金属、陶瓷、玻璃和塑料)体地制成或利用各式各样的材料形成为分离的元件。不同的材料和制造方法在第三和第四相关应用中论述，并包括例如使用不同的暴露于紫外线下进行处理的聚合体。其它的详情也在第三和第四相关应用中提供，例如对不同类型的抽吸装置的使用和选择，例如注射器抽吸、蠕动泵抽吸、重力驱动抽吸和不同抽吸活动的组合。
在所选实施例中，当与全息陷阱或其它形式的光学光钳连用时，装置100(或200)对于所选波长的全息发生器是透明的，例如当全息发生器利用可见光波长时是光学透明的。依赖于所选应用，装置100(200)还应是经过消毒的并也具有控制的温度。可通过本领域普通技术人员已知的各种方式将不同的流体流注入进口120，在本发明的范围内包括使用蠕动泵或重力注入，并且这种方法也可用于控制不同的液流W，Y和Z的流速。当使用蠕动泵时，为了保持恒定流速和压力，可将气泡陷阱结合在装置100(或200)的进口120处。
分离流体所利用的不同液流可被稀释或浓缩，以增加或降低其中一种溶液的体积或影响某些溶解或悬浮材料的浓度，或影响溶液的物理特性，例如粘度、温度或密度。当被用于血液筛分时，装置100的一个样例包括(a)稀释血液，以减少堵塞和血细胞之间的流体动力学的相互作用，(b)血液或血液离分的容积扩展，(c)血液、血液离分或影响流体特性或筛分行为的另一种溶液的密度的修正，(d)对溶液容量的扩展以保持流体的体积的增加，特别是流体体积从系统中去除的条件下。如以下更详细的叙述，不同的化学引诱剂或防护剂可加至液流，这些物质也可以有不同的温度和粘度水平改善精液筛分。
流体分离中所利用的不同液流可以是“有活性的”，已通过某些外部效应激活溶液中的某些过程，或与外部溶液混合。外部效应的样例包括(a)是加电场，(b)施加磁场，(c)暴露于光线，(d)修正温度，(e)引入化学物质，(f)引入生物材料，(g)切变溶液(shearing thesolution)，及(h)振动溶液。由外部溶液引起的活化作用包括(a)颗粒、分子、或细胞的排列，(b)一或多种成分的极化，(c)交联，(d)化学反应的开始或终止，(e)生物学反应的开始或终止，(f)化学、物理或生物学反应的类型或速率的改变，或(g)根据正在反应的特殊成分的特性导致反应或分离。用于血液筛分的装置100的样例包括(a)添加试剂，以减少凝结；(b)添加试剂以保持血液溶液或其成分的活性或健康性；(c)添加这样的试剂，该试剂可通过例如粘合或聚集附近的某种成分从而影响一或几种的物理性质而扩大筛分过程，包括添加小球或其它能够黏附于一或多种成分的颗粒或聚合物，还包括盐或其它能够影响材料的静电相互作用或流体动力大小或材料特性的材料；(d)添加例如通过改变密度、粘性、表面张力或其它参数来影响流体特性的试剂；(e)添加增强或抑制某种材料聚集的试剂；以及(f)添加增强或抑制某种材料黏附于其它材料或流动装置部件的试剂。
根据本发明其中一个流体流(例如所示的液流W)包括多种成分A、B、C和E。例如，当流体是全血时，这些成分可以是红细胞(“RBC”)，白细胞(“WBC”)、血小板、细胞碎屑和污染物，全部在血浆中。典型地，众多成分中的多数有不同沉降速率，典型地利用斯维德贝格系数测量。例如，红细胞有比血小板较大的沉降速率，并且将在起支撑功能作用的基底上沉积速度更快，属于由于重力的或浮力作用，无其它的作用机制，例如离心作用的介入。当不同的液流W、X、Y和Z流过筛分区域110，基于不同沉降速率，多种成分(例如细胞或其它的颗粒)将沉积，从而从一个液流向另一个液流移动。如所示出的，具有相对最大沉降速率的成分A被示出从液流W移动至最低层液流Z，具有相对其次高的沉降速率的成分B示出为从液流W移动至液流Y(在Z之上)，具有比较小的沉降速率的成分C示出为从液流W移动至液流X(在Y之上)，而有相比较为最小的沉降速率的成分E示出为仍在液流W(在Y之上)中。利用不同的沉降特性，可分离这些成分的每一种进入相应的液流，并且互相隔离并从相应的出口130流出。因为每种液流W、X、Y和Z通过其相应的出口130流出，该种液流分异性地从其它液流中去除，即一种液流已经去除而另一种液流完全保持不动或者分别个别的从剩下的液流中去除。另外，这种分异式去除可以是并行的，也就是所有液流同时或连续去除。
继续参照图1，利用加入抗凝剂(例如柠檬酸钠或肝素)的全血作为流体流W，例如，不同的血液离分可以彼此分离，由于红细胞沉积最快，用成分A表示(例如，4.59μm/s)而白细胞以稍慢沉积的速率沉积，用成分B表示(例如，2.28μm/s)，血小板以相对较慢的速率沉积，用成分C表示(例如，0.055μm/s)，而血浆仍构成液流W，由成分E表示。各血液离分可以通过相应的出口130去除。
没有图1中分开表示，由于浮力和相对密度的原因，在流体流中的一个或多个中可能有颗粒或成分将向上流至较高处的液流(例如乳状液)。例如，流入液流X的密度小的颗粒可升入液流W，通过相应的出口130与液流W一起流出。
如侧视图所示出的，装置11的筛分通道(或筛分区域)110在平行于流动方向具有可变的长度“L″，垂直于流动方向具有可变的深度“D”，以及所示的延伸入页面内的宽度“WW”(WW这样叙述是为了避免与液流W混淆)。基于很多因素选择这些不同尺寸，特别是所感兴趣的成分的流速和沉降速率。例如，由于所选流速，筛分通道的总长度应该足够长的以分异性地移动相对最慢的沉降速率的成分，如图2所述的成分C，同时于其它液流相应的较短长度以分离沉降速率较快的成分，如图所示的含成分A的液流Z和含成分B的液流Y。
本发明更进一步地不同于现有技术的方面在于，在长宽比上有相当更大的宽容度或容许度，但仍保持了基本上是层流。长度对于宽度的长宽比例如可在5(或更大)比1(5∶1)，(此时长度大于宽度)到大约1(或者更小)比2(此时长度是小于宽度的)变化。一优选的长度与宽度的长宽比大约为2∶1，并可从3∶1到1∶2之间变化。
流速也可在装置100所利用的大量液流之间变化。例如，较低层液流(例如Y和Z)更高的流速可趋向压缩液流W和X，导致在更短距离上特定成分必须横穿沉积物进入液流Y和Z。
另外，通过装置100的不同液流成分的沉积作用是典型地速率带状的，即基于该成分的相对密度和尺寸两方面分离，还有材料的形状和静电特性。然而，在其它的条件下，例如较低流速、较薄的流深和/或较长的筛分通道100，沉积作用也可等密度线，即，仅基于成分的相对密度。
当希望等密度线分离时，包括液流W、X、Y和Z的不同液流可以经过选择和校准以形成期望的密度梯度，以与成分密度相配以用于所选分离。例如，包括液流W、X、Y和Z的不同液流经过选择和校准以各有一不同的渐增的或渐减的密度，从而形成梯级密度梯度，不同的颗粒沉积于适当的梯级。另外，通过利用足够多的流体流层，密度梯级有效的成为连续的，同时有相应的结晶分离能力。
包括大致的层流例如液流W、X、Y和Z的不同的流体，也可根据适当的标准被选择用于特殊要求的成分分离。例如用于血液分离，不同的液流组成全血，例如液流W，血浆或缓冲溶液作为剩余的液流。此不同的流体也可是在通过进口120进入之前经过预处理，例如通过稀释、添加其它的成分例如添加剂(例如抗凝血剂，絮凝剂或胶结剂)，粘度或其它的流体特质操作或通过其它的分离技术的预处理。再例如，全血可以预处理以初步地去除一些红细胞或添加抗凝血剂(例如柠檬酸钠)。
虽然用四个液流或通道来说明，应该理解为装置100(或以下的200，)可以用许多液流和相应的液流入口120和出口130实施。一个对流体流的总数限制为根据有能力保持各液流在基本上层流的或非湍流状态。如此以使液流之间的各分界面基本上是非湍流状态，以使任何不需要的液流混合最小化。另外，也可能有相对密度方面的考虑，因为流体包括也可以导致液流数目限制的利用规定分离步骤的液流。
不同的装置100(或以下的200)可以更进一步地与附加的装置100(200，以下)配合，并行用于更高的流量，和串联用于增加分离阶段，例如为了提高提纯水平。另外，不同的装置100也可与非沉积作用分离组合，或与随后的利用非沉积作用机械的分离串联配合，与以完成的液流之间成分附加分离配合，例如，利用光学力，例如第五个相关应用中的全息光学陷阱，在此处引用以作参考。而且，不同的装置100、200或300可有不同尺寸和许多不同的通道或液流。
图2(以及图13)是利用这样的由用于在装置200中进行的附加成分分离的全息或光学陷阱产生的光学力的总体性说明。对大量的全息光学陷阱210的形成和操作在下面参照图4和5有更详细的说明，其中装置200构成图5的样品506。两种液流W和X在图2中示出，而液流W最初有两种成分A和B。利用全息光学陷阱210(在图2中描述为圆锥形的部分)从而捕获“A”成分，并且移动它们进入液流X。这样的光学陷阱特别是对增加特殊离分的纯度是有用的，特别是对基于沉降速率的具有不充分区别的离分。这样的光学陷阱对于去除不希望的成分也特别有用，例如细胞碎屑和其它的杂质。另外，对成分的混合或再混合可在上述的速率带状层流分离过程中实现，光学陷阱在去除不希望的成分时是特别精确的。例如白细胞的比较小的部分可能沉降的不是足够快，导致在血小板离分中有一些白细胞污染物。可以利用光学陷阱选择和去除白细胞进入单独的液流，从而增加血小板离分的纯度。
用于血液筛分应用时，应该理解，对血小板和红细胞的光学操作(或“钳获”)好于白细胞的。但是利用在系统500中的低数值孔径(以下有论述)可显著地改善对白细胞的光学操作。
当与光学陷阱同时使用执行时，装置100、200或300应该利用对于所选光波长的光学透明材料实施。当全息陷阱是在其它的波长执行时，可以利用其它的相应的透明材料以适于所选波长。执行和放置该装置100、200或300在图5标记为样品506的位置，而利用系统500执行该全息光学陷阱，作为本发明分离步骤一个或一部分。
图3是示出了根据本发明的用于血液或其它的成分分离的闭合的二阶段系统300。在第一阶段305，从所选供体的血液成分通过进口315流入形成第一液流，而血浆通过进口320返回(或最好在最初的起点)形成第二液流。第一和第二液流不是湍流的，换言之是层流，并且在第一分离区325中彼此之间形成非湍流的接触，在二液流之间形成非湍流的交界区。在第一分离区325，红细胞和白细胞两者都从第一液流沉积入第二液流，并且是集中于储液槽330中，以供其它的应用(例如作为医学上用于聚集细胞)或用于返回所选供体。如以上指出的，第一分离区325的长度和第一液流的流速是预定的，以使红细胞和白细胞都有充分的时间在重力和浮力作用下被动沉积成为第二液流。
继续参照图3，现在已经基本上去除其中红细胞和白细胞的第一液流无湍流的流过一连续的路径进入第二分离步骤310。在第二分离步骤310中，第一液流与第三液流从进口335进入第二分离区340。在本示例性实施例中，第三液流是也由从所选供体来的血浆组成。第二分离区340中，剩余在液流中的血小板被动地沉积进入液流3，并且与液流3的血浆在储液槽345中聚集，以用于医学使用，例如。更进一步地清除的液流1是从出口350流出后再循环返回进口320和335，各自形成第一和第三液流。如以上所述指出的，系统300可以系统启动时在例如通过离心所选供体血液的一部分注入供体血浆，或在初始时用另一个生物相容的无毒的液流直到清除过的液流1(基本上是或主要是血浆)在出口350处产生。
未在图3中单独示出也可利用附加的全息陷获分离步骤辅助这些血液离分的分离。例如，可以利用全息陷获分离步骤作为代替或附加到第二阶段310。另外，已经说明第二步骤分离利用了液流1，在其它的实施例中，液流2可经过第二(或更多的)步骤分离，另外或代替液流1附加分离步骤。而且，附加分离阶段可以利用串联或者并联。
更一般地，分离区是其中材料基于某些材料特性进行部分或完全地筛分或分离的区域。分离区在本发明实施例中的任何不同的液流中可单个的，顺次的，或同时发生的使用一个或多个以下的技术(a)沉降速率带状的分离通过沉降速率分离。沉降速率主要是材料大小和密度的函数，也是材料形状和静电特性的函数。对于此分离，建立层流并在重力作用下，或某些情况下通过其它的惯性力(例如一离心机式装置的旋转力)发生分离。
(b)通过密度分离。对于此分离，建立线性的、梯级的、平稳的梯级或交替的密度梯度并且允许材料在本梯度中沉积和/或乳化直到材料到达或接近到达该材料处于匹配密度环境的区域。
(c)扩散性分离通过扩散性分离。对于此分离，材料是基于一定的时间内它们扩散的距离而分离。
(d)运动性分离通过运动性分离。在此分离中，材料基于在一定的时间内材料自其自身拥有的运动性而移动的距离而分离。
(e)光学分离法利用光学力分离，典型地无需反馈机制地传达和影响基于对个体对象分析的光学系统。
(f)直接光学分离法利用光学力分离，典型地利用反馈机制以传达并且影响基于对个体对象分析进行的光学系统。
(g)介电电泳分离利用介电电泳分离。这种力依靠对象在所施加的电场中的位置施加于该对象，而绝缘体依材料和它的环境而作出反应。
(h)电泳分离利用电泳分离。这种力依靠对象在所施加的电场中的位置以及材料和其环境的电荷施加于该对象。
(i)磁力分离法利用磁力分离，这种力依据它的在所加磁场中的位置和对象的磁性施加于对象。
(j)表面张力分离利用表面张力或材料的表面化学特性分离。这可以例如涉及对被吸引到或稳定存在的某材料的液流界面的构造。
更具体的，用于血液筛分示范分离法包括(a)利用沉降速率带状的分离，从一些或所有其它血球类型和/或从血浆或流体培养基中分离一种或更多血细胞类型；(b)如(a)那样进行分离，但是利用等密度线分离；(c)利用沉积作用仅仅从溶液中去除红细胞(RBC)或红细胞和白细胞(WBC)；(d)利用沉积作用从血浆中浓缩血小板；(e)利用介电电泳、电泳、或磁力分离提取红细胞；(f)利用光学技术包括光学钳获和光学分离法从溶液中浓缩或提取血小板；以及(g)利用可与特殊细胞类型结合(例如功能化的颗粒)试剂并依据以上所述分离技术的任何一种作用分离血液成分，在那之后，试剂从或不从该细胞类型解除。
对于血液筛分，组合方法可能是最有效，例如首先利用沉降速率带状的分离提取大多数RBC和WBC，然后利用光学分离法提取和浓缩的血小板，论述如下。光学分离法步骤将不仅用于浓缩血小板(此法也可以，例如，最后在离心作用步骤采取)，而且提供了第二步骤，将对WBC偶然的与血小板共同聚集发挥强抑制作用，用于血小板无耐受力的例子。这样的浓缩步骤也可包括过滤，例如从血小板离分或血浆离分中过滤WBC。
虽然已经关于血液分离法描述了装置300，本领域普通技术人员应该理解，除了这样的血液分离法之外，可以将装置300用于各式各样的分离。另外，也可认为装置300是本发明的系列相关分离步骤一个具体的实施例。
细胞″清洗″也是装置100200或300一项有效应用。这种清洗可包括介质的变化，用于贮存、保存或其它的医学目的。这种清洗也可包括通过分离所感兴趣的细胞进入另一个不含这样的污染物的介质液流，从而清除一包含污染物例如细菌的介质。如以上所述，精子分离也是装置100、200或300的一项有效的应用。
筛分设备100、200或300的部分或从其中的输出可以用光学手段观察。这可以为利用直接地自然光(brightlight)成像或荧光性成像而直接地可见成像，例如用一架相机。或者，可以为更复杂的技术例如光谱学、传播光谱学、频谱成像或散射例如动力学光散射或扩散波谱学。在许多情况下，这些观察区域可以直接合并入液流装置以表征输入、输出或中间步骤。它们可以用于诊断或保持记录，或者可以用于传达此整体过程，例如反馈处理是如何完成的或液流的速率或使用各溶液的量。在某些情况下，光学观察区域可与添加剂一起使用，该添加剂例如结合或影响溶液的一部分的化学制品，或是在特定材料或疾病存在时功能化凝固和/或发出荧光的颗粒。对于血液筛分的例子，这些技术可以用于测量细胞浓度，以检测疾病，或于检测表征血液的其它参数。
筛分设备100、200或300的一些部分或从其中的输出可以用电学手段表征。例如，筛分设备可以植入电子器件。例如，电子器件可包括(a)电容，(b)电流计，(c)用于确定流体的体积电导率的电阻计，通过该参数可以测量浓度或成分，或(d)PH测量仪。对于血液筛分应用，细胞浓缩程度、铁含量、流速、细胞总数、电解液浓度、PH值及其它参数的测量都可以为筛分设备重要的部分。
筛分装置100、200或300的液流成分可以是被动的，从而通过输入和输出的流速进行从外部地完全控制。或者，可以在(不是分开描述)装置中植入起作用的液流成分，例如可以利用电子学的、光学的、热学、力学的或其它的影响部分或完全地打开或关闭的阀。对于血液筛分应用，筛分设备100、200或300可以有用于筛分和/或传输一或多种溶液的综合方法。例如，将可消耗的筛分设备做成在储液槽的一侧有可变形的薄膜。此储液槽可以用溶液装满，例如一种与病人生物相容的并可用于稀释血液的缓冲剂。另一个例子是它可填充抗凝结剂。输送和/或对一个这种流体的利用可以动态的通过机械的影响控制，压迫该薄膜输送该流体。或者，可以用另一机构传送该流体。对于特别的目的，为了简化起见和节省，在筛分过程中，在不同步骤需要不同的流体溶液的集合。融合这些成分可相当程度的简化和减少所有权与操作的总消耗。它也可减少污染和误差的风险。例如在图14和15中示出了这种容纳输入和缓冲溶液或流体的储液槽。
装置100、200或300可包括对一或更多种流体或流体成分进行生物学或化学检验的方面(未单独示出)。这可包括PH值的测量，特定生物学或化学材料的添加，或其它测量。对于血液筛分应用，这可包括疾病检测、对不同细胞类型或材料在血浆的浓度表征，铁含量的表征、血型的确定、或其它的血液质量、类型或品类的估计。
装置100，200或300可包括一区域(未单独示出)，对溶液利用光学法(例如暴露于紫外线灯)或者其它的方法进行杀菌。杀菌可对该装置初始的部分或添加到其中的用于缓冲、清洗、稀释的或其它的影响样品溶液的溶液作用。或者，杀菌可以对正被处理的样品溶液的部分或全部作用。对于血液筛分应用，对于该装置使用的除全血之外的溶液光学杀菌是重要的。还有，血液或某种离分的杀菌也是重要的。
该装置100、200或300可包括一或多个表面已经构造完成的材料以使与某材料进行物理学或化学的反应。例如，一个表面可以功能化以便某材料粘附于它，为了从该溶液中提取这些材料或为了诊断目的。对于血液筛分应用，功能化的表面可以用来从某离分中提取不需要的材料。可选择性地，它们可用于聚集低浓度的材料以用于测量现有的一材料或一种类型材料的浓度，例如疾病检测。
筛分设备100、200或300可包含其中并行地进行筛分但无物理器壁分隔液流的区域。例如，并行筛分的区域可以有多个进口120和出口130，其中有一些是功能上彼此类似的。用于取代区别于多重并行筛分器物理分流器，分流作为溶液和液流的物理性质所导致的结果实现。这些接触的并行化筛分器区域可用更简单和便宜的装置产生高筛分率。它们也可进行以避免表面的接触。对于血液筛分，可用这些区域最小化接触面积并最大化筛分率同时降低消耗和复杂性。
可设计装置100、200或300用于控制流动速率或者流动特征的区域(未单独示出)。例如，在许多情况下需要层流，往往也希望得到特殊的流动剖面。在其它情况下，装置的几个区域应有一致的流动速率和行为。因为这个原因，经常需要具有形状和其它特性的区域影响流动行为。在某些情况下，这由十分对称的流动设计来完成。在其它情况下，流动区域直径大的变动和/或存在储液槽以帮助保持流动速率的一致。在其它情况下，精心设计的通道提供对所需流动速率的精确平衡。为了保持层流，通道尺寸有缓慢变化的区域是重要的。障碍物或分流器也可以用于保持层流。对于血液筛分，流动调整对在保持离分的产量和纯度的同时达到高的分离率是重要的。
没有单独示出，装置100、200或300可以含有设计来用于液流的机械混合区域，例如激发湍流的区域。例如，一个有快速狭窄区域的液流进入一个大尺寸区域可以产生湍流和混合。对于血液筛分，一个混合区域可以将稀释液或抗凝血剂与血液混合，或根据需要将其它溶液混合在一起。
装置100、200或300可以含有设计用来以某种方法排列细胞或原料的区域(没有单独示出)。这有时候通过剪切流来完成，但也可以通过施加外场例如电场来完成。
装置100、200或300可以含有设计用来溶解细胞或分解原料的区域(没有单独示出)。这可以通过剪切流、振动、强迫穿过一个孔、电的或其它装置来完成。对于血液筛分，这可能对于除去特定细胞类型或产生的聚合体有价值。这也可能对诊断目的，例如疾病检测或属于细胞内含物的参数测量有价值。
该装置可以含有使细胞膨胀或脱水或对象的区域(没有单独示出)，例如通过引入改变渗透压的试剂或通过改变物理压力。这可以，例如，作为一个步骤在进行等密度筛分以调整细胞或对象的密度之前完成。它也可以完成用来杀死或打击特定成分。以血液筛分为例，这可以作为后阶段提纯步骤以去除或控制不想要的成分来完成。
装置100，200或300可以含有加热或冷却一种或多种溶液的区域(没有单独示出)。这可以实现对其物理属性的影响，例如粘性与密度。或者，它可以实现对其化学属性的影响，例如化学反应速率或化学稳定性。或者，它可以实现对其对生物属性的影响，例如活性，新陈代谢率，或生存力。例如，一种流体流可以比另一流体流的温度高，导致能活动的精子远离热的液流到达较凉的液流。还有，它可完成对实现系统级的兼容，例如为了后续处理步骤而进行的准备。以血液筛分为例，用于返回至病人的溶液保持在适当的温度以避免使病人感到寒冷。贮存的溶液则可以在操作中冷却以保持那些成份或者使其为下一步的操作或贮存步骤做准备。
装置100、200或300可以包含一些储液槽以储存过程进行中用到的溶液，或在过程进行中产生的溶液(没有单独示出)。拥有这些与筛分装置整合在一起的储液槽简化了使用装置并减少了所需的附加部分。以血液筛分为例，储液槽可以装有抗凝血剂，稀释液，和过程中所需的任何其它溶液。储液槽还可以合并以保存筛分过的离分和废弃的离分。
装置100、200或300可以包含通过扩散增强混合度的区域(没有单独示出)。例如，当两股层流相接触来混合，使其平行分为许多狭窄，互相接触的液流通过扩散增强了整体的混合率。以血液筛分为例，可用来扩散混合区域混合稀释液，抗凝血剂或其它含全血或血液离分的溶液。
同样没有单独示出，装置100、200或300可以包含有气泡陷阱的区域以去除系统中的空气泡。这可以由一个能使空气泡从流动区域上升到原来的流动区域之上的区域来完成。以血液筛分为例，这可以以一种简单的方式实现以保证来自系统装载或运行阶段的小空气泡不会传到病人或采集样本上。
如上所示，装置100、200或300可以包含一些作用来抑制任何液流中的震动(pulsation)的区域(没有单独示出)，例如那些在蠕动泵使用时产生的。一种抑制震动的方法是在装置中整合一个“气泡陷阱”。一个与流体接触的空气囊的存在，允许空气囊随压缩流体压力的增减。从而，空气囊起到一个减震器的作用，使流动平滑。其它装置也同样可以使用，例如一片弹性膜，能在更高的压力下弯曲，从而平滑压力和流动速率。对于血液筛分的应用，震动衰减区域将产生更精确及平滑的流动，因此有更高的筛分率，纯度和产量。
装置100、200或300可以包含显示装置状态的区域(没有单独示出)。对于一种耗材，它可以指示设备是否已灭菌，或是否已使用。对于血液筛分的应用，人们将想通过一个指示器来确认筛分设备已经灭菌并且还没被使用或污染。
筛分装置100、200或300，或整个筛分系统，可以包含一组机构用于精确流体筛分器水平。这是重要的，因为对于某些筛分器，在装置并非精确水平的情况下，浮力可以引起无意的流动并对筛分产量和纯度产生消极影响。另外，筛分装置可以包含可显示装置是否已十分平衡或偏离平衡度数的元件。例如，它可以有一个电子的或基于重力的天平整合在自身筛分器上。这种装置的一个例子是一根成型的通道，内有流体和一个空气泡。空气泡的位置可显示装置倾斜的角度。另一种这样的装置用一个位于滑轨中的金属球来显示倾斜角。另一种表现形式是用光学校正，例如让光源从一个表面反射回来或者让光源穿过一个光楔以确定其方向。对于血液筛分的应用，水平控制及指示对保证高产量与高纯度产品有重大意义。
筛分装置100、200或300，或整个筛分系统，可以包含用于保持装置和/或溶液的均匀温度和/或恒定的机构(没有单独示出)。这对消除可能引起无意流动并对筛分产量和纯度产生消极影响的热致浮力是重要的。另外，筛分装置可以内含指示器，或在筛分系统内作为一个整体，指示器指示一个或多个成分的温度和/或温度均匀程度。对于血液筛分的应用，控制和指示温度的均匀程度可以对获得高产量和高纯度产品有重大意义。
筛分装置100、200或300，或整个筛分系统，可以包含测量一个或多个输入或输出溶液的水平面和浓度的机构(没有单独示出)。用这些测量值可以判断操作的速度、完成时间、错误状态，综合监控或其它应用。对于血液筛分的应用，可以用水平面和浓度指示器指示何时已收集到足够的样本，或检测何时溶液发生错误或倒空。
最后，筛分装置100、200或300，或整个筛分系统，可具有利用标准的倒置填充或排干法，以一种或多种流体启动系统的方法。清洗可以由排干该装置或用溶液流过其中来简单地完成。在筛分进行的早期，启动溶液可以直到它已被大部分贫化并且已经获得时所需溶液才被丢弃。类似的，在筛分进行的后期，可用一种流体来把筛分过的物质从头到尾排出系统以获得最少的浪费和最大的产量。
不同的筛分装置100、200或300也可以被一种提供通常用途的装置的系统所利用，该装置允许用户提取溶液中的一种或多种离分，其取决于S值(大小，密度，或大小*密度)的范围。图26是一张依照一个与本发明一致的实施例来说明示例性筛分与分离系统2600的结构图。这个通常用途的筛分器可响应用户的控制(用户输入2610)来改变每个输入输出通道的流动速率。用户控制器可允许用户决定通过每个输出通道的S值的范围。此装置将是一有价值的实验室工具，用于实施各种提纯、洗涤、分离及样本的诊断评估。它也将成为一个研究、开发和原形应用的重要平台。
筛分用的硬件可以包含在一个外壳内，可能有或可能没有温度控制。此硬件包括以下部分(1)消耗性的流动板2620(例如筛分装置100、200或300)上有几个输入与输出，(2)几个可由计算机控制的蠕动泵2625，(3)温度控制和监视装置2630，(4)储液槽支架(或储液槽2635和2640)。筛分由计算机2650控制，该计算机还监视和控制流动速率、温度和其它为了控制或诊断目的而附加的部分。
流动板2620可以是一个简单的通常用途装置，适于如上所述的多种应用。它可以含有二到四个输入和二到十个输出。它可以以已消毒、预先准备好的、密封的形式提供。那些储液槽可以是流动板的一部分，或者是附属于流动板的在使用前单独消毒的部分。中央筛分区域的全部或部分可以覆盖一防护玻璃罩以允许进行光钳、光电泳或激光杀灭/切割样本的操作。
计算机2650对泵和温度控制硬件进行测量和控制。它也可以干预其它可以被加上的硬件部件。用户软件提供一个十分方便的前端来实时控制所有的泵。它会进行必要的计算来控制每个泵的速率以给予用户特定的筛分应用所要的流动。
系统2600可以是很通用的以允许多种筛分应用，或者独立运作，或者与一台附加的激光设备协作。这些应用包括但不限于用荧光法辨认细胞、用高强度激光照射杀死细胞、用光电泳分离细胞、基于运动性的游动细胞分离、用扩散法被动筛分物体，及液流带状密度被动筛分。液流带状密度被动筛分应用广泛，通常可由最少或无附加的设备来完成。
示例性使用以及用于此种通用目的筛分系统2600的应用，使用了被动性流控的筛分和/或光学梯级力(如下所述)的使用，在下面的表格中列出



图27是根据与本发明一致的实施例描述示例性双重反应器产品提纯和分离系统2700的方框图。双重反应器用于单克隆抗体的产生、重组蛋白质产品、病毒和病毒抗原和活细胞的聚集。双重反应器最通常应用在不同的药物治疗酸甘油酯的生产中。双重反应器可使在理想条件下允许细胞在高浓度环境中增殖而起作用。在细胞增殖过程中，培养介质流过此双重反应器。此介质集中这些细胞的废产物，而且为细胞提供营养。为了获取这些产品接着对已经流过此双重反应器的介质进行处理。为了集中产品，通过许多不同处理过程过滤充满了废物的介质，其中一个是通过颗粒萃取色谱法。此处理过程耗费很长时间，并且很昂贵，而且产出最终产品不占较大比率。本发明解决了所有这三个问题。
双重分应器产品提纯装置2700可以快速的、容易的并精确的从废介质中提取所想要的产品。废介质可通过一个通道2701流入筛分装置，同时覆盖了适当的亲和点的颗粒溶液通过第二通道2702流入筛分器两个通道都通向第一混合器2705，在其中它们将混合在一起。在混合过程中，该产品都与颗粒的点结合。混合器然后与输入的缓冲溶液(输入通道2715)流过第一分离区2710。通过使用被动的扩散筛分利用，这些颗粒与所选产品通过通道2718输出并且废液将通过通道2716输出并丢弃。被动扩散筛分成功是因为大颗粒停留在一个通道而较轻的分子将扩散到该通道的另一边颗粒溶液接着流过通道2718同时变性溶液流过第二通道2720。这两通道都将流到第二混合器2725，在其中它们混合在一起。当混合它们时，变性溶液将破坏产品和颗粒的结合。在混合之后，溶液将与通过通道2730的另一个缓冲溶液一起流过输出通道2735，进入第二分离区2740。通过使用被动扩散筛分，颗粒将流过底部通道2745并作为废液丢弃。经过提纯和恢复的产品将流过顶部通道2750。这个提纯方法降低了成本，减少了时间，并增加了最终产品的产量。
图4图示了根据与本发明一致的一个实施例的全息光学陷阱系统400，通常与装置100、200或300一起使用。关于全息光学陷获的补充细节可在第五个相关应用时得到。在如在图4中所描述的全息光学陷获装置或系统400，光从一激光系统入射，沿所示向下的箭头方向进入，激发系统400。
相位图光学元件401优选的是带动态表面光学元件(DOE)，此动态表面也是仅相位的空间光调制器(SLM)例如由日本Hamamatsu制造的“PAL-SLM系列X7665”，由科罗拉多Lafayette的BoulderNonlinear Systems Nonlinear Systems制造的“SLM512SA7”或″SLM512SA1″均。这些动态相位图光学元件401是由计算机控制来使介质中的代码化全息图产生光束，这些介质可变化产生光束并选择光束的形式。在图4下左部产生的相位图402产生下右部所示的充满悬浮在水405中的直径1μm硅球404的陷阱403。这样，系统400受左侧下部所示的动态全息图控制。
激光束通过透镜组406，407传播至分色镜408。光束分光器408由分色镜、光子波段裂缝镜、全向镜或其它类似仪器构成。光束分光器408选择性地反射利用于形成光学陷阱408的光的波长和传播其它的波长。从光束分光器408的区域反射的光的部分接着通过代码化相位图的区域。从光束分光器408反射的该部分光进而通过基本上分布在与聚焦(物镜)透镜组409的平面背部孔径配合的平面内的编码相位图光学元件所在区。
在本发明第五的相关应用之前，在已经构思的单束光学陷阱(也称激光或光学钳)中，高倍口径透镜对于可接受的光学陷阱是所必须的。对于光学陷获，这种设想的一个基础是人们利用入射光的电场的梯度陷获这些粒子。为了有大的陷获力，已认识到必须有较大的电场梯度(或光线的数量密度)。人们通常完成这些的方式是将通过高数值孔径显微透镜而通过光场。
在大视野内对样品观测和陷获的关注是这种观测和陷获包括带有低数值孔径的物镜。与先前的教导相反，第五个相关应用的本发明提供了低数值孔径透镜，例如，图4中的物镜409。在此情况下观察和陷获的能力可以是在任何应用中都是有用的，在应用中人们将受益于由于使用低倍放大镜头而有的大视野，例如安置显微制造的零件或对于大量的对象工作，例如细胞。
如根据本发明的例子，悬浮在水105中的3微米直径的硅球104被透镜组109和前面未述的低数值孔径陷获。所使用的透镜109是由Nikon(a)平面4x与0.10的NA；和(b)平面lOx与0.25的NA生产的。
合适的相位图光学元件的特征在于它们是根据它们引导光或其它的能源的聚焦束的方式而透射的或反射的。透射的衍射光学元件透射光束或其它的能源束，而反射的衍射光学元件反射该束。
相位图光学元件401也可按照具有静态或动态的表面来进行划分。适当的静态相位图光学光学元件的例子包括那些与一或多种固定表面区域，例如光栅(包括衍射光栅、反射光栅、和透射光栅)全息图(包括多色全息图、镂花模板、光成形全息滤波器、多色全息图)、透镜组、反射镜、棱镜、波片等等。静态的透射的相位图光学元件特征为固定表面。
然而，在某些实施例中，相位图光学元件401本身是可移动的，以此允许通过相对于激光束移动该相位图光学元件401以选择适当的区域，进行对多个固定表面区域的选择。
静态相位图光学光学元件可以固定于一个轴并与受控电动机(未示出)共同旋转。静态相位形光学元件具有固定表面和离散区域。在静态相位形光学元件(透射的或反射的)的其它的实施例中，固定表具有不同源的包括基本上连续变化区域的表面，或离散的区域与基本上连续变化区域组合的表面。
功能取决于时间的的适当的动态相位图光学元件的例子包括计算机生成衍射图案、相移材料、液晶相移阵列、微镜阵列，包括活塞模式微镜阵列、空间光调制器、电光学导向器、accousto光调制器、可变形镜、反射MEMS阵列等等。与动态相位图光学元件401一起，包括相位图光学元件401的介质405编码可改变的全息图，以使得形状相移，此相移是使导致在聚焦光束的相位轮廓中相应变化的聚焦光束，此类变化例如衍射或会聚。另外，可以改变介质405以生成在光学陷阱403位置的改变。动态相位图光学元件401的一个优点是可以改变介质405以独立地移动各光学陷阱403。
在那些光束(beamlet)的外围相位轮廓较疏、从外围向内则更密的实施例中，以小于约15％的幅度的超量充填后孔径对在外围形成具有高强度的光学陷阱是有用的，这是对比没有超量充填后孔径形成的光学陷阱而言。
在某些实施例中，一个光学陷阱的形式可从其原始形式变成点状光学陷阱、光学漩涡、贝塞尔光束、光学瓶、光学旋转体或者光学笼。该光学陷阱可以在二维或三维中移动。相位图光学元件对于施加于激光的特定拓扑模式也有作用，例如，通过把高斯模式转化为高斯—拉格朗日模式，以此，一束光成为高斯—拉格朗日模式而另一束光成为高斯模式。对高斯—拉格朗日模式的利用通过减少辐射压力大大增强了陷获能力。
1.成像系统当前仪器设计使用一个高分辨率CCD照相机作为主成像系统110。CCD相机的主要优点(见图5标号511)是其良好的性能价格比，因为这是一项成熟的技术。CCD相机的另一项优点是其宽广的动态范围并且容易生成数字输出。
图像显示在计算机屏幕(见图5标号510)上，以提供一个用于选择光学陷阱位置的参考坐标系，同时使操作者无意中暴露在激光下的可能性降至最低。
2.界面a.物体显示用户界面包括一个计算机屏幕，其显示由CCD相机获得的视野。用户用鼠标指定光学陷阱的位置。也有删除位置的选项。
如下面所更详细地描述的，用户还可以指定每个光学陷阱的功率以避免损伤样本。另外，它还可以改变光学陷阱的功率，因为陷获依赖于样本和悬浮媒介之间折射率的不同，可以预期，这将随样本而异。
b.全息图指定光学陷阱位置的目的是提供全息图计算的输入。全息图在本质上是一个其傅立叶变换产生所需的光学陷阱列阵的函数。然而在液晶显示的情况下此函数是相位物体(即，一种不吸收任何能量就能改变波阵面的物体)。
c.选择全套光学陷阱的方法通常人们希望用光学陷阱沿特定方向移动物体。这可以由鼠标生成一条直线(通过拖曳)来完成。计算机程序解释此直线为沿其顺序展开一系列靠得足够近的光学陷阱，这样小步移动目标而不至于丢失对目标的锁定。
本发明还包括改变光学陷阱改变高度的能力。如果激光束平行于物镜409的光轴，那么光学陷阱将在与透镜409的焦点平面等高的地方形成。通过调整全息图完成光学陷阱高度的改变，这样使形成光学陷阱的光束在进入显微镜的物镜409时稍微汇聚(或发散)。调整光学陷阱的高度有可能使用透镜，但只有全息光学陷获允许对每个单独光学陷阱的高度独立于其它光学陷阱进行调整。这是通过计算机程序去调整由液晶所产生的相位调制来完成的。
3.样品固定器a.概要本发明的样品室700(见图7A和7B)是廉价且一次性的。尽管本发明的样本室700在下面已有描述，本发明的另一目的是创造一种可随应用不同而改变的弹性的设计。除样品室700之外，本发明可利用其它各种分离阶段，例如设备100、200或300，或参照图13-24和26—27下述的其它单独部分。
样品室700位于显微镜载物片701的表面上。样品室700有一系列通道703以引入样本或物体。通道703由细管704(商业上有售)与供应和收集储液槽相连。样本或物体将悬浮在流体介质中并经通道703引入工作区域。样品室700被滑盖705盖着。
b.样品室的制造在本发明包括的实施例中，使用一种聚乙烯(二甲基硅氧烷)(PDMS)树脂来制作样品室700。该过程涉及在计算机上使用标准CAD/CAM方法生成所需的通道703的形状，并将该形状用惯用的光阻/蚀刻技术转成一张光掩膜。该光掩膜而后用作负片来生成与通道相反的形状，蚀刻在硅晶片上。通道703的深度由蚀刻时间控制。此硅晶片是实际样品室700的复制阴模。最后的步骤包括通过往晶片上浇注PDMS并聚合来生成实际的样品室700。这导致一个PDMS铸型粘在玻璃片701上，其上覆盖着滑盖705。玻璃和PDMS之间的粘连由作用于外露表面的氧蚀刻达成。
许多附加步骤对确保质量稳定是必要的。例如，PDMS的熔化/硬化都保持在真空中以防止产生气泡。硅晶片经过硅烷化以防止PDMS粘住晶片。有多种步骤涉及清洗复制品及维持适当的环境控制。这些代表了标准工艺。
通道703用小注射器针头706与微孔导管704相连，注射器针头用胶714固定，插入PDMS中以铸成与每个通道703相连的圆柱形小井707。样本溶液用微型泵708引入通道703。
图7B显示了一种经注射泵708在710处引入样本的典型布置的例图。媒质在711引入，废物在71处收集，所需要的在713收集。
图8表示了图7B中例图的扫描电子显微图的一幅图像作为从上述过程实际生成的。通道大约50微米宽，50微米深。图9表示了工作区域的扫描电子显微图的一幅图像，对所研究样本的操作将在此进行。例图清晰地显示通道703光滑干净。尽管通道703在横截面上是矩形，它也可以设计成其它形状。通道703设计成允许样本流入其形状由用户根据实验需要定制设计的“工作区域”。
c.全息光学陷阱与顺序放置多个陷获点而且是分时的扫描光学陷阱不同，全息光学陷阱不断地照亮每一个光学陷阱。对于扫描光学陷阱，要达到与连续照明的光学陷阱一样的陷获力，它必须提供至少同样的时均光强。这意味着扫描光学陷阱必须拥有更高的峰值强度，由一个至少与陷获区域的数量成比例的因数决定。更高的峰值强度增加了所陷获的材料产生光致损伤的机会。这种损伤可以由至少三种机制产生(1)单光子吸收导致局部过热，(2)单光子吸收导致光化学转化，和(3)多光子吸收导致光化学转化。事件(1)和(2)可通过选择光的波长，该波长为所陷获的材料及周围的流体媒质吸收微弱的波长来减轻。事件(3)是一个更普遍的问题，用更长的波长光来工作可部分减轻。因此，全息光学陷阱可以更高效更轻柔地操作精细的材料，它是通过在一个物体的各点中分配较小的持续的力，而不是在一点上施加全力或在一段时间内施加更高强度以致造成潜在损伤物体。
在一个包含本发明的实施例中，用标准CAD/CAM计算机程序设计的，该设计是灵活的，任何形状的通道703均可设计的。只要通道703之间离得足够远使得不会互相影响，形状的复杂程度并不是一个因素。如图7B和图8中可以看到的，多组通道703可以轻易得到，所以可使用一片做多于一次的实验。另外，一旦制造出一个铸模来，就可以用来制造数千个样品室，所以此方法很容易变为大规模生产的技术。据估计，大规模生产时单个样品室的边际成本将低至几美分。
4.光学系统全息光学陷阱的早期版本使用固定的由多种材料构成的全息图。这对证明使用全息图来生成数百个光学陷阱的原理已经足够了。但这些全息图的主要缺点是它们是静止的，且制作一张全息图要用数小时。随着硬件的进步产生了计算机驱动的液晶显示器使每秒内多次生成全息图成为可能，把光学陷阱作为动态设备来利用已成为实际现实。软件控制允许通过简单的执行程序来控制激光束钳以达成分离和陷获的自动化。计算全息图的原理描述如下。
b.显微镜光学系统410包含标准的高质量光学显微镜。接物镜是高数值孔径透镜409，与长焦距聚光器透镜耦合。高数值孔径透镜409用来陷获。尽管长焦距聚光器透镜可能稍微降低图像的分辨率，这并不危及陷获并在载玻片附近提供额外空间以容纳管路和插头。物体可通过抓住它们来移动。
在一个包含本发明的实施例中，用大约2mW的激光功率为在光学陷阱上产生200微瓦。从一个2W的激光器获得的功率水平足够产生大约1000个光学陷阱。这里用了绿色激光(523nm)，但其它波长的激光也可使用，包括例如远红外激光，用于与吸收波长在532nm附近光的材料工作。
陷获依赖于折射率梯度，这样折射率与周围媒质接近的材料需要功率水平更高的光学陷阱。另外，材料对损伤的耐受力随陷阱功率而异，因此对用户来说能够控制此参数是合意的。用户可使用在图形界面显示的“功率滑动片”升高任何特定陷阱的功率水平。
c.液晶全息图(也称作空间光调制器或SLM)空间光调制器408本质上是一个由电场控制的液晶阵列，电场又由计算机程序控制。此液晶阵列具有延迟光的相位的特性，延迟量依赖于所施加的电场强度。
向列型液晶设备用于显示或需要大的仅相位调制深度(2TT或更大)的应用。向列型液晶分子通常平行于设备表面放置以给予最大延迟作用，归因于液晶的双折射作用。当施加电场时，分子倾斜致平行于电场方向。随着电压的增强，沿特别轴的折射率指标及双折射显著地降低，导致设备延迟的减少。
d.激光器有用的激光器包括固态激光器、半导体泵激光器、气激光器、染色激光器、紫翠玉激光器、自由电子激光器、VCSEL激光器、半导体激光器、钛—蓝宝石激光器、参杂的YGA激光器、参杂的YLF激光器、半导体泵YGA激光器和闪烁灯泵激光器。半导体泵Nd:YGA激光器优选运作在10mW到5W之间。用于形成研究生物学材料的激光束优选的波长包括红外线、近红外、红色可见光、绿色可见光和可见蓝光，波长从大约400nm到大约1060nm最好。
图5是用于筛分物体的全息光学陷获系统的原理图，并根据一个与本发明一致的实施例与设备100、200或300一起使用。在一个这样的实施例中，光学陷获系统500(见图5)(例如由伊利诺斯州芝加哥市Arryx公司销售的BioRyx系统)包含Nixon TE 2000系列显微镜501，在其内已安置了一个用全息光学陷获单元505来形成光学陷阱的底座。物镜转换器502连在机架上，通过该底座直接装在显微镜501。为了成像，在物镜504上方提供了一个照明光源503以照亮样本506。与本发明一致，样本506是设备100，200或300的分离阶段之一。
在一实施例中，光学陷阱系统400(见图4和图5)包括第一光通道的一端，该通道在光学元件很接近，且第一光通道的另一端与第二光通道相交并相互联系在那里形成正交。第二光通道形成于显微透镜安装转台或“物镜转换器”的底部内。该物镜转换器适于安装在Nixon TE 200系列显微镜内。第二光学通道与第三光学通道联接，其同样与第二光学通道正交。第三光通道从物镜装换器的顶部表面开始横贯物镜转换器的底部并与物镜调焦透镜409平行。调焦透镜409具有形成后孔径的顶部和底部。插入第三光通道内位于第二光通道和调焦透镜后孔径之间的是一个分光镜光束分光器408。
光学陷阱系统内用于形成光学陷阱的其它部分包括第一镜面，它反射通过第一光通道的从相位图光学元件401发出的光束；安装在第一光通道内的第一光学转换组件406，排列好该组件以接收第一镜面反射的光束；安装在第一光学通道内的第二光学转换组件407，排列好该组件以接受透过第一转换透镜组的光束；以及位于第一光通道和第二光通道交点处的第二镜面408，它被安装来反射透过第二光学转换组件的光束进入第三光通道。
为了产生光学陷阱，一束激光直接从激光器507射出(见图5)穿过瞄准仪并通过光纤末端508且从衍射光学元件509的动态表面反射出去。离开光纤的瞄准仪末端的光束被衍射光学元件的动态表面衍射分散成多个束光。每束光的数目、类型和方向可以由编码于动态表面媒质内的全息图改变来控制和改变。该光束而后经第一镜面反射，通过第一光学转换组件，沿第一光通道通过第二光学转换组件到达第二镜面；并对准分光镜509，直到物镜504的后孔径，经物镜504汇聚，以此产生生成光学陷阱所需的光学梯度条件。经分光镜509分裂后的部分光，为了成像，穿过第三光通道的下部形成光学数据流(见图4)。
生物学材料样本的光谱分析可以由一成像光源503完成，该光源适合光谱分析或偏振光反向散射，前者有助于评定化学特性，后者适合测量内部结构的尺度，例如原子核大小。在某些实施例中使用这种光谱分析方法来探询细胞。计算机501可以被用于分析光谱数据，并且，识别细胞具有X还是Y染色体，或是疑似癌细胞、癌前期细胞、和/或非癌细胞类型，或例如识别各种血细胞。计算机程序接着可以将信息应用于引导光学陷阱以包含所选细胞类型。而后所包含的细胞可以根据反应被识别出来，或与别的化学物质绑定所包含的细胞。
本方法和系统有助于实现跟踪每个光学陷阱的运动和内容的半自动或全自动过程。运动可以被视频摄像头511、频谱或光学数据流监视，并提供一计算机程序来控制细胞的选择和光学陷阱的生成。
在另一个实施例中，对细胞的运动的跟踪是基于由对相位图光学元件进行编码而产生的每个光学陷阱预定的运动。另外，在某些实施例中，一计算机程序被用来保存各个光学陷阱中所含每个细胞的纪录。
然后光学数据流就可以转换成视频信号，操作者使用分光镜和/或视频监视器进行视觉观察，监视或分析。光学数据流还可以被观点探测器处理以监视强度，或其它合适的设备将光学数据流转化为适于计算机使用的数字数据流。
在一没有使用SLM(空间光调制器)的方法中，移动通过把物体从第一组光学陷阱中转到第二、第三、然后第四组等等中去实现移动。为了把物体从一个位置移到另一位置，一静态相位图光学元件绕一纺锥体旋转使激光束对准另一个区域，在该区域内相应的第二组预定位置上将产生第二组光学陷阱。通过在适当的接近第一位置构造第二组光学陷阱，探针可以从第一组光学陷阱被传送至第二组光学陷阱。次序可以继续从第二组预定位置继续传送探针至第三组预定的位置，从第三组位置至第四组预定光学的位置，并从第四组预定的位置等等，通过相位图光学元件的旋转以对准对应于想要的位置的适当的区域。在一组光学陷阱的终止与其次的产生之间的时间间隔具有一段持续时间以保证探针在它们游离之前被传递至下一组光学陷阱。
在对象从一宽到窄的附近区域的交错移动过程中，细胞的交错以类似的方式进行。然而如同对象被从第一组光学陷阱到第二组进行传送并移动第二和随后的位置，陷阱的交错布置允许对象被密集的群集，而不是同时过于接近两个对象的附近位置，这样可能引起对象被包含于错误的光学陷阱中。
一旦对象或者细胞有与陷阱的相互作用，波谱法就可以用于观测细胞。那些有正结果的细胞(即与标记物反应或与其结合的细胞)的光谱可以通过利用成像照明获得例如适于非弹性的光谱学或偏振光反向散射的。电脑可以分析谱线的数据以识别想要的目标并且引导相位图光学元件以离析想要的目标。紧接试验的完成，可以由电脑和/或操作者做出丢弃那些细胞与收集细胞的选择。
光学蠕动(见图13)是现有的操作，该操作在微液流通道1301排列中使用陷阱1300的平行线以使在线间的间距，在第一陷阱线关闭时，允许陷获的颗粒1302为一条线以被拉入在另一个线上的陷阱。光学蠕动可以被利用作为与荧光标签一起使用的可选方案(如下文相应的应用所述)。该处理通过调节定时陷阱线的消灭操作，以便朝由陷阱线的排列指定的想要的方向颗粒被移动。通过选择颗粒的另一侧在一侧的陷阱是否开启或关闭的线，颗粒可以在一个方向被向前或者向后的移动。通过使用大量的陷阱，大量的颗粒从而可以在与给定一致的方向上移动。这样，被吸引到陷阱的颗粒可移动至给定的区域，并且，如果需要，在那里收集。此处理也可以被利用在与装置100，200或者300共同使用的多种流体流中。
同样的通过逐渐的减少向给定方向成直线的陷阱之间的间距和/或改变陷阱线的曲率，颗粒可以被扫成一聚焦形状以浓缩它们。反之这样的形状将分散这些颗粒。
陷阱线间的间距可以是相对较大以加速颗粒的移动，或者相对较窄以使其减速。相似的，改变选定陷阱或者线的密度，由此它们作用于颗粒，也可以使用。通过收集或者扩散液流，颗粒可以组合或者分离。另外，光学蠕动可以与粘性阻力或者电场的差动效应结合以为优良的分离材料生成复杂和特殊的参数值组。通过相反的陷获及其它的力，两个力的平衡点确定颗粒用陷阱还是另一个力一起移动。
在与本发明一致的一个实施例中，光学蠕动可以与通过以执行对应的全息光学陷获形状的次序的相位图次序而循环的全息系统一起执行。这样的形状可以是依据设置在棱柱面上的反射衍射光学的元件代码化的，其中每个形状通过马达旋转至某位置。同样地，透射的衍射光学的元件可以被放置于碟的周缘并旋转以浏览形状。也可以使用在碟片上的代码化可换向的相栅与相位全息图。
因为颗粒被由外部的偏向力操纵通过直线性的阵列，例如流体流，在陷获力显著大于外部驱动力的地方，陷获颗粒。在偏向力较大的地方，颗粒液流通过阵列，在这些极限之间，偏向力超过陷获力以用于颗粒不同离分的差异度，导致颗粒沿着阵列的主轴方向从陷阱跳跃至陷阱。零度净偏转可以在阵列旋转至45度的地方可以被观察到，因为(1)正反位移等概率发生；或者(2)颗粒被锁入[11]方向，跳跃对角线通过该阵列。
由阵列偏斜较大的角度的颗粒偏差比因偏置力的颗粒偏差至一个更大的角度。光学梯度力施加于粒子随着而变化大约为a3，此处a＝半径。作用在颗粒上的斯托克司力随“a”而变化。这样，较大的颗粒不同程度的受陷阱阵列影响，而较小的颗粒经历较小的偏转。将阵列定向在最理想的偏转角度阵列附近并校准密度在飘移条件下安置最大颗粒的，因此，这里比小颗粒有在较大的偏转位置，不同程度偏斜的颗粒可以收集或更进一步地利用第一下游的附加阵列进行分离。
一些用于分离传统方法在施加力的方向完成分离。然而，这种技术对成批的样品操作不是连续的。
用于显微分离的其它传统方法使用了二维晶格屏障或栅栏构成的显微成型的滤网。例如，一不均匀的屏障的安置校正穿过滤网的颗粒的布朗运动，导致这些颗粒沿由该颗粒扩散系数所决定的路径运动。然而，对显微成型晶格的使用容易阻塞而且根据颗粒大小和类型不是可调的。
在图10中，根据本发明的颗粒筛分的例子是举例证明。虽然说明性的例子例证了横向偏转、光学蠕动在同一系统可以获得。视频图像的代表显示了基于光线的材料分离，在这种情况下，转而基于颗粒大小分离对象。上左部的通道中的液流包含1，2.25，和4.5μm的颗粒，而另一个液流从下左部进入。这些重叠线路各自地表示通道的每条液流，当系统激光电源关闭时。当激光电源打开时，光线进入相互作用区(以重叠绿色方框指示)，从上面的液流提取4.5μm颗粒并将其传送至用重叠的白色路径所标示的下右部的通道。
6.血细胞筛分应用
a.背景在与本发明一致的一个应用中，使用一个利用光学陷阱技术的高分辨，高通透的细胞筛分器。对于作为细胞筛分新的基础施行该技术的需要，传统的流动血细胞计数器的失败证明在许多筛分问题中执行细胞特征必要的高分辨确实是需要的。
b.使用全息光学陷阱的筛分本发明的施行高分辨、高生产量的细胞筛分的方法具有以下组成显微流控的开发、光学陷阱系统的开发(用于漏斗系统的陷获组件和用于分离系统的陷阱组件)，高分辨荧光测量仪，系统控制(包括全息图计算)，和原理设计。
第一组件是具有运送输入样品的液流输入通道和传送分离后细胞从输入通道出两个输出通道的液流单元。第二组件是一组实施“漏斗”功能的陷阱(该″漏斗功能″是相等的喷管形成小滴流入一传统的流动血细胞计数器)。第三组件是检测系统，以及最后，第四个组件是筛分系统。图11A-11B示出了这四个组件的关系。可以用与装置100，200或300一起使用的流体流施行相似的功能。
允许建议的本发明实施例完成高生产量的必要特性是其内容量同时以并行线路在彼此极接近的状况下运作材料。对于最初的实施，带有10个由造成10微米分离的每个输入线路1100的流动系统。这设置了从110微米的输入储液槽进入的液流整体宽度。输出通道1102，1103各自一样是110微米宽，和输入通道301相同，并且它们与输入通道301平行延伸，如图11A和11B所示。引入“输出通道”1102，1103的是缓冲溶液，也就是说以在输入通道1101保持的相同流速注入该通道。所有这些通道1101，1102，1103的三个是用来保持超过所感兴趣的流量范围的层流。也可利用上述关于装置100，200或300的筛分步骤。在筛分区域中，特定细胞被从输入通道1101传送至输出通道1102，1103之一，所有的三个液流是相邻的，之间没有机械分隔。层流保持在它们各自液流中任一材料，除非引入特定外力以使材料从一个流动通道传送至另一个。
漏斗陷阱1105作用于输入细胞1106以使它们都有明显确定的流线，并使输入细胞1106彼此以由操作者设定的最短距离分隔。通道1101，1102，1103中的流速由此最短距离1106设备，通过执行分隔功能设备的“更新”速度，和要求的全部细胞处理率而决定。
漏斗系统由以一组设置在转轮上以使形状作为转动形状函数变化的静态全息图建立的低强度陷阱1105组成。最下游的漏斗陷阱强度和位置固定，只提供以保持细胞流线之间的分离上游的陷阱1105被允许随时间改变强度和位置而作用以干扰凝结细胞上的液流并让单个的、未凝结的细胞通过。
确定筛分的测量发生在漏斗陷阱1105的下游区或者发生在更远的在漏斗系统之外的区域。对于该初始系统，测定将由高分辨率荧光检测组成。在将来，可以施行其它的起作用的筛分标准，比如可以使用散射测量，或者被动技术，比如前面列出的利用光学偏转的那些。
装置的最终组件是独立系统，在其中筛分标准被利用以转移细胞进入输出通道1102，1103其中的一个或者允许它们留存在输入通道1101的液流中。该组件的关键参数是用于施行动态陷阱1105阵列执行分离的高数值孔径物镜1104的视场。视场的宽度与单个通道的宽度一样是110微米。长度，然而，依赖于流速、通道深度，和用于控制陷阱的光学装置的更新速度。
现在，一个与本发明一致的实施例包括产生在驱动光学陷获系统中有高效的相位掩模的空间光调制器。这些装置的更新速度在30赫兹或更高。估计通道深度为10微米，并且设定精子细胞应该移动1微米梯级，空间光调制器10次更新被用于从输入通道1101中心移动一个细胞到输出通道1102，1103之一的中心。一个更新值为30Hz，这10个梯级的施行将存在于1/3秒。在3毫米/秒的流速下，这10个梯级朝流动方向在1毫米的长度上实施。用于分离组件的物镜1104因此有一个110微米x1000微米的工作区。该工程的重要的改进领域是该透镜组的设计。透镜设计中的平衡通常在于视场和孔径倍数之间。即，对于特别的复杂的透镜组，一个在这些方面重要的性能增加将与在另一个方面的性能减少同时出现。此正是用例如高分辨集成电路电子学的印刷生产区域高的性能的透镜是相当复杂的原因。然而本发明，不要求这些透镜组的全部性能水平。
7.在宽场旋涡光钳方面的公开在宽视场下的光钳包括具有低数值孔径显微物镜。光学陷阱对象的能力在轴向依赖于以在轴向有最大梯度的方式向下聚焦光束。这里暗示形成光锥所用的最宽半径。圆锥体的半径直接决定于物镜的数值孔径，即高数值孔径意味着宽圆锥体半径。这与宽视场必要条件的直接冲突。这常规的使轴向宽视场光钳变得困难。导致轴向光钳困难的主要原因是聚焦光束的辐射压力。尤其对于在密度上与周围介质最佳匹配的颗粒，例如聚苯乙烯微球体，辐射压力可以将颗粒冲击出陷阱。在低数值孔径物镜下，难以克服带有轴向足够光钳力的辐射压力。然而，全息光学陷阱有能力形成大大减少光束的辐射压力的光模式。旋涡陷阱，例如，具有暗中心因为光改变相位在陷阱的中心抵消。该暗中心意味着大多数沿光束中心向下传播的光线不再存在。正是这些光束含有大多数光的辐射压力，所以它们的去除大大减轻了轴向陷获的困难。其它的方式，即圆环方式，有相同的优点。
通常对于对象的或者细胞的操纵(推，引导，筛分)是通过得到多种光束而更安全。如甲床，多种光钳保证引入更少的驱动力在细胞中的任何特定点。这除去了过热点并减少了受损风险。任何有害的双-光量子处理有很大好处，因为吸收与激光功率的平方成正比例。仅仅增加第二镊子减少在特定点对双量光子吸收的四分之一。
最终，通过利用全息的光学陷获，甚至对于仅仅单一细胞的操纵也得到很大的增强。单一细胞可以通过光钳线(tweezerslin)操作，此钳线在一侧沿着周长支撑该细胞。导致的旋转对该细胞允许360度的观察。另外，用于生物样品观察的优点，还存在稳固定向样品的能力，这已经显著的对于研究例如对样品定向有很强的依赖性的散射实验有好处。
8.基于旋转碟的细胞筛分器利用激光以迅速的访问大量区域已经以旋转激光碟、CD播放机或者DVD播放机的形式存在。这些设备包括带有难以置信的高速激光访问区的径向运动的碟的旋转运动。例如，典型的DVD播放机在大约两小时内可以访问在碟上的大约的40亿独立的“位”。将此旋转碟的方法与光学陷获(见图12)组合允许以相似的速率访问细胞，并且全息光学陷获以100倍或更高倍数的增加此速率。
图12描述了一基于旋转碟的细胞筛分器，依照一个与本发明的第二和第五个相关应用一致的实施例。如图12所示，对象或者细胞在样品入口1200引入，并利用适当的样品输送系统1201，细胞被提供给通过发动机操纵而旋转的样品分配碟1202。与控制和分析系统1204连接的成像和陷获系统1203对细胞进行筛分，这些细胞被集中在样品室1205和1206中。
有很多在碟的表面分布细胞的原理。容纳单个细胞的液流室，固着细胞的凝胶，固定细胞的粘性和蜡质表面，或者甚至冻结细胞成为固体块，这些是可以使用的全部方法。一旦细胞定位以使它们保持其相对位置，它们可以被合理的测量。可以使用光学陷获从表面或体中释放想要的或者不想要的细胞。在其中筛分超过两个的群的条件是想要，每个群可以解除单步，并可以实行多步。
9.利用溶解酶进行细胞和非生物材料的筛分比如荧光激活细胞筛分(FACS)之类的技术，虽然较好的建立，仍承受它们是顺序处理方法的事实。因为在生物学上的标记染料的普遍性，基于这些染料的筛分是可能的。这些染料经常产生对在染色和未染色的样品的某些波长或者波长范围的吸收的差异，假设要筛分的群已经内在存在这样一个吸收差异。全息光学陷阱从而可以用于加热和操作样品从提高样品的温度酶解为底质。植入的样品可以被随后解除而随着整体温度的增加。另外，一更快的，甚至更多平行操作是可能的，其中细胞由同时处理样品的整体阵列的一宽的、高功率光源照明。相同一组方法可以应用于在吸收光谱方面不同的非生物材料，或者可选择性地用于此。
10.基于凝胶的筛分全息光学激光陷阱解释了对操作对象的一大优点，用这些操作对象可以在三维上访问和移动对象。因为生物学筛分应用变得更先进，经常用更少的时间，更多的样品需要被筛分。全息光学陷阱的三维访问意味着这些筛分应用可以实现。大量的细胞及其它麻烦的或者不可能顺序筛分或者在二维基质上的所感兴趣的生物学样品，可以被有效的筛分。
一个这样的三维的筛分的实施依赖可逆的凝胶化处理。细胞凝胶固着在网络上，于是想要的或者不想要的细胞利用全息光学陷阱从凝胶中提取。从陷阱中出的热量可以用来熔化凝胶和提供退出通道。
或者，细胞是可选择性地被杀灭，基于某些全息的激光陷阱标准。整个凝胶然后熔化和活细胞从死细胞中被分离。代替仅仅杀灭，一更有害的热爆炸可能产生，该爆炸可以使细胞碎裂为许多小的部分，于是根据尺寸的筛分可能受到影响，再次将某些细胞成群或者连接在一起。
11.杀灭生物标本的应用大量多种应用从选择性的杀灭生物标本收益。从血液中清除病原体就是一个这样的应用。细胞筛选是另一个应用。识别细胞，杀灭一个或多个细胞群，以及去除死细胞。杀灭通过从激光自身而来的光能完成，并且未必需要光学陷阱以完成此功能。
实质上，用激光束使细胞受热或者使环绕细胞的介质受热，破坏和杀死细胞。全息光学陷阱，因为它们的通用性和三维控制，允许选择性的，大量并行杀死细胞。
12.示例利用BioRyx200系统(Arryx公司，芝加哥，II)可从全血中钳获血小板。钳获的血小板在532nm低激光功率(0.2W)下进行并且容易在3-D空间上进行移动。使用略高的功率用于使血小板传送通过自动陷阱是优选的，尽管0.8W是足够的。甚至使用了抗凝结剂，血小板仍有短链纤维蛋白附着于它们。超过很长时间，血小板可能不可避免的与盖玻片结合。血小板在尺寸上大约为2-3微米，并且它们几乎在532nm下与2-3微米的硅球一起被钳获。当RBC处于和血小板相同的视图坐标系下，它们趋向于被未聚焦的光锥排斥，即使RBC离陷阱很远。然而，如果红细胞与激光接触，激光将击穿它们并经常导致它们爆炸，依赖于介质的渗透性和激光功率。不同类型的WBC的对于激光钳的反应则稍有不同。通常，WBC被从它们略微排斥。这样的对于光学陷阱的不同反应提供了用于分离细胞类型的基础，通过它们对于陷获光束的不同反应。例如，血小板可以被陷获并通过操纵激光束移动，而同时RBC和某些WBC被排斥并且其它的WBC被陷获并移动至中间度。
通过将上述技术组合，据计算人们可以以每20分钟1011个血小板的速率分离血细胞成分。筛分的更高速率可以通过进一步将这些技术与仪器100，200或者300的层流筛分组合实现。
上述不同技术可以被用于筛分很多不同的物质。例如，对于筛分精子，精子可以基于运动性或者活性被筛分，比如通过可活动精子移动或者游入一选择的液流，或者通过使不游动的或无活性的精子沉积入废液流。精子也可被筛分进入多个通道，每个都有不同的平均运动性。精子也可被孤立并从精子混合物中多种不同病原体或者其它不想要的材料中分离。也可以利用上述的分离清洗和/或冷却过程。另外，产出或者可运动的或者有活性的精子可以被改善，例如，通过控制不同液流的温度和液流的化学成分，比如通过增加诱导剂或者防护剂。
图25描述了牛的精子的活性或者可运动性的筛分，利用本发明不同的实施例，其中一高运动性和活性样品从低活性的和运动性的样品产生。凝固精液被解冻并在盐水中漂清并除去甘油，测试蛋黄，及其它的材料，以提供与缓冲溶液或盐水、PEG和BSA的相匹配的密度，被第二液流利用。可选择性地，可以添加甘油至缓冲流中。过去使用0.01到0.1ml/min的流速，而0.025ml/min使用的最普遍，在筛分器中，比如装置200。大约的5百万个细胞/ml的精子密度，其中5-60％或者更高的有活性，被利用，如输入液流溶液。在筛分之后，发现所选液流已经被提高到80％有活性，而结果预期达到接近90-100％有活性并可运动。
也可以利用其它不同的筛分器配置，并且改善结果也可以通过利用将激光操纵与基于层流的筛分一起使用而实现。例如，增加缓冲流的相对于输入流的速度增加了在分离区的缓冲通道的宽度，减少精子必须移动进入缓冲流的距离(并增加退出缓冲流的距离)，增加在缓冲流中的产出(如选定的液流)。增加废液通道流速也可以改善产出，使任何在输入通道附近的缓冲层中的死精子再次引入废液通道。
上述的筛分也可以利用梯度以提高筛分效率，而不同的液流有不同的特性，产生坡度例如，温度梯度，速度梯度，粘度梯度以及扩散梯度。
除筛分之外，也可利用本发明的不同的实施例改变颗粒的细胞浓度，例如，比如增加选定液流中的颗粒浓度，或者通过输入缓冲溶液而稀释浓度。扩散系数也是可操作的，改变在不同的独立的液流中的对象扩散性(或者可运动性)，比如通过改变温度，化学浓度，液流的粘滞性，液流密度，盐浓度，使用表面活性剂等等到，例如，改变液流动力学半径或者对象的表面吸引力。
因此，依照本发明，许多全息光学陷阱，能够独立操作这些陷阱，可以与装置100、200、300一起使用，以操作成分或者颗粒，比如血细胞及其它血液成分，从一个液流到另一个液流，成为独立步骤的一部分。例如，可识别所感兴趣的液流一中的成分和由全息光学陷阱移动至液流2，并以此于另一个液流1中的成分分离。
图6示出了本发明的一个方法实施例的流程图，并且提供了一个有用的概要。以起始步骤600开始，该方法提供具有多种成分的第一液流，步骤605，比如多种血液成分。提供第二液流，步骤610，并且第一液流与第二液流接触以提供第一分离区，步骤615。多种成分中第一成分分异性地沉积入第二液流，步骤620，而多种成分中的第二成分同时保持在第一液流中，步骤625。具有第一成分的第二液流分异性地从具有第二成分的第一液流中去除，步骤630。当没有附加的分离(或者步骤)存在，步骤635，此方法可以终止返回步骤680。
当另外的分离存在，步骤635，此方法进行至步骤640，并且提供了第三液流。第一液流与第三液流接触以提供第二分离区，步骤645。当全息操纵将在第二附加分离利用时，步骤650，此方法进行至步骤655，并且许多全息陷阱产生，典型的利用光波长。利用全息陷阱，多种成分中的第二成分分异性地移动入第三液流，步骤660。当全息操作不在第二辅助分离中使用，步骤650，此方法进行至步骤665，并多种成分的第二成分分异性地沉积入第三液流。继步骤660或者665之后，多种成分中的第三成分同时保持在第一液流中，步骤670。具有第二成分的第三液流接着分异性地从具有第三成分的第一液流去除，步骤675并且此方法可以终止，返回步骤680。虽然在图6中没有示出，应被理解此方法可以继续用于另外的分离步骤，比如第三、四、五，等等。
另外的本发明的实施例在图14-24中描述。图14和15描述了使用装置100，200或者300的不同的筛分步骤的不同筛分系统1400和1500，包括利用用于流体流的储液槽和动泵。图16是侧视图，而图17是高长宽比平面筛分器的平面图。此高长宽比的筛分器可以被利用于提供一个相对大的层流液流在不同的液流之间分离面，提供了用于在液流之间的成分分离的一个较大的接触面积。
图18是一具有多种平面筛分器(说明了一个，比如筛分器1600)三维筛分装置的透视图。图19是多通道筛分器1700平面图。图20是具有窄废液流动区域1801的筛分器1800的平面图。图21是用于不同的通道的利用不同的流速的筛分器1900的平面图。图22是具有多重选择通道2001的筛分器2000的平面图。图23是具有压缩筛分区域2105的筛分器2100的平面图。
图24A、图24B分别是多层层流筛分器2200的侧视图和平面图，其中输入通道在层1(2210)中，层2提供多种筛分步骤(2200)，而层3提供输出通道(2230)。这些不同的筛分步骤可以按照无数的串并联关系连接。这种多步骤筛分器许多其它的变种将对于本领域普通技术人员是容易显而易见。
也可利用其它通道的形状和结构。例如，可以利用弯曲的或者“蛇形”的通道结构以在较小的区域或体积之内提供一较长的相互作用区域。在分离区中也可以利用流量控制杆，以调节通道中的流体流。例如，竖杆提供了对流体流的障碍，有效地减少了通道尺寸和雷诺数，还改善了层流。
再总起来说，并举例来说，多种成分中的第一成分可以是众多红细胞和众多白细胞，而第二成分是众多的血小板。在第二实施例中，众多的白细胞可以全息式地从众多红细胞中分离，利用的技术例如全息(光学)陷获。也可利用全息陷获从第一液流全息地去除多种污染物，或者从第一液流中全息分离生物学碎片。在不同的实施例中第一液流可基本上包含从供体来的全血和抗凝血剂，而第二液流可基本上包含从供体来的血浆。不同的沉降可是带状的或者等密度线。不同的液流是基本上无湍流的，并且也可是基本上层流。
第一和第二分离区各具有一预定的完全与流向平行的长度和完全垂直于流向的预定的深度，预定的长度和预定的深度已经根据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确定。第一液流和第二液流也可具有基本相同的流速。可选择性地，第一液流也可以具有第一流速，第二液流也具有第二流速，其中第二流速相对比第一流速大。
再总起来说，本发明进一步包括用于分离流体混合物成为单一成分、不活动的成分的装置，包括(1)具有用于第一液流的第一进口(120或315)和用于第二液流的第二进口(120或320)的第一筛分通道(110或325)；第一筛分通道进一步具有用于第一液流的第一出口(130或图3中的连续通道)和用于第二液流的第二出口130(或320)，第一筛分通道适应于允许第一液流中的多种成分中的第一成分沉积入第二液流以形成富集的第二液流和贫化的第一液流，而同时在第一液流中，保持多种成分的第二成分，(2)具有第一光学入口与用于第一液流的第一出口(图3中的连续通道)连接的和第一光学出口(350)，进一步具有用于第三液流的第二光学入口(335)第二光学透明的筛分通道和用于第三液流(345)的第二光学出口，以及(3)与第二光学透明的筛分通道连接的全息光学陷阱系统(400，500)，此全息光学陷阱系统适于产生全息光学陷阱以选择和从第一液流移动第二成分进入第三液流。
用于分离流体中的多种成分的另一种装置或者系统包括一光学透明筛分通道100，200或者300，具有用于第一液流的第一进口和用于第二液流的第二进口，光学透明的筛分通道更进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；和与光学透明的筛分通道连接的全息光学陷阱系统，全息光学陷阱系统500适应于产生全息的光学陷阱以选择和在第一液流中移动第一液流中的多种成分的第一成分，进入第二液流形成富集的第二液流和贫化的第一液流，而多种成分中的第二成分同时保持在第一液流中。
最后，另一种提供用于分离多种细胞的方法实施例，包括提供了具有多种细胞的液流；提供了第二液流；使第一液流与第二液流接触，以提供第一分离区；并分异性地使多种细胞中的第一细胞沉积入第二液流，而在第一液流同时保持多种细胞中的第二细胞。此方法通常还包括分异性地从具有第二细胞的第一液流中去除具有第一细胞的第二液流。此方法还可提供用于提供第三液流；使第一液流与第三液流接触以提供第二分离区；并分异性地使多种细胞中的第二细胞沉积入第三液流，而在第一液流中同时保持多种细胞中的第三细胞。另外，可以全息地从第一液流中分离众多第二细胞，并且全息地从第一液流中去除多种污染物或者生物学碎片。
虽然上述讨论集中于对血液成分筛分以产生不同的血液离分，本发明的装置，方法与系统可以扩展至其它的类型的微粒，生物学或者细胞状的物质，这些物质是不游动的，能够在流体流中沉积或者乳化或者能够进行光学操作。例如，本发明的方法论可以利用于从活细胞中分离不游动的或者无活性的精子细胞，通过允许不游动细胞的从第一液流沉积入第二液流中。其它的细胞分离的筛分也可以执行，例如从其它的类型的胰腺细胞中分离岛细胞或者其它的，分离不同尺寸的岛细胞群，通过液流分离和光学光钳(陷获)中两者或其中之一。有不同的沉降速率的病毒，蛋白质及其它大分子也可以用本发明分离。利用多个分离步骤的全息光学陷获也可以在这些其它类型的细胞或者颗粒分离是特别的有用的。
从上文中，很显然许多的变异与修改在不背离本发明新颖概念的精神和范围前提下是有效的。应该理解，并没有打算或者推测关于这里描述的具体方法与装置的限制。当然，将通过所附的权利要求书使对于所有这些修改的都包含在权利要求书范围内。
权利要求
1.一种分离血液成分的方法，该方法包括提供具有多种血液成分的第一液流；提供第二液流；用第二液流与第一液流接触，以提供第一分离区；以及分异性地将多种血液成分的第一血细胞成分沉降入第二液流，同时将多种血液成分的第二血细胞成分保持在第一液流中。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括分异性地从具有第二血细胞成分的第一液流中去除具有第一血细胞成分的第二液流。
3.如权利要求1所述的方法，其中，第一血细胞成分是众多的红细胞和众多的白细胞。
4.如权利要求3所述的方法，进一步包括以全息方式从众多的红细胞中分离出众多的白细胞。
5.如权利要求1所述的方法，其中，第二血细胞成分是众多的血小板。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括提供第三液流；用第三液流与第一液流接触，以提供第二分离区；以及分异性地将多种血液成分的第二血细胞成分沉降入第三液流，同时将多种血液成分的第三血液成分保持在第一液流中。
7.如权利要求6所述的方法，进一步包括以全息方式陷获第二血细胞成分。
8.如权利要求6所述的方法，其中，第二血细胞成分是众多的血小板，且第三血液成分是血浆。
9.如权利要求6所述的方法，进一步包括再循环第一液流以形成第二液流。
10.如权利要求1所述的方法，进一步包括以全息方式从第一液流中分离出众多的第二血细胞成分。
11.如权利要求1所述的方法，进一步包括以全息方式从第一液流中去除众多的污染物或生物学碎片。
12.如权利要求1所述的方法，其中。第一液流基本上包括来自供体的全血和抗凝血剂，且第二液流基本上包括来自供体的血浆。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述沉降步骤是速率带状的。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述沉降步骤是等密度的。
15.如权利要求1所述的方法，其中，第一液流和第二液流是基本上无湍流的。
16.如权利要求1所述的方法，其中，第一液流和第二液流基本上为层流。
17.如权利要求1所述的方法，其中，所述分离区具有基本上平行于第一和第二液流流动方向的预定长度，基本上垂直于第一和第二液流流动方向的预定深度，所述预定长度和预定深度取决于第一血细胞成分的第一沉降速率、第二血细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.如权利要求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.如权利要求1所述的方法，其中，第一个液流具有第一流速，第二液流具有第二流速，并且第二流速相对地比第一流速大。
20.如权利要求1所述的方法，其中，第一液流在所述分离区的第一容积相对地比第二液流在所述分离区的第二容积小。
21.一种实施如权利要求1所述的方法的装置。
22.一种将流体混合物分离成组成成分的方法，该方法包括提供具有流体混合物的基本上为层流的第一液流，所述流体混合物具有多种成分，所述多种成分具有相应的多种沉降速率；提供基本上为层流的第二液流；用第二液流与第一液流接触，以提供第一分离区，第一液流和第二液流在分离区中具有基本上无湍流的界面；分异性地从第一液流中将多种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贫化的第一液流，同时将多种成分的第二成分保持在第一液流中，所述第一成分具有多种沉降速率的第一沉降速率而第二成分具有多种沉降速率的第二沉降速率，其中第一沉降速率相对地比第二沉降速率大；分异性地将富集的第二液流从贫化的第一液流去除；以及以全息方式在贫化的第一液流中操纵第二成分。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述流体混合物是全血，所述第一成分是众多的红细胞和白细胞，所述第二成分是众多的血小板。
24.如权利要求22所述的方法，其中，所述流体混合物是精子，所述第一成分是众多不游动的或无活性的精子细胞，所述第二成分是众多游动的或有活性的精子细胞。
25.如权利要求22所述的方法，其中，所述光学操纵步骤进一步包括以全息方式陷获第二成分，以从贫化的第一液流去除第二成分。
26.如权利要求22所述的方法，进一步包括以全息方式从第一液流中去除众多的污染物或生物学碎片。
27.如权利要求22所述的方法，进一步包括提供第三液流；用第三液流与贫化的第一液流接触以提供第二分离区；以及以全息方式陷获第二成分，并将第二成分从贫化的第一液流运动到第三液流中，同时将多种成分的第三成分保持在贫化的第一液流中。
28.如权利要求27述的方法，进一步包括再循环贫化的第一液流，以形成第二液流。
29.一种实施如权利要求22所述的方法的装置。
30.一种将流体混合物分离成组成成分的方法，该方法包括提供具有流体混合物的基本H为层流的第一液流，所述流体混合物具有多种成分，所述多种成分具有相应的多种沉降速率；提供基本上为层流的第二液流；提供基本上为层流的第三液流；用第二液流和第三液流与第一液流接触，以提供第一分离区，第一液流和第二液流在所述分离区中具有基本上无湍流的第一界面，且第一液流和第三液流在所述分离区中具有基本上无湍流的第二界面；分异性地从第一液流中将多种成分的第一成分移动到第二液流中，以形成富集的第二液流和贫化的第一液流；分异性地从第一液流中将多种成分的第二成分移动到第三液流中，以形成富集的第三液流和更贫化的第一液流；分异性地从贫化的第一液流中去除富集的第二液流；以及分异性地从贫化的第一液流中去除富集的第三液流。
31.如权利要求30所述的方法，其中，第一液流、第二液流以及第三液流每个均具有不同的密度，以在第一分离区内形成梯级密度梯度。
32.如权利要求30所述的方法，其中，通过扩散法从第一液流去除第一成分和第二成分。
33.如权利要求30所述的方法，其中，通过等密度或速率带状沉降从第一液流去除第一成分和第二成分。
34.如权利要求30所述的方法，其中，通过全息光学陷获操作从第一液流去除第二成分。
35.如权利要求30所述的方法，其中，通过电磁场从第一液流去除第一成分和第二成分。
36.如权利要求30所述的方法，其中，所述流体混合物是全血，所述第一成分是众多的红细胞和白细胞，所述第二成分是众多的血小板。
37.如权利要求30所述的方法，其中，所述流体混合物是精子，第一成分是众多不游动的或无活性的精子细胞，第二成分是众多游动的或有活性的精子细胞。
38.如权利要求30所述的方法，其中，分异性地从第一液流中去除第二成分的步骤进一步包括以全息方式陷获第二成分，以从贫化的第一液流去除第二成分。
39.一种将流体混合物分离成组成成分的装置，该装置包括用于提供具有流体混合物的基本上为层流的第一液流的部件，所述流体混合物具有多种成分，所述多种成分具有相应的多种沉降速率；用于提供基本上为层流的第二液流的部件；用于提供基本上为层流的第三液流的部件；用于将第二液流和第三液流与第一液流接触以提供第一分离区的部件，第一液流和第二液流在分离区中具有基本上无湍流的第一界面，且第一液流和第三液流在分离区中具有基本上无湍流的第二界面；用于分异性地从第一液流中将多种成分的第一成分移动到第二液流中以形成富集的第二液流和贫化的第一液流的部件；用于分异性地从第一液流中将多种成分的第一成分移动到第三液流中以形成富集的第三液流和更贫化的第一液流的部件；用于分异性地从贫化的第一液流中去除富集的第二液流的部件；以及用于分异性地从贫化的第一液流中去除富集的第三液流的部件。
40.如权利要求39所述的装置，其中，第一液流、第二液流以及第三液流每个均具有不同的密度，以在第一分离区内提供梯级密度梯度。
41.如权利要求39所述的装置，其中，用于从第一液流去除第一成分和第二成分的部件采用扩散法。
42.如权利要求39所述的装置，其中，用于从第一液流去除第一成分和第二成分的部件通过等密度或速率带状沉降实施。
43.如权利要求39所述的装置，其中，用于从第一液流去除第二成分的部件采用全息光学陷阱。
44.如权利要求39所述的装置，其中，所述流体混合物是全血，第一成分是众多的红细胞和白细胞，第二成分是众多的血小板。
45.如权利要求39所述的装置，其中，所述流体混合物是精子，第一成分是众多不游动的或无活性的精子细胞，第二成分是众多游动的或有活性的精子细胞。
46.一种分离血液成分的方法，该方法包括提供具有多种血液成分的基本上为层流的第一液流；提供基本上为层流的第二液流；用第二液流与第一液流接触，以提供第一分离区，第一分离区的尺寸已基于多种血液成分的多种沉降速率预先确定；分异性地将多种血液成分的众多红细胞和众多白细胞以速率带状沉降入第二液流，同时在第一液流中保持多种血液成分的众多血小板和血浆；分异性地从具有第二血细胞成分的第一液流中去除具有第一血细胞成分的第二液流；提供第三液流；用第三液流与第一液流接触以提供第二分离区；分异性地将众多的血小板速率带状沉降入第三液流，同时在第一液流中保持血浆；以及再循环第一液流以形成第二液流。
47.一种在流体中分离多种成分的装置，该装置包括具有用于第一液流的第一进口和用于第二液流的第二进口的光学透明筛分通道，该光学透明筛分通道进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；以及与该光学透明筛分通道连接的全息光学陷阱系统，该全息光学陷阱系统适于产生全息光学陷阱，以选择和在第一液流中移动第一液流中多种成分的第一成分，使之进入第二液流，以形成富集的第二液流和贫化的第一液流，同时将多种成分中的第二成分保持在第一液流中。
48.一种将流体混合物分离为组成的不游动成分的装置，该装置包括具有用于第一液流的第一进口和用于第二液流的第二进口的第一筛分通道；该第一筛分通道进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，所述第一筛分通道适于在第一液流中允许第一液流中多种成分的第一成分沉积入第二液流，以形成富集的第二液流和贫化的第一液流，同时将多种成分的第二成分保持在第一液流中；第二光学透明的筛分通道，其具有与用于第一液流的第一出口连接的第一光学入口和第一光学出口，该第二光学透明的筛分通道进一步具有用于第三液流的第二光学入口和用于第三液流的第二光学出口；以及与该第二光学透明的筛分通道连接的全息光学陷阱系统，该全息光学陷阱系统适于产生全息光学陷阱，以选择和从第一液流移动第二成分进入第三液流。
49.一种分离多种细胞的方法，该方法包括提供具有多种细胞的第一液流；提供第二液流；用第二液流与第一液流接触以提供第一分离区；以及分异性地将多种细胞的第一细胞移动到第二液流中，同时将多种细胞的第二细胞保持在第一液流中。
50.如权利要求49所述的方法，进一步包括分异性地从具有第二细胞的第一液流中去除具有第一细胞的第二液流。
51.如权利要求49所述的方法，进一步包括提供第三液流；用第三液流与第一液流接触以提供第二分离区；以及分异性地将多种细胞的第二细胞移入第三液流，同时将多种细胞的第三细胞保持在第一液流中。
52.如权利要求49所述的方法，进一步包括以全息方式地从第一液流分离出众多的第二细胞。
53.如权利要求49所述的方法，进一步包括以全息方式从第一液流中去除多种污染物或生物学碎片。
54.如权利要求49所述的方法，其中，第一液流和第二液流的每个均具有不同密度，以在第一分离区内提供梯级密度梯度。
55.如权利要求49所述的方法，其中，通过等密度或速率带状沉降从第一液流去除第一细胞。
56.如权利要求55所述的方法，其中，所述第一细胞是无活性或不游动的精子细胞。
57.如权利要求49所述的方法，其中，通过自身活动性将第一细胞从第一液流中移除。
58.如权利要求57所述的方法，其中，所述第一细胞是游动的或有活性的精子细胞。
59.一种用于分离多种细胞的装置，该装置包括用于提供具有多种细胞的第一液流的部件；用于提供第二液流的部件；用于将第二液流与第一液流接触以提供第一分离区的部件；以及用于分异性地将多种细胞的第一细胞移动到第二液流中、同时将多种细胞的第二细胞保持在第一液流中的部件。
60.如权利要求59所述的装置，进一步包括用于分异性地从具有第二细胞的第一液流中去除具有第一细胞的第二液流的部件。
61.如权利要求59所述的装置，进一步包括用于提供第三液流的部件；用于将第三液流与第一液流接触以提供第二分离区的部件；以及用于分异性地将多种细胞的第二细胞移入第三液流中、同时将多种细胞的第三细胞保持在第一液流中的部件。
62.如权利要求59所述的装置，进一步包括用于以全息方式从第一液流分离众多第二细胞的部件。
63.如权利要求59所述的装置，其中，第一液流和第二液流的每个均具有不同密度，以在第一分离区内提供梯级密度梯度。
64.如权利要求59所述的装置，其中，用于从第一液流去除第一细胞的部件是通过等密度或速率带状沉降。
65.如权利要求64所述的装置，其中，第一细胞是无活性或不游动的精子细胞。
66.如权利要求59所述的装置，其中，用于将第一细胞从第一液流移除的部件是通过自身活动性。
67.如权利要求66所述的装置，其中，第一细胞是游动的或有活性的精子细胞。
68.一种从流体中的多种成分分离出一种成分的装置，该装置具有长度对宽度的长宽比，该装置包括具有用于第一液流的第一进口和用于第二液流的第二进口的第一筛分通道；第一和第二液流的每个具有沿装置长度的液流方向，该第一筛分通道进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，该第一筛分通道适于在第一液流中允许第一液流中多种成分的第一成分可选地移动入第二液流，以形成富集的第二液流和贫化的第一液流，同时在第一液流中保持多种成分的第二成分；以及长度对宽度的长宽比小于大约2∶1。
69.如权利要求68所述的装置，其中，长度对宽度的长宽比从大约2∶1到1∶2。
70.如权利要求68所述的装置，进一步包括第二光学透明的筛分通道，其具有与用于第一液流的第一出口连接的第一光学入口和第一光学出口，该第二光学透明的筛分通道进一步具有用于第三液流的第二光学入口和用于第三液流的第二光学出口；以及与该第二光学透明的筛分通道连接的全息光学陷阱系统，该全息光学陷阱系统适于产生全息光学陷阱，以选择和从第一液流移动第二成分进入第三液流。
71.一种从流体混合物分离多种成分的系统，该系统包括流动板，其具有用于第一液流和第二液流的多个进口并具有用于第一液流和第二液流的多个出口，该流动板进一步具有至少一个分离区，在该分离区中，第一液流和第二液流基本上是层流；多个泵，以控制第一液流和第二液流的流速；温度控制器，其控制第一液流和第二液的温度；以及计算机，其适于提供用户输入，以控制多种成分在分离区内从流体混合物中分离。
全文摘要
一种用于分离流体中的多种成分(A、B、C、D)的装置(100)，其包括一光学透明的筛分通道(110)，其具有用于第一液流(W)的第一进口(120)，用于第二液流(X)的第二进口(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)；与光学透明筛分通道(200)连接的全息光学陷阱系统(210)，其用于将第一液流(W)中的多种成分(A、B、C、D)的第一成分(A)可选地移到第二液流(X)中，以形成富集的第二液流(X)。
文档编号B01D61/00GK1871058SQ200480030689
公开日2006年11月29日 申请日期2004年9月3日 优先权日2003年9月4日
发明者埃米·安迪生, 刘易斯·格鲁伯, 丹·米特, 约瑟夫·普莱瓦, 杰西卡·沙伊尔曼, 尼尔·哈里斯·罗森鲍姆 申请人:阿尔利克斯公司