用于分选微流体颗粒的设备和方法与流程

背景技术：

用于颗粒分选的仪器在生物学研究中具有广泛的用途。颗粒分选技术的一种主要应用是分选生物细胞。基于细胞内的荧光标记的测量来分选细胞的手段通常被称为荧光激活细胞分选法(facs)。颗粒分选的其他应用包括固体珠粒或者载流体中的一种液相的液滴的分选。例如，非水相载流体中的水相液滴可以用于容纳细胞。因此，待分选颗粒可以是例如细胞、珠粒或者含有其他颗粒的液滴。

一种细胞分选技术的新应用是细胞疗法的产生。很多更新的细胞疗法需要分选大量的细胞。例如，很多新的自体t-细胞疗法要求将相对少见的t-淋巴细胞亚群从外周血单个细胞(pbmc)分选出来。通常而言，必须在相当短的一段时间内将大量的细胞分选出来(例如，在约一个小时内10⁹个细胞)，并且对所需细胞(所述细胞通常可以占总外周血单个细胞的1-10％)的回收必须是高纯度、收率和活力。目前没有能够满足这些要求的分选技术，无论以实验仪器的形式还是以细胞疗法制造仪器的形式。

目前的细胞分选仪器的其他缺点是：由于它们未考虑对于操作者或者患者的“由设计带来的安全性(safebydesign)”，它们不适用于治疗产品的gmp(优质生产规范)生产。这是因为被流体润湿的部件很难与仪器分开成为封闭式一次性消耗品，并且它们产生可能伤害操作者的气溶胶。

本文所描述的解决方案提供一种颗粒分选技术，所述颗粒分选技术适用于在封闭式微流体芯片中，在短时间量内，以高活力、收率和纯度分选大量的细胞，所述封闭式微流体芯片可以被集成为一次性消耗品。

在过去的几十年内，已经发明了很多微流体颗粒分选技术，然而，很少有微流体颗粒分选技术已经实现商业应用。一个常用的主题是“单接合分选器(single-junctionsorter)”的主题，在单接合分选器中，入口通道分叉为两个输出通道：“分选”通道和“废物”通道。通常通过水动力聚集区，将进入入口通道的颗粒聚集至输入通道的中央，并且输出口朝向废物通道被流体动力地偏移，从而使得中央流线流入废物中。被定位在分叉点处或者分叉点上游的致动器选择性地在所需颗粒上(或者在所需颗粒周围的流体上)施加力，以使所需颗粒远离所述中央流线移动并且进入分选通道中。已经论证了具有各种致动器的微流体颗粒分选器，例如基于表面声驻波(standingsurfaceacousticwave)、瞬态表面声波(transientsurfaceacousticwave)、压电致动的移位、微型机械阀、光钳、电泳、介电泳和由激光吸收或者由电加热产生的热蒸汽气泡的致动器。

将颗粒聚集到入口通道的中央是很多颗粒分选器的重要部分，出于两个原因：首先，这允许通过聚焦的激光光束更加精确地对颗粒进行光学测量；其次，这允许通过致动器对颗粒进行更小的偏向，以将颗粒从废物流推向分选流。水动力聚集的可替代选择是由us7,340,957描述的声学聚集和由us9,347,595描述的惯性聚集。

已经论证了使用热蒸汽气泡致动器的微流体颗粒分选器。通过电加热来产生气泡。热蒸汽气泡致动器设置于侧通道内。侧通道的作用是聚集和放大由气泡引起的流体移位，从而使得可以通过由气泡本身所直接引起的瞬态移位来分选颗粒。然而，侧通道的不利之处在于它使得微流体芯片复杂化，需要芯片上的空间和它自己的入口或者加注口(fillport)。

在易碎颗粒(例如生物细胞)的情形下，使用任何单接合分选器所能够达到的分选速率都具有上限。这一上限大约为颗粒能够承受而没有破损的最大剪应力。对于哺乳动物的细胞，这一速率为约20,000s^-1。因此，没有这种形式的单接合分选器能够实现规定的一个小时内10⁹个细胞或者280,000/s的分选速率。

在微流体芯片中并行设置颗粒分选器的尝试(为了提高分选速率)已经遭遇到了艰巨的技术挑战，所述技术挑战起源于需要并行设置光学仪器以测量芯片上的并行分选器的阵列。例如，对于并行分选器中的激光照射的荧光测量，激光焦点必须进行分裂或者并行设置，并且同时与微流体分选器的阵列对准。然后必须并行设置收集光学器件，或者是通过横跨阵列进行扫描或者是通过为每一个发射波长通道提供阵列式检测器。以高灵敏度收集来自分选器的光需要高数值孔径的物镜。然而，芯片上的并行分选器的阵列占据了比单个通道更宽的视野。因此实现等同的光收集效率需要成比例地更大并且更昂贵的物镜，以及更大和更昂贵的滤光片和光学系统的其他元件。分选器的一维阵列对物镜的二维视野不能物尽其用。此外，使微流体芯片上的分选器的阵列的横向尺寸最小化是具有挑战性的，因为空间被输入和输出总管、水动力聚集区和致动器(所有这些都必须并行设置)使用了。在并行设置的微流体分选器中，所有的单个分选器都必须以高保真度同时工作，否则所分选的颗粒群的纯度和收率会显著变差。

技术实现要素：

根据本发明的一方面，提供一种用于微流体颗粒分选器的单接合分选器，所述单接合分选器包括：输入通道，所述输入通道被配置以接收含有颗粒的流体；输出分选通道和输出废物通道，所述输出分选通道和所述输出废物通道每个都连接至所述输入通道，用于接收来自所述输入通道的流体；气泡发生器，所述气泡发生器可操作以选择性地使待分选颗粒周围的流体移位，从而在所述输入通道中产生所述流体的瞬变流；和旋涡元件，所述旋涡元件被配置以在所述瞬变流中引起旋涡，以将所述待分选颗粒引导至所述输出分选通道。

所述旋涡元件使得在瞬变流中产生旋涡，所述瞬变流通过致动所述气泡发生器而提供。所产生的旋涡随着所述待分选颗粒向下游行进，并且导致朝向并且进入所述输出分选通道的所述颗粒发生移位(即，横向于流动轴移位)。这种移位大于在没有旋涡元件时通过致动所述气泡发生器所导致的移位，并且因此所述旋涡元件消除了在侧通道中提供气泡发生器的必要。这有利地允许在芯片上有效地并行设置根据本发明所述的单接合分选器。

如在本文中使用的，词语“颗粒”涵盖了生物细胞、固体珠粒和载体流体中的一种液相的液体液滴(例如非水相载体流体中的水相液滴)。液体液滴本身可以含有其他颗粒。

如在本文中使用的，词语“流体”涵盖了(通常以液相或者气相的形式的)水相流体和非水相流体两者。出于本发明的目的，这样的流体通常含有颗粒，但是也可以使用不含有颗粒的流体。

本领域技术人员将理解术语“颗粒”和“流体”不限于上述定义，还应当根据它们在本领域所理解的意思来理解术语“颗粒”和“流体”。

在整个本说明书中，术语“输出分选通道”、“分选输出通道”和“分选出口”可以互换使用。类似地，“输出废物通道”应当被理解为可与“废物输出通道”和“废物出口”互换。

旋涡元件可以包括输入通道中的突起。旋涡元件可以包括输入通道中的转弯(turn)。旋涡元件可以包括输入通道中的凹陷。旋涡元件可以位于气泡发生器和输出分选通道之间。应当理解，旋涡元件可以采用适合于提供用于将所选择的颗粒引导至输出分选通道的旋涡的任意形状、形式或者几何结构。

气泡发生器可以包括微加热器。在这种情形下，所述流体可以是对于所述微加热器具有足够的挥发性以产生气泡的任意流体，例如水、水相溶液或者非水相载体媒介。

单接合分选器可以被配置以在不操作所述气泡发生器并且因此没有所述瞬变流时，将所述颗粒引导至所述输出废物通道。

所述单接合分选器可以包括惯性聚集部，所述惯性聚集部被配置以沿着所述输入通道的中央集中所述流体中的所述颗粒。所述惯性聚集部可以包括蜿蜒的通道。所述输入通道可以包括所述惯性聚集部。

根据本发明的第一方面的实施例，在操作单接合分选器期间，可能累积了碎片。为了解决这一问题，单接合分选器可以包括阀，所述阀被配置为关闭以阻止流体穿过所述输出分选通道，以便干扰所述流体的流动，从而将累积的碎片朝向所述输出废物通道引导。

如本文中使用的，词语“阀”涵盖常规的流动控制设备(例如常开式电磁阀)以及能够选择性地实质上使所公开的实施例的分选输出通道中的流动停止的限流器。

可以将阀替换为能够在支持输出的通道中选择性地实质上使流动停止以将碎片引导至废物通道的任意种类的流动限制设备、限流器、闭合机构/装置、流动转向机构/装置或者阻挡机构/装置。此外，只要充分地限制流动，以干扰流体的流动并且将累积的碎片朝向输出废物通道引导，不必完全地阻塞通道。

根据本发明的另一方面，提供一种微流体颗粒分选器，包括由多个单接合分选器构成的阵列，其中每一个单接合分选器如本文上文所述。

所述微流体颗粒分选器可以包括由多个微透镜构成的阵列，其中每一个微透镜与所述由多个单接合分选器构成的阵列中的一个相应单接合分选器对准。

在所述微流体颗粒分选器中，所述多个单接合分选器的多个输入通道可以通过入口总管连接至共同的入口；所述多个单接合分选器的多个输出废物通道可以通过废物总管连接至共同的废物出口；和所述多个单接合分选器的多个输出分选通道可以通过分选总管连接至共同的分选出口。

所述微流体颗粒分选器可以包括物镜装置(objectivelensarrangement)，所述物镜装置包括一个或者多个物镜。出于表征所述流体中的所述颗粒的目的，所述物镜装置可以被配置以将光传送至所述由多个单接合分选器构成的阵列中的每一个单接合分选器，并且收集来自于所述由多个单接合分选器构成的阵列中的每一个单接合分选器的光。因此，通过至少一个物镜来传送和收集用于控制分选和颗粒表征的光，所述至少一个物镜覆盖由多个单接合分选器构成的二维阵列的整个区域，因为所述物镜装置被配置以照射所述二维阵列的整个区域。

根据本发明的一方面，提供一种使用如本文上文所描述的单接合分选器来分选颗粒的方法，所述方法包括：向所述输入通道提供含有颗粒的流体流；和操作所述气泡发生器以选择性地使待分选颗粒周围的流体移位，从而在所述输入通道中产生所述流体的瞬变流，所述瞬变流与所述旋涡元件相遇，以在所述瞬变流中引起旋涡，以便将所述待分选颗粒引导至所述输出分选通道中。

本发明的另一方面提供一种颗粒分选器，包括：输入通道，所述输入通道被配置以接收流体；输出分选通道和输出废物通道，所述输出分选通道和所述输出废物通道每个都连接至所述输入通道，用于接收来自所述输入通道的流体；和阀，所述阀被配置为关闭以阻止流体穿过所述输出分选通道，以便干扰所述流体的流动，并且由此将累积的碎片朝向所述输出废物通道引导。

本发明还提供一种在本发明的所述另一方面的在颗粒分选器中清除累积的碎片的方法，所述方法包括：将流体引导至所述输入通道中；和关闭所述阀，从而干扰所述流体的流动，以将所述累积的碎片朝向所述输出废物通道引导。

附图说明

现在将参照附图通过示例的方式来描述实施例，在附图中：

图1示出二维阵列微流体分选器芯片；

图2示出芯片构造的细节，包括层的制造结构；

图3示出芯片的第一层的细节；

图4示出芯片的第二层的细节；

图5示出芯片的第三层的细节，视图5a和视图5b示出不同视角的第三层的上表面，视图5c示出第三层的下表面；

图6示出不同视角的芯片的第四层的细节，视图6a和视图6b示出两个视角的第四层的上表面；

图7以平面剖面和横断面剖面示出热气泡致动器的细节；

图8示出电连接器的细节；

图9示出单接合分选器的细节；

图10示出惯性聚集部的细节；

图11示出单接合分选器的第二实施例的细节；

图12示出单接合分选器的第三实施例的细节；

图13示出光学测量设备的细节；

图14示出控制系统的细节；

图15示出单接合分选器的第三实施例的操作；

图16示出本发明的单接合分选器的允许多路分选的可替代实施例，视图16(a)和视图16(b)分别示出用于3条路径的分选和5条路径的分选的设计。

具体实施方式

由在图1中所绘制的微流体芯片来实施分选器，微流体芯片具有入口101和两个出口：废物出口102和分选出口103。入口的下游首先是入口总管(manifold)104，接着是惯性聚集区105，然后是由多个单接合分选器106构成的二维阵列，然后是废物总管和分选总管(107和108，在图中重叠了)，废物总管和分选总管与废物出口和分选出口连接。在芯片的边缘上的是电连接器109。

芯片结构在图2中详细示出，并且由多个不同功能的层组成。第一层201是厚度为300μm的玻璃片，其在下表面密封芯片，并且提供用于沉积薄膜特征的基底，薄膜构成热蒸汽气泡致动器和电接触(如下文所述)。第二层202由厚度为60μm的聚二甲聚硅氧烷(polydimethylsilicone，pdms)的微模制(micromoulded)片构成，并且包括如下文所述的一组微通道。第三层203由厚度为300μm的环烯烃聚合物(cyclicolefincopolymer，coc)的微模制层构成，并且包括位于一面上的深度为60μm的微通道和长度为240μm的贯穿层的过孔(vias)。第四层204由厚度为300μm的微模制coc构成，并且在上表面上密封芯片。使用本领域习知的有机硅烷表面功能化、等离子体处理、热融合和对准/键合设备将多个层键合在一起。

图3示出第一层201的设计。热蒸汽气泡致动器包括薄膜金属电阻302的二维4×4方形阵列，在此之后将每个薄膜金属电阻302称作微加热器。每个微加热器通过导电迹线303连接至接触垫片304，并且在另一侧上连接至公共接地垫片305。

图4示出第二层202的设计。输入总管104分裂为宽度为100μm并且间距为250μm的16个通道的阵列。这些通道的每一个是单接合分选器的输入通道400。输入通道包括由对称蜿蜒通道401构成的惯性聚集部。然后输入通道连接至分选接合部402。将多个分选接合部设置为二维4×4方形阵列，二维4×4方形阵列在两个方向上的间距均为1mm，以使得每一个分选接合部与第一层的微加热器(302，图3)对准(在下文详细描述准确的对准)。在分选器接合部，输入通道分裂为宽度为71μm的废物通道和宽度为56μm的分选通道。废物通道404沿芯片延续，在延续处，废物通道404是接合废物总管107的由16个平行废物通道构成的阵列的一部分。分选通道403到达第二层中的终点，在终点处，分选通道403穿过过孔延续至下文所述的第三层中。

图5示出第三层203的设计，并且呈现了透视图(图5a)以及上表面(图5b)和下表面(图5c)的图示。第三层提供了分选通道的延续。在第二层中的多个分选通道的终点与呈二维4×4方形阵列的多个贯穿层的过孔对准，每个贯穿层的过孔的直径为100μm。分选通道穿过这些过孔从下表面延伸至上表面的16个平行微通道502的阵列，每一个微通道502的宽度为56μm。然后，分选通道接合分选总管108。第三层还提供用于输入口503的过孔和用于废物输出口504的过孔，用于输入口503的过孔和用于废物输出口504的过孔分别与第二层中的输入总管的终点和废物总管的终点对准。

图6示出第四层204的设计，并且呈现了上表面的图示(图6a)和透视图(图6b)。第四层密封第三层的微通道。第三层还提供输入口101、废物输出口102和分选输出口103。这些口由贯穿层的过孔构成，其分别与过孔503、过孔504和分选总管108的终点对准。

在图7中呈现热气泡致动器的细节，示出平面图的图示(图7a)和横截面剖面的示意图(图7b)。微加热器302包括与导电迹线303重叠的连接部701和尺寸为50x50μm的方形部702，由于方形部702不与任何其他导体重叠，方形部702是微加热器的有效部分(activepart)。热气泡致动器包括在玻璃基底201的顶面上通过薄膜沉积技术制备的多个层。这些层按顺序为：由氮化硅构成的厚度为150nm的钝化层801、由钛构成的厚度为100nm的电阻302、由氮化硅构成的厚度为150nm的第二钝化层802和由钽构成的厚度为250nm的抗气蚀层803。导电迹线由20nm的镍铬和100nm的金构成。

热气泡致动器通过其导电迹线连接至电连接器109：在图8中显示这种设计。

在图9和图10中显示单个单接合分选器的细节。图9示出分选接合部402，在分选接合部402处，输入通道400分成分选通道403和废物通道404。在输入通道的侧部中的宽度为50μm的凹陷901与微加热器702的有效部分对准，并且设置在接合部的上游的300μm处。图10示出由对称蜿蜒的通道构成的惯性聚集部401。每一个惯性聚集部由交替方向的40个圆弧构成，每一个圆弧的(在通道中心线处的)半径为210μm并且弧度为90°。

在图11中示出仅包括一个单接合分选器的第二实施例。入口总管104连接至入口通道400，入口通道400包括蜿蜒的惯性聚集部401。然后入口通道到达分选接合部402并且分裂为分选通道403和废物通道404。分选通道403和废物通道404延续至分别与分选总管108和废物总管107接合。

在图12中示出单接合分选器的第三可替代实施例。单接合分选器包括主入口通道400(尺寸：宽度100μm，高度60μm)，微加热器702(尺寸：长度100μm，宽度40μm)位于离开左壁(向下看向芯片，如图所示)的凹陷901中。在凹陷之后，通道构成90°右转部1201，延续100μm，然后构成90°左转部1202。紧接着所述左转部的是在左壁上的第二三角形凹陷1203(尺寸：长度100μm，宽度40μm)，使得在左转部和第二凹陷之间形成锐角边1204。在第二凹陷之后，在到达开口区1206(宽度140μm)之前，通道包括收缩区1205(宽度90μm)，然后分裂为两个对称的宽度为60μm的通道。左边的通道是分选通道403，并且右边的通道是废物通道404。

颗粒分选器的操作如下。

以大约5ml/min的速率将输入的颗粒悬浮液供应至输入口101，输入的颗粒悬浮液可以是例如密度高达约4×10⁶个细胞/ml的、直径通常为8μm的淋巴细胞的水相悬浮液。输入总管104将悬浮液均等地分送至16个输入通道400中。

惯性聚集部401使得颗粒在输入通道的中央准确地排成一行。它被设计为提供如下流动条件：对于中央流线的流动速率，优选地在1m/s和4m/s之间，更优选地为2m/s。对于水相悬浮液中的淋巴细胞，这一流动的迪恩数为大约20，通道雷诺数为大约120，并且颗粒雷诺数在2-5的范围内。我们已经通过实验发现：在这样的惯性聚集部中的代表性颗粒自发地向通道的中央聚集。其他实施例可以将任意类型的颗粒聚集部用作惯性聚集部401的可替代选择。本领域已知各种类型的在微流体通道中能够以流线排列颗粒的颗粒聚集部，例如鞘流法或者水动力聚集、声学聚集和介电泳聚集。

通过正好在微加热器702的上游的902处聚焦的激光器来对颗粒进行光学测量。光学测量通常包括荧光、光的前向散射和反向散射，并且将在下文描述用于它们的测量的光学读取设备。在优选的实施例中，每一个单接合分选器具有单个激光焦点。然而，在可替代实施例中，在非常接近微加热器的上游处，例如在903处和904处，可以提供分开的激光焦点。控制系统实时评估光学测量，并且在每一个单个颗粒到达微加热器之前，决定是否分选或者丢弃它。

如果决定丢弃所述颗粒，则该颗粒继续处于它的进入废物通道404中的流线中。然而，如果决定分选所述颗粒，则启动热蒸汽气泡致动器，使得所述颗粒进入分选通道403中。启动操作如下：在接触垫片304和接地垫片305之间施加电压为20v并且持续时间为2μs的电脉冲，从而使得电流流动并且在微加热器处耗散受控量的能量。通道中的邻近微加热器的液体被快速加热并且经历从液体到气体的相变，形成在约10μs内膨胀并且破裂的微小的蒸汽气泡。因此，微加热器驱动了颗粒周围的液体的瞬态移位。由于流体自身的惯性，移位随着被移位的流体向下游移动而增加，从而使得当颗粒到达分选器接合部402时，它的横向移位为约20μm，该横向移位足够大以将颗粒携带至分选通道而非废物通道。

废物总管107和分选总管108收集16个单接合分选器的输出，并且将它们携带至废物输出口102和分选输出口103。

在图13中详细示出用于测量荧光、前向散射和反向散射的测量值的光学读取设备。光的激光源1301用于荧光激发。光束穿过二维4×4微透镜阵列1302，其形成点的二维图案，然后通过透镜1303和1306在芯片上成像。偏振光束分光器1304仅使光的一种偏振透过，之后从长通分色镜1305反射所述偏振态。透镜1306将光同时聚焦于微流体芯片1307的4×4的单接合分光器阵列上。(每一个聚焦点在单个单接合分选器的位置902处形成，如上文所述)。从微流体芯片反射回来的反向散射光由透镜1306收集，然后由反射镜1305反射，然后进入光束分光器1304。然后正交于照射光束的偏振被反射并且被偏振镜1308净化，然后被透镜1309聚焦，并且作为一组单个点由二维4×4阵列光检测器1310进行检测。

虽然可以根据落射式(epi-)和穿透模式的可替代实施例来收集荧光检测，但在这一实施例中提供了落射式荧光检测(epifluorescence)。透镜1306收集来自反向散射的光和来自荧光的光两者。长通分色镜1305使荧光的光(荧光的光的波长比照射光长)透过。然后这种光穿过一连串的荧光检测模块1330。每一个模块被设计以在特定的波段内检测波长，并且将更长的波长透射至下一个模块。每一个荧光检测模块1331具有长通分色镜1311、带通滤光片1312、聚焦透镜1313和二维4×4阵列的光检测器1314。通过堆叠具有长通滤光片和带通滤光片的正确选择的多个模块，可以同时检测多个不同的光谱范围，正如本领域所习知的那样。来自微流体芯片的前向散射的光被透镜1315所收集和准直，然后被长通分色镜1316反射，在这之后通过偏振镜1317进行滤光，以消除直接透射的光。然后，前向散射的光穿过暗场掩膜1318，暗场掩膜1318阻挡直接透射的光并且选择用于前向散射检测的角度区间。然后前向散射的光被透镜1319聚焦并且用二维4×4的光检测器1320阵列进行检测。

除了反向散射、前向散射和荧光的测量，还提供微流体芯片的成像，以允许照射光源在芯片上的聚焦和对准。透射成像使用第二准直光源1321，第二准直光源1321的波长长于根据荧光检测模型所测量的波长。这种光穿过所有的分色镜1311、透镜1306、微流体芯片1307、透镜1315和分色镜1316进行传播。然后具有额外的带通滤光片1322以去除杂散光，然后透镜1323将光聚焦于摄像机1324上。光源1321提供持续的照射或者由颗粒检测事件所触发的短脉冲，以允许在分选程序期间进行监测和控制。

在另一个实施例中，微流体芯片集成有贴附至玻璃基底的与微通道相对的一侧的二维微透镜阵列。每一个透镜与每一个单接合分选器上的激光聚焦点902对准。微透镜用于增加从每一个单接合分选器收集荧光的效率。

分选器的控制系统在图14中详细示出并且描述如下。控制系统对于每一个单接合分选器具有一个信号处理方框1401，从而针对4×4个并行的微流体颗粒分选器构成16个处理方框。每一个信号处理方框具有用于4个荧光通道、前向散射信号和反向散射信号的6个模拟输入。多通道模数转化器(adc)使信号数字化，并且跨过数字接口将信号传送至现场可编程门阵列(fpga)。fpga执行峰值检测和表征算法，并且决定是否对那个通道启动热气泡致动器以转移细胞。峰值检测和表征算法在细胞计数的领域是习知的，并且在本文中将不再进行描述。将致动信号传递至多个并行的驱动晶体管的方框1402处。

在每一个信号处理方框中，外部存储器与fpga中的软处理器交互，并且允许存储来自峰值表征的数据，直至需要这些数据，例如在运行的终端需要这些数据，以收集用于分析的细胞的峰值数据。当需要这些数据时，控制处理器进行请求并且依次上传来自每个方框的数据。另外，控制处理器用于向fpga发送数据，例如用于峰值检测算法的阈值和参数、分选脉冲的参数和控制分选过程的命令。

热气泡致动的效果通过单接合分选器的几何结构来放大，这通过图15中描绘的流体流动模拟来显示。这里我们使用上述第三实施例的单接合分选器的几何结构来说明流体的流动(对于几何结构的特征，参阅图12)。由于流体的巨大惯性(通道雷诺数为约120)，右转弯1201和左转弯1202造成流入分选通道403中的流量大于流入废物通道404中的流量，从而使得在没有热气泡致动时，在中央的流线上的接近接合部的颗粒将通过废物通道离开。然而，当启动了热蒸汽气泡时，气泡的生长和破裂使流体快速地移位，首先远离微加热器移位，然后朝向微加热器位移。随着气泡的生长，瞬变流导致在第二凹陷1203的壁的附近形成旋涡。在这一时间点，旋涡离开主流并且与颗粒具有很少的相互作用。然而，当气泡破裂时，瞬变流导致在锐角边1204的周围形成“分选旋涡”1501，随后分选旋涡随主流向下游移动。由于分选旋涡随待分选的颗粒向下游移动，它造成了比由单独的热蒸汽气泡造成的颗粒的直接移位大得多的横向移位。示出了被分选的颗粒1502和未被分选的颗粒1503的轨迹。

很多可替代实施例也可以产生这样的分选旋涡，例如，在分选结合部的上游将凹陷、弯曲或者边缘置于单接合分选器中。

在图16(a)和16(b)中示出单接合分选器的另一个可替代实施例，以允许多路分选。图16(a)和16(b)中示出的实施例分别提供了3条路径和5条路径的分选。这些实施例的每一个包括主入口通道400和位于离开左壁(向下看向芯片，如图所示)的第一凹陷901中的微加热器702。在第一凹陷901之后，具有位于左壁上的第二凹陷1203，从而在两个凹陷901和1203之间形成锐角边1204。在第二凹陷1203之后，在分裂为多个对称通道1602和1603之前，所述通道包括笔直区1601。中央的通道1603是废物通道，并且两旁是隔开的分选通道1602。在可替代实施例中，可以提供任意数量的分选输出口。在这些可替代实施例中，通常将这样提供废物通道1603：使得在流体的平衡流动期间，实质上朝向这一废物通道引导流体。

在操作中，通过以下方法使用单个热气泡致动器，以将颗粒移位至多路分选输出口中的任意一个。分选旋涡1501的特征在于相对于流动路径变化位置的流动分布：位于旋涡中心前方的颗粒朝向左方移位，而位于旋涡中心后方的颗粒朝向右方移位。颗粒的总移位取决于到旋涡的距离。因此，通过相对于颗粒位置而小心地设置启动的时间，可以将总移位校准至与相应输出通道的位置匹配。然后对控制系统编程，以与多路分选输出口的每一个对应的一组时间延迟来给出启动脉冲。

在操作中，对于很多类型的颗粒悬浮液，碎片具有在分选接合部累积并且阻塞或者堵塞分选器的倾向。根据另外一个实施例，在分选出口处(或者在分选出口的下游)设置阀，例如常开电磁阀。该阀能够阻止分选出口通道中的流动。疏通接合部的技术是暂时关闭该阀，这导致液体流在分选接合部周围改变，从而将任何碎片清除到废物通道中。通常将阀关闭0.1秒至20秒之间的时间，更通常地为约1秒，以具有疏通作用。可以周期性地启动阀，或者在通过使用摄像机在接合部检测到碎片的任何时候启动阀。

在多路分选的实施例的情形中(图16(a)和16(b))，疏通机构在多个分选输出口中的每一个上包括单独的阀。在操作中，将一个或者多个分选输出口暂时地关闭，以具有疏通作用。

除了在分选出口上提供阀之外，或者作为在分选出口上提供阀的可替代选择，可以在废物出口上提供阀，从而使得当关闭所述阀时，朝向一个或者多个分选输出口引导碎片。

可以将阀替换为能够在支持输出的通道中选择性地实质上阻止流动以便将碎片引导至废物通道的任意种类的流动限制装置、限流器、闭合机构/装置、流动转向机构/装置或者阻挡机构/装置。此外，只要充分地抑制流动，以干扰流体的流动并且将累积的碎片朝向输出废物通道引导，则无需完全地阻塞通道。

本发明提供能够以远高于迄今为止可能的分选率的分选率分选易碎颗粒(例如生物细胞、珠粒或者含有其他颗粒的液滴)的微流体颗粒分选器。本发明通过提供适用于在微流体芯片上并行设置的单接合分选器来实现高分选率。可以以二维阵列的方式在芯片上设置多个单接合分选器，这允许有效地使用物镜的视野。通过单接合分选器的设计来使这一二维阵列能够实现，这允许在芯片上的密集封装。每一个单接合分选器提供没有侧通道的气泡发生器(例如热蒸汽气泡)和液流进入分选通道和废物通道的分叉。选择单接合分选器的几何结构，使得启用热蒸汽气泡会导致产生“分选旋涡”，分选旋涡随待分选颗粒向下游行进，从而造成比由单独的热蒸汽气泡产生的直接移位大得多的颗粒的横向移位。

可以设置多个单接合分选器，以使得它们的输入通道从共同的输入总管分叉，它们的输出通道合并为共同的分选总管，并且它们的废物输出通道合并为共同的废物总管。单接合分选器的通道宽度可以被选择为使得当在输入口和输出口之间施加压力差时，每一个单接合分选器经历相同的输入流速，并且经历向下流向分选输出口和废物输出口的相同比率的流体。

可以理解已经根据本发明的优选实施例描述了本发明，并且在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的前提下，本发明可以以多种不同的方式进行修改。