用于颗粒分选的方法和设备与流程

无

通过引用合并

本说明书中提到的所有公开案件和专利申请在此通过引用如同各个单独的公开案件或专利申请明确且独立地指出而通过引用并入那样以其整体且以同样内容并入本文中。

技术领域

本文描述了用于自动地分选和分布微粒如单个细胞的设备(装置和系统)及方法。这些技术可具体用于生物和医疗应用。

背景技术：

流式细胞仪用于区分各种类型的细胞和其它类似的小颗粒。常规流式细胞仪通常包括一般由石英制成的光学上透明的流体腔，其具有中心通道，将单独地识别的细胞流流过该中心通道。细胞流穿过流体腔通道的移动由无细胞鞘液水动力地卷吸到流体腔通道的中心纵轴线，鞘液环形围绕细胞流，且在其穿过流体腔通道时连同细胞流流动。在各个细胞穿过流体腔通道的细胞检测区时，其由聚焦的辐射束(例如，激光)照射。在照射各个细胞时，激光束以细胞的形态、密度、折射率和大小的图案表征散射。此外，激光束的光谱表征可用于激发与选择细胞相关联的某些荧光染料，这可为细胞的DNA之前已经以此荧光染料染色时或荧光染料分子已直接地或经由中间物与选择类型的细胞联接时的情况。策略上围绕光学流体腔定位的光电检测器用于将各个细胞散射的光和由激励的荧光染料发射的荧光转换成电信号，这些信号在适当地处理时，用于识别照射的细胞。除在各个细胞上进行的散射光和荧光测量之外，一些流式细胞计还通过在各个细胞穿过流体腔时测量各个细胞的某些物理和/或电学性质来进一步分析细胞。细胞可通过分选来有选择性地除去和收集，已经穿过光学流体腔且已经识别的细胞中某些相关细胞(例如，异常细胞)。已经开发出了各种分选技术，包括需要形成和分选包含一个或少量细胞的微滴的方法。

例如，细胞分选构件可包括压电装置，其用于振动流体腔，以便实现从流出流体腔的细胞卷吸鞘液产生微滴流。理想的是，各个微滴包含单个细胞，其通过在此细胞上刚刚进行的光散射和荧光测量来分析细胞类型。微滴流中的各个微滴然后在其穿过一对充电板之间时充静电，且各个充电的微滴在其穿过一对充静电的偏转板之间时，有选择地朝收集容器偏转(或不偏转)，此板仅一次充至微滴偏转极性，以偏转相关微滴(和细胞)。偏转板的瞬时极性由细胞表征处理器确定，该处理器处理来自光学流体腔的细胞测量信号。

此类微粒如细胞在生物研究和医疗应用中很重要。第一细胞分选设备中的一者由Mack Fulwyler(例如，美国专利第3,710,933号)发明。在他的发明中，很小的液滴由静电力分选。大多数商业细胞分选器仍基于此技术，然而已经发明了其它细胞分选方法。细胞可由细胞流的物理偏转分选，如，以气体脉冲将细胞流偏转至期望通道(例如，美国专利第4,175,662号、美国专利申请公布第2011/0030808号)，由压电射束产生的脉冲液压力(美国专利第7,392,908号)，或由磁致伸缩闸(美国专利第7,160,730号)。细胞还可由光压操纵微制造通道中的单个细胞分选(例如，美国专利第8,426,209号、美国专利第7,745,221号、美国专利第7,428,971号、美国专利公布第2008/0138010号)、由声压(美国专利第8,387,803号、美国专利申请公布第2013/0192958号、美国专利申请公布第2012/0160746)、由磁力(美国专利第8,071,054号、美国专利第7,807,454号、美国专利第6,120,735号、美国专利第5,968,820号、美国专利第5,837,200号)，或由介电泳力(美国专利第8,454,813号、美国专利第7,425,253号、美国专利第5,489,506号、美国专利申请公布第2012/0103817号)。所有这些方法通常都涉及复杂的流体系统和精细的电控制系统，这使得细胞分选设备构造昂贵，且难以使用。

此外，大多数已知细胞分选机构注重将混合细胞分选成两个或多个群体。由如美国专利第3,710,933号中所示的静电力分选的微滴是将分选的单细胞实时输送至预定位置的优选机构。令人遗憾的是，微滴分选通常限于将分选的单细胞输送至相对较大的区域(例如，大于5mm直径)；对于小于5mm直径的区域，输送准确性变得很低，因为微滴通常以大于1m/s的速度行进，且将微滴精确地瞄准小于5mm的直径的区域(例如，使用静电力)很难，特别是微滴的速度不是恒定的。例如，当前可用的微滴细胞分选器如BD ARIA III可将单细胞直接地分选成96孔细胞培养板，在该板中，各个孔的区域为大约6.5mm直径，具有70％的准确性。然而，将单细胞分选到大约3mm直径的384孔细胞培养板中不太实际。

相比之下，存在用于将少量液体输送至精确位置的市售技术。例如，FLEXDROP(Perkin Elmer)是能够将少量液体输送至具有小于1mm直径的区域的精确位置的液体分布器。令人遗憾的是，此类液体分布器不可分选细胞。

因此，将有益的是提供一种微粒分选器，其可解决上文所述的问题。具体而言，将有益的是提供能够自动地分选微粒(例如，液体悬浮液中的单独细胞或少量的成组细胞)且将它们在少量液体中输送至小直径孔的方法及设备。本文描述了能够容易地、廉价地且有效地分选微粒的设备及方法。

技术实现要素：

大体上，本文描述了用于微粒分选的设备(例如，系统和装置)和方法，其用于有效地且精确地分选和分布单独的微粒(如单个细胞或少量的成组细胞)到很小的区域。这些方法和设备不需要复杂的流体和控制系统。具体而言，本文描述了流体开关，其可用于基于微粒的流速和/或包围微粒流体的流速来差异性地分选微粒。这些流体开关基于流体的流速差异性地引导流体流过流体开关。此外，这些流体开关可连同识别和控制模块使用，该模块可确定具有预定性质的微粒何时在流体开关内，且可增大(或减小)载有微粒的流体的流速来分选微粒。如本文使用的，流体开关是在材料流过流体开关时基于材料的流速在来自流体开关的两个(或多个)输出之间分选材料的开关。具体而言，本文所述的流体开关可基于穿过输出的流动的阻力之间的差异和各个输出与流体开关之间的界面(例如，流体开关交汇区域)处的不同流体静压来实现差异流动分选。

流体开关通常通过使用连接至离开流体开关的交汇(例如，交汇)区域的不同出口通道(例如，废物出口流动通路和样本出口流动通路)的至少两个出口来操作，其中不同出口流动通路具有差异流动阻力，且各个出口流动通路均具有不同的流体静压。在一些变型中，在低流速(例如，低于低阈值的流速)下，流出流体开关的流将穿过第一出口流动通路；在高流速(例如，高于高阈值的流速)下，流出流体开关的流将穿过第二出口流动通路。具体而言，第一(例如，"低流动")出口流动通路可具有低于第二(例如，"高流动")出口流动通路处的流体静压的流体静压，且沿至第一容器的第一出口流动通路的流体流的阻力可高于沿至第二容器的第二出口流动通路的流体流的阻力。因此，分选可通过改变流体开关中的流体的流速来实现，以便材料(例如，由流体包绕的微粒)从第一输出切换至第二输出。

本文所述的任何流体设备可包含微流体结构和宏流体结构两者，以同时实现细胞分选和细胞分布。例如，流阻和/或流体静压，以及流体开关内的流体的流速，可由微流体或宏流体结构操纵。

此外，本文所述的任何设备都可包括防止流体开关内的流体的流速的混乱(例如，防止流速的意外或非受控变化，如，湍流)的特征。另外，这些系统中的任何一个都可包括除去气泡和/或防止气泡形成的脱气器。此外，穿过流体开关的流动通路可构造成防止或减小湍流。

进入流体开关且在流体开关内的流体的流速可受控。在任何所述设备中，流速可由加压流体引起。因此，用于使用它们的这些设备和方法中的任何一个都可包括使系统和/或真空加压的泵(例如，空气泵)和/或调节压力的压力传感器的操作。

进入流体开关或在流体开关内的流体的流速可在操作期间由任何适合的方法改变。例如，流体的流速可通过增大/减小作用于进入流体开关或在流体开关内的流体流上的驱动力(如，改变压力)，和/或通过将流体加至流体流(本文通常称为包含微粒的样本流体)来改变，其中加入的流体可以以不同速率(例如，更快或更慢)流动。在其它变型中，在开关内或在进入开关之前的样本流体的速率可通过变化流体在其中行进的通道的几何形状(例如，收缩/扩张)来改变。

本文所述的设备还可构造成以便它们可针对操作预先准备或准备好。例如，系统预先准备期间微流体结构中的低液体流速可通过使微流体结构中的流体反向和通过回填具有比液体低得多的流阻的空气来克服。

本文所述的任何装置都可包括以与数字式相机联接的显微镜透镜目视观察，以识别具有预定表征(例如，大小、形状、荧光或其它标记等)的微粒。本文所述的任何装置都可包括测量从微粒发射的荧光的光学光收集系统。

本文所述的用于分选微粒的任何方法都可包括改变流体的和/或流体开关内的流动速率(流速)，流体开关基于流速差别地引导流。例如，一种分选微粒的方法可包括：使样本流体在第一流速下进入流体开关；当具有预定表征的微粒存在于流体开关中时，将样本流体的流速变为第二流速；当样本流体以大致第一流速行进穿过流体开关时，使流过流体开关的样本流体进入废物出口流动通路中；以及当样本流体在大致第二流速下行进穿过流体开关时使流过流体开关的样本流体进入样本出口流动通路。流体开关可基于样本流体的流速来差异性地引导流穿过样本出口流动通路与废物出口流动通路之间的流体开关，因为样本出口流动通路和废物出口流动通路可具有差异流体性质，如，不同流体静压和不同流阻。例如，废物出口流动通路可具有小于样本出口流动通路中的流体静压的流体静压，且沿至废物容器的废物出口流动通路(例如，包括废物出口流动通路和任何附加的废物通道)的流体流的阻力可高于沿至样本容器的样本出口流动通路(例如，包括样本出口流动通路和任何附加的样本通道)的流体流的阻力。在这些实例中的任何一个中，废物出口流动通路和样本出口流动通路可切换(例如，样本出口流动通路可具有低于废物出口流动通路中的流体静压的流体静压，且沿样本出口流动通路的流体流的阻力可高于沿废物出口流动通路的流体流的阻力)。

任何方法和设备都可构造成检测样本流体中具有预定表征的微粒，且还可在微粒将在流体开关中时改变包围微粒的流体的流速。大体上，可使用用于改变流速的任何适合的方法或装置。例如，改变流速可包括通过将能量加至流体、将一种或多种试剂加入流体(例如，粘性改性剂)，或机械地增大或减小流速来加速或减速流体的流速。具体而言，改变样本流体的流速可包括将附加流体传递至流动流体，例如，将附加流体从第二流动通路加入流体开关中，以增大流体开关中的流体的流速。

例如，一种分选微粒的方法可包括：将由流体包绕的微粒传递到流体开关中；当微粒具有预定表征且存在于流体开关中时，将包围微粒的流体的流速从第一流速变为第二流速；以及在包围微粒的流体在大致第一流速下行进穿过流体开关时将微粒经由流体开关传递到废物出口流动通路中，或在包围微粒的流体在大致第二流速下行进穿过流体开关时使微粒经由流体开关传递至样本出口流动通路。当废物出口流动通路中的流体静压低于样本出口流动通路中的流体静压时，和/或当沿废物出口流动通路的流体流的阻力高于沿样本出口流动通路的流体流的阻力时(例如，当微粒经由流体开关行进到样本通道中时)，微粒可流动分选。

本文所述的任何方法可包括检测具有预定表征的微粒。大体上，微粒可为细胞(或在一些变型中为一群细胞)。任何适合的(例如，可检测到的，包括可视觉检测到的)预定表征可被设备使用或用作方法的一部分，以增大/减小包围微粒的流体流，并由此分选颗粒。例如，预定表征可选自以下一个或多个：形状、大小和荧光强度。

流体(包括包围微粒的流体，其可称为样本流体)的流速可通过对发送至流体开关的流体加压来设置。因此，分选的方法可包括将包围微粒的流体加压至预定压力或压力范围。

在另一个实例中，一种分选微粒的方法可包括：在第一流速下将由流体包绕的微粒从第一流动通路传递到流体开关中；在微粒具有预定表征且存在于流体开关中时，通过将流体加至包围微粒的流体来增大包围微粒的流体的流速；在包围微粒的流体在大致第一流速下行进穿过流体开关时将微粒经由流体开关传递到废物出口流动通路中，或在包围微粒的流体在大致第二流速下行进穿过流体开关时使微粒穿过流体开关且传递到样本出口流动通路中；以及其中废物出口流动通路中的流体静压低于样本出口流动通路中的流体静压，且进一步其中，在微粒经由流体开关行进到前往样本容器(例如，多孔板、培养皿等)的样本出口流动通路中时，沿前往废物容器的废物出口流动通路的流体流的阻力高于沿样本出口流动通路的流体流的阻力。如上文所述，添加流体可包括打开控制经由第二流动通路进入流体开关的流的阀门。

这些方法中的任何一个可包括检测样本流体中具有预定表征的微粒(例如，预定表征可选自细胞形状、细胞大小和荧光强度中的一个或多个)。检测可在微粒从微粒源进入流体开关例如通向流体开关的第一流动通路中的流体开关时或之前执行。例如，检测器可包括传感器和/或相机，以及一个或多个透镜(显微镜物镜)来放大图像，以及检查从传感器/相机取得的图像的检测软件，以确定微粒(例如，细胞)是否存在于流体开关中的视场中或即将进入流体开关的视场中。

用于分选本文所述的微粒的方法及设备还可称为连续流，因为包含微粒的流体流可连续地保持在流体开关内，而不会形成之后偏转/分选的微滴。这可允许分选的材料更精确地定位到例如96孔板等中，因为微粒和包围其的流体从流体开关的流体出口配送到目标(例如，多孔板)中。

本文还描述了微粒分选设备。设备可为装置或系统。本文所述的任何微粒分选设备可包括流体开关，其通常包括一个或多个输入(例如，进入流体开关的流动管线)，以及一个或多个输出(例如，离开流体开关的流动管线)。至少一个输入和所有输出都可在交汇区域中的流体开关内完全交汇。

例如，一种微粒分选设备可包括：流体开关；构造成在第一流速下将包围微粒的流体传递到流体开关中的第一流动通路；调节第二流动通路的阀门，第二流动通路构造成将流体开关中的包围微粒的流体的流速增大至第二流速；离开流体开关的废物出口流动通路；以及离开流体开关的样本出口流动通路；其中废物出口流动通路、样本出口流动通路和流体开关构造成以便废物出口流动通路具有低于样本出口流动通路中的流体静压的流体静压，且进一步其中，当微粒经由流体开关行进到样本通道中时，沿废物出口流动通路(前往废物容器)的流体流的阻力高于沿样本出口流动通路(前往样本容器)的流体流的阻力。这些微粒分选设备中的任何一个都还可包括脱气器，其构造成从进入流体开关的流体除去气体(例如，溶解空气)，且/或另外情况下防止气泡出现在流体开关或连接流体管线中。

如上文所述，设备中的任何流体流动通路(管线)都可加压来驱动流体流。例如，设备可包括构造成在流体进入第一流动通路之前加压流体的空气泵。可使用多个空气泵，或单个空气泵可加压多个管线。这些设备中的任何可包括构造成调节流动通路(例如，第一流动通路、第二流动通路或第一流动通路和第二流动通路两者中)中的压力的一个或多个压力调节器。

如上文所述，这些设备中的任何一个都可包括检测器子系统(其在本文中还称为成像模块)，以用于检测具有表征性质的微粒和使用流体开关触发流中的变化以分选检测的微粒。检测子系统可包括传感器如相机或光电倍增管，和/或构造成处理来自相机或光电倍增管的信息的处理器。子系统还可包括一个或多个透镜(显微镜透镜)和/或构造成照亮可能含有微粒的流体的光源。大体上，检测器子系统(例如，图像模块)可构造成检测具有预定性质的微粒。当预定性质包括荧光信号时，子系统可包括荧光检测系统。

这些设备中的任何一个都可包括构造成在微粒处于流体开关中时触动阀门且增大流体开关中的包围微粒的流体的流速的控制器。控制器可包括计时器(例如，延时器)，其构造成延迟增大流速的触动，直到预计微粒适当定位在流体开关(例如，交叉区域)中。在一些变型中，成像子系统可确定微粒的移动速率，且因此设备可计算延时器的延迟，因为成像子系统的成像传感器/相机之间的距离可为已知(和固定)距离。

可使用适合的阀门，如，电磁阀。如所述，阀门可构造成在延迟之后触动。大体上，阀门连接到控制器上，控制器确定何时打开阀门和打开阀门多久(例如，基于微粒的运动速率和其距流体开关的交叉区域的距离)。

大体上，穿过流体开关的流速可部分地由流动通路的几何形状确定。例如，在一些变型中，第二流动通路的直径大于第一流动通路的直径。这可允许以不同于包围微粒流体的速率(例如，更快)移动的流体的加入；因此包围微粒的流体的流速的所得变化可允许由流体开关分选微粒。

如上文所述，流体开关可包括形成流体开关一部分的一个或多个入口和两个或多个出口，以及连接入口和出口的交叉区域。入口/出口与交叉区域之间的部分可称为入口/出口流动通路，如，第一(例如，样本)入口流动通路、第二(例如，冲洗)入口流动通路、第一(或废物)出口流动通路和第二(或样本)出口流动通路。流体开关可包括联接到连接至包含微粒的样本流体源上的样本入口流动通路上的样本入口、联接到连接至冲洗流体源的冲洗入口流动通路上的冲洗入口、联接到连接至废物通道(和随后的废物容器)的废物出口流动通路上的废物出口，以及联接到连接至将分选微粒配送至样本容器的目标部分(例如，多壁板)的样本通道上的样品出口流体的样本出口。

例如，本文描述了一种微粒分选设备，该设备包括：流体开关；进入流体开关的第一流动通路，构造成在第一流速下传递包含微粒的流体的第一流动通路；调节进入流体开关的第二流动通路的阀门，构造成通过将附加流体加入包围微粒的流体来将包围微粒的流体的流速增大至第二流速的第二流动通路；离开流体开关的废物流动通路；离开流体开关的样本流动通路，其中流体开关的废物出口流动通路和样本出口流动通路构造成以便废物出口流动通路具有低于样本出口流动通路中的流体静压的流体静压，且进一步其中，沿前往废物容器的废物出口流动通路的流体流的阻力高于沿前往样本容器(例如，多壁板)的样本出口流动通路的流体流的阻力，以便在样本流体的流速处于第一流速时样本流体进入废物出口流动通路中，且在样本流体的流速处于第二流速时样本流体进入样本出口流动通路；构造成检测微粒的成像模块；以及构造成触动阀门且增大包围微粒的流体的流速的控制器。

本文所述的设备中的任何可包括适用于由成像子系统识别微粒的照明源。

附图说明

图1示出了微粒分选设备的一个实例。

图2示意性地示出了微粒分选设备的一个变型。

图3A示出了流体开关的一个实施例。

图3B为例如如图3A中所示的流体开关那样的流体开关的截面。

图4示出了具有示为具有所示附接的源通道、废物通道和分布通道(管)的流体开关组件的实施例。在一些变型中，这些附接的通道可整体结合到流体开关中。

图5为示出可如何控制用于分选微粒的流体系统的流程图。

具体实施方式

本文描述了用于使用流体开关分选由流体包绕的微粒的设备及方法，流体开关基于包围微粒的流体的流速(速度)分选检测到的微粒。

例如，一种分选微粒的方法可包括使用流体开关的交错流体流动通路，流体开关包括至少一个入口和至少两个出口，其中交错流体流动通路由改变进入流体开关系统中的流速来实现。在一些变型中，流体开关包括至少两个入口和至少两个出口。该方法可包括将一个流动通路保持在较低流速下，其中一个流动出口中的压力保持低于另一个流动出口中的压力。例如，流体开关还可通过相比于另一个流动出口的开度减小一个流动出口的开度而在一个流动出口中具有相比于另一个流动出口较低的压力。另一流动通路可保持在高流速下，其中一个流动出口中的流阻低于另一个流动出口中的流阻。

大体上，本文所述的设备(例如，系统和装置)可用于分选任何适合的微粒，包括为单细胞、细胞群、无机物颗粒或通常小大小(例如，＜1mm、＜100μm，等)的任何其它物体的微粒。

分选可由成像子系统控制，成像子系统对供应到流体开关中的流体(可称为源流体)中的微粒成像。在源流体流入流体开关中之前或当时，成像子系统可连续地或离散地监测源流体，以确定微粒何时具有一个或多个预定表征。例如，系统可构造成基于细胞上/应用于细胞的标签(例如，荧光标记的细胞的荧光强度)的细胞形状、细胞大小、细胞形态分选。一旦识别到具有期望表征的微粒，则其可通过改变包围微粒的溶液的流速来分选，以便其引导至不同出口(例如，快速流出口)，替代补给的"废物"出口(例如，低流出口)。进入流体开关(或在流体开关内)的样本入口可构造成以便具有预定表征的微粒在成像子系统的视场内离散地出现。样本入口通道可例如通过包括窄通道区域且特别是由成像子组件看到的区域来改变或构造成一次仅允许穿过单个微粒。作为备选或此外，包含微粒的样本流体可稀释，使得视场内的微粒的出现相对罕见(例如，概率较低)。

如提到那样，形成流体开关的一部分的一个或多个入口流动通路可为微流动通路。流体(样本流体)可在部分地由压力(例如，由空气泵提供的空气压力)确定的速率下在流动通路内被驱动。系统可包括调节流体开关的不同区域内的流体压力的反馈，具体包括输入流体开关的源流体。

大体上，基于流体流速的差动切换可通过包括一个出口流动通路在流体开关内实现，该通道具有低于出口流动通路的其余部分的流阻的流阻。此外，流体开关的交叉区域附近的出口流动通路的区域处的流体静压(例如，进入出口通道之后不久)可不同。例如，一个出口可具有低于其它出口的开口的开口(连接到容器上，如，废物容器或样本容器)，导致流体开关的出口之间的不同静水压力。

大体上，本文所述的流体开关可由任何适合的材料制成，包括玻璃、聚碳酸酯、两者的组合，或由一些其它材料制成。大体上，流体开关的入口(样本入口)可具有100μm²到100,000μm²之间的截面面积。另一个入口具有1000μm²到1,000,000μm²之间的截面面积。

所述设备的入口或出口可具有圆形、椭圆形、三角形、矩形或其它形状的截面。例如，入口可具有30μmx300μm(HxW)的内部大小；其它入口可具有400μm内径的圆形截面。在该实例中，两个出口具有1000μm²到1,000,000μm²之间的截面面积。一个出口可具有400μm内径的圆形截面，且另一个出口具有300μm内径的圆形截面。

大体上，本文所述的任何流体开关都可使用方法如聚合物热模压来由单件材料制成。流体开关可在两个步骤中制成。例如，具有较小截面的一个入口可由一种材料制成。流体开关的其余部分可由另一个材料制成，且两件胶合在一起。

如本文所述的用于分选微粒如细胞的任何设备可整体结合到系统(如，台式或桌上型系统)中，该系统可自动地且有效地分选微粒源。例如，图1示出了桌上型装置，其能够将细胞直接地分选到96孔细胞培养板中。在此实例中，系统包括植入整个系统的流体开关。系统还包括用于加压流体(源流体、冲洗流体)的空气泵和传感器(压力调节器)、真空源(用于在操作之间或操作之后准备/清理系统)、用于开启/闭合管线来增大和/或减小穿过流体开关的微粒的流速的阀门，以及成像子系统的至少一部分(例如，光源、透镜、相机、光电倍增管等)。这些元件在图2中更详细示出。在图1中，如图所示，整个系统可包围在壳体中。壳体和系统可构造成与处理器如计算机、膝上计算机、智能电话等对接(通过直接地和/或无线地连接)。在一些变型中，设备包括集成/专用处理器，以用于分析微粒和确定何时使用流体开关分选。

图2示出了如何实现分选的图表。在图2中，微粒如细胞储存在瓶14中。瓶16仅包含液体，且在细胞分选的情况下，其包含细胞培养液或含盐缓冲液，如磷酸盐缓冲盐水。两个瓶均由微隔膜气泵10加压。瓶14和瓶16中的压力由压力调节器12调节。瓶14和瓶16中的压力可为0到30psi。在一个实施例中，瓶14和瓶16中的压力为2psi。瓶14经由硅胶管直接地连接到流体开关22的一个入口上。当瓶14加压时，瓶14中的液体将经由硅胶管不断流入流体开关22中。瓶16经由硅胶管连接到流体开关22的另一个入口上。从瓶16到流体开关22的液体流动由电磁阀20控制。当细胞流过流体开关22时，它们经由与显微镜透镜24联接的相机可视化。细胞的荧光强度同时由光电倍增管(PMT)28测量。如果细胞不满足预设标准，如，大小、形状和荧光强度，则电磁阀20保持闭合。细胞将流出流体开关进入废物瓶18中。如果细胞满足预设标准，则电磁阀20短时间段内打开。培养液将流入流体开关22中。大多数培养液将流出样本通道32。培养液流将目标细胞传送出样本通道22的喷嘴。因此，同时实现了分选和分布单个细胞。

本发明中成功分选和分布细胞可取决于流体开关的独特设计。参看图3A的简图，在该实例中，流体开关具有分别连接到入口流动通路40和42上的两个流动入口34和38，以及分别连接到流体开关的流出出口通道46和44上的两个流动出口32和36。入口流动通路和出口流动通路所有都交汇在共同的交汇区域58中。入口34连接到瓶14上，且入口38连接到瓶16上。微粒经由样本入口流动通路40流入流体开关中。附加流体流过冲洗入口流动通路42，以将流体开关中的包围微粒的流体的流速从低流速变为高流速。出口32连接到样本通道51上，且出口36连接到废物通道53上，废物通道53通向废物容器(瓶)18。流体开关包含微流体流动通道和宏流体流动通道两者。样本入口流动通路40为微流动通路。冲洗入口流动通路42、废物出口流动通路44和样本出口流动通路46为宏流动通路。在一个实施例中，样本入口流动通路40由具有30μmx300μm(HxW)的大小的矩形截面的玻璃毛细管制成。在一个实施例中，冲洗入口流动通路42、废物出口流动通路44和样本出口流动通路46由单件聚碳酸酯制成。冲洗入口流动通路42、废物出口流动通路44和样本出口流动通路46的截面可为圆形。在一个实施例中，冲洗入口流动通路42和样本出口流动通路46的直径为400μm。废物出口流动通路44的直径为300μm。样本入口流动通路40、冲洗入口流动通道42、废物出口流动通路44和样本出口流动通路46在流体开关58的中心处交汇。

为了实现细胞分选，必须存在至少两个流动出口：一个用于需要的(样本)细胞，而另一个用于不需要的(废物)细胞。改变两个流动出口之间的流动通路的容易的方式在于改变两个贯穿阀门的流动出口之间的流阻。例如，流动通路A和B中分别存在阀门A和B。为了让液体仅流过流动通路A且不流过通道B，简单地打开通道A中的阀门A且关闭通道B中的阀门B。然而，在两个流动通路出口中具有两个可控制的阀门产生了较大的死体积。这是为何此方法很少用于细胞分选设备的原因。传统上，细胞分选通过保持两个流动出口通道打开且通过将一定量的外部物理力(如，如背景部分中描述的机械力、声力、液压力、光学力、磁力、介电泳力或静电力)直接地施加到目标细胞上来迫使其从一个流动通路移动到另一个流动通路来实现。相比之下，在本文所述的流体开关中，两个流动出口通道打开(图4)，且没有外力用于切换流动通路。两个流动通路之间的切换可通过简单地改变进入流体开关中的流速来实现。在图4中，细胞经由样本入口流动通路40流入流体开关中。当经由硅胶管54进入流体开关的培养液流被阀门20阻挡时，细胞流仅流入流体开关中。一般而言，细胞可经由废物出口流动通路44或样本出口流动通路46流出流体开关的两个出口。然而，流体开关以一种方式组装以使得废物通道开口52在样本通道开口50下方。废物通道开口52与样本通道开口51之间的距离在图4中为D。在一个实施例中，D等于70mm。穿过微流动通路40的细胞的流速很低。在一个实施例中，细胞流速为20μl/min。由于废物通道53的截面面积远大于样本入口流动通路40的截面面积，故由流过废物通道53的细胞产生的压降通常小于图4中的静水压力D。因此，细胞仅流入废物出口流动通路44且最终流入废物。没有细胞将流入样本出口流动通路46且流出样本通道51。在细胞流过样本入口流动通路40时，它们由高速数字相机检测，且其荧光强度由PMT经由检查窗41(图3B)测量。如果细胞满足预设标准，如大小、形状和荧光强度，则阀门20在一定量延迟之后开启，且培养液经由硅胶管54流入流体开关中。培养液进入流体开关的流速远大于细胞流流速。在一个实施例中，培养液流速为500μl/min。硅胶管54的直径大于废物通道53的直径。在一个实施例中，硅胶管54的直径为0.762，而硅胶管52的直径为0.30mm。经由硅胶管54进入流体开关的较大的流将改变流型。大部分培养液将流入样本出口流动通路46且流出样本通道51，因为穿过样本通道51的流阻低于穿过废物通道53的流阻。培养液进入样本出口流动通路46的移动也将使目标细胞移动到样本出口流动通路46中且移出样本通道51。阀门20仅开启足以使得目标细胞可分配出样本通道51的时间。在一个实施例中，阀门20开启25ms。因此，单个细胞分选和分配通过将流体开关中的流速从20μl/min变为520μl/min来实现。由于目标细胞经由样本通道51分布出流体开关成为微滴，故分布微滴的位置可精确地控制至小于1mm的准确度。

当阀门20闭合时，图4中的废物出口流动通路44中的压力低于样本出口流动通路46中的压力，原因在于废物通道53的开口52小于样本通道51的开口50。相比于样本出口流动通路46，废物出口流动通路44中的低压也可通过将废物瓶18连接到真空泵上来实现，而无需将废物通道53的开口设置成小于样本通道51的开口。

图5为机器视觉系统的一个变型的流程图。在该实施例(子系统)中，细胞由所述设备分选。计算机经由电磁阀20控制培养液的流动。在流体系统预先准备且填充液体之后，计算机开始经由相机来采集图像，且将电磁阀20设置在闭合状态下。如果计算机检测到单个细胞，则其确定细胞是否满足预设条件。如果细胞满足此条件，则计算机可在一定量的延迟之后的短时间段内打开电磁阀20以分布选择的细胞。在一个实施例中，计算机将电磁阀20打开25ms来分布选择的细胞。机器视觉系统不但检测各个单独的细胞，而且确定在样本入口流动通路40(图3B)中行进的各个单独细胞的速度。检查窗41与流动通路58的交汇点之间的距离为G。延迟时间＝G/细胞速度-系统延迟。存在有助于系统延迟的若干因素。1)相机采集细胞图像且从相机传输至计算机要花时间。2)计算机识别从相机发送的各个图像中的细胞要花时间。3)计算机将信号发送至电磁阀控制电路要花时间。4)电磁阀从闭合状态转移至开启状态要花时间。在一个实施例中，细胞速度为24mm/s，G＝4mm，且系统延迟为22ms。因此，延迟时间为145ms。阀门开启的时间可能很关键。电磁阀20应当在目标细胞即将到达流动通路58的交汇点的时间开启。

该简单流体开关可提供有效方式来分选细胞。然而，这些流体开关可对流体开关中的气泡敏感。废物出口流动通路44中的气泡可增大废物出口流动通路44中的静压。进入废物出口流动通路44中的不需要的细胞的正常流动将转移至样本出口流动通路46且转移出样本通道51。这将急剧地降低分选准确性。由于培养液的流动由加压空气推动，故培养液中存在很大量的溶解空气。当阀门20开启且培养液流出样本通道51时，培养液的减压可引起培养液的溶解空气的释放，且在流体开关中产生气泡。为了准确地分选细胞，培养液中的溶解空气可在培养液流入流体开关中之前除去。实现此的一种方式在于增加脱气器。

使用流体开关的两个出口之间的差异静压和使用前往废物容器的废物出口流动通路与前往样本容器的样本出口流动通路之间的差异流阻，实现了细胞分选和分布的简单方法，而无需复杂的流体系统。细胞分选的速率可达到每秒100个细胞。尽管其远低于可每秒分选数千细胞的当前商业细胞分选器，但由于其从其喷嘴生成较大微滴且离开喷嘴的微滴的速度很低，故其更准确地将单个细胞分布至给定位置。由于其简单设计，故该用具可完全自动化，且不需要广泛训练来操作。该用具可对于细胞系开发、单克隆抗体选择和单细胞研究(如干细胞研究、单细胞基因表达谱、单细胞突变分析等)很有用。

细胞分选和分布可通过改变进入流体开关的流速的来实现。细胞的流速可保持在很低水平。尽管细胞分选期间样本入口流动通路40中很低的流速可能对用具的性能有用，但如果液体存在于样本入口流动通路40中的话其可在系统准备期间变得有问题。在此情况下，由于连接瓶14和样本入口流动通路40的硅胶管中的容积远大于样本入口流动通路40的容积，故瓶14中的细胞到达样本入口流动通路40可花费很长时间。为了克服样本入口流动通路40中的很低液体流速，样本入口流动通路40中的流动可使用真空泵11(图2)来逆向，且回填具有比液体低得多的流阻的空气。只要样本入口流动通路40和连接瓶14和样本入口流动通路40的硅胶管填充空气，则细胞从瓶14移动至样本入口流动通路40即使在瓶14中压力低到1psi时也很快实现。

当特征或元件在本文中称为在另一个特征或元件"上"时，其可直接地在其它特征或元件上，或也可存在介入的特征和/或元件。相比之下，当特征或元件称为"直接在另一个特征或元件上"时，不存在介入的特征或元件。还将理解的是，当特征或元件称为"连接"、"附接"或"联接"到另一个特征或元件上时，其可直接地连接、附接或联接到其它特征或元件上，或可存在介入的特征或元件。相比之下，当特征或元件称为"直接地连接"、"直接地附接"或"直接地联接"到另一个特征或元件上时，不存在介入的特征或元件。尽管参照了一个实施例描述或示出，但这样描述或示出的特征和元件可适用于其它实施例。本领域的技术人员还将认识到的是，提到的设置在另一个特征"附近"的结构或特征可具有重叠或下覆相邻特征的部分。

本文所述的用语用于仅描述特定实施例的目地，且不旨在限制本发明。例如，如本文使用的单数形式"一个"、"一种"和"该"旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。还将理解的是，用语"包括"和/或"包含"在用于此说明书中时表示指出的特征、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并未排除存在或添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、构件和/或其组合。如本文使用的用语"和/或"包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何一个和所有组合，且可简写为"/"。

空间相对用语如"下方"、"下面"、"下"、"上方"、"上"等可为了便于描述而在本文使用以描述一个元件或特征与附图中所示的另一个或多个元件或特征的关系。将理解的是，空间相对用语旨在包含除附图中所示定向之外的使用或操作中的装置的不同定向。例如，如果附图中的装置倒转，则描述为在其它元件"下方"或"之下"的元件将定向成在其它元件或特征的"上方"。因此，示例性用语"下方"可包含上方和下方两个定向。装置可另外定向(旋转90度或以其它定向)，且本文使用的空间相对描述相应理解。类似地，用语"向上地"、"向下地"、"垂直"、"水平"等在本文中用于仅阐释的目的，除非另外明确指出。

尽管用语"第一"和"第二"可在本文中用于描述各种特征/元件，但这些特征/元件不应当由这些用语限制，除非上下文另外指出。这些用语可用于将一个特征/元件与另一个特征/元件区分开。因此，下文所述的第一特征/元件可称为第二特征/元件，且类似地，下文所述的第二特征/元件可称为第一特征/元件，而不脱离本发明的教导内容。

如本文在说明书和权利要求中使用那样，包括如实例中使用的，且除非另外明确指出，则所有数字可理解为前置了词语"大约"或"大致"，即使该用语并未明确出现。短语"大约"或"大致"可在描述大小和/或位置时使用，以指出所述的值和/或位置在值和/或位置的合理预期范围内。例如，数值可具有指定值(或值范围)的+/–0.1％、指定值(或值范围)的+/–1％、指定值(或值范围)+/–2％、指定值(或值范围)+/–5％、指定值(或值范围)+/–10％等的值。本文所述的任何值范围都旨在包括归入其中的所有子范围。

尽管上文描述了各种示范性实施例，但可对各种实施例作出任何数目的变化，而不会脱离如权利要求所述的本发明的范围。例如，执行各种所述方法步骤的顺序通常可在备选实施例中改变，且在其它备选实施例中，一个或多个方法步骤可一起跳过。各种装置和系统实施例的可选特征可包括在一些实施例中，且不包括在其它中。因此，以上描述主要提供为用于示范性目的，且不应当理解为限制本发明的范围，因为本发明的范围在权利要求阐明。

本文包括的实例和图示通过示范而非限制示出了可实施该主题的特定实施例。如所述，其它实施例可使用且由此推导出，使得可产生结构和逻辑的置换和变化，而不脱离本公开内容的范围。本发明的主题的此实施例可仅为了方便在本文中单独地或共同地由用语"发明"表示，而不期望主动地将本申请的范围限于任何单个发明或发明构想(如果事实上公开了一个以上)。因此，尽管本文已经示出和描述了特定实施例，但为实现相同目的计算的任何布置都可替代所示的特定实施例。本公开内容旨在覆盖各种实施例的任何和所有改变或变型。在查阅以上描述时，本文并未明确描述的以上实施例和其它实施例的组合对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。