流式细胞操纵器的制作方法

专利名称：流式细胞操纵器的制作方法
技术领域：
本发明涉及粒子表征和操纵领域。更具体而言，本发明涉及操纵 物体或诸如生物细胞等粒子的方法和系统，以对它们进行检查或表征，还涉及实施这种方法的软件。
技术背景分析物的表征经常用于化学、生化或生物试验中，以检测某些类型的分^f斤物的存在。例如，通过4佥测和/或描述细月包性质，原则上可以检测出恶性细胞，例如癌前细胞，从而提供检测和/或监测疾病进展的可能性，例如从入侵前到入侵的进展。单个粒子的检测和/或表征，因为通常用于生物传感器的应用中，从而允许获得定性和定量结果。检 测单个粒子特性的一种选择是选择性地将相关粒子束缚于表面并感测其特殊的特性。检测单个粒子特性的另 一种选择是使用捕捉系统捕捉 流体中的单个粒子。许多不同的捕捉技术是已知的，如使用光学捕捉系统，例如基于激光器，又称为镊(tweezer),使用介电泳，使用声场，使用流动通道 的收缩等等。这些技术中的大多数不允许确定或控制细胞的取向。然 而，细胞的取向在细胞的表征中可以发挥重大作用，例如当粒子阻碍 对在粒子背面存在的粒子特征的检测时，或当粒子的预定取向对于操 纵该粒子有利时，可能会发生错误检测。换句话说，能够使待表征和 待处理的粒子取向对研究和单细胞应用的影响可能4艮有意义。在国际专利申请WO 2006/059109中，描述了单细胞分析仪，其中 使用光阱进行细胞的捕捉和搡纵。光阱使用激光器和聚焦透镜以操纵 光阱内的细胞。通过沿三维移动聚焦激光束，可以改变细胞的位置， 通过调整多个光斑之间的间隔，可以拉伸或压缩细胞，并且通过转动 光束的偏振或光束斑点的图案，可以转动细胞。发明内容本发明的目的是提供一种操纵流体中的粒子的良好系统和方法以及实施这种方法的库t件。本实施例的优点在于，所述系统和方法中可 以针对表征、检测和/或处理目的，来选择粒子的取向，例如单个粒子。 通过本发明的方法和装置可以实现上述目的。本发明涉及一种单独操纵流体中的粒子的系统，所述系统包括流 动发生器，用于在流体通道中产生所述流体的层流体流，和粒子操纵 器，用于通过控制所述层流体流在所述粒子上导致的净剪切力捕捉所 述流体通道中的所述粒子并使其取向。所述粒子操纵器可以用于通过 改变所述粒子在所述流体的层流的流场中的位置和/或通过改变在所述 流体的层流的流场中的速度分布来控制所述粒子的取向和/或转动。通 过在具有剪切力梯度的剪切力场中引入粒子可以提供净剪切力。从而， 由于一侧的剪切力大于另一侧的剪切力，粒子可以转动，在粒子上导 致净剪切力。本发明的实施例的优点在于，所述系统允许改变粒子的 取向。本发明的实施例的优点还在于，可以获得粒子的准确取向和定 位。本发明的实施例的优点还在于，可以获得单个粒子操纵系统。本 发明的实施例的优点还在于，可以获得粒子的每个所需取向。粒子操上的标签而作用于所述粒子上。所述粒子操纵器可以包括用于在基本上垂直于所述层流体流的流 动方向上控制所述粒子的位置的粒子位置控制器。这种实施例的优点 在于，所述捕捉系统和粒子位置控制器可以是同一部件，即可以通过 同一部件发挥定位和捕捉作用。这种实施例的优点还在于，通过所述 粒子的位置可以控制取向，从而允许在连续流动中操作所述系统。所述粒子位置控制器可以用于将所述粒子移动到所述流体通道中 的预定位置，在那里所述层流在所述粒子上导致预定净剪切力。这种 实施例的优点还在于，所述粒子位置控制器允许精确地移动所述粒子。 这种实施例的优点在于，可以选择所述粒子的转动方向。这种实施例 的优点还在于，可以^艮容易地设置和可以准确地获得所需的转动量。 这种实施例的优点在于，可以有效地获得所需的取向。所述流体通道的形状可以设置成所述流体通道在所述粒子的捕捉 区域中包括至少一个其中当存在层流时没有净剪切力作用在所述粒子 上的位置。这种实施例的优点在于，所述系统可用于连续层流区域。 所述粒子位置控制器可以用于将所述粒子移动到其中当存在层流时没有剪切力梯度作用在所述粒子上的位置。
用于控制所述层流体流在所述粒子上导致的净剪切力的所述粒子 操纵器可以用于控制所述流动发生器所产生的层流体流的强度。
所述粒子操纵器可以包括用于控制所述流动发生器所产生的层流 体流的强度的流量控制器。所述流动强度，例如由最大流速确定，可 以为最大流速在0至预定最大流速之间变化。控制所述净剪切力可以
包括控制所述流动发生器的ON/OFF状态和/或所述层流体流的流速。
这种实施例的优点在于，所述系统可用于各种类型的流体通道，例如 各种形状的液体通道。这种实施例的优点还在于，可以选择所述粒子 的转速。
所述粒子操纵器可以包括至少一个光镊。所述粒子操纵器可以包 括两个交叉光镊。所述光镊可以包括可设置和可调整的焦点，从而允 许在垂直于流动方向的两个非平4亍方向定位粒子。
所述粒子操纵器可以包括至少 一个介电泳阱。
所述系统还可以包括用于测定粒子的位置和取向并用于向所述粒 子操纵器提供反馈控制信号的反馈系统。根据本实施例的系统的优点 在于，可以自动化的方式和/或自动方式进行操纵。
述粒子和/或从所述粒子纟是取物质的处理系统。这种实施例的优点在于， 可以实现对粒子更精确的处理，而不需要使粒子生化地取向。
所述流动发生器可以用于提供最大流速为0 m/s~ 10—3 m/s的层流 体流。可选择地或除此之外，所述流量控制器可以用于提供最大流速 为0 m/s~ 10-3 m/s的层流体流。最大流速可以是在所述流体通道中央 的速度，可以为至少Omm/s-10-3m/s。可选才奪地或除此之外，最大流 速可以为至少10-5 mm/s,例如至少1 (T4 mm/s ，例如至少1 (T3 mm/s 。
所述系统可以用于单独操纵生物细胞。
本发明还涉及一种表征粒子的表征系统，所述粒子表征系统包括 上述单独操纵流体中的粒子的系统，例如该系统包括流动发生器，用 于在流体通道中产生所述流体的层流体流，和粒子操纵器，用于通过 控制所述层流体流在所述粒子上导致的净剪切力捕捉所述流体通道中 的所述粒子并使其取向，所述表征系统还用于测定粒子的特征性能。标签的磁性能或光性能的检测装置。根据本发明的实施例的优点在于， 可以对粒子进行更准确和/或有效的表征。
本发明还涉及一种单独操纵流体中的粒子的方法，所述方法包括 在流体通道中产生所述流体的层流体流，单独捕捉所述流体通道中的 所述粒子，和通过控制所述层流体流在所述粒子上导致的净剪切力使 所述粒子取向。通过在具有剪切力梯度的剪切力场中引入粒子可以对
述流体的层流的流场中的位置和/或通过改变在所述流体的层流的流场 中的速度分布来控制所述粒子的取向和/或转动。从而，由于一侧的剪 切力大于另一侧的剪切力，粒子可以转动，在粒子上导致净剪切力。 所述控制可以包括使所述粒子处于在所述粒子上产生净剪切力梯度的 层流场中。所述控制可以包括通过打开层流场而在所述粒子上导致剪 切力梯度。操纵所述粒子可以使所述粒子取向。操纵所述粒子可以是 操纵生物细胞。
本发明还涉及一种表征流体中的粒子的方法，包括根据上述操纵 流体中的粒子的方法单独操纵所述粒子，从而获得所述粒子的预定取 向，以及在所述预定取向下测定所述粒子的性能。
本发明还涉及一种在上述的单独操纵流体中的粒子(例如生物细胞) 的系统中使用的控制器。
本发明还涉及一种计算机程序产品，用于当在计算装置上执行时， 执行单独操纵流体中的粒子(例如生物细胞)的方法，所述方法包括在流 体通道中产生所述流体的层流体流，单独捕捉所述流体通道中的所述 粒子，和通过控制所述层流体流在所述粒子上导致的净剪切力使所述 粒子取向。
本发明还涉及一种用于存储上述的计算机程序产品的机器可读数 据存储设备和/或所述计算机程序产品在局域或广域通信网络上的传输。
本发明的实施例的优点还在于，获得使对象或粒子(例如单个粒子) 取向的有效系统和方法。本发明的实施例的优点在于，不需要复杂的 捕捉系统，例如具有多个斑点或具有可转动的激光束的激光系统。本 发明的实施例的优点在于，可以准确的方式使粒子取向。本发明的实 施例的优点还在于，可以可控的方式使粒子取向。本发明的实施例的优点在于，被捕捉粒子(例如细胞)的初始取向，例如随机取向，可以变 化，并且可以被控制。换句话说，本发明的特定实施例提供了允许以 可控方式转动粒子的控制机制。本发明的实施例的优点还在于，使用 所述方法和系统取向的粒子受到的扰动、改变和/或损坏最小，例如， 因为不需要机械接触。
在所附独立权利要求和从属权利要求中说明了本发明的特定和优 选方面。从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征组合、与其 他从属权利要求的特征适宜地组合，而不仅仅是权利要求书中明确记 载的那些。
本发明的教导允许设计表征和/或处理粒子的改进方法和装置，例 如光学表征粒子。从下面结合附图的详细说明中将很清楚本发明的上 述及其他特点、特征和优点，其中附图用于举例说明本发明的原理。 说明书仅是作为例子，而不限制本发明的范围。下面引述的参考图号 指附图。


图1是根据本发明第一方面实施例的操纵粒子的系统的示意图。
图2是流体流对流体流中的粒子的影响的示意图，这可能发生在 根据本发明第 一 方面实施例的操纵粒子的系统中。
图3是在轴对称流体通道的横截面中速度对位置的图，这可以用 在根据本发明第 一方面实施例的操纵粒子的系统中。
图4是在轴对称流体通道的横截面中剪切力对位置的图，这可以 用在根据本发明第 一方面实施例的操纵粒子的系统中。
图5和图6是根据本发明第一方面的第一特定实施例的使用两个 光镊作为粒子的垂直和水平定位装置的操纵粒子的示例'性系统的示意 图(部分)。
图7是通过可以用在根据本发明第一方面实施例的操纵粒子的系 统中的光束定位细l包的示意图。
图8是根据本发明第一方面的第二特定实施例的使用一个光镊作 为粒子的定位装置的操纵粒子的系统的示意图。
图9是根据本发明第二方面实施例的表征粒子的表征的示意图。
图10是可用于实施根据本发明第四方面实施例的操纵粒子的方法的计算系统的示意图。
在不同附图中，相同的附图标记用于指相同或类似的元件。
具体实施例方式
下面参照特定实施例和参照某些附图描述本发明，但本发明不限 于此，而是由权利要求书限制。权利要求书中的任何附图标记不应4皮 解释为限制范围。所示附图只是示意性的，不是限制性的。在附图中， 为说明目的， 一些元件的尺寸可能被放大，而不是按比例绘制。
如果在说明书和权利要求书中使用术语"包括"，则其不排除其他 元件或步骤。如果在指代单数名词时使用了一种，则除非另有具体说 明，其包括该名词的复数。此外，在说明书和权利要求书中的术语第 一、第二等用于区分类似的元件，而不一定以排名或以任何其他方式 描述时间或空间顺序。此外，在说明书和4又利要求书中的术语顶部、 底部等用于说明目的，不一定描述相对位置。可以理解，所用术语在 适当情况下可以互换，而且本文所述的本发明实施例能够以本文所描 述或说明之外的序列和/或取向操作。
在本说明书中，当提及"一个实施例"时，是指该实施例所描述 的一个特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因 此，在本说明书中，当在各种出现短语"在一个实施例中"中，不一 定所有的均提及同一个实施例，但也可能是这样。此外，在一个或多 个实施例中可以<壬<可适合方式组合特定特4正、结构或特性，这对于本 领域技术人员将是显然的。
同样，应当意识到，在描述本发明的示例性实施例时，本发明的 各种特征有时在一个实施例、附图或其说明中被组合在一起，以精简 公开内容并帮助理解一个或多个发明方面。然而，这种4皮露方法不应 被解释为反映了所要求保护的发明比每一项权利要求中明确陈述的特 征需要更多特征的意向。相反，如所附权利要求所反映的，发明方面 在于少于一个上述披露实施例的所有特征。因此，所附权利要求书被 明确地并入详细说明书中，每个权利要求本身作为本发明的单独实施 例。
此外，虽然本文描述的一些实施例包括一些特征，而不是其他实 施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合也在本发明的
10范围内，并且构成不同的实施例，这对于本领域技术人员是可以理解 的。例如，在所附权利要求书中，所要求保护的任何实施例均可用于 任何组合中。
此外，本文将 一 些实施例描述作可以通过计算机系统的处理器或 通过实现该功能的其他方式来实施的方法或方法要素的组合。因此， 具有用于实施所述方法或方法要素的必须指令的处理器构成实施所述 方法或方法要素的装置。此外，装置实施例的所述要素是为实现本发 明目的的要素所实现功能的方式的例子。
在所提供的说明中，描述了许多具体细节。然而，可以理解，本 发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下， 众所周知的方法、结构和技术没有详细出出，以免防碍对说明书的理 解。
提供以下术语或定义，只用于辅助理解发明。
如果在本发明中使用术语"粒子"，则可以指化学、生化或生物粒 子，例如需要被检测的粒子，例如但不限于细胞、细胞器、膜、细菌、
病毒、染色体、DNA、 RNA、有机小分子、代谢物、蛋白质(包括酶、 多肽、核酸片段、孢子、微生物体和其片段或产物)、聚合物、金属离 子、毒素、违法药物、爆炸物等。粒子优选直径大于O.lpm,更优选大 于0.5pm，例如大于lpm,因为这些粒子通常会受到更少的额外固有扩 散运动。粒子，尤其是较小的粒子，例如一些DNA、 RNA、核酸片段 等，也可以与较大的粒子连接，以使它们取向或定位它们。粒子可以 是生物细胞。
如果在本发明中使用术语"层流"，则指根据流动通道的形状在诸 如平4亍层或同心层中发生流动的流动区域。流动也可称为非湍流或流 线型流动。例如，可以通过雷诺数测定流动，雷诺数表示该产品的比 例的为密度、流体速度和平均通过直径的乘积与粘度之比。在本实施 例中，流动可以具有0~ 10的雷诺数，例如雷诺数为0 1,例如雷诺 数为0~0.5。
在第一方面，本发明涉及一种操纵流体中的粒子的系统。由此该 系统允许粒子在流体中取向，例如果将要检测粒子特征，但相对于检 测系统隐藏在粒子背面，或者如果预定取向的检测或处理是优选的， 那么这是有利的。该系统可用于操纵单个粒子，即单独操纵粒子，例如生物粒子。该系统包括用于在流体通道中产生包括粒子的流体的层 流体流的流动发生器以及用于捕捉流体通道中的粒子和控制粒子上的 由层流体流导致的剪切力的粒子操纵器。因此，该粒子操纵器可以包 括粒子捕捉系统，如光学捕捉系统，使用声场，使用介电泳，使用通 道的变形，并且对于一些粒子，使用电场和/或磁场。另外，它可以包 括用于控制流动发生器的粒子位置控制器和/或流量控制器。
在图1中举例示出不同的标准和可选部件，但本发明不限于此。
下面参照图1 ~图8更详细地讨i仑操纵粒子104的示例性系统100的不 同部件。
操纵流体106中的粒子104的系统100包括流动发生器108。流动 发生器108可以例如是(部分或全部的)主动流动发生器，包括例如通过 流体通道102抽吸流体106的抽吸装置，由此通过控制该抽吸装置进 行控制，和/或流动发生器108可以是(部分或全部的)被动流动发生器， 其中通过诸如重力压力或毛细管力等自然力产生流动并由此使用阀或 阀组进行流动控制。流动发生器108适合生成层流的流体通道102,其 中，操纵粒子流体中的104将进行106。流动发生器108可以例如用于 产生流体速度，使得对于给定流体粘度和密度以及给定流体通道尺寸， 得到层流。当流体发生层流时，在流动通道的不同位置存在不同的剪 切应力。例如，这种流动的特征在于雷诺数为0~4000，优选雷i若数为 0- 3000,再更优选雷诺数为0-2000。流动发生器108例如可以用于 提供0 m/s ~ 10-3 m/s的流体速度，例如0 m/s ~ l(T4 m/s,例长口 0 m/s ~ 1 IO-5 m/s,例如0 m/s ~ 1 10—6 m/s。系统100中的流体通道102的 尺寸和形状也可以是用于很容易获得层流条件的合适范围。流体通道 102可以是管形形状，例如轴对称形状，/人而产生同心层流，即流体速 度具有径向分布并且在流体通道102的中心对流体流中的粒子104基 本上没有净剪切力的流动。流体通道102也可以是大致的矩形形状， 即流体流例如可以是在两个板之间的流体流。为便于理解，各实施例 和例子将针对具有轴对称形状的管状流体通道进行说明，但本发明不 限于此。例如，也可以使用流体通道102的其他形状，/人而具有它们 自己特定的层流体流速度分布。虽然优选的是在流体通道102的横截 面中存在至少一个点，在该点两侧流速大致相同，使得在粒子104上 大致没有净剪切力，但是本发明不限于此。如后面将要说明的那样，例如也可以通过那样控制流体流来控制转动。
通过产生层流， 一般在流体通道102中的不同位置将发生不同的
流体速度。对于轴对称流体通道102的例子，后者将在图2至图4中 说明，但本发明不限于此。图2表明，如果存在流体流并且粒子不在 流体通道102的中央，则在粒子104上将导致转动。将沿箭头r所示方 向出现转动。粒子的转速可能取决于流速和通道中细胞的位置。这种 转动由流体106中粒子104的两个不同侧面的流速差所导致。速度沿 轴对称流体通道102直径的分布显示在图3中，表明了流速差。这样 的速度分布在粒子上导致剪切应力，如图4所示。剪切应力梯度由在 管中所有位置的层流所导致，除了在管中心轴上的位置，或者对于流 体通道的更一般形状，在流体通道的中央。从显示作为位置函数的剪 切应力的图4可以看出，即在流体通道102的中央位置，剪切应力为 零，从而造成没有转动，而越靠近流体通道102的壁，剪切应力越大， 从而造成转动。换句话说，如果产生层流，则不在流体通道的中央或 中心轴的粒子将沿一个方向转动。根据粒子位置，可以导致负的或正 的剪切应力，从而使粒子104沿不同方向转动。
如上所述，系统IOO还包括粒子操纵器110。粒子操纵器110用于 捕捉流体通道102中的粒子。因此，粒子操纵器IIO优选包括粒子捕 捉系统111。粒子捕捉系统111可以用于在基本上垂直于流体流方向的 横截面中捕捉相关粒子104。粒子捕捉系统111可以基于任何合适的捕 捉机制，例如但不限于光学捕捉机制，例如使用光镊，使用介电泳的 机制，使用声场的机制，使流体通道102产生变形的机制，例如使流 体通道102产生收缩的系统，在使用对磁场或电场敏感的粒子的情况 下使用磁场和/或电场的机制，等等。如果被操纵的粒子对捕捉机制中 所用的力不敏感，那么例如它们还可以被束缚于对捕捉机制中所用的 力敏感的标签上。例如，当使用磁力捕"t足机制时，将^f皮捕捉的粒子可 以是束縛于磁性或可磁化标签上的非磁性粒子。粒子捕捉系统111优 选用于以足以能够阻止粒子104 一皮施加的流体流在流体通道102中进 一步拖:纟立的力来捕捉粒子104。举例来说，示出了允许阻止粒子104在 流速导致的力作用下^f皮拖拉的捕捉系统的例子。例如，光4聂可以施加 微微牛顿范围的力。在稳定状态，流动流体施加在球形细胞上的力由 3兀riFZ),其中r是流体流速，T)是流体粘度，Z)是细胞直径。利用rplIO-3 Pa s， Z)=l l(T5 m,并设置阻力为l 10"2 N,可以看出，可 以4艮容易地补偿1l(T5 m/s的流速。
粒子操纵器IIO还用于控制层流体流对流体通道102中的粒子104 导致的净剪切力。因此，粒子操纵器110可以包括用于在基本上垂直 于层流体流的流动方向的方向上控制粒子的位置或偏置的粒子位置控 制器112。其可以用于在具有垂直于流动方向的至少一个分量的方向上 移动被捕捉在流体通道102中的粒子，即使粒子从特定位置偏置。从 而，粒子位置控制器112可以将粒子104移到其中存在由层流所导致 的净剪切力的点或从该点移出。以这种方式，通过将粒子104从其中
没有净剪切力的点移到其中存在净剪切力的点，并在获得足够转动之 后，移回到没有净剪切力的点，可以控制粒子104的转动。例如，对 于轴对称流动通道102,可以远离流体通道102的中心点或中心轴移动 或者移向中心点或中心轴，从而允许粒子104进出层流体流所导致的 净剪切力场。换句话说，粒子位置控制器112可以用于使粒子进出梯 度流场。在优选的实施例中，粒子捕捉系统和粒子位置控制器112可 以是相同部件，从而造成操纵至少一个粒子的系统需要更少部件。可 选择地，可以设置单独的粒子位置控制器112。粒子位置控制器112可 以基于光学力，例如利用光4聂、介电泳、声场力、机械力(例如利用流 体通道102的变形)、电力和/或磁力(如果考虑电或磁粒子)，等等。
可选4奪地或除此之外，例如如果在流体通道102中没有点基本上 没有净剪切力，但不限于此，那么通过控制流动发生器108所产生的 层流，可以实现对所导致的净剪切力的控制。换句话说，可选^^地或 或除了粒子位置控制器112之外，粒子操纵器110可以包括用于控制 流动发生器108的激活或失活的流量控制器113。控制激活还可以包括 控制在流体通道102中所产生的流体流速度。换句话说，流量控制器 113可用于打开或关闭流场，并任选地在打开流场时也用于改变流场强 度。后者允许使用该系统获得的转速变化。流量控制器113可以与流 动发生器108直接连接，或可以经由系统控制器与流动发生器连接。 流量控制器和/或流动发生器可以用于控制流动，使得通道中的最大流 速为0 m/s ~ 10—3 m/s。可选择地或或除此之外，流量控制器可以用于提 供最大流速为0 m/s ~ IO-3 m/s的层流体流，例如0 m/s ~ l(T4 m/s,例如 0 m/s ~ 11 (T5 m/s,例如0 m/s ~ 11CT6 m/s 。最大流速可以是流体通
14道中央的速度，可以为0m/s~10—3m/s。可选才奪地或除此之外，最大流 速可以为至少1 (T5 mm/s,例如至少1 (T4 mm/s,例如至少1CT3 mm/s。
因此，通过改变粒子104在净剪切力场的位置或通过打开或关闭 净剪切力场，例如通过打开或关闭层流，粒子操纵器112可以控制粒 子上的剪切力。
操纵流体106中的粒子104的系统100还可以包括用于控制粒子 操纵器110和流动发生器108的系统控制器116。系统控制器116可以 包括使粒子操纵器IIO和流动发生器108同步行动的同步器118,即例 如在粒子捕捉系统111、流动发生器108以及粒子位置控制器112或流 量控制器113中的任一个之间的行动。因此，这些部件可以设有用于 接收同步信号的输入装置。同步可以任选地基于反馈系统114的输入。 系统控制器116还可以包括用于发挥不同作用的处理器120。系统控制 器116可以基于预定的算法、使用查找表、基于神经网络或以任何其 他适当方式来操作。操纵系统可以自动化的方式和/或自动方式操作。
在优选的实施例中，操纵粒子104的系统100可以包括反馈系统 114。反馈系统114可以有助于进一步稳定系统100。提供反馈系统114 的一种方式是组合用于确定粒子104的位置和/或取向的位置和/或取向 检测器115。从位置和/或定向;f企测器获得的位置和/或取向信息可以由 反馈系统114输出到控制器116,或直接输出到粒子操纵器110,从而 例如允许在所需位置定位粒子104和/或在所需角度内转动粒子104。 位置和/或取向检测器可以是光学检测系统，例如基于光学检测器。通 过为粒子104提供独特的标签，例如粒子表面，并通过检测独特的标 签在粒子104上的位置，可以帮助位置和取向的光学^f企测。这种标签 可以是被激励的，并且也可以设置相应的激励装置，例如激发照射激 励源，例如荧光标签、激励电和/或磁标签的电和/或磁场发生器。可选 择地，独特的标签也可以本来就存在于粒子的形状或结构中。从而， 粒子转动的时间适于从反馈机制获得相关反馈。对于上面确定的最大
流体速度的例子，直径为0.1微米的粒子其转动时间为1秒。
举例来说，但本发明不限于此，下面更详细地讨^仑4艮据本发明第
一方面的特定实施例。
在第一特定实施例中，本发明涉及操纵流体106中的粒子104的
系统200,如上所述，其中通过相同部件进行粒子104的捕捉和控制粒子104上的净剪切力。例如，在通过控制粒子104的位置来控制粒子
104上的净剪切力的情况下，可以使用与捕捉系统相同的机制来进行位
置控制。在本实施例中，捕捉系统111因此可以用于在具有垂直于流 体流的至少一个分量的方向上移动粒子。这可以用于在基本上垂直于 流体流的横截面中移动粒子，其中粒子被捕捉。在优选的实施例中， 可以在垂直于流体流的两个非平4亍方向定位粒子。允许捕冲足和定位样
品的系统组件的一个例子例如可以是一套交叉光4聂202, 204,如以举 例方式示于图5和图6中。这种交叉光4聂202, 204允许捕4^粒子并且 在流体通道102的横截面内移动粒子。从而，横截面可以是垂直于流 体106的流动方向的截面。本实施例的优点在于，对粒子进4亍捕捉和 定位所需的部件数量是有限的。
举例来说，但本发明和实施例不限于此，图5和图6中示出了带 有管状流体通道102的系统200。进4亍捕才足和移动的光4聂202, 204可 以允许基本上在垂直于流动方向的平面内捕捉粒子104。通过在于粒子 104上导致净剪切力的流体流中定位粒子可以改变粒子104的取向。因 此，粒子可以重新定位远离流体通道102的中央。如果粒子104已离 开流体通道102的中央，则这种重新定位没有必要。流体流可以是连 续的或者可以与粒子104的重新定位同步，例如通过在粒子104已移 到中央外部之后开始流体流，并在得到适当的取向停止流体。取决于 流体通道102的横截面中的流体速度和/或粒子104的位置或其组合， 粒子104将更大程>1、更少程度或不转动。从而，由于施加在粒子104 上的不对称应力引起转动。通过改变流体速度可以改变造成取向变化 的速度。当得到适当的取向时，可以通过在流体通道102的中央定位 或重新定位粒子104来停止转动。如上所述，可选择地，流体流可以 被关闭，因此，流体速度可以为Om/s。必须指出的是，为获得适当的 取向，可以考虑粒子104相对于转动运动的惯性。
通过改变所用光4聂202, 204 (例如激光器)的焦点，可以改变^^皮捕 捉的粒子104在x和/或y方向的位置。后者可以例如利用可控和可调 透4竟来实现，如流体透4竟，例如基于电润湿原理或通过枳4成改变焦点， 例如通过更换透镜。使用流动发生器108可以改变流体流。优点在于， 通过在流体通道的适当的位置定位细胞，可以得到对任何所需取向的 转动。通过利用两个交叉光镊202， 204,可以避免用于覆盖沿一个方向移动粒子的枳^械零件。这种实施例的优点在于，在x-和y-方向获得
对称力。举例来说，在图7中示出使用两个照射光束206, 208在流体 通道102的一黄截面中定位粒子104。
在第二特定实施例，本发明涉及如上所述的系统250,例如在第一 特定实施例中所述的，但是其中粒子操纵器110基于可以机械移动的 单一光镊252。换句话说，对于给定方向仅使用一个光学照射源，例如 激光器，从而如果需要，通过在滑块254上移动光学照射源来进行粒 子在第二方向的定位。这种移动可以机械方式、电气方式、磁方式等 来进行，但本发明不限于此。根据第二特定实施例的示例性系统250 在图8中举例示出。
在另一个实施例中，本发明涉及才喿纵粒子104的系统100,由此系 统IOO还包括才喿作或处理粒子104的处理系统130。处理系统130可以 是体外处理，其中粒子的取向可能具有重要意义。这种处理系统130 可以是将物质注入粒子中或从粒子提取物质的系统。这种处理系统130 可以例如是显樣i注射系统，/人而在粒子的可控取向下在粒子104中显 微注射。可选择地或除此之外，这种处理系统130也可以是提供粒子 的电穿孔或轰击等等的系统。可以使用根据本发明的系统进行的 一 些 示例性技术是转染细胞和体外受精，但本发明不限于此。操作或处理 系统130示意性地示于图1中。
根据本方面的实施例的优点在于，可以控制单个粒子的取向。
在第二方面，本发明涉及一种表征粒子的表征系统，其中包括如 第一方面所述的单独操纵粒子的系统。这种系统举例示于图9中。因 此，表征系统600包括上述单独操纵粒子104的系统，还可以包括用 于测定粒子104特性的才全测系统602。这种4企测系统602可以包括激励 系统以及用于激励被捕捉并任选取向的粒子104和用于检测其响应的 检测器。可选择地或除了检测器和/或激励装置之外，表征系统600还 可以允许光学一企测粒子的细节，如目碎见检查。该;险测器可以例如是光 学检测器，例如用于检测粒子的荧光反应的荧光检测器，用于检测磁 性能的磁检测器，如霍尔检测器或磁阻检测器。表征系统600还可以 利用以标签为基础的检测，其中标签被选择性束缚于具有预定特点的 粒子上，并且标签检测允许量化和表征具有这种预定特点的粒子。换 句话说，表征系统600可用于在粒子处标签检测，例如在细胞膜处，和/或粒子104的性能表征。表征系统600可用于对多个不同取向的粒 子检测粒子性能，例如通过为粒子提供许多预定的取向并且对于每一 个预定的取向表征或检测性能。操纵系统100可以例如用来检查是否 有标签或其他相关性能没有隐藏在粒子104的背面，从而对于表征或 检测是隐藏起来的。按此方式，使用根据本发明的表征系统可以得到 定性的更好表征。除了检测系统602之外，表征系统600优选还包括 用于从检测系统602接受检测信息并处理和任选分析检测信息的处理 装置604。处理结果可输出给用户。这种处理装置604可以任何适当的 方式处理信息，例如基于预定的算法、神经网络等，并自动化的方式 和/或自动方式操作。
表征系统600也可以特別用于研究粒子104的力学。粒子104通 常可以具有各向异性机械性能。从而，粒子力学(例如细胞力学)可能对 于理解粒子(例如细胞)的工作具有根本意义。因为例如细胞力学可能与 疾病密切相关，所以该表4i系统可以用于肿瘤学中，例如用于疾病的 研究或诊断。
在第三方面，本发明涉及用于在系统100中控制粒子的单独操纵 的系统控制器116,例如第一方面所述的那样。系统控制器116可以控 制单独操纵粒子104的系统100的整体运作。流动发生器108和粒子 操纵器110通常可以与系统控制器116连接。此外，系统控制器116 可以从反馈系统获取输入。根据本方面的系统控制器116用于控制系 统的用来产生流体106的层流的流动发生器108以及用于控制用来捕 捉流体通道102中的粒子104和用于控制层流体流在粒子上导致的剪 切力的粒子操纵器110。后者可以通过向流动发生器108和粒子操纵器 110提供预定的或计算的控制信号来进行。通过控制粒子位置控制器 112和/或控制流动发生器108的流量控制器113,可以进行控制剪切力。 如果存在，系统控制器116还可以包括流量控制器113,从而发挥其作 用。系统控制器116还可以包括用于存储控制流动发生器和粒子操纵 器的控制参数的存储器。该控制器可以包括计算设备，例如微处理器， 例如它可以是微控制器。特别地，它可以包括可编程控制器，例如可 编程数字逻辑器件，如可编程阵列逻辑(PAL)、可编程逻辑阵列、可编 程门阵列，尤其是现场可编程门阵列(FPGA)。利用FPGA允许随后对 操纵系统100编程，例如通过下载所需的FPGA设置。系统控制器116
18可以根据所设置参数运作。
在第四方面，本发明涉及一种单独操纵流体106中的粒子104的
方法。根据本方面，流体流;故产生成使得在流体通道102中获得流体 106的层流。后者可以通过被动地和/或主动地提供包括粒子104的流 体流来进行。主动提供例如可以通过经由流体通道102抽吸流体106 得到。如果在诸如毛细作用或重力作用等自然力下导致流动并通过控 制阀门使流体通过或不通过来进行流动控制，这样可以得到被动提供 流体流。该方法还包括捕"^足流体通道102中的粒子104。可以通过光学 捕捉粒子104,例如利用光镊，通过流体通道102的变形，通过施加声 场，通过施加磁场和/或电场等，来进行后者。该方法还包括控制层流 在粒子104上导致的净剪切力。这种控制可以通过使粒子104处于在 粒子104上产生净剪切力的流场中或通过打开流场而在粒子104上导 致剪切力梯度来进行。后者允许粒子104取向，例如根据预定的方向。 在 一 个实施例中，根据本发明本方面的方法还可以包括在预定取向下 操作或处理粒子104。这样的操作或处理可以例如是将粒子104的显微 注射。该方法可以特别适于使用根据本发明第一方面所述的系统100 来进行，其中不同部件的功能相应于本发明本方面的可能方法步骤。
在第五方面，本发明涉及一种表征粒子104的方法，其中该方法 包括第四方面所述的单独4喿纵粒子104的方法步骤，该方法还包括测 定粒子104的特征性能的步骤。后者可以包括激励粒子104并4企测粒 子104的物理反应，如荧光信号、；兹反应、电反应等。测定粒子104 的特征性能还可以包括筌别粒子104或检查是否粒子104属于某一种 类。测定粒子104的特征性能还可以包括测定粒子104的粒子力学， 因为后者可以允许认识或4企测某些疾病。表征方法还可以包括对于粒 子的不同取向测定粒子104的特征性能。后者可如帮助检测对于粒子 的一些取向是否某些性能被粒子104隐藏，或更通常是提高所得的表 征结果可靠性。类似的步骤和特征可以纟皮进一步提供，如第四方面所 述的，并且例如由本发明第 一 和第二方面的部件的功能所表示。
本发明上述方法实施例可在处理系统700中实施，如图IO所示。 图10显示处理系统700的一种配置，其包括与存储器子系统705连接 的至少一个可编程处理器703,该存储器子系统包括至少一种形式的存 储器，例如，RAM、 ROM等等。必须指出的是，处理器703或多个处理器可以是一般用途的或特殊用途的处理器，并可以整合在设备中， 例如，具有执行其他功能的其他部件的芯片。因此，本发明的一个或 多个方面可以在数字电子电路中或在计算机硬件、固件、软件中或在 它们的组合中实施。该处理系统可以包括存储子系统707,其具有至少
一个》兹盘驱动器和/或CD-ROM驱动器和/或DVD驱动器。在一些实施 方式中，显示系统、键盘和指针设备可能被包括，作为用户界面子系 统709的一部分，以-使用户能够手动输入信息。也可包括输入和输出 数据端口。可以包括更多的元件，如网络连接、与各种设备的接口等 等，但未示于图10中。处理系统700的各个元件可以各种方式连接， 包括经由总线子系统713,图10为简单示出了一个总线，但本领域技 术人员可以理解，包括至少一个总线的系统。存储器子系统705的存 储器在某些时候可以承载一套指令的部分或全部(在任一种情况下均显 示为711),当在处理系统700上执行时，所述指令执行本文所述的方 法实施例的步骤。因此，尽管如图10所示的处理系统700是现有技术， 但是包括执行操纵粒子或表征粒子的方法各方面的指令的系统不是现 有技术，因此图10没有标记为现有技术。
本发明还包括一种计算机程序产品，当在计算装置上执行时，该 产品提供根据本发明任何方法的功能。这种计算机程序产品可以在承 载由可编程处理器执;f亍的才几器可读代码的载体介质中有形地体现。因 此，本发明涉及一种承载计算机程序产品的载体介质，当在计算装置 上执行时，提供执行上述任何方法的指令。术语"载体介质"指参与 向执行处理器提供指令的任何介质。这种介质可采取多种形式，包括 但不限于非易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如光盘或磁 盘，如作为大容量存储的一部分的存储设备。计算机可读形式介质的 常用形式包括CD-ROM、 DVD、软盘、磁带、存储芯片或磁盘或计算 斗几可以读取的任何其他介质。各种形式的计算才几可读介质都可以为#1 行处理器承载一个或多个指令的一个或多个序列。计算机程序产品也 可以通过网络中的载波传输，如局域网、广域网或互耳关网。传输介质 可以是声波或光波的形式，如在无线电波和红外线数据通信中产生的 那些。传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括在计算机内具有总 线的电线。
本发明特定实施例的优点在于，这些可以有利地用于研究粒子，例如研究细胞。本发明特定实施例的优点还在于，所述方法可以用于
医学和细胞科学领域。
本发明特定实施例的优点在于，可以确定单 一 细胞的取向。 可以理解，虽然针对根据本发明的装置讨论了优选的实施例、具
体结构和配置以及材料，但是在未脱离本发明的范围和精神的情况下，
可以从形式和细节上做出各种变化或修改。
权利要求
1. 一种单独操纵流体(106)中的粒子(104)的系统(100)，所述系统(100)包括-流动发生器(108)，用于在流体通道(102)中产生所述流体(106)的层流体流，和-粒子操纵器(110)，用于通过控制所述层流体流在所述粒子(104)上导致的净剪切力来捕捉所述流体通道(102)中的所述粒子(104)并使所述流体通道(102)中的所述粒子(104)取向。
2. 如权利要求1所述的系统(IOO),其中所述粒子操纵器(110)包 括用于在基本上垂直于所述层流体流的流动方向上控制所述粒子(104) 的位置的粒子位置控制器(112)。
3. 如权利要求2所述的系统(100),其中所述粒子位置控制器(112) 用于将所述粒子(104)移动到所述流体通道(102)中的预定位置，在那里 所述层流在所述粒子上导致预定净剪切力。
4. 如权利要求1 ~3中任一项所述的系统(IOO),其中所述流体通 道(102)的形状设置成使所述流体通道(102)在所述粒子的捕捉区域中包 括至少一个这样的位置，其中当存在层流时没有净剪切力作用在所述 粒子(104)上。
5. 如4又利要求1 ~4中4壬一项所述的系统(100),其中用于控制所 述层流体流在所述粒子(104)上导致的净剪切力的所述粒子操纵器(110) 用于控制所述流动发生器(108)所产生的层流体流的强度。
6. 如权利要求1 ~5中任一项所述的系统(IOO),其中所述粒子操 纵器(110)包括用于控制所述流动发生器(108)所产生的层流体流的强度 的流量控制器(113)。
7. 如权利要求1 ~6中任一项所述的系统(IOO),其中所述粒子操 纵器(110)包括至少一个光4聂(202, 204, 252)。
8. 如权利要求1 ~7中任一项所述的系统(IOO),其中所述粒子操 纵器(110)包括至少一个介电泳阱。
9. 如权利要求1~8中任一项所述的系统(IOO),所述系统(IOO) 还包括用于测定粒子的位置和取向并用于向所述粒子操纵器(110)提供 反馈控制信号的反馈系统(114)。
10. 如权利要求1~9中任一项所述的系统(IOO),所述系统(IOO)还包括用于在所述粒子(104)的预定取向时将物质注入所述粒子(104)和 /或从所述粒子(104)提取物质的处理系统(130)。
11. 如权利要求1~10中任一项所述的系统(IOO),其中所述流动 发生器(108)用于提供最大流速为Om/s~ l(T3 m/s的层流体流。
12. 如权利要求1-11中任一项所述的系统(IOO),其中所述系统 用于单独操纵生物细胞。
13. —种表征粒子的表征系统(600),所述粒子表征系统(600)包括 如权利要求1 ~ 12中任一项所述的单独操纵流体(106)中的粒子(104)的 系统(IOO),并且表征系统(600)还用于测定粒子(104)的特征性能。
14. 如权利要求13所述的表征系统，所述表征系统包括用于检测 所述粒子或束缚于所述粒子上的标签的磁性能或光性能的检测装置。
15. —种单独操纵流体(106)中的粒子(104)的方法，所述方法包括 -在流体通道(102)中产生所述流体(106)的层流体流，-单独捕捉所述流体通道(102)中的所述粒子(104),和 -通过控制所述层流体流在所述粒子(104)上导致的净剪切力使所 述粒子取向。
16. 如权利要求15所述的单独操纵粒子(104)的方法，其中使所述 粒子取向包括通过改变所述粒子在所述流体(106)的层流的流场中的位 置和/或通过改变在所述流体(l06)的层流的流场中的速度分布来控制 所述粒子的取向或转动。
17. —种表征流体(106)中的粒子(104)的方法，包括根据权利要求 15~16中任一项所述的方法单独操纵所述粒子(104),从而获得所述粒 子的预定取向，以及在所述预定取向下测定所述粒子的性能。
18. —种在如权利要求1~12中任一项所述的单独操纵流体(106) 中的粒子(104)的系统中使用的控制器。
19 一种计算机程序产品，用于当在计算装置上执行时，执行单独操 纵流体(106)中的粒子(104)的方法，所述方法包括-在流体通道(102)中产生所述流体(106)的层流体流，_单独捕捉所述流体通道(102)中的所述粒子(104),和-通过控制所述层流体流在所述粒子(104)上导致的净剪切力使所述粒子取向。
20. —种用于存储权利要求19所述的计算机程序产品的机器可读数据存储设备。
21.如权利要求19所述的计算机程序产品在局域或广域通信网络 上的传输。
全文摘要
本发明公开一种单独操纵流体(106)中的粒子(104)的系统(100)，例如使粒子取向。操纵系统(100)包括允许捕捉流体通道(102)中的粒子(104)的粒子捕捉系统(111)和控制粒子上的剪切力梯度的控制器。通过使层流中的粒子偏离流体通道(102)定位或通过控制层流本身来控制粒子上的剪切力梯度。使用流动发生器(108)产生层流。操纵系统(100)可用于粒子表征系统中或者可用于在预定取向时在粒子(104)上进行操作。
文档编号G01N15/14GK101548172SQ200780044469
公开日2009年9月30日 申请日期2007年11月29日 优先权日2006年12月1日
发明者D·B·范达姆, J·M·伦森, S·I·E·武尔托, T·J·德胡格 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司