分选微流体装置中的颗粒的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2014年11月3日提交的62/074,213号美国临时专利申请和2014年11月3日提交的62/074,315号美国临时专利申请的权益，每个申请都通过引用被整体结合到本文中。

本公开涉及跨越微流体流线的颗粒分选。

背景技术：

颗粒分离和过滤已经用在不同行业和不同领域的许多应用中。这些应用的例子包括化工工艺和发酵过滤、水净化/废水处理、分选和过滤血液成分、浓缩胶体溶液以及净化和浓缩环境样本。已经开发了各种宏观尺度的技术用在这些应用中，包括诸如离心和基于过滤技术的方法。通常这些技术需要庞大、笨重且昂贵的系统，并且具有复杂的活动部件。

在某些情况下，微观尺度的技术相对于宏观尺度的技术提供的优点在于，尺度的降低允许使用独特的流体动力效应进行颗粒分选和过滤，从而消除对具有复杂活动部件的大型系统的需要。此外，微观尺度技术使得能够以比较大的宏观尺度系统低得多的成本进行分选和过滤的便携式装置成为可能。但是，典型的微观尺度分选和过滤装置可能会受到在规定时段内可以处理的流体量的限制(即低产能)，相比于其宏观尺度的同类产品来说，这可能将此类装置置于不利地位。

技术实现要素：

本公开至少部分基于如下发现：如果小心地控制微流体装置的几何结构和尺寸，就可以将流体抽取和惯性升力结合起来，以便在流体内或流体之间分选和/或移动颗粒。尤其是，通过流体抽取和惯性升力，此处公开的微流体装置可用于向和跨越装置的不同流体通道输送流体，不伴随颗粒移动，以便颗粒可以间接转移到另一流体。作为替代或者另外地，此处公开的技术可被用于某些实施方式，从而不仅操纵流体跨越微通道的转移，而且还通过让颗粒跨越流体流线移动来操纵悬浮于流体样本内的颗粒的位置。

例如，包含颗粒第一流体可以引入第一微流体通道，第一微流体通道具有将该通道与两个相邻的微体流通道分开的刚性岛状结构阵列。流体通过第一阵列中岛状结构之间的缺口被从第一微流体通道抽取到其中一个相邻的微流体通道，使得颗粒被抽到更靠近岛状结构。当颗粒更靠近岛状结构时，颗粒受到背离流体抽取方向的惯性升力，使得颗粒留在第一通道内。同时，第二流体通过第二阵列中岛状结构之间的缺口从另一个相邻的微流体通道进入第一微流体通道。当流体从另一个相邻通道进入第一通道时，第一通道内的颗粒越过流体流线，导致颗粒从第一流体位移到第二流体。如果在第一阵列的每个缺口处从第一通道中抽取的第一流体的量等于在第二阵列的每个缺口处进入第一通道中的第二流体的量，那么可以保持恒定的颗粒浓度。

除了使颗粒在流体之间移动之外，流体抽取和惯性升力的结合允许多种不同的操纵流体和颗粒的方式。例如，在某些实施方式中，不同种类的颗粒可以分入不同的通道，例如大颗粒可以与小颗粒分开，以实现微观尺度的颗粒分选和/或从流体中过滤颗粒。备选地，在某些实施方式中，流体抽取和惯性升力的结合可用于混合不同种类的颗粒。在某些情况下，流体之间的颗粒分离和位移(或者流体之间的颗粒混合和位移)可以一起进行。在其他例子中，流体抽取和惯性升力的结合可用于将颗粒聚集到微流体通道中期望的位置。这些和其他应用可以扩展到大量的微流体通道，以在低装置制造成本的系统中实现高处理量的流体分选/过滤。

一般来说，一方面，本公开的主题可以体现为一种微流体装置，它包括颗粒分选区域，该区域具有第一微流体通道、沿着第一微流体通道延伸的第二微流体通道和将第一微流体通道与第二微流体通道分开的岛的第一阵列，其中阵列中的每个岛与阵列中的相邻岛被流体连接第一微流体通道与第二微流体通道的开口分开，并且其中第一微流体通道、第二微流体通道和岛的第一阵列如此布置，以便第一微流体通道的流体阻力相对于第二微流体通道的流体阻力沿着颗粒分选区域的纵截面变化，使得来自第一微流体通道或者第二微流体通道中的流体样本的一部分流体通过该开口。

一般来说，另一方面，本公开的主题可以体现为一种微流体装置，它包括:颗粒分选区域，该区域具有第一微流体通道，沿着第一微流体通道的第一侧延伸的第二微流体通道，将第一微流体通道与第二微流体通道分开的岛的第一阵列，其中第一阵列中的每个岛与第一阵列中的相邻岛被流体连接第一微流体通道与第二微流体通道的开口分开，沿着第一微流体通道的第二侧延伸的第三微流体通道，第二侧与第一微流体通道的第一侧相对，将第一微流体通道与第三微流体通道分开的第二阵列，其中第二阵列中的每个岛与第二阵列中的相邻岛被流体连接第一微流体通道与第三微流体通道的开口分开，其中第一微流体通道、第二微流体通道和岛的第一阵列如此布置，以便第二微流体通道的流体阻力沿着颗粒分选区域的纵向相对于第一微流体通道的流体阻力减小，使得在微流体装置操作期间，来自第一微流体通道中的流体样本的一部分流体通过第一阵列进入第二微流体通道，并且其中第一微流体通道、第三微流体通道和岛的第二阵列如此布置，使得第三微流体通道的流体阻力沿着颗粒分选区域的纵向相对于第一微流体通道的流体阻力增加，以便在微流体装置的操作期间，来自第三微流体通道中的流体样本的一部分流体通过第二阵列进入第一微流体通道。

这些装置的实施方式可以具有一个或多个下列特征。例如在某些实施方式中，流体阻力的变化是第一微流体通道或者第二微流体通道沿着颗粒分选区域的纵向增加的横截面积的函数。例如，第一微流体通道或者第二微流体通道之一的宽度可以沿着纵向增加。第一微流体通道或者第二微流体通道之另一个的宽度沿着纵向可以基本恒定。备选地，第一微流体通道或者第二微流体通道之另一个的宽度沿着纵向可以减小。

在某些实施方式中，第二微流体通道的流体阻力相对于第一微流体通道的流体阻力的减少是第二微流体通道沿着颗粒分选区域的纵向增加的横截面积的函数。第一微流体通道的宽度沿着纵向可以基本恒定。

在某些实施方式中，第一阵列中各岛之间的缺口的横截面沿着纵向增加，第一阵列中每个缺口的横截面沿着横向于流过该缺口的流体的平面限定。第三微流体通道的流体阻力相对于第一微流体通道的流体阻力的增加可以是第三微流体通道沿着颗粒分选区域的纵向减小的横截面积的函数。第一微流体通道的宽度沿着纵向可以基本恒定。

在某些实施方式中，第二阵列中各岛之间的缺口的横截面沿着纵向增加，第二阵列中每个缺口的横截面沿着横向于流过该缺口的流体的平面限定。

在某些实施方式中，微流体装置还包括：第一入口通道；第二入口通道，其中第一入口通道和第二入口通道中的每一个流体连接到颗粒分选区域。

在某些实施方式中，沿着纵截面，第一阵列中每个开口的尺寸大于该阵列中前一个开口的尺寸。

在某些实施方式中，颗粒和流体移动区域还包括沿着第一微流体通道延伸的第三微流体通道，和将第一微流体通道和第三微流体通道分开的岛的第二阵列，其中第一微流体通道位于第二和第三微流体通道之间。变化的相对流体阻力可以是第二微流体通道或者第三微流体通道沿着颗粒分选区域的纵向增加的横截面积的函数。例如，第二微流体通道或者第三微流体通道之一的宽度可以沿着纵向增加。作为替代，第二微流体通道或者第三微流体通道之另一个的宽度可以沿着纵向减小。有时，第一微流体通道的宽度沿着纵向可以基本恒定。变化的相对流体阻力可以是第二微流体通道和第三微流体通道沿着颗粒分选区域的纵向增加的横截面积的函数。

在某些实施方式中，装置还包括第一入口通道和第二入口通道，其中第一入口通道和第二入口通道中的每一个流体连接到颗粒分选区域。

另一方面，本公开的主题可以体现为分选流体样本中的颗粒的方法，其中该方法包括让包含一组第一种颗粒的第一流体样本进入微流体装置的颗粒分选区域，其中颗粒分选区域包括第一微流体通道、沿着第一微流体通道延伸的第二微流体通道和将第一微流体通道与第二微流体通道分开的岛的第一阵列。该方法还可以包括让第二流体样本流入颗粒分选区域，其中第一微流体通道和第二微流体通道之间的流体阻力沿着颗粒分选区域的纵截面变化，使得一部分第一流体样本通过第一阵列中各岛之间的开口从第一微流体通道进入第二微流体通道，并且其中第一微流体通道、第二微流体通道和岛的第一阵列被进一步布置成产生惯性升力，该力基本上防止该组第一种颗粒随通过第一阵列的开口的虹吸流体部分传播。

另一方面，本公开的主题可以体现为在微流体装置中使颗粒在流体样本之间位移的方法，该方法包括让包含多个第一种颗粒的第一流体样本流入微流体装置的颗粒分选区域，其中颗粒分选区域包括第一微流体通道、沿着第一微流体通道的第一侧延伸的第二微流体通道、将第一微流体通道与第二微流体通道分开的岛的第一阵列、沿着第一微流体通道的第二侧延伸的第三微流体通道、以及将第一微流体通道与第三微流体通道分开的岛的第二阵列，第二侧与第一微流体通道的第一侧相对，第一阵列中的每个岛与第一阵列中的相邻岛被流体连接第一微流体通道与第二微流体通道的开口分开，且第二阵列中的每个岛与第二阵列中的相邻岛被流体连接第一微流体通道与第三微流体通道的开口分开；然后让第二流体样本流入颗粒分选区域，其中第二微流体通道的流体阻力相对于第一微流体通道的流体阻力沿着颗粒分选区域的纵向变化，使得一部分第一流体样本通过第一阵列中各岛之间的开口从第一微流体通道进入第二微流体通道，第三微流体通道的流体阻力相对于第一微流体通道的流体阻力沿着颗粒分选区域的纵向变化，使得一部分第二流体样本通过第二阵列中各岛之间的开口从第三微流体通道进入第一微流体通道，并且第一微流体通道、第二微流体通道和岛的第一阵列被进一步布置成产生惯性升力，该力基本上防止多个第一种颗粒随着通过第一阵列的开口的部分第一流体样本传播。

这些方法的实施方式可以具有一个或多个下列特征。例如，在某些实施方式中，第一流体样本和第二流体样本都被输送到第一微流体通道。第二流体样本可以连续流过第一微流体通道，基本上不通过开口被虹吸进第二微流体通道。惯性升力可以使该组第一种颗粒跨越流体流线位移，以便该组第一种颗粒被转移到第二流体样本中。

在某些实施方式中，第一流体样本被输送到第一微流体通道，第二流体样本被输送到第三微流体通道。

在某些实施方式中，惯性升力使多个第一种颗粒跨越流体流线位移，以便多个第一种颗粒从第一流体样本被输送到第一微流体通道内的第二流体样本中。

在某些实施方式中，第一流体样本包括多个第二种颗粒，其中多个第二种颗粒随着进入第二微流体通道的第一流体样本的部分流体传播。第一种颗粒可以大于第二种颗粒。

在某些实施方式中，第一流体样本包括与第二流体样本不同的流体。

在某些实施方式中，从第一微流体通道进入第二微流体通道的第一流体样本的量基本上等于从第三微流体通道进入第一微流体通道的第二流体样本的量，因此第一微流体通道内第一种颗粒的浓度保持基本恒定。

在某些实施方式中，第二微流体通道的流体阻力相对于第一微流体通道的流体阻力的变化包括第二微流体通道的横截面积沿着纵向的增加。

在某些实施方式中，第三微流体通道的流体阻力相对于微流体通道的流体阻力的变化包括第三微流体通道的横截面积沿着纵向的增加。

在某些实施方式中，第一流体样本包括多个第二种颗粒，并且多个第二种颗粒随着进入第二微流体通道的第一流体样本的部分流体传播。第一种颗粒可以大于第二种颗粒。

第一种颗粒可以具有在介于约1μm和约100μm之间的平均直径。

另一方面，本公开的主题可以体现为分选流体样本中的颗粒的方法，其中该方法包括让包含一组第一种颗粒和一组第二种颗粒的流体样本流入微流体装置的颗粒分选区域，其中颗粒分选区域包括的一微流体装置、沿着第一微流体装置延伸的第二微流体装置和将第一微流体装置与第二微流体装置分开的岛的第一阵列，其中第一微流体装置的流体阻力相对于第二微流体装置的流体阻力沿着颗粒分选区域的一段变化，使得流体样本的第一部分通过第一阵列中各岛之间的开口被从第一微流体通道虹吸进第二微流体通道，并且其中第一微流体通道、第二微流体通道和岛的第一阵列被进一步布置成产生惯性升力，该力基本上防止该组第一种颗粒随着被虹吸穿过第一阵列的开口的流体部分传播，同时允许该组第二种颗粒随着被虹吸进第二微流体通道中的流体部分传播。

这些方法的实施方式可以具有一个或多个下列特征。例如在某些实施方式中，惯性升力使该组第一种颗粒跨越流体流线移动，使得该组第一种颗粒继续随留在第一微流体通道中的第二部分流体样本传播。在某些实施方式中，第一种颗粒可以大于第二种颗粒。在某些实施方式中，第一部分的流体样本响应于第一微流体通道和第二微流体通道之间的流体阻力的变化通过岛的第一阵列中的开口。流体阻力的变化可包括第一微流体通道或者第二微流体通道之一的横截面积沿着流体流动方向的变化。流体阻力的变化可包括阵列中各岛之间的开口的尺寸的变化。

此处描述的主题的实施方式具有几个优点。例如在某些实施方式中，此处描述的主题可用于分离流体内的颗粒和/或聚集流体内的颗粒。在某些实施方式中，此处描述的主题可用于从流体中过滤颗粒和/或使颗粒从一种流体移动到另一种流体。使用此处描述的技术可以用廉价且简单的设备实现高体积容量和处理能力、显著且可调的流体体积减少以及高颗粒得率。在某些实施方式中，当前描述的技术还可以提供改进的处理和与其他微流体模块的简单集成。对于临床应用，此处描述的系统可以被设置成自备的和一次性的。相比之下，对于生物处理/工业应用，该装置可以设置成连续流动/处理。

为了本公开的目的，通道是指流体可以在其中流动的结构。

为了本公开的目的，微流体是指通常至少有一个横截面尺寸介于约10nm到约10mm之间的流体系统、装置、通道或者腔室。

为了本公开的目的，缺口是指流体或颗粒可以在其中流动的区域。例如，缺口可以是两个障碍之间的、流体在其中流动的空间。

为了本公开的目的，刚性岛状结构是指颗粒通常不能刺过的物理结构。

为了本公开的目的，流体阻力是指跨越通道(例如微流体通道)的压降与通过通道的流体流率的比值。

样本内的颗粒可以具有任意尺寸，该尺寸允许样本在微流体通道内传输。例如，颗粒可以具有介于1μm和100μm之间的平均水力尺寸。颗粒尺寸仅受限于通道几何形状；因此可以使用大于或小于上述颗粒的颗粒。可以使用本领域公知的标准技术确定颗粒(例如细胞、卵子、细菌、真菌、病毒、藻类、任何原核或者真核细胞、细胞器、外泌体、液滴、气泡、污染物、沉淀物、有机和无机物颗粒、磁性珠粒、和/或磁性标记分析物)的尺寸，例如平均水力颗粒尺寸或者平均直径。

除非有不同的定义，此处使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。虽然与此处描述的类似或者等价的方法、材料和装置可以用在本发明的实践或者试验中，合适的方法、材料和装置描述如下。此处提到的所有公开、专利申请、专利和其他参考文献都通过引用被整体结合于本文中。若有抵触，以包含定义的本说明书为准。另外，材料、方法和例子仅是说明性的，而非意在限制。

一个或多个实施方式的细节在附图和下面的说明书中阐述。从说明书、附图和权利要求书中可明显看出其他特征和目的。

附图说明

图1是示意图，其展示了能够使颗粒的位置在流体流线内和跨越流体流线移动的微流体装置的一个例子的顶视图。

图2是示意性图，其展示了颗粒和流体移动装置的一个例子的顶视图，其中允许流体跨越颗粒的传播通道。

图3是示意图，其展示了具有两个入口微流体通道的装置的一个例子的顶视图，这两个入口微流体通道结合到合流通道，后者又结合到颗粒移动区域。

图4是示意图，其展示了具有颗粒移动区域的装置的一个例子的顶视图，用于基于尺寸分选颗粒。

图5是示意图，其展示了具有颗粒动移区域的装置的一个例子的顶视图，用于基于尺寸分选颗粒。

图6a是示意图，其展示了包括颗粒分选区域的微流体系统的一个例子的顶视图。

图6b是图6a的颗粒分选区域的放大图。

图7和8是示意图，其展示了颗粒分选区域的例子的顶视图。

图9是一系列的图(图9a-9d)，其展示了根据惯性升力进行分级的装置的减积特性。

图10是白血球(wbc)得率对液体流率的一系列图(图10a-10b)。

图11是跨越不同流率的不同尺寸的荧光珠的得率图。

图12是白血球得率对流体移动的图。

图13是容纳有流体移动装置的多路复用阵列的显微镜载片的图片。

具体实施方式

颗粒(例如细胞，例如一般的血细胞以及母体血液中的胎儿血细胞、骨髓细胞和循环的肿瘤细胞(ctcs)、精子、卵子、细菌、真菌、病毒、藻类、任何原核或者真核细胞、细胞群、细胞器、外泌体、液滴、气泡、污染物、沉淀物、有机和无机颗粒、珠子、珠子标记的分析物、磁性珠粒和/或磁性标记的分析物)、颗粒在其中行进的流体(例如血液、水溶液、油或气体)和刚性结构之间的相互作用可用于以受控的方式使颗粒跨越微流体装置中的流体流线移动。尤其是，在微流体装置中行进的颗粒所受的力可用于精确定位颗粒，因此可以进行各种有用的微流体操作。可以用这些力进行的微流体操作的例子包括但不仅限于集中载流流体中的颗粒，使颗粒从一种载流液体移动到另一种流体，根据颗粒尺寸(例如平均直径)分离流体中的颗粒，把载流液体内的颗粒聚集到单个流线(或者多个不同的流线)上，将颗粒精确定位在微通道内的任何位置处，以及混合(分散)颗粒。此外，上述任一操作可以与其他技术(例如磁选)同时进行，以增强操作的有效性。

几种不同的机制可用于产生能够使颗粒跨越流体流线移动的力。第一种力被称为“碰撞力”(也称为决定性侧位移(dld))。碰撞力是结构的刚性壁和颗粒之间因颗粒相对于壁的尺寸而出现的直接相互作用。由于半径为rp的颗粒的中心距离相邻结构不能小于rp，因此如果颗粒中心位于距离该结构小于rp的流线上，那么颗粒会被该结构撞离到至少rp远的距离处。这一撞击可以使颗粒跨越流体流线移动。

另一种力被称为惯性升力(亦称壁力或者壁诱导惯性)。相对于碰撞力，惯性升力是颗粒上的流体力，不是因与刚性结构接触而产生的力。虽然尚未完全理解，但是惯性升力是当颗粒靠近壁时由颗粒产生的流动扰动引起的斥力。靠近微通道壁流动的颗粒受到正交于壁的惯性升力。在高流率下，惯性升力很强，并且可以使颗粒跨越流线移动。此外，因为该力高度取决于尺寸(大颗粒受到的力更大)，所以可以利用它来根据尺寸分组颗粒。关于惯性流动的更多细节可见于d.dicarlo、d.irimia、r.g.tompkins和m.toner的“continuousinertialfocusing,ordering,andseparationofparticlesinmicrochannels”，美国国家科学院会报，第104卷，第48期，第18892–18897页，2007年11月；d.dicarlo、j.f.edd、k.j.humphry、h.a.stone和m.toner的"particlesegregationanddynamicsinconfinedflows”物理学评论快报，第102卷，第9期，第094503页，2009年3月；和d.dicarlo的“inertialmicrofludics”，实验室芯片，第9卷，第21期，第3038页，2009年，每一篇都被整体并入本文中。

另一种力是来自迪安流的压差阻力的结果。具有曲率的微流体通道可以在颗粒上产生附加阻力。当将曲率引入矩形通道时，因流体的不均匀惯性可以产生垂直于流动流方向的二次流(即迪安流)。因此，与通道边缘附近的流体元相比，在弯曲通道中心内的较快移动的流体元可以产生更大的惯性。由于高迪安流，流体内的悬浮颗粒上的阻力可以变得显著。

另一种力发生在高斯托克斯数流动中。斯托克斯数(stk)描述了随流体轨迹的变化粒子轨迹变化得有多快。若stk大于1，则流体轨迹的变化和粒子轨迹的变化之间存在滞后。在高斯托克斯流动条件下(例如，斯托克斯数大于约0.01)，改变流体流动方向可用于迫使颗粒跨越流线。关于迪安流和高斯托克斯数的更多细节可见于例如8,186,913号美国专利，它通过引用被整体并入本文中。在高斯托克斯流应用和迪安流应用中，流体位移导致颗粒跨越流体流线。

使颗粒移动的其他技术包括粘弹性和惯性弹性聚集。关于这些方法的细节可见于“sheathlesselasto-inertialparticlefocusingandcontinuousseparationinastraightrectangularmicrochannel”(yang等，实验室芯片(11)，266-273，2011)、“singlelineparticlefocusinginducedbyviscoelasticityofthesuspendingliquid:theory,experimentsandsimulationstodesignamicropipeflow＝focuser”(d’avino等，实验室芯片(12)，1638-1645，2012)和“inertio-elasticfocusingofbioparticlesinmicrochannelsathighthroughput”(lim等，自然通讯，5(5120)，1-9，2014)，每一篇都通过引用被整体并入本文中。

上述技术是“内部的”，因为它们使用流体流动和/或微流体通道本身的结构来产生使颗粒跨越流线移动所必需的力。有时，其他外部机制也可用于与一个或多个内部力一起来改变颗粒在流体内行进的路线。例如，有时外部施加的磁力、重力/离心力、电场力、或者声场力可用于引起颗粒位置跨越流体流线移动。关于如何施加这种力的详细信息可见于例如名称为“sortingparticlesusinghighgradientmagneticfields”的wo2014/004577、名称为“acousticfocusing”的7,837,040号美国专利、名称为“dielectrophoreticfocusing”的wo2004/074814、和“microfluidic,label-freeenrichmentofprostatecancercellsinbloodbasedonacoustophoresis”(augustsson等，分析化学84(18)，2012年9月18日)。

本公开主要关注于将惯性升力与周期性的流体抽取结合来使颗粒跨越流体流线移动，以用于分选流体之间的颗粒和/或从流体中分离颗粒。特别是，包含颗粒的第一流体被引入第一微流体通道中，该第一微流体通道具有将第一通道与相邻的微流体通道分开的刚性的岛状结构阵列。当第一流体通过岛状结构之间的缺口被从第一微流体通道抽取到第二微流体通道中时，颗粒被抽到更靠近岛状结构。当颗粒更靠近岛状结构时，颗粒受到背离流体抽取方向的惯性升力，使得颗粒跨越流体流线，并保持在第一通道内。同时，第二流体从第三微流体通道通过第二岛状结构阵列进入第一微流体通道中，使得第一通道内的颗粒被转移到第一通道内的第二流体。在某些实施方式中，从第一通道进入第二通道的第一流体的量与从第三通道进入第一通道的第二流体的量相同。因此，颗粒可以从一种流体移动到另一种流体，同时保持相同的颗粒浓度。流体抽取和惯性升力的结合可用于进行颗粒定位、颗粒过滤、颗粒混合、流体混合和/或使流体跨越颗粒流移动以及其他操作。

但是，应当指出此处描述的用于颗粒和/或流体分选的技术不局限于使用惯性升力。相反，周期性的流体抽取也可以与一种或多种上述(内部的和外部的)力相结合，来控制在微流体装置中传播的流体中的颗粒的位置。

此处公开的用于使颗粒移动的机制还可以基于尺寸，因此可用于执行基于尺寸的颗粒操作(例如基于颗粒的平均直径)。通过让颗粒跨越流线反复移动，微流体装置中的流体和颗粒两者都可以被操纵以执行如下操作，诸如将颗粒聚集到一个或多个流体流线、从流体中过滤颗粒、混合来自不同流体流的不同颗粒、和/或根据尺寸分选颗粒。通常，“聚集”颗粒是指跨越通道的横向范围将颗粒重新定位在小于通道宽度的宽度内。例如，此处公开的技术可以将悬浮在流体中的颗粒定位到流体流中，其中通道宽度与流体流宽度的比值约为1.05、2、4、6、8、10、20、30、40、50、60、70、80、90或者100。颗粒可以具有各种尺寸，包括但不局限于介于约1μm和约100μm之间的平均直径。

此处公开的用于使颗粒移动的机制还可以根据颗粒的形状(例如球形对圆柱形)和可变形性(例如刚性对柔性)，从而实现根据形状和可变形性有差异地操纵和分选颗粒。

使用惯性升力的颗粒移动/分选

在讨论如何使用此处公开的一种或多种装置将颗粒从一种流体移动到另一种流体之前，首先在更基础的装置结构(诸如图1所示的装置)的背景下回顾一下流体抽取和惯性力是有帮助的。图1是示意图，其展示了微流体装置100的一个例子的顶视图，它能够在流体通过微流体装置100传播时，跨越流体流线移动/分选颗粒102的位置。如下所述，颗粒跨越流体流线的移动依赖于当从微流体通道中周期性地抽取流体时颗粒所受的惯性升力。显示了笛卡尔坐标系统供参考，其中x方向延伸进出页面。

在装置100的操作过程中，携带颗粒102的流体通过入口微流体通道104被引入。在这一和其他实施方式的颗粒移动装置中，可以通过使用泵或者其他流体驱动机构来引入流体。入口通道104分成具有两个不同的流体流动通道(第二微流体通道106和基本平行于第二微流体通道106的第一微流体通道108)的颗粒分选区域，两个通道由一维阵列的刚性岛状结构110分开。一维阵列的岛状结构110基本沿与流体流过第二和第一微流体通道的方向相同的方向延伸。阵列中的每个岛状结构110与相邻的岛110由流体可流过的开口或缺口114分开。在图1的例子中，相邻岛110之间的每个缺口114具有相同的距离。在其他实施方式中，在相邻的岛110之间的不同缺口可以具有不同的距离。例如，在某些实施方式中，第一阵列中的每后一个开口的长度(例如沿着流体传播方向即图1中的z向测量)大于阵列中前一个开口的尺寸。或者在某些实施方式中，对于后续的开口，该距离可以大小交替。此外，虽然图1中显示的是一维阵列，但是岛110可以按不同的构型排列，例如包括二维岛阵列。微流体通道内流体流动区域的边界由装置壁112和岛110的壁限定。

当流体基本沿着z向从入口通道104向通道(106，108)传播时，颗粒102受到使颗粒102跨越流体流线移动并且沿着第一微流体通道108行进的力(在该例子中为惯性升力)。这些惯性升力在负y向上(见图1中每个颗粒102附近的短箭头)。

例如，当颗粒102位于入口通道104内并且接近顶壁112时，颗粒受到的惯性升力推动颗粒朝着第一微流体通道108向下。一旦处于第一微流体通道108中，颗粒102就可以接近第一岛110的壁，使得它再次受到推动颗粒102向下的惯性升力，其将颗粒保持在第一微流体通道108内。因此在图1所示的每个“颗粒移动”区域内，重复施加到颗粒102的惯性升力用于从通过第二微流体通道106传播的流体中分离/过滤出颗粒。

同时，在第一微流体通道108中行进的部分流体在装置100中的一个或多个“流体移动”或者“流体抽取”区域处(见图1)被抽入或流入第二微流体通道中。在图1的例子中，每个流体移动区域对应于在第一微流体通道108和第二微流体通道106之间延伸的开口或者缺口。每个“流体移动”区域主要允许流体从第一微流体通道108被抽取到第二微流体通道106中。由于颗粒遵循流体流线，流体进入缺口的运动倾向于将颗粒102也拉向缺口。但是，当颗粒移动靠近缺口114时，它们接近岛状结构112，这会施加惯性升力以引起入流颗粒沿着远离缺口114的方向越过流体流线。也就是说，颗粒102从进入第二微流体通道106的流体流线移动到继续在第一微流体通道108内流动的流体流线。因此，颗粒102继续在第一微流体通道108内传播，而不是随流体移动到第二微流体通道106内。如果没有流体从第一微流体通道108移动到第二微流体通道106，颗粒会因惯性聚集而迁移。但是，通过使流体跨越通道移动，颗粒102倾向于跟随流体流向惯性升力比剪切梯度力强得多的区域，从而使得颗粒以非常高效且受控的方式跨越流线移动。

在本实施例中，流体因流体阻力下降而被抽取经过流体移动区域。也就是说，对于恒定粘度的流体，相邻岛110之间的缺口114增加了流体可以流过的通道面积，导致流体阻力减小。当流体通过装置100的通道108传播并到达缺口114时，一部分流体会流进缺口114，并随后流进第二微流体通道106(即该部分流体被抽取进通道106)。增加第二微流体通道106的通道宽度也会减小流体阻力。在某些实施方式中，通道106的宽度可以被理解为第二通道壁112上的一个位置和岛110的表面上位于第二通道壁112上的上述位置的正对面且面向第二通道壁112上的上述位置的位置之间的距离。对于岛110之间的缺口区域，通道106的宽度在某些实施方式中可以理解为第二通道壁112上的一个位置和贯穿相邻岛110之间的缺口的虚拟表面上位于通道壁112上的上述位置的正对面且面向通道壁112上的上述位置的位置之间的距离，其中虚拟表面与相邻岛的最接近于且面向壁112的侧面共线。

在一特殊例子中，例如如图1所示，第二微流体通道壁112以一角度远离岛倾斜(相对于岛倾斜定向)，以便第二微流体通道106的宽度沿着通道的纵向(例如沿流体传播方向或者如图1所示的例子的正z向)增加，从而导致流体阻力减小。也可以利用通道106的横截面积沿着第一微流体通道纵向的任何增加，而不仅仅是宽度的增加，来减小流体阻力。备选地或者额外地，相对于通道106的流体阻力，在通道108中流体可以经受流体阻力的增加(例如，通过沿纵向减小通道108的横截面积)。因此可以说，流体是响应于第二和第一微流体通道之间的相对流体阻力的变化而被抽取，该变化导致流体从第一通道108被抽取到第二通道106中。相对流体阻力的变化可以发生在整个颗粒分选区域或者小于整个颗粒分选区域的一部分分选区域上。相对流体阻力的变化可以沿着流过颗粒分选区域的流体方向发生(例如如图1所示沿着颗粒分选区域的纵向)。

随着缺口114处和/或通道106中的流体阻力逐渐减小，更大量的流体流进第二微流体通道106中。此外，流体反复移动到第二通道106内减少了第一通道108中的流体的量。对于图1所示的构造，反复的流体抽取从而增加了第一通道108中的颗粒对流体的浓度，同时降低了第二微流体通道106中的颗粒浓度，因此第二微流体通道106中的流体被“过滤”或者“净化”。

由此引起的聚集颗粒流线可以被结合到微流体装置100的独立的处理区域，或者从装置100上移走，用于附加处理和/或分析。同样，第二通道106中的“经过滤的”流体可以被结合到微流体装置100的独立区域，或者从装置100上移走，用于附加处理和/或分析。在某些实施方式中，进入装置100的颗粒102被“预聚集”到与第一微流体通道108对齐的期望流体流线位置。通过将颗粒102预聚集到期望位置，颗粒无意中进入第二微流体通道106的概率可以降低。

此处描述的颗粒移动技术的另一个优点是它可用于沿着一个或多个流线聚集颗粒。例如如上所述，部分流体可以从初始的微流体通道被抽取到一个或多个平行的微流体通道内。在某些情况下，包含抽取出的流体的平行微流体通道随后可以在下游与初始的微流体通道再结合，以便颗粒被限制到单通道中的指定流线。将流体移动与惯性升力结合的这一技术的优点是可以通过控制从初始通道的每一侧除去多少流体，将颗粒聚集到下游通道内的期望位置(例如靠近通道壁，在通道中央，或者在通道壁和通道中央之间的中途以及别的位置)，从而为微流体装置的设计和使用增加灵活性。相比之下，对于主要基于惯性聚集的微流体系统，在通道内只能有限地选择聚集流的位置。

回顾了流体抽取和惯性力之后，现可描述用于在流体之间移动/分选颗粒的微流体装置。尤其是，此处描述的流体和颗粒移动技术可用于使流体跨越通道移动，而无伴生的颗粒移动，因此颗粒被间接输送到另一流体。图2是示意图，其展示了用于使颗粒在流体之间移动的装置200的一个例子。装置200包括第一入口微流体通道204和第二入口微流体通道，两者由例如壁或者其他物体的分割结构205分开，其防止在第一入口204和第二入口206之间的混合。在分割结构205的端部，第一和第二入口微流体通道(204、206)被流体结合到具有三个不同的流体流动区域(第二微流体通道208、第一微流体通道210、和第三微流体通道212)的颗粒移动区域。

第二微流体通道208与第一微流体通道210由第一阵列214的岛状结构218分开。第三微流体通道212与第二微流体通道210由第二阵列216的岛218分开。第一阵列214中每个相邻的岛状结构和第二阵列216中每个相邻的岛状结构被用于使流体移动的缺口分开。微流体通道的边界由装置壁220和岛的壁限定。第二通道208的微流体通道壁220以一角度远离岛218倾斜(相对于岛倾斜定向)，因此第二通道的宽度沿着流体传播方向增加，从而导致流体阻力减小，并导致流体被从第一通道210抽取到第二通道208内。相比之下，第三通道212的壁220以一角度朝着岛218倾斜，因此第三通道212的宽度沿着流体传播方向减小，从而导致流体阻力增加，并导致流体被从第三通道212抽取到第一通道210内。

在操作装置200的过程中，在第一入口通道204中的第一流体内流动的颗粒202与通道壁相互作用，因此它们受到惯性升力，这使得颗粒202朝着液体流的中心流线移动或聚集。中心微流体通道210的流体路径与第一入口通道204的流体路径基本对齐，因此来自通道204的聚集颗粒和一部分第一流体流入第一通道210。一旦颗粒202进入第一微流体通道210，它们就受到来自岛状结构218的惯性升力，其继续使颗粒202沿着贯穿通道210延伸的一个或多个中心流线聚集。同时，由于流体阻力减小，一些第一流体被抽取入“流体移动”区域中的第二微流体通道208中。因为颗粒202在第一通道210中受到惯性升力，所以大部分颗粒202留在第一通道210中，而不是被第一流体携带到第二通道208中。

第二流体被提供于第二入口通道206中。第二流体可以是与用于从入口通道204引入颗粒的载流流体相同的流体，或不同的流体。第二流体主要从第二入口206流入第三微流体通道212。部分第二流体在"流体移动"区域中被从入口206和/或第三通道212抽取入第一微流体通道210中。当第二流体沿通道212向下传播时，第二流体的抽取因第二流体受到的流体阻力增加(例如通道宽度减小)而发生。因此，更多量的第二流体开始在第一通道210内流动。在例如有足够长的微流体通道的某些实施方式中，第二流体甚至可以从第三微流体通道212跨越至第一微流体通道210中，并最后进入第二微流体通道208中与第一流体汇合。但是，因为颗粒202在第一通道210中受到惯性升力，所以大部分颗粒202留在第一通道210中，并且未被第一或第二流体携带至第二通道208中。因此，流体移动区域和颗粒移动区域的结合允许颗粒202与第一流体分离。即，当第二流体被引入通道210时，颗粒202被从第一流体移动至第二流体。由于惯性力将颗粒202保持在通道210内，因此在某些实施方式中，颗粒也可以与穿过通道208的汇合的第一和第二流体分离。

如果从第一通道210被抽取到第二通道208中的第一流体的量在装置的长度上保持等于或基本等于从第三通道引入到第一通道中的第二流体的量，那么穿过通道210传播的流体的量可以保持基本恒定。类似地，由于惯性升力使得穿过通道210传播的颗粒的数目保持基本恒定，因此即使通道210内的流体有变化，颗粒的总浓度也没有明显变化。即，在通道210起点处第一流体内的颗粒202浓度基本等于流体移动已经完成之后在通道210末端附近第二流体中的颗粒202浓度。

在某些实施方式中，第一流体未被从通道210完全抽入通道208中。相反，微流体装置可以如此设置，即在操作装置之后，第一流体和第二流体两者在通道210内汇合。在此情况下，第一流体和第二流体可以根据层流并排传播，或者可以因例如扩散而混合。在任一情况下，如果被抽取到通道208中的第一流体的量在装置的长度上基本等于从通道212引入通道210中的第二流体的量，那么颗粒202相对于通道210内的任何流体的浓度可以保持基本恒定。

来自第二、第一或第三通道的流体流中的任一个可以结合到微流体装置的分离区域，或者从装置上移走，用于额外的处理或分析。在某些实施方式中，第二和第三通道的尺寸/流体阻力的变化可以如此设置，以确保在每个单元处有等量的流体流入第三通道和流出第二通道。

能够使颗粒在流体之间转移的装置的另一个例子如图3所示，该图是示意图，其展示了装置300的一个例子，它包括两个入口微流体通道(304，306)，两者结合到单个微流体通道305以汇合流体。合流通道305进而结合到颗粒移动区域，该区域包括两个不同的流动区域(第二微流体通道308和第一微流体通道310)。第二微流体通道308与第一微流体通道310通过岛状结构312阵列分开，其中各岛312与相邻的岛312被用于流体移动的缺口314分开。另外，第二微流体通道308的顶壁316以一定角度远离岛312倾斜，以便减小z向上的流体阻力。

在操作装置300期间，包含颗粒302的第一流体(“流体1”)被引入第一入口通道304中，而没有颗粒的第二流体(“流体2”)被引入第二入口通道306中。假定流体以对应于低雷诺数(并因此为层流)的流率引入，那么两个不同的流体在合流区域305中几乎不混合，即两个流体基本上以彼此靠近的层继续流动。合流区域305中的流体路径与第一微流体通道310的流体路径对齐，因此汇合的流体主要流进第一通道310中。当两个流体进入第一微流体通道310时，第一流体内的颗粒302受到来自岛状结构312的惯性升力，该惯性升力横向于流向，且将颗粒302保持在第一微流体通道内。

同时，第二微流体通道308的宽度增加(由于倾斜的通道壁316)会降低流体阻力，因此部分第一流体(最接近岛状结构的第一流体)在岛312之间的各缺口处被抽取入第二通道308。因为第一流体是作为在第二流体上方的层流动，所以很少到没有第二流体被抽取入第二通道308中。在传播经过岛312足够的距离后，大部分第一流体被抽取入第二通道308，而颗粒302和大部分或者所有的第二流体留在第一通道310中。因此，如图3所示的微流体装置构型也可用于将颗粒从一种流体转移到不同的第二流体。如果流过入口304的第一流体的量基本等于流过入口306的第二流体的量，那么在通道310内(且在抽取第一流体之后)第二流体中的颗粒302浓度可以保持基本等于在入口304内第一流体中的颗粒302浓度。在某些实施方式中，传播距离足够长，因此第二流体也被抽取入第二微流体通道308。在此情况下，在第一微流体通道310内第二流体中的颗粒302浓度可以增加到高于通道304内的颗粒浓度的水平。

在某些实施方式中，反复的颗粒和流体移动可用于执行基于尺寸的流体内颗粒分离。图4是展示装置400的一个例子的示意图，该装置用于基于尺寸的颗粒分选。该装置的构造与图3所示的装置300相同。在操作装置400期间，包含不同尺寸的颗粒(大颗粒402和小颗粒403)的第一流体(“流体1”)被引入第一入口通道304，而没有颗粒的第二流体(“流体2”)被引入第二入口通道406。第一和第二流体可以为同种或者不同种的流体。再次，假定流体以对应于低雷诺数(并因此为层流)的流率引入，那么两种不同的流体在合流区域405中几乎不混合，即两个流体基本上以彼此靠近的层继续流动。当两个流体进入第一微流体通道410时，大颗粒402上的力大到足以将颗粒402保持在第一微流体通道410内。相反，小颗粒403上的力不够大，不足以防止小颗粒403随第一流体被抽取到第二微流体通道408内。在足够长距离上经反复的颗粒移动和流体抽取之后，大部分第一流体和小颗粒403被抽取到第二通道408中，而大颗粒402和大部分第二流体留在第一通道410中。这一过程也称为分级，可用于根据尺寸分离颗粒与流体。

为何大颗粒402相对于小颗粒403优先留下有多种原因。第一，惯性升力在颗粒直径上是高度非线性的。例如，据信通道壁附近的惯性升力的尺度在a³到a⁶范围内，其中a是颗粒直径，因此大颗粒比小颗粒受到大得多的力。较大的惯性升力可用于将颗粒从靠近岛从岛状结构阵列的一个或一排向上移动到下一个的流体流中移出。关于颗粒尺寸和惯性升力之间的关系的其他信息可见于dicarlo等的“particlesegregationanddynamicsinconfinedflows”(物理评论文集，2009)，该文通过引用被整体结合于本文中。第二，大颗粒的平衡位置与小颗粒相比通常更远离壁，因此更远离流体抽取通道，并且更可能落在流线上，不向抽取通道移动。因此大颗粒可以被保持在指定的排中，而在岛附近流动的小颗粒从该阵列的一排向上移动到下一排。

因而，分级通过反复地(1)使用惯性升力使大颗粒远离通道壁移动，且随后(2)使没有大颗粒的流体移动到相邻通道来完成。在某些实施方式中，分级也可以用于从源流体(例如血液)中跨越流体流线将颗粒分选到相邻的目标流体(例如缓冲液)中。

例如，图5是展示装置500的一个例子的示意图，该装置也可用于根据尺寸分离颗粒。装置500的构造与图2所示的装置200相同。第三微流体通道512中的流体阻力因通道宽度减小而逐渐增加，而第二微流体通道508中的流体阻力因通道宽度增加而逐渐降低。因此，在操作装置500期间，第一流体(“流体1”)从第一微流体通道510到第二微流体通道508的反复流体移动发生在第一阵列514中的岛518之间的缺口处。类似地，第二流体(“流体2”)从第三微流体通道512到第一微流体通道510的反复流体移动发生在第二阵列516中的岛518之间的缺口处。流体抽取力足够大以将小颗粒503随第一流体抽走，但不足以对抗大颗粒502受到的惯性升力。因此，大颗粒保持沿着第一微流体通道510内的流线流动。在反复的颗粒和流体移动之后，大颗粒502开始沿已经移动到第一通道510内的第二流体中的流线流动，如果在颗粒分选/或移动区域的长度上从通道510流到通道508的流体的量基本等于从通道512流入通道510的流体的量，那么在通道510内流动的流体的量可以保持基本恒定。

图1-5所示的微流体装置使用来自微流体通道壁和来自岛状结构周期矩阵的惯性升力来实施跨越流体流线的颗粒移动。除惯性升力之外的技术可用于帮助颗粒跨越流体流线移动。例如因高迪安流和/或高斯托克斯流而产生的内部力，例如惯性聚集，可用于使颗粒跨越流体流线移动和/或将颗粒保持在微流体通道内。备选地或者额外地，诸如磁力、声场力、重力/离心力、光场力和/或电场力之类的外部力可用于使颗粒跨越流体流线移动。另外，分隔不同流动区域的刚性岛状结构的形状不局限于图1-5所示的形状。例如，刚性的岛状结构可以具有类似于立柱、立方体或其他多面体的形状，其中顶面或底面是或者可以是全等多边形。在一些情况下，例如在高流率下，使用具有流线型、渐缩端部的岛是有利的，因为这有助于最小化流动再循环(涡流)的形成，该流动再循环会以不可预知且不合需要的方式干扰流动。刚性岛状结构的其他形状也是可能的。刚性岛状结构的长轴可相对于流体的平均流向、颗粒的平均流向或者分选区域的长轴成一定角度定向。通道段的形状不局限于图1-5所示的近似矩形。通道段可以包括弯道或相当大的宽度变化。关于横截面，图1-5中描述的通道可以是正方形、矩形、梯形、或者圆形。通道横截面的其他形状也是可能的。通道深度在颗粒分选区域上可以是均匀的，或者通道深度可以沿横向或沿纵向变化。另外，虽然图1-5显示的微流体通道为近似直线的路径，但是通道可以设置成其他不同的布局。例如，在某些实施方式中，微流体通道可以形成为具有螺旋构型。例如，第一微流体通道和第二微流体通道可以布置成螺旋构型，其中第一和第二微流体通道仍然由岛状结构阵列分隔，但流过通道的流体的纵向会遵循大致螺旋形的路径。在某些实施方式中，岛状结构的尺寸或形状沿着分选区域的长度(例如沿流体流向)和/或沿着分选区域的宽度(例如流体流向的横向)可以变化。在某些实施方式中，通过岛状结构之间的流体的比例在通道内的不同位置处有变化。例如，通过两个岛状结构之间的第一缺口的流体的百分比可以高于或低于通过两个岛状结构之间的下一相邻缺口的流体的百分比。

虽然图1-5所示的有些实施方式包括两个入口通道，但是额外的入口通道可以结合到微流体通道。在有些实施方式中，3个、4个或更多的入口通道可以将流体引入通过流体交换和惯性升力使颗粒移动的装置区域中。例如，在一些实施方式中，可以有三个入口通道，一个输送血液，一个输送染色剂，还有一个输送缓冲液流。使用此处公开的流体移动和惯性升力技术的结合，来自血流的白血球可以被移动到试剂流中，然后到缓冲液流中。

在一些实施方式中，此处描述的装置可以与其他微流体模块(举例来说，包括用于过滤某些尺寸的颗粒子群的过滤器)一起用于操纵流体和/或颗粒。另外，此处描述的装置可以在微流体系统内串联和/或并联使用。

微流体装置的设计参数

现将描述各种设计参数对微流体装置的操作的影响。仅供参考，图7是示意图，其展示了典型的颗粒分选区域700的顶视图，它包含几排岛状结构710，每排岛与邻排的岛被对应的内部微流体通道703分开。另外，还有在岛阵列的上方延伸的外部微流体通道705a和在岛阵列下方延伸的外部微流体通道705b。流体流的主要方向由箭头701表示。外部通道705a的宽度(沿着y向限定)沿着通道的长度扩大，而外部通道705b的宽度(沿着y向限定)沿着通道的长度收缩。为便于下面的讨论，通道和岛可以被理解为排列成分开的“单元”(见图7中的单元1、单元2与单元3)。具体地说，图7展示了具有两个内部通道和两个外部通道的阵列的三个单元。

颗粒分选区域700的相关设计参数是单元长度、宽度和流体移动。在这里，宽度w是指内部微流体通道703的尺寸，而长度l是指单元内岛状结构710的长度。内部通道因而具有固定宽度w和流导(fluidicconductance)g。扩张通道具有宽度we,i和流导ge,i，其中i是指单元号。类似地，收缩通道具有宽度wc,i和流导gc,i，其中i是指单元号。流体移动f是内部通道中的流量q在每个单元处在各排(通道)之间移动的分数。内部通道中的净流量不变，因为在各单元处流量fq(f和q的乘积)移出这些通道(在岛状结构之间的开口707处)，且流量fq移入这些通道(在岛状结构之间的开口707处)。相比之下，外部通道705中的净流量有变化。收缩通道705b中的净流量在各单元处下降fq，而扩张通道705a中的净流量在各单元处增加fq。因而，各单元的外部通道的宽度也可以调整到提供所需的跨越阵列的流体移动。

对于每个连续单元，扩张通道的流导增加fg(f和g的乘积)，而收缩通道的流导减少fg。变化的流导转化为体积流率的成比例变化，因为每个单元的压降p跨越单元中的所有通道近似相等，并且流率与流导的关系为q＝pg。因此，当扩张通道(例如通道705a)的流导增加fg时，扩张通道中的流率增加fq。类似地，当收缩通道(例如通道705b)的流导下降fg时，收缩通道中的流率增加fq。

阵列中每个通道的流导是其尺寸和流体粘度的函数。在图7所示的阵列中，假定每个通道具有矩形的横截面，因此具有由下式描述的流导：

在这里，η是流体粘度，l是通道长度，w是通道宽度，h是通道高度，而α＝h/w。也可以利用更精确的基于无穷级数的公式(tanyeri等，“amicrofluidic-basedhydrodynamictrap:designandimplementation(supplementarymaterial)”，芯片实验室(2011))。计算模型或经验方法可用于确定更复杂的通道几何结构的流导。(注释：在本说明书中更简单的是关注流导g，而非流体阻力r。两个量通过g＝1/r简单地关联。)

在内部通道的流导确定之后，扩张通道的第i个单元的流导ge,i可以表示为

ge，i＝ifg

即，第一单元的流导是fg，且每个连续单元的流导增加fg。注意扩张通道的第i个单元中的流率qe,i与流导的关系为qe,i＝pge,i，且q＝pg，则扩张通道的第i个单元中的流率可以表示为

qe，i＝ifq

因而，第一单元中的流率是fq，且每个连续单元中的流率增加fq。

收缩通道第i个单元的流导gc,i可以表示为

gc，i＝2g-ifg

即，第一单元的流导是2g-fg，且每个连续单元的流导增加fg。注意收缩通道的第i个单元的流率qc,i与流导的关系为qc,i＝pgc,i，且q＝pg，则扩张通道的第i个单元中的流率可以表示为

qc，i＝2q-ifq

因而，第一单元中的流率是2q-fq，且每个连续单元中的流率增加fq。

选择扩张通道的宽度we,i以给出所需的ge,i，选择收缩通道的宽度wc,i以给出所需的gc,i。实际上，这些宽度可以通过(使用上述公式)评估宽范围的通道宽度的流导然后插值求出给出所需的通道流导的通道宽度。

将扩张通道中的流量增加到q并将收缩通道中的流量减少到q所需的单元数目是n＝1/f。因此，在第n个单元中，所有通道中的流率相等：qe,n＝qc,n＝q。

在n个单元以后，阵列可以“重置”。例如，图8是示意图，其展示了颗粒分选区域800的一个例子的顶视图，它类似于图7所示的区域700，其中在n个上述单元的岛状结构710之后，引入“重置”区域。在重置时，收缩通道705b和相邻的内部通道703结合以形成新的收缩通道709b，扩张通道705a变成内部通道，并且引入新的扩张通道709a。

单元长度、宽度、移动、流速和颗粒尺寸是最能显著地影响装置性能的因素。简单地说，每个因素的影响如下：

●单元长度决定惯性升力作用在颗粒上的距离(和时间)，从而决定颗粒在每个单元迁移的横向距离。为了保留颗粒，单元必须足够长，以让颗粒逃离在岛之间的下一个开口处将要移动的流体。

●流速也影响惯性升力的幅度和颗粒在每个单元迁移的横向距离。每纵向距离的迁移(横向)距离与流速近似成比例。为了保留颗粒，流速必须足够快，以让颗粒逃离在岛之间的下一个开口处将要移动的流体。

●移动不直接影响颗粒迁移，而是决定颗粒必须迁移多远(即跨越多少流体分数)以逃离将要在岛之间的下一个开口处移动的流体。移动越大，颗粒必须迁移得越远。

●单元宽度以两种方式影响性能。第一，单元宽度(和高度)影响作用于颗粒的惯性升力的幅度，随着单元宽度增加，力减小。第二，宽度将移动与颗粒必须迁移的距离相关联。换句话说，对于给定的移动，单元宽度越大，颗粒必须迁移得越远，以逃离将要在岛之间的下一个开口处移动的流体。

●惯性升力的幅度强烈地取决于颗粒尺寸，随着颗粒尺寸的增加，力急剧增加(d.dicarlo.，“inertialmicrofluidics”，芯片实验室(2009))。因此，大颗粒比小颗粒在每一单元横向迁移得更远。正是迁移速度上的这一差异允许基于尺寸分选颗粒。

为了在通道之间交换流体，可以选择上述因素，以确保所关心的颗粒被留在阵列的排中。对于基于尺寸的颗粒分选应用，可以选择上述因素，以便大颗粒的子群被留在排内，而小颗粒的子群则不。

例如，下组参数可用于为血液减积(即从红血球(rbcs)和血小板分离白血球(wbcs))：约200μm的单元长度，约50μm的单元宽度，约52μm的单元深度，约3.0％的移动，约80μl/min/排的流率(0.51m/s的平均流速)。这组参数对于分离白血球是十分有效的，其带有极少量红血球和血小板遗留。在此情况下，白血球是球形，直径通常>8μm。红血球是盘状的，直径约7μm，厚度约1.5μm(因此其期望的表现类似于中等尺寸的球体)。血小板是直径3μm的盘状。

岛具有200μm的长度(即和单元长度一样)和50μm的宽度。岛的目的仅仅是隔离通道，以便在装置内形成合适的流动条件。因此，岛的宽度不具有特殊的功能价值。岛可以做得稍微窄些或宽些，而不会显著影响装置的性能。

但是岛的宽度确会影响制造的难度。制造的难度主要取决于微流体装置内结构的高宽比(高度除以宽度)，高宽比越小的装置越易于以低成本和高产量制造。我们可以用两种方式确定高宽比。最小的高宽比是结构高度h除以最小的结构宽度wmin。总高宽比是结构高度h除以和结构面积相同的圆的直径d。在这里，d可以表示为其中a是结构的面积。

因为上述例子中的岛具有50μm的宽度和52μm的高度，因此它们具有1.04的最小高宽比和0.46的总高宽比。这允许简单地制造模制的聚二甲基硅氧烷和环氧树脂装置以及注模的塑料装置。因此，该装置不仅从功能性的角度来说极其有用，而且从商业化的角度来说它也可从根本上缩放且具经济性。此外，上面列出的那组装置参数可以改变，以分选其他尺寸的颗粒。

被设置成使给定尺寸的颗粒移动的微流体装置在某些实施方式中可以被缩放到有效地使不同尺寸的颗粒移动。例如，对于使用惯性升力使颗粒跨越流体流线移动的装置，可以根据颗粒尺寸缩放颗粒移动区域的尺寸，并改变流动条件，只要保持颗粒雷诺数的值rp。颗粒雷诺数可以表示为：

其中um是最大通道速度，a是粒径，ν是流体的运动粘度以及dh是通道的水力直径。对于具有宽度w和高度h的矩形横截面的通道，dh可以表示为(2wh)/(w+h)，其中h是通道高度，w是通道宽度。例如，假定有一个移动区域1，它能使尺寸为a的颗粒有效地移动。设计能使尺寸2a的颗粒有效移动的移动区域2的一个方法是将移动区域1的所有尺寸放大1倍(即将所有特征的长度、宽度和高度都加倍)。为了在移动区域2中保持相同的rp，最大通道速度um必须减小到1/2。

根据颗粒尺寸缩放颗粒移动区域的尺寸和流动条件的其他方法也是可以的。

对于依靠惯性升力使颗粒跨越流线移动的带有直通道的分选装置，下面提供装置设计和操作的指南：

首先，如在“inertialmicrofluidics”(dicarlo，芯片实验室(9)，3038-3046，2009)(通过引用整体结合于本文中)中所述，横向(跨越通道)颗粒速度uy与纵向(流体流动方向上)速度uz的比值与颗粒雷诺数rp成比例，并且可以表示为：

在这里，um是最大通道速度，a是颗粒直径，ν是流体的运动粘度以及dh是通道的水力直径。(对于具有宽度w和高度h的矩形横截面的通道，dh＝(2wh)/(w+h)。)此处描述的颗粒分选装置的目标在某些实施方式中是使用惯性升力使颗粒跨越流线有效地移动(即使uy/uz最大化)。为此目的，建议通道尺寸和流动条件的选择应使颗粒通道中的颗粒雷诺数rp最大化到诸如操作压力的其他实际约束条件所能允许的程度。在整个装置中，颗粒通道中的颗粒雷诺数rp最好是大于约0.01，但是其可能远大于此，可能大于100。rp约等于1是好的中间目标。

对于给定的颗粒直径a和运动粘度ν，目标颗粒雷诺数rp可以通过通道尺寸和通道速度的多个不同的组合来实现。增大rp的一个可能策略是选择(相对于a)非常小的水力直径dh。但是，通道阻力与dh是四次函数关系，并且不必要地选择小的dh的代价是极大地增加了操作压力。相反，操作压力随着通道速度um线性缩放，因此一个好的备选策略是设计具有适度水力直径dh的装置，然后在操作时根据需要增加通道速度um(进而增加rp)，以获得高的颗粒产量。对于具有方形横截面即dh＝w＝h的通道，dh的值约为颗粒直径a的五倍是一个合理的选择：dh＝5a。

第二，岛之间的开口的长度(纵向上)优选，但非必须，大于约a且小于或等于约w。如果开口的长度小于a，则开口会被颗粒所阻塞，从而中断通过开口的流动。长度约等于w的开口不太可能被颗粒阻塞，且在两岛之间为流体提供足够的空间，以使之跨越到相邻通道。长度大于w的开口有效，只是没有特别的好处，并且代价是浪费空间。

第三，岛的长度l优选大于或等于岛之间开口的长度。因为当颗粒靠近岛而非在开口处行进时，颗粒受到惯性升力，所以颗粒应当靠着岛而非跨越岛之间的开口行进大部分纵向距离。换一种方式，如果岛的长度和岛之间的开口的长度相等，那么颗粒沿着它们行进的距离的正好50％受到惯性升力。另一方面，如果岛的长度是开口长度的4倍，那么颗粒沿着它们行进距离的80％受到惯性升力。

岛的长度l的宽松上限是让颗粒迁移到平衡聚集位置所需的长度。超过使颗粒达到平衡所需的长度的任何额外通道长度无助于使颗粒跨越流线移动。颗粒达到平衡所需的通道长度lf的公式见于“inertialmicrofluidics”(dicarlo，芯片实验室(9)，3038-3046，2009)，并且可以表示为：

这里μ是动态粘度，w是通道宽度，ρ是流体密度，um是最大通道速度，a是颗粒直径，对于高宽比(h/w)从约2到0.5的通道，fl是从约0.02与0.05的无量纲常数。尽管lf提供上界，但它是宽松的上界，并超过岛的最佳长度l。这是因为颗粒上的升力在通道壁附近非常强(与a⁶成比例)，但随着离开壁的距离明显下降(在通道中心附近与a³成比例)。因此，如果通过使用长度l明显小于lf的岛将颗粒保持在通道壁附近，那么分选装置会使颗粒更有效地跨越流线移动。

给定这些条件，岛长度合理的中间值约为l＝4w。这是近似值，它必然取决于其他参数所选择的值，例如流体移动fs。

第四，流体移动fs应该大于0.2％，且最好是大于1.0％。如果流体移动小，例如0.1％，那么使颗粒移动跨越分选阵列的宽度所需的总移动数(单元)则非常大，因此装置本身一定很长。假定最大通道速度um高得足以将颗粒雷诺数rp定位在规定范围内，则应该不需要极小的移动，例如0.1％。根据最大通道速度um，对于如此处概括的那样设计和操作的装置而言，在约1％至5％范围内的流体移动fs应该表现良好。

对于任何给定的装置设计和颗粒尺寸a，最终的参数选择是装置工作流率，它直接确定颗粒通道中的颗粒雷诺数rp和最大通道速度um。对于如概括的那样设计的装置而言，会存在提供良好性能的下端流速。低于这一流速阈值，惯性升力将不足以使颗粒移动得离岛壁足够远，以避免随着流体移动通过这些岛，从而导致低的颗粒产量。尽管此处提供的公式允许大致估计流速阈值，但是确定流速阈值的最精确且最相关的方法是根据经验。

如果使用该分选装置以根据尺寸分级颗粒(即有两个或多个不同尺寸的颗粒群)，那么工作流率应如此选择，以便惯性升力足以让大颗粒移动，而不让小颗粒移动。

已经发现此处描述的设计和操作参数指南适用于细胞分选装置。但是，其他设计和优化策略也可能导致有效的、高性能的颗粒分选装置。

微流体装置尺寸

对于通过微流体装置输送的大致球形的颗粒，其中微流体装置具有至少两个由岛状结构阵列分开的通道，且相邻岛之间有缺口(例如见图1)，每个微流体通道的深度(例如沿着图1中的x方向测量)和宽度(例如沿着图1中的y向测量)优选在单个颗粒直径的约2倍到约50倍的范围内。相对于形成有缺口(其中流体通过这些缺口被抽取)的刚性结构，结构的宽度可以高达单个微流体通道的宽度的约10倍，而结构的长度可以在通道宽度的约0.25倍直到通道宽度的约50倍之间。

举例来说，对于具有约8μm直径的大致球状的颗粒，类似于图1所示的构造的、具有由刚性结构阵列分开的两个微流体通道的微流体装置可以具有下列参数：每个微流体通道和岛状结构可以具有约50μm的深度，每个微流体通道可以具有约50μm的宽度，每个岛状结构可以具有约50μm的宽度，每个岛状结构可以具有约200μm的长度。

其他尺寸的例子阐述如下。

例如，包含不同流体流动范围的区域的外壁之间的距离，即横向于流体流动方向测量的，可以设置成在约1μm到约100mm之间(例如约10μm、约50μm、约100μm、约500μm、约1mm、约50mm、约10mm或者约50mm)。其他尺寸也是可能的。每个流体流动范围的横向于流体流动方向测量的宽度可以设置成在约1μm到约10mm之间(例如约50μm、约100μm、约250μm、约500μm、约750μm、约1mm或者约5mm)。其他距离也是可能的。

岛状结构之间的缺口/开口的沿流体流动方向(例如沿着图1中的z向)测量的长度可以设置成在约500nm到约1000μm之间(例如约1μm、约2μm、约54μm、约106μm、约50μm、约100μm、约200μm、约500μm、或者约750μm)。在某些实施方式中，每个连续的开口的长度大于或者小于上一个开口的长度。例如，在被设置成沿着流体路径具有减小的流体阻力的通道中，每个连续的开口可以更大，以便有更多的流体经过开口被抽取。分隔不同流体流动区域的岛状结构可以被设置成具有介于约10nm到约1000μm之间的长度和介于约10nm到约1000μm之间的宽度。其他的缺口和岛状结构尺寸也是可能的。

颗粒移动区域内的流体流动区域和岛状结构的高度(例如沿着图1在x方向测量的)在约100nm到约10mm的范围内。例如，通道的高度可以为约500nm、约1μm、约5μm、约10μm、约50μm、约100μm、约500μm、约750μm、约1mm、或者约5mm。其他高度也是可能的。微流体流动区域具有的横截面积可以落在例如约1μm²到约100mm²的范围内。

微流体系统

在某些实施方式中，此处描述的微流体装置的颗粒移动区域是较大的可选的微流体系统的一部分，该微流体系统具有微流体通道网络。这种微流体系统可用于促进控制、操作(例如分选、分离、偏析、混合、聚集、浓缩)以及将液体和/或颗粒与复杂的母体样本分离。在分离过程中，微流体元件提供重要功能，例如，生物流体处理或者颗粒与样本可重复混合。

例如，微流体系统可以包括使用不同于惯性升力的其他技术根据尺寸和/或形状分选颗粒的额外区域。这些其他技术可以包括如决定性侧位移。额外区域可以使用缺口网络阵列，其中流过缺口的流体被不均匀地分到后续的缺口中。该阵列包括缺口网络，该缺口网络如此布置，以便流过缺口的流体被不均匀地分开，即使缺口的尺寸可能是相同的。与此处描述的用于基于惯性升力和流体抽取的组合分离颗粒的技术相比，决定性侧向移动依赖于颗粒与形成缺口的立柱直接接触时出现的碰撞。流体的流动相对于阵列的瞄准线以小角度(流动角)排列。流体内的流体尺寸大于临界尺寸的颗粒沿着阵列的瞄准线迁移，而流体尺寸小于临界尺寸的颗粒沿不同方向跟随流动。装置内的流动一般在层流条件下发生。在装置中，不同形状的颗粒可以表现得就像它们具有不同的尺寸。例如，淋巴细胞是直径约5μm的球体，红血球是直径约7μm、厚约1.5μm的双凹盘形。红血球的长轴(直径)大于淋巴细胞的长轴，但短轴(厚度)较小。如果当红血球被流动驱动穿过立柱阵列时，它们的长轴与该流动对齐，则它们的流体尺寸实际上是它们的厚度(约1.5μm)，该厚度小于淋巴细胞。当红血球由流体流动驱动穿过立柱阵列时，它往往使其长轴与流动对齐，并且表现就像约1.5μm宽的颗粒，这实际上“小”于淋巴细胞。因此决定性侧位移的区域可以根据它们的形状分离细胞，即使细胞的体积可能相同。另外，具有不同可变形性的颗粒表现得就像它们具有不同的尺寸一样。例如，两个具有未变形的形状的颗粒可以由决定性侧位移分开，因为当可变形性较大的颗粒接触阵列中的障碍时，它可以变形并改变形状。因此，可以根据影响水力尺寸的任何参数，包括颗粒的外形尺寸、形状和可变形性，来实现装置中的分离。

关于微流体通道网络及其制造的附加信息可见于，例如，2011/0091987号美国专利申请公开、8,021,614号和8,186,913号美国专利，每一篇都通过引用被整体公开于本文中。

在某些实施方式中，微流体系统包括在将流体样本引入颗粒移动区域之前用于制备携带颗粒的流体样本的部件。例如，图6a是示意图，其展示了微流体系统600的一个例子的顶视图，它包括与图1所示的颗粒移动区域类似的颗粒移动区域601(标记为“分选单元”)。其他构造也可以用作颗粒移动区域，例如图2-5所示的任一构造。对于包括两个或多个入口通道的构造，系统600可以包括用于这些入口的一个或多个辅助流体源。

图6b是示意性地展示颗粒分选区域601的放大图。如该放大图所示，区域601包括第一微流体通道650和沿着第一微流体通道650延伸的第二微流体通道652。第二和第一微流体通道被岛状结构654的阵列彼此分开，其中阵列中的每个岛与阵列中的相邻岛被缺口或者开口656分开，该缺口或开口将第一微流体通道650与第二微流体通道652流体结合在一起。区域601的流体阻力沿着区域601的纵向(例如沿流体传播方向)变化，以便在第一微流体通道650中流动的流体通过开口656。惯性升力导致在第一微流体通道650内在岛状结构附近流动的颗粒越过流线，因此它们不随流体进入第二微流体通道652。

系统600还包括位于颗粒移动区域601上游的过滤段603(标记为“过滤器”)和颗粒聚集段605(标记为“聚集通道”)。过滤段603包括多个不同尺寸的立柱结构的布局。根据该结构布局，过滤段603被设置成根据颗粒尺寸(例如平均直径)过滤包含于进入流体中的颗粒，以便只有预定尺寸或者更小的颗粒能传递到系统600的下一级。例如，对于复杂基体，例如骨髓吸出物，过滤段603可设置成用于除去骨碎片和纤维蛋白凝块，以提高下游的增强浓缩的效率。在一个典型布局中，过滤段603可以包括具有柱子尺寸和阵列偏移的立柱阵列，它被设计成能使大于某一尺寸的颗粒偏转，从而将它们与主悬浮液分开。通常，尺寸限制根据可以通过系统600的后级的最大颗粒尺寸来确定。例如，过滤器603可设置成过滤/阻断此种颗粒的通道，其中颗粒的平均直径大于颗粒移动区域601中的通道的最小宽度的50％、60％、70％、80％或者90％。

过滤器段603被流体结合到颗粒聚集段605。颗粒聚集段605被配置成在颗粒被提供给颗粒移动区域601之前，将退出过滤器段603的颗粒预聚集到期望的流体流线位置。使颗粒预聚集的优点在于它将颗粒跨越通道宽度的分布减小到狭窄的横向范围。然后颗粒的聚集线可以被复位，以便颗粒无意进入颗粒分选区域601内的错误通道的概率被减小(例如避免颗粒进入第二微流体通道652而是进入第一微流体通道650)。使用惯性聚集技术可以实现预聚集。惯性聚集的更多细节可见于如8,186,913号美国专利，它通过引用被整体并入本文中。

一旦颗粒在颗粒移动区域601中已经被分类，被分类的颗粒可以被结合到微流体系统600的单独处理区域，或者从系统600中移走，以进行额外的处理和/或分析。例如，颗粒移动区域601的第二通道被结合到第一出口607，而颗粒移动区域601的第二通道被结合到第二出口609。

外力

其他功能可以添加到微流体系统，以增强颗粒的聚集、浓缩、分离和/或混合。例如，在某些实施方式中，可以引入附加力，它导致颗粒流动的目标明确的改进。附加力可以包括例如磁力，声场力，重力/离心力，电场力和/或惯性力。

微流体装置的制造

根据本公开制造微流体装置的工艺阐述如下。首先提供基片层。基片层可以包括例如玻璃、塑料或者硅片。使用例如热或者电子束沉淀可以在基片层的表面上形成可选的薄膜层(例如二氧化硅)。基片和可选的薄膜层提供了可以在其上形成微流体区域的基础。基片的厚度可以落在约500μm到约10mm的范围内。例如，基片210的厚度可以为约600μm、750μm、900μm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、或者9mm。其他厚度也是可能的。

在提供基片层以后，在基片层上形成微流体通道。微流体通道包括颗粒移动区域的不同流体流动路径，以及系统的其他微流体部件，包括任何过滤段、惯性聚集段和磁泳段。也可以使用用于微流体装置的其他处理和分析部件的微流体通道。微流体通道和盖子是通过将聚合物(例如聚二甲硅氧烷(pdms)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚碳酸酯(pc)或者环烯烃聚合物(cop))沉淀在限定流体通道区域的模具中而形成的。聚合物一旦熟化，就被转移并结合到基片层的表面上。例如，聚二甲基硅氧烷首先可以被注入模具(例如用两步光刻法(microchem)制造的su-8模具)，该模具限定了通道的微流体网络。聚二甲基硅氧烷然后被熟化(例如在65℃下加热约3小时)。在将固体聚二甲基硅氧烷结构转移到该装置以前，基片层的表面用氧气等离子体处理，以增强结合。作为替代，微流体通道和盖子可以用玻璃或硅酮之类的其他材料制造。

应用

此处描述的新的微流体技术和装置可用于各种不同的应用。

离心置换

此处公开的颗粒移动技术和装置可用于离心置换。通常，离心被理解为包括通过施加离心力到流体而浓缩流体内的子群。通常，本工艺需要具有活动部件的装置，该活动部件易于磨损和断裂。此外，活动部件需要复杂且昂贵的制造工艺。离心法的另一个问题是它是一种通常应用在封闭系统中的工艺，即，离心法需要手动转移样本往返于离心器。

相比之下，目前公开的技术能够使用相对简单的微观结构而不需要活动部件即可显著增加流体成分的浓缩。这类技术可以作为单开口微流体系统的一部分来实施，因此不需要手动干涉即可往返于颗粒移动区域转移流体样本。另外，颗粒移动可以扩展到需要大处理能力(即可以处理的流体的体积率)的装置，且颗粒分离效率不会显著退化。例如，此处公开的装置可以设置成允许高达10、25、50、75、100、250、500、1000、5000或者10000μl/min的流体流动。其他流率也是可能的。例如，使用图1中的装置100作为例子，如果第二和第一微流体通道106、108具有约50μm的深度和约50μm的宽度，那么装置100可以获得高达约5ml/min的综合样本流率。改变通道尺寸可以改变装置能达到的最大体积流率。另外或者作为备选，可以通过改变岛状结构的长度来调节体积流率(见上述章节“微流体装置的设计参数”)。此外，复用多通道(例如并行操作多个颗粒分选区域)可以允许甚至更高的流率。

在有些实施方式中，颗粒移动技术允许根据尺寸分离颗粒。例如，在包含两种不同尺寸的颗粒的流体样本中，根据本公开描述的颗粒分选区域可用于分离大颗粒与小颗粒(例如，通过虹吸作用使小颗粒从流体样本进入到相邻的微流体通道中，同时使用惯性升力将大颗粒保留在原微流体通道中)。在其他例子中，流体样本可以包括三种或以上不同尺寸的颗粒，其中颗粒分选区域被设计成能根据它们的不同尺寸将颗粒分选到不同区域中。

因此，在某些实施方式中，颗粒移动技术相对于常规的离心工艺可以提供的优点是显著地节省成本和时间。可以使用微流体代替离心装置的应用实例包括骨髓和尿液分析。

检测传染物

另外，此处公开的颗粒移动技术可以用作研究所关心的分析物(例如蛋白质、细胞、细菌、病原体、和dna)的研究平台的一部分，或者作为用于诊断病人的潜在疾病状态或者传染物的诊断化验的一部分。通过分离并聚集流体样本中的颗粒，此处描述的微流体装置可用于测量许多不同的生物目标，包括小分子、蛋白质、核酸、病原体和癌细胞。进一步的例子描述如下。

稀有细胞检测

此处描述的微流体装置和方法可用于检测稀有细胞，例如血样中的循环肿瘤细胞(ctc)或者怀孕雌性的血样中的胎儿细胞。例如，在血样中可以加强原发肿瘤细胞或者ctcs的富集，以快速而全面地了解癌症。将此处描述的颗粒偏转技术与磁泳结合起来，可以检测不同类型的细胞(例如心脏病的循环内皮细胞)。因此，微流体装置可以用作强大的诊断和预测工具。目标和检测细胞可以是癌细胞、干细胞、免疫细胞、白血球或者其他细胞，包括例如循环内皮细胞(使用抗体于上皮细胞表面标志，例如上皮细胞附着分子(epcam))或者循环肿瘤细胞(使用抗体于癌细胞表面标志，例如黑素瘤细胞粘着分子(cd146))。该系统和方法也可用于检测ctc群、小分子、蛋白质、核酸或者病原体。

流体交换

此处描述的微流体装置和方法可用于使细胞从一个载流流体移动到另一个载流流体。例如，所公开的颗粒移动技术可用于使细胞移动进出于包含例如药物、抗体、细胞着色剂、磁性珠粒、防冻剂、赖氨酸试剂和/或其他分析物之类的试剂的流体流。

单颗粒移动区域可以包含多个平行的流体流(来自多个入口)，移动的细胞会通过它们。例如，白血球可以从血流移动到包含染色剂的液流，然后到缓冲剂流。

在生物处理和相关领域，所描述的装置和技术可用于允许细胞从旧介质(包含废物)无菌、连续地转移到新鲜的生长介质中。类似地，胞外流体和细胞产品(例如抗体、蛋白质、糖、类脂物、生物药剂、酒精和各种化学品)可以以无菌、连续的方式从生物反应器中抽出，同时细胞被留在生物反应器内。

分离和分析细胞

此处描述的微流体装置和方法可用于根据例如尺寸之类的生物物理学性质分级细胞。例如，该装置和方法可用于将血液分级成单独的血小板、红血球和白血球流。在另一个例子中，该装置和方法可用于将白血球分级成单独的淋巴细胞、单核细胞和粒性白血球流。

可以通过将分级的细胞流输送到单独的流体出口来分离它们。作为替代，可以实时地检测和分析细胞流(例如使用光学技术)，以确定每股液流中细胞的数目或者每股液流中细胞的性质，例如尺寸或者粒度。

这些技术可用于在分选之前或期间改变细胞或者它们的载流流体，以促进它们的分级和/或分析。例如，大的磁珠可以结合到特殊的细胞类型上，以增加该类细胞的有效尺寸。受控的细胞集合也可以用于增加细胞的有效尺寸。流体的温度、密度、粘度、弹性、ph、渗透性和其他性质可以改变，从而或者直接影响分选过程(例如惯性作用是粘度依赖型的)，或者通过改变细胞的性质(例如渗透膨胀或者收缩)间接影响分选过程。

流体灭菌和净化

此处描述的微流体装置和方法可用于从流体中除去病原体、污染物和其他特殊污染物。通过让污染物跨越流体流线移动，可以从流体样本中除去污染物，并将其作为单独的废液流收集。

收集藻类作生物燃料

从生长介质中收集藻类是生物燃料生产中的主要费用，因为藻类以中性浮力生长在非常稀的悬浮液中，这使得有效地抽取和富集藻类生物质很困难。此处描述的微流体装置和方法可以提供收集藻类的有效方式，该方式不依赖密度或过滤。描述的装置和技术允许生长箱中的藻类被从生长介质中抽取出来，并被富集到高容量密度。这可以作为单个步骤或者作为连续方法的一部分来进行。另外，因为此处描述的装置可以以依赖尺寸的方式分选细胞，所以它们可以设计成仅分选和富集已经达到成熟的较大藻类，而将不成熟的较小藻类返回到箱中。

微型换热器

此处描述的装置和方法可用于处理的不仅有液体流，还有气态和多相流。所关心的一个典型应用是在用于集成电路的高效换热器中。微晶片中的大功率密度需要高效地移走废热。这种冷却变得日益困难，因为微晶片堆叠在一起降低了总的表面和容积之比。热从热源传递到流动液体中的液体冷却是一种用于增加微晶片冷却速率的方法。这种冷却在液体的沸点附近可以是特别有效的，因为在液气转化中吸收了相当多的能量。但是，蒸气(气泡)积聚在换热表面会急剧降低热通量。此处描述的装置和技术可用于从换热表面清除气泡，使液体的吸热率最大化(通过相变)，同时使与蒸气接触的表面部分最小化。对于本应用，分选模块的一侧会接触微晶片热源。当流经模块的液体吸收热量时，气泡会形成在换热表面上，然后一达到临界尺寸就被清扫到该液流内(通过流体拖拽)。然后分选阵列会引导这些气泡跨越分选模块并远离换热表面，从而使从微晶片到冷却液的热通量最大化。

实施例

本发明会在下面的例子中进一步描述，它们没有限制在权利要求书中描述的发明的范围。

实施例1：减积

减积是从血液和其他混合流体(例如骨髓吸出物(bma))中相对于有核细胞(例如白血球(wbcs))除去血浆、红血球(rbcs)、血小板和其他小的成分(例如磁性珠粒)。这通常通过密度离心法实现，该方法将血液按密度分层。但是，在下面的例子中，我们描述了分选装置的使用，它依赖于惯性升力为血液减积。

装置制造

为了制造微流体装置，标准的su8光刻法和软刻蚀技术分别用于制造主摸和pdms微通道。简单地说，阴性光阻材料su8-50(马萨诸塞州microchemcorp)以2850转/分钟旋转到约50μm的厚度，通过限定了通道的微流体网络的聚酯乳剂印刷的光掩膜(科罗拉多州finelineimaging)暴露于紫外光，然后在bts-220su8-显影剂(新泽西州j.t.baker)中显影以形成凸纹模具。然后将sylgard184弹性体基质和熟化剂(密歇根州dowcorning)的10:1的混合物浇注到凸纹模具上，允许它在烘箱中在65℃下熟化8小时，然后将它从su8主模中除去，形成具有图形化通道的微流体装置盖。通道的入口和出口孔是用常规的尖针头冲出的。然后用低残余胶带清除装置中的微粒和氧等离子体结合到预清洁的1mm厚的显微镜载玻片上。

装置具有下列参数：200μm的单元长度，50μm的单元宽度，52μm的单元深度(根据上面针对图7所讨论的单元长度设计)。岛状结构具有200μm的长度(即和单元长度相同)和50μm的宽度。

样本制备

减积装置的性能是通过大量(n＝63)独立实验评估的。在每个实验中，≥2ml的带有edta或者acd抗凝剂的新鲜全血用带有1％的f68普郎尼克的磷酸盐缓冲盐水(pbs)(1x)进行1：1稀释。

实验步骤和结果

对于每个流程，血样用以60μl/min操作的注射泵打入到装置中。缓冲剂共流(磷酸盐缓冲盐水(1x)及1％的f68普郎尼克)用以272μl/min操作的注射泵打入装置中。输入物、产品和废品的成分使用血液学分析器(sysmexkx21n)分析。在产品和废品上也使用neubaur和nageotte腔室进行手工计数，以确保以低浓度存在的细胞类型(特别是废品中的白血球以及产品中的红血球和血小板)的数据精确。

来自实验的数据概括于图9a-9d中。中位数白血球得率是85.9％，而中位数中性粒细胞得率是93.4％。中性粒细胞得率稍微高于总的白血球得率，这与中性粒细胞是实际尺寸最大的白血球亚群这一事实相一致。产品的纯度很好。红血球的中位数携带率(即最终位于产品中的输入红血球的百分比)只有0.0054％，血小板的中位数携带率只有0.027％，表明只有非常少的红血球和血小板留在与白血球和中性粒细胞所在的相同流体流中。与微流体分级的其他方法相比，此处提出的方法对装置中的流速敏感。这是因为惯性升力强烈取决于流速。在阵列中，相关的流率是每排的流率。

还进行了额外的实验，其中改变流率以评估其对减积的影响。图10a-10b显示了白血球得率对每排流率的曲线。在低流率下(<10μl/min)，惯性升力太弱，不足以将白血球从移动的流体流中移出，因此得率约为0％。当流速朝着60μl/min增加时，惯性升力增加，更大比例的白血球逃离移动的流体流，从而到达产品，增加得率。在最高流速下(>60μl/min)，惯性升力大得足以让大多数白血球跨越阵列导入产品，白血球得率稳定于约85％。仅供参考，图9的减积实验中每排的流率为80μl/min。

白血球得率对流率的高度依赖表明可以通过调节每排的流率控制分级尺寸阈值。对于给定的任何流率，颗粒上的惯性升力取决于其尺寸。因此，我们会希望对于较大细胞(或者白血球群内的大细胞亚群)，图10a-10b所示的曲线会左移，而对于较小细胞(或者白血球群内的小细胞亚群)，该曲线会右移。在每排流率大得足以使大细胞(例如中性粒细胞)跨越阵列移动但又不足以让小细胞(例如淋巴细胞)跨越阵列移动下操作可能是一种高纯度地分离特殊细胞亚群的方式。

实施例2：评估颗粒尺寸、流体流率和流体移动的影响

设计和工艺因子对装置性能的影响可以用两个实验来说明。第一个实验使用荧光珠来展示颗粒尺寸和每排流率对得率的影响，第二个实验使用白血球(wbcs)来显示移动对得率的影响。用于该实验的装置根据与上面在实施例1中所说的方法相同的方法制造。

对于第一个实验，跨越每排流率的范围使用几个不同尺寸的荧光珠。每个珠的尺寸独立测试。在每种情况下，包含悬浮于缓冲剂(磷酸盐缓冲盐水(1x)与1％的f68普郎尼克)中的珠子在内的样本与缓冲剂流一起进入装置。

图11显示了不同流率下不同尺寸的荧光珠的得率。选择总流率(样本+缓冲剂)以给出所示的每排流率，然后选择样本和缓冲剂的相对输入流率，以便18％的总输入流是样本。在装置的端部，已经向下迁移的颗粒通过产品通道退出装置，并被收集在管瓶中。留在阵列顶部的颗粒通过废品通道退出装置，并被收集在单独的管瓶中。产品和废品管瓶的容积通过质量来测量，颗粒的富集使用标准的neubauer和nageotte计数室来确定。相对得率按产品中输出珠子的分数来计算。

在结果数据中有些趋势很突出。首先，对于任何给定的珠子尺寸，得率随流率增加。这是因为惯性升力随流速增加。第二，对于任何给定的流率，得率随珠子的尺寸增加。这是因为惯性升力随颗粒尺寸急剧增加。以80μl/min/排为例，对于20μm和10μm的珠子，得率是100％。然后对8μm的珠子，这降到68％，对7μm的珠子为1％，而对6μm的珠子为0％。第三，对于任何给定的装置，每排流率提供了微调临界颗粒尺寸的方式。例如，为了将10μm的颗粒与≤7μm的颗粒分开，80μl/min是理想的每排流率。为了将8μm的颗粒与≤6μm的颗粒分开，150μl/min是理想的每排流率。

在第二实验中，评估流体移动对白血球得率的影响。白血球使用羟乙基淀粉沉积法来隔离。特别的是，1ml6％羟乙基淀粉(stemcelltechnologieshetasep)被加到10ml新鲜全血中，混合，然后留下来沉淀30分钟。然后用吸液管吸出白血球富集(且红血球耗尽)的顶层。该样本被引入6个不同的装置之一，每个装置具有不同的移动(2.5％、3.0％、3.2％、3.4％、3.6％、或者4.0％)和如上所述的尺寸。在每种情况下，样本随缓冲剂流一起进入装置。选择总流率(样本+缓冲剂)以给定80μl/min的每排流率，然后选择样本和缓冲剂的相对输入流率，以便有18％的总输入流是样本。在装置的端部，已经向下(跨越阵列)迁移的白血球通过产品通道退出装置，并被收集在管瓶中。留在阵列顶部的白血球通过废品通道退出装置，并被收集在一单独的管瓶中。产品和废品管瓶的容积通过质量来测量，并且白血球的富集使用标准的neubauer和nageotte计数室来确定。相对得率按产品中输出白血球的分数来计算。

图12是显示白血球得率对流体移动的函数关系的曲线图。从2.5％的移动到3.2％的移动，得率从96％降到93％。移动超过3.2％，得率下降变陡，在4.0％的移动处降到71％。这表明对于测试的较小移动，白血球因惯性升力导致的迁移大得足以让基本上所有的白血球逃离在岛之间移动的流体。但是，对于较大的移动，有些白血球，假定是较小的白血球，不能逃离在岛之间移动的流体，从而留在废品中。

多路复用装置

在有些实施方式中，岛阵列，例如此处描述的岛阵列，可以被多路复用，以产生处理能力很高的装置，因为每个阵列的基底面很小。图13是标准显微镜载片(25mmx75mm)的图像，它容纳46个并行操作且排列成23个复式结构的阵列。多路复用阵列能让血样综合处理能力高达约1.4ml/min。

其他实施方式

不难理解尽管本发明已经结合其详细说明作了描述，但是上述说明意在阐明而非限制本发明的范围，本发明由所附的权利要求书的范围来限定。