用于以声学方式集中的硬件与实现的系统和方法
【专利说明】用于以声学方式集中的硬件与实现的系统和方法
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求2008年1月16日提交的Kaduchak的、题为"用于以声学方式集中的 硬件与实现的系统和方法"的第61/021，443号美国临时专利申请，以及2008年9月11日 提交的题为"用于以声学方式集中的硬件与实现的系统和方法"的第12/209, 084号美国专 利申请的优先权和权益，在此通过引用将其全部内容并入本文。
[0003] 发明背景
[0004] 发明领域（抟术领域）
[0005] 本发明的实施方式涉及声学细胞仪，更具体地涉及声学集中的硬件与实现。
【背景技术】
[0006] 注意下述的讨论涉及大量的流式细胞仪系统。此处给出这些系统的讨论作为更完 整的【背景技术】而不能解释为承认这些系统是用于确定专利性的现有技术。
[0007] 流式细胞仪是在无数应用中，主要是在生物科学研究与医学中用于分析颗粒与细 胞的强大工具。这项技术的分析强度在于使单个颗粒（包括生物颗粒，如细胞、细菌和病 毒）以超过每秒数千颗粒的速率快速连续地行进通过光源（通常是一个或多个激光器）的 集中光斑的能力。该集中光斑处的高光子通量通过颗粒和/或来自颗粒和/或来自附着于 颗粒的标记的能够被收集和分析的光发射产生光的散射。这给予用户关于单个颗粒的大量 信息，该信息可被快速记入关于颗粒或细胞群的统计信息。
[0008] 在传统的流式细胞仪中，颗粒流过集中询问点，在该点处激光器将激光束指向在 通道内包括芯体内径的焦点。包含颗粒的样本流体通过使鞘液围绕样本流以非常高的约为 样本的体积流速的100-1000倍的体积流速流动而以流体动力学方式集中于非常小的大约 10-50微米的芯体内径。这导致了集中的颗粒非常快的约每秒数米的线速度。反过来，这意 味着每个颗粒在激励光斑处花费的时间非常有限，通常仅有1-10微秒。当流体动力学鞘液 的线性流动停止时，颗粒就不再集中。只有重新恢复流体动力学鞘液的流动才可以重新集 中颗粒。另外，一旦颗粒经过询问点，颗粒就不能再被导向询问点，因为线性流速不能够逆 转。更进一步，颗粒不能够保持在询问点一段用户定义的用于进一步询问的时间，因为集中 已丢失且没有流体动力学鞘液的流动。由于激励点处非常高的光子通量，流式细胞仪仍然 是非常灵敏的技术，但是这个快速的传送时间限制了能够达到的灵敏度和分辨率。通常，较 大的激光功率用于增加光子通量，从而提取出更多的信号，但是这种方法是受限制的，因为 太多的光可经常光漂白（或激发到非辐射态）用于产生信号的荧光团并且能够增加背景瑞 利散射、拉曼散射以及荧光。
[0009] 相对较慢的流式细胞仪系统已被开发用来改进灵敏度的限制并且显示出探测限 制下降到单个分子水平。在这些系统中的一个系统中，示出较低的激光功率（〈lmW)对于插 入荧光染料的双链DNA片段的单个分子的探测是优选的。由于较慢的传送时间（数百微秒 到毫秒），当以较低的激光功率减少背景、光漂白以及非辐射的三重状态时，可以从染料中 获得最大的荧光产量。
[0010] 缓流流体动力学系统虽然非常灵敏但不能被广泛使用，因为射流尺寸通常非常 小，这导致容易堵塞以及非常有限的样本吞吐量。为了集中样本流到足够小的芯体内径以 保持精确颗粒测量所需的均匀亮度和流速，必须仍然以非常高的体积流速将鞘提供给样 本。为了达到缓慢的线速度，体积样本速率必须极小。因此，要处理可观数量的事件，样本 必须高度集中。例如如果对于大约10微米的典型芯体直径，期望1厘米每秒的相对缓慢的 线速度，则必须以大约0. 05微升每分钟的速度传送样本。为了每秒只处理100个细胞，细 胞浓度必须为每微升120, 000或每毫升1. 2亿。反过来这个浓度要求甚至更有可能造成堵 塞。当样本传送速度较慢时，许多类型的细胞以高浓度聚集和沉淀、并且粘附到表面的趋势 使问题进一步复杂。由多恩博斯创建的系统，通过使用具有流阻的传统流通池降低流速从 而避免了堵塞问题，但是他发现非常难以控制样本的精确集中传送。该方法也不能消除对 慢速体积传送和高度浓缩样本的需求。
[0011] 无鞘的，非集中的流式细胞仪已被开发，但是这些工具由于需要激励颗粒穿过通 道的焦斑尺寸而遭受低灵敏度。焦斑尺寸通过使用非常小的毛细管来减小，但是根据通道 中发展的层流剖面通道中的颗粒以可变流速流动。这就导致不同的传送时间以及激光焦斑 处颗粒的一致性而上述两点使得分析更难。此外，背景不能通过设计用来从紧密地集中的 芯流中收集光的空间滤波光学器件而得到削减。这限制了灵敏度与分辨率。
[0012] 已经演示了其他方法在实验室环境中使用声辐射压力操控颗粒。这些装置为在笛 卡儿坐标中建模的平面装置。应用声场来产生将颗粒集中到矩形腔内一条带上的准一维力 场。对于层流而言，穿过腔的颗粒的最终分布将颗粒安置在不同的速度流线上。不同流线 上的颗粒不仅处在不同的位置而且它们还以不同的速度流动。相应地，这就导致处在装置 中的颗粒具有不同的停留时间。平面集中不能以适合与流式细胞仪一起的使用的方式将颗 粒排成一条直线。
[0013] 发明概沐
[0014] 本发明的实施方式包括以声学方式集中的毛细管，其包括耦合到至少一个振动源 的毛细管并且所述至少一个振动源具有凹槽。优选地，该实施方式的毛细管在凹槽处耦合 到振动源。优选地，所述凹槽具有与所述毛细管大致相同的横截面形状。所述毛细管可以 是圆形、椭圆形、扁圆形或矩形的。优选地，所述振动源包括压电材料。在此实施方式中，优 选地，所述凹槽增大毛细管的声源孔。
[0015] 本发明的另一个实施方式包括制造以声学方式集中的毛细管的方法。该实施方式 还包括：提供毛细管和至少一个振动源；在所述振动源中加工凹槽；并在所述凹槽处将所 述至少一个振动源耦合到所述毛细管。优选地，所述凹槽具有与所述毛细管大致相同的横 截面形状。所述毛细管可以是圆形、椭圆形、扁圆形或矩形。优选地，至少一个振动源包括 压电材料。该实施方式可选地包括增大毛细管的声源孔。
[0016] 在本发明的另一个实施方式中，以流体动力学方式和声学方式集中颗粒流中的颗 粒的设备包括：流动腔；所述流动腔的外部边界，用于使流体动力学流体流过；所述流动腔 的中心芯体，用于使颗粒样本流流过；和至少一个换能器，耦合到所述流动腔以产生声辐射 压力。优选地，该实施方式的换能器耦合到流体腔的外壁。所述换能器可替代地形成流体 腔的壁。
[0017] 本发明的进一步的实施方式包括流体动力学方式和声学方式集中颗粒流的方法。 该方法优选包括：使鞘液流入毛细管的外部边界中；使颗粒流入所述毛细管的中心芯体 中；以及对鞘液内的颗粒流施加声辐射压力。该方法的颗粒流先以流体动力学方式集中，随 后以声学方式集中。可选地，颗粒流同时以声学方式和流体动力学方式集中。
[0018] 以流体动力学方式和声学方式集中颗粒的另一方法是本发明的进一步的实施方 式。优选地，该实施方式包括提供其中包含颗粒的流体；使鞘液流入流动腔的外部边界中； 使包含颗粒的流体流入所述流动腔的中心芯体中；以及对包含颗粒的流体施加声辐射压 力。该实施方式也可包括分析颗粒。
[0019] 本发明的一个实施方式包括利用声辐射压力排列颗粒的方法。优选地，该实施方 式包括提供其中包含颗粒的流体，使所述流体经受声辐射压力，将所述流体旋转90度，以 及使所述流体再次经受声辐射压力以排列颗粒。该实施方式也可包括分析经排列的颗粒。 [0020] 本发明的另一个实施方式包括以流体动力学方式和声学方式集中流体中颗粒的 方法。该实施方式包括：使其中包含颗粒的流体流动；使所述流体经受一个平面方向上的 声辐射压力从而以声学方式集中颗粒；以及使鞘液在第二平面方向上流动，由此以流体动 力学方式使流体在第二平面方向上集中，从而进一步集中所述颗粒。
[0021] 本发明进一步包括移除射流系统中的气泡的方法。这些方法包括提供经过通道的 流束，以及使所述通道在声频下共振。这些方法还包括提供经过通道的流束和使通道壁在 低频下振动。
[0022] 本发明的实施方式是将颗粒以声学方式集中到流体中的准平面布置中的设备。该 实施方式优选包括具有扁圆形横截面