用于流体动力流动聚焦的方法、装置和系统制造方法及图纸

在用于层流和平面样本流体流的流体动力聚焦的方法中，提供了用于分析和/或分选样本流体中的微观对象的系统，其包括用于微观对象的光学检查的光学物镜。微观对象在样本流体的层流中传送，并且提供两个层流和平面的鞘流体流。样本流体的流动通过鞘流体被流体动力学地聚焦在系统的光学检查区。控制样本流体的流动的聚焦，使得样本流体中的所有微观对象在系统的检查区域处在单个平面中沿着共同的流动方向被传送，并且流体中的微观对象通过光学物镜进行光学检查。

Method, device and system for hydrodynamic flow focusing

In a method for hydrodynamic focusing plane laminar flow and sample fluid flow, system for micro object analysis and / or sorting in a sample fluid is provided, comprising a lens for optical microscopic optical inspection of the object. Microscopic objects are transported in the laminar flow of the sample fluid and provide two laminar and planar sheath fluid flows. The flow of the sample fluid is focused dynamically through the sheath fluid in the optical inspection area of the system. The control flow of the sample fluid focus, making all the micro objects in a sample fluid in a single plane along the flow direction of the joint inspection area transferred in the system, and the micro object in the fluid through the optical lens for optical inspection.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于流体动力流动聚焦的方法、装置和系统
本专利技术涉及流式细胞计量领域。具体地，本专利技术涉及流体动力流动聚焦领域和流动池的结构(称为流体动力流动聚焦装置)及其在生物细胞和微粒(称为微观对象)的光学分析或光学激光分选中的用途。流动池可以实施为微流体流动池。
技术介绍
介绍在生物技术、临床诊断和研究中，需要在个体基础上研究和分选生物细胞，这可以用能够进行流式细胞计量和细胞分选的仪器进行。流式细胞仪是细胞计量、细胞和细菌的分析中的工具。它是一个统计工具，它使用大量的事件、个体细胞测量，推导出关于细胞功能、亲和力、群体等的信息。因此，高吞吐量(速度)对于测量统计上显著数量的事件的必要的。吞吐量通常为50,000细胞/秒，对应于100mio.细胞/小时。相比之下，1ml血液含有500万个细胞。流式细胞计量的程序是使用鞘流体来聚焦样本悬浮液。然后形成细小的细胞样本悬浮液的细串，并被引导通过光学激发源和光学检测器的路径。选择性荧光标记物用于根据细胞的大小、类型、化学功能等来表征细胞。流式细胞计量和细胞分选仪器不限于细胞学中感兴趣的微粒，例如血小板、白细胞、红细胞、胚胎细胞、肿瘤细胞、蛋白质产生细胞和其它类型的生物细胞，而是也可以应用于其它微粒如细菌、藻类、囊泡、大分子如蛋白质和非生物颗粒的分析和分选。在下文中，我们通常将所有上述类型称为“微粒”。样本串的目的可以是，1.将单元保持在光收集光学器件和/或光激发的焦点中。2.避免两个细胞在单个事件中暴露，通常称为双联体。3.为了确定所有单元具有相同的速度并因此接收相同量的曝光。这保证了低的变化系数。微粒分选(例如荧光活化细胞分选(FACS))和流式细胞计量的方法和装置是现有技术中已知的和已描述的。中心组分是流动池，其将悬浮的微粒聚焦到流动介质中的单个纵列。理想地，在任何给定时间只有单个微粒在光学分析的区域中。另一任务是所有微粒被紧密聚焦以通过光学检查的受限区域。另外，微粒应当以相同的速度行进，使得激光光学曝光和所得到的信号对于所有细胞在质量上相同，并且使得避免当两个细胞在给出错误读出的光学检查区域中彼此通过时的偶然事件。通常，这些目标通过从插入有包含鞘流的较大同轴圆形玻璃管的圆形喷嘴中喷射微粒、样本来实现。通过调节鞘流和样本流的流速，可以使细胞以高精度在单个纵列中行进，直到50nm，并且具有均匀的速度。商业上已知的微粒分选机实施聚焦-检测-决定-偏转操作循环，其中微粒首先在流体介质中聚焦到穿过光学检查(检测)的路径，这取决于电子信号(决定)微粒被偏转到两个或更多的储层。流式细胞仪可以被认为仅实施微粒分选机的聚焦-检测子集操作。在光学检查中，在光收集效率和光学系统的焦深之间存在折衷。这通常由光学显微镜物镜的数值孔径(NA)确定。流式细胞计量通常不赋予成像能力。相反，使用光电倍增管(PMT)记录组合信号。对于成像，一个受到适用于显微镜的基本物理定律的限制。这些决定了分辨率以下式给出Res＝1.22λ/(2*NA)其中λ是光的波长，NA是光收集物镜或透镜的数值孔径。分辨率确定了可以用给定的光学装置分辨的特征的尺寸，因此当成像直径为2-20微米的细胞和直径为0.5-3微米的细菌时非常重要。焦深也受到限制。Δz＝λ/(2*NA2)正如分辨率确定最小可检测特征的尺寸一样，焦深确定任何给定物体可能偏离光学器件的焦平面的最大距离。视场由下式给出FOV＝FN/M其中FN是由光学器件确定的参数，M是物镜的放大率。作为示例，2微米的分辨率仅需要更适中的NA＝0.125，这导致使用上述等式的焦深Δz＝16微米。作为另一个例子，在波长λ＝500nm处的0.5微米的分辨率需要NA＝0.5。这导致使用上述等式的浅焦深Δz＝1.0微米。作为另一示例，在波长λ＝500nm处的0.25微米的分辨率需要NA＝1。这导致使用上述等式浅焦深Δz＝0.25微米。NA处的视场可以容易地为400微米。因此，焦深和横向FOV的方面是1:1600(0.25微米：400微米)。在剩余的当中，FOV将被纳入以也包含焦深，使得FOV变成3维参数。另外，应当注意，对于较高的NA，光收集效率～NA2较高。流式细胞仪的吞吐量由下式给出样本串的截面xvstringx颗粒浓度。其中“样本串的截面”垂直于流动方向，vstring是样本串相对于光学检测器行进的速度。上面的基本事实设置了流式细胞仪如果使用成像的情况下的性能的一些物理约束。将其与光子检测极限对于PMT或光电二极管(或其它单点检测器)比对诸如CCD、CMOS的成像装置更好的观察相结合，因为成像装置中的光子被分布到多个单个检测器，像素上。为了补偿成像装置的这种固有的较低灵敏度，必须使用较低的样本串速度。吞吐量变得不令人满意。物镜的视场的深度，例如对于横截面为圆形且直径为约1微米的样本串的NA＝0.5的限制。视场的宽度可以是400微米，留下399微米未使用。因此，如果样本串横截面可以制成1微米深和400微米宽，则可以获得高吞吐量。因此，如果流动池可以被设计成形成垂直于光学平面的平坦样本串，则成像流式细胞仪的吞吐量量为因子400。在过去的几十年中，小型化的分析系统已经受到了极大的关注，有望用于更便宜的核心实验室外，用于化学和生物分析，以及运行完整的片上自动实验室例程。通过转向片上微流体实验室方法可以获得多个优点。然而，与已建立的仪器相比，微流体系统迄今仅提供有限的分析和分选能力。主要障碍是所建立的器械的流动池的设计不容易转移到微流体流动池制造技术中这一事实。在微流体系统中，难以在同轴管内制造圆形喷嘴。微流体芯片通常在一个或多个衬底中制造。衬底具有凹槽和结构，其在组装时变成通道、腔室和这些的网络。衬底的材料通常是聚合物、硅或其它材料，并且可以通过铸造、注射成型、微铣削、光刻和蚀刻等制造。在处理之后，将衬底堆叠并结合以形成微流体芯片。在堆叠的衬底中，如何实现具有一维(1D)鞘流的流动池是众所周知的，其中样本流在沿衬底平面取向的方向上被流体动力学聚焦。由于衬底的积累结构，微流体系统2D流体动力学聚焦是更具挑战性。Wolff2003Wolff及其同事(1)证明了在微流体流动池上2D液体动力聚焦和分选的实例。他们在微流体系统中实现了通道，其中样本喷嘴突出到通道中。他们展示了将微粒聚焦到纵列。他们称设计为“吸烟烟囱”。喷嘴和通道的取向是垂直的，并且通道的横截面是矩形的，并且喷嘴是圆形的。在通常的实践中，通道和喷嘴同轴定向并且在横截面上都是圆形的。他们使用阀门来控制出口流量，并通过流体力学分选对细胞进行分选。虽然直观和看似良好的设计，但是在制造中需要对具有严格公差的硅衬底进行洁净室处理是相当苛刻的。具有尖锐角度的设计易于发生微粒的沉积，从而污染微流体系统以及样本流体的吹扫。由于突出的喷嘴在较大通道的中心，设计也容易捕获将被粘在喷嘴前侧的气泡。气泡的出现是微流体系统的结垢的常见来源。微流体系统容易受到气泡的污染，在原型之外的大规模使用中不鲁棒。Yang2005Yang和他的同事(2)证明了二维流动聚焦微流体系统的一个例子。微流体系统将微粒聚焦到纵列上，并且不遭受“吹扫”效应和气泡结垢的高敏感性。制造的复杂性显著增加，因为SU-8聚合物衬底需要在几个步骤中使用复杂的非标准光刻。实现的衬底不能本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于在用于分析和/或分选样本流体中的微观对象的系统中对层流和平面样本流体流动进行流体动力聚焦的方法，其中所述系统包括用于对所述微观对象进行光学检查的光学物镜，所述方法包括：‑在样本流体的层流中输送微观对象；‑提供第一鞘流体的至少第一层流和平面流和第二鞘流体的第二层流和平面流；‑通过使所述第一和第二鞘流中的每一个在所述样本流体流的两个相对的平面流动表面处与所述样本流体的流动进行平面接触，在所述系统的光学检查区域处流体动力学地聚焦所述样本流体的流动；‑控制所述样本流体的流动和所述鞘流体的第一流动和第二流动，使得所述样本流体和所述第一和第二鞘流体在所述系统的检查区域处沿共同的流动方向流动；‑以这样的方式控制聚焦所述样本流体的流动的所述步骤：使所述样本流体中的所有微观对象在所述系统的检查区域处在单个平面中沿所述流动方向被传送；‑通过所述光学物镜光学检查所述流体中的微观对象中的至少一个。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.30 EP 14187095.61.用于在用于分析和/或分选样本流体中的微观对象的系统中对层流和平面样本流体流动进行流体动力聚焦的方法，其中所述系统包括用于对所述微观对象进行光学检查的光学物镜，所述方法包括：-在样本流体的层流中输送微观对象；-提供第一鞘流体的至少第一层流和平面流和第二鞘流体的第二层流和平面流；-通过使所述第一和第二鞘流中的每一个在所述样本流体流的两个相对的平面流动表面处与所述样本流体的流动进行平面接触，在所述系统的光学检查区域处流体动力学地聚焦所述样本流体的流动；-控制所述样本流体的流动和所述鞘流体的第一流动和第二流动，使得所述样本流体和所述第一和第二鞘流体在所述系统的检查区域处沿共同的流动方向流动；-以这样的方式控制聚焦所述样本流体的流动的所述步骤：使所述样本流体中的所有微观对象在所述系统的检查区域处在单个平面中沿所述流动方向被传送；-通过所述光学物镜光学检查所述流体中的微观对象中的至少一个。2.如权利要求1所述的方法，其中所述光学物镜限定焦深并且被布置成在垂直于所述共同的流动方向的观察方向上在所述检查区处提供在所述样本流体上的视图，并且其中所述样本流体的平面流具有在所述观察方向上的、小于或等于光学物镜的焦深的高度。3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述第一和第二鞘流体的流动形成了到所述检查区的平面入口，当在每个相应的平面入口的平面中看时，每个所述平面入口在垂直于共同的流动方向的方向上宽于检查区的宽度。4.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述样本流体和所述第一和第二鞘流体在所述检查区处沿所述共同的流动方向以共同的流速传送。5.如任一前述权利要求所述的方法，其中样本流体流和第一和第二鞘流体流的相应流速由所述流中施加的压力梯度控制。6.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述流由至少三个平面且相互平行的衬底元件三维地引导，提供：-用于所述检查区上游的所述流的相应入口，包括由鞘流体形成的所述平面入口，-检查下游的至少一个废物出口，以及--用于检查区下游的选定流的至少一个另外的出口。7.如权利要求6所述的方法，包括将鞘流体和样本流体的流的组合流分成选定流和检查区下游的废物流的步骤。8.如权利要求6和7所述的方法，其中，随着所述组合流流过平行于所述衬底元件并与所述共同的流动方向成法向延伸的流动分离边缘，执行分离所述组合流的步骤。9.用于选择包括在...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·H·瑞多夫，J·格鲁克斯塔德，T·艾艾波，
申请(专利权)人：福斯分析仪器公司，
类型：发明
国别省市：丹麦,DK