[发明专利]使用可调谐声表面驻波进行微流体操控和颗粒分选

说明书

所涉及的相关申请

本专利申请请求享有美国专利(临时专利申请序列号No.61/592,855，申请日2012年1月31日)的优先权，其全部内容合并于此。

所涉及的政府支持

本发明来自于美国政府支持，包括美国国立卫生研究院项目(No.1DP2OD007209-01)和美国国家科学基金会项目(No.ECCS0824183)。美国政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

本发明涉及使用声表面波进行颗粒操控和分选的方法和装置，包括颗粒、细胞和微生物的浓缩、聚焦和表征。

背景技术

对很多应用来说，改进用于颗粒分选、操控和表征的方法和装置将是非常有用的。

发明内容

本发明的实例包括用于颗粒操控和分选的方法和装置。方法可用于多种颗粒类型，包括微米颗粒和纳米颗粒。颗粒可以是(或包括)天然来源的组分，并且可包括细胞(特别是血细胞)和微生物。本发明的实例可用于颗粒的浓缩和分离，所述颗粒如细胞，及特别地，人体血液内部的细胞。颗粒也可包括无机物、聚合物和各种其它类型的颗粒。

本发明的实例包括声波镊子，它可以捕获和巧妙地操控单个颗粒，比如微米颗粒、细胞或微生物。该声波镊子使用线性调频(线性调频的)叉指换能器(IDTs，有时称为指叉换能器)的宽共振带，来获得声表面驻波场的实时控制，可灵活地操控颗粒。

]该声波设备实例所使用的功率密度明显低于光镊子所需(通常是光镊子的1/10000000，是光电镊子的1/100)。相对于传统方法，基于声波的颗粒操控方法提供极好的、无创性的替代方案。这里所示的声波镊子是第一个在二维空间精密控制单个微粒的声波操控方法。

一种设备结构的实例包括邻接压电基底的通道，其位于两个垂直的线性调频叉指换能器(IDTs)对之间。线性调频叉指换能器在其指周期上具有渐变，允许它们在很宽的频率范围内有效地共振。各对线性调频叉指换能器被独立地加以射频信号(RF)，以产生相同的声表面波(SAWs)，它们之间的干涉形成了声表面驻波(SSAW)。这些声表面驻波漏入邻接的流体介质中，并在该流体中建立差压场，而该场产生声辐射力，其作用在悬浮颗粒上。所述通道是偏离叉指换能器中心的，这样，通道中零阶压力节点的位置在通道工作区之外。

该声辐射力驱动颗粒至压力场的节点或腹点，这取决于它们的弹性特征。由于相对于悬浮流体介质的密度和/或压缩性差异，大多数颗粒被推向压力场中的节点。

线性调频叉指换能器的大带宽转化为可访问声表面驻波波长的宽谱范围，其限定了设备的大颗粒操控范围。使用具有变化的输入RF频率的线性调频叉指换能器，可精密地调整产生自声表面驻波干涉的压力节点的位置，而且，可在二维空间自由操控在压力节点处捕获的一个或多个颗粒。也可以精密地修正流体流内部的颗粒流轨，从而改善颗粒分选。

另一个设备结构实例包括位于一对可变频率叉指换能器之间的通道。该通道具有一个通道输入和多个通道输出。对该叉指换能器对加以RF信号，以产生相同的声表面波(SAWs)，它们之间的干涉在通道的工作区内部形成声表面驻波(SSAW)，并在流体内建立差压场。通过驱动信号的频率调整来调整该压力场，流过通道的颗粒的流轨就可以被导向任一期望的通道输出。分选可由电子控制的，并基于一个或多个颗粒特征，所述颗粒特征是在通道中为该颗粒确定的。因此，有效的颗粒分选是可能的，包括血细胞成分分选，包括荧光激活细胞分选。

应用实例包括颗粒分选(包括细胞分选)，流式细胞术等等。本发明的实例可以同微流体颗粒聚焦设备相结合，以改善颗粒分选，包括改善的流式细胞仪。改进的流式细胞仪可包括颗粒聚焦级、颗粒表征级和颗粒分选级。该分选级可与表征级进行电子通信，这样，可在检测的颗粒参数的基础上，分选不同的颗粒。