微流體裝置中微物體的自動檢測和重新定位的制作方法
相關(guān)申請的交叉引用
本申請是非臨時性的，因此要求2014年12月9日提交的美國臨時專利申請序列號62/089,613以及2015年11月24日提交的美國臨時專利申請序列號62/259,522的權(quán)益和/或優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
本發(fā)明一般涉及用于檢測微流體裝置內(nèi)測定結(jié)果的方法。特別地，該方法可以包括用于自動選擇微流體裝置內(nèi)的特定區(qū)域以檢測測定結(jié)果的步驟。
背景技術(shù)：
在非均勻或復(fù)雜的背景上對微物體(諸如生物細胞或珠粒)的有效和魯棒的檢測對微流體環(huán)境中微物體的自動化操作是至關(guān)重要的。由于某些微物體的半透明外觀，具有與這種微物體相似尺寸的特征的非均勻背景產(chǎn)生了顯著的檢測挑戰(zhàn)。類似地，諸如重新定位細胞的自動化操作由于oet技術(shù)的特定特征而變得復(fù)雜。本發(fā)明的一些實施例涉及微物體的魯棒檢測和在微流體環(huán)境中的重新定位。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
在第一方面，本發(fā)明涉及一種用于自動檢測布置在微流體裝置內(nèi)的微物體的方法。所述方法包括捕捉所述微流體裝置中可能包含感興趣的微物體的區(qū)域的第一圖像。所述方法還包括誘導所述區(qū)域內(nèi)流體的移動。所述方法還包括捕捉所述區(qū)域的第二圖像。所述方法還包括根據(jù)所述第一圖像和所述第二圖像生成差分圖像；以及基于所述差分圖像識別感興趣的微物體。
在各種實施例中，所述區(qū)域包括在所述第一圖像和所述第二圖像中捕捉的一個或多個微流體裝置特征，并且所述差分圖像不包含所述一個或多個微流體裝置特征。在一些實施例中，所述一個或多個微流體裝置特征包括光電晶體管陣列。
在各種實施例中，使用數(shù)字照相機或ccd裝置捕捉所述第一圖像和所述第二圖像。
在各種實施例中，誘導所述流體的移動包括將離散體積的流體引入所述微流體裝置中。在一些實施例中，所述離散體積的流體為約25pl至約100pl。
在各種實施例中，通過從所述第二圖像中減去所述第一圖像產(chǎn)生所述差分圖像，反之亦然。在一些實施例中，所述方法還包括：確定對應(yīng)于所述第一圖像的一個或多個像素的第一組光強度值和對應(yīng)于所述第二圖像的一個或多個像素的第二組光強度值；以及從所述第二組光強度值中減去所述第一組光強度值，反之亦然，以產(chǎn)生一組正值像素和一組負值像素。
在一些實施例中，所述方法還包括：分析所述組正值像素以識別一組或多組像素群，其中每個像素群包括一個或多個像素。所述方法還包括：為所述一組或多組像素群中的每個確定包括表示以下各項中一個或多個的信息的特征集：所述組像素群的面積、所述組像素群的圓周、所述組像素群的全局形態(tài)、所述組像素群的局部形態(tài)、以及與該組像素群相關(guān)聯(lián)的光強度值。所述方法還包括為所述一組或多組像素群中的每個識別所述組像素群是否對應(yīng)于感興趣的微物體，其中所述識別基于為所述組像素群確定的特征集。
在各種實施例中，所述方法還包括：檢測其相對位置具有與在所述區(qū)域中誘導的流體的所述移動一致的量的不同的成對正值和負值像素或像素群；以及將這種對中的每個識別為分別表示感興趣的微物體的當前位置和先前位置。
在第二方面，本發(fā)明涉及一種用于自動檢測布置在微流體裝置內(nèi)的微物體的方法。所述方法包括用成像裝置捕捉所述微流體裝置中可能包含感興趣的微物體的區(qū)域的第一圖像。所述方法還包括相對于所述成像裝置移動所述微流體裝置。所述方法還包括用所述成像裝置拍攝所述區(qū)域的第二圖像，其中所述第二圖像相對于所述第一圖像移位。所述方法還包括將所述第一圖像與所述第二圖像對準。所述方法還包括根據(jù)所述第一圖像和所述第二圖像生成差分圖像；以及基于所述差分圖像識別感興趣的微物體。
在各種實施例中，所述區(qū)域包括在所述第一圖像和所述第二圖像中捕捉的一個或多個微流體裝置特征，并且其中所述差分圖像不包含所述一個或多個微流體裝置特征。在一些實施例中，所述一個或多個微流體裝置特征包括光電晶體管陣列。
在各種實施例中，所述成像裝置是數(shù)字照相機或ccd裝置。
在各種實施例中，移位所述微流體裝置包括在垂直于所述成像裝置的光軸的方向上移動保持所述微流體裝置的平臺。在一些實施例中，所述微流體裝置被移位約2微米至約3微米。
在各種實施例中，通過計算對準所述第一圖像和所述第二圖像，并且丟棄所述第一圖像和所述第二圖像不能對準的區(qū)域。在一些實施例中，對準所述第一圖像和所述第二圖像包括對準所述微流體裝置內(nèi)的回路元件。
在各種實施例中，產(chǎn)生所述差分圖像包括從所述第二圖像中減去所述第一圖像，反之亦然。在一些實施例中，所述方法還包括：確定對應(yīng)于所述第一圖像的一個或多個像素的第一組光強度值和對應(yīng)于所述第二圖像的一個或多個像素的第二組光強度值；以及從所述第二組光強度值中減去所述第一組光強度值，反之亦然，以產(chǎn)生一組正值像素和一組負值像素。
在一些實施例中，所述方法還包括：分析所述組正值像素以識別一組或多組像素群，其中每個像素群包括一個或多個像素。所述方法還包括：為所述一組或多組像素群中的每組像素群確定包括表示以下各項中一個或多個的信息的特征集：所述組像素群的面積、所述組像素群的圓周、所述組像素群的全局形態(tài)、所述組像素群的局部形態(tài)、以及與該組像素群相關(guān)聯(lián)的光強度值。所述方法還包括：為所述一組或多組像素群中的每個識別所述組像素群是否對應(yīng)于感興趣的微物體，其中所述識別基于為所述組像素群確定的特征集。
在一些實施例中，所述方法還包括：檢測其相對于所述成像裝置的相對位置具有與所述微流體的所述移動一致的量的不同的成對正值和負值像素或像素群；以及將這種對中的每個識別為分別表示感興趣的微物體的當前位置和先前位置。
在第三方面，本發(fā)明提供一種用于自動檢測布置在微流體裝置內(nèi)的微物體的方法。所述方法包括捕捉可能包含感興趣的微物體的微流體裝置中的區(qū)域的圖像。所述方法還包括使用傅里葉變換確定所述圖像中的周期性結(jié)構(gòu)。所述方法還包括通過從所述圖像中去除所述周期性結(jié)構(gòu)來生成濾波圖像；以及基于所述濾波圖像識別感興趣的微物體。
在各種實施例中，所述周期性結(jié)構(gòu)對應(yīng)于一個或多個微流體裝置特征。在一些實施例中，所述一個或多個微流體裝置特征包括光電晶體管陣列。
在各種實施例中，所述方法還包括：確定與所述濾波圖像相對應(yīng)的一個或多個像素的一組光強度值；以及基于所述濾波圖像生成一組正值像素。
在各種實施例中，所述方法還包括分析所述組正值像素以識別一組或多組像素群，其中每個像素群包括一個或多個像素。所述方法還包括為所述一組或多組像素群中的每個確定包括表示以下各項中一個或多個的信息的特征集：所述組像素群的面積、所述組像素群的圓周、所述組像素群的全局形態(tài)、所述組像素群的局部形態(tài)、以及與該組像素群相關(guān)聯(lián)的光強度值。所述方法還包括為所述一組或多組像素群中的每個識別所述組像素群是否對應(yīng)于感興趣的微物體，其中所述識別基于為所述組像素群確定的特征集。
在第四方面，本發(fā)明提供一種將微物體重新定位在包括一組隔離圍欄的微流體裝置中的方法。所述方法包括識別布置在所述微流體裝置內(nèi)的一組微物體。所述方法包括計算一個或多個軌跡，其中每個軌跡是將所述組微物體中的一個微物體與所述組隔離圍欄的一個隔離圍欄連接的路徑。所述方法還包括為所述組微物體中的一個或多個微物體選擇所述一個或多個軌跡中的軌跡。所述方法還包括通過沿著其所選擇的軌跡移動微物體來重新定位所述組微物體中的所述一個或多個微物體中的至少一個微物體。
在各種實施例中，重新定位所述組微物體中的所述一個或多個微物體的至少一個微物體包括沿其所選擇的軌跡移動至少第一微物體，以及沿其所選擇的軌跡移動第二微物體。在一些實施例中，并行移動所述第一微物體和第二微物體。
在各種實施例中，所述方法還包括：計算與所述組微物體相關(guān)聯(lián)的密度值；以及至少部分地基于與所述組微物體相關(guān)聯(lián)的所述密度值來計算所述一個或多個軌跡。在一些實施例中，所述方法還包括：確定所述密度值超過閾值；以及針對所述組微物體的至少一個微物體，計算將所述微物體與所述組隔離圍欄的一個或多個隔離圍欄連接的一個或多個軌跡。在一些實施例中，所述方法還包括：確定所述密度值未超過閾值；以及針對所述組隔離圍欄的至少一個隔離圍欄，計算將所述隔離圍欄與所述組微物體的一個或多個微物體連接的一個或多個軌跡。
在各種實施例中，所述方法還包括識別所述組隔離圍欄。在一些實施例中，所述識別所述組隔離圍欄包括識別多個隔離圍欄中的空隔離圍欄。
在各種實施例中，選擇所述一個或多個軌跡的軌跡包括為正被重新定位的每個微物體選擇軌跡，使得最小化所選軌跡的長度之和。在一些實施例中，最小化所選擇的軌跡的長度之和包括使用以下至少一個：貪婪算法、基于啟發(fā)式算法、非線性算法和約束搜索。
在各種實施例中，選擇所述一個或多個軌跡的軌跡還包括確定所述軌跡是否超過預(yù)定的最大長度。
在各種實施例中，重新定位所述一個或多個微物體的至少一個微物體包括在第一時間段將所述至少一個微物體中的每個從初始速度加速到行進速度。在一些實施例中，重新定位所述一個或多個微物體的至少一個微物體包括在第二時間段將所述至少一個微物體中的每個從所述行進速度減速至最終速度。
在第五方面，本發(fā)明涉及一種重新定位微流體裝置中的微物體的方法。所述方法包括識別布置在所述微流體裝置的指定空間區(qū)域內(nèi)的一組微物體。所述方法還包括計算將所述指定空間區(qū)域劃分為子區(qū)域的一組頂點，每個子區(qū)域包含所述組微物體中的一個或多個微物體。所述方法還包括：基于所計算的所述組頂點，為所述組微物體的至少一個微物體生成修改的第一光籠；以及相對于所述微流體裝置的所指定的空間區(qū)域移動所述修改后的光籠，以重新定位所述至少一個微物體。
在各種實施例中，所述方法還包括對于所述組微物體的第一微物體，計算第一光籠。所述方法還包括計算所述第一光籠與所述組頂點之間的交叉點。所述方法還包括基于所述第一光籠與所述組頂點之間的交叉點，產(chǎn)生修改后的第一光籠。
在各種實施例中，所述方法還包括：計算一組頂點，該組頂點最大化鄰近所述組微物體的每個微物體的所計算的一組頂點的子集與所述微物體之間的距離。
在各種實施例中，所述方法還包括計算將所述指定空間區(qū)域劃分為子區(qū)域的一組頂點，其中至少所述子區(qū)域的子集包含所述組微物體的單個微物體。
在各種實施例中，所述方法還包括計算所述組微物體的delaunay三角剖分。所述方法還包括：基于所述組微物體的所述delaunay三角剖分生成voronoi圖；以及基于所述voronoi圖識別所述組頂點。
在各種實施例中，所述方法還包括為所述組微物體的第二微物體計算第二光籠。所述方法還包括計算第二光籠與所述組頂點之間的交叉點；以及基于所述第二光籠與所述組頂點之間的交叉點產(chǎn)生修改后的第二光籠，其中，所述修改后的第二光籠不與所述修改后的第一光籠相交。
在各種實施例中，所述方法還包括相對于所述微流體裝置的所述指定空間區(qū)域移動所述第一修改后的光籠和所述第二修改后的光籠，以物理地分離所述第一微物體和所述第二微物體。在一些實施例中，所述第一微物體和所述第二微物體最初位于所述指定空間區(qū)域的相鄰子區(qū)域中。
在各種實施例中，根據(jù)以上關(guān)于本發(fā)明的第一方面、第二方面和第三方面所述的方法識別所述組微物體。
在第六方面，本發(fā)明涉及一種用于存儲執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明第一方面所述方法的非暫時機器可讀指令的機器可讀存儲裝置。在第七方面，本發(fā)明涉及一種用于存儲執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明第二方面所述方法的非暫時機器可讀指令的機器可讀存儲裝置。在第八方面，本發(fā)明涉及一種用于存儲執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明第三方面所述方法的非暫時機器可讀指令的機器可讀存儲裝置。在第九方面，本發(fā)明涉及一種用于存儲執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明第四方面所述方法的非暫時機器可讀指令的機器可讀存儲裝置。在第十方面，本發(fā)明涉及一種用于存儲執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明第五方面所述方法的非暫時機器可讀指令的機器可讀存儲裝置。
在本發(fā)明的各種實施例和各方面中，所述感興趣的微物體是細胞。在本發(fā)明的各種實施例和各方面中，所述細胞是哺乳動物細胞。在本發(fā)明的各種實施例和各方面中，所述細胞選自由血細胞、雜交瘤、癌細胞和轉(zhuǎn)化細胞構(gòu)成的群組。
附圖說明
圖1示出根據(jù)本發(fā)明一些實施例的用于微流體裝置和相關(guān)聯(lián)的控制設(shè)備的系統(tǒng)的示例。
圖2a和圖2b示出根據(jù)本發(fā)明一些實施例的微流體裝置。
圖2c和圖2d示出根據(jù)本發(fā)明一些實施例的隔離圍欄。
圖2e示出詳細示出本發(fā)明一些實施例的隔離圍欄。
圖2f示出根據(jù)本發(fā)明實施例的微流體裝置。
圖3a示出根據(jù)本發(fā)明一些實施例的用于微流體裝置和相關(guān)聯(lián)的控制設(shè)備的系統(tǒng)的具體示例。
圖3b示出根據(jù)本發(fā)明一些實施例的示例性模擬分壓器回路。
圖3c示出根據(jù)本發(fā)明一些實施例的被配置為繪制溫度和波形數(shù)據(jù)的示例性gui。
圖3d示出根據(jù)本發(fā)明一些實施例的成像裝置。
圖3e示出根據(jù)本發(fā)明的具體實施例的運動模塊與光調(diào)制子系統(tǒng)之間的通信，所述光調(diào)制子系統(tǒng)控制微流體裝置上的圖案的投影。
圖4a、圖4b和圖4c示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例將微物體并行裝入圍欄。
圖5a-圖5f示出根據(jù)本發(fā)明具體實施例的可用于分離微物體的修改后的光籠的產(chǎn)生。
具體實施方式
本說明書描述了本發(fā)明的示例性實施例和應(yīng)用。然而，本發(fā)明不限于這些示例性實施例和應(yīng)用，也不限于在本文中描述的方式或者示例性實施例和應(yīng)用運行的方式。而且，附圖可示出簡化或局部視圖，并且附圖中的元件尺寸可以被夸大或者可以不按比例。此外，當在本文中使用術(shù)語“在…上”、“附接到”、“連接到”或“耦接到”或類似詞語時，一個元件(例如，材料、層、基底等)可以“在另一個元件上”、“附接到另一個元件”、“連接到另一個元件”、或“耦接到另一個元件”，而不管該一個元件直接在另一個元件上、附接、連接或耦接到該另一個元件，還是有一個或更多個介入元件在該一個元件和該另一個元件之間。此外，在對一系列元件(例如元件a、b、c)進行描述的情況下，這些描述旨在包括所列出的元件自身的任何一個、少于全部所列出的元件的任何組合和/或全部所列出的元件的組合。
說明書中的段落劃分僅用于便利查看，并且不限制所討論的元件的任何組合。
如本文所使用的，“基本上”是指足以達到預(yù)期目的。術(shù)語“基本上”因此允許根據(jù)絕對或完美狀態(tài)、尺寸、測量、結(jié)果等進行諸如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以預(yù)期，但對總體性能沒有顯著影響的小的、不重要的變型。當針對數(shù)值或者可以被表示為數(shù)值的參數(shù)或特征使用時，“基本上”是指在百分之十內(nèi)。
如本文所用，術(shù)語“多個”是指多于一個。如本文所用，術(shù)語“很多”可以是2、3、4、5、6、7、8、9、10個或更多。
如本文所使用的，術(shù)語“布置”涵蓋其含義“位于”。
如本文所用，“微流體裝置”或“微流體設(shè)備”是包括被配置為保持流體的一個或多個獨立微流體回路的裝置，每個微流體回路包括流體上互連的回路元件，包括但不限于，區(qū)域、流動路徑、通道、腔室和/或圍欄以及被配置為允許流體(以及可選地，懸浮在流體中的微物體)流入和/或流出微流體裝置的至少兩個端口。通常，微流體裝置的微流體回路將包括至少一個微流體通道和至少一個腔室，并且將保持小于約1ml體積的流體，例如，小于約750、500、250、200、150，100、75、50、25、20、15、10、9、8、7、6、5、4、3或2μl。在一些實施例中，微流體回路保持大約1-2、1-3、1-4、1-5、2-5、2-8、2-10、2-12、2-15、2-20、5-20、5-30、5-40、5-50、10-50、10-75、10-100、20-100、20-150、20-200、50-200、50-250或50-300μl的流體。
如本文所用，“納流體裝置”或“納流體設(shè)備”是具有包含至少一個回路元件的微流體回路的一種微流體裝置，其中該回路元件被配置為保持小于約1μl體積的流體，例如，小于約750、500、250、200、150、100、75、50、25、20、15、10、9、8、7、6、5、4、3、2、1nl或更少。通常，納流體裝置將包括多個回路元件(例如，至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、50、75、100、150、200、250、300、400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、6000、7000、8000、9000、10,000或更多個)。在一些實施例中，至少一個回路元件中的一個或多個(例如全部)被配置為保持以下體積的流體：大約100pl至1nl、100pl至2nl、100pl至5nl、250pl至2nl、250pl至5nl、250pl至10nl、500pl至5nl、500pl至10nl、500pl至15nl、750pl至10nl、750pl至15nl、750pl至20nl、1至10nl、1至15nl、1至20nl、1至25nl或1至50nl。在其它實施例中，至少一個回路元件中的一個或多個(例如全部)被配置為保持以下體積的流體：大約100至200nl、100至300nl、100至400nl、100至500nl、200至300nl、200至400nl、200至500nl、200至600nl、200至700nl、250至400nl、250至500nl、250至600nl或250至750nl。
如本文所使用的“微流體通道”或“流動通道”指具有明顯長于水平和垂直尺寸的長度的微流體裝置的流動區(qū)域。例如，流動通道可以是水平或垂直尺寸的長度的至少5倍，例如長度的至少10倍、長度的至少25倍、長度的至少100倍、長度的至少200倍、長度的至少500倍、長度的至少1000倍、長度的至少5000倍或更長。在一些實施例中，流動通道的長度在約100,000微米至約500,000微米的范圍內(nèi)，包括其間的任何范圍。在一些實施例中，水平尺寸在約100微米至約1000微米的范圍內(nèi)，例如，從約150到約500微米，垂直尺寸在約25微米至約200微米的范圍內(nèi)，例如，從約40至約150微米。應(yīng)指出的是，流動通道可以在微流體裝置中具有各種不同的空間構(gòu)造，因此不限于理想的線性元件。例如，流動通道可以是以下配置，或者可以包括具有以下配置的一個或多個部分：彎曲、彎折、螺旋、傾斜、下降、分叉(例如，多個不同的流動路徑)及其任何組合。此外，流動通道可以具有沿其路徑的不同的橫截面面積(擴大和收縮)，以在其中提供期望的流體流動。
如本文所使用的，術(shù)語“阻塞”通常指足夠大的凸塊或類似類型的結(jié)構(gòu)，以便部分地(但不完全)阻止目標微物體在微流體裝置的兩個不同區(qū)域或回路元件之間移動。兩個不同的區(qū)域/回路元件可以是例如微流體隔離圍欄和微流體通道、或微流體隔離圍欄的連接區(qū)域和分離區(qū)域。
如本文所使用的，術(shù)語“收縮”通常指微流體裝置中回路元件(或兩個回路元件之間的界面)的寬度變窄。例如，收縮可以位于微流體隔離圍欄與微流體通道之間的界面處、或者位于微流體隔離圍欄的分離區(qū)域與連接區(qū)域之間的界面處。
如本文所使用的，術(shù)語“透明”指允許可見光通過但是在光通過時基本不改變光的材料。
如本文所用，術(shù)語“微物體”通常指可以根據(jù)本發(fā)明分離和收集的任何微物體。微物體的非限制性示例包括：無生命的微物體，諸如微粒；微珠(例如，聚苯乙烯珠、luminextm珠等)；磁珠；微米棒；微絲；量子點等；生物微物體，諸如細胞(例如，胚胎、卵母細胞、精細胞、從組織分離的細胞、真核細胞、原生細胞、動物細胞、哺乳動物細胞、人細胞、免疫細胞、雜交瘤、培養(yǎng)細胞、來自細胞系的細胞、癌細胞、感染細胞、轉(zhuǎn)染和/或轉(zhuǎn)化細胞、報道細胞、原核細胞等)；生物細胞器；囊泡或復(fù)合物；合成泡囊；脂質(zhì)體(例如，合成的或由膜制劑衍生的)；脂質(zhì)納米筏(如ritchieetal.(2009)reconstitutionofmembraneproteinsinphospholipidbilayernanodiscs,mehotdenzymol.,464:211-231(里奇等人(2009年)，磷脂雙分子層奈米圓盤中的膜蛋白的重組，方法酶學，464:211-231)中描述的)等；或無生命微物體和生物微物體的組合(例如，附著于細胞的微珠、脂質(zhì)體包覆微珠、脂質(zhì)體包覆磁珠等)。這些珠還可以具有共價或非共價連接的其它部分/分子，諸如能夠在測定中使用的熒光標記、蛋白質(zhì)，小分子信號傳導部分、抗原或化學/生物物種。
如本文所使用的，術(shù)語“維持(一個或多個)細胞”是指提供包括流體和氣體成分的環(huán)境，以及可選地提供保持細胞存活和/或擴大所必須的條件的表面。
流體介質(zhì)的“組分”是呈現(xiàn)在介質(zhì)中的任何化學或生物化學分子，所述介質(zhì)包括溶劑分子、離子、小分子、抗生素、核苷酸和核苷、核酸、氨基酸、肽、蛋白質(zhì)、糖類、碳水化合物、脂類、脂肪酸、膽固醇、代謝產(chǎn)物等。
如本文關(guān)于流體介質(zhì)所使用的，“使…擴散”和“擴散”是指流體介質(zhì)的組分朝濃度梯度低的方向的熱力學移動。
短語“介質(zhì)的流動”是指流體介質(zhì)的除擴散之外的由任何機構(gòu)導致的整體移動。例如，介質(zhì)的流動可以包括由于點之間的壓力差從一個點到另一個點的流體介質(zhì)的移動。這樣的流動可以包括液體的連續(xù)的、脈沖的、周期的、隨機的、間歇的或往復(fù)的流動，或者其任何組合。當一個流體介質(zhì)流入到另一個流體介質(zhì)中時，可導致介質(zhì)的湍流和混合。
短語“基本上沒有流動”是指流體介質(zhì)的流速在時間上的平均值小于將材料(例如，感興趣的分析物)的組分擴散到流體介質(zhì)中或者在流體介質(zhì)內(nèi)擴散的速率。這種材料的組分的擴散速率可取決于例如溫度、組分的大小以及組分與流體介質(zhì)之間的相互作用的強度。
如本文關(guān)于微流體裝置內(nèi)的不同區(qū)域所使用的，短語“流體上連接”是指當不同區(qū)域基本上填充有液體(諸如流體介質(zhì))時，每個區(qū)域中的流體被連接以形成流體的單個本體。這并不意味著不同區(qū)域中的流體(或流體介質(zhì))在組成上一定是相同的。相反，在微流體裝置的不同的流體上連接區(qū)域中的流體可具有不同的組成(例如，不同濃度的溶質(zhì)，如蛋白質(zhì)、碳水化合物、離子、或其它分子)，其由于溶質(zhì)向其各自的濃度梯度低的取向移動和/或由于流體通過該裝置流動而不斷變化。
微流體(或納流體)裝置可以包括“波及”區(qū)域和“未波及”區(qū)域。如本文所使用的，“波及”區(qū)域包括微流體回路的一個或多個流體上互連的回路元件，當流體流過微流體回路時，其每個均經(jīng)歷介質(zhì)流動。波及區(qū)域的回路元件可以包括例如區(qū)域、通道以及腔室的全部或部分。如本文所使用的，“未波及”區(qū)域包括當流體流過微流體回路時，其每個基本上都不經(jīng)歷流體流動的微流體回路的一個或多個流體上互連的回路元件。未波及區(qū)域可以流體上連接到波及區(qū)域，假設(shè)該流體上連接被配置為使得在波及區(qū)域與未波及區(qū)域之間能夠擴散，但在波及區(qū)域與未波及區(qū)域之間基本上沒有介質(zhì)的流動。微流體裝置可因此被配置為基本上使未波及區(qū)域與波及區(qū)域中的介質(zhì)的流分離，同時使得在波及區(qū)域與未波及區(qū)域之間僅能夠進行擴散流體連通。例如，微流體裝置的流動通道是波及區(qū)域的示例，而微流體裝置的分離區(qū)域(下文將進一步詳細描述)是未波及區(qū)域的示例。
如本文所使用的，“流動路徑”指限定并經(jīng)受介質(zhì)流動軌跡的一個或多個流體上連接的回路元件(例如，通道、區(qū)域、腔室等)。因此，流動路徑是微流體裝置的波及區(qū)域的示例。其它回路元件(例如，未波及區(qū)域)可以與包括流動路徑的回路元件流體上連接，而不經(jīng)受流動路徑中介質(zhì)的流動。
可以在這種微流體裝置中測定用于產(chǎn)生特定生物材料(例如，蛋白質(zhì)，諸如抗體)的生物微物體(例如，生物細胞)的能力。在測定的具體實施例中，包括待測定用于產(chǎn)生感興趣的分析物的生物微物體(例如，細胞)的樣本材料可以被裝載到微流體裝置的波及區(qū)域中。多個生物微物體(例如，哺乳動物細胞，諸如人體細胞)可以針對特定特征而被選擇并且被設(shè)置在未波及區(qū)域中。然后，其余樣本材料可以從波及區(qū)域流出，并且測定材料可以流入到波及區(qū)域中。由于所選擇的生物微物體在未波及區(qū)域中，因此所選擇的生物微物體基本上不受剩余樣本材料的流出或測定材料的流入的影響。所選擇的生物微物體可以允許產(chǎn)生感興趣的分析物，其可以從未波及區(qū)域擴散到波及區(qū)域中，其中感興趣的分析物可以與測定材料反應(yīng)以產(chǎn)生局部可檢測反應(yīng)，每個局部可檢測反應(yīng)可以與特定的未波及區(qū)域相關(guān)聯(lián)。與檢測到的反應(yīng)相關(guān)聯(lián)的任何未波及區(qū)域可以被分析以確定在未波及區(qū)域中的哪些生物微物體(如果有的話)是感興趣的分析物的足夠生產(chǎn)者。
用于操作和觀察這種裝置的微流體裝置和系統(tǒng)。圖1示出可以在本發(fā)明的實踐中使用的微流體裝置100和系統(tǒng)150的示例。示出了微流體裝置100的透視圖，其蓋110被部分切除以提供微流體裝置100的局部視圖。微流體裝置100通常包括具有流動路徑106的微流體回路120，流體介質(zhì)180可以流動到該流動路徑106中和/或流動通過微流體回路120，可選地攜帶一個或多個微物體(未示出)。雖然在圖1中示出單個微流體回路120，但是合適的微流體裝置可以包括多個(例如，2或3)這種微流體回路。無論如何，微流體裝置100可以被配置為納流體裝置。在圖1所示的實施例中，微流體回路120包括多個微流量隔離圍欄124、126、128和130，其每個具有與流動路徑106流體連通的一個或多個開口。如下文進一步討論的，微流體隔離圍欄包括已被優(yōu)化用于即使當介質(zhì)180流過流動路徑106時，仍然保留微流體裝置(例如微流體裝置100)中的微物體的各種特性和結(jié)構(gòu)。然而，在描述上述之前，簡要說明微流體裝置100和系統(tǒng)150。
如圖1中大體所示，微流體回路120由圍界102限定。盡管圍界102可以物理地構(gòu)造成不同的配置，但是在圖1所示的示例中，圍界102被描述為包括支撐結(jié)構(gòu)104(例如，基部)、微流體回路結(jié)構(gòu)108和蓋110。支撐結(jié)構(gòu)104、微流體回路結(jié)構(gòu)108和蓋110可以彼此附接。例如，微流體回路結(jié)構(gòu)108可以布置在支撐結(jié)構(gòu)104的內(nèi)表面109上，蓋110可以布置在微流體回路結(jié)構(gòu)108上方。微流體回路結(jié)構(gòu)108與支撐結(jié)構(gòu)104和蓋110一起，可以限定微流體回路120的元件。
如圖1所示，支撐結(jié)構(gòu)104可以位于微流體回路120的底部，蓋110可以位于微流體回路120的頂部。可替代地，支撐結(jié)構(gòu)104和蓋110可以以其它取向來配置。例如，支撐結(jié)構(gòu)104可以位于微流體回路120的頂部，蓋110可以位于微流體回路120的底部。無論如何，可以存在一個或多個端口107，其每個包括進入或流出圍界102的通路。例如，通路包括閥、門、通孔等。如圖所示，端口107是由微流體回路結(jié)構(gòu)108中的間隙形成的通孔。然而，端口107可以位于圍界102的其它組件(諸如蓋110)中。圖1中僅示出一個端口107，但是微流體回路120可以具有兩個或更多個端口107。例如，可以存在用作流體進入微流體回路120的入口的第一端口107，并且可以存在用作流體離開微流體回路120的出口的第二端口107。端口107用作入口還是出口可以取決于流體流過流動路徑106的方向。
支撐結(jié)構(gòu)104可以包括一個或多個電極(未示出)和一個基底或多個互連的基底。例如，支撐結(jié)構(gòu)104可以包括一個或多個半導體襯底，每個半導體襯底電連接到電極(例如，半導體襯底的全部或一部分可以電連接到單個電極)。支撐結(jié)構(gòu)104還可以包括印刷電路板組件(“pcba”)。例如，半導體襯底可以安裝在pcba上。
微流體回路結(jié)構(gòu)108可以限定微流體回路120的回路元件。這種回路元件可以包括當微流體回路120充滿流體時，可以流體上互連的空間或區(qū)域，諸如流動通道、腔室、圍欄、捕集器等。在圖1所示的微流體回路120中，微流體回路結(jié)構(gòu)108包括框架114和微流體回路材料116?？蚣?14可以部分地或完全地包圍微流體回路材料116。例如，框架114可以是基本上圍繞微流體回路材料116的相對剛性結(jié)構(gòu)。例如，框架114可以包括金屬材料。
可以用空腔等來圖案化微流體回路材料116，以限定微流體回路120的回路元件和互連。微流體回路材料116可以包括柔性材料，諸如柔性聚合物(例如橡膠、塑料、彈性體、硅氧烷、聚二甲基硅氧烷(“pdms”)等)，其可以是透氣的?？蓸?gòu)成微流體回路材料116的材料的其它示例包括模制玻璃；可蝕刻材料，諸如硅樹脂(例如光圖案化硅或“pps”)；光致抗蝕劑(例如su8)等。在一些實施例中，這種材料(并且因此微流體回路材料116)可以是剛性的和/或基本上不透氣的。無論如何，微流體回路材料116可以布置在支撐結(jié)構(gòu)104上和框架114內(nèi)部。
蓋110可以是框架114和/或微流體回路材料116的集成部件?？商娲?，蓋110可以是結(jié)構(gòu)上獨立的元件，如圖1所示。蓋110可以包括與框架114和/或微流體回路材料116相同或不同的材料。類似地，支撐結(jié)構(gòu)104可以是與框架114或微流體回路材料116分開的結(jié)構(gòu)，如圖所示，或者支撐結(jié)構(gòu)104可以是框架114或微流體回路材料116的集成部件。類似地，框架114和微流體回路材料116可以是如圖1所示的分離結(jié)構(gòu)或相同結(jié)構(gòu)的集成部件。
在一些實施例中，蓋110可以包括剛性材料。剛性材料可以是玻璃或具有類似特性的材料。在一些實施例中，蓋110可以包括可變形材料?？勺冃尾牧峡梢允蔷酆衔铮T如pdms。在一些實施例中，蓋110可以既包括剛性材料也包括可變形材料。例如，蓋110的一個或多個部分(例如，位于隔離圍欄124、126、128、130上方的一個或多個部分)可以包括與蓋110的剛性材料相交界的可變形材料。在一些實施例中，蓋110還可以包括一個或多個電極。該一個或多個電極可以包括導電氧化物，諸如氧化銦錫(ito)，其可以涂覆在玻璃或類似絕緣材料上?？商娲?，該一個或多個電極可以是嵌入在可變形材料(諸如聚合物(例如pdms))中的柔性電極，諸如單壁納米管、多壁納米管、納米線、導電納米顆粒簇或其組合。已經(jīng)在例如us2012/0325665(chiou等人)中描述了可以用于微流體裝置的柔性電極，其內(nèi)容通過引用并入本文。在一些實施例中，可以修改蓋110(例如，通過調(diào)節(jié)向內(nèi)朝向微流體回路120的表面的全部或部分)來支持細胞粘附、生存能力(viability)和/或生長。這種修改可以包括合成或天然聚合物的涂層。在一些實施例中，蓋110和/或支撐結(jié)構(gòu)104可以是透光的。蓋110還可以包括至少一種透氣的材料(例如，pdms或pps)。
圖1還示出用于操作和控制微流體裝置(諸如微流體裝置100)的系統(tǒng)150。如圖所示，系統(tǒng)150包括電源192、成像裝置194和傾斜裝置190。
電源192可以向微流體裝置100和/或傾斜裝置190提供電力，根據(jù)需要提供偏置電壓或電流。例如，電源192可以包括一個或多個交流(ac)和/或直流(dc)電壓或電流源。成像裝置194可以包括用于捕捉微流體回路120內(nèi)的圖像的裝置(諸如數(shù)字照相機)。在一些情形下，成像裝置194還包括具有快速幀速率和/或高靈敏度的檢測器(例如用于低光應(yīng)用)。成像裝置194還可以包括用于將刺激性輻射和/或光束引導到微流體回路120中并收集從微流體回路120(或其中包含的微物體)反射或發(fā)射的輻射和/或光束的機構(gòu)。所發(fā)射的光束可以在可見光譜中，并且可以例如包括熒光發(fā)射。所反射光束可以包括源自led或諸如汞燈(例如高壓汞燈)或氙弧燈的寬光譜燈的發(fā)射的反射。如關(guān)于圖3所討論的，成像裝置194還可以包括顯微鏡(或光學系統(tǒng))，其可以包括或可以不包括目鏡。
系統(tǒng)150還包括傾斜裝置190，其被配置為圍繞一個或多個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)微流體裝置100。在一些實施例中，傾斜裝置190被配置為圍繞至少一個軸來支撐和/或保持包括微流體回路120的圍界102，使得微流體裝置100(以及因此微流體回路120)可以保持在水平取向(即相對于x軸和y軸為0°)、垂直取向(即相對于x軸和/或y軸為90°)或其間的任何取向。微流體裝置100(和微流體回路120)相對于軸的取向在本文中被稱為微流體裝置100(和微流體回路120)的“傾斜”。例如，傾斜裝置190可以使微流體裝置100相對于x軸傾斜0.1°、0.2°、0.3°、0.4°、0.5°、0.6°、0.7°、0.8°、0.9°、1°、2°、3°、4°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、90°或其間的任何角度。水平取向(以及因此x軸和y軸)被定義為垂直于由重力限定的垂直軸。傾斜裝置還可以將微流體裝置100(和微流體回路120)相對于x軸和/或y軸傾斜大于90°的角度，或者使微流體裝置100(和微流體回路120)相對于x軸或y軸傾斜180°，以便完全反轉(zhuǎn)微流體裝置100(和微流體回路120)。類似地，在一些實施例中，傾斜裝置190圍繞由流動路徑106或微流體回路120的某些其它部分限定的旋轉(zhuǎn)軸來傾斜微流體裝置100(和微流體回路120)。
在一些情形下，微流體裝置100傾斜成垂直取向，使得流動路徑106位于一個或多個隔離圍欄的上方或下方。如本文所用的術(shù)語“上方”表示在由重力限定的垂直軸上，流動路徑106被定位為高于一個或多個隔離圍欄(即，在流動路徑106上方的隔離圍欄中的物體將具有比流動路徑中的物體高的重力勢能)。如本文所用的術(shù)語“下方”表示在由重力限定的垂直軸上，流動路徑106被定位為低于一個或多個隔離圍欄(即，在流動路徑106下方的隔離圍欄中的物體將具有比流動路徑中的物體低的重力勢能)。
在一些情形下，傾斜裝置190圍繞平行于流動路徑106的軸來傾斜微流體裝置100。此外，微流體裝置100可以傾斜成小于90°的角度，使得流動路徑106位于一個或多個隔離圍欄的上方或下方，而不是位于隔離圍欄的正上方或正下方。在其它情況下，傾斜裝置190圍繞垂直于流動路徑106的軸來傾斜微流體裝置100。在另外其它情況下，傾斜裝置190圍繞既不平行也不垂直于流動路徑的軸來傾斜微流體裝置100。
系統(tǒng)150還可以包括介質(zhì)源178。介質(zhì)源178(例如，容器、貯液器等)可以包括多個部分或容器，其每個用于保持不同的流體介質(zhì)180。因此，如圖1所示，介質(zhì)源178可以是位于微流體裝置100外部并與微流體裝置100分離的裝置?？商娲兀橘|(zhì)源178可以全部或部分位于微流體裝置100的圍界102內(nèi)。例如，介質(zhì)源178可以包括作為微流體裝置100的一部分的貯液器。
圖1還示出構(gòu)成系統(tǒng)150的一部分并且可以與微流體裝置100結(jié)合使用的控制和監(jiān)測設(shè)備152的示例的簡化框圖。如圖所示，這種控制和監(jiān)測設(shè)備152的示例包括主控制器154(包括用于控制介質(zhì)源178的介質(zhì)模塊160)；運動模塊162，用于控制微流體回路120中微物體(未示出)和/或介質(zhì)(例如，介質(zhì)的液滴)的移動和/或選擇；成像模塊164，用于控制用來捕捉圖像(例如，數(shù)字圖像)的成像裝置194(例如相機、顯微鏡、光源或其任何組合)；以及傾斜模塊166，用于控制傾斜裝置190?？刂圃O(shè)備152還可以包括其它模塊168，用于控制、監(jiān)測或執(zhí)行關(guān)于微流體裝置100的其它功能。如圖所示，設(shè)備152還可以包括顯示裝置170和輸入/輸出裝置172。
主控制器154可以包括控制模塊156和數(shù)字存儲器158?？刂颇K156可以包括例如數(shù)字處理器，該數(shù)字處理器被配置為根據(jù)存儲為存儲器158中的非暫態(tài)數(shù)據(jù)或信號的機器可執(zhí)行指令(例如，軟件、固件、微碼等)操作?？商娲氐鼗蛄硗獾?，控制模塊156可以包括硬連線數(shù)字電路和/或模擬電路?？梢灶愃频嘏渲媒橘|(zhì)模塊160、運動模塊162、成像模塊164、傾斜模塊166和/或其它模塊168。因此，可以由如上配置的主控制器154、介質(zhì)模塊160、運動模塊162、成像模塊164、傾斜模塊166和/或其它模塊168中的一個或多個來實施本文所討論的針對微流體裝置100或任何其它微流體裝置所執(zhí)行的功能、過程、動作、行動或過程的步驟。類似地，主控制器154、介質(zhì)模塊160、運動模塊162、成像模塊164、傾斜模塊166和/或其它模塊168可以通信地耦接，以發(fā)送和接收本文討論的任何功能、過程、動作、行動或步驟中所使用的數(shù)據(jù)。
介質(zhì)模塊160控制介質(zhì)源178。例如，介質(zhì)模塊160可以控制介質(zhì)源178將選擇的流體介質(zhì)180輸入到圍界102中(例如，通過入口端口107)。介質(zhì)模塊160還可以控制從圍界102移除介質(zhì)(例如，通過出口端口(未示出))。因此，可以將一個或多個介質(zhì)選擇性地輸入到微流體回路120中以及從微流體回路120移除。介質(zhì)模塊160還可以控制微流體回路120內(nèi)部流動路徑106中流體介質(zhì)180的流動。例如，在一些實施例中，在傾斜模塊166使傾斜裝置190將微流體裝置100傾斜到期望的傾斜角度之前，介質(zhì)模塊160阻止介質(zhì)180在流動路徑106中和通過圍界102的流動。
運動模塊162可以被配置為控制微流體回路120中微物體(未示出)的選擇、捕集和移動。如下文關(guān)于圖2a和2b所討論的，圍界102可以包括介電泳(dep)、光電鑷子(oet)和/或光電潤濕(oew)配置(圖1中未示出)，并且運動模塊162可以控制電極和/或晶體管(例如光電晶體管)的激活，以選擇和移動流動路徑106和/或隔離圍欄124、126、128、130中的微物體(未示出)和/或介質(zhì)液滴(未示出)。
成像模塊164可以控制成像裝置194。例如，成像模塊164可以接收和處理來自成像裝置194的圖像數(shù)據(jù)。來自成像裝置194的圖像數(shù)據(jù)可以包括由成像裝置194捕捉的任何類型的信息(例如，存在或不存在微物體、介質(zhì)液滴、標記(諸如熒光標記等)的積聚)。使用由成像裝置194捕捉的信息，成像模塊164還可以計算微流體裝置100內(nèi)物體(例如，微物體、介質(zhì)液滴)的位置和/或這些物體的運動速率。
傾斜模塊166可以控制傾斜裝置190的傾斜運動?？商娲鼗蛄硗獾兀瑑A斜模塊166可以控制傾斜速率和時間，以優(yōu)化微物體經(jīng)由重力到一個或多個隔離圍欄的轉(zhuǎn)移。傾斜模塊166與成像模塊164通信地耦接，以接收描述微流體回路120中的微物體和/或介質(zhì)液滴的運動的數(shù)據(jù)。使用該數(shù)據(jù)，傾斜模塊166可以調(diào)節(jié)微流體回路120的傾斜，以便調(diào)節(jié)微物體和/或介質(zhì)液滴在微流體回路120中移動的速率。傾斜模塊166還可以使用該數(shù)據(jù)來迭代地調(diào)節(jié)微物體和/或介質(zhì)液滴在微流體回路120中的位置。
在圖1所示的示例中，微流體回路120被示為包括微流體通道122和隔離圍欄124、126、128、130。每個圍欄包括通向通道122的開口，但是其它部分被包圍，使得圍欄可以將圍欄中的微物體與通道122的流動路徑106或其它圍欄中的流體介質(zhì)180和/或微物體基本上分離。在一些情形下，圍欄124、126、128、130被配置為物理地圈住微流體回路120內(nèi)的一個或多個微物體。根據(jù)本發(fā)明的隔離圍欄可以包括各種形狀、表面和特性，其利用dep、oet、oew和/或重力優(yōu)化以被使用，下文將詳細討論和示出。
微流體回路120可以包括任何數(shù)量的微流體隔離圍欄。盡管示出了五個隔離圍欄，但是微流體回路120可以具有更少或更多的隔離圍欄。如圖所示，微流體回路120的微流體隔離圍欄124、126、128和130各自包含不同的特性和形狀，其可以提供有益于執(zhí)行測定(例如培養(yǎng)和保留測定中使用的微物體)的一個或多個益處。在一些實施例中，微流體回路120包括多個相同的微流體隔離圍欄。在一些實施例中，微流體回路120包括多個微流體隔離圍欄，其中兩個或更多個隔離圍欄包括不同的結(jié)構(gòu)和/或特性。例如，隔離圍欄可以提供關(guān)于執(zhí)行測定方面不同的益處。
在圖1所示的實施例中，示出了單通道122和流動路徑106。然而，其它實施例可以包含多個通道122，每個通道被配置為包括流動路徑106。微流體回路120還包括與流動路徑106和流體介質(zhì)180流體連通的入口閥或端口107，由此流體介質(zhì)180可以經(jīng)由入口端口107進入通道122。在一些情形下，流動路徑106包括單個路徑。在一些情形下，單個路徑被布置為z字形圖案，使得流動路徑106在交替的方向上穿過微流體裝置100兩次或更多次。
在一些情形下，微流體回路120包括多個平行通道122和流動路徑106，其中每個流動路徑106內(nèi)的流體介質(zhì)180沿相同的方向流動。在一些情形下，每個流動路徑106內(nèi)的流體介質(zhì)沿正向或反向中的至少一個流動。在一些情形下，多個隔離圍欄被配置為(例如，相對于通道122)使得它們可以并行裝載有目標微物體。
在一些實施例中，微流體回路120還包括一個或多個微物體捕集器132。捕集器132通常形成在構(gòu)成通道122的邊界的壁中，并且可以與一個或多個微流體隔離圍欄124、126、128、130的開口相對。在一些實施例中，捕集器132被配置為從流動路徑106接收或捕捉單個微物體。在一些實施例中，捕集器132被配置為從流動路徑106接收或捕捉多個微物體。在一些情形下，捕集器132包括基本上等于單個目標微物體的體積的體積。
捕集器132還可以包括開口，其被配置為幫助目標微物體流入捕集器132。在一些情形下，捕集器132包括開口，開口的高度和寬度基本上等于單個目標微物體的尺寸，從而防止較大的微物體進入微物體捕集器。捕集器132還可以包括被配置為有助于保留捕集器132內(nèi)的目標微物體的其它特性。在一些情形下，捕集器132相對于微流體隔離圍欄的開口對準并且位于通道122的相對側(cè)上，使得當微流體裝置100圍繞平行于通道122的軸傾斜時，被捕集的微物體按照使得微物體落入隔離圍欄的開口中的軌跡離開捕集器132。在一些情形下，捕集器132包括小于目標微物體的側(cè)通路134，以便有助于穿過捕集器132的流，從而增大在捕集器132中捕捉微物體的可能性。
在一些實施例中，通過一個或多個電極(未示出)將介電泳(dep)力施加在流體介質(zhì)180(例如，在流動路徑中和/或在隔離圍欄中)上，以操縱、運輸、分離和分類位于其中的微物體。例如，在一些實施例中，將dep力施加到微流體回路120的一個或多個部分，以便將單個微物體從流動路徑106轉(zhuǎn)移到期望的微流體隔離圍欄。在一些實施例中，使用dep力來防止隔離圍欄(例如，隔離圍欄124、126、128或130)內(nèi)的微物體從隔離圍欄移位。此外，在一些實施例中，使用dep力，來從根據(jù)本發(fā)明的教導先前收集的隔離圍欄中選擇性地移除微物體。在一些實施例中，dep力包括光電鑷子(oet)力。
在其它實施例中，通過一個或多個電極(未示出)將光電潤濕(oew)力施加到微流體裝置100的支撐結(jié)構(gòu)104(和/或蓋110)中的一個或多個位置(例如，有助于限定流動路徑和/或隔離圍欄的位置)，以操縱、運輸、分離和分類位于微流體回路120中的液滴。例如，在一些實施例中，將oew力施加到支撐結(jié)構(gòu)104(和/或蓋110)中的一個或多個位置，以將單個液滴從流動路徑106轉(zhuǎn)移到期望的微流體隔離圍欄中。在一些實施例中，使用oew力來防止隔離圍欄(例如，隔離圍欄124、126、128或130)內(nèi)的液滴從隔離圍欄移位。另外，在一些實施例中，使用oew力來從根據(jù)本發(fā)明的教導先前收集的隔離圍欄中選擇性地移除液滴。
在一些實施例中，將dep和/或oew力與其它力(諸如流動和/或重力)結(jié)合，以便操縱、運輸、分離和分類微流體回路120內(nèi)的微物體和/或液滴。例如，可以將圍界102傾斜(例如，通過傾斜裝置190)，以將流動路徑106和位于其中的微物體定位在微流體隔離圍欄之上，并且重力可以將微物體和/或液滴運輸?shù)絿鷻?。在一些實施例中，可以在施加其它力之前施加dep和/或oew力。在其它實施例中，可以在施加其它力之后施加dep和/或oew力。在其它情況下，可以在施加其它力的同時施加dep和/或oew力，或者可以交替地施加dep和/或oew力和其它力。
圖2a-2f示出可用于本發(fā)明實踐中的微流體裝置的各種實施例。圖2a描述了微流體裝置200被配置為光學致動的動電裝置的實施例。本領(lǐng)域中已知各種光學致動的動電裝置，包括具有光電鑷子(oet)配置的裝置和具有光電潤濕(oew)配置的裝置。在以下美國專利文獻中示出合適的oet配置的示例，其均通過引用整體并入本文：美國專利第re44,711號(wu等人)(最初以美國專利號7,612,355發(fā)布)；和美國專利第7,956,339號(ohta等人)。美國專利第6,958,132號(chiou等人)和美國專利申請公布第2012/0024708號(chiou等人)中示出了oew配置的示例，上述兩者都通過引用整體并入本文。光學致動的動電裝置的另一個示例包括組合的oet/oew配置，在美國專利公布20150306598號(khandros等人)和20150306599(khandros等人)以及其對應(yīng)的pct公布wo2015/164846和wo2015/164847中示出其示例，其通過引用整體并入本文。
運動微流體裝置配置。如上所述，系統(tǒng)的控制和監(jiān)測設(shè)備可以包括運動模塊162，用于選擇和移動微流體裝置的微流體回路中諸如微物體或液滴的物體。微流體裝置可以具有各種運動配置，這取決于被移動物體的類型和其它考量。例如，可以利用介電泳(dep)配置來選擇和移動微流體回路中的微物體。因此，微流體裝置100的支撐結(jié)構(gòu)104和/或蓋110可以包括dep配置，用于選擇性地在微流體回路120中的流體介質(zhì)180中的微物體上誘導dep力，從而選擇、捕捉和/或移動單個微物體或微物體組?？商娲兀⒘黧w裝置100的支撐結(jié)構(gòu)104和/或蓋110可以包括電潤濕(ew)配置，用于在微流體回路120中的流體介質(zhì)180中的液滴上選擇性地誘導ew力，從而選擇、捕捉和/或移動單個液滴或液滴組。
在圖2a和圖2b中示出包括dep配置的微流體裝置200的一個示例。雖然為了簡單起見，圖2a和圖2b分別示出具有開放區(qū)域/腔室202的微流體裝置200的圍界102的一部分的側(cè)截面圖和頂截面圖，應(yīng)當理解，區(qū)域/腔室202可以是具有更詳細結(jié)構(gòu)的流體回路元件的一部分，諸如生長腔室、隔離圍欄、流動區(qū)域或流動通道。此外，微流體裝置200可以包括其它流體回路元件。例如，微流體裝置200可以包括多個生長腔室或隔離圍欄和/或一個或多個流動區(qū)域或流動通道，諸如本文關(guān)于微流體裝置100所述的那些。dep配置可以被并入微流體裝置200的任何這種流體回路元件，或選擇其一部分。還應(yīng)當理解的是，上述或下文描述的微流體裝置組件和系統(tǒng)組件中的任何一個可以被并入微流體裝置200中和/或與微流體裝置200結(jié)合使用。例如，包括上述控制和監(jiān)測設(shè)備152的系統(tǒng)150可以與微流體裝置200一起使用，該系統(tǒng)150包括介質(zhì)模塊160、運動模塊162、成像模塊164、傾斜模塊166和其它模塊168中的一個或多個。
如圖2a所示，微流體裝置200包括具有底部電極204和覆蓋底部電極204的電極活化基底206的支撐結(jié)構(gòu)104、以及具有頂部電極210的蓋110，頂部電極210與底部電極204間隔開。頂部電極210和電極活化基底206限定區(qū)域/腔室202的相對表面。因此，包含在區(qū)域/腔室202中的介質(zhì)180在頂部電極210與電極活化基底206之間提供電阻連接。還示出了電源212，其被配置為被連接到底部電極204和頂部電極210并且在這些電極之間產(chǎn)生偏置電壓，如在區(qū)域/腔室202中產(chǎn)生dep力所需要的。例如，電源212可以是交流(ac)電源。
在一些實施例中，圖2a和圖2b所示的微流體裝置200可以具有光學致動的dep配置。因此，可由運動模塊162控制的來自光源220的光222的變化圖案可以選擇性地激活和去激活電極活化基底206的內(nèi)表面208的區(qū)域214處的dep電極的變化圖案。(下文中，具有dep配置的微流體裝置的區(qū)域214被稱為“dep電極區(qū)域”。)如圖2b所示，指向電極活化基底206的內(nèi)表面208的光圖案222可以照亮以諸如正方形的圖案選擇的dep電極區(qū)域214a(以白色示出)。在下文中將未照射的dep電極區(qū)域214(交叉陰影線)稱為“暗”dep電極區(qū)域214。通過dep電極活化基底206的相對電阻抗(即，從底部電極204直到與流動區(qū)域106中介質(zhì)180相交界的電極活化基底206的內(nèi)表面208)大于通過每個暗dep電極區(qū)域214處的區(qū)域/腔室202中的介質(zhì)180的相對電阻抗(即，從電極活化基底206的內(nèi)表面208到蓋110的頂部電極210)。然而，照亮的dep電極區(qū)域214a表現(xiàn)出通過電極活化基底206的減小的相對阻抗，其小于通過每個照亮的dep電極區(qū)域214a處的區(qū)域/腔室202中介質(zhì)180的相對阻抗。
在電源212被激活的情況下，前述dep配置在照射的dep電極區(qū)域214a與相鄰的暗dep電極區(qū)域214之間的流體介質(zhì)180中產(chǎn)生電場梯度，這又產(chǎn)生了吸引或排斥流體介質(zhì)180中附近微物體(未示出)的局部dep力。因此，可以通過改變從光源220投射到微流體裝置200的光圖案222，在區(qū)域/腔室202的內(nèi)表面處的許多不同的這種dep電極區(qū)域214處選擇性地激活和去激活吸引或排斥流體介質(zhì)180中微物體的dep電極。dep力吸引還是排斥附近的微物體可以取決于諸如電源212的頻率和介質(zhì)180和/或微物體(未示出)的介電特性的這種參數(shù)。
圖2b所示的照亮的dep電極區(qū)域214a的正方形圖案224僅僅是示例。通過投射到裝置200的光圖案222可以照射(從而被激活)dep電極區(qū)域214的任何圖案，并且可以通過改變或移動光圖案222來反復(fù)改變照亮的/激活的dep電極區(qū)域214的圖案。
在一些實施例中，電極活化基底206可以包括光電導材料或由光電導材料組成。在這樣的實施例中，電極活化基底206的內(nèi)表面208可以是無特性的。例如，電極活化基底206可以包括氫化非晶硅(a-si：h)層或由其構(gòu)成。a-si：h可以包括例如約8％至40％的氫(以100*(氫原子數(shù))/(氫和硅原子的總數(shù))計算)。a-si：h層可以具有約500nm至約2.0μm的厚度。在這樣的實施例中，可以根據(jù)光圖案222，在電極活化基底206的內(nèi)表面208上的任何地方以任何圖案來形成dep電極區(qū)域214。因此，無需固定dep電極區(qū)域214的數(shù)量和圖案，而是可以將其對應(yīng)于光圖案222。已經(jīng)在例如美國專利第re44,711號(wu等人)(最初發(fā)布為美國專利第7,612,355號)中描述了具有包括上述光電導層的dep配置的微流體裝置的示例，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
在其它實施例中，電極活化基底206可以包括具有多個摻雜層、電絕緣層(或區(qū)域)和諸如在半導體領(lǐng)域中已知的形成半導體集成電路的導電層的基底。例如，電極活化基底206可以包括多個光電晶體管，包括例如橫向雙極光電晶體管，每個光電晶體管對應(yīng)于dep電極區(qū)域214。可替代地，電極活化基底206可以包括由光電晶體管開關(guān)控制的電極(例如導電金屬電極)，每個這種電極對應(yīng)于dep電極區(qū)域214。電極活化基底206可以包括這種光電晶體管或光電晶體管控制電極的圖案。例如，該圖案可以是排列成行和列的基本上正方形的光電晶體管或光電晶體管控制電極的陣列，如圖2b所示?？商娲?，圖案可以是形成六方點格的基本上六邊形的光電晶體管或光電晶體管控制電極的陣列。不管何種圖案，回路元件可以在電極活化基底206的內(nèi)表面208處的dep電極區(qū)域214與底部電極210之間形成電連接，并且可以由光圖案222選擇性地激活和去激活那些電連接(即光電晶體管或電極)。當未被激活時，每個電連接可以具有高阻抗，使得通過電極活化基底206的相對阻抗(即，從底部電極204到與區(qū)域/腔室202中介質(zhì)180相交界的電極活化基底206的內(nèi)表面208)大于在相應(yīng)dep電極區(qū)域214處通過介質(zhì)180的相對阻抗(即，從電極活化基底206的內(nèi)表面208到蓋110的頂部電極210)。然而，當由光圖案222中的光激活時，通過電極活化基底206的相對阻抗小于在每個照亮的dep電極區(qū)域214處通過介質(zhì)180的相對阻抗，從而在相應(yīng)dep電極區(qū)域214處激活dep電極，如上所述。因此，可以按照光圖案222確定的方式，在區(qū)域/腔室202中電極活化基底206的內(nèi)表面208處的許多不同dep電極區(qū)域214處選擇性地激活和去激活吸引和排斥介質(zhì)180中的微物體(未示出)的dep電極。
在例如美國專利第7,956,339號(ohta等人)中已經(jīng)描述了具有包括光電晶體管的電極活化基底的微流體裝置的示例(參見例如圖21和圖22所示的裝置300以及其說明書)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。在例如美國專利公布第214/0124370號(short等)中已經(jīng)描述了具有包括由光電晶體管開關(guān)控制的電極的電極活化基底的微流體裝置的示例(參見例如各個附圖所示的裝置200、400、500、600和900以及其說明書)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
在dep配置的微流體裝置的一些實施例中，頂部電極210是圍界102的第一壁(或蓋110)的一部分，并且電極活化基底206和底部電極204是圍界102的第二壁(或支撐結(jié)構(gòu)104)的一部分。區(qū)域/腔室202可以在第一壁與第二壁之間。在其它實施例中，電極210是第二壁(或支撐結(jié)構(gòu)104)的一部分，并且電極活化基底206和/或電極210中的一個或兩個是第一壁(或蓋110)的一部分。此外，光源220可以替代地用于從下方照亮圍界102。
利用具有dep配置的圖2a-圖2b的微流體裝置200，通過將光圖案222投射到裝置200，以便以圍繞并捕捉微物體的圖案(例如，正方形圖案224)來激活電極活化襯底206的內(nèi)表面208的dep電極區(qū)域214a處的第一組一個或多個dep電極，運動模塊162可以在區(qū)域/腔室202中選擇介質(zhì)180中的微物體(未示出)。然后運動模塊162可以通過相對于裝置200移動光圖案222以激活在dep電極區(qū)域214處的第二組一個或多個dep電極，來移動捕捉到的微物體?？商娲兀梢韵鄬τ诠鈭D案222來移動裝置200。
在其它實施例中，微流體裝置200可以具有不依賴于電極活化基底206的內(nèi)表面208處的dep電極的光激活的dep配置。例如，電極活化基底206可以包括與包含至少一個電極的表面(例如，蓋110)相對的選擇性可尋址和可激勵電極。可以選擇性地打開和閉合開關(guān)(例如，半導體襯底中的晶體管開關(guān))，以激活或去激活dep電極區(qū)域214處的dep電極，從而在激活的dep電極附近的區(qū)域/腔室202中的微物體(未示出)上形成凈dep力。取決于諸如電源212的頻率和區(qū)域/腔室202中介質(zhì)(未示出)和/或微物體的介電特性的特征，dep力可以吸引或排斥附近的微物體。通過選擇性地激活和去激活一組dep電極(例如，在形成正方形圖案224的一組dep電極區(qū)域214處)，可以在區(qū)域/腔室202內(nèi)捕集和移動區(qū)域/腔室202中的一個或多個微物體。圖1中的運動模塊162可以控制這種開關(guān)，從而激活和去激活各個dep電極，以選擇、捕集和移動區(qū)域/腔室202周圍的特殊微物體(未示出)。具有包括選擇性可尋址和可激勵電極的dep配置的微流體裝置在本領(lǐng)域中是已知的，并且已經(jīng)在例如美國專利第6,294,063號(becker等人)和第6,942,776號(medoro))中描述，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
作為又一示例，微流體裝置200可以具有電潤濕(ew)配置，其可以代替dep配置，或者可以位于微流體裝置200中與具有dep配置的部分分離的一部分中。ew配置可以是光電潤濕配置或介質(zhì)上電潤濕(ewod)配置，這兩者都是本領(lǐng)域已知的。在一些ew配置中，支撐結(jié)構(gòu)104具有夾在介電層(未示出)與底部電極204之間的電極活化基底206。介電層可以包括疏水材料和/或可以涂覆有疏水材料。對于具有ew配置的微流體裝置200，支撐結(jié)構(gòu)104的內(nèi)表面208是介電層或其疏水涂層的內(nèi)表面。
介電層(未示出)可以包括一個或多個氧化層，并且可以具有約50nm至約250nm(例如約125nm至約175nm)的厚度。在一些實施例中，介電層可以包括氧化物(諸如金屬氧化物(例如，氧化鋁或氧化鉿))的層。在一些實施例中，介電層可以包括除金屬氧化物之外的介電材料，諸如硅的氧化物或氮化物。無論確切的組分和厚度如何，介電層可以具有約10kω至約50kω的阻抗。
在一些實施例中，介電層的向內(nèi)朝向區(qū)域/腔室202的內(nèi)表面涂覆有疏水材料。疏水材料可以包括例如氟化碳分子。氟化碳分子的示例包括全氟聚合物，諸如聚四氟乙烯(例如，
在一些實施例中，具有電潤濕配置的微流體裝置200的蓋110也涂覆有疏水材料(未示出)。疏水材料可以是與用于涂覆支撐結(jié)構(gòu)104的介電層相同的疏水材料，并且疏水涂層可以具有與支撐結(jié)構(gòu)104的介電層上的疏水涂層的厚度基本相同的厚度。此外，蓋110可以包括以支撐結(jié)構(gòu)104的方式夾在介電層與頂部電極210之間的電極活化基底206。電極活化基底206和蓋110的介電層可以具有與電極活化基底206和支撐結(jié)構(gòu)104的介電層相同的組分和/或尺寸。因此，微流體裝置200可以具有兩個電潤濕表面。
在一些實施例中，如上所述，電極活化基底206可以包括光電導材料。因此，在一些實施例中，電極活化基底206可以包括氫化非晶硅層(a-si：h)或由其構(gòu)成。a-si：h可以包括例如約8％至40％的氫(以100*(氫原子數(shù))/(氫和硅原子的總數(shù))計算)。a-si：h層可以具有約500nm至約2.0μm的厚度。可替代地，如上所述，電極活化基底206可以包括由光電晶體管開關(guān)控制的電極(例如，導電金屬電極)。具有光電潤濕配置的微流體裝置是本領(lǐng)域已知的和/或可以用本領(lǐng)域已知的電極活化基底來構(gòu)建。例如，美國專利第6,958,132號(chiou等人)(其全部內(nèi)容通過引用并入本文)公開了具有諸如a-si：h的光電導材料的光電潤濕配置，而上述參引的美國專利公布第2204/0124370號(short等人)公開了具有由光電晶體管開關(guān)控制的電極的電極活化基底。
因此，微流體裝置200可以具有光電潤濕配置，并且光圖案222可以用于激活電極活化基底206中的光電導ew區(qū)域或光響應(yīng)ew電極。電極活化基底206的這種激活的ew區(qū)域或ew電極可以在支撐結(jié)構(gòu)104的內(nèi)表面208(即，覆蓋介電層或其疏水涂層的內(nèi)表面)處產(chǎn)生電潤濕力。通過改變?nèi)肷涞诫姌O活化基底206上的光圖案222(或相對于光源220移動微流體裝置200)，可以移動與支撐結(jié)構(gòu)104的內(nèi)表面208接觸的液滴(例如，含有水介質(zhì)、溶液或溶劑)穿過存在于區(qū)域/腔室202中的不混溶流體(例如，油介質(zhì))。
在其它實施例中，微流體裝置200可以具有ewod配置，并且電極活化基底206可以包括不依賴于光進行激活的選擇性可尋址和可激勵的電極。因此，電極活化基底206可以包括這種電潤濕(ew)電極的圖案。例如，圖案可以是排列成行和列的基本上正方形ew電極的陣列，如圖2b所示?？商娲?，圖案可以是形成六邊點格的基本上六邊形ew電極的陣列。不管何種圖案，可以通過電開關(guān)(例如半導體襯底中的晶體管開關(guān))選擇性地激活(或去激活)ew電極。通過選擇性地激活和去激活電極活化基底206中的ew電極，可以在區(qū)域/腔室202內(nèi)移動與覆蓋的介電層或其疏水涂層的內(nèi)表面208相接觸的液滴(未示出)。圖1中的運動模塊162可以控制這樣的開關(guān)，從而激活和去激活各個ew電極，以選擇并移動區(qū)域/腔室202周圍的特殊液滴。具有包括選擇性尋址和可激勵電極的ewod配置的微流體裝置在本領(lǐng)域中是已知的，并且已經(jīng)在例如美國專利第8,685,344號(sundarsan等人)中進行了描述，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
不管微流體裝置200的配置如何，電源212可以用于提供為微流體裝置200的電路供電的電勢(例如，ac電壓電勢)。電源212可以與圖1參引的電源192相同或是圖1參引的電源192的組件。電源212可以被配置為向頂部電極210和底部電極204提供ac電壓和/或電流。對于ac電壓，如上所述，電源212可以提供足以產(chǎn)生足夠強大以捕集和移動區(qū)域/腔室202中各個微物體(未示出)的凈dep力(或電潤濕力)的頻率范圍和平均或峰值功率(例如，電壓或電流)范圍，和/或還如上所述，電源212可以提供足以改變區(qū)域/腔室202中支撐結(jié)構(gòu)104的內(nèi)表面208(即介電層和/或介電層上的疏水涂層)的潤濕特性的頻率范圍和平均或峰值功率(例如，電壓或電流)范圍。這種頻率范圍和平均或峰值功率范圍是本領(lǐng)域已知的。例如，參見美國專利第6,958,132號(chiou等人)、美國專利第re44,711號(wu等人)(最初發(fā)布為美國專利第7,612,355號)和美國專利申請公布第us2014/0124370號(short等人)、us2015/0306598(khandros等人)和us2015/0306599(khandros等人)。
隔離圍欄。在圖2c和圖2d所示的微流體裝置240內(nèi)示出一般隔離圍欄244、246和248的非限制性示例。每個隔離圍欄244、246和248可以包括分離結(jié)構(gòu)250，其限定分離區(qū)域258和將分離區(qū)域258流體上連接到通道122的連接區(qū)域254。連接區(qū)域254可以包括到通道122的近端開口252以及到分離區(qū)域258的遠端開口256。連接區(qū)域254可以被配置為使得從通道122流入隔離圍欄244、246、248的流體介質(zhì)(未示出)流動的最大穿透深度不延伸到分離區(qū)域258。因此，由于連接區(qū)域254，因此，布置在隔離圍欄244、246、248的分離區(qū)域258中的微物體(未示出)或其它材料(未示出)可以與通道122中的介質(zhì)180的流動分離并且基本上不受其影響。
因此，通道122可以是波及區(qū)域的示例，并且隔離圍欄244、246、248的分離區(qū)域258可以是未波及區(qū)域的示例。如所示的，通道122和隔離圍欄244、246、248可以被配置為包含一個或多個流體介質(zhì)180。在圖2c-圖2d所示的示例中，端口242被連接到通道122并且允許將流體介質(zhì)180引入微流體裝置240或從微流體裝置240移除流體介質(zhì)180。一旦微流體裝置240包含流體介質(zhì)180，則可以選擇性地產(chǎn)生和停止通道122中的流體介質(zhì)180的流260。例如，如圖所示，端口242可以布置在通道122的不同位置(例如，相對端)處，并且可以從用作入口的一個端口242到用作出口的另一端口242形成介質(zhì)的流260。
圖2e示出根據(jù)本發(fā)明的隔離圍欄244的示例的詳細視圖。還示出微物體270的示例。
眾所周知，微流體通道122中流體介質(zhì)180的流260經(jīng)過隔離圍欄244的近端開口252可以使得介質(zhì)180的二次流262進入和/或離開隔離圍欄244。為了將隔離圍欄244的分離區(qū)域258中的微物體270與二次流262分離，隔離圍欄244的連接區(qū)域254的長度lcon(即，從近端開口252到遠端開口256)應(yīng)該大于二次流262進入到連接區(qū)域254的穿透深度dp。二次流262的穿透深度dp取決于在通道122中流動的流體介質(zhì)180的速度、以及與通道122的配置相關(guān)的各種參數(shù)、以及到通道122的連接區(qū)域254的近端開口252。對于給定的微流體裝置，通道122和開口252的配置將是固定的，而通道122中流體介質(zhì)180的流260速率將是可變的。因此，對于每個隔離圍欄244，可以識別通道122中流體介質(zhì)180流260的最大速度vmax，確保二次流262的穿透深度dp不超過連接區(qū)域254的長度lcon。只要通道122中流體介質(zhì)180的流260速率不超過最大速度vmax，則所得到的二次流262可以被限制到通道122和連接區(qū)域254并保持在分離區(qū)域258之外。因此，通道122中的介質(zhì)180的流260將不會把微物體270拖拽出分離區(qū)域258。相反，位于分離區(qū)域258中的微物體270將停留在分離區(qū)域258中，而不管通道122中流體介質(zhì)180的流260。
此外，只要通道122中介質(zhì)180的流260速率不超過vmax，通道122中流體介質(zhì)180的流260將不會把混雜顆粒(例如微粒和/或納米顆粒)從通道122移至隔離圍欄244的分離區(qū)域258。使得連接區(qū)域254的長度lcon大于二次流262的最大穿透深度dp，可以因此防止一個隔離圍欄244被來自通道122或另一個隔離圍欄(例如，圖2d中的隔離圍欄246、248)的混雜顆粒污染。
由于通道122和隔離圍欄244、246、248的連接區(qū)域254可能受通道122中介質(zhì)180的流260的影響，所以通道122和連接區(qū)域254可以被認為是波及(或流動)區(qū)域。另一方面，隔離圍欄244、246、248的分離區(qū)域258可以被認為是未波及(或非流動)區(qū)域。例如，通道122中第一流體介質(zhì)180中的組分(未示出)可以基本上僅通過第一介質(zhì)180的組分擴散(從通道122經(jīng)過連接區(qū)域254并進入到分離區(qū)域258中的第二流體介質(zhì)280)與分離區(qū)域258中的第二流體介質(zhì)280混合。類似地，分離區(qū)域258中第二介質(zhì)280的組分(未示出)可以基本上僅通過第二介質(zhì)280的組分擴散(從分離區(qū)域258經(jīng)過連接區(qū)域254并進入到通道122中的第一介質(zhì)180)與通道122中的第一介質(zhì)180混合。第一介質(zhì)180可以是與第二介質(zhì)280相同或不同的介質(zhì)。此外，第一介質(zhì)180和第二介質(zhì)280可以在開始時是相同的，然后變得不同(例如，通過由分離區(qū)域258中的一個或多個細胞來調(diào)節(jié)第二介質(zhì)280，或者通過改變流過通道122的介質(zhì)180)。
由通道122中流體介質(zhì)180的流260引起的二次流262的最大穿透深度dp可以取決于如上所述的多個參數(shù)。這類參數(shù)的示例包括：通道122的形狀(例如，通道可以將介質(zhì)引導到連接區(qū)域254中，將介質(zhì)從連接區(qū)域254轉(zhuǎn)移，或者沿著基本上垂直于連接區(qū)域254的近端開口252的方向?qū)⒔橘|(zhì)引導到通道122中)；通道122在近端開口252處的寬度wch(或橫截面積)；和連接區(qū)域254在近端開口252處的寬度wcon(或橫截面積)；通道122中流體介質(zhì)180的流260的速度v；第一介質(zhì)180和/或第二介質(zhì)280的粘度等。
在一些實施例中，通道122和隔離圍欄244、246、248的尺寸可以相對于通道122中的流體介質(zhì)180的流260的向量被定向如下：通道寬度wch(或通道122的橫截面積)可以基本上垂直于介質(zhì)180的流260；連接區(qū)域254在開口252處的寬度wcon(或橫截面積)可以基本上平行于通道122中介質(zhì)180的流260；和/或連接區(qū)域的長度lcon可以基本上垂直于通道122中介質(zhì)180的流260。前述僅僅是示例，并且通道122和隔離圍欄244、246、248的相對位置可以是相對于彼此的其它取向。
如圖2e所示，連接區(qū)域254的寬度wcon可以從近端開口252到遠端開口256是均勻的。因此，連接區(qū)域254在遠端開口256處的寬度wcon可以是本文為連接區(qū)域254在近端開口252處的寬度wcon所標識的范圍?？商娲?，連接區(qū)域254在遠端開口256處的寬度wcon可以大于連接區(qū)域254在近端開口252處的寬度wcon。
如圖2e所示，分離區(qū)域258在遠端開口256處的寬度可以與連接區(qū)域254在近端開口252處的寬度wcon基本相同。因此，分離區(qū)域258在遠端開口256處的寬度可以是本文為連接區(qū)域254在近端開口252處的寬度wcon所標識的任何范圍。可替代地，分離區(qū)域258在遠端開口256處的寬度可以大于或小于連接區(qū)域254在近端開口252處的寬度wcon。此外，遠端開口256可以小于近端開口252，并且連接區(qū)域254的寬度wcon可以在近端開口252與遠端開口256之間變窄。例如，使用各種不同的幾何形狀(例如，斜切連接區(qū)域、使連接區(qū)域成斜面)，連接區(qū)域254可以在近端開口與遠端開口之間變窄。此外，連接區(qū)域254的任何部分或子部分(例如，連接區(qū)域與近端開口252相鄰的一部分)可以變窄。
在隔離圍欄(例如124、126、128、130、244、246或248)的各種實施例中，分離區(qū)域(例如258)被配置為包含多個微物體。在其它實施例中，分離區(qū)域可以被配置為僅僅包含一個、兩個、三個、四個、五個或類似的相對較少數(shù)量的微物體。因此，例如，分離區(qū)域的體積可以是至少3×103、6×103、9×103、1×104、2×104、4×104、8×104、1×105、2×105、4×105、8×105、1×106、2×106、4×106、6×106立方微米或更大。
在隔離圍欄的各種實施例中，通道122在近端開口(例如252)處的寬度wch可以在以下范圍內(nèi)：50-1000微米、50-500微米、50-400微米、50-300微米、50-250微米、50-200微米、50-150微米、50-100微米、70-500微米、70-400微米、70-300微米、70-250微米、70-200微米、70-150微米、90-400微米、90-300微米、90-250微米、90-200微米、90-150微米、100-300微米、100-250微米、100-200微米、100-150微米和100-120微米。上述僅僅是示例，并且通道122的寬度wch可以在其它范圍內(nèi)(例如，由上面列出的任何端點限定的范圍)。此外，通道122的wch可以被選擇為通道在除了隔離圍欄的近端開口之外的區(qū)域中的任何一個范圍。
在一些實施例中，隔離圍欄的橫截面的高度為約30至約200微米、或約50至約150微米。在一些實施例中，隔離圍欄的橫截面積為約100,000至約2,500,000平方微米、或約200,000至約2,000,000平方微米。在一些實施例中，連接區(qū)域具有與對應(yīng)的隔離圍欄的橫截面高度相匹配的橫截面高度。在一些實施例中，連接區(qū)域具有約50至約500微米、或約100至約300微米的橫截面寬度。
在隔離圍欄的各種實施例中，通道122在近端開口252處的高度hch可以在以下任何范圍內(nèi)：20-100微米、20-90微米、20-80微米、20-70微米、20-60微米、20-50微米、30-100微米、30-90微米、30-80微米、30-70微米、30-60微米、30-50微米、40-100微米、40-90微米、40-80微米、40-70微米、40-60微米或40-50微米。上述僅僅是示例，并且通道122的高度hch可以在其它范圍內(nèi)(例如，由上述任何端點限定的范圍)。通道122的高度hch可以被選擇為通道在除了隔離圍欄的近端開口之外的區(qū)域中的任何一個范圍。
在隔離圍欄的各種實施例中，通道122在近端開口252處的橫截面面積可以在以下任何范圍內(nèi)：500-50,000平方微米、500-40,000平方微米、500-30,000平方微米、500-25,000平方微米、500-20,000平方微米、500-15,000平方微米、500-10,000平方微米、500-7,500平方微米、500-5,000平方微米、1,000-25,000平方微米、1,000-20,000平方微米、1,000-15,000平方微米、1,000-10,000平方微米、1,000-7,500平方微米、1,000-5,000平方微米、2,000-20,000平方微米、2,000-15,000平方微米、2,000-10,000平方微米、2,000-7,500平方微米、2,000-6,000平方微米、3,000-20,000平方微米、3,000-15,000平方微米、3,000-10,000平方微米、3,000-7,500平方微米、或3,000至6,000平方微米。上述僅僅是示例，并且通道122在近端開口252處的橫截面積可以在其它范圍內(nèi)(例如，由上述任何端點限定的范圍)。
在隔離圍欄的各種實施例中，連接區(qū)域254的長度lcon可以在以下任何范圍內(nèi)：1-200微米、5-150微米、10-100微米、15-80微米、20-60微米、20-500微米、40-400微米、60-300微米、80-200微米和100-150微米。上述僅僅是示例，并且連接區(qū)域254的長度lcon可以在與上述示例不同的范圍內(nèi)(例如，由上述任何端點限定的范圍)。
在隔離圍欄的各種實施例中，連接區(qū)域254在近端開口252處的寬度wcon可以在以下任何范圍內(nèi)：20-500微米、20-400微米、20-300微米、20-200微米、20-150微米、20-100微米、20-80微米、20-60微米、30-400微米、30-300微米、30-200微米、30-150微米、30-100微米、30-80微米、30-60微米、40-300微米、40-200微米、40-150微米、40-100微米、40-80微米、40-60微米、50-250微米、50-200微米、50-150微米、50-100微米、50-80微米、60-200微米、60-150微米、60-100微米、60-80微米、70-150微米、70-100微米和80-100微米。上述僅僅是示例，并且連接區(qū)域254在近端開口252處的寬度wcon可以不同于前述示例(例如，由上面列出的任何端點限定的范圍)。
在隔離圍欄的各種實施例中，連接區(qū)域254在近端開口252處的寬度wcon可以在以下任何范圍內(nèi)：2-35微米、2-25微米、2-20微米、2-15微米、2-10微米、2-7微米、2-5微米、2-3微米、3-25微米、3-20微米、3-15微米、3-10微米、3-7微米、3-5微米、3-4微米、4-20微米、4-15微米、4-10微米、4-7微米、4-5微米、5-15微米、5-10微米、5-7微米、6-15微米、6-10微米、6-7微米、7-15微米、7-10微米、8-15微米和8-10微米。上述僅僅是示例，并且連接區(qū)域254在近端開口252處的寬度wcon可以不同于前述示例(例如，由上面列出的任何端點限定的范圍)。
在隔離圍欄的各種實施例中，連接區(qū)域254的長度lcon與連接區(qū)域254在近端開口252處的寬度wcon之比可以大于或等于以下任一比例：0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0或更大。上述僅僅是示例，并且連接區(qū)域254的長度lcon與連接區(qū)域254在近端開口252處的寬度wcon之比可以與上述示例不同。
在微流體裝置100、200、240、290的各種實施例中，vmax可以被設(shè)置為約0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、or1.5μl/sec。
在具有隔離圍欄的微流體裝置的各種實施例中，隔離圍欄的分離區(qū)域258的體積可以是例如至少3×103、6×103、9×103、1×104、2×104、4×104、8×104、1×105、2×105、4×105、8×105、1×106、2×106、4×106、6×106立方微米或或更大。在具有隔離圍欄的微流體裝置的各種實施例中，隔離圍欄的體積可以是約5×103、7×103、1×104、3×104、5×104、8×104、1×105、2×105、4×105、6×105、8×105、1×106、2×106、4×106、8×106、1×107、3×107、5×107或約8×107立方微米或更大。在一些實施例中，微流體裝置具有其中可以維持不超過1×102個生物細胞的隔離圍欄，并且隔離圍欄的體積可以不超過2×106立方微米。在一些實施例中，微流體裝置具有其中可以維持不超過1×102個生物細胞的隔離圍欄，并且隔離圍欄可以不超過4×105立方微米。在其它實施例中，微流體裝置具有其中可以維持不超過50個生物細胞的隔離圍欄，隔離圍欄可以不超過4×105立方微米。
在各種實施例中，微流體裝置具有如本文所述的任何實施例中所配置的隔離圍欄，其中微流體裝置具有約100至約500個隔離圍欄、約200至約1000個隔離圍欄、約500至約1500個隔離圍欄、約1000至約2000個隔離圍欄、或約1000至約3500個隔離圍欄。
在一些其它實施例中，微流體裝置具有如本文所述的任何實施例中所配置的隔離圍欄，其中微流體裝置具有約1500至約3000個隔離圍欄、約2000至約3500個隔離圍欄、約2500至約4000個隔離圍欄、約3000至約4500個隔離圍欄、約3500至約5000個隔離圍欄、約4000至約5500個隔離圍欄、約4500至約6000個隔離圍欄、約5000至約6500個隔離圍欄、約5500至約7000個隔離圍欄、約6000至約7500個隔離圍欄、約6500至約8000個隔離圍欄、約7000至約8500個隔離圍欄、約7500至約9000個隔離圍欄、約8000至約9500個隔離圍欄、約8500至約10,000個隔離圍欄、約9000至約10,500個隔離圍欄、約9500至約11,000個隔離圍欄、約10,000至約11,500個隔離圍欄、約10,500至約12,000個隔離圍欄、約11,000至約12,500個隔離圍欄、約11,500至約13,000個隔離圍欄、約12,000至約13,500個隔離圍欄、約12,500至約14,000個隔離圍欄、約13,000至約14,500個隔離圍欄、約13,500至約15,000個隔離圍欄、約14,000至約15,500個隔離圍欄、約14,500至約16,000個隔離圍欄、約15,000至約16,500個隔離圍欄、約15,500至約17,000個隔離圍欄、約16,000至約17,500個隔離圍欄、約16,500至約18,000個隔離圍欄、約17,000至約18,500個隔離圍欄、約17,500至約19,000個隔離圍欄、約18,000至約19,500個隔離圍欄、約18,500至約20,000個隔離圍欄、約19,000至約20,500個隔離圍欄、約19,500至約21,000個隔離圍欄、or約20,000至約21,500個隔離圍欄。
圖2f示出根據(jù)一個實施例的微流體裝置290。圖2f中示出的微流體裝置290是微流體裝置100的程式化圖。實際上，微流體裝置290及其組成回路元件(例如，通道122和隔離圍欄128)將具有本文所討論的尺寸。圖2f中示出的微流體回路120具有兩個端口107、四個不同的通道122和四個不同的流動路徑106。微流體裝置290還包括通到每個通道122的多個隔離圍欄。在圖2f所示的微流體裝置中，隔離圍欄具有類似于圖2e所示圍欄的幾何形狀，因此具有連接區(qū)域和分離區(qū)域。因此，微流體回路120既包括波及區(qū)域(例如，通道122和在二次流262的最大穿透深度dp內(nèi)的連接區(qū)域254的部分)也包括非波及區(qū)域(例如，分離區(qū)域258和不在二次流262的最大穿透深度dp內(nèi)的連接區(qū)域254的部分)。
圖3a至圖3d示出可用于操作和觀察根據(jù)本發(fā)明的微流體裝置(例如，100、200、440、290)的系統(tǒng)150的各種實施例。如圖3a所示，系統(tǒng)150可以包括被配置為保持微流體裝置100(未示出)或本文所述的任何其它微流體裝置的結(jié)構(gòu)(“巢(nest)”)300。巢300可以包括能夠與微流體裝置360(例如，光學致動的動電裝置100)交界并且提供從電源192到微流體裝置360的電連接的插座302。巢300還可以包括集成的電信號生成子系統(tǒng)304。集成的電信號生成子系統(tǒng)304可以被配置為向插座302提供偏置電壓，使得當插座302保持微插流器裝置360時，在微插流器裝置360中的一對電極兩端施加偏置電壓。因此，電信號生成子系統(tǒng)304可以是電源192的一部分。將偏置電壓施加到微流體裝置360的能力并不意味著當插座302保持微流體裝置360時會一直施加偏置電壓。相反，在大多數(shù)情況下，將間歇地施加偏置電壓，例如，僅在需要在微流體裝置360中便于生成動電力(例如介電泳或電潤濕)時，才施加偏置電壓。
如圖3a所示，巢300可以包括印刷電路板組件(pcba)320。電信號生成子系統(tǒng)304可以安裝在pcba320上并被電集成到pcba320中。示例性支撐件也包括安裝在pcba320上的插座302。
通常，電信號生成子系統(tǒng)304將包括波形發(fā)生器(未示出)。電信號生成子系統(tǒng)304還可以包括示波器(未示出)和/或被配置為放大從波形發(fā)生器接收到的波形的波形放大電路(未示出)。示波器(如果有的話)可以被配置為測量由插座302保持的提供給微流體裝置360的波形。在一些實施例中，示波器測量在接近微流體裝置360(和遠離波形發(fā)生器)位置處的波形，從而確保更準確地測量實際施加到裝置的波形。例如，從示波器測量值獲得的數(shù)據(jù)可以被提供為對波形發(fā)生器的反饋，并且波形發(fā)生器可以被配置為基于這種反饋來調(diào)節(jié)其輸出。redpitayatm是一個合適的組合式波形發(fā)生器和示波器的示例。
在一些實施例中，巢300還包括控制器308，諸如用于感測和/或控制電信號生成子系統(tǒng)304的微處理器。合適的微處理器的示例包括arduinotm微處理器，諸如arduinonanotm。控制器308可以用于執(zhí)行功能和分析，或者可以與外部主控制器154(圖1所示)進行通信以執(zhí)行功能和分析。在圖3a所示的實施例中，控制器308通過接口310(例如，插頭或連接器)與主控制器154通信。
在一些實施例中，巢300可以包括電信號生成子系統(tǒng)304，其包括redpitayatm波形發(fā)生器/示波器單元(“redpitayatm單元”)和波形放大電路，其中波形放大電路將redpitayatm單元產(chǎn)生的波形放大并且將放大的電壓傳送給微流體裝置100。在一些實施例中，redpitayatm單元被配置為測量微流體裝置360處的放大電壓，然后根據(jù)需要調(diào)節(jié)其自身的輸出電壓，使得在微流體裝置360處測量到的電壓是期望值。在一些實施例中，波形放大電路可以具有由安裝在pcba320上的一對dc-dc轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的+6.5v至-6.5v的電源，從而在微流體裝置360處產(chǎn)生高達13vpp的信號。
如圖3a所示，巢300還可以包括熱控制子系統(tǒng)306。熱控制子系統(tǒng)306可以被配置為調(diào)整由支撐結(jié)構(gòu)300保持的微流體裝置360的溫度。例如，熱控制子系統(tǒng)306可以包括peltier熱電裝置(未示出)和冷卻單元(未示出)。peltier熱電裝置可以具有被配置為與微流體裝置360的至少一個表面相交界的第一表面。例如，冷卻單元可以是冷卻塊(未示出)，諸如液體冷卻鋁塊。peltier熱電裝置的第二表面(例如，與第一表面相對的表面)可以被配置為與這種冷卻塊的表面交界。冷卻塊可以被連接到流體路徑330，流體路徑330被配置為通過冷卻塊循環(huán)冷卻的流體。在圖3a所示的實施例中，支撐結(jié)構(gòu)300包括入口332和出口334，以從外部貯液器(未示出)接收冷卻的流體，將冷卻的流體引入流體路徑330并通過冷卻塊，然后將冷卻的流體返回到外部貯液器。在一些實施例中，peltier熱電裝置、冷卻單元和/或流體路徑330可以安裝在支撐結(jié)構(gòu)300的殼體340上。在一些實施例中，熱控制子系統(tǒng)306被配置為調(diào)整peltier熱電裝置的溫度，以便實現(xiàn)微流體裝置360的目標溫度。例如，可以通過諸如pololutm熱電電源(pololuroboticsandelectronicscorp.(pololurobotic和electronics公司))的熱電電源來實現(xiàn)peltier熱電裝置的溫度調(diào)整。熱控制子系統(tǒng)306可以包括反饋電路，諸如由模擬電路提供的溫度值。可替代地，可以由數(shù)字電路提供反饋電路。
在一些實施例中，巢300可以包括具有反饋電路的熱控制子系統(tǒng)306，其中反饋電路是包括電阻器(例如，電阻為1kω+/-0.1％，溫度系數(shù)+/-0.02ppm/c0)和ntc熱敏電阻(例如，標稱電阻為1kω+/-0.01％)的模擬分壓器電路(圖3b所示)。在一些示例中，熱控制子系統(tǒng)306測量來自反饋電路的電壓，然后使用計算出的溫度值作為機載pid控制環(huán)路算法的輸入。例如，來自pid控制環(huán)路算法的輸出可以驅(qū)動pololutm馬達驅(qū)動器(未示出)上的定向和脈沖寬度調(diào)制的信號引腳，以致動熱電電源，從而控制peltier熱電裝置。
巢300可以包括串行端口350，其允許控制器308的微處理器經(jīng)由接口310與外部主控制器154進行通信。另外，控制器308的微處理器可以與電信號生成子系統(tǒng)304和熱控制子系統(tǒng)306進行通信(例如，經(jīng)由plink工具(未示出))。因此，經(jīng)由控制器308、接口310和串行端口350的組合，電信號生成子系統(tǒng)308和熱控制子系統(tǒng)306可以與外部主控制器154進行通信。以這種方式，除了其他方面之外，主控制器154可以通過執(zhí)行用于輸出電壓調(diào)節(jié)的縮放計算，以輔助電信號生成子系統(tǒng)308。通過耦接到外部主控制器154的顯示裝置170提供的圖形用戶界面(gui)(圖3c中示出其一個示例)可以被配置為繪制分別從熱控制子系統(tǒng)306和電信號生成子系統(tǒng)308獲得的溫度和波形數(shù)據(jù)?？商娲鼗蛄硗獾兀琯ui可以允許更新控制器308、熱控制子系統(tǒng)306和電信號生成子系統(tǒng)304。
如上所述，系統(tǒng)150可以包括成像裝置194。在一些實施例中，成像裝置194包括光調(diào)制子系統(tǒng)404。光調(diào)制子系統(tǒng)404可以包括數(shù)字反射鏡裝置(dmd)或微快門陣列系統(tǒng)(msa)，其中任一個可以被配置為接收來自光源402光并將接收到的光的一部分發(fā)送到顯微鏡400的光具組中?？商娲?，光調(diào)制子系統(tǒng)404可以包括產(chǎn)生其自身光的裝置(因此無需光源402)，諸如有機發(fā)光二極管顯示器(oled)、硅基液晶(lcos)器件、鐵電硅基液晶(flcos)或透射液晶顯示器(lcd)。例如，光調(diào)制子系統(tǒng)404可以是投影儀。因此，光調(diào)制子系統(tǒng)404能夠發(fā)射結(jié)構(gòu)化的光和非結(jié)構(gòu)化的光。合適的光調(diào)制子系統(tǒng)404的一個示例是來自andortechnologiestm的mosaictm系統(tǒng)。在一些實施例中，系統(tǒng)150的成像模塊164和/或運動模塊162可以控制光調(diào)制子系統(tǒng)404。
在一些實施例中，成像裝置194還包括顯微鏡400。在這種實施例中，巢300和光調(diào)制子系統(tǒng)404可以被單獨地配置為安裝在顯微鏡400上。例如，顯微鏡400可以是標準研究級別的光學顯微鏡或熒光顯微鏡。因此，巢300可以被配置為安裝在顯微鏡400的載物臺410上和/或光調(diào)制子系統(tǒng)404可以被配置成安裝在顯微鏡400的端口上。在其它實施例中，巢300和光調(diào)制子系統(tǒng)404可以是顯微鏡400的集成組件。
在一些實施例中，顯微鏡400還可以包括一個或多個檢測器422。在一些實施例中，由成像模塊164控制檢測器422。檢測器422可以包括目鏡、電荷耦合器件(ccd)、相機(例如，數(shù)碼相機)或其任何組合。如果存在至少兩個檢測器422，則一個檢測器可以是例如快速幀率相機，而另一個檢測器可以是高靈敏度相機。此外，顯微鏡400可以包括一種光具組，其被配置為接收從微流體裝置360反射和/或發(fā)射的光并且將反射和/或發(fā)射的光的至少一部分聚焦在一個或多個檢測器422上。顯微鏡的光具組還可以包括用于不同檢測器的不同管透鏡(未示出)，使得每個檢測器上的最終放大率可以不同。
在一些實施例中，成像裝置194被配置為使用至少兩個光源。例如，可以使用第一光源402來產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化的光(例如，經(jīng)由光調(diào)制子系統(tǒng)404)，并且可以使用第二光源432來提供非結(jié)構(gòu)化的光。第一光源402可以產(chǎn)生用于光學致動的電運動和/或熒光激發(fā)的結(jié)構(gòu)化光，并且第二光源432可以用于提供亮視場照明。在這些實施例中，運動模塊162可以用于控制第一光源404，并且成像模塊164可以用于控制第二光源432。顯微鏡400的光具組可以被配置為(1)從光調(diào)制子系統(tǒng)404接收結(jié)構(gòu)化的光，并且當該裝置被支撐結(jié)構(gòu)200保持時，將結(jié)構(gòu)化的光聚焦在微流體裝置(諸如光學致動的動電裝置)中的至少第一區(qū)域上，以及(2)接收從微流體裝置反射和/或發(fā)射的光并將這種反射和/或發(fā)射的光的至少一部分聚焦到檢測器422上。光具組還可以被配置為從第二光源接收非結(jié)構(gòu)化的光，并且當該裝置被支撐結(jié)構(gòu)300保持時，將非結(jié)構(gòu)化的光聚焦在微流體裝置的至少第二區(qū)域上。在一些實施例中，微流體裝置的第一和第二區(qū)域可以是重疊區(qū)域。例如，第一區(qū)域可以是第二區(qū)域的一部分。
在圖3d中，第一光源402被示為將光提供給光調(diào)制子系統(tǒng)404，其將結(jié)構(gòu)化的光提供給顯微鏡400的光具組。第二光源432被示為經(jīng)由分束器436將非結(jié)構(gòu)化的光向提供給光具組。來自光調(diào)制子系統(tǒng)404的結(jié)構(gòu)化光和來自第二光源432的非結(jié)構(gòu)化光通過光具組一起從分束器436行進到達第二分束器(或二向色濾光器406，取決于光調(diào)制子系統(tǒng)404提供的光)，其中光通過物鏡408向下反射到樣本平面412。然后來自樣本平面412的被反射和/或發(fā)射的光通過物鏡408、通過分束器和/或二向色濾光器406返回至另一個二向色濾光器424。到達二向色濾光器424的僅僅一部分光穿過并到達檢測器422。
在一些實施例中，第二光源432發(fā)射藍光。利用適當?shù)亩蛏珵V光器424，從樣本平面412反射的藍光能夠穿過二向色濾光器424并到達檢測器422。相反地，來自光調(diào)制子系統(tǒng)404的結(jié)構(gòu)化的光從樣本平面412反射，但不穿過二向色濾光器424。在該示例中，二向色濾光器424濾除波長長于495nm的可見光。只有從光調(diào)制子系統(tǒng)發(fā)射的光不包括短于495nm的任何波長時，對來自光調(diào)制子系統(tǒng)404的光的這種濾除才算完成(如圖所示)。在實踐中，如果來自光調(diào)制子系統(tǒng)404的光包括短于495nm的波長(例如，藍色波長)，則來自光調(diào)制子系統(tǒng)的一些光將穿過濾波器424以到達檢測器422。在這種實施例中，濾波器424作用為改變從第一光源402和第二光源432到達檢測器422的光量之間的平衡。如果第一光源402明顯強于第二光源402，則這是有益的。在其它實施例中，第二光源432可以發(fā)射紅光，并且二向色濾光器424可以濾除除了紅光之外的可見光(例如，波長短于650nm的可見光)。
圖3e示出根據(jù)本發(fā)明具體實施例的運動模塊164與光調(diào)制子系統(tǒng)404之間的通信，以在微流體裝置上投射光的圖案。如上關(guān)于圖3d所討論的，光調(diào)制子系統(tǒng)404可以包括電尋址空間光調(diào)制器和/或光尋址空間光調(diào)制器。電尋址空間光調(diào)制器包括由電極控制的可單獨尋址的空間光調(diào)制器(即，空間光調(diào)制元件)陣列。在圖3e中，光調(diào)制子系統(tǒng)404是包括由電極控制的可單獨尋址的微反射鏡464陣列的數(shù)字反射鏡裝置(dmd)460。然而，在其它實施例中，光調(diào)制子系統(tǒng)404可以是包括對應(yīng)于液晶顯示器中的像素的可單獨尋址電極的陣列的硅上液晶(lcos)器件。
在圖3e所示的實施例中，光調(diào)制子系統(tǒng)404使用單獨的光源440來接收和調(diào)制光。然而，在其它實施例中，光調(diào)制子系統(tǒng)404包括其自己的光源。
如圖3e所示，運動模塊162將指定光的特定圖案的信息450(“圖案信息”)發(fā)送到光調(diào)制子系統(tǒng)404。在一些實施例中，圖案信息450可以包括位圖(或類似的基于像素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))、矢量數(shù)據(jù)或其任何組合。為了說明的目的，圖3e中的圖案信息450被示出為包括像素陣列454并且包括像素的正方形圖案452的位圖。根據(jù)實施例，圖案信息450可以是二進制的(即指定是否投射光圖案)、或包含指示要投射的光的強度的值。在空間光調(diào)制器是微反射鏡464的情形下，微反射鏡464可以通過在“開”與“關(guān)”(即“抖動”微反射鏡)之間快速切換反射鏡來產(chǎn)生不同的光強度。
光調(diào)制子系統(tǒng)404從運動模塊162接收圖案信息450，并使用圖案信息450將光圖案468的投影引導到微流體裝置470上的dep電極區(qū)域474上。在圖3e所示的實施例中，dmd460將對應(yīng)于正方形圖案信息450的多個462個可單獨尋址的微反射鏡464旋轉(zhuǎn)成“開(on)狀態(tài)”?？蓡为殞ぶ返奈⒎瓷溏R462的正方形圖案調(diào)制來自光源的光440，以將光圖案468投射到微流體裝置470上，其照亮微流體裝置470中dep電極區(qū)域474的陣列中dep電極區(qū)域472的正方形圖案。
在一些實施例中，在將光投射到微流體裝置470上的單獨可尋址空間光調(diào)制元件464的陣列與微流體裝置470中的dep電極區(qū)域474的陣列之間存在一對一的對應(yīng)關(guān)系。以這種方式，每個單獨可尋址的空間光調(diào)制元件464可以投射光以在相應(yīng)的dep電極區(qū)域474處產(chǎn)生光致動的dep力。在這些實施例中，運動模塊162可以將圖案信息450發(fā)送到指定將光投射到其上的dep電極區(qū)域474的光調(diào)制子系統(tǒng)404。例如，代替將位圖和/或矢量數(shù)據(jù)發(fā)送到光調(diào)制子系統(tǒng)404，運動模塊162可以直接與可單獨尋址的空間光調(diào)制器進行通信，以控制照射微流體裝置470上的哪個dep電極區(qū)域474。一旦被照射，dep電極區(qū)域474可以對周圍的微物體施加oet或oew力。
如上所述，在一些實施例中，空間光調(diào)制元件464可以接收指定要投射的光強度的圖案信息450。在具體實施例中，圖案信息450可以指定投射在微流體裝置中相鄰dep電極區(qū)域474上的光的漸變。在一些實施例中，圖案信息450可以指定在相鄰dep電極區(qū)域474上強度降低的光的漸變。例如，圖案信息450可以指定將最大光強度的大約100％投射在第一dep電極區(qū)域474處，將最大光強度的70％投射在與第一dep電極區(qū)域474相鄰的第二dep電極區(qū)域474處，并且將最大光強度的10％投射在與第二dep電極區(qū)域474相鄰的第三個dep電極區(qū)域474處?？梢允褂霉鈴姸鹊母鞣N組合來投射在不同數(shù)量的dep電極區(qū)域474上的漸變(例如，在任何數(shù)量的dep電極區(qū)域474上的最大光強度的約100％、約90％、約80％、約70％、約60％、約50％、約40％、約30％、約20％和約10％的任意遞減組合以及其間的任何值)。類似地，圖案信息450可以在指定任何數(shù)量的dep電極區(qū)域474上的強度增大的光的漸變或者任何數(shù)量的dep電極區(qū)域474上強度既增大又減小的光的漸變。
在一個方面，本發(fā)明提供了用于自動檢測布置在微流體裝置內(nèi)的感興趣的微物體的方法。感興趣的微物體可以是細胞，諸如哺乳動物細胞(例如，血細胞、雜交瘤、癌細胞、轉(zhuǎn)化細胞等)?？商娲兀信d趣的微物體可以是諸如可以用在測定中的珠粒(例如，微珠、磁珠等)。
更具體地，本發(fā)明提供了自動檢測與微流體裝置的特征具有相似形態(tài)的感興趣的微物體的方法。在一些情形下，微流體裝置的具有與感興趣的微物體相似形態(tài)的其它特征可能使得布置在微流體裝置內(nèi)的微物體的檢測復(fù)雜化。例如，在細胞具有10微米直徑的情況下，可能難以將這些細胞與10微米×10微格的光電晶體管陣列區(qū)分開。此外，與微流體裝置的各種特征相比，諸如細胞的微物體可以是相對半透明的。因此，在識別感興趣的微物體之前，需要識別和去除微流體裝置不期望的特征(例如，微流體裝置的光電晶體管陣列、壁或回路元件)。
本發(fā)明提供生成基本上去除了微流體裝置的特征(在本文中也稱為“微流體裝置特征”)但保持感興趣的微物體的差分和濾波圖像的方法。在一些實施例中，差分圖像用于去除微流體裝置的特征。在這些實施例中，拍攝微流體裝置的第一和第二圖像并使用它們來產(chǎn)生差分圖像。在某些實施例中，第一和第二圖像是數(shù)字圖像。例如，可以使用諸如數(shù)字照相機或ccd裝置的數(shù)字成像裝置來捕捉第一和第二圖像。可替代地，可以以非數(shù)字化格式獲得第一和第二圖像，然后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像。在被捕捉(并且如果必要的話，被數(shù)字化)之后，第一和第二圖像可以被存儲在數(shù)字存儲裝置中。
在某些情況下，可以采取措施以在創(chuàng)建第一圖像之后且在創(chuàng)建第二圖像之前誘導微流體裝置中的流體的移動。在這些情況下，誘導存在于該區(qū)域中的流體的移動可以涉及誘導小的、可控制的流體流入或流出微流體裝置。例如，可以使用泵將離散體積的流體(例如，30pl、60pl、90pl等)引入微流體裝置的流動路徑中，從而使得流體路徑路中的所有流體(以及包含在流體內(nèi)的任何微物體)在流體流動的方向上移動一小段距離(例如2、5、10、15、20、30微米等)。可替代地，可以使用泵從微流體裝置的流動路徑中吸取離散體積的流體(例如，30pl、60pl、90pl等)，從而使得流體路徑中的所有流體(以及包含在流體內(nèi)的任何微物體)在流體流動的方向上移動一小段距離(例如2、5、10、15、20、30微米等)。在另一替代方案中，可以打開將微流體裝置連接到流體源的閥。這通常導致微流體裝置內(nèi)流體的輕微移動，導致流動路徑中的流體(以及包含在流體內(nèi)的任何微物體)移動一小段距離。不意圖受理論束縛，人們相信這種輕微的運動是由表面張力的變化引起的。
在其它情況下，在創(chuàng)建第一圖像之后且在創(chuàng)建第二圖像之前，微流體裝置的位置相對于成像裝置194移動。在某些實施例中，移動微流體裝置的位置可以涉及移動保持微流體裝置的平臺。該平臺可以是成像裝置194的一部分，諸如常規(guī)顯微鏡(例如，光學顯微鏡或熒光顯微鏡)，或適用于操作動電微流體裝置的系統(tǒng)。在某些實施例中，微流體裝置可以移位至少1、2、3微米或更多。通常地，移位將在垂直于成像裝置194的光軸的方向上。例如，如果光軸對應(yīng)于z軸，則微流體裝置的移位可以在x、y平面中。然而，在一些實施例中，移位可以包括(或甚至被限制為)沿著z軸的移動。在某些實施例中，壓電裝置用于移動微流體裝置或保持微流體裝置的平臺。
在創(chuàng)建第一圖像和第二圖像之后，可以使用各種方法來進一步分析和處理第一和第二圖像。例如，可以評價和/或記錄圖像中的每個像素pi(i＝1至n)的光強度值li，其中n是圖像中的像素數(shù)。光強度值li可以是像素pi的實際觀察到的光強度值li,obs?？商娲兀梢允构鈴姸戎灯交?。例如，li可以是像素pi以及接觸(即，直接環(huán)繞)像素pi的一些或全部像素的li,obs的平均值。在另一替代方案中，光強度值li可以像素pi的實際觀察到的光強度值li減去背景光強度值lbkgd。在某些實施例中，使用0-8比特、0-10比特、0-12比特或0-14比特來表示每個像素pi的光強度值li。使用較大數(shù)量的比特來表示光強度值li可以提供弱信號的優(yōu)異分析。
在一些實施例中，通過從第二圖像中減去第一圖像來生成差分圖像。在其它實施例中，通過從第一圖像中減去第二圖像來生成差分圖像。在一些實施例中，可以將負光強度值li分配給一個圖像的一些或全部像素pi，并且可以將正光強度值li分配給可以從另一個圖像將一些或全部像素pi。在這些實施例中，可以將兩個圖像中的像素pi的光強度值li相加，以從另一個圖像減去一個圖像。通過減去存在于第一圖像和第二圖像中的相同像素，可以在分析圖像之前去除微流體裝置的靜態(tài)特征，而不去除感興趣的移動微物體，以識別感興趣的微物體。例如，可以通過產(chǎn)生減去表示這些特征的像素的差分圖像來去除光電晶體管陣列和/或微流體回路元件(例如，壁)。
在從另一個圖像中減去一個圖像之前，可以通過計算對準第一和第二圖像，并且可以可選地丟棄不能對準的第一和第二圖像的區(qū)域。這種對準可以涉及使用一個或多個可識別的參考點，諸如微流體裝置內(nèi)的回路元件(例如微流體裝置內(nèi)的通道或隔離圍欄)?？梢酝ㄟ^計算產(chǎn)生差分圖像，然后將其存儲在數(shù)字存儲器件中。
在創(chuàng)建差分圖像之后，可以使用各種方法來在識別感興趣的微物體之前進一步分析和處理差分圖像。在某些實施例中，分析差分圖像還包括將具有正光強度值li的每個像素pi識別為正值像素，并且將具有負光強度值li的每個像素pi識別為負值像素。在其它實施例中，分析差分圖像還包括：將每個像素pi的光強度值li與預(yù)定閾值光強度值l°進行比較；以及將具有大于l°的li的每個像素pi識別為正值像素，并且將具有小于-1*l°的li的每個像素pi作為負值像素。在某些實施例中，l°可以基于從一組像素pi(i＝1至n)獲得的一組光強度值li的平均光強度值lavg。對于lavg的計算，可以在計算之前將具有負光強度值li的任何像素pi乘以因子-1。因此，例如，l°可以等于lavg。在某些相關(guān)實施例中，l°可以基于從一組像素pi(i＝1至n)獲得的一組光強度值li的平均光強度值lavg和標準偏差σ。例如，l°可以等于lavg加上一些倍數(shù)的σ(例如，l°可以等于lavg+1.6σ、lavg+2.0σ、lavg+3.0σ等)。在某些實施例中，憑經(jīng)驗確定l°的最佳值。
在替代實施例中，可以使用計算變換從微流體裝置的一個或多個圖像中識別并去除微流體裝置特征。例如，可以使用傅里葉變換來識別微流體裝置的周期性的特征(諸如光電晶體管陣列、周期性回路元件(例如壁))并濾除周期性特征。在具體實施例中，將離散傅立葉變換(“dft”)應(yīng)用于微流體裝置的圖像，并且從圖像中濾除與dft的頻域相對應(yīng)的像素。在將與頻域?qū)?yīng)的像素濾除之后，應(yīng)用逆dft以產(chǎn)生濾波圖像。在產(chǎn)生濾波圖像的實施例中，圖像中的一些或全部像素pi具有正的光強度值li，并且可以如上關(guān)于差分圖像所討論的那樣進行處理和/或分析。
在某些實施例中，單個像素可以對應(yīng)于微流體裝置中與感興趣的微物體的橫截面面積基本相似的面積。例如，每個像素可以對應(yīng)于微流體裝置中基本上為5平方微米、(或4平方微米、3平方微米、2平方微米、1平方微米等)的面積，并且微物體的橫截面面積可以基本上為5平方微米(或4平方微米、3平方微米、2平方微米、1平方微米等)。在這種實施例中，單個正值(或負值)像素可以表示微物體的位置。因此，在使用差分圖像來識別感興趣的微物體的實施例中，被識別為正值像素的像素可以表示微物體的當前位置(即，流體移動之后的位置)，并且被標識為負值像素的像素可以表示微物體的先前位置(即流體移動之前的位置)。然而，如果通過從第一圖像中減去第二圖像來生成差分圖像，則識別為正值像素的像素可以表示微物體的先前位置，并且識別為負值像素的像素可以表示微物體的當前位置。
在其它實施例中，單個像素可以對應(yīng)于微流體裝置中顯著小于感興趣的微物體的橫截面面積的面積。例如，微物體可以具有約80平方微米的橫截面積，而像素可以對應(yīng)于約2平方微米的面積。在這種實施例中，將需要一個或多個像素的群集來覆蓋微物體的橫截面面積(例如，在上述示例中，將需要大致40個像素來覆蓋微物體的橫截面積，或者將需要24個像素來覆蓋微物體的圓周的橫截面積)。因此，在某些實施例中，分析差分和/或濾波圖像還包括確定一組正值(或負值)像素是否形成彼此鄰近聚合的一個或多個像素的群集(即像素群)以及確定與被檢測的微物體相比由該組像素群表示的區(qū)域是否足夠大。例如，可以將對應(yīng)于感興趣的微物體的橫截面積的至少50％(或60％、70％、80％、90％、或基本上相似)區(qū)域的一組像素群識別為表示微物體的位置?？商娲?，可以將對應(yīng)于感興趣的微物體的橫截面圓周的至少70％(或80％、90％、或基本上相似)區(qū)域的一組像素群識別為表示微物體的位置。在這些圖像包括多個微物體的情形下，可以識別和分析多組像素群，以確定每組像素群是否對應(yīng)于感興趣的微物體。
一組像素群的分析還可以包括除了像素群的面積和圓周之外的許多其它特征?？梢愿鶕?jù)全局形態(tài)(即，一個或多個像素群的集合的尺寸和形狀)、局部形態(tài)(即各個像素群的尺寸和形狀)、正和負光強度值li以及基于這些元素的組合的其它特征(例如，光強度作為尺寸的函數(shù))來分析一組像素群?？梢允褂酶鞣N方法來分析一組像素群，該方法包括傳統(tǒng)的機器學習技術(shù)，其中針對微物體的一組圖像計算上述特征，并且使用上述特征來訓練分類器，以基于相同的功能識別新圖像中感興趣的微物體。
在某些實施例中，可以為成對的正值和負值像素(或多組像素群)分析差分圖像，并且微物體的識別可以限于差分圖像包含相應(yīng)的正值和負值像素(或多組像素群)的情形。在某些相關(guān)實施例中，微物體的識別可以限于差分圖像包含一對正值和負值像素(或者多組像素群)并且正值和負值像素(或多組像素群)的相對位置之差與該區(qū)域中誘導的流體的移動幅度一致的情形。
除了指定是否存在微物體的信息之外，微物體識別可以提供各種額外信息。如上所述，可以關(guān)于潛在微物體的尺寸和形狀來分析差分和/或濾波圖像。在這樣做時，可以產(chǎn)生關(guān)于微物體的各種信息，包括微物體的半徑、微物體的周界和與微物體相關(guān)聯(lián)的質(zhì)心。
一旦識別出微物體，就可以對微物體執(zhí)行各種操作。在一些實施例中，可以使用細胞識別對微流體回路中的微物體進行計數(shù)。在一些實施例中，所識別的微物體將與微流體回路的各種回路元件(例如通道、隔離圍欄、捕集或其任何組合)和/或微流體回路上的空間位置相關(guān)聯(lián)。在這些實施例中，可以計算微流體回路的特定區(qū)域(例如通道、隔離圍欄、捕集或其任何組合)中的微物體的密度。
還可以結(jié)合使用諸如oet或dep力的力來操縱或重新定位微物體來使用微物體識別。在一些實施例中，在特定回路元件(例如通道或隔離圍欄)或微流體回路的位置中識別的微物體可以移動(即重新定位)到另一類型的回路元件或微流體回路的位置。例如，可以在微流體回路中的通道中識別微物體，并將微物體重新定位在微流體回路中的隔離圍欄中(本文稱為將微物體“裝入圍欄”)。相反地，可以將在微流體回路中的隔離圍欄中識別的微物體移動到微流體回路的通道中?？商娲?，可以在一個隔離圍欄中識別一個或多個微物體并將該一個或多個微物體重新定位在空的隔離圍欄(在本文中稱為將微物體“重新裝入圍欄”)。根據(jù)實施例，可以使用包括oet和dep力的各種機構(gòu)來移動微物體。類似地，可以順序地(即，一次一個微物體)、并行地或以其任何組合(例如，順序地重新定位多組并行的多個細胞)重新定位微物體。
在將微物體從通道重新定位到單獨的隔離圍欄(或從單獨的隔離圍欄重新裝入到另一個隔離圍欄)的情形下，可以使用不同的算法將微物體分配給空的隔離圍欄。在一些實施例中，使用算法以將微物體分配給空的隔離圍欄，使得微物體與圍欄之間的距離(即微物體在重新定位期間必須行進的軌跡或路徑)最小化。在這些實施例中，因為微物體僅需要行進最小距離來重新定位在空的隔離圍欄中，所以用于移動微物體的力(例如oet或dep力)也被最小化。
在這些實施例中，可以使用通道中的局部微物體密度(即通道的特定空間區(qū)域內(nèi)的微物體的數(shù)量)來確定適當?shù)乃惴?，以將通道中的特定微物體分配給空的隔離圍欄?？梢砸远喾N方式計算局部微物體密度。在一些實施例中，可以基于固定尺寸面積(例如200平方微米、或者通道100微米長并且延伸通道的寬度的面積)或使用利用各種尺寸面積的方法來計算局部微物體密度。在其它實施例中，可以基于所識別的微物體的群集或識別的微物體之間的距離來計算局部微物體密度。還可以通過將通道細分為網(wǎng)格或使用“滑動窗口”方法計算通道重疊區(qū)域的密度來計算局部微物體密度。
如果局部微物體密度高于閾值t1density，則可以將微物體分配給最近的空隔離圍欄，使得微物體與隔離圍欄之間的距離被最小化。如果局部微物體密度低于特定閾值t1density，則以可以將空的隔離圍欄分配給最接近空隔離圍欄的微物體，使得微物體與隔離圍欄之間的距離被最小化。在一些情形下，可以基于空圍欄的數(shù)量以及預(yù)定義鄰近區(qū)域的通道內(nèi)的微物體的密度來計算局部t1density。
可以使用計算微物體與空隔離圍欄之間距離的不同方法(即，在裝入圍欄期間需要移動微物體的軌跡或路徑)來將特定的微物體分配給空的隔離圍欄。在一些實施例中，可以僅基于使用oet和/或dep力的最佳軌跡來計算微物體與潛在隔離圍欄之間的距離。在一些情形下，使用oet或dep力的最佳軌跡涉及正交運動路徑(例如，僅沿y軸和x軸的不同移動的組合)的組合來移動微物體。在其它情況下，距離可以基于微物體與隔離圍欄之間的最短可能路徑，而不受約束(即，微物體可以沿著任何路徑行進，以到達隔離圍欄)。在大多數(shù)實施例中，將使用與由用于計算距離(軌跡)的算法所確定的相同的軌跡來重新定位(即，“裝入圍欄”或“重新裝入圍欄”)微物體。
類似地，在將大量微物體分配給隔離圍欄的情形下(或反之亦然)，可以使用不同的算法來計算微物體到圍欄的最佳分配(反之亦然)。這些算法可以使用不同的計算方法來確定微物體到隔離圍欄的分配，其最小化為了將微物體重新定位到隔離圍欄，微物體需要移動的總距離(即，軌跡的長度)。例如，算法可以使用所有軌跡的長度之和作為啟發(fā)式來最小化微物體需要行進的距離。在一些實施例中，可以將諸如在重新定位期間可以移動微物體的最大距離的約束引入最佳分配的計算中。可以使用各種組合算法來計算微物體與隔離圍欄之間的最佳分配。合適的算法包括：貪婪算法、非線性優(yōu)化、基于啟發(fā)式的算法和約束搜索。其它類似的算法在本領(lǐng)域中是已知的。
一旦為微物體計算了最佳分配和軌跡，就可以使用力(諸如oet和/或dep)將微物體移動到為其分配的圍欄中?？梢允褂弥T如“光籠”的光圖案(其圍繞微物體并使微物體經(jīng)受oet和/或dep力)、或者通過使用條或類似結(jié)構(gòu)將oet和/或dep力施加到微物體來重新定位微物體。通常，光籠是基本上包圍微物體的結(jié)構(gòu)(例如，正方形、圓形或多邊形)。然而，在一些情形下，光籠可以包含斷開或開口，使得微物體未被完全封閉。
如上所述，在大多數(shù)實施例中，將根據(jù)用于計算微物體到圍欄的最佳分配的距離(軌跡)來移動微物體。根據(jù)實施例，微物體可以順序地或并行地或以其任何組合(例如，順序地移動多組并行的細胞)移動。在微物體并行移動的實施例中，用于計算最佳分配或軌跡的算法可以比較各個軌跡，并且通過修改微物體到圍欄的軌跡和分配來確保微物體在并行移動時不會碰撞。在具體實施例中，當識別出潛在的碰撞時，算法可以“交換”微物體到圍欄的分配。在該實施例中，當?shù)谝晃⑽矬w的最佳軌跡與第二微物體的最佳軌跡相交時，將第一微物體的最佳軌跡分配給第二微物體，并且將第二微物體的最佳軌跡分配給第一微物體。在另一個具體實施例中，該算法延遲第一微物體的重新定位，直到第一和第二微物體可以沿其各自的軌跡移動而不碰撞的時刻。
在一些情況下，微物體密度可能太高，以至于在將微物體分配給隔離圍欄和重新定位(即“裝入圍欄”或“重新裝入圍欄”)微物體之前需要將微物體彼此分離。例如，微物體密度可能太高，以至于使得因為使用oet和/或dep力重新定位物體的光籠不能被用于單個微物體上，而不干擾其它微物體，所以不能使用oet和/或dep力來將微物體裝入圍欄。在最小化施加到微物體的oet和/或dep力的量是重要的情形下，例如，在微物體可能被oet和/或dep力或oet力的副產(chǎn)物(例如與oet和/或dep力相關(guān)的電解)損害的情形下，這種干擾特別令人關(guān)注。在這些情形下，可以使用在微物體識別期間產(chǎn)生的信息(例如，半徑、質(zhì)心、周界和微物體的位置)來移動微物體，使得微物體可以被裝入圍欄或重新裝入圍欄(這里稱為“分離”微物體)，而不干擾其它細胞。
為了識別在將微物體裝入圍欄之前需要將它們分離的示例，可以基于限定的空間區(qū)域來計算局部微物體密度并與第二閾值t2density進行比較?？商娲?，可以計算微物體之間的距離(例如，微物體的質(zhì)心之間的距離、微物體的周界之間的距離)，并用于確定是否需要分離微物體。然而，如可以理解的，在一些情形下，微物體之間的距離可能太小，而不能將微物體識別為單獨的微物體和微物體。在這些情形下，可以在重新定位(即，“裝入圍欄”)微物體之后重新識別微物體，以確保每個隔離圍欄包含單個微物體。
在一些實施例中，使用修改后的光框以在裝入圍欄(或重新裝入圍欄)之前或在裝入圍欄(或重新裝入圍欄)期間分離微物體。在這些實施例中，使用分割算法來計算一組頂點，該組頂點將微流體裝置的空間區(qū)域(例如，通道或隔離圍欄的部分)中的每個所識別的微物體與相同空間區(qū)域中的其它微物體劃分開。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的那樣，可以繪制一組頂點，使得只有微流體裝置的空間區(qū)域中的微物體的子組與其它微物體分離。例如，一組頂點可以只分離空間區(qū)域中由于與其它微物體緊密接近而需要重新定位的微物體的子組。
在特定實施例中，使用每個微物體的質(zhì)心來計算delaunay三角剖分。delaunay三角剖分產(chǎn)生連接微物體的質(zhì)心的一組三角形。然后基于使用delaunay三角剖分計算的三角形的外接圓來計算voronoi圖。voronoi圖是將空間區(qū)域分成子區(qū)域的一組頂點，使得該組頂點與微物體的質(zhì)心之間的距離最大化。計算將空間區(qū)域中的每個單元與其它單元劃分開的一組頂點的其它方法在本領(lǐng)域中是已知的。
一旦計算出一組頂點，就可以將該組頂點與oet和/或dep力結(jié)合使用以移動微物體。在一個實施例中，使用一組頂點與通常用于移動微物體的光籠形狀(例如，正方形或圓形)的交叉點來生成一個或多個“修改后的光籠”。因為頂點和光籠的交差點定義了光籠不相交或重疊的區(qū)域，所以可以將光籠重新繪制成圍繞交叉點(或交叉點的子組)的修改后的光籠，使得修改后的光籠不會干擾其它微物體。然后，通過將微物體彼此遠離地移動來重新定位微物體，可以使用修改后的光籠來分離微物體。在一些情形下，當微物體被重新定位時，可以重新繪制修改后的光籠，使得當微物體處于最終位置時，繪制出原始的光籠。
在各種實施例中，可以使用修改后的光籠來重新定位微物體。根據(jù)實施例，在計算和選擇每個微物體到隔離圍欄的軌跡和分配之前或之后，對于兩個鄰近微物體使用修改后的光籠來重新定位微物體。在一些實施例中，使用修改后的光籠來迭代地或順序地重新定位微物體。另外，可以使用修改后的光籠以將微物體裝入為其分配的隔離圍欄中。在一些實施例中，在重新定位其它微物體或?qū)⑵渌⑽矬w裝入圍欄之前，可以將最靠近空間區(qū)域的周界或在空間上彼此最靠近的微物體重新定位或裝入圍欄。
在移動微物體時，使用oet和/或dep來移動細胞的速度可以逐漸加速，以便“斜升”微物體的運動，并且確保微物體沒有從光籠中丟失。例如，在具體實施例中，微物體的初始速度可以從低初始速度逐漸加速到較高行進速度。在自動地重新定位(例如，裝入圍欄、重新裝入圍欄和導出)微物體的情形下以及在手動地重新定位微物體(例如手動地選擇和移動細胞)的情形下，均可應(yīng)用這種逐漸加速。類似地，當微物體到達其軌跡的末端并處于其最終位置時，高的行進速度可以“斜降”至最終速度零。
圖4a、圖4b和圖4c示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的微物體識別和裝入圍欄。在圖4a中，在識別出細胞并將細胞分配給圍欄之后，立即示出微流體回路的通道內(nèi)的生物細胞。圍繞細胞的黑框示出細胞識別算法的輸出-即，由細胞周圍的框指示的細胞的識別。圍繞黑框的白框是用于重新定位細胞的oet力的光籠。最后，將圍繞細胞的框連接到隔離圍欄的黑線示出為將細胞分配到隔離圍欄所計算出的最佳軌跡。圖4b示出在稍后時間點處的相同細胞，其中光籠已經(jīng)沿著其選擇的軌跡移動。圖4c示出第三時間點處的相同細胞，其中光籠已經(jīng)沿其選擇的軌跡差不多完全移動到將細胞定位在隔離圍欄中。
圖5a-圖5f示出根據(jù)本發(fā)明具體實施例的微物體分離。圖5a示出特定空間區(qū)域內(nèi)的一組微物體的delauney三角剖分和相應(yīng)的voronoi圖。圖5b示出了相應(yīng)的voronoi圖，而沒有示出delauney三角剖分。圖5c示出通常用于移動覆蓋在voronoi圖上的微物體的光籠。圖5d示出通過計算圖5c的典型光籠與voronoi圖之間的交叉點而產(chǎn)生的修改后的光籠。圖5e示出使用修改后的光籠彼此緊密接近的微物體的分離。圖5f示出分離后的微物體。
本發(fā)明的方法對于所有類型的微流體裝置中微物體的自動檢測是有用的。在某些實施例中，微流體裝置可以包括流動區(qū)域(或流動通道)和一個或多個腔室(或隔離圍欄)?？商娲鼗蝾~外地，微流體裝置可以是動電裝置(諸如光學驅(qū)動的動電裝置)，或者可以包括被配置用于電運動的區(qū)域。如果陣列中的晶體管具有類似于正被檢測的微物體的橫截面積的面積，則動電裝置，尤其是具有晶體管陣列(例如光電晶體管)的動電裝置可以提供特別復(fù)雜的背景。本文描述的方法在檢測布置在這種裝置中的微物體方面特別有效。
在某些實施例中，本發(fā)明還提供用于存儲用于執(zhí)行本文所述任何方法的非暫時機器可讀指令的機器可讀存儲裝置。機器可讀指令可以控制用于獲得圖像的成像裝置和/或?qū)蕡D像、產(chǎn)生差分圖像和/或分析差分圖像的處理器(例如，在計算裝置中)。
盡管在本說明書中已經(jīng)描述了本發(fā)明的具體實施例和應(yīng)用，但是這些實施例和應(yīng)用僅僅是示例性的，并且許多變型是可能的。
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