微流体装置中微物体的自动检测和重新定位的金沙现金网平台

文档序号:11208629
微流体装置中微物体的自动检测和重新定位的制造方法

本申请是非临时性的,因此要求2014年12月9日提交的美国临时专利申请序列号62/089,613以及2015年11月24日提交的美国临时专利申请序列号62/259,522的权益和/或优先权,其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般涉及用于检测微流体装置内测定结果的方法。特别地,该方法可以包括用于自动选择微流体装置内的特定区域以检测测定结果的步骤。



背景技术:

在非均匀或复杂的背景上对微物体(诸如生物细胞或珠粒)的有效和鲁棒的检测对微流体环境中微物体的自动化操作是至关重要的。由于某些微物体的半透明外观,具有与这种微物体相似尺寸的特征的非均匀背景产生了显著的检测挑战。类似地,诸如重新定位细胞的自动化操作由于OET技术的特定特征而变得复杂。本发明的一些实施例涉及微物体的鲁棒检测和在微流体环境中的重新定位。



技术实现要素:

在第一方面,本发明涉及一种用于自动检测布置在微流体装置内的微物体的方法。所述方法包括捕捉所述微流体装置中可能包含感兴趣的微物体的区域的第一图像。所述方法还包括诱导所述区域内流体的移动。所述方法还包括捕捉所述区域的第二图像。所述方法还包括根据所述第一图像和所述第二图像生成差分图像;以及基于所述差分图像识别感兴趣的微物体。

在各种实施例中,所述区域包括在所述第一图像和所述第二图像中捕捉的一个或多个微流体装置特征,并且所述差分图像不包含所述一个或多个微流体装置特征。在一些实施例中,所述一个或多个微流体装置特征包括光电晶体管阵列。

在各种实施例中,使用数字照相机或CCD装置捕捉所述第一图像和所述第二图像。

在各种实施例中,诱导所述流体的移动包括将离散体积的流体引入所述微流体装置中。在一些实施例中,所述离散体积的流体为约25pL至约100pL。

在各种实施例中,通过从所述第二图像中减去所述第一图像产生所述差分图像,反之亦然。在一些实施例中,所述方法还包括:确定对应于所述第一图像的一个或多个像素的第一组光强度值和对应于所述第二图像的一个或多个像素的第二组光强度值;以及从所述第二组光强度值中减去所述第一组光强度值,反之亦然,以产生一组正值像素和一组负值像素。

在一些实施例中,所述方法还包括:分析所述组正值像素以识别一组或多组像素群,其中每个像素群包括一个或多个像素。所述方法还包括:为所述一组或多组像素群中的每个确定包括表示以下各项中一个或多个的信息的特征集:所述组像素群的面积、所述组像素群的圆周、所述组像素群的全局形态、所述组像素群的局部形态、以及与该组像素群相关联的光强度值。所述方法还包括为所述一组或多组像素群中的每个识别所述组像素群是否对应于感兴趣的微物体,其中所述识别基于为所述组像素群确定的特征集。

在各种实施例中,所述方法还包括:检测其相对位置具有与在所述区域中诱导的流体的所述移动一致的量的不同的成对正值和负值像素或像素群;以及将这种对中的每个识别为分别表示感兴趣的微物体的当前位置和先前位置。

在第二方面,本发明涉及一种用于自动检测布置在微流体装置内的微物体的方法。所述方法包括用成像装置捕捉所述微流体装置中可能包含感兴趣的微物体的区域的第一图像。所述方法还包括相对于所述成像装置移动所述微流体装置。所述方法还包括用所述成像装置拍摄所述区域的第二图像,其中所述第二图像相对于所述第一图像移位。所述方法还包括将所述第一图像与所述第二图像对准。所述方法还包括根据所述第一图像和所述第二图像生成差分图像;以及基于所述差分图像识别感兴趣的微物体。

在各种实施例中,所述区域包括在所述第一图像和所述第二图像中捕捉的一个或多个微流体装置特征,并且其中所述差分图像不包含所述一个或多个微流体装置特征。在一些实施例中,所述一个或多个微流体装置特征包括光电晶体管阵列。

在各种实施例中,所述成像装置是数字照相机或CCD装置。

在各种实施例中,移位所述微流体装置包括在垂直于所述成像装置的光轴的方向上移动保持所述微流体装置的平台。在一些实施例中,所述微流体装置被移位约2微米至约3微米。

在各种实施例中,通过计算对准所述第一图像和所述第二图像,并且丢弃所述第一图像和所述第二图像不能对准的区域。在一些实施例中,对准所述第一图像和所述第二图像包括对准所述微流体装置内的回路元件。

在各种实施例中,产生所述差分图像包括从所述第二图像中减去所述第一图像,反之亦然。在一些实施例中,所述方法还包括:确定对应于所述第一图像的一个或多个像素的第一组光强度值和对应于所述第二图像的一个或多个像素的第二组光强度值;以及从所述第二组光强度值中减去所述第一组光强度值,反之亦然,以产生一组正值像素和一组负值像素。

在一些实施例中,所述方法还包括:分析所述组正值像素以识别一组或多组像素群,其中每个像素群包括一个或多个像素。所述方法还包括:为所述一组或多组像素群中的每组像素群确定包括表示以下各项中一个或多个的信息的特征集:所述组像素群的面积、所述组像素群的圆周、所述组像素群的全局形态、所述组像素群的局部形态、以及与该组像素群相关联的光强度值。所述方法还包括:为所述一组或多组像素群中的每个识别所述组像素群是否对应于感兴趣的微物体,其中所述识别基于为所述组像素群确定的特征集。

在一些实施例中,所述方法还包括:检测其相对于所述成像装置的相对位置具有与所述微流体的所述移动一致的量的不同的成对正值和负值像素或像素群;以及将这种对中的每个识别为分别表示感兴趣的微物体的当前位置和先前位置。

在第三方面,本发明提供一种用于自动检测布置在微流体装置内的微物体的方法。所述方法包括捕捉可能包含感兴趣的微物体的微流体装置中的区域的图像。所述方法还包括使用傅里叶变换确定所述图像中的周期性结构。所述方法还包括通过从所述图像中去除所述周期性结构来生成滤波图像;以及基于所述滤波图像识别感兴趣的微物体。

在各种实施例中,所述周期性结构对应于一个或多个微流体装置特征。在一些实施例中,所述一个或多个微流体装置特征包括光电晶体管阵列。

在各种实施例中,所述方法还包括:确定与所述滤波图像相对应的一个或多个像素的一组光强度值;以及基于所述滤波图像生成一组正值像素。

在各种实施例中,所述方法还包括分析所述组正值像素以识别一组或多组像素群,其中每个像素群包括一个或多个像素。所述方法还包括为所述一组或多组像素群中的每个确定包括表示以下各项中一个或多个的信息的特征集:所述组像素群的面积、所述组像素群的圆周、所述组像素群的全局形态、所述组像素群的局部形态、以及与该组像素群相关联的光强度值。所述方法还包括为所述一组或多组像素群中的每个识别所述组像素群是否对应于感兴趣的微物体,其中所述识别基于为所述组像素群确定的特征集。

在第四方面,本发明提供一种将微物体重新定位在包括一组隔离围栏的微流体装置中的方法。所述方法包括识别布置在所述微流体装置内的一组微物体。所述方法包括计算一个或多个轨迹,其中每个轨迹是将所述组微物体中的一个微物体与所述组隔离围栏的一个隔离围栏连接的路径。所述方法还包括为所述组微物体中的一个或多个微物体选择所述一个或多个轨迹中的轨迹。所述方法还包括通过沿着其所选择的轨迹移动微物体来重新定位所述组微物体中的所述一个或多个微物体中的至少一个微物体。

在各种实施例中,重新定位所述组微物体中的所述一个或多个微物体的至少一个微物体包括沿其所选择的轨迹移动至少第一微物体,以及沿其所选择的轨迹移动第二微物体。在一些实施例中,并行移动所述第一微物体和第二微物体。

在各种实施例中,所述方法还包括:计算与所述组微物体相关联的密度值;以及至少部分地基于与所述组微物体相关联的所述密度值来计算所述一个或多个轨迹。在一些实施例中,所述方法还包括:确定所述密度值超过阈值;以及针对所述组微物体的至少一个微物体,计算将所述微物体与所述组隔离围栏的一个或多个隔离围栏连接的一个或多个轨迹。在一些实施例中,所述方法还包括:确定所述密度值未超过阈值;以及针对所述组隔离围栏的至少一个隔离围栏,计算将所述隔离围栏与所述组微物体的一个或多个微物体连接的一个或多个轨迹。

在各种实施例中,所述方法还包括识别所述组隔离围栏。在一些实施例中,所述识别所述组隔离围栏包括识别多个隔离围栏中的空隔离围栏。

在各种实施例中,选择所述一个或多个轨迹的轨迹包括为正被重新定位的每个微物体选择轨迹,使得最小化所选轨迹的长度之和。在一些实施例中,最小化所选择的轨迹的长度之和包括使用以下至少一个:贪婪算法、基于启发式算法、非线性算法和约束搜索。

在各种实施例中,选择所述一个或多个轨迹的轨迹还包括确定所述轨迹是否超过预定的最大长度。

在各种实施例中,重新定位所述一个或多个微物体的至少一个微物体包括在第一时间段将所述至少一个微物体中的每个从初始速度加速到行进速度。在一些实施例中,重新定位所述一个或多个微物体的至少一个微物体包括在第二时间段将所述至少一个微物体中的每个从所述行进速度减速至最终速度。

在第五方面,本发明涉及一种重新定位微流体装置中的微物体的方法。所述方法包括识别布置在所述微流体装置的指定空间区域内的一组微物体。所述方法还包括计算将所述指定空间区域划分为子区域的一组顶点,每个子区域包含所述组微物体中的一个或多个微物体。所述方法还包括:基于所计算的所述组顶点,为所述组微物体的至少一个微物体生成修改的第一光笼;以及相对于所述微流体装置的所指定的空间区域移动所述修改后的光笼,以重新定位所述至少一个微物体。

在各种实施例中,所述方法还包括对于所述组微物体的第一微物体,计算第一光笼。所述方法还包括计算所述第一光笼与所述组顶点之间的交叉点。所述方法还包括基于所述第一光笼与所述组顶点之间的交叉点,产生修改后的第一光笼。

在各种实施例中,所述方法还包括:计算一组顶点,该组顶点最大化邻近所述组微物体的每个微物体的所计算的一组顶点的子集与所述微物体之间的距离。

在各种实施例中,所述方法还包括计算将所述指定空间区域划分为子区域的一组顶点,其中至少所述子区域的子集包含所述组微物体的单个微物体。

在各种实施例中,所述方法还包括计算所述组微物体的Delaunay三角剖分。所述方法还包括:基于所述组微物体的所述Delaunay三角剖分生成Voronoi图;以及基于所述Voronoi图识别所述组顶点。

在各种实施例中,所述方法还包括为所述组微物体的第二微物体计算第二光笼。所述方法还包括计算第二光笼与所述组顶点之间的交叉点;以及基于所述第二光笼与所述组顶点之间的交叉点产生修改后的第二光笼,其中,所述修改后的第二光笼不与所述修改后的第一光笼相交。

在各种实施例中,所述方法还包括相对于所述微流体装置的所述指定空间区域移动所述第一修改后的光笼和所述第二修改后的光笼,以物理地分离所述第一微物体和所述第二微物体。在一些实施例中,所述第一微物体和所述第二微物体最初位于所述指定空间区域的相邻子区域中。

在各种实施例中,根据以上关于本发明的第一方面、第二方面和第三方面所述的方法识别所述组微物体。

在第六方面,本发明涉及一种用于存储执行根据本发明第一方面所述方法的非暂时机器可读指令的机器可读存储装置。在第七方面,本发明涉及一种用于存储执行根据本发明第二方面所述方法的非暂时机器可读指令的机器可读存储装置。在第八方面,本发明涉及一种用于存储执行根据本发明第三方面所述方法的非暂时机器可读指令的机器可读存储装置。在第九方面,本发明涉及一种用于存储执行根据本发明第四方面所述方法的非暂时机器可读指令的机器可读存储装置。在第十方面,本发明涉及一种用于存储执行根据本发明第五方面所述方法的非暂时机器可读指令的机器可读存储装置。

在本发明的各种实施例和各方面中,所述感兴趣的微物体是细胞。在本发明的各种实施例和各方面中,所述细胞是哺乳动物细胞。在本发明的各种实施例和各方面中,所述细胞选自由血细胞、杂交瘤、癌细胞和转化细胞构成的群组。

附图说明

图1示出根据本发明一些实施例的用于微流体装置和相关联的控制设备的系统的示例。

图2A和图2B示出根据本发明一些实施例的微流体装置。

图2C和图2D示出根据本发明一些实施例的隔离围栏。

图2E示出详细示出本发明一些实施例的隔离围栏。

图2F示出根据本发明实施例的微流体装置。

图3A示出根据本发明一些实施例的用于微流体装置和相关联的控制设备的系统的具体示例。

图3B示出根据本发明一些实施例的示例性模拟分压器回路。

图3C示出根据本发明一些实施例的被配置为绘制温度和波形数据的示例性GUI。

图3D示出根据本发明一些实施例的成像装置。

图3E示出根据本发明的具体实施例的运动模块与光调制子系统之间的通信,所述光调制子系统控制微流体装置上的图案的投影。

图4A、图4B和图4C示出根据本发明一个实施例将微物体并行装入围栏。

图5A-图5F示出根据本发明具体实施例的可用于分离微物体的修改后的光笼的产生。

具体实施方式

本说明书描述了本发明的示例性实施例和应用。然而,本发明不限于这些示例性实施例和应用,也不限于在本文中描述的方式或者示例性实施例和应用运行的方式。而且,附图可示出简化或局部视图,并且附图中的元件尺寸可以被夸大或者可以不按比例。此外,当在本文中使用术语"在…上"、"附接到"、"连接到"或"耦接到"或类似词语时,一个元件(例如,材料、层、基底等)可以"在另一个元件上"、"附接到另一个元件"、"连接到另一个元件"、或"耦接到另一个元件",而不管该一个元件直接在另一个元件上、附接、连接或耦接到该另一个元件,还是有一个或更多个介入元件在该一个元件和该另一个元件之间。此外,在对一系列元件(例如元件a、b、c)进行描述的情况下,这些描述旨在包括所列出的元件自身的任何一个、少于全部所列出的元件的任何组合和/或全部所列出的元件的组合。

说明书中的段落划分仅用于便利查看,并且不限制所讨论的元件的任何组合。

如本文所使用的,"基本上"是指足以达到预期目的。术语"基本上"因此允许根据绝对或完美状态、尺寸、测量、结果等进行诸如本领域普通技术人员可以预期,但对总体性能没有显着影响的小的、不重要的变型。当针对数值或者可以被表示为数值的参数或特征使用时,"基本上"是指在百分之十内。

如本文所用,术语"多个"是指多于一个。如本文所用,术语"很多"可以是2、3、4、5、6、7、8、9、10个或更多。

如本文所使用的,术语"布置"涵盖其含义"位于"。

如本文所用,"微流体装置"或"微流体设备"是包括被配置为保持流体的一个或多个独立微流体回路的装置,每个微流体回路包括流体上互连的回路元件,包括但不限于,区域、流动路径、通道、腔室和/或围栏以及被配置为允许流体(以及可选地,悬浮在流体中的微物体)流入和/或流出微流体装置的至少两个端口。通常,微流体装置的微流体回路将包括至少一个微流体通道和至少一个腔室,并且将保持小于约1mL体积的流体,例如,小于约750、500、250、200、150,100、75、50、25、20、15、10、9、8、7、6、5、4、3或2μL。在一些实施例中,微流体回路保持大约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的流体。

如本文所用,"纳流体装置"或"纳流体设备"是具有包含至少一个回路元件的微流体回路的一种微流体装置,其中该回路元件被配置为保持小于约1μL体积的流体,例如,小于约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,纳流体装置将包括多个回路元件(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或更多个)。在一些实施例中,至少一个回路元件中的一个或多个(例如全部)被配置为保持以下体积的流体:大约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。在其它实施例中,至少一个回路元件中的一个或多个(例如全部)被配置为保持以下体积的流体:大约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"微流体通道"或"流动通道"指具有明显长于水平和垂直尺寸的长度的微流体装置的流动区域。例如,流动通道可以是水平或垂直尺寸的长度的至少5倍,例如长度的至少10倍、长度的至少25倍、长度的至少100倍、长度的至少200倍、长度的至少500倍、长度的至少1000倍、长度的至少5000倍或更长。在一些实施例中,流动通道的长度在约100,000微米至约500,000微米的范围内,包括其间的任何范围。在一些实施例中,水平尺寸在约100微米至约1000微米的范围内,例如,从约150到约500微米,垂直尺寸在约25微米至约200微米的范围内,例如,从约40至约150微米。应指出的是,流动通道可以在微流体装置中具有各种不同的空间构造,因此不限于理想的线性元件。例如,流动通道可以是以下配置,或者可以包括具有以下配置的一个或多个部分:弯曲、弯折、螺旋、倾斜、下降、分叉(例如,多个不同的流动路径)及其任何组合。此外,流动通道可以具有沿其路径的不同的横截面面积(扩大和收缩),以在其中提供期望的流体流动。

如本文所使用的,术语"阻塞"通常指足够大的凸块或类似类型的结构,以便部分地(但不完全)阻止目标微物体在微流体装置的两个不同区域或回路元件之间移动。两个不同的区域/回路元件可以是例如微流体隔离围栏和微流体通道、或微流体隔离围栏的连接区域和分离区域。

如本文所使用的,术语"收缩"通常指微流体装置中回路元件(或两个回路元件之间的界面)的宽度变窄。例如,收缩可以位于微流体隔离围栏与微流体通道之间的界面处、或者位于微流体隔离围栏的分离区域与连接区域之间的界面处。

如本文所使用的,术语"透明"指允许可见光通过但是在光通过时基本不改变光的材料。

如本文所用,术语"微物体"通常指可以根据本发明分离和收集的任何微物体。微物体的非限制性示例包括:无生命的微物体,诸如微粒;微珠(例如,聚苯乙烯珠、LuminexTM珠等);磁珠;微米棒;微丝;量子点等;生物微物体,诸如细胞(例如,胚胎、卵母细胞、精细胞、从组织分离的细胞、真核细胞、原生细胞、动物细胞、哺乳动物细胞、人细胞、免疫细胞、杂交瘤、培养细胞、来自细胞系的细胞、癌细胞、感染细胞、转染和/或转化细胞、报道细胞、原核细胞等);生物细胞器;囊泡或复合物;合成泡囊;脂质体(例如,合成的或由膜制剂衍生的);脂质纳米筏(如Ritchie et al.(2009)Reconstitution of Membrane Proteins in Phospholipid Bilayer Nanodiscs,Mehotd Enzymol.,464:211-231(里奇等人(2009年),磷脂双分子层奈米圆盘中的膜蛋白的重组,方法酶学,464:211-231)中描述的)等;或无生命微物体和生物微物体的组合(例如,附着于细胞的微珠、脂质体包覆微珠、脂质体包覆磁珠等)。这些珠还可以具有共价或非共价连接的其它部分/分子,诸如能够在测定中使用的荧光标记、蛋白质,小分子信号传导部分、抗原或化学/生物物种。

如本文所使用的,术语"维持(一个或多个)细胞"是指提供包括流体和气体成分的环境,以及可选地提供保持细胞存活和/或扩大所必须的条件的表面。

流体介质的"组分"是呈现在介质中的任何化学或生物化学分子,所述介质包括溶剂分子、离子、小分子、抗生素、核苷酸和核苷、核酸、氨基酸、肽、蛋白质、糖类、碳水化合物、脂类、脂肪酸、胆固醇、代谢产物等。

如本文关于流体介质所使用的,"使…扩散"和"扩散"是指流体介质的组分朝浓度梯度低的方向的热力学移动。

短语"介质的流动"是指流体介质的除扩散之外的由任何机构导致的整体移动。例如,介质的流动可以包括由于点之间的压力差从一个点到另一个点的流体介质的移动。这样的流动可以包括液体的连续的、脉冲的、周期的、随机的、间歇的或往复的流动,或者其任何组合。当一个流体介质流入到另一个流体介质中时,可导致介质的湍流和混合。

短语"基本上没有流动"是指流体介质的流速在时间上的平均值小于将材料(例如,感兴趣的分析物)的组分扩散到流体介质中或者在流体介质内扩散的速率。这种材料的组分的扩散速率可取决于例如温度、组分的大小以及组分与流体介质之间的相互作用的强度。

如本文关于微流体装置内的不同区域所使用的,短语"流体上连接"是指当不同区域基本上填充有液体(诸如流体介质)时,每个区域中的流体被连接以形成流体的单个本体。这并不意味着不同区域中的流体(或流体介质)在组成上一定是相同的。相反,在微流体装置的不同的流体上连接区域中的流体可具有不同的组成(例如,不同浓度的溶质,如蛋白质、碳水化合物、离子、或其它分子),其由于溶质向其各自的浓度梯度低的取向移动和/或由于流体通过该装置流动而不断变化。

微流体(或纳流体)装置可以包括"波及"区域和"未波及"区域。如本文所使用的,"波及"区域包括微流体回路的一个或多个流体上互连的回路元件,当流体流过微流体回路时,其每个均经历介质流动。波及区域的回路元件可以包括例如区域、通道以及腔室的全部或部分。如本文所使用的,"未波及"区域包括当流体流过微流体回路时,其每个基本上都不经历流体流动的微流体回路的一个或多个流体上互连的回路元件。未波及区域可以流体上连接到波及区域,假设该流体上连接被配置为使得在波及区域与未波及区域之间能够扩散,但在波及区域与未波及区域之间基本上没有介质的流动。微流体装置可因此被配置为基本上使未波及区域与波及区域中的介质的流分离,同时使得在波及区域与未波及区域之间仅能够进行扩散流体连通。例如,微流体装置的流动通道是波及区域的示例,而微流体装置的分离区域(下文将进一步详细描述)是未波及区域的示例。

如本文所使用的,"流动路径"指限定并经受介质流动轨迹的一个或多个流体上连接的回路元件(例如,通道、区域、腔室等)。因此,流动路径是微流体装置的波及区域的示例。其它回路元件(例如,未波及区域)可以与包括流动路径的回路元件流体上连接,而不经受流动路径中介质的流动。

可以在这种微流体装置中测定用于产生特定生物材料(例如,蛋白质,诸如抗体)的生物微物体(例如,生物细胞)的能力。在测定的具体实施例中,包括待测定用于产生感兴趣的分析物的生物微物体(例如,细胞)的样本材料可以被装载到微流体装置的波及区域中。多个生物微物体(例如,哺乳动物细胞,诸如人体细胞)可以针对特定特征而被选择并且被设置在未波及区域中。然后,其余样本材料可以从波及区域流出,并且测定材料可以流入到波及区域中。由于所选择的生物微物体在未波及区域中,因此所选择的生物微物体基本上不受剩余样本材料的流出或测定材料的流入的影响。所选择的生物微物体可以允许产生感兴趣的分析物,其可以从未波及区域扩散到波及区域中,其中感兴趣的分析物可以与测定材料反应以产生局部可检测反应,每个局部可检测反应可以与特定的未波及区域相关联。与检测到的反应相关联的任何未波及区域可以被分析以确定在未波及区域中的哪些生物微物体(如果有的话)是感兴趣的分析物的足够生产者。

用于操作和观察这种装置的微流体装置和系统。图1示出可以在本发明的实践中使用的微流体装置100和系统150的示例。示出了微流体装置100的透视图,其盖110被部分切除以提供微流体装置100的局部视图。微流体装置100通常包括具有流动路径106的微流体回路120,流体介质180可以流动到该流动路径106中和/或流动通过微流体回路120,可选地携带一个或多个微物体(未示出)。虽然在图1中示出单个微流体回路120,但是合适的微流体装置可以包括多个(例如,2或3)这种微流体回路。无论如何,微流体装置100可以被配置为纳流体装置。在图1所示的实施例中,微流体回路120包括多个微流量隔离围栏124、126、128和130,其每个具有与流动路径106流体连通的一个或多个开口。如下文进一步讨论的,微流体隔离围栏包括已被优化用于即使当介质180流过流动路径106时,仍然保留微流体装置(例如微流体装置100)中的微物体的各种特性和结构。然而,在描述上述之前,简要说明微流体装置100和系统150。

如图1中大体所示,微流体回路120由围界102限定。尽管围界102可以物理地构造成不同的配置,但是在图1所示的示例中,围界102被描述为包括支撑结构104(例如,基部)、微流体回路结构108和盖110。支撑结构104、微流体回路结构108和盖110可以彼此附接。例如,微流体回路结构108可以布置在支撑结构104的内表面109上,盖110可以布置在微流体回路结构108上方。微流体回路结构108与支撑结构104和盖110一起,可以限定微流体回路120的元件。

如图1所示,支撑结构104可以位于微流体回路120的底部,盖110可以位于微流体回路120的顶部。可替代地,支撑结构104和盖110可以以其它取向来配置。例如,支撑结构104可以位于微流体回路120的顶部,盖110可以位于微流体回路120的底部。无论如何,可以存在一个或多个端口107,其每个包括进入或流出围界102的通路。例如,通路包括阀、门、通孔等。如图所示,端口107是由微流体回路结构108中的间隙形成的通孔。然而,端口107可以位于围界102的其它组件(诸如盖110)中。图1中仅示出一个端口107,但是微流体回路120可以具有两个或更多个端口107。例如,可以存在用作流体进入微流体回路120的入口的第一端口107,并且可以存在用作流体离开微流体回路120的出口的第二端口107。端口107用作入口还是出口可以取决于流体流过流动路径106的方向。

支撑结构104可以包括一个或多个电极(未示出)和一个基底或多个互连的基底。例如,支撑结构104可以包括一个或多个半导体衬底,每个半导体衬底电连接到电极(例如,半导体衬底的全部或一部分可以电连接到单个电极)。支撑结构104还可以包括印刷电路板组件("PCBA")。例如,半导体衬底可以安装在PCBA上。

微流体回路结构108可以限定微流体回路120的回路元件。这种回路元件可以包括当微流体回路120充满流体时,可以流体上互连的空间或区域,诸如流动通道、腔室、围栏、捕集器等。在图1所示的微流体回路120中,微流体回路结构108包括框架114和微流体回路材料116。框架114可以部分地或完全地包围微流体回路材料116。例如,框架114可以是基本上围绕微流体回路材料116的相对刚性结构。例如,框架114可以包括金属材料。

可以用空腔等来图案化微流体回路材料116,以限定微流体回路120的回路元件和互连。微流体回路材料116可以包括柔性材料,诸如柔性聚合物(例如橡胶、塑料、弹性体、硅氧烷、聚二甲基硅氧烷("PDMS")等),其可以是透气的。可构成微流体回路材料116的材料的其它示例包括模制玻璃;可蚀刻材料,诸如硅树脂(例如光图案化硅或"PPS");光致抗蚀剂(例如SU8)等。在一些实施例中,这种材料(并且因此微流体回路材料116)可以是刚性的和/或基本上不透气的。无论如何,微流体回路材料116可以布置在支撑结构104上和框架114内部。

盖110可以是框架114和/或微流体回路材料116的集成部件。可替代地,盖110可以是结构上独立的元件,如图1所示。盖110可以包括与框架114和/或微流体回路材料116相同或不同的材料。类似地,支撑结构104可以是与框架114或微流体回路材料116分开的结构,如图所示,或者支撑结构104可以是框架114或微流体回路材料116的集成部件。类似地,框架114和微流体回路材料116可以是如图1所示的分离结构或相同结构的集成部件。

在一些实施例中,盖110可以包括刚性材料。刚性材料可以是玻璃或具有类似特性的材料。在一些实施例中,盖110可以包括可变形材料。可变形材料可以是聚合物,诸如PDMS。在一些实施例中,盖110可以既包括刚性材料也包括可变形材料。例如,盖110的一个或多个部分(例如,位于隔离围栏124、126、128、130上方的一个或多个部分)可以包括与盖110的刚性材料相交界的可变形材料。在一些实施例中,盖110还可以包括一个或多个电极。该一个或多个电极可以包括导电氧化物,诸如氧化铟锡(ITO),其可以涂覆在玻璃或类似绝缘材料上。可替代地,该一个或多个电极可以是嵌入在可变形材料(诸如聚合物(例如PDMS))中的柔性电极,诸如单壁纳米管、多壁纳米管、纳米线、导电纳米颗粒簇或其组合。已经在例如US 2012/0325665(Chiou等人)中描述了可以用于微流体装置的柔性电极,其内容通过引用并入本文。在一些实施例中,可以修改盖110(例如,通过调节向内朝向微流体回路120的表面的全部或部分)来支持细胞粘附、生存能力(viability)和/或生长。这种修改可以包括合成或天然聚合物的涂层。在一些实施例中,盖110和/或支撑结构104可以是透光的。盖110还可以包括至少一种透气的材料(例如,PDMS或PPS)。

图1还示出用于操作和控制微流体装置(诸如微流体装置100)的系统150。如图所示,系统150包括电源192、成像装置194和倾斜装置190。

电源192可以向微流体装置100和/或倾斜装置190提供电力,根据需要提供偏置电压或电流。例如,电源192可以包括一个或多个交流(AC)和/或直流(DC)电压或电流源。成像装置194可以包括用于捕捉微流体回路120内的图像的装置(诸如数字照相机)。在一些情形下,成像装置194还包括具有快速帧速率和/或高灵敏度的检测器(例如用于低光应用)。成像装置194还可以包括用于将刺激性辐射和/或光束引导到微流体回路120中并收集从微流体回路120(或其中包含的微物体)反射或发射的辐射和/或光束的机构。所发射的光束可以在可见光谱中,并且可以例如包括荧光发射。所反射光束可以包括源自LED或诸如汞灯(例如高压汞灯)或氙弧灯的宽光谱灯的发射的反射。如关于图3所讨论的,成像装置194还可以包括显微镜(或光学系统),其可以包括或可以不包括目镜。

系统150还包括倾斜装置190,其被配置为围绕一个或多个旋转轴旋转微流体装置100。在一些实施例中,倾斜装置190被配置为围绕至少一个轴来支撑和/或保持包括微流体回路120的围界102,使得微流体装置100(以及因此微流体回路120)可以保持在水平取向(即相对于x轴和y轴为0°)、垂直取向(即相对于x轴和/或y轴为90°)或其间的任何取向。微流体装置100(和微流体回路120)相对于轴的取向在本文中被称为微流体装置100(和微流体回路120)的"倾斜"。例如,倾斜装置190可以使微流体装置100相对于x轴倾斜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°或其间的任何角度。水平取向(以及因此x轴和y轴)被定义为垂直于由重力限定的垂直轴。倾斜装置还可以将微流体装置100(和微流体回路120)相对于x轴和/或y轴倾斜大于90°的角度,或者使微流体装置100(和微流体回路120)相对于x轴或y轴倾斜180°,以便完全反转微流体装置100(和微流体回路120)。类似地,在一些实施例中,倾斜装置190围绕由流动路径106或微流体回路120的某些其它部分限定的旋转轴来倾斜微流体装置100(和微流体回路120)。

在一些情形下,微流体装置100倾斜成垂直取向,使得流动路径106位于一个或多个隔离围栏的上方或下方。如本文所用的术语"上方"表示在由重力限定的垂直轴上,流动路径106被定位为高于一个或多个隔离围栏(即,在流动路径106上方的隔离围栏中的物体将具有比流动路径中的物体高的重力势能)。如本文所用的术语"下方"表示在由重力限定的垂直轴上,流动路径106被定位为低于一个或多个隔离围栏(即,在流动路径106下方的隔离围栏中的物体将具有比流动路径中的物体低的重力势能)。

在一些情形下,倾斜装置190围绕平行于流动路径106的轴来倾斜微流体装置100。此外,微流体装置100可以倾斜成小于90°的角度,使得流动路径106位于一个或多个隔离围栏的上方或下方,而不是位于隔离围栏的正上方或正下方。在其它情况下,倾斜装置190围绕垂直于流动路径106的轴来倾斜微流体装置100。在另外其它情况下,倾斜装置190围绕既不平行也不垂直于流动路径的轴来倾斜微流体装置100。

系统150还可以包括介质源178。介质源178(例如,容器、贮液器等)可以包括多个部分或容器,其每个用于保持不同的流体介质180。因此,如图1所示,介质源178可以是位于微流体装置100外部并与微流体装置100分离的装置。可替代地,介质源178可以全部或部分位于微流体装置100的围界102内。例如,介质源178可以包括作为微流体装置100的一部分的贮液器。

图1还示出构成系统150的一部分并且可以与微流体装置100结合使用的控制和监测设备152的示例的简化框图。如图所示,这种控制和监测设备152的示例包括主控制器154(包括用于控制介质源178的介质模块160);运动模块162,用于控制微流体回路120中微物体(未示出)和/或介质(例如,介质的液滴)的移动和/或选择;成像模块164,用于控制用来捕捉图像(例如,数字图像)的成像装置194(例如相机、显微镜、光源或其任何组合);以及倾斜模块166,用于控制倾斜装置190。控制设备152还可以包括其它模块168,用于控制、监测或执行关于微流体装置100的其它功能。如图所示,设备152还可以包括显示装置170和输入/输出装置172。

主控制器154可以包括控制模块156和数字存储器158。控制模块156可以包括例如数字处理器,该数字处理器被配置为根据存储为存储器158中的非暂态数据或信号的机器可执行指令(例如,软件、固件、微码等)操作。可替代地地或另外地,控制模块156可以包括硬连线数字电路和/或模拟电路。可以类似地配置介质模块160、运动模块162、成像模块164、倾斜模块166和/或其它模块168。因此,可以由如上配置的主控制器154、介质模块160、运动模块162、成像模块164、倾斜模块166和/或其它模块168中的一个或多个来实施本文所讨论的针对微流体装置100或任何其它微流体装置所执行的功能、过程、动作、行动或过程的步骤。类似地,主控制器154、介质模块160、运动模块162、成像模块164、倾斜模块166和/或其它模块168可以通信地耦接,以发送和接收本文讨论的任何功能、过程、动作、行动或步骤中所使用的数据。

介质模块160控制介质源178。例如,介质模块160可以控制介质源178将选择的流体介质180输入到围界102中(例如,通过入口端口107)。介质模块160还可以控制从围界102移除介质(例如,通过出口端口(未示出))。因此,可以将一个或多个介质选择性地输入到微流体回路120中以及从微流体回路120移除。介质模块160还可以控制微流体回路120内部流动路径106中流体介质180的流动。例如,在一些实施例中,在倾斜模块166使倾斜装置190将微流体装置100倾斜到期望的倾斜角度之前,介质模块160阻止介质180在流动路径106中和通过围界102的流动。

运动模块162可以被配置为控制微流体回路120中微物体(未示出)的选择、捕集和移动。如下文关于图2A和2B所讨论的,围界102可以包括介电泳(DEP)、光电镊子(OET)和/或光电润湿(OEW)配置(图1中未示出),并且运动模块162可以控制电极和/或晶体管(例如光电晶体管)的激活,以选择和移动流动路径106和/或隔离围栏124、126、128、130中的微物体(未示出)和/或介质液滴(未示出)。

成像模块164可以控制成像装置194。例如,成像模块164可以接收和处理来自成像装置194的图像数据。来自成像装置194的图像数据可以包括由成像装置194捕捉的任何类型的信息(例如,存在或不存在微物体、介质液滴、标记(诸如荧光标记等)的积聚)。使用由成像装置194捕捉的信息,成像模块164还可以计算微流体装置100内物体(例如,微物体、介质液滴)的位置和/或这些物体的运动速率。

倾斜模块166可以控制倾斜装置190的倾斜运动。可替代地或另外地,倾斜模块166可以控制倾斜速率和时间,以优化微物体经由重力到一个或多个隔离围栏的转移。倾斜模块166与成像模块164通信地耦接,以接收描述微流体回路120中的微物体和/或介质液滴的运动的数据。使用该数据,倾斜模块166可以调节微流体回路120的倾斜,以便调节微物体和/或介质液滴在微流体回路120中移动的速率。倾斜模块166还可以使用该数据来迭代地调节微物体和/或介质液滴在微流体回路120中的位置。

在图1所示的示例中,微流体回路120被示为包括微流体通道122和隔离围栏124、126、128、130。每个围栏包括通向通道122的开口,但是其它部分被包围,使得围栏可以将围栏中的微物体与通道122的流动路径106或其它围栏中的流体介质180和/或微物体基本上分离。在一些情形下,围栏124、126、128、130被配置为物理地圈住微流体回路120内的一个或多个微物体。根据本发明的隔离围栏可以包括各种形状、表面和特性,其利用DEP、OET、OEW和/或重力优化以被使用,下文将详细讨论和示出。

微流体回路120可以包括任何数量的微流体隔离围栏。尽管示出了五个隔离围栏,但是微流体回路120可以具有更少或更多的隔离围栏。如图所示,微流体回路120的微流体隔离围栏124、126、128和130各自包含不同的特性和形状,其可以提供有益于执行测定(例如培养和保留测定中使用的微物体)的一个或多个益处。在一些实施例中,微流体回路120包括多个相同的微流体隔离围栏。在一些实施例中,微流体回路120包括多个微流体隔离围栏,其中两个或更多个隔离围栏包括不同的结构和/或特性。例如,隔离围栏可以提供关于执行测定方面不同的益处。

在图1所示的实施例中,示出了单通道122和流动路径106。然而,其它实施例可以包含多个通道122,每个通道被配置为包括流动路径106。微流体回路120还包括与流动路径106和流体介质180流体连通的入口阀或端口107,由此流体介质180可以经由入口端口107进入通道122。在一些情形下,流动路径106包括单个路径。在一些情形下,单个路径被布置为Z字形图案,使得流动路径106在交替的方向上穿过微流体装置100两次或更多次。

在一些情形下,微流体回路120包括多个平行通道122和流动路径106,其中每个流动路径106内的流体介质180沿相同的方向流动。在一些情形下,每个流动路径106内的流体介质沿正向或反向中的至少一个流动。在一些情形下,多个隔离围栏被配置为(例如,相对于通道122)使得它们可以并行装载有目标微物体。

在一些实施例中,微流体回路120还包括一个或多个微物体捕集器132。捕集器132通常形成在构成通道122的边界的壁中,并且可以与一个或多个微流体隔离围栏124、126、128、130的开口相对。在一些实施例中,捕集器132被配置为从流动路径106接收或捕捉单个微物体。在一些实施例中,捕集器132被配置为从流动路径106接收或捕捉多个微物体。在一些情形下,捕集器132包括基本上等于单个目标微物体的体积的体积。

捕集器132还可以包括开口,其被配置为帮助目标微物体流入捕集器132。在一些情形下,捕集器132包括开口,开口的高度和宽度基本上等于单个目标微物体的尺寸,从而防止较大的微物体进入微物体捕集器。捕集器132还可以包括被配置为有助于保留捕集器132内的目标微物体的其它特性。在一些情形下,捕集器132相对于微流体隔离围栏的开口对准并且位于通道122的相对侧上,使得当微流体装置100围绕平行于通道122的轴倾斜时,被捕集的微物体按照使得微物体落入隔离围栏的开口中的轨迹离开捕集器132。在一些情形下,捕集器132包括小于目标微物体的侧通路134,以便有助于穿过捕集器132的流,从而增大在捕集器132中捕捉微物体的可能性。

在一些实施例中,通过一个或多个电极(未示出)将介电泳(DEP)力施加在流体介质180(例如,在流动路径中和/或在隔离围栏中)上,以操纵、运输、分离和分类位于其中的微物体。例如,在一些实施例中,将DEP力施加到微流体回路120的一个或多个部分,以便将单个微物体从流动路径106转移到期望的微流体隔离围栏。在一些实施例中,使用DEP力来防止隔离围栏(例如,隔离围栏124、126、128或130)内的微物体从隔离围栏移位。此外,在一些实施例中,使用DEP力,来从根据本发明的教导先前收集的隔离围栏中选择性地移除微物体。在一些实施例中,DEP力包括光电镊子(OET)力。

在其它实施例中,通过一个或多个电极(未示出)将光电润湿(OEW)力施加到微流体装置100的支撑结构104(和/或盖110)中的一个或多个位置(例如,有助于限定流动路径和/或隔离围栏的位置),以操纵、运输、分离和分类位于微流体回路120中的液滴。例如,在一些实施例中,将OEW力施加到支撑结构104(和/或盖110)中的一个或多个位置,以将单个液滴从流动路径106转移到期望的微流体隔离围栏中。在一些实施例中,使用OEW力来防止隔离围栏(例如,隔离围栏124、126、128或130)内的液滴从隔离围栏移位。另外,在一些实施例中,使用OEW力来从根据本发明的教导先前收集的隔离围栏中选择性地移除液滴。

在一些实施例中,将DEP和/或OEW力与其它力(诸如流动和/或重力)结合,以便操纵、运输、分离和分类微流体回路120内的微物体和/或液滴。例如,可以将围界102倾斜(例如,通过倾斜装置190),以将流动路径106和位于其中的微物体定位在微流体隔离围栏之上,并且重力可以将微物体和/或液滴运输到围栏。在一些实施例中,可以在施加其它力之前施加DEP和/或OEW力。在其它实施例中,可以在施加其它力之后施加DEP和/或OEW力。在其它情况下,可以在施加其它力的同时施加DEP和/或OEW力,或者可以交替地施加DEP和/或OEW力和其它力。

图2A-2F示出可用于本发明实践中的微流体装置的各种实施例。图2A描述了微流体装置200被配置为光学致动的动电装置的实施例。本领域中已知各种光学致动的动电装置,包括具有光电镊子(OET)配置的装置和具有光电润湿(OEW)配置的装置。在以下美国专利文献中示出合适的OET配置的示例,其均通过引用整体并入本文:美国专利第RE 44,711号(Wu等人)(最初以美国专利号7,612,355发布);和美国专利第7,956,339号(Ohta等人)。美国专利第6,958,132号(Chiou等人)和美国专利申请公布第2012/0024708号(Chiou等人)中示出了OEW配置的示例,上述两者都通过引用整体并入本文。光学致动的动电装置的另一个示例包括组合的OET/OEW配置,在美国专利公布20150306598号(Khandros等人)和20150306599(Khandros等人)以及其对应的PCT公布WO2015/164846和WO2015/164847中示出其示例,其通过引用整体并入本文。

运动微流体装置配置。如上所述,系统的控制和监测设备可以包括运动模块162,用于选择和移动微流体装置的微流体回路中诸如微物体或液滴的物体。微流体装置可以具有各种运动配置,这取决于被移动物体的类型和其它考量。例如,可以利用介电泳(DEP)配置来选择和移动微流体回路中的微物体。因此,微流体装置100的支撑结构104和/或盖110可以包括DEP配置,用于选择性地在微流体回路120中的流体介质180中的微物体上诱导DEP力,从而选择、捕捉和/或移动单个微物体或微物体组。可替代地,微流体装置100的支撑结构104和/或盖110可以包括电润湿(EW)配置,用于在微流体回路120中的流体介质180中的液滴上选择性地诱导EW力,从而选择、捕捉和/或移动单个液滴或液滴组。

在图2A和图2B中示出包括DEP配置的微流体装置200的一个示例。虽然为了简单起见,图2A和图2B分别示出具有开放区域/腔室202的微流体装置200的围界102的一部分的侧截面图和顶截面图,应当理解,区域/腔室202可以是具有更详细结构的流体回路元件的一部分,诸如生长腔室、隔离围栏、流动区域或流动通道。此外,微流体装置200可以包括其它流体回路元件。例如,微流体装置200可以包括多个生长腔室或隔离围栏和/或一个或多个流动区域或流动通道,诸如本文关于微流体装置100所述的那些。DEP配置可以被并入微流体装置200的任何这种流体回路元件,或选择其一部分。还应当理解的是,上述或下文描述的微流体装置组件和系统组件中的任何一个可以被并入微流体装置200中和/或与微流体装置200结合使用。例如,包括上述控制和监测设备152的系统150可以与微流体装置200一起使用,该系统150包括介质模块160、运动模块162、成像模块164、倾斜模块166和其它模块168中的一个或多个。

如图2A所示,微流体装置200包括具有底部电极204和覆盖底部电极204的电极活化基底206的支撑结构104、以及具有顶部电极210的盖110,顶部电极210与底部电极204间隔开。顶部电极210和电极活化基底206限定区域/腔室202的相对表面。因此,包含在区域/腔室202中的介质180在顶部电极210与电极活化基底206之间提供电阻连接。还示出了电源212,其被配置为被连接到底部电极204和顶部电极210并且在这些电极之间产生偏置电压,如在区域/腔室202中产生DEP力所需要的。例如,电源212可以是交流(AC)电源。

在一些实施例中,图2A和图2B所示的微流体装置200可以具有光学致动的DEP配置。因此,可由运动模块162控制的来自光源220的光222的变化图案可以选择性地激活和去激活电极活化基底206的内表面208的区域214处的DEP电极的变化图案。(下文中,具有DEP配置的微流体装置的区域214被称为"DEP电极区域"。)如图2B所示,指向电极活化基底206的内表面208的光图案222可以照亮以诸如正方形的图案选择的DEP电极区域214a(以白色示出)。在下文中将未照射的DEP电极区域214(交叉阴影线)称为"暗"DEP电极区域214。通过DEP电极活化基底206的相对电阻抗(即,从底部电极204直到与流动区域106中介质180相交界的电极活化基底206的内表面208)大于通过每个暗DEP电极区域214处的区域/腔室202中的介质180的相对电阻抗(即,从电极活化基底206的内表面208到盖110的顶部电极210)。然而,照亮的DEP电极区域214a表现出通过电极活化基底206的减小的相对阻抗,其小于通过每个照亮的DEP电极区域214a处的区域/腔室202中介质180的相对阻抗。

在电源212被激活的情况下,前述DEP配置在照射的DEP电极区域214a与相邻的暗DEP电极区域214之间的流体介质180中产生电场梯度,这又产生了吸引或排斥流体介质180中附近微物体(未示出)的局部DEP力。因此,可以通过改变从光源220投射到微流体装置200的光图案222,在区域/腔室202的内表面处的许多不同的这种DEP电极区域214处选择性地激活和去激活吸引或排斥流体介质180中微物体的DEP电极。DEP力吸引还是排斥附近的微物体可以取决于诸如电源212的频率和介质180和/或微物体(未示出)的介电特性的这种参数。

图2B所示的照亮的DEP电极区域214a的正方形图案224仅仅是示例。通过投射到装置200的光图案222可以照射(从而被激活)DEP电极区域214的任何图案,并且可以通过改变或移动光图案222来反复改变照亮的/激活的DEP电极区域214的图案。

在一些实施例中,电极活化基底206可以包括光电导材料或由光电导材料组成。在这样的实施例中,电极活化基底206的内表面208可以是无特性的。例如,电极活化基底206可以包括氢化非晶硅(a-Si:H)层或由其构成。a-Si:H可以包括例如约8%至40%的氢(以100*(氢原子数)/(氢和硅原子的总数)计算)。a-Si:H层可以具有约500nm至约2.0μm的厚度。在这样的实施例中,可以根据光图案222,在电极活化基底206的内表面208上的任何地方以任何图案来形成DEP电极区域214。因此,无需固定DEP电极区域214的数量和图案,而是可以将其对应于光图案222。已经在例如美国专利第RE 44,711号(Wu等人)(最初发布为美国专利第7,612,355号)中描述了具有包括上述光电导层的DEP配置的微流体装置的示例,其全部内容通过引用并入本文。

在其它实施例中,电极活化基底206可以包括具有多个掺杂层、电绝缘层(或区域)和诸如在半导体领域中已知的形成半导体集成电路的导电层的基底。例如,电极活化基底206可以包括多个光电晶体管,包括例如横向双极光电晶体管,每个光电晶体管对应于DEP电极区域214。可替代地,电极活化基底206可以包括由光电晶体管开关控制的电极(例如导电金属电极),每个这种电极对应于DEP电极区域214。电极活化基底206可以包括这种光电晶体管或光电晶体管控制电极的图案。例如,该图案可以是排列成行和列的基本上正方形的光电晶体管或光电晶体管控制电极的阵列,如图2B所示。可替代地,图案可以是形成六方点格的基本上六边形的光电晶体管或光电晶体管控制电极的阵列。不管何种图案,回路元件可以在电极活化基底206的内表面208处的DEP电极区域214与底部电极210之间形成电连接,并且可以由光图案222选择性地激活和去激活那些电连接(即光电晶体管或电极)。当未被激活时,每个电连接可以具有高阻抗,使得通过电极活化基底206的相对阻抗(即,从底部电极204到与区域/腔室202中介质180相交界的电极活化基底206的内表面208)大于在相应DEP电极区域214处通过介质180的相对阻抗(即,从电极活化基底206的内表面208到盖110的顶部电极210)。然而,当由光图案222中的光激活时,通过电极活化基底206的相对阻抗小于在每个照亮的DEP电极区域214处通过介质180的相对阻抗,从而在相应DEP电极区域214处激活DEP电极,如上所述。因此,可以按照光图案222确定的方式,在区域/腔室202中电极活化基底206的内表面208处的许多不同DEP电极区域214处选择性地激活和去激活吸引和排斥介质180中的微物体(未示出)的DEP电极。

在例如美国专利第7,956,339号(Ohta等人)中已经描述了具有包括光电晶体管的电极活化基底的微流体装置的示例(参见例如图21和图22所示的装置300以及其说明书),其全部内容通过引用并入本文。在例如美国专利公布第214/0124370号(Short等)中已经描述了具有包括由光电晶体管开关控制的电极的电极活化基底的微流体装置的示例(参见例如各个附图所示的装置200、400、500、600和900以及其说明书),其全部内容通过引用并入本文。

在DEP配置的微流体装置的一些实施例中,顶部电极210是围界102的第一壁(或盖110)的一部分,并且电极活化基底206和底部电极204是围界102的第二壁(或支撑结构104)的一部分。区域/腔室202可以在第一壁与第二壁之间。在其它实施例中,电极210是第二壁(或支撑结构104)的一部分,并且电极活化基底206和/或电极210中的一个或两个是第一壁(或盖110)的一部分。此外,光源220可以替代地用于从下方照亮围界102。

利用具有DEP配置的图2A-图2B的微流体装置200,通过将光图案222投射到装置200,以便以围绕并捕捉微物体的图案(例如,正方形图案224)来激活电极活化衬底206的内表面208的DEP电极区域214a处的第一组一个或多个DEP电极,运动模块162可以在区域/腔室202中选择介质180中的微物体(未示出)。然后运动模块162可以通过相对于装置200移动光图案222以激活在DEP电极区域214处的第二组一个或多个DEP电极,来移动捕捉到的微物体。可替代地,可以相对于光图案222来移动装置200。

在其它实施例中,微流体装置200可以具有不依赖于电极活化基底206的内表面208处的DEP电极的光激活的DEP配置。例如,电极活化基底206可以包括与包含至少一个电极的表面(例如,盖110)相对的选择性可寻址和可激励电极。可以选择性地打开和闭合开关(例如,半导体衬底中的晶体管开关),以激活或去激活DEP电极区域214处的DEP电极,从而在激活的DEP电极附近的区域/腔室202中的微物体(未示出)上形成净DEP力。取决于诸如电源212的频率和区域/腔室202中介质(未示出)和/或微物体的介电特性的特征,DEP力可以吸引或排斥附近的微物体。通过选择性地激活和去激活一组DEP电极(例如,在形成正方形图案224的一组DEP电极区域214处),可以在区域/腔室202内捕集和移动区域/腔室202中的一个或多个微物体。图1中的运动模块162可以控制这种开关,从而激活和去激活各个DEP电极,以选择、捕集和移动区域/腔室202周围的特殊微物体(未示出)。具有包括选择性可寻址和可激励电极的DEP配置的微流体装置在本领域中是已知的,并且已经在例如美国专利第6,294,063号(Becker等人)和第6,942,776号(Medoro))中描述,其全部内容通过引用并入本文。

作为又一示例,微流体装置200可以具有电润湿(EW)配置,其可以代替DEP配置,或者可以位于微流体装置200中与具有DEP配置的部分分离的一部分中。EW配置可以是光电润湿配置或介质上电润湿(EWOD)配置,这两者都是本领域已知的。在一些EW配置中,支撑结构104具有夹在介电层(未示出)与底部电极204之间的电极活化基底206。介电层可以包括疏水材料和/或可以涂覆有疏水材料。对于具有EW配置的微流体装置200,支撑结构104的内表面208是介电层或其疏水涂层的内表面。

介电层(未示出)可以包括一个或多个氧化层,并且可以具有约50nm至约250nm(例如约125nm至约175nm)的厚度。在一些实施例中,介电层可以包括氧化物(诸如金属氧化物(例如,氧化铝或氧化铪))的层。在一些实施例中,介电层可以包括除金属氧化物之外的介电材料,诸如硅的氧化物或氮化物。无论确切的组分和厚度如何,介电层可以具有约10kΩ至约50kΩ的阻抗。

在一些实施例中,介电层的向内朝向区域/腔室202的内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,诸如聚四氟乙烯(例如,)或聚(2,3-二氟甲基-全氟四氢呋喃)(例如CYTOPTM)。构成疏水材料的分子可以共价接合到介电层的表面。例如,可以通过连接基团(诸如硅氧烷基团、膦酸基团或硫醇基团)将疏水材料的分子共价结合到介电层的表面。因此,在一些实施例中,疏水材料可以包括烷基封端的硅氧烷、烷基封端的膦酸或烷基封端的硫醇。烷基可以是长链烃(例如,具有至少10个碳的链,或至少16、18、20、22或更多个碳的链)。可替代地,可以使用氟化(或全氟化)碳链代替烷基。因此,例如,疏水材料可以包含氟代烷基封端的硅氧烷、氟代烷基封端的膦酸或氟代烷基封端的硫醇。在一些实施例中,疏水涂层具有约10nm至约50nm的厚度。在其它实施例中,疏水涂层具有小于10nm(例如,小于5nm、或约1.5至3.0nm)的厚度。

在一些实施例中,具有电润湿配置的微流体装置200的盖110也涂覆有疏水材料(未示出)。疏水材料可以是与用于涂覆支撑结构104的介电层相同的疏水材料,并且疏水涂层可以具有与支撑结构104的介电层上的疏水涂层的厚度基本相同的厚度。此外,盖110可以包括以支撑结构104的方式夹在介电层与顶部电极210之间的电极活化基底206。电极活化基底206和盖110的介电层可以具有与电极活化基底206和支撑结构104的介电层相同的组分和/或尺寸。因此,微流体装置200可以具有两个电润湿表面。

在一些实施例中,如上所述,电极活化基底206可以包括光电导材料。因此,在一些实施例中,电极活化基底206可以包括氢化非晶硅层(a-Si:H)或由其构成。a-Si:H可以包括例如约8%至40%的氢(以100*(氢原子数)/(氢和硅原子的总数)计算)。a-Si:H层可以具有约500nm至约2.0μm的厚度。可替代地,如上所述,电极活化基底206可以包括由光电晶体管开关控制的电极(例如,导电金属电极)。具有光电润湿配置的微流体装置是本领域已知的和/或可以用本领域已知的电极活化基底来构建。例如,美国专利第6,958,132号(Chiou等人)(其全部内容通过引用并入本文)公开了具有诸如a-Si:H的光电导材料的光电润湿配置,而上述参引的美国专利公布第2204/0124370号(Short等人)公开了具有由光电晶体管开关控制的电极的电极活化基底。

因此,微流体装置200可以具有光电润湿配置,并且光图案222可以用于激活电极活化基底206中的光电导EW区域或光响应EW电极。电极活化基底206的这种激活的EW区域或EW电极可以在支撑结构104的内表面208(即,覆盖介电层或其疏水涂层的内表面)处产生电润湿力。通过改变入射到电极活化基底206上的光图案222(或相对于光源220移动微流体装置200),可以移动与支撑结构104的内表面208接触的液滴(例如,含有水介质、溶液或溶剂)穿过存在于区域/腔室202中的不混溶流体(例如,油介质)。

在其它实施例中,微流体装置200可以具有EWOD配置,并且电极活化基底206可以包括不依赖于光进行激活的选择性可寻址和可激励的电极。因此,电极活化基底206可以包括这种电润湿(EW)电极的图案。例如,图案可以是排列成行和列的基本上正方形EW电极的阵列,如图2B所示。可替代地,图案可以是形成六边点格的基本上六边形EW电极的阵列。不管何种图案,可以通过电开关(例如半导体衬底中的晶体管开关)选择性地激活(或去激活)EW电极。通过选择性地激活和去激活电极活化基底206中的EW电极,可以在区域/腔室202内移动与覆盖的介电层或其疏水涂层的内表面208相接触的液滴(未示出)。图1中的运动模块162可以控制这样的开关,从而激活和去激活各个EW电极,以选择并移动区域/腔室202周围的特殊液滴。具有包括选择性寻址和可激励电极的EWOD配置的微流体装置在本领域中是已知的,并且已经在例如美国专利第8,685,344号(Sundarsan等人)中进行了描述,其全部内容通过引用并入本文。

不管微流体装置200的配置如何,电源212可以用于提供为微流体装置200的电路供电的电势(例如,AC电压电势)。电源212可以与图1参引的电源192相同或是图1参引的电源192的组件。电源212可以被配置为向顶部电极210和底部电极204提供AC电压和/或电流。对于AC电压,如上所述,电源212可以提供足以产生足够强大以捕集和移动区域/腔室202中各个微物体(未示出)的净DEP力(或电润湿力)的频率范围和平均或峰值功率(例如,电压或电流)范围,和/或还如上所述,电源212可以提供足以改变区域/腔室202中支撑结构104的内表面208(即介电层和/或介电层上的疏水涂层)的润湿特性的频率范围和平均或峰值功率(例如,电压或电流)范围。这种频率范围和平均或峰值功率范围是本领域已知的。例如,参见美国专利第6,958,132号(Chiou等人)、美国专利第RE44,711号(Wu等人)(最初发布为美国专利第7,612,355号)和美国专利申请公布第US2014/0124370号(Short等人)、US2015/0306598(Khandros等人)和US2015/0306599(Khandros等人)。

隔离围栏。在图2C和图2D所示的微流体装置240内示出一般隔离围栏244、246和248的非限制性示例。每个隔离围栏244、246和248可以包括分离结构250,其限定分离区域258和将分离区域258流体上连接到通道122的连接区域254。连接区域254可以包括到通道122的近端开口252以及到分离区域258的远端开口256。连接区域254可以被配置为使得从通道122流入隔离围栏244、246、248的流体介质(未示出)流动的最大穿透深度不延伸到分离区域258。因此,由于连接区域254,因此,布置在隔离围栏244、246、248的分离区域258中的微物体(未示出)或其它材料(未示出)可以与通道122中的介质180的流动分离并且基本上不受其影响。

因此,通道122可以是波及区域的示例,并且隔离围栏244、246、248的分离区域258可以是未波及区域的示例。如所示的,通道122和隔离围栏244、246、248可以被配置为包含一个或多个流体介质180。在图2C-图2D所示的示例中,端口242被连接到通道122并且允许将流体介质180引入微流体装置240或从微流体装置240移除流体介质180。一旦微流体装置240包含流体介质180,则可以选择性地产生和停止通道122中的流体介质180的流260。例如,如图所示,端口242可以布置在通道122的不同位置(例如,相对端)处,并且可以从用作入口的一个端口242到用作出口的另一端口242形成介质的流260。

图2E示出根据本发明的隔离围栏244的示例的详细视图。还示出微物体270的示例。

众所周知,微流体通道122中流体介质180的流260经过隔离围栏244的近端开口252可以使得介质180的二次流262进入和/或离开隔离围栏244。为了将隔离围栏244的分离区域258中的微物体270与二次流262分离,隔离围栏244的连接区域254的长度Lcon(即,从近端开口252到远端开口256)应该大于二次流262进入到连接区域254的穿透深度Dp。二次流262的穿透深度Dp取决于在通道122中流动的流体介质180的速度、以及与通道122的配置相关的各种参数、以及到通道122的连接区域254的近端开口252。对于给定的微流体装置,通道122和开口252的配置将是固定的,而通道122中流体介质180的流260速率将是可变的。因此,对于每个隔离围栏244,可以识别通道122中流体介质180流260的最大速度Vmax,确保二次流262的穿透深度Dp不超过连接区域254的长度Lcon。只要通道122中流体介质180的流260速率不超过最大速度Vmax,则所得到的二次流262可以被限制到通道122和连接区域254并保持在分离区域258之外。因此,通道122中的介质180的流260将不会把微物体270拖拽出分离区域258。相反,位于分离区域258中的微物体270将停留在分离区域258中,而不管通道122中流体介质180的流260。

此外,只要通道122中介质180的流260速率不超过Vmax,通道122中流体介质180的流260将不会把混杂颗粒(例如微粒和/或纳米颗粒)从通道122移至隔离围栏244的分离区域258。使得连接区域254的长度Lcon大于二次流262的最大穿透深度Dp,可以因此防止一个隔离围栏244被来自通道122或另一个隔离围栏(例如,图2D中的隔离围栏246、248)的混杂颗粒污染。

由于通道122和隔离围栏244、246、248的连接区域254可能受通道122中介质180的流260的影响,所以通道122和连接区域254可以被认为是波及(或流动)区域。另一方面,隔离围栏244、246、248的分离区域258可以被认为是未波及(或非流动)区域。例如,通道122中第一流体介质180中的组分(未示出)可以基本上仅通过第一介质180的组分扩散(从通道122经过连接区域254并进入到分离区域258中的第二流体介质280)与分离区域258中的第二流体介质280混合。类似地,分离区域258中第二介质280的组分(未示出)可以基本上仅通过第二介质280的组分扩散(从分离区域258经过连接区域254并进入到通道122中的第一介质180)与通道122中的第一介质180混合。第一介质180可以是与第二介质280相同或不同的介质。此外,第一介质180和第二介质280可以在开始时是相同的,然后变得不同(例如,通过由分离区域258中的一个或多个细胞来调节第二介质280,或者通过改变流过通道122的介质180)。

由通道122中流体介质180的流260引起的二次流262的最大穿透深度Dp可以取决于如上所述的多个参数。这类参数的示例包括:通道122的形状(例如,通道可以将介质引导到连接区域254中,将介质从连接区域254转移,或者沿着基本上垂直于连接区域254的近端开口252的方向将介质引导到通道122中);通道122在近端开口252处的宽度Wch(或横截面积);和连接区域254在近端开口252处的宽度Wcon(或横截面积);通道122中流体介质180的流260的速度V;第一介质180和/或第二介质280的粘度等。

在一些实施例中,通道122和隔离围栏244、246、248的尺寸可以相对于通道122中的流体介质180的流260的向量被定向如下:通道宽度Wch(或通道122的横截面积)可以基本上垂直于介质180的流260;连接区域254在开口252处的宽度Wcon(或横截面积)可以基本上平行于通道122中介质180的流260;和/或连接区域的长度Lcon可以基本上垂直于通道122中介质180的流260。前述仅仅是示例,并且通道122和隔离围栏244、246、248的相对位置可以是相对于彼此的其它取向。

如图2E所示,连接区域254的宽度Wcon可以从近端开口252到远端开口256是均匀的。因此,连接区域254在远端开口256处的宽度Wcon可以是本文为连接区域254在近端开口252处的宽度Wcon所标识的范围。可替代地,连接区域254在远端开口256处的宽度Wcon可以大于连接区域254在近端开口252处的宽度Wcon

如图2E所示,分离区域258在远端开口256处的宽度可以与连接区域254在近端开口252处的宽度Wcon基本相同。因此,分离区域258在远端开口256处的宽度可以是本文为连接区域254在近端开口252处的宽度Wcon所标识的任何范围。可替代地,分离区域258在远端开口256处的宽度可以大于或小于连接区域254在近端开口252处的宽度Wcon。此外,远端开口256可以小于近端开口252,并且连接区域254的宽度Wcon可以在近端开口252与远端开口256之间变窄。例如,使用各种不同的几何形状(例如,斜切连接区域、使连接区域成斜面),连接区域254可以在近端开口与远端开口之间变窄。此外,连接区域254的任何部分或子部分(例如,连接区域与近端开口252相邻的一部分)可以变窄。

在隔离围栏(例如124、126、128、130、244、246或248)的各种实施例中,分离区域(例如258)被配置为包含多个微物体。在其它实施例中,分离区域可以被配置为仅仅包含一个、两个、三个、四个、五个或类似的相对较少数量的微物体。因此,例如,分离区域的体积可以是至少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。

在隔离围栏的各种实施例中,通道122在近端开口(例如252)处的宽度Wch可以在以下范围内: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。上述仅仅是示例,并且通道122的宽度Wch可以在其它范围内(例如,由上面列出的任何端点限定的范围)。此外,通道122的Wch可以被选择为通道在除了隔离围栏的近端开口之外的区域中的任何一个范围。

在一些实施例中,隔离围栏的横截面的高度为约30至约200微米、或约50至约150微米。在一些实施例中,隔离围栏的横截面积为约100,000至约2,500,000平方微米、或约200,000至约2,000,000平方微米。在一些实施例中,连接区域具有与对应的隔离围栏的横截面高度相匹配的横截面高度。在一些实施例中,连接区域具有约50至约500微米、或约100至约300微米的横截面宽度。

在隔离围栏的各种实施例中,通道122在近端开口252处的高度Hch可以在以下任何范围内: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。上述仅仅是示例,并且通道122的高度Hch可以在其它范围内(例如,由上述任何端点限定的范围)。通道122的高度Hch可以被选择为通道在除了隔离围栏的近端开口之外的区域中的任何一个范围。

在隔离围栏的各种实施例中,通道122在近端开口252处的横截面面积可以在以下任何范围内: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。上述仅仅是示例,并且通道122在近端开口252处的横截面积可以在其它范围内(例如,由上述任何端点限定的范围)。

在隔离围栏的各种实施例中,连接区域254的长度Lcon可以在以下任何范围内: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。上述仅仅是示例,并且连接区域254的长度Lcon可以在与上述示例不同的范围内(例如,由上述任何端点限定的范围)。

在隔离围栏的各种实施例中,连接区域254在近端开口252处的宽度Wcon可以在以下任何范围内: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。上述仅仅是示例,并且连接区域254在近端开口252处的宽度Wcon可以不同于前述示例(例如,由上面列出的任何端点限定的范围)。

在隔离围栏的各种实施例中,连接区域254在近端开口252处的宽度Wcon可以在以下任何范围内: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。上述仅仅是示例,并且连接区域254在近端开口252处的宽度Wcon可以不同于前述示例(例如,由上面列出的任何端点限定的范围)。

在隔离围栏的各种实施例中,连接区域254的长度Lcon与连接区域254在近端开口252处的宽度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。上述仅仅是示例,并且连接区域254的长度Lcon与连接区域254在近端开口252处的宽度Wcon之比可以与上述示例不同。

在微流体装置100、200、240、290的各种实施例中,Vmax可以被设置为约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、or 1.5μL/sec。

在具有隔离围栏的微流体装置的各种实施例中,隔离围栏的分离区域258的体积可以是例如至少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。在具有隔离围栏的微流体装置的各种实施例中,隔离围栏的体积可以是约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或约8×107立方微米或更大。在一些实施例中,微流体装置具有其中可以维持不超过1×102个生物细胞的隔离围栏,并且隔离围栏的体积可以不超过2×106立方微米。在一些实施例中,微流体装置具有其中可以维持不超过1×102个生物细胞的隔离围栏,并且隔离围栏可以不超过4×105立方微米。在其它实施例中,微流体装置具有其中可以维持不超过50个生物细胞的隔离围栏,隔离围栏可以不超过4×105立方微米。

在各种实施例中,微流体装置具有如本文所述的任何实施例中所配置的隔离围栏,其中微流体装置具有约100至约500个隔离围栏、约200至约1000个隔离围栏、约500至约1500个隔离围栏、约1000至约2000个隔离围栏、或约1000至约3500个隔离围栏。

在一些其它实施例中,微流体装置具有如本文所述的任何实施例中所配置的隔离围栏,其中微流体装置具有约1500至约3000个隔离围栏、约2000至约3500个隔离围栏、约2500至约4000个隔离围栏、约3000至约4500个隔离围栏、约3500至约5000个隔离围栏、约4000至约5500个隔离围栏、约4500至约6000个隔离围栏、约5000至约6500个隔离围栏、约5500至约7000个隔离围栏、约6000至约7500个隔离围栏、约6500至约8000个隔离围栏、约7000至约8500个隔离围栏、约7500至约9000个隔离围栏、约8000至约9500个隔离围栏、约8500至约10,000个隔离围栏、约9000至约10,500个隔离围栏、约9500至约11,000个隔离围栏、约10,000至约11,500个隔离围栏、约10,500至约12,000个隔离围栏、约11,000至约12,500个隔离围栏、约11,500至约13,000个隔离围栏、约12,000至约13,500个隔离围栏、约12,500至约14,000个隔离围栏、约13,000至约14,500个隔离围栏、约13,500至约15,000个隔离围栏、约14,000至约15,500个隔离围栏、约14,500至约16,000个隔离围栏、约15,000至约16,500个隔离围栏、约15,500至约17,000个隔离围栏、约16,000至约17,500个隔离围栏、约16,500至约18,000个隔离围栏、约17,000至约18,500个隔离围栏、约17,500至约19,000个隔离围栏、约18,000至约19,500个隔离围栏、约18,500至约20,000个隔离围栏、约19,000至约20,500个隔离围栏、约19,500至约21,000个隔离围栏、or约20,000至约21,500个隔离围栏。

图2F示出根据一个实施例的微流体装置290。图2F中示出的微流体装置290是微流体装置100的程式化图。实际上,微流体装置290及其组成回路元件(例如,通道122和隔离围栏128)将具有本文所讨论的尺寸。图2F中示出的微流体回路120具有两个端口107、四个不同的通道122和四个不同的流动路径106。微流体装置290还包括通到每个通道122的多个隔离围栏。在图2F所示的微流体装置中,隔离围栏具有类似于图2E所示围栏的几何形状,因此具有连接区域和分离区域。因此,微流体回路120既包括波及区域(例如,通道122和在二次流262的最大穿透深度Dp内的连接区域254的部分)也包括非波及区域(例如,分离区域258和不在二次流262的最大穿透深度Dp内的连接区域254的部分)。

图3A至图3D示出可用于操作和观察根据本发明的微流体装置(例如,100、200、440、290)的系统150的各种实施例。如图3A所示,系统150可以包括被配置为保持微流体装置100(未示出)或本文所述的任何其它微流体装置的结构("巢(nest)")300。巢300可以包括能够与微流体装置360(例如,光学致动的动电装置100)交界并且提供从电源192到微流体装置360的电连接的插座302。巢300还可以包括集成的电信号生成子系统304。集成的电信号生成子系统304可以被配置为向插座302提供偏置电压,使得当插座302保持微插流器装置360时,在微插流器装置360中的一对电极两端施加偏置电压。因此,电信号生成子系统304可以是电源192的一部分。将偏置电压施加到微流体装置360的能力并不意味着当插座302保持微流体装置360时会一直施加偏置电压。相反,在大多数情况下,将间歇地施加偏置电压,例如,仅在需要在微流体装置360中便于生成动电力(例如介电泳或电润湿)时,才施加偏置电压。

如图3A所示,巢300可以包括印刷电路板组件(PCBA)320。电信号生成子系统304可以安装在PCBA 320上并被电集成到PCBA 320中。示例性支撑件也包括安装在PCBA 320上的插座302。

通常,电信号生成子系统304将包括波形发生器(未示出)。电信号生成子系统304还可以包括示波器(未示出)和/或被配置为放大从波形发生器接收到的波形的波形放大电路(未示出)。示波器(如果有的话)可以被配置为测量由插座302保持的提供给微流体装置360的波形。在一些实施例中,示波器测量在接近微流体装置360(和远离波形发生器)位置处的波形,从而确保更准确地测量实际施加到装置的波形。例如,从示波器测量值获得的数据可以被提供为对波形发生器的反馈,并且波形发生器可以被配置为基于这种反馈来调节其输出。Red PitayaTM是一个合适的组合式波形发生器和示波器的示例。

在一些实施例中,巢300还包括控制器308,诸如用于感测和/或控制电信号生成子系统304的微处理器。合适的微处理器的示例包括ArduinoTM微处理器,诸如Arduino NanoTM。控制器308可以用于执行功能和分析,或者可以与外部主控制器154(图1所示)进行通信以执行功能和分析。在图3A所示的实施例中,控制器308通过接口310(例如,插头或连接器)与主控制器154通信。

在一些实施例中,巢300可以包括电信号生成子系统304,其包括Red PitayaTM波形发生器/示波器单元("Red PitayaTM单元")和波形放大电路,其中波形放大电路将Red PitayaTM单元产生的波形放大并且将放大的电压传送给微流体装置100。在一些实施例中,Red PitayaTM单元被配置为测量微流体装置360处的放大电压,然后根据需要调节其自身的输出电压,使得在微流体装置360处测量到的电压是期望值。在一些实施例中,波形放大电路可以具有由安装在PCBA 320上的一对DC-DC转换器产生的+6.5V至-6.5V的电源,从而在微流体装置360处产生高达13Vpp的信号。

如图3A所示,巢300还可以包括热控制子系统306。热控制子系统306可以被配置为调整由支撑结构300保持的微流体装置360的温度。例如,热控制子系统306可以包括Peltier热电装置(未示出)和冷却单元(未示出)。Peltier热电装置可以具有被配置为与微流体装置360的至少一个表面相交界的第一表面。例如,冷却单元可以是冷却块(未示出),诸如液体冷却铝块。Peltier热电装置的第二表面(例如,与第一表面相对的表面)可以被配置为与这种冷却块的表面交界。冷却块可以被连接到流体路径330,流体路径330被配置为通过冷却块循环冷却的流体。在图3A所示的实施例中,支撑结构300包括入口332和出口334,以从外部贮液器(未示出)接收冷却的流体,将冷却的流体引入流体路径330并通过冷却块,然后将冷却的流体返回到外部贮液器。在一些实施例中,Peltier热电装置、冷却单元和/或流体路径330可以安装在支撑结构300的壳体340上。在一些实施例中,热控制子系统306被配置为调整Peltier热电装置的温度,以便实现微流体装置360的目标温度。例如,可以通过诸如PololuTM热电电源(Pololu Robotics and Electronics Corp.(Pololu Robotic和Electronics公司))的热电电源来实现Peltier热电装置的温度调整。热控制子系统306可以包括反馈电路,诸如由模拟电路提供的温度值。可替代地,可以由数字电路提供反馈电路。

在一些实施例中,巢300可以包括具有反馈电路的热控制子系统306,其中反馈电路是包括电阻器(例如,电阻为1kΩ+/-0.1%,温度系数+/-0.02ppm/C0)和NTC热敏电阻(例如,标称电阻为1kΩ+/-0.01%)的模拟分压器电路(图3B所示)。在一些示例中,热控制子系统306测量来自反馈电路的电压,然后使用计算出的温度值作为机载PID控制环路算法的输入。例如,来自PID控制环路算法的输出可以驱动PololuTM马达驱动器(未示出)上的定向和脉冲宽度调制的信号引脚,以致动热电电源,从而控制Peltier热电装置。

巢300可以包括串行端口350,其允许控制器308的微处理器经由接口310与外部主控制器154进行通信。另外,控制器308的微处理器可以与电信号生成子系统304和热控制子系统306进行通信(例如,经由Plink工具(未示出))。因此,经由控制器308、接口310和串行端口350的组合,电信号生成子系统308和热控制子系统306可以与外部主控制器154进行通信。以这种方式,除了其他方面之外,主控制器154可以通过执行用于输出电压调节的缩放计算,以辅助电信号生成子系统308。通过耦接到外部主控制器154的显示装置170提供的图形用户界面(GUI)(图3C中示出其一个示例)可以被配置为绘制分别从热控制子系统306和电信号生成子系统308获得的温度和波形数据。可替代地或另外地,GUI可以允许更新控制器308、热控制子系统306和电信号生成子系统304。

如上所述,系统150可以包括成像装置194。在一些实施例中,成像装置194包括光调制子系统404。光调制子系统404可以包括数字反射镜装置(DMD)或微快门阵列系统(MSA),其中任一个可以被配置为接收来自光源402光并将接收到的光的一部分发送到显微镜400的光具组中。可替代地,光调制子系统404可以包括产生其自身光的装置(因此无需光源402),诸如有机发光二极管显示器(OLED)、硅基液晶(LCOS)器件、铁电硅基液晶(FLCOS)或透射液晶显示器(LCD)。例如,光调制子系统404可以是投影仪。因此,光调制子系统404能够发射结构化的光和非结构化的光。合适的光调制子系统404的一个示例是来自Andor TechnologiesTM的MosaicTM系统。在一些实施例中,系统150的成像模块164和/或运动模块162可以控制光调制子系统404。

在一些实施例中,成像装置194还包括显微镜400。在这种实施例中,巢300和光调制子系统404可以被单独地配置为安装在显微镜400上。例如,显微镜400可以是标准研究级别的光学显微镜或荧光显微镜。因此,巢300可以被配置为安装在显微镜400的载物台410上和/或光调制子系统404可以被配置成安装在显微镜400的端口上。在其它实施例中,巢300和光调制子系统404可以是显微镜400的集成组件。

在一些实施例中,显微镜400还可以包括一个或多个检测器422。在一些实施例中,由成像模块164控制检测器422。检测器422可以包括目镜、电荷耦合器件(CCD)、相机(例如,数码相机)或其任何组合。如果存在至少两个检测器422,则一个检测器可以是例如快速帧率相机,而另一个检测器可以是高灵敏度相机。此外,显微镜400可以包括一种光具组,其被配置为接收从微流体装置360反射和/或发射的光并且将反射和/或发射的光的至少一部分聚焦在一个或多个检测器422上。显微镜的光具组还可以包括用于不同检测器的不同管透镜(未示出),使得每个检测器上的最终放大率可以不同。

在一些实施例中,成像装置194被配置为使用至少两个光源。例如,可以使用第一光源402来产生结构化的光(例如,经由光调制子系统404),并且可以使用第二光源432来提供非结构化的光。第一光源402可以产生用于光学致动的电运动和/或荧光激发的结构化光,并且第二光源432可以用于提供亮视场照明。在这些实施例中,运动模块162可以用于控制第一光源404,并且成像模块164可以用于控制第二光源432。显微镜400的光具组可以被配置为(1)从光调制子系统404接收结构化的光,并且当该装置被支撑结构200保持时,将结构化的光聚焦在微流体装置(诸如光学致动的动电装置)中的至少第一区域上,以及(2)接收从微流体装置反射和/或发射的光并将这种反射和/或发射的光的至少一部分聚焦到检测器422上。光具组还可以被配置为从第二光源接收非结构化的光,并且当该装置被支撑结构300保持时,将非结构化的光聚焦在微流体装置的至少第二区域上。在一些实施例中,微流体装置的第一和第二区域可以是重叠区域。例如,第一区域可以是第二区域的一部分。

在图3D中,第一光源402被示为将光提供给光调制子系统404,其将结构化的光提供给显微镜400的光具组。第二光源432被示为经由分束器436将非结构化的光向提供给光具组。来自光调制子系统404的结构化光和来自第二光源432的非结构化光通过光具组一起从分束器436行进到达第二分束器(或二向色滤光器406,取决于光调制子系统404提供的光),其中光通过物镜408向下反射到样本平面412。然后来自样本平面412的被反射和/或发射的光通过物镜408、通过分束器和/或二向色滤光器406返回至另一个二向色滤光器424。到达二向色滤光器424的仅仅一部分光穿过并到达检测器422。

在一些实施例中,第二光源432发射蓝光。利用适当的二向色滤光器424,从样本平面412反射的蓝光能够穿过二向色滤光器424并到达检测器422。相反地,来自光调制子系统404的结构化的光从样本平面412反射,但不穿过二向色滤光器424。在该示例中,二向色滤光器424滤除波长长于495nm的可见光。只有从光调制子系统发射的光不包括短于495nm的任何波长时,对来自光调制子系统404的光的这种滤除才算完成(如图所示)。在实践中,如果来自光调制子系统404的光包括短于495nm的波长(例如,蓝色波长),则来自光调制子系统的一些光将穿过滤波器424以到达检测器422。在这种实施例中,滤波器424作用为改变从第一光源402和第二光源432到达检测器422的光量之间的平衡。如果第一光源402明显强于第二光源402,则这是有益的。在其它实施例中,第二光源432可以发射红光,并且二向色滤光器424可以滤除除了红光之外的可见光(例如,波长短于650nm的可见光)。

图3E示出根据本发明具体实施例的运动模块164与光调制子系统404之间的通信,以在微流体装置上投射光的图案。如上关于图3D所讨论的,光调制子系统404可以包括电寻址空间光调制器和/或光寻址空间光调制器。电寻址空间光调制器包括由电极控制的可单独寻址的空间光调制器(即,空间光调制元件)阵列。在图3E中,光调制子系统404是包括由电极控制的可单独寻址的微反射镜464阵列的数字反射镜装置(DMD)460。然而,在其它实施例中,光调制子系统404可以是包括对应于液晶显示器中的像素的可单独寻址电极的阵列的硅上液晶(LCoS)器件。

在图3E所示的实施例中,光调制子系统404使用单独的光源440来接收和调制光。然而,在其它实施例中,光调制子系统404包括其自己的光源。

如图3E所示,运动模块162将指定光的特定图案的信息450("图案信息")发送到光调制子系统404。在一些实施例中,图案信息450可以包括位图(或类似的基于像素的数据结构)、矢量数据或其任何组合。为了说明的目的,图3E中的图案信息450被示出为包括像素阵列454并且包括像素的正方形图案452的位图。根据实施例,图案信息450可以是二进制的(即指定是否投射光图案)、或包含指示要投射的光的强度的值。在空间光调制器是微反射镜464的情形下,微反射镜464可以通过在"开"与"关"(即"抖动"微反射镜)之间快速切换反射镜来产生不同的光强度。

光调制子系统404从运动模块162接收图案信息450,并使用图案信息450将光图案468的投影引导到微流体装置470上的DEP电极区域474上。在图3E所示的实施例中,DMD 460将对应于正方形图案信息450的多个462个可单独寻址的微反射镜464旋转成"开(ON)状态"。可单独寻址的微反射镜462的正方形图案调制来自光源的光440,以将光图案468投射到微流体装置470上,其照亮微流体装置470中DEP电极区域474的阵列中DEP电极区域472的正方形图案。

在一些实施例中,在将光投射到微流体装置470上的单独可寻址空间光调制元件464的阵列与微流体装置470中的DEP电极区域474的阵列之间存在一对一的对应关系。以这种方式,每个单独可寻址的空间光调制元件464可以投射光以在相应的DEP电极区域474处产生光致动的DEP力。在这些实施例中,运动模块162可以将图案信息450发送到指定将光投射到其上的DEP电极区域474的光调制子系统404。例如,代替将位图和/或矢量数据发送到光调制子系统404,运动模块162可以直接与可单独寻址的空间光调制器进行通信,以控制照射微流体装置470上的哪个DEP电极区域474。一旦被照射,DEP电极区域474可以对周围的微物体施加OET或OEW力。

如上所述,在一些实施例中,空间光调制元件464可以接收指定要投射的光强度的图案信息450。在具体实施例中,图案信息450可以指定投射在微流体装置中相邻DEP电极区域474上的光的渐变。在一些实施例中,图案信息450可以指定在相邻DEP电极区域474上强度降低的光的渐变。例如,图案信息450可以指定将最大光强度的大约100%投射在第一DEP电极区域474处,将最大光强度的70%投射在与第一DEP电极区域474相邻的第二DEP电极区域474处,并且将最大光强度的10%投射在与第二DEP电极区域474相邻的第三个DEP电极区域474处。可以使用光强度的各种组合来投射在不同数量的DEP电极区域474上的渐变(例如,在任何数量的DEP电极区域474上的最大光强度的约100%、约90%、约80%、约70%、约60%、约50%、约40%、约30%、约20%和约10%的任意递减组合以及其间的任何值)。类似地,图案信息450可以在指定任何数量的DEP电极区域474上的强度增大的光的渐变或者任何数量的DEP电极区域474上强度既增大又减小的光的渐变。

在一个方面,本发明提供了用于自动检测布置在微流体装置内的感兴趣的微物体的方法。感兴趣的微物体可以是细胞,诸如哺乳动物细胞(例如,血细胞、杂交瘤、癌细胞、转化细胞等)。可替代地,感兴趣的微物体可以是诸如可以用在测定中的珠粒(例如,微珠、磁珠等)。

更具体地,本发明提供了自动检测与微流体装置的特征具有相似形态的感兴趣的微物体的方法。在一些情形下,微流体装置的具有与感兴趣的微物体相似形态的其它特征可能使得布置在微流体装置内的微物体的检测复杂化。例如,在细胞具有10微米直径的情况下,可能难以将这些细胞与10微米×10微格的光电晶体管阵列区分开。此外,与微流体装置的各种特征相比,诸如细胞的微物体可以是相对半透明的。因此,在识别感兴趣的微物体之前,需要识别和去除微流体装置不期望的特征(例如,微流体装置的光电晶体管阵列、壁或回路元件)。

本发明提供生成基本上去除了微流体装置的特征(在本文中也称为"微流体装置特征")但保持感兴趣的微物体的差分和滤波图像的方法。在一些实施例中,差分图像用于去除微流体装置的特征。在这些实施例中,拍摄微流体装置的第一和第二图像并使用它们来产生差分图像。在某些实施例中,第一和第二图像是数字图像。例如,可以使用诸如数字照相机或CCD装置的数字成像装置来捕捉第一和第二图像。可替代地,可以以非数字化格式获得第一和第二图像,然后将其转换成数字图像。在被捕捉(并且如果必要的话,被数字化)之后,第一和第二图像可以被存储在数字存储装置中。

在某些情况下,可以采取措施以在创建第一图像之后且在创建第二图像之前诱导微流体装置中的流体的移动。在这些情况下,诱导存在于该区域中的流体的移动可以涉及诱导小的、可控制的流体流入或流出微流体装置。例如,可以使用泵将离散体积的流体(例如,30pL、60pL、90pL等)引入微流体装置的流动路径中,从而使得流体路径路中的所有流体(以及包含在流体内的任何微物体)在流体流动的方向上移动一小段距离(例如2、5、10、15、20、30微米等)。可替代地,可以使用泵从微流体装置的流动路径中吸取离散体积的流体(例如,30pL、60pL、90pL等),从而使得流体路径中的所有流体(以及包含在流体内的任何微物体)在流体流动的方向上移动一小段距离(例如2、5、10、15、20、30微米等)。在另一替代方案中,可以打开将微流体装置连接到流体源的阀。这通常导致微流体装置内流体的轻微移动,导致流动路径中的流体(以及包含在流体内的任何微物体)移动一小段距离。不意图受理论束缚,人们相信这种轻微的运动是由表面张力的变化引起的。

在其它情况下,在创建第一图像之后且在创建第二图像之前,微流体装置的位置相对于成像装置194移动。在某些实施例中,移动微流体装置的位置可以涉及移动保持微流体装置的平台。该平台可以是成像装置194的一部分,诸如常规显微镜(例如,光学显微镜或荧光显微镜),或适用于操作动电微流体装置的系统。在某些实施例中,微流体装置可以移位至少1、2、3微米或更多。通常地,移位将在垂直于成像装置194的光轴的方向上。例如,如果光轴对应于z轴,则微流体装置的移位可以在x、y平面中。然而,在一些实施例中,移位可以包括(或甚至被限制为)沿着z轴的移动。在某些实施例中,压电装置用于移动微流体装置或保持微流体装置的平台。

在创建第一图像和第二图像之后,可以使用各种方法来进一步分析和处理第一和第二图像。例如,可以评价和/或记录图像中的每个像素Pi(i=1至n)的光强度值Li,其中n是图像中的像素数。光强度值Li可以是像素Pi的实际观察到的光强度值Li,obs。可替代地,可以使光强度值平滑。例如,Li可以是像素Pi以及接触(即,直接环绕)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,光强度值Li可以像素Pi的实际观察到的光强度值Li减去背景光强度值Lbkgd。在某些实施例中,使用0-8比特、0-10比特、0-12比特或0-14比特来表示每个像素Pi的光强度值Li。使用较大数量的比特来表示光强度值Li可以提供弱信号的优异分析。

在一些实施例中,通过从第二图像中减去第一图像来生成差分图像。在其它实施例中,通过从第一图像中减去第二图像来生成差分图像。在一些实施例中,可以将负光强度值Li分配给一个图像的一些或全部像素Pi,并且可以将正光强度值Li分配给可以从另一个图像将一些或全部像素Pi。在这些实施例中,可以将两个图像中的像素Pi的光强度值Li相加,以从另一个图像减去一个图像。通过减去存在于第一图像和第二图像中的相同像素,可以在分析图像之前去除微流体装置的静态特征,而不去除感兴趣的移动微物体,以识别感兴趣的微物体。例如,可以通过产生减去表示这些特征的像素的差分图像来去除光电晶体管阵列和/或微流体回路元件(例如,壁)。

在从另一个图像中减去一个图像之前,可以通过计算对准第一和第二图像,并且可以可选地丢弃不能对准的第一和第二图像的区域。这种对准可以涉及使用一个或多个可识别的参考点,诸如微流体装置内的回路元件(例如微流体装置内的通道或隔离围栏)。可以通过计算产生差分图像,然后将其存储在数字存储器件中。

在创建差分图像之后,可以使用各种方法来在识别感兴趣的微物体之前进一步分析和处理差分图像。在某些实施例中,分析差分图像还包括将具有正光强度值Li的每个像素Pi识别为正值像素,并且将具有负光强度值Li的每个像素Pi识别为负值像素。在其它实施例中,分析差分图像还包括:将每个像素Pi的光强度值Li与预定阈值光强度值L°进行比较;以及将具有大于L°的Li的每个像素Pi识别为正值像素,并且将具有小于-1*L°的Li的每个像素Pi作为负值像素。在某些实施例中,L°可以基于从一组像素Pi(i=1至n)获得的一组光强度值Li的平均光强度值Lavg。对于Lavg的计算,可以在计算之前将具有负光强度值Li的任何像素Pi乘以因子-1。因此,例如,L°可以等于Lavg。在某些相关实施例中,L°可以基于从一组像素Pi(i=1至n)获得的一组光强度值Li的平均光强度值Lavg和标准偏差σ。例如,L°可以等于Lavg加上一些倍数的σ(例如,L°可以等于Lavg+1.6σ、Lavg+2.0σ、Lavg+3.0σ等)。在某些实施例中,凭经验确定L°的最佳值。

在替代实施例中,可以使用计算变换从微流体装置的一个或多个图像中识别并去除微流体装置特征。例如,可以使用傅里叶变换来识别微流体装置的周期性的特征(诸如光电晶体管阵列、周期性回路元件(例如壁))并滤除周期性特征。在具体实施例中,将离散傅立叶变换("DFT")应用于微流体装置的图像,并且从图像中滤除与DFT的频域相对应的像素。在将与频域对应的像素滤除之后,应用逆DFT以产生滤波图像。在产生滤波图像的实施例中,图像中的一些或全部像素Pi具有正的光强度值Li,并且可以如上关于差分图像所讨论的那样进行处理和/或分析。

在某些实施例中,单个像素可以对应于微流体装置中与感兴趣的微物体的横截面面积基本相似的面积。例如,每个像素可以对应于微流体装置中基本上为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)的面积,并且微物体的横截面面积可以基本上为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)。在这种实施例中,单个正值(或负值)像素可以表示微物体的位置。因此,在使用差分图像来识别感兴趣的微物体的实施例中,被识别为正值像素的像素可以表示微物体的当前位置(即,流体移动之后的位置),并且被标识为负值像素的像素可以表示微物体的先前位置(即流体移动之前的位置)。然而,如果通过从第一图像中减去第二图像来生成差分图像,则识别为正值像素的像素可以表示微物体的先前位置,并且识别为负值像素的像素可以表示微物体的当前位置。

在其它实施例中,单个像素可以对应于微流体装置中显著小于感兴趣的微物体的横截面面积的面积。例如,微物体可以具有约80平方微米的横截面积,而像素可以对应于约2平方微米的面积。在这种实施例中,将需要一个或多个像素的群集来覆盖微物体的横截面面积(例如,在上述示例中,将需要大致40个像素来覆盖微物体的横截面积,或者将需要24个像素来覆盖微物体的圆周的横截面积)。因此,在某些实施例中,分析差分和/或滤波图像还包括确定一组正值(或负值)像素是否形成彼此邻近聚合的一个或多个像素的群集(即像素群)以及确定与被检测的微物体相比由该组像素群表示的区域是否足够大。例如,可以将对应于感兴趣的微物体的横截面积的至少50%(或60%、70%、80%、90%、或基本上相似)区域的一组像素群识别为表示微物体的位置。可替代地,可以将对应于感兴趣的微物体的横截面圆周的至少70%(或80%、90%、或基本上相似)区域的一组像素群识别为表示微物体的位置。在这些图像包括多个微物体的情形下,可以识别和分析多组像素群,以确定每组像素群是否对应于感兴趣的微物体。

一组像素群的分析还可以包括除了像素群的面积和圆周之外的许多其它特征。可以根据全局形态(即,一个或多个像素群的集合的尺寸和形状)、局部形态(即各个像素群的尺寸和形状)、正和负光强度值Li以及基于这些元素的组合的其它特征(例如,光强度作为尺寸的函数)来分析一组像素群。可以使用各种方法来分析一组像素群,该方法包括传统的机器学习技术,其中针对微物体的一组图像计算上述特征,并且使用上述特征来训练分类器,以基于相同的功能识别新图像中感兴趣的微物体。

在某些实施例中,可以为成对的正值和负值像素(或多组像素群)分析差分图像,并且微物体的识别可以限于差分图像包含相应的正值和负值像素(或多组像素群)的情形。在某些相关实施例中,微物体的识别可以限于差分图像包含一对正值和负值像素(或者多组像素群)并且正值和负值像素(或多组像素群)的相对位置之差与该区域中诱导的流体的移动幅度一致的情形。

除了指定是否存在微物体的信息之外,微物体识别可以提供各种额外信息。如上所述,可以关于潜在微物体的尺寸和形状来分析差分和/或滤波图像。在这样做时,可以产生关于微物体的各种信息,包括微物体的半径、微物体的周界和与微物体相关联的质心。

一旦识别出微物体,就可以对微物体执行各种操作。在一些实施例中,可以使用细胞识别对微流体回路中的微物体进行计数。在一些实施例中,所识别的微物体将与微流体回路的各种回路元件(例如通道、隔离围栏、捕集或其任何组合)和/或微流体回路上的空间位置相关联。在这些实施例中,可以计算微流体回路的特定区域(例如通道、隔离围栏、捕集或其任何组合)中的微物体的密度。

还可以结合使用诸如OET或DEP力的力来操纵或重新定位微物体来使用微物体识别。在一些实施例中,在特定回路元件(例如通道或隔离围栏)或微流体回路的位置中识别的微物体可以移动(即重新定位)到另一类型的回路元件或微流体回路的位置。例如,可以在微流体回路中的通道中识别微物体,并将微物体重新定位在微流体回路中的隔离围栏中(本文称为将微物体"装入围栏")。相反地,可以将在微流体回路中的隔离围栏中识别的微物体移动到微流体回路的通道中。可替代地,可以在一个隔离围栏中识别一个或多个微物体并将该一个或多个微物体重新定位在空的隔离围栏(在本文中称为将微物体"重新装入围栏")。根据实施例,可以使用包括OET和DEP力的各种机构来移动微物体。类似地,可以顺序地(即,一次一个微物体)、并行地或以其任何组合(例如,顺序地重新定位多组并行的多个细胞)重新定位微物体。

在将微物体从通道重新定位到单独的隔离围栏(或从单独的隔离围栏重新装入到另一个隔离围栏)的情形下,可以使用不同的算法将微物体分配给空的隔离围栏。在一些实施例中,使用算法以将微物体分配给空的隔离围栏,使得微物体与围栏之间的距离(即微物体在重新定位期间必须行进的轨迹或路径)最小化。在这些实施例中,因为微物体仅需要行进最小距离来重新定位在空的隔离围栏中,所以用于移动微物体的力(例如OET或DEP力)也被最小化。

在这些实施例中,可以使用通道中的局部微物体密度(即通道的特定空间区域内的微物体的数量)来确定适当的算法,以将通道中的特定微物体分配给空的隔离围栏。可以以多种方式计算局部微物体密度。在一些实施例中,可以基于固定尺寸面积(例如200平方微米、或者通道100微米长并且延伸通道的宽度的面积)或使用利用各种尺寸面积的方法来计算局部微物体密度。在其它实施例中,可以基于所识别的微物体的群集或识别的微物体之间的距离来计算局部微物体密度。还可以通过将通道细分为网格或使用"滑动窗口"方法计算通道重叠区域的密度来计算局部微物体密度。

如果局部微物体密度高于阈值T1density,则可以将微物体分配给最近的空隔离围栏,使得微物体与隔离围栏之间的距离被最小化。如果局部微物体密度低于特定阈值T1density,则以可以将空的隔离围栏分配给最接近空隔离围栏的微物体,使得微物体与隔离围栏之间的距离被最小化。在一些情形下,可以基于空围栏的数量以及预定义邻近区域的通道内的微物体的密度来计算局部T1density

可以使用计算微物体与空隔离围栏之间距离的不同方法(即,在装入围栏期间需要移动微物体的轨迹或路径)来将特定的微物体分配给空的隔离围栏。在一些实施例中,可以仅基于使用OET和/或DEP力的最佳轨迹来计算微物体与潜在隔离围栏之间的距离。在一些情形下,使用OET或DEP力的最佳轨迹涉及正交运动路径(例如,仅沿y轴和x轴的不同移动的组合)的组合来移动微物体。在其它情况下,距离可以基于微物体与隔离围栏之间的最短可能路径,而不受约束(即,微物体可以沿着任何路径行进,以到达隔离围栏)。在大多数实施例中,将使用与由用于计算距离(轨迹)的算法所确定的相同的轨迹来重新定位(即,"装入围栏"或"重新装入围栏")微物体。

类似地,在将大量微物体分配给隔离围栏的情形下(或反之亦然),可以使用不同的算法来计算微物体到围栏的最佳分配(反之亦然)。这些算法可以使用不同的计算方法来确定微物体到隔离围栏的分配,其最小化为了将微物体重新定位到隔离围栏,微物体需要移动的总距离(即,轨迹的长度)。例如,算法可以使用所有轨迹的长度之和作为启发式来最小化微物体需要行进的距离。在一些实施例中,可以将诸如在重新定位期间可以移动微物体的最大距离的约束引入最佳分配的计算中。可以使用各种组合算法来计算微物体与隔离围栏之间的最佳分配。合适的算法包括:贪婪算法、非线性优化、基于启发式的算法和约束搜索。其它类似的算法在本领域中是已知的。

一旦为微物体计算了最佳分配和轨迹,就可以使用力(诸如OET和/或DEP)将微物体移动到为其分配的围栏中。可以使用诸如"光笼"的光图案(其围绕微物体并使微物体经受OET和/或DEP力)、或者通过使用条或类似结构将OET和/或DEP力施加到微物体来重新定位微物体。通常,光笼是基本上包围微物体的结构(例如,正方形、圆形或多边形)。然而,在一些情形下,光笼可以包含断开或开口,使得微物体未被完全封闭。

如上所述,在大多数实施例中,将根据用于计算微物体到围栏的最佳分配的距离(轨迹)来移动微物体。根据实施例,微物体可以顺序地或并行地或以其任何组合(例如,顺序地移动多组并行的细胞)移动。在微物体并行移动的实施例中,用于计算最佳分配或轨迹的算法可以比较各个轨迹,并且通过修改微物体到围栏的轨迹和分配来确保微物体在并行移动时不会碰撞。在具体实施例中,当识别出潜在的碰撞时,算法可以"交换"微物体到围栏的分配。在该实施例中,当第一微物体的最佳轨迹与第二微物体的最佳轨迹相交时,将第一微物体的最佳轨迹分配给第二微物体,并且将第二微物体的最佳轨迹分配给第一微物体。在另一个具体实施例中,该算法延迟第一微物体的重新定位,直到第一和第二微物体可以沿其各自的轨迹移动而不碰撞的时刻。

在一些情况下,微物体密度可能太高,以至于在将微物体分配给隔离围栏和重新定位(即"装入围栏"或"重新装入围栏")微物体之前需要将微物体彼此分离。例如,微物体密度可能太高,以至于使得因为使用OET和/或DEP力重新定位物体的光笼不能被用于单个微物体上,而不干扰其它微物体,所以不能使用OET和/或DEP力来将微物体装入围栏。在最小化施加到微物体的OET和/或DEP力的量是重要的情形下,例如,在微物体可能被OET和/或DEP力或OET力的副产物(例如与OET和/或DEP力相关的电解)损害的情形下,这种干扰特别令人关注。在这些情形下,可以使用在微物体识别期间产生的信息(例如,半径、质心、周界和微物体的位置)来移动微物体,使得微物体可以被装入围栏或重新装入围栏(这里称为"分离"微物体),而不干扰其它细胞。

为了识别在将微物体装入围栏之前需要将它们分离的示例,可以基于限定的空间区域来计算局部微物体密度并与第二阈值T2density进行比较。可替代地,可以计算微物体之间的距离(例如,微物体的质心之间的距离、微物体的周界之间的距离),并用于确定是否需要分离微物体。然而,如可以理解的,在一些情形下,微物体之间的距离可能太小,而不能将微物体识别为单独的微物体和微物体。在这些情形下,可以在重新定位(即,"装入围栏")微物体之后重新识别微物体,以确保每个隔离围栏包含单个微物体。

在一些实施例中,使用修改后的光框以在装入围栏(或重新装入围栏)之前或在装入围栏(或重新装入围栏)期间分离微物体。在这些实施例中,使用分割算法来计算一组顶点,该组顶点将微流体装置的空间区域(例如,通道或隔离围栏的部分)中的每个所识别的微物体与相同空间区域中的其它微物体划分开。然而,如本领域技术人员可以理解的那样,可以绘制一组顶点,使得只有微流体装置的空间区域中的微物体的子组与其它微物体分离。例如,一组顶点可以只分离空间区域中由于与其它微物体紧密接近而需要重新定位的微物体的子组。

在特定实施例中,使用每个微物体的质心来计算Delaunay三角剖分。Delaunay三角剖分产生连接微物体的质心的一组三角形。然后基于使用Delaunay三角剖分计算的三角形的外接圆来计算Voronoi图。Voronoi图是将空间区域分成子区域的一组顶点,使得该组顶点与微物体的质心之间的距离最大化。计算将空间区域中的每个单元与其它单元划分开的一组顶点的其它方法在本领域中是已知的。

一旦计算出一组顶点,就可以将该组顶点与OET和/或DEP力结合使用以移动微物体。在一个实施例中,使用一组顶点与通常用于移动微物体的光笼形状(例如,正方形或圆形)的交叉点来生成一个或多个"修改后的光笼"。因为顶点和光笼的交差点定义了光笼不相交或重叠的区域,所以可以将光笼重新绘制成围绕交叉点(或交叉点的子组)的修改后的光笼,使得修改后的光笼不会干扰其它微物体。然后,通过将微物体彼此远离地移动来重新定位微物体,可以使用修改后的光笼来分离微物体。在一些情形下,当微物体被重新定位时,可以重新绘制修改后的光笼,使得当微物体处于最终位置时,绘制出原始的光笼。

在各种实施例中,可以使用修改后的光笼来重新定位微物体。根据实施例,在计算和选择每个微物体到隔离围栏的轨迹和分配之前或之后,对于两个邻近微物体使用修改后的光笼来重新定位微物体。在一些实施例中,使用修改后的光笼来迭代地或顺序地重新定位微物体。另外,可以使用修改后的光笼以将微物体装入为其分配的隔离围栏中。在一些实施例中,在重新定位其它微物体或将其它微物体装入围栏之前,可以将最靠近空间区域的周界或在空间上彼此最靠近的微物体重新定位或装入围栏。

在移动微物体时,使用OET和/或DEP来移动细胞的速度可以逐渐加速,以便"斜升"微物体的运动,并且确保微物体没有从光笼中丢失。例如,在具体实施例中,微物体的初始速度可以从低初始速度逐渐加速到较高行进速度。在自动地重新定位(例如,装入围栏、重新装入围栏和导出)微物体的情形下以及在手动地重新定位微物体(例如手动地选择和移动细胞)的情形下,均可应用这种逐渐加速。类似地,当微物体到达其轨迹的末端并处于其最终位置时,高的行进速度可以"斜降"至最终速度零。

图4A、图4B和图4C示出根据本发明一个实施例的微物体识别和装入围栏。在图4A中,在识别出细胞并将细胞分配给围栏之后,立即示出微流体回路的通道内的生物细胞。围绕细胞的黑框示出细胞识别算法的输出-即,由细胞周围的框指示的细胞的识别。围绕黑框的白框是用于重新定位细胞的OET力的光笼。最后,将围绕细胞的框连接到隔离围栏的黑线示出为将细胞分配到隔离围栏所计算出的最佳轨迹。图4B示出在稍后时间点处的相同细胞,其中光笼已经沿着其选择的轨迹移动。图4C示出第三时间点处的相同细胞,其中光笼已经沿其选择的轨迹差不多完全移动到将细胞定位在隔离围栏中。

图5A-图5F示出根据本发明具体实施例的微物体分离。图5A示出特定空间区域内的一组微物体的Delauney三角剖分和相应的Voronoi图。图5B示出了相应的Voronoi图,而没有示出Delauney三角剖分。图5C示出通常用于移动覆盖在Voronoi图上的微物体的光笼。图5D示出通过计算图5C的典型光笼与Voronoi图之间的交叉点而产生的修改后的光笼。图5E示出使用修改后的光笼彼此紧密接近的微物体的分离。图5F示出分离后的微物体。

本发明的方法对于所有类型的微流体装置中微物体的自动检测是有用的。在某些实施例中,微流体装置可以包括流动区域(或流动通道)和一个或多个腔室(或隔离围栏)。可替代地或额外地,微流体装置可以是动电装置(诸如光学驱动的动电装置),或者可以包括被配置用于电运动的区域。如果阵列中的晶体管具有类似于正被检测的微物体的横截面积的面积,则动电装置,尤其是具有晶体管阵列(例如光电晶体管)的动电装置可以提供特别复杂的背景。本文描述的方法在检测布置在这种装置中的微物体方面特别有效。

在某些实施例中,本发明还提供用于存储用于执行本文所述任何方法的非暂时机器可读指令的机器可读存储装置。机器可读指令可以控制用于获得图像的成像装置和/或对准图像、产生差分图像和/或分析差分图像的处理器(例如,在计算装置中)。

尽管在本说明书中已经描述了本发明的具体实施例和应用,但是这些实施例和应用仅仅是示例性的,并且许多变型是可能的。

再多了解一些
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