专利名称：用于以声学方式集中的硬件与实现的系统和方法
用于以声学方式集中的硬件与实现的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求2008年1月16日提交的Kaduchak的、题为“用于以声学方式集中的硬件与实现的系统和方法”的第61/021，443号美国临时专利申请，以及2008年9月11日 提交的题为“用于以声学方式集中的硬件与实现的系统和方法”的第12/209，084号美国专 利申请的优先权和权益，在此通过引用将其全部内容并入本文。
背景技术：
发明领域(技术领域)本发明的实施方式涉及声学细胞仪，更具体地涉及声学集中的硬件与实现。
背景技术：
注意下述的讨论涉及作者的大量公开文件和公开年份，并且由于最近的
公开日
期，某些公开文件不能被看作是相对于本发明的现有技术。此处给出这些公开文件的讨论 作为更完整的背景技术而不能解释为承认这些公开文件是用于确定专利性的现有技术。流式细胞仪是在无数应用中，主要是在生物科学研究与医学中用于分析颗粒与细 胞的强大工具。这项技术的分析强度在于使单个颗粒(包括生物颗粒，如细胞、细菌和病 毒)以超过每秒数千颗粒的速率快速连续地行进通过光源(通常是一个或多个激光器)的 集中光斑的能力。该集中光斑处的高光子通量通过颗粒和/或来自颗粒和/或来自附着于 颗粒的标记的能够被收集和分析的光发射产生光的散射。这给予用户关于单个颗粒的大量 信息，该信息可被快速记入关于颗粒或细胞群的统计信息。在传统的流式细胞仪中，颗粒流过集中询问点，在该点处激光器将激光束指向在 通道内包括芯体内径的焦点。包含颗粒的样本流体通过使鞘液围绕样本流以非常高的约为 样本的体积流速的100-1000倍的体积流速流动而以流体动力学方式集中于非常小的大约 10-50微米的芯体内径。这导致了集中的颗粒非常快的约每秒数米的线速度。反过来，这意 味着每个颗粒在激励光斑处花费的时间非常有限，通常仅有1-10微秒。当流体动力学鞘液 的线性流动停止时，颗粒就不再集中。只有重新恢复流体动力学鞘液的流动才可以重新集 中颗粒。另外，一旦颗粒经过询问点，颗粒就不能再被导向询问点，因为线性流速不能够逆 转。更进一步，颗粒不能够保持在询问点一段用户定义的用于进一步询问的时间，因为集中 已丢失且没有流体动力学鞘液的流动。由于激励点处非常高的光子通量，流式细胞仪仍然 是非常灵敏的技术，但是这个快速的传送时间限制了能够达到的灵敏度和分辨率。通常，较 大的激光功率用于增加光子通量，从而提取出更多的信号，但是这种方法是受限制的，因为 太多的光可经常光漂白(或激发到非辐射态)用于产生信号的荧光团并且能够增加背景瑞 利散射、拉曼散射以及荧光。相对较慢的流式细胞仪系统已被开发用来改进灵敏度的限制并且显示出探测限 制下降到单个分子水平。在这些系统中的一个系统中，示出较低的激光功率(< ImW)对于 插入荧光染料的双链DNA片段的单个分子的探测是优选的。由于较慢的传送时间(数百微 秒到毫秒)，当以较低的激光功率减少背景、光漂白以及非辐射的三重状态时，可以从染料中获得最大的荧光产量缓流流体动力学系统虽然非常灵敏但不能被广泛使用，因为射流尺寸通常非常 小，这导致容易堵塞以及非常有限的样本吞吐量。为了集中样本流到足够小的芯体内径以 保持精确颗粒测量所需的均勻亮度和流速，必须仍然以非常高的体积流速将鞘提供给样 本。为了达到缓慢的线速度，体积样本速率必须极小。因此，要处理可观数量的事件，样本 必须高度集中。例如如果对于大约10微米的典型芯体直径，期望1厘米每秒的相对缓慢的 线速度，则必须以大约0. 05微升每分钟的速度传送样本。为了每秒只处理100个细胞，细 胞浓度必须为每微升120，000或每毫升1. 2亿。反过来这个浓度要求甚至更有可能造成堵 塞。当样本传送速度较慢时，许多类型的细胞以高浓度聚集和沉淀、并且粘附到表面的趋势 使问题进一步复杂。由多恩博斯创建的系统，通过使用具有流阻的传统流通池降低流速从 而避免了堵塞问题，但是他发现非常难以控制样本的精确集中传送。该方法也不能消除对 慢速体积传送和高度浓缩样本的需求。无鞘的，非集中的流式细胞仪已被开发，但是这些工具由于需要激励颗粒穿过通 道的焦斑尺寸而遭受低灵敏度。焦斑尺寸通过使用非常小的毛细管来减小，但是根据通道 中发展的层流剖面通道中的颗粒以可变流速流动。这就导致不同的传送时间以及激光焦斑 处颗粒的一致性而上述两点使得分析更难。此外，背景不能通过设计用来从紧密地集中的 芯流中收集光的空间滤波光学器件而得到削减。这限制了灵敏度与分辨率。已经演示了其他方法在实验室环境中使用声辐射压力操控颗粒。这些装置为在笛 卡儿坐标中建模的平面装置。应用声场来产生将颗粒集中到矩形腔内一条带上的准一维力 场。对于层流而言，穿过腔的颗粒的最终分布将颗粒安置在不同的速度流线上。不同流线 上的颗粒不仅处在不同的位置而且它们还以不同的速度流动。相应地，这就导致处在装置 中的颗粒具有不同的停留时间。平面集中不能以适合与流式细胞仪一起的使用的方式将颗 粒排成一条直线。发明概述本发明的实施方式包括以声学方式集中的毛细管，其包括耦合到至少一个振动源 的毛细管并且所述至少一个振动源具有凹槽。优选地，该实施方式的毛细管在凹槽处耦合 到振动源。优选地，所述凹槽具有与所述毛细管大致相同的横截面形状。所述毛细管可以 是圆形、椭圆形、扁圆形或矩形的。优选地，所述振动源包括压电材料。在此实施方式中，优 选地，所述凹槽增大毛细管的声源孔。本发明的另一个实施方式包括制造以声学方式集中的毛细管的方法。该实施方式 还包括提供毛细管和至少一个振动源；在所述振动源中加工凹槽；并在所述凹槽处将所 述至少一个振动源耦合到所述毛细管。优选地，所述凹槽具有与所述毛细管大致相同的横 截面形状。所述毛细管可以是圆形、椭圆形、扁圆形或矩形。优选地，至少一个振动源包括 压电材料。该实施方式可选地包括增大毛细管的声源孔。在本发明的另一个实施方式中，以流体动力学方式和声学方式集中颗粒流中的颗 粒的设备包括流动腔；所述流动腔的外部边界，用于使流体动力学流体流过；所述流动腔 的中心芯体，用于使颗粒样本流流过；和至少一个换能器，耦合到所述流动腔以产生声辐射 压力。优选地，该实施方式的换能器耦合到流体腔的外壁。所述换能器可替代地形成流体 腔的壁。
本发明的进一步的实施方式包括流体动力学方式和声学方式集中颗粒流的方法。 该方法优选包括使鞘液流入毛细管的外部边界中；使颗粒流入所述毛细管的中心芯体 中；以及对鞘液内的颗粒流施加声辐射压力。该方法的颗粒流先以流体动力学方式集中，随 后以声学方式集中。可选地，颗粒流同时以声学方式和流体动力学方式集中以流体动力学方式和声学方式集中颗粒的另一方法是本发明的进一步的实施方 式。优选地，该实施方式包括提供其中包含颗粒的流体；使鞘液流入流动腔的外部边界中； 使包含颗粒的流体流入所述流动腔的中心芯体中；以及对包含颗粒的流体施加声辐射压 力。该实施方式也可包括分析颗粒。本发明的一个实施方式包括利用声辐射压力排列颗粒的方法。优选地，该实施方 式包括提供其中包含颗粒的流体，使所述流体经受声辐射压力，将所述流体旋转90度，以 及使所述流体再次经受声辐射压力以排列颗粒。该实施方式也可包括分析经排列的颗粒。本发明的另一个实施方式包括以流体动力学方式和声学方式集中流体中颗粒的 方法。该实施方式包括使其中包含颗粒的流体流动；使所述流体经受一个平面方向上的 声辐射压力从而以声学方式集中颗粒；以及使鞘液在第二平面方向上流动，由此以流体动 力学方式使流体在第二平面方向上集中，从而进一步集中所述颗粒。本发明进一步包括移除射流系统中的气泡的方法。这些方法包括提供经过通道的 流束，以及使所述通道在声频下共振。这些方法还包括提供经过通道的流束和使通道壁在 低频下振动。本发明的实施方式是将颗粒以声学方式集中到流体中的准平面布置中的设备。该 实施方式优选包括具有扁圆形横截面形状的毛细管和至少一个耦合到所述毛细管的换能 器。优选地，所述毛细管为椭圆形。该实施方式可进一步包括用于对颗粒成像的成像器。本发明的另一个实施方式包括将颗粒以声学方式集中到包含颗粒的流体中的准 平面布置中的方法。优选地，该方法包括使其中包含颗粒的流体流过流动腔，所述流动腔包 括扁圆形横截面形状；以及使所述流体经受声辐射压力。优选地，流体腔的横截面形状为椭 圆形。该实施方式也可包括对颗粒成像。本发明的目的、优势、新颖特征和进一步的适用性范围将会分部详细地在下文中 结合附图进行描述，并且在审查以下内容时其对于本领域技术人员而言在某种程度上是显 而易见的或者可以从本发明的实践中学习到。可通过特别是所附权利要求中指出的工具和 组合意识到并获得本发明的目的和优势。附图的简要说明附图被并入说明书中并且形成了说明书的一部分，其中示出了本发明的一个或多 个实施方式，其连同描述一起用于解释本发明的原理。附图仅用于示出本发明的一个或多 个优选实施方式，但不能解释为限制本发明。在附图中

图1为示出线驱动毛细管的本发明的实施方式，在该毛细管中，颗粒以声学方式 集中于毛细管的中心轴上；图2示出根据本发明的一个实施方式具有开槽的压电换能器(PZT)的线驱动毛细 管的结构；图3示出根据本发明的一个实施方式具有椭圆形截面的线驱动毛细管的示图；图4示出根据本发明的一个实施方式具有椭圆形截面的线驱动毛细管中的力势能U;图5示出根据本发明的一个实施方式在椭圆形截面的线驱动毛细管中用于球形乳胶颗粒的不同长宽比的力势能；图6A和图6B示出根据本发明的一个实施方式的流过椭圆形截面的线驱动毛细管 的集中的颗粒流；图7A和图7B示出根据本发明的一个实施方式分布在中心芯流中的以流体动力学 方式集中的颗粒；图8示出根据本发明的一个实施方式与流体动力学方式集中相结合的颗粒的声 学方式集中；图9A和图9B示出根据本发明的一个实施方式的声学辅助流体动力学方式集中； 以及图10示出根据本发明的一个实施方式在微流体通道中声学方式与流体动力学方 式集中的结合。发明的详细说明这里使用的“a”意为一个或多个。这里使用的“流动腔”意为具有选自矩形，正方形，椭圆形，扁圆形，圆形，八角形， 七角形，六角形，五角形，以及三角形的形状的通道或毛细管。所述流动腔的内壁的形状不 需要与其外壁的形状相同。作为非限制性实施例，流动腔可以具有由圆形限定的内壁和由 矩形限定的外壁。另外，流动腔可以是材料与几何体的复合结构的一部分，其中上述形状之 一确定流动腔的内部形状。这里使用的“毛细管”意为具有选自矩形，正方形，椭圆形，扁圆形，圆形，八角形， 七角形，六角形，五角形，以及三角形的形状的通道或腔。毛细管的内壁的形状不需要与其 外壁的形状相同。作为非限制性实施例，毛细管可以具有由圆形确定的内壁和由矩形确定 的外壁。本发明的一个实施方式的一方面提供了装置构造期间的方便对准以及更大的声 源孔。本发明的一个实施方式的另一方面提供了具有扁圆形截面的线驱动毛细管以获得准 平面颗粒浓度。另一方面提供了在颗粒不接触毛细管内壁和/或与毛细管内壁保持接触的 情况下的平面颗粒浓度。另一方面提供了其中颗粒分布于狭窄景深的平面内的成像应用。 另一方面提供了应用声辐射压力辅助稳定标准流体动力学方式颗粒集中系统。再一方面提 供了在缓流流体动力学系统中的降低的鞘消耗以辅助颗粒在平面系统(例如基于芯片的 系统)中集中。又一方面仍然提供了从射流系统中移除气泡的方法。线驱动毛细管W/开槽源的结构线驱动毛细管用于以声学方式聚集在毛细管中的流动的流束中的颗粒。颗粒受到 时间平均的由声辐射压力产生的声学力。图1示出根据本发明的一个实施方式在偶极模式 下操作的线驱动毛细管10，其中颗粒12以声学方式集中到毛细管14的中心轴线上声学形 成的颗粒阱的位置。(图1所示出的实施方式适用于系统的任何一个振动模式中而不管它 是单极模式、双极模式、四极模式等，还是多种模式的组合。)可以驱动其中源的不同空间配 置附着到毛细管上的不同模式配置。本发明的一个实施方式的另一方面提供了线驱动毛细管系统，其中该系统传送毛细管内的稳定声学信号并且具有驱动系统的机电回路的一致、可重复的电特性。在本发明的一个实施方式中，线驱动毛细管10包括连接到振动源16的毛细管14。 毛细管14可以但不限于由玻璃、金属、塑料或其任何组合制成。低损耗材料优选为颗粒集 中器并且不锈钢是较好的毛细管材料中的一种。优选地，振动源16包括压电材料。压电材 料的实例包括但不限于PZT，铌酸锂，石英及其组合。振动源16还可以也是振动发生器，如 兰杰文换能器或者可以产生振动或毛细管表面位移的任何其他材料或装置。本发明的一个 实施方式的另一方面包括产生比标准线接触更大的声源孔的声学方式集中的线驱动毛细 管。根据本发明的一个实施方式，凹槽18通过机器加工到振动源16中，以在其中支撑 毛细管14，如图2所示。图2的示意图示出具有开槽的振动源16的线驱动毛细管10，具有 机器加工的圆形凹槽18的较小PZT平板粘附于毛细管14以提高工艺性与声学性能。凹槽 18是圆形的，其半径与毛细管14加上小粘合层的外部半径相匹配。附接于毛细管14的开 槽的振动源的数量不限于一个。使用一个以上的开槽的振动源在驱动不同的需要特定空间 依赖性的声学模式时是有利的。例如，利用附接至毛细管14的相对壁的单源或双源驱动偶 极子模式并且以180度相位差驱动偶极子模式。通过在正交的位置(彼此偏移90度)附 接源并且异相地驱动四极模式。对于非圆形横截面的毛细管，凹槽18通常呈现毛细管14 的横截面的几何形状。例如，椭圆形横截面的毛细管将需要椭圆形横截面的凹槽。毛细管 14优选通过小粘合层保持在振动源16上。当使用压电晶体作为振动源16时，切入晶体中 的凹槽18的内部不需要具有导电层。已经示出了凹槽18中具有和不具有导体的构造。 本发明的一个实施方式的另一方面提供了装置构造的便利。然而本发明的一个实施方式的另一方面提供了相对于真实的线驱动装置更大的 声源孔。本发明的一个实施方式的还一方面提供了可重复的声学/电学性能。本发明的一个实施方式的再一方面提供了毛细管14与振动源16的容易对准。本发明的一个实施方式的另一方面提供了用于附接换能器的更大的粘合表面。另外，毛细管不需要具有圆形横截面。在本发明的一个实施方式中，在PZT中使用 正方形横截面的凹槽。毛细管可以由包括但不限于椭圆形，正方形，矩形，通用的扁圆形，以 及任何横截面几何形状的许多几何形状构成。线驱动的扁圆形毛细管中颗粒的准平面集中参照图3，在本发明的一个实施方式中，当在偶极模式下驱动具有圆形横截面的线 驱动的毛细管时，可驱动其以使颗粒沿着圆柱形的毛细管的轴线排列。在此实施方式中， 在某些应用中可能期望仅使颗粒聚集于毛细管内的特定平面中，而不是聚集于特定的点或 线。对于其中颗粒需要分布在成像光学器件的较窄景深内的平面中的成像应用来说情况 就是这样。空间分布颗粒的方法是打破系统的圆对称性。通过使毛细管的横截面变得更扁 (例如椭圆形)，可以在一个维度保持密集的空间集中而在另一个维度允许颗粒在空间上 分布。该方法对于需要以平面(或准平面)排列安置颗粒的系统是有利的。例如，图3中示出了以声学方式驱动的具有椭圆形横截面的声学驱动毛细管10。 在此实施方式中，声源16使颗粒空间分布在沿着长轴的平面内并紧紧地沿着短轴限制颗 粒。椭圆的长宽比A通过短轴ay与长轴ax之比给出A = ay/ax。为了计算毛细管内作用在颗粒上的声学力，作用在任意声场中可压缩的、体积为V的球状颗粒上的声辐射压力可 用声辐射压力势能U (Gor’ kov 1962)表达
权利要求
以声学方式集中的毛细管，包括耦合到至少一个振动源的毛细管；所述至少一个振动源具有凹槽。
2.如权利要求1所述的以声学方式集中 的毛细管，其中所述毛细管在所述凹槽处耦合 到所述振动源。
3.如权利要求1所述的以声学方式集中的毛细管，其中所述凹槽具有与所述毛细管大 致相同的横截面形状。
4.如权利要求1所述的以声学方式集中的毛细管，其中所述毛细管是圆形的。
5.如权利要求1所述的以声学方式集中的毛细管，其中所述毛细管是椭圆形的。
6.如权利要求1所述的以声学方式集中的毛细管，其中所述毛细管是扁圆形的。
7.如权利要求1所述的以声学方式集中的毛细管，其中所述毛细管是矩形的。
8.如权利要求1所述的以声学方式集中的毛细管，其中所述振动源包括压电材料。
9.如权利要求1所述的以声学方式集中的毛细管，其中所述凹槽增大所述毛细管的声 源孔。
10.制造以声学方式集中的毛细管的方法，包括 提供毛细管和至少一个振动源；在所述振动源中加工凹槽；并在所述凹槽处将所述至少一个振动源耦合到所述毛细管。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述凹槽具有与所述毛细管大致相同的横截面形状。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述毛细管是圆形的。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述毛细管是椭圆形的。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述毛细管是扁圆形的。
15.如权利要求10所述的方法，其中所述毛细管是矩形的。
16.如权利要求10所述的方法，其中所述至少一个振动源包括压电材料。
17.如权利要求10所述的方法，进一步包括增大所述毛细管的声源孔。
18.以流体动力学方式和声学方式集中颗粒流中的颗粒的设备，包括 流动腔；所述流动腔的外部边界，用于使流体动力学流体流过； 所述流动腔的中心芯体，用于使颗粒样本流流过；和 至少一个换能器，耦合到所述流动腔以产生声辐射压力。
19.如权利要求18所述的设备，其中所述换能器耦合到所述流动腔的外壁。
20.如权利要求18所述的设备，其中所述换能器形成所述流动腔的壁。
21.以流体动力学方式和声学方式集中颗粒流的方法，包括 使鞘液流入毛细管的外部边界中；使颗粒流入所述毛细管的中心芯体中；以及 对鞘液内的颗粒流施加声辐射压力。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述颗粒流先以流体动力学方式集中，随后以声 学方式集中。
23.如权利要求21所述的方法，其中所述颗粒流同时以声学方式和流体动力学方式集中。
24.以流体动力学方式和声学方式集中颗粒的方法，包括 提供其中包含颗粒的流体；使鞘液流入流动腔的外部边界中；使包含颗粒的流体流入所述流动腔的中心芯体中；以及对包含颗粒的流体施加声辐射压力。
25.如权利要求24所述的方法，进一步包括分析所述颗粒。
26.使用声辐射压力排列颗粒的方法，包括 提供其中包含颗粒的流体；使所述流体经受声辐射压力；将所述流体旋转90度；以及使所述流体再次经受声辐射压力以排列颗粒。
27.如权利要求26所述的方法，进一步包括分析经排列的颗粒。
28.以流体动力学方式和声学方式集中流体中颗粒的方法，包括 使其中包含颗粒的流体流动；使所述流体经受一个平面方向上的声辐射压力从而以声学方式集中颗粒；以及 使鞘液在第二平面方向上流动，由此以流体动力学方式使流体在第二平面方向上集 中，从而进一步集中所述颗粒。
29.移除射流系统中的气泡的方法，包括 提供经过通道的流束；以及使所述通道在声频下共振。
30.从射流系统中移除气泡的方法，包括 提供经过通道的流束；以及使通道壁在低频下振动。
31.将颗粒以声学方式集中到流体中的准平面布置中的设备，包括 具有扁圆形横截面形状的毛细管；和至少一个耦合到所述毛细管的换能器。
32.如权利要求31所述的设备，其中所述毛细管是椭圆形的。
33.如权利要求31所述的设备，进一步包括用于对颗粒进行成像的成像器。
34.将颗粒以声学方式集中到包含颗粒的流体中的准平面布置中的方法，包括 使其中包含颗粒的流体流过流动腔，所述流动腔包括扁圆形横截面形状；以及 使所述流体经受声辐射压力。
35.如权利要求34所述的方法，其中所述流动腔的横截面形状为椭圆形。
36.如权利要求34所述的方法，进一步包括对所述颗粒进行成像。
全文摘要
本发明是用于以声学方式集中的硬件与实现的方法和装置。
文档编号G01N15/14GK101971247SQ200980105516
公开日2011年2月9日 申请日期2009年1月15日 优先权日2008年1月16日
发明者格雷戈里·卡杜查克, 迈克尔·沃德 申请人:生命技术公司