基于MEMS的单个颗粒分离系统

摘要

一种颗粒分离系统使用基于MEMS的微制造颗粒操纵装置，其具有进入通道、输出通道和活动构件，所述活动构件形成在基底上以从样本流中分选出一个或多个目标颗粒。系统可以包括中介件，其接收经分选的颗粒并且分配带有其的载流体以形成包含所述颗粒的液体液滴。然后液滴可以被分配到微量滴定板，使得滴定板中的每个孔穴均可以包含单个目标颗粒。系统可以被用于分离各个生物细胞，诸如T细胞、B细胞、干细胞、癌细胞和精细胞以便进一步操纵。

说明书

技术领域

本发明涉及用于在微制造的流体通道中操纵小颗粒的系统和方法。

背景技术

微机电系统（MEMS）是使用表面或块体光刻处理技术（诸如用于制造半导体装置的那些技术）在基底上制造的非常小的、时常活动的结构。MEMS装置可以是例如活动的致动器、传感器、阀、活塞或开关，其带有几微米至几百微米的特征尺寸。例如，活动的MEMS开关可被用于将一个或多个输入端子连接到一个或多个输出端子，这些都微制造在基底上。用于活动开关的致动器件可以是例如热的、压电的、静电的或磁性的。可以在半导体基底上制造MEMS装置，该基底可以操纵在流体流中经过MEMS装置的颗粒。

在另一示例中，MEMS装置可以是活动阀，其用作分选机构以便从流体流中分选各种颗粒，诸如从血液中分选细胞。颗粒可以在封闭在微通道中的流体流内被输送至分选装置，流体流在压力下流动。在到达MEMS分选装置时，分选装置将诸如血液干细胞的所关注的颗粒引导至单独的接收器，并且将流体流的其余部分引导至废料接收器。

相比于被称为流式细胞仪的现有荧光激活细胞分选系统（FACS），基于MEMS的细胞分选器系统可具有显著的优点。流式细胞仪通常是大且昂贵的系统，其基于来自粘附于所关注的细胞上的标签的荧光信号来分选细胞。细胞被稀释并悬浮在鞘液流中，然后通过喷嘴经由快速减压分离成单个的液滴。在从喷嘴射出之后，液滴基于来自标签的荧光信号被静电地分离到不同的容器（bin）中。关于这些系统的问题当中存在由于减压导致的细胞损伤或功能丧失、在样本之间的困难且昂贵的消毒程序、不能根据不同参数再分选子群体，以及拥有、操作和维护这些大型且昂贵的设备件所必需的大量培训。出于至少这些原因，流式细胞仪的使用已被局限于大医院和实验室，并且该技术对于小的实体而言尚不可用。

已授予了涉及这样的基于MEMS的颗粒分选装置的多个专利。例如，美国专利No.6,838,056（‘056专利）涉及基于MEMS的细胞分选装置，美国专利No. 7,264,972 b1（‘972专利）涉及用于基于MEMS的细胞分选装置的微机械式致动器。美国专利No. 7,220,594（‘594专利）涉及用MEMS细胞分选设备制造的光学结构，并且美国专利No. 7,229,838（‘838专利）涉及用于操作基于MEMS的颗粒分选系统的致动机构。另外，美国专利申请No. 13/374,899（‘899申请）和No. 13/374,898（‘898申请）提供了其它MEMS设计的进一步的细节。这些专利（‘056、‘972、‘594和‘838）和专利申请（‘898和‘899）中的每一者均通过引用并入本文中。

发明内容

基于MEMS的微制造颗粒分选系统的一个特征在于，流体可以贯穿整个分选过程被约束在形成于半导体基底中的小的微制造的通道。颗粒，也许是生物细胞，贯穿整个过程保持在轻柔流动的样本流中。MEMS装置可以是阀，其将样本流的一种或多种目标颗粒与其它组分分离。当信号指示目标颗粒存在时，MEMS装置可使来自一个通道的颗粒流转向到另一个通道内。该信号可以是来自荧光标签的光子，该标签粘附于目标颗粒并且由MEMS装置的上游的判读区域（interrogation region）中的激光照射激发。因此，MEMS装置可以是颗粒或细胞分选器，其在约束于微制造的流体通道的流体样本上操作，但使用类似于FACS流式细胞仪的检测器件。

由于MEMS装置的本质，该体系结构提供了在细胞持续地沉浸在轻柔地流动的流体中的同时操纵微型颗粒（诸如生物细胞）的可能性。通过使用本文所公开的系统和方法，这些小的阀可以被用于制备包含单个目标细胞的流体样本。这个目标细胞可以是进一步的下游研究或者操纵的主题，并且可以是例如肿瘤细胞、T细胞、B细胞、干细胞或癌细胞。

本文公开的系统和方法可以利用与流体中介件相关联的微制造的MEMS流体性阀以形成基于MEMS的单个颗粒分离装置。基于MEMS的分离装置可以在流体流中将一个或多个目标颗粒与非目标材料分离，并且以离散的流体量（例如，单个液滴）输出目标颗粒。

颗粒分离系统可以包括多个微流体通道，包括样本进入通道和分选物通道，样本流体流动通过所述微流体通道，其中样本流体包含一个或多个目标颗粒以及非目标材料。在样本进入通道内可以是布置于样本进入通道内的判读区域，其中从流体流中的非目标材料区分出所述一个或多个目标颗粒。微制造的流体阀可以被构造成分离流体流内的所述一个或多个目标颗粒。载流体入口可以供应载流体，以用一定量的载流体围绕所述一个或多个目标颗粒。现在包含被分离的单个颗粒的所述一定量的载流体可以由出口离散地分配到接收器上。接收器可以包含单个区域以便以索引方式（indexed fashion）储存离散量的流体，使得特定量的流体可以与其它量的流体分离地被储存在已知的特定位置。

用于将一个或多个目标颗粒从样本流分离的方法可以包括提供微制造流体阀，其被构造成将所述一个或多个目标颗粒分离到多个微流体通道中的一者内。然后该方法可以将一定量的载流体添加到至少一个所述微流体通道内，以用一定量的载流体围绕所述一个或多个目标颗粒。然后可以将离散量的载流体和所述一个或多个目标颗粒分配到接收器上。该方法可以进一步包括使接收器运动到新位置以接收包含一个或多个不同目标颗粒的另一离散量的流体。

基于MEMS的单个颗粒分离装置可以利用特定MEMS阀，其具有至少一个微制造流体通道来导引流出微制造阀的制造平面的流动。这样的阀可以具有足以提供足够液滴体积而不需要单独的通道和阀的泄漏率。

MEMS阀可以包括具有第一转移表面的微制造的活动构件，其中活动构件可以响应于施加于活动构件的力从第一位置运动至第二位置。活动构件的运动可以实质上处于平行于所述表面的平面中；样本进入通道，其形成于基底中并且流体流动通过该通道，所述流体包括至少一种目标颗粒以及非目标材料。样本进入通道中的流动可以实质上平行于所述表面。活动构件可以使流体转移到多个输出通道内，其中在至少一个所述输出通道中的流动不平行于所述平面，其中至少一个输出通道在其运动的至少一部分上位于转移表面的至少一部分紧接着的下方。

目标颗粒可以由该MEMS阀分离到分选物通道内，该分选物通道可以将颗粒与载流体结合。分离装置然后可以添加足够量的载流体以形成液体液滴。载流体中的目标颗粒可以在分选物通道的末端处形成液滴，在该点处锥形区域形成系统的点滴器。当包括目标颗粒的液滴从点滴器落下时，其可以被收集在滴定板中，或者更具体地，在微量滴定板中，其具有多个小的流体孔穴或者贮存器以便装纳多个这样的液滴，且每个液滴均在一个单独的、索引的孔穴中。微量滴定板可以由机器人定位，以便在已知的、索引的、可定位孔穴中收集特定的目标颗粒。

这些和其它特征及优点在以下详细描述中描述或从以下详细描述中显而易见。

附图说明

参照附图描述各种示例性细节，附图中：

图1是被构造成分离单个颗粒的MEMS颗粒分离装置的第一示例性实施例的简化构思图示；

图2是用于控制图1的微制造的单个颗粒分离系统以分配包含单个颗粒的液滴的简化的时间线视图；

图3是被构造成分离单个颗粒的MEMS颗粒分离装置的第二示例性实施例的简化构思图示；

图4是用于控制图1的微制造单个颗粒分离装置以分配包含单个颗粒的液滴的简化时间线视图；

图5是被构造成分离单个颗粒的MEMS颗粒分离装置的第三示例性实施例的简化构思图示；

图6a是具有多个实质上等同的流体孔穴的微量滴定板的横截面视图；图6b是图6a的微量滴定板的平面视图；

图7a是具有多个不等同的流体孔穴的微量滴定板的横截面视图；图7b是图7a的微量滴定板的平面视图；

图8是MEMS颗粒分选阀的平面视图，其能够被用于在图1、图3和图5中所示的MEMS颗粒分离装置中分离单个颗粒，且阀处于未致动（废料）位置；

图9是MEMS颗粒分选阀的平面视图，其能够被用于在图1、图3和图5中所示的MEMS颗粒分离装置中分离单个颗粒，且阀处于致动（分离）位置；

图10是示例性料筒和中介件的分解视图，其能够与图1、图3或图5的MEMS颗粒分离装置一起使用；

图11是示例性料筒和中介件的侧视图，其能够被用在图1、图3或图5的MEMS颗粒分离装置中；

图12a是示例性中介件的透视图，其能够被用在图1、图3或图5的MEMS颗粒分离装置中；图12b是图12a的示例性中介件的正面（obverse side）；

图13是使用MEMS颗粒分离装置的MEMS单个颗粒分离系统的示意视图。

具体实施方式

所述系统和方法描述了颗粒分离系统，其能够隔离流体液滴中的单个目标颗粒以便进一步操纵或者研究。基于MEMS的颗粒分离系统可以利用特定类型的MEMS阀，不过颗粒分离系统也可以利用MEMS阀的其它设计，并且不限于微制造的阀的任何具体设计。

在下文讨论的图中，类似的附图标记旨在指代类似的结构，并且这些结构以各种细节水平图示，以给出该新型装置的重要特征的清楚视图。应当理解的是，这些图不必然按比例描绘结构，并且诸如“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“左”和“右”的方向名称是随意的，因为可以以任何具体取向建构和操作所述装置。术语"分选"和"分离"在本文中能够互换地使用，以指代从流体流中流动的非目标材料中隔离目标颗粒。也应当理解，名称“分选物”和“废料”也是能够互换的，因为它们仅指代颗粒的不同群体，并且哪一个群体被称为“目标”或“分选物”群体是随意的。也应当理解，为了描述的简易，一些附图可以不包括所有可能的特征和选项，并且在实际方法、装置和系统的图示中可以使用相当多的简化。

图1是可以从流体流的剩余物中分选、分离或隔离单个目标颗粒的单个细胞分离装置的第一实施例的简化的构思图示。在分选或者分离之后，由这样的装置隔离的单独细胞或者目标颗粒可以具有微升或甚至皮升的数量级的流体围绕着它，这是过小以致于难以方便地处理的量。本文公开的系统和方法可以在使流体悬浮和处理流体时向细胞添加一定量的"载体"流体，以便形成包含目标细胞或颗粒的离散流体量（诸如液滴或者这种待分配的其它量）。在添加流体之后，现在被包裹在一定量的载流体内的单个细胞能够在下游加工或操纵之前被发送到适当大小的器皿内以便存储。载流体和目标细胞的分配可以离散地完成，即作为有限量的流体，诸如以液滴而不是连续流的形式，且每个离散量被存储在不同的索引的接收器中。更通常地，其中包含有一个或多个目标颗粒的多个离散量的载流体可以由输出结构122分配到接收器上，或者分配到布置在接收器中的多个流体孔穴中的至少一个内。

在图1中所示的实施例中，载流体入口24被联接到分选物通道22，并且布置在微制造流体阀1的下游。在这种实施例中，所述一定量的载流体可以作为液滴被分配到适当的、索引的接收器内。索引的接收器应该被理解为意指带有多个已知位置的接收器，所述已知位置能够被重复地通达以存储所述一定量的流体。适当的接收器的示例可以是带有用于容纳流体的多个孔穴的索引的滴定板或者微量滴定板。滴定板因此可以以索引的方式存储各个流体量，使得特定量的流体被容纳在已知的特定位置。在这种实施例中，滴定板或者微量滴定板1200可以具有形成在其中的多个孔穴1220。孔穴1220可以被构造成保持大约1-100微升（μl）的流体，使得它们能够充裕地保持适当量的材料，其可以处于从小于1 μl到100 μl的范围。例如，单个液滴可以具有15-30 μl的体积。可以由机器人器件1500使微量滴定板1200如所示的那样运动。机器人器件1500可以是能够重复地定位微量滴定板1200的被致动的和/或活节连接的定位器。机器人器件1500可以具有闭环反馈控制，以准确且可重复地定位微量滴定板1200，使得微量滴定板1200的多个孔穴1220中的任意孔穴可以被定位在输出点滴器结构122下方。机器人器件1500可以索引微量滴定板1200，使得一系列孔穴1220定位在形成在基于MEMS的单个颗粒分离装置10中的锥形点滴器122下方。应当理解的是，锥形点滴器结构122是示例性实施例，并且可以提供其它类型的输出机构以分配包含单个颗粒的载流体。流体100的每个液滴可以包含由基于MEMS的单个颗粒分离装置10从非目标材料分离的单个目标颗粒。替代性地，液滴100可以包含多个目标颗粒，但是包含很少或者不包含非目标材料或者非目标颗粒。

基于MEMS的单个颗粒分离装置10可以包括输入分选物通道20，其将输入样本从样本贮存器2载送到微制造的MEMS活动阀或致动器1。阀或致动器1可以能够运动以关闭一个微制造流体通道并且打开另一个。在图1中所示的实施例中，MEMS阀1关闭废料通道40，该废料通道40通常将输入流体引导到垂直于纸的废料通道内。该通道在图1中被示为环形虚线40。应当理解的是，该孔口不必须是环形，而且通向废料通道40的孔洞可以具有任意随意或复杂的形状。通道20、22和40可以具有大约20-50 μm的尺寸，并且流体可以以大约4 ml/小时的速率流过这些通道。

输入样本流20可以包括悬浮在合适的流体中的颗粒（诸如生物材料或者细胞）。流体可以是例如缓冲流体、盐水、水、血液、等离子体等等。流体中的目标细胞的浓度可以是从大约10,000/ml至大约1x10⁶/ml的任意值。目标颗粒可以是例如B细胞、T细胞、癌细胞、肿瘤细胞、精细胞等等。目标颗粒可以以各种各样的出现率存在于更广的细胞或颗粒群体中，从普遍的（也许十分之一）或者甚至呈多数的或者甚至纯粹的，至非常罕见的（一百万或者更多分之一）。通道可以具有被选择成适应具有大约5-20微米的直径的生物细胞的通行的尺寸，其足够大以减少堵塞但是也足够小以促进细胞单列地通行通过通道。

判读区域200可以存在于输入流体通道20中。判读区域200是在输入样本流20中的区域，其中从非目标材料区分出目标颗粒。用于判读区域200的合适区分机构的示例将在下文更具体地描述，并且可以包括例如对荧光标签的激光判读，不过也可以使用其它机构。

在接收来自判读区域200的信号时，MEMS阀1可以使来自样本入口接收器2的流动转向并且使样本流20输入单个颗粒输出流22。MEMS阀1在图1中被标记为"X1"以将其与载流体阀X2区分开。MEMS阀1可以在大约20-50微秒（μsecs）内从第一位置运动到第二位置，并且可以同时地关闭通向废料通道40的孔洞并且打开通向单个颗粒输出通道22的孔洞。MEMS阀1可以保持在这种第二位置大约20-50 μsecs，从而允许单个目标颗粒与其相关联的流体一起流入分选物通道22。因而，在上文描述的流体流动速率下，MEMS阀1的打开可以将非常小量的流体（皮升数量级）引入单个细胞输出通道22。

为了提供足够的流体以处理单个颗粒，也可以提供载流体通道24。该载流体通道24可以将载流体从载流体贮存器4引导到分选物通道22。载流体可以是例如缓冲流体、鞘流体、盐水或培养基。载流体可以与悬浮流体相同，或者其可以是不同的流体。载流体的功能是提供足够的流体体积以在微量滴定板1200孔穴1220中运输和维持目标细胞。载流体也可以包含活性成分，诸如生长抑制剂或促进剂、营养化合物、抗生素剂、抗病毒剂等。

可以通过如图1中被示为"X2"的另一个阀从载流体贮存器4分配载流体。这个阀X2可以是宏观的阀，诸如电磁阀或者球阀，或者其也可以是诸如X1的微制造阀或者类似于MEMS阀1。允许载流体通过阀X2从载流体贮存器4流动通过载流体通道24并且进入通道分选物输出通道22，直到其连结目标颗粒并且在分选物通道22的末端处的点滴器122中形成液滴100。在达到足够的大小和重量时，液滴100可以被分配到微量滴定板1200的孔穴1220内。

因为MEMS阀1可以是非常小的，在数百微米的数量级，并且微量滴定板具有宏观尺寸，例如3 cm x 8 cm，所以可以方便地将MEMS阀1保持在中介件1400中，该中介件1400被设计成跨越MEMS阀1的显微特征和微量滴定板1200的宏观孔穴之间的尺寸。中介件1400可以提供该功能，并且在下文关于图10、图11、图12a和图12b更具体地描述。

简化的正时图被示于图2中，其图示与由基于MEMS的颗粒分离系统10从流体流中分离单个目标颗粒相关联的事件正时。如图2中所示，过程以在步骤A中在判读区域200中检测单个目标细胞开始。在步骤B中，在检测到目标颗粒时，向MEMS阀1发送脉冲，从而引起其从第一位置运动到第二位置，关闭废料通道40并且打开分选物通道22。也可以将信号发送到控制微量滴定板1200的位置的机器人，从而引起其使孔穴1220运动到点滴器结构122下方的位置，即到达索引孔穴位置的位置。在步骤C中，可以打开载流体阀X2，使得液滴100开始形成，该液滴将包含目标颗粒。在达到必要体积时，液滴100从点滴器结构122掉落。在步骤D中，在检测到已经分配液滴时，机器人可以在步骤E中使微量滴定板1200运动到新的索引位置，以接收包含一个或多个不同目标颗粒的另一定量的流体。可以在步骤F中重新装备系统。

图2的时间线中的示例性持续时间为：

步骤A和步骤B之间的时间：20 μsecs

步骤B和步骤C之间的时间：10 μsecs-10 msecs

步骤C持续时间：10-100 msecs

步骤D和步骤E之间的时间：10 msecs

步骤E和步骤F之间的时间：10 msecs。

因此，应当理解的是，图2中所示的空间间隔不必然与各步骤之间流逝的时间成比例。此外，应当理解的是，这些间隔仅是示例性的，并且这些细节将取决于所使用的应用和硬件。例如，步骤C的持续时间将取决于载流体通道24中所使用的压力。也应当理解的是，所使用的方法可以远比图2中所示的更加复杂。诸如测量液滴大小、关闭阀X1和X2以及许多其它的步骤是隐含的，但是出于附图的简化和清晰而未被提及。

用于控制载流体的流动的阀X2可以非常缓慢，耗用10毫秒或更多时间来打开或关闭，并且机器人运动可以是相似地缓慢的，在毫秒的量级。另一选项可以是根本不使用阀X2，而是允许载流体以恒定速率流至分选物通道22中。液滴可以被动地形成并且作为被动鞘流处于恒定速率。这些液滴通常将不包含目标颗粒并且可以仅简单地被存储在废料接收器中或被丢弃。在下文中关于图3描述该实施例。

图3是可以从流体流的剩余物中分选、分离或隔离单个目标颗粒的基于MEMS的单个细胞分离装置的第二实施例10'的简化的构思图示。该实施例10'类似于图1中所示的实施例，除了载流体流动不由阀控制，而是简单地被允许连续地流动。由于这种持续流动，因此液滴可以由点滴器结构122连续地排出。第二类微量滴定板1200'可以具有更大的贮存器1210'以容纳这些"空"液滴。机器人可以将该废料贮存器1210'的位置维持在点滴器结构122下方，直到在判读区域200中检测到目标颗粒。

为了从不包含目标颗粒的液滴分离包含单个颗粒的液滴，可以向控制微量滴定板1200'上的定位的机器人器件1500发送信号，从而通知其已经检测到目标颗粒。在接收该信号时，机器人器件1500可以使微量滴定板1200'的位置移动到使得形成的液滴将掉落到更小的孔穴1220'内而不是更大的废料孔穴1210'内的位置。微量滴定板1200和微量滴定板1200'的细节在图6a、图6b、图7a和图7b中示出。应当理解的是，图1、图3和图5中的微量滴定板1200、中介件1400和MEMS阀1的描绘不必须成比例，并且微量滴定板1200和中介件1400可以在MEMS阀1的尺度上呈现以便示出每个的特征。实际上，相比于微量滴定板1200和中介件1400，MEMS阀1可以远为更小。

简化的正时图在图4中示出，其图示与由图3中所示的基于MEMS的颗粒分离系统从流体流分离单个目标颗粒相关联的事件的正时。如先前方法中那样，过程以在步骤A'中在判读区域200中检测单个目标细胞开始。在步骤B'中，当检测到目标颗粒时，向MEMS阀1发送脉冲，从而引起其从第一位置运动到第二位置，关闭废料通道40并且打开分选物通道22。也可以向控制微量滴定板1200的位置的机器人器件1500发送信号，从而引起其使孔穴1220'运动到点滴器结构122下方的位置。即，可以命令机器人器件1500使微量滴定板1200'运动，使得小体积的索引的孔穴位置1220'而不是更大的废料孔穴1210'被定位在点滴器结构122下方。因为在该实施例中不使用阀X2，所以步骤C仅需要载流体流动时的时间流逝。流体连续地聚积直到液滴被分配。当在步骤D'中检测到已经分液滴配时，在步骤E'中机器人器件1500可以使微滴定板1200'运动到新位置。可以在步骤F'中重新装备系统。

由于阀X2和使微量滴定板1200运动的机器人致动器的缓慢运动，可以更早地且在预期到一定事件的情况下发起动作。即，因为已知形成液滴所需的时间的近似长度，也已知MEMS阀1的激活所需的时间的近似长度，因此可以在液滴形成且准备掉落之前激活机器人器件1500。

图4的时间线中的示例性持续时间为：

步骤A'和步骤B'之间的时间：20 μsecs

步骤B'和步骤C之间的时间：10 μsecs-10 msecs

步骤C持续时间：10-100 msecs

步骤D'和步骤E'之间的时间：10 msecs

步骤E'和步骤F'之间的时间：10 msecs

如前所述，应当理解的是，图4中所示的空间间隔不必然与各步骤之间流逝的时间成比例。所示的间隔仅是示例性的，并且这些细节将取决于所使用的应用和硬件。例如，步骤C'的持续时间将取决于载流体管线中所使用的压力。也应当理解的是，可以在图2和图4中所示的时间点之外的时间使机器人器件1500运动。例如，在告知MEMS阀1已被激活并且目标颗粒已被分离时，可以使微量滴定板1200或者1200'运动至恰当位置。如在图2中所示的时间线中那样，应当认识到，可以存在比图中所示的那些步骤更多的许多步骤，为了简明起见图中仅限于五个步骤。

图5是可以从流体流的剩余物中分选、分离或隔离单个目标颗粒的基于MEMS的单个细胞分离装置的第三实施例10"的简化的构思图示。该实施例10"类似于图1中所示的实施例，除了载流体输入位于MEMS阀1上游而非如前两种实施例那样位于下游。来自载流体输入贮存器4的载流体输入可以如图所示装备有阀X2。如果不需要控制流动，则其可以在没有阀（如先前的实施例那样）的情况下连续地流动。因为图5中所示的实施例10"可以不使用额外阀X2或者额外通道24，因此当由于成本或可用性决定流体材料的消耗不成问题时或者当简化实施是重要的时，可以使用该实施例10"。该实施例10"类似于其它颗粒分选系统中的鞘流注入，其可以发生在分选装置的上游，并且由于载流体持续地流动可以消耗数十ml的流体。

当MEMS阀1充分泄漏使得足够的流体在装置周围流动以在点滴器结构122处以合理速率生成液滴时，可以使用这种实施例。即，液滴形成速率可以由分选的材料的体积以及MEMS阀1周围的泄漏速率确定。因此，这种实施例可以特别适用于与图8和图9中详细示出的MEMS阀一起使用。

图6a和图6b图示微量滴定板1200的进一步细节。应当理解的是，微量滴定板1200仅是一个示例性实施例，并且可以使用任意其它的接收器来接收被分离的单个颗粒100。适当的接收器可以在其中具有专用的、被索引的、单独的区域，以便存储单独的量的流体。例如，微量滴定板1200可以由在其中形成的凹部或孔穴的阵列构成，所述凹部或孔穴中的每一个均能够接收并存储一定量的流体。微量滴定板1200在图6a中以横截面示出，并且在图6b中以平面视图示出。虽然图6b中示出50个孔穴1220，不过应当理解的是，这是为了简化描绘，并且实际上可以存在远为更多的孔穴。

孔穴的尺寸可以适合于充裕地保持例如大约1-100 μl的流体，以便保持具有1-100 μl的流体体积的液滴100。孔穴之间的间距可以变化若干数量级，例如在大约50微米和大约5毫米之间变化。应当理解的是，这些尺寸仅是示例性的，并且这样的细节可以取决于应用的情形。微量滴定板1200可以由生物相容塑料制成，并且可以通过注塑以+/-10 μm的中间公差制成。如图6a和图6b中所示，在微量滴定板1200中，所有孔穴均具有近似相同的形状和大小，并且被索引使得可以由机器人器件1500使微量滴定板1200沿图1、图3或图5所示的方向运动。这可以将50个孔穴或凹部1220中的任意一个定位在点滴器122下方。下文将更详细地讨论检测系统1300。

图7a和图7b图示微量滴定板1200'的进一步细节。如微量滴定板1200那样，微量滴定板1200'可以由形成在其中的凹部或孔穴的阵列构成，所述凹部或孔穴能够接收一定量的流体。微量滴定板1200在图7a中以横截面示出，并且在图7b中以平面视图示出。如能够看到的，微量滴定板1200'可以具有不同尺寸的孔穴或凹部，其能够保持不同体积的流体。在图7a中所示的实施例中，除了更小大小的凹部1220'之外，单个大凹部1210'可以被设在微量滴定板1200'内中。该大凹部可以能够保持更大量的流体，并且因此可以适于存储不包含目标颗粒的多个液滴。这是例如在图3中所示的基于MEMS的分离系统10的第二实施例中的状况。

可以产生一定技术问题，即怎样检测液滴100已经从点滴器122被释放并且掉落到微量滴定板1200'内。多种技术可以被使用来确定液滴100是否已经掉落。所述技术可以包括测量重量变化、振动或者直接光学成像，在此仅列出一些。检测系统在图6a和图7a中在种属上被示为光学成像器1300。然而，应当理解的是，这种实施例仅是示例性的，并且可以使用其它技术来确定液滴100是否已经被释放以及液滴100何时被释放。

也应当理解的是，可以通过吸取而不是滴落来将液滴转移到微量滴定板1200'，即通过依赖于弯月面力而不是重力将液滴100转移到微量滴定板1200'。在这种实施例中，微量滴定板1200'可以由机器人器件1500竖直地抬升直到液滴100触碰微量滴定板1200'的表面。此时，作用在液滴100上的弯月面力可以促进液滴100从点滴器122被芯吸（wick）到微量滴定板1200或1200'内。可以通过上文提及的任意技术确认转移的完成。

也可能的是摇动部件MEMS阀10和/或中介件1400以将液滴100释放到微量滴定板1200。在这种实施例中，MEMS阀1可以被安装在振动台（未示出）上并且被振动以促进液滴的释放。可以选择振动的频率使其落在将干扰与判读区域200相关联的检测设备的那些频率之外。

图8是微制造的细胞分选机构MEMS阀1的示意图，其可以被用在本文所描述的颗粒分离系统10、10'和10"中。可以在2013年10月1日提交的共同未决美国专利申请序列No.13/998,095（以下被称为'095专利申请）中找到MEMS阀1及其制造的细节，该专利申请通过引用并入本文。MEMS阀1的独特特征当中存在细胞分选阀110的运动平行于阀的制造平面。此外，废料通道140实质上正交于样本进入通道20和分选物输出通道22，并且正交于该平面。这些特征使得实现就速度和准确度、阀吞吐量和微流体分选的容易性而言的显著优点。分选物通道22可以通向锥形点滴器结构122，液滴100可以从该结构形成。

在图8的平面视图图示中，新颖的MEMS阀1处于休止（未致动）位置。MEMS阀1可以包括微制造的流体阀或活动结构110以及多个微制造的流体通道20、22和140。可以使用在'095申请中更详细地描述的MEMS光刻制造技术将流体活动结构110和微制造流体通道20、22及140形成在诸如硅基底的合适基底中。制造基底可以具有制造平面，所述装置形成在该平面中并且活动构件110在该平面中运动。

可以经由下文所描述的中介件1400由样本进入通道20将样本流引入微制造流体活动结构110。在由流体活动结构110分选之前，样本流可以被存储在可移除料筒中的样本贮存器2（也如下文所描述的）中。样本流可以包含颗粒的混合物，包括至少一种期望的目标颗粒和多种其它非期望的非目标颗粒。颗粒可悬浮在稀释流体或缓冲流体或培养基中。例如，目标颗粒可以是例如悬浮在诸如盐水的缓冲流体中的生物材料，诸如干细胞、癌细胞、受精卵、蛋白、T细胞、细菌、血液的组分、DNA片段。

进入通道20可以形成在与活动结构110相同的制造平面中，使得流体的流动实质上处于该平面中。活动结构110的运动也在该制造平面内。关于分选/保存或者处置/报废给定颗粒的决策可基于任何数量的区分信号。在一个示例性实施例中，决策基于由颗粒发出的荧光信号、基于粘附于颗粒且由照明激光器激发的荧光标签。激光判读区域200是微流体通路的一部分，其中照明或判读激光指向目标颗粒，以便将其与流体样本的其它成分区分。关于这种检测机构的细节在文献中是众所周知的。然而，可以预料到其它种类的区分信号，包括散射光或侧向散射光（这可基于颗粒的形态），或者任何数量的能够将颗粒识别为或者是目标颗粒（且因此被分选或保存）或者是非目标颗粒（且因此被丢弃或以其它方式处置）的机械、化学、电学或磁性效应。

在活动结构110处于图示位置的情况中，输入流无阻碍地传到输出孔口和通道140，输出孔口和通道140在进入通道20的平面之外，且因此在MEMS阀1的制造平面之外。即，流动是从进入通道20至输出孔口140，流动从输出孔口140实质上竖直地且因此相对于进入通道20正交地流动。该输出孔口140通向可以垂直于示出图8的纸的平面的平面外通道。更一般地，输出通道140不平行于进入通道20或分选物通道22的平面或者活动结构110的制造平面中的至少一者。下文将讨论活动物体110上的转移表面112和坡莫合金镶嵌材料116。

输出孔口140可以是形成在制造基底中或者粘接于制造基底的覆盖基底中的开孔。此外，活动结构110可以具有弯曲的转移表面112，该表面能够使输入流的流动转向至分选物输出流内。孔口140的轮廓可以使得它与进入通道20和分选物通道22的一些但非全部重叠。通过使轮廓140与进入通道重叠，当活动结构或阀110处于未致动废料位置时，存在用于使输入流直接流入废料孔口140中的路线。废料通道140可以通向废料贮存器40，其可以收集非目标材料。由于与MEMS阀1的制造相关联的设计和制造公差，悬浮流体的泄漏也可以发生在样本进入通道20与废料通道140和分选物通道22之间，而不论活动结构110的位置如何。

MEMS阀1的特征尺寸可以是大约300-400微米宽，且通道50微米深且25微米宽。通向废料输出孔口140的孔的宽度可以是大约50-100微米。

图9是处于致动位置的MEMS阀1的平面视图。在该位置，使活动结构110向上偏转到图9中所示的位置。转移表面112是使进入通道20的流动转向至分选物输出通道22中的分选轮廓。输出通道22可以安置在与进入通道20实质上相同的平面中，使得分选物通道22内的流动也处于与进入通道20内的流动实质上相同的平面中。进入/通道20和分选物通道22之间可存在角度a。该角度可以是高达大约90度的任意值。在一个实施例中，进入通道20和分选物通道22之间的角度是大约180度，使得相应通道中的流动基本上反平行。

活动结构110的致动可起因于由图9中总体地示出的力生成设备400生成的力。在一些实施例中，力生成设备可以是如下文所述的电磁体。不过，应当理解的是，力生成设备也可以是静电式、压电式或一些其它器件，以在活动结构110上施加力，从而引起其从第一位置（图8）运动至第二位置（图9）。分选物通道22可以通向锥形点滴器结构122，液滴可以从该结构122形成。

在一些实施例中，力生成设备400可以包括生成磁场的线圈，该磁场然后与活动构件相互作用。为了使活动构件响应这样的电磁力，其可以具有镶嵌于活动结构110中的可导磁材料。这种材料的范围可以达到图8和图9中所示的110的廓线的边缘但恰在其内侧。

可导磁材料应当被理解为意指能够支持在其自身内形成磁场的任何材料。换言之，材料的磁导率是该材料响应于施加的磁场所获得的磁化的程度。

如本文所使用的，术语“可导磁材料”或“带有高磁导率的材料”应当被理解为带有相比于空气或真空的磁导率较大的磁导率的材料。即，可导磁材料或带有高磁导率的材料是带有至少大约100的相对磁导率（相比于空气或真空）的材料，即，为空气或真空的磁导率（为大约1.26x10^{-6>H·m-1）的100倍。存在可导磁材料的许多示例，包括铬（Cr）、钴（Co）、镍（Ni）和铁（Fe）合金。一种流行的可导磁材料被称为坡莫合金，其具有在大约60%和大约90%之间的Ni与在40%和10%之间的铁的成分。最常见的成分是80%的Ni和20%的Fe，其具有大约8000的相对磁导率。因此，活动阀110可以具有坡莫合金材料镶嵌部116，其被嵌入活动特征110内且随后被平面化使得活动阀的外形保持平坦。在结合的'095专利申请中可以找到关于这样的导磁特征的制造的额外细节。}

从静磁学众所周知的是，可导磁材料被拖入其中磁通线集中的区域内，以便降低由可导磁材料对磁通提供的磁路的磁阻。因此，由于嵌入的可导磁材料116的存在，磁场中的梯度促使活动构件110朝向具有高磁通密集度的区域运动。即，带有嵌入的可导磁材料116的活动构件110将沿磁通中的梯度的方向被拖引。

当阀或活动构件110如图8中那样未致动时，进入通道20的流动可以通过越过、绕过或经过活动构件或阀110直接流入废料通道140。在阀或活动构件110的顶部上的区域可被释放，以为这种流动提供间隙，并且因此根据期望增加泄漏率。因此，当未致动活动构件时，流动将被直接送至废料通道。当致动活动构件时，大部分流体将被导向至分选物通道，尽管液体可能仍然在活动构件上方和下方流动。MEMS活动构件110可以在任一位置泄漏，使得悬浮流体可以原则上泄漏到废料通道140以及分选物通道22二者，并且该特征在图5中所示的实施例中特别有用。

图10是示例性一次性料筒1000的分解透视图，其可以被用在将关于图13示出且在下文描述的颗粒分选系统中。一次性料筒1000可以包括多个可组装件，诸如顶部1120和基部1130。一次性料筒1000可以保持基于MEMS的单个颗粒分离装置10，其包括MEMS阀1以及在下文进一步描述的中介件1400。

一次性料筒1000也可以提供用于可以被容纳在其中的流体贮存器中的各种流体的存储。因此，一次性料筒1000的基部1130可以具有形成在其中的多个空穴或隔室，包括样本流体贮存器2、载流体贮存器4和废料贮存器40。如下文进一步描述的，带分选的样本可以被存储在样本贮存器2内，载流体可以被存储在载流体贮存器4中并且废料流出物可以被存储在废料贮存器40中。这些空穴之间的流体通路可以全部布置在中介件1400和/或MEMS阀1中。

在顶部1120和基部1130之间可以布置有许多过滤器1180以保护样本不受污染物或碎屑污染。这些过滤器1180例如可以是20微米的Sterifilter。过滤器1180可以直接位于各种流体贮存器2、4和40上方。

磁化螺旋桨1150和针1160可以在样本贮存器2内且被封装在顶部1120和基部1130之间，且针1160可以用作磁化螺旋桨1150的轴。在暴露于循环磁场时，磁化螺旋桨1150可以在轴1160上旋转，从而引起样本贮存器2的内容物被混合或者被均质化。最后，0.20微米的过滤器1170可以被放置在载流体贮存器4上，以保护内容物不被来自周围环境的污染物污染。

可以用移液管或者用注射器和柱塞（未示出）通过所示的通达端口1111将样本流体引入样本贮存器，此时可以用翼形螺钉（thumbscrew）1110密封料筒。替代性地，可以在料筒中已经装载有样本流体的情况下递送料筒。微量滴定板1200或者其它接收器可以被定位在中介件1400和MEMS阀1下方，如图10中所示。于是输出点滴器可以将液滴分配到接收器1200内，如接下来在图11中所示。

图11是组装的一次性料筒1000的侧视图，其示出样本流体贮存器2、载流体贮存器4和废料贮存器40。以组装视图示出的是MEMS阀1和中介件1400相对于料筒基部1130的相对位置。应当注意的是，图11相比于图10是倒置的，使得在图10中在料筒左侧上示出的样本贮存器2现在在图11中位于右侧上，相关联的通道、搅拌器等等也被倒置。图11中也示出滴定板接收器1200的相对定位和机器人1500对其的定位。应当理解的是，图11未按比例绘制，因为单个颗粒液滴100的外观相对于其它部件被显示为比其实际上可能的大小大得多。

为了提供MEMS阀1的非常精密的微制造特征和料筒1000中的大得多的流体容量的贮存器2、4和40之间的过渡区域，可以提供中介件1400。中介件1400可以例如通过注塑由塑料形成，并且可以具有在+/-10 mm的量级的中间公差。中介件1400的目的是提供在MEMS阀1的非常小的结构和料筒1000和贮存器2、4和50的大的宏观结构之间的过渡，并且为分选物通道22提供点滴器结构122。

因为能够以合理地精密的公差（+/-10 mm）制造中介件1400，因此当通向中介件通道的孔口为大约300微米的量级时，可以使中介件1400中的通路与MEMS芯片中的通路对齐。虽然通向活动结构110和来自活动结构110的通道的宽度可以实质上更小，大约150微米，但将流体引入通道的孔口也可以被制成接近这个尺度。图12a和图12b中示出孔洞。

因此，中介件可以如图12a中所示具有形成在其中的通路1120、1122和1140，其可以对应于图8和图9中所示的MEMS阀1的通道20、22和140。即，通路1120可以与MEMS阀1上的通路20匹配，以提供从样本贮存器2至MEMS阀1上的样本输入通道20的流体路径。中介件1400也可以提供从活动结构110经由（在芯片上且在图1和图3中示出）载流体通道24和（中介件上的）载流体通道1122至载流体贮存器4（在料筒中）的流体路径。类似地，中介件1400可以提供从活动阀110经由废料通道140（在芯片上且在图8和图9中示出）和废料通道1140（中介件上）至废料贮存器40（在料筒中）的流体路径。

中介件的另一目的是提供来自释放的液滴区域1450的点滴器结构122，以分配包含单个目标颗粒的液滴。该液滴区域1450在图12b中示出。

具体地，应当注意到，液滴区域1450的底板处于比分选物通道1122的底部更低的高度。因此，液滴100可以在重力和来自MEMS阀1的弯月面力的辅助下流动到点滴器结构122且落入定位在下方的微量滴定板1200内。这种液滴形成可以帮助抵销可以由于非常小的通道中的小体积流动产生的毛细力。

如图12a和图12b中能够看出的，中介件1400可以从分选物通道1122中的MEMS阀1递送小量的材料。材料可以在该通道中与通过液滴区域1450或分选物通道1122中的开口的载流体结合。废料通道1140可以将非目标材料递送到一次性料筒1000中的废料贮存器40或者微量滴定板1200中的废料孔穴1210'。

中介件1400可以通过注塑、模压、激光加工或3D打印由聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或者环烯烃聚合物（COP）制成。中介件1400中的通路上的公差在大约100至400微米的总直径的情况下可以是大约+/-1-10微米。MEMS阀1中的对应通路可以是大约50至150微米。可以通过将MEMS阀1安放在图10中所示的芯片腔1470中来使其胶粘到中介件。可以足够精确地形成腔1470，使得MEMS阀1中的通路大致覆于中介件1400中的通路上，如上文所述。所允许的失配可以高达大约20微米，能够容易地实现并且适于防止泄漏。在印刷电路板制造中众所周知的拾取和放置机器可以适合该任务。在对齐之后，MEMS阀1可以在腔1470内被胶粘在恰当位置。

通过将中介件1400定位孔洞1410定位成抵靠料筒主体1000中的对应柱，于是可以将中介件1400用胶或水泥粘合到料筒基部1130。由于将需要该胶或者水泥是不漏水的，且不干扰通路1120、1122或者1140，因此一些特征可以被形成为围绕这些通道的胶坝1460，如图12a和图12b中所示。这些胶坝1460可以用于阻止液体的、未固化的胶进入小通道1120、1122和1140。特征1460可以是塑料材料的凸起脊，其防止液体进入通道或者其它凹部。具体地，胶可以被注入通达中介件1400和料筒主体1000的剩余部分之间的界面的端口。胶将围绕该区域芯吸，而且可以由图12a所示的围绕微流体通路1120、1140和1122的胶坝1460被保持在这些通路之外。胶坝可以将中介件1400和料筒主体1000的剩余部分之间的界面的厚度从大约5至10 μm减小到0.2至2 μm，从而形成可以防止胶流过所述坝进入微流体通路的毛细效应。应当理解的是，这些尺寸仅是示例性的，并且这样的细节将取决于应用的具体细节。根据所使用的胶的类型，可以例如通过热、压力或曝露于UV辐射使液体胶固化。

图12b是中介件1400的正面的简化透视图。该侧面包括用于MEMS阀1的安置区域1470。MEMS阀1可以抵靠安置区域1470的特征被胶粘或以其它方式粘接。也示出了点滴器区域1450的输出孔口。

一次性料筒1000和中介件1400中的特征的示例性尺寸可以如下：中介件可以是16mm长、6 mm宽、1 mm高。废料和样本贮存器可以具有20 mm的直径。样本通道1120、载流体通道1122和废料通道1140中的每一个均可以具有300微米的宽度。胶坝的高度可以是大约20-50微米高。

图13是基于MEMS的单个颗粒分离系统2000的示意图示，其可以使用基于MEMS的单个颗粒分离装置10并且其中中介件1400被装纳在一次性料筒1000中。下文是系统的一些其它部件以及它们怎样与基于MEMS的单个颗粒分离装置10相互作用的描述。具体地，图13展示判读区域200的判读激光的光学路径，以及系统中的流体流动的控制和基于MEMS的单个颗粒分离装置10的控制。

如所图13中所示，微制造的MEMS阀1和中介件1400可以被装纳在一次性料筒1000中，如上文所描述的那样。一次性料筒1000可以被装载到活动台上并且相对于单个颗粒分离系统2000中的检测光学装置和判读激光器2400取向。然后流体从也被装纳在一次性料筒1000中的流体贮存器经由中介件1400中的通路流动通过MEMS阀1，如上文关于图10-12所描述的那样。

在系统2000的正常操作中，目标颗粒可以是已用荧光记号加了标签的特定细胞（诸如干细胞或癌细胞）。当用以预先限定的波长操作的激光器2400辐照该标记时，该标记发射具有特定能量的光子。因此，在该细胞分选系统中，激光源2400可以通过检测/收集光学装置2100由转动镜2250被引导到图8和图9中所示的激光判读区域200。检测/收集光学装置2100和激光源2400的光轴可以是共线的，至少在光学路径的一部分上共线。因此，激光应用和光学检测沿该光轴的取向可以与基底制造平面垂直或正交、与活动阀110的运动平面正交并且与通过检测区域的样本流体的流动正交。

从被辐照的颗粒发射的荧光可由检测/收集光学装置2100成形，并由二向色镜2200分离且被引导到一排光检测器2300内。多个光检测器可以适应发射的光的多个波长以便多参数检测。由光检测器2300输出的信号指示激光判读区域200中目标颗粒的存在或不存在。该信号可以被递送至控制器2900，其管理基于MEMS的单个颗粒分离系统2000中的部件的相对正时，并且收集数据。控制器2900可以是通用计算机或专用电路或ASIC。在检测到目标颗粒时，由为力生成或通量生成设备400功能的控制器2900生成信号。

控制器2900也可以经由一个或多个由流体控制器件2500总体上示出的气动、液压、基于活塞或基于机械力的机构为MEMS阀1或X1和载流体阀X2提供流体控制。流体控制器件2500可以包括用于打开和关闭阀X1和X2的机构。在图13中总体地示出的流体控制器件可以被理解为包括液滴检测器件2510，其检测在点滴器122的末端处一定量的流体的形成。液滴检测器件可以检测针对吸取到诸如滴定板1200、1200'的接收器内的大小恰当的液滴的形成，或者液滴进入接收器1200、1200'内的释放。液滴检测器件可以检测液滴已准备好或已经从点滴器122被分配，并且可以基于例如重量、振动或者光学测量。检测液滴的速率可以由控制器2900监测，该控制器2900可以维持流体控制器件2500并且因此维持来自载流体贮存器4的载流体的流动的速率。

力生成设备400是引起力出现在活动结构110本身中从而引起活动结构的运动的装置。该力生成设备400可以不直接地机械联接到MEMS颗粒操纵装置10，如图13中由虚线指示。例如，力生成设备400可以是磁通量的源，其引起静磁力出现在MEMS活动阀110中的嵌入可导磁材料116中，如先前所描述的那样。因此，通量生成设备400可以是带有磁芯和绕组的电磁体。该力可以朝向力生成设备400拉动活动阀110，打开点滴器结构122，并关闭废料通道140，如图8和图9中所示。重要的是，力生成设备400可以存在于基于MEMS的单个颗粒分离系统2000中，而不是存在于MEMS阀1中。如先前所提及的，这可降低可以被装纳在系统1的一次性部分1000中的MEMS阀1的成本和复杂性。

也可以包括另一可选激光器2410以提供在细胞分选系统2000中的第二光学通道。

在通过检测区域200时，由检测器2300生成信号，其指示在判读区域200中存在目标颗粒。在已知的延迟之后，由控制器2900生成信号，其指示分选门（即活动阀110）将被打开，以便将检测到的目标颗粒与流体流中的其它组分分离。活动MEMS阀110可以包括如先前所述的可导磁材料116，使得在存在磁场的情况下其中可以生成磁性力。当由控制器2900生成信号时，在嵌入的可导磁材料116中形成力，其朝向力生成设备400拖动活动阀110。该运动可以使废料通道140关闭并且使目标颗粒转向到点滴器结构122内。随后从点滴器结构122的末端处的分选物贮存器收集已分选样本，点滴器结构122保持已分选样本。如先前所提及的，控制器2900也可以基于记录分选事件的速率控制流动速率。

在现在已经从流体流分离的情况下，目标颗粒进入分选物通道22，在此其可以与来自流体载体通道24的载流体混合，如先前所描述的。流体最终可以进入锥形点滴器结构122，从该处其可以作为液滴掉入或被吸入微量滴定板1200内。微量滴定板可以由机器人（图13中未示出）定位。

流体控制器件2500可以控制流动通过MEMS阀1的通道的流体的方向和速度，所述流体包括样本流体和载流体。为了描述的简洁性，这些控制线和阀控机构未在图13中示出。此外，图13可以省略许多其它信号和控制线，其被隐含地包括在基于MEMS的单个颗粒分离系统2000中。

控制器2900可以控制基于MEMS的单个颗粒分离系统2000的多数方面，包括载体阀X2、机器人器件1500、激光判读器件2400和MEMS阀1。如先前所提及的，通过打开和关闭各种阀和通过激活控制微量滴定板1200或者1200'的定位的机器人器件，控制器2900可以实现图2和图4中所示的时间线。可以如何实现这些控制算法的细节对于本领域一个技术人员而言应当是清楚的。为了维持描述的清楚，图13中可以不示出许多连接和关系，并且可以为了简单性起见从附图中省略许多更小的细节和特征。

虽然已结合上文概述的示例性实施方式描述了各种细节，但在回顾前述公开时，各种替代、改型、变型、改进和/或实质上的等价物（无论已知还是未预见到的或可能目前未预见到的）可以变得显而易见。虽然上述系统和方法涉及诸如细胞的生物材料的分离，但是它们也可以被应用于悬浮在流体（诸如涂料或浆料）中的其它种类的惰性颗粒的分离。并且虽然上文关于分离单个单独的颗粒或细胞描述系统和方法，但是应当理解的是，可以分离多个细胞或颗粒。因此，上文所阐述的示例性实施方式旨在是说明性的，不是非限制性的。