Fraccionamiento de partículas.

Sistema de fraccionamiento para la separación de partículas que tengan diferentes características físicas,

por ejemplo diferentes tamaños o índices de refracción, siendo proporcionadas las partículas en un fluido,

comprendiendo el sistema:

medios para la formación de un entramado óptico asimétrico que tenga una pluralidad de pocillos de potencial, estando enlazados dichos pocillos de potencial en una dirección del entramado y estando sustancialmente sin enlazar en otra dirección del entramado, estando definidos los pocillos de potencial por que tienen alturas de barrera sustancialmente reducidas en dicha una dirección con respecto a dicha otra dirección; y

medios para provocar que el fluido que contiene las partículas fluya a través del entramado a una velocidad de flujo que permita que las fuerzas generadas por el entramado óptico provoquen la deflexión de las partículas a lo largo de los pocillos de potencial enlazados en función de una característica de las partículas, tal como tamaño o índice de refracción.

Fraccionamiento de partículas

La presente invención se refiere a un sistema y método para la separación o fraccionamiento de partículas de acuerdo con uno o más criterios físicos. El mismo sistema puede usarse para insertar partículas en otra corriente de flujo (una forma de mezclado).

Existen varias estrategias de fraccionamiento, que varían desde la electroforesis en gel, electroforesis capilar y centrifugación analítica a novedosas barreras entrópicas. Ejemplos de estos se describen por J. Han, H. G. Craighead, Science 288, 126-129 (12 de mayo de 2) y D. Nykypanchuk, H. H. Strey, D. A. Hoagland, Science 297, 987-99 (9 agosto de 22). La mayoría de estas técnicas conocidas separan una mezcla polidispersa en bandas que contienen partículas que viajan a diferentes velocidades a lo largo de la dirección del flujo. Esto conduce normalmente a un procesamiento por lotes. En electroforesis, se puede usar un gel para obtener una movilidad dependiente del tamaño. La recuperación de fracciones se consigue por medio de un procesamiento posterior del gel. Sin embargo, a pesar de su uso ampliamente extendido y efectividad, esta metodología es lenta y más importante, debido a los tamaños de poro limitados, tiene dificultad en la separación de objetos a nivel de tamaño microscópico, por ejemplo células, cromosomas, y materia coloidal.

Se usan también geles artificiales bidimensionales, asimétricos fabricados de modo litográfico. Ejemplos de éstos se describen en los artículos de D. Ertas, Physical Review Letters 8, 1548-1551 (16 de febrero de 1998); T. A. J. Duke, R. H. Austin, Physical Review Letters 8, 1552-1555 (16 de febrero de 1998) y C. F. Chou et ál., Biophysical Journal 83, 217-2179 (octubre de 22). Estos geles conducen a una separación transversal a la dirección del flujo. Debido a ello, se pueden operar en una forma continua, tomándose varias fracciones por canales de recogida separados. Sin embargo, la clasificación basada en la difusión se convierte en irrealizablemente lenta a escala microscópica y superior.

Otra estrategia de fraccionamiento que se ha propuesto se describe en el artículo "Kinetically Locked-in Colloidal Transport in an Array of Optical Tweezers" por Korda et ál., Physical Review Letters, Vol. 89, Número 12, 16 de septiembre de 22. En este caso, se permite que una monocapa de esferas coloidales fluya a través de una matriz de trampas ópticas discretas. Al variar la orientación del entramado de trampas se ha demostrado que la dirección del flujo de las esferas podría variarse. Debido a ello, se ha sugerido que el entramado se podría usar para fraccionar continuamente partículas mesoscópicas. Sin embargo, debido al uso de un entramado de trampas discretas localizadas, la canalización bloqueada cinéticamente observada a lo largo de vectores del entramado de bajo índice se limitó de modo intrínseco a deflexiones de pequeño ángulo. En la práctica, esto limita la utilidad del entramado para su uso en el fraccionamiento.

Los sistemas de fraccionamiento se usan en muchas aplicaciones diferentes. Un campo en donde su uso está tomando un creciente interés es el de los microfluidos. En microfluidos, el flujo es predominantemente laminar, creando retos en el diseño de actuadores tales como mezcladores y clasificadores. La capacidad para seleccionar y clasificar tanto material coloidal como biológico en una forma relacionada con sus propiedades físicas de un modo rápido y eficiente es un requisito clave en este nivel.

Un objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema y método mejorados para la separación o fraccionamiento de partículas

Se definen varios aspectos de la invención en las reivindicaciones independientes. Algunas características preferidas se exponen en las reivindicaciones dependientes.

Los pocilios de potencial se enlazan de tal manera que el entramado es asimétrico. Con ello se quiere indicar que el entramado tiene una conectividad más fuerte a lo largo de una dirección que a lo largo de otra dirección. Esto permite la deflexión en una única dirección, lo que es un requisito clave para una deflexión útil.

Los pocilios en una dirección del entramado pueden estar fuertemente enlazados y los pocilios en otra dirección pueden estar sustancialmente sin enlazar. Por fuertemente enlazado se quiere indicar que el patrón de intensidad de luz en dicha una dirección de entramado tiene picos y depresiones, en los que la intensidad en una depresión no cae por debajo de aproximadamente un tercio de la intensidad en un pico.

Alternativamente, los pocilios en una dirección del entramado pueden estar completamente enlazados y los pocilios en otra dirección pueden estar sustancialmente sin enlazar. Por completamente enlazados se quiere indicar que no hay sustancialmente depresiones en el patrón de intensidad en la dicha una dirección de entramado. Una ventaja de esto es que puede evitarse el problema de atasco debido a la localización de partículas en los máximos de intensidad.

Los pocilios se pueden enlazar para hacer posible una deflexión en un intervalo de grados a 85 grados. El ángulo de deflexión puede ser de 45 grados o más.

Se describirán a continuación varios aspectos de la presente invención solamente a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 es un diagrama de bloques del sistema para el fraccionamiento de partículas usando un entramado óptico;

la Figura 2 es un diagrama esquemático de un sistema para la definición de un entramado óptico en el sistema de la Figura 1;

la Figura 3(a) es un mapa de intensidad en falso color y dos escaneados de un entramado óptico en la que se definen trampas discretas;

la Figura 3(b) es un mapa de intensidad en falso color y dos escaneados para un entramado óptico en el que se definen trampas débilmente enlazadas;

la Figura 3(c) es un mapa de intensidad en falso color y dos escaneados para un entramado óptico en el que se definen guías extendidas;

la Figura 4(a) es una vista de una mezcla sílice/polímero;

la Figura 4(b) es una vista de las trayectorias trazadas por las partículas de la mezcla de la Figura 4(a) cuando se mueven a través de un entramado óptico tridimensional; la Figura 4(c) es una vista separada de la trayectoria para el polímero; la Figura 4(d) es una vista separada de la trayectoria para el sílice;

la Figura 5 es un trazado que muestra resultados experimentales para diferentes tipos de entramado;

la Figura 6 es una vista de las trayectorias trazadas por las partículas de otra mezcla polidispersa cuando se

mueven a través de un entramado óptico tridimensional;

la Figura 7 es un diagrama que ilustra una clasificación con marcado, y

la Figura 8 es una vista que muestra la separación de un único eritrocito a partir de un flujo de linfocitos.

La Figura 1 muestra un sistema micro-fluídico para fraccionamiento de partículas. Éste tiene una cámara de fraccionamiento 2 y medios (no mostrados) para la definición de un entramado óptico dentro de esa cámara 2. Conectado a la cámara de fraccionamiento 2 mediante unos pasos para fluido adecuados hay cuatro cámaras A, B, C y D. El fluido puede fluir entre la cámara A y las cámaras C y D a través de la cámara de fraccionamiento. De la misma forma, el fluido puede fluir entre la cámara B y las cámaras C y D a través de la cámara de fraccionamiento 2. Incluido en la cámara B hay un fluido poli-disperso que incluye dos tipos de partículas diferentes. La cámara A introduciría normalmente una corriente de flujo "en blanco", aunque ésta podría ser cualquier corriente dentro la que se han de introducir las partículas seleccionadas.

El entramado óptico se crea usando un patrón de interferencias multi-haz que forma un panorama de energía potencial en 3D personalizado, que provoca que se desvíen micro-objetos en una forma deseada. Preferiblemente, el entramado óptico es tridimensional por naturaleza admitiendo la capacidad de clasificar partículas a todo lo largo de un flujo tridimensional. La interacción entre el entramado óptico y la materia provoca que tipos de partículas seleccionados sigan recorridos descritos a través del entramado, proporcionando de ese modo un fraccionamiento óptico. En el ejemplo mostrado en la Figura 1, el entramado óptico se adapta para dirigir un conjunto de las partículas que se originan desde la cámara B al interior de la cámara C y las otras partículas al interior de la cámara D. En este caso un conjunto de partículas se desvía mediante el entramado óptico, mientras que el otro conjunto queda en su gran mayoría sin afectar. Se debería tomar nota de que el entramado óptico, que es un patrón... [Seguir leyendo]

1. Sistema de fraccionamiento para la separación de partículas que tengan diferentes características físicas, por ejemplo diferentes tamaños o índices de refracción, siendo proporcionadas las partículas en un fluido, comprendiendo el sistema:

medios para la formación de un entramado óptico asimétrico que tenga una pluralidad de pocilios de potencial, estando enlazados dichos pocilios de potencial en una dirección del entramado y estando sustancialmente sin enlazar en otra dirección del entramado, estando definidos los pocilios de potencial por que tienen alturas de barrera sustancialmente reducidas en dicha una dirección con respecto a dicha otra dirección; y medios para provocar que el fluido que contiene las partículas fluya a través del entramado a una velocidad de flujo que permita que las fuerzas generadas por el entramado óptico provoquen la deflexión de las partículas a lo largo de los pocilios de potencial enlazados en función de una característica de las partículas, tal como tamaño o índice de refracción.

2. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende adicionalmente una cámara de fraccionamiento en la que se define el entramado óptico.

3. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 2 que comprende una o más cámaras de captura para la captura de las partículas separadas en la cámara de fraccionamiento.

4. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que sea operativo para escanear el entramado óptico.

5. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el entramado es tridimensional.

6. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se proporcionan en serie dos o más entramados ópticos.

7. Un método para la optimización de la clasificación de partículas en un flujo de fluido que comprende:

la formación de un entramado óptico asimétrico que tenga una pluralidad de pocilios de potencial, estando enlazados dichos pocilios de potencial en una dirección del entramado y estando sustancialmente sin enlazar en otra dirección del entramado, estando definidos los pocilios de potencial enlazados mediante alturas de barrera sustancialmente reducidas en dicha una dirección con respecto a dicha otra dirección;

el ajuste del entramado óptico, y/o la variación de la velocidad del flujo de partículas a través del entramado hasta que se alcancen las condiciones óptimas, para permitir de ese modo la deflexión de las partículas a lo largo de los pocilios de potencial enlazados en función de una característica de las partículas, tal como el tamaño o el índice de refracción.

8. Un método de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la etapa de ajuste implica la variación de un enlazado entre pocilios de potencial adyacentes en el entramado.

9. Un método para la clasificación de partículas en un flujo de fluido que comprende:

la formación de un entramado óptico asimétrico que tenga una pluralidad de pocilios de potencial, estando enlazados dichos pocilios de potencial en una dirección del entramado y estando sustancialmente sin enlazar en otra dirección del entramado, estando definidos los pocilios de potencial enlazados mediante alturas de barrera sustancialmente reducidas en dicha una dirección con respecto a dicha otra dirección; y

hacer que el fluido que contiene las partículas fluya a través del entramado, en donde las fuerzas generadas por el entramado óptico provoca la separación de las partículas mediante la deflexión de las partículas a lo largo de los pocilios de potencial enlazados en función de una característica de las partículas, tal como el tamaño o el índice de refracción.