CN108472678B - 液滴形成设备和分散设备 - Google Patents

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Abstract

液滴形成设备具有：液滴排出器，其排出其中悬浮一个或多个荧光颗粒的颗粒悬浮液为液滴；光源，其用于将光照射在从液滴排出器排出的液滴上；光检测器，其接收由液滴中包括的荧光颗粒响应于作为激发光的光而发出的荧光；以及颗粒数量检测器，其基于来自光检测器的信息来检测液滴中所包括的荧光颗粒的数量。

Description

液滴形成设备和分散设备
技术领域
本发明涉及液滴形成设备和分散设备。
背景技术
近年来，随着干细胞技术的发展，已经开发出通过由喷墨排出多个细胞来形成组织的技术。在排出包括特定材料的液滴期间，其中的特定材料由细胞来表示，重要的是检测颗粒包括在被排出的液滴中的程度。
作为提供这种功能的设备的示例，存在对液滴中所包括的颗粒数量进行计数的排出设备(例如，见专利文献1)。该排出设备能够对液滴中包括的颗粒数量进行计数，其中的液滴穿过形成在排出设备的空腔和喷嘴之间的检测器。
另外，已知与微粒测量设备有关的技术，其用于响应于发射光照射在包括微粒的液滴上，来检测从微粒生成的荧光(例如，见专利文献2)。微粒测量设备能够检测飞行的液滴中的微粒所生成的荧光强度。
发明内容
发明要解决的课题
然而，专利文献1中所描述的液滴形成设备在即将飞行之前对液体中所包括的颗粒数量进行计数，并且该设备并不直接计数飞行的液滴中所包括的颗粒数量。问题在于，由于在即将飞行之前液滴中所包括的颗粒数量可能等于也可能不等于飞行的液滴中所包括的颗粒数量，所以检测被排出的液滴中所包括的颗粒数量的准确性低。
虽然专利文献2中描述的微粒测量设备能够测量液滴的形状或荧光强度，但是该设备并不计数液滴中的颗粒数量。
本发明鉴于上述问题而实现，并目的在于提供一种液滴形成设备，其提高排出液滴中所包括的颗粒数量的检测准确性。
解决课题的手段
液滴形成设备需要包括：液滴排出器，其将悬浮一个或多个荧光颗粒的颗粒悬浮液排出为液滴；光源，其用于将光照射在从液滴排出器排出的液滴上；光检测器，其接收由液滴中包括的一个或多个荧光颗粒响应于作为激发光的光而发出的荧光；以及颗粒数量检测器，其基于来自光检测器的信息来检测液滴中所包括的一个或多个荧光颗粒的数量。
发明的效果
根据所公开的技术，能够提供一种液滴形成设备，其提高了检测排出液滴中所包括的颗粒数量的准确性。
附图说明
图1是举例说明根据第一实施例的液滴形成设备的示意图；
图2是举例说明图1的控制器的硬件块的示意图；
图3是举例说明图1的控制器的功能块的示意图；
图4是示出根据第一实施例的液滴形成设备的操作的流程图的示例；
图5是举例说明根据第一实施例的变型例1的液滴形成设备的示意图；
图6是举例说明根据第一实施例的变型例2的液滴形成设备的示意图；
图7是举例说明飞行的液滴中包括两个荧光颗粒的情况的示意图(版本1)；
图8是举例说明飞行的液滴中包括两个荧光颗粒的另一情况的示意图(版本2)；
图9是举例说明未发生颗粒重叠的情况下的亮度值Li与实际测量的亮度值Le之间的关系的示意图；
图10是举例说明根据第一实施例的变型例3的液滴形成设备的示意图；
图11是举例说明根据第一实施例的变型例4的液滴形成设备的示意图；
图12是举例说明根据第一实施例的变型例5的液滴形成设备的示意图；
图13是示出根据第二实施例的分散设备的示意图；
图14是示出根据第二实施例的分散设备的操作的流程图的示例；
图15是示出根据第二实施例的分散设备的操作的流程图的另一示例；
图16是示出光检测器捕获到的除了荧光颗粒以外的颗粒的图像的示意图(版本1)；
图17是示出光检测器捕获到的除了荧光颗粒以外的颗粒的图像的示意图(版本2)；
图18是示出光检测器捕获到的荧光颗粒的图像的示意图(版本1)；
图19是示出光检测器捕获到的荧光颗粒的图像的示意图(版本2)；以及
图20是示出由颗粒数量检测器检测荧光颗粒的数量的正确答案率的评价结果。
具体实施方式
下面，通过参考附图来描述用于实现本发明的实施例。在附图中，相同的组件可以赋予相同的附图标记，并且可以省略重复的描述。
<第一实施例>
[液滴形成设备的结构]
首先，描述根据第一实施例的液滴形成设备。图1是举例说明根据第一实施例的液滴形成设备的示意图。参考图1，液滴形成设备1包括液滴排出器10、驱动器20、光源30、光检测器60以及控制器70。
液滴排出器不是特别受限；而是，存在基于使用压电元件的压电压力方法的喷墨头，基于使用加热器的热学方法的喷墨头，基于静电方法以使通过静电吸引来拉动液体的喷墨头。其中，压电压力方法在荧光颗粒350受到热或电场的损伤相对小的方面是有利的。
液滴排出器10包括液体腔11、膜12、以及驱动元件13。液滴排出器10能够排出其中悬浮有荧光颗粒350(分散有荧光颗粒350)的颗粒悬浮液300作为液滴。
液体腔11是用于储存其中悬浮有荧光颗粒350的颗粒悬浮液体300的液体储存器，并且作为贯通孔的喷嘴111形成在底表面侧。液体腔11可以由例如金属、硅、陶瓷等形成。作为荧光颗粒350，存在利用荧光染料染色的无机微粒和有机聚合物微粒等。
膜12是固定到液体腔11的上端部的薄膜形组件。膜12的平面形状例如可以是圆形；然而，平面形状可以是椭圆形或矩形等。
驱动元件13形成在膜12的上表面侧。驱动元件13的形状可以设计成被调整为膜12的形状。例如，如果膜12的平面形状是圆形，优选形成圆形的驱动元件13。
通过从驱动器20向驱动元件13提供驱动信号，膜12可以振动。通过膜12的振动，可以使得从喷嘴111排出包括荧光颗粒350的液滴310。
当使用压电元件作为驱动元件13时，例如可以采用一种结构，使得用于施加电压的电极形成压电材料的上表面和下表面。在此情况下，通过从驱动器20在压电元件的上电极和下电极之间施加电压，可以施加纸平面的横向方向的压缩应力，并且膜12可以在纸平面的垂直方向上发生振动。例如，可以使用锆钛酸铅(PZT)作为压电材料。另外，可以使用各种类型的压电材料，诸如铋铁氧化物、金属铌酸盐、或者通过将金属或不同的氧化物添加到这些材料获得的材料。
光源30将光L发射到飞行的液滴310。需要注意的是，飞行指的是液滴310从液滴排出器10排出直至液滴滴落在滴落目标对象上的状态。飞行的液滴310在光L照射的位置具有近似圆形的形状。光L的光束形状为近似圆形。
在此，光L的光束直径优选接近液滴310的直径的10倍至100倍。原因在于，确保即使液滴310的位置发生变化，来自光源30的光L也照射在液滴310上。
然而，光L的光束直径显著超出液滴310的直径的100倍是不可取的。原因在于，照射在液滴310上的光的能量密度减少，并且作为光L的激发光而发出的荧光Lf的光量减少至光检测器60难以检测到的程度。
优选地是从光源30发出的光L是脉冲光；并且可以优选地使用例如固态激光、半导体激光、染料激光等。当光L是脉冲光时，脉冲宽度优选地可以是小于或等于10μs，并且更优选地是小于或等于1μs。每单位脉冲的能量很大程度上取决于光学系统，诸如存在或不存在会聚；然而，每单位脉冲的能量优选地可以大于或等于约0.1μJ，并且更优选地大于或等于1μJ。
当飞行的液滴310包括荧光颗粒350时，光检测器60接收由荧光颗粒350通过吸收作为激发光的光L而发出的荧光Lf。由于从荧光颗粒350在所有方向发出荧光Lf，光检测器60可以位于能够接收荧光Lf的任何位置。此时，为了提高对比度，光检测器60可以优选地位于从光源30发射的光L不直接进入的位置。
光检测器60并不特定受限，只要光检测器60是能够接收从荧光颗粒350发射的荧光Lf的元件。作为光检测器60，例如存在一维元件，诸如光二极管和光传感器。然而，如果需要高度灵敏的测量，可以优选地使用光电倍增管或雪崩光二极管。作为光检测器60，例如可以使用二维元件，诸如电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体、或栅CCD。
由荧光颗粒350发射的荧光Lf比由光源30发射的光L弱。因此，用于衰减光L的波长范围的滤波器可以安装在光检测器60的前侧(光接收表面侧)。因此，可以在光检测器60上获得荧光颗粒350的非常高对比度的图像。作为滤波器，例如可以使用陷波滤波器，其用于衰减包括光L的波长的特定波范围。
如上所述，从光源30发出的光L优选地是脉冲光。然而，从光源30发出的光L可以是持续振荡的光。在此情况下，通过控制光检测器60使得光检测器60能够在持续振荡的光照射到飞行的液滴310上的时刻捕获到光，光检测器60可以接收到荧光Lf。
控制器70具有控制驱动器20和光源30的功能。另外，控制器70具有基于由光检测器60接收的光量来获得信息并且检测液滴310中包括的荧光颗粒350的数量(包括零的情况)的功能。下面，通过参考图2至图4，描述液滴形成设备1的操作，其包括控制器70的操作。
图2是举例说明图1的控制器的硬件块的示意图。图3是举例说明图1的控制器的功能块的示意图。图4是示出根据第一实施例的液滴形成设备的操作的流程图的示例。
参考图2，控制器70包括CPU 71、ROM72、RAM73、接口74、以及总线75。CPU 71、ROM72、RAM73以及接口74通过总线75相互耦合。
CPU 71控制成像装置70的每个功能。ROM72是存储由CPU 71来执行以控制控制器70的每个功能的程序和各种类型的信息的存储器。作为存储器的RAM73被用作CPU 71的工作区域。RAM73能够暂时存储预定的信息。接口74是用于将液滴形成设备1连接到另一设备的接口。液滴形成设备1可以通过接口74耦合到外部网络。
参考图3，控制器70包括排出控制器701、光源控制器702以及颗粒数量检测器703作为功能块。
参考图3和图4，描述由液滴形成设备1进行的颗粒数量的检测。首先，在步骤S11，控制器70的排出控制器701向驱动器20输出排出命令。从排出控制器701接收到排出命令的驱动器20通过向驱动元件13提供驱动信号来使得膜12振动。通过膜12的振动，从喷嘴111排出包括荧光颗粒350的液滴310。
接着，在步骤S12，控制器70的光源控制器，在与排出液滴310进行同步的同时(在与从驱动器20向液滴排出器10提供驱动信号进行同步的同时)，输出开启光源30的命令。因此，光源30被开启，并且光L照射在飞行的液滴310上。
在此，同步化不意味着在液滴排出器10排出液滴310的同时(驱动器20向液滴排出器10提供驱动信号的同时)，光被发射，而是同步化意味着在飞行的液滴310到达预定位置使得光L照射在液滴310上的时刻，光源30发射光。也就是，光源控制器702控制光源30使得相对于由液滴排出器10排出液滴310(从驱动器20向液滴排出器10提供驱动信号)，光的发射被延迟预定时间。
例如，预先测量向液滴排出器10提供驱动信号的时刻被排出的液滴310的速度v。然后，基于测量的速度v，计算从液滴310的排出直至液滴310到达预定位置的时间t，并且相对于向液滴排出器10提供驱动信号的时刻，由光源30发射光的时刻被延迟t。因此，能够进行有利的光发射控制，并且能够确保来自光源30的光照射在液滴310上。
接着，在步骤S13，控制器70的颗粒数量检测器703基于来自光检测器60的信息，检测液滴310中包括的荧光颗粒350的数量(包括零的情况)。在此，来自光检测器60的信息可以是荧光颗粒350的亮度值(光量)或面积值。
颗粒数量检测器703能够例如通过将光检测器60接收到的光量与预先配置的阈值进行比较，来计数荧光颗粒350的数量。在此情况下，可以使用一维元件或二维元件作为光检测器60。
当使用二维元件作为光检测器60时，颗粒数量检测器703可以使用执行图像处理的方法，该方法用于基于从光检测器60获得的二维图像来计算荧光颗粒350的亮度值或面积。在此情况下，颗粒数量检测器703能够通过以下方式来计数荧光颗粒350的数量：通过图像处理来计算荧光颗粒350的亮度值或面积，并且通过将计算出的亮度值或计算出的面积值与预先配置的阈值进行比较。
需要注意的是，荧光颗粒350可以是细胞或染色细胞。染色细胞是利用荧光染料染色的细胞或者是能够表示荧光蛋白的细胞。当荧光颗粒350是细胞时，光检测器60接收细胞的自发荧光，并且颗粒数量检测器703计数液滴310中包括的荧光颗粒350的数量。
在染色细胞中，荧光染料的示例包括细胞示踪橙和细胞示踪红。荧光蛋白的示例包括绿色荧光蛋白(GFP；green fluorescent protein)，红色荧光蛋白(RFP；redfluorescent protein)，以及黄色荧光蛋白(YFP；yellow fluorescent protein)。
如上所述，在液滴形成设备1中，从驱动器2向储存颗粒悬浮液300的液滴排出器10提供驱动信号，其中荧光颗粒350处于悬浮以便排出包括液晶颗粒350的液滴310，并且来自光源30的光L照射在飞行的液滴310上。接着，飞行的液滴310中包括的荧光颗粒350使用光L作为发射光来发射荧光Lf，并且光检测器60接收荧光Lf。进一步，基于来自光检测器60的信息，颗粒数量检测器703计数飞行的液滴310中包括的荧光颗粒350的数量。
也就是，在液滴形成设备1中，由于在该点处实际观察到飞行的液滴310中包括的荧光颗粒350的数量，所以与通常的设备相比能够提高荧光颗粒数量的检测准确性。另外，光L被照射在飞行的液滴310中包括的荧光颗粒上以发出荧光Lf，并且通过光检测器60接收荧光Lf。因此,能够获得荧光颗粒350的高对比度图像,并且能够减少荧光颗粒350数量的错误检测的发生频率。
<第一实施例的变型例1>
在第一实施例的变型例1中，示出液滴形成设备的示例，其中检测由荧光颗粒350发出的荧光的部分的配置被改变。需要注意的是，在第一实施例的变型例1中，可以省略与上述实施例相同的组件的描述。
图5是举例说明根据第一实施例的变型例1的液滴形成设备的示意图。参考图5，液滴形成设备1A与液滴形成设备1(见图1)的不同之处在于在光检测器60前面设置有反射镜40。
如上所述，在液滴形成设备1A中，通过在光检测器60前面布置反射镜40，能够提高光检测其60的布局的自由度。
例如，当将喷嘴111与滴落目标对象相互靠近时，在图1的布局中可能发生液滴形成设备1的滴落目标对象与光学系统(尤其是，光检测器60)之间的干扰。然而，通过采用图5的布局，可以避免干扰的发生。
也就是，如图5中所示，通过改变光检测器60的布局，能够减小液滴310滴落在的滴落目标对象与喷嘴111之间的距离(间隙)，并且能够减少滴落位置的变化。因此，能够提高分散准确性。
<第一实施例的变型例2>
在第一实施例的变型例2中，示出液滴形成设备的示例，其中检测由荧光颗粒350发出的荧光的部分的配置被改变。需要注意的是，在第一实施例的变型例2中，可以省略与上述实施例相同的组件的描述。
图6是举例说明根据第一实施例的第二变型例的液滴形成设备的示意图。参考图6，液滴形成设备1B与液滴形成设备1(见图1)的不同之处在于，除了用于接收从荧光颗粒350发射的荧光Lf1的光检测器60以外，还提供了用于接收从荧光颗粒350发射的荧光Lf2的光检测器61。
在此，荧光Lf1和荧光Lf2表示从荧光颗粒350在所有方向发射上发射的荧光中的部分。光检测器60和61可以位于能够分别接收在不同方向上从荧光颗粒350发射的荧光的任何位置。这里，三个或更多个光检测器可以位于能够分别接收在不同方向上从荧光颗粒350发射的荧光的任何位置。光检测器可以是相同的规格或者可以是不同的规格。
如果存在一个光检测器并且飞行的液滴310中包括多个荧光颗粒350，颗粒数量检测器703可能由于荧光颗粒350的重叠而错误地检测液滴310中包括的荧光颗粒350的数量(发生计数错误)。
图7和图8是举例说明飞行的液滴中包括两个荧光颗粒的情况的示意图。例如，可能存在如下几种情况：诸如图7中所示的情况，其中荧光颗粒3501和荧光颗粒3502重叠，以及如图8中所示的情况，其中荧光颗粒3501和荧光颗粒3502不重叠。通过提供两个或更多个光检测器，能够减少荧光颗粒的重叠的影响。
如上所述，颗粒数量检测器703能够通过以下方式来检测荧光颗粒的数量：通过图像处理来计算荧光颗粒的亮度值或面积，并且通过将计算出的亮度值或计算出的面积值与预先配置的阈值进行比较。
当安装有两个或更多个光检测器时，通过采用从光检测器所获得的亮度值或面积值之中的指示最大值的数据，能够抑制计数错误的发生。通过参考图9对此进行更详细地描述。
图9是举例说明颗粒之间不存在重叠时的亮度值Li与实际测量的亮度值Le之间的关系的示意图。如图9中所示，如果颗粒之间没有重叠，则Le＝Li。例如，如果一个颗粒的亮度值是L，当颗粒/液滴＝1时，Le＝L；当颗粒/液滴＝n(n:自然数)时，Le＝nL。
然而，实际上，如果n大于或等于2，颗粒之间可能发生重叠，实际测量的亮度值变为L≤Le≤nL(图9中所示的阴影部分)。因此，如果例如颗粒的数量/液滴＝n，则阈值可以被调整为使得(nL-L/2)≤阈值≤(nL+L/2)。那么，如果安装有多个光检测器，通过采用分别从光检测器获得的数据项之中的表示最大值的数据项，则可以抑制计数错误的发生。需要注意的是，可以使用面积值来代替亮度值。
另外，如果安装多个光检测器，基于可以获得的多个形状数据项，通过估计颗粒数量的算法可以确定颗粒的数量。
如上所述，因为颗粒形成设备1B包括多个光检测器，这些光检测器用于接收在各个不同的方向上由荧光颗粒350发射的荧光，因此颗粒形成设备1B能够进一步减小荧光颗粒350数量的错误检测的发生频率。
<第一实施例的变型例3>
在第一实施例的变型例3中，示出液滴形成设备的另一示例，其中用于检测由荧光颗粒350发出的荧光的部分的配置被改变。需要注意的是，在第一实施例的变型例3中，可以省略与上述实施例相同的组件的描述。
图10是举例说明根据第一实施例的变型例3的液滴形成设备的示意图，其中从液滴形成设备的上部看到液滴形成设备的一部分。参考图10，液滴形成设备1C与液滴形成设备1(见图1)的不同之处在于，由光检测器62通过透镜50接收从荧光颗粒350发射的荧光Lf。
光检测器62具有使得多个光检测器形成阵列的结构。来自荧光颗粒350的荧光Lf通过透镜50被引导到形成光检测器62的各个光检测器。
优选地可以使用高数值孔径(NA：Numerical Aperture)的透镜作为透镜50。特别地，物镜或fθ透镜是优选的，因为可以使得光正交地进入光检测器62，并且可以避免发生对于元件的位置依赖性。这里，物镜是能够获得小像差的放大图像的透镜。fθ透镜是当图像高度为y，焦距为f，并且到透镜的光入射角为θ时，使得y＝fθ的透镜。例如可以使用CCD阵列、COMS阵列、光二极管阵列等作为光检测器62。从灵敏度和时间响应的角度来看，最优选的是使用光二极管阵列。
在液滴形成设备1C中，通过适当地布置液滴310和透镜50，形成光检测器62的各个检测器能够接收在不同方向上由荧光颗粒350发射的荧光。因此，能够进一步减小液滴形成设备1C的尺寸。
<第一实施例的变型例4>
在第一实施例的变型例4中，示出液滴形成设备的另一示例，其中用于检测由荧光颗粒350发出的荧光的一部分的配置被改变。在第一实施例的变型例4中，可以省略与上述实施例相同的组件的描述。
图11是举例说明根据第一实施例的变型例4的液滴形成设备的示意图，其中从液滴形成设备的上部看到液滴形成设备的一部分。参考图11，液滴形成设备1D与液滴形成设备1(见图1)的不同之处在于，由光检测器60通过多个反射镜41和反射镜42并且通过多个透镜51至透镜53来接收从荧光颗粒350发射的荧光。
在液滴形成设备1D中，从荧光颗粒350发射的荧光Lf1被反射镜41反射从而进入透镜51，并且进一步进入透镜53从而在光检测器60上形成图像。荧光颗粒350在与荧光Lf1不同的方向上发射的荧光Lf2被反射镜42反射从而进入透镜52，并且进一步进入透镜53从而在光检测器60上形成图像。可以使用光检测器的二维阵列作为光检测器60。
如上所述，通过将多个反射镜41和反射镜42以及多个透镜51至透镜53布置在不同方向的由荧光颗粒350发射的荧光能够进入的相应位置，并且通过使用光检测器的二维阵列作为光检测器60，通过图11中的右半部能够捕获从右半部开到的荧光颗粒350的图像，并且通过左半部能够捕获从左半部考到的荧光颗粒350的图像。
因此，来自多个方向的图像可以形成在单个光检测器60上，并且利用低廉的配置能够减少颗粒数量检测器703对于荧光颗粒350数量的错误检测的发生频率。
<第一实施例的变型例5>
在第一实施例的变型例5中，示出液滴形成设备的示例，其中液滴排出器的配置被改变。在第一实施例的变型例5中，可以省略与上述实施例相同的组件的描述。
图12是举例说明根据第一实施例的变型例5的液滴形成设备的示意图。参考图12，液滴形成设备1E与液滴形成设备1(见图1)的不同之处在于，利用液滴排出器10E来替换液滴排出器10。
液滴排出器10E包括液体腔11E、膜12E、以及驱动元件13E。在液体腔11E的上部，存在用于向大气敞开液体腔11E的内部的大气开口115，并且液体腔11E被配置为使得混合在颗粒悬浮液300中的气泡能够从大气开口115排出。
膜12E是固定到液体腔11E的下端部的薄膜形组件。作为贯通孔的喷嘴121形成在膜12E的接近中心的位置，并且通过膜12E的振动，从喷嘴121排出储存在液体腔11E中的颗粒悬浮液300作为液滴310。因为液滴310通过膜12E的振动惯性来形成，所以即使颗粒悬浮液300具有高表面张力(高粘度)，也能够排出颗粒悬浮液300。膜12E的平面形状例如可以是圆形；然而，膜12E的平面形状可以是椭圆形或矩形等。
膜12E的材料并不特定受限；然而，因为如果材料太软，膜12E容易振动使得难以在不执行排出的时刻立即抑制振动，所以可以优选地使用具有特定刚度的材料。例如可以使用具有特定刚度的金属材料、陶瓷材料、或者聚合物材料作为膜12E。
特别地，当使用细胞作为荧光颗粒350时，对细胞和蛋白质的粘附性低的材料是优选的。通常，细胞的粘附性取决于材料与水之间的接触角。当材料具有高亲水性或高疏水性时，细胞的粘附性低。可以使用各种类型的金属材料和陶瓷(金属氧化物)作为具有高亲水性的材料，并且可以使用氟树脂作为具有高疏水性的材料。
这样的材料的其他示例包括不锈钢、镍、铝、氧化硅、氧化铝、氧化锆等。除此之外，可以考虑通过涂覆材料表面来降低系统黏附性。例如，材料表面可以涂覆上述金属或金属氧化物材料，或者材料表面可以涂覆模拟细胞膜的合成磷脂聚合物(例如，日本石油株式会社制造的Lipidure)。
喷嘴121优选地可以作为具有接近圆形形状的贯通孔形成在膜12E的接近中心的位置。在此情况下，喷嘴121的直径并不特定受限；然而，为了避免荧光颗粒350堵塞喷嘴121，喷嘴121的直径优选地大于或等于荧光颗粒350的大小的两倍。当荧光颗粒350是例如动物细胞时，尤其是当荧光颗粒350是人细胞时，因为人细胞的大小通常接近5μm至50μm，所以优选地可以根据所使用的细胞，将喷嘴121的直径调整为大于或等于10μm至100μm。
然而，如果液滴过大，难以形成微液滴的目的。因此，喷嘴121的直径优选地可以小于或等于200μm。也就是说，在液滴排出器10E中，喷嘴121的直径通常可以在10μm至200μm的范围内。
驱动元件13E形成在膜12E的下表面侧。驱动元件13的形状可以设计成针对膜12的形状进行调整。例如，如果膜12E的平面形状是圆形，则具有环形平面形状(环形)的驱动元件13E可以优选地形成在喷嘴121周围。驱动元件13E的驱动方法可以与驱动元件13的相同。
驱动器20可以选择性地(例如，可替换地)向驱动元件13E施加使得膜12E振动以形成液滴310的排出波形，以及使得膜12E在不形成液滴310的范围内振动的搅拌波形。
例如，通过将排出波形和搅拌波形成形为矩形波，并且通过将搅拌波形的驱动电压调整至低于排出波形的驱动电压，能够防止通过应用搅拌波形而形成液滴310。也就是说，通过将驱动电压调整高或调整低，能够控制膜12E的振动状态(振动程度)。
在液滴排出器10E中，驱动元件13E形成在膜12E的下表面侧。相应地，当通过驱动元件13E使得膜12振动时，能够生成从液体腔11E的下部至上部方向上的流。
此时，荧光颗粒350的运动是从底部至顶部的运动，在液体腔11E内发生对流，并且包括荧光颗粒350的颗粒悬浮液300被搅动。通过从液体腔11E的底部方向到顶部方向的流，猛然落下并且聚集的颗粒均匀地分散在液体腔11E中。
也就是说，除了将排出波形施加到驱动元件13E，通过控制膜12E的振动状态，驱动器20能够使得液体腔11E中储存的颗粒悬浮液300从喷嘴121排出，作为液滴310。另外，除了将搅拌波形施加到驱动元件13E，通过控制膜12E的振动状态，驱动器20能够搅拌液体腔11E中储存的颗粒悬浮液300。需要注意的是，在搅拌期间，没有从喷嘴121排出液滴。
如上所述，通过搅拌颗粒悬浮液300同时不形成液滴310，能够防止荧光颗粒350沉淀和聚集在膜12E上，并且荧光颗粒350能够均匀地分散在颗粒悬浮液300中。相应地，能够抑制喷嘴121的堵塞以及所排出的液滴310中的荧光颗粒350的数量变化。因此，包括荧光颗粒350的颗粒悬浮液300能够长时间稳定地被排出为液滴310。
另外，在液滴形成设备1E中，气泡可能混合在液体腔11E的颗粒悬浮液300中。在此情况下，在液滴形成设备1E中，大气开口115形成在液体腔11E的上部。因此，混合在颗粒悬浮液300中的气泡可以通过大气开口115排出到外部空气中。因此，可以在为了排出气泡而舍弃大量液体的情况下，持续稳定地形成液滴310。
换言之，如果气泡混合在喷嘴121附近，或者如果许多气泡混合在膜12E上，则排出状态受到影响。相应地，为了长时间稳定地形成液滴，需要排出混合的气泡。通常，混合在膜12E上的气泡自然地或者由于膜12E的振动向上移动。然而，在液体腔11E中形成大气开口115，因此能够从大气开口115排出混合的气泡。相应地，即使气泡混合在液体腔11E中，也能够防止排出故障的发生，并且能够持续稳定地形成液滴310。
需要注意的是，在不形成液滴的时刻，膜12E可以在不形成液滴的范围内振动，使得气泡在液体腔11E主动向上移动。
<第二实施例>
在第二实施例中，示出使用液滴形成设备1用于将荧光颗粒分散到井中的设备的示例。需要注意的是，在第二实施例中，可以省略与上述实施例相同的组件的描述。
图13是举例说明根据第二实施例的分散设备的示意图。参考图13，分散设备2包括液滴形成设备1、基体700、平台800以及控制器900。
在分散设备2中，基体700布置在被配置为可移动的平台800上。在基体700中，形成多个井710(凹陷部分)，其中滴落从液滴形成设备1的液滴排出器10(见图1)排出的液滴310。控制器900使得平台800移动以便控制液滴形成设备1的液滴排出器10(见图1)与多个井710中的每个井的相对位置关系。因此，包括荧光颗粒350的液滴310能够顺次地从液滴形成设备1的液滴排出器10(见图1)排出到各个井710中。
控制器900可以配置为包括例如CPU、ROM、RAM以及主存储器。在此情况下，控制器900的各种类型的功能可以通过将存储在ROM中的程序读取到主存储器以便由CPU执行来实现。然而，控制器900的一部分或者整个可以仅通过硬件来执行。另外，控制器900在物理上由多个设备形成。
图14是示出根据第二实施例的分散设备的操作的流程图的示例。首先，在步骤S101，液滴形成设备1的液滴排出器10(见图1)朝向预定的井710排出液滴310。
接着，在步骤S102，液滴形成设备1的颗粒数量检测器703(见图1)检测飞行的液滴310中包括的荧光颗粒350的数量，并且将检测结果发送到控制器900。如果颗粒数量检测器703的检测结果不是“大于或等于1”(零的情况)，重复步骤S101的操作。
在步骤S102，如果颗粒数量检测器703的检测结果是“大于或等于1”，处理进行到步骤S103。在步骤S103，控制器900控制平台800来移动基体700，使得液滴形成设备1的液滴排出器10(见图1)面对下个井710进行定位。接着，处理进行到步骤S101以重复相同的操作。
因此，如果朝向井710飞行的液滴310中包括的荧光颗粒350数量为零，则再次朝向同一个井710排出另一液滴310。相应地，能够确保荧光颗粒350被分散到多个井710中。
不是检测存在或不存在飞行的液滴310中所包括的荧光颗粒350，如图15中所示，而是能够检测飞行的液滴310中所包括的荧光颗粒350的数量。图15是示出根据第二实施例的分散设备的操作的流程图的另一示例。
在图15中，在首先执行与图14相同的步骤S101之后，在步骤S202，液滴形成设备1的颗粒数量检测器703(图1)检测飞行的液滴310中包括的荧光颗粒350的数量，并且将检测结果发送到控制器900。重复步骤S101的操作直至颗粒数量检测其703的检测结果变为“大于或等于三”为止。
在此，如果液滴310中包括的荧光颗粒350的数量增加，则颗粒数量检测器703的检测准确性可能降低。相应地，将一次排出的液滴310中包括的荧光颗粒350的数量配置为大于或等于三并不是必须的。例如，可以将一次排出的液滴310中包括的荧光颗粒350的数量配置为零或一。在此情况下，重复步骤S101的操作直至一个或多个液滴310中包括的荧光颗粒350的总数量变为大于或等于三为止。
在步骤S202，如果颗粒数量检测器703的检测结果是“大于或等于三”，处理进行到步骤S103，并且执行与图14相同的步骤S103。接着，处理进行到步骤S101，并且重复相同的操作。因此,荧光颗粒350能够被分散为使得每个井710中的荧光颗粒350的数量大于或等于三。
需要注意的是，在图14和图15的处理中的沿平台800将液滴形成设备1移动到预定位置的功能能够例如作为控制器900中的程序被嵌入。另外，可以使用液滴形成设备1A至1E中的任何一个液滴形成设备代替液滴形成设备1。
<示例1>
在示例1中，比较以下两种情况下由光检测器60获得的荧光颗粒350的图像：光L照射在除了荧光颗粒以外还包括颗粒390的液滴310上的情况(参考示例)与光L照射在包括荧光颗粒350的液滴310上到的情况(示例)。结果在图16至图19中示出。这里，图16和图18示意性示出光L照射在液滴310上的情况，图17和图19示出由光检测器60捕获的图像。
如图16和图17所示，如果使用除了荧光颗粒以外的颗粒390，则飞行的液滴310除了中心部分以外被遮挡，并且颗粒390隐藏在液滴310的后面。因此，通过颗粒数量检测器703来检测颗粒390的数量极为困难。
相反，如果如图18和图19所示使用荧光颗粒350，荧光颗粒350本身是用于发射荧光的发射体。因此，并不发生不利的情况，使得荧光颗粒隐藏在液滴310后面并且未识别出荧光颗粒350。相应地，通过颗粒数量检测器703能够准确地检测荧光颗粒350的数量。
需要注意的是，在图18和图19的示例中，来自荧光颗粒350的荧光Lf比来自激光的光L要弱。因此，在光检测器60的前面安装用于衰减光L的滤波器80。因此，能够捕获荧光颗粒350的非常高对比度的图像。例如，能够使用陷波滤波器作为滤波器80，该陷波滤波器衰减包括光L的波长的特定波长范围。
<示例2>
在示例2中，针对颗粒数量检测器703对荧光颗粒数量的检测(计数)来评价正确答案率。具体地，在进行如下定义的同时做出评价：将计数正确答案率定义为由颗粒数量检测器703计算出的飞行液滴中的荧光颗粒数量的结果等于滴落之后直观确认荧光颗粒数量的结果(荧光颗粒的真实数量)的比值。
图20中示出评价结果。在图20中，“A”表示使用图6所示的液滴形成设备1B来执行评价的结果。另外，“B”、“C”和“D”表示使用图1所示的液滴形成设备1来执行评价的结果。在每种情况下，使用高灵敏度相机(由东京仪器制造的sCMOS pco.edge)作为光检测器60；使用YAG激光器(由光谱物理制造的Explorer ONE-532-200-KE)作为光源30；并且使用图像处理软件“ImageJ”作为颗粒数量检测器703。
另外，在“A”和“B”中，使用“由海湾生物科学制造的SPHERO荧光尼罗河红颗粒,1％w/v,10～14μm”作为荧光颗粒350。在“C”中，利用荧光染料进行染色的细胞(浓度5×106细胞/mL，利用细胞示踪橙染色)被用作荧光颗粒350。在“D”中，未利用荧光染料染色的细胞被用作荧光颗粒350。
如图20所示，当液滴310中不包括荧光颗粒时，对于A至D中的任何情况，获得大于或等于90％的高正确答案率。也就是说，在A至D的任何一种情况中，可以说能够高度准确地检测飞行的液滴310中包括的液滴颗粒350的存在或不存在。
如果液滴310包括一个或多个荧光颗粒，正确答案率趋于随着液滴310中包括的荧光颗粒的数量增加而下降。然而，对于“A”，保持了大于或等于90％的高正确答案率。
尤其是，对于“A”，即使液滴310中包括两个荧光颗粒，也具有高正确回答率。液滴形成设备1B包括多个光检测器，这些检测器能够在不同方向上接收由荧光颗粒350发射的荧光。相应地，可以认为能够减少由于荧光颗粒350的重叠而发生的错误检测。需要注意的是，如果正确答案率大于或等于50％，则实际使用是可行的。
上面详细描述了优选实施例。然而，在不限于上述实施例并且不超出权利要求所述的范围的情况下，可以将各种修改和替换添加到上述实施例中。
例如，当在膜12或12E未发生变形时在膜12或12E的平面内定义XY方向，并且当将膜12或12E的法线方向定义为Z轴时，可以提供配置使得液滴形成设备1能够独立地在X方向、Y方向和Z方向上移动。因此，易于执行荧光颗粒在XY平面内的构成图案和荧光颗粒在Z方向上的堆叠。
本申请基于并且要求2016年1月26日提交的2016-012260号日本专利申请和2016年9月9日提交的2016-176812号日本专利申请的优先权的权益，并且将2016-012260号日本专利申请和2016-176812号日本专利申请的全部内容通过引用并入于此。
符号的说明
1、1A、1B、1C、1D、1E 液滴形成设备
2 分散设备
10、10E 液体排出器
11、11E 液体腔
12、12E 膜
13、13E 驱动元件
20 驱动器
30 光源
40、41、42 反射镜
50、51、52、53 透镜
60、61、62 光检测器
70 控制器
71 CPU
72 ROM
73 RAM
74 接口
75 总线
80 滤波器
111、121 喷嘴
115 大气开口
300 颗粒悬浮液
310 液滴
350 荧光颗粒
700 基体
701 排出控制器
702 光源控制器
703 颗粒数量检测器
710 井
800 平台
900 控制器
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利5716213号公报
专利文献2：日本未审查专利2014-020918号公报

Claims (10)

1.一种液滴形成设备，包括：
液滴排出器，将其中悬浮一个或多个荧光颗粒的颗粒悬浮液排出为液滴；
光源，其用于将光照射到从所述液滴排出器排出的飞行的液滴上；
多个光检测器，其在各个不同的方向上接收所述液滴中包括的所述一个或多个荧光颗粒响应于作为激发光的所述光而发出的荧光；以及
颗粒数量检测器，其通过采用从多个光检测器获得的亮度值之中的指示最大值的亮度值，来检测所述液滴中包括的所述一个或多个荧光颗粒的数量。
2.根据权利要求1所述的液滴形成设备，其中所述一个或多个荧光颗粒是细胞。
3.根据权利要求2所述的液滴形成设备，其中所述一个或多个荧光颗粒是利用荧光染料染色的细胞，或者是能够表达荧光蛋白的细胞。
4.根据权利要求1所述的液滴形成设备，其中所述液滴排出器包括
液体储存器，其用于储存所述颗粒悬浮液，以及
其中形成喷嘴的膜，并且
其中所述膜通过振动使得储存在所述液体储存器中的颗粒悬浮液从所述喷嘴排出为所述液滴。
5.根据权利要求1所述的液滴形成设备，其中所述光是从所述光源与所述液滴的排出同步地发射的脉冲光。
6.根据权利要求1所述的液滴形成设备，其中所述光检测器布置在所述光不直接进入的位置。
7.根据权利要求1所述的液滴形成设备，其中在所述光检测器的光接收表面侧设置用于衰减所述光的波长范围的滤波器。
8.一种分散设备，包括：
根据权利要求1所述的液滴形成设备；
其中形成多个凹陷部的基体，其中从所述液滴排出器排出的液滴滴落在所述多个凹陷部中；以及
控制器，其控制所述液滴排出器与所述多个凹陷部中的每个凹陷部的相对位置关系。
9.根据权利要求8所述的分散设备，其中响应于检测到朝向所述多个凹陷部中的一个凹陷部排出的液滴中包括的一个或多个荧光颗粒的数量为零，液滴分散设备再次朝向所述多个凹陷部中的所述一个凹陷部排出液滴。
10.一种准备基体材料的方法，包括：
将其中悬浮一个或多个细胞的颗粒悬浮液排出为液滴，所述一个或多个细胞中的每个细胞包括荧光染料；
将光照射到被排出的飞行的液滴上；
使用多个光检测器在各个不同的方向上接收所述液滴中包括的所述一个或多个细胞的光，所述一个或多个细胞中的每个细胞包括荧光染料；以及
通过采用从多个光检测器获得的亮度值之中的指示最大值的亮度值，来检测所述液滴中包括的所述一个或多个细胞的数量，所述一个或多个细胞中的每个细胞包括荧光染料，并且将被排出的滴液滴落在所述基体材料上，在所述基体材料中形成多个凹陷部，以便准备其中所述多个凹陷部包括相应的预先设置数量的细胞的基体材料。
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