JP2004085322A - 液滴操作装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】液滴の内部を顕微観察可能とし、液滴を静止させたり、自在の方向に移動させ、液滴に他の液滴を反応させてその反応結果を計測して分画する。
【解決手段】光透過性を有し、はっ水処理を施した基板と、この基板上に液滴を供給する手段と、はっ水基板上の液滴を運搬する手段と、液滴の状態を測定する手段とを有するシステムを構成し、たとえば、表面にはっ水処理を施した光透過性を持つ基板１１と、試薬あるいは試料の液滴５１を基板１１上に導入する溶液送入口２１、２２、２３と、光学測定ユニット６１、６２、６３、電場印加ユニット７１、７２、７３等を備えているものとする。
【選択図】 図２
【解決手段】光透過性を有し、はっ水処理を施した基板と、この基板上に液滴を供給する手段と、はっ水基板上の液滴を運搬する手段と、液滴の状態を測定する手段とを有するシステムを構成し、たとえば、表面にはっ水処理を施した光透過性を持つ基板１１と、試薬あるいは試料の液滴５１を基板１１上に導入する溶液送入口２１、２２、２３と、光学測定ユニット６１、６２、６３、電場印加ユニット７１、７２、７３等を備えているものとする。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の本発明は、液滴を操作するための新しい装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
培養液中の特定の細胞を分離し回収することは生物学・医学的な分析においては重要な技術である。通常、細胞の比重の違いで細胞を分離する場合には速度沈降法によって分離することができる。しかし、未感作の細胞と感作した細胞とを見分けるような、細胞の違いがほとんど無い場合には、蛍光抗体で染色した情報あるいは目視の情報を基に細胞を１つ１つ分離する必要がある。この技術についてはたとえばセルソーターがある。セルソーターは蛍光染色処理後の細胞を電荷を持たせた液滴中に１細胞単位で単離して滴下し、この液滴中の細胞の蛍光の有無、光散乱量の大小を基に、液滴が落下する過程で、落下方向に対して法平面方向に高電界を任意の方向に印加することで、液滴の落下方向を制御して、下部に置かれた複数の容器に分画して回収する技術である。この技術について詳しくは、Ｋａｍａｒｃｋ，Ｍ．Ｅ．がＭｅｔｈｏｄｓ Ｅｎｚｙｍｏｌ． 第１５１ 巻第１５０頁から１６５頁（１９８７年）に報告している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のセルソーターを用いた細胞分画技術は、それまで不可能であった液滴単位の光学的情報に基づく観測を可能にしたが、自由落下する液滴の内部状態を光学的に顕微観察することは困難であった。特に、液滴中に細胞が実際に一つしか含まれないかどうかを直接確認する手法はなく、また、落下する液滴の法平面方向に電界を作用させることができるのみであったため、基本的に液の落下する角度を調節できるだけであった。また、高速で落下する液滴を短時間で十分な角度偏向させるためには、２０００Ｖ以上の高電界を作用させる必要があった。さらにまた、従来のセルソーターの計測では、計測は１ 回のみであり、分画した液滴に反応液を混ぜて、さらにその結果に応じて分離することはできなかった。
【０００４】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの従来技術の問題点を解消し、細胞や微生物を含む液滴の内部を観察することを可能とし、また、そのために、前記液滴を静止させたり、自在の方向に移動させることや、同一の液滴に複数回の光学計測を行い、液滴に他の液滴を反応させてその反応結果を計測して分画すること等を可能とする、新しい液滴操作装置を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、表面にはっ水処理を施した絶縁性の基板に複数の電極を配置し、その基板上に液滴を供給する手段と、基板上の液滴を、前記複数の電極に直流あるいは交流の電場を印加することではっ水基板上の液滴を運搬する手段と、液滴の状態を測定する手段とを有する液滴操作装置を提供する。
【０００６】
また、この出願の発明は、上記の液滴の状態を測定する手段として、顕微鏡による光学イメージングあるいは光センサー等を用いた液滴のｐＨ、イオン濃度、吸光度、蛍光等を測定する手段を有する液滴操作装置を提供し、さらにまた、複数の液滴を混合させる手段を有する液滴操作装置をも提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【０００８】
まず、この出願の発明の液滴操作装置の基本構成について図１を用いて例示説明する。この例においては、絶縁基板１上に配置された複数の電極２、３を覆う形で絶縁層４が配置されている。絶縁層表面ははっ水処理が施されており、この場合のはっ水処理については適宜であってよく、たとえば、シリコン系樹脂やフッ素系樹脂のコーティングによる方法や、基板表面にフラクタル構造をもつ凹凸面を形成してはっ水性を付与する方法等の各種のものが考慮されてよい。
【０００９】
そして、細胞、あるいは微生物を含む液滴５は球状の液滴の状態で基板上に保持される。セルソーターと同様に、液滴に電荷を印加した場合には、電極２、３に直流電場を印加することで液滴の移動方向を制御することができる。また、電荷を印加していない液滴の場合には、たとえば電極２、３の間に交流電場を印加することで細胞や微生物を移動させることができる。また、液滴中の細胞の観察には対物レンズ６を通じて位相差顕微鏡像や蛍光顕微鏡像で直接液滴内の細胞や微生物の状態を観察することができる。光学的測定のためには、はっ水処理した基板は光透過性を有するものとしてよく、電極についても同様に透光性の電極としてもよい。
【００１０】
次に実際例の計測例について図２に示した模式図に沿って説明する。
【００１１】
この実施例で示した装置では、表面にはっ水処理を施した基板１１と、試薬あるいは試料の液滴を基板上に導入する溶液挿入口２１、２２、２３と、液が運搬されるとき、液が進行する方向をおおまかに制御する溝１２、１３、１４、１５、１６と、計測・分画した液滴を取り出す溶液排出口３１、３２、３３と、基板上の素子を制御する電子回路４１、４２、４３、４４と、液滴の状態を光学的に計測する光学測定ユニット６１、６２、６３と、液滴５１の移動方向を制御する電場印加ユニット７１、７２、７３と、液滴が乗り越えるのを防ぐ液滴ガイド８１、８２、８３と、基板の足９１、９２、９３とを備えている。そこで、たとえば、溶液挿入口２１から導入された液滴５１は基板１１の緩やかな傾斜を溝１２に沿って転がりながら第１の光学測定ユニットに導入され、計測された液滴の状態に応じて、溝１３との交叉点で段場印加ユニット７１によって電場を印加させることで、液滴を分岐させる。電場を印加させない場合は、液滴は次の分岐路１４に進み、電場を印加した場合は、溝１３に沿って溶液排出口３１に進む。以上の液滴５１の移動に際しては、基板１１は傾斜させなくてもよいし、溝１２の幅の広さや深さの調整によって移動速度を制御することもできる。もちろん電極を配置してこの速度を制御してもよい。
【００１２】
そして、たとえば、分岐路の溝１４に進行した液滴は改めて電場印加ユニット７２、７３によって溝１５あるいは溝１６に進行する。そして、溝１５あるいは溝１６に進行した液滴は電場印加ユニット７２あるいは７３によってその場に保持されながら、溶液送入口２２あるいは２３から導入された液滴と衝突し融合する。そして必要な反応時間経過後に液滴は再度溝１４あるいは１５に沿って転がり、光学測定ユニット７２、７３で計測したのち、溶液排出口３２、３３で回収される。なお、この実施例では、電場印加ユニットを基板上に配置したが、図１に示したようにはっ水基板表面の下に配置してもよい。また、溶液送入口２１、２２、２３それぞれで、正電荷、負電荷を印加した液滴を導入してもよいし、電荷を帯びない液滴を導入してもよい。また、この実施例では、複数の液滴を混合した後、光学測定をするのみであるが、光学測定の結果を基に液滴をさらに分画してもよい。
【００１３】
もちろん、これらに限定されることなしに、この出願の発明においては、その細部についてさらに様々な形態が可能とされる。
【００１４】
【発明の効果】
以上詳述したように、この出願の発明によって、細胞や微生物、さらには化学物質等を含有する微量の液体を液滴として操作し、運搬、混合、観察、測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明の基本構成を示す模式図である。
【図２】この出願の発明の実施例を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 絶縁基板
２、３ 電極
４ 絶縁層
５ 液滴
６ 対物レンズ
１１ 基板
１２、１３、１４、１５、１６ 溝
２１、２２、２３ 溶液送入口
３１、３２、３３ 溶液排出口
４１、４２、４３、４４ 電子回路
５１ 液滴、
６１、６２、６３ 光学測定ユニット
７１、７２、７３ 電場印加ユニット
８１、８２、８３ 液滴ガイド
９１、９２、９３ 脚
【発明の属する技術分野】
この出願の本発明は、液滴を操作するための新しい装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
培養液中の特定の細胞を分離し回収することは生物学・医学的な分析においては重要な技術である。通常、細胞の比重の違いで細胞を分離する場合には速度沈降法によって分離することができる。しかし、未感作の細胞と感作した細胞とを見分けるような、細胞の違いがほとんど無い場合には、蛍光抗体で染色した情報あるいは目視の情報を基に細胞を１つ１つ分離する必要がある。この技術についてはたとえばセルソーターがある。セルソーターは蛍光染色処理後の細胞を電荷を持たせた液滴中に１細胞単位で単離して滴下し、この液滴中の細胞の蛍光の有無、光散乱量の大小を基に、液滴が落下する過程で、落下方向に対して法平面方向に高電界を任意の方向に印加することで、液滴の落下方向を制御して、下部に置かれた複数の容器に分画して回収する技術である。この技術について詳しくは、Ｋａｍａｒｃｋ，Ｍ．Ｅ．がＭｅｔｈｏｄｓ Ｅｎｚｙｍｏｌ． 第１５１ 巻第１５０頁から１６５頁（１９８７年）に報告している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のセルソーターを用いた細胞分画技術は、それまで不可能であった液滴単位の光学的情報に基づく観測を可能にしたが、自由落下する液滴の内部状態を光学的に顕微観察することは困難であった。特に、液滴中に細胞が実際に一つしか含まれないかどうかを直接確認する手法はなく、また、落下する液滴の法平面方向に電界を作用させることができるのみであったため、基本的に液の落下する角度を調節できるだけであった。また、高速で落下する液滴を短時間で十分な角度偏向させるためには、２０００Ｖ以上の高電界を作用させる必要があった。さらにまた、従来のセルソーターの計測では、計測は１ 回のみであり、分画した液滴に反応液を混ぜて、さらにその結果に応じて分離することはできなかった。
【０００４】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの従来技術の問題点を解消し、細胞や微生物を含む液滴の内部を観察することを可能とし、また、そのために、前記液滴を静止させたり、自在の方向に移動させることや、同一の液滴に複数回の光学計測を行い、液滴に他の液滴を反応させてその反応結果を計測して分画すること等を可能とする、新しい液滴操作装置を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、表面にはっ水処理を施した絶縁性の基板に複数の電極を配置し、その基板上に液滴を供給する手段と、基板上の液滴を、前記複数の電極に直流あるいは交流の電場を印加することではっ水基板上の液滴を運搬する手段と、液滴の状態を測定する手段とを有する液滴操作装置を提供する。
【０００６】
また、この出願の発明は、上記の液滴の状態を測定する手段として、顕微鏡による光学イメージングあるいは光センサー等を用いた液滴のｐＨ、イオン濃度、吸光度、蛍光等を測定する手段を有する液滴操作装置を提供し、さらにまた、複数の液滴を混合させる手段を有する液滴操作装置をも提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【０００８】
まず、この出願の発明の液滴操作装置の基本構成について図１を用いて例示説明する。この例においては、絶縁基板１上に配置された複数の電極２、３を覆う形で絶縁層４が配置されている。絶縁層表面ははっ水処理が施されており、この場合のはっ水処理については適宜であってよく、たとえば、シリコン系樹脂やフッ素系樹脂のコーティングによる方法や、基板表面にフラクタル構造をもつ凹凸面を形成してはっ水性を付与する方法等の各種のものが考慮されてよい。
【０００９】
そして、細胞、あるいは微生物を含む液滴５は球状の液滴の状態で基板上に保持される。セルソーターと同様に、液滴に電荷を印加した場合には、電極２、３に直流電場を印加することで液滴の移動方向を制御することができる。また、電荷を印加していない液滴の場合には、たとえば電極２、３の間に交流電場を印加することで細胞や微生物を移動させることができる。また、液滴中の細胞の観察には対物レンズ６を通じて位相差顕微鏡像や蛍光顕微鏡像で直接液滴内の細胞や微生物の状態を観察することができる。光学的測定のためには、はっ水処理した基板は光透過性を有するものとしてよく、電極についても同様に透光性の電極としてもよい。
【００１０】
次に実際例の計測例について図２に示した模式図に沿って説明する。
【００１１】
この実施例で示した装置では、表面にはっ水処理を施した基板１１と、試薬あるいは試料の液滴を基板上に導入する溶液挿入口２１、２２、２３と、液が運搬されるとき、液が進行する方向をおおまかに制御する溝１２、１３、１４、１５、１６と、計測・分画した液滴を取り出す溶液排出口３１、３２、３３と、基板上の素子を制御する電子回路４１、４２、４３、４４と、液滴の状態を光学的に計測する光学測定ユニット６１、６２、６３と、液滴５１の移動方向を制御する電場印加ユニット７１、７２、７３と、液滴が乗り越えるのを防ぐ液滴ガイド８１、８２、８３と、基板の足９１、９２、９３とを備えている。そこで、たとえば、溶液挿入口２１から導入された液滴５１は基板１１の緩やかな傾斜を溝１２に沿って転がりながら第１の光学測定ユニットに導入され、計測された液滴の状態に応じて、溝１３との交叉点で段場印加ユニット７１によって電場を印加させることで、液滴を分岐させる。電場を印加させない場合は、液滴は次の分岐路１４に進み、電場を印加した場合は、溝１３に沿って溶液排出口３１に進む。以上の液滴５１の移動に際しては、基板１１は傾斜させなくてもよいし、溝１２の幅の広さや深さの調整によって移動速度を制御することもできる。もちろん電極を配置してこの速度を制御してもよい。
【００１２】
そして、たとえば、分岐路の溝１４に進行した液滴は改めて電場印加ユニット７２、７３によって溝１５あるいは溝１６に進行する。そして、溝１５あるいは溝１６に進行した液滴は電場印加ユニット７２あるいは７３によってその場に保持されながら、溶液送入口２２あるいは２３から導入された液滴と衝突し融合する。そして必要な反応時間経過後に液滴は再度溝１４あるいは１５に沿って転がり、光学測定ユニット７２、７３で計測したのち、溶液排出口３２、３３で回収される。なお、この実施例では、電場印加ユニットを基板上に配置したが、図１に示したようにはっ水基板表面の下に配置してもよい。また、溶液送入口２１、２２、２３それぞれで、正電荷、負電荷を印加した液滴を導入してもよいし、電荷を帯びない液滴を導入してもよい。また、この実施例では、複数の液滴を混合した後、光学測定をするのみであるが、光学測定の結果を基に液滴をさらに分画してもよい。
【００１３】
もちろん、これらに限定されることなしに、この出願の発明においては、その細部についてさらに様々な形態が可能とされる。
【００１４】
【発明の効果】
以上詳述したように、この出願の発明によって、細胞や微生物、さらには化学物質等を含有する微量の液体を液滴として操作し、運搬、混合、観察、測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明の基本構成を示す模式図である。
【図２】この出願の発明の実施例を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 絶縁基板
２、３ 電極
４ 絶縁層
５ 液滴
６ 対物レンズ
１１ 基板
１２、１３、１４、１５、１６ 溝
２１、２２、２３ 溶液送入口
３１、３２、３３ 溶液排出口
４１、４２、４３、４４ 電子回路
５１ 液滴、
６１、６２、６３ 光学測定ユニット
７１、７２、７３ 電場印加ユニット
８１、８２、８３ 液滴ガイド
９１、９２、９３ 脚
Claims (6)
- 表面にはっ水処理を施した絶縁性の基板と、この基板の表面下あるいは表面上に配置された液滴の移動もしくは停止操作用の複数の電極手段と、基板表面上に液滴を供給する手段と、基板表面上で液滴を前記電極手段への電場の印加により運搬する手段と、液滴の状態を測定する手段とを有することを特徴とする液滴操作装置。
- 請求項１の装置であって、液滴の内部状態を光学顕微鏡測定する手段を有することを特徴とする液滴操作装置。
- 請求項１の装置であって、液滴の吸光度を測定する手段を有することを特徴とする液滴操作装置。
- 請求項１の装置であって、液滴の蛍光強度を測定する手段を有することを特徴とする液滴操作装置。
- 請求項１の装置であって、複数の液滴を混合する手段を有することを特徴とする液滴操作装置。
- 請求項１ないし５のいずれかの装置であって、液滴は細胞または微生物を含むものであることを特徴とする液滴操作装置。
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