JP2006506648A5

JP2006506648A5 -

Info

Publication number: JP2006506648A5
Application number: JP2004553841A
Authority: JP
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2008-09-11

Description

検尿診断システム用フローセルおよびその製造方法

発明の詳細な説明

本願は、２００２年１１月１９日付米国仮特許出願第６０／４２７，８７２号（該仮特許出願は本願に援用する）の利益を主張する。

本発明は希薄流体サンプル中の粒子を分析する方法およびシステムに関し、より詳しくは、検体流体（該検体から光学的画像が得られる）の薄い流れを作るフローセル（flow cell)に関する。

米国特許第４，３３８，０２４号明細書および米国特許第４，３９３，４６６号明細書（これらの特許文献は本願に援用する）に開示されているように、粒子より詳しくは沈殿物を分析する方法およびシステムは当業界で良く知られている。このようなシステムは、流体サンプル（検体流体）が通されるフローセル（flow cell）と、該フローセルを通過する流体のスチルフレーム画像を撮影する粒子分析器とを使用している。かくして、フローセルは、分析対象の粒子を含有するサンプル流体を位置決めしかつ提供する。フローセルによるサンプル流体の位置決めが正確であるほど、サンプル流体中の粒子のより良い分析が行える。

一般的なフローセルは、サンプル流体と該サンプル流体を緩衝するシース流体（sheath fluid）とを一緒に、大きい入口のチャンバから小さい断面領域（断面積）をもつ試験領域へと流す。入口チャンバから試験領域への移行により、サンプル流体およびシース流体の両方をより小さいスペースに絞り込む流体力学的レンズ（hydrodynamic lens）が形成される。対象粒子が顕微鏡的粒子であるときは、結果として生じる、サンプル流体の占有断面スペースは、例えば光学的システムまたはレーザシステム等の分析器の被写界深度内に位置決めされなくてはならない。最高の流体力学的フォーカスを得るには、シース流の大きい領域が、いかなる旋回すなわち渦をも引起こすことなくサンプル流体の小さい領域を包囲しなければならない。かくして、フローセルを通るサンプル流体およびシース流体の均一流は、粒子分析器の最適作動を行わせる上で重要である。サンプルの物質移動特性（mass transfer characteristics）は再現可能に制御できなくてはならず、このため、検体の断面は特定の用途および測定技術に対して充分に幅広（例えば、１ｍｍ幅）でかつ厚さは検出方法の条件と同一基準である一方、流体速度は停止流分析を可能にするのに充分なほど遅いが、粒子オーバーラップを防止するのに充分なほど速い。

伝統的に、検体流体およびシース流体の流れは、これらの流体をフローセルに供給およびフローセルを通して供給する空気圧を用いて制御されている。各流体に適用される空気圧は、フローセルを通る当該流体の相対流速を変化させるべく調節できる。しかしながら、このような調節は、最高の画像撮影結果を得るには経験的に行わなくてはならない。なぜならば、システム毎におよび流体毎に変化する多くの他のファクタ（例えば、流体の粘度、流路抵抗等）が、各流体の流速に大きい影響を与えるからである。また、フローセルの性能は、該フローセル内への検体流体の射出に使用される針またはカニューレの位置（直線的位置および角度的位置）に非常に敏感であることが判明している。かくして、最適かつ信頼できる性能をもつフローセルを製造し、試験しおよび／または作動させることは手間を要する仕事である。

本発明は、シース流体と一緒に流れる検体流体を試験するフローセルである。本発明のフローセルは、射出点と、流路の断面寸法が細くなる幾何学的フォーカシング部分と、試験領域とを備えた中空流路を形成するハウジングと、流路の射出点に配置された出口端を備えたカニューレと、シース流体が射出点において第一既知速度をもつようにシース流体を流路を通してポンピングする第一直接流制御ポンプと、検体流体が、射出点で第二既知速度をもつ検体流体の流れとして、カニューレ出口端により流路内に射出されるように、検体流体をカニューレを通してポンピングする第二直接流制御ポンプとを有し、第二既知速度と第一既知速度とは異なっており、試験領域を通る検体流体の流れのパラメータを測定する測定装置を更に有する。検体流体の流れの断面寸法は、リニア流速フォーカシングを介してシース流体により、および幾何学的フォーカシングを介して流路の幾何学的フォーカシング部分が細くなることによりフォーカスされる。

本発明の他の態様は、射出点と、流路の断面寸法が細くなる幾何学的フォーカシング部分と、試験領域とを備えた中空流路を通して検体流体およびシース流体を流す方法である。本発明の方法は、シース流体が射出点において第一既知速度をもつようにシース流体を流路を通して流す段階と、第二既知速度をもつ検体流体の流れとして、射出点で検体流体を流路内に射出する段階とを有し、第二既知速度と第一既知速度とは異なっており、試験領域を通る検体流体の流れのパラメータを測定する段階を更に有する。検体流体の流れの断面寸法は、リニア流速フォーカシングを介してシース流体により、および幾何学的フォーカシングを介して流路の細い幾何学的フォーカシング部分によりフォーカスされる。

本発明のもう１つの態様は、第一および第二端部および第一断面形状を有する中空チューブからカニューレを形成する方法である。本発明のこの方法は、中空チューブを所望の形状にカッティングする段階を有し、カッティングされたチューブは第一および第二端部および第一断面形状を有し、第一厚さを有する第一マンドレルを前記第一端部内に挿入する段階と、第一マンドレル上に第一端部を押し潰す段階と、第一端部から第一マンドレルを取外す段階と、第二厚さを有する第二マンドレルを前記第一端部内に挿入する段階とを有し、第二厚さは第一厚さより小さく、第二マンドレル上に第一端部を押し潰す段階と、第一端部から第二マンドレルを取外す段階とを更に有する。第一端部を押し潰した後は、第一端部は、第一断面形状とは異なる第二断面形状を有する。

本発明の他の目的および特徴は、明細書、特許請求の範囲の記載および添付図面を読むことにより明らかになるであろう。
本発明は、検体速度が、ストロボ画像システムが流動検体のクリアなスチル画像を確実に撮影するのに充分なほど小さくかつ撮影した画像が互いにオーバーラップしないことを確保するのに充分なほど大きくなる試験領域で所望の検体層厚を達成すべく、幾何学的フォーカシングとリニア流速フォーカシング（linear flow rate focusing）とを組合せることにより優れた性能を達成できるフローセルである。検体流体とシース流体との相対速度は、直接流制御ポンプを用いて入念に制御される。

図１Ａおよび図１Ｂには本発明のフローセル１が示されており、該フローセル１は、フローセルハウジング６により形成された流路４内に検体流体を射出するためのカニューレ２を有している。流路４は、シース流体を受入れる入口４ａと、流路の断面寸法（例えば高さ）が減少している幾何学的フォーカシング部分４ｂと、検体流体の画像が撮影される試験領域４ｃと、検体流体およびシース流体がフローセル１から出る出口４ｄとを有している。ハウジング６は、流路４を通る流体を案内するための流路４の頂壁、底壁、および左右の側壁（それぞれ、８ａ、８ｂ、８ｃおよび８ｄ）を形成する剛性材料（例えばプラスチック）で作られる。顕微鏡２２およびカメラ２４は、協働して、流路４の試験領域４ｃを通る検体流体のスチルフレーム画像を撮影する撮影装置を形成する。

図１Ａおよび図１Ｂに示すように、カニューレ入口端２ａ（図２）に流入し、カニューレ２を通ってカニューレ出口端２ｂから出る検体流体１０（図３）の流速は、検体流体１０を検体流体源（例えば容器、試験チューブ）１１から供給チューブ１５を介して供給するポンプ装置１４により制御される。シース流体源（例えば容器）１３から流路入口４ａに流入し、流路４を通って流路出口４ｄから出るシース流体１２（図３）の流速は、供給チューブ１７を介してシース流体を供給するポンプ装置１６により制御される。任意であるが、図１Ａに示すように、流路４の頂壁８ａに沿って形成されかつ真空チューブ２１を介して真空ポンプ２０に連結されるポート１８を設けることができる。このポート１８は流路４から気泡を除去するのに使用できる。

カニューレ２（図２にも示されている）は、検体流体を受入れる入口端２ａと、検体流体を流体流として流路４内に射出する出口端２ｂとを有している。入口端２ａは好ましくは円形断面を有し、該円形断面は、出口端２ｂでの楕円形状断面へとテーパダウンするのが好ましい。非制限的な一例として、カニューレ出口端２ｂの幅（Ｗ）は約２ｍｍ（すなわち、顕微鏡対象物のビューエリアの幅より小さい）、高さ（Ｈ）は約５０〜４００ミクロン（好ましくは約１５０〜３００ミクロン）の間にすることができる。楕円形出口端２ｂはカニューレ入口端２ａからテーパダウンしている（すなわち、断面領域が小さくなっている）ので、入口端２ａを通って流れる検体流体のリニア流速は、出口端２ｂを通って流れる検体流体より小さくなる。

本発明は、幾何学的流速フォーカシングおよびリニア流速フォーカシングの両方を使用する。図３には幾何学的フォーカシングが示されており、ここでは、検体流体１０が、流路４を通って流れるシース流体１２中に、射出点Ｉで射出される（すなわち、カニューレ２の出口端２ａは流路４内で射出点Ｉを形成する）。幾何学的フォーカシングは、流路４が細くなっていることにより引起こされる。図３に示す例では、流路４は矩形の断面形状を有し、この場合、底壁８ｂは頂壁８ａ（該頂壁は平らである）に向かって傾斜し、従って流路４の高さ（従って断面領域）が減少している。幾何学的フォーカシングは、検体の射出点Ｉと検体試験点（領域４ｃ）との間の流れ厚さを減少させる。流路４の試験領域４ｃでの検体流体の流れ厚さＴ_S（例えば高さ）は、幾何学的フォーカシングのみの結果として、下記のように計算できる（射出点Ｉでの検体流体およびシース流体のリニア流速は等しく、矩形断面領域は一方向のみに減少すると仮定する）。

ここで、Ｔ_Iは射出点Ｉでの検体流体の厚さ（例えば高さ）、Ａ_Iは射出点Ｉでのフローセル流路の断面領域、Ａ_Eは流路４の試験領域４ｃの断面領域である。左右の側壁８ｃ、８ｄが平ら（従って、流路は一定の幅寸法を有する）であるときは、検体流体の流れ厚さＴ_Sは、次式で表される。

ここで、Ｈ_Iは射出点Ｉでの流路４の高さ、Ｈ_Eは流路４の試験領域４ｃの高さである。幅および高さの両方（すなわち、２つの直交寸法）が変化し、および／または１つ以上の断面寸法が変化する非矩形流路（すなわち、円形、楕円形等）が使用される場合には、検体流体の流れ寸法の計算はより複雑化するが、フォーカシングは同時に１つ以上の寸法に生じる。

検体流体のリニア流速フォーカシングは、検体流体の速度がシース流体の速度とは異なるときに生じる。より詳しくは、カニューレ２の出口端２ｂを通るシース流体の速度がカニューレ２から出る検体流体の速度に等しい場合には、検体流体は、カニューレ２の出口端２ｂと同じ形状をもつシース流体の体積中に移行する（図４参照）。この場合には、リニア流速フォーカシングが生じることはなく（すなわち、１対１のフォーカス比が生じる）、射出点Ｉを通って流れる検体流体マスに対するシース流体マスの非フォーカス比Ｒが創出される（同様な液体については、２つの液体の断面領域の比と同じである）。しかしながら、両ポンプ１４、１６が検体流体およびシース流体を異なる速度比で供給するため、射出点Ｉでの初期検体流体の速度は、同じ点でのシース流体の速度より小さい。かくして、流体マスのフォーカス比Ｒが創出され、この場合には、検体流体の厚さ（例えば高さ）は、リニア流速フォーカシングにより、図５に示すように射出点Ｉを越えた直後に減少される。速く流れるシース流体は、遅く移動する検体流体の流れをスピードアップし、検体流体の流れを薄くする。これより後の下流側では、検体流体の速度とシース流体の速度とが最終的に等しくなり、この位置では、付加的なリニア流速フォーカシングが生じることはないが、検体流体の流れの高さは、リニア流速フォーカシングにより既にフォーカスされている。図６には、幾何学的フォーカシングとリニア流速フォーカシングとの組合せが示されている。

フローセルの設計および作動において、撮影装置（すなわち、顕微鏡２２およびカメラ２４）の光学的特性（例えば、光学的フォーカス、ストロボ速度および撮影速度等）が、検体流体の所望のまたは最適な流れ厚さおよび試験領域を通る速度を定める。また、撮影装置は、多分、フローセルの試験領域の所望断面領域を定めるであろう。このことから、残りのフローセル寸法、カニューレ寸法、シース流体および検体流体の初期速度は、結果として得られるフローセルが試験領域４ｃ内に所望の試験条件を作るように決定されなくてはならない。フローセルの多くの設計パラメータおよび作動パラメータは、流れ方向に対して垂直な任意の断面での流体の物質移動流量（速度×断面領域）が同じであるという事実（すなわち、流体圧縮がないことによる流体の物質移動の保存）から出発して計算される。検体流体に対するシース流体の比は一般に非常に高い（例えば２５：１）ので、シース流体の物質移動を計算するときに、純粋に幾何学的フォーカシングによりフォーカスされる検体流体の断面は無視できる。計算目的で、シース流体が単独で、流路４の挿入点および試験領域部分の両方を完全に満たすものと仮定することにより、シース流体速度と断面との関係の非常に優れた近似が得られる。この仮定により、物質移動の式は次の関係を与える。すなわち、
Ｖ_I・Ａ_I＝Ｖ_E・Ａ_E （３）
ここで、Ｖ_IおよびＶ_Eは、それぞれ、流路の射出点Ｉおよび試験領域４ｃでのシース流体速度、Ａ_IおよびＡ_Eは、それぞれ、流路の射出点Ｉおよび試験領域４ｃでの流路断面領域である。
物質移動の式はまた、サンプル流体について次の関係を与える。すなわち、
Ｖ_SI・Ａ_SI＝Ｖ_SE・Ａ_SE （４）
ここで、Ｖ_SIおよびＶ_SEは、それぞれ、流路の射出点Ｉおよび試験領域４ｃでのシース流体速度、Ａ_SIおよびＡ_SEは、それぞれ、流路の射出点Ｉおよび試験領域４ｃでの検体流の流れの断面領域である。

前述のように、撮影装置の光学的特性は、試験領域での所望の検体流体速度Ｖ_SEおよび断面領域Ａ_SEの値並びに試験領域の断面領域Ａ_Eを定める。試験領域におけるシース流体速度Ｖ_Eおよび検体流体速度Ｖ_SEは互いに等しいので、式（３）および式（４）から次式が得られる。

ここで、射出点での検体流体断面領域Ａ_SIはカニューレ２の出口端２ｂの断面領域に等しく、断面領域Ａ_EおよびＡ_SEは撮影装置の光学的条件から既知である。これらの関係から、次に、射出点での流路の断面領域Ａ_Iおよび検体流体の速度Ｖ_SIおよびシース流体の速度Ｖ_Iを計算して、所望の試験条件を作る。上記式を用いて実際に演繹されている実際のフローセルは、上記式により予測されるように遂行することが判明している。

上記式は、検体流体の速度Ｖ_SIおよびシース流体Ｖ_Iの速度の大きさを知ることの重要性、および所望の流れ状態を作るためこれらの速度を充分な精度で制御することおよびこれらの流体の粘度が定常的に変化する場合でもこれを行うことの必要性を指摘する。空気圧を利用する従来の方法は、既知の流体速度、特に速度が変化しかつ背圧を有する場合の流体速度を信頼性をもって作ることができないため、不充分である。従って、本発明は、直接流制御ポンプ（該ポンプは、流体粘度および背圧に大きい変化があっても一定である既知の流速で吐出するポンプである）を使用するのが好ましい。

直接流制御ポンプの一例として、フローセルを通してシース流体および検体流体をポンピングする容積型ポンプ（例えばチュービングまたはぜん動）ポンプがある。容積型ポンプは当該技術分野で知られており、ポンピングすべき液体を収容している可撓性チューブに沿って転がる１つ以上のローラを有している。ローラは圧縮チューブに移動閉塞部を形成し、該移動閉塞部は、チューブの長さに沿って流体を押し、チューブの入口端内に流体を吸引し、かつチューブの出口端から流体を押出す。容積型ポンプは、チューブに沿うローラの速度とチューブ内の流体の速度とが等しいため有利である。チューブの断面領域は既知であるので、ローラ速度と、射出点での既知の幾何学的形状を通ってポンピングされる流体の速度との直接的相関関係が確立される。流体速度および背圧がローラ速度に影響を与えないからである。例えば、角度ポンプとフローセルとの間の物質移動が維持されるので、物質移動の式は次の関係を与える。すなわち
Ｖ_P1・Ａ_P1＝Ｖ_I・Ａ_I （６）
Ｖ_P2・Ａ_P2＝Ｖ_SI・Ａ_SI （７）
ここで、Ｖ_P1およびＡ_P1は、シース流体の容積型ポンプ１６のローラ速度およびチューブ断面領域、Ｖ_P2およびＡ_P2は、検体流体の容積型ポンプ１４のローラ速度およびチューブ断面領域である。これらの式で断面領域は既知でありかつ一定であるので、ポンプのローラ速度は、フローセルの射出点での検体流体およびシース流体の速度に直接的に相関関係付けることができ、従って、単に、ポンプのローラを制御された既知の速度で移動させることにより、システムがフローセル内に所望の既知の流体流れを発生させかつモニタすることを可能にする。

図７Ａおよび図７Ｂには、本発明のフローセルに使用する一例としての容積型ポンプが示されている。ポンプ１１０はハウジング１２０を有し、該ハウジング１２０は、ヒンジ１２２およびヒンジブラケット１２４により互いにヒンジ連結された上方ハウジング部分１２０ａおよび下方ハウジング部分１２０ｂを備えている。上方ハウジング１２０ａが下方ハウジング１２０ｂ上に閉じられると、環状キャビティ１２６が形成される。キャビティ１２６内には、好ましくはばね押圧型ローラアーム１２８が配置される。ローラアーム１２８はキャビティ１２６の中心に近位端を有し、ローラアームの遠位端には、外方を向いた圧縮ローラ１２９が取付けられている。モータ１３０は駆動軸１３２を有し、該駆動軸１３２はキャビティ１２６内に延びていて、ローラアーム１２８の近位端に取付けられ、ローラ１２９をキャビティ１２６の周囲で回転させる。下方ハウジング１２０ｂにはセンサ組立体１３４が取付けられ、該センサ組立体１３４は、上方ハウジング１２０ａからの閉鎖ピン１３８を検出して、上方ハウジング１２０ａが下方ハウジング１２０ｂ上の閉鎖位置にあることを表示する。センサ組立体１３４は更に、キャビティ１２６内にカセット組立体１１２が存在することを検出するセンサスイッチ１３７と、ローラアーム１２８の位置を検出しかつ確認するセンサ１４０とを有している。

図８Ａ〜図８Ｃにはカセット組立体１１２が示されており、該カセット組立体１１２は、上方のカセットハウジング部分１４６ａおよび下方のカセットハウジング部分１４６ｂを備えたハウジング１４６を有している。両カセットハウジング部分１４６ａ、１４６ｂは、上方のカセットハウジング１４６ａから延びていて下方のカセットハウジング１４６ｂと係合する係合タブ１４８により、一体にスナップ嵌合する。下方のカセットハウジング１４６ｂは環状側壁１５０を有し、該環状側壁１５０はこの内面から延びている肩部１５２を備えている。上方のカセットハウジング１４６ａは、環状側壁１５４を有している。上下のカセットハウジング１４６ａ、１４６ｂが一体にスナップ嵌合されると、上方カセットの側壁１５４が下方カセットの側壁１５０内に嵌合され、これにより、側壁１５４および側壁１５０の肩部１５２が協働して内向きの環状圧縮面５６を形成する。上方カセットの側壁１５４は肩部１５２から一定距離を隔てて配置され、環状圧縮面１５６にチャネル１５８を形成する。

圧縮面１５６に沿って、中空圧縮チューブ１６０が着脱可能に配置される。圧縮チューブ１６０にはフランジ１６２が接着されているか、一体に成形されている。このフランジ１６２は摩擦嵌めによりチャネル１５８内にぴったり挿入され、圧縮面１５６に対して圧縮チューブ１６０を均一に固定する。好ましくは、フランジ１６２は、圧縮チューブ１６０の一部として一体に形成された中実チューブ状部材であり、チャネル１５８の幅に対応する厚さを有する。圧縮チューブ１６０は入口端１６０ａおよび出口端１６０ｂを有している。

ポンプ１０を組立てるには、フランジ１６２（チャネル１５８内に保持されている）を介して圧縮チューブ１６０を圧縮面１５６に対して固定しておき、上下のカセットハウジング１４６ａ、１４６ｂを一体にスナップ嵌合する。上方のポンプハウジング１２０ａを下方のポンプハウジング１２０ｂから離れる方向に回転させて開き、カセット組立体１１４を下方のポンプハウジング１２０ｂ内に挿入する。次に、上方のポンプハウジング１２０ａを閉じ、カセット組立体１１２をキャビティ１２６内に固定的に保持する。

モータ１３０を付勢すると、ローラアーム１２８がキャビティ１２６内で回転し、これにより、ローラ１２９が圧縮チューブ１６０と係合しかつ該圧縮チューブ１６０を圧縮面１５６に対して圧縮する。ばね押圧型ローラアーム１２８は、ローラ１２９が所望の押圧力で圧縮チューブ１６０を圧縮することを確保する。これにより、ローラ１２９は圧縮チューブ１６０内に閉塞部を形成し、該閉塞部は、ローラアーム１２８がキャビティ１２６内で１回転するときにチューブ１６０の長さに沿って移動する。この移動するチューブ閉塞部により、既知量の流体が圧縮チューブ１６０を通って均一態様で押される。ローラアーム１２８がその１回転を完了するまでに、ローラ１２９は、圧縮面１５６上に配置された圧縮チューブ部分１６０の全長に沿って移動し、該圧縮チューブ１６０から離脱する。図示のポンプは、ローラアーム１２８が２８５°回転する間に圧縮チューブを閉塞し、ローラ１２９がチューブ１６０を圧縮しない７５°の回転範囲が残される。

圧縮チューブ１６０の直径は、ローラアーム１２８の１回転により１プロセス段階（例えば、フローセルによる画像撮影）での所望量の流体が得られ、これにより、ローラ１２９と圧縮チューブ１６０との反復係合および離脱による脈動が全く引起こされないように選択されるのが理想的である。圧縮面１５６に対して圧縮チューブ１６０を連続的に係止することにより（すなわち、連続チャネル１５８内に係合される連続フランジ１６２を用いることにより）、チューブのもがき運動（squirm）および流体流変動が引起こされることが防止される。ローラアーム１２８の各回転毎に、均一体積の流体供給が行われる。ポンプが非作動状態にあるときは、ローラ１２９は図７Ａに示す非作動位置すなわち休止位置に待機させておくのが好ましい。この位置ではローラ１２９が圧縮チューブ１６０に接触せず、従って、チューブにフラットスポットが形成されることによるチューブの早期破壊が防止される。しかしながら、ローラ１２９は、（停止した）チューブ閉塞部が圧縮チューブ６０内の流体の一時的ピンチ弁として機能するように、圧縮チューブ６０上に待機させておくこともできる。

着脱可能なカセット１１２は、使用者による圧縮チューブ１６０の容易な交換を可能にする。チャネル１５８内にフランジ１６２を挿入する構成は、便利でありかつ圧縮面５６に対するチューブ１６０の反復可能な位置決めが行える。チューブ１６０および／またはその全体としてのカセット組立体１１２は、チューブ１６０が老朽化したときに、理想的にはいかなる工具も使用することなく交換できる。下方ハウジング１２０ｂ上に上方ハウジング１２０ａを閉じることによりカセット組立体１１２が押圧され、圧縮チューブ１６０および圧縮面１５６が、ポンプ組立体１１０に対して、特にローラ１２９に対して所定位置に固定される。カセット組立体１１２およびポンプ組立体１１０の両者のクランピング特徴により、ポンプの反復可能で便利な組立ておよび作動が行える。ポンプは対称断面をもつチューブ１６０を使用するのが好ましく、これにより、チューブのより均一な製造およびより反復性に優れたポンプ性能が得られ、かつカセット組立体１１２のクランピング特徴にとっても理想的である。

ポンプハウジング部分１２０ａ、１２０ｂはヒンジ連結されるものを示したが、カセットハウジング部分１４６ａ、１４６ｂに示したようなスナップ嵌合を用いることができ、この逆についてもいえることに留意されたい。アーム２８は必ずしもばね押圧する必要はない。ばね押圧型ローラアーム１２８が圧縮チューブ１６０を圧縮するのに所望の最小力を維持できる限り、圧縮面１５６は必ずしも円形である必要はない。例えば、圧縮面は楕円形にすることができ、この場合には、図９に示すように、回転するばね押圧型ローラアームを、該アーム１２８の長さに沿う充分な長手方向移動距離をもつものとし、アームの回転中に充分な力で圧縮チューブ１６０との接触を維持できるようにする。或いは図１０に示すように、回転アームの長手方向移動量をより制限することもできる。この場合には、ローラ１２９が、回転中の多数の箇所で圧縮チューブの圧縮を行わないことがあり、また圧縮チューブとの接触すら行わないこともある。この場合には、ローラ１２９は圧縮チューブ１６０との接触を２回喪失し、従って、ポンプはアーム１２８の完全１回転につき流体流の２つの別々のパルスを発生する。実際には、図１１に示すように、ローラ１２９を固定点の回りで回転させる必要はなく、直線移動させることもできる。この実施形態では、ばね押圧型アーム１２８は、平らな圧縮面１５６に沿ってローラ１２９を移動させるコンベアベルトまたはトラック１６４に連結される。任意の所与の時点で１つのみのローラが圧縮チューブ１６０と係合する限り、１つ以上の付加ローラアーム１２８（ローラ１２９を備えている）をベルト／トラック１６４に付加できる。

流路出口４ｄからシース流体および検体流体を吸引するのに、真空排出ポンプ２６を使用できることに留意すべきである。或いは、シース流体ポンプ１６をフローセルシステムから省略し、真空排出ポンプ２６を、シース流体を既知の制御された速度でフローセルを通して吸引する容積型ポンプで構成することもできる。
直接流制御ポンプの他の例として慣用のシリンジポンプがある。該シリンジポンプは、図１２に示すように、既知の寸法を有するキャビティ３０と、該キャビティを通って既知の速度で移動するプランジャ３２とを有しており、これにより、流体は既知の流速でキャビティ３０の出口３４から押出される。シリンジポンプの１つの欠点は、弁を必要としかつポンプをポンピング位置にリセットする時間を要することである。

種々の形式のいかなる直接流制御ポンプでも、一般に、既知の寸法をもつキャビティ（例えば、容積型ポンプの可撓性チューブ、シリンジポンプの剛性キャビティ等）と、流体を既知の流速でキャビティから押出すべく、既知の流速でキャビティのサイズを減少させる手段（例えば、容積型ポンプ用の既知の速度で移動するローラを用いた移動閉塞部、シリンジポンプ用のキャビティを通って既知の速度で移動するプランジャ等）とを有している。このようなポンプは、流体の粘度および背圧の変化による大きい影響を受けることはなく、従って本発明のフローセルを作動させるのに理想的である。

本発明は多くの長所を有している。検体流体流の厚さ範囲は、射出点Ｉおよび試験領域４ｃでの流路４の断面領域の比、並びに検体流体のカニューレ形状に基いて選択される。また、試験領域での検体流体の正確な厚さは、シース流体と検体流体との流速比を変えることにより（すなわち、ポンプ１４、１６により供給される検体流体１０とシース流体１２との相対流速を変えることにより）微細に調節できる。低圧および低マス流量での均一流が得られる。これにより、高クオリティの顕微鏡的停止流（ストロボスコープ照射フォトグラフィ）分析が可能になる。本発明のフローセルは、幾何学的フォーカシングとリニア流速フォーカシングとの組合せを用いてフォーカスされた検体流体の薄い流れを得る構成であるため物理的サイズは小さい。

本発明のフローセルの性能は射出点Ｉでのカニューレの位置決めに対しては鈍感である。なぜならば、カニューレを出る検体流体は、カニューレを通るシース流体のプロファイルの部分および速度に迅速に適合するからである。かくして、カニューレの所与の位置で所望のフォーカシングを得るシース流体の断面流速を簡単に制御できる。カニューレの位置決め時のあらゆる誤差は、リニア流速フォーカシングおよび幾何学的フォーカシングの両者の影響により補償される。従って、フローセルの製造が簡単化されかつ作動はより頑丈になる。リニア流速フォーカシングおよび幾何学的フォーカシングにより、試験領域での検体流の厚さは、必ずしもカニューレの出口端２ｂの厚さによる強い影響は受けない。流速フォーカシングの変化がフローセル寸法の小さい誤差を修正できるので、フローセルの正確な寸法は重要ではなく、このため製造方法も厳格でなくてもよい。

上記図面において、流路４のフォーカシング部分４ｂは、底壁８ｂが頂壁８ａ（該頂壁は平らである）に向かって傾斜しているため細くなっている。流路を細くするのに単一傾斜壁を用いることにより、１つの成形壁を形成すればよいので、フォーカシング部分４ｂは容易に製造できる。しかしながら、流路４を徹底的に細くするのに、頂壁８ａをも底壁８ｂに向けて傾斜させることができる。図１３には本発明の他の変更形態が示されており、ここでは、頂壁８ａおよび底壁８ｂの両方が互いに近付く方向に傾斜しており、射出流体は、流路の試験領域４ｃの中心に整合する。実際には、側壁８ｃおよび／または８ｄは、互いに近付く方向または離れる方向に幾分傾斜させて、直交（幅）断面寸法において流路４を縮小または拡大し、両断面寸法において検体流体の幾何学的フォーカシングを補助することができる。

実施への例示的要約
本発明によるフローセルを実施すべく要約し、本発明の非制限的な例として以下に説明する。カニューレ２の出口端２ｂは、長楕円として形成されている。カニューレの出口２ｂの大きい幅Ｗおよび小さい高さＨは、射出点Ｉでの検体流体の流れを作り、この流れは顕微鏡対象物のビューエリアの幅より小さく、検体流体の厚さは所望のフォーカシング度合いにより決定される。流路４は、好ましくは、試験領域４ｃに対して直交方向の検体流体のリボンを更に薄くフォーカシングさせるため、検体射出点Ｉと検体試験領域４ｃとの間で断面領域が一断面寸法において減少するように形成される。このようにして、検体流体は、顕微鏡対象物に対して直角の流れ方向をもつ平らな流れで表される。しかしながら、或る用途では、他の（直交）断面寸法のフォーカシングが望ましいこともある。

フローセルハウジングは、機械加工または成形された材料を、流路のフォーカシング部分４ｂおよび試験領域４ｃを形成すべく切断することにより構成するのが好ましい。試験領域４ｃの上方のハウジング材料は透明材料（例えば光学ガラス）で作り、下を流れる検体流体の画像を最小の光学的歪みで撮影できるようにするのが好ましい。

カニューレにより流路４内に射出される検体流体は、約１５０ミクロンの厚さ（高さ）および２ｍｍの幅を有している。射出点Ｉでは、流路４は高さが約６．２ｍｍであり、主としてシース流体を収容している。過度の乱流を防止するには、リニア流速フォーカシングのための射出点Ｉでの検体流体とシース流体との流体速度の差を大き過ぎないようにしなければならない。シース流体により包囲された検体流体は、流路４の試験領域４ｃ（試験領域の幅は約４ｍｍ、高さは１５０ミクロンである）へと進行する。射出点Ｉでの検体流体の厚さ（〜１５０ミクロン）は、検体流体が試験領域４ｃに到達するまでに、幾何学的フォーカシングおよびリニア流速フォーカシングにより、流体力学的に約５ミクロンにされる。

例示のフローセルハウジング６は、試験領域４ｃ上の光学ガラスを除き、殆どがプラスチックで作られた。ハウジング６の上方部分（頂壁８ａを含む）は、ハウジング６の下方部分（底壁８ｂを含む）とは別個に形成され、両部分は、シールされた流路４を形成すべくシーリングリングおよび接着剤を用いて一体にサンドイッヂされた。プラスチックのペーパコーティング上に接着剤を溶解する潤滑剤の使用は最小化される。接着剤のない保護コーティングを備えたプラスチックが使用された。光学ガラスに接合するプラスチック部品の面は円滑で凹凸がなく、かつ機械加工されていない。機械加工された全ての面は、平らで円滑になるように研摩された。

例示のフローセルは、塵埃のない環境内（例えば、クリーンルーム、ＨＥＰＡフィルタを備えたクリーンボックス、パウダフリーラテックスグラブ等の中）で作られた。光学ガラスの光学面には決して触れなかった。光学面上の保護接着剤コーティングは、光学面がゴミで汚染される可能性を低減させる上で絶対的に必要とされるまで、除去されなかった。微粒子のない圧縮空気を用いてあらゆる塵埃が除去された。製造が完了した後、または作業が中断したときは、全ての部品が綿ぼこりのないレンズペーパで覆われかつ塵埃のない容器内に保管された。表面寸法は、側面から側面までかつ幅方向に沿って約０．００１インチ以上変化しないことがチェックされた。部品は９９％イソプロピルアルコール中で５分間超音波処理され、かつ微粒子のない空気により吹付け乾燥された。部品をきれいにするのに、イソプロピルアルコールが含浸された綿ぼこりのない布も使用された。

次に、カニューレ２の製造について説明する。この製造技術および該技術により製造された実際のカニューレは単なる例示であり、本発明の一部としての使用に適したカニューレを制限するものと解してはならない。

カニューレ２は、極薄壁の１６ゲージステンレス鋼チューブで作られた。カニューレの出口端２ｂは、２つのマンドレルを用いて成形された。第一マンドレルは、約０．０８０インチの幅および約０．５０インチの長さを有する三角形の０．０１０インチ厚さのステンレス鋼シムストックのピースをカッティングすることにより形成された。第二マンドレルは、約０．１２５インチの幅および約０．５０インチの長さを有する三角形の０．００６インチ厚さのステンレス鋼シムストックのピースをカッティングすることにより形成された。

ステンレス鋼チューブは、所望長さ（例えば２．５インチ）にカットされた。チューブが旋盤で回転されている間に、チューブの一端（以下、成形端（prepared end）と呼び、これは、カニューレ２の出口端２ｂを形成する）が、微細ピッチのヤスリを用いて四角形にされた。カットの縁部は、壁厚の約１／４〜１／３にブレンド（blend）された。６００グリット（ウェットまたはドライ）のサンドペーパを使用して、チューブの成形端（約０．２５インチ）を研摩した。次に、チューブを旋盤から取外し、鋭いブレードを用いて成形端の内部から手作業でバリを除去した。トーチを用いてチューブの成形端をオレンジ色に加熱し（約１／４〜３／８インチ）、次に、これをゆっくりと冷却した。軟化鋼は、鈍い青灰色に変化した（この場合、６００グリットのウェットまたはドライサンドペーパを用いて灰色領域を軽くサンディングすることにより、輝く表面が復元される）。

０．０１０インチマンドレルは、チューブの成形端内に押込まれる。チューブの成形端の約０．１５０インチが、精密機械バイスのジョー内に置かれ、マンドレルはバイスのジョーに平行に配置する。バイスをゆっくり締付け、チューブを０．０１０マンドレル上に押し潰した。チューブをバイスから取外し、０．０１０インチマンドレルをチューブから取外した。次に、０．００６インチマンドレルを、チューブの成形端内に確実に挿入した。チューブを前と同じ位置でバイスのジョー内に置き、０．００６インチマンドレル上に押し潰す。０．００６インチマンドレルは、チューブ端から取外された。２つの異なる押し潰し工程で異なる厚さの２つの異なるマンドレルを使用することにより、チューブ縁部の皺（しわ）形成の防止が補助される。

次に、チューブを所望の全長（例えば、０．８７０インチ＋０．０２０／−０．０００）に切断した。新しく切断された端部は６００グリットのウェットまたはドライサンドペーパでドレッシングし、かつ鋭いブレードでバリ取り加工した。これにより縁部が円滑になりかつチューブ本体の直径を越えていかなる材料も存在しなくなる。次に、完成したカニューレを、脱イオン水を用いて超音波洗浄した。カニューレの平坦化された端部（成形端）内に圧縮空気を噴射することにより、残留物を除去した。０．００６インチマンドレルは、極く僅かな抵抗で、チューブの成形端内に嵌合される。

本発明は、上述しかつ図示した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内に包含される任意のあらゆる変更を含むものであることを理解すべきである。例えば、上記材料、加工方法および数値の例は単なる例示であって、特許請求の範囲に記載の範囲を制限するものではないと解すべきである。顕微鏡／カメラは、流路４内の流体を含むハウジングの一部を形成する。本願の開示目的で、高さおよび幅とは、単に直交断面寸法をいい、フローセルを見る方向によって互換性を有する。同様に、頂壁および底壁、左右の壁は、フローセルを見る方向を移動する（すなわち、フローセルをひっくり返す）ことにより互換性を有する。フローセルは、試験領域を通る検体流体の流れの画像を撮影する撮影装置を備えたものを示したが、実際には、撮影装置は、流体の流れの任意の光学的パラメータ（光学的透明性、光学的散乱、蛍光等）を測定する任意の光学的測定装置（例えば、フォトセンサ等）で構成できる。これとは別に（および／またはこれに加えて）、撮影装置は、１つ以上の非光学的パラメータ（例えば、抵抗、容量、超音波パラメータ等の電気的パラメータ）を測定する測定装置に変えることができる。最後に、シース流体の速度より大きい速度で検体流体を射出することにより、フローセルの幾何学的フォーカシングを無効にすることもできる。このような場合には、試験領域での検体流体断面は、幾何学的フォーカシング単独により得られるよりも厚くなり、これは、或る用途での過度の幾何学的フォーカシングを補償するのに好ましいことである。これにより、さもなくば異なる寸法のフローセルを必要とする、或るサンプル流体の粘度とシース流体の粘度との組合せを補償することが可能になる。

本発明のフローセルを側方から見た断面図である。本発明のフローセルを上から見た断面図である。本発明のカニューレを示す斜視図である。本発明のフローセルを側方から見た断面図であり、カニューレから出た検体流体の機械的フォーカシングを示すものである。カニューレから出た、リニア流速フォーカシングをもたない検体流体を示す側面図である。カニューレから出た、リニア流速フォーカシングをもつ検体流体を示す側面図である。本発明のフローセルを側方から見た断面図であり、カニューレから出た検体流体の幾何学的リニア流速フォーカシングを示すものである。容積型ポンプ組立体を示す分解図である。容積型ポンプ組立体を示す斜視図である。容積型ポンプのカセット組立体を示す分解図である。容積型ポンプのカセット組立体（圧縮チューブは取外されている）を示す斜視図である。容積型ポンプのカセット組立体を示す斜視図である。容積型ポンプの変更形態を示す平面図である。容積型ポンプの第二変更形態を示す平面図である。容積型ポンプの第三変更形態を示す側面図である。シリンジポンプを示す側断面図である。本発明のフローセルの他の実施形態の側断面図であり、幾何学的フォーカシングを行うための上下の傾斜壁を示すものである。

Claims

シース流体と一緒に流れる検体流体を試験するフローセルにおいて、
射出点と、流路の断面寸法が細くなる幾何学的フォーカシング部分と、試験領域とを備えた中空流路を形成するハウジングと、
流路の射出点に配置された出口端を備えたカニューレと、
シース流体が射出点において第一既知速度をもつようにシース流体を流路を通してポンピングする第一直接流制御ポンプと、
検体流体が、射出点で第二既知速度をもつ検体流体の流れとして、カニューレ出口端により流路内に射出されるように、検体流体をカニューレを通してポンピングする第二直接流制御ポンプとを有し、第二既知速度と第一既知速度とは異なっており、
試験領域を通る検体流体の流れのパラメータを測定する測定装置を更に有し、
検体流体の流れの断面寸法は、リニア流速フォーカシングを介してシース流体により、および幾何学的フォーカシングを介して流路の幾何学的フォーカシング部分が細くなることによりフォーカスされることを特徴とするフローセル。
前記第二既知速度は第一既知速度より小さく、
検体流体の流れの断面寸法は、リニア流速フォーカシングを介してシース流体によりフォーカスされることを特徴とする請求項１記載のフローセル。
前記中空流路は頂壁および底壁を有し、該頂壁および底壁はこれらの間の流路の断面寸法を定め、
底壁の一部は頂壁に向かって傾斜し、流路の幾何学的フォーカシング部分の断面寸法を細くしていることを特徴とする請求項１記載のフローセル。
前記中空流路は頂壁および底壁を有し、該頂壁および底壁はこれらの間の流路の断面寸法を定め、
頂壁および底壁の一部は互いに近付く方向に向かって傾斜し、流路の幾何学的フォーカシング部分の断面寸法を細くしていることを特徴とする請求項１記載のフローセル。
前記試験領域での流路の断面寸法は、射出点での流路の断面寸法より小さいことを特徴とする請求項１記載のフローセル。
前記射出点における検体流体の流れの断面寸法は、該検体流体の流れの直交断面寸法より小さいことを特徴とする請求項１記載のフローセル。
前記ハウジングは流路から延びているポートを備え、
該ポートを介して流路から気泡をポンピングする第三ポンプを更に有することを特徴とする請求項１記載のフローセル。
前記カニューレは検体流体を受入れる入口端を備え、
該カニューレの入口端は第一断面領域を有し、
カニューレの出口端は、第一断面領域より小さい第二断面領域を有することを特徴とする請求項１記載のフローセル。
前記第一断面領域は実質的に円形であり、
第二断面領域は実質的に楕円形であることを特徴とする請求項８記載のフローセル。
前記測定装置は、検体流体の流れの光学的パラメータを測定することを特徴とする請求項１記載のフローセル。
前記光学的測定装置は、試験領域を通る検体流体の流れの画像を撮影する撮影装置を有していることを特徴とする請求項１記載のフローセル。
前記ハウジングは試験領域に隣接する透明部分を有し、
前記撮影装置は、ハウジングの透明部分を通る検体流体の画像を撮影する顕微鏡およびカメラを有していることを特徴とする請求項１１記載のフローセル。
前記第一直接流制御ポンプは、
シース流体を収容する圧縮チューブと、
圧縮面と、
該圧縮面に対して圧縮チューブを漸進的に圧縮するローラとを有し、該ローラは、シース流体を圧縮チューブを通して既知の速度で押しやる圧縮チューブの移動閉塞部を形成し、
第二直接流制御ポンプは、
検体流体を収容する圧縮チューブと、
圧縮面と、
該圧縮面に対して圧縮チューブを漸進的に圧縮するローラとを有し、該ローラは、検体流体を圧縮チューブを通して既知の速度で押しやる圧縮チューブの移動閉塞部を形成することを特徴とする請求項１記載のフローセル。
射出点と、流路の断面寸法が細くなる幾何学的フォーカシング部分と、試験領域とを備えた中空流路を通して検体流体およびシース流体を流す方法において、
シース流体が射出点において第一既知速度をもつようにシース流体を流路を通して流す段階と、
第二既知速度をもつ検体流体の流れとして、射出点で検体流体を流路内に射出する段階とを有し、第二既知速度と第一既知速度とは異なっており、
試験領域を通る検体流体の流れのパラメータを測定する段階を更に有し、
検体流体の流れの断面寸法は、リニア流速フォーカシングを介してシース流体により、および幾何学的フォーカシングを介して流路の幾何学的フォーカシング部分が細くなることによりフォーカスされることを特徴とする方法。
前記検体流体の射出は、検体流体を受入れる入口端と、流路の射出点に配置される、検体流体を射出する出口端とを備えたカニューレを用いて行われることを特徴とする請求項１４記載の方法。
前記カニューレの入口端は第一断面領域を有し、
カニューレの出口端は、第一断面領域より小さい第二断面領域を有することを特徴とする請求項１５記載の方法。
前記第一断面領域は実質的に円形であり、
第二断面領域は実質的に楕円形であることを特徴とする請求項１６記載の方法。
前記第二速度は第一速度より小さく、
検体流体の流れの断面寸法は、リニア流速フォーカシングを介してシース流体によりフォーカスされることを特徴とする請求項１４記載の方法。
前記中空流路は頂壁および底壁を有し、該頂壁および底壁はこれらの間の流路の断面寸法を定め、
底壁の一部は頂壁に向かって傾斜し、流路の幾何学的フォーカシング部分の断面寸法を細くしていることを特徴とする請求項１４記載の方法。
前記中空流路は頂壁および底壁を有し、該頂壁および底壁はこれらの間の流路の断面寸法を定め、
頂壁および底壁の一部は互いに近付く方向に向かって傾斜し、流路の幾何学的フォーカシング部分の断面寸法を細くしていることを特徴とする請求項１４記載の方法。
前記試験領域での流路の断面寸法は、射出点での流路の断面寸法より小さいことを特徴とする請求項１４記載の方法。
前記射出点における検体流体の流れの断面寸法は、該検体流体の流れの直交断面寸法より小さいことを特徴とする請求項１４記載の方法。
前記流路から気泡を排出させる段階を更に有することを特徴とする請求項１４記載の方法。
前記パラメータを測定する段階は、検体流体の流れの光学的パラメータを測定することを含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
前記パラメータを測定する段階は、試験領域を通る検体流体の流れの画像を撮影することを含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
第一および第二端部および第一断面形状を有する中空チューブからカニューレを形成する方法において、
中空チューブを所望の形状にカッティングする段階を有し、カッティングされたチューブは第一および第二端部および第一断面形状を有し、
第一厚さを有する第一マンドレルを前記第一端部内に挿入する段階と、
第一マンドレル上に第一端部を押し潰す段階と、
第一端部から第一マンドレルを取外す段階と、
第二厚さを有する第二マンドレルを前記第一端部内に挿入する段階とを有し、第二厚さは第一厚さより小さく、
第二マンドレル上に第一端部を押し潰す段階と、
第一端部から第二マンドレルを取外す段階とを更に有し、
第一端部を押し潰した後は、第一端部は、第一断面形状とは異なる第二断面形状を有することを特徴とする方法。
前記第一断面形状は実質的に円形であり、
第二断面形状は実質的に楕円形であることを特徴とする請求項２６記載の方法。
前記第一端部内への第一マンドレルの挿入前に、第一端部を加熱および冷却する段階を更に有することを特徴とする請求項２６記載の方法。