JP2021139791A - 流体取扱装置、流体取扱システムおよび液滴含有液の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サンプルの粘度が高くても、搬送流体にサンプルの液滴が分散した液滴含有液を安定に製造できる流体取扱装置を提供すること。【解決手段】流体取扱装置は、サンプルを流すためのサンプル流路と、搬送流体を流すための搬送流体流路と、サンプル流路および搬送流体流路に接続され、サンプルを搬送流体で区画してサンプルの液滴が搬送流体中に分散した液滴含有液を生成するための生成部と、生成部に接続され、液滴含有液を流すための液滴流路と、を有する。サンプル流路および搬送流体流路は、搬送流体流路に流す搬送流体の流量に対するサンプル流路に流すサンプルの流量の割合をＸとし、サンプル流路に流すサンプルの２５℃で落急式粘度計にて測定される粘度をＹ（ｍＰａ・ｓ）としたとき、Ｙ≦−６．０７Ｘ＋６．４００６およびＹ≧２．０を満たすように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、流体取扱装置、流体取扱システムおよび液滴含有液の製造方法に関する。

臨床検査、食物検査、環境検査などでは、細胞、タンパク質、核酸などの微量な被分析物の高精度な分析が要求されることがある。微量な被分析物の分析を行う手法の一つとして、被分析物を含む液体から、直径が０．１〜１０００μｍの微小な液滴（以下、「ドロップレット」ともいう）を生成し、これを観察したり分析したりする手法がある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、サンプルが流れるための分散相供給チャンネルと、オイルが流れるための第１のマイクロチャンネルと、オイルが流れるための第２のマイクロチャンネルとを有する、微小液滴の製造装置が記載されている。

特許文献１に記載の微小液滴の製造装置では、流れるサンプルに対してオイルを挟み込むように流して、流れるサンプルを分断することにより生成している。

国際公開第２００２／０６８１０４号

ここで、特許文献１に記載の微小液滴の製造装置で、粘度の高いサンプルを用いて液滴を製造することが考えられる。この場合、サンプルが流路の内壁に接触してしまい、サンプルの液滴を適切に製造できなくなることがある。

そこで、本発明の目的は、サンプルの粘度が高くても、搬送流体にサンプルの液滴が分散した液滴含有液を安定に製造することができる流体取扱装置を提供することである。また、本発明の別の目的は、当該流体取扱装置を有する流体取扱システムを提供することである。さらに、本発明の別の目的は、流体取扱装置または流体取扱システムを用いた液滴含有液の製造方法を提供することである。

本発明の流体取扱装置は、サンプルを流すためのサンプル流路と、搬送流体を流すための搬送流体流路と、前記サンプル流路および前記搬送流体流路に接続され、前記サンプルを前記搬送流体で区画して前記サンプルの液滴が前記搬送流体に分散した液滴含有液を生成するための生成部と、前記生成部に接続され、前記分散液を流すための液滴流路と、を有し、前記サンプル流路および前記搬送流体流路は、前記搬送流体流路に流す前記搬送流体の流量に対する前記サンプル流路に流す前記サンプルの流量の割合をＸとし、前記サンプル流路に流す前記サンプルの２５℃で落急式粘度計にて測定される粘度をＹ（ｍＰａ・ｓ）としたとき、以下の式（１）および式（２）を満たすように構成されている。
Ｙ≦−６．０７Ｘ＋６．４００６ 式（１）
Ｙ≧２．０ 式（２）

本発明の流体取扱システムは、本発明の流体取扱装置と、前記サンプル流路内のサンプルと、前記搬送流体流路内の搬送流体とを前記液滴流路に向かって移動させるための送液装置と、を有する。

本発明の液滴含有液の製造方法は、本発明の流体取扱装置使用した、サンプルを搬送流体で区画化して前記サンプルの液滴が前記搬送流体中に分散した液滴含有液の製造方法であって、前記搬送流体流路に流す前記搬送流体の流量に対する前記サンプル流路に流す前記サンプルの流量の割合をＸとし、前記サンプル流路に流す前記サンプルの２５℃で落急式粘度計にて測定される粘度をＹ（ｍＰａ・ｓ）としたとき、以下の式（１）および式（２）を満たすように、前記サンプルを前記サンプル流路に流すとともに、前記搬送流体を前記搬送流体流路に流す。
Ｙ≦−６．０７Ｘ＋６．４００６ 式（１）
Ｙ≧２．０ 式（２）

本発明によれば、サンプルの粘度が高くても、サンプルの液滴を含む液滴含有液を安定して製造できる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る流体取扱システムの構成を示す図である。 図２Ａ、Ｂは、基板の構成を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態に係る流体取扱装置、流体取扱システムおよび液滴含有液の製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。

（流体取扱システムおよび流体取扱装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る流体取扱システム１００の構成を示す模式図である。なお、図１では、流体取扱装置１１０は断面で示している。図２Ａ、Ｂは、基板の構成を示す図である。図２Ａは、基板の平面図であり、図２Ｂは、底面図である。

図１に示されるように、流体取扱システム１００は、流体取扱装置１１０と、送液装置１４０とを有する。

流体取扱装置１１０は、フィルム１１１および基板１１２から構成されており、基板１１２の一方の面にフィルム１１１が接合されている。フィルム１１１および基板１１２で囲まれた領域は、サンプル、搬送流体、液滴含有液などを流すための流路となる。流体取扱装置１１０は、サンプル導入部１２１と、サンプル流路１２２と、搬送流体導入部１２３と、搬送流体流路１２４と、生成部１２５と、液滴流路１２６と、液滴回収部１２７とを有する。

サンプルは、液滴として選別したい液体、または、液滴内に封入して選別したい被選別物を含む液体である。サンプルの例には、細胞、タンパク質、または核酸などを含む液体が含まれる。また、サンプルは、上記の細胞、タンパク質、または核酸などなどの被選別物を分散させるための搬送流体を含んでもよい。本実施の形態では、サンプルの２５℃で落急式粘度計（ヘップラーの落球原理に基づく方法）にて測定される粘度は、２.０ｍＰａ・Ｓ以上である。サンプルの粘度は、低くても問題ないが、本実施の形態では、サンプルの粘度が高い場合であっても効果を発揮できる。

搬送流体は、サンプルに衝突することでサンプルを区画する。搬送流体の例には、オイルが含まれる。オイルの例には、鉱物油やシリコーンオイルなどの常温で液状の各種オイルが含まれる。

基板１１２は、透明な略矩形の樹脂基板である。基板１１２の厚さは、特に限定されないが、例えば１ｍｍ〜１０ｍｍである。基板１１２の材料は、特に限定されず、公知の樹脂およびガラスから適宜選択されうる。基板１１２の材料の例には、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエーテル、ポリエチレン及び、シクロオレフィンポリマー、シクロオレフィンコポリマーなどが含まれる。

基板１１２には、複数の流路溝と、複数の貫通孔が形成されている。基板１１２には、第１貫通孔１３１と、サンプル流路溝１３２と、第２貫通孔１３３と、搬送流体流路溝１３４と、生成溝１３５と、液滴流路溝１３６と、第３貫通孔１３７とが形成されている。基板１１２のサンプル流路溝１３２と、搬送流体流路溝１３４と、生成溝１３５と、液滴流路溝１３６とが形成されている面には、フィルム１１１が接合されている。基板１１２にフィルム１１１が接合されることにより、第１貫通孔１３１はサンプル導入部１２１となり、サンプル流路溝はサンプル流路１２２となり、第２貫通孔１３３は搬送流体導入部１２３となり、搬送流体流路溝１３４は搬送流体流路１２４となり、生成溝１３５は生成部１２５となり、液滴流路溝１３６は液滴流路１２６となり、第３貫通孔１３７は液滴回収部１２７となる。

フィルム１１１は、透明な略矩形の樹脂製のフィルムである。フィルム１１１の厚みは、例えば３０μｍ以上３００μｍ以下である。また、フィルム１１１の材料も、特に限定されない。フィルム１１１の材料は、公知の樹脂から適宜選択されうる。フィルム１１１の材料の例には、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエーテル、ポリエチレン及び、シクロオレフィンポリマー、シクロオレフィンコポリマーなどが含まれる。フィルム１１１は、例えば熱圧着やレーザ溶着、接着剤などにより基板１１２に接合される。

サンプル導入部１２１は、サンプル流路１２２の上流端に接続されており、かつ外部に開放された有底の凹部である。サンプル導入部１２１は、基板１１２に形成されている第１貫通孔１３１と、第１貫通孔１３１の一方の開口部を閉塞しているフィルム１１１とから構成されている。サンプル導入部１２１の形状および大きさは、特に限定されず、必要に応じて適宜設計されうる。本実施の形態では、サンプル導入部１２１の形状は、略円柱形状である。また、本実施の形態では、サンプル導入部１２１の直径は、２ｍｍ程度である。

サンプル流路１２２は、サンプル導入部１２１と生成部１２５とを繋ぐ流路である。サンプル流路１２２は、基板１１２に形成されているサンプル流路溝１３２と、サンプル流路溝１３２を閉塞しているフィルム１１１とから構成されている。サンプル流路１２２の構造は、サンプルを適切に流すことができれば特に制限されない。本実施の形態では、サンプル流路１２２は、流体取扱装置１１０の長手方向に延在する流路である。

サンプル流路１２２の断面の形状は、特に限定されず、半円状、矩形状、円形状などでもよい。サンプル流路１２２の断面の大きさも、特に限定されない。「流路の断面」とは、流路の流れ方向に直交する向きの断面を意味する。

なお、上述したように、本実施形態の流体取扱装置１００では、１つのサンプル導入部１２１と、サンプル導入部１２１に接続された１つのサンプル流路１２２とを有する。ただし、流体取扱装置１００は、サンプル流路１２２がその上流側（サンプル導入部１２１側）で複数に分岐していてもよい。また、流体取扱装置１００は、複数のサンプル導入部１２１を有していてもよい。例えば、複数に分岐したサンプル流路１２２の上流端が、異なるサンプル導入部１２１に接続されている場合、各サンプル導入部１２１から、サンプル流路１２２内に異なる成分を導入できる。そして、サンプル流路１２２内で複数の成分を混合させたり、反応させることもできる。

搬送流体導入部１２３は、搬送流体流路１２４の上流端に接続され、かつ外部に開放された有底の凹部である。搬送流体導入部１２３は、搬送流体を流体取扱装置１１０内に導入するための導入口である。搬送流体導入部１２３の数は、特に限定されない。本実施の形態では、搬送流体導入部１２３の数は、２つである。搬送流体導入部１２３は、基板１１２に形成されている第２貫通孔１３３と、第２貫通孔１３３の一方の開口部を閉塞しているフィルム１１１とから構成されている。搬送流体導入部１２３の形状および大きさは、特に限定されず、必要に応じて適宜設計されうる。本実施の形態では、搬送流体導入部１２３の形状は、略円柱形状である。また、本実施の形態では、搬送流体導入部１２３の直径は、２ｍｍ程度である。

搬送流体流路１２４は、搬送流体導入部１２３と生成部１２５とを繋ぎ、搬送流体導入部１２３に導入された搬送流体を流すための流路である。搬送流体流路１２４の数は、搬送流体導入部１２３の数と同じ数である。本実施の形態では、搬送流体流路１２４は、２つである。搬送流体流路１２４は、基板１１２に形成されている搬送流体流路溝１３４と、搬送流体流路溝１３４を閉塞しているフィルム１１１とから構成されている。本実施の形態では、搬送流体流路１２４は、流体取扱装置１１０の短手方向に延在する流路である。一方の搬送流体流路１２４の上流端は一方の搬送流体導入部１２３に接続され、下流端は生成部１２５に接続されている。また、他方の搬送流体流路１２４の上流端は他方の搬送流体導入部１２３に接続され、下流端は生成部１２５に接続されている。

生成部１２５は、搬送流体中にサンプルの液滴を生成するための領域である。生成部１２５は、サンプル流路１２２と、搬送流体流路１２４と、液滴流路１２６とを接続するように配置されている。生成部１２５では、サンプル流路１２２を流れるサンプルが、搬送流体流路１２４から流入する搬送流体によって液滴状に区画され液滴含有液が生成される。生成された液滴含有液は、液滴流路１２６に送られる。

液滴流路１２６は、生成部１２５の下流端と液滴回収部１２７とを繋ぎ、生成された分散液を流すための流路である。液滴流路１２６の液滴含有液が流れる方向に直交する方向における断面積は、液滴の大きさよりも大きければ特に限定されない。液滴流路１２６を流れる液滴含有液は、液滴回収部１２７に送られる。

液滴回収部１２７は、液滴流路１２６の下流端に接続されており、かつ外部に開放された有底の凹部である。液滴回収部１２７は、基板１１２に形成されている第３貫通孔１３７と、第３貫通孔１３７の一方の開口部を閉塞しているフィルム１１１とから構成されている。液滴回収部１２７の形状および大きさは、特に限定されず、必要に応じて適宜設計されうる。本実施の形態では、液滴回収部１２７の形状は、略円柱形状である。また、本実施の形態では、液滴回収部１２７の直径は、２ｍｍ程度である。液滴回収部１２７には、送液装置１４０が接続されている。

送液装置１４０は、サンプル流路１２２に流れるサンプルと、搬送流体流路１２４に流れる搬送流体とを液滴流路１２６に向かって移動させる装置である。送液装置１４０は、いわゆる減圧装置でもよいし、加圧装置でもよい。送液装置１４０が減圧装置の場合、液滴回収部１２７を負圧にすることにより、サンプル流路１２２に流れるサンプルと、搬送流体流路１２４に流れる搬送流体とを液滴流路１２６に向かって移動させる。送液装置１４０が加圧装置の場合、サンプル導入部１２１および搬送流体導入部１２３を加圧にすることにより、サンプル流路１２２に流れるサンプルと、搬送流体流路１２４に流れる搬送流体とを液滴流路１２６に向かって移動させる。本実施の形態では、送液装置１４０は、減圧装置である。送液装置１４０は、蓋部１４１と、接続管１４２と、吸引ポンプ１４３とを有する。

蓋部１４１は、液滴回収部１２７に接続されており、液滴回収部１２７の開口部を塞ぐ。蓋部１４１には接続管１４２が接続されている。

接続管１４２は、蓋部１４１と、吸引ポンプ１４３とを接続する。接続管１４２の上流端には蓋部１４１が接続されており、下流端には吸引ポンプ１４３が接続されている。

吸引ポンプ１４３は、液滴回収部１２７内を負圧に制御する。吸引ポンプ１４３の構成は、上記の発揮できれば特に限定されない。吸引ポンプ１４３は、例えばシリンジポンプである。

（流体取扱システムの使用方法）
ここで、上述した流体取扱システムの使用方法について説明する。まず、流体取扱装置１１０のサンプル導入部１２１にサンプルを導入するとともに、搬送流体導入部１２３に搬送流体を導入する。このとき、サンプル導入部１２１および搬送流体導入部１２３は開放されているが、サンプル流路１２２の上流端および搬送流体流路１２４の上流端はサンプルおよび搬送流体によりそれぞれ塞がれている。次いで、液滴回収部１２７を蓋部１４１で閉塞する。これにより、流体取扱装置１１０内の流路を密閉する。最後に、吸引ポンプ１４３を駆動させて、液滴回収部１２７内を負圧にする。これにより、サンプルがサンプル流路１２２を流れ、生成部１２５に流れ込むとともに、搬送流体が搬送流体流路１２４を流れ、生成部１２５に流れ込む。そして、生成部１２５で搬送溶液にサンプルの液滴が区画（分散）された液滴含有液が生成される。生成された液滴含有液は、液滴流路１２６を流れ、液滴回収部１２７に流れ込む。

ここで、サンプル流路１２２と、搬送流体流路１２４との関係について説明する。本実施の形態では、サンプル流路１２２および搬送流体流路１２４は、搬送流体流路１２４を流れる搬送流体の流量に対するサンプル流路１２２を流れるサンプルの流量の割合をＸとし、前記サンプル流路を流れるサンプルの粘度をＹ（ｍＰａ・ｓ）としたとき、以下の式（１）および式（２）を満たすように構成されている。
Ｙ≦−６．０７Ｘ＋６．４００６ 式（１）
Ｙ≧２．０ 式（２）
なお、Ｘは、０．５８以下が好ましい。例えば、Ｘ＝０．６の場合、サンプルの流量は３μＬ／ｍｉｎであり、搬送流体の流量は５μＬ／ｍｉｎである。

上述したように、サンプルの２５℃で落急式粘度計にて測定される粘度は、２．０ｍＰａ・ｓ以上である、サンプル流路１２２を流れるサンプルおよび搬送流体流路１２４を流れる搬送流体に対して同じ強さの圧力を印加する場合（送液装置１４０が減圧装置の場合）、サンプル流路１２２の流路幅は例えば０．０２ｍｍ〜０．５ｍｍであり、流路深さは例えば０．０２ｍｍ〜０．３ｍｍであり、流路長さは２ｍｍ〜２００ｍｍであり、搬送流体流路１２４の流路幅は０．０２ｍｍ〜０．５ｍｍであり、流路深さは０．０２ｍｍ〜０．３ｍｍであり、流路長さは２ｍｍ〜２００ｍｍである。なお、送液装置１４０が加圧装置の場合には、サンプル導入部１２１および搬送流体導入部１２３に印加する圧力を調整すれば、サンプル流路１２２および搬送流体流路１２４は、同じ形状でもよい。

サンプル流路１２２および搬送流体流路１２４は、例えば以下の方法により設定できる。まず、送液するサンプルの流量と搬送流体の流量とを決定する。次いで、それぞれの粘性で決めた流量が流れる流路の幅、流路の深さ、流路の長さを以下に示すハーゲン・ポアズイユの式によって導きだすことができる。
Ｑ＝（ｐ×Ａ^３）／（２×ｌ×μ×ｓ^２）
上記の式において、ｐは送液圧力（fluid feed pressure）（ｋＰａ）であり、ＡはＡは、流路断面積（flow channel section area）（ｍｍ^２）であり、ｓは流路周長（flow channel perimeter length）（ｍｍ）であり、ｌは流路長（flow channel length）（ｍｍ）であり、μは溶液粘度（solution viscosity）（ｋＰａ・ｓ）であり、Ｑは流量（flow rate）（ｍｍ^３／ｓ）である。

本発明を実施例に基づき詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。

流体取扱システムとして、上述した構成を有する流体取扱装置および吸引装置を有する流体取扱システムを準備した。また、流体取扱装置におけるサンプル流路の流路幅は０．１８９ｍｍであり、流路深さは０．０５ｍｍであり、流路長さは５ｍｍであり、搬送流体流路の流路幅は０．０９ｍｍであり、流路深さは０．０５ｍｍであり、流路長さは５ｍｍである。また、実施例では、サンプル導入部の内部を加圧してサンプルを生成部に送り込むとともに、搬送流体導入部の内部を加圧することにより搬送流体を生成部に送り込んでいる。送液するサンプル量および搬送流体量は、サンプル導入部および搬送流体導入部への加圧により調整する。

本実施例では、送り込むサンプルと搬送流体との流量比を変化させて液滴含有液が適切に生成されるか否かについて調べた。本実施例では、サンプルとして界面活性剤を有したビーズ溶液を使用し、搬送流体としてフッ素系不活性液体（１．０９ｍＰａ・Ｓ）を使用した。なお、サンプルの粘度は、２．８８ｍＰａ・Ｓであった。

生成された液滴の直径（μｍ）と、サンプルと搬送流体との流量の関係と、判定結果とを表１に示す。

表１に示されるように、上記式（１）および式（２）を満たす流体取扱装置では、液滴含有液が適切に製造されることがわかった。これは、サンプルに対して液滴含有液が多いことにより、サンプルが液滴含有液によって適切に区画化されたためと考えられる。一方、上記式（１）または式（２）を満たさなかった流体取扱装置では、液滴含有液が適切に製造されなかった。

（効果）
以上のように本発明によれば、サンプルの粘度が高い場合であっても、サンプルを搬送流体で分断してサンプルの液滴が搬送流体中に分散した液滴含有液を安定して製造できる。

本発明の流体取扱装置、流体取扱システムおよび液滴含有液の製造方法は、例えば、臨床検査や食物検査、環境検査などに適用できる。

１００ 流体取扱システム
１１０ 流体取扱装置
１１１ フィルム
１１２ 基板
１２１ サンプル導入部
１２２ サンプル流路
１２３ 搬送流体導入部
１２４ 搬送流体流路
１２５ 生成部
１２６ 液滴流路
１２７ 液滴回収部
１３１ 第１貫通孔
１３２ サンプル流路溝
１３３ 第２貫通孔
１３４ 搬送流体流路溝
１３５ 生成溝
１３６ 液滴流路溝
１３７ 第３貫通孔
１４０ 送液装置
１４１ 蓋部
１４２ 接続管
１４３ 吸引ポンプ

Claims (7)

1. サンプルを流すためのサンプル流路と、
   搬送流体を流すための搬送流体流路と、
   前記サンプル流路および前記搬送流体流路に接続され、前記サンプルを前記搬送流体で区画して前記サンプルの液滴が前記搬送流体に分散した液滴含有液を生成するための生成部と、
   前記生成部に接続され、前記分散液を流すための液滴流路と、
   を有し、
   前記サンプル流路および前記搬送流体流路は、前記搬送流体流路に流す前記搬送流体の流量に対する前記サンプル流路に流す前記サンプルの流量の割合をＸとし、前記サンプル流路に流す前記サンプルの２５℃で落急式粘度計にて測定される粘度をＹ（ｍＰａ・ｓ）としたとき、以下の式（１）および式（２）を満たすように構成されている、
   流体取扱装置。
   Ｙ≦−６．０７Ｘ＋６．４００６ 式（１）
   Ｙ≧２．０ 式（２）
2. 前記サンプル流路に接続されたサンプル導入部と、
   前記搬送流体流路に接続された搬送流体導入部と、
   前記液滴流路に接続された液滴回収部と、
   をさらに有する、
   請求項１に記載の流体取扱装置。
3. 請求項２に記載の流体取扱装置と、
   前記サンプル流路内のサンプルと、前記搬送流体流路内の搬送流体とを前記液滴流路に向かって移動させるための送液装置と、
   を有する、
   流体取扱システム。
4. 前記送液装置は、前記液滴回収部を負圧にすることにより、前記サンプル流路に流れるサンプルと、前記搬送流体流路に流れる搬送流体とを前記液滴流路に向かって移動させる減圧装置である、請求項３に記載の流体取扱システム。
5. 前記送液装置は、前記サンプル導入部および前記搬送流体導入部を加圧にすることにより、前記サンプル流路に流れるサンプルと、前記搬送流体流路に流れる搬送流体とを前記液滴流路に向かって移動させる加圧装置である、請求項３に記載の流体取扱システム。
6. 請求項１または請求項２に記載の流体取扱装置を使用した、サンプルを搬送流体で区画化して前記サンプルの液滴が前記搬送流体中に分散した液滴含有液の製造方法であって、
   前記搬送流体流路に流す前記搬送流体の流量に対する前記サンプル流路に流す前記サンプルの流量の割合をＸとし、前記サンプル流路に流す前記サンプルの２５℃で落急式粘度計にて測定される粘度をＹ（ｍＰａ・ｓ）としたとき、以下の式（１）および式（２）を満たすように、前記サンプルを前記サンプル流路に流すとともに、前記搬送流体を前記搬送流体流路に流す、
   液滴含有液の製造方法。
   Ｙ≦−６．０７Ｘ＋６．４００６ 式（１）
   Ｙ≧２．０ 式（２）
7. 前記Ｘは、０．５８以下である、請求項６に記載の液滴含有液の製造方法。

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