JP2022153020A - マイクロチップ、微粒子分析装置及び計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光軸調整の困難性を低減することであり、装置全体をコンパクト化するマイクロチップ、微粒子分析装置及び計測装置を提供する。【解決手段】マイクロチップ１は、内部に試料を通流する流路１３を形成する筐体１２Ａ及び１２Ｂと、励起合波器１１により流路１３の試料流ｆ１に対して光が照射された場合に、試料から発せられた光を試料の透過光、反応発光、蛍光若しくは散乱光に対応する波長、又は試料の透過光、反応発光、蛍光若しくは散乱光から選ばれた少なくとも２つに対応する組み合わせの波長に分光する筐体１２Ａに形成された導波路型分光器１０とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロチップ、微粒子分析装置及び計測装置に関する。

従来の技術として、多チャンネルの光電子倍増菅により試料から発せられる蛍光を検出する計測装置としてのフローサイトメータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された微粒子分析装置を備えた微粒子分離装置の一例であるフローサイトメータは、流路内を通流する試料に光を照射する光照射部と、レーザー光が照射された試料から発せられた蛍光を検出する蛍光検出部とを備え、蛍光検出部は、少なくとも、複数の光を同時に検出可能な多チャンネル光電子倍増菅と、蛍光を波長毎に分光する透過型回折格子と、透過型回折格子で分光された複数の光をその光軸を相互に平行にして多チャンネル光電子倍増菅の各検出チャンネルに向けて出射するテレセントリック集光レンズとを有する。

特開２０１０‐１１７３４４号公報

上記した特許文献１のフローサイトメータは、光学系の光軸調整が必要であり、光学系が複数の光学要素部品を組み合わせて構成されているため、光軸調整が困難である。特にマイクロチップが使い捨ての場合はマイクロチップの交換の度に困難な光軸調整が必要となる、という問題がある。また、フローサイトメータは、光学系として少なくとも透過型回折格子及びテレセントリック集光レンズが必要であり、マイクロチップに比して装置全体がコンパクトであるとまでは言えない。

本発明の目的は、光軸調整の困難性を低減することであり、装置全体をコンパクト化するマイクロチップ、微粒子分析装置及び計測装置を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下のマイクロチップ、微粒子分析装置及び計測装置を提供する。

［１］試料を通流する筐体と、
前記筐体に形成されて前記試料から入射する光を分光する導波路型分光器とを有するマイクロチップ。
［２］前記導波路型分光器の受光部と、前記試料が通流する試料流が同一平面上に設けられる前記［１］に記載のマイクロチップ。
［３］前記筐体は、前記導波路型分光器が分光した光の特徴量を検出する検出器を位置合わせして装着可能な開口を有する前記［１］又は［２］に記載のマイクロチップ。
［４］前記導波路型分光器は、入射する光を、前記試料の透過光、反応発光、蛍光若しくは散乱光に対応する波長、又は前記試料の透過光、反応発光、蛍光若しくは散乱光から選ばれた少なくとも２つに対応する組み合わせの波長に分光する前記［１］から［３］のいずれかに記載のマイクロチップ。
［５］試料液に含まれる微粒子を分析するための微粒子分析装置であって、
試料液を流通する流路を有する筐体と、当該筐体上に形成されて前記流路に試料液を流通する試料液リザーバーとを有するマイクロチップと、
前記流路を通って光照射領域を流れる前記試料液を照射するための光照射手段と、
微粒子から発生する光の特徴量を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出信号により目的微粒子を識別、分析し、その結果を出力する分析手段とを備え、
前記光照射手段は、複数の光源と、当該複数の光源の光を合波する導波路型合波器を有し、
前記検出手段は、入射した光を前記試料の透過光、反応発光、蛍光若しくは散乱光として設定された波長、又は前記試料の透過光、反応発光、蛍光若しくは散乱光から選ばれた少なくとも２つに対応する組み合わせの波長の光に分光する導波路型分光器を有する微粒子分析装置。
［６］試料を通流する筐体に形成されて前記試料から入射される光を分光する導波路型分光器を有するマイクロチップと、
前記筐体に通流する試料に光を照射する光源と、
前記導波路型分光器が分光した光の特徴量を検出することで前記試料に生じた化学変化を解析する解析手段とを有する計測装置。

請求項１、２、５、６に係る発明によれば、光軸調整の困難性が低減され、装置全体をコンパクト化することができる。
請求項３に係る発明によれば、導波路型分光器が分光した光を検出する検出器を位置合わせして装着可能となる。
請求項４に係る発明によれば、入射する光を、試料の透過光、反応発光、蛍光若しくは散乱光に対応する波長、又は試料の透過光、反応発光、蛍光若しくは散乱光から選ばれた少なくとも２つに対応する組み合わせの波長に分光することができる。

図１は、第１の実施の形態に係るマイクロチップの構成の一例を示す概略斜視図である。 図２（ａ）及び（ｂ）は、検出器の装着方法の一例を示す概略Ａ－Ａ’断面の一部断面図である。 図３（ａ）及び（ｂ）は、検出器の出力する信号の処理工程の一例を示すブロック図である。 図４は、マイクロチップと検出器との位置関係の一例を示すＡ－Ａ’断面の一部断面図である 図５（ａ）及び（ｂ）は、導波路型分光器の受光部の構成の一例を示すＡ－Ａ’断面の一部断面図である。 図６は、導波路型分光器の受光部の構成の変形例を示すＡ－Ａ’断面の一部断面図である。 図７は、マイクロチップと励起合波器との位置関係の一例を示すＢ－Ｂ’断面の一部断面図である。 図８（ａ）及び（ｂ）は、励起合波器の集光部の構成の一例を示すＢ－Ｂ’断面の一部断面図である。 図９（ａ）～（ｅ）は、マイクロチップの製造工程を説明するための概略斜視図である。 図１０は、第２の実施の形態に係るフローセルを用いたセルソーターの構成の一例を示す概略図である。 図１１は、第３の実施の形態に係るマイクロチップ内のオプトードシステムの構成の一例を示す概略図である。 図１２は、導波路型合波器の説明図で、（ａ）はその平面図、（ｂ）は導波路の入射口が露出する合波器の側面図である。 図１３は、導波路型合波器及び導波路型分光器の構成の変形例を示す概略図である。

［第１の実施の形態］
（マイクロチップの構成）
図１は、第１の実施の形態に係るマイクロチップの構成の一例を示す概略斜視図である。

マイクロチップ１は、内部に流路１３を形成する筐体１２Ａ、１２Ｂと、筐体１２Ａ内に形成された導波路型分光器１０とを有する。流路１３内に、試料流を囲み込むための液体、例えば、生理食塩水等がシース流として流され、周囲に流れるシース流ｆ２と、当該シース流の中央に形成される試料を導入するための試料流ｆ１が形成される。また、マイクロチップ１は、さらに各流の上流に導入路を、下流に排出路を有するが図示を省略している。また、導入路には、試料液を貯蔵する貯蔵槽及びシース溶液を貯蔵する貯蔵槽や、排出路に接続される回収槽及び廃液槽等が接続される。また、筐体１２Ｂの入射面側には、励起合波器１１が配置されて筐体内を通流する試料流ｆ１の試料に対して励起合波器１１を介して励起光を照射する。

導波路型分光器１０は、流路１３を流れる試料に対して励起合波器１１から励起光が照射された結果、当該試料から発する光が入射する導波路と、当該導波路の光を波長毎に当該導波路と異なる他の複数の導波路に分光する分光部を有し、これら分光部に続く導波路から分光されたそれぞれ異なる波長の光を出射する。導波路型分光器１０において光を出射する導波路の数は一例として３として説明しており、合波部（図１２参照）の長さを調整することで出射する光の波長を調整することができる。光の波長は、試料の透過光、反応発光、蛍光又は散乱光のいずれかを複数波長において選択してもよいし（例えば、蛍光について複数の波長を選択）、試料の透過光、反応発光、蛍光又は散乱光から複数選択して組み合わせてもよい（例えば、散乱光と蛍光の組み合わせについてそれぞれ複数の波長の組み合わせを選択）。具体的な例としての導波路型分光器１０は、特許第５８１７０２２号又は特許第６８０７５６１号に記載の合波器を光の伝搬の方向を逆にして用いたものとすることができる。なぜなら、特許第５８１７０２２号又は特許第６８０７５６１号に記載の合波器が光の伝搬について双方向性を有することからである。以下に特許第５８１７０２２号又は特許第６８０７５６１号に記載の合波器の合波作用について説明する。

図１２は、導波路型合波器の説明図で、（ａ）はその平面図、（ｂ）は導波路の入射口が露出する合波器の側面図である。

ＢＯＸ層２１５とカバー層２２０からなるクラッド層と導波路からなるコア層で合波器１０′の本体１００が構成される。合波器１０′は、基板２１０′（石英ガラス、Ｓｉ結晶基板、など）と、この基板２１０′上に屈折率ｎ１を有する材料で形成されたＢＯＸ層２１５と、このＢＯＸ層２１５の上に屈折率ｎ１を有する材料で形成されたカバー層２２０と、このカバー層２２０の中に形成され、ＢＯＸ層２１５の上面と平行な平面内に配置された屈折率ｎ２を有する材料で形成された第１導波路１０１′、第２導波路１０２′及び第３導波路１０３′とを備えている。ここでコア層内に光を全反射させるように各屈折率を設定し、具体的には屈折率ｎ１＜屈折率ｎ２である。

第１導波路１０１′，第２導波路１０２′及び第３導波路１０３′には、ＢＯＸ層２１５及びカバー層２２０の一面に露出する入射口１０１ａ′，１０２ａ′，１０３ａ′から、例えば、それぞれ波長の異なるシングルモードの赤色光（Ｒ：波長λＲ＝６２０～７５０ｎｍ）、緑色光（Ｇ：波長λＧ＝４９５～５７０ｎｍ）、青色光（Ｂ：波長λＢ＝４５０～４９５ｎｍ）が入射され、このＲＧＢ色光のそれぞれが、第１導波路１０１′，第２導波路１０２′及び第３導波路１０３′内を伝搬されつつ合波されて、クラッド層２２０の他面に露出する第２導波路１０２′の他端１０２ｂ′から出射される。

第１導波路１０１′，第２導波路１０２′及び第３導波路１０３′は、迷光を生じず、かつ導波路を伝搬する光が相互に影響しない間隔で配置される。第２導波路１０２′の可視光の伝搬経路上には、入射口１０２ａ′側から順に第１合波部１１０′，第２合波部１２０′及び第３合波部１３０′が設けられている。第１合波部１１０′，第２合波部１２０′及び第３合波部１３０′は方向性結合器として構成され、第１合波部１１０′及び第３合波部１３０′では第３導波路１０３′が第２導波路１０２′に接し、第２合波部１２０′では第１導波路１０１′が第２導波路１０２′に接して、ＲＧＢの可視光の合波が行われるようになっている。

ここで、赤色光の波長λＲは６２０～７５０ｎｍ、緑色光の波長λＧは４９５～５７０ｎｍ、青色光の波長λＢは４５０～４９５ｎｍの範囲であり、ＲＧＢの３つの波長間には、λＢ＜λＧ＜λＲの関係が成立する。この波長範囲の中から、λＲ－λＧ＞λＧ－λＢなる関係を充たすように波長を選択する。例えば、赤色光として波長λＲ＝６４０ｎｍのものを、緑色光として波長λＧ＝５２０ｎｍのものを、青色光として波長λＢ＝４５５ｎｍのものを選択する。すなわち、λ１λ２λ３の波長間にλ１＜λ２＜λ３の関係において、λ３－λ２＞λ２－λ１の条件を満たす波長が合波される。

一例として、第１合波部１１０′の長さＬ１と第３合波部１３０′の長さＬ３は等しくしている。また、第２合波部１２０′の長さＬ２は、第１可視光の波長のモード結合長の長さ（方向性結合器において一方の導波路に入射した光が、他方の導波路から１００％出射する結合部の長さ）と等しく、かつ、第１合波部及び第３合波部の長さＬ１，Ｌ３のほぼ半分となるようにしている。３つの可視光がＲＧＢ色光である場合の長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３の具体的寸法としては、例えば、長さＬ１，Ｌ３＝１８００μｍ程度、長さＬ２＝９００μｍ程度を挙げることができる。

このように方向性結合器のモード結合長の長さを特定した波長に合わせて設定することでその波長における伝搬効率を上げたものとすることができ、すなわち合波器として特定した波長を伝搬させて合波することができる。

導波路型分光器として用いた場合は、このような合波器において、光の伝搬方向を逆にして用いるので、図１２（ａ）において合波された光が出射される導波路端１０２ｂ’から入射された光は、図１２（ａ）において光を入射する導波路端１０１ａ’、１０２ａ’、１０３ａ’に波長毎に分かれて出射されることになる。

励起合波器１１は、一例として、特許第５８１７０２２号又は特許第６８０７５６１号に記載の合波器を用いることができ、図示しない３つの光源からの光がそれぞれ入射する３つの導波路と、各導波路の光を合波する合波部とを有し、合波した光を出射して流路１３を流れる試料に照射する。なお、３つの光源それぞれの波長は、照射対象の試料の特性に応じて選択される。また、励起合波器１１は、マイクロチップ１外から光を照射するものであるが、筐体１２Ｂ内に埋め込まれて又は一体に形成されて位置合わせされるものであってもよい。

流路１３内では、試料流ｆ１とシース流ｆ２の層流が形成され、試料流ｆ１はシース流ｆ２の中心に保持される。試料流ｆ１は、例えば、１０～１００μｍの直径、シース流ｆ２は１００～１０００μｍの直径を有する。当該直径は、流路断面が多角形である場合、内接円の直径と考えることができる。試料流ｆ１は、一例として、直径１０μｍ程度の試料が含まれるものであり、試料は微粒子であり、例えば、細胞、リンパ球等を挙げることができる。

また、試料流ｆ１と導波路型分光器１０の導波路は、ともに一の同一面（Ａ－Ａ’断面）に位置するように配置され、試料流ｆ１と励起合波器１１の導波路は、ともに他の同一面（Ｂ－Ｂ’断面）に位置するように配置される。一の同一面と他の同一面は互いに直交するものとすることが好ましい。筐体１２Ａ、１２Ｂは、一例として、シリコン、ガラス、樹脂等の励起光や試料からの光の障害とならない材質の材料が用いられ、後述する方法によって形成される。筐体１２Ａ，１２Ｂは、少なくとも励起合波器１１から出射される励起光を透過させるものとする。なお、Ａ－Ａ’断面とは、図１において励起合波器１１側からマイクロチップ１の光照射面を正面視して、試料流ｆ１と導波路型分光器１０の導波路が位置する面の断面である。また、Ｂ－Ｂ’断面とは、検出器（１４Ａ）側からマイクロチップ１の検出器用開口１２０が位置する面を正面視して、試料流ｆ１と励起合波器１１の導波路が位置する面の断面である。

図２（ａ）及び（ｂ）は、検出器の装着方法の一例を示す概略Ａ－Ａ’断面の一部断面図である。

図２（ａ）に示すように、導波路型分光器１０の出力面には、光の特徴量を検出するための検出器１４Ａの検出面が接するように装着される。検出器１４Ａは、導波路型分光器１０の複数の出射光の導波路出口と一対一で対応して複数の検出素子を配置してもよい。また、出射光の導波路出口に対してアレイ状の検出素子を配置してもよい。一例として、図中矢印方向から筐体１２Ａの検出器用開口１２０Ａに嵌め込まれることで、検出器１４Ａの検出面であるＣＣＤアレイ１４０が接する。検出器用開口１２０Ａの形状を検出器１４Ａの検出面端の形状に対応するよう形成することで導波路型分光器１０と検出器１４Ａの位置合わせを行うことができる。なお、検出面にＣＣＤアレイ１４０を採用することで、複数の導波路出口全体を包括して検出することができるので、導波路型分光器１０の各導波路との正確な位置合わせを必要としない。

また、他の例として、図２（ｂ）に示すように、嵌合溝１２０ｂを有する検出器用開口１２０Ｂの形状を、嵌合突起１４１を有する検出器１４Ｂの検出面端の形状に対応するよう形成することで導波路型分光器１０と検出器１４Ｂの位置合わせを行うことができる。

なお、検出器用開口１２０Ａ、１２０Ｂの形状及び検出器１４Ａ、１４Ｂの形状は、それぞれ互いに対応したものであれば、図２（ａ）及び（ｂ）に示す以外の形状であってもよい。

図３（ａ）及び（ｂ）は、検出器１４Ａの出力する信号の処理工程の一例を示すブロック図である。

図３（ａ）に示すように、上記した検出器１４Ａ（１４Ｂ）の出力は、信号処理部１５に入力される。信号処理部１５の出力は、図３（ｂ）に示すように、ＣＣＤアレイ１４０の位置（ｘ１、ｘ２、ｘ３、…ｘｎ）に対応した各導波路から照射された光の強度分布として出力される。データ解析部１６は、強度分布の出力を解析し、強度分布のピーク位置に対応した強度を各導波路から照射された各波長λ１、λ２、λ３の光の強度として求める。このように各導波路出口の出力全体を包括して強度分布の形状として得ているので個々の検出器の位置がＣＣＤアレイ１４０の位置（ｘ１、ｘ２、ｘ３、…ｘｎ）に対してずれていても形状から強度を得ることができる。データ解析部１６で得られた各波長λ１、λ２、λ３の光の強度は、外部端末等に出力される。当該各波長λ１、λ２、λ３の光の強度は、外部端末等で利用者によって確認される。さらに、公知のフローサイトメータのデータ分析や各光強度間の比演算や相関関係をデータ解析部で処理することで、試料の特性が分析され、その結果が出力される。当該各波長λ１、λ２、λ３の光強度は照射した光に対応する光の特徴量となる。また、光の特徴量としては、個々の波長の有する強度に限られず各波長の強度分布又は当該強度分布から求まる物理量を光の特徴量としてもよい。

図４は、マイクロチップ１と検出器１４Ａとの位置関係の一例を示すＡ－Ａ’断面の一部断面図である。

図４に示すように、導波路型分光器１０の受光面に試料からの光が入射するよう、励起合波器１１が出射する励起光の試料流ｆ１上の光照射位置ｌが図面上下方向で設定される。また、試料からの光は以下に示すように導波路型分光器１０の受光部に入射する。また、光を導波路型分光器１０の受光部に導くために以下に示すように導波路型分光器１０の受光部を構成する。

図５（ａ）及び（ｂ）は、導波路型分光器１０の受光部の構成の一例を示すＡ－Ａ’断面の一部断面図である。

導波路型分光器１０の受光部は、図５（ａ）に示すように、一例として、試料からの光の角度範囲θ１に合わせた角度θ２を有するテーパー形状又はラッパ形状の受光部１４０Ａを有し、光を導波路へと導く。θ１とθ２は、θ１＜θ２の関係にあることが望ましく、このように設定することで、高効率で試料からの光を検出できる。

また、他の例として、導波路型分光器１０の受光部は、図５（ｂ）に示すように、光の範囲θ１に合わせた光を集光する凹レンズ形状１４０Ｂ１を有する集光素子１４０Ｂを有していてもよい。集光素子１４０Ｂにより、効率よく光を導波路へと導くことができる。

図６は、導波路型分光器１０の受光部の構成の変形例を示すＡ－Ａ’断面の一部断面図である。

さらに、他の例として、光照射位置ｌから特定の角度σへ発せられる光を検出するため、導波路型分光器１０Ａを図面水平方向から角度σ傾けて配置するようにしてもよい。この場合、受光部は上記した図５（ａ）及び（ｂ）の受光部１４０Ａ及び集光素子１４０Ｂを用いてもよい。

図７は、マイクロチップ１と励起合波器１１との位置関係の一例を示すＢ－Ｂ’断面の一部断面図である。

励起合波器１１は、対向する筐体１２Ｂの照射面と距離ｄの位置から、それぞれ異なる波長の光を出射する励起光源１７ａ、１７ｂ、１７ｃからの光を合波し、合波した光を光照射位置ｌに照射する。距離ｄ、筐体１２Ｂの厚みｔ及び筐体１２Ｂから試料流ｆ１までの距離並びに空気、筐体１２Ｂの材質、試料流ｆ１及びシース流ｆ２の屈折率に応じて光照射位置ｌの照射範囲が定まる。また、さらに以下に示すように、光照射位置ｌの照射範囲を制御するため、筐体１２Ｂに集光部としてレンズを設けてもよい。

図８（ａ）及び（ｂ）は、励起合波器１１の集光部の構成の一例を示すＢ－Ｂ’断面の一部断面図である。

図８（ａ）に示すように、筐体１２Ｂと一体に又は筐体１２Ｂに接着等によりシンドリカルレンズ１２１ｂを設けることにより、光照射位置ｌの照射範囲を、図８（ｂ）に示すように励起合波器１１側から見て正面視で扁平形状に、側面視で円形としてもよい。なお、シンドリカルレンズ１２１ｂは筐体１２Ｂ上に設けるのに代えて励起合波器１１の出射側に設けても良い。

（マイクロチップの製造方法）
次に、本実施の形態のマイクロチップの製造方法を説明する。

図９（ａ）～（ｅ）は、マイクロチップ１の製造工程を説明するための概略斜視図である。

まず、図９（ａ）に示すように、一例として、石英ガラスの部材１２Ａ１を用意し、エッチング法等により導波路型分光器の配置のためのスペース１２００を形成する。

次に、図９（ｂ）に示すように、導波路型分光器１０を設ける。導波路型分光器１０は、スペース１２００上に別途公知の方法にて製造した導波路型分光器を配置してもよいし、スペース１２００をエッチングして導波路を形成してもよいし、スペース１２００上にクラッド層及びコア層を積層して成長させて、コア層に導波路パターンをフォトリソグラフィー法によりパターニングして形成してもよい。

次に、図９（ｃ）に示すように、スペース１２００の導波路型分光器１０を封止するように封止材１２０１を充填する。なお、導波路型分光器１０の出力面は、露出したままになるように封止材１２０１を充填するか、封止材１２０１を充填した後、出力面が露出するようにエッチングする。

次に、図９（ｄ）に示すように、エッチングにより流路１３となるスペース１２０２を形成して筐体１２Ａとする。この際、導波路型分光器１０の受光面がスペース１２０２に露出するようにエッチングする。なお、試料流ｆ１と導波路型分光器１０がともにＡ－Ａ’面に位置するように流路１３の形状を形成する。

次に、図９（ｅ）に示すように、筐体１２Ａを筐体１２Ｂで封じて流路１３を形成して、マイクロチップ１とする。なお、例えば、流路１３を形成した後に導波路型分光器１０を設けてもよく、導波路型分光器１０及び流路を備えたマイクロチップ１が形成できれば、上記に説明した製造工程は適宜入れ替えてもよい。このようなマイクロチップは、筐体に形成された導波路型合波器を有するマイクロチップとなる。その形態は、埋め込み形成、一体形成のいずれでもよい。

（第１の実施の形態の効果）
上記した実施の形態によれば、マイクロチップ１と一体に導波路型分光器１０を設け、導波路型分光器１０の受光部の位置を光照射位置ｌから発せられる光が導かれる位置に設計したため、マイクロチップの交換の度に光軸調整の困難性が低減もしくは不要であり、導波路型分光器１０を用いたため、分光器として光軸を一致させる必要がある光学系を用いた場合に比べて装置全体をコンパクト化することができる。

また、検出器１４Ａ（１４Ｂ）として検出面にＣＣＤアレイ１４０を採用したため、導波路型分光器１０の各導波路との正確な位置合わせを必要とせずに分光された光を検出することができる。

また、励起光源１７ａ、１７ｂ、１７ｃの光を導波路型の励起合波器１１で合波するようにし、光照射位置ｌに照射するようにしたため、複数の光源の光軸をレンズ等の光学系を用いて一致させる必要がなく、光軸を一致させる必要がある光学系を用いた場合に比べて装置全体をコンパクト化することができる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、本発明の一例としてのマイクロチップであるところの使い捨てチップ型フローセルに第１の実施の形態の導波路型分光器１０及び励起合波器（導波路型合波器）１１を、適宜波長を変更して適用し、当該チップ型フローセルを用いた微粒子分析装置を備えた微粒子分離装置（セルソータ）を構成したものである。

図１０（ａ）～（ｃ）は、第２の実施の形態に係るマイクロチップであるところのフローセルを用いたセルソータの構成の一例を示す概略図である。

セルソータ２は、平板基板を筐体とし、平板基板内に流路を形成してなるフローセル１Ｂと、流路を流れる試料液中の微粒子に光を照射する光照射手段としての複数の光源６００と、複数波長の照射光を合波する導波路型合波器１１Ｂと、光を照射した際に微粒子から発生する少なくとも特定波長の散乱光、反応光または蛍光を分光する導波路型分光器１０Ｂと、導波路型分光器１０Ｂの出力する光の特徴量の検出手段である検出器としてのＣＣＤアレイ７３０と、それらの信号強度に基づいて微粒子を識別し、目的の微粒子を判別する分析手段としてのマイクロコンピュータ７９０と、フローセル１Ｂの流路を流れる試料液中の微粒子に圧力を与える定圧ポンプおよびそれに接続された電磁バルブとを有し、マイクロコンピュータ７９０は、分析結果に基づいて電磁バルブの動作を制御する。なお、導波路型分光器１０Ｂは、第１の実施の形態と同様にフローセル１Ｂに形成されているものとする。

このように構成することにより、セルソータ２は、
平板基板内に流路を形成してなるフローセル１Ｂと、
流路を流れる試料液中の微粒子に光を照射する光照射手段としての複数の光源６００と、
複数波長の照射光を合波する導波路型合波器１１Ｂと、
光を照射した際に微粒子から入射する透過光、反応発光、蛍光若しくは散乱光に対応する波長、又は透過光、反応発光、蛍光若しくは散乱光から選ばれた少なくとも２つに対応する組み合わせの波長を分光する導波路型分光器１０Ｂと、
導波路型分光器１０Ｂの出力する光の特徴量の検出手段である検出器としてのＣＣＤアレイ７３０と、
それらの信号強度に基づいて微粒子を識別し、目的の微粒子を判別する分析手段としてのマイクロコンピュータ７９０とを有する微粒子分析装置を備えた微粒子分離装置を構成する。

また、このような微粒子分析装置は、
試料液に含まれる微粒子を分析するための微粒子分析装置であって、
試料液を流通する流路を有する筐体と、当該筐体上に形成されて流路に試料液を流通する試料液リザーバーとを有するマイクロチップと、
流路を通って光照射領域を流れる試料液を照射するための光照射手段と、
微粒子から発生する光の特徴量を検出する検出手段と、
検出手段の検出信号により目的微粒子を識別、分析し、その結果を出力する分析手段とを備え、
光照射手段は、複数の光源と、当該複数の光源の光を合波する導波路型合波器を有する微粒子分析装置、すなわち、光照射手段に導波路型合波器を備えた分析装置を構成し、当該分析装置にさらに検出手段として導波路型分光器を備えた微粒子分析装置であると言える。

また、さらにセルソータの流路は、光照射領域の下流に分岐流路領域を有し、第一の分岐流路と第二の分岐流路とが前記試料の流れる流路に対してその両側から接続されて、前記試料の流れる流路の前記分岐流路領域を横切る分離流路を形成しており、
前記第一の分岐流路と前記第二の分岐流路と、前記検知手段と前記第一と第二の分岐流路とに接続されており、前記第一の分岐流路からプッシュ圧を、前記第二の分岐流路から同時にプル圧をかけるバルブを備え、
前記分析手段から結果信号を受信すると、前記判別された目的微粒子が前記照射領域を通過した後、前記分岐流路領域に到着する遅延時間を決定するトリガー信号を発信する制御手段をさらに有して、
前記プッシュ圧とプル圧を前記遅延時間後において同時にかけることによって引き起こされる前記分離流路への流れによって前記判別された目的微粒子が前記試料の流れる流路から分離されて、前記第二の分岐流路に回収されるものであってもよい。

図１０（ａ）及び（ｂ）は、使い捨てチップ型のフローセル１Ｂに、シリンダーポンプと電磁バルブを接続した状態を示している。また、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＣ－Ｃ断面を示している。フローセル１Ｂは、分離用の流路４－１と流路４－２とそれぞれ分離用リザーバー５－１、５－２を対称的に追加した構造とする。使い捨てチップ型のフローセルは、透明な樹脂製である。樹脂の種類としては、ポリメタルアクリレート（ＰＭＭＡ）、シクロオレフィン・コポリマー（ＣＯＣ）、メチルペンテンポリマーなどが使用できる。特に、波長が３５０ｎｍから４１０ｎｍ程度のＵＶ波長領域のレーザーを照射光源として用いる場合は、フローセルの素材としてはメチルペンテンポリマーが適している。なお、波長は、例えば、４０５ｎｍ、４８８ｎｍ、５６１ｎｍ、６３７ｎｍ等を選択できる。この場合、合波器で合波する波長は、例えば、４０５ｎｍ、４８８ｎｍ、５６１ｎｍ、６３７ｎｍの任意の３波長の組み合わせとすることができる。蛍光の波長領域は４０５ｎｍに対して中心波長４４５ｎｍ、４８８ｎｍに対して中心波長５４３ｎｍ、５６１ｎｍに対して中心波長５９１．５ｎｍ、６３７ｎｍに対して中心波長６７６ｎｍ、７１６ｎｍ、７７５ｎｍとすることができる。この場合、導波路型分光器で分光する波長は、例えば、中心波長４４５ｎｍ、５４３ｎｍ、５９１．５ｎｍ、６７６ｎｍ、７１６ｎｍ、７７５ｎｍの任意の３波長の組み合わせとすることができて、設定した照射光源波長の組み合わせに対応した波長の組み合わせとすることができる。また、中心波長に対して±２０～４０ｎｍの帯域幅とすることができる。分離用リザーバーを流路４－２にも設置した対称構造として電磁バルブとシリンダーポンプを接続する。

図１０（ｃ）は、光学系と制御系回路との接続関係を示したものである。チップの断面図は図１０（ａ）のＤ－Ｄ断面である。図１０（ａ）に示したように、チップの上流側に空気圧を加えることで、シース液とともにサンプル液を流路３７０に流し、対向する分離用流路４－１、４－２の領域よりやや上流の主流路の中央部に合波器１１Ｂから単一又は複数の波長を合波した光を照射する。試料液中の被測定微粒子の細胞がこの照射領域を通過した瞬間に散乱光と蛍光がパルス的に発生する。散乱光は導波路型分光器１０Ｂによって照射光と同じ波長を分離されてＣＣＤアレイ７３０で検出される。また、蛍光は、照射光よりも長波長で分光器１０Ｂによって複数の波長領域に分離されてそれぞれＣＣＤアレイ７３０で検出される。各検出パルス信号は、信号処理部７４０において増幅してＡＤ変換してデジタル化し、データ解析部としてのマイクロコンピュータ７９０によって、試料液中の細胞の特性を分析する。以上が微粒子分析装置の動作である。

また、分離装置として用いる場合はさらにデータ解析部において分析した結果が予め設定した分離条件を満たすか否かを判断し、満たす場合に電磁バルブドライバー７６０にトリガー信号を一定遅延時間後に出力する。この遅延時間は、細胞がレーザー照射領域から分離用流路４－１、４－２の領域に流れるまでの時間に調整する。トリガー信号を受信した電磁バルブドライバー７６０は、電磁バルブ７－１，又は７－２に一定時間だけＯＰＥＮする信号を出力する。電磁バルブＯＰＥＮ時に目的の細胞が分離用リザーバー５－１又は５－２に流れ込む。分離用リザーバーに流れ込まなかったシース液、試料液は回収リザーバー２１０に流れ込む。

図１０（ａ）に示したようにチップの上流側のリザーバー３００の内部には、図には記していないが定圧ポンプで一定の空気圧を加えるようにしてある。リザーバー３００の内部には試料液リザーバー２００がありその内側に適宜蛍光試薬等でマーキングした細胞を含む試料液を入れ、その外側にシース液を入れる。シース液としてはｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｂｕｆｆｅｒ ｓａｌｉｎｅ（ＰＢＳ）を用いるが望ましい。共通の空気圧によって、試料液２０が試料液配管２０－１を経由して、シース液が左右のシース液配管３０－１、３０－２を経由して下流に向かって流れ、３本の配管流路が合流したあと流路３７０内を試料液はシース液によって細く絞られた状態で流れる。例えば、流路３７０の幅は８０μｍとすることができ、深さは５０μｍとすることができる。合流後の試料液の幅は流路幅の約１／１０である。流路３７０には、側面から対向する分離用流路４－１、４－２があり、その流路はリザーバー５－１、又は５－２に接続している。この対向領域よりも数１００μｍだけ上流側の流路３７０の中央部に、例えば、波長４０５ｎｍ、４８８ｎｍ、５６１ｎｍの光を合波した光を照射する。そのビームサイズは長さ５０μｍ幅２０μｍの長円としている。

（第２の実施の形態の効果）
上記した第２の実施の形態によれば、セルソータ及びセルソータに用いるマイクロチップに第１の実施の形態と同様の導波路型合波器及び導波路型分光器を採用したため、セルソータに用いるマイクロチップの交換の度に光軸調整の困難性が低減もしくは不要であり、分光器としてダイクロイックミラー、バンドパスフィルター等を用いた光学系を用いた場合に比べて光軸を一致させる必要がなく、装置全体をコンパクト化することができる。

また、複数の照射光源の光を導波路型合波器１１Ｂで合波するようにし、光照射位置に照射するようにしたため、複数の光源の光軸をレンズ等の光学系を用いて一致させる必要がなく、光軸を一致させる必要がある光学系を用いた場合に比べて装置全体をコンパクト化することができる。

［第３の実施の形態］
第３の実施の形態は、マイクロチップを用いた計測システムに第１の実施の形態の導波路型分光器１０及び励起合波器１１（導波路型合波器）を適用したものである。

図１１（ａ）～（ｃ）は、第３の実施の形態に係る試料を通流する筐体を有するマイクロチップを用いた計測システムの構成の一例を示す概略図である。なお、図１１（ａ）は平面視であり、図１１（ｂ）は透過光又は散乱光を検出する場合の正面断面図、図１１（ｃ）は散乱光、蛍光又は反応発光を検出する場合の平面断面図である。

計測システム３は、ポンプ４と、ポンプ５と、ポンプ４から試料液Ａが流入する流路３１と、ポンプ５から試料液Ｂが流入する流路３２とこれらが合流する流路３３とを有するマイクロチップ１Ｃと、合流した液の回収部６と、当該マイクロチップ１Ｃ内の合流した試料液に対して複数の波長の光を照射する光源及び導波路型合波器１１Ｃと、当該マイクロチップ１Ｃ内に形成され試料から入射される光を分光する導波路型分光器１０Ｃと、照射光に対応した光の特徴量を検出し、化学変化を解析する解析手段として導波路型分光器１０Ｃで分光された光を検出する検出器１４と、信号処理部１５と、データ解析部１６とを有する。ここで、導波路型合波器、導波路型分光器に用いる波長としては、前述した合波器、分光器の条件を満たして、かつ、励起スペクトル、吸収スペクトル、発光スペクトル、蛍光スペクトルから選択することができ、例えば、スペクトルのピーク部から選択した波長とすることができる。

以下、動作の一例を説明する。マイクロチップ１Ｃ内では、プロトン化した色素と特定のイオンと選択的に錯形成するクラウンエーテルなどのイオノフェアが加えられた試料液Ａを流しておき、合流させた試料液Ｂに目的イオンが存在する場合には、イオンが試料液Ａのイオノフェアと錯形成反応する。このとき試料液Ａ中の色素の吸収スペクトルがシフトする。この吸収スペクトルシフトにより、試料液Ａを通過する特定の波長の検出光の光強度が変化する。以上の原理により、試料に生じた化学変化の解析の一例として、目的イオンの存在状況を計測することができる。

つまり、図１１（ｂ）に示すように、導波路型合波器１１Ｃは、試料液Ａ中の色素の吸収スペクトル（シフト前及びシフト後）に対応して選択した波長の光、又は複数の色素の吸収スペクトル（シフト前、シフト後又は双方）に対応した波長の光を合波して試料液Ａ中の色素に対して照射する。また、導波路型分光器１０Ｃは、導波路型合波器１１Ｃが照射した光に対応した特定の波長に分光し、検出器１４と、信号処理部１５と、データ解析部１６によって試料液Ａを通過する光の特徴量の一例として光強度を検出して、その変化を判別する。なお、導波路型分光器１０Ｃは、導波路型合波器１１Ｃが照射し、試料液Ａを透過した光を検出できる位置に配置される。

また、試料液Ａ中の色素に対して励起光を照射して、図１１（ｃ）に示すように、導波路型分光器１０Ｃは、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様に、光の照射方向と直交する方向で散乱光、蛍光又は反応発光を受光する構成とすることもできる。その後、導波路型分光器１０Ｃは、合波器１１Ｃが照射した光に対応した波長に分光し、検出器１４と、信号処理部１５と、データ解析部１６によって試料液Ａ中の色素から発する光の特徴量を検出する。

（第３の実施の形態の効果）
上記した第３の実施の形態によれば、マイクロチップ１Ｃと一体に導波路型分光器１０Ｃを設け、導波路型分光器１０Ｃの受光部の位置を光照射位置から発せられる光が導かれる位置に設計したため、複数の相が流入するマイクロチップにおいて流路中における化学変化を検出する際にも、マイクロチップの交換の度に光軸調整の困難性が低減もしくは不要であり、光軸合わせが不要な導波路型分光器１０Ｃを用いたため、分光器として光軸を一致させる必要がある光学系を用いた場合に比べて装置全体をコンパクト化することができる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々な変形が可能である。

上記実施の形態では、分光器及び合波器に導波路型の分光器及び合波器を用いた例を示したが、いずれか一方に導波路型以外の方式を用いてもよい。また、分光器をマイクロチップと一体形成したが、位置合わせが可能であれば製造時又は測定準備時に分光器をマイクロチップに取り付けるものであってもよいし、これらを接続するアタッチメント等で取り付けるものであってもよい。

また、検出器として、ＣＣＤアレイを用いた場合を説明したが、微弱光を検出できる検出器であれば公知の検出器を用いることができ、導波路出口と一対一で用いる場合ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）またアレイ状検出器としては、ＡＰＤアレイ、多チャンネルＰＭＴ（ＰｈｏｔｏＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ、光電子増倍管）等を挙げることができる。

また、３つの光源の光を合波、３つの光に分光する例を示したが、単一の光、２つの光、４以上の光に対して導波路型合波器及び導波路型分光器を適用してもよい。例えば、４波長については以下に説明する構成において合波（及び分光）する。

図１３は、導波路型合波器及び導波路型分光器の構成の変形例を示す概略図である。

合波器（分光器）８は、複数の結合部８１，８２，８３を一組とする基準ユニット８００と、基準ユニット８００に接続可能なサブユニット９１とを備える。第１の結合部８１のメイン出射路８３１，８４１の他方は、第３の結合部８３のメイン入射路８１３，８２３の一方に接続され、第２の結合部８２のメイン出射路８３２，８４２の一方は、第３の結合部８３の入射路８１３，８２３の他方に接続され、第１の結合部８１のメイン結合器８５１と、第２の結合部８２のメイン結合器８５２と、第３の結合部８３のメイン結合器８５３とは、異なる結合特性を有する。これにより、波長の異なる複数の光について、それぞれの結合部における出射位置をある程度限定することができる。この結果、基準ユニット８００を元に、複数のサブユニット９１を接続して光学的に調整することにより、様々な波長の光を合波する導波路型合波器とすることができる。また、結合器の双方向性により導波路型分光器とすることができる。

１ ：マイクロチップ
１０、１０Ａ：導波路型分光器
１１ ：励起合波器（導波路型合波器）
１２Ａ ：筐体
１２Ａ１ ：部材
１２Ｂ ：筐体
１３ ：流路
１４Ａ、１４Ｂ ：検出器
１５ ：信号処理部
１６ ：データ解析部
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ：励起光源
１２０Ａ、１２０Ｂ：検出器用開口
１２０ｂ ：嵌合溝
１２１ｂ ：シンドリカルレンズ
１４０ ：ＣＣＤアレイ
１４０Ａ ：受光部
１４０Ｂ ：集光素子
１４０Ｂ１ ：凹レンズ形状
１４１ ：嵌合突起
１２００ ：スペース
１２０１ ：封止材
１２０２ ：スペース
ｆ１ ：試料流
ｆ２ ：シース流
ｌ ：光照射位置

Claims (6)

1. 試料を通流する筐体と、
   前記筐体に形成されて前記試料から入射する光を分光する導波路型分光器とを有するマイクロチップ。
2. 前記導波路型分光器の受光部と、前記試料が通流する試料流が同一平面上に設けられる請求項１に記載のマイクロチップ。
3. 前記筐体は、前記導波路型分光器が分光した光の特徴量を検出する検出器を位置合わせして装着可能な開口を有する請求項１又は２に記載のマイクロチップ。
4. 前記導波路型分光器は、入射する光を、前記試料の透過光、反応発光、蛍光若しくは散乱光に対応する波長、又は前記試料の透過光、反応発光、蛍光若しくは散乱光から選ばれた少なくとも２つに対応する組み合わせの波長に分光する請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロチップ。
5. 試料液に含まれる微粒子を分析するための微粒子分析装置であって、
   試料液を流通する流路を有する筐体と、当該筐体上に形成されて前記流路に試料液を流通する試料液リザーバーとを有するマイクロチップと、
   前記流路を通って光照射領域を流れる前記試料液を照射するための光照射手段と、
   微粒子から発生する光の特徴量を検出する検出手段と、
   前記検出手段の検出信号により目的微粒子を識別、分析し、その結果を出力する分析手段とを備え、
   前記光照射手段は、複数の光源と、当該複数の光源の光を合波する導波路型合波器を有し、
   前記検出手段は、入射した光を前記試料の透過光、反応発光、蛍光若しくは散乱光として設定された波長、又は前記試料の透過光、反応発光、蛍光若しくは散乱光から選ばれた少なくとも２つに対応する組み合わせの波長の光に分光する導波路型分光器を有する微粒子分析装置。
6. 試料を通流する筐体に形成されて前記試料から入射される光を分光する導波路型分光器を有するマイクロチップと、
   前記筐体に通流する試料に光を照射する光源と、
   前記導波路型分光器が分光した光の特徴量を検出することで前記試料に生じた化学変化を解析する解析手段とを有する計測装置。
   
   
   

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