JP3927968B2 - 流体制御機構 - Google Patents

Description

本発明は、細胞やＤＮＡなどの操作を行うバイオテクノロジー分野等の微量な流体の操作が必要な分野において好適に用いられ得る流体制御機構に関する。

例えば、特許文献１に示されているように、顕微鏡下で細胞に対して操作を行う場合、マニピュレータシステムが用いられる。ここで細胞にＤＮＡ溶液の注入処理を施す場合、一方に微小針をまた他方に捕捉針を配置したマイクロマニピュレータと、その操作内容を観察するための顕微鏡を備えたマイクロマニピュレータシステムが用いられる。一般的なマイクロマニピュレータシステムでは、顕微鏡視野内で微小針や捕捉針等の微小器具を操作してその映像をＣＲＴディスプレイ等に表示し、表示内容を観察しながらシャーレ等の容器内に入れられた細胞等の微小試料に所定の処理を施すようになっている。ピペッティングやインジェクションなどの作業を行う場合には、メカニカルなマイクロマニピュレータに取り付けられたピペットやインジェクタが用いられる。

また、液体中の細胞やＤＮＡ分子を捕捉する技術として、レーザトラップ技術がよく知られている。これは、屈折率が周辺の媒質と異なる微粒子の表面で、光が屈折ないし反射して光子の運動量が変化し、その運動量変化が運動量保存則によって微粒子に受け渡され、微粒子に運動量変化を生じさせるという原理に基づいている。これにより、微粒子はレーザ光の焦点方向に力を受け、レーザ光の焦点に捕捉されることになる。さらに、レーザ光の焦点を動かすことで、捕捉された微粒子を操作することができる。こうして、レーザ光を顕微鏡の対物レンズによって集光し、視野下に微粒子を補足できるため、この技術は顕微鏡下での細胞やＤＮＡの操作に好適である。

この技術は、非接触で対象物を操作することができるため、メカニカルなマニピュレータのように機械的な精度や振動の影響を受けることが少ないという特徴がある。また、トラップ対象としては、ポリスチレンの微小球などのいわゆるマイクロツールも使用可能であり、レーザトラップしたマイクロツールに細胞を付着させて間接的に細胞を操作することも行われている。

また、特許文献２に示されるように、レーザトラップ以外の微小駆動アクチュエータとして、例えば、静電力を利用する静電アクチュエータ、圧電素子を用いる圧電アクチュエータ、形状記憶合金による形状記憶合金アクチュエータ、高分子の弾性変形を利用した高分子アクチュエータ等をはじめ、多くの種類のマイクロアクチュエータが研究、開発されている。
特開平０７-２８７１７２号公報 特許第３２７４４８８号公報

しかしながら、上記のピペッティングやインジェクションなどの作業には、高度な技術と熟練を要し、作業効率も非常に低くなっている。これは、次の様な問題があるためである。
１）顕微鏡視野とは別に支持されたマニピュレータの機械的な精度や振動の影響を受け、位置決め操作が困難である。
２）顕微鏡下では高さ方向の位置が把握しづらく、位置決めが困難である。
３）ピペットやインジェクタは、吐出や吸引を行う先端部から、操作を行う部分までが離れており、チューブの弾性、駆動液の粘性、気泡の含有などにより特性に個体差が大きく、精度が低い。

また、マニピュレータなどが必要となり、装置が複雑で高価になってしまうという問題もあった。

そこで、マイクロツールを高機能化してこれらの作業を行えるようにすることが考えられているが、現在のマイクロツールでは細胞を付着させて移動させる以外の作業を行うことはできていない。これは、マイクロツールを高機能化するためには駆動機構が必要となるが、これまで研究されている微小駆動機構では、構造が複雑で小型化が困難、何らかの動力を外部より供給することが必要でその供給手段に課題が多い、といった問題があるためである。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、小型化が比較的容易で、しかも外部よりの特別な動力の供給手段を必要としないマイクロツール用などに適した流体制御機構、流体制御方法を提供している。

上記問題点を解決するための本発明による流体制御機構は、レーザ発生部によって発生した光ビームの照射を制御するレーザ照射制御部と、液体中にあって少なくとも１つの液体通過口と前記光ビームを液体タンク内部に集光するレンズと光トラップ部とを有する、液体を保持する液体タンク部とを備え、
前記レーザ照射制御部は、前記光ビームを前記レンズに照射し、前記光ビームを前記レンズによって集光させ、前記液体タンク部内部の液体を加熱膨張させて、前記液体通過口を介する液体の入出を制御するとともに、前記光ビームを前記光トラップ部に照射し、前記光トラップ部をトラップして前記液体タンク部を液体中で位置決めすることを特徴とする。

また、上記本発明による流体制御機構において、次の様な形態も可能である。
すなわち、1つの形態では、
前記液体タンク部は第１及び第２の液体タンク部を有し、
前記第１の液体タンク部は、絞りを備える液体通過口を介して第１の管路及び逆止弁を備える液体通過口を介して第２の管路に接続され、
前記第２の液体タンク部は、絞りを備える液体通過口を介して第３の管路及び逆止弁を備える液体通過口を介して第４の管路に接続され、
前記２つの逆止弁の通過方向がそれぞれ逆になっていて、前記第１及び第３の管路が第５の管路に連結され、
前記第５の管路に対して液体を双方向に流入流出できるようにしたことを特徴とする。
また、他の形態では、
前記液体タンク部は第１及び第２の液体タンク部を有し、
前記第１の液体タンク部は、絞りを備える液体通過口を介して第１の管路及び通過方向が流出方向のみである逆止弁を備える液体通過口を介して第２の管路に接続され、
前記第２の液体タンク部は、前記第１の液体タンク部から見て絞りの前方側の第１の管路に設けられ、
前記第１の管路に対して液体を双方向に流入流出できるようにしたことを特徴とする。

本発明による液体を保持する液体タンクを備えた流体制御機構ないし方法においては、外部と物理的に接続された動力供給手段を必要とせず比較的簡便な構造ないし方法で、液体通過口を介して流体の入出を制御することが可能となる。この流体制御機構ないし方法は、様々な流体制御を可能とするため、マイクロツール、マイクロチップなどの分野を始め広い範囲の分野で適用できるものである。

以下に、添付図面を参照し、実施例を挙げて本発明の実施の形態を具体的に説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１にかかる流体制御機構の模式図である。本実施例において、ガラスなどで作成された微細な管路１の中間部に球状に膨らんだ液体タンク２が形成されている。液体タンク２の一方の管路１には、管路の一部を狭くするなどの方法で絞り３が形成されている。絞り３は、他方の管路側にある逆止弁４の開放状態よりも管路抵抗が高くなるようにしてある。

他方の管路の逆止弁４は、例えば図１（ａ）に示すように、その一端が固定された弾性材で構成されうる。あるいは、図１（ｂ）に示すように、弁４の両側で管路１の太さを変えておき、細い方の管路よりも径の大きな浮遊する部材を設けることにより、細い方の管路への流入に対しては弁を閉じ、太い方の管路への流入に対しては弁で完全に塞ぐことができないようにする構造も可能である。また、これら以外の構造で構成してもよい。

液体タンク２の壁面（図１の例では上下の２箇所）には集光レンズ６が一体形成されており、照射されたレーザ光５を内部の液体に効率よく導くようになっている。そのために、集光レンズ６は液体タンク２内部で焦点を結ぶように、焦点距離が設定されていることが望ましい。また、照射されるレーザ光５の波長に適した、吸収効率の高い材質あるいは色材質によって液体タンク２の壁面を構成してもよい。これらによって、液体タンク２内部の流体を、照射されたレーザ光５のエネルギで効率よく加熱膨張させることができる。

図２を用いて、逆止弁４が液体タンク２への流入方向へのみ液体を流すようになっている図１（ａ）の例の動作を説明する。図２（ａ）に示すように、レーザ光５の照射によって液体タンク２内部で液体の体積膨張が起こったとき、逆止弁４側の管路１は、弁が閉じて液体が流れないようになり、絞り３側の管路に膨張によって液体が押し出される。次に、図２（ｂ）に示すように、レーザ光５の照射を止めて液体タンク２内の体積収縮が起こったとき、逆止弁４が開き液体タンク２に液体が流入する。絞り３側の管路は、開放状態の逆止弁４よりも管路抵抗が高いため、絞り３側からの流入は殆ど起こらない。よって、レーザ光５の照射と停止を繰り返すことによって、逆止弁４側から絞り３側へ液体を送ることができる。

次に、図３を用いて、逆止弁４が液体タンク２からの流出方向へのみ液体を流すようになっている図１（ｂ）の例の動作を説明する。図３（ａ）に示すように、レーザ光５の照射によって液体タンク２内部で体積膨張が起こったとき、逆止弁４が開いて管路１から液体が流出する。絞り３側の管路は、開放状態の逆止弁４よりも管路抵抗が高いため、絞り３側からの流出は殆ど起こらない。次に、図３（ｂ）に示すように、レーザ光５の照射を止めて液体タンク２内の体積収縮が起こったとき、逆止弁４が閉じ、絞り側３の管路から液体タンク２に液体が流入する。よって、レーザ光５の照射と停止を繰り返すことによって、絞り３側から逆止弁４側へ液体を送ることができる。

従来のピペットやインジェクタは、液体の吐出や吸引を行う先端部から、操作を行う部分までが離れており、チューブの弾性、駆動液の粘性、気泡の含有などにより特性に個体差が大きく、精度が低く、操作に熟練を必要とする。しかし、本実施例では、先端部（管路の端）の直近の溶液を直接操作するため、高精度かつ簡便に作業を行うことができる。また、レーザ光により非接触で動力の供給を行うことができるので、動力供給のための特別な機構を用意する必要がなく、装置を簡略化できる。

マイクロツールとして用いる場合には、レーザトラップ用のビーズ１０を備えるのが好ましい。ビーズ１０をレーザトラップすることにより、上記機構を媒質中で自由に位置決めすることができる。複数のビーズ１０を備えることにより、任意の姿勢に位置決めすることが可能となる。レーザトラップの際にレーザ光の向きを変えるために用いるガルバノミラー等の偏光器を用いてレーザ光を液体タンク２とビーズ１０に切り替えて照射する。図７にレーザ光を移動させる手段（レーザ照射制御部或いはビーム照射制御部）の一例の模式図を示す。図７において、レーザ光源７１から照射された光を、平行レンズ７２及び集光レンズ７３を介してガルバノミラー７４により照射位置を変更することができる。このように流体制御用のレーザ光５とトラップ用のレーザ光の光源は共用することが可能なため（２つの光は同程度の強度のレーザ光でよいから）、特別な装置を付加する必要はなく、装置構成を簡略化できる。このようにまた、従来用いられたメカニカルマニピュレータとは異なり、レーザトラップでは顕微鏡視野に対して位置決めされるため、高精度かつ容易に位置決めすることができる。高さ方向についても、レーザ光の焦点位置に自動的に整列するため、容易に同じ高さに位置決めできる。

また、レーザトラップにより自由な位置決めが可能となるので、従来困難であった、ピペットに細胞を吸着しての自由な回転や、インジェクタによる細胞の特定の位置への抗体の塗布などを、容易に行うことができる。

なお、本発明の流体制御機構の適用範囲は、実施例で説明したマイクロツールに限られるものではなく、例えば、マイクロマシン技術を利用することで化学分析、合成などの機器や手法を微細化すること可能にした医療用等のμ−TAS（μ−total analysis system）に用いられるマイクロチップなどの流体制御機構として用いてもよい。

（実施例２）
図４は、本発明の実施例２にかかる流体制御機構の構成および動作を説明する模式図である。本実施例は、流体の駆動方向が異なる２つの流体制御機構を絞り側で連結した点が実施例１と異なる。これにより、実施例１では一方向のみであった流体の駆動方向が、連結された第３の管路１３に対しては双方向に駆動可能となる。

図４（ａ）に示すように、レーザ光５の照射によって第１液体タンク２１内部で体積膨張が起こったとき、逆止弁４１側の管路１は、弁が閉じて液体が流れないようになり、絞り３１側の第１管路１１に膨張によって液体が押し出される。押し出された液体は、絞り３２のある第２の管路１２側には進まず、第３の管路１３から流出する。

次に、図４（ｂ）に示すように、レーザ光５の照射を止めて第１液体タンク２１内の体積収縮が起こったとき、逆止弁４１が開き第１液体タンク２１に液体が流入する。絞り３１側の管路は、開放状態の逆止弁４１よりも管路抵抗が高いため、絞り３１側からの流入は殆ど起こらない。よって、レーザ光５の照射と停止を繰り返すことによって、逆止弁４１側から絞り３１側へ液体を送ることができる。

次に、図４（ｃ）に示すように、レーザ光５の照射によって第２液体タンク２２内部で体積膨張が起こったとき、逆止弁４２が開いて管路１から液体が流出する。絞り３２側の管路は、開放状態の逆止弁４２よりも管路抵抗が高いため、絞り３２側からの流出は殆ど起こらない。次に、図４（ｄ）に示すように、レーザ光５の照射を止めて第２液体タンク２２内の体積収縮が起こったとき、逆止弁４２が閉じ、絞り側３２の第２管路１２から第２液体タンク２２に液体が流入する。流入する液体は絞り３１のある第１管路１１側からではなく、開放されている第３管路３３側から流入する。よって、レーザ光の照射と停止を繰り返すことによって、絞り３２側から逆止弁４２側へ液体を送ることができる。

以上により、第３の管路１３に対して双方向に液体を流入流出することが可能となる。レーザトラップ用のビーズ１０については実施例１の所で説明したとおりである。また、その他の点は実施例１と同様である。

（実施例３）
図５は、本発明の実施例３にかかる流体制御機構の構成および動作を説明する模式図である。本実施例は、絞り３側の管路に第２の液体タンク２２を備えた点が実施例１と異なる。これにより、実施例１では一方向のみであった流体の駆動方向が、第２液体タンク２２側の管路１に対しては双方向に駆動可能となる。

図５（ａ）に示すように、レーザ光５の照射によって第１液体タンク２１内部で体積膨張が起こったとき、逆止弁４が開いて管路１から液体が流出する。絞り３側の管路は、開放状態の逆止弁４よりも管路抵抗が高いため、絞り３側からの流出は殆ど起こらない。次に、図５（ｂ）に示すように、レーザ光５の照射を止めて第１液体タンク２１内の体積収縮が起こったとき、逆止弁４が閉じ、絞り側３の管路１から液体タンク２１に液体が流入する。よって、レーザ光５の照射と停止を繰り返すことによって、絞り３側から逆止弁４側へ液体を送ることができる。

次に、図５（ｃ）に示すように、レーザ光５の照射によって第２液体タンク２２内部で体積膨張が起こったとき、絞り３側の管路は管路抵抗が高いため、反対側に膨張によって液体が押し出される。ただし、レーザ光５の照射を止めたとしても、絞り３側からではなく開放側から流入が起こるので、継続して逆止弁４側から絞り３側に液体を送ることはできない。

以上により、絞り３側の管路１から、液体を流入し、一時的に流出することが可能となる。例えば、絞り３側から液体を流入することによって細胞を吸着した状態から、第２液体タンク２２に光照射して液体を吐出させることにより、細胞を切り離すことができる。レーザトラップ用のビーズ１０については実施例１の所で説明したとおりである。また、その他の点は実施例１と同様である。

（実施例４）
図６は、本発明の実施例４にかかる流体制御機構の模式図である。本実施例は、液体タンク部２にPNIPAM（ポリ−Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）などの高分子ゲル７を封入した点が実施例１と異なる。これらの高分子ゲル７は、温度変化やレーザ光の放射圧によって体積相変化を起こすことが知られている。この場合は、レーザ光５の照射による温度上昇や放射圧により高分子ゲル７は収縮する。これにより、液体タンク部２内部の液体をその性質上直接加熱できない場合でも、体積変化を起こすことができる。

ここでも、ガラスなどで作成された微細な管路１の中間部に球状に膨らんだ液体タンク２を形成し、液体タンク２の一方の管路１には、管路の一部を狭くするなどの方法で絞り３を形成する。絞り３は、他方の管路に形成された逆止弁４の開放状態よりも管路抵抗が高くなるようにしておく。図６に示すように、逆止弁４は、例えば、一端が固定された弾性材で構成できる。また、これ以外の構造で構成してもよい。

図６を用いて動作を説明する。図６（ａ）に示すように、レーザ光５の照射を行っていないときは、高分子ゲル７は体積の大きな状態になっている。この状態では、逆止弁４側の管路１は、弁が閉じて液体が流れないようになり、絞り３側の管路１に膨張によって液体が押し出される。次に、図６（ｂ）に示すように、レーザ光５を照射すると、液体タンク２内の高分子ゲル７に体積相変化による収縮が起こり、逆止弁４が開き液体タンク２に液体が流入する。絞り３側の管路は、開放状態の逆止弁４よりも管路抵抗が高いため、絞り３側からの流入は殆ど起こらない。この状態で再びレーザ光の照射を停止すると、高分子ゲル７は体積膨張を起こして図６（ａ）の状態に戻り、絞り３側から液体タンク２内の液体が押し出される。よって、レーザ光５の照射と停止を繰り返すことによって、逆止弁４側から絞り３側へ液体を送ることができる。

逆止弁４が液体タンク２からの流出方向へのみ液体を流すようになっているときの動作については、図３で説明したものと同様である。

以上説明したように、高分子ゲルを用いた場合は、図１の体積膨張を用いた場合とはレーザ光照射に対する動作が逆となる。また、高分子ゲルは、条件が揃えば放射圧によって僅かな温度変化のみで大きな体積変化を生ずるため、非常に効率よく流体を制御することが可能となる。また、直接内溶液を加熱する必要がないので、扱う液体の熱による組成の変化などの影響を抑えたい場合にも有効である。レーザトラップ用のビーズ１０については実施例１の所で説明したとおりである。また、その他の点は実施例１と同様である。

以上説明したように、本発明による液体を保持する液体タンクを備えた流体制御機構ないし方法においては、外部と物理的に接続された動力供給手段を必要とせず比較的簡便な構造ないし方法で、液体通過口を介して流体の入出を制御することが可能となる。この流体制御機構ないし方法は、様々な流体制御を可能とするため、マイクロツール、マイクロチップなどの分野を始め広い範囲の分野で適用できるものである。

本発明の実施例１にかかる流体制御機構の模式図である。 本発明の実施例１にかかる流体制御機構の動作説明図である。 本発明の実施例１にかかる流体制御機構の動作説明図である。 本発明の実施例２にかかる流体制御機構の模式図である。 本発明の実施例３にかかる流体制御機構の模式図である。 本発明の実施例４にかかる流体制御機構の模式図である。 レーザ光を移動させる手段の一例の模式図である。

符号の説明

１、１１、１２、１３ 管路
２、２１、２２ 液体タンク
３、３１、３２ 絞り
４、４１、４２ 逆止弁
５ レーザ光
６ 集光レンズ
７ 高分子ゲル
１０ ビーズ（光トラップ部）

Claims (5)

1. レーザ発生部によって発生した光ビームの照射を制御するレーザ照射制御部と、液体中にあって少なくとも１つの液体通過口と前記光ビームを液体タンク内部に集光するレンズと光トラップ部とを有する、液体を保持する液体タンク部とを備え、
   前記レーザ照射制御部は、前記光ビームを前記レンズに照射し、前記光ビームを前記レンズによって集光させ、前記液体タンク部内部の液体を加熱膨張させて、前記液体通過口を介する液体の入出を制御するとともに、前記光ビームを前記光トラップ部に照射し、前記光トラップ部をトラップして前記液体タンク部を液体中で位置決めすることを特徴とする流体制御機構。
2. 前記液体タンク部は複数の液体通過口を有し、少なくとも１つの液体通過口には絞りが設けられ、他の少なくとも１つの液体通過口には液体の移動方向を一方向に制限する逆止弁が設けられている請求項１記載の流体制御機構。
3. 前記液体通過口を介して前記液体タンク部に連結されている、液体を通すための管路を備える請求項２記載の流体制御機構。
4. 前記液体タンク部は第１及び第２の液体タンク部を有し、
   前記第１の液体タンク部は、絞りを備える液体通過口を介して第１の管路及び逆止弁を備える液体通過口を介して第２の管路に接続され、
   前記第２の液体タンク部は、絞りを備える液体通過口を介して第３の管路及び逆止弁を備える液体通過口を介して第４の管路に接続され、
   前記２つの逆止弁の通過方向がそれぞれ逆になっていて、前記第１及び第３の管路が第５の管路に連結され、
   前記第５の管路に対して液体を双方向に流入流出できるようにしたことを特徴とする請求項１記載の流体制御機構。
5. 前記液体タンク部は第１及び第２の液体タンク部を有し、
   前記第１の液体タンク部は、絞りを備える液体通過口を介して第１の管路及び通過方向が流出方向のみである逆止弁を備える液体通過口を介して第２の管路に接続され、
   前記第２の液体タンク部は、前記第１の液体タンク部から見て絞りの前方側の第１の管路に設けられ、
   前記第１の管路に対して液体を双方向に流入流出できるようにしたことを特徴とする請求項１記載の流体制御機構。