JP6629237B2 - Ｍｅｍｓベースの粒子単離システム - Google Patents

Description

本発明は、微細製造された流路内における小さい粒子を操作するためのシステムおよび方法に関する。

マイクロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）は、たとえば半導体デバイスを製造するために使用されるような、表面リソグラフィ処理技術またはバルクリソグラフィ処理技術を使用して基板上に作製された、しばしば可動である非常に小さい構造である。ＭＥＭＳデバイスは可動のアクチュエータ、センサ、バルブ、ピストンまたはスイッチになり得るものであり、たとえば、数ミクロンから数百ミクロンまでの特徴的な寸法を有する。たとえば可動のＭＥＭＳスイッチは、１つまたは複数の入力接続端を１つまたは複数の出力接続端に接続するために使用することができ、これらはすべて、基板上に微細製造されたものである。かかる可動スイッチの駆動手段は、たとえば熱、圧電式、静電式または磁気的手段とすることができる。ＭＥＭＳデバイスを流体流で通過する粒子を操作することができるＭＥＭＳデバイスは、半導体基板上に製造することができる。

他の一例ではＭＥＭＳデバイスは、流体流から種々の粒子を分取するためのソート機構、たとえば血液から細胞を分取するためのソート機構として使用される可動バルブにもなり得る。粒子は、マイクロ流路内に封入され圧力下で流れる流体流で、ソートデバイスへ輸送することができる。ＭＥＭＳソートデバイスに到達すると、ソートデバイスはたとえば血液幹細胞等の関心対象の粒子を別個の受け部へ送り、流体流の他の残りのものを廃棄受け部へ送る。

ＭＥＭＳベースのセルソータシステムは、フローサイトメータとして知られている既存の蛍光活性化セルソータシステム（ＦＡＣＳ）と比較して格段に有利な点を有し得る。フローサイトメータは一般的に大型の高価なシステムであり、関心対象の細胞に付された標識からの蛍光信号に基づいて細胞を分取するものである。細胞はシース流体中に希釈および懸濁され、その後、ノズルを介しての急速減圧により、個別の液滴に分離される。ノズルから排出された後、これらの液滴は標識からの蛍光信号に基づいて、静電気により、複数の異なる容器内に分離される。かかるシステムの問題の中には、減圧に起因する細胞の機能障害または損傷、サンプル間の困難かつ高コストの滅菌処理、複数の異なるパラメータに即して部分集団を再分取できないこと、および、この大型かつ高価な装置を所有、稼働および保守するためには相当の訓練が必要である、という問題がある。少なくともこれらの理由により、フローサイトメータの使用は大規模な病院や研究所に限定されており、当該技術は、より小規模な団体には手が届かないものとなっている。

上述のようなＭＥＭＳベースの粒子ソートデバイスを対象とする多数の特許が付与されている。たとえば米国特許第６８３８０５６号明細書（’０５６特許）は、ＭＥＭＳベースのセルソートデバイスに関するものであり、米国特許第７２６４９７２号明細書（’９７２特許）は、ＭＥＭＳベースのセルソートデバイス用のマイクロメカニカルアクチュエータに関するものである。米国特許第７２２０５９４号明細書（’５９４特許）は、ＭＥＭＳセルソート装置を用いて製造された光学的構造に関するものであり、米国特許第７２２９８３８号明細書（’８３８特許）は、ＭＥＭＳベースの粒子ソートシステムを動作させるための駆動機構に関するものである。さらに、米国特許出願公開第１３／３７４８９９号明細書（’８９９出願）および同第１３／３７４８９８号明細書（’８９８出願）に、他のＭＥＭＳ構成の詳細が記載されている。上記の各特許（’０５６，’９７２，’５９４，および’８３８）および各特許出願（’８９８および’８９９）の内容は、参照により本願の内容に含まれるものとする。

微細製造されたＭＥＭＳベースの粒子ソートシステムの１つの特徴に、半導体基板に微細製造された小さい流路に、流体を分取プロセス全体にわたって閉じ込めることができるという特徴がある。粒子、たとえば生体細胞は、プロセス全体にわたって、低流速で流れるサンプル流中に留まる。ＭＥＭＳデバイスは、このサンプル流の他の成分から１つまたは複数の標的粒子を分離するバルブとすることができる。標的粒子が存在することを信号が示す場合、ＭＥＭＳデバイスは粒子流の方向を１つの流路から他の流路へ変更することができる。この信号は、標的粒子に付された蛍光標識からの光子とすることができ、この蛍光標識は、ＭＥＭＳデバイスより上流の送信領域においてレーザ照射により励起されるものである。よってＭＥＭＳデバイスは、微細製造された流路に閉じ込められた流体サンプルに作用するがＦＡＣＳフローサイトメータと同様の検出手段を用いる粒子ソータまたはセルソータになり得る。

ＭＥＭＳデバイスの特性ゆえ、アーキテクチャが、低流速の流体中に細胞を常に浸漬した状態にしながら、たとえば生体細胞等のマイクロスケールの粒子を操作することを可能にしている。本願にて開示しているシステムや方法を用いると、これらの小さいバルブを用いて、１つの個別の標的細胞を含む流体サンプルを調製することができる。この標的細胞は、さらに下流の研究もしくは操作の対象となることができ、または、たとえば腫瘍細胞、Ｔ細胞、Ｂ細胞、幹細胞または癌細胞とすることができる。

本願にて開示されているシステムおよび方法は、ＭＥＭＳベースの粒子単離デバイスを構成するように、微細製造されたＭＥＭＳ流体バルブと流体インターポーザとを併用することができる。ＭＥＭＳベースの単離デバイスは、流体流中の非標的物質から１つまたは複数の標的粒子を単離することができ、個別の流体分量で、たとえば個別の液滴でこの標的粒子を排出することができる。

粒子単離システムは、複数のマイクロ流路を備えることができ、このマイクロ流路はサンプル供給流路とソート流路とを含み、マイクロ流路内には、１つまたは複数の標的粒子と非標的物質とを含むサンプル流体が流れる。サンプル供給流路内には、流体流中の非標的物質から上記の１つまたは複数の標的粒子の区別がなされる送信領域を配置することができ、サンプル供給流路において、微細製造された流体バルブが、流体流中の１つまたは複数の標的粒子を分離するように構成することができる。１つまたは複数の標的粒子を一分量のキャリア流体によって包囲するため、キャリア流体供給部がキャリア流体を供給することができる。上述の分離された個別粒子を含む一分量のキャリア流体は、出口部によって受け部へ離散的にディスペンスすることができる。受け部は、特定の分量の流体を、他の分量の流体とは別個に、既知の特定位置に貯蔵するため、各個別分量の流体をインデックス動作方式で貯蔵するための個別の領域を含むことができる。

サンプル流から１つまたは複数の標的粒子を単離するための方法は、当該１つまたは複数の標的粒子を複数のマイクロ流路のうち１つのマイクロ流路内に分離するように構成された、微細製造された流体バルブを設けるステップを含むことができる。その後、本方法は、１つまたは複数の標的粒子を一分量のキャリア流体によって包囲するため、マイクロ流路のうち少なくとも１つに、一分量のキャリア流体を加えることができる。その後、個別分量のキャリア流体と１つまたは複数の標的粒子とを、受け部へディスペンスすることができる。本方法はさらに、１つまたは複数の異なる標的粒子を含む他の一個別分量の流体を受容するため、受け部を新たな位置へ移動させるステップを含むことができる。

ＭＥＭＳベースの粒子単離デバイスは、微細製造された流路のうち少なくとも１つに、微細製造されたバルブの製造平面外へ流れの経路決定をさせる、特殊なＭＥＭＳバルブを使用することができる。かかるバルブは、別途流路やバルブを必要とすることなく、適切な液滴体積を供給するのに十分な漏れ流量を有することができる。

ＭＥＭＳバルブは、第１の偏向面を有する、微細製造された可動部材を備えることができ、この可動部材は、当該可動部材に加えられた力に応答して第１の位置から第２の位置へ移動することができる。可動部材の上述の移動は実質的に、上記表面に対して平行な平面内とすることができ、基板にサンプル供給流路が形成されており、このサンプル供給流路内に、上述の少なくとも１つの標的粒子と非標的物質とを含む流体が流れる。サンプル供給流路内の流れは、当該表面に対して実質的に平行とすることができる。可動部材は流体を複数の排出流路内に偏向することができる。その際には、少なくとも１つの排出流路内の流れは、上述の平面に対して平行ではなく、少なくとも１つの排出流路は、その移動の少なくとも一部にわたって偏向表面の少なくとも一部の直接下方に位置する。

標的粒子をこのＭＥＭＳバルブによってソート流路内に分離することができ、ソート流路はこの粒子とキャリア流体とを組み合わせることができる。このとき単離デバイスは、液滴を形成するのに十分な分量のキャリア流体を加える。キャリア流体中の標的粒子は、ソート流路の終了部において液滴を形成することができ、この終了部の場所においてテーパ領域がシステムの液滴化部を構成する。標的粒子を含む液滴が液滴化部から落下すると、かかる液滴をタイタープレートに、またはより具体的にはマイクロタイタープレートに回収することができる。このタイタープレートは、かかる複数の液滴を、インデックス動作がなされるそれぞれ別個のウェルに収容するため、複数の小さい流体ウェルまたは貯蔵部を有する。特定の標的粒子を既知のインデックス動作がなされる位置特定可能なウェルに回収するため、マイクロタイタープレートをロボットにより位置決めすることができる。

上記および他の特徴および利点は、下記の詳細な説明にて記載されているか、または当該詳細な説明から明らかである。

以下の図面を参照して、複数の具体的な実施例を説明する：

個別粒子を単離するように構成されたＭＥＭＳ粒子単離デバイスの第１の実施例を簡略化して示す概念図である。 個別粒子を含む液滴をディスペンスするための、図１の微細製造された粒子単離システムの制御の時系列を簡略化して示す図である。 個別粒子を単離するように構成されたＭＥＭＳ粒子単離デバイスの第２の実施例を簡略化して示す概念図である。 個別粒子を含む液滴をディスペンスするための、図３の微細製造された粒子単離デバイスの制御の時系列を簡略化して示す図である。 個別粒子を単離するように構成されたＭＥＭＳ粒子単離デバイスの第３の実施例を簡略化して示す概念図である。 図６ａは、実質的に同一である複数の流体ウェルを有するマイクロタイタープレートの断面図であり、図６ｂは、図６ａのマイクロタイタープレートの平面図である。 図７ａは、非同一である複数の流体ウェルを有するマイクロタイタープレートの断面図であり、図７ｂは、図７ａのマイクロタイタープレートの平面図である。 図１，図３および図５にて示されたＭＥＭＳ粒子単離デバイスにおいて個別粒子を分離するために使用できるＭＥＭＳ粒子ソートバルブであって、非駆動（廃棄）位置にあるＭＥＭＳ粒子ソートバルブの平面図である。 図１，図３および図５にて示されたＭＥＭＳ粒子単離デバイスにおいて個別粒子を分離するために使用できるＭＥＭＳ粒子ソートバルブであって、作動（分離）位置にあるＭＥＭＳ粒子ソートバルブの平面図である。 図１，図３または図５のＭＥＭＳ粒子単離デバイスと共に用いることができる一例のカートリッジおよびインターポーザの分解図である。 図１，図３または図５のＭＥＭＳ粒子単離デバイスにおいて用いることができる一例のカートリッジおよびインターポーザの側面図である。 図１２ａは、図１，図３または図５のＭＥＭＳ粒子単離デバイスにおいて用いることができる一例のインターポーザの斜視図であり、図１２ｂは、図１２ａの一例のインターポーザの観察面である。 ＭＥＭＳ粒子単離デバイスを用いるＭＥＭＳ粒子単離システムの概略図である。

本システムおよび方法は、後の操作または研究のために液滴中の個別の標的粒子を単離することができる粒子単離システムを対象とする。ＭＥＭＳベースの粒子単離システムは、特殊な種類のＭＥＭＳバルブを使用することができるが、粒子単離システムは他の構成のＭＥＭＳバルブを使用することもでき、いかなる特定の構成の微細製造バルブにも限定されない。

以下説明する図面では、同様の符号は同様の構造を指しており、これらの構造は、本発明の新規のデバイスの重要な特徴を見やすくするため、詳細レベルを変えて示されている。本図面は必ずしも、実寸の比率通りに各構造を示すものではなく、また、本デバイスはどのような特定の向きにおいても構成および動作することができるので、たとえば「上部」、「下部」、「上方」、「下方」、「左」および「右」等の方向についての記載は任意のものであると解すべきである。「ソート」と「単離」との用語は、本願では入れ替えて使用することも可能なものであり、共に、流体流中に流れる非標的物質から標的粒子を単離することを意味するものである。また、「ソート」と「廃棄」との記載は、それぞれ異なる粒子集団を意味するというだけであり、どのような集団を「標的」集団と称し、または「ソート」集団と称するかは任意であるため、これらの記載も入れ替え可能であると解すべきである。さらに、見やすくするために一部の図は、可能な特徴および選択肢をすべて含んでいない場合があり、また、実際の方法、デバイスおよびシステムを図示するにあたって相当の簡素化を行っている場合もあるとも解すべきである。

図１は、流体流の他の残りの部分から個別の標的粒子を分取（ソート）、分離または単離することができる細胞単離デバイスの第１の実施形態を簡略化して示す概念図である。分取または分離の後、かかるデバイスによって単離される個別の細胞または標的粒子はその周囲に、ピコリットルまたはフェムトリットルのオーダの流体を、簡便に取り扱うには過度に少量の量を有し得る。本願にて開示されているシステムおよび方法は、使い捨て可能であるように、液滴または標的細胞もしくは標的粒子を含む他の量等の個別流体分量を形成するため、懸濁および処理流体として一分量の「キャリア」流体を細胞に加えることができる。かかる流体が加えられた後は、一分量のキャリア流体に覆われることとなった個別細胞は、下流の処理または操作の前に貯蔵するための適切なサイズの容器内に投入することができる。キャリア流体および標的細胞のディスペンスは離散的に、すなわち、有限分量の流体として、たとえば連続流ではなく液滴で行うことができ、各個別分量はそれぞれ、インデックス動作がなされる異なる受け部内にて貯蔵される。より一般的には、１つまたは複数の標的粒子をそれぞれ含む複数の個別分量のキャリア流体を、排出構造部１２２によって受け部にディスペンスすることができ、または、受け部内に配されている複数の流体ウェルのうち少なくとも１つにディスペンスすることができる。

図１に示された実施形態では、キャリア流体供給部２４がソート流路２２に結合されており、微細製造された流体バルブ１の下流に配置されている。本実施形態では、上述の一分量のキャリア流体は液滴として、インデックス動作方式の適切な受け部内にディスペンスすることができる。「インデックス動作方式の受け部」とは、一分量の流体を貯蔵するために繰り返し接近できる複数の既知の位置を有する受け部をいうこととする。適した受け部の一例は、流体を収容するための複数のウェルを有するインデックス動作方式のタイタープレートまたはマイクロタイタープレートである。よってタイタープレートは、特定の分量の流体が既知の特定の位置に収容されるように、各分量の流体をインデックス動作方式で貯蔵できるものである。本実施形態ではタイタープレートまたはマイクロタイタープレート１２００は、当該タイタープレートまたはマイクロタイタープレート１２００に形成された複数のウェル１２２０を有することができる。ウェル１２２０は、１μｌから１００μｌ未満の範囲となり得る適切な量の物質を難なく保持できるように、約１〜１００μｌの流体を保持するように構成することができる。たとえば、１つの液滴の体積を１５〜３０μｌとすることができる。マイクロタイタープレート１２００は、図示のようにロボット手段１５００によって移動することができる。ロボット手段１５００は、マイクロタイタープレート１２００を繰り返し位置決めすることができる、駆動されるおよび／または関節型の位置決め要素とすることができる。ロボット手段１５００は、マイクロタイタープレート１２００の複数のウェル１２２０のいずれも、排出液滴化構造部１２２の下方に位置決めできるように、マイクロタイタープレート１２００を正確かつ繰り返し位置決めするための閉ループ制御、フィードバック制御を有することができる。ロボット手段１５００は、ＭＥＭＳベースの粒子単離デバイス１０に形成されたテーパ付きの液滴化部１２２の下方にウェル１２２０の列を位置決めするように、マイクロタイタープレート１２００をインデックス動作させることができる。テーパ付きの液滴化構造部１２２は一実施例であり、個別粒子を含むキャリア流体をディスペンスするため、他の種類の排出機構を設けることも可能であると解すべきである。各液滴１００は、ＭＥＭＳベースの粒子単離デバイス１０によって非標的物質から分離された１つの個別の標的粒子を含むことができる。これに代えて液滴１００は、複数の標的粒子を含むことができるが、非標的物質もしくは非標的粒子は僅かしか含まないか、または全く含まないことができる。

ＭＥＭＳベース粒子単離デバイス１０はサンプル供給流路２０を備えることができ、これは、サンプル貯蔵部２から供給されたサンプルを、微細製造されたＭＥＭＳ可動バルブまたはアクチュエータ１へ移送するものである。バルブまたはアクチュエータ１は、１つの微細製造された流路を閉鎖して他の１つの微細製造された流路を開放する動きを行うことができる。図１に示された実施形態では、ＭＥＭＳバルブ１は廃棄流路４０を閉鎖する。これは通常は、紙面に対して垂直な廃棄流路内に、供給された流体を送るものである。この流路は、図１では破線の円４０として示されている。このオリフィスは円形である必要はないが、廃棄流路４０への開口部は、いかなる任意のまたは複雑な形状を有することが可能であると解すべきである。流路２０，２２および４０の寸法は２０〜５０μｍのオーダとすることができ、流体はこれらの流体内において約４ｍｌ／ｈの流速で流れることができる。

供給されるサンプル流２０は、適切な流体中に懸濁された粒子、たとえばバイオ物質または生体細胞等を含むことができる。流体はたとえば、緩衝流体、塩水、水、血液、血漿等とすることができる。流体中の標的細胞の濃度はいずれの場所においても、約１０，０００／ｍｌから約１×１０^６／ｍｌとすることができる。標的粒子はたとえば、Ｂ細胞、Ｔ細胞、癌細胞、腫瘍細胞、精子細胞等とすることができる。標的粒子は比較的幅広い細胞集団または粒子集団中において、通常（たとえば１／１０）または多数もしくは高純度から極度に低頻度（１／１，０００，０００またはそれ以上）までの幅広い範囲の頻度で存在することができる。上述の流路は、５〜２０ミクロンのオーダの直径の生体細胞の通過を確保するように選択された寸法であって、詰まりを低減するのに十分に大きく、かつ、当該流路内にて細胞の１列通過を促進するのに十分に小さい寸法を有することができる。

供給流体流路２０内に、送信領域２００を設けることができる。この送信領域２００は供給サンプル流２０内の領域であって、標的粒子を非標的物質から区別する領域である。送信領域２００用に適した判別機構の例について、以下詳細に説明する。かかる例の判別機構は、たとえば蛍光標識のレーザ送信を含むことができるが、他の機構を用いることも可能である。

送信領域２００から信号を受け取ると、ＭＥＭＳバルブ１はサンプル供給用貯蔵部２および供給サンプル流２０からの流れの方向を個別粒子排出流２２へ変えることができる。図１では、ＭＥＭＳバルブ１をキャリア流体バルブＸ２と区別するため、ＭＥＭＳバルブ１に符号「Ｘ１」を付している。ＭＥＭＳバルブ１は、第１の位置から第２の位置まで約２０〜５０μｓ（マイクロ秒）で移動することができ、それと同時に、廃棄流路４０への開口部を閉鎖し、かつ、個別粒子排出流路２２への開口部を開放することができる。ＭＥＭＳバルブ１はこの第２の位置において約２０〜５０μｓ留まることができ、これにより１つの個別標的粒子を、その対応する流体と共にソート流路２２内に流すことができる。よって、上述の流体流速で、ＭＥＭＳバルブ１の開弁により、ピコリットルのオーダの非常に少量の流体を個別細胞排出流路２２内に導入することができる。

個別粒子を扱うのに十分な流体を供給するため、キャリア流体流路２４も設けることができる。このキャリア流体流路２４は、キャリア流体貯蔵部４からキャリア流体をソート流路２２へ送ることができる。キャリア流体はたとえば、緩衝流体、シース流体、塩水または媒液等とすることができる。キャリア流体は懸濁流体と同一とすることができ、または異なる流体とすることもできる。キャリア流体の機能は、標的細胞をマイクロタイタープレート１２００のウェル１２２０内へ輸送および維持するのに十分な流体体積を提供することである。キャリア流体はまた、たとえば成長阻害剤、成長促進剤、栄養剤、抗生剤、抗ウイルス剤等の活性成分を含むこともできる。

キャリア流体はキャリア流体貯蔵部４から、図１中において「Ｘ２」として示されているもう１つのバルブを介してディスペンスすることができる。このバルブＸ２は、たとえばソレノイドバルブまたはボールバルブ等の巨視的なバルブとすることができ、または、Ｘ１のような微細製造されたバルブもしくはＭＥＭＳバルブ１に類するバルブとすることもできる。キャリア流体は、キャリア流体貯蔵部４からバルブＸ２を介して、キャリア流体流路２４を通って流路ソート排出流路２２内へ流され、これが個別粒子を結合して、ソート流路２２の端部の液滴化部１２２において液滴１００を形成するに至る。十分なサイズおよび重量に達すると、マイクロタイタープレート１２００のウェル１２２０内へ液滴１００をディスペンスすることができる。

ＭＥＭＳバルブ１は、数百ミクロンのオーダと実に小さくなることができ、かつ、マイクロタイタープレート１２００はたとえば３ｃｍ×８ｃｍの巨視的な寸法を有するので、ＭＥＭＳバルブ１をインターポーザ１４００に保持するのが便利である。これは、ＭＥＭＳバルブ１の微視的幾何要素とマイクロタイタープレート１２００の巨視的なウェルとの間に寸法を拡げるように構成されている。インターポーザ１４００はかかる機能を果たすことができ、以下、その詳細について図１０，図１１，図１２ａおよび図１２ｂを参照して説明する。

図２に簡略なタイムチャートを示しており、同図は、ＭＥＭＳベースの粒子単離システム１０による流体流からの個別標的粒子の単離に関連するイベントの時期を示している。図２に示されているように、そのプロセスは、ステップＡにおいて送信領域２００にて個別の標的細胞を検出することにより開始する。ステップＢにおいて、標的粒子が検出されたことに応答して、ＭＥＭＳバルブ１へパルスが送信され、これによりＭＥＭＳバルブ１は第１の位置から第２の位置へ移動し、廃棄流路４０を閉鎖してソート流路２２を開放する。マイクロタイタープレート１２００の位置を制御するロボットへ、液滴化構造部１２２の下方の位置にウェル１２２０を移動させる信号、すなわち、インデックス動作がなされるウェル場所の位置に移動させる信号を送信することもできる。ステップＣにおいて、標的粒子を含む液滴１００が発生し始めるように、キャリア流体バルブＸ２を開弁することができる。所要体積に達すると、液滴１００は液滴化構造部１２２から落下する。ステップＤにおいて液滴がディスペンスされたことが検出されると、ステップＥにおいてロボットは、１つまたは複数の標的粒子を含む他の分量の流体を受けるため、マイクロタイタープレート１２００を新規のインデックス位置へ移動させることができる。ステップＦにおいて、システムを再設定することができる。

図２の時系列における各期間の例は、以下の通りである：
ステップＡとステップＢとの間の時間：２０μｓ
ステップＢとステップＣとの間の時間：１０μｓ〜１０ｍｓ
ステップＣの期間：１０〜１００ｍｓ
ステップＤとステップＥとの間の時間：１０ｍｓ
ステップＥとステップＦとの間の時間：１０ｍｓ

したがって、図２に示された空間的間隔は、各異なるステップ間にて経過する時間に必ずしも比例しないと解すべきである。また、これらの間隔は一例に過ぎず、その具体的間隔は、用途と使用されるハードウェアとに依存すると解すべきである。たとえばステップＣの期間は、キャリア流体流路２４にて使用される圧力に依存する。また、使用される方法は、図２に示されている方法より格段に複雑となり得ることも理解すべきである。液滴サイズの測定、バルブＸ１ならびにＸ２の閉弁等のステップおよび他の多くのステップは暗黙的なものであり、同図を簡略化して見やすくするために言及していない。

キャリア流体の流れを制御するために使用されるバルブＸ２の開弁または閉弁は非常に低速とすることができ、たとえば１０ｍｓ以上とすることができ、ロボット運動も同様に、ｍｓオーダと低速にすることができる。バルブＸ２を全く使用せずに、キャリア流体をソート流路２２内へ一定の速度で流せるようにする、他の選択肢も可能である。液滴をパッシブ方式で形成し、パッシブなシース流として一定の速度で流すことができる。かかる液滴は一般的には標的粒子を含まず、単に廃棄受け部にて貯蔵するか、または破棄することができる。この実施形態について、以下、図３を参照して説明する。

図３は、流体流の他の残りの部分から個別の標的粒子を分取、分離または単離することができるＭＥＭＳベースの細胞単離デバイス１０’の第２の実施形態を簡略化して示す概念図である。この実施形態１０’は、キャリア流体流がバルブによって制御されずに単に連続的に流れるようにされる点を除いて、図１に示された実施形態と同様である。かかる連続流により、液滴を液滴化構造部１２２によって連続的に放出することができる。第２の種類のマイクロタイタープレート１２００’は、その「空の」液滴を含むため、比較的大きい貯蔵部１２１０’を備えることができる。標的粒子が送信領域２００において検出されるまで、ロボットはこの廃棄用貯蔵部１２１０’の位置を液滴化構造部１２２の下方に維持することができる。

標的粒子を含まない液滴から、個別粒子を含む液滴を分離するためには、マイクロタイタープレート１２００’の位置決めを制御するロボット手段１５００に、標的粒子が検出されたことをロボット手段１５００に通知する信号を送信することができる。ロボット手段１５００はこの信号を受け取ると、形成中の液滴が比較的大きい廃棄ウェル１２１０’内に落下するのではなく、より小さいウェル１２２０’内に落下するような位置に、マイクロタイタープレート１２００’の位置をシフトさせることができる。マイクロタイタープレート１２００およびマイクロタイタープレート１２００’の具体的構成は、図６ａ，図６ｂ，図７ａおよび図７ｂに示されている。図１，図３および図５におけるマイクロタイタープレート１２００、インターポーザ１４００およびＭＥＭＳバルブ１の図示は、必ずしも実寸の比率通りではなく、これらの各要素の特徴を示すため、マイクロタイタープレート１２００およびインターポーザ１４００はＭＥＭＳバルブ１と同じスケールに見える場合があることが理解できるはずである。実際にはＭＥＭＳバルブ１は、マイクロタイタープレート１２００およびインターポーザ１４００に対して格段に小さい場合がある。

図４に簡略なタイムチャートを示しており、同図は、図３に示されたＭＥＭＳベースの粒子単離システムによる流体流からの個別標的粒子の単離に関連するイベントの時期を示している。そのプロセスは、上述の方法と同様、ステップＡ’において送信領域２００にて個別の標的細胞を検出することにより開始する。ステップＢ’において、標的粒子が検出されたことに応答して、ＭＥＭＳバルブ１へパルスが送信され、これによりＭＥＭＳバルブ１は第１の位置から第２の位置へ移動し、廃棄流路４０を閉鎖してソート流路２２を開放する。マイクロタイタープレート１２００の位置を制御するロボット手段１５００へ、液滴化構造部１２２の下方の位置にウェル１２２０’を移動させる信号を送信することもできる。すなわちロボット手段１５００に対して、液滴化構造部１２２の下方に、比較的大きい廃棄ウェル１２１０’ではなく、インデックス動作がなされる小容積のウェル位置１２２０’を位置決めすべくマイクロタイタープレート１２００’を移動させるように、命令することができる。バルブＸ２は本実施形態では使用されないので、ステップＣ’が必要とするのは、キャリア流体が流れる間に時間が経過することのみである。液滴がディスペンスされるまで、この流体は連続的に存在し続ける。ステップＤ’において液滴がディスペンスされたことが検出されると、ステップＥ’においてロボット手段１５００は、マイクロタイタープレート１２００’を新規の位置へ移動させることができる。ステップＦ’において、システムを再設定することができる。

バルブＸ２の動きと、マイクロタイタープレート１２００を移動させるロボットアクチュエータの動きと、は低速であるため、その動きをより早期に、イベントを予想して引き起こすことができる。具体的には、液滴形成に必要とされるおおよその時間長は、ＭＥＭＳバルブ１の作動と同様に分かっているので、液滴が形成されて落下できる状態になる前に、ロボット手段１５００を作動させることができる。

図４の時系列における各期間の例は、以下の通りである：
ステップＡ’とステップＢ’との間の時間：２０μｓ
ステップＢ’とステップＣ’との間の時間：１０μｓ〜１０ｍｓ
ステップＣ’の期間：１０〜１００ｍｓ
ステップＤ’とステップＥ’との間の時間：１０ｍｓ
ステップＥ’とステップＦ’との間の時間：１０ｍｓ

上記のように、図４に示された空間的間隔は、各異なるステップ間にて経過する時間に必ずしも比例しないと解すべきである。これらの間隔は一例に過ぎず、その具体的間隔は、用途と使用されるハードウェアとに依存する。たとえばステップＣ’の期間は、キャリア流体流路にて使用される圧力に依存する。また、ロボット手段１５００は、図２および図４に示されている時点とは異なる時期において動かすことができることも理解すべきである。たとえば、ＭＥＭＳバルブ１が作動されて標的粒子が分離された旨の通知を受けて、マイクロタイタープレート１２００または１２００’を位置移動することができる。図２に示された時系列と同様、図４にて示されたステップ以外の他の多くのステップも存在することができ、これらについては、分かりやすくするために５つのステップに限定していることが明らかである。

図５は、流体流の他の残りの部分から個別の標的粒子を分取、分離または単離することができるＭＥＭＳベースの細胞単離デバイス１０’’の第３の実施形態を簡略化して示す概念図である。この実施形態１０’’は、キャリア流体供給部が、最初の２つの実施形態のようにＭＥＭＳバルブ１より下流ではなく上流に配置される点を除いて、図１に示された実施形態と同様である。キャリア流体供給用貯蔵部４からのキャリア流体供給部には、図示のようにバルブＸ２を備えつけることができる。流れを制御する必要がない場合には、上述の実施形態のようにバルブを用いずに、連続的に流れることも可能である。図５に示された実施形態１０’’は追加のバルブＸ２または追加の流路２４を使用しないことが可能であるから、本実施形態１０’’は、流体物質の消費量がコストまたは入手可能性の観点で問題とならない場合、または、実現の容易性が重要である場合に使用することができる。本実施形態１０’’は、他の粒子ソートシステムの、ソートデバイスより上流にて行うことができるシース流の注入に類似するものであり、キャリア流体が一定に流れるとき、この実施形態１０’’は数十ｍｌの流体を消費し得る。

本実施形態は、ＭＥＭＳバルブ１が、液滴化構造部１２２において合理的な速度で液滴を生成するのに十分な流体をデバイス周囲に流すために十分な漏れを有する場合に、使用することができる。具体的には液滴形成速度は、ＭＥＭＳバルブ１周囲の漏れ流量の他、分取される物質の体積によっても決定され得る。よって、本実施形態は特に、図８および図９に詳細に示されているＭＥＭＳバルブと共に使用するのに適し得る。

図６ａおよび図６ｂは、マイクロタイタープレート１２００の他の具体的構成を示している。マイクロタイタープレート１２００は単なる一実施例であり、単離された個別粒子１００を受けるため、他のいかなる受け部も使用することができると解すべきである。適した受け部は、複数の別個の分量の流体を貯蔵するための、当該受け部に形成された専用の、インデックス動作がなされる別個の複数の領域を有することができる。たとえばマイクロタイタープレート１２００は、当該マイクロタイタープレート１２００に形成された凹部またはウェルのアレイから成ることができ、これらの各凹部またはウェルはそれぞれ、一分量の流体を受けて貯蔵することができる。図６ａはマイクロタイタープレート１２００の断面図であり、図６ｂは当該マイクロタイタープレート１２００の平面図である。図６ｂには５０個のウェル１２２０が示されているが、これは図示しやすくするためであり、実際には格段に多くのウェル１２２０を設けることが可能であることが理解できるはずである。

これらのウェルの寸法は、たとえば流体体積が１〜１００μｌである液滴１００を保持するため、約１〜１００μｌの流体を難なく保持できるように決定することができる。各ウェル間のピッチは数桁異なることができ、たとえば、約５０ミクロン乃至約５ｍｍだけ相違することができる。これらの寸法は単なる一例であり、その具体的寸法は用途の環境に依存すると解すべきである。マイクロタイタープレート１２００は生体適合性プラスチックから成ることができ、射出成形により±１０μｍの中間誤差で作製することができる。図６ａおよび図６ｂに示されているように、マイクロタイタープレート１２００ではすべてのウェルがほぼ同一形状および同一サイズであり、ロボット手段１５００によって図１，図３または図５に示された方向にマイクロタイタープレート１２００を移動させるようにインデックス動作する。これにより、５０個のウェルまたは凹部１２２０のいずれも、液滴化部１２２の下方に位置決めすることができる。以下、検出システム１３００について詳細に説明する。

図７ａおよび図７ｂは、マイクロタイタープレート１２００’の他の具体的構成を示している。マイクロタイタープレート１２００と同様、マイクロタイタープレート１２００’は、当該マイクロタイタープレート１２００’に形成された凹部またはウェルのアレイから成ることができ、これらの各凹部またはウェルは、一分量の流体を受けることができる。図７ａはマイクロタイタープレート１２００’の断面図であり、図７ｂは当該マイクロタイタープレート１２００’の平面図である。同図から分かるように、マイクロタイタープレート１２００’は、異なる体積の流体を保持することができるように、複数の異なるサイズのウェルまたは凹部を有することができる。図７ａに示された実施形態では、比較的小さいサイズの凹部１２２０’の他に、１つの大きな凹部１２１０’をマイクロタイタープレート１２００’に設けることも可能である。この大きな凹部は、比較的多量の流体を保持することができ、これにより、標的粒子を含まない複数の液滴を貯蔵するのに適し得る。これはたとえば、図３に示された第２の実施形態のＭＥＭＳベースの単離システム１０における状況である。

液滴１００が液滴化部１２２から放出されてマイクロタイタープレート１２００’に落下したことをどのようにして検出するかの技術的問題が生じ得る。液滴１００が落下したか否かを判断するために使用できる技術は、複数存在する。かかる技術には、重量変化もしくは振動の測定、または直接的な光学的イメージングが含まれ得るが、ここで挙げたものはごく僅かのみである。図６ａおよび図７ａにおいて、検出システムは総括的に光学的イメージング部１３００として示されている。しかし、この実施形態は単なる一例であり、液滴１００が放出されたか否か、およびその時期を判断するために使用できる技術は、他にも存在すると解すべきである。

また、液滴化によってではなくブロッティングによって、すなわち、液滴１００をマイクロタイタープレート１２００’へ送るために重力ではなくメニスカス力を利用して、液滴をマイクロタイタープレート１２００’へ送ることも可能であることが理解できるはずである。かかる実施形態では、液滴１００がマイクロタイタープレート１２００’の表面に接触するまで、マイクロタイタープレート１２００’をロボット手段１５００によって垂直方向に上昇させることができる。この時点において、液滴１００に作用するメニスカス力が液滴化部１２２から液滴１００をマイクロタイタープレート１２００または１２００’へ逃がすのを促進することができる。移送の完了は、上述の技術のいずれかによって確認することができる。

また、液滴１００をマイクロタイタープレート１２００へ放出するためにＭＥＭＳバルブ１および／またはインターポーザ１４００の構成要素を振ることも可能である。かかる実施形態では、ＭＥＭＳバルブ１を振動ステージ（図示されていない）上に取り付け、液滴の放出を促進するためにＭＥＭＳバルブ１を振動させることができる。その振動周波数は、送信領域２００と関連する検出装置と抵触する振動周波数外になるように選択することができる。

図８は、本明細書に記載されている粒子単離システム１０，１０’および１０’’において使用できる、微細製造された細胞ソート機構、ＭＥＭＳバルブ１の概略図である。ＭＥＭＳバルブ１およびその製造の詳細については、２０１３年１０月１日に出願された同時係属中の米国特許出願第１３／９９８０９５号（以下「’０９５出願」という）に記載されており、その記載内容は参照により本願の開示内容に含まれることとする。ＭＥＭＳバルブ１の独特の特徴には、細胞ソートバルブ１１０の動きが当該バルブの製造平面に対して平行であるという特徴がある。さらに廃棄流路１４０は、サンプル供給流路２０およびソート排出流路２２に対して実質的に直交し、かつ、上述の平面に対して直交している。かかる構成により、速度、精度、バルブ流量およびマイクロ流体分取のしやすさの観点において、顕著な利点を奏することができる。ソート流路２２は、テーパ付きの液滴化構造部１２２に接続することができ、この液滴化構造部１２２から液滴１００が形成し得る。

図８の平面図では、上述の新規のＭＥＭＳバルブ１が静止（非作動）位置にある。ＭＥＭＳバルブ１は、微細製造された流体バルブまたは可動構造部１１０と、複数の微細製造された流路２０，２２および１４０と、を備えることができる。流体可動構造部１１０および微細製造された流路２０，２２および１４０は、ＭＥＭＳリソグラフィ製造技術を用いて適切な基板に、たとえばシリコン基板に形成することができる。これについては、’０９５出願において非常に詳細に記載されている。この製造基板は、デバイスが形成される製造平面であって、可動部材１１０が運動する製造平面を有することができる。

サンプル供給流路２０によって、下記にて説明するインターポーザ１４００を介して上述の微細製造された流体可動構造部１１０へ、サンプル流を導入することができる。サンプル流体は、流体可動構造部１１０による分取の前に、取り外し可能なカートリッジに設けられたサンプル貯蔵部２に貯蔵することができる。これについても以下説明する。サンプル流体は、少なくとも１つの所望の標的粒子と複数の他の不所望の非標的粒子とを含む粒子の混合物を含み得る。かかる粒子は、希釈または緩衝用の流体または媒液中に懸濁させることができる。たとえば標的粒子は、たとえば幹細胞、癌細胞、受精体、タンパク質、Ｔ細胞、細菌、血液成分、ＤＮＡフラグメント等の生体物質を、塩水等の緩衝流体中に懸濁させたものとすることができる。

供給流路２０は、その流体の流れが実質的に、可動構造部１１０の製造平面と同一の製造平面内になるように、当該同一の製造平面内に形成することができる。可動構造部１１０の運動も、この製造平面内となる。特定の粒子を分取／保存または破棄／廃棄するとの決定は、任意の数の判別信号に基づくことができる。一実施例ではこの決定は、粒子から放出された蛍光信号に基づいて行われ、これは、粒子に付された蛍光標識を照射レーザにより励起することに基づく。レーザ送信領域２００は、マイクロ流体通路の一部であって、標的粒子を流体サンプルの他の成分から区別するために当該標的粒子に照射レーザまたは送光レーザを当てる一部である。この検出メカニズムについての詳細は、文献において周知となっている。しかし、粒子の形態に基づき得る散乱光もしくは側方散乱光、または、粒子が標的粒子であると同定して分取または保存し、もしくは、非標的粒子であると同定して拒絶もしくは他の態様で破棄することができる任意の数の機械的、化学的、電気的もしくは磁気的作用を含めた、他の種類の判別信号も可能となり得る。

可動構造部１１０が図示の位置にある状態では、供給流は妨害されることなく排出オリフィス流路１４０まで通過する。この排出オリフィス流路１４０は供給流路２０の平面外にあり、ひいてはＭＥＭＳバルブ１の製造平面外にある。具体的には、流れは供給流路２０から排出オリフィス１４０へ向かっていき、この排出オリフィス１４０から、供給流路２０に対して実質的に垂直に、ひいては直交方向に流れる。排出オリフィス１４０は平面外の流路に接続されており、この流路は、図８の紙平面に対して垂直とすることができる。より一般的には、排出流路１４０は供給流路２０またはソート流路２２の平面と、可動構造部１１０の製造平面とのうち少なくとも１つに対して平行ではない。以下、偏向面１１２と、可動物１１０上のパーマロイ挿入材１１６について説明する。

排出オリフィス１４０は、製造基板に形成された孔、または、製造基板に接合されたカバー基板に形成された孔とすることができる。さらに、可動構造部１１０は曲面の偏向面１１２を有することができ、これは、供給流の流れ方向をソート排出流中に向かう方向に変化できるものである。オリフィス１４０の輪郭は、供給流路２０およびソート流路２２の一部と重複するが全部とは重複しないようにすることができる。供給流路と重複する輪郭１４０を有することにより、可動構造部またはバルブ１１０が非作動廃棄位置にあるときに供給流が廃棄オリフィス１４０内に直接流れるための経路が形成されることとなる。廃棄流路１４０は、非標的物質を回収できる廃棄貯蔵部４０に接続することができる。ＭＥＭＳバルブ１の製造に関する設計誤差および製造誤差に起因して、可動構造部１１０の位置にかかわらず、サンプル供給流路２０と廃棄流路１４０およびソート流路２２との間に懸濁流体の漏れも生じることがある。

ＭＥＭＳバルブ１の特徴サイズは、流路が５０ミクロンの深さでありかつ２５ミクロンの幅である場合、３００〜４００ミクロンのオーダの幅とすることができる。廃棄排出オリフィス１４０への開口部の幅は、約５０〜１００ミクロンとすることができる。

図９は、作動位置にあるときのＭＥＭＳバルブ１の平面図である。かかる位置では、可動構造部１１０は図９に示された位置に向かって上方向に反っている。偏向面１１２は、供給流路２０の流れの方向をソート排出流路２２内に向かう方向に変えるソート輪郭である。ソート流路２２内の流れも、供給流路２０内の流れと実質的に同一平面内となるように、排出流路２２を、供給流路２０と実質的に同一平面内にすることができる。供給流路２０とソート流路２２との間に角度が存在することができる。この角度は、最大９０°までの任意の値とすることができる。一実施形態では、供給流路２０およびソート流路２２内の各流れが実質的に逆平行となるように、供給流路２０とソート流路２２との間の角度は約１８０°である。

可動構造部１１０の駆動は、力生成装置４００によって生成された力により生じ得る。この力生成装置４００は、図９において一般化して示されている。一部の実施形態では力生成装置は、以下説明するように電磁石とすることができる。しかし力生成装置は、可動構造部１１０を第１の位置（図８）から第２の位置（図９）へ移動させる力を可動構造部１１０に加えるための静電式、圧電式または何らかの他の手段とすることもできると解すべきである。ソート流路２２は、テーパ付きの液滴化構造部１２２に接続することができ、この液滴化構造部１２２から液滴が形成し得る。

一部の実施形態では力生成装置４００は、磁界を生成するコイルを備えることができ、この磁界は可動部材と相互作用する。可動部材がかかる電磁力に対して応答するようにするためには、可動部材は透磁性材料を有することができ、この透磁性材料は可動構造部１１０に挿入されている。この材料の外延は、図８および図９に示された１１０の外郭線のエッジまでであるが外郭線のぎりぎり内側までとすることができる。

「透磁性材料」とは、当該透磁性材料内部における磁界の形成を支援することができるあらゆる材料を指すこととする。換言すると、材料の透磁率は、加えられた磁界に応答して当該材料が示す磁化度である。

ここで使用される「透磁性材料」または「高透磁率の材料」との用語は、空気または真空の透磁率と比較して大きい透磁率を有する材料をいう。具体的には、透磁性材料または高透磁率の材料とは、（空気または真空との比較における）比透磁率が少なくとも約１００である材料、すなわち、約１．２６×１０^−６Ｈ・ｍ^−１である空気または真空の透磁率の１００倍の透磁率を有する材料である。透磁性材料の例は多数存在し、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）合金を含む。広く普及している透磁性材料の１つに、「パーマロイ」として知られているものがある。これは、約６０％から約９０％までの間のＮｉと、４０％から１０％までの間の鉄との組成を有するものである。最も一般的な組成は、８０％のＮｉおよび２０％のＦｅであり、その比透磁率は約８，０００である。これにより可動バルブ１１０は、パーマロイ材料を可動要素１１０に挿入した後に平坦化することによって可動バルブの表面性状を平坦なままにしたもの１１６を有することができる。かかる透磁性要素の製造についての更なる詳細は、本願に包含されている’０９５出願に記載されている。

静磁気学から、透磁性材料によって実現される経路のリラクタンスを磁束まで引き下げるため、磁束線が集中する領域に透磁性材料を引き出すことが周知である。これにより、挿入された透磁性材料１１６が存在することによって、磁界の勾配が、磁束密度が高い領域に向かって可動部材１１０の運動を推進する。すなわち、透磁性材料１１６が挿入された可動部材１１０が、磁束の正の勾配の方向に引き出されることとなる。

バルブまたは可動部材１１０が図８のように非作動状態である場合、供給流路２０の流れは、可動部材またはバルブ１１０を越えて、その周囲または脇を通過することによって、廃棄流路１４０内に直接流入することができる。バルブまたは可動部材１１０の頂部の領域は、この流れに対応する間隙を成すようにレリーフ加工することにより、所望の場合にはその漏れ流量を上昇させることができる。よって、可動部材が非作動状態である場合、流れは廃棄流路へ直接送られる。可動部材が作動されている場合には、液が依然としてこの可動部材の上下において流れるにもかかわらず、流体の大部分はソート流路へ送られることとなる。ＭＥＭＳ可動部材１１０はいずれの位置においても、懸濁流体が原則として廃棄流路１４０およびソート流路２２の双方に漏流できるように漏流することができる。かかる構成はとりわけ、図５に示された実施形態において有利となり得る。

図１０は、使い捨て可能なカートリッジ１０００の一例の分解斜視図であり、これは、図１３に示されており以下図１３を参照して説明される粒子ソートシステムにおいて、使用することができるものである。使い捨て可能カートリッジ１０００は、たとえば上部分１１２０およびベース１１３０等の複数の組立可能な部品を含むことができる。使い捨て可能カートリッジ１０００は、ＭＥＭＳバルブ１とインターポーザ１４００との双方を備えたＭＥＭＳベースの粒子単離デバイス１０を保持することができる。インターポーザ１４００については、以下詳細に説明する。

使い捨て可能カートリッジ１０００は、それに含まれ得る複数の流体貯蔵部での複数の流体の貯蔵を提供することもできる。これにより使い捨て可能カートリッジ１０００のベース１１３０は、ここに形成された複数の空隙または区画を有することができ、これはサンプル流体貯蔵部２、キャリア流体貯蔵部４および廃棄貯蔵部４０を含む。以下詳細に説明するように、分取対象のサンプルはサンプル貯蔵部２に、キャリア流体はキャリア貯蔵部４に、廃棄液は廃棄貯蔵部４０に貯蔵することができる。これらの空隙間の流路はすべて、インターポーザ１４００および／またはＭＥＭＳバルブ１に配置することができる。

上部分１１２０とベース１１３０との間には、サンプルをコンタミネーションまたは断片から保護するための複数のフィルタ１１８０を配置することができる。これらのフィルタ１１８０はたとえば、２０ミクロンの滅菌フィルタとすることができる。フィルタ１１８０は、複数の流体貯蔵部２，４および４０の上方に直接配置することができる。

サンプル貯蔵部２内において、磁化式プロペラ１１５０とニードル１１６０とを上部分１１２０とベース１１３０との間に挟むことができ、このニードル１１６０は、磁化式プロペラ１１５０用のシャフトとして機能し得るものである。循環磁界にさらされると、磁化式プロペラ１１５０はシャフト１１６０において回転することができ、これにより、サンプル貯蔵部２の内容物が混合または均一化される。最後に、キャリア流体貯蔵部４の上方に０．２０ミクロンのフィルタ１１７０を配置することにより、その内容物を周囲環境からのコンタミネーションから保護することができる。

サンプル流体は、ピペットを用いて、またはシリンジとプランジャ（図示されていない）とを用いて、図示の導入ポート１１１１を介してサンプル貯蔵部に導入することができ、その後、つまみねじ１１１０を用いてカートリッジを封止することができる。これに代えて、カートリッジ内に既にサンプル流体が装填された状態で、カートリッジを発送することも可能である。マイクロタイタープレート１２００または他の受け部は、図１０に示されているようにインターポーザ１４００およびＭＥＭＳバルブ１の下方に位置決めすることができる。このようにして、排出液滴化部は液滴を、次に図１１に示されているように受け部１２００内にディスペンスすることができる。

図１１は、組み立てられた使い捨て可能カートリッジ１０００の側面図であり、同図は、サンプル流体貯蔵部２とキャリア流体貯蔵部４と廃棄貯蔵部４０とを示している。この組立図には、カートリッジベース１１３０に対するＭＥＭＳバルブ１およびインターポーザ１４００の相対位置が示されている。ここで留意すべき点は、図１０中ではカートリッジの左手側に示されているサンプル貯蔵部２が図１１では、これに関連する流路、攪拌器等と同様に右手側に位置するように、図１１は図１０を反転したものであることである。図１１には、タイタープレート受け部１２００の相対位置決めと、ロボット１５００によるその位置決めも示している。図１１は、個別粒子液滴１００の見かけを実際よりも、他の構成要素に対して相対的に格段に大きく図示しているので、実寸の比率通りに描画されていないと解すべきである。

ＭＥＭＳバルブ１の非常に緻密に微細製造された要素と、格段に大きな流体容積のカートリッジ１０００の貯蔵部２，４および４０と、の間に接続領域を設けるため、インターポーザ１４００を設けることができる。このインターポーザ１４００は、たとえば射出成形によりプラスチックから形成することができ、その中間誤差は±１０ｍｍのオーダとすることができる。インターポーザ１４００の目的は、ＭＥＭＳバルブ１の非常に小さい構造と、カートリッジ１０００および貯蔵部２，４および４０の肉眼で視認できる巨視的構造と、の接続部を提供すること、および、ソート流路２２に対応する液滴化構造部１２２を提供することである。

インターポーザ１４００は、合理的な微細度の誤差（±１０ｍｍ）で作製できるので、インターポーザ流路への開口部が約３００ミクロンのオーダである場合、インターポーザ１４００の通路をＭＥＭＳチップの通路とアライメントすることができる。可動構造部１１０へ繋がる流路および可動構造部１１０から出ている流路の幅は、１５０ミクロンのオーダと格段に小さくなり得ると同時に、当該流路へ流体を導入する開口部は、かかるスケール付近で作製することができる。その孔は、図１２ａおよび図１２ｂに示されている。

これによればインターポーザは、当該インターポーザに形成された通路１１２０，１１２２および１１４０を有することができる。これらは図１２ａにて示されており、図８および図９に示されたＭＥＭＳバルブ１の流路２０，２２および１４０に対応することができる。具体的には、通路１１２０はＭＥＭＳバルブ１上の通路２０と係合することにより、サンプル貯蔵部２から当該ＭＥＭＳバルブ１上のサンプル供給流路２０までの流路を成すことができる。インターポーザ１４００はまた、可動構造部１１０から（図１および図３に示されているチップ上の）キャリア流路２４および（インターポーザ上の）１１２２を経由して（カートリッジの）キャリア貯蔵部４までの流路を成すこともできる。またインターポーザ１４００は、可動バルブ１１０から（図８および図９に示されているチップ上の）廃棄流路１４０および（インターポーザ上の）１１４０を経由して（カートリッジの）廃棄貯蔵部４０までの流路を成すこともできる。

インターポーザのもう１つの目的は、レリーフ加工された液滴領域１４５０から、個別標的粒子を含む液滴をディスペンスするための液滴化構造部１２２を提供することである。この液滴領域１４５０は、図１２ｂに示されている。

とりわけ、ここで留意すべき点は、液滴領域１４５０床部の高さがソート流路１１２２の底部より低いことである。これにより、液滴１００は重力とメニスカス力とに支援されるので、ＭＥＭＳバルブ１から液滴化構造部１２２へ流れて、下方に位置決めされたマイクロタイタープレート１２００へ落下することができる。かかる液滴形成は、非常に小さい流路の小さい容積により生じ得る毛細管力を相殺するのに役立ち得る。

図１２ａおよび図１２ｂから分かるように、インターポーザ１４００はＭＥＭＳバルブ１からの少量の分量の物質をソート流路１１２２内へ排出することができる。この物質はこの流路において、液滴領域１４５０またはソート流路１１２２への開口部を介してキャリア流体と組み合わせることができる。廃棄流路１１４０は、使い捨て可能カートリッジ１０００の廃棄貯蔵部４０またはマイクロタイタープレート１２００の廃棄ウェル１２１０’へ、非標的物質を送ることができる。

インターポーザ１４００は、射出成形、エンボス加工、レーザ機械加工または３Ｄプリンティングによって、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）または環状オレフィンポリマー（ＣＯＰ）から作製することができる。インターポーザ１４００の通路における誤差は、約１００ミクロンから４００ミクロンまでの全径において約±１〜１０ミクロンとなり得る。ＭＥＭＳバルブ１の対応する通路は、約５０ミクロンから１５０ミクロンまでとすることができる。図１０に示されたチップ空洞１４７０内にＭＥＭＳバルブ１を収容することにより、当該ＭＥＭＳバルブ１をインターポーザに接着することができる。空洞１４７０は、上記にて述べたようにＭＥＭＳバルブ１の通路がインターポーザ１４００の通路と大体重なるのに十分な精度で形成することができる。許容される不整合は最大約２０ミクロンとなることができ、容易に達成可能であり、かつ漏れを防止するのに適したものとなり得る。プリント回路板製造において周知であるピックアンドプレイス機は、この役割に適し得る。アラインメント後、ＭＥＭＳバルブ１をその場で空洞１４７０内に接着することができる。

その後、接着材またはセメントを用いて、インターポーザ１４００の孔１４１０をカートリッジ本体１０００の対応する柱部に対して配置することにより、インターポーザ１４００をカートリッジベース１１３０に接着することができる。この接着材またはセメントは水密性である必要があるが、未だ通路１１２０，１１２２または１１４０に干渉しないので、一部の要素は図１２ａおよび図１２ｂに示されているように、かかる通路を囲う接着材ダム１４６０として形成することができる。この接着材ダム１４６０は、液体、未硬化の接着材が、小さい流路１１２０，１１２２および１１４０内に侵入するのを防止するように機能することができる。要素１４６０は、プラスチック材料の隆起したリッジ部であって、液体が流路または他の凹部に侵入するのを防止するリッジ部とすることができる。とりわけ、インターポーザ１４００とカートリッジ本体１０００の他の残りの部分との界面に接近できるようにするためのポート内に、接着材を注入することができる。接着材はこの領域の周囲に逃げるが、図１２ａに示されたマイクロ流路１１２０，１１４０および１１２２を包囲する接着材ダム１４６０によって、マイクロ流路１１２０，１１４０および１１２２内に侵入しないようにすることができる。接着材ダムによって、インターポーザ１４００とカートリッジ本体１０００の他の残りの部分との間の界面の厚さを約５乃至１０μｍから０．２乃至２μｍに低減することができ、これによって毛細管作用が生じ、この毛細管作用により、接着材がダムを越えてマイクロ流路内に流入するのを防止することができる。これらの寸法は単なる一例であり、その具体的寸法は用途の特性に依存すると解すべきである。使用される接着材の種類に依存して、この液体の接着材を熱、圧力またはＵＶ光露光等によって硬化することができる。

図１２ｂは、インターポーザ１４００の観察側の簡略的な斜視図である。この側は、ＭＥＭＳバルブ１の収容領域１４７０を含む。ＭＥＭＳバルブ１は、収容領域１４７０の要素に接着するか、または他の手法により接合することができる。同図にはまた、液滴化領域１４５０の排出オリフィスも示されている。

使い捨て可能カートリッジ１０００の各構成要素およびインターポーザ１４００の寸法例は、以下の通りである：
インターポーザの長さは１６ｍｍ、幅は６ｍｍ、高さは１ｍｍとすることができる。
廃棄貯蔵部およびサンプル貯蔵部の直径は２０ｍｍとすることができる。
サンプル流路１１２０、キャリア流路１１２２および廃棄流路１１４０の各幅は、３００ミクロンとすることができる。
接着材ダムの高さは、約２０〜５０ミクロンとすることができる。

図１３はＭＥＭＳベースの粒子単離システム２０００の概略図であり、このＭＥＭＳベース粒子単離システム２０００は、ＭＥＭＳベースの粒子単離デバイス１０をインターポーザ１４００と共に使い捨て可能カートリッジ１０００に収容したものを使用することができる。次に、当該システムの他の幾つかの構成要素について、および、これらの構成要素がＭＥＭＳベース粒子単離デバイス１０とどのように相互作用するかについて説明する。とりわけ図１３は、送信領域２００用の照射レーザの光路と、当該システムにおける流体流の制御と、ＭＥＭＳベース粒子単離デバイス１０の制御と、を示している。

図１３に示されているように、微細製造されたＭＥＭＳバルブ１およびインターポーザ１４００を、上記のように使い捨て可能カートリッジ１０００に収容することができる。使い捨て可能カートリッジ１０００を可動ステージ上に装着して、使い捨て可能カートリッジ１０００の向きを、粒子単離システム２０００の検出光学系および照射レーザ２４００に対して設定することができる。その後、上記にて図１０〜図１２を参照して説明したように、同様に使い捨て可能カートリッジ１０００内に収容されている流体貯蔵部から流体がＭＥＭＳバルブ１を介してインターポーザ１４００の通路を通って流れる。

システム２０００の通常動作時には、標的粒子を、蛍光マーカが付された特定の細胞、たとえば幹細胞または癌細胞とすることができる。このマーカは、所定の波長で動作するレーザ２４００によって照射されると、特定のエネルギーを有する光子を放出する。よって、かかる細胞ソートシステムでは図８および図９に示されているように、レーザ光源２４００を回転ミラー２２５０によって、検出／集光光学系２１００を通ってレーザ送信領域２００へ送光することができる。検出／集光光学系２１００の光軸およびレーザ光源２４００の光軸は、その光路の少なくとも一部分において同一直線上とすることができる。よって、かかる光軸に沿ったレーザ照射および光検出の向きは、基板製造平面に対して垂直方向もしくは直交方向、可動バルブ１１０の運動平面に対して直交方向、かつ、検出領域を通るサンプル流体の流れに対して直交方向とすることができる。

照射された粒子から放出された蛍光は、検出／集光光学系２１００によって成形してダイクロイックミラー２２００によって分離し、受光素子２３００のバンクに送ることができる。複数の受光素子が、たとえばマルチパラメトリック検出のために、複数の波長の放出光を受光することができる。受光素子２３００から出力された信号は、レーザ送信領域２００における標的粒子の有無を示す。この信号はコントローラ２９００へ送信することができる。コントローラ２９００は、ＭＥＭＳベース粒子単離システム２０００の各構成要素の相対的タイミングを管理し、データを収集するものである。コントローラ２９００は、汎用コンピュータまたは専用回路またはＡＳＩＣとすることができる。標的粒子が検出されると、力生成装置または磁束生成装置４００に通電する信号が、コントローラ２９００によって生成される。

コントローラ２９００はまた、１つまたは複数の空気式、液圧式、ピストン方式または機械的力方式の機構を介して、ＭＥＭＳバルブ１またはＸ１およびキャリア流体バルブＸ２への流れ制御を行うこともできる。かかる機構は、まとめて流体制御手段２５００によって示されている。流体制御手段２５００は、バルブＸ１およびＸ２を開閉弁するための機構を備えることができる。図１３において一般化して示されている「流体制御手段」とは、液滴化部１２２の端部において所定分量の流体の形成を検出する液滴検出手段２５１０を含むものと解することができる。この液滴検出手段は、たとえばタイタープレート１２００，１２００’等の受け部にブロッティングするのに適したサイズの液滴が形成されたこと、または、液滴が受け部１２００，１２００’へ放出されたことを検出することができる。液滴検出手段は、液滴が液滴化部１２２からディスペンスしそうであること、またはディスペンスされたことを検出することができ、また、たとえば重量測定、振動測定または光学的測定に基づくことができる。液滴が検出された率をコントローラ２９００によってモニタリングすることができ、コントローラ２９００は上述の流体制御手段２５００を維持し、ひいては、キャリア流体貯蔵部４からのキャリア流体の流量を維持することができる。

力生成装置４００は、可動構造部を動かすべく、可動構造部１１０自体に力を生じさせる装置である。力生成装置４００は、図１３にて破線で示されているように、ＭＥＭＳ粒子操作デバイス１０に機械的に直接結合しなくてもよい。たとえば力生成装置４００は、上記のように、ＭＥＭＳ可動バルブ１１０に挿入された透磁性材料１１６に静磁気力を生じさせる磁束の供給源となり得る。よって磁束生成装置４００は、磁気コアと巻線とを有する電磁石とすることができる。かかる力は、図８および図９に示されているように、可動バルブ１１０を力生成装置４００に向かって引きつけて、液滴化構造部１２２を開放し、廃棄流路１４０を閉鎖することができる。ここで重要なのは、力生成装置４００はＭＥＭＳバルブ１にではなく、ＭＥＭＳベースの粒子単離システム２０００内に設置し得ることである。既に述べたように、このことによって、システム１の使い捨て部分１０００に収容され得るＭＥＭＳバルブ１のコストおよび複雑性を緩和することができる。

細胞ソートシステム２０００に第２の光路を設けるため、他のオプションのレーザ２４１０を備えることも可能である。

検出領域２００を通過すると、受光素子２３００によって、送信領域２００に標的粒子が存在することを示す信号が生成される。既知の遅延の後、検出された標的粒子を流体流中の他の成分から分離するため、分取ゲートすなわち可動バルブ１１０を開弁すべきことを指示する信号が、コントローラ２９００によって生成される。可動ＭＥＭＳバルブ１１０は上記のように、磁界の存在下で当該可動ＭＥＭＳバルブ１１０に磁気力が生じるように、透磁性材料１１６を含むことができる。上記の信号がコントローラ２９００によって生成されると、可動バルブ１１０を力生成装置４００に引きつける力が、埋め込まれた透磁性材料１１６に発生する。かかる運動により、廃棄流路１４０を閉鎖して、標的粒子の方向を液滴化構造部１２２に向かう方向に変えることができる。分取されたこのサンプルは、次に、ソート貯蔵部から液滴化構造部１２２の端部へ収集され、当該端部はこの分取されたサンプルを保持する。上記にて述べたように、コントローラ２９００は、分取イベントが記録される率に基づいて流量を制御することもできる。

標的粒子は、流体流から分離されるとソート流路２２内に流れ、ここで、上記のように流体キャリア流路２４からのキャリア流体と混合することができる。この流体は最終的に、テーパ付きの液滴化構造部１２２に流入し、この液滴化構造部１２２から液滴としてマイクロタイタープレート１２００に落下またはブロッティングすることができる。マイクロタイタープレートは、ロボットによって位置決めすることができる（図１３では示されていない）。

流体制御手段２５００は、ＭＥＭＳバルブ１の流路を流れる、サンプル流体およびキャリア流体を含めた流体の方向および流速を制御することができる。見やすくするため、その制御線およびバルブ機構は、図１３には示されていない。さらに図１３は、ＭＥＭＳベースの粒子単離システム２０００に暗黙的に含まれる他の多くの信号線や制御線を省略している場合がある。

コントローラ２９００は、キャリアバルブＸ２と、ロボット手段１５００と、レーザ送信手段２４００と、ＭＥＭＳバルブ１と、を含む、ＭＥＭＳベースの粒子単離システム２０００の多くの観点を制御することができる。上記にて述べたようにコントローラ２９００は、複数の異なるバルブを開閉弁することにより、かつ、マイクロタイタープレート１２００または１２００’の位置決めを制御するロボット手段を駆動することにより、図２および図４に示された時系列を実施することができる。その制御アルゴリズムをどのように具現化できるかについての詳細は、当業者であれば明らかである。見やすさを維持するため、図１３では多くの接続部および関連付けが示されていない場合があり、簡素化のため、図面では細かい多くの詳細および構成を省略している場合がある。

上記にて概説した実施例を参照して種々の詳細事項を説明したが、上記の開示内容を参酌すれば、種々の代替態様、修正、変形態様、改良態様および／または本質的な等価的構成が、既知であるか否かまたは現在予測されるものか否かにかかわらず明らかとなる。上記のシステムおよび方法は、たとえば細胞等の生体物質の単離を対象としているが、たとえば塗料またはスラリー等の、流体中に懸濁している他の種類の不活性粒子の分離にも適用することができる。また上記では、システムおよび方法について、個別の粒子または細胞の１つずつの分離に関連して説明したが、複数の細胞または粒子も分離できると理解すべきである。よって、上記にて記載した実施例は詳解のためであって、権利範囲を制限するものではない。

Claims (19)

1. 粒子単離デバイスであって、
   サンプル供給流路とソート流路とを含み、１つまたは複数の標的粒子と非標的物質とを含むサンプル流体が流れる複数のマイクロ流路と、
   流体流中の非標的物質から前記１つまたは複数の標的粒子の区別がなされる送信領域であって、前記サンプル供給流路内に配置された送信領域と、
   前記１つまたは複数の標的粒子を分離して、前記１つまたは複数の標的粒子を前記ソート流路内に送るように構成された、微細製造された流体バルブと、
   前記１つまたは複数の標的粒子を一分量のキャリア流体によって包囲するためにキャリア流体を供給するキャリア流体供給部と、
   複数の個別分量のキャリア流体と前記１つまたは複数の標的粒子とを受け部にディスペンスする排出構造部と、
   を備えており、
   前記キャリア流体供給部は、前記微細製造された流体バルブより下流に配置されており、
   前記複数の個別分量のキャリア流体は、液滴としてディスペンスされ、
   前記受け部は、タイタープレートであり、
   前記タイタープレートは、前記タイタープレートに形成された複数のウェルを有する、粒子単離デバイス。
2. 前記キャリア流体供給部は、前記ソート流路に結合されており、
   前記キャリア流体供給部はさらに、前記ソート流路内へのキャリア流体の流れを制御するバルブを備えている、
   請求項１記載の粒子単離デバイス。
3. 前記排出構造部は、インターポーザに形成された液滴化部であり、
   前記インターポーザはさらに、前記微細製造された流体バルブも保持しており、
   前記液滴化部は、一個別分量のキャリア流体と前記１つまたは複数の標的粒子とをそれぞれ含む液滴を形成する、
   請求項１記載の粒子単離デバイス。
4. 前記インターポーザはさらに、前記微細製造された流体バルブをサンプル貯蔵部とキャリア流体貯蔵部と廃棄貯蔵部とに連通させる前記複数のマイクロ流路を備えている、
   請求項３記載の粒子単離デバイス。
5. 前記粒子単離デバイスはさらに、前記液滴を受けるための、前記複数のウェルを有する前記タイタープレートを位置決めするロボット手段を備えている、
   請求項１記載の粒子単離デバイス。
6. 各液滴を別個のウェルに回収するため、前記タイタープレートは、ロボットによって位置決めされる、
   請求項１記載の粒子単離デバイス。
7. 前記タイタープレートは、比較的大きい少なくとも１つの廃棄ウェルと、より小さい複数の標的粒子ウェルと、を有する、
   請求項１記載の粒子単離デバイス。
8. 前記粒子単離デバイスはさらに、各液滴が前記液滴化部からディスペンスされそうであること、または、ディスペンスされたことを検出するための検出手段を備えている、
   請求項３記載の粒子単離デバイス。
9. 前記キャリア流体供給部は、前記サンプル供給流路に結合されている、
   請求項１記載の粒子単離デバイス。
10. 前記サンプル貯蔵部および前記廃棄貯蔵部、前記インターポーザおよび前記微細製造された流体バルブは、使い捨て可能である取り外し可能なカートリッジに包含されている、
    請求項４記載の粒子単離デバイス。
11. 前記微細製造された流体バルブは、
    基板に形成された、微細製造された可動部材であって、第１の偏向面を有し、前記微細製造された可動部材に加えられた力に応答して第１の位置から第２の位置への移動を行い、前記移動は実質的に、前記基板の表面に対して平行な平面内である、微細製造された可動部材と、
    前記基板に形成された前記サンプル供給流路であって、前記サンプル供給流路内に、少なくとも１つの標的粒子と非標的物質とを含む前記サンプル流体が流れ、前記サンプル供給流路内における流れは実質的に、前記表面に対して平行である、前記サンプル供給流路と、
    複数の排出流路と、
    を備えており、
    前記微細製造された可動部材は、流体を前記排出流路内に偏向し、
    前記排出流路のうち少なくとも１つの排出流路内の流れは、前記平面に対して平行ではなく、
    少なくとも１つの排出流路は、前記微細製造された可動部材の移動の少なくとも一部にわたって、前記微細製造された可動部材の少なくとも一部の直接下方に位置する、
    請求項１記載の粒子単離デバイス。
12. 前記複数の排出流路は、前記ソート流路と廃棄流路とを含み、
    前記ソート流路における流れは、前記サンプル供給流路における流れに対して実質的に逆平行であり、
    前記廃棄流路における流れは、前記サンプル供給流路および前記ソート流路における流れに対して実質的に直交する、
    請求項１１記載の粒子単離デバイス。
13. 前記粒子単離デバイスはさらに、
    前記可動部材に挿入された第１の透磁性材料と、
    前記基板上に配置された第１の定置透磁性要素と、
    前記可動部材および前記可動部材が形成された基板の外部にある第１の磁束源と、
    を備えている、
    請求項１１記載の粒子単離デバイス。
14. 前記第１の磁束源が作動されると、前記可動部材は、前記第１の位置から前記第２の位置へ移動する、
    請求項１３記載の粒子単離デバイス。
15. 前記力は、磁気力、静磁気力および圧電力のうち少なくとも１つである、
    請求項１１記載の粒子単離デバイス。
16. 前記標的粒子は、幹細胞、癌細胞、Ｔ細胞、受精体、血液成分、タンパク質、ＤＮＡフラグメントおよび細菌のうち少なくとも１つを含む、
    請求項１記載の粒子単離デバイス。
17. 粒子単離システムであって、
    レーザ光を生成する少なくとも１つのレーザ光源と、
    請求項１の粒子単離デバイスを収容する、取り外し可能である使い捨て可能なカートリッジと、
    前記レーザ光を送信領域へ送光するレンズ光学系と、
    排出部において１つまたは複数の液滴が形成されたことを検出するように構成された流体制御手段と、
    前記１つまたは複数の液滴を貯蔵するための、インデックス動作がなされる受け部と、
    を備えている粒子単離システム。
18. サンプル流から１つまたは複数の標的粒子を単離する方法であって、
    前記１つまたは複数の標的粒子を複数のマイクロ流路のうち１つのマイクロ流路内に分離するように構成された、微細製造された流体バルブを設けるステップと、
    前記１つまたは複数の標的粒子を一分量のキャリア流体によって包囲するため、前記マイクロ流路のうち少なくとも１つに、一分量のキャリア流体をキャリア流体供給部によって加えるステップと、
    複数の個別分量のキャリア流体と前記１つまたは複数の標的粒子とを液滴として受け部にディスペンスするステップと、
    を有し、
    前記キャリア流体供給部は、前記微細製造された流体バルブより下流に配置されており、
    前記受け部は、タイタープレートであり、
    前記タイタープレートは、前記タイタープレートに形成された複数のウェルを有する、
    方法。
19. １つまたは複数の異なる標的粒子を含む次の一個別分量のキャリア流体を受容するため、前記受け部を新たな位置へ移動させるステップをさらに含む、
    請求項１８記載の方法。

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