JP6700286B2 - スペーサによって分離された個別液体体積の配列を供給するためのマイクロ流体プローブ・ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ流体プローブ・ヘッドと、そのマイクロ流体プローブ・ヘッドを含むマイクロ流体プローブと、スペーサによって分離された個別液体体積の配列を供給する方法とに関する。

マイクロ流体工学は、典型的には、マイクロメートル長スケールの流路と典型的にはミリメートル以下の範囲の体積とに制約された流体の微小体積の振る舞いと精密制御と操作とを扱う。ここでは、流体とは液体を指し、この２つの用語は本明細書の以下の説明では同義で使用される場合がある。特に、マイクロ流体工学における液体の典型的な体積は、１０^−１５Ｌないし１０^−５Ｌの範囲であり、１０^−７ｍないし１０^−４ｍの典型的直径を有する微小流路を介して輸送される。

マイクロスケールでは、流体の振る舞いは、より大きいスケール、すなわちマイクロスコピック・スケールの流体の振る舞いとは異なり、特に、表面張力、粘性エネルギー散逸および流体抵抗が流動の支配的な特性となる。例えば、流体の運動量の効果と粘性効果とを比較するレイノルズ数は、流体の流動作用が乱流ではなく層流になるほどまでに減少し得る。

さらに、低レイノルズ数流動においては乱流が存在しないため、流体は、マイクロスケールでの従来のカオス的な意味では必ずしも混合せず、拡散により隣接する流体間の分子または小粒子の界面輸送がしばしば発生する。その結果、濃度、ｐＨ、温度、剪断力など、流体の特定の化学特性および物理特性が決定的となる。これにより、一段階反応および多段階反応において、より一様な化学反応条件と、より高品位な生成物とが与えられる。

マイクロ流体プローブは、液体、特に化学物質または生化学物質あるいはその両方を含む液体の付着、抽出、輸送、供給または除去あるいはこれらの組合せのためのデバイス、特に微細加工走査デバイスである。例えば、マイクロ流体プローブは、診断医学、病理学、薬理学の分野、および様々な分析化学の部門で使用することができる。マイクロ流体プローブは、例えば、酵素的分析、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）分析およびプロテオミクスの分子生物学手法を実行するために使用することができる。

表面から物質を取り出すことは、診断、薬学研究および生命科学研究における多くの応用分野にとって重要である。異なる領域から物質を回収する必要がある場合、その結果として検体がそれぞれの最初の回収体積から別の領域の次の回収体積内に拡散する可能性が高く、それによって、連続して回収された液体の部分間で相互汚染が生じる可能性がある。

第１の態様によると、本発明は、スペーサによって分離された個別液体体積の配列を供給するためのマイクロ流体プローブ・ヘッドであって、個別液体体積はそれぞれの標的領域に関連付けられたそれぞれの標的物質を含み、マイクロ流体プローブ・ヘッドは、流入口および流出口と、流入口に流体接続された第１の流路であって、浸液に覆われ、それぞれの標的物質を含んでいるそれぞれの標的領域に注入液体を給送するように構成された第１の流路と、流出口に流体接続された第２の流路であって、注入液体の少なくとも一部と浸液の少なくとも一部とそれぞれの標的物質とを各液体体積が含む液体体積をそれぞれの標的領域から流出口に給送するように構成された第２の流路と、第２の流路に流体接続されたスペーサ注入部であって、液体体積間の第２の流路にスペーサを注入することによって、スペーサによって分離された個別液体体積の配列を供給するように構成されたスペーサ注入部とを含む、マイクロ流体プローブ・ヘッドとして具現化可能である。

スペーサは、液体体積または標的物質あるいはその両方の互いに対する分散、拡散または混合あるいはこれらの組合せが生じるのを防止することができるので有利である。特に、液体体積の対流または拡散あるいはその両方による分散を防ぐことができる。同時に、それぞれの液体体積内の取り出された標的物質（検体とも称する）の希釈が最小限に抑えられる。別の利点は、それぞれの標的物質、すなわち表面上（またはより一般的に空間内）のその原点に関する時間的情報または空間的情報あるいはその両方が保持されることである。この情報は、それぞれの標的物質をそれぞれの標的領域に割り付けるために使用することができる。

第２の態様によると、本発明は、各実施形態によるマイクロ流体プローブ・ヘッドと、マイクロ流体プローブ・ヘッドをそれぞれの標的領域の上方に位置決めするように構成された位置決め装置とを含むマイクロ流体プローブとして具現化することができる。

各実施形態において、スペーサ挿入部は、スペーサを第２の流路にある挿入速度で挿入するように構成され、挿入速度は、位置決め装置によるマイクロ流体プローブ・ヘッドの位置決めと同期される。

第３の態様によると、本発明は、個別液体体積がそれぞれの標的領域に関連付けられたそれぞれの標的物質を含む、スペーサによって分離された個別液体体積の配列を供給する方法であって、浸液によって覆われ、それぞれの標的物質を含んでいるそれぞれの標的領域に、流入口から第１の流路を介して注入液体を給送することと、注入液体の少なくとも一部と浸液の少なくとも一部とそれぞれの標的物質とを各液体体積が含む液体体積を、第２の流路を介してそれぞれの標的領域から流出口に給送することと、液体体積の間にスペーサを挿入することによりスペーサによって分離された個別液体体積の配列を供給することとを含む方法として具現化することができる。

好ましくは、この方法は、第１のモードで、注入液体を流入口からそれぞれの標的領域に給送することと、液体体積をそれぞれの標的領域から流出口に給送することと、液体体積の間にスペーサを挿入することによりスペーサによって分離された個別液体体積の配列を供給することと、第２のモードで、スペーサによって分離された個別液体体積の配列を第２の流路を介して流出口からそれぞれの標的領域に向けて給送することと、個別液体体積を互いに分離するスペーサを、第１の流路と第２の流路とを接続する流体バイパスを介して第２の流路から除去することによってスペーサのない個別液体体積の自由配列を得ることと、個別液体体積の自由配列をそれぞれの標的領域に給送することと、除去されたスペーサを、第１の流路を介して流体バイパスから流入口に給送することとをさらに含む。

好ましい各実施形態では、上述のような実施形態によるマイクロ流体プローブ・ヘッドを使用して、注入液を給送することと、液体体積を給送することと、スペーサを挿入することとが行われる。

マイクロ流体プローブ・ヘッドを含むマイクロ流体プローブの斜視図である。 図１のマイクロ流体プローブ・ヘッドの第１の実施形態の断面部分図である。 図１のマイクロ流体プローブ・ヘッドと流体接続箇所の第１の実施形態の全体図である。 図２のマイクロ流体プローブ・ヘッドの後続の動作ステップを示す図である。 腫瘍性細胞を含む組織切片の一部の概略図である。 図１のマイクロ流体プローブ・ヘッドの第２の実施形態の断面部分図である。

特に記載のない限り、図中、同様または機能的に同様の要素には同一の参照符号が付されている。

図１に、好ましくは流体力学的流動閉じ込めを使用して、それぞれの標的領域２ａないし２ｇから標的物質を順次に取り出すためのマイクロ流体プローブ１の斜視図を示す。

一般に、流体力学的流動閉じ込め（ＨＦＣ：Hydrodynamic flow confinement）は、注入液体の層流が、別の液体が入った液体槽内に空間的に閉じ込められる現象に関する。以下で詳述するように、本発明の各実施形態は流体力学流動閉じ込めに、都合よく依存することができる。例示のためであるが、本明細書に記載の各実施形態は主として流体力学的流動閉じ込めを前提とする。例えば、図２の実施形態では、注入微小流路が注入液を注入流量で液体槽内に注入し、吸引微小流路が吸引流量で注入液とバックグラウンド液体の一部とを吸引する。吸引流量を注入流量よりも規定比率で高く維持することにより、注入路から吸引路への注入液の層流が形成され、周囲の液体槽内の体積内に閉じ込められる。

マイクロ流体プローブ１は、位置決め装置、特にロボット・アーム４に取り付けられたマイクロ流体プローブ・ヘッド３を含む。さらに、マイクロ流体プローブ・ヘッド３またはロボット・アーム４あるいはその両方は、可動ステージに取り付けられてもよい。ロボット・アーム４は、マイクロ流体プローブ・ヘッド３を特定の位置、特にアレイ５状に配置された標的領域２ａないし２ｇのそれぞれの上方に位置決めするように構成される。マイクロ流体プローブ１は、任意の三次元の動きを行うように、さらにｘ、ｙおよびｚ位置決めステージを含むことが好ましい。

マイクロ流体プローブ・ヘッド３には、注入液供給部６と、スペーサ供給部７と、分析器８とが流体接続されている。注入液体供給部６は、マイクロ流体プローブ・ヘッド３に注入液体２０を供給する。スペーサ供給部７は、マイクロ流体プローブ・ヘッド３にスペーサ流体２３を供給する。回収された標的物質は、マイクロ流体プローブ・ヘッド３から分析器８に給送される。

図２に、図１のマイクロ流体プローブ・ヘッド３の第１の実施形態の断面部分図を示す。

図２の実施形態では、標的領域２ａないし２ｃは、標的領域２ａないし２ｃが浸液１１によって覆われるように、浸液１１で少なくとも部分的に満たされたペトリ皿１０などの底面９上に配置される。

マイクロ流体プローブ・ヘッド３は、端面１３を有する本体１２を含む。本体１２には、第１の流路１４と第２の流路１５とが形成されている。端面には、第１の開口１６と第２の開口１７とが形成され、第１および第２の流路１４、１５にそれぞれ流体接続されている。例えば、第１と第２の開口間の距離Ｄ_１は、０．１μｍないし１０ｍｍであってよく、好ましくは０．５μｍないし２．０ｍｍ、より好ましくは１．０μｍないし１．０ｍｍであってよい。第２の流路１５には、スペーサ合流部１９にスペーサ流路１８が流体接続されている。

流体プローブ・ヘッド３の本体１２は、筐体または支持体の役割を果たす。本体１２に組み込まれたすべての要素、部分またはデバイスあるいはこれらの組合せは、（例えばリソグラフィを使用して）オンチップで製造されてもよく、本体１２とともに移動可能である。

図２において、マイクロ流体プローブ・ヘッド３は標的領域２ｂの上部に位置決めされている。マイクロ流体プローブ・ヘッド３の端面１３は、標的領域２ａないし２ｃを覆う浸液１１中に端面１３が浸漬されるように標的領域２ｂから離間されている。例えば、標的領域２ｂからの端面１３の距離Ｄ_２は、１ないし１００μｍ、好ましくは１．５ないし９０μｍ、より好ましくは２ないし８０μｍとすることができる。

注入液体２０は、第１の流路１４を介して第１の開口１６に第１の流量Ｑ_１で給送される。浸液１１の一部と、第１の開口１６を通って浸液１１に排出される注入液体２０とが、第２の開口１７を介して第２の流量Ｑ_２で吸引されるように、第２の流路１５に負圧が加えられる。例えば、第１および第２の流量Ｑ_１、Ｑ_２は、対応するポンプ（図示せず）を使用して生じさせることができる。

第１の流量Ｑ_１に対する第２の流量Ｑ_２の特定の比、すなわち例えば１．２ないし１０、好ましくは１．５ないし６、より好ましくは２ないし４で、第２の流量Ｑ_２が第１の流量Ｑ_１を上回る場合、第１の開口１６から第２の開口１７への層流Ｃを得ることができる。このような層流を実現することによって、流体力学的流動閉じ込めが可能になる。すなわち、層流Ｃは浸液１１によって、第１の開口１６の下から第２の開口１７の下まで延びる閉じ込め体積２１内に流体力学的に閉じ込められる。閉じ込め体積２１の大きさと層流Ｃの形状とは、第１の流量Ｑ_１、第２の流量Ｑ_２、第１の流量Ｑ_１に対する第２の流量Ｑ_２の比、第１の開口と第２の開口との間の距離Ｄ_１、または端面１３とそれぞれの標的領域２ａないし２ｃとの間の距離Ｄ_２あるいはこれらの組合せによって規定されるが、これらには限定されない。例えば、第１の流量Ｑ_１は、１．０ｆＬ／ｓないし１．０ｍＬ／ｓ、好ましくは１．０ｐＬ／ｓないし１００ｎＬ／ｓ、より好ましくは１．０ないし５０ｎＬ／ｓとすることができる。例えば、第２の流量Ｑ_２は、１．２ｆＬ／ｓないし１０ｍＬ／ｓ、好ましくは２．０ｐＬ／ｓないし１．０ｍＬ／ｓ、より好ましくは２．０ないし２００ｎＬ／ｓである。

図２において、標的物質２２ａが層流Ｃによって標的領域２ａから運び去られ、第２の開口１７を通って第２の流路１５内に吸引されている。標的物質２２ａを標的領域２ａから回収した後、マイクロ流体プローブ・ヘッド３は、閉じ込め体積２１が標的領域２ｂ上にある標的物質２２ｂを包み込むように標的領域２ｂの上方に位置決めされる。標的物質２２ｂは、層流Ｃによって標的領域２ｂから運び去られ、その後、層流Ｃとともに第２の開口１７を通って第２の流路１５内に吸引され得る。その後、標的物質２２ｃを取り出すために、マイクロ流体プローブ・ヘッド３を標的領域２ｃの上方に位置決めすることができる。

スペーサ２４によって分離された標的物質の配列を取り出すために、マイクロ流体プローブ・ヘッド３を標的領域２ａないし２ｃの上方に配置するステップと、標的物質２２ａないし２２ｃをそれぞれの標的領域２ａないし２ｃから回収するステップとを、必要な回数だけ繰り返すことができる。

標的物質２２ａないし２２ｃは、生化学物質を含み得る。特に、標的物質２２ａないし２２ｃは、生体の少なくとも細胞またはデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、タンパク質またはその他の生物学的物質または化学物質の少なくとも一部、あるいはこれらの組合せを含み得る。

スペーサ流路１８は、スペーサ流体２３をスペーサ合流部１９に給送し、そこでスペーサ流体２３は、液滴形状スペーサ２４を形成するようにスペーサ挿入速度Ｒ_Ｓで第２の流路１５に不連続的に挿入される。したがって、第２の流路１５を移動する吸引された流体は、スペーサ２４によって分離された個別液体体積２５に区分化される。

注入液体２０は、有極性液体、特に水性または水溶性液体を含み得る。スペーサ流体２３は、注入液体２０および浸液１１とは混合しない流体を含むことができる。特に、スペーサ流体２３は、例えば、油脂、油、脂質、ヘキサンまたはトルエンなどの、無極性液体または無極性溶媒あるいはその両方を含むことができる。さらに、スペーサ流体２３は気体であることも可能である。

図３に、図１のマイクロ流体プローブ・ヘッド３と流体接続箇所の第１の実施形態の全体図を示す。

流入口２６が、本体１２内部にある第１の流路１４を本体１２外部にある注入液体供給部６に流体接続する。流出口２７が、本体１２内部にある第２の流路１５を本体１２外部にある分析器８に流体接続する。スペーサ流入口２８が、本体１２内部にあるスペーサ流路１８を本体１２外部にあるスペーサ供給部７に流体接続する。

マイクロ流体プローブ・ヘッド３の本体１２内部に検出部２９が設置される。検出器２９は、第２の流路１５内部に検出体積３０を有する。検出部２９は、それぞれの個別液体体積２５を識別するために、識別体積３０を通過する個別液体体積２５の特性、例えば、表面張力、屈折率、ｐＨ、熱伝導率、導電率、粘度、インピーダンス、温度またはインダクタンスあるいはこれらの組合せを測定することができる。特に、個別液体体積２５の特性の測定は、電気的、磁気的、光学的、化学的、熱的または機械的あるいはこれらの組合せにより行うことができる。検出部２９は、個別液体体積２５を識別すると、検出信号を生成し、その検出信号を本体１２内部にあるスペーサ挿入部３１に送信する。スペーサ挿入部３１は、スペーサ２４が第２の流路１５に挿入される挿入速度Ｒ_Ｓを制御する。

特に、スペーサ２４によって分離された個別液体体積２５のそれぞれが、確実にそれぞれの標的領域２ａないし２ｃからの標的物質２ａないし２ｃのみを含むようにするために、挿入速度Ｒ_Ｓはマイクロ流体プローブ・ヘッド３が標的領域２ａないし２ｃのそれぞれの上方に位置決めされる位置決め速度Ｐと同期させることができる。例えば、挿入速度Ｒ_Ｓは、所定の時間間隔Ｔ内に第２の流路１５に挿入されるスペーサ２４の数として与えられ、位置決め速度Ｐは、同じ時間間隔Ｔ内にマイクロ流体プローブ・ヘッド３がそれぞれの標的物質２２ａないし２２ｃを取り出す標的領域２ａないし２ｃの数として与えられる。この例では、挿入速度Ｒ_Ｓと位置決め速度Ｐとの同期は、Ｒ_ＳとＰを等しく設定することによって達成される。

別の実施形態によると、（マイクロ流体ヘッドの現在の位置とは独立した）固定挿入速度Ｒ_Ｓ、例えば１０ｍｓを使用することができる。確実に個別液体体積当たり単一の標的物質のみが供給される（または場合によってはまったく供給されない）ようにするために、この固定挿入速度は標的物質が吸引される速度よりも低くすることが好ましい。したがって、標的物質の二次元の相対位置は、スペーサによって分離された一連の液体体積に容易に変換される。

それぞれの標的物質が個別液体体積２５の１つに封じられた標的物質２２ａないし２２ｃの配列は、第２の流路１５を介して流出口２７に給送され、流出口２７からさらに分析器８に給送される。分析器８は、特に、個別液体体積２５内の取り出された標的物質２２ａないし２２ｃを化学特性または生物学的特性あるいはその両方について分析するように構成される。

スペーサ２４によって分離された標的物質２２ａないし２２ｃを回収することにより、標的物質２２ａないし２２ｃ同士の相互汚染が防止される。

図４Ａないし４Ｈに、図２のマイクロ流体プローブ・ヘッド３の後続の動作ステップを示す。マイクロ流体プローブ・ヘッド３のペトリ皿１０と本体１２は図示されていない。

図４Ａにおいて、注入液体２０が第１の流路１４を介して第１の開口１６に給送され、第１の流量Ｑ_１で第１の開口１６を通って浸液１１中に排出される。同時に、第１の開口１４を通って排出された注入液体２０と浸液１１の一部との両方が、第２の流量Ｑ_２で第２の開口１７を通って第２の流路１５内に吸引されるように、第２の流路に負圧が加えられる。

標的領域２ａないし２ｃは、例えば互いに固定距離を置いたアレイ状に配列することができる。標的物質２２ａないし２２ｃのそれぞれが、浸液１１に浸漬されたそれぞれの標的領域２ａないし２ｃに付着される。

上述のような第１の流量Ｑ_１に対する第２の流量Ｑ_２の比により、第１の開口１６から第２の開口１７への注入液体の層流Ｃが周囲の浸液１１によって閉じ込め体積２１内に閉じ込められる。マイクロ流体プローブ・ヘッド３は、その標的物質２２ａが閉じ込め体積２１内に配置されるように標的領域２ａの上方に位置決めされる。

図４Ｂにおいて、標的物資２２ａが層流Ｃによって標的領域２ａから分離される。標的物質２２ａは、第２の開口１７に運ばれ、第２の流路１５内に吸引される。一方、マイクロ流体プローブ・ヘッド３は、次の標的領域２ｂに向かって移動される。

同時に、スペーサ流体２３がスペーサ流路１８からスペーサ合流部１９において第２の流路に挿入される。

図４Ｃにおいて、標的物質２２ａは第２の流路１５内に完全に吸引されており、第２の流路１５を上方に移動する。第２の流路１５内の標的物質２２ａの下流で、第２の流路１５内のスペーサ流体２３の挿入部分とスペーサ流路１８内のスペーサ流体２３の残りの部分との間に狭窄が現れる。

一方、マイクロ流体プローブ・ヘッド３は、その標的物質２２ｂが閉じ込め体積２１内に配置されるように標的領域２ｂの上方に位置決めされる。

図４Ｄにおいて、スペーサ流体２３の挿入部分がスペーサ流体２３の残りの部分から切り離され、液滴状の第１のスペーサ２４ａを形成する。第１のスペーサ２４ａは、第２の流路１５内の吸引された流体を第１のスペーサ２４ａの上流と下流の２つの部分に分割する。第１のスペーサ２４ａは、第２の流量Ｑ_２で第２の流路１５を移動する。

標的物質２２ｂは、層流Ｃによってその標的領域２ｂから分離されており、第２の開口１７に向かって運ばれる。マイクロ流体プローブ・ヘッド３は標的領域２ｃに向かって移動される。

図４Ｅにおいて、標的物質２２ａと先行する第１のスペーサ２４ａとが第２の流路１５を第２の流量Ｑ_２で移動する。スペーサ流体２３は第２の流路１５に継続して挿入される。標的物質２２ｂは第２の流路１５に流入し、第２の流路１５を流量Ｑ_２で上方に移動する。

図４Ｆにおいて、スペーサ流体２３は、この場合も、第２の流路１５内でスペーサ流体２３の挿入部分と残りの部分との間に狭窄が現れる程度まで、第２の流路１５に挿入される。スペーサ流体２３の挿入部分は、標的物質２２ａと２２ｂとの間に配置され、標的物質２２ａを含む第１の液体体積２５ａを封じる。

マイクロ流体プローブ・ヘッド３は、標的領域２ｃの上方に位置決めされ、その標的物質２２ｃが閉じ込め体積２１内に入れられる。

図４Ｇにおいて、スペーサ流体２３のうちの挿入部分が残りの部分から切り離され、それによって第２の流路１５内の標的物質２２ａと２２ｂとの間に第２のスペーサ２４ｂを形成する。標的物質２２ａ、２２ｂと第１の液体体積２５ａと第１および第２のスペーサ２４ａ、２４ｂとが、第２の流量Ｑ_２で第２の流路１５を移動する。

一方、標的物質２２ｃは、その標的領域２ｃから分離されて第２の開口１７に運ばれている。標的物質２２ｃは、第２の開口１７を通って第２の流路１５内に吸引される。さらに、マイクロ流体プローブ・ヘッド３は標的領域２ｄに向かって移動される。

図４Ｈにおいて、標的物質２２ｃは、第２の流量Ｑ_２で第２の流路１５を移動する。第３のスペーサが標的物質２２ｂ、２２ｃの間に形成されようとしている。第２の液体体積２５ｂが先行する第２のスペーサ２４ｂとスペーサ流体２３の挿入部分とによって封じられる。マイクロ流体プローブ・ヘッド３は標的領域２ｄの上部に位置決めされ、その標的物質２２ｄが閉じ込め体積２１内に入れられる。

上述の動作ステップを繰り返すことによって、個別液体体積がスペーサによって互いに分離されて各個別体積がそれぞれの標的領域からの標的物質を含んだ状態で、個別液体体積の配列を形成することができる。

図５に、腫瘍性領域３３を含む組織切片３２の概略図を示す。

腫瘍性領域３３を含む組織切片３２の表面に、標的領域３４_１ないし３４_２４のアレイが配置されている。マイクロ流体プローブ・ヘッド３は、標的領域３４_１ないし３４_２４のそれぞれからサンプルを取り出し、分析器８に給送する。例えば、分析器８は、各サンプルの健康な細胞に対する腫瘍性細胞の比Ｒ_Ｔを測定し、その比をそれぞれの標的領域３４_１ないし３４_２４に割り付けるように構成される。これにより、組織切片３２における腫瘍性細胞の空間マッピングおよび局在確認が容易になる。この例によると、腫瘍性領域３３にある標的領域３４_９ないし３４_１１、３４_１４ないし３４_１６からのサンプルが高いＲ_Ｔを示すのに対し、腫瘍性領域３３の外部からのサンプルのＲ_Ｔは低くなる。このようにして、空間分布から見た癌の不均一性を調べることができ、または腫瘍の進行の前線を調べることができ、あるいはその両方が行うことができる。

マイクロ流体プローブ・ヘッド３を使用した空間マッピングおよび局在確認は、癌／腫瘍研究には限定されず、マイクロ流体プローブ・ヘッド３によって取り出される生化学的種を選択し、取り出された種の分析方法を変えることによって、他のどのような分析にも適用可能である。例として、マイクロ流体プローブ・ヘッド３を使用して、マイクロアレイ、すなわち、規則的に配置されたサンプル、検体またはその他の（生）化学物質あるいはこれらの組合せの系における、ＤＮＡおよび単一細胞の精密な局在確認を行うことができる。

図６に、図１のマイクロ流体プローブ・ヘッド３の第２の実施形態の断面部分図を示す。

マイクロ流体プローブ・ヘッド３は、図２のマイクロ流体プローブ・ヘッド３と同様の構造を有する。さらに、マイクロ流体プローブ・ヘッド３は、第１と第２の流路１４、１５を互いに流体接続する流体バイパス３５と、スペーサ２４を流体バイパス３５に方向変更するように構成されたブロッキング要素３６とを含む。

さらに、図２のマイクロ流体プローブ・ヘッド３と比較すると、第１および第２の流量Ｑ_１、Ｑ_２は変更可能である。マイクロ流体プローブ・ヘッド３は、図２のマイクロ流体プローブ・ヘッド３を使用して説明した標的物質を回収する通常動作モードに加えて、（本明細書では「標的物質」とも呼ぶ、付着させる物質を含む）個別液体体積２５の配列を付着させるための反転動作モードを有する。この第２の動作モードでは、第１の動作モードの流れの方向、すなわち、流入口２６から第１の流路１４の第１の開口１６に向かい、第２の開口から第２の流路１５の流出口２７に向かう方向を、第１の流路１４内の液体が流入口２６に向かって流れ、第２の流路１５内の液体が第２の開口１７に向かって流れるように反転させることができる。

スペーサ２４によって分離された個別液体体積２５の配列が、反転の第２の流量Ｑ’_２で第２の開口１７に給送される。第１の開口１６で、液体体積と浸液１１の一部とが反転の第１の流量Ｑ’_１で第１の流路１４内に吸引される。反転の第１の流量Ｑ’_１は反転の第２の流量Ｑ’_２より大きく、反転の第２の流量Ｑ’２に対する反転の第１の流量Ｑ’_１の比は、例えば、１．２ないし１０、好ましくは１．５ないし６、より好ましくは２ないし４とすることができる。例えば、反転の第１の流量Ｑ’_１は、０．２ｆＬ／２ないし４．０ｍＬ／ｓ、好ましくは２．０ｐＬ／ｓないし４００ｎＬ／ｓ、より好ましくは２．０ないし２００ｎＬ／ｓとすることができる。例えば、反転の第２の流量Ｑ’_２は、１．０ｆＬ／ｓないし１．０ｍＬ／ｓ、好ましくは１．０ｐＬ／ｓないし１００ｎＬ／ｓ、より好ましくは１．０ないし５０ｎＬ／ｓとすることができる。このような条件下で、第２の開口１７から第１の開口１６への反転層流Ｃ’が形成され、浸液１１によって反転閉じ込め体積２１’内に閉じ込められる。この場合も、このような層流の実現によって流体力学的流動閉じ込めが可能になる。

反転閉じ込め体積２１’が付着領域３７と表面接触するようにマイクロ流体プローブ・ヘッド３を付着領域３７の上方に位置決めすることにより、反転層流Ｃ’とともに閉じ込め体積２１’を通過する液体体積２５の一部が付着領域３７に付着することができる。マイクロ流体プローブ・ヘッド３を位置決めするステップと、個別液体体積２５の配列を反転閉じ込め体積２１’を介して供給するステップとを繰り返すことによって、個別液体体積２５をそれぞれの付着領域に付着させることができる。

ブロッキング要素３６は、液体体積２５の配列の個別液体体積２５を互いに分離するスペーサ２４を、流体バイパス３５内に方向変更し、それによってスペーサ２４が第２の開口１７に到達して浸液１１内に排出されるのを防ぐ。

スペーサ２４、特に油相を含むスペーサが付着領域３７と接触した場合、付着領域３７の表面特性が変えられる可能性があり、付着領域３７が汚染される可能性があり、流体力学的流動閉じ込めの安定性が破壊され、それによって必要な付着領域３７における液体体積の付着が妨げられる可能性がある。特に、付着領域３７上のタンパク質などの生化学物質、細胞、生物組織が、スペーサ２４と接触することによって変性または損傷あるいはその両方を受ける可能性がある。一方、脂質、治療用分子、ホルモン、無極性色素またはトレーサなどの親油性検体は、スペーサ２４によって運び去られる可能性がある。また、第１の開口１６を介してスペーサ２４が排出される場合、スペーサ２４が下の物体に剪断応力を加える可能性があり、それによってそれらの物体に損傷またはずれ、あるいはその両方を起こす可能性がある。

より一般的に、本発明について特定の実施形態を参照しながら説明したが、当業者は、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更を加えることが可能であり、均等物で代用可能であることがわかるであろう。さらに、本発明の範囲を逸脱することなく、本発明の教示に特定の状況を適応させるために多くの変更を加えることができる。したがって、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されることを意図しておらず、本発明は添付の特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むことを意図している。

１ マイクロ流体プローブ
２ａ−２ｇ 標的領域
３ マイクロ流体プローブ・ヘッド
４ ロボット・アーム
５ アレイ
６ 注入液体供給部
７ スペーサ供給部
８ 分析器
９ 底面
１０ ペトリ皿
１１ 浸液
１２ 本体
１３ 端面
１４ 第１の流路
１５ 第２の流路
１６ 第１の開口
１７ 第２の開口
１８ スペーサ流路
１９ スペーサ合流部
２０ 注入液体
２１、２１’ 閉じ込め体積
２２ａ−２２ｄ 標的物質
２３ スペーサ流体
２４、２４ａ−２４ｃ スペーサ
２５、２５ａ−２５ｃ 液体体積
２６ 流入口
２７ 流出口
２８ スペーサ流入口
２９ 検出部
３０ 識別体積
３１ スペーサ挿入部
３２ 組織切片
３３ 腫瘍性領域
３４_１−３４_２４ 標的領域
３５ 流体バイパス
３６ ブロッキング要素
３７ 付着領域
Ｃ、Ｃ’ 層流
Ｄ_１、Ｄ_２ 距離
Ｐ 位置決め速度
Ｑ_１、Ｑ_２ 流量
Ｑ’_１、Ｑ’_２ 流量
Ｒ_Ｓ スペーサ挿入速度

Claims (15)

1. スペーサによって分離された個別液体体積の配列を供給するためのマイクロ流体プローブ・ヘッドであって、前記マイクロ流体プローブ・ヘッドはそれぞれの標的物質を含むそれぞれの標的領域の上方に位置決めされるものであり、前記マイクロ流体プローブ・ヘッドは、
   流入口および流出口と、
   前記流入口に流体接続され、注入液体を前記流入口からそれぞれの標的領域に給送するように構成された第１の流路であって、動作時に、それぞれの前記標的領域は浸液で覆われそれぞれの標的物質を含んでいる、前記第１の流路と、
   前記流出口に流体接続され、前記注入液体の少なくとも一部と前記浸液の少なくとも一部とそれぞれの標的物質とを各液体体積が含む液体体積を、それぞれの前記標的領域から前記流出口に給送するように構成された第２の流路と、
   前記第２の流路にスベーサ合流部において流体接続されたスペーサ流路に流体接続され、スペーサによって分離された個別液体体積の前記配列を供給するために前記第２の流路において前記液体体積の間にスペーサの挿入を行うように構成されたスペーサ挿入部とを含む、マイクロ流体プローブ・ヘッド。
2. 前記浸液中に浸漬されるように構成された端面を有する本体と、
   前記端面に形成され、前記第１の流路に流体接続された第１の開口と、
   前記端面に形成され、前記第２の流路に流体接続された第２の開口とをさらに含み、
   前記マイクロ流体プローブ・ヘッドは、
   前記注入液体を第１の流量で前記第１の開口と前記第１の流路とを通して給送し、
   前記液体体積を第２の流量で前記第２の開口と前記第２の流路とを通して吸引するように構成され、
   前記液体体積を前記浸液内に閉じ込めるように前記第２の流量は前記第１の流量より大きく、前記第１の流量に対する前記第２の流量の比は前記第１の開口から前記第２の開口への層流が得られるような値とされる、請求項１に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
3. 前記マイクロ流体プローブ・ヘッドは、第１の動作モードと第２の動作モードとを有し、
   前記マイクロ流体プローブ・ヘッドは、前記第１の動作モードではそれぞれの標的領域からそれぞれの標的物質を回収するように構成され、
   前記マイクロ流体プローブ・ヘッドは、前記マイクロ流体プローブ・ヘッドを通る流れの方向が反転される前記第２の動作モードでは、それぞれの標的領域にそれぞれの標的物質を付着させるように構成された、請求項１または２に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
4. 前記第１の流路と前記第２の流路とを互いに流体接続する流体バイパスをさらに含み、
   前記第２の流路は、各個別液体体積がそれぞれの前記標的物質を含むスペーサによって分離された個別液体体積の配列を、それぞれの前記標的領域に向けて給送するようにさらに構成され、
   前記流体バイパスは、前記第１の流路において前記スペーサの除去を行うことによってスペーサのない個別液体体積の自由配列を得るようにするものであり、
   前記第１の流路は、除去された前記スペーサを前記流出口に給送するように構成された、請求項１ないし３のいずれかに記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
5. 前記第２の流路内部に検出体積を有し、それぞれの標的物質を検出するように構成された検出部をさらに含む、請求項１ないし４のいずれかに記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
6. 前記スペーサ挿入部は、前記検出部によって生成された検出信号に応じて挿入するように構成された、請求項５に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
7. 前記スペーサ挿入部は、前記スペーサを固定挿入速度で挿入するように構成された、請求項１ないし６のいずれかに記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
8. それぞれの前記標的物質は生化学物質である、請求項１ないし７のいずれかに記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
9. それぞれの前記標的物質は、生体の少なくとも細胞を含む、請求項１ないし８のいずれかに記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
10. それぞれの前記標的物質はデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）を含む、請求項１ないし９のいずれかに記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
11. 前記スペーサは、前記注入液体、前記浸液、およびそれぞれの前記標的物質とは混合しない、請求項１ないし１０のいずれかに記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
12. 請求項１ないし１１のいずれかに記載のマイクロ流体プローブ・ヘッドと、
    前記マイクロ流体プローブ・ヘッドをそれぞれの標的領域の上方に位置決めするように構成された位置決め装置とを含む、マイクロ流体プローブ。
13. 前記スペーサ挿入部は、前記スペーサを前記第２の流路にある挿入速度で挿入するように構成され、
    前記挿入速度は、前記位置決め装置による前記マイクロ流体プローブ・ヘッドの前記位置決めと同期される、
    請求項１２に記載のマイクロ流体プローブ。
14. 請求項１に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッドを使用してスペーサによって分離された個別液体体積の配列を供給する方法であって、前記マイクロ流体プローブ・ヘッドはそれぞれの標的物質を含むそれぞれの標的領域の上方に位置決めされるものであり、前記方法は、
    浸液に覆われ、それぞれの標的物質を含んでいるそれぞれの標的領域に、注入液体を流入口から第１の流路を介して給送することと、
    前記注入液体の少なくとも一部と前記浸液の少なくとも一部とそれぞれの標的物質とを各液体体積が含む液体体積を、第２の流路を介してそれぞれの前記標的領域から流出口に給送することと、
    前記液体体積の間にスペーサを挿入することによりスペーサによって分離された個別液体体積の前記配列を供給することとを含む方法。
15. 第１のモードで、
    前記注入液体を前記流入口からそれぞれの前記標的領域に給送し、前記液体体積をそれぞれの前記標的領域から前記流出口に給送し、前記スペーサを前記液体体積の間に挿入することによりスペーサによって分離された個別液体体積の前記配列を供給することと、
    第２のモードで、
    スペーサによって分離された個別液体体積の配列を前記第２の流路を介して前記流出口からそれぞれの前記標的領域に向けて給送することと、
    前記液体体積を互いに分離する前記スペーサを、前記第１の流路と前記第２の流路とを接続する流体バイパスを介して前記第２の流路から除去することによってスペーサのない個別液体体積の自由配列を得ることと、
    個別液体体積の前記自由配列をそれぞれの前記標的領域に給送することと、
    除去された前記スペーサを前記流体バイパスから前記第１の流路を介して前記流入口に給送することとをさらに含む、請求項１４に記載の方法。