JP6958650B2 - 液滴分取装置、液滴分取方法及びプログラム - Google Patents

液滴分取装置、液滴分取方法及びプログラム Download PDF

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Description

本技術は、液滴分取装置、液滴分取方法及びプログラムに関する。より詳しくは、特定の粒子等を含む液滴を分別して、回収する技術に関する。
従来、細胞、微生物及びリポソーム等の生体関連微小粒子の分析には、フローサイトメトリー（フローサイトメータ）を用いた光学的測定方法が利用されている。フローサイトメータは、フローセルやマイクロチップ等に形成された流路内を通流する粒子に光を照射し、個々の粒子から発せられた蛍光や散乱光を検出して、分析する装置である。
フローサイトメータには、分析結果に基づいて、特定の特性を有する粒子のみを分別して回収する機能を備えたものもあり、特に細胞を分取対象とした装置は「セルソータ」と呼ばれている。セルソータでは、一般に、振動素子等によりフローセルやマイクロチップに振動を与えることにより、その流路から排出される流体を液滴化している（特許文献１，２参照）。流体から分離された液滴は、プラス（＋）又はマイナス（−）の電荷が付与された後、偏向板等によりその進行方向が変更され、所定の容器等に回収される。
一方、セルソータ等の液滴を分取する装置は、温度変化、液圧変動及びシース圧の変更に伴う差圧の影響等により、ソーティング性能が不安定になりやすい。そこで、従来、ソーティング性能を安定化するため、フローセルやマイクロチップのオリフィスから吐出される流体や液滴を撮像し、その画像から液滴を検出して、電圧供給部の駆動電圧を制御する微小粒子分取装置が提案されている（特許文献３参照）。
特表２００７−５３２８７４号公報 特開２０１０−１９０６８０号公報 国際公開第２０１３／１４５９０５号
前述した特許文献３に記載の技術により、液滴分取装置のソーティング性能を向上させることができるが、更に、環境変動の影響を受けにくく、ロバスト性に優れた液滴形成技術が求められている。
そこで、本開示は、安定して液滴を形成することが可能な液滴分取装置、液滴分取方法及びプログラムを提供することを主目的とする。
本開示に係る液滴分取装置は、粒子を含むサンプル液とシース液とからなる流体を吐出するオリフィスと、前記シース液に振動を与える振動素子と、前記オリフィスから吐出される流体の流れの画像情報に基づき、液滴及び前記液滴間に存在するサテライト液滴の位置情報を検出する検出部と、前記検出部にて検出された前記液滴及び前記サテライト液滴の位置情報に基づき、前記振動素子に供給される駆動電圧の周波数を制御する制御部と、を有する。
前記制御部は、駆動電圧の振幅が異なる２以上の条件を用いて、前記振動素子に供給される駆動電圧の周波数を制御してよい。この場合、前記制御部は、前記駆動電圧の振幅が大きくなるに従い、前記オリフィスから排出される流体が液滴化される位置が前記オリフィスに近づくように前記駆動電圧の周波数を制御してよい。
また、本開示に係る液滴分取装置は、前記液滴及び前記液滴間に存在するサテライト液滴の画像を取得する撮像素子を有し、前記検出部は、前記撮像素子が取得した画像に基づいて、前記液滴と前記液滴間に存在するサテライト液滴とを判別してよい。この場合、前記撮像素子は、駆動電圧の周波数が異なる２以上の条件を用いて、前記オリフィスから排出される流体が液滴化される位置における画像を取得し、前記検出部は、前記流体が液滴化される位置が前記オリフィスに近い周波数から順に、前記サテライト液滴の状態を検出してよい。この場合、前記制御部は、前記流体が液滴化される位置が前記オリフィスに近づくように、前記駆動電圧の周波数を制御してよい。また、この場合、前記撮像素子の位置を調整する位置調整機構を有していてよい。更に、この場合、前記検出部は、前記画像に基づいて、前記液滴の左右性を数値化し、前記制御部は、前記液滴の左右性の数値が予め定められた範囲内になるように、前記駆動電圧の周波数を制御してよい。
本開示に係る液滴分取方法は、粒子を含むサンプル液とシース液とからなる流体を吐出するオリフィスから吐出される流体の流れの画像情報に基づき、液滴及び前記液滴間に存在するサテライト液滴の位置情報を検出する検出工程と、前記検出工程にて検出された前記液滴及び前記サテライト液滴の位置情報に基づき、前記シース液に振動を与える振動素子に供給される駆動電圧の周波数を制御する制御工程と、を有する。
本開示に係るプログラムは、粒子を含むサンプル液とシース液とからなる流体を吐出するオリフィスから吐出される流体の流れの画像情報に基づき、液滴及び前記液滴間に存在するサテライト液滴の位置情報を検出し、検出された前記液滴及び前記サテライト液滴の位置情報に基づき、前記シース液に振動を与える振動素子に供給される駆動電圧の周波数を制御する機能を液滴分取装置に実行させるものである。
本開示によれば、安定して液滴を形成することができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本開示の第１の実施形態の液滴分取装置の概略構成図である。 Ａ及びＢはオリフィスから吐出された流体及び液滴の状態を示す図である。 Ａ及びＢはオリフィスから吐出された流体及び液滴の状態を示す図であり、ＢはＡよりも下方の状態を示す。 Ａ〜Ｃはオリフィスから吐出された流体及び液滴の状態を示す図であり、Ｂ及びＣはＡよりも下方の状態を示す。 本開示の第２の実施形態の液滴分取装置の概略構成図である。 Ａはドライブ値を上昇させる前の液滴の状態を示す図であり、Ｂ及びＣはドライブ値を上昇させた後の液滴の状態を示す図である。 クロック値の制御手順の一例を示すフローチャートである。 クロック値の制御手順の別の一例を示すフローチャートである。
以下、本開示を実施するための形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。
なお、本開示は、以下に示す各実施形態に限定されるものではない。また、説明は、以下の順序で行う。

１．第１の実施の形態
（サテライトの存在位置に基づいてクロック値を制御する液滴分取装置の例）
２．第２の実施の形態
（ブレイクオフが高くなるようにクロック値を制御する液滴分取装置の例）
３．変形例
（液滴が左右対称になるようにクロック値を制御する液滴分取装置の例）
＜１．第１の実施の形態＞
先ず、本開示の第１の実施形態に係る液滴分取装置について説明する。図１は本開示の第１の実施形態の液滴分取装置の概略構成を示す図である。
［装置の全体構成］
本実施形態の液滴分取装置１は、光学的手法等により分析した結果に基づいて特定の粒子を含む液滴を分別して回収するものであり、図１に示すように、マイクロチップ２、振動素子３、荷電部４、偏向板５ａ，５ｂ、回収容器６ａ〜６ｃ等を備えている。液滴分取装置１には、更に、サテライト液滴の状態を検出する液滴検出部７と、振動素子３に供給される駆動電圧の周波数を制御する制御部８が設けられている。
［粒子について］
本実施形態の液滴分取装置１により分析され、分取される粒子には、細胞、微生物及びリボゾーム等の生体関連微小粒子、又はラテックス粒子、ゲル粒子及び工業用粒子等の合成粒子等が広く含まれる。
生体関連微小粒子には、各種細胞を構成する染色体、リボゾーム、ミトコンドリア、オルガネラ（細胞小器官）等が含まれる。また、細胞には、植物細胞、動物細胞及び血球系細胞等が含まれる。更に、微生物には、大腸菌等の細菌類、タバコモザイクウイルス等のウイルス類、イースト菌等の菌類等が含まれる。この生体関連微小粒子には、核酸や蛋白質、これらの複合体等の生体関連高分子も包含され得るものとする。
一方、工業用粒子としては、例えば有機高分子材料、無機材料又は金属材料等で形成されたものが挙げられる。有機高分子材料としては、ポリスチレン、スチレン・ジビニルベンゼン、ポリメチルメタクリレート等を使用することができる。また、無機材料としては、ガラス、シリカ及び磁性材料等を使用することができる。金属材料としては、例えば金コロイド及びアルミニウム等を使用することができる。なお、これら微小粒子の形状は、一般には球形であるが、非球形であってもよく、また大きさや質量等も特に限定されない。
［マイクロチップ２］
マイクロチップ２には、分取対象とする粒子を含む液体（サンプル液）が導入されるサンプルインレット２２、シース液が導入されるシースインレット２３、詰まりや気泡を解消するための吸引アウトレット２４等が形成されている。このマイクロチップ２では、サンプル液は、サンプルインレット２２に導入され、シースインレット２３に導入されたシース液と合流して、サンプル流路に送液され、サンプル流路の終端に設けられたオリフィス２１から吐出される。
また、サンプル流路には、吸引アウトレット２４に連通する吸引流路が接続されている。この吸引流路は、サンプル流路に詰まりや気泡が生じた際に、サンプル流路内を負圧にして流れを一時的に逆流させて詰まりや気泡を解消するためのものであり、吸引アウトレット２４には真空ポンプ等の負圧源が接続される。
マイクロチップ２は、ガラスや各種プラスチック（ＰＰ，ＰＣ，ＣＯＰ、ＰＤＭＳ等）により形成することができる。マイクロチップ１の材質は、例えば光学的手法等により分析する場合は、測定光に対して透過性を有し、自家蛍光が少なく、波長分散が小さいために光学誤差が少ない材質とすることが望ましい。
マイクロチップ２の成形は、ガラス製基板のウェットエッチングやドライエッチングによって、またプラスチック製基板のナノインプリントや射出成型、機械加工によって行うことができる。マイクロチップ２は、例えばサンプル流路等を成形した基板を、同じ材質又は異なる材質の基板で封止することで形成することができる。
［振動素子３］
振動素子３は、マイクロチップ２の一部に当接配置又はマイクロチップ２の内部構成として設けられている。振動素子３は、マイクロチップ２を所定周波数で振動させることによりシース液に微小な振動を与え、オリフィス２１から吐出される流体（サンプル液及びシース液）を液滴化して、流体ストリーム（液滴の流れ）Ｓを発生させるものである。この振動素子３としては、ピエゾ素子等を用いることができる。
［電圧供給部３１］
電圧供給部３１は、振動素子３に駆動電圧を供給するものである。振動素子３の駆動電圧は、安定した液滴を形成するために、正弦波に従って供給され、周波数（クロック値）と振幅（ドライブ値）の２つのパラメータにより制御される。
［荷電部］
荷電部は、オリフィス２１から吐出される液滴に、正又は負の電荷を付与するものであり、荷電用電極４及びこの荷電用電極４に所定の電圧を印加する電圧源などで構成されている。荷電用電極４は、流路中を通流するシース液及び／又はサンプル液に接触配置されて、シース液及び／又はサンプル液に電荷を付与するものであり、例えばマイクロチップ２の荷電電極インレットに挿入される。
なお、図１では、荷電用電極４をサンプル液に接触するように配置しているが、本開示はこれに限定されるものではなく、シース液に接触するように配置してもよく、サンプル液及びシース液の両方に接触するように配置してもよい。ただし、分取対象の細胞への影響を考慮すると、荷電用電極４は、シース液に接触するように配置することが望ましい。
このように、所望の液滴に正又は負の電荷を荷電して帯電させることにより、任意の粒子を含む液滴を、電気的な力により分離することが可能となる。また、荷電部による荷電のタイミングと、振動素子３への供給電圧とを同期させることにより、任意の液滴のみを帯電させることが可能となる。
［偏向板５ａ，５ｂ］
偏向板５ａ，５ｂは、液滴に付与された電荷との間に作用する電気的な力によって、流体ストリームＳ中の各液滴の進行方向を変更し、所定の回収容器に誘導するものであり、流体ストリームＳを挟んで対向配置されている。この偏向板５ａ，５ｂには、例えば通常使用される電極を使用することができる。
偏向板５ａ，５ｂには、それぞれ正又は負の異なる電圧が印加され、これにより形成される電界内を荷電された液滴が通過すると、電気的な力（クーロン力）が発生し、各液滴はいずれかの偏向板５ａ，５ｂの方向に引き寄せられる。液滴分取装置１では、液滴への荷電の正負や電荷量を変化させることにより、電界により引き寄せられる液滴の流れ（サイドストリーム）の方向を制御することができるため、相互に異なる複数の粒子を同時に分取することが可能となる。
［回収容器６ａ〜６ｃ］
回収容器６ａ〜６ｃは、偏向板５ａ，５ｂの間を通過した液滴を回収するものであり、実験用として汎用のプラスチック製チューブやガラスチューブ等を使用することができる。これらの回収容器６ａ〜６ｃは、装置内に交換可能に配置されるものであることが好ましい。また、回収容器６ａ〜６ｃのうち分取対象外の粒子を受け入れるものには、回収した液滴の排液路を連結してもよい。
なお、液滴分取装置１に配置される回収容器の数は特に限定されるものではない。例えば、回収容器を３個よりも多く配置する場合には、各液滴が、偏向板５ａ，５ｂとの間の電気的な作用力の有無及びその大小によっていずれか１つの回収容器に誘導され、回収されるようにすればよい。
［液滴検出部７］
液滴検出部７は、マイクロチップ２のオリフィス２１から吐出される液滴と、液滴間に存在するサテライト液滴の状態を検出するものである。この液滴検出部７は、液滴やサテライト液滴を撮像する撮像素子７１、撮像素子７１の位置を変更する位置調整機構７２、及び撮像された画像からサテライト液滴の位置情報を得る画像データ処理部７３等で構成することができる。撮像素子７は、ＣＣＤやＣＭＯＳカメラ等の撮像装置の他に、光電変換素子等の各種撮像素子を使用することができる。なお、本実施形態の液滴分取装置１には、撮像素子７と併せて、撮影領域を照明する光源（図示せず）が設けられていてもよい。
画像データ処理部７３は、例えば汎用のプロセッサ、主記憶装置及び補助記憶装置等からなる情報処理装置で構成することもできる。その場合、画像データ処理部７２に、撮像素子７１により撮像された液滴及びサテライト液滴の状態を示す画像データを入力し、プログラムされた制御アルゴリズムを実行することにより、サテライト液滴の位置情報を得ることができる。このようなコンピュータプログラムは、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリ等の記録媒体に格納されていてもよく、また、ネットワークを介して配信することもできる。
［制御部８］
制御部８は、液滴検出部７で検出されたサテライト液滴の位置情報に基づいて、電圧供給部３１を制御し、振動素子３に供給される駆動電圧の周波数（クロック値）を制御するものである。この制御部８も、例えば汎用のプロセッサ、主記憶装置及び補助記憶装置等からなる情報処理装置で構成することができる。
その場合、制御部８に、液滴検出部７の画像データ処理部７２で得たサテライト液滴の位置情報を入力し、プログラムされた制御アルゴリズムを実行することにより、電圧供給部３１から振動素子３に供給される駆動電圧の周波数（クロック値）を自動制御することができる。このようなコンピュータプログラムは、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリ等の記録媒体に格納されていてもよく、また、ネットワークを介して配信することもできる。
［光検出部］
本実施形態の液滴分取装置１が光学的手法により粒子を分析するものである場合は、例えばサンプル流路の所定部位に光（測定光）を照射し、サンプル流路を通流する微小粒子から発生する光（測定対象光）を検出する光検出部（図示せず）が設けられる。この場合の光検出部は、従来のフローサイトメトリーと同様に構成することができる。具体的には、レーザー光源と、粒子に対してレーザー光を集光・照射する集光レンズやダイクロイックミラー、バンドパスフィルター等からなる照射系と、レーザー光の照射によって微小粒子から発生する測定対象光を検出する検出系とによって構成される。
検出系は、例えばＰＭＴ（Photo Multiplier Tube）や、ＣＣＤやＣＭＯＳ素子等のエリア撮像素子によって構成される。なお、照射系と検出系は同一の光学経路により構成されていても、別個の光学経路により構成されていてもよい。また、光検出部の検出系により検出される測定対象光は、測定光の照射によって粒子から発生する光であって、例えば、前方散乱光や側方散乱光、レイリー散乱やミー散乱等の散乱光や蛍光等とすることができる。これらの測定対象光は電気信号に変換され、粒子の光学特性はこの電気信号に基づいて検出される。
［動作］
次に、本実施形態の液滴分取装置１の動作、即ち、液滴分取装置１を用いて、液滴分取する方法について説明する。本実施形態の液滴分取方法では、オリフィス２１から吐出される液滴Ｄ及び液滴Ｄ間に存在するサテライト液滴ＳＤの状態を検出する工程と、サテライト液滴ＳＤが存在する位置に基づいて、振動素子３に供給される駆動電圧の周波数を制御する工程とを行う。
具体的には、先ず、サンプルインレット２２に分取対象の粒子を含むサンプル液を、シースインレット２３にシース液を、それぞれ導入する。そして、例えば光検出部により、粒子の光学特性の検出と同時に、粒子の送流速度（流速）及び微小粒子の間隔等の検出を行う。検出された粒子の光学特性、流速及び間隔等は、電気的信号に変換されて装置の全体制御部（図示せず）に出力される。
サンプル流路の光照射部を通過したサンプル液及びシース液の層流は、オリフィス２１からマイクロチップ２の外の空間に排出される。その際、例えば振動素子３によりオリフィス２１を振動させ、排出される流体を液滴化する。そして、サンプル流路において荷電されている各液滴は、光検出部における検出結果に基づいて、偏向板５ａ，５ｂによりその進行方向が変更され、所定の回収容器６ａ〜６ｃに誘導され、回収される。
この一連の工程において、本実施形態の液滴分取装置１は、液滴検出部７により、オリフィス２１から吐出される液滴及び液滴間に存在するサテライト液滴の状態を検出し、サテライト液滴の位置情報を得る。そして、このサテライト液滴の位置情報に基づいて、制御部８が電圧供給部３１を制御し、振動素子３に供給される駆動電圧の周波数（クロック値）を制御する。
（クロック値の制御）
本実施形態の液滴分取装置１では、分取（ソーティング）に適した液滴を形成するため、液滴形成に最適な振動周波数を自動調整する。一般に、液滴形成において、下記のことが知られている。
（１）ブレイク・オフ・ポイントが、オリフィス２１により近いほど、ソーティングに有利である。
（２）ソーティングには、サテライト液滴が、前の液滴に吸収されている状態（Ｆａｓｔ）又は後ろの液滴に吸収されている状態（Ｓｌｏｗ）が、適している。
（３）サテライト液滴が、前後の液滴に吸収されていない場合、サイドストリームが不安定になることがある。
（４）振動伝達特性がよく、ドライブの変化に応じてブレイク・オフ・ポイントが変化する状態が、ソーティング中の温度変化等の環境変化に対応できる。
（５）ソーティングには、液滴が左右対称である状態が適している。
（６）フローセル方式（固定式）のセルソータにおいては、上記（１）〜（５）を満たす周波数は、装置設置時に事前に調整され、ユーザーが使用する際に周波数を再度調整する必要はない。しかし、チップ交換式のセルソータにおいては、チップ毎に上記（１）〜（５）を満たす周波数が若干異なるため、チップを交換するたびに周波数を調整してチップ毎に最適周波数を決定することが望ましい。
そこで、本実施形態の液滴分取装置１は、画像処理等の方法により、上記（１）〜（５）を満たす液滴形成周波数、即ち、振動素子３の駆動電圧の周波数（クロック値）を決定する。具体的には、本実施形態の液滴分取装置１は、制御部８による振動素子３の駆動電圧の周波数（クロック値）の制御方法としては、例えばオリフィス２１から排出される流体が液滴化される位置（ブレイク・オフ・ポイント）から任意の範囲内でサテライト液滴が液滴に吸収されるように制御する方法がある。図２〜４は、オリフィスから吐出された流体及び液滴の状態を示す図である。
例えば、図２Ｂに示す状態では、検出されたすべての範囲で、液滴Ｄ間にサテライト液滴ＳＤが存在している。そこで、制御部８によって駆動電圧の周波数（クロック値）を制御し、図２Ａに示すように、ブレイク・オフ・ポイントＢＰから任意の範囲（距離ｌ）内でサテライト液滴ＳＤが液滴Ｄに吸収され、この範囲外では液滴Ｄ間にサテライト液滴ＳＤが存在しないようする。これにより、液滴形成を安定化させることができる。
具体的には、先ず、検出部７の撮像素子７１により、液滴画像を取得する。その際、図３Ａ，Ｂに示すように、ブレイク・オフ・ポイントＢＰが予め設定されたマーカー位置（図３に示す太線）に合うように、位置調整機構７２により撮像素子７１を移動させ、その際の撮像素子７１の位置をセンサから取得する。その後、図４Ａ〜Ｃに示すように、位置調整機構７２により撮像素子７１を一定量下降させて下方の液滴状態を、液滴画像として取得できるようにし、画像データ処理部７３において、サテライト液滴ＳＤが、液滴Ｄに吸収されているかどうかの判定を行う。
ここで、対象物が液滴Ｄかサテライト液滴ＳＤかを判定する方法としては、いくつか考えられ、特に限定されるものではないが、例えば対象物の二値化後の面積値を用いた方法や、対象物の幅も用いる方法を適用することができる。面積値を用いた方法は、例えば面積値がＸ以上の場合は液滴Ｄ、それ未満の場合はサテライト液滴ＳＤと判定する。幅を用いた方法は、例えば複数の対象物のうち、幅の最大値を取得し、幅がその半分以上である場合は液滴Ｄ、それ未満である場合はサテライト液滴ＳＤと判定する。なお、これら２つの判定方法を組み合わせて判定することも可能である。
一方、サテライト液滴ＳＤが液滴Ｄに吸収されているか否かは、液滴Ｄの下方にサテライト液滴ＳＤが存在するかどうかで、判定することが可能である。例えば、２対象物が連続して液滴Ｄと判定された場合は、サテライト液滴ＳＤが吸収されていると判定できる。なお、誤判定を避けるため、サテライト吸収判定は、３対象物連続で液滴と判定された場合とすることもできる。
サテライト液滴ＳＤが吸収されたと判定された場合は、最後に検出されたサテライト液滴ＳＤの位置に応じて、サテライト液滴ＳＤが前の液滴Ｄに吸収されている状態（Ｆａｓｔ）か、後ろの液滴Ｄに吸収されている状態（Ｓｌｏｗ）かを特定することもできる。これを利用し、例えば、サテライト液滴ＳＤが吸収されたと判定する場合を、Ｆａｓｔ又はＳｌｏｗのどちらかの状態のみに限定することも可能である。これにより、常に一定の液滴条件でソーティングを実施することができる。
前述した操作を、駆動電圧の周波数（クロック値）を変更しながら繰り返して実施して、サテライト液滴ＳＤが液滴Ｄに吸収されている周波数を選定し、その中から最適周波数を決定する。その際、駆動電圧の周波数（クロック値）の変更は、特に限定されるものではないが、オリフィス２１の径が１００μｍの場合であれば、例えば０．１ｋＨｚ刻みに２５ｋＨｚ±２ｋＨｚの範囲で実施することができる。
また、最適周波数（クロック値）の決定には、ブレイク・オフ・ポイントＢＰの位置を考慮に入れてもよい。具体的には、図３に示すブレイク・オフ・ポイントＢＰの位置を、予め設定されたマーカー位置に合わせる処理を、周波数（クロック値）を変更しながら繰り返し行う。その際、駆動電圧の周波数（クロック値）の変更も、特に限定されるものではないが、例えばオリフィス２１の径が１００μｍの場合であれば、例えば０．１ｋＨｚ刻みに２５ｋＨｚ±２ｋＨｚの範囲で実施することができる。
その方法は、特に限定されるものではなく、例えば撮像素子７１を一定距離移動させて、画像処理によりブレイク・オフ・ポイントＢＰの位置を確認するという処理を逐次行うことで、ブレイク・オフ・ポイントＢＰの位置合わせを行う方法がある。一方、予め液滴画像のピクセル数と、撮像素子７１のセンサ量との相関値を取得しておき、ブレイク・オフ・ポイントＢＰとマーカー位置とのピクセル距離から目標センサ値を算出し、そのセンサ値になるように撮像素子７１を移動させる方法もある。この方法は、位置合わせのための画像処理が不要となるため、効率的に位置合わせを行うことができる。
そして、ブレイク・オフ・ポイントＢＰが高い順に周波数を順位付けし、ブレイク・オフ・ポイントＢＰが高い周波数から逐次サテライト液滴ＳＤが吸収されているかどうかの判定を行い、最初に吸収されていると判定された周波数（クロック値）を最適周波数として決定する。これにより、より効率的な周波数（クロック値）の調整が可能となる。
このように、ブレイク・オフ・ポイントＢＰによる周波数決定と、前述したサテライト液滴ＳＤの吸収の有無による周波数決定とを組み合わせて、最適周波数を決定することにより、より効率的に周波数（クロック値）制御を行うことができる。
以上詳述したように、本実施形態の液滴分取装置１は、環境変動があっても、安定して液滴を形成することができる。これにより、チップ交換式のセルソータにおいて、チップ毎に最適な液滴形成周波数を決定でき、安定性及びロバスト性が高い液滴形状制御を実現することができる。
また、本実施形態の液滴分取装置は、安定したサイドストリーム形成に最適な液滴形成周波数を決定でき、安定したソーティングを実現可能である。更に、本実施形態の液滴分取装置は、ドライブ値の変動に対する振動伝達特性の優れた液滴形成周波数が決定できるため、環境の変動に対してロバストなソーティングが実現可能である。
その結果、本実施形態の液滴分取装置によれば、環境温度の変化やシース液・サンプル液の減少、詰まりや気泡の混入、液滴形状の変化による影響を抑え、長時間に亘り精度の高い安定したソーティングを実現することが可能となる。
なお、前述した第１の実施形態では、マイクロチップ２を用いた場合を例に説明したが、本開示はこれに限定されるものではなく、マイクロチップ２の代わりにフローセルを用いても同様の効果が得られる。また、光検出部は電気的又は磁気的な検出手段に置換することもできる。
＜２．第２の実施の形態＞
次に、本開示の第２の実施形態に係る液滴分取装置について説明する。図５は本実施形態の液滴分取装置の概略構成図である。なお、図５においては、図１に示す第１の実施形態の液滴分取装置１の構成要素を同じものには同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
［装置の全体構成］
図５に示すように、本実施形態の液滴分取装置１０は、前述した第１の実施形態と同様に、マイクロチップ２、振動素子３、荷電部４、偏向板５ａ，５ｂ、回収容器６ａ〜６ｃ、液滴検出部７及び制御部８０等を備えている。そして、この液滴分取装置１０では、オリフィス２１に振動を与える振動素子３に供給される駆動電圧の振幅（ドライブ値）が大きくなるに従い、ブレイク・オフ・ポイントＢＰがオリフィス２１に近づくように、駆動電圧の周波数（クロック値）を制御する。
［制御部８０］
制御部８０は、液滴検出部７で検出されたブレイク・オフ・ポイントＢＰの位置情報に基づいて、電圧供給部３１を制御し、駆動電圧の周波数（クロック値）を制御するものである。具体的には、制御部８０では、振動素子３に供給される駆動電圧の振幅（ドライブ値）が大きくなるに従い、ブレイク・オフ・ポイントＢＰがオリフィスに近づくように、駆動電圧の周波数（クロック値）を制御する。
この制御部８０も、例えば汎用のプロセッサ、主記憶装置及び補助記憶装置等からなる情報処理装置で構成することができる。その場合、制御部８０に、液滴検出部７の画像データ処理部７２で得たブレイク・オフ・ポイントＢＰの位置情報を入力し、プログラムされた制御アルゴリズムを実行することにより、駆動電圧の周波数（クロック値）を自動制御することができる。このようなコンピュータプログラムは、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリ等の記録媒体に格納されていてもよく、また、ネットワークを介して配信することもできる。
［動作］
次に、本実施形態の液滴分取装置１０の動作、即ち、液滴分取装置１０を用いて、液滴分取する方法について説明する。本実施形態の液滴分取方法では、ブレイク・オフ・ポイントＢＰにおいて流体及び液滴の画像を取得する工程と、ドライブ値が大きくなるに従い、ブレイク・オフ・ポイントＢＰがオリフィス２１に近づくように、クロック値を制御する工程と、を行う。
（クロック値の制御）
図６Ａはドライブ値を上昇させる前の液滴の状態を示す図であり、図６Ｂ，Ｃはドライブ値を上昇させた後の液滴の状態を示す図である。本実施形態の液滴分取装置１０では、先ず、検出部７の撮像素子７１により、液滴画像を取得する。その際、図６Ａに示すように、ブレイク・オフ・ポイントＢＰが予め設定されたマーカー位置（図６Ａに示す太線）に合うように、位置調整機構７２により撮像素子７１を移動させる。
その後、ドライブ値を高くしていき、それに応じてブレイク・オフ・ポイントＢＰが上昇するか否かで、振動伝達特性の判定を行う。具体的には、図６Ｂに示すように、図６Ａに示す状態に比べてブレイク・オフ・ポイントＢＰが上昇した場合は、振動伝達特性が良好であると判定し、図６Ｃに示すようにブレイク・オフ・ポイントＢＰが下降した場合は、振動伝達特性が不良であると判定する。このとき、ドライブ値は、例えば１％刻みで、５％高くすればよい。
又は、前述したドライブ値を高くする方法と同様に、ドライブ値を低下させていき、それに応じてブレイク・オフ・ポイントＢＰが下降するか否かで、振動伝達特性の判定を行うことも可能である。なお、振動伝達特性は、ドライブ値が高くなるに従い劣化することが多いため、周波数（クロック値）の制御では、前述したドライブ値を高くする方法で判定すれば十分であるが、それとドライブ値を低下させていく判定法とを組み合わせて実施してもよい。
これを、周波数（クロック値）を変更しながら複数回繰り返して実施し、振動伝達特性が良い周波数を選定し、その中から最適周波数を決定する。この場合も、駆動電圧の周波数（クロック値）の変更は、特に限定されるものではなく、オリフィス２１の径が１００μｍの場合であれば、例えば０．１ｋＨｚ刻みに２５ｋＨｚ±２ｋＨｚの範囲で実施することができる。
また、前述した第１の実施形態と同様に、本実施形態の液滴分取装置１０においても、最適周波数（クロック値）の決定に、ブレイク・オフ・ポイントＢＰの位置を考慮に入れてもよい。具体的には、図６Ａに示すブレイク・オフ・ポイントＢＰの位置を、予め設定されたマーカー位置に合わせる処理を、周波数（クロック値）を変更しながら繰り返し行う。
その際、駆動電圧の周波数（クロック値）の変更も、特に限定されるものではなく、オリフィス２１の径が１００μｍの場合であれば、例えば０．１ｋＨｚ刻みに２５ｋＨｚ±２ｋＨｚの範囲で実施することができる。
そして、ブレイク・オフ・ポイントＢＰが高い順に周波数を順位付けし、ブレイク・オフ・ポイントＢＰが高い周波数から逐次サテライト液滴ＳＤが吸収されているかどうかの判定を行い、最初に吸収されていると判定された周波数（クロック値）を最適周波数として決定する。これにより、より効率的な周波数（クロック値）の調整が可能となる。
このように、ブレイク・オフ・ポイントＢＰによる周波数決定と、前述した振動伝達特性による周波数決定とを組み合わせて、最適周波数を決定することにより、より効率的に周波数（クロック値）制御を行うことができる。更に、本実施形態の液滴分取装置１０は、これらの周波数決定方法と、サテライト液滴ＳＤの吸収の有無による周波数決定を組み合わせて、周波数（クロック値）の制御を行ってもよい。その場合、振動伝達特性による周波数決定と、サテライト液滴ＳＤの吸収の有無による周波数決定とを組み合わせてもよく、更に、ブレイク・オフ・ポイントＢＰによる周波数決定を組み合わせて実施してもよい。
以上詳述したように、本実施形態の液滴分取装置１０は、環境変動があっても、安定して液滴を形成することができる。これにより、チップ交換式のセルソータにおいて、チップ毎に最適な液滴形成周波数を決定でき、安定性及びロバスト性が高い液滴形状制御を実現することができる。
なお、本実施形態の液滴分取装置における上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態と同様である。
なお、以下では上記実施形態のフローをより詳細に説明する。図７は、クロック値の制御手順の一例を示すフローチャートである。この制御において、制御部８０は、駆動電圧の周波数（クロック値）を任意の周波数（クロック値）に設定する（ステップＳ１）。制御部８０は、液滴検出部７を制御して、ブレイク・オフ・ポイントＢＰを含む画像を取得する（ステップＳ２）。そして、制御部８０は、上記実施形態に基づき、ブレイク・オフ・ポイントＢＰがオリフィス２１に近い順に（ブレイク・オフ・ポイントＢＰが高い順に）周波数（クロック値）を順位付けする（ステップＳ３）。
制御部８０は、図７に示すステップＳ１〜Ｓ３に相当する反復処理を、順位付けされるデータ数に等しい回数Ｎ（ここでは、簡単のため「１０」であると仮定する。）だけ反復して実行する。当該反復処理が完了すると、処理はステップＳ４に移行する。
ステップＳ４〜Ｓ８では、制御部８０は、上記実施形態に基づき、ブレイク・オフ・ポイントＢＰが高い周波数から逐次ドライブ値を高くしていき、それに応じてブレイク・オフ・ポイントＢＰが上昇するか否かで、振動伝達特性の判定を行う。
すなわち、ステップＳ４において、制御部８０は、駆動電圧の周波数（クロック値）を順位の高い周波数（クロック値）に設定する。そして、制御部８０は、液滴検出部７を制御して、ブレイク・オフ・ポイントＢＰ１を含む画像を取得する（ステップＳ５）。その後、制御部８０は、駆動電圧の周波数（クロック値）を制御することによって、ドライブ値をより大きな値に設定する（ステップＳ６）。そして、制御部８０は、液滴検出部７を制御して、ブレイク・オフ・ポイントＢＰ２を含む画像を取得する（ステップＳ７）。そして、制御部８０は、ブレイク・オフ・ポイントＢＰ１、ＢＰ２の各位置を確認し、ブレイク・オフ・ポイントＢＰ２がブレイク・オフ・ポイントＢＰ１よりもオリフィス２１に近づいたか否かで、振動伝達特性の判定を行う（ステップＳ８）。
ここで仮に、オリフィス２１に近づいたことが確認されなかった場合（ステップＳ８においてＮＯ）、処理はステップＳ４を繰り返す。一方、オリフィス２１に近づいたことが確認された場合（ステップＳ８においてＹＥＳ）、処理はステップＳ９に移行する。
ステップＳ９において、制御部８０は、前述した第１の実施形態と同様の判定方法で、サテライト液滴ＳＤが液滴Ｄに吸収されているか否かを判定する。液滴Ｄに吸収されているのであれば（ステップＳ９においてＹＥＳ）、これをもって制御部８０はクロック値の制御を終了する。一方、液滴Ｄに吸収されていない場合（ステップＳ９においてＮＯ）、処理はステップＳ４を繰り返す。
なお、本制御手順では、ステップＳ１〜Ｓ９全ての工程が実施される例について述べたが、ステップＳ９を省略してもよく、ステップＳ１〜Ｓ８に相当する工程のみが実施されてもよい。
図８は、クロック値の制御手順の別の一例を示すフローチャートである。上述した図７と同じ処理については、詳細な説明を省略する。ステップＴ１〜Ｔ４は、図７のステップＳ１〜Ｓ４と同じである。この制御では、ステップＴ１〜Ｔ３に相当する反復処理が完了すると、引き続き、ステップＴ４、Ｔ５が実施される。
ステップＴ４、Ｔ５では、制御部８０は、上記実施形態に基づき、ブレイク・オフ・ポイントＢＰが高い周波数から逐次サテライト液滴ＳＤが吸収されているかどうかの判定を行う。すなわち、ステップＴ４において、制御部８０は、駆動電圧の周波数（クロック値）を順位の高い周波数（クロック値）に設定する。
続くステップＴ５において、制御部８０は、上記実施形態と同様の判定方法で、サテライト液滴ＳＤが液滴Ｄに吸収されているか否かを判定する。液滴Ｄに吸収されていない場合（ステップＴ５においてＮＯ）、処理はステップＴ４を繰り返す。一方、液滴Ｄに吸収されているのであれば（ステップＴ５においてＹＥＳ）、処理はステップＴ６に移行する。
ステップＴ６〜Ｔ９では、制御部８０は、上記実施形態に基づき、ブレイク・オフ・ポイントＢＰが高く且つ液滴Ｄに吸収されていると判定された周波数から逐次ドライブ値を高くしていき、それに応じてブレイク・オフ・ポイントＢＰが上昇するか否かで、振動伝達特性の判定を行う。
すなわち、ステップＴ６において、制御部８０は、液滴検出部７を制御して、ブレイク・オフ・ポイントＢＰ１を含む画像を取得する。その後、制御部８０は、駆動電圧の周波数（クロック値）を制御することによって、ドライブ値をより大きな値に設定する（ステップＴ７）。そして、制御部８０は、液滴検出部７を制御して、ブレイク・オフ・ポイントＢＰ２を含む画像を取得する（ステップＴ８）。そして、制御部８０は、ブレイク・オフ・ポイントＢＰ１、ＢＰ２の各位置を確認し、ブレイク・オフ・ポイントＢＰ２がブレイク・オフ・ポイントＢＰ１よりもオリフィス２１に近づいたか否かで、振動伝達特性の判定を行う（ステップＴ９）。
ここで仮に、オリフィス２１に近づいたことが確認されなかった場合（ステップＴ９においてＮＯ）、処理はステップＴ４を繰り返す。一方、オリフィス２１に近づいたことが確認された場合（ステップＴ９においてＹＥＳ）、これをもって制御部８０はクロック値の制御を終了する。
なお、本制御手順では、ステップＴ１〜Ｔ９全ての工程が実施される例について述べた
が、ステップＴ６〜Ｔ９に相当する工程を省略してもよく、ステップＴ１〜Ｔ５に相当する工程のみが実施されてもよい。
＜３．変形例＞
次に、本開示の第１の実施形態及び第２の実施形態の変形例に係る液滴分取装置について説明する。本変形例に係る液滴分取装置では、更に、液滴形状の左右対称性にも着目して、最適周波数（クロック値）を決定する。具体的には、画像データ処理部７２において、液滴形状の左右性を数値化し、これが一定値以内となる周波数（クロック値）を算出し、液滴形成周波数を決定し、制御部により電圧供給部３１を制御する。
一般に、左右対称性が低い液滴ではサイドストリームが安定しないことが知られている。そこで、本変形例のように、左右対称性が高い液滴形成周波数を決定することで、より安定したソーティングを実現することが可能となる。
なお、本変形例の液滴分取装置における上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態又は第２の実施形態と同様である。
また、本開示は、以下のような構成をとることもできる。
（１）
流体ストリームを発生するオリフィスから吐出される液滴及び前記液滴間に存在するサテライト液滴の状態を検出する検出部と、
前記サテライト液滴が存在する位置に基づいて、前記オリフィスに振動を与える振動素子に供給される駆動電圧の周波数を制御する制御部と、
を有する液滴分取装置。
（２）
前記制御部は、前記オリフィスから排出される流体が液滴化される位置から任意の範囲内に、前記サテライト液滴が前記液滴に吸収されるよう前記駆動電圧の周波数を制御する（１）に記載の液滴分取装置。
（３）
駆動電圧の振幅が異なる２以上の条件で前記サテライト液滴の状態を検出し、前記振動素子に供給される駆動電圧の周波数を制御する（１）又は（２）に記載の液滴分取装置。
（４）
前記制御部は、前記駆動電圧の振幅が大きくなるに従い、前記オリフィスから排出される流体が液滴化される位置が前記オリフィスに近づくように前記駆動電圧の周波数を制御する（３）に記載の液滴分取装置。
（５）
前記液滴及びサテライト液滴の画像を取得する撮像素子を有し、
前記検出部は、前記撮像素子が取得した画像に基づいて、前記液滴と前記サテライト液滴とを判別する（１）〜（４）のいずれかに記載の液滴分取装置。
（６）
前記撮像素子は、駆動電圧の周波数が異なる２以上の条件で、前記オリフィスから排出される流体が液滴化される位置における画像を取得し、
前記検出部は、前記流体が液滴化される位置が前記オリフィスに近い周波数の画像から順に、前記サテライト液滴の状態を検出する（５）に記載の液滴分取装置。
（７）
前記制御部は、前記流体が液滴化される位置が前記オリフィスに近づくように、前記駆動電圧の周波数を制御する（６）に記載の液滴分取装置。
（８）
流体ストリームを発生するオリフィスから排出される流体が液滴化される位置において、前記流体及び液滴の画像を取得する撮像素子と、
前記オリフィスに振動を与える振動素子に供給される駆動電圧の振幅が大きくなるに従い、前記流体が液滴化される位置が前記オリフィスに近づくように、前記駆動電圧の周波数を制御する制御部と、を有する液滴分取装置。
（９）
前記撮像素子の位置を調整する位置調整機構を有する（５）又は（８）に記載の液滴分取装置。
（１０）
前記検出部は、前記画像に基づいて、前記液滴の左右性を数値化し、
前記制御部は、前記液滴の左右性の数値が予め定められた範囲内になるように、前記駆動電圧の周波数を制御する（５）〜（９）のいずれかに記載の液滴分取装置。
（１１）
流体ストリームを発生するオリフィスから吐出される液滴及び前記液滴間に存在するサテライト液滴の状態を検出する工程と、
前記サテライト液滴が存在する位置に基づいて、前記オリフィスに振動を与える振動素子に供給される駆動電圧の周波数を制御する工程と、
を有する液滴分取方法。
（１２）
流体ストリームを発生するオリフィスから吐出される液滴及び前記液滴間に存在するサテライト液滴の状態を検出し、前記サテライト液滴が存在する位置に基づいて、前記オリフィスに振動を与える振動素子に供給される駆動電圧の周波数を制御する機能を液滴分取装置に実行させるプログラム。
なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、
また他の効果があってもよい。
１、１０ 液滴分取装置
２ マイクロチップ
３ 振動素子
４ 電極
５ａ、５ｂ 偏向板
６ａ〜６ｃ 回収容器
７ 液滴検出部
８、８０ 制御部
２１ オリフィス
２２ サンプルインレット
３１ 電源供給部
７１ 撮像素子
７２ 位置調整機構
７３ 画像データ処理部
ＢＰ ブレイク・オフ・ポイント
Ｄ 液滴
ＳＤ サテライト液滴

Claims (8)

  1. 粒子を含むサンプル液とシース液とからなる流体を吐出するオリフィスと、
    前記シース液に振動を与える振動素子と、
    前記オリフィスから吐出される流体の流れの画像情報に基づき、液滴及び前記液滴間に存在するサテライト液滴の位置情報を検出する検出部と、
    前記検出部にて検出された前記液滴及び前記サテライト液滴の位置情報に基づき、前記振動素子に供給される駆動電圧の周波数を制御する制御部と、
    を有し、
    前記制御部は、駆動電圧の振幅が異なる２以上の条件を用いて、前記振動素子に供給される駆動電圧の周波数を制御し、
    前記制御部は、前記駆動電圧の振幅が大きくなるに従い、前記オリフィスから排出される流体が液滴化される位置が前記オリフィスに近づくように前記駆動電圧の周波数を制御する液滴分取装置。
  2. 前記液滴及び前記液滴間に存在するサテライト液滴の画像を取得する撮像素子を有し、
    前記検出部は、前記撮像素子が取得した画像に基づいて、前記液滴と前記液滴間に存在するサテライト液滴とを判別する請求項１に記載の液滴分取装置。
  3. 前記撮像素子は、駆動電圧の周波数が異なる２以上の条件を用いて、前記オリフィスから排出される流体が液滴化される位置における画像を取得し、
    前記検出部は、前記流体が液滴化される位置が前記オリフィスに近い周波数から順に、前記サテライト液滴の状態を検出する請求項２に記載の液滴分取装置。
  4. 前記制御部は、前記流体が液滴化される位置が前記オリフィスに近づくように、前記駆動電圧の周波数を制御する請求項３に記載の液滴分取装置。
  5. 前記撮像素子の位置を調整する位置調整機構を有する請求項２から４のいずれか一項に記載の液滴分取装置。
  6. 前記検出部は、前記画像に基づいて、前記液滴の左右性を数値化し、
    前記制御部は、前記液滴の左右性の数値が予め定められた範囲内になるように、前記駆動電圧の周波数を制御する請求項２から５のいずれか一項に記載の液滴分取装置。
  7. 粒子を含むサンプル液とシース液とからなる流体を吐出するオリフィスから吐出される流体の流れの画像情報に基づき、液滴及び前記液滴間に存在するサテライト液滴の位置情報を検出する検出工程と、
    前記検出工程にて検出された前記液滴及び前記サテライト液滴の位置情報に基づき、前記シース液に振動を与える振動素子に供給される駆動電圧の周波数を制御する制御工程と、
    を有し、
    前記制御工程では、駆動電圧の振幅が異なる２以上の条件を用いて、前記振動素子に供給される駆動電圧の周波数を制御し、
    前記制御工程では、前記駆動電圧の振幅が大きくなるに従い、前記オリフィスから排出される流体が液滴化される位置が前記オリフィスに近づくように前記駆動電圧の周波数を制御する液滴分取方法。
  8. 粒子を含むサンプル液とシース液とからなる流体を吐出するオリフィスから吐出される流体の流れの画像情報に基づき、液滴及び前記液滴間に存在するサテライト液滴の位置情報を検出し、検出された前記液滴及び前記サテライト液滴の位置情報に基づき、前記シース液に振動を与える振動素子に供給される駆動電圧の周波数を制御し、駆動電圧の振幅が異なる２以上の条件を用いて、前記振動素子に供給される駆動電圧の周波数を制御し、且つ、前記駆動電圧の振幅が大きくなるに従い、前記オリフィスから排出される流体が液滴化される位置が前記オリフィスに近づくように前記駆動電圧の周波数を制御する機能を液滴分取装置に実行させるプログラム。
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