JP7104988B2 - 粒子捕捉装置及び粒子捕捉方法 - Google Patents
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Description
本発明は、粒子捕捉装置及び粒子捕捉方法に関する。
分析化学、触媒化学、生化学、光デバイス、エネルギーやバイオ、医療などの分野では、液相においてナノ粒子を利用する場合が多い。
例えば、細胞は、さまざまな大きさの脂質二重膜に覆われた細胞外小胞顆粒を分泌している。細胞外小胞顆粒は、大きさの違いにより分類されており、エクソソーム（大きさ：50～200 nm）やマイクロベシクル（大きさ：200～1000 nm）などがある。その中でも、エクソソームは、様々なタンパク質や、mRNA、microRNAが含まれており、癌の転移においても重要な役割を果たすことが近年明らかになってきた。このため、エクソソームは各種疾患の非侵襲性のバイオマーカー・治療ツールとなると期待されている（例えば、特許文献１参照）。
一方、ウィルス感染症は、人や動物に甚大な健康被害を与える。感染症の早期診断、その治療方針の決定などには、感染したウィルスを同定する必要がある。ウィルスの大きさは２０ｎｍ～３００ｎｍ程度であり、一般的には遠心分離法を用いて回収及び濃縮が行われる（例えば、特許文献２参照）。
また、流路内に設けた突起部により溶液中の粒子を捕捉するマイクロチップが知られている（例えば、特許文献３参照）。
例えば、細胞は、さまざまな大きさの脂質二重膜に覆われた細胞外小胞顆粒を分泌している。細胞外小胞顆粒は、大きさの違いにより分類されており、エクソソーム（大きさ：50～200 nm）やマイクロベシクル（大きさ：200～1000 nm）などがある。その中でも、エクソソームは、様々なタンパク質や、mRNA、microRNAが含まれており、癌の転移においても重要な役割を果たすことが近年明らかになってきた。このため、エクソソームは各種疾患の非侵襲性のバイオマーカー・治療ツールとなると期待されている（例えば、特許文献１参照）。
一方、ウィルス感染症は、人や動物に甚大な健康被害を与える。感染症の早期診断、その治療方針の決定などには、感染したウィルスを同定する必要がある。ウィルスの大きさは２０ｎｍ～３００ｎｍ程度であり、一般的には遠心分離法を用いて回収及び濃縮が行われる（例えば、特許文献２参照）。
また、流路内に設けた突起部により溶液中の粒子を捕捉するマイクロチップが知られている（例えば、特許文献３参照）。
ナノ粒子を時空的に精密制御することが、ナノ粒子の特性の最大限発揮と新規機能の発見を左右する重要な課題となっている。液相においてナノ粒子は活発なブラウン運動を行うため、液相におけるナノ粒子の時空制御は極めて難しい。また、細胞外小胞顆粒やウィルスなどのナノ粒子の定量的な解析には、煩雑な単離操作、低検出率、高価な実験設備が必要である等の多くの課題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、捕捉対象粒子を粒子捕捉用開口の内部に閉じ込めることができ、捕捉対象粒子を個別に観察、解析などすることができる粒子捕捉装置を提供する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、捕捉対象粒子を粒子捕捉用開口の内部に閉じ込めることができ、捕捉対象粒子を個別に観察、解析などすることができる粒子捕捉装置を提供する。
本発明は、導入流路と、前記導入通路の下流側に設けられた扁平流路と、前記扁平流路の下流側に設けられた矩形流路と、前記矩形流路の少なくとも第１内壁面に設けられた粒子捕捉用開口と、を備え、前記導入流路は、前記扁平流路の流路断面よりも広い流路断面を有し、前記扁平流路は、横幅の広い扁平な流路断面を有し、前記矩形流路は、矩形の流路断面を有し、かつ、第１内壁面と第２内壁面とが対向し、第３内壁面と第４内壁面とが対向するように設けられ、前記導入流路、前記扁平流路、前記矩形流路及び前記粒子捕捉用開口は、前記導入流路を流れる捕捉対象粒子を含む液体の一部が、前記扁平流路に流入し、前記扁平流路を流れた前記捕捉対象粒子が前記液体と共に前記矩形流路に流入し、前記矩形流路を流れた前記捕捉対象粒子が前記粒子捕捉用開口の内部に侵入し捕捉されるように設けられていることを特徴とする粒子捕捉装置を提供する。
本発明の粒子捕捉装置は、導入流路と、前記導入通路の下流側に設けられた扁平流路と、前記扁平流路の下流側に設けられた矩形流路と、前記矩形流路の少なくとも第１内壁面に設けられた粒子捕捉用開口と、を備えるため、捕捉対象粒子を含む液体を導入流路、扁平流路及び矩形流路に流すことができ、矩形流路を流れる捕捉対象粒子を粒子捕捉用開口の内部に侵入させ捕捉することができる。このため、捕捉対象粒子を含む微量の液体を導入流路、扁平流路及び矩形流路に流すだけで捕捉対象粒子を捕捉することが可能になり、簡単に低コストで（１チップで）捕捉対象粒子を分離し捕捉することができる。
扁平流路が導入流路と矩形流路との間に設けられる。捕捉対象粒子は、導入流路から扁平流路に流入することができるが、扁平流路の厚さより大きな粒子は導入流路から扁平流路に流入することをできない。従って、扁平流路により液体中の粒子をフィルタリング処理することができる。また、扁平流路は扁平な流路断面を有するため、導入流路を流れてきた粒子の１つが扁平流路に詰まったとしても、扁平流路が閉塞されることはない。従って、扁平流路を設けることにより、導入流路から矩形流路に向かう液体の流れが遮断されることを抑制することができる。
また、本発明の粒子捕捉装置により粒子捕捉用開口に捕捉し閉じ込めた捕捉対象粒子を個別に観察、解析などすることができる。また、超遠心分離や沈殿試薬処理などを必要としないため、変性していない（生の状態の）捕捉対象粒子の観察、解析などを低コストですることが可能になる。また、複数の捕捉対象粒子を長時間安定なアレイ化することが可能になる。さらに、ごく少量（例えば、数ｐＬ）の液体に含まれる捕捉対象粒子を粒子捕捉用開口に捕捉し、観察・解析することが可能になる。
本発明の粒子捕捉装置は、導入流路と、前記導入通路の下流側に設けられた扁平流路と、前記扁平流路の下流側に設けられた矩形流路と、前記矩形流路の少なくとも第１内壁面に設けられた粒子捕捉用開口と、を備え、前記導入流路は、前記扁平流路の流路断面よりも広い流路断面を有し、前記扁平流路は、横幅の広い扁平な流路断面を有し、前記矩形流路は、矩形の流路断面を有し、かつ、第１内壁面と第２内壁面とが対向し、第３内壁面と第４内壁面とが対向するように設けられ、前記導入流路、前記扁平流路、前記矩形流路及び前記粒子捕捉用開口は、前記導入流路を流れる捕捉対象粒子を含む液体の一部が、前記扁平流路に流入し、前記扁平流路を流れた前記捕捉対象粒子が前記液体と共に前記矩形流路に流入し、前記矩形流路を流れた前記捕捉対象粒子が前記粒子捕捉用開口の内部に侵入し捕捉されるように設けられていることを特徴とする。
前記矩形流路の第１内壁面と第２内壁面との間の幅は、捕捉対象粒子の平均粒径の１．０４倍以上２．３倍以下であることが好ましい。このことにより、矩形流路を流れる捕捉対象粒子を効率よく粒子捕捉用開口の内部に侵入させ捕捉することができる。このことは、本発明の発明者が行った実験により実証された。
本発明の粒子捕捉装置に含まれる矩形流路の第３内壁面と第４内壁面との間の幅は、捕捉対象粒子の平均粒径の１．０４倍以上５倍以下であることが好ましい。このことにより、捕捉対象粒子を一列に並べて矩形流路を流すことができ、捕捉対象粒子が粒子捕捉用開口に侵入する確率を高くすることができる。
本発明の粒子捕捉装置に含まれる粒子捕捉用開口は、捕捉対象粒子の平均粒径の１．０４倍以上３倍以下の大きさを有することが好ましい。このことにより、矩形流路を流れてきた捕捉対象粒子が粒子捕捉用開口の内部に侵入することができ、かつ、粒子捕捉用開口に侵入した捕捉対象粒子が粒子捕捉用開口から脱離することを抑制することができる。
本発明の粒子捕捉装置に含まれる矩形流路の第３内壁面と第４内壁面との間の幅は、捕捉対象粒子の平均粒径の１．０４倍以上５倍以下であることが好ましい。このことにより、捕捉対象粒子を一列に並べて矩形流路を流すことができ、捕捉対象粒子が粒子捕捉用開口に侵入する確率を高くすることができる。
本発明の粒子捕捉装置に含まれる粒子捕捉用開口は、捕捉対象粒子の平均粒径の１．０４倍以上３倍以下の大きさを有することが好ましい。このことにより、矩形流路を流れてきた捕捉対象粒子が粒子捕捉用開口の内部に侵入することができ、かつ、粒子捕捉用開口に侵入した捕捉対象粒子が粒子捕捉用開口から脱離することを抑制することができる。
本発明の粒子捕捉装置は補助流路と連通流路とを備えることが好ましい。補助流路は、矩形流路と実質的に平行に延びる流路であり、連通流路は、粒子捕捉用開口と補助流路とを連通するように設けられる。このことにより、矩形流路を流れる液体が粒子捕捉用開口に流入し、連通流路を流れて補助流路に流入することができるため、捕捉対象粒子が粒子捕捉用開口に侵入しやすくなる。また、連通流路は、捕捉対象粒子が通過することができない流路断面を有する。例えば、連通流路は、捕捉対象粒子の平均粒径よりも小さい幅を有することができる。このことにより、矩形流路から粒子捕捉用開口に侵入した粒子が補助流路に流入することを防止することができ、粒子捕捉用開口に粒子を捕捉することができる。
さらに、補助流路から粒子捕捉用開口に向かって液体を流すことにより、粒子捕捉用開口に捕捉した捕捉対象粒子を回収することが可能になる。
本発明の粒子捕捉装置は矩形流路の上流側に設けられた導入流路を備えることが好ましい。このことにより、捕捉対象粒子を含む液体を導入流路を介して矩形流路に供給することができる。
さらに、補助流路から粒子捕捉用開口に向かって液体を流すことにより、粒子捕捉用開口に捕捉した捕捉対象粒子を回収することが可能になる。
本発明の粒子捕捉装置は矩形流路の上流側に設けられた導入流路を備えることが好ましい。このことにより、捕捉対象粒子を含む液体を導入流路を介して矩形流路に供給することができる。
前記扁平流路は捕捉対象粒子の平均粒径の１．０４倍以上２．３倍以下の厚さを有することが好ましい。このような構成にすると、捕捉対象粒子は、導入流路から扁平流路に流入することができるが、扁平流路の厚さより大きな粒子は導入流路から扁平流路に流入することをできない。従って、扁平流路により液体中の粒子をフィルタリング処理することができる。また、扁平流路は扁平な流路断面を有するため、導入流路を流れてきた粒子の１つが扁平流路に詰まったとしても、扁平流路が閉塞されることはない。従って、扁平流路を設けることにより、導入流路から矩形流路に向かう液体の流れが遮断されることを抑制することができる。
前記扁平流路の厚さは、第１内壁面と第２内壁面との間の幅又は第３内壁面と第４内壁面との間の幅と実質的に同じであることが好ましく、前記扁平流路は、扁平流路の上面及び下面のうちどちらか一方が第１又は第３内壁面と実質的に一致し、上面及び下面のうち他方が第２又は第４内壁面と実質的に一致するように設けられることが好ましい。このことにより、扁平流路を流れる捕捉対象粒子が液体と共に容易に矩形流路に流入することができる。
本発明の粒子捕捉装置は矩形流路と導入流路との間に設けられた細胞捕捉室をさらに備えることが好ましい。この細胞捕捉室に細胞を捕捉し、捕捉した細胞から細胞外小胞を分泌させることができる。この細胞外小胞を扁平流路及び矩形流路に流入させることができ、粒子捕捉用開口で細胞外小胞を捕捉することができる。
前記扁平流路の厚さは、第１内壁面と第２内壁面との間の幅又は第３内壁面と第４内壁面との間の幅と実質的に同じであることが好ましく、前記扁平流路は、扁平流路の上面及び下面のうちどちらか一方が第１又は第３内壁面と実質的に一致し、上面及び下面のうち他方が第２又は第４内壁面と実質的に一致するように設けられることが好ましい。このことにより、扁平流路を流れる捕捉対象粒子が液体と共に容易に矩形流路に流入することができる。
本発明の粒子捕捉装置は矩形流路と導入流路との間に設けられた細胞捕捉室をさらに備えることが好ましい。この細胞捕捉室に細胞を捕捉し、捕捉した細胞から細胞外小胞を分泌させることができる。この細胞外小胞を扁平流路及び矩形流路に流入させることができ、粒子捕捉用開口で細胞外小胞を捕捉することができる。
本発明の粒子捕捉装置は第１基板と第２基板とを備えることが好ましく、矩形流路は、第１基板に設けられた溝が第２基板により覆われる構造を有することが好ましい。このことにより、粒子捕捉用開口、矩形流路、扁平流路、導入流路などを第１基板と第２基板との間に形成することができる。
本発明の粒子捕捉装置は粒子捕捉用開口の内部に捕捉された捕捉対象粒子を含むことが好ましい。
前記捕捉対象粒子は、小胞、細胞小器官、細胞外小胞、ウィルス、リポソーム、金属粒子、有機粒子、無機粒子、大気汚染微粒子、又は花粉であることが好ましい。
本発明の粒子捕捉装置は粒子捕捉用開口の内部に捕捉された捕捉対象粒子を含むことが好ましい。
前記捕捉対象粒子は、小胞、細胞小器官、細胞外小胞、ウィルス、リポソーム、金属粒子、有機粒子、無機粒子、大気汚染微粒子、又は花粉であることが好ましい。
また、本発明は、導入流路と、扁平流路と、矩形断面を有する矩形流路と、前記矩形流路の第１内壁面に設けられた粒子捕捉用開口とを備え、前記導入流路及び前記扁平流路は、前記導入流路を流れる捕捉対象粒子を含む液体の一部が前記扁平流路に流入するように設けられ、前記矩形流路は、前記扁平流路を流れる前記捕捉対象粒子を含む液体の一部が前記矩形流路に流入するように設けられ、前記粒子捕捉用開口は、前記矩形流路を流れる捕捉対象粒子が前記粒子捕捉用開口に侵入し捕捉されるように設けられたことを特徴とする粒子捕捉装置も提供する。
本発明は、捕捉対象粒子を含む液体を導入流路に流すステップと、前記捕捉対象粒子を含む液体が前記導入流路から扁平流路に流入するステップと、前記捕捉対象粒子を含む液体が前記扁平流路から矩形流路に流入するステップと、前記捕捉対象粒子が前記矩形流路の第１内壁面に設けられた粒子捕捉用開口に侵入し捕捉されるステップとを備えることを特徴とする粒子捕捉方法も提供する。本発明の粒子捕捉方法によれば、流路が閉塞されることを抑制して、簡単に低コストで捕捉対象粒子を分離し捕捉することができる。
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
図１～９は、本実施形態の粒子捕捉装置に関する図面である。図面の説明は上述の通りである。
本実施形態の粒子捕捉装置２５は、導入流路１０と、導入通路１０の下流側に設けられた扁平流路１２と、扁平流路１２の下流側に設けられた矩形流路４と、矩形流路４の少なくとも内壁面８ａに設けられた粒子捕捉用開口５と、を備え、導入流路１０は、扁平流路１２の流路断面よりも広い流路断面を有し、扁平流路１２は、横幅の広い扁平な流路断面を有し、矩形流路４は、矩形の流路断面を有し、かつ、内壁面８ａと内壁面８ｂとが対向し、内壁面８ｃと第４内壁面８ｄとが対向するように設けられ、導入流路１０、扁平流路１２、矩形流路４及び粒子捕捉用開口５は、導入流路１０を流れる捕捉対象粒子６を含む液体の一部が、扁平流路１２に流入し、扁平流路１２を流れた捕捉対象粒子６が前記液体と共に矩形流路４に流入し、矩形流路４を流れた捕捉対象粒子６が粒子捕捉用開口５の内部に侵入し捕捉されるように設けられていることを特徴とする。
本実施形態の粒子捕捉装置２５は、導入流路１０と、導入通路１０の下流側に設けられた扁平流路１２と、扁平流路１２の下流側に設けられた矩形流路４と、矩形流路４の少なくとも内壁面８ａに設けられた粒子捕捉用開口５と、を備え、導入流路１０は、扁平流路１２の流路断面よりも広い流路断面を有し、扁平流路１２は、横幅の広い扁平な流路断面を有し、矩形流路４は、矩形の流路断面を有し、かつ、内壁面８ａと内壁面８ｂとが対向し、内壁面８ｃと第４内壁面８ｄとが対向するように設けられ、導入流路１０、扁平流路１２、矩形流路４及び粒子捕捉用開口５は、導入流路１０を流れる捕捉対象粒子６を含む液体の一部が、扁平流路１２に流入し、扁平流路１２を流れた捕捉対象粒子６が前記液体と共に矩形流路４に流入し、矩形流路４を流れた捕捉対象粒子６が粒子捕捉用開口５の内部に侵入し捕捉されるように設けられていることを特徴とする。
本実施形態の粒子捕捉方法は、捕捉対象粒子６を含む液体を導入流路１０に流すステップと、捕捉対象粒子６を含む液体が導入流路１０から扁平流路１２に流入するステップと、捕捉対象粒子６を含む液体が扁平流路１２から矩形流路４に流入するステップと、捕捉対象粒子６が矩形流路４の第１内壁面８ａに設けられた粒子捕捉用開口５に侵入し捕捉されるステップとを備えることを特徴とする。
以下、本実施形態の粒子捕捉装置２５及び粒子捕捉方法について説明する。
以下、本実施形態の粒子捕捉装置２５及び粒子捕捉方法について説明する。
粒子捕捉装置２５は、粒子捕捉用開口５の内部に捕捉対象粒子６を捕捉する装置である。また、粒子捕捉装置２５は、粒子分離装置であってもよく、流路構造体であってもよい。また、粒子捕捉装置２５は、細胞外小胞捕捉装置、ウィルス捕捉装置、花粉捕捉装置であってもよい。
捕捉対象粒子６は、粒子捕捉装置２５が捕捉対象とするある粒径範囲を有する粒子である。捕捉対象粒子６の平均粒径は、この粒径範囲の平均値である。例えば、捕捉対象とする粒子が９０ｎｍ以上１１０ｎｍ以下の粒径範囲の粒子である場合、捕捉対象粒子６の平均粒径は１００ｎｍとなる。また、粒子捕捉装置２５は、粒径範囲の異なる複数の捕捉対象粒子６を有してもよい。
捕捉対象粒子６は、例えば、小胞、細胞小器官、細胞外小胞（エクソソーム、マイクロベジクルなど）、ウィルス、リポソーム、金属粒子、有機粒子、無機粒子、大気汚染微粒子（浮遊粒子状物質、ＰＭ２．５など）、花粉などである。
また、細胞外小胞（捕捉対象粒子６）を含む液体２０は、例えば、血清、血漿、尿、培養上清、唾液、羊水、悪性腹水、脳脊髄液（ＣＳＦ）、胃腸液（ＧＩ）、炎症性液、リンパ液、肺胞洗浄液などである。
捕捉対象粒子６の平均粒径は、例えば、５ｎｍ以上１００μｍ以下であり、好ましくは５０ｎｍ以上２μｍ以下であり、より好ましくは８０ｎｍ以上１μｍ以下である。
捕捉対象粒子６は、粒子捕捉装置２５が捕捉対象とするある粒径範囲を有する粒子である。捕捉対象粒子６の平均粒径は、この粒径範囲の平均値である。例えば、捕捉対象とする粒子が９０ｎｍ以上１１０ｎｍ以下の粒径範囲の粒子である場合、捕捉対象粒子６の平均粒径は１００ｎｍとなる。また、粒子捕捉装置２５は、粒径範囲の異なる複数の捕捉対象粒子６を有してもよい。
捕捉対象粒子６は、例えば、小胞、細胞小器官、細胞外小胞（エクソソーム、マイクロベジクルなど）、ウィルス、リポソーム、金属粒子、有機粒子、無機粒子、大気汚染微粒子（浮遊粒子状物質、ＰＭ２．５など）、花粉などである。
また、細胞外小胞（捕捉対象粒子６）を含む液体２０は、例えば、血清、血漿、尿、培養上清、唾液、羊水、悪性腹水、脳脊髄液（ＣＳＦ）、胃腸液（ＧＩ）、炎症性液、リンパ液、肺胞洗浄液などである。
捕捉対象粒子６の平均粒径は、例えば、５ｎｍ以上１００μｍ以下であり、好ましくは５０ｎｍ以上２μｍ以下であり、より好ましくは８０ｎｍ以上１μｍ以下である。
粒子捕捉装置２５は、矩形流路４、粒子捕捉用開口５などを設けることができれば、その構造は限定されないが、例えば、第１基板２と第２基板３とを重ねた構造を有することができる。この場合、矩形流路４、粒子捕捉用開口５などとなる溝を第１基板２に形成し、第１基板２の溝を形成した表面上に第２基板３を接着することができる。このことにより、第１基板２と第２基板３との間に矩形流路４、粒子捕捉用開口５などを形成することができる。
第１基板２の材料および第２基板３の材料は、無機材料であってもよく、有機材料であってもよい。第１基板２の材料および第２基板３の材料は、透光性を有することが好ましい。このことにより、粒子捕捉装置２５により捕捉した粒子を光学的に観察、解析することが可能になる。
第１基板２または第２基板３は、例えば、ガラス基板（石英ガラス基板など）、半導体基板（シリコン基板など）、セラミックス基板などである。特に第１基板２および第２基板３にガラス基板を用いることが好ましい。ガラスの表面には通常水酸基（－ＯＨ）が存在するため、矩形流路４などの内表面を親水性にすることができる。このため、水、緩衝溶液又は水溶液（液体２０）を毛管現象により矩形流路４などに流すことができる。また、ガラス基板は透光性を有するため、粒子捕捉用開口５の内部に閉じ込めた捕捉対象粒子６を光学的に観察することができる。また、捕捉対象粒子６に光学的処理を施すことも可能である。
第１基板２または第２基板３は、例えば、ガラス基板（石英ガラス基板など）、半導体基板（シリコン基板など）、セラミックス基板などである。特に第１基板２および第２基板３にガラス基板を用いることが好ましい。ガラスの表面には通常水酸基（－ＯＨ）が存在するため、矩形流路４などの内表面を親水性にすることができる。このため、水、緩衝溶液又は水溶液（液体２０）を毛管現象により矩形流路４などに流すことができる。また、ガラス基板は透光性を有するため、粒子捕捉用開口５の内部に閉じ込めた捕捉対象粒子６を光学的に観察することができる。また、捕捉対象粒子６に光学的処理を施すことも可能である。
矩形流路４や粒子捕捉用開口５などとなる溝は、第１基板２をエッチング処理することにより形成することができる。例えば、第１基板２の表面上にレジストを塗布した後、電子ビームによりレジストの一部を除去しレジストにパターンを形成する。この後、レジストをマスクとしてエッチングを行い第１基板２の一部を除去し溝を形成する。このようなエッチング処理を数回繰り返すことにより、所望の流路や開口が形成されるような溝を第１基板２に形成することができる。また、導入流路１０又は排出側流路１６となる溝は、フォトリソグラフィとエッチング技術により第１基板２又は第２基板３に形成することができる。この後、第１基板２と第２基板３とを接着して所望の流路が形成された粒子捕捉装置２５を製造することができる。
第１基板２と第２基板３とは、熱接合により接着されてもよく、融着されてもよい。また、第１基板２と第２基板３とにプラズマ処理を施し、第１基板２のプラズマ処理された表面と第２基板３のプラズマ処理された表面とを接触させることにより第１基板２と第２基板３とを接着してもよい。
なお、第１基板２と第２基板３の両方に溝を形成して第１基板２と第２基板３との間に流路や開口を形成してもよい。
第１基板２と第２基板３とは、熱接合により接着されてもよく、融着されてもよい。また、第１基板２と第２基板３とにプラズマ処理を施し、第１基板２のプラズマ処理された表面と第２基板３のプラズマ処理された表面とを接触させることにより第１基板２と第２基板３とを接着してもよい。
なお、第１基板２と第２基板３の両方に溝を形成して第１基板２と第２基板３との間に流路や開口を形成してもよい。
粒子捕捉装置２５は、導入流路１０を有することができる。導入流路１０は、捕捉対象粒子６を含む液体２０を矩形流路４に供給するための流路である。導入流路１０は、矩形流路４の流路断面又は扁平流路１２の流路断面よりも広い流路断面を有する。導入流路１０を流れる液体２０は、捕捉対象粒子６の他、様々な粒径の粒子を含むことができる。また、液体２０は、ＫＣｌなどの電解質を含むことができる。
導入流路１０は、注入口１８ａから流入した液体２０が導入流路１０を流れ排出口１９ａから排出されるように設けることができる。また、導入流路１０は、導入流路１０を流れる液体２０の一部が扁平流路１２に流入するように設けることができる。このように導入流路１０を設けることにより、液体２０中の粒子のうち扁平流路１２の厚さよりも大きい粒径の粒子は、扁平流路１２に流入せずに排出口１９ａに向かって流れ、扁平流路１２の厚さよりも小さい粒径の粒子は、扁平流路１２に流入することができる。従って、扁平流路１２の流入口において液体２０と共に扁平流路１２に流入する粒子をフィルタリングすることができる。
導入流路１０は、第１基板２に設けられてもよく、第２基板３に設けられてもよいが、第２基板３に設けることが好ましい。例えば、導入流路１０は、図１、図２、図３（ａ）に示した粒子捕捉装置２５のように設けることができる。
導入流路１０は、注入口１８ａから流入した液体２０が導入流路１０を流れ排出口１９ａから排出されるように設けることができる。また、導入流路１０は、導入流路１０を流れる液体２０の一部が扁平流路１２に流入するように設けることができる。このように導入流路１０を設けることにより、液体２０中の粒子のうち扁平流路１２の厚さよりも大きい粒径の粒子は、扁平流路１２に流入せずに排出口１９ａに向かって流れ、扁平流路１２の厚さよりも小さい粒径の粒子は、扁平流路１２に流入することができる。従って、扁平流路１２の流入口において液体２０と共に扁平流路１２に流入する粒子をフィルタリングすることができる。
導入流路１０は、第１基板２に設けられてもよく、第２基板３に設けられてもよいが、第２基板３に設けることが好ましい。例えば、導入流路１０は、図１、図２、図３（ａ）に示した粒子捕捉装置２５のように設けることができる。
導入流路１０の流路断面は、矩形断面であってもよく、円形断面であってもよい。
導入流路１０は、注入口１８ａから流入する液体２０に含まれる粒子のうち最大径を有する粒子の粒径の１０倍以上の大きさの流路断面を有することができる。このことにより、導入流路１０に粒子が詰まり、導入流路１０の流れが遮断されることを抑制することができる。例えば、液体２０に粒径が１０００ｎｍ以下の様々な粒子が含まれている場合、導入流路１０は１０μｍ以上の大きさを有することができる。
導入流路１０の大きさとは、導入流路１０の流路断面が矩形である場合、流路断面の各辺の大きさであり、導入流路１０の流路断面が円形である場合、流路断面の直径である。
液体２０に含まれる粒子のうち最大径を有する粒子の粒径は、液体２０を注入口１８ａに注入する前に行うフィルタリング処理に用いるフィルターのろ過精度の粒子径とすることができる。例えば、液体２０を０．４５μｍフィルターでフィルタリング処理した場合、液体２０に含まれる粒子のうち最大径を有する粒子の粒径は、４５０ｎｍとすることができる。
導入流路１０では、全体として液体２０及び液体２０に含まれる粒子は液体２０の流れ方向に動いているが、粒子は三次元的な動きをする。例えば、図４（ａ）に示したように、導入流路１０では、粒子は上下左右前後方向に流れることが可能である。
導入流路１０は、注入口１８ａから流入する液体２０に含まれる粒子のうち最大径を有する粒子の粒径の１０倍以上の大きさの流路断面を有することができる。このことにより、導入流路１０に粒子が詰まり、導入流路１０の流れが遮断されることを抑制することができる。例えば、液体２０に粒径が１０００ｎｍ以下の様々な粒子が含まれている場合、導入流路１０は１０μｍ以上の大きさを有することができる。
導入流路１０の大きさとは、導入流路１０の流路断面が矩形である場合、流路断面の各辺の大きさであり、導入流路１０の流路断面が円形である場合、流路断面の直径である。
液体２０に含まれる粒子のうち最大径を有する粒子の粒径は、液体２０を注入口１８ａに注入する前に行うフィルタリング処理に用いるフィルターのろ過精度の粒子径とすることができる。例えば、液体２０を０．４５μｍフィルターでフィルタリング処理した場合、液体２０に含まれる粒子のうち最大径を有する粒子の粒径は、４５０ｎｍとすることができる。
導入流路１０では、全体として液体２０及び液体２０に含まれる粒子は液体２０の流れ方向に動いているが、粒子は三次元的な動きをする。例えば、図４（ａ）に示したように、導入流路１０では、粒子は上下左右前後方向に流れることが可能である。
導入流路１０は、注入口１８ａに供給された液体２０が毛管現象により導入流路１０を流れるように設けることができる。このことにより、ポンプなどを省略することができ、装置を簡素化することができる。例えば、捕捉対象粒子６を含む液体２０を注入口１８ａに滴下することにより、導入流路１０に液体２０を流すことができる。
導入流路１０は、ポンプを利用して捕捉対象粒子６を含む液体２０が導入流路１０を流れるように設けられてもよい。このことのより、導入流路１０に安定して液体２０を流すことができ、矩形流路４に安定して液体２０を供給することができる。また、導入流路１０にはポンプを利用して洗浄液を流すこともできる。また、導入流路１０、矩形流路４などの液体を除去する場合には、導入流路１０に空気などの気体を流すこともできる。
導入流路１０は、ポンプを利用して捕捉対象粒子６を含む液体２０が導入流路１０を流れるように設けられてもよい。このことのより、導入流路１０に安定して液体２０を流すことができ、矩形流路４に安定して液体２０を供給することができる。また、導入流路１０にはポンプを利用して洗浄液を流すこともできる。また、導入流路１０、矩形流路４などの液体を除去する場合には、導入流路１０に空気などの気体を流すこともできる。
注入口１８ａに注入する液体２０は、注入する前にフィルタリング処理を施されたものであってもよい。このことにより、導入流路１０に詰まるような大きな粒子を液体２０から除去することができ、導入流路１０が詰まることを抑制することができる。例えば、０．２２μｍフィルター、０．４５μｍフィルターなどのフィルターのろ液を注入口１８ａから導入流路１０に注入することができる。また、遠心分離処理により得られた上清を注入口１８ａから導入流路１０に注入することができる。
導入流路１０と扁平流路１２との間に細胞捕捉室１４を設けることができる。この細胞捕捉室１４に細胞２４を捕捉し、捕捉した細胞２４から細胞外小胞を分泌させることができる。この細胞外小胞を扁平流路１２及び矩形流路４に流入させることができ、粒子捕捉用開口５に細胞外小胞を捕捉することができる。例えば、細胞捕捉室１４に捕捉した細胞にサイトカインやホルモンなどによる刺激、力学的な刺激、光学的な刺激、化学的な刺激、放射線刺激などを与えた際に細胞から分泌される細胞外小胞を粒子捕捉用開口５に捕捉し、観察、解析を行うことができる。この場合、導入流路１０は、細胞捕捉室１４に捕捉する細胞２４よりも大きな流路断面を有する。また、細胞捕捉室１４に捕捉した細胞に刺激を与えない場合における細胞から分泌される細胞外小胞を粒子捕捉用開口５に捕捉し、観察、解析を行うこともできる。
細胞捕捉室１４は、例えば、図７に示した粒子捕捉装置２５のように設けることができる。
細胞捕捉室１４は、例えば、図７に示した粒子捕捉装置２５のように設けることができる。
粒子捕捉装置２５は、矩形流路４と導入流路１０との間に設けられた扁平流路１２を有することができる。扁平流路１２は、導入流路１０を流れた液体２０が扁平流路１２に流入し、扁平流路１２を流れた液体２０が矩形流路１２に流入するように設けることができる。扁平流路１２は、扁平な流路断面を有し、厚さＷ３が小さく、横幅の広い流路である。また、扁平流路１２の厚さＷ３は段階的に変化していてもよい。
液体２０が導入流路１０から扁平流路１２に流入する流入口は、扁平流路１２の流路断面と同様の形状を有することができる。
扁平流路１２は、例えば、図１、図２、図３（ａ）（ｂ）に示した粒子捕捉装置２５のように設けることができる。
液体２０が導入流路１０から扁平流路１２に流入する流入口は、扁平流路１２の流路断面と同様の形状を有することができる。
扁平流路１２は、例えば、図１、図２、図３（ａ）（ｂ）に示した粒子捕捉装置２５のように設けることができる。
扁平流路１２は、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１の１．０４倍以上２．３倍以下の厚さＷ３を有する。このため、捕捉対象粒子６は、導入流路１０から扁平流路１２に流入することができるが、扁平流路１２の厚さＷ３より大きな粒子は導入流路１０から扁平流路１２に流入することをできない。従って、扁平流路１２により液体２０中の粒子をフィルタリング処理することができる。また、扁平流路１２は扁平な流路断面を有するため、導入流路１０を流れてきた粒子の１つが扁平流路１２に詰まったとしても、扁平流路１２が閉塞されることはない。従って、扁平流路１２を設けることにより、導入流路１０から矩形流路４に向かう液体２０の流れが遮断されることを抑制することができる。
例えば、粒子捕捉装置２５により９０ｎｍ以上１１０ｎｍ以下の粒径範囲の粒子を捕捉したい場合、捕捉対象粒子６の平均粒径は１００ｎｍとなる。この場合、扁平流路１２の厚さＷ３は、１１０ｎｍ以上２２０ｎｍ以下とすることができる。また、粒子捕捉装置２５により９５０ｎｍ以上１０５０ｎｍ以下の粒径の粒子を捕捉したい場合、捕捉対象粒子６の平均粒径は１０００ｎｍとなる。この場合、扁平流路１２の厚さＷ３は、１１００ｎｍ以上２２００ｎｍ以下とすることができる。
例えば、粒子捕捉装置２５により９０ｎｍ以上１１０ｎｍ以下の粒径範囲の粒子を捕捉したい場合、捕捉対象粒子６の平均粒径は１００ｎｍとなる。この場合、扁平流路１２の厚さＷ３は、１１０ｎｍ以上２２０ｎｍ以下とすることができる。また、粒子捕捉装置２５により９５０ｎｍ以上１０５０ｎｍ以下の粒径の粒子を捕捉したい場合、捕捉対象粒子６の平均粒径は１０００ｎｍとなる。この場合、扁平流路１２の厚さＷ３は、１１００ｎｍ以上２２００ｎｍ以下とすることができる。
扁平流路１２の厚さＷ３は、矩形流路４の幅Ｗ１又はＷ２と同じ厚さもしくはＷ１又はＷ２より小さい厚さとすることができる。このことにより、矩形流路４を詰まらせるような大きな粒径を有する粒子が矩形流路４に流入することを防止することができ、矩形流路４が閉塞することを抑制することができる。また、扁平流路１２の厚さＷ３が段階的に変化し、扁平流路１２に複数の矩形流路４が接続している場合、扁平流路１２の厚さＷ３は、隣接する矩形流路４の幅Ｗ１又はＷ２と同じ厚さもしくはこのＷ１又はＷ２より小さい厚さとすることができる。
図１～３、図６（ａ）のように、粒子捕捉用開口５が矩形流路４の第１基板２側の内壁面８ａ（第１基板２の設けられた溝の底面）に設けられている場合、扁平流路１２の厚さは、矩形流路４の第１基板２側の内壁面８ａ（第１基板２の設けられた溝の底面）と矩形流路４の第２基板３側の内壁面８ｂとの間の幅と実質的に同じにすることができる。また、この場合、扁平流路１２の上面（第２基板３側の面）は、矩形流路４の第２基板３側の内壁面８ｂと実質的に一致するように設けることができ、扁平流路１２の下面（第１基板２側の面）は、矩形流路４の第１基板２側の内壁面８ａ（第１基板２の設けられた溝の底面）と実質的に一致するように設けることができる。
図５（ｂ）、図６（ｂ）～図６（ｆ）のように、粒子捕捉用開口５が矩形流路４の側面（内壁面８ａ、第１基板２の設けられた溝の側面）に設けられている場合、扁平流路１２の厚さは、矩形流路４の第１基板２側の内壁面８ｄ（第１基板２の設けられた溝の底面）と矩形流路４の第２基板３側の内壁面８ｃとの間の幅と実質的に同じにすることができる。また、この場合、扁平流路１２の上面（第２基板３側の面）は、矩形流路４の第２基板３側の内壁面８ｃと実質的に一致するように設けることができ、扁平流路１２の下面（第１基板２側の面）は、矩形流路４の第１基板２側の内壁面８ｄ（第１基板２の設けられた溝の底面）と実質的に一致するように設けることができる。
扁平流路１２では、扁平流路１２の上側内壁面（上面）及び下側内壁面（下面）により捕捉対象粒子６の動きが制限され、捕捉対象粒子６の流れは、二次元的な流れになる。例えば、扁平流路１２では図４（ｂ）に示したように捕捉対象粒子６が流れる。
また、粒子捕捉装置２５は、図８のように、複数の扁平流路１２を有することもできる。この場合、それぞれの扁平流路１２に矩形流路４が接続することができ、扁平流路１２の厚さＷ３は、接続した矩形流路４の幅Ｗ１又はＷ２と同じ厚さもしくはこのＷ１又はＷ２より小さい厚さとすることができる。
扁平流路１２では、扁平流路１２の上側内壁面（上面）及び下側内壁面（下面）により捕捉対象粒子６の動きが制限され、捕捉対象粒子６の流れは、二次元的な流れになる。例えば、扁平流路１２では図４（ｂ）に示したように捕捉対象粒子６が流れる。
また、粒子捕捉装置２５は、図８のように、複数の扁平流路１２を有することもできる。この場合、それぞれの扁平流路１２に矩形流路４が接続することができ、扁平流路１２の厚さＷ３は、接続した矩形流路４の幅Ｗ１又はＷ２と同じ厚さもしくはこのＷ１又はＷ２より小さい厚さとすることができる。
粒子捕捉装置２５は、矩形断面を有する矩形流路４を備える。また、矩形流路４は、扁平流路１２を流れた捕捉対象粒子６が液体２０と共に矩形流路４に流入するように設けることができる。矩形流路４は、正方形又は長方形の流路断面を有する。矩形流路４には、流路断面の角部が丸くなっているものも含まれる。また、矩形流路４は、内壁面８ａと内壁面８ｂとが対向し、内壁面８ｃと内壁面８ｄとが対向するように設けられる。
粒子捕捉装置２５は、複数の矩形流路４を備えることができる。このことにより、より多くの捕捉対象粒子６を捕捉することが可能になる。例えば、図１～３に示した粒子捕捉装置２５は、４本の矩形流路４を備える。
粒子捕捉装置２５は、複数の矩形流路４を備えることができる。このことにより、より多くの捕捉対象粒子６を捕捉することが可能になる。例えば、図１～３に示した粒子捕捉装置２５は、４本の矩形流路４を備える。
粒子捕捉装置２５は、矩形流路４の内壁面８ａに設けられた粒子捕捉用開口５を備える。このような粒子捕捉用開口５を設けることにより、矩形流路４を流れてきた捕捉対象粒子６が粒子捕捉用開口５に侵入することが可能になる。粒子捕捉用開口５は、ウェル型であってもよい。
粒子捕捉用開口５は、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１の１．０４倍以上３倍以下の大きさを有することができる。このことにより、矩形流路４を流れてきた捕捉対象粒子６が粒子捕捉用開口５の内部に侵入することができ、かつ、粒子捕捉用開口５に侵入した捕捉対象粒子６が粒子捕捉用開口５から脱離することを抑制することができる。従って、捕捉対象粒子６を粒子捕捉用開口５の内部に捕捉することができる。また、粒子捕捉用開口５は、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１の１．１倍以上２．２倍以下の大きさを有することもできる。
粒子捕捉用開口５の深さＤ１は、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１よりも大きくすることができる。また、粒子捕捉用開口５の深さＤ１は、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１の１倍以上２．２倍以下とすることができる。
例えば、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１が１００ｎｍである場合、粒子捕捉用開口５の大きさは１１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができ、粒子捕捉用開口５の深さＤ１は１００ｎｍ以上とすることができる。また、捕捉対象粒子６の平均粒径が１０００ｎｍである場合、粒子捕捉用開口５の大きさは１１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下とすることができ、粒子捕捉用開口５の深さＤ１は１０００ｎｍ以上とすることができる。
粒子捕捉用開口５が方形開口の場合、粒子捕捉用開口５の大きさは開口５の少なくとも１つの辺の長さＷ４又はＷ５である。粒子捕捉用開口５が円形開口の場合、粒子捕捉用開口５の大きさは開口５の直径又は長径Ｗ６である。また、開口５の幅Ｗ４、Ｗ５の両方が捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１の１．１倍以上３倍以下であってもよい。
粒子捕捉用開口５は、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１の１．０４倍以上３倍以下の大きさを有することができる。このことにより、矩形流路４を流れてきた捕捉対象粒子６が粒子捕捉用開口５の内部に侵入することができ、かつ、粒子捕捉用開口５に侵入した捕捉対象粒子６が粒子捕捉用開口５から脱離することを抑制することができる。従って、捕捉対象粒子６を粒子捕捉用開口５の内部に捕捉することができる。また、粒子捕捉用開口５は、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１の１．１倍以上２．２倍以下の大きさを有することもできる。
粒子捕捉用開口５の深さＤ１は、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１よりも大きくすることができる。また、粒子捕捉用開口５の深さＤ１は、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１の１倍以上２．２倍以下とすることができる。
例えば、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１が１００ｎｍである場合、粒子捕捉用開口５の大きさは１１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができ、粒子捕捉用開口５の深さＤ１は１００ｎｍ以上とすることができる。また、捕捉対象粒子６の平均粒径が１０００ｎｍである場合、粒子捕捉用開口５の大きさは１１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下とすることができ、粒子捕捉用開口５の深さＤ１は１０００ｎｍ以上とすることができる。
粒子捕捉用開口５が方形開口の場合、粒子捕捉用開口５の大きさは開口５の少なくとも１つの辺の長さＷ４又はＷ５である。粒子捕捉用開口５が円形開口の場合、粒子捕捉用開口５の大きさは開口５の直径又は長径Ｗ６である。また、開口５の幅Ｗ４、Ｗ５の両方が捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１の１．１倍以上３倍以下であってもよい。
矩形流路４の内壁面８ａと内壁面８ｂとの間の幅Ｗ１は、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１の１．０４倍以上２．３倍以下である。このことにより、矩形流路４を流れる捕捉対象粒子６が粒子捕捉用開口５に侵入する確率を高くすることができる。このことは、後述する実験により実証された。また、内壁面８ａと内壁面８ｂとの間の幅Ｗ１がこの範囲より大きくなると、矩形流路４を流れる捕捉対象粒子６が粒子捕捉用開口５に侵入する確率が低くなることがわかった。上記範囲において、侵入確率が高くなる理由は不明であるが、捕捉対象粒子６の粒径と、矩形流路４の幅とが近いために高くなると考えられる。
また、Ｗ１をこのような範囲とすることにより、捕捉対象粒子６の粒径範囲よりも小さい粒径を有する粒子が粒子捕捉用開口５に侵入する確率を小さくすることができる。
例えば、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１が１００ｎｍである場合、内壁面８ａと内壁面８ｂとの間の幅Ｗ１は、１１０ｎｍ以上２２０ｎｍ以下とすることができる。また、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１が１０００ｎｍである場合、内壁面８ａと内壁面８ｂとの間の幅Ｗ１は、１１００ｎｍ以上２２００ｎｍ以下とすることができる。
また、Ｗ１をこのような範囲とすることにより、捕捉対象粒子６の粒径範囲よりも小さい粒径を有する粒子が粒子捕捉用開口５に侵入する確率を小さくすることができる。
例えば、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１が１００ｎｍである場合、内壁面８ａと内壁面８ｂとの間の幅Ｗ１は、１１０ｎｍ以上２２０ｎｍ以下とすることができる。また、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１が１０００ｎｍである場合、内壁面８ａと内壁面８ｂとの間の幅Ｗ１は、１１００ｎｍ以上２２００ｎｍ以下とすることができる。
矩形流路４の内壁面８ｃと内壁面８ｄとの間の幅Ｗ２は、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１の１．０４倍以上５倍以下とすることができる。このことにより、捕捉対象粒子６を一列に並べて矩形流路４を流すことができ、捕捉対象粒子６が粒子捕捉用開口５に侵入する確率を高くすることができる。例えば、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１が１００ｎｍである場合、内壁面８ｃと内壁面８ｄとの間の幅Ｗ２は、１１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。また、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１が１０００ｎｍである場合、内壁面８ｃと内壁面８ｄとの間の幅Ｗ２は、１１００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下とすることができる。
以上のような幅となるように矩形流路４を設けることにより、例えば、図４（ｃ）のように、捕捉対象粒子６を一列に並べて液体２０と共に矩形流路４に流すことができる。矩形流路４を流れる捕捉対象粒子６は、例えば、図４（ｄ）のように、粒子捕捉用開口５に侵入し捕捉される。
複数の粒子捕捉用開口５が矩形流路４に沿って適当な間隔で設けられてもよい。このことにより、多数の捕捉対象粒子６を捕捉することが可能になる。また、１つの矩形流路４に設けられた隣接する２つの粒子捕捉用開口５の間隔が一定となるように複数の粒子捕捉用開口５を設けることができる。このことにより、開口５に捕捉した粒子６を配列することができ、捕捉した粒子６の観察、解析などが容易になる。例えば、図１～３に示した粒子捕捉装置２５では、１つの矩形流路４に１４個の粒子捕捉用開口５が設けられている。また、１つの矩形流路４に設けられる複数の粒子捕捉用開口５は、実質的に同じ大きさを有することができる。
粒子捕捉用開口５を設ける内壁面８ａは、第１基板２に設けた溝の底面であってもよく、第１基板２に設けた溝の側面であってもよい。粒子捕捉用開口５を第１基板２に設けた溝の底面に設ける場合、内壁面８ａと内壁面８ｂとの間の幅は、第１基板２に設けた溝の底面と、第２基板３側の内壁面との間の幅となる。粒子捕捉用開口５を第１基板２に設けた溝の側面に設ける場合、内壁面８ａと内壁面８ｂとの間の幅は、第１基板２に設けた溝の両側面の間の幅となる。
また、粒子捕捉用開口５は、方形の開口であってもよく円形の開口であってもよい。図１～３、図４（ｄ）に示した粒子捕捉装置２５では、開口５は第１基板２の溝の底面に設けた方形の開口である。図５（ａ）では、開口５は第１基板２の溝の底面に設けた円形の開口である。また、図５（ｂ）、図６（ｂ）では、開口５は第１基板２の溝の側面に設けた方形の開口である。
なお、流路幅がナノサイズ又はマイクロサイズになると重力よりも表面張力が大きくなるため、開口５を矩形流路４の側面に設けても粒子６は開口５に侵入する。
また、粒子捕捉用開口５は、方形の開口であってもよく円形の開口であってもよい。図１～３、図４（ｄ）に示した粒子捕捉装置２５では、開口５は第１基板２の溝の底面に設けた方形の開口である。図５（ａ）では、開口５は第１基板２の溝の底面に設けた円形の開口である。また、図５（ｂ）、図６（ｂ）では、開口５は第１基板２の溝の側面に設けた方形の開口である。
なお、流路幅がナノサイズ又はマイクロサイズになると重力よりも表面張力が大きくなるため、開口５を矩形流路４の側面に設けても粒子６は開口５に侵入する。
粒子捕捉用開口５は、１つの捕捉対象粒子６を捕捉するように設けられてもよい。この場合、粒子捕捉用開口５の深さＤ１は、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１の１倍以上１．５倍以下とすることができる。また、粒子捕捉用開口５は、複数の捕捉対象粒子６を捕捉するように設けられてもよい。この場合、粒子捕捉用開口５の深さＤ１は、捕捉対象粒子６の平均粒径Ｓ１の２倍以上とすることができる。例えば、図１～３に示した粒子捕捉装置２５では、粒子捕捉用開口５は、１つの捕捉対象粒子６を捕捉するように設けられている。また、図６（ａ）に示した粒子捕捉装置２５では、粒子捕捉用開口５は、２つの捕捉対象粒子６を捕捉するように設けられている。
粒子捕捉用開口５は、矩形流路４の複数の面に設けられてもよい。例えば、図６（ｃ）に示した粒子捕捉装置２５では、矩形流路４の対向する内壁面にそれぞれ粒子捕捉用開口５が設けられている。
粒子捕捉用開口５は、複数の矩形流路４から捕捉対象粒子６が侵入するように設けられてもよい。例えば、図６（ｄ）に示した粒子捕捉装置２５では、矩形流路４ａと矩形流路４ｂとを連通するように粒子捕捉用開口５が設けられており、粒子捕捉用開口５には、矩形流路４ａを流れる捕捉対象粒子６も、矩形流路４ｂを流れる捕捉対象粒子６も侵入することができる。
粒子捕捉用開口５は、複数の矩形流路４から捕捉対象粒子６が侵入するように設けられてもよい。例えば、図６（ｄ）に示した粒子捕捉装置２５では、矩形流路４ａと矩形流路４ｂとを連通するように粒子捕捉用開口５が設けられており、粒子捕捉用開口５には、矩形流路４ａを流れる捕捉対象粒子６も、矩形流路４ｂを流れる捕捉対象粒子６も侵入することができる。
粒子捕捉装置２５は、補助流路２１と、連通流路２２とを有することができる。補助流路２１は、矩形流路４と実質的に平行に延びる流路とすることができる。また、補助流路２１の端は、排出側流路１６に接続することができる。また、連通流路２２は、粒子捕捉用開口５と補助流路２１とを連通するように設けることができる。このことにより、矩形流路４を流れる液体２０が粒子捕捉用開口５に流入し、連通流路２２を流れて補助流路２１に流入し、さらに排出側流路１６に流入することができるため、捕捉対象粒子６が粒子捕捉用開口５に侵入しやすくなる。また、補助流路２１から粒子捕捉用開口５に向かって液体又は気体を流すことにより、粒子捕捉用開口５に捕捉した捕捉対象粒子６を回収することが可能になる。
連通流路２２は、捕捉対象粒子６が通過することができない流路断面を有することができる。例えば、連通流路２２は、捕捉対象粒子６の平均粒径よりも小さい幅を有することができる。このことにより、矩形流路４から粒子捕捉用開口５に侵入した粒子６が補助流路２１に流入することを防止することができ、粒子捕捉用開口５に粒子６を捕捉することができる。また、粒子捕捉用開口５に侵入した粒子で、捕捉対象粒子６よりも小さい粒子を補助流路２１に流すことができ、捕捉対象粒子６よりも小さい粒子が粒子捕捉用開口５に留まることを抑制することができる。従って、連通流路２２を利用してフィルタリング処理を行うことができる。
例えば、図６（ｅ）に示した粒子捕捉装置２５では、粒子捕捉用開口５の底面と補助流路２１とを繋ぐ連通流路２２が設けられている。
連通流路２２は、捕捉対象粒子６が通過することができない流路断面を有することができる。例えば、連通流路２２は、捕捉対象粒子６の平均粒径よりも小さい幅を有することができる。このことにより、矩形流路４から粒子捕捉用開口５に侵入した粒子６が補助流路２１に流入することを防止することができ、粒子捕捉用開口５に粒子６を捕捉することができる。また、粒子捕捉用開口５に侵入した粒子で、捕捉対象粒子６よりも小さい粒子を補助流路２１に流すことができ、捕捉対象粒子６よりも小さい粒子が粒子捕捉用開口５に留まることを抑制することができる。従って、連通流路２２を利用してフィルタリング処理を行うことができる。
例えば、図６（ｅ）に示した粒子捕捉装置２５では、粒子捕捉用開口５の底面と補助流路２１とを繋ぐ連通流路２２が設けられている。
矩形流路４の内壁面８ｂは、内壁面８ａと内壁面８ｂとの間の幅が変化するように設けられてもよい。この場合、幅Ｗ１は、粒子捕捉用開口５を設けた部分における内壁面８ａと内壁面８ｂとの間の幅とすることができる。また、矩形流路４の内壁面８ｂは、粒子捕捉用開口５を設けた部分において内壁面８ａと内壁面８ｂとの間の幅が狭くなり、隣接する２つの粒子捕捉用開口５の間において内壁面８ａと内壁面８ｂとの間の幅が広くなるように設けることができる。このことにより、矩形流路４を流れる捕捉対象粒子６及び液体に、捕捉対象粒子６が粒子捕捉用開口５に入りやすくなるような流れを形成することができる。
例えば図６（ｆ）に示した粒子捕捉装置２５のように、矩形流路４を設けることができる。
例えば図６（ｆ）に示した粒子捕捉装置２５のように、矩形流路４を設けることができる。
粒子捕捉装置２５には、第１捕捉対象粒子６を捕捉対象とする第１矩形流路４と、第２捕捉対象粒子６を捕捉対象とする第２矩形流路４とを設けることができる。また、粒子捕捉装置２５には、捕捉対象粒子６の異なる複数の矩形流路４を設けることができる。また、各矩形流路４は、対応する捕捉対象粒子６に応じた幅Ｗ１、Ｗ２を有することができる。また、各矩形流路４に設ける粒子捕捉用開口５は、対応する捕捉対象粒子６に応じた大きさを有することができる。また、各矩形流路４に対応した扁平流路１２を設けることができる。各扁平流路１２は、対応する捕捉対象粒子６に応じた厚さＷ３を有することができる。
このように粒子捕捉装置２５を設けることにより、導入流路１０に流す液体２０に含まれる様々な粒径の粒子６を、各粒径範囲に分けて各矩形流路４の粒子捕捉用開口５に捕捉することができる。
このように粒子捕捉装置２５を設けることにより、導入流路１０に流す液体２０に含まれる様々な粒径の粒子６を、各粒径範囲に分けて各矩形流路４の粒子捕捉用開口５に捕捉することができる。
例えば、図８、図９に示した粒子捕捉装置２５では、４つの捕捉対象粒子６ａ～６ｄを有している。捕捉対象粒子６ａ～６ｄは、それぞれ異なる粒径範囲を有する。
図８、図９に示した粒子捕捉装置２５に含まれる扁平流路１２ａ、矩形流路４ａ及び粒子捕捉用開口５ａは、捕捉対象粒子６ａに対応した幅や大きさを有している。扁平流路１２ｂ、矩形流路４ｂ及び粒子捕捉用開口５ｂは、捕捉対象粒子６ｂに対応した幅や大きさを有している。扁平流路１２ｃ、矩形流路４ｃ及び粒子捕捉用開口５ｃは、捕捉対象粒子６ｃに対応した幅又は大きさを有している。扁平流路１２ｄ、矩形流路４ｄ及び粒子捕捉用開口５ｄは、捕捉対象粒子６ｄに対応した幅又は大きさを有している。図８、９では、それぞれの矩形流路４に対応する扁平流路１２を設けているが、扁平流路１２を１つにして、それぞれの矩形流路４に対応するように扁平流路１２の厚さが段階的に変化するように扁平流路１２を設けてもよい。
図８、図９に示した粒子捕捉装置２５に含まれる扁平流路１２ａ、矩形流路４ａ及び粒子捕捉用開口５ａは、捕捉対象粒子６ａに対応した幅や大きさを有している。扁平流路１２ｂ、矩形流路４ｂ及び粒子捕捉用開口５ｂは、捕捉対象粒子６ｂに対応した幅や大きさを有している。扁平流路１２ｃ、矩形流路４ｃ及び粒子捕捉用開口５ｃは、捕捉対象粒子６ｃに対応した幅又は大きさを有している。扁平流路１２ｄ、矩形流路４ｄ及び粒子捕捉用開口５ｄは、捕捉対象粒子６ｄに対応した幅又は大きさを有している。図８、９では、それぞれの矩形流路４に対応する扁平流路１２を設けているが、扁平流路１２を１つにして、それぞれの矩形流路４に対応するように扁平流路１２の厚さが段階的に変化するように扁平流路１２を設けてもよい。
粒子捕捉装置２５は、排出側流路１６を有することができる。排出側流路１６は、矩形流路４を流れた後の液体２０を排出するための流路である。また、排出側流路１６は、粒子捕捉用開口５に粒子６を捕捉した後の矩形流路４に液体を流すために使用することができる。また、矩形流路４内の液体を除去する場合には、排出側流路１６に空気などの気体を流すことができる。
排出側流路１６は、注入口１８ｂから流入した液体が排出側流路１６を流れ排出口１９ｂから排出されるように設けることができる。また、排出側流路１６は、矩形流路４を流れた後の液体２０が排出側流路１６に流入するように設けることができる。
排出側流路１６は、第１基板２に設けられてもよく、第２基板３に設けられてもよいが、第２基板３に設けられることが好ましい。例えば、排出側流路１６は、図１、図２、図３（ａ）に示した粒子捕捉装置２５のように設けることができる。
排出側流路１６は、注入口１８ｂから流入した液体が排出側流路１６を流れ排出口１９ｂから排出されるように設けることができる。また、排出側流路１６は、矩形流路４を流れた後の液体２０が排出側流路１６に流入するように設けることができる。
排出側流路１６は、第１基板２に設けられてもよく、第２基板３に設けられてもよいが、第２基板３に設けられることが好ましい。例えば、排出側流路１６は、図１、図２、図３（ａ）に示した粒子捕捉装置２５のように設けることができる。
導入流路１０から矩形流路４に粒子６を含む液体２０を供給すると、粒子６の一部が粒子捕捉用開口５に捕捉され、残りの粒子６及び液体２０は、排出側流路１６に流入する。この際、排出側流路１６には何も流していない。導入流路１０から矩形流路４への液体２０の供給がなくなると、矩形流路４の流れなくなる。この後に、注入口１８ｂから排出側流路１６に洗浄用液体を供給し、洗浄用液体を排出側流路１６に流し、排出口１９ｂから排出する。このことにより、排出側流路１６に流入した粒子６及び液体２０を粒子捕捉装置２５から排出することができる。また、排出側流路１６を流れる洗浄用液体の一部が矩形流路４、扁平流路１２を流れ、導入流路１０に流入する。このことにより、矩形流路４及び扁平流路１２に残った粒子６及び液体２０を導入流路１０に排出することができる。この際、粒子捕捉用開口５に捕捉された捕捉対象粒子６は、液体２０と共に排出されない。また、粒子捕捉用開口５に捕捉対象粒子６よりも小さい粒径の粒子が侵入している場合、この粒子を洗浄用液体と共に導入流路１０に排出することができる。また、導入流路１０にも洗浄用液体を流すことにより、導入流路１０に残った粒子及び液体２０を粒子捕捉装置２５から排出することができる。
このようにして、導入流路１０に供給した粒子６を含む液体２０から、捕捉対象粒子６を分離して粒子捕捉用開口５に捕捉することができる。
なお、ここでは、洗浄用液体を排出側流路１６から導入流路１０に向かって矩形流路４を流したが、洗浄用液体は、導入流路１０から排出側流路１６に向かって矩形流路４を流してもよい。
このようにして、導入流路１０に供給した粒子６を含む液体２０から、捕捉対象粒子６を分離して粒子捕捉用開口５に捕捉することができる。
なお、ここでは、洗浄用液体を排出側流路１６から導入流路１０に向かって矩形流路４を流したが、洗浄用液体は、導入流路１０から排出側流路１６に向かって矩形流路４を流してもよい。
次に、粒子捕捉用開口５に捕捉した捕捉対象粒子６の観察、解析方法について説明する。ここでは、エクソソーム（捕捉対象粒子６）の脂質二重膜に存在する特定のタンパク質の解析について説明する。
まず、上記の方法のように、粒子捕捉用開口５にエクソソームを捕捉する。次に、矩形流路４に一次抗体を含む液体を流し、エクソソームの特定のタンパク質（抗原）に一次抗体を特異的に結合させる。次に、矩形流路４に洗浄用液体を流し、余分な一次抗体を除去した後、蛍光色素を結合させた二次抗体を含む液体を矩形流路４に流し、一次抗体に二次抗体を特異的に結合させる。次に、矩形流路４に洗浄用液体を流し、余分な二次抗体を除去する。
このようにして、蛍光色素を結合させたエクソソームを蛍光顕微鏡で観察することにより、エクソソームの脂質二重膜に存在する特定のタンパク質を解析することができる。
ここでは、脂質二重膜のタンパク質の解析について説明したが、脂質二重膜の内部のタンパク質やＲＮＡ、及び脂質などを解析することも可能である。
また、粒子捕捉装置２５を用いると、エクソソームを１個ずつ解析することが可能である。粒子捕捉装置２５を用いると、１つの細胞が分泌したエクソソームを網羅的に解析することも可能である。
まず、上記の方法のように、粒子捕捉用開口５にエクソソームを捕捉する。次に、矩形流路４に一次抗体を含む液体を流し、エクソソームの特定のタンパク質（抗原）に一次抗体を特異的に結合させる。次に、矩形流路４に洗浄用液体を流し、余分な一次抗体を除去した後、蛍光色素を結合させた二次抗体を含む液体を矩形流路４に流し、一次抗体に二次抗体を特異的に結合させる。次に、矩形流路４に洗浄用液体を流し、余分な二次抗体を除去する。
このようにして、蛍光色素を結合させたエクソソームを蛍光顕微鏡で観察することにより、エクソソームの脂質二重膜に存在する特定のタンパク質を解析することができる。
ここでは、脂質二重膜のタンパク質の解析について説明したが、脂質二重膜の内部のタンパク質やＲＮＡ、及び脂質などを解析することも可能である。
また、粒子捕捉装置２５を用いると、エクソソームを１個ずつ解析することが可能である。粒子捕捉装置２５を用いると、１つの細胞が分泌したエクソソームを網羅的に解析することも可能である。
他の捕捉対象粒子６の解析方法としては次のような方法がある。矩形流路４に捕捉対象粒子６を含む液体を流し、粒子捕捉用開口５に捕捉対象粒子６を捕捉する。その後、矩形流路４に水又は緩衝溶液を流し矩形流路４の捕捉対象粒子６などを除去する。そして、矩形流路４に捕捉対象粒子６を溶解させる性質を有する液体を流し、粒子捕捉用開口５に捕捉した捕捉対象粒子６を液体に溶解させ、捕捉対象粒子６が溶解した溶液を得る。そして得られた溶液を分析することにより、捕捉対象粒子６についての情報を得ることができる。
他の捕捉対象粒子６の解析方法としては次のような方法がある。図６（ｅ）に示したような粒子捕捉装置２５の矩形流路４に捕捉対象粒子６を含む液体を流し、粒子捕捉用開口５に捕捉対象粒子６を捕捉する。この際、矩形流路４に流した液体が粒子捕捉用開口５及び連通流路２２を通って補助流路２１に流入するように液体を流す。その後、矩形流路４に水又は緩衝溶液を流し、矩形流路４の捕捉対象粒子６などを除去する。そして、補助流路２１に流した水又は緩衝溶液が連通流路２２及び粒子捕捉用開口５を通って矩形流路４に流入するように水又は緩衝溶液を流すことにより、捕捉対象粒子６を水又は緩衝溶液と共に粒子捕捉用開口５から矩形流路４に取り出すことができ、捕捉対象粒子６を含む水又は緩衝溶液を得ることができる。そしてこの捕捉対象粒子６を含む水又は緩衝溶液を分析することにより、捕捉対象粒子６についての情報を得ることができる。
他の捕捉対象粒子６の解析方法としては次のような方法がある。図１～３、図６（ａ）～（ｃ）のようなウェル型の粒子捕捉用開口５を有する粒子捕捉装置２５の矩形流路４に捕捉対象粒子６を含む液体を流し、粒子捕捉用開口５に捕捉対象粒子６を捕捉する。その後、矩形流路４に水又は緩衝溶液を流し、矩形流路４の捕捉対象粒子６などを除去する。そして、捕捉対象粒子６の運動を促進する液体を矩形流路４に流し粒子捕捉用開口５から捕捉対象粒子６を矩形流路４に取り出し捕捉対象粒子６を含む液体を得る。捕捉対象粒子６の運動を促進する液体は、捕捉対象粒子６と粒子捕捉用開口の内壁との間の静電的な相互作用に影響を与える液体（例えば1M ＫＣｌ水溶液など）である。そして得られた捕捉対象粒子６を含む溶液を分析することにより、捕捉対象粒子６についての情報を得ることができる。
粒子捕捉装置作製実験
図１～３に示したような粒子捕捉装置(1)を作製した。第１基板及び第２基板には石英ガラス板を用いた。
第１基板の表面上にレジストを塗布した後、電子ビームによりレジストの一部を除去しレジストにパターンを形成した。その後、レジストをマスクとしてエッチングを行い第１基板の一部を除去し溝を形成した。このようなエッチング処理を数回繰り返し、第１基板に扁平流路、矩形流路、粒子捕捉用開口などとなる溝を形成した。また、フォトリソグラフィとエッチング技術により、第２基板に導入流路及び排出側流路となる溝を形成した。その後、洗浄した第１基板及び第２基板を接触させて真空炉内に入れ、１０６０℃で熱処理することにより第１基板と第２基板とを融着させた。このようにして、第１基板と第２基板との間に導入流路、扁平流路、矩形流路、粒子捕捉用開口、排出流路などが形成された粒子捕捉装置(1)を製造した。
図１～３に示したような粒子捕捉装置(1)を作製した。第１基板及び第２基板には石英ガラス板を用いた。
第１基板の表面上にレジストを塗布した後、電子ビームによりレジストの一部を除去しレジストにパターンを形成した。その後、レジストをマスクとしてエッチングを行い第１基板の一部を除去し溝を形成した。このようなエッチング処理を数回繰り返し、第１基板に扁平流路、矩形流路、粒子捕捉用開口などとなる溝を形成した。また、フォトリソグラフィとエッチング技術により、第２基板に導入流路及び排出側流路となる溝を形成した。その後、洗浄した第１基板及び第２基板を接触させて真空炉内に入れ、１０６０℃で熱処理することにより第１基板と第２基板とを融着させた。このようにして、第１基板と第２基板との間に導入流路、扁平流路、矩形流路、粒子捕捉用開口、排出流路などが形成された粒子捕捉装置(1)を製造した。
図１０は、作製した粒子捕捉装置(1)の写真及びＳＥＭ画像である。また、図１１（ａ）は、粒子捕捉装置(1)の作製に用いた矩形流路及び粒子捕捉用開口を形成した第１基板のＳＥＭ画像である。粒子捕捉装置(1)では、粒子捕捉用開口を第１基板に設けた溝の底面に形成した。
扁平流路の厚さＷ３及び矩形流路（ナノ流路）の幅Ｗ１は、５００ｎｍとし、矩形流路の幅Ｗ２は８００ｎｍとした。また、粒子捕捉用開口（ナノウェル）の大きさＷ４、Ｗ５は５００ｎｍとし、粒子捕捉用開口の深さＤ１は３３０ｎｍとした。また、矩形流路は、５０本形成し、１本の矩形流路につき１６０個の粒子捕捉用開口を形成した。
図１１（ｂ）、図１２（ａ）～（ｆ）、図１３、図１４は、第１基板に設けた溝（矩形流路）の側面に粒子捕捉用開口を形成した第１基板のＳＥＭ画像である。図１１（ｂ）、図１２（ａ）～（ｆ）、図１３、図１４のＳＥＭ画像のような第１基板を備えた粒子捕捉装置もそれぞれ作製した。これらの粒子捕捉装置は、粒子捕捉装置(1)と同様の方法で製造した。
扁平流路の厚さＷ３及び矩形流路（ナノ流路）の幅Ｗ１は、５００ｎｍとし、矩形流路の幅Ｗ２は８００ｎｍとした。また、粒子捕捉用開口（ナノウェル）の大きさＷ４、Ｗ５は５００ｎｍとし、粒子捕捉用開口の深さＤ１は３３０ｎｍとした。また、矩形流路は、５０本形成し、１本の矩形流路につき１６０個の粒子捕捉用開口を形成した。
図１１（ｂ）、図１２（ａ）～（ｆ）、図１３、図１４は、第１基板に設けた溝（矩形流路）の側面に粒子捕捉用開口を形成した第１基板のＳＥＭ画像である。図１１（ｂ）、図１２（ａ）～（ｆ）、図１３、図１４のＳＥＭ画像のような第１基板を備えた粒子捕捉装置もそれぞれ作製した。これらの粒子捕捉装置は、粒子捕捉装置(1)と同様の方法で製造した。
図１１（ｂ）、図１２（ａ）、図１４のＳＥＭ画像のような第１基板を備えた粒子捕捉装置は、図６（ａ）の粒子捕捉装置２５のように矩形流路の一方の側面に粒子捕捉用開口を設けている。図１２（ｂ）～（ｅ）のＳＥＭ画像のような第１基板を備えた粒子捕捉装置は、図６（ｃ）の粒子捕捉装置２５のように、矩形流路の両側面に粒子捕捉用開口を設けている。図１２（ｆ）のＳＥＭ画像のような第１基板を備えた粒子捕捉装置は、図６（ｆ）の粒子捕捉装置２５のように、矩形流路の幅が変化するように矩形流路を形成している。
図１３のＳＥＭ画像のような第１基板を備えた粒子捕捉装置は、図６（ｅ）の粒子捕捉装置２５のように、補助流路と連通流路を備えている。この粒子捕捉装置では、長さ４００μｍ、幅９６０ｎｍ、深さ３５０ｎｍの矩形流路を１０μｍ間隔で３６本形成している。また、各矩形流路と平行に、幅５１０ｎｍ、深さ３５０ｎｍの補助流路を３６本形成している。各矩形流路には、６８０ｎｍ×６８０ｎｍの粒子捕捉用開口を５μｍ間隔で１１０個形成している。また粒子捕捉用開口と補助流路とを繋ぐ幅３５０ｎｍの連通流路（ネック構造）を形成している。
また、図１４のＳＥＭ画像のような第１基板を備えた粒子捕捉装置(2)をエクソソーム捕捉実験で用いた。
図１３のＳＥＭ画像のような第１基板を備えた粒子捕捉装置は、図６（ｅ）の粒子捕捉装置２５のように、補助流路と連通流路を備えている。この粒子捕捉装置では、長さ４００μｍ、幅９６０ｎｍ、深さ３５０ｎｍの矩形流路を１０μｍ間隔で３６本形成している。また、各矩形流路と平行に、幅５１０ｎｍ、深さ３５０ｎｍの補助流路を３６本形成している。各矩形流路には、６８０ｎｍ×６８０ｎｍの粒子捕捉用開口を５μｍ間隔で１１０個形成している。また粒子捕捉用開口と補助流路とを繋ぐ幅３５０ｎｍの連通流路（ネック構造）を形成している。
また、図１４のＳＥＭ画像のような第１基板を備えた粒子捕捉装置(2)をエクソソーム捕捉実験で用いた。
ナノ粒子捕捉実験
作製した粒子捕捉装置(1)の導入流路の注入口に、平均粒径が２５０ｎｍの蛍光ポリスチレン粒子（以下、ＰＳ粒子という）を含む水（濃度：６．０×１０9個／ｍｌ）を滴下し、毛管現象により導入流路、扁平流路、矩形流路にＰＳ粒子及び水を流した。その後、矩形流路に水を流し、矩形流路に残ったＰＳ粒子を粒子捕捉装置から排出した。その後、粒子捕捉用開口に捕捉されたＰＳ粒子を蛍光顕微鏡により観察した。図１５は、観察された蛍光顕微鏡像であり、白い点が粒子捕捉用開口に捕捉されたＰＳ粒子である。図１５からわかるように、ＰＳ粒子を含む水を矩形流路に流すことにより、ＰＳ粒子を粒子捕捉用開口に捕捉できることがわかった。
作製した粒子捕捉装置(1)の導入流路の注入口に、平均粒径が２５０ｎｍの蛍光ポリスチレン粒子（以下、ＰＳ粒子という）を含む水（濃度：６．０×１０9個／ｍｌ）を滴下し、毛管現象により導入流路、扁平流路、矩形流路にＰＳ粒子及び水を流した。その後、矩形流路に水を流し、矩形流路に残ったＰＳ粒子を粒子捕捉装置から排出した。その後、粒子捕捉用開口に捕捉されたＰＳ粒子を蛍光顕微鏡により観察した。図１５は、観察された蛍光顕微鏡像であり、白い点が粒子捕捉用開口に捕捉されたＰＳ粒子である。図１５からわかるように、ＰＳ粒子を含む水を矩形流路に流すことにより、ＰＳ粒子を粒子捕捉用開口に捕捉できることがわかった。
捕捉したナノ粒子の時間安定性及び温度安定性の評価
作製した粒子捕捉装置(1)の矩形流路に水を流し続け、粒子捕捉用開口に捕捉したＰＳ粒子が粒子捕捉用開口から脱離するか否かを調べた。具体的には、矩形流路に２４時間水を流し続けた後、粒子捕捉用開口に捕捉されたＰＳ粒子を蛍光顕微鏡により観察した。図１６の上の写真は、水を流す前の粒子捕捉用開口に捕捉されたＰＳ粒子の蛍光顕微鏡像であり、図１６の下の写真は２４時間水を流し続けた後の粒子捕捉用開口に捕捉されたＰＳ粒子の蛍光顕微鏡像である。この結果から、矩形流路に２４時間水を流し続けてもＰＳ粒子は、粒子捕捉用開口から脱離することはないことがわかった。また、水が流れなくても、ＰＳ粒子は、粒子捕捉用開口から脱離することはないことも他の実験でわかった。
また、粒子捕捉用開口に捕捉したＰＳ粒子の温度安定性の評価も行った。粒子捕捉装置を１００℃まで昇温してもＰＳ粒子が粒子捕捉用開口から脱離することはなかった。
これは、ＰＳ粒子が一旦粒子捕捉用開口の内部に捕捉されると、ＰＳ粒子と粒子捕捉用開口（ナノウェル）の壁面との相互作用により、ＰＳ粒子のブラウン運動が抑制され、ＰＳ粒子が粒子捕捉用開口の内部に制限されるためと考えられる。
これらの結果から、複数のナノ粒子を１粒子精度で長時間安定的にアレイ化することができることがわかった。
作製した粒子捕捉装置(1)の矩形流路に水を流し続け、粒子捕捉用開口に捕捉したＰＳ粒子が粒子捕捉用開口から脱離するか否かを調べた。具体的には、矩形流路に２４時間水を流し続けた後、粒子捕捉用開口に捕捉されたＰＳ粒子を蛍光顕微鏡により観察した。図１６の上の写真は、水を流す前の粒子捕捉用開口に捕捉されたＰＳ粒子の蛍光顕微鏡像であり、図１６の下の写真は２４時間水を流し続けた後の粒子捕捉用開口に捕捉されたＰＳ粒子の蛍光顕微鏡像である。この結果から、矩形流路に２４時間水を流し続けてもＰＳ粒子は、粒子捕捉用開口から脱離することはないことがわかった。また、水が流れなくても、ＰＳ粒子は、粒子捕捉用開口から脱離することはないことも他の実験でわかった。
また、粒子捕捉用開口に捕捉したＰＳ粒子の温度安定性の評価も行った。粒子捕捉装置を１００℃まで昇温してもＰＳ粒子が粒子捕捉用開口から脱離することはなかった。
これは、ＰＳ粒子が一旦粒子捕捉用開口の内部に捕捉されると、ＰＳ粒子と粒子捕捉用開口（ナノウェル）の壁面との相互作用により、ＰＳ粒子のブラウン運動が抑制され、ＰＳ粒子が粒子捕捉用開口の内部に制限されるためと考えられる。
これらの結果から、複数のナノ粒子を１粒子精度で長時間安定的にアレイ化することができることがわかった。
混合ナノ粒子の捕捉実験
平均粒径が２５０ｎｍの赤色蛍光ポリスチレン粒子（以下、赤色ＰＳ粒子という）と、平均粒径が２５０ｎｍの緑色蛍光ポリスチレン粒子（以下緑色ＰＳ粒子という）との混合比率が赤色ＰＳ粒子：緑色ＰＳ粒子＝１：１、赤色ＰＳ粒子：緑色ＰＳ粒子＝１：５又は赤色ＰＳ粒子：緑色ＰＳ粒子＝１：１０として、赤色ＰＳ粒子と緑色ＰＳ粒子とを粒子捕捉用開口に捕捉する実験をそれぞれ行った。具体的には、作製した粒子捕捉装置(1)の導入流路の注入口に、上記の混合比率で赤色ＰＳ粒子と緑色ＰＳ粒子を含む水（濃度：６．０×１０9個／ｍｌ）を滴下し、毛管現象により導入流路、扁平流路、矩形流路に赤色ＰＳ粒子、緑色ＰＳ粒子及び水を流した。その後、矩形流路に水を流し、矩形流路に残ったＰＳ粒子を粒子捕捉装置から排出した。その後、粒子捕捉用開口に捕捉された赤色ＰＳ粒子及び緑色ＰＳ粒子を蛍光顕微鏡により観察し、検出された赤色ＰＳ粒子と緑色ＰＳ粒子の割合を算出した。算出された割合を図１７に示す。この結果から、粒子捕捉装置に注入した水に含まれる赤色ＰＳ粒子と緑色ＰＳ粒子との混合比と、検出された赤色ＰＳ粒子と緑色ＰＳ粒子との割合がほぼ同じであることがわかった。従って、作製した粒子捕捉装置により、液体に含まれるナノ粒子の混合比を簡単に同定できることがわかった。
平均粒径が２５０ｎｍの赤色蛍光ポリスチレン粒子（以下、赤色ＰＳ粒子という）と、平均粒径が２５０ｎｍの緑色蛍光ポリスチレン粒子（以下緑色ＰＳ粒子という）との混合比率が赤色ＰＳ粒子：緑色ＰＳ粒子＝１：１、赤色ＰＳ粒子：緑色ＰＳ粒子＝１：５又は赤色ＰＳ粒子：緑色ＰＳ粒子＝１：１０として、赤色ＰＳ粒子と緑色ＰＳ粒子とを粒子捕捉用開口に捕捉する実験をそれぞれ行った。具体的には、作製した粒子捕捉装置(1)の導入流路の注入口に、上記の混合比率で赤色ＰＳ粒子と緑色ＰＳ粒子を含む水（濃度：６．０×１０9個／ｍｌ）を滴下し、毛管現象により導入流路、扁平流路、矩形流路に赤色ＰＳ粒子、緑色ＰＳ粒子及び水を流した。その後、矩形流路に水を流し、矩形流路に残ったＰＳ粒子を粒子捕捉装置から排出した。その後、粒子捕捉用開口に捕捉された赤色ＰＳ粒子及び緑色ＰＳ粒子を蛍光顕微鏡により観察し、検出された赤色ＰＳ粒子と緑色ＰＳ粒子の割合を算出した。算出された割合を図１７に示す。この結果から、粒子捕捉装置に注入した水に含まれる赤色ＰＳ粒子と緑色ＰＳ粒子との混合比と、検出された赤色ＰＳ粒子と緑色ＰＳ粒子との割合がほぼ同じであることがわかった。従って、作製した粒子捕捉装置により、液体に含まれるナノ粒子の混合比を簡単に同定できることがわかった。
ナノ粒子のトラップ率の測定
矩形流路の幅Ｗ１及び扁平流路の厚さＷ３を変化させた７つの粒子捕捉装置を作製して、ＰＳ粒子のトラップ率へのＷ１、Ｗ３の影響を調べた。作製した７つの粒子捕捉装置では、図１１（ｂ）、図１２（ａ）、図１４に示した第１基板のように、第１基板の溝の一方の側面に複数の粒子捕捉用開口を設けた。また、作製した７つの粒子捕捉装置では、Ｗ２とＷ３は同じであり、Ｗ１は、それぞれ２６０ｎｍ、３８０ｎｍ、４７０ｎｍ、５８０ｎｍ、６８０ｎｍ、８００ｎｍ、９００ｎｍとした。その他の構成や製造方法は、上述の粒子捕捉装置作製実験と同じである。これらの粒子捕捉装置の矩形流路に平均粒径が２５０ｎｍの蛍光ポリスチレン粒子（ＰＳ粒子）を含む水を流した後、粒子捕捉用開口に捕捉されたＰＳ粒子を蛍光顕微鏡で観察した。そして、トラップ率＝（検出されたＰＳ粒子の数）／（粒子捕捉装置に含まれる粒子捕捉用開口の数）を算出した。算出したトラップ率を図１８に示す。
矩形流路の幅Ｗ１を５８０ｎｍ（ＰＳ粒子の粒径の２．３２倍）以上にすると、粒子捕捉用開口にＰＳ粒子は捕捉されないことがわかった。また、矩形流路の幅Ｗ１を２６０ｎｍ（ＰＳ粒子の粒径の１．０４倍）としても、粒子捕捉用開口にＰＳ粒子を捕捉できることがわかった。また、矩形流路の幅Ｗ１を３８０ｎｍ（ＰＳ粒子の粒径の１．５２倍）とすると、ＰＳ粒子のトラップ率が最も高いことがわかった。
このように、矩形流路の幅Ｗ１を変えると、トラップ率が大きく変わることがわかった。Ｗ１が小さくなると、ＰＳ粒子が矩形流路の内壁に沿って流れるため、ＰＳ粒子が粒子捕捉用開口に入りやすくなりトラップ率が大きくなると考えられる。また、Ｗ１が小さいとＰＳ粒子が電荷を帯び、静電相互作用によりＰＳ粒子が粒子捕捉用開口に入りやすくなることも考えられる。また、Ｗ１が小さすぎると、ＰＳ粒子が矩形流路を流れにくくなり流路抵抗が大きくなるため、トラップ率が低下すると考えられる。また、Ｗ１が大きすぎると、ＰＳ粒子が矩形流路を流れやすくなり流路抵抗が低下するため、ＰＳ粒子が粒子捕捉用開口に侵入しなくなると考えられる。
矩形流路の幅Ｗ１及び扁平流路の厚さＷ３を変化させた７つの粒子捕捉装置を作製して、ＰＳ粒子のトラップ率へのＷ１、Ｗ３の影響を調べた。作製した７つの粒子捕捉装置では、図１１（ｂ）、図１２（ａ）、図１４に示した第１基板のように、第１基板の溝の一方の側面に複数の粒子捕捉用開口を設けた。また、作製した７つの粒子捕捉装置では、Ｗ２とＷ３は同じであり、Ｗ１は、それぞれ２６０ｎｍ、３８０ｎｍ、４７０ｎｍ、５８０ｎｍ、６８０ｎｍ、８００ｎｍ、９００ｎｍとした。その他の構成や製造方法は、上述の粒子捕捉装置作製実験と同じである。これらの粒子捕捉装置の矩形流路に平均粒径が２５０ｎｍの蛍光ポリスチレン粒子（ＰＳ粒子）を含む水を流した後、粒子捕捉用開口に捕捉されたＰＳ粒子を蛍光顕微鏡で観察した。そして、トラップ率＝（検出されたＰＳ粒子の数）／（粒子捕捉装置に含まれる粒子捕捉用開口の数）を算出した。算出したトラップ率を図１８に示す。
矩形流路の幅Ｗ１を５８０ｎｍ（ＰＳ粒子の粒径の２．３２倍）以上にすると、粒子捕捉用開口にＰＳ粒子は捕捉されないことがわかった。また、矩形流路の幅Ｗ１を２６０ｎｍ（ＰＳ粒子の粒径の１．０４倍）としても、粒子捕捉用開口にＰＳ粒子を捕捉できることがわかった。また、矩形流路の幅Ｗ１を３８０ｎｍ（ＰＳ粒子の粒径の１．５２倍）とすると、ＰＳ粒子のトラップ率が最も高いことがわかった。
このように、矩形流路の幅Ｗ１を変えると、トラップ率が大きく変わることがわかった。Ｗ１が小さくなると、ＰＳ粒子が矩形流路の内壁に沿って流れるため、ＰＳ粒子が粒子捕捉用開口に入りやすくなりトラップ率が大きくなると考えられる。また、Ｗ１が小さいとＰＳ粒子が電荷を帯び、静電相互作用によりＰＳ粒子が粒子捕捉用開口に入りやすくなることも考えられる。また、Ｗ１が小さすぎると、ＰＳ粒子が矩形流路を流れにくくなり流路抵抗が大きくなるため、トラップ率が低下すると考えられる。また、Ｗ１が大きすぎると、ＰＳ粒子が矩形流路を流れやすくなり流路抵抗が低下するため、ＰＳ粒子が粒子捕捉用開口に侵入しなくなると考えられる。
エクソソーム捕捉実験
作製した粒子捕捉装置(2)を用いてエクソソーム捕捉実験を行った。粒子捕捉装置(2)において、矩形流路の幅は４１０nmであり、矩形流路の深さ（第１基板の溝の深さ）は４１０ｎｍとした。また、平行に並ぶ隣接する２つの矩形流路の間隔は５μｍである。また、粒子捕捉用開口（ナノウェル）の大きさは３２０ｎｍ×３２０ｎｍであり深さは４２０ｎｍである。また、隣接する２つの粒子捕捉用開口の間隔は１．３μｍである。
作製した粒子捕捉装置(2)を用いてエクソソーム捕捉実験を行った。粒子捕捉装置(2)において、矩形流路の幅は４１０nmであり、矩形流路の深さ（第１基板の溝の深さ）は４１０ｎｍとした。また、平行に並ぶ隣接する２つの矩形流路の間隔は５μｍである。また、粒子捕捉用開口（ナノウェル）の大きさは３２０ｎｍ×３２０ｎｍであり深さは４２０ｎｍである。また、隣接する２つの粒子捕捉用開口の間隔は１．３μｍである。
緑色蛍光タンパク質（GFP）を発現させたヒト前立腺癌細胞（PC-3細胞）を培養液中で培養した後、培養上清を採取した。この培養上清を０．２μｍフィルターでフィルタリングした。フィルタリング後の培養上清に含まれるエクソソームの粒子径分布をゼータ電位・粒径測定システムを用いて測定した。測定結果を図１９に示す。培養上清には、粒子径が約１００ｎｍのエクソソームが含まれることがわかった。
次に、フィルタリング後の培養上清を作製した粒子捕捉装置(2)の注入口に滴下し、毛管現象により導入流路、扁平流路、矩形流路に培養上清を流し、粒子捕捉用開口にエクソソームを捕捉した。その後、矩形流路に水を流し、矩形流路に残った培養上清を粒子捕捉装置(2)から排出した。その後、矩形流路及び粒子捕捉用開口の明視野観察及び蛍光観察を行った。図２０に矩形流路及び粒子捕捉用開口の明視野像、蛍光像、マージドイメージを示す。図２０の明視野像の横に伸びる白い線が矩形流路及び粒子捕捉用開口である。図２０の蛍光像の発光点（発光点を円で囲んでいる）がGFPを含むエクソソームと考えられる。また、図２０のマージドイメージに示したように、エクソソームが粒子捕捉用開口に捕捉されていることが確認された。
粒子捕捉用開口に捕捉したエクソソームについて解析を行うことにより、エクソソームの表面のＲＮＡやタンパク質、エクソソームの内部のＲＮＡやタンパク質などについての情報を得ることができる。
本発明の粒子捕捉装置を用いると、簡単な操作でエクソソームを粒子捕捉用開口に捕捉し解析できることがわかった。
次に、フィルタリング後の培養上清を作製した粒子捕捉装置(2)の注入口に滴下し、毛管現象により導入流路、扁平流路、矩形流路に培養上清を流し、粒子捕捉用開口にエクソソームを捕捉した。その後、矩形流路に水を流し、矩形流路に残った培養上清を粒子捕捉装置(2)から排出した。その後、矩形流路及び粒子捕捉用開口の明視野観察及び蛍光観察を行った。図２０に矩形流路及び粒子捕捉用開口の明視野像、蛍光像、マージドイメージを示す。図２０の明視野像の横に伸びる白い線が矩形流路及び粒子捕捉用開口である。図２０の蛍光像の発光点（発光点を円で囲んでいる）がGFPを含むエクソソームと考えられる。また、図２０のマージドイメージに示したように、エクソソームが粒子捕捉用開口に捕捉されていることが確認された。
粒子捕捉用開口に捕捉したエクソソームについて解析を行うことにより、エクソソームの表面のＲＮＡやタンパク質、エクソソームの内部のＲＮＡやタンパク質などについての情報を得ることができる。
本発明の粒子捕捉装置を用いると、簡単な操作でエクソソームを粒子捕捉用開口に捕捉し解析できることがわかった。
２：第１基板 ３：第２基板 ４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ：矩形流路 ５：粒子捕捉用開口 ６：捕捉対象粒子 ８、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ：内壁面 １０：導入流路 １２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ：扁平流路 １４：細胞捕捉室 １６：排出側流路 １８、１８ａ、１８ｂ：注入口 １９、１９ａ、１９ｂ：排出口 ２０：液体（分散媒） ２１：補助流路 ２２：連通流路 ２４：細胞 ２５：粒子捕捉装置
Claims (13)
- 導入流路と、
前記導入流路の下流側に設けられた扁平流路と、
前記扁平流路の下流側に設けられた矩形流路と、
前記矩形流路の少なくとも第１内壁面に設けられた粒子捕捉用開口と、を備え、
前記導入流路は、前記扁平流路の流路断面よりも広い流路断面を有し、
前記扁平流路は、横幅の広い扁平な流路断面を有し、
前記矩形流路は、矩形の流路断面を有し、かつ、第１内壁面と第２内壁面とが対向し、第３内壁面と第４内壁面とが対向するように設けられ、
前記導入流路、前記扁平流路、前記矩形流路及び前記粒子捕捉用開口は、前記導入流路を流れる捕捉対象粒子を含む液体の一部が、前記扁平流路に流入し、前記扁平流路を流れた前記捕捉対象粒子が前記液体と共に前記矩形流路に流入し、前記矩形流路を流れた前記捕捉対象粒子が前記粒子捕捉用開口の内部に侵入し捕捉されるように設けられ、
前記扁平流路は、前記捕捉対象粒子の平均粒径の１．０４倍以上２．３倍以下の厚さを有することを特徴とする粒子捕捉装置。 - 前記扁平流路と前記導入流路との間に設けられた細胞捕捉室をさらに備える請求項１に記載の粒子捕捉装置。
- 排出側流路と、補助流路と、連通流路とをさらに備え、
前記排出側流路は、前記矩形流路の下流側に設けられており、
前記補助流路は、前記矩形流路と実質的に平行に延びる流路であり、前記補助流路の一端は前記排出側流路に接続しており、
前記連通流路は、前記粒子捕捉用開口と前記補助流路とを連通するように設けられ、かつ、前記捕捉対象粒子が通過することができない流路断面を有する請求項１又は２に記載の粒子捕捉装置。 - 前記粒子捕捉用開口は、第１内壁面及び第２内壁面にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１つに記載の粒子捕捉装置。
- 前記矩形流路の第１内壁面と第２内壁面との間の幅は、前記捕捉対象粒子の平均粒径の１．０４倍以上２．３倍以下である請求項１～４のいずれか１つに記載の粒子捕捉装置。
- 前記矩形流路の第３内壁面と第４内壁面との間の幅は、前記捕捉対象粒子の平均粒径の１．０４倍以上５倍以下である請求項１～５のいずれか１つに記載の粒子捕捉装置。
- 前記粒子捕捉用開口は、前記捕捉対象粒子の平均粒径の１．０４倍以上３倍以下の大きさを有する請求項１～６のいずれか１つに記載の粒子捕捉装置。
- 前記粒子捕捉用開口は、捕捉対象粒子の平均粒径よりも大きいことを特徴とする請求項１～４のいずれか１つに記載の粒子捕捉装置。
- 前記扁平流路の厚さは、第１内壁面と第２内壁面との間の幅又は第３内壁面と第４内壁面との間の幅と実質的に同じであり、
前記扁平流路は、前記扁平流路の上面及び下面のうちどちらか一方が第１又は第３内壁面と実質的に一致し、前記上面及び前記下面のうち他方が第２又は第４内壁面と実質的に一致するように設けられた請求項１～８のいずれか１つに記載の粒子捕捉装置。 - 第１基板と第２基板とを備え、
前記矩形流路は、第１基板に設けられた溝が第２基板により覆われる構造を有する請求項１～９のいずれか１つに記載の粒子捕捉装置。 - 前記粒子捕捉用開口の内部に捕捉された前記捕捉対象粒子を含む請求項１～１０のいずれか１つに記載の粒子捕捉装置。
- 前記捕捉対象粒子は、小胞、細胞小器官、細胞外小胞、ウィルス、リポソーム、金属粒子、有機粒子、無機粒子、大気汚染微粒子、又は花粉である請求項１～１１のいずれか１つに記載の粒子捕捉装置。
- 捕捉対象粒子を含む液体を導入流路に流すステップと、
前記捕捉対象粒子を含む液体の一部が前記導入流路から扁平流路に流入するステップと、
前記捕捉対象粒子を含む液体が前記扁平流路から矩形流路に流入するステップと、
前記捕捉対象粒子が、前記矩形流路の第１内壁面に設けられた粒子捕捉用開口に侵入し捕捉されるステップと、を備え、
前記導入流路は、前記扁平流路の流路断面の流路断面よりも広い流路断面を有し、
前記扁平流路は、横幅の広い扁平な流路断面を有し、
前記扁平流路は、前記捕捉対象粒子の平均粒径の１．０４倍以上２．３倍以下の厚さを有し、
前記矩形流路は、第１内壁面と第２内壁面とが対向し、第３内壁面と第４内壁面とが対向するように設けられていることを特徴とする粒子捕捉方法。
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