JP7167935B2 - 微粒子分取用マイクロチップ及び微粒子分取装置 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、サンプル液層流とシース液層流の合流後に生じる渦状の流れ場を抑制し、サンプル液層流の乱れを生じさせない流路構造を設けた、フローサイトメータ用マイクロチップが開示されている。
第一の導入流路と、
第一の導入流路を挟んで配設され、それぞれ第一の導入流路に側方から合流する第二の導入流路と、
第一及び第二の導入流路に連通し、これらの流路から送流される流体が合流して通流する合流流路と、が形成され、
合流流路に、第一の導入流路に対する第二の導入流路の挟み込み方向における流路幅が、流体の送流方向に従って次第に大きくなるように形成したテーパ部が設けられる、
という構造を採用している。
このような構造により、サンプル液層流を、流路の中心に集束させて送液することができる。
前記微粒子分取用マイクロチップは、具体的には、微粒子を含む液体が通流する主流路と、前記微粒子が取り込まれる分取室と負圧が発生する圧力室とが配置された前記主流路に連通する分取流路とが備えられており、前記分取室及び前記圧力室における前記液体の流れ方向に対する垂直断面が、前記分取流路の他の部分における前記液体の流れ方向に対する垂直断面よりも大きく形成されている。
微粒子含有液体が通流する主流路と、
前記主流路と同軸上に連通している捕獲流路と、
前記捕獲流路と連通している捕獲室と、
前記捕獲流路と交差するゲート流路と、
を含み、
前記捕獲流路は、前記ゲート流路と交差する開口部を有し、
液体が通流する方向に沿って、前記開口部の上流の断面積は前記開口部の下流の断面積より小さいことを特徴とする、
微粒子分取用マイクロチップ
を提供する。
前記ゲート流路は、複数であり、前記上段の捕獲流路後端の開口からの微粒子含有液体の流れの中心に対して対称になるように前記下段の捕獲流路の前端に接続することが好ましい。
前記ゲート流路は、常に一定流量のゲート流用液体が流れることが好ましい。
前記ゲート流用液体は、前記下段の捕獲流路において、前記ゲート流路から前記上段の捕獲流路の方向及び前記圧力室の方向に分岐して流れ得る。
前記捕獲室は、圧力室であることが好ましい。
前記圧力室は、振動板を有してもよい。
前記圧力室の室内は、負圧、正圧、常圧へ、繰り返し制御することができる。
前記主流路は、微粒子検出領域を含んでもよい。
また、前記捕獲流路と前記捕獲室との間に連結流路を備えてもよい。
前記主流路は、前記微粒子含有液体を導入する微粒子含有液体導入部と連結することができる。
前記主流路は、シース液を導入するシース液導入部と連結することができる。
前記主流路は、前記捕獲流路の上流で分岐し、捕獲流路に流れ込まなかった液体が流れる分岐流路と連結することができる。
前記分岐流路は、シース液容器及び/又はゲート液容器と連結することができる。
前記捕獲室の下流には、捕獲した微粒子を回収する微粒子回収部を備えることができる。
また、前記上段の捕獲流路の前端に微粒子が到達したときに、前記圧力室の室内が常圧から負圧になり、前記微粒子含有液体が前記上段の捕獲流路に引き込まれ、前記上段の捕獲流路後端の開口から前記下段の捕獲流路に吐出されて、噴流(ジェット)が発生し、
前記微粒子が前記下段の捕獲流路を通過し前記圧力室に到達後、前記圧力室の室内を負圧若しくは常圧から正圧にすることができる。
前記上段の捕獲流路後端の開口から前記下段の捕獲流路に吐出される前記微粒子含有液体の体積が、
前記上段の捕獲流路の容積の半分以上であることが好ましい。
また、前記圧力室の室内を常圧から負圧にしたときに、前記上段の捕獲流路後端の開口から前記下段の捕獲流路に吐出される前記微粒子含有液体の体積が、
前記ゲート流路から前記下段の捕獲流路に流れ込むゲート流用液体の体積以下であることが好ましい。
更に、前記圧力室の室内を常圧から負圧にしたときに前記下段の捕獲流路から前記圧力室の方向に吐出される前記微粒子含有液体の体積が、
前記下段の捕獲流路の容積以下であることが好ましい。
微粒子含有液体が通流する主流路と、
前記主流路と同軸上に連通している捕獲流路と、
前記捕獲流路と連通している捕獲室と、
前記捕獲流路と交差するゲート流路と、
を含み、
前記捕獲流路は、前記ゲート流路と交差する開口部を有し、
液体が通流する方向に沿って、前記開口部の上流の断面積は前記開口部の下流の断面積より小さいことを特徴とする、
微粒子分取用マイクロチップを搭載する、マイクロチップ搭載部と、
前記主流路に含まれる微粒子検出領域に光を照射する光照射部と、
前記微粒子から発せられた散乱光及び/又は蛍光を検出する検出部と、
前記捕獲室は、圧力室であり、前記圧力室の室内を負圧又は正圧にする圧力室制御部と、
を含む、微粒子分取装置
を提供する。
そして、前記圧力室制御部は、ピエゾ素子を有してもよい。
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。
なお、以下に説明する実施形態は、本技術の代表的な実施形態を示したものであり、これにより本技術の範囲が狭く解釈されることはない。
説明は以下の順序で行う。
(1)マイクロチップの基本構造
(2)捕獲部の微粒子の動き
(3)圧力室の圧力制御
(4)微粒子の再放出
(5)微粒子の分取性能の向上
(6)捕獲流路の形状と引き込み体積の関係
2.実施態様1
3.実施態様2
4.実施態様3
5.実施態様4
6.実施態様5
7.実施態様6
8.実施態様7
9.実施態様8
10.実施態様9
11.実施態様10
12.実施態様11
13.微粒子分取装置
(1)構成
(2)微粒子分取プログラム
生物学的微粒子には、例えば、各種細胞を構成する染色体、リポソーム、ミトコンドリア、オルガネラ(細胞小器官)などが挙げられる。
細胞には、例えば、動物細胞(血球系細胞など)、植物細胞が挙げられる。
微生物には、例えば、大腸菌などの細菌類、タバコモザイクウイルスなどのウイルス類、イースト菌などの菌類などが挙げられる。
また、前記合成粒子には、例えば有機若しくは無機高分子材料又は金属などからなる粒子が含まれる。前記有機高分子材料には、例えば、ポリスチレン、スチレン・ジビニルベンゼン、及びポリメチルメタクリレート等が挙げられる。前記無機高分子材料には、例えば、ガラス、シリカ、及び磁性体材料等が挙げられる。金属には、例えば、金コロイド及びアルミ等が挙げられる。
(1)マイクロチップの基本構造
図1に、微粒子分取用マイクロチップの基本構造の一例を示す。
図1のマイクロチップにおいて、微粒子含有液体は、微粒子含有液体導入部101から導入される。また、シース液導入部103が設けられ、シース液は、ここから導入される。
検出部105で取得すべきと判断された微粒子は、捕獲部113の3つに分岐した分岐部へ流れ、到達すると、目的とする微粒子を収容するための捕獲室に流れる。本技術では、前記捕獲室は、目的とする微粒子を収容することができれば特に限定されないが、圧力室であることが好ましい。なお、本明細書では、特に、捕獲室が圧力室であった場合を想定して記載している。この場合、圧力室114の室内が負圧に制御され、微粒子は圧力室114に引き込まれ、取得流路111に流れる。
上下の分岐流路は廃液流路110に繋がっており、廃液流路110に流れた液はマイクロチップの外部へと排出することができる。
図27は、ゲート流路を主流路面(チップ平面)と垂直方向に形成し、オリフィス2段目に対称に接続する実施例である。この場合、ゲート流の導入流路は主流路が形成されている面の対面に形成し、図示していない流路の蓋となる層をチップ上下各面に設けることができる。また、この場合、オリフィス周辺のスペースを十分に確保することができ、各流路が隣接していないことから流路壁の厚さを保つことができ、かつ、チップ接合面の接合部面積を大きくすることができ、機械強度の面で有利となる。
図28は、はゲート流路を主流路面と同一平面内に形成し、オリフィス2段目に対称に接続する実施例である。この場合、ゲート流の導入流路は主流路が形成されている面と同一面に形成するため、2層構造で製作可能である。
ゲート流路に流す液体は、分取後回収される微粒子の主溶媒となるため用途に応じて様々な液体を選択することができる。例えば、微粒子含有液体に用いる液媒体や、シース液、微粒子がタンパク質の場合は界面活性剤入りのpH等が調節されたバッファー液等、微粒子に応じた液体を一定流量で流すことができる。
特に、微粒子が細胞の場合は、細胞培養液、細胞保存液等を使用することができる。細胞培養液を使用する場合、分取後回収された細胞へ施す次工程、例えば細胞培養、細胞活性化、遺伝子導入等の工程を行う場合に適している。細胞保存液を使用する場合、回収した細胞を保管、輸送する場合に適している。また分取回収される細胞がiPS細胞等未分化の細胞の場合、分化誘導液を使用することでき、次の作業を効率的に進めることができる。
また、ゲート流路に流す液体として、ブロッキング効果を有する溶液を用いることもできる。これにより、分取後細胞の回収容器またはバッグへの非特異吸着抑制が可能となる。ブロッキング剤としては、アルブミンなどのタンパクを含む溶液、グリシンなどのアミノ酸を含む溶液、Pluronic F68などの非イオン性界面活性剤を含む溶液などが挙げられる。
更に、ゲート流路に流す液体として、細胞溶解作用を有する溶液を用いることもできる。これにより、目的の細胞集団を分取後にそのまま細胞内物質を抽出することが可能となる。細胞溶解液としては、界面活性剤を含む溶液などが挙げられる。
なお、シース液も同様に様々な液体を選択することができる。本明細書において、ゲート流路に流れる液体(ゲート流用液体)により形成される流れを「ゲート流」という。
また、ゲート流は、シース液流から分岐して発生させることもできる。
図1のシース液導入部103後のシース流路と、図2又は図3のゲート流路10の上流端とを接続し、シース液流が分岐してゲート流路へも流入するようにし、ゲート流とすることもできる。その際には、ゲート流量が適切な流量となるようゲート流路の流路抵抗を適切に設計する必要がある。
図2に、図1の捕獲部113部分を拡大した様子を示す。
捕獲部では、上下の分岐流路と、圧力室に連結する細い中央の流路との3つに分岐される。中央の流路にある丸は、ゲート流路との接続部である。
中央の流路には、ゲート流路10が垂直に交差している。ゲート流路10には、一定流量のゲート流用液体が常に流れている。
ゲート流用液体は、ゲート流路10と捕獲流路が交差したところで分岐する流れ(矢印22及び矢印23)を形成する。矢印22の流れは、捕獲流路入口での微粒子の滞留を防止する。矢印23の流れは、圧力室内に捕獲された微粒子を、図1の取得流路111へ移流する。
図3に、微粒子分取用マイクロチップの縦断面を模式的に示す。
検出流路301は、同軸上で捕獲流路303に接続する。捕獲流路303には、1本以上のゲート流路10が、例えば、丁字状に接続するか、十字状等の形で交差される。
更に、捕獲流路303は、同軸上で圧力室114に接続する。圧力室114は振動板305を備え、振動板305の上にはスペーサーを介してピエゾ素子306が設置される。ピエゾ素子306が変形することにより、振動板305が振動し、圧力室114が、常圧から負圧へ、又は負圧若しくは常圧から正圧へ、繰り返し制御される。
圧力室114の負圧と正圧若しくは常圧により、捕獲流路303から圧力室114への流れにジェットを生じさせる。
図4の下段はピエゾ素子の駆動波形を示し、上段はピエゾ素子の変形に対応する微粒子の動きを示す。
ピエゾ素子の変形直前に捕獲流路前に到達した微粒子(図4の左)は、ピエゾ素子が変形して圧力室が負圧になると、圧力室に引き込まれる(図4の中央)。続いて、ピエゾ素子が変形して圧力室の圧力が戻ると、引き込み力が解除されて、微粒子を押し出す力が働く(図4の右)。
図5に、図1の捕獲部113及び圧力室114を拡大したものを示す。
図5の左上に示すように、圧力室内の流れには、主流(点線)と、微粒子捕獲時のジェットに誘起された旋回流が生じる(実線)。その旋回流に、捕獲された微粒子が乗って圧力室内を旋回することがある。図5の左下の縦3連図の上段に、旋回流に乗った微粒子を示す。
特に、高イベントレート、すなわち移流で運べる粒子に対し捕獲粒子が多いとき(図5の右の縦3連図)は、更に旋回流も定常流となり、圧力室内の粒子密度が均一かつ高くなり、圧力室外に再放出される確率が高くなる。
そこで、微粒子の捕獲性能の更なる向上の検討を行った。
微粒子の捕獲性能を向上させるためには、捕獲流路の長さを短くして、流路抵抗を低減することにより、分取の高速化を図ることが考えられる。また、捕獲流路の短長化だけでなく、直径を小さくして、圧力室の方向への引き込み体積を低減することにより、捕獲の高純度化及び高取得率化を図ることが考えられる。更には、圧力室の方向への引き込み体積を低減することにより、シース液より希釈された細胞の濃度もある程度回復(濃縮)することができる。
捕獲動作を高速化するためには、捕獲流路の流路抵抗を小さくする必要がある。そのため、捕獲流路長603を短くしたいが、図6に示すように、捕獲流路にゲート流路を接続する構造のため、短くすることに限界がある。
図7に、捕獲流路の長さと、微粒子含有液体流の引き込む体積と、微粒子との関係を模式的に示す。
取得すべき微粒子と不要の微粒子とが近接した場合、図7の上段に示すように、捕獲流路が長いと、捕獲流路に引き込む体積が大きくなるので、取得すべき粒子と不要の微粒子とが捕獲流路内に一緒に引き込まれる。
一方、図7の下段に示すように、捕獲流路が短いと、捕獲流路に引き込む体積が小さくなるので、取得すべき微粒子と不要の微粒子とが捕獲流路内に一緒に引き込まれることはない。よって、取得すべき微粒子と不要の微粒子とを区別することができる。その結果、取得すべき微粒子の純度を高くし、取得率を上げることができる。
図8に、捕獲流路における微粒子含有液体の引き込み動作及び押出し動作を模式的に示す。
捕獲流路には、ゲート流路10が交差している。例えば、捕獲流路径60μm、捕獲流路全長を250μmとすることができる。捕獲流路体積(白線で囲われた部分)が0.9nlとすると(0μsec)、捕獲流路体積に近い0.9nlオーダーの微粒子含有液体が捕獲流路から圧力室側に引き込まれる(50μsec)。次に、微粒子含有液体は捕獲流路体積に近い量で吐き出されるが(100μsec、矢印左方向)、吐き出されるときに、圧力室内の微粒子含有液体も捕獲流路に流れ込む。
捕獲流路から圧力室側に微粒子含有液体が引き込まれ、押出しされることは上記と同様である。
ゲート流は、その引き込み及び押出し動作中も流入している。例えば、圧力室側への引き込み及び圧力室側からの押出し動作を100μsecで行うとし、圧力室側へのゲート流量を120μl/minとすると(図9の左)、ゲート流の一部は分流して両側の捕獲流路に流入し始め(図9の中央)、100μsec後には圧力室側へも0.2nlが流入することとなる(図9の右、白線で囲われた部分)。
上記0.9nlと当該0.2nlのオーダーが近いことから、仮に、引き込み及び押出し体積或いは捕獲流路体積を少なくし、かつ微粒子捕獲動作中に流入するゲート流体積を捕獲流路から圧力室側へ吐出する構造が作れれば、圧力室内からの押出し体積を少なくでき、再放出を抑制できるのではないかとの発想を得た。
実施態様1では、いったん圧力室側へ捕獲した取得微粒子を再放出しないため、一例として、捕獲流路を2段化する構造を採用した。
すなわち、本技術の微粒子分取用マイクロチップは、
微粒子含有液体が通流する主流路と、
前記主流路と同軸上に連通している捕獲流路と、
前記捕獲流路と同軸上に連通している圧力室と
を含み、
前記捕獲流路は、1段目の捕獲流路と2段目の捕獲流路とを含み、
前記1段目の捕獲流路は第1吐出部を含み、
前記2段目の捕獲流路は第2吐出部を含み、
前記1段目の捕獲流路は、その後端にオリフィスとして機能する開口を有し、
前記1段目の捕獲流路の開口面積は、前記2段目の捕獲流路の最小断面積と同じ又は小さく、
前記2段目の捕獲流路は、その前端に1本以上のゲート流路、例えば丁字状に接続するか、十字状等のように交差しているゲート流路を備える。
前記1段目の捕獲流路後端の開口は、前記2段目の捕獲流路前端で接続又は交差しているゲート流路の位置で、接続している。
捕獲流路の1段目は、流路径30μm、長さ50μmである第1吐出部1を含む。捕獲流路の1段目の後端にはオリフィスとして機能する開口7がある(図10の上段)。
捕獲流路の1段目において、微粒子含有液体流は、引き込み時にジェットを作る。1段目では、流路長を短く及び/又は径を小さくし、容積を少なくする(図10の下段の(1))。
1段目の捕獲流路1と2段目の捕獲流路2の間に交差するように配置されたゲート流路10には、ゲート流が形成され、1段目の捕獲流路1の開口7からゲート流に向かってジェットが生じる。そのジェットのゲート流は1段目の開口よりも大きい断面積を有する2段目の捕獲流路へ流出して圧力室側へ向かう。一方、検出部側と圧力室側に分岐するゲート流も生じる。検出部側に分岐するゲート流により、取得すべきでない微粒子が圧力室側へ侵入することを阻止できる。
上段左の図において、ゲート流は上下の矢印方向から常に、例えば120μl/minずつ導入されている。このとき(0μsec)、圧力室の圧力は平常(常圧)である。取得すべき粒子(図12の白丸)が捕獲流路入口に来たら、圧力室の負圧制御を開始する。
次に、下段左の図において(75μsec)、圧力室が正圧になって押出し動作が開始されても、ジェットに乗った微粒子はすぐに放出されない。また、押出動作中もゲート流は流入し続けており、捕獲流路の1段目後端付近から、微粒子含有液体流がゲート流に置換される。
押出し動作で放出されるのは、ジェット後流とゲート流であり、圧力室内からの放出は少ない。すなわち、微粒子の再放出が抑制される。
1段目の捕獲流路は円形断面である。そして、1段目の捕獲流路、すなわちここでは第1吐出部1の後端がゲート流路10に接続し、ゲート流路10には一定流量のゲート流用液体が流れる。
圧力室内は、ピエゾ素子により負圧から正圧へと、繰り返しパルス制御される。
圧力室内が負圧のときには、取得すべき微粒子を含む微粒子含有液体流を、1段目の捕獲流路から圧力室側へ引き込む。
圧力室内の圧力を負圧とすると、第1吐出部1から微粒子含有液体流が引き込まれる。そして、圧力室内の圧力が負圧から正圧若しくは常圧へとパルス制御が行われる間に、ゲート流が第1吐出部1へと流れ込む。
このときのゲート流の流れ込み体積は、微粒子含有液体流引き込み体積に対して、同じ体積又はそれよりも大きい体積であることが好ましい。
1段目の捕獲流路の第1吐出部1の後端は、オリフィスとして機能する開口を有し、その圧力室側にゲート流路10が配置されている。このゲート流路には常に一定量のゲート流用液体が流れて、ゲート流を形成する。ゲート流の一部は、2段目の捕獲流路から検出流路側方向と圧力室側方向(第2吐出部方向)とに分岐する。
仮に図15のように、2段目の捕獲流路の容積が、押出し動作で押出される体積より小さいと、多くのゲート流を導入しても保持できず、圧力室内に散逸してしまい、押出し動作時に圧力室内の液体を押出してしまうからである。
次に、圧力室内の圧力を負圧とし、2段目の捕獲流路から圧力室に液体が押し出され、その液体の体積は、2段目の捕獲流路の容積以下となるようにすることが好ましい。
本技術の微粒子分取用マイクロチップのゲート流路は、複数であり、オリフィスとして機能する開口からの微粒子含有液体の流れの中心に対して対称になるように2段目の捕獲流路の前端に接続することが好ましい。
仮に、ゲート流路が捕獲流路中心に対して非対称に接続すると、捕獲流路内の流れも非対称になり、意図しない2次流れが発生し、圧力室内から粒子が捕獲流路内に侵入することがあるからである。
ゲート流路が片側のみ捕獲流路に接続すると、ゲート流量が多い場合、接続部での流れの剥離が起こる。そうすると、2段目の捕獲流路内で流れた接続部の反対面に張り付き、意図しない2次流れが発生してしまう。
ゲート流路を対称に配置すると、各ゲート流路からの流量を減らし、流路が接続する部分で流速を小さくし、流れの剥離を小さくすることができる。
また、捕獲流路内の流れも対称となるため、意図しない2次流れが発生しにくい。
なお、ゲート流路は、図1に示すような1本、又は、図27及び図28に示すような2本以上とすることができるが、2本以上(複数)であることが好ましい。また、ゲート流路は、2本、4本等の偶数だけでなく、1本、3本、5本等の奇数でもよい。
ゲート流路を、例えば、上からと下からの2本とし、1/2の流量ずつ導入すると、捕獲流路との接続部の流れの剥離が小さくなり、かつ対称となり、意図しない2次流れの発生が少なくなる。
捕獲流路の断面の形状は、例えば、正方形、長方形、円、楕円が挙げられ、特に限定されない。また、捕獲流路は、平行流路だけでなくテーパ付流路でもよい。
図18に、ゲート流路接続部直後からテーパが始まる例を示し、図19に、2段目の捕獲流路の前端からテーパが始まる例を示す。
図18において、2段目の捕獲流路の第2吐出部2がテーパ付流路であると、2段目の捕獲流路における1段目の捕獲流路近くの体積が減り、圧力室側からの吐出動作中に流出するゲート流を効率的に蓄えることができ、かつ引込み動作時のジェットに対する抵抗を減らすことができる。2段目の捕獲流路における1段目の捕獲流路近くの体積が減り、引き込み動作時のジェットに対する抵抗を減らすことができる。
あるいは、1段目の捕獲流路がテーパ付流路であってもよい。
図20に、1段目の捕獲流路がテーパ付流路である例を示す。
このような構造を採用すると、1段目の捕獲流路の流路抵抗を大きくせず後端で効率的にジェットを発生させることができる。
更に、1段目の捕獲流路及び2段目の捕獲流路がテーパ付流路であってもよい。
図21に、1段目の捕獲流路及び2段目の捕獲流路がテーパ付流路である例を示す。
この場合も、1段目の捕獲流路1の最小断面積よりも、2段目の捕獲流路2の最小断面積が大きくなるようにする。
このような構造を採用すると、1段目の捕獲流路後端の開口からのジェットの勢いを強くすることができるとともに、2段目の捕獲流路における1段目の捕獲流路近くの体積が減り、引き込み動作時のジェットに対する抵抗を減らすことができる。また、1段目の捕獲流路の流路抵抗を大きくせず後端で効率的にジェットを発生させることができる。
捕獲流路は、2段だけでなく、3段以上にしてもよい。
図22に、1段目の捕獲流路(第1吐出部1を含む)、2段目の捕獲流路(第2吐出部2を含む)、3段目の捕獲流路(第3吐出部3を含む)を有する例を示す。
1段目、2段目及び3段目の捕獲流路の後端には、それぞれオリフィスとして機能する開口を有していてもよい。各開口面積は、直後の捕獲流路の最小断面積よりも同じ又は小さくなっている。
2段目の捕獲流路の前端及び3段目の捕獲流路の前端には、それぞれゲート流路10が交差してもよい。
捕獲流路が3段の場合、2段目の捕獲流路の前端にはゲート流路10が交差し、3段目の捕獲流路にはゲート流路がない態様もあり得る。
図23に、2段目の捕獲流路の前端にはゲート流路が交差し、3段目の捕獲流路にはゲート流路がない例を示す。
捕獲流路が3段の場合、3段目の捕獲流路の前端にはゲート流路10が交差している態様もあり得る。
図24に、2段目の捕獲流路の前端にはゲート流路がなく、3段目の捕獲流路の前端にはゲート流路が交差して接続している例を示す。このとき、2段目の捕獲流路の断面積と3段目の捕獲流路の断面積は同じでよい。
図25に、捕獲流路が3段であって、2段目及び3段目の捕獲流路はテーパ付であって、2段目の捕獲流路の前端にはゲート流路10が交差し、3段目の捕獲流路にはゲート流路がない例を示す。
本技術の微粒子分取用マイクロチップは、捕獲流路と圧力室との間に連結流路を設けてもよい。
図26に、連結流路を設けた例を示す。
連結流路の断面積は、捕獲流路の断面積よりも大きくしてもよい。連結流路には、微粒子検出領域等を配置することもできる。
本技術の微粒子分取用マイクロチップは、微粒子含有液体導入部、シース液導入部、微粒子回収部等を備えていてもよく、各部を適宜連結した構造も採用できる。
図1に前述したように、微粒子含有液体が、微粒子含有液体導入部101から導入される。シース液は、シース液導入部103から導入される。微粒子含有液体とシース液は、シースフロー生成部112で層流を形成し、主流路を流れる。
主流路が通ずる捕獲流路の直前で、主流路は、同軸上の捕獲流路と、複数に分かれた分岐流路とに分岐する。捕獲流路にはゲート流路が交差している。
(1)構成
本技術の微粒子分取装置は、
前述の微粒子分取用マイクロチップを搭載できるマイクロチップ搭載部と、
微粒子分取用マイクロチップの微粒子検出領域に光を照射する光照射部と、
光照射により微粒子から発せられた散乱光及び/又は蛍光を検出する検出部と、
圧力室の室内を負圧又は正圧にする圧力室制御部と、
を含む。
光源は、取得すべき微粒子の判別等の目的に応じて、レーザダイオード、SHGレーザ、固体レーザ、ガスレーザ、及び高輝度LED等から適宜選択できる。
また、光照射部は、光源及び対物レンズに加えて、必要に応じて他の光学素子を含んでもよい。
具体的な検出器としては、PMT、フォトダイオード、CCD、及びCMOS等が挙げられるが、これらに限定されない。
また、検出部は、集光レンズ及び検出器に加えて、必要に応じて他の光学素子を含んでもよい。
前記散乱光は、例えば、幾何光学的散乱、レイリー散乱及び/またはミー散乱であり前方散乱光、側方散乱光として検出する構成が一般的であるが、これらに限定されない。
この場合、微粒子分取装置には電気信号変換部を備える。電気信号変換部は、圧力室制御部に含まれていてもよいし、圧力室制御部に含まれていなくてもよい。
圧力室制御部は、電気信号を受け取り、電気信号に基づいて、微粒子の光学特性を判定できる。
流路内の流れの変更は、例えば、圧力室内を負圧から正圧若しくは常圧、又は正圧若しくは常圧から負圧に、繰り返し制御することによって行うことができる。圧力室内を正圧若しくは常圧にすると、流路内の流れを再度変更できる。このような圧力室の具体的な圧力制御は、アクチュエーター、例えばピエゾ素子を用いてピエゾ素子を変形することにより行うことができる。圧力室制御部は、例えば、特開2014-036604号公報に記載された駆動部と同様の構成を採り得る。
微粒子分取装置の圧力室制御部は、前述の動作を実行するための微粒子分取プログラムを格納することができる。あるいは、圧力室制御部と、微粒子分取プログラムを備えたコンピュータと接続することができる。
プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されたものとできる。記録媒体としては、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であれば特に制限はないが、具体的には、例えば、フレキシブルディスクやCD-ROM等の円盤形記録媒体が用いられる。また、磁気テープ等のテープ型記録媒体を用いてもよい。また、一部の処理をDSP(Digital Signal Processor)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、PLD(Programing Logic Device)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)等のハードウェアで構成し、上記ソフトウエアプログラムと連携させて高速処理を行う構成も採用できる。
〔1〕 微粒子含有液体が通流する主流路と、
前記主流路と同軸上に連通している捕獲流路と、
前記捕獲流路と同軸上に連通している圧力室と
を含み、
前記捕獲流路は、上段の捕獲流路と下段の捕獲流路とを含み、
前記上段の捕獲流路は、その後端にオリフィスとして機能する開口を有し、
前記上段の捕獲流路後端の開口面積は 、前記下段の捕獲流路の最小断面積と同じ又は
小さく、
前記下段の捕獲流路は、その前端に1本以上の接続するゲート流路又は交差するゲート流路を備え、
前記上段の捕獲流路後端の開口と前記下段の捕獲流路前端の位置のゲート流路とが接続している、
微粒子分取用マイクロチップ。
〔2〕 前記ゲート流路は、複数であり、前記上段の捕獲流路後端の開口からの微粒子含有液体の流れの中心に対して対称になるように前記下段の捕獲流路の前端に接続している、〔1〕に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
〔3〕 前記ゲート流路は、常に一定流量のゲート流用液体が流れる、〔1〕又は〔2〕に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
〔4〕 前記ゲート流用液体は、前記下段の捕獲流路において、前記ゲート流路から前記上段の捕獲流路の方向及び前記圧力室の方向に分岐して流れる、請求項3に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
〔5〕 前記圧力室は、振動板を有する、〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の微粒子分取用マイクロチップ。
〔6〕 前記圧力室の室内は、負圧、正圧、常圧へ、繰り返し制御される、〔1〕~〔5〕のいずれかに記載の微粒子分取用マイクロチップ。
〔7〕 前記主流路は、微粒子検出領域を含む、〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の微粒子分取用マイクロチップ。
〔8〕 前記捕獲流路と前記圧力室との間に連結流路を備える、〔1〕~〔7〕のいずれかに記載の微粒子分取用マイクロチップ。
〔9〕 前記主流路は、前記微粒子含有液体を導入する微粒子含有液体導入部と連結している、〔1〕~〔8〕のいずれかに記載の微粒子分取用マイクロチップ。
〔10〕 前記主流路は、シース液を導入するシース液導入部と連結している、〔1〕~〔9〕のいずれかに記載の微粒子分取用マイクロチップ。
〔11〕 前記主流路は、前記捕獲流路の上流で分岐し、捕獲流路に流れ込まなかった液体が流れる分岐流路と連結している、〔1〕~〔10〕のいずれかに記載の微粒子分取用マイクロチップ。
〔12〕 前記分岐流路は、シース液容器及び/又はゲート液容器と連結している、〔11〕に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
〔13〕 前記圧力室の下流に、捕獲した微粒子を回収する微粒子回収部を備える、〔1〕~〔12〕のいずれかに記載の微粒子分取用マイクロチップ。
〔14〕 前記上段の捕獲流路の前端に微粒子が到達したときに、前記圧力室の室内が常圧から負圧になり、前記微粒子含有液体が前記上段の捕獲流路に引き込まれ、前記上段の捕獲流路後端の開口から前記下段の捕獲流路に吐出されて、噴流が発生し、
前記微粒子が前記下段の捕獲流路を通過し前記圧力室に到達後、前記圧力室の室内が負圧若しくは常圧から正圧になる、
〔1〕~〔13〕のいずれかに記載の微粒子分取用マイクロチップ。
〔15〕 前記上段の捕獲流路後端の開口から前記2段目の捕獲流路に吐出される前記微粒子含有液体の体積が、
前記上段の捕獲流路の容積の半分以上である、
〔1〕~〔14〕のいずれかに記載の微粒子分取用マイクロチップ。
〔16〕 前記圧力室の室内を常圧から負圧にしたときに、前記上段の捕獲流路後端の開口から前記後段の捕獲流路に吐出される前記微粒子含有液体の体積が、
前記ゲート流路から前記後段の捕獲流路に流れ込むゲート流用液体の体積以下である、〔1〕~〔15〕のいずれかに記載の微粒子分取用マイクロチップ。
〔17〕 前記圧力室の室内を常圧から負圧にしたときに、前記下段の捕獲流路から前記圧力室の方向に吐出される前記微粒子含有液体の体積が、
前記下段の捕獲流路の容積以下である、
〔1〕~〔16〕のいずれかに記載の微粒子分取用マイクロチップ。
〔18〕 微粒子含有液体が通流する主流路と、
前記主流路と同軸上に連通している捕獲流路と、
前記捕獲流路と同軸上に連通している圧力室と
を含み、
前記捕獲流路は、上段の捕獲流路と下段の捕獲流路とを含み、
前記上段の捕獲流路は、その後端にオリフィスとして機能する開口を有し、
前記上段の捕獲流路後端の開口面積は、前記下段の捕獲流路の最小断面積と同じ又は小さく、
前記下段の捕獲流路は、その前端に1本以上の接続するゲート流路又は交差するゲート流路を備え、
前記上段の捕獲流路後端の開口と前記下段の捕獲流路前端の位置のゲート流路とが接続している、
微粒子分取用マイクロチップを搭載する、マイクロチップ搭載部と、
前記主流路に含まれる微粒子検出領域に光を照射する光照射部と、
前記微粒子から発せられた散乱光及び/又は蛍光を検出する検出部と、
前記圧力室の室内を負圧又は正圧にする圧力室制御部と、
を含む、微粒子分取装置。
〔19〕 前記圧力室制御部は、ピエゾ素子を有する、〔18〕に記載の微粒子分取装置。
2 第2吐出部
3 第3吐出部
7 開口
10 ゲート流路
101 微粒子含有液体導入部
103 シース液導入部
105 検出部
107 分岐部
110 廃液流路
111 取得流路
112 シースフロー生成部
113 捕獲部
114、213 圧力室
211、303 捕獲流路
212 連結流路
301 検出流路
305 振動板
306 ピエゾ素子
602 捕獲流路径
603 捕獲流路長
Claims (34)
- 微粒子含有液体が通流する主流路と、
前記主流路と同軸上に連通している捕獲流路と、
前記捕獲流路と連通している捕獲室と、
前記捕獲流路と交差するゲート流路と、
を含み、
前記捕獲流路は、前記ゲート流路と交差する開口部を有し、
液体が通流する方向に沿って、前記開口部の上流の断面積は前記開口部の下流の断面積より小さいことを特徴とする、
微粒子分取用マイクロチップ。 - 前記ゲート流路は、複数であり、上段の前記捕獲流路後端の開口からの微粒子含有液体の流れの中心に対して対称になるように下段の前記捕獲流路の前端に接続している、請求項1に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記ゲート流路は、常に一定流量のゲート流用液体が流れる、請求項1又は2に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記ゲート流用液体は、下段の前記捕獲流路において、前記ゲート流路から上段の前記捕獲流路の方向及び前記捕獲室の方向に分岐して流れる、請求項3に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記捕獲室は、圧力室である、請求項1から4のいずれか一項に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記圧力室は、振動板を有する、請求項5に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記圧力室の室内は、負圧、正圧、常圧へ、繰り返し制御される、請求項5又は6に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記主流路は、微粒子検出領域を含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記捕獲流路と前記捕獲室との間に連結流路を備える、請求項1から8のいずれか一項に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記主流路は、前記微粒子含有液体を導入する微粒子含有液体導入部と連結している、請求項1から9のいずれか一項に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記主流路は、シース液を導入するシース液導入部と連結している、請求項1から10 のいずれか一項に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記主流路は、前記捕獲流路の上流で分岐し、捕獲流路に流れ込まなかった液体が流れる分岐流路と連結している、請求項1から11のいずれか一項に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記分岐流路は、シース液容器及び/又はゲート液容器流路と連結している、請求項1 2に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記捕獲室の下流に、捕獲した微粒子を回収する微粒子回収部を備える、請求項1から 13のいずれか一項に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 上段の前記捕獲流路の前端に微粒子が到達したときに、前記圧力室の室内が常圧から負圧になり、前記微粒子含有液体が上段の前記捕獲流路に引き込まれ、上段の前記捕獲流路後端の開口から下段の前記捕獲流路に吐出されて、噴流が発生し、
前記微粒子が下段の前記捕獲流路を通過し前記圧力室に到達後、前記圧力室の室内が負圧若しくは常圧から正圧になる、
請求項5から7のいずれか一項に記載の微粒子分取用マイクロチップ。 - 上段の前記捕獲流路後端の開口から下段の前記捕獲流路に吐出される前記微粒子含有液体の体積が、
上段の前記捕獲流路の容積の半分以上である、
請求項15に記載の微粒子分取用マイクロチップ。 - 前記圧力室の室内を常圧から負圧にしたときに、上段の前記捕獲流路後端の開口から下段の前記捕獲流路に吐出される前記微粒子含有液体の体積が、
前記ゲート流路から下段の前記捕獲流路に流れ込むゲート流用液体の体積以下である、請求項15に記載の微粒子分取用マイクロチップ。 - 前記圧力室の室内を常圧から負圧にしたときに、下段の前記捕獲流路から前記圧力室の方向に吐出される前記微粒子含有液体の体積が、
下段の前記捕獲流路の容積以下である、
請求項15に記載の微粒子分取用マイクロチップ。 - 微粒子含有液体が通流する主流路と、
前記主流路と同軸上に連通している捕獲流路と、
前記捕獲流路と連通している捕獲室と、
前記捕獲流路と交差するゲート流路と、
を含み、
前記捕獲流路は、前記ゲート流路と交差する開口部を有し、
液体が通流する方向に沿って、前記開口部の上流の断面積は前記開口部の下流の断面積より小さいことを特徴とする、
微粒子分取用マイクロチップを搭載する、マイクロチップ搭載部と、
前記主流路に含まれる微粒子検出領域に光を照射する光照射部と、
前記微粒子から発せられた散乱光及び/又は蛍光を検出する検出部と、
前記捕獲室は、圧力室であり、前記圧力室の室内を負圧又は正圧にする圧力室制御部と、
を含む、微粒子分取装置。 - 前記圧力室制御部は、ピエゾ素子を有する、請求項19に記載の微粒子分取装置。
- 前記検出部は、一つ以上のスポットで構成されている、請求項19又は20に記載の微粒子分取装置。
- 前記光照射部は、一又は複数のレーザで構成されている、請求項19から21のいずれか一項に記載の微粒子分取装置。
- 前記ゲート流路は、前記主流路面と垂直方向に形成されている、請求項1から18のいずれか一項に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記ゲート流路に流す液体は、前記微粒子含有液体に用いる液媒体、シース液、バッファー液、細胞培養液、細胞保存液、タンパクを含む溶液、アミノ酸を含む溶液、及び非イオン性界面活性剤を含む溶液から選択される一以上の液体である、請求項1から18、又は23のいずれか一項に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記捕獲流路の長さは、前記捕獲流路の径の2倍以上である、請求項1から18、23、又は24のいずれか一項に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 複数の前記ゲート流路を含む、請求項1から18、又は23から25のいずれか一項に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 複数の前記ゲート流路は、前記捕獲流路の中心に対して対称に配置されている、請求項26に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 複数の前記ゲート流路が、偶数個配置されている、請求項27に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記捕獲流路は、テーパ付流路である、請求項1から18、又は23から28のいずれか一項に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記捕獲流路は、1段目の捕獲流路と、2段目の捕獲流路と、を有し、
前記1段目の捕獲流路、及び/又は、前記2段目の捕獲流路は、テーパ付流路である、請求項29に記載の微粒子分取用マイクロチップ。 - 前記1段目の捕獲流路の最小断面積よりも、前記2段目の捕獲流路の最小断面積が大きい、請求項30に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 前記捕獲流路は、3段以上である、請求項1から18、又は23から31のいずれか一項に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 2段目の捕獲流路の前端及び/又は3段目の捕獲流路の前端には、ゲート流路が交差している、請求項32に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
- 2段目の捕獲流路の及び3段目の捕獲流路は、テーパ付流路であり、
前記2段目の捕獲流路の前端には、ゲート流路が交差しており、
前記3段目の捕獲流路には、ゲート流路が交差していない、請求項32に記載の微粒子分取用マイクロチップ。
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