JPWO2009139246A1 - マイクロソート機構およびマイクロチップ - Google Patents
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Abstract
【課題】より小さい駆動機構でマイクロツールを安定して駆動させることができ、微粒子を効率よく分離・分類することができるマイクロソート機構およびマイクロチップを提供する。【解決手段】磁性を有するマイクロツール２５が、一方の分岐路２２ｂを塞ぐ第１閉塞位置と他方の分岐路２２ａを塞ぐ第２閉塞位置との間で移動可能に設けられている。マイクロツール２５は、微小流路２１内での動きが第１閉塞位置と第２閉塞位置との間での移動に制限されるよう構成されている。駆動機構２６が、微粒子１が通過する分岐路２２ａ，２２ｂを選択可能に、マイクロツール２５の第１閉塞位置と第２閉塞位置との間の移動を制御する電磁石２９ａ，２９ｂを有している。駆動機構２６は、電磁石２９ａ，２９ｂと微小流路２１との間に、透磁率が他の部分よりも大きい高透磁率部３２ａ，３２ｂを有する磁場集中部材３０ａ，３０ｂを有している。【選択図】図１
Description
本発明は、主に医療分野、医薬分野、品種改良といったバイオ系産業分野において用いられ、人間の操作に頼ることなく、目的の微粒子を高速で自動的に分離・分類するマイクロソート機構およびその機構を用いたマイクロチップに関する。
従来、マイクロチップ内での卵子、細胞、菌などの微粒子の操作は、顕微鏡から得られる画像情報に基づいて人間が行うことがほとんどであった。しかし、人間が直接、微粒子をバイオ操作することにより、汚れや細菌の付着等の外乱が発生していた。この外乱の影響を防ぐため、マイクロ流路内で、非接触で微粒子を操作する手法の開発が必要とされている。
マイクロ流路内での非接触操作には、微粒子の分離、分類、加工、選択、処理等の一連の操作があり、これらの工程を有する細胞核移植技術として、一個のマイクロ流路を用いた方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、マイクロ流路が一個のため、連続的にバイオ操作を行うには、前もって同一の形状や特性をもつ微粒子を分離・分類して、準備しておかなければならない。しかし、実際の生体試料では、複数の微粒子が混在しており、事前の選別作業に膨大な時間を要するという問題があった。また、分離・分類から一連のバイオ操作までの時間的ロスによる微粒子の変化や変質等も発生するため、バイオ操作に制約を受けるおそれがあるという問題もあった。
これらの問題を解決するため、発明者らは、微粒子を効率よく分離・分類することができるマイクロソート機構として、超小型の磁気マイクロツール（ＭＭＴ）を用いる方法を提案している（例えば、非特許文献１参照）。この方法では、バイオ操作の一連の操作の中で、核のある卵子と核のない卵子とを顕微鏡で検出し、核の無い卵子のみを次の工程に分離する部分にマイクロソート機構を用いている。
新井史人，佐久間臣耶，山西陽子，林育菁，「マイクロ磁気ツールによる微粒子のソーティング」，第２５回日本ロボット学会講演会予稿集，2007，p.199
しかしながら、非特許文献１に記載のマイクロソート機構では、磁気マイクロツール（ＭＭＴ）を外部の電磁石を移動して変位させており、この磁気マイクロツール（ＭＭＴ）を確実に動作させるためには、大きい駆動力が必要となり、かなり大きな磁気駆動機構が必要であるという課題があった。
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、より小さい駆動機構でマイクロツールを安定して駆動させることができ、微粒子を効率よく分離・分類することができるマイクロソート機構およびマイクロチップを提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明に係るマイクロソート機構は、複数の分岐路を有する微小流路を流れる微粒子を、各分岐路のうちの一つに選択的に誘導するためのマイクロソート機構であって、マイクロツールと駆動機構とを有し、前記マイクロツールは磁性を有し、全ての分岐路に対して、前記微粒子が任意の一つの分岐路を通過するよう、前記微小流路内で他の分岐路を塞ぐ位置に移動可能に設けられ、前記微小流路内での動きが前記他の分岐路を塞ぐ位置への移動に制限されるよう構成されており、前記駆動機構は前記微小流路の外部に設けられ、前記微粒子が通過する分岐路を選択可能に前記マイクロツールの移動を制御する電磁石を有することを、特徴とする。
本発明に係るマイクロソート機構は、マイクロチップ内などで、複数の分岐路を有する微小流路を流れる卵子、細胞、菌などの微粒子を、各分岐路のうちの一つに選択的に誘導するのに使用される。磁性を有するマイクロツールが、全ての分岐路に対して、微粒子が任意の一つの分岐路を通過するよう、微小流路内で他の分岐路を塞ぐ位置に移動可能に設けられているため、駆動機構の電磁石でマイクロツールの移動を制御することにより、微粒子が通過する分岐路を任意に選択することができる。このとき、マイクロツールの微小流路内での動きが、他の分岐路を塞ぐ位置への移動に制限されるよう構成されているため、マイクロツールを安定して駆動させることができる。マイクロツールを滑らかに移動するよう構成することにより、より小さい駆動力でマイクロツールを安定して駆動させることができ、駆動機構をより小さく構成することができる。
本発明に係るマイクロソート機構は、微小流路を流れる微粒子の種類等に応じて、微粒子が通過する分岐路を選択することにより、微粒子を効率よく分離・分類することができる。これにより、今までピペットなどを用いて顕微鏡下で行われてきた複雑な分離・分類のバイオ操作を、人手を介することなく、高速かつ効率的に行うことができる。
マイクロツールは、磁性を有していれば、金属製や磁化した材料など、いかなるものから成っていてもよい。マイクロツールは、例えば、いわゆる磁気マイクロツール（ＭＭＴ）から成っていてもよく、希土類金属が含まれていてもよく、製作時に着磁されてもよい。電磁石は、マイクロツールの移動を制御可能であれば、いかなる機構や配置を成していてもよい。電磁石は、例えば、流れる電流の向きや強さを変えたり、電流をＯＮ／ＯＦＦしたりすることにより、マイクロツールの移動を制御することができる。
本発明に係るマイクロソート機構で、前記駆動機構は前記電磁石と前記微小流路との間に磁場集中部材を有し、前記磁場集中部材は透磁率が他の部分よりも大きい高透磁率部を有することが好ましい。この場合、電磁石が作る磁場が、磁場集中部材の高透磁率部に集中するため、高透磁率部の位置を調整することにより、マイクロツールの移動を効率よく制御することができ、駆動機構をより小さく構成することができる。また、電磁石が作る磁場が周囲に及ぼす影響を小さくすることができる。電磁石に流れる電流の強さによっては、電磁石の発熱、電磁石を大型化する必要性、電磁石による磁場干渉などの周囲に対する悪影響が発生する可能性があるが、磁場集中部材により電磁石に流す電流を小さくすることができるため、それらの悪影響を軽減または排除することができる。
本発明に係るマイクロソート機構で、前記微小流路は２つの分岐路を有し、前記マイクロツールは、一方の分岐路を塞ぐ第１閉塞位置と他方の分岐路を塞ぐ第２閉塞位置との間で移動可能に設けられ、前記微小流路内での動きが前記第１閉塞位置と前記第２閉塞位置との間での移動に制限されるよう構成されており、前記駆動機構は、前記マイクロツールの前記第１閉塞位置と前記第２閉塞位置との間の移動を制御する電磁石を有していてもよい。この場合、電磁石でマイクロツールの移動を制御して、マイクロツールを第１閉塞位置または第２閉塞位置に移動させることにより、いずれか一方の分岐路に微粒子を誘導して通過させることができる。
また、この微小流路が２つの分岐路を有する場合、前記マイクロツールは細長く、一端に磁性を有する駆動部を有し、前記駆動部が前記第１閉塞位置と前記第２閉塞位置との間で移動するよう、他端を中心として滑らかに回転可能に設けられていることが好ましい。この場合、細長いマイクロツールが、他端を中心として滑らかに回転可能に設けられているため、さらに小さい駆動力でマイクロツールを安定して駆動させることができ、駆動機構をさらに小さく構成することができる。
この微小流路が２つの分岐路を有する場合、前記電磁石は２つから成り、それぞれ各分岐路に対応する位置に、互いの磁場の干渉を受けないよう所定の間隔をあけて設けられていることが好ましい。この場合、例えば、いずれか一方の電磁石にのみ電流が流れるよう、電流を流す電磁石を切り替えることにより、第１閉塞位置と第２閉塞位置との間でマイクロツールを容易に移動させることができる。
本発明に係るマイクロチップは、前記微小流路を有するマイクロモジュールと、本発明に係るマイクロソート機構とを有することを、特徴とする。
本発明に係るマイクロチップは、本発明に係るマイクロソート機構を有するため、より小さい駆動機構でマイクロツールを安定して駆動させることができる。また、マイクロモジュールの微小流路を流れる微粒子の種類等に応じて、微粒子が通過する分岐路を選択することにより、微粒子を効率よく分離・分類することができる。これにより、今までピペットなどを用いて顕微鏡下で行われてきた複雑な分離・分類のバイオ操作を、人手を介することなく、高速かつ効率的に行うことができる。マイクロソート機構の駆動機構をより小さく構成することができるため、マイクロソート機構を多段に配置することができる。
本発明に係るマイクロチップは、前記微小流路を流れる微粒子の種類を識別する識別手段と、前記識別手段で識別された前記微粒子の種類に基づいて、前記微粒子を一つの分岐路に選択的に誘導するよう前記駆動機構を制御する制御部とを、有することが好ましい。この場合、微粒子の種類に応じて、微粒子が通過する分岐路を選択することができ、微粒子を自動的に効率よく分離・分類することができる。識別手段は、例えば、微粒子の形状や特性を検出することにより微粒子の種類を識別するようになっていてもよい。
本発明に係るマイクロチップは、前記マイクロモジュールおよび前記マイクロソート機構が多段に配置されていてもよい。この場合、微粒子の種類等に応じて、より細かく微粒子を分離・分類することができる。
本発明によれば、より小さい駆動機構でマイクロツールを安定して駆動させることができ、微粒子を効率よく分離・分類することができるマイクロソート機構およびマイクロチップを提供することができる。
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１および図６は、本発明の第１の実施の形態のマイクロチップおよび本発明の実施の形態のマイクロソート機構を示している。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態のマイクロチップは、マイクロモジュール１１とマイクロソート機構１２とを有している。
図１および図６は、本発明の第１の実施の形態のマイクロチップおよび本発明の実施の形態のマイクロソート機構を示している。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態のマイクロチップは、マイクロモジュール１１とマイクロソート機構１２とを有している。
図１に示すように、マイクロモジュール１１は、卵子(卵細胞)、体細胞等の任意の動物細胞、植物細胞、ＥＳ細胞、微生物、菌、ＤＮＡ分子、ナノチューブ、ナノ材料等の微小物体などから成る微粒子１を流すための微小流路２１を有している。微小流路２１は、２つの分岐路２２ａ，２２ｂを有している。マイクロモジュール１１は、各分岐路２２ａ，２２ｂの間に、各分岐路２２ａ，２２ｂの股部で微小流路２１に連通した取付室２３を有している。取付室２３は、中央に取付用のピラー２４を有している。
図１に示すように、マイクロソート機構１２は、マイクロツール２５と駆動機構２６と識別手段２７と制御部２８とを有している。マイクロツール２５は、ポリマー製で柔軟性を有し、いわゆる磁気マイクロツール（ＭＭＴ）から成っている。図１（ｂ）および（ｃ）に示すように、マイクロツール２５は、細長く、一端に駆動部２５ａを有し、他端に支持部２５ｂを有している。駆動部２５ａは、制作時に着磁されて磁性を有している。駆動部２５ａは、薄い板状を成し、先が尖った矢印形状の平面形状を成している。支持部２５ｂは、中央に貫通孔２５ｃを有して円環状を成している。
マイクロツール２５は、駆動部２５ａを微小流路２１の各分岐路２２ａ，２２ｂの分岐位置に配置し、支持部２５ｂの貫通孔２５ｃに取付室２３のピラー２４を貫通させて、マイクロモジュール１１に取り付けられている。マイクロツール２５は、微小流路２１を流れる微粒子１がいずれかの分岐路２２ａ，２２ｂを通過するよう、駆動部２５ａが一方の分岐路２２ｂを塞ぐ図１（ｂ）に示す第１閉塞位置と、他方の分岐路２２ａを塞ぐ図１（ｃ）に示す第２閉塞位置との間で移動可能に、他端の支持部２５ｂを中心として回転可能に取り付けられている。マイクロツール２５は、支持部２５ｂがピラー２４に緩く嵌合されており、支持部２５ｂを中心として滑らかに回転可能になっている。こうして、マイクロツール２５は、駆動部２５ａの微小流路２１内での動きが第１閉塞位置と第２閉塞位置との間での移動に制限されるよう構成されている。具体的な一例では、駆動部２５ａの第１閉塞位置と第２閉塞位置との間での移動距離は、数百μｍ以下である。
図２に示すように、駆動機構２６は、１対の電磁石２９ａ，２９ｂと１対の磁場集中部材３０ａ，３０ｂとガラス板３１とを有している。各電磁石２９ａ，２９ｂは、それぞれ薄膜マイクロコイルから成り、直径２ｍｍ程度のフェライトコアに細線を巻きつけて形成されている。各電磁石２９ａ，２９ｂは、互いの磁場の干渉を受けないよう、それぞれのコイル間に所定の間隔をあけて設けられている。具体的な一例では、各電磁石２９ａ，２９ｂは、それぞれのコイル間に１ｍｍの間隔をあけて配置されている。
各磁場集中部材３０ａ，３０ｂは、ＭＥＭＳ技術により作成され、高透磁率の材料と低透磁率の材料とを組み合わせて形成されている。各磁場集中部材３０ａ，３０ｂは、ガラスもしくはシリコンウェハ基板にフォトレジストでパターニングした壁面に、高透磁率の材料と低透磁率の材料とを順々にめっき、電鋳加工もしくはパターニングし、剥離液もしくはウェットエッチングにより型を取り除くことより製造されている。各磁場集中部材３０ａ，３０ｂは、高透磁率の材料で形成された高透磁率部３２ａ，３２ｂが内側になるよう、各電磁石２９ａ，２９ｂの上部に設けられている。これにより、駆動機構２６は、各電磁石２９ａ，２９ｂの磁力線が上方に誘導されるようになっている。ガラス板３１は、各磁場集中部材３０ａ，３０ｂの上部に架け渡されている。
図１に示すように、駆動機構２６は、微小流路２１の外部の下部の、各分岐路２２ａ，２２ｂの分岐位置に設けられている。駆動機構２６は、各電磁石２９ａ，２９ｂが微小流路２１を挟んで、それぞれ各分岐路２２ａ，２２ｂに対応する位置に配置されるよう設けられている。駆動機構２６は、マイクロツール２５の両側に各電磁石２９ａ，２９ｂおよび各磁場集中部材３０ａ，３０ｂが並行に配置され、各電磁石２９ａ，２９ｂと微小流路２１との間に磁場集中部材３０ａ，３０ｂが配置されている。駆動機構２６は、各電磁石２９ａ，２９ｂで発生した磁界が、各磁場集中部材３０ａ，３０ｂの高透磁率部３２ａ，３２ｂにそれぞれ集中するため、マイクロツール２５の駆動部２５ａを併進移動可能になっている。このように、駆動機構２６は、各電磁石２９ａ，２９ｂによりマイクロツール２５の第１閉塞位置と第２閉塞位置との間の移動を制御して、微粒子１が通過する分岐路２２ａ，２２ｂを選択可能になっている。
図１に示すように、識別手段２７は、微小流路２１の外部の、各分岐路２２ａ，２２ｂの分岐位置よりやや上流に設けられ、微小流路２１を流れる微粒子１の形状または、着色や蛍光強度などの特性を検出可能なセンサから成っている。識別手段２７は、微粒子１の形状または特性を検出することにより、微粒子１の種類を識別するようになっている。
図１に示すように、制御部２８は、識別手段２７および各電磁石２９ａ，２９ｂに接続され、識別手段２７からの検出信号を増幅する電流増幅アンプ３３と、電流増幅アンプ３３で増幅されたＡＣ信号をＤＣ信号に変換するＡＣ／ＤＣ変換器３４と、ＡＣ／ＤＣ変換器３４で変換されたＤＣ信号を入力し、識別手段２７で識別された微粒子１の種類に対応するそのＤＣ信号に基づいて、各電磁石２９ａ，２９ｂを制御する制御信号を出力するコンピュータ３５と、コンピュータ３５で出力されたＤＣ信号から成る制御信号をＡＣ信号に変換するＤＣ／ＡＣ変換器３６とを有している。制御部２８は、ＤＣ／ＡＣ変換器３６で変換されたＡＣ信号を各電磁石２９ａ，２９ｂに送信することにより、各電磁石２９ａ，２９ｂを電磁駆動可能になっている。制御部２８は、いずれか一方の電磁石２９ａ，２９ｂにのみ電流が流れるよう、各電磁石２９ａ，２９ｂをオン、オフして、電流を流す電磁石２９ａ，２９ｂを切り替えることにより、電流を流した電磁石２９ａ，２９ｂの上部に微小磁界を形成して、マイクロツール２５を移動させるようになっている。このように、制御部２８は、微粒子１をいずれかの分岐路２２ａ，２２ｂに選択的に誘導するよう駆動機構２６を制御可能になっている。
図３に示す具体的な一例では、識別手段２７はＣＣＤカメラから成り、制御部２８は、電流増幅アンプ３３とＡＣ／ＤＣ変換器３４とを兼ねる画像ボードと、コンピュータ３５と、アンプ機能を内蔵したＤＣ／ＡＣ変換器３６とから成っている。この場合、まず、ＣＣＤカメラで微小流路２１を流れる微粒子１を撮影し、その微粒子１の画像を、画像ボードを介してコンピュータ３５に入力する。コンピュータ３５で、その入力された微粒子１の画像と、微粒子を識別するためにあらかじめ記録しておいた微粒子の校正用画像との相互相関を計算する。相関係数が所定の値以上（例えば、０．９以上）のとき、校正用画像の微粒子と同じものと判断し、微粒子１を一方の分岐路（例えば、分岐路２２ａ）に誘導するよう、ＤＣ／ＡＣ変換器３６を介して各電磁石２９ａ，２９ｂを電磁駆動し、駆動機構２６を制御するようになっている。また、相関係数が所定の値より小さい（例えば、０．９より小さい）とき、校正用画像の微粒子と異なるものと判断し、微粒子１を他方の分岐路（例えば、分岐路２２ｂ）に誘導するよう、ＤＣ／ＡＣ変換器３６を介して各電磁石２９ａ，２９ｂを電磁駆動し、駆動機構２６を制御するようになっている。
次に、作用について説明する。
本発明の第１の実施の形態のマイクロチップは、本発明の実施の形態のマイクロソート機構１２により、２つの分岐路２２ａ，２２ｂを有する微小流路２１を流れる卵子、細胞、菌などの微粒子１を、いずれかの分岐路２２ａ，２２ｂに選択的に誘導することができる。マイクロソート機構１２は、いずれか一方の電磁石２９ａ，２９ｂにのみ電流が流れるよう、電流を流す電磁石２９ａ，２９ｂを切り替えることにより、第１閉塞位置と第２閉塞位置との間でマイクロツール２５を容易に移動させることができる。
本発明の第１の実施の形態のマイクロチップは、本発明の実施の形態のマイクロソート機構１２により、２つの分岐路２２ａ，２２ｂを有する微小流路２１を流れる卵子、細胞、菌などの微粒子１を、いずれかの分岐路２２ａ，２２ｂに選択的に誘導することができる。マイクロソート機構１２は、いずれか一方の電磁石２９ａ，２９ｂにのみ電流が流れるよう、電流を流す電磁石２９ａ，２９ｂを切り替えることにより、第１閉塞位置と第２閉塞位置との間でマイクロツール２５を容易に移動させることができる。
図１に示す具体的な一例では、マイクロソート機構１２は、電磁石２９ａをオフ、電磁石２９ｂをオンにしたとき、マイクロツール２５の駆動部２５ａが電磁石２９ｂに引きつけられて図１（ｂ）に示す第１閉塞位置に移動するため、微粒子１を分岐路２２ａに誘導することができる。また、マイクロソート機構１２は、電磁石２９ａをオン、電磁石２９ｂをオフにしたとき、マイクロツール２５の駆動部２５ａが電磁石２９ａに引きつけられて図１（ｃ）に示す第２閉塞位置に移動するため、微粒子１を分岐路２２ｂに誘導することができる。このように、電磁石２９ａ，２９ｂでマイクロツール２５の移動を制御して、マイクロツール２５を第１閉塞位置または第２閉塞位置に移動させることにより、いずれか一方の分岐路２２ａ，２２ｂに選択的に微粒子１を誘導して通過させることができる。
マイクロツール２５の微小流路２１内での動きが、第１閉塞位置と第２閉塞位置との間での移動に制限されるよう構成されているため、マイクロツール２５を安定して駆動させることができる。マイクロツール２５が支持部２５ｂを中心として滑らかに回転可能に設けられているため、より小さい駆動力でマイクロツール２５を安定して駆動させることができ、駆動機構２６をより小さく構成することができる。各電磁石２９ａ，２９ｂが作る磁場が各磁場集中部材３０ａ，３０ｂの高透磁率部３２ａ，３２ｂに集中するため、マイクロツール２５の移動を効率よく制御することができる。また、各磁場集中部材３０ａ，３０ｂにより、各電磁石２９ａ，２９ｂが作る磁場が周囲に及ぼす影響を小さくすることができる。
識別手段２７および制御部２８により、微粒子１の種類に応じて、微粒子１が通過する分岐路２２ａ，２２ｂを選択することができ、微粒子１を自動的に効率よく分離・分類することができる。これにより、今までピペットなどを用いて顕微鏡下で行われてきた複雑な分離・分類のバイオ操作を、人手を介することなく、高速かつ効率的に行うことができる。
本発明の実施の形態のマイクロソート機構１２は、各電磁石２９ａ，２９ｂの磁界の変化により、ピン支持機構により他端の支持部２５ｂを支持された矢印形状のマイクロツール２５の駆動部２５ａを、微小流路２１内で左右に移動させることができる。また、マイクロツール２５は、ピン支持機構により滑らかに回転することや、マイクロツール２５の製作時の着磁工程により、電磁コイルの磁界強度が小さくても十分に動作するだけの磁化力を保有していることから、小さな磁界強度でも駆動部２５ａをスムーズに移動させることができる。このマイクロツール２５の移動により、目的の分岐路２２ａまたは２２ｂに微粒子１を分離することができる。なお、マイクロツール２５は、ポリマー製で柔軟性を有するため、微粒子用のバルブ効果も同時に得ることができ、必要な微小流路を開閉することも可能である。
本発明の第１の実施の形態のマイクロチップは、従来のように、直接、磁性体を微小流路に挿入したり、外部の電磁石を電磁コイルで移動させたりする必要がなく、極めて小型の磁気による駆動機構２６を用いて、小スペースで、２個の薄膜マイクロコイルからなる電磁石２９ａ，２９ｂを交互に磁化させるだけで、マイクロツール２５を移動させて微粒子１を分離することができる。駆動機構２６や識別手段２７が微小流路２１の外部に設けられているため、非接触・非侵襲で微粒子１を分離することができる。
従来の電磁石駆動機構では、マイクロツールを微小領域に多数設置することは困難であったが、本発明の第１の実施の形態のマイクロチップによれば、マイクロソート機構１２の駆動機構２６をより小さく構成することができるとともに、マイクロツール２５を安定に駆動するために十分な駆動力を保持することができる。このため、マイクロソート機構１２を多段に配置することができ、これにより、微粒子１の種類等に応じて、より細かく微粒子１を分離・分類することができる。
なお、マイクロソート機構１２は、マイクロツール２５の駆動部２５ａがＮまたはＳに着磁されていてもよい。この場合、電磁石２９ａおよび電磁石２９ｂに互いに逆向きに電流を流すことにより、各磁場集中部材３０ａ，３０ｂが互いに反対の極性を有するため、駆動部２５ａが電磁石２９ａまたは電磁石２９ｂに引きつけられて、第１閉塞位置または第２閉塞位置に移動する。また、電磁石２９ａおよび電磁石２９ｂに逆向きに電流を流すことにより、各磁場集中部材３０ａ，３０ｂの極性が逆になるため、駆動部２５ａが反対側の電磁石に引きつけられて、反対側の閉塞位置に移動する。こうして、電磁石２９ａ，２９ｂでマイクロツール２５の移動を制御することができる。
マイクロツール２５は、マグネタイトやネオジムを含んだ磁気マイクロツール（ＭＭＴ）から成ることが好ましい。特に、ネオジムを含む場合には、磁力の性能向上が著しいため、ネオジムを含んだＭＭＴから成ることが好ましい。例えば、図４に示すように、ネオジムを５０％含み、着磁されたＭＭＴは、マグネタイトを５０％含み、着磁されたＭＭＴと比べて、約４４倍の磁力の性能向上が認められる。なお、ネオジムを５０％含み、着磁されたＭＭＴは、マグネタイトを５０％含み、着磁されていないＭＭＴと比べると、約１００倍の磁力の性能向上が認められる。
また、図５に示すように、１対の磁場集中部材３０ａ，３０ｂは、それぞれ細長いピンから成り、各電磁石２９ａ，２９ｂの上部に架け渡されたガラス基板の内部に埋め込まれていてもよい。この場合、各磁場集中部材３０ａ，３０ｂは、それぞれ各電磁石２９ａ，２９ｂの上部に配置され、ガラス基板の下部から上部にかけて互いに近づくよう、傾斜して設けられている。また、各磁場集中部材３０ａ，３０ｂは、上端が、マイクロツール２５の駆動部２５ａの先端両側に配置されるよう設けられている。これにより、各電磁石２９ａ，２９ｂで発生した磁界を、ピン状の各磁場集中部材３０ａ，３０ｂに集中させることができ、マイクロツール２５の駆動部２５ａを併進移動させることができる。また、磁界がピン状の各磁場集中部材３０ａ，３０ｂに集中するため、磁場干渉領域をより狭くすることができる。なお、この構成では、マイクロツール２５がネオジムを含んだＭＭＴから成る場合、マイクロツール２５の駆動部２５ａを、最速約１０Ｈｚで駆動可能であることが確認されている。
また、図６に示すように、１対の磁場集中部材３０ａ，３０ｂは、それぞれ先端が尖った三角形状のニッケル製のピンから成り、マイクロモジュール１１に埋め込まれていてもよい。なお、各磁場集中部材３０ａ，３０ｂは、先鋭形状のものであれば実施例に限るものではない。この場合、各磁場集中部材３０ａ，３０ｂは、微小流路２１を挟むようにして、尖った先端を互いに向かい合わせて配置されている。これにより、各電磁石２９ａ，２９ｂで発生した磁界を、各磁場集中部材３０ａ，３０ｂに集中させることができ、マイクロツール２５の駆動部２５ａを併進移動させることができる。また、磁界が、尖った先端を互いに向かい合わせて配置された各磁場集中部材３０ａ，３０ｂに集中するため、磁場干渉領域をより狭くすることができる。なお、この構成では、マイクロツール２５がネオジムを含んだＭＭＴから成る場合、マイクロツール２５の駆動部２５ａを、最速約１８０Ｈｚで駆動可能であることが確認されている。
図７は、本発明の第２の実施の形態のマイクロチップを示している。
なお、以下の説明では、本発明の第１の実施の形態のマイクロチップの構成と同一の部材には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
図７に示すように、本発明の第２の実施の形態のマイクロチップは、多段マイクロソート機構から成り、マイクロモジュール５１とマイクロソート機構１２とを有している。
なお、以下の説明では、本発明の第１の実施の形態のマイクロチップの構成と同一の部材には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
図７に示すように、本発明の第２の実施の形態のマイクロチップは、多段マイクロソート機構から成り、マイクロモジュール５１とマイクロソート機構１２とを有している。
図７に示すように、マイクロモジュール５１は、微粒子１を流すための微小流路２１を有し、微小流路２１は２つの第１段分岐路５２ａ，５２ｂと、各第１段分岐路５２ａ，５２ｂがさらに２つに分岐した４つの第２段分岐路５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄとを有している。
マイクロソート機構１２は、各第１段分岐路５２ａ，５２ｂの分岐位置と、各第２段分岐路５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄの２つの分岐位置とに、全部で３つ設けられている。各マイクロソート機構１２の識別手段２７は、微小流路２１を流れる微粒子１が下流の分岐路に行くに従って、微粒子１の種類に応じてより細かく分離・分類されるよう、微粒子１の種類を識別可能になっている。
本発明の第２の実施の形態のマイクロチップでは、各マイクロソート機構１２の識別手段２７で微粒子１の形状または特性を検出した信号が制御部２８で電気信号に変換されて、それぞれの識別手段２７に対応する各第１段分岐路５２ａ，５２ｂの薄膜マイクロコイルから成る各電磁石２９ａ，２９ｂ、または、各第２段分岐路５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄの薄膜マイクロコイルから成る各電磁石２９ａ，２９ｂを電磁駆動する。
ここで、図７に示す多段マイクロソート機構の分離・分類シーケンスを説明する。まず最初に、１段目で、制御部２８の電気信号に基づき、１段目の薄膜マイクロコイルから成る各電磁石２９ａ，２９ｂがオン、オフされ、生じた微小磁界により、ピン支持機構で支持部２５ｂを支持された矢印形状の磁性体であるマイクロツール２５の駆動部２５ａが微小流路２１内で左右に移動し、微粒子１が２段目のマイクロソート機構１２に導かれる。２段目のマイクロソート機構１２では、制御部２８の電気信号により、２段目の薄膜マイクロコイルから成る各電磁石２９ａ，２９ｂがオン、オフされ、マイクロツール２５の駆動部２５ａが微小流路２１内で左右に移動し、後段の第２段分岐路５３ａ，５３ｂ，５３ｃまたは５３ｄに微粒子１が導かれる。
このように、各マイクロツール２５の移動点を適宜コントロールすることにより、４つの第２段分岐路５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄのうち、目的の第２段分岐路５３ａ，５３ｂ，５３ｃまたは５３ｄに微粒子１を分離・分類することができる。マイクロソート機構１２を２段に限らず多段に連続配置することにより、省スペースで磁場干渉なく、複数の分岐路に目的の微粒子１をソートすることが可能である。
図８は、本発明の第３の実施の形態のマイクロチップを示している。
なお、以下の説明では、本発明の第１の実施の形態のマイクロチップの構成と同一の部材には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
図８に示すように、本発明の第３の実施の形態のマイクロチップは、マルチチャネル型マイクロチップから成っている。
なお、以下の説明では、本発明の第１の実施の形態のマイクロチップの構成と同一の部材には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
図８に示すように、本発明の第３の実施の形態のマイクロチップは、マルチチャネル型マイクロチップから成っている。
本発明の第３の実施の形態のマイクロチップは、ローディング機構７１により個々の微粒子１を１個ずつ分離し、分離された微粒子１は、本発明の第２の実施の形態の多段マイクロソート機構７２を経て、４つの微小流路２１から成る分岐路群７３のうち目的の微小流路２１に導かれる。目的の微小流路２１に導かれた微粒子１は、細胞加工工程７４を経て、マイクロソート機構１２の識別手段２７に導かれる。この識別手段２７で、微粒子１の形状や特性を検出した信号は、制御部２８のコンピュータ３５により判定されてマイクロツール２５を制御し、加工後の微粒子１を選別する。マイクロソート機構１２により必要な微粒子１として選別された微粒子１のみが、細胞カップリングおよび融合システム７５に導かれる。マイクロソート機構１２により不要な微粒子１として選別された微粒子１は、除去される。
この図８に示すマルチチャネル型マイクロチップでは、極めて僅かな面積内で、細胞核移植に必要なローディング、分離・分類、加工、選別、カップリング、融合等のバイオ操作を人的な操作に頼ることなく、高速で、自動的に実現することができる。
図８に示すように、一個のマイクロチップ内に、極めて小型のマイクロソート機構１２を多段に配置し、目的の微粒子１を必要な微小流路２１に高速にソートし、微粒子１を加工することができるため、今後、加速度的に増加する微粒子（卵子、細胞、細菌等）の分離、分類、加工、選択、処理の一連の処理能力を向上させることができる。この高スループットで多機能なマイクロチップを利用することで、今までピペットなどを用いて顕微鏡下で行われてきた分離・加工・選択・融合等の複雑なバイオ操作を、人的な操作を行わないで、自動的に高速で、効率的に行うことが可能になる。
本発明によれば、今後のバイオ技術分野の発展に伴い、加速度的に増加するバイオ関連微粒子のローディング、分離・分類、加工、選別、カップリング、融合プロセスを自動的に高速で実現できるマルチチャネル型マイクロチップを供給することができる。また、産業的にも充分な処理能力を有しており、バイオ産業の発展に貢献することができる。
１ 微粒子
１１ マイクロモジュール
１２ マイクロソート機構
２１ 微小流路
２２ａ，２２ｂ 分岐路
２３ 取付室
２４ ピラー
２５ マイクロツール
２５ａ 駆動部
２５ｂ 支持部
２５ｃ 貫通孔
２６ 駆動機構
２７ 識別手段
２８ 制御部
２９ａ，２９ｂ 電磁石
３０ａ，３０ｂ 磁場集中部材
３１ ガラス板
３２ａ，３２ｂ 高透磁率部
３３ 電流増幅アンプ
３４ ＡＣ／ＤＣ変換器
３５ コンピュータ
３６ ＤＣ／ＡＣ変換器
１１ マイクロモジュール
１２ マイクロソート機構
２１ 微小流路
２２ａ，２２ｂ 分岐路
２３ 取付室
２４ ピラー
２５ マイクロツール
２５ａ 駆動部
２５ｂ 支持部
２５ｃ 貫通孔
２６ 駆動機構
２７ 識別手段
２８ 制御部
２９ａ，２９ｂ 電磁石
３０ａ，３０ｂ 磁場集中部材
３１ ガラス板
３２ａ，３２ｂ 高透磁率部
３３ 電流増幅アンプ
３４ ＡＣ／ＤＣ変換器
３５ コンピュータ
３６ ＤＣ／ＡＣ変換器
Claims (6)
- 一端に磁性を有し、他端を中心として滑らかに回転可能とすることにより、微小流路を流れる微粒子を分岐路のうちの一つに選択的に誘導するマイクロツールと、
前記微小流路の外部に設けられる電磁石と磁場集中部材とによって前記マイクロツールの前記回転を可能とする駆動機構とを、
有することを特徴とするマイクロソート機構。 - 前記磁場集中部材は、高透磁率部を有し、前記駆動機構が動作状態ではないときに、前記マイクロツールの磁性を有する前記一端に対して両側に配置することを特徴とする請求項１記載のマイクロソート機構。
- 前記電磁石は２つから成り、それぞれ各分岐路に対応する位置に、互いの磁場の干渉を受けないよう所定の間隔をあけて設けられていることを、特徴とする請求項１または２記載のマイクロソート機構。
- 前記微小流路を有するマイクロモジュールと、請求項１、２または３記載のマイクロソート機構とを有することを、特徴とするマイクロチップ。
- 前記微小流路を流れる微粒子の種類を識別する識別手段と、
前記識別手段で識別された前記微粒子の種類に基づいて、前記微粒子を一つの分岐路に選択的に誘導するよう前記駆動機構を制御する制御部とを、
有することを特徴とする請求項４記載のマイクロチップ。 - 前記マイクロモジュールおよび前記マイクロソート機構が多段に配置されていることを、特徴とする請求項４または５記載のマイクロチップ。
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Legal Events
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| A02 | Decision of refusal |
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