(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通流する液体を外部に排出するオリフィスが形成された二以上の流路と、
流路の少なくともオリフィス部分を所定の振動数で振動させて、オリフィスから排出される液体を液滴化して吐出させる振動素子と、を備え、
各流路のオリフィスから吐出される液滴同士を衝突させる手段が設けられ、
前記流路を通流する液体に含まれる微小粒子を検出する検出手段と、
検出手段からの微小粒子の検出信号に基づいて微小粒子の送流間隔を算出し、算出された送流間隔に基づいて前記振動素子の振動数を制御する制御手段と、を設けた物質混合装置。
【請求項２】
前記制御手段は、微小粒子を含む液体が通流される流路のオリフィスから吐出される液滴中に所定数の微小粒子が含まれるように前記振動数を制御する請求項１記載の物質混合装置。
【請求項３】
オリフィスから吐出される液滴に電荷を付与する荷電手段が設けられ、
衝突後の液滴の移動方向に沿って対向して配設された対電極を備える請求項２記載の物質混合装置。
【請求項４】
オリフィスから吐出される液滴に付与された電荷と前記対電極との電気的作用力によって、衝突後の液滴の移動方向を制御する請求項３記載の物質混合装置。
【請求項５】
衝突後の液滴を回収して収容する二以上の領域に対して、前記流路のオリフィスを相対移動させる駆動手段を設けた請求項２記載の物質混合装置。
【請求項６】
前記流路が、一のマイクロチップ上に形成された請求項１〜５のいずれか一項に記載の物質混合装置。
【請求項７】
通流する液体を外部に排出するオリフィスが形成され、少なくともオリフィス部分に加えられる振動によってオリフィスから排出される液体を液滴化して吐出する二以上の流路が形成され、
各流路が、それぞれのオリフィスから吐出される液滴同士が衝突し得るように配設され、
前記流路の所定部位が、通流する液体に含まれる微小粒子を検出するための検出部として構成され、
オリフィス部位の流路断面積が、検出部の流路断面積よりも小さく形成されている請求項６記載の物質混合装置に用いられるマイクロチップ。
【請求項８】
前記検出部よりも送液方向上流に、流路を通流する第一の液体の層流中に微小粒子を含む第二の液体の層流を導入する微小管が配設されている請求項７記載のマイクロチップ。
【請求項９】
前記微小管が、電圧を印加可能な金属により形成されている請求項８記載のマイクロチップ。
【請求項１０】
前記流路の少なくともオリフィス部分に振動を加える振動素子を備える請求項７〜９のいずれか一項に記載のマイクロチップ。
【請求項１１】
通流する液体を外部に排出するオリフィスが形成された流路を二以上配置し、
いずれかの流路に微小粒子を含む液体を通流し、
流路の少なくともオリフィス部分を所定の振動数で振動させて、オリフィスから排出される液体を液滴化して吐出させ、その際に、流路を通流する液体に含まれる微小粒子の送流間隔に基づいて前記振動数を制御して、該流路のオリフィスから吐出される液滴中に所定数の微小粒子が含まれるようにし、
流路のオリフィスから吐出される微小粒子を含む液滴を、他の流路のオリフィスから吐出される液滴と衝突させることにより混合する物質混合方法。
【請求項１２】
オリフィスから吐出される液滴に電荷を付与し、
衝突後の液滴の移動方向に沿って対向して配設された対電極と液滴に付与された電荷との電気的作用力によって衝突後の液滴の移動方向を制御して、
衝突後の液滴を二以上の領域に分注する請求項１１記載の物質混合方法。
【請求項１３】
二以上の領域に対して前記流路のオリフィスを相対移動させ、
衝突後の液滴を各領域に分注する請求項１１記載の物質混合方法。
【請求項１４】
前記流路を、一のマイクロチップ上に配置した請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の物質混合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質混合装置と物質混合方法に関する。より詳しくは、二以上の流路のオリフィスから吐出される液滴同士を衝突させることによって物質を混合する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、バイオテクノロジーや化学の分野において、反応分析工程の大規模化と高速化が進められている。反応分析工程のハイスループット化のためには、反応系を微量化して多数の反応系を同時並行的に分析することが有効となる。反応系の量が多いと、例えば反応速度が非常に速い物質の分析を行う場合、全ての反応系の混合が完了する前に一部の反応系で反応が進行してしまい、多数の反応系を同一条件下で分析できず、正確な分析結果が得られない。
【０００３】
一方で、反応系を微量化すると、一定量ずつの物質を均一に混合することが難しくなるという問題がある。各反応系間で混合される物質の量にばらつきが生じたり、混合が不均一であったりすると、分析の再現性が低下し、信頼できる分析結果が得られなくなる。
【０００４】
一定量の微量物質の均一な混合を可能にする技術として、特許文献１には、圧電制御型液滴吐出手段を２以上配置し、各液滴吐出手段から吐出される微小液滴同士を衝突させることにより均一に混合することを特徴とする物質の均一混合方法及び均一混合装置が開示されている。この技術によれば、微量な物質の混合−反応操作が可能であり、物質を均一に反応させ、均一な反応物を得ることができる。なお、この物質の均一混合方法等に採用される「圧電制御型液滴吐出手段」は、液体加圧室の壁部の一部を圧電／電歪素子によって変形させて液体加圧室に圧力を生じさせることにより、液体加圧室内の液体をノズル孔から噴射させるようにした液滴吐出装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２６２６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
バイオテクノロジーや化学の分野においては、従来、細胞や微生物、リポソームなどの生体関連微小粒子、あるいはラテックス粒子やゲル粒子、工業用粒子などの合成粒子などの微小粒子と、種々の化合物を混合し、微小粒子と化合物との反応を分析することが行われている。
【０００７】
一例として、バイオテクノロジー分野では、多数のウェル内でリンパ球と抗原を混合し、抗原と結合した抗原特異的Ｂ細胞をスクリーニングしたり、ウェル内でリンパ球と癌細胞やウイルス感染細胞を混合し、癌細胞等を破壊した細胞障害性Ｔ細胞をスクリーニングしたりすることが行われている。検出された抗原特異的Ｂ細胞や細胞障害性Ｔ細胞は、回収後、遺伝子解析などが行われ、抗体医薬や細胞免疫治療法の開発に役立てられている。これらのスクリーニングでは、ウェル内にリンパ球を一つ又は数個ずつ分注して抗原等と混合し、反応及び目的細胞の検出を行う「単一細胞スクリーニング」と呼ばれるハイスループットスクリーニングが行われるようになっている。
【０００８】
上記特許文献１に開示される物質の均一混合方法及び混合装置では、一定量の微量物質の均一な混合が可能であるが、このような微小粒子と物質との混合や、微小粒子と微小粒子との混合を行うことは想定されていない。
【０００９】
そこで、本発明は、一定量の微量物質を均一に混合することができ、微小粒子の混合も可能な物質混合装置を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題解決のため、本発明は、通流する液体を外部に排出するオリフィスが形成された二以上の流路と、流路の少なくともオリフィス部分を所定の振動数で振動させて、オリフィスから排出される液体を液滴化して吐出させる振動素子と、を備え、各流路のオリフィスから吐出される液滴同士を衝突させる手段が設けられた物質混合装置を提供する。
この物質混合装置は、前記流路を通流する液体に含まれる微小粒子を検出する検出手段と、検出手段からの微小粒子の検出信号に基づいて微小粒子の送流間隔を算出し、算出された送流間隔に基づいて前記振動素子の振動数を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段によって、微小粒子を含む液体が通流される流路のオリフィスから吐出される液滴中に所定数の微小粒子が含まれるように前記振動数を制御するように構成できる。
また、この物質混合装置は、オリフィスから吐出される液滴に電荷を付与する荷電手段と、衝突後の液滴の移動方向に沿って対向して配設された対電極を有し、オリフィスから吐出される液滴に付与された電荷と前記対向電極との電気的作用力によって、衝突後の液滴の移動方向を制御するように構成できる。衝突後の液滴の移動方向を制御することで、液滴を二以上の領域に回収することができる。
あるいは、この物質混合装置は、衝突後の液滴を回収して収容する二以上の領域に対して、前記流路のオリフィスを相対移動させる駆動手段を有していてもよい。領域に対して、流路のオリフィスを相対移動させることで、衝突後の液滴を二以上の領域に回収することができる。
この物質混合装置において、前記流路は一のマイクロチップ上に形成されることが好適であり、本発明は、通流する液体を外部に排出するオリフィスが形成され、少なくともオリフィス部分に加えられる振動によってオリフィスから排出される液体を液滴化して吐出する二以上の流路が形成され、各流路が、それぞれのオリフィスから吐出される液滴同士が衝突し得るように配設されているマイクロチップをも提供する。
このマイクロチップは、前記流路の所定部位が、通流する液体に含まれる微小粒子を検出するための検出部として構成され、オリフィス部位の流路断面積が、検出部の流路断面積よりも小さく形成されている。
このマイクロチップでは、前記検出部よりも送液方向上流に、流路を通流する第一の液体の層流中に微小粒子を含む第二の液体の層流を導入する微小管を配設することができる。
この微小管は電圧を印加可能な金属により形成されることが好適である。これにより、微小管を、オリフィスから吐出される液滴に電荷を付与するための荷電手段として構成することができる。
このマイクロチップは、前記流路の少なくともオリフィス部分に振動を加える振動素子を備えることができる。
さらに、本発明は、通流する液体を外部に排出するオリフィスが形成された流路を二以上配置し、流路の少なくともオリフィス部分を所定の振動数で振動させて、オリフィスから排出される液体を液滴化して吐出させ、各流路のオリフィスから吐出される液滴同士を衝突させることにより混合する物質混合方法を提供する。
この物質混合方法では、いずれかの流路に微小粒子を含む液体を通流し、該流路のオリフィスから吐出される微小粒子を含む液滴を、他の流路のオリフィスから吐出される液滴と衝突させることにより、微小粒子と物質を混合するができる。この場合において、前記振動数を、流路を通流する液体に含まれる微小粒子の送流間隔に基づいて制御することで、該流路のオリフィスから吐出される液滴中に所定数の微小粒子が含まれるようにすることができる。
この物質混合方法では、オリフィスから吐出される液滴に電荷を付与し、衝突後の液滴の移動方向に沿って対向して配設された対電極と液滴に付与された電荷との電気的作用力によって衝突後の液滴の移動方向を制御して、衝突後の液滴を二以上の領域に分注することができる。あるいは、二以上の領域に対して前記流路のオリフィスを相対移動させ、
衝突後の液滴を各領域に分注してもよい。
この物質混合方法において、前記流路は一のマイクロチップ上に形成されることが好適である。
【００１１】
本発明において、「微小粒子」には、細胞や微生物、リポソームなどの生体関連微小粒子、あるいはラテックス粒子やゲル粒子、工業用粒子などの合成粒子などが広く含まれるものとする。
【００１２】
生体関連微小粒子には、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）などが含まれる。対象とする細胞には、動物細胞（血球系細胞など）及び植物細胞が含まれる。微生物には、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含まれる。さらに、生体関連微小粒子には、核酸やタンパク質、これらの複合体などの生体関連高分子も包含され得るものとする。また、工業用粒子は、例えば有機もしくは無機高分子材料、金属などであってもよい。有機高分子材料には、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などが含まれる。無機高分子材料には、ガラス、シリカ、磁性体材料などが含まれる。金属には、金コロイド、アルミなどが含まれる。これら微小粒子の形状は、一般には球形であるのが普通であるが、非球形であってもよく、また大きさや質量なども特に限定されない。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、一定量の微量物質を均一に混合することができ、微小粒子の混合が可能な物質混合装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る物質混合装置の第一実施形態を説明する図である。
【図２】本発明に係る物質混合装置の第一実施形態の変形例を説明する図である。
【図３】本発明に係る物質混合装置の第二実施形態を説明する図である。
【図４】本発明に係る物質混合装置の第二実施形態の変形例を説明する図である。
【図５】本発明に係る物質混合装置が備える検出手段と制御手段を説明する図である。
【図６】第一実施形態に係る物質混合装置において、混合後の液滴を分注するための構成を説明する図である。
【図７】第一実施形態の変形例に係る物質混合装置において、混合後の液滴を分注するための構成を説明する図である。
【図８】本発明に係る物質混合装置の第三実施形態を説明する図である。
【図９】本発明に係るマイクロチップを説明する図である。
【図１０】本発明に係るマイクロチップから吐出される液滴を模式的に示す図である。
【図１１】微小管１１６の配設箇所と絞込部１１７の近傍の流路１１の構造と、通流するサンプル液層流及びシース液層流の様子を説明する図である。
【図１２】昇圧部１１８とオリフィス１１１の近傍の流路１１の構造と、通流するサンプル液層流及びシース液層流の様子を説明する図である。
【図１３】流路１１の各部位における幅及び深さを説明する図である。
【図１４】流路１１の幅及び深さについて他の好適な実施形態を説明する図である。
【図１５】マイクロチップ型物質混合装置において、混合後の液滴を分注するための構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための好適な形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。なお、説明は以下の順序で行う。
１．衝突手段
（１−１）第一実施形態
（１−２）第二実施形態
２．検出手段と制御手段
３．混合後の液滴の分注
（３−１）荷電手段による分注
（３−２）駆動手段による分注
４．マイクロチップ型物質混合装置
（４−１）装置構成の概略
（４−２）マイクロチップ
（４−３）荷電手段による分注
（４−４）駆動手段による分注
【００１６】
１．衝突手段
（１−１）第一実施形態
図１は、本発明に係る物質混合装置の第一実施形態を説明する模式図である。本実施形態に係る物質混合装置は、２つの流路のオリフィスから吐出される液滴同士を衝突させることによって物質の混合を行うことを特徴としている。図は、物質混合装置が備える液滴同士を衝突させるための手段の構成を示している。
【００１７】
図中、符号１１，１２は、混合される物質を含む液体が通流される流路を示す。流路１１，１２には、通流する液体を外部に排出するためのオリフィス１１１，１２１がそれぞれ形成されている。また、図中、符号１１２，１２２は、流路１１，１２の少なくともオリフィス１１１，１２１部分を所定の振動数で振動させることによって、オリフィス１１１，１２１から排出される液体を液滴化して吐出させるための振動素子をそれぞれ示す。振動素子１１２，１２２は、ピエゾ振動素子等によって構成され、流路１１，１２の全体もしくは少なくともオリフィス１１１，１２１部分を含む一部に所定の振動を加えるように配設されている。
【００１８】
混合される物質を含む液体は、不図示の送液手段によって流路１１，１２に送液され、振動素子１１２，１２２の機能によってオリフィス１１１，１１２から液滴Ａ，Ｂとして吐出される。この際、流路１１，１２への送液量（流量）やオリフィス１１１，１２１の径、振動素子１１２，１２２の振動数等を調整することによって、液滴Ａ，Ｂの大きさを調整し、各液滴に一定量ずつの物質が含まれるようにすることができる。吐出された液滴Ａ，Ｂは、流路１１，１２外の空間の所定位置で衝突して一つの液滴Ｇとなり、液滴Ａ，Ｂに含まれる物質が液滴Ｇ中において混合される。液滴Ｇは、液滴Ａ，Ｂが有した慣性に従って飛行し、図中符号２で示す容器内に回収される。液滴Ａ，Ｂの衝突角度θ１２や衝突箇所までの飛行距離Ｌ１１、Ｌ１２は、液滴Ａ，Ｂの衝突を可能にするため、液滴Ａ，Ｂの飛行速度や大きさ、オリフィス１１１，１２１からの吐出間隔等に応じて適宜設定される。
【００１９】
この物質混合装置では、混合される物質を含む液体を流路１１，１２のオリフィス１１１，１１２から液滴Ａ，Ｂとして吐出し衝突させることによって、各液滴に含まれる物質を短時間で均一に混合することが可能である。また、液滴Ａ，Ｂに一定量ずつの物質が含まれるようにできるため、混合される物質の量にばらつきが生じることがない。
【００２０】
流路１１又は流路１２に通流される液体中には、１又は２以上の物質が含まれていてよく、液滴Ａと液滴Ｂが衝突することによって液滴Ａに含まれる１又は２以上の物質と液滴Ｂに含まれる１又は２以上の物質とが液滴Ｇ内において混合されるようにすることができる。
【００２１】
液滴Ａ，Ｂの衝突角度θ１２や衝突箇所までの距離Ｌ１１、Ｌ１２は、吐出される液滴Ａ，Ｂの飛行速度や大きさ、オリフィス１１１，１２１からの吐出間隔等に応じて適宜設定することができる。例えば、図２に示すように、流路１１，１２を略９０度に配設し、各流路のオリフィスから吐出される液滴Ａ，Ｂの衝突角度θ１２が略９０度となるようにしてもよい。液滴の衝突角度は、０度よりも大きく１８０度よりも小さい範囲で適宜選択され得る。
【００２２】
図２には、液滴Ａの質量に比べて液滴Ｂの質量が十分に小さいために、衝突後の液滴Ｇの飛行方向が液滴Ａの吐出方向と比べて変化しない場合における容器２の配置位置を示した。液滴Ｇは液滴Ａ，Ｂの有した慣性に従って飛行するため、容器２は液滴Ｇが飛行する方向に配置される必要がある。
【００２３】
なお、図１に示す第一実施形態及び図２に示す変形例において、液滴Ａ，Ｂは、全てが必ず衝突・混合される必要はなく、液滴Ｂと衝突しない液滴Ａが存在してもよい。また、液滴Ａと衝突しない液滴Ｂが存在してもよい。例えば、オリフィス１１１から吐出される液滴Ａに対して２つに１つの割合で、オリフィス１２１から吐出される液滴Ｂを衝突させて混合させることができる。この場合、容器２には、液滴Ｂと衝突しなかった液滴Ａそのものと、液滴Ｂと衝突して混合した液滴Ｇと、が回収されることになる。液滴Ｂは、液滴Ａ，Ｂの衝突箇所までの飛行距離Ｌ１１、Ｌ１２や飛行速度、オリフィスからの吐出間隔等を調整することにより、液滴Ａに対して一つおきに衝突させることができる。
【００２４】
（１−２）第二実施形態
図３は、本発明に係る物質混合装置の第二実施形態を説明する模式図である。本実施形態に係る物質混合装置は、１つの流路のオリフィスから微小粒子を含む液滴を吐出し、他の２つの流路のオリフィスから吐出される液滴と衝突させることによって、微小粒子を含む物質の混合を行うことを特徴としている。図は、物質混合装置が備える液滴同士を衝突させるための手段の構成を示している。
【００２５】
図中、符号１１，１２，１３は、混合される物質を含む液体が通流される流路を示す。このうち、流路１１には、微小粒子Ｐを含む液体が通流されている。各流路には、通流する液体を外部に排出するためのオリフィス１１１，１２１，１３１が形成され、オリフィスから排出される液体を液滴化して吐出させるための振動素子１１２，１２２，１３２が配設されている。
【００２６】
混合される物質を含む液体は、不図示の送液手段によって各流路に送液され、振動素子の機能によってオリフィスから液滴Ａ，Ｂ，Ｃとして吐出される。このうち、オリフィス１１１から吐出される液滴Ａには、流路１１を通流する液体に含まれる微小粒子Ｐが含まれている。吐出された液滴Ａ，Ｂ，Ｃは、流路１１，１２，１３外の空間の所定位置で衝突して一つの液滴Ｇとなり、液滴Ｇ中において液滴Ａに含まれる微小粒子Ｐと液滴Ｂ，Ｃに含まれる物質が混合される。その後、液滴Ｇは、液滴Ａ，Ｂ，Ｃが有した慣性に従って飛行し、容器２内に回収される。
【００２７】
液滴Ａ，Ｂの衝突角度θ１２や液滴Ａ，Ｃの衝突角度θ１３、各液滴の衝突箇所までの飛行距離Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３は、液滴同士の衝突を可能にするため、各液滴の飛行速度や大きさ、オリフィスからの吐出間隔等に応じて適宜設定される。
【００２８】
この物質混合装置では、微小粒子Ｐを含む液体を流路１１のオリフィス１１１から液滴Ａとして吐出し、混合される物質を含む液体を流路１２，１３のオリフィス１２１，１３２から液滴Ｂ，Ｃとして吐出し、これらの液滴同士を衝突させることによって各液滴に含まれる微小粒子と物質を短時間で均一に混合することが可能である。また、液滴Ｂ，Ｃには一定量ずつの物質が含まれるようにできるため、量にばらつきを生じることなく複数の物質を微小粒子Ｐと混合することが可能である。
【００２９】
液滴Ａ，Ｂ，Ｃの混合は、同時に３つの液滴の衝突・混合が行われても、あるいは先にいずれか２つの液滴の衝突・混合が行われてもよい。各液滴の衝突・混合は任意のタイミングで行うことができる。例えば、図４に示すように、流路１１，１２を略９０度に配設し、オリフィス１１１から吐出される微小粒子Ｐを含む液滴Ａに、まずオリフィス１２１から吐出される液滴Ｂを衝突させて液滴Ｇとする。これにより、液滴Ａ，Ｂに含まれる微小粒子Ｐと物質の混合を行う。次に、液滴Ｇの飛行方向に対して流路１３を略９０度に配設し、オリフィス１３１から吐出される液滴Ｃを液滴Ｇに衝突させて液滴Ｈとし、液滴Ｈ，Ｃに含まれる微小粒子と物質との混合を行うことができる。
【００３０】
また、液滴Ａ，Ｂ，Ｃは、必ず３つが衝突・混合される必要はなく、このうち２つのみが衝突・混合されてもよい。衝突・混合される液滴の組み合わせは任意に設定することができる。例えば、オリフィス１１１から吐出される液滴Ａに対して２つに１つの割合で、オリフィス１２１から吐出される液滴Ｂを衝突させて混合させる。この場合、オリフィス１３１から吐出される液滴Ｃと衝突する液滴は、液滴Ａそのものか、あるいは液滴Ａ，Ｂが混合した液滴Ｇとなる。そして、これらの液滴Ａ及び液滴Ｇと、オリフィス１３１から吐出される液滴Ｃとの衝突の組み合わせを選択することによって、最終的に容器２に回収される液滴Ｈとして、液滴Ａ，Ｃの混合物又は液滴Ａ，Ｂ，Ｃの混合物、又は液滴Ａ，Ｂの混合物を得ることができる。衝突・混合される液滴の組み合わせは、各液滴の衝突箇所までの飛行距離Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ２３、Ｌ１３、液滴Ａ，Ｂ，Ｃの飛行速度、オリフィスからの吐出間隔等を調整することによって任意に設定することができる。
【００３１】
図１及び図２では２つの流路１１，１２を、図３及び図４では３つの流路１１，１２，１３を設け、物質の混合を行う場合を説明したが、本発明に係る物質混合装置において、配設される流路の数は特に限定されず、４以上とすることも可能である。
【００３２】
２．検出手段と制御手段
図５は、本発明に係る物質混合装置において、流路のオリフィスから吐出される液滴中に所定数の微小粒子が含まれるようにするための構成を説明する模式図である。
【００３３】
図３及び図４で説明したように、本発明に係る物質混合装置では、流路のオリフィスから微小粒子を含む液滴を吐出し、他の流路のオリフィスから吐出される液滴と衝突させることによって、微小粒子を含む物質の混合を行うことができる。この際、液滴に含まれる微小粒子の数は、特に限定されず任意に設定することができる。図３では、流路１１のオリフィス１１１から吐出される液滴Ａに微小粒子Ｐが一つずつ含まれる場合を例示した。また、図４では、流路１１のオリフィス１１１から吐出される液滴Ａに、一つおきに０個又は１個の微小粒子Ｐが含まれる場合を例示した。
【００３４】
各液滴に含まれる微小粒子の数は、流路への送液量（流量）やオリフィスの径、振動素子の振動数等を調整することによって０又は１以上の任意数に設定することができる。各液滴に含まれる微小粒子の数は、特に、振動素子の振動数の制御によって好適に制御することができる。以下、図５を参照して具体的に説明する。
【００３５】
図５中、符号３１，３２，３３は、流路１１を通流する液体に含まれる微小粒子Ｐを検出するための検出手段を示している。検出手段３１，３２，３３は、流路１１の所定部位において、通流する微小粒子Ｐにレーザー光（測定光）を照射し、微小粒子Ｐから発生する光（測定対象光）を検出して電気的信号へと変換する。
【００３６】
検出手段３１，３２，３３は、レーザー光源と、微小粒子Ｐに対しレーザー光を集光・照射するためのレーザー光源や集光レンズ、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３１（検出手段３１）と、レーザー光の照射によって微小粒子Ｐから発生する測定対象光を検出器３３（検出手段３３）に集光する検出系３２（検出手段３２）と、によって構成することができる。検出器３３は、例えば、PMT（photo multiplier tube）や、CCDやCMOS素子等のエリア撮像素子等によって構成され得る。なお、図では、照射系と集光系を別体に構成した場合を示しているが、照射系と集光系は共通の光学経路を有して構成されていてもよい。
【００３７】
検出器３３により検出される測定対象光は、レーザー光の照射によって微小粒子Ｐ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などとすることができる。これらの測定対象光は電気的な検出信号に変換され、制御部４に出力される。制御部４は、この検出信号に基づいて流路１１における微小粒子Ｐの送流間隔を算出し、さらに算出された送流間隔に基づいて振動素子１１２の振動数を制御する。
【００３８】
流路１１における微小粒子Ｐの送流間隔に基づいて振動素子１１２を所定の振動数で振動させることにより、オリフィス１１１から吐出される液滴Ａに所定数の微小粒子Ｐが含まれるように制御することができる。図５では、各液滴Ａに微小粒子Ｐが一つずつ含まれるように制御した場合を例示した。送液間隔に基づき振動数を制御することで、例えば、各液滴に２以上の微小粒子を含ませたり、それぞれの液滴に異なる数の微小粒子を含ませたりすることも可能となる。
【００３９】
なお、検出手段３１，３２，３３は、例えば、電気的又は磁気的な検出手段に置換されてもよい。微小粒子を電気的又は磁気的に検出する場合には、流路１１の両側に微小電極を対向させて配設し、抵抗値、容量値（キャパシタンス値）、インダクタンス値、インピーダンス、電極間の電界の変化値、あるいは、磁化、磁界変化、磁場変化等を測定する。
【００４０】
なお、図３〜５では、流路１１のオリフィス１１１から微小粒子を含む液滴Ａを吐出する場合を例に説明したが、微小粒子を含む液体は２以上の流路に通流させることもできる。例えば、流路１１に加えて流路１２にも微小粒子を含む液体を通流させ、オリフィス１１１，１２１から微小粒子を含む液滴Ａ，Ｂを吐出させてもよい。この場合、液滴Ａ，Ｂ，Ｃが衝突して液滴Ｇ（図３参照）又は液滴Ｈ（図４参照）となることによって、液滴Ａ，Ｂにそれぞれ含まれる微小粒子とＣに含まれる物質が混合される。流路１１と流路１２に通流される液体にはいずれも1種類又は２種類以上の微小粒子が含まれていてよく、それぞれに含まれる微小粒子は同一であっても異なっていてもよいものとする。
【００４１】
３．混合後の液滴の分注
（３−１）荷電手段による分注
図６は、第一実施形態に係る物質混合装置において、衝突・混合後の液滴Ｇを分注するための構成を説明する模式図である。図は、電気的作用力によって液滴Ｇの移動方向を制御して、液滴Ｇを複数の領域に分注する構成を示している。図中、符号２１は、容器２に形成された複数の領域を示している。
【００４２】
流路１１，１２から吐出された液滴Ａ，Ｂは、衝突して液滴Ｇとなった後、液滴Ａ，Ｂが有した慣性に従って飛行する。図中、符号５１，５１は、液滴Ｇの移動方向に沿って対向して配設された第一の対電極を示している。また、符号５２，５２は、同じく液滴Ｇの移動方向に沿って対向して対向して配設された第二の対電極を示している。第一の対電極５１，５１及び第二の対電極５２，５２は、それぞれの対向軸が直交するように配設されている。すなわち、第一の対電極５１，５１は図中Ｘ軸方向に対向し、第二の対電極５２，５２はＹ軸方向に対向されている。
【００４３】
一方、図中、符号１１３，１１３は、流路１１から吐出される液滴Ａを帯電させ、電荷を付与するための荷電手段を示している。また、符号１２３，１２３は、同じく流路１２から吐出される液滴Ｂに電荷を付与するための荷電手段を示している。ここでは、荷電手段を液滴Ａ，Ｂの吐出方向に沿って配設した対電極として構成した場合を示したが、荷電手段の構成は、液滴Ａ，Ｂに電荷を付与可能な構成であれば特に限定されない。荷電手段の他の構成の一例として、流路１１，１２に通流する液体に接触可能に金属部材を配置し、この金属部材に電圧を印加する構成が挙げられる。
【００４４】
流路１１，１２から吐出された液滴Ａ，Ｂのいずれか一方又は両方に正又は負の電荷を付与することで、衝突後の液滴Ｇに正又は負の電荷を持たせることができる。そして、この液滴Ｇに付与された電荷と第一の対電極５１，５１との間に作用する電気的な反発力又は吸引力によって、対電極５１，５１を通過する液滴Ｇの移動方向をＸ軸正負方向に制御する。さらに、液滴Ｇに付与された電荷と第二の対電極５２，５２との間に作用する電気的な力によって、第二の対電極５２，５２を通過する液滴Ｇの移動方向をＹ軸正負方向に制御する。
【００４５】
第二の対電極５２，５２を通過後の液滴Ｇの飛行方向は、第一の対電極５１，５１及び第二の対電極５２，５２に印加される電圧を変化させ、液滴Ｇとの間の電気的作用力の強度を調整することにより、図中Ｘ軸及びＹ軸方向に任意に制御することができる。これにより、容器２に形成された複数の領域２１のそれぞれに対して液滴Ｇを誘導して、各領域内に液滴Ｇを回収することが可能となる。各領域２１には、０又は１以上の液滴Ｇを誘導、回収することができる。なお、液滴Ｇの飛行方向の制御は、荷電手段１１３，１１３又は１２３，１２３によって液滴Ａ又はＢに付与される電荷を変化させることによって調整することもできる。
【００４６】
各流路には微小粒子を含む液体を通流し、オリフィスから微小粒子を含む液滴を吐出させることができ、例えば、流路１１における微小粒子Ｐの送流間隔に基づいて振動素子１１２を所定の振動数で振動させることにより、オリフィス１１１から吐出される液滴Ａに所定数の微小粒子Ｐが含まれるように制御することができる（図５参照）。この場合、液滴Ａが衝突した後の液滴Gにも所定数の微小粒子Ｐが含まれ、この液滴Ｇを、容器２に形成された複数の領域２１のそれぞれに誘導し回収することで、各領域２１に一定数の微小粒子を分注することが可能である。液滴に含まれる微小粒子の数は、特に限定されず任意に設定することができるが、例えば、微小粒子として細胞が一つずつ含まれるようにした液滴を各領域に１つずつ分注することで、単一細胞スクリーニングによる薬物動態試験のために役立てることができる。
【００４７】
（３−２）駆動手段による分注
図７は、第一実施形態の変形例に係る物質混合装置において、衝突・混合後の液滴Ｇを分注するための構成を説明する模式図である。図は、駆動手段によって流路を移動させながら、容器２の複数の領域２１に液滴Ｇを分注する構成を示している。
【００４８】
流路１１及び流路１２は、図示しない駆動手段によって、容器２に対する相対位置を図中Ｘ軸及びＹ軸方向に変更できるようにされている。駆動手段は、流路１１及び流路１２の容器２に対する相対位置を移動可能なものであれば特に限定されず、例えば、送りねじ、ガイド及びモータ等によって構成できる。
【００４９】
駆動手段によって流路１１及び流路１２の容器２に対する相対位置を順次変化させることにより、液滴Ｇの飛行方向を図中Ｘ軸及びＹ軸方向に任意に制御することで、容器２に形成された複数の領域２１のそれぞれに０又は１以上の液滴Ｇを回収することができる。なお、各領域２１に回収される液滴Ｇの数は、同一であっても異なっていてもよいものとする。
【００５０】
なお、図６及び図７では、容器２としてプラスチック基板上に９６個のウェル（領域２１）が設けられたマルチプレートを用いる場合を示した。容器２には、この他、通常使用される各種プラスチック製容器を用いてもよく、これらを複数配置することで各容器２に対して０又は１以上の液滴Ｇを誘導、回収することができる。
【００５１】
４．マイクロチップ型物質混合装置
（４−１）装置構成の概略
図８は、本発明に係る物質混合装置の第三実施形態を説明する模式図である。本実施形態に係る物質混合装置は、混合される物質を含む液体が通流される流路を一つのマイクロチップ上に形成したことを特徴としている。図は、装置の概略構成を示している。
【００５２】
図中、符号１は、マイクロチップを示す。マイクロチップ１には、混合される物質を含む液体が通流される流路を１１，１２，１３が形成されている。このうち、流路１１には、微小粒子を含む液体が通流されるものとする。
【００５３】
符号１１２は、流路１１，１２，１３のオリフィスから排出される液体を液滴化して吐出させるための振動素子を示す。ここでは、振動素子１１２をマイクロチップ１と一体に配してチップの内部構成とする場合を説明するが、振動素子１１２は装置本体側に配され、装置へのチップ搭載時においてチップに接触するような位置に設けられてもよい。
【００５４】
また、符号３１，３２は、流路１１を通流する液体に含まれる微小粒子を検出するための検出手段であり、それぞれ照射系と検出系を示している（図５も参照）。
【００５５】
混合される物質を含む液体は、不図示の送液手段によって流路１１，１２，１３に送液され、振動素子１１２の機能によって各流路のオリフィスから液滴として吐出される。そして、吐出された液滴がマイクロチップ１外の空間の所定位置で衝突して一つの液滴Ｇとなることによって、物質の混合が行われる（図３も参照）。さらに、衝突後の液滴Ｇは、第一の対電極５１，５１及び第二の対電極５２，５２によって移動方向を制御され、容器２に形成された複数の領域２１に誘導、回収される（図６も参照）。
【００５６】
マイクロチップ１は、ガラスや各種プラスチック（ＰＰ，ＰＣ，ＣＯＰ、ＰＤＭＳなど）により形成できる。マイクロチップの材質は、検出手段３１から照射されるレーザー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。
【００５７】
マイクロチップ１への流路１1等の成形は、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１は、流路１１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。
【００５８】
（４−２）マイクロチップ
図９を参照して、マイクロチップ１の構成について詳しく説明する。
【００５９】
マイクロチップ１には、混合される微小粒子を含む液体（以下、「サンプル液」という）が導入されるサンプル液インレット１１５と、シース液が導入されるシース液インレット１１４が形成されている。サンプル液インレット１１５に導入されたサンプル液は微小管１１６を通って流路１１内に送液される。また、シース液インレット１１４に導入されたシース液は、まず、シース液インレット１１４からＹ軸正方向及び負方向の２方向に分岐して送液され、その後、略９０度に２回折り曲げられ、微小管１１６の配設箇所で合流する。
【００６０】
微小管１１６は、合流後に流路１１を通流しているシース液層流中に、サンプルインレット１１５から導入されたサンプル液を導入する。これにより、微小管１１６は、サンプル液層流がシース液層流によって周囲を取り囲まれた状態で流路１１下流に送液されるようにする。サンプル液層流をシース液層流の中心に流すことによって、サンプル液層流中の微小粒子を、流路１１内において一列に配列させて送液することができる。
【００６１】
検出手段（図では照射系３１のみを示す）は、流路１１を一列に配列されて通流する微小粒子にレーザー光を照射し、微小粒子から発生する測定対象光を検出し、電気的な検出信号に変換する。以下、流路１１において微小粒子の検出が行われる部位を「検出部」（図中、符号Ｆ参照）というものとする。検出部Ｆを通過したサンプル液及びシース液は、マイクロチップ１の一辺に開口するオリフィス１１１から流路１１の外部に排出される。
【００６２】
検出手段からの検出信号は、不図示の制御部４に出力され、制御部４は検出信号に基づいて流路１１における微小粒子の送流間隔を算出し、算出された送流間隔に基づいて振動素子１１２の振動数を制御する（図５も参照）。そして、振動素子１１２は、微小粒子の送流間隔に基づく所定の振動数でマイクロチップ１を振動させることにより、オリフィス１１１から排出されるサンプル液及びシース液を液滴化し、液滴に所定数の微小粒子が含まれるように制御する。図１０では、オリフィス１１１から吐出される液滴Ａに微小粒子Ｐが一つずつ含まれるように制御した場合を例示した。各液滴には２以上の微小粒子を含ませたり、それぞれの液滴に異なる数の微小粒子を含ませたりすることも可能である。
【００６３】
なお、検出手段は、既に説明したように、例えば、電気的又は磁気的な検出手段に置換されてもよい。微小粒子を電気的又は磁気的に検出する場合には、流路１１の両側に微小電極を対向させて配設し、抵抗値、容量値（キャパシタンス値）、インダクタンス値、インピーダンス、電極間の電界の変化値、あるいは、磁化、磁界変化、磁場変化等を測定する。
【００６４】
また、マイクロチップ１には、混合される物質を含む液体が導入されるインレット１２４，１３４が形成されている。インレット１２４，１３４から流路１２，１３導入された液体も、振動素子１１２からの振動によってそれぞれオリフィス１２１，１３１から液滴Ｂ，Ｃとなって吐出される。
【００６５】
流路１１のオリフィス１１１と流路１２のオリフィス１２１、流路１３１のオリフィス１３１はマイクロチップ１の同一辺に開口されており、各流路はオリフィスから吐出された液滴Ａ，Ｂ，Ｃが衝突可能なように配設されている。具体的には、図３で説明したように、液滴Ａ，Ｂの衝突角度θ１２や液滴Ａ，Ｃの衝突角度θ１３、各液滴の衝突箇所までの飛行距離Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３は、液滴同士の衝突を可能にするため、各液滴の飛行速度や大きさ、オリフィスからの吐出間隔等に応じて適宜設定されている。
【００６６】
この物質混合装置では、微小粒子Ｐを含む液体を流路１１のオリフィス１１１から液滴Ａとして吐出し、混合される物質を含む液体を流路１２，１３のオリフィス１２１，１３１から液滴Ｂ，Ｃとして吐出し、これらの液滴同士を衝突させることによって、各液滴に含まれる微小粒子と物質を短時間で均一に混合することが可能である。
【００６７】
また、この物質混合装置では、流路１２，１３への送液量（流量）やオリフィス１２１，１３１の径等を調整することによって、液滴Ａ，Ｂ，Ｃの大きさを調整し、各液滴に一定量ずつの物質が含まれるようにすることができるため、量にばらつきを生じることなく複数の物質を微小粒子Ｐと混合することが可能である。
【００６８】
さらに、この物質混合装置では、流路１１，１２，１３を一つのマイクロチップ１上で成形しているため、液滴同士の衝突を可能にするために各流路とオリフィスの位置合わせ（アラインメント）を行う必要がない。また、液滴の形成のための手段及び液滴同士を衝突させるための手段として、安価でディスポーザブルユース（使い捨て）が可能なマイクロチップを用いることで、分析試料間のコンタミネーションを防止することができる。
【００６９】
図９及び図１０では、３つの流路１１，１２，１３を設け、物質の混合を行う場合を説明したが、マイクロチップ１に配設される流路の数は特に限定されず、４以上とすることも可能である。また、液滴Ａ，Ｂの衝突角度θ１２や液滴Ａ，Ｃの衝突角度θ１３、各液滴の衝突箇所までの飛行距離Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３は、液滴同士の衝突が可能な限りにおいて任意に設定でき、これに伴って、マイクロチップ１上における流路１１，１２，１３及びオリフィス１１１，１２１，１３１等の配設位置も適宜変更が可能である。
【００７０】
さらに、図９及び図１０では、流路１１のオリフィス１１１から微小粒子を含む液滴Ａを吐出する場合を例に説明したが、微小粒子を含む液体は２以上の流路に通流させることもできる。例えば、流路１１と同様に流路１２にもシース液インレット、微小管、検出部Ｆ等を設け、オリフィス１１１，１２１から微小粒子を含む液滴Ａ，Ｂを吐出させてもよい。この場合、流路１１と流路１２に通流される液体にはいずれも1種類又は２種類以上の微小粒子が含まれていてよく、それぞれに含まれる微小粒子は同一であっても異なっていてもよいものとする。
【００７１】
以下、図９に加えて図１１〜１４を参照して、マイクロチップ１の構成についてさらに詳しく説明する。
【００７２】
図９中、符号１１７は、流路１１に設けられた絞込部を示す。絞込部１１７は、送液方向に対する垂直断面の面積が、流路上流から下流へ次第に小さくなるように形成されている。
【００７３】
図１１は、微小管１１６の配設箇所と絞込部１１７の近傍の流路１１の構造と、通流するサンプル液層流及びシース液層流の様子を説明する断面模式図である。（Ａ）は水平断面図（ＸＹ断面図）、（Ｂ）は垂直断面図（ＺＸ断面図）を示す。図中、符号Ｓはサンプル液層流、符号Ｔはシース液層流を示し、符号Ｐはサンプル液に含まれる微小粒子を示している。
【００７４】
サンプル液層流Ｓは、微小管１１６によって流路１１を通流するシース液層流Ｔ中に導入され、図に示すように、シース液層流Ｔで取り囲まれた状態（３次元層流）となって送液されている。
【００７５】
絞込部１１７の流路側壁は送液方向に従って図中Ｙ軸方向に狭窄するように形成されており、絞込部１１７はその上面視において次第に細くなる錘形とされている。この形状によって、絞込部１１７は、シース液とサンプル液の層流幅を図中Ｙ軸方向に絞り込んで送液する。また、絞込部１１７は、その流路底面が上流から下流に向かって深さ方向（Ｚ軸正方向）に高くなる傾斜面となるように形成されており、同方向にも層流幅の絞り込みを行う。
【００７６】
このように、サンプル液層流Ｓがシース液層流Ｔによって取り囲まれた３次元層流を形成し、この３次元層流の層流幅を絞り込んで送液することにより、絞り込まれたサンプル液層流Ｓ中に微小粒子Ｐをひとつずつ配列させて送流することができる。そして、流路１１内における微小粒子Ｐの送流位置を位置決めして、検出部Fにおいて検出手段３１からのレーザー光を精度良く微小粒子Ｐに照射することが可能となる。
【００７７】
特に、絞込部１１７によれば、マイクロチップ１の水平方向（図１１（Ａ）Ｙ軸方向）のみならず、垂直方向（同（Ｂ）Ｚ軸方向）にもサンプル液層流Ｓの層流幅を絞り込むことができるため、流路１１の深さ方向におけるレーザー光の焦点位置を微小粒子Ｐの送流位置と精緻に一致させることできる。このため、微小粒子Ｐに精度良くレーザー光を照射して高い測定感度を得ることが可能となる。
【００７８】
ここで、流路１１を十分に細い流路として形成し、この流路１１を通流するシース液層流Ｔ中に、径の小さい微小管１１６を用いてサンプル液層流Ｓを導入すれば、予め層流幅が絞り込まれた３次元層流を形成することも可能と考えられる。しかしながら、この場合には、微小管１１６の径を小さくすることによって、微小管１１６に微小粒子Ｐが詰まる可能性がある。
【００７９】
マイクロチップ１では、絞込部１１７を設けたことにより、サンプル液中に含まれる微小粒子Ｐの径に対して十分に大きい径の微小管１１６を用いて３次元層流の形成を行った後に、層流幅の絞り込みを行うことができる。従って、微小管１１６の詰まりの問題が生じない。
【００８０】
図１１では、微小管１１６を、その中心が流路１１の中心と同軸上に位置するように配設した場合を示した。この場合、サンプル液層流Ｓは、流路１１を通流するシース液層流Ｔの中心に導入されることになる。シース液層流Ｔ中におけるサンプル液層流Ｓの位置は、流路１１内における微小管１１６の開口位置を調節することによって任意に設定することができる。また、層流幅の絞込みのためには、絞込部１１７は、送液方向に対する垂直断面の面積が、流路上流から下流へ次第に小さくなるように形成されていればよく、図１１に示した形状に限られず、例えば流路底面及び上面の両方を傾斜面として形成し絞り込みを行うこともできる。
【００８１】
微小管１１６の内径は、微小粒子Ｐの径に応じて適宜設定することができる。例えば、サンプル液として血液を用い、血球細胞との反応分析を行う場合には、好適な微小管１１６の内径は１０〜５００μｍ程度である。また、微小管１１６の開口位置における流路１１の幅及び深さは、微小粒子Ｐの径を反映した微小管１１６の外径に応じて適宜設定すればよい。例えば、微小管１１６の内径が１０〜５００μｍ程度である場合、微小管１１６の開口位置における流路１１の幅及び深さはそれぞれ１００〜２０００μｍ程度が好適である。なお、微小管の断面形状は、円形以外にも、楕円形や四角形、三角形など任意の形状とすることができる。
【００８２】
絞込部１１７における絞り込み後のサンプル液層流Ｓ及びシース液層流Ｔの層流幅は、絞込部１１７の送液方向に対する垂直断面の面積を適宜調整することによって任意の層流幅にまで絞り込むことができる。例えば、図１１（Ｂ）において、絞込部１７の流路長をl、流路底面の傾斜角度をδ３とした場合、絞込部１７における３次元層流の絞り込み幅はl・ｔａｎδ３となる。従って、流路長l及び傾斜角度δ３を適宜調整することによって任意の絞り込み幅を設定することが可能である。さらに、図１１（A）中、絞込部１１７流路側壁のＹ軸方向における狭窄角度をそれぞれδ１、δ２とし、これらと上記δ３を「δ３＝２×δ１、δ１＝δ２」となるように形成することで、サンプル液層流Sとシース液層流Tを等方的に縮小して、微小管１１６により形成された３次元層流を乱すことなく層流幅を絞り込むことができる。
【００８３】
絞込部１１７における絞り込み後の検出部Fにおけるサンプル液層流Ｓ及びシース液層流Ｔの層流幅は、流路１１の幅及び深さでそれぞれ２０〜２０００μｍ程度が好適である。
【００８４】
図９中、符号１１８は、オリフィス１１１よりも上流であって、検出部Fよりも下流の流路１１に設けられた昇圧部を示す。昇圧部１１８は、送液方向に対する垂直断面の面積が、流路上流から下流へ次第に小さくなるように形成されている。すなわち、絞込部１１７と同様に、流路側壁が送液方向に従って図中Ｙ軸方向に狭窄するように形成されており、流路底面が上流から下流に向かって深さ方向（Ｚ軸正方向）に高くなる傾斜面となるように形成されている。
【００８５】
図１２は、昇圧部１１８とオリフィス１１１の近傍の流路１１の構造と、通流するサンプル液層流及びシース液層流の様子を説明する断面図模式図である。（Ａ）は水平断面図（ＸＹ断面図）、（Ｂ）は垂直断面図（ＺＸ断面図）を示す。図中、符号Ｓはサンプル液層流、符号Ｔはシース液層流を示し、符号Ｐはサンプル液に含まれる微小粒子を示している。
【００８６】
サンプル液層流Ｓ及びシース液層流Ｔは、昇圧部１１８において図中Ｙ軸方向及びＺ軸方向に層流幅を絞り込まれて送液されている。この層流幅の絞り込みによって、昇圧部１１８は、サンプル液及びシース液の流路１１内における送液圧を高め、これらを高圧でオリフィス１１１から排出するために機能する。
【００８７】
オリフィス１１１部位のサンプル液層流Ｓ及びシース液層流Ｔの層流幅は、昇圧部１１８の送液方向に対する垂直断面の面積を適宜調整することによって任意の層流幅にまで絞り込むことができる。例えば、図１２（Ｂ）において、昇圧部１１８の流路長をｌ、流路底面の傾斜角度をδ３とした場合、昇圧部１１８における３次元層流の絞り込み幅はｌ・ｔａｎδ３となる。従って、流路長ｌ及び傾斜角度δ３を適宜調整することによって任意の絞り込み幅を設定することが可能である。オリフィス１１１部位におけるサンプル液層流Ｓ及びシース液層流Ｔの層流幅は、オリフィス１１１部位の幅及び深さでそれぞれ２０〜５００μｍ程度が好適である。
【００８８】
なお、サンプル液層流Ｓとシース液層流Ｔの層流幅の絞り込みは、昇圧部１１８の流路底面及び上面の両方を傾斜面として行うこともでき、昇圧部１１８の形状は図に示す形状に限定されない点は、絞込部１１７に同じである。また、図１２（A）中、昇圧部１１８流路側壁のＹ軸方向における狭窄角度δ１、δ２及びＺ軸方向における狭窄角度δ３を、「δ３＝２×δ１、δ１＝δ２」となるように形成することで、微小管１１６により形成された３次元層流を等方的に縮小し、乱すことなく層流幅を絞り込むことができる点も、絞込部１１７で説明した通りである。
【００８９】
流路１１の昇圧部１１８と同様に、流路１２，１３にも、オリフィス１２１，１３１から液体を高圧で排出するため、昇圧部１２８，１３８が設けられる。オリフィス１２１，１３１部位の流路幅及び深さは、昇圧部１２８，１３８の送液方向に対する垂直断面の面積を適宜調整することによって任意の系にまで絞り込むことができる。オリフィス１２１，１３１の径等を調整することによって、液滴Ｂ，Ｃの大きさを調整し、液滴Ａに混合される物質の量を調整できる。
【００９０】
図１３は、流路１１の各部位における幅及び深さを説明する断面模式図である。図は、流路１１のＹＺ断面を示し、（Ａ）は微小管１１６の開口位置、（Ｂ）は検出部Ｆ、（Ｃ）はオリフィス１１１部位における流路１１の断面を示す。
【００９１】
図１３（Ａ）に示すように、微小管１１６の開口位置では、サンプル液層流Ｓとシース液層流Ｔは、サンプル液層流Ｓの周囲をシース液層流Ｔが取り囲んだ３次元層流として送液されている。既に説明したように、微小管１１６の開口位置における流路１１の幅及び深さは、微小粒子Ｐの径を反映した微小管１１６の外径に応じて適宜設定され、例えば、１００〜２０００μｍ程度とされる。
【００９２】
微小管１１６により形成された３次元層流は、絞込部１１７によって層流幅を絞り込まれた状態で検出部Ｆに送液されてくる（図１３（Ｂ）参照）。絞込部１１７によって層流幅を絞り込むことにより、検出部Ｆには、サンプル液層流Ｓ中に微小粒子Ｐがひとつずつ配列されて送流されてくる。
【００９３】
検出部Ｆにおけるサンプル液層流Ｓ及びシース液層流Ｔの層流幅は、絞込部１１７の送液方向に対する垂直断面の面積を適宜調整することによって任意に設定できる。検出部Ｆにおける流路１１の幅（Ｗ）及び深さ（Ｈ）は、検出手段３１による光学的検出角度（光学系の開口数）を十分大きくするため、それぞれ２０〜２０００μｍ程度とすることで、光学的検出角度γ及び開口数を十分に大きくとることが可能となる。
【００９４】
さらに、光照射部３３における流路１１の形状は、深さ（Ｈ）に対して幅（Ｗ）を大きくし、光検出手段３による測定光の照射方向に対して長方形形状とすることが好ましい。光照射部３３における流路１１をこのような幅広な形状とすることで、光学系の開口数をより大きくとることが可能となる。
【００９５】
検出部Ｆを通過したサンプル液層流Ｓ及びシース液層流Ｔは、昇圧部１１８によって、図１３（Ｃ）に示すように再度層流幅を絞り込まれてオリフィス１１１に送液される。昇圧部１１８よって層流幅を絞り込むことにより、オリフィス１１１からのサンプル液及びシース液の排出圧を高めることができる。
【００９６】
オリフィス１１１部位におけるサンプル液層流Ｓ及びシース液層流Ｔの層流幅は、昇圧部１１８の送液方向に対する垂直断面の面積を適宜調整することによって任意に設定できる。オリフィス１１１において、高速で高周波の液滴を形成するためには、オリフィス１１１部位におけるサンプル液層流Ｓ及びシース液層流Ｔの層流幅を小さくして、サンプル液及びシース液の排出圧を十分に高めることが好ましい。このため、オリフィス１１１の開口における流路１１の幅（ｗ）及び深さ（ｈ）は、それぞれ２０〜５００μｍ程度とすることが好適となる。
【００９７】
ここでは、微小管１１６により形成された３次元層流の層流幅を、まず絞込部１１７によって検出部Ｆにおける微小粒子の検出に適した幅とし、次いで昇圧部１１８によって高周波の液滴形成が可能な幅とする場合を説明した。流路１１における層流幅の絞り込みは、絞込部１１７及び昇圧部１１８の２段階で行う必要はなく、例えば図１４に示すように、流路１１の微小管１１６の開口位置からオリフィス１１１までの間で、連続して徐々に流路幅及び深さが小さくなるようにして行うこともできる。
【００９８】
この他、流路１１の形状は、微小管１１６の開口位置、検出部Ｆ及びオリフィス１１１部位における流路幅及び深さが、上記の好適な数値範囲とされる限りにおいて、様々な形状に形成され得るものとする。
【００９９】
また、オリフィス１１１の開口の形状は、正方形や長方形、円形などの任意の形状とすることが可能である。さらに、図１４に示すように、開口部の端面部分を逆テーパ形状に形成することもできる。オリフィス１１１の開口端面部分を、このようなラッパ形状とすることで、形成される液滴の水切れをよくすることができる。
【０１００】
（４−３）荷電手段による分注
マイクロチップ１において、微小管１１６は、電圧を印加可能な金属で形成されており、流路１１を通流するシース液及びサンプル液に対し、正又は負の電荷を付与する荷電手段として構成されている。流路１１を通流するサンプル液及びシース液がオリフィス１１１において液滴化されて吐出される際、微小管１１６に電圧を印加してシース液及びサンプル液に電圧をかけることで、吐出される液滴に正又は負の電荷を付与することができる。
【０１０１】
微小管１１６によってオリフィス１１１から吐出される液滴Ａに正又は負の電荷を付与することで、液滴Ｂ，Ｃと衝突した後の液滴Ｇに正又は負の電荷を持たせることができる。これにより、第一の対電極５１，５１及び第二の対電極５２，５２との間に作用する電気的な反発力又は吸引力によって液滴Ｇの移動方向を制御できる（図８参照）。
【０１０２】
第二の対電極５２，５２を通過後の液滴Ｇの飛行方向は、第一の対電極５１，５１及び第二の対電極５２，５２に印加される電圧を変化させ、液滴Ｇとの間の電気的作用力の強度を調整することにより、図中Ｘ軸及びＹ軸方向に任意に制御することができる。これにより、容器２に形成された複数の領域２１のそれぞれに対して液滴Ｇを誘導して、各領域内に液滴Ｇを回収することが可能となる。なお、液滴Ｇの飛行方向の制御は、微小管１１６に印加する電圧を変化させることによって調整することもできる。
【０１０３】
（４−４）駆動手段による分注
図１５は、マイクロチップ型物質混合装置において、衝突・混合後の液滴Ｇを分注するための他の構成を説明する模式図である。図は、駆動手段によってマイクロチップ１を移動させながら、容器２の複数の領域２１に液滴Ｇを分注する構成を示している。
【０１０４】
ここでは、マルチプレート（容器２）に形成された９６個のウェル（領域２１）に対し、液滴Ｇを形成するための流路１１，１２，１３等からなる構成単位（以下、単に「構成単位」という）を複数配設したマイクロチップ１を用いて、液滴Ｇを分注する場合を例に説明する。
【０１０５】
容器２には、図中Ｘ軸方向に８個、Ｙ軸方向に１２個の領域２１が配されている。これに合わせて、図に示すマイクロチップ１にも、Ｘ軸方向に構成単位が８個一列に配列されている。各構成単位の配列間隔は、Ｘ軸方向における領域２１間の間隔と一致されている。これにより、各構成単位から吐出された混合後の液滴Ｇが、一列に配列した各領域２１内にそれぞれ回収されるようにされている。
【０１０６】
マイクロチップ１は図示しない駆動手段によって移動可能とされている。この駆動手段によりマイクロチップ１の容器２に対する相対位置を順次変化させることにより、容器２に形成された複数の領域２１のそれぞれに０又は１以上の液滴Ｇを回収することができる。具体的には、マイクロチップ１をＹ軸正方向に順次移動させながら、Ｘ軸方向に配列した８個の領域２１ごとに液滴Ｇを分注していく。このように、構成単位をマイクロチップ１上に複数形成し、混合後の液滴の分注を行うことで、短時間に多数の反応系の混合を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明に係る物質混合装置では、混合される物質を含む液体を流路のオリフィスから液滴として吐出し衝突させることによって、各液滴に含まれる物質を短時間で均一に混合することが可能である。また、各液滴に一定量ずつの物質が含まれるようにできるため、混合される物質の量にばらつきが生じることがない。従って、本発明に係る物質混合装置は、各種化合物の反応を高速かつ大規模に行うために有用であり、例えば、ポリメラーゼ連鎖反応（polymerase chain reaction: PCR）や質量分析といった種々の反応と分析のために利用され得る。
【０１０８】
さらに、本発明に係る物質混合装置では、微小粒子を含む液体を流路のオリフィスから液滴として吐出し、混合される物質を含む液体を他の流路のオリフィスから液滴として吐出し、これらの液滴同士を衝突させることによって各液滴に含まれる微小粒子と物質を短時間で均一に混合することが可能である。従って、細胞や微生物、リポソームなどの生体関連微小粒子、あるいはラテックス粒子やゲル粒子、工業用粒子などの合成粒子などの微小粒子と、種々の化合物を混合し、微小粒子と化合物との反応を高速かつ大規模に分析するために特に有用である。
【符号の説明】
【０１０９】
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｇ，Ｈ  液滴
Ｆ  検出部
Ｐ  微小粒子
Ｓ  サンプル液層流
Ｔ  シース液層流
１  マイクロチップ
１１，１２，１３  流路
１１１，１２１，１３１  オリフィス
１１２，１２２，１３２  振動素子
１１３，１２３  荷電手段
１１４  シース液インレット
１１５  サンプル液インレット
１１６  微小管
１１７  絞込部
１１８、１２８，１３８  昇圧部
１２４，１３４  インレット
５１，５２  対電極
２  容器
２１  領域
３１，３２，３３  検出手段
４  制御手段
【図１】
0005493486.tif 000002
【図２】
0005493486.tif 000003
【図３】
0005493486.tif 000004
【図４】
0005493486.tif 000005
【図５】
0005493486.tif 000006
【図６】
0005493486.tif 000007
【図７】
0005493486.tif 000008
【図８】
0005493486.tif 000009
【図９】
0005493486.tif 000010
【図１０】
0005493486.tif 000011
【図１１】
0005493486.tif 000012
【図１２】
0005493486.tif 000013
【図１３】
0005493486.tif 000014
【図１４】
0005493486.tif 000015
【図１５】
0005493486.tif 000016