(57)【要約】【課題】従来の粒子操作システムを改良し、粒子の選別速度および精度を高める。【解決手段】粒子操作システムは、入口チャネルと、出口チャネルと、基板に形成された可動な部材とを有するＭＥＭＳベースの微細製造された粒子操作装置を使用する。可動な部材は、入口チャネルを流れる流体のように、製造平面に対して平行に移動する。可動な部材は目標粒子を残りの粒子から分離し、出口チャネルへ逸らせる。しかし、少なくとも１つの出口チャネルは製造平面に平行ではない。装置は、試料流における非目標材料から目標粒子を分離するために使用される。目標粒子は例えば幹細胞、受精卵、がん細胞、Ｔ細胞、血液の成分、細菌またはＤＮＡ試料であってよい。粒子操作システムは、入口チャネルの特定の部分に目標粒子を集束させる微小流体構造をも含む。【選択図】図１
2015072272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
製造基板の表面に形成された微小機械粒子操作装置であって、
基板に形成された、第１の逸らせ面を有する、微細製造された可動な部材であって、該可動な部材は、該可動な部材に加えられた力に応答して第１の位置から第２の位置へ移動し、運動は、実質的に、基板の表面に対して平行な平面においてなされる、可動な部材と、
基板に形成された試料入口チャネルであって、該試料入口チャネルを流体が流過し、該流体は、少なくとも１つの目標粒子と、非目標材料とを含み、前記試料入口チャネルにおける流れは実質的に前記表面に対して平行である、試料入口チャネルと、
複数の出口チャネルであって、該複数の出口チャネルへ、微細製造された部材は流体を逸らせ、前記出口チャネルのうちの少なくとも１つにおける流れは、前記平面に対して平行でなく、少なくとも１つの前記出口チャネルは、微細製造された部材の運動の少なくとも一部にわたって、該微細製造された部材の少なくとも一部のすぐ下方または上方に配置されている、複数の出口チャネルと、
を備えることを特徴とする、微小機械粒子操作装置。
【請求項２】
前記第１の逸らせ面は、滑らかに湾曲した形状を有しており、該形状は、該形状における１つの箇所において入口チャネルにおける流れの方向に対して実質的に接線方向であり、かつ前記形状における第２の箇所において第１の出口チャネルの流れの方向に対して実質的に接線方向であり、前記第１の逸らせ面は、前記可動な部材が第１の位置にあるときに前記流れを前記入口チャネルから前記第１の出口チャネルへ逸らせ、第２の位置においては前記流れを第２の出口チャネルへ逸らせる、請求項１記載の微小機械粒子操作装置。
【請求項３】
前記第１の逸らせ面は、三角形、台形、放物線形、円形およびＶ字形のうちの少なくとも１つを有しており、前記逸らせ面は、前記可動な部材が第１の位置にあるときに前記流れを入口チャネルから第１の出口チャネルへ逸らせ、第２の位置において前記流れを第２の出口チャネルへ逸らせる、請求項１記載の微小機械粒子操作装置。
【請求項４】
前記複数の出口チャネルは、選別チャネルと、廃棄チャネルとを含み、前記選別チャネルにおける流れは、前記試料入口チャネルにおける流れに対して実質的に逆平行であり、前記廃棄チャネルにおける流れは、前記試料入口チャネルおよび前記選別チャネルにおける流れに対して実質的に直交方向である、請求項１記載の微小機械粒子操作装置。
【請求項５】
前記可動な部材にはめ込まれた第１の透磁性材料と、
前記基板に配置された第１の定位置の透磁性部分と、
前記可動な部材、および該可動な部材が形成されている基板の外部における第１の磁束源と、をさらに備える、請求項２記載の微小機械粒子操作装置。
【請求項６】
前記可動な部材は、前記磁束源が作動させられたときに第１の位置から第２の位置へ移動する、請求項５記載の微小機械粒子操作装置。
【請求項７】
前記力は、磁力、静電力および圧電力のうちの少なくとも１つである、請求項１記載の微小機械粒子操作装置。
【請求項８】
前記可動な部材が第３の位置にあるときに流れを前記入口チャネルから第３の出口チャネルへ逸らせる第２の逸らせ面をさらに備える、請求項５記載の微小機械粒子操作装置。
【請求項９】
前記可動な部材にはめ込まれた第２の透磁性材料と、
前記基板に配置された第２の定位置の透磁性部分と、
前記可動な部材の外部における第２の磁束源と、をさらに備える、請求項８記載の微小機械粒子操作装置。
【請求項１０】
前記可動な部材に隣接した前記表面における凹んだ領域であって、流体を、前記可動な部材の上側および下側において、前記平面に対して平行でない少なくとも１つの出口チャネルへ流れさせる凹んだ領域、をさらに備える、請求項１記載の微小機械粒子操作装置。
【請求項１１】
前記目標粒子は、幹細胞、がん細胞、Ｔ細胞、受精卵、血液の成分、タンパク質、ＤＮＡ断片および細菌のうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載の微小機械粒子操作装置。
【請求項１２】
粒子操作システムであって、
請求項１の微小機械粒子操作装置と、
入口チャネルに配置されたレーザ呼びかけ領域に方向付けられた少なくとも１つのレーザと、
流体における目標粒子に固定された蛍光タグからの蛍光信号を検出する検出光学系の少なくとも１つのセットと、を備えることを特徴とする粒子操作システム。
【請求項１３】
電磁石と、
該電磁石に制御波形を提供する回路と、をさらに備える、請求項１４記載の粒子操作システム。
【請求項１４】
粒子操作の結果を確認するように構成された、出口チャネルのうちの少なくとも１つにおける領域に方向付けられた少なくとも１つのレーザをさらに備える、請求項１４記載の粒子操作システム。
【請求項１５】
前記制御波形は、可動な部材を運動させるより高い振幅の加速相、可動な部材を開放させる一定振幅相、および閉鎖時に可動な部材を減速させる制動相を含む、請求項１５記載の粒子操作システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細製造された流体チャネルにおいて小さな粒子を操作するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、半導体装置を製造するために使用されるものなどの表面またはバルクリソグラフィ加工技術を用いて基板上に形成された極めて小さな、しばしば可動な構造である。ＭＥＭＳ装置は、例えば数ミクロンから数百ミクロンの特徴寸法を有する、可動なアクチュエータ、センサ、弁、ピストンまたはスイッチであってよい。可動なＭＥＭＳスイッチは、例えば全て基板上に微細製造された１つまたは複数の入力端子を１つまたは複数の出力端子に接続するために使用されてよい。可動なスイッチ用の作動手段は、例えば熱、圧電、静電または磁気によるものであってよい。ＭＥＭＳ装置は、半導体基板上に製造されていてよく、流体流れにおいてＭＥＭＳ装置を通過する粒子を操作してよい。
【０００３】
別の例において、ＭＥＭＳ装置は、流体流れから様々な粒子を選別するための、例えば血液から細胞を選別するための選別機構として使用される可動な弁であってよい。粒子は、圧力下で流れる、マイクロチャネルに閉じ込められた流体流れ内の選別装置へ搬送されてよい。ＭＥＭＳ選別装置に到達すると、選別装置は、血液幹細胞などの目的の粒子を別の容器へ方向付け、残りの流体流れを廃棄物容器へ方向付ける。
【０００４】
ＭＥＭＳベースの細胞選別システムは、流れ血球計算機として知られる既存の蛍光作動式細胞選別システム（ＦＡＣＳ）よりも大きな利点を有し得る。流れ血球計算機は、一般に大型で高価なシステムであり、目的の細胞に固定されたタグからの蛍光信号に基づき細胞を選別する。細胞は、被覆流体において希釈および懸濁され、次いで、ノズルを通じた急速な減圧によって個々の液滴に選別される。ノズルからの噴射の後、液滴は、タグからの蛍光信号に基づき、静電的に、異なる瓶へ選別される。これらのシステムに関する問題は、減圧による細胞損傷または機能性の損失、試料間の困難かつ高コストの殺菌作業、異なるパラメータに沿った部分母集団を再選別することが不可能であること、これらの大型で、高価な機器部分を所有、操作および維持するために必要な大規模な訓練である。少なくともこれらの理由から、流れ血球計算機の使用は、大規模な病院および研究所に制限されており、この技術は、より小さな存在にとっては接近不可能であった。
【０００５】
このようなＭＥＭＳベース粒子選別装置に関する多くの特許が発行されている。例えば、米国特許第６８３８０５６号明細書（’０５６特許）はＭＥＭＳベース粒子選別装置に関し、米国特許第７２６４９７２号明細書（’９７２特許）はＭＥＭＳベースの細胞選別装置用の微小機械アクチュエータに関する。米国特許第７２２０５９４号明細書（’５９４特許）は、ＭＥＭＳ細胞選別装置を備えて製造された光学構造に関し、米国特許第７２２９８３８号明細書（’８３８特許）は、ＭＥＭＳベース粒子選別システムを操作するための作動機構に関する。加えて、米国特許出願公開第２０１３／３７４８９９号明細書（’８９９出願）および第２０１３／３７４８９８号明細書（’８９８出願）は、その他のＭＥＭＳ設計のさらなる詳細を提供する。これらの各特許（’０５６，’９７２，’５９４および’８３８）および特許出願（’８９８および’８９９）は、引用したことにより本明細書に記載されたものとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６８３８０５６号明細書
【特許文献２】米国特許第７２６４９７２号明細書
【特許文献３】米国特許第７２２０５９４号明細書
【特許文献４】米国特許第７２２９８３８号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１３／３７４８９９号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１３／３７４８９８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、従来の粒子操作システムを改良し、粒子の選別速度および精度を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ＭＥＭＳベースの微細製造された粒子選別システムの１つの特徴は、選別プロセスを通じて、流体が、半導体基板に形成された小さな微細製造されたチャネルに閉じ込められてよいということである。ＭＥＭＳ装置は、試料の流れの他の成分から１つまたは複数の目標粒子を選別する弁であってよい。ＭＥＭＳ装置は、目標粒子が存在していることを信号が示しているときに、粒子の流れを１つのチャネルから別のチャネルへ方向転換させてよい。この信号は、蛍光タグからの光子であってよい。蛍光タグは、目標粒子に固定されており、ＭＥＭＳ装置の上流の呼びかけ領域におけるレーザ照明によって励起される。即ち、ＭＥＭＳ装置は、微細製造された流体チャネルに閉じ込められた流体試料に対して作動するが、ＦＡＣＳ流れ血球計算機と同様の検出手段を使用する粒子または細胞選別装置であってよい。特に、’８９８出願は、微細製造された流体弁を開示しており、この流体弁において、入口チャネル、選別チャネルおよび廃棄チャネルは全て、微細製造された流体弁の製造平面に対して平行な平面において流れる。
【０００９】
微細製造された流体チャネルのうちの少なくとも１つが、微細製造された弁の製造平面外の流れを案内することによって、従来の装置に対する大きな改良がなされ得る。このような構造を有する弁は、流体のコラムを所定の経路から外れるように移動させるために可動な部材が必要とされないので、弁の移動に抵抗する圧力が、弁が開閉するときにできるだけ減じられるという利点を有する。その代わりに、非目標粒子を含む流体は、廃棄チャネルへ到達するために、可動な部材の上方および下方を移動してよい。さらに、可動な弁の近くに、より大きな力およびより迅速な作動速度を生じる力発生装置が配置されてよい。その結果、弁を開閉させるために必要な時間は、従来の弁よりも大幅に短くなり、選別速度および精度を高める。ここに開示されたシステムおよび方法は、少なくとも１つの面外チャネルを備えた、微細製造された粒子選別装置を説明してよい。
【００１０】
ここに開示されたシステムおよび方法において、微小機械粒子操作装置が製造基板の表面に形成されてよく、微小機械粒子操作装置は、第１の逸らせ面を有する微細製造された可動な部材を有してよく、可動な部材は、可動な部材に加えられた力に応答して第１の位置から第２の位置へ移動し、運動は、実質的に、表面に対して平行な平面においてなされ、基板に試料入口チャネルが形成されており、試料入口チャネルを流体が流過し、流体は、少なくとも１つの目標粒子と、非目標材料とを含み、試料入口チャネルにおける流れは実質的に表面に対して平行であり、微細製造された部材は流体を複数の出口チャネルへ逸らせ、出口チャネルのうちの少なくとも１つにおける流れは平面に対して平行でなく、少なくとも１つの出口チャネルは、その運動の少なくとも一部にわたって、微細製造されたディバータの少なくとも一部のすぐ下方または上方に配置されている。
【００１１】
１つの実施の形態において、請求項１の微小機械粒子操作装置において、第１の逸らせ面は、滑らかに湾曲した形状を有しており、この形状は、該形状における１つの箇所において入口チャネルにおける流れの方向に対して実質的に接線方向であり、かつ形状における第２の箇所において第１の出口チャネルの流れの方向に対して実質的に接線方向であり、第１の逸らせ面は、可動な部材が第１の位置にあるときに流れを入口チャネルから第１の出口チャネルへ逸らせ、第２の入りにおいては流れを第２の出口チャネルへ逸らせる。
【００１２】
最後に、ここに開示されたシステムおよび方法は、微細製造されたチャネルおよび新規の弁設計を有するので、付加的な有効な特徴が実現されることを可能にし得る。例えば、この技術は、２０１２年８月１日に出願され、本出願と同じ譲受人へ譲渡された同時係属中の米国特許出願第１３／５０７８３０号明細書（Owl-Cytometer）に記載されているように、血球計算能力を備える粒子操作システムを形成してよい。この特許出願は、引用したことによりその全体が本明細書に記載されたものとする。ここに記載されたＭＥＭＳ装置は、微細製造されたチャネルに閉じ込められた流体流における粒子を操作するために使用されてよく、複数の呼びかけ領域も存在し、これらの呼びかけ領域は、操作に対するフィードバックを提供してよい。例えば、細胞選別の場合、１つのレーザ呼びかけ領域がＭＥＭＳ装置の上流に存在してよく、少なくとも１つの付加的なレーザ呼びかけ領域がＭＥＭＳ装置の下流に存在してよく、これにより、正しい細胞が選別されたという粒子捜査の結果を確認する。
【００１３】
ここに開示されたシステムおよび方法は、１入力／２出力選別装置の構成をも可能にし、この場合、１つの入力チャネルからの流れを２つの選別出力チャネルのそれぞれに逸らせることができるか、廃棄チャネルを流過させることができる。
【００１４】
別の実施の形態において、新規の弁構造は、例えばXaiole Mao,et al.による“Single-layer planar on-chip flow cytometer using microfluidic drifting based three-dimensional (3D) hydrodynamic focusing”（以下“Mao”という。Journal of Royal Society of Chemistry, Lab Chip,2009,9,1583-1589）によって開示されているように、流体力学的粒子集束技術を利用してよい。ここに開示されたシステムおよび方法の微細製造された構造は、以下でさらに説明するように、それらを、Maoに開示された技術に特に適したものにする。
【００１５】
これらのおよびその他の特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載されている、または以下の詳細な説明から明らかになる。
【００１６】
様々な典型的な詳細は、以下の図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】静止（非選別）位置における、微細製造された粒子選別システムの単純化した平面図である。
【図２】作動（選別）位置における、微細製造された粒子選別システムの単純化した平面図である。
【図３ａ】休止（非選別）位置における微小流体弁を備えた、検出器の視野を示す、微細製造された粒子選別システムの単純化した平面図である。
【図３ｂ】作動（選別）位置における微小流体弁を備えた、検出器の視野を示す、微細製造された粒子選別システムの単純化した図である。
【図４ａ】入口チャネルと同じ平面にある選別チャネル内への試料流の流れを示す、作動（選別）位置における、微細製造された粒子選別システムの単純化した断面図である。
【図４ｂ】入口チャネルと同じ平面にない廃棄チャネル内への試料流の流れを示す、静止（非選別）位置における、微細製造された粒子選別システムの単純化した断面図である。
【図４ｃ】入口チャネルと同じ平面にない廃棄チャネル内への試料流の流れを示す、静止（非選別）位置における、微細製造された粒子選別システムの単純化した断面図であり、試料流は、ディバータの上部および底部の周囲を流れる。
【図５】静止（非選別）位置における、微細製造された粒子選別システムの単純化した平面図であり、定位置の透磁性部分を示している。
【図６】微細製造された粒子選別システム用の作動機構の平面図であり、定位置の透磁性部分と組み合わせた外部磁界の機能を示している。
【図７】微細製造された粒子選別システム用の作動機構の平面図であり、作動（選別）位置における、定位置の透磁性部分と組み合わせた外部磁界の機能を示している。
【図８】微細製造された粒子選別システムの単純化した図であり、連続的な選別能力を提供するように複数の微細製造された粒子選別器が配置されている。
【図９】２方式の微細製造された粒子選別システムの平面図であり、システムは２つ以上の選別出口を有する。
【図１０】２つ以上の選別出口を備え、作動位置における、２方式の微細製造された粒子選別装置を備える、２方式の微細製造された粒子選別システムの平面図である。
【図１１】流体力学的集束マニホルドと組み合わせた、微細製造された粒子選別システムの平面図である。
【図１２】本発明による微細製造された粒子選別システムのシステムレベルの図であり、様々な検出および制御構成部材の配置を示している。
【図１３】制御システムから、微細製造された粒子選別システムへの、信号波形の図であり、装置の運動を制御するために使用されるパルスの違いを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ここで説明されるシステムは、ＭＥＭＳ粒子操作システムの微小チャネル構造を利用してよい粒子選別システムである。より一般的には、システムおよび方法は、１つの入口チャネルと、複数の出口チャネルとを有する粒子操作システムを説明し、複数の出口チャネルのうちの少なくとも１つは、入口チャネルとは異なる平面に配置されている。この構造は、従来技術に対して幾つかの顕著な利点を有する。
【００１９】
以下で説明される図面において、同じ参照符号は、同じ構造を示すものであり、複数の構造は、この新規の装置の重要な特徴の明らかな図を提供するために、様々な詳細度のレベルで示されている。これらの図面は必ずしも構造を実寸で示しているのではなく、“上面”、“底面”、“上側”、“下側”、“左側”および“右側”などの方向を表す表現は、装置があらゆる特定の向きで構成および操作されてよいので、任意であることが理解されるべきである。特に、“選別”および“廃棄”という用語は、単に粒子の異なる母集団を指すのみであるので、互いに置き換え可能であり、どの母集団が“目標”または“選別”と呼ばれるかは任意である。
【００２０】
図１は、静止（非作動）位置における新規の微細製造された流体装置１０の平面図である。装置１０は、微細製造された流体弁もしくは可動な部材１１０（斜線の領域）と、複数の微細製造された流体チャネル１２０，１２２および１４０とを有してよい。微細製造された流体チャネル１４０（図１および図２に点線で示されている）は、出口チャネルとして機能し、微細製造された部材１１０の少なくとも一部のすぐ下方に配置されていてよく、微細製造された流体チャネル１２０，１２２または微細製造された部材１１０の平面に対して平行ではない。微細製造された部材１１０は、平行な経路においてまたはこの平面内において製造されかつ移動する。好適には、微細製造された流体チャネル１４０は、微細製造された流体チャネルの平面と、微細製造された部材１１０の運動経路とに対して直交している。微細製造された流体チャネル１４０の開口は、好適には、微細製造された部材１１０の運動経路の少なくとも一部に重なり合っており、即ち、点線の領域は、図１及び図２に示したように、少なくともその運動の一部に亘って、微細製造された部材１１０に重なり合っている。この重なり合いにより、微細製造された部材が“廃棄”もしくは非作動位置（図１）にあるときに入口チャネル１２０と出口チャネル１４０との間に流体経路が存在し、“選別”もしくは作動位置（図２）において、この経路は閉鎖され、粒子は方向転換される。前述のように、この構成は、流体抵抗を減じ、これにより、微細製造された部材１１０の速度を高める。
【００２１】
流体弁１１０および微細製造された流体チャネル１２０，１２２および１４０は、以下でより詳細に説明されるＭＥＭＳリソグラフィ製造技術を用いて、シリコン基板などの適切な基板に形成されてよい。製造基板は製造平面を有してよく、この製造平面に装置が形成され、この製造平面において、可動な部材１１０は移動する。
【００２２】
試料の流れは、試料入口チャネル１２０によって、微細製造された流体弁１０へ導入されてよい。試料の流れは、少なくとも１つの望ましい目標粒子と、複数のその他の望ましくない非目標粒子とを含む、粒子の混合物を含んでよい。粒子は、流体に懸濁させられていてよい。例えば、目標粒子は、例えば食塩水などのバッファ流体に懸濁させられた、幹細胞、がん細胞、受精卵、タンパク質、Ｔ細胞、微生物、血液成分、ＤＮＡ断片などの生物学的材料であってよい。入口チャネル１２０は、弁１１０と同じ製造平面に形成されていてよく、これにより、流体の流れは実質的にその平面において生じる。弁１１０の運動も、この製造平面において生じる。任意の粒子を選別／保存かまたは放棄／廃棄するかの決定は、あらゆる数の識別信号に基づいてよい。１つの典型的な実施の形態において、この決定は、粒子によって発信される蛍光信号に基づき、粒子に固定され、照明レーザによって励起される蛍光タグに基づく。この決定機構に関する詳細は、文献において公知であり、図１２に関して以下で更に説明される。しかしながら、粒子の形態に基づいてよい散乱光または側方散乱光、または、目標粒子、ひいては選別または保存される粒子、または非目標粒子、ひいては拒絶またはさもなければ放棄される粒子を認識することができるあらゆる数の機械的、化学的、電気的または磁気的効果を含む、その他の種類の識別信号が予想され得る。
【００２３】
図示された位置における弁１１０により、流入する流れは、妨げられることなく、出口オリフィス、および入口チャネル１２０の平面から外れた、ひいては装置１０の製造平面から外れたチャネル１４０へ通過する。すなわち、流れは、入口チャネル１２０から出口オリフィス１４０へ流れ、そこから、実質的に鉛直方向に、すなわち入口チャネル１２０に対して直交方向に流れる。この出口オリフィス１４０は、面外チャネルに通じている。面外チャネルは、図１に示された紙面に対して垂直であってよく、図４ａ〜図４ｃの断面図に示されている。より一般的には、出口チャネル１４０は、入口チャネル１２０または選別チャネル１２２の平面、もしくは可動な部材１１０の製造平面に対して平行ではない。
【００２４】
出口オリフィス１４０は、製造基板、または製造基板に結合された被覆基板における穴であってよい。選別弁または可動な部材１１０の上方および下方の凹んだ領域により、流体は、可動な部材１１０の上方および下方を出口オリフィス１４０へ流れることができ、これは、図４ａ〜図４ｃにより詳細に示されている。さらに、弁１１０は、湾曲した逸らせ面１１２を有してよい。逸らせ面１１２は、図２に関して次に説明するように、流入する流れを選別出口流へ方向転換させることができる。オリフィス１４０の輪郭は、入口チャネル１２０および選別チャネル１２２の全部ではなく一部に重なり合うようになっている。入口チャネルに重なり合う輪郭１４０を有することにより、上述の凹んだ領域を備え、可動な部材もしくは弁１１０が非作動廃棄位置にあるときに流入する流れが廃棄オリフィス１４０内へ直接に流れるルートが存在する。
【００２５】
図１は、静止（非作動）位置における新規の微細製造された流体装置１０の平面図である。装置１０は、微細製造された流体弁もしくは可動な部材１１０（斜線の領域）と、複数の微細製造された流体チャネル１２０，１２２および１４０とを有してよい。微細製造された流体チャネル１４０は、出口チャネルとして機能し、微細製造された部材１１０の少なくとも一部のすぐ下方または上方に配置されており、微細製造された流体チャネル１２０，１２２または微細製造された部材１１０の平面に対して平行に延在していない。好適には、微細製造された流体チャネル１２０は、微細製造された流体チャネルの平面または微細製造された部材１１０に対して直交している。微細製造された流体チャネル１４０は、微細製造された部材１１０の運動経路の少なくとも一部、即ち斜線のライン／形状内の領域をカバーしている。
【００２６】
図２は、作動位置における微細製造された装置１０の平面図である。この位置では、可動な部材もしくは弁１１０（斜線の領域）は、図２に示された位置に向かって上方へ逸らされている。逸らせ面１１２は、入口チャネル１２０の流れを選別出口チャネル１２２内へ方向転換させるための選別輪郭である。出口チャネル１２２は、実質的に入口チャネル１２０と同じ平面にあってよく、これにより、選別チャネル１２２内の流れも、実質的に入口チャネル１２０内の流れと同じ平面にある。入口チャネル１２０と選別チャネル１２２との間には角度αが形成されていてよい。この角度は、約９０度までのあらゆる値であってよい。可動な部材１１０の作動は、概して図２に示したように、力発生装置４００からの力によって生じてよい。幾つかの実施の形態では、力発生装置は、電磁石であってよいが、力発生装置は、可動な部材１１０に力を加え、可動な部材１１０を第１の位置（図１）から第２の位置（図２）へ移動させるための、静電、圧電、または幾つかのその他の手段であってもよい。
【００２７】
より一般的には、例えば図１及び図２に示された微小機械粒子操作装置は、製造基板の表面に形成されてよく、微小機械粒子操作装置は、第１の逸らせ面１１２を有する微細製造された可動な部材１１０を有してよく、可動な部材１１０は、可動な部材に加えられた力に応答して第１の位置から第２の位置へ移動し、運動は、実質的に、表面に対して平行な平面においてなされ、基板に試料入口チャネル１２０が形成されており、試料入口チャネルを流体が流過し、流体は、１つまたは複数の目標粒子と、非目標材料とを含み、試料入口チャネルにおける流れは実質的に表面に対して平行であり、微細製造された部材は流体を複数の出口チャネル１２２，１４０へ逸らせ、出口チャネル１４０のうちの少なくとも１つにおける流れは平面に対して平行でなく、少なくとも１つの出口チャネル１４０は、部材１１０の運動の少なくとも一部にわたって、可動な部材１１０の少なくとも一部のすぐ下方に配置されている。
【００２８】
１つの実施の形態において、逸らせ面１１２は、入口流れ方向および選別出口流れ方向に対してほぼ接線方向であってよく、傾斜はこれらの接線の間で滑らかに変化していてよい。この実施の形態において、流れの移動する質量は、入口方向から出口方向へ滑らかに変化させられる運動量を有しており、すなわち、目標粒子が生物学的細胞であるならば、最小限の力が粒子に提供される。図１及び図２に示したように、微小機械粒子操作装置１０は、滑らかに湾曲した形状を備える第１の逸らせ面を有しており、第１の逸らせ面の表面は、形状における１つの箇所において入口チャネルにおける流れの方向に対して実質的に接線方向であり、かつ形状における第２の箇所において第１の出口チャネルの流れの方向に対して実質的に接線方向であり、第１の逸らせ面は、可動な部材が第１の位置にあるときに流れを試料入口チャネルから第１の出口チャネルへ逸らせ、第２の位置においては流れを第２の出口チャネルへ逸らせる。
【００２９】
他の実施の形態では、微小機械粒子操作には、三角形、台形、放物線形、円形およびＶ字形のうちの少なくとも１つを有する第１の逸らせ面が設けられており、逸らせ面は、可動な部材が第１の位置にあるときに流れを入口チャネルから第１の出口チャネルへ逸らせ、第２の位置において流れを第２の出口チャネル内へ許容する。ディバータは、全ての場合に、流れを入口チャネルから別のチャネルへ方向付けるために機能する。
【００３０】
チャネル１２２は“選別チャネル”と呼ばれ、オリフィス１４０は“廃棄オリフィス”と呼ばれるが、これらの用語は、一般性のいかなる損失なく、選別流が廃棄オリフィス１４０へ方向付けられ、廃棄流がチャネル１２２へ方向付けられるように互いに置き換えることができる。同様に、“入口チャネル”１２０および“選別チャネル”１２２は逆にされてもよい。３つのチャネルを示すために使用される用語は任意であるが、入口流は、弁１１０によって、２つの別個の流れのうちのいずれかに逸らされてよく、少なくとも一方の流れは、他の２つと同じ平面にない。角度方向に関して使用されるときの“実質的に”という用語、すなわち実質的に接線方向または実質的に鉛直方向とは、基準方向の１５度以内を意味すると理解されるべきである。例えば、線に対して“実質的に直交する”とは、その線に対して約７５度から約１０５度を意味すると理解すべきである。
【００３１】
図３ａおよび図３ｂは、入口チャネル１２０と選別チャネル１２２との間の角度αがほぼ０度である実施の形態を示している。したがって、選別チャネル１２２は入口チャネル１２０に対して実質的に逆平行であり、流れは、入口チャネル１２０において右から左へ流れる。弁１１０が、図３ａに示された作動されていない休止位置にあるとき、入口流れは、廃棄オリフィス１４０へまっすぐに流れ、装置１０から鉛直方向に流出する。
【００３２】
図３ｂにおいて、弁１１０は、作動させられた選別位置にある。この位置において、流れは、弁１１０の逸らせ面１１２によって、逆平行の選別チャネル１２２内へ方向転換させられている。この構成は、検出器１５０の視野が、入口チャネル１２０および選別チャネル１２２の両方をカバーするという利点を有し得る。すなわち、それぞれのチャネルを通る目標粒子の通過を検出するために、検出光学系の１つのセットが使用されてよい。弁の開閉のタイミング不確実性をできるだけ減じるために、検出領域と弁１１０との間の距離をできるだけ小さくすることも有利であり得る。
【００３３】
可動な部材もしくは弁１１０は、可撓性のばね１４によって基板に取り付けられていてよい。ばねは、基板材料の狭隘部であってよい。上に示された例において、基板材料は、単結晶シリコンであってよい。単結晶シリコンは、強度、低い残留応力、クリープに対する抵抗力などの優れた機械的特性で知られている。適切なドーピングにより、材料は、装置のあらゆる部分における電荷蓄積を回避するために十分に導電性であるように形成することもできる。さもないと、電荷蓄積は装置の移動を妨害する。ばねは、図示したように蛇行形状を有していてよく、約１μｍ〜約１０μｍの幅と、約１０Ｎ／ｍ〜１００Ｎ／ｍ、好適には約４０Ｎ／ｍのばね定数とを有している。
【００３４】
図４ａ、図４ｂおよび図４ｃは、面外廃棄チャネル１４０の作動を示す断面図である。図４ｃは、可動な部材１１０の周囲から廃棄オリフィス１４０を通って廃棄チャネル１４２内への流れの詳細を示すために、図４ａおよび図４ｂより僅かに拡大されている。矢印は、チャネル１２０および１２２の平面における可動な部材１１０の移動方向を示している。この実施の形態では、廃棄チャネル１４２は、鉛直であり、実質的に入口流１２０および選別流１２２に対して直交方向である。入口チャネル１２０は、廃棄チャネル１４２に対して直交方向であり、チャネル１２２の方向は、紙面外である。直交方向ではない他の実施の形態が可能であるが、いかなる場合にも、廃棄チャネル１４２内への流れは、入口チャネル１２０および／または選別チャネル１２２における流れの平面から外れていることが理解されるべきである。図４ａに示したように、弁１１０は、作動させられた選別位置にあり、入口流および目標粒子は、図４ａにおいて紙面外である選別流１２２内へ流入してよく、廃棄オリフィス１４０は、完全にではないが、ほぼ、可動な部材１１０によって遮断されている。弁もしくは可動な部材１１０の上面における領域１４４（図４ｃにおけるサイズは寸法的ではない）は、この流れのための隙間を提供するために、凹まされていてよい。
【００３５】
弁もしくは可動な部材１１０が、図４ｂに示したように非作動である場合、入口チャネル１２０の流れは、可動な部材もしくは弁１１０の周囲を通過することによって廃棄チャネル１４２内へ直接に流入する。弁もしくは可動な部材１１０の上方における領域１４４は、この流れのための隙間を提供するように凹まされていてよい。凹まされた領域１４４は、拡大された図４ｃにより詳細に示されている。すなわち、可動な部材が非作動である場合、流れは直接に廃棄チャネル内へ送られる。可動な部材が作動させられた場合、流体のほとんどは選別チャネルへ方向付けられるが、液体は、まだ、可動な部材の上側および下側を流れてよい。
【００３６】
すなわち、可動な部材１１０の下側および上側に流れを提供する目的は、弁もしくは可動な部材１１０の背後の領域における、アクチュエータの運動によって生ぜしめられる流体圧力を減じることである。言い換えれば、この目的は、弁の前方における高圧領域と、弁の背後における低圧領域との間にできるだけ短い経路を提供することである。これにより、弁は、その運動に抵抗する圧力をほとんど０にして作動することができる。その結果、図１〜図４ｃに示された可動な弁１１０は、同じ平面に配置された全てのチャネルを有する弁よりも大幅に迅速になり得る。
【００３７】
鉛直の廃棄チャネル１４２の別の利点は、廃棄チャネルを定位置の透磁性部分１３０および可動な透磁性部分１１６のすぐ下側に位置決めすることにより、透磁性部分１１６および１３０の間の磁気間隙を、流体チャネルがそれらの間にあった場合よりも、狭めることができるということである。より狭い間隙は、従来の設計と比較して、より大きな力、ひいてはより迅速な作動を可能にする。磁気構成部材および磁気作動機構の説明が次に提供され、面外チャネル構造の利点が明らかになる。
【００３８】
図５は、装置１０の装置１００の別の典型的な実施の形態の平面図であり、定位置の透磁性部分１３０の配置と、可動な部材１１０の別の詳細とを示している。この実施の形態では、可動な部材１１０は、逸らせ面１１２と、可撓性のヒンジもしくはばね１１４と、包囲された、しかしながら可動な部材１１０に対応する線の内側にある別個の領域１１６とを有してよい。この領域１１６は、ニッケル−鉄パーマロイなどの透磁性材料がはめ込まされていてよく、以下で更に説明されるように機能してよい。
【００３９】
別の実施の形態では、微小機械粒子操作装置は、さらに、可動な部材に埋め込まれた第１の透磁性材料と、基板に配置された第１の定位置の透磁性部分と、可動な部材、および可動な部材が形成されている基板の外部における第１の磁束源とを有する。
【００４０】
好適には、微小粒子操作装置の可動な部材は、磁束源が作動させられたときに第１の位置から第２の位置へ移動する。
【００４１】
透磁性材料は、それ自体における磁界の形成を支持することができるあらゆる材料を意味すると理解されるべきである。言い換えれば、材料の透磁性は、提供された磁界に応答してその材料が得る磁化の程度である。
【００４２】
ここで使用される“透磁性材料”または“高い透磁率を有する材料”という用語は、空気または真空の透磁率と比較して、大きな透磁率を有する材料であると理解されるべきである。すなわち、透磁性材料または高い透磁率を有する材料は、少なくとも約１００の、すなわち約１．２６×１０-6Ｈ・ｍ-1である空気または真空の透磁率の１０００倍の比透磁率（空気または真空と比較される）を有する材料である。クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）合金を含む、透磁性材料の多くの例が存在する。１つの一般的な透磁性材料は、パーマロイとして知られている。パーマロイは、約６０％〜約９０％のＮｉと、４０％〜１０％の鉄との組成を有する。最も一般的な組成は、８０％Ｎｉと、２０％Ｆｅであり、これは、約８０００の透磁率を有する。
【００４３】
透磁性材料によって提供された経路の磁気抵抗を、磁束に対して低下させるために、磁束線が集中している領域へ、透磁性材料が引き込まれることが静磁気学から知られている。したがって、磁界における勾配は、はめ込まれた透磁性材料１１６の存在により、可動な部材１１０の運動を、磁束の高い集中を有する領域に向かって付勢する。すなわち、埋め込まれた透磁性材料１１６を備える可動な部材１１０は、磁束における正の勾配の方向に引き込まれる。
【００４４】
磁界の磁束線の外部源は、図６に示されているように、装置１００の外部に設けられていてよい。この源は、電磁石５００であってよい。電磁石５００は、透磁性コア５１２を有してよく、透磁性コア５１２の周囲に、導体５１４が巻き付けられている。巻き付けられた導体またはコイル５１４，５１２は、磁界を発生する。電磁気学より公知のように、磁界は、磁石の極から出て、逸れ、逆の極へ戻る。したがって、可動な部材１１０は、概して、図７に示したように電磁石５００の極に向かって引き付けられる。
【００４５】
しかしながら、装置１００の性能を、定位置の透磁性部分１３０の使用により改良することができる。“定位置の部分”という用語は、可動な部材または弁１１０とは異なり、基板に固定され、基板に対して動かない部分を意味すると理解すべきである。定位置の透磁性部分１３０は、これらの逸れる磁束線を集め、それらを、埋め込まれた透磁性材料１１６を備える可動な部材１１０にすぐ隣接した領域に再び集束させるように、成形されている。定位置の透磁性部分は、より狭いのど部１３４を備える拡張領域１３２を有してよい。磁束線は、拡張領域１３２において集められ、狭いのど領域１３４の内外へ集束させられる。したがって、のど領域１３４における磁束線の密度は、定位置の透磁性部分１３０が存在しない場合よりも、大幅に高くなる。すなわち、定位置の透磁性部分１３０の使用は、選択的であるが、より高い力、より迅速な作動を可能にし、電磁石５００が装置１００の近傍に配置される必要性を減じる。狭いのど領域１３４から、磁束線は、透磁性材料から出て、外部源５００の逆の磁極へ戻る。しかしながら、のど領域１３４における磁束線の高い集中により、可動な部材１１０に埋め込まれた透磁性材料１１６は、定位置の透磁性部分１３０に向かって引き付けられて、それと共に可動な部材の残りを運ぶ。
【００４６】
電磁石が休止しているとき、電流はコイル５１４に供給されておらず、ばね１１４の復元力１１４は、可動な部材１１０を、“閉鎖”または“廃棄”位置へもたらす。この位置では、入口流は、妨げられることなく装置１００を通って廃棄チャネル１４０へ通過する。この位置は図５に示されている。電磁石５００が作動させられ、電流がコイル５１４に流されると、磁界がコア５１２に生じ、コア５１２の極から出る。これらの磁束線は、定位置の透磁性部分１３０によって集められかつ集束させられ、のど部１３４にすぐ隣接した領域に集束させられる。前述のように、可動な部材１１０の透磁性部分１１６は、のど部１３４に向かって引き付けられ、ひいては、可動な部材１１０を移動させ、面１１２を逸らせ、これにより、入口チャネル１２０における入口流は、出口または選別チャネル１２２へ方向転換される。この位置は図７に示されている。
【００４７】
透磁性部分１１６および１３０を形成するために、パーマロイが使用されてよいが、他の透磁性材料が使用されてもよいことが理解されるべきである。パーマロイは、ＭＥＭＳリソグラフィ製造技術に向いている公知の材料である。透磁性部分１１６および１３０を形成する方法が以下で更に説明される。
【００４８】
前述のように、可動な部材または弁１１０のすぐ下側に廃棄チャネル１４０および１４２を有することにより、可動な透磁性部分１１６は、定位置の透磁性部分１３０に一層近く配置することができる。その代わりに、廃棄チャネルが同じ平面にあるとすると、この間隙は、関連する公差とともに、廃棄チャネルを収容するのに少なくとも十分な大きさでなければならない。その結果、作動力が高くなり、弁の開閉時間が著しく短くなる。これは、ひいては、より迅速な選別またはより高い選別精度、またはその両方に対応する。
【００４９】
上述の電磁作動技術を使用することにより、１０マイクロ秒のオーダの作動時間を実現することができる。したがって、粒子選別装置は、アクチュエータを引き込むために１０マイクロ秒が必要とされ、アクチュエータを製造された位置へ戻すために１０マイクロ秒が必要とされると仮定すると、５０ｋＨｚを超えるまたはそれよりも高い速度で粒子を選別することができる。
【００５０】
しかしながら、あらゆる粒子選別機構のために、選別純度および選別速度の間の固有のトレードオフが存在する。流体速度は、所定のポイントまでしか高めることができず、その後は、選別装置の物理的限界に突き当たり、例えば、弁速度が、細胞が検出された時に弁またはフラップを開くための時間が不十分であるようになる。その限界を超えると、１秒ごとにより多くのイベントを達成するためのもっとも明らかな方法は、細胞密度を高めることである。しかしながら、細胞密度を高めると、望ましい細胞と望ましくない細胞とが収集されるという、選別矛盾の発生も高まる。
【００５１】
この限界を克服するために、細胞試料は、理論的に、連続する選別ストラテジにおいて複数回処理されてよく、最初は極めて迅速な粗雑な選別を行い、その後、より低速の、高精度の選別を行う。これは、概して、大量細胞希釈（被覆流体から）、低速処理速度、高圧静電選別機構を通る複数のパスから生じる許容できない細胞損傷の結果として従来のＦＡＣＳシステムによる実用的なオプションではない。流れ血球計算機を通る一回のパスは、例外的に強烈であり、１０ｍ／秒の速度と、６０ｐｓｉ〜０ｐｓｉの爆発的減圧を伴う。細胞は、生活能力の著しい損失なしに複数のパスにおけるこのような処理を生き残る可能性は低い。希釈、手作業処理および細胞脂肪を進んで受け入れるとしても、ＦＡＣＳにおける歩留り損失は圧倒的である。また、処理、クリーニング、殺菌および検定のためのサイクルごとの時間定数は適さず、試料の無菌は完全に妥協される。その結果、その連続的な選別は、ＦＡＣＳベースの臨床的細胞選別のための実用的なアプローチではない。
【００５２】
対照的に、上述の微細製造された粒子選別システムのために、微小流体チャネル構造を使用して、複数段の、“連続的な”選別が、以下で説明するような簡単な方法で行われ得る。複数の粒子操作作業は、複数のＭＥＭＳ選別装置１０または１００を使用して行われてよい。選別装置は、別個のＭＥＭＳチップ上に設けられていてよく、廃棄可能なカートリッジに封入されていてよいか、または複数の弁が、ＭＥＭＳ製造技術を使用して１つの基板上に形成されてよい。１つの実施の形態において、複数のＭＥＭＳ選別チップはある程度だけ選別されており、これにより、装置を横方向にシフトさせることによって、付加的なＭＥＭＳチップは作動状態となり得る。この実施の形態は、以下で更に説明され、図８に示されている。より広くは、選別装置システムは、第１の操作装置または選別段１００の下流に二次的な操作装置または選別段２００を有してよい。選別段１００は、例えば図１および図５にそれぞれ示されているように装置１０または装置１００を使用する段を意味する。
【００５３】
第１の選別段１００および第２の選別段２００は両方とも、それぞれレーザ呼びかけ領域１７０および２７０によって先行されている。この領域において、試料流における粒子を照射するためにレーザが使用される。蛍光タグを有するこれらの粒子は、レーザ放射の結果、蛍光を発する。この蛍光信号は、検出され、試料流における目標粒子の存在を示す。目標粒子の検出により、信号は、電磁石５００を制御する制御装置へ送られ、電磁石を通電し、これにより、可動な部材もしくは弁１１０を開く。これにより、目標粒子は、選別チャネル１２２へ方向付けられる。この機能は、図１２に示された、完全粒子選別システムに関して以下で更に詳細に説明される。選別段１００および２００には、最後の選別段２００の下流の第３のレーザ呼びかけ領域２８０を備え付けてもよい。この呼びかけは、選別の精度を評価するため、または様々な選別パラメータを調整するために行われてよい。連続して配置された２つの選別作業のみが図１２に示されているが、この基本概念は、あらゆる数の付加的な選別段に拡張されてもよく、段は、直列の構成の代わりに、または直列の構成に加えて、並列の構成で配置されていてもよい。
【００５４】
したがって、無視できる歩留り損失で目標細胞を高濃度にするために、第１の選別は第１の選別段１００によって迅速に行われてよい。第１の選別段１００の出力は、領域１７０に配置された弁別器または検出器の出力に基づいて、廃棄チャネル１４０または選別チャネル１２２へ流入してよい。流れが選別チャネル１２２へ流れると、流れは、次いで、第２の選別段２００へ流れ、第２の選別段２００は、自己の関連する検出領域２７０を有してよい。選別段１００と同様に、流れは、廃棄チャネル２４０または選別チャネル２２２へ方向付けられてよい。このアプローチを使用して、試料は無菌のままであり、全体の連続的な選別プロセスを通じて穏やかに取り扱われる。二次元の図に示すのは難しいが、廃棄チャネル１４０および２４０は、入口チャネル１２０および選別チャネル１２２，２２２に対して異なる平面に位置してもよい。図８において、紙面へ向かって流入する廃棄チャネル１４０および２４０が示されている。
【００５５】
別の実施の形態では、図１、図３または図５に示された構造を用いて、２出口、２位置粒子操作装置が想定されてもよい。この実施の形態では、微小機械粒子操作装置は、さらに、第２の逸らせ面を有してよい。第２の逸らせ面は、可動な部材が第３の位置にあるときに、流れを入口チャネルから第３の出口チャネルへ逸らせる。
【００５６】
弁の開閉の間の可動な部材のよりよくかつより迅速な制御のために、この実施の形態の微小機械粒子操作装置には、可動な部材に埋め込まれた第２の透磁性材料と、基板に配置された第２の定位置の透磁性部分と、可動な部材の外部の第２の磁束源とが設けられていてよい。
【００５７】
このような装置は図９に示されている。図９は、２出口装置８００を示している。２出口装置８００において、可動な部材８１０の位置に応じて、１つの入口チャネル８２０は、２つの別個の選別出口チャネル８２２および８２４のいずれかに供給することができる。２出口装置８００は、２つの透磁性領域８１６および８１８を有してよく、これらの透磁性領域は、それぞれ２つの定位置の透磁性部分８３０および８５０のそれぞれに向かって引き付けられてよい。例えば、電磁石５００（二点鎖線で示されている）などの外部磁束源が定位置の透磁性部分８３０の近くに位置決めされているならば、電磁石５００から発せられた磁束は、定位置の透磁性部分８３０によって集中させられ、可動な透磁性部分８１６が定位置の透磁性部分８３０に向かって引き付けられる。この状況は、図１０に示されているものである。可動な部分が時計回りに回転すると、選別チャネル８２４を、逸らせ面８４２によって入口チャネル８２０からの流れへ開放する。別の外部磁石（図示せず）が、装置８００および上側の定位置の透磁性部分８５０の上方で通電されると、可動な部材８１０は反時計回りに回転し、入口チャネル８２０における流れを、選別逸らせ面８１２によって下側選別チャネル８２２へ方向付ける。廃棄チャネルオリフィス８４０は、１４０と比較して拡大されていてよく、これにより、廃棄チャネルオリフィス８４０は、可動な部材８１０の少なくとも一部のすぐ下側に配置されるが、選別逸らせ面８１２または８４２の運動を妨害することはない。可動な部材は、薄い壁部８１０によって基板に固定されている。ヒンジ点８１４を有する薄い壁部８１０は、図３ａおよび図３ｂの１１４と同様の可撓性のばねとして機能する。
【００５８】
図１〜図１１に示された実施の形態は、電磁作動機構に関して説明されているが、その代わりに他の作動力が用いられてもよいことが理解されるべきである。例えば、透磁性部分１１６および１３０が、透磁性材料ではなく、導電性材料から形成されていると、電圧電位が、エレメント１１６および１３０を横切って配置され、可動な部材１１０を移動させるための静電力を発生する。圧電力が利用されてもよい。
【００５９】
粒子操作装置１０および１００の微細製造された構造により、粒子操作装置は、このような包囲された、十分に規定された構造を利用することができる技術に適している。１つのこのような技術が図１１に示されており、この場合、微細製造された粒子操作装置は、試料流に被覆流体を提供し、入口チャネルに接続された集束エレメントをも提供する少なくとも１つの付加的なチャネルを有してよい。被覆流体は、入口チャネル内の目標粒子の集中および位置決めを調整するために用いられてよい。集束エレメントは、以下で更に説明されるように、試料入口チャネルの特定の部分へ目標粒子を付勢するように構成されていてよい。集束エレメントは、可動な部材１１０と実質的に同じ平面に配置されていてよく、可動な部材１１０および入口チャネル１２０と同じ基板表面に形成されていてよい。
【００６０】
図１１は、流体流内のある領域における粒子を集束させるために使用されてよい、微細製造された流体マニホルド３００を示している。このようなマニホルドを設計するための技術は、例えばXiaole Mao,et al.による、Journal of Royal Society of Chemistry, Lab Chip,2009,9,1583-1589、“Single-layer planar on-chip flow cytometer using microfluidic drifting based three-dimensional (3D) hydrodynamic focusing”に見られてよい。マニホルドは、試料入口３１０および被覆流体チャネル３２０を有する。その名が示すように、被覆チャネルは、試料流に被覆流体を付加する。被覆流体は、流れにおける粒子の流れを希釈し、粒子を流れの特定の部分に配置する傾向がある緩衝流体である。組み合わされた流体は、次いで、入口チャネル１２０に接続された集束エレメントの周囲を流れる。集束エレメントは、ここではＺ集束チャネル３３０である。Ｚ集束チャネル３３０は、粒子を、流れにおける特定の平面に集合させる傾向がある。この平面は実質的に図１１の紙面の平面である。組み合わされた流体は、次いで、別の交差箇所、すなわち“ｙ−交差箇所”３５０を通過する。この交差箇所は、粒子の平面の上方および下方に付加的な被覆流体を導入する。ｙ−交差箇所３５０において、２つの流れは、実質的に逆平行の方向から、Ｚ集束チャネル３００に対して直交方向で、Ｚ集束チャネル３００とつながる。この交差は、実質的に流れの中心において、粒子の平面を一点に圧縮してよい。したがって、Ｙ交差箇所３５０において、目標粒子は、Ｚ集束チャネル３３０および試料入口チャネル１２０の中心の近くで平面から流れラインへ圧縮されてよい。粒子をある体積に集束させることは、粒子の位置における不確実性、ひいては、可動な部材もしくは弁１１０の開閉のタイミングの不確実性を減じる傾向がある。したがって、このような流体力学的集束は、選別操作の速度および／または精度を高めてよい。
【００６１】
図１１に示された流体力学的集束を備える、微細製造された粒子操作装置１０または１００の１つの典型的な実施の形態では、Ｚ曲げ部３３０の角度スイープは、約１８０度の円弧である。すなわち、細胞入口の被覆入口の接合部と、Ｙ交差箇所３５０との間の近似角度スイープは、約１８０度であってよい。概して、Ｚ曲げ部３３０の曲率半径は、少なくとも約１００μｍであり、約５００μｍ未満であり、チャネルの特徴的寸法、すなわち幅は、典型的には、集束効果を提供するために約５０μｍである。１つの実施の形態では、チャネルの曲率半径は、約２５０μｍであってよく、試料入口チャネル１２０およびＺ曲げ部チャネルのためのチャネル幅もしくは特徴的寸法は、約５０μｍのオーダである。これらの特徴的寸法は、粒子を集束させるために十分な湾曲を提供してよく、これにより、粒子は、Ｙ交差箇所３５０においてＺ集束チャネル３３０から出る時に、紙面の平面に制限される傾向がある。この平面は、次いで、Ｙ交差箇所３５０においてチャネルにおける一点に圧縮される。
【００６２】
微細製造された粒子操作装置１０または１００は、図１２に示された構成部材を含むハウジングに収容された粒子選別システム１０００において使用されてよい。ＭＥＭＳ粒子操作装置１０，１００または８００は、システム１０００に挿入されたプラスチック製の廃棄可能なカートリッジに収容されていてよい。挿入領域は、１つまたは複数のデータに対する粒子操作装置１０，１００または８００および関連する微小流体チャネルの精密位置決めに利用可能な機構を備えた可動な段であってよく、これは、検出領域および粒子操作装置１０，１００または８００を収集光学系１１００に関して向き付けかつ位置決めする。より精密な位置決めが必要な場合、入口段は、並進段であってもよく、データに関する可動な部材１１０の位置の観察に基づき位置決めを調節する。
【００６３】
図１２は、複数のレーザ源１４００および１４１０を使用する粒子選別システム１０００を示しているが、用途に応じて１つのレーザのみが必要であってもよいと理解すべきである。図１２に示された複数のレーザのために、レーザ源のうちの一方１４１０は、少なくとも１つの付加的なレーザ呼びかけ領域１７０および／または２７０を照明するための平行光学系の関連するセット（図１２には示されていない）とともに使用されてよい。この構成は、１つのレーザシステムよりも配置するために幾分より複雑かつ高価であり得るが、光学および検出経路が、異なるレーザ呼びかけ領域のために分離されてよいという利点を有し得る。この実施の形態のために、レーザ１４１０光の軌道、スペクトルコンテント、タイミングまたは継続時間を変化させることは必要でない。図１２に明瞭に示されていないが、付加的なレーザ１４１０のための検出経路は、レーザ１４００のための検出経路とは別個であってもよいことが理解されるべきである。したがって、粒子選別システムの幾つかの実施の形態は、複数のレーザ源と、複数の光学検出経路とを有してよく、これに対し、他の実施の形態は、１つのレーザ源１４００のみと、収集光学系１１０とを使用してよい。ここに説明された実施の形態において、複数の励起レーザは共通の光学経路を使用し、光学信号は、図１２に示されたシステムによって電子的に分離される。
【００６４】
図１２に示された実施の形態は、ＦＡＣＳタイプ検出機構に基づき、１つまたは複数のレーザ１４００，１４１０は、目標粒子に固定された１つまたは複数の蛍光タグを励起する。レーザ励起は、領域１７０，２７０および２８０などの複数の呼びかけ領域において行われてよい。結果として放出される蛍光が検出され、信号がコンピュータ１９００に提供される。次いで、コンピュータは制御信号を生成し、この制御信号は、電磁石５００、または図８のように複数の選別器が使用されているならば複数の電磁石を制御する。目標粒子を非目標粒子から識別することができる電気的、機械的、化学的またはその他の効果を含むその他の検出機構が代わりに使用されてもよいことが理解されるべきである。
【００６５】
したがって、図１２に示されたＭＥＭＳ粒子選別システム１０００は、付加的な呼びかけ領域１７０および２７０またはそれ以上を実行するのに役立ち得る複数のエレメントを有し得る。まず、光学操作手段１６００は、レーザ１４００から第２または第３の呼びかけスポットへのレーザ放射の軌道、スペクトルコンテント、タイミングまたは継続時間を変化させ得る。光学操作手段１６００に含まれてよいアイテムの例は、例えば、複屈折結晶、スピニングプリズム、ミラー、飽和可能な吸収体、音響光学変調器、ハーモニック結晶、Ｑスイッチである。より一般的には、光学操作手段１６００は、付加的な呼びかけ領域への光学経路の１つの分岐路に沿ってレーザ周波数、振幅、タイミングまたは軌道を変化させる１つまたは複数のアイテムを含んでよい。
【００６６】
例えば、光学操作手段１６００は、ビームスプリッタおよび／または音響光学変調器を含んでよい。ビームスプリッタは、入射するレーザビームの一部を二次的な分岐路もしくはアーム内へ分離してよく、この二次的な分岐路またはアームは変調器を通過し、変調器は、二次的なビームの振幅を高周波において変調する。変調周波数は、例えば、約２ＭＨｚ以上であってよい。第１のレーザ呼びかけ領域１０１に入射する光は、対照的に、連続波であってよい（変調されていない）。二次的な分岐路またはアームは次いで、付加的なレーザ呼びかけ領域１７０または２７０へ方向付けられる。この励起は次いで、適切にタグ付けされた細胞から対応する蛍光パターンを発生する。
【００６７】
この変調された蛍光パターンは次いで、検出光学系１６００によってピックアップされてよく、検出光学系は、呼びかけ領域１７０および／または２７０からの検出された蛍光を、レーザ呼びかけ領域１７０からの蛍光と再び組み合わせてよい。組み合わされた放射は次いで、１つまたは複数の検出器１３００に衝突してよい。
【００６８】
付加的な光学構成部材１７００は、第２のビーム路の周波数、振幅、タイミングまたは軌道をも変更してよいが、光学構成部材１６００がするように、収集光学系１１００の下流（試料側）ではなく、収集光学系１１００の上流（検出器側）においてこの操作を行ってよい。
【００６９】
検出器１３００の出力は、レーザ呼びかけ領域２８０に対応するコンテントを、レーザ呼びかけ領域１７０または２７０に対応するコンテントから分離するために分析されてよい。これは、検出器１３００からの信号に幾つかの電子的識別手段を適用することによって行われてよい。電子的識別手段１８００の詳細は、光学操作手段１６００のための選択に依存してよい。例えば、識別手段１８００は、光学操作手段１６００に含まれていた光音響変調器と一貫するハイパス段およびローパス段を含んでよい。または、例えば、電子的識別手段１８００は、フィルタ（ハイパスおよび／またはローパス）および／またはエンベロープ検出器を含んでよい。
【００７０】
したがって、光学操作手段１６００の選択に応じて、検出器１３００からのフィルタリングされていない信号出力は、連続波、低周波部分および変調された高周波部分を含んでよい。ハイパスフィルタ段によるフィルタリングの後、信号は、実質的に高周波部分のみを有してよく、ローパス段の後、低周波部分のみを有してよい。これらの信号は次いで、コンピュータ１９００の論理回路において容易に選別されてよい。これに代えて、ハイパスフィルタは、エンベロープ検出器であってよく、エンベロープ検出器は、高周波パルスの振幅のエンベロープに対応する信号を出力する。
【００７１】
その他の種類の構成部材は、信号を分離するために電子的識別手段１８００に含まれていてよい。これらの構成部材は、例えば、信号フィルタ、ミキサ、位相ロックループ、マルチプレクサ、トリガ、または信号を分離または識別することができるあらゆるその他の類似の装置を含んでよい。構成部材１８００は、ハイパスおよび／またはローパス電子フィルタまたは前に説明されたエンベロープ検出器を含んでもよい。電子的識別手段１８００からの信号の２つのセットは、信号を分離するために論理回路１９００によって別々に取り扱われてよい。
【００７２】
すなわち、ＭＥＭＳ粒子操作システムは、１つまたは複数の付加的な下流のレーザ呼びかけ領域に関連して使用されてよく、付加的なレーザ呼びかけ領域は、粒子の流れを操作する際に操作段の有効性または精度を確認するために使用される。選別段１００および２００を過ぎたレーザ呼びかけ領域２８０からの下流評価により、オペレータは、個々の粒子タイプのための別のイベント数（例えば初期イベント率プレ選別）によって分割された１つのイベント数（例えば捕捉されたイベント率ポスト選別）を測定し、この比率に基づいて初期呼びかけパラメータ（例えばｘ、ｙ、ｚ位置および時間における“オープンウィンドウ”長さ）を調節するためにフィードバックすることができる。この方法は、システム１００の歩留りまたは精度を最適化するために使用されてよい。これに代えて、オペレータは、選別システム１００の純度を最適化するために、ｘ、ｙ、ｚ位置および時間における“オープンウィンドウ”長さなどの初期レーザ呼びかけパラメータを調節するためにトータルイベント率ポスト選別フィードバックによって分割された、目標セルのイベント率ポスト選別を測定することができる。これらの選別パラメータは、コンピュータ１９００によって電磁石５００へ送られる制御信号２００を変化させることによって、光学的検出パラメータを変化させることによって、または図１２に示されたようにレーザ制御信号を変化させることによって調節されてよい。
【００７３】
本発明による粒子操作システムは、さらに、電磁石と、制御波形を電磁石に提供する回路とを有してよい。図１２に示されたシステムが選別パラメータを調節するためにどのように使用され得るかの一例は、電磁石５００に提供される制御信号波形２０００を介したものである。この波形２０００は、弁または可動な部材１１０または８１０の選別性能を調節するために微調整されてよく、論理回路１９００によって生成されてよい。
【００７４】
制御波形は、弁の開閉プロセスを微調整するために使用することができ、これにより、選別プロセスの速度を高める。別の実施の形態において、粒子操作システムの制御波形は、可動な部材を運動させるより高い振幅の加速相、可動な部材を開放させる一定振幅相、および閉鎖時に可動な部材を減速させる制動相を含む。
【００７５】
図１３は、可動な部材１１０または８１０の運動を制御するために使用されてよい付加的な特徴を備える制御信号波形２０００を示している。この制御信号波形２０００は、コンピュータ１９００によって発生されてよく、これにより、実質的に任意に複雑に形成されていてよい。制御信号波形２０００は、電圧波形または電流波形であってよい。制御信号波形２０００は、例えば、作動磁界を生成するためにコイルに電流を駆動するために、電磁石５００のコイル５１０に提供されてよい。制御信号２０００は、制御信号波形２０００の残りよりも大幅に大きな振幅を有する初期加速相２１１０を有してよく、数十マイクロ秒の間続く。
【００７６】
加速相における電流のより大きな振幅は、移動する磁石によってコイルに生ぜしめられる逆起電力を克服するために使用されてよい。この振幅は、より大きな力を発生してよく、このより大きな力は、可動な部材１１０，８１０をその静止位置から始動させ、運動を妨げるあらゆる静止摩擦力を克服するために必要とされ得る。この初期加速相の後、制御信号は、維持相２１２０を有してよく、この維持相の間、電流は実質的に一定であり、これは数十マイクロ秒の間続く。この期間、可動な部材１１０または８１０は、図１、図５または図９に示された閉鎖位置から、図２、図７または図１０に示された作動位置へ移動する。この期間、電流は一定であり得るが、可動な部材に加わる力は可変であってよく、可動な透磁性部分１１６，８１６および８４０と、それぞれの定位置の透磁性部分１３０，８４０および８５０との間の閉鎖距離の関数であってよい。２１３０に示された制御信号の極性を逆転することは、磁界の方向を逆転し、透磁性部分を消磁する。位相２１３０は、弁閉鎖を許容する。逆転期間２１３０の後、数マイクロ秒だけ続く静止期間２１４０が続き、その間、磁界は発生されず、可動な部材１１０または８１０に加わるばねエレメント１１４または８１４のばね力が、可動な部材を非作動状態へ戻し得る。これは、廃棄または拒絶位置であってよい。これは、ハードストップによる望ましくない跳ね返りを回避してよく、これは、さもないと、非目標粒子を選別チャネル１２２は進入させ得る。または、ハードストップがなければ、これは、非作動位置への最速の戻りを許容し得る。
【００７７】
図１２に関して上述したような選別チャネルコンテントの下流確認を使用し、加速相の振幅および継続時間、開放相の振幅および継続時間、静止相の継続時間、または制動相の振幅および継続時間などの、図１３に示された電流プロフィルの調節可能なパラメータのいずれも、システムの選別性能を改良するために調節され得る。
【００７８】
説明はここで、図１〜図１１に示された装置の製造に向けられる。製造は、第１の基板に形成された、はめ込まれた透磁性部分１１６および１３０から始まってよい。基板は、例えば、単結晶シリコン基板であってよい。これらの構造を形成するために、エッチングによって、基板表面のこれらの領域に凹部が形成されてよい。まず、フォトレジストが、基板表面上に配置され、１１６および１３０に対応する領域上で除去されてよい。次いで、例えば、適切な凹部を形成するために水酸化カリウム（ＫＯＨ）において基板をエッチングすることにより、溝が形成されてよい。シード層が、第１の基板表面上に等角に堆積され、ＮｉＦｅを溝内にめっきするためのシード層を提供するようにパターニングされる。シード層は、例えばＴｉ／ＷであってよいまたはＣｕ／Ａｕが次いでスパッタリング、ＣＶＤまたはプラズマデポジションによって堆積されてよい。この層は、フォトレジストによって被覆され、領域１１６および１３０の所望の形状に従ってパターニングされ得る。フォトレジストおよびシード層の望ましくない領域は、次いで、化学的エッチングによって除去されてよい。次いで、スパッタリング、プラズマ堆積または電気化学めっきによって、パターニングされたシード層上に、透磁性部分が堆積されてよい。例えば、パーマロイ（８０％Ｎｉおよび２０％Ｆｅ）を電気めっきによって容易に堆積させることができることが知られている。
【００７９】
これに代えて、透磁性材料のシートを堆積させるためにリフトオフ法が用いられてもよく、次いで、透磁性材料のシートのほとんどが、１１６および１３０以外の領域においてリフトオフされる。はめ込まれた透磁性材料のリソグラフィ形成についてのさらなる詳細は、例えば米国特許第７２２９８３８号明細書に見られてよい。米国特許第７２２９８３８号明細書は、引用したことによりその全体が本明細書に記載されたものとする。基板は、次いで、化学機械研磨（ＣＭＰ）によって平坦化されてよく、カバープレートののちの結合のための平坦な面を残す。
【００８０】
透磁性部分１１６および１３０が形成されると、可動な部材もしくは弁１１０および８１０が形成されてよい。表面は、再び、はめ込まれた透磁性部分１１６および１３０を保護するために、フォトレジストで被覆され、パターニングされてよい。入口チャネル１２０、出口チャネル１２２および凹んだ領域１４４は、可動な部材１１０および８１０と同時に形成されてよい。可動な部材１１０，８１０、およびその微細構成が保存されるべきその他の領域が、フォトレジストで被覆されているので、例えば、深掘りＲＩＥ（ＤＲＩＥ）によって、部分１１０，８１０，１２０，１２２および１４４が形成されてよい。
【００８１】
流体チャネルを形成するために、この目的のために前に平坦化された基板の表面に、カバープレートが結合されてよい。カバープレートは、入口チャネル１２０において流れる流体流における粒子にレーザ光が照射され、粒子に固定された蛍光タグによって放射された蛍光が、上述の光学検出システムによって検出されるために、光学的に透明であってよい。この透明な材料に形成された穴は、廃棄チャネル１４２を形成してよい。これに代えて、廃棄チャネル１４２は、第２のシリコン基板などの第２の基板に形成され、第１の基板の表面に結合されてよい。これに代えて、出口チャネル１４２は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板を用いて第１の基板の反対側の表面に形成されてよく、廃棄チャネル１４２およびオリフィス１４０は、ＳＯＩ基板のハンドル層および誘電層に形成され、可動な部分は、装置層に形成される。
【００８２】
上に概説したこのプロセスを行うための付加的な詳細は、当業者に公知であるかまたは多くのリソグラフィプロセスについての参照物に容易に見られる。
【実施例】
【００８３】
全血は緩衝剤によって希釈され、蛍光体に共役されたヒト抗ＣＤ４抗体によって染色された。試料は、選別タグとしての蛍光体を使用する図１２による粒子選別システムに組み込まれた図５に示された微小機械粒子操作装置において選別された。
【００８４】
試料は、選別プロセスが再現可能であることを示すために、５回のランにおいて毎秒約１３０万個の細胞の速度で選別された。選別される細胞のほとんどは赤血球であるので、純度および歩留り数は白血球（ＷＢＣ）のみに関して計算された。表１は、高い選別速度にもかかわらず枯渇歩留りおよび選別純度が実質的に一定であることを示している。
【００８５】
【表１】
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【００８６】
細胞の生活能力は、Annexin VおよびPIによって試験された。表２は、細胞の生活能力が選別プロセスによって実質的に変化しなかったことを示している。
【００８７】
【表２】
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【００８８】
上に外接した典型的な実施に関して様々な詳細が説明されているが、公知であるかまたは現時点で予測されているまたはされ得る様々な代替、修正、変更、改良および／または実質的な均等物が、前記開示を再検討することによって明らかになり得る。したがって、上に示された典型的な実施は、限定的ではなく、例示的であることが意図されている。
【符号の説明】
【００８９】
１０  装置、  １１０  可動な部材、  １１２  逸らせ面、  １１４  ばね、  １１６  透磁性部分、  １２０  入口チャネル、  １２２  選別チャネル、  １３０  透磁性部分、  １３２  拡張領域、  １３４  のど部、  １４０  出口チャネル、  １４２  廃棄チャネル、  １４４  領域、  １５０  検出器、  １７０  レーザ呼びかけ領域、  ２００  選別段、  ２２２  選別チャネル、  ２４０  廃棄チャネル、  ２７０  レーザ呼びかけ領域、  ２８０  第３のレーザ呼びかけ領域、  ３００  流体マニホルド、  ３１０  試料入口、  ３２０  被覆流体チャネル、  ３３０  定位置の透磁性部分、  ３５０  ｙ−交差箇所、  ４００  、  ５００  電磁石、  ５１２  透磁性コア、  ５１４  導体、  ８００  ２出口装置、  ８１０  可動な部材、  ８１２  選別逸らせ面、  ８１４  ヒンジ点、  ８１６  透磁性領域、  ８１８  透磁性領域、  ８２０  入口チャネル、  ８２２  選別出口チャネル、  ８２４  選別出口チャネル、  ８３０  透磁性部分、  ８４０  廃棄チャネルオリフィス、  ８４２  選別逸らせ面、  ８５０  透磁性部分、  １０００  粒子選別システム、  １１００  収集光学系、  １３００  検出器、  １４００  レーザ源、  １４１０  レーザ源、  １６００  光学操作手段、  １７００  光学構成部材、  １８００  電子的識別手段、  １９００  コンピュータ、  ２０００  制御信号波形、  ２１１０  初期加速相、  ２１３０  逆転期間、  ２１４０  静止期間、  ２１５０  制動パルス
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１２】
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【外国語明細書】
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