(57)【要約】      （修正有）【課題】微小操作対象物に与える影響を抑制できるとともに、装置コストの上昇を抑制できるマニピュレータシステムを提供する。【解決手段】マニピュレータシステム１０は、先端部に設けられた開口と、開口に接続され少なくとも一部に第１液体が満たされた内部空間とを有するキャピラリ３５と、キャピラリを振動させる圧電素子を含むアクチュエータ４４と、を備え、キャピラリの先端部を第２液体に漬けた状態でアクチュエータの作動により内部空間の第１液体とキャピラリとを相対的に動かして第２液体の少なくとも一部に液流を生成し、生成された第２液体の液流により第２液体中の微小操作対象物を操作する。【選択図】図１
2015071208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部に設けられた開口と、前記開口に接続され少なくとも一部に第１液体が満たされた内部空間とを有するキャピラリと、
前記キャピラリを振動させる圧電素子を含むアクチュエータと、を備え、
前記キャピラリの先端部を第２液体に漬けた状態で前記アクチュエータの作動により前記内部空間の前記第１液体と前記キャピラリとを相対的に動かして前記第２液体の少なくとも一部に液流を生成し、生成された前記第２液体の液流により前記第２液体中の微小操作対象物を操作するマニピュレータシステム。
【請求項２】
前記内部空間は、前記開口に接続され第１内径の第１部分と、前記第１部分に接続され前記第１内径よりも大きい第２内径の第２部分とを含み、
前記第１液体は、前記第２部分の少なくとも一部に満たされる請求項１に記載のマニピュレータシステム。
【請求項３】
前記第１液体の比重は、前記第２液体の比重よりも大きい請求項１又は請求項２に記載のマニピュレータシステム。
【請求項４】
前記第１液体は、フッ素系化合物を含む請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のマニピュレータシステム。
【請求項５】
先端部に設けられた開口と、前記開口に接続され少なくとも一部に第１液体が満たされた内部空間とを有するキャピラリの前記先端部を第２液体に漬けた状態で前記キャピラリを振動させる手順と、
前記キャピラリの振動により前記内部空間の前記第１液体と前記キャピラリとを相対的に動かして前記第２液体の少なくとも一部に液流を生成する手順と、
生成された前記第２液体の液流により前記第２液体中の微小操作対象物を操作する手順と、を含む微小操作対象物の操作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マニピュレータシステム及び微小操作対象物の操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオテクノロジ分野において顕微鏡観察下で細胞や卵にＤＮＡ溶液や細胞を注入するなどのように、微小な対象物に微細な操作を行うマイクロマニピュレータシステムが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。顕微鏡の視野内でマイクロマニピュレータを用いてキャピラリ（微小針）を操作することにより被検体に対して遺伝子組み換え操作や顕微受精操作等の微細操作が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３３５０２０号公報
【特許文献２】特開２００５−２８７４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１は、２種類のレーザを使用し、一方のレーザによる衝撃波で細胞を分離し、他方のレーザでその細胞を移動する技術を開示する。特許文献２は、レーザ光の照射により水中に衝撃波を発生させて細胞膜を過渡的に開かせると同時に外来物質を細胞に導入する技術を開示する。細胞の近傍にレーザ光を照射して細胞を操作する場合、操作対象の細胞やその周囲の細胞が損傷してしまう可能性がある。また、レーザ光を用いる場合、装置コストが上昇する可能性がある。
【０００５】
本発明は、微小操作対象物に与える影響を抑制できるとともに、装置コストの上昇を抑制できるマニピュレータシステム及び微小操作対象物の操作方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するための本発明に係るマニピュレータシステムは、先端部に設けられた開口と、前記開口に接続され少なくとも一部に第１液体が満たされた内部空間とを有するキャピラリと、前記キャピラリを振動させる圧電素子を含むアクチュエータと、を備え、前記キャピラリの先端部を第２液体に漬けた状態で前記アクチュエータの作動により前記内部空間の前記第１液体と前記キャピラリとを相対的に動かして前記第２液体の少なくとも一部に液流を生成し、生成された前記第２液体の液流により前記第２液体中の微小操作対象物を操作する。
【０００７】
従って、キャピラリを振動させるだけで微小操作対象物を操作でき、装置コストの上昇が抑制される。また、微小操作対象物に与える影響を抑制することができる。すなわち、本発明に係るマニピュレータシステムによれば、キャピラリの先端部を第２液体に漬けることにより、先端部の開口から内部空間に第２液体が流入する。先端部（開口）を含む内部空間の一部分に第２液体が満たされ、先端部から離れた内部空間の一部分に第１液体が満たされた状態で、圧電素子を含むアクチュエータを使ってキャピラリを所定の振動数で振動させることにより、内部空間の第１液体とキャピラリとが相対的に動く。第１液体とキャピラリとが相対的に動くことにより、第２液体が満たされている内部空間の容積が変化し、その容積の変化により内部空間の圧力が変化して第２液体に液流が生成されるとともに、内部空間の外側の第２液体にも液流が生成される。その第２液体の液流の力で第２液体中の微小操作対象物を操作することができる。例えば、微小操作対象物が細胞の場合、第２液体の液流の力で細胞の細胞膜に孔を形成したり、細胞に衝撃を与えたり、細胞をシャーレなどの物体から剥がしたりすることができる。
【０００８】
本発明に係るマニピュレータシステムでは、前記内部空間は、前記開口に接続され第１内径の第１部分と、前記第１部分に接続され前記第１内径よりも大きい第２内径の第２部分とを含み、前記第１液体は、前記第２部分の少なくとも一部に満たされる。
【０００９】
従って、第２部分の第１液体の動きにより、第１部分の第２液体の流速を高めることができる。そのため、第２液体の液流の力を高めることができる。
【００１０】
本発明に係るマニピュレータシステムでは、前記第１液体の比重は、前記第２液体の比重よりも大きい。
【００１１】
従って、キャピラリと第１液体との相対的な動きにより、第２液体の液流の力を高めることができる。
【００１２】
本発明に係るマニピュレータシステムでは、前記第１液体は、フッ素系化合物を含む。
【００１３】
従って、第１液体が第２液体と接触しても、第２液体の物性の変化が抑制される。
【００１４】
上記の目的を達成するための本発明に係る微小操作対象物の操作方法は、先端部に設けられた開口と、前記開口に接続され少なくとも一部に第１液体が満たされた内部空間とを有するキャピラリの前記先端部を第２液体に漬けた状態で前記キャピラリを振動させる手順と、前記キャピラリの振動により前記内部空間の前記第１液体と前記キャピラリとを相対的に動かして前記第２液体の少なくとも一部に液流を生成する手順と、生成された前記第２液体の液流により前記第２液体中の微小操作対象物を操作する手順と、を含む。
【００１５】
従って、キャピラリを振動させるだけで微小操作対象物を操作でき、装置コストの上昇が抑制される。また、微小操作対象物に与える影響を抑制することができる。微小操作対象物が細胞の場合、微小操作対象物の操作は、生成された第２液体の液流の力で細胞の細胞膜に孔を形成する操作、細胞に衝撃を与える操作、及び細胞をシャーレなどの物体から剥がす操作の少なくとも一つを含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、微小操作対象物に与える影響を抑制できるとともに、装置コストの上昇を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、第１実施形態に係るマニピュレータシステムの一例を示す図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る微動機構の一例を示す断面図である。
【図３】図３は、第１実施形態に係るコントローラを含む制御ブロック図である。
【図４】図４は、第１実施形態に係るジョイスティックの一例を示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態に係るキャピラリの一例を示す断面図である。
【図６】図６は、第１実施形態に係る試料保持部材に収容された細胞及び溶液の一例を示す図である。
【図７】図７は、第１実施形態に係るキャピラリの位置合わせ処理の一例を示す図である。
【図８】図８は、第１実施形態に係る微小操作対象物の操作方法の一例を示す図である。
【図９】図９は、第１実施形態に係る圧電素子に印加される電圧の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、第２実施形態に係る微小操作対象物の操作方法の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、第３実施形態に係る微小操作対象物の操作方法の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。水平面内の一方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれと直交する方向（すなわち鉛直方向）をＺ軸方向とする。Ｘ軸は、ＹＺ平面と直交する。Ｙ軸は、ＸＺ平面と直交する。Ｚ軸は、ＸＹ平面と直交する。
【００１９】
＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態によるマニピュレータシステム１０の構成を概略的に示す図である。マニピュレータシステム１０は、顕微鏡観察下で微小操作対象物である試料を操作するためのシステムである。図１において、マニピュレータシステム１０は、顕微鏡ユニット１２と、マニピュレータ１４と、マニピュレータ１６と、マニピュレータシステム１０を制御するコントローラ４３とを備えている。顕微鏡ユニット１２の両側にマニピュレータ１４とマニピュレータ１６とが分かれて配置されている。コントローラ４３は、パーソナルコンピュータから構成されてもよい。
【００２０】
顕微鏡ユニット１２は、撮像素子を含むカメラ１８と、顕微鏡２０と、試料ステージ２２を備えている。試料ステージ２２は、シャーレなどの試料保持部材１１を支持可能であり、試料保持部材１１の直上に顕微鏡２０が配置される。なお、顕微鏡２０とカメラ１８とは一体構造となっており、図示は省略したが、試料保持部材１１に向けて光を照射する光源を備えている。
【００２１】
試料保持部材１１には、試料を含む溶液が収容される。この状態で、試料保持部材１１の試料に顕微鏡２０から光が照射され、試料保持部材１１の試料で反射した光が顕微鏡２０に入射すると、試料に関する光学像は、顕微鏡２０で拡大された後カメラ１８で撮像されるようになっており、カメラ１８の撮像による画像を基に試料を観察することができる。
【００２２】
図１に示すように、一方側（−Ｘ側）のマニピュレータ１４は、Ｘ軸‐Ｙ軸‐Ｚ軸の直交３軸構成のマニピュレータとして、ピペット保持部材２４と、Ｘ‐Ｙ軸テーブル２６と、Ｚ軸テーブル２８と、Ｘ‐Ｙ軸テーブル２６を駆動する駆動装置３０と、Ｚ軸テーブル２８を駆動する駆動装置３２とを備えている。ピペット保持部材２４の先端には、毛細管チップであるキャピラリ２５が取り付けられている。
【００２３】
ピペット保持部材２４は、Ｚ軸テーブル２８に連結され、Ｚ軸テーブル２８は、Ｘ‐Ｙ軸テーブル２６上に上下動自在に配置され、駆動装置３０、３２はコントローラ４３に接続されている。
【００２４】
Ｘ‐Ｙ軸テーブル２６は、駆動装置３０の駆動により、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に移動するように構成され、Ｚ軸テーブル２８は、駆動装置３２の駆動により、Ｚ軸方向に移動するように構成されている。Ｚ軸テーブル２８に連結されたピペット保持部材２４は、Ｘ‐Ｙ軸テーブル２６とＺ軸テーブル２８の移動にしたがって３次元空間を移動領域として移動し、試料保持部材１１の試料を、キャピラリ２５を介して保持するように構成されている。すなわち、マニピュレータ１４は、微小操作対象物の保持に用いられる試料保持用マニピュレータであり、キャピラリ２５は、試料保持用キャピラリである。
【００２５】
他方側（＋Ｘ側）のマニピュレータ１６は、直交３軸構成のマニピュレータとして、ピペット保持部材３４と、Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６と、Ｚ軸テーブル３８と、Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６を駆動する駆動装置４０と、Ｚ軸テーブル３８を駆動する駆動装置４２とを備えている。ピペット保持部材３４は、Ｚ軸テーブル３８に連結され、Ｚ軸テーブル３８は、Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６上に上下動自在に配置され、駆動装置４０、４２は、コントローラ４３に接続されている。ピペット保持部材３４の先端にはガラス製のキャピラリ３５が取り付けられている。
【００２６】
Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６は、駆動装置４０の駆動により、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に移動するように構成され、Ｚ軸テーブル３８は、駆動装置４２の駆動により、Ｚ軸方向に移動するように構成されている。Ｚ軸テーブル３８に連結されたピペット保持部材３４は、Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８の移動にしたがって３次元空間を移動領域として移動し、試料保持部材１１の試料を人工操作するように構成されている。すなわち、マニピュレータ１６は、微小操作対象物の操作（穿孔など）に用いられる試料操作用マニピュレータであり、キャピラリ３５は、試料操作用キャピラリである。
【００２７】
マニピュレータ１４とマニピュレータ１６とはほぼ同一構成であり、以下、ピペット保持部材３４が連結されたマニピュレータ１６を例に挙げて説明する。
【００２８】
Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６は、駆動装置４０の駆動（モータ）により、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に移動するように構成され、Ｚ軸テーブル３８は、駆動装置４２の駆動（モータ）により、Ｚ軸方向に移動するように構成されているとともに、試料保持部材１１の細胞や卵などの試料を、針を挿入するための挿入対象とするピペット保持部材３４を連結している。
【００２９】
すなわち、Ｘ‐Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８は、駆動装置４０、４２の駆動により、試料保持部材１１の細胞などを含む３次元空間を移動領域として移動し、ピペット保持部材３４を、例えば、ピペット保持部材３４の先端側から試料保持部材１１の試料に対して、針を挿入するための挿入位置まで粗動駆動する粗動機構（３次元軸移動テーブル）として構成されている。
【００３０】
また、Ｚ軸テーブル３８とピペット保持部材３４との連結部は、ナノポジショナとしての機能を備えている。ナノポジショナは、ピペット保持部材３４を設置している方向へ自在に移動可能に支持するとともに、さらに、ピペット保持部材３４をその長手方向（軸方向）に沿って微動駆動するように構成されている。
【００３１】
具体的には、Ｚ軸テーブル３８とピペット保持部材３４との連結部には、ナノポジショナとして、微動機構４４を備えている。
【００３２】
図２は、微動機構４４の一例を示す断面図である。図２に示すように、微動機構４４は、ピペット保持部材３４を備える圧電アクチュエータ４４ａを有する。圧電アクチュエータ４４ａはその本体を構成するハウジング４８を備えており、内周が筒状に形成されたハウジング４８内には、外周にねじ加工を施されたピペット保持部材３４が挿通されている。ピペット保持部材３４の先端側（図２の左側、以下同様）にはキャピラリ３５が取り付け固定される。
【００３３】
ピペット保持部材３４は、転がり軸受８０、８２を介してハウジング４８に支持されている。転がり軸受８０、８２は、それぞれ内輪８０ａ、８２ａと、外輪８０ｂ、８２ｂと、内輪８０ａ、８２ａと外輪８０ｂ、８２ｂとの間に挿入されたボール８０ｃ、８２ｃとを備える。転がり軸受８０、８２は、各内輪８０ａ、８２ａが中空部材８４を介してピペット保持部材３４の外周面に嵌合され、各外輪８０ｂ、８２ｂがハウジング４８の内周面に嵌合され、ピペット保持部材３４を回転自在に支持するようになっている。
【００３４】
内輪８０ａ、８２ａは、中空部材８４を介してピペット保持部材３４に嵌合している。これにより、内輪８０ａ、８２ａにねじ加工を施したピペット保持部材３４の外周面と嵌合することができる。また、転がり軸受８０、８２のピペット保持部材３４への取り付けが簡単になる。
【００３５】
また、中空部材８４は、その軸方向略中央部に径方向外方に突出する内輪間座としてのフランジ部８４ａが設けられ、該フランジ部８４ａの軸方向両側に転がり軸受８０、８２の内輪８０ａ、８２ａが配置される。このとき、中空部材８４とフランジ部８４ａとは一体となっている。その後、内輪８０ａの先端側、及び内輪８２ａの後端側からロックナット８６、８６をピペット保持部材３４に螺合し、転がり軸受８０、８２の軸方向位置を固定する。なお、中空部材８４の軸方向寸法は、転がり軸受８０、８２の内輪８０ａ、８２ａの軸方向寸法と、中空部材８４のフランジ部８４ａの軸方向寸法との合計より小さい。このため、内輪８０ａの軸方向先端側及び内輪８２ａの軸方向後端側は中空部材８４よりも軸方向に突出する。この結果、内輪８０ａ、８２ａが直接ロックナット８６、８６により軸方向に固定されるので、内輪８０ａ、８２ａの軸方向移動を規制できる。
【００３６】
なお、本実施形態では、中空部材８４を設けることで、使用するピペット保持部材３４と転がり軸受８０、８２の内径が同一径でなくともよい。一方で、同一径の場合は、中空部材８４を省いた構成であってもよい。また、中空部材８４とフランジ部８４ａとは一体に構成したが、別体にしてもよい。さらに、一体となった中空部材８４とフランジ部８４ａとを内輪間座として取り扱ってもよい。
【００３７】
さらに、転がり軸受８０、８２と同軸に配置され、ハウジング４８の内周面に正の隙間を持って嵌合する円環状のスペーサ９０が、外輪８２ｂの軸方向後端側に配置される。スペーサ９０の軸方向後端側には、円環状の圧電素子９２がスペーサ９０と略同軸に配置され、さらにその軸方向後端側にはハウジング４８の蓋８８が配置される。蓋８８は、圧電素子９２を軸方向に固定するためのもので、ピペット保持部材３４が挿通する孔部を有する。この蓋８８は、ハウジング４８の側面に不図示のボルトにより締結されている。なお、蓋８８は、ハウジング４８軸方向後端側の内周面及び蓋８８の外周面にねじ加工を施して、両者を螺合することにより固定しても良いが、圧電素子９２にねじりモーメントが生じる可能性がある。このため、蓋８８はボルト等により締結固定されることが好ましい。
【００３８】
転がり軸受８０、８２、圧電素子９２は、スペーサ９０の長さを調節し、蓋８８をしめることにより、予圧が付与される。具体的には、スペーサ９０の長さを調整し、蓋８８を閉めると、その位置に応じた締結力が転がり軸受８２の外輪８２ｂと転がり軸受８０の外輪８０ｂに、軸方向に沿った押圧力として予圧が付与されるとともに、同時に圧電素子９２にも予圧が付与される。これにより、転がり軸受８０、８２及び圧電素子９２に所定の予圧が付与され、転がり軸受８０、８２の外輪８０ｂ、８２ｂ間に軸方向間の距離としての間隙９４が形成される。
【００３９】
このように、高剛性のばね要素である転がり軸受８０、８２で予圧を負荷できるため、圧電素子９２への予圧調整を容易に行うことができるとともに、高い応答性を達成できる。
【００４０】
また、圧電素子９２はスペーサ９０を介して転がり軸受８２と接しているので、外輪８２ｂと同じ径の圧電素子や、所定の予圧を付与可能な寸法の圧電素子といった、特別な形状の圧電素子を用いる必要がない。すなわち、図２の例では円環状とした圧電素子９２を、棒状または角柱状としてスペーサ９０の周方向に略等配となるように並べても良く、ピペット保持部材３４を挿通する孔部を有した角筒としても良い。また、スペーサ９０の形状を高精度とすれば、ハウジング４８の内周面は転がり軸受８０、８２と嵌合する程度の精度で形成されているので、圧電素子９２の個体差がある場合にも、転がり軸受８２を均等に押圧することが可能となる。なお、以下で「圧電素子が（略）同軸である」とは、単に円環状の圧電素子がある軸と中心軸を共有する場合のみを示すのではなく、圧電素子がある軸を中心とした円周上に等配に並んでいる場合や、ある軸が角筒の圧電素子の中心を通る場合を含む。
【００４１】
圧電素子９２は、リード線（図示せず）を介して制御回路としてのコントローラ４３に接続されており、コントローラ４３からの電圧に応じてピペット保持部材３４の長手方向（軸方向）に沿って伸縮する圧電アクチュエータ４４ａの一要素として構成されている。すなわち、圧電素子９２は、コントローラ４３からの印加電圧に応答して、ピペット保持部材３４の軸方向に沿って伸縮し、ピペット保持部材３４をその軸方向に沿って微動させるようになっている。ピペット保持部材３４が軸方向に沿って微動すると、この微動がキャピラリ３５に伝達され、キャピラリ３５の位置が微調整されることになる。また、圧電素子９２によりピペット保持部材３４が軸方向に振動すると、キャピラリ３５も軸方向に振動する。
【００４２】
圧電素子９２に印加する電圧の信号波形としては、正弦波、矩形波、三角波などを用いることができる。また圧電素子９２に電圧を印加する方法としては、作業者がコントローラ４３に接続されたボタン（例えば後述するジョイスティック４７のボタン４３Ｂ）等を押している間、信号波形を連続して出力して駆動してもよいし、バースト波形を使用してもよい。
【００４３】
上述の構成によれば、キャピラリ３５と圧電素子９２とが同軸上に配置されるので、圧電素子９２の駆動時に、余分な振動、即ちピペット保持部材３４の軸方向以外の方向に生じる振動を軽減することができる。また、図２の圧電アクチュエータ４４ａは、マニピュレータ１６及びピペット保持部材３４に直接固定されるため、マニピュレータ１６、ピペット保持部材３４への固定のための部品が不要となる。このため、部品数低減による組立性の向上とコスト低減を実現できる。さらに、圧電アクチュエータ４４ａとピペット保持部材３４を直接固定するため、圧電素子９２とキャピラリ３５との距離を短くすることが可能となる。この結果、インジェクション動作時には、より正確な穿孔動作が可能となり、圧電素子９２による穿孔作用の向上を実現できる。
【００４４】
なお、上述の微動機構４４は、試料操作用のマニピュレータ１６に設けられるとしているが、もちろん試料保持用のマニピュレータ１４にも設けても良く、省略することも可能である。
【００４５】
次に、コントローラ４３による制御について図３を参照して説明する。図３は、コントローラ４３による制御系要部を示すブロック図である。
【００４６】
コントローラ４３は、演算手段としてのＣＰＵ（中央演算処理装置）及び記憶手段としてのハードディスク、ＲＡＭ、ＲＯＭなどのハードウエア資源を備え、所定のプログラムに基づいて各種の演算を行い、演算結果に従って制御部４６Ａが各種の制御を行うように駆動指令を出力する。すなわち、制御部４６Ａは、図１の顕微鏡ユニット１２の焦点合わせ機構８１、マニピュレータ１４の駆動装置３０、駆動装置３２、シリンジポンプ２９、及び、マニピュレータ１６の駆動装置４０、駆動装置４２、注入ポンプ３９、微動機構４４の圧電素子９２を制御し、必要に応じて設けられたドライバやアンプ等を介してそれぞれに駆動指令を出力する。
【００４７】
また、コントローラ４３には、情報入力手段としてキーボードの他にジョイスティック４７、マウス４９、ボタン４３Ｂ（図１）が接続されており、さらに、ＣＲＴや液晶パネルからなる表示部４５が接続され、表示部４５にはカメラ１８で取得した顕微鏡画像や各種制御用画面が表示されるようになっている。
【００４８】
また、制御部４６Ａは、マニピュレータ１４及びマニピュレータ１６を所定のシーケンスで自動的に駆動するようになっている。かかるシーケンス駆動は、所定のプログラムによるＣＰＵの演算結果に基づいて制御部４６Ａが順次、それぞれに駆動指令を出力することで行われ、例えば、試料保持部材１１で多数の細胞を操作する場合、マニピュレータ１４及びマニピュレータ１６が操作済みの細胞と操作前の細胞との区別のための操作を行うようになっている。
【００４９】
また、コントローラ４３は、顕微鏡２０を通してカメラ１８で撮像した顕微鏡視野の画像信号が入力する画像入力部８２Ｂと、画像入力部８２Ｂからの画像信号について画像処理を行う画像処理部８３と、画像処理前後の画像情報が表示部４５へと出力する画像出力部８４Ａと、カメラ１８で撮像された操作対象物の細胞等の位置やキャピラリ２５及びキャピラリ３５の位置等を画像処理後の画像情報に基づいて検出するための位置検出部８５と、を備え、各部が制御部４６Ａにより制御されるようになっている。
【００５０】
画像処理部８３は、例えば、検出対象物の位置を検出するためにエッジ抽出処理やパターンマッチングを行い、その処理結果に基づいて位置検出部８５が細胞やキャピラリ２５及びキャピラリ３５の位置を検出し、それらの検出位置、あるいはそれらの検出位置情報と、あらかじめ設定もしくは作業中に設定された位置情報に基づいてキャピラリ２５及びキャピラリ３５等の駆動が制御される。
【００５１】
また、表示部４５には、カメラ１８で撮像したキャピラリ２５及びキャピラリ３５の画像を含めて細胞等の微小な操作対象物の顕微鏡画像や演算結果に関する情報などが表示される。
【００５２】
顕微鏡ユニット１２、マニピュレータ１４、及びマニピュレータ１６の各動作は、ジョイスティック４７の操作による入力情報に基づいて図３の制御部４６Ａにより制御される。本実施形態では、ジョイスティック４７はマニピュレータ１４及びマニピュレータ１６に対しそれぞれ１つずつ用意される。図４にジョイスティックの具体例を示す斜視図を示す。なお、１つのジョイスティックで顕微鏡ユニット１２、マニピュレータ１４、及びマニピュレータ１６の操作を行っても良いし、３本以上のジョイスティックで操作をするものであっても良い。
【００５３】
図４のように、ジョイスティック４７は、基台から直立し操作者により掴まれて右側Ｒ、左側Ｌに傾斜するように、また、ねじるように操作可能な本体部（ハンドル）４７ｅと、その上部に並んで配置された第１、第２及び第３押しボタンスイッチ４７ａ、４７ｂ、４７ｃと、さらにその上部に配置された４方向や８方向等の多方向ハットスイッチ４７ｄと、押しボタンスイッチ４７ａ〜４７ｃの反対側に配置されたトリガスイッチ４７ｇと、を備えている。
【００５４】
ジョイスティック４７の押しボタンスイッチ４７ａ〜４７ｃ、多方向ハットスイッチ４７ｄ、本体部４７ｅ、トリガスイッチ４７ｇには、それぞれ、顕微鏡ユニット１２の焦点合わせ機構８１、マニピュレータ１４及びマニピュレータ１６のＸＹＺ軸、シリンジポンプ２９、注入ポンプ３９、圧電素子９２の各駆動の操作機能が割り当てられている。例えば、トリガスイッチ４７ｇを引きながら本体部４７ｅを右側Ｒ，左側Ｌに傾斜させることでマニピュレータ１４及びマニピュレータ１６のＸＹ駆動を行うことができ、本体部４７ｅをねじることでＺ駆動を行うことができる。
【００５５】
また、マニピュレータ１４に関しては、多方向ハットスイッチ４７ｄの上方向、下方向ボタンを押すと、焦点合わせ機構８１が駆動し、顕微鏡２０の焦点合わせができ、右方向、左方向ボタンを押すと、細胞等の操作対象物に対するＸＹ平面回転、ＹＺ平面回転を行うことができ、また、押しボタンスイッチ４７ｂ、４７ｃはシリンジ調整のためのものであり、押しボタンスイッチ４７ｂ、４７ｃの１つを押すと、シリンジポンプ２９によるキャピラリ２５の吸引圧（陰圧）を調節できる。また、例えば、押しボタンスイッチ４７ａを用いて、マニピュレータ１４及びマニピュレータ１６に対し自動でシーケンス駆動を行わせることができる。また、コントローラ４３は、顕微鏡２０の焦点合わせに関連する各部位の位置情報を移動量あるいは座標等として記憶しておくこともできる。
【００５６】
また、マニピュレータ１６に関しては、多方向ハットスイッチ４７ｄを用いてモータ駆動によるＸＹ平面における微動を制御でき、押しボタンスイッチ４７ｂ、４７ｃはシリンジ調整のためのものであり、押しボタンスイッチ４７ａは穿孔駆動のオン・オフ制御のためのものである。
【００５７】
図４のジョイスティック４７における上記スイッチの操作によりマニピュレータ１４が駆動され、そのキャピラリ２５が試料ステージ２２上の細胞等の試料を保持し、また、その保持の吸引圧（陰圧）が制御される。また、ジョイスティック４７における上記スイッチの操作により、マニピュレータ１６が駆動され、そのキャピラリ３５の先端が試料に接近した状態で、電圧が圧電素子９２に印加されて圧電素子９２が駆動されることにより、試料に対する穿孔動作が行われる。
【００５８】
図５は、本実施形態に係るキャピラリ３５の一例を示す断面図である。キャピラリ３５は、ガラス製の筒状部材であり、軸Ｊの周囲に配置される。キャピラリ３５は、先端部に設けられた開口１３５と、開口１３５に接続された内部空間１３６とを有する。内部空間１３６の一部に液体ＬＱが満たされている。液体ＬＱは、開口１３５から離れた内部空間１３６の一部に収容され、開口１３５よりもキャピラリ３５の基端部側に収容される。
【００５９】
キャピラリ３５は、キャピラリ３５内の流体を吸引又は吐出させるインジェクタと接続され、コントローラ４３からの操作信号によりインジェクタが作動する。本実施形態において、マニピュレータ１６は、液圧（油圧）マイクロマニピュレータを含み、インジェクタは、内部空間１３６の少なくとも一部に収容されたインジェクション液体（インジェクションオイル）ＬＤを含む。インジェクションオイルＬＤは、内部空間１３６において、液体ＬＱよりもキャピラリ３５の基端部側に収容される。インジェクションオイルＬＤは、内部空間１３６の一部を満たし、液体ＬＱとインジェクションオイルＬＤとの間には気体層（空気層）ＧＬが形成される。
【００６０】
内部空間１３６は、開口１３５に接続され、内径Ｄ１の第１部分１３６Ａと、第１部分１３６Ａに接続され、内径Ｄ１よりも大きい内径Ｄ２の第２部分１３６Ｂとを含む。第２部分１３６Ｂの一部は、その内径Ｄ２がキャピラリ３５の先端部に向かって徐々に小さくなるように形成される。液体ＬＱは、第２部分１３６Ｂの一部に満たされ、インジェクションオイルＬＤは、液体ＬＱよりもキャピラリ３５の基端部側において第２部分１３６Ｂの一部に満たされる。
【００６１】
液体ＬＱは、化学的に不活性な液体であり、本実施形態においては、フッ素系化合物を含むフッ素系不活性液体である。本実施形態においては、液体ＬＱとして、フッ素系不活性液体であるフロリナート（Ｆｌｏｕｒｉｎｅｒｔ  ＦＣ−７７、ＳＩＧＭＡ−ＡＬＤＲＩＣＨ）を使用する。
【００６２】
次に、本実施形態に係るマニピュレータシステム１０の動作の一例について図６、図７、及び図８を参照して説明する。上述したように、Ｚ軸テーブル３８とピペット保持部材３４との連結部には、ピペット保持部材３４及びキャピラリ３５を微動可能な微動機構４４（圧電アクチュエータ４４ａ）が設けられ、圧電アクチュエータ４４ａは、キャピラリ３５と同軸上に配置される圧電素子９２を備えている。圧電アクチュエータ４４ａは、キャピラリ３５を軸方向（軸Ｊと平行な方向）に振動させることができる。本実施形態において、マニピュレータシステム１０は、キャピラリ３５を振動させることにより生じる力で細胞を操作する。
【００６３】
図６は、本実施形態に係る試料保持部材１１の一例を示す図である。試料保持部材１１は、シャーレでもよいし、セル（セルアレイ）でもよい。試料保持部材１１は、溶液ＬＢ及び細胞Ｃを収容し、マニピュレータシステム１０は、試料保持部材１１の細胞Ｃを操作する。溶液ＬＢは、水などの液体と、その液体に分散（混合）され、細胞Ｃに導入するための物質Ｓとを含む。
【００６４】
本実施形態においては、まず、キャピラリ３５が試料保持部材１１の操作位置に設置される。図７は、キャピラリ３５を操作位置に設置する手順の一例を示す模式図である。キャピラリ３５を操作位置に設置する際、まず、図７（Ａ）に示すように、細胞Ｃの表面に顕微鏡２０の焦点位置Ｆを一致させる処理が行われる。次に、図７（Ｂ）に示すように、キャピラリ３５の先端部（開口１３５）の目標位置Ｒに顕微鏡２０の焦点位置Ｆを一致させる処理が行われる。図７（Ｂ）に示すように、本実施形態において、目標位置Ｒは、細胞Ｃの表面よりも＋Ｚ側に定められる。例えば、目標位置Ｒに顕微鏡２０の焦点位置Ｆが一致するように、Ｚ軸方向に関する顕微鏡２０の対物レンズの位置が調整される。図７（Ｃ）に示すように、目標位置Ｒに顕微鏡２０の焦点位置Ｆを一致させた後、キャピラリ３５の先端部（開口１３５）が目標位置Ｒに配置されるように、キャピラリ３５の先端部が溶液ＬＢに漬けられる。これにより、顕微鏡２０の焦点位置Ｆにキャピラリ３５の先端部が配置され、顕微鏡２０の視野においてキャピラリ３５の先端部を観察することができる。
【００６５】
図８は、試料保持部材１１に収容された溶液ＬＢ中の細胞Ｃをマニピュレータシステム１０によって操作する例を示す模式図である。
【００６６】
図８（Ａ）に示すように、溶液ＬＢ中の細胞Ｃとキャピラリ３５とが接触しない状態を維持しつつ、キャピラリ３５の先端部が溶液ＬＢに漬けられる。キャピラリ３５の先端部が溶液ＬＢに漬けられた状態で、試料保持部材１１の溶液ＬＢが開口１３５を介して内部空間１３６に吸引（流入）されるようにインジェクタが作動する。これにより、図８（Ａ）に示すように、内部空間１３６のうち、開口１３５を含む一部の空間が溶液ＬＢで満たされる。また、内部空間１３６のうち、溶液ＬＢが満たされている一部の空間よりもキャピラリ３５の基端部側の一部の空間が液体ＬＱで満たされ、液体ＬＱが満たされている一部の空間よりもキャピラリ３５の基端部側の一部の空間がインジェクションオイルＬＤで満たされる。液体ＬＱとインジェクションオイルＬＤとの間には気体層ＧＬが形成される。
【００６７】
本実施形態において、液体ＬＱは、溶液ＬＢとインジェクションオイルＬＤとを分離（分断）するように配置される。液体ＬＱを、分断用液体ＬＱ、と称してもよい。本実施形態において、液体ＬＱの比重は、溶液ＬＢの比重よりも大きい。液体ＬＱの比重は、溶液ＬＢの比重の１．５倍以上２倍以下でもよい。本実施形態において、液体ＬＱの比重は、水を主成分とする溶液ＬＢの比重の約１．７８倍である。
【００６８】
次に、ジョイスティック４７が操作され、圧電素子９２（圧電アクチュエータ４４ａ）を駆動するための電圧が圧電素子９２に印加される。本実施形態においては、軸Ｊと平行な方向に関してキャピラリ３５が振動するように、図９に示すような予め設定された信号波形の電圧が圧電素子９２に印加される。
【００６９】
圧電素子９２に予め設定された信号波形の電圧が印加されると、圧電素子９２の作動によりキャピラリ３５が軸Ｊと平行な方向に小さく振動し、図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）に示すように、内部空間１３６（第２部分１３６Ｂ）の液体ＬＱとキャピラリ３５とが相対的に動く。ここで、本実施形態において、液体ＬＱの比重は、溶液ＬＢの比重よりも大きいので、キャピラリ３５が振動したとき、慣性により元の位置に留まろうとする効果は、液体ＬＱのほうが溶液ＬＢよりも大きい。そのため、キャピラリ３５が所定の振動数で振動したとき、内部空間１３６の液体ＬＱとキャピラリ３５とは、軸Ｊと平行な方向に関して相対的に動く。その液体ＬＱとキャピラリ３５との相対的な動きにより、液体ＬＢが満たされている内部空間１３６（第２部分１３６Ｂ）の容積が変化し、その容積の変化に伴って、その内部空間１３６の圧力が変化する。液体ＬＢが満たされている内部空間１３６（第２部分１３６Ｂ）の容積が減少したときに、その第２部分１３６Ｂの圧力が上昇するため、内部空間１３６の溶液ＬＢが開口１３５から噴出するように、内部空間１３６において溶液ＬＢの液流が生成される。なお、内部空間１３６の液体ＬＱとキャピラリ３５とを相対的に動かすためのキャピラリ３５の振動数は、液体ＬＱの比重などに基づいて適宜定められ、高振動数で振動させることにより、上述の現象が発生しやすい。
【００７０】
キャピラリ３５の先端部が試料保持部材１１の溶液ＬＢに漬けられた状態でキャピラリ３５が振動し、内部空間１３６において溶液ＬＢの液流が生成されて開口１３５から噴出されることにより、内部空間１３６の外側の試料保持部材１１の溶液ＬＢにも液流が生成される。このように、内部空間１３６の溶液ＬＢが開口１３５を介して内部空間１３６から噴出（流出）するように液流が生成される。また、試料保持部材１１において、細胞Ｃに向かう溶液ＬＢの液流が生成される。
【００７１】
本実施形態においては、内部空間１３６は、開口１３５に接続され内径Ｄ１の第１部分１３６Ａと、第１部分１３６Ｂに接続され内径Ｄ１よりも大きい内径Ｄ２の第２部分１３６Ｂとを含む。したがって、第２部分１３６Ｂに存在していた溶液ＬＢは、第２部分１３６Ａの液体ＬＱの動きにより、第１部分１３６Ａを通過して、高い流速で開口１３５から流出（噴出）される。すなわち、所謂、ノズル効果により、開口１３５から流出される溶液ＬＢの流速が高くなる。これにより、試料保持部材１１において、細胞Ｃに向かう溶液ＬＢの流速を高めることができる。
【００７２】
本実施形態においては、開口１３５からの溶液ＬＢが細胞Ｃに当たるように細胞Ｃとキャピラリ３５との相対位置が定められている。開口１３５から噴出した溶液ＬＢの少なくとも一部が細胞Ｃに当たることにより、その細胞Ｃの細胞膜に孔を開けることができる。
【００７３】
溶液ＬＢは細胞Ｃに導入するための物質Ｓを含み、細胞Ｃの細胞膜に孔が形成されることにより、その孔を介して物質Ｓが細胞Ｃに導入される。孔は過渡的に生成され、孔を介して物質Ｓが細胞Ｃに導入された後、その孔は閉じられる。以上により、物質Ｓを細胞Ｃに導入する手順が終了する。
【００７４】
以上説明したように、本実施形態によれば、キャピラリ３５の先端部を溶液ＬＢに漬けた状態でインジェクタを作動して開口１３５を介して内部空間１３６に溶液ＬＢを流入させて、開口１３５を含む内部空間１３６の一部分を溶液ＬＢで満たし、開口１３５から離れた内部空間１３６の一部分が液体ＬＱで満たされた状態で、圧電素子９２を含む圧電アクチュエータ４４ａを使ってキャピラリ３５を所定の振動数で振動させることにより、内部空間１３６の液体ＬＱとキャピラリ３５とが相対的に動き、その液体ＬＱとキャピラリ３５との相対的な動きにより、溶液ＬＢが満たされている内部空間１３６（第２部分１３６Ｂ）の容積を変化させることができ、内部空間１３６の圧力を変化させることができる。内部空間１３６の容積が減少して内部空間１３６の圧力が高まることにより、開口１３５から噴出するように溶液ＬＢの液流を生成することができる。そして、溶液ＬＢが細胞Ｃに当たるように溶液ＬＢの液流を生成することにより、溶液ＬＢ中の細胞Ｃを操作することができる。本実施形態においては、細胞Ｃの操作として、細胞Ｃの細胞膜に孔を開けることができ、その孔を介して細胞Ｃに物質Ｓを導入することができる。このように、キャピラリ３５と細胞Ｃとを離した状態で、キャピラリ３５を振動させるだけで細胞Ｃを操作（穿孔）でき、マニピュレータシステム１０の装置コストの上昇を抑制することができる。また、キャピラリ３５と細胞Ｃとを接触させることなく細胞Ｃを操作でき、細胞Ｃに与える影響を抑制することができる。また、キャピラリ３５と細胞Ｃとが接触しないので、キャピラリ３５の損傷や汚染が抑制される。
【００７５】
また、本実施形態によれば、内部空間１３６は、開口１３５に接続され内径Ｄ１の第１部分１３６Ａと、第１部分１３６Ａに接続され内径Ｄ１よりも大きい内径Ｄ２の第２部分１３６Ｂとを含み、液体ＬＱは、第２部分１３６Ｂの一部の空間に満たされ、溶液ＬＢは、液体ＬＱよりも開口１３５側の第２部分１３６Ｂの一部の空間に満たされる。この状態でキャピラリ３５を振動させることにより、ノズル効果により、開口１３５から流出する内部空間１３６の溶液ＬＢの流速を高めることができる。そのため、開口１３５から噴出される溶液ＬＢの力を高めることができ、細胞Ｃに孔を円滑に形成することができる。
【００７６】
また、本実施形態によれば、液体ＬＱの比重は、溶液ＬＢの比重よりも大きいため、キャピラリ３５と液体ＬＱとの相対的な動きによって溶液ＬＢの強い液流を生成することができる。
【００７７】
また、本実施形態によれば、液体ＬＱは、不活性液体であるフッ素系液体であるため、液体ＬＱが溶液ＬＢと接触しても、溶液ＬＢ（物質Ｓ）の物性の変化が抑制される。
【００７８】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。
【００７９】
図１０は、本実施形態に係るマニピュレータシステム１０の動作の一例を示す図である。本実施形態においては、細胞Ｃの操作として、細胞Ｃを損傷（死滅）させる操作が行われる。圧電素子９２に印加する電圧の信号波形が調整されることにより、開口１３５から噴出される溶液ＬＢの力により、細胞Ｃに損傷を与えたり、細胞Ｃを死滅させたりすることができる。
【００８０】
すなわち、図１０（Ａ）に示すように、開口１３５から噴出される溶液ＬＢの力が細胞Ｃを損傷させることができる程度に、圧電アクチュエータ４４ａを作動して、キャピラリ３５を振動させ、キャピラリ３５と液体ＬＱとを相対的に動かす。これにより、開口１３５から溶液ＬＢが噴出し、図１０（Ｂ）に示すように、細胞Ｃが損傷を受け、試料保持部材１１から剥がれたり、細胞Ｃの内容物が流出したりする。図１０（Ｃ）に示すように、本実施形態においては、キャピラリ２５によって、細胞Ｃの少なくとも一部が回収される。キャピラリ２５には、キャピラリ２５内の流体を吸引又は吐出させるインジェクタが接続されており、コントローラ４３からの操作信号により、細胞Ｃの少なくとも一部がキャピラリ２５に回収（吸引）されるようにインジェクタが制御される。
【００８１】
本実施形態によれば、例えば試料保持部材１１に複数の細胞Ｃが存在する場合、複数の細胞Ｃのうち損傷（死滅）させたい細胞Ｃのみを操作することができる。
【００８２】
＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。
【００８３】
図１１は、本実施形態に係るマニピュレータシステム１０の動作の一例を示す図である。本実施形態においては、細胞Ｃの操作として、細胞Ｃを試料保持部材１１から剥がす操作が行われる。図１１（Ａ）に示すように、開口１３５から噴出される溶液ＬＢが細胞Ｃと試料保持部材１１との境界に当たるように、キャピラリ３５と試料保持部材１１及び細胞Ｃとの位置合わせが行われる。本実施形態においては、細胞Ｃが損傷することなく、試料保持部材１１と細胞Ｃとが分離するように開口１３５から溶液ＬＢが噴出される。これにより、図１１（Ｂ）に示すように、細胞Ｃが試料保持部材１１から剥がれる。図１１（Ｃ）に示すように、試料保持部材１１から分離した細胞Ｃは、キャピラリ２５によって回収される。
【００８４】
本実施形態によれば、例えば試料保持部材１１に複数の細胞Ｃが存在する場合、試料保持部材１１に接続された複数の細胞Ｃのうち試料保持部材１１から分離させたい細胞Ｃのみを操作することができる。
【００８５】
なお、上述の各実施形態において、試料保持部材１１の複数の細胞のうち、操作したい細胞（孔を開けたい細胞、除去したい細胞など）を画像処理などで検出し、操作したい細胞が顕微鏡２０の視野の中心位置に配置されるように、試料ステージ２２を移動するときの指令信号をコントローラ４３が算出してもよい。操作したい細胞が顕微鏡２０の視野の中心位置に自動で配置されるようにコントローラ４３が制御を行うことにより、作業者がマニピュレータや試料ステージ２２を大きく動かすことなく、容易に操作を実施することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１０  マニピュレータシステム
３５  キャピラリ
４４  微動機構
４４ａ  圧電アクチュエータ
９２  圧電素子
１３５  開口
１３６  内部空間
１３６Ａ  第１部分
１３６Ｂ  第２部分
Ｃ  細胞
ＬＢ  溶液
ＬＱ  液体（分断用液体）
Ｓ  物質
【図１】
2015071208.tif 000003
【図２】
2015071208.tif 000004
【図３】
2015071208.tif 000005
【図４】
2015071208.tif 000006
【図５】
2015071208.tif 000007
【図６】
2015071208.tif 000008
【図７】
2015071208.tif 000009
【図８】
2015071208.tif 000010
【図９】
2015071208.tif 000011
【図１０】
2015071208.tif 000012
【図１１】
2015071208.tif 000013