(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ素基板に微細加工され、標的粒子を非標的物質から分別する細胞分別バルブを含む細胞分別システムであって、
前記細胞分別バルブから導かれた微細加工流路と、試料貯蔵器、分別貯蔵器および廃棄貯蔵器を含む使い捨てカートリッジと、磁気コアを有する電磁石とを、備えており、
前記電磁石は、前記細胞分別バルブの隣接領域に磁束線を発生し、前記電磁石が発生した磁束線に応答して前記細胞分別バルブを移動させ、
前記電磁石は、テーパー形状部を有する磁気コアの周囲に巻回されたコイルのソレノイドを有しており、前記テーパー形状部は、基部から先端部に向かって狭まる輪郭を有しており、
前記電磁石はさらに、前記テーパー形状部の基部に拡幅タブ形状部を有している、
細胞分別システム。
【請求項２】
前記テーパー形状部は、最大幅の翼弦全体で、約５ｍｍよりも小さい基部と約１ｍｍよりも小さい先端部とを有する、
請求項１記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項３】
前記輪郭は、垂直方向に対して規定された角度で、約１０度の角度を成す、
請求項１または２記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項４】
前記輪郭は、垂直方向に対して規定された角度で、少なくとも約３度の角度を成し、最大で約４５度の角度を成す、
請求項１から３までのいずれか１項記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項５】
前記テーパー形状部を有する前記磁気コアは、コバルト／鉄、鉄、およびニッケル／鉄の合金のうち少なくとも１つを含む、
請求項１から４までのいずれか１項記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項６】
前記コイルのソレノイドは、前記テーパー形状部の周囲に巻回された約２０〜約３０ターンのワイヤーを有する、
請求項１から５までのいずれか１項記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項７】
前記コイルのソレノイドは、約１００μｍの直径のマグネットワイヤーを有する、
請求項１から６までのいずれか１項記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項８】
前記コイルのソレノイドは、少なくとも約０．５Ａの電流を搬送する、
請求項１から７までのいずれか１項記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項９】
前記拡幅タブ形状部は、約１０ｍｍの最長寸法の長さを有する、
請求項１から８までのいずれか１項記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項１０】
前記テーパー形状部の側方は、放熱材料によって取り囲まれている、
請求項１から９までのいずれか１項記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項１１】
前記テーパー形状部と前記拡幅タブ形状部は、少なくとも２つの側で前記放熱材料と接触している、
請求項１０記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項１２】
前記放熱材料は、銅を含む、
請求項１１記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項１３】
前記放熱材料は、銅製プリント配線板を含む、
請求項１１記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項１４】
前記プリント配線板は、銅製コアと複数の上部導体路および下部導体路を含み、前記上部導体路と前記下部導体路は、導電性ビアを介して電気的に接続されている、
請求項１３記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項１５】
前記ソレノイドのコイルの端部が、複数の前記上部導体路と電気的に接続され、前記下部導体路は、電流ドライバーと電気的に接続されている、
請求項１４記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項１６】
前記ビアおよび複数の前記上部導体路および前記下部導体路は、絶縁材料により銅製の前記コイルから絶縁されている、
請求項１４または１５記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項１７】
前記放熱材料は、前記電磁石により発生した磁束に応答して前記放熱材料中に生じる渦電流の流れを妨げる絶縁体構造を含む、
請求項１０から１６までのいずれか１項記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項１８】
前記放熱材料における前記絶縁体構造は、前記テーパー形状部の基部に隣接して配置されている、
請求項１７記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【請求項１９】
前記放熱材料における前記絶縁体構造は、前記テーパー形状部の対称軸に沿って側方に配置されている、
請求項１７記載の液体試料から標的粒子を分別するための細胞分別システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細加工された可動の細胞分別メカニズムを用いた細胞分別システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）は、半導体デバイスの製造に用いられるような表面またはバルクに対するリソグラフィ処理技術を利用して基板上に製造された、極めて小さくかつ多くの場合には可動の構造である。ＭＥＭＳデバイスとしてたとえば可動のアクチュエータ、センサ、バルブ、ピストン、またはスイッチなどが挙げられ、これらは数μｍ〜数１００μｍという特徴的な寸法を有する。可動のＭＥＭＳスイッチをたとえば、すべてが基板上に微細加工された１つまたは複数の入力端を１つまたは複数の出力端に接続するために、使用することができる。この場合、可動スイッチの作動手段をたとえば、熱による手段、圧電による手段、静電的な手段、または磁気的な手段とすることができる。さらに、ＭＥＭＳデバイスのところを液流として通過する粒子を操作するＭＥＭＳデバイスを形成することもできる。
【０００３】
さらにたとえば、ＭＥＭＳデバイスを可動バルブとすることができ、これは液流から種々の粒子を分別する分別メカニズムとして使用され、たとえば血液から細胞を分別する分別メカニズムとして使用される。マイクロ流路内に封入され圧力を受けて流れる液流の中に設けられた分別装置へ向けて、粒子を搬送することができる。粒子がＭＥＭＳ分別装置に到達すると、分別装置は、血液幹細胞など着目対象粒子を隔離されたレセプタクルへと向かわせ、残りの液流を廃棄レセプタクルへと向かわせる。
【０００４】
以前より、蛍光活性化細胞分別（ＦＡＣＳ）を用いた粒子ソーターが存在しており、これはフローサイトメーターとして知られている。フローサイトメーターは一般的に大きく高価なシステムであり、このシステムは、着目対象細胞に付着された標識からの蛍光信号に基づき、細胞を分別する。それらの細胞は希釈されてシース液中に懸濁され、ついでノズルを通過して急速に減圧されることで、個々の液滴に分離される。それらの液滴は、ノズルから噴射された後、標識からの蛍光信号に基づき、静電作用によってそれぞれ異なる容器に分離される。このようなシステムによる主だった問題点とは、減圧に起因する細胞損傷または機能喪失、難しくかつコストのかかる各試料間の滅菌処置、異なるパラメーターに従い部分母集団の再分別が不可能なこと、このような大きく高価な機器の部品を所有し、操作し、かつ維持するためにはかなりのトレーニングが必要なこと、などである。少なくともこれらの理由のために、フローサイトメーターの利用は、これまで大きな病院や研究所に限られており、その技術を小規模な企業や事業所が利用することはできなかった。
【０００５】
ＭＥＭＳベースの細胞分別システムは、コスト、速度およびサイズの点で、フローサイトメーターよりも実質的に有利になる可能性がある。この種のＭＥＭＳベースの粒子分別装置に関して、多数の特許が付与されている。たとえば、米国特許第6,838,056号（’056特許）明細書は、ＭＥＭＳベースの細胞分別装置に関するものであり、米国特許第7,264,972 b1号（’972特許）明細書は、ＭＥＭＳベースの細胞分別装置のためのマイクロメカニカルアクチュエータに関する。さらに米国特許第7,220,594号（’594特許）明細書は、ＭＥＭＳ細胞分別装置とともに製造された光学的構造に関するものであり、米国特許第7,229,838号（’838特許）明細書は、ＭＥＭＳベースの粒子分別システムを動かすための作動メカニズムに関する。これらに加え、米国特許出願第13/374,899号（’899出願）明細書および第13/374,898号（’898出願）明細書には、他のＭＥＭＳ設計が詳述されている。これらの特許（’056, ’972, ’594, ’838）および特許出願（’898, ’899）各々は、ここで参照したことにより本願に取り込まれるものとする。上述のような細胞分別システムにマイクロ流体デバイスを使用することによって遭遇する主たる問題点は、狭い通路の目詰まり、それらの狭い通路と肉眼で見える世界とのインターフェース、さらにはこのような極めて小さい可動デバイスの運動の制御、である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願は、微細加工された細胞分別ＭＥＭＳチップを用いるようにした細胞分別システムに関する。ＭＥＭＳチップの通路はリソグラフィによって形成され、したがって著しく小さい。それらの狭い通路の目詰まりによって、信頼性のある長期間の動作が多いに脅かされる。このことに加えこれらの狭い通路を、それよりもかなり大きい肉眼で見える構造部材に整合させなければならず、また、特に希少細胞を分別する場合には、少量の液体を扱えるようにしなければならない。
【０００７】
ここで述べるシステムによれば、上述のようなＭＥＭＳ細胞分別システムを実現できるようにするために、様々な新規の設計要素が設けられる。その際、肉眼では見えない微視的な通路と肉眼で見える巨視的な構造部材との間の相互接続のために、プラスチックのインターポーザーが用いられる。この場合、特別に設計された電磁石によって、厳密に配置された電磁場が与えられ、この電磁場によって、著しく小さいＭＥＭＳチップがそれよりも著しく大きいシステム内で動かされる。この電磁石によって、発生する熱が最小限に抑えられ、したがって効率が改善される。最終的には、目詰まりを低減または排除するために、液体物質の特別な製剤が用いられる。
【０００８】
したがってここで述べる細胞分別システムは、ケイ素基板に微細加工された細胞分別バルブと、使い捨てカートリッジと、インターポーザーとを含むことができる。細胞分別バルブは、そこから導かれた微細加工流路を備えている。使い捨てカートリッジは、試料貯蔵器と分別貯蔵器と廃棄貯蔵器とを含んでいる。さらにインターポーザーは、ケイ素基板のマイクロ流体経路を使い捨てカートリッジの貯蔵器と結合させる。
【０００９】
したがって細胞分別バルブを著しく小さくすることができ、さらに磁気的に作動することができる。作動させる磁場を供給する目的で、細胞分別システムは、テーパー形状の先端部とコイルと磁気コアとを備えた電磁石を含むことができ、この場合、テーパー形状は、コイルとコアとにより形成された磁束線を集中させ、先端部付近で電磁石から送出させるために用いられる。テーパー形状の先端部および磁気コアを、特有の形状と寸法とすることができ、パフォーマンス改善のために放熱材料に埋め込むことができる。
次に、以下の図面を参照しながら種々の実施形態の詳細について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＭＥＭＳチップソーターを第１のポジションで略示した図
【図２】ＭＥＭＳチップソーターを第２のポジションで略示した図
【図３】図１および図２のＭＥＭＳソーターを使用できるようにしたＭＥＭＳ細胞分別システムの実施形態を略示した図
【図４】ＭＥＭＳチップソーターとインターポーザーとを含む図３のＭＥＭＳ細胞分別システムにおいて使用可能な使い捨てカートリッジの実施形態を示す分解図
【図５】図５ａは、ＭＥＭＳチップソーターとインターポーザーとを含む図３のＭＥＭＳ細胞分別システムにおいて使用可能な使い捨てカートリッジの実施例を示す側面図、図５ｂは使い捨てカートリッジの実施例を示す端面図
【図６】ＭＥＭＳチップソーターとインターポーザーとを含む図３のＭＥＭＳ細胞分別システムにおいて使用可能な使い捨てカートリッジの実施例を別の側面から見た図
【図７】図４の使い捨てカートリッジと共に使用可能なインターポーザーの実施例を示す平面図
【図８】図４の使い捨てカートリッジと共に使用可能なインターポーザーの実施例をカートリッジに面した側で示す斜視図
【図９】インターポーザーの実施例の表側を示す斜視図
【図１０】図１０ａは、ＭＥＭＳチップソーターを第１のポジション（図１）から第２のポジション（図２）へ動かすことのできる磁場を発生可能である、本発明による電磁石を示す平面図、図１０ｂは磁石先端を上から見た図、図１０ｃは本発明による電磁石の斜視図
【図１１】図１１ａは、放熱材料を用いる本発明による電磁石の第２の実施形態を示す平面図、図１１ｂは、磁石先端の第２の実施形態を上から見た図、図１１ｃは、本発明による電磁石の第２の実施形態を示す斜視図
【図１２】磁場を発生可能であり放熱のために銅のプリント配線板を用いる、本発明による電磁石の別の実施形態を上から見た図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
なお、これらの図面は必ずしも正確な縮尺で描かれているわけではなく、また、同じ部材には同じ参照符号が付されている場合もあることを理解されたい。
【００１２】
液流中の非標的物質から標的粒子を分別するためのシステムおよび方法について説明する。このシステムおよび方法は、微細加工された（ＭＥＭＳによる）可動バルブまたは分別メカニズムを使用しており、これは標的粒子を試料流入路から分別流路へ向かわせる一方、非標的物質を廃棄流路へ流すことができる。双方の経路は、それぞれ別個の貯蔵器すなわち分別貯蔵器と廃棄貯蔵器とへ導かれ、取り出されるまでそこに貯蔵される。分別貯蔵器、試料貯蔵器および廃棄貯蔵器を、ＭＥＭＳチップソーターと共に、プラスチックの使い捨てカートリッジに収容することができる。このカートリッジは、液体を貯蔵器から収集してから、廃棄することができる。これによって、各試料間でシステムを滅菌する負担を大幅に低減することができる。このシステムおよび方法は、コスト、パフォーマンス、速度、複雑さの点でも、著しい利点を有することができる。さらにこのシステムによれば、流出液中の細胞生存性が小滴ベースのフローサイトメーターに比べて著しく改善されるといったように、細胞を著しく丁寧に取り扱うこともできる。
【００１３】
このセルソーティングシステムのマイクロ流体という性質上、目詰まりを少なくするまたは排除するための、また、少量の液体を扱うための、さらに著しく小さい可動バルブを制御するための措置がとられる。その際、肉眼では見えない微視的な通路と肉眼で見える巨視的な構造部材との間の相互接続のために、インターポーザーを用いることができる。最終的には、特別に設計された電磁石によって、厳密に配置された電磁場が与えられ、この電磁場によって、著しく小さいＭＥＭＳチップが、それよりも著しく大きいシステム内で動かされるようになる。この電磁石によって、発生する熱が最小限に抑えられ、したがって効率が改善される。これらの特徴各々について、以下で説明する。
【００１４】
図１は、微細加工された細胞分別メカニズムであるＭＥＭＳチップソーター１０の概略図であり、ここで説明する粒子分別システムにおいてこれを使用することができる。細胞分別メカニズムの詳細については、同時係属中の米国特許出願第13/998,095号（以下’095特許出願と称する）を参照されたい。なお、上記出願は、ここで参照したことにより本願に取り込まれたものとする。微細加工された細胞分別メカニズム１０の主たる独特な特徴は、細胞分別バルブ１１０の動きが、バルブの製造面と平行なことである。これに加え廃棄流路１４０が、試料流入路１２０と分別流出路１２２とに対し、実質的に直交している。これらの特徴によって、マイクロ流体分別における速度および精度、バルブのスループットならびに容易さの点で、めざましい利点が得られるようになる。
【００１５】
図１の平面図の場合、新規なＭＥＭＳチップソーター１０は、静止（非作動）ポジションにある。ＭＥＭＳチップソーター１０は、微細加工された流体バルブまたは可動部材１１０と、微細加工された複数の流路１２０，１２２，１４０とを含むことができる。流体バルブ１１０および微細加工流路１２０，１２２および１４０を、ケイ素基板など適切な基板に、’095出願に詳述されているようなＭＥＭＳリソグラフィ製造技術を用いて形成することができる。製造基板は、デバイスが形成され可動部材１１０が移動する製造面を有することができる。
【００１６】
試料流入路１２０を介して、微細加工された流体バルブ１１０へ試料流を導入することができる。流体バルブ１１０による分別前に、試料液を試料貯蔵器２０に貯蔵しておくことができる。試料流は、少なくとも１つの所望の標的粒子と、他の不所望な複数の非標的粒子とを含有する、粒子の混合物を含むことができる。これらの粒子を、液体中に懸濁させておくことができる。たとえば標的粒子を、幹細胞、癌細胞、接合子、タンパク質、Ｔ細胞、バクテリア、血液成分、ＤＮＡ断片などのような生体物質とすることができ、たとえばこれらは生理食塩水または以下で述べる新規の化学物質などのような緩衝液中に懸濁される。流入路１２０を、バルブ１１０と同じ製造面に形成することができ、それによって液体が実質的にその面に流れるようになる。バルブ１１０の運動もこの製造面内で行われる。ある所定の粒子を分別／保存または排出／廃棄する決定を、任意の数の識別信号に基づき行うことができる。１つの実施形態によればこの判定は、粒子に付着され照射レーザーにより励起された蛍光標識をベースとして、粒子から放出された蛍光信号に基づくものである。レーザーインタロゲーション領域２００は、マイクロ流体経路の一部分であり、標的粒子を液体試料の他の成分と区別するために、この領域において照射レーザーまたはインタロゲーションレーザーが標的粒子に向けられる。この検出メカニズムに関する詳細は、文献において周知であり、さらにあとで図３を参照しながら説明する。ただし、他の種類の識別信号も考えられ、そのような信号として挙げられるのは、粒子の形態学に基づくことができる散乱光または側方散乱光、あるいは様々な機械的、化学的、電気的または磁気的な作用であり、それらの作用によって粒子を、標的粒子つまりは分別または保存される粒子であると同定することができ、あるいは非標的粒子つまりは拒否される粒子またはさもなければ廃棄される粒子であると同定することができる。
【００１７】
バルブ１１０が図示のポジションにあるとき、到来流は妨害を受けずに流出オリフィスおよび流路１４０へ送られ、この廃棄流出路１４０は、流入路１２０の平面外にあり、したがってＭＥＭＳチップソーター１０の製造面外にある。つまりこの場合、流れは流入路１２０から流出オリフィス１４０へと向かい、流出オリフィス１４０からは実質的に垂直方向に、つまり流入路１２０に対し直交して流れる。流出オリフィス１４０は平面外の流路へと導かれ、この流路を、図１を描いた紙面に対し垂直とすることができる。もっと一般的にいえば、流出路１４０は、流入路１２０または分別流路１２２の平面のうち少なくとも１つの平面に対し、あるいは可動部材１１０の製造面に対し、平行ではない。
【００１８】
流出路１４０を、製造基板または製造基板に接合されたカバー基板に形成された孔とすることができる。さらにバルブ１１０は、湾曲した転流面１１２を有することができ、これによって到来流の流れを分別送出流へと方向転換することができる。オリフィス１４０の輪郭を、流入路１２０および流出路１２２のすべてではなくいくらかの部分とオーバラップするように構成することができる。可動部材またはバルブ１１０が非作動の廃棄ポジションにある場合、輪郭１４０が流入路とオーバラップすることによって、廃棄オリフィス１４０へ直接流される到来流のルートが存在する。この場合、廃棄流路１４０が廃棄貯蔵器４０に至るようにすることができ、この廃棄貯蔵器４０は非標的物質を収集することができる。
【００１９】
図２は、ＭＥＭＳチップソーター１０を作動ポジションで示す平面図である。このポジションにおいて可動部材またはバルブ１１０は、図２に示されたポジションへと上に向かって向きを変える。転流面１１２は分別を行う輪郭となっており、この輪郭によって流入路１２０の流れが分別流出路１２２へと方向転換される。流出路１２２を流入路１２０と実質的に同じ平面に位置させることができ、これによって分別流路１２２内の流れも流入路１２０内の流れと実質的に同じ平面に位置するようになる。この場合、流入路１２０と分別流路１２２との間に所定の角度をもたせることができる。この角度を、約９０度までの任意の角度とすることができる。図２に概略的に示されている力発生装置４００からの力によって、可動部材１１０を作動させることができる。いくつかの実施形態によれば、力発生装置を上述のように電磁石とすることができる。ただし、力発生装置を静電式または圧電式にしてもよいし、あるいは可動部材１１０に力を及ぼすことで可動部材を第１のポジション（図１）から第２のポジション（図２）に移動させる他の何らかの手段としてもよい、ということを理解されたい。分別流路１２２が分別貯蔵器２２に至るようにすることができ、図２に示されたポジションにおいて分別貯蔵器２２は、分別された標的粒子を流出液として可動バルブから収集する。
【００２０】
いくつかの実施形態によれば力発生装置４００は、可動部材と相互に作用する磁場を発生するコイルを含むことができる。可動部材がこのような電磁力に応答できるようにするため、可動部材１１０は、この可動バルブ１１０にインレイ加工された透磁性材料を有することができる。この材料の範囲をエッジまでとすることができるが、ただし図１および図２に示した１１０の外形線のちょうど内側までである。
【００２１】
ここで透磁性材料とは、この材料内で磁場の形成を維持可能な任意の材料を意味する、と理解されたい。換言すれば、材料の透磁率は、印加される磁場に応答して材料が得る磁化の度合いである。
【００２２】
ここで用いられる用語「透磁性材料」または「高透磁率材料」とは、空気または真空の透磁率と比較して大きい透磁率を有する材料である、と理解されたい。つまり、透磁性材料または高透磁率材料は、（空気または真空と比較して）少なくとも約１００の比透磁率を有する材料であり、つまり約１．２６×１０−６Ｈ・ｍ−１である空気または真空の透磁率の１００倍の透磁率を有する材料である。透磁性材料には多数の例があり、それらにはクロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）の合金が含まれる。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おり、その組成は、約６０％〜約９０％のニッケルと約４０％〜約１０％の鉄である。最も一般的な組成は、８０％のニッケルと２０％の鉄であり、この場合には約８，０００の比透磁率を有する。したがって可動バルブ１１０はパーマロイ材料１１６を有することができ、この材料１１６は可動部材１１０にインレイ加工され、ついでこの材料が平坦化されて、可動バルブの断面が平坦なままになるようにする。この種の透磁性構造部材の製造についてのさらに詳細な点は、組み込まれた’095特許出願を参照されたい。
【００２３】
静磁気学からよく知られているとおり、磁束に対し透磁性材料により形成される経路の磁気抵抗が低減されるように、透磁性材料は磁束線が集中している領域に引き込まれる。したがって、インレイ加工された透磁性材料１１６が設けられていることから、磁場中の勾配により、高い磁束集中度を有する領域へ向かって可動部材１１０の動きが促進される。つまり、インレイ加工された透磁性材料１１６を備えた可動部材１１０は、磁束の正の勾配の方向へ引き込まれることになる。あとで図１０ａ〜図１０ｃを参照しながら、可動部材１１０に関する制御を最適化する目的で、極めて特定の領域に磁束線を集中させる新規のコアデザインについて説明する。
【００２４】
図３は細胞分別システム１の概略図であり、このシステムは、マイクロ流体通路、使い捨てカートリッジ１０００内に収容されたＭＥＭＳチップソーター１０、および磁束発生装置４００を使用することができる。以下では、このシステムの他のいくつかのコンポーネントについて、およびそれらのコンポーネントがＭＥＭＳチップソーター１０とどのように相互作用するのかについて述べる。特に図３では、インタロゲーション領域２００に対するインタロゲーションレーザーの光路と、流路１２０〜１４０内の液流の制御と、ＭＥＭＳチップソーター１０の制御について説明する。システムレベルの説明をした後で、マイクロ流体システム１を高精度かつ高い信頼性で予期されるとおりに動作させることのできるシステム１の独特の特徴について論じることにする。
【００２５】
図３に示されているように、微細加工されたＭＥＭＳチップソーター１０を、使い捨てカートリッジ１０００内に収容することができる。この場合、カートリッジ１０００を、可動ステージにロード可能であって、細胞分別システム１内において検出光学系およびインタロゲーションレーザー２４００に対して配向することができる。この場合、あとで図４〜図８を参照しながら説明するように一連の通路を介して、やはり使い捨てカートリッジ１０００内に収容された液体貯蔵器からＭＥＭＳチップソーター１０を通って、液体が流れる。
【００２６】
システム１の通常の動作において標的粒子を、蛍光マーカーで標識された特定の細胞たとえば幹細胞または癌細胞とすることができる。この標識は、予め定められた波長で動作するレーザー２４００により照射されると、特定のエネルギーを有する光子を発生する。したがってこの細胞分別システムの場合、レーザー光源２４００を偏向ミラー２２５０により、図１および図２に示したようなレーザーインタロゲーション領域２００に向けて、検出／集光光学系２１００を介して配向することができる。検出／集光光学系２１００およびレーザー光源２４００の光軸を、光路の少なくとも一部分にわたり共線とすることができる。したがって、この光軸に沿ったレーザーの照射および光学的検出の配向を、基板製造平面に対し垂直にすることができ、または基板製造平面に直交させることができ、可動バルブ１１０の運動平面に直交させて、検出領域を通過する試料液の流れに直交させることができる。
【００２７】
照射された粒子から発する蛍光を、検出／集光光学系２１００により成形することができ、ダイクロイックミラー２２００により分離して、複数の光検出器２３００から成るバンクへ向かわせることができる。複数の光検出器によって、放射光の複数の波長をマルチパラメトリック検出のために適合させることができる。光検出器２３００により出力された信号は、レーザーインタロゲーション領域２００に標的粒子が存在しているか否かを表す。この信号をコントローラー２９００に供給することができ、コントローラー２９００は、粒子分別システム１におけるコンポーネント相互間のタイミングを管理し、かつデータを収集する。コントローラー２９００を、汎用コンピューターまたは専用回路またはＡＳＩＣとすることができる。標的粒子が検出されると、コントローラー２９００は、力発生装置または磁束発生装置４００を励起する信号を発生する。コントローラー２９００は、１つまたは複数の空気圧式の、液圧式の、ピストンベースの、または機械的な力をベースとするメカニズムを介して、ＭＥＭＳチップソーター１０に対し流体制御を提供することもでき、それらのメカニズムは全体として流体制御手段２５００として表されている。流体制御手段２５００を保守管理可能なコントローラー２９００によって、粒子が検出されるレートを監視することができる。
【００２８】
力発生装置４００は、可動構造１１０自体に力を生じさせるデバイスであり、これによって可動構造の運動が生じる。この力発生装置４００は、図３に破線で表されているように、ＭＥＭＳ粒子操作装置１０と直接機械的に結合されていなくてもよい。たとえば力発生装置４００を、すでに述べたようにＭＥＭＳ可動バルブ１１０にインレイ加工された透磁性材料１１６に静磁気力を生じさせる磁束発生源とすることができる。したがって磁束発生装置４００を、磁気コアと巻線とを備えた電磁石とすることができる。この力によって、可動バルブ１１０を力発生装置４００に向かって引き寄せることができ、図１および図２に示したように、これによって分別流路１２２を開放し、廃棄流路１４０を閉鎖することができる。ここで重要であるのは、力発生装置４００をＭＥＭＳチップソーター１０内ではなく、粒子分別システム１内に配置できることである。すでに述べたようにこのようにすることで、ＭＥＭＳチップソーター１０のコストと複雑さを低減することができ、その際、ＭＥＭＳチップソーター１０を、システム１の使い捨て部分１０００内に収容することができる。図３に示したコンパクトなシステムにおいて重要であるのは、力発生装置４００が過剰な熱を生じさせないことである。既述のように、ＭＥＭＳチップソーター１０のサイズは極めて小さいことから、狭い領域に集中させた磁束線を力発生装置４００によって発生させる必要性もあるかもしれない。このような適用事例に適したものとすることができる新規な磁束発生装置４００の設計に関する詳細については、あとで図１０ａ〜図１０ｃを参照しながら述べる。
【００２９】
また、細胞分別システム１内に第２の光路を設けるために、オプションとしてさらに別のレーザー２４１０が含まれるようにしてもよい。なお、任意の個数のレーザ源２４１０を用いてもよいが、説明を簡単にするため、図３には２つのレーザ源しか示されていない、ということを理解されたい。
【００３０】
既述のように、レーザーインタロゲーション領域２００は、マイクロ流体経路の一部分であり、標的粒子を液体試料の他の成分と区別するために、この領域において少なくとも１つのレーザー２４００が標的粒子に向けられる。
【００３１】
検出領域２００の通過に応答して、インタロゲーション領域２００内に標的粒子が存在していることを表す信号を、検出器２３００によって発生させることができる。既知の遅延後、検出された標的粒子を液流中の他の成分から分離する目的で、分別ゲートすなわち可動バルブ１１０の開放を指示する信号を、コントローラー２９００によって発生させることができる。稼動のＭＥＭＳバルブ１１０は、既述のように透磁性材料１１６を有することができ、それによって磁場が存在するときにそこに磁力を生じさせることができる。コントローラー２９００によって信号が発せられると、埋め込まれた透磁性材料１１６において力が引き起こされて、この力によって、可動バルブ１１０が力発生装置４００に向かって引き寄せられる。この動きにより廃棄流路１４０を閉鎖し、標的粒子を分別流路１２２に向けて方向転換させることができる。分別された試料は、その後、分別流路１２２の終端に配置され分別試料を保持する分別貯蔵器から収集される。既述のように、コントローラー２９００は、分別イベントが記録されるレートに基づき流量を制御することもできるし、あるいはたとえば圧力または速度といった他の何らかフィードバック信号に基づき、流量を制御することもできる。
【００３２】
流体制御手段２５００は、ＭＥＭＳチップソーター１０の流路中を通過して流れる液体の方向と速度を制御することができる。以下で説明する複数の判定基準に基づき、流体制御手段２５００を制御することができる。流体制御手段２５００は、空気圧バルブ、液圧バルブ、および／または一方向バルブを含むことができ、および／またはピストンまたはポンプおよび対応する流体通路を含むことができる。通常動作中、コントローラー２９００を含むフィードバックループにおいて流体制御手段２５００により、たとえば細胞速度、流体圧力、または事象率などが一定に維持されるように、流れを制御することができる。
【００３３】
さらに別の実施形態によれば細胞分別システムは、細胞または液体中に懸濁している他の固体物質による流路の目詰まりを阻止するためのフィードバックループを含むことができる。生体細胞は特に、通路の表面、縁部または段壁に付着する傾向にあり、それによってシステムを通る液体の流れが減少し、および／または細胞分別全体のパフォーマンスが低下する。フィードバックループを少なくとも、流体制御手段２５００とコントローラー２９００とポンプとによって構成することができる。
【００３４】
コントローラー２９００は、システム内の液圧および／または細胞速度を監視することによって、差し迫った目詰まりを検出することができる。液圧、事象率、および／または平均細胞速度が予め定められた範囲を外れたならば、差し迫った目詰まりが発生している可能性がある。この場合、コントローラー２９００は、液圧および／または細胞速度が再び閾値に到達するまで、ポンプレートを上昇させることができる。適切な検出器により液圧を監視することができ、光路中の事象率の監視により細胞速度を導出することができる。好ましくは、細胞速度を０．２〜１０ｍ／ｓにすることができ、±０．２ｍ／ｓの範囲内で一定にすることができる。したがってフィードバックループを起動させる閾値を、約０．２ｍ／ｓの細胞速度の低下またはこれと等価の圧力損失とすることができる。なお、ここで詳述した点は具体例にすぎず、このような動作パラメーターの選定は適用事例の仕様に左右されることを理解されたい。
【００３５】
分別オペレーションの最後に、分別すべき試料ボリュームがほとんどなくなったならば、コントローラーは流体制御手段と共働して、マイクロ流路中の液体の流れを反転させることができ、２０１４年１月２９日出願の米国特許出願第14/167,566号明細書に記載されているように、これによって通路が湿った状態に維持される。上記文献は、ここで参照したことによりその開示内容全体が本願に取り込まれるものとする。さらにシステム１は、２０１３年１２月１２日出願の米国特許出願第13/104,084号明細書に記載されているように、レーザーインタロゲーション領域を通過する流れの反転によって、分別処理の効果を評価する手段も有することができる。上記文献は、ここで参照したことによりその開示内容全体が本願に取り込まれるものとする。
【００３６】
次に、ＭＥＭＳ細胞分別システム１の実施可能な態様について説明する。特に、液体をＭＥＭＳチップソーター１０へ、およびＭＥＭＳチップソーター１０から、再現可能かつ信頼性のあるやり方で流すことができるようにした態様、肉眼で見える貯蔵器からＭＥＭＳチップソーター１０へ流すことができるようにした態様、さらには著しく小さいＭＥＭＳチップソーター１０を制御できるようにした態様、について説明する。
【００３７】
図４は、図３に示した粒子分別システムにおいて使用することのできる、使い捨てカートリッジ１０００の一例を示す分解斜視図である。使い捨てカートリッジ１０００は、天板１１２０および基部１１３０などのような複数の組立部品を含むことができる。
【００３８】
使い捨てカートリッジ１０００は、ＭＥＭＳチップソーター１０を収容することができ、液体貯蔵器内に貯蔵させることができる。したがって使い捨てカートリッジ１０００の基部１１３０は、そこに形成された複数の空間または区画を有することができ、それらに試料貯蔵器２０、分別貯蔵器２２および廃棄貯蔵器４０が収容される。あとで説明するように、分別すべき試料を試料貯蔵器２０に格納することができ、分別流出液を分別貯蔵器２２に、さらに廃棄流出液を廃棄貯蔵器４０に格納することができる。これらの空間の間の液体通路をすべて、インターポーザー１４００内および／またはＭＥＭＳチップソーター１０内に配置することができる。
【００３９】
天板１１２０と基部１１３０との間に、試料を汚染物または破片から保護する複数のフィルター１１８０を配置することができる。これらのフィルター１１８０を、たとえば０．２０μｍの滅菌フィルターとすることができる。フィルター１１８０を、種々の液体貯蔵器２０，２２，４０のすぐ上に配置することができる。
【００４０】
試料貯蔵器２０内において、天板１１２０と基部１１３０との間に、磁化されたプロペラ１１５０と、磁化されたプロペラ１１５０のためのシャフトとして動作可能なニードル１１６０とを封入することができる。循環する磁場に晒されると、磁化されたプロペラ１１５０はシャフト１１６０において回転することができ、それによって試料貯蔵器２０の内容物が混合または均質化される。これにより試料がＭＥＭＳチップソーター１０へ向かって下流に流れる前に、到来試料をフィルタリングするために、最終的に２０μｍのフィルター１１７０を試料貯蔵器２０の上に配置することができる。
【００４１】
ピペットまたはシリンジおよびプランジャー（図示せず）を用い、図示のアクセスポート１１１１を介して、試料液を試料貯蔵器に導入することができ、その後、カートリッジを蝶ねじ１１１０によって封止することができる。別の選択肢としてカートリッジを、すでにそこに配置された試料液とともに供給することができる。
【００４２】
図５ａは、組み立てられた使い捨てカートリッジ１０００の側面図であり、この図には試料貯蔵器２０と分別貯蔵器２２と廃棄貯蔵器４０とが示されている。ここでは、ＭＥＭＳチップソーター１０およびインターポーザー１４００とカートリッジ基部１１３０との相対的な配置が、組み立てられた状態で示されている。なお、図５ａは図４とは逆に描かれており、図４ではカートリッジの左側に示されていた試料貯蔵器２０が、図５ａになると右側に配置されており、対応する流路、撹拌器等も同様である。
【００４３】
ＭＥＭＳチップソーター１０の微細加工された著しく細かい構造部材と、それよりもかなり多い液量の貯蔵器２０，２２，４０との間に、移行領域を用意するために、インターポーザー１４００を設けることができる。インターポーザー１４００を、たとえば射出成形などによってプラスチックから形成することができ、これには±１０ｍｍのオーダーの中間の許容差をもたせることができる。インターポーザー１４００の目的は、ＭＥＭＳデバイスの著しく小さい構造と、カートリッジおよび貯蔵器の肉眼で見える大きい構造との間の移行部分を提供することである。
【００４４】
インターポーザーは、適度に微細な許容範囲（±１０ｍｍ）で製造することができるので、流路への開口部が約３００μｍのオーダーであれば、インターポーザー１４００内の通路をＭＥＭＳチップ内の通路と整列させることができる。可動バルブ１１０に至る、および可動バルブ１１０から到来する流路の幅を、１５０μｍのオーダーで実質的にさらに小さくすることができる一方、液体を流路へ案内する開口部を、このスケール付近で形成することができる。図６には開口部が示されている。
【００４５】
図６の挿入図に示されているように、インターポーザー１４００における１４２０のようなスルーホールをテーパー形状にすることができ、その直径は頂部において３００μｍのオーダーである。この開口部を、底部では約２００μｍの直径になるまでテーパー形状にすることができ、この底部において開口部は、ＭＥＭＳチップソーター１０の分別流路２０の対応する開口部に接する。
【００４６】
インターポーザーは、そこに形成された通路を有することができ、これは図７において１１２０，１１２２および１１４０として示されており、これらの通路を、図１および図２に示した流路１２０，１２２および１４０と対応させることができる。つまり通路１１２０を、ＭＥＭＳチップソーター１０における通路１２０と連通させることができ、これによって試料貯蔵器２０からＭＥＭＳチップソーター１０への液体通路が形成される。ＭＥＭＳチップソーター１０の下流において、インターポーザー１４００は、可動バルブ１１０から（チップにおける）分別流路１２２および（インターポーザーにおける）分別流路１１２２を介して、（カートリッジにおける）分別貯蔵器２２に至る液体通路を形成することができる。同様にインターポーザー１４００は、可動バルブ１１０から（チップにおける）廃棄流路１４０および（インターポーザーにおける）１１４０を介して、（カートリッジにおける）廃棄貯蔵器４０に至る液体通路を形成することができる。
【００４７】
インターポーザーの他の目的は、場合によっては少量の分別された物質のための収集領域を提供することである。たとえば、標的細胞は幹細胞などのように希少である可能性があることから、分別貯蔵器内に収集される液量も、試料中の標的細胞の頻度に比例して、かなり少量となる可能性がある。したがって、数マイクロリットルのようなごく少量も予想することができる。小さいピペットを用いて簡単に収集できるように、インターポーザーによって、分別流出液がサイフォンを通る領域を形成することもできる。図７には、このサイフォン領域が示されている。
【００４８】
特にここで述べておきたいのは、サイフォン領域１４５０の床面は分別流路１１２２の底面よりも高さが低い、ということである。したがって、サイフォン動作およびＭＥＭＳチップソーター１０から分別貯蔵器へのメニスカス力によってアシストされるようにして液体を流すことができ、分別貯蔵器から、皮下注射針またはマイクロピペットにより液体を取り出すことができる。このようなサイフォン動作によって、著しく小さい流路内の少量の流れから発生する可能性のある毛管力を弱めるのを補助することができる。
【００４９】
ここで重要であるのは、分別流路１１２２を、試料流路１１２０および廃棄流路１１４０よりも相対的に短く形成できることであり、それによってたとえば流路壁への付着に起因する物質の損失量が最小限に抑えられるようになる。
【００５０】
図７の詳細図には接着剤止め１４６０も示されており、次にこれについてカートリッジの組み立てと関連させて説明する。
【００５１】
図７に示されているように試料流路１１２０は、試料貯蔵器２０の一番下から物質を引き出すことができる。このことは、所定量の試料から取り出される物質の収量または割合を最大化するにあたり、重要なことであるといえる。これとは対照的に廃棄流路１１４０は、廃棄空間または廃棄貯蔵器４０の壁の斜面上の一点に、非標的物質を供給することができる。
【００５２】
インターポーザー１４００を、ポリカーボネートポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、または他の材料から、射出成形、型押し、レーザー加工、または３Ｄプリンティングによって形成することができる。インターポーザー１４００において通路１４２０における許容範囲を、約１００〜４００μｍの直径全体に対し、おおよそ±１０μｍとすることができる。ＭＥＭＳチップソーター１０の対応する通路２０を、約５０〜１５０μｍとすることができる。そしてこれらの通路２０および１４２０を、図６の挿入図に示したように、約１０μｍ内で整列させることができる。ＭＥＭＳチップソーター１０を最初に、図９に示されているチップキャビティ１４７０に載置することによって、インターポーザーと接着することができる。ＭＥＭＳチップソーター１０における通路がインターポーザー１４００における通路とほぼオーバラップするように、キャビティ１４７０を十分な精度で形成することができる。許容される不整合を約２０μｍまでとすることができ、これは容易に達成可能である。プリント回路基板製造においてよく知られているピック＆プレースマシンを、このタスクに適したものとすることができる。ＭＥＭＳチップソーター１０を、キャビティ１４７０内で所定の位置に接着することができる。
【００５３】
インターポーザー１４００を、カートリッジ基部１１３０にグルーまたはセメントを用いて接着することができ、その際、インターポーザー１４００の位置決め孔１４１０を、カートリッジボディ１０００の対応するポストに対向させて配置する。このグルーまたはセメントは水密でなければならないが、通路１１２０，１１２２または１１４０を妨害しないようにする必要があることから、図７および図８に示されているようにこれらの通路の周囲に、接着剤止め１４６０としていくつかの構造部材を形成することができる。それらの接着剤止め１４６０を、まだ硬化していない液状の接着剤が小さい流路１１２０，１１２２および１１４０に侵入しないようにするために用いることができる。これらの構造部材１４６０を、プラスチック材料から成る隆起したリッジとすることができ、このリッジによって、流路または他の凹部へ液体が侵入するのが阻止される。特に接着剤を、インターポーザー１４００とカートリッジボディ１０００の他の部分とのインターフェースへのアクセスを可能にするポート中に、注入することができる。接着剤は毛管作用でこの領域の周囲に滲出するが、図７および図８の斜視図に示されているように、マイクロ流体通路１１２０，１１４０および１１２２を取り囲む接着剤止め１４６０によって、接着剤をそれらの通路の外側に保持することができる。これらの接着剤止めによって、インターポーザー１４００とカートリッジボディ１０００の残りの部分との間のインターフェースの厚さが、約５０μｍから０．２〜２μｍに低減され、これによって接着剤止めを越えてマイクロ流体通路中に接着剤が流れ込むのを阻止する毛管作用が生じる。なお、これらの寸法は具体例にすぎず、このような詳細な点は適用事例の仕様に左右されることを理解されたい。使用する接着剤の種類に応じて、液状の接着剤をたとえば熱、圧力または紫外線照射によって硬化させることができる。
【００５４】
別の選択肢として、インターポーザー１４００を最初にカートリッジボディ１０００に取り付けることができ、その後、ＭＥＭＳチップソーター１０をアセンブリに加えることができる。
【００５５】
図９は、インターポーザー１４００の表側を簡略化して示す斜視図である。この面には、ＭＥＭＳチップソーター１０のための載置領域１４７０が含まれている。ＭＥＭＳチップソーター１０を、グルーまたはさもなければボンドにより、載置領域１４７０の構造部材に接着することができる。
【００５６】
インターポーザーの寸法の具体例は、長さ１６ｍｍ、幅６ｍｍ、高さ１ｍｍである。廃棄貯蔵器および試料貯蔵器を、直径２ｍｍとすることができる。また、試料流路１１２０、分別流路１１２２および廃棄流路１１４０を、それぞれ３００μｍの幅とすることができる。さらに接着剤止めの高さを、約２０μｍとすることができる。
【００５７】
したがってカートリッジ１０００の製造方法は、以下を含むことができる。すなわち、
１．ＭＥＭＳチップソーター１０をインターポーザー１４００に接着する。
２．インターポーザーをカートリッジ位置決めピンに配置する。
３．インターポーザーを押圧する。
４．インターポーザーとカートリッジとの間のギャップに接着剤を導入する。
５．紫外線により接着剤を硬化する。
６．カートリッジ基部を、たとえばグルー、セメント、または超音波溶接などによって、カートリッジ天板に取り付ける。
【００５８】
なお、自明のとおり、ステップ１〜６をここに示した順序で実行しなくてもよい。たとえば、カートリッジ基部１１３０をカートリッジ天板１１２０に取り付けてから、ＭＥＭＳチップ１０またはインターポーザー１４００を取り付けてもよい。
【００５９】
すでに述べたように、図３に示したシステムの作動メカニズムを電磁的なものとすることができる。このため図１、図２および図３を参照しながら説明したシステムのさらに別の観点は、小さいＭＥＭＳチップソーター１０を作動させる、厳密に局在化された磁場の必要性である。可動バルブ１１０は著しく小さいことから、磁束発生構造が精密かつローパワーであり、しかも効率的でなければならない、ということが重要である。
【００６０】
したがって、ＭＥＭＳベースの細胞分別システムは、ＭＥＭＳチップソーター１０を作動させるために、極めて局在化された磁場を発生する電磁石を含むことができる。この電磁石を、長期間にわたり高い信頼性を伴って高速で動作させることができるよう、適切な熱特性を有するように設計することもできる。この設計の詳細については、図１０〜図１２に示されており、以下で説明する。
【００６１】
外部の磁力線（磁束）発生源を、図１および図２に示したように、ＭＥＭＳチップソーター１０の外側に設けることができる。この発生源を電磁石４００とすることができる。図１０ａ〜図１０ｃには、むき出しの電磁石４００が詳細に示されている。図１０ａには電磁石４００の側面図が示されており、図１０ｂには電磁石４００の拡大上面図が示されており、さらに図１０ｃには電磁石４００の斜視図が示されている。図１１ａ、図１１ｂおよび図１１ｃには、放熱材料を備えた電磁石が示されている。さらに図１２には、銅製プリント配線板を備えた電磁石が示されている。
【００６２】
電磁石４００は透磁性コア４７０を含むことができ、その周囲にコイル４６０が巻回される。コア４７０は、突出したテーパー形状部４７２と平坦なタブ形状部４７４とを有することができる。突出したテーパー形状部４７２は、拡幅基部４５２を有することができ、これは図１０ｂに示されているように、狭幅先端部４５０に向かってテーパー形状に構成されている。テーパー形状部４７２の周囲にコイル４６０を巻回することができる。ただし、たとえば平坦なタブ形状部４７４には巻回されない。平坦なタブ形状部４７４は主として、コイルにより生成される磁束線の閉路を形成する低磁気抵抗の経路を提供する役割を果たすことができる。図１０ａには、テーパー形状部４７２の周囲にのみコイル４６０が巻回されている様子が示されているけれども、磁気コア４７０の他の部分の周囲など他の個所にコイルを配置してもよい。コイル４６０をたとえば、テーパー形状部４７２の周囲に巻回されたコイルの代わりに、またはこれに加えて、拡幅タブ形状４７４の周囲に配置してもよい。
【００６３】
見やすくするため、図１０ｂにはコイル４６０は示されておらず、この図にはその代わりに、テーパー形状部４７２がいっそう詳しく示されている。
【００６４】
コイル４６０と、テーパー形状部４７２およびタブ形状部４７４を備えたコア４７０とによって磁場が発生し、この磁場は先端部４５０における電磁石４００の磁極から出て発散し、初歩的な電気磁気学から周知のように、反対の磁極に向かって戻る。電磁石４００が可動バルブ１１０に近づけられて、コイル４６０が励起されると、コイル４６０と磁気コア４７０は磁束線を発生し、それらの磁束線は先端部４５０から強く発散する。このようにして可動部材１１０は一般的には、図１０ａに示されているような電磁石４００の先端部４５０に向かって引き寄せられる。その理由は、可動部材にインレイ加工された透磁性材料１１６は、磁束密度が増加している領域に引き入れられるからである。
【００６５】
先端部４５０の形状を以下のようにすることができる。すなわち磁場が集束され、磁気飽和限界に向かって磁場強度を増加させ、インレイ加工された透磁性材料１１６としてすでに説明したＭＥＭＳチップソーター１０の透磁性材料中に、磁場が効果的に送出されるようにすることができる。インレイ加工された透磁性材料を薄膜とすることができ、その膜厚は横方向の長さよりも相対的に小さい。その結果、先端部４５０は他よりも大きい寸法を有することができ、インレイ加工された透磁性材料１１６に効果的に結合される磁束から成る磁場が供給されるようになる。この場合、透磁性構造部材１１６は、先端部４５０に向かって磁束密度が増加する領域の方向へ引き込まれることになる。
【００６６】
図１０ａに示されているように、磁気コア４７０をテーパー形状部４７２とすることができ、この形状は、磁束を先端部４５０の周囲領域にさらに集中させるのに役立たせることができる。テーパー角αをたとえば、垂直から約０度と約３０度との間とすることができる。アスペクト比（テーパーの長さ：テーパーの平均幅）を、約５：１よりも小さくすることができ、さらに好ましくはたとえば約２：１とすることができるが、このようなアスペクト比を幅広い形状範囲で設計することができる。ただし、先端部４５０に磁束を集束させるために有利なものとすることができるのは、先端部の直径をテーパー形状部の基部の直径よりも小さくすることである。図１０ｂは、磁気コア４７０の先端部を上から見た拡大図であり、これによれば先端部のテーパー形状部が正面から示されている。テーパー形状部４７２は、基部４５２よりも先端部４５０の方が狭い輪郭を有することができる。テーパー形状部４７２を、たとえばピラミッド型とすることができる。ここでは先端部４５０と基部４５２とが全体として扁円として示されているけれども、これは具体例にすぎず、先端部４５０と基部４５２を任意の形状にすることができる、ということを理解されたい。ただし先端部４５０は、基部４５２よりも小さい少なくとも１つの横方向寸法を有する。換言すれば、テーパー形状部４７２を、長さ：幅のアスペクト比が１：１〜５：１であり、約３度〜約４５度のテーパー角を伴って、基部よりも頂部の方が小さい直径を有する幾何学的ボディとすることができる。
【００６７】
図１０ｃは、テーパー形状部４５０、コイル４６０および磁気コア４７０の斜視図である。テーパー形状部４７２の基部４５２は、最大幅の翼弦全体で、約５ｍｍよりも狭い幅と、約１ｍｍよりも短い先端部４５０を有することができる。テーパー形状部４７２の高さを、約１０ｍｍよりも低くすることができる。したがってテーパー形状部は、図１０ａに示された対称軸に関して規定された角度で、少なくとも約３度、最大で約４５度の角度を成す輪郭を有することができる。さらに具体的にいうと、この輪郭は、対称軸に対し約１０度の角度αを成すことができる。さらに好ましくは、テーパー形状部の基部を、２〜５ｍｍの高さおよび基部において０．５〜２ｍｍの幅とすることができる。テーパー形状部の先端部４５０を基部４５２よりも小さくすることができ、約１．０ｍｍ×０．７ｍｍまたは少なくとも約０．２ｍｍ×０．１ｍｍの長方形の寸法とすることができる。なお、これらの寸法は具体例にすぎず、このような詳細な点は適用事例の仕様に左右されることを理解されたい。磁気的なモデリングによって示唆されるのは、ほぼ同じオーダーの大きさの高さであれば、ＭＥＭＳチップソーター１０における透磁性部材と近似した幅の電磁石先端部が最適である、ということである。この場合、基部のサイズはテーパー角によって定まる。テーパー形状部４７２を備えた磁気コア４７０はさらに、テーパー形状部４７２の基部に拡幅タブ形状部４７４を有することができ、この場合、拡幅タブ形状部４７４は、約１０ｍｍの最長寸法の長さを有する。さらにあとで説明するように、テーパー形状部４７２と拡幅タブ形状部４７４とを備えた磁気コア４７０を、少なくとも２つの側で放熱材料と接触させることができる。
【００６８】
磁気コア４７０の磁気材料を、コバルト／鉄、鉄、ニッケル／鉄の合金、または他の任意の高透磁率材料とすることができる。いくつかの実施形態によれば、磁気材料４７０をＮｉＦｅパーマロイ（７０％のＮｉおよび３０％のＦｅ）とすることができる。磁気材料は、少なくとも約５０００の透磁率を有することができる。
【００６９】
磁気モデリングによってやはり示され、実験によって確認されたのは、磁気経路の磁気抵抗全体を低減するにあたりタブ形状部４７４の幅Ｗが重要になる可能性がある、ということである。タブ形状部４７４の幅が約１０ｍｍであれば、容認できる動作をすることが判明した。できるかぎり大きい磁場を生成するためには、できるかぎり多くの巻回数を通してできるかぎり多くの電流を、テーパー形状磁気部材４７２とコイル４６０に加える必要がある。しかしながら周知のように、小さい直径のワイヤーを通して大きな電流を流すと、装置を劣化またはそれどころか破損させるおそれのあるかなり大きな熱が発生する可能性がある。したがって、繊細な構造からできるかぎり迅速に熱を逃がすことが重要である。
【００７０】
一般的に言えるのは、放熱の効果を上げるにはコイル４６０の層を少なくし、あるいは磁束を増やすには（アンペア×ターン）、つまりは磁気力を増やし速度を上げるには層を多くする、というトレードオフがある、ということである。１つの実施形態によれば、テーパー形状磁石４７２周囲のコイル４６０は１つの層を有するが、他の実施形態によれば、電磁石４００はそれよりも多くのコイルの層を有することができ、テーパー形状磁気部材４７２に少なくとも３層までの複数のコイルの層を設けることが想定される。
【００７１】
ただし、これらの部材すべての形状係数は必然的に小さいことから、テーパー形状磁気部材４７２の周囲に巻回可能な巻回数を最大にするためには、ワイヤー直径を相対的に小さくしなければならない。ワイヤーサイズが小さくなると、抵抗が高められることになり、ひいてはワイヤーにおいて発生する電力が高められることになる。このような状況によってジュール熱がかなり大きくなり、したがって装置の放熱が設計において重要な考慮事項となる。
【００７２】
図１１ａには、電磁石４００がそれに適用された放熱部材４４０と共に側面図として示されている。図１１ｂには、電磁石４００がそれに適用された放熱部材４４０と共に上面図として示されている。図１１ｃには、電磁石４００がそれに適用された放熱部材４４０と共に斜視図として示されている。図１１ａに示されているように、電磁石のすべての面が放熱材料４４０によって覆われている。実際には、テーパー形状部４７２を備えた磁気コア４７０の側方を、放熱材料によって覆うことができ、そのようにすることで、熱を発生するソレノイドコイル４６０と放熱材料４４０との間のギャップが低減されるか、または最小限に抑えられるようになる。放熱材料４４０は、高い熱伝導率を有することができ、多くの高熱伝導率材料のように導電性とすることもできる。放熱材料４４０をたとえば銅、鋼、アルミニウムまたは適切な熱伝導率を有する他の任意の材料とすることができ、それらは所望の形状に成形可能である。ソレノイドコイル４６０と放熱材料４４０との間の空隙をさらに低減するために、熱伝導性のペーストまたはグリースまたは注封材料を、ソレノイドコイル４６０に塗布することができる。別の選択肢として、ソレノイドおよびテーパー形状部４７２を、インジウムのような展性材料中に押圧することができ、このような展性材料は低温で溶融し、固体の状態において比較的柔らかい。いずれのケースにせよ、テーパー形状部４７２の側方を放熱材料で覆うことができる。１つの実施形態によれば、テーパー形状部４７２およびタブ形状部４７４は、少なくとも２つの面において放熱材料と接触している。
【００７３】
図１１ａに示されているように、テーパー形状磁気部材４７２周囲のソレノイド４６０によって、材料中で磁化が引き起こされ、ついでその材料から磁力線４４２が放出され、その際、磁力線４４２は先端部４５０から現れ、基部４７０を介して先端部４５０自体のところで閉路を形成する。磁力線は先端部４５０に集中しており、既述のようにこれによって、ＭＥＭＳチップ１０にインレイ加工された磁気材料１１６が先端部４５０に向かって引き寄せられる。ただし、ＭＥＭＳチップ１０を高速で作動させるためには、磁場４４２を迅速にオン／オフさせなければならない。このように磁場を高速で変化させることによって、放熱材料４４０中に渦電流４４４が引き起こされる可能性がある。それらの渦電流４４４はその特性ゆえに磁場を妨害し、それによって高速時の電磁ソレノイド４６０の性能が劣化してしまうおそれがある。
【００７４】
このような渦電流作用を低減するため、渦電流４４４の流れを阻止することを目的とする絶縁体構造４８０を、放電材料４４０に配置することができる。絶縁体構造４８０をたとえばエポキシ、グルー、酸化物、または窒化物とすることができ、これを放熱材料４４０に堆積させるかまたは塗布することができる。図１１ｂには、渦電流４４４と絶縁体構造４８０が示されている。
【００７５】
電磁石により発生した磁束に応答して放熱材料４４０中に生じる渦電流４４４の流れを妨げるために、絶縁体構造４８０を多数の態様で配置することができる。１つの実施形態によれば放熱材料における絶縁体構造４８０は、図１１ａに示されているように、テーパー形状部の基部４５２に隣接して、放熱材料４４０と磁気コア４７０との間に配置される。別の実施形態によれば放熱材料４４０における絶縁体構造４８０は、図１１ｂにも示されているように、テーパー形状部４７２の対称軸４９２に沿って側方に配置される。なお、ここで理解されたいのは、図１１ａおよび図１１ｂに示した絶縁体構造４８０は具体例にすぎず、渦電流４４４の流れを妨げる目的で、絶縁体構造４８０を同様に他の個所に配置してもよい、ということである。いずれのケースにせよ放熱材料は、電磁石により発生した磁束に応答して放熱材料中に生じる渦電流の流れを妨げる絶縁体構造を含むことができる。
【００７６】
１つの実施形態によれば、コイル４６０のソレノイドは、テーパー形状部の周囲に巻回された約２０〜約３０ターンのワイヤーを有する。１つの特別な実施形態によれば、ソレノイドは磁気コア上で２８ターンのワイヤーを含むことができる。コイルのソレノイドを、直径約１００μｍのマグネットワイヤーから成るものとすることができる。マグネットワイヤーは、１．６テスラの磁場を発生してコイル先端から送出させるために、少なくとも約０．５Ａの電流を搬送することができる。
【００７７】
図１２には、ワイヤーのボンディングの問題も同様に扱うことのできる放熱設計に対する別のアプローチが示されている。具体的には、テーパー形状部４６０を銅ベースのプリント配線板（ＰＣＢ）５００に埋め込むことができる。銅製プリント配線板５００は、銅製ビア５３０により取り囲まれた銅製コア５４０を有することができ、銅製ビア５３０を介して、銅製上部導体路５１０が銅製下部導体路５５０と接続されている。これらのビア５３０を絶縁材料５２０によって取り囲むことができ、この絶縁材料５２０によって、上部導体路５１０がビア５３０および下部導体路５５０から電気的に絶縁される。絶縁材料５２０をエポキシまたは酸化物または窒化物とすることができ、これを銅の上に成長または堆積させることができる。
【００７８】
銅製プリント配線板５００を、テーパー形状部４６０の先端部４５０だけが露出するように、密接に整合した表面でテーパー形状部４６０の輪郭を受け入れる形状とすることができ、またはそのように加工することができる。ソレノイドワイヤー４６１を上部導体路とはんだ付けすることができ、そのため銅製プリント配線板によって、著しく細いソレノイドマグネットワイヤーと、電流ドライバー６００に向かうおよびそこから到来する、それよりも太いワイヤーとの簡便なインターフェースも提供される。したがって電流ドライバー６００とテーパー形状のソレノイド４６０との電気的な接続を、下部導体路５５０に至るワイヤーを介し、ビア５３０を通って上部導体路へと向かい、そこからソレノイドへ至るワイヤー４６１を介して形成することができる。したがって銅製プリント配線板５００によって、装置に対し放熱と簡便な電気的構造の双方を提供することができる。
【００７９】
このように液体試料から標的粒子を分別する細胞分別システムには、銅製プリント配線板を含めることができる。プリント配線板は、銅製コアと複数の上部導体路および下部導体路を含むことができ、その際、上部導体路と下部導体路は、導電性ビアを介して電気的に接続されている。さらにプリント配線板を、以下のように構成することもできる。すなわち、ソレノイドコイルの端部が複数の上部導体路と電気的に接続され、下部導体路が電流ドライバーと電気的に接続されるように、構成することもできる。これら複数の上部導体路と下部導体路は、絶縁材料によって銅製コイルから絶縁されている。
【００８０】
なお、絶縁体４８０、銅製プリント配線板５００、およびここで説明したその他の特徴の採用は、いくつかの実施形態のオプションとしての特徴であり、本発明の実施に必須でなくてもよい、ということを理解されたい。また、既述の用語「マグネットワイヤー」"magnet wire"とは、銅またはアルミニウムから成り、非常に薄い絶縁層で被覆された細い線材のことを意味する、と理解されたい。マグネットワイヤーは一般に、トランス、インダクター、モーター、スピーカー、または狭いスペースで多数の導体ターンを必要とするその他のデバイスの構造におけるコイルのために用いられる。また、「上部」および「下部」といった空間的な呼称は任意のものであり、本発明は装置の向きに依存しない、ということも理解されたい。いくつかの実施形態によれば、上部導体路と下部導体路とを、銅製プリント配線板の表側に配置することができる。さらにソレノイドワイヤーを、一方の導体路セットたとえば上部導体路と電気的に接続し、電流ドライバーを表側の導体路セットたとえば下部導体路と接続してもよいし、またはこれとは逆に接続してもよい。
【００８１】
以上、これまで概要を述べてきた実施形態と関連させて、種々の詳細な点について説明してきたけれども、既に知られたことであっても、または現時点では予見できないこと、あるいは予見できないであろうことであっても、既述の開示内容を参酌すれば、様々な代替案、修正、変更、改善、および／または、実質的に等価の内容を見出すことができる。さらに特定の方法に関する詳細、寸法、物質の使用、形状、製造技術等は、例示を意図して挙げたにすぎず、本発明はそれらの実施形態に限定されるものではない。なお、システムおよび方法を任意の配向で実施できるのは自明であるから、頂部、底部、左、右、前、後といった語句は、任意の事項である。以上のとおり、これまで述べてきた実施形態は、例示を意図したものであって、それらに限定されるものではない。
【図１】
0006584422.tif 000002
【図２】
0006584422.tif 000003
【図３】
0006584422.tif 000004
【図４】
0006584422.tif 000005
【図５ａ】
0006584422.tif 000006
【図５ｂ】
0006584422.tif 000007
【図６】
0006584422.tif 000008
【図７】
0006584422.tif 000009
【図８】
0006584422.tif 000010
【図９】
0006584422.tif 000011
【図１０】
0006584422.tif 000012
【図１１】
0006584422.tif 000013
【図１２】
0006584422.tif 000014