(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細胞分析に用いるに適した装置（１００）であって、
位置決め流体を収容するのに適した分析チャンバ（１１０）と、
前記分析チャンバ（１１０）内の前記位置決め流体中に懸濁した粒子（１０）の少なくとも１つのパラメータを検出するのに適した検出制御ユニット（１３０）と、
前記粒子（１０）の分析中に、該粒子（１０）の前記パラメータに基づいて起動もしくは停止するのに適した少なくとも１の位置決めユニット（１２０）と、を備え、
前記検出制御ユニット（１３０）は、前記位置決め流体中で、３次元空間の任意の空間方向に一時的な位置決めフローを発生するように、前記少なくとも１の位置決めユニット（１２０）を起動させるように構成され、
該一時的な位置決めフローが、前記位置決め流体中に懸濁している前記粒子（１０）に直接作用し、該粒子（１０）を前記分析チャンバ内の３次元空間の所定の位置に駆動するものであり、
該検出制御ユニット（１３０）は、前記粒子が前記所定の位置にある場合に、前記分析チャンバ（１１０）内の流体が静止するように前記少なくとも１の位置決めユニット（１２０）を停止させるように構成されていることを特徴とする細胞分析に用いるに適した装置（１００）。
【請求項２】
請求項１に記載の装置（１００，２００）において、滞留点または滞留領域を発生するのに適したフローは、前記分析チャンバ（１１０）内で発生されず、前記位置決め流体内でも発生されないことを特徴とする装置（１００，２００）。
【請求項３】
請求項１または２に記載の装置（１００，２００）において、前記検出制御ユニット（１３０）は、前記粒子（１０）が所定位置に駆動される間、前記粒子（１０）の位置での局所フローが零とならないように前記位置決めユニット（１２０）を起動させることを特徴とする装置（１００，２００）。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置（１００，２００）において、前記粒子（１０）の所定位置への駆動は、前記位置決めフローと前記粒子との間に作用する摩擦によって直接的に行われることを特徴とする装置（１００，２００）。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置（１００，２００）において、前記粒子（１０）の位置決めは、前記位置決めフローによってのみ制御され、前記位置決め流体が静止している場合には、前記分析チャンバ（１１０）内に流れが存在しないことを特徴とする装置（１００，２００）。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置（１００，２００）において、前記少なくとも１の検出パラメータは、前記分析チャンバ（１１０）内の前記粒子（１０）の位置、または前記分析チャンバ（１１０）内の前記粒子（１０）の位置および速度を含むことを特徴とする装置（１００，２００）。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置（１００，２００）において、複数の位置決めチャンネル（１０１）をさらに備え、
該位置決めチャンネル（１０１）は、１または複数の位置決めユニット（１２０）に接続され、
該１または複数の位置決めユニット（１２０）は、前記位置決めフローを発生するために、前記複数の位置決めチャンネル（１０１）を介して、前記分析チャンバ（１１０）から／または分析チャンバ（１１０）内で、前記位置決め流体の少なくとも一部が流出および／または流入できるように構成されていることを特徴とする装置（１００，２００）。
【請求項８】
請求項７に記載の装置（１００，２００）において、前記１または複数の位置決めユニット（１２０）は、前記複数のチャンネル（１０１）の各チャンネルにおいて、異なる速度、流量および方向を有する位置制御フローが、独立しておよび選択的に発生するように構成されていることを特徴とする装置（１００，２００）。
【請求項９】
請求項７または８に記載の装置（１００，２００）において、前記位置決めチャンネルは、前記一時的な位置決めフローが、前記分析チャンバ（１１０）の外側で発生するように、該分析チャンバ（１１０）に流体接続されていることを特徴とする装置（１００，２００）。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の装置（１００，２００）において、前記複数のチャンネル（１０１）の各々の大きさは、前記分析チャンバ（１１０）内部の流体変更動作が、拡散輸送によって少なくとも部分的に生じるように、前記分析チャンバ（１１０）のサイズに応じて設定されることを特徴とする装置（１００，２００）。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置（１００，２００）において、前記一時的な位置決めフローは、前記位置決め流体と直接接触する機械的あるいは電気的要素を必要とすることなく発生することを特徴とする装置（１００，２００）。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置（１００，２００）において、前記少なくとも１の位置決めユニット（１２０）は、ポンプであることを特徴とする装置（１００，２００）。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置（１００，２００）において、前記少なくとも１の位置決めユニット（１２０）は、熱電素子を備える水熱ポンプであることを特徴とする装置（１００，２００）。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置（１００，２００）において、前記分析チャンバ（１１０）は、使い捨てチップからなり、該使い捨てチップが、懸濁液中の粒子を分析するための分析チャンバ（１１０）および／または付着物中の粒子を分析するための分析チャンバ（１１０）を構成するのに適していることを特徴とする装置（１００，２００）。
【請求項１５】
粒子（１０）を分析するための方法であって、
位置決め流体を含む分析チャンバ（１１０）内に、粒子（１０）を導入するステップと、
前記分析チャンバ（１１０）内の、前記位置決め流体中に懸濁している前記粒子（１０）のパラメータを検出するステップと、
少なくとも１の位置決めユニット（１２０）の起動を介して、前記位置決め流体中の三次元空間の任意の空間方向に一時的な位置決めフローを発生させ、該位置決めフローを前記位置決め流体中に懸濁している前記粒子に直接作用して該粒子（１０）を前記分析チャンバ（１１０）の三次元空間の所定の位置に駆動させるステップと、
前記粒子（１０）の分析中に、該粒子（１０）が、前記所定の位置にある場合に、前記分析チャンバ（１１０）内の流体が静止するように前記少なくとも１の位置決めユニット（１２０）を停止するステップと、
を含むことを特徴とする粒子（１０）を分析するための方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法において、滞留点または滞留領域を発生するのに適した流れは、前記分析チャンバ（１１０）内に発生されず、前記位置決め流体内にも発生されないことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載の方法において、前記粒子（１０）が所定位置に駆動される間の、前記粒子（１０）の位置での局所フローが零でないことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の方法において、前記粒子（１０）は、前記位置決めフローと前記粒子との間に直接作用する摩擦によって所定の位置に駆動されることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の方法において、前記粒子の位置決めは、前記位置決めフローによってのみ制御され、前記位置決め流体が静止状態にある場合に、前記分析チャンバ（１１０）内に流れが存在しないことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の方法において、前記粒子（１０）のパラメータの検出は、前記位置決め流体における前記粒子（１０）の位置、または前記粒子（１０）の位置および速度の検出を含むこと特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１５〜２０のいずれか１項に記載の方法において、前記位置決めフローによる前記粒子（１０）の位置制御は、前記分析チャンバ（１１０）につながる複数のチャンネル（１０１）における複数のフローの速度、流量および向きの独立した、および選択的なコントロールを介して行われることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１５〜２１のいずれか１項に記載の方法において、前記一時的な位置決めフローは、前記分析チャンバ（１１０）の外側で発生することを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１５〜２２のいずれか１項に記載の方法において、前記一時的な位置決めフローは、前記位置決め流体と直接接触する機械的あるいは電気的要素を必要とすることなく発生することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、流体中に浸漬した粒子を分析するための装置に関する。とくに、この発明は、分析チャンバ内の分析粒子の位置を制御するための位置決めユニットを具える装置に関する。分析粒子の位置の制御は、前記分析チャンバ内の流体に選択的に発生するフローによって分析粒子を駆動することにより行われる。また、この発明は流体中に浸漬した粒子の分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、生体物質、とくにマイクロ流体システムを使用することにより単一細胞を分析するための装置および方法が知られている。とくに、細胞分析または生体物質の分析のためのマイクロ流体システムは、分析チャンバ内に分析対象の物質を導入し、該分析チャンバ内に該分析対象の物質をトラップさせるものである。分析に際し、分析対象の細胞または物質は、光学的分析システムの焦点であってよい所定位置に、所定時間にわたって位置させておかなければならない。
【０００３】
当該技術分野において公知の各種の方法としては、細胞または粒子を、分析チャンバまたはマイクロ流体チャネルの正確な位置にトラップする方法がある。とくに、マイクロ流体分析システムは、分析粒子の位置を、光学的トラップによって制御する方法として知られている。このシステムでは、粒子に運動量を遷移させるために集光レーザビームが使用され、これにより該レーザビームの方向に粒子がトラップされ、コントロールされることになる。これとは別に、誘電泳動トラップによって、分析粒子の位置を制御する方法も知られている。このシステムにおいて、誘電体粒子の位置は、可変で不均一な電界の発生によって制御される。磁化粒子をトラップするために、磁気トラップを代わりに使用することができる。当該技術分野において公知の他の方法としては、例えば接着による機械的トラップの使用があり、正確な位置で分析粒子をブロックすることができる。
【０００４】
このような方法は、前記使用システムにおいて、分析粒子をトラップするためにレーザや四重極装置、電磁システムのような、かなり複雑な装置を必要とするという欠点を有している。分析する粒子の位置を、１方向のみでなく、３空間次元的に制御することが必要な場合には、設計および経済的な改善が必要となる。このような方法の他の欠点は、上述したトラップが、分析粒子に機械的、化学的および／または熱的なストレスを及ぼすという点にある。このような方法のさらなる欠点は、細胞の培養と分析を行う流体に対し、装置の運転のために厳しい特性（例えば、光学的トラップのための浮遊微粒子の欠如や電気泳動トラップの場合には低導電率）が要求される点にある。分析粒子が細胞または生体物質である場合、このような応力は、細胞自体に損傷を与えたり支障をきたし、分析結果が歪められたり、無駄になることさえある。さらに、上記に加えて、機械的トラップを使用した分析装置はまた、先にトラップした粒子を装置から移動または除去しなければならない場合に、該粒子を簡単に再位置決めすることができない点に欠点がある。
【０００５】
当該技術分野において公知の他のシステムとしては、流体力学的トラップによって分析粒子をトラップする装置がある。このマイクロ流体システムは、分析粒子を流体内で搬送するメイン輸送チャネルと、複数の横方向チャンネルとからなる。各横方向チャンネルは、メインチャンネルを流れる流体の一部を吸い込んだ際に、該吸引を介して細胞をトラップすることのできる大きさを有する。前記流体力学的トラップに基づく装置では、機器内の特定位置に分析粒子をトラップしたとしても、分析チャンバ内で、分析粒子の位置を柔軟にコントロールすることができず、該粒子はトラップされた後、前記横方向チャンネル内のみに、所定の位置で保持されることになる。このシステムでは、前記分析チャンバの任意の箇所に、分析粒子を正確に位置調整させることができない。また、分析粒子は、一旦、二次チャネルに吸引されると、該二次チャネルの壁に付着して機械的応力が与えられる。また、分析粒子が細胞である場合には、細胞のチャンネル壁への密着によって該細胞に変化が生じ、分析結果が歪められることになる。
【０００６】
粒子の観察および／または分析のための他の装置においては、流体の速度がゼロとなる平衡点または滞留点が分析チャンバ内に発生するように、流体フローを、該分析チャンバ内に連続的かつ対向するように導入し、これによって流体力学的トラップにより分析粒子をトラップすることができる。このような原理を利用するシステム例が、US2014/0087412  A1およびUS2006/0005634  A1に開示されている。
【０００７】
加えて、このような原理を利用する流体力学的システムの一例を図１に示す。分析粒子をトラップする装置は、流体導入チャンネル１０１０と流体連通する分析チャンバ１１００と、排水チャンネル１０２０と、を備える。分析粒子１０は、該粒子を浸漬した流体の速度が０となる滞留領域１１１０内部にトラップされる。前記分析粒子１０は、滞留領域１１１０を介して適宜位置に移動または保持され、前記導入チャンネルのフローを制御することによって移動することができる。
【０００８】
図２は、当該技術分野において公知の他の分析装置を示す。流体は、導入チャネル２０２０を通って傾斜した側壁を有するウェル２１００に導入される。これにより、粒子１０は、前記流体が横方向排出チャネル２０１０を通って排出される間に、ウェル２１００の底部に向かって押されることになる。チャンネル２０２０を通って進入した流体は、ウェル２１００の底部上で分かれ、ウェルの底部上に滞留点２１１０を発生させるように、前記ウェルの外側に向けて傾斜壁上を流れる。分析粒子１０は、チャンネル２０１０を通ってウェル２１００に流体が導入されるまで、ウェル底部上の滞留点２１１０内にトラップされたままとなる。
【０００９】
図１および図２に基づく上記の技術は、分析チャンバ内への連続的な少なくとも１のフローの導入と、滞留ゾーンを発生させることができるような分析チャンバ形状とを必要とする。滞留ゾーンの形成に基づく上記技術は、分析チャンバ内またはウェル内に、フローの静止した前記粒子をトラップしたままの流体領域を分析チャンバ内に形成することができるような流量と方向とを有する連続的なフローを誘起することによる。一般に、このシステムでは、分析チャンバ内のフローの合流する領域を除き、分析チャンバの流体中に連続的なフローが存在している。つまり、前記粒子がトラップされる最小流量域が形成されるように、分析チャンバ内に流れ勾配が形成されている。
【００１０】
このような装置では、分析粒子に作用する流体フローを直接的に制御することができず、分析粒子は、フローの働きによって直接的に移動（駆動）するものではなく、最小流量域（滞留域）の移動によって間接的に移動する。つまり、分析チャンバに誘導された連続フローのうちの一つの流量の変動は、滞留域の不安定性をもたらし、必ずしもトラップ内の粒子の動きを保持することができない。このような連続的な流体フローによって粒子のトラップを行う方法では、一方では大量の流体の使用を必要とし、生物学的な分析の場合には、コストがかかることが多く、また他方では位置制御システムが非常に複雑で高価となる。
【００１１】
トラップによって分析粒子の位置を、三次元的に制御するすべての技術的な方法においては、上述したように、作動コンポーネントがシステムの一部となっており、技術的な解決に際しては、不可欠な部分であると考えなければならない。とくに、特定のアクチュエータに加えて、例えば、誘電泳動トラップ用の電極あるいは光学トラップ用のレーザーシステムのようなシステムは、フローの選択および生成のための専用のバルブおよびポンプを備える。上述の装置において、フローを発生させるために一般的に使用されるポンプは、上述した技術的手段により粒子を配置するのに適した特性を有している。このようなポンプのサイズは、一般的に粒子の分析が行われる領域に接続されたチャネルに、高い線速度が発生するように決められる。この線速度は、毎秒１００マイクロメートル以上の速度である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／００８７４１２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／０００５６３４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記問題を解決することを目的としたものである。具体的には、本発明の目的は、分析粒子にストレス、とくに機械的、化学的、生化学的および生物学的ストレスを与えることなく、分析チャンバ内の流体中に浸漬された粒子の位置を効果的に制御することのできる技術を開発することにある。さらに、本発明の目的は、３次元空間において分析粒子の位置を正確に制御することができ、使用が簡単で、かつ使用コストを低減することのできる装置および方法を開発することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
発明の要約
本発明の上記目的は、独立請求項によって解決することができる。本発明の有利な実施形態は、従属請求項の目的を示す。
【００１５】
とくに、本発明は、粒子の分析のための装置、とくに細胞等の生体物質や、ポリマー微粒子のような非生体物質を分析するのに好適な装置に関する。装置は、位置決め流体を収容するのに適した分析チャンバを備えている。位置決め流体中に懸濁された粒子のパラメータは、検出制御ユニットによって検出される。装置はまた、粒子分析中に検出された粒子のパラメータに基づいて、起動および停止するのに適した少なくとも１の位置決めユニットを備える。とくに、検出制御ユニットは、位置決め流体に一時的な位置決めフローを発生させるように、少なくとも１の位置決めユニットを起動させるのに適し、該一時的な位置決めフローは、粒子に直接作用し、該粒子が分析チャンバ内の所要の位置に移動するように粒子位置を駆動または制御する。検出制御ユニットはまた、分析粒子が所要の位置にある場合に、位置決めフローが静止するように少なくとも１の位置決めユニットを停止させるのに適している。
【００１６】
つまり、位置決めユニットは、位置決め流体中に、分析粒子の検出位置において、移動流体部分の特定の方向および特定の速度での移動を生じさせるフロー（以下、位置決めフローと称する）を誘起するのに適している。位置決め流体の部分の移動、とくに位置決め流体の当該部分の移動方向および速度は、分析粒子の検出パラメータに基づいて決定される。
【００１７】
分析粒子の位置制御は、トラッピングを介することなく、駆動を介して行われる。実際には、「トラップ」と定義することができる位置が、分析チャンバ内には存在せず、つまり、分析粒子にトラップを発生させる光強度エンド（光トラップの場合）や電磁界強度エンド（誘電泳動トラップの場合）あるいは局所的に流れがゼロとなる点（滞留点トラップの場合）が存在しない。「エンド」とは、相対最大点または最小点である。
【００１８】
本発明のシステムによれば、ストレスによるダメージと、トラップに特徴的な不安定性を回避しながら、細胞の位置を直接操作することができる。とくに、分析チャンバ内の圧力勾配および摩擦による駆動は、流体中の懸濁粒子の正常な挙動に何ら影響を及ぼすものではない。
【００１９】
本発明の分析装置により、細胞等の分析粒子（一般的に、細胞、分子または生体物質）を、３次元空間において光学装置の焦点、センサやアクチュエータの動作領域のような正確な点でほぼ停止した状態で保持することが可能となる。なお、前記正確な点には、電気化学的マイクロセンサ、光学式または電気化学バイオセンサ、原子間力を有する顕微鏡チップ、カンチレバー、針、マイクロチューブ、ナノチューブが含まれるが、これに限定されるものではない。実際、生成したフローは、分析チャンバの静止した粒子に作用する、重力、アルキメデス推力および／または、例えば、分析粒子が浸漬された流体の対流運動等のランダムな動きのような力に対して釣り合わせる（カウンタバランス）ために使用される。加えて、所望の位置は、分析チャンバ内の他の細胞や薬剤キャリヤ、微小球等の他の浮揚物体に対する距離の関数として定義することができる。その他の点では、生成されたフローは、分析粒子を三次元空間の所定の経路に誘導するためにも使用される。
【００２０】
本発明はまた、粒子、特に細胞などのような生体物質またはポリマー微小球などの非生体物質を分析する方法に関する。この方法は、位置決め流体を含む分析チャンバ内への分析粒子の導入工程を含む。分析チャンバ内の粒子は、位置決め流体中に懸濁した状態にあり、該粒子のパラメータは、検出制御ユニット等の位置検出装置を介して検出される。この方法はまた、粒子の分析操作中に少なくとも１の位置決めユニットを作動させて、位置決め流体中に一時的な位置決めフローを発生させる工程を含む。該一時的な位置決めフローは、粒子に直接作用し、該粒子を分析チャンバ内の所定の位置に駆動させる。この方法はまた、粒子の分析操作中に、分析粒子が予め定められた位置にあるときに、位置決め流体が静止するように少なくとも１の位置決めユニットを停止する工程を含む。
本発明の一の態様によれば、前記一時的な位置決めフローは、前記位置決め流体と直接接触する機械的または電気的要素を必要とすることなく生成される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
添付の図面は、本発明の異なる実施形態を説明することを目的として明細書の一部を構成するものである。前記図面および明細書は、本発明の原理を説明するものである。図面は、本発明の好ましい実施例および代替例を示すことを唯一の目的とし、本発明がどのように達成され、かつ使用されるのかを示すものであり、本発明は、図示および説明した実施形態のみに限定されるものではない。本発明のさらなる特徴および利点は、同一符号を同一要素として表す、以下の異なる実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【００２２】
図面の詳細な説明
【図１】技術分野において公知の粒子分析のための第１のマイクロ流体装置の詳細を示す概略図である。
【図２】技術分野において公知の粒子分析のための第２のマイクロ流体装置の詳細を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態の分析装置を示す概略図である
【図４】本発明の一実施形態の分析装置の詳細を示す概略図である
【図５】本発明の分析装置をさらに発展させた例を詳細に示す概略図である
【図６】他の実施形態の分析装置の詳細を示す図である。
【図７Ａ】操作時の分析装置を示す模式図である。
【図７Ｂ】操作時の分析装置を示す模式図である。
【図８】操作時の分析装置をさらに発展させた例を示す概略図であり、拡散輸送によって生じる分析チャンバ内の流体の変化を示す。
【図９】本発明の分析装置の一部分の流体回路を示す図である。
【図１０】本発明の分析チャンバ内の粒子を分析する方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下の段落では、本発明の異なる例示的な実施形態を説明する。一例として、また理解を容易にするため、本発明の実施形態では、細胞または細胞凝集体などの生体物質の分析について説明するものであり、粒子の包括的な用語と共に以下に示す。本発明の装置および方法は、いかなる場合においても、位置決めフローの選択的な生成を通して、流体中の非生物学的性質の粒子位置を制御するためにも使用することができることは明らかである。とくに、以下に説明する例示的な実施形態によって説明される方法は、細胞や細胞凝集体とは異なる粒子を分析するためにも使用することができる。
【００２４】
なお、本発明の文中で使用される用語「粒子」は、細胞、細胞凝集体または一般的な生体物質を表すために使用される他、微粒子やナノ粒子、工業的製造プロセスの残渣微粒子、懸濁液中の大気ダスト、花粉、水性懸濁液中の油滴、液体中の気泡のような異なる物質を表すためにも使用することができる。
【００２５】
用語「流体」は、本発明の一実施形態においては、一般的な細胞培養地を表すものとして使用される。しかしながら、当業者であれば、用語「流体」を、最も一般的な意味で解釈すべきことは明らかであり、液体だけでなく気体をも含むものである。とくに、当業者であれば、設計のニーズおよび分析粒子に応じて、本発明の装置において分析チャンバ内で粒子を支持したりその位置を制御したりするために、他の性質の気体または液体を使用することができることは明らかに理解し得ることである。
【００２６】
用語「駆動」は、分析チャンバ内で生成された一方向のフロー（流れ）と分析粒子との間の摩擦を利用して、分析粒子を輸送する機構を意味している。駆動機構は、後述する滞留ゾーンの形成に基づく、粒子を配置させる流れがサドル形状を有し、一方向の流れではないトラッピング機構とは対照のものである。
【００２７】
この明細書中で使用される「一方向のフロー」という用語は、分析チャンバ内の分析粒子の周りに誘導された複数の流れが作用することによって生じる流れを表している。
【００２８】
用語「分析チャンバ」は、分析粒子が浮遊することができ、また位置決めフローを発生させる１以上のチャンネルが合流することのできる流体を収容するのに適したウェルを示すものとして使用される。とくに、分析チャンバという用語は、分析粒子に直接近接する空間だけでなく、ウェル全体をも意図している。
【００２９】
本発明の明細書中において、分析粒子の位置制御は、最も広い意味を表すものであり、分析チャンバ内の所定位置への粒子の保持と、分析チャンバ内の流体中に懸濁した状態にある分析粒子の移動との両方を含んでいる。以下の説明では、粒子の位置を制御することによる他の可能性をより明確に示す。
【００３０】
本発明は、細胞分析に使用される従来のマイクロ流体装置が、トラップを用いて分析粒子を捕捉すると共に、その位置を制御するという侵襲性の技術を使用していること、あるいはそれらの装置では、分析チャンバ内の粒子の位置を容易かつ正確に制御することができない、という考えに基づいている。とくに、分析対象細胞の捕捉や機械的、光学的、電磁または誘電泳動による位置決め方法を利用した装置では、分析する細胞にストレスが加わり、分析粒子の構造に変化が生じるおそれがある。一方、滞留点の形成を利用した、流体力学的技術に基づく分析装置は、侵襲型ではないが、現状では複雑でコストのかかる制御システムを必要とし市場拡大の妨げになっている。
【００３１】
本発明の目的の１つは、細胞または一組の細胞のような粒子を、分析セル内の所定位置に保持することのできる流体中の懸濁粒子を分析するための装置を提供することにある。分析粒子を保持する所定位置は、例えば光学分析装置の焦点とすることができる。あるいは、所定位置は、粒子の分析または活性化の行われる位置としてもよい。具体的には、本発明に係る装置によれば、分析粒子の位置を制御することができる。
【００３２】
本発明の基本的な考え方は、分析チャンバ内の位置決め流体内に誘起される局所フローを使用して、粒子の現在位置に対応する、分析チャンバの一箇所において、分析粒子を所定の位置に駆動する一方向の流れ発生させるということである。分析チャンバ内の位置決め流体内で誘起されるこのような局所フローは、粒子の空間位置に直接作用し、該粒子を駆動（摩擦力）によって移動させる。該局所フローは、上述したような滞留域の技術を利用した分析装置における、粒子を引き付けるトラップとして作用することはない。また、位置決め操作中、分析粒子の位置での局所フローは零ではなく、該局所フローの速度は、直接粒子に伝わり、流体内の粒子に動きを与える。
【００３３】
分析粒子の流体に対する相対運動は、例えば、重力、アルキメデス推力または位置決め流体内の局所対流運動のような、外力によるランダムなものであってもよい。あるいは、分析粒子の流体に対する相対運動を、システム初期化時の分析粒子の初期速度に基づくドリフト運動とすることもできる。つまり、本発明の分析装置においては、分析粒子は、局所フローによって駆動され、該局所フローは、分析粒子の流体に対する相対運動とバランスを取りながら、システムの１以上のパラメータに基づいて生成されるものであり、リアルタイムで所要の動作を発生させるものである。
【００３４】
以下に説明する粒子の位置制御は、本発明の、分析粒子位置での直接的な位置決めフローの選択的な生成によって行われるものであり、分析粒子の位置決めのために、機械的または電気的手段を使用することを阻止するものである。これにより、とくに機械的、化学的、生化学的および生物学的ストレスが、分析粒子に作用することを防止することができる。同時に、本発明の装置および方法により、分析粒子位置の正確な制御が可能になる。
【００３５】
図３は、本発明の分析装置１００の概略図である。装置１００は、位置決め流体を収容するのに適した分析チャンバ１１０を備える。例えば、位置決め流体中に懸濁された粒子の位置、または分析チャンバ内の分析粒子の位置および速度のような１つのパラメータが検出制御ユニット１３０によって検出される。分析チャンバ１１０内において、位置決め流体は、本質的には静止した状態にある。つまり、上述した「駆動」機構の定義に従い、流体中には従来のマイクロ流体システムで誘導されるフローよりもはるかに低い流量の位置決めフローのみが存在している。言い換えれば、静止時の流体中には、一定で永久的なフロー、あるいは分析チャンバと流体接続しているポンプによって誘導されると共に分析チャンバ１１０内に滞留ゾーンを生成するのに適したフローは存在していない。
【００３６】
装置１００はまた、位置決め流体中の粒子の位置を制御するのに適した少なくとも１の位置決めユニット１２０を備える。この位置制御は、位置決め流体内での、粒子の検出パラメータに基づいた位置決めフローの発生によって行い、これにより該粒子が所望の位置へと駆動される。とくに、位置決めユニットは、粒子分析操作中に以下に説明するように粒子の検出パラメータに基づいて起動および停止される。
【００３７】
検出制御ユニット１３０は、分析チャンバ１１０内の懸濁液中の粒子の１つ以上の現状のパラメータを検出した後、位置決め流体内に一時的な位置決めフローが生成されるように、少なくとも１の位置決めユニット１２０を起動させる。前記一時的な位置決めフローは、粒子に直接作用し、該粒子を分析チャンバ内の所定の位置へと駆動させる。
【００３８】
分析粒子１０が所定の位置、例えば光学分析装置の焦点にある場合には、検出制御ユニット１３０は、位置決め流体が静止するように、少なくとも１の位置決めユニット１２０を停止させることができる。
【００３９】
粒子の位置決め操作中、粒子の位置での位置決めフロー速度は、零ではない。つまり、位置決めユニット１２０は、位置決め流体中にフロー（「位置決めフロー」と言う。）を誘導するのに適し、該フローは、分析粒子の検出位置において、特定の方向および特定の速度を有する位置決め流体の部分の変化をもたらす。位置決め流体の部分のこのような変化、とくに該部分の方向および速度は、分析粒子の検出位置のようなパラメータに基づいて決定される。
【００４０】
少なくとも１の位置決めユニット１２０は、任意の空間方向および向き（センス）を有する位置決めフローを生成させる。また、分析粒子が、所定の位置に停止している場合には、位置決めユニット１２０は（位置決め）フローを生成させる必要がない。この場合、流体は静止状態にある。
【００４１】
上記機構は、流体トラップを利用し、粒子を位置させる流れがサドル形状を有し、滞留ゾーンの形成によって作動し、つまり一方向ではないので、駆動機構とはみなすことができない従来の機構とは対照的である。図３に示すと共に、図４〜９により以下に詳細に説明する装置においては、分析粒子が所定の位置に到達した後は、分析チャンバ内に一定の流れを保つ必要がない。これにより、分析時に使用する位置決め流体の量を大幅に削減することができる。一方、流体トラップを使用する装置においては、滞留ゾーンを安定して維持させるために、分析期間のすべてにわたって、流れを維持させる必要があり、粒子が所期した位置に到達した時でさえも、装置によって流れを発生させることになる。
【００４２】
分析装置１００は、懸濁液中の細胞を分析するのに適している。前記装置は、付着細胞を分析することにも使用することができる。この場合、分析装置１００の利点、とくに位置決め流体による分析粒子１０の位置決め機構を活用できるようにするため、付着細胞を、それらが付着した媒体と共に分析装置１００に導入する。この場合、分析装置１００およびとくに位置決めユニット１２０は、付着細胞が例えば光学システムの焦点の中心に位置するように、細胞が付着する培地の位置を制御することに使用される。この場合において、本発明に係る粒子１０に、培地と培地上に付着した細胞とが含まれることは、当業者であれば明らかに理解し得ることである。
【００４３】
とくに、本発明の一実施形態によれば、少なくとも１の検出パラメータは、分析チャンバ１１０内の粒子の位置または分析チャンバ１１０内の粒子の位置および速度からなる。分析粒子１０の位置決めをするために、分析装置１００に用いられる他のパラメータを、以下に他の図面を参照して説明する。本発明の一実施形態に係る分析装置では、複数のチャンネル１０１を備えることもできる。チャンネル１０１は、位置決めユニット１２０に接続される。該位置決めユニット１２０は、位置決めフローを発生させるために、複数のチャンネルの少なくとも１つを通して分析チャンバから／または分析チャンバ内に位置決め流体の少なくとも一部を放出および／または導入できるように構成されている。位置決めフローは、複数のチャンネルのうちの少なくとも１のチャンネル内の流体の流れを選択的に制御することによって生成される。
【００４４】
分析装置１００の操作を図４に基づいて詳細に説明する。図４は、図３に示す分析装置１００の好ましい実施形態を示す概略図である。図３を参照してすでに説明した構成については、ここでは説明を省略する。この分析装置１００の実施形態において、前記の少なくとも１の位置決めユニットはポンプ１２１を備える。該ポンプ１２１は、粒子に十分に小流量でかつ流量制御された位置決めフローを直接的に作用させて、該粒子の位置決めが行われるように構成されている。例えば、ポンプ１２１は、生成された位置決めフローを、１０秒以内に逆流させることができる。これにより、分析チャンバ表面への粒子の付着による損失を防止することができ、あるいは該分析チャンバに接続されたマイクロチャンネルを介して粒子を取り出すことができるので、粒子の損失を防止することができる。加えて、ポンプ１２１のサイズを、チャンネル中心での線速度が毎秒１００μｍ未満となるようにすることができる。このような速度とすることで、光学装置の焦点や関連する他の任意の領域のようなミリメートルオーダーの大きさからなる分析チャンバの領域内に粒子を保持することができる。ポンプ１２１の起動および停止は、制御回路１３１によって制御され、該制御回路によって光学装置によって得られた情報を処理し、前記の少なくとも１の位置決めユニットに制御信号を送信することができる。
【００４５】
粒子の分析および位置決めに一般的に使用されているマイクロ流体システムにおいて、分析チャンバ内に流体を注入する複数のチャンネルが設けられている場合であっても、該システムにおいて流体を導入／除去するために使用されているポンプの形状、サイズおよび技術的な性能は、図３および以下の図に示す装置において発生する一時的なフローによって粒子の位置を制御させる際には不適であり、このようなポンプは、本発明の使用には適していない。とくに、マイクロ流体システムにおいて一般に使用されるポンプは、上記したように、滞留点を発生させるシステムを具え、通常は断面が１０，０００μｍ２のチャンネルの中心で毎秒１００μｍ未満の線速度のフローを発生させることができず、またこの流量で流れを送出していると、通常は、１０秒未満に該流れを逆流させることができない。
【００４６】
分析装置１００で使用可能なポンプの具体例を以下に説明する。とくに、位置決めユニット１２０は、水熱ポンプ、蠕動ポンプ、メカニカルポンプまたは圧力制御システムとすることができる。とくに、分析装置１００は、分析チャンバ１１０に流体接続されたチャネル１０１同士のネットワークを備えることができる。分析装置１００を使用する間、チャンネル１０１を具える分析チャンバ１１０には、分析粒子１０が浸漬された位置決め流体が充填される。該流体は、生体物質の培養液あるいは水溶液のような液体とすることができる。あるいは、流体は空気、不活性ガスあるいは混合ガスのようなガスとすることもできる。
【００４７】
あるいは、本発明の一実施形態によれば、位置決めユニット１２０は、壁および／または分析チャンバ内部に生じた温度勾配に基づいて対流運動する前記位置決め流体中に、一時的で局所的な位置決めフローが発生するように構成される。このような温度勾配は、例えば、熱電素子および／または集光レーザによる熱伝達によって形成される。位置決め流体の温度は、分析チャンバ１１０の異なる部分間において温度差が生じるように制御される。分析チャンバ１１０内の異なる部分間の温度差は、位置決め流体の異なる温度の部分が、異なる質量密度を有することを意味する。位置決め流体部分における質量密度の違いは、該位置決め流体の、所期した方向への質量密度に応じた移動をもたらす。一の実施形態においては、分析チャンバ１１０の壁と熱電素子を含む位置決めユニット１２０とが直接的に接触し、該位置決めユニット１２０の起動と停止が、検出制御ユニット１３０によって制御される。他の実施形態において、位置決めユニット１２０は、分析チャンバ１１０内で集束される少なくとも１のレーザビームを具える。このような少なくとも１のレーザビームは、検出制御ユニット１３０によって起動および停止され、上述した温度および質量密度の変化をもたらす。
【００４８】
従来の解決方法とは異なり、本発明に係る分析装置１００は、粒子の位置を制御することができ、その結果、例えば、分析チャンバ１１０内に滞留ゾーンを生成する連続的な流れを誘導する必要がなく、間欠的な流れによって分析チャンバ１１０内の所定の位置に粒子を駆動することができる。すなわち、本発明に係る分析装置によれば、分析粒子は、分析チャンバ内で該分析粒子に直接作用する一時的な（位置決め）フローを、該分析粒子の動きに対抗かつ釣り合わせることにより駆動される。間欠的な一方向の位置決めフローの使用は、位置決めの間あるいは一般的には分析チャンバ１１０内での分析の間における分析チャンバ内での、連続的な流れの使用を不要とし、その結果、滞留ゾーンの生成あるいは他のトラップの存在が不要となる。
【００４９】
具体的には、分析粒子１０は、静止している場合には、外部摂動によって流体に自然に誘発される重力や対流運動あるいは局所的なフローのような外部要因によって分析チャンバ１１０内でランダムに移動することができる。これにより、粒子１０は、該粒子１０を分析するために使用される光学装置の焦点の中心のような分析チャンバ１１０内の所定の位置に移動することができる。このような分析チャンバ１１０内での粒子１０の動きは、上記したように粒子が浸漬した流体中に、フローを選択的な方法で直接、該粒子１０に対して誘導することによって調整することができる。フローは、分析チャンバ１１０に流体接続されたチャンネル１０１内に位置する位置決め流体の流れを選択的にコントロールすることによって誘導することができる。このため、位置決めユニット１２０は、制御回路１３１と接続可能であり、該制御回路１３１が、検出制御ユニット１３０によって検出された分析粒子の少なくとも１のパラメータに関する情報を受け取る。分析粒子の少なくとも１のパラメータとは、例えば、分析チャンバ内の分析粒子１０の位置である。あるいは、粒子の少なくとも１のパラメータは、粒子１０の位置および速度または、その形態学的、物理的、生化学的もしくは化学的特徴とすることができる。このようにして、粒子１０の位置を極めて正確に制御することができる。具体的には、粒子１０の少なくとも１の検出パラメータに基づいて、チャンネル１０内の位置決め流体のフローを制御することにより、分析チャンバ１１０の３次元空間方向の粒子位置を、１０μｍ／秒程度の精度でコントロールすることができる。少なくとも１の位置決めユニットによって検出されたパラメータは、２つの異なる位置決めメカニズムに影響を及し、つまり、形態学的、物理的あるいは化学的な特性のようなパラメータは、粒子の移動位置を選択する際に使用され、一方、位置および速度のようなパラメータは、粒子移動メカニズムのパラメータを決定する際に使用される。
【００５０】
位置決めユニットは、検出制御ユニット１３０によって検出された少なくとも１つのパラメータに基づいて、チャンネル１０１のネットワークにおいて位置決め流体のフローを制御し、これによって分析粒子１０の位置を制御する。分析粒子１０の位置制御は、該分析粒子１０の現在位置の維持と、分析チャンバ１１０内における分析粒子１０の移動とを含む。とくに、分析粒子１０が既に分析位置にある場合には、位置決めユニット１２０は停止するか、または分析の全期間にわたって分析粒子１０を該位置に保持させるように作動する。分析位置は、例えば光学装置の焦点とすることができる。また、位置決めユニット１２０は、分析チャンバ１１０内の分析粒子１０を移動させるために使用される。この方法によって、分析チャンバ１１０内の所定の位置に、分析粒子１０を配置することができる。該所定の位置は、例えば、前記分析位置とすることができ、１のチャンネル１０１の位置、とくに分析チャンバ１１０内の分析粒子１０を導入する際に使用されるチャンネル、あるいは分析チャンバ１１０から粒子１０を抽出する際に使用されるチャンネルの位置とすることができる。さらに、所定の位置は、例えば、粒子の分析に、該粒子の重力落下による重量または質量密度の測定が含まれる場合には、分析チャンバ内のさらに広い領域であってもよい。しかしながら、分析粒子１０の位置制御が、例えば、検出制御ユニット１３０によって分析粒子を異なる角度から表示したり、例えばそれらの３次元の再構成を行ったりするために該粒子の回転を誘起するような動きを含む広い制御を意図していることは、当業者であれば容易に理解することができる。
【００５１】
位置決めユニット１２０は、図４の実施形態においては、少なくとも１のポンプ１２１と複数のバルブ１２２とを備える。各チャネル１０１には、それぞれバルブ１２２が設けられ、該バルブは、対応するチャンネル１０１の抵抗値を変化するように制御される。このように、ポンプ１２１によって発生される流れの流量は、異なる速度、流量および方向を有する複数の流れが、分析チャンバ１０１内の分析粒子の位置において発生するように各チャンネル１０１において独立して、または選択的に制御される。とくに、バルブを選択的に制御することにより、分析チャンバ１１０内において、粒子１０に直接作用する所要の方向および速度の一時的な（位置決め）フローを発生することができる。この方法によって、非ゼロ速度の（一時的な位置決め）フローが、分析チャンバ１１０内の懸濁液中で分析粒子１０に近接して、所定の位置に粒子を駆動するのに必要な時間の間、正確に発生する。これにより、分析粒子１０は、位置決めユニット１２０によって発生した非ゼロ速度の（一時的な位置決め）フローに駆動されて、位置決めユニット１２０によって生成された流れの方向に沿って分析チャンバ内を移動する。分析粒子１０が、分析チャンバ１１０内の所定の位置に到達すると、分析粒子１０を駆動した（一時的な位置決め）フローを遮断するようにバルブが動作する。ここで、分析粒子が、所定位置から移動する場合には、上記したようにポンプ１２１とバルブ１２２とが、分析粒子１０を所要の位置に保持させるように操作される。
【００５２】
また、分析装置１００は、懸濁流体および／または分析粒子１０を、分析チャンバ１１０から抽出することのできる排水バルブ１２３も備えている。一実施形態において、排水バルブ１２３は、分析チャンバ１１０の底部に流体接続された排水チャンネル１４０に接続されている。排水チャンネル１４０は、チャンネル１０１の１つとも接続されていてよい。あるいは、排水チャンネル１４０は、培養液または液体を貯留するタンク（図示しない）に接続されていてよい。もちろん、このような実施形態は、単に一例を示すものであり、排水チャンネル１４０が分析チャンバ１１０の他の任意の位置に接続可能であることは、当業者であれば明確に理解し得る。
【００５３】
装置１００では、分析チャンバ内における流体変更（変位）動作が分散輸送によって少なくとも一部に生じるように、該分析チャンバの寸法に応じて、複数のチャンネルのそれぞれの大きさが決定され得る。
【００５４】
図５は、本発明をさらに発展させた分析装置２００の詳細を示す概略図である。該装置は、図４に示した装置と本質的に同様であり、ここでは図４と同じ部分の説明は省略する。図４の装置とは異なり、分析装置２００の位置決めユニット１２０は、複数のポンプ１２１を備え、各ポンプは対応する各チャンネル１０１に接続されている。この方法によれば、各チャンネル１０１における流体の流れが、対応するポンプ１２１によって独立しておよび選択的に制御されるので、図４において示したバルブの使用が不要となる。バルブ１２２が、たとえ分析装置２００において不要であっても、当業者であれば、このようなバルブ１２２を備える装置２００を実施形態として考慮すべきことは明確に理解し得ることである。
【００５５】
本実施形態によれば、分析チャンバ１１０において生成される単一フローの速度および方向の両方を極めて精度よくコントロールすることができる。とくに、検出制御ユニット１３０は、先の図面に基づいて既に説明したように、分析粒子１０の、例えば現在位置や速度およびドリフト方向を含む、１以上の特性を検出するのに適している。このようにして検出された粒子１０の特性に基づき、制御回路１３１は、分析チャンバ１１０に流体接続する各チャンネル１０１に対し、粒子１０の位置を制御するのに必要な（位置決め）フローの流量および方向を決定する。分析粒子１０の特性は、例えば、標準位相コントラスト顕微鏡対物レンズ、コンデンサレンズ、位相リングからなるフィルタおよび白色光顕微鏡検査または蛍光顕微鏡検査のための照明システムからなる光学システムによって検出され得る。生成された画像は、光学センサによって記録され、コンピュータあるいはマイクロコントローラによって処理され得る。加えて、分析チャンバの照明は、市販のシャッターによって起動または停止され得る。
【００５６】
各チャンネル１０１におけるフローの流量および方向は、例えば、分析チャンバ１１０内の所要位置の３次元値、および分析粒子の現在位置の３次元値に基づいて決定され得る。所要位置の３次元値は、制御回路１３１あるいは一般に分析装置２００に接続可能な入力／出力インターフェース（図示しない）を介してユーザがインプットした値とすることができる。あるいは、所要位置の３次元値は、予め設定された値とすることができる。例えば、予め設定された所要位置の値は、分析装置２００に含まれるか、あるいは接続可能な光学系の焦点とすることができる。制御回路１３１はまた、粒子１０の所定位置および現在位置の値に加えて、分析粒子の速度とドリフト方向とに基づいて、チャンネル１０１内の流れの流量を決定することができる。もちろん、粒子１０位置をコントロールするために使用されるチャンネル１０１内の流れの流量および方向を決定する際に、分析粒子１０の他のパラメータを考慮できることは、当業者であれば明確に理解し得ることである。図４および以下の図面に記載の装置を用いて説明した検出制御ユニット１３０および制御回路１３１は、図３に示す装置にも使用することができる。
【００５７】
ポンプ１２１は、例えば、蠕動ポンプ、シリンジポンプ等とすることができる。好ましくは、位置決めユニット１２０は、熱電素子や赤外スペクトル等の電磁波の照射手段により制御される少なくとも１の水熱ポンプを備える。以下に、熱電素子によって制御される水熱ポンプにより制御する場合の一実施形態を詳細に説明する。制御回路１３１に接続されたポンプを使用する本発明の一の態様によれば、図５に示すように、一時的な位置決めフローは、分析チャンバ１１０の外側で生成され、これにより、位置決めユニットにおける分析時の粒子、とくに細胞へのストレスの発生を防止することができる。この効果は、一時的な位置決めフローが、分析チャンバ内で生成される場合、あるいは一時的な位置決めフローが、分析チャンバ内を横断する力場を与えることによって生成された場合には期待できないことは明らかである。
【００５８】
図６は、制御回路１３１に接続された水熱ポンプを使用してなる分析装置２００を模式的に示すものである。この実施形態において、各チャンネル１０１は、位置決め流体のフローの流量および方向を高精度にコントロールすることのできる水熱ポンプ２２１に接続されている。水熱ポンプ２２１は、位置決め流体を有する少なくとも１のチャンネル２２２を備えている。位置決め流体を収容するチャンネル２２２は、例えば、チャンネル１０１の一部分であってもよい。チャンネル２２２内の位置決め流体の温度は、チャンネル２２２の異なる部分間で、温度差が生じるように外部からコントロールされる。チャンネル２２２の異なる部分間の温度差とは、チャンネル２２２のセクション内の異なる温度からなる位置決め流体の部分が、異なる質量密度を有することを意味する。位置決め流体の部分における質量密度差により、該位置決め流体が、質量密度に基づいて所定の方向に動くことになる。水熱ポンプ２２１の一の特定の実施形態では、チャンネル２２２は、少なくとも２つの垂直に配置されたセクションからなり、該セクションが、少なくとも１の水平方向に配置されたセクションによって相互に連結されている。以下の説明では、垂直という用語を、分析チャンバ１１０底部平面に対して垂直な方向を示す場合に使用し、一方、水平という用語は、分析チャンバ底部平面に対して平行な方向を表す。この実施形態において、チャンネル２２２内の位置決め流体の温度は、該チャンネル２２２の第１垂直セクションの温度が、チャンネル２２２の第２垂直セクションの温度よりも高くなるようにコントロールされている。このような温度制御は、チャンネル２２２の垂直セクションにおける、位置決め流体の質量密度差をもたらし、位置決め流体の動きをもたらすことになる。勿論、温度コントロールを逆にして、チャンネル２２２の第１垂直セクションの位置決め流体の温度を、チャンネル２２２の第２垂直セクションの位置決め流体の温度よりも低くすることで、該位置決め流体のフローの方向を逆にすることができる。先に示したチャンネル２２２の構造は、単なる一例であって、チャンネル１０１の少なくとも１のセクションにおいて、位置決め流体の質量密度差をもたらすことができれば、どのような方法も本発明の範囲に含まれることは、当業者であれば明確に理解し得ることである。例えば、水熱ポンプ２２１のチャンネル構造として、少なくとも２つの水平に配置されたセクションを有していてもよい。
【００５９】
装置２００の１の特定の実施形態によれば、チャンネル２２２の温度制御は、ヒートポンプ２２３やペルチェセルのような熱電素子を用いて行うことができる。ヒートポンプは、制御回路１３１に接続され、所望の位置決めフローを発生させるように該制御回路１３１によって操作される。とくに、ヒートポンプ２２３は、チャンネル２２２の第１垂直セクションに熱的に接続した第１表面と、チャンネル２２２の第２垂直セクションに熱的に接続した第２表面とを有する。第１および第２表面は、例えば、電子回路のような温度差を維持するコアによって隔てられている。図６に示した例および以下の図７において、チャンネル２２２の第１垂直セクションは、分析チャンバ１１０と直接対面するチャンネル部分であり、ヒートポンプの第１表面は、チャンネルの第１垂直セクションに熱的に接続する表面であり、一方、チャンネル２２２の第２垂直セクションは、分析チャンバ１１０から離れたチャンネル部分である。この場合、ヒートポンプの第２表面は、チャンネル２２２の第２垂直セクションに熱的に接続された表面となる。
【００６０】
代替例では、抵抗器を、チャンネル２２２の第１および第２垂直セクションのそれぞれに直接接触するように配置することができる。該抵抗器は、制御回路１３１によって決定された（位置決め）フローの流量および方向に基づいて選択的に操作することができ、これによりチャンネル２２２の第１および第２垂直セクション内の位置決め流体に温度差と質量密度差とを誘起して、位置決め流体の所期したフローを発生させることができる。
【００６１】
あるいは、チャンネル２２２の温度制御は、本発明の装置２００の特定の実施形態によれば、例えば、０℃における抵抗が１００Ωとなる、一連のＰｔ１００サーミスタ（白金サーミスタ）のようなサーミスタによって行われる。一連のサーミスタは、制御回路１３１に接続され、所期した位置決めフローが発生するように制御回路１３１に従って操作される。とくに、本発明の１実施形態によれば、このサーミスタは、温度に必要な熱を発生させると同時に、温度を測定するために使用されることができ、例えば、位置決め流体の沸騰をもたらすような、過加熱のような不要な作用を抑制することができる。とくに、前記サーミスタの使用は、温度測定に加えて、操作上の他の２つの利点を有している。すなわち、１）前記サーミスタは、温度計測用として一般的に製造されている市販品であり、チャンネル２２２のサイズに比べて小さな領域において熱交換を最適に行うことができる。反対に、チャンネル２２２の側部のような平坦な表面上での熱交換に好適な他の市販の抵抗器は、通常は、前記チャンネル２２２に対して過大なサイズを有している。２）前記市販のサーミスタのコストは、チャンネル２２２に相当するサイズのペルチェセルのコストよりも１桁安い。
【００６２】
概して、図６に示すような、制御回路１３１に接続された水熱ポンプを使用してなる本発明の１の態様からも明らかであるが、位置決めフローは、位置決め流体と直接接触する機械的あるいは電気的な要素を必要とすることなく発生する。
【００６３】
図７Ａに操作時の分析装置２００を示す。説明を簡単するため、図７Ａでは、分析チャンバ１１０に流体接続された２つのチャンネル１０１を備える分析装置２００を示す。本発明に係る分析装置では、２以上のチャンネルを備えることができる。とくに、チャンネル１０１数が多いほど、分析粒子１０の位置および／またはその位置決めのコントロールがより正確になる。
【００６４】
図７Ａは、分析粒子１０を分析チャンバ１１０の底部から上端に向かって垂直方向に移動させるように操作させた際の、分析装置２００の状態を示す。本明細書において、垂直方向とは、分析チャンバ１１０の底部に対し垂直な方向を表している。このような垂直方向の動きを得るため、同じ流量の複数の（位置決め）フローを分析チャンバ内に生成し、該（位置決め）フローを分析チャンバ１１０の内側から位置決めチャンネル１０１に向かって流し出す。各チャンネル１０１では、（図５を参照して上記に示した制御回路１３１により算出されたデータに基づいて）、分析チャンバ１１０につながるチャンネル１０１位置から、該チャンネルの反対側の端部に向かう方向に流れが発生する。各チャンネルではこのようにして生成された流れの流量は、粒子１０が位置する分析チャンバで、前記位置決めフローが該分析チャンバの底部に対して垂直な方向に向かって流れるように設定される。このような１つのフローを発生させるため、制御回路１３１は、ヒートポンプ２２３を動作させてチャンネル２２２の第２垂直セクションに熱的に接続される第２表面が、チャンネル２２２の第１垂直セクションに熱的に接続される第１表面の温度よりも高くなるようにする。このような方法により、チャンネル２２２の第２垂直セクションの流体部分の質量密度が、チャンネル２２２の第１垂直セクションの流体部分の質量密度よりも低くなり、該チャンネルの第１垂直セクションから、チャンネル２２２の第２垂直セクションに向かって流体の移動が生じる。各チャンネルの流体部分の質量密度の変化は、チャンネル内で発生した流れの流量に比例する。
【００６５】
制御回路１３１によって各チャンネル１０１内の位置決め流体のフローを、各フローの流量が同じになるようにすると共に、チャンネル２２２の第１垂直セクションに熱的に接続する第１表面が、チャンネル２２２の第２垂直セクションに熱的に接続する第２表面の温度よりも高くなるようにコントロールすることで、全体的なフローが、分析チャンバの底部に垂直な方向で分析粒子１０の軸に対して対称的に作用し、該粒子１０を分析チャンバ１１０の底部の方に向かって垂直方向に移動させる。この全体的な流れは、粒子１０のアルキメデス推力に対向し、分析チャンバの底部に向かって、該粒子１０を垂直方向へ移動させる。
【００６６】
同様に、ヒートポンプ２２３は、チャンネル１０１の端部から分析チャンバ１１０に向かう流れを、チャンネル１１０内に発生させるために、チャンネル２２２の第１垂直セクションに熱的に接続される第１表面が、ヒートポンプ２２３の第２表面の温度よりも高い温度となるようにコントロールされる。
【００６７】
図７Ｂでは、粒子１０を分析チャンバ１１０内で横方向に移動するように操作した際の分析装置２００を示す。制御回路１３１によって、（複数の）チャンネル１０１のうちの１つだけに、位置決めフローが発生するようにヒートポンプがコントロールされる。とくに、制御回路１３１によれば、１つのヒートポンプ２２３だけ、その表面間に温度差を生じさせ、残りのヒートポンプの表面は同じ温度のままとなるようにコントロールすることができる。ここで、同じ温度の表面を有するヒートポンプ２２３に接続されるチャンネル１０１においては、前記位置決め流体が静止した状態となる。あるいは、各チャンネル１０１のヒートポンプを、各チャンネル１０１内に単一向き（センス）の位置決め流体が流れるように動作させてもよい。
【００６８】
また、粒子１０を、例えば分析チャンバの底部に平行な方向に移動させなければならない場合、制御回路１３１は、チャンネル１０１の１つに粒子１０を横方向に移動させる位置決めフローと、粒子１０の位置補正機能を有する残りのチャンネル１０１内の、より小さい流量で間欠的であってよい位置決めフローと、を発生させ、後者の位置決めフローを分析チャンバ１１０の底部と平行な方向に移動させるようにヒートポンプ２２３をコントロールすることができる。粒子１０の位置補正は、より多くのチャンネル１０１および位置決めフローを発生させる各ヒートポンプを用いて行うことで、より正確なものになるということは、当業者であれば、明確に理解し得ることである。
【００６９】
また、分析装置２００は、粒子１０の移動が、所定経路に沿うように、また所定時間に応じて分析チャンバ１００内の所定の位置に到達するように操作され得る。本発明の１の発展例では、制御回路１３１によって、所定位置に対する粒子の相対位置から求めた比例、積分および微分情報に基づく、ＰＩＤタイプの標準的なフィードバックシステムを用いて、水熱ポンプの起動をコントロールすることができる。
【００７０】
一般に、各チャンネル１０１において、流量が異なり、方向性（センス）を有していてよい位置制御フローを選択的に発生させることにより、粒子１０の、分析チャンバ１１０底部に対して、垂直または平行ではない方向への移動を行うことができることは、当業者であれば明確に理解し得ることである。これにより、分析粒子１０に作用する合力の方向、センスおよび強度を極めて正確に調整することができる。
【００７１】
本発明に係る分析装置１００、２００は、さらに、分析チャンバ内の位置決め流体の温度とｐＨを規定するのに適した温度−ｐＨ調整回路とを備えることができる。
【００７２】
図８は、拡散輸送によって、少なくとも部分的な、分析チャンバ１１０内部での流体変更動作を可能とした分析装置２００の、さらなる実施形態を示すものである。上記に示したように、本発明に係る分析装置においては、チャンネル１０１の大きさは、分析チャンバ内での流体変更動作が、拡散輸送によって少なくとも部分的に発生するように、分析チャンバの大きさに応じて決定することができる。
【００７３】
とくに、本実施形態においては、流体変更チャンバ１１５は、分析チャンバ１１０、排水チャンネル１４０および注入チャンネル１５０に接続され、排水ポンプ１７０、例えばシリンジポンプは、排水チャンネル１４０に接続されている。排水ポンプ１７０によって、排水チャンネル１４０に誘導された流れは、注入チャンネル１５０と排水チャンネル１４０との間に流れを発生することができ、流体変更チャンバ１１５内に収容された流体を、分析チャンバ１１０に直接作用することなく置換することができる。チャンバ内の内容物は、流体変更チャンバ１１５と分析チャンバ１１０との間の流体の拡散によって均一になり、等価組成の単一の流体となる。本実施形態においては、流体変更チャンバ１１５の体積と分析チャンバ１１０の体積との比を５０よりも大きくする。このようにして、前記拡散輸送による最終流体は、注入流体と実質的に同等の組成となる。加えて、チャンネル１０１のネットワーク全体の流体力学的抵抗と、排水チャンネル１４０と注入チャンネル１５０とからなるネットワークの流体力学的抵抗との比は、粒子が流体変更動作によって分析チャンバ１１０内に誘導されたフローによる影響を受けないように、少なくとも１０よりも大きくする。
【００７４】
図３〜８に図示された分析装置１００、２００において、分析チャンバ１１０が、分析装置に組み込まれると共に、位置決めユニットおよびチャンネル１１０に固定して接続されていたとしても、該分析チャンバ１１０は、分析装置の取外し可能な部品として構成することもできる。この実施形態によれば、分析チャンバは、使い捨て要素とすることができ、該分析チャンバ内にある粒子の分析が終了する度に、取り換えることができる。本実施形態の分析装置１００、２００では、分析チャンバが使い捨てチップからなり、該使い捨てチップは、懸濁液中の粒子を分析するための分析チャンバおよび／または付着物中の粒子を分析するための分析チャンバからなる。したがって、取外し可能に適切に構成された一要素を取り替えることにより、異なるタイプの分析を同じ装置を用いて行うことができると共に、コストを大幅に削減することができる。
【００７５】
図９は、本発明に係る分析装置１００、２００の流体回路図を示す。分析チャンバ１１０は、周辺装置として図９に模式的に示されている。このような表現は、単なる例示であり、分析チャンバ１１０の実際の形状および構成を限定するものではない。本発明によれば、分析チャンバ１１０は、粒子１０の位置決めのための少なくとも１のチャンネル１０１および少なくとも１の位置決めユニット１２０に接続されるものであり、図３〜８のいずれかに記載のように配置される。
【００７６】
図９に示す回路図は、とくに図３〜８に示すような分析装置の回路の一実施形態を示すものである。しかしながら、図４に示す実施形態のような分析装置に対応する他の回路表現を、本発明の範囲内で、本発明の目的から逸脱することなく用いることができることは、当業者であれば、明確に理解し得ることである。
【００７７】
分析チャンバ１１０はまた、少なくとも１の注入チャンネル１５０に接続することができ、該注入チャンネル１５０から位置決め流体および分析粒子１０が、分析チャンバ内およびチャンネル１０１内に導入される。注入チャンネル１５０は、バルブシステムや異なる流体の選択システムあるいは分析下で粒子を選択するための装置のような別の流体装置１６０に接続され得る。分析チャンバ１１０はまた、位置決め流体を除去するための少なくとも１の排水チャンネル１４０に接続され得る。流体システムのバランスを維持するため、チャンネル１０１、１４０、１５０は、ベントチャンネル１８０によってチャンネルネットワークの他の地点に接続され得る。とくに、図９は注入チャンネル１５０が流体選択システム１６０にのみ接続されている流体回路図を示す。一方、排水チャンネル１４０は、位置決めチャンネル１０１と排水ポンプ１７０にまとめて接続されている。図９に示すように、排水ポンプ１７０は、分析チャンバ内の位置決め流体を変更する運転と、要素１０１、１１０、１２０、１４０、１５０、１８０からなる流体ネットワークに流体を充填するための予備的な機器使用運転とに使用され、チャンネルネットワークの大きさは、該ネットワークのすべての要素に流体を充填することのできる大きさとする。
【００７８】
チャンネルネットワークの一実施形態として、異なる流体力学的抵抗を有するチャネルが使用される。本明細書において、様々な回路分岐（チャンネル）における流体力学的抵抗は、チャンネルの長さおよび／または直径を変えることによって変化させることができる。とくに、図９の回路によると、分析装置のネットワークを構成する各種チャネルの抵抗は、次の関係を満たすように選択される。
Ｒ１／４  >  Ｒ３  ＞＞  Ｒ２．
【００７９】
図９に示すようなチャンネルネットワーク構成では、並列に接続されたチャンネル１０１システムの等価流体抵抗Ｒ１を、ベントチャンネル１８０の流体力学的抵抗Ｒ３よりも大きくしなければならず、排水チャンネル１０４の流体力学的抵抗Ｒ２よりもはるかに大きくなければならない。「はるかに大きい」という用語は、抵抗が、少なくとも１桁以上大きいことを表している。しかしながら、上記の関係は、図１０の回路図に模式的に示されたチャンネルネットワークにおいて有効であり、分析装置１００、２００が、図９に示したものとは異なるチャンネルネットワークを用いて実現される場合には変化し得ることは、当業者であれば明確に理解し得ることである。
【００８０】
図３〜８に記載の分析装置が、位置決め流体を有する２つのチャンネル１０１のみを示すものであったとしても、本発明はその実施形態に限定されるものではないこと、また、図３〜８の実施形態においては、記載を簡素化することを目的として、２つのチャンネル１０１を備える分析装置を図示していること、は明らかである。図３〜８に係る分析装置１００、２００は、図９の回路図に例示されているように、本発明の目的から逸脱しない範囲で、２以上のチャンネル１０１を備える、あらゆるものとすることができる。
【００８１】
本発明に係る分析装置１００、２００は、随時、チャンネル１０１の１つと流体接続する初期化チャンネルを備えることができる。図９の回路図において、この初期化チャンネル１８１は、チャンネル１０１の１つに接続された回路分岐により表すことができる。初期化チャンネル１８１は、例えば、シリンジポンプ等の排水ポンプ１７０の流体が、回路の内部に導入されるように、該ポンプ１７０に順次に接続され得る。
【００８２】
同様にまたは代替的に、図９に示す回路はまた、細胞のような分析粒子を、分析装置１００、２００のチャネル回路に導入する注入チャンネル１８２を備えることができる。注入チャンネル１８２もまた、初期化チャンネル１８１および排水チャンネル１４０に関して上記したと同様に、例えば、シリンジポンプ等の排水ポンプ１７０に接続され得る。チャンネル１０１の１つと流体接続する図９に示す初期化チャンネル１８１および注入チャンネル１８２は、チャンネルネットワークが使用されている場合、本発明の目的から逸脱しない範囲で、図９に示すものとは異なるマイクロ流体ネットワークの他の領域に選択的に流体接続することができる。例えば、この初期化チャンネル１８１と注入チャンネル１８２は、分析チャンバ１１０および／または注入チャンネル１５０に接続される。
【００８３】
本発明はまた、粒子の分析方法に関し、とくに細胞等のような生体物質に関する。前記方法は、図３〜９のそれぞれに図示された１以上の工程を有する。
【００８４】
とくに、前記方法は、位置決め流体を収容する分析チャンバにおける分析粒子の導入工程を有する。次に、分析粒子が位置決め流体中に浸漬している状態において、例えば上記した検出制御ユニットによって、分析チャンバ内の粒子の１のパラメータが検出される。前記の方法はまた、粒子分析操作中において、少なくとも１の位置決めユニットを起動し、これによって位置決め流体中で、一時的な位置決めフローを発生させる工程を有し、該一時的な位置決めフローは、粒子に直接作用して、粒子を分析チャンバ内の所定位置へと駆動する。粒子分析操作中、分析粒子が所定位置にある場合には、少なくとも１の位置決めユニットは、位置決め流体が静止するように停止することができる。
【００８５】
これにより、分析粒子の位置は、位置決め流体中での、分析粒子に直接作用する位置決めフローの発生によってコントロールすることができる。分析チャンバ１１０内の位置決めフローは一時的なものであり、一時的とは、以下に説明するように、分析チャンバ内の粒子位置に基づく粒子分析に際して発生および中断することを意味している。ここで説明する方法では、分析粒子位置のコントロールする際に、分析チャンバ１１０内に一定のフローを存在させることが不要になるため、分析を実施するために必要な流体の量を減らすことができ、装置自体の使用の複雑さ、および費用を低減することができる。
【００８６】
位置決めフローは、分析粒子の少なくとも１の検出パラメータに基づいて発生する。
【００８７】
図１０は、本発明の１実施形態に係る分析チャンバ１１０内の粒子の分析方法を示すフロー図である。粒子１０の分析方法は、位置決め流体を収容する分析チャンバ１１０内に、分析粒子１０を導入する工程を有する（ステップＳ００）。ステップＳ０１では、分析装置１００、２００は、ユーザに対して分析粒子の所望の最終位置に関するデータの入力を要求することができる。この工程は任意である。粒子の所望の最終位置がユーザによって入力されない場合、分析装置１００、２００は、ステップＳ０２において、制御回路１３１のメモリに蓄積された一連の位置値の中から、所要の最終位置に相当する値を選択する。所望の最終位置は、例えば、粒子１０に対して行われる分析の種類に基づいて選択されるようにしてもよい。所望の最終位置は、例えば、分析機器の目標物の焦点、レーザビームの軌跡上の点、分析装置の抽出チャンネルにおける分析チャンバ１１０領域等とすることができる。最終位置が選択されるとステップＳ０３に進む。ユーザによって粒子の最終位置値が、直接入力される場合には、ステップＳ０１からＳ０３に直接進む。
【００８８】
ステップＳ０３においては、制御回路１３１によって、分析チャンバ内の位置決め流体中に懸濁した状態にある分析粒子の、少なくとも１のパラメータを検出する。本発明の方法の、ある実施形態においては、粒子の検出パラメータとして、位置決め流体中の分析粒子の位置、あるいは分析粒子の位置と速度の検出を含む。とくに、分析粒子の少なくとも１のパラメータは、例えば、粒子１０の現在位置、粒子１０の現在速度値および／またはそのドリフト方向を含む。分析粒子のパラメータとしては、要求条件および要求される分析と位置決めの種類によって、粒子のサイズや密度および重さのようなパラメータまたは他のパラメータの１つだけを含むようにしてもよい。一般に、粒子の動きに影響を与えるか、または粒子の動きを調整することのできる各パラメータを考慮することができる。
【００８９】
ステップＳ０４においては、分析装置が、粒子がすでに目標物あるいは光ビームの焦点のような所定の最終位置に位置しているか否かを判定する。粒子が所定の位置にある場合には、分析装置が分析チャンバ内の流体を静止状態にするように位置決めユニットを停止させるステップＳ０６に進む。
【００９０】
ステップＳ０４において、所望の位置に粒子が存在していないと判定された場合には、分析回路は、図３〜図９に示したように、ステップＳ０５において位置決めユニット１２０を動作させて分析粒子を、その現在位置から所望の最終位置に移動させる。この場合、位置決めフローは、外部手段によって生じた粒子１０のランダムな動きを相殺するように調整される。この後、上述したステップＳ０６に進む。
【００９１】
粒子の移動工程の間、分析粒子の少なくとも１の検出されたパラメータに基づいて位置決めフローが生成される。とくに、該位置決めフローは、本発明の１の実施形態に係る分析装置において、分析粒子の移動に直接対抗して用いられる。そのような動きは、重力、対流運動等の摂動もしくは外力によるランダムな動きであってよく、あるいは位置決めフローによって予め誘導された粒子１０の動きであってよい。その結果、分析チャンバ１１０内に、位置決めユニット１２０により生成された1以上の位置決めフローが存在することになり、該位置決めフローは、分析粒子が捕捉されている分析チャンバ内に滞留ゾーンを形成することなく、粒子１０に直接作用する。加えて、粒子が分析チャンバ１１０中の所定の位置にあるときには、位置決めフローを停止させることができる。
【００９２】
換言すると、従来の分析装置とは異なり、分析チャンバ１１０内に、最小フロー点で粒子を捕捉するための流れ勾配は形成されず、むしろ粒子は位置決めフローを使用して駆動される。結果として、従来の装置とは対照的に、粒子１０の位置決め操作中、分析粒子の位置での位置決めフロー速度は零にならず、つまり、粒子は、位置決めフローによって分析チャンバ１１０から駆動される。加えて、従来の分析装置とは対照的に、粒子のトラップを生成する連続フローを発生させる必要がなく、むしろ粒子は、必要に応じて生成されたフローによって駆動され、これにより、位置決めフローの停止やコストのかかる流体の浪費が回避され、分析チャンバ内に流体力学的に静止した状態を構成することができる。
【００９３】
最後に、ステップＳ０７において、粒子１０の分析が、分析装置１００、２００によって進められる。とくに、分析装置は分析データを処理する。この分析は、当該技術分野において公知の形式および方法に従って行われる。
【００９４】
図３〜９に従って既に説明したように、本発明に係る方法はまた、分析チャンバにつながる１以上のチャンネルにおける１以上の流れを選択的にコントロールすることにより、位置決めフローによる粒子位置の制御が達成され得る。とくに、（位置決め）フローの選択的な制御の間に、位置決め流体の少なくとも一部は、分析チャンバから注入または排出される。
【００９５】
本発明の一の態様によれば、一時的な位置決めフローは、機械的又は電気的な要素と前記位置決め流体との直接接触を必要とすることなく発生することが分かる。
【００９６】
図３〜図９および図１０の方法を用いて異なる実施形態について説明したが、異なる例示的な実施形態の有する特性を選択し、それらを組み合わせることでも、これらの実施形態を組み合わせることができることは、当業者であれば明確に理解し得るものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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