(57)【要約】  【課題】  より高精度により簡便に液滴の量を知ることができるマイクロ流体制御システムを提供する。  【解決手段】  主液体１４が流れる流体流路１と、該流体流路１に対し液滴９となる母相液体５２を所定の流速で流すことにより流体流路１に母相液体５２によりなる液滴９を生成する液滴生成手段５と、液滴９を選別する液滴選別手段２とを有するマイクロ流体制御システムである。流体流路１の経路には、液滴生成手段５と液滴選別手段２との間に液滴９をカウントする液滴カウント部６が配置されている。液滴カウント部６により、単位時間当たりに液滴カウント部６を通過する液滴９の数を計測することができる。そして、母相液体５２の流速と、流体流路１を流れる単位時間当たりの液滴９の数とにより、液滴９一つの量を知ることができる。  【選択図】  図１
2005049273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主液体が流れる流体流路と、該流体流路に対し液滴となる母相液体を所定の流速で流すことにより前記流体流路に前記母相液体によりなる液滴を生成する液滴生成手段と、を有するマイクロ流体制御システムにおいて、
前記流体流路を流れる前記液滴をカウントする液滴カウント部を有することを特徴とするマイクロ流体制御システム。
【請求項２】
前記流体流路は、該流体流路の下流で液滴が振分けられる振分け流路を有するものであり、該振分け流路の上流に、該振分け流路に液滴を振分ける液滴選別手段を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体制御システム。
【請求項３】
前記液滴カウント部は、前記流体流路の前記液滴が流通する領域にセンサ光を照射する投光部と、前記センサ光が前記液滴と交差したかどうかを検知する液滴検知部とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ流体制御システム。
【請求項４】
前記液滴カウント部は、前記流体流路に交差するように、互いに間隔を隔てて配置された第１導電部及び第２導電部を有し、前記第１導電部及び前記第２導電部に接触したときに、第１導電部及び第２導電部間に導通する電流の変化を検出することにより、前記流体流路内の液滴をカウントするものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ流体制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体流路中に流れる微量の液滴を生成・分離するマイクロ流体制御システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
細胞を液体中に分散整列させて、液体ごとひとつづつ流路に流しながら、個々の細胞にレーザー光等の検出光を照射し、個々の細胞の特性を解析した上で、細胞の特性毎に細胞を分取（ソーティング）する技術がある。このような技術においては、細胞が整列した状態で流路を流れるように、流路を流れる主液体中に細胞を含有する液滴を生成するようにしている。このように、流路を流れる主液体中に主液体とは異なる液滴を生成する手段としては、下記非特許文献１に開示されているようなものがある。これは、主液体が流れる主流路と交差するように液滴の母相液体が流れる母相液体流路を設け、この母相液体流路から主流路を流れる主液体に対して、母相液体を流通させることにより、主液体中に母相液体により構成される液滴を生成するものである。
【０００３】
そして、細胞を含有する液滴が流れる流路の経路上に、細胞の特性を検出する情報検知部や、含有される細胞の特性に応じて液滴を選別する液滴選別手段を備えれば、下記非特許文献１に開示されている技術を細胞の分取に採用することができる。このように、微小な流体流路を流れる主液体中に液滴を生成する液滴生成手段を有するシステムをマイクロ流体制御システムとする。
【０００４】
上記のように主液体中に液滴を生成して、この液滴中に細胞を含有させる場合、細胞を整列して流路に流すためには、液滴一つに一つの細胞が含有されているのがよい。そのため、生成される一つの液滴の量を調節することで、液滴に所定量の細胞が含有されるようにしている。液滴の量を適切な量に調節する場合、現在生成されている液滴の量を正確に知る必要があるが、従来のマイクロ流体制御システムにおいては、液滴の量を知るために、流体流路を流れる液滴をカメラ等の撮影手段により直接撮影し、その画像からわかる液滴の大雑把な大きさから液滴の量を知るようにしていた。
【非特許文献１】『Formation of Liquid Droplets in a Microchannel Network for Microreactor Applications』,19TH PROCEEDINGS SENSOR SYMPOSIUM,2002.pp131〜134
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の技術的手段によると、大雑把な液滴の量しか知ることができないし、また、液滴の流体流路を流れる速さが速い場合には、通常のビデオカメラを使用すると、流体流路を流れる液滴の速さに撮影が追いつかないという問題がある。一方、高速度カメラを使用すれば、液滴の速さに追従して撮影を行うことができるが、高速度カメラが高価であるという問題がある。さらに、これら撮影手段により一つの液滴の量を知ろうとする場合、撮影された画像を画像処理しなければならず、手順が煩雑となる。
【０００６】
本発明は、上記問題を鑑みて為されたものであり、より高精度により簡便に、生成された液滴の量を知ることができるマイクロ流体制御システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のマイクロ流体制御システムは、主液体が流れる流体流路と、該流体流路に対し液滴となる母相液体を所定の流速で流すことにより前記流体流路に前記母相液体によりなる液滴を生成する液滴生成手段と、を有するマイクロ流体制御システムにおいて、前記流体流路を流れる前記液滴をカウントする液滴カウント部を有することを特徴とする。
【０００８】
なお、本発明において、液滴をカウントするとは、液滴の数を計測することを含むとともに、液滴が液滴カウント部を通過するタイミング（複数の液滴が液滴カウント部を通過する時間間隔）を検知することも含むものとする。
【０００９】
さらに、本発明のマイクロ流体制御システムは、前記流体流路は、該流体流路の下流で液滴を振分ける振分け流路を有するものであり、該振分け流路に液滴を振分ける液滴選別手段を有するものとすることができる。
【００１０】
以下、具体的な液滴カウント部の構成について述べる。まず、前記液滴カウント部は、前記流体流路の前記液滴が流通する領域にセンサ光を照射する投光部と、前記センサ光が前記液滴と交差したかどうかを検知する液滴検知部とを有するものとすることができる。
【００１１】
投光部からセンサ光を照射する手段を採用する場合、前記液滴検知部は、前記流体流路を介して前記投光部とは反対側に配置されるとともに、前記流体流路及び前記液滴を透過するセンサ光を受光する受光部であるとすることができる。
【００１２】
また、投光部からセンサ光を照射する手段を採用する場合、前記液滴検知部は、センサ光が前記液滴と交差したときに、前記液滴により反射される反射光を受光する受光部であるものとすることもできる。
【００１３】
さらに、投光部からセンサ光を照射する手段を採用する場合、前記液滴カウント部は、前記流体流路を介して前記投光部とは反対側にセンサ光を反射する反射手段を有し、前記液滴検知部は前記反射手段により反射される反射光を受光する受光部であるものとすることもできる。
【００１４】
上記のように、センサ光を用いない液滴カウント部としては、以下のようなものがある。つまり、前記液滴カウント部は、前記流体流路に交差するように、互いに間隔を隔てて配置された第１導電部及び第２導電部を有し、前記第１導電部及び前記第２導電部に接触したときに、第１導電部及び第２導電部間に導通する電流の変化を検出することにより、前記流体流路内の液滴をカウントするものとすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
上記のように、液滴生成手段により生成された液滴をカウントする液滴カウント部を備えることで、単位時間に流体流路を流れる液滴を計測することができる。ここで、流体流路に供給される母相液体の単位時間当たりの流量は所定量とされている。そのため（単位時間当たりの液滴の数）×（液滴一つの量）＝（流体流路に供給される母相液体の単位時間当たりの流量）の関係があるので、単位時間当たりの液滴の数と流体流路に供給される母相液体の単位時間当たりの流量がわかれば、液滴一つの量を知ることが可能となる。具体的には、液滴カウント部により計測された液滴の数をシステムの制御系に送信し、制御系において所定の演算をすることで、液滴一つの量を知ることができる。なお、制御系が設けられていなくても、所定の演算さえ行えれば、液滴一つの量を知ることが可能である。このような技術的手段によれば、液滴を撮影手段により撮影し、その大雑把な大きさから液滴の量を求める手段とは異なり、より精度よく簡便に、生成される液滴の量を知ることができるのである。
【００１６】
さらに、振り分け流路に液滴を振り分ける液滴選別手段を有するシステムにおいては、量が既知である液滴を所定数振り分けることで、液滴を構成する母相液体を極微量の所定量採取することが可能となる。液滴一つの量は、例えば１８ピコリットル〜２２ピコリットルとされるので、液滴を構成する母相液体を、この液滴一つ分のバラツキ内で、高精度に秤量することができるのである。具体的には、母相液体をナノリットルのオーダーで高精度に採取することができる。
【００１７】
さらに、液滴選別手段は、流体流路の所定の位置に液滴が流通したときに、液滴をそれぞれの流路に振り分けるための動作をするものである。この場合、流体流路の所定の位置に液滴が位置することがわかって、はじめて液滴を振り分けるための動作を行うことができる。そこで、本発明においては、液滴カウント部により液滴が流体流路を流れる時間間隔（タイミング）を知ることができるので、そのタイミングにあわして、液滴を振り分けるための動作を行えばよい。
【００１８】
液滴選別手段としては、液滴を帯電させる帯電部と、帯電された液滴をその極性により振り分けるソータ部とを有するものとすることができる。上記で説明した液滴を振り分けるための動作としては、液滴を帯電させる動作とすることができる。本発明の構成によれば、液滴が流体流路を流れる時間間隔（タイミング）がわかるので、このタイミングに合わせて液滴を帯電させる動作を行うようにすればよい。帯電部により、正負いずれかに帯電された液滴は、その極性に応じて対応する振り分け流路にソータ部により振り分けられる。ソータ部としては、流体流路の少なくとも側方片側に配置され、正負いずれかの電圧が印加された電極とすることができる。なお、流体流路の側方両側にソータ部としての電極を配置することもでき、この場合、両側に配置される電極の極性が逆となるようにする必要がある。このようなソータ部により、帯電された液滴は、その極性に応じて吸引力あるいは反発力を受け、それぞれの極性に対応する振分け流路に振り分けられる。
【００１９】
また、液滴選別手段としては、液滴の誘電率が主液体の誘電率よりも大きいときに、電圧の印加に伴い、流体流路を流れる液滴を引き込む電極を具備するものとすることができる。この場合、液滴を振分け流路に振り分ける動作としては、液滴を電極に引き込む動作とすることができる。より具体的には、電極に電圧を印加したときに、液滴が電極に引き込まれるので、この液滴を引き込む電極に電圧を印加する動作とすることができる。本発明においては、液滴カウント部により、流体流路を流れる液滴の時間間隔（タイミング）がわかるので、このタイミングにあわせて、液滴を引き込む電極に電圧を印加する動作を行うようにすればよい。
【００２０】
液滴の誘電率が主液体の誘電率よりも大きい場合に、電極に電圧を印加したとき、電極間に液滴が引き込まれる理由は、マクスウェルの応力によるためであると推察される。電極間の電界、すなわち、電気力線は、電界に平行な方向には縮もうとする応力を持ち、また電界と垂直な方向には広がろうとする応力を持つ。この応力をマクスウェルの応力という。この応力の大きさは電界強度と誘電率の大きさで決まり、電極間に誘電率の異なる液体が存在する場合、電界の向きに対して垂直な方向へひろがろうとする応力は、誘電率の高い液体側のほうが大きい。そのため、本件の場合、より誘電率の大きい液滴は、電極間に引き込まれる方向へ力を受けることになると推察される。以下、本明細書において、電極間に母相液体が引き込まれる力を「電界による引き込み力」と総称する。
【００２１】
また、液滴カウント部として、センサ光を照射する投光部と、センサ光が液滴と交差したかどうかを検知する液滴検知部とを有するものを採用すれば、液滴をカウントすることができる。センサ光を流体流路の経路上のある領域に照射しておくと、流体流路を流れる液滴がこのセンサ光が照射されている領域に進入したときに、センサ光と液滴が交差する。そして、液滴検知部において、センサ光と液滴が交差するのを検知して、それを記憶しておけば、液滴をカウントすることができる。
【００２２】
液滴検知部としては、液滴とセンサ光が交差した場合に、液滴を透過する透過光（センサ光）を検知するものや、液滴によるセンサ光の反射光を検知するもの等を例示することができる。
【００２３】
また、液滴カウント部として、流体流路のある領域に間隔を隔てて一対の導電部を設け、この導電部間に流れる電流の変化を検出するものを採用すれば、導電部間の電流が変化したときに、流体流路のある領域を液滴が通過したとできるので、それを記憶しておけば、液滴をカウントすることができる。この場合、導電部間の電流の変化を検出するため、主液体と液滴との少なくとも一方は導電性を有する必要がある。また、主液体と液滴とがどちらも導電性を有するものの場合、両者の電気抵抗が異なるものを採用する必要がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明のマイクロ流体制御システムの第１の実施形態を示す概略図である。図１に示すように、本実施形態のマイクロ流体制御システムによれば、流体通路１は、微小な目標物としての細胞が含まれている微小な液滴９が分散した主液体１４を流すための流体流路１と、該流体流路１に液滴を生成する液滴生成手段５とを有している。さらに液滴生成手段５により生成された液滴９をカウントするための液滴カウント部６と、液滴９に含有されている細胞の特性を検知する情報検知部７と、情報検知部７により検知された細胞の特性に応じて液滴９を選別する液滴選別手段２とを有する。また、流体流路１の液滴選別手段２よりも下流には、２つの振分け流路１２が形成されており、液滴選別手段２により選別された液滴９が振り分け流路１２１、１２２にそれぞれ振り分けられるようになっている。
【００２５】
流体流路１は、例えば樹脂製の基板の表面上に溝が形成されているようなものであって、この溝が目標物としての液滴９を流通させるための流体流路１を形成することになる。また、流体流路１は、基板に形成されている溝が蓋部材により覆われて密閉されている状態のものとすることもできる。また、基板の内部に埋設して形成されている流体流路１とすることもできる。
【００２６】
流体流路１は、微小な目標物としての微小なサイズの液滴９（目標物）が分散した主液体１４を流す主流路１０と、主流路１０の下流で液滴９を振り分ける振分け流路１２とを持つ。主流路１０の上流には、主液体１４を吐出するための供給源としてのポンプ１５が設けられている。振分け流路１２は、主流路１０の下流において、Ｙ形状に分岐しており、第１振分け流路１２１と第２振分け流路１２２とを有する。
【００２７】
図１に示すように、液滴生成手段５は液滴生成流路５０を有する。液滴生成流路５０は、液滴９の母相となる母相液体５２を流体流路１に対して流すものであり、流体流路１の主流路１０の上流側において交差域５４を介して交差される。液滴生成流路５０の上流には供給源としてポンプ５５が設けられている。ポンプ５５から母相液体５２が液滴生成流路５０に供給される。主流路１０にまで到達した母相液体５２は、主流路１０と液滴生成流路５０との交差域５４において、主流路１０に進入し、この進入した母相液体５２が主液体１４により分断されることにより液滴９が生成されることになる。
【００２８】
本実施の形態の場合、母相液体５２として、目標物としての細胞が含有されている細胞懸濁液を採用することができる。液滴生成手段５によれば、母相液体５２に細胞が含有されていれば、液滴９内に細胞を封入した状態で液滴９を生成することができる。このように、細胞が含有された状態で液滴９を生成することにより、この液滴９を本マイクロ流体制御システムに供給することで、細胞の振り分けを行うことができる。一般的には、一つの液滴９に一つの細胞を入れるようにしており、一つの液滴９と一つの細胞が対応している。目標物としての細胞の平均径は０．１μｍ〜５００μｍの範囲のもの例示することができる。目標物としては、具体的に、オルガネラ、バクテリア、動物細胞、植物プロトプラスト等とすることができる。また、複数の細胞が一体となった細胞塊でもよい。さらに、生体分子以外の微粒子も目標物として含むことができる。
【００２９】
なお、液滴９の母相となる母相液体５２としては、水を主要成分とするものを採用することができる。液滴９の搬送用及び母相液体５２の分断用の主液体１４としては、母相液体５２に対して溶解性が低いものを採用することができる。したがって、母相液体５２として水を主成分とするものを採用する場合、主液体１４としては、疎水性を有する液状物、例えば油類、フルオロカーボンを採用することができる。油類としては、ひまわり油、オリーブ油、きり油、あまに油、シリコーンオイル、ミネラルオイル等を例示することができる。
【００３０】
母相液体５２の成分としては水系を採用することができる。主液体１４は油系であり、母相液体５２は水系であるので、生成された液滴９はいわゆるwater‐in‐oil型の液滴９となる。そのため、液滴９が主液体１４と交じり合うことを防止することができる。
【００３１】
液滴生成手段５により主流路１０中に生成された液滴９は、液滴カウント部６においてカウントされる。以下、液滴カウント部６の具体例について説明する。液滴カウント部６としては、例えば、以下に示すようなものを使用することができる。図２に示す液滴カウント部６は、光透過式であり、液滴生成手段５で分断された液滴９を検知し、液滴９をカウントするものである。液滴カウント部６は液滴９が流れる流体流路１を挟むような形態で配置された投光部６０と液滴検知部としての受光部６１とから構成されている。液滴９が流体流路１の投光部６０と受光部６１との間に存在しないとき、投光部６０から照射された光が流体流路１を通過し、受光部６１まで到達する。一方、流体流路１の投光部６０と受光部６１との間に液滴９が存在するときは、投光部６０から受光部６１まで透過する光は液滴９により遮断されるか、透過量が減少する。そのため、受光部６１において検知される光の検知量が減少した場合に、液滴をカウントとするようにしている。なお、投光部６０と受光部６１とは、それぞれの位置を逆にしても同様の作用を奏する。
【００３２】
なお、センサ光を照射することにより、液滴９をカウントする場合、流体流路１が形成されている基板をセンサ光が透過する必要があるので、流体流路１が形成されている基板は、センサ光に対して透明なものを使用する必要がある。
【００３３】
図３は、液滴カウント部の他の具体例を示す図である。図３に示す液滴カウント部６Ａは、液滴９が流通する流体流路１の片側にセンサ光を照射する投光部６０Ａと、流体流路１を介して投光部６０Ａとは反対側に配置される反射手段としてのミラー６６を有する。ミラー６６は、流体流路１が形成される基板１８の、投光部６０Ａが配置される側とは反対側に、流体流路１と重なる形で取り付けられている。このような構成によれば、投光部６０Ａから照射されるセンサ光は流体流路１を通ってミラー６６に至り、ミラー６６により反射される。そして、このミラー６６からの反射光を検知することにより、液滴９の数と時間間隔をカウントすることができる。つまり、液滴９が流通していないときと、液滴９が流体流路１を流通するときのミラー６６からの反射光は、強度が異なるので、この強度が通常の場合とは異なるときに液滴をカウントすることができる。なお、ミラー６６からの反射光は、投光部６０Ａにより受光することが可能である。この場合、反射光を検出する受光部は投光部６０Ａとすることができる。また、投光部６０Ａとは別に受光部を設けることも当然可能である。
【００３４】
さらに、液滴カウント部は、図４のような構成を採用することもできる。図４に示す液滴カウント部は、流体流路１の片側に配置されて流体流路１を流れる液滴９にセンサ光を照射する投光部６０Ｃと、該液滴９にセンサ光が当たったときに、該センサ光からの反射光を検知する液滴検知部としての受光部６１Ｃとを有する。投光部６０Ｃと受光部６１Ｃとは、流体流路１に対して同じ側に配置されており、受光部６１Ｃは、投光部６０Ｃから照射されるセンサ光の液滴９による反射光を検出できるように配置されている。このような方法を採用すれば、液滴カウント部６Ｃを液滴９が通過していないときは、液滴９によるセンサ光の反射光は受光部６１Ｃにおいて検出されないが、液滴９が液滴カウント部６Ｃを通過するときには、液滴９によるセンサ光の反射光が受光部６１Ｃにおいて検出される。そのため、液滴９をカウントすることができる。
【００３５】
図５は、通電方式の液滴カウント部６Ｂの一例を示すものである。液滴カウント部６Ｂは、液滴生成手段５により生成された液滴９を検知し、液滴９をカウントするものである。液滴カウント部６Ｂは、液滴９が流れる流体流路１の主流路１０に間隔を隔てて設けられた第１導電部６３及び第２導電部６４とを有する。第１導電部６４と第２導電部６３とはそれぞれの一端が検知部６５を介して接続されており、それぞれの他端は流体流路１中で接触することなく配置されている。第１導電部６３と第２導電部６４との間隔は、液滴９の直径よりも短く設定されている。さらに、液滴９は導電性を有し、主液体１４は電気絶縁性を有するものとされる。そのため、第１導電部６３と第２導電部６４との間に液滴９が存在しないときには、第１導電部６３と第２導電部６４とは非導通である。一方、第１導電部６３と第２導電部６４との間に液滴９が存在するとき、つまり流体流路１を流通する液滴９が液滴カウント部６Ｂに到達したときには、第１導電部６３と第２導電部６４とが導通することになる。そのため、検知部６５における電流を検知すれば、液滴９の存在を検知することができ、液滴９をカウントすることができる。なお、主液体１４が絶縁性を有するものでなくても、液滴９を構成する母相液体５２と主液体１４とが異なる電気抵抗を持つものであれば、液滴カウント部６Ｂを液滴９が通過するときと、通過しないときとで、第１導電部６３と第２導電部６４との間を流れる電流の値は異なるので、この電流の差異により液滴９をカウントすることができる。また、液滴９が導電性を有していなくても、主液体１４が絶縁性を有していない限り、検知部６５における電流の値は変化するので、液滴９をカウントすることができる。
【００３６】
次に、情報検知部７について説明する。図１に示すように、情報検知部７は、流体流路１の主流路１０の検知位置１０ｒ付近に設けられている。情報検知部７は光学的検知方式を採用しており、先端部が検知位置１０ｒに対面する光ファイバ７０、７１と光ファイバ７１の他端部に電磁波としての例起用のレーザビーム（検査光）を投光するレーザ素子を有する投光部７２、レーザビームにより細胞で励起されて発光した蛍光を受光する受光部７３、受光部７３における受光信号に基づいて細胞に関する情報を検知する検知部７４とを有する。細胞は予め蛍光物質が胆持された状態で供給されるものであり、レーザビームにより励起されて蛍光を発するものである。このように光ファイバ７０、７１の先端部を検知位置１０ｒの液滴９に接近状態で対面させるため、光学系の情報検知部７の本体を、邪魔にならないように液滴９から離れた位置に設けることができる。
【００３７】
細胞を含有する液滴９が主流路１０を流れて情報検知部７に到達すると、情報検知部７に投光部７２から光ファイバ７０を経て投光された検査光としてのレーザビームは細胞を含有する液滴９の細胞に集光する。この結果、レーザビームが照射された細胞に予め胆持されている蛍光物質が励起される。励起されて発生する蛍光は、光ファイバ７１を介して受光部７３に受光される。これにより検知位置１０ｒに到達した細胞が特定の特性を有する細胞（目標細胞）であるかどうかが検知される。そして、特定の特性を有する目標細胞である場合には図示しない制御系に目標細胞である旨の目標細胞信号を出力する。一方、目標細胞ではない場合は、目標細胞ではない旨の非目標細胞信号を制御系に出力する。
【００３８】
次に、液滴選別手段２について説明する。液滴選別手段２は、図１に示すように、流体流路１の主流路１０のうち情報検知部７よりも下流側に設けられている。液滴選別手段２は、液滴９を選別するために液滴９に正あるいは負の極性を付与する帯電部３と、液滴９の極性に応じて液滴９を個別に振り分けるソータ部４とを有する。
【００３９】
図６に示すように、帯電部３は液滴９の電荷を静電誘導させる第１帯電用電極３１と、第１帯電用電極３１と同極性の電荷を逃がす第２帯電用電極３２との組で形成されている。第１帯電用電極３１は、帯電用電源３４、３５にスイッチ３３を介して接続されている。第２帯電用電極３２は接地されている。スイッチ３３により端子３３ａと端子３３ｃを接続することにより、第１帯電等電極３１は電源３５に接続されて正の極性となる。一方で、スイッチ３３により端子３３ｂと端子３３ｃとを接続することにより、第１帯電用電極３１は負の極性となる。このようにスイッチ３３により第１帯電用電極３１の極性を変更することができる。
【００４０】
図７は、図６のＢ−Ｂ断面図である。第１帯電用電極３１は主流路１０の上側に配置されており、第２帯電用電極３２は主流路１０の下側に液滴９と接触するように配置されている。液滴９を負の極性に帯電させる場合、スイッチ３３により第１帯電用電極３１を電源３５に接続する。すると、第１帯電用電極３１は正の極性となる。この状態で液滴９が帯電部３に接近すると、液滴９の第１帯電用電極３１に近い側（上部）に静電誘導により負の電荷が集まる。これに対して、液滴９の第１帯電用電極３１から遠い側（下部）には正の電荷が集まる。この状態で、液滴９が第２帯電用電極３２に接触すると、第２帯電用電極３２は接地されているので、第２帯電用電極３２に正の電荷が逃げる。これにより、液滴９には負の電荷がより多く残り、液滴９の極性を負にすることができる。液滴９の極性を正にするには、スイッチ３３により第１帯電用電極３１を電源３４に接続し、第１帯電用電極３１の極性を負にすることにより実現することができる。
【００４１】
上記のように、第１帯電用電極３１の極性を切り替えることで液滴９に任意の極性を付与することができる。そのため、情報検知部７において、特定の特性を有する目標細胞を含有する液滴９と、それ以外の液滴９とに、それぞれ逆の極性を付与することができる。
【００４２】
本実施形態においては、液滴９を帯電させるために、第１帯電用電極の極性を切り替えるタイミングは、液滴カウント部６により計測された液滴９が流通する時間間隔（タイミング）に合わせて行われる。
【００４３】
上記のように、所定の極性に設定された液滴９が帯電部３からソータ部４に到達すると、液滴９は極性に応じて振り分けられる。図６に示すように、ソータ部４は、主流路１０の通路幅方向にそれぞれ間隔をあけて配置された第１選別用電極４１と第２選別用電極４２とで構成されている。本実施形態においては、第１選別用電極４１は正の極性とされており、第２選別用電極４２は負の極性とされている。なお、第１選別用電極４１と第２選別用電極４２の極性は、逆の極性になっていればよく、第１選別用電極４１が負の極性で、第２選別用電極４２が正の極性としてもよい。ソータ部４の下流側において、主流路１０は振り分け流路１２に分岐される。振り分け流路１２は、第１振り分け流路１２１と第２振り分け流路１２２との二つに分岐されている。第１選別用電極４１が配置されている側に第１振り分け流路１２１が、第２選別用電極４２が配置されている側に第２振り分け流路１２２がそれぞれ配置されている。
【００４４】
第１選別用電極４１の極性が正とされている場合に、負の極性の液滴９が流通すると、液滴９は第１帯電用電極４１に静電吸引力により吸引されて、ひいては、第１振り分け流路１２１にＡ３方向に流れて、第１振り分け流路１２１に振り分けられることになる。この場合、第２選別用電極４２は液滴９と同じ極性（負）とされているので、液滴９には第２選別用電極４２からの静電反発力も働き、この静電反発力も第１振り分け流路１２１への振り分けに寄与する。一方、正の極性の液滴９が流通すると、液滴９は第２選別用電極４２からは静電吸引力を受け、第１選別用電極４１からは静電反発力を受ける結果、液滴９は第２振り分け流路１２２に振り分けられることになる。なお、第１選別用電極４１の極性が負で、第２選別用電極４２の極性が正の場合は、負の極性の液滴９は第２選別用電極１２２に振り分けられ、正の極性の液滴９は第１選別用電極１２１に振り分けられることになる。
【００４５】
液滴９が細胞を含有するものであるとき、細胞の特性に基づいて液滴９の極性を区別しておけば、特定の特性を有する細胞とそれ以外の細胞とを振り分け流路１２に振り分けることができる。
【００４６】
また、液滴選別手段２としては、図８及び図９のような構成を採用することもできる。図８及び図９においては図６と共通する部位には基本的に共通のを符号を付与するものとする。図８の液滴選別手段２Ｂは、帯電部３と、帯電部３により帯電された液滴９をローレンツ力により振り分けるソータ部４Ｂとを有する。具体的には液滴選別手段２Ｂは磁界発生部８である。図８においては、磁界発生部８により、紙面に垂直な方向に、紙面上から紙面下に向かう磁界が発生している。帯電部３により極性が負とされている液滴９は、磁界によりＦＡの向きのローレンツ力を受ける。そのため振り分け流路１２２に振り分けられる。一方、正の極性の液滴９は、磁界によりＦＢの向きのローレンツ力を受け、その結果、振り分け流路１２１に振り分けられる。
【００４７】
図９の液滴選別手段２Ｃは、液滴９を「」により振り分けるものである。液滴選別手段２Ｃは、具体的には、主流路１０の振り分け流路１２の上流側において、流路幅方向において互いに対面するように設けられた第１対向電極４５と第２対向電極４６とで構成されているソータ部４Ｃを有する。図１０は、図９のＣ−Ｃ断面図を示す。図１０に示すように、第１対向電極４５（第２対向電極４６）は、スイッチ３３ｃ（スイッチ３４ｃ）を介して電源４７（電源４８）と接続されている。電源４７、４８は交流電源とされている。これら第１対向電極４５と第２対向電極４６とは、主流路１０を上下に挟むように、それぞれ２個１組の電極で形成されている。また、２組の対向電極同士は主流路１０の流路幅方向において所定の間隔をあけて配置されており、これらの対向電極同士は互いに非接触とされる。第１対向電極４５と第２対向電極４６との間に形成されている間隔は、主流路１０の中央部に形成されるようにしておき、第一流路１０の中央を流れる液滴９が、ちょうど互いの対抗電極間を通るようにしておく。なお、第一流路１０を流れる液滴９は、通常略中央部を通る傾向にあるので、液滴９を主流路１０の中央に流通させるのは比較的容易である。また、主流路１０の中央部に形成されている第１対向電極４１と第２対向電極４２との隙間は、液滴９の直径よりも短く設定されている。第１対向電極４５は第１振り分け流路１２１側に配置されており、第２対向電極４６は第２振り分け流路１２２側に配置されている。
【００４８】
主流路１０を流通する液滴９を第１振り分け流路１２１に振り分けるときは、液滴９がソータ部４Ｃに到達したときに、スイッチ３３ｃにより、第１対向電極４１間に電圧を印加する。第２対向電極４２には電圧は印加しないようにしておく。液滴９は主液体１４よりも誘電率が大きいので、「」により液滴９が第１対向電極４１間に引き込まれる。その結果、液滴９は第１振り分け流路１２１側に寄せられ、Ａ３方向に流れて第１振り分け流路１２１に振分けられる。一方、第２振分け流路１２２に液滴９を振分けるときは、第１対向電極４１間に電圧を印加させず、スイッチ３４ｃにより第２対向電極４２間に電圧を印加する。これにより、第２対向電極４２間に液滴９が「電界による引き込み力」により引き込まれる。その結果、液滴９が第２振分け流路１２２側に寄せられ、Ａ４方向に流れて第２振分け流路１２２に振り分けられる。
【００４９】
上記の「電界による引き込み力」により液滴９を選別する方法を採用する場合、第１対向電極４１間あるいは第２対向電極２間に液滴９を引き込むための電圧を印加するタイミングは、液滴カウント部６により計測された液滴９が流通する時間間隔（タイミング）に合わせて行われる。
【００５０】
本実施形態においては、液滴９として細胞を含有するものを採用し、この細胞を分離選別する細胞分離選別装置として、本発明のマイクロ流体制御システムを使用する場合について説明しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、本発明のマイクロ流体制御システムにおいては、液滴９として細胞等の目標物を含有しないものを採用してもよい。この場合、液滴生成手段５により生成された極微量の液滴９を、液滴選別手段２により選別して振り分けることにより、液滴９を構成する母相液体５２を、ナノリットルのオーダーで採取することができる。
【００５１】
このような、マイクロ流体制御システムにおいて、液滴カウント部６を設けることにより、液滴９をカウントし、所定数の液滴９を振分けることで、微量の母相液体５２を少ない誤差で採取することができる。
【００５２】
また、液滴生成手段としては、図１に示す液滴生成手段５の他に以下のような液滴生成手段５Ａを採用することもできる。図１１、図１２、図１３、図１４は、液滴生成手段５Ａの概要を説明する図である。図１４は、図１１のＡ−Ａ断面図である。図１１から図１３に示すように、流体流路１は、上流側に設けられた流路幅（Ｄ1）の層流流路２０と、該層流流路２０から分岐領域Ｒにおいて分岐される主流路１０及び母相液体流路１７とを有する。主流路１０の流路幅（Ｄ２）は、層流流路２０の流路幅（Ｄ１）よりも狭くされている。また、流体流路１の分岐領域Ｒには、層流流路２０の流路幅（Ｄ１）から主流路１０の流路幅（Ｄ２）に変化するに伴って、母相液体流路１７が形成されている側とは反対側に傾斜案内面１０ｐが形成されている。
【００５３】
また、流体流路１の分岐領域Ｒには流体流路１に対面するように対向電極４９が配置されている。図１４に示すように、対向電極４９は電源８１にスイッチ８０を介して接続されており、流体流路１を上下に挟むように２個一組の電極で構成されている。図１１の状態では対向電極４９間に電圧は印加されていない。この対向電極４９は、層流流路２０の母相液体流通領域Ｙから分岐領域Ｒを通って主流路１０に通じる領域に沿って配置されている。つまり、対向電極４９間には、その上流側の一端では母相液体５２が主体に流通し、下流側の他端では主液体１４が主体に流通するようになっている。
【００５４】
以下、上記のような液滴生成手段５Ａの作用についてくわしく説明する。流体流路１の層流流路２０には、主液体１４と、液滴９となる母相液体５２とが層流をなして、主液体１４がＥ２方向に、母相液体５２がＥ１方向に流れるようになっている。層流流路２０の流路幅（Ｄ１）や、主液体１４及び母相液体５２の単位時間当たりの流量や、主液体１４と母相液体５２とが一緒に流れる領域の長さ等を適宜設定することにより、主流路１０を流れる主液体１４と母相液体５２とを層流となすことができる。主流路１０において、主液体１４は主流路１０の流路幅方向の一方側を流れ、母相液体５３は他方側を流れるようになっている。主流路１０のうち主に主液体１４が流れる主液体流通領域Ｘは主流路１０に通じており、母相液体流通領域Ｙは母相液体流路１７に通じている。
【００５５】
そして、分岐領域Ｒには層流流路２０の主液体流通領域Ｘ側に傾斜案内面１０ｐが形成されており、この傾斜案内面１０ｐにより主液体１４がＥ３方向に寄せられて主流路１０に流通し、主流路１０を下流に向けてＥ４方向に流れる。一方、主液体１４により母相液体流路１７側に寄せられた母相液体５２は、基本的には母相液体流路１７に向けてＥ５方向に流れる。そのため、主流路１０を層流をなして流れる主液体１４と母相液体５２とは主流路１０と母相液体流路１７とにそれぞれ分岐されて流通することになる。
【００５６】
以上は対向電極４９間に電圧を印加しない場合について示したものである。対向電極４９間に電圧を印加しないと、液滴９の生成は行われない。次に液滴９を生成する場合について説明する。液滴９を生成するときには対向電極４９間に電圧を印加することで行うことができる。対向電極４９間には主液体１４と母相液体５２とが存在している（図１１参照）。この状態で対向電極４９間に電圧を印加すると、対向電極４９間に電界が生じ、対向電極４９間に存在する母相液体５２に「電界による引き込み力」が働く。ここで、図１２に示すように、対向電極４９の下流側の一端４９ｗは、分岐領域Ｒにおいて主流路１０と母相液体流路１７との分岐点１７ｗよりも寸法Ｗ分下流にまで延びる形で配置されている。このため、主液体１４よりも誘電率が大きい母相液体５２は、層流流路２０から母相液体流路１７に流れつつも、その一部５２ｘは対向電極４９間の特に下流側の一端４９ｗ側に引き込まれる。この結果、母相液体５２の一部５２ｘは、流体流路１の分岐点１７ｗよりも下流側にＥ４方向に向けて移行し、主流路１０に進入しようとする。
【００５７】
この状態で、対向電極４９に印加する電圧を停止すれば、対向電極４９間の誘電体に働く「電界による引き込み力」は実質的に消失する。このため、主液体１４の流れは、図１１に示す状態に戻ることになる。つまり、傾斜案内面１０ｐによりＥ３方向に向かって主液体１４が再び寄せられる。このため、対向電極４９間に引き込まれて主流路１０の下流側に延びた母相液体５２に主液体１４が割り込むことになる。したがって、主流路１０に進入しようとする母相液体の一部５２ｘは、図１３に示すように、分断箇所Ｋ１において主液体１４により分断され、母相液体５２の一部５２ｘが液滴９となる。このように生成された液滴９は、主液体１４に囲まれた状態で、主流路１０の下流に向けてＥ４方向に流れる。このように、対向電極４９間に印加する電圧のオン、オフを繰り返すことにより液滴９が間欠的に生成されることになり、複数の液滴９が主流路１０の下流側に向けて流れることになる。なお、図１３においては液滴９の輪郭を９Ｘとして示す。このような液滴生成手段５Ａによれば、対向電極４９間の電圧を任意にオン・オフすることで、任意に液滴９を生成することができる。
【００５８】
（第２の実施形態）
図１５は、本発明のマイクロ流体制御システムの第２の実施形態を示すものである。図１５に示すマイクロ流体制御システムは、液滴生成手段５と、生成された液滴９をカウントする液滴カウント部６と、液滴９を振り分けるソータ部４とを有する。また、液滴９を帯電させる帯電部３Ａを有する。本実施形態においては、この帯電部３Ａが液滴カウント部６の上流側にあるのが、図１のマイクロ流体制御システムとは異なる。さらに、帯電部３Ａは、液滴９が液滴生成手段５により生成されると同時に液滴９を帯電させる点でも、図１のマイクロマイクロ流体制御システムとは異なる。液滴カウント部６及びソータ部４は、図１に示すものと同一であるので、同一の符号を付与するとともに、その説明を省略する。
【００５９】
本実施形態において、帯電部３Ａは、液滴生成手段５の交差域５４の下流に配置されている。帯電部３Ａは帯電電極３１Ａを有し、この帯電電極３１Ａがスイッチ３３Ａを介して電源３４Ａ及び３５Ａに接続されている。スイッチ３３Ａにより端子３３Ａａと端子３３Ａｃとを接続すれば、電源３５Ａにより帯電電極３１Ａの極性は正となる。一方、スイッチ３３Ａにより端子３３Ａｂと端子３３Ａｃとを接続すれば、電源３４Ａにより帯電電極３１Ａの極性は負となる。さらに、帯電電極３１Ａは、図１６（図１５のＤ−Ｄ断面図）に示すように流体流路１（特に主流路１０）の上部に配置されている。また、図１５に示すように、交差域５４に進入した母相液体５２が主液体１４により押し流されて、母相液体５２の先端部５２ａが主流路１０の下流側に位置したときに、該母相液体５２の先端部５２ａの上方に位置するように配置されている。また、本実施形態において液滴生成手段５の液滴生成流路５０には、端子３６Ａの一端が母相液体５２と接触するように配置されており、端子３６Ａの他端は接地されている。
【００６０】
上記のような構成により、液滴９を生成するときに液滴９を帯電させることができる。さらに、帯電電極３１Ａの極性を変えることで、液滴９の極性を選択して帯電させることができる。以下、帯電部３Ａの作用について具体的に説明する。母相液体５２は、例えば、細胞を含有する細胞懸濁液とすることができる。交差域５４に進入した母相液体５２に含有されている細胞が特定の特性を有する目標細胞である場合には、スイッチ３３Ａにより、例えば帯電電極３１Ａを電源３５Ａに接続して正の極性とする。これにより、交差域５４に進入した母相液体５２の先端部５２ａは静電誘導により負に帯電する。そのため、主液体１４により先端部５２ａが分断されて生成される液滴９は、図１６に示すように、負の極性を有するものとなる。一方、液滴生成流路５０を流通する母相液体５２は接地されているので、先端部５２ａが分断されたことにより母相液体５２に残留する正の電荷は、端子３６Ａに逃げ、母相液体５２全体が帯電するのが防止される。また、交差域５４に進入する母相液体５２中に特定の特性を有する細胞が含有されていない場合は、スイッチ３３Ａにより、帯電電極３１Ａを電源３４Ａに接続し、帯電電極３１Ａを負の極性とする。これにより生成される液滴９の極性は正となる。なお、液滴９を選別するためには、上記とは逆の極性を液滴９に付与してもよいことはいうまでもない。
【００６１】
なお、交差域５４に進入してきた母相液体５２に含有されている細胞が、特定の特性を有する目標細胞であるかどうかは、交差域５４に設定されている検出位置１０ｒＡに配置される情報検知部（図示せず）により、行うことができる。この情報検知部は、図１に示す情報検知部７と同一の構成を有するものである。しかし、図１に示す情報検知部７とは異なり、液滴９内に含有されている細胞に検査光を照射するものではなく、交差域５４に進入した母相液体５２に含有される細胞に検査光を照射するものである。
【００６２】
上記のような作用により、液滴９を生成すると同時に液滴９を帯電させることができる。さらに、本実施形態においては、液滴９を帯電させた後に液滴９を液滴カウント部６によりカウントしている。液滴９を帯電させた後でも、液滴９をカウントすることにより液滴９が液滴カウント部（主流路１０の一領域）を通過するタイミングを知ることができるので、このタイミングをもとに、スイッチ３３Ａを切り替えるタイミングを設定することができる。
【００６３】
さらに、上記の第２実施形態のマイクロ流体制御システムにおいても、液滴カウント部６としては、図２〜図５に示すような液滴カウント部６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃを採用することもできる。また、ソータ部４としても、図８に示すようなソータ部４Ｂを採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】第１実施形態のマイクロ流体制御システムを説明する図。
【図２】実施形態にかかる液滴カウント部を説明する図。
【図３】実施形態にかかる液滴カウント部を説明する図。
【図４】実施形態にかかる液滴カウント部を説明する図。
【図５】実施形態にかかる液滴カウント部を説明する図。
【図６】液滴選別手段の一例を説明する図。
【図７】図６におけるＢ−Ｂ断面図。
【図８】液滴選別手段の一例を説明する図。
【図９】液滴選別手段の一例を説明する図。
【図１０】図９におけるＣ−Ｃ断面図。
【図１１】液滴生成手段の一例を説明する図。
【図１２】液滴生成手段の一例を説明する図。
【図１３】液滴生成手段の一例を説明する図。
【図１４】図１１におけるＡ−Ａ断面図。
【図１５】第２実施形態のマイクロ流体制御システムを説明する図。
【図１６】図１５におけるＤ−Ｄ断面図。
【符号の説明】
【００６５】
１  流体流路
９  液滴
１４  主液体
５、５Ａ  液滴生成手段
５２  母相液体
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ  液滴カウント部
【図１】
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【図２】
2005049273.tif 000004
【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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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