(57)【要約】【課題】  マイクロピペットから導入される液量が、操作者が微妙な調整を行わなくても安定して導入できる物質導入装置を提供することを目的とする。【解決手段】  細胞に導入する導入物質を分取するマイクロピペット６は、その基端部３６が密閉され、閉空間３６ａを形成する。さらに、マイクロピペット６は、基端部３６を覆うようにマイクロピペット支持機構１８に保持されている。マイクロピペット支持機構１８は、マイクロピペット６を水平に対して所定の角度で保持することが可能に構成されている。また、マイクロピペット支持機構１８は、マイクロピペット６内に分取した導入物質を細胞に導入する際に用いる導入手段３４が設けられている。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも液体を含む物質を内部に保持可能な保持手段を用いて、生体試料に対して前記物質を導入する物質導入装置において、
少なくとも前記物質を前記保持手段内部に保持するとき、前記保持手段における、前記導入を行う側とは反対側の端部である基端部を閉じることにより、前記保持手段内部に閉空間を形成させることが可能な手段と、
前記閉空間の形成時に、前記保持手段内部に保持した前記物質を前記生体試料に導入させる導入手段と、
を備えることを特徴とする物質導入装置。
【請求項２】
請求項１記載の物質導入装置において、
前記保持手段を着脱自在に支持する支持手段を更に備えたことを特徴とする物質導入装置。
【請求項３】
請求項２記載の物質導入装置において、
前記支持手段を移動させる移動手段を更に備えたことを特徴とする物質導入装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載の物質導入装置において、
前記閉空間は、前記保持手段の前記基端部が一体的に閉じられることによって形成されることを特徴とする物質導入装置。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の物質導入装置において、
前記保持手段の前記基端部を開閉させる開閉手段を更に備え、
前記閉空間は、前記開閉手段が前記保持手段の前記基端部を閉じることにより形成されることを特徴とする物質導入装置。
【請求項６】
請求項１又は請求項２に記載の物質導入装置において、
前記保持手段の前記基端部と大気とを連通させる連通部材を開閉させる開閉手段を更に備え、
前記閉空間は、前記連通部材を開閉させることが可能な開閉手段を用いて形成されることを特徴とする物質導入装置。
【請求項７】
請求項２に記載の物質導入装置において、
前記導入手段は、前記支持手段内に設けられているとともに、前記保持手段に接して設けられていることを特徴とする物質導入装置。
【請求項８】
請求項１に記載の物質導入装置において、
前記導入手段は、前記保持手段内部の体積を変化させることが可能な駆動素子を含むことを特徴とする物質導入装置。
【請求項９】
請求項８に記載の物質導入装置において、
前記保持手段は、その形状または体積を変形させることが可能な可変部分を有し、
前記導入手段は、前記可変部分を変形させる手段を含むことを特徴とする物質導入装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の物質導入装置において、
前記可変部分は、前記導入手段に押圧されることにより弾性変形することが可能な弾性体を含むことを特徴とする物質導入装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の物質導入装置において、
前記導入手段は、前記保持手段を加熱することが可能な発熱素子を含むことを特徴とする物質導入装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の物質導入装置において、
前記閉空間は、前記保持手段内部に前記導入のための前記物質を吸引するときにおいても形成されていることを特徴とする物質導入装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも液体を含む物質を、マイクロピペット等の保持手段によって細胞等の生体組織に導入する物質導入装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
細胞内に物質を導入する方法としては、リン酸カルシウム法、リポフェクション法、ジーンガン、エレクトロポレーション、ウィルスベクター法などがある。これらの方法は、個々の細胞を選択して細胞内に物質を導入することができない。これに対し、マイクロインジェクション法は、一つ一つの細胞を選択して物質を導入することが可能な方法である。しかし、マイクロインジェクション法は、選択した細胞に物質を導入できるものの、導入物質の吸引や導入時にマイクロピペット内の圧力を調整して、微量な液量を制御しなければならなかった。
【０００３】
例えば、特許文献１にインジェクション装置およびインジェクションの方法が記載されている。
引用文献１に記載されている装置は、マイクロピペット内の圧力を連結手段を介して加圧手段で調節することにより微量の液体や微小固体を注入または吸引させるインジェクション装置であって、マイクロピペットの先端から後方に離れた所定位置に、圧力調節液が入り、かつ、後方に行くにしたがって拡幅するテーパを有する圧力調節部が設けられ、この圧力調節部に接触する前記圧力調節液の界面の面積が増減することにより、微量の液体や微小固体の注入または吸引を調節するマイクロピペットを使用している。
このインジェクション装置では、加圧手段を操作することで連結手段を介してマイクロピペット内の空気の圧力を調節することができる。つまり、加圧手段の操作により、細胞内に注入するインジェクション液の量、または細胞内の核などをマイクロピペット内に吸引させたときの位置を調節することができる。
【０００４】
また、マイクロピペットには、後方に行くにしたがって拡幅するテーパを有する圧力調節部がある。インジェクション液を細胞内に注入する場合は、まず、圧力調節液と空気（気体）との界面を圧力調節部の内径が大きい部分に位置させておく。そして、マイクロピペット内の空気の圧力を上げれば、圧力調節液と空気との界面は圧力調節部の内径が小さい部分に移動する。この圧力調節液と空気との界面が小さくなると、空気の圧力により界面を圧力調節液側に押す力が減り、この力が表面張力により界面を空気側に押す力と等しくなった位置で、この界面の動きが止まる。
【特許文献１】特開２００３‐１２５７５０号公報
【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、従来技術では、空気の圧力と表面張力が押す力とが等しくなったところで、圧力調節液と空気との界面の動きが止まり、液量が定まるが、実際には、操作者が液量や圧力計を見ながら、マイクロピペットからチューブを介して離れたところに設けられたシリンジで調整を行っているため、吸引、導入量の正確さに欠けていた。そのため、操作者次第でマイクロピペットを用いた注入、吸引の量が変化して、試験結果にも影響を及ぼすおそれがあった。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、マイクロピペットから導入される液量が、操作者が微妙な調整を行わなくても安定して導入できる物質導入装置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】
上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、少なくとも液体を含む物質を内部に保持可能な保持手段を用いて、生体試料に対して前記物質を導入する物質導入装置において、少なくとも前記物質を前記保持手段内部に保持するとき、前記保持手段における、前記導入を行う側とは反対側の端部である基端部を閉じることにより、前記保持手段内部に閉空間を形成させることが可能な手段と、前記閉空間の形成時に、前記保持手段内部に保持した前記物質を前記生体試料に導入させる導入手段と、を備えることを特徴とする物質導入装置とした。
この物質導入装置では、保持手段に物質を分取したときに、その基端（導入端と反対の端部）側に閉空間が形成されるようになっている。このため、後に詳細に説明するように、物質を含む液体の吸引量は、保持手段の内径、閉空間の圧力などで定まる値になる。また、細長いチューブなどを介して吸引装置に接続されることがないので、圧力が不安定にならず、物質の導入時に逆流が生じない。そして、閉空間を形成した状態で、物質を生体試料に導入させる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の物質導入装置において、前記保持手段を着脱自在に支持する支持手段を更に備えたことを特徴とする物質導入装置とした。
この物質導入装置は、支持手段から保持手段を取り外すことができるので、用途などに合わせて保持手段を交換できる。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項２記載の物質導入装置において、前記支持手段を移動させる移動手段を更に備えたことを特徴とする物質導入装置とした。
この物質導入装置では、物質の分取や、導入を行う際に、移動手段を作動させることで保持手段を移動させることができる。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載の物質導入装置において、前記閉空間は、前記保持手段の前記基端部が一体的に閉じられることによって形成されることを特徴とする物質導入装置とした。
この物質導入装置は、保持手段自体で閉空間を形成することで、装置側に閉空間を形成させる機構を設ける場合に比べて、装置の簡略化を図れる。
【００１０】
請求項５に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の物質導入装置において、前記保持手段の前記基端部を開閉させる開閉手段を更に備え、前記閉空間は、前記開閉手段が前記保持手段の前記基端部を閉じることにより形成されることを特徴とする物質導入装置とした。
この物質導入装置では、開閉手段が保持手段の基端部を閉じるように駆動したときに、閉空間が形成される。保持手段の基端部を閉構造にする必要がないので、保持手段の製造を簡略化できる。
【００１１】
請求項６に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の物質導入装置において、前記保持手段の前記基端部と大気とを連通させる連通部材を開閉させる開閉手段を更に備え、前記閉空間は、前記連通部材を開閉させることが可能な開閉手段を用いて形成されることを特徴とする物質導入装置とする。
この物質導入装置では、開閉手段が、保持手段の基端部と大気との連通状態を制御することで閉空間が形成される。保持手段の基端部を閉構造にする必要がないので、保持手段の製造を簡略化できる。
【００１２】
請求項７に係る発明は、請求項２に記載の物質導入装置において、前記導入手段は、前記支持手段内に設けられているとともに、前記保持手段に接して設けられていることを特徴とする物質導入装置とした。
この物質導入装置では、導入手段が支持手段内に設けられ、保持手段と接しているので、物質を応答性良く導入できる。
【００１３】
請求項８に係る発明は、請求項１に記載の物質導入装置において、前記導入手段は、前記保持手段内部の体積を変化させることが可能な駆動素子を含むことを特徴とする物質導入装置とした。
この物質導入装置では、導入手段が駆動素子を有している。この駆動素子は、保持手段内の体積を変化させ、保持手段内の物質を生体組織に導入するように促す。
【００１４】
請求項９に係る発明は、請求項８に記載の物質導入装置において、前記保持手段は、その形状または体積を変形させることが可能な可変部分を有し、前記導入手段は、前記可変部分を変形させる手段を含むことを特徴とする物質導入装置とした。
この物質導入装置では、導入手段が保持手段の可変部分を変形させ、保持手段内の物質を生体組織に導入するように促す。
【００１５】
請求項１０に係る発明は、請求項９に記載の物質導入装置において、前記可変部分は、前記導入手段に押圧されることにより弾性変形することが可能な弾性体を含むことを特徴とする物質導入装置とした。
この物質導入装置では、保持手段が導入手段によって変形させられるような弾性部材を有しているので、導入手段によって物質の生体組織に導入するように変形させられる。
【００１６】
請求項１１に係る発明は、請求項１に記載の物質導入装置において、前記導入手段は、前記保持手段を加熱することが可能な発熱素子を含むことを特徴とする物質導入装置とした。
この物質導入装置では、導入手段が発熱素子を有している。この発熱素子は、保持手段内に形成される閉空間に収められている気体を膨張させ、保持手段内の物質を生体組織に導入するように促す。
【００１７】
請求項１２に係る発明は、請求項１に記載の物質導入装置において、前記閉空間は、前記保持手段内部に前記導入のための前記物質を吸引するときにおいても形成されていることを特徴とする物質導入装置とした。
この物質導入装置では、物質を吸引するときに保持手段の基端部に閉空間が形成される。
【発明の効果】
【００１８】
液の分取量は、保持手段の角度と保持手段の内径で決まる。特に、保持手段内に閉空間が形成されるので、保持手段の角度と保持手段の内径、ならびに閉空間の圧力で液の分取量が決まる。これにより、操作者が微妙な圧力調整やシリンジの調整を行わなくても精度良く分取できる。
【００１９】
また、保持手段の物質の吸引を行う側、または、物質を細胞に導入する側と反対側は閉じられており、閉空間を形成するので、導入物質の導入は、支持手段内に、保持手段に接するように設置されている駆動素子を駆動させて、保持手段の体積を変化させることができる。
支持手段内に、保持手段に接するように導入手段を設けることで、物質の導入を促進することができる。導入手段が発熱素子の場合には、発熱素子を発熱させて保持手段を加熱して、閉空間内の気体を膨張させる。保持手段に直接素子を作用させて導入を行うので、圧力を発生させるシリンジから圧力を保持手段まで伝える連接手段が不要で、連接手段で生ずる圧力変動を除くことができ、操作者が微妙な圧力調整や、シリンジ調整を行わなくても安定して物質を導入することができるようになる。同様に、保持手段内の体積を変化させたり、保持手段を変形させたりしても安定して物質を導入することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
第一の実施の形態
（構成）
図１に本実施の形態で用いられる細胞への物質導入装置の一構成例を示す。
物質導入装置１は、所定の物質を分取・供給する装置であって、図示しない顕微鏡に設置されたステージ２を有し、ステージ２上には生体組織である細胞３を播種したディッシュ等の細胞培養容器４がセットされている。細胞培養容器４内には培養液５が注入されている。ステージ２において細胞培養容器４をセットする位置には、図示しない開口があり、下側から、例えば顕微鏡などで、細胞３を観察することができるようになっている。ステージ２上には、細胞培養容器４の他に交換用マイクロピペット（保持手段）６、マイクロピペット交換ユニット７、導入物質の小容器８、導入物質の分取ユニット９が配置されている。細胞培養容器４内の細胞３は、ステージ２の下方に配置された顕微鏡などの対物レンズ１０を通して観察される。対物レンズ１０は、レボルバ１１に複数装着されており、レボルバ１１を回転させて倍率の違う対物レンズ１０に交換すると、観察視野の大きさを変えることができる。
ステージ２は、ステージコントロールユニット１２を介して、コンピュータ１３から操作される。顕微鏡は、顕微鏡コントロールユニット１４を通して、コンピュータ１３から操作が可能となっている。観察画像は、カメラ１５によって取り込まれ、コンピュータ１３を通してディスプレイ１６に表示される。
コンピュータ１３には、物質導入装置１を制御するプログラムが組み込まれており、細胞培養容器４内への基準点形成、細胞３への物質導入、ステージ２の移動や観察画像の画像処理による細胞３の位置検出、基準点と物質を導入した細胞３ａの座標の保存、マイクロピペット６の移動などの操作を行う。
【００２１】
マイクロピペット６（保持手段）は、マイクロピペット支持機構１８に着脱自在に取り付けられている。図２に示すように、マイクロピペット支持機構１８は、モータ２０と回転機構２１によって、マイクロピペット６を任意の角度に傾けることができる。図１に示すように、マイクロピペット支持機構１８は、マイクロピペット支持機構１８を支持する支持部材２２によってＺ軸走査ユニット２３に取り付けられている。Ｚ軸走査ユニット２３は、マイクロピペット６が細胞培養容器４上から退避できるように、水平方向の粗動ユニット２４に取り付けられている。Ｚ軸走査ユニット２３と水平方向の粗動ユニット２４とは、ステージコントロールユニット１２を介してコンピュータ１３に接続され、操作される。
【００２２】
ここで、この物質導入装置１は、マイクロピペット６がマイクロピペット交換ユニット７で交換可能となっている。導入物質は、導入物質の分取ユニット９でマイクロピペット６に保持させることができる。分取ユニット９は、複数の小容器８に分割されており、それぞれに異なった物質を入れておくことができ、マイクロピペット６を挿入する小容器８を選ぶことによって、異なる物質を分取することができるようになっている。
【００２３】
図３にマイクロピペット支持機構１８を示す。マイクロピペット６は、マイクロピペット固定部材３０と一体となっている。マイクロピペット６がマイクロピペット支持機構１８の本体部３１に挿入されると、固定ピン３２がマイクロピペット固定部材３０のＶ溝３３に入り、マイクロピペット６が固定される。マイクロピペット支持機構１８内には、マイクロピペット６に接している導入物質の導入手段３４が設けられている。マイクロピペット６の先端部３５は、マイクロピペット支持機構１８から突出している。この先端部３５は、物質の吸引を行う側、または、物質を細胞に導入する側であり、その最先端に物質の吸引を行う開口部３５ａが形成されている。また、マイクロピペット６において、先端部３５に対して反対側に位置する基端部３６は、マイクロピペット支持機構１８の本体部３１に形成された凹部内に収容されている。基端部３６は、自身の端面が閉じられており、閉空間３６ａを形成するようになっている。マイクロピペット６は、バネ３７と接続しているイジェクト部材３８に押し付けられている。イジェクト部材３８は、マイクロピペット支持機構１８上面のソレノイド３９に取り付けられている。ソレノイド３９を作動させるとイジェクト部材３８が下方向に動き、マイクロピペット６がマイクロピペット支持機構１８から押し出される構造となっている。
【００２４】
ここで、マイクロピペット６およびマイクロピペット支持機構１８の他の構成例を図４および図５に示す。
図４に示すマイクロピペット４０は、物質の吸引を行う側、または、物質を細胞に導入する側である先端部３５とは反対側の基端部４１が、開放されている。この場合には、マイクロピペット支持機構１８のイジェクト部材３８が開閉手段としても機能し、イジェクト部材３８を基端部４１に密着させると、マイクロピペット４０の基端部４１に閉空間４１ａが形成されるようになっている。
図５に示すマイクロピペット支持機構５０は、マイクロピペット４０の基端部４１に接続された開閉手段であるイジェクト部材５１を有している。イジェクト部材５１は、バネ３７で下方向に付勢されると共に、その内部に細管５２を有している。細管５２は、その一端がマイクロピペット４０の基端部４１内に連通し、その他端が開閉手段である電磁弁５３に接続されている。電磁弁５３には、大気に開放された配管５４（連通部材）が接続されており、電磁弁５３を閉じることでマイクロピペット４０の基端部４１に閉空間が形成されるようになっている。
【００２５】
分取に際しては、マイクロピペット６の開口部３５ａが細いため、液の性質（例えば粘度）によっては、マイクロピペット６に液が入りにくい場合がある。この場合、流入促進手段を用いることもできる。流入促進手段は、コンピュータ１３によって動作が制御されるもので、例えば、マイクロピペット６の開口部３５ａに形成した電極があげられる。また、マイクロピペット６に振動を与える振動子でも良い。さらに、マイクロピペット６の開口部３５ａに超音波を照射する超音波音源や、開口部３５ａに予め形成した光触媒層に光を照射する光源を小容器８の底部に設けても良い。
【００２６】
導入物質を導入する際には、マイクロピペット支持機構１８内に、マイクロピペット６，４０に接するように設置されている導入手段３４を駆動させる。導入手段３４としては、駆動素子が用いられる。この駆動素子は、マイクロピペット６，４０の体積を変化させるもので、例えば、ピエゾ素子や、ソレノイドで駆動するプッシャがあげられる。
また、導入手段３４を、マイクロピペット支持機構１８内に、マイクロピペット６，４０に接するように設置されている発熱素子とした場合には、発熱によりマイクロピペット６，４０を加熱して、閉空間３６ａ，４１ａ内の気体を膨張させる。
さらに、図６に示すマイクロピペット５０のように、基端部３６側で、かつ導入手段３４に接する部分に、可変部５０ａを設けても良い。可変部５０ａは、導入手段３４が駆動素子である場合には、弾性材料で製造すると良い。また、導入手段３４が発熱素子である場合には、熱により閉空間３６ａの体積を減じるように変形する形状記憶合金や、形状記憶樹脂が用いても良い。なお、マイクロピペット５０の先端部３５は、ガラス製とすることが好ましいが、マイクロピペット５０の全体を形状記憶合金や、形状記憶樹脂で製造しても良い。
また、図７に示すイジェクト部材５５のように、マイクロピペット４０の基端部４１の開放端に接するように導入手段５６を設けても良い。この導入手段５６は、例えば、ピエゾ素子や、ソレノイドで駆動するプッシャなどが用いられ、コンピュータ１３によって制御される。ここで、図７に示すマイクロピペット支持機構１８は、導入手段３４を有しているが、この導入手段３４は有さなくても良い。この場合の導入手段３４としては、発熱素子を用いることができる。
【００２７】
図５のように開閉弁である電磁弁５３がある場合には、閉空間４１ａ内に気体分子を注入して閉空間４１ａの体積を増加させ、導入物質を押し出すこともでき、ステージ２上に洗浄槽を設けておけば、不要な物質をマイクロピペット４０内から廃棄する用途に使える。導入量に精度を求めない場合には、導入にも使える。
【００２８】
次に吸引の原理について説明する。
図８は、基端部４１が閉じていないマイクロピペット４０の場合の図である。また、図９は、マイクロピペット４０内の気液界面の様子を示している。それ自体が閉空間を形成しないマイクロピペット４０は、図５のように開閉手段（電磁弁５３）に接続して使用することができる。吸引時に開閉手段を閉じて閉空間としても良いが、ここでは、吸引時に閉空間にしない場合について述べる。
マイクロピペット４０の先端を小容器８の物質内に入れると、マイクロピペット４０の内壁と物質の表面張力γにより、物質を吸引する力Ｔが生ずる。マイクロピペット４０の半径をｒ、マイクロピペット内壁と物質の接触角をθとすると、Ｔは次のようになる。
Ｔ＝２π×ｒ×γ×ｃｏｓθ  ‥‥（１）
マイクロピペット４０内の気液界面は、このＴとマイクロピペット４０内に吸引された物質の自重により生ずる力Ｆがつりあった時点で止まる。よって、吸引後は次の式が成り立つ。
Ｔ＝Ｆ  ‥‥（２）
マイクロピペット４０内に吸引された物質の自重により生ずる力Ｆは、吸引されている物質の質量Ｍと重力加速度ｇとの積になる。
Ｆ＝Ｍ×ｇ  ‥‥（３）
質量Ｍは、吸引されている物質の体積をＶ、物質の密度をρとすると次の式となる。
Ｍ＝Ｖ×ρ  ‥‥（４）
ここで、吸引されている物質の高さをｈとすると、
Ｖ＝π×ｒ２×ｈ  ‥‥（５）
である。（３）、（４）式から、マイクロピペット４０内に吸引された物質の自重により生ずる力Ｆは、
Ｆ＝Ｍ×ｇ＝Ｖ×ρ×ｇ  ‥‥（６）
である。
【００２９】
マイクロピペット４０内の気液界面は、物質を吸引する力Ｔと吸引された物質の自重により生ずる力Ｆがつり合ったところで止まるので、（２）式に（１）式、（６）式を代入して、
２π×ｒ×γ×ｃｏｓθ＝Ｖ×ρ×ｇ  ‥‥（７）
よって、吸引後の物質の体積は次の式で表される。
Ｖ＝２π×ｒ×γ×ｃｏｓθ／（ρ×ｇ）  ‥‥（８）
物質とマイクロピペット４０の材質を変更しなければ、表面張力γ、物質の密度ρ、接触角θは一定である。このため、マイクロピペット４０が吸引する物質の体積は、マイクロピペット４０の半径ｒで決まる。半径ｒを変えることで吸引する体積を調整できる。逆に、同じ半径のマイクロピペット４０を用いれば、同量の物質を吸引することができる。
【００３０】
図１０は、マイクロピペット４０自体が閉空間でなく、さらに、マイクロピペット４０が物質表面に対して角度αで傾けている場合である。それ自体が閉空間となっていないマイクロピペット４０は、図４または図５のように開閉手段（イジェクト部材３８、電磁弁５３）に接続して使用することができる。吸引時に開閉手段を閉じて閉空間としても良いが、ここでは、吸引時に閉空間にしない場合について述べる。
マイクロピペット４０の先端を小容器８の物質内に入れると、マイクロピペット４０内壁と物質の表面張力γにより、物質を吸引する力Ｔが生ずる。マイクロピペット４０の半径をｒ、マイクロピペット４０内壁と物質の接触角をθとすると、Ｔは（１）式と同じである。
Ｔ＝２π×ｒ×γ×ｃｏｓθ  ‥‥（１）
マイクロピペット４０内の気液界面は、このＴとマイクロピペット４０内に吸引された物質の自重により生ずる力Ｆがつりあった時点で止まる。よって吸引後は、（２）式と同様の式が成り立つ。
Ｔ＝Ｆ  ‥‥（２）
マイクロピペット４０内に吸引された物質の自重により生ずる力Ｆは、吸引されている物質の質量Ｍと重力加速度ｇとの積になるが、角度αで傾いているので、
Ｆ＝Ｍ×ｇ×ｓｉｎα  ‥‥（９）
となる。吸引されている物質の質量Ｍは、吸引されている物質の体積をＶ、物質の密度をρとすると（１０）式になる。
Ｍ＝Ｖ×ρ  ‥‥（１０）
なお、吸引されている物質の長さをＬとすると、
Ｖ＝π×ｒ２×Ｌ  ‥‥（１１）
である。（９）、（１０）式から、マイクロピペット４０が角度αで傾いている場合の吸引された物質の自重により生ずる力Ｆは、
Ｆ＝Ｖ×ρ×ｇ×ｓｉｎα  ‥‥（１２）
となる。
【００３１】
マイクロピペット４０内の気液界面は、物質を吸引する力Ｔと吸引された物質の自重により生ずる力Ｆがつり合ったところで止まるので、（２）式に、（１）式、（１２）式を代入して、
２π×ｒ×γ×ｃｏｓθ＝Ｖ×ρ×ｇ×ｓｉｎα  ‥‥（１３）
よって、吸引後の物質の体積は次の式で表される。
Ｖ＝２π×ｒ×γ×ｃｏｓθ／（ρ×ｇ×ｓｉｎα）  ‥‥（１４）
物質とマイクロピペット４０の材質を変更しなければ、表面張力γ、物質の密度ρ、接触角θは一定である。このため、マイクロピペット４０が吸引する物質の体積は、マイクロピペット４０の半径ｒ、ならびにマイクロピペット４０の角度αで決まる。半径ｒならびにマイクロピペット４０の角度αを変えることで吸引する体積を調整できる。逆に、同じ半径、同じ角度なら、同量の物質を吸引することができる。
なお、図８は、α＝９０°の場合である。ｓｉｎα＝ｓｉｎ９０°＝１であるので、（１４）式は、（８）式と同じになる。
【００３２】
図１１は、マイクロピペット６自体が閉空間を形成する場合である。
マイクロピペット６の先端を小容器８の物質内に入れると、マイクロピペット６内壁と物質の表面張力γにより、物質を吸引する力Ｔが生ずる。マイクロピペット６の半径をｒ、マイクロピペット６内壁と物質の接触角をθとすると、Ｔは（１）式と同じになる。
Ｔ＝２π×ｒ×γ×ｃｏｓθ  ‥‥（１）
マイクロピペット６内の気液界面は、このＴとマイクロピペット６内に吸引された物質の自重により生ずる力Ｆ、ならびにマイクロピペット６内部の気体の圧力によって生ずる力Ｐがつり合ったところで止まるので、吸引後は（１５）式が成り立つ。
Ｔ＝Ｆ＋Ｐ  ‥‥（１５）
まず、マイクロピペット６内に吸引された物質の自重により生ずる力Ｆは、図８の場合と同様に（６）式となる。
Ｆ＝Ｍ×ｇ＝Ｖ×ρ×ｇ  ‥‥（６）
マイクロピペット６内部の気体の圧力によって生ずる力Ｐは、マイクロピペット６内の気液界面の面積はπ×ｒ２であるので、内部の気体の圧力をｐとすると、
Ｐ＝π×ｒ２×ｐ  ‥‥（１６）
となる。
【００３３】
マイクロピペット６の先端に物質表面が接したとき、つまり、物質がマイクロピペット６内に入らず、開口部３５ａのみを覆ったときは、マイクロピペット６内の圧力はまだマイクロピペット６外の大気圧ｐ０と同じである。マイクロピペット６内の体積は、物質が入っていない状態の体積ｖ０である。
【００３４】
物質は、この後、物質を吸引する力Ｔでマイクロピペット６内に入り、（１５）式の成り立ったところで気液界面が止まる。このときのマイクロピペット６内部の気体の圧力はｐであり、気体の体積をｖとすると、ボイルシャルルの法則から、
ｐ×ｖ／ｔ＝ｐ０×ｖ０／ｔ０  ‥‥（１７）
となる。ここでｔ、ｔ０は、内部に物質が入ったときの温度、入る前の温度である。圧力の変化は小さいので、温度は物質が入る前後で同じ（ｔ＝ｔ０）とすると、（１７）式は、
ｐ×ｖ＝ｐ０×ｖ０  ‥‥（１８）
となる。吸引されている物質の体積Ｖは、ｖ０と
ｖ＋Ｖ＝ｖ０    ‥‥（１９）
の関係にあるが、吸引後のマイクロピペット６内の気体の体積ｖに比べ、Ｖが極めて少ない（ｖ≫Ｖ）とすると、ｖとｖ０はほぼ同じ（ｖ≒ｖ０）とすることができる。これにより、（１８）式よりｐ＝ｐ０ｖ０／ｖであるので、ｐ≒ｐ０とみなすことができる。（１６）式から、マイクロピペット６内部の気体の圧力によって生ずる力Ｐは、
Ｐ＝π×ｒ２×ｐ０  ‥‥（２０）
となる。マイクロピペット６内の気液界面は、このＴとマイクロピペット６内に吸引された物質の自重により生ずる力Ｆ、ならびにマイクロピペット６内部の気体の圧力によって生ずる力Ｐがつり合ったところで止まるので、（１５）式に、（１）式、（６）式、（２０）式を代入して、
２π×ｒ×γ×ｃｏｓθ＝Ｖ×ρ×ｇ＋π×ｒ２×ｐ０  ‥‥（２１）
となる。吸引後の物質の体積は、次の式で表される。
Ｖ＝２π×ｒ×γ×ｃｏｓθ／（ρ×ｇ）−π×ｒ２×ｐ０／（ρ×ｇ）  ‥‥（２２）
【００３５】
物質とマイクロピペット６の材質を変更しなければ、表面張力γ、物質の密度ρ、接触角θは一定である。このため、マイクロピペット６が吸引する物質の体積はマイクロピペット６の半径ｒで決まる。
（２２）式の右辺の前項をＶ１（ｒ）、後項をＶ２（ｒ）とすると、Ｖ１（ｒ）はｒの１次式、Ｖ２（ｒ）はｒの２次式であるので、半径ｒについてのグラフは、図１２のようになる。Ｖ１（ｒ）−Ｖ２（ｒ）＞０となる、図１２中の矢印の範囲内の半径ｒで、マイクロピペット６により物質を吸引することができる。半径ｒを変えることで吸引する体積を調整できる。逆に、同じ半径のマイクロピペット６を用いれば、同量の物質を吸引することができる。
【００３６】
（作用）
ステージ２上のマイクロピペット交換ユニット７にはマイクロピペット６，４０をセットし、導入物質分取ユニット９には導入物質をセットする。また、細胞３を播種した細胞培養容器４もステージ２上にセットする。
導入にあたっては、まず、ステージ２ならびに各軸（Ｚ軸走査ユニット２３、粗動ユニット２４）が動作して、マイクロピペット交換ユニット７にセットされているマイクロピペット（例えば、マイクロピペット６）をマイクロピペット支持機構１８に取り付ける。次に導入物質の分取ユニット９でマイクロピペット６内に所定の導入物質を分取する。
【００３７】
このとき、マイクロピペット６は、少なくとも分取のために液体に接している間、マイクロピペット６内へ物質を流入させる方向に働く毛管現象による圧力と逆方向で、物質の自重による力の向きが、吸引する物質の表面と平行でない状態にある必要がある。物質の表面と平行な場合には、毛管現象による圧力と逆方向でその力とつり合う物質の自重による力は発生しない。
さらには、マイクロピペット６内へ物質を流入させる方向に働く毛管現象による圧力と逆方向で、その圧力とつり合う力の向きが、鉛直方向の状態にあるときには、マイクロピペット６の角度を考慮する必要がない。
【００３８】
分取の際、マイクロピペット６の開口部３５ａが細いため、液の性質（例えば粘度）によっては、マイクロピペット６に液が入りにくい場合がある。この場合、流入促進手段を用いることもできる。流入促進手段としては、開口部３５ａの気液界面を破壊する方法と、開口部３５ａの親水性を向上させて液を入りやすくする方法がある。
マイクロピペット６の開口部３５ａに電極を形成して電圧を印加する方法では、開口部３５ａで液の電気分解が起き、気体が発生して気液界面が破壊される。マイクロピペット６に振動を与える方法、開口部３５ａに超音波を照射する方法でも気液界面が破壊される。開口部３５ａに光触媒層を形成して光を照射すると、開口部３５ａの親水性が向上するため液が入りやすくなる。
【００３９】
そして、ステージ２が移動して操作者が指示した細胞３の位置へマイクロピペット６の先端部３５を合わせて導入物質を導入する。
マイクロピペット６内の導入物質が必要量より少なくなった場合や、異なる導入物質を導入する場合には、取り付けられているマイクロピペット６をマイクロピペット交換ユニット７に戻し、新しいマイクロピペット６をマイクロピペット支持機構１８に取り付ける。マイクロピペット６の取り外しは、軸（Ｚ軸走査ユニット２３、粗動ユニット２４）を操作して、マイクロピペット交換ユニット７の空いている位置に、取り外すマイクロピペット６を合わせて、マイクロピペット支持機構１８上のソレノイド３９を動作させる。図３に示すイジェクト部材３８がマイクロピペット６を下方向に押し、マイクロピペット６と一体になっているマイクロピペット固定部材３０のＶ溝３３から固定ピン３２が浮き上がり、マイクロピペット６がマイクロピペット支持機構１８から下方向に外れる。外れたマイクロピペット６は、マイクロピペット交換ユニット７に収まる。その後、新しいマイクロピペット６の上にマイクロピペット支持機構１８を移動させ、マイクロピペット支持機構１８を下方向に下げ、新しいマイクロピペット６をマイクロピペット支持機構１８で押さえる。マイクロピペット６がイジェクト部材３８に押さえつけられると共に、固定ピン３２がマイクロピペット固定部材３０のＶ溝３３に嵌り、マイクロピペット６が固定される。軸（Ｚ軸走査ユニット２３、粗動ユニット２４）を操作してマイクロピペット支持機構１８を上方に移動させると、新しいマイクロピペット６が交換ユニット７から取り出される。そして、この新しいマイクロピペット６で導入物質を分取して、その他の細胞に導入物質を導入する。
マイクロピペット６への分取は、必要本数を導入前に分取してもよいし、マイクロピペット６の交換ごとに分取しても良い。もちろん、必要に応じ両者を使っても良い。
【００４０】
また、図４または図５に示すようなマイクロピペット４０の場合の導入物質の分取および導入は、以下のようになる。
すなわち、最初にマイクロピペット４０の基端部４１を開放した状態で、図１０に示すような角度αで傾けた状態で、角度αとマイクロピペット６の形状とで定まる所定量の物質を分取する。次に、イジェクト部材３８または電磁弁５３を作動させて基端部４１を密閉し、閉空間４１ａを形成してから、モータ２０（図２参照）を作動させ、マイクロピペット６を垂直に立てる。この状態で物質を導入する細胞３内にマイクロピペット４０の先端を挿入し、基端部４１を開放する。これにより、マイクロピペット４０内の物質が細胞３内に導入される。分取時のマイクロピペット４０の角度αの設定と、導入時のマイクロピペット６の姿勢制御とは、コンピュータ１３に予め起動させてあるプログラムに従って行われる。このため、コンピュータ１３には、角度αと分取量とを関連付けたデータが登録されている。
【００４１】
ここで、導入物質を細胞３に導入する際には、マイクロピペット支持機構１８内に、マイクロピペット６と接するように設置されている導入手段３４を用いても良い。この場合は、基端部４１を密閉し、閉空間４１ａを形成したままとしておく。
導入手段３４が駆動素子の場合には、駆動素子を駆動させて、マイクロピペット６内に形成されている閉空間３６ａの体積を減少させる。具体的には、ピエゾ素子が膨出したり、プッシャが突出したりして、マイクロピペット６の側部を縮径方向に押圧する。このようにしてマイクロピペット６の閉空間３６ａの体積が減少すると、先端部３５側に分取されている導入物質が押し出されるようにして細胞３内に導入される。図７に示すような導入手段５６の場合は、導入手段５６がマイクロピペット４０内に膨出し、閉空間４１ａの体積を減少させ、導入物質の導入が促される。
また、導入手段３４が発熱素子の場合には、マイクロピペット６，４０，５０において導入手段３４に接している部分が加熱され、閉空間３６ａ，４１ａ内の気体が膨張し、導入物質の導入が促される。この場合に、形状記憶合金や、形状記憶樹脂からなる可変部５０ａを有する場合には、熱を加えることによって閉空間３６ａの体積を減じるようにマイクロピペット５０が変形するので、前記の熱膨張と併せて、導入物質の導入が促される。
【００４２】
導入された細胞３は、所定の環境で培養する必要があるので、細胞培養容器４はステージ２からはずされ、インキュベータに保管される。一定時間経過後、細胞培養容器４はインキュベータから取り出され、再びステージ２にセットされ、観察される。
【００４３】
この実施の形態では、マイクロピペット６を水平に対して傾斜させて支持するので、マイクロピペット６内の気体の圧力Ｐと、毛管現象によって物質を吸引する力Ｔと、マイクロピペット６内に吸引された物質の自重により生じる力Ｆとのつり合いから、分取量が定まる。従来では吸引手段を設けることで分取量を調整していたが、本実施の形態では、微妙な調整を行わなくても分取を精度良く行うことが可能になる。ここにおいて、イジェクト部材３８や導入手段３４などによって、マイクロピペット６，４０内に形成される閉空間３６ａ，４１ａの体積や、気体の圧力を変化させることで、分取や、導入のコントロールを簡単に行うことが可能になる。
また、Ｚ軸走査ユニット２３、粗動ユニット２４などを用いてマイクロピペット６を移動可能にすると共に、マイクロピペット６の可動範囲内に、導入物質を多数配置したので、同じ種類の導入物質を連続して導入する場合に、速やかに分取を行えるようになる。さらに、マイクロピペット６の可動範囲内に、未使用のマイクロピペット６を複数配置するようにしたので、異なる種類の導入物質を導入する場合でも、速やかに分取を行えるようになる。
【００４４】
さらに、導入手段を設け、マイクロピペット内に形成された閉空間の体積を減少させたり、閉空間の内圧を増大させたりできるようにしたので、導入物質の導入を促進させることができる。従来は手元側で圧力を調整しながら導入物質の導入を制御するのに対して、本実施形態ではマイクロピペットの近傍で調整が行えるようになるので、手元の操作部からマイクロピペットまでの間の圧力損失がないので、微妙な調整が要らない。また、マイクロピペットの少なくとも一部を変形可能に構成すると、導入手段３４による導入物質の導入を速やかに行うことができる。
【００４５】
なお、本発明は、前記の各実施の形態に限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の応用が可能である。
例えば、イジェクト部材３７，５１，５５は、マイクロピペット６，４０，５０に直接に接しても良いが、イジェクト部材３７，５１，５５とマイクロピペット６，４０，５０との間に、別の部材を介挿させて、この部材を介してマイクロピペット６，４０，５０を押圧するようにしても良い。
また、物質を導入する対象は、細胞３に限定されずに、細菌類、微生物、卵など、その他の生体試料であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態における物質導入装置の概略構成を示す図であって、細胞に導入する導入物質を分取する装置を示す図である。
【図２】マイクロピペット支持機構を示す図であって、マイクロピペットを傾斜させた保持した状態を示す図である。
【図３】マイクロピペットおよびマイクロピペット支持機構の断面図である。
【図４】マイクロピペットおよびマイクロピペット支持機構の断面図である。
【図５】マイクロピペットおよびマイクロピペット支持機構の断面図である。
【図６】導入手段の一例を示す図である。
【図７】導入手段の一例を示す図である。
【図８】基端部が開放されたマイクロピペットを、液面に垂直にしたときの分取の原理を説明する図である。
【図９】マイクロピペット内の気液界面の様子を示す図である。
【図１０】基端部が開放されたマイクロピペットを、所定の角度αに傾斜させたときの分取の原理を説明する図である。
【図１１】基端部が密閉されたマイクロピペットを、液面に垂直にしたときの分取の原理を説明する図である。
【図１２】マイクロピペットが吸引する物質の体積とマイクロピペットの半径との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
１    物質導入装置
６，４０，５０    マイクロピペット（保持手段）
２２    支持部材（支持手段）
３４，５６    導入手段
３６，４１    基端部
３６ａ，４１ａ  閉空間
３８，５１，５５    イジェクト部材（開閉手段）
５３    電磁弁（開閉手段）
５４    配管（連通部材）
【図１】
2005348690.tif 000003
【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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