KR101683066B1 - 미소 입자 분취를 위한 장치 및 마이크로칩 - Google Patents

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Abstract

[과제]샘플 사이의 크로스 컨테미네이션{cross contamination}이나 샘플의 오염, 사용자에의 바이오해저드, 고가의 플로우 셀과 오리피스 부품, 플로우 셀과 오리피스의 미세{微}조정 작업을 배제해서, 고속의 해석, 안전하고 고속이며 저렴{安價}한 분취{分取}를 행할 수가 있는 미소 입자 분취 장치의 제공.
[해결 수단] 미소 입자를 포함하는 액체가 통류{通流}되는 유로(11)와, 유로(11)를 통류하는 액체를 칩 밖의 공간으로 배출하는 오리피스(12)가 배설{配設}된 마이크로칩(1)과, 오리피스(12)에서 액체를 액체방울화{液滴化}해서 토출{吐出; discharge}하기 위한 진동 소자(2)와, 토출되는 액체방울 D에 전하를 부여하기 위한 하전{荷電} 수단과, 유로(11)를 통류하는 미소 입자의 광학 특성을 검출하는 광학 검출 수단(3)과, 토출된 액체방울 D의 이동 방향을 따라{沿}, 이동하는 액체방울 D를 사이에 두고{挾} 대향해서 배설된 쌍전극{對電極; paired electrodes}(4, 4)과, 쌍전극(4, 4) 사이를 통과한 액체방울 D를 회수하는 2이상의 용기를 구비{備}하는 미소 입자 분취 장치 A를 제공한다.

Description

미소 입자 분취를 위한 장치 및 마이크로칩{DEVICE AND MICROCHIP FOR SORTING PARTICLES}
본 발명은, 미소 입자 분취{分取}를 위한 장치 및 마이크로칩에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 마이크로칩에 형성된 유로를 통류{通流}하는 미소 입자의 특성을 칩 내에서 검출한 후, 미소 입자를 포함하는 액체방울{液滴}을 칩 밖으로 토출{吐出; discharge}하고, 검출된 미소 입자의 특성에 의거해서 액체방울의 이동 방향을 제어해서 분취를 행하는 미소 입자 분취 장치 등에 관한 것이다.
종래, 세포나 미생물, 리포솜 등의 생체 관련 미소 입자, 혹은 라텍스 입자나 겔 입자, 공업용 입자 등의 합성 입자 등의 미소 입자의 특성을 판별하기 위해서, 미소 입자의 분산액을 유로내에 도입{導入}하고, 유로내에 도입된 미소 입자의 특성을 광학적으로 측정하는 장치가 이용되고 있다.
특히 생체 관련 미소 입자에 대해서는, 플로우 사이토메트리{flow cytometry}(플로우 사이토미터{flow cytometer})라 불리는 장치가 널리 이용되고 있다(비특허 문헌 1 참조). 플로우 사이토메트리에는, 미소 입자의 특성 측정만을 목적으로 한 것이나, 또 측정 결과에 의거해서 원하는{所望} 특성을 구비{備}한 미소 입자만을 분취할 수 있도록 구성된 것이 있다. 후자{後者} 중, 특히 세포를 분취 대상으로 한 장치를 「셀 소터{cell sorter}」라고 부르고 있다. 현재, 시판되고 있는 셀 소터에서는, 매초 수천∼수만개라고 하는 고속으로 세포의 특성을 측정하고, 분취하는 것이 가능하다.
종래의 플로우 사이토메트리에서는, 이하와 같이 해서, 세포나 마이크로 비즈 등의 미소 입자의 크기나 구조 등의 특성을 측정하고 있다. 우선, 플로우 셀에서 측정 대상으로 하는 미소 입자를 포함하는 샘플 용액을 시스액{sheath liquid}의 층류의 중심에 흐르게 하고, 플로우 셀내에 미소 입자를 일렬로 배열시킨다. 다음에, 광학 검출부에서, 플로우 셀내에 배열되어 통류하는 미소 입자에 측정광을 조사{照射}하고, 미소 입자로부터 생기는 산란광이나 형광을 검출해서 미소 입자의 특성을 측정한다. 계속해서, 미소 입자의 분취를 행하는 경우에는, 샘플액을, 미소 입자를 포함하는 액체방울로서 플로우 셀 밖의 공간으로 토출하고, 액체방울의 이동 방향을 제어해서, 원하는 특성을 구비한 미소 입자를 분취한다.
특허 문헌 1(도 7)에는, 종래의 셀 소터로서, 형광 표식{標識; labeling} 시약 등으로 염색된 세포를 플로우 셀내에서 일렬로 배열하기 위한 유체계{流體系}와, 세포에 레이저광을 조사해서 산란광이나 형광을 검출하기 위한 광학계와, 플로우 셀 밖의 공간으로 토출된 액체방울의 이동 방향을 제어하기 위한 분취계로 이루어지는 장치가 개시되어 있다.
이들 종래의 플로우 사이토메트리(셀 소터)에서는, 유로계를 구성하는 플로우 셀 부품이 고가의 석영제{石英製}인 것이나, 이 플로우 셀과는 별체{別體}의 오리피스 부품으로 구성되어 있고, 사용자가 간단하게 한번 쓰고 버리는 것{使捨; disposable}이 가능하게 되어 있지 않기 때문에, 측정 시마다{都度} 플로우 셀 부품이나 오리피스 부품을 충분히 세정해도, 측정 사이에서의 샘플의 크로스 컨테미네이션{cross contamination}이 생길 우려가 있었다. 또, 분취계를 구성하는 공간이 개방 공간 또는 기밀성이 낮은 공간으로 되어 있기 때문에, 측정 시{際}에 액체방울 형성 시에 발생하는 미소 액체방울(에어로졸{aerosol}) 등의 오염물질이 샘플에 혼입하거나, 혹은, 에어로졸에 의한 장치 사용자에의 감염이나 폭로{暴露} 등의 바이오해저드의 우려가 있었다. 이와 같은 샘플 사이의 크로스 컨테미네이션이나 샘플의 오염, 사용자에의 바이오해저드, 고가의 플로우 셀과 오리피스 부품의 이용은, 특히, 셀 소터에 의해서 분취한 간세포 등을 재생 의료에 이용하는 바와 같은 경우에는 큰 장해로 되고 있다.
샘플 사이의 크로스 컨테미네이션이나 샘플의 오염, 사용자에의 바이오해저드, 고가의 플로우 셀과 오리피스 부품의 이용을 해결하기 위한 기술로서, 근래{近年}, 실리콘이나 유리제의 기판 위에 화학적 및 생물학적 분석을 행하기 위한 영역이나 유로를 설치한 마이크로칩이 개발되어 오고 있다. 이와 같은 마이크로칩을 이용한 분석 시스템은, μ-TAS(micro-total-analysis system)나 랩·온·칩{lab-on-a-chip}, 바이오 칩 등이라 칭해지고 있다.
미소 입자 분취 기술에의 μ-TAS의 응용예로서, 마이크로칩 위에 배설{配設}된 유로나 영역내에서 미소 입자의 특성을 광학적, 전기적 혹은 자기적으로 분석하는 미소 입자 분석 기술이 있다. 예를 들면, 특허 문헌 2에는, 기판 위에, 미립자 함유 용액 도입 유로와, 해당{當該} 유로의 적어도 한쪽의 측부에 배치된 시스류{sheath flow} 형성 유로와, 도입된 미립자를 계측하기 위한 미립자 계측 부위와, 그{該} 미립자 계측 부위의 하류에 설치된 미립자를 분별 회수하기 위한 2이상의 미립자 분별 유로를 가지는 미립자 분별 마이크로칩이 개시되어 있다. 이 마이크로칩은 미립자 계측 부위로부터 미립자 분별 유로에의 유로구{流路口} 부근에 전극을 가지고 있고, 이 마이크로칩을 구비하는 미소 입자 분취 장치에 의하면, 전극 전계와의 상호작용에 의해서 미립자의 이동 방향을 제어하고, 미소 입자의 분취를 행하는 것이 가능하다.
μ-TAS를 응용한 플로우 사이토메트리(셀 소터)에서는, 디스포저블 유스{disposable use}(한번 쓰고 버리는 것)이 가능한 마이크로칩에 의해 유로계를 구성할 수가 있기 때문에, 측정 사이에서의 샘플의 크로스 컨테미네이션이 생기지 않는다. 또, 분취계를 칩 위에 배설된 기밀 유로내에 구성할 수가 있기 때문에, 측정 시에 에어로졸 등의 오염물질이 샘플에 혼입하는 일이 없다. 그러나, 한편으로, 칩 위에 배설된 유로내에 미소 입자를 포함하는 액체를 고압으로 송액{送液}할 필요가 있고, 미소 입자의 이동 방향의 제어를 미소 입자가 액체 중을 통류하고 있는 상태에서 행할 필요가 있다. 그 때문에, 미소 입자의 통류 속도나 분취 속도를 높이는 것이 곤란하고, 종래의 플로우 사이토메트리(셀 소터)와 같이 매초 수천∼수만개라고 하는 고속으로 세포의 특성을 측정하고, 분취하는 것이 어려웠다.
[선행 기술 문헌]
[특허 문헌]
특허 문헌 1: 일본특개{特開}2007-46947호 공보
특허 문헌 2: 일본특개2003-107099호 공보
[비특허 문헌]
비특허 문헌 1: 「세포 공학 별책 실험 프로토콜 시리즈 플로우 사이토메트리 자유자재」, 나카우치 히로미츠{中內啓光}, 슈쥰사{秀潤社}, 제2판, 2006년 8월 31일 발행
상술한 대로, 종래의 플로우 사이토메트리(셀 소터)에서는, 유로계를 구성하는 플로우 셀이 한번 쓰고 버리는 것이 가능한 구성으로 되어 있지 않기 때문에, 샘플 사이의 크로스 컨테미네이션이 생길 우려가 있었다. 또, 분취계를 구성하는 공간이 개방 공간 또는 기밀성이 낮은 공간으로 되어 있기 때문에, 에어로졸 등에 의해서 샘플이 오염되는 일이 있었다. 또, μ-TAS를 응용한 플로우 사이토메트리(셀 소터)에서도, 미소 입자의 통류 속도나 분취 속도를 높이는 것이 곤란하기 때문에, 해석의 하이 스루풋{high-throughput}화가 어렵다고 하는 문제가 있었다.
그래서, 본 발명은, 샘플 사이의 크로스 컨테미네이션이나 샘플의 오염, 사용자에의 바이오해저드, 고가의 플로우 셀과 오리피스 부품의 이용을 배제해서, 고속의 해석, 안전하고 고속이며 저렴{安價}한 분취를 행할 수가 있는 미소 입자 분취 장치를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.
상기 과제 해결을 위해서, 본 발명은, 미소 입자를 포함하는 액체가 통류되는 유로와, 이 유로를 통류하는 액체를 칩 밖의 공간에 액체방울로서 배출하는 오리피스가 배설된 마이크로칩과, 오리피스에서 액체를 액체방울화해서 토출하기 위한 진동 소자와, 토출되는 액체방울에 전하를 부여하기 위한 하전{荷電} 수단과, 오리피스보다도 송액 방향 상류에서 유로를 통류하는 미소 입자의 광학 특성을 검출하는 광학 검출 수단과, 칩 밖의 공간으로 토출된 액체방울의 이동 방향을 따라{沿}, 이동하는 액체방울을 사이에 두고{挾} 대향해서 배설된 쌍전극{對電極; paired electrodes}과, 쌍전극 사이를 통과한 액체방울을 회수하는 2이상의 용기를 구비하고, 오리피스 부위의 유로 폭 및 유로 깊이가, 광학 검출 수단에 의한 미소 입자의 광학 특성 검출이 행해지는 부위의 유로 폭 및 유로 깊이보다도 작게, 혹은, 오리피스 부위의 유로 단면적이, 광학 검출 수단에 의한 미소 입자의 광학 특성 검출이 행해지는 부위의 유로 단면적보다도 작게 형성되어 있는 미소 입자 분취 장치를 제공한다.
이 미소 입자 분취 장치는, 광학 검출 수단에 의한 미소 입자의 광학 특성 검출이 행해지는 부위보다도 송액 방향 상류에서, 유로를 통류하는 액체 T의 층류 중에, 미소 입자를 포함하는 다른{他} 액체 S의 층류를 도입하는 미소관을 구비할 수가 있다.
또, 이 미소관을, 전압을 인가가능한 금속에 의해 형성하는 것에 의해, 미소관을 하전 수단으로서 구성할 수가 있다.
이 미소 입자 분취 장치에서는, 마이크로칩의 적어도 오리피스 부분과, 오리피스로부터 칩 밖으로 토출된 액체방울이 이동하는 공간이, 광학 검출 수단으로부터의 광에 대해서 광 투과성을 가지는 카트리지 내측공동{內空; cavity}에 구성되어 있는 것이 매우 바람직{好適}하게 된다.
또, 이 카트리지는, 내측공동이 밀폐가능하게 구성되어 있는 것이 매우 바람직하다.
본 발명은, 또, 미소 입자를 포함하는 액체가 통류되는 유로와, 이 유로를 통류하는 액체를 칩 밖의 공간으로 배출하는 오리피스가 배설되고, 유로의 소정 부위가, 통류하는 미소 입자의 광학 특성을 검출하기 위한 광학 검출 수단으로부터의 광이 조사되는 광 조사부로서 구성되고, 광 조사부보다도 송액 방향 상류에, 유로를 통류하는 액체 T의 층류중에, 미소 입자를 포함하는 다른 액체 S의 층류를 도입하는 미소관이 배설되어 있고, 오리피스 부위의 유로 폭 및 유로 깊이가, 광 조사부의 유로 폭 및 유로 깊이보다도 작게, 혹은, 오리피스 부위의 유로 단면적이, 광학 검출 수단에 의한 미소 입자의 광학 특성 검출이 행해지는 부위의 유로 단면적보다도 작게 형성되어 있는 마이크로칩을 제공한다.
이 마이크로칩은, 오리피스에서 액체를 액체방울화해서 토출시키기 위한 진동 소자를 구비할 수가 있다.
이 마이크로칩에서는, 미소관이, 전압을 인가가능한 금속에 의해 형성되어 있는 것이 매우 바람직하다.
본 발명은, 또, 상기의 마이크로칩의 적어도 오리피스 부분과, 오리피스로부터 칩 밖으로 토출된 액체방울이 이동하는 공간이 내측공동에 구성되고, 광학 검출 수단으로부터의 광을 광 조사부에 투과시키는 광 투과성을 가지는 카트리지를 제공한다.
이 카트리지는, 내측공동이 밀폐가능하게 구성되어 있는 것이 매우 바람직하다.
본 발명에 의해, 샘플 사이의 크로스 컨테미네이션이나 샘플의 오염, 사용자에의 바이오해저드, 고가의 플로우 셀과 오리피스 부품의 이용을 배제해서, 고속의 해석, 안전하고 고속이며 저렴한 분취를 행할 수가 있는 미소 입자 분취 장치가 제공된다.
[도 1] 본 발명에 관계된 미소 입자 분취 장치 A의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
[도 2] 미소 입자 분취 장치 A의 개략 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다.
[도 3] 마이크로칩(1)과 진동 소자(2)의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
[도 4] 미소관(16) 배설 부위 및 좁힘부{絞入部; limiter portion; 점점 축소되어 가는 부분}(17) 근방의 유로(11)의 구조와, 통류하는 샘플액 층류 및 시스액 층류의 모습{樣子}을 설명하는 단면{斷面} 모식도이다.
[도 5] 승압부(13) 및 오리피스(12) 근방의 유로(11)의 구조와, 통류하는 샘플액 층류 및 시스액 층류의 모습을 설명하는 단면도 모식도이다.
[도 6] 오리피스(12)로부터 액체방울화되어 토출되는 샘플액 및 시스액을 모식적으로 도시하는 도면이다.
[도 7] 유로(11)의 폭 및 깊이를 설명하는 단면 모식도이다. 도 7의 (a)는 미소관(16)의 개구 위치, 도 8의 (b)는 광 조사부(33), 도 7의 (c)는 오리피스(12) 부위에서의 유로(11)의 단면을 도시한다.
[도 8] 유로(11)의 폭 및 깊이에 대해서 다른 매우 바람직한 실시형태를 설명하는 도면이다.
[도 9] 미소 입자 분취 장치 A에 의한 미소 입자의 분취를 모식적으로 도시하는 도면이다.
[도 10] 본 발명에 관계된 카트리지의 제1 실시형태를 설명하는 도면이다.
[도 11] 본 발명에 관계된 카트리지의 제2 실시형태를 설명하는 도면이다.
[도 12] 본 발명에 관계된 카트리지의 제3 실시형태를 설명하는 도면이다.
[도 13] 본 발명에 관계된 카트리지의 제4 실시형태를 설명하는 도면이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 매우 바람직한 형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 실시형태는, 본 발명의 대표적인 실시형태의 1예를 나타낸 것이며, 이것에 의해 본 발명의 범위가 좁게 해석되는 일은 없다. 또한, 설명은 이하의 순서{順序}로 행한다.
1. 미소 입자 분취 장치
2. 마이크로칩
(1) 유로
(2) 미소관과 좁힘부
(3) 광 조사부
(4) 승압부와 오리피스
3. 진동 소자
4. 마이크로칩의 각 부위에서의 유로 폭 및 깊이
5. 미소류 분취 장치의 동작
6. 카트리지
1. 미소 입자 분취 장치
도 1은, 본 발명에 관계된 미소 입자 분취 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 도면중, 부호 A로 나타내는 미소 입자 분취 장치는, 마이크로칩(1)을 구성요소로 하는 카트리지(7)와, 마이크로칩(1)의 소정 부위에 광을 조사하는 광학 검출 수단(3)을 구비하는 장치 본체로 대략{大略} 구성되어 있다. 마이크로칩(1)은, 일부가 카트리지 밖으로 노출되고, 나머지 부분이 카트리지(7)내에 수용{收容}된 상태로 되어 있다. 카트리지(7)의 내부에는, 한쌍의 쌍전극(4, 4)이 배설되어 있다. 또, 카트리지(7)의 마이크로칩(1)의 반대측에는, 3개의 용기(부호 (51, 52, 53))가, 각 용기의 내부가 카트리지 내측공동과 연통{連通}하도록, 접속되어 있다. 마이크로칩(1) 및 쌍전극(4, 4), 용기(51∼53)를 구성요소로 하는 카트리지(7)는, 미소 입자 분취 장치 A본체에 착탈{着脫; detach}가능하게 부착{取付; attach}되어 있다. 미소 입자 분취 장치 A 본체에는, 카트리지(7)의 부착시{取付時}에 있어서, 마이크로칩(1)의 일부에 맞닿{當接; contact}는 위치에 진동 소자(도시하지 않음}가 배설되어 있다.
미소 입자 분취 장치 A의 구성에 대해서, 도 2를 참조하면서 더욱더 자세하게 설명한다. 도 2는, 미소 입자 분취 장치 A의 개략 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다. 도면에는, 상술한 마이크로칩(1)과 광학 검출 수단(3), 쌍전극(4, 4), 용기(51∼53)가 도시되어 있다. 도면중, 부호 (2)는, 미소 입자 분취 장치 A 본체에의 카트리지(7)의 부착시에 있어서, 마이크로칩(1)의 일부에 맞닿도록 배설된 진동 소자를 나타내고 있다. 또, 부호 (6, 6)은, 접지된 그라운드접지{grounding} 쌍전극을 나타낸다. 또한, 여기에서는, 카트리지(7)의 도시를 생략했다.
마이크로칩(1)에는, 분취 대상으로 하는 미소 입자를 포함하는 액체(샘플액)가 통류되는 유로(11)가 형성되어 있다. 광학 검출 수단(3)은, 유로(11)의 소정 부위에 광(측정광)을 조사하고, 유로(11)를 통류하는 미소 입자로부터 발생하는 광(측정 대상광)을 검출한다. 이하, 유로(11)에서 광학 검출 수단(3)으로부터의 측정광이 조사되는 부위를 「광 조사부」라고 하는 것으로 한다.
마이크로칩(1)은, 유리나 각종 플라스틱(PP, PC, COP, PDMS 등)에 의해 형성할 수 있다. 마이크로칩의 재질은, 광학 검출 수단(3)으로부터 조사되는 측정광에 대해서 투과성을 가지고, 자가{自家} 형광이 적고, 파장 분산이 작기 때문에 광학 오차가 적은 재질로 하는 것이 바람직하다.
마이크로칩(1)에의 유로(11)의 성형은, 유리제 기판의 웨트 에칭이나 드라이 에칭에 의해서, 또 플라스틱제 기판의 나노임프린트{nano-imprinting}나 사출 성형, 기계 가공에 의해서 행할 수가 있다. 마이크로칩(1)은, 유로(11) 등을 성형한 기판을, 같은{同} 재질 또는 다른{異} 재질의 기판으로 봉지{封止; seal}함으로써 형성할 수가 있다.
광학 검출 수단(3)은, 종래의 플로우 사이토메트리와 마찬가지로 구성할 수가 있다. 구체적으로는, 레이저 광원과, 미소 입자에 대해 레이저광을 집광·조사하기 위한 집광 렌즈나 다이클로익 미러, 밴드패스 필터 등으로 이루어지는 조사계와, 레이저광의 조사에 의해서 미소 입자로부터 발생하는 측정 대상광을 검출하는 검출계에 의해서 구성된다. 검출계는, 예를 들면, PMT(photo multiplier tube)나, CCD나 CMOS 소자 등의 에리어 촬상 소자 등에 의해서 구성된다. 또한, 도 2에서는, 조사계와 검출계를 별체로 구성한 경우를 도시하고 있지만, 조사계와 검출계는 동일한 광학 경로에 의해 구성해도 좋다(도 1 참조).
광학 검출 수단(3)의 검출계에 의해 검출되는 측정 대상광은, 측정광의 조사에 의해서 미소 입자로부터 발생하는 광으로서, 예를 들면, 전방 산란광이나 측방 산란광, 레일리{Rayleigh} 산란이나 미에{Mie} 산란 등의 산란광이나 형광 등으로 할 수가 있다. 이들 측정 대상광은 전기 신호로 변환되고, 미소 입자의 광학 특성은 이 전기 신호에 의거해서 검출된다.
광 조사부를 통과한 샘플액은, 유로(11)의 일단{一端}에 설치된 오리피스로부터 칩 밖의 공간으로 배출된다. 이 때, 진동 소자(2)에 의해서 마이크로칩(1)을 진동시킴으로써, 샘플액을 액체방울화해서 칩 밖의 공간으로 토출할 수가 있다. 도 2중, 부호 D는, 칩 밖의 공간으로 토출된 액체방울을 나타내고 있다.
액체방울 D에는, 분취 대상으로 하는 미소 입자가 포함될 수 있다. 쌍전극(4, 4)은, 칩 밖의 공간으로 토출된 액체방울의 이동 방향을 따라 배설되어 있고, 이동하는 액체방울을 사이에 두고 대향하도록 배치되어 있다. 토출된 액체방울에는 도시하지 않는 하전 수단에 의해서 전하가 부여되고, 쌍전극(4, 4)은 액체방울에 부여된 전하와의 전기적인 반발력(또는 흡인력)에 의해서 액체방울의 이동 방향을 제어하고, 액체방울을 용기(51∼53)의 어느 것인가로 유도{誘導}한다. 또한, 액체방울을 회수하는 용기(52와 53)는, 도시한 바와 같은, 통상 이용되는 플라스틱제의 시험관 용기 등이라도 좋으며, 플라스틱 기판 위에 96개{個}의 웰{well} 등이 설치되어 있는 분취 플레이트 용기 등이라도 좋다.
미소 입자 분취 장치 A는, 이와 같이, 광학 검출 수단(3)에 의한 미소 입자의 특성 검출까지를 마이크로칩(1)에서 행하고, 그 후, 미소 입자의 이동 방향의 제어를 칩 밖의 공간에서 행하는 것을 특징으로 하고 있다. 미소 입자 분취 장치 A에서는, 광학 검출 수단(3)에 의해 검출된 미소 입자의 광학 특성에 의거해서, 그 미소 입자가 포함되는 액체방울의 이동 방향을 쌍전극(4, 4)에 의해 제어함으로써, 원하는 특성을 구비한 미소 입자를 용기(51∼53)의 어느 것인가로 회수하고, 분취할 수가 있다.
또한, 미소 입자 분취 장치 A에 있어서, 광학 검출 수단(3)은, 예를 들면, 전기적 또는 자기적인 검출 수단으로 치환되어도 좋다. 미소 입자의 특성을 전기적 또는 자기적으로 검출하는 경우에는, 유로(11)에 양측에 미소 전극을 대향시켜 배설하고, 저항값, 용량값(캐패시턴스값), 인덕턴스값, 임피던스, 전극 사이의 전계의 변화값, 혹은, 자화{磁化}, 자계 변화, 자장 변화 등을 측정한다. 이 경우, 미소 입자의 분취는, 미소 입자의 전기적 또는 자기적인 특성에 의거해서 행해진다.
이하, 미소 입자 분취 장치 A의 각 구성의 상세와 그 기능에 대해서 차례{順}로 설명한다. 우선, 도 3∼도 8을 참조해서, 마이크로칩(1)과 진동 소자(2)에 대해서 설명한다.
2. 마이크로칩
(1) 유로
도 3은, 마이크로칩(1)과 진동 소자(2)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 마이크로칩(1)에는, 샘플액이 도입되는 샘플 인렛{inlet}(15)과, 시스액이 도입되는 시스액 인렛(14)이 형성되어 있다. 시스액 인렛(14)에 도입된 시스액은, Y축 정{正}방향 및 부{負}방향의 2방향으로 분기해서 유로(11)를 통해 송액되며, 약{略} 90도로 2회 절곡{折曲}된 후에 합류하고, 하류에 송액된다.
(2) 미소관과 좁힘부
유로(11)의 시스액이 합류하는 부위에는, 샘플 인렛(15)으로부터 도입된 샘플액을 시스액 층류중에 도입하기 위한 미소관(16)이 배설되어 있다. 샘플액의 층류는, 미소관(16)내를 통류해서, 시스액 인렛(14)으로부터 도입되어 유로(11)를 통류하는 시스액 층류중에 도입된다. 이것에 의해, 샘플액 층류를, 주위가 시스액 층류에 의해서 둘러싸인 상태에서, 유로(11) 하류에 송액할 수가 있다.
미소관(16)은, 전압을 인가가능한 금속으로 형성되어 있고, 유로(11)를 통류하는 시스액 및 샘플액에 대해, 정 또는 부의 전하를 부여하는 하전 수단으로서 구성되어 있다. 샘플액 및 시스액은, 유로(11)의 일단에 설치된 오리피스(12)에서 액체방울화되고, 칩 밖의 공간으로 토출된다. 이 때, 미소관(16)에 전압을 인가함으로써, 토출되는 액체방울에 정 또는 부의 전하를 부여할 수가 있다.
도 3중, 부호 (17)은, 유로(11)에 설치된 좁힘부를 나타낸다. 좁힘부(17)는, 송액 방향에 대한 수직 단면의 면적이, 유로 상류로부터 하류로 점차{次第} 작아지도록 형성되어 있다.
도 4는, 미소관(16)의 배설 부위와 좁힘부(17) 근방의 유로(11)의 구조와, 통류하는 샘플액 층류 및 시스액 층류의 모습을 설명하는 단면 모식도이다. 도 4의 (a)는 수평 단면도(XY 단면도), 도 4의 (b)는 수직 단면도(ZX 단면도)를 도시한다. 도면중, 부호 S는 샘플액 층류, 부호 T는 시스액 층류를 나타내고, 부호 P는 샘플액에 포함되는 분취 대상 미소 입자를 나타내고 있다.
샘플액 층류 S는, 미소관(16)에 의해서 유로(11)를 통류하는 시스액 층류 T중에 도입되고, 도면에 도시하는 바와 같이, 시스액 층류 T로 둘러싸인 상태(3차원 층류)로 되어 송액되고 있다.
좁힘부(17)의 유로 측벽은 송액 방향에 따라서{從} 도면중 Y축 방향으로 협착{狹窄}하도록 형성되어 있고, 좁힘부(17)는 그의 상면시{上面視}에서 점차 가늘어지는 추형{錘形; counterbalance shape}으로 되어 있다. 이 형상에 의해서, 좁힘부(17)는, 시스액과 샘플액의 층류 폭을 도면중 Y축 방향으로 좁혀서{점점 축소해 가서} 송액한다. 또, 좁힘부(17)는, 그 유로 바닥면{底面}이 상류로부터 하류를 향해서 깊이 방향(Z축 정방향)으로 높아지는 경사면으로 되도록 형성되어 있고, 같은 방향으로도 층류 폭의 좁힘을 행한다.
이와 같이, 샘플액 층류 S가 시스액 층류 T에 의해서 둘러싸인 3차원 층류를 형성하고, 이 3차원 층류의 층류 폭을 좁혀서 송액하는 것에 의해, 좁혀진 샘플액 층류 S중에 미소 입자 P를 하나씩 배열시켜 송류할 수가 있다. 그리고, 유로(11)내에서의 미소 입자 P의 송류 위치를 위치결정{位置決}해서, 광학 검출 수단(3)으로부터의 측정광을 정밀도{精度}좋게 미소 입자 P에 조사하는 것이 가능해진다.
특히, 좁힘부(17)에 의하면, 마이크로칩(1)의 수평 방향(도 4의 (a) Y축 방향) 뿐만 아니라, 수직 방향(도 4의 (b) Z축 방향)으로도 샘플액 층류 S의 층류 폭을 좁힐 수가 있기 때문에, 유로(11)의 깊이 방향에서의 측정광의 초점 위치를 미소 입자 P의 송류 위치와 정교하고 치밀{精緻}하게 일치시킬 수가 있다. 이 때문에, 미소 입자 P에 정밀도좋게 측정광을 조사해서 높은 측정 감도를 얻는 것이 가능해진다.
여기서, 유로(11)를 충분히 가는{細} 유로로서 형성하고, 이 유로(11)를 통류하는 시스액 층류 T중에, 지름이 작은 미소관(16)을 이용해서 샘플액 층류 S를 도입하면, 미리 층류 폭이 좁혀진 3차원 층류를 형성하는 것도 가능하리라 생각된다. 그렇지만, 이 경우에는, 미소관(16)의 지름을 작게 하는 것에 의해서, 미소관(16)에 미소 입자 P가 막힐{詰} 가능성이 있다.
마이크로칩(1)에서는, 좁힘부(17)를 설치한 것에 의해, 샘플액중에 포함되는 미소 입자 P의 지름에 대해서 충분히 큰 지름의 미소관(16)을 이용해서 3차원 층류의 형성을 행한 후에, 층류 폭의 좁힘을 행할 수가 있다. 따라서, 상기와 같은 미소관(16)의 막힘의 문제가 생기지 않는다.
도 4에서는, 미소관(16)을, 그의 중심이 유로(11)의 중심과 같은 축 위에 위치하도록 배설한 경우를 도시했다. 이 경우, 샘플액 층류 S는, 유로(11)를 통류하는 시스액 층류 T의 중심에 도입되게 된다. 시스액 층류 T중에서의 샘플액 층류 S의 위치는, 유로(11)내에서의 미소관(16)의 개구 위치를 조절하는 것에 의해서 임의로 설정할 수가 있다. 또, 층류 폭의 좁힘을 위해서는, 좁힘부(17)는, 송액 방향에 대한 수직 단면의 면적이, 유로 상류로부터 하류로 점차 작아지도록 형성되어 있으면 좋고, 도 4에 도시한 형상에 한해지지 않고, 예를 들면 유로 바닥면 및 상면의 양쪽을 경사면으로서 형성하고 좁힘을 행할 수도 있다.
미소관(16)의 내경은, 분취 대상으로 하는 미소 입자 P의 지름에 따라{應} 적당히{適宜} 설정할 수가 있다. 예를 들면, 샘플액으로서 혈액을 이용하고, 혈구 세포의 분석을 행하는 경우에는, 매우 바람직한 미소관(16)의 내경은 10∼500㎛ 정도이다. 또, 미소관(16)의 개구 위치에서의 유로(11)의 폭 및 깊이는, 미소 입자 P의 지름을 반영한 미소관(16)의 외경에 따라 적당히 설정하면 좋다. 예를 들면, 미소관(16)의 내경이 10∼500㎛ 정도인 경우, 미소관(16)의 개구 위치에서의 유로(11)의 폭 및 깊이는 각각 100∼2000㎛ 정도가 매우 바람직하다. 또한, 미소관의 단면 형상은, 원형 이외에도, 타원형이나 사각형, 삼각형 등 임의의 형상으로 할 수가 있다.
좁힘부(17)에서의 좁힘 전의 샘플액 층류 S 및 시스액 층류 T의 층류 폭은, 유로(11)의 폭 및 깊이와 미소관(16)의 지름에 의존해서 변화할 수 있지만, 좁힘부(17)의 송액 방향에 대한 수직 단면의 면적을 적당히 조정하는 것에 의해서 임의의 층류 폭으로까지 좁힐 수가 있다. 예를 들면, 도 4의 (b)에서, 좁힘부(17)의 유로 길이를 L, 유로 바닥면의 경사 각도를 θ3으로 한 경우, 좁힘부(17)에서의 3차원 층류의 좁힘 폭은 L·tanθ3으로 된다. 따라서, 유로 길이 L 및 경사 각도 θ3을 적당히 조정하는 것에 의해서 임의의 좁힘 폭을 설정하는 것이 가능하다. 또, 도 4의 (a)중, 좁힘부(17) 유로 측벽의 Y축 방향에서의 협착 각도를 각각 θ1, θ2로 하고, 이들과 상기 θ3을 「θ3=2×θ1, θ1=θ2」로 되도록 형성함으로써, 샘플액 층류 S와 시스액 층류 T를 등방적으로 좁혀서, 미소관(16)에 의해 형성된 3차원 층류를 흐트러뜨리는{亂} 일없이 층류 폭을 좁힐 수가 있다.
(3) 광 조사부
도 3중, 부호 (33)은, 광학 검출 수단(3)으로부터의 측정광이 조사되는 광 조사부를 나타낸다. 광 조사부(33)에서는, 광학 검출 수단(3)으로부터의 측정광의 조사에 의해서 미소 입자로부터 발생하는 측정 대상광의 검출이 행해진다.
이미 설명한 바와 같이, 광 조사부(33)에서는, 좁힘부(17)에 의해서 샘플액 층류 및 시스액 층류의 층류 폭이 좁혀져 있기 때문에, 유로(11)내에서의 샘플액 층류 S의 송류 위치에 측정광의 초점 위치를 정교하고 치밀하게 일치시키고, 미소 입자에 정밀도좋게 측정광을 조사하는 것이 가능하다.
광 조사부(33)에서의 샘플액 층류 S 및 시스액 층류 T의 층류 폭은, 좁힘부(17)의 송액 방향에 대한 수직 단면의 면적을 적당히 조정하는 것에 의해서 임의의 층류 폭으로 할 수가 있지만, 유로(11)의 폭 및 깊이로 각각 20∼2000㎛ 정도가 매우 바람직하다.
(4) 승압부와 오리피스
도 3중, 부호 (12)는, 광 조사부(33)를 통과한 시스액 및 샘플액을 칩 밖의 공간으로 배출하는 오리피스를 나타낸다. 시스액 및 샘플액은, 다음에 설명하는 진동 소자(2)의 작용에 의해서 오리피스(12)에서 액체방울화되고, 칩 밖으로 토출된다.
부호 (13)은, 오리피스(12)보다도 상류로서, 광 조사부(33)보다도 하류의 유로(11)에 설치된 승압부를 나타낸다. 승압부(13)는, 송액 방향에 대한 수직 단면의 면적이, 유로 상류로부터 하류로 점차 작아지도록 형성되어 있다. 즉, 좁힘부(17)와 마찬가지로, 유로 측벽이 송액 방향에 따라서 도면중 Y축 방향으로 협착하도록 형성되어 있고, 유로 바닥면이 상류로부터 하류를 향해서 깊이 방향(Z축 정방향)으로 높아지는 경사면으로 되도록 형성되어 있다.
도 5는, 승압부(13)와 오리피스(12) 근방의 유로(11)의 구조와, 통류하는 샘플액 층류 및 시스액 층류의 모습을 설명하는 단면도 모식도이다. 도 5의 (a)는 수평 단면도(XY 단면도), 도 5의 (b)는 수직 단면도(ZX 단면도)를 도시한다. 도면중, 부호 S는 샘플액 층류, 부호 T는 시스액 층류를 나타내고, 부호 P는 샘플액에 포함되는 분취 대상 미소 입자를 나타내고 있다.
샘플액 층류 S 및 시스액 층류 T는, 승압부(13)에서 도면중 Y축 방향 및 Z축 방향으로 층류 폭이 좁혀져 송액되고 있다. 이 층류 폭의 좁힘에 의해서, 승압부(13)는, 샘플액 및 시스액의 유로(11)내에서의 송액압을 높이고, 이들을 고압으로 오리피스(12)로부터 배출하기 위해서 기능한다. 이 승압부(13)의 기능에 의해, 오리피스(12)에서 액체방울화될 때에, 보다 높은 주파수로 액체방울을 형성하는 것이 가능해지고, 고속의 분취가 가능해진다. 도 3 및 도 5중, 토출된 액체방울의 이동 방향을 부호 F로 나타낸다.
오리피스(12) 부위의 샘플액 층류 S 및 시스액 층류 T의 층류 폭은, 승압부(13)의 송액 방향에 대한 수직 단면의 면적을 적당히 조정하는 것에 의해서 임의의 층류 폭으로까지 좁힐 수가 있다. 예를 들면, 도 5의 (b)에서, 승압부(13)의 유로 길이를 l, 유로 바닥면의 경사 각도를 θ3으로 한 경우, 승압부(13)에서의 3차원 층류의 좁힘 폭은 L·tanθ3으로 된다. 따라서, 유로 길이 l 및 경사 각도 θ3을 적당히 조정하는 것에 의해서 임의의 좁힘 폭을 설정하는 것이 가능하다. 오리피스(12) 부위에서의 샘플액 층류 S 및 시스액 층류 T의 층류 폭은, 오리피스(12) 부위의 폭 및 깊이로 각각 20∼500㎛ 정도가 매우 바람직하다.
또한, 샘플액 층류 S와 시스액 층류 T의 층류 폭의 좁힘은, 승압부(13)의 유로 바닥면 및 상면의 양쪽을 경사면으로 해서 행할 수도 있고, 승압부(13)의 형상은 도면에 도시하는 형상에 한정되지 않는 점은, 좁힘부(17)와 같다. 또, 도 5의 (a)중, 승압부(13) 유로 측벽의 Y축 방향에서의 협착 각도 θ1, θ2 및 Z축 방향에서의 협착 각도 θ3을, 「θ3=2×θ1, θ1=θ2」로 되도록 형성함으로써, 미소관(16)에 의해 형성된 3차원 층류를 등방적으로 축소{縮小; reduce}하고, 흩뜨리는 일없이 층류 폭을 좁힐 수가 있는 점도, 좁힘부(17)에서 설명한 대로이다.
3. 진동 소자
도 3중, 부호 (2)는, 미소 입자 분취 장치 A 본체에의 카트리지(7)의 부착시(도 1 참조)에 있어서, 마이크로칩(1)의 일부에 맞닿는 진동 소자를 나타내고 있다. 여기에서는, 진동 소자(2)를 미소 입자 분취 장치 A 본체 측에 배설한 경우로서 설명하지만, 진동 소자(2)는 마이크로칩(1)의 내부 구성으로서 칩과 일체로 설치되는 것이더라도 좋다.
진동 소자(2)는, 마이크로칩(1)을 소정 주파수로 진동시키는 것에 의해, 오리피스(12)에서 샘플액 및 시스액을 액체방울화해서 칩 밖의 공간으로 토출시킨다. 이와 같은 진동 소자를 이용한 샘플액 및 시스액의 액체방울화는, 종래의 플로우 셀을 이용한 플로우 사이토메트리와 마찬가지로 해서 행할 수가 있다. 진동 소자(2)는, 예를 들면, 잉크젯 프린터에도 채용되는 피에조 진동 소자 등에 의해서 구성된다.
도 6은, 오리피스(12)로부터 액체방울화되어 토출되는 샘플액 및 시스액을 모식적으로 도시하는 도면이다. 미소 입자 P를 포함하는 샘플액 층류 S는, 시스액 층류 T와 함께, 오리피스(12)에서 액체방울화되고, 액체방울 D로 되어 도면중 화살표 F방향으로 토출된다.
진동 소자(2)는, 소정의 주파수로 마이크로칩(1)을 진동시키는 것에 의해, 도면에 도시하는 바와 같이, 토출되는 각 액체방울 D에 미소 입자 P가 하나씩 포함되도록 샘플액 및 시스액을 액체방울화한다. 이 때, 진동 소자(2)의 주파수는, 광 조사부(33)에서 광학 검출 수단(3)에 의해 검출되는 미소 입자 P의 송류 속도(유속) 및 송액 압력, 마이크로칩(1)의 공진 주파수 등에 의거해서 설정된다. 또, 진동 소자(2)의 주파수는, 오리피스(12) 부위에서의 유로(11)의 폭과 깊이(즉, 수직 단면의 면적)에 의해서도 설정된다.
4. 마이크로칩의 각 부위에서의 유로 폭 및 깊이
도 7은, 유로(11)의 각 부위에서의 폭 및 깊이를 설명하는 단면 모식도이다. 도면은, 유로(11)의 YZ 단면을 도시하고, 도 7의 (a)는 미소관(16)의 개구 위치, 도 7의 (b)는 광 조사부(33), 도 7의 (c)는 오리피스(12) 부위에서의 유로(11)의 단면을 도시한다.
도 7의 (a)에 도시하는 바와 같이, 미소관(16)의 개구 위치에서는, 샘플액 층류 S와 시스액 층류 T는, 샘플액 층류 S 주위를 시스액 층류 T가 둘러싼 3차원 층류로서 송액되고 있다. 이미 설명한 바와 같이, 미소관(16)의 개구 위치에서의 유로(11)의 폭 및 깊이는, 미소 입자 P의 지름을 반영한 미소관(16)의 외경에 따라 적당히 설정되고, 예를 들면, 100∼2000㎛ 정도로 된다.
미소관(16)에 의해 형성된 3차원 층류는, 좁힘부(17)에 의해서 층류 폭이 좁혀진 상태에서 광 조사부(33)에 송액되어 온다(도 7의 (b) 참조). 좁힘부(17)에 의해서 층류 폭을 좁히는 것에 의해, 광 조사부(33)에는, 샘플액 층류 S중에 미소 입자 P가 하나씩 배열되어 송류되어 온다.
광 조사부(33)에서의 샘플액 층류 S 및 시스액 층류 T의 층류 폭은, 좁힘부(17)의 송액 방향에 대한 수직 단면의 면적을 적당히 조정하는 것에 의해서 임의로 설정할 수 있다. 광 조사부(33)에서의 유로(11)의 폭(W) 및 깊이(H)는, 광학 검출 수단(3)에 의한 광학적 검출 각도(광학계의 개구수)를 충분히 크게 하기 위해서, 각각 20∼2000㎛ 정도로 함으로써, 광학적 검출 각도 δ 및 개구수를 충분히 크게 취하는 것이 가능해진다.
또, 광 조사부(33)에서의 유로(11)의 형상은, 깊이(H)에 대해서 폭(W)을 크게 하고, 광학 검출 수단(3)에 의한 측정광의 조사 방향에 대해서 장방형 형상으로 하는 것이 바람직하다. 광 조사부(33)에서의 유로(11)를 이와 같은 폭넓은 형상으로 함으로써, 광학계의 개구수를 보다 크게 취하는 것이 가능해진다.
광 조사부(33)를 통과한 샘플액 층류 S 및 시스액 층류 T는, 승압부(13)에 의해서, 도 7의 (c)에 도시하는 바와 같이 재차 층류 폭이 좁혀져서 오리피스(12)에 송액된다. 승압부(13)에 의해서 층류 폭을 좁히는 것에 의해, 오리피스(12)로부터의 샘플액 및 시스액의 배출압을 높일 수가 있다.
오리피스(12) 부위에서의 샘플액 층류 S 및 시스액 층류 T의 층류 폭은, 승압부(13)의 송액 방향에 대한 수직 단면의 면적을 적당히 조정하는 것에 의해서 임의로 설정할 수 있다. 오리피스(12)에서, 고속으로 고주파의 액체방울을 형성하기 위해서는, 오리피스(12) 부위에서의 샘플액 층류 S 및 시스액 층류 T의 층류 폭을 작게 해서, 샘플액 및 시스액의 배출압을 충분히 높이는 것이 바람직하다. 이 때문에, 오리피스(12)의 개구에서의 유로(11)의 폭(w) 및 깊이(h)는, 광 조사부(33)에서의 폭(W) 및 깊이(H)보다도 작게 한다. 혹은, 오리피스(12)의 개구에서의 유로(11)의 단면 면적을, 광 조사부(33)에서의 단면 면적보다도 작게 한다. 따라서, 오리피스(12)의 개구에서의 유로(11)의 폭(w) 및 깊이(h)는, 각각 20∼500㎛ 정도로 하는 것이 매우 바람직하게 된다.
여기에서는, 미소관(16)에 의해 형성된 3차원 층류의 층류 폭을, 우선 좁힘부(17)에 의해서 광 조사부(33)에서의 미소 입자의 광학 검출에 적합한 폭으로 하고, 그 다음에 승압부(13)에 의해서 고주파의 액체방울 형성이 가능한 폭으로 하는 경우를 설명했다. 유로(11)에서의 층류 폭의 좁힘은, 좁힘부(17) 및 승압부(13)의 2단계로 행할 필요는 없고, 예를 들면 도 8에 도시하는 바와 같이, 유로(11)의 미소관(16)의 개구 위치로부터 오리피스(12)까지의 사이에서, 연속해서 서서히 유로 폭 및 깊이, 혹은 유로 단면 면적이 작아지도록 해서 행할 수도 있다.
이 외{他}에, 유로(11)의 형상은, 미소관(16)의 개구 위치, 광 조사부(33) 및 오리피스(12) 부위에서의 유로 폭 및 깊이가 상기의 매우 바람직한 수치 범위로 되는 한{限}에 있어서, 혹은 유로 단면 면적이 상기의 대소 관계를 충족{滿}시키는 한에 있어서, 여러가지 형상으로 형성될 수 있는 것으로 한다.
또, 오리피스(12)의 개구 형상은, 정방형이나 장방형, 원형 등의 임의의 형상으로 하는 것이 가능하다. 또, 도 8에 도시하는 바와 같이, 개구부의 단면 부분을 역{逆}테이퍼 형상으로 형성할 수도 있다. 오리피스(12)의 개구 단면 부분을, 이와 같은 나팔 형상으로 함으로써, 형성되는 액체방울의 물빠짐{水切; discharge}을 좋게 할 수가 있다.
5. 미소 입자 분취 장치의 동작
계속해서, 미소 입자 분취 장치 A의 동작에 대해서 도 9를 참조하면서 설명한다.
유로(11)의 광 조사부를 통과한 샘플액 및 시스액은, 오리피스(12)로부터 칩 밖의 공간으로 배출된다. 광 조사부에서는, 광학 검출 수단에 의해서, 미소 입자의 광학 특성의 검출과 동시에, 미소 입자의 송류 속도(유속) 및 미소 입자의 간격 등의 검출이 행해지고 있다. 검출된 미소 입자의 광학 특성, 유속 및 간격 등은, 전기적 신호로 변환되고 장치의 전체 제어부(도시하지 않음)에 출력된다. 전체 제어부는, 이 신호에 의거해서 진동 소자(2)의 진동수를 제어하고, 오리피스(12)에서 형성되는 액체방울 D중에 미소 입자 P가 하나씩 포함되도록 마이크로칩(1)을 진동시킨다.
또, 전체 제어부는, 미소관(16)에 인가되는 전압을, 진동 소자(2)의 진동 주파수에 동조{同調}시켜 제어하는 것에 의해, 유로(11)를 통류하는 시스액 및 샘플액에 부여되는 전하의 정부{正負}를 전환{切換}해서 오리피스(12)에서 형성되는 액체방울 D에 정 또는 부의 전하를 부여한다. 광학 검출 수단에 의해서 검출된 미소 입자의 광학 특성은, 전기 신호로 변환되어 전체 제어부에 출력되고 있고, 전체 제어부는, 이 신호에 의거해서 미소관(16)에 인가되는 전압을 제어하고, 각 액체방울에 포함되는 미소 입자의 광학 특성에 따라 액체방울에 부여하는 전하를 결정한다. 구체적으로는, 전체 제어부는, 예를 들면, 원하는 특성을 가지는 분취 대상 미소 입자를 포함하는 액체방울을 정으로, 분취 대상 미소 입자를 포함하지 않는 액체방울을 부로 대전{帶電}시킨다.
이 때, 액체방울 D의 하전 상태를 안정화시키기 위해서, 미소 입자 분취 장치 A에서는, 오리피스(12) 근방에, 칩 밖의 공간으로 토출된 액체방울의 이동 방향을 따라, 그라운드접지 쌍전극(6, 6)을 배치하고 있다. 그라운드접지 쌍전극(6, 6)은, 이동하는 액체방울을 사이에 두고 대향하도록 배치되어 있고, 미소 입자의 이동 방향을 제어하기 위한 쌍전극(41, 42)과 오리피스(12)와의 사이에 배설된다.
오리피스(12)로부터 하전되어 토출되는 액체방울 D는, 쌍전극(41, 42)과의 사이에 작용하는 전기적 힘에 의해서 이동 방향이 제어된다. 이 때, 이동 방향의 제어를 정확하게 행하기 위해서는, 안정한 전하가 액체방울에 부여되고 있는 것이 필요하다. 쌍전극(41, 42)에는, 매우 높은 전압이 인가되기 때문에, 쌍전극(41, 42)의 고전위가, 오리피스(12)에서 미소관(16)으로부터 액체방울 D에 부여되는 전하에 영향을 주면, 액체방울 D의 하전 상태가 불안정하게 될 우려가 있다. 그래서, 미소 입자 분취 장치 A에서는, 오리피스(12)와 쌍전극(41, 42)과의 사이에 접지된 그라운드접지 쌍전극(6, 6)을 배치함으로써, 이와 같은 쌍전극(41, 42)의 고전위에 의한 영향을 배제하고 있다.
오리피스(12)로부터 토출되는 액체방울 D의 이동 방향의 제어는, 예를 들면, 이하와 같이 행해진다. 즉, 원하는 특성을 가지는 분취 대상 미소 입자가 포함되는 액체방울을 정으로, 분취 대상 미소 입자를 포함하지 않는 액체방울을 부로 대전시키는 앞{先}의 예에서는, 쌍전극(41)을 정으로, 쌍전극(42)을 부로 대전시키는 것에 의해, 분취 대상 미소 입자만을 용기(53)에 분취할 수가 있다. 구체적으로는, 정전하가 부여된 분취 대상 미소 입자를 포함하는 액체방울은, 쌍전극(41)과의 전기적 반발력 및 쌍전극(42)과의 전기적 흡인력에 의해서, 이동 방향이 화살표 f3 방향으로 제어되고 용기(53)에 유도된다. 한편, 부전하가 부여된 분취 대상 미소 입자를 포함하지 않는 액체방울은, 이동 방향이 화살표 f2 방향으로 제어되고 용기(52)에 유도된다.
혹은, 예를 들면, 원하는 특성을 가지는 분취 대상 미소 입자가 포함되는 액체방울에 전하를 부여하지 않고, 분취 대상 미소 입자를 포함하지 않는 액체방울을 정 또는 부로 대전시키고, 쌍전극(41, 42)을 정 또는 부로 대전시키면, 분취 대상 미소 입자만을 용기(51)에 분취할 수가 있다. 그 외에, 액체방울 D에 부여하는 전하와, 쌍전극(41, 42)에 의한 액체방울의 이동 방향의 제어는, 종래의 플로우 사이토메트리와 마찬가지로 여러가지 조합에서 행할 수가 있다. 또한, 액체방울 D를 회수하기 위한 용기는 2이상 설치되고, 3개로 한정되는 일은 없는 것으로 한다. 또, 이들 용기는, 회수한 액체방울을 저류{貯留; store}하는 일없이 배출하는 배출로로서 구성되어 있어도 좋고, 회수된 분취 대상이 아닌 미소 입자가 파기{破棄}되도록 해도 좋다.
여기에서는, 액체방울 D에, 그 액체방울에 포함되는 미소 입자의 특성에 의거해서 정 또는 부의 전하를 전환해서 부여하여 분취를 행하는 경우를 예로 설명했다. 액체방울의 분취는, 액체방울 D에는 모두에 정 또는 부의 어느쪽인가로 대전시키고, 쌍전극(41, 42)에 인가하는 전압 쪽을 미소 입자의 특성에 의거해서 전환하는 것에 의해 행할 수도 있다. 또, 광학 검출 수단을 전기적 또는 자기적인 검출 수단으로 치환한 경우에도, 미소 입자의 전기적 또는 자기적 특성에 의거해서 마찬가지로 해서 액체방울의 이동 방향을 제어함으로써, 원하는 특성을 구비한 미소 입자를 용기(51∼53)의 어느 것인가에 회수하고, 분취하는 것이 가능하다.
이상과 같이, 미소 입자 분취 장치 A에 의한 미소 입자의 분취는, 광학 검출 수단(3)에 의한 미소 입자의 특성 검출까지를 마이크로칩(1)에서 행하고, 그 후, 미소 입자의 이동 방향의 제어를 칩 밖의 공간으로 토출된 액체방울로서 행하는 것을 특징으로 하고 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 종래의 플로우 셀을 이용한 플로우 사이토메트리에서는, 층류 형성을 위한 유로계를 구성하는 플로우 셀 부품과, 액체방울을 형성하기 위한 오리피스 부품이, 고가이고, 각각의 위치를 층류가 흐트러지지 않도록 미세{微}조정(얼라인먼트)할 필요가 있으며, 한번 쓰고 버리는 것이 가능한 구성으로 되어 있지 않기 때문에, 샘플 사이의 크로스 컨테미네이션이 생길 우려가 있었다. 이에 대해서, 미소 입자 분취 장치 A에서는, 층류 형성 및 미소 입자의 특성 검출을, 플로우 셀 부품과 오리피스 부품을 일체로 한 디스포저블 유스가 가능한 마이크로칩(1)에서 행하기 때문에, 측정 사이에서의 샘플의 크로스 컨테미네이션이 생기지 않는다. 또, 종래와 같은 얼라인먼트가 불필요{不要}하게 되고, 사용자가 보다 간편하게 분취를 행하는 것이 가능해진다.
또, 미소 입자 분취 장치 A에서는, 미소 입자의 이동 방향의 제어를 칩 밖의 공간에서 행함으로써, 종래의 μ-TAS를 응용한 플로우 사이토메트리와 같이, 미소 입자의 이동 방향의 제어를 통류하는 액체중에서 행할 필요가 없고, 보다 높은 분취 속도를 달성할 수가 있다. 또, 미소 입자 분취 장치 A에서는, 유로(11)내에서 샘플액 및 시스액의 송액압을 충분히 높여 오리피스(12)로부터 고속으로 고주파의 액체방울을 토출하는 것이 가능하고, 높은 분취 속도가 얻어진다.
6. 카트리지
또, 미소 입자 분취 장치 A에서는, 액체방울의 이동 방향의 제어가 행해지는 공간을, 밀폐가능한 카트리지(7)(도 1 참조) 내측공동에 구성하는 것이 매우 바람직하게 된다. 즉, 도 10에 도시하는 바와 같이, 마이크로칩(1)의 적어도 오리피스(12) 부분과, 오리피스(12)로부터 칩 밖으로 토출된 액체방울 D가 이동하는 공간은, 카트리지(7)내의 기밀 공간에 배치되는 것이 바람직하다. 이 때, 오리피스(12)에서의 액체방울 형성이 저해되지 않도록, 마이크로칩(1)은, 진동 소자(2)로부터의 진동에 의해 오리피스(12) 부분이 소정의 진동수로 진동할 수 있도록 카트리지(7)에 부착된다. 구체적으로는, 마이크로칩(1)은, 오리피스(12)와는 반대 단측{端側}에서 카트리지(7)에 고정되고, 오리피스(12) 단측은 카트리지(7)와 접촉하고 있지 않는 것이 바람직하다.
카트리지(7)의 내측공동에는, 액체방울의 이동 방향 제어를 위한 쌍전극(4, 4) 및 그라운드접지 쌍전극(6, 6)이 배설되어 있다. 액체방울을 회수하기 위한 용기(51∼53)는, 카트리지(7)에 착탈가능하게 부착되어 있고, 부착시에 있어서 카트리지(7)의 내측공동에 기밀하게 접속하도록 되어 있다.
이와 같이, 액체방울이 토출되는 오리피스(12)로부터, 액체방울이 회수되는 용기(51∼53)까지의 공간을 밀폐가능한 카트리지(7) 내측공동에 구성 함으로써, 오리피스로부터 액체방울을 형성할 때에 발생하는 미소 액체방울(에어로졸) 등의 오염 물질이 샘플에 혼입하는 것을 방지할 수 있다. 또, 동시에, 액체방울이나 액체방울 형성시에 발생하는 에어로졸을 카트리지(7)내에 가둘{閉入; confine} 수가 있고, 감염성 세포 등의 위험성을 수반하는 미소 입자를 분취하는 경우에, 사용자에 대한 폭로나 환경의 오염을 방지할 수 있다.
카트리지(7)는, 마이크로칩(1)과 마찬가지로, 전체를 유리나 각종 플라스틱에 의해 형성하고, 광학 검출 수단으로부터의 측정광에 대해서 광 투과성을 가지는 것이 바람직하다. 혹은, 도면에 도시하는 바와 같이, 마이크로칩(1)의 광 조사부에 대응하는 위치에 광학 창{窓}(34)을 설치해서, 이 광학 창(34) 부분에만 측정광에 대한 투과성을 부여해도 좋다. 혹은, 광학 창(34)을 카트리지(7)의 일부를 도려내어 설치한 경우에는, 광학 검출 수단으로서 개구수가 높고, 동작 거리가 작은 대물 렌즈를 이용한 경우에도, 대물 렌즈가 마이크로칩(1)의 광 조사부 면에 근접할 수가 있다. 이 경우, 개방된 광학 창으로부터의 오염을 방지하기 위해서, 마이크로칩(1)의 오리피스(12) 단{端}을 가늘게 형성하고, 도 11에 도시하는 바와 같이, 마이크로칩(1)과 액체방울의 이동 방향의 제어가 행해지는 공간과의 접속구{接續口}의 개구를 작게 하는 것이 바람직하다. 마이크로칩(1)의 오리피스(12) 단을 가늘게 형성함으로써, 도 10에 비해서 접속구의 개구를 작게 할 수가 있다. 또, 가늘게 형성한 오리피스(12) 단을 액체방울의 이동 방향의 제어가 행해지는 공간내에 삽입함으로써, 액체방울이나 액체방울 형성시에 발생하는 에어로졸의 봉지 효율을 높일 수가 있다.
카트리지(7)내의 기밀성을 더욱더 높이기 위해서는, 광학 창(34)은, 유리 등의 광 투과성의 재질에 의해서 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 광학 창(34)은, 예를 들면, 표면에 반사 방지막이나 반사 방지 나노 구조를 형성한 플라스틱이나, 석영 등의 고투과 재료에 의해서 형성하고, 광학 창의 두께를 가능한 한 얇게 형성하고, 광학 손실이 가능한 한 작아지도록 한다.
도 12 및 도 13은, 카트리지(7)의 다른 매우 바람직한 실시형태를 도시하는 도면이다. 도 12에 도시하는 바와 같이, 액체방울의 이동 방향의 제어를 행하는 쌍전극(4, 4) 및 그라운드접지 쌍전극(6, 6)은, 미소 입자 분취 장치 A 본체 측에 설치할 수도 있다. 이 경우, 카트리지(7)에 끼워넣음 구멍{嵌入穴; fitting hole}을 만들{設}고, 장치 본체에의 부착시에 있어서, 이 끼워넣음 구멍에 쌍전극(4, 4) 및 그라운드접지 쌍전극(6, 6)이 삽입되도록 한다. 끼워넣음 구멍에 삽입된 상태에서, 쌍전극(4, 4) 및 그라운드접지 쌍전극(6, 6)은, 마이크로칩(1)의 오리피스로부터 토출되는 액체방울의 이동 방향을 따라 배치된다.
또, 도 13에 도시하는 바와 같이, 카트리지(7)에는, 마이크로칩(1)에 샘플액을 공급하기 위한 샘플액 리저버{reservoir}(8)를 설치해도 좋다. 샘플액 리저버(8)로부터의 샘플액은, 샘플액 인렛(15)으로부터 마이크로칩(1)에 공급된다. 이것에 의해, 샘플액의 공급로에 대해서도, 디스포저블 유스가 가능한 구성으로 할 수 있고, 측정 사이에서의 샘플의 크로스 컨테미네이션을 한층 방지할 수 있다.
A: 미소 입자 분취 장치, D: 액체방울, P: 미소 입자, S: 샘플액 층류, T: 시스액 층류, 1: 마이크로칩, 11: 유로, 12: 오리피스, 13: 승압부, 14: 시스액 인렛, 15: 샘플액 인렛, 16: 미소관, 17: 좁힘부, 2: 진동 소자, 3: 광학 검출 수단, 33: 광 조사부, 34: 광학 창, 4, 41, 42: 쌍전극, 51, 52, 53: 용기, 6: 그라운드접지 쌍전극, 7: 카트리지, 8: 샘플액 리저버.

Claims (16)

  1. 미소 입자를 포함하는 액체가 통류{通流}되는 유로와, 이 유로를 통류하는 액체를 칩 밖의 공간으로 배출하는 오리피스가 배설{配設}된 마이크로칩과,
    오리피스에서 액체를 액체방울화{液滴化}해서 토출{吐出; discharge}하기 위한 진동 소자와,
    토출되는 액체방울에 전하를 부여하기 위한 하전{荷電} 수단과,
    오리피스보다도 송액{送液} 방향 상류에서 유로를 통류하는 미소 입자의 광학 특성을 검출하는 광학 검출 수단과,
    칩 밖의 공간으로 토출된 액체방울의 이동 방향을 따라{沿}, 이동하는 액체방울을 사이에 두고{挾} 대향해서 배설된 쌍전극{對電極; paired electrodes}과,
    쌍전극 사이를 통과한 액체방울을 회수하는 2이상의 용기를 구비{備}하고,
    상기 마이크로칩은, 오리피스 부위의 유로 폭 및 유로 깊이가, 광학 검출 수단에 의한 미소 입자의 광학 특성 검출이 행해지는 부위의 유로 폭 및 유로 깊이보다도 작게 형성됨과 동시에,
    상기 광학 특성 검출이 행해지는 부위와 상기 오리피스 부위 사이는,
    상기 유로의 상기 송액 방향에 대한 수직 단면의 면적이 유로 상류로부터 하류로 점차 작아지도록 형성되어 있고,
    상기 오리피스로부터 토출된 상기 액체방울은 상기 용기의 어느 것인가 하나에 회수되는,
    미소 입자 분취{分取} 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유로의 상기 광학 특성 검출이 행해지는 부위와 상기 오리피스 부위 사이에, 유로 측벽, 유로 저면 및 유로 상면의 모두가 경사면으로 된 승압부가 형성된 미소 입자 분취 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 승압부에서 상기 액체의 층류 폭이 등방적으로 축소되는 미소 입자 분취 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유로의 상기 광학 특성 검출이 행해지는 부위보다도 송액 방향 상류에, 유로 측벽, 유로 저면 및 유로 상면의 모두가 경사면으로 된 좁힘부가 형성된 미소 입자 분취 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    광학 검출 수단에 의한 미소 입자의 광학 특성 검출이 행해지는 부위보다도 송액 방향 상류에서, 유로를 통류하는 액체 T의 층류중에, 미소 입자를 포함하는 다른{他} 액체 S의 층류를 도입{導入}하는 미소관을 구비하는 미소 입자 분취 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    전압을 인가가능한 금속에 의해 형성한 미소관을 하전 수단으로서 구성한 미소 입자 분취 장치.
  7. 제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    마이크로칩의 적어도 오리피스 부분과, 오리피스로부터 칩 밖으로 토출된 액체방울이 이동하는 공간이, 광학 검출 수단으로부터의 광에 대해서 광 투과성을 가지는 카트리지 내측공동{內空; cavity}에 구성되어 있는 미소 입자 분취 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    카트리지 내측공동이 밀폐가능하게 구성되어 있는 미소 입자 분취 장치.
  9. 미소 입자의 분취를 위해서 이용되는 마이크로칩으로서,
    미소입자를 포함하는 액체가 통류되는 유로와, 이 유로를 통류하는 액체를 칩 밖의 공간으로 배출하는 오리피스가 배설되고,
    유로의 소정 부위가, 통류하는 미소 입자의 광학 특성을 검출하기 위한 광학 검출 수단으로부터의 광이 조사되는 광 조사부로서 구성되고,
    오리피스 부위의 유로 폭 및 유로 깊이가, 광 조사부의 유로 폭 및 유로 깊이보다도 작게 형성됨과 동시에,
    상기 광 조사부와 상기 오리피스 부위 사이는, 상기 유로의 송액 방향에 대한 수직 단면의 면적이 유로 상류로부터 하류로 점차 작아지도록 형성되어 있는 마이크로칩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유로의 상기 광 조사부와 상기 오리피스 부위 사이에, 유로 측벽, 유로 저면 및 유로 상면의 모두가 경사면으로 된 승압부가 형성되어 있는 마이크로칩.
  11. 제10항에 있어서, 상기 승압부에서 상기 액체의 층류 폭이 등방적으로 축소되는 마이크로칩.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유로의 상기 광 조사부보다도 송액 방향 상류에, 유로 측벽, 유로 저면 및 유로 상면의 모두가 경사면으로 된 좁힘부가 형성된 마이크로칩.
  13. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    오리피스에서 액체를 액체방울화해서 토출시키기 위한 진동 소자를 구비하는 마이크로칩.
  14. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 조사부보다도 송액 방향 상류에, 유로를 통류하는 액체 T의 층류중에, 미소 입자를 포함하는 다른 액체 S의 층류를 도입하는 미소관이 배설되어 있고, 그 미소관이, 전압을 인가가능한 금속에 의해 형성되어 있는 마이크로칩.
  15. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 마이크로칩의 적어도 오리피스 부분과, 오리피스로부터 칩 밖으로 토출된 액체방울이 이동하는 공간이, 내측공동{內空; cavity}에 구성되고, 광학 검출 수단으로부터의 광을 광 조사부에 투과시키는 광 투과성을 가지는 카트리지.
  16. 제15항에 있어서,
    내측공동이 밀폐가능하게 구성되어 있는 카트리지.
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