JP2009174995A - 流路構造、流路基板並びに流体の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の流路を用いて試料を処理するにあたり、高精度かつ効率よく処理できる流路構造を提供すること。
【解決手段】試料を導入する試料導入部と、この試料を処理する処理部と、試料を排出する排出部と、を少なくとも備えた流路を、複数備えた流路構造であって、各流路は、試料導入部から導入された試料にシース液を導入するシース液導入部を備え、かつ流路とシース液導入部との合流部から処理部までの距離が、各流路において略等距離である流路構造とすること。
【選択図】図２

Description

本発明は、流路構造、流路基板並びに流体の制御方法に関する。

少量の試料をマイクロ流路等に流し、その試料の分析を流路中で行う技術が、バイオ関連の分析や化学分析等をはじめ、幅広い分野に応用されている。例えば、生体物質や、自然環境における物質等の微量化学分析等に用いられている。

このような技術が用いられるものとして、例えば、フローサイトメトリーが挙げられる。フローサイトメトリーでは、試料として細胞やタンパク質やビーズ等を対象とし、これらの分析を流路内で行う。この分析結果等を踏まえて、試料の分取を続いて行う。試料のソーティングを正確に行うためには、流路中の試料を定量的かつ精密に搬送し続けることが重要である。

それ以外の分野として、例えば、化学分析等においてこのような流路中での測定技術がマイクロシステム技術として応用されている。例えば、基板上に流体素子として同様のマイクロ流路を設け、各種検出器等を集積化したマイクロ化学分析システム等への応用が考えられている。

しかし、このような流路構造において特に問題となるのは、流量等による速度分布変化に起因する乱れの発生であり、特に層流から乱流へと遷移することが大きな影響を及ぼすことが知られている。更に、流路内の試料、特に生体材料が、流路壁面に接触しないようにしなければならない。このような問題を解決するために、例えばフローサイトメトリー等では、所定の流路構造を基板に形成し、そこに試料をいわゆるシース液で挟みこんで送液すること等が行われている。

このような流路構造に関する従来技術の一例として、図９を参照して説明する。図９の符号９は、従来の流路基板の一例を示している。この流路基板９は、９箇所の試料導入部９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｄ、９１ｅ、９１ｆ、９１ｇ、９１ｈ、９１i（以下、試料導入部９１と総称することがある。）を備えている。各試料導入部９１から導入された試料は、シース液導入部９２から導入流路９２１、流路９３、９３を経由したシース液で挟み込まれて流路９４を搬送される。流路幅や深さが太い導入流路９２１を介することで、１つのシース液導入部９２から各流路にシース液を送り込む。そして、処理部９５において、各試料は蛍光分析や散乱光分析等といった測定に処せられる。その後、流路９６を経て対応する排出部９７ａ〜９７ｉから排出・採取される。このように、複数流路を並列に配置することで、複数の試料を一度に行うことができる等といった利点が挙げられる。

特許文献１は、複数試料の測定を容易にかつ効率的に行わんとする分析装置等について開示されている。固体粒子を収納する反応室と、この反応室から流出した溶液を光分析するための検出部が設けられた流路を複数並列させる構造等が開示されている。そして、複数の試料液導入部の間隔は、検出部に複数並列されている流路の幅よりも広くする思想等が開示されている。

特開２００４−３０１７３３号公報。

しかし、かかる流路を並列に配置させて測定する場合には、試料を流路に導入してから測定するまでの流路長を均一でなければ、精度に影響を与えてしまう。流路長が異なると流路内の圧力や試料の流量等が異なり、試料の処理条件にばらつきが生じてしまう。以上の問題は、特に、微小な流路で複数の試料を処理する際に顕著である。

そこで、本発明は、複数の流路を用いて試料を処理するにあたり、高精度かつ効率よく処理できる流路構造を提供すること主な目的とする。

まず、本発明は、試料を導入する試料導入部と、試料を処理する処理部と、試料を排出する排出部と、を少なくとも備えた流路を、複数備えた流路構造であって、流路は、試料導入部から導入された試料にシース液を導入するシース液導入部を備え、流路とシース液導入部との合流部から処理部までの距離が、各流路において略等距離である流路構造を提供する。各流路におけるシース液導入部との合流部から処理部までの距離を略等距離とすることにより、各流路の処理部における処理条件のばらつきを防ぐことができる。なお、本発明において特に断りがない限り、距離とは、流路の長さ（流路長）をいう。
次に、本発明は、少なくとも２以上の流路は、同じ試料導入部から夫々の流路に試料を導入する流路構造を提供する。複数流路を備えた流路構造において、試料導入部を共有させることで、構造上の制限を緩和することができる。
そして、本発明は、少なくとも２以上の流路は、同じシース液導入部から夫々の流路にシース液を導入する流路構造を提供する。複数流路を備えた流路構造において、シース液導入部を共有させることで、構造上の制限を緩和することができる。
更に、本発明は、流路のシース液導入部は、試料導入部から導入された試料に第１のシース液を導入する第１のシース液導入部と、第１のシース液が導入された試料に対して、第１のシース液の導入方向と異なる方向から第２のシース液を導入する第２のシース液導入部と、を少なくとも備え、流路と第２のシース液導入部との合流部から処理部までの距離が、各流路において略等距離である流路構造を提供する。第１のシース液だけでなく、第２のシース液も導入可能とすることで、流路内の任意の位置において試料の層流を高精度に作り出すことができる。
また、本発明は、試料を導入する試料導入部と、試料を処理する処理部と、試料を排出する排出部と、を少なくとも備えた流路を、複数備えた流路構造であって、試料導入部から処理部までの距離が、各流路において略等距離である流路構造を提供する。少なくとも、各流路における試料導入部との合流部から処理部までの距離を略等距離とすることにより、各流路の処理部における処理条件のばらつきを防ぐことができる。
そして、本発明は、試料を導入する試料導入部と、試料を処理する処理部と、試料を排出する排出部と、を少なくとも備えた流路を、複数備えた流路基板であって、流路は、試料導入部から導入された試料にシース液を導入するシース液導入部を備え、流路とシース液導入部との合流部から処理部までの距離が、各流路において略等距離である流路基板を提供する。
更に、本発明は、前記した流路構造において、流路の幅及び／又は深さと、シース液導入部の幅及び／又は深さと、試料の流量と、シース液の流量の少なくともいずれかを調節することで、流路内における試料の位置を制御することを行なう制御方法を提供する。各流路におけるシース液導入部との合流部から処理部までの距離が略等距離である流路構造を用いるので、流路やシース液導入部の幅や深さ、試料やシース液の流量を調節することで、流路内における試料の位置を高い精度で制御できる。

本発明によれば、高精度かつ効率よく複数の流路を用いて試料を処理することができる。

以下、添付図面に基づいて、本発明に係る流路構造の好適な実施形態について説明する。なお、添付図面に示された各実施形態は、本発明に係わる代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。なお、以下に使用する図面では、説明の便宜上、装置の構成等については簡素化して示している。

図１は、本発明に係る流路構造の第１実施形態の概念図である。図１中の符号１は、図１中の符号１は、本発明に係る流路構造を示している。この流路構造１のサイズや形状等は、目的に応じて適宜に設計することができる。

流路構造１は、９箇所の試料導入部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１i（以下、試料導入部１１と総称することがある。）と、１箇所のシース液導入部１２と、処理部１３と、排出部１４と、を備えている。試料導入部１１と処理部１３は主流路１５を介して連通し、処理部１３と排出部１４は流路１６を介して連通されている。

シース液導入部１２は、シース液流路１７、１７を介して合流部１８で主流路１５と連通する。このシース液流路１７、１７は、主流路１５を介して対向するように配置されている。そして、導入流路１２１を介することで、１つのシース液導入部１２から各シース液流路１７にシース液を送り込むことができる。導入流路１２１は、他の流路に比して流路幅や流路深さが大きい流路であり、シース液供給部１２１１から各流路にシース液を供給することができる。これにより、シース液供給部１２１１の夫々にシース液の導入口を設ける必要がなく、構造上の制限を緩和できる。

本発明において試料の種類等は特に限定されず、例えば、細胞やタンパク質やビーズ等といった微小粒子であってもよいし、各種の抗体や試薬等といった流体であってもよい。

本発明においてシース液の種類等は限定されず、対象とする試料を挟み込んで搬送可能な物質であればよい。即ち、本発明は流体の制御に関する技術としても種々の分野に用いることができ、その用途等に応じて試料やシース液を選択することができる。従って、試料として用いるものの性質等を考慮して適宜好適な流体を選択できる。また、必要に応じて、添加物等を加えてもよい。

例えば、フローサイトメトリーの分野であれば、試料として細胞やタンパク質やビーズ等を用い、流体として、生理食塩水等のシース液を用いることができる。また、各種アナライザーやマイクロリアクターとして用いる場合であれば、シース液として、種々の油、有機溶媒、電解液等を用いることで、ナノエマルジョン、ナノカプセル、各種サンプルの結晶化、危険物質の化学合成や成分分析等が可能となる。

試料導入部１１から導入された試料は主流路１５内を搬送される。シース液導入部１２から導入されたシース液はシース液流路１７、１７内を搬送され、合流部１８において主流路１５内の試料を左右から挟み込むように導入される。

これにより、試料が流路壁面に衝突したり、付着することを防止できる。一般に、流路断面における速度分布はハーゲン＝ポアズイユの原理により流路内部の壁面で遅く、流路中心部で速くなる分布となる。これに関して、本発明に係る流路構造では、試料を流路内の中心部を通過させることができる。

更に、試料が流路壁面に付着して、当該流路を塞ぐのを防止できる。これにより、試料の流速や、流路中の試料の位置や、搬送される試料の順番等について優れた安定性を得ることができる。そして、試料の流速についても、当該流路中で一定速度を保ち続けることができる。

合流部１８でシース液が導入された試料は主流路１５を搬送され、処理部１３において各種処理に供せられる。本発明において行う「処理」の内容については限定されず、例えば、各種測定・検出・分離・反応処理等が包含される。

例えば、処理部１３で測定・検出する場合、測定・検出する情報は限定されないが、光学的物性、電気的物性、磁気的物性等が挙げられる。処理部１３における流路の配置間隔を狭くすることで、例えば、光スポットを複数の流路上で走査させて検出・測定を行う場合等では、より高密度に流路を配置することが可能であり、より高速かつ高密度に所望の光学特性を測定できる。

光学的物性の測定として、例えば、蛍光測定、散乱光測定、透過光測定、反射光測定、回折光測定、紫外分光測定、赤外分光測定、ラマン分光測定、ＦＲＥＴ測定、ＦＩＳＨ測定その他各種スペクトラム測定等を用いることができる。例えば、蛍光測定を行う場合には蛍光色素を用いることができるし、励起波長が異なる蛍光色素を併用することで、より検出精度を向上させること等もできる。特に複数の流路を備えているため、流路ごとに異なる励起波長の蛍光色素を用いてもよい。

本発明で可能な電気的物性の測定としては、例えば、試料に関する抵抗値、容量値（キャパシタンス値）、インダクタンス値、インピーダンス、電極間の電界の変化値等の測定を行うことができる。例えば、流路中の流路中の処理部１３等に何らかの電気的測定素子を形成させ、そこに試料を通過させて電気的な物性情報を得る。一例としては、対向する電極を流路内の処理部１３等に配置し、そこを試料が通過することで発生する電気抵抗や電気インピーダンス等を測定すること等が挙げられる。

本発明で可能な磁気的物性の測定としては、例えば、試料に関する磁化、磁界変化、磁場変化等の測定を行うことができる。このようなものとして、例えば、試料表面に磁性体を修飾したものや、磁気ビーズを用いることができる。更には、磁気ビーズ等を蛍光色素で標識して一体としてもよい。例えば、抗体等と磁気ビーズとを反応させた細胞を、強力な磁界中に配置した流路中の処理部１３等に通過させて測定すること等が可能である。例えば、試料を対向する磁気コイルに通過させ、発生した磁界の直流成分や高周波成分である周波数スペクトルを測定できる。あるいは、磁気抵抗素子等により磁化の変化を測定することもできる。

主流路１５における、合流部１８と処理部１３との距離がいずれも略等しい流路を複数配置している。即ち、層流が形成される合流部１８から、測定を行う処理部１３までの距離を略等しい距離とすることで、流路内の圧力や、流路内を流れる試料の流速や、処理速度等を同じくすることができる。これにより、処理部１３で測定する試料の処理条件のばらつきを防止できる。

そして、本発明では、少なくとも合流部１８から処理部１３までの流路長を略等距離とすればよいが、更に好ましくは、試料導入部１１から合流部１８までの流路長を略等距離とすることが望ましい。そして、シース液がシース液流１７路に導入されるシース液供給部１２１１から合流部１８までの流路長を略等距離とすることが望ましい。これにより、夫々の主流路１５の合流部１８における層流の形成条件も同じくすることができる。その結果、夫々の主流路１５の処理部１３における処理条件のばらつきをより正確に防止できる。

また、各合流部１８は、処理部１３を中心とした同一円周上に配置させることが望ましい。これにより、合流部１８と処理部１３の距離を等距離かつ最短とすることができる。流路長を短くすることで、試料を試料導入部１１から導入してから短時間で処理部１３まで搬送することができる。特に、微小粒子等の測定を行う場合には流路長が長いほどその影響を受け易くなるので、流路長を短くすることでかかる影響を排除できる。

処理部１３の流路長や流路幅や流路深さ等は限定されず、目的に応じて適宜好適な長さや幅長や深さとすることができるが、処理部１５の流路長は、上流の主流路１５や下流の流路１６に比して十分に短いことが望ましい。

処理部１３を通過した試料は更に下流へと搬送され、排出部１４において試料とシース液は排出される。そして、必要に応じて、排出部１４で試料（とシース液）を分取したり回収したりしてもよい。

排出部１４から取り出した試料を、分取・回収等のように何らかの処理に再び供する場合には、夫々の流路１６における処理部１３と排出部１４の距離も、各流路において略等距離となることが望ましい。これにより、各流路における排出部１４で同じ条件で分取したり、後続の流路へと接続したりできる。後続の流路に更に搬送する場合については後述する。

図２は、図１で示した流路構造１を直列に接続した一例を示す概念図である。図２の符号Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４、Ｕ５、Ｕ６、Ｕ７、Ｕ８、Ｕ９は、夫々図１の流路構造を示している。即ち、図２は、図１の流路構造１の流路１６の後続に、次なる主流路１５が続いた状態である。

このように流路構造１を繰り返し単位として、次なる流路構造１を直列に接続させてもよい。例えば、流路構造Ｕ１の流路１６（図示せず）に、次なる流路構造Ｕ２の主流路１５が続くことで、流路構造Ｕ２の処理部１３（図示せず）において２回目の処理を行うことができる。このようにして、流路構造Ｕ３、Ｕ４、Ｕ５と繰り返すことで排出部Ｏｕｔｌｅｔ１から試料を取り出すことができる。

同様にして、流路構造Ｕ１から別なる流路構造Ｕ５、Ｕ６、Ｕ７、Ｕ８、Ｕ９へと分岐させることもできる。流路構図Ｕ９を経て排出部Ｏｕｔｌｅｔ２から試料を取り出すことができる。そして、図２に示すように、試料導入部として２つのＩｎｌｅｔ１、２を設けることもできる。図２では、２つの試料導入部Ｉｎｌｅｔ１、２を設けた場合を例示したが、２箇所に限定されず、適宜に所望の数だけ試料導入部を設けてもよい。排出部Ｏｕｔｌｅｔについても同様である。また、接続させる流路構造単位の数も適宜に必要な数だけ接続させることができる。

本発明では、処理部１３を備えた流路構造Ｕ１〜Ｕ９を複数配置しても、流路内の圧力や流速等の条件を等しくできるので好適である。これによって正確な測定が可能となる。

図３は、本発明に係る流路構造の第２実施形態の概念図である。図４は、同実施形態の一部拡大図である。図５は、同実施形態の一部斜視図である。図６は、同実施形態の流体制御の一例を説明するための概念図である。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明し、共通する部分についてはその説明を割愛する。

図３に示す符号２は、本発明に係る流路構造を示している。この流路構造２は、試料導入部２１と、第１のシース液導入部２２と、第２のシース液導入部２３、２３と、処理部２４と、排出部２５と、を備えている。流路構造２は、１０本の主流路２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ、２６ｆ、２６ｇ、２６ｈ、２６ｉ、２６ｊ（以下、主流路２６と総称することがある。）と、２本の参照流路２８、２８を備えている。
なお、図１の拡大領域は、流路２６ｊの一部を拡大した領域である。

この流路構造２では、第１のシース液と第２のシース液を用いている。そして、試料導入部２１と、第１のシース液導入部２２と、第２のシース液導入部２３を、各主流路２６ａ〜ｊについて共有させていることを特徴の一つとしている。

ここで、１の主流路２６における流路構造について、図３、図４等を参照しながら説明する。
試料導入部２１は、導入流路２１１を経由して、各試料供給部２１１１において各主流路２６と連通している。この試料供給部２１１１は、試料導入部２１に注入された試料を主流路２６に供給しうるものである。これにより、試料供給部２１１１の夫々に試料の導入口を設ける必要がない。
第１のシース液導入部２２は、導入流路２２１を経由して、各第１のシース液供給部２２１１において各第１のシース液流路２２１２、２２１２と連通している。この第１のシース液供給部２２１１は、第１のシース液導入部２２に注入された第１のシース液を第1のシース液流路２２１２、２２１２に供給しうるものである。これにより、第１のシース液供給部２２１１の夫々に第１のシース液の導入口を設ける必要がない。
第２のシース液導入部２３は、導入流路２３１を経由して、各第２のシース液供給部２３１１において各第２のシース液流路２３１２、２３１２と連通している。この第２のシース液供給部２３１１は、第２の試料導入部２３に注入された第２のシース液を第２のシース液流路２３１２、２３１２に供給しうるものである。これにより、第２のシース液供給部２３１１の夫々に第２のシース液の導入口を設ける必要がない。

試料は、試料導入部２１から導入流路２１１を経由して、各試料供給部２１１１から各主流路２６に供給される。そして、第１のシース液が、第１のシース液導入部２２から導入流路２２１を経由して、夫々の第１のシース液供給部２１１１から夫々の第１のシース液流路２１１２、２１１２に供給され、第１の合流部２６１で主流路２６内を搬送される試料に第１のシース液が挟み込むように導入される。

続いて、第２のシース液が、第２のシース液導入部２３から導入流路２３１を経由して、夫々の第２のシース液供給部２３１１から夫々の第２のシース液流路２３１２、２３１２に供給され、第２の合流部２６２で主流路２６内を搬送される試料に第２のシース液が挟み込むように導入される。

このように、主流路２６内を搬送される試料に対して、第１の合流部２６１で第１のシース液を導入し、続いて、第２のシース液を第２の合流部２６２で導入することで、より正確に層流を形成することができる。この場合、好ましくは、図５に示すように、第１のシース液の導入方向と異なる方向から第２のシース液を導入することで層流を形成する流路構造であることが望ましい。試料に対して第１のシース液を用いて所定方向から挟み込んだ後に、前記所定方向とは異なる方向から第２のシース液を用いて試料を挟み込むことで、より正確に流路の中心部に試料を位置させることができる。

この図５では、第１のシース液の導入方向と異なる方向から第２のシース液を導入するものとして、以下の流路構造をとっている。試料供給部２１１１から搬送される試料に対して第１の合流部２６１にて第１のシース液を導入した後の試料の搬送方向をＸ軸方向とすると、少なくともＺ軸方向に試料を搬送し、Ｙ軸周りに所定角度だけ回転させ（図５の符号Ｃ参照）、第２の合流部２６２にて第２のシース液を導入することで、主流路２６の中心部に試料を集束させている。その結果、流路中心部にのみ試料が存在する層流を高精度に実現できる。

なお、層流の形成に関しては、図５の如き、Ｚ軸方向に略垂直に試料を搬送し、かつＹ軸周りに略垂直に回転させた流路構造であることが望ましいが、必ずしも略垂直に限定されるものではない。即ち、少なくともＺ軸方向に試料を搬送させ、かつＹ軸周りに少なくとも所定角度だけ回転させることで、層流を形成させ得る流路構造であればよい。

流路構造２の如き、第１のシース液と第２のシース液を用い、かつ流路構造として曲折部Ｃで試料をＺ軸方向に搬送して、更にＹ軸周りに所定角度だけ回転させる構造とすることで、主流路２６において高精度の層流を実現ならしめる。その際、複数の流路２６ａ〜２６ｊにおいて、少なくとも第２の合流部２６２から処理部２４までの距離を略等しくすることで、流路長のばらつきに起因する、主流路２６内の圧力のばらつきや、試料の流速のばらつき等を抑えることができる。その結果、処理部２４における各流路２６ａ〜２６ｊの処理条件のばらつきを抑えることができる。即ち、第２の合流部２６２から処理部２４までの距離を等しくすることで、夫々の主流路２６の処理部２４において高精度かつ効率よく試料を処理できる。

更に、本発明では、第１のシース液を各第１のシース液流路２２１２に供給する第１のシース液供給部２２１１から、第１のシース液が試料に供給される第１の合流部２６１までの距離も同じくすることが望ましい。また、第２のシース液を各第２のシース液流路２３１２に供給する第２のシース液供給部２３１１から、第２のシース液が試料に供給される第２の合流部２６２までの距離も同じくすることが望ましい。このように、第１のシース液や第２のシース液を試料に導入するまでの各流路長も同じくすることで、各主流路２６における層流の形成のばらつきを排除できる。その結果、各主流路２６における層流状態のばらつきを防止できるため、高精度かつ効率よく各試料を処理できる。

更に、試料導入部２１と、第１のシース液導入部２２と、第２のシース液導入部２３の設置数を少なくできるため、流路構造としての設計上の制約も緩和できる。その結果、流路構造をコンパクトにすることができるため集積化が可能となり、デバイスとしての省スペース化にも貢献できる。

このようにして第１のシース液と第２のシース液とが導入された試料は、処理部２４にて各種測定・検出等といった所定の処理を施され、続く流路２７を介して排出部２５に搬送される。流路構造２では、排出部２５についても共有させているため、流路２７は略並行に配置されているが、流路２７の構造や配置について本発明は限定されない。そして、更に、後続において次なる処理を行う場合等では、流路２７の流路長も略等距離とすることが望ましい。

また、本発明において、複数の流路のなかで、参照流路２８、２８を設けることもできる。この参照流路２８には、導入部２８１から参照物質を流し、主流路２６と同様の処理を処理部２４で行うことで、バックグラウンド等の如き参照情報を得ることができる。そして、排出部２８２からこの参照物質を排出・回収等することができる。

例えば、処理部２４で測定を行う場合には、この参照流路２８で得られる参照情報に基づいて、試料の測定結果を補正することもできる。これによって、更に高い精度での測定が可能となる。

例えば、光学的測定を行う場合には、処理部２４に向けて光走査しながら照射したりする。この場合、複数流路の両端に参照流路２８、２８を設けることが望ましい。

このように、本発明に係る流路構造によれば、複数の主流路２６における各流路長を等しくすることで、流路長に起因する流路内の圧力や流速や処理条件等のばらつきを排除できる。かかる特性をもった流路構造では、各流量や流路幅や流路深さ等の条件を変えるだけで、簡易かつ正確な流体の制御が可能となる。以下、図６等を参照しながら説明する。

図６は、流路構造２の一部拡大図である。

試料供給部２１１１から導入される試料の流量をＱ１とする。第１のシース液流路２２１２、２２１２の流量をＱ２、Ｑ３とする。第１の合流部２６１における第１のシース液が導入された試料の流量をＱ４とする。第２のシース液流路２３１２、２３１２の流量をＱ５、Ｑ６とする。第２の合流部２６２における第２のシース液が導入された試料の流量をＱ７とする（図６参照）。

この場合、流量Ｑ４とＱ７は下記式（１）、（２）で表される。
そして、流路の流路幅と流路高さはいずれもＷ１で等しいとすると、流路を断面視した状態における流路幅Ｗ１に対する試料の断面幅Ｗ２は、下記式（３）で表される。同様に、流路高さＷ１に対する試料の断面高Ｗ３は、下記式（４）で表される。

この場合、層流が形成されている状態をＷ２＝Ｗ３とすると、下記式（６）となる。

即ち、本発明の流路構造において、試料の流量Ｑ１と、第１のシース液の流量Ｑ２と、第２のシース液の流量Ｑ５は、上記式（６）の関係を満たすことで高い精度の層流を得ることができる。そして、上記式（６）等の関係式に基づいて各流量や流路幅や流路高さ等を制御することで、層流の形成について高精度に制御できる。

本発明に係る流路構造２の各主流路２６において、第１の合流部２６１から処理部２４までの流路長と、第１のシース液供給部２２１１から第１の合流部２６１までの流路長と、第２のシース液供給部２３１１から第２の合流部２６２までの流路長と、について夫々等しくすることで、試料や第１のシース液や第２のシース液の少なくともいずれかの流量を制御することで、正確な層流を得ることができる。そして、各流路の幅や深さを制御することでも層流の制御が可能となる。その結果、簡易でありながら高精度な流体の制御が可能となる。

図７は、本発明の流路基板を用いたＦＣＭ装置の概念図である。図７の符号Ｄは、ＦＣＭ（flow cytometry）装置を示している。このＦＣＭ装置Ｄでは、光学検出系として流路中の試料に対して光照射を行う。

流路基板Ａ中の試料は、流体で挟み込まれた状態で流路中の中心部分を搬送されている。測定対象である試料を含むサンプル流とシース流が規定圧力（流量）で流路基板Ａ中の流路に注入されることで、細胞が一列となる流れを成形する。そして、光源Ｄ５から励起光Ｌ１が発せられ、集光レンズＤ６を介して、流路基板Ａ中の流路を整列して搬送されている試料へ照射される。

この試料に励起光Ｌ１が照射されることによって、蛍光や前方散乱光（ＦＣＳ）等が発生する。これらの戻り光Ｌ２を、同軸光路上に設けたダイクロックミラーＤ７、Ｄ７と、バンドパスフィルターＤ８、Ｄ８、Ｄ８によって特定波長をそれぞれ分離する。そして、対応する波長ごとに検出器Ｄ９（例えば、photo multiplier tube；ＰＭＴ）で検出することができる。これによって、流路中の試料の分光解析を行うことができる。

更に、図示はしないが、解析結果によって所望の試料である場合には、流路下流の分岐領域にて所望の細胞のみの採取を行うこともできる。分取方法には圧電素子や電磁バルブなどを用いた様々な分取方式を採用することができる。ここでは、一例として、分取用レーザーを用いた場合を例として説明する。

分光検出器の取得情報（例えば、蛍光スペクトル、大きさ、速度等）により、最適なタイミングと照射パワーで分取用レーザーを別途照射する。そして、流路中に照射された光エネルギーによって気泡を生成させる。そして、気泡の発生により流路中の流れ変化が生じ、所望の試料のみを目的の採取エリアに導くことができる。

このように、ＦＣＭ装置Ｄにおいて、サンプルとなる細胞をレーザー光により分光解析し、所望の細胞であるかどうかの判断を行い、更に分岐流路（符号４１参照）において所望の細胞のみを分取することもできる。このような分岐する流路構造であっても、本発明によれば、高い精度で流体制御を行なうことができる（例えば、図３、図４等参照）

また、ＦＣＭ装置Ｄのような検出系と分取系の距離がある程度離れている場合でも、分取部に搬送されてくる試料の中から、採取目標の試料の位置を特定するためには、試料の流速が一定であることが重要である。これに関して、本発明に係る流路構造では、流路中であっても、試料を整然と搬送し続けることができる。その結果、試料のソーティング等も正確に行うことができる。更には、流路中を流れる試料の流速や、流路中の位置が安定しているため、安定した分光解析や分取作業を行うことができる。

なお、ここでは、処理装置のなかでも測定装置への応用例として、ＦＣＭ装置を一例として説明したが、処理対象である試料の位置や速度制御を必要とする分析チップ全般に対しても、本発明は有効に用いることができる。応用可能なものとして、例えば、種々のＤＮＡ解析装置や、質量分析装置、その他リアルタイムでの細胞観察装置等が挙げられる。また、これら以外の各種アナライザー装置やマイクロリアクター装置等にも応用できる。

図８は、本発明に係る流路基板の製造方法の一例の説明に供する概念図である。ここでは、流路構造２を備えた流路基板Ａの製造の一例について説明する。本発明に係る基板は、両面金型を用いた射出成形や、微小ドリル等による機械的加工等によって簡便に製造できる。流路構造２を備えた流路基板Ａは、３層の基板Ａ１、Ａ２、Ａ３から得ることができる。

基板Ａ１は第１層目の基板であり、基板上面に、試料供給部２１１１と、第１の合流部２６１までの主流路２６と、第１のシース液供給部２２１１と、第１のシース液流路２２１２と、第２のシース液供給部２３１１等に夫々対応する溝が形成されている。

基板Ａ２は第２層目の基板であり、基板下面（基板Ａ１との接合面）に、処理部２４と、流路２７と、第１の合流部２６１から下流の主流路２６と、第２のシース液流路２３１２等に夫々対応する溝が形成されている。
更に、基板Ａ２の基板上面に、導入流路２１１、２２１、２３１が形成されている。

基板Ａ３は第３層目の基板であり、基板Ａ３に貫通して試料導入部２１と、第１のシース液導入部２２と、第２のシース液導入部２３と、排出部２５等が形成されている。

基板Ａ１を最下層として、基板Ａ１の上面に基板Ａ２を積層し、基板Ａ２の上面に基板Ａ３を積層することで、流路構造２を備えた基板とすることができる。

基板Ａ１、Ａ２、Ａ３の製造については、公知の手法によって製造することができる。例えば、基板Ａ２の製造については、図示はしないが、流路形状及びスルーホール形状を有する上面金型と下面金型を射出成形機にセットし、基板Ａ１への形状転写を行う手法等を採用できる。これにより射出成形された基板Ａ１には、流路構造とスルーホール形状が形成されている。

また、基板Ａ１、Ａ２、Ａ３の貼り合わせの手法は、従来の手法を適宜用いることができる。貼り合わせとしては、例えば、熱融着、接着剤、陽極接合、粘着シートを用いた接合、プラズマ活性化結合、超音波接合等を適宜用いることができる。基板の材質や形状や大きさ等を考慮して好適な貼り合わせ手法を選択することができる。

更に、図示はしないが、射出成形後の各基板Ａ１、Ａ２、Ａ３の表面について、表面加工を施す工程を適宜入れることもできる。これにより、流路表面の疎水性等のような物性についてもコントロールできる。

なお、基板の製造方法としては、いわゆる両面成形に限定されず、片面成形等の手法を採用することもできる。片面成形の手法としては、いわゆるプレート打抜き等といった従来の手法を適宜用いることができるが、成形精度等の観点から両面成形を用いることが望ましい。このように、本発明に係る流路構造を採用する基板であれば、両面金型による射出成形等といった簡便な方法で、高精度の流体制御が可能な流路基板を製造できる。

特に、両面金型による射出成形及びカバーシートの貼り合わせプロセスによって、本発明の流路基板は簡便に製造できる。勿論、片面金型による射出成形及び基板貼り合わせプロセスであっても、本発明の流路基板は簡便に製造できる。従って、低い製造コストで高精度の流体制御が可能な流路基板を製造できる。このように、本発明に係る流路構造や流路基板は、製造上の利点も有している。

そして、本発明に係る流路基板の製造に際して、射出成形に用いる材料や手法については適宜好適な材料や手法を選択することができる。基板は、成形可能な樹脂類を用いることができ、その種類は限定されず、例えば、熱可塑性樹脂を用いることができる。具体的には、ポリメタクリル酸メチルやシリコン樹脂等が挙げられる。分光分析を流路基板上にで行なう場合には、光透過性の樹脂を用いることが望ましい。また、低融点ガラスを用いた射出成形基板や、紫外硬化樹脂を用いたナノインプリントの手法等を用いることができる。

本発明に係る流路構造の第１実施形態の概念図である。 図１で示した流路構造１を直列に接続した一例を示す概念図である。 本発明に係る流路構造の第２実施形態の概念図である。 同実施形態の一部拡大図である。 同実施形態の一部斜視図である。 同実施形態の流体制御の一例を説明するための概念図である。 本発明に係る流路基板の製造方法の一例の説明に供する概念図である。 本発明の流路基板を用いたＦＣＭ装置の概念図である。 流路構造に関する従来技術の説明に供する概念図である。

符号の説明

１、２ 流路構造
１１、２１ 試料導入部
１２ シース液導入部
１３、２４ 処理部
１４、２５ 排出部
１５、２６ 主流路
１７ シース液流路
１８ 合流部
２２ 第１のシース液導入部
２３ 第２のシース液導入部
２６１ 第１の合流部
２６２ 第２の合流部
Ａ 流路基板

Claims (7)

1. 試料を導入する試料導入部と、前記試料を処理する処理部と、試料を排出する排出部と、を少なくとも備えた流路を、複数備えた流路構造であって、
   前記流路は、前記試料導入部から導入された試料にシース液を導入するシース液導入部を少なくとも備え、
   前記流路と前記シース液導入部との合流部から前記処理部までの距離が、各流路において略等距離である流路構造。
2. 少なくとも２以上の前記流路は、同じ試料導入部から夫々の前記流路に前記試料が導入されることを特徴とする請求項１記載の流路構造。
3. 少なくとも２以上の前記流路は、同じシース液導入部から夫々の前記流路に前記シース液が導入されることを特徴とする請求項２記載の流路構造。
4. 前記流路の前記シース液導入部は、
   前記試料導入部から導入された前記試料に第１のシース液を導入する第１のシース液導入部と、
   前記第１のシース液が導入された前記試料に対して、前記第１のシース液の導入方向と異なる方向から第２のシース液を導入する第２のシース液導入部と、
   を少なくとも備え、
   前記流路と前記第２のシース液導入部との合流部から前記処理部までの距離が、各流路において略等距離であることを特徴とする請求項１記載の流路構造。
5. 試料を導入する試料導入部と、前記試料を処理する処理部と、試料を排出する排出部と、を少なくとも備えた流路を、複数備えた流路構造であって、
   前記試料導入部から前記処理部までの距離が、各流路において略等距離である流路構造。
6. 試料を導入する試料導入部と、前記試料を処理する処理部と、試料を排出する排出部と、を少なくとも備えた流路を、複数備えた流路基板であって、
   前記流路は、前記試料導入部から導入された試料にシース液を導入するシース液導入部を備え、
   前記流路と前記シース液導入部との合流部から前記処理部までの距離が、各流路において略等距離である流路基板。
7. 請求項１記載の流路構造において、前記流路の幅及び／又は深さと、前記シース液導入部の幅及び／又は深さと、前記試料の流量と、前記シース液の流量の少なくともいずれかを調節することで、前記流路内における前記試料の位置を制御することを少なくとも行なう流体の制御方法。

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