CN101310169B - 液滴生成运送方法和装置以及粒子操作装置 - Google Patents

液滴生成运送方法和装置以及粒子操作装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液滴生成运送方法和装置以及粒子操作装置,本发明中,提供一种不仅能够有效地运送或者分别取出粒子,还能够有效地运送或者分别取出包括液体样品的被运送物的装置。以输送速度V1,供给第一液体运送管3的液体,朝向隔着气隙11设置的第二液体运送管4的开口端,生成液滴。通过使粒子向液滴内游离,粒子被内包于液滴。第二液体运送管内以输送速度V2进行吸引,由于V1<V2的关系,到达第二液体运送管的开口端10的液滴通过吸引被扯断,在第二液体运送管形成液体区段。据此,由气液界面的表面张力所保持的液体区段内的粒子与该层一起被稳定地运入粒子阵列容器内。

Description

液滴生成运送方法和装置以及粒子操作装置 
技术领域
本发明涉及液滴的生成及其运送技术,还有使用了液滴的粒子、微量液体样品等的被运送物的操作技术。
背景技术
伴随着基因组计划的进展,想要以DNA、蛋白质水平理解生物、疾病的检查、理解生命现象的活动逐渐活跃。研究基因的表达状况对调查生命现象的理解、基因的活动有效。作为用于研究该基因的表达状况的有效的方法,使用按种类区分多个DNA探针、蛋白质探针并固定在载片等的固体表面上的探针阵列、即所谓的DNA芯片、蛋白质芯片。作为制作芯片的方法,有使用在光化学反应和半导体工业中广泛使用的平版印刷,将被划分的多个单元所设计的排列的低聚物按每一个碱基合成的方法(Science 251,767-773(1991))以及将多种的探针一个一个地植入各层的方法(Science 270,467-470(1995);Nat.Biotechnol.18,438-441(2000))。
在制作芯片时,任何方法若是在一片一片的每个阵列上,是将DNA探针、蛋白质探针固定,或者专门化为DNA探针,则需要将低聚物按每一个碱基合成,制作花费工时和时间,成本高。另外,虽然一般是将探针作为液滴放置在固体表面,但是,存在每层不均匀、不容易变更探针种的组合、使用者不能轻易操作等的问题。
为了解决以上的课题,提出了准备将DNA探针、蛋白质探针固定在粒子上的物质,收集有这些多种的粒子的探针阵列,即粒子阵列(Clinical Chemistry 43,1749-1756(1997);Nucleic Acids Research 30,e87(2002);美国专利第6,023,540号说明书)。使用了粒子的探针阵列的优点是,因为能够利用使用了溶液中的化学反应的探针固定方法,所以,能够按照每个粒子制作探针密度没有不均匀的探针阵列。
在DNA芯片、蛋白质芯片中,采用通过低聚物制作位置或者各探针的斑点位置来识别探针种类的方法,但是,在使用了探针固定化粒子的探针阵列中,采用使用了按每个探针分色的粒子的方法(Clinical Chemistry 43,1749-1756(1997);美国专利第6,023,540号说明书)、或者在毛细管内、微流路芯片内,通过排列的顺序,识别探针种类的方法(Nucleic Acids Research 30,e87(2002)、专利第3593525号、特开2005-17224号公报)。
在以往的DNA芯片、蛋白质芯片中,对计量样品中所含的多个种类的定量解析,花费半天到一天的时间,与固定在芯片上的低聚物或者DNA探针、蛋白质探针反应。另一方面,在将粒子排列在毛细管内的探针阵列(Nucleic Acids Research 30,e87(2002)),即,粒子阵列中,强制使计量样品在毛细管内流动。粒子阵列与以往方法相比,因为提高了能够缩短基因检查时间的可能性,所以是不仅能够在规模较大的临床检查中心使用,还可以用于医院、现场的简单计量,即,所谓Point of Care Testing(POCT)的计量技术。例如,期待着作为要求紧急诊断的感染症、细菌检查等的病原微生物基因组自身中不存在的外来基因的快速检测手段来使用。
在采用通过排列在毛细管内的顺序来识别探针种的方法(NucleicAcids Research 30,e87(2002))的粒子阵列的实用化时,必须依照检查用途,选择任意的探针固定化粒子,确立按照希望的那样排列的方法,提出了若干个方法。例如,有一面一个个地控制粒子,一面利用液体的流动,使之流入到毛细管内的方法(特开平11-243997号公报)、在设置有仅能进入一个粒子的微细的孔的薄片上,仅保持来自与溶媒一起导入的多个粒子中的一个粒子,在保持的状态下,将薄片移动到在毛细管或者平板上设置的槽的位置并逐渐排列的方法(特开2000-346842号公报)。然而,这些方法由于气泡的影响,不能很好地获得粒子的情况很多,在切实性和操作性上存在问题。
因此,提出了使用粒子捕捉喷嘴,从将固定着相同探针的多个粒子与溶液一起储存的容器中,仅将一个捕捉到粒子捕捉喷嘴的前端吸 引部的操作方法(专利第3593525号、特开2005-17224号公报、Analytical Chemistry 75,3250-3255(2003))。根据该方法,能够按照设想的顺序排列粒子。
专利文献1:美国专利第6,023,540号说明书
专利文献2:特开平11-243997号公报
专利文献3:特开2000-346842号公报
专利文献4:专利第3593525号
专利文献5:特开2005-17224号公报
非专利文献1:Science 251,767-773(1991)
非专利文献2:Science 270,467-470(1995)
非专利文献3:Nat.Biotechnol.18,438-441(2000)
非专利文献4:Clinical Chemistry 43,1749-1756(1997)
非专利文献5:Nucleic Acids Research 30,e87(2002)
非专利文献6:Analytical Chemistry 75,3250-3255(2003)
在使用了粒子捕捉喷嘴的粒子捕捉法中,通过使捕捉到的粒子从粒子捕捉喷嘴前端游离,逐渐被导入毛细管内、微流路芯片内来制作粒子阵列。虽然迄今为止,粒子的导入是使用空气的流动、水流,但是,在为连续流体的情况下,存在游离的粒子没有追从该流动的情况,发现粒子长时间停滞在毛细管的入口附近、微流路芯片的入口附近的现象。该现象在制作粒子阵列的方面,不仅降低了生产能力,而且,若不具有逐次确认粒子是否排列的检测构件,则产生了在粒子的排列顺序上产生错误的问题。特别是,了解到上述问题的频度与排列在毛细管内、流路内的粒子的数成比例地高。其原因在于,由于毛细管内、流路内的流路阻力与粒子的排列个数成比例增大,所以与粒子的排列数相伴,拉入粒子所必须的力减小。
本发明的目的是针对上述的课题,提供解决的手段和方法。另外,目的还有提供一种不仅能够有效地运送或者分别取出粒子,还能够有效地运送或者分别取出包括液体样品的被运送物的装置。
发明内容
在本发明中,在毛细管的入口或者微流路芯片的入口生成液滴,将从粒子捕捉喷嘴的前端游离的粒子内包于该液滴,将粒子导入到毛细管内、微流路芯片内。因为若一旦粒子被内包在液滴,则由于气液界面的表面张力,难以将液滴向外放出,所以,粒子与液滴一起被稳定地运送。
首先,对液滴生成运送构件进行说明。准备两根以上运输送体的管(液体运送管)。为了简单,在这里对仅准备了两根的***进行说明。下面,将两根液体运送管分别记载为第一液体运送管、第二液体运送管。将第一液体运送管的一端***液体容器,使用压力输送泵,对容器内的液体进行吸水,以输送速度V1,向第一液体运送管的另一端输送。另一端向大气开放,通过了第一液体运送管内的液体以一定速度从另一端流出。在流出时的初期阶段,液体由于表面张力形成球状的滴(液滴)。另一方面,第二液体运送管将其一端连接于吸引泵,输送速度为V2,使液体运送管内为负压。第二液体运送管的另一端通过可以液体接触,对液体进行吸水,在第二液体运送管内进行运送。
若使第一液体运送管另一端的液体流出口和第二液体运送管另一端的液体流入口接近,若为从液体流出口流出的液滴不会受到重力落下的影响,到达液体流入口的距离,则可以将液体从第一液体运送管向第二液体运送管移动,进行运送。下面,将液体流出口和液体流入口的间隔记载为气隙。在这里,着眼于输送速度V1、V2,若维持V1<V2的关系,则被吸引到第二液体运送管的液滴被气隙部扯断。据此,从第一液体运送管供给来的连续流体在气隙部生成液滴,在第二液体运送管内,形成液体和气体(空气)的断续流。
接着,对粒子捕捉构件进行说明。粒子捕捉构件具有对进入了多个粒子的溶液进行收容的粒子收容容器、将粒子在前端捕捉的细长的粒子捕捉喷嘴、与粒子捕捉喷嘴连结的吸引机和加压机、用于在容器中的溶液中***、提升粒子捕捉喷嘴的前端部的执行器。在粒子捕捉喷嘴的前端,开口孔比粒子的直径小。将在前端开口有比粒子的直径小的孔的粒子捕捉喷嘴***进入了表面固定着生物分子探针的多个粒 子的溶液中,使吸引力作用于粒子捕捉喷嘴的前端。然后,从容器的溶液中抽出前端吸引保持着一个粒子的粒子捕捉喷嘴,对吸引保持在粒子捕捉喷嘴的前端的粒子施加压力,使之游离。
基于本发明的粒子操作装置是具有前面所说明的液滴生成运送构件和粒子补足构件的形态,具体地说,具有第一液体运送管和向该管供给液体的第一输送构件、第二液体运送管和吸引运输送体的第二输送构件、对收容进入了多个粒子的溶液的多个容器进行保持的载物台和使该载物台移动的执行器、在前端开口有比上述粒子的直径小的孔的粒子捕捉喷嘴、驱动粒子捕捉喷嘴的执行器、使粒子捕捉喷嘴的前端产生正或者负的压力的吸引加压构件、控制它们的控制部。
粒子捕捉喷嘴具有在第一液体运送管和第二液体运送管之间的气隙内移动,而不会与第一液体运送管和第二液体运送管接触的位置关系。通过吸引机的驱动,从处于粒子捕捉喷嘴移动的方向的延长上的粒子储存容器,将粒子在粒子捕捉喷嘴的前端捕捉,使喷嘴前端移动到气隙部,然后,通过加压机的驱动,使捕捉到粒子捕捉喷嘴前端的粒子向形成于气隙的液滴游离。游离的粒子通过与液滴接触被内包,被运向第二液体运送管内。
通过将第二液体运送管替换成作为粒子阵列容器使用的毛细管、微流路芯片,可以切实地将被液滴内包的粒子诱导入毛细管内、流路内,能够制作粒子阵列。因为该方法是利用气液界面的表面张力的方法,所以,不需依存粒子流入的流速,即可运入粒子。
另外,通过将粒子捕捉构件替换成液体样品的微量分注构件,由液滴生成运送构件供给的液体,使用与液体样品不混合的物质,还可以应用于微量液体样本的运送、分别取出等。再有,在将液滴生成运送构件作为单体使用的情况下,通过控制由第一液体运送管和第二液体运送管所形成的气隙的间隔,还可以作为具有能够控制液滴的量这样的特征的微量分注机来灵活应用。
发明效果
根据本发明,能够将固定着生物分子的粒子一个个地切实地导入、 排列到粒子阵列容器内,可以以低的制造成本,高效率地制作排列着多个不同的粒子的粒子阵列。另外,因为使用本发明的装置,可以进行液体样品的微量分别取出,所以,不仅仅是粒子,还能够简单操作包括液体的被运送物。
附图说明
图1是表示本发明的液滴生成法、断续流体运送法的模式图。
图2是表示基于本发明的液体运送的原理的模式图。
图3是表示在第二液体运送管生成10个2μL的液体区段的结果的模式图。
图4是表示对在气隙部生成的液滴的大小进行控制的方法的例子的模式图。
图5是表示作为本发明的应用例的微量分注装置的模式图。
图6是表示本发明的粒子操作装置的模式图。
图7(A)是表示即将将粒子捕捉喷嘴***到作为目的的收容部之前的状态的模式图。
图7(B)是表示将内部为负压的粒子捕捉喷嘴***到收容部的状态的模式图。
图7(C)是表示在粒子捕捉喷嘴前端仅保持一个粒子的状态的模式图。
图7(D)是表示粒子即将向液滴游离之前的状态的模式图。
图7(E)是表示粒子向液滴游离的状态的模式图。
图7(F)是表示将内包于液滴的粒子向第二液滴运送管运送的样子的模式图。
图7(G)是表示运送内包于液体区段的粒子的状态的模式图。
图8是作为粒子阵列容器,使用微流路芯片的本发明的粒子操作装置的模式图。
图9是表示将粒子操作构件排列化的本发明的装置形态的一个例子的模式图。
图10是表示将粒子操作构件排列化的本发明的装置形态的一个 例子的模式图。
图11是表示在5根第二液体运送管排列粒子的样子的模式图。
图12是表示将第二液体运送管排列化的本发明的装置形态的一个例子的模式图。
图13是表示将第二液体运送管排列化的本发明的装置形态的一个例子的模式图。
图14(A)是表示将第一液体运送管和第二液体运送管放射状排列的形态的模式图。
图14(B)是表示将内包于液滴的粒子导入第二液体运送管的状态的模式图。
图14(C)是表示将内包于液滴的粒子导入第二液体运送管的状态的模式图。
图14(D)是表示在多个第二液体运送管制作粒子阵列的状态的模式图。
图15是粒子的配置法以及粒子收容板的构成例的说明图。
图16是排列了粒子的m根粒子阵列容器的剖面模式图。
图17(A)是表示使用了粒子阵列的杂化实验的形态的模式图。
图17(B)是表示杂化后进行荧光检测的样子的模式图。
图18(A)是表示油在第一液体运送管流动的样子的模式图。
图18(B)是表示油液滴的生成的样子的模式图。
图18(C)是表示从分注喷嘴排出的微量液体内包于油滴的样子的模式图。
图18(D)是表示内包着微量液体的油滴向第二液体运送管移动的瞬间的样子的模式图。
图18(E)是表示运送内包于液体区段的粒子的状态的模式图。
图19是表示本发明的微量液体操作装置的一个例子的模式图。
符号说明
1液体容器
2第一输送泵
3第一液体运送管
4第二液体运送管
5液体收集容器
6吸引泵
7纯水
8三通阀
9液体流出口
10液体流入口
11气隙
12液滴
13液体区段
14空气区段
15第二输送泵
16载片平板
17分别取出液滴
18第一板状部件
19收容部
20粒子收容板
21板设置夹具
22第一电动执行器
23第二电动执行器
24第二板状部件
25粒子捕捉喷嘴
26粒子捕捉喷嘴设置夹具
27第三电动执行器
28电磁三通阀
29粒子吸引用泵
30粒子游离用加压泵
31第三液体运送管
32第一套筒
33控制装置(电脑)
34溶液
35粒子
36微流路芯片
37第二液体运送管
38第二液体运送管
39粒子容器
40探针固定化粒子
41粒子阵列容器
42第二套筒
43具有排列1的单链DNA探针
44具有排列2的单链DNA探针
45具有排列3的单链目标DNA
46具有排列4的单链目标DNA
4720mM磷酸缓冲液
48荧光显微镜
49Cy3的荧光
50TexasRed的荧光
51油滴
52液体分注喷嘴
53微量液滴
54检测单元用液体运送管
55光源
56检测器
57样品液滴
58试剂液滴
59混合液
60阀
具体实施方式
下面,参照附图,说明本发明的实施方式。
实施例1
在本实施例中,将本发明的液滴生成法和断续流体运送法以使用纯水的实验为基础进行说明。
图1是表示本发明的液滴生成法、断续流体运送法的实验***的概略模式图。本实验***由液体容器1、第一输送泵2、第一液体运送管3、第二液体运送管4、液体收集容器5、吸引泵6构成。在液体容器1中储存着纯水7。另外,在液体容器1和第一输送泵2之间***三通阀8。在这里,在第一输送泵2使用蠕动泵,在吸引泵6使用抽吸器。但是,也可以替代蠕动泵,使用隔膜泵,替代抽吸器,使用蠕动泵、隔膜泵、转子泵、旋转扩散泵等。
第一液体运送管3的开口端附近和第二液体运送管4的开口端附近处于y轴的同一轴上,各个开口端相对。下面,将第一液体运送管3的开口端记载为液体流出口9,将第二液体运送管的开口端记载为液体流入口10。作为液体流出口9和液体流入口10的间隔的气隙11可在0.0mm至2.0mm之间变化。
第一液体运送管3和第二液体运送管4的内径适合在0.01mm至1.0mm的程度。后面将进行阐述,在想要减小气隙11中生成的液滴的容积的情况下、在重视液滴的容积的再现性的情况下,再有,在想要较大地获取容积可变范围的情况下,可以使用小内径薄壁的管。在本实施例中,使用内径0.5mm,外径1mm的管。
使用第一输送泵2,向第一液体运送管3供给纯水7,以一定速度V1进行运送。另一方面,通过抽吸器的吸引泵6,将第二液体运送管4内减压1气压程度。此时的流速V2=20μL/sec.。在本实施例中,使V1在0.1μL/sec.到20μL/sec.的范围变化。
图2(A)~图2(F)是表示使用了图1的实验***的液体运送的原理的模式图。这里的条件是V1=5μL/sec.、V2=20μL/sec.、气隙1.5mm。如图2(A)所示那样地在第一液体运送管3内运来的纯水7 如图2(B)那样,经过液体流出口9,到达气隙11,如图2(C)那样,在气隙11中生成液滴12。若膨胀成球状的液滴12如图2(D)所示,到达第二液体运送管4的液体流入口10,则如图2(E)所示,被吸引到第二液体运送管4内。因为V1<V2,所以,在第一液体运送管3的液体流出口9附近的流速和第二液体运送管4的液体流入口10附近的流速之间产生大的速度梯度。因为液滴12作用有由于表面张力欲保持球形的力,所以,在作为液滴生成开始位置的液体流出口9附近,产生最大的速度梯度。据此,在与液流动的朝向垂直的方向产生剪切力。因此,如图2(E)所示,液滴作为液体区段13被扯断。然后,可以确认如图2(F)所示,成为空气和纯水7的断续流体,在第二液体运送管4中流动。在V1<20μL/sec.的条件下,能够得到与图2相同的结果,与流速成比例,液滴生成速度快。液滴12的大小由气隙11的距离控制,因此,大致一定量的液体区段13在第二液体运送管4内生成。
图3是表示使用图1的实验***,在某个时刻转换三通阀8,将空气区段14强制地***第一液体运送管3的一个例子的模式图。这里的条件是V1=5μL/sec.、V2=20μL/sec.、气隙11为1.5mm。通过对空气区段14进行时刻控制并***,不仅能够使图2所述的纯水7的液体区段13的液量为一定,还能够控制液体区段13的数。图3是表示在通过第一输送泵2汲取大约20μL量的纯水7后,将三通阀8转换到空气侧的例子,是表示生成10个2μL的液体区段13的结果的模式图。
图4是表示控制液滴12的大小,控制液体区段13的液体容积的方法的一个例子的模式图。通过控制气隙11的间隔,能够任意地改变液滴12的球径,即,想要分别取出的液滴12、液体区段13的容积。在图4(A)中,表示使气隙11的间隔为1mm,在气隙11生成了4μL的液滴的状态。将图4(A)的气隙11的间隔缩减了一半的是图4(B)。通过将气隙缩减了一半,与0.5μL,即,图4(A)相比,能够在气隙11部生成1/8的液量的液滴12。在为纯水7、缓冲液的液滴12的情况下,在2mm以下,因为强的表面张力不受重力的影响成为圆球,所以,能够精度良好地进行一定量的分别取出。据此,能够向第二液体 运送管4内,操作预定目的的正确的液量的液体区段13。另一方面,若气隙超过了2mm,则受到重力的影响,液滴12不能成为圆球,而是成为向重力方向下垂的歪的球体。歪的球体对振动、空气的流动敏感,因此,液滴12的形状,即,容积难以再现。最坏的情况下,液滴12没有到达第二液体运送管4的液体流入口10而落下。象这样,因为若超过了2mm,则分别取出的量产生不均匀,因此,最好将气隙11设定成确保圆球构造的2mm以下。在其它的液体、血清等的生物样品、油的情况下,将气隙11的距离控制在0.5mm以下合适。
如上所述,通过使用内径小的管,可以提高分别取出的液体量的再现性。因为因液体流出口9附近的速度梯度受到的力增大,换言之,因为通过弱的力也能切断液体,所以,能够精度很好地再现液滴12被扯断的位置。另外,因为被送来的液体的截面积小,所以适合液体分别取出的微量化。但是,为了避免管的截面吸附液体,液体扩散,最好使用外径小、薄壁的管。在使用厚壁的管的情况下,对管的截面进行拒水处理。在使用了内径0.01mm的第一液体运送管3和第二液体运送管4的情况下,在500pL~5μL的范围内,可很好地分别取出液体。
图5是表示将图1~图4所说明的液滴生成运送构件应用在微量分注的一个例子的模式图。作为用于使第二液体运送管4内成为负压的泵,替代吸引泵6,使用蠕动泵、隔膜泵等的第二输送泵15。另外,准备包围气隙部的腔,即使使腔内成为加压状态,也能够作为输送泵使用。通过使用这些替代泵,能够将分别取出的液体区段13滴下到反应容器、载片平板16,还有膜片上。在图5中,表示滴下到载片平板16上的状态。准备DNA探针、蛋白质探针,一面通过执行器控制载片平板16的位置,一面作为液体区段13滴下通过了第二液体运送管4的分别取出液滴17,据此,可以制作DNA芯片、蛋白质芯片。
上面,图1~图5说明的本实施例的手段以及方法可以作为针对微量滴定板的微量分注机、针对DNA芯片、蛋白质芯片的微量测位仪、还有针对蛋白质的基质辅助激光解吸离子化法-质量分析***的前 处理滑片的测位仪使用。
实施例2
在本实施例中,对粒子操作装置及其方法进行说明。在这里,采用在第二液体运送管4内制作粒子阵列的方法。使用装置构成图和动作原理,对准备多种粒子直径一定、在粒子表面固定着生物分子探针的粒子,将它们按预定的顺序在第二液体运送管4内排列为一列的例子进行说明。
图6是表示本发明的粒子操作装置的一个例子的模式图。在第一板状部件18上,借助第一电动执行器22、第二电动执行器23,设置着粒子收容板20和板设置夹具21,所述粒子收容板20在多个收容部19保持着固定有与DNA、RNA、蛋白质等的生物分子结合的生物探针的粒子。
在图6中,为了简单,表示了设置具有在x方向5个,y方向8个合计5×8=40个收容部19的粒子收容板20的例子,但是,作为粒子收容板20,合适的是96(8×12)孔微量滴定板、384(16×24)孔微量滴定板。粒子收容板20的位置由能够在y方向移动的第一电动执行器22和能够在x方向移动的第二电动执行器23控制。板设置夹具21具有能够任意控制振幅和振动频率的振动产生机。
在第二板状部件24,借助第三电动执行器27,固定着具有能够在前端部仅吸引保持一个粒子的内径的粒子捕捉喷嘴25和粒子捕捉喷嘴设置夹具26。
因为粒子捕捉喷嘴25在前端部仅吸引保持一个粒子,所以,在粒子的直径为R时,粒子捕捉喷嘴25的内径ID只要满足ID《R的关系即可,在粒子捕捉喷嘴25的外径为OD时,只要OD满足R≤OD<2R的关系即可。在粒子的直径为100μm时,妥当的是将内径50μm,外径100μm或者150μm的玻璃制或者不锈钢制的毛细管作为粒子捕捉喷嘴25使用。但是,在处理10μm程度的小的粒子的情况下,所使用的粒子捕捉喷嘴25的外径超过2倍的情况很多。此时,使用前面叙述的板设置夹具21的振动产生机。此时,好的是将频率20Hz以上,振 幅0.1mm以上的振动施加到图的x轴方向、y轴方向。
粒子捕捉喷嘴25的一端借助电磁三通阀28,与粒子吸引用泵29和粒子游离用加压泵30相连。第一输送泵2、第一液体运送管3、第二液体运送管4、吸引泵6与图1所说明的相同。第一输送泵2将未图示出的液体容器1所储存的纯水向第一液体运送管3输送。
与图1所说明的液体生成运送构件的构成不同,第二液体运送管4借助第一套筒32与第三液体运送管31连接,第三液体运送管31与吸引泵6相连。第一套筒32是能够与第二液体运送管4一体处理的部件,最好具有方形的孔,该方形的孔具有比第二液体运送管4的内径小,比处理粒子的直径稍小的一个边。再有,在截面形状上最好有凹凸。据此,粒子不会嵌入第一套筒32,能够降低流路阻力。另外,通过将该第一套筒32***第二液体运送管4和第三液体运送管31之间,可以将粒子保持在第二液体运送管4内部。
第二液体运送管4需要使用在粒子的直径为R时,第二液体运送管4的内径ID满足R<ID<2R的关系的运送管。例如,在粒子的直径R为0.1mm时,第二液体运送管4的内径ID为0.15mm程度即可,例如一般使用内径为0.15mm,外径为0.38mm的市场销售的玻璃毛细管。在这里,第二液体运送管4使用玻璃材料的理由是,在使用了粒子阵列的化验的荧光计量时,遍及广泛的波长范围,自身的荧光最小。当然,也可以根据用途改变材料。例如,在利用了生物发光、化学发光的计量中,也可以使用透明的塑料制的管。对使用了粒子阵列的化验的荧光计量,通过实施例5进行说明。
作为图6所示的整个***的驱动部的第一电动执行器22、第二电动执行器23、第三电动执行器27、电磁式三通阀28、粒子吸引用泵29、粒子游离用加压泵30、第一输送泵2、吸引泵6、板设置夹具21的振动产生机由控制装置(电脑)33全面控制。
图7(A)~图7(G)是表示使用本发明的图6的粒子操作装置,从与溶液34一起收容在收容部19的多个粒子中捕捉一个粒子35的工序的剖面模式图。在这里的条件是V1=5μL/sec.、V2=20μL/sec.、气隙 1mm、粒子35的直径为100μm,粒子捕捉喷嘴25的内径为50μm、外径为100μm。另外,第一液体运送管3、第二液体运送管4的内径为150μm,外径为500μm。还有,溶液34为纯水。当然,溶液34也可以是纯水、缓冲液、酒精等。在这里,为了使说明简单,没有对粒子收容板20施加振动。
图7(A)是表示为了使保持作为目的的粒子35的收容部19的开口部到达与粒子捕捉喷嘴25的开口部在z方向相对的位置,通过第一电动执行器22、第二电动执行器23,使粒子收容板20移动的状态。即将将粒子捕捉喷嘴25***到作为目的的收容部19。此时,驱动电磁式三通阀28,使粒子捕捉喷嘴25的前端成为负压状态,以便粒子捕捉喷嘴25和粒子吸引用泵29连结。
图7(B)是表示通过第三电动执行器27的控制,粒子捕捉喷嘴设置夹具26在z方向下降,内部成为负压的粒子捕捉喷嘴25的下端被***到收容部19的内部的状态。在***的状态下,粒子捕捉喷嘴25的前端面与收容部19的底接触的程度为好。这是因为在粒子35的收容量少的情况下,粒子捕捉喷嘴25的前端不能与粒子35接触,捕捉效率降低。此时,若使粒子收容板20振荡,则提高了粒子捕捉喷嘴的粒子捕捉效率。
液滴生成法、液体运送法如图2所说明的那样。当然,粒子捕捉喷嘴25在第一液体运送管3和第二液体运送管4之间移动时,可以时机很好地放入图3所说明的空气区段14,但是,在粒子捕捉喷嘴25相对于形成的液滴非常小的情况下,没有必要***空气区段14。这是因为在使液滴12的直径为R0,粒子捕捉喷嘴25的外径为R1时,满足R0/R1≥5的条件的情况下,粒子捕捉喷嘴25不会妨碍液滴12到达第二液体运送管4。另一方面,因为在满足R0/R1<5的条件的情况下,粒子捕捉喷嘴25不会妨碍到达第二液体运送管4,所以,有必要***空气区段14。在本说明中,为了简单,表示连续生成液滴的情况下的粒子操作。
图7(C)是表示将粒子捕捉喷嘴25的前端从收容部19的溶液 34完全地抽出到大气中的状态。此时,在粒子捕捉喷嘴25的前端,仅保持一个粒子35。在图7(B)到图7(C)的工序之间,引起虽未图示出,但将在下面说明的物理现象。
在使粒子捕捉喷嘴25从图7(B)移动到图7(C)的位置期间,在溶液34中,在粒子捕捉喷嘴25和粒子35之间产生液桥接构造、静电,剩余的粒子35被吸附在粒子捕捉喷嘴25的外壁。但是,由于作用在溶液34和大气之间的气液界面的表面张力,剩余的粒子35被削落到溶液34中,所以,在粒子捕捉喷嘴25露出于大气中时,粒子35仅有一个被保持在通过吸引来保持的粒子捕捉喷嘴25的开口部。
图7(D)、(E)是表示捕捉的粒子35向在气隙11中生成的液滴游离的瞬间的模式图。在图7(D)的状态下,由于粒子捕捉喷嘴25为吸引状态,所以,液滴12的纯水7一部分也朝向粒子吸引用泵向喷嘴内流动。在图7(E)中,若转换电磁式三通阀28,则粒子捕捉喷嘴25与粒子游离用加压泵30相连,粒子捕捉喷嘴25内部为大气开放的状态。据此,粒子35向液滴12内游离。使用控制装置(电脑)33,使大气开放与液滴的生成间隔同步。作为用于同步的检测构件,可以使用图象传感器、在线传感器。一面直接观察液滴,一面向控制装置33传输信号,使大气开放。另外,也可以监视在第二液体运送管内4流动的液体区段的间隔,读取规则性,将该数据向控制装置33传输,时机好地进行大气开放。另外,粒子游离用加压泵30的加压用于大气开放,不会因压力使粒子35飞散。因此,考虑粒子捕捉喷嘴25和粒子游离用吸引泵30之间的配管的长度和配管的内径,需要预先设定施加的压力和压力施加时间。
图7(F)和图7(G)是表示被内包于液滴12的粒子35被运送到第二液体运送管4的样子的模式图。被内包的粒子35不会因液滴12的表面张力和内压被放出到外部,而是被稳定地导入到第二液体运送管4内。图7(G)是表示在第二液体运送管4内,粒子35与液体区段13一起被运送的样子。
通过图7(A)~图7(G)所说明的动作工序,能够切实地一个 个地操作粒子35,导入到第二液体运送管4内。本工序通过按照粒子收容板20的收容部19一个个地操作粒子35,可以制作粒子阵列。若使用384孔微量滴定板,则可以制作384种的多项目检查用粒子阵列。
图8是表示将成为第二液体运送管4的粒子阵列容器置换成微流路芯片36的一个例子。据此,在微流路芯片36内,也可以通过图7的方法,制作粒子阵列。微流路芯片36的细节虽没有图示出,但一般是通过使未加工的载片紧密结合、粘接到由利用湿法刻蚀等在表面绘有粒子配置流路的石英玻璃、派拉克斯玻璃(注册商标)制的载片或者PDMS构成的基板上来制作的物品。粒子配置流路具有仅可通过一个粒子的截面积,在第三液体运送管31侧的配置流路末端区域,设置有用于使粒子不会流出的堰,在堰和粒子配置流路的流路壁之间,设有间隙,以避免封闭流路。
实施例3
图9和图10是表示将图6、图7所说明的粒子操作构件排列化的装置形态的两个例子。
图9是将5根粒子捕捉喷嘴25设置在粒子捕捉喷嘴设置夹具26上。粒子捕捉喷嘴25在x-z平面平行,在x轴方向以一定间隔排列。另外,它们的开口部全部在z轴方向在同一位置。另外,第一液体运送管3和第二液体运送管4也各设置5根。第一液体运送管3和第二液体运送管4在x-y平面平行,在x轴方向以一定间隔排列。另外,它们的开口部全部在y轴方向在同一位置。5根粒子捕捉喷嘴25和5根第一液体运送管3及5根第二液体运送管4被设置为分别存在同一个y-z平面上。在5根粒子捕捉喷嘴25的中心轴的延长上,气隙11和粒子收容板20上的5个收容部19的开口部的位置分别对应。
图11是表示在x-y平面上,5根排列的第二液体运送管4内排列着粒子35的样子的模式图。第9个粒子35将要一面被内包在液体区段13,一面被导入。象这样,通过图9的粒子操作构件排列化,能够在第二液体运送管4内同时制作5根排列着9种粒子35的粒子阵列。在本实施例中,为了简单,通过具有5×8的收容部的粒子收容板20 进行了说明,但是,实际上,在粒子收容板20上使用384孔滴定板,粒子捕捉喷嘴25、第一液体运送管3和第二液体运送管4各准备16根。据此,能够同时制作16根排列着24种粒子35的粒子阵列。当然,在欲将25种以上的很多的异种粒子排列在第二液体运送管4内的情况下,只要将粒子收容板20在第二电动执行器23上设置多片即可。
图10是表示配置更多根,总地来说是配置n层第一液体运送管3和第二液体运送管4的一个例子。图中为了简单,表示了在z轴方向叠层三层的构造,但是,只要空间允许,也可以叠层多层。例如,通过在粒子收容板20上使用384孔滴定板,使用16根粒子捕捉喷嘴25,用户设定一次,即可自动制作16×n根的粒子阵列。
实施例4
图12和图13是表示在图6、图7所说明的粒子操作装置中,相对于一根粒子捕捉喷嘴25和一根第一液体运送管3,将作为粒子阵列来使用的第二液体运送管4排列化的装置形态的两个例子。
为了使图12的说明简单,将以90°间隔排列第一液体运送管3和3根第二液体运送管4的在x-y同一平面截取的剖视图表示为图14(A)~图14(D)。与第一液体运送管3和第二液体运送管4的外径,还有气隙11的距离有关,这些运送管以15°刻度的间隔,最大可设置到24根。当然,没有必要规则地以均等间隔排列它们。
图14(B)是表示将被内包于液滴的粒子35导入第二液体运送管37的状态。另一方面,图14(C)是表示将被内包于液滴的粒子35导入第二液体运送管38的样子。图14(B)和图14(C)那样的粒子的分别取出控制可通过与第二液体运送管4连结的吸引泵6的控制来变更。这些控制是通过以具有时刻控制功能的专用软件为基础的控制装置(电脑)33进行。具体地说,在图14(B)中,仅仅第二液体运送管37为负压状态,在图14(C)中,仅仅第二液体运送管38为负压状态,此时,其它的第二液体运送管4由于独立控制图12所示的阀60,形成闭回路,来隔断吸引泵6造成的负压化。图14(D)是表示从第二液体运送管37围绕逆时针,依次制作粒子阵列的样子的模式 图。
图12和图14所说明的装置形态的特征是,能够将粒子收容板20的收容部19内的所有的粒子35排列在第二液体运送管4内。例如,在粒子收容板20上使用384孔滴定板,准备一根第一液体运送管3,各23根第二液体运送管4。据此,能够同时制作23根排列着384种粒子35的粒子阵列。当然,在欲将385种以上的异种粒子排列的情况下,只要将粒子收容板20在第二电动执行器23上设置多片即可。
图13是表示在z轴方向配置更多根,总地来说是配置n层第一液体运送管3和第二液体运送管4的一个例子。图中为了简单,表示了在z轴方向叠层二层的构造,但是,只要空间允许,也可以叠层更多层。据此,用户仅设定一次,即可自动制作23×n根的粒子阵列。
实施例5
在本实施例中,表示使用了图9的装置的以检测DNA为目的的粒子阵列的制作和使用了所制作的粒子阵列的反应实验和荧光检测实验的一个例子。
首先,使用图15,说明在表面固定着生物分子的粒子的调制方法。准备具有m×n个收容部19的粒子收容板20、粒子群、修饰粒子35的多种DNA、RNA或者蛋白质等的生物分子探针。所准备的粒子收容板20上的收容部19按照第一中心间隔等间隔地配置在x方向,在与x方向正交的y方向以第二间隔等间隔地配置。收容部19呈具有圆形的上部开口,具有与z方向平行的中心轴,具有底部的圆柱或者圆锥的孔的形状。作为具有这样的多个收容部19的粒子收容板20,可以使用市场销售的96孔微量滴定板、384孔微量滴定板。粒子35的尺寸在用于玻璃制的粒子捕捉喷嘴25的情况下,合适的是最好使用直径10μm以上的球状的粒子。
使用药匙,将按照几mg单位准备的粒子35从粒子容器39分配到粒子收容板20的各收容部19,以收容部19的1列为单位,或者将不同种类的探针导入各收容部19,在所有的粒子表面固定探针。据此,能够准备通过收容部19的位置保持多种探针的种类对应了的探针 DNA固定化粒子40的粒子收容板20。
在本例中,准备n种的生物分子探针,将No.1的生物分子探针导入第一列的m个收容部,将No.2的生物分子探针导入第二列的m个收容部,....,将No.n的生物分子探针导入第n列的m个收容部,将探针固定在各收容部19所收容的粒子35上。因为在固定于粒子35的探针为DNA等的化学比较稳定的生物分子的情况下,可在保干器内保存一次制作的粒子收容板20,或者在冰箱保存,所以,粒子收容板20可以提前制作。将纯水等的溶液导入到各收容部19的粒子收容板20被设置在图9的粒子排列装置的板设置夹具21上,通过图7所说明的动作工序制作粒子阵列。
图16是模式地表示通过本实施例,使用具有m×n个收容部19的粒子收容板20所得到的m根粒子阵列容器41的例子的剖视图。粒子阵列容器41是指第二液体运送管4。在该阶段,为了使导入到粒子阵列容器41内的粒子35不会溢出,并且保持有序的排列状态,而将具有以粒子阵列容器41的内径作为外径的中空的细管的第二套筒42***到开放端侧。据此,可以通过第一套筒32和第二套筒42夹住粒子阵列,阻止粒子的移动。
接着,参照图17(A)、图17(B),说明通过使用了粒子的DNA探针阵列,进行杂化的使用例。
首先,粒子收容板20使用384孔微量滴定板,使用图9的粒子操作装置,按顺序排列24种DNA固定化粒子,在16根粒子阵列容器41内同时制作粒子阵列。
在图17(A)、图17(B)中,在分别具备碱基排列不同的24种5’-硫醇基所修饰的18基的合成低聚核苷酸的24种探针DNA中,固定着具有排列1的单链DNA探针43的粒子以及固定着具有排列2的单链DNA探针44的粒子的粒子阵列容器41中,使含有具有与排列1互补的Cy3标识的排列3的单链目标DNA45以及具有与排列2互补的排列4的TexasRed标识的单链目标DNA46的样品流动,验证目标DNA是否按照意图与探针DNA结合。
(排列1)5’-thiol-ATCTGACT...GCTCCTC-3’
(排列2)5’-thiol-CTACCTGC...CTGGACG-3’
(排列3)5’-Cy3-GAGGAGCC...GTCAGAT-3’
(排列4)5’-TexasRed-CGTCCAGG...CAGGTAG-3’
使以1μM的浓度分别含有单链目标DNA45和单链目标DNA46的20mM磷酸缓冲液(pH7.0)溶液47如图17(A)所示,在制作DNA探针阵列的粒子阵列容器41内流动,以45℃,进行杂化反应。输送使用注射泵进行。反应后,对没有付与杂化反应的剩余的目标DNA依次用20mM磷酸缓冲液(pH7.0)溶液47和纯水清洗并进行干燥。然后,将水银灯作为光源,依次使用以Cy3和TexasRed的发光波长为中心的Cy3用长路径过滤片和TexasRed用长路径过滤片,通过荧光显微镜48,观察粒子阵列容器41内的各粒子。
其结果如图17(B)所示,观察到分别为在排列的粒子中,规定的粒子发出Cy3的荧光49,再有,其它的规定的粒子发出TexasRed的荧光50。这表示单链目标DNA45相对于单链DNA探针43,单链目标DNA46相对于单链DNA探针44切实地杂化,确认了通过该粒子操作装置,能够在粒子阵列容器41内制作DNA探针阵列,而不会影响探针。
实施例6
作为检测血液、血清等的样品中含有的成分量的分析装置,具有下述分光分析技术,即,将来自卤素灯等的白色光照射到作为样品和试剂的混合液的反应液,通过衍射光栅,对透过了反应液的光进行分光,取出必要的波长成分,算出其吸光度,以此,测定目的的成分量,但是,近年,为了削减试剂的成本,微量化的需求提高。在本实施例中,对被运送物使用微量液体的例子进行说明。
图18(A)到图18(E)是表示将微量液体52内包于油滴51中,进行运送的样子的模式图。图18(A)表示即将从第一液体运送管3形成油滴51之前。图18(B)表示油从第一液体运送管3的液体流出口9流出,油滴51在气隙11生成。图18(C)表示朝向油滴51内, 从液体分注喷嘴52排出的微量液体53被内包于油滴51的样子。如图18(D)至图18(E)所示,被内包的微量液体53在被保持在油滴51内的状态下,在第二液体运送管4内被运送。
使用控制装置(电脑)33,使来自液体分注喷嘴52的微量液体53的排出时刻与油滴51的生成同步。作为用于同步的检测构件,可以使用图象传感器、在线传感器。一面直接观察油滴51,一面向控制装置33传输信号,排出微量液体53。另外,也可以监视在第二液体运送管4内流动的油层的间隔,读取规则性,将该数据向控制装置33传输,时机好地排出微量液体53。
图19是表示本发明的微量液体操作装置的一个例子的模式图。在图中,是在两个位置***了气隙11的例子,可以通过气隙11部,向从液体容器1运送来的油滴51中,供给样品液滴57和试剂液滴58。在第一液体运送管3、第二液体运送管4、检测单元用液体运送管54中,具有第一输送泵2、第二输送泵15、第三输送泵,可以一面保持液体区段,一面运送。各管的流速条件为V1<V2≤V3,对这些进行控制,简单的是使用蠕动泵。
在检测单元用液体运送管的一部分的检测区域,设有光源55和检测器56,测定在油滴51内混合的样品液滴57和试剂液滴58的混合液59的吸光度。在这里,为了简单,从图中省略掉了分光器、集光透镜。在本实施例中使用油滴51的理由是为了防止在运送管中的污染、连续计量时的交叉。通过使用油,能够防止样品、试剂吸附到运送管的壁的情况。

Claims (20)

1. 一种液滴生成运送装置,其特征在于,具有第一液体运送管、
用于将液体输送和供应给上述第一液体运送管的第一输送构件、
第二液体运送管,其液体流入口隔着气隙设置在上述第一液体运送管的液体流出口、
用于从上述第二液体运送管的上述液体流入口吸引液体,在上述第二液体运送管内进行运送的第二输送构件;
因上述第一输送构件而在上述第一液体运送管内流动的液体的输送速度V1与因上述第二输送构件而在上述第二液体运送管内流动的液体的运送速度V2的关系为V1<V2,
从上述第一液体运送管的液体流出口流出,生成在上述气隙的液滴从上述第二液体运送管的液体流入口被吸引,在上述第二液体运送管内作为空气和液体的断续流体被运送。
2. 如权利要求1所述的液滴生成运送装置,其特征在于,上述第一液体运送管的液体流出口和上述第二液体运送管的液体流入口在同轴上相对地配置。
3. 如权利要求1所述的液滴生成运送装置,其特征在于,上述第一液体运送管和第二液体运送管分别在同一平面上排列多根,上述第一液体运送管和第二液体运送管各自以一对一对应。
4. 如权利要求3所述的液滴生成运送装置,其特征在于,上述第一液体运送管和第二液体运送管在与上述平面垂直的方向配置多层。
5. 如权利要求1所述的液滴生成运送装置,其特征在于,上述气隙小于等于2mm。
6. 如权利要求1所述的液滴生成运送装置,其特征在于,一根上述第一液体运送管和多个上述第二液体运送管放射状配置,以便一个液体流出口和多个液体流入口位于从上述气隙的中心起算的距离相等的位置上,具有对吸引从上述第一液体运送管流出、生成在上述气隙的液滴的上述第二液体运送管进行选择的构件。
7. 如权利要求1所述的液滴生成运送装置,其特征在于,供给上述第一液体运送管的液体是水、缓冲液、生物分子样品或者油。
8. 如权利要求1所述的液滴生成运送装置,其特征在于,具有将空气导入上述第一液体运送管,并通过空气对被输送的液体进行划分的构件,和对将空气导入上述第一液体运送管的时间进行控制的构件,以及使断续地向上述第二液体运送管供给的一定数量的容积一定的液体区段从该第二液体运送管的上述液体流入口的相反侧的开放端流出的微量分注构件。
9. 如权利要求1所述的液滴生成运送装置,其特征在于,通过控制上述气隙的间隔,来控制上述液滴的量。
10. 一种粒子操作装置,其特征在于,具有第一液体运送管、
用于将液体输送和供应给上述第一液体运送管的第一输送构件、
第二液体运送管,其液体流入口隔着气隙设置在上述第一液体运送管的液体流出口、
用于从上述第二液体运送管的上述液体流入口吸引液体,在上述第二液体运送管内进行运送的第二输送构件、
收容粒子的粒子收容部、
将上述粒子收容部内收容的粒子在前端捕捉并能移动的粒子捕捉喷嘴、
控制上述粒子捕捉喷嘴内的压力的压力控制构件、
使上述粒子捕捉喷嘴的前端在上述粒子收容部和上述气隙之间移动的粒子捕捉喷嘴移动构件;
因上述第一输送构件而在上述第一液体运送管内流动的液体的输送速度V1与因上述第二输送构件而在上述第二液体运送管内流动的液体的运送速度V2的关系为V1<V2,
从上述第一液体运送管的液体流出口流出,生成在上述气隙的液滴从上述第二液体运送管的液体流入口被吸引,在上述第二液体运送管内作为空气和液体的断续流体被运送,
通过上述粒子捕捉喷嘴移动构件,使从上述粒子收容部被上述粒子捕捉喷嘴的前端吸引并捕捉的一个粒子移动到在上述气隙生成的液滴的位置,通过上述压力控制构件的压力控制,使之从上述粒子捕捉喷嘴游离,内包在上述液滴,并向上述第二液体运送管内运送。
11. 如权利要求10所述的粒子操作装置,其特征在于,生物探测针被固定化。
12. 如权利要求10所述的粒子操作装置,其特征在于,上述微粒子捕捉喷嘴的数量与上述第一液体运送管的数量相同或者比它少。
13. 如权利要求10所述的粒子操作装置,其特征在于,具有多个粒子收纳部,各粒子收纳部分别具有收纳了生物探针固定化粒子的粒子收纳板,将收纳在上述多个粒子收纳部的生物探针固定化粒子按照既定顺序向上述第二液体运送管运送,在上述第二液体运送管内或者与上述第二液体粒子运送管连接的粒子排列容器内制作探针阵列。
14. 如权利要求13所述的粒子操作装置,其特征在于,上述第二液体运送管内或者上述粒子排列容器的内径比上述生物探针固定化粒子的直径大,但不到上述直径的两倍。
15. 如权利要求13所述的粒子操作装置,其特征在于,具有保持上述粒子收纳板并移动的载物台,上述粒子捕捉喷嘴移动构件使上述粒子捕捉喷嘴在上下方向移动,上述载物台使上述粒子收纳板在水平方向移动。
16. 如权利要求10所述的粒子操作装置,其特征在于,一根上述第一液体运送管和多个上述第二液体运送管放射状配置,以便一个液体流出口和多个液体流入口位于从上述气隙的中心起算的距离相等的位置上,具有对吸引从上述第一液体运送管流出、生成在上述气隙的液滴的上述第二液体运送管进行选择的构件。
17. 一种微量液体运送装置,其特征在于,具有第一液体运送管、
用于将液体输送和供应给上述第一液体运送管的第一输送构件、
第二液体运送管,其液体流入口隔着气隙配置在上述第一液体运送管的液体流出口、
用于从上述第二液体运送管的上述液体流入口吸引液体,在上述第二液体运送管内进行运送的第二输送构件、
添加液体样本的微量分注构件;
因上述第一输送构件而在上述第一液体运送管内流动的液体的输送速度V1与因上述第二输送构件而在上述第二液体运送管内流动的液体的输送速度V2的关系为V1<V2,
从上述第一液体运送管的液体流出口流出,生成在上述气隙的液滴从上述第二液体运送管的液体流入口被吸引,在上述第二液体运送管内作为空气和液体的断续流体被运送,
上述微量分注构件将液体样品添加到在上述气隙中生成的液滴中。
18. 如权利要求17所述的液体运送装置,其特征在于,向上述第一液体运送管供给的液体与上述液体样品不混合。
19. 一种液滴生成运送方法,其特征在于,具有将液体向第一液体运送管输送的工序、
在上述第一液体运送管的开口端部的液体流出口使液滴生成的工序、
从第二液体运送管的开口端部的液体流入口吸引上述液滴的工序;
使在上述第一液体运送管内流动的液体的输送速度V1和在上述第二液体运送管内流动的液体的输送速度V2的关系为V1<V2,据此,将到达上述第二液体运送管的开口端部的液体流入口的液滴作为空气和液体的断续流体向上述第二液体运送管内运送。
20. 如权利要求19所述的液滴生成运送方法,其特征在于,通过调整上述第一液体运送管的开口端部的液体流出口和上述第二液体运送管的开口端部的液体流入口之间的气隙的间隔,来控制上述液滴的量。
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