JP2005205408A - 粒子の選別装置および方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、簡単な操作で粒子を選別できる選別装置および方法を提供しようとするものである。
【解決手段】本発明の一実施形態による粒子の選別装置は、入口と第１および第２の出口とを備えたチャネルを形作っているチャネル構造と、第１の粒子と第２の粒子の粒子ストリームを作るように構成されている第１の輸送機構と、第２の粒子の少なくとも１つを粒子ストリームから第２の出口の方に選択的に移動させるようにパルス動作する第２の輸送機構とを有し、各粒子が、チャネルに沿って入口から第１の出口に向かって移動し、第１の輸送機構が、チャネル構造によって支持されている流体中に配置されている。
【選択図】図２
【解決手段】本発明の一実施形態による粒子の選別装置は、入口と第１および第２の出口とを備えたチャネルを形作っているチャネル構造と、第１の粒子と第２の粒子の粒子ストリームを作るように構成されている第１の輸送機構と、第２の粒子の少なくとも１つを粒子ストリームから第２の出口の方に選択的に移動させるようにパルス動作する第２の輸送機構とを有し、各粒子が、チャネルに沿って入口から第１の出口に向かって移動し、第１の輸送機構が、チャネル構造によって支持されている流体中に配置されている。
【選択図】図２
Description
本発明は、粒子の選別装置および方法に関し、特に混合物の中から特定の細胞などの粒子を選別する装置および方法に関する。
細胞やその他の粒子は、複数の異なる種類の混合物として得られることが多い。例えば、患者からの血液または組織の試料は、対象とする特定の種類の細胞の存在や特性を隠す様々な種類の細胞の混合物を含むことがある。したがって、試料中の対象とする細胞を識別し、精製して特徴を調べるために、そのような試料の細胞を、細胞自動解析分離装置などの細胞選別装置で選別しなければならないことがある。しかしながら、細胞選別機は、操作し維持するのに費用がかかりかつ複雑なことがある。
本発明は、簡単な操作で粒子を選別できる選別装置および方法を提供しようとするものである。
本発明による細胞などの粒子を選別する方法と装置とを含んだシステムを開示する。このシステムは、粒子を移動させる２つの輸送機構を含むことができる。第１の輸送機構は、１群の粒子を比較的連続的でかつ選択しないで移動させる非選択機構である。この非選択機構は、例えば、１群の粒子が入っている流体に圧力を加えるように動作してもよく、誘導泳動などによって流体の粒子に力を加えるようにしてもよい。第２の輸送機構は、非選択機構が動作しているときに、粒子のサブセット（一部）を他の粒子に対して選択的に移動させるように構成した選択機構でよい。したがって、第２の輸送機構は、サブセットの粒子に選択的に力を加えるのに適切な時間だけパルス動作することができる。力は、粒子のサブセットが入っている流体部分に加える圧力パルスでよい。この力は、非選択輸送機構によって１群の粒子が輸送される方向を横切る方向に向けられて、粒子のサブセットを別の経路に移動させ、それにより１群の粒子が選別される。また、選択輸送機構と非選択輸送機構を組み合わせて粒子を選別する方法も開示する。
図１は、並行に動作するように構成された複数「ｎ」台の選別機２２を使用して粒子を選別するシステム２０を示す。このシステムは、１台を含む任意の適切な台数の選別機にすることができる。選別機は、流体中の粒子Ａや粒子Ｂなどの複数種類の粒子の投入混合物２６を保持する投入リザーバ２４に対し並行に流体連通させて配置することができる。投入リザーバと選別機の間の流体連通は、導管回路網２８によって実現することができる。投入混合物の一部分を別個の粒子ストリームとして導管回路網から様々な選別機に導くことができる。各選別機は、ストリームの粒子Ａと粒子Ｂを異なる経路３０、３２に沿って選択的に移動させ、それにより、混合物は、それぞれ異なる中間箇所３４で粒子Ａまたは粒子Ｂに濃縮される。各選別機からの選別された各種類の粒子は、３６で示したように組み合わされ、その結果、粒子Ａと粒子Ｂはそのそれぞれの受器構造３８、４０に導かれる。
選別機とは、粒子混合物中の少なくとも１つの種類の粒子を混合物中の他の種類の粒子よりも濃縮する任意の装置または機構でよい。選別機は、１つまたは複数の種類の粒子を粒子／流体移動のデフォルト経路から代替経路に移動させるように構成できる。代替として、選別機は、様々な種類の粒子を粒子の種類によって移動のデフォルト経路から別の代替経路に移動させてもよい。
選別機は、粒子が入っている流体体積全体または流体の一部に力を加えてもよく、または流体の粒子に選択的に力を加えてもよい。この力は、流体体積全体に加えられる圧力、粒子の誘導泳動力、流体の電気浸透力などである。いくつかの実施形態において、選別機は、例えば、弁を開閉して流体と粒子がたどる経路を変化させることにより選別することができる。
選別機は、投入混合物から並行して選別するために、同時に動作するように構成してもよい。代替または追加として、選別機は、例えば、特定種類の粒子の混合物の段階的な濃縮を実現する連続選別のために直列に配置してもよい。濃縮とは、本明細書で使用されるとき、混合物中のある種類の粒子の発現量が混合物中の１つまたは複数の他の種類の粒子よりも増大することを含む。例えば、濃縮によって、特定種類の粒子の発現量が粒子全体のうちの低い割合から高い割合に上昇したり、特定種類の粒子が１つまたは複数の他の種類の粒子からほとんどまたは完全に分離されることになる。
投入リザーバは、投入混合物を受け取りその投入混合物の一部を選別機に放出するように構成された任意の容器（複数の容器）でよい。一部を放出するには、投入リザーバと常に流体連通している通路による受動的なものでもよく、一部を選択的に放出するように動作する弁による能動的なものでもよい。投入リザーバは、貯蔵器（ｗｅｌｌ）、チャンバ、チャネル、注射器などでよい。
導管回路網は、投入リザーバと選別機の間を流体連通する任意の群の通路でよい。導管回路網は、例えば、管、ほぼ平面または立体のチャネル構造内またはチャネル構造上に形成されたチャネル、および／またはその組み合わせを含むことができる。導管回路網は、投入リザーバから選別機まで延在する１群の並行通路、選別機に向かって数が増えすなわち分岐する通路、またはこれらの組合せを含むことができる。例えば、この図において、導管回路網２８は、選別機の数と同じ数の複数の導管４４に分岐する単一の導管４２によって混合物２４の一部を並行して搬送する。後で説明するように、導管回路網は、マニホルドによって形作られてもよい。
出力受器構造は、流体と選別された粒子を選別機から受け取るための任意の容器または区分室であってよい。例示的な受器構造には、マイクロプレートウェル、チップのマイクロ流体区分室、試験管、培養容器などがある。いくつかの実施形態において、各選別機は、例えば選別後の処理を行うために、選別した粒子を個別の受器構造に導くことができる。選別後の処理には、細胞培養、細胞溶解、および／または細胞または粒子成分の分子分析（検出）（核酸、タンパク質、脂質、イオン、炭水化物などの分析など）などがある。例示的な実施形態において、選別後の処理には、細胞溶解とその後の核酸増幅がある。
投入混合物は、関心のある任意の粒子混合物を含んでいる可能性がある。粒子とは、本明細書で使用されるとき、任意の群の個別の小物体を含む。例えば、粒子は、直径が約１００マイクロメートル未満であり、生物学的なもの、人工的なもの、自然発生的なもの、有機的なもの、無機的なもの、あるいはこれらの組み合わせでよい。例示的な粒子には細胞がある。細胞は、生きているものや死んでいるもの、固定されたものや固定されていないもの、処理されたものや未処理のもの、培養したものか培養していないものなどがある。例示的な細胞には、真核細胞および／またはバクテリアがある。他の例示的な粒子には、ウィルス、細胞小器官、小胞、合成高分子、ビード（ｂｅａｄ）、有生分子を搬送する符号化ビード、磁性粒子などがある。粒子混合物の例示的なソース（供給源）には、例えば、患者試料（血液、組織生検、粘液、唾液、尿、***、涙、汗など）、環境試料（水、空気、土からの試料など）、および／または研究試料がある。
投入混合物は、選別前に予備処理されていてもよい。例えば、投入混合物は、粒子のサブセットを光学的に識別可能にするように処理される。いくつかの実施形態において、混合物は、粒子のサブセットを選択的にラベル付けするために染料で処理されることがある。染料は、光学的に検出可能な任意の材料でよい。染料は、粒子に直接付けられてもよく、抗体、レクチン、分子インプリント高分子、核酸、受容体、配位子など、（共有結合的または非共有結合的に）結合された固有の結合部材によって付けられてもよい。代わりにまたは追加として、投入混合物は、緑色蛍光タンパク質などの光学的に検出可能な材料を発現させるためにトランスフェクションなどで処理された細胞でもよい。
図２は、システム２０に含めることができる選別機ユニット５０の例を示す。選別機ユニット５０は、少なくとも１つのチャネル５４を形作るチャネル構造５２を含むことがある。チャネル構造５２は、粒子（および流体５３）を輸送する通路を形作る任意の構造でよい。通路は、粒子／流体が移動するための事前に形作られた任意の経路でよい。さらに、通路は、壁、粒子を導きかつ／または流体を導く表面領域、例えば隣り合った疎水性と親水性の表面特性を持つ表面領域を含むことがある。チャネル構造は、粒子が入った流体を支持することで粒子を支持してもよい。支持された流体とは、本明細書で使用されるとき、流体の落下が制限されるように固体面と接している流体である。これと対照的に、支持されていない流体には、空中に浮遊する液滴がある。いくつかの実施形態において、チャネル構造は、後で詳しく説明するように、基板と、基板に接続された流体障壁を含む基板アセンブリでもよい。
チャネル５４は、粒子６０、６２の粒子ストリーム５８を受け取る入口５６と、粒子が移動できる第１の出口６４と第２の出口６６を含むことができる。したがって、チャネル５４は、粒子および／または流体がチャネル内の複数の異なる経路６８、７０に沿って移動することができるので分岐チャネルとして示される。
選別機ユニット５０は、また、各粒子６０、６２の特性を検出するように構成されたセンサ７２を含むことができる。センサは、例えば、ルミネセンス（フォトルミネセンス（例えば、蛍光や燐光）、化学発光、または生物発光）、散乱、吸収、屈折、反射および／または分極など、各粒子の光学（または電磁気）特性を測定する光センサでよい。代替として、センサは、粒子の電気的または磁気的特性をそれぞれ検出するように構成された電気的または磁気的センサでもよい。
センサ７２は、任意の適切なサイズ、形、位置および構造を有することができる。いくつかの実施形態において、センサは、粒子の直径よりも長いことがあり、すなわち、例えば粒子の速度を測定するためにチャネルに沿った複数の位置で粒子を検出する長さにしてもよい。したがって、センサは、例えばチャネルに沿って配置された単一のセンサ要素または複数のセンサ要素でよい。また、センサは、チャネルの幅と実質的に同じ幅を含む任意の適切な幅を有することができる。センサは、チャネルの表面上に形成されてもその下方に形成されてもよく、例えば、チャネルの底面を形作る基板上または基板内に形成された１つまたは複数のフォトダイオードでよい。フォトダイオードは、光を選択的に受け取るように構成されてもよい。したがって、フォトダイオードは、特定の波長の光を選択的に通すフィルタ層などの光選択材料で被覆されてもよい。
選別機ユニット５０は、非選択輸送機構７４や選択輸送機構７６など、粒子および／または流体をそれぞれ移動させる複数の機構を含みかつ／またはその機構と共に機能することができる。
非選択輸送機構７４は、入ってきた粒子を比較的非選択的にチャネル５４に通す任意の機構でよい。非選択輸送機構は、粒子混合物中の様々な種類の粒子に同様な力を加えてその粒子が類似の速度で移動するようにすることができる。代替として、非選択輸送機構は、様々な粒子が様々な速度で移動するように異なる力を加えてもよい。しかしながら、いずれの場合も、非選択輸送機構は、粒子をチャネルに通す。非選択輸送機構は、連続的輸送機構でよい。連続的輸送機構とは、本明細書で使用されるとき、実質的な中断なしに複数の粒子をチャネルに通す任意の輸送機構である。
この図において、非選択輸送機構７４は、粒子６０、６２の粒子ストリーム５８をチャネル内に入れそのチャネルを介してデフォルト経路６８に送る（選択輸送機構７６が操作されていない）。粒子ストリームとは、本明細書で使用されるとき、粒子がチャネルに入りチャネルに沿って移動することによって生じる連続した移動粒子である。この連続は、例えば、比較的安定的なものでも断続的なものでもよく、粒子をチャネルに１つずつすなわち一列縦隊で導入してもよく、並行またはランダム構成で１度に複数導入してもよい。いくつかの実施形態において、チャネルの直径は、粒子の一列縦隊の動きを制限できるほど十分に小さいことがある。
非選択輸送機構は、任意の適切な機構によって動作させることができる。例えば、非選択輸送機構は、バルク流体の流れとそれに付随するバルク粒子の流れを促進するために、粒子が入っている流体に力を加えるように動作することができる。代替として、この輸送機構は、流体によってバルク粒子の流れを促進させるため、流体の粒子に力を加えてもよい。非選択輸送機構は、チャネルに沿って圧力降下があるように、チャネル５４のほぼ上流（投入混合物の方）または下流（受器構造の方）で流体に正圧と負圧を加えてもよい。例示的な非選択輸送機構には、例えば、加圧ガス、容積式ポンプ（シリンジポンプなど）、真空、および／または臑動ポンプがある。他の例示的な非選択輸送機構は、進行波誘電泳動（ｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｗａｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ）を使用して例えばチャネルに沿って粒子の混合物を推進することによって粒子の誘電泳動式移動を実現するように配置された電極を含むことができる。
選別機ユニット５０は、また、非選択輸送機構７４と協力する選択輸送機構７６を含んでもよい。選択輸送機構は、混合物の他の粒子とは異なる経路に沿って混合物の１つまたは複数の粒子のサブセットを選択的に移動させるように構成した任意の機構でよい。
選択輸送機構は、混合物の個々の粒子または群になった粒子に作用するように構成することができる。いくつかの実施形態において、粒子ストリーム５８の粒子は、単一粒子を流れから移動させることができるように十分に離間していてもよい。代替として、粒子は、複数の粒子を一緒に移動させることができるように、十分に離間していなくてもよい。いずれの場合も、特定種類の粒子、特に少数派の粒子に関して混合物の濃縮を行うことができる。
選択輸送機構は、特定の粒子に一時的な作用を与えるためにパルス動作してもよい。パルス動作とは、本明細書で使用されるとき、１つの一時的信号パルスまたは複数の一時的信号パルスによって作動することを示す。一時的信号パルスは、一定間隔で生じる安定した信号または周期的な信号ではなく、必要に応じてほぼ不規則な時間の間隔で全体的に離された粒子を選別するために生成されることがある。例示的な信号は、例えば、フォトトランジスタを活動化する電気信号（電流パルスや電圧パルスなど）または光パルスである。
特定の粒子への一時的作用および／または輸送機構を活動化する一時的信号パルスは、高速でよく、すなわち継続時間は約１秒よりも短くてもよい。いくつかの例において、一時的作用は、流体粘性、チャネル径、チャネル形状などのパラメータにより、約１０ミリ秒未満または約１ミリ秒未満継続する圧力パルスでよい。
選択輸送機構は、任意の適切な最大輸送周波数を有することがある。最大輸送周波数は、１秒当たりに生成することができる圧力パルスの最大周波数であり、したがって、選択輸送機構が１秒当たりに移動させることができる粒子の最大数である。いくつかの例において、最大周波数は、少なくとも約１００ヘルツまたは少なくとも約１キロヘルツである。
選択輸送機構７６は、非選択輸送機構７４と同時に動作するように構成されてもよい。すなわち、選択輸送機構７６は、非選択輸送機構の動作によって作成された粒子ストリームから特定の粒子６２を移動させることができる。いくつかの実施形態において、選択輸送機構は、粒子６２を第２の経路７０に沿って導くために、チャネル５４内の流体体積の一部、例えば第２の出口６６の近くにある流体区分または小部分７８に圧力パルスを加えるように構成してもよい。
例示的な選択輸送機構は、例えば、薄膜ヒータ（例えば、抵抗層）や圧電要素などの薄膜電気装置によって構成される。そのような薄膜電気装置は、一時的圧力パルスを提供する作動パルスによって迅速に操作してもよい。薄膜とは、本明細書で使用されるとき、基板上に形成された任意の薄い膜である。薄膜は、例えば、蒸気蒸着、スパッタリング、マグネトロン蒸着、プラズマ蒸着などの任意の適切な方法によって形成される。薄膜の個々の層は、任意の適切な厚さ、または約５００μｍ、１００μｍ、または２０μｍ未満の厚さを有することができる。代替または追加として、個々の薄膜層は、約１０ｎｍ、２０ｎｍ、または５０ｎｍを超える厚さを有することができる。
代替の選別機８０は、この場合も仮想線で示された部分を含み、第１のチャネル５４の近くに配置された第２のチャネル８１を含むことができる。第２のチャネル８１は、入口８２と出口８４を含むことができる。第１と第２のチャネル５４、８１は、例えば通路８６によって接続された流体連通状態でもよい。第２のチャネル８１は、第１の経路６８と実質的に並行でよく第３の経路９２に沿って別の流体９０のストリームを作るように構成された流体輸送機構８８によって操作されてもよい。したがって、ストリーム５８から通路８６内に移動した粒子は、流体ストリーム９０に加わり、出口８４からチャネル８１を出ることができる。
図３〜図１０の以下の説明全体にわたって、同じシステム構成要素を示すために同じ参照番号を使用する。したがって、様々な図面の関係を理解しやすくするために、特定の図面は、他の図面の文脈で主要なものとしてまたは排他的なものとして説明されたシステム構成要素の参照番号を含むことがある。
図３は、細胞や他の粒子を選別するシステム１１０の概略図を示す。システム１１０と、開示された他の選別機システムによれば、システムのユーザは例えば有害である可能性がある材料を分離するというような、生体物質の環境的分離を実現することができる。
システム１１０は、選別機アセンブリ１１２を含むことができる。選別機アセンブリは、システム制御電子回路１１４およびそこに含まれるプロセッサと電気的に接続されることがある。また、選別機アセンブリは、流体の経路指定をするマニホルド１２０を介して、細胞投入混合物１１６ならびに任意ではあるが個別の流体ソース１１８と流体接続されてもよい。さらに、選別機アセンブリは、光源１２２と接続されることがある。選別機アセンブリ１１２とマニホルド１２０から下流に負圧を加えることができる圧力制御装置１２４、１２６などの１つまたは複数の粒子／流体輸送機構によって、細胞投入混合物１１６と流体ソース１１８から細胞と流体を移動させることができる。また、圧力制御装置と光源は、例えば流体／粒子の輸送と露光のプロセッサ式制御を実現するために、１２８、１３０で示したシステム制御電子回路と接続されることがある。したがって、光源１２２は、例えば一定光源でもパルス光源でもよい。
動作として、投入混合物１１６の細胞は、選別前と選別後にそれぞれマニホルド１２０を介して選別機アセンブリ１１２に入ったり出たりできる。細胞が選別機アセンブリとマニホルドから出るとき、細胞は、標的細胞１３２や不要細胞（ｗａｓｔｅ ｃｅｌｌ）１３４などの高濃度の個体群にすることができる。様々な実施形態において、標的細胞は、例えば、分子または細胞レベルで再選別され、培養されかつ／または分析されることがある。不要細胞１３４は、廃棄されることがある。代替として、「不要」細胞は、さらに処理される別の対象の個体群であってもよい。
選別機アセンブリ１１２は、基板アセンブリとも呼ばれ、流体部１３８と接続された電気部１３６を含むことができる。電気部１３６は、スイッチング装置（トランジスタ、ダイオードなど）、温度制御装置（加熱器、冷却器、温度センサなど）、変換器、センサなどの複数の薄膜装置１４０を含むことがある。したがって、電気部１３６は、フレキシブル回路を有する電子部でよい。流体部１３８は、選別機ユニットの流体態様を形成する複数の選別機チャネル１４２を形作ることができる。
図４は、システム１１０の部分概略図である。システム１１０は、マニホルド１２０の近くに接続された選別機アセンブリ１１２を有する選別機装置１５０を含むことができる。選別機装置１５０は、また、１つまたは複数の投入リザーバ１５２、１５４、出力リザーバ１５６、１５８、および圧力制御装置１２４、１２６を含むことができる。投入リザーバと出力リザーバは、任意の適切な容器または流体受器構造でよい。選別機装置は、また、システム制御電子回路１１４と光源１２２を含むことがある。代替として、システム制御電子回路、光源、圧力制御装置、および／または１つまたは複数のリザーバが、選別機装置と別々でもよい。例えば、選別機装置１５０は、電気的インタフェース１６０を介して制御装置１６２に電気的に結合される再使用可能または使い捨てのカートリッジとして構成できる。
選別機装置１５０は、システム１１０内で以下のように機能することができる。圧力制御装置１２４、１２６によってかけられる負圧によって、細胞投入混合物１１６と流体１１８を選別機アセンブリ１１２に吸い込むことができる。細胞混合物と流体は、細胞および流体投入リザーバ１５２、１５４から、それぞれの導管１６４、１６６とマニホルド１２０を介して、選別機アセンブリ１１２内に移動させることができる。流体投入リザーバ１５４からの流体１１８の一部を、選別機アセンブリによる選別なしに、マニホルドを介して導管１６８からターゲットリザーバ１５６に戻して、受けとることができる。さらに、投入混合物１１６の一部を導管１７０から廃物リザーバ１５８に受け取ることがある。しかしながら、選別機アセンブリ１１２の動作によって混合物１１６から標的細胞１３２を移動させ、ターゲットリザーバ１５６に選択的に入れることができる。
図５は、選別装置１５０の選別機アセンブリ１１２の特定部分の底面図を示す。選別機アセンブリは、複数の薄膜電気装置１４０を有する基板１８０を含むことができる。選別機アセンブリは、また、この図で３×３配列の点線枠として概略的に示された複数の選別機ユニット１８２を含むことがある。基板は、供給孔１８４などの複数の穴を形作ることができ、その穴を介して流体と粒子は隣り合ったマニホルド１２０との間を行き来することができる（図４を参照）。供給孔１８４は、１８５で示した列で配列されることがある。各列１８５は、導管１８６ａ〜１８６ｅなど、点線で表され基板の反対面に隣接して配置された第１層のマニホルド導管と位置合わせされることがある。マニホルド導管については、図７〜図９と関連してより詳細に説明する。基板と協力してチャネルを構成する流体障壁は、基板に隣接して配置されているが、他の場所に示されている（図６と図７を参照）。
基板１８０は、任意の適切な構造と組成を有することができる。いくつかの実施形態において、基板はほぼ平面でよい。基板は、例えば、シリコンやガリウムヒ素などの半導体からなってもよく、ガラスやセラミックスなどの絶縁体からなってもよい。したがって、薄膜装置は、例えばフラットパネル技術によって、半導体中および／または半導体上あるいは絶縁体上に作成されてもよい。基板は、供給孔１８４を備えることができ、それにより、マニホルドが、薄膜装置と反対の基板面に隣接して配置される。代替として、供給孔１８４は、基板上の薄膜装置と同じ基板面に隣接して形成されてもよい。これにより、薄膜装置に隣接した基板に接続されている流体障壁をマニホルドと接続することができる（以下を参照）。
選別機アセンブリは、任意の適切な構成で適切な数の選別機ユニットを含むことができる。例えば、選別機アセンブリは、１０を超えるかまたは１００を超える選別機ユニットを含むことができる。いくつかの実施形態において、選別機ユニットは、例えば垂直方向に２次元的配列をしてもよい。
図６は、選別機ユニットが細胞１３２、１３４を選別するときに選別機アセンブリ１１２に含まれる選別機ユニット１８２を示す。流体障壁１９６は、この図では部分的な断面図で示されており、流体および／または細胞を受け取る隣接したチャネル１９８、２００の壁を形作るために基板１８０に接続されてもよい。詳細には、チャネル１９８は、第１のマニホルド導管１８６ａから供給孔１８４ａを介して細胞１３２、１３４を搬送する流体を受け取ることができる。細胞は、チャネルに沿って移動して、第４のマニホルド導管１８６ｄと連通する供給孔１８４ｂで出ることができる。チャネル２００は、２０４で示した第２のマニホルド導管１８６ｂと供給孔１８４ｃから流体を受け取ることができる。流体は、チャネル２００に沿って移動して、第３のマニホルド導管１８６ｃと連通する孔１８４ｄから出ることができる。
選別機ユニット１８２は、センサ２１０と、このセンサからの情報に基づいて選択的に動作する輸送機構２１２とを含むことがある。センサ２１０は、チャネル１９８、２００を接続する通路２１４の上流に配置されることがある。センサは、センサの上を通る各細胞の特性を検出することができる。この特性が事前に定められた基準を満たす場合、輸送機構２１２は、例えば通路２１４近くへの細胞の予測到着時刻に基づいて細胞を検出後適切な時間に動作させることができる。
輸送機構２１２は、パルス動作したときチャネル１９８から特定の細胞を移動させる薄膜電気装置２１６を含むことができる。ヒータ要素である電気装置２１６は、例えば、薄膜ヒータまたは圧電要素でよい。薄膜装置は、チャネル１９８を横切る力、すなわち細胞が移動するデフォルト経路２２０を横切る力をかけることができる。流体ダイオード２２４を使用することによって、力を反対側の通路２２２から通路２１４の方に選択的に導くことができる。流体ダイオードは、選択的に一方向への流れを制限する任意の導管構造でよく、例えばこの図ではチャネル１９８上方からの流れを選択的に制限している。適切な他の例示的な流体ダイオードは、Ｍａｔｓｕｄａらに譲渡された米国特許第４，２１６，４７７号に含まれている。
輸送機構２１２から圧力パルスによって移動される流体は、第２のマニホルド導管１８６ｂと連通する供給孔１８４ｅによって供給されてもよく、別の流体ソースから供給されてもよい。圧力パルスは、細胞１３２を上側チャネル１９８から下側チャネル２００に移動させることができる。次に、細胞は、チャネル２００内に流れる流体に加わって供給孔１８４ｄから出る。
図７は、選別機ユニット１８２と隣接する選別機装置１５０の一部分の断面図を示す。基板アセンブリ１１２は、マニホルド１２０、詳細には第１のマニホルド導管１８６ａを形作る第１のマニホルド層２４０と隣接させることができる。第２のマニホルド層２４２は、基板アセンブリから離間させることができる。
基板アセンブリ１１２は、基板１８０と、基板の表面（基板内または基板上）の近くに形成された薄膜層２４４と、基板と薄膜層に接続された流体障壁１９６とを含むことがある。薄膜層は、基板アセンブリの電気部１３６、詳細には薄膜電気装置１４０を形作ることがある。流体障壁１９６は、一体的に形成されてもよく、あるいはこの図に示したように、チャネル層２４６とカバー層２４８からなってもよい。チャネル層は、チャネル１９８の壁２５０を形作ることができる。チャネル層２４６は、ネガまたはポジのフォトレジスト（ＳＵ−８やＰＬＰなど）、ポリイミド、ドライフィルム（ＤｕＰｏｎｔ Ｒｉｓｔｏｎなど）、および／またはガラスを含むがこれらに限定されない任意の適切な材料からなることができる。チャネル層２４６をパターン形成する方法には、フォトリソグラフィ、微細加工、モールド成形、スタンピング、レーザエッチングなどがある。カバー層２４８は、また、チャネル１９８の壁を形作ることができる。カバー層は、光源からの光がチャネル１９８に入ることができるように、ガラスやプラスチックなどの光学的に透明な材料からなってもよい。
図８は、マニホルド１２０の第１のマニホルド層２４０の底面図を示す。マニホルド層２４０は、マニホルド層内を通り、基板１８０（図５を参照）と隣接している第１のマニホルド層溝２６２によって形作られた第１層のマニホルド導管１８６ａ〜ｄなどのマニホルド導管と位置合わせされた複数の穴２６０を含むことがある。したがって、穴２６０は、第１層のマニホルド導管によって供給孔１８４（図５を参照）の列１８５と流体連通するように配置される。
図９は、マニホルド１２０の第２の層２４２の底面図を示す。第２の層２４２は、第２の層内に形成された溝２７２から第２の層を貫通する第２の層の穴２７０を含むことがある。各溝２７２は、第１のマニホルド層２４０（図８を参照）からの第１の層の穴２６０の行と位置合わせされるように構成されることがある。第１の層の穴２６０は、表現を単純化するために、この図では仮想線として示されている。各溝２７２は、第１および第２のマニホルド層の当接によって第２層の導管２７４を構成することができる。各第２層の導管２７４は、行の第１層の穴２６０間を流体連通させ、それにより基板（図５を参照）内の複数の対応する列の供給孔１８４間を流体連通させることができる。
図１０は、選別機装置１５０のマニホルド１２０の断面図を示す。流体は、列の基板供給孔（図５を参照）から、第１層の導管１８６と、したがって第２層の導管２７４を介して管１７０に移動することができる。
本明細書に示した装置と方法は、微小流体の装置と方法にも適用できる。微小流体の装置と方法は、きわめて少量の流体（液体および／または気体）の試料を受け取り、処理し、かつ／または解析する。少量の流体は、１つまたは複数の通路によって送られ、その通路の少なくとも１つは、約０．１〜５００μｍの間、または約１００または５０μｍより小さい断面寸法または深さを有することがある。したがって、微小流体装置内の１つまたは複数の領域にある流体は、一般に低いレイノルズ数で特性が表される乱れが最小である層となっている流れを示すことがある。微小流体装置は、任意の適切な総流体容量を有するものであってよい。
以上説明した開示は、本発明の多数の異なる実施形態を包含すると考えられる。そのような各実施形態を特定の形態で開示したが、本明細書に開示し説明したようなその特定の実施形態は、多くの変形が可能であるため、限定の意味に解釈されるべきでない。したがって、この開示の内容は、本明細書に開示した様々な要素、特長、機能および／または特性のすべての新規で非自明な組み合わせおよび副次的な組み合わせを含む。
２２ 選別機
２４ 投入リザーバ
２６ 投入混合物
２８ 導管回路網
３０、３２ 経路
３４ 中間箇所
３８、４０ 受器構造
５２ チャネル構造
５４ チャネル
５６ 入口
５８、９０ ストリーム
６０、６２ 粒子
６６ 出口
７４，７６ 輸送機構
１４０ 薄膜電気装置
１８０ 基板
２１６ ヒータ要素
２４ 投入リザーバ
２６ 投入混合物
２８ 導管回路網
３０、３２ 経路
３４ 中間箇所
３８、４０ 受器構造
５２ チャネル構造
５４ チャネル
５６ 入口
５８、９０ ストリーム
６０、６２ 粒子
６６ 出口
７４，７６ 輸送機構
１４０ 薄膜電気装置
１８０ 基板
２１６ ヒータ要素
Claims (10)
- 入口と第１および第２の出口とを備えたチャネルを形作っているチャネル構造と、前記チャネル構造によって支持されている流体中に配置されていて、第１の粒子と第２の粒子の粒子ストリームを作るように構成されており、各粒子が前記チャネルに沿って前記入口から前記第１の出口に向かって移動するようになっている第１の輸送機構と、前記第２の粒子の少なくとも１つを前記粒子ストリームから前記第２の出口の方に選択的に移動させるようにパルス動作するよう構成された第２の輸送機構とを有することを特徴とする粒子の選別装置。
- 前記チャネル構造が、基板と、前記基板上に形成された複数の薄膜電気装置とを有し、前記薄膜電気装置が、ヒータと圧電素子の少なくとも一方を備え、前記第２の輸送機構が、前記ヒータ要素と圧電素子の少なくとも一方を備えていることを特徴とする請求項１に記載の選別装置。
- 前記第１の輸送機構が、前記チャネルに沿った圧力降下を生じさせて前記チャネル内に前記流体の流れを作り出すように構成されており、前記流体の流れが前記粒子ストリームを作ることを特徴とする請求項１または２に記載の選別装置。
- 前記チャネル構造は、前記第２の輸送機構の動作なしに、前記粒子ストリームが前記入口から前記第１の出口までの経路をたどるように構成されており、前記第２の輸送機構は、前記経路を横切る方向の圧力パルスを加えるように構成され、前記圧力パルスの少なくとも１つが、前記流体の内の少なくとも１つの第２の粒子を含む一部分を前記経路から移動させるように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の選別装置。
- 前記チャネルが第１のチャネルであり、前記入口が第１の入口であり、前記チャネル構造が、前記第１のチャネルに隣接する第２のチャネルを形作っていて、別の流体を第２の入口から第３の出口に搬送するように構成され、前記第１のチャネルの前記第２の出口によって、前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとが流体連通していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の選別装置。
- 前記チャネル構造が、前記チャネルと流体連通していて前記第２の出口とほぼ反対に配置された通路を形作り、前記通路が、前記第２の輸送機構の動作によって作り出される流体の逆流を制限するように構成されている流体ダイオードを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の選別装置。
- 前記第２の輸送機構が、前記流体の小部分に一時的な圧力パルスを印加するように構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の選別装置。
- 支持されている流体中に第１の粒子と第２の粒子のストリームを作るステップと、前記ストリームの一部分に一時的な力を加えるステップと、前記一時的な力を加えるステップによって前記ストリームから前記第２の粒子の少なくとも１つを選択的に移動させるステップとを有することを特徴とする粒子の選別方法。
- 前記一時的な力を加えるステップが、ヒータ要素と圧電素子のいずれか一方を作動させて前記支持されている流体の小部分に圧力パルスを印加するステップを有することを特徴とする請求項８に記載の選別方法。
- 前記ストリームを作るステップは、隣接している第１と第２のストリームを作るステップを備え、前記第１のストリームが、前記第１の粒子と第２の粒子とを含み、前記選択的に移動させるステップが、前記第１のストリームの一部に一時的な圧力パルスを印加して、前記第２の粒子の少なくとも１つを前記第１のストリームから前記第２のストリームに選択的に移動させるステップを有することを特徴とする請求項８に記載の選別方法。
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