粒子位置の制御方法および構造
【課題】粒子などの粒子を流路内に連続的に整列しながら流す際，流路内での粒子の位置制御を可能とする方法を提供する。
【解決手段】端点Ｍ，端点Ｎを連結する流路Ａと，前記流路Ａにおける途中の点Ｘと前記端点Ｍの間に存在する分岐点において前記流路Ａより分岐し，前記流路Ａにおける前記点Ｘと前記端点Ｎの間に存在する合流点において前記流路Ａに合流する，１つまたは複数の分岐流路を有する流路構造を用い，前記流路構造に前記端点Ｍから粒子を含む流体を連続的に導入すると，前記流路Ａにおける前記分岐点において，前記分岐流路にはある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流入し，かつ前記合流点において，前記流路Ａに前記分岐流路からある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流れ込むことにより，前記流路Ａにおける前記合流点と端点Ｎの間において，ある一定の大きさより大きな粒子の流れる位置を制御することが可能になる。
【解決手段】端点Ｍ，端点Ｎを連結する流路Ａと，前記流路Ａにおける途中の点Ｘと前記端点Ｍの間に存在する分岐点において前記流路Ａより分岐し，前記流路Ａにおける前記点Ｘと前記端点Ｎの間に存在する合流点において前記流路Ａに合流する，１つまたは複数の分岐流路を有する流路構造を用い，前記流路構造に前記端点Ｍから粒子を含む流体を連続的に導入すると，前記流路Ａにおける前記分岐点において，前記分岐流路にはある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流入し，かつ前記合流点において，前記流路Ａに前記分岐流路からある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流れ込むことにより，前記流路Ａにおける前記合流点と端点Ｎの間において，ある一定の大きさより大きな粒子の流れる位置を制御することが可能になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，粒子を流路内において連続的に整列させるための方法および流路構造に関し，さらに詳細には，動植物細胞，オルガネラ，微生物，生体高分子，ポリマー粒子，金属粒子，セラミクス粒子などの粒子を，連続的に流路内の任意の位置に整列させつつ流すための方法および構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在，動植物細胞，オルガネラ，微生物，生体高分子，ポリマー粒子，金属粒子，セラミクス粒子などの粒子を，連続的に流路内の中心付近に整列させつつ流す技術は，粒子の表面状態や大きさなどを高速かつ定量的に測定するためのフローサイトメトリーという手法や，特定の細胞を選択することのできるセルソーター等の装置において，粒子の流速を一定にし，さらに光学的な観察を容易にするために，必須である。
【０００３】
フローサイトメトリー装置において，粒子を流路内の中心付近に整列させつつ流すための方法としては，二重管などを用い，中心からの粒子の流れに対して，周囲から鞘のように粒子を含まない流体を流す，シースフローの導入という方法が一般的である。
【０００４】
一方，近年，微細加工技術を利用して作製した流路構造を有するマイクロデバイス（マイクロ流体デバイス，マイクロチップとも呼ばれる）においても，微粒子の位置制御を利用したフローサイトメトリーが実現されており，それらのマイクロデバイスでは，複数の入り口から，粒子を含む流体と粒子を含まない押し付けのための流体を，流量を調節しながら導入することにより，粒子を流路の中心付近に整列しながら流し，計測を行うことができる。
【０００５】
しかしながら，これらのフローサイトメトリーにおけるシースフローの導入の際には，粒子を含む流体と粒子を含まない押し付けのための流体の厳密な流量操作が必要であり，装置が複雑になる，という問題があり，さらに，大量の押しつけ液が必要となり，非経済的である，という欠点がある。
【０００６】
また，フローサイトメトリーにおいて，粒子の計測個数を上げるために流量を上げると，粒子の流れが乱れて測定精度が下がる，といった問題点がある。
【０００７】
加えて，フローサイトメトリーにおいて，整列対象となる粒子は希釈されてしまうため，粒子の密度が希薄な場合や，粒子の回収が必要な場合には不向きである，という問題点がある。
【０００８】
さらにフローサイトメトリーにおけるシースフローの導入では，粒子を流路の中心付近に整列させつつ流すことはできるが，粒子を流路の任意の位置に整列しつつ流すことは困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記のような従来技術の問題点を鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，動植物細胞，オルガネラ，微生物，生体高分子，ポリマー粒子，金属粒子，セラミクス粒子などの粒子を流路内に連続的に整列しながら流す際，シースフローの導入を必要することなく，流路内での粒子の位置制御を可能とする方法を提供しようとするものである。
【００１０】
また，本発明の目的とするところは，複雑な流量調節を必要とせず，流量に依存しない，流路内での粒子の連続的な位置制御を可能とする方法を提供しようとするものである。
【００１１】
また，本発明の目的とするところは，粒子を流路内の任意の位置に制御することが可能な方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために，本発明は，途中において分岐し，さらに合流する，少なくとも１つの分岐流路を有する流路（本流路とする）に粒子を含む流体を連続的に導入した時，その分岐点において分岐流路中と本流路下流への流量の比は，分岐流路と本流路の長さ，幅，深さ，径などによって規定される，ということに着目してなされたものである。
【００１３】
また本発明は，分岐点の上流における本流路の径と，分岐流路へ分配される流体の割合の関係から，たとえ分岐流路の径が粒子の大きさより大きい場合でも，ある一定以上の大きさをもつ粒子は分岐流路へと導入されることがない，ということに着目してなされたものである。
【特許文献１】 特願２００５−２３２５９０「粒子を連続的に濃縮・分離するための流路構造および方法」
【非特許文献２】 「ラボ・オン・ア・チップ（Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ）」（英国王立化学会）（２００６年），５巻１１号，１２３３頁−１２３９頁。
【００１４】
そして本発明は，分岐流路中に導入された，ある一定以上の大きさの粒子を含まない流体を，再び本流路に合流させることで，その下流において，ある一定以上の大きさの粒子の位置を制御することが可能である，ということに着目してなされたものである。
【特許文献２】 特願２００５−３８１２６６「微粒子の濃縮・分級のための流路構造および方法」
【非特許文献２】 「アナリティカル・ケミストリー（Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）」（米国化学会）（２００６年），７８巻４号，１３５７頁−１３６２頁。
【００１５】
本発明のうち請求項１に記載の発明は，端点Ｍ，端点Ｎを連結する流路Ａと，前記流路Ａにおける途中の点Ｘと前記端点Ｍの間に存在する分岐点において前記流路Ａより分岐し，前記流路Ａにおける前記点Ｘと前記端点Ｎの間に存在する合流点において前記流路Ａに合流する，１つまたは複数の分岐流路を有する流路構造を用い，前記流路構造に前記端点Ｍから粒子を含む流体を連続的に導入すると，前記流路Ａにおける前記分岐点において，前記分岐流路にはある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流入し，かつ前記合流点において，前記流路Ａに前記分岐流路からある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流れ込むことにより，前記流路Ａにおける前記合流点と端点Ｎの間において，ある一定の大きさより大きな粒子の流れる位置を制御する，というものである。
【００１６】
したがって，本発明のうち請求項１に記載の発明によれば，粒子を含む流体を前記流路構造に連続的に導入するだけで，前記端点Ｍと前記点Ｘの間における分岐点においてある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体を前記分岐流路に流入させ，前記端点Ｘと前記点Ｎの間における合流点から粒子を含まない流体を前記流路Ａに再び戻すことにより，前記流路Ａにおける粒子の流れる位置を制御することが可能となる。
【００１７】
さらに前記流路Ａにおいて，１つ以上の分岐流路を設けることによって，効率的に粒子の位置を制御することができる。
【００１８】
また，本発明のうち請求項２に記載の発明は，請求項１における前記流路構造を，直列に２つ以上接続した複合流路構造を用い，前記複合流路構造の一方の端点から粒子を含む流体を連続的に導入すると，前記流路Ａにおける前記分岐点において前記分岐流路にはある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流入し，かつ前記合流点において前記分岐流路から前記流路Ａにある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流れ込み，さらにこれらの状態が繰り返されることにより，前記複合流路構造のもう一方の端点付近において，ある一定の大きさより大きな粒子の流れる位置を制御する，というものである。
【００１９】
したがって，本発明のうち請求項２に記載の発明によれば，２つ以上の前記流路を接続することにより，より効率的な粒子位置の制御が可能となる。
【００２０】
また，本発明のうち請求項３に記載の発明は，請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，その流路構造は計算的手法によって設計されている，というものである。
【００２１】
したがって，本発明のうち請求項３に記載の発明によれば，位置を制御することのできる粒子の大きさや，制御後の粒子の流れる範囲を任意に設定することが可能となる。
【００２２】
また，本発明のうち請求項４に記載の発明は，請求項１，請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路の幅，深さ，直径等のいずれかのスケールが，少なくとも部分的に１ミリメートル以下のオーダーであり，前記流路内において流体は安定な層流を保ちながら流れる，というものである。
【００２３】
したがって，本発明のうち請求項４に記載の発明によれば，粒子の動きが乱流によって撹乱されることがないため，安定的な粒子の位置制御と，それを利用した粒子の計測が可能となる。
【００２４】
また，本発明のうち請求項５に記載の発明は，請求項１，請求項２，請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路構造は平面的に構成されており，端点Ｍと端点Ｎを結ぶ直線に対して，線対称な構造である，というものである。
【００２５】
したがって，本発明のうち請求項５に記載の発明によれば，本流路に対し左右から，ある一定の大きさ以上の粒子を含まない流体をそれぞれ等量ずつ分岐し，合流することができるため，粒子を前記流路Ａの中心付近に整列させつつ流すことができる。
【００２６】
また，本発明のうち請求項６に記載の発明は，請求項１，請求項２，請求項３，請求項４または請求項５のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，流体は液体である，というものである。
【００２７】
したがって，本発明のうち請求項６に記載の発明によれば，流路内において，液体中に分散した粒子の位置を制御しつつ流すことが可能となる。
【００２８】
また，本発明のうち請求項７に記載の発明は，請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，流体は気体である，というものである。
【００２９】
したがって，本発明のうち請求項７に記載の発明によれば，流路内において，気体中に分散した粒子の位置を制御しつつ流すことが可能となる。
【００３０】
また，本発明のうち請求項８に記載の発明は，請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５，請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，粒子とは，動物，植物，微生物などの細胞，もしくは，オルガネラ，染色体などの生体微粒子を含む粒子混合物である，というものである。
【００３１】
したがって，本発明のうち請求項８に記載の発明によれば，動物，植物，微生物などの細胞，もしくは，オルガネラ，染色体などの生体微粒子を，流路内に整列しつつ流すことが可能となる。
【００３２】
また，本発明のうち請求項９に記載の発明は，請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５，請求項６，請求項７または請求項８のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路構造はフローサイトメトリー装置の一部に組み入れられている，というものである。
【００３３】
したがって，本発明のうち請求項９に記載の発明によれば，既存のフローサイトメトリーやセルソーター等の装置における新しい粒子整列技術としての利用が可能になる。
【００３４】
また，本発明のうち請求項１０に記載の発明は，請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５，請求項６，請求項７，請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路構造は，微細加工技術を用いてマイクロデバイス内に形成されたマイクロチャネルである，というものである。
【００３５】
したがって，本発明のうち請求項１０に記載の発明によれば，形状を正確にコントロールされたマイクロ流路を用いることで，より正確な粒子位置の制御が可能となり，また，マイクロデバイス上でのフローサイトメトリーにおける新しい粒子整列技術としての利用が可能となり，さらにはマイクロデバイスでのフローサイトメトリー以外の細胞や粒子操作としての利用も可能となる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明は，以上に述べられたような特徴を有するため，粒子を含む流体を，ある形状を持つ流路構造に連続的に導入するだけで，流路内での粒子位置を正確に制御しつつ，粒子を連続的に流すことができる，という優れた効果を発揮する。
【００３７】
また，本発明は以上に述べられたような特長を有するため，粒子を含まない流体の流れの外部からの導入を必要とせず，複雑な流量操作を必要としないため，操作が簡便になり，応用範囲が拡大し，また，経済的である，という利点がある。
【００３８】
また，本発明は以上に述べられたような特長を有するため，押し付けのための流体によって対象粒子が希釈されない，という利点がある。
【００３９】
更に，本発明は以上に述べられたような特長を有するため，細胞，生体高分子，オルガネラといった生物学的な粒子から，エマルション，気泡といった非定形の粒子まで，流路内に整列させつつ流すことが可能である，という優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下，添付の書類に基づいて，本発明による粒子の位置制御方法および構造の最良の形態を詳細に説明するものとする。
【００４１】
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）には，本発明における請求項１に記載の，粒子位置の制御方法および構造の原理が示されており，図１（ａ）は，粒子を流路の中心付近に整列させつつ流すための流路構造１０の，最も基本的な原理図の一例であり，図１（ｂ）（ｃ）はそれぞれ図１（ａ）流路１１における，ある分岐部１１ａ，合流部１１ｂの拡大図である。
【００４２】
図１（ａ）において，流路構造全体は平面的に構成され，深さが均一であり，ある所定の方向に延長される流路１１は，その途中のそれぞれ両側に，分岐して合流する分岐流路群１２と１３を有している。
【００４３】
流路１１は請求項１における流路Ａに相当する流路であり，流路における中心点１４は，請求項１における点Ｘに相当する。
【００４４】
図１（ｂ）に示すように，流路１１に粒子１５を含む流体が連続的に流れている場合，まず分岐点の直前において，分岐流路に導入される流れの一部分１６の流れの幅１６ａが，ある大きさの粒子１５の半径より小さい場合，その粒子はたとえ分岐流路の断面より小さい場合でも，分岐流路内に導入されることはなく，ある大きさより大きい粒子を含まない流体のみが分岐流路に導入される。なお流路１１を直進する流れ１７の幅１７ａは，それぞれの流路に流れる流量比によって決まる。
【００４５】
つまり，図１（ｂ）のように，流路１１に粒子を含む流体が連続的に流れている場合，分岐流路１２，１３に流れる流量がある値より少ない場合には，ある一定の大きさより大きい粒子を含まない流体のみを分岐流路１２，１３の中へと抜き出すことが可能である。
【００４６】
なお，粒子が球形でない場合には，粒子の形状のうち最も短い長さである，短径，厚み，などが，流れの一部分１６の流れの幅１６ａより大きい場合には，それらの粒子は分岐流路内に導入されることはない。
【００４７】
そして，図１（ｃ）に示すように，合流点において，ある大きさより大きな粒子を含まない流体１８を合流させることにより，ある大きさより大きな粒子の流れる範囲は合流点より下流において狭められ，流れる位置は制御される。
【００４８】
なお，図１（ａ）に示すように，分岐流路を多数設けることにより，効率的に粒子の流れる位置を流路の中心付近に整列させながら，粒子を流すことができる。
【００４９】
また，この場合は流路１１の左右両側に分岐流路が設けられているが，目的によっては，左右のどちらか一方でも良く，その場合は粒子の流れる範囲は流路の片側になる。
【００５０】
なお，各分岐点における分岐流路への流量は，流路の設計段階において適切な流路形状に設定することで，より正確な調節が可能となる。
【００５１】
また，上記流路構造において，各流路はマイクロチャネルであるものが好ましい。ここでマイクロチャネルとは，断面形状，つまりチャネルの流れ方向に垂直な面の形状のうち，最も短い間隔（長方形なら短辺，楕円なら短径に相当する）の長さが通常５ｍｍ以下，好ましくは５００μｍ以下，より好ましくは２００μｍ以下が適当であるが，この長さの下限は特に限定されず，マイクロチャネルとしての機能を有する長さであればよい。
【００５２】
さらに，上記流路構造では，流路の断面形状が矩形であり，また深さが均一であるが，断面は円形，楕円形，などでも良く，さらに部分的に深さが異なっていても良い。
【実施例】
【００５３】
以下，添付の書類に基づいて，本発明による粒子位置の制御方法および構造の実施例を詳細に説明するものとする。
【００５４】
図２には，本発明による粒子位置の制御方法および構造の実施形態を備えたマイクロデバイス１９が示されており，図２（ａ）は図２（ｂ）と図２（ｃ）におけるＡ矢視図であり，図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図，図２（ｃ）は図２（ａ）におけるＣ−Ｃ線による断面図である。また，図３は，図２（ａ）における流路構造２０全体の拡大図（模式図）である。
【００５５】
このマイクロデバイス１９は，粒子を含む流体を連続的に導入すると，直径約５μｍ以上の粒子を流路１１の中心に整列させることができるマイクロデバイスであり，高分子（ポリマー）材料，例えば，ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を用いて作製された平板状の基板２１と基板２２により形成されている。
【００５６】
なお，マイクロ流体デバイスの材料としては，ＰＤＭＳのほかにも，アクリル等の各種ポリマー材料，ガラス，シリコン，セラミクス，ステンレスなどの各種金属，などを用いることができる。
【００５７】
基板２１の下面２１ａには，流路構造２０が形成されており，その深さは例えば１３μｍ程度であるが，この値は０．１μｍから１ｃｍまでの任意の値に設定することが可能であり，また，基板２２の上面にも同様の加工が施されていても良く，流路構造２０は部分的に深さが異なっていても良い。
【００５８】
入口側ポート２３は粒子を含む流体の入口であり，出口側ポート２４は流体の出口であり，それぞれ請求項１における端点Ｍ，Ｎに相当する。
【００５９】
また流路２５は，ポート２３と２４を直線的に連結する流路であり，その途中において，それぞれ左右方向に分岐し，さらに流路２５の下流において再合流する，分岐流路群２６，２７と接続されている。なお流路２５は，請求項１における流路Ａに相当する流路である。
【００６０】
なお，流路２５の全体の長さは，例えば１０ｍｍであり，幅は，例えば２５μｍであるが，必要に応じて，長さは１００μｍ以上，幅は０．１μｍ以上の任意の値に設定することが可能である。
【００６１】
また，分岐流路群２６，２７は，それぞれ７３本の分岐流路（２６０１〜２６７３，２７０１〜２７７３）から成っており，その幅は全て１０μｍであるが，この値は必要に応じて，０．１μｍ以上の任意の値に設定することが可能である。
【００６２】
また，分岐流路２６０１〜２６７３，２７０１〜２７７３の長さは，１．４〜３４．０ｍｍであるが，この値は必要に応じて，５０μｍ以上の任意の値に設定することが可能である。なお，これらの流路の長さは，例えば分岐流路群２６では，中心側（分岐流路２６０１）から外側（分岐流路２６７３）に向かうほど徐々に長くなるように設計されている。この設計により，上流での７３箇所の分岐点において，その各分岐点を通過する流量のおよそ１．４％ずつが左右の分岐流路に分配されるようになっている。これらの流量比の値は，流路ネットワークの圧力損失を，電気回路における電気抵抗のアナロジーによって計算されたものである。また，流量・管径と圧力損失の関係は，ハーゲン・ポアズイユの式とその派生式に基づいて計算することにより導くことが可能である。従って，流路の長さ・管径を適切に設定することにより圧力損出を変化させれば，分岐点における流量比を任意に設定することができる。
【００６３】
以上の構成において，上記したマイクロデバイス１９を用いて動植物細胞，バクテリアなどの微生物，ポリマー粒子，エマルション，金属微粒子などの粒子を流路内に連続的に整列させつつ流すための方法について説明する。
【００６４】
流体としては，水もしくは化学物質の水溶液，有機溶媒，などの液体の他に，空気等の気体を用いても良い。ただし，粒径が比較的大きな場合には，流体の密度と粒子の密度の差があまり大きくない系がより望ましい。
【００６５】
まず，上記の流体（必要に応じてフィルター処理を行う）中に粒子を懸濁させる。もしくは，環境水，血液，エアロゾルを含む空気，などのように，あらかじめ粒子が懸濁している流体を必要に応じて希釈または濃縮したものを用意する。
【００６６】
そして，用意した粒子を含む流体を，入口側ポート２３から連続的に供給する。この時，流路構造内では，流体が層流を保ちつつ流れるほうが望ましい。なお，流体の供給に際して，シリンジポンプ等を用いた定流量導入，ボンベ，圧力発生装置，減圧装置等を用いた定圧導入のほかに，電気浸透流や遠心力等を用いた方法などを用いることができる。
【００６７】
この流路構造２０では，粒子を懸濁させた流体を連続的に導入した流体の約９０％が左右の分岐流路群２６，２７内に導入され，さらに下流において再合流し，また，直径が約５μｍより大きな粒子は，分岐流路内に導入されないように設計されている。また，流路２５における出口側ポート２４付近では，流路の中心の２．５μｍ幅の部分を粒子の中心が通過するように設計されている。
【００６８】
実際に，粒径１０μｍのポリスチレン微粒子を０．５％デキストラン水溶液に懸濁させ，シリンジポンプを用いて２μＬ／ｍｉｎの流速で導入したところ，流路２５における出口側ポート２４付近では，ほぼ中央付近に一直線に整列して流れる様子が確認できた。なおこれらの粒子の通過位置は，設計段階における見積もり通り，流路２５における中心の２．５μｍ幅の部分であることが観察された。
【００６９】
なお，整列させる対象となる粒子の大きさは，流路の幅，深さ，長さ等を適当に変更することで，任意に調節することが可能である。
【００７０】
図２（ａ）検出部２８に検出機器を置くことで，整列しつつ流れてきた粒子の情報を読み取ることができる。
【００７１】
さらに，図４（ａ）に示す流路構造２９のような流路構造を用いれば，流路の片側のみに，粒子を整列しつつ流すことが可能となる。
【００７２】
さらに，図４（ｂ）に示す複合流路構造３０は，請求項２における複合流路構造の一例であり，このような複合流路構造を用いれば，流路における片側ずつ，段階的に粒子位置の制御が可能となり，より効率的に，粒子を整列させることが可能となる。また，請求項１の方法に較べて，図４（ｂ）の構造では，一直線上に粒子を整列させて流すことが容易になる。このように，流路の片側から流体を抜き出し，元に戻す操作を，必要に応じて，複数回繰り返すことにより，より正確かつ容易に粒子位置を制御することが可能となる。
【００７３】
さらに，図５（ａ）に示す流路構造３１のような流路構造を用いれば，左右に異なる数の分岐流路が配列されているため，流路内における，中心以外の任意の位置に粒子を整列させつつ流すことが可能となる。
【００７４】
さらに，図５（ｂ）は，３次元的に構成された流路構造３２の俯瞰図であるが，このような流路構造を用いれば，上下左右方向からの流れによって，粒子を流路の上下・左右どちらの方向に対しても，中心付近に整列させつつ流すことが可能となる。
【００７５】
さらに，図５（ｃ）は，３次元的に構成された流路構造３２の俯瞰図であり，図５（ｃ）は図５（ｄ）における流路構造の一部３４の拡大図であるが，このような流路構造を用いれば，矩形な断面を有する流路の四隅からの流れによって，粒子を流路の上下・左右どちらの方向に対しても，中心付近に整列させつつ流すことが可能となる。なお３５が流路であり，３６が分岐流路である。
【００７６】
さらに，図６は，流れの断面を９０度回転させる装置３７を有する複合流路構造３８であるが，このような複合流路構造を用いることによって，粒子を流路の上下・左右どちらの方向に対しても，中心付近に整列させつつ流すことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は，以上説明したように構成されているため，既存のフローサイトメトリー装置や，蛍光活性化細胞選別システム等のセルソーター装置において，粒子の位置制御を経済的かつ簡便に行うことのできる技術として，広く利用されるものと期待される。
【００７８】
また，本発明は，以上説明したように構成されているため，マイクロ流体デバイスにおける正確な細胞や粒子の操作技術として利用でき，単細胞解析装置，環境微粒子や微生物の分析装置あるいは濃縮装置などとして利用できると期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による粒子を連続的に整列させるための流路構造および方法の原理図を示し，図１（ａ）は粒子を流路における中心に整列させる流路構造および原理図であり，図１（ｂ）は図１（ａ）における分岐部１１ａのうちある一つの分岐点の拡大図であり，図１（ｃ）は図１（ａ）における合流部１１ｂのうちある一つの合流点の拡大図である。
【図２】本発明による液体制御機構の実施形態を備えたマイクロデバイス１９を示し，図３（ａ）は図３（ｂ）と図３（ｃ）におけるＡ矢視図であり，図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図であり，図３（ｃ）は図３（ａ）におけるＣ−Ｃ線による断面図である。
【図３】本発明による液体制御機構の実施形態を備えたマイクロデバイス１９における流路構造２０の模式図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は本発明による液体制御機構の実施形態を備えた流路構造２９，複合流路構造３０を示した図である。
【図５】（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明による液体制御機構の実施形態を備えた流路構造３１，３２，３３を示した図であり，図５（ｄ）は流路構造３３における一部３４の拡大図である。
【図６】本発明による液体制御機構の実施形態を備えたマイクロデバイス３８を示した図である。
【符号の説明】
１０ 流路構造
１１ 流路
１１ａ 分岐部
１１ｂ 合流部
１２ 分岐流路，もしくは分岐流路群
１２ａ？ｄ 分岐流路
１３ 分岐流路，もしくは分岐流路群
１３ａ？ｄ 分岐流路
１４ 流路における中心点
１５ 粒子
１６ 流れの一部分
１６ａ 流れの幅
１７ 流れの一部分
１７ａ 流れの幅
１８ 粒子を含まない流体
１９ マイクロデバイス
２０ 流路構造
２１ 基板
２１ａ 基板２１下面
２２ 基板
２３ 入口側ポート
２４ 出口側ポート
２５ 流路
２６ 分岐流路群
２６０１〜２６７３ 分岐流路
２７ 分岐流路群
２７０１〜２７７３ 分岐流路
２８ 検出部
２９ 流路構造
３０ 複合流路構造
３１ 流路構造
３２ 流路構造
３３ 流路構造
３４ 流路構造の一部
３５ 流路
３６ 分岐流路
３７ 流れの断面を９０度回転させる装置
３８ 複合流路構造
【技術分野】
【０００１】
本発明は，粒子を流路内において連続的に整列させるための方法および流路構造に関し，さらに詳細には，動植物細胞，オルガネラ，微生物，生体高分子，ポリマー粒子，金属粒子，セラミクス粒子などの粒子を，連続的に流路内の任意の位置に整列させつつ流すための方法および構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在，動植物細胞，オルガネラ，微生物，生体高分子，ポリマー粒子，金属粒子，セラミクス粒子などの粒子を，連続的に流路内の中心付近に整列させつつ流す技術は，粒子の表面状態や大きさなどを高速かつ定量的に測定するためのフローサイトメトリーという手法や，特定の細胞を選択することのできるセルソーター等の装置において，粒子の流速を一定にし，さらに光学的な観察を容易にするために，必須である。
【０００３】
フローサイトメトリー装置において，粒子を流路内の中心付近に整列させつつ流すための方法としては，二重管などを用い，中心からの粒子の流れに対して，周囲から鞘のように粒子を含まない流体を流す，シースフローの導入という方法が一般的である。
【０００４】
一方，近年，微細加工技術を利用して作製した流路構造を有するマイクロデバイス（マイクロ流体デバイス，マイクロチップとも呼ばれる）においても，微粒子の位置制御を利用したフローサイトメトリーが実現されており，それらのマイクロデバイスでは，複数の入り口から，粒子を含む流体と粒子を含まない押し付けのための流体を，流量を調節しながら導入することにより，粒子を流路の中心付近に整列しながら流し，計測を行うことができる。
【０００５】
しかしながら，これらのフローサイトメトリーにおけるシースフローの導入の際には，粒子を含む流体と粒子を含まない押し付けのための流体の厳密な流量操作が必要であり，装置が複雑になる，という問題があり，さらに，大量の押しつけ液が必要となり，非経済的である，という欠点がある。
【０００６】
また，フローサイトメトリーにおいて，粒子の計測個数を上げるために流量を上げると，粒子の流れが乱れて測定精度が下がる，といった問題点がある。
【０００７】
加えて，フローサイトメトリーにおいて，整列対象となる粒子は希釈されてしまうため，粒子の密度が希薄な場合や，粒子の回収が必要な場合には不向きである，という問題点がある。
【０００８】
さらにフローサイトメトリーにおけるシースフローの導入では，粒子を流路の中心付近に整列させつつ流すことはできるが，粒子を流路の任意の位置に整列しつつ流すことは困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記のような従来技術の問題点を鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，動植物細胞，オルガネラ，微生物，生体高分子，ポリマー粒子，金属粒子，セラミクス粒子などの粒子を流路内に連続的に整列しながら流す際，シースフローの導入を必要することなく，流路内での粒子の位置制御を可能とする方法を提供しようとするものである。
【００１０】
また，本発明の目的とするところは，複雑な流量調節を必要とせず，流量に依存しない，流路内での粒子の連続的な位置制御を可能とする方法を提供しようとするものである。
【００１１】
また，本発明の目的とするところは，粒子を流路内の任意の位置に制御することが可能な方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために，本発明は，途中において分岐し，さらに合流する，少なくとも１つの分岐流路を有する流路（本流路とする）に粒子を含む流体を連続的に導入した時，その分岐点において分岐流路中と本流路下流への流量の比は，分岐流路と本流路の長さ，幅，深さ，径などによって規定される，ということに着目してなされたものである。
【００１３】
また本発明は，分岐点の上流における本流路の径と，分岐流路へ分配される流体の割合の関係から，たとえ分岐流路の径が粒子の大きさより大きい場合でも，ある一定以上の大きさをもつ粒子は分岐流路へと導入されることがない，ということに着目してなされたものである。
【特許文献１】 特願２００５−２３２５９０「粒子を連続的に濃縮・分離するための流路構造および方法」
【非特許文献２】 「ラボ・オン・ア・チップ（Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ）」（英国王立化学会）（２００６年），５巻１１号，１２３３頁−１２３９頁。
【００１４】
そして本発明は，分岐流路中に導入された，ある一定以上の大きさの粒子を含まない流体を，再び本流路に合流させることで，その下流において，ある一定以上の大きさの粒子の位置を制御することが可能である，ということに着目してなされたものである。
【特許文献２】 特願２００５−３８１２６６「微粒子の濃縮・分級のための流路構造および方法」
【非特許文献２】 「アナリティカル・ケミストリー（Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）」（米国化学会）（２００６年），７８巻４号，１３５７頁−１３６２頁。
【００１５】
本発明のうち請求項１に記載の発明は，端点Ｍ，端点Ｎを連結する流路Ａと，前記流路Ａにおける途中の点Ｘと前記端点Ｍの間に存在する分岐点において前記流路Ａより分岐し，前記流路Ａにおける前記点Ｘと前記端点Ｎの間に存在する合流点において前記流路Ａに合流する，１つまたは複数の分岐流路を有する流路構造を用い，前記流路構造に前記端点Ｍから粒子を含む流体を連続的に導入すると，前記流路Ａにおける前記分岐点において，前記分岐流路にはある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流入し，かつ前記合流点において，前記流路Ａに前記分岐流路からある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流れ込むことにより，前記流路Ａにおける前記合流点と端点Ｎの間において，ある一定の大きさより大きな粒子の流れる位置を制御する，というものである。
【００１６】
したがって，本発明のうち請求項１に記載の発明によれば，粒子を含む流体を前記流路構造に連続的に導入するだけで，前記端点Ｍと前記点Ｘの間における分岐点においてある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体を前記分岐流路に流入させ，前記端点Ｘと前記点Ｎの間における合流点から粒子を含まない流体を前記流路Ａに再び戻すことにより，前記流路Ａにおける粒子の流れる位置を制御することが可能となる。
【００１７】
さらに前記流路Ａにおいて，１つ以上の分岐流路を設けることによって，効率的に粒子の位置を制御することができる。
【００１８】
また，本発明のうち請求項２に記載の発明は，請求項１における前記流路構造を，直列に２つ以上接続した複合流路構造を用い，前記複合流路構造の一方の端点から粒子を含む流体を連続的に導入すると，前記流路Ａにおける前記分岐点において前記分岐流路にはある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流入し，かつ前記合流点において前記分岐流路から前記流路Ａにある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流れ込み，さらにこれらの状態が繰り返されることにより，前記複合流路構造のもう一方の端点付近において，ある一定の大きさより大きな粒子の流れる位置を制御する，というものである。
【００１９】
したがって，本発明のうち請求項２に記載の発明によれば，２つ以上の前記流路を接続することにより，より効率的な粒子位置の制御が可能となる。
【００２０】
また，本発明のうち請求項３に記載の発明は，請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，その流路構造は計算的手法によって設計されている，というものである。
【００２１】
したがって，本発明のうち請求項３に記載の発明によれば，位置を制御することのできる粒子の大きさや，制御後の粒子の流れる範囲を任意に設定することが可能となる。
【００２２】
また，本発明のうち請求項４に記載の発明は，請求項１，請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路の幅，深さ，直径等のいずれかのスケールが，少なくとも部分的に１ミリメートル以下のオーダーであり，前記流路内において流体は安定な層流を保ちながら流れる，というものである。
【００２３】
したがって，本発明のうち請求項４に記載の発明によれば，粒子の動きが乱流によって撹乱されることがないため，安定的な粒子の位置制御と，それを利用した粒子の計測が可能となる。
【００２４】
また，本発明のうち請求項５に記載の発明は，請求項１，請求項２，請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路構造は平面的に構成されており，端点Ｍと端点Ｎを結ぶ直線に対して，線対称な構造である，というものである。
【００２５】
したがって，本発明のうち請求項５に記載の発明によれば，本流路に対し左右から，ある一定の大きさ以上の粒子を含まない流体をそれぞれ等量ずつ分岐し，合流することができるため，粒子を前記流路Ａの中心付近に整列させつつ流すことができる。
【００２６】
また，本発明のうち請求項６に記載の発明は，請求項１，請求項２，請求項３，請求項４または請求項５のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，流体は液体である，というものである。
【００２７】
したがって，本発明のうち請求項６に記載の発明によれば，流路内において，液体中に分散した粒子の位置を制御しつつ流すことが可能となる。
【００２８】
また，本発明のうち請求項７に記載の発明は，請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，流体は気体である，というものである。
【００２９】
したがって，本発明のうち請求項７に記載の発明によれば，流路内において，気体中に分散した粒子の位置を制御しつつ流すことが可能となる。
【００３０】
また，本発明のうち請求項８に記載の発明は，請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５，請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，粒子とは，動物，植物，微生物などの細胞，もしくは，オルガネラ，染色体などの生体微粒子を含む粒子混合物である，というものである。
【００３１】
したがって，本発明のうち請求項８に記載の発明によれば，動物，植物，微生物などの細胞，もしくは，オルガネラ，染色体などの生体微粒子を，流路内に整列しつつ流すことが可能となる。
【００３２】
また，本発明のうち請求項９に記載の発明は，請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５，請求項６，請求項７または請求項８のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路構造はフローサイトメトリー装置の一部に組み入れられている，というものである。
【００３３】
したがって，本発明のうち請求項９に記載の発明によれば，既存のフローサイトメトリーやセルソーター等の装置における新しい粒子整列技術としての利用が可能になる。
【００３４】
また，本発明のうち請求項１０に記載の発明は，請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５，請求項６，請求項７，請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路構造は，微細加工技術を用いてマイクロデバイス内に形成されたマイクロチャネルである，というものである。
【００３５】
したがって，本発明のうち請求項１０に記載の発明によれば，形状を正確にコントロールされたマイクロ流路を用いることで，より正確な粒子位置の制御が可能となり，また，マイクロデバイス上でのフローサイトメトリーにおける新しい粒子整列技術としての利用が可能となり，さらにはマイクロデバイスでのフローサイトメトリー以外の細胞や粒子操作としての利用も可能となる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明は，以上に述べられたような特徴を有するため，粒子を含む流体を，ある形状を持つ流路構造に連続的に導入するだけで，流路内での粒子位置を正確に制御しつつ，粒子を連続的に流すことができる，という優れた効果を発揮する。
【００３７】
また，本発明は以上に述べられたような特長を有するため，粒子を含まない流体の流れの外部からの導入を必要とせず，複雑な流量操作を必要としないため，操作が簡便になり，応用範囲が拡大し，また，経済的である，という利点がある。
【００３８】
また，本発明は以上に述べられたような特長を有するため，押し付けのための流体によって対象粒子が希釈されない，という利点がある。
【００３９】
更に，本発明は以上に述べられたような特長を有するため，細胞，生体高分子，オルガネラといった生物学的な粒子から，エマルション，気泡といった非定形の粒子まで，流路内に整列させつつ流すことが可能である，という優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下，添付の書類に基づいて，本発明による粒子の位置制御方法および構造の最良の形態を詳細に説明するものとする。
【００４１】
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）には，本発明における請求項１に記載の，粒子位置の制御方法および構造の原理が示されており，図１（ａ）は，粒子を流路の中心付近に整列させつつ流すための流路構造１０の，最も基本的な原理図の一例であり，図１（ｂ）（ｃ）はそれぞれ図１（ａ）流路１１における，ある分岐部１１ａ，合流部１１ｂの拡大図である。
【００４２】
図１（ａ）において，流路構造全体は平面的に構成され，深さが均一であり，ある所定の方向に延長される流路１１は，その途中のそれぞれ両側に，分岐して合流する分岐流路群１２と１３を有している。
【００４３】
流路１１は請求項１における流路Ａに相当する流路であり，流路における中心点１４は，請求項１における点Ｘに相当する。
【００４４】
図１（ｂ）に示すように，流路１１に粒子１５を含む流体が連続的に流れている場合，まず分岐点の直前において，分岐流路に導入される流れの一部分１６の流れの幅１６ａが，ある大きさの粒子１５の半径より小さい場合，その粒子はたとえ分岐流路の断面より小さい場合でも，分岐流路内に導入されることはなく，ある大きさより大きい粒子を含まない流体のみが分岐流路に導入される。なお流路１１を直進する流れ１７の幅１７ａは，それぞれの流路に流れる流量比によって決まる。
【００４５】
つまり，図１（ｂ）のように，流路１１に粒子を含む流体が連続的に流れている場合，分岐流路１２，１３に流れる流量がある値より少ない場合には，ある一定の大きさより大きい粒子を含まない流体のみを分岐流路１２，１３の中へと抜き出すことが可能である。
【００４６】
なお，粒子が球形でない場合には，粒子の形状のうち最も短い長さである，短径，厚み，などが，流れの一部分１６の流れの幅１６ａより大きい場合には，それらの粒子は分岐流路内に導入されることはない。
【００４７】
そして，図１（ｃ）に示すように，合流点において，ある大きさより大きな粒子を含まない流体１８を合流させることにより，ある大きさより大きな粒子の流れる範囲は合流点より下流において狭められ，流れる位置は制御される。
【００４８】
なお，図１（ａ）に示すように，分岐流路を多数設けることにより，効率的に粒子の流れる位置を流路の中心付近に整列させながら，粒子を流すことができる。
【００４９】
また，この場合は流路１１の左右両側に分岐流路が設けられているが，目的によっては，左右のどちらか一方でも良く，その場合は粒子の流れる範囲は流路の片側になる。
【００５０】
なお，各分岐点における分岐流路への流量は，流路の設計段階において適切な流路形状に設定することで，より正確な調節が可能となる。
【００５１】
また，上記流路構造において，各流路はマイクロチャネルであるものが好ましい。ここでマイクロチャネルとは，断面形状，つまりチャネルの流れ方向に垂直な面の形状のうち，最も短い間隔（長方形なら短辺，楕円なら短径に相当する）の長さが通常５ｍｍ以下，好ましくは５００μｍ以下，より好ましくは２００μｍ以下が適当であるが，この長さの下限は特に限定されず，マイクロチャネルとしての機能を有する長さであればよい。
【００５２】
さらに，上記流路構造では，流路の断面形状が矩形であり，また深さが均一であるが，断面は円形，楕円形，などでも良く，さらに部分的に深さが異なっていても良い。
【実施例】
【００５３】
以下，添付の書類に基づいて，本発明による粒子位置の制御方法および構造の実施例を詳細に説明するものとする。
【００５４】
図２には，本発明による粒子位置の制御方法および構造の実施形態を備えたマイクロデバイス１９が示されており，図２（ａ）は図２（ｂ）と図２（ｃ）におけるＡ矢視図であり，図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図，図２（ｃ）は図２（ａ）におけるＣ−Ｃ線による断面図である。また，図３は，図２（ａ）における流路構造２０全体の拡大図（模式図）である。
【００５５】
このマイクロデバイス１９は，粒子を含む流体を連続的に導入すると，直径約５μｍ以上の粒子を流路１１の中心に整列させることができるマイクロデバイスであり，高分子（ポリマー）材料，例えば，ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を用いて作製された平板状の基板２１と基板２２により形成されている。
【００５６】
なお，マイクロ流体デバイスの材料としては，ＰＤＭＳのほかにも，アクリル等の各種ポリマー材料，ガラス，シリコン，セラミクス，ステンレスなどの各種金属，などを用いることができる。
【００５７】
基板２１の下面２１ａには，流路構造２０が形成されており，その深さは例えば１３μｍ程度であるが，この値は０．１μｍから１ｃｍまでの任意の値に設定することが可能であり，また，基板２２の上面にも同様の加工が施されていても良く，流路構造２０は部分的に深さが異なっていても良い。
【００５８】
入口側ポート２３は粒子を含む流体の入口であり，出口側ポート２４は流体の出口であり，それぞれ請求項１における端点Ｍ，Ｎに相当する。
【００５９】
また流路２５は，ポート２３と２４を直線的に連結する流路であり，その途中において，それぞれ左右方向に分岐し，さらに流路２５の下流において再合流する，分岐流路群２６，２７と接続されている。なお流路２５は，請求項１における流路Ａに相当する流路である。
【００６０】
なお，流路２５の全体の長さは，例えば１０ｍｍであり，幅は，例えば２５μｍであるが，必要に応じて，長さは１００μｍ以上，幅は０．１μｍ以上の任意の値に設定することが可能である。
【００６１】
また，分岐流路群２６，２７は，それぞれ７３本の分岐流路（２６０１〜２６７３，２７０１〜２７７３）から成っており，その幅は全て１０μｍであるが，この値は必要に応じて，０．１μｍ以上の任意の値に設定することが可能である。
【００６２】
また，分岐流路２６０１〜２６７３，２７０１〜２７７３の長さは，１．４〜３４．０ｍｍであるが，この値は必要に応じて，５０μｍ以上の任意の値に設定することが可能である。なお，これらの流路の長さは，例えば分岐流路群２６では，中心側（分岐流路２６０１）から外側（分岐流路２６７３）に向かうほど徐々に長くなるように設計されている。この設計により，上流での７３箇所の分岐点において，その各分岐点を通過する流量のおよそ１．４％ずつが左右の分岐流路に分配されるようになっている。これらの流量比の値は，流路ネットワークの圧力損失を，電気回路における電気抵抗のアナロジーによって計算されたものである。また，流量・管径と圧力損失の関係は，ハーゲン・ポアズイユの式とその派生式に基づいて計算することにより導くことが可能である。従って，流路の長さ・管径を適切に設定することにより圧力損出を変化させれば，分岐点における流量比を任意に設定することができる。
【００６３】
以上の構成において，上記したマイクロデバイス１９を用いて動植物細胞，バクテリアなどの微生物，ポリマー粒子，エマルション，金属微粒子などの粒子を流路内に連続的に整列させつつ流すための方法について説明する。
【００６４】
流体としては，水もしくは化学物質の水溶液，有機溶媒，などの液体の他に，空気等の気体を用いても良い。ただし，粒径が比較的大きな場合には，流体の密度と粒子の密度の差があまり大きくない系がより望ましい。
【００６５】
まず，上記の流体（必要に応じてフィルター処理を行う）中に粒子を懸濁させる。もしくは，環境水，血液，エアロゾルを含む空気，などのように，あらかじめ粒子が懸濁している流体を必要に応じて希釈または濃縮したものを用意する。
【００６６】
そして，用意した粒子を含む流体を，入口側ポート２３から連続的に供給する。この時，流路構造内では，流体が層流を保ちつつ流れるほうが望ましい。なお，流体の供給に際して，シリンジポンプ等を用いた定流量導入，ボンベ，圧力発生装置，減圧装置等を用いた定圧導入のほかに，電気浸透流や遠心力等を用いた方法などを用いることができる。
【００６７】
この流路構造２０では，粒子を懸濁させた流体を連続的に導入した流体の約９０％が左右の分岐流路群２６，２７内に導入され，さらに下流において再合流し，また，直径が約５μｍより大きな粒子は，分岐流路内に導入されないように設計されている。また，流路２５における出口側ポート２４付近では，流路の中心の２．５μｍ幅の部分を粒子の中心が通過するように設計されている。
【００６８】
実際に，粒径１０μｍのポリスチレン微粒子を０．５％デキストラン水溶液に懸濁させ，シリンジポンプを用いて２μＬ／ｍｉｎの流速で導入したところ，流路２５における出口側ポート２４付近では，ほぼ中央付近に一直線に整列して流れる様子が確認できた。なおこれらの粒子の通過位置は，設計段階における見積もり通り，流路２５における中心の２．５μｍ幅の部分であることが観察された。
【００６９】
なお，整列させる対象となる粒子の大きさは，流路の幅，深さ，長さ等を適当に変更することで，任意に調節することが可能である。
【００７０】
図２（ａ）検出部２８に検出機器を置くことで，整列しつつ流れてきた粒子の情報を読み取ることができる。
【００７１】
さらに，図４（ａ）に示す流路構造２９のような流路構造を用いれば，流路の片側のみに，粒子を整列しつつ流すことが可能となる。
【００７２】
さらに，図４（ｂ）に示す複合流路構造３０は，請求項２における複合流路構造の一例であり，このような複合流路構造を用いれば，流路における片側ずつ，段階的に粒子位置の制御が可能となり，より効率的に，粒子を整列させることが可能となる。また，請求項１の方法に較べて，図４（ｂ）の構造では，一直線上に粒子を整列させて流すことが容易になる。このように，流路の片側から流体を抜き出し，元に戻す操作を，必要に応じて，複数回繰り返すことにより，より正確かつ容易に粒子位置を制御することが可能となる。
【００７３】
さらに，図５（ａ）に示す流路構造３１のような流路構造を用いれば，左右に異なる数の分岐流路が配列されているため，流路内における，中心以外の任意の位置に粒子を整列させつつ流すことが可能となる。
【００７４】
さらに，図５（ｂ）は，３次元的に構成された流路構造３２の俯瞰図であるが，このような流路構造を用いれば，上下左右方向からの流れによって，粒子を流路の上下・左右どちらの方向に対しても，中心付近に整列させつつ流すことが可能となる。
【００７５】
さらに，図５（ｃ）は，３次元的に構成された流路構造３２の俯瞰図であり，図５（ｃ）は図５（ｄ）における流路構造の一部３４の拡大図であるが，このような流路構造を用いれば，矩形な断面を有する流路の四隅からの流れによって，粒子を流路の上下・左右どちらの方向に対しても，中心付近に整列させつつ流すことが可能となる。なお３５が流路であり，３６が分岐流路である。
【００７６】
さらに，図６は，流れの断面を９０度回転させる装置３７を有する複合流路構造３８であるが，このような複合流路構造を用いることによって，粒子を流路の上下・左右どちらの方向に対しても，中心付近に整列させつつ流すことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は，以上説明したように構成されているため，既存のフローサイトメトリー装置や，蛍光活性化細胞選別システム等のセルソーター装置において，粒子の位置制御を経済的かつ簡便に行うことのできる技術として，広く利用されるものと期待される。
【００７８】
また，本発明は，以上説明したように構成されているため，マイクロ流体デバイスにおける正確な細胞や粒子の操作技術として利用でき，単細胞解析装置，環境微粒子や微生物の分析装置あるいは濃縮装置などとして利用できると期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による粒子を連続的に整列させるための流路構造および方法の原理図を示し，図１（ａ）は粒子を流路における中心に整列させる流路構造および原理図であり，図１（ｂ）は図１（ａ）における分岐部１１ａのうちある一つの分岐点の拡大図であり，図１（ｃ）は図１（ａ）における合流部１１ｂのうちある一つの合流点の拡大図である。
【図２】本発明による液体制御機構の実施形態を備えたマイクロデバイス１９を示し，図３（ａ）は図３（ｂ）と図３（ｃ）におけるＡ矢視図であり，図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図であり，図３（ｃ）は図３（ａ）におけるＣ−Ｃ線による断面図である。
【図３】本発明による液体制御機構の実施形態を備えたマイクロデバイス１９における流路構造２０の模式図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は本発明による液体制御機構の実施形態を備えた流路構造２９，複合流路構造３０を示した図である。
【図５】（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明による液体制御機構の実施形態を備えた流路構造３１，３２，３３を示した図であり，図５（ｄ）は流路構造３３における一部３４の拡大図である。
【図６】本発明による液体制御機構の実施形態を備えたマイクロデバイス３８を示した図である。
【符号の説明】
１０ 流路構造
１１ 流路
１１ａ 分岐部
１１ｂ 合流部
１２ 分岐流路，もしくは分岐流路群
１２ａ？ｄ 分岐流路
１３ 分岐流路，もしくは分岐流路群
１３ａ？ｄ 分岐流路
１４ 流路における中心点
１５ 粒子
１６ 流れの一部分
１６ａ 流れの幅
１７ 流れの一部分
１７ａ 流れの幅
１８ 粒子を含まない流体
１９ マイクロデバイス
２０ 流路構造
２１ 基板
２１ａ 基板２１下面
２２ 基板
２３ 入口側ポート
２４ 出口側ポート
２５ 流路
２６ 分岐流路群
２６０１〜２６７３ 分岐流路
２７ 分岐流路群
２７０１〜２７７３ 分岐流路
２８ 検出部
２９ 流路構造
３０ 複合流路構造
３１ 流路構造
３２ 流路構造
３３ 流路構造
３４ 流路構造の一部
３５ 流路
３６ 分岐流路
３７ 流れの断面を９０度回転させる装置
３８ 複合流路構造
【特許請求の範囲】
【請求項１】
端点Ｍ，端点Ｎを連結する流路Ａと，前記流路Ａにおける途中の点Ｘと前記端点Ｍの間に存在する分岐点において前記流路Ａより分岐し，前記流路Ａにおける前記点Ｘと前記端点Ｎの間に存在する合流点において前記流路Ａに合流する，１つまたは複数の分岐流路を有する流路構造を用い，前記流路構造に前記端点Ｍから粒子を含む流体を連続的に導入すると，前記流路Ａにおける前記分岐点において，前記分岐流路にはある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流入し，かつ前記合流点において，前記流路Ａに前記分岐流路からある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流れ込むことにより，前記流路Ａにおける前記合流点と端点Ｎの間において，ある一定の大きさより大きな粒子の流れる位置を制御する，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項２】
請求項１における前記流路構造を，直列に２つ以上接続した複合流路構造を用い，前記複合流路構造の一方の端点から粒子を含む流体を連続的に導入すると，前記流路Ａにおける前記分岐点において前記分岐流路にはある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流入し，かつ前記合流点において，前記流路Ａに前記分岐流路からある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流れ込み，さらにこれらの状態が繰り返されることにより，前記複合流路構造のもう一方の端点付近において，ある一定の大きさより大きな粒子の流れる位置を制御する，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路構造は計算的手法によって設計されている，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項４】
請求項１，請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路の幅，深さ，直径等のいずれかのスケールが，少なくとも部分的に１ミリメートル以下のオーダーであり，前記流路内において流体は安定な層流を保ちながら流れる，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項５】
請求項１，請求項２，請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路構造は平面的に構成されており，端点Ｍと端点Ｎを結ぶ直線に対して，線対称な構造である，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項６】
請求項１，請求項２，請求項３，請求項４または請求項５のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，流体は液体である，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項７】
請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，流体は気体である，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項８】
請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５，請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，粒子とは，動物，植物，微生物などの細胞，もしくは，オルガネラ，染色体などの生体微粒子を含む粒子混合物である，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項９】
請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５，請求項６，請求項７または請求項８のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路構造はフローサイトメトリー装置の一部に組み入れられている，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項１０】
請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５，請求項６，請求項７，請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路構造は，微細加工技術を用いてマイクロデバイス内に形成されたマイクロチャネルである，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項１】
端点Ｍ，端点Ｎを連結する流路Ａと，前記流路Ａにおける途中の点Ｘと前記端点Ｍの間に存在する分岐点において前記流路Ａより分岐し，前記流路Ａにおける前記点Ｘと前記端点Ｎの間に存在する合流点において前記流路Ａに合流する，１つまたは複数の分岐流路を有する流路構造を用い，前記流路構造に前記端点Ｍから粒子を含む流体を連続的に導入すると，前記流路Ａにおける前記分岐点において，前記分岐流路にはある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流入し，かつ前記合流点において，前記流路Ａに前記分岐流路からある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流れ込むことにより，前記流路Ａにおける前記合流点と端点Ｎの間において，ある一定の大きさより大きな粒子の流れる位置を制御する，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項２】
請求項１における前記流路構造を，直列に２つ以上接続した複合流路構造を用い，前記複合流路構造の一方の端点から粒子を含む流体を連続的に導入すると，前記流路Ａにおける前記分岐点において前記分岐流路にはある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流入し，かつ前記合流点において，前記流路Ａに前記分岐流路からある一定の大きさより大きな粒子を含まない流体が流れ込み，さらにこれらの状態が繰り返されることにより，前記複合流路構造のもう一方の端点付近において，ある一定の大きさより大きな粒子の流れる位置を制御する，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路構造は計算的手法によって設計されている，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項４】
請求項１，請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路の幅，深さ，直径等のいずれかのスケールが，少なくとも部分的に１ミリメートル以下のオーダーであり，前記流路内において流体は安定な層流を保ちながら流れる，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項５】
請求項１，請求項２，請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路構造は平面的に構成されており，端点Ｍと端点Ｎを結ぶ直線に対して，線対称な構造である，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項６】
請求項１，請求項２，請求項３，請求項４または請求項５のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，流体は液体である，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項７】
請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，流体は気体である，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項８】
請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５，請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，粒子とは，動物，植物，微生物などの細胞，もしくは，オルガネラ，染色体などの生体微粒子を含む粒子混合物である，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項９】
請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５，請求項６，請求項７または請求項８のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路構造はフローサイトメトリー装置の一部に組み入れられている，粒子位置の制御方法および構造。
【請求項１０】
請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５，請求項６，請求項７，請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の粒子位置の制御方法および構造において，前記流路構造は，微細加工技術を用いてマイクロデバイス内に形成されたマイクロチャネルである，粒子位置の制御方法および構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１１６４２８（Ｐ２００８−１１６４２８Ａ）
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２６２９９（Ｐ２００６−３２６２９９）
【出願日】平成１８年１１月４日（２００６．１１．４）
【出願人】（５０４４０２４７４）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月４日（２００６．１１．４）
【出願人】（５０４４０２４７４）
【Ｆターム（参考）】
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