駆動部を有する微小液滴の配列装置
【課題】異なる種類の微小液滴を選択的に任意の順序にアレイ化し、解析を行った後の微小液滴を一括で取り出して装置を再利用することを可能する。
【解決手段】液体が流れるマイクロ流路２に連通する狭窄領域４を水平方向に複数個配置し、流体中の微小液滴をアレイ化して配置する駆動部を有する微小液滴の配列装置１において、前記狭窄領域４の後方に連通する微小通路５と、前記狭窄領域４に捕捉される微小液滴８と、前記微小通路６の側面に配置される流体圧力によって駆動するバルブ７とを備え、前記バルブ７の動作により微小液滴の通過と取り出しとを行うとともに、前記マイクロ流路２に流れる液体の逆流操作により前記バルブ７の動作により前記捕捉された微小液滴８を前記狭窄領域４から一斉に取り出すようにした。
【解決手段】液体が流れるマイクロ流路２に連通する狭窄領域４を水平方向に複数個配置し、流体中の微小液滴をアレイ化して配置する駆動部を有する微小液滴の配列装置１において、前記狭窄領域４の後方に連通する微小通路５と、前記狭窄領域４に捕捉される微小液滴８と、前記微小通路６の側面に配置される流体圧力によって駆動するバルブ７とを備え、前記バルブ７の動作により微小液滴の通過と取り出しとを行うとともに、前記マイクロ流路２に流れる液体の逆流操作により前記バルブ７の動作により前記捕捉された微小液滴８を前記狭窄領域４から一斉に取り出すようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小化学工学・ドラッグデリバリー・細胞培養・再生医工学などのバイオ分野のみならず、ディスプレイ産業などマイクロビーズを配置して利用する産業への応用が期待される、駆動部を有する微小液滴の配列装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
セルの研究、ドラッグの選択、及び検出／診断応用においては、化学的刺激下で生体セルのような微小液滴の継続的な観察を行うことができる集積されたマニピュレーションシステムは大きな需要がある。そのようなシステムは、微小液滴の移送及び固定、試薬の注入、反応の観察、選択した微小液滴の取り出しなど多くの機能を有することが必要である。
【０００３】
本発明者らは、マイクロビーズの捕捉及び配列、選択されたマイクロビーズの取り出し、及び捕捉された全てのマイクロビーズを素早く取り出す再セット可能な微小液滴の配列装置を提案した（下記非特許文献１−３）。
【０００４】
しかしながら、これらの配列装置は、異なった種類のマイクロビーズを任意の順序に配列することができなかった。これらの配列装置に異なる種類のマイクロビーズを導入すると、マイクロビーズは任意の順序に配列されずランダムな順序に捕捉される。
【０００５】
図１４はかかる従来の光学的アプローチを用いて捕捉された微小液滴を取り出す様子を示す模式図である。チャンバー１０１の右側に位置する１μｍ□のアルミニウム板１０２にレーザー１０３をフォーカスして、アルミニウム板１０２及びその回りの溶液を加熱する。アルミニウム板１０２の温度が、その回りの溶液の沸点に到達した時、チャンバー１０１内に泡１０５が生じる。その泡１０５は、捕捉されている微小液滴１０４をメインの流路内に押し出し、微小液滴１０４は取り出される。
【０００６】
一方、モノリシック構造の微細加工流体圧駆動バルブが下記非特許文献４，５に開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｗ．Ｈ．Ｔａｎ，Ｓ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ，“Ａ Ｔｒａｐ−ａｎｄ−ｒｅｌｅａｓｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ Ｆｏｒ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，ＰＮＡＳ，ｖｏｌ．１０４，Ｎｏ．４，ｐｐ．１１４６−１１５１，２００７
【非特許文献２】Ｗ．Ｈ．Ｔａｎ，Ｓ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ，“Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｇｅｎｔｌｅ Ｒｅｔｒｉｅｖａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ Ｃｅｌｌ−ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｎｇ Ｈｙｄｒｏｇｅｌ Ｂｅａｄｓ”，Ｌａｂ Ｃｈｉｐ，ｖｏｌ．８，Ｉｓｓｕｅ．２，ｐｐ．２５９−２６６，２００８．
【非特許文献３】Ｋ．Ｉｗａｉ，Ｗ．Ｈ．Ｔａｎ，Ｓ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ，“Ａ Ｒｅｓｅｔｔａｂｌｅ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ”，ｉｎ Ｄｉｇｅｓｔ Ｔｅｃｈ．Ｐａｐｅｒｓ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈ．Ｓｙｓｔ．’０８ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｔｕｃｓｏｎ，Ｊａｎｕａｒｙ １３−１６，２００８，ｐｐ．６４９−６５２
【非特許文献４】Ｍ．Ａ．Ｕｎｇｅｒ，Ｈ．Ｃｈｏｕ，Ｔ．Ｔｈｏｒｓｅｎ，Ａ．Ｓｃｈｅｒｅｒ，Ｓ．Ｒ．Ｑｕａｋｅ，“Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｖａｌｖｅｓ ａｎｄ Ｐｕｍｐｓ ｂｙ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｓｏｆｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ”，Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．２８８，ｐｐ．１１３−１１６，２０００．
【非特許文献５】Ｖ．Ｓｔｕｄｅｒ，Ｇ．Ｈａｎｇ，Ａ．Ｐａｎｄｏｌｆｉ，Ｍ．Ｏｒｔｉｚ，Ｗ．Ｆ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｓ．Ｒ．Ｑｕａｋｅ，“Ｓｃａｌｉｎｇ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａ Ｌｏｗ−ａｃｔｕａｔｉｏｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｖａｌｖｅ” ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．９５，Ｎｏ．１，ｐｐ．３９３−３９８，２００４．
【非特許文献６】Ｃ．Ａｍａｄｏｒ，Ａ．Ｇａｖｒｉｉｌｉｄｉｓ，Ｐ．Ａｎｇｅｌｉ，“Ｆｌｏｗ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｍｉｃｒｏｒｅａｃｔｏｒ Ｓｃａｌｅ−ｏｕｔ Ｇｅｏｍｅｔｒｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｏｌｅｒａｎｃｅｓ ａｎｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｂｌｏｃｋａｇｅ”，Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｊ．，ｖｏｌ．１０１，ｐｐ．３７９−３９０，２００４
【非特許文献７】Ｄ．Ｃ．Ｄｕｆｆｙ，Ｊ．Ｃ．ＭｃＤｏｎａｌｄ，Ｏ．Ｊ．Ａ．Ｓｃｈｕｅｌｌｅｒ，Ｇ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，“Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｐｏｌｙ（ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）” ，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，ｖｏｌ．７０，Ｎｏ．２３，ｐｐ．４９７４−４９８４，１９９８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１４に示すような光学的アプローチによる微小液滴の取り出し手法を用いて、捕捉された微小液滴の中から任意の箇所の微小液滴を一個ずつ取り出し、取り出された箇所に異なる種類の微小液滴を捕捉することで、微小液滴を任意の順序に配列することは可能であるが、この方法は多くの時間を消費し、高密度マイクロアレイにとっては実用的ではない。
【０００９】
例えばセル研究及びドラッグ選別では、有意義な結論を引き出すために膨大な数のデータの獲得が求められる。そのためには、多種類の微小液滴を多数用いて一度に実験可能な配列装置が望まれる。
【００１０】
本発明は、上記状況に鑑みて、微細加工技術により形成されたマイクロ流路に流体圧駆動バルブを組み合わせることにより、流路形状を変化させてマイクロ流路内の流れを制御することで、微小液滴を捕捉するか否かを選択可能にし、異なる種類の微小液滴を選択的に任意の順序にアレイ化し、解析を行った後の微小液滴を一括で取り出して装置を再利用することを可能にする駆動部を有する微小液滴の配列装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕液体が流れるマイクロ流路に連通する狭窄領域を水平方向に複数個配置し、流体中の微小液滴をアレイ化して配置する駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記狭窄領域の後方に連通する微小通路と、前記狭窄領域に捕捉される微小液滴と、前記微小通路の側面に配置される流体圧力によって駆動するバルブとを備え、前記バルブの動作により各捕捉箇所において前記微小液滴を通過させる状態と捕捉させる状態とを選択的に可変にするとともに、前記マイクロ流路に流れる液体の逆流操作及び前記バルブの動作により前記捕捉された微小液滴を前記狭窄領域から一斉に取り出すことを特徴とする。
【００１２】
〔２〕上記〔１〕記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記微小通路の底部を基板、側部を弾性部材で形成することを特徴とする。
【００１３】
〔３〕上記〔２〕記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記基板がスライドガラスからなり、このスライドガラス上にＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）からなる前記弾性部材を接着することを特徴とする。
【００１４】
〔４〕上記〔１〕記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記バルブに加えてこのバルブより小さな寸法のバルブを前記狭窄領域に具備することを特徴とする。
【００１５】
〔５〕上記〔４〕記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記小さな寸法のバルブの動作により捕捉されている微小液滴を保持することにより、前記微小液滴の選択的取り出しを行わせることを特徴とする。
【００１６】
〔６〕上記〔１〕記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、さらに、前記狭窄領域の長さを長くして複数個の微小液滴を捕捉可能にし、前記バルブの動作により微小液滴を捕捉する流体の流れを制御することにより、前記狭窄領域に複数種の微小液滴を任意の順序で任意の個数隣接して捕捉するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、多種類の試料を一度に選択的に配列可能であり、デバイスの再設定も短時間に簡便に行えるため、様々な実験を大量に行う際に更なる効率化を図ることができる。
【００１８】
また、捕捉された微小液滴を選択的に取り出すことができる。
【００１９】
さらに、異なった種類の微小液滴を隣接して捕捉しアレイ化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の模式図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の動作を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の具体例を示す図である。
【図４】本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置において流体圧駆動バルブを駆動した状態を示す図面代用写真である。
【図５】本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の動作を示す図面代用写真である。
【図６】本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置により微小液滴を選択的に捕捉する動作を示す図面代用写真である。
【図７】本発明の第２実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の要部を示す図面代用写真である。
【図８】本発明の第２実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置により微小液滴を選択的に取り出す動作を示す図面代用写真である。
【図９】本発明の第３実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の構成図とその動作を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の設計図である。
【図１１】本発明の第３実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置により配列されたマイクロビーズを示す図面代用写真である。
【図１２】図１１のＡ部拡大図である。
【図１３】本発明に係る駆動部を有する微小液滴の配列装置の流体駆動システムの例を示す図である。
【図１４】従来の光学的アプローチを用いて捕捉された微小液滴を取り出す様子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の駆動部を有する微小液滴の配列装置は、液体が流れるマイクロ流路に連通する狭窄領域を水平方向に複数個配置し、流体中の微小液滴をアレイ化して配置する駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記狭窄領域の後方に連通する微小通路と、前記狭窄領域に捕捉される微小液滴と、前記微小通路の側面に配置される流体圧力によって駆動するバルブとを備え、前記バルブの動作により各捕捉箇所において前記微小液滴を通過させる状態と捕捉させる状態とを選択的に可変にするとともに、前記マイクロ流路に流れる液体の逆流操作及び前記バルブの動作により前記捕捉された微小液滴を前記狭窄領域から一斉に取り出すようにした。
【００２２】
したがって、半導体基板の微細加工技術等をバイオ分野に応用し、小型化と高集積化により細胞等の微小液滴の機能の短時間・自動的かつ網羅的な解析実験を可能とするラボ・オン・チップを提供する。特に、従来技術では困難であった、複数の種類の微小液滴をマイクロ流路内で任意の順序にアレイ化することで個別観察し、解析後の微小液滴を選択的に取り出すことを可能にし、またアレイ化された微小液滴を一括取り出しすることでチップの再利用を可能とする。
【００２３】
なお、本発明において、微小液滴とは、マイクロビーズ、ゲルビーズ、または細胞などの生体セルなどを言う。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２５】
図１は本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の模式図、図２はその配列装置の動作を示す図である。
【００２６】
これらの図において、１は駆動部を有する微小液滴の配列装置、２はマイクロ流路、３はそのマイクロ流路２中の微小液滴の捕捉経路、４はその捕捉経路中の狭窄領域（微小液滴のベッド）、５はマイクロ流路２中のバイパス経路、６は狭窄領域４の後方に配置される制御可能な微小通路、７はその微小通路６に配置される流体圧（空気圧）駆動バルブ、８は微小液滴（マイクロビーズ、ゲルビーズ、または細胞などの生体セル）、９は微小液滴８を運ぶ溶液（流体）、１０は導入口、１１は排出口である。
【００２７】
図１に示すように、本発明の駆動部を有する微小液滴の配列装置１のマイクロ流路２は、メインのバイパス経路５と微小液滴８を捕捉する狭窄領域４を有する捕捉経路３に分かれている。マイクロ流路２の微小液滴８を捕捉する狭窄領域４後方の微小通路６の側壁には、流体（空気）圧力によって駆動する流体圧駆動バルブ７が配置されている。これらのバルブ７は流体（空気）圧の注入口に接続されており、注入口から流体（空気）圧を注入することにより、複数のバルブを同時に駆動することができる。この流体圧駆動バルブ７を備えた微小液滴の配列装置は、標準的なソフトリソグラフィ（上記非特許文献７参照）を用いて製造した。また、この配列装置は、Ｏ2 プラズマ処理によって基板としてのスライドガラスに恒久的に接合されているＰＤＭＳから製造した。
【００２８】
この微小液滴の配列装置では、溶液９の流れる方向と流体圧駆動バルブ７の状態を変えることによって捕捉経路３及びバイパス経路５に流入する溶液の流量を調整し、微小液滴８の捕捉・取り出しを制御するよう構成している。
【００２９】
微小液滴８を捕捉する際は、図２（ａ）に示すように、流体圧駆動バルブ７を動作させない状態で、微小液滴８の含まれた溶液９を導入口１０側から前進方向の流れで流入する。すると、捕捉経路３の流体抵抗は、バイパス経路５の流体抵抗に比べて小さくなるので、捕捉経路３を流れる溶液９の流量が多くなり、微小液滴８は狭窄領域４に捕捉される。
【００３０】
また、図２（ｂ）に示すように、流体圧駆動バルブ７を動作させると、捕捉経路３の流体抵抗が増し、その捕捉経路３に流れ込む溶液９の流量が減少する。そのため、マイクロ流路２の上流から溶液９と共に送られた微小液滴８は、狭窄領域４に捕捉されることなくバイパス経路５に流される。
【００３１】
一方、捕捉した微小液滴９を取り出す場合は、図２（ｃ）に示すように、流体圧駆動バルブ７を動作させたままマイクロ流路２の溶液９を逆流させる。すると、流体圧駆動バルブ７の動作により捕捉経路３の溶液９の流量が減少し、捕捉されていた微小液滴８は取り出される。
【００３２】
このように、狭窄領域４の後方に配置される微小通路６の側壁に設置した流体圧駆動バルブ７の圧力を制御することにより、微小通路６の形状を動的に変化させることができる。それによって捕捉経路３に流れ込む溶液９の流量を制御することが可能となり、微小液滴８を捕捉するか否かを各々の狭窄領域４において自由に選択することができる。また、全ての流体圧駆動バルブ７を駆動させた上で溶液９の流れを逆流させることにより、全ての微小液滴８を狭窄領域４から取り出すことができるので、装置を容易に再利用することができる。
【００３３】
図３は本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の具体例を示す図であり、図３（ａ）はその配列装置の寸法例を示す図、図３（ｂ）はその配列装置のイメージを示す図面代用写真である。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、マイクロ流路２は１１５μｍの径、マイクロ流路２の縦方向の直線部の長さは６００μｍ、マイクロ流路２の横方向の直線部の長さは３１５μｍとなっている。捕捉経路３中の狭窄領域４の高さ及び長さは１１５μｍ、流体圧駆動バルブ７の動作部は幅１８０μｍ，高さ４０μｍ、流体圧駆動バルブ７の操作部の径は２０μｍである。また、微小通路６の高さは８０μｍとなっているが、流体圧駆動バルブ７を駆動することにより変形する。
【００３５】
図３（ｂ）には、製造されたマイクロチャンネルのイメージが示されている。流体圧駆動バルブ７のリークを検出するため、このマイクロチャンネル内に微小液滴としての１μｍのポリスチレンビーズの入った純水を導入したため、流体圧駆動バルブ７に比べてマイクロチャンネルの方が暗く写っている。結果として、この流路内の流体圧駆動バルブにはリークは見られなかった。
【００３６】
図４は本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置において流体圧駆動バルブを駆動した状態を示す図面代用写真であり、図４（ａ）には流体圧駆動バルブに空気圧１００ｋＰａが印加された状態が、図４（ｂ）には空気圧を変化させた場合の流体圧駆動バルブの変位が示されている。
【００３７】
この図に示すように、高い圧力をかけるにつれて流体圧駆動バルブ７の変位は大きくなった。８０ｋＰａの圧力をかけると、流体圧駆動バルブ７はマイクロチャンネルの流路の断面が半減する程度にまで変形した。
【００３８】
図５は本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の動作を示す図面代用写真である。
【００３９】
図４に示した流体圧駆動バルブを用いて、１００μｍのポリスチレンマイクロビーズの捕捉・通過・取り出し（図２参照）の制御を行なった。
【００４０】
図５（ａ）は、微小液滴としての１００μｍのポリスチレンマイクロビーズを捕捉した様子を示しており、図５（ｂ）は流体圧駆動バルブを動作させてマイクロビーズを捕捉せずにバイパス経路へ流す（通過させる）様子を示している。また、図５（ｃ）では、全ての狭窄領域でマイクロビーズを捕捉した後、流体圧駆動バルブを動作させた状態で溶液を逆流させ、マイクロビーズを取り出す様子を示している。
【００４１】
図６は本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置により微小液滴を選択的に捕捉する動作を示す図面代用写真である。
【００４２】
本発明では、２種類の異なる微小液滴を捕捉しアレイ化するため、流体圧駆動バルブを選択的に制御する装置とした。ここでは、マイクロチャンネルの片側に配列される流体圧駆動バルブを一度に制御し、もう一方側に配列される流体圧駆動バルブを別に制御している。
【００４３】
まず、片側〔図６（ａ）の上側〕の流体圧駆動バルブ７Ａのみ動作させて第１のマイクロビーズ８Ａを流入すると、破線で示した第１のマイクロビーズ８Ａは動作していない流体圧駆動バルブ７Ｂの箇所では捕捉され、動作している流体圧駆動バルブ７Ａの箇所では捕捉されない。その後、全ての流体圧駆動バルブ７Ａ，７Ｂを駆動しない状態で第２のマイクロビーズ８Ｂを流すと、マイクロビーズ８Ａが捕捉されなかった残りの箇所に実線で示したマイクロビーズ８Ｂが捕捉される〔図６（ｂ）参照〕。このように選択的に流体圧駆動バルブを駆動させることで異なる種類の微小液滴を自由に配列することができる。
【００４４】
図７は本発明の第２実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の要部を示す図面代用写真である。
【００４５】
上記第１実施例では、一度で全ての微小液滴を取り出すように構成していたが、この第２実施例では微小液滴を選択的に取り出すために、捕捉された微小液滴を保持する小さい流体圧駆動バルブを加えた。
【００４６】
ここでは、図７（ａ）に示すように、狭窄領域の側壁に小さい流体圧駆動バルブ２２が、その狭窄領域の後方の微小通路に大きい流体圧駆動バルブ２１が併設されている。
【００４７】
大きい流体圧駆動バルブ２１を駆動させている時、小さい流体圧駆動バルブ２２は流体抵抗に影響を与えず捕捉されている微小液滴を保持するためだけに働く。
【００４８】
このように構成することで、選択した微小液滴のみを取り出すことができる。
【００４９】
図８は本発明の第２実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置により微小液滴を選択的に取り出す動作を示す図面代用写真である。
【００５０】
図７に示した大小２つの流体圧駆動バルブを備えた微小液滴の配列装置を用いて、異なる２種類の微小液滴を選択的に取り出す動作について説明する。
【００５１】
２種類のマイクロビーズ２３Ａ，２３Ｂをそれぞれ任意の順序に捕捉した後〔図８（ａ）、流体圧駆動バルブ２２Ａを押圧することで第２のマイクロビーズ２３Ｂを保持し〔図８（ｂ）〕、溶液を逆流させて第１のマイクロビーズ２３Ａを取り出す〔図８（ｃ）〕。このように第１のマイクロビーズ２３Ａを取り出した後、同じように第２のマイクロビーズ２３Ｂを取り出すことで、複数種類のマイクロビーズを選択的に取り出すことができる。
【００５２】
図９は本発明の第３実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の構成図とその動作を示す図、図１０はその配列装置の設計図、図１１はその配列装置により配列されたマイクロビーズを示す図面代用写真、図１２は図１１のＡ部拡大図であり、図１１（ａ），図１２（ａ）は明視野観察したもの、図１１（ｂ），図１２（ｂ）は蛍光観察したもの、図１１（ｃ）はそれらを重ね合わせた画像である。
【００５３】
図９及び図１０において、３１は駆動部を有する微小液滴の配列装置、３２はマイクロ流路、３３はマイクロ流路３２中の微小液滴の捕捉経路、３４は捕捉経路３３中の狭窄領域（微小液滴のベッド）、３５はマイクロ流路３２中のバイパス経路、３６は狭窄領域３４の後方に配置される制御可能な微小通路、３７はその微小通路３６に配置される流体圧（空気圧）駆動バルブ、３８Ａ，３８Ｂは微小液滴（マイクロビーズ、ゲルビーズ、または細胞などの生体セル）、３９は微小液滴３８Ａ，３８Ｂを運ぶ溶液（流体）、４０は導入口、４１は排出口である。
【００５４】
この実施例においては、図９（ａ）に示すように、流体圧（空気圧）駆動バルブ３７が動作した状態でも微小液滴が１つずつ捕捉されるように、十分な流量比（Ｑ1 ／Ｑ2 ）を持つ装置を設計した。ここで、Ｑ1 は捕捉経路３３へ流れる溶液３９の流量を示し、Ｑ2 はバイパス経路３５へ流れる溶液３９の流量を示す。 まず、図９（ｂ）に示すように、流体圧（空気圧）駆動バルブ３７を動作した状態で第１の微小液滴３８Ａを狭窄領域３４に捕捉する。この第１の微小液滴３８Ａが捕捉された状態では、微小液滴３８Ａによって捕捉経路３３の流体抵抗が増加し流量比Ｑ1 ／Ｑ2 が減少するため、続く微小液滴３８Ｂは捕捉されない。こうして第１の微小液滴３８Ａを配列した後に、図９（ｃ）に示すように流体圧（空気圧）駆動バルブ３７の動作を止めると、捕捉経路３３の流体抵抗が減少するため微小液滴の狭窄領域３４へ流れ込む溶液３９の流量は再び増加し、導入された第２の微小液滴３８Ｂが捕捉されることになる〔図９（ｄ）〕。このように、１つの微小液滴の狭窄領域（ベッド）３４へ隣接して２種類の微小液滴３８Ａ，３８Ｂを配列することができる。
【００５５】
上記の第３実施例に示す駆動部を有する微小液滴の配列装置３１は、図１０に示すように設計される。特に、微小液滴の捕捉経路３３の狭窄領域３４の長さは２１５μｍとし、図３に示す配列装置より１００μｍ長くなるようにして、複数個の微小液滴を収容できるようにしている。また、バイパス経路３５は蛇行させており、図３に示す配列装置より流量比Ｑ1 ／Ｑ2 が大きくなるようにしている。その他の寸法は、図３のものと同様である。
【００５６】
図１１にこの配列装置によって２種類のマイクロビーズが捕捉された状態が示されており、図１１のＡ部が拡大されて、図１２に示されている。ここでは、直径１００μｍのポリスチレンビーズ４２Ａを最初に捕捉し、赤色で蛍光染色したポリスチレンビーズ４２Ｂを続けて捕捉した。図１２に示すように、異なった２種類のマイクロビーズを１つの狭窄領域に隣接した状態で配列することができる。
【００５７】
図１３は本発明に係る駆動部を有する微小液滴の配列装置の流体駆動システムの例を示す図である。
【００５８】
上記した図１〜図１２の駆動部を有する微小液滴の配列装置の流体駆動システムでは、マイクロチャンネルの上側に配列される流体圧駆動バルブと下側に配列される流体圧駆動バルブとに分けて制御可能にした例を示したが、図１３に示すように、流体圧駆動バルブの駆動源５１，５２，５３，５４をそれぞれ制御可能なように個別に制御装置５０に接続するように構成することができる。
【００５９】
このように構成することにより、流体圧駆動バルブは制御装置５０からの動作指令に基づいて選択的に動作・不動作の制御を行うことができ、微小液滴の捕捉・取り出しを任意のバルブ位置で自由に行わせることができる。
【００６０】
なお、上記実施例では説明の都合上２次元的な形状の記載をしているが、３次元的な形状が含まれることは言うまでもない。
【００６１】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の駆動部を有する微小液滴の配列装置は、多種の微小液滴を任意の順序でアレイ化することにより、多種の試料である微小液滴を同じ環境下で実験を行うことができる。
【００６３】
また、多種の微小液滴を選択的に隣接してアレイ化することが可能なため、多種の微小液滴間の相互作用等の実験を行うことができる。
【００６４】
さらに、創薬や診断を各種の態様で短時間で安価に行えるプラットホームとして利用可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１，３１ 駆動部を有する微小液滴の配列装置
２，３２ マイクロ流路
３，３３ 微小液滴の捕捉経路
４，２４，３４ 狭窄領域（微小液滴のベッド）
５，３５ バイパス経路
６，２６，３６ 微小通路
７，７Ａ，７Ｂ，３７ 流体圧（空気圧）駆動バルブ
８，２３，３８，３８Ａ，３８Ｂ 微小液滴（マイクロビーズ、ゲルビーズ、または細胞などの生体セル）
８Ａ，２３Ａ 第１のマイクロビーズ
８Ｂ，２３Ｂ 第２のマイクロビーズ
９，３９ 溶液（流体）
１０，４０ 導入口
１１，４１ 排出口
２１，２１Ａ，２１Ｂ 大きい流体圧駆動バルブ
２２，２２Ａ，２２Ｂ 小さい流体圧駆動バルブ
４２Ａ，４２Ｂ ポリスチレンビーズ
５０ 制御装置
５１，５２，５３，５４ 流体圧制御バルブの駆動源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小化学工学・ドラッグデリバリー・細胞培養・再生医工学などのバイオ分野のみならず、ディスプレイ産業などマイクロビーズを配置して利用する産業への応用が期待される、駆動部を有する微小液滴の配列装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
セルの研究、ドラッグの選択、及び検出／診断応用においては、化学的刺激下で生体セルのような微小液滴の継続的な観察を行うことができる集積されたマニピュレーションシステムは大きな需要がある。そのようなシステムは、微小液滴の移送及び固定、試薬の注入、反応の観察、選択した微小液滴の取り出しなど多くの機能を有することが必要である。
【０００３】
本発明者らは、マイクロビーズの捕捉及び配列、選択されたマイクロビーズの取り出し、及び捕捉された全てのマイクロビーズを素早く取り出す再セット可能な微小液滴の配列装置を提案した（下記非特許文献１−３）。
【０００４】
しかしながら、これらの配列装置は、異なった種類のマイクロビーズを任意の順序に配列することができなかった。これらの配列装置に異なる種類のマイクロビーズを導入すると、マイクロビーズは任意の順序に配列されずランダムな順序に捕捉される。
【０００５】
図１４はかかる従来の光学的アプローチを用いて捕捉された微小液滴を取り出す様子を示す模式図である。チャンバー１０１の右側に位置する１μｍ□のアルミニウム板１０２にレーザー１０３をフォーカスして、アルミニウム板１０２及びその回りの溶液を加熱する。アルミニウム板１０２の温度が、その回りの溶液の沸点に到達した時、チャンバー１０１内に泡１０５が生じる。その泡１０５は、捕捉されている微小液滴１０４をメインの流路内に押し出し、微小液滴１０４は取り出される。
【０００６】
一方、モノリシック構造の微細加工流体圧駆動バルブが下記非特許文献４，５に開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｗ．Ｈ．Ｔａｎ，Ｓ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ，“Ａ Ｔｒａｐ−ａｎｄ−ｒｅｌｅａｓｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ Ｆｏｒ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，ＰＮＡＳ，ｖｏｌ．１０４，Ｎｏ．４，ｐｐ．１１４６−１１５１，２００７
【非特許文献２】Ｗ．Ｈ．Ｔａｎ，Ｓ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ，“Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｇｅｎｔｌｅ Ｒｅｔｒｉｅｖａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ Ｃｅｌｌ−ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｎｇ Ｈｙｄｒｏｇｅｌ Ｂｅａｄｓ”，Ｌａｂ Ｃｈｉｐ，ｖｏｌ．８，Ｉｓｓｕｅ．２，ｐｐ．２５９−２６６，２００８．
【非特許文献３】Ｋ．Ｉｗａｉ，Ｗ．Ｈ．Ｔａｎ，Ｓ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ，“Ａ Ｒｅｓｅｔｔａｂｌｅ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ”，ｉｎ Ｄｉｇｅｓｔ Ｔｅｃｈ．Ｐａｐｅｒｓ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈ．Ｓｙｓｔ．’０８ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｔｕｃｓｏｎ，Ｊａｎｕａｒｙ １３−１６，２００８，ｐｐ．６４９−６５２
【非特許文献４】Ｍ．Ａ．Ｕｎｇｅｒ，Ｈ．Ｃｈｏｕ，Ｔ．Ｔｈｏｒｓｅｎ，Ａ．Ｓｃｈｅｒｅｒ，Ｓ．Ｒ．Ｑｕａｋｅ，“Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｖａｌｖｅｓ ａｎｄ Ｐｕｍｐｓ ｂｙ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｓｏｆｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ”，Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．２８８，ｐｐ．１１３−１１６，２０００．
【非特許文献５】Ｖ．Ｓｔｕｄｅｒ，Ｇ．Ｈａｎｇ，Ａ．Ｐａｎｄｏｌｆｉ，Ｍ．Ｏｒｔｉｚ，Ｗ．Ｆ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｓ．Ｒ．Ｑｕａｋｅ，“Ｓｃａｌｉｎｇ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａ Ｌｏｗ−ａｃｔｕａｔｉｏｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｖａｌｖｅ” ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．９５，Ｎｏ．１，ｐｐ．３９３−３９８，２００４．
【非特許文献６】Ｃ．Ａｍａｄｏｒ，Ａ．Ｇａｖｒｉｉｌｉｄｉｓ，Ｐ．Ａｎｇｅｌｉ，“Ｆｌｏｗ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｍｉｃｒｏｒｅａｃｔｏｒ Ｓｃａｌｅ−ｏｕｔ Ｇｅｏｍｅｔｒｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｏｌｅｒａｎｃｅｓ ａｎｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｂｌｏｃｋａｇｅ”，Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｊ．，ｖｏｌ．１０１，ｐｐ．３７９−３９０，２００４
【非特許文献７】Ｄ．Ｃ．Ｄｕｆｆｙ，Ｊ．Ｃ．ＭｃＤｏｎａｌｄ，Ｏ．Ｊ．Ａ．Ｓｃｈｕｅｌｌｅｒ，Ｇ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，“Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｐｏｌｙ（ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）” ，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，ｖｏｌ．７０，Ｎｏ．２３，ｐｐ．４９７４−４９８４，１９９８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１４に示すような光学的アプローチによる微小液滴の取り出し手法を用いて、捕捉された微小液滴の中から任意の箇所の微小液滴を一個ずつ取り出し、取り出された箇所に異なる種類の微小液滴を捕捉することで、微小液滴を任意の順序に配列することは可能であるが、この方法は多くの時間を消費し、高密度マイクロアレイにとっては実用的ではない。
【０００９】
例えばセル研究及びドラッグ選別では、有意義な結論を引き出すために膨大な数のデータの獲得が求められる。そのためには、多種類の微小液滴を多数用いて一度に実験可能な配列装置が望まれる。
【００１０】
本発明は、上記状況に鑑みて、微細加工技術により形成されたマイクロ流路に流体圧駆動バルブを組み合わせることにより、流路形状を変化させてマイクロ流路内の流れを制御することで、微小液滴を捕捉するか否かを選択可能にし、異なる種類の微小液滴を選択的に任意の順序にアレイ化し、解析を行った後の微小液滴を一括で取り出して装置を再利用することを可能にする駆動部を有する微小液滴の配列装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕液体が流れるマイクロ流路に連通する狭窄領域を水平方向に複数個配置し、流体中の微小液滴をアレイ化して配置する駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記狭窄領域の後方に連通する微小通路と、前記狭窄領域に捕捉される微小液滴と、前記微小通路の側面に配置される流体圧力によって駆動するバルブとを備え、前記バルブの動作により各捕捉箇所において前記微小液滴を通過させる状態と捕捉させる状態とを選択的に可変にするとともに、前記マイクロ流路に流れる液体の逆流操作及び前記バルブの動作により前記捕捉された微小液滴を前記狭窄領域から一斉に取り出すことを特徴とする。
【００１２】
〔２〕上記〔１〕記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記微小通路の底部を基板、側部を弾性部材で形成することを特徴とする。
【００１３】
〔３〕上記〔２〕記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記基板がスライドガラスからなり、このスライドガラス上にＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）からなる前記弾性部材を接着することを特徴とする。
【００１４】
〔４〕上記〔１〕記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記バルブに加えてこのバルブより小さな寸法のバルブを前記狭窄領域に具備することを特徴とする。
【００１５】
〔５〕上記〔４〕記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記小さな寸法のバルブの動作により捕捉されている微小液滴を保持することにより、前記微小液滴の選択的取り出しを行わせることを特徴とする。
【００１６】
〔６〕上記〔１〕記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、さらに、前記狭窄領域の長さを長くして複数個の微小液滴を捕捉可能にし、前記バルブの動作により微小液滴を捕捉する流体の流れを制御することにより、前記狭窄領域に複数種の微小液滴を任意の順序で任意の個数隣接して捕捉するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、多種類の試料を一度に選択的に配列可能であり、デバイスの再設定も短時間に簡便に行えるため、様々な実験を大量に行う際に更なる効率化を図ることができる。
【００１８】
また、捕捉された微小液滴を選択的に取り出すことができる。
【００１９】
さらに、異なった種類の微小液滴を隣接して捕捉しアレイ化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の模式図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の動作を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の具体例を示す図である。
【図４】本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置において流体圧駆動バルブを駆動した状態を示す図面代用写真である。
【図５】本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の動作を示す図面代用写真である。
【図６】本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置により微小液滴を選択的に捕捉する動作を示す図面代用写真である。
【図７】本発明の第２実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の要部を示す図面代用写真である。
【図８】本発明の第２実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置により微小液滴を選択的に取り出す動作を示す図面代用写真である。
【図９】本発明の第３実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の構成図とその動作を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の設計図である。
【図１１】本発明の第３実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置により配列されたマイクロビーズを示す図面代用写真である。
【図１２】図１１のＡ部拡大図である。
【図１３】本発明に係る駆動部を有する微小液滴の配列装置の流体駆動システムの例を示す図である。
【図１４】従来の光学的アプローチを用いて捕捉された微小液滴を取り出す様子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の駆動部を有する微小液滴の配列装置は、液体が流れるマイクロ流路に連通する狭窄領域を水平方向に複数個配置し、流体中の微小液滴をアレイ化して配置する駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記狭窄領域の後方に連通する微小通路と、前記狭窄領域に捕捉される微小液滴と、前記微小通路の側面に配置される流体圧力によって駆動するバルブとを備え、前記バルブの動作により各捕捉箇所において前記微小液滴を通過させる状態と捕捉させる状態とを選択的に可変にするとともに、前記マイクロ流路に流れる液体の逆流操作及び前記バルブの動作により前記捕捉された微小液滴を前記狭窄領域から一斉に取り出すようにした。
【００２２】
したがって、半導体基板の微細加工技術等をバイオ分野に応用し、小型化と高集積化により細胞等の微小液滴の機能の短時間・自動的かつ網羅的な解析実験を可能とするラボ・オン・チップを提供する。特に、従来技術では困難であった、複数の種類の微小液滴をマイクロ流路内で任意の順序にアレイ化することで個別観察し、解析後の微小液滴を選択的に取り出すことを可能にし、またアレイ化された微小液滴を一括取り出しすることでチップの再利用を可能とする。
【００２３】
なお、本発明において、微小液滴とは、マイクロビーズ、ゲルビーズ、または細胞などの生体セルなどを言う。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２５】
図１は本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の模式図、図２はその配列装置の動作を示す図である。
【００２６】
これらの図において、１は駆動部を有する微小液滴の配列装置、２はマイクロ流路、３はそのマイクロ流路２中の微小液滴の捕捉経路、４はその捕捉経路中の狭窄領域（微小液滴のベッド）、５はマイクロ流路２中のバイパス経路、６は狭窄領域４の後方に配置される制御可能な微小通路、７はその微小通路６に配置される流体圧（空気圧）駆動バルブ、８は微小液滴（マイクロビーズ、ゲルビーズ、または細胞などの生体セル）、９は微小液滴８を運ぶ溶液（流体）、１０は導入口、１１は排出口である。
【００２７】
図１に示すように、本発明の駆動部を有する微小液滴の配列装置１のマイクロ流路２は、メインのバイパス経路５と微小液滴８を捕捉する狭窄領域４を有する捕捉経路３に分かれている。マイクロ流路２の微小液滴８を捕捉する狭窄領域４後方の微小通路６の側壁には、流体（空気）圧力によって駆動する流体圧駆動バルブ７が配置されている。これらのバルブ７は流体（空気）圧の注入口に接続されており、注入口から流体（空気）圧を注入することにより、複数のバルブを同時に駆動することができる。この流体圧駆動バルブ７を備えた微小液滴の配列装置は、標準的なソフトリソグラフィ（上記非特許文献７参照）を用いて製造した。また、この配列装置は、Ｏ2 プラズマ処理によって基板としてのスライドガラスに恒久的に接合されているＰＤＭＳから製造した。
【００２８】
この微小液滴の配列装置では、溶液９の流れる方向と流体圧駆動バルブ７の状態を変えることによって捕捉経路３及びバイパス経路５に流入する溶液の流量を調整し、微小液滴８の捕捉・取り出しを制御するよう構成している。
【００２９】
微小液滴８を捕捉する際は、図２（ａ）に示すように、流体圧駆動バルブ７を動作させない状態で、微小液滴８の含まれた溶液９を導入口１０側から前進方向の流れで流入する。すると、捕捉経路３の流体抵抗は、バイパス経路５の流体抵抗に比べて小さくなるので、捕捉経路３を流れる溶液９の流量が多くなり、微小液滴８は狭窄領域４に捕捉される。
【００３０】
また、図２（ｂ）に示すように、流体圧駆動バルブ７を動作させると、捕捉経路３の流体抵抗が増し、その捕捉経路３に流れ込む溶液９の流量が減少する。そのため、マイクロ流路２の上流から溶液９と共に送られた微小液滴８は、狭窄領域４に捕捉されることなくバイパス経路５に流される。
【００３１】
一方、捕捉した微小液滴９を取り出す場合は、図２（ｃ）に示すように、流体圧駆動バルブ７を動作させたままマイクロ流路２の溶液９を逆流させる。すると、流体圧駆動バルブ７の動作により捕捉経路３の溶液９の流量が減少し、捕捉されていた微小液滴８は取り出される。
【００３２】
このように、狭窄領域４の後方に配置される微小通路６の側壁に設置した流体圧駆動バルブ７の圧力を制御することにより、微小通路６の形状を動的に変化させることができる。それによって捕捉経路３に流れ込む溶液９の流量を制御することが可能となり、微小液滴８を捕捉するか否かを各々の狭窄領域４において自由に選択することができる。また、全ての流体圧駆動バルブ７を駆動させた上で溶液９の流れを逆流させることにより、全ての微小液滴８を狭窄領域４から取り出すことができるので、装置を容易に再利用することができる。
【００３３】
図３は本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の具体例を示す図であり、図３（ａ）はその配列装置の寸法例を示す図、図３（ｂ）はその配列装置のイメージを示す図面代用写真である。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、マイクロ流路２は１１５μｍの径、マイクロ流路２の縦方向の直線部の長さは６００μｍ、マイクロ流路２の横方向の直線部の長さは３１５μｍとなっている。捕捉経路３中の狭窄領域４の高さ及び長さは１１５μｍ、流体圧駆動バルブ７の動作部は幅１８０μｍ，高さ４０μｍ、流体圧駆動バルブ７の操作部の径は２０μｍである。また、微小通路６の高さは８０μｍとなっているが、流体圧駆動バルブ７を駆動することにより変形する。
【００３５】
図３（ｂ）には、製造されたマイクロチャンネルのイメージが示されている。流体圧駆動バルブ７のリークを検出するため、このマイクロチャンネル内に微小液滴としての１μｍのポリスチレンビーズの入った純水を導入したため、流体圧駆動バルブ７に比べてマイクロチャンネルの方が暗く写っている。結果として、この流路内の流体圧駆動バルブにはリークは見られなかった。
【００３６】
図４は本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置において流体圧駆動バルブを駆動した状態を示す図面代用写真であり、図４（ａ）には流体圧駆動バルブに空気圧１００ｋＰａが印加された状態が、図４（ｂ）には空気圧を変化させた場合の流体圧駆動バルブの変位が示されている。
【００３７】
この図に示すように、高い圧力をかけるにつれて流体圧駆動バルブ７の変位は大きくなった。８０ｋＰａの圧力をかけると、流体圧駆動バルブ７はマイクロチャンネルの流路の断面が半減する程度にまで変形した。
【００３８】
図５は本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の動作を示す図面代用写真である。
【００３９】
図４に示した流体圧駆動バルブを用いて、１００μｍのポリスチレンマイクロビーズの捕捉・通過・取り出し（図２参照）の制御を行なった。
【００４０】
図５（ａ）は、微小液滴としての１００μｍのポリスチレンマイクロビーズを捕捉した様子を示しており、図５（ｂ）は流体圧駆動バルブを動作させてマイクロビーズを捕捉せずにバイパス経路へ流す（通過させる）様子を示している。また、図５（ｃ）では、全ての狭窄領域でマイクロビーズを捕捉した後、流体圧駆動バルブを動作させた状態で溶液を逆流させ、マイクロビーズを取り出す様子を示している。
【００４１】
図６は本発明の第１実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置により微小液滴を選択的に捕捉する動作を示す図面代用写真である。
【００４２】
本発明では、２種類の異なる微小液滴を捕捉しアレイ化するため、流体圧駆動バルブを選択的に制御する装置とした。ここでは、マイクロチャンネルの片側に配列される流体圧駆動バルブを一度に制御し、もう一方側に配列される流体圧駆動バルブを別に制御している。
【００４３】
まず、片側〔図６（ａ）の上側〕の流体圧駆動バルブ７Ａのみ動作させて第１のマイクロビーズ８Ａを流入すると、破線で示した第１のマイクロビーズ８Ａは動作していない流体圧駆動バルブ７Ｂの箇所では捕捉され、動作している流体圧駆動バルブ７Ａの箇所では捕捉されない。その後、全ての流体圧駆動バルブ７Ａ，７Ｂを駆動しない状態で第２のマイクロビーズ８Ｂを流すと、マイクロビーズ８Ａが捕捉されなかった残りの箇所に実線で示したマイクロビーズ８Ｂが捕捉される〔図６（ｂ）参照〕。このように選択的に流体圧駆動バルブを駆動させることで異なる種類の微小液滴を自由に配列することができる。
【００４４】
図７は本発明の第２実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の要部を示す図面代用写真である。
【００４５】
上記第１実施例では、一度で全ての微小液滴を取り出すように構成していたが、この第２実施例では微小液滴を選択的に取り出すために、捕捉された微小液滴を保持する小さい流体圧駆動バルブを加えた。
【００４６】
ここでは、図７（ａ）に示すように、狭窄領域の側壁に小さい流体圧駆動バルブ２２が、その狭窄領域の後方の微小通路に大きい流体圧駆動バルブ２１が併設されている。
【００４７】
大きい流体圧駆動バルブ２１を駆動させている時、小さい流体圧駆動バルブ２２は流体抵抗に影響を与えず捕捉されている微小液滴を保持するためだけに働く。
【００４８】
このように構成することで、選択した微小液滴のみを取り出すことができる。
【００４９】
図８は本発明の第２実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置により微小液滴を選択的に取り出す動作を示す図面代用写真である。
【００５０】
図７に示した大小２つの流体圧駆動バルブを備えた微小液滴の配列装置を用いて、異なる２種類の微小液滴を選択的に取り出す動作について説明する。
【００５１】
２種類のマイクロビーズ２３Ａ，２３Ｂをそれぞれ任意の順序に捕捉した後〔図８（ａ）、流体圧駆動バルブ２２Ａを押圧することで第２のマイクロビーズ２３Ｂを保持し〔図８（ｂ）〕、溶液を逆流させて第１のマイクロビーズ２３Ａを取り出す〔図８（ｃ）〕。このように第１のマイクロビーズ２３Ａを取り出した後、同じように第２のマイクロビーズ２３Ｂを取り出すことで、複数種類のマイクロビーズを選択的に取り出すことができる。
【００５２】
図９は本発明の第３実施例を示す駆動部を有する微小液滴の配列装置の構成図とその動作を示す図、図１０はその配列装置の設計図、図１１はその配列装置により配列されたマイクロビーズを示す図面代用写真、図１２は図１１のＡ部拡大図であり、図１１（ａ），図１２（ａ）は明視野観察したもの、図１１（ｂ），図１２（ｂ）は蛍光観察したもの、図１１（ｃ）はそれらを重ね合わせた画像である。
【００５３】
図９及び図１０において、３１は駆動部を有する微小液滴の配列装置、３２はマイクロ流路、３３はマイクロ流路３２中の微小液滴の捕捉経路、３４は捕捉経路３３中の狭窄領域（微小液滴のベッド）、３５はマイクロ流路３２中のバイパス経路、３６は狭窄領域３４の後方に配置される制御可能な微小通路、３７はその微小通路３６に配置される流体圧（空気圧）駆動バルブ、３８Ａ，３８Ｂは微小液滴（マイクロビーズ、ゲルビーズ、または細胞などの生体セル）、３９は微小液滴３８Ａ，３８Ｂを運ぶ溶液（流体）、４０は導入口、４１は排出口である。
【００５４】
この実施例においては、図９（ａ）に示すように、流体圧（空気圧）駆動バルブ３７が動作した状態でも微小液滴が１つずつ捕捉されるように、十分な流量比（Ｑ1 ／Ｑ2 ）を持つ装置を設計した。ここで、Ｑ1 は捕捉経路３３へ流れる溶液３９の流量を示し、Ｑ2 はバイパス経路３５へ流れる溶液３９の流量を示す。 まず、図９（ｂ）に示すように、流体圧（空気圧）駆動バルブ３７を動作した状態で第１の微小液滴３８Ａを狭窄領域３４に捕捉する。この第１の微小液滴３８Ａが捕捉された状態では、微小液滴３８Ａによって捕捉経路３３の流体抵抗が増加し流量比Ｑ1 ／Ｑ2 が減少するため、続く微小液滴３８Ｂは捕捉されない。こうして第１の微小液滴３８Ａを配列した後に、図９（ｃ）に示すように流体圧（空気圧）駆動バルブ３７の動作を止めると、捕捉経路３３の流体抵抗が減少するため微小液滴の狭窄領域３４へ流れ込む溶液３９の流量は再び増加し、導入された第２の微小液滴３８Ｂが捕捉されることになる〔図９（ｄ）〕。このように、１つの微小液滴の狭窄領域（ベッド）３４へ隣接して２種類の微小液滴３８Ａ，３８Ｂを配列することができる。
【００５５】
上記の第３実施例に示す駆動部を有する微小液滴の配列装置３１は、図１０に示すように設計される。特に、微小液滴の捕捉経路３３の狭窄領域３４の長さは２１５μｍとし、図３に示す配列装置より１００μｍ長くなるようにして、複数個の微小液滴を収容できるようにしている。また、バイパス経路３５は蛇行させており、図３に示す配列装置より流量比Ｑ1 ／Ｑ2 が大きくなるようにしている。その他の寸法は、図３のものと同様である。
【００５６】
図１１にこの配列装置によって２種類のマイクロビーズが捕捉された状態が示されており、図１１のＡ部が拡大されて、図１２に示されている。ここでは、直径１００μｍのポリスチレンビーズ４２Ａを最初に捕捉し、赤色で蛍光染色したポリスチレンビーズ４２Ｂを続けて捕捉した。図１２に示すように、異なった２種類のマイクロビーズを１つの狭窄領域に隣接した状態で配列することができる。
【００５７】
図１３は本発明に係る駆動部を有する微小液滴の配列装置の流体駆動システムの例を示す図である。
【００５８】
上記した図１〜図１２の駆動部を有する微小液滴の配列装置の流体駆動システムでは、マイクロチャンネルの上側に配列される流体圧駆動バルブと下側に配列される流体圧駆動バルブとに分けて制御可能にした例を示したが、図１３に示すように、流体圧駆動バルブの駆動源５１，５２，５３，５４をそれぞれ制御可能なように個別に制御装置５０に接続するように構成することができる。
【００５９】
このように構成することにより、流体圧駆動バルブは制御装置５０からの動作指令に基づいて選択的に動作・不動作の制御を行うことができ、微小液滴の捕捉・取り出しを任意のバルブ位置で自由に行わせることができる。
【００６０】
なお、上記実施例では説明の都合上２次元的な形状の記載をしているが、３次元的な形状が含まれることは言うまでもない。
【００６１】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の駆動部を有する微小液滴の配列装置は、多種の微小液滴を任意の順序でアレイ化することにより、多種の試料である微小液滴を同じ環境下で実験を行うことができる。
【００６３】
また、多種の微小液滴を選択的に隣接してアレイ化することが可能なため、多種の微小液滴間の相互作用等の実験を行うことができる。
【００６４】
さらに、創薬や診断を各種の態様で短時間で安価に行えるプラットホームとして利用可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１，３１ 駆動部を有する微小液滴の配列装置
２，３２ マイクロ流路
３，３３ 微小液滴の捕捉経路
４，２４，３４ 狭窄領域（微小液滴のベッド）
５，３５ バイパス経路
６，２６，３６ 微小通路
７，７Ａ，７Ｂ，３７ 流体圧（空気圧）駆動バルブ
８，２３，３８，３８Ａ，３８Ｂ 微小液滴（マイクロビーズ、ゲルビーズ、または細胞などの生体セル）
８Ａ，２３Ａ 第１のマイクロビーズ
８Ｂ，２３Ｂ 第２のマイクロビーズ
９，３９ 溶液（流体）
１０，４０ 導入口
１１，４１ 排出口
２１，２１Ａ，２１Ｂ 大きい流体圧駆動バルブ
２２，２２Ａ，２２Ｂ 小さい流体圧駆動バルブ
４２Ａ，４２Ｂ ポリスチレンビーズ
５０ 制御装置
５１，５２，５３，５４ 流体圧制御バルブの駆動源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体が流れるマイクロ流路に連通する狭窄領域を水平方向に複数個配置し、流体中の微小液滴をアレイ化して配置する駆動部を有する微小液滴の配列装置において、
（ａ）前記狭窄領域の後方に連通する微小通路と、
（ｂ）前記狭窄領域に捕捉される微小液滴と、
（ｃ）前記微小通路の側面に配置される流体圧力によって駆動するバルブとを備え、
（ｄ）前記バルブの動作により各捕捉箇所において前記微小液滴を通過させる状態と捕捉させる状態とを選択的に可変にするとともに、前記マイクロ流路に流れる液体の逆流操作及び前記バルブの動作により前記捕捉された微小液滴を前記狭窄領域から一斉に取り出すことを特徴とする駆動部を有する微小液滴の配列装置。
【請求項２】
請求項１記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記微小通路の底部を基板、側部を弾性部材で形成することを特徴とする駆動部を有する微小液滴の配列装置。
【請求項３】
請求項２記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記基板がスライドガラスからなり、該スライドガラス上にＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）からなる前記弾性部材を接着することを特徴とする駆動部を有する微小液滴の配列装置。
【請求項４】
請求項１記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記バルブに加えて該バルブより小さな寸法のバルブを前記狭窄領域に具備することを特徴とする駆動部を有する微小液滴の配列装置。
【請求項５】
請求項４記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記小さな寸法のバルブの動作により捕捉されている微小液滴を保持することにより、前記微小液滴の選択的取り出しを行わせることを特徴とする駆動部を有する微小液滴の配列装置。
【請求項６】
請求項１記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、さらに、前記狭窄領域の長さを長くして複数個の微小液滴を捕捉可能にし、前記バルブの動作により微小液滴を捕捉する流体の流れを制御することにより、前記狭窄領域に複数種の微小液滴を任意の順序で任意の個数隣接して捕捉するようにしたことを特徴とする駆動部を有する微小液滴の配列装置。
【請求項１】
液体が流れるマイクロ流路に連通する狭窄領域を水平方向に複数個配置し、流体中の微小液滴をアレイ化して配置する駆動部を有する微小液滴の配列装置において、
（ａ）前記狭窄領域の後方に連通する微小通路と、
（ｂ）前記狭窄領域に捕捉される微小液滴と、
（ｃ）前記微小通路の側面に配置される流体圧力によって駆動するバルブとを備え、
（ｄ）前記バルブの動作により各捕捉箇所において前記微小液滴を通過させる状態と捕捉させる状態とを選択的に可変にするとともに、前記マイクロ流路に流れる液体の逆流操作及び前記バルブの動作により前記捕捉された微小液滴を前記狭窄領域から一斉に取り出すことを特徴とする駆動部を有する微小液滴の配列装置。
【請求項２】
請求項１記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記微小通路の底部を基板、側部を弾性部材で形成することを特徴とする駆動部を有する微小液滴の配列装置。
【請求項３】
請求項２記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記基板がスライドガラスからなり、該スライドガラス上にＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）からなる前記弾性部材を接着することを特徴とする駆動部を有する微小液滴の配列装置。
【請求項４】
請求項１記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記バルブに加えて該バルブより小さな寸法のバルブを前記狭窄領域に具備することを特徴とする駆動部を有する微小液滴の配列装置。
【請求項５】
請求項４記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、前記小さな寸法のバルブの動作により捕捉されている微小液滴を保持することにより、前記微小液滴の選択的取り出しを行わせることを特徴とする駆動部を有する微小液滴の配列装置。
【請求項６】
請求項１記載の駆動部を有する微小液滴の配列装置において、さらに、前記狭窄領域の長さを長くして複数個の微小液滴を捕捉可能にし、前記バルブの動作により微小液滴を捕捉する流体の流れを制御することにより、前記狭窄領域に複数種の微小液滴を任意の順序で任意の個数隣接して捕捉するようにしたことを特徴とする駆動部を有する微小液滴の配列装置。
【図１】
【図２】
【図９】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図９】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１６９５５１（Ｐ２０１０−１６９５５１Ａ）
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２６７４（Ｐ２００９−１２６７４）
【出願日】平成２１年１月２３日（２００９．１．２３）
【出願人】（８０１００００４９）財団法人生産技術研究奨励会 (72)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２３日（２００９．１．２３）
【出願人】（８０１００００４９）財団法人生産技術研究奨励会 (72)
【Ｆターム（参考）】
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