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技術 湿潤状態維持アルゴリズムを備えた粒子操作システム

出願人 アウルバイオメディカルインコーポレイテッド
発明者 ジョンフォスターニコラスマルティネスケヴィンシールズジャクリンケイ.スポング
出願日 2015年1月29日 (4年9ヶ月経過) 出願番号 2015-015629
公開日 2015年9月10日 (4年2ヶ月経過) 公開番号 2015-163395
状態 特許登録済
技術分野 物理的、化学的プロセスおよび装置 粒子の特徴の調査 微生物・酵素関連装置
主要キーワード 電気的属性 磁気機構 光学的属性 磁気透過性材料 分離経路 マイクロメカニカルシステム 出発流 磁束源
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年9月10日)のものです。
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図面 (9)

課題

改善された粒子操作装置およびこれを用いた粒子操作方法を提供する。

解決手段

粒子操作装置と、サンプル流体が流れる、粒子操作装置の上流の1つ以上の微細加工入力チャネル、および、サンプル流体が流れる、粒子操作装置の下流の1つ以上の微細加工出力チャネルと、1つ以上の微細加工チャネル内の乾燥状態または間近の乾燥状態を検出し、当該状態を検出したときに信号を発するセンサと、1つ以上の微細加工入力チャネルと1つ以上の微細加工出力チャネルとの間の制御された順方向の流れを確立し、次いで、センサから信号を受信したとき、1つ以上の微細加工出力チャネルと1つ以上の微細加工入力チャネルとの間の流れを逆転させる、流体制御手段と、を備えた粒子操作システム

概要

背景

マイクロメカニカルシステムMEMS)は、半導体装置の製造に用いられるような表面リソグラフィまたはバルクリグラフィ処理技術を用いて基板上に作成された、非常に微細な、多くの場合可動の構造である。MEMS装置は、たとえば、数ミクロンから数百ミクロンという特徴的なサイズの、可動なアクチュエータセンサバルブピストンまたはスイッチなどである。たとえば、可動なMEMSスイッチは、1つ以上の入力端子を1つ以上の出力端子に接続するために用いられる(これら全ては1つの基板上に微細加工により形成される)。可動なMEMS装置用の作動手段は、たとえば、熱、圧電静電または磁気を用いるものである。MEMS装置は、たとえば、MEMS装置の側を通るまたはMEMS装置内を通る流体の流れの中の流体を操作する。

このような粒子操作装置は、たとえば、MEMS可動バルブであり、これは流体の流れから種々の粒子を、たとえば、血液から細胞を分離(ソーティング)するための分離機構部として用いることができる。たとえば、粒子は、加圧下で流れる、マイクロチャネル内に収容された流体の流れの中で分離装置輸送される。MEMS分離装置に達すると、分離装置は、対象粒子たとえば血液幹細胞別個容器に向かわせ、残りの流体の流れを廃棄容器に向かわせる。

MEMSに基づく細胞ソータステムは、フローサイトメータとして知られる、既存の蛍光活性細胞分離システムFACS)における改善として提案されている。フローサイトメータは、対象細胞に付されたタグからの蛍光信号に基づいて細胞を分離(ソート)する、通常大型で、高価なシステムである。細胞は、シース液中に希釈、懸濁され、ノズルを通した高速圧縮によって個別の小滴に分けられる。ノズルから射出された後、小滴は、タグからの蛍光信号に基づいて、異なるビンに静電的に分離される。これらのシステムに関する問題は、圧縮によって細胞が損傷しまたは機能が失われること、サンプル間の滅菌処理が困難で高コストであること、異なるパラメタに従う部分母集団を分離できないこと、これらの大型で高価な設備の各部を所有し、作動させ、維持するために実質的な訓練が必要なことである。少なくともこれらの理由から、フローサイトメータの使用は大規模病院および研究所に制限されており、この技術は小規模施設では利用されていない。

MEMSに基づく細胞ソータは、少なくともサイズ、コストおよび複雑さに関して、既存のFACSフローサイトメータに対して実質的なメリットを有しうる。このようなMEMSに基づく細胞分離装置に関して、多くの特許が認められている。たとえば、特許文献1はMEMSに基づく細胞分離装置に関し、特許文献2はMEMSに基づく細胞分離装置のためのマイクロメカニカルアクチュエータに関している。特許文献3はMEMSに基づく細胞分離装置が作成された光学構造に関し、特許文献4は、MEMSに基づく粒子分離システムを作動する作動機構に関する。これらの特許は参照による本明細書中に含まれる。

このような粒子分離装置は、流体の流れを通る粒子に対して何らかの操作を実行可能な粒子操作システムのより広いカテゴリの例である。流体の流れは標的粒子だけでなく、非標的物質も含みうる。操作とは、たとえば、標的粒子に、電荷を加え、力を加え、電界を用い、または、レーザ光を用いることである。その目的は、たとえば、標的粒子を識別し、変化させ、または、破壊することである。あるいは、その目的は、たとえば、非標的物質から標的粒子を区別し、および/または、これらを流体の流れの他のものから分離することである。

概要

改善された粒子操作装置およびこれを用いた粒子操作方法を提供する。粒子操作装置と、サンプル流体が流れる、粒子操作装置の上流の1つ以上の微細加工入力チャネル、および、サンプル流体が流れる、粒子操作装置の下流の1つ以上の微細加工出力チャネルと、1つ以上の微細加工チャネル内の乾燥状態または間近の乾燥状態を検出し、当該状態を検出したときに信号を発するセンサと、1つ以上の微細加工入力チャネルと1つ以上の微細加工出力チャネルとの間の制御された順方向の流れを確立し、次いで、センサから信号を受信したとき、1つ以上の微細加工出力チャネルと1つ以上の微細加工入力チャネルとの間の流れを逆転させる、流体制御手段と、を備えた粒子操作システム。

目的

その目的は、たとえば、標的粒子を識別し、変化させ、または、破壊することである

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
0件

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請求項1

粒子操作システムであって、粒子操作装置と、サンプル流体が流れる、前記粒子操作装置の上流の1つ以上の微細加工入力チャネル、および、サンプル流体が流れる、前記粒子操作装置の下流の1つ以上の微細加工出力チャネルと、1つ以上の前記微細加工チャネル内の乾燥状態または間近の乾燥状態を検出し、当該状態を検出したときに信号を発するセンサと、前記1つ以上の微細加工入力チャネルと前記1つ以上の微細加工出力チャネルとの間の制御された順方向の流れを確立し、次いで、前記センサから前記信号を受信したとき、前記1つ以上の微細加工出力チャネルと前記1つ以上の微細加工入力チャネルとの間の流れを逆転させる、流体制御手段と、を備えている、ことを特徴とする粒子操作システム。

請求項2

前記粒子操作装置は、基板表面上に形成された微細加工粒子分離機構部を備えており、前記サンプル流体は、標的粒子および非標的物質を含んでいる、請求項1記載の粒子操作システム。

請求項3

前記微細加工粒子分離機構部は、力に応じて、標的粒子を、前記微細加工入力チャネルから1つの微細加工分離出力チャネルに向かわせるように動き、前記粒子分離機構部の前記標的粒子の向きを変える動きは、実質的に前記基板表面に平行な平面内である、請求項2記載の粒子操作システム。

請求項4

記入力チャネル内の流れは、前記微細加工分離出力チャネル内の流れに実質的に逆平行であり、前記力は磁力であり、廃棄出力チャネルは前記入力チャネルおよび前記分離出力チャネルに対して直交しており、前記センサから前記信号が受信されたとき、前記流体制御手段によって前記廃棄チャネルおよび前記入力チャネルとの間で流れが逆転される、請求項3記載の粒子操作システム。

請求項5

前記微細加工粒子分離機構部はさらに、前記微細加工粒子分離機構部内に内包された透過性磁性材料と、前記微細加工粒子分離機構部の外部の磁束の源と、前記微細加工粒子分離機構部が形成された基板と、を備えており、前記磁束は、前記微細加工粒子分離機構部を動かすよう、前記内包された透過性磁性材料と相互作用し、前記微細加工粒子分離機構部は、前記磁束の源が活性化されたとき、第1位置から第2位置に動く、請求項2記載の粒子操作システム。

請求項6

前記センサは、1つ以上の前記微細加工チャネル内の、流体圧力光学特性、粘度、キャパシタンスおよび流体抵抗の1つ以上に基づいて乾燥状態または間近の乾燥状態を検出する、請求項1記載の粒子操作システム。

請求項7

前記センサは、入力レザバ、分離レザバないしは廃棄レザバの状態、または、これらのレザバと前記粒子操作装置との間のチャネルの状態、または、分離時間持続時間、または、前記システムが記録した事象の数、の1つ以上に基づいて、前記乾燥状態または間近の乾燥状態を検出する、請求項1記載の粒子操作システム。

請求項8

前記粒子分離機構部が前記第1位置にあるとき、前記微細加工入力チャネルと廃棄チャネルとの間に流路が形成され、前記粒子分離機構部が前記第2位置にあるとき、前記微細加工入力チャネルと前記微細加工分離出力チャネルとの間に流路が形成される、請求項3記載の粒子操作システム。

請求項9

前記流体制御手段は、前記第1位置にある前記微細加工粒子分離機構部での流体の方向を逆転させる、請求項8記載の粒子操作システム。

請求項10

前記流体制御手段は、前記第2位置にある前記微細加工粒子分離機構部での流体の方向を逆転させる、請求項8記載の粒子操作システム。

請求項11

通常分離の間に順方向の流れ方向を維持するように前記流体制御手段を制御し、前記センサから前記信号を受信したとき、前記流体の方向を逆転させるコントローラをさらに備えている、請求項2記載の粒子操作システム。

請求項12

前記センサから前記信号を受信したとき、前記コントローラは湿潤状態維持アルゴリズム呼び出す、請求項11記載の粒子操作システム。

請求項13

前記湿潤状態維持アルゴリズムは、検査レーザの出力の低下、変更または停止、電源の出力の低下、変更または停止、ポンプの出力の低下、停止または逆転、音声アラーム発声、警告メッセージ送出の1つ以上を含む、請求項12記載の粒子操作システム。

請求項14

粒子操作装置を用いた粒子操作方法であって、粒子操作装置を設けるステップと、前記粒子操作装置の上流の1つ以上の微細加工入力チャネル、および、前記粒子操作装置の下流の1つ以上の微細加工出力チャネルを設けるステップと、通常動作の間、微細加工入力チャネルを介して、前記1つ以上の微細加工出力チャネルに流体を流すステップと、微細加工チャネルが乾燥しているか、または、乾燥間近であるかを検知するステップと、乾燥状態を示す信号を出力するステップと、前記信号を受信したときに、前記1つ以上の微細加工入力チャネルと前記1つ以上の微細加工出力チャネルとの間の前記流れを逆転させるステップと、を含む方法。

請求項15

前記粒子操作装置は、基板表面上に形成された微細加工粒子分離機構部を備えており、前記サンプル流体は、標的粒子および非標的物質を含んでいる、請求項14記載の方法。

請求項16

前記微細加工粒子分離機構部は、力に応じて標的粒子を微細加工入力チャネルから微細加工分離出力チャネルへの向きを変えるよう動き、前記標的粒子の向きを変える前記粒子分離機構部の動きは、実質的に前記基板表面に平行な面内にあり、前記微細加工粒子分離機構部は、前記力がかかったときに、前記粒子の向きを変えるよう、第1位置から第2位置に動く、請求項15記載の方法。

請求項17

前記入力チャネル内の流れは、前記分離出力チャネル内の流れに実質的に逆平行であり、前記力は磁力であり、廃棄出力チャネルは前記入力チャネルおよび前記分離出力チャネルに実質的に直交しており、前記信号を前記センサから受信したとき、前記廃棄チャネルと前記入力チャネルとの間の流れを逆転する、請求項16記載の方法。

請求項18

検査レーザの出力の低下、変更または停止;電源の出力の低下、変更または停止;ポンプの出力の低下、停止または逆転;音声警告の発生;および警告メッセージの送出の1つ以上のステップをさらに含む、請求項14記載の方法。

請求項19

前記のマイクロ流体チャネルが乾燥間近であることの検知は、1つ以上の微細加工チャネル内の流体圧力、光学特性、粘度、キャパシタンス、流体抵抗の1つ以上の変化、または、前記サンプルの量がほぼ枯渇していることを検知するステップを含む、請求項14記載の方法。

請求項20

前記流体制御手段は、前記第1位置にある前記微細加工粒子分離機構部での流体の流れの方向を逆転させる、請求項17記載の方法。

技術分野

0001

関連出願の相互参照
本願は、2013年12月12日に出願された米国特許出願第14/104,084(代理人整理番号:Owl−Backflow)に関連するものであり、当該出願は参照により含まれる。

0002

政府支援研究に関する記載
無し。

0003

マイクロフィッシュの添付に関する記載
無し。

0004

本発明は、微細加工流体チャネル内の微小粒子を操作するシステムおよび方法に関する。

背景技術

0005

マイクロメカニカルシステムMEMS)は、半導体装置の製造に用いられるような表面リソグラフィまたはバルクリグラフィ処理技術を用いて基板上に作成された、非常に微細な、多くの場合可動の構造である。MEMS装置は、たとえば、数ミクロンから数百ミクロンという特徴的なサイズの、可動なアクチュエータセンサバルブピストンまたはスイッチなどである。たとえば、可動なMEMSスイッチは、1つ以上の入力端子を1つ以上の出力端子に接続するために用いられる(これら全ては1つの基板上に微細加工により形成される)。可動なMEMS装置用の作動手段は、たとえば、熱、圧電静電または磁気を用いるものである。MEMS装置は、たとえば、MEMS装置の側を通るまたはMEMS装置内を通る流体の流れの中の流体を操作する。

0006

このような粒子操作装置は、たとえば、MEMS可動バルブであり、これは流体の流れから種々の粒子を、たとえば、血液から細胞を分離(ソーティング)するための分離機構部として用いることができる。たとえば、粒子は、加圧下で流れる、マイクロチャネル内に収容された流体の流れの中で分離装置輸送される。MEMS分離装置に達すると、分離装置は、対象粒子たとえば血液幹細胞別個容器に向かわせ、残りの流体の流れを廃棄容器に向かわせる。

0007

MEMSに基づく細胞ソータシステムは、フローサイトメータとして知られる、既存の蛍光活性細胞分離システムFACS)における改善として提案されている。フローサイトメータは、対象細胞に付されたタグからの蛍光信号に基づいて細胞を分離(ソート)する、通常大型で、高価なシステムである。細胞は、シース液中に希釈、懸濁され、ノズルを通した高速圧縮によって個別の小滴に分けられる。ノズルから射出された後、小滴は、タグからの蛍光信号に基づいて、異なるビンに静電的に分離される。これらのシステムに関する問題は、圧縮によって細胞が損傷しまたは機能が失われること、サンプル間の滅菌処理が困難で高コストであること、異なるパラメタに従う部分母集団を分離できないこと、これらの大型で高価な設備の各部を所有し、作動させ、維持するために実質的な訓練が必要なことである。少なくともこれらの理由から、フローサイトメータの使用は大規模病院および研究所に制限されており、この技術は小規模施設では利用されていない。

0008

MEMSに基づく細胞ソータは、少なくともサイズ、コストおよび複雑さに関して、既存のFACSフローサイトメータに対して実質的なメリットを有しうる。このようなMEMSに基づく細胞分離装置に関して、多くの特許が認められている。たとえば、特許文献1はMEMSに基づく細胞分離装置に関し、特許文献2はMEMSに基づく細胞分離装置のためのマイクロメカニカルアクチュエータに関している。特許文献3はMEMSに基づく細胞分離装置が作成された光学構造に関し、特許文献4は、MEMSに基づく粒子分離システムを作動する作動機構に関する。これらの特許は参照による本明細書中に含まれる。

0009

このような粒子分離装置は、流体の流れを通る粒子に対して何らかの操作を実行可能な粒子操作システムのより広いカテゴリの例である。流体の流れは標的粒子だけでなく、非標的物質も含みうる。操作とは、たとえば、標的粒子に、電荷を加え、力を加え、電界を用い、または、レーザ光を用いることである。その目的は、たとえば、標的粒子を識別し、変化させ、または、破壊することである。あるいは、その目的は、たとえば、非標的物質から標的粒子を区別し、および/または、これらを流体の流れの他のものから分離することである。

先行技術

0010

米国特許第6,838,056号
米国特許第7,264,972号
米国特許第7,220,594号
米国特許第7,229,838号

課題を解決するための手段

0011

全てでなくとも多くの微細加工操作装置は、微細なマイクロ流体チャネルによって、サンプル流体上流入力チャネルから粒子操作装置を通して出力チャネルの下流に運ぶマイクロ流体装置を用い、流体が任意の種類の粒子を含む場合、マイクロ流体チャネルの内部が湿潤化し、その後に乾燥することにより、マイクロ流体チャネルの壁に粒子が非常に強く付着してしまうことがある。これは、血液や細胞懸濁液などの生物由来物質に特に当てはまる物質の付着は不所望の、そして場合によって元に戻せない装置の変化をもたらしうる。不所望の変化には、その後の流体抵抗の増大、その後に装置に導入されるすべてのサンプルの汚染や、装置内の流れパターンの変化などがある。ここに開示されるように、この結果は、「乾燥(run-dry)」状態を検出し、対応して、「湿潤状態維持(stay-wet)」アルゴリズム呼び出すセンサの使用によって回避できる。湿潤状態維持アルゴリズムは、装置が湿潤状態を維持し、または、そうでなければ流れの停止による損害を確実に避ける手段を有しうる。

0012

したがって、粒子操作システムは、
粒子操作装置と、
サンプル流体が流れる、粒子操作装置の上流の1つ以上の微細加工入力チャネル、および、サンプル流体が流れる、粒子操作装置の下流の1つ以上の微細加工出力チャネルと、
1つ以上の微細加工入力チャネルおよび1つ以上の微細加工出力チャネルの1つ以上の内の乾燥状態または間近の乾燥状態(dry or imminently dry condition)を検出し、当該状態を検出したときに信号を発するセンサと、
1つ以上の微細加工入力チャネルと1つ以上の微細加工出力チャネルとの間の制御された順方向の流れを確立し、センサから信号を受信したとき、1つ以上の微細加工出力チャネルと1つ以上の微細加工入力チャネルとの間の流れを逆転させる、流体制御手段と、
を備えている。

0013

一実施形態では、湿潤状態維持システムを用いた微細加工操作システムは、マイクロ流体チャネルと、微細加工(MEMS)細胞分離装置とを有してよく、微細な微細加工バルブが1つ以上の標的粒子をサンプル流の他の成分から分離する。細胞分離装置は、標的粒子が存在することを信号が示すとき、粒子流を1つのチャネルから別のチャネルへと向きを変えることができる。この信号は、標的粒子に付され、細胞分離装置の上流の検査領域におけるレーザ照射によって励起した蛍光タグからの光子であってもよい。すなわち、細胞分離装置は、微細加工流体チャネルに閉じ込められた流体サンプルについて作動するが、FACSフローサイトメータと類似した検出手段を用いる、粒子ソータまたは細胞ソータであってよい。このようなシステムは、乾燥センサおよびコントローラを備えてよく、コントローラは、乾燥検出器からマイクロチャネルが乾燥している、または、乾燥間近である(are, or imminently will be, running dry)ことを示す信号を受信すると、湿潤状態維持アルゴリズムを呼び出す。

0014

別の実施形態では、微細加工粒子操作システムは、1つの入力サンプル流、および、2つ以上の出力チャネルすなわち標的粒子用の分離チャネルおよび非標的粒子用の廃棄チャネルを有する微細加工バルブを用いる分離機であってよい。微細加工バルブは、基板表面上に形成されていてよく、該表面に実質的に平行な平面内で動きうる。しかし、1つ以上の微細加工流体チャネルは、この平面から外に向けられていてよく、当該チャネル内の流体は入力チャネル内の流体と同一平面内を流れない。このバルブは、流体の流れの他の成分から標的細胞(たとえば、がん細胞、精子細胞幹細胞)を分離しうる。微細加工バルブは、磁気的にまたは電磁気的に作動し、チャネル内の標的細胞の方向に応じて流れの向きを変えうる。バルブは、廃棄チャネルではなく、分離チャネルに流れの向きを変える。湿潤状態維持粒子分離システムは、特に、この平面外のバルブを利用しうる。というのも、平面外のバルブの構造は特に、微細加工装置を通る流体の逆方向(後方へ)の流れに対して低抵抗を有するからである。前述のように、この微細加工バルブを用いたシステムは、乾燥センサおよびコントローラを備えてもよく、コントローラは乾燥検出器から、マイクロチャネルが乾燥しているか、または乾燥間近であることを示す信号を受信すると湿潤状態維持アルゴリズムを呼び出す。

0015

多くの異なる種類の検知機構を、任意の数の作用に基づいて乾燥状態の感知に用いることができる。このような作用には、少し挙げれば、装置が湿潤状態から乾燥状態になるときに変化しうる、キャパシタンス電圧、圧力、機械的力、音響、流体ポンプ特性、光学特性が含まれる。代わりに、細胞ソータなどのデータ記録装置において、データ自体が、いつシステムが乾燥しそうであるかを示す場合があり、システムは、その後、湿潤状態維持アルゴリズムを呼び出す。別の代替例では、流体レザバの状態が流体供給枯渇予期するためにモニタされてもよい。湿潤状態維持アルゴリズムは全ての流路が湿潤状態となるまでの、装置内の流れの逆転を含みうる。さらに、湿潤状態維持アルゴリズムは、検査レーザの出力の低下、変更または停止;電源出力の低下、変更または停止;ポンプ出力の低下、停止または逆転;音声アラーム発声;およびコンピュータモニタへの警告メッセージ送出を含みうる。

0016

これらのおよび他の特徴ならびに利点は、以下の詳細な説明に記載されるか、または、これより明らかである。

0017

種々の詳細例が以下の図面を参照して記載されている。

図面の簡単な説明

0018

aは、順方向の流れにある、乾燥検出器を設けた湿潤状態維持微細加工粒子分離システムの簡略化した図である;bは、逆方向の流れにある、乾燥検出器を設けた湿潤状態維持微細加工粒子分離システムの簡略化した図である。
aは、順方向の流れにある、乾燥検出器を設けた湿潤状態維持微細加工粒子操作システムの簡略化した図である;bは、逆方向の流れにある、乾燥検出器を設けた湿潤状態維持微細加工粒子操作システムの簡略化した図である。
aは、第1位置にある平面外バルブと乾燥検出器を設けた湿潤状態維持微細加工粒子分離システムの簡略化した図である;bは、第2(分離)位置にある平面外バルブと乾燥検出器を設けた湿潤状態維持微細加工粒子分離システムの簡略化した図である。
aは、入力チャネルに乾燥検出器と平面外バルブを設けた湿潤状態維持微細加工粒子分離システムの、流体バルブが第1位置にあり、サンプル入力チャネルと廃棄チャネルとの間で逆方向の流れがある場合の、簡略化した図である;bは、入力チャネルに乾燥検出器と平面外バルブを設けた湿潤状態維持微細加工粒子分離システムの、流体バルブが第2位置にあり、サンプル入力チャネルと廃棄チャネルとの間で逆方向の流れがある場合の、簡略化した図である。
aは、同じ入力チャネル内に平面外バルブと乾燥検出器とを設けた湿潤状態維持微細加工粒子分離システムの簡略化した図である;bは、分離チャネル内に平面外バルブと乾燥検出器を設けた湿潤状態維持微細加工粒子分離システムの簡略化した図である;cは、廃棄チャネル内に平面外バルブと乾燥検出器を設けた湿潤状態維持微細加工粒子分離システムの簡略化した図である;dは、システムの広い領域をカバーする視野を有する乾燥検出器と平面外バルブを備えた湿潤状態維持微細加工粒子分離システムの簡略化した図である
湿潤状態維持検出器および制御構成を含む微細加工粒子分離システムの簡略化した図である。
a、bおよびcは、空気式の流体制御手段の駆動に使用可能な制御波形の例である。
本発明の実施形態に係る微細加工粒子操作システムと組み合わせて使用可能な、湿潤状態維持アルゴリズムのフローチャートの例である。

実施例

0019

本明細書中に記載されるシステムは、上述の特許文献に開示されるような、マイクロチャネル構造を使用可能な粒子操作システムである。より包括的には、本システムおよび方法は、センサまたは検出器がマイクロチャネル内部の乾燥状態または間近の乾燥状態を検出したときに呼び出される湿潤状態維持アルゴリズムを備える粒子操作システムである。乾燥状態または間近の乾燥状態の検出は、1つ以上の微細加工チャネル内の流体圧力、光学特性、粘度、キャパシタンス、音響および流体抵抗に基づいてよい。代替的に、乾燥センサがデータ記録システムの一部であり、システムがいつ乾燥しそうかをデータ自体が示し、システムがその後湿潤状態維持アルゴリズムを呼び出してもよい。別の代替例では、流体供給の枯渇を予測するために、流体レザバの状態がモニタされてもよい。湿潤状態維持アルゴリズムは、乾燥状態または間近の乾燥状態を避けるまたは緩和するための1つ以上のステップ、たとえば、流体の流れの逆転およびレーザおよび電源の停止を含みうる。

0020

以下で説明する図面中、同様の参照番号は、同様の構造を示し、この新規な装置の重要な特徴が明確にわかるように、構造は詳細の様々なレベルで示されている。

0021

図1aは、マイクロ流体チャネルを用いたMEMSに基づく粒子操作システム1の概略図であり、これにおいては、マイクロ流体チャネルが湿潤状態に常に維持される。本システムは、たとえば、第1のチャネル120と、検出器101と、粒子操作段10と、出力チャネル122とを有する。粒子操作段10は、サンプル流120中の粒子を変化させ、破壊し、または、検出する装置を備えてよい。粒子操作段10および第1のチャネル120の下流には、1つ以上の出力チャネル122が配置されている。第1のチャネル120および第2のチャネル122のそれぞれは、第1の圧力源Aおよび第2の圧力源Bに接続されている。入力チャネル120に接続された入力流体レザバ、および、出力チャネル122に接続された出力流体レザバが設けられていてもよい。参照番号120は、入力レザバおよび/または接続された入力チャネルを指し、参照番号122は出力レザバおよび/または接続された出力チャネルを指しうる。

0022

一実施形態では、第1のマイクロ流体チャネル120はサンプル流を入力レザバから粒子操作段10に方向付ける入力チャネル120であってよい。マイクロ流体チャネル120内の流体の流れは、さらに、乾燥検出器101を通過して流れてもよい。この領域において、センサまたは検出器101は入力チャネル内で生じている乾燥状態または間近の乾燥状態を検出する。検出器は、任意の数の特性における変化に基づいてこの状態を検出し、この特性には、検出器101の領域内のチャネルの光学的、電気的、圧力、粘度、キャパシタンス、音響、流体抵抗、または、他の特性が含まれる。出力チャネル122は、流れを粒子操作段10から出力レザバ122に方向付けることができる。

0023

一実施形態では、検出器101は、粒子操作段10が形成される基板材料に依存して、境界ガラス液体からガラス/空気に、または、シリコン/液体からシリコン/空気に移行する際に生じる反射率の変化を検出する光学センサまたはカメラである。別の実施形態では、検出器101は、ポンプ特性をモニタし、マイクロチャネル内に空気または環境ガスが入った結果としての、電力消費出力量デューティサイクルまたはポンプの他の特性の変化を検出する。したがって、センサ101は図1a中でマイクロ流体流路120に関連して示されているが、代替的に、センサは、マイクロチャネル120ではなく、別のマイクロ流体チャネルに、または、流体制御手段または制御コンピュータに結合されてよく、この記載は例示に過ぎない。

0024

1つの例示的実施形態では、粒子操作段10は、標的粒子に変化を与えてもよい。以下で説明する別の例示的実施形態では、操作段10は、標的粒子を非標的粒子とは異なる流路内へと向きを変えるアクチュエータであってよい。

0025

図1bは、リソグラフィにより形成されたマイクロ流体チャネルを用いたMEMSに基づく粒子操作システム1の概略図であり、これにおいては、マイクロ流体チャネルは湿潤状態に常に維持される。図1bでは、湿潤状態維持アルゴリズムが呼び出されている。図1aと同じく、システムは、第1のチャネル120と、乾燥検出器101と、粒子操作段10と、出力チャネル122とを有しており、第1のチャネル120および第2のチャネル122のそれぞれは、第1の圧力源Aおよび第2の圧力源Bと接続されている。図1bにおいて、第2の圧力源Bは、第1の圧力源Aよりも大きく、流体はシステムを通って逆方向に流れる。乾燥検出器101が粒子操作システム内の乾燥状態または間近の乾燥状態を検出し、湿潤状態維持アルゴリズムを呼び出す信号が出力された結果として、圧力が逆転されている。圧力と流れの逆転によって、流体は出力レザバ122から入力レザバ120へと逆方向に流れる。流れの逆転は、上述のような元に戻らない変化を避けるために、チャネル壁再湿潤化するよう働く。作業者がたとえばサンプル流体を補充し、または、サンプルレザバにバッファ流体を加えることによって状態を修正することができるまで、湿潤状態維持アルゴリズムは操作システム内にただ保存される多量の流体を要求する。また、逆方向の流れは、粒子操作段10の用途および性質に依存して、乾燥状態の有害な影響を低下または最少化する他の手段によって実現されてもよい。このような付加的なステップには、検査レーザの出力の低下、変更または停止、ポンプ出力の停止、低下、逆転、音声アラームの発声、コンピュータモニタへの警告メッセージの送出が含まれうる。湿潤状態維持アルゴリズムの正確な詳細は、粒子操作装置の要求およびその識別的特徴または特定の用途に合わせて調整されうる。

0026

たとえば、粒子操作段10は、通過する粒子に電荷を加える。湿潤状態維持アルゴリズムは、流体の流れの逆転に加えて、段10に供給される電圧または電荷付与中止を含みうる。

0027

代替的に、粒子操作段10は、選択された通過粒子の生存能力を破壊するために、致死量放射線を加えてもよい。湿潤状態維持アルゴリズムは、この放射線の中止を含み、そうでなければ、流体の加熱、沸騰または蒸発であってよいが、チャネル壁に付着する成分粒子が残る。

0028

図2aは、一定の湿潤状態を維持する、リソグラフィにより形成されたマイクロ流体チャネルを用いた別の粒子操作システム2の概略図を示す。上述と同様に、入力チャネル120は、流体を入力レザバから粒子操作段10に運ぶ。しかし、図2aにおいては、複数のチャネルが操作段10の出力に形成されており、交差が形成されている。一方のチャネル122は、一方の経路分離経路)において操作段10から離れて動き、他方のチャネル140は、別の経路(廃棄経路)において操作段10から離れて動く。粒子操作段10は、分離チャネル122へと標的粒子を方向付け、非標的物質を廃棄チャネル140に流すことができる微細加工粒子ソータであってよい。

0029

システムは、標的粒子を非標的物質から区別する検査領域201をさらに有してもよい。区別手段は、標的粒子を流体の流れ中の他の物質から区別する任意の数の特性または属性に基づいてもよい。レーザ検査は以下に記載されているが、他の特徴が標的粒子の区別に用いられてもよい。たとえば、数例を挙げれば、粒子は、粒子の電気的属性流体力学的属性、磁気的属性、光学的属性、熱的属性、質量または機械的属性における違いによって区別されうる。このリストは、全てを挙げたものではなく、本明細書中に記載された操作段10とともに使用可能な区別システムの例を提供するに過ぎない。

0030

一実施形態では、区別システム201は、レーザ蛍光に基づいてもよい。この技術では、標的粒子は蛍光タグでタグ付けされていてよい、幹細胞、がんまたは腫瘍細胞、性配偶子などの、特性の細胞であってよい。このようなタグとしては、当該分野では周知であり、たとえば、フルオレセインテキサスレッドフィコビリタンパク質シアニン誘導体およびローダミンが挙げられる。この開示の多くはこの用途に関係するが、本明細書中に開示されるシステムおよび方法は、粒子を互いに区別するために使用される他の区別機構にも用いることができる。これらの機構には、周知であるものも、今後発明されるものも含まれる。

0031

粒子が蛍光タグでタグ付けされていれば、粒子はレーザ励起に応じて光子を発し、この蛍光放射は標的粒子がレーザ検査領域に存在するという指標である。蛍光放射が検出されなければ、粒子は、おそらく、タグ付けされていない非標的粒子である。粒子操作段10は、タグ付けされた標的粒子を分離チャネル122へと分離し(向きを変え)、タグ付けされていない非標的物質を廃棄チャネル140に流す。

0032

図2aに示されるように、粒子分離システムは乾燥検出器101を備えていてもよい。この乾燥検出器101は、入力チャネル120内の乾燥状態または間近の乾燥状態を検出するために、図1aおよび1bに関して上述した任意の作用を用いるものであってよい。乾燥状態または間近の乾燥状態が検出されたとき、センサまたは検出器101は、コンピュータまたはコントローラに湿潤状態維持アルゴリズムを呼び出すよう信号を送ることができる。このアルゴリズムの一部として、制御コンピュータは装置内の流体の流れを逆転させてもよい。たとえば、コントローラは、点Bでの圧力を点Aでの圧力に対して逆転させることができ、流体はBからAに流れる。代替的にまたは付加的に、コントローラは、点Cの圧力を点Aでの圧力に対して反転させ、流体はCからAに流れる。

0033

乾燥検出器が間近の乾燥状態を示す信号を発した結果として他の手段が取られてもよく、そのいくつかについて以下でより詳細に説明する。ここに記載されるレーザ誘起式蛍光システムの場合、湿潤状態維持アルゴリズムはレーザ検査領域201におけるレーザ光の停止または中止を含んでよい。レーザが停止されなければ、レーザにより生じた熱によって、サンプル流の成分は加熱され、蒸発し、ポリマー化しまたは酸化しうる。これらの成分は、その後マイクロチャネルの壁に付着することがあり、したがって、流れ特性が変わり、微細なチャネルが詰まってしまう。また、この付着した物質は、複数のサンプルが粒子分離システムに流されるときに、相互汚染を生じうる。

0034

図3aは、リソグラフィにより形成されたマイクロ流体チャネルおよび粒子分離段10を備えた粒子操作システムの平面図を示し、これは、新規な粒子分離機構部10のさらなる詳細を示している。図3aおよび3bに示されるシステムは、図2aおよび2bに全体的に示されているシステムの一実施形態である。新規な粒子分離装置10は、2013年10月1日に出願され、本願と同一の出願人に譲渡された米国特許出願第13/998,095号(‘095出願)に、より詳細に記載されている。‘095出願は、その全体が参照により含まれる。‘095出願に詳細に記載されているように、粒子分離装置10は、装置10の構成面に実質的に直交する方向に流れる1つ以上の出力チャネル(ここでは廃棄チャネル40)を備えている。

0035

ここに記載される湿潤状態維持粒子操作システムは、この種の面外式の微細加工バルブに特に適している。特に、サンプル入力チャネルの面外に配置された1つ以上の出力チャネルともう1つの面内出力チャネルとを有する微細加工チャネルが、装置を通って逆方向に流れる流体に対する実質的に低い抵抗、および、きわめて小さい死空間を有しうることがわかっている。低い抵抗および小さい死空間は、チャネルが乾燥している間の時間量を最少化しうる。というのも、流体はマイクロチャネルに非常に速く戻ることができるからである。このような構成は、ここに記載されるコンセプトの実施に特に有利である。

0036

図3aに示される装置10は、停止した(非作動の)位置にある。装置10は、微細加工流体バルブまたは可動部材110と、複数の微細加工流体チャネル120、122および140とを備えている。流体バルブ110および微細加工流体チャネル120および122は、適切な基板、たとえばシリコン基板上に、以下におよび‘095特許に詳細に記載されているMEMSリソグラフィ加工技術を用いて形成可能である。加工基板は、装置が形成され、可動部材110がこの面内を動きうる加工面を有してよい。

0037

サンプル流は、サンプルレザバAからサンプル入力チャネル120によって微細加工流体バルブ110に導入可能である。加工基板表面に形成されるサンプル流は、当該表面の面内を流れうる。添付図面に記載される構造は、サイズを定めるものではなく、実際、レザバはマイクロ流体チャネルよりもはるかに大きいものであってよい。サンプル入力チャネル120内に収容されるサンプル流は、1つ以上の所望の標的粒子と、複数の不所望の非標的廃棄粒子とを含む粒子の混合物を含みうる。これらの粒子は流体中に懸濁されていてよい。たとえば、標的粒子は、たとえば、生理食塩水牛血清アルブミンBSA)などのバッファ流体中に懸濁された、生体由来物質、たとえば、幹細胞、がん細胞、接合体タンパク質、T細胞、バクテリア、血液成分、DNA断片であってよい。上述のように、入力チャネル120は、バルブ110と同じ加工面内に形成されてよく、流体の流れが実質的に当該平面内を流れる。バルブ110の動きも、この加工面内である。

0038

所定の粒子を分離/保存または処分/廃棄する決定は、任意の数の区別信号に基づいていてよい。一実施例では、決定は、粒子に付され、レーザ照射によって励起される蛍光タグに基づいて粒子が発する蛍光信号に基づく。この検出機構の詳細は、文献において周知である。しかし、区別信号の他の種類も考えられ、粒子のモルフォロジに基づきうる散乱光または側方散乱光、または、標的粒子(すなわち分離または保存される)または非標的粒子(すなわち、棄却または廃棄される)のいずれかとして粒子を識別可能な、機械的、化学的、電気的または磁気的作用の任意の数が含まれる。

0039

図示の位置にあるバルブ110によって、入力流は、妨げられずに、入力チャネル120の面外にすなわち粒子操作装置10の加工面の外にあってよい出力オリフィスおよびチャネル140へ通る。参照符号Cは、流体レザバ、および、そこから可動バルブ110へとつながるチャネルを示す。Cからの流れの方向は、図3aに示される紙面の外である。すなわち、流れは、入力チャネル120およびサンプル入力レザバAから出力オリフィス140へと流れ、そこから、実質的に垂直に、出力オリフィス140へと流れる。したがってCからの流れは入力チャネル120に実質的に直交しており、すなわち、粒子操作装置10の動く平面および加工面に対して実質的に直交している。したがって、出力オリフィスへの流れCは、紙面に垂直である。より一般的には、出力チャネル140は、入力チャネル120または分離チャネル122の平面、または、可動部材110の加工面に平行でなくともよい。

0040

出力オリフィス140は、加工基板内、または、当該加工基板に接着されたカバー基板内に形成された穴であってよい。分離バルブまたは可動部材110の上下の解放領域によって、流体は可動部材の上下を出力オリフィス140へと流れる。さらに、バルブ110は、入力流の流れを分離出力流に向けうる湾曲した変向面112を有してよい。オリフィス140の輪郭は、入力チャネル120および分離チャネル122の全体ではなく一部と重なるようなものであってよい。輪郭140を入力チャネルと重なるようにすることによって、そして、上述の解放領域によって、可動部材またはバルブ110が非作動の廃棄位置にあるとき、入力流を廃棄オリフィス140に直接流すための経路が存在する。

0041

図3aに示される装置は、バルブが図3aに示される位置にあり、AからCに対して順方向の圧力が加えられているときに、名目上流体4ml/hで、サンプル入力源Aから廃棄オリフィスCに輸送するように設計されている。圧力勾配の符号の逆転(すなわち、CにAよりも高い圧力を加える)によってこの流れの方向は、図4aに示されるように逆転できる。

0042

図3bは作動位置での粒子操作装置10の平面図である。この位置で、可動部材またはバルブ110は、図3bに示される位置へと上方に向きが変えられる。

0043

出力チャネル122は、入力チャネル120と実質的に同じ平面内にあってよく、分離チャネル122内の流れは、入力チャネル120内の流れと実質的に同じ平面内にある。入力チャネル120と分離チャネル122との間に角度αがあってよい。この角度は、約90度以下の任意の角度であってよい。一実施形態では、入力チャネル120と分離チャネル122との間の角度αはほぼ0であってよく、これは、2つの各チャネル内の流れが実質的に逆平行であることを意味する。廃棄チャネル140内の流れは、サンプル入力チャネル120および分離チャネル122内の流れに対して実質的に直交していてよい。この構成は、レーザ検査領域内経路長を最少化し、前述のように流体の流れに対する抵抗を低下することに関して利点があり、装置の精度を向上しうる。

0044

図3bおよび4bに包括的に示されているように、可動部材110の作動は力発生装置400からの力によって生じうる。いくつかの実施形態では、力発生装置400は、磁石または電磁石であってよいが、力発生装置400は、可動部材110に力を加え、第1位置(図3a)から第2位置(図3b)に動かす、静電的、圧電的または他の手段であってもよい。磁力が用いられる場合、可動部材中に内包された(inlaid)内包NiFeパーマロイの領域などの透過性磁気機構(feature)の使用によって作用を強めることができる。この内包機構は、可動部材110中に埋め込まれていてもよく、参照番号110は可動部材とこれに内包された透過性材料とを指す。内包された材料の境界は、可動部材110の境界のちょうど内側にある。このような内包された機構の設計および加工に関する詳細は、含まれている‘095出願に見ることができる。この透過性機構と力発生装置400(ここでは外部磁石)との間に生じる磁力は、第1位置(図3a)から第2位置(図3b)への動きを生じうる。

0045

より包括的に、図3aおよび3bは、粒子操作システムを示し、これは、粒子操作装置と、サンプル流体が流れる、粒子操作装置の上流の1つ以上の微細加工入力チャネルおよび粒子操作装置の下流の1つ以上の微細加工出力チャネルと、1つ以上の微細加工チャネル内の乾燥状態または間近の乾燥状態を検出し、当該状態を検出したときに信号を送出するセンサと、1つ以上の微細加工入力チャネルと1つ以上の微細加工出力チャネルとの間の制御された順方向の流れを確立し、センサから上記信号を受信すると出力チャネルと入力チャネルとの間の流れを逆転させる流体制御手段と、を備えている。

0046

微細加工粒子操作システム10は、入力チャネル120の流れを分離出力チャネル122に向けることができるゆるやかに湾曲した形状の変向面112を有する可動部材110を備えている。変向面112は、入力流方向および分離出力流方向に対してほぼ接線方向にあってよく、傾きは、これらの接線の間でゆるやかに変わりうる。この形状によって、流れの移動質量は、入力方向から分離出力方向にゆるやかにシフトする運動量を有し、すなわち、標的粒子が生体細胞であるとき、粒子にかかる力は最小となる。これにより、可動部材110が第1位置(図3a)にあるとき、変向面によってサンプル入力チャネルからの第1の出力(廃棄)チャネルへの流れが可能となり、第2位置(図3b)において第2の出力(分離)チャネルへと流れの向きを変える。換言すれば、サンプル入力チャネルと第1の出力チャネル(すなわち廃棄チャネル)との間の流路は、粒子分離機構部が第1位置(図3a)にあるときに形成され、サンプル入力チャネルと第2の出力チャネル(すなわち分離チャネル)との間の流路は、粒子分離機構部が第2位置(図3b)にあるときに形成される。

0047

チャネル122は「分離チャネル」を指し、オリフィス140は「廃棄チャネル」または「廃棄オリフィス」を指し、これらの語は、交換可能に用いられ、分離流は廃棄オリフィス140を対象とし、廃棄流はチャネル122を対象とし、一般性を失わない。同様に、「入力チャネル」120および「分離チャネル」122を逆にしてもよい。3つのチャネルを表すために用いられる語は任意であるが、入力流はバルブ110によって2つの個別の方向のいずれかに向きが変えられ、これらのうちの1つ以上は他の2つと同じ平面内にはない。角度方向に関して用いられる際の「実質的に」の語(すなわち、実質的に正接または実質的に垂直)は、基準方向の約40度内を意味する。たとえば、1つの線に対して「実質的に垂直」とは、この線から70度〜約110度を意味する。「マイクロチャネル」、「微細加工チャネル」および「マイクロ流体チャネル」の語は、本明細書においては交換可能に用いられており、流体の流れを収容し、約200ミクロン以下の特性サイズを有するチャネルを意味する。

0048

図3a中、順方向の圧力がAとBとCとの間に加えられ、流れはサンプル入力チャネルAから分離レザバBまたは廃棄レザバCのいずれかへと形成される。図3aに示される第1位置にある可動部材110によって、流れは入力Aから廃棄Cである。図3bに示される第2位置にある可動部材110によって、流れは入力Aから分離Bである。通常の分離動作の間、流れは図3aまたは図3bのいずれかで示される。

0049

通常の分離期間の後、乾燥状態が乾燥検出器101によって検出され、乾燥検出器101は、流れの方向を逆転させるよう流れコントローラに信号を送る。図4aは、AとCとの間で圧力が逆転し、流体がCからAに流れる、流体逆転位置にある装置を示す。この状態で、可動部材またはバルブは、図4aに示されるように第1位置にある。第1位置のバルブ110によって、流れは、廃棄レザバCからMEMS粒子操作機構110を戻り、検査領域201を戻り、そして、サンプル入力レザバAへと戻る。したがって、一実施形態では、流れは、第1位置にある微細加工粒子分離機構部を有する流体制御手段において逆転しうる。この逆転した流れおよび確認に必要な期間は、装置10に収容される流体の全量に依存しうる。一実施形態では、逆方向圧力は、その後に全ての流路が流体で満たされるまで維持される。この時点で、圧力バルブ閉鎖され、流体はチャネル内で静止して維持されうる。用途に依存して、任意の数の測定を行ってよい。たとえば、付加的なまたは異なるサンプル流体が装置10に導入されるか、または、分離または廃棄物質が除去される。

0050

図4bは、AおよびBの間で圧力が逆転しており、流体が、分離レザバBからサンプルレザバAに流れる、流体逆方向位置にある装置を示す。この状態で、可動部材またはバルブは第2位置にある。図4bに示される容積は、分離チャネルおよび分離レザバBからの流体で再び満たされうる。しかし、標的細胞は通常わずかであるため、通常、分離レザバの流体は少ない。したがって、このような細胞の濃度が前もって既知でない限り、レザバB内の材料の全量は未知でありうる。このアプローチは、実施がより困難な場合があり、サンプルレザバがいつほぼ枯渇するかと決定するために、分離された細胞の留分、または、分離された総量と予想された総量との比に基づいた計算を要しうる。分離された細胞の数に依存して、分離レザバの量を用いてマイクロ流体チャネルの表面を完全に再湿潤化するために十分な量の流体ではない場合があり、好ましくは、廃棄レザバが図4aに示されるように、表面を再湿潤化するために用いられうる。

0051

湿潤状態維持処理は、図3aおよび3bに示されるような、面外式の微細加工バルブに特に適しうる。特に、サンプル入力チャネルの面外に配置された1つ以上の出力チャネルと、もう1つの面内出力チャネルとを有する微細加工バルブが、装置を通って逆方向に流れる流れに対するより低い抵抗を有する場合があることがわかっている。流体の流れに対するこの低い抵抗のため、逆方向の流れおよび検査はより高速に実行でき、したがって、他のバルブ構造よりも低い処理オーバヘッドとなる。したがって、このような構造は、本明細書に記載されたコンセプトの実施に対して特に有利であり得る。というのも、チャネルが乾燥しても、流体は非常に高速に逆転され、流体の量は数秒以下でマイクロ流体チャネルに戻される。

0052

検出器またはセンサ101が図3aおよび3bに一般的に示されており、検出器101はここに挙げられたうちのいくつかのうちの、任意の数の検出現象に基づいていてもよい。このリストは全てを挙げたものではなく、センサ方法論の複数の例を示すに過ぎない。特に、検出器は、光学的特性機械的特性、電気的または流体特性における変化を検出してよい。検出器は、装置を通して流体を供給するポンプによる消費エネルギーまたは力をモニタしてもよい。したがって、検出器またはセンサ101は、複数の位置のいずれに配置されてもよく、これらの代替例のいくつかが図5a〜5dに示されている。図5a中、検出器またはセンサ101は入力チャネル120に配置されており、乾燥状態または間近の乾燥状態を検出するために入力チャネル120の状態がモニタされる。図5b中、検出器またはセンサ101は分離チャネル122に配置され、乾燥状態または間近の乾燥状態を検出するために分離チャネル122の状態がモニタされる。図5c中、検出器またはセンサ101は廃棄チャネルに配置されており、乾燥状態または間近の乾燥状態を検出するために廃棄チャネル140の状態がモニタされる。図5d中、検出器またはセンサ101は、より広い視野で配置され、実質的に3つ全てのマイクロ流体チャネルおよび可動部材110がカバーされる。以下により詳細に記載するように、センサは、マイクロチャネル自体ではなく、流体制御手段または制御コンピュータに結合されていてよい。

0053

一実施形態では、乾燥検出器またはセンサ101は、チャネル120、122または140と、チャネルの壁との間の界面に向けられた専用の光学カメラである。空気の屈折率は約1.0であり、水の屈折率は約1.3であるとわかっている。界面からの反射係数は、2つの隣接した物質間の屈折率の差に依存するので、界面から反射された光の量は、チャネル120、122および/または140内の流体が空気に変わるときに、実質的に変化する。乾燥検出器またはセンサ101は、界面から反射された光のレベルの変化が検出されたとき、信号を送出し、チャネルが乾燥している、または、乾燥が間近であることを示す。

0054

別の実施形態では、乾燥検出器101は、蛍光色素でタグ付けされた粒子からの蛍光を検出する光学検出器であってよい。このような蛍光化合物は、標的粒子の粒子状抗体を識別するために、抗体に普通に結合される。レーザが蛍光タグに向けられると、タグはより長波長の蛍光を発し、この蛍光が検出器、典型的には光増倍管(PMT)によって検出される。この検出器(またはPMT)は、光のレベル、たとえば、チャネルが乾燥している、または乾燥間近であることを示す、光レベルベースラインにおける変化を検出するために用いることができる。適切な検出器は、図6を参照して以下に記載されている。

0055

図3a、3b、4a、4bおよび5a〜dは、バルブが図3aに示される位置にあり、Bに対してAに順方向の圧力が加えられるときに、サンプル入力チャネルAから分離レザバBに名目上4ml/hの流体を輸送するよう表されている。サンプルレザバにおける出発流体の全量は通常既知である。したがって、別の実施形態では、分離レザバ、廃棄レザバまたは入力レザバの重量、流体レベルまたは状態、あるいは、分離時間持続時間、または、記録された事象の数をモニタして、いつ入力レザバ内の流体がほぼ無くなるかを決定することができる。より一般的には、入力レザバ、分離レザバまたは廃棄レザバの状態、または、これらのレザバ間のチャネルおよび/または粒子操作装置の状態がモニタされてもよい。レザバがほぼ空となる時点で圧力勾配の符号を逆転することにより(すなわち、Aに加える圧力をBおよび/またはCに対して低下させることにより、または、Bおよび/またはCにAより高い圧力を加えることにより)、入力チャネル120と分離チャネルおよび/または廃棄チャネル140のいずれかとの間の流れの方向を逆転でき、したがって、マイクロ流体チャネルの壁は実質的に常に湿潤状態に維持される。したがって、この実施形態では、センサは、入力レザバ、分離レザバまたは廃棄レザバの重量または状態、または、分離時間の持続時間に基づいて、乾燥状態または間近の乾燥状態を検出しうる。これらの要素のいずれもサンプル量がほぼ無くなることを意味している。

0056

また別の実施形態では、乾燥検出器は分離結果および記録された事象の数をテーブル化する分離コントローラまたはコンピュータであってよい。作業者がサンプル中の細胞のおおよその数を知っている場合、コンピュータは、いつ全ての数の事象が生じまたはまもなく生じるかを追跡し、湿潤状態維持アルゴリズムをシステムに呼び出させる信号を送出する。この実施形態では、乾燥検出器101は、図6を参照して以下に記載されるような粒子操作システムを制御するコンピュータにあってよい。乾燥検出状態の検出は、システムが記録した事象の数に依存し、したがって、マイクロチャネルがもうすぐにも乾燥するという予測をする。

0057

しかし、これは乾燥点が決定されることであり、この点に達したときに湿潤状態維持アルゴリズムが呼び出される。湿潤状態維持アルゴリズムは、流体中の粒子が壁に付着するかまたは詰まる長時間、装置が乾燥することを防ぐように設計された複数のステップを含んでよい。または、上記にて簡単に記載したように、マイクロ流体チャネルが決して乾燥しないようにされてもよい。

0058

「乾燥」とは、マイクロ流体チャネル内の領域がサンプル流体に加えてまたはその代わりに、局所的な環境ガスを含むことを意味する。通常、環境ガスは空気であり、空気は、サンプル流体が乾燥するときにシステムに浸透する。他のガスがシステムへの入力として用いられる他の場合には、空気が局所的な環境ガスであってよく、目標とされる流体またはサンプルガスがなくなっていることを示す。

0059

一実施形態では、流体制御手段は、AとBとCと間の圧力、すなわち、流れを制御するために用いることができる。流体制御手段は、空圧式または液圧式であってよく、ポンプおよび付属する流体流路を備えたピストンを有してよい。流体制御手段は、通常動作中の制御された流体速度を高めることができる。一実施形態では、制御された速度は、制御手段によって一定に維持されうる。または代替的に、流体制御手段は、一定の事象率の維持に基づいてよく、流体速度は、たとえば不完全な混合または細胞死によってサンプル濃度が変化した結果として変化する。フィードバック信号は、たとえば、検出された信号の幅または検出割合であってよい。いずれの場合でも、流体制御手段は、以下に詳細に記載されるように、流れの方向を順方向から逆方向に逆転させるよう構成されていてよい。

0060

図6は、上述の湿潤状態維持アルゴリズムを実施する粒子操作装置1000を概略的に示す。特に、図6には、検査レーザの光路および乾燥センサ101の実施構成、ならびに、湿潤状態維持アルゴリズムに関連する制御経路が記載されている。図6に関して、システムの通常動作が最初に記載され、次いで、湿潤状態維持アルゴリズムおよび実施構成が図6に記載されている。

0061

システム1000の通常動作において、標的粒子は、蛍光マーカでタグ付けされた特定の細胞、たとえば、幹細胞またはがん細胞であってよい。このマーカは、所定波長で動作するレーザ1400で照射されると特定のエネルギーを有する光子を発する。したがって、この細胞分離システムにおいて、図3aに示されるように、レーザ源1400は、反射鏡1250によって、検出/集光光学素子1100を介して、レーザ検査領域201内の可動部材110上に向けられる。検出/集光光学素子1100およびレーザ源1400の光軸は、光路の少なくとも一部にわたって共線的であってよい。すなわち、この光軸に沿ったレーザ照射および光学検出配向は、基板加工平面に対して垂直であるかまたは直交しており、可動バルブ110の動き平面に対して直交しており、かつ、検出領域を通るサンプル流体の流れに直交している。これは、直交する入射角を有する面を光が進むときに、鏡面反射が低下し、すなわち、検出スキームにおけるノイズ源が減少しまたは無くなるという重要な結果をもたらしうる。

0062

照射された粒子から生じる蛍光は、検出/集光光学素子1100によって整形され、ダイクロイックミラー1200によって分離され、光検出器1300のバンクに方向付けられる。マルチパラメトリックな検出のために、複数の光検出器が複数の発光波長適合されてもよい。光検出器1300によって出力される信号は、レーザ検査領域201内の標的粒子の存在または不存在を示す。信号は、コントローラ1900に送られてよく、コントローラ1900は、粒子分離システム1000の構成要素の相対タイミングを管理し、データを収集する。コントローラ1900は、汎用目的コンピュータまたは専用回路またはASICであってよい。標的粒子の検出の際、信号はコントローラ1900によって生成され、コントローラ1900は、力発生装置または束発生装置400にエネルギー供給する。コントローラ1900は、1つ以上の空圧式、液圧式、ピストンを用いたまたは機械的力を用いた機構によって、粒子操作装置10に対する流体の制御も提供しうる。

0063

力発生装置400は、可動構造110自体に力を発生させる装置であり、可動構造の動きを生じさせる。この力発生装置400は、図6破線で示されるように、MEMS粒子操作装置10に直接機械的に結合されていなくともよい。たとえば、力発生装置400は、MEMS粒子操作装置10に内包された透過性材料に静磁力を生じさせる磁束源であってよい。したがって、束発生装置400は、磁心巻線を備えた電磁石であってよい。図3a、3b、4a、4bに示されるように、この力は、可動バルブ110を力発生装置400に引きつけ、分離チャネル122を開放し、廃棄チャネル140を閉鎖する。重要なことに、力発生装置400は、MEMS粒子操作装置10内ではなく、粒子分離システム1000に設けられてよい。上述のように、これは、MEMS粒子操作装置10のコストおよび複雑性を低下させる。別のオプションのレーザ1410が第2の光学チャネルを提供するために含まれてもよい。

0064

レーザ検査領域201において、標的粒子は流体サンプルの他の成分から区別されうる。検出手段は、レーザ1400および付随する光学素子であってよく、光学素子は、レーザをMEMS可動部材110の上流のスポット、通常はレーザ検査領域201に方向付ける。上述したように、他の区別機構が用いられてもよく、たとえば数例を挙げると、粒子の電気属性、流体力学的属性、磁気的属性、光学的属性、熱的属性、質量および機械的属性がある。

0065

検出領域201を通過する際、標的粒子が検査領域201に存在していることを示す信号が検出器1300によって生成される。既知の遅延の後、検出された標的粒子を流体の流れ内の他の成分から分離するため、分離ゲート、すなわち、可動バルブ110が開放されるべきことを示す信号がコントローラ1900によって生成される。可動MEMSバルブ110は、透過性磁気材料を含み、磁力が磁界の存在下で生じうる。信号がコントローラ1900によって生成されると、力発生装置400に向かって可動バルブを引きつける力が、埋め込まれた磁気透過性材料内に生じる。この動きは廃棄チャネル140を閉鎖し、分離チャネル122へと標的粒子を向かわせる。分離されたサンプルは、その後、分離チャネル122の端にある、分離されたサンプルを保持する分離レザバから収集される。

0066

微細加工粒子操作システム10は、図6に示される構成要素を収容するケーシング内に挿入されていてもよい。挿入領域は、粒子操作装置10の精細位置調整を可能とする機構を有する可動段と、付随する1つ以上のデータに対するマイクロ流体チャネルであってよい。これらのデータは、検出/集光光学素子1100に対してレーザ検査領域201および粒子操作装置10を配向し、位置調整しうる。より精細な位置調整が必要な場合、入力段は、データに対する可動変向器110またはMEMS粒子操作機構10の位置の観察に基づいた位置調整を調節する変換段であってもよい。

0067

レーザ検査領域201は、実際上、1つ以上のレーザから生じる複数のレーザスポットを含んでよく、実際上、検査は、レーザである必要はなく、たとえば血球計算の分野で知られるような、たとえばいくつかの他の光学的、機械的または電気的な差に基づくいくつかの他の区別手段であってもよい。以下に詳細に記載されるように、区別手段は、粒子のモルフォロジに基づいてよい散乱光または側方散乱光であってよく、または、粒子を標的粒子として区別可能な、任意の数の機械的、化学的、電気的または磁気的作用であってもよい。検出器1300の出力は、異なる照射レーザに対応する内容物、または、複数のレーザ1400および1410によって励起される異なる蛍光波長を分離するために分析されてもよい。

0068

流体制御手段1500は、微細加工粒子操作システム10のチャネルを通って流れる流体の方向および速度を制御しうる。流体制御手段は、上述のように、複数の基準に基づいて制御可能である。流体制御手段は、空圧式、液圧式および/または一方向のバルブであってよく、および/または、ポンプおよび付随する流路を備えピストンを有してよい。通常動作の間、流れは、たとえば、流速、圧力または事象率定数を維持するように、コントローラ1900を用いたフィードバックループで流体制御手段1500によって制御されてよい。

0069

乾燥検出器またはセンサ101は、上述の例のいずれであってもよいが、マイクロ流体チャネルが乾燥状態または間近の乾燥状態にある状態を検出するための1つ以上の方法論を用いる。この状態の検出の際、検出器101は、コントローラ1900に信号を送り、湿潤状態維持アルゴリズムを呼び出させる。

0070

乾燥信号を検出器またはセンサ101から受信すると、コントローラ1900は、流体制御手段1500を方向付け、上述のように、たとえば、サンプルレザバと廃棄レザバとの間の圧力勾配を逆転させる。逆の圧力は、マイクロチャネルが再び流体で満たされるまで維持されてもよい。この時点で、コントローラ1900は、残留流体の蒸発および現在静止している流体の加熱を避けるため、レーザ1400および1410をさらに停止してもよい。代替的に、レーザ1400および1410は、検出器101からの信号の受信の直後、流体の逆転の前に、停止されてよい。勿論、さらに、コントローラは、任意の他の不使用の回路をすべて電源切断して、分離結果を出力してよく、または、分離の再開前に、任意の数の付加的な動作を行ってよい。

0071

図7a、7bおよび7cは、上述の湿潤状態維持アルゴリズムのための制御波形の図である。図は、サンプル入力チャネルと分離レザバとの間にかかる圧力、または、サンプル入力チャネルと廃棄チャネルとの間の圧力のいずれかを示しうる。最初の期間中、サンプルレザバが乾燥しそうであることを乾燥検出器101が示すまで、分離が通常通りに続く。その状態が検出されると、乾燥信号が出され、圧力が図7aに示されるように逆転する。逆方向に流す期間の後、検出器はマイクロチャネルが再度湿潤状態であることを検出し、駆動圧力が終了される。分離が再開するまでまたは何らかの他の動作が行われるまで、流体は、装置の空洞内にただ残留する。

0072

図7bでは、流体ポンプの状態が乾燥状態を決定するためにモニタされている。ポンプは、一定の流速または一定の事象率を維持するよう構成されてよく、流速を緊密に制御するために閉ループ制御で動作されてもよい。乾燥状態は、電流消費、出力量の増大、デューティサイクルにおける増大、ポンプ出力における圧力低下、または、ポンプおよびマイクロチャネルが乾燥していることを示す何らかの他の状態を測定することにより検出してよい。この時点で、ポンプ圧は逆転され、流体は装置の空洞内に戻される。図7bに示すように、アルゴリズムは、環境に対するチャネル内の特定の名目流体圧力を維持してよく、流体は特定の圧力下にあり、または、圧力は環境より下に低下されてもよい。

0073

図7aおよび7bでは、順方向の流体の方向および逆方向の流体の方向に関する流速ならびにこれらの流体の持続時間は、ほぼ等しいように示されているが、必ずしもそうでなくともよい。特に、細胞濃度は実質的に異なってよく、流れの逆転の間に分離は行われないため、逆方向の流速は順方向の流速を超えてもよい。代替的に、マイクロチャネルを通過する間の細胞へのストレスを低減するため、逆方向の流速は、順方向の速度未満であってもよい。最後に、チャネル内で流体を静止させたままとする代わりに、湿潤状態維持アルゴリズムが代わりにサンプルレザバAと廃棄レザバCまたはあまりないが分離レザバBとの間で前後に一定量の流体を往復させてもよい。一定の動きは、流体中の粒子の凝集を回避できる。図7cは、この実施形態を示しており、流体は、粒子操作装置10を通じて前後に往復し、新たなサンプルが加えられるか、または、操作者が妨げるまで、一定の動きに構成要素を維持する。

0074

湿潤状態維持アルゴリズムは、狭いチャネルを有する粒子分離システムの全ての構成要素に適用可能である。たとえば、ソータが基板上に形成されたMEMS型微細加工装置10である場合、湿潤状態維持アルゴリズムは、狭くしたがって詰まりやすいMEMSチップに入るまたはこれより出る全ての他の流体流路に適用可能である。これらの他の流路は、より大きな流体レザバにMEMSチップを接続する配管または流路であってよい。

0075

図8は、湿潤状態維持アルゴリズムを実行するための例示的方法を示す。この方法は、ステップS100で開始し、このとき、サンプル流体が粒子操作システムを通って流れる。ステップS200において、乾燥状態がセンサによって検出され、センサはこの作用に対して信号を送出する。ステップS300において、流れはシステム内で逆転される。ステップS400において、レーザは弱められるかまたは停止される。上述したように、ステップS400はステップS300の前であってよく、レーザはステップS200で信号を受信した直後、流れが逆転する前に、停止または弱められる。ステップ500において、駆動圧力は、たとえば環境まで低下され、流体は流れを止める。ステップS600において、付加的なサンプルが実行を待っているか否かが決定される。yesの場合、サンプルは、ステップS700で変更され、プロセスは開始時S100へ戻る。noの場合、方法はステップ800で終了する。

0076

図8に示される全てのステップは必ずしも必要ではなく、たとえば、ステップS400のレーザ停止は、レーザが使用されていない場合、または、乾燥環境が限られた持続時間であると予想される場合、省略可能である。同様に、これらのステップは、必ずしも示された順に実行する必要はなく、たとえば、レーザは流れが逆転する前に停止されてもよい。ステップS400の代わりにまたはこれに加えて、本方法は、検査レーザの出力の低下、ポンプ出力の停止、低下、逆転、音声アラームの発声、および、コンピュータモニタへの警告メッセージの送出を含んでもよい。

0077

上記にて概略した例示的実施形態に関連して種々の詳細事項を記載したが、種々の変更、修正、バリエーション、改善および/または実質的な均等物(既知のものまたは現在予想可能なもの)が、上述の開示を検討する際に明らかとなる。したがって、上述の実施例は、例示的なものであり、限定するものではない。

0078

1、1000粒子操作システム
10粒子操作装置、粒子操作段
101 乾燥検出器
110可動部材、バルブ
112変向面
120 第1のチャネル、入力チャネル
122 第2のチャネル、分離チャネル
140廃棄チャネル、出力オリフィス
201検査領域
400力発生装置
1100 検出/集光光学素子
1200ダイクロイックミラー
1250反射鏡
1300光検出器
1400、1410レーザ
1500 制御手段
1900 コントローラ

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