微流控芯片和微流控芯片中的送流方法

专利名称：微流控芯片和微流控芯片中的送流方法
技术领域：
本发明涉及孩i流控芯片(micro-fluidic chip )、其中可结合这种 微流控芯片的液体分析装置和这种微流控芯片中的送流方法。更具 体地，本发明涉及一种将带电液滴引入设置在孩史流控芯片中的中空 区域并基于电力控制液滴在中空区域中的移动方向的孩史流控芯片等等。
背景技术：
近年来，开发进行到通过在半导体工业中应用孩i加工技术在由 硅或玻璃制成的基板上设置用于执行化学和生物分析的区域和流 动通道(flow channel)而获得的纟殷流控芯片。例如，已将这些孩吏流 控芯片用作液相色谱的电化学检测器和医疗服务站中的小型电化
学传感器。
具有这种微流控芯片的分析系统称为微全分析系统(p-TAS )、 芯片实验室、生物芯片等，并且作为能够^是高化学和生物分析的速度、效率和集成度并且使分析装置在尺寸上减小的技术而受到关注。
期望将p-TAS应用于纟效量的宝贵样品(sample)或大量标本 (specimens )由于例如用少量的才羊品就能够进4亍分4斤并且可以〗吏用 可任意处理(一次性)芯片而受到特殊对待的生物分析。
)a-TAS的应用实例包括微粒分析技术，其中，诸如细胞或孩吏珠 的微粒的特性在设置于微流控芯片上的流动通道中^皮光学、电学或 磁学地分析。在这种微粒分析技术中，还要执行作为分析结果乂人微 粒中分别收集(fractional collection )满足预定条件的种群(组)。
关于这种微:粒分类4支术，在日本专利公开第Hei 7-24309号中 披露了一种采用激光捕捉的粒子分离装置。这种粒子分离装置用扫 描光照射诸如细胞的移动粒子，从而向粒子施加取决于粒子种类的 作用力并对粒子进行分类。
作为类似技术，在日本专利公开第2004-167479号中披露了 一 种采用光学力(或光学压力)的微粒收集装置。这种微粒收集装置 用与纟敬粒的流动方向相交的激光束来照射纟效4立的流动通道，乂人而仅L 应在激光束的聚集方向上收集的微粒的移动方向偏转并收集微粒。
此外，在日本专利公开第2003-107099号中，4皮露了一种具有 用于控制微粒的移动方向的电极的微粒分离微流控芯片。这个电极 被设置在从微粒测量部分到微粒分离流动通道的流动通道口附近， 并用于通过与电场的交互作用来控制纟鼓粒的移动方向。

发明内容
如上述专利文件中披露，在相关技术的jii-TAS中，作用力通过 激光捕4足、光学力、电力等4皮直4妄施加纟合在流动通道中以某一方向 流动的液体中的獨t粒，乂人而4吏孩M立以不同于液体的流动方向的方向 移动，可以说，逆着流动。因此，为了控制孩t粒的送流方向，需要 将相当大的作用力施加给^f效粒。
然而，对于通过激光捕4足、光学力、电力等等直4妄向樣t冲立施加 作用力的系统，难以施加足以高速且高精度地控制樣i粒的送流方向 的作用力。
期望本发明提供 一 种可以高速且高精度地控制^f鼓粒的送流方 向的^L流控芯片。
才艮据本发明的实施例，提供了一种樣t流控芯片，包括带电液滴 被亏I入其中的中空区域和被配置为朝向中空区域设置的电极。该微 流控芯片还包括与中空区域连通的多个分支区域。由于这个特性， 在才艮据本发明实施例的樣i流控芯片中，通过基于作用于施加》会液滴 的电荷和电极之间的电力控制液滴在中空区域中的移动方向，液滴 可以被引导至任意选择的一个分支区域。
此外，才艮据本发明实施例的《效流控芯片包括以下结构(1 ) ~ (4)中的4壬一个。
具体地，该微流控芯片包括流动通道，将液体送到中空区域； 以及(1)压电元件，用于在流动通道到中空区域的连通口处4吏液 体变成液滴，或(2)流体入口，至少乂人流动通道的一侧与;i^动通 道相会并将作为气体或绝纟彖液体的流体引入流动通道，从而分割流 过,u5力通道的液体并〗吏'液体变成'液滴。该樣i流控芯片包括(3)孩i管，将第一液体引入到流过流动通 道的第二液体的层流中。由于该特性，在根据本发明实施例的^:流 控芯片中，第一液体和第二液体可以以/人」微管引入的第一液体的层 流-陂第二液体的层流围绕的方式^皮送到流动通道的连通口或流体 入口的汇合处。
(4)在流动通道中，i殳置缩小部，该缩小部;故形成为4吏其垂 直于送液方向的截面面积逐'渐减小。由于该4争性，第一液体和第二 液体可以^皮发送以使这些液体的两种层流的层流宽度缩d 、。
在该微流控芯片中，(5 )微管由可施加电压的金属形成。这样 可以将电荷施加《会流过流动通道的第一液体和第二液体。对于该特 性，优选i也，朝向流动通道中液体变成液滴并^皮施力n电荷的区i或i殳 置才妻;也电才及。
上述结构使包含在第 一 液体内的微粒被分类到在根据本发明 实施例的微流控芯片中任意选择的一个分支区域中。该分支区域可 以填充用于细胞培养的凝月交。
另外，根据本发明的其他实施例，提供了可以结合上述樣史流控 芯片的液体分析装置和纟敬粒分类装置。
此外，根据本发明的另一个实施例，提供了一种微流控芯片中 的送流方法。该送流方法包括以下步骤将带电液滴引入到^殳置在 微流控芯片中的中空区域；以及基于作用于朝向中空区域设置的电 才及与施加乡合液滴的电荷之间的电力控制液滴在中空区域中的移动方向。
9在这种送流方法中，通过控制液滴在中空区域中的移动方向， 液滴可以被引导至与中空区域连通的多个分支区域中选出的任一 个分支区域。
在这种送流方法中，可以采用以下两种结构之一。具体地，在 一个结构中，在将液体送到中空区域中的流动通道到中空区域的连 通口处，通过使用压电元件使液体变成液滴，同时将电荷施加症合液 体，/人而形成带电液滴，然后将带电液滴送到中空区i或中。在另一 种结构中，通过将气体或绝缘液体的流体引入到流动通道中，4吏通 过将液体送到中空区i或中的流动通道的液体分割而变成液滴，同时 将电荷施加纟会液体，/人而形成带电液滴，然后将带电液滴送到中空 区域中。
在这种送流方法中，能够引入包含微粒的液体，并且该液体以 预定数目的樣i粒为单位;陂分割而变成液滴，乂人而将包含孩t粒的液滴 分类到任意选择的一个分支区域中。
在本发明的实施例中，术语"液体"应净皮广义解释并包4舌均匀 液体和悬浮液，即，包含微粒的液体、包含小泡的液体等。"液体" 可能是水成液、有才几液体或两相液体，并且可以是疏水液体或亲水 液体。此外，术语"气体，，也不应纟皮狭义解释而是广泛包括空气和
诸如氮气的气体。
在本发明的实施例中，"微粒"广义包括诸如细胞、微生物和 脂质体的生物相关樣t粒，以及诸如乳胶粒的人造粒子、凝胶粒子、 工业4立子等等。
生物相关微粒包括包含在多种细胞内的染色体、脂质体、线粒 体、细胞器官等。作为对象的细胞包括动物细胞(血细胞等)和植 物细力包。纟敬生物包括i者如大肠菌的细菌、i者如烟草花叶病毒的病毒、诸如酵母的真菌等。此外，生物相关微粒还包括诸如核酸、蛋白质 及这些物质的复合体的生物相关聚合物。工业4立子可由例如有才几或 无机聚合物材料或金属构成。有机聚合物材料包括聚苯乙烯、苯乙 烯二乙烯基苯、聚曱基丙烯酸曱酯等。无机聚合物材料包括玻璃、 硅、磁性材料等。金属包括金胶质、铝等。通常，这些微粒的形状 是5求形的。然而，可以是非J求形的形状，并且樣t粒的尺寸、质量等 等也没有特别限制。
本发明的实施例提供了 一种可以高速且高精度地控制微粒的 送流方向的微流控芯片。


图1是示出根据本发明第一实施例的微流控芯片的结构的简化
顶视图2A和图2B是示出在流动通道中形成的鞘液和样品液的层 流的示意图，图2A是对应于在图1的》文大图中沿线P-P的截面的 截面图，以及图2B是只于应于沿线Q-Q的截面的截面图3A和图3B是示出分别在缩小部的上游侧和下游侧的鞘液 层流和才羊品液层流的示意图4是示出在流动通道到空腔的连通口周围的鞘液层流和样品 -液层流的示意图5是示出朝接近压电元件的流动通道设置的接地电极的示意
图6是示出被送到空腔中的液滴的示意图；图7是示出通过控制液滴在空腔中的移动方向而被导入到分支 区域中的液滴的示意图8是示出用于执行液滴在空腔2中相对于二维方向的移动方 向的控制的电极的设置位置的示意图9是示出其移动方向相对于二维方向被控制的液滴在空腔中 的移动方向的示意图10是示出根据本发明第二实施例的微流控芯片的结构的简 化顶一见图11是示出根据本发明第三实施例的微流控芯片的结构的简 4匕顶一见图12A和图12B是以;改大方式示出汇合处的示意图，图12A 是顶视图，而图12B是对应于沿图11中的线P-P的截面的截面图13A~图13D是用于说明关于空腔和连通口的其他优选结构 的示意图14A~图14C是用于说明关于空腔和电极的其他优选结构的
示意图15A和图15B是分别示出微流控芯片的变型实例的截面的 示意性截面图和示意性示出用于形成该变型实例的基板层的简化 透^见图；以及
图16是用于i兌明4艮据本发明实施例的液体分析装置的结构的
示意图。
具体实施例方式
以下将参照附图描述本发明的优选实施例。应注意，下面将描 述的实施例仅是本发明的代表实施例的 一个实例，并且本发明的范 围并不由于这些实施例而被狭义地解释。
1.孩t流控芯片A
图1是示出根据本发明第一实施例的微流控芯片的结构的简化 顶视图。图中由符号A表示的微流控芯片有利地用于通过使包含微 粒的液体通过该樣史流控芯片来对樣i粒进4亍分类。
(1-1 )中空区域
微流控芯片A包括流动通道1,具有弯曲部11和12，在弯 曲部处，^各径基本上^皮弯曲了 90度；中空区域2(下文中称为"空 腔2"),与流动通道l连通；以及分支区域31、 32和33,与空腔2 连通。从流动通道1发送的带电液滴被引入到空腔2中。
在图1中，数字41和42表示朝空腔2的内部空间设置的用于 移动方向控制的一对电极(下文中简称为"电极")。在微流控芯片 A中，可以基于在电极41和42与施加给引入到空腔2中的液滴的 电荷之间的电力来控制液滴在空腔2中的移动方向。这使得可以将 液滴选择性地导入孩吏流控芯片A中的分支区域31、 32和33中的任 一个。在图1中，lt字311、 321和331表示用于将导入分支区域 31、 32和33的'液滴4非出到樣"危4空芯片A外的出口。
如上所述，樣i流控芯片A的特4正在于，在4吏液滴带电之后将液 滴引入到空腔2中，并且基于在空腔2的自由空间中的电力来控制 液滴的移动方向。因此，通过使引入到空腔2的液滴包含微粒，可以通过作用在整个液滴上的大的电作用力来控制孩史粒的移动方向。
另夕卜，因为在空腔2的自由空间中执行了包含^f鼓粒的液滴的移动方 向的控制，所以与流动通道壁的摩擦力的影响很小，并且与控制另 一个液体以恒定方向流过的流动通道中的移动方向的情况相比，能 够以更快的速度和更高的精度来改变移动方向。
(1-2 )压电元件
在图1中，数字5表示使流过流动通道1的液体变为液滴并将 液滴流送到空腔2的压电元件。这种压电元件5在流动通道1到空 腔2的连通口 13处使流过的液体变为液滴。
压电元件5 一皮i殳置在流动通道1的连通口 13的上游并且朝向 流动通道1的内部。压电元4牛5当^皮施加电压时变形，并且向流过 流动通道1的液体施加才展动。当4妄收到来自压电元4牛5的4展动时， 流动通道1中的液体/人流动通道1的连通口 13 ^皮喷射到空腔2中。 it匕时，通过^f吏用月永沖电压4乍为施力t^合压电元4牛5的电压来^f吏压电元 件5振动，液体可以作为液滴被喷射到空腔2中。如果使包含微粒 的液体流过流动通道1,那么可以将包含微粒的液滴喷射到空腔2 中。
可以与例如利用在喷墨印刷4几中所采用的压力振动元件喷射 墨滴相似地执行这种利用压电元件5使液体变为液滴。
(1-3)微管
在图1中，数字6表示用于将液体(定义为"液体T")引入 到流动通道1的入口。越过流动通道11的弯曲部12,设置微管7 用于将另一种液体(定义为"液体S")引入到从入口 6 4是供并流过
14流动通道1的液体T的层流中。注意，液体S还^皮称为第 一液体， 而液体T纟皮称为第二液体。
通过将通过使用微流控芯片A对微粒进行分类的情况作为实 例并且基于从入口 6引入鞘液(sheath liquid ) T作为液体T以及,人 微管7引入包含微粒的样品液S作为液体S的假设进行以下描述。 具体地，从由数字8表示的样品液入口提供的样品液S流过孩i管7 被引入到鞘液T (从入口 6 (下文中称为"鞘液入口 6")提供并流 过流动通道l)的层流(laminar flow )。在图1中，数字71表示微 管7在流动通道1的其端部处的开口 ，数字72表示微管7在样品 -液入口 8的其端吾卩处的开口。
在樣i流控芯片A中，通过以此方式由孩史管7将样品液S引入流 过流动通道1的鞘液T的层流中，可以以4吏才羊品液S的层流净皮鞘液 T的层流围绕方式来发送液体。
此外，微管7由可向其施加电压的金属形成，并且可以向流过 流动通道1的鞘'液T和才羊品液S施力口正或负电荷。如后所述，通过 向孩i管7施力口电压，当鞘液T和样品液S变成液滴并净皮喷射到空腔 2时，可以向将喷射的液滴施加正或负电荷。也可能不一夺电压施力口 纟合孩i管并因此不向流过流动通道1的鞘液T和冲羊品液S施力D电荷。 在这种情况下，能够4吏将喷射的液滴由于当鞘液T和冲羊品液S变成 液滴并被喷射到空腔2时不向孩t管7施加电压而不携带任何电荷。
为了向液滴4青确地施加电荷并稳、定液滴的带电状态，在纟鼓流控 芯片A中，朝向液体变成'液滴并在流动通道1 (即，在压电元^f牛5 周围的流动通道1 )中^皮施加电荷的区域设置接地的电极43和44 (下文称为"接地电极43和44")。带电液滴被引入到空腔2并基于在所施加的电荷与电极41和 42之间的电力来控制它在空腔2中的移动方向。为了精确控制移动 方向，应向液滴施加4青确、稳、定的电荷。在樣史流4空芯片A中，液体 变成液滴并一皮施力口电荷的区i或邻近电才及41和42。这才羊引入了以下 可能性，其中，由于电极41和42的高电位的影响，在液滴中电位 上升，并且因此，由微管7提供的液滴的带电状态变得不稳定。
为了避免这样，在孩史流控芯片A中，朝向邻近压电元件5的流 动通道1 :没置4妄地电极43和44，使得能够防止电极41和42的高 电位影响液体变成液滴的区3或。该特4正<吏得可以将^"确;也电荷施加 纟合、液滴并4青确地d空制液滴的禾多动方向。
(1-4 )缩小部
在图1中，数字14表示设置在流动通道1中的缩小部。缩小 部14经形成以4吏其垂直于送液方向的截面面积在乂人流动通道的上 游侧朝下游侧的方向上逐渐减小。具体地，缩小部14的流动通道 壁经形成以使流动通道在图中沿着送液方向的Y轴正和负向上逐 渐缩小。因此，缩小部14可以;故看作在顶—见图中逐渐变细的纺纟垂 形(spindle shape )。这种形状能够^使缩小部14以〗吏鞘液T和样品 液S的层流在图中Y轴正向和负向上的层流宽度缩小的方式来送 液。此外，缩小部14经形成以4吏其流动通道底面是其在深度方向 (Z轴负向)上的高度在,人上游侧朝下游侧的方向上增加的杀+面， 因此还可以缩小该方向上的层流宽度(其细节以下将描述)。
2.樣i流^空芯片A中的液体送:;充方法
以下将乂人送流方向的上游侧开始的顺序来描述关于孩t流控芯 片中样品液S和鞘液T的送流方法。(2-1)通过樣i管形成层流
图2是示出在流动通道1中形成的鞘液和样品液的层流的示意 图，图2A是与在图1的方文大图中沿线P-P的截面相对应的截面图， 并以;改大方式示出了《效管7的开口 71和流动通道1的缩小部14。 图2B是与沿线Q-Q的截面相对应的截面图，并示出了乂人流动通道 1的下游侧正面^L察的开口 71 。
如图2A所示，通过微管7将样品液S引入流过流动通道1的 鞘液T的层流(参照图中的符号T ),液体可以以4吏样品液S的层 流3皮鞘液T的层流围绕的方式^皮发送。下文中，才羊品液S的层流^I夸 简称为"样品液层流S"，并且鞘液T的层流;故简称为"鞘液层流T"。
在图2所示的结构中，樣t管7被设置为使其中心与流动通道1 的中心同轴。在此情况下，样品液层流S #皮引入流过流动通道1的 鞘液层流T的中心。才羊品液层流S在鞘液层流T中的形成^f立置可以 通过调整樣i管7在流动通道1中的设置位置而i殳为任意位置。
(2-2)通过缩小部缩小层流宽度
缩小部14经形成以使其垂直于送液方向的截面面积在从流动 通道的上游侧朝下游侧的方向上逐渐减少。具体地，如图2A所示， 缩小部14经形成以^使其流动通道底面是其在Z轴正向上的高度在 /人上游侧朝下游侧的方向上增加的杀+面。由于这种形状，鞘液层流 T和4羊品'液层流S的层流宽度以4吏鞘、液层流T和才羊品、液层流S朝向 微流控芯片A的上表面侧偏转的方式在Z轴正向上缩小。
图3是示出在缩小部14的上游侧(图3A)和下游侧(图3B) 上的鞘液层流T和样品液层流S的示意图。图3A是与沿在图2中的线R广R!的截面对应的截面图，而图3B是与沿在图2中的线R2-R2
的截面对应的截面图。
如上参照图1所述，缩小部14浮皮形成为在沿乂人上游侧朝下游 侧的Y轴正向和负向上逐渐变细的纺锤形。此夕卜，如参照图2所述， 缩小部的流动通道底面被形成为其在Z轴正向上的高度在从上游侧 朝下游侧的方向上增力o的杀+面。通过以-使其垂直于送'液方向的截面 面积在从流动通道的上游侧朝下游侧的方向上以此方式逐渐减小 的方式形成缩小部14,可以以4吏其层流宽度在Y轴和Z轴方向上 缩小的方式来发送鞘液层流T和才羊品液层流S以朝向4效流控芯片A 的上表面侧(图3中的Z轴正向)偏转。即，图3A所示的鞘液层 流T和样品液层流S经发送以-使其层流宽度如图3B所示在缩小部 14中缩小。
通过以4吏鞘液层流样品液层流的层流宽度缩小的方式发送液 体实现了以下优点。具体地，在通过使包含樣史粒的溶液作为样品液 流过流动通道来对樣i粒才丸4亍光学分析的情况下，在缩小的冲羊品液层 流中的微粒可以用测量光高精度地照射。鞘液层流和样品液层流的 层流宽度的这种缩小也可以通过将缩小部14的流动通道底面和顶 面中的每个都形成为4牛面来实i见。
具体地，缩小部14不仅可以使样品液层流在孩i流控芯片A的 水平方向(图1中的Y轴方向)上的层流宽度缩小，还可以使其在 垂直方向(图2中的Z轴方向)上的层流宽度缩小。因此，测量光 在流动通道1的深度方向上的聚焦位置可以与孩史粒的送流位置完全 匹配。因此，能够用测量光高精度地照射樣t粒并获得高测量灵每丈度。
如果流动通道1净皮形成为足够细的;充动通道并且通过<吏用直径 很小的微管7将样品液引入到流过该流动通道1的鞘液层流中，那 么还能够形成其层流宽度预先缩小的鞘液层流和才羊品液层流。然
18而，这种情况可引发以下问题，包含在样品液内的微粒由于微管7 的直径很小而被粘在微管7中。
在微流控芯片A中，由于设置了缩小部14，所以层流宽度可 以在利用直径足够大于包含在样品液内的樣支粒的孩i管7形成样品液 层流和鞘液层流之后缩小。因此，可以消除上述微管7的堵塞问题。
微管7的内径可以根据包含在作为分析主体的样品液内的微粒 的直径来对应地i殳置。例如，当血液^皮用作才羊品液并^M亍血细月包的 分片斤时，樣吏管7的^尤选内4圣是约10 ium ~ 500 ium。》匕夕卜，；危动通道 1的宽度和深度根据微管7的外径(表明作为分析主体的微粒的直 径)来对应地i殳置。例如，当孩吏管7的内径是约10 (im ~ 500 |im时， 优选地，流动通道1的宽度和深度中的每个是约100 |_im ~ 2000 iam。 代替环形，樣i管的截面形状可以是诸如椭圓形、四边形或三角形的 任何形状。
鞘液层流和才羊品'液层:;:危在通过缩小部14缩小之前的层;充宽度 随流动通道l的宽度和深度以及微管7的直径改变。然而，层流宽 度可以通过对应地调整缩小部14垂直于送液方向的截面面积而缩 小到任4可宽度。例如，如果在图2中缩小部14的流动通道长度净皮 定义为L而它的流动通道底面的倾斜角被定义为ez，则鞘液层流T 和样品液层流S的层流宽度在缩小部14的缩小量是L.tan0z。因此， 任意缩小量都可以通过对应地调整流动通道长度L和倾斜角9z来 :没置。此外，如果在图1中缩小部14的流动通道壁在Y轴方向上 的倾斜角^皮定义为0们和0Y2并且这些角度等于上述角ez,那么如 图3A和3B所示，鞘液层流T和才羊品液层流S可以与宽度减少同 向地缩小。
(2-3 )通过压电元件使液体变为液滴并通过微管进行带电层 流T和样品液层流S的示意图。该图是与沿在图1的力文大图中的线 P-P的截面只于应的截面图，并以;改大方式示出了樣i管7的开口 71的 周围和在连通口 13周围的流动通道1。
鞘液层流T和样品液层流S以使样品液层流S ^皮鞘液层流T 围绕并且两个层流宽度由于孩t管7和缩小部14而缩小的方式^皮送 到连通口 13。
通过向i殳置在连通口 13的上游并朝向流动通道1的内部的压 电元件5施加脉冲电压，将压力施加给鞘液层流T和样品液层流S。 于是，鞘液层流T和样品液层流S变成液滴并净皮喷射到空腔2。在 图4中，符号D表示从连通口 13喷射到空腔2的液滴。这些液滴 D由鞘液和样品液构成并包括包含在样品液中的孩t粒。
此夕卜，通过向由金属形成的樣史管7施加电压的同时通过压电元 件5使液体变成液滴，可以向将喷射到空腔2中的液滴D施加正或 负电荷。例如，如果将正电压施加给樣i管7 ,人而向流过流动通道1 的鞘液层流T和样品液层流S施加正电荷，那么喷射到空腔2的液 滴D携带正电荷。相反，如果将负电压施加给孩史管7，那么可以向 喷射到空腔2的液滴D施加负电荷。
此夕卜，可以流过在鞘液层流T和才羊品液层流S变成液滴并4皮乂人 连通口 13喷射到空腔2的时刻切换施加给微管7的电压，将带正 电的液滴D和带负电的液滴D交替喷射到空腔2。在此情况下，施 加给微管7的电压是与施加给压电元件5的用于使液体变为液滴的 脉冲电压同步的月永冲电压。
图5是示出朝向靠近压电元件5的流动通道i殳置的接地电才及的 示意图。该图是沿包括压电元件5的YZ面的截面图。4妄;也电才及43和44用于消除来自于用于4空制空月空2中的移动方 向的电极41和42的电位的影响并稳定由微管7提供的液滴的带电 状态。4妄地电4及43和44的i殳置位置可是任何位置，只要这些位置 朝向液体变成液滴并在流动通道1中4皮施加电荷的区i或。
(2-4) 4空制'液滴在中空区i或中的移动方向
(2-4-1)关于一维方向的移动控制
图6是示出被送到空腔2的液滴D的示意图。该图是与沿在图 1中的线U-U的截面对应的截面图。
基于关于朝向空腔2的内部空间i殳置的一对电4及41和42的电 力控制^皮施加正或负电荷并净皮送到空腔2的液滴D在空腔2中的移
动方向。
例如，如图所示，如果通过孩i管7将正电荷施加给液滴D,那 么带浮点的电4及41和带正电的电才及42〗吏液滴D由于电才及41的电 引力和电才及42的4非斥力而沿Y轴正向移动。
为了4吏液滴D在Y轴负向上移动，4吏电才及41带正电而4吏电才及 42带负电。以这种方式，在《效流控芯片A中，可以基于在电极41 和42与施加给给引入到空腔2的液滴的电荷之间的电力控制液滴 在空爿空2中的移动方向。因it匕，同冲羊对于包含在'液滴内的獨U立，它 的移动方向也由作用在整个液滴上的大作用力来控制。
为了保持鞘液和样品液的液滴状态，优选地对空腔2的表面才丸 行防水加工处理。如果液滴在空腔2中彼此部分连通，那么液滴的 电荷消失，因此液滴的移动方向的控制或i午会变4寻不可能或不賴「 确。作为防水处理，通过应用通常^f吏用的,圭脂防7K剂或氟树脂防水剂或沉积丙烯酸石圭脂防水膜或氟防水膜的表面加工是可用的。另 外，还能够通过在流动通道表面上形成樣￡观结构来提供防水性。
此外，为了维持施加给各个液滴的电荷，同样有效的是向空腔
2的表面冲是供电绝缘性从而防止液滴间的电荷移动。电绝缘性可以 通过在空腔2的表面上施加或沉积具有电绝缘性的物质来提供。
空腔2的内部空间可以填充气体或液体。特别地，如果它填充 有电绝^^性的液体(诸如，纯水)，那么可以防止在液滴之间的电 导。此外，为了防止液滴间的电导，同样有效的是使用具有电绝缘 性的液体作为鞘液，并且以使通过微管7施加电荷的样品液被绝缘 鞘液围绕的方式4吏液体变为液滴。然而，如果空月空2i真充有液体， 那么这种液体就会产生阻碍液滴移动的阻力。因此，当空腔2填充 有产生小阻力的气体时，可以以更高的速度和较高的精确度来控制 -液滴的移动方向。
图7是示出通过控制液滴在空腔2中的移动方向而被导入到分 支区域的液滴的示意图。该图是以放大方式示出空腔2和分支区域 31 、 32和33的简^f匕顶^见图。
如上所述，可以基于在所施加的电荷与电才及41和42之间的电 力相只于于Y轴正向和负向来4空制^皮送到空月空2的'液滴D的移动方 向。因此，例如，如果液滴D通过樣￡管7#1施加正电荷，那么液滴 D可以在Y轴正向上移动，并通过带负电的电4及41和带正电的电 极42而^皮导入分支区i或31。
为了使液滴在Y轴负向上移动并且将其导入分支区域33,使 电极41带正电而使电极42带负电。如果电压既没有施加给电极41 也没有施加给电极42，因此没有任何电力作用于液滴D,那么这些 液滴D就可以净皮导入分支区域32。
22以这种方式，在孩"危4空芯片A中，电才及41和42只于应于通过孩丈 管7施加症会液滴D的正或负电荷而^皮相应地带正电或带负电。这4吏 得微流控芯片A能够将液滴导入从分支区域31、 32和33中任意选 择的一个分支区域，从而对液滴进行分类。
(2-4-2)关于二维方向的移动控制
虽然上述4苗述涉及关于一维方向(Y轴正和负向)的液滴D的 移动方向控制，但是还能够执行关于二维方向(Y轴和Z轴正和负 向)的移动方向控制。在关于二维方向的移动控制的情况下，朝向 空月空2同才羊沿Z轴方向i殳置多个电才及。
图8是示出用于执行关于二维方向的液滴在空腔2中的移动方 向的控制的电才及的i殳置位置的示意图。
在该孩i流控芯片A的变型实例中，在对应空腔2的四个角落的 位置处，朝向空腔2 i殳置四个电才及411、 412、 421和422。通过佳: 这些电极带正电或带负电，基于电引力和排斥力相对于Y轴正和负 向以及Z轴正和负向4空制^皮施力。电荷的、液滴的移动方向。
图9是示出在空腔2中关于二维方向控制其移动方向的液滴的 移动方向的示意图。在该图中，、液滴的移动方向由箭头表示，并且 在空腔2中的空间由点线表示。
在该孩i流控芯片A的变型实例中，设置与空腔2连通的十三个 分支区域31、 32a-32d、 33a ~ 33d和34a ~ 34d。电极411、 412、
421和422带正电或带负电，从而控制被送到空腔2的液滴关于Y 轴和Z轴的正和负向的移动方向，使得将液滴选择性地导入各个分 支区域。例如，通过在预定条件下对各个电才及进行充电，当没有向电极施加任何电压时引导至分支区域31的液滴被选择性地导入分 支区i或32a。
在该樣i流控芯片A的变型实例中，在YZ面上可以i殳置与空月空 2连通的大量分支区i或，并且还能够通过将液滴逐一导入各个分支 区域来对液滴进4亍分类。由于此特性，在^f吏包含樣史粒的液体流过微: 流控芯片A并对孩i粒进4亍分类的情况下，微粒可以^皮逐一分类到各 个分支区域。作为此樣i流控芯片A的一个应用，例如，将能够将细 胞逐一分类到大量分支区域中。
3，孩i流控芯片B和孩t流控芯片B中的送流方法
图10是示出根据本发明第二实施例的微流控芯片的结构的简 化顶—见图。如孩史流控芯片A,由图中符号B表示的微流控芯片有利 地用于通过4吏包含樣史粒的液体流过此孩史流控芯片来对纟敬粒进4亍分 类。关于微流控芯片B的结构，以下将描述与微流控芯片A的不同点。
(3-1 )压电元4牛
樣i流控芯片B浮皮配置为4吏流过流动通道l的液体通过沿芯片的 一侧设置的压电元件5 ^皮变成液滴并纟皮送到空腔2。具体地，通过 将月永冲电压施加^会压电元件5并<吏其才展动/人而<吏整个樣炎流控芯片B 振动侵>人流动通道1的连通口 13排出的液体变成液滴。
在上述樣i流控芯片A中，压电元件5将压力施加乡合流过流动通 道1的液体从而使液体变为液滴，因此压电元件5可能需要朝向流 动通道l设置(参照图4)。相反，在微流控芯片B中，通过使整 个微流控芯片B振动而使液体变成液滴，因此压电元件5可被设置在芯片上的任意位置。因此，在微流控芯片B的情况下，用于节省 在芯片内制造压电元件5的时间和努力。
此外，对于樣i流控芯片B,压电元件并不必须^皮i殳置在芯片本 身上，只要压电元件被设置在结合该芯片的装置上即可。在此情况 下，在;f效流控芯片B^^皮结合到装置中的状态下，_没置在装置上的压 电元件与微流控芯片B的一部分接触。这使得可以将装置上的压电 元件的振动传导到结合到装置内的微流控芯片B，从而使液体变成 液滴。
(3-2)分支区域
在^f效流控芯片B中，用于将导入的液滴带到芯片外部的细管#皮 -没置在分支区域中。在图IO的方文大图中，由凄t字312和332表示 的细管是由金属、玻璃、陶瓷、各种塑料(PP、 PC、 COP、 PDMS) 等中的任一材料形成的管，并且将导入分支区域31和33的液滴捕 捉到管的内部中空中。该图示出了液滴D,、 D2和D"皮分别导入分 支区域31、 32和33并将液滴D!和D3带到芯片外的结构。导入分 支区域32的液滴D一人出口 321被排出到微流控芯片B夕卜。
在通过使用微流控芯片B对微粒进行分类的过程中，包含4鼓粒 的才羊品'液一皮乂人才羊品'液入口 8引入而革肖'液^皮乂人孝肖'液入口 6引入，从而 将包含微粒的液滴流送到空腔2。此外，在空腔2中控制液滴的移 动方向，从而将微粒导入用于对其进行分类的任一分支区域31、 32 和33,其中，在液滴中包含微粒。
通过微流控芯片B，可以通过将包括这些微粒的细管312和332 耳又出到芯片外来收集以这种方式^皮分类到分支区域31和33的液滴 D,和D3中的微粒。例如，在对作为微粒的细胞进行分类的过程中， 取出包含在被分别分类到分支区域31和33的液滴D！和D3中的细胞组，这些液滴包含在细管312和332中，并且这些细管312和332 被整个放入细胞培养液中。这样就能够培养各个细胞组。
孩吏流控芯片B可以收集#1分类到各个分支区域中的诸如细月包 或微珠的微粒，而不会使这些微粒互相混合，这是因为微流控芯片 B^^皮配置为可以在这些液滴包含在细管内的情况下将导入分支区&戈 的液滴取出到芯片外。此外，孩i流控芯片B可以防止在孩i粒的收集 中萍皮细菌、杂质等污染。
在微流控芯片B中对作为微粒的细胞进行分类的过程中，同样 有效的是用用于细胞培养的凝胶来填充分支区域31和33以能够更 容易地从微流控芯片中取出被分类到分支区域中的细胞并执行随 后的细"包i咅养。
用用于细胞培养的凝胶填充分支区域能够将从空腔2导入的细 胞捕捉并保持在凝胶中。这样可以防止被分类的细胞由于与分支区 域的内壁接触和碰撞而被破坏以及由于分支区域中的干燥而死亡。 此外，还能够通过将包含细胞的凝胶取出到芯片外来收集被分类的 细月包并寺丸4亍细月包培养。
作为用于细胞培养的凝胶，可以使用众所周知的凝胶，诸如， 胶原蛋白凝胶或弹性蛋白凝胶。可选地，可以使用通过使盐(saline) 与这些凝胶中的任意一种以适当浓度进行混合制备的物质。此外， 还能够采用以下配置，其中，上述细管被设置在分支区域中，并且 这些细管填充了用于细胞培养的凝胶。这样就能够从;徵流控芯片收 集细管，乂人而在细收集中能够在短时间内有收集#皮分类的细 胞。4.樣i流控芯片C和孩i流控芯片C中送流方法
图11是示出根据本发明第三实施例的微流控芯片的结构的简 化顶视图。如微流控芯片A和B,由图中符号C表示的孩i流控芯片 有利地用于通过使包含微粒的液体流过该微流控芯片来对微粒分 类。关于孩t流控芯片C的结构，以下将描述与樣i流控芯片A的不同点。
(4-1 )流体入口
在图11中，数字91和92表示用于将气体或绝缘液体的流体 亏1入流动通道1的流体入口 。流体入口 91和92在它们的一端与: 危 动通道1连通，而被供给流体的流体入口 911和921被i殳置在另一 端。通过增压泵(未示出)从流体入口 911和921提供到流体入口 91和92的气体或绝多彖液体(下文中称为"气体等")越过由婆t字 15表示的汇合处而#1引入流动通道1。
在孩i流控芯片C中，流过流动通道l的液体可以在祐L从流体入 口 91和92引入汇合处15的流体分割而变成液滴之后被送到空腔2。
图12是以;改大方式示出了汇合处15的示意图。图12A是顶祸L 图而图12B是与沿在图11中的线P-P的截面对应的截面图。该图 示出了经由微管7和缩小部14送到汇合处15的鞘液层流T和样品 液层流S ^皮分割并变成液滴的情况。
如图所示，如果对发送的鞘液层流T和样品液层流S以预定定 时从流体入口 91和92引入气体等，那么鞘液层流T和样品液层流 S在汇合处15处被引入的气体等分割并变成液滴。这使鞘液层流T 和样品液层流S在流动通道1中变成液滴并从连通口 13喷射到空腔2 (参照图12和其中的液滴D)。与以上描述相同，液滴D可以 包括包含在样品液内的孩t粒。
在图11和12中示出的结构中， 一个流体入口被:没置在流动通 道l两侧中的每侧处。然而，将一个流体入口设置在流动通道l的 至少一侧处就足够了。此外，还能够Y吏三个或三个以上的流体入口 在汇合处15处4皮此4妄触。
此外，虽然在图11和12流体入口与流动通道1以直角4妄触， 但是流体入口的汇合角可以被设置成任意角度。
为了保纟寺鞘液和才羊品液的液滴状态，优选地，对流动通道1 乂人 汇合处15到连通口 13的局部表面4丸行防水加工处理。如果液滴在 流动通道l中彼此部分连通，那么通过微管7施加给液滴的电荷消 失，因此液滴在空腔2中的移动方向控制或许变得不可能或不精确。
此外，为了维持施加给各个液滴的电荷，同样有效的是向流动 通道1的表面施加电绝纟彖特性，/人而防止液滴间的电荷移动。同才羊 的优点还可以通过采用绝^彖液体作为A人流体入口引入的液体来实现。
5， ^f敬流控芯片的制造方法
(5-1 )形状形成
可以Y吏用3皮璃或《壬一种塑津牛(PP、 PC、 COP、 PDMS)来作为 微流控芯片的材料。优选地，使用具有防水性的物质作为微流控芯 片的材料。因为空腔表面的防水性，所以使用具有防水性的物质可 以防止由于液滴彼此连通而引起的电荷消失。在使用微流控芯片才丸行光学分析的情况下，选择具有透光性和低自身荧光并有小波长散 射而含有很少的光学误差的物质作为微流控芯片的材料。
设置在微流控芯片上的流动通道1等的形状形成可以通过玻璃 基板层的湿蚀刻或干蚀刻、或者塑料基板层的纳米压印、注射形成 或枳4成加工等来净丸4亍。此外，其上形成有流动通道1等的形状的基 板层被由相同材料或不同材料构成的基板层覆盖和密封。从而，可 以形成樣i流控芯片。
以下将通过采用《效流控芯片A作为实例来具体描述4效流控芯 片的制造方法。首先，具有流动通道l、空腔2、分支区域31、 32 和33等的形状的模具被设置在基板层的注射成型装置中，并执行 形状转印。
对于微流控芯片A，如图4所示，将用于形成空腔2的凹槽转 印到两个基板a!和a2中的每一个上。如图13A所示，凹槽可只形 成在基板层a2中，或者可只形成在基板层a！中。此外，如图13B 所示，可以通过4吏空腔2在Z轴方向上的高度与流动通道1的连通 口 13的高度相等来形成空腔2,而无需在基板层a!和32中形成凹 槽。对于简化形状形成步骤，优选地，形成如图13A或图13B所示 的空力空2。
在樣t流控芯片A中，在顶—见图中空腔2的形状是顶点是连通口 13的等腰三角形(参照图1)。例如，空腔2的顶—见图形状可以是 稍后描述的如图14A所示的矩形，并且可以是任意形状，只要空腔 2可以将液滴导入与空腔2连通的分支区域即可。
空腔2在Z轴方向上的高度被设为被引入其中的液滴的尺寸的 约10 100倍。例如，如果包含在作为分析对象的样品液内的^:粒是血细胞，那么液滴的尺寸是约30pm ~50 (am,，因此空腔2的高 度是约300 pm ~ 5 mm。
如果想要如图8和图9所示关于二维方向的液滴的移动方向4空
选地，通过如后所述堆叠三个或三个以上的基^反层来形成芯片。
在微流控芯片A中，通过使流动通道1如图4所示直线延伸来 转印到空腔2的连通口 13。流动通道1的连通口 13可^皮形成，乂人 而如图13C所示以喷嘴形式朝向空腔2缩小。这种结构改进了连通 口 13处的朝沐性并因此可以促进鞘液层流T和样品液层流S流过 压电元4牛5变成'液滴。连通口 13的形状并不限于图中所示，而是 可以使用能够促进液体变成液滴的各种形状中的任一个形状。
此外，如图13D所示，由金属、陶瓷、树脂或其他材料形成的 小管喷嘴131可一皮设置在连通口 13处。该管喷嘴131的形状也不 限于如图所示，而是可以是能够促进液体变成液滴的各种形状中的 任一个形状。此外，通过如图所示i殳置/人流动通道1突出到空腔2 中的管喷嘴131可以进一步提高排水性。
(5-2)微管等的放置
随后，在形状形成之后，将樣先管7、电极41和42以及压电元 件5i史置在基纟反层上。孩￡管7纟皮安装到形成在样品液入口 8和流动 通道1之间以互相连接它们的凹槽中，并且械:设置为使引入样品液 入口 8的样品液通过孩i管7 4皮送到流动通道1 (参照图1 )。
电才及41和42以及4妄地电才及43和44都净皮安装到如图5和6所 示沿流动通道l或空腔2形成的凹槽中。安装有电4及的凹槽浮皮形成 为在凹槽和流动通道1或空腔2之间存在隔离物。隔离物的厚度(图5中Y轴方向上的长度)祐:设为约10nm-500fxm。因为电相j殳有 被直接设置在空腔2的内壁上，而是中间设置有隔离物，所以可以 容易执行对空腔2表面的防水加工和电绝缘加工。
在微流控芯片A中，在如图1所示的顶-现图中，电极41和42 以"V"字母方式^殳置。例如，如果空腔2在顶^L图中的形状是矩 形，那么同样能够使用于控制液滴在空腔2中的移动方向的两个电 才及力o图14A所示4皮jt匕平4亍相^"。
对于液滴的移动方向控制，应将一个或多个电拟/没置在空腔2 的至少一侧。然而，显然，还能够i殳置三个或三个以上电才及。例如， 如图14B所示，可以将多个电极411、 412和413(或电极421、 422 和423 )放置在空腔2两侧中的每一侧上。在图14B中，X轴正向 上，空腔2的宽度在Y轴方向以阶梯方式增加。另外，电才及411、 412和413以及电才及421、 422和423净皮i殳置仅j皮此相对的电才及之间 的距离逐渐增加。在图14B中，与空腔2连通的分支区域的数量是 四(分支区域31 34)。
如图14C所示，电才及可祐:i殳置在空腔2的内部区i或中。在图 14C中，电极431、 432和433被设置在空腔2中，并且设置了总 共九个电极，包括设置在空腔2各侧上的电^L。电极431、 432和 433被设置以在电极和空腔2的中空之间存在隔离物。通过同样以 此方式在空腔2的内部区域中设置电极，即使设置大量的分支区域 (图中为六个分支区域)，通过完全控制液滴的移动方向，仍然可 以将液滴精确导入所选择的一个分支区域。与空腔2连通的分支区 域的数量并没有特别限制，只要它等于或大于二。
压电元件5被设置在流动通道1的连通口 13的上游的这种位 置，使压力由于压电元件5响应于如图4所述施加给其的脉沖电压 产生的净展动而^L施力o纟合;^u过:i:危动通道1的液体。(5-3 )连结
在放置微管7之后，使电极41和42以及压电元件5、基板层 &1和32互相连结。对于基板层的连结，可以相应地使用众所周知的 方法。例如，可以相应地/使用以下方法中的^f壬一种方法热熔、粘 合、阳极接合、利用粘合片的接合、等离子体活化接合和超音波接合。
在基板层ai和a2的连结中，其中安装有微管7的凹槽被粘合剂 密封。作为粘合剂，可以使用与用于将微管7固定到凹槽相同的粘 合剂。凹槽的密封能够使样品液入口 8和流动通道1经由微管7诚: ot匕i^才妻。
可以〗吏用通过上述方法得到的孩i流控芯片A，而无"i仑其正面和 背面中的明卩个朝上。因此，显然地，还能够以使基板层a2在上表面 侧上而基板层ai在下表面侧上的方式使用如图4所示的微流控芯片 A。在图4的状态下，缩小部14被形成为使其流动通道底面是其高 度在/人上游侧朝向下游侧方向上逐)斩增力口的杀牛面。然而，力o果;f效;;克 控芯片A颠倒，那么缩小部14的流动通道顶面可以^皮看作其在流 动通道深度方向上的高度在乂人上游侧朝向下游侧的方向上减小的 斜面。在此情况下，送到缩小部14的鞘液层流和样品液层流的层 流宽度以-使这些层流朝向孩i流控芯片A的下表面侧偏转的方式缩 小。
(5-4 )用于关于二维方向的移动控制的基板层的堆叠
如果想要如图8和图9所示关于二维方向的^J离的移动方向的 控制，那么优选地，空腔2在Z轴方向上的高度通过堆叠多个基板 层而被设为4艮大。图15A是示出微流控芯片C的变型实例的截面的示意性截面 图，其中，为了关于二维方向的移动控制，将空腔2在Z轴方向上 的高度设为很大。图15B是示意性示出了用于形成该变型实例的基
才反层的简化透一见图。
如图15A所示，在孩么流控芯片C的该变型实例中，空腔2的 高度通过堆叠十个基板层b, b,o被设为很大。在图中，数字13表 示流动通道1到空腔2的连通口 13，而数字31、 33b和33c表示分 支区域。此外，数字102和103表示设置在稍后将描述(参照图16 ) 的液体分析装置中的光学检测系统(辐射器102和检测器103)。
用作流动通道和流体入口的凹槽#1转印到基才反层b！(参照图 15B)。凹冲曹只于应于鞘液入口 6、才羊品液入口 8、流体入口 911和921 等的形状。此外，将设置接地电极43和44的凹槽形成在该基板层 b!中。在接地电才及43和44被设置在凹槽中之后，在基板层b!上堆 叠基板层b2。在基板层b2中，在对应于鞘液入口 6、样品液入口 8、 流体入口 911和921和空腔2的每个位置处形成一开口 。
随后，在基板层b2之上，依次堆叠用于形成分支区域32b、 33b 和34b (参照图9)的三个基板层b3 bs。类似地，在基板层b,之 下，堆叠用于形成分支区域32c、 33c和34c (参照图9)的三个基 板层b7 ~ b9。作为用于形成分支区域的基板层的三个基板层被方文在 一起成为一个集合(set)，并堆叠多个集合。因此，可以形成与空 腔2连通的大量分支区域。
最后，堆叠具有将设置电极411和421以及电极412和422的 凹槽的基板层b6和bu)，作为最上层和最下层，并且设置这些电极。
通过由此堆叠十个基板层~b1()，空腔2的高度可以被设为很 大并且在空腔2中的自由空间的尺寸可以净皮i殳为4艮大。这样就能够
33通过^口图9所示的电才及411、 421、 412和422来有凌文执4亍关于二维 方向的'液滴的移动4空制。jt匕外，同才羊，当关于一维方向扭^f亍液滴的 移动方向的控制时，将在空腔2中的自由空间的尺寸设为很大能够 通过防止液滴与空腔2的上表面和下表面接触并粘合来更稳妥地控
制移动方向。
此外，优选地，在除了用于形成流动通道1的基4反层b,和b2 以外的每个堆叠的基板层中，在对应于被光学检测系统(辐射器102 和氺企测器103)激光照射部分的位置处i殳置窗(开口 )。由于此结构， 在通过堆叠各个基板层得到的微流控芯片中，在激光照射部分处的 芯片厚度可以被设为很小。因此，与将整个芯片的厚度设为很大的 情况相比，可以抑制激光的反射、衰减、散射等。此外，空腔2的 高度可以被任意调整，其中，激光照射部分处的芯片厚度保持不变。 因此，即使使用在空腔2的高度上彼此不同的多个芯片用于分析， 在装置侧上的光学检测系统的光学特性仍不需要改变。
6.液体分析装置
图16是用于说明根据本发明实施例的液体分析装置的结构的 示意图。该液体分析装置有利地用作分析微粒特性并基于分析结果 执行孩吏粒分离的樣i粒分类装置。以下将通过采用结合了上述孩i流控 芯片C的装置作为实例来描述在该液体分析装置(微粒分类装置) 中的各个i!H牛。 图16所示的微粒分类装置包括光学检测系统(辐射器102 和才企测器103 )，用于才企测在孩i流控芯片C中通过在汇合处15的上 游侧上的流动通道1的微粒；以及光学检测系统(辐射器104和抬r 测器105),用于确定在汇合处15的下游侧上孩Oi的光学特性。另 外，微粒分类装置包括增压泵106,用于将气体等提供给微流控芯 片C中的流体入口 911和921。在图中，数字101表示用于控制这些光学才企测系统、增压泵及施加给樣￡管7以及电极41和42的电压
的总控制器。
此外，微粒分类装置包括液体提供单元(未示出)，以便可从 」微流4空芯片C中的鞘液入口 6提供鞘'液层流并且可从冲羊品液入口 8 提供样品液层流。被提供给微流控芯片C的鞘液和样品液以使样品 液层流#皮鞘液层流围绕并且这些层流的层流宽度#^效管7和缩小部 14缩小的方式被送到汇合处15 (参照图12 )。
(6-1 )微粒检测
微粒分类装置包括光学检测系统，用于光学检测包含在汇合 处15的上游侧的样品液层流中的微粒。该光学检测系统可以与使 用相关技术微流控芯片的微粒分析系统类似地配置。具体地，配置 有由激光源、用于使激光聚焦在微粒上并用激光照射微粒的聚光透 镜、二向色镜、带通滤波器等构成的辐射器102和检测由于激光照 射而从樣么粒产生的光的^r测器103。例如，4企测器由光电倍增管 (PMT )或诸如CCD或CMOS元件的区域成像元件形成。
在孩i流控芯片C中，鞘液层流和才羊品液层流可以在其层流宽度 被缩小部14缩小之后被送到被辐射器102照射的激光照射部分。 因此，来自辐射器102的激光的聚焦位置可以与孩"立在流动通道1 中的送流位置完全匹配。这样就能够用激光高一禽度地照射纟效粒并且 高灵敏度地检测微粒。
从微粒产生并被检测器103检测的光被转换成电信号并被输出 到总控制器101。由检测器103检测的光可能是散射光或荧光，诸 如微粒的前向散射光、侧面散射光、雷利散射光或米氏散射光。总控制器101基于该电信号检测在流动通道1中发送的样品液 层流中的纟鼓粒。此外，总控制器101以预定定时控制增压泵106， ,人而将气体等,人流体入口 911和921以及流体入口 91和92引入到 汇合处15并分割鞘液层流和样品液层流以使液体变成液滴(参照 图12)。
至于将液体引入到汇合处15的定时，例如，在每次基于从检 测器103的电信号检测到一个微粒的某个时刻之后引入气体等。从 微粒检测到液体引入的时间段根据汇合处15和辐射器102的激光 照射部分之间的距离以及样品液在流动通道1中的送流速度来限 定。通过每次以相应调整的该时间段检测到 一 个微粒就将气体等引 入到汇合处15,可以使鞘液层流和样品液层流分割并变成关于每一 个^i:粒的液滴。
在此情况下，在每个液滴内包含一个微粒。然而，包含在每个 液滴内的孩i粒凄t可以通过相应地调整液体引入到汇合处15的定时 而被设为任意数。即，如果每次检测到预定数量的微粒就引入气体 等，那么液滴就可以以预定数量的^f效粒为单位而获得。
在上述情况中，通过光学才企测系统#^亍对包含在冲羊品液层流中 的孩i粒的4全测。然而，用于樣"立4企测的方案并不限于光学方案，而 是还可以通过电学或,兹学方案来扭J于孩t粒^r测。在电或,兹4企测孩史粒 的情况下，樣爻电才及寻皮"i殳置在汇合处15的上游。此夕卜，例如，测量 在电阻、电容、电感、阻4元和电4及间电场改变4直中的4壬一个。可选 地，例如，测量与樣i粒有关的^兹化和》兹场改变中的任一个。通过输 出作为电信号的测量结果，基于该信号执行通过总控制器101的微 粒检测。
36在微流控芯片C中，同样当电或磁检测微粒时，通过使所设置 微电极的测量位置与微粒的送流位置完全匹配，可以高灵敏度地检
测微粒。
如果樣i粒是有^兹性的，那么同样可以特别<吏用磁极来作为孩吏流 控芯片C的电极41和42，从而基于磁力来控制微粒在空腔2中的
送流方向。
(6-2)确定微粒的光学特性
;微粒分类装置还包括由汇合处15下游的辐射器104和4企测器 105构成的光学检测系统。该光学检测系统用以确定微粒的光学特 性。然而，辐射器104和4企测器105本身的结构可以与上述辐射器 102和检测器103相同。
辐射器104用激光照射包含在在汇合处15处形成的液滴内的 孩吏粒。由于这种光照射而从孩i粒生成的光被;险测器105检测到。由 检测器105检测的光可以是散射光或荧光，诸如微粒的前向散射光、 侧面散射光、雷利散射光或米氏散射光。光被转换成电信号并被输 出到总控制器101。
基于输入的电信号，总控制器101通过采用散射光或荧光(诸 如微粒的前向散射光、侧面散射光、雷利散射光或米氏散射光)作 为参数来确定微粒的光学特性。用作用于光学特性的参数的光根据 作为确定目标的微粒和分类的目的而有所不同。具体地，前向散射 光用于确定微粒的尺寸，侧面散射光用于确定结构，以及荧光用于 确定是否存在作为樣i粒上的标签的荧光物质。
总控制器101分析基于参数检测的光并确定孩i粒是否具有预定
光学特性。在上述情况中，光学确定包含在液滴内的微粒的特性。然而， 还能够电学或磁学地确定微粒的特性。在测量微粒电特性和磁特性
的情况下，微电极被设置在汇合处15的下游。此外，例如，测量 电阻、电容、电感、阻抗、电极间的电场改变值的任意一种。可选 地，例如，测量与微粒有关的^兹化和磁场改变中的任一个。也能够
同时测量这些4^K生中的两个或两个以上的4争'I"生。例:^，在测量由荧
光染料标记的磁珠等作为微粒的情况下，同时测量光学特性和磁特性。
(6-3 )微粒的分类
总控制器101基于微粒的特性的确定结果来控制施加给微管7 以及电极41和42的电压并将包含具有预定特性的孩史粒的液滴引导 至任一个分支区域31、 32和33，从而执行实现微粒的分离和分类。
例如，如果确定包含在液滴内的樣i粒具有预定特性并通过孩t管 7将正电荷施加给包含孩史粒的液滴，那么电极41带负电而电极42 带正电。这使液滴在空腔2中的移动方向改为朝向分支区域31的 方向，并且将具有预定特性的微粒分类到分支区域31中。可以从 出口 311收集4皮分类的液滴和《鼓粒。
相反，如果确定包含在液滴内的微粒不具有预定特性，那么使 电才及41带正电而1吏电才及42带负电。因此，液滴^皮导入分支区i或33 并且樣t粒从出口 331排出。可选地，液滴可^皮引导至分支区域32 和出口321,而无需4吏电才及41和42带电。
以此方式，根据本发明实施例的微粒分类装置根据樣i粒特性的 确定结果而在正极和负极之间相应地切换施加*会包含孩t粒的液滴 的电荷的极性和施加给电极的电压的极性。因此，微粒分类装置可 以将^f效粒引导至并分类到任意选择的一个分支区域。在上述樣丈粒分类装置中，用于4企测在通过用于4吏液体变为液滴
的流动通道1的样品层流的微粒的光学检测系统(辐射器102和检 测器103)和用于确定包含在液滴内的樣史粒的光学特性的光学4企测 系统(辐射器104和检测器105 )被分别设置在汇合处15的上游和 下游。然而，还能够-使它们;波此集成形成。
例如，如果将液体被压电元件变成液滴的微流控芯片A或B 结合到#^居本发明实施例的^f效粒分类装置中，那么 一个光学^r测系 统(例如，辐射器102和4全测器103)就可以执4于樣t粒;险测和光学 特性确定。在此情况下，总控制器101检测微粒并同时确定其光学 特性。基于确定结果，总控制器101切换施加给微管7以及电极41 和42的电压(参照图1)。例如，如果确定樣"立具有预定特性，那 么在此孩M立在连通口 13 ^皮包进液滴中并通过压电元^f牛5喷射时， 总控制器101将正电压施加给微管7。同时，总控制器101将正电 压和负电压分别施加^合电才及41和电才及42, 乂人而将包含孩i粒的液滴 导入和分类到分支区域33。
本领域的技术人员应理解，根据设计要求和其他因素，可以有 多种修改、组合、再组合和改进，均应包含在随附权利要求或等同 物的范围之内。
39
权利要求
1.一种微流控芯片，包括中空区域，带电液滴被引入其中；以及电极，被配置为朝向所述中空区域进行设置；其中，基于作用于施加给液滴的电荷与所述电极之间的电力，控制所述液滴在所述中空区域中的移动方向。
2. 根据权利要求1所述的微流控芯片，还包括多个分支区域，；故配置为与所述中空区域连通；其中，引导至通过控制所述液滴在所述中空区域中的移动方 向，所述液滴被引导至任意选择的一个分支区域。
3. 根据权利要求2所述的微流控芯片，还包括流动通道，被配置为将液体送到所述中空区域；以及压电元件，；帔配置为在所述流动通道到所述中空区i或的 连通口处4吏液体变成液滴。
4. 根据权利要求2所述的微流控芯片，还包括流动通道，^皮配置为将液体送到所述中空区i或；以及流体入口 ，；陂配置为至少/人所述流动通道的一侧与所述 流动通道相会，并将作为气体或绝纟彖液体的流体亏1入所述流动 通道5 其中;危过所述;危动通道的液体净皮乂人所述:^u体入口引入的;危体 分割而变成液滴并^皮送到所述中空区域。
5. 根据权利要求3或4所述的微流控芯片，还包括微管，被配置为将第 一液体引入到流过所述流动通道的 第二液体的层流中；其中，所述第一液体和所述第二液体以/人所述樣i管引入的所述 第 一 液体的层流纟皮所述第二液体的层流围绕的方式，^皮送到所 述流动通道的所述连通口或所述流体入口的汇合处。
6 根据权利要求5所述的微流控芯片，其中，所述流动通道具有缩小部，所述缩小部#:形成为<吏所述缩小部垂直于送液方向的截面面积逐渐减小；并且所述第一液体和所述第二液体^皮发送以4吏所述第一液体 和所述第二液体的层流的层流宽度在所述缩小部中被缩小。
7. #^居权利要求6所述的^:流控芯片，其中，所述樣i管由可施电压金属形成，并且能够将电荷施加给 通过所述流动通道的所述第一液体和所述第二液体。
8. 根据权利要求7所述的微流控芯片，其中，朝向所述;充动通道中'液体变成'液滴并JI^皮施力口电^苛的区 域设置接地电极。
9. 根据权利要求8所述的微流控芯片，其中，包含在所述第 一液体内的孩i粒:陂分类到所述分支区i或中 ,皮任意选择的一个中。
10. 根据权利要求9所述的微流控芯片，其中，所述分支区域填充有用于细胞培养的凝月交。
11. 一种液体分析装置，安装权利要求1至8中任一项所述的孩吏流 控芯片。
12. —种微粒分类装置，安装权利要求9或10所述的微流控芯片。
13. —种樣i流控芯片中的送流方法，包4舌以下步骤将带电液滴引入到设置在所述樣t流控芯片中的中空区 域；以及基于作用于朝向所述中空区域设置的电极与施加给液滴 的电荷之间的电力，控制所述液滴在所述中空区域中的移动方 向。
14. 根据权利要求13所述的送流方法，其中通过控制所述液滴在所述中空区i或中的移动方向，所述 液滴被引导至从与所述中空区域连通的多个分支区域中选出 的^f壬一个分支区域。
15. 根据权利要求14所述的送流方法，其中，在将液体送到所述中空区域中的流动通道到所述中空区 域的连通口处，通过使用压电元件使所述液体变成液滴，同时 将电荷施加乡合所述液体以形成带电液滴，然后爿夺所述带电液滴 送到所述中空区域中。
16. 才艮据;K利要求14所述的送流方法，其中，通过将作为气体或绝纟彖液体的流体可1入到所述流动通道 中，4吏流过将液体送到所述中空区域中的流动通道的所述、液体 分割而变成液滴，同时将电荷施加给所述液体以形成带电液 滴，然后将所述带电液滴送到所述中空区域中。
17. 根据权利要求15或16所述的送流方法，其中，包含微粒的液体以预定数目的微粒为单位被分割而变成液滴。
18. 根据权利要求17所述的送流方法，其中，包含微粒的液滴被分类到任意选择的 一 个分支区域中。
全文摘要
本发明公开了微流控芯片、液体分析装置、微粒分类装置和微流控芯片中的送流方法，其中，微流控芯片包括带电液滴被引入其中的中空区域和被配置为朝向中空区域设置的电极。基于作用于施加给液滴的电荷与电极之间的电力来控制液滴在中空区域中的移动方向。通过本发明，可以高速且高精确度地控制微粒子的送流方向。
文档编号B07C5/36GK101609088SQ200910149049
公开日2009年12月23日 申请日期2009年6月15日 优先权日2008年6月16日
发明者篠田昌孝 申请人:索尼株式会社