物质混合设备和物质混合方法

专利名称：物质混合设备和物质混合方法
技术领域：
本发明涉及物质混合设备和物质混合方法，更具体地，涉及用于通过使从两个以上流路的孔口排出的液滴互相碰撞来混合物质的设备和方法。
背景技术：
近年中，在生物技术和化学领域，反应分析处理的规模和速度的提高不断发展。为了实现反应分析处理的高吞吐量(throughout),同时分析大量微型反应系统是有效的。对于大量反应系统，当对具有极高 反应速度的物质进行分析时，例如，在所有反应系统混合之前一部分反应系统的反应过程已结束。结果，不能在相同条件下分析大量反应系统，并且不能获得精确的分析结果。另一方面，对于微型反应系统，存在的问题是难以均匀地混合一定量的物质。当物质的量在反应系统中变化或者物质没有被均匀混合的情况下，降低了分析的再现性，并且不能获得可靠的分析结果。作为使微量物质能够以一定量均匀混合的技术，专利文献I公开了针对物质的均匀混合方法和均匀混合设备，其特征在于包括两个以上压电型流体液滴排出装置，并且其中使从流体液滴排出装置排出的小流体液滴互相碰撞以均匀混合。根据该技术，微量物质的混合反应操作变得可能，并且可以使物质均匀反应从而可以获得均匀的反应物。应该注意，在针对物质等的均匀混合方法中所采用的“压电型流体液滴排出装置”是流体液滴排出设备，其通过由压电/电致伸缩装置使流体加压室的一部分壁部变形而在流体加压室中产生压力，从而将流体加压室中的流体从喷孔喷射。专利文献I :日本专利申请公开第11-262644号。

发明内容
传统上，在生物技术和化学领域，生物相关的微粒诸如细胞、微生物和脂质体，以及合成微粒诸如乳胶粒子、凝胶粒子和工业粒子已与各种化合物混合，并且已分析微粒与化合物的反应。作为示例，在生物技术领域，在大量工具槽(well)中混合淋巴细胞和抗原以筛选(screen)与抗原结合的抗原特定因子B细胞，或者在工具槽中混合淋巴细胞与癌细胞或病毒感染细胞以筛选导致癌细胞等破坏的细胞紊乱T细胞。在取得之后，检测的抗原特定因子B细胞和细胞紊乱T细胞经历基因分析并用于抗体药物和细胞免疫治疗的开发。在筛选中，将淋巴细胞单个地或多个地分注(dispense)到工具槽以与抗原等混合，并且进行被称为“单细胞筛选”的、用于检测反应和对象细胞的高吞吐量筛选。在上面的专利文献I中公开的用于物质的均匀混合方法和混合设备中，虽然可以均匀地混合一定量的微量物质，但是并未呈现这种微粒与物质的混合以及微粒与微粒的混
口 ο鉴于此，本发明主要的目的在于提供一种物质混合设备，其能够均匀地混合一定量的微量物质并且也能够均匀地混合微粒。技术手段为了解决上述问题，根据本发明，提供了一种物质混合设备，包括两个以上流路，在每个流路中形成孔口，流过流路的流体从孔口向外排出；振荡装置，通过以预定振荡频率至少振荡流路的孔口部分形成从每个孔口排出的流体液滴并排出液滴；以及用于使从流路的孔口排出的液滴互相碰撞的装置。该物质混合设备进一步包括检测装置，用于检测包含在流过流路的流体中的微粒；以及控制装置，用于基于来自检测装置的微粒的检测信号计算微粒的送流间隔并基于
计算的送流间隔控制振荡装置的振荡频率。控制装置控制振荡频率，使得从包含了微粒的流体流过的流路的孔口排出的液滴中包含预定数量的微粒。此外，该物质混合设备进一步包括带电装置，用于将电荷给予从孔口排出的液滴；以及沿着与通过碰撞获得的液滴的移动方向相向设置的成对电极。通过给予到从孔口排出的液滴的电荷和成对电极产生的电作用力来控制通过碰撞获得的液滴的移动方向。通过控制通过碰撞获得的液滴的移动方向，可以在两个以上区域中回收液滴。可替代地，该物质混合设备可进一步包括驱动装置，相对于用于回收并容纳通过碰撞获得的液滴的两个以上区域相对地移动流路的孔口。通过相对于区域相对地移动流路的孔口，可以在两个以上区域中回收通过碰撞获得的液滴。在该物质混合设备中，在单个微型芯片上形成流路是有利的。本发明还提供包括两个以上流路的微型芯片，在每个流路中形成孔口，流过流路的流体从孔口向外排出，以及其通过振荡至少孔口部分来形成从每个孔口排出的流体液滴并排出液滴，流路被设置使得从孔口排出的液滴互相碰撞。在微型芯片中，流路的预定部分被构造为检测部，用于检测包含在流过流路的流体中的微粒，并且流路的孔口部分的横截面面积小于检测部的横截面面积。在微型芯片中,在流过流路的第一流体的层流(laminar flow)中导入包含微粒的第二流体的层流的微管可设置在流体送液方向上检测部的上游。由能被施加电压的金属形成微管是有利的。因此，微管可以构造为用于将电荷给予到从孔口排出的液滴的带电装置。微型芯片可进一步包括振荡装置，至少振荡流路的孔口部分。此外，本发明提供一种物质混合方法，包括布置两个以上流路，在每个流路上形成孔口，从流路流过的流体从孔口向外排出；通过以预定振荡频率振荡流路的至少孔口部分来形成从孔口排出的流体液滴并排出液滴；以及使从流路的孔口排出的液滴互相碰撞。在该物质混合方法中，可使包含微粒的流体流过任何一个流路，并且使从流路的孔口排出的包含微粒的液滴与从其他流路的孔口排出的液滴碰撞，从而将微粒与物质混合。在该情况中，通过基于在流过流路的流体中所包含的微粒的送流间隔来控制振荡频率，从而使从流路的孔口排出的液滴中包含预定数量的微粒。该物质混合方法可进一步包括将电荷给予从孔口排出的液滴；通过沿着通过碰撞获得的液滴的移动方向相向设置的成对电极与给予到液滴的电荷产生的电作用力，控制通过碰撞获得的液滴的移动方向；以及将通过碰撞获得的液滴分注到两个以上区域。可替代地，通过相对于区域相对地移动流路的孔口，可将通过碰撞获得的液滴分注到该两个以上区域。在该物质混合方法中，在单个微型芯片上形成流路是有利的。在本发明中，“微粒”宽泛地包括生物相关的微粒(诸如细胞、微生物和脂质体)，以及合成微粒(诸如乳胶粒子、凝胶粒子和工业粒子)。生物相关的微粒包括构成各种细胞、脂质体、线粒体和胞器(细胞器)的染色体。目标细胞包括动物细胞(血球细胞)和植物细胞。微生物包括细菌(诸如大肠杆菌)、病毒(诸如烟草花叶病毒)，以及真菌(诸如酵母)。生物相关的微粒还可包括生物相关的聚合物，诸如核酸、蛋白质和其复合体。此外，工业粒子可以是，例如，有机或无机聚合物材料或金属。有机聚合物材料包括聚苯乙烯、苯乙烯二乙烯基苯和聚甲基丙烯酸甲酯。无机聚合物材料包括玻璃、硅和磁性材料。金属包括金胶体(gold colloid)和铝。微粒的形状正常为球体，但是替代地可以是非球形，并且尺寸和质量也不特别限定。技术效果根据本发明，可以提供一种物质混合设备，其能够均匀地混合一定量的微量物质并且也能够混合微粒。


图I是用于说明根据本发明的物质混合设备的第一实施方式的示图；图2是用于说明根据本发明的物质混合设备的第一实施方式的变型示例的示图；图3是用于说明根据本发明的物质混合设备的第二实施方式的示图；图4是用于说明根据本发明的物质混合设备的第二实施方式的变型示例的示图；图5是用于说明在根据本发明的物质混合设备中装备的控制装置和检测装置的示图；图6是用于说明在根据第一实施方式的物质混合设备中分注经混合的液滴的结构的示图；图7是用于说明在根据第一实施方式的变型示例的物质混合设备中分注经混合的液滴的结构的示图；图8是用于说明根据本发明的物质混合设备的第三实施方式的示图；图9是用于说明根据本发明的微型芯片的示图；图10是示意性示出从根据本发明的微型芯片中排出的液滴的示图；图11是用于说明微管116的设置位置、在缩窄(narrowing)部117附近的流路11的结构、以及流动的采样流体层流和鞘液层流的状态的示图；图12是用于说明孔口 111附近增压(pressor)部118和流路11的结构、以及流动的采样流体层流和鞘液层流的状态的示图；图13是用于说明流路11在各部分处的宽度和深度的示图；图14是用于说明关于流路11的宽度和深度的其他有利实施方式的示图；图15是用于说明在微型芯片型物质混合设备中分注经混合的液滴的结构的示图。
具体实施方式
下文中，将参照附图描述用于体现本发明的优选实施方式。应该注意，下面描述的实施方式仅仅是本发明的代表性实施方式的示例，而不应该以此狭义地解释本发明的范围。应该注意，将以下述次序进行描述。I.碰撞装置(1-1)第一实施方式(1-2)第二实施方式2.检测装置和控制装置
3.混合液滴的分注(3-1)通过带电装置分注(3-2)通过驱动装置分注4.微型芯片型物质混合设备(4-1)设备结构的概览(4-2)微型芯片(4-3)通过带电装置分注(4-4)通过驱动装置分注I.碰撞装置(1-1)第一实施方式图I是用于说明根据本发明的物质混合设备的第一实施方式的示意图。该实施方式的物质混合设备的特征在于通过使从两个流路的孔口排出的液滴互相碰撞来混合物质。该图示出了在用于使液滴互相碰撞的物质混合设备中所装备的装置的结构。在该图中，参考标号11和12表示包含要混合的物质的流体流过的流路。在流路11和12中，形成用于向外排出流动流体的孔口 111和121。而且，参考标号112和122表示振荡装置，其以预定振荡频率振荡流路11和12的至少孔口 111、121部分从而形成要从孔口 111和121排出的流体液滴并排出它们。振荡装置112和122的每一个均由压电振荡装置等构成，并被设置成将预定振荡施加到整个流路11和12或至少包括孔口 111、121部分的一部分。包含要混合的物质的流体由流体送液装置(未示出)送到流路11和12，并通过振荡装置112和122的功能从孔口 111和121作为液滴A和B排出。此时，通过调整关于流路11和12的流体送液量(流速)、孔口 111和121的直径、振荡装置112和122的振荡频率等，可以调整液滴A和B的尺寸，并且物质能够以一定量含入液滴中。通过在流路11和12外部的空间中预定位置处互相碰撞，排出的液滴A和B变为单个液滴G，并且液滴A和B中所包含的物质在液滴G中混合。液滴G根据液滴A和B的惯性飞行，并在由图中参考标号2表示的容器中回收。基于液滴A和B的飞行速度或尺寸、从孔口 111和121的排出间隔等适当地设置液滴A和B的碰撞角度Θ 12以及到碰撞位置的飞行距离L11和L12以便使液滴A和B能够互相碰撞。在物质混合设备中，通过从流路11和12的孔口 111和112将包含了要混合的物质的流体作为液滴A和B进行排出并且使它们互相碰撞，液滴中包含的物质可以在短时间内均匀地混合。此外，由于物质可以按照一定量含入液滴A和B，所以不会导致混合物质的
量的变化。
流过流路11或12的流体可包括一种或两种以上物质，使得包含在液滴A中的一种或两种以上物质以及包含在液滴B中的一种或两种以上物质通过液滴A和B的碰撞而混合在液滴G中。可以基于排出的液滴A和B的飞行速度或尺寸、从孔口 111和121的排出间隔等适当地设置液滴A和B的碰撞角度Θ 12以及到碰撞位置的距离L11和L12。例如，如图2中所示，可能将流路11和12设置处于几乎90度，使得从流路的孔口排出的液滴A和B的碰撞角度θ12变为几乎90度。液滴的碰撞角度可以适当地设置为大于O度并小于180度。图2示出了在下述情况中容器2的设置位置在该情况中由于液滴B的质量远小于液滴A的质量，所以在碰撞之后液滴G的飞行方向与液滴A的排出方向相比并不改变。由于液滴G根据液滴A和B的惯性飞行，所以容器2需要放置在液滴G的飞行方向上。应该注意,在图I所示的第一实施方式和图2所示的变型示例中，不是所有的液滴A和B都需要碰撞以混合，并且可能有未与液滴A碰撞的液滴B。而且，可能有不与液滴A碰撞的液滴B。例如，从孔口 121排出的液滴B可以二比一的比例与从孔口 111排出的液滴A混合。在该情况中，在容器2中回收不与液滴B碰撞的液滴A本身以及通过碰撞进而与液滴B混合获得的液滴G。通过调整到液滴A和B的碰撞位置的飞行距离L11和L12、从孔口的排出间隔等，可以使液滴B以二比一的比例与液滴A碰撞。(1-2)第二实施方式图3是用于说明根据本发明的物质混合设备的第二实施方式的示意图。该实施方式的物质混合设备特征在于包含微粒的流体从一个流路的孔口排出并与从其他两个流路排出的液滴碰撞从而混合包含微粒的物质。该图不出了装备在用于使液滴互相碰撞的物质混合设备中的装置的结构。在该图中，参考标号11、12和13表示包含了要混合的物质的流体流过的流路。其中，包含微粒P的流体流过流路11。用于向外排出流动流体的孔口 111、121和131形成在各个流路中，并且设置用于形成要从孔口排出的流体液滴并排出它们的振荡装置112、122和 132。包含要混合的物质的流体由流体送液装置(未示出)送到流路并通过振动装置的功能从孔口作为液滴Α、Β和C排出。其中，从孔口 111排出的液滴A包含流过流路11的流体中所包含的微粒P。排出的液滴Α、B和C通过在流路11、12和13外部空间中预定位置处互相碰撞而变为单个液滴G，并且包含在液滴A中的微粒P与包含在液滴B和C中的物质在液滴G中混合。此后，液滴G根据液滴Α、B和C的惯性飞行，并在容器2中回收。基于液滴的飞行速度或尺寸、从孔口的排出间隔等适当地设置液滴A和B的碰撞角度Θ 12，液滴A和C的碰撞角度Θ 13，以及到液滴的碰撞位置的飞行距离Ln、L12和L13,以便使液滴能够互相碰撞。 在物质混合设备中，包含微粒P的流体从流路11的孔口 111作为液滴A排出，以及包含要混合的物质的流体从流路12和13的孔口 121和131作为液滴B和C排出。通过使那些液滴互相碰撞，包含在液滴中的微粒和物质可以在短时间内均匀地混合。此外，由于物质可以按照一定量含入液滴B和C中，所以在没有造成量发生变化的情况下，多个物质可以与微粒P混合。在混合微粒Α、Β和C期间，可以同时进行三个液滴的碰撞和混合，或者可以首先进行任意两个液滴的碰撞和混合。可以任意的时序进行液滴的碰撞和混合。例如，如图4所示，流路11和12被设置处于几乎90度，使得从孔口 111排出的并包含微粒P的液滴A首先与从孔口 121排出的液滴B碰撞从而获得液滴G。因此，包含在液滴A和B中的微粒P和物质混合。接下来，流路13被设置为与液滴G的飞行方向几乎成90度，使得从孔口 131排出的液滴C与液滴G碰撞从而获得液滴H。因此，包含在液滴H和C中的微粒和物质可以混
入
口 ο此外，并不是所有微粒A、B和C都需要碰撞和混合，而是仅其中两个可碰撞以混合。经历碰撞和混合的液滴的组合可以任意设置。例如，可以使从孔口 121排出的液滴B与从孔口 111排出的液滴A以二比一的比例碰撞并混合。在该情况中，与从孔口 131排出
的液滴C碰撞的液滴是液滴A本身或是液滴G (液滴A和B在液滴G中混合)。然后，通过选择液滴A和G以及从孔口 131排出的液滴C的组合用于碰撞，可以获得液滴A和C的混合物，液滴A、B和C的混合物或液滴A和B的混合物作为最终在容器2中回收的液滴H。通过调整到液滴的碰撞位置的飞行距离Ln、L12, L23和L13,液滴A、B和C的飞行速度，从孔口的排出间隔等可以任意设置用于碰撞和混合的液滴的组合。虽然已经描述了通过提供图I和2中的两个流路11和12以及图3和4中的三个流路11、12和13来混合物质的情况，但是在根据本发明的物质混合设备中并不特别限定要设置的流路数量，可以设置4个以上的流路。2.检测装置和控制装置图5是用于说明在根据本发明的物质混合设备的流路的孔口排出的微粒中含入预定数量的微粒的结构的示意图。如参照图3和图4所述，在根据本发明的物质混合设备中，从流路的孔口排出包含微粒的液滴并使其与从另一流路的孔口排出的液滴碰撞从而混合包含微粒的物质。此时，包含在液滴中的微粒的数量并不特别限定，而可以任意设置。图3已示出了一个微粒P含入从流路11的孔口 111排出的液滴A中的示例。而且，图4已示出了在从流路11的孔口111排出的液滴A每隔一个中含入O或I个微粒P的示例。通过调整关于流路的流体送液量(流速)、孔口的直径、振荡装置的振荡频率等，可以将要含入液滴中的微粒数量设置为O或I或更多的任意数量。通过控制振荡装置的振荡频率可以有利地控制要含入液滴中的微粒的数量，具体地，下文中参照图5将给出其详细内容。在图5中，参考标号31、32和33的每个均表示用于检测流过流路11的流体中所包含的微粒P的数量的检测装置。检测装置31、32和33在流路11的预定部分处将激光(测量光)照射到流动的微粒P上，并将从微粒P产生的检测光(测量目标光)转换为电信号。检测装置31、32和33可以由激光源、由激光源构成的照射系统31 (检测装置31)以及用于收集并将激光照射到微粒P上的收集透镜、分色镜、带通滤波器，以及通过检测器33 (检测装置33)中的激光的照射收集从微粒P产生的测量目标光的检测系统32 (检测装置32)等构成。检测器33可由例如，区域图像(area image)采集装置构成，诸如PMT(光电倍增管)、CCD和CMOS。应该注意，虽然图中照射系统和收集系统单独构成，但是照射系统和收集系统可具有它们所公共具有的光路的结构。由检测器33检测到的测量目标光是通过激光的照射从微粒P产生的光，以及可以(例如)使用前向散射光或侧散射光、瑞利散射的散射光、米氏散射等以及荧光。测量目标光转换为电检测信号并输出到控制器4。控制器4基于检测信号计算流路11中微粒P的送流间隔并基于计算的送流间隔控制振荡装置112的振荡频率。通过以基于流路11中的微粒P的送流间隔的预定振汤频率使振汤装直112振汤，可以执行控制以在从孔口 111排出的液滴A中含入预定数量的微粒P。图5已示出了执行控制以在微粒A中含入一个微粒P的示例。通过基于送流间隔控制振荡频率，例如，在液滴中含入两个以上微粒或在液滴中含入不同数量的微粒也变为可能。应该注意，检测装置31、32和33可由(例如)电或磁检测装置代替。当电地或磁地检测微粒时，微电极相向地设置在流路11的两侧上，并测量电极之间电场的改变值、电阻值、电容值、电感值、以及阻抗或磁化、磁场改变等。应该注意，虽然图3至5已示出了包含微粒的液滴A从流路11的孔口 111排出的示例，但是包括微粒的流体可流过两个以上流路。例如，也可能使包含微粒的流体除了流路11之外也流过流路12并从孔口 111和121排出包含微粒的液滴A和B。在该情况中，通过使液滴A、B和C互相碰撞产生液滴G (见图3)或液滴H (见图4)，包含在液滴A和B中的微粒和包含在C中的物质混合。流过流路11和12的任何一个流体可包含一种类型或两种以上类型的微粒，或者微粒可以是相同或是不同的。3.混合液滴的分注(3-1)通过带电装置分注图6是用于说明在根据第一实施方式的物质混合设备中分注经碰撞/混合的液滴G的结构的示意图。该图示出了用于通过使用电作用力控制液滴G的移动方向将液滴G分注到多个区域的结构。在该图中，参考标号21表示容器2中形成的多个区域的每一个。从流路11和12排出的液滴A和B互相碰撞以变为根据液滴A和B的惯性飞行的液滴G。在该图中，参考标号51、51表不沿着液滴G的移动方向相向设置的第一对电极。此夕卜，参考标号52、52表不类似地沿着液滴G的移动方向相向设置的第二对电极。第一对电极51、51和第二对电极52、52被设置成其相对轴变为彼此垂直。换句话说，第一对电极51、51在图中的X轴方向上相对，第二对电极52、52在图中的Y轴方向上相对。另一方面，在该图中，参考标号113、113表不用于对从流路11排出的液滴A带电并给予电荷的带电装置。而且，参考标号123、123表示用于类似地将电荷给予到从流路12排出的液滴B的带电装置。这里，已示出了带电装置被构造为沿着液滴A和B的排出方向设置的成对电极的情况。然而，只要能够将电荷给予到液滴A和B，带电装置的结构并不特别限定。作为带电装置的其他结构的示例，存在的结构是设置金属组件以便与流过流路11和12的流体接触，并且将电压施加到该金属组件。从流路11和12排出的液滴A和B的任何一个或两者可以被给予正或负电荷，以正地或负地对碰撞之后获得的液滴G带电。然后，通过给予到液滴G的电荷以及在第一对电极51、51之间作用的电排斥力或吸引力，在沿着X轴的正向或负向上控制通过第一对电极51、51的液滴G的移动方向。而且，通过给予到液滴G的电荷以及在第二对电极52、52之间作用的电作用力，在沿着Y轴的正向或负向上控制通过第二对电极52、52的液滴G的移动方向。通过改变施加到第一对电极51、51以及第二对电极52、52的电压并调整液滴G之间的电作用力强度，在图中X轴和Y轴方向上可以任意控制已通过第二对电极52、52的液滴G的飞行方向。因此，液滴G可以被引导到容器2中形成的多个区域21，使得在该区域中回收液滴G。O个或I个以上液滴G可以被引导到区域21的每一个中并在其中回收。应该注意，通过由带电装置113、113或123、123变化给予到液滴A或B的电荷，可以调整对液滴G的飞行方向的控制。可以使包含微粒的流体流过流路，使得包含微粒的液滴从孔口排出，并且通过以基于流路11中微粒P的送流间隔的预定振荡频率使振荡装置112振荡，例如，可以如此执行控制以致在从孔口 111排出的液滴A中含入预定数量的微粒P(见图5)。在该情况中，还可能在液滴A的碰撞之后获得的液滴G中含入预定数量的微粒P并通过将液滴G引导到用于回收的容器2中形成的区域21的每一个，将一定数量的微粒分注到多个区域21。在液滴中含入的微粒数量并不特别限定，而可以 任意设置，但是通过将每个均包含一个细胞作为微粒的液滴分注到区域，例如，可以用于使用单细胞筛选的药物动力学研究。(3-2)通过驱动装置分注图7是用于说明在根据第一实施方式的变型示例的物质混合设备中分注经碰撞并混合之后获得的液滴G的结构的示意图。该图示出了用于通过由驱动装置移动流路将液滴G分注到容器2的多个区域的结构。通过驱动装置(未示出)可以在图中X轴和Y轴方向上改变流路11和12对于容器2的相对位置。驱动装置并不特别限定，只要其可以关于容器2移动流路11和12的相对位置并可以由(例如)送给螺杆、导轨和电机构成。通过由驱动装置连续变化流路11和12对于容器2的相对位置，通过在图中X轴和Y轴方向上任意控制液滴G的飞行方向，在容器2中形成的多个区域21的每一个中可以回收O个或I个以上液滴G。应该注意，在区域21中回收的液滴G数量可以是全部相同或不同的。应该注意，图6和7已示出在塑料基板上形成有96个工具槽(区域21)的多盘(multi plate)用作容器2的情况。常规使用的各种塑料容器也可用作容器2，并且通过设置多个那些容器，O个或I个以上液滴G可以引导到容器2的每一个中并在其中回收。4.微型芯片型物质混合设备(4-1)设备结构的概览图8是用于说明根据本发明的物质混合设备的第三实施方式的示意图。该实施方式的物质混合设备的特征在于包含了要混合的物质的流体所流过的流路形成在单个微型芯片上。该图示出了该设备的示意结构。在该图中，参考标号I表示微型芯片。在微型芯片I上，形成有包含了要混合的物质的流体流过的流路11、12和13。其中，包含微粒的流体流过流路11。参考标号112表示用于形成从流路11、12和13排出的流体液滴并排出它们的振荡装置。这里，将描述振荡装置112与微型芯片I集成形成的芯片的内部结构，但是振荡装置112也可能设置在当芯片安装至设备时该振荡装置与芯片接触的设备主体侧。而且，参考标号31和32表示用于检测流过流路11的流体中包含的微粒的检测装置，该检测装置作为照射系统和检测系统(同样参见图5)。包含要混合的物质的流体由流体送液装置(未示出)送给到流路11、12和13，并通过振荡装置112的功能从流路的孔口作为液滴排出。排出的液滴在微型芯片I以外空间中的预定位置处碰撞以变为单个液滴G，从而混合物质(同样参见图3)。而且，由第一对电极51、51和第二对电极52、52控制碰撞之后获得的液滴G的移动方向，使得液滴G引导到容器2中形成的多个区域21中并在其中回收(同样参见图6)。微型芯片I可由玻璃或各种塑料(PP、PC、COP、PDMS等)形成。期望微型芯片的材料具有关于由检测装置31照射的激光的渗透性并且具有更少由小自体荧光和小波长色散导致的光学误差。通过玻璃基板的 湿蚀刻或干蚀刻或塑料基板的纳米压印、喷射成型以及机械工艺可以在微型芯片I上进行流路11等的形成。通过密封其上形成有流路11等的基板与由相同材料或不同材料形成的基板，可以形成微型芯片I。(4-2)微型芯片参照图9，将详细描述微型芯片I的结构。在微型芯片I上，形成包含了要混合的微粒的流体(下文中，称为“采样流体”)将引导至此的采样流体入口 115以及鞘液要引导至此的鞘液入口 114。引导到采样流体入口115的采样流体流过微管116，以送给到流路11。此外，引导到鞘液入口 114的鞘液首先在Y轴上正和负方向上从鞘液入口 114双向分离以被送给，然后以几乎90度转动两次以在设置微管116的位置处交汇。微管116将已从采样流体入口 115引出的采样流体引导至汇合后流过流路11的鞘液层流。因此，微管116将采样流体送给流路11的下游，同时采样流体层流被鞘液层流包围。通过将采样流体层流送给到鞘液层流的中央，可以送给采样流体层流中的微粒同时在流路11中以一条线对准。检测装置(图中仅指示照射系统31)将激光照射到以一条线流过流路11的微粒，检测从微粒产生的测量目标光，并且将其转换成电检测信号。下文中，流路11中进行微粒检测的部分称为“检测部”(图中由符号F表示)。已穿过检测部F的采样流体和鞘液从微型芯片I的一侧处所开口的孔口 111排出到流路11外。来自检测装置的检测信号输出到控制器4 (未示出)，其基于检测信号计算流路11中微粒的送流间隔并基于计算的送流间隔控制振荡装置112的振荡频率(同样参见图5)。然后，通过以基于微粒的送流间隔的预定振动频率振荡微型芯片1，振荡装置112形成从孔口 111排出的采样流体和鞘液的液滴并进行控制以在液滴中含入预定数量的微粒。图10示出了执行控制以在从孔口 111排出的液滴A中含入一个微粒P的情况。还可能在每个液滴中含入两个以上微粒或在液滴中含入不同数量的微粒。应该注意，检测装置可由(例如)上面已描述的电的或磁的检测装置代替。当电地或磁地检测微粒时，微电极相向地设置在流路11的两侧上，并测量电极之间电场的改变值、电阻值、电容值、电感值、以及阻抗、或磁化、磁场改变等。而且，在微型芯片I上，形成入口 124和134，包含要混合的物质的流体引导至该入口。经由入口 124和134引导至流路12和13的流体也通过振荡装置112的振荡从孔口121和131作为液滴B和C排出。在微型芯片I的同侧开口流路11的孔口 111、流路12的孔口 121和流路12的孔口 131，并如此设置使得从流路的孔口排出的液滴A、B和C可以互相碰撞。具体来说，如参照图3所述的，基于液滴的飞行速度和大小、从孔口的排出间隔等适当地设置液滴A和B的碰撞角度Θ 12、液滴A和C的碰撞角度Θ 13以及到液滴的碰撞位置的飞行距离Ln、L12和L13,以使液滴能够互相碰撞。在物质混合设备中，包含了微粒P的流体从流路11的孔口 111作为液滴A排出并且包含要混合的物质的流体从流路12和13的孔口 121和131作为液滴B和C排出。通过使那些液滴互相碰撞，包含在液滴中的微粒和物质可以在短时间内均匀地混合。此外，在物质混合设备中，通过调整关于流路12和13的流体送液量(流速)、孔口121和131的直径等，可以调整液滴A、B和C的大小，并且物质可以一定量含入液滴中。所以，在不造成量变化的情况下可以将多个物质与微粒P混合。而且，在物质混合设备中，由于流路11、12和13形成在单个微型芯片I上，所以不必执行以使液滴能够互相碰撞的流路和孔口的定位(对准)。再者，通过使用便宜的微型芯片，其可以一次性地用作形成液滴的装置以及使液滴互相碰撞的装置，可以防止在分析样
本中出现污染。图9和图10已示出了通过设置三个流路11、12和13混合物质的情况。然而，在微型芯片I所设置的流路数量不特别限定并且可以是4个以上。而且，在液滴能够互相碰撞的范围内可以任意设置液滴A和B的碰撞角度Θ 12、液滴A和C的碰撞角度Θ 13以及到液滴的碰撞位置的飞行距离Ln、L12和L13,以及与之一起，可以适当地改变微型芯片I上流路11、12和13以及孔口 111、121和131等的设置位置。再者，虽然图9和图10已示出了包含微粒的液滴A从流路11的孔口 111排出的情况的示例，但可使包含微粒的流体流过两个以上流路。例如，也可能与流路11中一样在流路12中设置鞘液入口、微管、检测部F等，并将包含微粒的液滴B和A从孔口 111和112排出。在该情况中，流过流路11和12的两个流体可包括一种类型或两种或更多类型的微粒，以及流体中包含的微粒可以或是相同或是不同的。下文中，除了图9之外参照图11至图14，将更详细描述微型芯片I的结构。在图9中，参考标号117表示设置于流路11中的缩窄部。缩窄部117如此形成以致对于流体送液方向的垂直截面面积在流路中从上游侧至下游侧逐渐变小。图11是用于说明微管116的设置位置、缩窄部117附近流路11的结构、以及流动的采样流体层流和鞘液层流的状态的示意性横截面图。图Il(A)示出了水平横截面图(XY横截面图)，图Il(B)示出了垂直横截面图(ZX截面图)。在图中，符号S表示采样流体层流，符号T表示鞘液层流，以及符号P表示采样流体中包含的微粒。采样流体层流S经由微管116引导至流过流路11的鞘液层流T并送给，同时被鞘液层流T(3D层流)包围，如图中所示。缩窄部117的流路侧壁形成为在图中沿着Y轴方向的流体送液方向上变窄，以及缩窄部117是在上部示图中逐渐狭窄的锥形。通过该形状，缩窄部117使鞘液和采样流体的层流宽度变窄并将它们送给。此外，缩窄部117形成为倾斜表面，其流路底部表面在从上游侧至下游侧的深度方向(Z轴方向)上变得更高，以及也在相同方向上使层流宽度变窄。如上所述，通过形成采样流体层流S被鞘液层流T包围的3D层流，并使3D层流的层流宽度变窄以将其送给，在变窄的采样流体层流S中可以一个接一个排列微粒P。结果，可以定位流路11中微粒P的送流位置，以及来自检测装置31的激光可以准确地照射到检测部F中的微粒P上。特别是，由于可以不仅在微型芯片I的水平方向(图Il(A)中Y轴方向)还在垂直方向(图Il(B)中Z轴方向)上由缩窄部117使采样流体层流S的层流宽度变窄，所以可以使激光在流路11的深度方向上的聚焦位置准确地匹配微粒P的送流位置。所以，通过准确地将激光照射到微粒P上来获得高测量灵敏度变得可能。这里，认为通过将流路11形成为足够细的流路以及使用具有小直径的微管116引导采样流体层流S至流过流路11的鞘液层流T，可能形成3D层流，其中预先使层流宽度变窄。然而，在该情况中，通过使微管116的直径变小，存在微粒P可能卡在微管116中的可能性。通过在微型芯片I中设置缩窄部117，可能使用具有比采样流体中包含的微粒P的直径足够大的直径的微管116在形成3D层流之后使层流宽度变窄。所以，不会导致微管
116卡住的问题。图11已示出了微管116如此设置以致其中心变得与流路11的中心共轴的情况。在该情况中，采样流体层流S引导到流过流路11的鞘液层流T的中央。通过调整流路11中微管116的开口位置可以任意设置鞘液层流T中采样流体层流S的位置。此外，对于将层流宽度变窄，缩窄部117仅需要如此形成以致关于流体送液方向的垂直横截面面积从流路中上游侧至下游侧逐渐减小。在并不限于图11中所示的形状的情况下，缩窄部117可以如此形成，以致(例如)流路底部表面和上部表面都形成为倾斜表面使得可以执行缩窄。基于微粒P的直径可以适当地设置微管116的内径。例如，当使用血液作为采样流体进行与血液细胞的反应分析时，微管116的内径有利地是大约10 ii m至500 ii m。而且，仅需要基于将微粒P的直径考虑进去的微管116的外径来适当地设置微管116的开口位置处的流路11的宽度和深度。例如，当微管116的内径是大约10 ii m至500 ii m时，流路11在微管116的开口位置处的宽度和深度有利地约为100 ii m至2000 ii m。应该注意，微管的横截面形状可以是替代圆形的任意形状，诸如椭圆、方形和三角形。通过适当地设置缩窄部117对于流体送液方向的垂直横截面面积，已通过缩窄部117变窄的采样流体层流S和鞘液层流T的层流宽度可以变窄至任意层流宽度。例如，当缩窄部117的流路长度由I代表以及流路底部表面的倾斜角度由图Il(B)中33代表时，缩窄部处的3D层流的狭窄宽度变为l*tan 6 3。所以，通过适当地调整流路长度I和倾斜角度S3，可以设置任意的狭窄宽度。而且，利用Y轴方向中缩窄部117的流路侧壁的由61和6 2代表的狭窄角度(S工和S 2与S 3 —起满足，图11 (A)中的“ S 3 = 2* S p S工=6 2”)，采样流体层流S和鞘液层流T可以全向地收缩，以及在不干扰由微管116形成的3D层流的情况下可以将层流宽度变窄。在检测部F处已被缩窄部117变窄的采样流体层流S和鞘液层流T的层流宽度，在流路11的宽度和深度中有利地约为20 ii m至2000 u m。图9中，参考标号118表示增压部，其在流路11中设置在孔口 111上游并且检测部F下游的位置处。增压部118如此形成以致垂直横截面面积对于流体送流方向从流路中上游侧至下游侧逐渐减小。换句话说，类似于缩窄部117，增压部118如此形成以致流路侧壁在图中Y轴方向上沿着流体送液方向变窄，以及流路底部表面变为在从上游侧至下游侧的深度方向中(Z轴方向)变得更高的倾斜表面。
图12是用于说明孔口 111附近流路11和增压部118的结构、以及流动的采样流体层流和鞘液层流的状态的示意性横截面图。图12(A)示出了水平横截面图(XY横截面图)，以及图12(B)示出了垂直横截面图(ZX横截面图)。图中，符号S表示采样流体层流，符号T表示鞘液层流，以及符号P表示采样流体中包含的微粒。采样流体层流S和鞘液层流T送给，同时由增压部118在图中Y和Z轴方向上使层流宽度变窄。通过使层流宽度变窄，增压部118用于增加流路11中采样流体和鞘液的流体送液压力，并且以高压将流体从孔口 111排出。通过适当地调整增压部118对于流体送液方向的垂直横截面面积，可以将孔口111部分处的采样流体层流S和鞘液层 流T的层流宽度变窄到任意层流宽度。例如，当图12(B)中增压部118的流路长度由I代表以及流路底部表面的倾斜角度由S 3代表时，增压部118处3D层流的缩窄宽度变为l*tan 6 3。所以，通过适当地调整流路长度I和倾斜角度S3，可以设置任意的狭窄宽度。在孔口 111部分的宽度和深度中，孔口 111部分处采样流体层流S和鞘液层流T的层流宽度有利地约为20 ii m至500 ii m。应该注意，增压部118在以下方面与缩窄部117相同增压部118的流路底部表面和上表面都可以进行采样流体层流S和鞘液层流T的层流宽度的缩窄，原因在于增压部分118的倾斜表面以及形状不限于图中所示的形状。而且，利用Y轴方向中增压部118的流路侧壁的由\和82代表的缩窄角度(61和S2与Z轴方向中的缩窄角度S3—起，满足图12(A)中的“63 = 2*^ S1= S 2”)，由微管116形成的3D层流可以全向地收缩，以及可以在关于缩窄部117不干扰如上所述的3D层流的情况下，将层流宽度变窄。类似于流路11的增压部118，增压部128和138设置在流路12和13中，用于以高压将流体从孔口 121和131排出。通过适当地调整增压部128和138对于流体送液方向的垂直横截面面积，可以将孔口 121、131部分处的流路宽度和深度变窄到任意系统。通过调整孔口 121和131等的直径，可能调整液滴B和C的大小以及调整要与液滴A混合的物质的量。图13是用于说明流路11的各个部分处的宽度和深度的示意性横截面图。该图的每一个均示出了流路11的YZ横截面。图13(A)示出了微管116的开口位置的横截面，图13(B)示出了检测部F的横截面，以及图13(C)示出了流路11的孔口 111部分的横截面。如图13(A)中所示，在微管116的开口位置处，将采样流体层流S和鞘液层流T送给作为3D层流，其中采样流体层流S被鞘液层流T包围。如上面已经描述的，基于将微粒P的直径考虑进去的微管116的外径，可以适当地设置微管116开口处流路11的宽度和深度至例如，大约100 UmM 2000 u m。在由缩窄部117将层流宽度变窄的状态下，将由微管116形成的3D层流送给到检测部F (见图13(B))。通过由缩窄部117将层流宽度变窄，在要送给到检测部F的采样流体层流中一个接一个排列微粒P。通过适当地调整关于流体送给方向的缩窄部117的垂直横截面面积，可以适当地设置检测部F处采样流体层流S和鞘液层流T的层流宽度。检测部F处流路11的宽度(W)和深度(H)设置为大约20 至2000 ym，用于使检测装置31的光学检测角度(光学系统的数值孔径)足够大。结果，可以使光学检测角度Y和数值孔径足够大。再者，关于由光检测装置31照射的测量光的照射方向，光照射部33处流路11的形状有利地是矩形，具有关于深度(H)增加的宽度(W)。利用光照射部分33处流路11的广阔形状，可能增加光学系统的数值孔径。在由增压部118再次将层流宽度变窄之后将已通过检测部F的采样流体层流S和鞘液层流T送给到孔口 111，如图13(C)中所示。通过由增压部118将层流宽度变窄，可以增加来自孔口 111的采样流体和鞘液的排出压力。通过适当地调整增压部118对于流体送给方向的垂直横截面面积，可以任意设置孔口 111部分处采样流体层流S和鞘液层流T的层流宽度。对于在孔口 111处以高速形成高频率液滴，使孔口 111处采样流体层流S和鞘液层流T的层流宽度小是有利的，从而充分增加采样流体和鞘液的排出压力。所以，孔口 111的开口处流路11的宽度(w)和深度(h)有利地设置为大约20 ii m至500 ii m。这里，已经描述了下述情况首先由缩窄部117使由微管116形成的3D层流的层流宽度为适合于在检测部F中检测微粒的宽度，然后成为可以由增压部118形成高频率的液滴的宽度。不必以缩窄部117和增压部118的两个步骤进行流路11中的层流宽度的变窄，而是可以进行使得层流宽度和深度从流路11的微管116的开口位置到孔口 111逐渐连续地减小，例如如图14中所示。另外，流路11可采用各种形状，只要微管116的开口位置、检测部F、孔口 111部分处的流路宽度和深度在有利的数值范围内。再者，孔口 111的开口的形状可以是任意形状，诸如正方形、矩形和圆形。而且，如图14中所示，开口部的端表面部分可以形成为倒圆锥形状。利用孔口 111的开口的端表面部分的这种喇叭形状，可以改进形成的液滴的滴漏。(4-3)通过带电装置排出在微型芯片I中，微管116由能够被施加电压的金属形成，以及构造为用于将正或负电荷给予到流过流路11的鞘液和采样流体的带电装置。当将流过流路11的采样流体和鞘液的液滴从孔口 111排出时，通过施加电压到微管116将电压施加到鞘液和采样流体，可以将正或负电荷给予到排出的液滴。通过由微管116将正或负电荷给予到从孔口 111排出的液滴A，可以将正或负电荷给予到与液滴B和C碰撞之后获得的液滴G。因此，由第一对电极51、51和第二对电极52、52(见图8)之间作用的电排斥力或吸引力可以控制液滴G的移动方向。通过变化施加到第一对电极51、51和第二对电极52、52的电压以及调整液滴G之间的电作用力的强度，可以在图中X轴和Y轴方向上任意控制通过第二对电极52、52之后的液滴G的飞行方向。因此，液滴G可以导引到容器2中形成的多个区域21的每一个并在区域中回收。应该注意，通过变化施加到微管116的电压可以调整对液滴G的飞行方向的控制。(4-4)通过驱动装置排出图15是用于说明在微型芯片型物质混合设备中分注经碰撞并混合之后获得的液滴G的另一结构的示意图。该图示出了用于通过驱动装置移动微型芯片I时将液滴G分注到容器2的多个区域21的结构。这里，将对以下示例进行描述，其中使用微型芯片I分注液滴G，在微型芯片I上设置有用于关于多盘(容器2)中形成的96个工具槽(区域21)形成液滴G的、由流路11、12和13等构成的多个结构单元(下文中，简称为“结构单元”)。在容器2中，8个区域21排列在图中X轴方向上，以及12个区域21排列在图中Y轴方向上。因此，同样在图中所不的微型芯片I上，8个结构单兀以X轴方向排列在一行中。结构单元的排列间隔在X轴方向上与区域21的间隔一致。结果，在一行中排列的区域21中回收从结构单元排出的混合液滴G。微型芯片I是由驱动装置(未示出)可移动的。通过由驱动装置顺序地移动微型芯片I对于容器2的相对位置，在容器2中形成的多个区域21的每一个中可以回收0个或I个以上液滴G。具体来说，当顺序地在Y轴方向上移动微型芯片I时，每次将液滴G分注至以X轴方向排列的8个区域21。如上所述，通过在微型芯片I上形成多个结构单元以及将混合的液滴分注到这些单元，可以在短时间内进行大量反应系统的混合。工业应用在根据本发明的物质混合设备中，通过将包含要混合的物质的流体作为液滴从流路的孔口排出并使它们互相碰撞，流体中包含的物质可以在短时间内均匀地混合。而且，由于物质可以一定量含入液滴中，不会导致要混合的物质的量的变化。所以，根据本发明的物质混合设备对于进行各种化合物的高速及大规模反应是有用的，并且对于各种反应和分析诸如聚合酶链反应(PCR)和质量分析是有用的。再者，在根据本发明的物质混合设备中，包含微粒的流体作为液滴从流路的孔口排出，包含要混合的物质的流体从其他流路的孔口作为液滴排出，以及使液滴互相碰撞。结果，液滴中包含的微粒和物质可以在短时间内均匀地混合。所以，对于将包含生物相关微粒诸如细胞、微生物和脂质体以及合成粒子诸如乳胶粒子、凝胶粒子和工业粒子与各种化合物混合，以及对微粒和化合物执行高速和大规模分析是特别有用的。参考标号描述A，B，C，G，H 液滴F 检测部P 微粒S 采样流体层流T 鞘液层流I微型芯片11，12，13 流路111，121，131 孔口112，122，132振荡装置 113，123带电装置114鞘液入口115采样流体入口116微管117缩窄部118，128，138 增压部 124，134 入口51，52成对电极2容器21区域31，32，33检测装置4控制装置
权利要求
1.一种物质混合设备,包括 两个以上流路，在每个所述流路中形成孔口，流过所述流路的流体从所述孔口向外排出； 振荡装置，通过以预定振荡频率振荡所述流路的至少所述孔口部分，形成从每个所述孔口中排出的所述流体的液滴并排出所述液滴；以及 用于使从所述流路的所述孔口排出的所述液滴互相碰撞的装置。
2.根据权利要求I所述的物质混合设备，进一步包括 检测装置，用于检测流过所述流路的所述流体中包含的微粒； 以及 控制装置，用于基于来自所述检测装置的所述微粒的检测信号计算所述微粒的送流间隔，并基于计算的所述送流间隔控制所述振荡装置的所述振荡频率。
3.根据权利要求2所述的物质混合设备 其中，所述控制装置控制所述振荡频率，使得从包含所述微粒的所述流体流过的所述流路的所述孔口排出的所述液滴中包含预定数量的微粒。
4.根据权利要求3所述的物质混合设备，进一步包括 带电装置，用于将电荷给予到从所述孔口排出的所述液滴；以及 成对电极，沿着通过所述碰撞获得的所述液滴的移动方向相向地设置。
5.根据权利要求4所述的物质混合设备 其中，通过由给予到从所述孔口排出的所述液滴的所述电荷和所述成对电极产生的电作用力来控制通过所述碰撞获得的所述液滴的所述移动方向。
6.根据权利要求3所述的物质混合设备，进一步包括 驱动装置，关于用于回收并容纳通过所述碰撞获得的所述液滴的两个以上区域相对地移动所述流路的所述孔口。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的物质混合设备 其中，所述流路形成在单个微型芯片上。
8.一种在根据权利要求7所述的物质混合设备中使用的微型芯片，包括 两个以上流路，在每个所述流路中形成孔口，流过所述流路的流体从所述孔口向外排出，通过振荡至少所述孔口部分形成从各个所述孔口排出的所述流体的液滴并排出所述液滴，所述流路被设置成使得从所述孔口排出的所述液滴互相碰撞。
9.根据权利要求8所述的微型芯片 其中，所述流路的预定部分构造为用于检测流过所述流路的所述流体中包含的微粒的检测部，以及 其中，所述流路的所述孔口部分的横截面面积小于所述检测部的横截面面积。
10.根据权利要求9所述的微型芯片 其中，在流体送液方向上所述检测部的上游设置微管，所述微管用于在流过所述流路的第一流体的层流中导入包含微粒的第二流体的层流。
11.根据权利要求10所述的微型芯片 其中，所述微管由能被施加电压的金属形成。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的微型芯片，进一步包括振荡装置，振荡所述流路的至少所述孔口部分。
13.—种物质混合方法,包括 布置两个以上流路，在每个所述流路中形成孔口，流过所述流路的流体从所述孔口向外排出； 通过以预定振荡频率振荡所述流路的至少所述孔口部分，形成从所述孔口排出的所述流体的液滴并排出所述液滴；以及 使从所述流路的所述孔口排出的所述液滴互相碰撞。
14.根据权利要求13所述的物质混合方法 其中，使包含微粒的流体流过任一个所述流路，并且使从该流路的所述孔口排出的包含所述微粒的所述液滴与从其他所述流路的所述孔口排出的所述液滴碰撞，从而将所述微粒与物质混合。
15.根据权利要求14所述的物质混合方法 其中，基于流过所述流路的所述流体中包含的所述微粒的送流间隔控制所述振荡频率，从而使从所述流路的所述孔口排出的所述液滴中包含预定数量的微粒。
16.根据权利要求15所述的物质混合方法，进一步包括 将电荷给予到从所述孔口排出的所述液滴； 通过沿着通过所述碰撞获得的所述液滴的移动方向相向设置的成对电极和给予到所述液滴的所述电荷产生的电作用力来控制通过所述碰撞获得的所述液滴的所述移动方向；以及 将通过所述碰撞获得的所述液滴分注到两个以上区域。
17.根据权利要求15所述的物质混合方法，进一步包括 通过关于两个以上区域相对地移动所述流路的所述孔口，将通过所述碰撞获得的所述液滴分注到各个所述区域。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的物质混合方法 其中，所述流路形成在单个微型芯片上。
全文摘要
本发明提供了一种物质混合设备和物质混合方法。提供能够均匀混合一定量的微量物质并且也能够混合微粒的物质混合设备。提供了一种物质混合设备，包括两个以上流路(11，12，13)，在每一个流路中形成孔口(111，121，131)，流过流路的流体从孔口向外排出；振荡装置(112，122，132)，通过以预定振荡频率振荡流路的至少孔口(111，121，131)部分形成从孔口(111，121，131)的每个排出的流体液滴并排出液滴；以及用于使从流路(11，12，13)的孔口(111，121，131)排出的液滴(A，B，C)互相碰撞的装置。
文档编号G01N37/00GK102802775SQ20108002573
公开日2012年11月28日 申请日期2010年5月28日 优先权日2009年6月16日
发明者篠田昌孝 申请人:索尼公司