特許 6939063 フローサイトメータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6939063

(24)【登録日】2021年9月6日

(45)【発行日】2021年9月22日

(54)【発明の名称】フローサイトメータ

(51)【国際特許分類】

   G01N 15/14 20060101AFI20210909BHJP

   C12M 1/34 20060101ALN20210909BHJP

【ＦＩ】

   G01N15/14 A

   G01N15/14 K

   !C12M1/34 B

【請求項の数】7

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2017-90754(P2017-90754)

(22)【出願日】2017年4月28日

(65)【公開番号】特開2018-189447(P2018-189447A)

(43)【公開日】2018年11月29日

【審査請求日】2019年12月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004204

【氏名又は名称】日本精工株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小西 博英

(72)【発明者】

【氏名】杉田 澄雄

【審査官】 北条 弥作子

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０３０９７８２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−０５９０４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０２３８５１０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００９／１４７９６１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２０１６−５２１３６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０３０１８６９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０１７０６９７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ １５／１４

Ｃ１２Ｍ １／３４

Ｇ０１Ｎ ３３／４８３

Ｇ０１Ｎ ３３／５０

Ｇ０１Ｎ ２１／６３

Ｇ０１Ｎ ２１／４７

Ｂ４１Ｊ ２／０１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液滴が内部空間を通過する第１筒部と、発光部を含み、前記第１筒部の軸方向に対して交差する方向に光を出射する光源と、前記光の光軸に対し傾いて設けられ、前記液滴で屈折された光を受光する受光部と、を有する液滴検知装置と、
前記液滴を生成する液滴生成部と、
前記液滴を収納する複数の容器を備える収納部と、
前記液滴生成部と前記収納部との間に配置され、前記液滴を複数の前記容器ごとに振り分けるセルソータと、を有し、
前記液滴検知装置は、前記セルソータと前記収納部との間に配置され、
前記収納部の前記容器は開口を備え、
前記第１筒部の内径と前記開口の径は等しい大きさを有する
フローサイトメータ。

【請求項2】

前記発光部は、発光ダイオードである請求項１に記載のフローサイトメータ。

【請求項3】

前記受光部は、フォトダイオードである請求項１又は請求項２に記載のフローサイトメータ。

【請求項4】

さらに、前記光源が内部に固定される第２筒部と、前記受光部と前記第１筒部との間に設けられたレンズと、前記レンズが内部に収納される第３筒部とを有する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフローサイトメータ。

【請求項5】

前記第１筒部の側部には、穴部が設けられており、
前記穴部は、前記光軸と同軸上に設けられている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のフローサイトメータ。

【請求項6】

前記第１筒部、前記第２筒部及び前記第３筒部の一部又は全部は、光造形により形成された光造形物である請求項４に記載のフローサイトメータ。

【請求項7】

前記収納部が載置されたテーブルと、
前記テーブルを駆動するモータと、
前記液滴検知装置からの検出信号に基づいて前記モータの駆動制御を行う制御部とを備える請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のフローサイトメータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液滴検知装置及びフローサイトメータに関する。

【背景技術】

【0002】

液体に含まれる微小粒子を分析する方法として種々の方法が知られている（例えば下記特許文献１、２参照）。例えば、フローサイトメータは、液体中の細胞にレーザ光を照射して、散乱光や蛍光を分析する装置である。フローサイトメータには、特定の細胞群を分離取得するセルソータが設けられる。セルソータは、細胞の測定結果に応じて、細胞を分取する装置であり、近年の創薬の効率化、低侵襲な診断、テーラーメード医療等の実現のため、マイクロプレートへ、分離し飛翔した液滴・細胞を挿入する用途が高まっている(例えば下記特許文献３から５参照)。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２−１８１１２４号公報

【特許文献2】特開２０１１−５９０４７号公報

【特許文献3】特表２０１６−５２１３６２号公報

【特許文献4】特開２０１５−１５２４３９号公報

【特許文献5】特表平１０−５０７５２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このようなフローサイトメータやセルソータでは、微小な細胞に光を照射するためにレーザ光源が用いられる。また、細胞からの散乱光を測定するために光電子倍増管（ＰＭＴ：Photomultiplier tube）が用いられる。

【0005】

また、セルソータにおいて、細胞検知部(光電子管)の信号から、液滴が飛翔して、マイクロプレートに着弾するまでの時間を考慮して、ステージを動かす方法もあるが、ノズルからマイクロプレートまでは途中に荷電偏向板もあり距離が長いため、飛翔した液滴がマイクロプレートに正確に着弾したのか信頼性が乏しい。また、空中から異物の混入リスクもある。さらに、セルソータは、ステージ（マイクロプレート）の原点位置を目視で見ながら、人手によって調整する必要がある。微小な液滴を目視で確認することは困難であり、また、ヒトから採取した細胞の懸濁液を分取する場合、作業者が、マイクロプレートに顔を近づけて作業すると、細胞の懸濁液が作業者に接触する可能性もある。

【0006】

本発明は、セルソータの信頼性やスループットを高めることができる液滴検知装置及びフローサイトメータ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】

【0007】

本発明の一態様に係る液滴検知装置は、液滴が内部空間を通過する第１筒部と、発光部を含み、前記第１筒部の軸方向に対して交差する方向に光を出射する光源と、前記光の光軸に対し傾いて設けられ、前記液滴で屈折された光を受光する受光部と、を有する。

【0008】

これにより、受光部は、光の光軸に対し傾いて設けられ、液滴で屈折された光を受光するため、レーザ光源や、光電子倍増管等の大型の検出器を用いずに、簡便な構成で液滴の通過を検知できる。したがって、液滴検知装置を適用したセルソータの信頼性やスループットを高めることができる。なお、信頼性とは、人から採取し、培養した貴重な細胞等の検体を、セルソータやマイクロプレートの位置調整や着水、着弾の検知の不正確さから、無駄にすることがないという意味が含まれる。

【0009】

本発明の一態様に係る液滴検知装置において、前記発光部は、発光ダイオードである。これにより、液滴検知装置の小型化を図るとともに、構成を簡便にしてコストを低減できる。

【0010】

本発明の一態様に係る液滴検知装置において、前記受光部は、フォトダイオードである。これにより、液滴検知装置の小型化を図るとともに、構成を簡便にしてコストを低減できる。

【0011】

本発明の一態様に係る液滴検知装置において、さらに、前記光源が内部に固定される第２筒部と、前記受光部と前記第１筒部との間に設けられたレンズと、前記レンズが内部に収納される第３筒部とを有する。これにより、光源や受光部を第１筒部の近傍に集約して配置することができる。

【0012】

本発明の一態様に係る液滴検知装置において、前記第１筒部の側部には、穴部が設けられており、前記穴部は、前記光軸と同軸上に設けられている。これにより、第１筒部の内面で光が反射して拡散して、液滴に望まない屈折光が生じることを防ぐことができる。

【0013】

本発明の一態様に係る液滴検知装置において、前記第１筒部、前記第２筒部及び前記第３筒部の一部又は全部は、光造形により形成された光造形物である。これにより、光源を保持する第２筒部やレンズを保持する第３筒部を低コストで製造できる。

【0014】

本発明の一態様に係るフローサイトメータは、上記の液滴検知装置と、前記液滴を生成する液滴生成部と、前記液滴を収納する複数の容器を備える収納部と、前記液滴生成部と前記収納部との間に配置され、前記液滴を複数の前記容器ごとに振り分けるセルソータと、を有し、前記液滴検知装置は、前記セルソータと前記収納部との間に配置される。

【0015】

これにより、液滴検知装置は、光源として発光ダイオードを用い、液滴で屈折された光をフォトダイオードにより検出する。フローサイトメータは、液滴の中の細胞を測定するため、レーザ光や光電子倍増管が必要であるが、液滴検知装置は、液滴が収納部に収納されたことを確実に検出すればよい。このため、レーザ光源や、光電子倍増管等の大型の検出器を用いずに、液滴の通過を検知できる。したがって、フローサイトメータの小型化及び構成の簡便化を図ることができる。また、発光ダイオードを用いているため、セルソータを通過して飛翔軌道が安定しない液滴の通過を検知できる。したがって、セルソータの信頼性やスループットを高めることができる。

【0016】

本発明の一態様に係るフローサイトメータは、前記収納部が載置されたテーブルと、前記テーブルを駆動するモータと、前記液滴検知装置からの検出信号に基づいて前記モータの駆動制御を行う制御部とを備える。これによれば、モータは、液滴検知装置によって出力された電気信号をトリガにしてテーブルを動作させて、液滴を収納する容器の位置を順次、移動させることができる。或いは、液滴の通過信号が最も強い位置に収納部の位置を調整することも可能である。

【0017】

本発明の一態様に係るフローサイトメータにおいて、前記収納部の前記容器は開口を備え、前記第１筒部の内径と前記開口の径は等しい大きさを有する。これによれば、第１筒部を通過した液滴を確実に容器に収納することができる。

【0018】

本発明によれば、セルソータの信頼性やスループットを高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、実施形態に係るフローサイトメータの構成例を示すブロック図である。

【図2】図２は、収納部の構成例を説明するための説明図である。

【図3】図３は、実施形態に係る液滴検知装置の斜視図である。

【図4】図４は、実施形態に係る液滴検知装置を模式的に示す上面図である。

【図5】図５は、実施形態に係る液滴検知装置を模式的に示す側面図である。

【図6】図６は、液滴を通過する光の屈折を説明するための説明図である。

【図7】図７は、第１実施例に係るフォトダイオードの出力電圧波形を示すグラフである。

【図8】図８は、第１実施例に係るフォトダイオードの出力電圧波形の、他の例を示すグラフである。

【図9】図９は、第１実施例に係るフォトダイオードの出力電圧波形の、他の例を示すグラフである。

【図10】図１０は、第２実施例に係るフローサイトメータの測定波形を示すグラフである。

【図11】図１１は、第１変形例に係る液滴検知装置を模式的に示す側面図である。

【図12】図１２は、第２変形例に係る液滴検知装置を模式的に示す側面図である。

【図13】図１３は、第３変形例に係る液滴検知装置を模式的に示す上面図である。

【図14】図１４は、第４変形例に係る液滴検知装置を模式的に示す上面図である。

【図15】図１５は、第５変形例に係る液滴検知装置を模式的に示す上面図である。

【図16】図１６は、第５変形例に係る液滴検知装置を模式的に示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

【0021】

図１は、実施形態に係るフローサイトメータの構成例を示すブロック図である。図２は、収納部の構成例を説明するための説明図である。図１に示すように、フローサイトメータ１００は、液滴生成部１１０と、セルソータ１２０と、液滴検知装置１と、収納部１３０とを有する。

【0022】

液滴生成部１１０は、ノズル１１１と、サンプル供給部１１２と、シース液供給部１１３と、振動発生素子１１４と、を含む。シース液供給部１１３は、シース液導入部１１３ａを介して、ノズル１１１の内部にシース液を供給する。サンプル供給部１１２は、サンプル導入部１１２ａを介して、サンプルをノズル１１１の内部に供給する。サンプルは、例えば細胞等の微小対象物である。シース液は、サンプルとともに流体力学的に収束して吐出口１１１ａから外部に流出する。

【0023】

振動発生素子１１４は、例えば圧電素子等である。振動発生素子１１４は、所定の周波数の振動を、ノズル１１１の全体又は一部に加える。これにより、吐出口１１１ａから液滴１０１が吐出される。液滴１０１は、サンプルの周囲がシース液に囲まれた球体状である。

【0024】

液滴１０１の形状は、例えば以下の表１に例示される。ここで、ノズル径ｄは吐出口１１１ａの直径である。圧力Ｐは、シース液供給部１１３からノズル１１１の内部に加えられる圧力である。流速ｖは、シース液の流れる速度である。周波数ｆは、振動発生素子１１４の振動の周波数である。

【0025】

【表1】

【0026】

表１に示すように、ノズル径ｄが７０μｍの場合、液滴１０１の粒子径Ｄは約１３８μｍ、液滴１０１の粒子間隔λは約３５６μｍ、液滴１０１の粒子質量ｍは約５．３μｇである。また、ノズル径ｄが１００μｍの場合、液滴１０１の粒子径Ｄは約２０２μｍ、液滴１０１の粒子間隔λは約５５２μｍ、液滴１０１の粒子質量ｍは約１８μｇである。

【0027】

なお、表１に示す値は、あくまで一例であり、ノズル径ｄ、圧力Ｐ、流速ｖ、周波数ｆ等の条件は適宜変更することができる。これらの各条件に応じて液滴１０１の粒子径Ｄ等も適宜変更することができる。このように、粒子径Ｄが２００μｍ程度の液滴１０１の内部に、例えば直径６μｍ程度の細胞が内包される。

【0028】

図１に示すように、セルソータ１２０は、荷電部１２１と、偏向板１２２とを有する。セルソータ１２０は、液滴生成部１１０から供給された液滴１０１を、サンプルの性状に応じて分離取得するための装置である。荷電部１２１は、液滴１０１に含まれるサンプルの大きさ、形態、構造等の情報に基づいて、液滴１０１ごとにプラス又はマイナスの電荷を液滴１０１に与える。これにより、液滴１０１は帯電する。

【0029】

偏向板１２２は、液滴１０１の飛翔経路を挟んで一対設けられている。偏向板１２２の一方と他方とに、それぞれ極性の異なる電圧が印加される。荷電部１２１により帯電された液滴１０１は、偏向板１２２の間を通過する。これにより、液滴１０１の極性と、偏向板１２２の極性に応じて、液滴１０１の飛翔軌道が所定の方向に変更される。

【0030】

液滴検知装置１は、セルソータ１２０と収納部１３０との間に配置される。液滴検知装置１は、セルソータ１２０を通過し、飛翔軌道が安定しない液滴１０１の通過を検知する。

【0031】

図２に示すように、収納部１３０は、複数の容器１３１を有するマイクロプレート１３２である。マイクロプレート１３２は、図示しないステージ上に設けられる。ステージは電動モータ１３４、１３５によって第１方向Ｄｘ及び第２方向Ｄｙに駆動される。また、フローサイトメータ１００は、液滴検知装置１の受光部の検出結果を利用して電動モータ１３４、１３５の駆動制御を行う制御部を備える。液滴１０１は、セルソータ１２０によって容器１３１ごとに振り分けられる。本実施形態では、マイクロプレート１３２の直上に液滴検知装置１を設置する。複数の容器１３１はそれぞれ開口が設けられており、液滴検知装置１の第１筒部５１の内径と、各容器１３１の開口の径は、ほぼ等しい大きさを有する。これにより、第１筒部５１を通過した液滴１０１を確実に容器１３１に収納することができる。また、電動モータ１３４、１３５は、液滴検知装置１からの検出信号に基づいて、マイクロプレート１３２を移動させる。これにより、電動モータ１３４、１３５は、検出信号をトリガにして、液滴１０１を収納する容器１３１の位置を順次、移動させることができる。或いは、液滴１０１の通過信号が最も強い位置にマイクロプレート１３２の位置を調整することも可能である。液滴検知装置１により液滴１０１の通過を検知したら、速やかにステージを次の位置に移動させることで、均一に細胞が納められたマイクロプレート１３２を作成することができる。

【0032】

次に、液滴検知装置１の構成について説明する。図３は、実施形態に係る液滴検知装置の斜視図である。

【0033】

図３に示すように、液滴検知装置１は、光源１０と、第１レンズ１１と、第２レンズ２１と、受光部５４と、第１筒部５１と、第２筒部５２と、第３筒部５３とを含む。第１筒部５１は、内部空間５１ａを有する円筒状の部材である。内部空間５１ａの直径は、例えば約７ｍｍである。図１に示すセルソータ１２０からの液滴１０１は、第１筒部５１の内部空間５１ａを中心軸ＡＸ１に沿った方向に通過する。

【0034】

第２筒部５２は、内部空間５２ａを有する円筒状の部材である。第２筒部５２は、第１筒部５１の外周に接続され、内部空間５２ａと内部空間５１ａとが連通する。本実施形態では、第２筒部５２の中心軸ＡＸ２は、第１筒部５１の中心軸ＡＸ１と直交する。

【0035】

ここで用いた第１レンズ１１及び第２レンズ２１は、反射防止コーティングを施しており、光源１０の所定の波長のみを通過させて、それ以外の透過を抑制できる。

【0036】

第３筒部５３は、内部空間５３ａを有する円筒状の部材である。第３筒部５３は、第１筒部５１の外周に傾いた状態で接続され、内部空間５３ａと内部空間５１ａとが連通する。本実施形態では、第３筒部５３の中心軸ＡＸ３は、第１筒部５１の中心軸ＡＸ１と傾斜して交差し、かつ、第２筒部５２の中心軸ＡＸ２と傾斜して交差する。

【0037】

光源１０及び第１レンズ１１は、第２筒部５２の内部空間５２ａに固定される。光源１０は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）が用いられる。光源１０は、可視光から赤外光のいずれでもよい。例えば、光源１０から出射される光Ｌ１（図４参照）の波長は、可視光では、４７０ｎｍ（青）、５２７ｎｍ（緑）、５８７ｎｍ（黄）、６０５ｎｍ（橙）、６２０ｎｍ（赤）等である。赤外光の波長は、８４０ｎｍから９００ｎｍの間であり、例えば８７０ｎｍである。より望ましいのは、フォトダイオード３１の分光感度特性から、可視光の場合、波長が６２０ｎｍ以上である。又は、赤外光の場合、波長が８７０ｎｍ以上、１１００ｎｍ以下の範囲がより望ましい。

【0038】

ここで、受光部５４は、フォトダイオード３１と増幅回路（Ｉ／Ｖアンプ）、電源等を一体化したモジュールを用いることができる。アンプとフォトダイオード３１を近接させて一体化することで、微弱な屈折光であっても、精度よく検知が可能となる。受光素子をアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ（avalanche photodiode）と表す場合がある）として、さらにアンプを一体化したモジュールを用いることで、Ｓ／Ｎ比の高い測定が可能となり、φ２００μｍ程度の液滴１０１の屈折光も検知可能となっている。例えば、その差をＶ／Ｗで表すと（Ｗは光量）、１０^５にもなる。もちろん、測定光量はＡＰＤモジュールの場合、０．０６μＷとなるが、光源以外の光、例えば太陽の光、室内の蛍光灯、その他のＵＶ光などをなくした状態をつくることで、後述する実施例の様な測定が可能となる。また、セルソータ本体の電磁ノイズの影響をＡＰＤモジュールのアンプが受ける可能性があるが、一体型モジュールとして、また鉛フィルム等を回路に覆うことで、測定が可能となった。

【0039】

第１レンズ１１は、光源１０と第１筒部５１との間に設けられる。第１レンズ１１は、例えばシリンダーレンズが用いられる。シリンダーレンズは、円柱の側面の一部を切り出した外径形状を有する。シリンダーレンズは、第１筒部５１の中心軸ＡＸ１方向から見たときに曲面を有さず、中心軸ＡＸ１及び中心軸ＡＸ２と交差する方向から見たときに曲面を有する。このような構成により、シリンダーレンズは、一方向のみにレンズ作用を有する。光源１０から出射される光Ｌ１は、第１レンズ１１によって集光されて、第１筒部５１の内部空間５１ａを横切って通過する。

【0040】

第２レンズ２１は、第３筒部５３の内部空間５３ａに固定される。第３筒部５３の端部に受光部５４が設けられる。第２レンズ２１は、例えば平凸レンズが用いられる。受光部５４は、フォトダイオード３１を含む。フォトダイオード３１は、例えば、Ｓｉフォトダイオードやアバランシェフォトダイオードが用いられる。液滴１０１の粒子径Ｄが、例えば５００μｍの場合、Ｓｉフォトダイオードにより検知が可能である。液滴１０１の粒子径Ｄが、例えば２００μｍの場合、アバランシェフォトダイオードが適している。液滴１０１によって屈折された光は、第２レンズ２１により集光され、フォトダイオード３１に入射する。これにより、液滴検知装置１は、液滴１０１の通過を検知する。また、ＬＥＤ光源の光が第１筒部５１内で反射拡散して検知性能が低下することを防ぐため、第１筒部５１のＬＥＤ光源の照射先側には、光を逃がす穴部５１ｂ（図５参照）を設けている。これにより、第１筒部５１の内面（ＬＥＤの正面側）で光が反射して拡散して、液滴１０１に望まない屈折光が生じることを防いでいる。

【0041】

第１筒部５１、第２筒部５２及び第３筒部５３は、３Ｄプリンタを用いて製造することができる。３Ｄプリンタの方式としては光造形が最も望ましい。光造形方式の３Ｄプリンタは、ＣＡＤ（Computer Aided Design）により作成された３次元形状データを用いて、３次元形状モデルを作成する。光造形方式では、液状の光硬化性樹脂に光を照射して硬化層を形成し、硬化層を複数積層して光造形物を形成する。これにより、第１筒部５１、第２筒部５２及び第３筒部５３は、同じ工程で一体に形成される。光造形方式で形成することにより、第１筒部５１、第２筒部５２及び第３筒部５３を低コストで形成することができる。この場合、第１筒部５１、第２筒部５２及び第３筒部５３は、複数の層を積層する故に０．３ｍｍ程度の寸法精度である。このため、光源１０、第１レンズ１１、第２レンズ２１及び受光部５４の精度も光造形の寸法精度に制約される。この場合であっても、粒子径Ｄが２００μｍ程度の液滴１０１であれば検知可能である。

【0042】

また、３Ｄプリンタを用いて製造することにより、光源１０、第１レンズ１１、第２レンズ２１及び受光部５４を互いに近傍に集約して配置できる。このため、図２に示すように、マイクロプレート１３２の直上に液滴検知装置１を設置することができる。なお、図２では、マイクロプレート１３２の容器１３１が開口する方向と、第１筒部５１の中心軸ＡＸ１とが一致している。容器１３１の開口は、例えば直径７ｍｍ程度（９６ウェル）であるが、更に小さい直径の場合には、中心軸ＡＸ１を傾けて第１筒部５１を設けてもよい。或いは、液滴１０１の一筋の軌跡方向に、第１筒部５１の中心軸ＡＸ１を一致させてもよい。

【0043】

なお、第１筒部５１、第２筒部５２及び第３筒部５３は、塗装が施されていることが好ましい。塗装の色は、黒色が望ましい。これにより、内部空間５１ａ、５２ａ、５３ａに外部からの光が侵入することを抑制できる。また、第１筒部５１、第２筒部５２及び第３筒部５３は、円筒に限定されない。第１筒部５１、第２筒部５２及び第３筒部５３は、それぞれ、断面形状で四角形状、多角形状、楕円形状或いは異形状であってもよい。また、第１筒部５１、第２筒部５２及び第３筒部５３の全部を光造形方式で形成する場合に限定されない。第１筒部５１、第２筒部５２及び第３筒部５３の一部を光造形方式で形成してもよい。

【0044】

次に、液滴検知装置１による液滴１０１の検知方法について説明する。図４は、実施形態に係る液滴検知装置を模式的に示す上面図である。図５は、実施形態に係る液滴検知装置を模式的に示す側面図である。図６は、液滴を通過する光の屈折を説明するための説明図である。なお、図４及び図５では、図面を見やすくするために、第２筒部５２及び第３筒部５３を省略して示す。

【0045】

図４及び図５に示すように、光源１０は発光ダイオードであるため、光Ｌ１は非コヒーレント光であり、かつ、拡がり角を有する。光Ｌ１の光軸ＡＸ０は、第１方向Ｄｘに沿った方向に向けられる。つまり、光Ｌ１は第１筒部５１の中心軸ＡＸ１に交差する方向に出射される。

【0046】

以下の説明において、第１方向Ｄｘ、第２方向Ｄｙ及び第３方向Ｄｚが用いられる。第１筒部５１の中心軸ＡＸ１（図３参照）に沿う方向を第３方向Ｄｚとする。第１方向Ｄｘと、第２方向Ｄｙとがなす平面は、中心軸ＡＸ１（図３参照）と交差する。第１方向Ｄｘ及び第２方向Ｄｙの両方に対して第３方向Ｄｚは垂直な方向である。なお、これに限定されず、第２方向Ｄｙは第１方向Ｄｘに対して９０°以外の角度で交差してもよい。第３方向Ｄｚは、第１方向Ｄｘ及び第２方向Ｄｙに対して９０°以外の角度で交差してもよい。

【0047】

図４に示すように、第３方向Ｄｚから見たときに、光源１０、第１レンズ１１、第１筒部５１、第２レンズ２１及びフォトダイオード３１は、光軸ＡＸ０と重なって、第１方向Ｄｘに配列される。光Ｌ１は、第１レンズ１１で集光される。第１レンズ１１はシリンダーレンズであるため、図５に示すように、側面（第２方向Ｄｙ）から見たときに、第１レンズ１１から出射される光Ｌ２は集光される。一方、図４に示すように、上方（第３方向Ｄｚ）から見たときに光Ｌ２は集光されない。このため、第１筒部５１の内部空間５１ａの、液滴１０１が通過する面の全体に光Ｌ２が照射される。第１レンズ１１としてシリンダーレンズを用いることにより、液滴１０１の通過位置がばらついた場合であっても、液滴１０１を検知することができる。

【0048】

図５に示すように、光Ｌ２は、液滴１０１により屈折されて進行する第１屈折光Ｌ３と、屈折されずに進行する光Ｌ４とに分かれる。第２レンズ２１及びフォトダイオード３１は、第２方向Ｄｙから見たときに、光軸ＡＸ０に対して傾いた位置に設けられ、第１屈折光Ｌ３を受光可能となっている。言い換えると、第２レンズ２１及びフォトダイオード３１は、液滴１０１により屈折されない光Ｌ４に対してずれた位置に配置される。第１屈折光Ｌ３は、第２レンズ２１で集光されてフォトダイオード３１に入射する。このように、フォトダイオード３１は、第１屈折光Ｌ３を受光することにより、液滴１０１の通過を検知することができる。

【0049】

図６は、液滴１０１に入射する光Ｌ２と、第１屈折光Ｌ３及び第２屈折光Ｌ３ａの関係を示す。光Ｌ２は、基準線ＨＬに対して平行であり、液滴１０１の中心Ｃから上方にずれた位置に入射する。ここで、基準線ＨＬは、液滴１０１の中心Ｃと交差し、第１方向Ｄｘ（図４、図５参照）と平行な線である。言い換えると、基準線ＨＬは、水平方向と平行な線である。光Ｌ２は、法線ＮＬ１に対して角度θ１を有して液滴１０１に入射する。光Ｌ２は、液滴１０１と空気との境界で、屈折する光Ｌ２ａと、反射する反射光Ｌ２ｂとに分岐される。屈折する光Ｌ２ａは、法線ＮＬ１に対して角度θ２を有して、液滴１０１の内部を進行する。また、反射光Ｌ２ｂは、法線ＮＬ１に対して角度θ３を有して反射する。光Ｌ２の角度θ１と、反射光Ｌ２ｂの角度θ３は、互いに等しい角度である。

【0050】

ここで、光Ｌ２の角度θ１と、光Ｌ２ａの角度θ２とは、以下の関係が成り立つ。ただし、ｎ１は、液滴１０１の外部、すなわち空気の屈折率であり、ｎ１＝１である。ｎ２は、液滴１０１の屈折率であり、ｎ２＝１．３３である。

【0051】

ｎ１×ｓｉｎθ１＝ｎ２×ｓｉｎθ２

【0052】

液滴１０１の内部を進行する光Ｌ２ａは、液滴１０１と空気との境界で、第１屈折光Ｌ３と、反射光Ｌ２ｃとに分かれる。第１屈折光Ｌ３は、法線ＮＬ２に対して角度θ５を有して液滴１０１の外部に出射される。また、第１屈折光Ｌ３は、基準線ＨＬに対して角度θ８を有する。図５に示すフォトダイオード３１は、受光面に垂直な方向が、基準線ＨＬに対して角度θ８を有して傾いて配置される。これにより、フォトダイオード３１は、液滴１０１で２回屈折して出射する第１屈折光Ｌ３を検知する。また、反射光Ｌ２ｃは、法線ＮＬ２に対して角度θ４を有して反射する。ここで、光Ｌ２ａと法線ＮＬ２とがなす角度θ４と、第１屈折光Ｌ３の角度θ５とは、以下の関係が成り立つ。

【0053】

ｎ１×ｓｉｎθ５＝ｎ２×ｓｉｎθ４

【0054】

同様に、液滴１０１の内部を進行する反射光Ｌ２ｃは、液滴１０１と空気との境界で、第２屈折光Ｌ３ａと、反射する光（図示を省略する）とに分岐される。第２屈折光Ｌ３ａは、法線ＮＬ３に対して角度θ７を有して液滴１０１の外部に出射される。図５に示すフォトダイオード３１は、第２屈折光Ｌ３ａを検知するように配置されてもよい。ここで、反射光Ｌ２ｃと法線ＮＬ３とがなす角度θ６と、第２屈折光Ｌ３ａと法線ＮＬ３とがなす角度θ７とは、以下の関係が成り立つ。

【0055】

ｎ１×ｓｉｎθ７＝ｎ２×ｓｉｎθ６

【0056】

なお、図３から図５に示す例では、液滴１０１に入射する光Ｌ２は、基準線ＨＬに対して平行に入射しているが、これに限定されない。光Ｌ２は、基準線ＨＬに対して角度を有して液滴１０１に入射してもよい。この場合も、光Ｌ２は、屈折及び反射を繰り返して、液滴１０１の外部に出射される。例えば、図６に示すように光Ｌ２が、基準線ＨＬに対して、上方にθ０＝１４°の角度を有して液滴１０１に入射した場合、第１屈折光Ｌ３は基準線ＨＬに対して下方にθ８＝３９°の角度で出射される。このように、光Ｌ２の入射角度に応じて、第１屈折光Ｌ３の角度を変更することができるため、図５に示すフォトダイオード３１により確実に第１屈折光Ｌ３を検知できる。

【0057】

（第１実施例）
図７は、第１実施例に係るフォトダイオードの出力電圧波形を示すグラフである。図８は、第１実施例に係るフォトダイオードの出力電圧波形の、他の例を示すグラフである。図９は、第１実施例に係るフォトダイオードの出力電圧波形の、他の例を示すグラフである。

【0058】

図７から図９に示すグラフ１からグラフ３は、液滴１０１に換えて直径５００μｍのガラスビーズを第１筒部５１に自然落下させたときの、フォトダイオード３１の出力電圧波形を示している。グラフ１からグラフ３は、いずれも横軸が時間であり、縦軸が出力電圧である。グラフ１からグラフ３は、それぞれ、第３方向Ｄｚから見たときのガラスビーズの落下位置が異なっている場合の出力電圧波形を示している。

【0059】

本実施例での、光源１０の光Ｌ１の波長は、６２０ｎｍ（赤）である。第１レンズ１１は、両凸レンズを用いている。フォトダイオード３１の受光感度は、波長６２０ｎｍにおいて、０．４Ｖ／Ａである。フォトダイオード３１に接続されるアンプ部の変換インピーダンスは、１×１０^４Ｖ／Ａである。

【0060】

グラフ１からグラフ３に示すように、ガラスビーズが通過すると、フォトダイオード３１はガラスビーズからの屈折光を受光する。これにより、出力電圧が大きくなり、ガラスビーズの通過を検知できる。また、グラフ１からグラフ３に示すように、ガラスビーズの落下位置に応じて、出力電圧の大きさが異なる可能性がある。これにより、ガラスビーズの落下位置を検知できる可能性が示された。

【0061】

（第２実施例）
図１０は、第２実施例に係るフローサイトメータの測定波形を示すグラフである。図１０に示すグラフ４は、図１に示すように、フローサイトメータ１００に液滴検知装置１を適用した場合の測定波形である。具体的には、図１に示すように、液滴検知装置１はセルソータ１２０の下方に配置され、偏向板１２２の間から第１筒部５１を通過する液滴１０１を検出する。なお、グラフ４は、横軸が時間であり、縦軸が出力電圧である。

【0062】

本実施例での、ノズル径ｄは、１００μｍである。流速ｖや周波数ｆ等の諸条件は、表１に示す通りである。フォトダイオード３１は、アバランシェダイオードを用いている。フォトダイオード３１の受光部の直径は、約３ｍｍであり、最大入射光量（限界）は、０．０６μｍであり、受光感度は−１．５×１０^８Ｖ／Ｗである。また、光源１０の光Ｌ１の波長は、６２０ｎｍ（赤）である。フォトダイオード３１の最大入射光量を超えずに、光量変化が検出できるように、光源１０の電圧値及び電流値を調整している。

【0063】

図１０に示すように、液滴１０１が通過することで出力電圧の変化が生じる。これにより、本実施例のフローサイトメータ１００は、セルソータ１２０を通過して飛翔軌道が安定しない液滴１０１の通過を液滴検知装置１により検知できる。

【0064】

以上説明したように、本実施形態の液滴検知装置１は、液滴１０１が内部空間５１ａを通過する第１筒部５１と、発光ダイオードを含み、第１筒部５１の軸方向に対して交差する方向に光を出射する光源１０と、光Ｌ１の光軸ＡＸ０に対し傾いて設けられ、液滴１０１で屈折された光（第１屈折光Ｌ３）を受光するフォトダイオード３１と、を有する。

【0065】

これにより、光源１０として発光ダイオードを用い、液滴１０１で屈折された第１屈折光Ｌ３をフォトダイオード３１により検出する。このため、レーザ光源や、光電子倍増管等の高価で大型の検出器を用いずに、液滴１０１の通過を検知できる。したがって、液滴検知装置１は、セルソータの信頼性やスループット（全てのウェル（容器１３１）に細胞が収められたマイクロプレート１３２を完成品として）を高めることができる。したがって、液滴検知装置１を小型化するとともに、構成を簡便にしてコストを低減できる。

【0066】

本実施形態に係る液滴検知装置１において、光Ｌ１の光軸ＡＸ０は、水平方向に対して傾いて設けられる。これにより、液滴１０１で屈折された第１屈折光Ｌ３の方向と、フォトダイオード３１の位置とを一致させることができる。

【0067】

本実施形態に係る液滴検知装置１において、光源１０と第１筒部５１との間に第１レンズ１１（シリンダーレンズ）が設けられている。第１レンズ１１を通過した前記光は、光軸ＡＸ０及び第１筒部５１の中心軸ＡＸ１と交差する方向、すなわち第２方向Ｄｙから見たときに集光され、第１筒部５１の中心軸ＡＸ１方向、すなわち第３方向Ｄｚから見たときに集光されず第１筒部５１を通過する。これにより、第１筒部５１の内部空間５１ａの、液滴１０１が通過する面の全体に光Ｌ２を照射することができる。このため、液滴検知装置１は、液滴１０１が通過する位置を検知することができる。

【0068】

本実施形態に係る液滴検知装置１は、さらに、光源１０が内部に固定される第２筒部５２と、フォトダイオード３１と第１筒部５１との間に設けられた第２レンズ２１と、第２レンズ２１が内部に収納された第３筒部５３とを有し、第１筒部５１、第２筒部５２及び第３筒部５３の一部又は全部は、光造形により形成された光造形物である。これにより、光源１０を保持する第２筒部５２や、第２レンズ２１を保持する第３筒部５３を低コストで製造できる。

【0069】

本実施形態に係るフローサイトメータ１００は、上記の液滴検知装置１と、液滴１０１を生成する液滴生成部１１０と、液滴１０１を収納する複数の容器１３１を備える収納部１３０と、液滴生成部１１０と収納部１３０との間に配置され、液滴１０１を複数の容器１３１ごとに振り分けるセルソータ１２０と、を有し、液滴検知装置１は、セルソータ１２０と収納部１３０との間に配置される。

【0070】

これにより、液滴検知装置１は、光源１０として発光ダイオードを用い、液滴１０１で屈折された第１屈折光Ｌ３をフォトダイオード３１により検出する。このため、レーザ光源や、光電子倍増管等の高価で大型の検出器を用いずに、液滴の通過を検知できる。したがって、フローサイトメータ１００を小型化するとともに、構成を簡便にしてコストを低減できる。また、発光ダイオードを用いているため、セルソータ１２０を通過して飛翔軌道が安定しない液滴１０１の通過を検知できる。

【0071】

本実施形態に係るフローサイトメータ１００において、収納部１３０の容器１３１は開口を備え、第１筒部５１の内径と開口の径は等しい大きさを有する。これによれば、第１筒部５１を通過した液滴１０１を確実に容器１３１に収納することができる。

【0072】

本実施形態に係るフローサイトメータ１００において、さらに、液滴検知装置１からの検出信号に基づいて、収納部１３０を移動させる駆動部（電動モータ１３４、１３５）を有する。これによれば、電動モータ１３４、１３５は、検出信号をトリガにして、液滴１０１を収納する容器１３１の位置を順次、移動させることができる。或いは、液滴１０１の通過信号が最も強い位置に収納部１３０の位置を調整することも可能である。

【0073】

（第１変形例）
図１１は、第１変形例に係る液滴検知装置を模式的に示す側面図である。本変形例の液滴検知装置１Ａにおいて、光源１０及び第１レンズ１１は、基準線ＨＬに対して傾いて配置される。言い換えると、光Ｌ２は、基準線ＨＬに対して上方（第３方向Ｄｚ側）に傾斜する。光Ｌ２は基準線ＨＬに対して角度θ１０を有して、液滴１０１に出射される。

【0074】

液滴１０１で屈折された第１屈折光Ｌ３は、基準線ＨＬに対して角度θ１１を有して上方に出射される。第１屈折光Ｌ３は、第２レンズ２１で集光されてフォトダイオード３１に受光される。これにより、液滴１０１の通過を検知できる。このように、光源１０及びフォトダイオード３１を、基準線ＨＬに対して、同じ側に傾けて配置した構成であっても液滴１０１を検知することができる。

【0075】

（第２変形例）
図１２は、第２変形例に係る液滴検知装置を模式的に示す側面図である。本変形例の液滴検知装置１Ｂにおいて、光源１０及び第１レンズ１１と、第２レンズ２１及びフォトダイオード３１は、第１筒部５１の中心軸ＡＸ１に対して同じ側に配置される。光源１０及び第１レンズ１１は、基準線ＨＬに対して上方（第３方向Ｄｚ側）に傾斜して配置される。光Ｌ２は基準線ＨＬに対して角度θ１２を有して、液滴１０１に出射される。

【0076】

液滴１０１で屈折された第２屈折光Ｌ３ａは、基準線ＨＬに対して角度θ１３を有して下方（光源１０及び第１レンズ１１の反対側）に出射される。第２屈折光Ｌ３ａは、第２レンズ２１で集光されてフォトダイオード３１に受光される。これにより、液滴１０１の通過を検知できる。このように、光源１０及びフォトダイオード３１を、第１筒部５１の中心軸ＡＸ１に対して、同じ側に配置した構成であっても液滴１０１を検知することができる。

【0077】

（第３変形例）
図１３は、第３変形例に係る液滴検知装置を模式的に示す上面図である。本変形例の液滴検知装置１Ｃにおいて、第３方向Ｄｚから見たときに、光源１０及び第１レンズ１１は、基準線ＨＬと重なる位置に配置される。また、第２レンズ２１及びフォトダイオード３１は、第３方向Ｄｚから見たときに、基準線ＨＬに対して傾いた位置に配置される。言い換えると、第２レンズ２１及びフォトダイオード３１は、光Ｌ２の光軸と重ならない位置に配置される。第２レンズ２１及びフォトダイオード３１は、第１方向Ｄｘと第２方向Ｄｙとで形成される平面内に配置されてもよい。

【0078】

この場合において、第１屈折光Ｌ３は、液滴１０１で屈折されて、基準線ＨＬに対して角度θ１４を有して液滴１０１から出射される。第１屈折光Ｌ３は、第２レンズ２１で集光されてフォトダイオード３１に受光される。これにより、液滴１０１の通過を検知できる。また、本変形例では、単独の液滴１０１の検知だけではなく、連続した水流の通過も検知できる。

【0079】

（第４変形例）
図１４は、第４変形例に係る液滴検知装置を模式的に示す上面図である。本変形例の液滴検知装置１Ｄにおいて、第３方向Ｄｚから見たときに、第１筒部５１の円周方向に沿って複数の第２レンズ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄと、複数のフォトダイオード３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄが設けられている。本変形例では、複数のフォトダイオード３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、それぞれ、液滴１０１において異なる角度で出射される屈折光Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３、Ｌ３４を受光する。

【0080】

液滴検知装置１Ｄは、複数のフォトダイオード３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄで検出された情報に基づいて、光強度の分布や、時間差等から、液滴１０１の通過位置を検知することができる。

【0081】

（第５変形例）
図１５は、第５変形例に係る液滴検知装置を模式的に示す上面図である。図１６は、第５変形例に係る液滴検知装置を模式的に示す側面図である。本変形例の液滴検知装置１Ｅにおいて、第１レンズ１１Ａは、両凸レンズが用いられる。光源１０から出射された光Ｌ１は、第１レンズ１１Ａで集光される。第１レンズ１１Ａは両凸レンズであるため、図１５に示すように、第３方向Ｄｚから見たときに、第１レンズ１１Ａから出射される光Ｌ２は集光される。また、図１６に示すように、第２方向Ｄｙから見たときにも、光Ｌ２は集光される。

【0082】

光Ｌ２の焦点は、第１筒部５１の内部空間５１ａに形成される。光Ｌ２は焦点から角度θ１５の範囲で拡がって進行する。角度θ１５は、例えば約４０°程度である。本変形例では、内部空間５１ａの、角度θ１５の範囲内を通過する液滴１０１が検知可能である。

【0083】

本変形例でも、図１５に示すように、第３方向Ｄｚから見たときに、第２レンズ２１及びフォトダイオード３１は、光軸ＡＸ０と重なる位置に配置される。また、図１６に示すように、第２方向Ｄｙから見たときに、第２レンズ２１及びフォトダイオード３１は、光軸ＡＸ０に対して傾いた位置に配置される。言い換えると、第２レンズ２１及びフォトダイオード３１は、円錐状に拡がる光Ｌ４と重ならない位置に配置される。

【0084】

以上説明した液滴検知装置１、１Ａから１Ｅ及びフローサイトメータ１００の構成は適宜変更してもよい。光源１０からの光Ｌ１の波長は、あくまで一例であり、適宜変更することができる。液滴１０１の粒子径Ｄ等もあくまで一例であり、表１等に示すものに限定されるものではない。また、液滴検知装置１、１Ａから１Ｅは、フローサイトメータ１００に適用される場合に限定されない。液滴検知装置１、１Ａから１Ｅは、液滴を生成して供給するディスペンサや、インクジェットノズルに適用することもできる。

【符号の説明】

【0085】

１ 液滴検知装置
１０ 光源
１１、１１Ａ 第１レンズ
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ 第２レンズ
３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ フォトダイオード
５１ 第１筒部
５１ａ、５２ａ、５３ａ 内部空間
５２ 第２筒部
５３ 第３筒部
５４ 受光部
１００ フローサイトメータ
１０１ 液滴
１１０ 液滴生成部
１１１ ノズル
１１１ａ 吐出口
１１２ サンプル供給部
１１２ａ サンプル導入部
１１３ シース液供給部
１１３ａ シース液導入部
１１４ 振動発生素子
１２０ セルソータ
１２１ 荷電部
１２２ 偏向板
１３０ 収納部
１３１ 容器
ＡＸ１、ＡＸ２、ＡＸ３ 中心軸
ｄ ノズル径
ＮＬ１、ＮＬ２、ＮＬ３ 法線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】