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(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】
(24)【登録日】2022-07-11
(45)【発行日】2022-07-20
(54)【発明の名称】液滴形成装置及び液滴形成方法
(51)【国際特許分類】
C12M 1/00 20060101AFI20220712BHJP
B05C 5/00 20060101ALI20220712BHJP
【ＦＩ】
C12M1/00 A
B05C5/00 101
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2018047523
(22)【出願日】2018-03-15
(65)【公開番号】P2019154351
(43)【公開日】2019-09-19
【審査請求日】2021-02-08
(73)【特許権者】
【識別番号】000006747
【氏名又は名称】株式会社リコー
(72)【発明者】
【氏名】増子 龍也
(72)【発明者】
【氏名】岡野 覚
(72)【発明者】
【氏名】村松 功一
(72)【発明者】
【氏名】中澤 聡
(72)【発明者】
【氏名】倉持 譲
(72)【発明者】
【氏名】松本 貴彦
【審査官】竹内 祐樹
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－２０３１５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０７７１９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１１６４８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００７－５０３９９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－０１０７６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第１０－２００９－００２８１８９（ＫＲ，Ａ）
【文献】特開２００９－１０１５１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第１０－２００８－００５０１１９（ＫＲ，Ａ）
【文献】特開２００６－１７０７５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－０２９９９６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ１２Ｍ １／００－３／１０
Ｂ０５Ｃ ５／００－５／０４
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
粒子懸濁液を保持する液体保持部と、
前記粒子懸濁液を振動により吐出口から液滴として吐出する膜状部材と、
前記膜状部材を振動させる振動手段と、
を有し、
前記振動手段にて、前記吐出口のメニスカスを励振させてから、当該メニスカスの振動停止前に、吐出駆動を実施して前記液滴を吐出することを特徴とする液滴形成装置。
【請求項2】
前記液体保持部内を大気に開放する大気開放部を有する請求項１に記載の液滴形成装置。
【請求項3】
前記励振されたメニスカスが前記吐出口を少なくとも１回通過する請求項１から２のいずれかに記載の液滴形成装置。
【請求項4】
前記膜状部材の吐出側の表面が撥水処理されており、前記吐出口の壁面が親水処理されている請求項１から３のいずれかに記載の液滴形成装置。
【請求項5】
前記膜状部材の吐出側の表面に少なくとも１つの凸部が設けられており、前記吐出口の壁面に少なくとも１つの凹凸部を有する請求項１から４のいずれかに記載の液滴形成装置。
【請求項6】
前記膜状部材の吐出口近傍の厚みが、前記膜状部材の吐出口近傍以外の厚みよりも薄く形成されている請求項１から５のいずれかに記載の液滴形成装置。
【請求項7】
液体を保持する液体保持部と、
前記液体保持部内を大気に開放する大気開放部と、
前記液体を振動により吐出口から液滴として吐出する膜状部材と、
前記膜状部材を振動させる振動手段と、
前記膜状部材の吐出側の表面に少なくとも１つの凸部が設けられており、前記吐出口の壁面に少なくとも１つの凹凸部を有し、
前記振動手段にて、前記吐出口のメニスカスを励振させてから、前記液滴を吐出することを特徴とする液滴形成装置。
【請求項8】
液体を保持する液体保持部と、
前記液体保持部内を大気に開放する大気開放部と、
前記液体を振動により吐出口から液滴として吐出する膜状部材と、
前記膜状部材を振動させる振動手段と、
前記膜状部材の吐出口近傍の厚みが、前記膜状部材の吐出口近傍以外の厚みよりも薄く形成されてなり、
前記振動手段にて、前記吐出口のメニスカスを励振させてから、前記液滴を吐出することを特徴とする液滴形成装置。
【請求項9】
請求項１から８のいずれかに記載の液滴形成装置を用いて液滴を形成することを特徴とする液滴形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、液滴形成装置及び液滴形成方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、幹細胞技術の進展に伴い、複数の細胞をインクジェットヘッドから吐出して組織体を形成する技術が行われている。
本願出願人は、既に、細胞を分散させた細胞懸濁液を吐出する液滴形成装置として、ノズルを設けたメンブレンをアクチュエーターによって振動させることにより、メンブレン上の液を吐出する装置を提案している（例えば、特許文献１参照）。
また、吐出される液滴に含まれる沈降性粒子の数のばらつきを抑制することを目的とし、液滴を形成しない範囲で膜状部材を振動させる撹拌波形を加振手段に選択的に付与する駆動手段が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
本願出願人は、既に、細胞を分散させた細胞懸濁液を吐出する液滴形成装置として、ノズルを設けたメンブレンをアクチュエーターによって振動させることにより、メンブレン上の液を吐出する装置を提案している（例えば、特許文献１参照）。
また、吐出される液滴に含まれる沈降性粒子の数のばらつきを抑制することを目的とし、液滴を形成しない範囲で膜状部材を振動させる撹拌波形を加振手段に選択的に付与する駆動手段が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
本発明は、吐出曲がりを抑制することができる液滴形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0004】
前記課題を解決するための手段としての本発明の液滴形成装置は、粒子懸濁液を保持する液体保持部と、前記粒子懸濁液を振動により吐出口から液滴として吐出する膜状部材と、前記膜状部材を振動させる振動手段と、を有し、前記振動手段にて、前記吐出口のメニスカスを励振させてから、当該メニスカスの振動停止前に、吐出駆動を実施して前記液滴を吐出する。
【発明の効果】
【0005】
本発明によると、吐出曲がりを抑制することができる液滴形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【発明を実施するための形態】
【0007】
（液滴形成装置及び液滴形成方法）
本発明の液滴形成装置は、液体を保持する液体保持部と、液体保持部内を大気に開放する大気開放部と、液体を振動により吐出口から液滴として吐出する膜状部材と、膜状部材を振動させる振動手段と、を有し、振動手段にて、吐出口のメニスカスを励振させてから、前記液滴を吐出し、更に必要に応じてその他の手段を有する。
本発明の液滴形成方法は、本発明の液滴形成装置を用いて液滴を形成する。
本発明の液滴形成装置は、液体を保持する液体保持部と、液体保持部内を大気に開放する大気開放部と、液体を振動により吐出口から液滴として吐出する膜状部材と、膜状部材を振動させる振動手段と、を有し、振動手段にて、吐出口のメニスカスを励振させてから、前記液滴を吐出し、更に必要に応じてその他の手段を有する。
本発明の液滴形成方法は、本発明の液滴形成装置を用いて液滴を形成する。
【0008】
吐出曲がりの原因は２つあると考えられる。１つめは、残留振動の影響である。図１Ａに示すように、メンブレンが振動することによりメニスカスも振動する。次に、メンブレン振動がおさまるが、メニスカスは振動を続ける。この状態で次の吐出を行うと、メニスカスの乱れが生じることが想定できる。
２つめは、粒子（細胞）懸濁液に特有の影響である。図１Ｂに示すように、ノズル径と同スケールの細胞が通過すると、ノズルを通過する流体の速度場が乱れ、水吐出では軸対称のメニスカス形状が軸非対称のメニスカス形状になり、吐出曲がりが生じる。
２つめは、粒子（細胞）懸濁液に特有の影響である。図１Ｂに示すように、ノズル径と同スケールの細胞が通過すると、ノズルを通過する流体の速度場が乱れ、水吐出では軸対称のメニスカス形状が軸非対称のメニスカス形状になり、吐出曲がりが生じる。
【0009】
先行研究において、ノズル径を固定し、吐出する粒子径を大きくすると、吐出曲がりが大きくなることが示されている（Ｒｙａｎｔｏ Ｔｈｅ ｅｔ ａｌ．，“Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｋｊｅｔ－ｂａｓｅｄ Ｏｎｅ Ｃｅｌｌ ｐｅｒ Ｏｎｅ Ｄｒｏｐｌｅｔ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｂｙ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”ＩＥＥＥ／ＲＳＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，（２０１３），５０２－５０７．）。
この報告から、吐出曲がりの根本に関わる粒子（細胞）懸濁液特有の課題であることが明らかである。しかし、吐出曲がりが生じる原因は不明である。
この報告から、吐出曲がりの根本に関わる粒子（細胞）懸濁液特有の課題であることが明らかである。しかし、吐出曲がりが生じる原因は不明である。
【0010】
本発明においては、液体として粒子懸濁液（大径粒子）吐出時に吐出曲がりを抑制することができる。吐出曲がりを抑制することができれば、液滴形成装置と液滴着弾面の距離をより離すことができる。例えば、再生医療の分野では生体内の環境を模した３次元表面での細胞培養が求められており、高さ方向の情報を有する基板へ細胞吐出を行うことができる。
【0011】
ここで、図２Ａ及び図２Ｂは、ノズル径６０μｍに対して、粒子径２０μｍの粒子を吐出したときの、メニスカス形状を表した解析結果を示す。図２Ａから、粒子初期位置がノズル中央のとき、メニスカス形状はノズル中心を軸に対称であることがわかる。図２Ｂから、粒子初期位置がノズル端のとき、メニスカス形状はノズル中心を軸に非対称であり、ノズル内の粒子が位置している方向へ、メニスカスの偏りが生じ、吐出曲がりに至っていることが示唆される。この解析結果より、ノズル内の粒子位置が吐出曲がりに関係があることが示唆されたので、図３Ａ及び図３Ｂに示すような実験装置系を組み、ノズル内の粒子位置及び吐出曲がりの関係を明らかにした。図３Ａは、実験に用いる装置の概略図である。図３Ｂは、図３Ａのファンクションジェネレーター（Ｆ．Ｇ．）から各機器への駆動波形入力タイミングを示す図である。
【0012】
実験方法について以下に示す。
・吐出前のノズルをＣＣＤカメラで観察し、ノズル内の粒子位置ｘを測定した。
・吐出液を高速度カメラで観察し、吐出曲がりθを測定した。
・着滴した粒子をカウントし、１粒子含有している液滴の曲がりだけを評価した。
・吐出前のノズルをＣＣＤカメラで観察し、ノズル内の粒子位置ｘを測定した。
・吐出液を高速度カメラで観察し、吐出曲がりθを測定した。
・着滴した粒子をカウントし、１粒子含有している液滴の曲がりだけを評価した。
【0013】
図４Ａ及び図４Ｂには、評価方法を示す。まず、ノズル内の粒子位置ｘの測定方法を図４Ａに示す。
図４Ａはノズル内に位置している粒子を可視化した結果である。この画像からノズル中心から粒子重心位置までの距離ｘを測定した。
次に、吐出曲がりθの評価方法を図４Ｂに示す。高速度カメラ画像より、ノズル中心を通るＺ軸に対して、液滴の吐出曲がり角度θを測定した。
図４Ａはノズル内に位置している粒子を可視化した結果である。この画像からノズル中心から粒子重心位置までの距離ｘを測定した。
次に、吐出曲がりθの評価方法を図４Ｂに示す。高速度カメラ画像より、ノズル中心を通るＺ軸に対して、液滴の吐出曲がり角度θを測定した。
【0014】
図５Ａ及び図５Ｂは、吐出曲がりθ及びノズルのＸ方向だけを抽出した粒子位置ｘの関係を示す。図５Ｂの結果から、吐出曲がりθは粒子径５μｍよりも粒子径２０μｍの方が大きくなる傾向が得られた。また、粒子がノズル中心に位置すると、曲がりが抑制される傾向が得られた。
【0015】
図５Ｂの実験結果は、ノズル内粒子のＸ座標及び飛翔液滴を１方向から観察したときの吐出曲がりθの関係を表しており、吐出曲がりθに対するノズル内粒子の初期位置依存性を実証できていない。これを示すためには、飛翔液滴の曲がりθを２方向から観察したときに、図５Ｂと同様の傾向が得られることを示す必要がある。
そこで、図６Ａに示すような実験装置系を組み、高速度カメラ２台を６０°傾けて配置し、吐出液滴の２方向観察を行った。
実験結果を図６Ｂに示す。図６ＢのＸ軸は、Ｘ及びＸ’座標の粒子位置ｘを表している。Ｙ軸は、それぞれの高速度カメラで測定した吐出曲がりθを表している。図６Ｂの結果から、吐出曲がりθはそれぞれ同様の傾向を示しており、粒子の位置依存性が確認できた。
そこで、図６Ａに示すような実験装置系を組み、高速度カメラ２台を６０°傾けて配置し、吐出液滴の２方向観察を行った。
実験結果を図６Ｂに示す。図６ＢのＸ軸は、Ｘ及びＸ’座標の粒子位置ｘを表している。Ｙ軸は、それぞれの高速度カメラで測定した吐出曲がりθを表している。図６Ｂの結果から、吐出曲がりθはそれぞれ同様の傾向を示しており、粒子の位置依存性が確認できた。
【0016】
図５Ｂ及び図６Ｂの結果より、粒子がノズル軸中心に位置すると、吐出曲がりが抑制される傾向が認められた。そこで、本発明は、粒子をノズル軸中心へ寄せるような駆動を行うことにより、吐出曲がりを抑制することを特徴とする。
【0017】
したがって、本発明は、液体を保持する液体保持部と、液体保持部内を大気に開放する大気開放部と、液体を振動により吐出口から液滴として吐出する膜状部材と、膜状部材を振動させる振動手段と、を有し、振動手段にて、吐出口のメニスカスを励振させてから、前記液滴を吐出する。即ち、液滴を形成しない範囲で前記メンブレンを加振させる予備駆動を行い、予備駆動により、励振されたノズル部のメニスカスの振動が停止する前に、液滴を形成する吐出駆動を行う。その結果、吐出口（ノズル）を通過する流体が図２Ａに示すような軸対称の流れと仮定すると、液滴が形成しない程度に、ノズルからメニスカスを飛び出させることで、流体の速度場に従って粒子は中心に移動し、粒子（細胞）がノズル中心に移動した状態で吐出することで、吐出曲がりを抑制することができる。
励振されたメニスカスは、吐出口を少なくとも１回通過することが好ましい。励振されたメニスカスがノズルを通過する回数を１回、２回、３回、４回・・・と増やすことで、更に粒子をノズル中心へ寄せることができる。
励振されたメニスカスは、吐出口を少なくとも１回通過することが好ましい。励振されたメニスカスがノズルを通過する回数を１回、２回、３回、４回・・・と増やすことで、更に粒子をノズル中心へ寄せることができる。
【0018】
＜液体保持部＞
液体保持部は、液体を保持する。液体保持部は、大気開放部を上部側に有していることが好ましい。液体中に混入した気泡は大気開放部から排出可能に構成されている。
液体保持部は、液体を保持する。液体保持部は、大気開放部を上部側に有していることが好ましい。液体中に混入した気泡は大気開放部から排出可能に構成されている。
【0019】
液体保持部の形状、大きさ、材質、及び構造については特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
液体保持部の材質としては、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム等の金属や、二酸化ケイ素、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスなどが挙げられる。
これらの中でも、粒子として細胞やタンパク質を用いる際には、細胞やタンパク質に対する付着性の低い材料を用いることが好ましい。
細胞の付着性は一般的に材質の水との接触角に依存性があると言われており、材質の親水性が高い又は疎水性が高いときには細胞の付着性が低い。親水性の高い材料としては各種金属材料やセラミックス（金属酸化物）を用いることが可能であり、疎水性が高い材料としてはフッ素樹脂等を用いることが可能である。
これら以外にも、材料表面をコーティングすることで細胞接着性を低下させることも考えられる。例えば、材料表面を前述の金属又は金属酸化物材料でコーティングすることや、細胞膜を模した合成リン脂質ポリマー（例えば、日油株式会社製、Ｌｉｐｉｄｕｒｅ）によってコーティングすることが可能である。
液体保持部の材質としては、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム等の金属や、二酸化ケイ素、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスなどが挙げられる。
これらの中でも、粒子として細胞やタンパク質を用いる際には、細胞やタンパク質に対する付着性の低い材料を用いることが好ましい。
細胞の付着性は一般的に材質の水との接触角に依存性があると言われており、材質の親水性が高い又は疎水性が高いときには細胞の付着性が低い。親水性の高い材料としては各種金属材料やセラミックス（金属酸化物）を用いることが可能であり、疎水性が高い材料としてはフッ素樹脂等を用いることが可能である。
これら以外にも、材料表面をコーティングすることで細胞接着性を低下させることも考えられる。例えば、材料表面を前述の金属又は金属酸化物材料でコーティングすることや、細胞膜を模した合成リン脂質ポリマー（例えば、日油株式会社製、Ｌｉｐｉｄｕｒｅ）によってコーティングすることが可能である。
【0020】
＜膜状部材＞
膜状部材は、吐出口（ノズル）が形成され，液体保持部に保持された液体をその振幅運動による振動により吐出口から液滴として吐出する部材である。
膜状部材は、液体保持部の下端部に固定されている。
液体保持部に保持された液体は、膜状部材の振動により貫通孔である吐出口から液滴として吐出される。
膜状部材は、吐出口（ノズル）が形成され，液体保持部に保持された液体をその振幅運動による振動により吐出口から液滴として吐出する部材である。
膜状部材は、液体保持部の下端部に固定されている。
液体保持部に保持された液体は、膜状部材の振動により貫通孔である吐出口から液滴として吐出される。
【0021】
膜状部材の吐出側の表面が撥水処理されており、前記吐出口の壁面が親水処理されていることが好ましい。表面処理無しの場合に比べて、表面処理を行うことにより、膜状部材表面の前進接触角をより大きくすることができ、ノズル壁面の後退接触角をより小さくすることができる。その結果、予備駆動により励振されたメニスカスの接触点位置が移動しづらくなり、ノズルを通過する流体の軸対称流れ場が非対称となりにくくなる。したがって、ノズル内粒子を中心へ寄せる効果がより向上する。
【0022】
膜状部材の吐出側の表面に少なくとも１つの凸部が設けられており、前記吐出口の壁面に少なくとも１つの凹凸部を有することが好ましい。膜状部材の吐出側の表面に凸部無しの場合に比べて、凸部を設けることにより、励振されたメニスカスの接触点位置が凸部で固定され、前進接触角をより大きくすることができる。これにより、予備駆動により励振されたメニスカスの接触点位置が移動しづらくなり、ノズルを通過する流体の軸対称流れ場が非対称となりにくくなる。したがって、ノズル内粒子を中心へ寄せる効果がより大きくなる。また、ノズル壁面に少なくとも１つの凹凸部を設けることにより、同様の効果が期待できる。
【0023】
膜状部材の吐出口近傍の厚みは、膜状部材の吐出口近傍以外の厚みよりも薄く形成されていることが好ましい。膜状部材の厚みをノズル近傍だけ薄くする。これにより、内壁付着物とノズル壁面が接触する面積が小さくなり、粒子とノズル壁面間で働く表面張力が小さくなる。内壁付着物がある閾値以上に成長すると、ノズル内を通過する流体から受ける力で剥離するとしたとき、膜状部材の厚みをノズル近傍だけ薄くすることで、対象よりもある閾値を小さくすることができる。つまり、内壁付着物が剥離しやすくなる。上記の効果に付随して、粒子がノズルを通過したとき、ノズルを通過する流体の軸対称性が損なわれる時間が短くなるので、吐出バラつきを抑制することができる。
【0024】
膜状部材の平面形状、大きさ、材質、及び構造については特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
膜状部材の平面形状としては、例えば、円形、楕円形、長方形、正方形、菱形などが挙げられる。
膜状部材の材質としては、柔らかすぎると膜状部材が簡単に振動し、吐出しないときに直ちに振動を抑えることが困難であるため、ある程度の硬さを有する材質を用いることが好ましく、例えば、金属、セラミックス、高分子材料などが挙げられ、具体的には、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、二酸化ケイ素、アルミナ、ジルコニアなどが挙げられる。これらの中でも、上記液体保持部と同様に、粒子として細胞やタンパク質を用いる場合には、細胞やタンパク質に対する付着性の低い材料を用いることが好ましい。
膜状部材の平面形状としては、例えば、円形、楕円形、長方形、正方形、菱形などが挙げられる。
膜状部材の材質としては、柔らかすぎると膜状部材が簡単に振動し、吐出しないときに直ちに振動を抑えることが困難であるため、ある程度の硬さを有する材質を用いることが好ましく、例えば、金属、セラミックス、高分子材料などが挙げられ、具体的には、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、二酸化ケイ素、アルミナ、ジルコニアなどが挙げられる。これらの中でも、上記液体保持部と同様に、粒子として細胞やタンパク質を用いる場合には、細胞やタンパク質に対する付着性の低い材料を用いることが好ましい。
【0025】
－吐出口－
吐出口としては、その配列数、配列態様、間隔（ピッチ）、開口形状、開口の大きさなどについては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
吐出口の配列数としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、液滴吐出手段の吐出面の長さ方向に沿って１列以上配設されていることが好ましく、１列以上４列以下がより好ましい。吐出口を１列以上設けることにより、単位時間当りの吐出する液滴数を増加させることができると共に、粒子の種類（例えば、細胞の種類など）応じて列を変えて一度に吐出することができる。
１列当たりの吐出口の数としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択されるが、２個以上１００個以下が好ましく、２個以上５０個以下がより好ましく、２個以上１２個以下が更に好ましい。１列当たりの吐出口の数が２個以上１００個以下であると、単位時間当りの吐出する液滴数を増加させることができる高い生産性を有する粒子計数装置を提供することができる。
吐出口の配列態様としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、規則配列（例えば、千鳥格子配列など）であっても、不規則配列であってもよい。
吐出口が、複数列である場合には、隣接する吐出口から吐出される液滴同士の干渉を防止でき、粒子の検出感度を向上させるため、各列の間に仕切り部材を設けることが好ましい。仕切り部材としては、例えば、仕切り板などが挙げられる。
吐出口は、等間隔に並んで配列されていることが好ましく、隣接する吐出口の中心間の最短距離である間隔（ピッチ）Ｐとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、５０μｍ以上１,０００μｍ以下が好ましい。
吐出口の開口形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、円形、楕円形、四角形などが挙げられる。
吐出口の平均径としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、粒子が吐出口に詰まることを避けるため、粒子の大きさの２倍以上とすることが好ましい。
粒子が、例えば、動物細胞、特にヒトの細胞である場合、ヒトの細胞の大きさは、一般的に、５μｍ以上５０μｍ以下であるため、吐出口の平均径は、使用する細胞に合わせて、１０μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。
一方で、液滴が大きくなり過ぎると、微小液滴を形成するという目的の達成が困難となるため、吐出口の平均径は、２００μｍ以下であることが好ましい。したがって、吐出口の平均径は、１０μｍ以上２００μｍ以下がより好ましい。
吐出口としては、その配列数、配列態様、間隔（ピッチ）、開口形状、開口の大きさなどについては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
吐出口の配列数としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、液滴吐出手段の吐出面の長さ方向に沿って１列以上配設されていることが好ましく、１列以上４列以下がより好ましい。吐出口を１列以上設けることにより、単位時間当りの吐出する液滴数を増加させることができると共に、粒子の種類（例えば、細胞の種類など）応じて列を変えて一度に吐出することができる。
１列当たりの吐出口の数としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択されるが、２個以上１００個以下が好ましく、２個以上５０個以下がより好ましく、２個以上１２個以下が更に好ましい。１列当たりの吐出口の数が２個以上１００個以下であると、単位時間当りの吐出する液滴数を増加させることができる高い生産性を有する粒子計数装置を提供することができる。
吐出口の配列態様としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、規則配列（例えば、千鳥格子配列など）であっても、不規則配列であってもよい。
吐出口が、複数列である場合には、隣接する吐出口から吐出される液滴同士の干渉を防止でき、粒子の検出感度を向上させるため、各列の間に仕切り部材を設けることが好ましい。仕切り部材としては、例えば、仕切り板などが挙げられる。
吐出口は、等間隔に並んで配列されていることが好ましく、隣接する吐出口の中心間の最短距離である間隔（ピッチ）Ｐとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、５０μｍ以上１,０００μｍ以下が好ましい。
吐出口の開口形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、円形、楕円形、四角形などが挙げられる。
吐出口の平均径としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、粒子が吐出口に詰まることを避けるため、粒子の大きさの２倍以上とすることが好ましい。
粒子が、例えば、動物細胞、特にヒトの細胞である場合、ヒトの細胞の大きさは、一般的に、５μｍ以上５０μｍ以下であるため、吐出口の平均径は、使用する細胞に合わせて、１０μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。
一方で、液滴が大きくなり過ぎると、微小液滴を形成するという目的の達成が困難となるため、吐出口の平均径は、２００μｍ以下であることが好ましい。したがって、吐出口の平均径は、１０μｍ以上２００μｍ以下がより好ましい。
【0026】
＜振動手段＞
振動手段は、膜状部材を振動させて吐出口（ノズル）から液滴を吐出させる。
振動手段は、膜状部材の下面側に形成されている。
振動手段の形状、大きさ、材質、及び構造については特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
振動手段の形状としては、特に制限はなく、膜状部材の形状に合わせて適宜設計することができるが、例えば、膜状部材の平面形状が円形である場合には、吐出口の周囲に平面形状が円環状（リング状）の振動手段を形成することが好ましい。
振動手段は、膜状部材を振動させて吐出口（ノズル）から液滴を吐出させる。
振動手段は、膜状部材の下面側に形成されている。
振動手段の形状、大きさ、材質、及び構造については特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
振動手段の形状としては、特に制限はなく、膜状部材の形状に合わせて適宜設計することができるが、例えば、膜状部材の平面形状が円形である場合には、吐出口の周囲に平面形状が円環状（リング状）の振動手段を形成することが好ましい。
【0027】
振動手段としては、圧電素子が好適に用いられる。圧電素子としては、例えば、圧電材料の上面及び下面に電圧を印加するための電極を設けた構造とすることができる。この場合、駆動手段から圧電素子の上下電極間に電圧を印加することによって膜の面横方向に圧縮応力が加わり、膜状部材を膜の面上下方向に振動させることができる。
圧電材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ビスマス鉄酸化物、ニオブ酸金属物、チタン酸バリウム、又はこれらの材料に金属や異なる酸化物を加えたものなどが挙げられる。これらの中でも、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）が好ましい。
圧電材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ビスマス鉄酸化物、ニオブ酸金属物、チタン酸バリウム、又はこれらの材料に金属や異なる酸化物を加えたものなどが挙げられる。これらの中でも、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）が好ましい。
【0028】
＜駆動手段＞
駆動手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、液滴吐出ヘッドが圧電加圧方式によるインクジェットヘッドである場合、液滴吐出ヘッドに駆動電圧を入力する手段などが挙げられる。この場合、駆動手段が圧電素子を変形させることにより微小な液滴を吐出させることができる。
駆動手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、液滴吐出ヘッドが圧電加圧方式によるインクジェットヘッドである場合、液滴吐出ヘッドに駆動電圧を入力する手段などが挙げられる。この場合、駆動手段が圧電素子を変形させることにより微小な液滴を吐出させることができる。
【0029】
＜液体＞
液体は、粒子懸濁液が好ましい。粒子懸濁液としては、細胞懸濁液が好ましい。
液体は、粒子懸濁液が好ましい。粒子懸濁液としては、細胞懸濁液が好ましい。
【0030】
＜液滴＞
液滴は、粒子を含むことが好ましい。
液滴中に含まれる粒子の個数は、１個以上が好ましく、１個以上５個以下がより好ましい。
液滴の直径としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、２５μｍ以上１５０μｍ以下が好ましい。液滴の直径が２５μｍ以上であると、内包する粒子の直径が適正となり、適用できる粒子の種類が多くなる。また、液滴の直径が１５０μｍ以下であると、液滴の吐出が安定となる。
また、液滴の直径をＲとし、粒子の直径をｒとすると、Ｒ＞３ｒであることが好ましい。Ｒ＞３ｒであると、粒子の直径と液滴の直径との関係が適正であり、液滴の縁の影響を受けることがないため、粒子の計数精度が向上する。
液滴の液量は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、１,０００ｐＬ以下が好ましく、１００ｐＬ以下がより好ましい。
液滴の液量は、例えば、液滴の画像から液滴の大きさを求め、液量を算出する方法などにより測定することができる。
液滴は、粒子を含むことが好ましい。
液滴中に含まれる粒子の個数は、１個以上が好ましく、１個以上５個以下がより好ましい。
液滴の直径としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、２５μｍ以上１５０μｍ以下が好ましい。液滴の直径が２５μｍ以上であると、内包する粒子の直径が適正となり、適用できる粒子の種類が多くなる。また、液滴の直径が１５０μｍ以下であると、液滴の吐出が安定となる。
また、液滴の直径をＲとし、粒子の直径をｒとすると、Ｒ＞３ｒであることが好ましい。Ｒ＞３ｒであると、粒子の直径と液滴の直径との関係が適正であり、液滴の縁の影響を受けることがないため、粒子の計数精度が向上する。
液滴の液量は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、１,０００ｐＬ以下が好ましく、１００ｐＬ以下がより好ましい。
液滴の液量は、例えば、液滴の画像から液滴の大きさを求め、液量を算出する方法などにより測定することができる。
【0031】
液滴に含まれる粒子としては、例えば、金属微粒子、無機微粒子、細胞などが挙げられる。これらの中でも、細胞が好ましい。
【0032】
細胞としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、真核細胞、原核細胞、多細胞生物細胞、単細胞生物細胞を問わず、すべての細胞について使用することができる。これらは、１種単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
【0033】
真核細胞としては、特に制限はなく、目的応じて適宜選択することができ、例えば、動物細胞、昆虫細胞、植物細胞、真菌、藻類、原生動物などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、動物細胞、真菌が好ましく、ヒト由来の細胞がより好ましい。
【0034】
接着性細胞としては、組織や器官から直接採取した初代細胞でもよく、組織や器官から直接採取した初代細胞を何代か継代させたものでもよく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、分化した細胞、未分化の細胞などが挙げられる。
【0035】
分化した細胞としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、肝臓の実質細胞である肝細胞；星細胞；クッパー細胞；血管内皮細胞；類道内皮細胞、角膜内皮細胞等の内皮細胞；繊維芽細胞；骨芽細胞；砕骨細胞；歯根膜由来細胞；表皮角化細胞等の表皮細胞；気管上皮細胞；消化管上皮細胞；子宮頸部上皮細胞；角膜上皮細胞等の上皮細胞；乳腺細胞；ペリサイト；平滑筋細胞、心筋細胞等の筋細胞；腎細胞；膵ランゲルハンス島細胞；末梢神経細胞、視神経細胞等の神経細胞；軟骨細胞；骨細胞などが挙げられる。
【0036】
未分化の細胞としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、未分化細胞である胚性幹細胞、多分化能を有する間葉系幹細胞等の多能性幹細胞；単分化能を有する血管内皮前駆細胞等の単能性幹細胞；ｉＰＳ細胞などが挙げられる。
【0037】
真菌としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、カビ、酵母菌などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、細胞周期を調節することができ、１倍体を使用することができる点から、酵母菌が好ましい。
細胞周期とは、細胞が増えるとき、細胞分裂が生じ、細胞分裂で生じた細胞（娘細胞）が再び細胞分裂を行う細胞（母細胞）となって新しい娘細胞を生み出す過程を意味する。
細胞周期とは、細胞が増えるとき、細胞分裂が生じ、細胞分裂で生じた細胞（娘細胞）が再び細胞分裂を行う細胞（母細胞）となって新しい娘細胞を生み出す過程を意味する。
【0038】
酵母菌としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、細胞周期をＧ１期に制御するフェロモン（性ホルモン）の感受性が増加したＢａｒ－１欠損酵母が好ましい。酵母菌がＢａｒ－１欠損酵母であると、細胞周期が制御できていない酵母菌の存在比率を低くすることができるため、容器内に収容された細胞の特定の核酸の数の増加等を防ぐことができる。
【0039】
原核細胞としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、真正細菌、古細菌などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
【0040】
細胞としては、死細胞が好ましい。死細胞であると、分取後に細胞分裂が起こることを防ぐことができる。
【0041】
細胞としては、光を受光したときに発光可能な細胞であることが好ましい。光を受光したときに発光可能な細胞であると、細胞の数を高精度に制御して被着対象物に着弾させることができる。
受光とは、光を受けることを意味する。
光学センサとは、人間の目で見ることができる可視光線と、それより波長の長い近赤外線や短波長赤外線、熱赤外線領域までの光のいずれかの光をレンズで集め、対象物である細胞の形状などを画像データとして取得する受動型センサを意味する。
受光とは、光を受けることを意味する。
光学センサとは、人間の目で見ることができる可視光線と、それより波長の長い近赤外線や短波長赤外線、熱赤外線領域までの光のいずれかの光をレンズで集め、対象物である細胞の形状などを画像データとして取得する受動型センサを意味する。
【0042】
－－光を受光したときに発光可能な細胞－－
光を受光したときに発光可能な細胞としては、光を受光したときに発光可能であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、蛍光色素によって染色された細胞、蛍光タンパク質を発現した細胞、蛍光標識抗体により標識された細胞などが挙げられる。
細胞における蛍光色素による染色部位、蛍光タンパク質の発現部位、又は蛍光標識抗体による標識部位としては、特に制限はなく、細胞全体、細胞核、細胞膜などが挙げられる。
光を受光したときに発光可能な細胞としては、光を受光したときに発光可能であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、蛍光色素によって染色された細胞、蛍光タンパク質を発現した細胞、蛍光標識抗体により標識された細胞などが挙げられる。
細胞における蛍光色素による染色部位、蛍光タンパク質の発現部位、又は蛍光標識抗体による標識部位としては、特に制限はなく、細胞全体、細胞核、細胞膜などが挙げられる。
【0043】
－－－蛍光色素－－－
蛍光色素としては、例えば、フルオレセイン類、アゾ類、ローダミン類、クマリン類、ピレン類、シアニン類などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、フルオレセイン類、アゾ類、ローダミン類が好ましく、エオシン、エバンスブルー、トリパンブルー、ローダミン６Ｇ、ローダミンＢ、ローダミン１２３がより好ましい。
蛍光色素としては、例えば、フルオレセイン類、アゾ類、ローダミン類、クマリン類、ピレン類、シアニン類などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、フルオレセイン類、アゾ類、ローダミン類が好ましく、エオシン、エバンスブルー、トリパンブルー、ローダミン６Ｇ、ローダミンＢ、ローダミン１２３がより好ましい。
【0044】
蛍光色素としては、市販品を用いることができ、市販品としては、例えば、商品名：ＥｏｓｉｎＹ（和光純薬工業株式会社製）、商品名：エバンスブルー（和光純薬工業株式会社製）、商品名：トリパンブルー（和光純薬工業株式会社製）、商品名：ローダミン６Ｇ（和光純薬工業株式会社製）、商品名：ローダミンＢ（和光純薬工業株式会社製）、商品名：ローダミン１２３（和光純薬工業株式会社製）などが挙げられる。
【0045】
－－－蛍光タンパク質－－－
蛍光タンパク質としては、例えば、Ｓｉｒｉｕｓ、ＥＢＦＰ、ＥＣＦＰ、ｍＴｕｒｑｕｏｉｓｅ、ＴａｇＣＦＰ、ＡｍＣｙａｎ、ｍＴＦＰ１、ＭｉｄｏｒｉｉｓｈｉＣｙａｎ、ＣＦＰ、ＴｕｒｂｏＧＦＰ、ＡｃＧＦＰ、ＴａｇＧＦＰ、Ａｚａｍｉ－Ｇｒｅｅｎ、ＺｓＧｒｅｅｎ、ＥｍＧＦＰ、ＥＧＦＰ、ＧＦＰ２、ＨｙＰｅｒ、ＴａｇＹＦＰ、ＥＹＦＰ、Ｖｅｎｕｓ、ＹＦＰ、ＰｈｉＹＦＰ、ＰｈｉＹＦＰ－ｍ、ＴｕｒｂｏＹＦＰ、ＺｓＹｅｌｌｏｗ、ｍＢａｎａｎａ、ＫｕｓａｂｉｒａＯｒａｎｇｅ、ｍＯｒａｎｇｅ、ＴｕｒｂｏＲＦＰ、ＤｓＲｅｄ－Ｅｘｐｒｅｓｓ、ＤｓＲｅｄ２、ＴａｇＲＦＰ、ＤｓＲｅｄ－Ｍｏｎｏｍｅｒ、ＡｓＲｅｄ２、ｍＳｔｒａｗｂｅｒｒｙ、ＴｕｒｂｏＦＰ６０２、ｍＲＦＰ１、ＪＲｅｄ、ＫｉｌｌｅｒＲｅｄ、ｍＣｈｅｒｒｙ、ｍＰｌｕｍ、ＰＳ－ＣＦＰ、Ｄｅｎｄｒａ２、Ｋａｅｄｅ、ＥｏｓＦＰ、ＫｉｋｕｍｅＧＲなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
蛍光タンパク質としては、例えば、Ｓｉｒｉｕｓ、ＥＢＦＰ、ＥＣＦＰ、ｍＴｕｒｑｕｏｉｓｅ、ＴａｇＣＦＰ、ＡｍＣｙａｎ、ｍＴＦＰ１、ＭｉｄｏｒｉｉｓｈｉＣｙａｎ、ＣＦＰ、ＴｕｒｂｏＧＦＰ、ＡｃＧＦＰ、ＴａｇＧＦＰ、Ａｚａｍｉ－Ｇｒｅｅｎ、ＺｓＧｒｅｅｎ、ＥｍＧＦＰ、ＥＧＦＰ、ＧＦＰ２、ＨｙＰｅｒ、ＴａｇＹＦＰ、ＥＹＦＰ、Ｖｅｎｕｓ、ＹＦＰ、ＰｈｉＹＦＰ、ＰｈｉＹＦＰ－ｍ、ＴｕｒｂｏＹＦＰ、ＺｓＹｅｌｌｏｗ、ｍＢａｎａｎａ、ＫｕｓａｂｉｒａＯｒａｎｇｅ、ｍＯｒａｎｇｅ、ＴｕｒｂｏＲＦＰ、ＤｓＲｅｄ－Ｅｘｐｒｅｓｓ、ＤｓＲｅｄ２、ＴａｇＲＦＰ、ＤｓＲｅｄ－Ｍｏｎｏｍｅｒ、ＡｓＲｅｄ２、ｍＳｔｒａｗｂｅｒｒｙ、ＴｕｒｂｏＦＰ６０２、ｍＲＦＰ１、ＪＲｅｄ、ＫｉｌｌｅｒＲｅｄ、ｍＣｈｅｒｒｙ、ｍＰｌｕｍ、ＰＳ－ＣＦＰ、Ｄｅｎｄｒａ２、Ｋａｅｄｅ、ＥｏｓＦＰ、ＫｉｋｕｍｅＧＲなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
【0046】
－－－蛍光標識抗体－－－
蛍光標識抗体としては、蛍光標識されていれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ＣＤ４－ＦＩＴＣ、ＣＤ８－ＰＥなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
蛍光標識抗体としては、蛍光標識されていれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ＣＤ４－ＦＩＴＣ、ＣＤ８－ＰＥなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
【0047】
細胞は、特定の核酸を有することが好ましい。特定の核酸を有する細胞の細胞数は、複数であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
【0048】
－－－特定の核酸－－－
特定の核酸としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、感染症検査に用いられる塩基配列、自然界には存在しない核酸、動物細胞由来の塩基配列、植物細胞由来の塩基配列などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。また、特定の核酸としては、プラスミドも好適に使用することができる。
核酸とは、プリン又はピリミジンから導かれる含窒素塩基、糖、及びリン酸が規則的に結合した高分子の有機化合物を意味する。
特定の核酸としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、感染症検査に用いられる塩基配列、自然界には存在しない核酸、動物細胞由来の塩基配列、植物細胞由来の塩基配列などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。また、特定の核酸としては、プラスミドも好適に使用することができる。
核酸とは、プリン又はピリミジンから導かれる含窒素塩基、糖、及びリン酸が規則的に結合した高分子の有機化合物を意味する。
【0049】
特定の核酸としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡなどが挙げられる。これらの中でも、ノロウイルスなどの感染症固定領域に由来するＲＮＡに対応するＤＮＡ、自然界に存在しないＤＮＡなどが好適に用いることができる。
【0050】
特定の核酸を有する複数の細胞は、使用する細胞由来の特定の核酸であってもよく、遺伝子導入により導入された特定の核酸であってもよい。特定の核酸として、遺伝子導入により導入された特定の核酸、及びプラスミドを使用する場合は、１細胞に１コピーの特定の核酸が導入されていることを確認することが好ましい。１コピーの特定の核酸が導入されていることの確認方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、シーケンサー、ＰＣＲ法、サザンブロット法などを用いて確認することができる。
【0051】
遺伝子導入の方法としては、特定の核酸配列が狙いの場所に狙いの分子数導入できれば特に制限がなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、相同組換え、ＣＲＩＳＰＲ／Ｃａｓ９、ＴＡＬＥＮ、Ｚｉｎｃ ｆｉｎｇｅｒ ｎｕｃｌｅａｓｅ、Ｆｌｉｐ－ｉｎ、Ｊｕｍｐ－ｉｎなどが挙げられる。特に、酵母菌の場合は、効率の高さ、及び制御のしやすさの点から、相同組換えが好ましい。
【0052】
金属微粒子としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、銀粒子、銅粒子などが挙げられる。これらは吐出した液滴によって配線を描画する用途に用いることができる。
【0053】
無機微粒子としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、酸化チタン、酸化ケイ素等が白色インクとしての用途やスペーサ材料の塗布用途等で用いられる。
【0054】
粒子が凝集する場合には、粒子を含む液体の粒子の濃度を調整することにより、液体中の粒子の濃度と、液体中の粒子の個数とがポアソン分布に従う理論から、液体中の粒子の個数を適宜調整することができる。
液体としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、イオン交換水、蒸留水、純水、生理食塩水、アルコール、鉱物油、植物油等の様々な有機溶媒を用いることができる。
溶媒として水を使用する際には、水分の蒸発を抑えるための湿潤剤や、表面張力を下げるための界面活性剤が含まれていることが好ましい。これらの処方には、インクジェットインクに用いられるごく一般的な材料を用いることができる。
液体としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、イオン交換水、蒸留水、純水、生理食塩水、アルコール、鉱物油、植物油等の様々な有機溶媒を用いることができる。
溶媒として水を使用する際には、水分の蒸発を抑えるための湿潤剤や、表面張力を下げるための界面活性剤が含まれていることが好ましい。これらの処方には、インクジェットインクに用いられるごく一般的な材料を用いることができる。
【0055】
＜粒子数計数手段＞
粒子数計数手段は、液滴に含まれる粒子を計数する手段であり、液滴の吐出後、かつ液滴の被着対象物への着弾前に、液滴に含まれる粒子数をセンサによって計数する手段であることが好ましい。
センサとは、自然現象や人工物の機械的・電磁気的、熱的、音響的、又は化学的性質、或いはそれらにより示される空間情報・時間情報を、何らかの科学的原理を応用して、人間や機械が扱い易い別媒体の信号に置き換える装置を意味する。
粒子数計数手段は、液滴に含まれる粒子を計数する手段であり、液滴の吐出後、かつ液滴の被着対象物への着弾前に、液滴に含まれる粒子数をセンサによって計数する手段であることが好ましい。
センサとは、自然現象や人工物の機械的・電磁気的、熱的、音響的、又は化学的性質、或いはそれらにより示される空間情報・時間情報を、何らかの科学的原理を応用して、人間や機械が扱い易い別媒体の信号に置き換える装置を意味する。
【0056】
粒子数計数手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、吐出前に粒子を観測する処理、着弾後の粒子をカウントする処理を含んでもよい。
【0057】
液滴の吐出後、かつ液滴の被着対象物への着弾前に、液滴に含まれる粒子数の計数としては、液滴が被着対象物としてのプレートのウェルに確実に入ることが予測されるウェル開口部の直上の位置にあるタイミングにて液滴中の粒子を観測することが好ましい。
【0058】
プレートとしては、特に制限はなく、バイオ分野において一般的に用いられる穴が形成されたものを用いることが可能である。
プレートにおけるウェルの数は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、単数であってもよく、複数であってもよい。
ウェルの数が複数であるプレートとしては、ウェルの数が２４個、９６個、３８４個など業界において一般的な個数及び寸法で穴が形成されたものを用いることが好ましい。
プレートの材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、後の処理のために、細胞や核酸の壁面への付着が抑制されているものを用いることが好ましい。
プレートにおけるウェルの数は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、単数であってもよく、複数であってもよい。
ウェルの数が複数であるプレートとしては、ウェルの数が２４個、９６個、３８４個など業界において一般的な個数及び寸法で穴が形成されたものを用いることが好ましい。
プレートの材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、後の処理のために、細胞や核酸の壁面への付着が抑制されているものを用いることが好ましい。
【0059】
液滴中の粒子を観測する方法としては、例えば、光学的に検出する方法、電気的・磁気的に検出する方法などが挙げられる。
【0060】
＜その他の手段＞
その他の手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、たとえば、制御手段、表示手段、記録手段などが挙げられる。
その他の手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、たとえば、制御手段、表示手段、記録手段などが挙げられる。
【0061】
ここで、本発明の液滴形成装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。また、下記構成部材の数、位置、形状等は本実施形態に限定されず、本発明を実施する上で好ましい数、位置、形状等にすることができる。
なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。また、下記構成部材の数、位置、形状等は本実施形態に限定されず、本発明を実施する上で好ましい数、位置、形状等にすることができる。
【0062】
＜第１の実施形態＞
図７は、本発明の第１の実施形態に係る液滴形成装置の一例を示す概略図である。この図７の液滴形成装置１００は、液滴吐出ヘッド１０、及び駆動手段２０を有している。
液滴吐出ヘッド１０は、液体保持部１１と、吐出口１４が形成され、液体保持部１１に保持された液体２０１を振動手段１３の振動により吐出口１４から液滴２１０として吐出する膜状部材１２とを有する。
液体保持部１１は、光が照射されたときに発光可能な粒子２００を含む液体２０１を保持し、本実施形態ではオープンヘッドであるため、上部に大気開放部１５を有している。これにより、液体２０１中に混入した気泡を大気開放部１５から排出可能である。
図７は、本発明の第１の実施形態に係る液滴形成装置の一例を示す概略図である。この図７の液滴形成装置１００は、液滴吐出ヘッド１０、及び駆動手段２０を有している。
液滴吐出ヘッド１０は、液体保持部１１と、吐出口１４が形成され、液体保持部１１に保持された液体２０１を振動手段１３の振動により吐出口１４から液滴２１０として吐出する膜状部材１２とを有する。
液体保持部１１は、光が照射されたときに発光可能な粒子２００を含む液体２０１を保持し、本実施形態ではオープンヘッドであるため、上部に大気開放部１５を有している。これにより、液体２０１中に混入した気泡を大気開放部１５から排出可能である。
【0063】
振動手段１３は、本実施形態では、液滴吐出ヘッド１０がオープンヘッドであるため、膜状部材１２の下面に配置されている。振動手段１３の形状は、膜状部材１２の形状に合わせて設計することができる。例えば、膜状部材１２の平面形状が円形である場合には、吐出口１４の周囲に平面形状が円環状（リング状）の振動手段１３を形成することが好ましい。
振動手段１３に駆動手段２０から駆動信号を供給することにより、膜状部材１２を振動させることができる。それによって、吐出口１４から液滴２１０が吐出される。
振動手段１３に駆動手段２０から駆動信号を供給することにより、膜状部材１２を振動させることができる。それによって、吐出口１４から液滴２１０が吐出される。
【0064】
本実施形態では、膜状部材１２の振動の慣性により液滴を形成するため、高表面張力（高粘度）の粒子懸濁液でも吐出が可能である。
膜状部材１２の材質としては、柔らか過ぎると膜状部材１２が簡単に振動し、吐出しないときに直ちに振動を抑えることが困難であるため、ある程度の硬さがある材質を用いることが好ましい。膜状部材１２の材質としては、例えば、金属材料やセラミック材料、ある程度硬さのある高分子材料などを用いることができる。
液体保持部１１及び膜状部材１２の材質としては、粒子として細胞を用いる場合には、細胞やタンパク質に対する付着性の低い材料を用いることができる。
膜状部材１２の材質としては、柔らか過ぎると膜状部材１２が簡単に振動し、吐出しないときに直ちに振動を抑えることが困難であるため、ある程度の硬さがある材質を用いることが好ましい。膜状部材１２の材質としては、例えば、金属材料やセラミック材料、ある程度硬さのある高分子材料などを用いることができる。
液体保持部１１及び膜状部材１２の材質としては、粒子として細胞を用いる場合には、細胞やタンパク質に対する付着性の低い材料を用いることができる。
【0065】
駆動手段２０は、膜状部材１２を振動させて液滴を形成する吐出波形と、液滴を形成しない範囲で膜状部材１２を振動させる撹拌波形とを振動手段１３に選択的に（例えば、交互に）付与することができる。
つまり、駆動手段２０は、吐出波形を振動手段１３に加え、膜状部材１２の振動状態を制御することにより、液体保持部１１に保持された粒子２００を含む液体２０１を吐出口１４から液滴として吐出させることができる。
つまり、駆動手段２０は、吐出波形を振動手段１３に加え、膜状部材１２の振動状態を制御することにより、液体保持部１１に保持された粒子２００を含む液体２０１を吐出口１４から液滴として吐出させることができる。
【0066】
液滴形成装置１００においては、液体２０１中に気泡が混入する場合がある。この場合でも、本実施形態では、液体保持部１１の上部に大気開放部１５が設けられているため、液体２０１中に混入した気泡を、大気開放部１５を通じて外気に排出できる。これによって、気泡排出のために大量の液を捨てることなく、連続して安定的に液滴を形成することが可能となる。
【0067】
図８に示すように、液滴を形成しない範囲で膜状部材を加振させる予備駆動を行う。予備駆動により、励振されたノズルのメニスカスの振動が停止する前に、液滴を形成する吐出駆動について説明する。
図８のＲｅｆｅｒｅｎｃｅ駆動に対して、図８の（ａ）は予備駆動を１回、図８の（ｂ）は予備駆動を２回、図８の（ｃ）は予備駆動を３回行うことで駆動回数に対応して励振されたメニスカスが飛び出す。それにより、吐出口１４（ノズル）を通過するときの流体が軸対称の流れとすると、ノズル中心部の流体速度が最も速くなり、粒子２００が中心に移動することが予測される。また、予備駆動の回数を増やすほど、粒子２００を中心に寄せる効果が期待できる。
図８のＲｅｆｅｒｅｎｃｅ駆動に対して、図８の（ａ）は予備駆動を１回、図８の（ｂ）は予備駆動を２回、図８の（ｃ）は予備駆動を３回行うことで駆動回数に対応して励振されたメニスカスが飛び出す。それにより、吐出口１４（ノズル）を通過するときの流体が軸対称の流れとすると、ノズル中心部の流体速度が最も速くなり、粒子２００が中心に移動することが予測される。また、予備駆動の回数を増やすほど、粒子２００を中心に寄せる効果が期待できる。
【0068】
図９は、励振されたメニスカスが飛び出す範囲を示す。膜状部材１２の厚みをｔとする。吐出する粒子直径を２ｒとする。吐出口（ノズル）を通過するときの流体が軸対称の流れとすると、吐出する粒子が厚みｔ全てを通過したとき、予備駆動により粒子２００が中心に寄る効果が最も得られる。
【0069】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、吐出曲がり抑制のための表面処理方法を示す。図１０Ａに示すように、予備駆動によって励振されたメニスカスがノズルから飛び出したときの前進接触角をθａ、引き込まれたときの後退接触角をθｒとする。メニスカスの初期接触点位置をＡＢとする。予備駆動により励振されたメニスカスの移動後の接触点位置をＡ’Ｂ’とする。
【0070】
前述のように予備駆動はノズル内粒子を中心へ寄せる効果が期待できるが、図１０Ａのように、予備駆動を繰り返すことにより励振されたメニスカスがノズルから飛び出すとき、ノズル内の粒子位置によって、メニスカスの初期接触点位置ＡＢはＡ’Ｂ’へノズル中心を軸に非対称に濡れ広がる可能性がある。それにより、ノズルを通過する流体の軸対称流れ場が非対称となり、ノズル内粒子を中心へ寄せる効果が期待できなくなる。また、予備駆動によりメニスカスが引き込まれるときも同様である。
そこで、図１０Ｂに示すように、膜状部材１２の吐出側表面へ撥水処理、ノズル壁面に親水処理を施す。表面処理を行うことで、表面処理無しに対し、メンブレン表面の前進接触角をθ’ａ＞θａとすることができ、ノズル壁面の後退接触角をθｒ＞θ’ｒとすることができる。これにより、表面処理無しに対して、励振されたメニスカスの接触点位置Ａ’Ｂ’が移動しづらくなり、ノズルを通過する流体の軸対称流れ場が非対称となりにくくなる。したがって、ノズル内粒子を中心へ寄せる効果がより期待できる。
そこで、図１０Ｂに示すように、膜状部材１２の吐出側表面へ撥水処理、ノズル壁面に親水処理を施す。表面処理を行うことで、表面処理無しに対し、メンブレン表面の前進接触角をθ’ａ＞θａとすることができ、ノズル壁面の後退接触角をθｒ＞θ’ｒとすることができる。これにより、表面処理無しに対して、励振されたメニスカスの接触点位置Ａ’Ｂ’が移動しづらくなり、ノズルを通過する流体の軸対称流れ場が非対称となりにくくなる。したがって、ノズル内粒子を中心へ寄せる効果がより期待できる。
【0071】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、吐出曲がり抑制のためのノズル形状を示す。図１０Ａ及び図１０Ｂで説明した課題に対して、図１１Ｂに示すように、吐出側の膜状部材１２表面に少なくとも１つの凸部を設ける。凸部無しに対し、凸部を設けることで、励振されたメニスカスの接触点位置Ａ’Ｂ’が凸部で固定され、前進接触角をθ’ａ＞θａとすることができる。これにより、予備駆動により励振されたメニスカスの接触点位置Ａ’Ｂ’が移動しづらくなり、ノズルを通過する流体の軸対称流れ場が非対称となりにくくなる。したがって、ノズル内粒子を中心へ寄せる効果がより期待できる。また、ノズル壁面には少なくとも１つの凹凸部を設ける。それにより、同様の効果が期待できる。
【0072】
＜第２の実施形態＞
図１２Ｂは、第２の実施形態の液滴形成装置の液滴吐出ヘッドの部分拡大図である。この第２の実施形態の液滴形成装置は、既に説明した第１の実施形態と同一構成についての説明は省略する。
図１２Ｂは、第２の実施形態の液滴形成装置の液滴吐出ヘッドの部分拡大図である。この第２の実施形態の液滴形成装置は、既に説明した第１の実施形態と同一構成についての説明は省略する。
【0073】
この第２の実施形態において、図１２Ｂは、粒子（細胞）がノズル壁面へ付着することを抑制するためのノズル形状を示す。インクジェットで細胞を吐出すると、細胞がノズルに付着し、また、培養液（インク）成分であるタンパク質も付着する。この内壁付着物３０により、ノズルが閉塞し、ノズルを通過する流体の軸対称性が崩れ、吐出バラつきの要因となる。そこで、図１２Ｂに示すように、膜状部材１２の厚みをノズル近傍だけ薄くする。これにより、図１２Ａのリファレンスに対して、内壁付着物３０とノズル壁面が接触する面積が小さくなり、細胞とノズル壁面間で働く表面張力が小さくなる。内壁付着物はある閾値ａ以上に成長すると、ノズル内を通過する流体から受ける力で剥離するとしたとき、メンブレン厚みをノズル近傍だけ薄くすることで、リファレンスよりもある閾値ａを小さくすることができる。つまり、内壁付着物が剥離しやすくなる。
上記の効果に付随して、細胞がノズルを通過したとき、ノズルを通過する流体の軸対称性が損なわれる時間が短くなり、吐出バラつきを抑制することができる。
上記の効果に付随して、細胞がノズルを通過したとき、ノズルを通過する流体の軸対称性が損なわれる時間が短くなり、吐出バラつきを抑制することができる。
【0074】
＜第３の実施形態＞
図１３は、第３の実施形態の液滴形成装置の液滴吐出ヘッドの部分拡大図である。この第３の実施形態において、既に説明した第１の実施形態と同一構成についての説明は省略する。
図１３は、第３の実施形態の液滴形成装置の液滴吐出ヘッドの部分拡大図である。この第３の実施形態において、既に説明した第１の実施形態と同一構成についての説明は省略する。
【0075】
この図１３の液滴吐出ヘッドは、第１の実施形態で示したノズル表面処理（図１０Ｂ）、及びノズル凹凸形成（図１１Ｂ）、及び第２の実施形態で示した膜状部材の厚みをノズル近傍だけ薄くする（図１２Ｂ）を組み合わせることにより、吐出バラつきを抑制し、かつノズル内壁付着物を抑制することができる。
【0076】
図１４は、粒子懸濁液吐出時の吐出曲がり抑制実験に用いた液滴吐出ヘッドの一例を示す図である。この図１４の液滴吐出ヘッドは、ノズル径６０μｍに対し、粒子径２０μｍのポリスチレン粒子を吐出した。吐出側ノズル表面から、Ｚ方向３ｍｍ位置の吐出液滴をカメラで観察し、ノズル中心から吐出液滴の重心位置までの距離ｘを測定した。測定した液滴数は６００液滴である。結果を図１５に示す。図１５の結果から、Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅに対して、予備駆動を入れることでＸ方向の吐出バラつきが抑制される結果が得られた。また、膜状部材の厚みをノズル近傍だけ薄くすることで吐出バラつきが抑制された。更に、予備駆動及び膜状部材の薄膜化を組み合わせることにより、吐出バラつきを抑制することができた。
【0077】
本発明の態様としては、例えば、以下のとおりである。
＜１＞ 液体を保持する液体保持部と、
前記液体保持部内を大気に開放する大気開放部と、
前記液体を振動により吐出口から液滴として吐出する膜状部材と、
前記膜状部材を振動させる振動手段と、
を有し、
前記振動手段にて、前記吐出口のメニスカスを励振させてから、前記液滴を吐出することを特徴とする液滴形成装置である。
＜２＞ 前記液体が粒子懸濁液である前記＜１＞に記載の液滴形成装置である。
＜３＞ 前記粒子懸濁液が細胞懸濁液である前記＜２＞に記載の液滴形成装置である。
＜４＞ 前記励振されたメニスカスが前記吐出口を少なくとも１回通過する前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の液滴形成装置である。
＜５＞ 前記膜状部材の吐出側の表面が撥水処理されており、前記吐出口の壁面が親水処理されている前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の液滴形成装置である。
＜６＞ 前記膜状部材の吐出側の表面に少なくとも１つの凸部が設けられており、前記吐出口の壁面に少なくとも１つの凹凸部を有する前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の液滴形成装置である。
＜７＞ 前記膜状部材の吐出口近傍の厚みが、前記膜状部材の吐出口近傍以外の厚みよりも薄く形成されている前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の液滴形成装置である。
＜８＞ 前記液滴に含まれる粒子を計数する粒子数計数手段を有する前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の液滴形成装置である。
＜９＞ 前記液滴が、光を照射されたときに発光可能な粒子を含む前記＜１＞から＜８＞のいずれかに記載の液滴形成装置である。
＜１０＞ 前記光を照射されたときに発光可能な粒子が、細胞である前記＜９＞に記載の液滴形成装置である。
＜１１＞ 前記光を照射されたときに発光可能な粒子が、蛍光色素によって染色された細胞及び蛍光タンパク質を発現可能な細胞の少なくともいずれかである前記＜９＞から＜１０＞のいずれかに記載の液滴形成装置である。
＜１２＞ 前記＜１＞から＜１１＞のいずれかに記載の液滴形成装置を用いて液滴を形成することを特徴とする液滴形成方法である。
＜１＞ 液体を保持する液体保持部と、
前記液体保持部内を大気に開放する大気開放部と、
前記液体を振動により吐出口から液滴として吐出する膜状部材と、
前記膜状部材を振動させる振動手段と、
を有し、
前記振動手段にて、前記吐出口のメニスカスを励振させてから、前記液滴を吐出することを特徴とする液滴形成装置である。
＜２＞ 前記液体が粒子懸濁液である前記＜１＞に記載の液滴形成装置である。
＜３＞ 前記粒子懸濁液が細胞懸濁液である前記＜２＞に記載の液滴形成装置である。
＜４＞ 前記励振されたメニスカスが前記吐出口を少なくとも１回通過する前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の液滴形成装置である。
＜５＞ 前記膜状部材の吐出側の表面が撥水処理されており、前記吐出口の壁面が親水処理されている前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の液滴形成装置である。
＜６＞ 前記膜状部材の吐出側の表面に少なくとも１つの凸部が設けられており、前記吐出口の壁面に少なくとも１つの凹凸部を有する前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の液滴形成装置である。
＜７＞ 前記膜状部材の吐出口近傍の厚みが、前記膜状部材の吐出口近傍以外の厚みよりも薄く形成されている前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の液滴形成装置である。
＜８＞ 前記液滴に含まれる粒子を計数する粒子数計数手段を有する前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の液滴形成装置である。
＜９＞ 前記液滴が、光を照射されたときに発光可能な粒子を含む前記＜１＞から＜８＞のいずれかに記載の液滴形成装置である。
＜１０＞ 前記光を照射されたときに発光可能な粒子が、細胞である前記＜９＞に記載の液滴形成装置である。
＜１１＞ 前記光を照射されたときに発光可能な粒子が、蛍光色素によって染色された細胞及び蛍光タンパク質を発現可能な細胞の少なくともいずれかである前記＜９＞から＜１０＞のいずれかに記載の液滴形成装置である。
＜１２＞ 前記＜１＞から＜１１＞のいずれかに記載の液滴形成装置を用いて液滴を形成することを特徴とする液滴形成方法である。
【0078】
前記＜１＞から＜１１＞のいずれかに記載の液滴形成装置、及び前記＜１２＞に記載の液滴形成方法によると、従来における前記諸問題を解決し、前記本発明の目的を達成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0079】
【文献】特許第２８４９６４７号公報
【文献】特開２０１６－２０３１５７号公報
【符号の説明】
【0080】
１０ 液滴吐出ヘッド
１２ 膜状部材
１３ 振動手段
１４ 吐出口
２０ 駆動手段
１００ 液滴形成装置
２００ 粒子
２０１ 液体
２１０ 液滴
１２ 膜状部材
１３ 振動手段
１４ 吐出口
２０ 駆動手段
１００ 液滴形成装置
２００ 粒子
２０１ 液体
２１０ 液滴
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】
【図15】