JP3782796B2

JP3782796B2 - Liquid injection structure

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Publication number: JP3782796B2
Application number: JP2003180567A
Authority: JP
Inventors: 美智恵原地; 政夫井上
Original assignee: Aida Engineering Ltd
Current assignee: Aida Engineering Ltd
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2023-06-25
Also published as: JP2005017057A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は或る一定量の液体を一つの区画から他の区画に注入するための液体注入構造に関する。更に詳細には、本発明は微細な流路（マイクロチャネル）などを構造要素として有する、いわゆるマイクロチップにおいて、或る一定量の液体を一つの区画から他の区画に注入するための液体注入構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微量なサンプルなどの液体を用いた化学反応や分析においては、微小なチャネルにより構成されるマイクロチップが用いられることがある。こうしたマイクロチップを用いる場合、使用するサンプル及び反応試薬などの液体を定量的に秤取することにより、正確な結果が得られるものであるが、マイクロチップを用いた分析においては、取り扱うサンプルや反応試薬などの液体の体積が極めて小さいために、液体を定量的に秤取することが難しく、そのための各種複雑な構成が必要となり、その構成を扱うための操作が煩雑になるという問題点があった。
【０００３】
このため、本願出願人は先に、微量な液体を秤取し、それを一つの流路から他の流路に注入する微量液体秤取構造を発明し、出願した（特願２００２−３０２６９２号）。しかし、前記先願明細書に記載された図１３に示されるような微量液体秤取構造では、秤取部分（流路Ｃ）に切り取られたサンプル又は反応試薬などの液体１００を他の流路（流路Ｂ）に注入する際、サンプル又は反応試薬を導入した流路（流路Ａ）はサンプル又は反応試薬を一旦排除し、空気で満たす工程が必要であり、排除されたサンプル量又は反応試薬量（すなわち、無駄になるサンプル量又は反応試薬量）が秤取量に対して過大になるという問題を有していた。マイクロチップで使用されるサンプル及び反応試薬は高価なものが多く、デッドボリュームを最小限に抑えることが求められている。
【０００４】
また、先願明細書に記載された微量液体秤取構造では、サンプル又は反応試薬を導入した流路（流路Ａ）から加圧することにより、細管部（流路Ｄ）を介して流路Ｃ内の秤取液体を他の流路（例えば、流路Ｂ）に注入するが、秤取液体の注入のための圧力制御については何も言及していない。従って、どの程度の圧力を加えるのか、どのように圧力を変化させるのか、どの時点でその圧力を止めるのか、どのようにすれば圧力をかけた液体だけを被注入流路（流路Ｂ）に入れ、空気の混入を阻止することができるのかなどについては全く不明である。液体が通る流路であれば気体も当然通る可能性があるので、秤取液体と共に空気が被注入流路に入れば、秤取液体を一定位置に留めておくことはできず、秤取液体は被注入流路（流路Ｂ）内の方々に分散してしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、気体が混入することなく一定量の液体の注入が行え、しかもデッドボリュームを最小限に抑えることができる液体注入構造を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、圧力により液体を或る箇所から別の箇所に移動させるための液体注入構造において、液体を受け取るための受取容積部となる第１の流路と、該第１の流路に液体を送り出すための送出容積部となる第２の流路と、該第１の流路と第２の流路とを相互に連通し、これらの流路よりも細い第３の流路とを有し、前記第１の流路（受取容積部）の横断面積に対する該横断面の辺周の比率と、前記第２の流路（送出容積部）の横断面積に対する該横断面の辺周の比率がほぼ等しく、前記第３の流路の横断面積に対する該横断面の辺周の比率が前記第２の流路（送出容積部）の横断面積に対する該横断面の辺周の比率よりも２倍以上大きいことを特徴とする液体注入構造により解決される。
【０００７】
本発明の或る実施態様では、本発明の液体注入構造は、液体を受け取る第１の流路と、該第１の流路に液体を送り出す第２の流路とを有し、前記第２の流路は該流路の途中に配設された第１の弁と第２の弁により画成される閉塞可能な液体送出容積部を有し、前記液体送出容積部と前記第１の流路とはこれらの流路よりも細い第３の流路により連通されており、前記液体送出容積部は該容積部内の液体を前記第３の流路を介して前記第１の流路に圧送するための加圧管路を有し、前記液体送出容積部の横断面積に対する該横断面の辺周の比率と、前記第１の流路の横断面積に対する該横断面の辺周の比率がほぼ等しく、前記第３の流路の横断面積に対する該横断面の辺周の比率が前記第２の流路の横断面積に対する該横断面の辺周の比率よりも２倍以上大きいことを特徴とする構造からなる。
【０００８】
前記のように、本発明の液体注入構造によれば、第２の流路の液体送出容積部にのみ液体が充填されるので、特願２００２−３０２６９２号明細書に記載された微量液体秤取構造に比べて液体のデッドボリュームを著しく減少させることができる。また、第２の流路の液体送出容積部と第１の流路との間の差圧を、細い第３の流路の構成により定まる或る一定の圧力範囲（注入圧力範囲）に維持して気体（空気）により液体の注入を行うことにより、細い第３の流路入口に空気の相が到達したとき、液体の注入は停止し、空気が液体を受け取る第１の流路に混入することはない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の液体注入構造について具体的に説明する。
【００１０】
図１は本発明の液体注入構造の実施態様の一例の概要部分平面図である。本発明の液体注入構造は基本的に、液体を受け取るための受取容積部となる第１の流路３と、該第１の流路に液体を送り出すための送出容積部となる第２の流路１５とを有し、第１の流路（受取容積部）３と第２の流路（送出容積部）１５とはこれらの流路よりも細い第３の流路により相互に連通されている。第２の流路（送出容積部）１５内には液体１００が充填されている。この液体１００は、特願２００２−３０２６９２号明細書の図１に記載された微量液体秤取構造により定量秤取された液体でもよく、あるいは別の手段（図示されていない）で予め秤取された液体を適当な手段（図示されていない）により第２の流路１５に充填することもできる。第２の流路１５に充填された液体１００は加圧手段（図示されていない）により加圧され、実線の矢線で示されるように、第３の流路（細管）２７を介して第１の流路（受取容積部）３内に注入される。
【００１１】
図２は図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、図３は図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であり、図４は図１におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。これら各断面図に示されるように、本発明の液体注入構造は下側基板３５と上側基板３７とが貼り合わされて形成されている。上側基板３７は例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)などから構成され、下側基板３５は例えば、ガラスなどから構成されている。本発明の液体注入構造で重要なことは、第２の流路（送出容積部）１５の横断面積（すなわち、ｗ_１ｘｈ）に対する第２の流路１５の横断面の辺周（すなわち、２ｗ_１＋２ｈ）の比率Ａ（すなわち、（２ｗ_１＋２ｈ）／（ｗ_１ｘｈ））が、第１の流路（受取容積部）３の横断面積（すなわち、ｗ_２ｘｈ）に対する第１の流路３の横断面の辺周（すなわち、２ｗ_２＋２ｈ）の比率Ｂ（すなわち、（２ｗ_２＋２ｈ）／（ｗ_２ｘｈ））がほぼ等しくなる（すなわち、Ａ≒Ｂ）ように第２の流路１５と第１の流路を形成する。同時に、細管２７の横断面積（すなわち、ｗ_３ｘｈ）に対する細管２７の横断面の辺周（すなわち、２ｗ_３＋２ｈ）の比率Ｃ（すなわち、（２ｗ_３＋２ｈ）／（ｗ_３ｘｈ））が、第２の流路１５の横断面積（すなわち、ｗ_１ｘｈ）に対する第２の流路１５の横断面の辺周（すなわち、２ｗ_１＋２ｈ）の比率Ａ（すなわち、（２ｗ_１＋２ｈ）／（ｗ_１ｘｈ））よりも２倍以上大きくなる（すなわち、Ｃ≧２Ａ）ように細管２７を形成することである。しかし、この比率が高くなりすぎると、液体を送出容積部２５から細管２７を介して受取容積部（第１の流路）３へ送り出すために非常に高い圧力が必要となり、実用性に欠ける。一般的に、この比率の上限値は１０倍程度である。
【００１２】
図５は図１におけるＶ−Ｖ線に沿った断面図である。（ａ）は第１の流路３、第２の流路１５及び細管２７の全てが上側基板３７に形成された実施態様であり、（ｂ）は第１の流路３及び第２の流路１５が上側基板３７に形成され、細管２７が下側基板３５に形成された実施態様である。（ａ）及び（ｂ）の断面図では、第１の流路３、第２の流路１５及び細管２７が全て同じ高さであるが、（ｃ）に示されるように、第１の流路３及び第２の流路１５は同じ高さｈ１であるが、細管２７はこれらよりも低い高さｈ２を有するように形成することもできる。同一基板上に高さの異なるパターンは例えば、２重露光法などの公知慣用の手法により形成することができる。第２の流路の高さｈ１よりも細管２７の高さｈ２を低くすると、Ｃ≧２Ａの要件を満たしやすくなる。例えば、Ｃ≧２Ａの要件を満たすためには、細管２７の「辺周／横断面積」比Ｃに対して、第２の流路１５の「辺周／横断面積」比Ａの値を小さくすれば良いのであるが、例えば、細管２７と第２の流路１５が同じ高さ３０μｍで、第２の流路１５の幅が２００μｍかつ細管２７の幅が高さと同じく３０μｍの場合、第２の流路１５の「辺周／横断面積」比Ａは０．０７７（＝４６０／６０００）であり、一方、細管２７の比Ｃは０．１３（＝１２０／９００）である。従って、Ｃ／Ａ＝１．６９であり、本発明の要件を満たさない。第２の流路１５の幅を４００μｍに拡大した場合、比Ａは０．０７１（＝８６０／１２０００）となるが、Ｃ／Ａ＝１．８３であり、依然として本発明の要件を満たさない。換言すれば、第２の流路１５の幅を広げても、比Ａはさほど変化しない。これに対して、細管２７の高さを半分の１５μｍとすると、幅も半分の１５μｍとできる（アスペクト比１のチャネルは容易に作成できる）ので、比Ｃは０．２７と倍増する。従って、Ｃ（０．２７）／Ａ（０．０７７）＝３．５１となり本発明の比率要件を満たす。よって、第１の流路３及び第２の流路１５に対して、これら流路の高さよりも低い高さの細管２７を用いると、本発明の比率要件を満たしやすくなるという利点が得られる。
【００１３】
図６は本発明の液体注入構造の実施態様の別の例の概要部分平面図である。図１の実施態様と異なり、図６の実施態様では複数本の細管２７−１〜２７−３を有する。細管の横断面を幅ｗ_３、高さｈのチャネル形状とすると、細管１本の場合、「辺周／横断面積」比＝（２ｗ_３＋２ｈ）／（ｗ_３ｘｈ）となる。細管がｎ本ある場合、「辺周／横断面積」比＝ｎ（２ｗ_３＋２ｈ）／ｎ（ｗ_３ｘｈ）＝（２ｗ_３＋２ｈ）／（ｗ_３ｘｈ）となる。すなわち、チャネル形状に拘わらず、細管が同一横断面形状であれば、それが何本あっても、横断面積に対する辺周の比は同じになる。よって、注入に最適な圧力は変わらない。細管２７を複数本に分割すると、１本の場合よりも注入時間を短縮できるという利点が得られる。注入圧力は細管断面が小さくなるほど、適正範囲に余裕ができ、扱い易くなる。一方、細管に流れる流量は小さくなり、注入に時間を要する。そこで、細管を複数本設けることで、注入に最適な圧力を維持しつつ、注入時間を短縮することができる。
【００１４】
図７（ａ）は本発明の液体注入構造を有するマイクロチップの一例の概要平面図である。図７（ａ）において、マイクロチップ１は例えば、極微量分析及び／又は合成・分離などの目的に使用される装置である。マイクロチップ１は、主要流路となる第１の流路３を有する。第１の流路３の一方の端部には大気に向かって開放されたオープンウェル５が配設されている。このオープンウェル５を介して分析などに必要な試薬類などを第１の流路３内に導入することもできる。第１の流路３の他方の端部には引圧ウェル７が配設されている。引圧ウェル７は必要に応じて真空ポンプなどの引圧手段（図示されていない）に接続されている。また、第１の流路の途中には、目的に応じて、あるいは必要に応じて、液体混合などの目的に使用されるつづら折り状の混合部９を配設することもできる。更に、生成物の検出などを行うための検出部１１を設けることもできる。検出部１１と引圧ウェル７との間には、エア抜き弁１３を設けることができる。このエア抜き弁１３は或る決まった方向に対して、空気は通すが液体は通さない機能を有する。このようなエア抜き弁１３は例えば、Kazuo Hosokawa et al., FORMATION AND ACTIVE MIXING OF METERED NANO/PICOLITER LIQUID DROPLETS IN A MICROFLUIDIC DEVICE, Micro Total Analysis Systems, 2000, 481-484に"hydrophobic microcapillary vent (HMCV)"として記載されている。
【００１５】
第１の流路３と並行して、第２の流路１５が配設されている。第２の流路１５の一方の端部には大気に向かって開放されたオープンウェル１７が配設されている。このオープンウェル１７から分析などに必要なサンプルなどを第２の流路１５内に導入する。第２の流路１５の他方の端部には引圧ウェル１９が配設されている。引圧ウェル１９は真空ポンプなどの引圧手段（図示されていない）に接続されている。第２の流路１５のオープンウェル１７と引圧ウェル１９との間の途中に、第１の弁２１と第２の弁２３とを配設し、この２個の弁によって閉塞された空間を送出容積部２５として画成する。第１の弁２１は例えば、公知慣用の開閉弁などを使用することができる。また、第２の弁２３は前記のようなエア抜き弁を使用する。これにより、オープンウェル１７に充填されたサンプルなどを送出容積部２５内に満たすことができる。この送出容積部２５は前記第１の流路３と、これらの流路よりも細い第３の流路（細管）２７により連通されている。また、送出容積部２５には、この容積部内の液体を前記細管２７を介して第１の流路３に移動させるための、加圧管路２９が接続されている。従って、図７のマイクロチップ１においても、第１の流路３が液体を受け取るための受取容積部となる。加圧管路２９には空気などの気体の流通を制御するための開閉弁３１が配設されている。また、加圧管路２９の他端には加圧ウェル３３が配設されており、この加圧ウェル３３はシリンジなどのような加圧手段（図示されていない）に接続されている。
【００１６】
図７（ｂ）は前記図７（ａ）において点線で囲まれた送出容積部２５の部分拡大平面図である。図７（ａ）のマイクロチップ１では、弁２１と弁２３とにより画成される閉塞空間（送出容積部２５）内全体にサンプルなどが満たされるが、第１の流路（受取容積部）３内に注入される液体の送出容量は、第２の流路１５の加圧管路２９の接続部から細管２７の接続部までの容積（Ｖ）となる。従って、所望の容量となるように、第２の流路における加圧管路２９と細管２７の接続部の位置を適宜選択することが好ましい。
【００１７】
図８は図７（ｂ）におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った部分断面図である。本発明のマイクロチップ１は従来のマイクロチップと同様に、下側基板３５と上側基板３７とが貼り合わされて形成されている。上側基板３７は例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)などから構成され、下側基板３５は例えば、ガラスなどから構成されている。（ａ）は第１の流路（受取容積部）３、送出容積部２５及び細管２７の全てが上側基板３７に形成された実施態様であり、（ｂ）は第１の流路３及び送出容積部２５が上側基板３７に形成され、細管２７が下側基板３５に形成された実施態様である。（ｃ）は（ａ）におけるｃ−ｃ線に沿った断面図である。本発明の液体注入構造で重要なことは、送出容積部２５の横断面積（すなわち、ｗ_１ｘｈ）に対する送出容積部２５の横断面の辺周（すなわち、２ｗ_１＋２ｈ）の比率Ａ（すなわち、（２ｗ_１＋２ｈ）／（ｗ_１ｘｈ））が、第１の流路（受取容積部）の横断面積（すなわち、ｗ_２ｘｈ）に対する第１の流路３の横断面の辺周（すなわち、２ｗ_２＋２ｈ）の比率Ｂ（すなわち、（２ｗ_２＋２ｈ）／（ｗ_２ｘｈ））がほぼ等しくなるように液体送出容積部２５と第１の流路（受取容積部）を形成する。同時に、細管２７の横断面積（すなわち、ｗ_３ｘｈ）に対する細管２７の横断面の辺周（すなわち、２ｗ_３＋２ｈ）の比率Ｃ（すなわち、（２ｗ_３＋２ｈ）／（ｗ_３ｘｈ））が、液体送出容積部２５の横断面積（すなわち、ｗ_１ｘｈ）に対する液体送出容積部２５の横断面の辺周（すなわち、２ｗ_１＋２ｈ）の比率（すなわち、（２ｗ_１＋２ｈ）／（ｗ_１ｘｈ））よりも２倍以上大きくなる（すなわち、Ｃ≧２Ａ）ように細管２７を形成することである。しかし、この比率が高くなりすぎると、液体を液体送出容積部２５から細管２７を介して第１の流路（受取容積部）３へ送り出すために非常に高い圧力が必要となり、実用性に欠ける。一般的に、この比率の上限値は１０倍程度であることが好ましい。（ｄ）は送出容積部２５及び第１の流路（受取容積部）３のチャネル高さｈ１よりも細管２７のチャネル高さｈ２の方が低い実施態様を示す。この実施態様においても、前記Ｃ≧２Ａの要件を満たすことが必要である。
【００１８】
図９は送出容積部２５内の液体を細管２７を介して第１の流路（受取容積部）３に送り出す際、第１の流路３に空気が混入しないメカニズムを説明する図である。（Ａ）は、送出容積部２５に注入圧力をかけ、送出容積部２５内の液体が細管２７を通して第１の流路（受取容積部）３に注入されている状態を示す。（Ｂ）は前記のような条件（Ｃ≧２Ａ）を満たす細管２７の形状と、それに適した注入圧力が選択された場合、加圧気体の空気相が細管２７入口に到達したとき、注入が停止した状態を示す。（Ａ）及び（Ｂ）において、実線の円で囲んだＰ部分（細管２７入口）に着目する。（Ａ）ではＰ部分は液−液界面であり、（Ｂ）ではＰ部分は気−液界面に変化している。（Ａ）の注入過程では、細管２７入口近辺は液体で満たされており、細管２７や送出容積部２５の内壁と液体との界面状態は何ら変化していない。送出容積部２５に残された液体の容量と、第１の流路３内に注入された液体の容量との比率は徐々に変化するが、同一圧力でほぼ一定の流速で注入が継続される。しかし、（Ｂ）の状態になった瞬間、細管２７入口で気体−液体−固体の各相の間で急激な界面の変化を起こす。（一方、第１の流路３側では大きな変化は無い。）特に、液体と固体との接触角が、それまで液体送出容積部２５の内壁との間で形成されていたのが、細管２７入口で一挙に９０度変えて、細管２７の内壁との間に形成されるようになる。
【００１９】
理論に拘るわけではないが、図９において、第１の流路３に空気が混入しないメカニズムを数式を用いて説明する。液体にはその液体固有の表面張力γがある。また、固体と液体との界面には、その固体と液体の組合せに固有な接触角θｃがある。図９（Ａ）の液体送出容積部２５内の液体表面Ａにおいて、ほぼ次の式が成り立つ。
Ｐ_Ａ＝（Ｌ_Ａ／Ｓ_Ａ）・γｃｏｓθｃ
（式中、Ｐ_Ａは液体表面Ａで発生する圧力を示し、Ｌ_Ａは液体送出容積部２５の横断面の辺周を示し、Ｓ_Ａは液体送出容積部２５の横断面積を示す。）
同様に、液体を受け取る第１の流路３の液体表面Ｂにおいて、ほぼ次の式が成り立つ。
Ｐ_Ｂ＝（Ｌ_Ｂ／Ｓ_Ｂ）・γｃｏｓθｃ
（式中、Ｐ_Ｂは液体表面Ｂで発生する圧力を示し、Ｌ_Ｂは第１の流路３の横断面の辺周を示し、Ｓ_Ｂは第１の流路３の横断面積を示す。）
液体送出容積部２５と液体を受け取る第１の流路３の形状がほぼ等しい（すなわち、Ｌ_Ａ＝Ｌ_Ｂ及びＳ_Ａ＝Ｓ_Ｂ）ならば、圧力Ｐ_ＡとＰ_Ｂもほぼ等しく、液体表面Ａと液体表面Ｂの間の圧力差は生じない。このとき、僅かな気体の圧力により液体は移動できる。
次に、図９（Ｂ）の場合、細管２７入口の液体表面Ｃについて次の式が成り立つ。
Ｐ_Ｃ＝（Ｌ_Ｃ／Ｓ_Ｃ）・γｃｏｓθｃ
（式中、Ｐ_Ｃは液体表面Ｃで発生する圧力を示し、Ｌ_Ｃは細管２７の横断面の辺周を示し、Ｓ_Ｃは細管２７の横断面積を示す。）
よって、液体表面Ｃと液体表面Ｂとの間の差圧ΔＰは次のようになる。
ΔＰ＝Ｐ_Ｃ−Ｐ_Ｂ＝（Ｌ_Ｃ／Ｓ_Ｃ−Ｌ_Ｂ／Ｓ_Ｂ）・γｃｏｓθｃ
細管２７においては、断面積に対する辺周の比率Ｌ_Ｃ／Ｓ_Ｃの方が、液体を受け取る第１の流路３の断面積に対する辺周の比率Ｌ_Ｂ／Ｓ_Ｂよりもずっと大きい（例えば、２倍以上）。よって、大きな差圧ΔＰが発生し、それに打ち勝つ大きな気体の圧力をかけない限り、細管２７内の液体は移動せず、その結果、細管２７内の液体が封止栓の役目を果たし、第１の流路３に空気が混入することを阻止するものと思われる。
【００２０】
図１０（ａ）は第１の流路３に対して、図１に示されるような第２の流路１５と概ね同じ構造の流路が複数本配設されたマイクロチップの実施態様を示す概要平面図である。このマイクロチップ１では、一方の第２の流路１５ａはサンプルなどの液体を供給するための流路として使用し、他方の第２の流路１５ｂは試薬類などの液体を供給するための流路として使用することができる。すなわち、液体を送り出す２本の第２の流路１５ａ及び１５ｂが液体を受け取る第１の流路３を共有している。従って、このマイクロチップ１では、サンプルと試薬を液体送出容積部２５ａ及び２５ｂで一定の微量容積秤取し、第１の流路３内で混合して反応させ、サンプルの検出を行うことができる。図１０（ｂ）は、前記図１０（ａ）において点線で囲まれた液体送出容積部２５の部分拡大平面図である。
【００２１】
図１０（ａ）に示されたマイクロチップ１の動作について説明する。先ず、サンプルウエル１７ａにマイクロピペットなどの公知常用の手段によりサンプルを満たす。引圧ウェル１９ａから真空ポンプなどの公知常用の引圧手段により送出容積部２５ａにサンプルを導入する。この時、バルブ２１ａは開いており、加圧管路２９ａの開閉弁３１ａは閉じている。サンプルはエア抜き弁２３ａに到達したところで導入が止まり、送出容積部２５ａにサンプルが満たされる。エア抜き弁は図１のマイクロチップで説明した通りのものである。次いで、バルブ２１ａを閉じ、開閉弁３１ａを開き、加圧ウェル３３ａに接続されたシリンジなどの公知常用の加圧手段により加圧管路２９ａから気体（例えば、空気）で加圧し液体送出容積部２５ａ内のサンプルを液体を受け取る第１の流路３内に注入する。本発明のマイクロチップでは、バルブ２１ａ（２１ｂ）及び加圧管路開閉弁３１ａ（３１ｂ）がそれぞれチップ内に配置されている。サンプルウェル１７ａ（１７ｂ）や加圧ウェル３３ａ（３３ｂ）などを直接的に開閉を行うことは、そのポンピングボリュームが大きく、送出容積部２５ａ（２５ｂ）に対して意図しない加圧となることが懸念される。しかし、それらをマイクロチップ内に配置することによって、ポンピングボリュームを少なく抑えることができ、意図しない加圧は無くなる。
【００２２】
試薬ウエル１７ｂに試薬を満たし、サンプルと同様に第１の流路３内に試薬を注入する。
【００２３】
次に、引圧ウェル７から真空ポンプなどの公知常用の引圧手段によって、第１の流路３内のサンプルと試薬を移動させ、つづら折り状の混合部９で２液を十分に混合させる。この時、エア抜き弁１３は前記のように、空気は通すが液体は通さないように機能する。更に吸引を続けることにより、混合液は混合部９から検出部１１に到達する。検出部１１はマイクロチップ１内に配置された或る一定の容積を有する空間であり、オープンウェルではない。検出部１１の周辺にはサンプルに合わせた検出手段が配置されている。例えば、マイクロチップ１内の検出部１１を挟むようにマイクロチップ１の外部上下に投光器（図示されていない）と受光器（図示されていない）を配置し、サンプルの蛍光検出を行うことができる。
【００２４】
以上、本発明の液体注入構造について具体的な実施態様を挙げて説明してきたが、本発明はこれら実施態様だけに限定されない。例えば、図１１に示されるように、送出容積部１５に液体を供給する管路４０を配設し、管路４０の両端部にオープンウェル４２ａ及び４２ｂを配設する。一方、受取容積部３から液体を移送させるための管路４４を配設し、管路４４の両端部にオープンウェル４６ａ及び４６ｂを配設する。この実施態様では、例えば、管路４０から送出容積部１５に液体を毛細管現象を利用して充填した後、例えば、オープンウェル４２ｂ及び４６ａを閉じ、オープンウェル４６ｂを開放し、オープンウェル４２ａからシリンジ（図示されていない）などの公知慣用の加圧手段で管路４０から送出容積部１５内の液体を加圧することにより、液体を受取容積部３内に注入することができる。別法として、オープンウェル４２ａを開放し、オープンウェル４６ｂから引圧しても送出容積部１５から受取容積部３に液体を注入することもできる。図１１に示される実施態様の利点は、特別な加圧管路の配設が不要なことと、構造全体が対称形であるため、送出容積部１５を受取容積部３として使用し、受取容積部３を送出容積部１５として可逆的に、あるいは方向性を考慮せずに使用することができることである。
【００２５】
図１２は本発明の液体注入構造の更に他の実施態様を示す部分概要平面図である。送出容積部１５に液体を供給する管路４０を配設し、更に、気管４８を配設する。管路４０の端部にはオープンウェル４２ａが配設され、オープンウェル４２ａと送出容積部１５との間には開閉弁Ａ５０が配設されている。一方、気管４８の端部にはウェル４２ｂが配設され、ウェル４２ｂと送出容積部１５との間には開閉弁Ｂ５２が配設されている。ウェル４２ｂはオープンウェルとして使用することができるが、加圧ウェルとしても利用できる。また、受取容積部３は管路状であり、その両端部にはウェル４６ａ及び４６ｂが配設され、受取容積部３の細管２７接続箇所とウェル４６ａとの間に開閉弁Ｃ５４が配設されている。ウェル４６ａはオープンウェルとして使用され、ウェル４６ｂは引圧ウェルとして使用される。図１２に示された実施態様において、送出容積部１５から受取容積部３に液体を注入する動作について説明する。▲１▼先ず、オープンウェル４２ａに液体を入れる。▲２▼開閉弁Ａ５０は「開」、開閉弁Ｂ５２及び開閉弁Ｃ５４は「閉」とする。▲３▼引圧ウェル４６ｂから微弱な圧力でオープンウェル４２ａ内の液体を引く。これにより液体は細管２７の入口かあるいは細管２７の出口まで到達する。すなわち、細管２７を通して負圧をかけることで、液体送出部１５への液体導入を実施できる。▲４▼次いで、開閉弁Ｃを「開」として、受取容積部３を大気圧とする。▲５▼次いで、開閉弁Ａ５０を「閉」、開閉弁Ｂ５２を「開」として、ウェル４２ｂから注入圧力を加圧する。前記手順では、注入時に受取容積部３を大気圧開放し、送出容積部１５を正圧にするが、この逆に、ウェル４２ｂをオープンウェルにし、引圧ウエル４６ｂに注入圧力に相当する負圧をかけることによっても、送出容積部１５から受取容積部３への液体注入を行うことができる。要するに、加圧管路４８と受取容積部３との間に注入のために必要な適正圧力を生じさせれば良いので、加圧管路４８から必ずしも加圧する必要は無く、逆に、加圧管路４８から加圧する場合は、必ず受取容積部３が大気圧開放になっていることが重要である。
【００２６】
【実施例】
以下、実施例により本発明の液体注入構造の効果を例証する。
【００２７】
実施例１
図９に示されるような構成のマイクロチップ１を作製した。液体送出容積部２５、細管２７及び第１の流路３の各チャネルの高さを５０μｍとした。液体送出容積部２５及び第１の流路の各チャネルの幅を２００μｍとした。また、細管２７のチャネルの幅を１５μｍとした。従って、液体送出容積部２５及び第１の流路３の各チャネルの断面積は１００００μｍ^２（＝２００μｍｘ５０μｍ）となる。また、辺周は５００μｍ（＝５０μｍｘ２＋２００μｍｘ２）となる。よって、辺周／断面積の比率（Ａ及びＢ）は０．０５（＝５００／１００００）となる。一方、細管２７のチャネルの断面積は７５０μｍ^２（＝１５μｍｘ５０μｍ）となる。また、辺周は１３０μｍ（＝５０μｍｘ２＋１５μｍｘ２）となる。よって、辺周／断面積の比率（Ｃ）は０．１７３（＝１３０／７５０）となる。その結果、細管２７における辺周／断面積の比率は第１の流路３（又は液体送出容積部２５）の辺周／断面積の比率よりも約３．５倍（＝０．１７３／０．０５）となり、Ｃ≧２Ａの要件を満たしている。この実施例では、約３ＫＰａの圧力で液体送出容積部２５から第１の流路へ気体を混入することなく所定量の液体だけをを注入することができた。
【００２８】
比較例１
送出容積部２５、細管２７及び第１の流路の各チャネルの高さを１５μｍとしたこと以外は実施例１と同様にマイクロチップ１を作製した。従って、送出容積部２５及び第１の流路の各チャネルの断面積は３０００μｍ^２（＝２００μｍｘ１５μｍ）となる。また、辺周は４３０μｍ（＝１５μｍｘ２＋２００μｍｘ２）となる。よって、辺周／断面積の比率（Ａ及びＢ）は０．１４３（＝４３０／３０００）となる。一方、細管２７のチャネルの断面積は２２５μｍ^２（＝１５μｍｘ１５μｍ）となる。また、辺周は６０μｍ（＝１５μｍｘ２＋１５μｍｘ２）となる。よって、辺周／断面積の比率（Ｃ）は０．２６７（＝６０／２２５）となる。その結果、細管２７における辺周／断面積の比率（Ｃ）は第１の流路３（又は液体送出容積部２５）の辺周／断面積の比率（Ａ）よりも約１．９倍（＝０．２６７／０．１４３）となる。従って、Ｃ≧２Ａの要件を満たしていない。この比較例では、どのような圧力を試してみても注入は成功しなかった。すなわち、圧力が小さいと細管２７を通して液体が流れず、圧力が高いと細管２７を通して加圧した空気までも第１の流路内に流れてしまい、注入に最適な圧力が存在しなかった。
【００２９】
比較例２
送出容積部２５及び第１の流路３の各チャネルの幅及び高さを１００μｍｘ２０μｍとし、細管２７の幅及び高さを３μｍｘ３μｍとしたこと以外は実施例１と同様にマイクロチップ１を作製した。送出容積部２５の辺周／断面積の比率（Ａ）は０．１２（＝２４０／２０００）であり、細管２７の辺周／断面積の比率（Ｃ）は１．３３（＝１２／９）となる。従って、Ｃ／Ａ＝１１．１となりＣ≧２Ａの要件は満たす。しかし、細管２７を通して送出容積部２５から第１の流路３に液体を送り出すために、５００ｋＰａ以上の圧力を掛けたところ、マイクロチップ自体がこの圧力に耐えられず、破損してしまい、液体の注入はできなかった。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第２の流路の液体送出容積部にのみ液体が充填されるので、特願２００２−３０２６９２号明細書に記載された微量液体秤取構造に比べて液体のデッドボリュームを著しく減少させることができる。また、第２の流路の液体送出容積部と第１の流路との間の差圧を、細い第３の流路の構成により定まる或る一定の圧力範囲（注入圧力範囲）に維持して気体（空気）により液体の注入を行うことにより、細い第３の流路入口に空気の相が到達したとき、液体の注入は停止し、空気が液体を受け取る第１の流路に混入することはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体注入構造の一例の部分概要平面図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】図１におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】図１におけるＶ−Ｖ線に沿った断面図であり、（ａ）は全ての管路が上側基板に配設された例であり、（ｂ）は細管だけが下側基板に配設された例であり、（ｃ）は（ａ）の変更例である。
【図６】本発明の液体注入構造の別の例の部分概要平面図である。
【図７】（ａ）は本発明の液体注入構造を有するマイクロチップの一例の概要平面図であり、（ｂ）は（ａ）における点線で囲まれた液体送出容積部２５の部分拡大平面図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は図１（ｂ）におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるｃ−ｃ線に沿った断面図であり、（ｄ）は（ａ）の変更例である。
【図９】図１（ｂ）における液体送出容積部２５内の液体を細管２７を介して第１の流路３に送り出す際、第１の流路３に空気が混入しないメカニズムを説明する図である。
【図１０】（ａ）は本発明の液体注入構造を有するマイクロチップの別の例の概要平面図であり、（ｂ）は（ａ）における点線で囲まれた液体送出容積部２５の部分拡大平面図である。
【図１１】本発明の液体注入構造の他の実施態様を示す部分概要平面図である。
【図１２】本発明の液体注入構造の更に他の実施態様を示す部分概要平面図である。
【図１３】特願２００２−３０２６９２号明細書に記載された微量液体秤取構造の部分概要平面図である。
【符号の説明】
１マイクロチップ
３液体を受け取る第１の流路
５オープンウェル
７引圧ウェル
９混合部
１１検出部
１３エア抜き弁
１５液体を送り出す第２の流路
１７オープンウェル
１９引圧ウェル
２１開閉バルブ
２３エア抜き弁
２５液体送出容積部
２７第３の流路（細管）
２９加圧管路
３１開閉弁
３３加圧ウェル
３５下側基板
３７上側基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid injection structure for injecting a certain amount of liquid from one compartment to another. More specifically, the present invention has a liquid injection structure for injecting a certain amount of liquid from one compartment to another compartment in a so-called microchip having a fine flow path (microchannel) or the like as a structural element. About.
[0002]
[Prior art]
In a chemical reaction or analysis using a liquid such as a very small amount of sample, a microchip constituted by a minute channel may be used. When such a microchip is used, accurate results can be obtained by quantitatively weighing the liquid used, such as the sample and the reaction reagent. However, in the analysis using the microchip, the sample and reaction handled Since the volume of a liquid such as a reagent is extremely small, it is difficult to quantitatively measure the liquid, and various complicated configurations are required for that purpose, and the operation for handling the configuration becomes complicated. It was.
[0003]
For this reason, the applicant of the present application invented and filed an application for a micro liquid weighing structure that weighs a small amount of liquid and injects it from one channel into another channel (Japanese Patent Application No. 2002-302692) ). However, in the trace liquid weighing structure as shown in FIG. 13 described in the specification of the previous application, the liquid 100 such as the sample or the reaction reagent cut out in the weighing portion (flow channel C) is transferred to another flow channel. When injecting into (channel B), the channel (channel A) into which the sample or reaction reagent has been introduced requires a step of temporarily removing the sample or reaction reagent and filling it with air. There has been a problem that the amount of reagent (ie, the amount of sample or reaction reagent that is wasted) becomes excessive with respect to the weighed amount. Many samples and reaction reagents used in microchips are expensive, and there is a demand for minimizing dead volume.
[0004]
Further, in the trace liquid weighing structure described in the specification of the prior application, the flow path C is passed through the narrow tube section (flow path D) by applying pressure from the flow path (flow path A) into which the sample or the reaction reagent is introduced. The weighing liquid inside is injected into another flow path (for example, flow path B), but nothing is mentioned about the pressure control for the injection of the weighing liquid. Therefore, how much pressure is applied, how to change the pressure, when to stop the pressure, and how to apply only the pressurized liquid to the injection channel (channel B). It is not clear at all whether it is possible to prevent air contamination. Since the gas may naturally pass through the flow path through which the liquid passes, if the air enters the injected flow path together with the weighing liquid, the weighing liquid cannot be kept at a fixed position. Will be dispersed among people in the flow channel (flow channel B).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a liquid injection structure capable of injecting a certain amount of liquid without mixing gas and minimizing dead volume.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In the liquid injection structure for moving a liquid from one place to another by pressure, the problem is that a first flow path serving as a receiving volume for receiving the liquid, and a liquid in the first flow path. A second flow path serving as a delivery volume for delivering the liquid, and the first flow path and the second flow path are connected to each other and have a third flow path that is narrower than these flow paths. The ratio of the side circumference of the cross section to the cross-sectional area of the first flow path (receiving volume portion) and the ratio of the side circumference of the cross-section to the cross-sectional area of the second flow path (delivery volume portion) Are substantially equal, and the ratio of the side circumference of the cross section to the cross-sectional area of the third flow path is twice the ratio of the side circumference of the cross-section to the cross-sectional area of the second flow path (delivery volume) This is solved by the liquid injection structure characterized by being larger.
[0007]
In one embodiment of the present invention, the liquid injection structure of the present invention includes a first flow path for receiving a liquid, and a second flow path for sending the liquid to the first flow path. The flow path has a closable liquid delivery volume defined by a first valve and a second valve disposed in the middle of the flow path, and the liquid delivery volume and the first flow The channel is in communication with a third channel that is narrower than these channels, and the liquid delivery volume part pumps the liquid in the volume part to the first channel via the third channel. The ratio of the side circumference of the cross section to the cross-sectional area of the liquid delivery volume and the ratio of the side circumference of the cross-section to the cross-sectional area of the first flow path are approximately equal. The ratio of the side circumference of the cross section to the cross sectional area of the third flow path is greater than the ratio of the side circumference of the cross section to the cross sectional area of the second flow path. It consists structure, characterized in that more than twice as large.
[0008]
As described above, according to the liquid injection structure of the present invention, the liquid is filled only in the liquid delivery volume part of the second flow path, so that the micro liquid weighing method described in Japanese Patent Application No. 2002-302692 is described. Compared to the structure, the dead volume of the liquid can be significantly reduced. Further, the differential pressure between the liquid delivery volume of the second channel and the first channel is maintained within a certain pressure range (injection pressure range) determined by the configuration of the thin third channel. By injecting the liquid with gas (air), when the air phase reaches the narrow third flow path inlet, the liquid injection stops and the air enters the first flow path that receives the liquid. There is nothing.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The liquid injection structure of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
[0010]
FIG. 1 is a schematic partial plan view of an example of an embodiment of the liquid injection structure of the present invention. The liquid injection structure of the present invention basically includes a first flow path 3 serving as a receiving volume section for receiving liquid and a second flow path serving as a discharge volume section for sending liquid to the first flow path. The first flow path (receiving volume portion) 3 and the second flow path (delivery volume portion) 15 are connected to each other by a third flow path that is narrower than these flow paths. Yes. The second flow path (delivery volume part) 15 is filled with the liquid 100. The liquid 100 may be a liquid quantitatively weighed by a micro liquid weighing structure described in FIG. 1 of Japanese Patent Application No. 2002-302692, or pre-weighed by another means (not shown). It is also possible to fill the second flow path 15 with a suitable liquid (not shown). The liquid 100 filled in the second flow path 15 is pressurized by a pressurizing means (not shown), and as shown by a solid arrow, the liquid 100 is passed through the third flow path (capillary tube) 27. It is injected into one flow path (receiving volume part) 3.
[0011]
2 is a sectional view taken along line II-II in FIG. 1, FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 1, and FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. FIG. As shown in these sectional views, the liquid injection structure of the present invention is formed by bonding a lower substrate 35 and an upper substrate 37 together. The upper substrate 37 is made of, for example, polydimethylsiloxane (PDMS), and the lower substrate 35 is made of, for example, glass. What is important in the liquid injection structure of the present invention is that the cross-sectional area of the second flow path (delivery volume) 15 (ie, w ₁ xh), the perimeter of the cross section of the second flow path 15 (ie, 2w) ₁ + 2h) ratio A (ie, (2w ₁ + 2h) / (w ₁ xh)) is the cross-sectional area of the first flow path (receiving volume) 3 (ie, w ₂ xh) the perimeter of the cross section of the first flow path 3 (ie 2w ₂ + 2h) ratio B (ie, (2w ₂ + 2h) / (w ₂ xh)) are substantially equal (that is, A≈B), and the second flow path 15 and the first flow path are formed. At the same time, the cross-sectional area of the narrow tube 27 (ie, w ₃ side of the cross section of the narrow tube 27 with respect to xh) (ie, 2w ₃ + 2h) ratio C (ie, (2w ₃ + 2h) / (w ₃ xh)) is the cross-sectional area of the second flow path 15 (ie, w ₁ xh), the perimeter of the cross section of the second flow path 15 (ie, 2w) ₁ + 2h) ratio A (ie, (2w ₁ + 2h) / (w ₁ xh)) is formed so that the narrow tube 27 is larger than twice (that is, C ≧ 2A). However, if this ratio becomes too high, a very high pressure is required to send the liquid from the delivery volume 25 to the receiving volume (first flow path) 3 via the thin tube 27, which is not practical. Generally, the upper limit of this ratio is about 10 times.
[0012]
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. (A) is an embodiment in which all of the first flow path 3, the second flow path 15 and the narrow tube 27 are formed on the upper substrate 37, and (b) is the first flow path 3 and the second flow path. In this embodiment, the path 15 is formed on the upper substrate 37 and the narrow tube 27 is formed on the lower substrate 35. In the cross-sectional views of (a) and (b), the first flow path 3, the second flow path 15 and the narrow tube 27 are all the same height, but as shown in (c), the first flow The channel 3 and the second channel 15 have the same height h1, but the narrow tube 27 can be formed to have a height h2 lower than these. Patterns having different heights on the same substrate can be formed by a known and common technique such as a double exposure method. If the height h2 of the narrow tube 27 is made lower than the height h1 of the second flow path, the requirement of C ≧ 2A is easily satisfied. For example, in order to satisfy the requirement of C ≧ 2A, the value of the “side / cross-sectional area” ratio A of the second flow path 15 is made smaller than the “side / cross-sectional area” ratio C of the narrow tube 27. For example, when the narrow tube 27 and the second channel 15 have the same height of 30 μm, the width of the second channel 15 is 200 μm, and the width of the narrow tube 27 is 30 μm, the same as the height, the second The “side circumference / cross-sectional area” ratio A of the flow path 15 is 0.077 (= 460/6000), while the ratio C of the narrow tube 27 is 0.13 (= 120/900). Therefore, C / A = 1.69, which does not satisfy the requirements of the present invention. When the width of the second flow path 15 is increased to 400 μm, the ratio A is 0.071 (= 860/12000), but C / A = 1.83, which still does not satisfy the requirements of the present invention. In other words, even if the width of the second flow path 15 is increased, the ratio A does not change much. On the other hand, if the height of the narrow tube 27 is half of 15 μm, the width can be half of 15 μm (a channel with an aspect ratio of 1 can be easily created), and the ratio C is doubled to 0.27. Therefore, C (0.27) / A (0.077) = 3.51, which satisfies the ratio requirement of the present invention. Therefore, when the narrow tube 27 having a height lower than the height of these flow paths is used for the first flow path 3 and the second flow path 15, there is an advantage that the ratio requirement of the present invention is easily satisfied. .
[0013]
FIG. 6 is a schematic partial plan view of another example of an embodiment of the liquid injection structure of the present invention. Unlike the embodiment of FIG. 1, the embodiment of FIG. 6 has a plurality of thin tubes 27-1 to 27-3. Width w ₃ In the case of a channel shape having a height h, in the case of a single thin tube, the ratio of “side circumference / cross-sectional area” = (2w ₃ + 2h) / (w ₃ xh). When there are n capillaries, the ratio of “side circumference / cross-sectional area” = n (2w ₃ + 2h) / n (w ₃ xh) = (2w ₃ + 2h) / (w ₃ xh). That is, regardless of the channel shape, if the thin tubes have the same cross-sectional shape, the ratio of the side circumference to the cross-sectional area is the same regardless of the number of the thin tubes. Therefore, the optimum pressure for injection does not change. When the thin tube 27 is divided into a plurality of tubes, there is an advantage that the injection time can be shortened as compared with the case of one tube. The smaller the cross-section of the narrow tube, the more suitable the injection pressure is, and the easier it is to handle. On the other hand, the flow rate flowing through the narrow tube is small, and time is required for injection. Therefore, by providing a plurality of thin tubes, the injection time can be shortened while maintaining the optimum pressure for the injection.
[0014]
FIG. 7A is a schematic plan view of an example of a microchip having the liquid injection structure of the present invention. In FIG. 7A, the microchip 1 is an apparatus used for the purpose of, for example, microanalysis and / or synthesis / separation. The microchip 1 has a first flow path 3 that is a main flow path. An open well 5 that is open to the atmosphere is disposed at one end of the first flow path 3. Reagents necessary for analysis and the like can be introduced into the first flow path 3 through the open well 5. A suction well 7 is disposed at the other end of the first flow path 3. The suction well 7 is connected to a suction means (not shown) such as a vacuum pump as required. In addition, in the middle of the first flow path, a zigzag mixing portion 9 used for the purpose of liquid mixing or the like can be disposed depending on the purpose or as necessary. Furthermore, the detection part 11 for detecting a product etc. can also be provided. An air vent valve 13 can be provided between the detection unit 11 and the suction well 7. The air vent valve 13 has a function of passing air but not liquid in a certain direction. Such air vent valve 13 is described in, for example, “Hydrophobic microcapillary vent (HMCV)” in Kazuo Hosokawa et al., FORMATION AND ACTIVE MIXING OF METERED NANO / PICOLITER LIQUID DROPLETS IN A MICROFLUIDIC DEVICE, Micro Total Analysis Systems, 2000, 481-484. Is described as ".
[0015]
A second flow path 15 is disposed in parallel with the first flow path 3. An open well 17 that is open toward the atmosphere is disposed at one end of the second flow path 15. A sample necessary for analysis or the like is introduced into the second flow path 15 from the open well 17. A suction well 19 is disposed at the other end of the second flow path 15. The suction well 19 is connected to a suction means (not shown) such as a vacuum pump. A first valve 21 and a second valve 23 are disposed in the middle of the second flow path 15 between the open well 17 and the suction well 19, and a space closed by the two valves is formed. The delivery volume 25 is defined. As the first valve 21, for example, a known and commonly used on-off valve can be used. The second valve 23 uses the air vent valve as described above. Thereby, the sample etc. with which the open well 17 was filled can be filled in the delivery volume part 25. FIG. The delivery volume 25 is communicated with the first channel 3 by a third channel (narrow tube) 27 that is narrower than these channels. In addition, a pressure line 29 for moving the liquid in the volume part to the first flow path 3 via the thin tube 27 is connected to the delivery volume part 25. Accordingly, also in the microchip 1 of FIG. 7, the first flow path 3 serves as a receiving volume portion for receiving the liquid. In the pressurization line 29, an on-off valve 31 for controlling the flow of a gas such as air is disposed. A pressurizing well 33 is disposed at the other end of the pressurizing conduit 29, and the pressurizing well 33 is connected to pressurizing means (not shown) such as a syringe.
[0016]
FIG. 7B is a partially enlarged plan view of the delivery volume 25 surrounded by a dotted line in FIG. In the microchip 1 of FIG. 7A, the entire closed space (delivery volume 25) defined by the valve 21 and the valve 23 is filled with a sample or the like, but the first flow path (reception volume) 3 is a volume (V) from the connection part of the pressurization pipe line 29 of the second flow path 15 to the connection part of the thin tube 27. Therefore, it is preferable to appropriately select the position of the connecting portion between the pressurizing conduit 29 and the narrow tube 27 in the second flow path so as to obtain a desired capacity.
[0017]
FIG. 8 is a partial sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. The microchip 1 of the present invention is formed by bonding a lower substrate 35 and an upper substrate 37 in the same manner as a conventional microchip. The upper substrate 37 is made of, for example, polydimethylsiloxane (PDMS), and the lower substrate 35 is made of, for example, glass. (A) is an embodiment in which the first flow path (reception volume part) 3, the delivery volume part 25 and the narrow tube 27 are all formed on the upper substrate 37, and (b) is the first flow path 3 and the delivery line. In this embodiment, the volume portion 25 is formed on the upper substrate 37 and the narrow tube 27 is formed on the lower substrate 35. (C) is sectional drawing along the cc line in (a). What is important in the liquid injection structure of the present invention is that the cross-sectional area of the delivery volume 25 (ie, w ₁ xh) the perimeter of the cross section of the delivery volume 25 (ie 2w) ₁ + 2h) ratio A (ie, (2w ₁ + 2h) / (w ₁ xh)) is the cross-sectional area of the first flow path (receiving volume) (ie, w ₂ xh) the perimeter of the cross section of the first flow path 3 (ie 2w ₂ + 2h) ratio B (ie, (2w ₂ + 2h) / (w ₂ xh)) is formed to be substantially equal to the liquid delivery volume 25 and the first flow path (reception volume). At the same time, the cross-sectional area of the narrow tube 27 (ie, w ₃ side of the cross section of the narrow tube 27 with respect to xh) (ie, 2w ₃ + 2h) ratio C (ie, (2w ₃ + 2h) / (w ₃ xh)) is the cross-sectional area of the liquid delivery volume 25 (ie, w ₁ xh) the perimeter of the cross section of the liquid delivery volume 25 (ie 2w ₁ + 2h) ratio (ie, (2w ₁ + 2h) / (w ₁ xh)) is formed so that the narrow tube 27 is larger than twice (that is, C ≧ 2A). However, if this ratio becomes too high, a very high pressure is required to send the liquid from the liquid delivery volume 25 to the first flow path (reception volume) 3 via the thin tube 27, which is not practical. . In general, the upper limit of this ratio is preferably about 10 times. (D) shows an embodiment in which the channel height h2 of the narrow tube 27 is lower than the channel height h1 of the delivery volume 25 and the first flow path (reception volume) 3. Also in this embodiment, it is necessary to satisfy the requirement of C ≧ 2A.
[0018]
FIG. 9 is a diagram illustrating a mechanism in which air does not enter the first flow path 3 when the liquid in the delivery volume section 25 is sent to the first flow path (reception volume section) 3 through the thin tube 27. (A) shows a state in which an injection pressure is applied to the delivery volume 25 and the liquid in the delivery volume 25 is injected into the first flow path (reception volume) 3 through the thin tube 27. (B) shows that when the shape of the narrow tube 27 satisfying the above condition (C ≧ 2A) and an injection pressure suitable for the shape are selected, when the air phase of the pressurized gas reaches the inlet of the thin tube 27, the injection is performed. Indicates a stopped state. In (A) and (B), attention is paid to the P portion (inlet of the narrow tube 27) surrounded by a solid circle. In (A), the P portion is a liquid-liquid interface, and in (B), the P portion is changed to a gas-liquid interface. In the injection process (A), the vicinity of the inlet of the thin tube 27 is filled with liquid, and the interface state between the liquid and the inner wall of the thin tube 27 and the delivery volume 25 is not changed. The ratio between the volume of the liquid left in the delivery volume 25 and the volume of the liquid injected into the first flow path 3 gradually changes, but the injection is continued at the same pressure and at a substantially constant flow rate. . However, at the moment when the state (B) is reached, an abrupt interface change occurs between the gas-liquid-solid phases at the entrance of the narrow tube 27. (On the other hand, there is no significant change on the first flow path 3 side.) In particular, the contact angle between the liquid and the solid has been formed between the inner wall of the liquid delivery volume 25 until then, and the narrow tube 27. It changes 90 degrees at a stroke at the entrance and is formed between the inner wall of the narrow tube 27.
[0019]
Although not bound by theory, in FIG. 9, the mechanism by which air does not enter the first flow path 3 will be described using mathematical expressions. A liquid has a surface tension γ inherent to the liquid. Further, at the interface between the solid and the liquid, there is a contact angle θc unique to the combination of the solid and the liquid. On the liquid surface A in the liquid delivery volume 25 in FIG.
P _A = (L _A / S _A ) ・ Γcosθc
(Where P _A Indicates the pressure generated at the liquid surface A, and L _A Indicates the side circumference of the cross section of the liquid delivery volume 25, and S _A Indicates the cross-sectional area of the liquid delivery volume 25. )
Similarly, on the liquid surface B of the first flow path 3 that receives the liquid, the following expression is substantially established.
P _B = (L _B / S _B ) ・ Γcosθc
(Where P _B Indicates the pressure generated at the liquid surface B, L _B Indicates the side circumference of the cross section of the first flow path 3, and S _B Indicates the cross-sectional area of the first flow path 3. )
The shape of the liquid delivery volume 25 and the first flow path 3 that receives the liquid are substantially equal (that is, L _A = L _B And S _A = S _B ) Pressure P _A And P _B Are substantially equal, and no pressure difference between the liquid surface A and the liquid surface B occurs. At this time, the liquid can be moved by a slight gas pressure.
Next, in the case of FIG. 9B, the following equation holds for the liquid surface C at the inlet of the narrow tube 27.
P _C = (L _C / S _C ) ・ Γcosθc
(Where P _C Indicates the pressure generated at the liquid surface C, and L _C Indicates the circumference of the cross section of the thin tube 27, and S _C Indicates the cross-sectional area of the narrow tube 27. )
Therefore, the differential pressure ΔP between the liquid surface C and the liquid surface B is as follows.
ΔP = P _C -P _B = (L _C / S _C -L _B / S _B ) ・ Γcosθc
In the thin tube 27, the ratio L of the side circumference to the cross-sectional area _C / S _C Is the ratio L of the circumference to the cross-sectional area of the first flow path 3 that receives the liquid. _B / S _B Much larger than (eg, more than twice). Therefore, unless a large pressure difference ΔP is generated and a large gas pressure is overcome, the liquid in the thin tube 27 does not move. As a result, the liquid in the thin tube 27 serves as a sealing plug, and the first It is supposed to prevent air from being mixed into the flow path 3.
[0020]
FIG. 10A shows an embodiment of a microchip in which a plurality of channels having substantially the same structure as the second channel 15 as shown in FIG. It is an outline top view. In the microchip 1, one second flow path 15a is used as a flow path for supplying a liquid such as a sample, and the other second flow path 15b is a flow for supplying a liquid such as a reagent. Can be used as a road. That is, the two 2nd flow paths 15a and 15b which send out a liquid share the 1st flow path 3 which receives a liquid. Therefore, in this microchip 1, the sample and the reagent can be weighed in a certain minute volume by the liquid delivery volume parts 25a and 25b, mixed and reacted in the first flow path 3, and the sample can be detected. . FIG. 10B is a partially enlarged plan view of the liquid delivery volume 25 surrounded by a dotted line in FIG.
[0021]
The operation of the microchip 1 shown in FIG. First, the sample well 17a is filled with a sample by a publicly known means such as a micropipette. A sample is introduced from the suction well 19a into the delivery volume 25a by a known conventional suction means such as a vacuum pump. At this time, the valve 21a is open, and the open / close valve 31a of the pressurization line 29a is closed. The introduction of the sample stops when it reaches the air vent valve 23a, and the sample is filled in the delivery volume 25a. The air vent valve is as described for the microchip in FIG. Next, the valve 21a is closed, the open / close valve 31a is opened, and the liquid delivery volume 25a is pressurized by a gas (for example, air) from the pressurization line 29a by a publicly known pressurization means such as a syringe connected to the pressurization well 33a. The sample inside is injected into the first flow path 3 that receives the liquid. In the microchip of the present invention, the valve 21a (21b) and the pressurization line opening / closing valve 31a (31b) are respectively arranged in the chip. Opening and closing the sample well 17a (17b), the pressurizing well 33a (33b), etc. directly may cause the pumping volume to be large and undesirably pressurize the delivery volume 25a (25b). Is done. However, by disposing them in the microchip, the pumping volume can be reduced, and unintentional pressurization is eliminated.
[0022]
The reagent well 17b is filled with the reagent, and the reagent is injected into the first flow path 3 in the same manner as the sample.
[0023]
Next, the sample and the reagent in the first flow path 3 are moved from the pulling well 7 by a publicly known pulling means such as a vacuum pump, and the two liquids are sufficiently mixed in the zigzag mixing section 9. At this time, as described above, the air vent valve 13 functions to pass air but not liquid. Furthermore, the liquid mixture reaches the detection unit 11 from the mixing unit 9 by continuing the suction. The detection unit 11 is a space having a certain volume arranged in the microchip 1 and is not an open well. In the vicinity of the detection unit 11, detection means matched to the sample is arranged. For example, a light projector (not shown) and a light receiver (not shown) can be arranged on the upper and lower sides of the microchip 1 so as to sandwich the detection unit 11 in the microchip 1 to detect fluorescence of the sample. .
[0024]
Although the liquid injection structure of the present invention has been described with specific embodiments, the present invention is not limited to these embodiments. For example, as shown in FIG. 11, a conduit 40 that supplies liquid to the delivery volume 15 is disposed, and open wells 42 a and 42 b are disposed at both ends of the conduit 40. On the other hand, a pipe 44 for transferring the liquid from the receiving volume 3 is provided, and open wells 46 a and 46 b are provided at both ends of the pipe 44. In this embodiment, for example, after filling the delivery volume 15 from the conduit 40 using the capillary phenomenon, for example, the open wells 42b and 46a are closed, the open well 46b is opened, and the syringe is opened from the open well 42a. The liquid can be injected into the receiving volume section 3 by pressurizing the liquid in the delivery volume section 15 from the pipe line 40 by a known and conventional pressurizing means (not shown). Alternatively, the liquid can be injected from the delivery volume 15 into the receiving volume 3 even if the open well 42a is opened and the open well 46b is pulled. The advantage of the embodiment shown in FIG. 11 is that no special pressure line is required and that the entire structure is symmetrical, so that the delivery volume 15 is used as the receiving volume 3 and the receiving volume 3 can be used as the delivery volume 15 reversibly or without consideration of directionality.
[0025]
FIG. 12 is a partial schematic plan view showing still another embodiment of the liquid injection structure of the present invention. A conduit 40 for supplying liquid to the delivery volume 15 is provided, and a trachea 48 is further provided. An open well 42 a is disposed at the end of the conduit 40, and an on-off valve A 50 is disposed between the open well 42 a and the delivery volume portion 15. On the other hand, a well 42b is disposed at the end of the trachea 48, and an on-off valve B52 is disposed between the well 42b and the delivery volume portion 15. The well 42b can be used as an open well, but can also be used as a pressurized well. The receiving volume section 3 has a pipe shape, and wells 46a and 46b are disposed at both ends thereof, and an on-off valve C54 is disposed between the connection portion of the thin tube 27 of the receiving volume section 3 and the well 46a. ing. The well 46a is used as an open well, and the well 46b is used as a suction well. In the embodiment shown in FIG. 12, the operation of injecting liquid from the delivery volume 15 to the reception volume 3 will be described. (1) First, a liquid is put into the open well 42a. (2) Open / close valve A50 is "open", and open / close valve B52 and open / close valve C54 are "closed". (3) The liquid in the open well 42a is drawn from the suction well 46b with a weak pressure. As a result, the liquid reaches the inlet of the narrow tube 27 or the outlet of the thin tube 27. That is, by applying a negative pressure through the thin tube 27, the liquid can be introduced into the liquid delivery unit 15. (4) Next, the on-off valve C is set to “open” and the receiving volume 3 is set to atmospheric pressure. (5) Next, the on-off valve A50 is set to “closed” and the on-off valve B52 is set to “open” to increase the injection pressure from the well 42b. In the above procedure, the receiving volume 3 is opened to atmospheric pressure and the delivery volume 15 is set to a positive pressure at the time of injection. Conversely, the well 42b is set to an open well, and the negative pressure corresponding to the injection pressure is applied to the suction well 46b. The liquid can also be injected from the delivery volume 15 to the reception volume 3 by applying. In short, since it is only necessary to generate an appropriate pressure necessary for injection between the pressurizing pipe 48 and the receiving volume portion 3, it is not always necessary to pressurize from the pressurizing pipe 48. It is important that the receiving volume 3 is always open to atmospheric pressure when the pressure is applied from the beginning.
[0026]
【Example】
Hereinafter, the effect of the liquid injection structure of the present invention will be illustrated by examples.
[0027]
Example 1
A microchip 1 having a configuration as shown in FIG. 9 was produced. The height of each channel of the liquid delivery volume 25, the thin tube 27, and the first flow path 3 was set to 50 μm. The width of each channel of the liquid delivery volume 25 and the first flow path was 200 μm. In addition, the channel width of the thin tube 27 was set to 15 μm. Therefore, the cross-sectional area of each channel of the liquid delivery volume 25 and the first flow path 3 is 10,000 μm. ² (= 200 μm × 50 μm). Also, the side circumference is 500 μm (= 50 μm × 2 + 200 μm × 2). Therefore, the ratio of side circumference / cross-sectional area (A and B) is 0.05 (= 500/10000). On the other hand, the cross-sectional area of the channel of the narrow tube 27 is 750 μm. ² (= 15 μm × 50 μm). The side circumference is 130 μm (= 50 μm × 2 + 15 μm × 2). Therefore, the ratio (C) of the side circumference / cross-sectional area is 0.173 (= 130/750). As a result, the ratio of the side circumference / cross-sectional area in the narrow tube 27 is about 3.5 times (= 0.173 / 0) than the ratio of the side circumference / cross-sectional area of the first flow path 3 (or the liquid delivery volume portion 25). .05), which satisfies the requirement of C ≧ 2A. In this embodiment, only a predetermined amount of liquid could be injected from the liquid delivery volume 25 into the first flow path at a pressure of about 3 KPa without mixing gas.
[0028]
Comparative Example 1
A microchip 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the height of each channel of the delivery volume 25, the thin tube 27, and the first flow path was 15 μm. Therefore, the cross-sectional area of each channel of the delivery volume 25 and the first flow path is 3000 μm. ² (= 200 μm × 15 μm). Further, the side circumference is 430 μm (= 15 μm × 2 + 200 μm × 2). Therefore, the ratio of side circumference / cross-sectional area (A and B) is 0.143 (= 430/3000). On the other hand, the cross-sectional area of the channel of the narrow tube 27 is 225 μm. ² (= 15 μm × 15 μm). Further, the side circumference is 60 μm (= 15 μm × 2 + 15 μm × 2). Therefore, the ratio (C) of the side circumference / cross-sectional area is 0.267 (= 60/225). As a result, the ratio (C) of the side circumference / cross-sectional area in the narrow tube 27 is about 1.9 times (A) of the side circumference / cross-sectional area (A) of the first flow path 3 (or the liquid delivery volume 25). = 0.267 / 0.143). Therefore, the requirement of C ≧ 2A is not satisfied. In this comparative example, the injection was not successful no matter what pressure was tried. That is, when the pressure is low, the liquid does not flow through the narrow tube 27, and when the pressure is high, even the air pressurized through the thin tube 27 flows into the first flow path, and there is no optimum pressure for injection.
[0029]
Comparative Example 2
The microchip 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the width and height of each channel of the delivery volume 25 and the first flow path 3 were 100 μm × 20 μm, and the width and height of the narrow tube 27 were 3 μm × 3 μm. The ratio (A) of the side circumference / cross-sectional area of the delivery volume 25 is 0.12 (= 240/2000), and the ratio (C) of the side circumference / cross-sectional area of the narrow tube 27 is 1.33 (= 12/9). ) Therefore, C / A = 11.1 and the requirement of C ≧ 2A is satisfied. However, when a pressure of 500 kPa or higher is applied in order to send the liquid from the delivery volume 25 to the first flow path 3 through the thin tube 27, the microchip itself cannot withstand this pressure and is damaged. Injection was not possible.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the liquid is filled only in the liquid delivery volume part of the second flow path. Thus, the dead volume of the liquid can be significantly reduced. Further, the differential pressure between the liquid delivery volume of the second channel and the first channel is maintained within a certain pressure range (injection pressure range) determined by the configuration of the thin third channel. By injecting the liquid with gas (air), when the air phase reaches the narrow third flow path inlet, the liquid injection stops and the air enters the first flow path that receives the liquid. There is nothing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial schematic plan view of an example of a liquid injection structure of the present invention.
2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG.
5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. 1. FIG. 5A is an example in which all the conduits are arranged on the upper substrate, and FIG. 5B is a diagram showing only the thin tubes on the lower substrate. (C) is a modified example of (a).
FIG. 6 is a partial schematic plan view of another example of the liquid injection structure of the present invention.
7A is a schematic plan view of an example of a microchip having a liquid injection structure of the present invention, and FIG. 7B is a partially enlarged plan view of a liquid delivery volume 25 surrounded by a dotted line in FIG. It is.
8A and 8B are cross-sectional views taken along line II-II in FIG. 1B, and FIG. 8C is a cross-sectional view taken along line cc in FIG. (D) is a modified example of (a).
FIG. 9 is a diagram for explaining a mechanism in which air is not mixed into the first flow path 3 when the liquid in the liquid delivery volume 25 in FIG. It is.
10A is a schematic plan view of another example of a microchip having a liquid injection structure of the present invention, and FIG. 10B is a partially enlarged view of a liquid delivery volume 25 surrounded by a dotted line in FIG. It is a top view.
FIG. 11 is a partial schematic plan view showing another embodiment of the liquid injection structure of the present invention.
FIG. 12 is a partial schematic plan view showing still another embodiment of the liquid injection structure of the present invention.
FIG. 13 is a partial schematic plan view of a trace liquid weighing structure described in Japanese Patent Application No. 2002-302692.
[Explanation of symbols]
1 Microchip
3 First flow path for receiving liquid
5 Open well
7 Pressure well
9 Mixing section
11 Detection unit
13 Air vent valve
15 Second flow path for delivering liquid
17 Open Well
19 Pressure well
21 Open / close valve
23 Air bleeding valve
25 Liquid delivery volume
27 Third channel (narrow tube)
29 Pressurized pipeline
31 On-off valve
33 Pressure well
35 Lower substrate
37 Upper substrate

Claims

In a liquid injection structure for moving a liquid from one place to another by pressure in a so-called microchip having a fine flow path (microchannel) as a structural element ,
A first flow path that serves as a receiving volume for receiving liquid;
A second flow path serving as a delivery volume for delivering liquid to the first flow path;
The first flow path and the second flow path communicate with each other, and have at least one third flow path that is narrower than these flow paths,
The ratio of the side circumference of the cross section to the cross-sectional area of the first flow path (receiving volume portion) and the ratio of the side circumference of the cross-section to the cross-sectional area of the second flow path (delivery volume section) are approximately equally,
The ratio of the side circumference of the cross section to the cross-sectional area of the third flow path is 2 to 10 times the ratio of the side circumference of the cross-section to the cross-sectional area of the second flow path (delivery volume portion). A liquid injection structure characterized by

2. The liquid according to claim 1, wherein another pipe for supplying the liquid to the second flow path is connected to the second flow path serving as a delivery volume for delivering the liquid. Injection structure.

In order to generate a differential pressure between a first flow path serving as a receiving volume for receiving the liquid and a second flow path serving as a delivery volume for sending the liquid to the first flow path. The liquid injection structure according to claim 1, further comprising: a differential pressure generating unit.

The liquid injection structure according to claim 1, comprising a plurality of the third flow paths.

In a liquid injection structure for moving a liquid from one place to another by pressure in a so-called microchip having a fine flow path (microchannel) as a structural element,
A first flow path for receiving liquid and a second flow path for sending liquid to the first flow path;
The second flow path has a closable delivery volume defined by a first valve and a second valve disposed in the middle of the flow path,
The delivery volume portion and the first flow path are communicated with each other by at least one third flow path that is narrower than these flow paths,
The delivery volume has a pressure line for pressure-feeding the liquid in the volume to the first flow path via the third flow path,
The ratio of the side circumference of the cross section to the cross-sectional area of the delivery volume and the ratio of the side circumference of the cross-section to the cross-sectional area of the first flow path are substantially equal,
The ratio of the side circumference of the cross section to the cross-sectional area of the third flow path is 2 to 10 times the ratio of the side circumference of the cross-section to the cross-sectional area of the first flow path. Liquid injection structure.

The first valve in the second flow path is an open / close valve, and the second valve is a valve having a function of allowing gas to pass but not allowing liquid to pass in a certain direction. The liquid injection structure according to claim 5.

The liquid injection structure according to claim 5, wherein an opening / closing valve is provided in the middle of the pressurizing pipe.

The liquid injection structure according to claim 5, wherein a plurality of the second flow paths are arranged with respect to the first flow path.

The liquid injection structure according to claim 5, comprising a plurality of the third flow paths.

The liquid injection structure according to claim 5, wherein a pressurizing unit is connected to the pressurization pipe line.