JP2005300333A - マイクロ液流制御方法及び制御装置 - Google Patents

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【課題】マイクロチップの液流を制御する。
【解決手段】物質が移動する少なくとも１つの第１マイクロ流路と、第１マイクロ流路と交差する第２マイクロ流路、第２マイクロ流路内に気泡を発生し得る気泡発生機構を備えたマイクロチップであって、前記第２マイクロ流路における気泡発生により、第１マイクロ流路内の物質を第２マイクロ流路内に移動させ得る、マイクロチップ。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロチップ及びマイクロチップにおけるマイクロ液流の制御方法に関する。
電気泳動や化学反応用、分析用のマイクロチップでは、直径数ミクロンから百数十ミクロン程度の細い流路が用いられており、その内部に水、各種水溶液、有機溶媒、各種化学薬品などの液体を入れて使用する。このようなマイクロチップ内部におけるマイクロ液流制御は非常に困難である。
これまでに、ゴム等、弾性材の変形を用いるもの、蓋部品を物理的に移動させるもの、ポンプによる負圧を利用するもの（特許文献１）など数種類のマイクロバルブが開発されているが、これらは外部の駆動用ガス圧力を必要とし、マイクロチップとの接合部が大きな面積を占有する、装置が大がかりになるなどの問題があった。
例えば電気泳動用マイクロチップでは、電荷を帯びた試料を用いることから、電気的に液流あるいは液流内の試料を制御する技術が開発・実用化されているが、高電圧を複雑に制御する必要がある上、電極の設置スペースが大きいため、流路の設計自由度が低くなるという問題があった。
特開２００４−３３９１９
本発明は、電気泳動用、化学反応用、分析用などのマイクロチップにおいて、より簡便で、小型化に適したマイクロ液流制御技術を提供することを目的とする。
本発明は、以下のマイクロチップ及びマイクロチップにおけるマイクロ液流制御方法に関する。
１． 物質が移動する少なくとも１つの第１マイクロ流路と、第１マイクロ流路と交差する第２マイクロ流路、第２マイクロ流路内に気泡を発生し得る気泡発生機構を備えたマイクロチップであって、前記第２マイクロ流路における気泡発生により、第１マイクロ流路内の物質を第２マイクロ流路内に移動させ得る、マイクロチップ。
４． 物質が少なくとも１つの第１マイクロ流路上を移動して、物質移動用の前記第１マイクロ流路と気泡発生可能な第２マイクロ流路の交点付近に移動したときに、第２マイクロ流路内に気泡を発生させ、該交点付近に存在する物質を第２マイクロ流路内に導くことを特徴とする、マイクロチップにおけるマイクロ液流制御方法。

以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明のマイクロチップは、電気泳動用、化学反応用、分析用などの用途に用いることができる。
本発明のマイクロチップは、相互に交差する第１マイクロ流路と第２マイクロ流路を有する。第１マイクロ流路は１つでもよく、２以上であってもよい。少なくとも１個の第１マイクロ流路は第２マイクロ流路と交差する。
マイクロチップにおける各流路は、バイオ用分析・試料処理流路、化学分析流路などとして使用することができる。
該マイクロチップにおいて、第１マイクロ流路は物質の移動を行うものである。
本発明の１つの実施形態において、例えば電気泳動用マイクロチップでは、第１マイクロ流路の両端に電極を接続して電圧をかけ、第１マイクロ流路上を電荷、分子量等の性質に応じて分離対象の物質を移動することができる。電気泳動により分離される物質としては、電荷を有するものであれば特に限定されないが、例えば核酸（ＤＮＡ，ＲＮＡ）、ペプチド、タンパク質、ムコ多糖、リン脂質などの生体由来の物質、植物抽出物、或いは天然ないし合成の生理活性物質が広く例示される。
本発明の他の実施形態において化学反応用チップでは、例えば第１マイクロ流路の両端から反応に関与する物質を各々供給し、第１マイクロ流路内で反応生成物を得る構成が例示される。試薬が複数存在する場合には、試薬の数に応じた数の第１マイクロ流路を形成し、第１マイクロ流路の交点で反応生成物を得ることも可能である。
本発明のマイクロチップは、第２マイクロ流路を有し、さらに第２マイクロ流路内に気泡を発生させ得る気泡発生手段を有し得る。
第１マイクロ流路及び第２マイクロ流路は、液体により満たされる。液体としては、水、含水溶媒（水と水混和性有機溶媒の混合物）、有機溶媒、緩衝液を含む有機物質ないし無機物質が溶解した水溶液ないし有機溶媒溶液などが挙げられる。該液体は、加熱により気泡を発生するものである。
第１マイクロ流路と第２マイクロ流路の幅又は直径は、１〜２５０μｍ程度、好ましくは５〜２００μｍ程度、より好ましくは１０〜１５０μｍ程度である。
本発明の好ましい実施形態において、気泡発生手段としては、第２マイクロ流路の周辺部ないし周囲、好ましくは第２マイクロ流路に接する位置に発熱体を設け、該発熱体を加熱することで局所的に発熱体の近傍に気泡を発生させる。発熱体はマイクロヒーターであってもよく、光、特にレーザ光を吸収する光吸収体であってもよい。照射する光は、250nm〜1200nm程度の波長を有する任意の光源が使用でき、可視光、紫外線、赤外線、マイクロ波などが使用でき、好ましくはレーザ光を使用する。レーザ光は、第２マイクロ流路内の液体をサブマイクロメートルからマイクロメートルの狭い範囲で加熱することができ、気泡を速やかに発生させることができるので、好ましい。
発熱体は第２マイクロ流路のいずれの位置に設けてもよく、例えば第１マイクロ流路と第１マイクロ流路の交点またはその近傍に発熱体を設けてもよい。発熱体は、気泡発生に伴う圧力により、交点またはその近傍に存在する物質を移動、好ましくは第２マイクロ流路の交点から発熱体と反対側（例えば、図２では取り出し槽７側）に移動させることができる。
発熱体は、第２マイクロ流路内の液体を、気泡ができる程度まで加熱可能なものであり、好ましくは該液体の沸点又はそれ以上に速やかに加熱可能なものである。液体を速やかに加熱することができれば、交点またはその近傍に存在する物質を迅速に移動することができる。加熱開始から液体の沸点以上まで加熱する時間は、通常１秒以内、好ましくは１〜５００ミリ秒、より好ましくは１〜１００ミリ秒程度である。発熱体により第２マイクロ流路内の液体が速やかに加熱できれば、交点またはその付近の物質を逃さずに移動できるために好ましい。
本発明の特に好ましい実施形態において、第２マイクロ流路の壁面付近に設置したレーザ吸収体に数十ミリ秒以下の短いピークを有する強いパルスレーザを照射すると、吸収体と液体との界面の温度が急激に上昇し、液体の蒸発が起こる。液体の蒸発はレーザの１パルスあたりのエネルギー密度が０．００１J/cm2以上でないと生じ難いが、一方、３J/cm2以上では、吸収体の蒸発が起こり、不純物が発生することがある。そこで、本発明では、マイクロチップ本体を透過する波長のパルスレーザを用い、マイクロチップ内流路サイズに収束させて、流路内に設置した薄膜型吸収体に照射することにより、液体を蒸発させ、マイクロ液流の制御を可能としたものである。なお、照射するレーザ光は、240〜1200nmなど液流に対してある程度透過する波長のものが望ましい。例えば、532nmのYAG２倍波、可視から近赤外波長のレーザダイオード、1064nmのYAG基本波、Ybファイバーレーザ、248nmのＫｒＦエキシマレーザなどを利用することができる。パルスレーザを用いる場合、 パルス幅はレーザ吸収体を所望の時間で所望の温度に加熱できればよく、特に制限されないが、好ましくは５０フェムト秒〜５００ミリ秒、より好ましくは５００ピコ秒〜１００ミリ秒程度である。
また、連続出力のレーザを走査させることによってもパルスと同等の効果を得ることができる。
レーザの波長として240〜400nmのものを用いる場合には、マイクロチップを構成する本体として、石英ガラスなどの当該波長を透過する素材を用いるのが好ましい。レーザの波長が400〜1200nmであれば、マイクロチップ本体として、石英ガラス、或いは通常のガラス、プラスチックなどを使用することができる。なお、マイクロチップは、例えば第１，第２マイクロ流路に対応する溝を有する板状の材料（マイクロチップ本体）を２枚又はそれ以上重ねることにより得ることができる。
本発明の好ましい実施形態において、気泡発生機構の構成要素である薄膜型吸収体の素材としてはレーザ波長に吸収性を有し、かつ融点が高いことが望ましく、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウム、銅、亜鉛、スズなどの金属や、これらをベースとする合金、例えば、ステンレス、炭素鋼、黄銅、白銅、アルミニウム合金、さらにはアルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、炭化珪素をはじめとするセラミックスなどを上げることができる。
好ましい実施形態において、本発明のマイクロ液流制御方法は、レーザを利用してマイクロチップ外部から操作するので、マイクロチップ側に複雑な機構を必要としない。また、照射領域が狭いため、総出力が小さいレーザを使用することができ経済的である。
本発明の特に好ましい実施形態において、マイクロ流路制御を行う上で、複数の流路が十時あるいはX字上に交差している状態が望ましい。少なくとも一方の流路に吸収体を設置してレーザを照射し、その内部液体温度を沸点以上まで瞬時（ミリ秒レベル）に上昇させ、発生した気体の圧力により他の流路の液体の一部を別の流路に導くことができる。さらに、レーザの単一照射あたりのエネルギー密度は吸収体表面で０．００１J/cm2ないし３J/cm2の範囲にあることが好ましい。この範囲の出力を与えることにより、吸収体にダメージを与えることなく、液体のみを蒸発させることができる。
本発明の特に好ましい１つの実施形態において、マイクロチップは、レーザに対して透明体、発熱体がレーザ吸収体であり、マイクロ流路外部からパルスレーザを照射することにより、レーザ吸収体が発熱することを特徴とする。
本発明のマイクロチップを用いれば、マイクロチップに駆動系を設置することなく、外部からの操作により液流の制御が可能となる。
さらに、本発明マイクロチップはレーザが可視または近赤外であることを特徴としており、レーザダイオードなど小型で安価かつ長時間安定稼働が可能なレーザを用いることができ、装置の小型化、コストの低減が可能となる。
本発明によれば、電気泳動用マイクロチップ、化学用マイクロチップ等において、容易に試料の一部を別の流路に導く、あるいは試料の一部を取り出すことが可能となるため、マイクロチップの高機能化が可能となる。
以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。図１は本発明実施例のマイクロ液流制御装置の概念を示す全体図、図２は本実施例のマイクロ液流制御装置の要部を拡大して示す図である。
本実施例の電気泳動用マイクロチップは、マイクロチップから試料の一部を取り出すものである。図１および図２に示すように、電気泳動用マイクロチップ１においては、電極穴２近傍の第１マイクロ流路３に試料が導入され、電極穴４に向かって流路３中を流れる中で流路３に沿って試料の質量分布が生じる。電極穴２、４、流路３は水または食塩水等の液体で満たされている。
本実施例では流路３の途中に泳動方向に対して垂直に交差する第２マイクロ流路６、バッファ槽５と取り出し槽７を設けている。第２マイクロ流路６ならびにバッファ槽５は水または食塩水等で満たされているが、取り出し槽７は空としておく。適切なタイミングでレーザ発振器９から出力され、走査装置１０とレンズ８で位置決め、収束されたレーザ光１１がレーザ吸収体１２に照射され、レーザ吸収体１２の周辺の液体が蒸発して気泡１３を生じる。この際の圧力により、流路６中の液体が移動し、泳動流路３中の液体１４が移動することで、取り出し試料１５のみを取り出し槽７に導くことができる。
レーザ発生装置はパルス波または連続のレーザビームを発生する。レーザ波長はマイクロチップの材料ならびに液体による減衰の少ない４００〜１２００nmの範囲のものを選択することが好ましい。例えば、SHG―YAGレーザ（波長５３２ｎｍ）や、レーザダイオード（波長４００〜１２００ｎｍ）、基本波ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）、Ｙｂファイバーレーザ（波長１０７０〜１１００ｎｍ）などを使用することができる。レーザ光はパルスあるいは連続光の走査により照射し、パルス幅あるいは走査による単一照射時間は１０ミリ秒程度以下とすることが望ましい。
十分な蒸発が起こるために適当なレーザエネルギー密度は材料依存性があるものの、０．００１J/cm2ないし３J/cm2の範囲であることがわかっている。レーザの出力は、この範囲内で用いる液体の粘性等を考慮して決定される。
本発明実施例のマイクロ液流制御装置の概念を示す全体図である。 実施例のマイクロ液流制御装置の要部を拡大して示す図である。
符号の説明
１ 電気泳動用マイクロチップ
２ 電極穴
３ 泳動流路
４ 電極穴
５ バッファ槽
６ サブ流路
７ 取り出し槽
８ 集光レンズ
９ レーザ発振器
１０ レーザ走査装置
１１ レーザ光
１２ レーザ吸収体
１３ 気泡
１４ 液体
１５ 取り出し試料

Claims (5)

  1. 物質が移動する少なくとも１つの第１マイクロ流路と、第１マイクロ流路と交差する第２マイクロ流路、第２マイクロ流路内に気泡を発生し得る気泡発生機構を備えたマイクロチップであって、前記第２マイクロ流路における気泡発生により、第１マイクロ流路内の物質を第２マイクロ流路内に移動させ得る、マイクロチップ。
  2. 前記気泡発生機構がレーザ発生装置と、第２マイクロ流路周辺に設けられた発熱体からなり、前記発熱体が前記レーザ発生装置からのレーザを吸収して第２マイクロ流路内の液体を加熱して気泡を発生させ得る、請求項１に記載のマイクロチップ。
  3. 前記マイクロチップが電気泳動用、化学反応用又は分析用マイクロチップである請求項１又は２に記載のマイクロチップ。
  4. 物質が少なくとも１つの第１マイクロ流路上を移動して、物質移動用の前記第１マイクロ流路と気泡発生可能な第２マイクロ流路の交点付近に移動したときに、第２マイクロ流路内に気泡を発生させ、該交点付近に存在する物質を第２マイクロ流路内に導くことを特徴とする、マイクロチップにおけるマイクロ液流制御方法。
  5. 前記マイクロ流路の周辺部に設けた発熱体にレーザ光を照射して気泡を発生させることを特徴とする請求項４に記載の方法。

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