JP2005315685A - 流体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】液状試薬を収容する反応室をチップ本体の内部に備える流体デバイスにおいて、反応室への液状試薬注入操作時に、反応室内に急激な圧力変動が生じることを防いで、反応室からの液状試薬の液漏れを防ぐ。
【解決手段】反応室５の上端部分、あるいは反応室５よりも上方位置にかかるチップ本体２の外壁に、外部環境と反応室５とを連通する気体通口７を開設する。これにて、液状試薬３の注入操作時に、注入された液状試薬３の容量ぶんだけ反応室５内に存する内部気体を外部に逃がすことができる。したがって、従来の反応室５を密閉空間としていたチップ形態では不可避であった、試薬注入時の反応室５の内圧の急激な増加に伴って、注入口６とシール体１６との接合面、あるいはシール体１６と注射管１９との接合面から液洩れを生じることを確実に防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液状試薬を収容する微小空間が平板状のチップ本体の内部に設けられている流体デバイスに関する。

半導体技術を適用して、小さなチップ内に化学分析や対象物質の分離操作を集積化したμ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）と称されるデバイスがある。例えば、非特許文献１、特許文献１、特許文献２などには、数センチメートル角程度の平板状の小型チップの内部に、多数個の微小な機能空間が設けられた小型のデバイスが開示されている。この種の小型デバイスを用いれば、試料や破棄物質の大幅な低減化を図ることが可能であり、また作業空間を極小化できるため、操作の自動化を図ることも容易である。このため当該デバイスは、遺伝子・蛋白質工学や臨床診断などの分野、とくに生体材料からの核酸等の生体成分の分離・抽出操作への応用が期待されており、例えば特許文献３には、チップの表面に、ＰＣＲ（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ ｃｈａｉｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）等の反応室となる微小容量の凹部が多数個独立状に形成された、液状試薬用の流体デバイスが開示されている。

一般的にこの種の流体デバイスにおいては、塵埃混入防止や液状試薬の漏洩防止を目的として、反応室は密封空間とされている。例えば、上述の特許文献３に係る流体デバイスでは、凹部の上方開口をフィルム状のシール材で覆っている。特許文献４では、スリット入りの弾性材製のシール材で、反応室の上部開口を覆っている。液状試薬は、マイクロシリンジなどの高精度な注入器材を用いて、シール材を介して微小空間内に注入される。つまり、注射管をシール材に貫通状に突き刺せば、液状試薬を注入できる。

日経バイオビジネス２００３年１２月号 ４０〜５３ｐ 特開２００４−０３７１８６号公報 特開２００４−０５３５５９号公報 特開２００３−７０４５６号公報 特開２００２−２９１８４１号公報

問題は、反応室が微容量の密封空間とされているため、液状試薬を注入した際に反応室内に急激な圧力変動が生じることが避けられず、シール材の材質や厚み、シール材へ突き刺す注射管の径などによっては液漏れを生じることにある。揮発性の液状試薬を注入したときにも、時間とともに反応室の内圧が上昇して液漏れを生じることもある。さらに、反応室の内圧が急激に上昇すると、マイクロシリンジ等の送給装置や注射管の内部に液状試薬が残り、液状試薬を定量的に注入できなくなるおそれもある。加えて、密封された反応室内に、勢い良く液状試薬が注入されると、液状試薬が内部空気を巻き込んで泡となりやすく、混合や攪拌作業の妨げとなる点でも不利があった。

本発明の目的は、反応室からの液状試薬の液漏れを阻止するとともに、送給装置からの液状試薬の定量注入動作を確実なものとし、以って、反応・分析精度の向上を図るとともに、反応・分析精度の再現性に優れた流体デバイスを提供することにある。本発明の目的は、注入操作時に液状試薬が泡状となることを解消して、混合や攪拌作業の作業効率の低下をよく防止できる流体デバイスを提供することにある。本発明の目的は、反応室内部への塵埃の発生を確実に阻止できる流体デバイスを提供することにある。

本発明は、図４ないし図７に示すごとく、液状試薬３（図３参照）を収容する反応室５が扁平状のチップ本体２の内部に設けられていて、反応室５に液状試薬３を注入するための注入口６がチップ本体２の外壁に開設されている流体デバイスである。注入口６は、図６に示すように反応室５の下端部分、あるいは図４に示すように反応室５よりも下方位置に設けられており、該注入口６は弾性材製のシール体１６で密封状に封止されている。そして、図６に示すように反応室５の上端部分、あるいは図４に示すように反応室５よりも上方位置にかかるチップ本体２の外壁に、外部環境と反応室５とを連通する気体通口７が開設されていることを特徴とする。

また本発明は、図１ないし図３に示すごとく、液状試薬３を収容する複数個の反応室５が扁平状のチップ本体２の内部に設けられており、反応室５の下端部分、あるいは反応室５よりも下方位置にかかるチップ本体２の外壁に、反応室５に液状試薬３を注入するための注入口６が開設されており、注入口６は弾性材製のシール体１６で密封状に封止されており、反応室５の上端部分、あるいは反応室５よりも上方位置にかかるチップ本体２の外壁に、外部環境と反応室５とを連通する気体通口７が開設されていることを特徴とする流体デバイスである。なお、図示例には、反応室５よりも下方位置にかかるチップ本体２の外壁に注入口６が開設されていて、反応室５よりも上方位置にかかるチップ本体２の外壁に気体通口７が開設された形態を示す。

本発明における液状試薬とは、生体材料などの検出物質を含む溶液のほか、当該検出物質との反応に供される各種の試薬も含む概念である。さらに、核酸や蛋白質などが表面に吸着される磁気応答微粒子を含む溶液であってもよい。

チップ本体２としては、ポリカーボネート、アクリル、ポリオレフィン、ポリイミドなどのプラスチック材、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等のゴム材、あるいは、これらとガラス、金属、非金属などの板材とを組み合わせて用いることができ、コストや生産性を考慮するとプラスチック材が好ましい。複数の板状の材料を貼り合わせてチップ本体２を作製する場合には、材料に適した接着の手法や材料を適宜に選択することができる。接着材料を板材に塗布する方法としては、スピンコート、ディップコート、印刷、スプレーコートなどを挙げることができ、とくに液状試薬が接触するチップ内面部への接着材料の塗布を避けるには、スクリーンやマスク印刷手法が好適である。

シール体１６は、図３に示すように、マイクロシリンジ１７の注射管１９が貫通装填された際に、弾性塑性力により注射管１９の外面を水密状に外嵌保持できるものであれば特に制限はなく、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などのシリコーンゴムのほかアクリルゴム、ウレタンゴムなどのゴム材、フッ素樹脂、ＵＶ硬化樹脂、熱硬化樹脂などの弾性材料を挙げることができる。シート体１６の取り付け方法としては、接着剤や熱融着で固定する、あるいはＵＶ樹脂のように光などで材料そのものを硬化接着するなど、材料に適した方法を採用すれば良い。また、シール体１６は、図示例のような平板状のほか、注入口１６に内嵌装着されるキャップ状であってもよい。

具体的には、図１ないし図３に示すごとく、反応室５の上端部に、反応室５どうしを連通する連通流路１５を水平方向に設けて、この連通流路１５の中央部から、気体通口７に至る気体流路１３が分岐された形態を採ることができる。とくに、図１に示すように、気体流路１３は、上下方向に伸びる形態を採ることが好ましい。

気体通口７に、塵埃侵入防止用のフィルター２０を装着することが好ましい。フィルター２０の具体例としては、不織布、ポーラスシリカなどのセラミックス、セルロースなどの有機多孔体、金属メッシュなどを挙げることができる。

本発明においては、チップ本体２に外部環境に通じる気体通口７を開設したので、液状試薬３の注入操作時に、注入された液状試薬３の容量ぶんだけ反応室５内に存する内部気体を外部に逃がすことができる。このため、従来の反応室５を密閉空間としていたチップ形態では不可避であった、試薬注入時の反応室５の内圧の急激な増加に伴う、注入口６とシール体１６との接合面、あるいはシール体１６と注射管１９との接触面からの液洩れを確実に防ぐことができる。また、内圧の増加に起因して、マイクロシリンジ１７や注射管１９内に液状試薬３が残留するおそれも一切ない。さらに液状試薬３が反応室５内で揮発しても、内圧が上昇することがなく、この点でも液洩れを解消できる。かくして、この流体デバイスを用いれば、液状試薬３の液洩れや、マイクロシリンジ１７等の送給装置内に液状試薬３が残留することを効果的に防いで、反応・分析に供される液状試薬３を一定量とすることができるので、反応・分析精度の向上、およびその再現性の向上を図ることができる。

加えて、注入口６を反応室５よりも下方位置に設けるとともに、気体通口７を反応室５よりも上方位置に設けてあると、反応室５の内部気体を上方へ逃がしながら、液状試薬３の注入操作を行うことができる。したがって、液状試薬３が内部気体を巻き込むことに起因する泡の発生の確実に抑えることができる。これは混合や攪拌などの反応・分析作業の作業効率の向上に資する。

気体通口７にフィルター２０を装着してあると、反応室５内への塵埃の侵入を防いで、液状試薬と塵埃との接触を効果的に防ぐことができる。とくに図１に示すように、気体流路１３を連通流路１５から垂直方向に分岐して設けてあると、万が一、気体通口７から塵埃が侵入した場合であっても、気体流路１３を落下した塵埃は両流路１３・１５の連結部にかかる連通流路１５上に留まることとなるため、塵埃侵入を確実に防ぐことができる。

（第１実施形態）
図１ないし図３に、本発明に係る流体デバイスの第１実施形態を示す。この流体デバイスは、第１および第２基板１ａ・１ｂを対向状に貼り合わせてなる扁平状のチップ本体２を基体として、このチップ本体２の内部に、液状試薬３（図３参照）を収容するための左右一対の微小な反応室５・５を備える。チップ本体２の前面下端には、各反応室５・５内に液体試料３を注入するための左右一対の注入口６が開設されており、チップ本体２の上端面には、外部環境と反応室５とを連通することを目的として一つの気体通口７が開設されている。この流体デバイスは、図１に示すように、二つの反応室５が左右方向に並び、気体通口７が上向きに開口するような起立姿勢で好適に使用される。

図２に示すように、第１基板１ａは四角板状のプラスチック成形品であり、反応室５を構成する左右一対の縦長四角状の凹部９・９と、各凹部９の下端から下向きに伸びる左右一対の縦溝１０・１０と、凹部９の上端どうしをつなぐように、左右の水平方向に伸びる横溝１１と、横溝１１の左右中央部から上方向に伸びて上端面に至る外部連通溝１２とを備えている。外部連通溝１２は、先の気体通口７および、該気体通口７に至る気体流路１３を構成する。縦溝１０は、注入口６と反応室５とを連通する注入流路１４を構成する。横溝１１は、反応室５・５どうしを連通する連通流路１５を構成する。これら凹部９および溝１０・１１・１２は、第２基板１ｂの対向壁面である前面に、前向きの開口を備える段付き状に凹み形成されていて、この開口を塞ぐように第２基板１ｂが不離一体的に貼り合わされる。

第２基板１ｂは、四角平板状のプラスチック成形品からなり、第１基板１ａの縦溝１０に臨む左右二箇所に、左右一つの注入口６・６が通設されている。各注入口６は、その内径寸法が前後にわたって均一なストレート状の通孔とされている。

符号１６は、注入口６を密封状に封止するシール体を示す。このシール体１６は、注入口６の内径寸法よりも僅かに大きな外径寸法を有する弾性材製の円盤体であり、注入口６の開口縁にかかる第２基板１ｂの前面に貼着されている。そして、図３に示すように、マイクロシリンジ１７の注射管１９をシール体１６に貫通状に差し込み装填してから送給操作を行うことで、注入流路１４を介して反応室５内へ液体試薬３を容易に送り込むことができる。

気体通口１５の開口縁にかかるチップ本体２の上端面には、塵埃侵入防止用のフィルター２０が貼着されている。このフィルター２０は、気体通口７の内径寸法よりも僅かに大きな外形寸法を有する四角平板状を呈している。

このように、チップ本体２に外部環境に通じる気体通口７を開設してあると、液状試薬３の注入操作時に、注入された液状試薬３の容量ぶんだけ反応室５内に存する内部気体を外部に逃がすことができる。このため、従来の反応室５を密閉空間としていたチップ形態では不可避であった、内圧の急激な増加に伴って、注入口６とシール体１６との接合面、あるいはシール体１６と注射管１９との接触面から液洩れすることを確実に防ぐことができる。また、内圧の増加に起因して、マイクロシリンジ１７や注射管１９内に液状試薬３が残留するおそれもない。さらに液状試薬３が反応室５内で揮発しても、内圧が上昇するおそれがなく、この点でも液洩れを防ぐことができる。かくして、この流体デバイスを用いれば、液状試薬３の液洩れや、マイクロシリンジ１７内に液状試薬３が残留することを効果的に防いで、反応・分析に供される液状試薬３を一定量とできるので、反応・分析精度の向上、およびその再現性の向上を図ることができる。

加えて、注入口６を反応室５よりも下方位置に設けるとともに、気体通口７を反応室５よりも上方位置に設けてあると、反応室５の内部気体を上方へ逃がしながら、液状試薬３の注入操作を行うことができる。したがって、液状試薬３が内部気体を巻き込むことに起因する泡の発生の確実に抑えることができる。これは混合や攪拌などの反応・分析作業の作業効率の向上に資する。

気体通口７にフィルター２０を装着してあると、反応室５内への塵埃の侵入を防いで、液状試薬と塵埃との接触を効果的に防ぐことができる。とくに気体流路１３を連通流路１５から垂直方向に分岐して設けてあると、万が一、気体通口７から塵埃が侵入した場合であっても、気体流路１３を落下した塵埃は両流路１３・１５の連結部にかかる連通流路１５上に留まることとなり有利である。

上記第１実施形態において、気体流路１３には、弁を装着することができる。弁の素材は、可撓性を有するものであればとくに制限はなく、具体的にはゴム材、プラスチックフィルム、金属薄板等を挙げることができる。気体流路１３を区画する第１基板１ａ側の外部連通溝１２や、第２基板１ｂの該溝１２への対向壁面に、弁を装着するためのスリットを設けてもよい。

（第２実施形態）
図４および図５に、本発明の第２実施形態を示す。そこでは、第１および第２基板１ａ・１ｂを対向状に貼り合わせてなるチップ本体２の内部に、一つの反応室５が設けられており、チップ本体２の前面に一つの注入口６が開設されている。それ以外の構成は、第１実施形態と実質的に同様であるので、同一部材には同符号を付けて、その説明を省略する。

（第３実施形態）
図６および図７に、本発明の第３実施形態を示す。そこでは、第１および第２基板１ａ・１ｂを対向状に貼り合わせてなるチップ本体２の内部に、一つの反応室５が設けられており、チップ本体２の前面に注入口６と気体通口７とが開設されている。そこでは、反応室５の下端に臨む第２基板１ｂの主壁面に注入口６が設けられており、反応室５の上端に臨む第２基板１ｂの主壁面に気体通口７が設けられている。それ以外の構成は、第１実施形態と実質的に同様であるので、同一部材には同符号を付けて、その説明を省略する。

本発明の第１実施形態に係る流体デバイスの正面図 流体デバイスの分解斜視図 図１のＡ−Ａ線断面図 本発明の第２実施形態に係る流体デバイスの正面図 図４のＢ−Ｂ線断面図 本発明の第３実施形態に係る流体デバイスの正面図 図６のＣ−Ｃ線断面図

符号の説明

２ チップ本体
３ 液状試薬
５ 反応室
６ 注入口
７ 気体通口
１６ シール体
２０ フィルター

Claims (4)

1. 液状試薬を収容する反応室が扁平状のチップ本体の内部に設けられていて、前記反応室に液状試薬を注入するための注入口が前記チップ本体の外壁に開設されている流体デバイスであって、
   前記注入口は、前記反応室の下端部分、あるいは前記反応室よりも下方位置に設けられており、該注入口は弾性材製のシール体で密封状に封止されており、
   前記反応室の上端部分、あるいは前記反応室よりも上方位置にかかるチップ本体の外壁に、外部環境と反応室とを連通する気体通口が開設されていることを特徴とする流体デバイス。
2. 液状試薬を収容する複数個の反応室が扁平状のチップ本体の内部に設けられており、
   前記反応室の下端部分、あるいは該反応室よりも下方位置にかかる前記チップ本体の外壁に、該反応室に液状試薬を注入するための注入口が開設されており、
   前記注入口は弾性材製のシール体で密封状に封止されており、
   前記反応室の上端部分、あるいは前記反応室よりも上方位置にかかるチップ本体の外壁に、外部環境と反応室とを連通する気体通口が開設されていることを特徴とする流体デバイス。
3. 前記反応室の上端部には、反応室どうしを連通する連通流路が水平方向に設けられており、
   前記連通流路の中央部から、前記気体通口に至る気体流路が分岐されている請求項２記載の流体デバイス。
4. 前記気体通口に、塵埃侵入防止用のフィルターが装着されている請求項１乃至３のいずれかに記載の流体デバイス。

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