JP2006326482A - マイクロチップにおける流体流れ制御装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロチップに接続するバルブを最低限必要な数とするとともに、マイクロチップそのものへの加工を不要にして、簡素な構成でマイクロチップ内の微小流路での流体の流れ状態を制御できるようにする。
【解決手段】 マイクロチップ１は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）等の弾性材料からなるベースプレート３に微小な溝（チャネル）４を形成し、そのベースプレート３にガラスからなるカバープレート５を貼り合わせて微小流路６を構成したものである。そして、弾性材料からなるベースプレート３の微小流路６上の部位をピン２の先端で押圧し、その部位を微小流路６側に弾性変形させて、微小流路６の断面積を変化させることにより、微小流路６での流体の流れ状態を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロチップ内の微小流路での流体の流れ状態を制御するマイクロチップにおける流体流れ制御装置及び方法に関する。

近年、μ−ＴＡＳ（Micro Total Analysis Systems）やＬＯＣ（Lab-on-a-chip）と称される、マイクロチップを用いた分析が注目されている。マイクロチップとは、図８に示すように、ガラスや樹脂からなるベースプレート８０１に微細加工技術を利用して微小な溝（チャネル）８０２を形成し、そのベースプレート８０１にカバープレート８０３を貼り合わせて微小流路８０４を構成したものである。この種のマイクロチップを用いた分析では、試薬・サンプル等の試料や廃液の微量化、反応の高速化や高精度化等が期待され、例えばＤＮＡやＲＮＡといった遺伝子断片の鎖長解析等への適用が可能である。

ところで、マイクロチップを用いて分析を行うに際しては、微小流路８０４での流体の流れ状態を制御することが重要な課題の一つとされる。

例えば、マイクロチップの外部に電磁弁等のバルブを設置し、そのバルブをマイクロチップ内の微小流路８０４に接続して、微小流路８０４での流体の流れ状態を制御することが行われている。

また、特許文献１等には、マイクロチップ上にモータを設置するとともに、マイクロチップに穴を形成し、その穴から微小流路に弁体を内挿するバルブ機構を構成して、微小流路の断面積を可変とすることが開示されている。

特開２００５−８５１号公報

しかしながら、マイクロチップ内への試料の導入や廃液の排出のためのバルブ以外に、微小流路８０４での流体の流れ状態を制御する目的でマイクロチップの外部にバルブを設置する場合、マイクロチップにバルブを接続するための配管が増えて、全体として大型化するだけでなく、試料や廃液の微量化、反応の高速化や高精度化等の妨げになってしまう。また、微小流路８０４には、バッファ液とともに固形試料（例えばマイクロビーズや細胞等の生体試料）を流通させることもあり、その場合、バルブの内部に固形試料が混入して、バルブの耐久性が損なわれやすくなってしまう。

一方、特許文献１等にあるようにマイクロチップ自体にバルブを設ける場合、マイクロチップそのものへの加工等が必要となり、コストが高くなって、量産に適さなくなってしまう。

本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、マイクロチップに接続するバルブを最低限必要な数とするとともに、マイクロチップそのものへの加工を不要にして、簡素な構成でマイクロチップ内の微小流路での流体の流れ状態を制御できるようにすることを目的とする。

本発明によるマイクロチップにおける流体流れ制御装置は、微小な溝が形成されたベースプレートにカバープレートを貼り合わせて微小流路を構成するとともに、前記ベースプレート及び前記カバープレートのうち少なくともいずれか一方を弾性材料としたマイクロチップにおける流体流れ制御装置であって、前記弾性部材からなるベースプレート或いはカバープレートの一部を押圧し、前記微小流路の断面積を変化させて、当該微小流路での流体の流れ状態を制御する押圧部材を備えた点に特徴を有する。
本発明によるマイクロチップにおける流体流れ制御方法は、微小な溝が形成されたベースプレートにカバープレートを貼り合わせて微小流路を構成するとともに、前記ベースプレート及び前記カバープレートのうち少なくともいずれか一方を弾性材料としたマイクロチップにおける流体流れ制御方法であって、前記弾性部材からなるベースプレート或いはカバープレートの一部を押圧部材により押圧し、前記微小流路の断面積を変化させて、当該微小流路での流体の流れ状態を制御する点に特徴を有する。

本発明によれば、弾性部材からなるベースプレート或いはカバープレートの一部を押圧部材により押圧し、前記微小流路の断面積を変化させて、当該微小流路での流体の流れ状態を制御するようにしたので、マイクロチップに接続するバルブを最低限必要な数とするとともに、マイクロチップそのものへの加工を不要にして、簡素な構成でマイクロチップ内の微小流路での流体の流れ状態を制御することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は、本発明の特徴を最もよく表わす図であり、マイクロチップ１とピン２との関係を示す。本実施形態のマイクロチップ１は、図１（ａ）に示すように、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）等の弾性材料からなるベースプレート３に微小な溝（チャネル）４を形成し（深さ２００μｍ程度、幅４００μｍ程度までの大きさ）、そのベースプレート３にガラスからなるカバープレート５を貼り合わせて微小流路６を構成したものである。

そして、図１（ｂ）に示すように、弾性材料からなるベースプレート３の一部、具体的には微小流路６上の部位をピン２の先端で押圧し、その部位を微小流路６側に弾性変形させて、微小流路６の断面積を変化させることにより、微小流路６での流体の流れ状態を制御する。このことから明らかなように、本発明でいう弾性材料とは、一部を押圧したときに、その部位を微小流路側に弾性変形させて微小流路の断面積を変化させることができる程度の弾性を有する材料を意味する。

以下、本実施形態のマイクロチップにおける流体流れ制御装置及び方法について詳細に説明する。図２に示すように、マイクロチップ１の適所には、ベースプレート３を貫通するポート７、８、９、１０が形成されている。そして、マイクロチップ１内には、ポート７、８間をつなぐとともに中間位置で反応場６ｄを構成する微小流路６と、反応場６ｄよりポート７側にて微小流路６をポート９につなぐ微小流路１１と、反応場６ｄよりポート８側にて微小流路６をポート１０につなぐ微小流路１２とが構成されている。

図２に示す例では、ポート７をサンプル供給口、ポート８をサンプル取出口とする。

また、ポート９を外部配管１３を介して三方弁１４に接続する。三方弁１４は、ポート９、バッファ１５、三方弁１９をつなぐ形で配設されたものであり、接続口１４ａがポート９に、接続口１４ｂがバッファ１５に、接続口１４ｃが三方弁１９に接続する。

また、ポート１０を外部配管１６を介して三方弁１７に接続する。三方弁１７は、ポート１０、バッファ１８、三方弁１９をつなぐ形で配設されたものであり、接続口１７ａがポート１０に、接続口１７ｂがバッファ１８に、接続口１７ｃが三方弁１９に接続する。

三方弁１９は、三方弁１４、三方弁１７、シリンジポンプ２０をつなぐ形で配設されたものであり、接続口１９ａがシリンジポンプ２０に、接続口１９ｂが三方弁１７に、接続口１９ｃが三方弁１４に接続する。

このようにしたマイクロチップ１では、微小流路６のうち反応場６ｄまで延びる流路部分（往路及び復路）６ａと、微小流路６のうち微小流路１１との接続位置より上流側（サンプル供給口であるポート７側）の流路部分６ｂと、微小流路６のうち微小流路１２との接続位置より下流側（サンプル取出口であるポート８側）の流路部分６ｃとが平行に並ぶ箇所ができる。そして、その箇所において、流路部分（往路及び復路）６ａでの流体の流れ状態と、流路部分６ｂでの流体の流れ状態と、流路部分６ｃでの流体の流れ状態とを、それぞれ図１で説明した原理により制御することにしている。

図３〜５に、マイクロチップにおける流体流れ制御装置の構成例を示す。図３〜５に示すように、ケーシング１０２に取り付けられたモータ１０１の出力軸１０１ａと、ケーシング１０２により回転可能に支持されたカムシャフト１０３とがカップリング１０４を介して同軸上に連結する。

カムシャフト１０３には、３つのカム１０５ａ〜１０５ｃが所定の間隔をあけて連設される。詳しくは後述するが、カム１０５ａの形状は、流路部分（往路及び復路）６ａでの流体の流れを所定のタイミングで止めたり（閉状態）、許容したり（開状態）するように設計されている。また、カム１０５ｂの形状は、流路部分６ｂでの流体の流れを所定のタイミングで止めたり（閉状態）、許容したり（開状態）するように設計されている。また、カム１０５ｃの形状は、流路部分６ｃでの流体の流れを所定のタイミングで止めたり（閉状態）、許容したり（開状態）するように設計されている。

カム１０５ａ〜１０５ｂの下方には、図５に示すように上下一対の板バネ１０６ｕ、１０６ｌがそれぞれ配置される。上下一対の板バネ１０６ｕ、１０６ｌは、それらの一端が支持されるとともに、それらの他端がちょうど各カム１０５ａ〜１０５ｃの下方に位置し、その位置で板バネ１０６ｕ、１０６ｌ間にスペーサ１０７が設けられている。

また、ケーシング１０２内には３本のシャフト１０８が収容される。これらシャフト１０８の上端は下側の板バネ１０６ｌを貫通してスペーサ１０７にそれぞれ連結し、下端にはピン２ａ〜２ｃがそれぞれ連結する。各ピン２ａ〜２ｃは、ケーシング１０２の下部に形成されたガイド穴を介して進退可能となっている。

ピン２ａ〜２ｃの先端部分には一対の傾斜面が形成されており、先端面が細長い矩形状となっている。すなわち、細長い矩形状をなす先端面がマイクロチップ１のベースプレート３に押圧されることになるが、その場合に、矩形状をなす先端面の長手方向が流路部分６ａ〜６ｃの幅方向に一致するようになっている。本実施形態では、流路部分６ａ用のピン２ａが２本分の微小流路（往路及び復路）での流体流れを制御するので、その両側のピン２ｂ、２ｃに比べて先端が幅広に加工されている。

なお、本実施形態では、ピン２ａ〜２ｃの先端面が細長い矩形状となる例を説明したが、例えば図１に示すようにピン２の先端をテーパ状に加工し、先端面が小径の円状となるようにしてもよい。

このようにしたマイクロチップにおける流体流れ制御装置では、モータ１０１が駆動してカムシャフト１０３が回転すると、カムシャフト１０３とともにカム１０５ａ〜１０５ｃが回転する。カム１０５ａ〜１０５ｃの回転に伴って各カム１０５ａ〜１０５ｃの円弧面Ｒ（図３（ｂ）を参照）が上側の板バネ１０６ｕに接触すると、板バネ１０６ｕ、１０６ｌが弾性変形して、シャフト１０８さらにはピン２ａ〜２ｃが下方に移動する。これによりピン２ａ〜２ｃの先端がマイクロチップ１のベースプレート３を押圧し、その部位を弾性変形させて、流路部分６ａ〜６ｃの断面積を略ゼロにすることにより、微小流路６の流路部分６ａ〜６ｃでの流体の流れが止められる（閉状態）。

そして、カム１０５ａ〜１０５ｃの回転に伴って各カム１０５ａ〜１０５ｃの円弧面Ｒ以外の面が上側の板バネ１０６ｕから離れたときには、板バネ１０６ｕ、１０６ｌが弾性復帰して、シャフト１０８さらにはピン２ａ〜２ｃが上方に移動する。これによりピン２ａ〜２ｃの先端がマイクロチップ１のベースプレート３から離れ、その部位が弾性復帰して、流路部分６ａ〜６ｃの断面積を元の断面積に戻すことにより、微小流路６の流路部分６ａ〜６ｃでの流体の流れが許容される（開状態）。

次に、図６、７Ａ〜７Ｅを参照して、本実施形態における流体の流れ状態の制御について説明する。

まず、カム１０５ａ〜１０５ｃを図３に示す原点位置とし、流路部分６ａ〜６ｃをいずれも開状態とする（ステップＳ１０１）。

その状態で、シリンジポンプ２０内へバッファ１５からバッファ液を導入する（ステップＳ１０２）。すなわち、図７Ａに示すように、三方弁１４において接続口１４ａを閉じるとともに接続口１４ｂ、１４ｃを開き、また、三方弁１７において接続口１７ａ〜１７ｃすべてを閉じ、また、三方弁１９において接続口１９ｂを閉じるとともに接続口１９ａ、１９ｃを開き、シリンジポンプ２０で吸引を行う。これにより、図中矢印で示すように、シリンジポンプ２０内へバッファ１５からバッファ液を導入することができる。なお、バッファ液は、サンプルがシリンジポンプ２０等に直接触れることがないようにするためのキャリア用の液体として使用されるものである。

次に、カム１０５ａ〜１０５ｃを図４に示す６０度回転位置とし、流路部分６ａを開状態、流路部分６ｂ、６ｃを閉状態とする（ステップＳ１０３）。

その状態で、マイクロチップ１内へバッファ液を充填する（ステップＳ１０４）。すなわち、図７Ｂに示すように、三方弁１４において接続口１４ｂを閉じるとともに接続口１４ａ、１４ｃを開き、また、三方弁１７において接続口１７ｃを閉じるとともに接続口１７ａ、１７ｂを開き、また、三方弁１９において接続口１９ｂを閉じるとともに接続口１９ａ、１９ｃを開き、シリンダポンプ２０内のバッファ液を吐出する。これにより、図中矢印で示すように、マイクロチップ１内へバッファ液を充填することができる。

次に、図示は省略するが、カム１０５ａ〜１０５ｃを１２０度回転位置とし、流路部分６ａ、６ｂを開状態、流路部分６ｃを閉状態とする（ステップＳ１０５）。

その状態で、マイクロチップ１内へサンプルを吸引する（ステップＳ１０６）。すなわち、図７Ｃに示すように、三方弁１４において接続口１４ａ〜１４ｃすべてを閉じ、また、三方弁１７において接続口１７ｂを閉じるとともに接続口１７ａ、１７ｃを開き、また、三方弁１９において接続口１９ｃを閉じるとともに接続口１９ａ、１９ｂを開き、シリンジポンプ２０で吸引を行う。これにより、図中矢印で示すように、サンプル供給口であるポート７からマイクロチップ１内へサンプルを吸引することができる。

次に、図示は省略するが、カム１０５ａ〜１０５ｃを１８０度回転位置とし、流路部分６ａを開状態とする（ステップＳ１０７）。この場合は、流路部分６ｂ、６ｃが開状態であっても、閉状態であってもよい。

その状態で、反応場６ｄでの反応が開始される（ステップＳ１０８）。この場合、図７Ｄに示すように、三方弁１４において接続口１４ａ〜１４ｃすべてを閉じ、また、三方弁１７において接続口１７ａ〜１７ｃすべてを閉じ、また、三方弁１９において接続口１９ａ〜１９ｃすべてを閉じておく。

次に、所定の時間が経過して反応が終了した後（ステップＳ１０９）、図示は省略するが、カム１０５ａ〜１０５ｃを２４０度回転位置とし、流路部分６ａ、６ｃを開状態、流路部分６ｂを閉状態とする（ステップＳ１１０）。

その状態で、マイクロチップ１内から反応後のサンプルを取り出す（ステップＳ１１１）。すなわち、図７Ｅに示すように、三方弁１４において接続口１４ｂを閉じるとともに接続口１４ａ、１４ｃを開き、また、三方弁１７において接続口１７ａ〜１７ｃすべてを閉じ、また、三方弁１９において接続口１９ｂを閉じるとともに接続口１９ａ、１９ｃを開き、シリンジポンプ２０で吐出を行う。これにより、図中矢印で示すように、マイクロチップ１内からサンプル排出口であるポート８を介して反応後のサンプルを取り出すことができる。

以上述べたように、弾性部材からなるベースプレート３の微小流路６上の部位をピン２ａ〜２ｃにより押圧し、各流路部分６ａ〜６ｃの断面積を変化させて、各流路部分６ａ〜６ｃでの流体の流れ状態を制御することができる。これにより、マイクロチップに接続するバルブを最低限必要な数とするとともに、マイクロチップそのものへの加工を不要にして、簡素な構成でマイクロチップ内の微小流路での流体の流れ状態を制御することができる。

なお、上記実施形態では、微小流路６での流体の流れ状態の制御として、微小流路６の断面積を略ゼロとして閉状態とするか、全開放として開状態とする開閉バルブの機能を持たせるようにした例を説明したが、単に開閉を行うだけでなく、ピン２の押圧の程度を変えることにより微小流路６の断面積をより細かく変化させるようにして、流量や流速を調整するバルブの機能を持たせることも可能である。

以上、本発明を実施形態とともに説明したが、本発明は実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。例えば上記実施形態で説明したマイクロチップ１は一例に過ぎず、ベースプレート３及びカバープレート５のうち少なくともいずれか一方を弾性材料としたものであれば、その材質や微小流路の配置等はどのようなものであってもかまわない。この場合に、上記実施形態ではベースプレート３を押圧するようにしたが、カバープレート５が弾性材料からなるものであれば、カバープレート５を押圧するようにしてもよい。

マイクロチップとピンとの関係を示す図である。 本実施形態でのマイクロチップを示す平面図である。 マイクロチップにおける流体流れ制御装置の構成例を示す図である。 マイクロチップにおける流体流れ制御装置の構成例を示す図である。 マイクロチップにおける流体流れ制御装置の構成例を示す図である。 本実施形態における流体の流れ状態の制御について説明するためのフローチャートである。 本実施形態における流体の流れ状態の制御の一手順を説明するための図である。 本実施形態における流体の流れ状態の制御の一手順を説明するための図である。 本実施形態における流体の流れ状態の制御の一手順を説明するための図である。 本実施形態における流体の流れ状態の制御の一手順を説明するための図である。 本実施形態における流体の流れ状態の制御の一手順を説明するための図である。 マイクロチップの構造を示す断面図である。

符号の説明

１ マイクロチップ
２、２ａ〜ｃ ピン
３ ベースプレート
４ 溝（チャネル）
５ カバープレート
６ 微小流路
１０１ モータ
１０２ ケーシング
１０３ カムシャフト
１０４ カップリング
１０５ａ〜１０５ｃ カム
１０６ｕ、１０６ｌ 板バネ
１０７ スペーサ
１０８ シャフト

Claims (6)

1. 微小な溝が形成されたベースプレートにカバープレートを貼り合わせて微小流路を構成するとともに、前記ベースプレート及び前記カバープレートのうち少なくともいずれか一方を弾性材料としたマイクロチップにおける流体流れ制御装置であって、
   前記弾性部材からなるベースプレート或いはカバープレートの一部を押圧し、前記微小流路の断面積を変化させて、当該微小流路での流体の流れ状態を制御する押圧部材を備えたことを特徴とするマイクロチップにおける流体流れ制御装置。
2. 前記押圧部材はピンであり、前記ピンの先端で前記弾性部材からなるベースプレート或いはカバープレートを押圧することを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップにおける流体流れ制御装置。
3. 前記押圧部材を前記弾性部材からなるベースプレート或いはカバープレートに押圧したり、離したりする駆動機構を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロチップにおける流体流れ制御装置。
4. 前記駆動機構は、カムと、前記カムを回転させるための駆動源とを含み、前記カムの回転により前記押圧部材を進退させて、前記弾性部材からなるベースプレート或いはカバープレートに押圧したり、離したりすることを特徴とする請求項３に記載のマイクロチップにおける流体流れ制御装置。
5. 一つの駆動源により複数のカムを回転させる構成とし、各カムの回転により複数の押圧部材をそれぞれのタイミングで進退させることを特徴とする請求項４に記載のマイクロチップにおける流体流れ制御装置。
6. 微小な溝が形成されたベースプレートにカバープレートを貼り合わせて微小流路を構成するとともに、前記ベースプレート及び前記カバープレートのうち少なくともいずれか一方を弾性材料としたマイクロチップにおける流体流れ制御方法であって、
   前記弾性部材からなるベースプレート或いはカバープレートの一部を押圧部材により押圧し、前記微小流路の断面積を変化させて、当該微小流路での流体の流れ状態を制御することを特徴とするマイクロチップにおける流体流れ制御方法。

Images