JP2007196090A - マイクロ流路デバイス及び液体の送液方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】一方側から他方側に液体Wを送液するものであって、基板5と、該基板上に被膜され、特定温度を境にして親水性と疎水性とが反転する性質を有すると共に液体が供給されてくる温度応答性高分子膜6と、該温度応答性高分子膜を特定温度以上に加熱して、親水性領域と疎水性領域とを区分けさせる加熱手段7とを備え、該加熱手段が、加熱を行う際に、温度応答性高分子膜の全面領域をマトリックス状に複数に小分けした各微小エリアのうち、所望する微小エリアのみを加熱するマイクロ流路デバイス1を提供する。
【選択図】図1
Description
特に、創薬研究の分野において、タンパク質の発現・機能解析やスクリーニング等が、創薬に直結する重要なテーマとされている。そのため、ハンドリングせずに、例えば、まず、細胞を流して所定の位置に持っていき、その細胞に向けてタンパク質を含む溶液を送液させたりすることが求められている。
このマイクロ液滴輸送デバイスは、親水面と疎水面とで構成された流路を備えており、親水面に対して疎水面を除した値を、上流から下流に向けて連続的に増加させている。このマイクロ液滴輸送デバイスによれば、上流から下流に向けて親水面の割合が徐々に増加するので、液体、即ち、マイクロ液体が流路に沿って送液される。
即ち、従来のマイクロ流路は、予め設計段階で決めたパターン、若しくは、ユーザが予め任意に選択したパターン通りに、流路パターンが形成されるので、液滴や液体をそのパターン通りにしか送液することができない。ここで、サンプル溶液等の分析や実験を行う際に、例えば、多角的な反応や複数の反応を行わせるために、流路パターンを変化させたいというニーズがあるが、従来のものはこのようなニーズに応えることができない。そのため、複数の異なるパターンのマイクロ流路を予め多数用意し、分析や実験の用途に応じて、その都度取り替える必要があった。そのため、手間と時間がかかると共に、使い難く、効率のよい分析、実験を行うことができなかった。
本発明のマイクロ流路デバイスは、一方側から他方側に液体を送液するマイクロ流路デバイスであって、基板と、該基板上に被膜され、特定温度を境にして親水性と疎水性とが反転する性質を有すると共に前記液体が供給されてくる温度応答性高分子膜と、該温度応答性高分子膜を前記特定温度以上に加熱して、親水性領域と疎水性領域とを区分けさせる加熱手段とを備え、該加熱手段が、前記加熱を行う際に、前記温度応答性高分子膜の全面領域をマトリックス状に複数に小分けした各微小エリアのうち、所望する微小エリアのみを加熱するマイクロ流路デバイスを特徴とするものである。
また、油性の液体の場合には、疎水性領域上を流れる性質を有しているので、疎水性領域を1つ形成すれば良い。この場合には、油性の液体は、親水性領域に触れた時点で弾かれて疎水性領域側に戻ってくるので、結果的に疎水性領域に沿って進む。
このように、本発明に係るマイクロ流路デバイスによれば、用途に応じて流路パターンを自在に変化させて対応することができるので、簡便で使い易く、効率のよい分析、実験を行うことができる。
また、この供給工程と同時に、温度応答性高分子膜を特定温度(例えば、32℃)以上に加熱する加熱工程を行う。この際、温度応答性高分子膜の全面領域をマトリックス状(格子状)に複数小分けした各微小エリアのうち、所望する微小エリアのみを加熱する。これにより、温度応答性高分子膜は、加熱された部分のみが親水性から疎水性に反転して切り替わる。つまり、温度応答性高分子膜には、所望する微小エリアに沿って疎水性領域が形成される。
また、油性の液体の場合には、疎水性領域上を流れる性質を有するので、疎水性領域を1つ形成すれば良い。この場合には、油性の液体は、親水性領域に触れた時点で弾かれて疎水性領域側に戻ってくるので、結果的に疎水性領域に沿って進むことになる。
このように、本発明に係る液体の送液方法によれば、用途に応じて流路パターンを自在に変化させて対応することができるので、簡便で使い易く、効率のよい分析、実験を行うことができる。
次いで、一定時間(例えば、凝集が終了するまでの間)経過した後、二次加熱工程で加熱した微小エリアの加熱を停止させて、流路パターンの閉塞状態を解く加熱停止工程を行う。これにより、血液成分のうち、凝集された固体成分を除く液体成分(血漿成分)のみが、再度流路パターンに沿って他端側に送液される。その結果、容易且つ確実に血漿成分を血液から分離して取り出しながら送液を行うことができる。
このように、液体の送液を一時的に停止させることで、単に液体を送液させるだけでなく、同時に途中で各種の処理を行うこともできる。
本実施形態のマイクロ流路デバイス1は、一方側から他端側に液体Wを送液するものである。具体的には、例えば一端側に位置する図示しない供給口から供給された液体Wを、他端側に位置する図示しない反応槽に向けて送液し、反応槽を利用して液体Wの分析や実験等を行うものである。なお、液体Wとしては、例えば、反応原液、希釈液、反応性生成物溶液、検査原液、緩衝液、アナライト液、血液、体液や細胞を含む溶液やタンパク質等の有機化合物を含む溶液等である。
制御基板12上には、図1に示すように、組み込まれた複数のヒータ10を保護する保護膜13が施されている。また、制御基板12の下面には、蓄熱基板14を介してフィン等の放熱機構15が取り付けられている。これにより、制御基板12の放熱性を高めて、加熱を希望しないヒータ10に過度に熱が篭らないようになっている。
なお、これら制御基板12、保護膜13、蓄熱基板14及び放熱機構15は、マイクロチップ2の下面側に重ね合わされる上記制御用基板3を構成している。
本実施形態の液体の送液方法は、温度応答性ポリマー6上に液体Wを供給する供給工程と、温度応答性ポリマー6の選択した微小エリアEを32℃以上に加熱して、親水性領域S1と疎水性領域S2とを区分けして流路パターンPを形成し、該流路パターンPに沿って液体Wを送液させる加熱工程とを備えている。なお、上述したように本実施形態では、温度応答性ポリマー6を、液体Wを間に挟んで一定の距離を空けて対向するように2つ配置した状態で滴下工程及び加熱工程を行う。
これら各工程について、以下に詳細に説明する。
また、これと同時に加熱手段7によって、天板用マイクロチップ2’及びマイクロチップ2の温度応答性ポリマー6を共に32℃以上に加熱する。具体的には、図2及び図3に示すように、制御基板12の内部にマトリックス状に組み込まれた複数のヒータ10のうち、一端側から基端側に向かって一定距離離間して平行に並んだヒータ10を加熱する。これらヒータ10が発する熱は、保護膜13及び流路用基板5を介して、加熱されたヒータ10にそれぞれ対向配置された温度応答性ポリマー6の微小エリアEをそれぞれ加熱させる。
また、液体Wは、天板用マイクロチップ2’とマイクロチップ2との間に挟まれているので、流路抵抗が極力低減された状態となる。よって、より正確に流路パターンPに沿って液体Wを送液することができると共に、より速やかに送液を行うことができる。
例えば、流路パターンPに沿って送液されている液体Wを、一端側から他端側に向けて押し出すように流路パターンPを形成しても構わない。
即ち、この場合の液体の送液方法は、加熱工程が、一定距離を空けた状態で平行に疎水性領域S2が形成されるように、微小エリアEを32℃以上に加熱して流路パターンPを形成する一次加熱工程と、該一次加熱工程後、一端側において流路パターンPを横切るように微小エリアEを32℃以上に加熱すると共に、これら加熱した微小エリアEが他端側に向けて徐々に移動するように、加熱した微小エリアEに隣接する微小エリアEを他端側に向けて順次32℃以上に加熱させる二次加熱工程とを備えている。
ここで、上記二次加熱工程を行うことで、図4(b)及び図4(c)に示すように、流路パターンPを横切る疎水性領域S2を、流路パターンPの一端側から他端側に向けて徐々に移動させることができる。その結果、流路パターンPに沿って送液されている液体Wを、一端側から他端側に向けて押し出すことができる。よって、液体Wを流路パターンP上に残すことなく、完全に他端側に向けて押し出して送液を行うことができる。そのため、無駄なく液体Wを送液でき、ランニングコストの低減化を図ることができる。
即ち、この場合の液体の送液方法は、加熱工程が、一定距離を空けた状態で平行に疎水性領域S2が形成されるように、微小エリアEを32℃以上に加熱して流路パターンPを形成する一次加熱工程と、該一次加熱工程後、一端側及び他端側の両端において流路パターンPを横切るように、微小エリアEを32℃以上に加熱する二次加熱工程と、該二次加熱工程後、一定時間経過した後に、二次加熱工程で加熱した微小エリアEの加熱を停止して32℃以下にさせる加熱停止工程とを備えている。
まず一次加熱工程を行うことで、図5(a)に示すように、上記第1実施形態と同様に一端側から他端側に向かう流路パターンPを形成することができる。これにより血液Wは、この流路パターンPに沿って他端側に送液される。次いで、二次加熱工程を行うことで、図5(b)に示すように、流路パターンPの両端において流路パターンPを横切るように微小エリアEが加熱されるので、流路パターンPが塞がれた状態となる。よって、送液されていた血液Wは、送液が停止されてその場に留まった状態となる。これにより、血液Wは凝集が始まる。
その結果、容易且つ確実に血漿成分のみ血液Wから分離して取り出しながら送液を行うことができる。このように、液体Wの送液を一時的に停止させることで、単に液体Wを送液させるだけでなく、同時に途中で各種の処理を行うことができる。
例えば、図6に示すように、図示しない2つの供給口にそれぞれ繋がるように、一端側に2つの流路パターンPを形成すると共に、これら2つの流路パターンPを途中で合流させて、他端側に位置する図示しない反応槽に繋げても構わない。
こうすることで、2つの供給口からそれぞれ供給された種類の異なる液体Wを途中で混合させた後に、他端側に送液させたり、最初の液体Wを他端側に送液した後、必要に応じて次の液体Wを送液させたりすることができる。このように、より多角的な分析や実験等を行うことができる。
この場合の液体の送液方法は、加熱工程の際に、液体Wの周囲を囲むように、微小エリアEを32℃以上の温度に加熱すると共に、これら加熱した微小エリアEが他端側に向けて徐々に移動するように、加熱した微小エリアEに隣接する微小エリアEを他端側に向けて順次32℃以上に加熱させる。
特に、液体Wを必要な量だけ液滴状態で送液できるので、液体Wを無駄に使用することがなく、より効率良く分析や実験等を行うことができる。
第2実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では、温度応答性ポリマー6が被膜される流路用基板5が単なる基板であったのに対し、第2実施形態のマイクロ流路デバイス20の流路用基板21は、複数のヒータ10から温度応答性ポリマー6に向かう厚み方向Xへの熱伝導性が、厚み方向Xに直交する平面方向Yよりも優れている異方性の基板である点である。
第1実施形態では、ヒータ10により温度応答性ポリマー6を加熱したが、第3実施形態では、レーザ光Lにより温度応答性ポリマー6の微小エリアEを加熱する点である。
特に、レーザ光Lを利用するので、流路用基板5から離間した位置からでも、温度応答性ポリマー6に対して熱を局所的に正確に与えることができる。そのため、流路用基板5とレーザ光源32とを、近接した位置に配置する必要がないので、設計の自由度を向上することができる。
第4実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では、マイクロチップ2と制御用基板3とを重ね合わせることで、マイクロ流路デバイス1を構成していたが、第4実施形態のマイクロ流路デバイス40は、温度応答性ポリマー6とヒータ10とが1枚の基板、即ち、マイクロチップ41内に組み込まれている点である。
即ち、本実施形態のマイクロ流路デバイス40は、図11に示すように、流路用基板5上に、複数のヒータ10がマトリックス状に配された制御基板12が積層されている。また、この制御基板12上に、保護膜13を介して温度応答性ポリマー6が被膜されている。そして、これら流路用基板5、制御基板12、保護膜13及び温度応答性ポリマー6により、マイクロチップ41を構成している。
第5実施形態と第4実施形態との異なる点は、第4実施形態では、単にヒータ10により温度応答性ポリマー6を加熱する構成であったが、第5実施形態のマイクロ流路デバイス50は、温度応答性ポリマー6の実際の加熱状況を検知して温度調整を行う点である。
温度測定部51は、例えば、温度応答性ポリマー6内の各微小エリアEにそれぞれ埋め込まれた図示しない温度センサに基づいて、温度応答性ポリマー6の各微小エリアEの温度をそれぞれ検知しており、その結果を制御部52に出力している。制御部52は、温度測定部51からの測定結果を受けて、加熱されたヒータ10に対向する微小エリアEが確実に32℃以上の温度に達しているか否か、また、加熱を希望しない微小エリアEが周囲の温度の影響により32℃以上の温度に上昇していないか等を判断する。
L レーザ光
P 流路パターン
S1 親水性領域
S2 疎水性領域
W 液体
1、20、30、40、50 マイクロ流路デバイス
5 流路用基板(基板)
6 温度応答性ポリマー(温度応答性高分子膜)
7、31 加熱手段
10 ヒータ
11 ヒータ制御部(加熱制御部)
32 レーザ光源
33 レーザ制御部(加熱制御部)
51 温度測定部
52 制御部
Claims (13)
- 一方側から他方側に液体を送液するマイクロ流路デバイスであって、
基板と、
該基板上に被膜され、特定温度を境にして親水性と疎水性とが反転する性質を有すると共に前記液体が供給されてくる温度応答性高分子膜と、
該温度応答性高分子膜を前記特定温度以上に加熱して、親水性領域と疎水性領域とを区分けさせる加熱手段とを備え、
該加熱手段は、前記加熱を行う際に、前記温度応答性高分子膜の全面領域をマトリックス状に複数に小分けした各微小エリアのうち、所望する微小エリアのみを加熱することを特徴とするマイクロ流路デバイス。 - 請求項1に記載のマイクロ流路デバイスにおいて、
前記加熱手段は、前記複数の微小エリアのそれぞれに対向するように配された複数のヒータと、該複数のヒータをそれぞれ制御する加熱制御部とを備えていることを特徴とするマイクロ流路デバイス。 - 請求項2に記載のマイクロ流路デバイスにおいて、
前記基板は、前記複数のヒータから前記温度応答性高分子膜に向かう厚み方向への熱伝導性が、該厚み方向に直交する平面方向よりも優れている異方性の基板であることを特徴とするマイクロ流路デバイス。 - 請求項1に記載のマイクロ流路デバイスにおいて、
前記加熱手段は、前記所望する微小エリアに対して、レーザ光を照射して加熱させるレーザ光源と、該レーザ光源を制御する加熱制御部とを備えていることを特徴とするマイクロ流路デバイス。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載のマイクロ流路デバイスにおいて、
前記基板及び前記温度応答性高分子膜を2つ備え、前記温度応答性高分子膜が前記液体を間に挟んだ状態で、一定の距離を空けて対向配置されていることを特徴とするマイクロ流路デバイス。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載のマイクロ流路デバイスにおいて、
前記温度応答性高分子膜の加熱状態を測定する温度測定部を備えていることを特徴とするマイクロ流路デバイス。 - 請求項6に記載のマイクロ流路デバイスにおいて、
前記温度測定部による測定結果に基づいて、前記加熱手段をフィードバック制御する制御部を備えていることを特徴とするマイクロ流路デバイス。 - 一方側から他方側に液体を送液する液体の送液方法であって、
基板上に被膜され、特定温度を境にして親水性と疎水性とが反転する性質を有する温度応答性高分子膜上に前記液体を供給する供給工程と、
前記温度応答性高分子膜を前記特定温度以上に加熱して、親水性領域と疎水性領域とを区分けして流路パターンを形成し、該流路パターンに沿って前記液体を送液させる加熱工程とを備え、
該加熱工程は、温度応答性高分子膜の全面領域をマトリックス状に複数に小分けした各微小エリアのうち、所望する微小エリアのみを加熱することを特徴とする液体の送液方法。 - 請求項8に記載の液体の送液方法において、
前記加熱工程は、前記流路パターンを前記一端側から前記他端側に向けて複数形成すると共にこれら複数の流路パターンを途中で合流させるように、前記微小エリアを加熱することを特徴とする液体の送液方法。 - 請求項8に記載の液体の送液方法において、
前記加熱工程は、一定距離を空けた状態で平行に前記疎水性領域が形成されるように、前記微小エリアを前記特定温度以上に加熱して前記流路パターンを形成する一次加熱工程と、
該一次加熱工程後、前記一端側において前記流路パターンを横切るように前記微小エリアを前記特定温度以上に加熱すると共に、これら加熱した微小エリアが前記他端側に向けて徐々に移動するように、加熱した微小エリアに隣接する微小エリアを他端側に向けて順次特定温度以上に加熱させる二次加熱工程とを備えていることを特徴とする液体の送液方法。 - 請求項8に記載の液体の送液方法において、
前記加熱工程は、一定距離を空けた状態で平行に前記疎水性領域が形成されるように、前記微小エリアを前記特定温度以上に加熱して前記流路パターンを形成する一次加熱工程と、
該一次加熱工程後、前記一端側及び前記他端側の両端において、前記流路パターンを横切るように前記微小エリアを前記特定温度以上に加熱する二次加熱工程と、
該二次加熱工程後、一定時間経過した後に、二次加熱工程時で加熱した微小エリアの加熱を停止して前記特定温度以下にさせる加熱停止工程とを備えていることを特徴とする液体の送液方法。 - 請求項8に記載の液体の送液方法において、
前記加熱工程の際に、前記液体の周囲を囲むように前記微小エリアを前記特定温度以上に加熱すると共に、これら加熱した微小エリアが前記他端側に向けて徐々に移動するように、加熱した微小エリアに隣接する微小エリアを他端側に向けて順次特定温度以上に加熱させることを特徴とする液体の送液方法。 - 請求項8から12のいずれか1項に記載の液体の送液方法において、
前記温度応答性高分子膜を、前記液体を間に挟んで一定の距離を空けて対向するように2つ配置した状態で、前記滴下工程及び前記加熱工程をそれぞれ行うことを特徴とする液体の送液方法。
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