JP2007229631A - マイクロリアクタ - Google Patents

Abstract

【課題】液を所望位置にて確実に停止させ、停止させた位置から確実に再始動することができ、さらに送液性が安定した撥水バルブを有するマイクロリアクタを提供すること。
【解決手段】板状のチップの少なくとも一面に流路を設けるとともに、前記流路の一部に、撥水バルブを構成する送液制御部を備え、これにより前記流路内の液体の送液速度、送液タイミングの制御がなされるマイクロリアクタであって、前記送液制御部は、その上流側の前記流路の断面積よりも小さな断面積を有する上流側接続口と、その下流側の前記流路の断面積よりも小さな断面積を有する下流側接続口と、前記上流側接続口と前記下流側接続口とを連通する接続口連通部と、を有し、前記接続口連通部は、断面積が連続的に変化するように構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば遺伝子増幅反応、抗原抗体反応などによる生体物質の検査・分析、その他の化学物質の検査・分析、有機合成等による目的化合物の化学合成などに用いられるマイクロリアクタに関する。

近年、マイクロマシン技術および超微細加工技術を駆使することにより、従来の試料調製、化学分析、化学合成などを行うための装置、手段(例えばポンプ、バルブ、流路、セ
ンサーなど)を微細化して１チップ上に集積化したシステムが開発されており、このよう
な技術が既に特許文献１などによって開示されている。

このような技術は、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）、バイオリアクタ、ラブ・オン・チップ（Ｌａｂ−оｎ−ｃｈｉｐｓ）、バイオチップとも呼ばれ、医療検査・診断分野、環境測定分野、農産製造分野でその応用が期待されている。

現実には遺伝子検査に見られるように、煩雑な工程、熟練した手技、機器類の操作が必要とされる場合には、自動化、高速化および簡便化されたミクロ化分析システムは、コスト、必要試料量、所要時間のみならず、時間および場所を選ばない分析を可能とすることによる恩恵は多大と言える。

各種の分析、検査では、これらの分析用チップにおける分析の定量性、解析の精度、経済性などが重要視される。そのためにはシンプルな構成で、高い信頼性の送液システムを確立することが課題であり、精度が高く信頼性に優れるマイクロ流体制御素子が求められているが、これに好適なマイクロポンプシステムおよびその制御方法を本発明者らは既に提案している（特許文献２〜４参照）。

ところで、このような分析用チップ（以下、マイクロリアクタという）の流路には、流路の一部にこの流路内の液体の流路抵抗や表面張力などを利用して、液体を所望の位置で停止させ、停止させた位置から再始動させることのできる撥水バルブが設けられている。

このような撥水バルブ１００は、詳しくは図１２（ａ）、（ｂ）に示したように、上流側の流路１０２と下流側の流路１０４との間に、これらの流路１０２、１０４よりもその断面積が小さい送液制御流路１０６が設けられている。

例えば、これらの流路１０２、１０４の流路壁が、プラスチック樹脂のように疎水性の材質で形成されている場合には、送液制御流路１０６に接する液体１１２は、制御流路下流側端部１１０と下流側の流路１０４との流路壁の表面張力差によって、下流側の流路１０４へ通過することが規制される。

下流側の流路１０４へ液体１１２を流出させる際には、マイクロポンプ（図示せず）によって所定圧以上の送液圧力を加え、これによって表面張力に抗して液体１１２を送液制御流路１０６から下流側の流路１０４へ押し出すようになっている。

なお、液体１１２が下流側の流路１０４へ流出した後は、液体１１２の先端部を下流側の流路１０４へ押し出すのに要する送液圧力を維持しなくても、液体１１２が下流側の流路１０４へ流れていくようになっている。

すなわち、上流側から下流側への正方向の送液圧力が所定圧力に達するまでは、送液制御流路１０６から先への液体１１２の通過が制御流路下流側端部１１０で遮断され、所定圧以上の送液圧力が加わることにより、液体１１２は制御流路下流側端部１１０を通過するようになっている。

このような撥水バルブ１００は、図１３に示したように、例えばマイクロリアクタにおける試薬収容部１１４の両端部に設けられている。
このような試薬収容部１１４内には予め試薬１１６が封入されており、試薬１１６は試薬収容部１１４の両端部に設けられた撥水バルブ１００、１００によって、試薬収容部１１４外へと流れ出ないようになっている。

そして図１４に示したように、図１３の状態からマイクロポンプ（図示せず）によって開口１１８より流路１２０へ駆動液１２２を流し込むと、分岐点１２４から分岐した分岐流路１２６に駆動液１２２が充填されていく。

このとき、流路１２０および分岐流路１２６の中に存在していた空気は、空気抜き用流路１２８を通過して外部へ放出される。
さらに、空気抜き用流路１２８から空気を追い出しながら分岐流路１２６に駆動液１２２が充填されると、空気抜き用流路１２８は、撥水性により駆動液１２２の通過を遮断するか、あるいは高い流路抵抗が負荷された状態で微量の駆動液１２２を流すようになる。

すると、マイクロポンプ（図示せず）による送液圧力が駆動液１２２を介して試薬１１６に強く作用するようになり、試薬収容部１１４の下流側における撥水バルブ１００には、その液保持力以上の送液圧力が与えられるようになる。

これにより、試薬１１６は駆動液１２２によって試薬収容部１１４から押し出され、撥水バルブ１００を通過してその下流側の流路に送出されるようになっている。
特開２００４−２８５８９号公報 特開２００１−３２２０９９号公報 特開２００４−１０８２８５号公報 特開２００４−２７０５３７号公報

このような撥水バルブ１００が設けられたマイクロリアクタは、図１５に示したように、金型２００を用い射出成形により成形されているが、撥水バルブ１００を形成する流路、特にマイクロリアクタの送液制御流路相当部分２０２が非常に微細形状であるため、この部位において樹脂３００が先端部２０４まで充分に充填されず、所望形状の送液制御流路が得られない場合があった。

所望形状の送液制御流路が得られていない撥水バルブ１００では、本来必要とする撥水バルブの寸法より大きな寸法となったり、撥水バルブの角が丸くなったりするため、所望の液保持力が得られず、液体を正確に停止させることができない。

また、従来の撥水バルブでは、図１６に示したように、本来、制御流路下流側端部１１０で試薬１１６を停止させるものが、制御流路上流側端部１０８で停止させてしまう場合が生ずる。

このように制御流路上流側端部１０８で試薬１１６が停止してしまうと、駆動液１２２
と試薬１１６との間の空間１３０に、小さな気泡１３２が生じてしまう場合がある。
送液のタイミング制御は、制御流路下流側端部１１０で試薬１１６が停止していることを前提になされており、このように本来と異なる箇所で試薬１１６が停止して気泡１３２が生ずると、送液のタイミングが遅れてしまい正確な送液が行えない問題が生じてしまう。

本発明は、このような現状に鑑み、試薬、検体などの液体を所望位置にて確実に停止させ、停止させた位置から確実に再始動させることができ、さらに送液性が安定した撥水バルブを有するマイクロリアクタを提供することを目的とする。

また本発明は、射出成形を用いて確実に流路の先端部まで樹脂が充填された、所望の流路形状を有するマイクロリアクタを提供することを目的とする。

本発明は、先述したような従来技術における課題および目的を達成するために発明されたものであって、本発明のマイクロリアクタは、
板状のチップの少なくとも一面に流路を設けるとともに、前記流路の一部に、撥水バルブを構成する送液制御部を備え、これにより前記流路内の液体の送液速度、送液タイミングの制御がなされるマイクロリアクタであって、
前記送液制御部は、
その上流側の前記流路の断面積よりも小さな断面積を有する上流側接続口と、
その下流側の前記流路の断面積よりも小さな断面積を有する下流側接続口と、
前記上流側接続口と前記下流側接続口とを連通する接続口連通部と、を有し、
前記接続口連通部は、断面積が連続的に変化するように構成されていることを特徴とする。

このように構成することによって、試薬や検体などの液体を所望の位置で停止させ、さらに停止させた位置から再始動することができる。
さらに、接続口連通部の断面積が連続的に変化しているため、液体をスムーズに送液することができ、接続口連通部内で試薬や検体などの液体が停止してしまうことを確実に防止することができる。

また、本発明のマイクロリアクタは、
前記上流側接続口が、
前記下流側接続口の断面積よりも大きな断面積となるように構成されていることを特徴とする。

このように、下流側接続口の断面積よりも上流側接続口の断面積が大きくなるように構成すれば、上流側接続口で液体が停止することなく、確実に下流側接続口で液体を停止させることができる。

また接続口連通部は、下流側接続口から上流側接続口に向かって、広がった形状であるため、マイクロリアクタの射出成形の際に、金型の接続口連通部の相当部分への樹脂充填が確実になされ、マイクロリアクタ成形時の歩留まりを向上させることができる。

また、本発明のマイクロリアクタは、
前記マイクロリアクタが、
試薬または検体を貯蔵する貯蔵部を備え、
前記貯蔵部の一方側と他方側のそれぞれに、前記送液制御部が設けられていることを特徴とする。

このように貯蔵部の一方側と他方側に送液制御部が設けられていれば、マイクロポンプによって駆動液が液送され、この駆動液によって貯蔵部内の試薬を流路の下流側へ押出す際においても、試薬は確実に所望の位置で停止しているため、気泡を生ずることなく、確実に試薬を下流側へ押出すことができる。

本発明によれば、試薬や検体などの液体を所望位置にて確実に停止させ、停止させた位置から確実に再始動させることができ、さらに送液性が安定した撥水バルブを有するマイクロリアクタを提供することができる。

また本発明は、射出成形を用いて確実に流路の先端部まで樹脂が充填された、所望の流路形状を有するマイクロリアクタを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいてより詳細に説明する。
＜マイクロリアクタ１０＞
図１は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタの上面図、図２は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタのチップ面と垂直な部分断面図である。

本発明のマイクロリアクタは、板状のチップ内に設けられた微細流路または構造部において、各種の検査、化学分析、化学合成、試料の処理・分離などの目的で試料と試薬との反応を行うものである。

また、マイクロリアクタの用途には、例えば遺伝子増幅反応、抗原抗体反応などによる生体物質の検査・分析、その他の化学物質の検査・分析、有機合成などによる目的化合物の化学合成、薬効スクリーニング、薬品抽出、金属錯体の形成・分離などが含まれる。

図１に概略を示したマイクロリアクタ１０は、予め試薬３０が封入された貯蔵部２９（図１斜線部分）と、これらの貯蔵部２９から下流側へ続く流路１２を備えている。
なお、試薬３０は、試薬供給孔１１より供給されたものであり、マイクロリアクタ１０内に試薬３０を供給すると、試薬３０は各々の撥水バルブ２１、２１の直前まで充填されることとなる。

さらに、これらの貯蔵部２９の下流では複数の貯蔵部２９が合流部１３にて合流し、その先には微細流路１５が設けられている。
このような微細流路１５の下流には、検体収用部（図示せず）が設けられ、この検体収用部（図示せず）に収用された検体と、微細流路１５を通過する複数の試薬３０が混合された液体とが、さらに混合されるよう構成されている。

また、マイクロリアクタ１０の貯蔵部２９には、撥水バルブ２１、２１などの弁部が適宜の位置に配置され、例えば送液量の定量、各液体の混合などの制御がなされている。
そして、マイクロリアクタ１０の貯蔵部２９の上流には、マイクロポンプユニット５０のチップ接続部８８と接続するためのポンプ接続部９４が設けられている。

このようなマイクロリアクタ１０は、図２に示したように、射出成形により流路となる溝が形成された基材１４を作製し、この基材１４の両面に被覆基材１６、１８を重ね合わせて流路１２や微細流路１５が形成されている。

基材１４の樹脂材料としては、目的に応じて各種のものが使用できるが、例えばポリス
チレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネートなどが挙げられる。

マイクロリアクタ１０の縦横サイズは、用途等にもよるが典型的には数十ｍｍ、その厚みは典型的には数ｍｍ程度である。
マイクロリアクタ１０は、流路１２が両面に設けられ、両面の流路１２が基材１４に形成され貫通孔２０を介して互いに連通されている。

流路（微細流路）は、その流路幅が２００μｍ以下、好ましくは０．１μｍ〜５０μｍの微細流路と、流路幅が５０μｍ以上、好ましくは７０μｍ〜５００μｍの流路と、流路幅が２００μｍ以上、好ましくは３００μｍ〜５ｍｍの流路と、から構成されている。

ここで、「流路幅」とは、流れ方向と垂直な断面が矩形である場合にはその横幅を表し、断面が矩形に類似した他の形状である場合にはその横幅の平均値を表す。
流路１２の高さは、上記の微細流路と、それよりも広幅の流路とに関わらず目的に応じて適宜設定されるが、例えば１０μｍ〜１０００μｍである。

典型的には、複数の貯蔵部２９に収容された各試薬３０が下流側の貯蔵部２９で混合され、さらに合流部１３にて各貯蔵部２９の混合試薬が合流されて下流の微細流路１５に送液される。

微細流路１５の下流では、検体と混合試薬とがＹ字流路などから合流して混合され、昇温などにより反応が開始され、流路に設けられた検出部位において反応が検出されるようになっている。
＜撥水バルブ２１＞
図３は、本発明の実施例における撥水バルブを示した図であり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ−Ｘ線による断面図、図４は、本発明の他の実施例における撥水バルブを示した図であり、図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＸ−Ｘ線による断面図、図５は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタの貯蔵部および貯蔵部の両端部に設けられた撥水バルブを示した概略上面図である。

マイクロリアクタ１０の流路１２の一部に設けられた撥水バルブ２１は図３（ａ）、図３（ｂ）に示したように、送液制御部２２により構成されている。
なお送液制御部２２は、上流側の流路２３の断面積よりも小さな断面積を有する上流側接続口２６と、下流側の流路２４の断面積よりも小さな断面積を有する下流側接続口２７と、上流側接続口２６と下流側接続口２７とを連通する接続口連通部２５からなるものである。

この際、接続口連通部２５は、液体２８の流れる上流側から下流側に向けて、断面積が連続的に小さくなるように変化するようになっている。
接続口連通部２５がこのような形状であれば、上流側の流路２３の液体２８は、上流側接続口２６より接続口連通部２５内に流入し易くなるため、液体２８を上流側接続口２６付近で停止させてしまうことなく、確実に下流側接続口２７付近で停止させることができる。

また、接続口連通部２５は、その形状が上流側接続口２６から下流側接続口２７に至るまで滑らかに連続的に変化するようになっているため、液体２８が接続口連通部２５の途中で停止してしまうことがない。要は、上流側接続口２６から下流側接続口２７に至るまでの断面形状が、下流側接続口２７に向かうにつれて連続的に小さくなれば、如何なる形状であってもよいものである。

また、図４（ａ）、図４（ｂ）に示したように、例えば接続口連通部２５のＸ−Ｘ方向の断面形状において、上流側接続口２６から下流側接続口２７に向かうにつれて連続的に小さくなるようにしても良いものである。

このような撥水バルブ２１は、図５に示したように、例えばマイクロリアクタにおける試薬や検体を貯蔵する貯蔵部２９の両端部に設けられており、貯蔵部２９内の試薬３０や検体が、下流側の流路２４、２４に流出してしまうことなく、下流側接続口２７付近で確実に停止するようになっている。

これにより、マイクロポンプ（図示せず）にて、開口３５より駆動液（図示せず）を流路２４内に流入させても、駆動液（図示せず）と試薬３０との間に空間が生ずることがかいため、気泡の発生も起こらず、確実に試薬３０を送液することができる。
＜マイクロリアクタ１０の製造方法＞
図６は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタを成形する金型の部分断面図、図７は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタを成形する金型の接続口連通部相当部分を示した部分上面図である。

マイクロリアクタにおいて、流路が設けられた基材は、一方側の面における流路パターンが形成された金型と、他方側の面における流路パターンが形成された金型とからなる一対の金型を用いた射出成形により作製される。

金型は、微細な流路パターンが形成可能なニッケルやシリコンウエハを主成分とする金型を用いることが好ましい。
このような金型は、例えばフォトリソグラフィ技術を用いた微細加工で作製した流路を母型として、ニッケル電鋳等で作製される。

通常、ニッケル電鋳により金型を作成する場合、金型３６の各部位においては、成形後における基材の離型性を高めるため１度から３度程度のテーパー（抜き勾配）３７が設けられている。

しかしながら、撥水バルブ２１内を流れる液体の流れ具合は、流路の上部と下部とで異なると不具合が生じ易く、また、微細な流路はテーパーによる形状変化の影響を受け易く、性能の低下を招き易いため、金型３６の撥水バルブ相当部分３８は、あえてテーパー（抜き勾配）を設けず、ストレート部３９とすることが好ましい。

また金型３６は、撥水バルブ相当部分３８以外の例えば流路幅５０μｍ以下、流路深さ５０μｍ以下の流路相当部分についても、テーパー（抜き勾配）３７を設けないことが好ましい。

このようにすれば、成形時における離型性を損なうことなく、確実に金型３６から基材を離型させることができる。
また、比較的に流路幅の太い流路パターンは、硬質の金属材料、好ましくは金型鋼を通常の機械加工、例えば数値制御による切削加工などを用いて形成することができる。

このようにして流路パターンが形成された一対の金型３６を、射出成形機にセットし、金型３６内に樹脂を充填することにより、基材（図示せず）の成形がなされる。
本発明においては、図７に示したように、金型における撥水バルブ２１の接続口連通部相当部分３４の幅ｔ１が３０μｍ〜１０００μｍ、好ましくは４０μｍ〜３００μｍであるため、樹脂が接続口連通部相当部分３４の端部までしっかりと充填されるようになって
いる。
＜マイクロポンプユニット５０＞
図８は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタと接続されるマイクロポンプユニットの一例を示した斜視図、図９は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタと接続される図８に示したマイクロポンプユニットの断面図である。

マイクロポンプユニット５０は、マイクロリアクタ１０とは別途の独立したものであることが好ましい。
例えば、マイクロポンプユニット５０およびその制御装置、反応検出用の光学検出装置、温度制御装置、駆動液を収容した駆動液タンクなどを備えた装置本体と、予め試薬を封入したマイクロリアクタ１０と、から試料検査装置を構成する場合が挙げられる。

この場合、マイクロリアクタ１０の試料受容部に試料を注入した後、このマイクロリアクタ１０を装置本体に装着して、装置本体側の複数のマイクロポンプ５８と、これらのマイクロポンプ５８に対応するマイクロリアクタ１０の各流路とを連通させる。

この状態で、駆動液タンクからの駆動液をマイクロポンプ５８によりマイクロリアクタ１０の流路へ送り出し、これによって流路内の液体、例えば貯蔵部２９の試薬３０、試料受容部の試料などを下流側へ押し出して試薬同士の混合、試薬と試料との混合などを行う。

マイクロポンプ５８は、フォトリソグラフィ技術などにより作製され、特開２００１−３２２０９９号公報、特開２００４−１０８２８５号公報に記載されたピエゾ素子により駆動するマイクロポンプ、アクチュエータを設けた弁室の流出入孔に逆止弁を設けた逆止弁型のマイクロポンプなど各種のものが使用できる。

図８に示したマイクロポンプユニット５０は、シリコン製基板５２と、その上の第１ガラス製基板５４と、その上の第２ガラス製基板５６の３つの基板から構成されている。
シリコン製基板５２と第１ガラス製基板５４、および第１ガラス製基板５４と第２ガラス製基板５６はそれぞれ、陽極接合、拡散接合、熱溶着、接着などによって接合されている。

シリコン製基板５２と、その上に陽極接合などによって貼り合わされたガラス製基板５４との間の内部空間によってマイクロポンプ５８（ピエゾポンプ）が構成されている。
シリコン製基板５２は、シリコンウエハをフォトリソグラフィ技術により所定の形状に加工したものである。

例えば、シリコン製基板５２面への酸化膜の形成、レジスト塗布、レジストの露光および現像、酸化膜のエッチング、ＩＣＰ（高周波誘導結合型プラズマ、Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）などによるシリコンのエッチング等を含む微細加工によって、図９に示したように、加圧室６０、第１流路６２、第１液室６６、第２流路６４、および第２液室６８が形成されている。

加圧室６０の位置では、シリコン製基板５２がダイヤフラムに加工され、その外側表面には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックスなどからなる圧電素子７０が貼着されている。

このマイクロポンプ５８は、圧電素子７０への制御電圧によって次のように駆動される。
印加された所定波形の電圧により圧電素子７０が振動するとともに、加圧室６０の位置
におけるシリコンダイヤフラムが振動し、これによって加圧室６０の体積が増減する。

第１流路６２と第２流路６４とは、幅および深さが同じで、長さが第１流路６２よりも第２流路６４の方が長くなっている。第１流路６２では、差圧が大きくなると、流路内で乱流が発生し、流路抵抗が増加する。

一方、第２流路６４では、流路幅が長いので差圧が大きくなっても層流になり易く、第１流路６２に比べて差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が小さくなる。
例えば、圧電素子７０に対する制御電圧を調整することにより、加圧室６０の内部へ向かう方向へ素早くシリコンダイヤフラムを変位させて大きい差圧を与えながら加圧室６０の体積を減少させ、次いで加圧室６０からその外側へ向かう方向へゆっくりシリコンダイヤフラムを変位させて小さい差圧を与えながら加圧室６０の体積を増加させると、駆動液は図９において左から右へ向かう方向へ正方向に送液される。

これとは反対に、加圧室６０からその外側へ向かう方向へ素早くシリコンダイヤフラムを変位させて大きい差圧を与えながら加圧室６０の体積を増加させ、次いで加圧室６０の内部へ向かう方向へゆっくりシリコンダイヤフラムを変位させて小さい差圧を与えながら加圧室６０の体積を減少させると、駆動液は図９の右から左へ逆方向に送液される。

なお、第１流路６２と第２流路６４における、差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合の相違は、必ずしも流路の長さの違いによる必要はなく、他の形状的な相違に基づくものであってもよい。

マイクロポンプ５８による流量の制御は、圧電素子７０に印加する電圧を調整することにより行うことができる。
第２ガラス製基板５６には、流路７２がパターニングされている。一例として、流路７２の寸法および形状は、幅が１５０μｍ程度、深さが３００μｍ程度の断面矩形状である。

流路７２の下流側には、マイクロリアクタ１０の開口に位置合わせすることによりマイクロポンプ５８をマイクロリアクタ１０の流路に連通させるための開口７４が設けられている。

マイクロポンプ５８によって、流路７２、開口７４を通じて駆動液を送液して、マイクロリアクタ１０の流路内に収容された試薬等の各液体を下流へ押し出す。
流路７２の上流側は、第１ガラス製基板５４の貫通孔７６を介して、シリコン製基板５２に設けられた流路を通りマイクロポンプ５８に連通されている。

また、マイクロポンプ５８の上流側は、シリコン製基板５２に設けられた流路から第１ガラス製基板５４の貫通孔７６、７８を介して、第２ガラス製基板５６に設けられた開口８０に連通されている。この開口８０は、駆動液タンク（図示せず）に接続されている。

開口８０は、例えばＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）のパッキンを介して駆動液タンク（図示せず）に接続される。
＜マイクロ総合分析システム８２＞
図１０は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタを用いたマイクロ総合分析システムの一例を示した斜視図、図１１は、図１０に示したマイクロ総合分析システムにおけるシステム本体の内部構造図である。

マイクロリアクタ１０は、例えば別途のシステム本体８４に装着することにより、反応
と分析が行われる。このシステム本体８４とマイクロリアクタ１０とによりマイクロ総合分析システム８２が構成される。

図１０に示したマイクロ総合分析システム８２のシステム本体８４は、分析のための各装置を収納する筺体状の収納体８６を備えている。
この収納体８６の内部には、図１１に示したように、マイクロリアクタ１０に連通させるための流路開口を有するチップ接続部８８と、複数のマイクロポンプ（図示せず）とが設けられたマイクロポンプユニット５０が配置されている。

さらに収納体８６の内部には、マイクロリアクタ１０における反応を検出するための検出処理装置（ＬＥＤ、レーザー等の光源９０および、可視分光法、蛍光測光法などによる光学的な検出を行う検出器９２と、この検出器９２とマイクロポンプユニット５０とを制御する制御装置（図示せず）とが設けられている。

この制御装置（図示せず）によって、マイクロポンプによる送液の制御、光学的手段等によりマイクロリアクタ１０における反応を検出する検出処理装置の制御の他、後述する加熱・冷却ユニットによるマイクロリアクタ１０の温度制御、マイクロリアクタ１０における反応の制御、データの収集（測定）および処理等を行う。

マイクロポンプの制御は、予め送液順序、流量、タイミングなどに関する諸条件が設定されたプログラムに従って、それに応じた駆動電圧をマイクロポンプに印加することによって行う。

このマイクロ総合分析システム８２では、マイクロリアクタ１０の微細流路の上流側（例えば貯蔵部、試料受容部などの上流側）に設けられた流路開口、およびその周囲のチップ面からなるポンプ接続部９４と、マイクロポンプユニット５０のチップ接続部８８とを液密に密着させた状態でマイクロリアクタ１０を収納体８６の内部に装着した後、マイクロリアクタ１０において検体中の標的物質が分析される。

マイクロリアクタ１０は、搬送トレイ８５に載置されて挿入口８７から収納体８６の内部に導入される。
収納体８６の内部には、所定位置に装着されたマイクロリアクタ１０を局所的に加熱もしくは冷却するための加熱・冷却ユニット（ペルチェ素子９６、ヒーター９８）が設けられている。

例えば、マイクロリアクタ１０における貯蔵部の領域にペルチェ素子９６を圧接することにより貯蔵部を選択的に冷却し、これによって試薬の変質等を防止するとともに、反応部を構成する流路の領域にヒーター９８を圧接することにより反応部を選択的に加熱し、これによって反応部を反応に適した温度にする。

マイクロポンプユニット５０は１つの駆動液タンク９９に接続され、マイクロポンプ５８の上流側はこの駆動液タンク９９に連通している。一方、マイクロポンプ５８の下流側は、マイクロポンプユニット５０の片面に設けられた流路開口に連通されており、それぞれのマイクロポンプ５８に連通したそれぞれの流路開口と、マイクロリアクタ１０のポンプ接続部９４に設けられたそれぞれの流路開口とが連結するようにマイクロリアクタ１０がマイクロポンプユニット５０に対して接続される。

マイクロポンプ５８によって、駆動液タンク９９に収容された水系の駆動液９７を、ポンプ接続部９４を経由してマイクロリアクタ１０における各液の収容部に送り出し、駆動液９７によって各収容部の液体をマイクロリアクタ１０の下流側へ押し出して送液する。

測定試料である検体の前処理、反応および検出の一連の分析工程は、マイクロポンプ５８、検出処理装置および制御装置が一体化されたシステム本体８４に、マイクロリアクタ１０を装着した状態で行なわれる。

好ましくは、試料および試薬の送液、前処理、混合に基づく所定の反応および光学的測定が、一連の連続的工程として自動的に実施され、測定データが、必要な条件、記録事項とともにファイル内に格納される。そして、分析の結果が収納体８６の表示部８３に表示されるようになっている。

以下に、本発明のマイクロリアクタ１０を用いた試料（検体）と試薬との反応およびその検出の具体的な例を示す。
マイクロリアクタ１０の好ましい一態様では、一つのチップ内において、
・検体もしくは検体から抽出したアナライト（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、遺伝子）が注入される試料受容部
・検体の前処理を行う検体前処理部
・プローブ結合反応、検出反応（遺伝子増幅反応または抗原抗体反応なども含む）などに用いる試薬が収容される試薬収容部（貯蔵部）
・ポジティブコントロールが収容されるポジティブコントロール収容部
・ネガティブコントロールが収容されるネガティブコントロール収容部
・プローブ（例えば、遺伝子増幅反応により増幅された検出対象の遺伝子にハイブリダイズさせるプローブ）が収容されるプローブ収容部
・各収容部に連通する微細流路
・各収容部および流路内の液体を送液する別途のマイクロポンプに接続可能なポンプ接続部
が設けられている。

このマイクロリアクタ１０には、ポンプ接続部９４を介して上述したマイクロポンプユニット５０が接続され、試料受容部に注入された検体もしくは検体から抽出した生体物質（例えばＤＮＡまたはそれ以外の生体物質）と、試薬収容部に収容された試薬とを下流の流路へ送液し、微細流路の反応部、例えば遺伝子増幅反応（タンパク質の場合、抗原抗体反応など）を行う反応部で混合して反応させる。

次いで、その下流側流路にある検出部へ、この反応液を処理した処理液と、プローブ収容部に収容されたプローブとを送液し、流路内で混合してプローブと結合（またはハイブリダイゼーション）させ、この反応生成物に基づいて生体物質の検出を行う。

また、ポジティブコントロール収容部に収容されたポジティブコントロールおよびネガティブコントロールに収容されたネガティブコントロールについても同様に上記反応および検出を行う。

試料受容部に注入された検体は、必要に応じて、試薬との混合前に予め流路に設けられた検体前処理部にて、例えば検体と処理液とを混合することによって前処理される。この検体前処理部は、分離フィルター、吸着用樹脂、ビーズなどを含んでいてもよい。好ましい検体前処理としては、アナライトの分離または濃縮、除タンパクなどが挙げられる。

例えば、１％ＳＤＳ混合液などの溶菌剤を用いて溶菌処理・ＤＮＡ抽出処理を行なう。この過程では、細胞内部からＤＮＡが放出され、ビーズまたはフィルターの膜面に吸着する。

マイクロリアクタ１０の試薬収容部には、必要な試薬が予め所定の量だけ封入されている。したがって使用時にその都度試薬を必要量充填する必要はなく、即使用可能の状態になっている。

検体中の生体物質を分析する場合、測定に必要な試薬類は、通常それぞれ公知である。例えば、検体に存在する抗原を分析する場合、それに対する抗体、好ましくはモノクローナル抗体を含有する試薬が使用される。抗体は、好ましくはビオチンおよびＦＩＴＣで標識されている。

遺伝子検査用のマイクロリアクタ１０に予め収容される試薬類には、遺伝子増幅に用いられる各種試薬の他、検出に使用されるプローブ類、発色試薬、前記の検体前処理に使用する前処理試薬などがある。

マイクロポンプ５８から駆動液９７を供給することにより、各試薬収容部から試薬を押し出してこれらを合流させることによって、混合試薬を生成する。その後、マイクロポンプ５８から駆動液９７を供給することにより、試料受容部から検体を押し出し、混合比率が安定した混合試薬と合流させることによって、反応部にて、遺伝子増幅反応、アナライトのトラップまたは抗原抗体反応といった分析に必要な反応が開始される。

ＤＮＡ増幅方法としては、改良点も含めて各種文献などに記載され、多方面で盛んに利用されているＰＣＲ増幅法を使用することができる。
ＰＣＲ増幅法においては、３つの温度間で昇降させる温度管理が必要になるが、マイクロリアクタに好適な温度制御を可能とする流路デバイスが、すでに本発明者らにより提案されている（特開２００４−１０８２８５号）。

このデバイスシステムを本発明のチップの増幅用流路に適用すればよい。
これにより、熱サイクルが高速に切り替えられ、微細流路を熱容量の小さいマイクロ反応セルとしているため、ＤＮＡ増幅は、手作業で行う従来の方式よりはるかに短時間で行うことができる。

最近開発されたＩＣＡＮ（Ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｃｈｉｍｅｒａ ｐｒｉｍｅｒ ｉｎｉｔｉａｔｅｄ ｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法は、５０〜６５℃における任意の一定温度の下にＤＮＡ増幅を短時間で実施できるため、本発明システムにおいても好適な増幅技術である。

手作業では、１時間かかる本法は、本発明のシステムにおいては、１０〜２０分、好ましくは１５分で解析まで終わる。
マイクロリアクタ１０の微細流路における反応部よりも下流側には、アナライト、例えば増幅された遺伝子を検出するための検出部が設けられている。少なくともその検出部分は、光学的測定を可能とするために透明な材質、好ましくは透明なプラスチックとなっている。

微細流路上の検出部に吸着されたビオチン親和性タンパク質（アビジン、ストレプトアビジン）は、プローブ物質に標識されたビオチン、または遺伝子増幅反応に使用されるプライマーの５’末端に標識されたビオチンと特異的に結合する。これにより、ビオチンで標識されたプローブまたは増幅された遺伝子が本検出部位でトラップされる。

分離されたアナライトまたは増幅された目的遺伝子のＤＮＡを検出する方法は特に限定されないが、好ましい態様として基本的には以下の工程で行われる。
（１ａ） 検体もしくは検体から抽出したＤＮＡ、あるいは検体もしくは検体から抽出し
たＲＮＡから逆転写反応により合成したｃＤＮＡと、５’位置でビオチン修飾したプライマーとを、これらの収容部から下流の微細流路へ送液する。

反応部の微細流路内で遺伝子増幅反応を行った後、微細流路内で増幅された遺伝子を含む増幅反応液と変性液とを混合して、増幅された遺伝子を変性処理により一本鎖にし、これと末端をＦＩＴＣ（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ ｉｓｏｔｈｉｏｃｙａｎａｔｅ）で蛍光標識したプローブＤＮＡとをハイブリダイズさせる。

次いで、ビオチン親和性タンパク質を吸着させた微細流路内の検出部位に送液し、増幅遺伝子を微細流路内の検出部位にトラップする（増幅遺伝子を検出部位でトラップした後に蛍光標識したプローブＤＮＡとをハイブリダイズさせてもよい。）。
（１ｂ） 検体に存在する抗原、代謝物質、ホルモンなどのアナライトに対する特異的な抗体、好ましくはモノクローナル抗体を含有する試薬を検体と混合する。その場合、抗体は、ビオチンおよびＦＩＴＣで標識されている。したがって抗原抗体反応により得られる生成物は、ビオチンおよびＦＩＴＣを有する。

これをビオチン親和性タンパク質（好ましくはストレプトアビジン）を吸着させた微細流路内の検出部位に送液し、ビオチン親和性タンパク質とビオチンとの結合を介して該検出部位に固定化する。
（２） 上記微細流路内にＦＩＴＣに特異的に結合する抗ＦＩＴＣ抗体で表面を修飾した金コロイド液を流し、これにより固定化したアナライト・抗体反応物のＦＩＴＣに、あるいは遺伝子にハイブリダイズしたＦＩＴＣ修飾プローブに、その金コロイドを吸着させる。
（３） 上記微細流路の金コロイドの濃度を光学的に測定する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変形、変更が可能である。

図１は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタの上面図である。 図２は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタのチップ面と垂直な部分断面図である。 図３は、本発明の実施例における撥水バルブを示した図であり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ−Ｘ線による断面図である。 図４は、本発明の他の実施例における撥水バルブを示した図であり、図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＸ−Ｘ線による断面図である。 図５は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタの貯蔵部および貯蔵部の両端部に設けられた撥水バルブを示した概略上面図である。 図６は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタを成形する金型の部分断面図である。 図７は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタを成形する金型の接続口連通部相当部分を示した部分上面図である。 図８は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタと接続されるマイクロポンプユニットの一例を示した斜視図である。 図９は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタと接続される図８に示したマイクロポンプユニットの断面図である。 図１０は、本発明の実施例におけるマイクロリアクタを用いたマイクロ総合分析システムの一例を示した斜視図である。 図１１は、図１０に示したマイクロ総合分析システムにおけるシステム本体の内部構造図である。 図１２は、従来のマイクロリアクタにおける撥水バルブを示した図であり、図１２（ａ）は上面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＸ−Ｘ線による断面図である。 図１３は、従来のマイクロリアクタにおける試薬収容部および試薬収容部の両端部に設けられた撥水バルブを示した概略上面図である。 図１４は、図１３に示した図の状態から分岐流路へ駆動液が充填され、駆動液によって試薬が押出される過程を示した図である。 図１５は、従来のマイクロリアクタを成形する金型の送液制御流路相当部分を示した部分上面図である。 図１６は、従来のマイクロリアクタにおいて、駆動液と試薬との間に空間ができ、そこに気泡が生じてしまった場合の状態を示す状態図である。

符号の説明

１０・・・マイクロリアクタ
１１・・・試薬供給孔
１２・・・流路
１３・・・合流部
１４・・・基材
１５・・・微細流路
１６・・・被覆基材
１８・・・被覆基材
２０・・・貫通孔
２１・・・撥水バルブ
２２・・・送液制御部
２３・・・上流側の流路
２４・・・下流側の流路
２５・・・接続口連通部
２６・・・上流側接続口
２７・・・下流側接続口
２８・・・液体
２９・・・貯蔵部
３０・・・試薬
３４・・・接続口連通部相当部分
５０・・・マイクロポンプユニット
５２・・・シリコン製基板
５４・・・第１ガラス製基板
５６・・・第２ガラス製基板
５８・・・マイクロポンプ
６０・・・加圧室
６２・・・第１流路
６４・・・第２流路
６６・・・第１液室
６８・・・第２液室
７０・・・圧電素子
７２・・・流路
７４・・・開口
７６・・・貫通孔
８０・・・開口
８２・・・マイクロ総合分析システム
８３・・・表示部
８４・・・システム本体
８５・・・搬送トレイ
８６・・・収納体
８７・・・挿入口
８８・・・チップ接続部
９０・・・光源
９２・・・検出器
９４・・・ポンプ接続部
９６・・・ペルチェ素子
９７・・・駆動液
９８・・・ヒーター
９９・・・駆動液タンク
ｔ１・・・接続口連通部相当部分の幅
１００・・・撥水バルブ
１０２・・・上流側の流路
１０４・・・下流側の流路
１０６・・・送液制御流路
１０８・・・制御流路上流側端部
１１０・・・制御流路下流側端部
１１２・・・液体
１１４・・・試薬収容部
１１６・・・試薬
１１８・・・開口
１２０・・・流路
１２２・・・駆動液
１２４・・・分岐点
１２６・・・分岐流路
１２８・・・空気抜き用流路
１３０・・・空間
１３２・・・気泡
２００・・・金型
２０２・・・送液制御流路相当部分
２０４・・・先端部
３００・・・樹脂

Claims (3)

1. 板状のチップの少なくとも一面に流路を設けるとともに、前記流路の一部に、撥水バルブを構成する送液制御部を備え、これにより前記流路内の液体の送液速度、送液タイミングの制御がなされるマイクロリアクタであって、
   前記送液制御部は、
   その上流側の前記流路の断面積よりも小さな断面積を有する上流側接続口と、
   その下流側の前記流路の断面積よりも小さな断面積を有する下流側接続口と、
   前記上流側接続口と前記下流側接続口とを連通する接続口連通部と、を有し、
   前記接続口連通部は、断面積が連続的に変化するように構成されていることを特徴とするマイクロリアクタ。
2. 前記上流側接続口が、
   前記下流側接続口の断面積よりも大きな断面積となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクタ。
3. 前記マイクロリアクタが、
   試薬または検体を貯蔵する貯蔵部を備え、
   前記貯蔵部の一方側と他方側のそれぞれに、前記送液制御部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロリアクタ。

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