JP2007232673A - マイクロ流体チップ - Google Patents

Abstract

【課題】親水性表面を有する基材によって構成されたマイクロ流体チップにおいて、回転動作の停止等により、上流側から下流側への外力がなくなった際に、流路を構成する壁面を液体がつたい逆流することを防止できるマイクロ流体チップを提供する。
【解決手段】検査すべき液体が流れるトンネル状の第１の流路と、前記第１の流路が底面で接続された前記液体を充填するための空洞状のチャンバーと、前記チャンバーに蓄えられた液体を排出するための前記チャンバー底面に接続されたトンネル状の第２の流路と、前記チャンバーの内部に前記チャンバーの内壁厚みよりも小さい高さの突起部を設けることにより、前記マイクロ流体チップにおける逆流を防止することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロ流体チップに関し、詳細な一例としては、血液など生物学的流体を分析するために用いられる送液デバイスにおいて、生物学的流体あるいは希釈液、反応生成物溶液などの流体を目的の部位に移送するための微小流路の構成に関する。

血液など生物学的流体を分析するためのデバイスとして、微量検体で正確かつ簡便に測定、評価するための装置が開発され、このような装置では、マイクロ流体チップと呼ばれる、検体あるいは希釈液、反応生成物溶液などの流体を目的の部位に移送するための流路が形成され、流路に作用する重力、毛細管力あるいは回転させることによる遠心力、ポンプによる加圧、吸引の空気力によって、流路内を流体が流れるようにした検査用チップが用いられている。

マイクロ流体チップ内の流体の流れを制御する方法の一つとして、サイフォンを含み、前記サイフォンによって、回転装置の回転運動で液体を移送する手段が開示されている。（例えば、特許文献１参照。）この方式では、液体の移送を毛細管力と遠心力によって行うわけであるが、この場合、サイフォンへ呼水を与えるなど、毛細管力を利用することで半径方向内方への液体の輸送も可能である一方、流路内壁には親水性である必要があるため、一般に親水処理が施されている。

一方で、生産性の良い射出成型が可能なプラスチック製の基材の流路内壁を親水化処理する方法も開示されている。（例えば、特許文献２参照。）
このように、親水化処理を施した流路の毛細管力を利用することにより、遠心力による回転内周側から回転外周側への１方向的な流れ制御のみでなく、回転外周側から回転内周側への流れの制御が可能となっている。

さらに特許文献２では、収集室に対して半径方向外方に複数のキュベットが配置されることが開示されている。このように１つの流路が分岐し複数のキュベット（チャンバー）に流体を分流せしめる際には、時として正確に定量化した流体の分流および分配が求められる。この際の定量化は、各チャンバーの上流にある毛細管よりなる流路の容積によって定量化したのち、遠心力を用いて各チャンバーに所望の体積の流体を送液するように構成されている。

図７は、従来の血液検査装置に用いるマイクロ流体チップ１０１である。マイクロ流体チップ１０１は、直径１００ｍｍのディスク形状である。マイクロ流体チップ１０１の断面Ａ−Ａを図８に示す。マイクロ流体チップ１０１は例えばポリカーボネートよりなる樹脂製の平面よりなる下側パネル２、平面にチャンバー形状のみを切削加工等により深さ０．５ｍｍに形成した上側パネル３と、毛細管およびチャンバーを形成するための厚み０．１ｍｍのホットメルトシートのスペーサ４を加熱接着することにより形成してあり、例えばステッピングモータ等（図示せず）によって回転中心１００を中心に回転可能とされている。

図７中、第１から第８までの各チャンバー１１、１２、１０３、１０４、１０５、１６、１７、１８の深さは、上側パネル３の切削深さ０．５ｍｍとスペーサ４の厚み０．１ｍｍを足し合わせた０．６ｍｍであり、第１流路２１から第５流路２５までの各流路の深さはスペーサ４の厚みの０．１ｍｍである。また、下側パネル２、上側パネル３の表面は親水化処理を施すことで、血漿とのなす接触角が約１０度となるようにしている。一方、上側パネル３の切削加工した面は、親水化処理が施されていないため、接触角は約６０度である。つまり毛細管内壁の接触角は１０度、チャンバー内壁の接触角は下側パネル２よりなる一面は１０度であるが、その他の面は６０度となっている。

毛細管の断面を図９のように定義した場合、毛細管力は数１にしたがって発生するので、例えば第２〜第５流路の最狭部では、幅１ｍｍ、高さ０．１ｍｍ、また血漿の表面張力は約０．０４Ｎ／ｍであるので、約８５μＮ、断面圧力にして約８５０Ｎ／ｍ^２の毛細管力が発生する。

@0001
この毛細管力と、回転中心１００回りに回転させることによって生じる遠心力によって液体である検体を流動させるように構成してある。

以下液体である検体（血液、血漿）の状態を示す図１０から図１４の各図を用いて、マイクロ流体チップ１０１の動作を説明する。

まず検体注入口３１から例えば検体である血液をスポイト等によって第１チャンバー１１に注入すると、図１０に示すように、第１チャンバー１１につながる毛細管よりなる第１流路２１に毛細管現象により検体が流入し、第１流路２１と第２チャンバー１２との接続場所で血液（図１０中、ハッチング部）がとまる。

この状態で、回転中心１００を軸として例えば４０００ｒｐｍの回転速度でマイクロ流体チップ１０１を回転させると、第１チャンバー１１にあった検体は、第１流路２１を通り第２チャンバー１２に移動する。この後マイクロ流体チップ１０１を４０００ｒｐｍにて例えば５分間保持することで、図１１に示すように血液よりなる検体は、比較的比重の大きい赤血球あるいは白血球等（図１１中、細かいハッチング部）が遠心力方向外方に、一方比較的比重の小さい血漿（図１１中、粗いハッチング部）は回転中心１００側に分離する、いわゆる遠心分離が生じる。

この状態でマイクロ流体チップ１０１の回転を停止することにより、図１２に示すように回転中心１００側に分離した血漿のみをサイフォン状に形成された第２流路２２に毛細管力によって流入させる。第２流路２２が血漿により充填された後に、再びマイクロ流体チップ１０１を回転させると、各空気孔３２から流入する空気によって血漿が分断され、図１３に示すがごとく、第３チャンバー１０３、第４チャンバー１０４、第５チャンバー１０５にそれぞれ流入する。このように第２流路２２の流路形状によって、第３チャンバー１０３、第４チャンバー１０４、第５チャンバー１０５に所望の量の血漿が分流するようにしてある。第３チャンバー１０３、第４チャンバー１０４、第５チャンバー１０５に流入した血漿はマイクロ流体チップ１０１内にあらかじめ封入してある試薬４１、試薬４２、試薬４３とそれぞれ混合される。ここで、マイクロ流体チップ１０１の回転速度を４０００ｒｐｍと１５００ｒｐｍの間で加速減速を繰り返し、第３チャンバー１０３、第４チャンバー１０４、第５チャンバー１０５内にて、それぞれ検体である血漿と各試薬４１、４２、４３との混合を促進させる。

その後再びマイクロ流体チップ１０１の回転を停止することで、毛細管よりなる第３流路２３、第４流路２４、第５流路２５に血漿が流入し、第３流路２３、第４流路２４、第５流路２５が血漿で充填された後、再度マイクロ流体チップ１０１を回転させることで、最終的に光学的あるいは電気的に検体を分析するための第６チャンバー１６、第７チャンバー１７、第８チャンバー１８へ、それぞれ試薬４１、４２、４３と混合した血漿を輸送することができる（図１４）。

上述のように、マイクロ流体チップ１０１では毛細管力および遠心力を用いることで血液の注入、遠心分離、血漿の定量化、試薬との混合を経て、分析用チャンバーまで検体を移送するように構成されている。
特表平５−５０８７０９号公報 特開２０００−４６７９７号公報

しかしながら、親水性表面を有するチャンバー内に送液された液体は、回転停止された際には、チャンバーを構成する各壁面との接触角および自己の表面張力によって生じる毛細管力と重力とに支配されて動く。つまり、もはやそこには、回転軸側から外周側に向かう概念的な上流、下流関係がなくなっており、チャンバー内に溜まった液体は、下流側毛細管に流れると共に、同様にチャンバー壁面をつたい上流側に向かっても流れてしまう。くわえて、チャンバーを構成する壁面は、ミクロ的な接触角や表面あらさのばらつきがあるため力の不均衡を生じ、大きく上流側に向かって流れることもある。この場合には、上流側毛細管にも液体が流れ込む、いわゆる逆流を生じてしまう。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、回転停止された際にチャンバー内に溜まった液体が上流側毛細管に流れることを防止する機構を提供し、液体を目的の部位へ正確にかつ確実に移送できる液体輸送デバイスを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のマイクロ流体チップは、検査すべき液体が流れるトンネル状の第１の流路と、前記第１の流路が底面で接続された前記液体を充填するための空洞状のチャンバーと、前記チャンバーに蓄えられた液体を排出するための前記チャンバー底面に接続されたトンネル状の第２の流路と、前記チャンバーの内部に前記チャンバーの内壁厚みよりも小さい高さの突起部を設けたことを特徴としたものである。

また、本発明は、前記チャンバーにおける第１の流路の接続部は、前記第２の流路の接続部とは反対の位置にあることを特徴としたものである。

加えて、本発明は、前記突起部は、前記チャンバーに前記液体が充填された時に前記液体が存在しない位置に設けられたことを特徴とするものである。

さらに、本発明は、前記第１と第２の流路と前記チャンバーの内壁は、親水性を持つように表面が加工されていることを特徴としたものである。

本発明のマイクロ流体チップによれば、なんらマイクロ流体チップの生産性を悪化させることなく、確実に送液することが可能となる。

以下に、本発明のマイクロ流体チップの実施の形態を、図面とともに詳細に説明する。

本発明の実施例について図１から図６を用いて説明する。図１は、本実施例における血液検査装置に用いるマイクロ流体チップ１である。本実施例におけるマイクロ流体チップ１では、第３チャンバー１３、第４チャンバー１４、第５チャンバー１５にそれぞれ本発明にかかる突起５３、５４、５５が形成されている。その他の構造は、図７に示した従来のマイクロ流体チップ１０１と同様であるので詳細な説明は省略する。

図２は、第３チャンバー１３の拡大図およびその断面図である。第３チャンバー１３の上流側に形成されている第２流路２２は、幅１ｍｍ、高さ０．１ｍｍであり、高さを０．１ｍｍと小さくしていることで毛細管力が作用するようにしている。第３チャンバー１３は幅３ｍｍ、長さは１１ｍｍ、高さＤは０．６ｍｍで形成している。第３チャンバー１３の下流側に形成してある第３流路２３は幅１ｍｍ、高さ０．１ｍｍであり第２流路２２と同様に毛細管力が作用する。

ここで、第３チャンバー１３の本発明にかかる突起５３は、幅３ｍｍ、高さｄは０．５ｍｍであり、この突起によって隙間は第２流路２２および第３流路２３と同様の０．１ｍｍとなっている。このように第３チャンバー１３の一部に突出させ突起５３を形成することは、たとえば第２流路２２など他の毛細管流路と同様、切削加工により第３チャンバー１３の形状を上側パネル３に加工する際に、切削加工を行わないことにより形成可能である。また突起５３によって第３チャンバー１３のすき間を狭くしているため、第２流路２２、第３流路２３と同様に毛細管力が発生する。ここで便宜上、突起５３よりも上部にある第３チャンバー１３の空間をチャンバー上部６１、突起５３よりも下部にある第３チャンバー１３の空間をチャンバー下部６２と称する。チャンバー下部６２の容積は、第３チャンバー１３に第２流路２２から流入する液体の体積よりも大きく形成してある。本実施の形態では、チャンバー下部６２の容積は、長さ５ｍｍｘ幅３ｍｍｘ高さ０．６ｍｍの約９ｕｌである。一方第３チャンバー１３に流入する液体の体積は約６μｌである。

このようにチャンバー下部６２の容積を液体の体積よりも大きくすることで、マイクロ流体チップ１を回転し、第２流路２２から第３チャンバー１３へ液体を移送した際には、第３チャンバー１３に流入したすべての液体がチャンバー下部６２に貯留できる。また、突起５３によって狭められた第３チャンバー１３の隙間断面積は３ｍｍｘ０．１ｍｍ＝０．３ｍｍ２、一方第２流路２２の断面積は１ｍｍｘ０．１ｍｍ＝０．１ｍｍ２と、第２流路２２の断面積よりも大きく形成してあるので、第２流路２２から第３チャンバー１３に液体を移送する過程において、突起５３が、液体がチャンバー下部６２へ流入することを阻害しない。

以降、本発明の突起の効果の優位性を明確にするため、突起５３を形成した本発明に係る第３チャンバー１３と、突起を施していない場合の従来例における第３チャンバー１０３とを比較しながら突起の効果を説明する。

図３（Ａ）および（Ｂ）は、第３流路２３に血漿を流入させるため、回転を停止した際の第３チャンバー１３および第３チャンバー１０３内の血漿の様子を示したものである。回転停止状態では遠心力の作用がないため、血漿は第３流路２３に流入すると同時に、下側パネル２の親水面で構成された、第３チャンバー１３および第３チャンバー１０３の壁面をつたい、流動する。突起５３を形成してある第３チャンバー１３では、突起５３を形成したことによって毛細管力が発生し、突起５３より上流側への血漿の流動が防止され、第２流路２２方向へのいわゆる逆流が確実に防止される。一方、従来の第３チャンバー１０３においては、突起５３を形成していないため、血漿は上流方向に向かって流動を続ける。図３（Ｂ）のように、理想的には左右対称に近い状態で上流への流動が生じるため、第２流路２２への流入という逆流にはいたらない。しかしながら、実際には壁面のミクロ的な状態のばらつきにより、図４（Ａ）あるいは図４（Ｂ）に示すように流動することも多分にある。特に図４（Ｂ）のようになった際には、第２流路２２への血漿の逆流が生じてしまう。

特に本実施の形態のように上流側の第２流路２２が分岐を含む場合には、次の回転動作によって、たとえば第３チャンバー１０３から逆流した血漿と試薬との混合液が第４チャンバー１４へ流入してしまい、血漿および試薬の定量化が行えず、検査が不能となるばかりでなく、定量化が不完全な状態で分析が行われ、誤った分析結果に基づいて医療診断がなされてしまうと、最悪の場合、生命にかかわる過ちを犯しかねない。

しかし、本発明における突起５３を有する第３チャンバー１３では、遠心力で流入した血漿が突起５３よりも下流側に形成されているチャンバー下部６２に流入し、この状態で回転停止すると、下流側の第３流路２３には確実に血漿が流入し、かつ上流側へは突起５３によって血漿の流動が妨げられることで逆流を防止できる。

この状態で再び回転すると第３チャンバー１３に流入した血漿と試薬４１との混合液は、第３流路２３を通り、さらに下流側の第６チャンバー１６へと流動する。

このように、本発明に係る突起５３を形成した第３チャンバー１３では、流入した血漿の逆流を確実に防止することで、第６チャンバー１６に定量的に血漿を流動させることができる。

また、チャンバー上部６１には空気孔３２を設けているのでチャンバー上部６１の内圧は確実にマイクロ流体チップ１の置かれている外部圧力と等しくなり、血漿が流動しても、血漿が流出していくチャンバー下部６２に比べ圧力が小さくなることはなく圧力差による逆流も確実に防ぐことが可能である。また、図５に示すように、チャンバー下部６２に空気孔３２を設けてもよい。この場合には、逆流防止機構５３が液体で満たされた際にチャンバー上部６１、チャンバー下部６２双方の圧力を外部圧力と等しくすることができ、空気の圧力差による液体の流動を防止することができる。

加えて、本実施の形態において０．５ｍｍで形成した突起５３の高さｄは、突起を付けたことによる毛細管力によって溶液の逆流を防止できるように、ｄ＞０．８Ｄ以上であることが望ましい。このように高さｄを設定することで、突起５３によって５倍以上の毛細管力が発生するようにできる。その際、液体が血液の場合には、血液の約半分を構成する約０．００８ｍｍの直径がある赤血球、白血球等が確実に流動できるように０．０１ｍｍ以上確保することが望ましい。ｄが０．８Ｄ以下のときは、十分な毛管力を発生することができないので本実施例のような効果が生じない。

また、本実施例での毛細管を構成する壁面の接触角は１０度であるが、流路幅１ｍｍ、流路厚０．１ｍｍでの接触角と毛細管力との関係を示した図６にあるように、接触角が４５度以上になると毛細管力の減少が著しいため、親水面の接触角は本実施例のように４５度以下で構成することが望ましい。

なお、突起５４、突起５５をそれぞれ形成している第４チャンバー１４および第５チャンバー１５でも、突起５３を形成した第３チャンバー１３と同じの構成であるので、逆流が防止されることは勿論であり、本実施例におけるマイクロ流体チップ１では、逆流により第２流路２２に液体が流入することはない。

上述のように、本発明に係る突起を形成した際には、確実に逆流を防止し、定量化が可能なマイクロ流体チップを提供することが可能となる。

なお、本実施例では、毛細管内壁の接触角を１０度、チャンバー内壁の接触角は一面を１０度、他面を６０度として形成してあるが、例えば全ての壁面の接触角を親水面とし、すべてのチャンバー内壁の接触角を１０度としても、突起５３とチャンバー上部６１、チャンバー下部６２との毛細管力の差によって逆流を防止することは可能である。

加えて、本実施例では、血液検査用に用いるマイクロ流体チップ１を用いて本発明の効果を説明したが、本発明の効果は、親水性表面を有するマイクロ流体チップ一般に効果を発揮するものであり、血液検査用のマイクロ流体チップに限定されないことは言うまでもない。

本発明にかかるマイクロ流体チップは、マイクロ流路における高精度な流量制御を可能にする構成を有し、生物学的流体の分析において高精度な流量制御を可能とする技術として有用である。

本発明にかかるマイクロ流体チップは、高精度な流量の制御が必要な流路設計に広く適用できる。

本発明に係るマイクロ流体チップの図 本発明に係るチャンバーの拡大図 チャンバー内の検体流動を示す図 チャンバー内の検体流動を示す図 本発明に係るチャンバーの拡大図 毛細管力と接触角の関係を示す図 従来のマイクロ流体チップの図 従来のマイクロ流体チップの断面図 毛細管力を説明するための図 検体流動過程を示す図 検体流動過程を示す図 検体流動過程を示す図 検体流動過程を示す図 検体流動過程を示す図

符号の説明

１ マイクロ流体チップ
２ 下側パネル
３ 上側パネル
４ スペーサ
１１ 第１チャンバー
１２ 第２チャンバー
１３ 第３チャンバー
１４ 第４チャンバー
１５ 第５チャンバー
１６ 第６チャンバー
１７ 第７チャンバー
１８ 第８チャンバー
２１ 第１流路
２２ 第２流路
２３ 第３流路
２４ 第４流路
２５ 第５流路
３１ 検体注入口
３２ 空気孔
４１、４２、４３ 試薬
５３、５４、５５ 突起
６１ チャンバー上部
６２ チャンバー下部
１００ 回転中心
１０１ 従来のマイクロ流体チップ
１０３ 従来の第３チャンバー
１０４ 従来の第４チャンバー
１０５ 従来の第５チャンバー

Claims (9)

1. 検査すべき液体が流れるトンネル状の第１の流路と、
   前記第１の流路が底面で接続された前記液体を充填するための空洞状のチャンバーと、
   前記チャンバーに蓄えられた液体を排出するための前記チャンバー底面に接続されたトンネル状の第２の流路と、
   前記チャンバーの内部に前記チャンバーの内壁厚みよりも小さい高さの突起部を設けたマイクロ流体チップ。
2. 前記チャンバーにおける第１の流路の接続部は、前記第２の流路の接続部とは反対の位置にある、請求項１に記載のマイクロ流体チップ。
3. 前記突起部は、前記チャンバーに前記液体が充填された時に前記液体が存在しない位置に設けられた、請求項１に記載のマイクロ流体チップ。
4. 前記第１と第２の流路と前記チャンバーの内壁は、親水性を持つように表面が加工されている、請求項１に記載のマイクロ流体チップ。
5. 前記突起部の高さｈは、前記チャンバーの内壁厚みＤとしたとき、ｈ＞０．８Ｄで表される、請求項１に記載のマイクロ流体チップ
6. 前記突起部によって形成される隙間の断面積は、前記第１の流路の断面積よりも大きい、請求項１に記載のマイクロ流体チップ
7. 前記チャンバーには空気孔がある、請求項１に記載のマイクロ流体チップ
8. 前記チャンバーには、前期突起の一方と他方に空気孔が１つずつある、請求項１に記載のマイクロ流体チップ
9. 前記チャンバーの底面は接触角が４５度以下の親水性である、請求項１に記載のマイクロ流体チップ

Images