JP2008126177A - 二液合流マイクロ流路チップ及び二液合流装置 - Google Patents

二液合流マイクロ流路チップ及び二液合流装置 Download PDF

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Abstract

【課題】安定的に定量同士の二液を気泡の混入を避けて合流させる二液合流マイクロ流路チップを提供する。
【解決手段】一端側１３から他端側１５に第１所定量の第１液Ａが搬送される第１流路１６と、第１流路１６の毛細管力より小さな毛細管力を有すると共に外部から一定量の第２液Ｂが供給され第２液Ｂを溜めておくポート部１４と、第１流路１６より大きな毛細管力を有し第１流路１６の側部に一端側開口が設けられ他端側開口がポート部１４に設けられた第２流路１８であって前記一端側開口に第１液Ａが到達するまではポート部１４に溜められた第２液Ｂの第１流路１６への流出をラプラス圧バルブにより阻止し第１液Ａが前記一端側開口に達した以後は一定量から第２流路１８の容積分を差し引いた第２所定量の第２液Ｂを第１所定量の第１液Ａに合流させる第２流路１８とを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、気泡を巻き込むことなく第１所定量の第１液に第２所定量の第２液を合流させることができる二液合流マイクロ流路チップ及び二液合流装置に関する。
第１液に第２液を混合させる場合、まず、第１液に第２液を合流させる必要がある。例えば図１０に示すＹ字形の流路１を用い、第１枝路２に第１液を流し、第２枝路３に第２液を流すことで、合流路４で第１液と第２液を合流させることができる。
しかし、図１０に示す流路１では、図１１（ａ）に示す様に、第１枝路２から合流路４に第１液を流した後、第２枝路３に第２液を流し込むと、図１１（ｂ）に示す様に、第２枝路４内の第２液先端面と第１液との間に気泡５が入ってしまい、図１１（ｃ）に示す様に、合流後の二液内に気泡５が混入してしまうという不具合が生じる。
第１液が第１枝路２から合流路４に到着するタイミングと、第２液が第２枝路３から合流路４に到着するタイミングとが、同タイミングとなるように第１液，第２液の各供給開始タイミングを制御すれば、気泡の混入は生じない。しかし、実際には到着のタイミングを同タイミングに制御することは難しく、気泡の混入を避けることができない。
そこで、特許文献１，２，３に示されるように、従来からラプラス圧バルブを用いることが行われている。ラプラス圧バルブとは、図１０の流路１を用いて説明すれば、第１枝路２及び合流路４の毛細管力に較べて第２枝路３の毛細管力を大きく（例えば、管路を細くすることで毛細管力を大きくできる。）しておけば、第２枝路３に第２液を導入したとき第２液は合流路４への接続端面部分でラプラス圧差により堰き止められる現象をいう。
この状態で、第１枝路２から合流路４に第１液を流し込み、第１液が上記の接続端面部分に達して第２液端面を濡らすと、ラプラス圧バルブが「開」となり、第１液と第２液の合流時に両者間に気泡が挟み込まれることがなくなる。
特開２００４―１５７０９７号公報 特開２００４―２２５９１２号公報 特表２００２―５２７２５０号公報
二液を合流させる場合、ラプラス圧バルブを用いることで、気泡の混入を避けることができる。しかし、特許文献２，３記載のマイクロ流路チップは一液を２系統に分岐させてその一方をラプラス圧バルブで堰き止めておいてその後に合流させる構成を基本構成としているので、この方法で二液合流を行う場合、連続流の二液の合流は可能であっても、一定量同士の二液の合流を行うのは難しい。ラプラス圧バルブの耐圧ｐは一般にｐ＝２γcosθ／ｒで表されるが、一定量同士の二液を合流させる場合、一定量の液体Ａをラプラス圧バルブで堰き止めておき、一定量の液体Ｂを空気圧や遠心力により搬送する必要がある。このとき同じ圧力が前記バルブにも作用し、これがバルブ耐圧を超えてしまうと合流する前に前記バルブが開放してしまい、液体Ａと液体Ｂの間に空気層ができてしまい、合流することができない。また、特許文献１のマイクロ流路チップでは、液体を定量的に取り扱っているが、そのために流路中に大気開放部を設けており、圧力搬送された液体の一部が大気開放部から外部に漏れ出る虞があり、安定的に定量の二液を合流させることは困難である。
本発明の目的は、安定的に定量同士の二液を気泡の混入を避けて合流させることができる二液合流マイクロ流路チップ及び二液合流装置を提供することにある。
本発明の二液合流マイクロ流路チップは、一端側から他端側に第１所定量の第１液が搬送される第１流路と、該第１流路の毛細管力より小さな毛細管力を有すると共に外部から一定量の第２液が供給され該第２液を溜めておくポート部と、前記第１流路より大きな毛細管力を有し該第１流路の側部に一端側開口が設けられ他端側開口が前記ポート部に設けられた第２流路であって前記一端側開口に前記第１液が到達するまでは前記ポート部に溜められた前記第２液の前記第１流路への流出をラプラス圧バルブにより阻止し前記第１液が前記一端側開口に達した以後は前記一定量から前記第２流路の容積分を差し引いた第２所定量の前記第２液を前記第１所定量の前記第１液に合流させる第２流路とを備えることを特徴とする。
本発明の二液合流マイクロ流路チップは、前記ポート部と前記第２流路との組を、複数組、前記第１流路に沿って並置したことを特徴とする。
本発明の二液合流装置は、上記記載の二液合流マイクロ流路チップと、前記第１流路の前記他端側に減圧力を印加して前記第１液を該他端側に減圧搬送させる減圧手段とを備えることを特徴とする。
本発明の二液合流装置は、上記記載の二液合流マイクロ流路チップと、前記第１流路の前記他端側に減圧力を印加して前記第１液を該他端側に減圧搬送させる減圧手段と、該減圧手段と前記ポート部との間に設けられ前記第１液が前記一端側開口に到達するまでは前記減圧力を前記ポート部にも印加し該到達後には該ポート部を大気に開放するバルブ手段とを備えることを特徴とする。
本発明の二液合流装置は、上記記載の二液合流マイクロ流路チップと、前記第１流路の前記他端側に減圧力を印加して前記第１液を該他端側に減圧搬送させる減圧手段と、該減圧手段と前記の各ポート部との間に設けられ前記第１液が前記組毎の前記一端側開口に到達するまでは前記減圧力を対応する前記ポート部にも印加し該到達後には該ポート部を大気に開放するバルブ手段とを備えることを特徴とする。
本発明の二液合流装置は、上記記載の二液合流マイクロ流路チップと、前記第１液が前記一端側開口に到達するまでは前記一端側から該第１液を加圧して該第１液を加圧搬送し該到達後には該加圧を停止し前記他端側に減圧力を印加して前記第１液を減圧搬送する加減圧手段と、該加減圧手段の前記加圧力及び前記減圧力の経路切替を行うバルブ手段とを備えることを特徴とする。
本発明の二液合流装置は、前記第１液が前記一端側開口に到達したことを検出するセンサを備えることを特徴とする。
本発明の二液合流装置の前記バルブ手段は、前記センサの検出信号で自動切替制御されることを特徴とする。
本発明によれば、安定的に定量同士の二液を気泡の混入を避けて合流させることが可能となる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る二液合流マイクロ流路チップの上面図であり、図２は図１のII―II線断面図であり、図３は図１のIII―III線断面図である。
本実施形態に係る二液合流マイクロ流路チップ１０は、矩形の基板１１上にポリマ等の樹脂材１２が射出成形等で積層されて構成されるが、このとき、以下に述べるポート部や流路が形成される。
図示する例の二液合流マイクロ流路チップ１０には、３つのポート部１３，１４，１５が設けられる。第１ポート部１３はチップ１０の右端部分に形成され、第２ポート部１４はチップ１０の中央且つ上辺寄りに設けられ、第３ポート部１５はチップ１０の左端部分に設けられる。各ポート部１３，１４，１５は、チップ１０の上面に開口を有し、底面が基板１１に達する円柱形状の孔でなる。
第１ポート部１３と第３ポート部１５とは、基板１１上に形成された横断面矩形形状の第１流路１６により連通されている。第１流路１６の第３ポート部１５寄りは、上面視で円形に拡張して形成され、この円形流路１７内に、後述する合流後の二液が溜められる様になっている。円形流路１７の高さは、第１流路１６の高さと同一である。
第２ポート部１４と第１流路１６とは、基板１１上に形成された横断面矩形形状の細く短い第２流路１８により連通されている。第２流路１８の毛細管力は、第１流路１６の毛細管力より大きく形成されている。図示する例では、第２流路１８の横断面矩形形状の等価半径が、第１流路１６の等価半径より小さく形成されている。また、第２流路１８が連通する第２ポート部１４と第１流路１６との間の毛細管力は、第２ポート部１４の方が小さくなるように形成される。
即ち、本実施形態の二液合流マイクロ流路チップ１０は、毛細管力が、
〔第２流路１８〕＞〔第１流路１６〕＞〔第２ポート部１４〕
の大小関係となるように形成される。
毛細管力は圧力Ｐで表され、Ｐ＝（２・γ・cosθ）／ｒである。ここで、γは液体の表面張力〔ｍＮ／ｍ〕、θは液体と流路との接触角〔ｄｅｇ〕、ｒは流路の等価半径である。
等価半径は等価直径の１／２の値であり、等価直径は機械工学の分野で一般に用いられている用語と同一の意味である。任意断面形状の流路（配管）に対して等価な円管を想定する場合、その等価円管の直径を「等価直径」といい、等価直径ｄｅｑは、配管の断面積をＫ、配管の周長をＬとしたとき、ｄｅｑ＝４Ｋ／Ｌと定義される。
尚、毛細管力の制御は、チップ製造時に流路等の径を調整するのが低コストであるが、製造するときに流路等の内面をプラズマ処理するなどして親疎水性制御することでも調整可能である。
以下、図４，図５を用いて、二液合流について説明する。先ず、第１ポート部１３に所定量の液体試料Ａを入れ、第２ポート部１４に一定量の液体試料Ｂを入れる。例えばこのマイクロ流路チップ１０で行う二液合流処理の前工程で処理された所定量の液体試料Ａが注入装置により自動的に第１ポート部１３に供給される様にしてもよく、人手により所定量の液体試料Ａを第１ポート部１３に注入しても良い。液体試料Ｂについても同様である。
一定量の液体試料Ｂが第２ポート部１４に供給されると、毛細管力により液体試料Ｂは第２流路１８内に進み、ラプラス圧バルブにより、第２流路１８の第１流路１６側の開口端面で堰き止められる。
次に、第３ポート部１５に接続した減圧手段により第３ポート部１５を減圧すると、図５（ａ）に示す様に、第１ポート部１３内の液体試料Ａが第１流路１６内に吸い込まれ、第１流路１６内を円形流路１７方向に進む。
そして、第１流路１６内を進んだ液体試料Ａが第２流路１８の開口端面に到着すると（図５（ｂ））、ラプラス圧バルブは開放される。
以後、第３ポート部１５への減圧印加を続けることにより、第２ポート部１４の毛細管力と第１流路１６の毛細管力との大小関係（第２ポート部１４＜第１流路１６）により、特別な操作を行うことなく第２ポート部１４内の液体試料Ｂは第１流路１６内に流れ込み、気泡を巻き込むことなく液体試料Ａと合流する。
更に第３ポート部１５への減圧印加を継続すると、図５（ｃ）に示されるように、液体試料Ａに液体試料Ｂが合流した試料が、円形流路１７に進み、ここに溜められることになる。但し、第２流路１８の毛細管力と第１流路１６の毛細管力の大小関係（第１流路１６＜第２流路１８）により、第２流路１８には液体試料Ｂが残ることになる。
従って、本実施形態の二液合流マイクロ流路チップ１０を用いると、第１ポート部１３に供給された第１所定量の液体試料Ａと、第２ポート部１４に供給された一定量から第２流路１８の容積分を差し引いた第２所定量の液体試料Ｂとが合流される。
円形流路１７に流れ込んだ合流液体Ａ，Ｂは、その後の混合工程により均一に混合される。
尚、上述した実施形態では、液体試料Ｂのラプラス圧バルブの耐圧と、液体試料Ａを搬送するための圧力の大小関係が、｜ラプラス圧バルブの耐圧｜＞｜液体試料Ａの減圧搬送圧力｜の場合のみに成り立つ。この関係が成り立たない場合は合流する前に前記バルブが開放してしまい、２液の間に空気層ができてしまい、合流することができない。
（第２実施形態）
図６は、本発明の二液合流装置の実施形態を示す構成図である。本実施形態の二液合流装置は、図１〜図５で説明した二液合流マイクロ流路チップ１０と、液到着検出センサ１９と、送液装置２０とからなる。
液到着検出センサ１９は、第２流路１８の第１流路１６側開口端近傍に設けられ、第１流路１６内を進んだ液体試料Ａが第２流路１８の開口端に到着したことを検出するセンサであり、例えば反射型ファイバーセンサでなる。
送液装置２０は、第３ポート部１５の開口に接続されるコネクタ２１と、第２ポート部１４の開口に接続されるコネクタ２２と、コネクタ２１を介して第３ポート部１５に接続される減圧手段２３と、減圧手段２３とコネクタ２２との間に介挿される３ポートのソレノイドバルブ２４（以下、図６，図７の説明ではＳＶ１ともいう。）とを備えて成る。
ＳＶ１は、ＯＦＦ側とＯＮ側の弁体を有し、ＯＦＦ側の弁体は第２ポート部１４をコネクタ２２を介して減圧手段２３に接続し、ＯＮ側の弁体は第２ポート部１４をコネクタ２２を介して大気に開放すると共に減圧手段２３への接続部を閉路する。
図７は、図６に示す二液合流装置の動作手順を示すフローチャートである。先ず、第１ポート部１３に第１所定量の液体試料Ａをセットすると共に、第２ポート部１４に一定量の液体試料Ｂをセットする（ステップＳ１）。これにより、液体試料Ｂは第２流路１８内に進み、ラプラス圧バルブによって停止する（図４（ａ）（ｂ）の状態）。
次に、センサ１９や送液装置２０のコネクタを二液合流マイクロ流路チップ１０に取り付ける（ステップＳ２）。この取付時には、ソレノイドバルブＳＶ１はＯＮ状態にしておく。ソレノイドバルブＳＶ１をＯＦＦ状態にしたままコネクタをチップ１０に接続すると、コネクタの弾性部材（Ｏリング等）が変形したときコネクタと液体試料Ｂの液面との間の空気が圧縮され、圧縮圧力によってラプラス圧バルブが開放されてしまう虞がある。このため、ＳＶ１をＯＮ状態にしておく。
次に、ソレノイドバルブＳＶ１をＯＦＦすると共に減圧手段２３に減圧を開始させる（ステップＳ３）。これにより、第２ポート部１４と第３ポート部１５とが連通して同じ減圧圧力が両ポート部１４，１５に印加され、図５（ａ）に示されるように、液体試料Ａが第１流路１６内を進む。
両ポート部１４，１５に同じ減圧圧力が印加されるため、ラプラス圧バルブの前面圧力（第１流路側開口端圧力）と背面圧力（第２ポート部１４の印加圧力）とが同圧となり、ラプラス圧バルブから液体試料Ｂが第１流路１６に漏れ出る虞がなくなる。
次のステップＳ４で、液体試料Ａがラプラス圧バルブに到着（図５（ｂ）の状態）したことをセンサ１９が検出すると、ステップＳ５で、ソレノイドバルブＳＶ１が自動的にＯＮとなる。
液体試料Ａがラプラス圧バルブに到着することでラプラス圧バルブが「開」となり、このとき、ＳＶ１オンで第２ポート部１４の圧力が大気に開放される。これにより、液体試料Ａと液体試料Ｂの合流開始の準備が整う。
ステップＳ６で更に減圧搬送を継続すると、気泡を巻き込むことなく合流した二液Ａ，Ｂは円形流路１７に流れ込み、合流が完了する。
（第３実施形態）
図８は、本発明の別実施形態に係る二液合流装置の構成図である。本実施形態の二液合流装置は、図１で説明した二液合流マイクロ流路チップ１０と、図６で説明した液到着検出センサ１９と、送液装置３０とからなる。
送液装置３０は、第１ポート部１３の開口部に接続されるコネクタ３１と、第３ポート部１５の開口部に接続されるコネクタ３２と、加減圧手段３３と、後述する動作を行う３ポートのソレノイドバルブ３４（図９の説明ではＳＶ１という。），３５（図９の説明ではＳＶ２という。），３６（図９の説明ではＳＶ３という。）とからなる。
図９は、図８に示す二液合流装置の処理手順を示すフローチャートである。先ず、第１ポート部１３に試料Ａを、第２ポート部１４に試料Ｂを、夫々所望の量だけ注入する（ステップＳ１１）。
試料の注入は手動で行っても良いし、注入装置を用いて自動で行ってもよいのは前述した実施形態と同様である。試料Ｂは、毛細管力により第２流路１８を進み、第１流路１６と面する端面でラプラス圧バルブにより止まる。
次に、試料Ａ，Ｂがセットされたマイクロ流路チップ１０にセンサ１９やコネクタ３１，３２を装着する。このとき、ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３ともにＯＮ状態とする（ステップＳ１２）。
次のステップＳ１３で、ＳＶ１をＯＦＦ側とする。これにより、加減圧手段３３からの加圧力が、ＳＶ１のＯＦＦ側弁体→ＳＶ２のＯＮ側弁体を通り、コネクタ３１から第１ポート部１３に印加される。これにより、第１ポート部１３内の液体試料Ａが第１流路１６内に送り出される。このとき、液体試料Ａの下流側すなわち試料Ｂのラプラス圧バルブ面は大気圧下になっているため、バルブから試料Ｂが漏れ出る虞はない。
試料Ａがラプラス圧バルブに到達し、センサ１９がこれを検出すると（ステップＳ１４）、次に、ＳＶ１を自動でＯＮにする（ステップＳ１５）。これにより、第１ポート部１３への加圧が停止される。
次に、ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３の全てを自動でＯＦＦ状態とし、加減圧手段３３の減圧力を第３ポート部１５に印加する（ステップＳ１６）。これにより、試料Ａは第１流路１６を円形流路１７側に減圧搬送される。このとき、ラプラス圧バルブは開放されているため、第２流路１８を通った液体試料Ｂが液体試料Ａに合流開始する。
第２ポート部１４の毛細管力と第１流路１６の毛細管力の大小関係（第２ポート１４＜第１流路１６）により、この後は特別な操作をしなくても、減圧搬送を続けることにより、第２ポート１４内の試料Ｂは気泡を巻き込むことなく第１流路１６に流れ込み、試料Ａ，Ｂが合流する。
尚、上述した各実施形態では、第２ポート部１４と第２流路１８の組み合わせを１組だけ第１流路に設けて二液合流を説明したが、この組み合わせを複数組用意し第１流路１６に沿って並置することで、複数の二液合流を順に行わせ三液以上の液体試料を合流させることが可能となる。
この様な三液以上の合流を図る二液合流装置では、例えば図６に示すバルブ２４をポート部毎に設け、第１液がラプラス圧バルブに到達する毎に該当のポート部を大気圧に開放すればよい。
本発明によれば、定量同士の液体試料を気泡を巻き込むことなく良好に合流させることができるため、二液合流装置や二液合流マイクロ流路チップとして有用である。
本発明の第１実施形態に係る二液合流マイクロ流路チップの上面図である。 図１に示すII―II線断面図である。 図１に示すIII―III線断面図である。 図１に示す実施形態の二液合流マイクロ流路チップで二液を合流するときの初期状態を示す図である。 図４の状態から二液合流を行う過程を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る二液合流装置の構成図である。 図６に示す二液合流装置の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る二液合流装置の構成図である。 図８に示す二液合流装置の処理手順を示すフローチャートである。 二液合流を行う流路の説明図である。 図１０の流路を用いた二液合流過程図である。
符号の説明
１０ 二液合流マイクロ流路チップ
１１ 基板
１２ 樹脂材
１３，１４，１５ ポート部
１６ 第１流路
１７ 円形流路
１８ 第２流路
１９ 液到着検出センサ
２０，３０ 送液装置
２１，２２，３１，３２ コネクタ
２３ 減圧手段
２４，３４，３５，３６ ３ポートソレノイドバルブ

Claims (8)

  1. 一端側から他端側に第１所定量の第１液が搬送される第１流路と、該第１流路の毛細管力より小さな毛細管力を有すると共に外部から一定量の第２液が供給され該第２液を溜めておくポート部と、前記第１流路より大きな毛細管力を有し該第１流路の側部に一端側開口が設けられ他端側開口が前記ポート部に設けられた第２流路であって前記一端側開口に前記第１液が到達するまでは前記ポート部に溜められた前記第２液の前記第１流路への流出をラプラス圧バルブにより阻止し前記第１液が前記一端側開口に達した以後は前記一定量から前記第２流路の容積分を差し引いた第２所定量の前記第２液を前記第１所定量の前記第１液に合流させる第２流路とを備えることを特徴とする二液合流マイクロ流路チップ。
  2. 前記ポート部と前記第２流路との組を、複数組、前記第１流路に沿って並置したことを特徴とする請求項１に記載の二液合流マイクロ流路チップ。
  3. 請求項１または請求項２に記載の二液合流マイクロ流路チップと、前記第１流路の前記他端側に減圧力を印加して前記第１液を該他端側に減圧搬送させる減圧手段とを備えることを特徴とする二液合流装置。
  4. 請求項１に記載の二液合流マイクロ流路チップと、前記第１流路の前記他端側に減圧力を印加して前記第１液を該他端側に減圧搬送させる減圧手段と、該減圧手段と前記ポート部との間に設けられ前記第１液が前記一端側開口に到達するまでは前記減圧力を前記ポート部にも印加し該到達後には該ポート部を大気に開放するバルブ手段とを備えることを特徴とする二液合流装置。
  5. 請求項２に記載の二液合流マイクロ流路チップと、前記第１流路の前記他端側に減圧力を印加して前記第１液を該他端側に減圧搬送させる減圧手段と、該減圧手段と前記の各ポート部との間に設けられ前記第１液が前記組毎の前記一端側開口に到達するまでは前記減圧力を対応する前記ポート部にも印加し該到達後には該ポート部を大気に開放するバルブ手段とを備えることを特徴とする二液合流装置。
  6. 請求項１に記載の二液合流マイクロ流路チップと、前記第１液が前記一端側開口に到達するまでは前記一端側から該第１液を加圧して該第１液を加圧搬送し該到達後には該加圧を停止し前記他端側に減圧力を印加して前記第１液を減圧搬送する加減圧手段と、該加減圧手段の前記加圧力及び前記減圧力の経路切替を行うバルブ手段とを備えることを特徴とする二液合流装置。
  7. 前記第１液が前記一端側開口に到達したことを検出するセンサを備えることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の二液合流装置。
  8. 前記バルブ手段は、前記センサの検出信号で自動切替制御されることを特徴とする請求項７に記載の二液合流装置。
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