JP2009115732A - マイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な動作で検体や試薬等を正確に定量することができ、検体や試薬等の無駄も少ないマイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置を提供すること。
【解決手段】液体注入口と枝管を介して連通された空気抜き口とを備えた液体貯留部に、液体注入口から液体を充填し、液体貯留部全体と枝管の途中まで液体を充填した後に送液することで、簡単な動作で検体や試薬等を正確に定量することができ、検体や試薬等の無駄も少ないマイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置に関し、特に、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検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置に関する。

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分析用チップ（以下、マイクロ検査チップと言う）が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

これは、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）、バイオリアクタ、ラブ・オン・チップ（Ｌａｂ−ｏｎ−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。特に、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に優れたマイクロ検査チップは、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ので、その恩恵は多大と言える。

上記のようなマイクロ検査チップでは、検査に用いられる検体や試薬を正確に定量することが重要である。検体や試薬を精度良く定量できないと、反応およびその検出結果に多大の影響が生ずる。

そこで、特許文献２には、第１の流路に導入された液体が、第１の流路と第２の流路とを繋ぐ第３の流路内に毛細管現象によって引き込まれ、第１の流路内の液体を取り除いた後に第３の流路内の液体を第２の流路に送液することで、第３の流路の容積に応じた体積の液滴を作成する液体の定量方法が開示されている。
特開２００４−２８５８９号公報 特開２００２−３５７６１６号公報

しかしながら、特許文献２で提案された方法では、液体を定量するためだけに３本の流路が必要であり、マイクロ検査チップの構造が複雑となる。また、第１の流路の液体を取り除く工程と、第３の流路内の液体を第２の流路に送液する工程とを切り替える時に、送液ポンプの力を切り替えるか、第１の流路の末端を送液工程の途中で封止する等の工夫が必要であり、マイクロ検査チップの動作が複雑になる。さらに、第３の流路内に液体が貯留された後に第１の流路に残った液体を全て取り除く必要があり、検体や試薬の無駄が多い。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、簡単な動作で検体や試薬等を正確に定量することができ、検体や試薬等の無駄も少ないマイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置を提供することを目的としている。

本発明の目的は、下記構成により達成することができる。

１．液体を貯留する液体貯留部と、
前記液体貯留部の下流に連通され、前記液体貯留部に貯留された前記液体を下流に送液する下流流路とを備えたマイクロ検査チップにおいて、
前記液体貯留部に連通され、前記液体貯留部に前記液体を注入する液体注入口と、
一端に空気抜き口を有し、他端が前記液体貯留部に連通された枝管と、
前記液体貯留部の上流に連通された上流流路と、
前記上流流路と前記液体貯留部とを連通させる上流細流路と、
前記液体貯留部と前記下流流路とを連通させる下流細流路とを備えたことを特徴とするマイクロ検査チップ。

２．前記液体貯留部の流路断面積をＳ１、
前記枝管の流路断面積をＳ２、
前記上流細流路および下流細流路の流路断面積をＳ３としたときに、
Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３
であることを特徴とする１に記載のマイクロ検査チップ。

３．前記液体注入口は、前記液体貯留部の上流端近傍あるいは下流端近傍で前記液体貯留部に連通され、
前記枝管は、前記液体貯留部の下流端近傍あるいは上流端近傍で前記液体貯留部に連通されることを特徴とする１又は２に記載のマイクロ検査チップ。

４．前記液体注入口を封止する注入口封止部材と、
前記空気抜き口を封止する空気抜き口封止部材とを備えたことを特徴とする１乃至３の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。

５．前記液体注入口と前記液体貯留部とを連通させる注入枝管を備えたことを特徴とする１乃至４の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。

６．前記液体貯留部は、流路断面積が前記液体貯留部の主要部よりも狭い狭流路を有し、
前記枝管は、前記狭流路を介して前記液体貯留部に連通されることを特徴とする１乃至５の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。

７．複数の前記液体貯留部が直列に連通されたことを特徴とする１乃至６の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。

８．前記上流流路または前記下流流路の少なくとも何れか一方に連通され、大気に開放された大気連通穴を備えたことを特徴とする１乃至７の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。

９．前記大気連通穴を封止する大気連通穴封止部材を備えたことを特徴とする８に記載のマイクロ検査チップ。

１０．４乃至７の何れか１項に記載のマイクロ検査チップの液体定量方法であって、
前記液体注入口から前記液体を注入して、前記液体貯留部に前記液体を満充填し、さらに前記枝管の途中まで前記液体を充填する注入工程と、
前記液体注入口を前記注入口封止部材で封止し、前記空気抜き口を前記空気抜き口封止部材で封止する封止工程と、
前記液体貯留部に満充填された前記液体を下流に送液する送液工程とを備えたことを特徴とするマイクロ検査チップの液体定量方法。

１１．９に記載のマイクロ検査チップの液体定量方法であって、
前記大気連通穴封止部材によって前記大気連通穴を封止する大気連通穴封止工程と、
前記液体注入口から前記液体を注入して、前記液体貯留部に前記液体を満充填し、さらに前記枝管の途中まで前記液体を充填する注入工程と、
前記液体注入口を前記注入口封止部材で封止し、前記空気抜き口を前記空気抜き口封止部材で封止する封止工程と、
前記大気連通穴封止工程で封止された大気連通穴を開放する大気連通穴開放工程と、
前記液体貯留部に満充填された液体を下流に送液する送液工程とを備えたことを特徴とするマイクロ検査チップの液体定量方法。

１２．１０または１１に記載のマイクロ検査チップの液体定量方法を用いて液体を定量することを特徴とする検査装置。

本発明によれば、液体注入口と枝管を介して連通された空気抜き口とを備えた液体貯留部に、液体注入口から液体を充填し、液体貯留部全体と枝管の途中まで液体を充填した後に送液することで、簡単な動作で検体や試薬等を正確に定量することができ、検体や試薬等の無駄も少ないマイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置を提供することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。なお、図中、同一あるいは同等の部分には同一の番号を付与し、重複する説明は省略する。

まず、本発明における検査装置について、図１を用いて説明する。図１は、本発明における検査装置の１例を示す模式図である。

図１において、検査装置１は、マイクロ検査チップ１００、マイクロポンプユニット２１０、加熱冷却ユニット２３０、検出部２５０および駆動制御部２７０等で構成される。マイクロポンプユニット２１０は、マイクロ検査チップ１００内の送液を行う。加熱冷却ユニット２３０は、マイクロ検査チップ１００内の反応の促進および抑制のために、検体、試薬およびその混合液等の加熱および冷却を行う。検出部２５０は、マイクロ検査チップ１００内の反応によって得られる生成液に含まれる標的物質を検出する。駆動制御部２７０は、検査装置１内の各部の駆動、制御、検出等を行う。

マイクロポンプユニット２１０は、マイクロポンプ２１１、チップ接続部２１３、駆動液タンク２１５および駆動液供給部２１７等で構成される。マイクロポンプ２１１は、駆動液２１６の送液を行う。マイクロポンプについては図７で詳述する。チップ接続部２１３は、マイクロポンプ２１１とマイクロ検査チップ１００とを接続する。駆動液タンク２１５は、送液のための駆動液２１６を供給する。

駆動液供給部２１７は、駆動液タンク２１５からマイクロポンプ２１１に駆動液２１６を供給する。駆動液タンク２１５は、駆動液２１６の補充のために駆動液供給部２１７から取り外して交換可能である。マイクロポンプ２１１上には１個または複数個のポンプが形成されており、複数個の場合は、各々独立にあるいは連動して駆動可能である。

加熱冷却ユニット２３０は、冷却部２３１および加熱部２３３等で構成される。冷却部２３１はペルチエ素子等で構成される。加熱部２３３は、ヒータ等で構成される。もちろん、加熱部２３３もペルチエ素子で構成してもよい。検出部２５０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザ等の光源２５１と、フォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子２５３等で構成され、マイクロ検査チップ１００内の反応によって得られる生成液に含まれる標的物質を、マイクロ検査チップ１００上の検出領域２５５の位置で光学的に検出する。

マイクロ検査チップ１００は、一般に分析チップ、マイクロリアクタチップなどとも称されるものと同等であり、例えば、樹脂、ガラス、シリコン、セラミックスなどを材料とし、その上に、微細加工技術により、幅および高さが数μｍ〜数百μｍのレベルの微細な流路を形成したものである。マイクロ検査チップ１００のサイズおよび形状は、通常、縦横が数十ｍｍ、厚さが数ｍｍ程度の板状である。

マイクロ検査チップ１００とマイクロポンプ２１１とはチップ接続部２１３で接続されて連通され、マイクロポンプ２１１が駆動されることにより、マイクロ検査チップ１００内の複数の収容部に収容されている各種試薬や検体が、マイクロポンプ２１１からチップ接続部２１３を介してマイクロ検査チップ１００に流入する駆動液２１６により送液される。

次に、本発明におけるマイクロ検査チップの第１の実施の形態について、図２および図３を用いて説明する。図２は、本発明におけるマイクロ検査チップ１００の第１の実施の形態の構成を示す模式図で、図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。

図２（ａ）において、マイクロ検査チップ１００は、例えばポリプロピレン（以下、ＰＰと言う）等の撥水性の樹脂材料で形成された流路基板１２１の表面に形成された、液体貯留部１０１、上流流路１０３、下流流路１０５、液体注入口１０７、枝管１０９、空気抜き口１１１、撥水バルブ１１３および１１５等の流路や、注入口封止部材１１７および空気抜き口封止部材１１９等で構成されている。液体貯留部１０１は所定の容積を有しており、後述する液体の定量に寄与する。撥水バルブ１１３および１１５は本発明における上流細流路および下流細流路として機能する。撥水バルブについては、図８で詳述する。

液体貯留部１０１の上流端１０１ａには、撥水バルブ１１３を介して上流流路１０３が連通され、液体貯留部１０１の下流端１０１ｂには、撥水バルブ１１５を介して下流流路１０５が連通されている。上流流路１０３は、その上流側で、後述する送液のための送液ポンプに接続されている。下流流路１０５は、その下流で、例えば図６で後述するような複数の液体の混合を行う混合部、反応の増幅および検出を行う増幅・検出部、下流への送液の際の空気抜きとして機能する大気開放穴等に連通されている。

液体貯留部１０１の下流端１０１ｂ近傍には液体注入口１０７が設けられている。液体貯留部１０１の上流端１０１ａ近傍には枝管１０９が連通され、枝管１０９の末端には空気抜き口１１１が設けられて、大気に開放されている。ここに、液体貯留部１０１の流路幅＝Ｗ１、枝管１０９の流路幅＝Ｗ２、撥水バルブ１１３および１１５の最も狭い流路幅＝Ｗ３であり、Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３である。

ここでは、液体貯留部１０１の下流端１０１ｂ近傍に液体注入口１０７が、上流端１０１ａ近傍に枝管１０９と空気抜き口１１１が設けられているとしたが、逆に、液体貯留部１０１の上流端１０１ａ近傍に液体注入口１０７が、下流端１０１ｂ近傍に枝管１０９と空気抜き口１１１が設けられてもよい。

図２（ｂ）において、マイクロ検査チップ１００の液体貯留部１０１、上流流路１０３、下流流路１０５、枝管１０９、撥水バルブ１１３および１１５等の流路は、流路基板１２１上に形成されている。流路基板１２１の流路が形成されている面上には、天板１２３が貼付されており、天板１２３には液体注入口１０７および空気抜き口１１１が形成されている。

液体注入口１０７および空気抜き口１１１は、それぞれ、注入口封止部材１１７および空気抜き口封止部材１１９によって封止可能になされている。本例では、液体貯留部１０１の流路深さ＝Ｄ１、枝管１０９の流路深さ＝Ｄ２、撥水バルブ１１３および１１５の最も浅い流路深さ＝Ｄ３であり、Ｄ１＝Ｄ２＞Ｄ３である。

従って、液体貯留部１０１の流路断面積Ｓ１＝Ｗ１×Ｄ１、枝管１０９の流路断面積Ｓ２＝Ｗ２×Ｄ２、撥水バルブ１１３および１１５の最も狭い流路断面積Ｓ３＝Ｗ３×Ｄ３であり、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３である。

ここでは、上流および下流細流路として撥水バルブ１１３および１１５を用いた例を示したが、必ずしも撥水バルブである必要はなく、上述した液体貯留部１０１の流路断面積Ｓ１＞枝管１０９の流路断面積Ｓ２＞撥水バルブ１１３および１１５の流路断面積Ｓ３の関係を満たすような細流路であればよい。

図３は、図２に示したマイクロ検査チップ１００の第１の実施の形態を用いた液体定量方法の１例を示す模式図で、図３（ａ）が液体充填状態を、図３（ｂ）が液体送液状態を示す。

図３（ａ）において、最初、液体貯留部１０１、上流流路１０３、下流流路１０５、枝管１０９、撥水バルブ１１３および１１５は空気１５３で満たされている。液体注入口１０７および空気抜き口１１１が開放された状態で、例えばピペット等により、検体や試薬等の液体１５１が液体注入口１０７に滴下され、液体貯留部１０１に注入される（注入工程）。液体１５１は、液体貯留部１０１に満充填された後に、枝管１０９の途中まで充填されるように注入される。液体１５１の注入量は枝管１０９の容積の範囲内でばらついてもよいので、液体貯留部１０１の容積を超えてラフに注入することができ、注入量を正確に管理する必要がない。

また、液体１５１注入時に上流流路１０３あるいは下流流路１０５に液体１５１が流れていかないように、液体貯留部１０１の上流端１０１ａおよび下流端１０１ｂには撥水バルブ１１３および１１５が設けられている。各流路は撥水性の樹脂で形成され、枝管１０９の流路断面積Ｓ２＞撥水バルブ１１３および１１５の最も狭い流路断面積Ｓ３である。従って、流路断面積の違いによる液体１５１の流れやすさの違いから、枝管１０９が満充填される前に、撥水バルブ１１３あるいは１１５を介して上流流路１０３あるいは下流流路１０５に液体１５１が流れていくことはない。

図８で詳述するように、通常の撥水バルブの場合は液体１５１は送液制御通路内まで充填され、送液制御通路の出口で停止する。しかし、本実施の形態では、枝管１０９と撥水バルブ１１３および１１５との流路断面積の違いによる液体１５１の流れやすさの違いから、液体１５１が撥水バルブ１１３の送液制御通路内に流入することはない。

図３（ｂ）において、液体１５１の注入後に、液体注入口１０７および空気抜き口１１１が、それぞれ、注入口封止部材１１７および空気抜き口封止部材１１９によって封止され（封止工程）、この状態で、例えば図１に示したマイクロポンプ等の送液ポンプ２１１によって駆動液２１６が上流流路１０３に送り込まれ、駆動液２１６によって上流流路１０３内の空気１５３が液体貯留部１０１に送り込まれることで、液体１５１が撥水バルブ１１５を介して下流流路１０５に送液される（送液工程）。

ここでは、マイクロポンプ等の送液ポンプ２１１の駆動液２１６によって空気１５３が液体貯留部１０１に送り込まれることで液体１５１が送液されるとしたが、例えば空気ポンプによって空気１５３が送り込まれることで液体１５１が送液されることでもよい。

この時、枝管１０９内の液体１５１は送液されず枝管１０９内に取り残されるので、下流流路１０５に送液される液体１５１の容積は、液体貯留部１０１の容積に等しくなる。つまり、枝管１０９の容積の範囲内で液体１５１を液体貯留部１０１の容積を超えてラフに注入しても、送液される液体１５１の容積を液体貯留部１０１の容積に等しく正確に定量することができる。

上述したように、本第１の実施の形態によれば、枝管１０９の容積の範囲内で液体１５１を液体貯留部１０１の容積を超えてラフに注入しても、送液される液体１５１の容積を液体貯留部１０１の容積に等しく正確に定量することができ、液体１５１の注入工程を簡略化することができる。

次に、本発明におけるマイクロ検査チップの第２の実施の形態について、図４を用いて説明する。図４は、マイクロ検査チップ１００の第２の実施の形態を用いた液体定量方法の１例を示す模式図で、図４（ａ）が液体充填状態を、図４（ｂ）が液体送液状態を示す。

図４（ａ）において、液体注入口１０７は、空気抜き口１１１と同様に、注入枝管１２５を介して液体貯留部１０１に接続されており、液体１５１は、注入枝管１２５を介して液体貯留部１０１に満充填された後に、枝管１０９の途中まで充填されるように注入される。

図４（ｂ）において、液体１５１の注入後に、液体注入口１０７および空気抜き口１１１が封止部材１２７によって封止される。一般に、液体注入口１０７を封止するには、例えば粘着シールからなる注入口封止部材１１７を貼り付ける等の手段がとられる。しかし、例えば図３に示した例で、液体貯留部１０１の上で粘着シールを貼り付けると、液体貯留部１０１内の液体１５１に外力が加わって、液体１５１が上流流路１０３や下流流路１０５に漏れだしたり、空気抜き口１１１から外部に流出したりする危険がある。

本第２の実施の形態では、液体注入口１０７の封止時に液体貯留部１０１内の液体１５１に外力が加わることはなく、上述した問題点が回避できる。また、本第２の実施の形態では、液体注入口１０７と空気抜き口１１１の配置の自由度が高いので、本例のように液体注入口１０７と空気抜き口１１１とを近接させて配置することで、１つの封止部材１２７によって封止することも可能となる。

液体注入口１０７および空気抜き口１１１が封止部材１２７によって封止された状態で、例えば図１に示したマイクロポンプ等の送液ポンプ２１１によって駆動液２１６が上流流路１０３に送り込まれ、駆動液２１６によって空気１５３が液体貯留部１０１に送り込まれることで、液体１５１が撥水バルブ１１５を介して下流流路１０５に送液される。

この時、枝管１０９および注入枝管１２５内の液体１５１は送液されず枝管１０９および注入枝管１２５内に取り残されるので、下流流路１０５に送液される液体１５１の容積は液体貯留部１０１の容積に等しくなる。つまり、枝管１０９および注入枝管１２５の容積の範囲内で液体１５１を液体貯留部１０１の容積を超えてラフに注入しても、送液される液体１５１の容積を液体貯留部１０１の容積に等しく正確に定量することができる。

上述したように、本第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、枝管１０９および注入枝管１２５の容積の範囲内で液体１５１を液体貯留部１０１の容積を超えてラフに注入しても、送液される液体１５１の容積を液体貯留部１０１の容積に等しく正確に定量することができ、液体１５１の注入工程を簡略化することができる。

さらに、本第２の実施の形態によれば、液体注入口１０７の封止時に、液体１５１が上流流路１０３や下流流路１０５に漏れだしたり、空気抜き口１１１から外部に流出したりする危険を回避することができ、液体注入口１０７と空気抜き口１１１とを近接させて配置することで、１つの封止部材１２７によって封止することも可能となる。

次に、本発明におけるマイクロ検査チップの第３の実施の形態について、図５を用いて説明する。図５は、マイクロ検査チップ１００の第３の実施の形態を用いた液体定量方法の１例における液体送液状態を示す模式図である。

図５において、枝管１０９および空気抜き口１１１は、図２及び図３に示した第１の実施の形態とは異なり、液体貯留部１０１と撥水バルブ１１３との間に設けられた狭流路１２９に連通している。狭流路１２９は、液体貯留部１０１よりも流路断面積が小さい流路である。その他は、第１の実施の形態と同じである。

第１の実施の形態と同様に、液体１５１は、液体貯留部１０１と狭流路１２９とに満充填された後に、枝管１０９の途中まで充填されるように注入される。液体注入口１０７および空気抜き口１１１が、それぞれ、注入口封止部材１１７および空気抜き口封止部材１１９によって封止され、この状態で、例えば図１に示したマイクロポンプ等の送液ポンプ２１１によって駆動液２１６が上流流路１０３に送り込まれ、駆動液２１６によって空気１５３が液体貯留部１０１に送り込まれることで、液体１５１が撥水バルブ１１５を介して下流流路１０５に送液される。

この時、枝管１０９内の液体１５１は送液されず枝管１０９内に取り残されるので、送液される液体１５１の容積は、液体貯留部１０１と狭流路１２９との容積の和に等しくなる。

この時、枝管１０９が連通される相手が液体貯留部１０１よりも流路断面積の小さい狭流路１２９であると、液体貯留部１０１に連通されるよりも、液体１５１の送液時に狭流路１２９と枝管１０９との境界での液体１５１の液切れがより良くなる。従って、下流流路１０５に送液される液体１５１の容積の定量性がより向上する。つまり、枝管１０９の容積の範囲内で液体１５１を液体貯留部１０１の容積を超えてラフに注入しても、送液される液体１５１の容積を液体貯留部１０１と狭流路１２９との容積の和に等しく、より正確に定量することができる。

上述したように、本第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、枝管１０９の容積の範囲内で液体１５１を液体貯留部１０１の容積を超えてラフに注入しても、送液される液体１５１の容積を液体貯留部１０１と狭流路１２９との容積の和に等しく、より正確に定量することができ、液体１５１の注入工程を簡略化することができると共に、液体１５１の容積の定量性をより向上させることができる。

次に、本発明におけるマイクロ検査チップの第４の実施の形態について、図６を用いて説明する。図６は、マイクロ検査チップ１００の第４の実施の形態を示す模式図で、流路を介して複数の液体が直列に繋がっている場合を示している。

図６において、マイクロ検査チップ１００は、図示しないチップ接続部２１３を介してマイクロポンプ等の送液ポンプ２１１に連通しており、流路１３９に駆動液２１６が送り込まれることで、下流の液体１５１が送液される。ここでは、図４に示した第２の実施の形態の流路を４個用いて、４種類の液体を定量する例を示す。上流側から順に、液体貯留部１０１ｄに貯留された液体１５１ｄ、液体貯留部１０１ｃに貯留された液体１５１ｃ、液体貯留部１０１ｂに貯留された液体１５１ｂ、液体貯留部１０１ａに貯留された液体１５１ａである。

まず最初に、流路の最下流にある大気開放穴１３５が大気開放穴封止部材１３７で封止される（大気連通穴封止工程）。これは、各液体を注入する際に、液体が下流側に流れてしまわないように流路内の空気圧を保つためである。

次に、最下流の液体１５１ａが液体注入口１０７ａから注入枝管１２５ａを介して液体貯留部１０１ａに注入されて満充填され、枝管１０９ａの途中まで充填される（注入工程）。この状態で、液体注入口１０７ａと空気抜き穴１１１ａとが封止される（封止工程）。同様にして、下流側から、液体１５１ｂが注入枝管１２５ｂと液体貯留部１０１ｂと枝管１０９ｂとに充填されて（注入工程）、液体注入口１０７ｂと空気抜き穴１１１ｂとが封止される（封止工程）。続いて、液体１５１ｃが注入枝管１２５ｃと液体貯留部１０１ｃと枝管１０９ｃとに充填されて（注入工程）、液体注入口１０７ｃと空気抜き穴１１１ｃとが封止される（封止工程）。最後に、液体１５１ｄが注入枝管１２５ｄと液体貯留部１０１ａと枝管１０９ａとに充填されて（注入工程）、液体注入口１０７ｄと空気抜き穴１１１ｄとが封止される（封止工程）。

続いて、大気開放穴封止部材１３７を取り除いて大気開放穴１３５を開放して（大気連通穴開放工程）から、マイクロポンプ等の送液ポンプ２１１によって流路１３９に駆動液２１６が送り込まれることで、検体や試薬である液体１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃおよび１５１ｄが下流に送液され（送液工程）、例えば混合部１３１で混合され、増幅・検出部１３３で反応が増幅されて反応結果が検出される。

この時、各注入枝管１２５ａと枝管１０９ａ、１２５ｂと１０９ｂ、１２５ｃと１０９ｃ、１２５ｄと１０９ｄとに貯留された液体は送液されないので、液体１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃおよび１５１ｄの容積は、液体貯留部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃおよび１０１ｄの容積に正確に定量されて送液される。

ここでは、大気開放穴１３５が流路の最下流にあるとして説明したが、下流側の流路の途中にあってもよいし、流路の上流側にあってもよい。例えば流路の上流側に大気開放穴１３５がある場合には、大気開放穴１３５を大気開放穴封止部材１３７で封止した状態で、上述したとは逆に、液体１５１ｄから下流側に向かって、１５１ｃ、１５１ｂ、１５１ａの順に充填していけばよい。

上述したように、本第４の実施の形態によれば、複数の液体を直列に貯留した場合においても、送液される各液体の容積を、それぞれ正確に定量することができる。

次に、上述した実施の形態に用いられるマイクロポンプ２１１の１例について、図７を用いて説明する。マイクロポンプ２１１は、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ポンプなど各種のものが使用できるが、圧電素子を駆動源とするピエゾポンプを用いることが好適である。図７は、マイクロポンプ２１１の構成の１例を示す模式図で、図７（ａ）はピエゾポンプの１例を示した断面図、図７（ｂ）はその上面図、図７（ｃ）はピエゾポンプの他の例を示した断面図である。

図７（ａ）および（ｂ）において、マイクロポンプ２１１は、第１液室４０８、第１流路４０６、加圧室４０５、第２流路４０７および第２液室４０９が形成された基板４０２、基板４０２上に積層された上側基板４０１、上側基板４０１上に積層された振動板４０３、振動板４０３の加圧室４０５と対向する側に積層された圧電素子４０４と、圧電素子４０４を駆動するための図示しない駆動部とが設けられている。駆動部と圧電素子４０４の両面上の２つの電極とは、フレキシブルケーブル等による配線で接続されており、該配線を通じて駆動部の駆動回路により圧電素子４０４に駆動電圧を印加する構成となっている。

１例として、基板４０２として、厚さ５００μｍの感光性ガラス基板を用い、深さ１００μｍに達するまでエッチングを行なうことにより、第１液室４０８、第１流路４０６、加圧室４０５、第２流路４０７および第２液室４０９を形成している。第１流路４０６は幅を２５μｍ、長さを２０μｍとしている。また、第２流路４０７は幅を２５μｍ、長さを１５０μｍとしている。

ガラス基板である上側基板４０１を基板４０２上に積層することにより、第１液室４０８、第１流路４０６、第２液室４０９および第２流路４０７の上面が形成される。上側基板４０１の加圧室４０５の上面に当たる部分は、エッチングなどにより加工されて貫通している。

上側基板４０１の上面には、厚さ５０μｍの薄板ガラスからなる振動板４０３が積層され、その上に、例えば厚さ５０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックス等からなる圧電素子４０４が積層され貼付されている。駆動部からの駆動電圧により、圧電素子４０４とこれに貼付された振動板４０３が振動し、これにより加圧室４０５の体積が増減する。

第１流路４０６と第２流路４０７とは、幅および深さが同じで、長さが第１流路４０６よりも第２流路４０７の方が長くなっており、第１流路４０６では、差圧が大きくなると流路の出入り口およびその周辺で乱流が発生し、流路抵抗が増加する。一方、第２流路４０７では流路の長さ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４０６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。すなわち、差圧の大小によって第１流路４０６と第２流路４０７との液体の流れ易さの関係が変化する。これを利用して、圧電素子４０４に対する駆動電圧波形を制御して送液を行っている。

例えば、圧電素子４０４に対する駆動電圧により、加圧室４０５の内方向へ素早く振動板４０３を変位させて、大きい差圧を与えながら加圧室４０５の体積を減少させ、次いで加圧室４０５から外方向へゆっくり振動板４０３を変位させて、小さい差圧を与えながら加圧室４０５の体積を増加させると、流体は加圧室４０５から第２液室４０９の方向（図７（ａ）のＢ方向）へ送液される。

逆に、加圧室４０５の外方向へ素早く振動板４０３を変位させて、大きい差圧を与えながら加圧室４０５の体積を増加させ、次いで加圧室４０５から内方向へゆっくり振動板４０３を変位させて、小さい差圧を与えながら加圧室４０５の体積を減少させると、流体は加圧室４０５から第１液室４０８の方向（図７（ａ）のＡ方向）へ送液される。

なお、第１流路４０６と第２流路４０７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。

上記のように構成されたマイクロポンプ２１１によれば、ポンプの駆動電圧および周波数を変えることによって、所望する流体の送液方向、送液速度を制御できるようになっている。図７（ａ）（ｂ）には図示されていないが、第１液室４０８には駆動液タンク２１５につながるポートが設けられており、第１液室４０８は「リザーバ」の役割を演じ、ポートで駆動液タンク２１５から駆動液の供給を受けている。第２液室４０９はマイクロポンプユニット２１０の流路を形成し、その先にチップ接続部２１３があり、マイクロ検査チップと繋がる。

図７（ｃ）において、マイクロポンプ２１１は、シリコン基板４７１、圧電素子４０４、基板４７４および図示しないフレキシブル配線で構成される。シリコン基板４７１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り、エッチングにより加圧室４０５、ダイヤフラム４０３、第１流路４０６、第１液室４０８、第２流路４０７、および第２液室４０９が形成されている。

基板４７４には、第１液室４０８の上部にポート４７２が、第２液室４０９の上部にポート４７３がそれぞれ設けられており、例えばこのマイクロポンプ２１１をマイクロ検査チップ１００と別体とする場合には、ポート４７３を介してマイクロ検査チップ１００のポンプ接続部と連通させることができる。例えば、ポート４７２、４７３が穿孔された基板４７４と、マイクロ検査チップ１００のポンプ接続部近傍とを上下に重ね合わせることによって、マイクロポンプ２１１をマイクロ検査チップ１００に接続することができる。

また、上述したように、マイクロポンプ２１１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ため、１枚のシリコン基板上に複数のマイクロポンプ２１１を形成することも可能である。この場合、マイクロ検査チップ１００と接続するポート４７３の反対側のポート４７２には、駆動液タンク２１５が接続されていることが望ましい。マイクロポンプ２１１が複数個ある場合、それらのポート４７２は、共通の駆動液タンク２１５に接続されていてもよい。

上述したマイクロポンプ２１１は、小型で、マイクロポンプ２１１からマイクロ検査チップ１００までの配管等によるデッドボリュームが小さく、圧力変動が少ないうえに瞬時に正確な吐出圧力制御が可能なことから、駆動制御部２７０での正確な送液制御が可能である。

本発明におけるマイクロ検査チップ１００の各実施の形態では、液体充填部１０１の上流側および下流側に、撥水バルブ１１３および１１５をそれぞれ設けている。ここで、撥水バルブの一般的な構造と動作について、図８を用いて説明する。図８は、撥水バルブの一般的な構造と動作について説明するための模式図で、図８（ａ）は液体の送液が撥水バルブで遮断されている状態を、図８（ｂ）は撥水バルブを越えて送液されている状態を示す。

図８（ａ）において、撥水バルブ５０１は、細径の送液制御通路５１１で構成されている。送液制御通路５１１とは、その断面積Ｓ１（送液方向に対して垂直な断面の断面積）が、上流側流路５２１の断面積Ｓ２および下流側流路５２３の断面積Ｓ３よりも小さい細流路である。

流路壁５３１がプラスチック樹脂などの疎水性の材質で形成されている場合には、上流側流路５２１内に充填された液体５４１は、弱い送液圧力Ｐ１（例えば３ｋＰａ程度）で送液制御通路５１１内に流入し、送液制御通路５１１と下流側流路５２３との境界部の流路壁５３１との表面張力の差によって、下流側流路５２３へ通過することが規制される。

ただし、本発明のように、上流側流路５２１に送液制御通路５１１よりも流路断面積の大きい、つまりより液体５４１が流れやすい流路が連通されている場合には、液体５４１は送液制御通路５１１内には流入せず、送液制御通路５１１の直前あるいは上流側流路５２１の途中で停止する。

図８（ｂ）において、下流側流路５２３へ液体５４１を流出させる際には、マイクロポンプ（図示せず）によって所定圧力以上の送液圧力Ｐ２（例えば１０ｋＰａ程度）を加え、これによって表面張力に抗して液体５４１を送液制御通路５１１から下流側流路５２３へ押し出す。液体５４１が下流側流路５２３へ流出した後は、液体５４１の先端部を下流側流路５２３へ押し出すのに要した送液圧力Ｐを維持せずとも、液体５４１が下流側流路５２３へ流れていく。

すなわち、上流側流路５２１から下流側流路５２３への正方向への送液圧力が、所定圧力Ｐ２に達するまでは送液制御通路５１１から先への液体５４１の通過が遮断され、所定圧力Ｐ２以上の送液圧力が加わることにより、液体５４１は送液制御通路５１１を通過する。

上述したように、上流側流路５２１および下流側流路５２３と送液制御通路５１１のサイズとは、上流側流路５２１および下流側流路５２３への液体５４１の通過を規制できれば特に限定されないが、一例として、縦横が１５０μｍ×３００μｍの上流側流路５２１および下流側流路５２３に対して、縦横が２５μｍ×２５μｍ程度となるように送液制御通路５１１が形成される。

また、液体５４１が送液制御通路５１１を通過するのを規制するための送液圧力差（Ｐ２−Ｐ１）を大きくするために、下流側流路５２３の送液制御通路５１１と接する部分の流路壁５３１の壁面５３１ａは、図８に示したように、送液制御通路５１１に対して直角に立ち上がっていることが望ましい。

以上に述べたように、本発明によれば、液体注入口と枝管を介して連通された空気抜き口とを備えた液体貯留部に、液体注入口から液体を充填し、液体貯留部全体と枝管の途中まで液体を充填した後に送液することで、簡単な動作で検体や試薬等を正確に定量することができ、検体や試薬等の無駄も少ないマイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置を提供することができる。

尚、本発明に係るマイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置を構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

本発明における検査装置の１例を示す模式図である。 本発明におけるマイクロ検査チップの第１の実施の形態の構成を示す模式図である。 マイクロ検査チップの第１の実施の形態を用いた液体定量方法の１例を示す模式図である。 マイクロ検査チップの第２の実施の形態を用いた液体定量方法の１例を示す模式図である。 マイクロ検査チップの第３の実施の形態を用いた液体定量方法の１例における液体送液状態を示す模式図である。 マイクロ検査チップの第４の実施の形態を示す模式図である。 マイクロポンプの構成の１例を示す模式図である。 撥水バルブの一般的な構造と動作について説明するための模式図である。

符号の説明

１ 検査装置
１００ マイクロ検査チップ
１０１ 液体貯留部
１０１ａ （液体貯留部の）上流端
１０１ｂ （液体貯留部の）下流端
１０３ 上流流路
１０５ 下流流路
１０７ 液体注入口
１０９ 枝管
１１１ 空気抜き口
１１３ 撥水バルブ（上流細流路）
１１５ 撥水バルブ（下流細流路）
１１７ 注入口封止部材
１１９ 空気抜き口封止部材
１２１ 流路基板
１２３ 天板
１２５ 注入枝管
１２７ 封止部材
１２９ 狭流路
１３１ 混合部
１３３ 増幅・検出部
１３５ 大気開放穴
１３７ 大気開放穴封止部材
１３９ 流路
１５１ 液体
１５３ 空気
２１０ マイクロポンプユニット
２１１ マイクロポンプ
２１３ チップ接続部
２１５ 駆動液タンク
２１６ 駆動液
２１７ 駆動液供給部
２３０ 加熱冷却ユニット
２３１ 冷却部
２３３ 加熱部
２５０ 検出部
２５１ 光源
２５３ 受光素子
２５５ 検出領域
２７０ 駆動制御部
４０１ 上側基板
４０２ 基板
４０３ 振動板
４０４ 圧電素子
４０５ 加圧室
４０６ 第１流路
４０７ 第２流路
４０８ 第１液室
４０９ 第２液室
４７１ シリコン基板
４７２ ポート
４７３ ポート
４７４ 基板
５０１ 撥水バルブ
５１１ 送液制御通路
５２１ 上流側流路
５２３ 下流側流路
５３１ 流路壁
５４１ 液体

Claims (12)

1. 液体を貯留する液体貯留部と、
   前記液体貯留部の下流に連通され、前記液体貯留部に貯留された前記液体を下流に送液する下流流路とを備えたマイクロ検査チップにおいて、
   前記液体貯留部に連通され、前記液体貯留部に前記液体を注入する液体注入口と、
   一端に空気抜き口を有し、他端が前記液体貯留部に連通された枝管と、
   前記液体貯留部の上流に連通された上流流路と、
   前記上流流路と前記液体貯留部とを連通させる上流細流路と、
   前記液体貯留部と前記下流流路とを連通させる下流細流路とを備えたことを特徴とするマイクロ検査チップ。
2. 前記液体貯留部の流路断面積をＳ１、
   前記枝管の流路断面積をＳ２、
   前記上流細流路および下流細流路の流路断面積をＳ３としたときに、
   Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３
   であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ検査チップ。
3. 前記液体注入口は、前記液体貯留部の上流端近傍あるいは下流端近傍で前記液体貯留部に連通され、
   前記枝管は、前記液体貯留部の下流端近傍あるいは上流端近傍で前記液体貯留部に連通されることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ検査チップ。
4. 前記液体注入口を封止する注入口封止部材と、
   前記空気抜き口を封止する空気抜き口封止部材とを備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。
5. 前記液体注入口と前記液体貯留部とを連通させる注入枝管を備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。
6. 前記液体貯留部は、流路断面積が前記液体貯留部の主要部よりも狭い狭流路を有し、
   前記枝管は、前記狭流路を介して前記液体貯留部に連通されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。
7. 複数の前記液体貯留部が直列に連通されたことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。
8. 前記上流流路または前記下流流路の少なくとも何れか一方に連通され、大気に開放された大気連通穴を備えたことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。
9. 前記大気連通穴を封止する大気連通穴封止部材を備えたことを特徴とする請求項８に記載のマイクロ検査チップ。
10. 請求項４乃至７の何れか１項に記載のマイクロ検査チップの液体定量方法であって、
    前記液体注入口から前記液体を注入して、前記液体貯留部に前記液体を満充填し、さらに前記枝管の途中まで前記液体を充填する注入工程と、
    前記液体注入口を前記注入口封止部材で封止し、前記空気抜き口を前記空気抜き口封止部材で封止する封止工程と、
    前記液体貯留部に満充填された前記液体を下流に送液する送液工程とを備えたことを特徴とするマイクロ検査チップの液体定量方法。
11. 請求項９に記載のマイクロ検査チップの液体定量方法であって、
    前記大気連通穴封止部材によって前記大気連通穴を封止する大気連通穴封止工程と、
    前記液体注入口から前記液体を注入して、前記液体貯留部に前記液体を満充填し、さらに前記枝管の途中まで前記液体を充填する注入工程と、
    前記液体注入口を前記注入口封止部材で封止し、前記空気抜き口を前記空気抜き口封止部材で封止する封止工程と、
    前記大気連通穴封止工程で封止された大気連通穴を開放する大気連通穴開放工程と、
    前記液体貯留部に満充填された液体を下流に送液する送液工程とを備えたことを特徴とするマイクロ検査チップの液体定量方法。
12. 請求項１０または１１に記載のマイクロ検査チップの液体定量方法を用いて液体を定量することを特徴とする検査装置。

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