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

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 Download PDF

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Yoichi Aoki
Kusunoki Higashino
Akihisa Nakajima
Yasuhiro Santo
彰久 中島
康博 山東
楠 東野
洋一 青木
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Konica Minolta Medical & Graphic Inc
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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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