JP2010281645A - マイクロ流体チップおよび混合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チップに収容された流体への気泡の混入を防ぐマイクロ流体チップおよび混合方法を提供すること。
【解決手段】複数の秤量セルＤ１，Ｄ２にそれぞれ所定の流体を収容してそれぞれ秤量を行ない、各秤量セルＤ１，Ｄ２に収容した各流体を混合セルＭ１に移送して混合するマイクロ流体チップ１において、秤量セルＤ１，Ｄ２間に設けられた流路であり、各秤量セルＤ１，Ｄ２を直列に接続し、ラプラス力によって流体の流通を制御する移送制御流路ＬＦ１１と、移送制御流路ＬＦ１１によって接続された最後段の秤量セルＤ１，Ｄ２と混合セルＭ１とを接続し、ラプラス力によって流体の流通を制御する移送制御流路ＬＦ１２と、混合セルＭ１に流入する流体の流入方向末端部に設けられた排気口１２ｃと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、微少量の液体を秤量し、混合するマイクロ流体チップおよび混合方法に関する。

従来、血液や体液等の検体に含まれる免疫成分などを自動的に分析する技術として自動分析装置が知られている。この自動分析装置は、試薬が入った反応容器に検体を加え、反応容器内の試薬との間で生じた反応を光学的に検出するものである。この自動分析装置による検体の分析に必要な試薬量は、一つの検体に対して数ｍｌ（ミリリットル）〜数十ｍｌ程度と少量で済むが、コスト的な観点から見て、分析に用いる試薬量をさらに低減することのできる技術が待望されていた。また、従来の自動分析装置は、検体や試薬を分注する分注ノズルの洗浄に用いる洗浄水の廃液量も多く、この点においてもコスト面で改善の余地があった。

このような状況を解決しうる技術として、検体の分析に必要な要素を微小なチップ上に集積化することによって流体の秤量および混合を行うことが可能なマイクロ流体チップがある（例えば、特許文献１参照）。このマイクロ流体チップに関しては、ラプラスバルブを設けて送液を制御するという技術も開示されている。

特開２００５−１３１５５６号公報

しかしながら、特許文献１に示すマイクロ流体チップは、各流体が各流路を介して混合部に移送される際に、混合液中に気泡が混入してしまうおそれがあった。また、各液体を収容する収容部が並列に配置されているため、送液にかかる加圧を収容部に対応して複数設ける必要があり、装置構成を複雑にしていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、チップに収容された流体への気泡の混入を防ぐマイクロ流体チップおよび混合方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の秤量部にそれぞれ所定の流体を収容してそれぞれ秤量を行ない、各秤量部に収容した各流体を混合部に移送して混合するマイクロ流体チップにおいて、前記秤量部間に設けられた流路であり、各秤量部を直列に接続し、ラプラス力によって前記流体の流通を制御する第１移送制御流路と、前記第１移送制御流路によって接続された最後段の秤量部と前記混合部とを接続し、ラプラス力によって前記流体の流通を制御する第２移送制御流路と、前記混合部に流入する前記流体の流入方向末端部に設けられた排気口と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかるマイクロ流体チップは、上記の発明において、一端が前記秤量部に接続され、他端に調節流路排気口を設けた秤量調節流路をさらに備え、前記秤量調節流路は、秤量部の容量を超えた前記流体を流通させることを特徴とする。

また、本発明にかかるマイクロ流体チップは、上記の発明において、前記秤量部は、前記流体を収容する秤量セルと、前記流体を分注する分注口と、前記分注口と前記秤量セルとを連結する移送流路と、を有し、前記秤量調節流路は、前記分注口に連結されることを特徴とする。

また、本発明にかかるマイクロ流体チップは、上記の発明において、前記分注口に嵌合し、分注された前記流体を保持する流体保持部を設けたことを特徴とする。

また、本発明にかかるマイクロ流体チップは、上記の発明において、前記秤量部の壁面は、親水性であることを特徴とする。

また、本発明にかかるマイクロ流体チップは、上記の発明において、前記第２移送制御流路によって接続された前記混合部と、該混合部に収容された前記流体の流入方向に配置された秤量部とを接続する第３移送制御流路をさらに備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる混合方法は、上記の発明において、分注口から液体を秤量部に分注する分注ステップと、第１の分注口を除く分注口および気体を排出する排出口を封止する封止ステップと、前記第１の分注口から加圧して、混合部に前記液体を送液する送液ステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明にかかる混合方法は、上記の発明において、前記混合部によって混合された混合液の測光を行なう測光ステップをさらに含むことを特徴とする。

本発明にかかるマイクロ流体チップは、流体を秤量する秤量セル間、または秤量セルと各流体の混合を行なう混合セルとの間を、ラプラス力を有する流路によって直列に接続し、秤量セル、混合セルおよび流路内の気体を排気口から排気できるようにしたので、流体を混合した場合に気泡の混入を防止するという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかるマイクロ流体チップの構成を示す模式図である。 図２は、図１に示すマイクロ流体チップのＡ−Ａ線断面を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態にかかるマイクロ流体チップの流体の移送を示す模式図である。 図４は、図１に示すマイクロ流体チップの変形例１を示す模式図である。 図５は、図１に示すマイクロ流体チップの変形例２を示す模式図である。 図６は、図１に示すマイクロ流体チップの分注口の断面を示す断面図である。 図７は、図１に示すマイクロ流体チップの変形例３を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明のマイクロ流体チップを実施するための形態について説明する。本発明は、以下に例示する実施の形態や変形例に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。また、図面の記載において、同一部分には同一符号を付している。

図１は、本発明の実施の形態にかかるマイクロ流体チップの構成を示す模式図であり、図２は、図１に示すマイクロ流体チップ１のＡ−Ａ線断面図である。図１に示すマイクロ流体チップ１は、光の８０％以上を透過する光学的に透明な素材、例えば、耐熱ガラスを含むガラス、環状オレフィンやポリスチレン等の合成樹脂が用いて形成され、分注口１１ａ，１１ｂ、移送流路Ｆ１１，Ｆ１２、秤量セルＤ１，Ｄ２、移送制御流路ＬＦ１１，ＬＦ１２、混合セルＭ１、秤量調節流路Ｆ２１，Ｆ２２、排気口１２ａ，１２ｂ，１２ｃを有し、秤量セルＤ１，Ｄ２と混合セルＭ１とが各流路によって連結されている。

分注口１１ａ，１１ｂは、マイクロ流体チップ１の上部平面に開口を有し、移送流路Ｆ１１，Ｆ１２に連通している。分注口１１ａ，１１ｂにプローブ等を挿入して検体または試薬としての流体を分注することによって、移送流路Ｆ１１，Ｆ１２を介して秤量セルＤ１，Ｄ２に流体を送り込む。

秤量セルＤ１，Ｄ２は、所定の体積となるように形成され、送り込まれた流体が充填された場合に所定体積と秤量できる。なお、セルの形状は、円形でもよく、角形でもよい。

移送制御流路ＬＦ１１，ＬＦ１２は、移送流路Ｆ１１，Ｆ１２および秤量調節流路Ｆ２１，Ｆ２２と比して最も断面積が小さくなるように形成され、その断面積は、０．０５ｍｍ^２以下であることが好ましく、特に、０．０２ｍｍ^２以下が好ましい。流路の断面積と流体の表面張力とによって、流路出口において流体にラプラス力がかかり、流体の流通が停止する。この流体の流通停止によって分注口１１ａ，１１ｂから分注された流体が秤量セルＤ１，Ｄ２および移送流路Ｆ１１，Ｆ１２に充填される。

なお、移送制御流路ＬＦ１１，ＬＦ１２、秤量セルＤ１，Ｄ２および移送流路Ｆ１１，Ｆ１２内の気体は、流体の流入に従って排気口１２ｃから排出される。流体の秤量は、移送流路Ｆ１１，Ｆ１２および秤量セルＤ１，Ｄ２からなる秤量部と、移送制御流路ＬＦ１１，ＬＦ１２とを秤量単位とし、各流路およびセルに充填された流体の総量が対象となる。

秤量調節流路Ｆ２１，Ｆ２２は、一方が分注口１１ａ，１１ｂに接続され、分注された流体が移送制御流路ＬＦ１１，ＬＦ１２、秤量セルＤ１，Ｄ２および移送流路Ｆ１１，Ｆ１２に充填された後、過剰量の流体が流れ込み、分注された流体の秤量調節を行なう。ここで、秤量調節流路Ｆ２１，Ｆ２２は、移送流路Ｆ１１，Ｆ１２と比して断面積が小さく形成される。これにより、分注口１１ａ，１１ｂから分注された流体は、移送流路Ｆ１１，Ｆ１２を優先的に選択して流通する。また、秤量調節流路Ｆ２１，Ｆ２２の他方端部には、秤量調節流路Ｆ２１，Ｆ２２内の排気を行なう排気口１２ａ，１２ｂを有する。

混合セルＭ１は、秤量セルＤ１，Ｄ２に対応した体積となるように形成される。また、混合セルＭ１は、各セルおよび流路内の脱気を行なう排気口１２ｃを有する。なお、排気口１２ｃは、混合セルＭ１に収容された混合物を吸引する吸引口として用いてもよい。

また、移送制御流路ＬＦ１１と移送流路Ｆ１２とを連結する際の角度は、各流通方向がなす角度が鋭角となるように配置されることが好ましい。

ここで、マイクロ流体チップ１内における流体の移送について、図３を参照して説明する。図３は、本発明の実施の形態にかかるマイクロ流体チップ１の流体の移送を示す模式図である。まず、分注口１１ａから第１流体を分注すると、分注された第１流体は、移送流路Ｆ１１を流通し、秤量セルＤ１に送り込まれる。秤量セルＤ１に送り込まれた第１流体は、毛細管力によって移送制御流路ＬＦ１１に入り込み、ラプラス力により移送流路Ｆ１２との交点で流通を停止する。第１流体は、移送制御流路端部に停止後、順次秤量セルＤ１、移送流路Ｆ１１を充填し、余剰量の第１流体は、秤量調節流路Ｆ２１に流れ込む（図３（ａ））。ここで、移送流路Ｆ１１、秤量セルＤ１、移送制御流路ＬＦ１１および秤量調節流路Ｆ２１内の気体は、排気口１２ａ，１２ｃによってそれぞれ排気される。場合によっては、分注口１１ｂまたは排気口１２ｂからも排気される。

第１流体の分注が終了すると、第２流体の分注を行なう（図３（ｂ））。第２流体は、分注口１１ｂから分注され、第１流体と同様に、移送流路Ｆ１２を流通して秤量セルＤ２に流れ込み、移送制御流路ＬＦ１２において、混合セルＭ１との交点で流通が停止した後、秤量セルＤ２および移送流路Ｆ１２を充填する。また、余剰量の第２流体は、秤量調節流路Ｆ２２に送り込まれる。このとき、移送流路Ｆ１２、秤量セルＤ２、移送制御流路ＬＦ１２および秤量調節流路Ｆ２２内の気体は、排気口１２ｂ，１２ｃによってそれぞれ排気される。ここで、第１流体の移送流路Ｆ１２への流出を抑制するため、封止部材またはシール部材によって分注口１１ａを封止することが好ましい。

第１流体および第２流体の分注、秤量が終了すると、分注口１１ｂおよび排気口１２ａ，１２ｂを封止して、分注口１１ａおよび排気口１２ｃのみが開放された状態にする（図３（ｃ））。この封止に用いる部材は、樹脂等で形成されたキャップ等の封止部材またはシール部材が好ましい。

分注口１１ｂおよび排気口１２ａ，１２ｂを封止後、分注口１１ａからプローブ等を用いて送風等により流体を加圧し、移送制御流路ＬＦ１１，ＬＦ１２にかかる流通抑止力を解除する。分注口１１ａからの加圧によって、第１流体および第２流体が混合セルＭ１に流れ込み、第１流体と第２流体とが混合セルＭ１内において混合する（図３（ｄ））。ここで、排気口１２ａ，１２ｂを封止することによって、秤量調節流路Ｆ２１，Ｆ２２内にある第１流体および第２流体は、混合セルＭ１に流れ込まない。

上述した一連の処理を行うことによって、秤量された流体を気泡の混入なく混合させることが可能となる。なお、図３（ｃ）において、排気口１２ａ，１２ｂを封止する前に排気口１２ａ，１２ｂから秤量調節流路Ｆ２１，Ｆ２２に流れ込んでいる余剰量の流体を吸い出してもよい。この場合、秤量セルＤ２からの流体の逆流を防止するため、分注口１１ｂも開放しておく。また、混合セルＭ１に測光装置を配置して、混合された流体の測光処理を行ってもよい。

また、混合セルＭ１に配置される排気口は、図４に示す変形例１であるマイクロ流体チップ２のように、排気口１２ｄを混合セルＭ１とは別体として配置してもよい。図４は、図１に示すマイクロ流体チップ１の変形例１を示す模式図である。この場合、移送流路Ｆ１３によって、排気口１２ｄが混合セルＭ１と連結され、図１に示すマイクロ流体チップ１と同様の効果を得ることができる。

なお、秤量調節流路Ｆ２１，Ｆ２２は、直線以外の形状でもよい。図５は、図１に示すマイクロ流体チップ１の変形例２を示す模式図である。図５に示すマイクロ流体チップ３の秤量調節流路Ｆ２３，Ｆ２４は、流路が蛇行して形成され、流路面積を大きくすることによって一層安定した秤量調節を行なうことが可能となる。また、図５に示す秤量調節流路Ｆ２３，Ｆ２４のような屈折した流路でもよく、曲折した流路でもよい。秤量調節流路Ｆ２３，２４内の気体は、排気口１２ｅ，１２ｆから排出される。

また、分注口に、流体保持部を配置してもよい。図６は、図１に示すマイクロ流体チップ１の分注口１１ａの断面を示す断面図である。液体保持部としてのチャンバ２０は、内部に空領域を有する略筒状であって、一方の端部は分注口１１ａと嵌合可能な錐状に形成されている。分注プローブ等によって、チャンバ２０に流体Ｒ１が分注されると、チャンバ２０から移送流路Ｆ１１に送り込まれる。このとき、分注された流体はチャンバ２０に保持されるため、分注口１１ａから溢れることなく、分注された流体すべてを流路内に送り込むことができる。

なお、移送流路および秤量セルは、各壁面を親水性となるように形成してもよい。壁面の親水化処理として、たとえば、メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン重合体を用いることが挙げられる。メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン重合体を塗布することによって、表面を親水性に加工することができる。ここで、移送制御流路以外の壁面を親水性に加工してもよい。壁面を親水処理することによって、分注口またはチャンバから自然落下した流体が移送流路および秤量セルに流れ込むため、プローブ等による送風等の加圧処理なく秤量セルに充填することが可能となる。

ここで、上述したマイクロ流体チップは、混合過程に応じて、秤量セルおよび混合セルを追加することも可能である。図７は、図１に示すマイクロ流体チップの変形例３を示す模式図である。図７に示すマイクロ流体チップ４は、図１に示す構成に対して、分注口１１ｃ、秤量セルＤ３および混合セルＭ２と、これらを連結する移送流路Ｆ１４、移送制御流路ＬＦ１４と、秤量調節流路Ｆ２５とで構成される秤量混合単位を追加し、移送制御流路ＬＦ１３によって混合セルＭ１と移送流路Ｆ１４とが連結される。なお、図１に示す排気口１２ｃは、セル最後段である混合セルＭ２端部に排気口１２ｇとして設けられる。

したがって、秤量セルＤ１，Ｄ２において秤量された第１流体、第２流体は、混合セルＭ１で第１混合流体として混合され、移送制御流路ＬＦ１３の移送流路Ｆ１４側開口部で停止する。その後、分注口１１ｃから第３流体を分注すると、第３流体は、移送制御流路ＬＦ１４、秤量セルＤ３および移送流路Ｆ１４を充填した後、余剰量の第３流体は、秤量調節流路Ｆ２５に流れ込む。なお、移送流路Ｆ１４、秤量セルＤ３、移送制御流路ＬＦ１４および混合セルＭ２内の気体は排気口１２ｇから排気され、秤量調節流路Ｆ２５内の気体は排気口１２ｈから排気される。

第３流体の分注終了後、図３に示したように、封止されている分注口１１ｂおよび排気口１２ａ，１２ｂに加え、分注口１１ｃおよび排気口１２ｈを封止する。これにより、マイクロ流体チップ５の構成において分注口１１ａと排気口１２ｇとが開放される。分注口１１ａから送風等により混合セルＭ１に収容されている第１混合流体を加圧すると、移送制御流路ＬＦ１３から移送流路Ｆ１４に流れ込むため、連動して第３流体が混合セルＭ２内に送り込まれ、つづいて第１混合流体が混合セルＭ２に入り込む。

混合セルＭ２に送り込まれた第３流体および第１混合流体は、混合セルＭ２内において、混合して第２混合流体となり、段階的な秤量・混合処理を行うことができる。なお、３液を同時に混合する場合は、移送流路Ｆ１１に新たな秤量単位を追加接続することで秤量および混合が可能となる。

上述した実施の形態において、分注口を秤量セル上部に配置し、秤量調節流路を秤量セルに接続してもよい。このとき、流体の秤量は、秤量セルと、セル間を連結する移送制御流路に充填された流体が対象となる。また、マイクロ流体チップを形成する際に、チャンバ形状を分注口上部に形成してもよい。

また、図１に示すマイクロ流体チップ１を用いて、図３（ａ）〜（ｄ）に示す秤量・混合処理を行なった。２００ｐｐｍのオレンジＧ（和光純薬工業株式会社製）を秤量セルＤ１へ分注し、秤量セルＤ２へ水を分注し、両液体を混合セルＭ１へ送液した後、混合セルＭ１の排気口１２ｃから混合液体を回収し、２０倍希釈して吸光度測定（主波長：４８０ｎｍ、副波長：５７０ｎｍ）を行った。一方、参照実験として、２００ｐｐｍのオレンジＧを７μＬと水７μＬを１．５ｍＬチューブ内で混合し、さらに２０倍希釈して吸光度測定を行った。それぞれ１０回繰り返し試験した結果、マイクロ流体チップを用いて混合した液の平均濃度は５．５１６ｐｐｍであり、ＣＶは３．８５％となった。一方、チューブにて混合した液は、平均濃度が５．４０７ｐｐｍ、ＣＶは１．４４％であった。なお、各秤量セルＤ１，Ｄ２に液体が充填されたときに秤量される容量は、７μＬである。

実施例による従来の混合方法と本発明の混合方法との測定結果から、従来行なわれているチューブによる測定で得られる測定結果に対して、本発明のマイクロ流体チップでも同様の測定結果を得ることができた。これより、本発明のマイクロ流体チップを用いることで、気泡の混入を防止し、精度の高い微量分析を行うことができる。

上述したマイクロ流体チップを用いることによって、分注された流体の秤量を行い、気泡を混入させることなく混合移送して混合させることが可能となる。また、各セルを直列に接続することによって、送液にかかる加圧が１箇所のみでよく、加圧処理も容易となる。さらに、任意に秤量セル、混合セルを追加できるため、反応過程に対して柔軟に対応して精度の高い分析を行うことが可能である。

以上のように、本発明にかかるマイクロ流体チップは、流体を秤量して混合するのに有用であり、特に、微量分析に適している。

１〜４ マイクロ流体チップ
１１ａ〜１１ｃ 分注口
１２ａ〜〜１２ｈ 排気口
２０ チャンバ
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ 秤量セル
Ｆ１１〜Ｆ１４ 移送流路
Ｆ２１〜Ｆ２５ 秤量調節流路
ＬＦ１１〜ＬＦ１４ 移送制御流路
Ｍ１，Ｍ２ 混合セル

Claims (8)

1. 複数の秤量部にそれぞれ所定の流体を収容してそれぞれ秤量を行ない、各秤量部に収容した各流体を混合部に移送して混合するマイクロ流体チップにおいて、
   前記秤量部間に設けられた流路であり、各秤量部を直列に接続し、ラプラス力によって前記流体の流通を制御する第１移送制御流路と、
   前記第１移送制御流路によって接続された最後段の秤量部と前記混合部とを接続し、ラプラス力によって前記流体の流通を制御する第２移送制御流路と、
   前記混合部に流入する前記流体の流入方向末端部に設けられた排気口と、
   を備えたことを特徴とするマイクロ流体チップ。
2. 一端が前記秤量部に接続され、他端に調節流路排気口を設けた秤量調節流路をさらに備え、
   前記秤量調節流路は、秤量部の容量を超えた前記流体を流通させることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体チップ。
3. 前記秤量部は、
   前記流体を収容する秤量セルと、
   前記流体を分注する分注口と、
   前記分注口と前記秤量セルとを連結する移送流路と、
   を有し、前記秤量調節流路は、前記分注口に連結されることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ流体チップ。
4. 前記分注口に嵌合し、分注された前記流体を保持する流体保持部を設けたことを特徴とする請求項３に記載のマイクロ流体チップ。
5. 前記秤量部の壁面は、親水性であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のマイクロ流体チップ。
6. 前記第２移送制御流路によって接続された前記混合部と、該混合部に収容された前記流体の流入方向に配置された秤量部とを接続する第３移送制御流路をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のマイクロ流体チップ。
7. 分注口から液体を秤量部に分注する分注ステップと、
   第１の分注口を除く分注口および気体を排出する排出口を封止する封止ステップと、
   前記第１の分注口から加圧して、混合部に前記液体を送液する送液ステップと、
   を含むことを特徴とする混合方法。
8. 前記混合部によって混合された混合液の測光を行なう測光ステップをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の混合方法。

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