JP2010286499A - マイクロ流体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 送液時に入力ポートや微小流路形成部材から浸入する大気、もしくは溶存空気によって発生する微小流路中の気泡をセンシング部に到達する以前に全て捕獲し、除去可能なマイクロ流体装置を提供する。
【解決手段】 マイクロ流体装置内の微小流路、特にセンシング部に到達する手前に設けた減圧式脱気流路周辺の微小流路を流体試料の流れが淀むような形状とし、入力ポートや微小流路形成部材から浸入する大気、もしくは溶存空気によって発生する微小流路中の気泡を捕獲して除去する構成とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微小流路に微量な流体試料を流し流体試料中の特定物質を検出するマイクロ流体装置に関する。

現在、マイクロ化学分析システム（μＴＡＳ）に代表されるマイクロ流体装置が注目されている。マイクロ流体装置では生化学的な分析や反応を微小領域で行うことで、従来型の手法と比較して測定対象となる物質の測定量を少なくし、分析処理時間を大幅に短縮することを可能にしている。また、マイクロ流体装置を医療分野に応用することで、患者から採取する血液などのサンプル量、検査コストを軽減し、検査結果を迅速に提示することができる。

上記のようなマイクロ流体装置の一例として特許文献１に示す技術を説明する。図８は従来技術のマイクロ流体装置８０１の概略図である。マイクロ流体装置８０１は、流体試料を装置内に供給する入力ポート８０２、流体試料が流れる微小流路８０３、流体試料の流れを制御するバルブ８０４、流体試料中の特定物質を検出するセンシング部８０５、反応後の流体試料を排出する出力ポート８０６、流体試料を送液するマイクロポンプ８０７からなる。

また、入力ポート８０２もしくは出力ポート８０６はマイクロポンプ機構８０７と一体化しており、外部装置を用いず送液することを可能にしている。上記マイクロ流体装置８０１では図９に示すように、ＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌａｎｅ）のような自己接着性、通気性を有した弾性部材９０１にμｍオーダーの微小な溝形状（入力ポート９０２、流体試料が流れる微小流路９０３、流体試料の流れを制御するバルブ９０４、流体試料中の特定物質を検出するセンシング部９０５、反応後の流体試料を排出する出力ポート９０６）を加工し、ガラス基板９０７と貼り合わせることで微小流路８０３を形成している。

このようなマイクロ流体装置８０１の機構では、入力ポート８０２から浸入する大気や、特に負圧で流体試料を送液する際に通気性部材を通って浸入する大気によって微小流路８０３中に気泡が発生する。また流体試料をマイクロ流体装置８０１内で加熱処理する場合などにおいても、流体試料中に溶存の大気が析出し気泡となる。微小流路８０３中で発生した気泡は、センシング部８０５を通過するもしくはセンシング部８０５に停滞する。

特許文献２では、上記微小流路中に析出した気泡を除去する手段として、微小流路の近傍に設けた減圧式の脱気流路を利用している。図１０は微小流路８０３中で発生した気泡１００１と、減圧式脱気流路１００２との関係図である。また、微小流路８０３と減圧式脱気流路１００２間は通気性部材１００３で形成されている。微小流路８０３で発生した気泡１００１は通気性部材１００３を通って減圧式脱気流路１００２に移る機構となっている。

特開２００４−１０８２８５ 特開２００２−０１８２７１

マイクロ流体装置８０１の機構では、入力ポート８０２から浸入する大気や、特に負圧で流体試料を送液する際に通気性部材を通って浸入する大気によって微小流路８０３中に気
泡が発生してしまう。また流体試料をマイクロ流体装置８０１内で加熱処理する場合などにおいても、流体試料中に溶存の大気が析出し気泡となる。特許文献２のような微小流路８０３と減圧式脱気流路１００２の関係では特に流体試料の流速が大きい場合などに、気泡１００１が減圧式脱気流路１００２周辺を通過してしまうため、気泡１００１の全てを除去することが困難であるという問題がある。微小流路８０３中で発生した気泡は、センシング部８０５を通過するもしくはセンシング部８０５に停滞する。

センシング部８０５では流体試料中の特定物質を検出するために極微小なエネルギー変化を測定する必要があるが、気泡がセンシング部８０５に存在するとノイズとして不必要な信号を検出させてしまう。また、微小流路８０３中に気泡が存在すると流体試料の流れの速度分布が著しく乱れるために流量の制御を行うことが困難になるという問題が起こる。

そこで本発明においては、微小流路中で化学的な分析や反応を行うマイクロ流体装置において、送液時に入力ポートや微小流路形成部材から浸入する大気、もしくは溶存空気によって発生する微小流路中の気泡をセンシング部に到達する以前に全て捕獲し、除去することを目的とする。

上記のような課題を解決するため本発明においては、マイクロ流体装置内の微小流路、特にセンシング部に到達する手前に設けた減圧式脱気流路周辺の微小流路を流体試料の流れが淀むような形状とした。このような微小流路形状にすることで、入力ポートや微小流路形成部材から浸入する大気、もしくは溶存空気によって発生する微小流路中の気泡を捕獲することができる。微小流路と減圧式脱気流路間は通気性部材で形成されているか、もしくは極微細流路が加工されており、それらを介して微小流路中の気泡が減圧式脱気流路側へと移され、気泡は微小流路から除去される。

本発明では、微小流路中で生化学的な分析や反応を行う、マイクロ流体装置内の微小流路、特にセンシング部に到達する手前に設けた減圧式脱気流路周辺の微小流路を流体試料の流れが淀むような形状とした。微小流路中の流体試料の流れが淀む形状部分では、入力ポートや微小流路形成部材から浸入する大気、もしくは溶存空気によって発生する微小流路中の気泡を捕獲することができる。微小流路と減圧式脱気流路間は、通気性部材で形成されているか、もしくは極微細流路が加工されており、それらを介して微小流路中の気泡が減圧式脱気流路側へと移され、気泡は微小流路から除去される。

この結果、発生した気泡は減圧式脱気流路周辺を通過してセンシング部に到達することなく、ほとんど全てが除去される。気泡を取り除いたことでセンシングの際に発生するノイズが無くなり、高精度かつ正確な特定物質の検出を行うことができる。さらに、気泡による流体試料の速度分布変化が解消され、流量の制御を容易に行うことができるようになる。

本発明の実施形態１におけるマイクロ流体装置の概略図 本発明の実施形態１における微小流路と脱気用流路の拡大図 本発明の実施形態２におけるマイクロ流体装置の概略図 本発明の実施形態２における微小流路と気泡捕獲部の拡大図 本発明の実施形態３におけるマイクロ流体装置の概略図 本発明の実施形態３における微小流路と気泡捕獲部の拡大図 本発明の実施形態４における微小流路と気泡捕獲部の拡大図 従来のマイクロ流体装置の概略図 従来のマイクロ流体装置の作製方法 従来のマイクロ流体装置の概略図 本発明の実施例におけるセンシング部の検出信号の経時変化

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における微小流路中で生化学的な分析や反応を行うマイクロ流体装置１０１の概略図である。１０２は流体試料を装置内に送り込む入力ポート、１０３は流体試料が流れる微小流路、１０４は流体試料の流れを制御するバルブ、１０５は流体試料中の特定物質を検出するセンシング部、１０６はセンシングが終了した流体試料を廃液する出力ポート、１０７は流体試料を送液するポンプである。また、１０８は減圧式脱気用流路、１０９は気泡捕獲部である。

流体試料は入力ポート１０２から必要量が微小流路１０３内に送り込まれ、微小流路１０３中を負圧で送液している。このとき入力ポート１０２では流体試料中に大気が混じり込むため、微小流路１０３中には大気が浸入してしまう。また、微小流路１０３を通気性部材で形成した場合などは、その通気性部材を通過して微小流路中に大気が浸入する。このようにして浸入してきた大気は微小流路１０３中で気泡となる。特にセンシング部１０５における微小流路１０３では形状が大きく変化しており、流体試料の流れが淀む箇所ができる。

そして発生した気泡２０１はセンシング部１０５まで到達した後、流体試料の流れが淀む箇所に停滞してしまう。また、微小流路１０５を通気性部材で形成した場合、流体試料の流れが淀んでいる箇所に停滞した気泡２０１は通気性部材を通過してくる大気によって容積を増やし続けることになる。このためセンシング部１０５から気泡２０１が消え去ることはない。センシング部１０５に気泡が存在するとノイズとなり不必要な信号を検出させてしまうため検出精度の低下を招く。したがって、微小流路１０３で発生した気泡２０１はセンシング部１０５に到達する前に除去してしまう必要がある。

そこで本実施例では、センシング部１０５より手前の微小流路１０３の近傍に脱気用流路１０８を設けている。さらに、微小流路の形状を１０９のように変え微小流路の側壁付近で流速を変化させることで、流体試料の流れに淀みが発生するような気泡捕獲部１０９を形成している。

図２はセンシング部１０５の近傍部分を拡大して示す拡大図である。また、センシング部１０５より手前の微小流路１０３、気泡捕獲部１０９は通気性を有した部材で形成されている。まず、入力ポート１０２などから浸入した気泡は、気泡捕獲部１０９の流体試料の流れが淀んでいる箇所で止まり停滞する。減圧式脱気流路１０８は微小流路１０３中を送液する負圧よりもさらに減圧してあり、気泡捕獲部１０９に停滞した気泡２０１は周辺の通気性部材を通って減圧式脱気流路１０８へと移る。この結果、微小流路１０３中から気泡２０１は消え去りセンシング部１０５に送られるのは流体試料のみとなったことを確認した。

図１１はセンシング部１０５において特定物質の反応エネルギーを検出した結果であり、検出時間と信号強度の関係を表す。横軸１１０１は検出時間、縦軸１１０２は信号強度、実線１１０３は減圧式脱気流路１０８を設けた場合のセンシング部１０５の信号、破線１１０４は減圧式脱気流路１０８が無い場合のセンシング部１０５の信号、横軸１１０２上の点１１０５は流体試料がセンシング部１０５に到達した時間である。減圧式脱気流路１０８が無い場合では気泡２０１が要因となるノイズが発生しており、気泡２０１によって反応が遅れる分検出速度が低下した。一方、減圧式脱気流路１０８を設けた場合においては、気泡によるノイズが発生せず、検出速度の低下も見られなかった。したがって、センシング部１０５では気泡２０１による検出速度、検出精度の低下が無い正確な特定物質の検出を行うことができた。
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における微小流路中で生化学的な分析や反応を行うマイクロ流体装置１０１の概略図である。１０２は流体試料を装置内に送り込む入力ポート、１０３は流体試料が流れる微小流路、１０４は流体試料の流れを制御するバルブ、１０５は流体試料中の特定物質を検出するセンシング部、１０６はセンシングが終了した流体試料を廃液する出力ポート、１０７は流体試料を送液するポンプである。

また、１０８は減圧式脱気用流路、１０９は気泡捕獲部である。流体試料は入力ポート１０２から必要量が微小流路１０３内に送り込まれ、微小流路１０３中を負圧で送液している。このとき入力ポート１０２では流体試料中に大気が混じり込むため、微小流路１０３中には大気が浸入してしまう。また、微小流路１０３を通気性部材で形成した場合などは、その通気性部材を通過して微小流路中に大気が浸入する。このようにして浸入してきた大気は微小流路１０３中で気泡となる。

特にセンシング部１０５における微小流路１０３では形状が大きく変化しており、流体試料の流れが淀む箇所ができる。そして発生した気泡２０１はセンシング部１０５まで到達した後、流体試料の流れが淀む箇所に停滞してしまう。また、微小流路１０５を通気性部材で形成した場合、流体試料の流れが淀んでいる箇所に停滞した気泡２０１は通気性部材を通過してくる大気によって容積を増やし続けることになる。このためセンシング部１０５から気泡２０１が消え去ることはない。センシング部１０５に気泡が存在するとノイズとなり不必要な信号を検出させてしまうため検出精度の低下を招く。

したがって、微小流路１０３で発生した気泡２０１はセンシング部１０５に到達する前に除去してしまう必要がある。そこで本実施例では、センシング部１０５より手前の微小流路１０３の近傍に脱気用流路１０８を設けている。さらに、微小流路の形状を１０９のように変え微小流路の側壁付近で流速を変化させることで、流体試料の流れに淀みが発生するような気泡捕獲部１０９を形成している。

図４は微小流路１０３中で発生した気泡２０１と、減圧式脱気流路１０８、気泡捕獲部１０９との配置関係を拡大して示す拡大図である。また、センシング部１０５より手前の微小流路１０３、気泡捕獲部１０９は通気性を有した部材で形成されている。まず、入力ポート１０２などから浸入した気泡２０１は、気泡捕獲部１０９の流体試料の流れが淀んでいる箇所で、止まり停滞する。減圧式脱気流路１０８は微小流路１０３中を送液する負圧よりもさらに減圧してあり、気泡捕獲部１０９に停滞した気泡２０１は周辺の通気性部材を通って減圧式脱気流路１０８へと移る。さらに、本実施例においては気泡捕獲部１０９を連続させて設けることで、気泡２０１が捕獲されずセンシング部１０５まで到達してしまうことを防いでいる。

この結果、微小流路１０３中から気泡２０１は消え去りセンシング部１０５に送られるのは流体試料のみとなったことを確認した。図１１はセンシング部１０５において特定物質の反応エネルギーを検出した結果であり、検出時間と信号強度の関係を表す。横軸１１０１は検出時間、縦軸１１０２は信号強度、実線１１０３は減圧式脱気流路１０８を設けた場合のセンシング部１０５の信号、破線１１０４は減圧式脱気流路１０８が無い場合のセンシング部１０５の信号、横軸１１０２上の点１１０５は流体試料がセンシング部１０５に到達した時間である。減圧式脱気流路１０８が無い場合では気泡２０１が要因となるノイズが発生しており、気泡２０１によって反応が遅れる分検出速度が低下した。一方、減圧式脱気流路１０８を設けた場合においては、気泡によるノイズが発生せず、検出速度の低下も見られなかった。したがって、センシング部１０５では気泡２０１による検出速度、検出精度の低下が無い正確な特定物質の検出を行うことができた。
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における微小流路中で生化学的な分析や反応を行うマイクロ流体装置１０１の概略図である。１０２は流体試料を装置内に送り込む入力ポート、１０３は流体試料が流れる微小流路、１０４は流体試料の流れを制御するバルブ、１０５は流体試料中の特定物質を検出するセンシング部、１０６はセンシングが終了した流体試料を廃液する出力ポート、１０７は流体試料を送液するポンプである。また、１０８は減圧式脱気用流路、１０９は気泡捕獲部である。

流体試料は入力ポート１０２から必要量が微小流路１０３内に送り込まれ、微小流路１０３中を負圧で送液している。このとき入力ポート１０２では流体試料中に大気が混じり込むため、微小流路１０３中には大気が浸入してしまう。また、微小流路１０３を通気性部材で形成した場合などは、その通気性部材を通過して微小流路中に大気が浸入する。このようにして浸入してきた大気は微小流路１０３中で気泡となる。特にセンシング部１０５における微小流路１０３では形状が大きく変化しており、流体試料の流れが淀む箇所ができる。

そして発生した気泡２０１はセンシング部１０５まで到達した後、流体試料の流れが淀む箇所に停滞してしまう。また、微小流路１０５を通気性部材で形成した場合、流体試料の流れが淀んでいる箇所に停滞した気泡２０１は通気性部材を通過してくる大気によって容積を増やし続けることになる。このためセンシング部１０５から気泡２０１が消え去ることはない。センシング部１０５に気泡２０１が存在するとノイズとなり不必要な信号を検出させてしまうため検出精度の低下を招く。したがって、微小流路１０３で発生した気泡２０１はセンシング部１０５に到達する前に除去してしまう必要がある。

そこで本実施例では、センシング部１０５より手前の微小流路１０３の近傍に脱気用流路１０８を設けている。さらに、微小流路の形状を１０９のように変え微小流路の側壁付近で流速を変化させることで、流体試料の流れに淀みが発生するような気泡捕獲部１０９を形成している。

図６は微小流路１０３中で発生した気泡２０１と、減圧式脱気流路１０８、気泡捕獲部１０９との配置関係を拡大して示す拡大図である。また、センシング部１０５より手前の微小流路１０３、気泡捕獲部５０１は通気性を有した部材で形成されている。まず、入力ポート１０２などから浸入した気泡２０１は、気泡捕獲部１０９の流体試料が淀んでいる箇所で、止まり停滞する。減圧式脱気流路１０８は微小流路１０３中を送液する負圧よりもさらに減圧してあり、気泡捕獲部１０９に停滞した気泡２０１は周辺の通気性部材を通って減圧式脱気流路１０８へと移る。さらに、本実施例においては微小流路１０３と気泡捕獲部１０９の中心を結ぶ線が直線ではなく、蛇行させていることで気泡２０１を捕獲しやすくしセンシング部１０５まで到達してしまうことを防いでいる。

この結果、微小流路１０３中から気泡２０１は消え去りセンシング部１０５に送られるのは流体試料のみとなったことを確認した。図１１はセンシング部１０５において特定物質の反応エネルギーを検出した結果であり、検出時間と信号強度の関係を表す。横軸１１０１は検出時間、縦軸１１０２は信号強度、実線１１０３は減圧式脱気流路１０８を設けた場合のセンシング部１０５の信号、破線１１０４は減圧式脱気流路１０８が無い場合のセンシング部１０５の信号、横軸１１０２上の点１１０５は流体試料がセンシング部１０５に到達した時間である。減圧式脱気流路１０８が無い場合では気泡２０１が要因となるノイズが発生しており、気泡２０１によって反応が遅れる分検出速度が低下した。一方、減圧式脱気流路１０８を設けた場合においては、気泡２０１によるノイズが発生せず、検出速度の低下も見られなかった。したがって、センシング部１０５では気泡２０１による検出速度、検出精度の低下が無い正確な特定物質の検出を行うことができた。
（実施の形態４）
図７は、図２における気泡２０１と微小流路１０３、脱気用流路１０８，気泡捕獲部１０９，極微細流路７０１の配置関係を拡大して示す拡大図である。前記の本発明の実施の形態１、２、３におけるマイクロ流体装置１０１においては、通気性部材を通して微小流路中の気泡２０１の除去を行っていたが、本発明の実施の形態においては微小流路と脱気用流路間は通気性部材ではなく、直径約１μｍ以下の極微細な流路を通して脱気を行っている。

このような極微細サイズの流路は、ある圧力以下において液体を通さず気体のみを通す性質を有す。センシング部１０５やセンシング部１０５に到達する手前の微小流路１０３に設けた流れが淀むような気泡捕獲部１０９では気泡２０１が溜まることが前もって把握できるため、この部分に極微細流路７０１を設けて集中的に脱気を行う。

この結果、微小流路１０３中から気泡２０１は消え去りセンシング部１０５に送られるのは流体試料のみとなったことを確認した。図１１はセンシング部１０５において特定物質の反応エネルギーを検出した結果であり、検出時間と信号強度の関係を表す。横軸１１０１は検出時間、縦軸１１０２は信号強度、実線１１０３は減圧式脱気流路１０８を設けた場合のセンシング部１０５の信号、破線１１０４は減圧式脱気流路１０８が無い場合のセンシング部１０５の信号、横軸１１０２上の点１１０５は流体試料がセンシング部１０５に到達した時間である。

減圧式脱気流路１０８が無い場合では気泡２０１が要因となるノイズが発生しており、気泡２０１によって反応が遅れる分検出速度が低下した。一方、減圧式脱気流路１０８を設けた場合においては、気泡によるノイズが発生せず、検出速度の低下も見られなかった。したがって、センシング部１０５では気泡２０１による検出速度、検出精度の低下が無い正確な特定物質の検出を行うことができた。

１０１、８０１ マイクロ流体装置
１０２、８０２、９０２ 入力ポート
１０３、８０３、９０３ 微小流路
１０４、８０４、９０４ バルブ
１０５、８０５、９０５ センシング部
１０６、８０６、９０６ 出力ポート
１０７、８０７ マイクロポンプ
１０８、１００３ 圧式脱気流路
１０９ 気泡捕獲部
２０１、１００１ 気泡
７０１ 極微細流路
９０１ ＰＤＭＳ
９０７ ガラス基板
１００３ 通気性部材
１１０１ 検出時間
１１０２ 信号強度
１１０３ 減圧式脱気流路１０８を設けた場合のセンシング部１０５の信号
１１０４ 減圧式脱気流路１０８が無い場合のセンシング部１０５の信号
１１０５ 流体試料がセンシング部に到達した時間

Claims (6)

1. 微小流路中で生化学的な分析や反応を行うマイクロ流体装置において、前記微小流路近傍に、該微小流路中に析出した気泡を除去して脱気する脱気手段を備えたことを特徴とするマイクロ流体装置。
2. 前記脱気手段は、前記微小流路近傍に備えた減圧式脱気流路であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体装置。
3. 前記微小流路と前記脱気流路との間に、通気性部材を設けることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ流体装置。
4. 前記通気性部材がシリコン系樹脂であることを特徴とする請求項３に記載のマイクロ流体装置。
5. 前記微小流路と前記減圧式脱気流路との間に、連通する気泡通過用極微細流路を形成することを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載のマイクロ流体装置。
6. 前記微小流路中に気泡を捕獲する気泡捕獲部を形成したことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のマイクロ流体装置。

Images