JP2014226623A - マイクロチップ反応装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶液で満たされたマイクロチップの微小空間内に気泡が存在する場合にその気泡を除去することができるようにする。【解決手段】マイクロチップ２の接続ポート１４にはチューブ２０を介して培養液を送液するためのシリンジポンプ２２が接続され、接続ポート１８にはチューブ２４を介してドレインポット２６が接続され、内部空間１０が細胞培養室として使用される。ドレインポット２６は密閉された容器であり、ドレインポット２６にチューブ２４とは別のチューブ２８の一端が接続されている。チューブ２８の他端は開放されているが、チューブ２８上に電磁弁３０が設けられておりその電磁弁３０によって開閉される。電磁弁３０が閉じた状態でシリンジポンプ２２から培養液の送液動作を行なうことで、内部空間１０内が外気よりも高い圧力となり、内部空間１０内に存在する気泡がＰＤＭＳを透過して外気へ放出される。【選択図】 図２

Description

本発明は，例えばμＴＡＳ(Micro Total Analysis System)のような分野において、チップ上で微量な試料液の流れを制御して化学分析、化学反応又は細胞培養などを行なうためのマイクロチップ反応装置に関するものである。

近年、小さな基板に様々な機能を集積するμＴＡＳの研究が盛んに行なわれている。そして、そのようなμＴＡＳ技術を利用し、内部に微小空間とその微小空間に試薬や培養液などの液体を供給するための流路を備えたマイクロチップを作成し、そのマイクロチップ内において化学分析や細胞培養を行なうことが提案されている（特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照。）。

化学分析や細胞培養に上記のマイクロチップを利用することの利点としては、高価な試薬又は培養液の消費量を低減できることのほか、マイクロチップの熱容量が小さいことから温度を均一に制御しやすく温度変化の追従性が良いことなどが挙げられる。

特開２００４−３６１２０５号公報 特開２００６−２２０５６６号公報 特開２０１１−２４４７１３号公報

マイクロチップ内の微小空間を溶液で満たす場合においてその微小空間内に気泡が存在すると、その部分はデッドボリュームとなる。例えば、マイクロチップ内で細胞培養を行なう場合には、細胞培養室となる微小空間内に気泡が存在すると気泡の部分に培養液が存在しないため、その部分は細胞の培養ができない領域となってしまう。気泡が微小なものであっても、細胞培養室は微小空間であり、細胞の培養ができない領域が細胞培養室にとって大きな割合となるため、マイクロチップ内において細胞培養を行なう上では、細胞培養室に存在する気泡を除去することは重要な課題である。

しかし、微小空間において液体を流す場合には乱流が発生しにくく、液体の攪拌が非常に難しいことが一般的に知られている。液体の攪拌が困難であるため、培養液などの液体を充填した微小空間内に気泡が存在する場合に、微小空間内において液体を大流量で流しても気泡を押し流して除去することは難しい。

なお、細胞培養室に培養液を充填する前であれば、細胞培養室内の流体をすべて二酸化炭素で置換した直後に培養液を充填することで、細胞培養室内に残った二酸化炭素は培養液に溶けてなくなるため、細胞培養室内に気泡が発生することを予防することは可能であるが、細胞培養室内を培養液で満たした後に気泡が発生した場合には、これを除去することはできない。

そこで、本発明は、溶液で満たされたマイクロチップの微小空間内に気泡が存在する場合にその気泡を除去することができるようにすることを目的とするものである。

本発明にかかるマイクロチップ反応装置は、液体を透過させず気体を透過させるガス透過性壁面により別の空間と隔てられた内部空間を有するマイクロチップと、所定溶液で満たされた内部空間内の圧力を前記別の空間の圧力よりも高くすることにより内部空間の所定溶液内の気泡を別の空間へ移動させる気泡除去手段と、を備えたものである。

本発明のマイクロチップ反応装置は、マイクロチップ内に設けられた内部空間が液体を透過させず気体を透過させるガス透過性壁面により別の空間と隔てられており、該内部空間内の圧力を別の空間よりも高くして内部空間内の気泡を別の空間へ移動させる気泡除去手段を備えているので、溶液で満たされた微小空間内に気泡が存在しても、その気泡を微小空間から除去することができる。これにより、所定溶液を充填した後の微小空間内に気泡が存在することによってデッドボリュームとなることを防止することができる。

マイクロチップ反応装置に使用されるマイクロチップの一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ位置における断面図である。 マイクロチップ反応装置の一実施例を示す概略構成図である。 マイクロチップ反応装置の他の実施例を示す概略構成図である。 マイクロチップ反応装置のさらに他の実施例を示す概略構成図である。 マイクロチップ反応装置のさらに他の実施例を示す概略構成図である。 減圧空間を備えたマイクロチップの一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＹ−Ｙ位置における断面図である。 図６のマイクロチップを備えたマイクロチップ反応装置の一実施例を示す概略構成図である。 マイクロチップの内部空間内の圧力と内部空間内の気泡の時間変化の測定結果を示すグラフである。

本発明にかかるマイクロチップ反応装置では、マイクロチップが内部空間に通じる入口流路を備え、入口流路には所定溶液を供給する溶液供給部が接続されており、気泡除去手段は所定溶液で満たされた内部空間内に溶液供給部から所定溶液を過剰に供給することにより内部空間内を加圧するものであってもよい。

また、内部空間には該内部空間内の圧力を加圧ガスにより上昇させる加圧機構が接続されており、気泡除去手段は密閉空間となった内部空間内を加圧機構によって加圧するものであってもよい。

マイクロチップの内部空間を細胞培養室として使用する場合であって、内部空間内を炭酸ガス濃度が所定濃度になるように調製された空気からなる加圧ガスで加圧することによって内部空間内の気泡を除去する場合には、内部空間内の圧力と別の空間の圧力の差は常に１０ｋＰａ以内であることが好ましい。細胞培養室を満たす培養液の二酸化炭素濃度は加圧ガスの圧力が高くなると培養液に溶け込む二酸化炭素の濃度が増加する。一般的に使われる培養液の二酸化炭素濃度は５％程度であるが、細胞培養室を大気圧１０１．３ｋＰａよりも１０ｋＰａ高くなるように加圧ガスで加圧すると、培養液の二酸化炭素濃度が５．５％に増加する。しかし、これは±０．５％程度という一般的な培養装置の制御精度を満たす値であり、細胞培養に適した環境を維持することができる。

また、マイクロチップはその内部を減圧にする減圧チャンバ内に収容されており、マイクロチップの外側の減圧チャンバ内の空間が内部空間とガス透過性壁面により隔てられた別の空間であり、気泡除去手段は減圧チャンバ内の空間を減圧にすることで内部空間内の気泡を内部空間から減圧チャンバ内の空間へ移動させるものであってもよい。

マイクロチップは内部空間とはガス透過性壁面を隔てて設けられた第２内部空間を別の空間として有し、第２内部空間に減圧ポンプが接続されており、気泡除去手段は第２減圧ポンプによって第２内部空間内を減圧にすることで内部空間内の気泡を第２内部空間へ移動させるものであってもよい。

ガス透過性の壁面としては、ポリジメチルシロキサン（以下、ＰＤＭＳ）又はシリコン樹脂からなるものが挙げられる。

図１及び図２を用いてマイクロチップ反応装置の一実施例について説明する。
まず図１に示されているように、この実施例のマイクロチップ反応装置に使用されるマイクロチップ２は、内部に、平面形状が円形の空間（内部空間）１０と一端がその内部空間１０に通じる流路１２と１６を備えている。流路１２の他端は上面に設けられた接続ポート１４に通じており、流路１６の他端は上面に設けられた接続ポート１８に通じている。

マイクロチップ２はベース基板４の上に中間基板６が積層され、中間基板６の上にカバー基板８が積層され接合されて構成されている。最下層のベース基板４と最上層のカバー基板８の間に挟み込まれた中間層の基板６には内部空間１０をなす貫通孔と流路１２及び１６をなす溝が形成されている。最上層の基板８には接続ポート１４及び１８をなす貫通孔が形成されている。接続ポート１４，１８はそれぞれ流路１２，１６の端部に位置決めされている。

ベース基板４、中間基板６及びカバー基板８は平面形状が例えば２０ｍｍ角の平板であり、ベース基板４の厚みは例えば３ｍｍ、中間基板６の厚みは例えば５ｍｍ、カバー基板８の厚みは例えば３ｍｍである。内部空間をなす中間基板６の貫通孔は直径が例えば５ｍｍであり、流路１２及び１６をなす溝は幅が例えば１ｍｍ、深さが例えば０．１ｍｍである。接続ポート１４及び１８をなすカバー基板８の孔は直径が例えば１ｍｍである。

基板４，６及び８の材質は例えばＰＤＭＳ（ＳＩＬＰＯＴ１８４：ダウコーニング社の製品）であるが、ＰＤＭＳのほかシリコーン樹脂など液体を透過させず気体を透過させるガス透過性材料であればよい。なお、基板４，６及び８のすべてがガス透過性材料からなるものである必要はなく、ベース基板４は例えばパイレックス（登録商標）ガラスからなるものであってもよい。

図１のマイクロチップ２を用いたマイクロチップ反応装置である細胞培養装置は、図２に示されているように、マイクロチップ２の接続ポート１４にはチューブ２０を介して培養液を送液するためのシリンジポンプ２２が接続され、接続ポート１８にはチューブ２４を介してドレインポット２６が接続され、内部空間１０が細胞培養室として使用される。シリンジポンプ２２は溶液供給部を構成し、流路１２はシリンジポンプ２２からの培養液を内部空間１０へ導く入口流路を構成し、流路１６は内部空間１０内の気体や液体をドレインポット２６へ排出するための出口流路を構成する。なお、図２においては流路の接続関係を把握しやすくするために便宜上マイクロチップ２の主平面が水平方向に対して垂直に立てられた状態で示されているが、マイクロチップ２は主平面が水平になるように配置されている。図３、図４、図５及び図７の実施例についても同じである。

ドレインポット２６は密閉された容器であり、ドレインポット２６にチューブ２４とは別のチューブ２８の一端が接続されている。チューブ２８の他端は開放されているが、チューブ２８上に電磁弁３０が設けられておりその電磁弁３０によって開閉される。細胞培養室である内部空間１０に培養液を充填する際は、電磁弁３０が開いた状態でシリンジポンプ２２から培養液が送液され、内部空間１０が培養液で満たされる。

内部空間１０を培養液で満たした後、内部空間１０内に気泡が存在する場合は、電磁弁３０が閉じた状態でシリンジポンプ２２からさらなる培養液の送液動作を行なうことで、内部空間１０内の気泡を除去することができる。この実施例において、シリンジポンプ２２及び電磁弁３０は内部空間１０内の気泡を除去するための気泡除去手段を構成している。電磁弁３０が閉じた状態でシリンジポンプ２２による培養液の送液を実行すると、チューブ２０からドレインポット２６までの系に培養液が過剰に供給され、この系の内部圧力が上昇し、内部空間１０内が外気よりも高い圧力となる。内部空間１０の内部圧力が外気よりも高くなると、内部空間１０内に存在する気泡がマイクロチップを構成するＰＤＭＳを透過して外気へ放出され、内部空間１０内の気泡が除去される。

次に、マイクロチップ２を用いたマイクロチップ反応装置の他の実施例について図３を用いて説明する。
この実施例では、接続ポート１４に一端が接続されたチューブ３２の他端が切換バルブ３３の共通のポートに接続され、切換バルブ３３の１つの選択ポートにチューブ３４を介してシリンジポンプ２２が接続され、残りの１つの選択ポートにチューブ３６を介して加圧ボンベ３８が接続されている。これにより、接続ポート１４に繋がるチューブ３２は切換バルブ３３の切換えによってシリンジポンプ２２と加圧ボンベ３８のいずれか一方に接続される。

電磁弁３０を閉じた状態で加圧ボンベ３８をチューブ３２に接続することで、マイクロチップ２の内部空間１０内を加圧することができる。例えば内部空間１０が細胞培養室である場合は、加圧ボンベ３８から供給されるガスは、例えば炭酸ガス濃度が５％に調製された空気である。

図８は内部空間１０内の圧力と内部空間１０内の気泡の体積の時間変化の測定結果を示すグラフである。このグラフからわかるように、内部空間１０の圧力を外気の圧力（大気圧）よりも高くすればするほど内部空間１０内の気泡が早く除去される。
ただし、内部空間１０が細胞培養室であり、内部空間１０内を加圧ボンベによって加圧する場合には、内部空間１０内の圧力を大気圧よりも高くするほど内部空間１０内の二酸化炭素濃度も上昇するため、内部空間１０の内部圧力は例えば大気圧＋３ｋＰａ程度、高くても大気圧＋１０ｋＰａ程度に留めておくことが好ましい。大気圧＋１０ｋＰａであれば、培養液の二酸化炭素濃度が５．５％程度となり、±０．５％程度という一般的な培養装置の制御精度を満たす。

この実施例では、電磁弁３０、切換バルブ３３及び加圧ボンベ３８が、内部空間１０内の気泡を除去するための気泡除去手段を構成している。培養液で満たされた内部空間１０内に気泡が存在する場合に、電磁弁３０を閉じて切換バルブ３３を加圧ボンベ３８側へ切り換えることで、加圧ボンベ３８によって内部空間１０内が加圧され、内部空間１０内に存在する気泡がガス透過性のＰＤＭＳを透過してマイクロチップ２の外部へ放出される。

図４はマイクロチップ反応装置のさらに他の実施例を示したものである。
この実施例では、ドレインポット２６に一端が接続されたチューブ４０の他端が切換バルブ４２の共通ポートに接続され、切換バルブ４２の１つの選択ポートにチューブ４４の一端が接続され、残りの１つの選択ポートにチューブ４６を介して加圧ボンベ３８が接続されている。チューブ４４の他端は開放されている。加圧ボンベ３８をチューブ４０に接続することで、マイクロチップ２の内部空間１０内を加圧することができる。

マイクロチップ２の内部空間１０に培養液を充填する際は、切換バルブ４２をチューブ４４側にしてシリンジポンプ２２から培養液を送液することで、内部空間１０内を培養液で満たす。培養液で満たされた内部空間１０内に気泡が存在する場合は、切換バルブ４２を加圧ボンベ３８側へ切り換えることで、加圧ボンベ３８によって内部空間１０内が加圧され、内部空間１０内に存在する気泡がガス透過性のＰＤＭＳを透過してマイクロチップ２の外部へ放出される。すなわち、この実施例では、切換バルブ４２及び加圧ボンベ３８が内部空間１０内の気泡を除去するための気泡除去手段を構成している。

以上においては、マイクロチップ２の内部空間１０を加圧することができる構成を有することにより、溶液で満たされた内部空間１０内に存在する気泡の除去を可能にした実施例について説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、内部空間１０とはガス透過性の壁面により隔てられた空間を減圧にすることで、溶液で満たされた内部空間１０内に存在する気泡を除去できるようにしてもよい。以下、そのような構成を有する実施例について説明する。

図５はマイクロチップ２を密閉空間を内部に有する減圧チャンバ５０内に収容した実施例を示している。減圧チャンバ５０には真空ポンプ５２が接続されており、真空ポンプ５２の駆動によって内部の密閉空間を大気圧よりも低い減圧状態にすることができる。溶液で満たされたマイクロチップ２の内部空間１０内に気泡が存在するときに、真空ポンプ５２を駆動して減圧チャンバ５０内を減圧にすることで、圧力平衡の影響により内部空間１０内に存在する気泡がガス透過性のＰＤＭＳを透過してマイクロチップ２の外部へ放出される。この実施例では、減圧チャンバ５０及び真空ポンプ５２が内部空間１０内の気泡を除去するための気泡除去手段を構成している。

図６及び図７はマイクロチップの内部に減圧空間を設けた実施例を示したものである。
まず、この実施例で使用されるマイクロチップ２ａについて図６を用いて説明する。
マイクロチップ２ａは図１を用いて説明したマイクロチップ２と同様に、内部空間１０ａとその内部空間１０ａに通じる流路１２ａ及び１６ａを内部に備え、上面に流路１２ａ及び１６ａの端部に通じる接続ポート１４ａ及び１８ａを備えている。

マイクロチップ２ａの内部には、内部空間１０ａの周囲を例えば１ｍｍの隔壁を隔てて囲うリング状の空間５４（第２内部空間）とその空間５４に通じる流路５６が設けられている。マイクロチップ２ａの上面には流路５６に通じる接続ポート５８が設けられている。

マイクロチップ２ａは下層側からベース基板４ａ、中間基板６ａ及びカバー基板８ａが積層されて形成されている。中間基板６ａには、内部空間１０ａをなす円形の貫通孔が設けられているとともに、上面に流路１２ａ及び１６ａをなす溝が設けられ、下面にリング状の空間５４と流路５６をなす溝及び流路５６の端部に通じる接続ポート５８の一部をなす貫通孔が設けられている。カバー基板８ａには接続ポート１４ａ及び１８ａをなす貫通孔と接続ポート５８の一部をなす貫通孔が設けられている。

このマイクロチップ２ａを用いたマイクロチップ反応装置である細胞培養装置は、図７に示されているように、マイクロチップ２の接続ポート１４ａにはチューブ２０を介して培養液を送液するためのシリンジポンプ２２が接続され、接続ポート１８ａにはチューブ２４を介してドレインポット２６が接続され、内部空間１０ａが細胞培養室として使用される。シリンジポンプ２２は溶液供給部を構成し、流路１２ａはシリンジポンプ２２からの培養液を内部空間１０ａへ導く入口流路を構成し、流路１６ａは内部空間１０ａ内の気体や液体をドレインポット２６へ排出するための出口流路を構成する。

さらに、接続ポート５８にはチューブ６０を介して真空ポンプ６２が接続されている。マイクロチップ２ａのリング状の空間５４は内部空間１０ａとはＰＤＭＳ製の隔壁を隔てて設けられた密閉空間となっており、真空ポンプ６２を駆動することによって空間５４は内部空間１０ａよりも低い内部圧力を有する減圧空間となる。これにより、培養液で満たされた内部空間１０ａ内に気泡が存在する場合には、真空ポンプ６２を駆動することで内部空間１０ａ内の気泡を空間５４側へ移動させることができる。この実施例では、リング状の空間５４及びシンクポンプ６２が内部空間１０ａ内の気泡を除去するための気泡除去手段を構成している。

２，２ａ マイクロチップ
４，４ａ ベース基板
６，６ａ 中間基板
８，８ａ カバー基板
１０，１０ａ 内部空間
１２，１２ａ，１６，１６ａ，５６ 流路
１４，１４ａ，１８，１８ａ，５８ 接続ポート
２０，２４，２８，３２，３６，３４，４０，４４，４６，６０ チューブ
２２ シリンジポンプ
２６ ドレインポット
３０ 電磁弁
３３，４２ 切換バルブ
３８ 加圧ボンベ
５０ 減圧チャンバ
５２，５６ 真空ポンプ
５４ 減圧空間

Claims (7)

1. 液体を透過させず気体を透過させるガス透過性壁面により別の空間と隔てられた内部空間を有するマイクロチップと、
   所定溶液で満たされた前記内部空間内の圧力を前記別の空間の圧力よりも高くすることにより前記内部空間内の気泡を前記別の空間へ移動させる気泡除去手段と、を備えたマイクロチップ反応装置。
2. 前記マイクロチップは前記内部空間に通じる入口流路を備え、
   前記入口流路には前記所定溶液を供給する溶液供給部が接続されており、
   前記気泡除去手段は所定溶液で満たされた前記内部空間内に前記溶液供給部から前記所定溶液を過剰に供給することにより前記内部空間内を加圧するものである請求項１に記載のマイクロチップ反応装置。
3. 前記内部空間には該内部空間内の圧力を加圧ガスにより上昇させる加圧機構が接続されており、
   前記気泡除去手段は密閉空間となった前記内部空間内を前記加圧機構によって加圧するものである請求項１に記載のマイクロチップ反応装置。
4. 前記内部空間は細胞培養室であり、前記加圧ガスは炭酸ガス濃度が所定濃度になるように調製された空気であり、前記内部空間内の圧力と前記別の空間の圧力の差は常に１０ｋＰａ以内である請求項３に記載のマイクロチップ反応装置。
5. 前記マイクロチップはその内部を減圧にする減圧チャンバ内に収容されており、
   前記マイクロチップの外側の前記減圧チャンバ内の空間が前記内部空間と前記ガス透過性壁面により隔てられた前記別の空間であり、
   前記気泡除去手段は前記減圧チャンバ内の空間を減圧にすることで前記内部空間内の気泡を前記内部空間から前記減圧チャンバ内の空間へ移動させるものである請求項１に記載のマイクロチップ反応装置。
6. 前記マイクロチップは前記内部空間とは前記ガス透過性壁面を隔てて設けられた第２内部空間を前記別の空間として有し、前記第２内部空間に減圧ポンプが接続されており、
   前記気泡除去手段は前記第２減圧ポンプによって前記第２内部空間内を減圧にすることで前記内部空間内の気泡を前記第２内部空間へ移動させるものである請求項１に記載のマイクロチップ反応装置。
7. 前記ガス透過性の壁面はポリジメチルシロキサン又はシリコン樹脂からなるものである請求項１から６のいずれか一項に記載のマイクロチップ反応装置。

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