JP2015075353A - 流路デバイス、組立て部材および流路デバイスを形成する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】流路を持つ部品同士を組み立てる際の位置合わせに関し、特に射出成型技術を用いて部品を製作する際に特に有用な位置合わせ方法および、その方法を適用可能なデバイスを提供すること。
【解決手段】流路を持つ第一のデバイスと流路を持つ第二のデバイスとを、該第一のデバイスの流路と該第二のデバイスの流路とが連通するように接合させて形成する流路デバイスであって、該第一のデバイスは、該第二のデバイスと接合する範囲の外縁の外側に沿って複数の穴を有する、流路デバイス。
【選択図】図１
【解決手段】流路を持つ第一のデバイスと流路を持つ第二のデバイスとを、該第一のデバイスの流路と該第二のデバイスの流路とが連通するように接合させて形成する流路デバイスであって、該第一のデバイスは、該第二のデバイスと接合する範囲の外縁の外側に沿って複数の穴を有する、流路デバイス。
【選択図】図１
Description
本発明は、２つのチップを一体化して、両者の微小流路を連結して機能するデバイスに関する。
近年、１枚のチップ上で化学・生化学分析に必要な全ての要素を組み込むマイクロトータルアナリシスシステム（μ‐Ｔａｓ）と呼ばれる技術についての研究開発が盛んである。μ‐Ｔａｓでは、チップは一般にマイクロ流体デバイスと呼ばれ、マイクロ流路、温度制御機構、濃度調整機構、送液機構、反応検出機構などから構成される。
マイクロ流体デバイスの開発は近年盛んに行われているが、その中でも特に、ヒトゲノムの１塩基多型（ＳＮＰ）などの遺伝情報の検査を目的としたＤＮＡ分析デバイスに注目が集まっており、研究が盛んに行われている。
ＤＮＡの分析は２つの工程を含む。（１）ＤＮＡを増幅する工程と（２）ＤＮＡを判定する工程である。
（１）のＤＮＡを増幅する工程では、ＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）法が一般的に用いられる。これは増幅対象のＤＮＡの一部に対して相補的なプライマと酵素等を増幅対象のＤＮＡと混合し、サーマルサイクルをかけることでＤＮＡを増幅させる手法である。本工程では、正確かつ反応時間短縮のための高速な温度制御が要求される。
（２）のＤＮＡを判定する工程には様々な種類があるが、例えばＳＮＰの判定では熱融解法が用いられることがある。熱融解法とは、ＰＣＲ後にＤＮＡ溶液の温度を徐々に上昇させることでＤＮＡの融解温度（以下、Ｔｍ）を検出する方法である。蛍光色素がインターカレートされたＤＮＡは、温度が低い時には、２本鎖を形成しているため、蛍光シグナルが検出される。その後、徐々に温度が上昇しＴｍに達すると、ＤＮＡが解離し１本鎖になるため、蛍光シグナルが急激に低下する。この温度と蛍光シグナルとの関係からＴｍを求め、ＳＮＰを検出する手法である。本工程では、Ｔｍを比較することによりＤＮＡ判定を行うため、正確な温度測定が求められる。
以上のように、ＤＮＡを分析する際には温度制御が重要であり、特に高速性と正確性が要求される。高速性を実現するためには反応させる溶液の体積は小さいことが有利であり、そのため微小流路中に溶液を保持する方法が好んで用いられる。また、反応を安定的に行うために、流路をガラスチップ内に形成して、その高い透過率を利用して蛍光色素等を用いた反応の計測が行われることがある。さらに、装置全体の処理能力を高めるために複数のチャネルを持つことがあり、チャネルは密集して配置される。微小流路は拡大して観察する必要があるが、密集させることで複数チャネルの情報を拡大しつつ一括で取得することが可能になる。一方で、試薬を反応チップへ導入するまでの系は微小流路のミクロな系に対してマクロな系であり、特に各チャネルの試薬導入部は一定の大きさを持つ必要がある。このように最終的に反応が行われる場所から試薬導入部までに必要な大きさを鑑みると、これら反応チップは微小な構造を持ちながら一定の大きさが必要である。そこで、ミクロな構造が必要な反応場はガラスチップで構成し、ミクロな系からマクロな系へとサイズを変換するような機能はコスト的なメリットを考慮してプラスチック製の微小流路を用いることが望ましい。プラスチック製の微小流路は流路内面の平滑性やコストの面を考慮すると射出成型で製作されることが望ましい。
図９は従来のチップを上面から見た図で、図１０は側面から見た図である。プラスチックチップ１１０は中央にガラスチップ１０１をもつ。プラスチックチップ１１０は微小流路１０４を持ち、連結部１０３でガラスチップの微小流路に連結している。微小流路１０２は不図示のヒータにより加熱され、内部で種々の化学反応が行われる。プラスチックチップ１１０内の微小流路１０４の端部にはウエル１０５、１０６と呼ばれる液ダマリを設けている。図１０に示したピペットと同じ機能を有するピペットロボット１０７が入り口となるウエル１０５に試薬を供給する。微小流路の反対側の端には同じようにウエル１０６があり、微小流路を通過した試薬が溜まる。出口側のウエル１０６には間にホールド１０８が接続され、圧力伝達チューブ１０９を通して与えられる負圧によって試薬を微小流路中に引き込み、所望の位置で停止させる。
前記従来技術でプラスチックチップ１１０とガラスチップ１０１の微小流路同士を連結する部分１０３では製造・組立の誤差を許容すべく、図１０に示すように、双方の穴の直径に差を設ける。しかし、直径の差は連結部１０３段差での試薬滞留が発生しない程度に小さくする必要があり、組立時の位置調整には高い精度が要求される。従来は連結部を目視による拡大観察をしながら、位置調整治具により位置合わせを行った後に、接着剤を流して固定すると言った煩雑な工程が必要となっていた。そのため、生産のタクトタイムを短時間化するために、煩雑な組立工程に替えて、簡易な位置決め手法による部品位置合わせ手段が求められていた。
上記の要求を鑑み、プラスチックチップ上に突起を設けて押し当て法によって位置合わせる手順が考えられる。しかしながら、部品全体の厚さと同等の高さの局所的な突起形状を設ける場合、成形工程における収縮によって突起を設けた反対側の面に窪んだ形状が生じ易い。プラスチックチップでは、突起の反対側の面を接着して微小流を構成しているため、この面の平坦性が悪いと微小流路間に接着不良の場所を生じるため、液ダマリになったり、隣接する微小流路とつながってしまう恐れがある。また、突起形状の側面を位置合わせ基準にするが、成形時の離型のため突起部側面は傾斜させる必要があり、位置合わせの部品押し当て作業時に押し当てた部品が傾斜した側面に乗り上げ、誤差が生じ易いという懸念がある。
あるいは、プラスチックチップの外周端部を基準位置として位置合わせを行う方法も考えられるが、一般に基準位置と位置合わせしたい連結穴との距離が離れてしまい、成形時の収縮ばらつきを鑑みると、外周端部と連結穴を正確な位置関係で成形するのが難しい。以上のように目視による位置合わせ以外の方法で、液ダマリ部分をできるだけ小さくし、簡単に高精度に位置合わせする方法およびその方法が適用可能なデバイスの確立が課題となっていた。
上記課題に鑑み、本発明は、流路を持つ第一のデバイスと流路を持つ第二のデバイスとを、該第一のデバイスの流路と該第二のデバイスの流路とが連通するように接合させて形成する流路デバイスであって、該第一のデバイスは、該第二のデバイスと接合する範囲の外縁の外側に沿って複数の穴を有する、流路デバイスに関する。
本発明に係る流路デバイスによれば、流路デバイスを構成する各デバイス同士を、簡単かつ高精度に位置合わせすることが可能となる。
以下、本発明を詳細に説明する。
以下に実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。
［第一の実施例］
図１および２に第一の実施例にかかる流路デバイスを示す。図１において、プラスチックチップ１０は入口側ウエル５、出口側ウエル６、連結部３、ならびに入口側ウエル５と連結部３および入口側ウエル６と連結部３を結ぶ微小流路４を有する。微小流路を有するガラス製のチップ（ガラスチップ２）は、図２に示す工具（組立て部材）１２を用いて、プラスチックチップ１の流路４とガラスチップの流路とが連通するように、位置１に組立てられる。プラスチック１０はさらに、ガラスチップとの位置合わせの基準となる複数の貫通穴７を有する。穴７は、プラスチックチップ１０とガラスチップ２とが接合する範囲の外縁の外側に設けられる。穴７はプラスチックチップ１０を貫通していてもよい。工具１２は位置決め用の工具上であって、複数のピン（突起部）６を有する。ピン８は、穴７に正対する位置に設けられ、組立時に穴７に挿入され、穴７のガラスチップ搭載位置側の側面に当接される。この状態でガラスチップをピン８に押し当てることで、所望のガラスチップ搭載位置１にガラスチップが位置合わせされることになる。そのため、プラスチックチップ１０には３個以上の穴７を設け、このとき少なくともひとつの穴７は他の穴７のうち２つを結んだ直線上から外れた位置に設けるとよい。また、工具１２にも３個以上のピン８を設け、このとき少なくともひとつのピン８は他のピン８のうち２つを結んだ直線上から外れた位置に設けるとよい。ピン８は、穴７に挿入可能な形状の断面を有しており、ガラスチップ２の厚み以上の長さを有していれば、その形状は特に限定されない。
図１および２に第一の実施例にかかる流路デバイスを示す。図１において、プラスチックチップ１０は入口側ウエル５、出口側ウエル６、連結部３、ならびに入口側ウエル５と連結部３および入口側ウエル６と連結部３を結ぶ微小流路４を有する。微小流路を有するガラス製のチップ（ガラスチップ２）は、図２に示す工具（組立て部材）１２を用いて、プラスチックチップ１の流路４とガラスチップの流路とが連通するように、位置１に組立てられる。プラスチック１０はさらに、ガラスチップとの位置合わせの基準となる複数の貫通穴７を有する。穴７は、プラスチックチップ１０とガラスチップ２とが接合する範囲の外縁の外側に設けられる。穴７はプラスチックチップ１０を貫通していてもよい。工具１２は位置決め用の工具上であって、複数のピン（突起部）６を有する。ピン８は、穴７に正対する位置に設けられ、組立時に穴７に挿入され、穴７のガラスチップ搭載位置側の側面に当接される。この状態でガラスチップをピン８に押し当てることで、所望のガラスチップ搭載位置１にガラスチップが位置合わせされることになる。そのため、プラスチックチップ１０には３個以上の穴７を設け、このとき少なくともひとつの穴７は他の穴７のうち２つを結んだ直線上から外れた位置に設けるとよい。また、工具１２にも３個以上のピン８を設け、このとき少なくともひとつのピン８は他のピン８のうち２つを結んだ直線上から外れた位置に設けるとよい。ピン８は、穴７に挿入可能な形状の断面を有しており、ガラスチップ２の厚み以上の長さを有していれば、その形状は特に限定されない。
なお、図１には示していないが、本実施例ではプラスチックチップ１０は２つの部材を接合してなる。このとき、いずれかの部材に溝を設けることで、接合した際に流路４が形成される。
ここで、入口側のウエル５に近い連結部３で液の滞留などが起こると、連続して行う検査においてコンタミネーションを起こす心配があるため、連結部に極端な流路側面の段差や断面積の変化は望ましくない。そのため、入口側のウエル５に近い連結部３は、極力微小流路のサイズに近い穴径、かつプラスチックチップ１０とガラスチップとで直径差の少ない設計が望ましい。一方、ガラスチップで種々の検査が終わった後の出口側ウエル６に近い連結部３では液の滞留等についてはそこまで神経質になる必要が無いために、どちらか一方の穴の直径を大きくすることに寛容であり、要求される組立精度も緩く設計することが可能である。このようにして入口側ウエル５に近い連結部３が重視される結果、図１では、３点あるピン８の押し当て位置のうち、２点は入口側ウエル５に近い連結部３近傍に配置されている。
図３は、ガラスチップ２をプラスチックチップ１０に組み立てる際の、穴７およびピン８を通る断面の状態を示したものである。プラスチックチップ１０とガラスチップ２とは共にピン８を有する工具１２に向かって押し当てられている。本実施例では、直線状にない少なくとも３箇所でプラスチックチップ１０とガラスチップ２とをピン８に押し当てるため、良好な位置合わせができる。
本実施例では４つの微小流路を有するデバイスで位置合わせを行っている。なお、本発明において微小流路とは、流路径が１mm以下の流路を意味し、このような流路径の流路を有するデバイスをマイクロ流路デバイスという。微小流路への試薬導入部においてはピペットロボットも一定の大きさを有するため、入口側ウエル５の間隔９は10mmとした。ガラスチップ２の微小流路の間隔は0.5mm程度であるので、流路の間隔は一桁拡大された。また、ガラスチップ２で行われる検査結果を取得するための、光学測定デバイス等の測定系（不図示）が必要であり、前述のピペットロボット等が測定系の邪魔にならないように、プラスチックチップ１０の外形端と連結部３との間隔１１は数十mmとした。本実施例ではプラスチックチップ１０およびガラスチップ２の材料としてアクリルを用いたが、それぞれの材料は特に限定されることはない。なお、ガラスチップ２には透明の材料を用いると、マイクロ流路内の光学的な観察が可能になり、蛍光色素等を用いた反応の計測や複数の流路の情報を拡大しつつ一括で取得することが可能になる。また、プラスチックチップ１０では、ミクロな系からマクロな系へとサイズを変換することがあるため、コスト的なメリットを考慮してプラスチック製の材料を用いるとよい。プラスチックチップ１０は、射出成型で製作すると、流路内面の平滑性を確保できるほか、コストも低廉となる。
また連結部３でのプラスチックチップ１０とガラスチップ２との穴の直径差は0.1mmあったので、それぞれの穴に+/-30μmの公差を設定した。アクリルは線膨張係数が6×10-5[1/℃]であるので、成型時の温度が約90℃とすると、室温（ここでは23℃を想定した）との間で収縮によって生じる長さの変化を30μmに収めるためには、位置の基準（穴７）と位置調整したい目標物（連結部３）との間は約7.4mm以下、連結部の大きさを考慮しても１０mm以下の範囲で近接している必要がある。連結部付近には微小流路が形成されているので、突起形状を形成した場合には近接させることが難しかったが、本実施例では穴形状であったので、大きく平坦性を劣化させることなく、対象近くに配置することができた。また、プラスチックチップ１０は厚みを略均一にしているので、この後でプラスチックチップ１０を基板と接合して流路４を形成する際にも良好な部品の平坦性を確保できた。結果、隣接流路間で液のコンタミネーションは発生しないと考えられた。
［第二の実施例］
第二の実施例を図４に示す。第一の実施例では穴７が貫通した形状であったのに対して、ここでは貫通しない穴７を採用した。その他は実施例１と同様の条件で、位置合わせの際に使われる工具１２を図４に示す通りガラスチップ搭載側より設置し、位置合わせ開口の側面にピン８を押し当てた。ガラスチップ２は工具の側面に押し当てることにより、良好な位置合わせができた。
第二の実施例を図４に示す。第一の実施例では穴７が貫通した形状であったのに対して、ここでは貫通しない穴７を採用した。その他は実施例１と同様の条件で、位置合わせの際に使われる工具１２を図４に示す通りガラスチップ搭載側より設置し、位置合わせ開口の側面にピン８を押し当てた。ガラスチップ２は工具の側面に押し当てることにより、良好な位置合わせができた。
［第三の実施例］
第三の実施例を図５に示す。第三の実施例では、第一の実施例と同様、貫通した穴７を位置合わせの基準に用いた。ここでは成形品の型１４からの離型性を良好にするために、型１４に近づくにつれて（ガラスチップ２が接する面から離れるにつれて）幅が広がるような勾配を穴７に設け、その他は実施例１と同様の条件とした。本実施例ではテーパを穴７に設けたことで離型性も良好で、かつピン８は穴７の最も内径が狭い場所で接するので良好な位置合わせができた。
第三の実施例を図５に示す。第三の実施例では、第一の実施例と同様、貫通した穴７を位置合わせの基準に用いた。ここでは成形品の型１４からの離型性を良好にするために、型１４に近づくにつれて（ガラスチップ２が接する面から離れるにつれて）幅が広がるような勾配を穴７に設け、その他は実施例１と同様の条件とした。本実施例ではテーパを穴７に設けたことで離型性も良好で、かつピン８は穴７の最も内径が狭い場所で接するので良好な位置合わせができた。
［第四の実施例］
第四の実施例を図６〜８に示す。本実施例では微小流路を有するプラスチックチップ１０に加えてウエルプレート１３をデバイスは有する。ウエルプレート１３は部品の厚みを増して、微小流路を有するプラスチックチップ１０の上に搭載することで、ウエルの容量を増やしている。さらに検査に用いる試薬を搭載する別のウエルもここでは有している。部品の厚みが厚く、かつガラスチップを観察するための大きな窓や種々のウエルなど形状の変化に富んでいるものの、プラスチックチップ１０との接着で微小流を形成するわけではないので、部品の平面性、位置合わせに対しては寛容である。本実施例ではウエルプレート１３にピン８と同様の機能を有する突起８を設けた。突起部８は、実施例１〜３と同様にピン形状としてもよいが、本実施例ではガラスチップ２が接合する側に面を有する直方体の形状とした。本実施例をより詳細に説明するために図７と８を参照する。これはガラスチップを押し当てて位置合わせする部位の断面を示したものである。図７では、ウエルプレート１３はプラスチックチップ１０の穴７に差し込めるような突起８と、ガラスチップ２が接することが可能な位置にまで連続する側面を有している。本突起８を用いて、図７に示すように、まずウエルプレート１３とプラスチックチップ１０を押し当てて位置合わせをしながら接着する。続けて図８に示すようにガラスチップ２を突起８の側面に押し当てて位置合わせすることで、良好に位置合わせをすることができた。
第四の実施例を図６〜８に示す。本実施例では微小流路を有するプラスチックチップ１０に加えてウエルプレート１３をデバイスは有する。ウエルプレート１３は部品の厚みを増して、微小流路を有するプラスチックチップ１０の上に搭載することで、ウエルの容量を増やしている。さらに検査に用いる試薬を搭載する別のウエルもここでは有している。部品の厚みが厚く、かつガラスチップを観察するための大きな窓や種々のウエルなど形状の変化に富んでいるものの、プラスチックチップ１０との接着で微小流を形成するわけではないので、部品の平面性、位置合わせに対しては寛容である。本実施例ではウエルプレート１３にピン８と同様の機能を有する突起８を設けた。突起部８は、実施例１〜３と同様にピン形状としてもよいが、本実施例ではガラスチップ２が接合する側に面を有する直方体の形状とした。本実施例をより詳細に説明するために図７と８を参照する。これはガラスチップを押し当てて位置合わせする部位の断面を示したものである。図７では、ウエルプレート１３はプラスチックチップ１０の穴７に差し込めるような突起８と、ガラスチップ２が接することが可能な位置にまで連続する側面を有している。本突起８を用いて、図７に示すように、まずウエルプレート１３とプラスチックチップ１０を押し当てて位置合わせをしながら接着する。続けて図８に示すようにガラスチップ２を突起８の側面に押し当てて位置合わせすることで、良好に位置合わせをすることができた。
なお、これまで本発明をマイクロ流路デバイスを例に説明したが、本発明はマイクロ流路デバイスに限定されるものではなく、１mm以上の流路を有する流路デバイスにも応用することが可能である。
１ ガラスチップの位置
２ ガラスチップ
３ 連結部
４ プラスチックチップ内の微小流路
５ 入口側ウエル
６ 出口側ウエル
７ 貫通穴
８ ピン／突起部
２ ガラスチップ
３ 連結部
４ プラスチックチップ内の微小流路
５ 入口側ウエル
６ 出口側ウエル
７ 貫通穴
８ ピン／突起部
Claims (9)
- 流路を持つ第一のデバイスと流路を持つ第二のデバイスとを、該第一のデバイスの流路と該第二のデバイスの流路とが連通するように接合させて形成する流路デバイスであって、
該第一のデバイスは、該第二のデバイスと接合する範囲の外縁の外側に沿って複数の穴を有する、流路デバイス。 - 前記第一のデバイスは３個以上の前記穴を有し、該穴のうち少なくともひとつは他の穴のうち２つを結んだ直線上から外れた位置に設けられる、請求項１に記載の流路デバイス。
- 前記第二のデバイスは透明の材料からなる、請求項１または２に記載の流路デバイス。
- 前記穴のうち少なくともひとつは前記第一のデバイスを貫通する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の流路デバイス。
- 前記穴には勾配が設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の流路デバイス。
- さらに第三のデバイスを有し、該第三のデバイスは前記穴に挿入可能な突起部を有し、該突起部は前記第二のデバイスの厚み以上の長さを有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の流路デバイス。
- 前記第一のデバイスは２つの部材を接合してなり、いずれかの部材に溝を設けて接合することで、前記第一のデバイスの流路が形成される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の流路デバイス。
- 流路を持つ第一のデバイスと流路を持つ第二のデバイスとを、該第一のデバイスの流路と該第二のデバイスの流路とが連通するように接合させて形成する流路デバイスを組立てる際に用いる組立て部材であって、
該第一のデバイスの、該第二のデバイスと接合する範囲の外縁の外側に沿って複数の突起部を有し、
該突起部は該第二のデバイスの厚み以上の長さを有する、組立て部材。 - 流路を持つ第一のデバイスと流路を持つ第二のデバイスとを、該第一のデバイスの流路と該第二のデバイスの流路とが連通するように接合させて流路デバイスを形成する方法であって、
該第一のデバイスの、該第二のデバイスと接合する範囲の外縁の外側に沿って複数の穴を設け、
該第二のデバイスの厚み以上の長さを有する突起部を有する組立て部材を用いて、該第一のデバイスの該穴に該組立て部材の該突起部を挿入して、
該第一のデバイスと該第二のデバイスとの位置合わせをする、方法。
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