JP2015192945A

JP2015192945A - 液体供給方法およびマイクロ流路デバイス

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Publication number: JP2015192945A
Application number: JP2014072021A
Authority: JP
Inventors: 松浦　伸昭; Nobuaki Matsuura; 伸昭松浦; 勉堀内; Tsutomu Horiuchi; 勝義林; Katsuyoshi Hayashi; 弦岩崎; Gen Iwasaki; 鈴代井上; Suzuyo Inoe; 為近　恵美; Emi Tamechika; 恵美為近
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-11-05

Abstract

【課題】気泡の混入を抑制することができるマイクロ流路デバイスおよびマイクロ流路デバイスの液体注入方法を提供する。【解決手段】フローセル１は、平面視略矩形の板状の本体２の上面に形成された凹部からなる供給部３と、本体２内部に形成され、供給部３の底部近傍に一端が接続された流路４とを備えている。ここで、供給部３の内径は、ピペット４００から吐出される液体の液滴の外径よりも大きく形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、液体供給方法およびマイクロ流路デバイスに関するものである。

毛細管現象が発現する程度に微小な流路（以下、「マイクロ流路」と言う。）を作製して流体を流通させることにより生化学測定や化学合成を行う技術は、Lab on a chipと呼ばれて注目されている。この技術において微小な流路に流体を流通させるときに気泡が混入すると、流体の流れが乱れたり、液体の状態を観測するための視野が阻害されたりして、測定等を正確に行えなくなる。そこで、気泡の混入を防ぐ避けるために、様々な提案がなされている（例えば、特許文献１，２参照。）。

例えば、特許文献１では、流体が重力とは逆向きに流れる部分を形成することにより、流路内への気泡の混入を防ぐことが提案されている。また、特許文献２では、ピペットから供給する液体の液面を、ピペットの開口から突出させた状態とした上で、ピペットからマイクロ流路の供給口に液体を供給することにより、液体内への気泡の混入を防ぐことが提案されている。

特開２００８−８２９６１号公報特開２００８−２３２８１６号公報

しかしながら、上述した従来の方法は、マイクロ流路デバイスの形態によっては適用することが困難であった。この問題について図４を参照して説明する。

図４に示す平板状のフローセル１００は、フローセル１００の上面から開口した凹部からなる供給部１１０と、この供給部１１０の側壁底部に接続された一端（入口）からフローセル１の上面または底面に沿った方向に延在する流路１２０とを備えている。
このフローセル１００では、例えば、予め試薬２００で満たされた流路１２０内に検体３００を投入して、流路１２０内における両者の界面の移動やその界面付近の生化学反応等が観測される。

具体的には、まず、供給部１１０に試薬２００を投入し、流路１２０の他端（出口）側から負圧をかけることにより、試薬２００を流路１２０内に導入する。このとき、負圧の大きさを、液体の表面張力係数、流路内壁の接触角、流路の入口の形状およびサイズ等に適宜設定して、負圧により液体を流路１２０の他端側へと引っ張る力と流路１２０の入口に形成される液面に働く表面張力とを釣り合わせる。すると、試薬は、流路１２０内を全て通り抜けずに、流路１２０の入口に液面２００ａが形成された状態となる。この状態からピペット４００により検体３００を上方から供給部１１内へと滴下させると、検体３００は、球状となって供給部１１０の底面に到達した後、供給部１１０の側壁底部に接続された流路１２０の入口に到達する。この検体３００が試薬２００と接触して流路１１０の入口に形成されていた試薬２００の液面２００ａがなくなると、検体３００は、負圧によって流路１２０内に引き込まれるので、検体と試薬の界面が流路１２０内を移動するところを観測することができる。

このような場合において、ピペットから供給部１１０に滴下した検体は球状になるために、この検体の一部が、流路１２０入口に形成された試薬の液面２００ａと接触する前に供給部１１０の内壁１１１に接触してしまうことがあった。すると、検体が供給部１１０の底部に存在していた空気ａの逃げ道を奪って抱き込むことになり、結果として、流路１２０内に気泡が混入してしまうことがあった。

そこで、本発明は、気泡の混入を抑制することができるマイクロ流路デバイスおよびマイクロ流路デバイスの液体注入方法を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る液体供給方法は、本体に形成され、底部が親水性を有する凹部からなる供給部と、この供給部の底部近傍の側面に一端が接続された流路とを備えたマイクロ流路デバイスを用意するステップと、供給部の底部と対向する位置から供給部に液体を供給するステップとを有し、供給部の底部の内径は、液体の液滴の外径よりも大きいことを特徴とするものである。

上記液体供給方法において、液体を供給するステップは、供給部の底部からの距離が液体の液滴の外径よりも短い位置から液体を供給部に供給するようにしてもよい。

また、本発明に係るマイクロ流路デバイスは、本体と、この本体に形成された凹状の供給部とを備え、供給部の内径は、供給部に供給される液体の液滴の外径よりも大きく、供給部の底部は、親水性を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、内径が液体の滴の外径よりも大きい供給部に液体を供給することにより、液体が供給部の側面に接触することを防ぐことができるので、流路に気体が混入することを抑制することができる。

図１は、本発明の実施の形態にかかるフローセルの構成を模式的に示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態にかかる液体供給方法を示すフローチャートである。図３は、本発明の実施の形態にかかるフローセルに対する液体供給方法を説明するための図である。図４は、従来のフローセルの構成を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜フローセルの構成＞
図１に示すフローセル１は、内部にマイクロ流路を備えたマイクロ流路デバイスである。このようなフローセル１は、平面視略矩形の板状の本体２の上面に形成された凹部からなる供給部３と、本体２内部に形成され、供給部３の底部近傍に一端が接続された流路４とを備えている。

本体２は、例えば、ガラス基板（ＢＫ７）やポリジメチルシロキサン（polydimethylsiloxane：以下、「ＰＤＭＳ」と言う。）などから構成されている。

供給部３は、上部がフローセル１の上面に形成された凹部からなり、底部が封鎖された円筒形状（円管）に形成されている。
ここで、供給部３の内径（直径）は、供給部３に供給される液体の直径よりも大きく形成されている。
また、供給部３の底面３１は親水性を有するように形成されている。

流路４は、断面矩形の管であり、供給部３側面の底部に接続された一端（入口）からフローセル１の上面または底面に沿った方向に延在している。
流路４の他端（出口）は、本体２の側面に露出し、負圧をかけるポンプ等の装置に接続されている。なお、流路４の他端は、負圧がかけられるのであれば本体２の側面に露出しないようにしてもよい。例えば、流路４の他端は、本体２の内部に形成された他の構造体や本体２の外部に設けられた他の装置等を介して、ポンプ等の負圧をかけるための装置に接続されるようにしてもよい。

このようなフローセル１は、例えば、ガラス基板（ＢＫ７）上に、供給部３および流路４に対応する溝が形成されたポリジメチルシロキサン（polydimethylsiloxane：以下、「ＰＤＭＳ」と言う。）の構造体を配置して本体２を形成することにより、生成することができる。これにより、供給部３の底面３１は、親水性を有するガラス基板で構成されるので、親水性を有することとなる。なお、ガラス基板の代わりに形質転換試薬を転換することにより親水化したＰＤＭＳを用いるようにしてもよい。

＜液体供給方法＞
次に、図２を参照して本実施の形態にかかるフローセル１への液体供給方法について説明する。なお、本実施の形態では、流路４内における試薬と検体の界面の移動やその界面付近の生化学反応等を観測する場合を例に説明する。

まず、フローセル１を用意する（ステップＳ１）。一例として、供給する検体（液体）の量を１０μｌとした場合、この検体の液滴の径が１．３ｍｍ程度となるので、供給部３を内径３ｍｍ、高さ３ｍｍの有底円筒状に形成し、流路４を幅１ｍｍ、高さ０．０７５ｍｍの断面形状矩形の筒状に形成したフローセル１を用意した。

次に、流路４内に試薬２００を導入する（ステップＳ２）。具体的には、供給部３に試薬２００を供給し、流路４の出口側から図示しないポンプ等により負圧をかかけることにより、試薬２００を流路４内に導入する。
このとき、負圧の大きさは、体の表面張力係数、流路内壁の接触角、流路４の入口の形状およびサイズ等に適宜設定して、負圧により流路４内の液体を流路４の他端側へと引っ張る力と流路４の入口に形成される液面（メニスカス）に働く表面張力とが釣り合わせる。すると、試薬２００は、流路４内を全て通り抜けてしまわず、流路４の入口に液面２００ａが形成された状態となる。なお、本実施の形態においては、その負圧を１ｍｂａｒとした。

次に、ピペット４００により検体３００を、供給部３の底面３１と対向する位置から供給部３内へと滴下させる（ステップＳ３）。
すると、検体３００は、おおむね球の形状となって供給部３の底面３１に到達する。このとき、供給部３の内径は、検体３００の滴の外径よりも大きく形成されている。したがって、ピペット４００から検体３００を供給部３に滴下するとき、十分な幅があるので、検体３００の滴は、供給部３の側面に接触せずに底面３１へと到達させることができる。これにより、流路４の入口と検体３００との間に空気が挟まれることを防ぐことができる。

また、供給部３の底面３１は親水性を有しているので、供給部３の底面３１に接触した検体３００は、底面３１との接触角が鋭角をなした状態で拡がってゆく。そして、検体３００は、流路４の入口に到達して、流路４の入口に形成されていた試薬２００の液面２００ａに接触し、この液面２００ａが消失する。すると、検体３００は、流路４の出口側からの負圧によって流路４内に引き込まれるので、検体と試薬の界面が流路４内を移動するところを観測することができる。このように、ピペット４００から供給部３に供給される液体は、供給部３の側面に接触しないので、流路４の入口と検体３００との間に空気が挟まれず、結果として、流路４内部に気体が混入することを抑制することができる。

また、液滴は、平面上に有る場合、平面方向に拡がってゆき、最終的には球の一部を切り取ったようなレンズ状またはドーム状の形状となる。このとき、底面の径は、液体の量と平面の接触角によって決まる。また、空中から落下した液滴は、供給部３の底面３１に衝突した勢いで、一時的に一回に滴下する量の液体がレンズ状になったときの底部の径よりもさらに大きく拡がる。
そこで、供給部３の底面３１の径は、ピペット４００から供給部３に一回に滴下する量の液体がレンズ状となったときの底部の径より大きく、その液体が空中から落下した直後にレンズ状となったときの底部の径よりも小さくするようにしてもよい。これにより、ピペット４００から供給部３に液体を滴下すると、この液体は、底面３１上でレンズ状に平面方向へと拡がって縁部が流路４の入口に接触するので、流路４の出口側からの負圧によって流路４内に引き込まれることとなる。このようにしても、ピペット４００から供給部３に供給される液体は、供給部３の側面に接触しないので、流路４の入口と液体との間に空気が挟まれず、結果として、流路４内部に気体が混入することを抑制することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、内径が液体の滴の外径よりも大きい供給部３に液体を供給することにより、液体が供給部３の側面に接触することを防ぐことができるので、流路４に気体が混入することを抑制することができる。

なお、図３に示すように、ピペット４００は供給部３により近づけた状態で液体（検体３００）を供給部３に供給するようにしてもよい。具体的には、ピペット４００の液体の吐出端４０１と供給部３の底面３１との距離は、一回に滴下する量の液体が球体となったときの外径（直径）よりも短くする。
通常、ピペット４００から液体を吐出すると、この液体は液滴を形成してゆく。この液滴は、吐出端４０１から吐出される液体の量が増えるにしたがって径が大きくなり、この液滴の自重による鉛直下方に向かう力が吐出端４０１の形状、液滴の粘度等に依存する液滴が吐出端４０１に接着する力よりも大きくなると、吐出端４０１から落下する。そこで、この落下する液滴の径よりもピペット４００の吐出端４０１と供給部３の底面３１との距離を短くすることにより、吐出端４０１から吐出される液体は、空中を落下することなく供給部３の底面３１に接触する。これにより、その液体は、供給部３の側面に接触しないので、流路４の入口と液体との間に空気が挟まれず、結果として、流路４内部に気体が混入することを抑制することができる。

さらに、液体を吐出した後にピペット４００を鉛直上方に引き上げると、供給部３の底面３１が親水性を有しているので、底面３１上に吐出された液体は、底面３１に接触した検体３００は、底面３１との接触角が鋭角をなした状態で拡がってゆき、流路４の入口に到達して、流路４内に引き込まれることとなる。したがって、流路４の入口と液体との間に空気が挟まれないので、結果として、流路４内部に気体が混入することを抑制することができる。

なお、本実施の形態において、流路４に予め貯留しておく液体（試薬２００）は、流路４の出口側から負圧がかけられていることにより流路４の入口にメニスカスを形成しているが、供給部３に液体（検体３００）を供給するときにその負圧を停止するようにしてもよい。これにより、流路４の入口に形成された液面のくぼみがなくなるので、そのくぼみ内に位置していた空気が流路４に混入することを抑制することができる。

また、本実施の形態において、試薬２００を供給部３に導入する場合、検体３００を供給部３に導入する場合と同様に、ピペット４００から滴下するようにしてもよい。また、図３に示すように、ピペット４００を供給部３に近づけた状態で、ピペット４００から供給部３に吐出するようにしてもよい。

本発明は、流路を有する各種装置やこの装置を用いて測定を行う各種方法に適用することができる。

１…フローセル、２…本体、３…供給部、４…流路、３１…底面、２００…試薬、２００ａ…液面、３００…検体、４００…ピペット、４０１…吐出端。

Claims

本体に形成され、底部が親水性を有する凹部からなる供給部と、この供給部の前記底部近傍の側面に一端が接続された流路とを備えたマイクロ流路デバイスを用意するステップと、
前記供給部の底部と対向する位置から前記供給部に液体を供給するステップと
を有し、
前記供給部の底部の内径は、前記液体の液滴の外径よりも大きい
ことを特徴とする液体供給方法。
請求項１記載の液体供給方法において、
前記液体を供給するステップは、前記供給部の底部からの距離が前記液体の液滴の外径よりも短い位置から前記液体を前記供給部に供給する
ことを特徴とする液体供給方法。
本体と、
この本体に形成された凹状の供給部と
を備え、
前記供給部の内径は、前記供給部に供給される液体の液滴の外径よりも大きく、
前記供給部の底部は、親水性を有する
ことを特徴とするマイクロ流路デバイス。