JP2015213866A - 流体制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 流路内の流体の位置制御の精度を向上させることができる流体制御システムを提供する。
【解決手段】 流体制御システムは、第１の流体を反応させる反応部１３１を有する流路１３を少なくとも１つ有する流体デバイス１１と、異なる２つの流体が接することで形成される界面を界面検出部１３２において検出する検出手段１６を有し、前記界面の位置情報に基づいて前記第１の流体の反応部１３１内における位置を制御する位置制御装置１２と、を有する。界面検出部１３２は反応部１３１の上流または下流に位置し、界面検出部１３２における流路１３の流路方向に垂直な断面の面積は、反応部１３１における流路１３の流路方向に垂直な断面の面積よりも小さい。
【選択図】 図１

Description

本発明は流体制御システムに関する。

近年、１枚のチップ上で化学分析や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。

その中でも特に、例えば遺伝子のうち一塩基多型（ＳＮＰ）を生じる部分などの遺伝子情報を得ること目的とした、遺伝子診断用のマイクロ流体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。

一般に、遺伝子診断は、ＤＮＡのうち目的とする遺伝子情報を含む特定の部分を増幅する工程と、増幅したＤＮＡを検出する工程の２つの工程を有する。これらの工程では、正確な温度制御が要求される。

特許文献１には、マイクロ流体デバイス内に、ＤＮＡを増幅させるための反応部を１つの流路につき１つ設け、温度制御手段を用いてその反応部内の温度を調節することで、ＤＮＡを増幅させる技術が記載されている。

このとき、反応させる流体の温度を正確に制御するために、流路内における流体の位置を正確に制御することが求められる。そこで特許文献１には、反応部の上流または下流位置に設けられた界面検出部において、反応させる流体と、反応させる流体と接した別の流体との間に形成された界面の位置を検出し、この界面の位置情報に基づいて流体の位置制御を行う技術が記載されている。

米国特許出願公開第２０１２／００５８４６０号明細書

流体間に形成される界面の位置情報に基づいて流体の位置制御を行う場合、流体の位置制御の精度は界面の位置を検出するために用いるセンサーの分解能によって制限される。そのため、特にセンサーの分解能が低い場合は、流体の位置制御の精度が低下してしまうという課題があった。

そこで本発明では、流路内の流体の位置制御の精度を向上させることができる流体制御システムを提供することを目的とする。

そこで、本発明の流体制御システムは、第１の流体を反応させる反応部を有する流路を少なくとも１つ有する流体デバイスと、前記流路内で異なる２つの流体が接することで形成される界面を検出する検出手段を有し、前記検出手段によって検出した前記界面の位置情報に基づいて前記第１の流体の前記反応部における位置を制御する位置制御装置と、を有する流体制御システムであって、前記反応部の上流または下流に位置し、流路方向に垂直な断面の面積の平均値が、前記反応部における前記流路の流路方向に垂直な断面の面積の平均値よりも小さい界面検出部で、前記検出手段が前記界面を検出することを特徴とする。

本発明によれば、流路内の流体の位置制御の精度を向上させることができる。

実施形態に係る流体デバイスを示す概念図である。 異なる２つの流体間の界面の模式図と、界面の位置を決定する方法の概念図である。 界面の位置を制御する方法の概念図である。 比較例の流路内の反応部と界面検出部における流体の位置変動の概念図および流路断面図と、実施形態の流路内の反応部と界面検出部における流体の位置変動の概念図および流路断面図である。 比較例の流体制御システムの構成図である。 実施例１の流体制御システムの構成図である。 実施例２の流体制御システムの構成図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態）
図１は、本実施形態の流体制御システムを示す概念図である。本実施形態の流体制御システムは、マイクロ流体デバイス１１と、位置制御装置１２とを有する。

マイクロ流体デバイス１１は、マイクロ流路１３と、注入ポート１４と、排出ポート１５とを有する。

マイクロ流体デバイス１１の材質は、マイクロ流路１３内の流体を光学的に観察するために、透明な材料が好ましい。マイクロ流体デバイス１１の材質は、例えば石英ガラスのようなガラス材料や、アクリル樹脂などのプラスチックが好ましい。

注入ポート１４は、流体をマイクロ流路１３内へ注入するためのポートである。排出ポート１５は、流体をマイクロ流路１３外へ排出するためのポートである。すなわち、流体は注入ポート１４からマイクロ流体デバイス１１の中に流入し、マイクロ流路１３の中を流れ、排出ポート１５からマイクロ流体デバイス１１の外へと流出する。

マイクロ流路１３は、注入ポート１４と排出ポート１５とをつなぐ１つの流路でも良いし、複数のポート（注入ポート１４または排出ポート１５）間をつなぐ、分岐を有する流路であっても良い。また、マイクロ流体デバイス１１は、マイクロ流路１３の端部以外の部分に注入ポート１４や排出ポート１５等のポートを有していても良い。さらに、マイクロ流体デバイス１１は複数のポート（注入ポート１４または排出ポート１５）を有しても良いし、複数のマイクロ流路１３を有しても良い。

マイクロ流路１３は、マイクロ流路１３内に注入した流体を反応させる反応部１３１と、流体の移動を制御する界面検出部１３２とを有する。反応部１３１と界面検出部１３２とは、流体がマイクロ流路１３内を流れる方向に沿って、直列に配置されている。すなわち、界面検出部１３２は、反応部１３１の上流または下流に位置する。本実施形態では、界面検出部１３２は反応部１３１の下流に配置した。

位置制御装置１２は、位置制御手段１７と、位置検出手段１６とを有する。

マイクロ流路１３内への流体の送液は、位置制御手段１７を用いて行う。位置制御手段１７は、送液手段２０とコンピュータ１９とを有する。送液手段２０は、例えばペリスタリックポンプやシリンジポンプのような圧力制御器を用いることが好ましい。この位置制御手段１７は、本実施形態ではマイクロ流路１３の下流端である排出ポート１５に接続されているが、マイクロ流路１３の上流端である注入ポート１４に接続しても良い。

反応部１３１は、マイクロ流路１３の一部であり、マイクロ流路１３の下部に配置されたヒータなどの発熱体（不図示）により温度制御する等の方法により、反応部１３１の内部に存在する流体を反応させる部分である。

また、マイクロ流体デバイス１１を使用して、反応による流体の変化を検出する際には、反応部１３１の内部の流体からの光を反応検出手段１８によって検出する。反応検出手段１８は１次元的または２次元的に光を受光して信号に変換し、得られた信号をコンピュータ１９に送る。コンピュータ１９は反応検出手段１８から受け取った信号を用いて画像データを作成することが好ましい。反応部１３１において流体を反応させながら、画像データを作成し、画像データの解析を行うことによって、流体からの光の化学反応に伴う変化を検出することができる。また、反応検出手段１８によって流体からの光を検出する際には、反応部１３１の内部に存在する流体に対して不図示の反応部用の光照射手段によって光を照射し、流体を発光させても良い。

マイクロ流路１３内の流体は、反応時の温度変化や周辺環境との温度差に伴って体積膨張などが生じるために、マイクロ流路１３内における位置が変動する。そこで位置制御装置１２は、異なる２つの流体が接することで形成される界面をマイクロ流路１３の一部分である界面検出部１３２において検出し、その界面の位置情報に基づいて流体のマイクロ流路内における位置を制御する。

位置検出手段１６は、界面検出部１３２において異なる２つの流体が接することで形成される界面を検出する手段である。本実施形態では界面検出部１３２および反応部１３１からの光を検出するために別々の検出手段（位置検出手段１６と反応検出手段１８）を設けたが、１つの検出手段によって界面検出部１３２および反応部１３１からの光をまとめて検出することが好ましい。すなわち、界面検出部１３２において界面の検出を行う検出手段が、反応部１３１における検出の機能を兼ね備えても良い。

位置検出手段１６としては、例えばデジタルカメラなどの、２次元的に光を検出する手段を用いることができる。ただし、位置検出手段１６は、マイクロ流路１３の内部を流体が流れる方向である流路方向に少なくとも１次元的に光を検出できる手段であれば、他の手段であっても良い。

次に、流体の位置制御に用いるための界面を形成する方法と、界面の位置を決定する方法について述べる。

図２は、異なる２つの流体間の界面の模式図と界面の位置を決定する方法の概念図である。まず、マイクロ流路１３に反応させる流体とは別の流体である第２の流体２１を注入ポート１４から導入し、マイクロ流路１３内を第２の流体２１で満たす。続いて、マイクロ流路１３に反応部１３１において反応させる流体である第１の流体２２を注入ポート１４から導入する。これにより、第１の流体２２と第２の流体２１との間に界面が形成され、第１の流体２２と第２の流体２１とは界面を挟んで接触する。本実施形態では、このようにして形成された界面を、第１の流体２２のマイクロ流路１３における位置を制御するための指標として用いる。

図２では界面検出部において検出する界面を形成する２つの流体として、一方は反応部で反応させる流体である第１の流体としたが、界面を形成する２つの流体は、どちらも反応させる流体とは異なる流体としても良い。例えば、マイクロ流路１３に、第２の流体、第３の流体、第１の流体の順に流体を注入ポート１４から導入する。これにより第２の流体と第３の流体とが接することで形成される界面を、第１の流体のマイクロ流路１３における位置を制御するための指標として用いても良い。

あるいは、マイクロ流路１３に、第２の流体、第１の流体、第２の流体、第１の流体の順に交互に流体を導入しても良い。この場合、下流側の第２の流体とさらに下流側の第１の流体とが接することで形成される界面を、上流側の第１の流体のマイクロ流路における位置を制御するための指標として用いても良い。

異なる２つの流体が接することで形成される界面の位置を決定するために、位置検出手段１６によって界面検出部１３２から得られた画像データの画像処理を行う。

例えば、位置検出手段１６によって得られた２次元画像データのうち、マイクロ流路１３の中央（図２におけるＡＡ´線）部分の１次元データを抜き出し、ある特定の光の輝度プロファイルを抽出する。この輝度プロファイルにおいて、例えば最大輝度の５０％となる位置を、異なる２つの流体が接することで形成される界面の位置として決定する。界面の位置を決定するための、最大輝度に対する輝度の割合は、界面を形成している異なる２つの流体の特性に基づいて適切な値を設定すれば良い。

本実施形態では、輝度プロファイルをもとに界面の位置を決定したが、界面での屈折率変化を光学的に検出することによって界面の位置を決定しても良い。

第２の流体２１等の、界面を形成する流体は、マイクロ流路１３内での送液制御の容易性から、液体であることが望ましい。また、異なる２つの流体が接することで形成される界面の検出を容易にするために、片方または両方の流体に蛍光色素等の色素を含ませることが好ましい。さらに、異なる２つの流体間の界面におけるそれぞれの流体の拡散を低減させ、界面を明確に形成させるために、一方の流体として水溶液を用いた場合には、もう一方の流体には油などの水と混ざりにくい液体や空気などの気体を用いても良い。

第１の流体としては、ＬＣＧｒｅｅｎ（登録商標、アイダホテクノロジー社製）やＳＹＢＲ（登録商標、モレキュラープローブス社製）Ｇｒｅｅｎ等の、ＤＮＡにインターカレートする色素を含むＤＮＡ溶液を用いることが好ましい。第２の流体としては、第１の流体に含まれる色素と異なる色の色素、例えばＡｌｅｘａ Ｆｌｕｏｒ（登録商標、インビトロジェン株式会社製）６４７等の色素を含む水溶液を用いることが好ましい。

次に、第１の流体のマイクロ流路内における位置の制御方法について述べる。

図３は、界面の位置を制御する方法の概念図である。

第１の流体と、界面検出部において検出する界面を形成している流体とは、マイクロ流路１３内に連続して存在している。そのため、界面検出部において界面の位置を制御すれば、反応部における第１の流体の位置を制御することが可能である。そこで本実施形態では、反応部における第１の流体の位置を制御するために、界面検出部における界面の位置の制御を行う。

図３（ａ）に示すように、異なる２つの流体が接することで形成された界面３１が、界面検出部１３２のうち画像解析を行う領域である界面検出領域３３に侵入するまで、位置制御手段１７を用いて第それぞれの流体をマイクロ流路１３の下流側に引き込む。

次に、コンピュータ１９によって画像解析を行うことによって、図３（ｂ）に示すように界面検出部１３内に予め設定した目標位置３２と、界面３１との差分３４を取得する。そして、取得した差分３４に応じて送液手段１７の制御パラメータである圧力値をコンピュータ１９が決定し、それぞれの流体をマイクロ流路１３の下流側に引き込む。

また、図３（ｃ）に示すように界面３１が目標位置３２を通過した場合についても、同様にして差分３４を取得し、取得した差分３４に応じて位置制御手段１７の制御パラメータである圧力値をコンピュータ１９が決定する。そして、図３（ｂ）とは逆に、各流体をマイクロ流路１３の上流側に押し出す。

以上のようなフィードバック制御を行うことによって界面３１の位置を制御し、マイクロ流路１３内における第１の流体２２の位置を制御し、所定の位置近傍に止めることができる。なお、ここでは目標位置３２を設定して、界面３１の位置を目標位置３２に近づけるようにして制御を行ったが、目標位置３２の近傍に目標範囲を設定して、その界面３１の位置を目標範囲内に止めるようにして制御を行っても良い。

次に、界面検出部１３２におけるマイクロ流路１３の形状について述べる。

図４は、界面検出部１３２における界面の位置変動の概念図を示す。ここでは、界面を形成する２つの流体のうち一方を、反応部において反応させる流体である第１の流体２２とし、もう一方が第２の流体２１とした場合について説明する。図４（ａ）は従来のマイクロ流路の界面検出部４２における界面の位置変動の概念図あり、図４（ｄ）は、本実施形態のマイクロ流路の界面検出部４７における界面の位置変動の概念図である。

図４（ａ）および図４（ｄ）は、マイクロ流路を上方から見た俯瞰図である。図４（ｂ）、図４（ｃ）は、図４（ａ）の流路を、流路方向に垂直な断面で切った断面図であり、それぞれ図４（ａ）中のＡ断面、Ｂ断面である。また、図４（ｅ）、図４（ｆ）は、図４（ｄ）の流路を、流路方向に垂直な断面で切った断面図であり、それぞれ図４（ｄ）中のＡ断面、Ｂ断面に相当する。ここで、Ａ断面は反応部１３３におけるマイクロ流路１３の断面であり、Ｂ断面は界面検出部１３２におけるマイクロ流路１３の断面である。

図４（ｂ）、図４（ｃ）、図４（ｅ）、図４（ｆ）に示すように、図４（ａ）および図４（ｃ）のマイクロ流路はどちらも、流路の形状は直方体であり、界面検出部における流路深さと反応部における流路深さとが等しい。また、図４（ａ）および図４（ｃ）のマイクロ流路はどちらも、流路深さは流路方向に一定である。

図４（ａ）のマイクロ流路は、反応部４１における流路幅と界面検出部４２における流路幅とが等しい。したがって、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すように、反応部４１における流路の流路方向に垂直な断面の断面積と、界面検出部４２における流路の流路方向に垂直な断面の断面積は等しい。このとき、反応部４１において生じる流体の流路方向の位置変動４３は、界面検出部４２において生じる流体および界面の流路方向の位置変動４４と等しくなる。

一方、本実施形態の流体制御システムに含まれるマイクロ流路１３は、図４（ｄ）に示すように、反応部４６における流路幅よりも界面検出部４７における流路幅のほうが小さい。したがって、図４（ｅ）、図４（ｆ）に示すように、界面検出部４７における流路の流路方向に垂直な断面の断面積Ｓ_２は、反応部４６における流路の流路方向に垂直な断面の断面積Ｓ_１よりも小さい。これにより、反応部４６において生じる流体の流路方向の位置変動４９は、界面検出部４７において生じる流体または界面の流路方向の位置変動５０よりも小さくなる。例えば、界面検出部４７の流路幅を反応部４６の流路幅の半分の大きさにすると、反応部４６において生じる流体の流路方向の位置変動４９を、界面検出部４７において生じる流体または界面の流路方向の位置変動５０の半分の大きさにすることができる。換言すれば、本実施形態の流体制御システムに含まれるマイクロ流路１３を用いれば、反応部４６における流体の流路方向の位置変動４９を、界面検出部４７において変動量を拡大して観察することができる。

ここで、界面検出部４７および４２における界面の位置の検出精度は、位置検出手段１６として用いるセンサーの分解能によって制限される。図４（ａ）の場合、反応部４１において生じる流路方向の位置変動４３と界面検出部４２において生じる流路方向の位置変動４４とが等しい。そのため、反応部４１における流体のマイクロ流路内における位置の制御の精度は、界面検出部４２における界面位置の検出の精度と等しくなる。一方、図４（ｄ）の場合、反応部４６において生じる流路方向の位置変動４９は界面検出部４７において生じる流路方向の位置変動５０の半分の大きさとなる。そのため、反応部４６における流体のマイクロ流路内における位置の制御の最小幅を、位置検出手段１６として用いるセンサーの分解能の半分とすることができる。すなわち、反応部４６における流体のマイクロ流路内における位置の制御の精度を、界面検出部４７における界面位置の検出精度の２倍とすることができる。

界面検出部４７におけるマイクロ流路１３の流路幅を狭めれば狭めるほど、反応部４６における流体の位置制御の精度を向上させることができる。しかし、界面検出部４７におけるマイクロ流路１３の流路幅が位置検出手段１６として用いるセンサーの分解能よりも小さくなってしまうと、界面検出部４７において異なる２つの流体が形成する界面の位置を検出することができなくなってしまう。そのため、界面検出部４７におけるマイクロ流路１３の流路幅は、少なくとも位置検出手段１６として用いるセンサーの分解能以上にすることが好ましい。

本実施形態においては、マイクロ流路１３の流路深さは流路方向に一定であるものとした。流路深さは変えずに、界面検出部における流路幅を反応部における流路幅よりも小さくすることで、反応部における流体の位置変動を小さくした。このとき、マイクロ流路１３の流路深さは流路方向に略一定であることが好ましい。マイクロ流路１３の流路深さは、最大値に対する最小値の割合が８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。

本実施形態の効果は、界面検出部における流路の流路方向に垂直な断面の面積を、反応部における流路の流路方向に垂直な断面の面積よりも小さくすることによって達成することができる。例えば、流路幅は変えずに、界面検出部における流路深さを反応部における流路深さよりも小さくすることでも、反応部における流体の位置変動を小さくすることができる。ただし、流体からの光を検出することによって界面の位置の検出を行う場合、流路深さを小さくすると得られる光の光量が減少するために信号強度が低下し、ＳＮ比が低下してしまう。そのため、流路深さについてはある程度の深さを保ったまま、界面検出部におけるマイクロ流路の流路幅を小さくするほうが、より好ましい。

なお、本実施形態では、マイクロ流路１３の流路の形状は直方体としたが、マイクロ流路１３の流路の形状は特に限定されない。すなわち、反応部における流路の流路方向に垂直な断面の形状や大きさは流路方向に一定でなくても良いし、界面検出部における流路の流路方向に垂直な断面の形状や大きさは流路方向に一定でなくても良い。この場合は、界面検出部における流路の流路方向に垂直な断面の面積の平均値が、反応部における流路の流路方向に垂直な断面の面積の平均値よりも小さくなるようにすることで、反応部における流体の位置変動を小さくすることができる。あるいは、マイクロ流路１３の流路深さは流路方向に略一定にし、界面検出部における流路幅の平均値を反応部における流路幅の平均値よりも小さくすることでも、反応部における流体の位置変動を小さくすることができる。

（実施例）
以下にいくつかの実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は本発明をより詳細に説明するための一例であって、本発明を以下の実施例のみに限定するものではない。

本実施例では、界面検出部において流体の界面位置を制御しながら、反応部において熱融解法によりＤＮＡの熱融解温度（Ｔｍ）を求めることで、本発明の効果を検討した。

（比較例）
まず比較例として、界面検出部と反応部とで流路の断面の面積が等しいマイクロ流体デバイスを含む流体制御システムについて説明する。

図５は、比較例の流体制御システムの構成図である。

マイクロ流体デバイス５０１は、２枚のガラス基板を貼り合わせることで作製した。２枚のガラス基板のうち、上側のガラス基板である上基板５０２の大きさは、幅１０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍとし、下側のガラス基板である下基板５０３の大きさは、幅１５ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍとした。

上基板５０２には、ドリルによって貫通させることで、注入ポート５０４と排出ポート５０５を設けた。また、上基板５０２には、注入ポート５０４の中心から排出ポート５０５の中心まで長さ２０ｍｍのマイクロ流路５０８を、深さ２０μｍ、幅１８０μｍとなるようにドライエッチングにより設けた。

下基板５０３の一部分には、抵抗体５０６として、厚さ１００ｎｍ程度の白金膜をスパッタによって成膜し、成膜した白金膜の上に幅３００μｍ、長さ８ｍｍのパターンをフォトリソグラフィーによって形成した。続いて、電極５０７として、抵抗体５０６の上にチタン膜、金膜、チタン膜をこの順に積層するように、連続スパッタによって成膜を行った。このとき、チタン−金−チタン膜の全体の膜厚は３００ｎｍとした。続いてその上に電極パターンをフォトリソグラフィーによって形成することで、電極５０７を形成した抵抗体５０６には、４端子測定法により抵抗値を測定するために４つの端子５１８を配置した。このようにして下基板５０３上に抵抗体５０６及び電極５０７をパターニングした後、マイクロ流路５０８との絶縁を取るために下基板５０３に酸化シリコン膜を１μｍ程度ＣＶＤによって成膜した。

その後、上基板５０２と下基板５０３の表面をプラズマ照射によって改質した後、上基板５０２と下基板５０３とを接着することで、マイクロ流体デバイス５０１を作製した。

次に、流体制御システムの構成について説明する。

界面検出部において異なる２つの流体が接することで形成される界面を検出するために、界面検出部用の光照射手段であるＬＥＤ５１３を用いて、界面検出部内の流体に対して光を照射した。ＬＥＤ５１３からの光は、フィルタ５１４を通すことによって第２の流体中の蛍光色素に応じた波長域の光のみが取り出される。フィルタ５１４を通った光は、界面検出部におけるマイクロ流路５０８内の流体に照射され、流体中の蛍光色素を励起し、発光させる。蛍光色素からの光は、フィルタ５１５を通じて位置検出手段であるカメラ５１６で受光し、信号に変換される。例えば、第２の流体として、赤色の蛍光を発する蛍光色素であるＡｌｅｘａ Ｆｌｕｏｒ（登録商標）６４７を含む水溶液を用いた場合、フィルタ５１４およびフィルタ５１５は赤色の光のみを通過させるフィルタを使用した。取得された信号は不図示のコンピュータに送られ、取得された信号を用いて画像データを作成した。

また、反応部における蛍光輝度を測定するために、反応部用の光照射手段であるＬＥＤ５０９を用いて、反応部内の流体に対して光を照射した。ＬＥＤ５０９からの光は、フィルタ５１０を通すことによって第１の流体中の蛍光色素に応じた波長域の光のみが取り出される。フィルタ５１０を通った光は、反応部におけるマイクロ流路５０８内の流体に照射され、流体中の蛍光色素を励起し、発光させる。蛍光色素からの光は、フィルタ５１１を通じて反応検出手段であるカメラ５１２で受光し、信号に変換される。例えば、第１の流体として、緑色の蛍光を発する蛍光色素であるＬＣＧｒｅｅｎ（登録商標）を含む水溶液を用いた場合、フィルタ５１０およびフィルタ５１１は緑色の光のみを通過させるフィルタを使用した。取得された信号は不図示のコンピュータに送られ、取得された信号を用いて画像データを形成した。用いたカメラ５１２およびカメラ５１６の分解能は８０μｍであった。

画像データは、反応部を含む画像と界面検出部を含む画像を同時に撮影するようにして、カメラ５１２とカメラ５１６とでそれぞれ１枚／秒の間隔で撮影した。なお、マイクロ流路５０８のうち、界面検出部は、注入ポート５０４から１７．５ｍｍの位置を中心とした、流路方向に長さ８００μｍ（１０画素分）の領域と設定した。また、反応部は、抵抗体５０６の中央位置を中心とした、流路方向に長さ２４０μｍ（３画素分）の領域と設定した。

この流体制御システムを用いて、ＤＮＡのＴｍの測定を行った。以下、その測定方法及び測定結果について述べる。

まず、反応させる第１の流体とは別の流体である第２の流体を注入ポート５０４から注入し、流路内を第２の流体で満たした。ここでは、第２の流体として、励起光を照射することで赤色の蛍光を発する蛍光色素であるＡｌｅｘａ Ｆｌｕｏｒ（登録商標）６４７を含む水溶液を用いた。

次に、第２の流体に続けて第１の流体を注入ポート５０４から導入し、第２の流体と第１の流体とを、排出ポート５０５に接続したポンプ５１７によって引き込んだ。前述した界面位置の決定方法及び界面位置の制御方法を用いて、第１の流体の位置制御を行った。ここでは、第１の流体として、Ｔｍが８０℃となるように設計して作成したＤＮＡの溶液に、緑色の蛍光を発する蛍光色素であるＬＣＧｒｅｅｎ（登録商標）を混合した溶液を用いた。

反応部において第１の流体を加熱しながら、界面検出部において、第２の流体と第１の流体とが接することで形成した界面の位置の流路方向の変動量を測定した。界面を目標位置に止めるように制御を開始してから１分間の界面の位置の流路方向の変動量の標準偏差は１００μｍであった。この値はカメラの分解能に依存する値であると推測される。

また、反応部の温度分布を赤外線顕微鏡を用いて測定したところ、反応部には流体の進行方向に沿って１．０℃／ｍｍの温度分布があることがわかった。これは、反応部の下流側にはヒータによる加熱が行われていない界面検出部などの部分が存在するために必然的に生じてしまう温度分布であると考えられる。つまり、反応部で検出される流体には、反応部の流路方向の長さ２４０μｍに位置変動分の１００μｍを加えた、計３４０μｍ分の温度分布が生じていることになる。このことから、反応部で検出される流体には、０．３４℃の温度分布が存在している計算になる。

次に、反応部の温度を６０℃から９０℃まで、１℃／秒のレートで昇温させることでＤＮＡを熱融解させ、温度と蛍光輝度の関係からＴｍを測定した。Ｔｍの測定を２０回連続して行い、標準偏差を算出したところ、標準偏差は０．２０℃となった。

（実施例１）
次に、本発明の第１の実施例の流体制御システムとして、流路幅を狭めたマイクロ流体デバイスを含む流体制御システムについて説明する。

図６は、実施例１の流体制御システムの構成図である。

マイクロ流体デバイス６０１の作製方法および材料については、比較例のマイクロ流体デバイス５０１とほぼ同様である。ただし、上基板６０２に設ける流路については、以下のようにした。まず、注入ポート６０４の中心から排出ポート６０５に向かって長さ１５ｍｍの流路を、流路深さ２０μｍ、流路幅１８０μｍとなるように設けた。前記流路の下流端に続けて、界面検出部６０７として、長さ５ｍｍの幅の狭い流路を、深さ２０μｍ、幅１００μｍとなるように設けた。さらに、幅の狭い流路の下流端から排出ポート６０５の中心までは、長さ５ｍｍ、深さ２０μｍ、幅１８０μｍの流路を設けた。

流体制御システムの構成については、比較例と同様である。

次に、本実施例の流体制御システムを用いて、ＤＮＡのＴｍを測定した。以下、その測定方法及び測定結果について述べる。

まず、反応させる第１の流体とは別の流体である第２の流体を注入ポート６０４から注入し、流路内を第２の流体で満たした。ここでは、第２の流体として、励起光を照射することで赤色の蛍光を発する蛍光色素であるＡｌｅｘａ Ｆｌｕｏｒ（登録商標）６４７を含む水溶液を用いた。

次に、第２の流体に続けて第１の流体を注入ポート６０４から導入し、第２の流体と第１の流体とを、排出ポート６０５に接続したポンプ６０８によって引き込んだ。前述した界面位置の決定方法と界面位置の制御方法を用いて、第１の流体の位置制御を行った。ここでは、第１の流体として、Ｔｍが８０℃となるように設計して作成したＤＮＡの溶液に、緑色の蛍光を発する蛍光色素であるＬＣＧｒｅｅｎ（登録商標）を混合した溶液を用いた。

反応部において第１の流体を加熱しながら、界面検出部において、第２の流体と第１の流体とが接することで形成した界面の位置の流路方向の変動量を測定した。界面を目標位置に止めるように制御を開始してから１分間の界面の位置の流路方向の変動量の標準偏差は１００μｍであった。この値は、比較例と同様に、カメラの分解能に依存する値であると推測される。

本実施例の界面検出部における流路幅は１００μｍであり、比較例の界面検出部における流路幅（１８０μｍ）よりも小さい。そのため、界面検出部における界面検出の位置精度が１００μｍであった場合、反応部における流体の位置制御の位置精度は、１００μｍの１００／１８０倍と計算され、およそ５６μｍとなる。つまり、反応部で検出される流体には、反応部の流路方向の長さ２４０μｍに、位置変動分の５６μｍを加えた、２９６μｍ分の温度分布が生じていることになる。このことから、反応部で検出される流体には、およそ０．３０℃の温度分布が存在している計算になる。この温度分布は、比較例における温度分布０．３４℃よりも小さい値である。

次に、反応部の温度を６０℃から９０℃まで、１℃／秒のレートで昇温させることでＤＮＡを熱融解させ、温度と蛍光輝度の関係からＴｍを測定した。Ｔｍの測定を２０回連続して行い、標準偏差を算出したところ、標準偏差は０．１７℃となり、比較例よりも標準偏差が小さくなった。

これは、反応部における第１の流体のマイクロ流路内における位置制御の精度が向上したことにより、反応部で検出される流体の温度分布を低減できたためである。すなわち、本実施例の流体制御システムを用いることで、反応部における第１の流体のマイクロ流路内における位置制御の精度を向上させることができた。

（実施例２）
次に、本発明の第２実施例の流体制御システムとして、１つの検出手段を用いて反応部および界面検出部における検出を行う構成について説明する。本実施例では、１つの検出手段を用いて、反応部と界面検出部をどちらも含む領域から画像を取得し、取得した画像を解析して、界面検出部での界面位置検出と反応部での光検出とを行う。

図７は、実施例２の流体制御システムの構成図である。

マイクロ流体デバイス７０１の構成は、実施例１のマイクロ流体デバイス６０１と同様である。

次に本実施例の特徴である、位置制御装置の構成について説明する。

反応部と界面検出部から画像を取得するために、光照射手段として平行光源のＬＥＤ７０２を用い、ＬＥＤ７０２からの光をフィルタ７０３を通して反応部及び界面検出部におけるマイクロ流路中の流体に照射し、流体中の蛍光色素を励起し、発光させた。蛍光色素からの光は、フィルタ７０４を通じてカメラ７０５で受光し、信号に変換される。取得された信号は不図示のコンピュータに送られ、取得された信号を用いて画像データを作成した。カメラ７０６の分解能は８０μｍである。

本実施例の流体制御システムを用いて、ＤＮＡのＴｍを測定した。以下、その測定方法及び測定結果について述べる。

まず、反応させる第１の流体とは別の流体である第２の流体を注入ポートから注入し、流路内を第２の流体で満たした。ここでは、第２の流体として、励起光を照射することで赤色の蛍光を発する蛍光色素であるＡｌｅｘａ Ｆｌｕｏｒ（登録商標）６４７を含む水溶液を用いた。

次に、第２の流体に続けて第１の流体を注入ポートから導入し、第２の流体と第１の流体とを、排出ポートに接続したポンプ７０６を用いて引き込んだ。前述の界面位置の決定方法と界面位置の制御方法を用いて、第１の流体の位置制御を行った。ここでは、第１の流体として、Ｔｍが８０℃となるように設計して作成したＤＮＡの溶液に、緑色の蛍光を発する蛍光色素であるＬＣＧｒｅｅｎ（登録商標）を混合した溶液を用いた。

このとき、界面検出部において、第２の流体と第１の流体とが接することで形成した界面の位置の流路方向の変動量を測定したところ、目標位置に止めるように制御を開始してから１分間の位置精度（標準偏差）は１００μｍであった。この値は比較例と同様に、カメラの分解能に依存する値であると推測される。

次に、反応部の温度を６０℃から９０℃まで、１℃／秒のレートで昇温させることでＤＮＡを熱融解させ、温度と蛍光輝度の関係からＴｍを測定した。Ｔｍの測定を２０回連続して行い、標準偏差を算出したところ、標準偏差は０．１７℃であった。実施例１と同様に、比較例よりも標準偏差が小さくなった。

これは、反応部における第１の流体のマイクロ流路内における位置の精度が改善したことにより、反応部に存在する温度分布を低減できたためである。すなわち、本実施例の流体制御システムを用いることで、反応部における第１の流体のマイクロ流路内における位置制御の精度を向上させることができた。

また、本実施例では反応部と界面検出部とを含む領域の検出を１つのカメラを用いて行ったため、反応部および界面検出部の検出をそれぞれ別のカメラを用いて行ない、合計２つのカメラを用いた実施例１に比べて、より簡便な構成で測定を行うことができた。

（実施例３）
次に、本発明の第３実施例として、マイクロ流路内の流体の温度変化により予測される体積変化に基づいて、界面検出部における界面の位置の目標位置を変動させながら、第１の流体のマイクロ流路内における位置を制御する構成について説明する。

実施例３の流体制御システムの構成は、実施例２の流体制御システムと同様の構成である。そのため、ここでは熱解析中の界面検出部における界面位置の制御について、熱融解法を例に挙げて説明する。

熱融解法によりＴｍを測定する際、反応部の温度が上昇するにつれて、反応部において反応させる液体である第１の流体の体積は膨張する。体積膨張後の体積Ｖは、以下の式（１）で与えられる。
Ｖ＝Ｖ_０（１＋βΔＴ） 式（１）
ここで、Ｖ_０は初期体積、βは体積膨張率、ΔＴは温度変化量である。たとえば第１の流体が水である場合、体積膨張率は、２．１×１０^−４（１／℃）である。

本実施例において、反応部内の体積膨張が生じる領域は、抵抗体の直上に位置する長さ８ｍｍの領域と考えられ、その体積は２．９×１０^７μｍ^３である。本実施例では流体として水溶液を用いているため、水の体積膨張率を用いて計算すると、本実施例の流路内の流体は温度が１℃上昇すると流路の流路方向に１．６μｍ膨張することがわかる。すなわち、本実施例の流路内の流体は、温度が１℃上昇すると上流側、下流側にそれぞれ０．８μｍずつ膨張する。そのため、１℃／秒の昇温レートで反応部の温度を上昇させると、界面検出部にある界面は下流側へ０．８μｍ／秒の速度で押し出されることになる。すなわち、この温度変化に起因する体積変化も、流体の位置制御の精度を低下させる要因となる。

そこで本実施例では、界面検出部における界面の位置制御の目標位置を、反応部の温度変化に合わせて変化させた。これにより、流体の温度が変化することで生じる流体の体積変化の影響を打ち消すことができる。具体的には、反応部の１℃／秒の昇温レートに応じて、目標位置を０．８μｍ／秒の速度で下流側へ移動させながら、界面の位置制御を行った。

このとき、界面検出部において、第２の流体と第１の流体とが接することで形成した界面の位置の流路方向の変動量を測定したところ、目標位置に止めるべく制御を開始してから１分間の位置精度は９０μｍであった。すなわち、本実施例では比較例および実施例１および２と比較して界面の位置の流路方向の変動量が減少させることができた。

さらに、この制御方法を用いて、ＤＮＡを熱融解させ、Ｔｍを測定した。Ｔｍの測定を連続して２０回行い、標準偏差を算出したところ、標準偏差は０．１５℃であった。

以上のように、実施例２の流体制御システムを用いて、さらに目標位置を反応部の温度変化に基づいて制御することで、反応部での第１の流体の位置精度を向上させることができた。その結果、反応部で検出される流体の温度分布を低減でき、Ｔｍの測定精度が向上した。

１１ マイクロ流体デバイス
１２ 位置制御装置
１３ マイクロ流路
１３１ 反応部
１３２ 界面検出部
１４ 注入ポート
１５ 排出ポート
１６ 位置検出手段
１７ 位置制御手段
１８ 反応検出手段
１９ コンピュータ
２０ 送液手段
２１ 第２の流体
２２ 第１の流体

Claims (14)

1. 第１の流体を反応させる反応部を有する流路を少なくとも１つ有する流体デバイスと、
   前記流路内で異なる２つの流体が接することで形成される界面を検出する検出手段を有し、前記検出手段によって検出した前記界面の位置情報に基づいて前記第１の流体の前記反応部における位置を制御する位置制御装置と、
   を有する流体制御システムであって、
   前記反応部の上流または下流に位置し、流路方向に垂直な断面の面積の平均値が、前記反応部における前記流路の流路方向に垂直な断面の面積の平均値よりも小さい界面検出部で、前記検出手段が前記界面を検出することを特徴とする流体制御システム。
2. 前記反応部および前記検出部における前記流路は、流路深さが略一定であることを特徴とする請求項１に記載の流体制御システム。
3. 前記検出手段は、前記反応部の上流または下流に位置し、前記流路の流路幅の平均値が、前記反応部における前記流路の流路幅の平均値よりも小さい界面検出部において前記界面を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の流体制御システム。
4. 前記界面を形成する前記異なる２つの流体のうち、一方が前記第１の流体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の流体制御システム。
5. 前記位置制御装置は、前記検出手段によって検出した前記界面の位置を、前記界面検出部内に設定した目標位置に近づけるようにして、前記第１の流体の前記反応部における位置を制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の流体制御システム。
6. 前記位置制御装置は、前記検出手段によって検出した前記界面の位置を、前記界面検出部内に設定した目標範囲の範囲内に留めるようにして、前記第１の流体の前記反応部における位置を制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の流体制御システム。
7. 前記位置制御装置は、前記第１の流体の温度変化に応じて、前記目標位置を変動させながら前記第１の流体の前記反応部における位置を制御することを特徴とする請求項５に記載の流体制御システム。
8. 前記検出手段は、前記界面を形成する異なる２つの流体からの光を検出することによって前記界面を検出することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の流体制御システム。
9. 前記検出手段は、前記界面検出部を含む領域からの光を前記流路の流路方向に少なくとも１次元的に検出して画像データを取得し、前記画像データを解析することで前記界面の位置を検出することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の流体制御システム。
10. 前記検出手段は、前記界面検出部を含む領域からの光を２次元的に検出して前記画像データを取得し、前記２次元画像データを解析することで前記界面の位置を検出することを特徴とする請求項９に記載の流体制御システム。
11. 前記検出手段は、前記画像データを解析することで、前記界面の位置を検出するとともに前記反応部における光検出を行うことを特徴とする請求項１０に記載の流体制御システム。
12. 前記流体制御システムはさらに光照射手段を有し、前記光照射手段によって前記界面を形成する異なる２つの流体に光を照射し、
    前記検出手段は、前記界面を形成する異なる２つの流体からの蛍光を検出することによって前記界面を検出することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の流体制御システム。
13. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の流体制御システムに用いる流体デバイス。
14. 第１の流体を反応させる反応部を有する流路を少なくとも１つ有する流体デバイスにおいて前記第１の流体の前記流路内における位置を制御する流体制御方法であって、
    前記反応部の上流または下流に位置し、前記流路の流路方向に垂直な断面の面積の平均値が、前記反応部における前記流路の流路方向に垂直な断面の面積の平均値よりも小さい界面検出部において、異なる２つの流体が接することで形成された界面を検出するステップと、
    検出した前記界面の位置情報に基づいて前記反応部における前記第１の流体の位置を制御するステップと、
    を有することを特徴とする流体制御方法。

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