JP2016001133A - 液体充填装置、それを有する分析装置、および液体充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウエルに過剰量の液体を導入することなく、ウエルに連通したマイクロ流路に液体を充填することができる液体充填装置を提供する。【解決手段】 液体充填装置１は、少なくとも１つのマイクロ流路１０２と、マイクロ流路１０２と連通した少なくとも１つのウエル１０３と、を有するマイクロ流体デバイス１の内部に液体を導入し、マイクロ流路１０２に液体を充填する。液体充填装置１は、少なくとも１つのウエル１０３からマイクロ流路１０２に液体を導入する液体導入手段１１と、液体導入手段１１が液体を導入するウエル１０３以外の少なくとも１つのウエル１０３を密閉する密閉部材３と、密閉部材３がウエル１０３を密閉したときに、ウエル１０３の内部の空間の少なくとも一部を占有するようにウエル１０３内に配置される占有部材４と、を有する。【選択図】 図２

Description

本発明は、マイクロ流路の内部に液体を充填する液体充填装置、それを有する分析装置、および液体充填方法に関する。

生化学分析や化学分析を行うための、さまざまな装置が開発されている。その中の一つに、マイクロ流体デバイスがある。マイクロ流体デバイスは、デバイス中にマイクロ流路等の微細構造を有するデバイスである。マイクロ流体デバイスを用いることで、分析に係る全ての工程を１つのマイクロ流体デバイス上で行うことができる。この分析技術は、マイクロ・トータル・アナリシス・システム（μ−ＴＡＳ）またはラボオンチップと呼ばれている。

マイクロ流体デバイスを使用して分析を行う際には、分析工程の前に、マイクロ流体デバイス内のマイクロ流路全体を液体で満たす工程を行うのが一般的である。この工程は初期化（プライミング）と呼ばれる。液体をマイクロ流路内に予め充填しておくことにより、試料や試薬等を含む目的の液体をマイクロ流路内にスムーズに導入し、送液することができる。

マイクロ流体デバイスは一般に、マイクロ流路の開口部であって液体を収容する部分であるウエルを、マイクロ流路の端部に有する。例えばマイクロ流路の下流側のウエルは、マイクロ流路内での反応によって生じる廃液等の液体を収容する機能を有する。このウエルを液体で満たした状態でマイクロ流体デバイスを使用すると、ウエルに流れ込んでくる液体をウエルに収容することができず、液体がマイクロ流体デバイスから溢れてしまう。

そのため、マイクロ流体デバイスを使用する前には、マイクロ流路内は液体で満たした状態にしつつ、マイクロ流路に連通するウエルからは液体を除去しておくことが望ましい。

特許文献１に記載されている技術では、液体を導入する配管に接続された開口部と、減圧用の配管に接続された開口部とを有するノズルを介してウエルの内部に液体を導入し、ノズルを介してウエルの内部から液体を排出する。ノズルをウエルに挿入してＯリングによってウエルを密閉し、ウエルの内部の圧力を減圧することで液体の導入または排出を行う。液体を導入する際は、ウエルの内部の圧力を下げ、圧力差を利用してウエルの内部に液体を導入する。液体を排出する際は、減圧用の配管を介してウエルの内部の液体を吸引して排出する。特許文献１の技術を用いることで、ウエルの内部の液体を導入した後、ウエルの内部から液体を除去することができる。

特表２００６−５２４７９７号公報

特許文献１の技術では、マイクロ流路に液体を充填し、ウエルにも過剰量の液体を導入した後で、ウエルの内部に導入された過剰量の液体を、ノズルを介して排出する。そのため特許文献１の技術では、マイクロ流路に液体を充填する時間に加え、ウエルに過剰量の液体を導入する時間とウエルに導入された過剰な液体を排出する時間とが余分にかかるという課題があった。

そこで本発明では、ウエルに過剰量の液体を導入することなく、ウエルに連通したマイクロ流路に液体を充填することができる液体充填装置を提供することを目的とする。

そこで、本発明の液体充填装置は、少なくとも１つのマイクロ流路と、前記マイクロ流路と連通した少なくとも２つのウエルと、を有するマイクロ流体デバイスの内部に液体を導入し、前記マイクロ流路に前記液体を充填する液体充填装置であって、前記液体充填装置は、少なくとも１つの前記ウエルから前記マイクロ流路に前記液体を導入する液体導入手段と、前記液体導入手段が前記液体を導入する前記ウエル以外の少なくとも１つの前記ウエルを密閉する密閉部材と、前記密閉部材が前記ウエルを密閉したときに、前記ウエルの内部の空間の少なくとも一部を占有するように前記ウエル内に配置される占有部材と、を有することを特徴とする液体充填装置。

本発明によれば、ウエルに過剰量の液体を充填することなく、ウエルに連通したマイクロ流路に液体を充填することができる。

第１の実施形態に係る液体充填装置を用いて液体の充填を行うマイクロ流体デバイスの断面図である。 第１の実施形態に係る液体充填装置にマイクロ流体デバイスをセットしたときの断面図である。 第１の実施形態に係る液体充填装置において、液体を導入するウエルに対応した位置にも占有部材を設けた液体充填装置にマイクロ流体デバイスをセットしたときの断面図である。 第２の実施形態に係る液体充填装置にマイクロ流体デバイスをセットしたときの断面図である。 第３の実施形態に係る液体充填装置にマイクロ流体デバイスをセットしたときの断面図である。 第３の実施形態に係る挿入アタッチメントを示す斜視図である。 第４および第５の実施形態に係る占有部材を示す断面図である。 本発明に係る液体充填装置を検査装置の内部に組み込んだ実施形態を示すブロック図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る液体充填装置を用いて液体の充填を行うマイクロ流体デバイスについて、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る液体充填装置を用いて液体の充填を行うマイクロ流体デバイスの断面図である。マイクロ流体デバイス１００（以下、「デバイス１００」と称する）は、少なくとも１つのマイクロ流路１０２を有するデバイスである。

ここで、本明細書においてマイクロ流路に「液体を充填する」とは、マイクロ流路の内部に液体を導入し、マイクロ流路の内部を液体で満たすことを指す。液体を充填した後のマイクロ流路の内部は液体で隙間なく埋め尽くされ、マイクロ流路の内部には気泡が存在しないことが好ましい。

マイクロ流路１０２は、内部に流体を流すことを前提とした、１ｍｍ以下の幅を有する流路である。マイクロ流路１０２の内部に流す流体は、液体であっても気体であっても良い。マイクロ流路１０２は、幅が１０００μｍ以下、深さが５００μｍ以下の流路であることが望ましい。マイクロ流路１０２の内部の流体の流れは、乱流でなく層流であることが望ましい。

デバイス１００は、少なくとも２枚の基板を接合することで形成することができる。このとき、一方の基板の表面に微細な溝を形成し、この溝をもう一方の基板によって覆うようにして２枚の基板を接合することで、マイクロ流路１０２を形成することができる。

デバイス１００を形成する基板の材質としては、特に限定はされないが、例えばガラス、プラスチック、金属、無機化合物などを用いることができる。デバイス１００を形成する基板の材質としてガラスを用いる場合は、例えば石英ガラス、アルカリガラス、無アルカリガラスなどを用いることができる。デバイス１００を形成する基板の材質としてプラスチックを用いる場合は、例えばアクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ナイロンなどを用いることができる。なお、一種類のプラスチックから成る基板を用いても良いし、複数種のプラスチックを含む基板を用いても良い。

デバイス１００を形成する基板の材質として金属を用いる場合は、例えばアルミニウム、ニッケル、鉄、銅などの金属や、ステンレス、真鍮などの合金を用いることができる。デバイス１００を形成する基板の材質として無機化合物を用いる場合は、例えばアルミナ、ジルコニア及びシリカ等の金属酸化物や窒化ホウ素などの、セラミックを用いることができる。

マイクロ流路１００を形成するための基板の加工方法は、特に限定されない。例えばエッチングプロセス、機械加工、金型成形などのプロセスを用いることができる。デバイス１００を形成する基板としてガラス、金属、無機化合物の基板を用いる場合は、エッチングプロセスを使用することで、マイクロ流路１０２を高精度に形成することができる。デバイス１００を形成する基板としてプラスチックの基板を用いる場合は、金型を用いた射出成型プロセスを使用することで、マイクロ流路１０２を高精度に形成することができる。

デバイス１００に使用する基板の厚さは、特に限定されない。基板の厚さをマイクロ流路１０２の内部を流れる流体の圧力によって変形しない厚さとすることで、マイクロ流路１０２の内部の流体の流れをより精密にコントロールすることができる。例えば、デバイス１００を構成する基板としてプラスチックの基板を使用する場合であれば、基板の厚さは０．１ｍｍ以上とすることが望ましい。厚さが０．１ｍｍ未満である場合、マイクロ流路１０２の内部を流れる流体の圧力によってマイクロ流路１０２が変形し、流体の送液の制御に支障が出る可能性がある。基板の厚さの上限については、特に規定はされていないが、デバイス１００を用いた製品の形状や、歩留まり、製造コストなどから、最適な厚さを選択することができる。

デバイス１００は、マイクロ流路１０２に連通するウエル１０３を少なくとも１つ有する。なお、デバイス１００が有するウエル１０３及びマイクロ流路１０２の数は特に限定されない。

ウエル１０３は、マイクロ流路１０２に連通するとともに、デバイス１００の外側に開口している開口部である。ウエル１０３は、ウエル１０３の底面でマイクロ流路１０２と連通していることが好ましい。ウエル１０３は、デバイス１００のマイクロ流路１０２の内部を通過した後の液体である廃液を収容する機能や、マイクロ流路１０２の内部に導入する前の流体を収容する機能を有する。そのため、ウエル１０３は、デバイス１００を使用し、マイクロ流路１０２に流体を流し始める前には十分な空きスペースを有していることが望ましい。必要な空きスペースの最小値は、マイクロ流路１０２の内部に流す試薬等の流体の量等によって決まる。

ここで、本明細書においてデバイス１００を「使用する」とは、１００を不図示の分析装置にセットして、マイクロ流路１０２の内部に試料や試薬等を含む目的の液体を流して分析を行うことを指す。

内部が液体で満たされていない状態のマイクロ流路１０２に対して、大気圧下で液体を導入しようとすると、マイクロ流路１０２の入口が狭いためにマイクロ流路１０２の内部に液体が入り難い場合がある。また、マイクロ流路１０２の内部に液体を導入できたとしても、マイクロ流路１０２の内部に空気が混入してしまい、マイクロ流路１０２内に気泡が残ってしまう場合がある。

そのため、マイクロ流路１０２の内部に大気圧下で液体を導入する際には、マイクロ流路１０２の内部を予め液体で満たしておくことが一般的である。マイクロ流路１０２の内部を予め液体で満たす工程は、初期化またはプライミングと呼ばれる。

初期化の際には、まず、マイクロ流路１０２の内部を予め減圧してマイクロ流路１０２の内部に存在していた空気を排出する。その後、減圧したマイクロ流路１０２の内部に液体を導入するのが一般的な初期化の方法である。この方法を用いることで、マイクロ流路１０２の内部に液体を容易に充填でき、マイクロ流路１０２の内部への気泡を混入させずに流体を充填することができる。なお、マイクロ流路１０２の内部を減圧する方法は特に限定されないが、ポンプによって気体を排出する方法が一般的である。

このようにしてマイクロ流路１０２の内部に予め液体を充填しておくことで、デバイス１００を使用する際に、目的となる試薬等を含む液体をスムーズにマイクロ流路１０２の内部に導入することができる。マイクロ流路デバイス１００の使用前にマイクロ流路１０２の内部に予め充填する液体は、目的とする試薬等の液体と反応性の低い液体であることが望ましい。予め充填しておく液体の種類は特に限定されないが、例えば水や油等を使用することができる。

次に、本実施形態に係る液体充填装置について、図２を用いて説明する。図２は本実施形態に係る液体充填装置にマイクロ流体デバイスをセットしたときの断面図である。

液体充填装置１は、コンテナ部７と、コンテナ部７に組み合わされる蓋部３とを有する。液体充填装置１は、コンテナ部７と蓋部３とを組み合わせて形成される空間内にデバイス１００を収納することができる。収納されたデバイス１００は蓋部３とコンテナ部７とによって保持される。このとき、蓋部３はデバイス１００に押しつけられ、蓋部３の密着部５がデバイス１００の上面に密着する。特に、デバイス１００のそれぞれのウエル１０３の開口縁部に密閉部材５が密着することで、それぞれのウエル１０３が密閉される。すなわち、蓋部３はウエル１０３を密閉する密閉部材である。

蓋部３は、液体を導入するときに用いるウエル１０３に対応した位置に、ポート６を１つ有する。ポート６は、ウエル１０３およびマイクロ流路１０２に液体を導入し、マイクロ流路１０２に液体を充填する液体導入手段１１に接続されている。本実施形態では液体導入手段１１として、気体排出手段である排気ユニット１７と液体供給ユニット１６とを、切替バルブ１８を介してポート６に接続している。

蓋部３は、デバイス１００のウエル１０３にそれぞれ対応した位置に、占有部材４を有する。本実施形態では、蓋部３に占有部材４を、液体を導入するウエル１０３以外のウエル１０３の数だけ設けた。すなわち、蓋部３は、それぞれのウエル１０３が対応する位置のうち、ポート６が存在する位置以外の位置にそれぞれ占有部材４を有する。占有部材４はそれぞれ、対応するウエル１０３と相補的な形状を有している。また、占有部材４の体積はそれぞれ、対応するウエル１０３の容積と等しい。

そのため、占有部材４はそれぞれ、液体充填装置１の内部に収納されたデバイス１００のウエル１０３にそれぞれ嵌合することで、ウエル１０３の内部の空間を完全に占有することができる。すなわち、それぞれの占有部材４は、蓋部３および密着部５がウエル１０３を密閉したときに、対応するウエル１０３の内部の空間を完全に占有するように、ウエル１０３内に配置される。

なお、占有部材４の材質は特に限定されず、占有部材４の材質は蓋部３の材質と異なる材質としても良い。本実施形態では占有部材４を蓋部３に設けているため、占有部材４の材質は蓋部３の材質と同じであることが好ましい。例えば蓋部３および占有部材４の材質としては、プラスチックやエラストマー、ガラス、金属等を用いることができる。

本実施形態では、液体を導入する際に用いるウエル１０３を１つ選択し、蓋部３にはそのウエル１０３に対応した位置にポート６を１つ設けたが、液体を導入する際に用いるウエル１０３の数は１つ以上であれば特に限定されない。また、本実施形態では、液体を導入する際に用いるウエル１０３以外のウエル１０３全てに占有部材４が嵌合する構成としたが、占有部材４の数は液体を導入する際に用いるウエル１０３以外のウエル１０３の数より少なくても良い。

また、本実施形態では液体を導入する際に用いるウエル１０３に対応する位置には占有部材４を設けない構成としたが、液体を導入する際に用いるウエル１０３に対応する位置にも占有部材４を設けても良い。その場合は図３のように、占有部材４のうち少なくとも１つ以上にポート６を設け、ポート６を液体導入手段１１に接続しても良い。

次に、本実施形態に係る液体充填装置を用いてマイクロ流体デバイスの初期化を行う際の、液体充填装置の動作について説明する。

まず、デバイス１００を、液体充填装置１のコンテナ部７の中に収容し、蓋部３をコンテナ部７にセットする。その際、蓋部３のそれぞれの占有部材４と、デバイス１００のそれぞれのウエル１０３との位置が合うように、位置合わせを行う。位置合わせが完了したら、ウエル１０３に占有部材４が嵌合し、デバイス１００の表面とシール部５とが密着するように、蓋部３をデバイス１００に押しつけて固定する。

次に、デバイス１００の内部に存在する気体の排出を行う。ポート６に接続された気体排出手段である排気ユニット１７を用いて、デバイス１００の内部に存在する気体を排出する。これにより、シール部５によって気密が保たれた空間内に存在する気体が排出される。すなわち、ポート６の位置に対応するウエル１０３と、該ウエル１０３と連通するマイクロ流路１０２およびウエル１０３の内部に存在する気体が排出される。

次に、ポート６に接続された切替バルブ１８を操作し、ポート６を液体供給ユニット１６に接続する。液体供給ユニット１６から液体を供給することで、マイクロ流路１０２の内部に液体が毛細管現象によって導入される。その後十分な時間保持することで、マイクロ流路１０２の内部に液体が充填される。

マイクロ流路１０２の内部に液体が充填された後、蓋部３をデバイス１００から取り外し、デバイス１００を取り出す。これにより、デバイス１００の初期化が完了する。

このとき、デバイス１００の内部の空間のうち、シール部５によって気密が保たれた空間内に液体が充填される。本実施形態では、それぞれの占有部材４が対応するウエル１０３にそれぞれ嵌合し、それぞれのウエル１０３の内部の空間を完全に埋めている。そのため、本実施形態の液体充填装置１を用いてデバイス１００の内部に液体を導入すると、占有部材４が嵌合していたウエル１０３の内部には液体は導入されない。すなわち、本実施形態の液体充填装置１を用いてデバイス１００の内部に液体を導入すると、液体を導入するときに用いたウエル１０３とマイクロ流路１０２のみに液体を充填することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、デバイス１００を液体充填装置１のコンテナ部７の中に収容し、蓋部３をコンテナ部７にセットした際に、ウエル１０３の内部の空間が占有部材４によって完全に埋められる構成とした。このような構成の液体充填装置１を用いてデバイス１００の初期化を行うと、占有部材４を嵌合したウエル１０３の内部には液体を導入することなく、マイクロ流路１０２に液体を充填することができる。しかしこの場合、デバイス１００を初期化してから使用するまでの間に時間が経過すると、マイクロ流路１０２の内部の液体が蒸発してしまう可能性がある。その結果、気液界面がウエル１０３の底部からマイクロ流路１０２の内部へと移動し、マイクロ流路１０２の内部に気体が混入してしまう。

そこで、デバイス１００の初期化を行う際には、ウエル１０３の内部に所定の量の液体を残しておくことが好ましい。

そこで、本実施形態の液体充填装置１は、デバイス１００を初期化してから使用するまでの間でマイクロ流路１０２の内部の液体が蒸発してしまうことを防ぐために、ウエル１０３の内部にも液体を一定量導入するように構成されている。

図４は、本実施形態に係る液体充填装置にマイクロ流体デバイスをセットしたときの断面図である。

本実施形態の液体充填装置１は、占有部材４の体積が、ウエル１０３の内部の空間全体の体積よりも小さい。すなわち、占有部材４をウエル１０３に嵌合すると、占有部材４はウエル１０３の内部の空間全体を占有するのではなく、ウエル１０３の内部の空間のうち一部分のみを占有する。これにより、ウエル１０３の内部に所定の体積の空間９を生じさせる。この状態で第１の実施形態と同様にデバイス１００の初期化を行うことで、ウエル１０３の内部に生じさせた空間９の体積の分だけ、ウエル１０３の内部に液体を導入することができる。すなわち、本実施形態の液体充填装置１によれば、ウエル１０３の内部の空間全体の体積と、占有部材４の体積との差分だけ、ウエル１０３の内部に液体を導入することができる。

ウエル１０３の内部に導入する液体の量は、デバイス１００を初期化してから使用するまでの時間で、ウエル１０３の内部から蒸発する液体の量以上の量にする必要がある。すなわち、ウエル１０３の内部に導入する液体の量の最小値は、デバイス１００を初期化してから使用するまでの時間で、ウエル１０３の内部から蒸発する液体の量となる。

デバイス１００を初期化してから使用するまでの時間で、ウエル１０３の内部から蒸発する液体の量を見積もる方法としては、デバイス１００の構造や使用環境等の条件に合わせて任意の方法を選択することができる。例えば、定常的な蒸発を扱う場合は、フィックの第１法則を用いて蒸発量を見積もることができる。また、非定常的な蒸発を扱う場合は、フィックの第２法則を用いて蒸発量を見積もっても良い。また、条件が複雑であり蒸発量を見積もることが困難である場合は、ウエル１０３から液体が減少する量を直接測定しても良い。

一例として、フィックの第１法則を用いて蒸発量を見積もる方法について説明する。ウエル１０３の内部の液体は、四方を壁に囲まれているため、液体の周囲は無風状態にあるものとした。また、デバイス１００を使用する環境としては、実験室、評価室等の温度湿度が一定に管理された室内とした。さらに、マイクロ流路１０２の内部に充填した液体は、水を主体とした液体とし、液体の温度は一定であるものとした。また、デバイス１００およびマイクロ流路１０２の内部に充填した液体は、外部との熱のやり取りが無いものとした。

液体の表面に垂直にｘ軸をとると、ｘ軸に垂直な平面Ｓを時間ｔで通過する水蒸気の質量ｄｍは、フィックの第１法則から、以下の式（２）のようになる。

ここで、ｄＶは拡散面積Ｓを時間ｔで通過する水蒸気の質量ｄｍ、Ｄは水の拡散係数、ρは水蒸気の密度、ｘは拡散の距離である。ここでは、拡散面積Ｓは、ウエル１０３の開口部の面積となる。

一方、空気中の水蒸気の分圧は、以下の式（３）で表される。

ここで、ｅは空気中の水蒸気の分圧、Ｒは気体定数、Ｔは温度である。

式（２）と式（３）より、式（４）が導かれる。

拡散面積Ｓを時間ｔで通過する水蒸気の質量であるｄｍを、拡散面積Ｓおよび時間ｔで除することで、単位時間、単位面積を通過する水蒸気の量、すなわち蒸発速度ｍを算出することができ、以下の式（５）のようになる。

ここで、水が空気中に拡散する場合の拡散係数は０．２５６×１０^−５ｍ^２／ｓ、気体定数は８．３１４Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ）である。拡散距離ｄｘを１ｍｍとして、式（５）にこれらの各パラメータを代入する。定数部分をＣとし、ｄｅを水の飽和蒸気圧とウエル１０３の内部の空気中の水蒸気の分圧との間の差とする。さらに、水の密度を１ｇ／ｍ^３とすると、水の蒸発量Ｖｓは以下の式（１）で近似できる。
Ｖ_Ｓ＝Ｃ・（Ｐ_ａ−Ｐ_ｂ）・Ｓ・ｔ ・・・式（１）

ここで、Ｖ_Ｓは水の蒸発量［ｍ^３］、Ｓは水面の面積［ｍ^２］、Ｃは水の蒸発係数（Ｃ＝０．０１８）、ｔは時間［ｈ］、は水温と等しい温度における水の飽和蒸気圧［ｍｍＨｇ］、Ｐ_ｂはウエルの内部の空気中の水蒸気の分圧［ｍｍＨｇ］である。

なお、ここではマイクロ流路１０２の内部に流す液体は水を主体とする液体であるものとして式（１）を導出したが、他の種類の液体についても式（１）と同様の式によって蒸発量を見積もることが可能である。

以上のように、各種手法によって見積もった蒸発量以上の量の液体をウエル１０３の内部に残すことによって、デバイス１００を初期化してから使用するまでの間にウエル１０３の内部の液体が全て蒸発してしまうことを防ぐことができる。これにより、マイクロ流路１０２の内部の液体が露出してウエル１０３から蒸発し、マイクロ流路１０２の内部に気体が混入することを防ぐことができる。

デバイス１００を使用すると、マイクロ流路１０２の内部を液体が流れ、マイクロ流路１０２の下流側でマイクロ流路１０２と連通したウエル１０３に液体が流入する。このとき、ウエル１０３の内部に予め導入されていた液体の体積とウエル１０３に流入してきた液体の体積の合計がウエル１０３の容積を超えた場合、液体をウエル１０３の内部に収容することができず、液体がウエル１０３から溢れて出してしまう。したがって、初期化時にウエル１０３に導入しておく液体の量の最大値は、ウエル１０３の容積から、デバイス１００を使用した際にマイクロ流路１０２の内部を流れてウエル１０３に流入する流体の体積を引いた量となる。

例えば、１回の分析または反応でマイクロ流路１０２の内部に流す試料や試薬等を含む目的の液体の量と、分析または反応を行う回数とから、マイクロ流路１０２の下流側に接続されたウエル１０３に流入する液体の体積を求めることができる。ウエル１０３に流入する液体は、マイクロ流路１０２の内部での反応の種類にもよるが、例えば、マイクロ流路１０２の内部での各種反応の反応生成物や、各種分析後の廃液等となる。

なお、ウエル１０３の容積やマイクロ流路１０２の内部に流す液体の量は、マイクロ流路１０２の内部で行う各種反応の反応条件や、必要な反応生成物の量等に合わせて任意の値とすることができる。

本実施形態では、初期化時にウエル１０３の内部に導入される液体の量が、以上のように決定される液体の量の最大値および最小値で定められる範囲内になるように、占有部材４の体積を調整してある。

すなわち、占有部材４の体積を、デバイス１００を使用したときにウエル１０３の内部に流入する液体の体積以上となるように調整する。これにより、デバイス１００を使用している間にウエル１０２から液体が溢れることを防ぐことができる。また、占有部材４の体積を、ウエル１０３の内部の空間全体の体積と、デバイス１００を初期化してから使用するまでの間にウエル１０３の内部で蒸発する液体の体積と、の差分以下となるように調整する。これにより、マイクロ流路２３の内部から液体が蒸発することを防ぐことができる。

本実施形態の液体充填装置によれば、マイクロ流体デバイスを初期化してから使用するまでの間にマイクロ流路の内部に気体が混入しないように、マイクロ流体デバイスの初期化を行うことができる。また、本実施形態の液体充填装置によれば、マイクロ流体デバイスを使用した際にマイクロ流路からウエルに液体が流入してもウエルから液体が溢れないように、マイクロ流体デバイスの初期化を行うことができる。

（第３の実施形態）
第１の実施形態および第２の実施形態では、占有部材４を蓋部３に設けた構成としたが、占有部材４は蓋部３に設けず、蓋部３とは別部材とし、個別に着脱可能な構成としても良い。例えば図５に示すように、デバイス１００と接する面である蓋部３の下面は平らな面とし、ウエル１０３の内部の空間を埋めるための挿入部品８を別途用いても良い。この挿入部品８をウエル１０３内に予め挿入した上でデバイス１００の初期化を行うことでも、ウエル１０３の内部に過剰量の液体を導入することなく、マイクロ流路１０２に液体を充填することができる。

なお、挿入部品８のうち少なくとも１つの挿入部品８は、ポート６１を有しても良い。ポート６１を有する挿入部品８を、液体充填装置１にデバイス１００をセットした際に、蓋部３のポート６が上部にくるウエル１０３に挿入しておく。これにより、液体充填装置１にデバイス１００をセットした際にポート６１はポート６と接続され、ポート６およびポート６１を介してデバイス１００の内部へ液体の導入することが可能となる。

挿入部品８は、挿入部品８の上面に不図示の取っ手部を設けても良い。これにより、挿入部品８のウエル１０３への装着および脱離を容易にすることができる。

また、挿入部品８はそれぞれ個別にウエル１０３に装着しても良いが、図６に示すように、複数の挿入部品８を保持部１２により一体化させた挿入アタッチメント１３を用いて、複数のウエル１０３にまとめて挿入しても良い。このとき複数の挿入部品８は、それぞれの挿入部品８が挿入されるそれぞれのウエル１０３の配置に対応した位置関係で一体化されていることが好ましい。

本実施形態の液体充填装置１を用いることで、ウエル１０３の形状や配置が異なる複数のデバイス１００の初期化を連続して行う際にも、蓋部３を入れ替えずにデバイス１００の初期化を行なうことができる。

（第４の実施形態）
第１から第３の実施形態では、占有部材４の材質はプラスチックやエラストマー、ガラス、金属等とし、占有部材４は初期化の過程で体積が変化しないものとした。また、ポート６やポート６１を設けた占有部材４および挿入部品８のポートの内部以外については、占有部材４の内部には液体が侵入しないものとした。

しかし、占有部材４は初期化の体積が過程で変化するものとしても良いし、占有部材４の内部に液体が侵入するものとしても良い。本実施形態では、占有部材４の材質を変えた実施形態について説明する。

図７（ａ）は、占有部材の一部に柔軟性の高い弾性体を用いた場合について説明するための概念図である。図７（ａ）において、占有部材４は先端が凹部を有した形状を有しており、その凹部を覆うように、占有部材４の先端に膜上の弾性体１４が接続されている。本実施形態では、占有部材４をウエル１０３に挿入した際に、大気圧下では弾性体１４とウエル１０３の底面との間に空間が生じるように、占有部材４および弾性体１４の形状を調整している。例えば本実施形態では、弾性体１４を膜上の弾性体とし、大気圧下では膜上の弾性体１４が占有部材４の方に窪んだ形状となるように構成している。

弾性体１４は、柔軟性の高い弾性体とすることが好ましい。弾性体１４の材質としては、エチレンプロピレンゴムやフッ素ゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム等のゴムや、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂を用いることができる。

本実施形態に係る占有部材４をマイクロ流路１０２に連通したウエル１０３に挿入し、蓋部３でウエル１０３を密閉する。続いて、占有部材４を挿入したウエル１０３に連通したマイクロ流路１０２の内部から気体を排出する。これにより、弾性体１４は占有部材４の凹部の内部の空気の圧力と、減圧されたマイクロ流路１０２の内部の圧力との間の圧力差によって変形する。このとき、弾性体１４はウエル１０３の底部の形状に沿うような形状に変形する。

マイクロ流路１０２の内部からの気体の排出が完了した後、液体をマイクロ流路１０２の内部に導入する。液体をマイクロ流路１０２の内部に導入していくと、マイクロ流路１０２の内部の圧力が大気圧に戻っていく。それに伴って弾性体１４は、元の占有部材４の方に窪んだ形状に戻る。このようにして弾性体１４が元の形状に戻るように変形することによって、マイクロ流路１０２の内部に導入される液体をウエル１０３の方向へ吸引する力がはたらく。その結果、マイクロ流路１０２の内部への液体の導入をよりスムーズに行うことができる。

（第５の実施形態）
本実施形態では、第４の実施形態と同様に、占有部材４の材質を変えた実施形態について説明する。

図７は、占有部材に多孔質体を用いた場合について説明するための概念図である。この場合、占有部材４の少なくとも一部が多孔質体１０で構成されている。多孔質体１０は液体を吸収し、毛管力によって保持することができる。多孔質体１０としては例えばスポンジや焼結体などを用いることができる。

本実施形態に係る多孔質体１０を有する占有部材４を、マイクロ流路１０２に連通したウエル１０３に挿入し、蓋部３でウエル１０３を密閉する。続いて、占有部材４を挿入したウエル１０３に連通したマイクロ流路１０２の内部から気体を排出する。

マイクロ流路１０２の内部からの気体の排出が完了した後、液体をマイクロ流路１０２の内部に導入する。マイクロ流路１０２に液体が充填された後、さらに液体の導入を続けると、占有部材４の多孔質体１０にも液体が充填される。多孔質体１０は初期化の最後の工程でウエル１０３から除去され、その際に多孔質体１０の内部に吸収された液体も同時に除去される。これにより、本実施形態に係る多孔質体１０を有する占有部材４が挿入されていたウエル１０３の内部には過剰量の液体を導入することなく、マイクロ流路１０２に液体を充填することができる。

（その他の実施形態）
本発明に係る液体充填装置は、医療検査や診断等に用いられる医療用の検査素子としてのマイクロ流体デバイスの初期化のために使用することができる。しかし、本発明は、前述の医療用の検査素子としてのマイクロ流体デバイスの初期化のための液体充填装置に限定されるものではない。本発明は、医療用以外の検査や分析、化学合成等に用いる様々な種類のマイクロ流体デバイスの初期化のための液体充填に広く適用することができる。

また、上記の実施形態では液体充填装置を、マイクロ流体デバイスを使用する分析装置等の装置とは別個の独立した装置として説明した。しかし、本発明に係る液体充填装置は図７のように、本発明の液体充填装置の構成要素を分析装置２００の内部に組み込んだ構成としても良い。

図７は、本発明に係る液体充填装置を検査装置の内部に組み込んだ実施形態を示すブロック図である。液体充填装置を組み込んだ分析装置２００は、液体充填装置２０１と、分析部２０２と、搬送手段２０３と、コンピュータ２０４とを有する。

液体充填装置２０１は、デバイス１００の初期化を行う装置である。液体充填装置２０１の構成は、第１乃至第５の実施形態に係る液体充填装置１と同様である。

分析部２０２は、デバイス１００のマイクロ流路１０２の内部で初期化の際にマイクロ流路１０２の内部に充填した液体、または初期化に用いた液体とは異なる第２の液体を流して分析する部分である。分析部２０２は、光学的手法をはじめとする種々の分析手法によって分析を行い、反応の検出や検査等を行う。

搬送手段２０３は、コンピュータ２０４からの指示を命令に基づいて、デバイス１００を液体充填装置２０１と分析部２０２との間で搬送する手段である。搬送手段２０３としては、例えばロボットアームのようにデバイス１００を掴んで移動させる手段や、可動式のステージの上にデバイス１００を載置してステージを移動させる手段等を用いることができる。

分析装置２００を使用する際には、まずマイクロ流体デバイスを分析装置２００にセットした後、液体充填部２０１を用いてマイクロ流体デバイスの初期化を行う。次に、初期化を行ったマイクロ流体デバイスを分析装置２００から取り出さずに、搬送手段２０３によって分析部２０２に搬送し、分析部２０２を用いた分析を続けて行う。

本実施形態は、搬送手段２０３によってデバイス１００を搬送することで、液体充填装置２０１による初期化と分析部２０２による分析を連続して行う構成とした。しかし、デバイス１００を搬送するのではなく、液体充填装置２０１および分析部２０２を不図示の移動手段によって移動させる構成としても良い。あるいは、例えばデバイス１００の上面側に液体充填装置２０１を配置し、デバイス１００の下面側に分析部２０２を配置して、搬送や移動を行わずに初期化と分析を連続して行う構成としても良い。

以上のように分析装置２００の内部に液体充填装置を液体充填部２０１として組み込むことで、例えばマイクロ流路内の液体の送液手段等を分析装置と液体充填装置とで共通化でき、それぞれを独立した装置とした場合よりも小型化が可能である。

１００ マイクロ流体デバイス
１０２ マイクロ流路
１０３ ウエル
１ 液体充填装置
３ 蓋部
４ 占有部材
５ 密着部
６ ポート
７ コンテナ部
８ 挿入部品
１１ 液体導入手段
１６ 液体供給ユニット
１７ 排気ユニット
１８ 切替バルブ

Claims (14)

1. 少なくとも１つのマイクロ流路と、
   前記マイクロ流路と連通した少なくとも２つのウエルと、
   を有するマイクロ流体デバイスの内部に液体を導入し、前記マイクロ流路に前記液体を充填する液体充填装置であって、
   前記液体充填装置は、
   少なくとも１つの前記ウエルから前記マイクロ流路に前記液体を導入する液体導入手段と、
   前記液体導入手段が前記液体を導入する前記ウエル以外の少なくとも１つの前記ウエルを密閉する密閉部材と、
   前記密閉部材が前記ウエルを密閉したときに、前記ウエルの内部の空間の少なくとも一部を占有するように前記ウエル内に配置される占有部材と、を有することを特徴とする液体充填装置。
2. 前記占有部材が占有する前記ウエルの内部の空間の体積が、
   前記マイクロ流体デバイスを使用したときに前記マイクロ流路から前記ウエルに流入する液体の体積以上であることを特徴とする請求項１に記載の液体充填装置。
3. 前記占有部材が占有する前記ウエルの内部の空間の体積が、
   前記ウエルの内部の空間全体の体積と、
   前記液体充填装置によって前記マイクロ流路の内部に液体が充填されてから前記マイクロ流体デバイスが使用されるまでの間に前記ウエルの内部から蒸発する前記液体の体積と、
   の差分以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の液体充填装置。
4. 前記液体充填装置は、
   前記マイクロ流路および前記ウエルから気体を排出する気体排出手段をさらに有し、
   密閉した前記ウエルと、前記ウエルに連通したマイクロ流路と、から前記気体排出手段によって前記気体を排出した後に、前記マイクロ流路に前記液体を充填す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液体充填装置。
5. 前記占有部材が、前記ウエルと嵌合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液体充填装置。
6. 前記液体導入手段が前記液体を導入する前記ウエルの内部の空間の少なくとも一部を占有するように前記ウエル内に配置される占有部材をさらに有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液体充填装置。
7. 前記占有部材の少なくとも１つが、前記密閉部材と一体化されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の液体充填装置。
8. 前記占有部材の少なくとも１つが、前記液体充填装置から取り外し可能な別部材であり、前記ウエルに個別に着脱可能であ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液体充填装置。
9. 前記占有部材の少なくとも２つが、前記液体充填装置から取り外し可能な別部材であり、保持部によって前記マイクロ流体デバイスの前記ウエルの配置に対応した位置関係で一体化されてい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液体充填装置。
10. 前記占有部材の少なくとも１つは、前記占有部材の少なくとも一部分が弾性体であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の液体充填装置。
11. 前記占有部材の少なくとも１つは、前記占有部材の少なくとも一部分が多孔質であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の液体充填装置。
12. 前記液体充填装置に用いる、前記液体充填装置から取り外し可能な別部材であることを特徴とする請求項８または９に記載の占有部材。
13. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の液体充填装置と、
    前記マイクロ流路の内部で液体を分析する分析部と、
    を有することを特徴とする分析装置。
14. 少なくとも１つのマイクロ流路と、
    前記マイクロ流路と連通した少なくとも１つのウエルと、
    を有するマイクロ流体デバイスの内部に液体を導入し、前記マイクロ流路に前記液体を充填する液体充填方法であって、
    占有部材を前記ウエルの内部に配置することで前記ウエルの内部の空間のうち少なくとも一部分を占有するステップと、
    密閉部材によって前記ウエルを密閉するステップと、
    前記占有部材を配置した前記ウエル以外の少なくとも１つの前記ウエルから前記マイクロ流路に液体を充填するステップと、
    を有することを特徴とする液体充填方法。