JP2016023933A - マイクロ流路デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】安定して観測することができるマイクロ流路デバイスを提供する。
【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底部の略中央部に一端が開口したマイクロ流路４とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ流路デバイスに関するものである。

近年、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、そのマイクロ流路に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が注目されている。この技術において流体をマイクロ流路に送液する方法は、圧力を用いる方法や電気泳動を用いる方法が提案されている。このうち、圧力を用いる方法は、電気泳動を利用する方法と比較して、液体の性質に関わらず送液でき、流速を制御しやすいので、広く用いられている。このような圧力により送液するマイクロ流路を備えたマイクロ流路デバイスの一例を図４に示す（例えば、特許文献１，２参照。）。

図４に示すマイクロ流路デバイス１００は、円柱状の空洞からなる液供給ポート１１０と、一端１２１が液供給ポート１１０の側面の底部近傍に開口し、他端が廃液を溜める貯留槽などに接続されるマイクロ流路１２０とが同一チップに形成されたものである。

このようなマイクロ流路デバイス１００を用いた生化学測定や化学合成は、次のように行われる。
はじめに、マイクロ流路１２０内に試薬等の液体を滞留させる。具体的には、まず、ピペット２００等により液体供給ポート１１０に試薬等の液体を供給する。すると、液体供給ポート１１０に供給された液体は、液体供給ポート１１０の底面を拡がってゆき、液体供給ポート１１０の側面の底部近傍に一端１２１が開口したマイクロ流路１２０に到達する。そして、ポンプなどの負圧発生装置（図示せず）によりマイクロ流路１２０の他端側を負圧とすると、マイクロ流路１２０の一端１２１に到達した液体は、マイクロ流路１２０内を進行し、マイクロ流路１２０の他端から廃液容器などの外部へ搬送される。

ここで、マイクロ流路１２０は、液体供給ポート１１０側の一端１２１に形成されるメニスカスによって生じる圧力が負圧発生装置による負圧よりも大きくなるように形成されている。これは、液体の表面張力係数、マイクロ流路１２０内壁の接触角、マイクロ流路１２０の一端側の形状およびサイズ等を適宜設定することにより、実現することができる。
したがって、液体供給ポート１１０内のほとんどの液体がマイクロ流路１２０内に移動し、マイクロ流路１２０の一端１２１にメニスカスが形成されると、マイクロ流路１２０内の液体の移動が停止する。これにより、マイクロ流路１２０内に試薬等の液体が滞留した状態となる。

続いて、液体供給ポート１１０内に検体等の液体を供給する。この液体は、マイクロ流路１２０の一端１２１に到達し、この一端に形成された検体等の液体によるメニスカスに接触してそのメニスカスを破壊すると、負圧発生装置１２０による負圧によって、液体供給ポート１１０内の液体がマイクロ流路１２０を介してマイクロ流路１２０の他端側へと移動してゆく。これにより、２つの液体の界面がマイクロ流路１２０内を移動するので、その界面での反応や移動速度を観測することにより、生化学測定や化学合成が行われることとなる。

このようなマイクロ流路デバイス１００は、液体供給ポート１１０内の液体が無くなると自動的にマイクロ流路１２０内の液体の移動が停止するので、１回の測定が終わった後に洗剤や水等を液体供給ポート１１０に供給してマイクロ流路１２０内を洗浄することで、１つのマイクロ流路デバイス１００を用いて繰り返し観測を行うことができる。

特開２００７−２９２７１４号公報 特開２００８−２５６３７８号公報

しかしながら、マイクロ流路デバイスでは、図５に示すように、液体供給ポートの底部の縁部に液体ａが残留していることがある。従来のマイクロ流路デバイスでは、マイクロ流路１２０の一端１２１が液体供給ポート１１０の側面の底部近傍に開口しているため、液体供給ポート１１０に液体を供給すると、この液体はマイクロ流路１２０の一端１２１に到達する前に液体供給ポート１１０の底部に残留した液体と接触する場合がある。すると、マイクロ流路１２０内の液体との界面が乱れたり、マイクロ流路１２０内の液体の流れがいびつになったりするので、安定して観測できないことがあった。

そこで、本発明は、安定して観測することができるマイクロ流路デバイス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、本体に形成され、供給部の底部における略中央部に一端が開口したマイクロ流路とを備えることを特徴とするものである。

上記マイクロ流路デバイスにおいて、供給部の底部は、すり鉢状に形成されているようにしてもよい。

本発明によれば、供給部の底部における略中央部に一端が開口したマイクロ流路を備えているので、供給部に液体を供給するとき、供給部の底部の縁部に残留した液体に触れる前にマイクロ流路の一端に液体を接触させることができる。これにより、マイクロ流路に予め滞留させておいた液体と供給部に供給された液体との界面が乱れたり、マイクロ流路内の液体の流れがいびつになることを防ぐことができる。結果として、安定して観測することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロ流路デバイスの構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るマイクロ流路デバイスに対する液体の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係るマイクロ流路デバイスの変形例の構成を示す断面図である。 図４は、従来のマイクロ流路デバイスの構成を示す断面図である。 図５は、供給部の底部の縁部に残留した液体を説明するための図である。

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底部の略中央部に一端が開口したマイクロ流路４とを備えている。

本体２は、例えば、ガラス（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の上面に開口する凹部からなり、底部が封鎖された円筒形状（円管）に形成されている。この供給部３の底面３１の略中央部には、後述するマイクロ流路４の第１の流路４１の一端が開口している。
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液滴の直径よりも大きく形成される。例えば、ピペットにより供給部３に供給する液体の量を９μｌとした場合、この液体の液滴の半径は約１．３ｍｍ程度となるので、供給部３は内径３ｍｍ、高さ３ｍｍの有底円筒状に形成すれば十分である。

マイクロ流路４は、断面矩形の管からなり、供給部３の底面３１に一端（入口）が開口し、供給部３の軸線方向に沿って延在する第１の流路４１と、断面矩形の管からなり、一端が第１の流路４１の他端に接続され、その一端から供給部３の軸線方向に垂直な方向、言い換えると、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第２の流路４２とから構成されている。
このようなマイクロ流路４の断面の形状および大きさは、毛細管現象が発現する程度の大きさに形成される。例えば、上述したように供給部３に供給する液体の量が９μｌ、供給部３を内径３ｍｍ、高さ３ｍｍの有底円筒状とした場合には、マイクロ流路４の幅を１ｍｍ、高さを０．０７５ｍｍ、長さを８ｍｍ、後述する観測領域４２ａの長さを５ｍｍとした断面形状矩形の筒状に形成すればよい。

ここで、第２の流路４２の中央部には、界面での反応や移動速度を測定するための観測領域４２ａが形成されている。この観測領域４２ａには、各種センサの検出部が配設される。例えば、ＳＰＲ（surface plasmon resonance）測定装置のセンサヘッドを観測領域４２ａに密着させて、第２の流路４２内を流れる試薬と検体の界面の屈折率変化を観測することにより、それらの液体の流速を測定することができる。このような観測領域４２ａには、各種センサの検出部を配設するための切り欠き等を設けるようにしてもよい。
また、第２の流路４２の他端（出口）は、本体２の側面に開口し、負圧をかけるポンプ等の装置に接続されている。

このようなフローセル１は、例えば、ガラス（ＢＫ７）からなる基板上に、供給部３およびマイクロ流路４に対応する溝が形成されたＰＤＭＳ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。

＜フローセルの動作＞
次に、図１，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、マイクロ流路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）。

次に、マイクロ流路４内に試薬６０を導入する（ステップＳ２）。具体的には、供給部３に試薬６０を供給し、マイクロ流路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６０をマイクロ流路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、マイクロ流路４の入口の形状およびサイズ等に基づいて、負圧によりマイクロ流路４内の液体をマイクロ流路４の他端側へと引っ張る力とマイクロ流路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うように予め設定しておく。すると、試薬６０は、マイクロ流路４内を全て通り抜けてしまわず、マイクロ流路４の入口に液面６０ａが形成された状態となる。例えば、上述したように、マイクロ流路４の幅を１ｍｍ、高さを０．０７５ｍｍとする場合には、負圧は３ｍｂａｒとすればよい。

次に、ピペット５により検体５０を、供給部３の底面と対向する位置から供給部３内へと滴下する（ステップＳ３）。滴下された検体５０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。

ここで、供給部３の内径は、検体５０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５から検体５０を供給部３に滴下するとき、検体５０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。
また、供給部３の底面３１の略中央部には、マイクロ流路４における第１の流路４１の入口が開口している。これにより、ピペット５から検体５０を供給部３に滴下すると、検体は、供給部３の側面に接触する前に、マイクロ流路４の第１の流路４１の入口に形成された液面６０ａに接触する。すると、この液面６０ａが消失するので、検体５０は、第２の流路４２の出口側からの負圧によって第１の流路４１内に引き込まれる。これにより、観測領域４１ａにおいて、検体と試薬の界面がマイクロ流路４内を移動するところを観測することができる。

このとき、供給部３の底面３１の縁部に試薬など液体６１が残留していたとしても、この残留した液体６１と第１の流路４１の入口とは離間しているので、供給部３に供給された検体５０を残留している液体６１に接触する前に試薬６０に接触させることができる。これにより、検体５０と試薬６０との界面が乱れたり、マイクロ流路４内の液体の流れがいびつになったりすることを防ぐことができるので、結果として、安定した観測を実現することができる。

なお、ピペット５から供給部３へと吐出された液滴が供給部３の底面３１上で球面を維持している間は、ポンプによる負圧に加えて液滴の曲率半径による正圧が加わることになるが、供給部３の底面３１に液体が滞留してその液体の液面がほぼ平面となると、その正圧はなくなり、液体を駆動する圧力はポンプによって設定された一定値となる。

また、正確な測定のためには、検体と試薬の液々界面を観測している間、液体を駆動する圧力がポンプによって設定された一定値であることが重要であるが、供給部３のサイズ、検体の供給量や吐出速度などを適宜選択することにより、液体を駆動する圧力がポンプによって設定された一定値となったのちに検体と試薬の液々界面が観測領域４２ａに進入するようにタイミングを調整することができる。いったん検体と試薬の液々界面がマイクロ流路４内に引き込まれると、その後に検体の一部が、供給部３の底面３１の周辺に付着した液体に接触したとしても、液々界面の観測に影響を与えることはない。したがって、検体と試薬の液々界面は、供給部３に残留した液体の存在によって乱されることなく、安定的に形成されようになる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、供給部３の底部における略中央部に一端が開口したマイクロ流路４の第１の流路４１を設けることにより、供給部３に液体を供給するときに、供給部３の底部の縁部に残留した液体に触れる前に第１の流路４１の一端に液体が接触させることができる。これにより、マイクロ流路４に予め滞留させておいた液体と供給部３に供給された液体との界面が乱れたり、マイクロ流路４内の液体の流れがいびつになることを防ぐことができる。結果として、安定して観測することができる。

なお、本実施の形態において、供給部３が底部が封鎖された円筒形状（円管）に形成される場合を例に説明したが、供給部３の形状はこれに限定されず、例えば図３に示すように底部３２をすり鉢状に形成した供給部３’を用いるようにしてもよい。この場合について以下に説明する。

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３２がすり鉢状に形成されている。この底部３２の最深部には、第１の流路４１の一端（入口）が開口している。
この構成では、供給部３’の側面と底面がなす角度が鈍角になっているため、その側面と底面の境界部分の内壁には液体が残留しにくく、付着していたとしてもその量が少なくなる。したがって、供給部３’に試薬６０を供給した後に検体５０を注入する際、検体５０の液滴が試薬６０に接触する可能性が少なくなる。また、たとえ検体５０の液滴の一部が残留した試薬６０に接触したとしても、その残留した試薬６０は第１の流路４１の入口にある試薬６０の液面６０ａとは離れた位置にあるので、その接触によって検体５０と試薬６０の液々界面の形状に与える影響は殆どない。

ここで、検体５０と試薬６０の液々界面が観測領域４２ａに進入するタイミングは、本実施の形態と同様に、液体を駆動する圧力がポンプによって設定された一定値となった後に設定することができる。
また、供給部３’の底部がすり鉢状であり、その最深部が液体の引き口になっている場合には、供給部３’内の殆どの液体がマイクロ流路４に移動すると、液体が斜めの底面に貼り付く格好となるので、凹状となった液面の表面張力の影響で液体がポンプから加わる負圧に抵抗するようになるが、その後に液面の表面張力よりも負圧の方が大きくなり、供給部３’内に残った液体が凸状をなして最深部に溜まった状態に一気に遷移する、という現象がみられることがある。このような現象が起きると、マイクロ流路４内の液体を駆動する圧力が変動してしまうことになるが、これについても、供給部３’のサイズや検体の供給量を適宜選択することにより、検体と試薬の液々界面が観測領域を通過中にマイクロ流路４内の圧力変動が起きないよう、そのタイミングを調整することができる。結果として、検体と試薬の液々界面を安定的に形成して、観測することができる。

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、３，３’…供給部、４…マイクロ流路、５…ピペット、３１…底面、３２’…底部、４１…第１の流路、４２…第２の流路、４２ａ…観測領域、５０…検体、６０…試薬、６０ａ…液面。

Claims (2)

1. 本体と、
   この本体に形成された凹状の供給部と、
   前記本体に形成され、前記供給部の底部における略中央部に一端が開口したマイクロ流路と
   を備えることを特徴とするマイクロ流路デバイス。
2. 請求項１記載のマイクロ流路デバイスにおいて、
   前記供給部の底部は、すり鉢状に形成されている
   ことを特徴とするマイクロ流路デバイス。