JP2019070615A - マイクロ流体デバイス及びカートリッジ - Google Patents

Abstract

【課題】試薬の供給量のばらつきを小さくすることができ、しかも小型化を図ることを可能とする、マイクロ流体デバイスを提供する。【解決手段】流体が送液されるマイクロ流路を有するマイクロ流体デバイス１であって、主流路１５と、主流路１５に連ねられている第１の接続部１２ｂ１，１２ｂ２とを有する、マイクロチップ１１と、マイクロチップ１１に供給する試薬を保持するための試薬保持流路２５と、試薬保持流路２５に連ねられている第２の接続部２２ｂ１，２２ｂ２とを有するカートリッジ２１と、を備え、第１の接続部１２ｂ１，１２ｂ２及び第２の接続部２２ｂ１，２２ｂ２が接続されている、マイクロ流体デバイス１。【選択図】図５

Description

本発明は、流体が送液されるマイクロ流路を有するマイクロ流体デバイス及び該マイクロ流体デバイスに用いられるカートリッジに関する。

従来、流体が送液されるマイクロ流路を有するマイクロチップを備えるマイクロ流路デバイスが種々提案されている。この種のマイクロチップは、核酸や酵素などの生体物質の分析や無機イオンの分析等に用いられている。マイクロチップに試薬を供給する方法としては、例えば、ブリスター方式やロボット方式などが知られている。

例えば、下記の特許文献１には、液体試薬を内包したブリスターパックが内蔵されたマイクロチップが開示されている。特許文献１では、このブリスターパックを使用時に押圧することにより液体試薬が混合空間に送液され、検体や他の試薬との混合が行われている。

また、下記の特許文献２には、自動測定装置と組み合わされてなる自動測定用カートリッジが開示されている。特許文献２では、機械によりピペット操作が行われ、それによって試薬が供給されている。

特許第５４６６７４５号公報 特開２００６−１２５８６８号公報

しかしながら、特許文献１のように、ブリスター方式により試薬を供給する場合、供給量がばらつくという問題がある。加えて、機械によりブリスターパックを押圧する場合、高荷重負荷機構を持たせるために機械が大型化し、または複雑な構成を取らざるを得ないという問題がある。また、特許文献２のように、ロボット方式により試薬を供給する場合においても、装置が大型化したり、手間がかかったりするという問題がある。

本発明の目的は、試薬の供給量のばらつきを小さくすることができ、しかも小型化を図ることを可能とする、マイクロ流体デバイス及び該マイクロ流体デバイスに用いられるカートリッジを提供することにある。

本発明に係るマイクロ流体デバイスは、流体が送液されるマイクロ流路を有するマイクロ流体デバイスであって、主流路と、該主流路に連ねられている第１の接続部とを有する、マイクロチップと、前記マイクロチップに供給する試薬を保持するための試薬保持流路と、該試薬保持流路に連ねられている第２の接続部とを有するカートリッジと、を備え、前記第１の接続部及び前記第２の接続部が接続されている。

本発明に係るマイクロ流体デバイスのある特定の局面では、前記第１の接続部が接続穴であり、前記第２の接続部が接続管であり、前記接続穴に前記接続管が嵌合されることにより、前記第１の接続部及び前記第２の接続部が接続されている。

本発明に係るマイクロ流体デバイスの他の特定の局面では、前記マイクロチップが第１の主面を有し、前記マイクロチップの前記第１の主面上に、前記カートリッジが設けられている。

本発明に係るマイクロ流体デバイスのさらに他の特定の局面では、前記カートリッジが前記マイクロチップ側の第２の主面を有し、前記カートリッジにおいて、前記第２の主面から少なくとも一部が突出するように前記接続管が設けられており、前記マイクロチップにおいて、前記第１の主面から前記主流路に至るように前記接続穴が設けられている。

本発明に係るカートリッジは、本発明に従って構成されるマイクロ流体デバイスに用いられるカートリッジであって、前記マイクロチップの前記主流路に供給する試薬を保持するための試薬保持流路と、前記試薬保持流路に連ねられている前記第２の接続部と、
を備える。

本発明に係るカートリッジのある特定の局面では、前記第２の接続部の開口部分を封止しているシール部材をさらに備える。

本発明によれば、試薬の供給量のばらつきを小さくすることができ、しかも小型化を図ることを可能とする、マイクロ流体デバイスを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスの外観を示す模式的斜視図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスを構成するマイクロチップの外観を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスを構成するカートリッジの外観を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスのマイクロ流路を説明するための模式的平面図である。 図４のＡ−Ａ線に沿う模式的断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

（マイクロ流体デバイス）
図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスの外観を示す模式的斜視図である。図２は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスを構成するマイクロチップの外観を示す斜視図である。また、図３は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスを構成するカートリッジの外観を示す斜視図である。

図１に示すように、マイクロ流体デバイス１は、マイクロチップ１１と、カートリッジ２１とを備える。マイクロチップ１１は、第１の主面１１ａを有する。本実施形態では、このマイクロチップ１１の第１の主面１１ａ上に、カートリッジ２１が設けられている。

マイクロチップ１１は、第１の接続部１２ａ〜１２ｃを有する。本実施形態では、第１の接続部１２ａ〜１２ｃがそれぞれ、接続穴である。一方、カートリッジ２１は、第２の接続部２２ａ〜２２ｃを有する。本実施形態では、第２の接続部２２ａ〜２２ｃがそれぞれ、接続管である。図３に示すように、第２の接続部２２ａ〜２２ｃとしての接続管は、第２の主面２１ａから少なくとも一部が突出するように設けられている。

図１に戻り、この第２の接続部２２ａ〜２２ｃである接続管は、第１の接続部１２ａ〜１２ｃである接続穴に嵌合されている。それによって、第１の接続部１２ａ〜１２ｃ及び第２の接続部２２ａ〜２２ｃが接続されている。

また、図２に示すように、本実施形態では、マイクロチップ１１にさらに位置合わせ管
１３ａ，１３ｂが設けられている。位置合わせ管１３ａ，１３ｂは、マイクロチップ１１の第１の主面１１ａから少なくとも一部が突出するように設けられている。図１に示すように、この位置合わせ管１３ａ，１３ｂは、カートリッジ２１の貫通孔２３ａ，２３ｂに嵌合されている。なお、本発明において、位置合わせ管１３ａ，１３ｂ及び貫通孔２３ａ，２３ｂは、設けられていなくてもよい。もっとも、マイクロチップ１１及びカートリッジ２１を接続する際の位置合わせをより一層精度よく行う観点から、位置合わせ管１３ａ，１３ｂ及び貫通孔２３ａ，２３ｂは設けられていることが好ましい。なお、位置合わせ管１３ａ，１３ｂ及び貫通孔２３ａ，２３ｂの数は、特に限定されず、例えば位置合わせ管及び貫通孔が３組以上設けられていてもよい。

図４は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスのマイクロ流路を説明するための模式的平面図である。また、図５は、図４中のＡ−Ａ線に沿う部分の模式的断面図である。

図４に示すように、マイクロ流体デバイス１の内部には、マイクロ流路２が設けられている。マイクロ流路２とは、流体の搬送に際し、マイクロ効果が生じるような微細な流路をいう。このようなマイクロ流路２では、流体は、表面張力の影響を強く受け、通常の大寸法の流路を流れる流体とは異なる挙動を示す。

マイクロ流路２の横断面形状及び大きさは、上記のマイクロ効果が生じる流路であれば特に限定はされない。例えば、マイクロ流路２に流体を流す際、ポンプや重力を用いる場合には、流路抵抗をより一層低下させる観点から、マイクロ流路２の横断面形状がおおむね長方形（正方形を含む）の場合には、小さい方の辺の寸法で、２０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上がさらに好ましい。また、マイクロ流体デバイス１をより一層小型化する観点より、５ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がより好ましく、５００μｍ以下がさらに好ましい。

また、マイクロ流路２の横断面形状がおおむね円形の場合には、直径（楕円の場合には、短径）が、２０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上がさらに好ましい。マイクロ流体デバイス１をより一層小型化する観点からは、直径（楕円の場合には、短径）が、５ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がより好ましく、５００μｍ以下がさらに好ましい。

一方、例えば、マイクロ流路２に流体を流す際、毛細管現象をより一層有効に活用するときに、マイクロ流路２の横断面形状がおおむね長方形（正方形を含む）の場合には、小さい方の辺の寸法で、５μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましく、２０μｍ以上であることがさらに好ましい。また、小さい方の辺の寸法で、２００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましい。

図４に示すように、このマイクロ流路２は、主流路１４〜１６を有する。主流路１４〜１６は、マイクロチップ１１内に設けられており、上流側マイクロ流路１４ａ〜１６ａ及び下流側マイクロ流路１４ｂ〜１６ｂを有する。上流側マイクロ流路１４ａ〜１６ａの上流側端部にはそれぞれ、送液手段としてのマイクロポンプ１７〜１９が設けられている。

以下、図５を参照して、マイクロ流路デバイスの断面構造について、主流路１５が設けられている部分を例に挙げて説明する。もっとも、主流路１４，１６が設けられている部分も同様の断面構造を有するものとする。また、図５において、上流側及び下流側の接続部を区別するため、上流側を第１の接続部１２ｂ１及び第２の接続部２２ｂ１とし、下流側を第１の接続部１２ｂ２及び第２の接続部２２ｂ２とするものとする。

図５に示すように、上流側マイクロ流路１５ａの下流側端部は、第１の接続部１２ｂ１に連ねられている。第１の接続部１２ｂ１は、マイクロチップ１１において第１の主面１１ａから上流側マイクロ流路１５ａに至るように設けられている接続穴である。第１の接続部１２ｂ１である接続穴には、カートリッジ２１の第２の主面２１ａから少なくとも一部が突出している接続管である第２の接続部２２ｂ１が嵌合されている。それによって、第１の接続部１２ｂ１及び第２の接続部２２ｂ１が接続されている。

第２の接続部２２ｂ１は、カートリッジ２１内に設けられている試薬保持流路２５に連ねられている。試薬保持流路２５の下流側端部は、第２の接続部２２ｂ２に連ねられている。

第２の接続部２２ｂ２は、カートリッジ２１の第２の主面２１ａから少なくとも一部が突出している接続管である。この接続管が、マイクロチップ１１の第１の接続部１２ｂ２である接続穴に嵌合されている。それによって、第１の接続部１２ｂ２及び第２の接続部２２ｂ２が、接続されている。なお、第１の接続部１２ｂ２である接続穴は、マイクロチップ１１において第１の主面１１ａから下流側マイクロ流路１５ｂに至るように設けられている。

第１の接続部１２ｂ２は、下流側マイクロ流路１５ｂに連ねられている。そしてこの下流側マイクロ流路１５ｂが図４の混合反応部２０に連ねられている。

次に、このような流路構造を有するマイクロ流体デバイス１の使用方法について説明する。

まず、図３に示すカートリッジ２１の試薬保持流路２４〜２６にそれぞれ、一定量の液体試薬を供給する。なお、試薬保持流路２４〜２６に供給された液体試薬は、その状態で一定期間保存した後に用いてもよい。この際、第２の接続部２２ａ〜２２ｃの開口部分２２Ａ〜２２Ｃを、シール部材により封止することが好ましい。この場合、液体試薬の蒸散をより一層生じ難くし、液体試薬の保存安定性をより一層高めることができる。なお、シール部材による封止は、例えば、アルミシールによる封止や、ポリエステルフィルムシールによる封止、又は蓋形状の成型体での封止などが挙げられる。

また、試薬保持流路２４〜２６に入れる液体試薬としては、例えば、精製水、抗体溶液、緩衝液、ラテックス溶液、発色基質溶液、ＰＣＲ溶液などが挙げられる。また、試薬保持流路２４〜２６に入れる液体試薬の体積は、例えば、それぞれ、１μＬ〜３００μＬとすることができる。

次に、シール部材を用いた場合はシール部材を除去した後、カートリッジ２１の第２の接続部２２ａ〜２２ｃと、図２に示すマイクロチップ１１の第１の接続部１２ａ〜１２ｃとを接続させる。本実施形態では、第２の接続部２２ａ〜２２ｃである接続管を、第１の接続部１２ａ〜１２ｃである接続穴に嵌め合わせる。それによって、第１の接続部１２ａ〜１２ｃ及び第２の接続部２２ａ〜２２ｃを接続させる。なお、本発明においては、第１の接続部１２ａ〜１２ｃが接続管であり、第２の接続部２２ａ〜２２ｃが接続穴であってもよい。第１の接続部１２ａ〜１２ｃ及び第２の接続部２２ａ〜２２ｃの接続方法は、特に限定されない。

また、接続の際には、上述の位置合わせ管１３ａ，１３ｂを貫通孔２３ａ，２３ｂに嵌合させることにより接続させることが好ましい。この場合、位置合わせの精度をより一層高めることができる。

次に、図４に示すマイクロポンプ１７〜１９を用いて、上流側マイクロ流路１４ａ〜１６ａを介して試薬保持流路２４〜２６に液体や空気、又は所定のガスを送り込む。それによって、試薬保持流路２４〜２６に保持されている液体試薬を下流側の混合反応部２０に送液する。なお、マイクロポンプ１７〜１９は、本実施形態のように、マイクロチップ１１の内部に設けられていてもよいし、マイクロチップ１１の外部に設けられていてもよい。

また、マイクロポンプ１７〜１９以外の他の送液手段を用いてもよい。他の送液手段としては、上流側マイクロ流路１４ａ〜１６ａより上流側に連結された空間に配置されたガス発生部材が挙げられる。ガス発生部材とは、光や熱等の外力によりガスを発生する部材である。ガス発生部材に所定のタイミングで外力を加えることによりガスを発生させ、試薬保持流路２４〜２６にガスを送り込むことができる。それによって、試薬保持流路２４〜２６から混合反応部２０側へ流体を送液することができる。ガス発生部材としては、例えば、ガス発生テープが挙げられる。

このような送液手段により、試薬保持流路２４〜２６から下流側マイクロ流路１４ｂ〜１６ｂを通って混合反応部２０に液体試薬を送液する。それによって、試薬保持流路２４〜２６からそれぞれ送液された液体試薬を混合反応部２０で混合し反応させることができる。なお、混合反応部２０には、さらに他のマイクロポンプを接続してもよい。この場合、他のマイクロポンプから混合反応部２０に液体や空気又は所定のガスなどを送り込むことにより、液体試薬をより一層均一に混合させ反応させることができる。

マイクロ流体デバイス１では、上記のようにカートリッジ２１の試薬保持流路２４〜２６に一定量の試薬を導入することができ、例えば上述の送液手段を用いて確実に混合反応部２０に試薬を送液することができる。そのため、マイクロ流体デバイス１では、ブリスター方式のように、試薬の供給量にばらつきが生じ難い。また、ロボット方式により試薬を供給せずとも確実に試薬を供給できることから、装置が大型化するおそれも生じない。従って、マイクロ流体デバイス１では、試薬の供給量のばらつきを小さくすることができ、しかも小型化を図ることができる。

なお、マイクロ流体デバイス１を構成する材料は、特に限定されない。例えば、マイクロチップ１１及びカートリッジ２１は、合成樹脂の成形体の積層構造であってもよい。また、マイクロチップ１１及びカートリッジ２１は、合成樹脂の射出成形品であってもよくガラス、金属ゴムであってもよい。

（カートリッジ）
カートリッジ２１は、マイクロ流体デバイス１などの本発明のマイクロ流路デバイスに用いられるカートリッジである。

図３に示すように、カートリッジ２１は、試薬保持流路２４〜２６と、第２の接続部２２ａ〜２２ｃとを備える。試薬保持流路２４〜２６は、マイクロチップ１１の主流路１４〜１６に供給する試薬を保持するための流路である。第２の接続部２２ａ〜２２ｃは、試薬保持流路２４〜２６に連ねられている。

第２の接続部２２ａ〜２２ｃは、接続管である。この接続管は、カートリッジ２１の第２の主面２１ａから少なくとも一部が突出するように設けられており、マイクロチップ１１の第１の接続部１２ａ〜１２ｃである接続穴に嵌め合わせることができる。それによって、カートリッジ２１の第２の接続部２２ａ〜２２ｃと、マイクロチップ１１の第１の接続部１２ａ〜１２ｃとを接続させることができる。

第２の接続部２２ａ〜２２ｃの開口部分２２Ａ〜２２Ｃは、シール部材により封止されていてもよい。この際、試薬保持流路２４〜２６に試薬を収納した状態で封止することが好ましい。この場合、試薬保持流路２４〜２６に収納された液体試薬の蒸散をより一層生じ難くし、液体試薬の保存安定性をより一層高めることができる。シール部材による封止としては、例えば、アルミシール、ポリエステルフィルムシール、蓋形状の成型体による封止などが挙げられる。

カートリッジ２１では、試薬保持流路２４〜２６に一定量の試薬を導入することができる。また、上述のマイクロチップ１１と組み合わせることにより、確実に混合反応部２０に試薬を送液することができる。そのため、ブリスター方式のように試薬の供給量にばらつきが生じ難い。また、また、ロボット方式により試薬を供給せずとも確実に試薬を供給できることから、装置が大型化するおそれも生じない。従って、カートリッジ２１によれば、試薬の供給量のばらつきを小さくすることができ、しかもマイクロ流体デバイス１の小型化を図ることができる。

１…マイクロ流体デバイス
２…マイクロ流路
１１…マイクロチップ
１１ａ…第１の主面
１２ａ〜１２ｃ，１２ｂ１，１２ｂ２…第１の接続部
１３ａ，１３ｂ…位置合わせ管
１４〜１６…主流路
１４ａ〜１６ａ…上流側マイクロ流路
１４ｂ〜１６ｂ…下流側マイクロ流路
１７〜１９…マイクロポンプ
２０…混合反応部
２１…カートリッジ
２１ａ…第２の主面
２２ａ〜２２ｃ，２２ｂ１，２２ｂ２…第２の接続部
２２Ａ〜２２Ｃ…開口部分
２３ａ，２３ｂ…貫通孔
２４〜２６…試薬保持流路

Claims (6)

1. 流体が送液されるマイクロ流路を有するマイクロ流体デバイスであって、
   主流路と、該主流路に連ねられている第１の接続部とを有する、マイクロチップと、
   前記マイクロチップに供給する試薬を保持するための試薬保持流路と、該試薬保持流路に連ねられている第２の接続部とを有するカートリッジと、
   を備え、
   前記第１の接続部及び前記第２の接続部が接続されている、マイクロ流体デバイス。
2. 前記第１の接続部が接続穴であり、
   前記第２の接続部が接続管であり、
   前記接続穴に前記接続管が嵌合されることにより、前記第１の接続部及び前記第２の接続部が接続されている、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
3. 前記マイクロチップが第１の主面を有し、
   前記マイクロチップの前記第１の主面上に、前記カートリッジが設けられている、請求項１又は２に記載のマイクロ流体デバイス。
4. 前記カートリッジが前記マイクロチップ側の第２の主面を有し、
   前記カートリッジにおいて、前記第２の主面から少なくとも一部が突出するように前記接続管が設けられており、
   前記マイクロチップにおいて、前記第１の主面から前記主流路に至るように前記接続穴が設けられている、請求項２又は３に記載のマイクロ流体デバイス。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイスに用いられるカートリッジであって、
   前記マイクロチップの前記主流路に供給する試薬を保持するための試薬保持流路と、
   前記試薬保持流路に連ねられている前記第２の接続部と、
   を備える、カートリッジ。
6. 前記第２の接続部の開口部分を封止しているシール部材をさらに備える、請求項５に記載のカートリッジ。

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