JP2023051246A - 液体取扱装置および液体取扱システム - Google Patents

Abstract

【課題】少量の試薬のロスを少なくできる液体取扱装置を提供すること。【解決手段】液体取扱装置は、凍結させなくても保存できる第１試薬が貯留された第１貯留部を含むカートリッジと、凍結して保存すべき第２試薬が貯留された第２貯留部と、第２貯留部に接続された流路とを含む流路チップと、を有する。カートリッジは、流路チップに着脱可能である。カートリッジが流路チップに装着されているとき、第１貯留部は流路に接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、液体取扱装置および液体取扱システムに関する。

近年、細胞や、タンパク質、核酸などの分析を行うために、流路チップなどが使用されている。流路チップは、分析に必要な試薬および試料の量が少なくてよいという利点を有しており、臨床検査や食物検査、環境検査などの様々な用途での使用が期待されている。

例えば、特許文献１には、試薬やバッファーなどが貯留された容量の大きな試薬供給装置と、ＰＣＲ試薬などが貯留された容量の少ない補水カバーと、各流路を含むチップとを有するマイクロ流路システムが記載されている。特許文献１に記載のマイクロ流路システムでは、チップと、試薬供給装置と、補水カバーとは、別体に構成されている。特許文献１に記載のこのマイクロ流路システムでは、チップに対して、試薬供給装置および補水カバーを外部接続した状態で使用される。

米国特許出願公開第２０１４／０２０６０７３号明細書

しかしながら、特許文献１に記載のマイクロ流路システムでは、容量の少ない補水カバーが外部接続されるため、デットボリュームが大きくなってしまい、補水カバーに貯留された少ない試薬のロスが大きくなるという問題があった。

本発明の目的は、少量の試薬のロスを少なくできる液体取扱装置および液体取扱システムを提供することである。

本発明の液体取扱装置は、凍結させなくても保存できる第１試薬が貯留された第１貯留部を含むカートリッジと、凍結して保存すべき第２試薬が貯留された第２貯留部と、前記第２貯留部に接続された流路とを含む流路チップと、を有し、前記カートリッジは、前記流路チップに着脱可能であり、前記カートリッジが前記流路チップに装着されているとき、前記第１貯留部は前記流路に接続される。

本発明の液体取扱システムは、本発明の液体取扱装置と、前記液体取扱装置を流れる液体を制御するための液体制御装置と、を有する。

本発明によれば、少量の試薬のロスを少なくできる液体取扱装置および液体取扱システムを提供できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る液体取扱システムの斜視図である。 図２は、液体取扱システムの模式的な断面図である。 図３は、流路チップの平面図である。 図４Ａ～Ｃは、基板およびフィルムの構成を示す図である。 図５Ａ、Ｂは、第１ロータリー部材の構成を示す模式図である。 図６Ａ、Ｂは、第２ロータリー部材の構成を示す模式図である。

以下、本発明の一実施の形態に係る液体取扱システムについて、図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、液体を処理するための液体取扱装置および液体取扱システムについて説明する。

（液体取扱システムの構成）
図１は、本実施の形態に係る液体取扱システム１００の構成を示す斜視図である。図２は、液体取扱システム１００の模式的な断面図である。なお、図２では、液体取扱システム１００の構成をわかりやすくするために、各構成要素を離して図示している。また、図１および図２では、封止部材（第１封止部材１２８ａ、第２封止部材１２８ｂ）を点線で示している。

図１および図２に示されるように、液体取扱システム１００は、流路チップ１１１およびカートリッジ１１２を含む液体取扱装置１１０と、第１ロータリー部材１４１および第２ロータリー部材１４２を含む液体制御装置１２０とを有する。第１ロータリー部材１４１は、図外の駆動機構により第１中心軸ＣＡ１を中心に回転させられる。第２ロータリー部材１４２は、図外の駆動機構により第２中心軸ＣＡ２を中心に回転させられる。液体取扱装置１１０は、基板１１３およびフィルム１１４を有し、フィルム１１４が第１ロータリー部材１４１および第２ロータリー部材１４２に接触するように設置される。

液体取扱装置１１０は、流路チップ１１１と、カートリッジ１１２とを有する。

図３は、流路チップ１１１の平面図（基板１１３の平面図）である。図４Ａは、基板１１３の平面図であり、図４Ｂは、基板１１３の底面図であり、図４Ｃは、フィルム１１４の平面図である。図３では、基板１１３のフィルム１１４側の面に形成された溝（流路）などを破線で示している。

図１および図２に示されるように、流路チップ１１１は、基板１１３およびフィルム１１４を有する。図３および図４Ａ～Ｃに示されるように、基板１１３には、流路となるための溝、ウェルとなるための凹部、および導入口または取出口となる貫通孔が形成されている。フィルム１１４は、基板１１３に形成された溝、凹部および貫通孔の開口部を塞ぐように基板１１３の一方の面に接合されている。フィルム１１４の一部の領域は、ダイヤフラムとして機能する。フィルム１１４により塞がれた基板１１３の溝は、試薬や液体試料、洗浄液などの液体を流すための流路となる。

基板１１３の厚みは、特に限定されない。例えば、基板１１３の厚みは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。また、基板１１３の材料も、特に限定されない。例えば、基板１１３の材料は、公知の樹脂およびガラスから適宜選択されうる。基板１１３の材料の例には、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエーテル、ポリエチレン、ポリスチレン、シクロオレフィン系樹脂、シリコーン樹脂およびエラストマーが含まれる。

フィルム１１４の厚みは、ダイヤフラムとして機能することが可能であれば特に限定されない。例えば、フィルム１１４の厚みは、３０μｍ以上３００μｍ以下である。また、フィルム１１４の材料も、ダイヤフラムとして機能することが可能であれば特に限定されない。例えば、フィルム１１４の材料は、公知の樹脂から適宜選択されうる。フィルム１１４の材料の例には、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエーテル、ポリエチレン、ポリスチレン、シクロオレフィン系樹脂、シリコーン樹脂およびエラストマーが含まれる。フィルム１１４は、例えば熱溶着やレーザ溶着、接着剤などにより基板１１３に接合される。

本実施の形態では、流路チップ１１１は、第１流路１１５と、第１流路１１５にそれぞれ接続された複数のウェル１１６と、ウェル１１６と第１流路１１５との間にそれぞれ配置された複数のバルブ１１７とを有する。ウェル１１６およびバルブ１１７の数は、特に限定されず、流路チップ１１１の用途に応じて適宜設定される。

ウェル１１６は、血液などの検体や洗浄液などを導入するか、廃液などを排出するための有底の凹部である。本実施の形態では、ウェル１１６は、凍結させなくても保存できる第１試薬が貯留されたカートリッジ１１２の第１貯留部１２３が接続される第１ウェル１１６ａと、凍結して保存すべき第２試薬が貯留された第２ウェル（第２貯留部）１１６ｂとを有する。本実施の形態では、これらの凹部は、それぞれ、基板１１３に形成されている貫通孔と、当該貫通孔の一方の開口部を閉塞しているフィルム１１４とから構成されている。これらの凹部の形状および大きさは、特に限定されず、連通管１２７の形状に合わせて適宜設定されうる。これらの凹部の形状は、例えば、略円柱形状である。これらの凹部の幅は、例えば２ｍｍ程度である。

第１ウェル１１６ａには、カートリッジ１１２の連通管１２７が接続される。一方、第２ウェル１１６ｂには、連通管１２７は接続されない。すなわち、本実施の形態では、第２ウェル１１６ｂの開口部は、カートリッジ１１２が装着される領域以外の領域に開口していることが好ましい。これにより、カートリッジ１１２を装着した状態でも、例えば第２試薬を溶解させるための溶液などを第２ウェル１１６ｂに注入できる。

第２ウェル１１６ｂには、凍結して保存すべき第２試薬が貯留され、第１流路１１５に接続される。凍結して保存すべき第２試薬には、凍結乾燥された試薬を含む。すなわち、第２試薬は、保管や運搬時には凍結されており、使用時に溶融または溶解して使用される試薬である。第２試薬は、一般に使用する量が少ない試薬である。第２試薬の例には、抗体、酵素、アプタマー、蛍光試薬、ペプチド、ＤＮＡ、ＲＮＡが含まれる。

第２ウェル１１６ｂは、運搬時にはその開口部が第２封止部材１２８ｂにより封止されており、使用時にその封止を解除することが好ましい。第２ウェル１１６ｂの開口部を封止する方法は、第２試薬を第２ウェル１１６ｂに貯留しておくことができれば特に限定されず、公知の方法によって第２ウェル１１６ｂの開口部を封止できる。

第１流路１１５は、その内部を液体が移動しうる流路である。第１流路１１５の一方の側の複数の端部は、第１ウェル１１６ａまたは第２ウェル１１６ｂとそれぞれ接続されている。第１流路１１５の他方の側の端部は、ロータリーメンブレンポンプ１１８に接続されている。第１流路１１５は、基板１１３に形成されている溝と、当該溝の開口部を閉塞しているフィルム１１４とから構成されている。第１流路１１５の断面積および断面形状は、特に限定されない。本明細書において、「流路の断面」とは、液体が流れる方向に直交する流路の断面を意味する。これらの流路の断面形状は、例えば、一辺の長さ（幅および深さ）が数十μｍ程度の略矩形状である。これらの流路の断面積は、液体の流れ方向において、一定であってもよいし、一定でなくてもよい。本実施の形態では、これらの流路の断面積は、一定である。

複数のバルブ１１７は、第１流路１１５と複数の第１ウェル１１６ａまたは複数の第２ウェル１１６ｂとの間に配置された、これらの間の液体の流れを制御するメンブレンバルブ（ダイヤフラムバルブ）である。本実施の形態では、これらのバルブは、第１ロータリー部材１４１の回転により開閉が制御されるロータリーメンブレンバルブである。本実施の形態では、これらのバルブは、第１中心軸ＣＡ１を中心とする１つの円の円周上に配置されている。

ロータリーメンブレンポンプ１１８は、基板１１３とフィルム１１４との間に形成された、平面視形状が略円弧状（「Ｃ」の字形状）の空間である。ロータリーメンブレンポンプ１１８の一方の端は第１流路１１５に接続されており、ロータリーメンブレンポンプ１１８の他方の端は外部に開口した第２流路１１９に接続されている。第２流路１１９は、基板１１３に形成されている溝と、当該溝の開口部を閉塞しているフィルム１１４とから構成されている。本実施の形態では、ロータリーメンブレンポンプ１１８は、基板１１３の底面に配置された溝と、当該溝に対向した平らな可撓性を有するフィルム１１４の一部であるダイヤフラム１１８ａとから構成されている。ダイヤフラム１１８ａは、第２中心軸ＣＡ２を中心とする１つの円の円周上に配置されている。上記円周に直交するダイヤフラム１１８ａの断面形状は、特に限定されず、本実施の形態では直線状である。なお、ロータリーメンブレンポンプ１１８は、基板１１３の底面と、上記底面から離間しつつも対向しているダイヤフラム１１８ａとから構成されていてもよい。

ロータリーメンブレンポンプ１１８のダイヤフラム１１８ａは、第２ロータリー部材１４２の第２凸部１４７により押圧されたときに撓んで基板１１３に接触する。例えば、第２凸部１４７が第１流路１１５との接続部から第２流路１１９との接続部に向けて（図３において反時計回りに）ダイヤフラム１１８ａを摺動しながら押圧したとき、第１流路１１５内の流体がロータリーメンブレンポンプ１１８に向けて移動して第１流路１１５内が陰圧になるとともに、ロータリーメンブレンポンプ１１８内の流体が第２流路１１９に向けて移動して第２流路１１９内が陽圧になる。一方、第２凸部１４７が第２流路１１９との接続部から第１流路１１５との接続部に向けて（図３において時計回りに）ダイヤフラム１１８ａを摺動しながら押圧したとき、第２流路１１９内の流体がロータリーメンブレンポンプ１１８に向けて移動して第２流路１１９内が陰圧になるとともに、ロータリーメンブレンポンプ１１８内の流体（例えば空気）が第１流路１１５に向けて移動して第１流路１１５内が陽圧になる。

図１および図２に示されるように、カートリッジ１１２は、流路チップ１１１に対して着脱可能に構成されており、カートリッジ本体１２１と、スライド部１２２とを有する。なお、実施の形態では、カートリッジ１１２は、上記の構成に加え、第１封止部材１２８ａを有していている。

カートリッジ本体１２１は、スライド部１２２に対して着脱可能であって、かつスライド可能に構成されている。カートリッジ本体１２１は、複数の第１貯留部１２３を有する。なお、本実施の形態では、カートリッジ本体１２１は、連通管１２７の一部である第１連通管１２４をさらに有する。

複数の第１貯留部１２３には、それぞれ第１試薬を貯留する。複数の第１貯留部１２３の容積のそれぞれは、特に限定されない。複数の第１貯留部１２３の容積は、全て同じでもよいし、それぞれ異なっていてもよい。複数の第１貯留部１２３の数は、特に限定されない。本実施の形態では、第１貯留部１２３の数は、１３個である。

第１貯留部１２３には、流路チップ１１１の流路（第１流路１１５）に接続されるように構成されている貫通孔１２５が底部に開口している。

第１貯留部１２３には、凍結させなくても保存できる第１試薬が貯留されている。第１試薬は、凍結されていても保存できるし、凍結されていなくても保存できる。本実施の形態では、第１試薬は、凍結されておらず、液体である。本実施の形態では、第１貯留部１２３は、第１封止部材１２８ａにより封止されており、保存、運搬時に第１試薬がこぼれ出すことがない。第１試薬の例には、洗浄液、緩衝液、水、希釈液、色素液（蛍光色素を除く）、磁気ビーズを含む液体が含まれる。

第１貯留部１２３の容積と、第２ウェル（第２貯留部）１１６ｂの容積との比率は、３０：１～７０：１の範囲内であることが好ましく、１０：１～２０：１の範囲内であることがより好ましい。より具体的には、例えば第２ウェル（第２貯留部）１１６ｂの容積が１０μＬ程度であり、第１貯留部１２３の容積が１００～２００μＬの範囲内である。上述したカートリッジ１１２（カートリッジ本体１２１）は、ある程度の量が必要な洗浄液などの第１試薬を収容し、取り扱い容易にするため、ある程度の大きさを要する。その結果、第１貯留部１２３の大きさもある程度大きくなる。第１貯留部１２３に少量しか使わない試薬（第２試薬）を少量だけしか貯留しないと、第１貯留部１２３の内壁に少量しか使わない試薬（第２試薬）が付着して使用できない可能性があるため、第１貯留部１２３に貯留される試薬は、ある程度の量が必要である。そうすると、必要量よりも多い量の試薬を入れなければならないし、さらには第１連通管１２４の体積分も無題になる。よって、第１貯留部１２３の容積と比較して、第２ウェル（第２貯留部）１１６ｂの容積を小さくすることで、第２ウェル（第２貯留部）１１６ｂにおけるデットボリュームを減らすことができるため、第２試薬のロスを減らすことができる。

第１連通管１２４は、連通管１２７の上流側の一部である。第１連通管１２４の上流端は第１貯留部１２３に接続されており、下流端には第２連通管１３２が接続されている。

第２ウェル（第２貯留部）１１６ｂと第１流路１１５との間の流路は、第１貯留部１２３と第１流路１１５との間の流路よりも短いことが好ましい。これにより、第２ウェル（第２貯留部）１１６ｂに貯留された第２試薬のロスをさらに防ぐことができる。

スライド部１２２は、パッキン１３１と、連通管１２７の下流側である第２連通管１３２とを有し、カートリッジ本体１２１に対してスライド可能に構成されている（図１参照）。パッキン１３１は、ウェル１１６と第２連通管１３２との間に配置され、連通管１２７とウェル１１６との間から第１試薬の液漏れを防ぐ。

第２連通管１３２は、連通管１２７のパッキン１３１側の一部である。第２連通管１３２の一方の端部は第１連通管１２４が接続されており、他方の端部はパッキン１３１が配置されている（図２参照）。

連通管１２７は、第１貯留部１２３とパッキン１３１との間の流路が連通した状態でも、第１貯留部１２３とパッキン１３１との間の流路が遮断された状態でも、第１貯留部１２３とパッキン１３１とを接続する。連通管１２７の材料は、第１貯留部１２３とパッキン１３１との接続を維持できれば特に限定されない。連通管１２７の材料の例には、シリコーン、ウレタン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル系樹脂のＴｙｇｏｎ（登録商標）が含まれる。

スライド部１２２に対して、カートリッジ本体１２１をスライドすることで、第１貯留部１２３とパッキン１３１との間の流路を開閉できる。

図５Ａは、第１ロータリー部材１４１の平面図であり、図５Ｂは、図５Ａに示されるＡ－Ａ線の断面図である。図６Ａは、第２ロータリー部材１４２の平面図であり、図６Ｂは、図６Ａに示されるＡ―Ａ線の断面図である。

液体制御装置１２０は、第１ロータリー部材１４１と、第２ロータリー部材１４２とを有する（図１および図２参照）。

図５Ａ、Ｂに示されるように、第１ロータリー部材１４１は、円柱形状の第１本体１４３と、第１本体１４３の天面に配置された第１凸部１４４と、第１本体１４３の天面に配置された第１凹部１４５とを有する。第１本体１４３は、図外の駆動機構により第１中心軸ＣＡ１を中心に回転させられる。

第１本体１４３の上部には、バルブ１１７のダイヤフラム１１８ａを押圧して、バルブ１１７を閉じさせるための第１凸部１４４と、ダイヤフラムを押圧せずに開かせるための第１凹部１４５とが配置されている。第１凸部１４４および第１凹部１４５は、第１中心軸ＣＡ１を中心とする円の円周上に配置されている。本実施の形態では、第１凸部１４４の平面視形状は、第１中心軸ＣＡ１を中心とする円の一部に対応する円弧状（「Ｃ」の字形状）である。円周上において第１凸部１４４が存在しない領域が、第１凹部１４５である。

図６Ａ、Ｂに示されるように、第２ロータリー部材１４２は、円柱形状の第２本体１４６と、第２本体１４６の天面に配置された第２凸部１４７とを有する。第２本体１４６は、第２中心軸ＣＡ２を中心として回転可能である。第２本体１４６は、図外の駆動機構により回転させられる。

第２本体１４６の上部には、ダイヤフラム１１８ａを摺動しながら押圧して、ロータリーメンブレンポンプ１１８を作動させるための第２凸部１４７が設けられている。第２凸部１４７は、第２中心軸ＣＡ２を中心とする円の円周上に配置されている。第２凸部１４７の形状は、ロータリーメンブレンポンプ１１８を適切に作動させることができれば特に限定されない。本実施の形態では、第２凸部１４７の平面視形状は、第２中心軸ＣＡ２を中心とする円の一部に対応する円弧状である。

本実施の形態に係る液体取扱システム１００では、第１ロータリー部材１４１の第１凸部１４４が、流路チップ１１１の複数のバルブ１１７の開閉を制御する。これを達成するために、流路チップ１１１の複数のバルブ１１７および第１ロータリー部材１４１の第１凸部１４４は、第１中心軸ＣＡ１を中心とする第１円の円周上に位置するように配置されている。

同様に、本実施の形態に係る液体取扱システム１００では、第２ロータリー部材１４２の第２凸部１４７が、流路チップ１１１のロータリーメンブレンポンプ１１８の動作を制御する。これを達成するために、流路チップ１１１のロータリーメンブレンポンプ１１８および第２ロータリー部材１４２の第２凸部１４７は、第２中心軸ＣＡ２を中心とする第２円の円周上に位置するように配置されている。

このように構成された液体取扱装置１１０では、使用時に流路チップ１１１にカートリッジ１１２が装着される。この場合、カートリッジ１１２の第１貯留部１２３には、凍結させなくても保存できる第１試薬が貯留されている。なお、第１貯留部１２３に凍結した第１試薬が貯留されている場合には、流路チップ１１１にカートリッジ１１２があらかじめ装着されていてもよい。

（液体取扱システムの動作）
本発明に係る液体取扱システム１００は、流路チップ１１１にカートリッジ１１２が装着された液体取扱装置１１０を液体制御装置１２０に搭載して使用される。

液体取扱装置１１０は、第１ロータリー部材１４１を第１中心軸ＣＡ１を中心に回転させ、移動させたいウェル１１６に対応したバルブ１１７を開く。次いで、第２ロータリー部材１４２を第２中心軸ＣＡ２を中心に回転させ、ウェル１１６内の液体を第１流路１１５に移動させる。

次いで、第１ロータリー部材１４１を第１中心軸ＣＡ１を中心に回転させ、第１流路１１５内の液体を移動させたいウェル１１６に対応したバルブ１１７を開く。次いで、第２ロータリー部材１４２を第２中心軸ＣＡ２を中心に回転させ、第１流路１１５内の液体を移動させたいウェル１１６に移動させる。

このように、ウェル１１６から第１流路１１５への液体（第１試薬または第２試薬）の移動と、第１流路１１５からへウェル１１６の液体（第１試薬または第２試薬）の移動と、を繰り返すことで、液体を移動させ、各種反応を行う。

（効果）
以上のように、本実施の形態に係る液体取扱装置１１０によれば、凍結して保存すべき第２試薬が流路チップにあらかじめ貯留されているため、第２試薬のロスを少なくできる。

本実施の形態に係る液体取扱装置および液体取扱システムは、例えば、臨床検査や食物検査、環境検査などの様々な用途において有用である。

１００ 液体取扱システム
１１０ 液体取扱装置
１１１ 流路チップ
１１２ カートリッジ
１１３ 基板
１１４ フィルム
１１５ 第１流路
１１６ ウェル
１１６ａ 第１ウェル
１１６ｂ 第２ウェル
１１７ バルブ
１１８ ロータリーメンブレンポンプ
１１８ａ ダイヤフラム
１１９ 第２流路
１２０ 液体制御装置
１２１ カートリッジ本体
１２２ スライド部
１２３ 第１貯留部
１２４ 第１連通管
１２５ 貫通孔
１２７ 連通管
１２８ａ 第１封止部材
１２８ｂ 第２封止部材
１３１ パッキン
１３２ 第２連通管
１４１ 第１ロータリー部材
１４２ 第２ロータリー部材
１４３ 第１本体
１４４ 第１凸部
１４５ 第１凹部
１４６ 第２本体
１４７ 第２凸部
ＣＡ１ 第１中心軸
ＣＡ２ 第２中心軸

Claims (5)

1. 凍結させなくても保存できる第１試薬が貯留された第１貯留部を含むカートリッジと、
   凍結して保存すべき第２試薬が貯留された第２貯留部と、前記第２貯留部に接続された流路とを含む流路チップと、
   を有し、
   前記カートリッジは、前記流路チップに着脱可能であり、
   前記カートリッジが前記流路チップに装着されているとき、前記第１貯留部は前記流路に接続される、
   液体取扱装置。
2. 前記第１貯留部の容積と、前記第２貯留部の容積との比率は、３０：１～７０：１の範囲内である、請求項１に記載の液体取扱装置。
3. 前記第１貯留部の開口部および前記第２貯留部の開口部は、封止されている、
   請求項１または請求項２に記載の液体取扱装置。
4. 前記第２貯留部は、前記流路チップの前記カートリッジが装着される領域以外の領域に開口している、請求項１～３のいずれか一項に記載の液体取扱装置。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の液体取扱装置と、
   前記液体取扱装置を流れる液体を制御するための液体制御装置と、
   を有する、液体取扱システム。

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