JP3965453B2

JP3965453B2 - マイクロチップ

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Publication number: JP3965453B2
Application number: JP2003358909A
Authority: JP
Inventors: 政夫井上; 美智恵原地; 武文宮城
Original assignee: Aida Engineering Ltd
Current assignee: Aida Engineering Ltd
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2023-10-20
Also published as: JP2005118736A

Description

本発明はマイクロチップに関する。更に詳細には、本発明はオープンウエルタイプの入出力ポートを有しない新規なマイクロチップに関する。

最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内に所定の形状の流路を構成するマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作を行うことが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロチップ」と呼ばれる。

マイクロチップは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニング及び環境モニタリングなどの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロチップは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。

マイクロチップの材質や構造及び製造方法は例えば、特許文献１、特許文献２及び非特許文献１などに提案されている。従来のマイクロチップ１００は、例えば、図８に示されるように、合成樹脂（例えば、ポリジメチルシロキサン又はアクリル樹脂）などの基板１０２に少なくとも１本のチャネル１０４が形成されており、このチャネル１０４の少なくとも一端には入出力ポートとなるべきウェル１０６が形成されており、基板１０２の下面側に透明又は不透明な素材（例えば、ガラス又は合成樹脂フィルム）からなる対面基板１０８が接着されている。この対面基板１０８の存在により、ウェル１０６及びチャネル１０４の底部が封止される。

入出力ポート用のウェル１０６の主な用途は、(イ)薬液やサンプルの注入（分注）、(ロ)廃液や生成物の取り出し、(ハ)気体圧力の供給（主に、送液のための正圧や負圧の印加）、(ニ)大気開放（送液時に発生する内圧の分散や、反応で生じたガスの解放）、及び(ホ)密閉（液体の蒸発防止や故意に内圧を発生させる目的のため）などである。

図９に示されるように、入出力ポート用のウェル１０６は上部が大気に開放されており、このオープンウェル１０６に対しマイクロピペット又はシリンジ１１０を用いて液体類の注入や取出しを行う。しかし、このようなオープンウェル方式は下記のような様々な問題点を有する。
(1)ウェル自身のデッドボリュームが大きく、サンプルや試薬を無駄にしてしまう。
ウェル１０６に接続されるチャネル１０４に液体が導かれるには、ウェル内に或る程度の量の液体が満たされなければならない。マイクロピペット又はシリンジ１１０が使えるためには、ウェル１０６の直径は数ｍｍオーダーとなりウェル１０６の容積は大きく（例えば、数μＬ）、それがデッドボリュームとなる場合がある。
(2)微小液量を分注する機器が無い。
元々、マイクロピペット又はシリンジ１１０で分注できる液量はせいぜい１μＬが限界であり、それ以上少ない量（例えば、１０ｎＬオーダー）を分注する適当な機器が無い。
(3)液体の蒸発が発生する。
仮に、１０ｎＬオーダーの液滴をウェル１０６内に分注できたとしても、それを即座にチャネル１０４に導かなければ、瞬く間に液体の蒸発が発生してしまう。
(4)マイクロチップの製作上、開孔加工が必要である。
ウェル１０６と微細なチャネル１０４を接続するように正確に開孔しなければならない。また、デッドボリュームを十分小さくするために、小さな開孔加工を施すことは尚更困難である。（開孔加工には、ドリルを用いたり、パンチ抜きしたりする機械加工や、レーザ照射による光学加工の他、チャネルと一体にモールドする方法もある。）
(5)コストアップとなる。
マイクロチップの製作上、機械的な方法（ドリルやパンチ）により開孔加工した場合、発生したゴミの洗浄が必要となる。余分な製作工程が増え、マイクロチップの製造コストアップの原因となる。
(6)異物、塵埃の混入が起こる。
オープンウェルのため、ウエル１０６を介して大気中からチャネル１０４内に異物又は塵埃などが混入する危険性がある。
(7)開口部の密閉が困難である。
オープンウェルを密閉することは困難である。何らかの方法でオープンウェルに蓋をすると、その時のポンピングボリュームが悪影響を及ぼす場合がある。
(8)流体供給装置との接続が困難である。
オープンウェルの場合、ウェルの開口部に、マイクロポンプや圧縮ポンプ、真空ポンプなどの流体供給装置若しくはシール性を必要とする流体供給装置を接続することが困難である。

前記のようなオープンウェルに伴う問題点を解決するため、図１０に示されるように、ウェル１０６にチューブ又はキャピラリ１１２を接続する方法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。チューブ又はキャピラリ１１２は専用フィッティング１１４により着脱可能に取付られる場合の他、ウェル１０６に対して接着剤などで固定する場合もある。しかし、専用フィッティング１１４を使用する方法にも下記のような問題点が存在する。
(1)ウェル１０６やフィッティング１１４の内部容積（デッドボリューム）を小さくすることは難しく、やはり１０ｎＬオーダーの微量液体を扱うことは困難である。
(2)構造が複雑である。特に、着脱式の場合、ウェル１０６とフィッティング１１４との間でＯリングを使用したり、フィッティングをゴム製の材質にしたりすることにより密閉性を確保するため、構造が複雑となるばかりか、マイクロチップ側もチューブ側も構造が複雑となる。
(3)着脱式の場合、フィッティング１１４を取り外してある状態では、ウェル開口部を介して大気中から異物及び／又は塵埃などがチャネル１０４に混入する危険性がある。
(4)着脱式の場合、着脱によるポンピングなどのように、着脱時にチャネル１０４に対して不用な加圧や引圧の悪影響を与えてしまう場合がある。

特開２００１−１５７８５５号公報米国特許第５９６５２３７号明細書 David C. Duffy et al., Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane), Analytical Chemistry, Vol.70, No.23, December 1, 1988, pp.4974-4984 N.J.Mourlas et al., "NOVEL INTERCONNECTION AND CHANNEL TECHNOLOGIES FOR MICROFLUIDICS", Proceedings of the μTAS '98 Workshop, BANFF, AB, CANADA, October 12-16 (1998),p.27-30

従って、本発明の目的は、(1)デッドボリュームが極めて少なく、１０ｎＬオーダーの微量液体が扱える、(2)液体の蒸発が発生し難い、(3)ウェルからの異物、塵埃などの混入が無い、(4)ウェルの開放・密閉が容易に行える、(5)薬液容器や流体供給機器との接続が容易に行うことができる、及び(6)構造が簡単で、マイクロチップの製作も容易であるなどの特徴を有するマイクロチップ用の入出力ポートを提供する事である。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明の特徴は、第１の基板と、該第１の基板と貼り合わされる第２の基板とからなるマイクロチップにおいて、
前記第１の基板はエラストマー材料から形成されており、前記第１の基板又は第２の基板の何れかの基板の一方の面に所定の幅と深さのチャネルを有し、前記第１の基板の外面から前記チャネルに連通するように入出力ポート用の中空状針を少なくとも１本突き刺して設け、
前記チャネルの前記中空状針が突き刺される位置は、複数本のチャネルが、中空状針の内径よりも狭い間隔で平行に配列された形状に構成されていることである。

前記のように構成された請求項１に係る発明によれば、突き刺された中空状針を通して外部からマイクロチップのチャネル内に液体又は気体などの流体を供給することができる。このような中空状針を入出力ポートとして使用することにより、従来のオープンウェル式の入出力ポートが有していた前記のような欠点が全て解消される。また、中空状針を突き刺す際に位置合わせのための正確性が緩和される。

前記課題を解決するための手段として、請求項２に係る発明の特徴は、第１の基板のためのエラストマー材料がポリジメチルシロキサンであることである。

前記のように構成された請求項２に係る発明によれば、中空状針を第１の基板に突き刺して抜脱しても、針と第１の基板との間のシール性が非常に良好である。

前記課題を解決するための手段として、請求項３に係る発明の特徴は、第１の基板と、該第１の基板と貼り合わされる第２の基板とからなるマイクロチップにおいて、
前記第１の基板はエラストマー材料から形成されており、前記第１の基板又は第２の基板の何れかの基板の一方の面に所定の幅と深さのチャネルを有し、前記第１の基板の外面から前記チャネルに連通するように入出力ポート用の中空状針を少なくとも１本突き刺して設け、
前記中空状針の先端はテーパー状に形成されており、前記第１の基板と第２の基板との間にエラストマー材料からなる中間層が間挿されており、前記チャネルは第１の基板と中間層との界面であって、第１の基板又は中間層の何れかに形成されており、前記中間層は、前記中空状針のテーパー状先端の開口の一部が前記チャネルに連通することができる厚さを有することである。

前記のように構成された請求項３に係る発明によれば、テーパー状先端を有する中空状針を使用することにより、針を突き刺すときの深さ方向の位置合わせ精度が緩和される。

前記課題を解決するための手段として、請求項４に係る発明の特徴は、第１の基板と、該第１の基板と貼り合わされる第２の基板とからなるマイクロチップにおいて、
前記第１の基板はエラストマー材料から形成されており、前記第１の基板又は第２の基板の何れかの基板の一方の面に所定の幅と深さのチャネルを有し、前記第１の基板の外面から前記チャネルに連通するように入出力ポート用の中空状針を少なくとも１本突き刺して設け、
前記チャネルの前記中空状針が突き刺される位置は、複数本のチャネルが、中空状針の内径よりも狭い間隔で平行に配列された形状に構成されており、
前記中空状針の先端はテーパー状に形成されており、前記第１の基板と第２の基板との間にエラストマー材料からなる中間層が間挿されており、前記チャネルは第１の基板と中間層との界面であって、第１の基板又は中間層の何れかに形成されており、前記中間層は、前記中空状針のテーパー状先端の開口の一部が前記チャネルに連通することができる厚さを有することである。

前記のように構成された請求項４に係る発明によれば、中空状針を突き刺す際に位置合わせのための正確性が緩和されると共に、針を突き刺すときの深さ方向の位置合わせ精度も緩和される。

前記課題を解決するための手段として、請求項５に係る発明の特徴は、前記エラストマー材料はポリジメチルシロキサンであり、前記中間層の形成材料はポリジメチルシロキサンであることである。

前記のように構成された請求項５に係る発明によれば、第１の基板と同じ材料を使用するため、中間層との接合性が良好となる。

前記課題を解決するための手段として、請求項６に係る発明の特徴は、中空状針がステンレスから形成されていることである。

前記のように構成された請求項６に係る発明によれば、中空状針自体に機械的強度又はコシが付与され、第１の基板への突き刺しが容易になる。

前記課題を解決するための手段として、請求項７に係る発明の特徴は、中空状針の上端は凹凸状のチューブ接続端を有することである。

前記のように構成された請求項７に係る発明によれば、中空状針にチューブなどを接続したときに、針とチューブをしっかりと接続することができる。

前記課題を解決するための手段として、請求項８に係る発明の特徴は、中空状針は第１の基板に抜脱可能に突き刺して設けられることである。

前記のように構成された請求項８に係る発明によれば、マイクロチップの用途に応じて中空状針を抜脱することにより適宜対応することができる。

前記課題を解決するための手段として、請求項９に係る発明の特徴は、中空状針は第１の基板に突き刺され、第１の基板の外面において接着剤で固着して設けられることである。

前記のように構成された請求項９に係る発明によれば、第１の基板と中空状針との間のシール性が高まるので、高い圧力で気体の送入を効果的に行うことができる。

中空状針による入出力ポートの利点は下記の通りである。
(1)デッドボリュームが極めて少ないポート式であり、１０ｎＬオーダーの微量液体が扱える。
中空状針の内腔とマイクロチップのチャネルはほぼ直接に接続され、液体を無駄に溜める部分が極めて少ない。また、中空状針の内腔径もφ１００μｍ前後と、ほぼマイクロチップのチャネル幅と同じオーダーの大きさである。
(2)中空状針とマイクロチップの基板はシールされ、液体の蒸発が発生し難い。
中空状針ポートの開口径は従来のオープンウェルポートの開口径に比べて極めて小さいので、中空状針ポートの開口部分からの液体の蒸発量は無視可能な程度に止まる。
(3)ポート部からの異物及び／又は塵埃の混入が無い。
前記のように、中空状針ポートの開口径は従来のオープンウェルポートの開口径に比べて極めて小さいので、中空状針ポートの開口部分から大気中の異物及び／又は塵埃がチャネル内に混入する危険性は殆ど無い。
(4)ポート部の開放・密閉が容易に行える。
中空状針を突き刺す前は勿論のこと、一度突き刺した中空状針を抜いた後も、エラストマー製基板の弾力性により針穴はシールされ、チャネルは密閉される。よって、チャネル内に或る程度の内圧を印加する場合に有用である。逆に、チャネルを大気に解放したい場合は、上端が開放状態の中空状針を突き刺せばよく、チャネル内に発生した内圧（送液に伴う圧力や電気分解などの反応によって発生したガスによる圧力など）を容易に大気に解放させることができる。
(5)薬液容器や送液機器との接続が容易である。
中空状針の上端にチューブの一端を接続し、そのチューブの他端を薬液容器や送液機器に挿入したり、マイクロポンプなどの送液機器に接続するだけでよく、従来のような着脱式フィッティングなどの特別な治具は全く不要である。
(6)構造が簡単でマイクロチップの製作も容易である。
入出力ポートとなるべきオープンウェルの穿孔加工、その加工により生じたゴミの洗浄等が不要である。特に、着脱式フィッティングを用いたポートに比べて、構造が極めて簡単である。実質的に、一方の基板側に単にチャネルを形成するだけマイクロチップが形成されるので、マイクロチップの製造コストを低下させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施態様について説明する。図１は本発明のマイクロチップの一例の部分概要断面図である。本発明のマイクロチップ１は、基本的に、第１の基板３と、この第１の基板と貼り合わされる第２の基板５とからなる。第１の基板３の貼り合わせ面側にはチャネル７が形成されている。別法として、チャネルは第２の基板５の貼り合わせ面側に形成することもできる。第１の基板３の外面からチャネル３に連通するように中空状の針９が突き刺されている。針９の上端には、チユーブ（図示されていない）と接続する際、チユーブが抜けないようにするための凹凸状の接続端１１を設けることもできる。中空状針９の上端は、そのまま大気開放状態に維持することもできるし、別のチユーブに接続し、そのチユーブの他端をマイクロポンプ、真空ポンプ、圧縮ポンプ、薬液タンク（何れも図示されていない）などに接続することもできる。また、中空状針９は第１の基板３から抜脱可能に突き刺すことができるばかりか、第１の基板３に接着剤などにより固着することもできる。中空状針９を第１の基板３に抜脱可能に突き刺すことにより、マイクロチップの用途に適宜対応することができる。また、中空状針９を第１の基板３に接着剤で固着することによりシール性が高まり、高い圧力を使用することが可能となる。中空状針９は機械的に支持することもできる。

本発明のマイクロチップ１では、第１の基板３の外面から中空状針９を突き刺すため、第１の基板３はエラストマーなどのような弾性材料から作製されていることが必要である。「エラストマー」とは、合成ゴムと弾性プラスチックの総称であり、ＡＳＴＭ・Ｄ・８８３では、「エラストマー」とは、室温において小さい応力で原長の２倍以上繰り返して引伸ばすことが出来、引伸ばした直後に応力を除去すると殆ど原長まで戻ることできる高分子物質と定義されている。前記のように、エラストマーは弾力性を有するので、エラストマー製の第１の基板３の外面から中空状針９を突き刺すと、チャネル３と連通すると同時に、針９とエラストマー基板３との間は基板の弾力性によりシールされる。同様に、中空状針９を抜くと、その後はエラストマー基板３の弾力性により或る程度の密閉性（シール性）が保たれる。

第１の基板３を形成するためのエラストマーとしてはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を用いることが好ましい。ＰＤＭＳはマイクロチップ用の材料として優れた特性を有すると同時に、ＰＤＭＳの弾力性や吸着性が、中空状針９を突き刺してシールする場合に効果的である。ＰＤＭＳからなる第１の基板３の厚さは数ｍｍ程度である。例えば、２ｍｍ〜４ｍｍ程度である。ＰＤＭＳ製の第１の基板３の厚さが２ｍｍ未満の場合、中空状針９を突き刺したときのシール性が不十分となる。一方、ＰＤＭＳ製の第１の基板３の厚さが４ｍｍ超の場合、中空状針９を突き刺したときのシール性が飽和し、ＰＤＭＳ材料の無駄使いとなり、不経済である。

第１の基板３がＰＤＭＳから形成されている場合、第２の基板５はガラス製であることが好ましい。ガラス基板は接着剤などの成分を介在させることなく、ＰＤＭＳ基板と恒久接着（パーマネントボンディング）することができるからである。

中空状針９はステンレス（ＳＵＳ）から形成する事が好ましい。例えば、外径φ０．２ｍｍ前後、内径φ０．１ｍｍ前後のＳＵＳパイプは、ＰＤＭＳ製の第１の基板３に突き刺す場合に、針通抵抗やコシの強さ、シール性、針を抜いた後の針跡の密閉性などが良好である。中空状針９は第１の基板３に少なくとも１本突き刺される。２本以上突き刺すことにより、一方の中空状針９をチャネル７への液体又は気体の入力ポートとして使用し、他方の中空状針９をチャネル７からの液体又は気体の出力ポートとして使用することができる。所望により、中空状針９はステンレス以外の材質（例えば、ガラス）などで形成することもできる。

図２は本発明のマイクロチップ１の使用状態の一例を示す概要模式図である。図２では、マイクロチップ１の外部に用意したマイクロポンプ１３をチューブ１５を介して中空状針９の上端に接続した状態を示す。中空状針９はマイクロチップ１のチャネル７の一端の真上から第１の基板３に突き刺されている。必要に応じて、チャネル７の他端に別の中空状針９を突き刺し、送液に伴って生じるチャネル内圧を大気解放することもできる。チューブ１５としてはテフロン製のフレキシブルなチューブを用いるとマイクロポンプ１３との接続が行い易い。液体を注入する場合は、外部のマイクロポンプ１３で送り込む、又はマイクロチップ１側で負圧により吸引する。液体を取り出す場合は外部のマイクロポンプ１３などで吸引するか、マイクロチップ１側で正圧により吐き出す。マイクロポンプ１３の代わりに、真空ポンプ又は圧縮ポンプを接続し、気体圧力の供給も行える。更に、ポンプなどを全く接続せず、単にチャネル７に中空状針９を１本以上突き刺すだけで、チャネル７を大気に向かって開放された状態にすることもできる。

チャネル７の幅はせいぜい１００μｍ〜３００μｍである。従って、中空状針９を第１の基板３の外面上から下部のチャネル７に正確に突き刺すのは細心の注意が必要である。例えば、図３（１）に示されるような単純な直線状チャネル７の場合、幅１００μｍ前後のチャネル７に対しては、中空状針９の内径とほぼ等しいため、チャネル７の幅方向に対して正確な位置精度が要求される。これに対して、図３（２）に示されるように、チャネル７の端部又は途中に、拡大部１７を設けておくと、拡大部１７の半径だけ位置精度が緩和される。しかし、拡大部１７内に大きなデッドボリュームを生じる欠点がある。一方、チャネル７の端部又は途中に複数のチャネル７ａが平行に配列された“フォーク状チャネル部分１９”を設けておくと、中空状針９はそのどれか１つ又は２つに接続するように突き刺せば良く、中空状針９を突き刺す位置精度が緩和されると同時に、デッドボリュームの増加も殆ど無い。

図４（Ａ）は前記図３（３）の“フォーク状チャネル部分１９”の部分拡大平面図である。フォーク状チャネル部分１９に中空状針９が突き刺された場合、中空状針９が刺さったチャネル７ａにのみ液体２１が流れ、他のチャネル部分がデッドボリュームにならない。図４（Ｂ）は図４（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。各チャネル７ａの幅は中空状針９の内径と同程度としチャネル７ａ間のスペースは中空状針９の内径よりも小さくすることが好ましい。その結果、中空状針９がチャネル７ａ間に跨るように突き刺された時でも、中空状針９からチャネル７ａを介して液体を注入することができる。

図１に示されるような先端がフラットな形状の中空状針９を使用すると、エラストマー製の第１の基板３に突き刺したときに、中空状針９の寸法や基板３の材質によっては、中空状針９の内腔が詰まる場合がある。また、中空状針９を突き刺す深さ方向について、中空状針９の先端を第２の基板面に押し当ててしまうと、中空状針９の先端出口での送液が妨げられ、また浅すぎると中空状針９とチャネル７が接続連通しない。チャネルの高さはせいぜい数十μｍ程度と低いため、中空状針９を第１の基板３に突き刺すときの深さ方向は、高い位置合わせ精度が必要となる。

そこで、この深さ方向における位置合わせの労力を軽減又は緩和するため、図５に示すようなテーパー状の先端形状を有する中空状針９ａを使用することもできる。実験的には図５に示される寸法形状を有する中空状針９ａが詰まりを防止する点で好ましいことが確認された。すなわち、外径がφ２００μｍ前後、内径がφ１００μｍ前後、先端が１８度前後のテーパー形状で、先端を１００μｍ前後短く研磨している。中空状針９ａの横方向の開口部は、縦の長さが約３００μｍで、針先端から開口部中心まで２００μｍ前後となる。中空状針９ａの外径が前記の値よりも大きいとＰＤＭＳ製の第１の基板３の裂け具合が酷く、中空状針９ａとＰＤＭＳ基板３との間の密閉性が悪くなる。一方、中空状針９ａの外径が前記の値よりも小さいと、コシが無くなり、針９ａが曲がってしまう可能性がある。また、中空状針９ａの内径が前記の値よりも大きかったり、先端のテーパーが少ない（すなわち、テーパー角が大きい）と、ＰＤＭＳ製基板３が千切れて、中空状針９ａの内腔に入って詰まってしまう可能性がある。一方、中空状針９ａの内径が上記の値よりも小さいと、液体を流すとき抵抗が大きくなり、流し難くなる。しかし、言うまでもなく、これらの寸法は単なる一例であり、第１の基板３又は第２の基板５に形成されるチャネル７の幅及び高さに応じて適宜変更することができる。従って、チャネル７の実際の幅及び高さに応じて、当業者ならば前記の値を参考にして、使用する中空状針９ａの最適な各値を容易に決定することができる。

図５に示されるテーパー状の先端形状を有する中空状針９ａの場合、針の先端から開口部下端までの高さが５０μｍである。チャネル７の高さが３０μｍの場合、テーパー状の先端形状を有する中空状針９ａの開口部はチャネル７よりも上側に位置することとなり、針９ａからチャネル７へ液体又は気体などの流体を注入することが困難になる。そこで、図５に示されるテーパー状の先端形状を有する中空状針９ａを使用する場合、図６に示されるようなエラストマー製の中間層２３を第１の基板３と第２の基板５との間に介在させることが好ましい。中間層２３の形成材料であるエラストマーは第１の基板３の形成材料のエラストマーと同一であることが好ましいが、異なる素材であることもできる。中間層２３は第１の基板３と同様に、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から形成されていることが好ましい。中間層２３の厚さは中空状針９ａの先端のテーパー状開口の垂直方向高さ（すなわち、テーパー角）に応じて変化するが、５０μｍ〜３００μｍ程度である。図６では、中間層２３の厚さは０．２ｍｍ（２００μｍ）である。（針先端から開口部中心までの距離にほぼ相当している。）

図６に示されるように、テーパー状先端を有する中空状針９ａを中間層２３を有するマイクロチップ１Ａに突き刺す場合、第１の基板３に対してほぼ垂直に突き刺す。テーパー状先端を有する中空状針９ａの先端が第２の基板５に突き当たるまで突き刺しても良く、また、突き当たる直前の１００μｍ程度の範囲までは、テーパー状先端を有する中空状針９ａとチャネル７との接続が良好に行われる。よって、テーパー状先端を有する中空状針９ａを突き刺す時の深さ方向の精度（中空状針の加工精度や、中空状針を上下方向に移動する機構の精度など）が緩和される。

テーパー状先端を有する中空状針９ａを中間層２３を有するマイクロチップ１Ａに突き刺すと、テーパー状先端の開口の一部がチャネル７と連通し、液体、気体などの流体を中空状針９ａからチャネル７内に送入することができる。中空状針９ａのテーパー状先端の開口のその他の部分は第１の基板３及び中間層２３により遮蔽されるのでこれらの部分から流体が漏洩することは無い。図６では、チャネル７は第１の基板３に設けられているが、別法として、中間層２３の上面に設けることもできる。

テーパー状先端を有する中空状針９ａの材質はステンレスであることが好ましいが、ガラスなどのその他の材質も使用できる。極細中空管の先端を研磨などの常用の加工法を適用することによりテーパー状先端を有する中空状針９ａを作製することができる。

本発明の針式ポートを有するマイクロチップ１のチャネル７に所定量の液体を注入する場合、マイクロポンプ１３（図２参照）などで秤量してから、中空状針９又は９ａを介してチャネル７に注入することもできるが、注入量がｎＬオーダーの場合には、マイクロポンプ１３による秤量は比較的容易ではなく、注入量が不正確になる可能性もある。そこで、ｎＬオーダーの注入量の場合、チャネル７自体に微量液体秤取構造を設けることが好ましい。図７は、このような微量液体秤取構造の一例の部分概要平面図である。中空状針９（又は９ａ）をチャネル７−Ａの一端に突き刺す。チャネル７−Ａの他端は開閉弁２５を介してチャネル７−Ｂに接続されている。チャネル７−Ａの中空状針９を突き刺す位置の近傍で、空気抜き弁２７を介して負圧及び正圧を掛けられるようにする。一方、チャネル７−Ａの他端の開閉弁２５の近傍で空気抜き弁２９を介して負圧を掛けられるようにする。空気抜き弁２７から空気抜き弁２９までのチャネル７−Ａの容積は、中空状針９から注入したい液体の容量と同一とする。例えば、１０ｎＬの液体を分注する場合、チャネル幅を１００μｍ、高さを３０μｍとすると、チャネル７−Ａの空気抜き弁２７から空気抜き弁２９までの長さを約３．３ｍｍに設定する。以上のように構成された微量液体秤取構造で実際に液体分注を行う手順は次の通りである。
(1)液体を充填した容器（図示されていない）と接続した中空状針９をチャネル７−Ａの一端に突き刺す。
(2)開閉弁２５を閉じ、空気抜き弁２７及び２９を介して負圧を印加し、中空状針９を通して液体をチャネル７−Ａに満たす。
(3)中空状針９を抜く。
(4)開閉弁２５を開く。
(5)空気抜き弁２７を介して正圧を印加し、チャネル７−Ａ内の液体をチャネル７−Ｂに移送する。チャネル７−Ｂ以降では、移送された液体に対して各種の操作（化学反応など）を行う。
なお、液体がチャネル７−Ｂに移送された後、空気抜き弁２７，２９の圧力は解除する。必要に応じて、開閉弁２５は閉じる。但し、液体がチャネル７−Ｂに移送された後でも、操作によっては、開閉弁２５を再度開いて、空気抜き弁２７から正圧で液体を押したりすることもある。
ｎＬオーダーの微量液体の分注を行うためのチャネルや弁などは図７に示された構成に限らず、様々な構成のものを使用することができる。本発明のマイクロチップにおいて重要なことは、中空状針９からなる針式ポートにより液体を直接に微細なチャネルに導くことができるため、デッドボリュームが無く、しかも液体の蒸発も発生すること無く、ｎＬオーダーの液体を無駄なく正確に分注することができることである。

本発明のマイクロチップは従来のマイクロチップと異なり、オープンウェルタイプの入出力ポートを設ける必要がなく、中空状針の入出力ポートを使用するので、(1)デッドボリュームが極めて少なく、１０ｎＬオーダーの微量液体が扱える、(2)液体の蒸発が発生し難い、(3)ウェルからの異物、塵埃などの混入が無い、(4)ウェルの開放・密閉が容易に行える、(5)薬液容器や流体供給機器との接続が容易に行うことができる、及び(6)構造が簡単で、マイクロチップの製作も容易であるなどの利点が得られ、従来のマイクロチップに比べて一層広範囲な用途において活用することができる。

本発明のマイクロチップの一例の部分概要断面図である。本発明のマイクロチップの使用状態の一例を示す概要模式図である。本発明のマイクロチップにおけるチャネルの様々な構造を示す部分概要平面図である。（Ａ）は図３におけるチャネルのフォーク状部分の拡大平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。テーパー状の先端を有する中空状針の一例の部分概要断面図である。テーパー状の先端を有する中空状針を第１の基板と第２の基板との間に中間層を有するマイクロチップに突き刺した状態を示す部分概要断面図である。本発明のマイクロチップにおいてｎＬオーダーの液体を分注するための微量液体秤取構造の一例の部分概要平面図である。従来のマイクロチップの一例の部分概要断面図である。図８におけるマイクロチップのオープンウエルに液体を分注する一例の部分概要断面図である。図８におけるマイクロチップのオープンウエルに液体を分注する別の例の部分概要断面図である。

符号の説明

１，１Ａ本発明のマイクロチップ
３第１の基板
５第２の基板
７チャネル
９中空状針
１１凹凸状接続端
１３マイクロポンプ
１５接続チューブ
１７円形状チャネル
１９フォーク状チャネル
２１液体
２３中間層
２５開閉弁
２７，２９空気抜き弁

Claims

第１の基板と、該第１の基板と貼り合わされる第２の基板とからなるマイクロチップにおいて、
前記第１の基板はエラストマー材料から形成されており、前記第１の基板又は第２の基板の何れかの基板の一方の面に所定の幅と深さのチャネルを有し、前記第１の基板の外面から前記チャネルに連通するように入出力ポート用の中空状針を少なくとも１本突き刺して設け、
前記チャネルの前記中空状針が突き刺される位置は、複数本のチャネルが、中空状針の内径よりも狭い間隔で平行に配列された形状に構成されていることを特徴とするマイクロチップ。
前記エラストマー材料はポリジメチルシロキサンであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
第１の基板と、該第１の基板と貼り合わされる第２の基板とからなるマイクロチップにおいて、
前記第１の基板はエラストマー材料から形成されており、前記第１の基板又は第２の基板の何れかの基板の一方の面に所定の幅と深さのチャネルを有し、前記第１の基板の外面から前記チャネルに連通するように入出力ポート用の中空状針を少なくとも１本突き刺して設け、
前記中空状針の先端はテーパー状に形成されており、前記第１の基板と第２の基板との間にエラストマー材料からなる中間層が間挿されており、前記チャネルは第１の基板と中間層との界面であって、第１の基板又は中間層の何れかに形成されており、前記中間層は、前記中空状針のテーパー状先端の開口の一部が前記チャネルに連通することができる厚さを有することを特徴とするマイクロチップ。
第１の基板と、該第１の基板と貼り合わされる第２の基板とからなるマイクロチップにおいて、
前記第１の基板はエラストマー材料から形成されており、前記第１の基板又は第２の基板の何れかの基板の一方の面に所定の幅と深さのチャネルを有し、前記第１の基板の外面から前記チャネルに連通するように入出力ポート用の中空状針を少なくとも１本突き刺して設け、
前記チャネルの前記中空状針が突き刺される位置は、複数本のチャネルが、中空状針の内径よりも狭い間隔で平行に配列された形状に構成されており、
前記中空状針の先端はテーパー状に形成されており、前記第１の基板と第２の基板との間にエラストマー材料からなる中間層が間挿されており、前記チャネルは第１の基板と中間層との界面であって、第１の基板又は中間層の何れかに形成されており、前記中間層は、前記中空状針のテーパー状先端の開口の一部が前記チャネルに連通することができる厚さを有することを特徴とするマイクロチップ。
前記エラストマー材料はポリジメチルシロキサンであり、前記中間層の形成材料はポリジメチルシロキサンであることを特徴とする請求項３又は４に記載のマイクロチップ。
前記中空状針の形成材料はステンレスであることを特徴とする請求項１、３又は４に記載のマイクロチップ。
前記中空状針の上端は凹凸状のチューブ接続端を有することを特徴とする請求項１、３又は４に記載のマイクロチップ。
前記中空状針は第１の基板に抜脱可能に突き刺して設けられることを特徴とする請求項１、３又は４に記載のマイクロチップ。
前記中空状針は第１の基板に突き刺され、第１の基板の外面において接着剤で固着して設けられることを特徴とする請求項１、３又は４に記載のマイクロチップ。