JP4054798B2 - 流体搬送方法 - Google Patents

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Description

本発明は、流体搬送方法に関する。特には、チップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システム（μ−ＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ ＴｏｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）に適応したものに関する。
近年、立体微細加工技術の発展に伴い、ガラスやシリコン等の基板上に、微小な流路とポンプ、バルブ等の流体素子およびセンサを集積化し、その基板上で化学分析を行うシステムが注目されている。これらのシステムは、小型化分析システム、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）あるいはＬａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐと呼ばれている。化学分析システムを小型化することにより、無効体積の減少や試料の分量の大幅な低減が可能となる。また、分析時間の短縮やシステム全体の低消費電力化が可能となる。さらに、小型化によりシステムの低価格を期待することができる。μ−ＴＡＳは、システムの小型化、低価格化および分析時間の大幅な短縮が可能なことから、在宅医療やベッドサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析やプロテオーム解析等のバイオ分野での応用が期待されている。
上述のμ−ＴＡＳにおいて、微小流路中の流体の流れを制御するために、様々な形態のバルブがこれまでに提案されている。微小流路表面を撥水処理し、流体との表面張力を上げる。これにより流体が一定の圧力に到達するまで停止するバルブが報告されている（特許文献１参照）。また、微小流路内にワックス式バルブを設け、微小流路の外部から熱を加えることにより、流体の流れを制御する方法が報告されている（特許文献２参照）。前記バルブを用いた流体回路は、電気泳動や遠心力を駆動源とし、簡単な構成で複数の処理を行う流体回路を形成することができる。前記流体回路は規模が増大してもシステム全体を小型化することが可能である。
米国特許明細書第６２９６０２０Ｂ１ 特開２００３−２７０２５２
しかしながら、流体との表面張力を用いたバルブやワックス式のバルブは耐圧性に乏しい。このため、流体搬送手段に圧力の高いポンプ等を用いた場合、漏れや破損が生じる恐れがあり、正確な流体制御を行うことが困難となる可能性がある。
本発明は、簡単な構成で耐圧性に優れかつ正確に流体の制御を行い得る流体搬送方法を提供するものである。
本発明の方法に提供可能な流体搬送装置は、流体を流すための流路を用いて流体を搬送する流体搬送装置であって、前記流体を搬送するための圧力を発生する圧力発生手段と、前記流体に対し処理を行う複数の処理部と、該複数の処理部の間に位置し前記流体の流れを制御するためのバルブと、前記流路中の圧力を開放する圧力開放手段と、を有することを特徴とする。
本発明の方法に適用可能な装置においては、バルブは、前記流路に前記流体が流れたときに前記バルブの上流側と下流側との間に生じる圧力差に応じて作動し、前記圧力差が所定の値未満のときは流体を通過させ、前記圧力差が前記所定の値以上のときは流体の流れを遮断するものとすることができる。
また、バルブを前記流路中に複数備え、該複数のバルブは前記流体の流れを遮断するしきい値が異なるものとすることができる。
複数のバルブは、前記流路中の上流側に位置するバルブほど、下流側に位置するバルブよりも前記流体の流れを遮断するしきい値が大きいようにすることもできる。
また、バルブは、バネと前記バネにより弾性支持された遮蔽部を有し、前記遮蔽部は、バルブ前後の圧力差により変位し、前記圧力差が所定の値以上のときに、前記遮蔽部が前記流路を遮蔽するものとすることができる。
また、バルブは、該バルブを構成する少なくとも太い流路の領域と、これよりも細い流路の領域を有し、前記遮蔽部が前記太い流路の領域内に変位可能に設けられ、変位する状態によっては、前記細い流路を塞いで該細い流路への流体の流れを遮断するものとすることができる。
また、バルブは、前記太い流路の領域が流路の上流側に、前記細い流路の領域が流路の下流側に位置するように配されているように構成することもできる。
また、本発明により提供される流体搬送方法は、流体を流すための流路を用いた流体搬送方法であって、前記流体を搬送するための圧力を発生する圧力発生手段と、前記流体に対し処理を行う複数の処理部と、該複数の処理部への流体の流れを制御するバルブであって、前記流路に前記流体が流れたときに上流側と下流側との間に生じる圧力差に応じて作動し、前記圧力差がしきい値未満のときは流体を通過させ、前記圧力差が前記しきい値以上のときは流体の流れを遮断し、前記しきい値が異なるものの複数と、前記流路中の圧力を開放する圧力開放手段と、を有する流体搬送装置を用意する工程、前記圧力発生手段を用いて、上流側に位置する第一のバルブ前後の圧力差が、第一のバルブのしきい値未満であり、かつ第一のバルブより下流側に位置する第二のバルブの圧力差が第二のバルブのしきい値未満となるように流体を搬送する工程、前記圧力発生手段を用いて、第一のバルブ前後の圧力差が、第一のバルブのしきい値未満であり、かつ第二のバルブ前後の圧力差が、第二のバルブのしきい値以上となるように流体を搬送し、第一のバルブを開状態に保持し、第二のバルブを閉状態とする工程、及び前記圧力開放手段を用いて、第二のバルブの上流側の圧力を開放し、第二のバルブを開状態とする工程、を有することを特徴とする。
本発明の流体搬送方法においては、バルブは、前記流路に前記流体が流れたときに前記バルブの上流側と下流側との間に生じる圧力差に応じて作動し、前記圧力差が所定の値未満のときは流体を通過させ、前記圧力差が前記所定の値以上のときは流体の流れを遮断するものであり、該バルブの開閉制御を前記圧力発生手段と前記圧力開放手段を用いて行うようにすることもできる。
また、前記圧力差が前記所定の圧力差以下となるように前記圧力発生手段を制御して、前記バルブを開状態とし、前記流体を前記処理部に搬送するようにすることもできる。
また、本発明の流体搬送方法は、流体搬送装置として、前記バルブを前記流路中に複数備え、該複数のバルブは前記流体の流れを遮断するしきい値が異なるものを用意する工程、前記圧力発生手段を用いて、上流側に位置する第一のバルブ前後の圧力差が、第一のバルブのしきい値未満であり、かつ第一のバルブより下流側に位置する第二のバルブの圧力差が第二のバルブのしきい値未満となるように流体を搬送する工程、前記圧力発生手段を用いて、第一のバルブ前後の圧力差が、第一のバルブのしきい値未満であり、かつ第二のバルブ前後の圧力差が、第二のバルブのしきい値以上となるように流体を搬送し、第一のバルブを開状態に保持し、第二のバルブを閉状態とする工程、及び前記圧力開放手段を用いて、第二のバルブの上流側の圧力を開放し、第二のバルブを開状態とする工程を有するものをも包含する。
本発明によれば、微小流路中の流体の流れを簡単な構成でかつ正確に制御することが可能となる。特に本発明においては、流路中の圧力を開放する圧力開放手段を用いる。この圧力開放手段により流路中の圧力を開放することによりバルブの開放制御を簡便に行い得る。そして、流体を搬送するための圧力発生手段と、圧力開放手段とを用いることから、これらを制御することで、流体の処理部における処理時間を制御し、更に次の処理部への流体の搬送及び次の処理部での処理時間を容易に制御し得る。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明の方法に適用可能な流体搬送装置は、流体を流すための流路を用いて流体を搬送する流体搬送装置であって、前記流体を搬送するための圧力を発生する圧力発生手段と、前記流体に対し処理を行う複数の処理部と、該複数の処理部の間に位置し前記流体の流れを制御するためのバルブと、前記流路中の圧力を開放する圧力開放手段と、を有することを特徴とするものである。
（流体搬送装置の説明）
以下の図１に示す流体搬送装置においては、流体を搬送するための圧力を発生する圧力発生手段としての流体搬送手段１０８、複数の処理部として第１の反応室１０２、第２の反応室１０３、第３の反応室１０４、バルブとして第１のバルブ１０５、第２のバルブ１０６、流路中の圧力を開放する圧力開放手段として圧力開放手段１０９を備えている。この他、２つのリザーバを備えている。
図１は、本発明の方法に適用可能な流体搬送装置の一例を示す概念図である。図１に示す流体搬送装置１００は、第１のリザーバ１０１、第２のリザーバ１０７、第１の反応室１０２、第２の反応室１０３、第３の反応室１０４、そして第一のバルブに相当するバルブ１０５、第二のバルブに相当するバルブ１０６で構成されている。リザーバ１０１は流体搬送手段１０８と接続されており、リザーバ１０１と流体搬送手段の間には圧力開放手段１０９が接続されている。本例では、圧力開放手段１０９は流体搬送装置１０８の下流側で、処理部を構成する第１の反応室１０２よりも上流側に設けられている。リザーバ１０７は不図示の外部容器と接続されている。試料はリザーバに接続された流体搬送手段により、第１の反応室、第２の反応室、第３の反応室を通過し、最後にリザーバ１０７に搬送される。流体搬送装置１００について、搬送手段１０８側を上流、リザーバ１０７側を下流とすると、上流側に備えたバルブの方が流れを遮断する所定の値が大きくなるように配置する。
ここで、バルブ１０５及び１０６の構成は次に詳述するが、これらのバルブは、図面の左側から（上流側）から右側（下流側）への方向については、バルブ前後に発生する圧力差がある特定のしきい値以上の場合には、閉状態となって流体の流れを遮断し、しきい値未満の場合には、開状態となって流体を通過させる特性をもつものが採用できる。
（バルブの説明）
図２は、本発明に適用可能な流体搬送装置に用いることができるバルブの構造の一例を概略図で示したものである。図２（ａ）にはバルブ２００の平面図、図２（ｂ）には断面図を示す。バルブ内の流路は、細い流路２０３を有する領域と、太い流路２０４を有する領域に分けられる。遮蔽部は２０１に示す平板の形状であり、流路２０４と２０５の間に、バネ２０２によって弾性支持された平板２０１が流路と垂直に、そして流路２０３の入り口とある距離を保って設置されている。平板２０１の径は流路２０３の径よりも大きく、平板２０１が流路２０３に向かって変位して流路２０３と流路２０５の境界に達した場合、流体の流れを塞ぐことが可能となる。尚、上述の図１に示した流体搬送装置におけるバルブ１０５及び１０６は、図２（ｂ）に示した太い流路２０４側が上流側に細い流路２０３側が下流側に位置するように配置される。
図３（ａ）に、このバルブに流路２０４から流路２０３の向きに液体が流れる場合の経路を示す。このような流れにおいては、液体が流路２０５を流れる間に圧力の低下を生じる。これにより、平板２０１の表面では、流路２０４側と流路２０５側で圧力差が発生する。この圧力差が駆動力となり、平板２０１は流路２０３の入り口に向かって変位する。
図３（ｂ）は、流路２０４から流路２０３への液体の流れにより生じる圧力差がバルブの閉る所定の値よりも低い場合を示す。平板２０１は、流路２０４側と流路２０５側の圧力差により変位するが、これを保持するバネ２０２の弾性による復元力により、流路２０３の入り口を塞ぐまでには至らない。従って、流体は３０１に示すように、流路２０４から２０３へ抜けていく。
一方、図３（ｃ）は、流路２０４から流路２０３への液体の流れにより生じる圧力差がバルブの閉じる所定の値以上である場合を示す。平板２０１は、流路２０４側と流路２０５側の圧力差により変位し、やがて流路２０３の入り口を塞ぐ。これにより流体の流れは３０２に示すように流路２０４内で止まり、平板２０１は液体の圧力によって、流路２０３の入り口をシーリングした状態で保持され続ける。前記バルブの上流側の圧力を開放することにより、平板２０１はバネ２０２の復元力によって流路２０３の入り口から離れ、元の位置に戻る。
バルブが駆動する圧力範囲はバネ２０２のバネ定数、および平板２０１と流路２０３の距離により決定される。この内バネ定数は、バネ２０２の長さ、厚み、本数、材質により決定される。これらを最適化することで、必要な圧力範囲で開閉の切り替わるバルブを設計することが出来る。また、バルブが閉じた状態の時、平板２０１は流体の圧力により保持されるため、高いシーリング効果が期待でき強度も高い。
バネ２０２および平板２０１の材質としては、分析や化学反応に用いる溶液に対して耐性があり、かつ弾性変形に対してある程度の耐性を持つ、例えばシリコンが望ましい。シリコーン等の樹脂を用いることも可能である。必要に応じて、表面をコーティングしてもよい。また流路を形成するその他の基板に関しては、前記溶液に対して耐性がある材料であれば特に制限がない。例えば、ガラス、シリコン等が挙げられる。
また、遮蔽部の形状は、対向した開口を遮蔽することが可能な形状であれば特に制限はない。特に円形状が、流れの対称性の観点から好ましい。また、遮蔽部を平板状にし、対向する基板との間にギャップを形成することにより、該ギャップ間を流体が流れるときに圧力低下が発生し、遮蔽部の上下で圧力差が発生する。この圧力差により、遮蔽部が基板方向に移動する。
また本例では、平板上の遮蔽部を板バネで弾性支持した形態を例にとり説明したが、本発明に適用できるバルブはこれに制限されるものではない。例えば片持ち梁や両持ち梁のように、遮蔽部の片端もしくは両端を固定することにより弾性支持しても良い。
本発明の流体搬送装置に用いるバルブは、バルブを流れる流体の圧力差により動作するため、搬送試料の漏れが生じる。しかし、前記漏れは本発明を用いて行う化学分析や化学反応に対してほとんど影響を与えない。その理由について、図２を用いて説明する。本発明に用いるバルブは、遮蔽部２０１と流路２０３の距離がバルブ内流路の直径に対して十分小さい。これにより、バルブから漏れる試料の量は無視できるほど少ない。また、漏れの影響を積極的に回避する方法として、バルブと前記バルブの下流に位置する反応室の間の流路長を十分に長く設計する方法がある。
（圧力開放手段の説明）
図１に示した圧力開放手段１０９は、リーク機能を備えた弁から適宜選択することができるが、具体例としては、三方弁、切替バルブ等を挙げることができる。また、圧力開放手段は、好適には圧力発生手段よりも下流側で、処理部よりも上流側に設けることができる。
（流体搬送方法の説明）
本発明の流体搬送方法は、前記流体を搬送するための圧力を発生する圧力発生手段と、前記流体に対し処理を行う複数の処理部と、該複数の処理部の間に位置し前記流体の流れを制御するためのバルブと、前記流路中の圧力を開放する圧力開放手段と、を有する流体搬送装置を用意する工程、前記圧力発生手段を用いて前記バルブを開状態で前記流体を前記処理部に搬送する工程、前記圧力発生手段を用いて前記バルブを閉状態とする工程、前記圧力開放手段を用いて前記バルブを開状態とする工程、を有することを特徴とする。
以下の説明では、分析や化学反応を行う流体回路について、反応室とバルブが直列に接続された場合の搬送方法を説明する。この場合、反応室にかかる搬送圧力が高くても簡単な構成で正確に流体を制御できる利点がある。しかしながら本発明はこれに限定されるものではない。同一のμＴＡＳチップ上に、前記流体回路を並列に複数形成してもよい。このような場合には、１回の搬送で多項目の分析や化学反応が行うことができる。また、流体回路が増加しても送液手段が１台で済むことからシステム全体を小型化できる。
以下、流体搬送装置１００を用いて本発明の流体搬送方法により、液体試料を搬送する方法について説明する。
まず、本発明の流体搬送装置１００が予め液体で満たされている場合について説明する。
図４は流路中を液体試料４０１が搬送される工程を示している。
（ａ）工程
ここでは、流体搬送機構を用いて、第一のバルブ前後の圧力差が、前記バルブの一定の圧力差以下であり、かつ前記第一のバルブより下流にある第二のバルブ前後の圧力差が、前記第二のバルブの所定の圧力差以下となるように、流体を搬送する。
図４（ａ）を用いて説明する。流体搬送手段１０８にてバルブ１０５前後に発生する圧力差がバルブ１０５の閉じる所定の圧力差以下であり、かつバルブ１０６前後に発生する圧力差がバルブ１０６の閉じる所定の圧力差以下となるように液体を搬送する。このとき、予め流路中に存在する液体の移動によりバルブ１０５、１０６は閉状態に至らない。これにより、バルブ１０５、１０６は開状態に保持され、液体試料４０１はリザーバ１０１よりバルブ１０５の方向へ搬送される。
（ｂ）工程
ここでは、流体搬送機構を用いて、第一のバルブ前後の圧力差が、前記第一のバルブの所定の圧力差以上となるように、流体を搬送する。
図４（ｂ）を用いて説明する。液体試料４０１は量が決まっているため、所定の搬送時間の後、バルブ１０５に搬送される。このとき、流体搬送手段１０８にて、バルブ１０５前後に発生する圧力差がバルブ１０５の閉じる所定の圧力差になるように、液体を搬送する。これにより、バルブ１０５は閉状態になる。搬送圧力をモニタリングすることにより、バルブ１０５が閉状態になるのを確認し、液体を搬送するのを停止する。図４（ｂ）の工程中、液体試料４０１は第１の反応室１０２の位置に保持される。
（ｃ）工程
ここでは、前記流路中の圧力を開放する機構を用いて、前記バルブの上流側の圧力を開放し、前記バルブを開状態とする。
図４（ｃ）に示ように、圧力開放手段１０９を開状態にすることにより、バルブ１０５の上流側の圧力を開放する。これにより、バルブ１０５前後の圧力差がなくなり、バネの復元力によりバルブ１０５は開状態になる。図４（ｂ）の工程の後、圧力開放手段１０９は閉状態にする。
（ｄ）工程
ここでは、前記流体を搬送する手段を用いて、第一のバルブ前後の圧力差が、前記第一のバルブの所定の圧力差以下であり、かつ前記第二のバルブ前後の圧力差が、前記第二のバルブの所定の圧力差以上となるように流体を搬送し、前記第一のバルブを開状態に保持し、前記第二のバルブを閉状態とする。
図４（ｄ）を用いて説明する。まず、（ａ）工程と同様の方法により、液体試料４０１は第二の反応室１０３に搬送される。液体試料４０１は所定の時間搬送された後、バルブ１０６に搬送される。このとき、流体搬送手段１０８により、バルブ１０５前後に生じる圧力差がバルブ１０５の閉じる所定の値以下であって、かつバルブ１０６前後に生じる圧力差がバルブ１０６の閉じる所定の圧力差以上となるように液体を搬送する。これにより、バルブ１０５は開状態に保持され、バルブ１０６は閉状態になる。搬送圧力をモニタリングすることにより、バルブ１０６が閉状態であることを確認し、液体を搬送するのを停止する。図４（ｄ）の工程中、液体試料４０１は第２の反応室１０３の位置に保持される。
（ｅ）工程
ここでは、前記流路中の圧力を開放する機構を用いて、前記バルブの上流側の圧力を開放し、前記バルブを開状態とする。
図４（ｅ）に示すように、圧力開放手段１０９を開状態にすることにより、バルブ１０６の上流側の圧力を開放する。これにより、バルブ１０６前後の圧力差がなくなり、バネの復元力によりバルブ１０６は開状態になる。このときバルブ１０５についても開状態となる。図４（ｅ）の工程の後、圧力開放手段１０９は閉状態にする。
（ｆ）工程
ここでは、前記流体を搬送する手段を用いて、第一のバルブ前後の圧力差が、前記バルブの所定の圧力差以下であり、かつ前記第二のバルブ前後の圧力差が、前記第二のバルブの所定の圧力差以下となるように、流体を搬送する。
図４（ｆ）に示すように、（ａ）工程と同様に液体を搬送する。これにより、バルブ１０５、１０６は開状態に保持されるため、液体試料４０１はリザーバ１０７に搬送される。
本例では、流体搬送装置１００に予め液体が満たされており、液体試料を搬送する方法を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。流路中に予め気体が満たされており、気体試料を搬送することも可能である。
次に、流体搬送装置１００に予め気体が満たされており、液体試料を搬送する例について説明する。図５は流路内を液体試料５０１が搬送される工程を示している。
（ａ）工程
ここでは、流体を搬送する手段を用いて、第一のバルブ前後の圧力差が第一のバルブの所定の圧力差以上になるように流体を搬送する。
図５（ａ）に示すように、流体搬送手段１０８にてバルブ１０５前後に発生する圧力差がバルブ１０５が閉じる所定の圧力差となるように液体を搬送する。これにより、液体試料５０１は第１の反応室１０２に搬送される。搬送圧力をモニタリングすることにより、バルブ１０５が閉状態になるのを確認し、液体を搬送するのを停止する。図５（ａ）の工程中、液体試料５０１は第１の反応室１０２の位置に保持される。
ここで、本発明に用いるバルブは、流体の粘性によりバルブが閉じる所定の圧力差が決まる。バルブ１０５、１０６の液体によって決まる前記所定の圧力差は、気体によって決まる前記所定の圧力差に比べて十分に小さい。これにより、前記（ａ）工程において、流路中に存在する気体がバルブ１０５、１０６を流れることにより、バルブ１０５、１０６を閉状態にすることはない。
（ｂ）工程
ここでは、前記流路中の圧力を開放する機構を用いて、第一のバルブの上流側の圧力を開放し、前記第一のバルブを開状態とする。
図５（ｂ）に示すように、圧力開放手段１０９を開状態にすることにより、バルブ１０５の上流側の圧力を開放する。これにより、バルブ１０５前後の圧力差がなくなり、バネの復元力によりバルブ１０５は開状態になる。図５（ｂ）の工程の後、圧力開放手段１０９は閉状態にする。
（ｃ）工程
ここでは、第一のバルブ前後の圧力差が、前記第一のバルブの所定の圧力差以下であり、かつ前記第一のバルブより下流側にある第二のバルブ前後の圧力差が、前記第二のバルブの所定の圧力差以上となるように流体を搬送する。
図５（ｃ）に示すように、バルブ１０５前後に生じる圧力差はバルブ１０５が閉じる所定の圧力差以下であり、かつバルブ１０６前後に生じる圧力差はバルブ１０６が閉じる所定の圧力差以上になるように液体を搬送する。これにより、バルブ１０５は開状態に保持され、液体はバルブ１０５を通過し第１の反応室１０２から第２の反応室１０３に搬送される。液体試料５０１がバルブ１０６に注入され、バルブ１０６は閉状態になる。搬送圧力をモニタリングすることにより、バルブ１０６が閉状態であることを確認し、液体を搬送するのを停止する。図５（ｃ）の工程中、試料は第２の反応室１０３の位置に保持される。
（ｄ）工程
ここでは、前記流路中の圧力を開放する機構を用いて、前記第二のバルブの上流側の圧力を開放し、第二のバルブを開状態とする。
図５（ｄ）に示すように、圧力開放手段１０９を開状態にすることにより、バルブ１０６の上流側の圧力を開放する。これにより、バルブ１０６前後の圧力差がなくなり、バネの復元力によりバルブ１０６は開状態になる。図５（ｄ）の工程の後、圧力開放手段１０９は閉状態にする。
（ｅ）工程
ここでは、第一のバルブ前後の圧力差が、前記第一のバルブが閉じる所定の圧力差以下であり、かつ前記第二のバルブ前後の圧力差が、前記第二のバルブの所定の圧力差以下となるように液体を搬送する。
図５（ｅ）に示すように、バルブ１０５前後に生じる圧力差がバルブ１０５が閉じる所定の圧力差以下であり、かつバルブ１０６前後に生じる圧力差がバルブ１０６が閉じる圧力差以下になるように液体を搬送する。これにより、バルブ１０５およびバルブ１０６は開状態に保持され、液体試料５０１は第２の反応室１０３から、バルブ１０６を通過して第３の反応室１０４に搬送される。また、図５（ｅ）の工程の後、液体試料５０１はリザーバ１０７に搬送される。
本例では、所定の圧力差以上になると閉じるバルブを直列に配置した流体回路を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、流路が並列に分岐した流体回路についても、バルブに搬送圧力を印加させることと搬送圧力を開放することで流体を制御することが可能である。
また、所定の圧力差以上になると閉じるバルブを複数配置した。バルブ前後の圧力差が所定の圧力以上になると流体を通過させるバルブを本発明に適用可能な流体搬送装置と組み合わせても良い。これにより、種種の制御方法が実現可能である。
また、本項では、バルブに液体を搬送し、搬送圧力をモニタリングすることで閉状態を確認し、液体を搬送することを停止したが、本発明はこれに限定されるものではない。ポンプの搬送圧力が設定値に到達すると自動的に搬送を停止する機能を用いても良い。
ポンプを用いる場合、搬送圧力を制御するモードで駆動する方法と、搬送流量を制御するモードで駆動する方法がある。また、バルブが閉じる所定の値は搬送圧力だけでなく搬送流量によっても決まる。そこで、本例では搬送圧力を制御するモードで流体を搬送する方法について説明したが、搬送流量を制御するモードで流体を搬送する場合においても同様に本発明を実施することが可能である。
実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。なお、実施例中における、寸法、形状、材料は一例であり、本発明の要件を満たす範囲内であれば、設計事項として任意に変更することができる。
本例では、バルブに流体の圧力を印加することと、流体の圧力を開放することによりバルブの開閉の制御を行う流体搬送装置の作製例を示す。
図６に図１に示した流体搬送装置の作製例を示す。図６（ａ）は、図１に示す流体回路を形成する基板６０１の上面図を示し、図６（ｂ）は、図６（ａ）中のＡ−Ａ’間の断面図を示す。
流体制御装置は、図６（ｂ）に示すように、流路を形成するガラス基板６０１、バルブの可動部を構成する基板６０２、バルブの可動部が流路を塞ぐ部分を形成した基板６０３、バルブと次のプロセスを接続する流路を形成した基板６０４からなる。
図６（ｂ）に、流体がリザーバ１０１から反応室、バルブ内を通過してリザーバ１０７に抜けるまでの具体的な経路を示す。リザーバ１０１を通過した流体は、第１の反応室１０２に注入され、基板６０２内に形成されたバルブ内流路のうち、太い流路を有する領域２０４に注入される。基板６０２内に形成された平板２０１は、流体の圧力およびバネ２０２のバネ定数により決定される量の変位を受け、平板２０１が基板６０３内の細い流路を有する領域２０５の入口を塞ぐ。これにより、流体は基板６０２内の太い流路を有する領域２０４内で止まり、それ以上流路２０２へは流れていかない。不図示のリークバルブを開けると、平板２０１はバネ２０２の復元力によって元の位置に戻る。
次に、第１の反応室１０２と太い流路を有する領域２０４に満たされた流体は、流路２０３、流路６０５、流路６０６を通って第２の反応室１０３に注入される。第２の反応室１０３を満たし、バルブ１０６に注入された流体はバルブ１０５と同様に流れを遮る。不図示のリークバルブを開けるとバルブ１０５と同様に開状態になる。
次いで、第２の反応室１０３とバルブ１０６内に満たされた流体は、流路６０７、流路６０８を通って第３の反応室に注入される。その後、リザーバ１０７を経由してシステムの外へ廃棄される。
各部の寸法例は、以下のとおりである。基板６０１、６０４の厚みは２００〜５００μｍ、。基板６０３の厚みは２００μｍである。基板６０１に形成される流路の幅は５００μｍ、深さは２０〜５００μｍである。基板６０２はＳＯＩ基板を用いており、シリコン／シリコン酸化膜／シリコンの厚みが５μｍ／０．５μｍ／２００〜５００μｍとなっている。基板６０３に形成される流路２０３、スルーホール６０６、６０８は直径１００μｍである。バルブ内の太い流路で形成される領域２０４は、直径３００μｍである。バルブを形成する可動部２０１は直径２００μｍ、厚み５μｍで、バネ２０２は長さ５０〜３００μｍ、厚み５μｍ、幅２０〜４０μｍである。流路２０５の長さ、すなわち変位のない状態の可動部２０１と流路２０３の距離は５μｍである。基板６０１の各リザーバの直径は１ｍｍである。
本例の流体搬送装置の作製方法は、以下のとおりである。
バルブの作製は、次のようにする。基板６０２、基板６０３、基板６０４にシリコンを用い、フォトリソグラフィ法とドライエッチング（例えばＳＦ６ガスとＣ４Ｆ８ガスを用いたプラズマエッチング）等を利用してバルブを作製する。基板６０２、基板６０３、基板６０４は熱融着法により接合する。
流路基板の作製は以下のとおりである。ガラス基板６０１にフォトリソグラフィ法とウエットエッチング（例えばＨＦを用いる）等を利用して流路をパターニング形成して流路基板を作製する。スルーホールはサンドブラスト加工により形成する。
こうして得られた流路基板６０１とバルブを構成する基板６０２、基板６０３、基板６０４を陽極接合法により接合して流体搬送装置が作製される。
本例では、実施例１で説明した流体搬送装置を利用し、サンプルとして腫瘍マーカーであるα−フェトプロテイン（ＡＦＰ）を抗原抗体反応により蛍光分析するための装置について説明する。
図７に分析システムの概略図を示す。流路は基板７０１上に形成され、サンプルのリザーバ７０２、フルオレセインイソチオシアネート（ＦＩＴＣ）で標識したウサギ抗ヒトＡＦＰ（以下、標識抗体という）のリザーバ７０３、サンプル中に含まれる血球成分を分離する分離部７０４、サンプルと標識抗体が混合する混合部７０５、抗原抗体反応を行う反応部７０６を有する。分離部７０４と混合部７０５の間にはバルブ７０８、リザーバ７０３と混合部７０５の間にはバルブ７１０、反応部７０６と廃液部７０７の間にはバルブ７０９が接続されている。また、リザーバ７０２と分離部７０４の間、およびリザーバ７０３とバルブ７１０との間は流路表面が撥水処理されており、前記リザーバ内の液体は漏れない。反応部はビーズが充填されており、ビーズ表面にはマウス抗ヒトＡＦＰが吸着している。ビーズはポリスチレンビーズ、直径４５μｍを使用する。分析システムは流路基板７０１、ポンプ７１２、リークバルブ７１３で構成されている。リザーバ７０２、７０３はリークバルブ７１３を介してポンプ７１２に接続されている。なお、蛍光顕微鏡７１１は反応部７０６を挟むように配置されている。
分析対象サンプル溶液として、血液を２０μｌを、洗浄溶液として、２０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ＝７．０；ＫＨ２ＰＯ４−Ｎａ２ＨＰＯ４）を用意する。
まず、サンプル中の血球成分を分離する。次に、血球成分が分離されたサンプルと標識抗体を混合させ、反応部で抗原抗体反応を行う。その後、反応が終わったサンプルは廃液部に搬送される。なお、リザーバ７０２内の血液サンプルおよびリザーバ７０３内の標識抗体はポンプよりリン酸緩衝液を搬送することにより流路内を移動する。
ここで、バルブが閉じる所定の値について説明する。サンプルを搬送するホンプは、搬送流量を制御するモードで駆動する。また、前記流路において、ポンプ側に位置するバルブほどバルブが閉じる流量が大きくなるように構成する。バルブ７０８およびバルブ７１０が閉る流量は５００μｌ／ｍｉｎ、バルブ７０９が閉る流量は５０μｌ／ｍｉｎである。
また、サンプルの搬送流量は次のとおりである。血球成分を分離する工程では流量１０００μｌ／ｍｉｎ、サンプルと標識抗体を混合する工程では流量１００μｌ／ｍｉｎ、反応が終わったサンプルを搬送する工程では流量１０μｌ／ｍｉｎで搬送する。
分析工程は以下のとおりである。図８（ａ）に示すように、まず、リザーバ７０２から分離部７０４へサンプルを流量１０００μｌ／ｍｉｎで注入する。サンプルはサンプル中の血球成分が分離されバルブ７０８に搬送される。また、このとき、リザーバ７０３内の標識抗体はバルブ７１０に搬送される。バルブ７０８、７１０が閉る流量は５００μｌ／ｍｉｎであるため、バルブ７０８、７１０は閉状態になりサンプルの搬送を停止する。
次に、図８（ｂ）に示すように、リークバルブ７１３を開状態にし、バルブ７０８、７１０を開状態にする。
そして、前記サンプルと前記標識抗体を流量１００μｌ／ｍｉｎで搬送する。このとき、搬送流量はバルブ７０８、７１０が閉じる流量を下回るため、前記サンプルと前記標識抗体は同時に混合部に搬送される。これにより、標識されたウサギ抗ヒトＡＦＰはサンプル中のヒトＡＦＰと抗原抗体反応を生じる。
図８（ｃ）に示すように、サンプルは反応部７０６に流量１００μｌ／ｍｉｎで注入される。バルブ７０９が閉じる流量は５０μｌ／ｍｉｎより、バルブ７０９は閉状態になり、サンプルの搬送を停止する。このとき、ヒトＡＦＰと結合した標識抗体とビーズに吸着したマウス抗ヒトＡＦＰとは抗原抗体反応を生じる。反応のため１０分間サンプルを反応部に保持する。その後、リークバルブ７１３を開状態にし、バルブ７０９を開状態にする。
そして、図８（ｄ）に示すように、反応に関わらない血液サンプルを流量１０μｌ／ｍｉｎで廃液部７０７に搬送する。引き続きポンプより、リン酸緩衝液を搬送することにより反応７０６を洗浄する。蛍光顕微鏡７１１によって抗原抗体反応が生じたサンプルを観察する。反応部７０６に充填されたビーズ表面に結合したヒトＡＦＰは、ＦＩＴＣ蛍光反応により確認することができる。
以上のように、本発明の流体搬送方法を用いれば、簡単な構成で流体を搬送することが可能である。また、バルブは耐圧性を備えた構造であることから、搬送圧力が高い場合も正確な流体制御が可能である。特に、μ−ＴＡＳの分野ではシステム全体の小型化が要求されるため、本発明は有用である。
本発明の流体搬送方法は、搬送圧力を印加することと搬送圧力を開放することにより、バルブの開閉の制御を容易に行うことができ、簡単な構成で流体の搬送制御をすることができる。また、耐圧性を備えているので高圧力の流体の搬送に対しても正確な制御が可能となる。特にチップ上で化学分析や化学反応を行う小型化分析システム（μ―ＴＡＳ）において、流体の流れを制御するための流体搬送方法として利用することができる。
本発明の流体制御方法の実施形態の一例を示す概念図である。 本発明に適用可能な流体制御装置に用いるバルブの一実施形態を示す概念図である。 本発明に適用可能な流体制御装置に用いるバルブが駆動する工程を示す図である。 本発明の流体搬送方法の一実施形態を示す概念図である。 本発明の流体搬送方法の一実施形態を示す概念図である。 本発明に適用可能な流体制御装置の一実施形態を示す概念図である。 本発明に適用可能な流体搬送装置の一実施形態を示す概念図である。 本発明の流体搬送方法の一実施形態を示す概念図である。
符号の説明
１０１、１０７、７０２、７０３ リザーバ
１０２ 第１の反応室
１０３ 第２の反応室
１０４ 第３の反応室
１０５、１０６、２００、７０８、７０９、７１０ バルブ
１０８ 流体搬送手段
１０９ 圧力開放手段
２０１ 平板
２０２ バネ
２０３、２０４、２０５ バルブ内流路
３０１、３０２ 流体の流れ
４０１、５０１ 液体試料
６０１、６０２、６０３、６０４ 基板
６０５、６０６、６０７、６０８ 流路
７０４ 分離部
７０５ 混合部
７０６ 反応部
７１１ 蛍光顕微鏡
７１２ ポンプ
７１３ リークバルブ

Claims (1)

  1. 流体を流すための流路を用いた流体搬送方法であって、
    前記流体を搬送するための圧力を発生する圧力発生手段と、前記流体に対し処理を行う複数の処理部と、該複数の処理部への流体の流れを制御するバルブであって、前記流路に前記流体が流れたときに上流側と下流側との間に生じる圧力差に応じて作動し、前記圧力差がしきい値未満のときは流体を通過させ、前記圧力差が前記しきい値以上のときは流体の流れを遮断し、前記しきい値が異なるものの複数と、前記流路中の圧力を開放する圧力開放手段と、を有する流体搬送装置を用意する工程、
    前記圧力発生手段を用いて、上流側に位置する第一のバルブ前後の圧力差が、第一のバルブのしきい値未満であり、かつ第一のバルブより下流側に位置する第二のバルブの圧力差が第二のバルブのしきい値未満となるように流体を搬送する工程、
    前記圧力発生手段を用いて、第一のバルブ前後の圧力差が、第一のバルブのしきい値未満であり、かつ第二のバルブ前後の圧力差が、第二のバルブのしきい値以上となるように流体を搬送し、第一のバルブを開状態に保持し、第二のバルブを閉状態とする工程、
    及び前記圧力開放手段を用いて、第二のバルブの上流側の圧力を開放し、第二のバルブを開状態とする工程、
    を有することを特徴とする流体搬送方法。
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