JP4159596B2 - Micro liquid dilution method - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ流体を混合する微細流路構造が基板内に形成されたマイクロ流体デバイスを用いた微量液体希釈方法に関し、より詳細には、様々な分析に際しての検体や試薬などを混合したり、希釈したりするのに用いられるマイクロ流体デバイスを用いた微量液体希釈方法に関する。 The present invention relates to a method for diluting a trace amount of liquid using a microfluidic device in which a microchannel structure for mixing microfluids is formed in a substrate. More specifically, the present invention relates to mixing samples, reagents, and the like for various analyses. The present invention relates to a trace liquid dilution method using a microfluidic device used for dilution.
従来、検体を分析したり、様々な物質を化学反応させるに際し、検体や試薬を希釈することが多い。特に、微量の液体の希釈を行う場合には、マイクロプレート及び分注ピペットを用いた操作方法、あるいは自動液体分注ロボット装置を用いた方法が用いられていた。マイクロプレート及び分注ピペットを用いた操作方法では、操作が煩雑であり、かつ熟練した実験者が必要であった。また、実験室外の屋外や、臨床検査に際してのベッドサイド等において、簡便に検体や試薬を混合することが困難であった。 Conventionally, when analyzing a specimen or chemically reacting various substances, the specimen or reagent is often diluted. In particular, when a small amount of liquid is diluted, an operation method using a microplate and a dispensing pipette, or a method using an automatic liquid dispensing robot apparatus has been used. In the operation method using a microplate and a dispensing pipette, the operation is complicated and a skilled experimenter is required. In addition, it is difficult to easily mix specimens and reagents outside the laboratory or on the bedside during clinical examinations.
他方、自動液体分注ロボット装置を用いた希釈方法では、装置が大型にならざるを得ず、やはり屋外やベッドサイド等において簡便に利用することはできなかった。 On the other hand, in the dilution method using the automatic liquid dispensing robot apparatus, the apparatus has to be large, and it cannot be easily used outdoors or at the bedside.
近年、微量の液体を取り扱う分析デバイスとして、マイクロ流体デバイスが注目されている。マイクロ流体デバイスは、例えば、手で容易に持ち運び、取り扱い得る大きさの基板を有する。この基板内に、検体、試薬、希釈液などを搬送する微細流路構造が形成されている。上記微細流路構造には、試薬収納部、検体供給部、希釈液収納部、反応室及びまたは混合部などが適宜設けられている。 In recent years, microfluidic devices have attracted attention as analytical devices that handle a small amount of liquid. The microfluidic device has, for example, a substrate that is sized to be easily carried and handled by hand. A fine channel structure for conveying a specimen, a reagent, a diluent, and the like is formed in the substrate. The fine channel structure is appropriately provided with a reagent storage unit, a sample supply unit, a diluent storage unit, a reaction chamber, and / or a mixing unit.
上記マイクロ流体デバイスは、通常、平面積が数百cm2以下の基板を用いて形成されており、基板の厚みは0.5〜10mm程度とされている。また、上記微細流路構造における流路の径は、通常、5μm〜1mm程度と非常に細い。ここで流路が平坦である場合には、微細流路の径は平坦流路の断面の狭い方の幅でもって規定される。また、搬送されるマイクロ流体は、空気等により送られ、液滴状のことも多い。 The microfluidic device is usually formed using a substrate having a plane area of several hundred cm 2 or less, and the thickness of the substrate is about 0.5 to 10 mm. In addition, the diameter of the flow path in the fine flow path structure is usually very thin, about 5 μm to 1 mm. Here, when the flow path is flat, the diameter of the fine flow path is defined by the narrower width of the cross section of the flat flow path. In addition, the microfluid to be transported is sent by air or the like and is often in the form of droplets.
従って、検体や試薬を上記マイクロ流体デバイス内において希釈する場合、非常に幅の細い微細流路をマイクロ流体が搬送されることになるため、液体が送液される通常の回路とは異なり、マイクロ流体の表面張力や微細流路の壁面の濡れ性などが大きく影響する。また、このような微量のマイクロ流体を定量的に秤取することが難しく、そのため、複雑な回路構成が必要となるという問題があった。 Therefore, when diluting a specimen or reagent in the microfluidic device, the microfluid is transported through a very narrow fine channel. The surface tension of the fluid and the wettability of the wall surface of the fine channel have a great influence. In addition, it is difficult to quantitatively measure such a small amount of microfluidic material, and there is a problem that a complicated circuit configuration is required.
下記の特許文献1には、マイクロ流体デバイスを用い、層流中でタンパク質の結晶を生成させる方法が開示されている。また、下記の非特許文献1には、マイクロ流体デバイス内における温度制御を厳格に行い、それによって、微量の液体から結晶を生成する方法が開示されている。 Patent Document 1 below discloses a method of generating protein crystals in a laminar flow using a microfluidic device. Non-Patent Document 1 described below discloses a method for strictly controlling temperature in a microfluidic device, thereby generating crystals from a small amount of liquid.
しかしながら、特許文献1や非特許文献1に記載の各方法では、反応場所が非常に小さく、反応を高精度に制御することが可能とされているが、タンパク質溶液の結晶化部位までの導入方法では、デッドボリュームを小さくすることができないという問題があった。 However, in each method described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, the reaction site is very small and the reaction can be controlled with high accuracy. Then, there was a problem that the dead volume could not be reduced.
上記のような問題を解決し、単純な構成により、簡単な操作のみで微量な液体を秤取し得る微量液体秤取構造が、下記の特許文献2に開示されている。特許文献2に記載の微量液体秤取構造は、パッシブバルブを使用した微量流体秤取構造である。この微量流体秤取構造は、それぞれ、所定の方向に延長される第1の微細流路及び第2の流路と、第1の微細流路の流路壁に開口する第3の流路と、第2の流路の流路壁に開口して第3の流路の一端と第2の流路とを連結し、第1〜第3の流路よりも細い第4の流路とを有する。第4の流路は、第2の流路及び第3の流路に比べて濡れにくく、あるいは相対的に毛管力が働きにくい性質を有する。そして、第1の微細流路に導入された液体が、第1の微細流路の流路壁に開口している第3の流路の開口部を介して第3の流路内に引き込まれた後、第1の微細流路に残存する上記液体が取り除かれ、第3の流路の容積に応じた体積の液体を秤取することが可能とされている。
しかしながら、特許文献2に記載の微量液体秤取構造を備えたマイクロ流体デバイスにおいて、混合比を10倍以上に大きくと、正確で再現性よい混合ができなくなるという欠点があった。さらに、分析や反応に際しては、検体や試薬を10倍、100倍及び1000倍と累進的に高倍率に希釈する必要のある場合がある。
However, in the microfluidic device having the trace liquid weighing structure described in
しかしながら、従来、この種のマイクロ流体デバイスでは、複数の混合ユニットを接続してなる複数段構式の微細流路構造として機能させることができなかった。なぜなら、この種のマイクロ流体デバイスでは、非常に小さな流路内を、非常に少ない量のマイクロ流体が液滴のような形態で搬送され、マイクロ流体の表面張力や流路壁面の濡れ性及び毛管現象の影響を利用して秤取合一を行うため、秤取された複数のマイクロ流体が秤取部から合流部へ押し出されるタイミングが同一であることを前提としていたが、複数の混合ユニットの接続においては、第1の混合ユニットの出力を第2の混合ユニットが利用するという制約上、第2の混合ユニット内で秤取された複数のマイクロ流体が秤取部から合流部へ押し出されるタイミングを合わせることができないので、第1第2の混合ユニットを単純に連結しても、第2の混合ユニットが機能しなかったからである。そのため、様々な希釈倍率の混合溶液を含む希釈系列をマイクロ流体デバイス内に同時構成することは非常に困難であった。このような要望を満たすマイクロ流体デバイスは、現在まで開発されていないのが実情であった。 However, conventionally, this type of microfluidic device has not been able to function as a multi-stage fine channel structure in which a plurality of mixing units are connected. This is because in this type of microfluidic device, a very small amount of microfluid is transported in a very small flow path in the form of droplets, and the surface tension of the microfluid, the wettability of the flow path wall surface and the capillary In order to perform weighing and unification using the influence of the phenomenon, it was assumed that the timing at which the weighed multiple microfluids were pushed out from the weighing section to the merge section was the same. In connection, due to the restriction that the output of the first mixing unit is used by the second mixing unit, the timing at which the plurality of microfluids weighed in the second mixing unit are pushed out from the weighing unit to the merging unit This is because the second mixing unit does not function even if the first and second mixing units are simply connected. Therefore, it has been very difficult to simultaneously construct a dilution series including mixed solutions of various dilution ratios in the microfluidic device. Actually, a microfluidic device that satisfies such a demand has not been developed so far.
また、従来の希釈方法としては、希釈対象の溶液に一回に多量のバッファー溶液を添加混合して希釈溶液を調整する方法や溶液を数回に分けて順次希釈していく多段希釈等がある。中でも均一濃度の高希釈倍率溶液を調整するためには、多段階希釈が用いられてきた。このような希釈操作の場合、定量的に溶液を採取・混合することは通常の方法で可能である。これに対して、マイクロ流体デバイス内で高希釈倍率の均一な溶液を調製するためには、マイクロ流体デバイス内で多段希釈方法を実現することが必要であった。このような正確な濃度で多段希釈を行い、最終的に高希釈倍率溶液を得るには、1)希釈対象の溶液とバッファー溶液の正確な秤量、2)希釈対象溶液とバッファー溶液の均一な混合を行う必要があった。しかしながらこれらをマイクロ流体デバイス内で完了させるは非常に難しい課題であった。 In addition, as a conventional dilution method, there are a method of adding a large amount of buffer solution to the solution to be diluted at once and mixing the solution, a multistage dilution in which the solution is diluted in several steps, etc. . Among them, multi-stage dilution has been used to prepare a highly diluted solution having a uniform concentration. In the case of such a dilution operation, it is possible to collect and mix the solution quantitatively by an ordinary method. On the other hand, in order to prepare a uniform solution having a high dilution ratio in the microfluidic device, it was necessary to realize a multistage dilution method in the microfluidic device. To perform multi-stage dilution at such an accurate concentration and finally obtain a highly diluted solution, 1) Accurate weighing of the solution to be diluted and the buffer solution, 2) Uniform mixing of the solution to be diluted and the buffer solution Had to do. However, completing them in a microfluidic device has been a very difficult task.
本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、複数のマイクロ流体を高精度に秤取し得るだけでなく、該複数のマイクロ流体を混合し、様々な希釈倍率のマイクロ流体を容易にかつ確実に提供することを可能とする微細流路構造が備えられたマイクロ流体デバイスを用いた微量液体希釈方法を提供することにある。 The object of the present invention is not only to be able to weigh a plurality of microfluids with high accuracy in view of the above-described current state of the prior art, but also to easily mix microfluids with various dilution ratios by mixing the plurality of microfluids. Another object of the present invention is to provide a method for diluting a trace amount of liquid using a microfluidic device provided with a fine channel structure that can be reliably provided.
本発明に係るマイクロ流体デバイスを用いた微量液体希釈方法は、基板と、前記基板内に設けられており、マイクロ流体が搬送される微細流路構造とを備え、前記微細流路構造が、第1の混合ユニットと、第1の混合ユニットの下流側に接続されている第2の混合ユニットとを有し、各混合ユニットは、一定量の第1のマイクロ流体を秤取するために、該一定量の第1のマイクロ流体の体積と等しい容積を有する微細流路からなる第1の秤取部と、一定量の第2のマイクロ流体を秤取するために、前記一定量の第2のマイクロ流体の体積に等しい容積を有する微細流路からなる第2の秤取部と、第1,第2の秤取部で秤取された第1,第2のマイクロ流体が合流される合流部と、前記合流部の下流に連ねられており、前記第1,第2のマイクロ流体を混合する混合部と、前記第1,第2のマイクロ流体の混合により得られた混合マイクロ流体を排出する排出部と、第1〜第3の入口ポート及び第1〜第3の出口ポートと、第1の入口ポートと第1の出口ポートとを結ぶ第1の微細流路と、第2の入口ポートと第2の出口ポートとを結び、前記合流部、前記混合部及び前記排出部を有する第2の微細流路と、第3の入口ポートと第3の出口ポートとを結ぶ第3の微細流路とを備え、前記第1の秤取部の一端が前記第1の微細流路に接続されており、他端が第2の微細流路に設けられた前記合流部に開口しており、前記第2の秤取部の一端が前記第3の微細流路に接続されており、他端が前記第2の微細流路に設けられている前記合流部に開口しており、前記第2の出口ポートが前記排出部に接続されており、前記第1の混合ユニットの第2の出口ポートが、前記第2の混合ユニットの前記第1または第3の入口ポートに接続されている、マイクロ流体デバイスを用いた微量液体希釈方法であって、前記第1の混合ユニットの第1または第2の秤取部に、検体としての第1のマイクロ流体を秤取し、前記第2または第1の秤取部に希釈液としての第2のマイクロ流体を秤取する工程と、前記第1の混合ユニットにおいて、前記検体としての第1のマイクロ流体と、希釈液としての第2のマイクロ流体とを混合し、混合マイクロ流体として第1の検体希釈液を排出する工程と、前記第2の混合ユニットの第1または第2の秤取部に、前記第1の混合ユニットから排出された第1の混合マイクロ流体の少なくとも一部を秤取し、前記第2の混合ユニットの第2または第1の秤取部に第2または第1のマイクロ流体として希釈液を秤取する工程と、前記第2の混合ユニットにおいて、前記第1の検体希釈液と、前記希釈液とを混合して、第2の混合マイクロ流体としての第2の検体希釈液を得、前記第2のマイクロ流体としての前記第2の検体希釈液を、前記第2の混合ユニットの排出部から排出する工程とを備え、さらに、第1,第2の混合ユニットの後段に、n−2個(nは3以上の自然数)の混合ユニットを接続し、各混合ユニットの排出部から、それぞれ検体希釈液としての混合流体を排出させ、それによって、濃度が異なるn種の検体希釈液を得ることを特徴とする。 A micro liquid dilution method using a microfluidic device according to the present invention includes a substrate and a fine channel structure that is provided in the substrate and conveys the microfluid, and the fine channel structure includes: One mixing unit and a second mixing unit connected downstream of the first mixing unit, each mixing unit including a first microfluid in order to weigh a certain amount of the first microfluid. In order to weigh a first amount of the second microfluid having a first weigher having a fine flow path having a volume equal to the volume of the predetermined amount of the first microfluid, the second amount of the second microfluid A second weighing unit comprising a fine channel having a volume equal to the volume of the microfluid, and a merging unit where the first and second microfluids weighed by the first and second weighing units are merged And the first and second microphones are connected downstream of the junction. A mixing section for mixing fluid, a discharge section for discharging the mixed microfluid obtained by mixing the first and second microfluids, and first to third inlet ports and first to third outlet ports A first fine flow path connecting the first inlet port and the first outlet port, a second inlet port and the second outlet port, and the merging portion, the mixing portion, and the discharge portion And a third fine channel connecting the third inlet port and the third outlet port, and one end of the first weighing portion has the first fine flow The other end is open to the joining portion provided in the second fine channel, and one end of the second weighing unit is connected to the third fine channel. And the other end is open to the merging portion provided in the second fine flow path, and the second outlet port is connected to the exhaust port. Parts are connected to the second outlet port of the first mixing unit, the second the first or the third mixing unit of which is connected to the inlet port, using a microfluidic device trace In the liquid dilution method, the first microfluid as a sample is weighed in the first or second weighing unit of the first mixing unit, and diluted in the second or first weighing unit. A step of weighing a second microfluid as a liquid, and in the first mixing unit, the first microfluid as the specimen and the second microfluid as a diluent are mixed, and mixed micro A step of discharging the first specimen diluent as a fluid; and at least one of the first mixed microfluids discharged from the first mixing unit in the first or second weighing unit of the second mixing unit. Weigh a part of the Weighing the diluent as the second or first microfluid in the second or first weighing unit of the second mixing unit; and, in the second mixing unit, the first specimen diluent , Mixing the dilution liquid to obtain a second specimen dilution liquid as a second mixed microfluid, and the second specimen dilution liquid as the second microfluid to the second mixing unit. A discharge section of each mixing unit, and further, n-2 (n is a natural number of 3 or more) mixing units are connected to the subsequent stage of the first and second mixing units. From the above, the mixed fluid as the specimen diluent is discharged, whereby n kinds of specimen diluents having different concentrations are obtained.
本発明で用いられるマイクロ流体デバイスでは、前記第1の混合ユニットの前記第2の出口ポートが、前記第2の混合ユニットの前記第1または第3の入口ポートに接続されていてもよい。それによって、第1の混合ユニットで混合されたマイクロ流体が第2の混合ユニットにおいて一定量の第1または第2のマイクロ流体として利用される。この場合には、第1の混合ユニットと第2の混合ユニットとが上記のように接続されているので、より高倍率の希釈系列を構成することができる。 In the microfluidic device used in the present invention, the second outlet port of the first mixing unit may be connected to the first or third inlet port of the second mixing unit. Thereby, the microfluid mixed in the first mixing unit is used as a certain amount of the first or second microfluid in the second mixing unit. In this case, since the first mixing unit and the second mixing unit are connected as described above, a dilution series with a higher magnification can be configured.
また、本発明で用いられるマイクロ流体デバイスでは、前記第1の混合ユニットの前記第1の出口ポートが、前記第2の混合ユニットの前記第1の入口ポートに接続されており、前記第1の混合ユニットの前記第3の出口ポートが、前記第2の混合ユニットの前記第3の入口ポートに接続されていてもよい。この場合には、第1,第2の混合ユニットが並列に接続されているので、第1,第2の混合ユニットの第1,第2の秤取部を同様に構成することにより、同じ希釈倍率の複数のマイクロ流体を容易に得ることができる。また、第1の混合ユニットと第2の混合ユニットで、希釈倍率を異ならせれば、異なる希釈倍率のマイクロ流体を得ることもできる。 In the microfluidic device used in the present invention, the first outlet port of the first mixing unit is connected to the first inlet port of the second mixing unit. The third outlet port of the mixing unit may be connected to the third inlet port of the second mixing unit. In this case, since the first and second mixing units are connected in parallel, the same dilution can be achieved by configuring the first and second weighing units of the first and second mixing units in the same manner. A plurality of microfluids with a magnification can be easily obtained. Further, if the dilution ratio is different between the first mixing unit and the second mixing unit, microfluids having different dilution ratios can be obtained.
本発明で用いられるマイクロ流体デバイスでは、第2の混合ユニットの下流側に、少なくとも1つの第3の混合ユニットがさらに接続されていてもよく、それによって、より多くのあるいはより多種類の希釈倍率のマイクロ流体を容易に得ることができる。 In the microfluidic device used in the present invention, at least one third mixing unit may be further connected to the downstream side of the second mixing unit, thereby increasing the number of dilution factors. This microfluid can be easily obtained.
本発明で用いられるマイクロ流体デバイスでは、前記第1及び/または第2の混合ユニットにおいて、第1の秤取部の出口開口と、前記第2の秤取部の出口開口とが、前記合流部において対向されている。 In the microfluidic device used in the present invention, in the first and / or second mixing unit, the outlet opening of the first weighing unit and the outlet opening of the second weighing unit include the merging unit. Are opposed to each other.
もっとも、前記第1及び/または第2の混合ユニットにおいて、前記第1の秤取部の出口開口と、前記第2の秤取部の出口開口とが、前記合流部において、マイクロ流体が流れる方向において異なる位置に配置されていてもよい。 However, in the first and / or second mixing unit, the outlet opening of the first weighing unit and the outlet opening of the second weighing unit are in the direction in which the microfluid flows in the junction. May be arranged at different positions.
好ましくは、前記第1の秤取部の出口開口と前記第2の秤取部の出口開口との前記第2の微細流路におけるマイクロ流体の流れる方向における距離が、前記第1の秤取部から合流部に供給された第1のマイクロ流体と、第2の秤取部から合流部に供給された第2のマイクロ流体との間に気泡を形成しないように、かつ第1,第2の秤取部から異なるタイミングで前記合流部に第1,第2のマイクロ流体が吐出された際に、第1,第2のマイクロ流体が第2の秤取部の出口開口または第1の秤取部の出口開口に接触しないように選ばれている。この場合には、第1,第2の秤取部から異なるタイミングで合流部に第1,第2のマイクロ流体が吐出されたとしても、気泡の噛み込みが生じ難く、合流部において、第1,第2のマイクロ流体が確実に合一される。 Preferably, the distance between the outlet opening of the first weighing unit and the outlet opening of the second weighing unit in the flow direction of the microfluid in the second microchannel is the first weighing unit. In order not to form bubbles between the first microfluid supplied from the first to the merging section and the second microfluid supplied from the second weighing section to the merging section, the first and second When the first and second microfluids are discharged from the weighing unit to the merging unit at different timings, the first and second microfluids are discharged from the outlet opening of the second weighing unit or the first weighing unit. Is selected so as not to contact the outlet opening of the part. In this case, even if the first and second microfluids are discharged from the first and second weighing units at different timings, bubbles are unlikely to be caught, and the first and second microfluids are prevented from being generated in the first unit. , The second microfluid is reliably united.
好ましくは、前記第1,第2の秤取部の内、合流部において下流側に出口開口が位置している側の秤取部から吐出されたマイクロ流体が、合流部において、該秤取部の出口開口とは反対側の壁面に至らない大きさとなるように、前記合流部における第2の微細流路の幅が、該吐出されたマイクロ流体の上記流路の幅方向に沿う寸法よりも大きくされている。この場合においても、第1の秤取部から吐出された第1のマイクロ流体と、第2の秤取部から合流部に吐出しされた第2のマイクロ流体との間に気泡は噛み込み難い。 Preferably, of the first and second weighing units, the microfluid discharged from the weighing unit on the side where the outlet opening is located downstream in the merging unit is The width of the second fine channel in the merging portion is larger than the dimension of the discharged microfluid along the width direction of the channel so that the size does not reach the wall on the opposite side of the outlet opening. It has been enlarged. Even in this case, it is difficult for air bubbles to bite between the first microfluid discharged from the first weigher and the second microfluid discharged from the second weigher to the junction. .
本発明で用いられるマイクロ流体デバイスでは、好ましくは、前記混合部では、流路の幅方向両側の壁面が非対称、及び/または流路の基板高さ方向両側の壁面が非対称とされていてもよい。この場合には、混合部において、流路の幅方向両側及び基板高さ方向両側の少なくとも一方において、一方側と他方側においてマイクロ流体の流れる状態が異なるため、マイクロ流体中に渦が発生して、第1,第2のマイクロ流体がより均一に混合される。 In the microfluidic device used in the present invention, preferably, in the mixing section, the wall surfaces on both sides in the width direction of the flow path may be asymmetric and / or the wall surfaces on both sides in the substrate height direction of the flow path may be asymmetric. . In this case, in the mixing part, since the flow state of the microfluid is different on one side and the other side on at least one of both sides in the width direction of the flow path and both sides in the substrate height direction, vortices are generated in the microfluid. The first and second microfluids are mixed more uniformly.
本発明で用いられるマイクロ流体デバイスのさらに別の特定の局面では、前記第2の入口ポートに接続されており、該合流部において第1,第2のマイクロ流体を搬送するためのガスを供給する第1のマイクロポンプ装置と、第1,第2の秤取部において、一定量のマイクロ流体を秤取し、かつ第1,第2の秤取部から前記合流部に第1,第2のマイクロ流体を吐出するために、前記第1,第3の微細流路にそれぞれ接続された第2,第3のマイクロポンプ装置とがさらに備えられていてもよい。 In still another specific aspect of the microfluidic device used in the present invention, the gas connected to the second inlet port and supplying the gas for transporting the first and second microfluids at the junction is supplied. In the first micropump device and the first and second weighers, a certain amount of microfluid is weighed, and the first and second weighers from the first and second weighers to the merging part. In order to discharge the microfluidic, a second and a third micropump device connected to the first and third microchannels may be further provided.
第1〜第3のマイクロポンプ装置を駆動することにより、第1,第2の秤取部において第1,第2のマイクロ流体を秤取し、かつ合流部にこれらを吐出することができるとともに、吐出された第1,第2のマイクロ流体を混合部側に搬送することができる。 By driving the first to third micropump devices, the first and second weighing units can weigh the first and second microfluids and discharge them to the merging unit. The discharged first and second microfluids can be transported to the mixing unit side.
本発明で用いられるマイクロ流体デバイスでは、少なくとも1つの微細流路において、各微細流路内をマイクロ流体が流れ得る状態と、マイクロ流体の搬送が停止される状態とを実現するために、少なくとも1つの微細流路に関連して基板内に設けられた流路開閉装置をさらに備え、該流路開閉装置により、微細流路が開状態とされている際に、前記微細流路内をマイクロ流体が移動し、前記流路開閉装置により微細流路が閉状態とされている際に、マイクロ流体の移動が停止される。従って、上記流路開閉装置を駆動することにより、マイクロ流体を微細流路内に送液したり、送液を停止したりすることができる。好ましくは、前記流路開閉装置が、前記開状態と、前記閉状態との間で移動され得るストッパーと、該ストッパーを前記開状態と前記閉状態との間で移動させるストッパー駆動手段とが備えられている。この場合には、基板内に設けられたストッパー駆動手段を駆動することにより、秤取部手前の流路内のガス圧が上昇し、マイクロ流体が秤取部から混合部へ押し出される。 In the microfluidic device used in the present invention, in at least one microchannel, in order to realize a state where the microfluid can flow in each microchannel and a state where the transport of the microfluid is stopped, at least one microchannel is used. A flow path opening / closing device provided in the substrate in relation to one fine flow path, and when the fine flow path is opened by the flow path opening / closing apparatus, And the microfluidic movement is stopped when the microchannel is closed by the channel switching device. Therefore, by driving the flow path opening / closing device, the microfluid can be fed into the fine flow path, or the liquid feed can be stopped. Preferably, the flow path opening / closing device includes a stopper that can be moved between the open state and the closed state, and a stopper driving unit that moves the stopper between the open state and the closed state. It has been. In this case, by driving the stopper driving means provided in the substrate, the gas pressure in the flow path before the weighing unit is increased, and the microfluid is pushed out from the weighing unit to the mixing unit.
特に、第1の混合ユニットの第2の出口ポートが、第2の混合ユニットの第1または第3の入口ポートに接続される場合には、それによって、第1の混合ユニットで混合されたマイクロ流体が、第2の混合ユニットにおいて一定量の第1または第2のマイクロ流体として利用されるので、より高倍率に希釈されたマイクロ流体を第2の混合ユニットにおいて得ることができる。 In particular, if the second outlet port of the first mixing unit is connected to the first or third inlet port of the second mixing unit, thereby the micros mixed in the first mixing unit. Since the fluid is utilized as a certain amount of the first or second microfluid in the second mixing unit, a microfluid diluted at a higher magnification can be obtained in the second mixing unit.
従来、この種のマイクロ流体デバイスでは、複数の混合ユニットを接続してなる複数段構式の微細流路構造は採用されていなかった。なぜなら、この種のマイクロ流体デバイスでは、非常に小さな流路内を、非常に少ない量のマイクロ流体が液滴のような形態で搬送され、マイクロ流体の表面張力や流路壁面の濡れ性及び毛管現象の影響を利用して秤取合一を行うため、秤取された複数のマイクロ流体が秤取部から合流部へ押し出されるタイミングが同一であることを前提としていたが、複数の混合ユニットの接続においては、第1の混合ユニットの出力を第2の混合ユニットが利用するという制約上、第2の混合ユニット内で秤取された複数のマイクロ流体が秤取部から合流部へ押し出されるタイミングを合わせることができないので、第1第2の混合ユニットを単純に連結しても、第2の混合ユニットが機能しなかったからである。 Conventionally, in this type of microfluidic device, a multi-stage fine channel structure in which a plurality of mixing units are connected has not been adopted. This is because in this type of microfluidic device, a very small amount of microfluid is transported in a very small flow path in the form of droplets, and the surface tension of the microfluid, the wettability of the flow path wall surface and the capillary In order to perform weighing and unification using the influence of the phenomenon, it was assumed that the timing at which the weighed multiple microfluids were pushed out from the weighing section to the merge section was the same. In connection, due to the restriction that the output of the first mixing unit is used by the second mixing unit, the timing at which the plurality of microfluids weighed in the second mixing unit are pushed out from the weighing unit to the merging unit This is because the second mixing unit does not function even if the first and second mixing units are simply connected.
これに対して、本発明では、複数のマイクロ流体が秤取部から合流部へ押し出されるタイミングが同一でない場合にも混合ユニットとしての機能を発揮しうる工夫を凝らしているので、上記第1,第2の混合ユニットを接続した構造においても、第2の混合ユニットが機能を発揮できる。したがって、複数の混合ユニットの多様な組み合わせが可能となり、それぞれの組み合わせで混合されたマイクロ流体を速やかにかつ正確に搬送することが可能とされている。 On the other hand, in the present invention, since the device is able to exert the function as a mixing unit even when the timings at which the plurality of microfluids are pushed out from the weighing unit to the merging unit are not the same, Even in the structure in which the second mixing unit is connected, the second mixing unit can exhibit its function. Therefore, various combinations of a plurality of mixing units are possible, and the microfluids mixed in each combination can be transported quickly and accurately.
よって、本発明の微量液体希釈方法を用いることにより、異なる混合比による多段の混合・希釈を必要とする様々な分析や化学反応に用いるのに適しており、様々な濃度のマイクロ流体をあるいは多数のマイクロ流体を迅速にマイクロ流体デバイス内で用意することで、分析や反応に要する操作の自動化及び操作時間の短縮を図ることが可能となる。 Therefore, the micro liquid dilution method of the present invention is suitable for use in various analyzes and chemical reactions that require multi-stage mixing / dilution with different mixing ratios. By quickly preparing the microfluidic fluid in the microfluidic device, it is possible to automate the operation required for analysis and reaction and shorten the operation time.
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。 Hereinafter, the present invention will be clarified by describing specific embodiments of the present invention with reference to the drawings.
図1は、本発明の位置実施形態に係るマイクロ流体デバイスの微細流路構造を示す模式的平面図であり、図2は、本実施形態のマイクロ流体デバイスの一部を模式的に示す正面断面図である。 FIG. 1 is a schematic plan view showing a microchannel structure of a microfluidic device according to a position embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a front sectional view schematically showing a part of the microfluidic device of this embodiment. FIG.
図2に示すように、マイクロ流体デバイス1は、基板2を有する。基板2は、透明なベースプレート3と、中間プレート4〜6と、トッププレート7とを積層した構造を有する。ベースプレート3内には、ガス発生室8が設けられている。ガス発生室8は、ベースプレート3の上面に開口しており、かつガス発生室8内には、光の照射により、あるいは加熱によりガスを発生する応答性ガス発生部材9が収納されている。上記ガス発生室8に応答性ガス発生部材9を収納することにより、マイクロ流体を駆動する駆動源としてのマイクロポンプ装置が形成されている。応答性ガス発生部材としては、ガス発生量の制御のしやすさから、光の照射によりガスを発生する光応答ガス発生部材が好適に用いられる。
As shown in FIG. 2, the microfluidic device 1 has a
ベースプレート3が透明性を有するため、基板2の下面側から光を照射することにより、光応答性ガス発生部材9からガスを発生させることができる。このガスは、後述する微細流路においてマイクロ流体を駆動する圧力源となる。
Since the
上記光応答性ガス発生部材9については、特に限定されず、光を照射された際に、ガスを発生させる適宜の光応答性組成物を用いることができる。このような光応答性組成物としては、例えば、バインダー樹脂と、光の照射により分解してガスを発生させる気体発生剤とを含む組成物が好適に用いられる。このような気体発生剤としては、例えば、アジド化合物やアゾ化合物、ポリオキシアルキレン樹脂、光酸発生剤と炭酸水素ナトリウムの配合物などを挙げることができる。 The photoresponsive gas generating member 9 is not particularly limited, and an appropriate photoresponsive composition that generates gas when irradiated with light can be used. As such a photoresponsive composition, for example, a composition containing a binder resin and a gas generating agent that decomposes by light irradiation to generate gas is suitably used. Examples of such a gas generating agent include an azide compound, an azo compound, a polyoxyalkylene resin, a mixture of a photoacid generator and sodium hydrogen carbonate, and the like.
中間プレート4には、ガスを吐出するための吐出孔4aが形成されている。吐出孔4aは、中間プレート4の下面から上面に貫通しており、その下方開口がガス発生室8に臨んでいる。
The
中間プレート5には、中間プレート5を貫通する開口部5aが設けられている。この開口部5aは、微細流路構造の微細流路の一部を構成している。また、中間プレート6には、開口部5aに開いた貫通孔6aが形成されている。貫通孔6aの上方開口は、トッププレート7の下面に形成された微細流路7aに開いている。この微細流路7aは、前述した開口部5a及び貫通孔6aとともに、微細流路構造を形成している。
The
上記中間プレート4〜6及びトッププレート7は、適宜の合成樹脂シートもしくは合成樹脂からなる。
The
図2は、上記マイクロ流体デバイス1において、マイクロ流体を駆動するためのガス圧を発生するマイクロポンプ装置が構成されている部分と、微細流路構造の一部とを略図的に示している。マイクロ流体デバイスの微細流路については、前述した特許文献3などに開示されている。
FIG. 2 schematically shows a part of the microfluidic device 1 in which a micropump device for generating a gas pressure for driving the microfluid is configured and a part of the fine channel structure. The fine flow path of the microfluidic device is disclosed in
一般に、マイクロ流体デバイス1は、前述したように、手で携帯し得る大きさとされ、平面積が数百cm2以下、好ましくは100cm2以下の小さな基板2を用いて構成されている。また、基板2の厚みは、0.5〜10mm程度とされている。そして、基板2内には、上記マイクロ流体を搬送するための駆動部分だけでなく、検体や希釈液としてのマイクロ流体を搬送する様々な微細流路が形成されている。このような微細流路構造は、通常、検体や希釈液を供給する供給部、これらを混合する混合部、これらを反応させる反応部等を含んでいる。上記供給部、混合部及び反応部等は、基板2内において、ある程度の体積を有する空間として形成されており、細い微細流路、例えば微細流路7aなどに連ねられている。
Generally, as described above, the microfluidic device 1 has a size that can be carried by hand, and is configured using a
本実施形態で用いられるマイクロ流体デバイス1の特徴は、図1に模式的平面図で示す微細流路構造10が基板2内に形成されていることにある。微細流路構造10は、必須の構成として、第1の混合ユニット11と、第2の混合ユニット21とを有する。第1の混合ユニット11の下流側に第2の混合ユニット21が接続されている。また、本実施形態では、第2の混合ユニット21の下流に、さらに1つの第3の混合ユニット31が接続されている。
A feature of the microfluidic device 1 used in the present embodiment is that a
第1の混合ユニット11の構成を、図3の模式的拡大平面図を参照してより詳細に説明する。
The structure of the
第1の混合ユニット11は、第1の微細流路11aを有する。第1の微細流路11aの一端には、ガス供給孔11bが連ねられている。また、第1の微細流路11aの他端は、第1のマイクロ流体供給孔11cが連ねられている。第1のマイクロ流体供給孔11cは、基板1の外部に開口しており、第1のマイクロ流体を基板1の微細流路構造に供給する部分である。
The
ガス供給孔11bは、前述したマイクロポンプ装置などのガス発生駆動源に接続されており、かつ適宜開閉し得るように構成されている。
The
第1の微細流路11aと平行に第2の微細流路12が配置されている。第2の微細流路12では、矢印方向にマイクロ流体が流れる。上流側に合流部12aが、下流側に混合部12bが設けられている。混合部12bの下流側に、排出部12cが連ねられている。
A
また、第2の微細流路12を挟んで第1の微細流路11aとは反対側に、第3の微細流路13aが設けられている。第3の微細流路13aは、一端がガス供給孔13bに他端が液体供給孔13cに連ねられている。ガス供給孔13b及び液体供給孔13cは、ガス供給孔11b及びガス供給孔11cと同様に構成されている。
A
また、第1の微細流路11aから分岐した微細流路からなる第1の秤取部11dが設けられている。第1の秤取部11dの容積は、秤取されるべきマイクロ流体の体積と等しくされている。
Moreover, the 1st weighing | measuring
同様に、第3の微細流路13aから分岐して、一定量の容積を有する微細流路が形成されており、該微細流路により第2の秤取部13dが形成されている。
Similarly, a minute channel having a certain volume is formed by branching from the
第2の秤取部13dの容積は、第2の秤取部13dで秤取すべきマイクロ流体の体積に等しくされている。
The volume of the second weighing
よって、第1,第2の秤取部11d,13dの一端は、それぞれ、第1の微細流路11a及び第3の微細流路13aに接続されており、他端は、それぞれ、第2の微細流路12に設けられた合流部12に開口している。
Accordingly, one end of each of the first and second weighing
なお、上記第1,第2の秤取部11d,13dの容積は、特に限定されないが、ピコリットルからマイクロリットルオーダーの非常に小さい大きさとされるのが普通である。すなわち、前述したように、本発明のマイクロ流体デバイスでは、このような非常に微小な容積のマイクロ流体が微細流路において搬送される。
The volumes of the first and second weighing
第2の微細流路12の上流側には、ガス供給孔12d及びガス排出口12eが配置されている。ガス供給孔12d及びガス排出口12eは、前述したガス供給孔11b及び液体供給孔11cと同様に形成されている。
A
第1の秤取部11dにおいてマイクロ流体が一定量秤取される構造を、図5〜図7を参照して説明する。
A structure in which a certain amount of microfluid is weighed in the first weighing
液体供給孔11cからマイクロ流体を注入する。この場合、第1の微細流路11a内は、大気に解放しておく。すなわち、ガス供給孔11bを大気に開放しておけばよい。液体供給孔11cからマイクロ流体を注入するに際しては、マイクロシリンジなどを用い、液体注入孔11cから圧入すればよい。その結果、図5に示すように、マイクロ流体14が第1の微細流路11a内に送液され、かつ分岐微細流路からなる第1の秤取部11dを満たす。
Micro fluid is injected from the
本実施形態では、第1の秤取部11dの先端側には、第1の秤取部11を構成している微細流路よりも径の小さな接続微細流路11eが設けられている。接続微細流路11eの径は非常に細く、従って、マイクロ流体14は、表面張力のためにその注入圧程度では接続微細流路11eを流れることができず、接続微細流路の入口もしくは出口で停止する。
In the present embodiment, a connecting
次に、ガス供給孔11bから第1の微細流路11aにガスを供給する。この場合、液体供給孔11cは大気に解放しておく。その結果、図6に示すように、第1の秤取部11d内に一定量のマイクロ流体として、第1のマイクロ流体14aが残存することとなる。このように、第1の秤取部11dに、マイクロ流体14aを残存させるために、ガスの供給に際しては、第2の流路12側は閉じておき、大気に解放していないことが望ましい。もっとも、接続微細流路11eが十分に細く、該接続微細流路11eにおいて、毛管反力が働く場合には、第2の微細流路12側を密閉しておいてもよい。
Next, gas is supplied from the
次に、第1の微細流路11aの液体供給孔11c側の一部を後述の流路開閉装置のバルブ等により閉じ、その状態で、ガス供給孔11bから第1の微細流路11aにガスを供給する。その結果、第1の秤取部11dに秤取されていた第1のマイクロ流体14aが、図7に示すように、第2の微細流路12内に吐出される。
Next, a part of the first
第1の秤取部11dに秤取されていた第1のマイクロ流体14aの体積は、該第1の秤取部11dの容積と同じであるので、本実施形態によれば、一定量の第1のマイクロ流体14aを第2の微細流路12内に確実に吐出することができる。
Since the volume of the
上記流路開閉装置としては、微細流路の一部を開いた状態と閉じた状態とを切り換え得る適宜のバルブにより形成することができる。このようなバルブとしては、電磁弁や圧電素子などの駆動素子に、流路を細くした状態と、流路を開いた状態とで移動し得るストッパーを連結した構造などを用いることができる。 The channel opening / closing device can be formed by an appropriate valve capable of switching between a state in which a part of the microchannel is opened and a state in which it is closed. As such a valve, it is possible to use a structure in which a driving element such as an electromagnetic valve or a piezoelectric element is connected with a stopper that can move between a state where the flow path is narrowed and a state where the flow path is opened.
また、図4(a)に示すように、粘弾性ストッパー41をガスもしくは液体によるストッパー駆動源42と組み合わせた流路開閉装置を用いてもよい。ここでは、粘弾性ストッパー41は、弾性を有し、流路内の圧力の増大により移動し得る適宜の材料、例えばエラストマーまたはゲルなどにより構成することができる。送液されるマイクロ流体が水溶液の場合には、非水溶性粘弾性体が好適に用いられ、有機溶媒の場合には、非有機溶媒溶解性粘弾性体が用いることが望ましい。
Further, as shown in FIG. 4A, a flow path opening / closing device in which a
図4(a)に示すように、開閉される液微細流路11aの一部に粘弾性ストッパー41が収納され得るストッパー流路部43が形成されている。ストッパー流路部43は、本実施形態では、3つの円形が部分的に重なり合うように、かつ微細流路11aの伸びる方向と直交する方向に並べられた形状を有する。この熱の円形部43a〜43cの内、1つの円形部43aが上記第1の微細流路11aの途中に設けられており、残りの円形部43b,43cは第1の微細流路11aの側方に配置されている。図4(a)は、粘弾性ストッパー41が、第2,第3の円形部43b,43c内に充填されており、この状態では、微細流路11aは開状態とされている。
As shown in FIG. 4A, a
図4(b)に示すように、駆動源42からガスを発生し、その圧力により、粘弾性体ストッパー41を側方に移動させる。その結果、粘弾性体ストッパー41が、第1,第2の円形部43a,43b側に移動し、第1の円形部43aの内面に密着する。そのため、第1の微細流路11aは閉状態とされる。
As shown in FIG. 4B, gas is generated from the driving
このようにして、第1の微細流路11aを開状態から閉状態に切り替えることができる。なお、開状態に再度復帰させるには、例えば、第1の円形部43aに、第2の駆動源を連結しておき、第2の駆動源側から再度ガスを供給し、粘弾性ストッパー41を、図4(a)の状態に移動させればよい。
In this way, the first
あるいは、図4(b)に示す状態から、ガス駆動源42に代えて、ガス吸引源を接続し、吸引により、粘弾性ストッパー41を、図4(a)に示す開状態に復帰させてもよい。
Alternatively, a gas suction source may be connected instead of the
図3に戻り、上記のような流路開閉装置を第1の微細流路11aの途中に設けることにより、上記のようにして、ガス供給孔11bから供給されるガスの圧力により、第1の秤取部11dに一定量の第1のマイクロ流体14aを秤取し、かつ上記のように、第2の微細流路12に吐出することができる。
Returning to FIG. 3, by providing the flow path opening / closing device as described above in the middle of the first
同様に、第3の微細流路13aにおいても、上記と同様にして、第2の秤取部13dの容積に応じた第2のマイクロ流体を、第2の秤取部13dで秤取し、第2の微細流路12に吐出することができる。
Similarly, the second microfluidic fluid corresponding to the volume of the second weighing
なお、第2の秤取部13dは、第2のマイクロ流体の体積に応じた容積を有するように形成されており、本実施形態では、図8に略図的部分拡大平面図で示すように、第2の秤取部13dもまた、先端に第2の秤取部13dを構成している微細流路よりも幅の狭い接続微細流路13eを有する。
The second weighing
上記接続微細流路11e,13eを設けることにより、第1,第2のマイクロ流体を第2の微細流路12に吐出するに先立ち、第2の微細流路12側へのマイクロ流体の漏洩を確実に抑制することができる。マイクロ流体が水溶液で、かつ接続微細流路の壁面が親水性であるとき、マイクロ流体は微細流路の出口で止まる。また、マイクロ流体が水溶液で、かつ接続微細流路の壁面が疎水性であるとき、マイクロ流体は微細流路の入口で止まる。更に、マイクロ流体が油性溶液で、かつ接続微細流路の壁面が親水性であるとき、マイクロ流体は微細流路の入口で止まり、また、マイクロ流体が油性溶液で、かつ接続微細流路の壁面が疎水性であるとき、マイクロ流体は微細流路の出口で止まる。
By providing the
もっとも、上記接続微細流路11e,13eに代えて、第1,第2の秤取部11d,13dの第2の流路12に開口している部分の壁面の濡れ性を低くし、それによって、第1のマイクロ流体14aや、第2のマイクロ流体が上記第2の微細流路12に開口している部分から漏洩することを抑制してもよい。濡れ性を低くする方策としては、既知の部分撥水加工手段をとることができる。
However, in place of the connecting
本実施形態では、第2の秤取部13dの第2の微細流路12に開口している開口部13fと、第1の秤取部11fの第2の微細流路12に開口している開口部11eとが、第2の微細流路12におけるマイクロ流体の流れ方向において、異なる位置に配置されている。すなわち、開口部13fと開口部11fとは、図8の距離Rだけ隔てられている。なお、距離Rは、開口部13fと、開口部11fとの中心間距離である。
In the present embodiment, the
第1の秤取部11dの開口部11fと、第2の秤取部13dの開口部13fとは、第2の微細流路12において、対向するように配置してもよい。しかしながら、両者を対向させて配置し、ほぼ同じタイミングで第1,第2の秤取部11d,13dから第1,第2のマイクロ流体を第2の微細流路12に吐出することは非常に困難である。流路開閉装置等を同じタイミングで駆動したとしても、実際には、第1,第2のマイクロ流体の吐出されるタイミングは僅かにずれることがある。
The
第1,第2のマイクロ流体が吐出されるタイミングが僅かでもずれると、一方のマイクロ流体が他方の秤取部開口部分に付着し、他方の秤取部に秤取されていたマイクロ流体が漏洩したりし、正確な体積比で第1,第2のマイクロ流体を混合することが困難となる。 If the timing at which the first and second microfluids are discharged is slightly shifted, one microfluidic material adheres to the other weigher opening, and the microfluidic material weighed in the other weigher leaks. Therefore, it becomes difficult to mix the first and second microfluids at an accurate volume ratio.
これに対して、本実施形態では、上記距離Rだけ、第1の秤取部11dの開口部11eと、第2の秤取部13dの開口部13fとが隔てられている。従って、第1の秤取部11dからの第1のマイクロ流体14aの吐出タイミングと、第2の秤取部13dからの第2のマイクロ流体を吐出するタイミングとが異なっている場合、例えば、下流部に第1のマイクロ流体14aを先に吐出した場合、第1のマイクロ流体14aが、第2の秤取部13dの開口部13eに付着し難い。そのため、第2の秤取部13dに秤取されているマイクロ流体の漏洩が生じ難い。すなわち、上記距離Rは、吐出されたマイクロ流体の他方の秤取部の開口部への接触を防止するのに十分な長さの距離とされていることが望ましい。
In contrast, in the present embodiment, the
もっとも、上記距離Rが大きすぎると、図8(b)に略図的に示されているように、第1の秤取部11dから吐出された第1のマイクロ流体14aと、第2の秤取部13dから吐出された第2のマイクロ流体13bの液滴とが非常に離れ、間に空気層Xが形成される。従って、間に空気の気泡が噛み込み、マイクロ流体14aと、マイクロ流体14bとが十分に混合され難いおそれがある。
However, if the distance R is too large, as schematically shown in FIG. 8 (b), the first
従って、図8(a)に示すように、距離Rは、第1のマイクロ流体14a及び第2のマイクロ流体14b間に気泡を巻き込まない程度近づけられていることが望ましい。
Therefore, as shown in FIG. 8A, it is desirable that the distance R be close enough that no bubbles are involved between the
しかしながら、上記距離Rが大きくても、第2の微細流路12の合流部12aにおける幅Wを十分に大きくすることにより、空気の噛み込みを防止することもできる。すなわち、図8(c)に示されているように、第1のマイクロ流体14aの吐出が完了した段階で、第1のマイクロ流体14aが、開口部14eとは反対側の第2の微細流路内壁に接しないように、合流部12aにおける第2の微細流路12の幅Wが吐出された第1のマイクロ流体14aの上記幅W方向の寸法よりも大きいことが望ましい。その場合には、第1のマイクロ流体14aと第2のマイクロ流体14bとの間に空気層が形成されたとしても、第2のマイクロ流体14bが送液される際に、空気が第1のマイクロ流体14aと、反対側の流路内壁との間を通り空気が逃がされることになる。従って、空気の噛み込みが生じ難い。
However, even if the distance R is large, air entrapment can be prevented by sufficiently increasing the width W of the joining
図3に戻り、第2の微細流路12の上流側に設けられたガス供給孔12dからガスを供給することにより、上記第1,第2のマイクロ流体14a,14bが合一した状態で下流側に流されることになる。そして、図9に示すように、混合部12bにおいては、微細流路の平面形状が、上記第2の微細流路12bの幅方向両側の形状が非対称とされているので、混合マイクロ流体14cが混合されることになる。すなわち、混合マイクロ流体14c内に上記非対称性により渦が発生し、混合マイクロ流体14cが攪拌され、確実に混合される。ここでは、第2の微細流路12の一方の内壁12eが、反対側の内壁12fに向かって下流に行くにつれて近づくようにテーパーが付与されている。従って、上記混合マイクロ流体14内において渦が生じ、攪拌作用により、十分に第1,第2のマイクロ流体が混合される。
Returning to FIG. 3, by supplying gas from the
よって、本実施形態では、混合ユニット11内に、あるいは混合ユニット11の下流側に、大きな混合チャンバーを設ける必要はない。混合チャンバーが必要ないことは、マイクロ流体デバイスの集積化、短時間処理化、相互接続において優位となる。
Therefore, in this embodiment, it is not necessary to provide a large mixing chamber in the mixing
本実施形態では十分に混合された混合マイクロ流体が、混合部12bの下流側に設けられた排出部12cから排出される。そして、本実施形態では、第1の混合ユニット11の排出部12cから排出された混合マイクロ流体14cが、第2の混合ユニット21の第1の秤取部に後述する第1の入口ポートから供給されることになる。すなわち、第1の混合ユニット11の混合結果が、第2の混合ユニット21で利用される。マイクロ流体を混合する第1の混合ユニット11に、第2の混合ユニット21を直接接続し、多段構成とすることにより、一段の構成に比べて、高希釈倍率のマイクロ流体を得ることができる。
In the present embodiment, the sufficiently mixed microfluid is discharged from the
なお、上記実施形態では、第1の秤取部11dに比べて、容積の大きな第2の秤取部13dの開口部が、合流部12aにおいて上流側に位置していた。これに対して、図10に示す変形例のように、第1の秤取部11dを第2の秤取部13dよりも上流側において合流部12aに開口するように配置してもよい。この変形例では、上流側の第1の秤取部11dの容積の方が、下流側の第2の秤取部12dの容積よりも大きくなるようにすればよい。
In the above-described embodiment, the opening of the second weighing
これに対して、図11に示す他の変形例のように、複数の第2の秤取部13d,13dを合流部12aに接続してもよい。その場合には、第2のマイクロ流体の混合割合を高めることができる。
On the other hand, you may connect several 2nd weighing
また、図12に示す変形例のように、第2の微細流路12において、第1の秤取部11dが開口している開口部11fの反対側の壁面を該開口部11f側に突出させ、それによって第1のマイクロ流体14aが吐出される部分の第2の微細流路12の幅を狭くしてもよい。この場合には、第1の秤取部の容積が小さくとも第1のマイクロ流体が合流部の反対側の壁に達するため、第1の秤取部と第2の秤取部の容積比率を小さくしても安定動作をさせることができる。例えば、第1,第2のマイクロ流体が1対1の割合で合流部12aにおいて混合するようにすることができる。
Further, as in the modification shown in FIG. 12, in the second
さらに、図12(b)に示す変形例のように、第2の微細流路12は、マイクロ流体の流れ方向途中に相対的残りの部分よりも幅が狭い細幅部12fを合流部12aに設けてもよい。ここでは、合流部12aは、マイクロ流体の流れ方向中央に細幅部12fを有する。そして、細幅部12fの上流側において、第1の秤取部11dの開口部11fが開口しており、細幅部12eの下流側において、第2の秤取部13dの開口部13fが開口している。
Furthermore, as in the modification shown in FIG. 12B, the
ここでも、細幅部12fの下流側においては、第2の微細流路12の幅を、第2の秤取部13dから吐出されるマイクロ流体の液滴の径よりも大きくしておけば、空気の噛み込みを防止しつつ、第1,第2のマイクロ流体を合流部12aにおいて合一することができる。すなわち、ガス供給孔12dからのガス圧により、上流側に吐出された第1のマイクロ流体14aを下方に移動させるに際し、第1のマイクロ流体14aと、第2のマイクロ流体14bとの間に位置している空気が、下流側に逃がされる。従って、第1,第2のマイクロ流体14a,14bが、気泡を噛み込むことなく合一される。ただし、第1のマイクロ流体と第2のマイクロ流体が合一した後、第2の微細流路12の幅を埋めつくす液滴になることが必要である。
Also here, on the downstream side of the
本発明のあるマイクロ流体デバイスは、少なくとも第1,第2の混合ユニットを接続した構造を有する。この場合、混合ユニットが、上述したように第1〜第3の微細流路を有し、第2の微細流路に、上流側から、合流部、混合部及び排出部が構成されている。このような第1,第2の混合ユニットは、様々な形態で接続され得る。 One microfluidic device of the present invention has a structure in which at least a first and a second mixing unit are connected. In this case, the mixing unit has the first to third fine channels as described above, and the merging unit, the mixing unit, and the discharge unit are configured in the second fine channel from the upstream side. Such first and second mixing units can be connected in various forms.
図13〜図17を参照して、このような第1の混合ユニットに第2の混合ユニットの接続形態の変形例をそれぞれ説明することとする。 With reference to FIGS. 13-17, the modification of the connection form of a 2nd mixing unit is demonstrated to such a 1st mixing unit, respectively.
図13は、図1に示した上記実施形態と同様に、第1,第2の混合ユニットが、第1の混合ユニットにおける混合結果を利用して接続されている構造を模式的に示す平面図である。ここでは、上記実施形態と同様に、第1の混合ユニット11の後段に第2の混合ユニット21が接続されている。図13以下の微細流路構造の図面では、適宜、混合ユニット及び流路開閉装置などを破線で囲まれたブロックとして示すこととする。
FIG. 13 is a plan view schematically showing a structure in which the first and second mixing units are connected using the mixing result in the first mixing unit, similarly to the embodiment shown in FIG. It is. Here, the
図13に示す微細流路構造61は、上記実施形態と同様に、第1の混合ユニット11の下流側に第2の混合ユニット21が接続されている。ここで、第1の混合ユニット11は、第1〜第3の入口ポートA〜Cと、第1〜第3の出口ポートD〜Fを有するものと表すことができる。すなわち、第1の入口ポートAと第1の出口ポートDとの間に第1の微細流路11aが接続されている。第1の微細流路11aに、第1の秤取部11dの一端が接続されており、第1の秤取部11aの他端が第2の微細流路12に接続されている。第2の入口ポートBと第2の出口ポートEとの間に、第2の微細流路12が接続されている。第3の入口ポートCと第3の出口ポートFとの間に、上記第3の微細流路13が接続されている。第2の出口ポートEは、排出部に接続されており、混合されたマイクロ流体を外部に排出する部分に相当する。また、第3の出口ポートFは、流路開閉装置62に接続されている。
In the
第2の混合ユニット21の第1の入口ポートAは、第1の混合ユニット11の第1の出口ポートDに接続されており、第2の混合ユニット21の第2の入口ポートBは、ガス供給孔に接続されている。第3の入口ポートCは、上記第1の混合ユニット11の第2の出口ポートEに接続されている。従って、第2の混合ユニット21の第3の入口ポートCから、第1の混合ユニット11で混合された混合マイクロ流体が供給され、該マイクロ流体が、第2の混合ユニット11の第2の秤取部13dに秤取される。
The first inlet port A of the
よって、第2の混合ユニット21では、第1の混合ユニット11で混合された結果が利用される。よって、第1の秤取部11dから希釈液を供給する構造とした場合、第1,第2の混合ユニット11,21を上記のように接続することにより、より高倍率に希釈することができる。
Therefore, the
また、上記第2の混合ユニット21の第3の出口ポートにも、流路開閉装置63が接続されている。同様に、第2の混合ユニット21の第1の出口ポートDにも、流路開閉装置64が接続されており、第2の出口ポートEから、高倍率に希釈されたマイクロ流体が吐出され、後段に設けられた測定部や反応部に送液される。
A flow path opening /
図14は、上記第1,第2の混合ユニット11,21の下流側に、さらに第3の混合ユニット31を接続した構造を模式的に示す平面図である。このように、第1,第2の混合ユニット11,21の下流側に、さらに、1以上の混合ユニット31を接続してもよい。また、図14に示す構造では、第1〜第3の混合ユニット11,21,31の各第3の出口ポートFが、それぞれ、流路開閉装置62,63,65に接続されているが、該出口ポートFと流路開閉装置との間に分岐流路が形成されており、該分岐流路が、収納チャンバー71に接続されている。収納チャンバー71に代えて、反応セルを構成してもよい。
FIG. 14 is a plan view schematically showing a structure in which a
従って、第1〜第3の混合の各第3の出口ポートFに接続された収納チャンバー71,71,71では、それぞれ、異なる希釈倍率のマイクロ流体が用意される。さらに、第3の混合ユニット31の排出部に接続されている第2の出口ポートEにも、同様に、流路開閉装置66と収納チャンバー71とが接続されており、該収納チャンバー71にも異なる希釈倍率のマイクロ流体が用意される。
Therefore, in the
図15は、図14に示した微細流路構造の変形例を示す模式的平面図である。図14では、上記収納チャンバー71が、第1〜第3の混合ユニット11,21,31の第3の出口ポートFと流路開閉装置との間に接続されていたが、図15では、第1の混合ユニットの第3の入口ポートCの前段に収納チャンバー81が接続されており、かつ第1〜第3の混合ユニット11,21,31の第2の出口ポートEの下流側に、それぞれ、収納チャンバー82〜84が接続されている。この収納チャンバー82〜84では、各段の混合ユニット11,21,31における混合結果が測定されることになる。
FIG. 15 is a schematic plan view showing a modification of the fine channel structure shown in FIG. In FIG. 14, the
図14や、図15に示した微細流路構造を有するマイクロ流体デバイスを用いることにより、本発明の微量液体希釈方法を実施することができる。例えば、図14に示す微細流路構造では、第1の混合ユニット11の第1の秤取部11dに第1のマイクロ流体として希釈液を秤取する。他方、第2の秤取部13dに、第2のマイクロ流体として希釈されるべき検体を秤取する。この検体と希釈液とが、第1の混合ユニット11で混合され、第1の混合ユニット11の第2の微細流路12の排出部から第2の出口ポートEを介して排出される。そして、第2の混合ユニット21では、第1の秤取部11dに、第1の混合ユニット11の場合と同様に、第1のマイクロ流体として希釈液が第1の秤取部11dに秤取される。
By using the microfluidic device having the fine channel structure shown in FIG. 14 or FIG. 15, the trace liquid dilution method of the present invention can be carried out. For example, in the fine channel structure shown in FIG. 14, the diluent is weighed as the first microfluid in the first weighing
他方、第2の秤取部13dには、第1の混合ユニット11の混合結果である上記検体希釈液、すなわち出口ポートEから排出された第1の混合マイクロ流体としての検体希釈液が秤取される。図14では、第2の混合ユニット21の第3の出口ポートFに収納チャンバー71が配置されており、該収納チャンバー71に上記第1の混合マイクロ流体、すなわち第1の検体希釈液が収納される。また、第2の混合ユニット21で、第1の検体希釈液と希釈液とが混合され、得られた第2の混合マイクロ流体としての検体希釈液が、第2の混合ユニット21の出口ポートEから排出され、第3の混合ユニット31の出口ポートFを介して接続されたチャンバー71に供給される。従って、第2の混合ユニット21及び第3の混合ユニット31の側方に接続されている各チャンバー71,71に、濃度が異なる第1,第2の検体希釈液が供給されることになる。
On the other hand, in the second weighing
図15に示す微細流路構造においては、第1の混合ユニット11と第2の混合ユニット21との間に接続された収納チャンバー82に、第1の検体希釈液が、第2の混合ユニット21と、第3の混合ユニット31との間に接続されている収納チャンバー83に、第2の検体希釈液が提供される。
In the fine channel structure shown in FIG. 15, the first sample diluent is supplied to the
このように、図14及び図15に示した微細流路構造を用いることにより、本発明の微量液体希釈方法を実施し、濃度が異なる複数の検体希釈液を用意することができる。なお、図14及び図15では、前述したように、第3の混合ユニット31がさらに接続されており、従って、濃度の異なる3種類の検体希釈液を提供することができる。
As described above, by using the fine channel structure shown in FIGS. 14 and 15, the trace liquid dilution method of the present invention can be carried out to prepare a plurality of specimen dilution liquids having different concentrations. 14 and 15, as described above, the
また、後述する実施例のように、第1,第2の混合ユニットの次段に、さらに多くの混合ユニットを接続してもよく、その場合、第1,第2の混合ユニットの下流に、n−2個(nは自然数)の混合ユニットを接続した場合、濃度が異なるn種類の検体希釈液を用意することができる。 Further, as in the embodiments described later, more mixing units may be connected to the next stage of the first and second mixing units, in which case, downstream of the first and second mixing units, When n-2 (n is a natural number) mixing units are connected, n types of specimen dilution liquids having different concentrations can be prepared.
なお、図14及び図15の場合とは逆に、第1の秤取部に検体が、第2の秤取部に希釈液が秤取されてもよい。 Contrary to the case of FIG. 14 and FIG. 15, the sample may be weighed in the first weigher and the diluent may be weighed in the second weigher.
さらに、図16は、より多くの混合ユニットがマトリックス状に接続された微細流路構造を示す模式的平面図である。ここでは、第1〜第3の混合ユニット11,21,31は図14に示した微細流路構造と同様に構成されている。もっとも、各混合ユニット11,21,31の各第3の出口ポートFには、流路開閉装置と収納チャンバーとが接続されているだけでなく、第3の出口ポートに、さらに、第4,第5の混合ユニットが直列に接続された微細流路構造が接続されている。すなわち、第1〜第3の混合ユニット11,12,13を両方向とした場合、じょう及び列からなるマトリックスの列方向に、第4,第5の混合ユニット91,92が、各混合ユニット11,21,31に接続されている。第4,第5の混合ユニットの接続構造は、第1,第2の混合ユニットと同様である。
FIG. 16 is a schematic plan view showing a fine channel structure in which more mixing units are connected in a matrix. Here, the first to
すなわち、第4,第5の混合ユニット91,92は、第5の混合ユニット92において、第4の混合ユニット91における混合結果が利用されるように、第1,第2の混合ユニット11,21の接続関係と同様に接続されている。そして、第5の混合ユニットの第2の出口ポートEに流路開閉装置93及び収納チャンバーが接続されている。また、第4,第5の混合ユニット91,92の各第3の出口ポートF,Fにも、同様に、流路開閉装置93及び収納チャンバーが接続されている。
That is, the fourth and
従って、図16に示す微細流路構造では、各混合ユニットにおける第1の秤取部11dと、第2の秤取部13dとから、同じ量のマイクロ流体が吐出されるとすると、マトリックス状に配置された多数の収納チャンバーにおける希釈倍率はそれぞれ以下の通りとなる。なお、希釈倍率とは、例えば、第1の混合ユニット11の第2の秤取部13dに、原液が秤取され、以下の各混合ユニットにおいて希釈が行われた場合に、混合マイクロ流体中の原液の割合を言うものとする。例えば、収納チャンバー101aでは、当初の原液が用意されるので、希釈倍率は1/1であり、収納チャンバー101bでは、原液の希釈倍率は1/3となる。すなわち、第1の混合ユニット11に接続された第4,第5の混合ユニット91,92の側方に位置する収納チャンバー101a〜101cでは、希釈倍率は、1/1、1/3及び1/32となる。また、第2の混合ユニット21に接続された第4,第5の混合ユニットの側方に配置された収納チャンバー102a〜102cにおける希釈倍率は、それぞれ、1/33、1/34及び1/35となる。同様に、第3の混合ユニット31の下方に接続された第4,第5の混合ユニットの側方に配置された収納チャンバー103a〜103cでは、希釈倍率は、1/36、1/37及び1/38となる。
Therefore, in the fine channel structure shown in FIG. 16, if the same amount of microfluid is discharged from the
また、第3の混合ユニット31の第2の出口ポートに接続された第4,第5の混合ユニットの側方に配置された収納チャンバー104a〜104cでは、希釈倍率は、1/39、1/310及び1/311となる。従って、上記のようにマトリックス状に収納チャンバー101a〜104cを配置することにより、一連の希釈系列を短時間に自動作製するマイクロ流体デバイスを作製できる。なお、各混合ユニットの混合比の選び方によって、これとは異なる希釈系列も作れることも明らかである。例えば、図13に示したような1対1混合が可能な混合ユニットに置き換えることで、1/2n の希釈系列とすることもできる。このように、多種類の希釈倍率のマイクロ流体を容易に提供することが可能となる。
Further, in the storage chambers 104a to 104c arranged on the sides of the fourth and fifth mixing units connected to the second outlet port of the
図17は、本発明のマイクロ流体デバイスにおける微細流路構造のさらに他の変形例を示す模式的平面図である。上述した実施形態及び変形例では、第1の混合ユニットにおける混合結果が利用されるように第1,第2の混合ユニットが接続されていたが、図17に示すように、第1の混合ユニット111と第2の混合ユニット121とが、並列に接続されていてもよい。ここでは、第1の混合ユニット111の第1の秤取部111d及び第2の混合ユニット121の第1の秤取部121dが、第1の微細流路111aにより共通接続されている。
FIG. 17 is a schematic plan view showing still another modification of the fine channel structure in the microfluidic device of the present invention. In the embodiment and the modification described above, the first and second mixing units are connected so that the mixing result in the first mixing unit is used. However, as shown in FIG. 111 and the
同様に、第1の混合ユニット121の第2の秤取部113d及び第2の混合ユニット121の第2の秤取部123dも、第3の微細流路113aにより共通接続されている。そして、第1,第2の混合ユニット111,121の各第2の微細流路112,122の下流側に、設けられた排出部に、それぞれ、収納チャンバー131,132が接続されている。従って、第1,第2の混合ユニット111,121に接続されている各収納チャンバー131,132から同希釈倍率のマイクロ流体が得られる。
Similarly, the second weighing
言い換えれば、第1の混合ユニットの第1,第3の出口ポートD,Fが、第2の混合ユニット121の第1,第3の入口A,Cポートにそれぞれ接続されており、各混合ユニット111,121の第2の出口ポートE,Eから、同じ希釈倍率のマイクロ流体が吐出されるように構成されている。
In other words, the first and third outlet ports D and F of the first mixing unit are connected to the first and third inlets A and C of the
また、本発明では、図17に示した同じ希釈倍率のマイクロ流体が得られる並列接続と、上述した実施形態及び変形例に示したような接続形態の双方が併用されていてもよい。 Further, in the present invention, both the parallel connection for obtaining the microfluid of the same dilution rate shown in FIG. 17 and the connection form as shown in the above-described embodiment and modification may be used in combination.
また、上述した実施形態では、混合部は、第2の微細流路において、束方向両側に位置していく壁面が非対称とされており、一方の壁面が他方の壁面に下流側に向かって近づくようにテーパーがつけられていた。混合部の形状はこのような形状に限定されるものではない。例えば、図18(a)に示すように、混合部12bにおいて、一方の壁面12b1が、下流側に行くにつれて一担広がり、かつ次に、反対側の壁面12b2に近づくように直線的に変化し、他方の壁面12b2もまた、壁面12b1と異なる部分で外側に膨らみ、しかる後、反対側の壁面12b1に近づくように形成されていてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the mixing unit has an asymmetric wall surface located on both sides in the bundle direction in the second fine channel, and one wall surface approaches the other wall surface toward the downstream side. Tapered like this. The shape of the mixing portion is not limited to such a shape. For example, as shown in FIG. 18 (a), in the
また、図18(b)に示すように、両壁面12b1,12b2の平面形状が、位相が異なるサインカーブのような形状であってもよく、この場合においても、微細流路の幅方向両側の壁面が非対称に配置されることになる。 Further, as shown in FIG. 18B, the planar shape of both wall surfaces 12b 1 and 12b 2 may be a shape like a sine curve having a different phase. The wall surfaces on both sides are arranged asymmetrically.
さらに、幅方向両側の壁面が非対称に配置される構造に代えて、微細流路の上面及び下面に位置する壁面が非対称に配置されていてもよく、また幅方向両側の壁面が非対称に配置された構造と、両面及び下面すなわち基板の厚み方向両側に位置する壁面が非対称に配置された構造とが併用されていてもよい。 Furthermore, instead of the structure in which the wall surfaces on both sides in the width direction are arranged asymmetrically, the wall surfaces located on the upper surface and the lower surface of the fine channel may be arranged asymmetrically, and the wall surfaces on both sides in the width direction are arranged asymmetrically. And a structure in which the wall surfaces located on both sides and the lower surface, that is, both sides in the thickness direction of the substrate are arranged asymmetrically may be used in combination.
いずれにしても、微細流路が幅方向両側及び基板の厚み方向両側の少なくとも一方において非対称とされているので、マイクロ流体が流れる際に、渦が発生し、マイクロ流体が十分に混合される。よって、別途大きな混合チャンバーやコイル状の混合部とを形成する必要がないため、マイクロ流体デバイスの小型化を図ることができる。 In any case, since the fine flow path is asymmetric on both sides in the width direction and on both sides in the thickness direction of the substrate, vortices are generated when the microfluid flows and the microfluid is sufficiently mixed. Therefore, it is not necessary to form a separate large mixing chamber or coil-shaped mixing portion, and the microfluidic device can be downsized.
上記マイクロ流体デバイスは、例えば物質の分離・分析、生化学若しくは化学反応又はタンパク質結晶化等に用いることができ、用途上、使い捨てあるいは制限された回数のみの使用で交換されることが望ましいが、恒久的に使用しても構わない。この場合、分注機あるいは測定器などの機器と一体化した使用も可能である。 The microfluidic device can be used for, for example, separation / analysis of substances, biochemistry or chemical reaction, protein crystallization, etc., and is preferably disposable or exchanged for a limited number of times. You may use it permanently. In this case, it is possible to use it integrated with a device such as a dispenser or a measuring device.
以下本発明に使用可能な材料について述べる。 The materials that can be used in the present invention will be described below.
上記マイクロ流体デバイスの基板材料は、上記流路構造を実現できる限り、その種類を問わず、無機材料有機材料を用いることができる。材料としては、例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ガラス、シリコン、石英、熱可塑性樹脂、光や熱による硬化性樹脂やその他の樹脂、金属、セラミックおよびそれらの組み合わせなどが挙げられる。 As the substrate material of the microfluidic device, an inorganic material or an organic material can be used regardless of the type as long as the flow path structure can be realized. Examples of the material include polydimethylsiloxane (PDMS), glass, silicon, quartz, thermoplastic resin, curable resin and other resins by light and heat, metal, ceramic, and combinations thereof.
本発明で使用される光応答ガス発生材を構成する光応答ガス発生性樹脂組成物としては、熱可塑性樹脂のごときバインダー樹脂を主体とし、光照射によりガスを発生する樹脂組成物であれば特に限定されないが、330nmから410nmの光照射でガスを発生する樹脂組成物が好ましい。 The photoresponsive gas generating resin composition constituting the photoresponsive gas generating material used in the present invention is a resin composition mainly composed of a binder resin such as a thermoplastic resin and generating a gas upon irradiation with light. Although not limited, the resin composition which generate | occur | produces gas by the light irradiation of 330 nm to 410 nm is preferable.
上記樹脂組成物としてはバインダー樹脂と光照射することにより気体を発生する気体発生剤からなる樹脂組成物であってもよい。 The resin composition may be a resin composition composed of a binder resin and a gas generating agent that generates gas when irradiated with light.
バインダー樹脂としては、ポリエステル、ポリ(メタ)アクリレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエーテル、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド等の熱可塑性樹脂、ポバール、ブチラール等のアセタール樹脂、刺激応答気体発生能をもつポリオキシアルキレン樹脂等を選ぶことができる。 Binder resin includes polyester, poly (meth) acrylate, polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyether, polyurethane, polycarbonate, polyamide, acetal resin such as polyimide, acetal resin such as poval, butyral, etc. A polyoxyalkylene resin or the like can be selected.
光照射することにより気体を発生する気体発生剤としては、上記気体発生剤としては特に限定されないが、例えば、アゾ化合物、アジド化合物等、ポリオキシアルキレン樹脂、光酸発生剤と炭酸水素ナトリウムの配合物などが用いられ、好ましくは、アゾ化合物、アジド化合物がガス発生効率が高いため好適に用いられる。 The gas generating agent that generates gas when irradiated with light is not particularly limited as the gas generating agent. For example, an azo compound, an azide compound, a polyoxyalkylene resin, a combination of a photo acid generator and sodium hydrogen carbonate. The azo compound and the azide compound are preferably used because of high gas generation efficiency.
上記アゾ化合物としては、例えば、2,2’−アゾビス−(N−ブチル−2−メチルプロピオンアミド)、2,2’−アゾビス{2−メチル−N−[1,1−ビス(ヒドロキシメチル)−2−ヒドロキシエチル]プロピオンアミド}、2,2’−アゾビス{2−メチル−N−[2−(1−ヒドロキシブチル)]プロピオンアミド}、2,2’−アゾビス[2−メチル−N−(2−ヒドロキシエチル)プロピオンアミド]、2,2’−アゾビス[N−(2−プロペニル)−2−メチルプロピオンアミド]、2,2’−アゾビス(N−ブチル−2−メチルプロピオンアミド)、2,2’−アゾビス(N−シクロヘキシル−2−メチルプロピオンアミド)、2,2’−アゾビス[2−(5−メチル−2−イミダゾイリン−2−イル)プロパン]ジハイドロクロライド、2,2’−アゾビス[2−(2−イミダゾイリン−2−イル)プロパン]ジハイドロクロライド、2,2’−アゾビス[2−(2−イミダゾイリン−2−イル)プロパン]ジサルフェイトジハイドロレート、2,2’−アゾビス[2−(3,4,5,6−テトラハイドロピリミジン−2−イル)プロパン]ジハイドロクロライド、2,2’−アゾビス{2−[1−(2−ヒドロキシエチル)−2−イミダゾイリン−2−イル]プロパン}ジハイドロクロライド、2,2’−アゾビス[2−(2−イミダゾイリン−2−イル)プロパン]、2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオンアミダイン)ハイドロクロライド、2,2’−アゾビス(2−アミノプロパン)ジハイドロクロライド、2,2’−アゾビス[N−(2−カルボキシアシル)−2−メチル−プロピオンアミダイン]、2,2’−アゾビス{2−[N−(2−カルボキシエチル)アミダイン]プロパン}、2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオンアミドオキシム)、ジメチル2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオネート)、ジメチル2,2’−アゾビスイソブチレート、4,4’−アゾビス(4−シアンカルボニックアシッド)、4,4’−アゾビス(4−シアノペンタノイックアシッド)、2,2’−アゾビス(2,4,4−トリメチルペンタン)等が挙げられる。なかでも2,2’−アゾビス−(N−ブチル−2−メチルプロピオンアミド)、2,2’−アゾビス(N−ブチル−2−メチルプロピオンアミド)、2,2’−アゾビス(N−シクロヘキシル−2−メチルプロピオンアミド)が好適である。これらのアゾ化合物は、光、熱等による刺激により窒素ガスを発生する。 Examples of the azo compound include 2,2′-azobis- (N-butyl-2-methylpropionamide), 2,2′-azobis {2-methyl-N- [1,1-bis (hydroxymethyl)]. -2-hydroxyethyl] propionamide}, 2,2′-azobis {2-methyl-N- [2- (1-hydroxybutyl)] propionamide}, 2,2′-azobis [2-methyl-N— (2-hydroxyethyl) propionamide], 2,2′-azobis [N- (2-propenyl) -2-methylpropionamide], 2,2′-azobis (N-butyl-2-methylpropionamide), 2,2′-azobis (N-cyclohexyl-2-methylpropionamide), 2,2′-azobis [2- (5-methyl-2-imidazolin-2-yl) propane] diha Drochloride, 2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] dihydrochloride, 2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] disulfate Dihydrolate, 2,2′-azobis [2- (3,4,5,6-tetrahydropyrimidin-2-yl) propane] dihydrochloride, 2,2′-azobis {2- [1- (2 -Hydroxyethyl) -2-imidazolin-2-yl] propane} dihydrochloride, 2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane], 2,2′-azobis (2-methyl) Propionamidine) hydrochloride, 2,2′-azobis (2-aminopropane) dihydrochloride, 2,2′-azobis [N- (2-carb Boxyacyl) -2-methyl-propionamidine], 2,2′-azobis {2- [N- (2-carboxyethyl) amidyne] propane}, 2,2′-azobis (2-methylpropionamidoxime), Dimethyl 2,2′-azobis (2-methylpropionate), dimethyl 2,2′-azobisisobutyrate, 4,4′-azobis (4-cyancarbonic acid), 4,4′-azobis (4 -Cyanopentanoic acid), 2,2'-azobis (2,4,4-trimethylpentane) and the like. Among them, 2,2′-azobis- (N-butyl-2-methylpropionamide), 2,2′-azobis (N-butyl-2-methylpropionamide), 2,2′-azobis (N-cyclohexyl-) 2-methylpropionamide) is preferred. These azo compounds generate nitrogen gas when stimulated by light, heat, or the like.
上記アジド化合物としては、例えば、3−アジドメチル−3−メチルオキセタン、テレフタルアジド、p−tert−ブチルベンズアジド;3−アジドメチル−3−メチルオキセタンを開環重合することにより得られるグリシジルアジドポリマーなどのアジド基を有するポリマー等が挙げられる。 Examples of the azide compound include 3-azidomethyl-3-methyloxetane, terephthalazide, p-tert-butylbenzazide; and glycidyl azide polymer obtained by ring-opening polymerization of 3-azidomethyl-3-methyloxetane. Examples thereof include a polymer having an azide group.
光酸発生剤としては、ビス(シクロヘキシルサルフォニル)ジアゾメタン、ビス(t−ブチルサルフォニル)ジアゾメタン、ビス(p−トルエンサルフォニル)ジアゾメタン、トリフェニルサルフォニウム トリフルオロメタンサルフォネート、ジメチル−4−メチルフェニルサルフォニウム トリフルオロメタンサルフォネート、ジフェニル−2,4,6−トリメチルフェニルサルフォニウム p−トルエンサルフォネートといったジアゾジスルホン系、トリフェニルスルホニウム系といったジアゾジスルホン系、トリフェニルスルホニウム系の光酸発生剤等が使用できる。 Photoacid generators include bis (cyclohexylsulfonyl) diazomethane, bis (t-butylsulfonyl) diazomethane, bis (p-toluenesulfonyl) diazomethane, triphenylsulfonium trifluoromethanesulfonate, dimethyl -4-methylphenylsulfonium trifluoromethanesulfonate, diphenyl-2,4,6-trimethylphenylsulfonium diazodisulfone such as p-toluenesulfonate, diazodisulfone such as triphenylsulfonium, triphenylsulfonium Series photoacid generators can be used.
また、上記光応答ガス発生性樹脂組成物中に応答性を上げる目的で、公知の増感剤が含有されていてもよい。 Further, a known sensitizer may be contained in the photoresponsive gas generating resin composition for the purpose of increasing the responsiveness.
増感剤として例えば、アセトフェノン類、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンジル、ベンゾイン、ベンゾインエーテル、ベンジルジメチルケタール、ベンゾイルベンジエート、α−アシロキシムエステル、テトラメチルチウラムモノサルファイド、チオキサントン、脂肪族アミン、芳香族基を含むアミン、ピペリジンのように窒素が環系の一部をなしているもの、アリルチオ尿素、O−トリルチオ尿素、ナトリウムジエチルジチオホスフェート、芳香族スルフィン酸の可溶性塩、N,N−ジ置換−p−アミノベンゾニトリル系化合物、トリ−n−ブチルフォスフィン、N−ニトロソヒドロキシルアミン誘導体、オキサゾリジン化合物、テトラヒドロ−1,3−オキサジン化合物、ホルムアルデヒドかアセトアルデヒドとジアミンの縮合物、アントラセン(又はその誘導体)、キサンチン、N−フェニルグリシン、フタロシアニン、ナフトシアニン、チオシアニン等のシアニン色素類ポルフィリン(又はその誘導体)等が挙げられる。これらの増感剤は、単独で用いられても良いし、2種類以上が併用されても良い。 Examples of sensitizers include acetophenones, benzophenone, Michler's ketone, benzyl, benzoin, benzoin ether, benzyldimethyl ketal, benzoyl benzoate, α-acyloxime ester, tetramethylthiuram monosulfide, thioxanthone, aliphatic amine, aromatic group. Including amines, those in which nitrogen is part of the ring system, such as piperidine, allylthiourea, O-tolylthiourea, sodium diethyldithiophosphate, soluble salts of aromatic sulfinic acids, N, N-disubstituted-p- Aminobenzonitrile compounds, tri-n-butylphosphine, N-nitrosohydroxylamine derivatives, oxazolidine compounds, tetrahydro-1,3-oxazine compounds, condensates of formaldehyde or acetaldehyde and diamines Anthracene (or derivatives thereof), xanthine, N- phenylglycine, phthalocyanine, naphthocyanine, cyanine dyes porphyrins (or derivatives thereof) such as thiocyanine like. These sensitizers may be used independently and 2 or more types may be used together.
光学窓に光照射した際に、ガス発生室内部の光応答ガス発生性樹脂組成物がガスを発生するが、ガスの発生は光照射された光応答ガス発生性樹脂組成物の表面が最も盛んである。従って、ガスが発生しやすく且つ発生したガスが微細流路から容易に排出されるように、ガス発生室内において光応答ガス発生性樹脂組成物と光学窓の間に空気層が形成されているのが好ましい。 When the optical window is irradiated with light, the photoresponsive gas generating resin composition in the gas generating chamber generates gas, but the surface of the photoresponsive gas generating resin composition irradiated with light is most active. It is. Therefore, an air layer is formed between the photoresponsive gas generating resin composition and the optical window in the gas generation chamber so that the gas is easily generated and the generated gas is easily discharged from the fine flow path. Is preferred.
又、光応答ガス発生性樹脂組成物の表面は凹凸が形成されていると、表面積が大きくなり、ガスの放出が容易になるので好ましく、更に、ガス発生室内において光応答ガス発生性樹脂組成物と光学窓が多数点で部分的に接触し、多数の接触部と空気層が形成されているのが好ましい。 In addition, it is preferable that the surface of the photoresponsive gas generating resin composition has irregularities, since the surface area becomes large and the gas can be easily released, and the photoresponsive gas generating resin composition is further preferable in the gas generating chamber. It is preferable that the optical window is in partial contact with a plurality of points, and a large number of contact portions and air layers are formed.
マイクロ流体デバイスにおいては、種々のサンプル、希釈液、溶離液等を使用するので、ひとつのマイクロ流体デバイスに多数のマイクロポンプが必要になるので、基板に複数のガス発生室が形成されているのが好ましい。又、ガス発生室には光を照射する必要があるので、ガス発生室は基材の一面に形成されるのが好ましい。 Since various samples, diluents, eluents, etc. are used in microfluidic devices, a large number of micropumps are required for one microfluidic device, so that multiple gas generation chambers are formed on the substrate. Is preferred. Further, since it is necessary to irradiate the gas generation chamber with light, the gas generation chamber is preferably formed on one surface of the substrate.
本発明における微量液体秤取構造の作成法は、上記微量液体秤取構造を実現できる限り如何なる方法であってもよく、例えば、機械加工、射出成型や圧縮成型に代表される転写技術、ナノインプリントリソグラフィー、キャスト成形、電鋳、ドライエッチング(RIE、IE、IBE、プラズマエッチング、レーザーエッチング、レーザーアブレーション、ブラスト加工、放電加工、LIGA、電子ビームエッチング、FAB)、ウエットエッチング(化学浸食)、光造形やセラミックス敷詰等の一体成型、各種物質を層状にコート、蒸着、スパッタリング、堆積し、部分的に除去することにより微細構造物を形成するSurface Micro-machining 、1枚以上のシート状物質(フィルム、テープ等)により開口部分を形成して溝を形成する方法、インクジェットやディスペンサーにより流路構成材料を滴下、注入して形成させる方法等が挙げられる。 The method for producing the trace liquid weighing structure in the present invention may be any method as long as the trace liquid weighing structure can be realized. For example, a transfer technique represented by machining, injection molding or compression molding, nanoimprint lithography, etc. , Cast molding, electroforming, dry etching (RIE, IE, IBE, plasma etching, laser etching, laser ablation, blasting, electrical discharge machining, LIGA, electron beam etching, FAB), wet etching (chemical erosion), stereolithography, Surface micro-machining that forms a fine structure by coating, evaporating, sputtering, depositing, and partially removing various substances in layers, such as ceramic molding, and one or more sheet-like substances (film, A method of forming a groove by forming an opening with a tape, etc., ink Dropping a flow duct forming material by jet or a dispenser, injecting method for forming, and the like.
マイクロ流体デバイスを作成するために、上記方法においてマスクを利用してもよい。マスクは、マイクロ流体デバイスを最終的に作成できる限りにおいてどのようなデザインでもよいし、複数でも構わない。マスクは、通常は流路を平面に射影した形状で設計されるが、貼り合わせる流路構成材の両側に加工を行う場合や、複数の部材を用いて流路を形成する場合などは、複数のマスクを用いたり、一部はマスクを用いずに直接加工することができるため、マスクは必ずしも最終的な流路の形状の射影であるとは限らない。光硬化性樹脂などに用いる電磁波遮蔽用のマスクとしては、水晶あるいはガラスにクロムをコートしたもの、あるいは樹脂のフィルムにレーザーの焼き付けを行ったものなどが挙げられる。 A mask may be utilized in the above method to create a microfluidic device. The mask may have any design as long as the microfluidic device can be finally produced, and a plurality of masks may be used. The mask is usually designed with a shape in which the flow path is projected onto a flat surface, but when processing on both sides of the flow path component to be bonded or when forming a flow path using multiple members, multiple masks are used. Therefore, the mask is not necessarily a projection of the final shape of the flow path because a part of the mask can be directly processed without using the mask. Examples of the electromagnetic wave shielding mask used for the photo-curing resin include those obtained by coating quartz or glass with chromium, or those obtained by baking a resin film with a laser.
上記マスクは、例えば、コンピュータを用い、適当なソフトウエアにより、上記流路構造の少なくとも一部を描画し、透明な樹脂フィルムに印刷することにより作成することもできる。上記ソフトウエアにより描画された、上記流路構造の少なくとも一部の電子情報が格納された上記マスクまたはマスターチップを作成するために用いるコンピュータ読み取り可能な記録媒体もしくは上記流路構造パターンを生成するプログラムコードならびにその記憶媒体も本発明に含まれる。ここで適当な記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ等の磁気媒体;CD−ROM、MO、CD−R、CD−RW、DVD等の光ディスク、半導体メモリ等を挙げることができる。 The mask can also be created by drawing at least a part of the channel structure and printing it on a transparent resin film using a suitable software, for example. A computer-readable recording medium used for creating the mask or master chip drawn with the software and storing at least part of the electronic information of the flow channel structure or a program for generating the flow channel structure pattern The code and its storage medium are also included in the present invention. Examples of suitable recording media include magnetic media such as flexible disks, hard disks, and magnetic tapes; optical disks such as CD-ROM, MO, CD-R, CD-RW, and DVD, and semiconductor memories. .
又、マイクロ流体デバイスを作成するにあたり、上記方法によって直接チップを製作しても構わないし、これを型としてマイクロ流体デバイス整形しても構わない。当然、さらにこれを型にしてマイクロ流体デバイスを成形することも可能である。 Moreover, when producing a microfluidic device, a chip may be directly manufactured by the above method, or a microfluidic device may be shaped using this as a mold. Of course, it is also possible to mold a microfluidic device using this as a mold.
本発明におけるマイクロ流体デバイスは、上部基板と下部基板が貼り合わされた2層構造であってもよい。貼り合わせ法としては、接着剤による接着、プライマーによる樹脂接合、拡散接合、陽極接合、共晶接合、熱融着、超音波接合、レーザー溶融、溶剤・溶解溶媒による貼り合わせ、粘着テープ、接着テープ、圧着、自己吸着剤による結合、物理的な保持、凹凸による組み合わせが挙げられる。また、接続構成を保ちつつ、多層基板の重ね合わせによって実現することもできる。 The microfluidic device in the present invention may have a two-layer structure in which an upper substrate and a lower substrate are bonded together. As bonding methods, adhesive bonding, resin bonding with primer, diffusion bonding, anodic bonding, eutectic bonding, thermal fusion, ultrasonic bonding, laser melting, bonding with solvent / dissolving solvent, adhesive tape, adhesive tape , Pressure bonding, bonding with a self-adsorbing agent, physical retention, and combination with unevenness. Moreover, it can also be realized by stacking multilayer substrates while maintaining the connection configuration.
又、貼り合わせを必要とせず、上記流体分岐部分と独立流路を一体に形成させる方法も可能である。具体的には、光造形法などの一体成型により閉空間を含む構造を形成することが可能である。 In addition, a method of integrally forming the fluid branch portion and the independent flow path without requiring bonding is also possible. Specifically, it is possible to form a structure including a closed space by integral molding such as stereolithography.
かくして作成されるチップの一辺の長さ、形状、厚みに制限はなく、例えば一辺5mm〜100mmの任意の値に設定することができる。 The length, shape, and thickness of one side of the chip thus produced are not limited, and can be set to any value between 5 mm and 100 mm, for example.
1…マイクロ流体デバイス
2…基板
3…ベースプレート
4〜6…中間プレート
4a…吐出孔
5a…開口部
6a…貫通孔
7…トッププレート
8…ガス発生室
9…光応答性ガス発生部材
10…微細流路構造
11…第1の混合ユニット
11a…第1の微細流路
11b…ガス供給孔
11c…マイクロ流体供給孔
11d…第1の秤取部
11e…接続微細流路
11f…開口部
12…第2の微細流路
12a…合流部
12b…混合部
12b1,12b2…壁面
12c…排出部
12d…ガス供給孔
12e…ガス排出口
13a…第3の微細流路
13b…ガス供給孔
13c…液体供給孔
13d…第2の秤取部
13e…接続微細流路
13f…開口部
14a…第1のマイクロ流体
14b…第2のマイクロ流体
21…第2の混合ユニット
31…第3の混合ユニット
41…粘弾性ストッパー
42…ストッパー駆動装置
40…微細流路開閉装置
43a〜43c…円形部
62〜66…流路開閉装置
71…収納チャンバー
91,92…混合ユニット
93…流路開閉装置
104a〜104c…収納チャンバー
111,121…混合ユニット
111a…微細流路
111d,121d…秤取部
113a…微細流路
113d,123d…秤取部
112,122…微細流路
131,132…収納チャンバー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (1)
前記基板内に設けられており、マイクロ流体が搬送される微細流路構造とを備え、
前記微細流路構造が、第1の混合ユニットと、第1の混合ユニットの下流側に接続されている第2の混合ユニットとを有し、
各混合ユニットは、
一定量の第1のマイクロ流体を秤取するために、該一定量の第1のマイクロ流体の体積と等しい容積を有する微細流路からなる第1の秤取部と、
一定量の第2のマイクロ流体を秤取するために、前記一定量の第2のマイクロ流体の体積に等しい容積を有する微細流路からなる第2の秤取部と、
第1,第2の秤取部で秤取された第1,第2のマイクロ流体が合流される合流部と、前記合流部の下流に連ねられており、前記第1,第2のマイクロ流体を混合する混合部と、
前記第1,第2のマイクロ流体の混合により得られた混合マイクロ流体を排出する排出部と、
第1〜第3の入口ポート及び第1〜第3の出口ポートと、第1の入口ポートと第1の出口ポートとを結ぶ第1の微細流路と、第2の入口ポートと第2の出口ポートとを結び、前記合流部、前記混合部及び前記排出部を有する第2の微細流路と、第3の入口ポートと第3の出口ポートとを結ぶ第3の微細流路とを備え、
前記第1の秤取部の一端が前記第1の微細流路に接続されており、他端が第2の微細流路に設けられた前記合流部に開口しており、前記第2の秤取部の一端が前記第3の微細流路に接続されており、他端が前記第2の微細流路に設けられている前記合流部に開口しており、前記第2の出口ポートが前記排出部に接続されており、
前記第1の混合ユニットの第2の出口ポートが、前記第2の混合ユニットの前記第1または第3の入口ポートに接続されている、マイクロ流体デバイスを用いた微量液体希釈方法であって、
前記第1の混合ユニットの第1または第2の秤取部に、検体としての第1のマイクロ流体を秤取し、前記第2または第1の秤取部に希釈液としての第2のマイクロ流体を秤取する工程と、
前記第1の混合ユニットにおいて、前記検体としての第1のマイクロ流体と、希釈液としての第2のマイクロ流体とを混合し、混合マイクロ流体として第1の検体希釈液を排出する工程と、
前記第2の混合ユニットの第1または第2の秤取部に、前記第1の混合ユニットから排出された第1の混合マイクロ流体の少なくとも一部を秤取し、前記第2の混合ユニットの第2または第1の秤取部に第2または第1のマイクロ流体として希釈液を秤取する工程と、
前記第2の混合ユニットにおいて、前記第1の検体希釈液と、前記希釈液とを混合して、第2の混合マイクロ流体としての第2の検体希釈液を得、前記第2のマイクロ流体としての前記第2の検体希釈液を、前記第2の混合ユニットの排出部から排出する工程とを備え、
さらに、第1,第2の混合ユニットの後段に、n−2個(nは3以上の自然数)の混合ユニットを接続し、各混合ユニットの排出部から、それぞれ検体希釈液としての混合流体を排出させ、それによって、濃度が異なるn種の検体希釈液を得る、微量液体希釈方法。 A substrate,
A fine channel structure provided in the substrate and carrying a microfluid,
The fine channel structure has a first mixing unit and a second mixing unit connected to the downstream side of the first mixing unit;
Each mixing unit
In order to weigh a certain amount of the first microfluid, a first weigher comprising a fine channel having a volume equal to the volume of the constant amount of the first microfluid;
A second weigher comprising a microchannel having a volume equal to the volume of the fixed amount of the second microfluid in order to weigh a certain amount of the second microfluid;
The first and second microfluids are connected to a merging portion where the first and second microfluids weighed by the first and second weighing portions are merged, and downstream of the merging portion. A mixing unit for mixing,
A discharge portion for discharging the mixed microfluidic fluid obtained by mixing the first and second microfluidics;
A first fine flow path connecting the first inlet port and the first outlet port; a second inlet port; a second outlet port; A second fine flow path connecting the outlet port, having the merging section, the mixing section, and the discharge section; and a third fine flow path connecting the third inlet port and the third outlet port. ,
One end of the first weighing unit is connected to the first microchannel, and the other end is open to the junction unit provided in the second microchannel, and the second balance One end of the collecting portion is connected to the third fine channel, the other end is open to the joining portion provided in the second fine channel, and the second outlet port is the Connected to the discharge section,
A microfluidic dilution method using a microfluidic device, wherein a second outlet port of the first mixing unit is connected to the first or third inlet port of the second mixing unit,
A first microfluid as a specimen is weighed in the first or second weighing unit of the first mixing unit, and a second microfluid as a diluent in the second or first weighing unit. A step of weighing the fluid;
Mixing the first microfluid as the specimen and the second microfluid as the diluent in the first mixing unit, and discharging the first specimen diluent as the mixed microfluid;
At least a part of the first mixed microfluid discharged from the first mixing unit is weighed in the first or second weighing unit of the second mixing unit, and the second mixing unit Weighing the diluent as the second or first microfluid in the second or first weighing unit;
In the second mixing unit, the first specimen diluent and the diluent are mixed to obtain a second specimen diluent as a second mixed microfluid, and the second microfluid is used as the second microfluid. Discharging the second sample diluent from the discharge unit of the second mixing unit,
Further, n-2 (n is a natural number of 3 or more) mixing units are connected to the subsequent stage of the first and second mixing units, and the mixed fluid as the specimen diluent is respectively supplied from the discharge unit of each mixing unit. A method for diluting a small amount of liquid, wherein n kinds of specimen dilution liquids having different concentrations are obtained by discharging.
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