JP4322956B2 - 送液装置及び送液方法 - Google Patents

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Description

本発明は、送液装置及び送液方法に関する。特に、本発明は、微小流路内での微量な液体の流れを制御して送液する送液装置及び送液方法に関する。
近年、診療所や家庭でのＰＯＣＴ（Point of care test：その場診断）用途の健康診断チップとして使用される種々のバイオセンサが開発されている。これらのバイオセンサの多くは、マイクロタス（μ−ＴＡＳ：Micro Total Analysis System）と呼ばれる微小流路構造を持つカード型のデバイスである。この種のバイオセンサ等においては、デバイスの構造の簡易化等の観点から、機械的なバルブを用いることなく微小流体を定量的に送液及び分配する技術が求められている。
例えば、非特許文献１には、コリオリ力を利用して２つのチャンバに選択に流体を分配する構造が開示されている。コリオリ力は、回転座標系上で移動する物体に作用するみかけ上の力（慣性力の一種）であり、回転速度と移動速度に比例し、回転方向とは反対向き（移動方向に対して直交方向）に作用する。図１４を参照すると、回転基体１には、図示しない供給側のチャンバと接続された流路２と、流路２から分岐してそれぞれ分岐後チャンバ３Ａ，３Ｂに接続された流路４Ａ，４Ｂが設けられている。流路２，４Ａ，４Ｂは逆Ｙ字状の分岐構造を構成している。供給チャンバ内の液体は遠心力によって流路２から流路４Ａ，４Ｂのいずれかに流入する。符号Ｒ１で示すように、回転基体１が平面視で時計方向に回転する場合、流体には平面視で反時計方向のコリオリ力が作用する。その結果、矢印５Ｂで示すように、流路２の出口に対して反時計方向に位置している流路４Ｂに液体が流入する。逆に、符号Ｒ２で示すように、回転基体１が平面視で反時計方向に回転する場合、流体には平面視で時計方向のコリオリ力が作用する。その結果、矢印５Ａで示すように、流路２の出口に対して時計方向に位置している流路４Ａへ液体が流入する。
非特許文献１中の実験及びシミュレーションによれば、流路の幅が３６０μｍで深さが１２５μｍの条件下では、回転基体１の回転速度が約３３００ｒｐｍ以上であれば、回転基体１の回転方向に応じていずれか一方の流路４Ａ，４Ｂにのみ選択的に液体を流入させることができるが、回転速度が約２０００ｒｐｍ以下に低下すると選択していない他方の流路への流入が生じ、回転速度が約１０００ｒｐｍ以下に低下すると流路４Ａ，４Ｂへの流入量は等量となる。換言すれば、図１４のような逆Ｙ字状の分岐構造では回転速度が比較的低い条件下では、液体の選択的な分配が困難である。
ティロ・ブレナー（Thilo Brenner）他３名、「コリオリ力による流れの切り換え（FLOW SWITCH BASED ON CORIOLISE FORCE）」、第６回化学・生化学マイクロシステム国際会議（7th International Conference of Miniaturized Chemical and Biochemical Analysis Systems） μＴＡＳ２００３、２００３年１０月、ｐ．９０３〜９０６
前記従来の問題に鑑み、本発明は回転基体の回転速度が低い条件下でもコリオリ力による選択的な液体の分配を実現可能な送液装置を提供することを課題とする。
本発明者の種々の実験及び検討によれば、非特許文献１の逆Ｙ字形状の分岐流路で低回転速度域におけるコリオリ力による液体の選択的な分配が実現できない理由は、一種のコアンダ効果によりものであると推察される。詳細には、逆Ｙ字形状の分岐部の外側壁面に付着渦が発生し、この付着渦による圧力低下のために分岐部の外側壁面への液体が滞留ないしは付着が発生しているものと推察される。本発明者は、かかる推察に基づいて、回転速度が低い条件下でもコリオリ力による選択的な液体の分配を実現可能な構成を見出した。
本発明は、回転中心を有する回転可能な回転基体と、前記回転基体に設けられ、液体が収容される分岐前チャンバと、前記回転基体に形成され、前記分岐前チャンバに接続されて毛細管力により前記分岐前チャンバ内の前記液体を保持する入口端部を備え、この入口端部から前記回転中心に対して離れる向きに延び、かつ前記入口端部の反対側に出口端部を備える誘導流路と、前記回転基体の前記分岐前チャンバよりも前記回転中心から離れた位置に設けられ、空気口を除いて空間的に閉じられ、前記誘導流路の前記出口端部が開口している向心方向の第１の壁面と、この第１の壁面と対向する遠心方向の第２の壁面と、この第２の壁面から前記第１の壁面へ向けて延びて複数の分岐室を画定する分離壁とを備え、少なくとも前記複数の分岐室の配置方向における前記誘導流路の前記出口端部からの前記第１の壁面の広がり角度が鈍角であり、かつ前記分離壁の先端は前記誘導流路の前記出口端部から遠心方向に延ばした仮想線の近傍に前記第１の壁面に対して間隔を隔てて配置されている、分岐チャンバと、回転速度が１５００rpm以上２０００rpm以下の範囲で前記回転中心まわりに前記回転基体を回転させる回転駆動部とを備え、前記液体は血清であり、前記誘導流路の断面積は、１μｍ 2 以上４ｍｍ 2 以下である、送液装置を提供する。
以下の手順を含む送液方法もまた、本発明の趣旨に含まれる。
分岐前チャンバと、
前記分岐前チャンバに接続された入口端部を備え、この入口端部から回転中心に対して離れる向きに延び、かつ前記入口端部と反対側に出口端部を備え、断面積が１μｍ 2 以上４ｍｍ 2 以下である誘導流路と、
前記分岐前チャンバよりも前記回転中心から離れた位置に設けられ、空気口を除いて空間的に閉じられ、前記誘導流路の前記出口端部が開口している向心方向の第１の壁面と、この第１の壁面と対向する遠心方向の第２の壁面と、この第２の壁面から前記第１の壁面へ向けて延びて複数の分岐室を画定する分離壁とを有し、少なくとも前記複数の分岐室の配置方向における前記誘導流路の前記出口端部からの前記第１の壁面の広がり角度が鈍角であり、かつ前記分離壁の先端は前記誘導流路の前記出口端部から遠心方向に延ばした仮想線の近傍に前記第１の壁面に対して間隔を隔てて配置されている、分岐チャンバと
を備える回転基体を準備し、
前記分岐前チャンバに血清を供給して、前記分岐前チャンバ内の血清を前記誘導流路の前記入口端部における毛細管力により保持させ、
前記回転基体を前記回転中心まわりに前記血清に作用する遠心力が前記毛細管力を上回るように１５００rpm以上２０００rpm以下の範囲の回転速度で回転させ、前記分岐前チャンバ内の前記血清を、前記誘導流路を介して、前記分離壁に対して前記回転基体の回転方向とは反対側に位置する前記分岐室に流入させる、送液方法。
前記第１の壁面の前記広がり角度は１２０度以上３００度以下が好ましい。
誘導流路の入口端部における毛細管力により、分岐前チャンバ内に液体が保持される。回転駆動部が回転基体を回転させると、入口端部で保持された分岐前チャンバ内の液体に遠心力が作用する。回転基体がある回転速度に達して遠心力が毛細管力を上回ると、分岐前チャンバ内の液体は誘導流路を介してその出口端部から分岐チャンバ内に流入する。この分岐チャンバ内に流入する液体に対して、回転基体の回転方向とは反対向きにコリオリ力が作用する。分岐チャンバ内に流入する液体の経路は、遠心方向に対してコリオリ力が作用する方向に曲がる。分岐室を画定する分離壁の先端は出口端部から遠心方向に延ばした仮想線の近傍に配置されている。従って、コリオリ力により流入の経路が曲げられた液体は、分離壁で互いに隔てられたいずれかの分岐室内に流入する。具体的には、分岐前チャンバ内の液体は、誘導流路を介して、分離壁に対して回転基体の回転方向とは反対側に位置する前記分岐室に流入する。例えば、回転基体の回転方向が時計方向であれば、分離壁に対して反時計方向側に位置する分岐室に液体が流入、回転基体の回転方向が反時計方向であれば、分離壁に対して時計方向側に位置する分岐室に液体が流入する。
分岐室の配置方向における誘導流路の出口端部からの第１の壁面の広がり角度が鈍角であるので、回転基体の回転速度が比較的低い条件下でもコリオリ力による分岐室への選択的な液体の分配が可能である。具体的には、回転基体の回転速度が特に１５００rpm以上２０００rpm以下の範囲で分岐室への選択的な液体の分配が可能である。これは、広がり角度を鈍角としたことにより、コアンダ効果の影響が低減されたことによると推察される。詳細には、広がり角度を鈍角としたことにより、出口端部の周辺の第１の壁面における付着渦の発生が抑制され、その結果、この付着渦による圧力低下に起因する出口端部の周辺の第１の壁面における液体の滞留ないしは付着が抑制されているものと推察される。
分岐前チャンバは、それ自体に液体が注入されるチャンバであっても、それよりも上流のチャンバから流路を介して液体が流入するチャンバであってもよい。また、分岐チャンバの複数の分岐室のいずれか又はすべてに対して流路を介して下流側のチャンバを接続してもよい。
本発明の送液装置及び送液方法では、分岐室の配置方向における誘導流路の出口端部からの第１の壁面の広がり角度が鈍角であるので、回転基体の回転速度が比較的低い条件下（特に１５００rpm以上２０００rpm以下）でもコリオリ力による分岐室への選択的な液体の分配が可能である。また、回転基体の構造が簡易であり、回転基体における流路やチャンバの配置面積を小さくできる。さらに、チャンバや流路の配置、分岐室の容積等の構造の自由度も高い。
（第１実施形態）
図１から図３は、本発明の第１実施形態に係る送液装置１１を示す。
この送液装置１１は、回転基体１２、この回転基体１２が固定された回転軸１３、及び回転軸１３を回転駆動するモータ１４、及びモータ１４の駆動回路１５を備える。回転軸１３はその軸線である回転中心Ｃが鉛直方向に延びる姿勢で配置されている。回転基体１２はモータ１４によって回転駆動されて平面視で時計方向Ｒ１及び反時計方向Ｒ２に回転可能である。本実施形態では、回転基体１２は円板状の回転基体本体１６と、この回転基体本体１６に設けられた収容孔１６ａに取り外し可能に収容されている複数のチャンバチップ１７とにより構成されている。
図２及び図３を参照してチャンバチップ１７について説明する。以下の説明において、回転中心Ｃに対する位置や向きは、チャンバチップ１７を回転基体本体１６に取り付けた状態を基準とする。チャンバチップ１７には、分岐前チャンバ２１と分岐チャンバ２２が設けられている。分岐チャンバ２２は、平面視で分岐前チャンバ２１よりも回転中心Ｃから離れた位置に設けられている。換言すれば、分岐チャンバ２２は分岐前チャンバ２１よりも回転軸１３の径方向ｒ（図１参照）の外側に位置している。また、チャンバチップ１７には、回転軸１３の径方向ｒに延びる誘導流路２４が設けられている。この誘導流路２４によって分岐前チャンバ２１と分岐チャンバ２２が互いに接続されている。後に詳述するように、分岐前チャンバ２１内の液体２３（例えば図４参照）は誘導流路２４を介して分岐チャンバ２２の２つの分岐室２９Ａ，２９Ｂのいずれか一方に選択的に流入する。液体２３は回転基体１２の回転によって生じる遠心力とコリオリ力とにより移動する。
分岐前チャンバ２１はチャンバチップ１７の内部に形成され、空間的に閉じられている。本実施形態では、分岐前チャンバ２１は略直方体状の空間であり、平面視では矩形状である。チャンバチップ１７には、分岐前チャンバ２１の頂壁からチャンバチップ１７の上面に貫通し、分岐前チャンバ２１の内部をチャンバチップ１７の外部と連通させる注入口２６が形成されている。分岐前チャンバ２１の遠心方向の壁面、すなわち径方向ｒの外側に位置する壁面２１ａには誘導流路２４の入口端部２４ａが開口している。注入口２６は誘導流路２４の入口端部２４ａよりも回転中心Ｃに近い位置に形成されている。
分岐チャンバ２２はチャンバチップ１７の内部に形成され、複数の壁面で囲まれた閉じた空間である。本実施形態では、平面視での分岐チャンバ２２は、回転軸１３の径方向ｒに延びる細長い矩形の外側隅部（図２において右下隅部）に別の矩形を重ねた形状を有する。分岐チャンバ２２の向心方向の壁面、すなわち径方向ｒの内側に位置する壁面（第１の壁面）２２ａには、誘導流路２４の出口端部２４ｂが開口している。
チャンバチップ１７には、分岐チャンバ２２の頂壁からチャンバチップ１７の上面に貫通し、分岐チャンバ２２の内部をチャンバチップ１７の外部と連通させる空気口２７が形成されている。空気口２７は分岐チャンバ２２内に液体２３が流入する際に、分岐チャンバ２２内の空気をチャンバチップ１７の外部に排出する機能を有する。
分岐チャンバ２２の壁面のうち壁面２２ａと対向する遠心方向の壁面２２ｂすなわち径方向ｒの外側に位置する壁面（第２の壁面）２２ｂから壁面２２ａに向けて、分離壁２２ｃが突出している。この分離壁２２ｃは基端側が壁面２２ｂに一体に接続されており、先端２２ｄは壁面２２ａに対して間隔ｔを隔てて対向している。また、障壁２２ｃの上端は分岐チャンバ２２の頂壁（後述する上側基板３６の下面）と一体であり、かつ分離壁２２ｃの下端は分岐チャンバ２２の底壁（後述する下側基板３７の上面）に密接している。かかる分離壁２２ｃを設けたことにより、分岐チャンバ２２の内部は互いに隣接する２つの分岐室２９Ａ，２９Ｂに分割されている。これらの分岐室２９Ａ，２９Ｂは、回転基体１２の回転方向、すなわち径方向ｒと直交する方向（図２において左右方向）に並んで配置されている。本実施形態では、分離壁２２ｃの平面視での形状は、基端側が幅（径方向ｒと直交する方向の寸法）がほぼ一定の矩形状であり、先端２２ｄ側は図２において右側の分岐室２９Ｂ側が傾斜面となったテーパ状である。しかし、壁面２１ａとの間の隙間ｔが確保された状態で分岐室２２を分岐室２９Ａ，２９Ｂに分割できる限り、分離壁２２ｃの形状は特に限定されない。
以下、図２及び図３に加え、図５を併せて参照する。前述のように分岐チャンバ２２の内側の壁面２２ａに誘導流路２４の出口端部２４ｂが開口している。出口端部２４の壁面２２ａに開口する部分では、液体２３が通る空間が急激に拡張する構造としている。詳細には、分岐室２９Ａ，２９Ｂの配置方向、すなわち回転基体１２の回転方向ないしは径方向ｒと直交する方向（図２において左右方向）における、誘導流路２４の出口端部２４からの壁面２２ａの広がり角度θｅを１８０°に設定している。また、誘導流路２４の幅に対して、内側の壁面２２ａにおける分岐チャンバ２２の幅を大幅に広く設定している（例えば、前者が５０〜２００μm程度であるのに対して、後者が５００〜４０００μm程度に設定される）。誘導流路２４の出口端部２４ａが分岐チャンバ２２に開口する部分を急拡張構造としたことにより、後に詳述するように回転基体１２の回転速度が比較的低い条件下でもコリオリ力による分岐室２９Ａ，２９Ｂへの選択的な液体２３の分配が可能になる。かかる低速度域での液体分配を実現するためには、広がり角度θｅは鈍角（例えば１２０度以上３００度以下）であればよく、液体２３の流路やチャンバの壁面に対する接触角等に応じてこの範囲で適宜設定できる。
本実施形態では、分離壁２２ｃの先端２２ｄは誘導流路２４の出口端部２４ｂから遠心方向に延ばした仮想線Ａ上に配置されている。ただし、分離壁２２ｃの先端２２ｄは仮想線Ａから近傍に位置していればよい。仮想線Ａに対する分離壁２２ｃの先端２２ｄの位置は、後述する先端２２ｄにおける液体２３のシフト量δに応じて、コリオリ力による分岐室２９Ａ，２９Ｂへの選択的な液体２３の流入を実現できるように設定すればよい。
誘導流路２４を通って分岐前チャンバ２１から分岐チャンバ２２に液体２３が確実に送液されるためには、誘導流路２４は微細な流路である必要がある。具体的には、誘導流路２４の体積は、分岐前チャンバ２１及び分岐チャンバ２２の容積と同等又はそれよりも小さいことが好ましい。また、誘導流路２４の幅と深さは、分岐前チャンバ２１及び分岐チャンバ２２の幅と深さよりも小さいことが好ましい。好ましくは、誘導流路２４の断面積は１μｍ２以上４ｍｍ２以下であり、好適には２５μｍ２以上１０００００μｍ２以下であり、より好適には１００００μｍ２である。
分岐前チャンバ２１と接続している誘導流路２４の入口端部２４ａは、分岐前チャンバ２１内に蓄えられた液体を解除可能に保持するバルブとしての機能を有する。以下、このバルブ機能について詳述する。まず、入口端部２４ａは疎水性を有する。図４を参照すると、微細な流路である誘導流路２４を疎水性としたことにより、液体２３は表面張力による毛細管力Ｆｃａにより入口端部２４ａで保持され、誘導流路２４内は液体２３で濡れない。入口端部２４ａの流路壁面が疎水性を有すると液体２３で濡れず液体２３と流路壁面の接触角θは鈍角となるので、液体２３を分岐前チャンバ２１に保持する方向の毛細管力Ｆｃａが発生する。詳細には、流路壁面と液体２３の界面には表面張力Ｔ１〜Ｔｎが生じ、その合力である毛細管力Ｆｃａは回転軸１３の径方向ｒの内側方向（向心方向）を向く。換言すれば、毛細管力Ｆｃａは入口端部２４ａから分岐前チャンバ２１の内部に向かう方向に発生する。毛細管力Ｆｃａの大きさは、以下の式（１）で表される。
Figure 0004322956
ここで、符号Ｔは水の表面張力、θｃは液体９の流路壁面に対する接触角、ｃは流路の周囲長をそれぞれ表す。
誘導流路２４の入口端部２４ａの壁面は疎水性を有するが、出口端部２４ｂを含む誘導流路２４の残りの部分の壁面、及び分岐前チャンバ２１及び分岐チャンバ２２の壁面は、親水性であっても疎水性であってもよい。
図３を参照すると、本実施形態におけるチャンバチップ１７は、上側基板３６と下側基板３７を積層状態で接合した２層構造を有する。上側基板３６の下面側には分岐前チャンバ２１、分岐チャンバ２２、及び誘導流路２４が有底の窪みとして形成されている。また、上側基板３６を厚み方向に貫通するように、注入口２６と空気口２７が形成されている。上側基板３６の下面には、孔等が形成されていない下側基板３７が接合されている。チャンバチップ１７の積層構造は本実施形態のものに限定されず、３枚以上の基板を積層状態で接合したものでもよい。
次に、第１実施形態の送液装置１１を使用した送液方法を説明する。まず、液体２３を注入口２６から分岐前チャンバ２１に注入し、分岐前チャンバ２１内に液体２３を収容する。誘導流路２４の疎水性を有する入口端部２４ａで生じる毛細管力により、液体２３は誘導流路２４内に進入することなく入口端部２４ａで保持される（図４参照）。
次に、回転軸１３まわりに回転基体本体１６を回転させる。この回転により、誘導流路２４の入口端部２４ａで毛細管力によって保持されている液体２３に遠心力Ｆｇ（図４参照）が作用する。回転基体本体１６の回転速度がある速度（回転速度ＲＶ１）に達して遠心力Ｆｇが誘導流路２４の入口端部２４ａにおける毛細管力Ｆｃａ（前述の式（１）参照）を上回ると、誘導流路２４の入口端部２４ａによる液体３２の保持が解除される。その結果、分岐前チャンバ２１内の液体２３は誘導流路２４を通って出口端部２４ｂから分岐チャンバ２２に流入する。
分岐チャンバ２２内に流入した液体２３には回転基体１２の回転方向に応じた向きのコリオリ力が作用し、それによっていずれかの分岐室２９Ａ，２９Ｂに選択的に流入する。以下、この点について詳細に説明する。図５に示すように、出口端部２４ｂから分岐チャンバ２２内に流入した液体２３の微小要素４１を考える。この微小要素４１に作用する遠心力Ｆｇの大きさは、以下の式（２）で表される。
Figure 0004322956
ここで、符号ｍは微小要素４１の質量、ｒ'は回転中心Ｃからの微小要素４１の距離、ωは回転基体１２の回転速度（角速度）をそれぞれ表す。
この遠心力Ｆは径方向ｒの外向きに作用する。従って、仮に微小要素４１の移動方向について遠心力Ｆのみが支配的であるとすれば、微小要素４１は回転基体１２の回転方向にかかわらず単に径方向ｒの外向きに移動することなる。これは回転基体１２の回転方向にかかわらず出口端部２３から径方向ｒの外向きに液体２３が流れて分離壁２２ｃの先端２２ｄに衝突し、分岐室２９Ａ，２９Ｂの両方に液体２３が供給されることを意味する。
しかし、微小要素４１の移動方向には遠心力Ｆｇのみでなく、コリオリ力Ｆｃｏが作用する。微小要素４１に作用するコリオリ力Ｆｃｏの大きさは以下の式（３）で表される。
Figure 0004322956
ここで符号ｍは微小要素４１の質量、ωは回転基体１２の回転速度（角速度）、ｖは回転基体１２（チャンバチップ１７）に対する微小要素４１の相対的な移動（この例では径方向ｒの外向き）の速度をそれぞれ示す。
微小要素４１に作用するコリオリ力Ｆｃｏの向きは、回転基体１２の回転方向と反対向きであり、回転基体１２（チャンバチップ１７）に対する微小要素４１の相対的な移動の方向に対して直交する。具体的には、回転基体１２が時計方向Ｒ１に回転する場合、微小要素４１に対して反時計方向Ｒ２（図５において右向き）のコリオリ力Ｆｃｏが作用する。従って、回転基体１２が時計方向Ｒ１に回転する場合、出口端部２４ｂから分岐チャンバ２２に流入した液体２３の経路は、矢印４２Ａで模式的に示すように反時計方向Ｒ２に湾曲する。その結果、液体２３は分離壁２３よりも反時計方向Ｒ２側に位置する分岐室２９Ｂには流入するが、分離壁２３よりも時計方向Ｒ１側に位置する分岐室２９Ａには流入しない（図６Ａ）。逆に、回転基体１２が反時計方向Ｒ２に回転する場合、微小要素４１に対して時計方向Ｒ１（図５において左向き）のコリオリ力Ｆｃｏが作用する。従って、回転基体１２が反時計方向Ｒ２に回転する場合、出口端部２４ｂから分岐チャンバ２２に流入した液体２３の経路は、矢印４２Ｂで模式的に示すように時計方向Ｒ１に湾曲する。その結果、液体２３は分離壁２３よりも時計方向Ｒ１側に位置する分岐室２９Ａには流入するが、分離壁２３よりも反時計方向Ｒ２側に位置する分岐室２９Ｂには流入しない。
式（３）から明らかなように、回転基体１２の回転速度が高い程コリオリ力Ｆｃｏが大きくなり、回転速度が低い程コリオリ力Ｆｃｏは小さくなる。これは回転基体１２の回転速度が低領域では、分離壁２２ｃの先端ｄに対する位置での液体２３の経路のシフト量δが小さくなり、分岐室２９Ａ，２９Ｂへの選択的な液体２３の供給が困難になることを意味する。本実施形態では、前述のように分岐室２９Ａ，２９Ｂの配置方向における誘導流路２４の出口端部２４ｂからの壁面２２ａの広がり角度θｅが鈍角（１８０度）であるので、回転基体１２の回転速度が比較的低い条件下（１５００rpm以上２０００rpm以下程度）でもコリオリ力Ｆｃｏによる分岐室２９Ａ，２９Ｂへの選択的な液体２３の分配が可能である。具体的には、特に１５００rpm以上２０００rpm以下の範囲で分岐室２９Ａ，２９Ｂへの選択的な液体２３の分配が可能である。これは、広がり角度θｅを鈍角としたことにより、コアンダ効果の影響が低減されたことによると推察される。詳細には、広がり角度θｅを鈍角としたことにより、出口端部２４ｂの周辺の壁面２２ａにおける付着渦の発生が抑制され、その結果、この付着渦による圧力低下に起因する出口端部２４ｂの周辺の壁面２２ａにおける液体２３の滞留ないしは付着が抑制されているものと推察される。
また、本実施形態では、コリオリ力Ｆｃｏを利用して液体の選択的な分配を実現しているので、例えば毛細管現象を利用した定量化の場合に必要なオーバーフロー用のキャピラリのような複雑な構造を回転基体１２に設ける必要がない。この点で、回転基体１２の構造が簡易であり、回転基体１２における流路やチャンバの配置面積を小さくできる。また、チャンバや流路の配置、分岐室の容積等の構造の自由度も高い。
図７は回転基体１２の構造に関する代案を示す。この代案では、回転基体本体１６自体に分岐前チャンバ２１、分岐チャンバ２２、及び誘導流路２４を設けている。
（第２実施形態）
図８に示す本発明の第２実施形態は、チャンバチップ１７を血清中に含まれる抗原の一種であるＣＲＰ（C-reactive protein）の濃度を電気化学的に測定するバイオセンサとして構成した例である。
チャンバチップ１７には、平面視で分岐前チャンバ２１よりも回転中心Ｃに近い位置に注入チャンバ４３が設けられている。注入チャンバ４３はチャンバチップ１７の内部に形成され、空間的に閉じられている。チャンバチップ１７には、注入チャンバ４３の頂壁からチャンバチップ１７の上面に貫通し、注入チャンバ４３の内部をチャンバチップ１７の外部と連通させる注入口４４が形成されている。第１実施形態とは異なり、分岐前チャンバ２１には注入口２６（例えば図２参照）は設けられていない。
また、チャンバチップ１７には、注入チャンバ４３と分岐前チャンバ２１の間に中間チャンバ４５が設けられている。注入チャンバ４３は、分岐前チャンバ２１と中間チャンバ４５に対してチャンバチップ１７の内部に形成された流路４６Ａ，４６Ｂにより接続されている。また、中間チャンバ４５は流路４７を介して分岐前チャンバ２１に接続されている。
注入チャンバ４３内には試薬が担持されている。また、分岐前チャンバ２１にはＣＲＰ（以下、固着ＣＲＰ５１Ａ）と、ＡＬＰ（アルカルホスファターゼ）標識抗体５３が担持されている。さらに、中間チャンバ４５には電気化学検出用酸化還元体５４が担持されている。さらにまた、分岐チャンバ２２の分岐室２９Ａには測定用の電極５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃが配置されている。
以下、ＣＲＰ濃度の測定手順を説明する。まず、注入口４４から注入チャンバ４３内に被測定対象であるＣＲＰ５１Ｂを含有する血清５６を注入する。血清５６は流路４６Ａ，４６Ｂに流入するが、これらの流路４６Ａ，４６Ｂの出口端部で毛細管力により保持され、分岐前チャンバ２１と中間チャンバ４５には流入しない（図８）。
次に、回転基体１２を時計方向Ｒ１に回転速度ＲＶ１（例えば９００ｒｐｍ）で回転させる。この回転で発生する遠心力により注入チャンバ４３内の血清５６は流路４６Ａ，４６Ｂを通って分岐前チャンバ２１と中間チャンバ４５に流入する（図９）。分岐前チャンバ２１内の血清５６は誘導流路２４の出口端部２４ｂでの毛細管力により保持される。また、中間チャンバ４５内の血清５６は流路４７の出口端部での毛細管力により保持される。分岐前チャンバ２１内では競合反応が生じる。詳細には、血清５６のＣＲＰ５１Ｂ及び固着ＣＲＰ５１ＡにＡＬＰ標識抗体５３が競合的に結合する。固着ＣＲＰ５１ＡにＡＬＰ標識抗体５３が結合する割合は血清５６のＣＲＰ５１Ｂの濃度に依存する。ＡＬＰ標識抗体５３には、血清中のＣＲＰ５１Ｂに結合するもの、固着ＣＲＰ５１Ａに結合するもの、及びいずれのＣＲＰ５１Ａ，Ｂとも結合を生じないものがある。
競合反応後、回転基体１２の回転方向を時計方向Ｒ１で維持したままで、回転速度を回転速度ＲＶ１よりも高い回転速度ＲＶ２（例えば１５００ｒｐｍ）まで上昇させる。その結果、誘導流路２４の出口端部２４ｂでの毛細管力を遠心力が上回り、分岐前チャンバ２１内の血清５６が出口端部２４ｂから分岐チャンバ２２内に流入する（図１０）。この際、中間チャンバ４５内の血清５６は依然として流路４７の出口端部の毛細管力により保持される。回転方向は時計方向Ｒ１であるので、出口端部２４ｂから分岐チャンバ２２内に流入する血清には反時計方向Ｒ２のコリオリ力が作用し、分岐チャンバ２２への血清５６の流入の経路は反時計方向Ｒ２に曲がる。その結果、出口端部２４ｂから分岐チャンバ２２内に流入する血清５６はすべて分離壁２２ｃよりも反時計方向Ｒ２側に配置された分岐室２９Ｂに流入する。分岐室２９Ｂに流入する血清５６には、血清中のＣＲＰ５１Ｂと結合したＡＬＰ標識抗体５３と、ＣＲＰ５１と結合していないＡＬＰ標識抗体５３とが含まれる。一方、分岐前チャンバ２１には固着ＣＲＰ５１ＡとＡＬＰ標識抗体５３が残存する。この回転速度ＲＶ２での血清の送液は、固着ＣＲＰ５１Ａと結合しているＡＬＰ標識抗体５３と固着ＣＲＰ５１Ａに対して遊離しているＡＬＰ標識抗体５３を分離する機能がある。測定に不要なＡＬＰ標識抗体５３を含む血清５６が流入する点で、分岐室２９Ｂは測定に不要な血清の破棄室として機能している。
次に、回転基体１２の回転方向を反時計方向Ｒ２に反転させ、回転速度を前述の回転速度ＲＶ２よりも高い回転速度ＲＶ３（例えば１９００rpm）まで上昇させる。その結果、流路４７の出口端部の毛細管力を上回る遠心力が生じ、電気化学検出用酸化還元体５４を含む中間チャンバ４５内の血清５６が流路４７から分岐前チャンバ２１に流入し、さらに誘導流路２４を介してその出口端部２４ｂから分岐チャンバ２２内に流入する。回転方向は反時計方向Ｒ２であるので、出口端部２４ｂから分岐チャンバ２２内に流入する血清５６には時計方向Ｒ１のコリオリ力が作用し、分岐チャンバ２２への血清５６の流入の経路は時計方向Ｒ１に曲がる。その結果、出口端部２４ｂから分岐チャンバ２２内に流入する血清５６はすべて分離壁２２ｃよりも時計方向Ｒ１側に配置された分岐室２９Ａに流入する。分岐前チャンバ２１では、固着ＣＲＰ５１Ａに結合しているＡＬＰ標識抗体５３と電気化学検出用還元体５４との間に酸化還元反応が生じる。そのため、分岐室２９Ａに流入した血清５６と電極５５Ａ〜５５Ｃとの間の電気化学的反応により固着ＣＲＰ５１Ａに結合しているＡＬＰ標識抗体５３の量（前述のように血清５６中に含まれていたＣＲＰ５１Ｂの濃度に依存する）を測定できる。分岐室２９Ａは、電極５５Ａ〜５５Ｃが配置され、かつ測定に必要な血清５６のみが供給される点で測定室として機能している。
注入チャンバ４３からの流路４６Ａを介した分岐前チャンバ２１への血清５６の流入と中間チャンバ４５からの流路４７を介した分岐前チャンバ２１への血清５６の流入の順序は、これらのチャンバ４３，２１の深さや幅で作用する遠心力の大きさを調節すること等により制御できる。また、流路４７が折れ曲がった経路を有する点は、中間チャンバ４５から分岐前チャンバ２１への送液を注入チャンバ４３から分岐前チャンバ２１への送液よりも遅らせる機能がある。
第２実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
（実施例）
図１から図３に示す本発明の第１実施形態に係るチャンバチップ１７を実際に製作して微小液体を選択的に分配する実験を行った。
まず、チャンバチップ１７の製作について説明する。キャビティ中に分岐前チャンバ２１、分岐チャンバ２２、誘導流路２４、注入口２６、及び空気口２７に対応する突出部分を切削加工により形成した鉄鋼材料製の金型を製作した。この金型を使用したウレタン樹脂のインジェクション成型により、上側基板３６を製作した。誘導流路２４、幅を２００μｍとして深さを３５μｍとした。また、分岐チャンバ２２の分岐室２９Ａ，２９Ｂの深さは共に１．０ｍｍとした。分離壁２２ｃの先端２２ｄと壁面２２ａの間の間隔ｔは４mmに設定した。このウレタン樹脂製の上側基板３６の下面にＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）製の下側基板３７を接合した。
比較のために、図１２に示すように分岐室２９Ａ，２９Ｂの配置方向における、誘導流路２４の出口端部２４からの壁面２２ａの広がり角度θｅを鋭角（４５度）とした以外は第１実施形態のチャンバチップ１７と同一構造のチャンバチップを同一の方法で製作した。以下の説明では、第１実施形態のチャンバチップに言及する場合には参照番号１７Ａを使用し、比較例のチャンバチップに言及する場合には参照番号１７Ｂを使用する。
まず、５μLの液体２３（所定量のサンプル溶液と試薬を混合して調整した）を各チャンバチップ１７Ａ，１７Ｂの分岐前チャンバ２１に導入した。次に、各チャンバチップ１７Ａ，１７Ｂを回転中心Ｃまわりに時計方向Ｒ１に８００rpmで回転させたところ、いずれのチャンバチップ１７Ａ，１７Ｂについても液体２３は分岐チャンバ２２に流入することなく分岐前チャンバ２１内に留まった。
回転方向を時計方向Ｒ１に維持したままで回転速度を上昇させたところ、１２１６rpm以上となると両方のチャンバチップ１７Ａ，１７Ｂにおいて分岐前チャンバ２１から誘導流路２４を介した分岐チャンバ２２への液体２３の流入が生じた。表１に示すように、チャンバチップ１７Ａ（本発明）については、分離壁２２ｃよりも反時計方向Ｒ２側（右側）の分岐室２９Ｂにのみ液体２３が流入した。一方、チャンバチップ１７Ｂ（比較例）については、分離壁２２ｃで隔てられた２つの分岐室２９Ａ，２９Ｂにほぼ均等な量の液体２３が流入した。
次に、チャンバチップ１７Ａ，１７Ｂの回転を停止した後、各チャンバチップ１７Ａ，１７Ｂの分岐前チャンバ２１に５μLの液体２３を再度導入した。続いて、各チャンバチップ１７Ａ，１７Ｂを反時計方向Ｒ２に回転させ、回転速度を徐々に上昇させたところ、１１４６rpm以上となると両方のチャンバチップ１７Ａ，１７Ｂにおいて分岐前チャンバ２１から誘導流路２４を介した分岐チャンバ２２への液体２３の流入が生じた。表１に示すように、チャンバチップ１７Ａについては、分離壁２２ｃよりも時計方向Ｒ１側（左側）の分岐室２９Ａにのみ液体２３が流入した。一方、チャンバチップ１７Ｂ（比較例）については、２つの分岐室２９Ａ，２９Ｂにほぼ均等な量の液体２３が流入した。
Figure 0004322956
チャンバチップ１７Ａについて、シフト量δを測定した。前述のように間隔ｔは４mmである。測定結果を図１３に示す。回転速度が１５００rpm程度以上であれば、回転方向のいかんにかかわらず、０．８mm程度以上のシフト量δが得られることが確認できる。この０．８mm程度以上の十分なシフト量δは、分岐室２９Ａ，２９Ｂのいずれかに選択的に液体２３を供給する上で有利である。
以上のように、壁面２２ａの広がり角度θｅの狭い比較例のチャンバチップ１７Ｂでは回転方向によって分岐室２９Ａ，２９Ｂへ液体の分配の制御ができないのに対し、本発明にかかるチャンバチップ１７Ａでは回転方向を時計方向Ｒ１と反時計方向Ｒ２のいずれかに設定することにより、分岐チャンバ２２の２つの分岐室２９Ａ，２９Ｂに対して選択的に液体を分配できることが確認できた。これは前述のように壁面２２ａの広がり角度θｅが鈍角としたことでコアンダ効果の影響が低減されたことによると推察される。
本発明は実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、分岐前チャンバは、それ自体に液体が注入されるチャンバであっても、それよりも上流のチャンバから流路を介して液体が流入するチャンバであってもよい。また、分岐チャンバの複数の分岐室のいずれか又はすべてに対して流路を介して下流側のチャンバを接続してもよい。
本発明の第１実施形態に係る送液装置を示す模式的な平面図。 第１実施形態のチャンバチップの平面図。 図２のIII−III線での断面図。 液体に作用する毛細管力と遠心力を示す模式図。 液体に作用するコリオリ力と遠心力を示す模式図。 回転基体が平面視で時計方向に回転している場合の液体の搬送方向を示す平面図。 回転基体が平面視で反時計方向に回転している場合の液体の搬送方向を示す平面図。 回転基体の構造に関する代案を示す模式的な平面図。 本発明の第２実施形態に係るチャンバチップを示す模式的な平面図（血液試料供給時）。 本発明の第２実施形態に係るチャンバチップを示す模式的な平面図（競合反応）。 本発明の第２実施形態に係るチャンバチップを示す模式的な平面図（分離）。 本発明の第２実施形態に係るチャンバチップを示す模式的な平面図（酵素との反応及び測定）。 比較例のチャンバチップを示す模式的な平面図。 実施例における回転速度と液体のシフト量との関係を示すグラフ。 逆Ｙ字形状の分岐流路を備える従来の回転基体の部分平面図。
符号の説明
１１ 送液装置
１２ 回転基体
１３ 回転軸
１４ モータ
１５ 駆動回路
１６ 回転基体本体
１６ａ 収容孔
１７ チャンバチップ
２１ 分岐前チャンバ
２１ａ 壁面
２２ 分岐チャンバ
２２ａ，２２ｂ 壁面
２２ｃ 分離壁
２２ｄ 先端
２３ 液体
２４ 誘導流路
２４ａ 入口端部
２４ｂ 出口端部
２６ 注入口
２７ 空気口
２９Ａ，２９Ｂ
３６ 上側基板
３７ 下側基板
４１ 微小要素
４２Ａ，４２Ｂ 経路の曲がりを示す矢印
４３ 注入チャンバ
４４ 注入口
４５ 中間チャンバ
４６Ａ，４６Ｂ 流路
４７ 流路
５１Ａ 固着ＣＲＰ
５３ ＡＬＰ標識抗体
５４ 電気化学検出用酸化還元体
５５Ａ〜５５Ｃ 電極
５６ 血清
Ａ 仮想線
Ｃ 回転中心
Ｆｃａ 毛細管力
Ｆｃｏ コリオリ力
Ｆｇ 遠心力
ｒ 回転軸の径方向
Ｒ１ 時計方向
Ｒ２ 反時計方向
δ シフト量
θｃ 接触角
θｅ 広がり角度

Claims (5)

  1. 回転中心を有する回転可能な回転基体と、
    前記回転基体に設けられ、液体が収容される分岐前チャンバと、
    前記回転基体に形成され、前記分岐前チャンバに接続されて毛細管力により前記分岐前チャンバ内の前記液体を保持する入口端部を備え、この入口端部から前記回転中心に対して離れる向きに延び、かつ前記入口端部の反対側に出口端部を備える誘導流路と、
    前記回転基体の前記分岐前チャンバよりも前記回転中心から離れた位置に設けられ、空気口を除いて空間的に閉じられ、前記誘導流路の前記出口端部が開口している向心方向の第１の壁面と、この第１の壁面と対向する遠心方向の第２の壁面と、この第２の壁面から前記第１の壁面へ向けて延びて複数の分岐室を画定する分離壁とを備え、少なくとも前記複数の分岐室の配置方向における前記誘導流路の前記出口端部からの前記第１の壁面の広がり角度が鈍角であり、かつ前記分離壁の先端は前記誘導流路の前記出口端部から遠心方向に延ばした仮想線の近傍に前記第１の壁面に対して間隔を隔てて配置されている、分岐チャンバと、
    回転速度が１５００rpm以上２０００rpm以下の範囲で前記回転中心まわりに前記回転基体を回転させる回転駆動部と
    を備え、
    前記液体は血清であり、
    前記誘導流路の断面積は、１μｍ2以上４ｍｍ2以下である、
    送液装置。
  2. 前記第１の壁面の前記広がり角度は１２０度以上３００度以下である、請求項１に記載の送液装置。
  3. 前記回転駆動部は、前記誘導流路の前記入口端部に保持された前記液体に前記毛細管力を上回る遠心力が作用する回転速度で前記回転基体を回転させ、前記分岐前チャンバ内の前記液体を、前記誘導流路を介して、前記分離壁に対して前記回転基体の回転方向とは反対側に位置する前記分岐室に流入させる、請求項１に記載の送液装置。
  4. 分岐前チャンバと、
    前記分岐前チャンバに接続された入口端部を備え、この入口端部から回転中心に対して離れる向きに延び、かつ前記入口端部と反対側に出口端部を備え、断面積が１μｍ2以上４ｍｍ2以下である誘導流路と、
    前記分岐前チャンバよりも前記回転中心から離れた位置に設けられ、空気口を除いて空間的に閉じられ、前記誘導流路の前記出口端部が開口している向心方向の第１の壁面と、この第１の壁面と対向する遠心方向の第２の壁面と、この第２の壁面から前記第１の壁面へ向けて延びて複数の分岐室を画定する分離壁とを有し、少なくとも前記複数の分岐室の配置方向における前記誘導流路の前記出口端部からの前記第１の壁面の広がり角度が鈍角であり、かつ前記分離壁の先端は前記誘導流路の前記出口端部から遠心方向に延ばした仮想線の近傍に前記第１の壁面に対して間隔を隔てて配置されている、分岐チャンバと
    を備える回転基体を準備し、
    前記分岐前チャンバに血清を供給して、前記分岐前チャンバ内の血清を前記誘導流路の前記入口端部における毛細管力により保持させ、
    前記回転基体を前記回転中心まわりに前記血清に作用する遠心力が前記毛細管力を上回るように１５００rpm以上２０００rpm以下の範囲の回転速度で回転させ、前記分岐前チャンバ内の前記血清を、前記誘導流路を介して、前記分離壁に対して前記回転基体の回転方向とは反対側に位置する前記分岐室に流入させる、送液方法。
  5. 前記第１の壁面の前記広がり角度は１２０度以上３００度以下である、請求項４に記載の送液方法。
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