JP4485305B2 - 微量定容インジェクションバルブ構造体 - Google Patents

Description

この出願の発明は、超微量分析、生化学分析、さらには化学合成や分離、抽出等の操作をガラス基板等に形成したマイクロチャンネル（微量流路）に送液するとき、微量の試薬や検体の一定量を精密に、かつ簡便に送液することを可能とする微量定量インジェクションバルブ構造体に関するものである。

ガラス基板等に、たとえば幅５００μｍ以下、深さ３００μｍ以下のマイクロチャンネル（微量流路）を形成したマイクロチップを、超微量分析、生化学分析、さらには化学合成や微量物質の分離、抽出等の精密操作に用いることが知られている。

通常、たとえば図１に例示したように、このようなマイクロチップ（Ｄ）においては、ガラス等の基板（Ｄ１）にマイクロチャンネル（Ｄ２）を所要の平面パターンで形成し、上部を覆うようにしたカバープレート（Ｄ３）に開孔した注入口（Ｄ４）より試料や反応剤等をマイクロチャンネル（Ｄ２）に導入し、反応や分離、抽出、あるいは分析の終了後に排出口（Ｄ５）より排出するようにしている。この基本的な構成において、マイクロチップ（Ｄ）における精密操作を可能とするためには、微量な検体試料や試薬等を拡散させることなく定量的にマイクロチャンネル（Ｄ２）に導入することが大変に重要となる。

微量の定量送液用バルブとして高速液体クロマトグラフィで使われる図２Aに例示したようなバルブが最も耐圧性能に優れるが、高価であり駆動装置が大きくそのままマイクロチップの近くに配置することは難しい。また、生化学分析でも通常回転板に流路の溝を作成し、この回転板が回転することで流路を切り換えるような構造が一般的であり、現在市販の中低圧バルブでもこの型式か、図２Bプラグに穴を開ける方法である。この方法ではプラグの回転中心軸に対して直角に流路が形成されており、結果として摺動面積が大きくなり、高い耐圧を得るには不利であり、また回転により流路口とプラグ内流路を一致させるにはプラグ半径がプラグ内流路径を大きくせざるを得ず、プラグ内流路径を大きいと拡散が起こりやすい。同様に、回転板を回転する方法でも、摺動面の面積が大きなため耐圧性能に比較し締め付けに大きな力が必要でありネジ締めで調節されていることが多い。また、平面と平面との摺動であることから高い平面精度の加工が必要とされる。更に摺動性とシール性の相反する因子を両立させるため摺動面の材質にはセラミックや特殊な炭素膜を必要とする。この材質をテフロン等の樹脂にした場合、テフロン平面に均一に力をかけることは困難であり、よしんば可能であっても、使用するうちに変形等による漏れを誘発しやすかった。また、細溝と流通穴の径に比較して回転板の中心から離れたところに位置するため回転により細溝末端と流通穴を一致させるには細溝幅あるいは流通穴径は比較的大きくするか、精度の高い位置決め機構が必要であった。

しかしながら、上記のように、これまでのバルブでは、広い面積の摺動面を有することから、摺動性とシール性の相反する因子を満足させるため摺動面の素材の選択と表面加工に高い精度の加工が要求されること、細溝端が回転により入口又は排出口と一致させるには高い回転制御が必要であること、更に、バルブ構造体自身マイクロチップと比べて大きなものであるために、バルブを配置するとバルブからマイクロチップ（Ｄ）までを連結するチューブの経路距離が長くなり結果として送液までの時間が長くかかり、また、この長さにともなって、送液はより加圧条件で行わねばならず、またチューブ流路が長いと流路内での拡散により希釈されやすいという問題が避けられなかった。このために、マイクロチップの特徴である微小空間での反応または検出のメリットを引き出せていないのが現状であった。そこで、この出願の発明は、上記のような背景から、従来の問題点を解消し、簡便、かつ迅速な操作によりマイクロチャンネルへ微量流体の定量的な供給を可能とし、複数のバルブで構成されるユニット化を可能とする、経済性にも優れた小型バルブとその技術手段を提供することを課題としている。

この出願は、上記の課題を解決するものとして以下の発明を提供する。
〔１〕パイプ（Ａ）、基体（Ｂ）及び２以上のチューブ（Ｃ）を有する微量定容インジェクションバルブ構造体であって、パイプ（Ａ）は、これと中心軸が一致した中空部と、該中空部両端にあって外部への流路となる開口部を備え、基体（Ｂ）は、パイプ（Ａ）を中心軸中心に回転摺動可能に収納するための貫通穴と、前記開口部に連通可能な２以上の流路を有し、該流路の各々にはチューブ（Ｃ）が連結されており、パイプ（Ａ）の前記開口部は、パイプ（Ａ）を基体（Ｂ）と摺動するように回転させることにより、それぞれ独立に閉じるか又は基体（Ｂ）の流路へ連結されるかの構成をとることができ、チューブ（Ｃ）から基体（Ｂ）の流路を介してパイプ（Ａ）の中空部へ導入された一定量の流体が、別のチューブ（Ｃ）へと供給可能とされていることを特徴とする微量定容インジェクションバルブ構造体。
〔２〕パイプ（Ａ）を中心軸としてその左右対称位置に、パイプ（Ａ）の開口部に連通可能な流路が基体（Ｂ）に配設されていることを特徴とする上記の微量定容インジェクションバルブ構造体。
〔３〕パイプ（Ａ）の中空部の外方には閉鎖部が設けられ、この閉鎖部にはパイプ（Ａ）の回転駆動軸が配設されていることを特徴とする微量定容インジェクションバルブ構造体。
〔４〕パイプ（Ａ）の中空部の外方には、パイプ（Ａ）の両端部より挿嵌された棒状体が配設されていることを特徴とする微量定容インジェクションバルブ構造体。
〔５〕中空パイプ体が基体内（Ｂ）の貫通穴に挿入された後に、パイプ（Ａ）の両端開口部が形成されてなることを特徴とする微量定容インジェクションバルブ構造体。
〔６〕基体（Ｂ）は弗素樹脂により成形されており、微量定容インジェクションパイプは金属製もしくは樹脂製であることを特徴とする微量定容インジェクションバルブ構造体。
〔７〕上記の少くともいずれかの微量定容インジェクションバルブ構造体が直列に連結配置されていることを特徴とする微量定容インジェクションバルブシステム。
〔８〕上記の少くともいずれかの微量定容インジェクションバルブ構造体が並列に切換え可能に配置されていることを特徴とする微量定容インジェクションバルブシステム。
〔９〕各々の微量定容インジェクションバルブ構造体により切り取られる流体量を設定可能であることを特徴とするバルブシステム。
〔１０〕微量定容インジェクションバルブ構造体もしくはこれをその構成の少くとも一部とするシステムが具備されて、マイクロチャンネルへの送液が可能とされていることを特徴とするマイクロチップシステム。
〔１１〕ストップバルブあるいは分岐バルブへ転用可能な構造であることを特徴とする上記１から６のいずれかの微量定容インジェクションバルブ構造体。

上記のとおりのこの出願の発明によれば、回転軸の（Ａ）パイプの中空部を定量試料室とする簡便なバルブで、（Ａ）パイプの回転による迅速な操作によりバルブ内の定量試料室からマイクロチャンネルへ微量流体の定量的な供給を可能とする。また、各部品を固定するためのネジ、摺動性のための潤滑油を必要とせず、経済性にも優れたものとなる。

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

この出願の発明についてその構成の基本を例示したものが図３の断面である。この図３の概要断面図に沿って説明すると、この出願の発明の微量定容インジェクションバルブ構造体においては、中空部（１１）の両側に開口部（１２）（１３）を有し、この開口部の外方は閉鎖部（１４）（１５）が設けられている。パイプ（１）は、基体（２）内の貫通穴（２１）に挿着されている。そして、基体（２）にはパイプ（１）の開口部（１２）（１３）に連通可能な流路（２２Ａ）（２２Ｂ）（２３Ａ）（２３Ｂ）が配設され、この流路（２２Ａ）（２２Ｂ）（２３Ａ）（２３Ｂ）にはチューブ（３２Ａ）（３２Ｂ）（３３Ａ）（３３Ｂ）が連結されている。

また、この図３の例においては、パイプ（１）の閉鎖部（１４）には、パイプ（１）を回転するための回転操作部（４）が装着され、また、パイプ（１）の円滑な回転と基体（１）からの抜け止めのためのパッキン部（５）（６）が配設されている。

このような微量定容インジェクションバルブ構造体においては、たとえば、図３の例示のように、流路（２２Ａ）とパイプ（１）の中空部（１１）並びに流路（２３Ｂ）とが連通している状態においてパイプ（１）を回転すると、パイプ（１）の開口部（１２）（１３）が遮断されて、この開口部（１２）（１３）と中空部（１１）との空間の容積の流体が切り取られ、この容積の流体が流路（２２Ｂ）もしくは流路（２３Ａ）より導き出されてマイクロチップのマイクロチャンネルへの供給が可能とされる。このようにして、一定容量の流体の切り取り供給が可能とされることになる。

この流体の微量定容切り取り供給をさらに図４により例示説明すると、たとえば、チューブ（３２Ａ）（３２Ｂ）（３３Ａ）（３３Ｂ）を装着したこの出願の発明のバルブ構造体においては、図中の３２Ａ−１１−３３Ｂの流体の流れ状態で、パイプ（１）を回転すると、３２Ｂ−１１−３３Ａの流れが形成されて、図中の中空部（１１）の一定量の試薬等の流体がたとえば３３Ａより供給可能とされることになる。そして、たとえば３２Ｂより洗浄液を導入すれば、洗浄も簡便に行われることになる。

図３および図４の例においては、好適な形態として、パイプ（１）を中心軸として、その左右対称位置にパイプ開口部（１２）（１３）の各々に連通可能とされた一対の流路（２２Ａ）（２２Ｂ）と流路（２３Ａ）（２３Ｂ）が基体（２）に配設されているが、このような１８０度の対称位置に限られることはなく、基体（２）の形状によっては、所要角度の回転によって連通される位置であってもよい。

いずれの場合であっても、以上のようなこの出願の発明の微量定容インジェクションバルブ構造体によれば、回転軸としてのパイプ（１）の中空部（１１）を通路かつ定量室として流体の切り取りが行われることになり、微量定量送液が簡単な構造において容易に実現されることになる。またパイプ開口部間の長さを変えることにより、あるいはパイプ内径を変えることにより定量される試料の容積を変えることができる。ただし、パイプが基体と摺動する部分の長さは摩擦による捩れを考慮すると３０ｍｍ以下が好ましい。内径は液の拡散を防ぐには細いほうが良いが、開口部（１２）、（１３）の径を０．３ｍｍ以下にすることは製法上難しく０．３から０．８ｍｍが好ましい。また、外径は試料室容量と回転軸としての強度及び摺動摩擦を考慮すると１．５から３ｍｍが好ましい。定量送液操作は直径２ｍｍ程度の細いパイプ（１）の回転による流路切換えによることから、従来のような回転板の摺り合わせに比べて簡便に位置合わせができる。即ち、たとえば図３のＡ−Ｂにおける断面を例示した図５のように外径２ｍｍのパイプ（１）の側壁の出入口の穴（１２）（径５００μｍ）と基体に配設された流路（２２Ａ）（径５００μｍ）とが連開通するために許容される角度は３０度以上である。また、摺動部はテフロン面であることから回転に要するトルクも小さい。更に好ましくは、パイプ外面にもテフロン層を有する２重管とすることにより、よりシール性と平滑性を併せ持った構造が可能であり、自動化が簡便なシステムを可能とする。

そして、前記の中空部（１１）での定量切り取り供給により小さな基体のバルブが可能となり、これをマイクロチップに極めて近くに配置可能であることから従来のようなシリンジ・ポンプによる供給と長いチューブ経路での供給に比べて、流路ボリウムを顕著に少なくすることができ、液体供給は短時間で迅速に行われることになる。また、流体の定量供給が容易になる。

この出願の発明の微量定容インジェクションバルブ構造体は様々な素材をもって成形、加工して作製してよいが、一つの好適な形態としては、たとえば図６による作製法を例示することができる。すなわち、まず、フッ素樹脂よりなる基体（２）は径１．９ｍｍの貫通穴（２１）及び流路（２２Ａ）（２２Ｂ）（２３Ａ）（２３Ｂ）のための径０．５ｍｍの貫通穴をドリル加工により形成する。基体（２）の貫通穴（２１）に２．０ｍｍ径の中空のパイプ体を挿入し、基体（２）の（２２Ａ）、（２３Ｂ）の穴からたとえばドリル加工によりパイプ体に開口部（１２）（１３）を開ける。この製造法により、開口部（１２）（１３）と基体の流路（２２Ａ）、（２３Ｂ）の穴は完全に一致させることができる。次いで、基体の流路（２２Ａ）、（２３Ｂ）に挿入位置決め用のステンレス棒（９）を差し込み、中空貫通のパイプ体の両側より棒状体（７）（８）をステンレス棒（９）と接触する位置まで挿入して嵌合させた後、ステンレス棒（９）を引き抜く。このようにして、棒状体（７）（８）は、パイプ（１）の中空部（１１）の両端まで所謂デッドボリウムを生じることなく、前記の両端開口部（１２）（１３）の間の中空部（１１）が正確に形成される。

そして、一方の棒状体（７）の挿嵌部端部には回転操作部（４）を装着してパイプ（１）の回転駆動軸とする。

基体（２）としてたとえばテフロン（登録商標）等のフッ素樹脂を用い、中空貫通パイプ（１０）としてＰＥＥＫ樹脂あるいはステンレス等の金属を用いる。好ましくは基体とパイプの摺動平滑性とシール性向上を目的にＰＥＥＫ樹脂を内側にテフロンを外側にする２重管を用いる。また棒状体（７）（８）としてステンレス等の金属を用いることにより、シール性に優れたバルブ構造体が構成されることになる。また、流路（２２Ａ）（２２Ｂ）（２３Ａ）（２３Ｂ）に装着する前記チューブにもＰＥＥＫ樹脂やＰＥＥＫ樹脂と弗素樹脂の２重管を用いることで、同様にシール性が良好となる。

図３のようなパッキン体（５）（６）を装着することでこの位置ズレの防止は効果的となる。

以上、ネジや接着剤及び潤滑油を使用することなしにこの出願の発明の微小バルブ構造体が実現される。

より具体的な例としてこの出願の発明の微量定容インジェクションバルブ構造体の作製について説明すると、次の表１のように素材構成を、表２のように組み立て方法を例示することができる。

以上のようなこの出願の発明の微量定容インジェクションバルブ構造体は、単一で使用してもよいし、複数のもののユニットシステムを構成するものとして使用してもよい。

たとえば図７は、この出願の発明の微量定容インジェクションバルブ構造体の複数のものを直列に配置したシステム例を示した概要図である。このような直列配置システムでは、たとえば、前記のパイプ中空部による流体容量が各々相違しても良い。図７の場合のように、極めて簡便に、しかも精密に微量定容流体として試薬、検体等のマイクロチャンネルへの供給が可能となる。たとえば、図８は、直列３連バルブの性能の評価例を示したものである。試薬としてSunset Yellow １×１０^-1Ｍを用いて３つのバルブから送液された試薬をマイクロチップ上で熱レンズ検出器により検出した。さらに図９に例示したように、複数バルブを直列配置したマイクロチップでの酵素免疫測定システムのように複数種の試薬を直列に送液することも可能である。図９では直列バルブ３個とＩｇＥ抗体を固相化したビーズを充填したマイクロチップを利用してマイクロＥＬＩＳＡ法によりＩｇＥを測定した。図９のようにこの出願の本発明のバルブ３個とマイクロチップの近くに直列に配置し、バルブ及びチップを含む流路全体に洗浄液を満たしておく。バルブをインジェクションに切り換えて、バルブ１にはＩｇＥを含む検体溶液を、バルブ２には酵素標識ＩｇＥ抗体をバルブの試料室に常圧で注入したのち、バルブを切り換えてポンプ送液を開始する。バルブ間のチューブ長さを調節することにより、洗浄液を送液することで検体溶液→洗浄液→抗体→洗浄液の順に送液され抗原抗体反応を効率良く行わせることが可能となる。最後に基質を送液することによりＩｇＥを効率良く定量することが可能となった。

図１０は、並列配置した例を示したものである。例えば検体の種類やその容量に対応して任意の順に定容バルブ構造体からの試薬供給が可能になる。

もちろん、この出願の発明は以上の例示により限定されることはない。その細部において様々な形態が可能であることは言うまでもない

マイクロチップの基本構成例を示した斜視図である。 従来のバルブを例示した概要図である。

A：回転板式バルブ B：プラグ式バルブ
この出願の発明の微量定容インジェクションバルブ構造体の構成を例示し た概要断面図である。 流体の定容切り取り供給について示した概要斜視図である。 図３のバルブ構造体のＡ−Ｂ位置における断面図である。 この出願の発明の微量定容インジェクションバルブ構造体の作製法を例示した概要断面図である。 この出願の発明の微量定容インジェクションバルブ構造体の直列配置システムを例示した概要図である。 ３連バルブシステムの性能評価を例示した図である。 直列配置の使用例を示した概要図である。 この出願の発明の微量定容インジェクションバルブ構造体の並列配置システムを例示した概要図である。

符号の説明

１ パイプ
１１ 中空部
１２、１３ 開口部
１４、１５ 閉鎖部
２ 基体
２１ 貫通穴
２２Ａ、２２Ｂ 流路
２３Ａ、２３Ｂ 流路
３２Ａ、３２Ｂ チューブ
３３Ａ、３３Ｂ チューブ
４ 回転操作部
５、６ パッキン部
７、８ 棒状体
９ ステンレス棒

Claims (11)

1. パイプ（Ａ）、基体（Ｂ）及び２以上のチューブ（Ｃ）を有する微量定容インジェクションバルブ構造体であって、パイプ（Ａ）は、これと中心軸が一致した中空部と、該中空部両端にあって外部への流路となる開口部を備え、基体（Ｂ）は、パイプ（Ａ）を中心軸中心に回転摺動可能に収納するための貫通穴と、前記開口部に連通可能な２以上の流路を有し、該流路の各々にはチューブ（Ｃ）が連結されており、パイプ（Ａ）の前記開口部は、パイプ（Ａ）を基体（Ｂ）と摺動するように回転させることにより、それぞれ独立に閉じるか又は基体（Ｂ）の流路へ連結されるかの構成をとることができ、チューブ（Ｃ）から基体（Ｂ）の流路を介してパイプ（Ａ）の中空部へ導入された一定量の流体が、別のチューブ（Ｃ）へと供給可能とされていることを特徴とする微量定容インジェクションバルブ構造体。
2. パイプ（Ａ）を中心軸としてその左右対称位置に、パイプ（Ａ）の開口部に連通可能な流路が基体（Ｂ）に配設されていることを特徴とする請求項１の微量定容インジェクションバルブ構造体。
3. パイプ（Ａ）の中空部の外方には閉鎖部が設けられ、この閉鎖部にはパイプ（Ａ）の回転駆動軸が配設されていることを特徴とする請求項１または２の微量定容インジェクションバルブ構造体。
4. パイプ（Ａ）の中空部の外方には、パイプ（Ａ）の両端部より挿嵌された棒状体が配設されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかの微量定容インジェクションバルブ構造体。
5. 中空パイプ体が基体（Ｂ）内の貫通穴に挿入された後に、パイプ（Ａ）の両端開口部が形成されてなることを特徴とする請求項１から４のいずれかの微量定容インジェクションバルブ構造体。
6. 基体（Ｂ）は弗素樹脂により成形されており、微量定容インジェクションパイプは金属製もしくは樹脂製であることを特徴とする請求項１から５のいずれかの微量定容インジェクションバルブ構造体。
7. 請求項１から６の少くともいずれかの微量定容インジェクションバルブ構造体が直列に連結配置されていることを特徴とする微量定容インジェクションバルブシステム。
8. 請求項１から６の少くともいずれかの微量定容インジェクションバルブ構造体が並列に切換え可能に配置されていることを特徴とする微量定容インジェクションバルブシステム。
9. 各々の微量定容インジェクションバルブ構造体により切り取られる流体量を設定可能であることを特徴とする請求項７または８のバルブシステム。
10. 請求項１から９のいずれかの微量定容インジェクションバルブ構造体もしくはこれをその構成の少くとも一部とするシステムが具備されて、マイクロチャンネルへの送液が可能とされていることを特徴とするマイクロチップシステム。
11. ストップバルブあるいは分岐バルブへ転用可能な構造であることを特徴とする請求項１から６のいずれかの微量定容インジェクションバルブ構造体。