JP4657006B2 - マイクロチップコネクターとマイクロチップ構成体 - Google Patents

Description

この出願の発明は、マイクロチップ微細流路への流体の供給や微細流路からの流体の排出のためのマイクロチップコネクターとこれを用いたマイクロチップ構成体に関するものである。

ガラス等の基板に、たとえば幅５００μｍ以下、深さ３００μｍ以下の微細流路を形成し、この微細流路において超微量分析、生化学分析、化学合成反応、抽出、分離等の操作を行うことを可能としたマイクロチップが注目されている。

そして、このようなマイクロチップにおいては、その実際的使用に際して、微細流路への流体、たとえば溶液、分散液等の液体は気体、気液、混合体の供給、あるいは微細流路からのこれらの排出のためのコネクターを、流体の漏出のない密封性が良好で、しかも流体の供給、排出のためのコネクターの装着操作が簡便なものとして構成することが大変に重要な課題になっている。

たとえば従来では、代表的なものとしては、図９に示したように、マイクロチップの基板（１）に形成した微細流路：マイクロチャンネル（２）の始端部もしくは終端部に対応するカバープレート（３）の開口部（３１）の位置に、流体流通用のチューブ（４）の開口先端部を配置し、ホルダー（５）に樹脂シールド（６）を介して固定するコネクター構造や、図１０に示したように、ホルダー（５）にガイド部材（７）を固定し、このガイド部材（７）において接着剤（８）で流体流通用のチューブ（４）を固定するコネクター構造等が知られている（たとえば非特許文献１−２参照）。

これらのいずれの構造においても、樹脂シールド（６）や接着剤（８）によるチューブ（４）を固定することで、流体の漏れを防止する密封性を確保し、微細流路（２）とチューブ（４）との間での流体の流通を可能としている。

また、以上のような従来のコネクター構造では、樹脂シールド（６）や接着剤（８）だけによって流体流通用チューブ（４）をホルダー（５）に固定しているために、大きな流体圧ではコネクター構造が破損して密封性の確保が困難になることから、流体圧を大きくすることが難しいという問題や、ホルダー（５）やガイド部材（７）の再利用が難しいという問題があることから、この出願の発明者らによって、ホルダー（５）に対してのネジ結合で流体流通用チューブ（４）を着脱自在としたコネクター構造が開発されている。だが、この構造においても、流体流通用チューブ（４）はネジ結合部材に接着剤での固定が必要とされているため、接着剤によって固定されている流体流通用チューブ（４）は、上記の従来構造と同様にその交換、再利用が困難であるという問題があった。

そして、以上のような従来のコネクター構造では、いずれの場合にも、樹脂シールドや接着剤の使用が欠かせず、コネクター構造のための部材の交換再利用の点で難点があるだけでなく、コネクター構造の形成においてワンタッチ操作性が欠けているという問題があった。
Proc IEEE 13th Annu Int Workshop, Micro Electro Mechanical S ystems(MEMS'00), January 23-27, pp.624-627 J. Anal. Chem (2001) 371: 270-275

この出願の発明は、以上のような背景から、従来の問題点を解消し、樹脂シールドや接着剤の使用を必要とすることなく、より大きな流体圧の場合であっても良好な流体密封性を確保することができ、部材の交換や再利用が容易に可能であって、しかもその構成において簡便なワンタッチ操作性が可能とされる新しいマイクロチップコネクター構造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〕（Ａ）流体流通用のチューブが挿通される中空部を有し、先端部がマイクロチップに固定されるマイクロチップ固定体と、
（Ｂ）流体流通用のチューブの外周に配置され、マイクロチップ固定体の中空部に挿入されてその先端部がマイクロチップ固定体の中空部内壁に圧着されるフェルール体と、
（Ｃ）流体流通用のチューブの挿通穴を頂部に有し、フェルール体後端部を押圧した状態でマイクロチップ固定体、もしくはマイクロチップのホルダーに係止されるキャップ体と、
を有する、マイクロチップ微細流路への流体の供給もしくは微細流路からの流体の排出のためのマイクロチップコネクターであって、
前記マイクロチップ固定体（Ａ）は、外筒部とその内側に嵌挿される内筒部とを有し、内筒部は、先端部に向って中空部内径が漸縮小しているとともに、その先端部に、流体流通用チューブの開放端部周囲においてマイクロチップに当接するＯーリングを有し、
さらに、前記マイクロチップ固定体（Ａ）の内筒部は、外側の第１内筒部と内側の第２内筒部とを有し、内側の第２内筒部先端のフランジ部と、Ｏ−リングを覆うように配設したフランジ材とによる２重フランジ構造部を有し、
フェルール体（Ｂ）は、先端部に向って外径が漸縮小している傾斜面部を有しているか、あるいはこの傾斜面部とともに、後端部に向って外径が漸縮小している傾斜面部をも有していることを特徴とするマイクロチップコネクター。
〔２〕マイクロチップ固定体（Ａ）の外周にはピンまたは突起が配設されているとともに、キャップ（Ｃ）体には、このピンまたは突起に係止する溝部を有し、マイクロチップ固定体（Ａ）にキャップ体（Ｃ）が係合固定可能とされていることを特徴とする〔１〕のマイクロチップコネクター。
〔３〕マイクロチップ固定体（Ａ）は、外筒部の外周においてマイクロチップホルダーにネジ結合により固定されることを特徴とする〔１〕または〔２〕のマイクロチップコネクター。
〔４〕キャップ体（Ｃ）は、外周にピンまたは突起を有し、このピンまたは突起によってマイクロチップのホルダーにキャップ体（Ｃ）が係止固定可能とされていることを特徴とする〔１〕から〔３〕のいずれかのマイクロチップコネクター。
〔５〕第１内筒部は金属製で、第２内筒部は樹脂製であることを特徴とする〔１〕から〔４〕のいずれかのマイクロチップコネクター。
〔６〕上記いずれかのマイクロチップコネクターがマイクロチップに固定され、マイクロチップ固定体（Ａ）の中空部に挿通された流体流通用チューブを通じて、流体が微細流路に供給、もしくは微細流路から排出可能とされていることを特徴とするマイクロチップ構成体。
〔７〕マイクロチップホルダーには位置決め挿入ピンが、また、マイクロチップにはこの挿入ピンが挿入される穴が設けられており、この穴への挿入ピンの挿入によって、マイクロチップ固定体に挿通される流体流通用チューブの開口先端部とマイクロチップ微細流路の流体供給口部もしくは流体排出口部とが相対するように位置決めされることを特徴とする〔６〕のマイクロチップ構成体。
〔８〕微細流路上部に配設されるカバープレートの流体の供給または排出用の開口部には、流体流通用チューブの開口先端部が当接する傾斜面が設けられていることを特徴とする〔６〕または〔７〕のマイクロチップ構成体。
〔９〕流体流通用チューブは、その先端部に微細流路に対向する横穴開口を有しているとともに、微細流路の始端部もしくは終端部には流体流通用チューブの先端頂部が挿入される凹部が設けられているとともに、微細流路上部に配設されるカバープレートの流体の供給または排出用の開口部は、流体流通用チューブ先端部周囲の樹脂封止部とされていることを特徴とする〔６〕から〔８〕のいずれかのマイクロチップ構成体。

以上のとおりのこの出願の発明のコネクターとこれを用いた構造によれば、樹脂シールドや接着剤を使用する必要がなく、従来の構造に比べてより大きな流体圧の場合であっても良好な流体密封性が確保でき、部材の交換、再利用が容易に可能であって、しかも簡便なワンタッチ操作性が実現される。

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。

添付した図面の図１および図２は、この出願の発明のマイクロチップコネクターの一つの実施形態を構成するマイクロチップ固定体（１１）を例示したものである。図１は、マイクロチップコネクター（１０）の構成部材としてのマイクロチップ固定体（１１）とフェルール体（１２）、並びにキャップ体（１３）を例示した分解断面図と、係合固定体（１１）の拡大された先端部を例示した断面図である。また、図２は、マイクロチップコネクター（１０）が、流体流通時にマイクロチップに装着された状態を例示した部分断面図である。

この図１および図２に沿って説明すると、この出願の発明のマイクロチップコネクター（１０）フェルール体（１２）は、流体流通用のチューブ（１４）が挿通される中空部（１１１）を有し、ネジ結合等によって機械的にマイクロチップのホルダー（１５）に固定される。

フェルール体（１２）は、流体流通用のチューブ（１４）の外周に配置され、マイクロチップ固定体（１１）の中空部（１１１）に挿入されてその先端部（１２１）が図２に例示したようにマイクロチップ固定体（１１）の中空部（１１１）内壁に圧着される、
キャップ体（１３）は、流体流通用のチューブ（１４）の挿通穴（１３１）を頂部に有し、図２に例示したようにフェルール体（１２）の後端部（１２２）を押圧した状態でマイクロチップ固定体（１１）に係止される。

そして、マイクロチップ固定体（１１）は、その先端部に、図１に拡大して示したように、流体流通用チューブ（１４）の開口先端部（１４１）周囲においてマイクロチップに当接するＯーリング（１６）介在の２重フランジ構造部（１１２）を備えている。

この出願の発明のマイクロチップコネクターにおいては、上記のように、マイクロチップ固定体（１１）を機械的にホルダー（１５）に係合させ、図２に例示したようにフェルール体（１２）の先端部（１２１）をマイクロチップ固定体（１１）の中空部（１１１）内壁に圧着させ、この圧着にともなって流体流通用チューブ（１４）を挾着する状態とする。そして、マイクロチップ固定体（１１）の先端部の２重フランジ構造部（１１２）は、Ｏーリング（１６）を介在させてマイクロチップのカバープレート開口部位置に密着される。このような構造によって、従来のような樹脂シールドや接着剤を使用することなしに、より大きな流体圧であっても流体の密封性が確保されるコネクター構造が実現されることになる。そして、図１の分解断面図に例示したように、各々の構成部材、さらには流体流通用チューブは容易に分解することができるので、ホルダー（１５）とともに、交換や再利用が可能となる。マイクロチップ固定体（１１）のホルダー（１５）の係合は、たとえば、その外周面におけるホルダー（１５）とのネジ結合によって簡便に、かつ結合強度の大きなものとして実現される。

また、キャップ体（１３）は、図１の分解状態から、図２の組立て装着状態のように、マイクロチップ固定体（１１）に機械的に係止可能とされていることから、コネクター構造の組立て装着は極めて簡便に行われ、ワンタッチ操作性が実現されることになる。このワンタッチ操作性は、たとえば図１および図２に例示したように、マイクロチップ固定体（１１）の外周に設けたピン（１１３）もしくは突起が、キャップ体（１３）の溝部（１３２）に挿入係止される構造等によって簡便に実現される。

さらに詳しくは図１および図２の実施形態について説明すると、この例においては、マイクロチップ固定体（１１）は、その外周においてホルダー（１５）にネジ結合において取付け固定される外筒部（１１Ａ）とその内側に嵌挿される内筒部（１１Ｂ）とを有し、内筒部（１１Ｂ）は、先端部に向って中空部（１１１）の内径が漸縮小する構造としている。また、内筒部（１１Ｂ）は、外側の第１内筒部（１１Ｂ１）と内側の第２内筒部（１１Ｂ２）とを有し、その各々の先端に配設されたフランジ部によりマイクロチップ固定体（１１）の２重フランジ構造部（１１２）が構成されるようにしている。

この場合、たとえば、第１内筒部（１１Ｂ１）は金属製で、第２内筒部（１１Ｂ２）は弗素樹脂等樹脂製とし、フェルール体（１２）も樹脂製とすることで、上記のような効果はより一層顕著なものとなる。

なお、流体流通用チューブ（１４）は、樹脂製や石英製等の各種のものであってよく、また、その開口先端部（１４１）には、長さ方向の切込みを有していてもよい。この切込みは係合固定体（１１）先端部の寸法誤差を吸収するのに有効となる。

さらには、フェルール体（１２）は、図１および図２に例示したように、先端部(1２１）に向って外径が漸縮小されている傾斜面部を有しているものとすることで、上記の第２内筒部（１１Ｂ２）の樹脂面に密着され、この出願の発明のコネクターの密封性はさらに顕著に優れたものとなる。そしてフェルール体（１２）は、先端部（１２１）に向かって外径が漸縮小されている傾斜面部を有しているだけでなく、図３にも例示したように、後端部（１２２）に向って外径が漸縮小されている傾斜面部を有しているものとすることも有効である。この後端部（１２２）の傾斜面部の存在によって、たとえば図１、図２のように傾斜内面を有するキャップ体（１３）による下方向への押圧力が増大し、コネクターの耐圧性能がさらに向上することになる。また、以上のような複数部材の使用等によって、コネクターの構成部材の作製も容易となる。

上記の例のような係合固定体（１１）において構成される２重フランジ構造部（１１２）については、この出願の別の発明として、図４に例示したように、Ｏ−リング（１６）を覆うように配設されるフランジ材（１８）、たとえばＰＥＥＫ材によるフランジ材を用いた２重フランジ構造とすることが有効でもある。硬質のフランジ材（１８）がＯ−リング（１６）を覆う構造としていることで、耐熱性・耐圧性能を向上させることが可能であって、Ｏ−リング（１６）の緩みや樹脂フランジ（１９）のダメージを緩和できるようにすることができる。

たとえば、上記図１および図２の例においた場合と、第１内筒部（１１Ｂ１）をステンレス製とし、第２内筒部（１１Ｂ２）を弗素樹脂：テフロン（登録商標）とし、図４においてＰＥＥＫ材によるフランジ材（１８）を用いた場合とを比較すると、リーク圧力値（ＭＰａ）は、ＰＥＥＫ材フランジでは、脱着回数２０回において、１．３倍（２１．０ＭＰａ）、脱着回数６０回において１．８倍（２６．６ＭＰａ）、脱着回数９０回において２．７倍（２４．７ＭＰａ）にまで向上する。

また、図１および図２の例のキャップ体（１３）において、このものをホルダー（１５）に脱着自在とすることで、係合固定体（１１）における外筒部（１１Ａ）とホルダー（１５）との間のネジ結合等により係合を採用せずともワンタッチ脱着性を付与することもできる。たとえばＢＮＣ接続に類似したワンタッチ回転構造による脱着である。

図５はその例を示したものであって、キャップ体（１３）に突起（１３３）を設け、キャップ体（１３）は、その回転によって切欠き挿入部（１５１）を設けたホルダー（１５）に装着されるようにする。これによって、マイクロチップコネクターがワンタッチでホルダー（１５）に装着される。

この図５によるキャップ体（１３）のホルダー（１５）への係止固定の構造では、図１および図２のようなマイクロチップ固定体（１１）における外筒部（１１Ａ）でのホルダー（１５）へのネジ結合による固定は必要ではない。このため、図４のようなフランジ材（１８）を用いる２重フランジ構造でも、上記の外筒部（１１Ａ）を持たない第１筒部（１１Ｃ１）と第２筒部（１１Ｃ２）とによりマイクロチップ固定体（１１）を構成し、たとえば第１筒部（１１Ｃ１）は、ステンレス等の金属製とし、第２筒部（１１Ｃ２）は、テフロン（登録商標）のような樹脂製とすることができる。

以上のようなこの出願の発明のマイクロチップコネクター（１０）は、そのマイクロチップ固定体（１１）においてマイクロチップに係合固定され、マイクロチップ固定体中空部（１１２）に挿通された流体流通用チューブ（１４）を通じて、流体が微細流路に供給、もしくは微細流路から排出可能とされる。なお、マイクロチップに設けた微細流路（２）における始端部等の導入口部とマイクロチップ固定体（１１）に挿通された流体流通用チューブ（１４）の開口先端部（１４１）との開口の位置決めは必ずしも容易ではないことがある。そこで、これを容易にするためには、マイクロチップ上に２個の位置決め用の穴を設け、この穴に、ホルダー（１５）に設けたピンを挿入することで位置決めする方法とそのための構造を採用することが有効でもある。

ホルダー（１５）のピンをマイクロチップ上の位置決め用穴に挿入することで極めて簡便な上記開口部の位置決めが可能になる。もちろん上記のピンは突起でもよく、２個の穴に代えて複数の溝であってもよい。

マイクロチップのホルダー（１５）については、たとえば図６に例示したように、マイクロチップ（２０）の装着フレーム体として機能させてもよい。このフレーム体としてのホルダー（１５）は、マイクロチップ（２０）と面一になるようにすることも考慮される。ホルダー（１５）は、図５のように、回転バー体（２１）によってワンタッチで基板（１）に載置できるようにすることもできる。

マイクロチップコネクターが装着されたマイクロチップ構成体においては、たとえば図７の要部断面図に例示したように、微細流路（２）上部に配設されるカバープレート（３）の流体の供給または排出用の開口部（３１）には、流体流通用チューブ（１４）の開口先端部（１４１）が当接する傾斜面（３２）が設けられているようにすることで、流体の密封性がさらに向上する。このような傾斜面（３２）については、カバープレート（３）にではなく、その上部にオーバープレートやホルダープレート等を配設する場合にはこれらに設けるようにしてもよい。

あるいはまた、図８に例示したように、流体流通用チューブ（１４）は、その先端部に微細流路（２）に対向する横穴開口（１４２）を有しているとともに、微細流路（２）の始端部もしくは終端部には流体流通用チューブの先端頂部（１４３）が挿入される凹部（２１）が設けられているものとし、微細流路（２）上部に配設されるカバープレート（３）の流体の供給または排出用の開口部（３１）は、流体流通用チューブ（１４）先端部周囲の耐薬性樹脂による樹脂封止部（１７）とされていることで、流体の密封性が向上し、さらには流体のデッドボリュームの大幅な減少が可能ともなる。また、この図５の例においては、流体流通用チューブ（１４）をステンレス製等として、前記凹部（２１）に樹脂、ゴム等の弾性体を装入しておいて、流体流通用チューブ（１４）の先端頂部（１４３）がこの弾性体を押し込むようにして、前記の横穴開口（１４２）と微細流路（２）とのマッチングを良好とすることも考慮される。そして、さらには、この場合の先端頂部（１４３）にも弾性体を配設しておいてもよい。

あるいはまた、樹脂封止部（１７）は前記の開口部（３１）を有することなく、これをも充填した状態のものとして、ステンレス製等の高強度な流体流通用チューブ（１４）をこれに突刺して挿通させるようにしてもよい。この場合には、凹部（２１）には弾性体を装入しておくことが好適に考慮される。

図７の例、そして以上の発展例のいずれの場合にも、カバープレート（３）に代えて、その上部にオーバープレート等が載置される場合には、これらによって上記の作用、機能が実現されるようにしてもよい。

もちろん、この出願の発明は以上の例示説明に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。

この出願の発明の一実施形態としてのコネクターを例示した分解断面図と一 部拡大断面図である。 組立て装置状態のコネクターを例示した部分断面図である。 フェルール体の別の実施形態を例示した断面図である。 別のフランジ部構造を例示した部分断面図である。 ワンタッチ回転構造の別の例を示した要部断面図と平面図である。 マイクロチップホルダーについて例示した要部斜視図である。 マイクロチップへの挿着構造の一例を示した部分断面図である。 別の装着構造の一例を示した部分断面図である。 従来の別のコネクター構造を示した部分断面図である。 従来の別のコネクター構造を示した部分断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 微細流路
３ カバープレート
３１ 開口部
３２ 傾斜面
４ 流体流通用チューブ
５ ホルダー
６ 樹脂シールド
７ ガイド部材
８ 接着剤
１０ マイクロチップコネクター
１１ マイクロチップ固定体
１１１ 中空部
１１２ ２重フランジ構造部
１１３ ピン
１１Ａ 外筒部
１１Ｂ 内筒部
１１Ｂ１ 第１内筒部
１１Ｂ２ 第２内筒部
１１Ｃ１ 第１筒部
１１Ｃ２ 第２筒部
１２ フェルール体
１２１ 先端部
１２２ 後端部
１３ キャップ体
１３１ 挿通穴
１３２ 溝部
１３３ 突起
１４ 流体流通用チューブ
１４１ 開口先端部
１４２ 構穴開口
１４３ 先端頂部
１５ ホルダー
１５１ 切欠き挿入部
１６ Ｏ−リング
１７ 樹脂封止部
１８ フランジ材
１９ 樹脂フランジ
２０ マイクロチップ
２１ 回転バー体

Claims (9)

1. （Ａ）流体流通用のチューブが挿通される中空部を有し、先端部がマイクロチップに固定されるマイクロチップ固定体と、
   （Ｂ）流体流通用のチューブの外周に配置され、マイクロチップ固定体の中空部に挿入されてその先端部がマイクロチップ固定体の中空部内壁に圧着されるフェルール体と、
   （Ｃ）流体流通用のチューブの挿通穴を頂部に有し、フェルール体後端部を押圧した状態でマイクロチップ固定体、もしくはマイクロチップのホルダーに係止されるキャップ体と、
   を有する、マイクロチップ微細流路への流体の供給もしくは微細流路からの流体の排出のためのマイクロチップコネクターであって、
   前記マイクロチップ固定体（Ａ）は、外筒部とその内側に嵌挿される内筒部とを有し、内筒部は、先端部に向って中空部内径が漸縮小しているとともに、その先端部に、流体流通用チューブの開放端部周囲においてマイクロチップに当接するＯーリングを有し、
   さらに、前記マイクロチップ固定体（Ａ）の内筒部は、外側の第１内筒部と内側の第２内筒部とを有し、内側の第２内筒部先端のフランジ部と、Ｏ−リングを覆うように配設したフランジ材とによる２重フランジ構造部を有し、
   フェルール体（Ｂ）は、先端部に向って外径が漸縮小している傾斜面部を有しているか、あるいはこの傾斜面部とともに、後端部に向って外径が漸縮小している傾斜面部をも有していることを特徴とするマイクロチップコネクター。
2. マイクロチップ固定体（Ａ）の外周にはピンまたは突起が配設されているとともに、キャップ（Ｃ）体には、このピンまたは突起に係止する溝部を有し、マイクロチップ固定体（Ａ）にキャップ体（Ｃ）が係合固定可能とされていることを特徴とする請求項１のマイクロチップコネクター。
3. マイクロチップ固定体（Ａ）は、外筒部の外周においてマイクロチップホルダーにネジ結合により固定されることを特徴とする請求項１または２のマイクロチップコネクター。
4. キャップ体（Ｃ）は、外周にピンまたは突起を有し、このピンまたは突起によってマイクロチップのホルダーにキャップ体（Ｃ）が係止固定可能とされていることを特徴とする請求項１のマイクロチップコネクター。
5. 第１内筒部は金属製で、第２内筒部は樹脂製であることを特徴とする請求項１から４のいずれかのマイクロチップコネクター。
6. 請求項１から５のいずれかのマイクロチップコネクターがマイクロチップに固定され、マイクロチップ固定体（Ａ）の中空部に挿通された流体流通用チューブを通じて、流体が微細流路に供給、もしくは微細流路から排出可能とされていることを特徴とするマイクロチップ構成体。
7. マイクロチップホルダーには位置決め挿入ピンが、また、マイクロチップにはこの挿入ピンが挿入される穴が設けられており、この穴への挿入ピンの挿入によって、マイクロチップ固定体に挿通される流体流通用チューブの開口先端部とマイクロチップ微細流路の流体供給口部もしくは流体排出口部とが相対するように位置決めされることを特徴とする請求項６のマイクロチップ構成体。
8. 微細流路上部に配設されるカバープレートの流体の供給または排出用の開口部には、流体流通用チューブの開口先端部が当接する傾斜面が設けられていることを特徴とする請求項６または７のマイクロチップ構成体。
9. 流体流通用チューブは、その先端部に微細流路に対向する横穴開口を有しているとともに、微細流路の始端部もしくは終端部には流体流通用チューブの先端頂部が挿入される凹部が設けられているとともに、微細流路上部に配設されるカバープレートの流体の供給または排出用の開口部は、流体流通用チューブ先端部周囲の樹脂封止部とされていることを特徴とする請求項６から８のいずれかのマイクロチップ構成体。

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