JP4745755B2 - 分画マイクロチップ及び分画装置 - Google Patents
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Description
上述の様に、閉鎖系で分画処理を行なうことで解決される。本発明では分画処理をマイクロチップ内で実施することで、作業環境や装置を汚染する危険性を回避した。また、マイクロチップはディスポーサブル可能であるためコンタミの心配がないうえ、装置本体の配管は交換可能なのでチューブコネクター類の洗浄も簡素化することが可能である。
サンプル溶液の採取および送液にはシュリンジポンプを採用し、温度変化やサンプル溶液の残量にかかわらず、系内の総合流量を常に一定化できる様にした。したがって、分画マイクロチップ内にある識別エリアの固定観測点から実際に分画を行なう分岐点に至るまでの所要時間は常に一定となり、かつ送液量により一義的に決めることができる。
したがって、観測点で識別データを取得してから一定時間(遅延時間td)後に分岐点での分画操作を実施すればよく、制御を簡素化することができる。
本発明では、液滴を形成したり帯電・偏向をさせる機能が不要であるうえ、光圧を利用した分画装置のように、検出系以外の光学系を必要としないので装置の調整行為が少なくしかも小型化することができる。
本発明では分岐点での液体の流れを制御して微粒子の分画を行なうものであるが、(4)で言及するポンプ機能を実現するチャンバーを分岐点の近傍に設けたことで音響距離を短縮させ、外部ポンプの切換え動作では実現不可能なスイッチング速度(流れ方向の変換)を実現した。
本発明では、ポンプやバルブとして機能し、かつ、流路も兼ねるチャンバーを電気機械変換素子で形成したことで、チップサイズの小型化を実現した。具体的には流路を溝深さ方向に拡張してチャンバーを構成し、かつ分岐点側口と排出側口の流路断面積が絞られる構造をとることで、チャンバーが圧力室として機能する様にした。
なお、選択流路と放流流路の構造を同一とし、かつ対称的に配置することで、両者の特性を揃えることが出来るため、ポンプ駆動シーケンスを簡素化することができる。
(システム構成)
図1に本発明の分画マイクロチップを評価した装置構成を示す。分散液の送液には流量の調節機能を有している市販のマイクロシリンジポンプ200を用いた。通常の装置は各種のシリンジ210が脱着可能であり、サンプル容量や送液速度に応じて選択可能である。シリンジポンプから送液された分散液は送液用キャピラリー220を経由して、分画マイクロチップ100の導入口131からチップ内に導入される。
識別手段として蛍光発光による検出システムを用いた。水銀ランプ300で励起され発光したビーズの蛍光像を、顕微鏡310で拡大して高速度ビデオカメラ320で撮像し、映像出力信号を中央制御ユニット330に動画として取り込み画像処理を行なう。また、画像処理された映像信号はモニター340に出力され、再生することができる他、ライブ映像をモニターすることもできる。
分画されたビーズは、分画マイクロチップ100の排出口A132Aおよび排出口B132Bに接続された回収チューブ400を通して回収容器410に分画される。
微粒子として市販のフローサイトメーター校正用蛍光ビーズ(直径約6μm)を用い、UV光源でオレンジ色を発光するビーズ(Fluoresbrite Polychromatic (PC Red))と、黄緑に発光するビーズ(Fluoresbrite Yellow Green(YG))を等量混合し、0.0025vol%濃度の分散液に調製して分画試験を行なった。
なお、駆動電圧(Vdd2)と駆動パルス幅(ton)の値は流路構造等に依存するが、今回の評価ではVdd2=±26V,ton=24μsで良好な結果が得られており、この値に統一して評価を行なった。
電気機械結合素子としてPZTの単極板(貼り合せ構造でない)を用いた場合の実施例を示す。
図2にアクチュエータチップ110の作製方法を示した。PZTには市販のHIP処理品で、d15=950pm/V程度の圧電定数を有する材料を選択した。厚み方向に分極された厚さ0.8mmのPZT板111の分極+面にドライフィルム113をラミネートし、図2(a)の様なパターンを形成する。次に、直径51.4mm、刃厚78μmのブレードを装着したダイシングソーにより深さ約360μm、溝幅約80μm、溝底の直線部分18mmとなる溝114を形成すると、図2(b)のようになる。なお、圧力チャンバーを形成する流路壁の厚みは約60μmとした。
アクチュエータチップには溝が6本形成されており、図2(b)の溝114Aおよび114Bが分散液が流れる流路である。なお、溝114A内に形成された壁面電極(図示せず)と溝114B内に形成された壁面電極(図示せず)はGND電極端子117と導通する構造となっており、分散液の電気分解等が発生しない様にしてある。
従って、溝114Aを構成する壁と、溝114Bを構成する壁とを独立に屈曲させることが可能となる接続にしている。
図3に分画マイクロチップのベース基板130を示す。紫外線による励起を行なう場合が多いので実施例では素材として厚み約0.52mmの鏡面研磨された石英板を選択したが、これに限定するものではない。ドライフィルムで所定の位置に開口部を形成後、サンドブラスト法により電極端子用切り欠き134と5箇所の穴を加工した。さらに、2次加工により導入口131を直径約100μmの丸穴に仕上げ,分岐後の分散液が流れ込む分岐後導入口133A,133Bおよび排出口132A,132Bをそれぞれ直径約70μmの丸穴に仕上げた。
図4に流路チップ120を示した。本実施例ではマイクロ流路の作製で公知の技術であるSU−8(ストラクチャー形成用)レジストを用いて型を作り、ポリジメチルシロキサン(PDMS)での型取りを行って厚み0.5mm,高さ25μm,幅50μmのT字型流路121を有する流路チップを作製した。無論、識別手段で許容される特性(例えば、透光性,平滑性など)を有する材料ならばいずれでも良い。
図5に本発明の分画マイクロチップの組み図を示す。ベース基板の片側にエポキシ系接着剤を薄く塗布し、アクチュエータチップの溝114Aと114Bの溝底が表面と交差する部分と、ベース基板の分岐後導入口133A,133Bおよび排出口132A,132Bが一致するように接着し硬化させる。
次に、ベース基板の非接着面とPDMS製の流路チップの流路形成面を酸素プラズマで短時間活性化後、T字型流路の3箇所の末端が、ベース基板に形成された分岐後導入口133A,133Bおよび導入口131に一致するよう正確に圧着しパーマネントボンディングさせる。以上の工程により分画マイクロチップ100を完成させた。
図6に分画用マイクロチップのプッシュプル動作原理を示した。図6(a)の見取り図で一点鎖線で切断して矢印の方向から見た模式図を図6(b)〜図6(e)に示してある。また、選択流路と放流流路は等価となっているためA,Bで識別し、図6(a)での端子Aと端子Bと共通のGNDに印加する駆動電圧のパターンを右側の表に、そのときの壁の動きを中央に、流路チップ内での液体の流れ方を矢印で表示したものを左に示してある。
図6(e)は再び定常状態に戻った状態を示している。このような動作を繰り返し行なって、分岐点に到達したビーズの進行方向を制御することができる。
なお、以上の動作サイクルはビーズの流動速度と比較して充分に早いものであるが、ビーズの取り込み中に後続ビーズが分岐点に到達する様なことが無い様に、濃度調整を適切に行なわなければならない。
実施の形態1の場合で、端子Aに電圧を印加せずにプル動作(吸い込み動作)を省略し、プッシュ動作(押し出し動作)のみを行なった場合の選別評価結果(実施例3)を同じく表1に示す。
図7(a)〜図7(c)に、アクチュエータチップの分極方向を反平行とし直列に積層(シェブロン構造)させた場合の実施形態を示す。ただし、チップ構造は実施形態1と同一とした。素材のPZTは表面側PZT112Aの厚み180μm,裏面側PZT112Bの厚み620μmからなる積層PZT112を用いた。実施例1(1)との相違は、壁面全部に電極形成を行なっている点であり、付きまわり性の良いスパッタ法などでTi,Auを成膜することで実施できる。その後の作製手順は同一である。
以上の実施例をまとめると、プル動作(吸い込み動作)またはプッシュ動作(押し出し動作)単独でも分画処理は可能であるが、分画速度を上げるためにはプッシュプル動作が好ましいことが判明した。さらに分画速度を上げるためには貼り合せ構造(シェブロン構造)の圧電体を採用すれば良いことが明らかと成った。
110 アクチュエータチップ
111 PZT板
112 積層PZT板
112A 表面側PZT板
112B 裏面側PZT板
113 ドライフィルム
114 溝
114A 溝A
114B 溝B
115 壁面電極
116 電極端子
116A 電極端子A
116B 電極端子B
117 GND電極
118 ジャンパーパターン
120 流路チップ
121 T字型流路
122 識別エリア
123 分岐点
124 分岐後流路
124A 分岐後流路A
124B 分岐後流路B
130 ベース基板
131 導入口
132 排出口
132A 排出口A
132B 排出口B
133 分岐後導入口
133A 分岐後導入口A
133B 分岐後導入口B
134 電極端子用切り欠き
200 マイクロシリンジポンプ
210 マイクロシリンジ
220 送液キャピラリー
300 水銀ランプ
310 顕微鏡
320 高速度ビデオカメラ
330 中央制御ユニット
340 モニター
350 ドライバーユニット
360 ケーブル
400 回収チューブ
410 回収容器
Claims (7)
- 分画処理を行う微粒子が浮遊している分散液が流入側から流出側へ向かって分岐点で分流され流動する分画マイクロチップであって、
外部から光学的に前記微粒子を識別する識別エリアと、
前記識別エリアの前記流出側に位置する前記分岐点と、
前記分岐点と連通し識別データに基づき選択された前記微粒子を取り込む採取流路と非選択の前記微粒子を逃す放流流路とを有する流路と、
前記採取流路と前記放流流路のうちの少なくともいずれかの流路の付近に、前記分散液が流通しない溝とを有し、
前記採取流路と前記放流流路のうちの少なくともいずれかの流路構成部材が変形し、流路容積を変化させることにより前記分岐点での前記分散液の流れ方向を制御し、前記微粒子の選別を行ない、
前記溝は、前記流路構成部材の前記変形を吸収することを特徴とする分画マイクロチップ。 - 前記流路構成部材の一部が電気機械変換素子により構成され、通電により前記流路容積が可変することを特徴とする請求項1に記載の分画マイクロチップ。
- 前記電気機械変換素子が圧電体であり、かつ剪断モードで駆動されることを特徴とする請求項2に記載の分画マイクロチップ。
- 前記圧電体が分極方向を反平行とし直列に積層されたシェブロン構造を有し、かつ剪断モードで駆動されることを特徴とする請求項1に記載の分画マイクロチップ。
- 前記採取流路および前記放流流路の流路壁を相反する前記容積変化を生じせしめる様に変形してプッシュプル動作により前記微粒子の分画を行なうことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の分画マイクロチップ。
- 前記分岐点より下流側の流路構造が等価かつ対称な構造となっていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の分画マイクロチップ。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の分画マイクロチップと、前記分画マイクロチップに前記分散液を送液するポンプと、送液された前記分散液中の前記微粒子を識別する識別手段と、前記識別手段により得られた前記識別データに基づき前記流路容積及び前記分散液の前記流れ方向を制御する中央制御ユニットとを備えることを特徴とする分画装置。
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