JP4918589B2 - チャンバを有する流路部位を含む基板、およびそれを含む多段送液装置 - Google Patents
チャンバを有する流路部位を含む基板、およびそれを含む多段送液装置 Download PDFInfo
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Description
マイクロ流路に発生する毛細管力によって送液が阻止されている微小チャンバ内の液体を、基板の回転により発生する遠心力によって、隣接する遠心方向の微小チャンバへと送液する。微小チャンバ内の液体を送液するのに必要な遠心力は、マイクロ流路に発生する毛細管力に相当する。前述の通りマイクロ流路に発生する毛細管力は、回転中心線から遠ざかるに従って大きくされている。よって、回転速度を上げなければ、一つの微小チャンバから隣接する遠心方向の微小チャンバへと液体を送液することができない。その結果、段階的な送液を実現している。
、流路の深さと同等か、またはそれ以下とすることである。本発明者らは、前記第一の制約に反して、流路幅が流路深さよりも大きい扁平流路を含む基板を用いて、多段送液を試みた。チャンバ段数を3段として、内周側の流路幅を750μm;外周側の流路幅を300μm;流路深さを15μmとしたが、多段送液をすることができなかった。具体的には、第一の回転速度で基板を回転すると、最内周のチャンバの溶液は、次に接続されているチャンバで留まることなく、最外周のチャンバまで一気に送液された。
前記流路部位は、A)注入口を有する第1チャンバと、B)前記第1チャンバよりも前
記回転中心線から離れた部位に配置された第2チャンバと、C)空気口を介して基板の外部雰囲気と接続するチャンバであって、前記第2チャンバよりも前記回転中心線から離れた部位に配置された第3チャンバと、D)前記第1チャンバと前記第2チャンバとを連通させ、前記第1チャンバと接続し、前記注入口よりも前記回転中心線から離れた部位に配置された第1流路端部、および前記第2チャンバと接続する第2流路端部を備える第1流路と、E)前記第2チャンバと前記第3チャンバとを連通させ、前記第2チャンバと接続し、前記回転中心線と前記第2流路端部とを結ぶ直線上に配置されない第3流路端部、および前記第3チャンバと接続し、前記空気口および第2流路端部よりも前記回転中心線から離れた部位に配置された第4流路端部を備える第2流路とを有し、
前記第1、第2、第3チャンバの順に、微少量の溶液を段階的に送液することができ、
前記第1流路端部の近傍における第1チャンバの底面の断面積が、前記第1流路端部の近傍における前記第1流路の断面積よりも大きく、
前記第1チャンバに一定量の溶液を収容して、前記回転中心線まわりに回転させたときの、前記第1流路端部から、前記回転中心線へ向かう求心方向に沿った前記溶液の液面までの距離である第1仮想チャンバ長さが、前記第2チャンバに前記一定量の溶液を収容して、前記回転中心線まわりに回転させたときの、前記第3流路端部から、前記回転中心線へ向かう求心方向に沿った前記溶液の液面までの距離である第2仮想チャンバ長さよりも長い、基板。
前記基板を回転中心線まわりに、第1回転速度rpm1で回転させる工程;
前記基板を前記第1回転速度rpm1より大きな第2回転速度rpm2で回転させる工程を含む、多段送液方法。
ない。
本発明の基板は流路部位を有する。基板の内部に流路部位が形成されており、1または2以上の流路部位が形成されている。流路部位のそれぞれは、2以上のチャンバおよびチャンバ同士を連通させる流路を有する。
したがって、回転中心線から第1チャンバ、第2チャンバ、第3チャンバの順に配置される。
よりも回転中心線から離れた部位に配置される。また第1流路は、第2チャンバと接続する第2流路端部をも有し、第2流路端部は第2チャンバの回転中心線側にあることが好ましい。
「流路端部の断面積」とは、流路端部近傍の断面積が一定でない場合には、最小の断面積を意味する。
「第1仮想チャンバ長さ」とは、第1チャンバに一定量(「仮想チャンバ体積」ともいう)の溶液を収容して、基板を回転中心線まわりに回転させて液面を形成させたときの、第1流路端部から、基板の回転中心に向かう方向(求心方向)に沿った前記液面までの距離を意味する。
同様に「第2仮想チャンバ長さ」とは、第2チャンバに一定量の溶液を収容して、基板を回転中心線まわりに回転させて液面を形成させたときの、前記第3流路端部から、基板の回転中心に向かう方向(求心方向)に沿った前記液面までの距離を意味する。
つまり、第1チャンバおよび第2チャンバに同一量の溶液を収容した場合に、第1仮想チャンバ長さは、第2仮想チャンバ長さよりも長くなる。
本発明の基板は「第1仮想チャンバ長さ」が「第2仮想チャンバ長さ」よりも長いので、第1チャンバ内の溶液を第1流路へ流入させるために必要な力(遠心力)よりも、第2チャンバ内の溶液を第2流路へ流入させるために必要な力(遠心力)を大きくすることができる。したがって遠心力(基板の回転速度)を制御することによって、溶液を、第1チャンバから第2チャンバ、次に第2チャンバから第3チャンバへと段階的に送液することが可能となる。
第1チャンバ全体の幅を、第2チャンバの幅よりも狭くする必要は必ずしもない。第1
仮想チャンバ長さを、第2仮想チャンバ長さよりも長くすればよいので、少なくとも第1流路端部の近傍における第1チャンバの幅が、第3流路端部の近傍における第2チャンバの幅よりも狭いことが好ましい。また、第1流路端部の近傍における第1チャンバの幅は、第1流路端部の近傍における第1流路の幅よりも広くすることが好ましい。
第1チャンバ全体の深さを、第2チャンバの深さよりもする必要は必ずしもない。第1仮想チャンバ長さを、第2仮想チャンバ長さよりも長くすればよいので、少なくとも第1流路端部の近傍における第1チャンバの深さが、第3流路端部の近傍における第2チャンバの深さよりも浅いことが好ましい。また、第1流路端部の近傍における第1チャンバの深さを、第1流路端部の近傍における第1流路の深さよりも深くすることが好ましい。
第1流路の断面積と、第2流路の断面積とは同一であってもよく、同じ流路幅や流路深さを有していてもよい。同じ流路幅や流路深さとすれば、流路の作製が容易であり、作製プロセスに負荷がかからない。
例えば血漿などの生体試料を、微細なマイクロ流路(例えば、4μm以上60μm以下の幅を有するマイクロ流路)に流すと、その粘性などによって流れにくく、さらに混在するタンパク質が、マイクロ流路の内壁に付着してマイクロ流路を閉窄することがある。そのため、微細なマイクロ流路の形状を適切に調整して、血漿などの生体試料であっても、滞りなく確実に段階送液することが好ましい。
第1流路の断面積を、第1流路端部から第2流路端部に至るまで徐々に大きくしてもよく;また第2流路の断面積を、第3流路端部から第4流路端部に至るまで徐々に大きくしてもよい。
同様に、各流路の端部の形状(断面積の大きさ)を調整することによって、第1流路端部近傍と第2流路端部近傍を除く第1流路の深さ、および第3流路端部と第4流路端部を除く第2流路の深さが、4μm以上60μm未満であっても、本発明の基板の流路部位に生体試料を確実に送液することができる。
流路へ流入することを防止するためである。
各流路の上流側の端部が疎水性を有していれば、各チャンバに収容された溶液を、当該端部において保持することができる。具体的には、流路の断面積が十分に小さく、かつ流路端部が疎水性を有していれば、溶液は表面張力により流路へ浸入せず、流路端部に保持される。
流路全体が疎水性を有していれば、基板の所定時間の回転により、所望量のチャンバ内の溶液を次のチャンバに送液することができる。つまり、回転時間を制御することにより、より正確に所望量の溶液をチャンバからチャンバに送液することができる。また、所定量の溶液をチャンバからチャンバに送液するために必要な時間を制御できるので、各チャンバにおける反応時間を制御することができる。
「第2A仮想チャンバ長さ」とは、第2チャンバAに一定量(「仮想チャンバ体積」ともいう)の溶液を収容して、基板を回転中心線周りに回転させて液面を形成させたときの
、第5流路端部から、基板の回転中心に向かう方向(求心方向)に沿った前記液面までの距離を意味する。
「第2B仮想チャンバ長さ」とは、第2チャンバBに一定量(「仮想チャンバ体積」ともいう)の溶液を収容して、基板を回転中心線周りに回転させて液面を形成させたときの、第6流路端部から、基板の回転中心に向かう方向(求心方向)に沿った前記液面までの距離を意味する。
本発明の送液方法は、本発明の基板の流路部位に含まれる各チャンバに、溶液を送液する方法である。本発明の送液方法を、その簡単なメカニズムを含めて以下に説明する。
基板を第1回転速度で回転方向に回転させると、第1流路端部で保持されている溶液に、遠心方向(すなわち回転中心線から遠ざかる方向)の「第1遠心力」が作用する。第1遠心力が作用する溶液の体積は、第1流路端部の断面を底面積として、第1仮想チャンバ長さ(前述)を高さとした立方体領域に相当する。第1遠心力が、第1毛細管力を上回る
と、第1チャンバ内の溶液が、第1流路に流れ込み、第2チャンバに送液される。第2チャンバ内の空気は空気口を介して外部に排出される。
本発明の送液装置は、前述の基板と、基板を前記回転中心線まわりに回転させる回転駆動部を有する。送液装置を用いて、基板の流路部位の各チャンバに、溶液を段階的に送液することができる。
図1〜図4は本発明の送液装置1を示す。送液装置1は基板2および回転駆動部4を含む。図2には「第1仮想チャンバ長さY1」および「第2仮想チャンバ長さY2」を説明するために、溶液10を図示している。
供給チャンバ6は、各チャンバへ送液する対象である溶液10が注入されるチャンバである。供給チャンバ6は、基板2の内部に形成され、空間的に閉じられている。ただし、供給チャンバ6の内部と基板2の外部とを連通させる断面円形の注入口11が形成されている。この注入口11は供給チャンバ6への溶液10の注入に使用される。
逆に、注入口11が、第1流路端部13Aよりも回転軸3から遠い位置に設けられている場合や、注入口11の面積が供給チャンバ6の面積に対して比較的大きい場合には、基板2を回転させるときに、注入口11を封止することが好ましい。供給チャンバ6内の溶液10が、注入口11から漏れたり飛散したりするのを防止するためである。
被供給チャンバ7は、供給チャンバ6から第1流路9Aを経て溶液10が送液されるチャンバである。被供給チャンバ7は、供給チャンバ6と半径方向rに並んで、かつ供給チャンバ6よりも回転軸3から遠い位置に配置されている。被供給チャンバ7は基板2の内部に形成され、空間的に閉じられていてもよいが、空気口12を設けられていてもよい。
最終段チャンバ8は、被供給チャンバ7から第2流路9Bを経て溶液10が送液されるチャンバである。また最終段チャンバ8は、被供給チャンバ7と半径方向rに並んで、かつ被供給チャンバ7よりも回転軸3から遠い位置に配置されている。
第1流路9Aは、供給チャンバ6と被供給チャンバ7を流体的に互いに連通させる流路である。第1流路9Aは基板2の内部に形成され、空間的に閉じられている。また、流路9Aの両端、すなわち第1流路端部13Aと第2流路端部14Aは、それぞれ供給チャンバ6と被供給チャンバ7に接続されている。
流路9Aの深さは、供給チャンバ6および被供給チャンバ7よりも浅いことが好ましい。例えば、流路9Aの幅が約10μm以上500μm以下である場合、流路9Aの深さは約10μm以上100μm以下であることが好ましい。流路の幅および深さは、作製手法
上の限界と、適切な毛細管力の発生の視点から調整されればよい。
供給チャンバ6の注入口11よりも遠心外側にある溶液の全てを、遠心力で流路9Aに流入させるために、第1流路端部13Aを、回転中心から最も離れたチャンバ6の最外周辺に配置することが好ましい。
第2流路9Bは、被供給チャンバ7と最終段チャンバ8を流体的に互いに連通させる流路である。第2流路9Bは基板2の内部に形成され、空間的に閉じられている。第2流路9Bの両端、すなわち第3流路端部13Bと第4流路端部14Bは、それぞれ被供給チャンバ7と最終段チャンバ8に接続されている。
第1流路9Aの第1流路端部13Aの流路壁、および第2流路9Bの第3流路端部13Bの流路壁は、疎水性材料により構成されているか、疎水化処理が施されていることが好ましい。第1流路端部13A、および第3流路端部13Bに疎水性を付与すれば、供給チャンバ6、および被供給チャンバ7のそれぞれに収容された溶液を、毛細管力で保持しやすくなる。
°以下の接触角を有すると、基板が回転していなくても、毛細管現象により溶液が第1流路端部13A、および第3流路端部13Bから流路内に自発的に浸入する。一方、流路壁が約120°以上の接触角を有すると撥水性が高過ぎるため、最高回転速度印加時においても、溶液が第1流路端部13A、および第3流路端部13Bから流路内に浸入しない。
第1流路9Aの第1流路端部13Aの流路壁、および第2流路9Bの第3流路端部13Bの流路壁の水の静止接触角は、好適には66°以上90°以下である。一例を挙げると、流路壁の水の静止接触角を82°から66°にすると、回転開始回転速度が45%減少する。よって、チャンバ段数を多くするためには、流路壁の疎水性は接触角で90°とすることがより望ましい。
前記「残りの部分」が親水性を有していれば、供給チャンバ6から第1流路9Aに流入した溶液、または被供給チャンバ7から第2流路9Bに流入した溶液は、湿潤効果と毛細管現象によって、確実に被供給チャンバ7、または最終段チャンバ8へ流入する。
一方、チャンバ幅2mmの供給チャンバ6に5μLの溶液を注入した場合、接触角が45°であると、第1回転速度で供給チャンバ6から流れ出した溶液は、被供給チャンバ7にとどまらずに最終段チャンバにまで送液されるので、段階送液が実現されない。
さらに、チャンバ幅2mmの供給チャンバ6に5μLの溶液を注入した場合、接触角が105°以上であると、凸形状の水面曲率による第1仮想チャンバ長さは0.3mm減少し、第1回転速度が200rpm小さくなり、段階送液が実現されない。
基板2は、図3Aおよび図4に示されるように、積層構造を有していてもよい。基板2は4層構造を有し、上面板材41;流路板材42;チャンバ板材43;および下面板材44を含む。
したがって、流路9Aおよび流路9Bの深さを、供給チャンバ6、被供給チャンバ7および最終段チャンバ8の深さよりも、容易に浅くすることができる。かつ流路9Aおよび9Bの深さと、供給チャンバ6、被供給チャンバ7および最終段チャンバ8の深さを、独立に設定することができる。
流路とチャンバの形成方法も、任意の方法を採用して行なえばよい。例えば、半導体微細加工技術に代表されるフォトリソグラフィー加工、プラスチック成型に代表されるインジェクションモールド、切削加工、マスター基板から複製をつくる転写加工等が挙げられる。好適に用いられるのは、フォトリソグラフィー加工が適用される。
基板2は、図5に示されるように3層構造を有しうる。図5に示される基板2は、注入口11と空気口12が設けられた上面板材41;供給チャンバ6、被供給チャンバ7、最終段チャンバ8、および流路9A、流路9Bに対応する形状の溝孔46が設けられた流路板材42;および供給チャンバ6、被供給チャンバ7および最終段チャンバ8に対応する有底の凹部47が設けられチャンバ板材43を含む。
基板2は、図6に示されるように3層構造を有しうる。図6に示される基板2は、注入口11と空気口12を設けた上面板材41;チャンバ6〜8に対応する板厚方向に貫通す
る溝孔と、流路9Aおよび9Bに対応する凹部とを設けた流路板材49;供給チャンバ6、被供給チャンバ7及び最終段チャンバ8の底部となる下面板材44を含む。
基板2は、図7に示されるように2層構造を有しうる。図7に示される基板2は、注入口11と空気口12を設けた上面板材41;供給チャンバ6、被供給チャンバ7、及び最終段チャンバ8、及び流路9A、流路9Bに対応する凹部を設けた下部板材50を含む。
その後、95℃で20分間のプレベークを行い、流路とチャンバが描かれたマスクを露光する。露光強度と露光時間は膜厚によって適正に調整すればよい。一例を挙げると、露光強度は、約1700mJ/cm2が好ましい。95℃で6分間のPEB(Post Exposure Bake)をして現像を行い、流路とチャンバパターンをフォトリソグラフィーにより形成させる。
次に、下部板材50のチャンバ部位を切削加工もしくはサンドブラスト加工により形成する。最後に、注入口11と空気口12を開けた上面板材41を下部板材50に貼り付ける。
図1に示される送液装置1を使用して、基板2の流路部位のチャンバに溶液を送液する方法とメカニズムを、図8のフローチャート、および図9を参照して説明する。
送液方法には、A)基板2を第1回転速度rpm1で回転駆動する工程A、およびB)第2回転速度rpm2で回転駆動する工程Bが含まれる。工程Aの前に、C)溶液10を基板2の注入口11から注入して、供給チャンバ6に充填する工程Cを含みうる。工程Cで、供給チャンバ6に注入する溶液10の容量を、仮想チャンバ体積とする。
。そのため、毛細管現象による流路9Aへの流入が生じず、溶液10を供給チャンバ6に保持しようとする毛細管力Fc1が発生する。よって、溶液10は毛細管力Fc1により第1流路端部13Aで保持され、流路9Aに溶液10が流入しない。
遠心力Fg1の大きさは、1)遠心力が作用する溶液の体積に比例し、2)回転軸から第1の流路端部13Aまでの距離である回転半径に比例し、かつ3)回転速度の2乗に比例する。
れる。第1回転速度rpm1よりも低い回転速度で基板2を回転駆動させている間は、第1チャンバ6に溶液10は保持されたままである。そこで、溶液10が血液の場合には、所定の時間、第1回転速度rpm1よりも低い回転速度で基板2を回転させて、血液内に含まれる血球を遠心分離してもよい。
Pg1=Pg2のとき、ω1<ω2の関係を満たすためには、仮想チャンバ長さY1とY2は、式(9)の関係が必要となる。
第2回転速度rpm2にいたる時間、加速度は任意に設定される。第2回転速度rpm2以下の回転速度で基板2を回転駆動している限りは、第2チャンバ7内に溶液10は保持される。そこで、溶液10が化学物質を含む水溶液の場合には、あらかじめ第2チャンバ7に化学物質と反応する試薬を保持しておき、第2チャンバ7において化学物質を含む水溶液を、所定時間反応させることができる。
2仮想チャンバ長さY2を約0.3mm大きく見積もり、式(10)の関係を満足するようにチャンバの幅および深さを決定することが望ましい。かかる設計により、第1回転速度と第2回転速度の差を200rpm以上にすることができ、段階的な送液をより確実に実現する。
第1に、微小チャンバの形状を回転中心線から遠ざかる距離に応じて変化させることで、微小チャンバからチャンバへと基板の回転速度に応じて段階的に送液する。従って、微小チャンバどうしをつなぐマイクロ流路の断面積および形状は変化させる必要がなく、同じ流路幅・流路深さに設計できる。かかる構成により、微小流路の作製が容易であり、作製プロセスに負荷がかからない。
実施の形態2に係る送液装置1は、図1に示される回転駆動装置;図10および図11に示される基板2を含む。以下の説明においてこれらの図面を参照する。
流路9Aに溶液10が入るのを妨げる向きの第1毛細管力Fc1が作用する。基板2を回転駆動すると、遠心力Fg1が半径方向rの遠心方向に生じる。回転速度が第1回転速度rpm1に達すると、溶液10のうちの寄与体積V1により第1流路端部13Aに作用する遠心圧力Pg1が、毛細管力Fc1による毛細管圧力Pc1を上回る。すると、溶液10が流路9Aに流れ込み、第2チャンバ7に流入する。
また、チャンバ幅の調整(実施の形態1参照)と、チャンバ深さの調整(実施の形態2参照)を組み合わせて、両者を調整してもよい。
実施の形態3に係る送液装置1は、図1に示される回転駆動装置;図12および図13に示される基板2を含む。以下の説明においてこれらの図面を参照する。実施の形態3の基板2は、その流路部位5のチャンバの数が、実施の形態1の基板2と異なる。つまり、流路部位5が、複数の第2チャンバ(第2チャンバ7Aおよび第2チャンバ7B)を有する。第2チャンバ7Aは内周側に配置され、第2チャンバ7Bは外周側に配置され、互いに流路9Cを介して連通し、半径方向に直列に配置されている。
また、図13Aに示されたように、第2チャンバ7Aの深さ25Aは、第2チャンバ7Bの深さ25Bより小さい。
。注入口11から第1チャンバ6に注入された溶液10には、第1流路端部13Aで、流路9Aに溶液が入るのを妨げる向きの第1毛細管力Fc1が作用する。基板2を回転駆動すると、遠心力Fg1が半径方向rの遠心方向に生じる。回転速度が第1回転速度rpm1に達すると、溶液10のうちの寄与体積V1により第1流路端部13Aに作用する遠心圧力Pg1が、毛細管力Fc1による毛細管圧力Pc1を上回り、溶液10は流路9Aに流れ込み、第2チャンバ7Aに流入する。
実施の形態4の送液装置1は、図1に示される回転駆動装置;図15に示される基板2を含む。以下の説明においてこれらの図面を参照する。
深さが変化している。
実施の形態5の送液装置1は、図1に示される回転駆動装置;図16Aおよび図16Bに示される基板2を含む。実施の形態5の基板2は、回転基板本体51;および回転基板本体51に対して着脱可能なチップ体52を備える。流路部位5は、回転基板本体51ではなく、各チップ体52に形成される。
プ体52が付勢されるので、チップ体52を確実に回転基板本体51に保持して、収容孔53から脱落を防ぐ。
実施例1は、実施の形態1に対応する実施例である。実施例1として、図2から図4(特に図2参照)に示される流路部位5を有する基板2を作製した。
まず、図17に示した基板2の流路部位5を式(9)、式(10)を満足するよう設計した。各設計値を表1に示す。一方、比較例1として、表2に示す各設計値の基板2も設計した。
図18に示したように、第1回転速度が、第2回転速度よりも低いことがわかる。したがって、第1回転速度で第1チャンバ6から第2チャンバ7へ溶液を送液して、いったん
第2チャンバ7に保持し;その後、第2回転速度で第2チャンバ7から第2チャンバ8へ送液することができることがわかる。
表1の設計値を反映させた実施例1の基板2、および表2の設計値を反映させた比較例1の基板2を作製し、段階送液挙動を確認した。
その後、95℃で20分間プレベークを行い、流路とチャンバが描かれたマスクを露光した。露光強度を、約1700mJ/cm2とした。95℃で6分間PEB(Post Exposure Bake)し、現像を行って、流路とチャンバパターンをフォトリソグラフィーにより形成させた。さらに、下部基板50のチャンバ部位を切削加工により形成した。
試料溶液として純水、もしくは視認性を確保する目的で青色色素を混入させた純水を用いた。実施例1の基板2の注入口11から第1チャンバ6に、ピペットで15μLの試料溶液を注入した。その後、送液装置1に基板2を取り付け、回転速度892rpmで回転駆動させたところ、第1チャンバ6から第2チャンバ7への試料溶液の送液が観測された。試料溶液は第3チャンバ8には流れず、第2チャンバ7に留まった。
その後、回転速度を回転速度1383rpmまで上昇させ、回転駆動させたところ、第2チャンバ7から第3チャンバ8への試料溶液の送液が観測された。
実施例2は、第2の実施形態に対応する実施例である。
実施例2が実施例1と違う点の一つは、チャンバの幅ではなく、チャンバの深さを変化させていることである。基板2の設計方法、および作製方法、段階送液実験の手順は実施例1と同様であるので省略する。実施例2の基板2の各設計値を表3に示す。第1回転速度および第2回転速度の計算結果を図20に示す。
実施例3は、実施の形態3に対応する実施例である。
実施例3が実施例1と違う点の一つは、チャンバの段数が多いことである。基板2の設
計方法、および作製方法、段階送液実験の手順は実施例1と同様であるので省略する。基板2の各設計値を表5に示す。5段のチャンバを持つ流路部位5を設計した。第1回転速度rpm1、ならびに第2回転速度rpm2A、第2回転速度rpm2Bおよび第2回転速度rpm2cの計算結果を図22に示す。
「rpm1<rpm2A<rpm2B<rpm2c」の関係を満たすので、段階的な送液が実現されることが確認された。さらに基板2を作製して、実験的に段階送液を確認した。
15秒間、回転速度888rpmで回転を維持した後、回転速度を回転速度1180rpmまで上昇させて回転駆動させたところ、第2チャンバ7Bから第2チャンバ7Cへの試料溶液の送液が観測された。
15秒間、回転速度1180rpmで回転を維持した後に、回転開始から30秒の時点で回転速度を回転速度1347rpmまで上昇させたところ、第2チャンバ7Bから第2チャンバ7Cへの試料溶液の送液が観測された。第2チャンバ7Bの全量が、送液開始から4秒後(回転開始から34秒後)に第2チャンバ7Cへ移送された。
その後、回転開始から75秒後に回転速度を回転速度1635rpmまで上昇させたところ、第2チャンバ7Cから第3チャンバ8への試料溶液の送液が観測された。第2チャンバ7Cの全量が、送液開始から3秒間(回転開始から78秒後)に第3チャンバ8へ移送された。
実施例4は、実施の形態4に対応する実施例である。本実施例が実施例1と違う点の一つは、第1流路および第2流路の両方の出口流路端部の流路幅を変化させる(拡大させる)点である。具体的には、出口流路端部の流路幅が0.6mmであり、端部以外の中央部の流路幅が0.2mmである。図15に示したように、平面視で出口流路端部の手前0.2mmの部分から流路幅が角丸め半径0.2mmを満たす用に緩やかに拡大して、0.6mmとなっている。なお、実施例4および以下に述べる比較例4Aから4Cの流路深さは0.04mmとし、出口端部や入口端部においても変化させていない。
図15に示したように、平面視で入口流路端部の奥(外周側)0.2mmの部分へ流路幅が角丸め半径0.2mmを満たすように緩やかに減少している。比較例4Cは出口端部付近も入口端部付近も変化させる形状とした。
比較例4Bの基板2の段階送液成功確率は、9回中2回(22%)であった。成功した2回では、回転速度1542rpm(2回の平均)で第1チャンバ6から第2チャンバ7へ送液されたが、そのC.V.(変動係数)は4.2%と、各回の開始回転速度にばらつきがみられた。その後の第2チャンバ7から第3チャンバ8への送液は、回転速度が3500rpmに至るまで起こらなかった。
比較例4Cの基板2の段階送液成功確率は、5回中2回(40%)であった。成功した
2回では、回転速度2160rpm(2回の平均)で第1チャンバ6から第2チャンバ7へ送液されたが、そのC.V.(変動係数)は5.8%と、各回の開始回転速度にばらつきがみられた。その後の第2チャンバ7から第3チャンバ8への送液は、回転速度が3500rpmに至るまで起こらなかった。
2 回転基板
3 回転軸
4 回転駆動部
5 流路部位
6 第1チャンバ(供給チャンバ)
7,7A,7B 第2チャンバ(被供給チャンバ)
8 第3チャンバ(最終段チャンバ)
9A,9B,9C 流路
10 溶液(または生体試料溶液)
11 注入口
12 空気口
13A 第1流路端部(入口端部)
13B 第3流路端部(入口端部)
13C 第5流路端部(入口端部)
14A 第2流路端部(出口端部)
14B 第4流路端部(出口端部)
14C 第6流路端部(出口端部)
21 第1チャンバの幅
22 第2チャンバの幅
23 第3チャンバの幅
24 第1チャンバの深さ
25 第2チャンバの深さ
26 第3チャンバの深さ
27A,27B,27C 流路深さ
31 モータ
32 駆動回路
33 制御信号出力部
34 速度特性印加部
35 回転速度検出器
36 回転速度制御部
41 上面板材
42 流路板材
43 チャンバ板材
44 下面板材
46,47 溝孔
48 窪み
49 流路板材
50 下部板材
51 回転基板本体
52 チップ本体
53 収容孔
Y1 第1仮想チャンバ長さ
Y2 第2仮想チャンバ長さ
R1 時計方向
R2 反時計方向
S 回転中心線(軸線)
r 半径方向
r1d 第1チャンバの回転半径
r1u 第1チャンバの仮想液面回転半径
r2d 第2チャンバの回転半径
r2u 第2チャンバの仮想液面回転半径
Fc1 第1毛細管力
Fc2A,Fc2B 第1毛細管力
Pc1 第1毛細管圧力
Pc2A、Pc2B 第2毛細管圧力
Fg1 第1遠心力
Fg2A,Fg2B 第2遠心力
Pg1 第1遠心力圧力
Pg2A,Pg2B 第2遠心力圧力
T1−Tn 表面張力
θc1 第1の接触角
θc2 第2の接触角
V1 第1寄与体積
V2 第2の寄与体積
dv 微小体積要素
dp 微小遠心圧力
Claims (19)
- 回転中心線まわりに回転可能であり、その内部に形成された流路部位を含む基板であって、
前記流路部位は、
A)注入口を有する第1チャンバと、
B)前記第1チャンバよりも前記回転中心線から離れた部位に配置された第2チャンバと、
C)空気口を介して基板の外部雰囲気と接続するチャンバであって、前記第2チャンバよりも前記回転中心線から離れた部位に配置された第3チャンバと、
D)前記第1チャンバと前記第2チャンバとを連通させ、
前記第1チャンバと接続し、前記注入口よりも前記回転中心線から離れた部位に配置された第1流路端部、および
前記第2チャンバと接続する第2流路端部を備える第1流路と、
E)前記第2チャンバと前記第3チャンバとを連通させ、
前記第2チャンバと接続し、前記回転中心線と前記第2流路端部とを結ぶ直線上に配置されない第3流路端部、および
前記第3チャンバと接続し、前記空気口および第2流路端部よりも前記回転中心線から離れた部位に配置された第4流路端部を備える第2流路とを有し、
前記第1、第2、第3チャンバの順に、微少量の溶液を段階的に送液することができ、
前記第1流路端部の近傍における第1チャンバの底面の断面積が、前記第1流路端部の近傍における前記第1流路の断面積よりも大きく、
前記第1チャンバに一定量の溶液を収容して、前記回転中心線まわりに回転させたときの、前記第1流路端部から、前記回転中心線へ向かう求心方向に沿った前記溶液の液面までの距離である第1仮想チャンバ長さが、前記第2チャンバに前記一定量の溶液を収容して、前記回転中心線まわりに回転させたときの、前記第3流路端部から、前記回転中心線へ向かう求心方向に沿った前記溶液の液面までの距離である第2仮想チャンバ長さよりも長い、基板。 - 前記第3流路端部の断面積が、前記第1流路端部の断面積と同じかまたは大きい、請求項1に記載の基板。
- 前記第1流路端部の近傍における第1チャンバの幅が、前記第3流路端部の近傍における前記第2チャンバの幅よりも狭い、請求項1に記載の基板。
- 前記第1流路端部の近傍における第1チャンバの深さが、前記第3流路端部の近傍における第2チャンバの深さよりも浅い、請求項1に記載の基板。
- 前記第1流路端部と第2流路端部を除く前記第1流路の幅、および前記第3流路端部と第4流路端部を除く前記第2流路の幅が4μm以上60μm未満であり、
前記第1流路端部の近傍における前記第1流路の断面積、および前記第3流路端部の近傍における前記第2流路の断面積が、遠心方向へいくにしたがって、変わらないかまたは大きくなり、かつ
前記第2流路端部の近傍における前記第1流路の断面積、および前記第4流路端部の近傍における前記第2流路の断面積が、遠心方向へいくにしたがって大きくなる、請求項1に記載の基板。 - 前記第1流路端部と第2流路端部を除く前記第1流路の深さ、および前記第3流路端部と第4の流路端部を除く前記第2流路の深さが4μm以上60μm未満であり、
前記第1流路端部の近傍における前記第1流路の断面積、および前記第3流路端部の近
傍における前記第2流路の断面積が、遠心方向へいくにしたがって、変わらないかまたは大きくなり、かつ
前記第2流路端部の近傍における前記第1流路の断面積、および前記第4流路端部の近傍における前記第2流路の断面積が、遠心方向へいくにしたがって大きくなる、請求項1に記載の基板。 - 前記第2チャンバは空気口を備え、かつ前記空気口を除いて空間的に閉じられている、請求項1に記載の基板。
- 前記流路部位は、第2チャンバAおよび第2チャンバBを含む二以上の第2チャンバを有し、第2チャンバAは第2チャンバBよりも前記回転中心線の近くに配置され、
前記基板に形成された、第2チャンバAと、第2チャンバBとを連通させ、
前記第2流路端部よりも前記回転中心線から離れた部位にて、第2チャンバAと接続し、前記回転中心線と前記第2流路端部とを結ぶ直線上に配置されない第5流路端部と、
前記第2チャンバBと接続する第6流路端部とを有する第3流路を備え、
前記第2チャンバAに一定量の溶液を収容して、前記回転中心線まわりに回転させたときの、前記第5流路端部から、前記回転中心線へ向かう求心方向に沿った前記溶液の液面までの距離である第2A仮想チャンバ長さが、
前記第2チャンバBに一定量の溶液を収容して、前記回転中心線まわりに回転させたときの、前記第3流路端部から前記回転中心線へ向かう求心方向に沿った前記溶液の液面までの距離である第2B仮想チャンバ長さよりも長い、請求項1に記載の基板。 - 前記基板は二以上の流路部位を含む、請求項1に記載の基板。
- 前記基板は、前記回転中心線として作用する中心軸を備える、請求項9に記載の基板。
- 前記第1流路端部および前記第3流路端部が疎水性である、請求項1に記載の基板。
- 前記第1流路端部、前記第3流路端部および前記第5流路端部が疎水性である、請求項8に記載の基板。
- 前記第1流路および前記第2流路の全体が疎水性である、請求項1に記載の基板。
- 前記第1流路、前記第2流路の全体および前記第3流路の全体が疎水性である、請求項8に記載の基板。
- 前記流路部位の全体が疎水性である、請求項1に記載の基板。
- 前記第1チャンバに液体が収容された請求項1に記載の基板を準備する工程;
前記基板を回転中心線まわりに、第1回転速度rpm1で回転させる工程;
前記基板を前記第1回転速度rpm1より大きな第2回転速度rpm2で回転させる工程を含む、多段送液方法。 - 請求項1に記載の基板、および前記基板を前記回転中心線まわりに回転させる回転駆動部を備える、多段送液装置。
- 前記回転駆動部は、前記基板を前記回転中心線まわりに回転させるモータと、前記モータに速度特性を与える速度特性印加部とを含む、請求項17に記載の多段送液装置。
- 前記回転駆動部は、回転中の前記基板の回転速度を測定する回転速度測定器と、前記回転速度測定器の測定した回転速度に基づいて、前記速度特性印加部が前記モータに与える速度特性を補正する回転速度補正部とをさらに含む、請求項18に記載の多段送液装置。
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