JP5429774B2 - 送液構造体及びこれを用いたマイクロ分析チップならびに分析装置 - Google Patents
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(σlgは気液界面の界面張力、θは接触角、rは流路の半径)
実施の形態1の送液構造体110は、図1に示すように、液体を構造体内に導入する開放孔113を備えた第1流路115と、第1流路に連続する隘路である第2流路116と、前記第2流路に連続する第3流路117と、第3流路の終端に直接接する吸液体111と、を有している。第1流路115、第2流路(隘路)116、第3流路117のそれぞれの深さは略一定で、幅は各流路について一定である。各流路間では、第2流路(隘路)の流路幅がその上流側の第1流路115及び下流側の第3流路117の何れよりも狭くなっている。
実施の形態2は、第2流路内にエレクトロウエッティング技術を用いた開閉バルブを設けた点に特徴を有する送液構造体に関する。この送液構造体を図7に示す。図7(a)は送液構造体の全容を示す図であり、図7(b)は主基板、図7(c)は蓋基板を示す概念図である。
検出部203の一部である電極153(図6参照)の作製は、フォトリソ法によりレジストをパターニング後、スパッタ法によって銀層を1μm形成し、リフトオフ法によってパターニングされた電極153を形成した。電極153作成後、Agの表面の塩化処理を行い、Ag/AgCl層の電極153を作成した。塩化処理には0.1M塩酸中で電極153に+100mV、50秒の電圧印加を行った。
エレクトロウエッティングバルブ用電極、引き出し電極等の作成方法について説明する。エレクトロウエッティングバルブ用の参照電極171、作用電極172、引き出し電極173・174及び引き出し線は、フォトリソ法によりレジストをパターニングした後、スパッタ法によってチタン層(またはクロム層)50nm、金層100nmを形成し、リフトオフ法によってレジストとレジスト上に形成されたチタン層および金層を除去し、所望の形にパターニングする方法により形成した。
図7(a)、(c)に示されるように、作用電極172は流路壁面の1面を構成する親水性の蓋基板202の流路部分を覆うように形成されており、作用電極172の表面は疎水性膜で被覆されている。よって、作用電極172が配置された部分の流路全壁面(4面)が疎水性となり、作用電極172が設けられた第5流路(隘路)144の溝幅および溝深さはそれぞれ50μmと狭いので、液体はエレクトロウエッティングバルブ用作用電極172が設けられた箇所を通過することができない。他方、作用電極172と参照電極171との間に電圧が印加(0.8V〜1.5V程度)されると、作用電極172上を液体が通過することができるようになる。
100°〜120°である。
実施の形態3は本発明送液構造体を利用したマイクロ分析チップに関する。実施の形態3にかかるマイクロ分析チップは、図9に示すように、開放孔113と、第4流路118と、第5流路(隘路)114と、第1流路115と、第1流路に連続する第2流路(隘路)116と、前記第2流路に連続する第3流路117と、第3流路の終端に直接接する吸液体111と、を有している(図9参照)。なお、流路119は、本発明の必須の構成要素ではない。
実施の形態4は、実施の形態3にかかるマイクロ分析チップを更に発展させたものである。実施の形態4にかかるマイクロ分析チップの具体的構成の詳細を順次説明する。
実施の形態にかかるマイクロ分析チップの全体構成図を、図10に示す。図10に示すように、実施の形態4のマイクロ分析チップは、第1の液体用の第1開放孔2001と、第2の液体用の第2開放孔2002と、これらの開放孔に連続する第1液溜め部2003、第2液溜め部2004と、ミキサー部2007と、第1隘路2009と、第4流路2008と、第5流路(第2隘路)2011と、第1流路2010と、第2流路(第3隘路)2013と、第3流路2016と、第3流路の終端に直接接する吸液体2014と、を有し、第4流路2008には、反応部2017が設けられ、第1流路2010には、検出部2012が設けられている。
〈液体の注入〉
第1の液体用の開放孔2001および第2の液体用の開放孔2002より、それぞれ第1の液体および第2の液体を注入する。これにより、液溜め部2003、2004にそれぞれの液体を注入できる。
開閉バルブを設ける流路は、液体を適切に停止または流入させるための空間容積を必要とするが、この容積は開閉バルブの種類によって異なる。開閉バブルとしては、エレクトロウエッティングバルブや、ダイアフラム型バルブを用いることができる。エレクトロウエッティングバルブは設置に多くの空間容積を必要としないので好ましい。
ミキサー部は第1の液体と第2の液体を充分混合できるように構成する。例えば、ミキサー部に、第1開閉バルブおよび第2開閉バルブから流入して来た液体が自然混合されるように、マイクロピラー構造設けるのもよい。また、T字型ミキサー、Manzミキサー、3次元蛇行流路を用いたミキサーなどを設けることもできる。
第4流路2008は、反応を行う反応領域として機能する。第4流路2008に設けられる反応部2017は第4流路2008の全部であってもよいし、その一部であってもよい。反応部2017には、例えばサンプル溶液に含まれる被検出物質を特異的に認識し反応する分子が配置される。被検出物質が抗原である場合は、抗体を反応部に固定化するとよい。被検出物質を検出するためには、酵素免疫反応のサンドイッチ法を用いることができ、この場合、抗原を酵素標識抗体(二次抗体)と反応させ、抗原と酵素標識抗体が結合した複合体とする。この複合体を反応部に予め固定化しておき抗体(一次抗体)と反応させる。次に基質を導入し、二次抗体に標識されている酵素と反応させ、反応により生成された電気化学的に活性のある物質を検出部の電極上で電気化学的に検出を行う。反応部では、検出部にて検出できる物質が被検出物質の量に応じて生成される。なお、反応部における検出手段が光学的な手段であってもよい。
第3流路2016は、ここで発生する表面張力による圧力が注入側の他の流路における表面張力による圧力と同等以上となるように構成されている。これ以外の事項、例えば材質、形状など条件に特段の制約はない。例えば主基板としてポリジメチルシロキサン(PDMS)基板が使用されている場合には、第3流路部分に酸素プラズマ処理を施して部分的に親水性を高めることにより、第3流路で発生する毛細管力を大きくすることができる。
吸液体2014は、液体を吸収することのできるものであれば特段の制約がない。液体を吸収することのできる材質としては、多孔性物質、親水性のメッシュ、海綿体、綿、濾紙、水分保持力の強い高分子網状体などが挙げられる。
外部接続端子2015は、外部よりチップに駆動電源や駆動情報を入力し、また外部に検出結果等を出力するためのものである。この端子の形成に金薄膜を用いると、外部接続端子の形成をエレクトロウエッティングバルブや検出電極などと同様に行うことができるので生産効率がよい。なお、金に代えて、銅や鉄またはアルミニウムなどの他の導電性材料を用いてもよいことは勿論である。
実施の形態4にかかるマイクロ分析チップは第1基板(主基板)2101と第2基板(蓋基板)2102を重ね合わせた2層構造になっている。2層構造の各々の層構造について図11を用いて説明する。
実施の形態5は、携帯可能なハンディ型のマイクロ分析装置に関する。実施の形態5の内容を図13に基づいて説明する。図13は、実施の形態5にかかる携帯可能なハンディ型のマイクロ分析装置の概要を説明するための概念図である。
実施の形態6のマイクロ分析装置は、試料(被検液)の採取、検出データの分析、分析結果の出力等、の各機能が複数の基板にそれぞれ形成され、これが積層され一体化された一体型マイクロ分析装置に関する。
すなわち、実施の形態6によると、いつでも、どこでも、だれでも、が利用可能な、小型で利便性に優れたマイクロ分析チップ装置を提供することができる。
実施例1は、上記実施の形態1と同様な内容を備えた送液路構造体に関する。図5に、実施例1にかかる送液構造体を示す。この送液構造体110は、2つの開放孔113a、113bと、これらに続く第4の流路151a、151bと、第4の流路に続く第1の隘路152a、152bと、第1の隘路にそれぞれ設けられた開閉バルブ141、142と、上記2つの第1の隘路に続く、第1流路115、これに続く第2流路116(第2の隘路)、これに続く第3流路117、第3流路に直接接した吸液体111と、を有し、更に第1流路115には検出部203が設けられた構造である。
比較例1の送液構造体を図15に示す。図15に示すように、第2流路153に続く第3流路を形成せず、第2流路153の端に吸液体111を接触させたこと以外については、上記実施例1と同様にして、比較例1にかかる送液構造体410を作製した。
実施例1、比較例1にかかる送液構造体のそれぞれの開放孔に適当量の蛍光色素(FITC)を含む試験液(水溶液)を滴下し、試験液が吸液体111側に流れ切るか否かを調べる送液試験を行った。実施例1にかかる送液構造体では、開放孔に試験液を滴下すると、毛細管現象により送液構造体内に溶液300が満たされ、試験液300が吸液体111に達した後、吸液体111が流路内の試験液を徐々に吸収し流路内の試験液が全て吸液体に吸収された。
上記実施の形態2と同様にして実施例2の送液構造体を作製した。
図16に示すように、第3流路を形成しなかったこと以外は、上記実施の形態2と同様にして、比較例2にかかる送液構造体を作製した。
実施例2と比較例2にかかる送液構造体に液を流す試験を行った。実施例2の送液構造体では、開放孔に蛍光色素(FITC)溶液を滴下すると、毛細管現象により送液構造体内に溶液が入る。この後、エレクトロウエッティングバルブの作用電極に液体が達した時点で液の流れが停止した。作用電極及び参照電極に電圧を印加すると、作用電極上を液が通過し、溶液が吸液体に達し、この時点から途切れることなく吸液体が流路内の溶液を吸収した。よって、流路内に溶液が残留することなく流路内の溶液が全て吸液体に吸収された。
111 吸液体
113、113a、113b 開放孔
114 流路
115 第1流路
116 第2流路(第1隘路)
117 第3流路
118 第3流路
119 流路
134 第4流路
140、141、142 開閉バルブ
144 第5流路
203 検出部
203a 検出用電極
201 主基板
202 蓋基板
501、502 毛細管力
151a、151b 第4の流路
152 第1の隘路
152a、152b 第4の流路に続く第1の隘路
153 参照電飾
154 対向電極
155 引き出し線
156 引き出し電極
157 作用電極
171 参照電極
172 作用電極
173、174 引き出し電極
2001 第1開放孔
2002 第2開放孔
2003 第1液溜め部
2004 第2液溜め部
2005 第1開閉バルブ
2006 第2開閉バルブ
2007 ミキサー部
2008 第4流路
2009 第1隘路
2010 第1流路
2011 第5流路(第2隘路)
2012 検出部
2013 第2流路(第3隘路)
2014 吸液体
2015 外部接続端子
2016 第3流路
Claims (17)
- 外部に開放された開放孔に接続された第1流路と、
前記第1流路に連続し且つ前記第1流路より流路断面積が小さい第2流路と、
前記第2流路に連続し且つ前記第2流路より流路断面積が大きい第3流路と、
前記第3流路の終端に直接接する吸液体と、
を少なくとも備え、
前記各流路のうち少なくとも第2流路の内壁面の一部が疎水性であり、
前記第1流路において液体に発生する表面張力による圧力をP1とし、
前記第2流路において液体に発生する表面張力による圧力をP2とし、
前記第3流路において液体に発生する表面張力による圧力をP3とするとき、
0<P2<P1≦P3が成立する構造である、
ことを特徴とする送液構造体。 - 請求項1に記載の送液構造体において、
前記送液構造体は、少なくとも前記各流路用の溝が形成された主基板と、前記主基板を蓋する蓋基板と、を有し、
前記主基板と前記蓋基板とが重ね合わされて前記各流路が構成されている、
ことを特徴とする送液構造体。 - 請求項2に記載の送液構造体において、
前記主基板は、疎水性材料からなり、
前記蓋基板は、親水性材料からなる、
ことを特徴とする送液構造体。 - 請求項3に記載の送液構造体において、
前記主基板に形成された溝は、三つの壁面を有する凹形状である、
ことを特徴とする送液構造体。 - 請求項3に記載の送液構造体において、
前記第3流路は、溝幅が均一か又は先太りする形状であり、
前記第1流路の溝幅の最大値をL1とし、
前記第2流路の溝幅の最大値をL2とし、
前記第3流路における吸液体と直接接続する部分の溝幅をL3としたとき、
L2<L1≦L3が成立する構造である、
ことを特徴とする送液構造体。 - 外部に開放された開放孔に接続された第1流路と、
前記第1流路に連続する、前記第1流路よりも溝幅が狭い第2流路と、
前記第2流路に連続する、溝幅が均一か又は先太りする形状である第3流路と、
前記第3流路の終端に直接接する吸液体と、を少なくとも備える送液構造体であって、
前記第1流路、第2流路、第3流路は、各流路用の溝が形成された疎水性の主基板と、
前記主基板を蓋する親水性の蓋基板とが重ね合わされて構成され、
前記第1流路における最大溝幅をL1とし、前記第2流路の最大溝幅をL2とし、
前記第3流路と前記吸液体との接続部の溝幅をL3としたとき、
L2<L1≦L3が成立する構造であり、
前記第2流路において液体に発生する表面張力による圧力が0より大きい、
ことを特徴とする送液構造体。 - 請求項2ないし6の何れか1項に記載の送液構造体において、
前記主基板はポリジメチルシロキサンからなり、
前記蓋基板はガラスからなる、
ことを特徴とする送液構造体。 - 請求項2ないし6いずれか1項に記載の送液構造体において、
前記開放孔と第1流路の間に第1流路よりも流路幅の狭い第4流路を有し、当該第4流路に液体の流れを制御する開閉バルブが設けられている、
ことを特徴とする送液構造体。 - 請求項8に記載の送液構造体において、
前記開閉バルブがエレクトロウエッティングバルブであり、少なくとも前記第4流路内にエレクトロウエッティングバルブ用の作用電極が設けられている、
ことを特徴とする送液構造体。 - 請求項9に記載の送液構造体において、
前記作用電極と対になるエレクトロウエッティングバルブ用の参照電極は、前記第4流路よりも上流側に設けられている、
ことを特徴とする送液構造体。 - 請求項9ないし10の何れか1項に記載の送液構造体において、
前記作用電極は、金薄膜と、前記金薄膜上に形成された疎水性膜と、を有する、
ことを特徴とする送液構造体。 - 請求項11に記載の送液構造体において、
前記金薄膜上に形成された疎水性膜は、テトラフルオロエチレンからなる、
ことを特徴とする送液構造体。 - 請求項9ないし10の何れか1項に記載の送液構造体において、
前記作用電極は、金薄膜と、前記金薄膜の表面を空気に曝して形成させた自然酸化膜と、を有する、
ことを特徴とする送液構造体。 - 請求項2ないし13の何れか1項に記載の送液構造体において、
上記各構成における溝幅は、50μm以上、1mm以下である、
ことを特徴とする送液構造体。 - 請求項8ないし13の何れか1項に記載の送液構造体において、
前記第4流路の溝幅は、50μm以上、100μm以下である、
ことを特徴とする送液構造体。 - 請求項1ないし15いずれか1項に記載の送液構造体を必須要素として備えた分析チップ。
- 請求項16に記載の分析チップを必須要素として備えた分析装置。
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