JP5986996B2 - 流体取扱装置、流体取扱方法および流体取扱システム - Google Patents

流体取扱装置、流体取扱方法および流体取扱システム Download PDF

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Description

本発明は、液体試料の分析や処理などに用いられる流体取扱装置および流体取扱方法、ならびに前記流体取扱装置を有する流体取扱システムに関する。
近年、タンパク質や核酸などの微量な物質の分析を高精度かつ高速に行うために、マイクロ流路チップが使用されている。マイクロ流路チップは、試薬および試料の量が少なくてよいという利点を有しており、臨床検査や食物検査、環境検査などの様々な用途での使用が期待されている。
マイクロ流路チップを用いた処理を自動化するために、マイクロ流路チップ内にバルブ構造を設けることが提案されている（例えば、非特許文献１，２参照）。
非特許文献１，２には、液体の表面張力を利用して流路内の液体の流れを止めるパッシブバルブを含むマイクロ流路チップが開示されている。これらのマイクロ流路チップでは、液体の流れを止めたい部位において、流路の断面積が急激に増大している。このようにすることで、流路の断面積が急激に増大している部位において、液体の表面張力を利用して流路内の液体の流れを止めることができる。
Gorkin R., et al., "Centrifugal microfluidics for biomedical applications", Lab on a Chip, Vol.10, pp.1758-1773. Melin J., et al., "A liquid-triggered liquid microvalve", TRANSDUCERS 2003 - The 12th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, pp.1562-1565.
しかしながら、従来のパッシブバルブを含むマイクロ流路チップには、バルブを開放する作業が煩雑であるという問題がある。
すなわち、非特許文献１に記載のマイクロ流路チップでは、一度止まった液体を再び流すためには、遠心力を作用させなければならない。このように流路内の液体に遠心力を作用させるためには、マイクロ流路チップを回転させることができる大掛かりな装置が必要となる。
また、非特許文献２に記載のマイクロ流路チップでは、一度止まった液体を再び流すためには、別の流路から別の液体を導入しなければならない。このように別の液体を導入してしまうと、流路内の液体の組成が変化してしまうおそれがある。また、バルブの開放速度が液体の毛管現象の速度に依存してしまうため、バルブの開放を適切なタイミングで行うことができないおそれもある。
本発明の目的は、外部に大掛かりな装置を設置することなく、流路内の流体の流れを容易に制御することができる流体取扱装置および流体取扱方法を提供することである。また、本発明の別の目的は、前記流体取扱装置を有する流体取扱システムを提供することである。
本発明の流体取扱装置は、第１の端部および第２の端部を有し、毛管現象により流体が移動可能な第１の流路と、前記第２の端部に連接された空気溜まり部と、外部に連通している空気排出口と、前記空気排出口に連通している第２の流路と、前記第１の流路と前記第２の流路とを連通し、かつ前記第２の流路の断面積よりも小さい断面積を有する連絡部とを有し、前記空気溜まり部は、前記空気溜まり部と外部とを連通する貫通孔を形成できるように形成されている、構成を採る。
本発明の流体取扱方法は、上記の流体取扱装置を使用して流体を取り扱う方法であって、前記第１の端部から、前記第１の流路内の前記第１の端部と前記第１の流路および前記連絡部の接続部との間に流体を導入するステップと、前記空気溜まり部と外部とを連通する貫通孔を形成するステップと、前記第１の流路内の前記流体を毛管現象により前記第２の端部側に移動させるステップとを含む。
本発明の流体取扱システムは、上記の流体取扱装置と、前記空気溜まり部と外部とを連通する貫通孔を形成するバルブ開放部とを有する。
本発明によれば、外部に大掛かりな装置を設置することなく、流体取扱装置の流路内の流体の流れを容易に制御することができる。
図１Ａは、実施の形態１のマイクロ流路チップの平面図であり、図１Ｂは、図１Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図であり、図１Ｃは、図１Ａに示されるＣ−Ｃ線の断面図である。 図２Ａは、チップ本体の平面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図であり、図２Ｃは、図２Ａに示されるＣ−Ｃ線の断面図である。 図３Ａは、樹脂フィルムの平面図であり、図３Ｂは、図３Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。 実施の形態１のマイクロ流路チップの部分拡大平面図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、実施の形態１のマイクロ流路チップの使用方法を説明するための実施の形態１のマイクロ流路チップの部分拡大平面図である。 実施の形態１のマイクロ流路チップの別の例を示す部分拡大平面図である。 流体取扱システムの構成を示す平面図である。 流体取扱システムの構成を示す断面図である。 図９Ａは、駆動部ホルダの平面図であり、図９Ｂは、図９Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。 図１０Ａは、コーデッドプレートの平面図であり、図１０Ｂは、図１０Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。 図１１Ａは、図１０Ａに破線で示される領域Ａの拡大平面図であり、図１１Ｂは、図１１Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図であり、図１１Ｃは、図１１Ａに示されるＣ−Ｃ線の断面図であり、図１１Ｄは、図１１Ａに示されるＤ−Ｄ線の断面図である。 図１２Ａは、第１のピンホルダの平面図であり、図１２Ｂは、図１２Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。 図１３Ａは、第２のピンホルダの平面図であり、図１３Ｂは、図１３Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。 図１４Ａは、第３のピンホルダの平面図であり、図１４Ｂは、図１４Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。 図１５Ａは、チップホルダの平面図であり、図１５Ｂは、図１５Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。 流体取扱システムの動作を説明するための流体取扱システムの部分拡大断面図である。 実施の形態２のマイクロ流路チップの部分拡大平面図である。 図１８Ａおよび図１８Ｂは、実施の形態２のマイクロ流路チップの使用方法を説明するための実施の形態２のマイクロ流路チップの部分拡大平面図である。 図１９Ａは、実施の形態３のマイクロ流路チップの平面図であり、図１９Ｂは、図１９Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。 実施の形態３のマイクロ流路チップの部分拡大平面図である。 図２１Ａ〜図２１Ｃは、実施の形態３のマイクロ流路チップの使用方法を説明するための実施の形態３のマイクロ流路チップの部分拡大平面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、本発明の流体取扱装置の代表例として、マイクロ流路チップについて説明する。
なお、本明細書において、「フィルム」とは、薄い平板状の部材を意味する。たとえば、「樹脂フィルム」には、樹脂薄膜（フィルム）だけでなく、樹脂薄板も含まれる。
（実施の形態１）
実施の形態１では、本発明の一実施の形態に係るマイクロ流路チップ１００と、マイクロ流路チップ１００を有する流体取扱システム３００について説明する。
［マイクロ流路チップの構成］
図１は、実施の形態１のマイクロ流路チップ１００の構成を示す図である。図１Ａは、マイクロ流路チップ１００の平面図であり、図１Ｂは、図１Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図であり、図１Ｃは、図１Ａに示されるＣ−Ｃ線の断面図である。
図２は、マイクロ流路チップ１００のチップ本体１１０の構成を示す図である。図２Ａは、チップ本体１１０の平面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図であり、図２Ｃは、図２Ａに示されるＣ−Ｃ線の断面図である。
図３は、マイクロ流路チップ１００の樹脂フィルム１２０の構成を示す図である。図３Ａは、樹脂フィルム１２０の平面図であり、図３Ｂは、図３Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。
図４は、マイクロ流路チップ１００の部分拡大平面図である。
図１Ａ〜図１Ｃに示されるように、マイクロ流路チップ１００は、２つの有底の凹部（液体導入口１６０および空気排出口１８０）および１つの密閉空間（空気溜まり部１７０）を有する板状のデバイスである。液体導入口１６０および空気溜まり部１７０は、第１の流路１３０により互いに連通している。液体導入口１６０は、第１の流路１３０の第１の端部に形成されており、空気溜まり部１７０は、第２の端部に形成されている。空気排出口１８０は、第２の流路１４０および連絡部１５０を介して第１の流路１３０に連通している。後述するように、空気溜まり部１７０は、空気溜まり部１７０と外部とを連通する貫通孔を形成できるように形成されている。
図１Ａ〜図１Ｃに示されるように、マイクロチップ１００は、チップ本体（基板）１１０および樹脂フィルム１２０を有する。
チップ本体１１０は、透明な略矩形の樹脂基板である。チップ本体１１０には、２つの貫通孔１１２ａ，１１２ｂおよび１つの有底の凹部１１４が形成されている（図２Ａ〜図２Ｃ参照）。２つの貫通孔１１２ａ，１１２ｂは、樹脂フィルム１２０により一方の開口部が閉塞されることで、それぞれ有底の凹部（液体導入口１６０および空気排出口１８０）となる（図１Ｂおよび図１Ｃ参照）。また、凹部１１４は、樹脂フィルム１２０により開口部が閉塞されることで、密閉空間（空気溜まり部１７０）となる（図１Ｂ参照）。
貫通孔１１２ａ，１１２ｂおよび凹部１１４の形状は、特に限定されないが、例えば略円柱状である。チップ本体１１０の厚さは、特に限定されないが、例えば１ｍｍ〜１０ｍｍである。また、貫通孔１１２ａ，１１２ｂおよび凹部１１４の直径は、特に限定されないが、例えば２ｍｍ程度である。
チップ本体１１０の樹脂フィルム１２０側の面には、貫通孔１１２ａと凹部１１４とを接続する溝１１６ａが形成されている。この溝１１６ａは、樹脂フィルム１２０により開口部が閉塞されることで、液体導入口１６０と空気溜まり部１７０とを接続する第１の流路１３０となる（図１Ｂ参照）。
また、チップ本体１１０の樹脂フィルム１２０側の面には、貫通孔１１２ｂと溝１１６ａとを接続する溝１１６ｂ，１１６ｃも形成されている。これらの溝１１６ｂ，１１６ｃは、樹脂フィルム１２０により開口部が閉塞されることで、空気排出口１８０と第１の流路１３０とを接続する流路（第２の流路１４０および連絡部１５０）となる（図１Ｃ参照）。
チップ本体１１０を構成する樹脂の種類は、特に限定されず、公知の樹脂から適宜選択されうる。チップ本体１１０を構成する樹脂の例には、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、塩化ビニール、ポリプロピレン、ポリエーテル、ポリエチレンなどが含まれる。
樹脂フィルム１２０は、チップ本体１１０の一方の面に接合された、透明な略矩形の樹脂フィルムである（図３Ａおよび図３Ｂ参照）。たとえば、樹脂フィルム１２０は、熱圧着によりチップ本体１１０に接合されている。前述の通り、樹脂フィルム１２０は、チップ本体１１０に形成された貫通孔１１２ａ，１１２ｂ、凹部１１４および溝１１６ａ〜１１６ｃの開口部を閉塞している。
樹脂フィルム１２０の厚さは、特に限定されないが、凹部１１４の開口部を閉塞している部位（空気溜まり部１７０の壁面を構成する部位）に、空気溜まり部１７０と外部とを連通する貫通孔を形成できる厚さが好ましい。このようにすることで、任意のタイミング（マイクロバルブを開放するタイミング）で、空気溜まり部１７０と外部とを連通する貫通孔を形成することができる。たとえば、樹脂フィルム１２０の厚さは、１００μｍ程度である。
樹脂フィルム１２０を構成する樹脂の種類は、特に限定されず、公知の樹脂から適宜選択されうる。樹脂フィルム１２０を構成する樹脂の例は、チップ本体１１０を構成する樹脂の例と同じである。チップ本体１１０と樹脂フィルム１２０との密着性を向上させる観点からは、樹脂フィルム１２０を構成する樹脂は、チップ本体１１０を構成する樹脂と同一であることが好ましい。
図４に示されるように、第１の流路１３０および第２の流路１４０は、連絡部１５０を介して互いに連通している。第１の流路１３０および連絡部１５０は、いずれも毛管現象により流体（液体）が移動可能な管である。第１の流路１３０の断面積および断面形状は、その内部を液体が毛管現象により移動可能であれば特に限定されない。たとえば、第１の流路１３０の断面形状は、一辺の長さ（幅および深さ）が数十μｍ程度の略矩形である。なお、本明細書において、「流路の断面」とは、流体（液体または気体）が流れる方向に直交する流路の断面を意味する。
これに対し、連絡部１５０の断面積は、第２の流路１４０の断面積より十分に小さい。より具体的には、連絡部１５０と第２の流路１４０との接続部において、流路の断面積が急激に変化するように、連絡部１５０の断面積を第２の流路１４０の断面積よりも小さくする。このようにすることで、連絡部１５０内の液体が、自らの表面張力により第２の流路１４０に進入することができなくなる。すなわち、連絡部１５０と第２の流路１４０との接続部が、バルブとして機能する。たとえば、第２の流路１４０の断面形状は、一辺の長さ（幅および深さ）が数十μｍ程度の略矩形であり、連絡部１５０の断面形状は、一辺の長さ（幅および深さ）が３０μｍ程度の略矩形である。
また、図４に示されるように、空気溜まり部１７０は、第１の流路１３０にのみ連通している密閉空間である。ここで「密閉空間」とは、外部と直接連通していない空間を意味する。したがって、第１の流路１３０内の空気は、空気排出口１８０からは外部に排出されうるが、空気溜まり部１７０からは外部に排出されない。
空気溜まり部１７０と外部との間に位置する樹脂フィルム１２０は、空気溜まり部１７０と外部とを連通する貫通孔を形成されうる。樹脂フィルム１２０に貫通孔を形成した場合、第１の流路１３０内の空気は、空気排出口１８０からだけでなく、空気溜まり部１７０からも外部に排出されうる。
本実施の形態のマイクロ流路チップ１００は、例えば、図２Ａ〜図２Ｃに示されるチップ本体１１０と図３Ａおよび図３Ｂに示される樹脂フィルム１２０とを接合することで製造されうる。
［マイクロ流路チップの使用方法］
次に、本実施の形態のマイクロ流路チップ１００の使用方法について、図５を参照して説明する。図５Ａおよび図５Ｂは、マイクロ流路チップ１００の使用態様を説明するためのマイクロ流路チップ１００の部分拡大平面図である。
まず、図５Ａに示されるように、液体導入口１６０に試薬や液体試料などの液体２１０を提供することで、第１の流路１３０内に液体２１０を導入する。液体導入口１６０内の液体２１０は、毛管現象により第１の端部（液体導入口１６０）側から第２の端部（空気溜まり部１７０）側に向けて第１の流路１３０内を進み、第１の流路１３０と連絡部１５０との接続部に到達する。前述の通り、第１の流路１３０内の空気は、空気排出口１８０からは外部に排出されうるが、空気溜まり部１７０からは外部に排出されない。したがって、液体２１０は、連絡部１５０内を進むことはできるが、第１の流路１３０内をこれ以上第２の端部（空気溜まり部１７０）に向かって進むことはできない。また、連絡部１５０と第２の流路１４０との接続部はバルブとして機能するため、液体２１０は、第２の流路１４０内に進むこともできない。
このように、液体導入口１６０に液体２１０を提供することで、第１の流路１３０内の、第１の端部（液体導入口１６０）と、第１の流路１３０と連絡部１５０との接続部との間にのみ液体２１０を導入することができる（バルブ閉鎖状態）。
次いで、図５Ｂに示されるように、空気溜まり部１７０と外部との間に位置する樹脂フィルム１２０に貫通孔２２０を形成することで、第１の流路１３０内の空気を空気溜まり部１７０からも排出できるようにする。その結果、第１の流路１３０内の液体２１０は、毛管現象により第２の端部（空気溜まり部１７０）側に移動する（バルブ開放状態）。
樹脂フィルム１２０に貫通孔２２０を形成する方法は、特に限定されない。たとえば、樹脂フィルム１２０に針を刺したり、レーザ光を照射したり、加熱することで、樹脂フィルム１２０に貫通孔２２０を形成することができる。樹脂フィルム１２０を加熱して貫通孔２２０を形成する場合は、図６に示されるように、樹脂フィルム１２０の上に加熱部１９０を形成してもよい。加熱部１９０は、樹脂フィルム１２０の空気溜まり部１７０側の面に形成されてもよいし、外部側の面に形成されてもよい。いずれの場合であっても、加熱部１９０に電流を流すことで、樹脂フィルム１２０に貫通孔２２０を形成することができる。
以上の手順により、液体２１０を第１の流路１３０の一部および連絡部１５０内に留めること、および第１の流路１３０内の液体２１０を任意のタイミングで空気溜まり部１７０方向に移動させること、を実現することができる。
［効果］
本実施の形態のマイクロ流路チップ１００は、液体２１０の表面張力を利用することで、液体２１０を第１の流路１３０内の一部（液体導入口１６０と、第１の流路１３０および連絡部１５０の接続部との間）に留めることができる。また、本実施の形態のマイクロ流路チップ１００は、空気溜まり部１７０と外部との間に位置する樹脂フィルム１２０に貫通孔２２０を形成することで、第１の流路１３０内の液体２１０を空気溜まり部１７０方向に移動させることができる。このように、本実施の形態のマイクロ流路チップ１００は、外部に大掛かりな装置を設置することなく、流路内の液体の流れを容易に制御することができる。
なお、これまでの説明では、空気排出口１８０、連絡部１５０および空気溜まり部１７０がそれぞれ１つずつ形成されたマイクロ流路チップ１００について説明したが、マイクロ流路チップ１００内の空気排出口１８０、連絡部１５０および空気溜まり部１７０の数はこれに限定されない。すなわち、マイクロ流路チップ１００内には、複数のマイクロバルブ構造が形成されていてもよい。
［流体取扱システムの構成］
次に、上記のマイクロ流路チップ１００を有する流体取扱システム３００について説明する。
図７は、本実施の形態の流体取扱システム３００の構成を示す平面図である。また、図８は、図７に示されるＡ−Ａ線の断面図である。平面視したときの流体取扱システム３００の外径は、例えば６０〜７０ｍｍ程度である。
図９は、流体取扱システム３００の駆動部ホルダ３１０の構成を示す図である。図９Ａは、駆動部ホルダ３１０の平面図であり、図９Ｂは、図９Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。
図１０および図１１は、流体取扱システム３００のコーデッドプレート３２０の構成を示す図である。図１０Ａは、コーデッドプレート３２０の平面図であり、図１０Ｂは、図１０Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。図１１Ａは、図１０Ａに破線で示される領域Ａの拡大平面図であり、図１１Ｂは、図１１Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図であり、図１１Ｃは、図１１Ａに示されるＣ−Ｃ線の断面図であり、図１１Ｄは、図１１Ａに示されるＤ−Ｄ線の断面図である。
図１２は、流体取扱システム３００の第１のピンホルダ３３０の構成を示す図である。図１２Ａは、第１のピンホルダ３３０の平面図であり、図１２Ｂは、図１２Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。
図１３は、流体取扱システム３００の第２のピンホルダ３４０の構成を示す図である。図１３Ａは、第２のピンホルダ３４０の平面図であり、図１３Ｂは、図１３Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。
図１４は、流体取扱システム３００の第３のピンホルダ３５０の構成を示す図である。図１４Ａは、第３のピンホルダ３５０の平面図であり、図１４Ｂは、図１４Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。
図１５は、流体取扱システム３００のチップホルダ３６０の構成を示す図である。図１５Ａは、チップホルダ３６０の平面図であり、図１５Ｂは、図１５Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。
図７および図８に示されるように、本実施の形態の流体取扱システム３００は、駆動部ホルダ３１０、コーデッドプレート３２０、第１のピンホルダ３３０、第２のピンホルダ３４０、第３のピンホルダ３５０、チップホルダ３６０、駆動部３７０および複数のピン３８０ａ〜３８０ｅ（ただしピン３８０ｂ〜３８０ｅは図示せず）を有する。流体取扱システム３００は、チップホルダ３６０に形成された凹部にマイクロ流路チップ１００を差し込んだ状態で使用される。
駆動部ホルダ３１０は、駆動部３７０およびその他の部材を支持する支持部材である（図８参照）。駆動部ホルダ３１０の中央部には、駆動部３７０を設置するための凹部が形成されている。また、駆動部ホルダ３１０の外周部には、第３のピンホルダ３５０の凸部が嵌合しうる溝が形成されている（図９Ｂ参照）。
駆動部３７０は、駆動部ホルダ３１０の凹部内に配置されている。駆動部３７０は、回転軸３７２を所定の速度で回転させることで、流体取扱システム３００を動作させる。後述するように、回転軸３７２には、第１のピンホルダ３３０および第２のピンホルダ３４０が固定されている。駆動部３７０の回転軸３７２が回転すると、第１のピンホルダ３３０、第２のピンホルダ３４０、第３のピンホルダ３５０、チップホルダ３６０、複数のピン３８０ａ〜３８０ｅおよびマイクロ流路チップ１００が一体となって回転する。たとえば、駆動部３７０は、電動機（モーター）やぜんまいばねなどである。
コーデッドプレート３２０は、駆動部ホルダ３１０の上に配置されており、第３のピンホルダ３５０により固定されている。コーデッドプレート３２０は回転軸３７２に固定されておらず、回転軸３７２が回転しても、コーデッドプレート３２０は回転しない。
コーデッドプレート３２０の表面には、５本の円周状の溝３２２ａ〜３２２ｅが形成されている（図１０Ａおよび図１０Ｂ参照）。円周状の溝３２２ａ〜３２２ｅの中心は、いずれも回転軸３７２の中心と一致している。
溝３２２ａ〜３２２ｅには、凸部３２４が形成されている（図１１Ａ〜図１１Ｄ参照）。後述するように、凸部３２４は、流体取扱システム３００の動作内容を規定する。すなわち、コーデッドプレート３２０の溝３２２ａ〜３２２ｅには、流体取扱システム３００の動作内容を規定する情報が書き込まれている。
第１のピンホルダ３３０および第２のピンホルダ３４０は、コーデッドプレート３２０の上に配置される。一方、第３のピンホルダ３５０は、コーデッドプレート３２０、第１のピンホルダ３３０および第２のピンホルダ３４０の側面に配置される。第１のピンホルダ３３０、第２のピンホルダ３４０および第３のピンホルダ３５０は、図示しないねじにより互いに固定されている。また、互いに固定された第１のピンホルダ３３０および第２のピンホルダ３４０は、回転軸３７２に固定されている。したがって、回転軸３７２が回転すると、第１のピンホルダ３３０、第２のピンホルダ３４０および第３のピンホルダ３５０が一体となって回転する。
第１のピンホルダ３３０には、ピン３８０ａ〜３８０ｅを収容するための貫通孔３３２ａ〜３３２ｅが形成されている（図１２Ａ参照）。同様に、第２のピンホルダ３４０にも、ピン３８０ａ〜３８０ｅを収容するための貫通孔３４２ａ〜３４２ｅが形成されている（図１３Ａ参照）。第１のピンホルダ３３０および第２のピンホルダ３４０を回転軸３７２に固定した場合、貫通孔３３２ａおよび貫通孔３４２ａは、合わせて一つのピン収容部３８２ａを形成する（図８参照）。同様に、貫通孔３３２ｂ〜３３２ｅおよび貫通孔３４２ｂ〜３４２ｅも、それぞれピン収容部３８２ｂ〜３８２ｅを形成する。このようにして形成されるピン収容部３８２ａ〜３８２ｅは、それぞれ、コーデッドプレート３２０の溝３２２ａ〜３２２ｅの上に位置する。
ピン３８０ａ〜３８０ｅは、それぞれ、ピン収容部３８２ａ〜３８２ｅ内に収容されている（図８参照）。ピン３８０ａ〜３８０ｅの下端は、それぞれ、コーデッドプレート３２０の溝３２２ａ〜３２２ｅの底面に接触している。また、ピン３８０ａ〜３８０ｅの上端は、それぞれマイクロ流路チップ１００の樹脂フィルム１２０（空気溜まり部１７０の壁面を構成する部分）に対向している。ピン３８０ａ〜３８０ｅの上端の形状は、針状である。
チップホルダ３６０は、第１のピンホルダ３３０および第２のピンホルダ３４０の上に固定されている。チップホルダ３６０の第２のピンホルダ３４０側の面には、マイクロ流路チップ１００を差し込むための凹部が形成されている（図１５参照）。
［流体取扱システムの動作］
次に、本実施の形態の流体取扱システム３００の動作について、図１６を参照して説明する。図１６は、流体取扱システム３００の動作を説明するための流体取扱システム３００の部分拡大断面図である。
駆動部３７０が所定の速度で回転軸３７２を回転させると、第１のピンホルダ３３０、第２のピンホルダ３４０、第３のピンホルダ３５０、チップホルダ３６０、ピン３８０ａ〜３８０ｅおよびマイクロ流路チップ１００は、一体となって回転する。一方、コーデッドプレート３２０は回転しない。したがって、ピン３８０ａ〜３８０ｅは、それぞれ、コーデッドプレート３２０の溝３２２ａ〜３２２ｅをなぞるように移動する。
図１６Ａに示されるように、溝３２２ａ〜３２２ｅが通常の深さの場合、ピン３８０ａ〜３８０ｅの上端は、マイクロ流路チップ１００の樹脂フィルム１２０には接触しない。一方、図１６Ｂに示されるように、溝３２２ａ〜３２２ｅの凸部３２４の上にピン３８０ａ〜３８０ｅの下端が乗り上げた場合、ピン３８０ａ〜３８０ｅの上端は、マイクロ流路チップ１００の樹脂フィルム１２０を押圧する。これにより、樹脂フィルム１２０に貫通孔２２０が形成され、第１の流路１３０内の液体２１０は、毛管現象により空気溜まり部１７０に向かって移動する。
以上のように、本実施の形態の流体取扱システム３００では、コーデッドプレート３２０の溝３２２ａ〜３２２ｅに形成された凸部３２４のパターンに従って、ピン３８０ａ〜３８０ｅが自動的にマイクロ流路チップ１００の樹脂フィルム１２０に貫通孔２２０を形成する。これにより、コーデッドプレート３２０の溝３２２ａ〜３２２ｅに形成された凸部３２４のパターンに従って、マイクロ流路チップ１００のマイクロバルブ（第１の流路１３０、第２の流路１４０、連絡部１５０、空気溜まり部１７０および空気排出口１８０により構成されるマイクロバルブ）が自動的に開放される。
［効果］
本実施の形態の流体取扱システム３００は、マイクロ流路チップ１００内に設けたマイクロバルブを任意のタイミングで自動的に開放することができる。本実施の形態の流体取扱システム３００は、大掛かりな装置を必要としないため、容易に小型化することができる。
なお、マイクロ流路チップ１００の空気溜まり部１７０内に加熱部１９０が配置されている場合（図６参照）、流体取扱システム３００は、加熱部１９０に電流を流して樹脂フィルム１２０に貫通孔２２０を形成することで、マイクロ流路チップ１００のマイクロバルブを開放してもよい。すなわち、流体取扱システム３００に設けられるバルブ開放部は、マイクロ流路チップ１００の樹脂フィルム１２０にピンを押圧することでマイクロバルブを開放してもよいし、樹脂フィルム１２０を加熱することでマイクロバルブを開放してもよい。
また、これまでの説明では、コーデッドプレート３２０の溝３２２ａ〜３２２ｅに形成された凸部３２４を利用してピン３８０ａ〜３８０ｅを操作する例について説明したが、ピン３８０ａ〜３８０ｅを操作する方法はこれに限定されない。たとえば、板バネやソレノイドアクチュエータ、空圧シリンダなどを用いてピン３８０ａ〜３８０ｅを操作してもよい。
（実施の形態２）
［マイクロ流路チップの構成］
図１７は、本発明の実施の形態２のマイクロ流路チップ４００の構成を示す部分拡大平面図である（図４に対応）。実施の形態２のマイクロチップ４００は、実施の形態１のマイクロ流路チップ１００と同様に、チップ本体１１０および樹脂フィルム１２０により形成されている（図１Ａ〜図１Ｃ参照）。なお、図１〜４に示される実施の形態１のマイクロ流路チップ１００と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図１７に示されるように、実施の形態２のマイクロ流路チップ４００は、第１の流路１３０、第２の流路１４０、連絡部１５０、液体導入口１６０（図示省略）、空気溜まり部１７０および空気排出口１８０（図示省略）を有する。実施の形態２のマイクロ流路チップ４００は、第１の流路１３０内に凸部４１０を有する点において実施の形態１のマイクロ流路チップ１００と異なる。
凸部４１０は、第１の流路１３０内において、連絡部１５０の開口部１５２に対向する位置に形成されている。凸部４１０の大きさおよび形状は、第１の流路１３０を塞がなければ特に限定されない。
［マイクロ流路チップの使用方法］
次に、マイクロ流路チップ４００の使用方法について、図１８を参照して説明する。図１８Ａおよび図１８Ｂは、マイクロ流路チップ４００の使用態様を説明するためのマイクロ流路チップ４００の部分拡大平面図である。
まず、図１８Ａに示されるように、液体導入口１６０に液体２１０を提供することで、第１の流路１３０内に液体２１０を導入する。これにより、実施の形態１のマイクロ流路チップ１００と同様に、第１の流路１３０内の、第１の端部（液体導入口１６０）と、第１の流路１３０と連絡部１５０との接続部との間にのみ液体２１０を導入することができる（バルブ閉鎖状態）。このとき、第１の流路１３０内に凸部４１０が形成されているため、液体２１０が第２の端部（空気溜まり部１７０）側に移動することをより確実に防止することができる。
次いで、図１８Ｂに示されるように、空気溜まり部１７０と外部との間に位置する樹脂フィルム１２０に貫通孔２２０を形成する。その結果、実施の形態１のマイクロ流路チップ１００と同様に、第１の流路１３０内の液体２１０は、毛管現象により第２の端部（空気溜まり部１７０）側に移動する（バルブ開放状態）。
以上の手順により、実施の形態１のマイクロ流路チップ１００と同様に、液体２１０を第１の流路１３０の一部および連絡部１５０内に留めること、および第１の流路１３０内の液体２１０を任意のタイミングで空気溜まり部１７０方向に移動させること、を実現することができる。
［効果］
本実施の形態のマイクロ流路チップ４００は、実施の形態１のマイクロ流路チップ１００の効果に加えて、バルブ閉鎖状態のときに液体２１０の流れをより確実に停止することができる。
（実施の形態３）
［マイクロ流路チップの構成］
図１９および図２０は、本発明の実施の形態３のマイクロ流路チップ５００の構成を示す図である。図１９Ａは、マイクロ流路チップ５００の平面図であり、図１９Ｂは、図１９Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。また、図２０は、マイクロ流路チップ５００の部分拡大平面図である。
実施の形態３のマイクロチップ５００は、実施の形態１のマイクロ流路チップ１００と同様に、チップ本体１１０および樹脂フィルム１２０により形成されている（図１９Ａおよび図１９Ｂ参照）。なお、図１〜４に示される実施の形態１のマイクロ流路チップ１００および図１７に示される実施の形態２のマイクロ流路チップ４００と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図１９Ａおよび図１９Ｂに示されるように、マイクロ流路チップ５００は、４つの有底の凹部（第１の液体導入口１６０、第１の空気排出口１８０、第２の液体導入口５３０および第２の空気排出口５４０）および１つの密閉空間（空気溜まり部１７０）を有する板状のデバイスである。
第１の液体導入口１６０および空気溜まり部１７０は、第１の流路１３０により互いに連通している。第１の液体導入口１６０は、第１の流路１３０の第１の端部に形成されており、空気溜まり部１７０は、第２の端部に形成されている。第１の空気排出口１８０は、第２の流路１４０および連絡部１５０を介して第１の流路１３０に連通している。
第２の液体導入口５３０および第２の空気排出口５４０は、第３の流路５１０により互いに連通している。第２の液体導入口５３０は、第３の流路５１０の第１の端部に形成されており、第２の空気排出口５４０は、第２の端部に形成されている。
図２０に示されるように、第１の流路１３０および第３の流路５１０は、第２の連絡部５２０により互いに連通している。第１の流路１３０において、第２の連絡部５２０との接続部の位置は、第１の連絡部１５０との接続部と、空気溜まり部１７０との間に位置する。
第３の流路５１０は、毛管現象により流体（液体）が移動可能な管である。第３の流路５１０の断面積および断面形状は、その内部を液体が毛管現象により移動可能であれば特に限定されない。たとえば、第３の流路５１０の断面形状は、一辺の長さ（幅および深さ）が数十μｍ程度の略矩形である。
第２の連絡部５２０の断面積は、第１の流路１３０の断面積より十分に小さい。より具体的には、第２の連絡部５２０と第１の流路１３０との接続部において、流路の断面積が急激に変化するように、第２の連絡部５２０の断面積を第１の流路１３０の断面積よりも小さくする。このようにすることで、第２の連絡部５２０内の液体が、自らの表面張力により第１の流路１３０に進入することができなくなる。すなわち、第２の連絡部５２０と第１の流路１３０との接続部が、バルブとして機能する。たとえば、第２の連絡部５２０の断面形状は、一辺の長さ（幅および深さ）が３０μｍ程度の略矩形である。
また、図２０に示されるように、第１の流路１３０における第２の連絡部５２０の接続部と空気溜まり部１７０との間には、第１の流路１３０の断面積が周囲に比べて小さくなっている細径部１３２が形成されている。細径部１３２は、第１の連絡部１５０および第２の連絡部５２０と同様に、バルブとして機能する。
［マイクロ流路チップの使用方法］
次に、本実施の形態のマイクロ流路チップ５００の使用方法について、図２１を参照して説明する。図２１Ａ〜図２１Ｃは、マイクロ流路チップ５００の使用態様を説明するためのマイクロ流路チップ５００の部分拡大平面図である。
まず、図２１Ａに示されるように、第２の液体導入口５３０に第２の液体２３０を提供することで、第３の流路５１０内に第２の液体２３０を導入する。次いで、第１の液体導入口１６０に第１の液体２１０を提供することで、第１の流路１３０内に液体２１０を導入する。
第２の液体導入口５３０内の第２の液体２３０は、毛管現象により第３の流路５１０内を進み、第２の空気排出口５４０に到達する。また、第２の液体２３０は、毛管現象により第２の連絡部５２０内にも進む。しかしながら、第２の連絡部５２０と第１の流路１３０との接続部はバルブとして機能するため、第２の液体２３０は、第１の流路１３０内に進むことはできない。
一方、第１の液体導入口１６０内の第１の液体２１０は、実施の形態１で説明したように、第１の流路１３０と第１の連絡部１５０との接続部まで第１の流路１３０内を進む（バルブ閉鎖状態）。なお、第２の連絡部５２０は、第２の液体２３０で満たされているため、第１の流路１３０内の空気が、第２の液体導入口５３０または第２の空気排出口５４０から外部に排出されることはない。
次いで、図２１Ｂに示されるように、空気溜まり部１７０と外部との間に位置する樹脂フィルム１２０に貫通孔２２０を形成することで、第１の流路１３０内の空気を空気溜まり部１７０から排出できるようにする。その結果、第１の流路１３０内の第１の液体２１０は、毛管現象により第２の端部（空気溜まり部１７０）側に移動する（バルブ開放状態）。
図２１Ｃに示されるように、第１の液体２１０は、細径部１３２まで第１の流路１３０内を進む。細径部１３２はバルブとして機能するため、第１の液体２１０は、これ以上先に進むことはできない。すなわち、第１の液体２１０が移動可能な細径部１３２までが第１の流路１３０に相当し、細径部１３２の端部（第２の端部側）から先の部分全体が空気溜まり部１７０に相当する。最終的には、第１の流路１３０と第２の連絡部５２０との接続部において、第１の液体２１０と第２の液体２３０の液液界面が形成される。
以上の手順により、任意のタイミングで第１の液体２１０と第２の液体２３０の液液界面形成することができる。
なお、本実施の形態においては、細径部１３２が第１の流路１３０における第２の連絡部５２０の接続部の近傍に形成される例について示したが、細径部１３２の位置はこれに限定されない。たとえば、細径部１３２は、第２の連絡部５２０の接続部から離れた位置に形成されていてもよい。いずれの場合であっても、貫通孔２２０の形成時における細径部１３２より先への第１の液体２１０の流出を抑制することができる。また、貫通孔２２０の形成時に、連続的に第１の流路１３０内へ第１の液体２１０を流入する工程が必要な場合には、細径部１３２を形成しなくてもよい。
［効果］
本実施の形態のマイクロ流路チップ５００は、実施の形態１のマイクロ流路チップ１００の効果に加えて、任意のタイミングで第１の液体２１０と第２の液体２３０の液液界面形成することができる。
たとえば、本実施の形態のマイクロ流路チップ５００では、抗体を担持させた磁気ビーズを用いて、反応工程と洗浄工程を連続して行うことが可能である。具体的には、１）第１の流路１３０内の第１の液体２１０中で抗原を抗体に結合させ、２）第１の液体２１０と第２の液体２３０の液液界面を形成し、３）磁石を用いて磁気ビーズを第３の流路５１０内の第２の液体２３０中に移動させ、４）第２の液体２３０で磁気ビーズを洗浄することができる。
上記１）〜４）の工程における磁気ビーズの操作は、磁石を備えた流体取扱システム３００を用いることによって、自動的に行うことができる。すなわち、コーデッドプレート３２０の穴部３２６、第１のピンホルダ３３０の溝部３３４および第２のピンホルダ３４０の溝部３４４に磁石を係合させ、第２のピンホルダ３４０の溝部３４４の形状などにより１）〜４）の工程に合わせて磁石の動きを予め規定しておくことで、磁気ビーズの操作を自動的に行うことができる。
本出願は、２０１１年７月２０日出願の特願２０１１−１５８６８８に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
本発明の流体取扱装置は、例えば、科学分野や医学分野などにおいて使用されるマイクロチップまたはマイクロ流路チップとして有用である。また、本発明の流体取扱システムは、例えば、微量な物質の分析を高精度かつ高速に行うシステムとして有用である。
１００，４００，５００ マイクロ流路チップ
１１０ チップ本体
１１２ａ，１１２ｂ 貫通孔
１１４ 凹部
１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ 溝
１２０ 樹脂フィルム
１３０ 第１の流路
１３２ 細径部
１４０ 第２の流路
１５０ （第１の）連絡部
１５２ 開口部
１６０ （第１の）液体導入口
１７０ 空気溜まり部
１８０ （第１の）空気排出口
１９０ 加熱部
２１０ （第１の）液体
２２０ 貫通孔
２３０ 第２の液体
３００ 流体取扱システム
３１０ 駆動部ホルダ
３２０ コーデッドプレート
３２２ａ〜３２２ｅ 溝
３２４ 凸部
３２６ 穴部
３３０ 第１のピンホルダ
３３２ａ〜３３２ｅ 貫通孔
３３４ 溝部
３４０ 第２のピンホルダ
３４２ａ〜３４２ｅ 貫通孔
３４４ 溝部
３５０ 第３のピンホルダ
３６０ チップホルダ
３７０ 駆動部
３７２ 回転軸
３８０ａ ピン
３８２ａ〜３８２ｅ ピン収容部
４１０ 凸部
５１０ 第３の流路
５２０ 第２の連絡部
５３０ 第２の液体導入口
５４０ 第２の空気排出口

Claims (9)

  1. 第１の端部および第２の端部を有し、毛管現象により流体が移動可能な第１の流路と、
    前記第２の端部に連接された空気溜まり部と、
    外部に連通している空気排出口と、
    前記空気排出口に連通している第２の流路と、
    前記第１の流路と前記第２の流路とを連通し、かつ前記第２の流路の断面積よりも小さい断面積を有する連絡部と、を有し、
    前記空気溜まり部は、前記空気溜まり部と外部とを連通する貫通孔を形成できるように形成されており、
    前記第１の流路は、前記連絡部の開口部に対向する位置に凸部を有する、
    流体取扱装置。
  2. 前記空気溜まり部と外部とを隔てる壁の少なくとも一部は、樹脂フィルムである、請求項１に記載の流体取扱装置。
  3. 前記樹脂フィルム上に、前記樹脂フィルムに前記貫通孔を形成するための加熱部をさらに有する、請求項２に記載の流体取扱装置。
  4. 第３の流路と、
    前記第１の流路と前記第３の流路とを連通し、かつ前記第１の流路の断面積よりも小さい断面積を有する第２の連絡部と、をさらに有し、
    前記第１の流路における前記第２の連絡部の接続部は、前記第１の流路における前記連絡部の接続部と、前記第２の端部との間に位置する、
    請求項１に記載の流体取扱装置。
  5. 前記第１の流路は、前記空気溜まり部と連通する細径部を前記第２の端部に有する、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の流体取扱装置。
  6. 請求項１に記載の流体取扱装置を使用して流体を取り扱う方法であって、
    前記第１の端部から、前記第１の流路内の、前記第１の端部と前記第１の流路および前記連絡部の接続部との間に流体を導入するステップと、
    前記空気溜まり部と外部とを連通する貫通孔を形成するステップと、
    前記第１の流路内の前記流体を、毛管現象により前記第２の端部側に移動させるステップと、
    を含む、流体取扱方法。
  7. 前記空気溜まり部と外部とを隔てる壁の少なくとも一部は、樹脂フィルムであり、
    前記樹脂フィルムに針を刺して、前記空気溜まり部と外部とを連通する貫通孔を形成する、請求項６に記載の流体取扱方法。
  8. 前記空気溜まり部と外部とを隔てる壁の少なくとも一部は、樹脂フィルムであり、
    前記樹脂フィルムを加熱して、前記空気溜まり部と外部とを連通する貫通孔を形成する、請求項６に記載の流体取扱方法。
  9. 請求項１に記載の流体取扱装置と、
    前記空気溜まり部と外部とを連通する貫通孔を形成するバルブ開放部と、
    を有する、流体取扱システム。
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