JP6047352B2 - 流体取扱装置 - Google Patents

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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に関する。
近年、生化学や分析化学などの科学分野または医学分野において、タンパク質や核酸(例えばDNA)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、マイクロ分析システムが使用されている。
マイクロ分析システムの一例として、微細な流路を有するマイクロ流路チップを用いて電気泳動を行うシステムが知られている。このシステムにおけるマイクロ流路チップとしては、例えば、液体を収容するための貫通孔や液体の流路となる溝などを有する基板の一方の面に、電極となる導電層を表面に形成したフィルムを接合させ、貫通孔または溝に露出するように電極が配置されたマイクロ流路チップが知られている(例えば、特許文献1および2参照)。
特許文献1に記載されたマイクロ流路チップを図1に示す。このマイクロ流路チップ10は、図1に示されるように、基板18を貫通する一対の貫通孔26と、基板18の一方の面に形成され、一対の貫通孔26と連通する溝14と、基板18の一方の面に接合され、貫通孔26および溝14の開口部を塞ぐフィルム20と、フィルム20上に形成され、貫通孔26に露出するとともに少なくともフィルム20の周縁まで延びる電極28と、を有する。基板18とフィルム20との接合によって、貫通孔26は流体収容部となり、溝14は流路となる。貫通孔26には、基板18の上面側から液体試料が供給される。また、フィルム20は、基板18の縁よりも外方に突出する縁を有している。フィルム20の縁上の電極28,28に上方から外部電極が接触し、電極28,28間に電圧が印加される。
米国特許第6939451号明細書 特開2005−127771号公報
上記従来のマイクロ流路チップ10には、フィルム20を基板18よりも大きくしなければならないため、小型化が困難という問題がある。また、液体試料の供給と電圧の印加とをいずれも基板18の上面側から行うため、液体試料を供給するための外部機器と電力供給用の外部機器とが干渉しやすいという問題もある。このような干渉を防止するためには、十分な大きさを有するマイクロ流路チップを作製するか、または、互いに干渉しないようにこれらの外部機器を精密に操作する必要がある。このように、従来のマイクロ流路チップ10は、さらなる小型化が困難であり、使用時の取り扱いも困難である。
上記の問題点を解決する手段として、マイクロ流路チップの裏面に電極を露出させることが考えられる。電極を露出させるためには、フィルムに孔を形成する必要がある。もし従前通りフィルム上(基板と接合させる側の面)に電極を形成すると、少なくともフィルムの孔から露出する電極の部分を基板上に形成する必要が生じる。すなわち、電極となるべき導電性部位を、基板とフィルムの両方に、基板にフィルムを接合したときに全ての導電性部位が一つの電極を形成するように精密に形成する必要がある。しかしながら、マイクロ流路チップの製造において上記のように電極を形成することは、非常に困難である。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、さらなる小型化が可能であり、取り扱い性に優れ、かつ容易に製造可能な流体取扱装置を提供することを目的とする。
本発明の流体取扱装置は、一方の面および他方の面を有する基板であって、前記一方の面および前記他方の面にそれぞれ開口部を有する貫通孔が形成されている基板と、前記基板の他方の面に接合され、前記基板の他方の面における前記貫通孔の開口部を塞ぎ、かつ前記基板の平面方向において、前記貫通孔の開口部から離れた位置に孔を有するフィルムと、前記基板における、前記孔によって露出する部分から前記貫通孔の壁面の部分まで連続するように前記基板に形成された、電気または熱を伝達する伝達機能層と、を有する、構成を採る。
本発明によれば、貫通孔と基板の他方の面側に接合されたフィルムとによって形成された凹部へ流体を基板の一方の面側から供給し、伝達機能層へ電源または熱源を基板の他方の面側から接続することが可能である。このため、流体取扱装置のさらなる小型化が可能である。また、流体収容部へ流体を供給する装置と伝達機能層へエネルギーを供給する装置とが、入れ替えて配置されることがないので、これらの装置の干渉を防止する対策を要しない。よって、取り扱い性に優れる流体取扱装置を提供することができる。さらに、基板の他方の面における所定の位置に伝達機能層を形成することで、基板の他面側に露出する伝達機能層を形成することができる。よって、容易に製造することが可能である。
図1Aは、従来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線の断面図である。 図2Aは、本発明の第1の実施形態に係る流体取扱装置の平面図であり、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、本発明の第1の実施形態に係る流体取扱装置の基板の平面図であり、図3Bは、図3Aに示されるB−B線の断面図であり、図3Cは、図3Aに示されるC−C線の断面図である。 図4Aは、本発明の第1の実施形態に係る流体取扱装置のフィルムの平面図であり、図4Bは、図4Aに示されるB−B線の断面図であり、図4Cは、図4Aに示されるC−C線の断面図である。 図5Aは、本発明の第1の実施形態に係る流体取扱装置の部分変形例の平面図であり、図5Bは、図5Aに示されるB−B線の断面図である。 図6Aは、本発明の第2の実施形態に係る流体取扱装置の平面図であり、図6Bは、図6Aに示されるB−B線の断面図である。 図7Aは、本発明の第2の実施形態に係る流体取扱装置の基板の平面図であり、図7Bは、図7Aに示されるB−B線の断面図である。 図8Aは、本発明の第2の実施形態に係る流体取扱装置のフィルムの平面図であり、図8Bは、図8Aに示されるB−B線の断面図である。 図9Aは、図6Aに示される流体取扱装置の部分Aを拡大して示す図であり、図9Bは、図9Aに示されるB−B線の断面図であり、図9Cは、図9Bに示される部分Cを拡大して示す図である。 本発明の第2の実施形態に係る流体取扱装置の部分変形例を示す断面図である。 図11Aは、本発明の他の実施形態に係る流体取扱装置の平面図であり、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、電気泳動を行うことができるマイクロ流路チップについて説明する。
(実施の形態1)
[マイクロ流路チップの構成]
図2は、本発明の第1の実施形態に係るマイクロ流路チップ100の構成を示す図である。図2Aは、マイクロ流路チップ100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2A〜図2Cに示されるように、マイクロ流路チップ100は、基板110、フィルム120および導電層130を有する。
図3は、基板110の構成を示す図である。図3Aは、基板110の平面図であり、図3Bは、図3Aに示されるB−B線の断面図であり、図3Cは、図3Aに示されるC−C線の断面図である。
基板110は、例えば透明な矩形の樹脂基板である。基板の厚さは特に限定されないが、例えば1〜10mmである。基板110を構成する樹脂の種類は、特に限定されず、公知の樹脂から用途に応じて適宜選択することができる。基板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。
基板110は、2つの貫通孔111,111と、2つの貫通孔111,111を連通する溝112と、を有する。貫通孔111は、基板110の一方の面(上面)と他方の面(下面)にそれぞれ開口部を有する。貫通孔111の開口形状は、例えば円形である。貫通孔111の直径は、特に限定されないが、例えば6mm程度である。溝112は、基板110の下面に形成された凹条である。溝112は、例えば略矩形の断面形状を有する。溝112の幅および深さは、特に限定されないが、例えば幅が1mm程度であり、深さが0.5mm程度である。
図4は、フィルム120の構成を示す図である。図4Aは、フィルム120の平面図であり、図4Bは、図4Aに示されるB−B線の断面図であり、図4Cは、図4Aに示されるC−C線の断面図である。
フィルム120は、例えば透明な矩形の樹脂フィルムである。フィルム120を構成する樹脂の種類は、特に限定されず、公知の樹脂から用途に応じて適宜選択することができる。フィルム120を構成する樹脂の例は、基板110を構成する樹脂の例と同じである。基板110とフィルム120との密着性を向上させる観点からは、フィルム120を構成する樹脂は、基板110を構成する樹脂と同一であることが好ましい。
フィルム120の平面視したときの外形は、基板110のそれと同じである。フィルム120の厚さは、特に限定されないが、例えば100μm程度である。フィルム120は、孔121,121を有している。孔121は、基板110の平面方向であって溝112の長手方向に対して直交する方向において、貫通孔111の下面側開口部から離れた位置にある。孔121の形状は、特に限定されないが、例えば円形である。孔121の直径は、特に限定されないが、例えば3mm程度である。孔121と貫通孔111との距離は、特に限定されないが、例えば孔121と貫通孔111とを平面視したときの最短距離が1mm程度である。
導電層130は、導電性を有する層である。導電層130は、例えば金属薄膜である。導電層130は、金属粉やグラファイト粉などの導電性フィラーが分散する組成物の層であってもよい。導電層130の厚さは、特に限定されないが、例えば10μm程度である。図2および図3に示されているように、導電層130は、基板110の下面上に形成されている。より詳しくは、導電層130は、フィルム120を基板110の下面に接合したときに、基板110における、孔121によって露出する部分から貫通孔111の壁面の基板110下面側端部(下端部)の部分まで連続するように形成されている。導電層130の一端は、孔121から露出し、導電層130の他端は貫通孔111の壁面の下端部に露出する。導電層130の形状は特に限定されない。導電層130の一端部の形状は、例えば略円形であり、導電層130の他端部の形状は、例えば略矩形である。導電層130の他端部の、貫通孔111に対する露出面積は、特に限定されないが、例えば1mm程度である。
マイクロ流路チップ100は、貫通孔111および溝112が形成された基板110を用意し、基板110の下面に導電層130を形成し、次いで基板110の下面にフィルム120を接合させることによって得られる。貫通孔111および溝112は、公知の方法によって基板110に形成されうる。導電層130は、例えば金属薄膜の接着、金属の蒸着、導電性ペーストの塗布などの公知の方法によって形成されうる。導電層130は、その全体が一度に形成されてもよいし、部分的に逐次形成されてもよい。フィルム120は、基板110の他方の面に、熱圧着などの公知の方法によって接合されうる。
図2に示されるように、貫通孔111は、基板110の下面側開口部がフィルム120で塞がれることにより、流体が収容されるべき有底の凹部(「リザーバ」とも言う)を構成する。溝112は、その開口部がフィルム120で塞がれることにより、リザーバを連通する通路(「流路」とも言う)を構成する。導電層130は、基板110の下面にフィルム120が接合されることによって、基板110とフィルム120との間に配置される。
次に、マイクロ流路チップ100の使用方法の一例として、マイクロ流路チップ100を液体試料の電気泳動に用いる方法を説明する。まず、基板110の上面側から、リザーバに電解液および液体試料を注入し、リザーバおよび流路に電解液および液体試料を充填する。次に、基板110の下面側から、基板110の下面側に露出している導電層130の一端部に外部電極棒を接触させ、導電層130,130間に電圧を印加する。電圧の印加によって、流路内において電気泳動が発生する。流路における所定の位置で蛍光強度を測定すると、電気泳動の結果が即時に得られうる。
[効果]
マイクロ流路チップ100では、基板110の上面側から流体を供給することができ、基板110の下面側から導電層130に電力を供給することができる。このため、導電層130をマイクロ流路チップの外縁部まで延出させる必要がない。よって、基板110の外縁部に導電層を露出させる従来のマイクロ流路チップに比べて、マイクロ流路チップをより小さく構成することができる。また、マイクロ流路チップ100に流体を供給する装置と電力を供給する装置を並べてまたは逐次に配置する必要がないので、これらの装置の干渉を防止するための配置や操作などを必要としない。よって、マイクロ流路チップ100は、より小型化したとしても取り扱い性に優れる。さらに、基板110の下面に導電層130を一体的に形成するだけで、基板110の下面側から外部電源に接続可能な導電層130を形成することができる。よって、基板110上およびフィルム120上の両方に導電層130となる導電性の部分を精密に形成する必要がないことから、マイクロ流路チップ100を容易に製造することができる。また、形成される導電層130は、基板110に裏打ちされていることから、導電層130と外部電極との接触性をより高めることが可能である。
なお、基板110の下面における貫通孔111の開口部に、切り欠き部がさらに形成されていてもよい。たとえば、図5Aおよび図5Bに示されるように、貫通孔111の下面側開口部の縁の一部に、階段状の切り欠き部113が形成されていてもよい。この場合、導電層130は、切り欠き部113による階段状の壁面上に形成される。それにより、導電層130と貫通孔111中の流体との接触面積がより大きくなり、貫通孔111中の流体に電流が部分的に集中することをより緩和することができる。
(実施の形態2)
[マイクロ流路チップの構成]
図6は、本発明の第2の実施形態に係るマイクロ流路チップ200の構成を示す図である。図6Aは、マイクロ流路チップ200の平面図であり、図6Bは、図6Aに示されるB−B線の断面図である。
図6に示されるように、マイクロ流路チップ200は、基板210、フィルム220および導電層230を有する。
図7Aは、基板210の平面図であり、図7Bは、図7Aに示されるB−B線の断面図である。
基板210は、2つの貫通孔211,211と、2つの貫通孔211,211を連通するための溝212と、を有する。基板210の材質および厚さは、例えば基板110と同じである。
貫通孔211は、基板210の上面に開口し、孔の開いた底面を有する凹部213と、凹部213の底を貫通し、凹部213と基板210の下面側とを連通するとともに凹部213と溝212とを連通する上記孔としての第1の連通孔214を含む。第1の連通孔214の内壁面は、基板210の下面側開口部側に形成された傾斜面215を有する。第1の連通孔214の内壁面は、凹部213側の開口部から凹部213の底面に対して垂直に延在する壁面を有する。溝212は、この壁面に開口している。凹部213の基板210の上面の開口形状およびその大きさは、例えば貫通孔111のそれと同じである。
本発明において、「貫通孔」とは、基板の一方の面と他方の面の両方に開口部を有し、基板の一方の面側と他方の面側とを連通する、基板に形成された空間を言う。貫通孔の形状は特に限定されない。貫通孔は、貫通孔111のように単一の孔で構成されてもよいし、貫通孔211のように、凹部や孔などが連結して構成されてもよい。
溝212の断面形状およびその大きさは、例えば溝112のそれと同じである。
凹部213の底における第1の連通孔214の開口形状は、凹部213の底面の外形寸法よりも小径な円の約6分の5の円周である円弧と、この円弧の両端を結ぶ直線(弦)とで囲んだ弓形である。基板210の下面における第1の連通孔214の開口形状は、平面視したときに、第1の連通孔214の開口形状における上記弦に矩形が接合した形状である。傾斜面215は、第1の連通孔214の下面側開口部における上記矩形の長辺から第1の連通孔214の凹部213の底側の弓形開口形状における上記弦側の第1の連通孔214の壁面に向かって傾斜するように形成されている。
図8Aは、フィルム220の平面図であり、図8Bは、図8Aに示されるB−B線の断面図である。
フィルム220は、2つの孔221を有する。孔221は、基板210の平面方向において、溝212の長手方向における基板210の端部側に配置されている。孔221の配置を除き、フィルム220は、フィルム120と同様に構成されうる。
導電層230は、例えば導電性ペーストの塗膜を乾燥、硬化してなる層である。導電層230は、フィルム220が基板210の下面に接合したときに、基板210における、孔221によって露出する部分から傾斜面215の部分まで連続するように形成されている(図6、図7および図9参照)。孔221によって露出する導電層230の一端部は、例えば略円形に形成されており、傾斜面215上にある導電層230の他端部は、例えば孔221側から第1の連通孔214の凹部213底面側の弓形開口形状における弦側に向けて拡大する略弓形に形成されている。弓形とは、円弧と、その両端を結ぶ弦(直線)とで囲んだ形状である。導電層230の傾斜面215における露出面積は、特に限定されないが、例えば3mm程度である。
マイクロ流路チップ200は、マイクロ流路チップ100と同様に、基板210を用意し、基板210の下面に導電層230を形成し、次いで基板210の下面にフィルム220を接合することによって得られる。凹部213、第1の連通孔214および溝212は、公知の方法によって基板210に形成されうる。導電層230は、例えば、導電性ペーストの塗布に用いられるスクリーン印刷などの公知の方法によって形成されうる。フィルム220は、基板210の下面に、熱圧着などの公知の方法によって接合されうる。
図9Aは、図6Aに示される部分Aを拡大して示す図であり、図9Bは、図9Aに示されるB−B線の断面図であり、図9Cは、図9Bに示される部分Cを拡大して示す図である。
図6および図9に示されるように、基板210の下面側開口部がフィルム220で塞がれることにより、凹部213と第1の連通孔214とからなる、流体を収容する有底の凹部が形成される。この場合、凹部213は、マイクロ流路チップ200の使用に供される流体を収容するリザーバであり、第1の連通孔214は、リザーバ内の流体に電力を伝達するために流体を収容する領域である。溝212は、その開口部がフィルム220で塞がれることにより、リザーバを連通する流路を構成する。傾斜面215は、基板210とフィルム220との接合により、基板210の平面方向において第1の連通孔214の孔221側外縁から凹部213の底面側開口部の弓形開口形状の弦に向かうにしたがって、基板210の厚み方向において傾斜面215とフィルム220との間隔が漸増するように形成された、基板210の下面から第1の連通孔214の壁面にかけて傾斜する面となっている。導電層230は、基板210の下面にフィルム220が接合されることによって、基板210とフィルム220との間に配置される。導電層230の一端部は、孔221によって、基板210の下面側に露出する。マイクロ流路チップ200は、マイクロ流路チップ100と同様に電気泳動に使用されうる。
[効果]
マイクロ流路チップ200は、マイクロ流路チップ100が奏する効果に加えて、以下の効果を奏する。マイクロ流路チップ200は、基板210の下面から連なる傾斜面215を有し、導電層230が傾斜面215の略全面に形成される。このため、導電層230が流体収容部中の流体と接触する面積がより大きくなり、当該流体への電流の集中をより緩和することができる。また、傾斜面215を含め、基板210における導電層230が形成されるべき部分は、全て基板210の下面側に面している。このため、基板210の下面側から導電層230を形成しうる、スクリーン印刷などの方法によって、一又は二以上の導電層230を一度に形成することができる。したがって、マイクロ流路チップ200は、生産性の観点でより優れている。
なお、平面視したときの第1の連通孔214の位置は、凹部213と重なる位置に限定されない。たとえば、図10の符号314で示されるように、第1の連通孔は、平面視したときに凹部213の側壁に接する位置にあってもよい。この場合、基板210の厚み方向において第1の連通孔314の側壁と凹部213の側壁とが重なり合う部分(図10中のX部)に、凹部213と第1の連通孔314を連通する開口部が形成される。また、第1の連通孔314とは別に、凹部213と溝212とを連通させる第2の連通孔316を別に設けてもよい。このような構造であっても、前述したマイクロ流路チップ200による効果が得られる。また、第1の連通孔214、314は、前述した実施形態で示す形状に限定されない。たとえば、第1の連通孔214、314は、凹部213および基板210の下面に開口するように形成され、かつ、基板210の下面側の開口縁のうち、少なくともフィルム220の孔221に近い側の縁が、面取りしたように形成されていてもよい。このような面取り形状部分からフィルム220の孔221から露出する位置まで導電層230が形成されることで、前述した実施の形態と同様の効果が得られる。
(変形例)
電気泳動に用いられるマイクロ流路チップを例に、本発明の実施の形態を説明したが、本発明に係る流体取扱装置は、電気泳動用のマイクロ流路チップに限定されない。たとえば、図11に示されるように、導電層130に代えて伝熱層330を用いることにより、流体の温度を調整するためのマイクロ流路チップ300であってもよい。伝熱層330は、伝熱性を有する公知の材料を用いて、導電層130と同様に構成されうる。伝熱層330の熱源は、基板110の下面側から伝熱層330に接触し、伝熱層330に温熱または冷熱を供給する。マイクロ流路チップ300では、リザーバにおける液体試料の濁度などの光学特性を測定することにより、流体の熱処理の結果が即時に得られうる。
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流路チップとして有用である。
10,100,200,300 マイクロ流路チップ
14,112,212 溝
18,110,210 基板
20,120,220 フィルム
26,111,211 貫通孔
28 電極
113 切り欠き部
121,221 孔
130,230 導電層
211 第1の凹部
213 凹部
214,314 第1の連通孔
215 傾斜面
316 第2の連通孔
330 伝熱層

Claims (2)

  1. 一方の面および他方の面を有する基板であって、前記一方の面および前記他方の面にそれぞれ開口部を有する貫通孔が形成されている基板と、
    前記基板の他方の面に接合され、前記基板の他方の面における前記貫通孔の開口部を塞ぎ、かつ前記基板の平面方向において、前記貫通孔の開口部から離れた位置に孔を有するフィルムと、
    前記基板における、前記孔によって露出する部分から連続するように前記基板に形成された、電気または熱を伝達する伝達機能層と、を有し、
    前記基板は、前記基板の平面方向において前記孔から前記貫通孔に向けて離れるにしたがって、前記基板の厚み方向において前記フィルムからの距離が漸増するように形成された、前記基板の他方の面から前記貫通孔の壁面にかけて傾斜する傾斜面を含み、
    前記伝達機能層は、前記孔によって露出する部分から前記傾斜面の部分まで連続するようにスクリーン印刷により形成されている
    液体取扱装置。
  2. 一方の面および他方の面にそれぞれ開口部を有する貫通孔と、前記他方の面から前記貫通孔の壁面にかけて傾斜する傾斜面とを有する基板における前記他方の面に伝達機能層をスクリーン印刷によって形成し、次いで前記他方の面にフィルムを接合する、流体取扱装置の製造方法であって、
    前記フィルムは、前記基板の他方の面における前記貫通孔の開口部を塞いだときに前記基板の平面方向において前記貫通孔の開口部から離れた位置に孔を有し、
    前記伝達機能層は、前記基板における、前記孔によって露出する部分から前記傾斜面の部分まで連続している、電気または熱を伝達する層である、
    流体取扱装置の製造方法。
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