JP6120440B2 - Microchamber and liquid mixing method - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロチャンバー及び液体の混合方法に関する。   The present invention relates to a microchamber and a liquid mixing method.

μ-TASやLab-on-a-chipと称される一枚の基板上(マイクロチップ)で、2種類以上のサンプルと液体試料を混合させ、簡便・迅速に検知を行う様々な方法が開示されているが、実用化例は少ない。使い捨て用のマイクロチップの場合、機能が低く、反応や混合の制御は外部装置に依る場合が多いが、一方で、繰り返し使用するマイクロチップの場合、高機能であるがマイクロチップ自体が高価、大型、複雑になる問題がある。   Disclosed are various methods that allow simple and quick detection by mixing two or more samples and a liquid sample on a single substrate (microchip) called μ-TAS or Lab-on-a-chip. However, there are few practical examples. In the case of a disposable microchip, the function is low, and control of reaction and mixing often depends on an external device. On the other hand, in the case of a microchip that is used repeatedly, the microchip itself is expensive but large in size. There is a complicated problem.

そこで、複雑な操作や制御を要せずに、マイクロチップ上で2種類以上の液体を簡易に混合できる手法が望まれている。従来技術として、気体導出用流路を混合チャンバーと平行に備えて、流体を内部の流体と加速・接触させる事により簡易に混合する方法(特許文献1)、混合槽の底部の中央からずれた位置に、2種類の液体が流動する微細流路を接続することで効率良く混合させる方法(特許文献2)、深溝な流路構造を設けて流体同士の接触界面を層流下で大きく確保する事で、容易で速やかに混合できる方法(特許文献3)が公開されている。   Therefore, there is a demand for a technique that can easily mix two or more kinds of liquids on a microchip without requiring complicated operations and controls. As a prior art, a method for easily mixing by providing a gas outlet channel parallel to the mixing chamber and accelerating / contacting the fluid with the fluid inside (Patent Document 1), shifted from the center of the bottom of the mixing tank A method of efficiently mixing by connecting a fine flow path in which two kinds of liquids flow at a position (Patent Document 2), and providing a deep flow path structure to ensure a large contact interface between fluids under laminar flow Thus, a method (Patent Document 3) that allows easy and rapid mixing is disclosed.

特許文献1では、混合チャンバー内の流体1に向けて流体2を加速・接触させる方法を公開しており、特別な装置を用いず単純な方法で混合が可能であるが、気体導出部から混合チャンバー内へ加圧する必要があり、また、混合後の流体はチャンバー内に留まるため、混合後に複数の反応や処理を連続して行う事ができない。特許文献2においても、簡易な構成で2種類以上の液体の混合を効率良く行う方法を公開しているが、混合液を次の操作で扱う方法は説明されておらず、連続処理が必要なマイクロチップには馴染まない。また、液がチャンバー内に保持されているときに、マイクロチップを上下や左右に動かすと、チャンバー内に保持されている液体は漏出するリスクが高い。特許文献3では、複数の流体を接触界面が大きくなるように層流を形成できる合流流路デバイスを公開しており、各流体の量的制御の容易性を達成しているが、其々の流体を流し続ける或いは2種類の同量の液体を適切に接触させる必要があり、混合時の操作方法は複雑になる。   Patent Document 1 discloses a method of accelerating / contacting the fluid 2 toward the fluid 1 in the mixing chamber, and mixing is possible by a simple method without using a special device. It is necessary to pressurize the chamber, and the mixed fluid stays in the chamber. Therefore, a plurality of reactions and treatments cannot be performed continuously after mixing. Patent Document 2 also discloses a method for efficiently mixing two or more types of liquids with a simple configuration. However, a method for handling a mixed liquid in the next operation is not described, and continuous processing is necessary. Not familiar with microchips. Further, if the microchip is moved up and down or left and right while the liquid is held in the chamber, the liquid held in the chamber has a high risk of leakage. Patent Document 3 discloses a confluence channel device that can form a laminar flow so that a contact interface of a plurality of fluids becomes large, and achieves ease of quantitative control of each fluid. It is necessary to keep the fluid flowing or to make two kinds of the same amount of liquid properly contact with each other, and the operation method at the time of mixing becomes complicated.

このように、マイクロチップ上で簡易に混合する方法が公開されているが、何れも混合前の液体の保持、扱いやすさ、必要な液量、混合液を次の操作で扱う自由度において制限があり、実用化に向けて課題がある。   As described above, methods for easy mixing on a microchip have been disclosed, but all have limitations on the retention of liquid before mixing, ease of handling, the required amount of liquid, and the degree of freedom to handle the mixed liquid in the next operation. There is a problem for practical application.

特開2010-188305JP2010-188305 特開2011-67741JP2011-67741 特開2013-40776JP2013-40776

本発明は、混合前の液体の保持、扱いやすさ、必要な液量、混合液を次の操作で扱う自由度において制限のない実用的な液体の混合技術を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a practical liquid mixing technique that is not limited in terms of retention of liquid before mixing, ease of handling, required amount of liquid, and freedom of handling the mixed liquid in the following operations.

上記課題に鑑みて、本発明者は、マイクロ空間中での液体試料の界面張力と流力(慣性力)を効果的に活用して、液体を簡易な構造のマイクロチャンバーに保持する事により、2種類以上の液体を簡便で効率良く混合できることを見出した。
本発明は、以下のマイクロチャンバー及び液体の混合方法を提供する。
項1. 液体流入口5及び液体流出口6と接続したマイクロチャンバーであって、前記マイクロチャンバーは液体保持部、中空筒状の流体混合部を備え、液体保持部の底面2及び流体混合部の底面3の両方に交わる位置に複数のピラー1を配置する、マイクロチャンバー。
項2. ピラーの中心軸は液体保持部の底面2の略外周上にある項1に記載のマイクロチャンバー。
項3. ピラーが2、3又は4個配置されている、項1又は2に記載のマイクロチャンバー。
項4. ピラーが3個配置されている、項3に記載のマイクロチャンバー。
項5. ピラーの1つが液体流入口5と対向する位置に配置されている、項1〜4のいずれかに記載のマイクロチャンバー。
項6. 隣接するマイクロチャンバーの液体流入口5と液体流出口6とを接続することで、複数のマイクロチャンバーを連結させてなる、項1〜5のいずれかに記載のマイクロチャンバー。
項7. 前記ピラーは円筒状である、項1〜6のいずれかに記載のマイクロチャンバー。
項8. 前記液体混合部はドーナツ状である、項1〜7のいずれかに記載のマイクロチャンバー。
項9. 前記液体保持部は円筒状であり、かつ、液体保持部は液体混合部よりも低い位置にある、項1〜8のいずれかに記載のマイクロチャンバー。
項10. 項1〜9のいずれかに記載のマイクロチャンバーを用いた液体の混合方法であって、液体保持部に第1の液体を導入する工程、液体流入口5から第2の液体をマイクロチャンバー内に流入し、液体流出口6から第1の液体と第2の液体の混合液体を流出させる工程を含むことを特徴とする液体の混合方法。
In view of the above problems, the present inventor effectively utilizes the interfacial tension and flow force (inertial force) of a liquid sample in a micro space, and holds the liquid in a micro chamber with a simple structure, It has been found that two or more kinds of liquids can be easily and efficiently mixed.
The present invention provides the following microchamber and liquid mixing method.
Item 1. A microchamber connected to the liquid inlet 5 and the liquid outlet 6, the microchamber comprising a liquid holding portion and a hollow cylindrical fluid mixing portion; and a bottom surface 2 of the liquid holding portion and a bottom surface 3 of the fluid mixing portion A microchamber in which a plurality of pillars 1 are arranged at positions where both intersect.
Item 2. Item 2. The microchamber according to Item 1, wherein the pillar has a central axis substantially on the outer periphery of the bottom surface 2 of the liquid holding portion.
Item 3. Item 3. The microchamber according to Item 1 or 2, wherein 2, 3 or 4 pillars are arranged.
Item 4. Item 4. The microchamber according to Item 3, wherein three pillars are arranged.
Item 5. Item 5. The microchamber according to any one of Items 1 to 4, wherein one of the pillars is disposed at a position facing the liquid inlet 5.
Item 6. Item 6. The microchamber according to any one of Items 1 to 5, wherein a plurality of microchambers are connected by connecting the liquid inlet 5 and the liquid outlet 6 of adjacent microchambers.
Item 7. Item 7. The microchamber according to any one of Items 1 to 6, wherein the pillar is cylindrical.
Item 8. Item 8. The microchamber according to any one of Items 1 to 7, wherein the liquid mixing part has a donut shape.
Item 9. Item 9. The microchamber according to any one of Items 1 to 8, wherein the liquid holding unit is cylindrical, and the liquid holding unit is at a lower position than the liquid mixing unit.
Item 10. Item 10. A liquid mixing method using the microchamber according to any one of Items 1 to 9, wherein the step of introducing the first liquid into the liquid holding unit, and the second liquid from the liquid inlet 5 into the microchamber. A liquid mixing method comprising a step of flowing in and flowing out a mixed liquid of the first liquid and the second liquid from the liquid outlet 6.

本発明によれば、マイクロチャンバー内での2種類以上の液体の混合のための外部装置と煩雑な操作を必要とせず、液体保持部に保持される液体自身の界面張力と、マイクロチャンバー内に流動してくる液体の界面張力と流力(慣性力)を活用する事で、2種類以上の液体を自動的に混合する事が可能である。   According to the present invention, an external device for mixing two or more types of liquids in the microchamber and a complicated operation are not required, and the interfacial tension of the liquid itself held in the liquid holding unit, By utilizing the interfacial tension and flow force (inertial force) of the flowing liquid, it is possible to automatically mix two or more types of liquid.

ピラーの配置と窪みをマイクロチャンバー内で効果的に配置する事で、保持されている液体はマイクロチャンバー内に安定して強く留まり、混合後はマイクロチャンバーに留まらず自動的にマイクロ流路へ流動していくので、連続した処理が容易に可能である。   By arranging the pillars and depressions effectively in the microchamber, the retained liquid stays in the microchamber stably and strongly, and after mixing, it automatically flows to the microchannel instead of staying in the microchamber. Therefore, continuous processing is easily possible.

さらに、本発明のマイクロチャンバーは複数個を連結させる事が可能であり、2種類以上の液体を簡便に混合することが出来る。   Furthermore, a plurality of the microchambers of the present invention can be connected, and two or more kinds of liquids can be easily mixed.

マイクロチャンバーの構造を説明するための立体図である。a: マイクロチャンバーの各部位の特徴を説明するための立体図である。b: マイクロチャンバーの各部位の長さを説明するための立体図である。It is a three-dimensional view for explaining the structure of the microchamber. a: Three-dimensional view for explaining the characteristics of each part of the microchamber. b: A three-dimensional view for explaining the length of each part of the microchamber. マイクロチャンバーの平面図と各面をレイヤー毎に分けて示す図である。a:マイクロチャンバーの平面図である。b:マイクロチャンバーの上面をレイヤーとして示す図であり、ピラー1と液体保持部の底面2との交わる部分の構造を示した図である。rはピラー1の半径を指す。c:マイクロチャンバーの流体混合部の底面3の平面図をレイヤーとして示す図である。d:マイクロチャンバーの液体保持部の底面2の平面図をレイヤーとして示す図である。e: マイクロチャンバーの2の面とピラー1の配置を説明する図である。It is a figure which divides and shows the top view and each surface of a micro chamber for every layer. a: Plan view of the microchamber. b: is a view showing the upper surface of the microchamber as a layer, and is a view showing a structure of a portion where the pillar 1 and the bottom surface 2 of the liquid holding portion intersect. r indicates the radius of the pillar 1. c: It is a figure which shows the top view of the bottom face 3 of the fluid mixing part of a microchamber as a layer. d: It is a figure which shows the top view of the bottom face 2 of the liquid holding part of a microchamber as a layer. e: It is a figure explaining the arrangement | positioning of 2 surfaces and the pillar 1 of a micro chamber. マイクロチャンバーに液が保持されているときの状態を示す図である。aは立体図、bは平面図である。It is a figure which shows a state when the liquid is hold | maintained at the micro chamber. a is a three-dimensional view and b is a plan view. マイクロチャンバーに保持されている液の保持力の程度を、遠心力によって流動を誘発させた時の結果の比較を示す図である。a:マイクロチャンバーに液が保持された基板を、円板型の基板の上に設置して回転させた時に、チャンバーに保持されている液体が遠心力が作用する方向へ流動するか否かを調査した時の方法を説明する図である。b:8が0.5mmでピラー1の半径が0.8mmの時に、ピラーの数に対して回転数を変えたときに液が流動したか否かを示す図である。c:8が0.5mmでピラー1の半径が0.4mmの時に、ピラーの数に対して回転数を変えたときに液が流動したか否かを示す図である。d:8が0mmでピラー1の半径が0.8mmの時に、ピラーの数に対して回転数を変えたときに液が流動したか否かを示す図である。e:8が0mmでピラー1の半径が0.4mmの時に、ピラーの数に対して回転数を変えたときに液が流動したか否かを示す図である。f:マイクロチャンバーに保持された液が流動しなかったとき、一部流動したとき、殆ど流動したとの写真を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the result when the degree of the retention strength of the liquid currently hold | maintained at the micro chamber is induced by the centrifugal force. a: Whether or not the liquid held in the chamber flows in the direction in which the centrifugal force acts when the substrate holding the liquid in the microchamber is placed on a disk-shaped substrate and rotated. It is a figure explaining the method when investigating. b: When 8 is 0.5 mm and the radius of the pillar 1 is 0.8 mm, it is a diagram showing whether or not the liquid flows when the number of rotations is changed with respect to the number of pillars. c: When 8 is 0.5 mm and the radius of the pillar 1 is 0.4 mm, it is a diagram showing whether or not the liquid flows when the number of rotations is changed with respect to the number of pillars. d: When 8 is 0 mm and the radius of the pillar 1 is 0.8 mm, it is a diagram showing whether or not the liquid flows when the number of rotations is changed with respect to the number of pillars. e: When 8 is 0 mm and the radius of the pillar 1 is 0.4 mm, it is a diagram showing whether or not the liquid flows when the number of rotations is changed with respect to the number of pillars. f: It is a figure which shows the photograph of having almost flowed, when the liquid hold | maintained in the micro chamber did not flow, but it flowed partially. マイクロチャンバーの液体保持部に保持された液体と、液体流入口5から流動してきた液体が、混合してマイクロチャンバーの液体流出口6へ流動していく工程を示した図である。It is the figure which showed the process in which the liquid hold | maintained at the liquid holding | maintenance part of the microchamber and the liquid which flowed from the liquid inflow port 5 mixed and flowed to the liquid outflow port 6 of a microchamber. マイクロチャンバーに蛍光液を保持して、図5に示す工程により混合操作を行い得られた混合液の蛍光強度を、ピラー1の数を変えた時と、半径が0.8mmと0.4mmの時の結果を示した図である。また、マイクロチャンバーの写真も示している。The fluorescence intensity of the mixed liquid obtained by holding the fluorescent liquid in the microchamber and performing the mixing operation according to the process shown in FIG. 5 is different when the number of pillars 1 is changed and when the radius is 0.8 mm and 0.4 mm. It is the figure which showed the result. A photo of the microchamber is also shown. マイクロチャンバーに蛍光液を保持して、図5に示す工程により混合操作を行い得られた混合液の蛍光強度を、底面2の直径11の長さが4mmのときの流体混合部の幅13の長さを変えて得られた結果を示す図である。The fluorescence intensity of the mixed liquid obtained by holding the fluorescent liquid in the microchamber and performing the mixing operation according to the process shown in FIG. 5 is the width 13 of the fluid mixing portion when the length 11 of the diameter 11 of the bottom surface 2 is 4 mm. It is a figure which shows the result obtained by changing length. 液体流入口5に対してピラー1の配置が異なったときに得られる、混合後の蛍光強度の比較を示す図である。a:液体流入口5に対してピラー1の配置を示す平面図である。b:液体保持部に蛍光液を保持して、図5に示す工程により混合操作を行い得られた混合液の蛍光強度を示した図である。It is a figure which shows the comparison of the fluorescence intensity after mixing obtained when arrangement | positioning of the pillar 1 differs with respect to the liquid inflow port 5. FIG. a: a plan view showing the arrangement of the pillars 1 with respect to the liquid inlet 5; b: It is the figure which showed the fluorescence intensity of the liquid mixture obtained by hold | maintaining fluorescent liquid in a liquid holding part, and performing mixing operation by the process shown in FIG. 液体保持部に蛍光液を保持した3つのマイクロチャンバーを直列に配置して、図5に示す工程をマイクロチャンバー毎に繰り返した時の、混合後の蛍光強度の比較を示す図である。a:液体保持部に蛍光液を保持した3つのマイクロチャンバーを直列に配置したときの様子を示す立体図である。b:図5に示す工程を配置されたマイクロチャンバーの回数分繰り返した時の、混合後の蛍光強度の比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the fluorescence intensity after mixing when three micro chambers which hold | maintained the fluorescent solution in the liquid holding part are arrange | positioned in series, and the process shown in FIG. 5 is repeated for every micro chamber. a: A three-dimensional view showing a state where three microchambers holding a fluorescent solution in a liquid holding unit are arranged in series. b: It is a figure which shows the comparison of the fluorescence intensity after mixing when the process shown in FIG. 5 is repeated by the frequency | count of the micro chamber arrange | positioned.

1.ピラー
2.液体保持部の底面
3.流体混合部の底面
4.基板
5.液体流入口
6.液体流出口
7.ピラーの高さ
8.液体保持部の高さ
9.流体混合部及び筒状の空間の高さ
10.ピラーの直径
11.液体保持部の底面の直径
12.流体混合部の外径
13.流体混合部の幅(3の外径から2の半径を減じた長さ)
14.液体保持部に保持されている液体
15.液体流出口から流出する空気の方向
16.液体流入口に流入する空気の方向
17.液体保持部に第1の液体が充填されている場合のマイクロチャンバー内を流動する空気の方向
18.第2の液体が最初に流入するマイクロチャンバー
19.18のマイクロチャンバーに接続されたマイクロチャンバー
20.19のマイクロチャンバーに接続されたマイクロチャンバー
1. Pillar 2. 2. Bottom surface of liquid holding unit 3. bottom surface of fluid mixing section Substrate 5. Liquid inlet 6. 6. Liquid outlet Pillar height8. 8. Liquid holding part height 9. Height of fluid mixing part and cylindrical space Pillar diameter11. 11. Diameter of bottom surface of liquid holding unit 12. outer diameter of fluid mixing section Width of fluid mixing part (length obtained by subtracting radius 2 from outer diameter 3)
14 14. Liquid held in the liquid holding part Direction of air flowing out from liquid outlet 16. Direction of air entering the liquid inlet 17. 17. Direction of air flowing in the micro chamber when the liquid holding portion is filled with the first liquid Microchamber connected to the microchamber of the microchamber 20.19 connected to the microchamber of the microchamber 19.18 into which the second liquid first flows

本発明では、液体試料の界面張力と流力(慣性力)を効果的に活用して、第1の液体を簡易な構造で保持する事により、2種類以上の液体を簡便で効率良く混合できるマイクロチャンバー及び液体の混合方法を提供する。   In the present invention, it is possible to easily and efficiently mix two or more kinds of liquids by effectively utilizing the interfacial tension and flow force (inertial force) of the liquid sample and holding the first liquid with a simple structure. A microchamber and a method for mixing liquids are provided.

本発明のマイクロチャンバーを用いれば、低い位置にある液体保持部に第1の液体を導入し、その後で液体流入口5から第2の液体を流すことで、2つの液体が混合されて液体流出口6から流出する。   If the microchamber of the present invention is used, the first liquid is introduced into the liquid holding portion located at the lower position, and then the second liquid is allowed to flow from the liquid inlet 5, whereby the two liquids are mixed and the liquid flow It flows out from the outlet 6.

液体保持部は、底面2が第1の液体と強い界面張力を有し、第1の液体を保持できる場合には、底面2と底面3は同じ高さでもよい。この場合、液体保持部は底面2から構成される。1つの好ましい実施形態では、液体保持部の底面2は液体混合物の底面3よりも低い位置にあり、この場合、液体保持部は筒状の形状を有し、液体保持部の上に筒状の空間が形成され、その周囲に中空筒状の液体混合部が形成される。液体保持部、液体保持部上の空間(中空筒状の液体混合部の内部の空間)を構成する筒状の形状としては、例えば円柱、楕円柱、三角柱、四角柱、五角柱、六角柱、八角柱などの任意の筒状の形状でよく、角柱状の場合、角の部分は丸くなり、液体が残留しないようになっていることが好ましい。液体混合部は中空部分(内周部分)及び外周部分はいずれも筒状である。液体混合部の外側(基板4側)の筒状の形状と内側の中空の筒状の形状は同一であっても異なっていてもよい。液体混合物の好ましい形状はドーナツ状の形状である。   When the bottom surface 2 has a strong interfacial tension with the first liquid and can hold the first liquid, the bottom surface 2 and the bottom surface 3 may have the same height. In this case, the liquid holding part is composed of the bottom surface 2. In one preferred embodiment, the bottom surface 2 of the liquid holding part is at a lower position than the bottom surface 3 of the liquid mixture, in which case the liquid holding part has a cylindrical shape and is cylindrical on the liquid holding part. A space is formed, and a hollow cylindrical liquid mixing portion is formed around the space. Examples of the cylindrical shape constituting the liquid holding unit and the space above the liquid holding unit (the space inside the hollow cylindrical liquid mixing unit) include, for example, a cylinder, an elliptical column, a triangular column, a quadrangular column, a pentagonal column, a hexagonal column, An arbitrary cylindrical shape such as an octagonal prism may be used. In the case of a prismatic shape, the corner portion is preferably rounded so that no liquid remains. The liquid mixing part has a hollow part (inner peripheral part) and an outer peripheral part both cylindrical. The cylindrical shape on the outer side (substrate 4 side) of the liquid mixing part and the hollow cylindrical shape on the inner side may be the same or different. The preferred shape of the liquid mixture is a donut shape.

液体保持部の第1の液体は、液体流入口5から供給される第2の液体と混合されて液体流出口6から流出する。   The first liquid in the liquid holding unit is mixed with the second liquid supplied from the liquid inlet 5 and flows out from the liquid outlet 6.

マイクロチャンバー内には複数のピラー1が配置され、第2の液体はこのピラーにより流れが乱され、効率的に第1の液体と混合される。ピラーの形状は上記と同様な筒状(角筒状、円筒状、楕円筒状など)が好ましく、円筒状が最も好ましい。   A plurality of pillars 1 are arranged in the microchamber, and the flow of the second liquid is disturbed by the pillars, and is efficiently mixed with the first liquid. The shape of the pillar is preferably a cylindrical shape (such as a rectangular tube shape, a cylindrical shape, or an elliptical cylinder shape) similar to the above, and a cylindrical shape is the most preferable.

マイクロチャンバーの上は、シーリングテープなどのシール材によりシールして、液体の蒸発や液体のマイクロチャンバー外への飛散を防止するのが好ましい。シール材の内面が第2の液体と接触する場合、第2の液体とシール材の界面張力を考慮して第2の液体の供給速度、液量を適切に調節する。第2の液体の供給速度、液量は、液体保持部の形状、液体保持部の内面と第2の液体の界面張力、液体混合部の底面3及び基板4側の側面と第2の液体の界面張力、液体混合部の形状、ピラーの本数と形状などにより影響を受けるため、マイクロチャンバー、第1の液体、第2の液体の組み合わせに応じて適切な値を決めることができる。このような値は、図面に示される実施形態を参考にして当業者であれば容易に決定できる。第1/第2の液体とマイクロチャンバー(液体混合部、液体保持部)、シール材との間の界面張力は、マイクロチャンバーとシール材の親水性/疎水性の程度により決められる。第1と第2の液体は、通常は水/水溶液であるが、水と混和する有機溶媒(エタノールなどの低級アルコール、DMSO、DMF、アセトン、THF、アセトニトリル、ジオキサン、N-メチルピロリドンなど)を含む含水溶液であってもよい。有機溶媒の種類と含量によっても界面張力は変化する。   The top of the microchamber is preferably sealed with a sealing material such as a sealing tape to prevent liquid evaporation and liquid scattering outside the microchamber. When the inner surface of the sealing material is in contact with the second liquid, the supply speed and amount of the second liquid are appropriately adjusted in consideration of the interfacial tension between the second liquid and the sealing material. The supply speed and amount of the second liquid are the shape of the liquid holding unit, the interfacial tension between the inner surface of the liquid holding unit and the second liquid, the bottom surface 3 of the liquid mixing unit and the side surface of the substrate 4 and the second liquid. Since it is influenced by the interfacial tension, the shape of the liquid mixing portion, the number and shape of pillars, etc., an appropriate value can be determined according to the combination of the microchamber, the first liquid, and the second liquid. Such values can be easily determined by those skilled in the art with reference to the embodiments shown in the drawings. The interfacial tension between the first / second liquid, the microchamber (liquid mixing part, liquid holding part), and the sealing material is determined by the degree of hydrophilicity / hydrophobicity of the microchamber and the sealing material. The first and second liquids are usually water / water solutions, but an organic solvent miscible with water (such as ethanol, lower alcohols, DMSO, DMF, acetone, THF, acetonitrile, dioxane, N-methylpyrrolidone, etc.) It may be an aqueous solution containing. The interfacial tension varies depending on the type and content of the organic solvent.

本発明のマイクロチャンバーの好ましい実施形態が図1に示されている。液体保持部の底面2とドーナツ状の流体混合部の底面3の中心及び液体保持部上の筒状の空間の中心は同軸状にあり、底面2は下方に位置する。液体保持部の上面(形状は底面2と同じ)と底面3を合わせると1つの面を形成する。図1では、液体保持部が円筒形、液体混合部はドーナツ状の形状のものが示されているが、これらは筒状の形状であれば任意の他の形状であってもよい。また、底面2は、底面3よりも下方にあるのが好ましいが、底面2と第1の液体の界面張力が十分強ければ、底面2と底面3が同じ高さでもよく、底面2が底面3よりも高い位置にあってもよい。   A preferred embodiment of the microchamber of the present invention is shown in FIG. The center of the bottom surface 2 of the liquid holding unit and the bottom surface 3 of the doughnut-shaped fluid mixing unit and the center of the cylindrical space on the liquid holding unit are coaxial, and the bottom surface 2 is positioned below. When the upper surface (the shape is the same as that of the bottom surface 2) and the bottom surface 3 of the liquid holding part are combined, one surface is formed. In FIG. 1, the liquid holding part has a cylindrical shape and the liquid mixing part has a donut shape, but any other shape may be used as long as it has a cylindrical shape. The bottom surface 2 is preferably located below the bottom surface 3. However, if the interface tension between the bottom surface 2 and the first liquid is sufficiently strong, the bottom surface 2 and the bottom surface 3 may be the same height, and the bottom surface 2 is the bottom surface 3. It may be in a higher position.

3個のピラーは図2に示すように中心が底面2の外周付近にあり、3つのピラーの中心は正三角形の頂点の位置関係にある。また、1つのピラーは液体流入口5に対向する位置にあると、流入口5から流入した第2の液体の流れがピラーにより乱され、それにより流体混合部内の第1の液体とより十分に混合されることになるので好ましい。   As shown in FIG. 2, the centers of the three pillars are in the vicinity of the outer periphery of the bottom surface 2, and the centers of the three pillars are in the positional relationship of the vertices of an equilateral triangle. Also, if one pillar is at a position facing the liquid inlet 5, the flow of the second liquid flowing in from the inlet 5 is disturbed by the pillar, and thereby the first liquid in the fluid mixing section is more fully affected. Since it will be mixed, it is preferable.

ピラー1の形状は筒状であればよく、好ましくは円筒状である。   The pillar 1 may have a cylindrical shape, preferably a cylindrical shape.

なお、底面2は円形、底面3はドーナツ状と記載したが、これはピラーがない状態での形状であり、実際にはピラーが存在するので、ピラーが存在する場合の形状は図2d、図2cに記載される形状になる。図2aはマイクロチャンバーの平面図であり、図2bは底面2とピラーの位置関係をわかりやすく示した図である。複数のピラーの中心軸は液体保持部の底面2の略外周上の対称な位置に配置されるのがよく、2つのピラーは直線状、3つのピラーは正三角形の各頂点、4つのピラーは正方形の各頂点、5つのピラーは正5角形の各頂点に配置するのがよい。ピラーの高さ7は、液体保持部の高さ8よりも高く、好ましくは(ピラーの高さ7)=(液体保持部の高さ8+流体混合部の高さ9)である。   Although the bottom surface 2 is described as a circle and the bottom surface 3 is described as a donut shape, this is a shape without a pillar, and since there is actually a pillar, the shape when a pillar is present is shown in FIGS. It becomes the shape described in 2c. FIG. 2a is a plan view of the microchamber, and FIG. 2b is a diagram showing the positional relationship between the bottom surface 2 and the pillars in an easy-to-understand manner. The central axes of the plurality of pillars are preferably arranged at symmetrical positions on the substantially outer periphery of the bottom surface 2 of the liquid holding part. Two pillars are linear, three pillars are vertices of equilateral triangles, and four pillars are Each vertex of the square and the five pillars are preferably arranged at each vertex of the regular pentagon. The height 7 of the pillar is higher than the height 8 of the liquid holding part, and preferably (the height 7 of the pillar) = (the height 8 of the liquid holding part + the height 9 of the fluid mixing part).

ピラーの数が多いほど界面張力が強く作用して液体が流動しにくくなる。図6から、ピラーの数が4以上になると混合後(図5-V)に、メニスカスで液がチャンバー内に残留し易くなるため、回収率が低下し、混合チャンバーとしての性能が低下する。ピラーが3個のときは回収率が比較的良好なため、ピラーの数は3が望ましい。   The greater the number of pillars, the stronger the interfacial tension acts, making it difficult for the liquid to flow. From FIG. 6, when the number of pillars is 4 or more, the liquid tends to remain in the chamber after mixing (FIG. 5-V), so that the recovery rate is lowered and the performance as a mixing chamber is lowered. When the number of pillars is 3, the recovery rate is relatively good, so the number of pillars is preferably 3.

図3は、マイクロチャンバーの液体保持部に第1の液体を充填した状態を示す。図3の矢印15、17は空気の流れる方向を示す。   FIG. 3 shows a state in which the liquid holding part of the microchamber is filled with the first liquid. Arrows 15 and 17 in FIG. 3 indicate the direction of air flow.

図4は、マイクロチャンバーを回転させて遠心力を働かせたときに、液体保持部に充填した第1の液体が流動するかを試験した結果を示す。図4に示すようにピラーの数が多いほど液体保持部における第1の液体の流動が抑制されることが明らかになった。液体の流動は、遠心力で行ってもよい。   FIG. 4 shows a result of testing whether the first liquid filled in the liquid holding portion flows when the micro chamber is rotated and centrifugal force is applied. As shown in FIG. 4, it has been clarified that the flow of the first liquid in the liquid holding portion is suppressed as the number of pillars is increased. The liquid may be flowed by centrifugal force.

第1の液体が第2の液体と混合して流動していく過程が図5に示されている。まず、マイクロチャンバーの流入口5から第2の液体が流入してくると(図5−I)、界面張力によって一番近傍にあるピラーに接触する(図5−II)。次に、他のピラーとも接触してマイクロチャンバー内が混合液によって満たされ(図5−III)、出口の液体流出口6へ混合液が押し出される(図5−IV)。マイクロチャンバー内の混合液は、表面張力によって途切れることなく出口のマイクロ流路へ流動していくため、マイクロチャンバー内に液は残留しない(図5−V)。   A process in which the first liquid is mixed with the second liquid and flows is shown in FIG. First, when the second liquid flows in from the inflow port 5 of the microchamber (FIG. 5-I), it contacts the nearest pillar by the interfacial tension (FIG. 5-II). Next, the microchamber is filled with the mixed liquid in contact with other pillars (FIG. 5-III), and the mixed liquid is pushed out to the liquid outlet 6 at the outlet (FIG. 5-IV). Since the liquid mixture in the microchamber flows to the microchannel at the outlet without interruption due to surface tension, no liquid remains in the microchamber (FIG. 5-V).

マイクロ空間では、液体自身の表面張力や固液界面に働く界面張力が液体の流動に、最も大きく作用する。仮に、重力が支配的に働くと、図1の2の面は窪んでおり、液体は流出しない。保持されている液体は表面張力があるので、図5-Vでは液体は流出する。しかし、図7に示されているようピラーとチャンバー壁面の距離が遠くなると、液体は残留し易くなる。図5−IIIから図5−Vの過程では、液体の流出と空気の流出が競合しており、液体の流出が優位になっている。   In the micro space, the surface tension of the liquid itself and the interfacial tension acting on the solid-liquid interface have the greatest effect on the flow of the liquid. If gravity works dominantly, the surface 2 in FIG. 1 is depressed and the liquid does not flow out. Since the retained liquid has surface tension, the liquid flows out in FIG. However, as the distance between the pillar and the chamber wall surface increases as shown in FIG. 7, the liquid tends to remain. In the process from FIG. 5-III to FIG. 5-V, the outflow of liquid and the outflow of air compete with each other, and the outflow of liquid is superior.

図6は、マイクロチャンバーにおける液体の混合状態を蛍光液を用いてピペッティングを用いた混合方法と比較して評価した結果を示す。蛍光測定は、マイクロチャンバーの先端から1mmの箇所に光学プローブ(No.4040(Spot dia. : 0.4 mm、日本板硝子株式会社))を当て、光ファイバー型蛍光検出器(FLE1100B、日本板硝子株式会社)にて蛍光強度を測定して実施した。   FIG. 6 shows the result of evaluating the mixed state of the liquid in the microchamber in comparison with a mixing method using pipetting using a fluorescent solution. Fluorescence measurement is performed by applying an optical probe (No. 4040 (Spot dia .: 0.4 mm, Nippon Sheet Glass Co., Ltd.)) to a location 1 mm from the tip of the microchamber and applying to an optical fiber type fluorescence detector (FLE1100B, Nippon Sheet Glass Co., Ltd.) The fluorescence intensity was measured.

図6の実験の詳細を以下に示す。   Details of the experiment of FIG. 6 are shown below.

*ピペッティングで混合したとき
40nM FITC溶液10μL
0.1 M リン酸緩衝液(pH7.4)30μL
*ピラー(半径が0.8mm)が2個のとき
40nM FITC溶液10.6μL
0.1 M リン酸緩衝液(pH7.4)31.8μL
*ピラー(半径が0.8mm)が3個のとき
マイクロチャンバーに添加した液:40nM FITC溶液9.6μL,
送液した液:0.1 M リン酸緩衝液(pH7.4)28.8μL
*ピラー(半径が0.8mm)が4個のとき
マイクロチャンバーに添加した液:40nM FITC溶液8.6μL,
送液した液:0.1 M リン酸緩衝液(pH7.4)25.8μL
*ピラー(半径が0.4mm)が2個のとき
40nM FITC溶液12.1μL
0.1 M リン酸緩衝液(pH7.4)36.3μL
*ピラー(半径が0.4mm)が3個のとき
マイクロチャンバーに添加した液:40nM FITC溶液11.8μL,
送液した液:0.1 M リン酸緩衝液(pH7.4)35.4μL
*ピラー(半径が0.4mm)が4個のとき
マイクロチャンバーに添加した液:40nM FITC溶液11.6μL,
送液した液:0.1 M リン酸緩衝液(pH7.4)34.8μL
*ピラー(半径が0.4mm)が5個のとき
マイクロチャンバーに添加した液:40nM FITC溶液11.3μL,
送液した液:0.1 M リン酸緩衝液(pH7.4)33.9μL
* When mixed by pipetting
10 nL of 40 nM FITC solution
30 μL of 0.1 M phosphate buffer (pH 7.4)
* When there are two pillars (radius 0.8mm)
40nM FITC solution 10.6μL
0.1 M phosphate buffer (pH 7.4) 31.8 μL
* When 3 pillars (radius 0.8mm) were added to the microchamber: 9.6μL of 40nM FITC solution,
Pumped solution: 28.8 μL of 0.1 M phosphate buffer (pH 7.4)
* When 4 pillars (with a radius of 0.8 mm) were added to the microchamber: 8.6 μL of 40 nM FITC solution,
Pumped solution: 25.8 μL of 0.1 M phosphate buffer (pH 7.4)
* When there are two pillars (radius 0.4mm)
40nM FITC solution 12.1μL
0.1 M phosphate buffer (pH 7.4) 36.3 μL
* When 3 pillars (with a radius of 0.4 mm) were added to the microchamber: 11.8 μL of 40 nM FITC solution,
Liquid sent: 0.1 M phosphate buffer (pH 7.4) 35.4 μL
* When 4 pillars (radius is 0.4mm), the solution added to the microchamber: 11.6μL of 40nM FITC solution,
Pumped solution: 34.8 μL of 0.1 M phosphate buffer (pH 7.4)
* When 5 pillars (0.4mm radius) were added to the microchamber: 10.3μL of 40nM FITC solution,
Pumped solution: 0.1 M phosphate buffer (pH 7.4) 33.9 μL

図6の結果から、この実験条件ではピラーの数は2又は3が優れていることが明らかになった。ピラー数がゼロの場合、回収率(蛍光強度)は優位であるが、液体がチャンバー内に保持される力が弱いため(図4)、第1の液体は液体保持部の底面2からすぐに漏出する。実際に使うときになると扱い方(物理的衝撃や温度など)を著しく注意する必要があるので、ピラー数がゼロのチャンバーは実際には殆ど使えない。混合用マイクロチャンバーの性能は、液体が安定に保持される力(漏出されにくい力)と、混合後の回収率の総合評価で判断されるべきであり、この総合評価でピラー数は2〜4個が優れており、ピラー数2〜3個がより優れており、ピラー数3が最も優れている。   From the results shown in FIG. 6, it was found that 2 or 3 pillars are excellent under this experimental condition. When the number of pillars is zero, the recovery rate (fluorescence intensity) is superior, but the force with which the liquid is held in the chamber is weak (FIG. 4), so the first liquid is immediately from the bottom surface 2 of the liquid holding unit. Leak. Since it is necessary to pay special attention to handling (physical shock, temperature, etc.) when actually used, chambers with zero pillars are practically useless. The performance of the mixing microchamber should be judged by a comprehensive evaluation of the force that keeps the liquid stable (force that does not easily leak) and the recovery rate after mixing, and the number of pillars is 2 to 4 in this comprehensive evaluation. The number is excellent, the number of pillars is 2-3, and the number of pillars 3 is the most excellent.

図7は、マイクロチャンバーに蛍光液を保持して、図5に示す工程により混合操作を行い得られた混合液の蛍光強度を、液体保持部の直径11の長さが4mmのときのドーナツ状の流体混合部の幅13の長さを変えて得られた結果を示す。ピラーの数は、図6の結果から3個で行った。   FIG. 7 shows the fluorescence intensity of the mixed solution obtained by holding the fluorescent solution in the microchamber and performing the mixing operation according to the process shown in FIG. 5, and the donut shape when the length 11 of the diameter 11 of the liquid holding unit is 4 mm. The result obtained by changing the length of the width 13 of the fluid mixing part is shown. The number of pillars was three from the result of FIG.

図7の実験の詳細を以下に示す。   Details of the experiment of FIG. 7 are shown below.

*ピペッティングで混合したとき
200nM FITC溶液9.6μL
0.1 M リン酸緩衝液(pH7.4)144μL
*ピラー(半径が0.8mm)が3個
マイクロチャンバーに添加した液:200nM FITC溶液9.6μL,
送液した液:0.1 M リン酸緩衝液(pH7.4)144μL
* When mixed by pipetting
200nM FITC solution 9.6μL
144 μL of 0.1 M phosphate buffer (pH 7.4)
* Liquid with 3 pillars (0.8mm radius) added to the microchamber: 9.6μL of 200nM FITC solution,
Liquid sent: 144 μL of 0.1 M phosphate buffer (pH 7.4)

図7の結果から液体保持部の直径を100としたときのドーナツ状の流体混合部の幅(13)は25〜80、好ましくは30〜75程度、より好ましくは35〜70程度である。   From the result of FIG. 7, the width (13) of the doughnut-shaped fluid mixing part when the diameter of the liquid holding part is 100 is 25 to 80, preferably about 30 to 75, more preferably about 35 to 70.

図8は、液体流入口5に対してマイクロチャンバーのピラー1の配置が異なったときに得られる、混合後の蛍光強度の比較を示す図である。図8の実験の詳細を以下に示す。   FIG. 8 is a diagram showing a comparison of the fluorescence intensity after mixing, which is obtained when the arrangement of the microchamber pillars 1 is different from the liquid inlet 5. Details of the experiment of FIG. 8 are shown below.

*ピペッティングで混合したとき
40nM FITC溶液10μL
0.1 M リン酸緩衝液(pH7.4)30μL
*ピラー(半径が0.8mm)が3個
マイクロチャンバーに添加した液:40nM FITC溶液9.6μL,
送液した液:0.1 M リン酸緩衝液(pH7.4)28.8μL
* When mixed by pipetting
10 nL of 40 nM FITC solution
30 μL of 0.1 M phosphate buffer (pH 7.4)
* Liquid with 3 pillars (radius 0.8mm) added to micro chamber: 9.6μL of 40nM FITC solution,
Pumped solution: 28.8 μL of 0.1 M phosphate buffer (pH 7.4)

図8の結果から、複数のピラーのうちの1つは流入口5と流出口6を結ぶ直線上に配置されるのがよく、特に流入口5に対向する位置にピラーを配置するのが好ましい。   From the result of FIG. 8, one of the plurality of pillars is preferably arranged on a straight line connecting the inflow port 5 and the outflow port 6, and in particular, the pillar is preferably arranged at a position facing the inflow port 5. .

図9は、3つのマイクロチャンバー直列に配置して液体を混合したときの混合後の蛍光強度の比較を示す図である。図9の実験の詳細を以下に示す。   FIG. 9 is a diagram showing a comparison of fluorescence intensities after mixing when liquids are mixed by arranging them in series in three microchambers. Details of the experiment of FIG. 9 are shown below.

*ピペッティングで混合したとき
40nM FITC溶液10μL
0.1 M リン酸緩衝液(pH7.4)30μL
*マイクロチャンバーが2個のとき(ピラー(半径が0.8mm)が3個)
マイクロチャンバーに添加した液:40nM FITC溶液9.6μL×2個
送液した液:0.1 M リン酸緩衝液(pH7.4)57.6μL
*マイクロチャンバーが3個のとき(ピラー(半径が0.8mm)が3個)
マイクロチャンバーに添加した液:40nM FITC溶液9.6μL×3個
送液した液:0.1 M リン酸緩衝液(pH7.4)86.4μL
*マイクロチャンバーが4個のとき(ピラー(半径が0.8mm)が3個)
マイクロチャンバーに添加した液:40nM FITC溶液9.6μL×4個
送液した液:0.1 M リン酸緩衝液(pH7.4)115.2μL
* When mixed by pipetting
10 nL of 40 nM FITC solution
30 μL of 0.1 M phosphate buffer (pH 7.4)
* When there are two micro chambers (three pillars (radius 0.8mm))
Solution added to the microchamber: 9.6 μL of 40 nM FITC solution × 2 solution supplied: 57.6 μL of 0.1 M phosphate buffer (pH 7.4)
* When there are three micro chambers (three pillars (radius 0.8mm))
Solution added to the micro chamber: 40nM FITC solution 9.6μL x 3 solution supplied: 0.1M phosphate buffer (pH7.4) 86.4μL
* When there are four micro chambers (three pillars (radius 0.8mm))
Solution added to the microchamber: 9.6 μL of 40 nM FITC solution × 4 solution supplied: 115.2 μL of 0.1 M phosphate buffer (pH 7.4)

図9の結果から、マイクロチャンバーを複数個直列に接続しても問題なく液体の混合が行われることが明らかになった。従って、3種以上の液体混合は、マイクロチャンバーを直列に接続することで対応できることが明らかである。   From the results shown in FIG. 9, it has been clarified that even if a plurality of microchambers are connected in series, the liquid can be mixed without any problem. Therefore, it is clear that mixing of three or more liquids can be handled by connecting the microchambers in series.

本発明のマイクロチャンバーはμ-TASやLab-on-a-chipと称されるマイクロチップ上で、2種類以上の液体を混合する製品全般への応用が可能である。   The microchamber of the present invention can be applied to all products that mix two or more liquids on a microchip called μ-TAS or Lab-on-a-chip.

Claims (9)

液体流入口5及び液体流出口6と接続したマイクロチャンバーであって、前記マイクロチャンバーは液体保持部、中空筒状の流体混合部を備え、液体保持部の底面2及び流体混合部の底面3の両方を跨ぐ位置に複数のピラー1を配置し、
前記液体保持部は円筒状であり、前記液体保持部は前記中空筒状の流体混合部と同心円状であり、かつ、液体保持部は液体混合部よりも低い位置にある、マイクロチャンバー。
A microchamber connected to the liquid inlet 5 and the liquid outlet 6, the microchamber comprising a liquid holding portion and a hollow cylindrical fluid mixing portion; and a bottom surface 2 of the liquid holding portion and a bottom surface 3 of the fluid mixing portion A plurality of pillars 1 are arranged in a position across both ,
The microchamber , wherein the liquid holding part is cylindrical, the liquid holding part is concentric with the hollow cylindrical fluid mixing part, and the liquid holding part is lower than the liquid mixing part .
ピラーの中心軸は液体保持部の底面2の略外周上にある請求項1に記載のマイクロチャンバー。 The microchamber according to claim 1, wherein the central axis of the pillar is substantially on the outer periphery of the bottom surface 2 of the liquid holding portion. ピラーが2、3又は4個配置されている、請求項1又は2に記載のマイクロチャンバー。 The microchamber according to claim 1 or 2, wherein 2, 3 or 4 pillars are arranged. ピラーが3個配置されている、請求項3に記載のマイクロチャンバー。 The microchamber according to claim 3, wherein three pillars are arranged. ピラーの1つが液体流入口5と対向する位置に配置されている、請求項1〜4のいずれかに記載のマイクロチャンバー。 The microchamber according to claim 1, wherein one of the pillars is disposed at a position facing the liquid inlet 5. 隣接するマイクロチャンバーの液体流入口5と液体流出口6とを接続することで、複数のマイクロチャンバーを連結させてなる、請求項1〜5のいずれかに記載のマイクロチャンバー。 The micro chamber according to claim 1, wherein a plurality of micro chambers are connected by connecting the liquid inlet 5 and the liquid outlet 6 of adjacent micro chambers. 前記ピラーは円筒状である、請求項1〜6のいずれかに記載のマイクロチャンバー。 The micro chamber according to claim 1, wherein the pillar has a cylindrical shape. 前記液体混合部はドーナツ状である、請求項1〜7のいずれかに記載のマイクロチャンバー。 The microchamber according to claim 1, wherein the liquid mixing part has a donut shape. 請求項1〜のいずれかに記載のマイクロチャンバーを用いた液体の混合方法であって、
液体保持部に第1の液体を導入する工程、液体流入口5から第2の液体をマイクロチャンバー内に流入し、液体流出口6から第1の液体と第2の液体の混合液体を流出させる工程
を含むことを特徴とする液体の混合方法。
A liquid mixing method using the microchamber according to any one of claims 1 to 8 ,
The step of introducing the first liquid into the liquid holding part, the second liquid is introduced into the microchamber from the liquid inlet 5 and the mixed liquid of the first liquid and the second liquid is caused to flow out from the liquid outlet 6. A liquid mixing method comprising a step.
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