JP6650237B2

JP6650237B2 - マイクロ流路デバイス

Info

Publication number: JP6650237B2
Application number: JP2015193790A
Authority: JP
Inventors: 文章渡邉
Original assignee: Fukoku Co Ltd
Current assignee: Fukoku Co Ltd
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: JP2017067620A

Description

本発明は、マイクロ流路デバイスに関し、特に、マイクロ流路デバイスに供給される試験液の逆流防止に適用して有効な技術に関するものである。

マイクロメートル（μｍ）レベルの微細な流路を用いて、細菌に対する薬剤の感受性評価や試薬の分析、反応度評価等を短時間に実行することができるマイクロ流路デバイスの開発が進んでいる。

特許文献１は、一端が外部に開放された開放孔に接続され、他端が吸液体に接続された流路を備える送液構造体において、流路の溝幅を局所的に変えることによって、送液用の駆動源を必要とせずに、毛細管力のみを利用して送液を行う技術を開示している。

特許文献２は、液体試料中の測定物質を分析するための分析チップにおいて、流路の反応部と排出部との間に堰き止め部を設けることによって、反応部から排出部に液体試料が流れるのを抑制する技術を開示している。ここで、上記堰き止め部は、その上流側および下流側に比べて流路幅が狭い狭窄構造、または流路内壁に撥水性を付与した構造とされている。

特許文献３は、それぞれの流路を送液される少なくとも２つの液体を所望の混合比で速やかに混合する液体混合方法において、混合時間を短くするために、流路幅を狭くする技術を開示している。

特許第５４２９７７４号明細書特開２０１２−２０２９２５号公報特開２００５−１３１５５６号公報

マイクロ流路デバイスの一形態として、シリコーンゴムからなる第１基板と、ガラス材からなる第２基板との貼り合わせ構造を有し、ガラス材よりも加工が容易なシリコーンゴムからなる第１基板において、第２基板と対向する接合面に凹溝からなる流路を形成し、この流路の一端に貫通孔からなる導入口を設けると共に、流路の他端に貫通孔からなる排出口を設けた構造がある。

このような構造を有するマイクロ流路デバイスの流路に導入口を通じて試験液を供給し、供給した試験液の全量が流路内に導入されるようにし、排出口側に配置した薬剤や反応物と試験液が接触することで、流路内で反応が生じるように設けた領域、すなわち反応部に試験液を貯留した場合、第２基板を構成するガラス材の親水性が高いことに起因して、反応部に貯留された試験が毛細管現象によって経時的に導入口側に逆流するという不具合が発生することがある。

マイクロ流路デバイスにおいては、微細な流路内で反応を評価する関係上、流路に導入された試験液の逆流などにより、反応部に存在する試験液の分量にズレが生じると、試験結果の信憑性が疑われる場合が生じるのである。

本発明の目的は、マイクロ流路デバイスの流路の一部に設けられた反応部に貯留される試験液が導入口側に逆流することを防止することができる技術を提供することにある。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明のマイクロ流路デバイスは、外部に連通する導入口と、外部に連通する排出口と、一端が前記導入口に接続されると共に、他端が前記排出口に接続され、前記導入口から供給された試験液を前記排出口側に流す流路と、を備え、前記流路は、前記導入口から供給された前記試験液が貯留される反応部と、前記反応部よりも前記導入口側に設けられ、前記導入口側に隣接する前記流路の内寸よりも狭く形成されたネック部と、を備え、前記ネック部は、前記導入口側から前記反応部に向けて徐々に狭くなるテーパ形状であるネック導入部と、前記ネック導入部よりも前記反応部側に位置し、前記ネック導入部に連接して配置されるネック最狭部と、前記ネック最狭部よりも前記反応部側に位置し、前記ネック最狭部に連接して配置されるネック拡形部とからなり、前記ネック拡形部は、前記反応部に臨む対向面を有し、前記対向面は、前記流路の延在方向に直交して内方へ延びる面、又は前記反応部に向けて前記流路の内方へ延びる面であり、前記ネック最狭部に生じる試験液の表面張力により、前記反応部内に貯留された前記試験液が前記ネック最狭部より導入口側に逆流することを防止する。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。

マイクロ流路デバイスの流路の一部に設けられた反応部に貯留された試験液が導入口側に逆流することを防止することができる。

本発明の実施形態であるマイクロ流路デバイスの全体斜視図である。図１に示すマイクロ流路デバイスに形成された流路の延在方向に沿った断面図である。図１に示すマイクロ流路デバイスの第１基板の斜視図である。図１に示すマイクロ流路デバイスの第１基板の平面図である。図４の一部を拡大して示す平面図である。（ａ）〜（ｄ）は、図１に示すマイクロ流路デバイスを薬剤の感受性評価試験に適用した例を説明する図である。流路のネック部を構成する凹溝パターンの別例を示す平面図である。（ａ）、（ｂ）は、流路のネック部を構成する凹溝パターンの別例を示す拡大平面図である。マイクロ流路デバイスに形成される流路の別例を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態であるマイクロ流路デバイスの全体斜視図、図２は、図１に示すマイクロ流路デバイスに形成された流路の延在方向（第１および第２基板の長辺方向）に沿った断面図、図３は、図１に示すマイクロ流路デバイスの第１基板の斜視図、図４は、図１に示すマイクロ流路デバイスの第１基板の平面図、図５は、図４の一部を拡大して示す平面図である。

本実施形態のマイクロ流路デバイスＭＤは、矩形の平面形状を有する透明な材料からなる第１基板ＳＵＢ１と、同じく矩形の平面形状を有する透明な材料からなる第２基板ＳＵＢ２とを貼り合わせたものである。ここで、第１基板ＳＵＢ１は、シロキサン結合を主骨格とするシリコーンゴムからなり、第２基板ＳＵＢ２は、ガラス材からなる。

第１基板ＳＵＢ１は、第２基板ＳＵＢ２と対向する接合面（以下、主面という）の一部に、第１基板ＳＵＢ１の長辺方向に沿って延在する２本の流路１０を備えている。図３および図４に示すように、これらの流路１０は、第１基板ＳＵＢ１の主面に形成された凹溝パターンによって構成され、第１基板ＳＵＢ１の長辺方向から見て矩形断面の凹溝で構成されている。凹溝パターンの断面形状は、矩形に限定されず、円形や半円形等であってもよい。

また、図３および図４に示すように、上記２本の流路１０のそれぞれの一端は、２本の流路１０に共通する１つの導入口１０ａに接続されている。一方、２本の流路１０のそれぞれの他端は、排出口１０ｂに接続されている。図１および図２に示すように、第１基板ＳＵＢ１に形成された１つの導入口１０ａおよび２つの排出口１０ｂのそれぞれは、第１基板ＳＵＢ１の厚さ方向に沿って延在し、第１基板ＳＵＢ１の表面に開口する円柱状の貫通孔からなる。

上記２本の流路１０のそれぞれにおいて、ネック部１０ｄから排出口１０ｂまでの領域は、流路１０の反応部１０ｃを構成している。また、２本の流路１０のそれぞれにおいて、導入口１０ａと反応部１０ｃとの間には、導入口１０ａを通じて反応部１０ｃに供給された試験液が経時的に導入口１０ａ側に逆流するのを防ぐためのネック部１０ｄが設けられている。

なお、ここでは、ネック部１０ｄから排出口１０ｂまでの領域を反応部１０ｃと定義しているが、実際の反応は、排出口１０ｂに配置された薬剤などと試験液が接触して生じるものであり、反応の状況は、試験液と薬剤等の性質、濃度等によって変化するため、必ずしも反応部１０ｃの全域で反応が生じることを意味するものではない。

さらに、図５に示すように、上記２本の流路１０のそれぞれにおいて、上記導入口１０ａと上記ネック部１０ｄとの間には、導入口１０ａから供給された試験液を排出口１０ｂに向けてスムーズに導入し、ネック部１０ｄの逆流防止機能を補強するための狭窄部１０ｅが設けられている。

図４および図５に示すように、２本の流路１０のそれぞれに設けられたネック部１０ｄは、ネック部１０ｄに隣接する上流側（導入口１０ａ側）の流路１０およびネック部１０ｄに隣接する下流側（反応部１０ｃ側）の流路１０よりも内寸が狭い、すなわち、矩形断面を有する本実施形態の流路１０においては、上面から見て幅の狭い、凹溝パターンによって構成されている。

特に、図４および図５に示すネック部は、上流側（導入口１０ａ側）から下流側（反応部１０ｃ側）に向かって連続的に幅が狭くなるテーパ状としたネック導入部１０ｄ１と、このネック導入部１０ｄ１に連接し、最も幅が狭い部位であるネック最狭部１０ｄ２と、さらにこのネック最狭部１０ｄ２に連接し、流路１０の内壁に向って流路１０の内寸、すなわち幅を広げるように構成したネック拡形部１０ｄ３とからなる。

この場合、ネック導入部１０ｄ１は、導入口１０ａから排出口１０ｂへスムーズに液残りすることなく試験液を流動させ、ネック最挟部１０ｄ２を経てネック拡形部１０ｄ３にて、流路１０の幅を一気に広げることで、排出口１０ｂから導入口１０ａ側への流動、すなわち逆流を起こりにくくしている。つまり、ネック拡形部１０ｄ３を排出口１０ｂ側に臨む壁面とすることで、逆流を阻害すると共に、これに連接する最挟部１０ｄ２で流路１０の幅を数μの幅に絞ることで、この最挟部１０ｄ２に接触した試験液には、表面張力が生じることになり、試験液の逆流が防止される。

図５に示すように、２本の流路１０のそれぞれに設けられた狭窄部１０ｅは、狭窄部１０ｅに隣接する上流側（導入口１０ａ側）の流路１０および狭窄部１０ｅに隣接する下流側（ネック部１０ｄ側）の流路１０よりも内寸が狭い、すなわち、矩形断面を有する本実施形態の流路１０においては、上面から見て幅の狭い、凹溝パターンによって構成されている。

特に、図５に示す狭窄部１０ｅは、上流側（導入口１０ａ側）から下流側（ネック部１０ｄ側）に向かって連続的に幅が狭くなるテーパ状とした狭窄導入部１０ｅ１と、この狭窄導入部１０ｅ１に連接し、最も幅が狭い部位である狭窄最狭部１０ｅ２と、さらにこの狭窄最狭部１０ｅ２に連接し、流路１０の内面に向って流路１０の内寸、すなわち幅を徐々に広げるように構成した狭窄拡形部１０ｅ３とからなる。

この場合、狭窄導入部１０ｅ１は、導入口１０ａから排出口１０ｂへスムーズに液残りすることなく試験液を流動させ、狭窄最挟部１０ｅ２を経て狭窄拡形部１０ｅ３にて、流路１０の幅を徐々に広げることで、狭窄最挟部１０ｅ２の排出口側に液残りすることなく、且つ、試験液が接触するネック部１０ｄのネック狭窄部１０ｄ２に表面張力が生じ易いように幅広空間を形成する。このことにより、ネック部１０ｄの逆流機能を補強している。なお、図４および図５に示す例では、前記狭窄導入部１０ｅ１のテーパに比べて、狭窄拡形部１０ｅ３のテーパ（逆テーパ）をきつく構成することで、万一にも液戻り（逆流）が生じないようにしている。

上記のような第１基板ＳＵＢ１を作製するには、まず、ネック部１０ｄを含む流路１０を構成する凹溝パターンおよび貫通孔（導入口１０ａおよび排出口１０ｂ）に対応した凸パターンを備えた鋳型を用意し、第１基板ＳＵＢ１の原材料となる液状の未架橋シリコーンゴムをこの鋳型に流し込んで硬化させる。その後、硬化したシリコーンゴムを鋳型から脱型することにより、一面にネック部１０ｄおよび狭窄部１０ｅを含む流路１０と、導入口１０ａおよび排出口１０ｂとが形成された矩形の平面形状を有するシリコーンゴムからなる第１基板ＳＵＢ１が得られる。

一例として、第１基板ＳＵＢ１の平面寸法は長辺＝４０ｍｍ、短辺＝１５ｍｍであり、厚さは２ｍｍである。また、流路１０を構成する凹溝パターンの深さは５０μｍ、幅の最大値は１００μｍであり、導入口１０ａおよび排出口１０ｂの直径は０．７５ｍｍである。なお、図においては、説明のために、第１基板ＳＵＢ１，第２基板ＳＵＢ２の大きさに対して、流路等の外形を大きく表現している。

その後、このようにして作製された第１基板ＳＵＢ１の主面（流路１０が形成された面）と、ガラス材からなる第２基板ＳＵＢ２の一面とを重ね合わせて両者を接合することにより、本実施形態のマイクロ流路デバイスＭＤが得られる。

なお、図１および図２に示す例では、第２基板ＳＵＢ２の平面寸法（長辺の長さ×短辺の長さ）を第１基板ＳＵＢ２の平面寸法と同じにしているが、第２基板ＳＵＢ２の平面寸法を第１基板ＳＵＢ２の平面寸法より大きくしてもよい。特に、第２基板ＳＵＢ２をガラス等の硬質材で構成した場合には、第２基板ＳＵＢ２を第１基板ＳＵＢ１よりも大きくすることによって、顕微鏡のステージにマイクロ流路デバイスＭＤを容易に固定できる等の利点が得られる。

次に、図６を参照して、本実施形態のマイクロ流路デバイスＭＤを薬剤の感受性評価試験に適用した例を説明する。

まず、図６（ａ）に示すように、２本の流路１０のうち、一方の流路１０の下流側に接続された排出口１０ｂの底部に第１の薬剤１１ａを固定し、もう一方の流路１０の下流側に接続された排出口１０ｂの底部に第２の薬剤１１ｂを固定する。薬剤１１ａと薬剤１１ｂは、抗菌成分の濃度が異なる同一種類の薬剤、あるいは抗菌成分が異なる異種の薬剤等、感受性評価試験の目的に応じて適宜選択する。

次に、図６（ｂ）に示すように、導入口１０ａから２本の流路１０の内部に試験液１２を供給する。試験液１２は、所定の細菌を含んだ培養液からなり、導入口１０ａに挿入したマイクロシリンジ等を通じて流路１０の内部に注入する。

次に、図６（ｃ）に示すように、導入口１０ａから２本の流路１０の内部にエアーを圧入して先に導入した試験液１２を２本の微細な流路１０に押し込み、それぞれの流路１０の下流側に接続された排出口１０ｂ内を試験液１２で満たすようにする。導入口１０ａのサイズに対して流路１０は、相当に微細であるため、マイクロ流路デバイスＭＤ全体を傾斜させて、試験液１２に重力を印加しても試験液１２は流路１０に流動し難いので、エアーによって、試験液１２を流路１０に押し込むことは有用である。また、複数本の流路をもつマイクロ流路デバイスＭＤの場合、流路ごとに試験液１２の接触が無くなるので、この点においても有用な手段である。

このようにすると、排出口１０ｂの底部に固定された薬剤１１ａ、１１ｂが試験液１２に溶解し、薬剤１１ａ、１１ｂに含まれる薬効成分と試験液１２に含まれる細菌との反応が開始される。そして、この状態を所定時間（例えば数時間）維持することによって、薬剤１１ａ、１１ｂに対する細菌の感受性を評価する。

この際、第１基板ＳＵＢ１と第２基板ＳＵＢ２との接合面に形成された流路１０の内部に長時間に亘って試験液１２を貯留すると、一般に第２基板ＳＵＢ２を構成するガラス材の親水性が高いことから、ネック部１０ｄおよび狭窄部１０ｅを備えていない従来製品では、流路１０の反応部１０ｃに貯留された試験液１２が毛細管現象によって経時的に上流側（導入口１０ａ側）に逆流する。

その結果、導入口１０ａを介して連通された２本の流路１０の内部の試験液１２が混じり合ってしまうため、細菌の感受性を正しく評価することができなくなる。

しかしながら、本実施形態のマイクロ流路デバイスＭＤのように、２本の流路１０のそれぞれにおいて、導入口１０ａと反応部１０ｃとの間にネック部１０ｄが設けられている場合は、ネック部１０ｄの最狭部１０ｄ２の開口面積が反応部１０ｃに比べて小さいため、反応部１０ｃ内の試験液１２が最狭部を超えて導入口１０ａ側に濡れ広がろうとする力よりも、ネック部１０ｄを構成する高撥水性（低濡れ性）の素材（シリコーンゴム）と試験液１２との間に働く表面張力が上回るようになる。

さらに、狭窄部１０ｅの狭窄導入部１０ｅ１によって、一旦狭められた流路１０の内寸は、狭窄拡形部１０ｅ３により再度拡大されることで、ネック導入部１０ｄ１のテーパを形成することが可能になり、これにより、ネック最挟部１０ｄ２の導入口側（ネック導入部１０ｄ１）が徐々に広がっていく配置となり、試験液１２の気液境界面に生じる表面張力が、ネック最挟部に集中することを助けている。

その結果、流路１０の内部の試験液１２がネック部１０ｄを超えて上流側（導入口１０ａ側）に逆流することを抑制できるので、上記したような試験液１２の混じり合いを防ぐことができ、細菌の感受性を正しく評価することが可能となる。

特に、本実施形態のネック部１０ｄのように、ネック拡形部１０ｄ３が反応部１０ｃに臨む平面状であり、流路１０の延在方向に直交して内方へ延びるものである場合（図４および図５参照）は、ネック拡形部１０ｄ３が壁となって試験液１２の流動を妨げるので、試験液１２の導入口１０ａ側への逆流をより有効に抑制することが可能となる。

流路１０の中途部に設けるネック部１０ｄを構成する凹溝パターンは、図３乃至図５に示したような上流側（導入口１０ａ側）から下流側（反応部１０ｃ側）に向かって連続的に幅が狭くなるパターンに限定されず、種々の変更が可能である。

具体的には、例えば図７に示すように、上流側端部から下流側端部までの幅が一定の凹溝パターンとしてもよく、あるいは、図８に示すように、テーパ状のパターン（上流側）と逆テーパ状のパターン（下流側）とを組み合わせ、ネック拡形部１０ｄ３（図５参照）が反応部１０ｃに向けて流路の内方へ延びるようにしてもよい。図８に示す例では、ネック部１０ｄの下流側の鋭角部（ネック拡形部１０ｄ３）にエア溜まりが生じ易い構造としているため、試験液１２が逆流しようとするとき、ネック部１０ｄの最狭部１０ｄ２に気液境界面が形成され易くなるので、反応部１０ｃ内の試験液１２がネック部１０ｄよりも上流側に流動することを効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、第１基板ＳＵＢ１に２本の流路１０を設けた例を説明したが、図９に示すように、流路１０の数は３本以上（図の例では４本）であってもよい。

さらに、本発明は、流路１０の数が１本のマイクロ流路デバイスに適用することもできる。すなわち、排出口内に固定された薬剤は、試験液に溶解した後、導入口側に向って拡散して行くので、試験液の薬剤濃度は、排出口から離れるに従って次第に低くなる。そのため、導入口側に向って拡散した試験液の末端部（排出口から見た最遠部）の位置が一定しないと、試験条件にばらつきが発生することになる。

これに対し、本発明のように、流路の一部にネック部を設けた場合は、導入口側に逆流する試験液が所定位置(ネック部)で止まるので、試験液の末端部の位置が一定になり、試験条件にばらつきを抑制できるという効果が得られる。

さらに、前記ネック部に加え、狭窄部を設けた場合には、導入口より供給された試験液の全量をネック部側にスムーズに送り出すことができると共に、ネック導入部にテーパを設けることができるので、試験液の気液境界面がネック最挟部に確実に生じるようにできる。

本発明は、マイクロメートル（μｍ）レベルの微細な流路を用いて細菌に対する薬剤の感受性評価や試薬の分析、反応度評価等を行うマイクロ流路デバイスに適用することができる。

１０流路
１０ａ導入口
１０ｂ排出口
１０ｃ反応部
１０ｄネック部
１０ｄ１ネック導入部
１０ｄ２ネック最狭部
１０ｄ３ネック拡形部
１０ｅ狭窄部
１０ｅ１狭窄導入部
１０ｅ２狭窄最狭部
１０ｅ３狭窄拡形部
１１ａ、１１ｂ薬剤
１２試験液
ＭＤマイクロ流路デバイス
ＳＵＢ１第１基板
ＳＵＢ２第２基板

Claims

外部に連通する導入口と、
外部に連通する排出口と、
一端が前記導入口に接続されると共に、他端が前記排出口に接続され、前記導入口から供給された試験液を前記排出口側に流す流路と、を備え、
前記流路は、前記導入口から供給された前記試験液が貯留される反応部と、
前記反応部よりも前記導入口側に設けられ、前記導入口側に隣接する前記流路の内寸よりも狭く形成されたネック部と、を備え、
前記ネック部は、前記導入口側から前記反応部に向けて徐々に狭くなるテーパ形状であるネック導入部と、前記ネック導入部よりも前記反応部側に位置し、前記ネック導入部に連接して配置されるネック最狭部と、前記ネック最狭部よりも前記反応部側に位置し、前記ネック最狭部に連接して配置されるネック拡形部とからなり、
前記ネック拡形部は、前記反応部に臨む対向面を有し、前記対向面は、前記流路の延在方向に直交して内方へ延びる面、又は前記反応部に向けて前記流路の内方へ延びる面であり、
前記ネック最狭部に生じる試験液の表面張力により、前記反応部内に貯留された前記試験液が前記ネック最狭部より導入口側に逆流することを防止する、マイクロ流路デバイス。
請求項１記載のマイクロ流路デバイスにおいて、
第１基板と第２基板との貼り合わせ構造を有し、
前記導入口および前記排出口は、前記第１基板を貫通する貫通孔からなり、
前記流路は、前記第１基板の前記第２基板と対向する接合面に形成された凹溝からなる、マイクロ流路デバイス。
請求項１又は２記載のマイクロ流路デバイスにおいて、
前記流路は、前記ネック部と前記導入口との間に配置された狭窄部をさらに備え、
前記狭窄部は、狭窄導入部と、前記狭窄導入部よりも前記ネック部側に位置し、前記狭窄導入部に連接して配置される狭窄最挟部と、前記狭窄最挟部よりも前記ネック部側に位置し、前記狭窄最挟部に連接して配置される狭窄拡形部とからなり、
前記狭窄導入部は、前記導入口側から前記ネック部に向けて徐々に狭くなるテーパ状をなし、前記狭窄拡形部は、狭窄最挟部からネック部に向けて徐々に広くなる逆テーパ状である、マイクロ流路デバイス。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロ流路デバイスにおいて、
前記流路が複数設けられ、それぞれの前記流路が前記導入口を通じて互いに連通されている、マイクロ流路デバイス。
請求項２記載のマイクロ流路デバイスにおいて、
前記第１基板は、シリコーンゴムからなり、前記第２基板は、ガラスからなる、マイクロ流路デバイス。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のマイクロ流路デバイスにおいて、
前記導入口から前記反応部に向けて、エアー圧により試験液を供給する、マイクロ流路デバイス。