JP6949356B2 - Microfluidic chip for droplet production - Google Patents

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Description

本発明は、液滴製造用マイクロ流体チップに関するものである。 The present invention relates to a microfluidic chip for producing droplets.

バイオテクノロジーや薬品製造等の分野では、分散相と連続相が共に液体である分散系溶液(エマルション)中の分散相(液滴)が、極微小反応容器およびマイクロセルの形成材等として広く使用されている。 In fields such as biotechnology and chemical manufacturing, the dispersed phase (droplet) in a dispersed solution (emulsion) in which both the dispersed phase and the continuous phase are liquids is widely used as a material for forming microreaction vessels and microcells. Has been done.

そして、通常、液滴の製造にはマイクロ流体チップが用いられており、液滴製造用マイクロ流体チップとして、例えば、特許文献1に記載されたものがある。 Usually, a microfluidic chip is used for producing a droplet, and as a microfluidic chip for producing a droplet, for example, there is one described in Patent Document 1.

特許文献1に記載されたマイクロ流体チップは、気体を吸蔵し得る合成樹脂から形成された板状のチップ本体と、チップ本体の一方の面に気密シールされた状態で接合された基板とを有している。
チップ本体には、第1〜第3の液溜と、それぞれ第1〜第3の液溜の底部からのび一点で互いに連結する第1〜第3の管路とが設けられている。
The microfluidic chip described in Patent Document 1 includes a plate-shaped chip body formed of a synthetic resin capable of occluding gas, and a substrate bonded to one surface of the chip body in an airtightly sealed state. doing.
The chip body is provided with first to third liquid reservoirs and first to third pipelines extending from the bottoms of the first to third liquid reservoirs and connecting to each other at one point.

そして、マイクロ流体チップが、第3の液溜に蓋が被せられた状態で、減圧下において脱気され、脱気後、第3の液溜に蓋が被せられたままで大気圧下に置かれ、第1の液溜に連続相となる液体が注入される一方、第2の液溜に分散相となる液体が注入される。 Then, the microfluidic chip is degassed under reduced pressure with the third liquid reservoir covered, and after degassing, the third liquid reservoir is placed under atmospheric pressure with the lid covered. , The liquid that becomes the continuous phase is injected into the first liquid reservoir, while the liquid that becomes the dispersed phase is injected into the second liquid reservoir.

こうして、合成樹脂のガス吸蔵作用によって、第1の液溜から連続相となる液体が第1の管路を通じて第3の液溜に向けて送液されると同時に、第2の液溜から分散相となる液体が第2の管路を通じて第3の液溜に向けて送液され、第1および第2の管路と第3の管路との連結部においてエマルションが形成されて、第3の液溜に、分散相となる液体の液滴が連続相となる液体とともに捕集される。 In this way, due to the gas storage action of the synthetic resin, the liquid that becomes a continuous phase from the first liquid reservoir is sent to the third liquid reservoir through the first conduit, and at the same time, is dispersed from the second liquid reservoir. The phase liquid is sent to the third liquid reservoir through the second conduit, and an emulsion is formed at the connecting portion between the first and second conduits and the third conduit, and the third A liquid droplet that becomes a dispersed phase is collected together with a liquid that becomes a continuous phase in the liquid reservoir.

この液滴製造用マイクロ流体チップによれば、連続相となる液体および分散相となる液体それぞれの第1および第2の液溜への送液のためのシリンジポンプその他のマイクロポンプが不要となるので、低コストで簡単に液滴を製造することができる。
しかしながら、1秒間に製造可能な液滴数が最大で10個程度であり、液滴の生産性が非常に低いという問題があった。
This microfluidic chip for producing droplets eliminates the need for a syringe pump or other micropump for feeding the liquid as a continuous phase and the liquid as a dispersed phase to the first and second liquid reservoirs, respectively. Therefore, the droplets can be easily produced at low cost.
However, there is a problem that the maximum number of droplets that can be produced per second is about 10, and the productivity of the droplets is very low.

特開2015−211931号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-211931

したがって、本発明の課題は、液滴を低コストで短時間に大量生産できるマイクロ流体チップを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a microfluidic chip capable of mass-producing droplets at low cost and in a short time.

上記課題を解決するため、本発明によれば、気体を吸蔵し得る合成樹脂から形成された板状のチップ本体と、前記チップ本体の一方の面に密着状態で接合された第1の基板と、を備え、前記チップ本体の他方の面に、連続相となる液体を貯める第1の液溜と、分散相となる液体を貯める第2の液溜と、液滴を捕集する第3の液溜とが開口し、前記チップ本体には、それぞれ第1〜第3の液溜の底部からのびて一点で互いに連結する第1〜第3の管路が設けられ、さらに、前記チップ本体の前記他方の面に密着状態で接合された第2の基板を備え、前記第2の基板には、それぞれ前記第1および第2の液溜に整合する第1および第2の貫通穴が設けられ、さらに、前記チップ本体の内部、または前記チップ本体および前記第2の基板間、またはそれらの両方に形成され、前記第3の液溜に連通する閉じた微細構造空間を備えたものであることを特徴とする液滴製造用マイクロ流体チップが提供される。 In order to solve the above problems, according to the present invention, a plate-shaped chip body formed of a synthetic resin capable of storing a gas and a first substrate bonded to one surface of the chip body in close contact with each other. On the other surface of the chip body, a first liquid reservoir for storing a liquid to be a continuous phase, a second liquid reservoir for storing a liquid to be a dispersed phase, and a third liquid reservoir for collecting droplets are provided. The liquid reservoir is opened, and the chip main body is provided with first to third pipelines extending from the bottoms of the first to third liquid reservoirs and connecting to each other at one point, and further, the chip main body is provided with first to third pipelines. A second substrate is provided in close contact with the other surface, and the second substrate is provided with first and second through holes that match the first and second liquid reservoirs, respectively. Further, it is formed inside the chip body, between the chip body and the second substrate, or both of them, and has a closed microstructural space communicating with the third liquid reservoir. A microfluidic chip for producing droplets is provided.

本発明の好ましい実施例によれば、前記微細構造空間が、前記チップ本体の前記他方の面上に網目状に形成された微細な溝からなり、前記網目状の微細な溝は、前記第3の液溜の開口縁に接続するが、前記第1および第2の液溜の開口縁および前記他方の面の外縁には達しないように形成されている。
本発明の別の好ましい実施例によれば、前記網目状の微細な溝は、グリッド状の微細な溝からなっている。
According to a preferred embodiment of the present invention, the microstructure space is composed of fine grooves formed in a mesh shape on the other surface of the chip body, and the mesh-like fine grooves are the third. It is formed so as to connect to the opening edge of the liquid reservoir of the above, but not to reach the opening edge of the first and second liquid reservoirs and the outer edge of the other surface.
According to another preferred embodiment of the present invention, the mesh-like fine grooves are composed of grid-like fine grooves.

本発明によれば、マイクロ流体チップのチップ本体を、気体を吸蔵し得る合成樹脂から形成し、チップ本体の両面に第1および第2の基板を密着状態に接合し、また、チップ本体の内部、またはチップ本体および第2の基板間、またはそれらの両方に、第3の液溜に連通する閉じた微細構造空間を形成して、第3の液溜の内部空間を微細構造空間によって拡張した。 According to the present invention, the chip body of a microfluidic chip is formed of a synthetic resin capable of occluding gas, and the first and second substrates are bonded to both sides of the chip body in a close contact state, and the inside of the chip body is also formed. , Or between the chip body and the second substrate, or both, a closed microstructure space communicating with the third liquid reservoir was formed, and the internal space of the third liquid reservoir was expanded by the microstructure space. ..

それによって、マイクロ流体チップを減圧下に置くと、チップ本体が脱気されるとともに、第1〜第3の液溜(微細構造空間を含む)および第1〜第3の管路の内部からも空気が外部に放出される。
次いで、脱気したマイクロ流体チップを大気圧下に置くと、第1および第2の液溜から第1〜第3の管路を通じて第3の液溜(微細構造空間を含む)に向けて空気が流入するが、このとき、第1および第2の液溜にそれぞれ連続相となる液体および分散相となる液体を注入すると、連続相となる液体が自律的に第1の管路を通って第3の液溜に向けて送液されると同時に、分散相となる液体が自律的に第2の管路を通って第3の液溜に向けて送液され、第1および第2の管路と第3の管路との連結部においてエマルションが形成されて、第3の液溜に分散相となる液体の液滴が連続相となる液体と共に捕集される。
As a result, when the microfluidic chip is placed under reduced pressure, the chip body is degassed, and also from the inside of the first to third liquid reservoirs (including the microstructural space) and the first to third pipelines. Air is released to the outside.
Then, when the degassed microfluidic chip is placed under atmospheric pressure, air is directed from the first and second liquid reservoirs to the third liquid reservoir (including the microstructural space) through the first to third pipelines. At this time, when the liquid that becomes the continuous phase and the liquid that becomes the dispersed phase are injected into the first and second liquid reservoirs, the liquid that becomes the continuous phase autonomously passes through the first conduit. At the same time that the liquid is sent to the third liquid reservoir, the liquid to be the dispersed phase is autonomously sent to the third liquid reservoir through the second conduit, and the first and second liquids are sent. An emulsion is formed at the connecting portion between the conduit and the third conduit, and droplets of the liquid to be the dispersed phase are collected together with the liquid to be the continuous phase in the third liquid reservoir.

この送液およびエマルション生成のプロセスは、第3の液溜(微細構造空間を含む)内に残された密閉空間が減圧状態に維持される間持続する。
ところで、減圧のレベルは、密閉空間内の空気のチップ本体内への溶解(吸蔵)速度が大きいほど高くなり、減圧のレベルが高いほど送液およびエマルション生成の速度が大きくなる。
This process of liquid transfer and emulsion formation continues as long as the closed space left in the third liquid reservoir (including the microstructure space) is maintained in a reduced pressure state.
By the way, the level of decompression increases as the rate of dissolution (occlusion) of air in the closed space into the chip body increases, and the rate of liquid feeding and emulsion formation increases as the level of decompression increases.

この場合、密閉空間の体積をVとし、密閉空間に占めるチップ本体の面積をSとして、S/V比が大きいほど、密閉空間内の空気のチップ本体内への溶解(吸蔵)速度が大きくなり、それに伴って送液およびエマルション生成の速度が大きくなる。 In this case, the volume of the closed space is V, the area of the chip body occupied in the closed space is S, and the larger the S / V ratio, the higher the dissolution (occlusion) rate of air in the closed space into the chip body. As a result, the speed of liquid feeding and emulsion formation increases.

そして、本発明によれば、第3の液溜に微細構造空間を連通させて第3の液溜を拡張することで、第3の液溜単独の場合よりもS/V比を大幅に増大させており、それによって、液滴を短時間に大量生産することが可能となった。 Then, according to the present invention, by communicating the microstructure space with the third liquid reservoir and expanding the third liquid reservoir, the S / V ratio is significantly increased as compared with the case of the third liquid reservoir alone. This made it possible to mass-produce droplets in a short time.

本発明の1実施例による液滴製造用マイクロ流体チップの斜視図である。It is a perspective view of the microfluidic chip for manufacturing a droplet according to 1 Example of this invention. 図1の液滴製造用マイクロ流体チップを部分的に分解した斜視図である。It is a perspective view which partially disassembled the microfluidic chip for manufacturing a droplet of FIG. 図1の液滴製造用マイクロ流体チップの液溜および管路の配置を示す図であり、(A)は平面図であり、(B)は(A)の一部を拡大した図である。It is a figure which shows the arrangement of the liquid pool and the conduit of the microfluidic chip for manufacturing a droplet of FIG. 1, (A) is a plan view, (B) is an enlarged view of a part of (A). 図1の液滴製造用マイクロ流体チップの第3の液溜付近の縦断面図である。It is a vertical cross-sectional view of the vicinity of the third liquid reservoir of the microfluidic chip for manufacturing droplets of FIG. 図1の液滴製造用マイクロ流体チップのグリッド状の微細な溝を示す図であり、(A)は当該溝の形成領域の大きさを示す平面図であり、(B)は当該溝の一部を拡大した図であり、(C)は(B)のX−X線に沿った断面図である。It is a figure which shows the grid-like fine groove of the microfluidic chip for manufacturing a droplet of FIG. 1, (A) is a plan view which shows the size of the formation region of the groove, (B) is one It is an enlarged view of the part, (C) is a cross-sectional view along the XX line of (B). 実験結果を示すグラフであり、(A)は本発明の液滴製造用マイクロ流体チップによる液滴生成速度および液滴生成総数の時間変化を示すグラフであり、(B)は微細構造空間を備えない液滴製造用マイクロ流体チップによる液滴生成速度および液滴生成総数の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result, (A) is a graph which shows the time-dependent change of the droplet generation rate and the total number of droplets generated by the microfluidic chip for droplet production of the present invention, and (B) has a microstructure space. It is a graph which shows the time change of the droplet generation rate and the total number of droplets generated by a microfluidic chip for producing droplets.

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の構成を好ましい実施例に基づいて説明する。
図1は、本発明の1実施例による液滴製造用マイクロ流体チップの斜視図であり、図2は、図1の液滴製造用マイクロ流体チップを部分的に分解した斜視図である。図3Aは、図1の液滴製造用マイクロ流体チップの液溜および管路の配置を示す平面図であり、図3Bは、図3Aの一部を拡大した図である。また、図4は、図1の液滴製造用マイクロ流体チップの第3の液溜付近の縦断面図である。
Hereinafter, the configuration of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, based on preferred embodiments.
FIG. 1 is a perspective view of a microfluidic chip for producing droplets according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view of the microfluidic chip for producing droplets of FIG. 1 partially disassembled. FIG. 3A is a plan view showing the arrangement of the liquid reservoir and the pipeline of the microfluidic chip for producing droplets of FIG. 1, and FIG. 3B is an enlarged view of a part of FIG. 3A. Further, FIG. 4 is a vertical cross-sectional view of the vicinity of the third liquid reservoir of the microfluidic chip for producing droplets of FIG.

図1および図2を参照して、本発明による液滴製造用マイクロ流体チップは、気体を吸蔵し得る合成樹脂から形成された一定厚の板状のチップ本体1を有している。この実施例では、チップ本体1を形成する合成樹脂としてポリジメチルシロキサン(PDMS)が用いられる。 With reference to FIGS. 1 and 2, the microfluidic chip for producing droplets according to the present invention has a plate-shaped chip body 1 having a constant thickness and formed of a synthetic resin capable of occluding gas. In this example, polydimethylsiloxane (PDMS) is used as the synthetic resin that forms the chip body 1.

チップ本体1には、その一方の面1a側から他方の面1b側に貫通する3つの円柱状の穴2〜4が設けられている。この場合、3つの穴2〜4の径は、第1の穴2の容積と第2の穴3の容積との合計値が、第3の穴4の容積よりも小さくなるような大きさに設定されている。 The chip body 1 is provided with three columnar holes 2 to 4 penetrating from one surface 1a side to the other surface 1b side. In this case, the diameters of the three holes 2 to 4 are set so that the total value of the volume of the first hole 2 and the volume of the second hole 3 is smaller than the volume of the third hole 4. It is set.

チップ本体1の一方の面1aには、図3Aおよび図3Bに示すように、第1の穴2の開口縁に接続する微細な第1の溝5と、第2の穴3の開口縁に接続する微細な第2の溝6と、第3の穴4の開口縁に接続する微細な第3の溝7が設けられ、第1〜第3の溝5〜7は互いに一点Pで連結している。 As shown in FIGS. 3A and 3B, one surface 1a of the chip body 1 has a fine first groove 5 connected to the opening edge of the first hole 2 and an opening edge of the second hole 3. A fine second groove 6 to be connected and a fine third groove 7 to be connected to the opening edge of the third hole 4 are provided, and the first to third grooves 5 to 7 are connected to each other at one point P. ing.

第1〜第3の溝5〜7は、それぞれ、連結点Pの手前から当該連結点Pに向かって先細り状に形成されている。
この実施例では、第1〜第3の溝5〜7のそれぞれが、その全長にわたって同じ深さを有し、かつ、関係する穴2〜4から連結点Pの手前までのびる幅広の部分5a〜7aと、幅広の部分5a〜7aの先端に接続した次第に幅が狭くなるテーパー部分5b〜7bと、テーパー部分5b〜7bの先端から連結点Pまでのびる狭小な部分5c〜7cとからなっている。
The first to third grooves 5 to 7 are formed in a tapered shape from the front side of the connection point P toward the connection point P, respectively.
In this embodiment, each of the first to third grooves 5 to 7 has the same depth over the entire length thereof, and a wide portion 5a to extend from the related holes 2 to 4 to the front of the connection point P. It is composed of 7a, tapered portions 5b to 7b which are connected to the tips of wide portions 5a to 7a and gradually narrow in width, and narrow portions 5c to 7c extending from the tips of the tapered portions 5b to 7b to the connection point P. ..

さらに、連結点Pにおいて、第1〜第3の溝5〜7が、第1および第2の溝5、6のうちの一方(この実施例では、第1の溝5)と第3の溝7が一直線となり、第1および第2の溝5、6のうちの他方(この実施例では、第2の溝6)が、第3の溝7に対して直交する配置で互いにT字状に連結している。 Further, at the connection point P, the first to third grooves 5 to 7 are one of the first and second grooves 5 and 6 (in this embodiment, the first groove 5) and the third groove. 7 becomes a straight line, and the other of the first and second grooves 5, 6 (in this embodiment, the second groove 6) is arranged orthogonal to the third groove 7 so as to be T-shaped with each other. It is connected.

図1、図2および図4を参照して、チップ本体1の第1〜第3の溝5〜7が設けられた面(一方の面1a)には、第1の基板8が、密着状態で接合されている。この場合、チップ本体1を形成するPDMSの強い自己吸着性により、チップ本体1と第1の基板8を互いに接触させるだけで、両者を密着状態で接合することができる。 With reference to FIGS. 1, 2 and 4, the first substrate 8 is in close contact with the surface (one surface 1a) of the chip body 1 provided with the first to third grooves 5 to 7. It is joined with. In this case, due to the strong self-adsorption property of PDMS forming the chip body 1, the chip body 1 and the first substrate 8 can be joined in close contact with each other simply by bringing them into contact with each other.

第1の基板8は、この実施例では、アクリル板からなっている。
なお、第1の基板8の形成材料はこの実施例に限定されず、第1の基板8をアクリル樹脂とは別の種類の合成樹脂またはチップ本体1を形成する樹脂と同じ種類の合成樹脂から形成してもよいし、第1の基板8としてガラス板を用いることもできる。
The first substrate 8 is made of an acrylic plate in this embodiment.
The material for forming the first substrate 8 is not limited to this embodiment, and the first substrate 8 is made of a synthetic resin of a different type from the acrylic resin or a synthetic resin of the same type as the resin forming the chip body 1. It may be formed, or a glass plate may be used as the first substrate 8.

チップ本体1と第1の基板8との接合によって、チップ本体1の第1〜第3の穴2〜4のそれぞれの一端開口(一方の面1a側の開口)が封閉されて、マイクロ流体チップの第1〜第3の液溜m〜mが形成され、また、チップ本体1の第1〜第3の溝5〜7のそれぞれの上部開口が封閉されて、マイクロ流体チップの第1〜第3の管路n〜nが形成される。 By joining the chip body 1 and the first substrate 8, one end openings (openings on one surface 1a side) of the first to third holes 2 to 4 of the chip body 1 are closed, and the microfluidic chip is formed. The first to third liquid reservoirs m 1 to m 3 of the above are formed, and the upper openings of the first to third grooves 5 to 7 of the chip body 1 are closed to form the first microfluidic chip. ~ Third pipelines n 1 to n 3 are formed.

そして、第1の液溜mは連続相となる液体の貯留用の液溜として機能し、第2の液溜mは分散相となる液体の貯留用の液溜として機能し、第3の液溜mは液滴の捕集用の液溜として機能する。 Then, the first liquid reservoir m 1 functions as a liquid reservoir for storing the liquid which becomes the continuous phase, and the second liquid reservoir m 2 functions as a liquid reservoir for storing the liquid which becomes the dispersed phase, and the third liquid reservoir m 2 functions. The liquid reservoir m 3 of the above functions as a liquid reservoir for collecting droplets.

なお、第1〜第3の液溜m〜mおよび第1〜第3の管路n〜nの2次元的な配置は、上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形例が可能である。
例えば、上記実施例では、マイクロ流体チップに第1〜第3の液溜m〜mを1組だけ設けているが、第1〜第3の液溜m〜mの組を複数組設けてもよい。
The two-dimensional arrangement of the first to third liquid reservoirs m 1 to m 3 and the first to third pipelines n 1 to n 3 is not limited to the above embodiment, and may vary. A modified example is possible.
A plurality of, for example, in the above embodiment, is provided with the first to third liquid reservoir m 1 ~m 3 only one pair to the microfluidic chip, the first to third set of reservoir m 1 ~m 3 It may be provided as a set.

また、上記実施例では、第1〜第3の管路n〜nが互いにT字状に連結しているが、第2の液溜mからのびる第2の管路nを一対設け、連結点Pにおいて、第1の管路nの組と、第2および第3の管路n、nの組を互いに十字状に連結してもよい。
あるいは、チップ本体1に、2つの第1の液溜mと、各1つの第2および第3の液溜m、mを設けるとともに、2つの第1の液溜mからそれぞれのびる2本の第1の管路nの組と、第2および第3の管路n、nの組を一点で互いに十字状に連結してもよい。
In the above embodiment, first through but the third line n 1 ~n 3 is connected in a T-shape with each other, the second conduit n 2 extending from the second liquid reservoir m 2 pair At the connection point P, the set of the first pipeline n 1 and the pair of the second and third pipelines n 2 and n 3 may be connected to each other in a cross shape.
Alternatively, the chip body 1 is provided with two first liquid reservoirs m 1 and one second and third liquid reservoirs m 2 and m 3 , respectively, and extends from the two first liquid reservoirs m 1. A set of two first pipelines n 1 and a pair of second and third pipelines n 2 and n 3 may be connected to each other in a cross shape at one point.

図5Aは、グリッド状の微細な溝9の形成領域の大きさを示す平面図であり、図5Bは、グリッド状の微細な溝9の一部を拡大した図であり、図5Cは、図5BのX−X線に沿った断面図である。
図2および図5A〜図5Cを参照して、チップ本体1の他方の面1bには、微細な溝9がグリッド状に形成されている。
FIG. 5A is a plan view showing the size of the formation region of the grid-shaped fine groove 9, FIG. 5B is an enlarged view of a part of the grid-shaped fine groove 9, and FIG. 5C is a view. It is sectional drawing along the XX line of 5B.
With reference to FIGS. 2 and 5A to 5C, fine grooves 9 are formed in a grid shape on the other surface 1b of the chip body 1.

グリッド状の微細な溝9は、第3の液溜mに接続するが、第1〜第2の液溜m、mの開口縁および他方の面1bの外縁には達しないようになっている。
この実施例では、グリッド状の微細な溝9は、レーザーマーカーによって、チップ本体1の他方の面1bに縦横方向の微細溝加工を施したものからなっている。なお、グリッド状の微細な溝9の形成方法は、この実施例に限定されない。
また、微細な溝9の2次元的な形成パターンは、特に限定されず、網目状となっておれば、どのような形状であってもよい。
The grid-shaped fine grooves 9 are connected to the third liquid reservoir m 3 , but do not reach the opening edges of the first and second liquid reservoirs m 1 and m 2 and the outer edge of the other surface 1 b. It has become.
In this embodiment, the grid-shaped fine grooves 9 are formed by subjecting the other surface 1b of the chip body 1 to fine grooves in the vertical and horizontal directions by using a laser marker. The method of forming the grid-shaped fine grooves 9 is not limited to this embodiment.
Further, the two-dimensional formation pattern of the fine groove 9 is not particularly limited, and may have any shape as long as it has a mesh shape.

図1および図2に示すように、チップ本体1の他方の面1b(グリッド状の微細な溝9が形成された面)には、第2の基板10が密着状態で接合され、第2の基板10には、それぞれ第1および第2の液溜m、mに整合する第1および第2の貫通穴11、12が設けられている。
この場合も、第1の基板8の場合と同様、チップ本体1を形成するPDMSの強い自己吸着性により、チップ本体1と第2の基板10を互いに接触させるだけで、両者を密着状態で接合することができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the second substrate 10 is joined to the other surface 1b (the surface on which the grid-like fine grooves 9 are formed) of the chip body 1 in a close contact state, and the second substrate 10 is joined. The substrate 10 is provided with first and second through holes 11 and 12 matching the first and second liquid reservoirs m 1 and m 2, respectively.
In this case as well, as in the case of the first substrate 8, due to the strong self-adsorption property of PDMS forming the chip body 1, the chip body 1 and the second substrate 10 are simply brought into contact with each other to join them in close contact with each other. can do.

第2の基板10は、この実施例では、アクリル板からなっている。
なお、第2の基板10の形成材料はこの実施例に限定されず、第2の基板10をアクリル樹脂とは別の種類の合成樹脂またはチップ本体1を形成する樹脂と同じ種類の合成樹脂から形成してもよいし、第2の基板10としてガラス板を用いることもできる。また、第2の基板10が第1の基板8とは異なる材料から形成されていてもよい。
The second substrate 10 is made of an acrylic plate in this embodiment.
The material for forming the second substrate 10 is not limited to this embodiment, and the second substrate 10 is made of a synthetic resin of a different type from the acrylic resin or a synthetic resin of the same type as the resin forming the chip body 1. It may be formed, or a glass plate may be used as the second substrate 10. Further, the second substrate 10 may be formed of a material different from that of the first substrate 8.

図4に示すように、チップ本体1と第2の基板10との接合により、グリッド状の微細な溝9の上部開口が封閉されて、チップ本体1および第2の基板10間に、第3の液溜mに連通する閉じた微細構造空間fが形成される。微細構造空間fによって、第3の液溜mの内部空間が拡張される。 As shown in FIG. 4, by joining the chip body 1 and the second substrate 10, the upper opening of the grid-like fine groove 9 is closed, and the third substrate 10 is sandwiched between the chip body 1 and the second substrate 10. communicating with closed microstructure space f is formed on the sump m 3. By the microstructure space f, the internal space of the third liquid reservoir m 3 is expanded.

次に、本発明の液滴製造用マイクロ流体チップの使用態様を説明する。
まず、マイクロ流体チップが減圧下に置かれて、チップ本体1が脱気されるとともに、第1〜第3の液溜m〜m(微細構造空間fを含む)および第1〜第3の管路n〜nの内部からも空気が外部に放出される。
Next, a mode of use of the microfluidic chip for producing droplets of the present invention will be described.
First, the microfluidic chip is placed under reduced pressure to degas the chip body 1, and the first to third liquid reservoirs m1 to m3 (including the microstructure space f) and the first to third liquid reservoirs m 1 to m 3 (including the microstructure space f). Air is also discharged to the outside from the inside of the pipelines n 1 to n 3.

次いで、脱気されたマイクロ流体チップが大気圧下に置かれる。それによって、空気のチップ本体1内への溶解(吸蔵)が開始されるとともに、第1および第2の液溜m、mから第1〜第3の管路n〜nを通じて第3の液溜m(微細構造空間fを含む)に向けて空気が流入するが、このとき、第1および第2の液溜m、mにそれぞれ連続相となる液体および分散相となる液体が注入される。 The degassed microfluidic chip is then placed under atmospheric pressure. As a result, dissolution (occlusal) of air into the chip body 1 is started, and at the same time, the first and second liquid reservoirs m 1 , m 2 through the first to third pipelines n 1 to n 3 are used . Air flows into the liquid reservoir m 3 (including the microstructure space f) of No. 3, and at this time, the liquid and the dispersed phase which are continuous phases are formed in the first and second liquid reservoirs m 1 and m 2, respectively. Liquid is injected.

こうして、連続相となる液体が自律的に第1の管路nを通って第3の液溜mに向かって送液されると同時に、分散相となる液体が自律的に第2の管路nを通って第3の液溜mに向かって送液され、第1および第2の管路n、nと第3の管路nとの連結点Pにおいてエマルションが形成されて、第3の液溜mに分散相となる液体の液滴が連続相となる液体と共に捕集される。 In this way, the liquid that becomes the continuous phase is autonomously sent to the third liquid reservoir m3 through the first conduit n1, and at the same time, the liquid that becomes the dispersed phase is autonomously second. Liquid is sent through the conduit n 2 toward the third liquid reservoir m 3, and the emulsion is formed at the connection point P between the first and second conduits n 1 , n 2 and the third conduit n 3. A liquid droplet that is formed and becomes a dispersed phase is collected in a third liquid reservoir m3 together with a liquid that becomes a continuous phase.

この送液およびエマルション生成のプロセスは、第3の液溜m(微細構造空間fを含む)内に残された密閉空間が減圧状態に維持される間持続する。
ところで、減圧のレベルは、密閉空間内の空気のチップ本体1内への溶解(吸蔵)速度が大きいほど高くなり、減圧のレベルが高いほど送液およびエマルション生成の速度が大きくなる。
This process of liquid feed and the emulsion product, the third reservoir m 3 enclosed space that is left (microstructure including space f) in the lasts is maintained in a reduced pressure state.
By the way, the level of depressurization increases as the rate of dissolution (occlusion) of air in the closed space into the chip body 1 increases, and the rate of liquid feeding and emulsion formation increases as the level of decompression increases.

この場合、密閉空間の体積をVとし、密閉空間に占めるチップ本体1の面積をSとして、S/V比が大きいほど、密閉空間内の空気のチップ本体内への溶解(吸蔵)速度が大きくなり、それに伴って送液およびエマルション生成の速度が大きくなる。 In this case, the volume of the closed space is V, the area of the chip body 1 occupying the closed space is S, and the larger the S / V ratio, the higher the dissolution (occlusion) rate of air in the closed space into the chip body. As a result, the speed of liquid feeding and emulsion formation increases.

本発明によれば、第3の液溜mに微細構造空間fを連通させて第3の液溜mを拡張し、第3の液溜m単独の場合よりもS/V比を大幅に増大させることで、送液およびエマルション生成の速度を増大させたので、液滴を短時間に大量生産することが可能となった。 According to the present invention, made to communicate with the microstructure space f to a third reservoir m 3 extends third reservoir m 3, the ratio S / V than in the third reservoir m 3 alone By increasing the amount significantly, the speed of liquid feeding and emulsion formation was increased, so that it became possible to mass-produce droplets in a short time.

また、本発明によれば、連続相となる液体および分散相となる液体をそれぞれ第1および第2の液溜から第3の液溜に向けて送液するためのシリンジポンプ等のマイクロポンプが不要となり、また、第1および第2の液溜にそれぞれ連続相となる液体および分散相となる液体を注入すれば、それぞれの液体が自律的に第3の液溜に向かって流れるので、各液体の送液流量を制御する必要もない。こうして、液滴を簡単にかつ低コストで製造することができる。 Further, according to the present invention, a micro pump such as a syringe pump for sending a liquid to be a continuous phase and a liquid to be a dispersed phase from the first and second liquid reservoirs to the third liquid reservoir, respectively. It becomes unnecessary, and if the liquids that become the continuous phase and the liquids that become the dispersed phases are injected into the first and second liquid reservoirs, respectively, each liquid autonomously flows toward the third liquid reservoir. There is no need to control the flow rate of the liquid. In this way, the droplet can be produced easily and at low cost.

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明の構成は上記実施例に限定されず、添付の特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で種々の変形例を案出できる。
例えば、上記実施例では、チップ本体1の他方の面1b上に形成したグリッド状の微細な溝9によってチップ本体1および第2の基板10間に微細構造空間fを形成したが、微細構造空間fは、チップ本体1の内部、またはチップ本体1および第2の基板10間、またはそれらの両方に形成され、第3の液溜mに連通する閉じた空間でありさえすればどのような構成であってもよく、この場合、できるだけ大きなS/V比が得られるような構成であることが好ましい。
Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the configuration of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be devised within the scope of the matters described in the appended claims.
For example, in the above embodiment, the fine structural space f is formed between the chip main body 1 and the second substrate 10 by the grid-shaped fine grooves 9 formed on the other surface 1b of the chip main body 1, but the fine structural space f is formed. f, the internal chip body 1 or between chip body 1 and the second substrate 10, or formed on both of them, what if only a closed space communicates with the third liquid reservoir m 3 It may be configured, and in this case, it is preferable that the configuration is such that the S / V ratio as large as possible can be obtained.

[実験]
次に、本発明の効果を確認すべく、実験を行ってその結果を評価した。
実験においては、マイクロ流体チップとして、図1〜図5に示したものと同様の構成のものを作成した。マイクロ流体チップの各部の寸法は次のとおりである。
(i)チップ本体1:縦50mm×横70mm×厚さ4mm
(一方の面1a側)
・第1の液溜mの径:d=6mm
・第2の液溜mの径:d=4mm
・第3の液溜mの径:d=8mm
・チップ本体横方向の、第1の液溜mの中心および点P間の距離:L=7mm
・チップ本体横方向の、第2の液溜mの中心および点P間の距離:L=7mm
・チップ本体縦方向の、第2の液溜m(第1の液溜m)の中心および点P間の距離L=7.5mm
・チップ本体縦方向の、第3の液溜mの中心および点P間の距離L+L=7.5mm
・チップ本体縦方向の、第3の液溜mの中心および第3の管路nとの接続点間の距離:L=1mm
・第1〜第3の管路n〜nの深さ:50μm
・第1〜第3の管路n〜nの幅広の部分5a、6a、7aのそれぞれの幅:d=250μm
・第1〜第3の管路n〜nのテーパー部分5b、6b、7bのそれぞれの長さ:d=300μm
・第1〜第3の管路n〜nの狭小な部分5c、6c、7cのそれぞれの幅:d=50μm
・第1の管路nの狭小な部分5cの長さd=0.2mm
・第2の管路nの狭小な部分6cの長さd=0.2mm
・第3の管路nの狭小な部分7cの長さd=2mm
(他方の面1b側)
・グリッド状の微細な溝9の形成領域の大きさ(図5A参照)
=50mm、L=34mm、L=25mm、L=25mm、L10=17mm、L11=17mm
・グリッド状の微細な溝9を構成する溝部分の幅d10=40μm
・グリッド状の微細な溝9を構成する溝部分の深さd11=5μm
・グリッド間の間隔d12=120μm
(ii)第1の基板8:縦52mm×横76mm×厚さ2mm
(iii)第2の基板10:縦50mm×横70mm×厚さ2mm
・第1の貫通穴11の径:6mm
・第2の貫通穴12の径:4mm
[experiment]
Next, in order to confirm the effect of the present invention, an experiment was conducted and the result was evaluated.
In the experiment, a microfluidic chip having the same configuration as that shown in FIGS. 1 to 5 was prepared. The dimensions of each part of the microfluidic chip are as follows.
(I) Chip body 1: Length 50 mm x width 70 mm x thickness 4 mm
(One side 1a side)
-Diameter of the first liquid reservoir m 1 : d 1 = 6 mm
-Diameter of the second liquid reservoir m 2 : d 2 = 4 mm
- third of the diameter of the reservoir m 3: d 3 = 8mm
-Distance between the center of the first liquid reservoir m 1 and the point P in the lateral direction of the chip body: L 1 = 7 mm
-Distance between the center of the second liquid reservoir m 2 and the point P in the lateral direction of the chip body: L 2 = 7 mm
-Distance between the center of the second liquid reservoir m 2 (first liquid reservoir m 1 ) and the point P in the vertical direction of the chip body L 3 = 7.5 mm
-Distance between the center of the third liquid reservoir m 3 and the point P in the vertical direction of the chip body L 4 + L 5 = 7.5 mm
- of the chip body longitudinal direction, the distance between the connection point between the center and the third conduit n 3 of the third liquid reservoir m 3: L 5 = 1mm
- first to third line n 1 ~n 3 depth: 50 [mu] m
- first to third line n 1 ~n 3 of the wide portion 5a, 6a, 7a of the respective widths: d 4 = 250 [mu] m
- length of each of the first to third line n 1 ~n 3 of the tapered portion 5b, 6b, 7b: d 5 = 300μm
- first to third line n 1 ~n third narrow portion 5c, 6c, 7c of the respective widths: d 6 = 50 [mu] m
- the length of the first conduit n 1 narrow portion 5c d 7 = 0.2 mm
The length d 8 = 0.2 mm of the narrow portion 6c of the second pipeline n 2.
- length of the third conduit n 3 of narrow portions 7c d 9 = 2 mm
(The other surface 1b side)
-Size of the formation region of the grid-like fine groove 9 (see FIG. 5A)
L 6 = 50 mm, L 7 = 34 mm, L 8 = 25 mm, L 9 = 25 mm, L 10 = 17 mm, L 11 = 17 mm
-Width of the groove portion forming the grid-like fine groove 9 d 10 = 40 μm
・ Depth of the groove portion forming the grid-like fine groove 9 d 11 = 5 μm
・ Spacing between grids d 12 = 120 μm
(Ii) First substrate 8: length 52 mm × width 76 mm × thickness 2 mm
(Iii) Second substrate 10: length 50 mm × width 70 mm × thickness 2 mm
-Diameter of the first through hole 11: 6 mm
-Diameter of the second through hole 12: 4 mm

上記の設計仕様においては、グリッド状の微細な溝9に基づく微細構造空間fの総体積(V)が2.22×10−3cmとなり、この微細構造空間fに占めるチップ本体1(PDMS)の占める面積(S)が9.60×10−1cmとなるので、S/V=432cm−1となる。
また、第3の液溜mについては、S/V=5.0cm−1となる。
よって、微細構造空間fによって拡張された第3の液溜mのS/Vは、9.6cm−1である。
In the above design specifications, the total volume (V) of the fine structure space f based on the grid-like fine grooves 9 is 2.22 × 10 -3 cm 3 , and the chip body 1 (PDMS) occupying the fine structure space f. ) Occupies 9.60 × 10 -1 cm 2 , so S / V = 432 cm -1 .
Further, for the third liquid reservoir m 3 , S / V = 5.0 cm -1 .
Therefore, the S / V of the third liquid reservoir m 3 expanded by the fine structure space f is 9.6 cm -1 .

このマイクロ流体チップを、ポンプ内蔵真空デシケータ内に収容し、ポンプを作動させてデシケータ内を減圧し、デシケータ内が所定の圧力値に達した時点でポンプを停止させて、90分間デシケータ内を減圧状態に維持し、マイクロ流体チップを脱気した。 This microfluidic chip is housed in a vacuum desiccator with a built-in pump, the pump is operated to depressurize the inside of the desiccator, and when the inside of the desiccator reaches a predetermined pressure value, the pump is stopped to depressurize the inside of the desiccator for 90 minutes. The state was maintained and the microfluidic chip was degassed.

脱気終了後、デシケータ内に外気を導入するとともに、デシケータ内において素早く、第1の液溜mに油相(2%Pico−Surf(登録商標)1を含むNovec7500)150μLを注入し、第2の液溜mに水相(0.18(w/v)%インジコカルミン溶液)20μLを注入した。 After degassing completion, with introducing the outside air into the desiccator, quickly in the desiccator, was injected first oil phase in reservoir m 1 (Novec7500 containing 2% Pico-Surf (R) 1) 150 [mu] L, the 20 μL of an aqueous phase (0.18 (w / v)% indicocarmine solution) was injected into m 2 of the liquid reservoir of 2.

そして、第1および第2の管路n、nと第3の管路nとの連結点Pにおいて油中水滴(エマルション)を生成し、第3の液溜mに捕集した。
このとき、倒立型蛍光顕微鏡(WRAYMER、AXJ−5300TPHFL MODEL)に接続した高速度カメラ(DITECT、HAS−D71)を用いて、連結点Pにおける油中水滴の生成の様子を記録した。
Then, to generate a water-in-oil (emulsion) in the connecting point P between the first and second conduit n 1, n 2 and the third conduit n 3, it was collected in a third reservoir m 3 ..
At this time, a high-speed camera (DITECT, HAS-D71) connected to an inverted fluorescence microscope (WRAYMER, AXJ-5300TPHFL MODEL) was used to record the formation of water droplets in oil at the connection point P.

油中水滴の生成プロセスが終了した後、記録した画像を解析することにより、油相と液相とが連結点Pで交差した時点を基準として、液滴の生成速度の時間変化を測定した。さらに、得られた生成速度を積分することによって、液滴の生成総数の時間変化を算出した。
結果を図6Aのグラフに示す。図6Aのグラフ中、縦軸は液滴生成速度(Hz)または液滴生成総数を示し、横軸は時間(min)を示している。また、曲線Iは液滴の生成速度を表し、曲線IIは液滴の生成総数を表している。
After the process of forming water droplets in oil was completed, the recorded image was analyzed to measure the time change of the droplet formation rate with reference to the time point at which the oil phase and the liquid phase intersected at the connection point P. Furthermore, the time change of the total number of droplets produced was calculated by integrating the obtained generation rates.
The results are shown in the graph of FIG. 6A. In the graph of FIG. 6A, the vertical axis represents the droplet generation rate (Hz) or the total number of droplets generated, and the horizontal axis represents time (min). Further, the curve I represents the rate of droplet formation, and the curve II represents the total number of droplets generated.

次に、比較例として、図1〜図5に示したものと、グリッド状の微細な溝9を有しない点のみが異なるマイクロ流体チップを準備し、このマイクロ流体チップを用いて、上と同様にして液滴の製造を行い、マイクロ流体チップの連結点Pにおける油中水滴の生成の様子を高速度カメラに記録した。 Next, as a comparative example, a microfluidic chip different from that shown in FIGS. 1 to 5 only in that it does not have a grid-like fine groove 9 is prepared, and using this microfluidic chip, the same as above Then, droplets were produced, and the state of water droplets in oil at the connection point P of the microfluidic chip was recorded on a high-speed camera.

そして、前と同様に、記録した画像を解析することによって、油相と液相とが連結点Pで交差した時点を基準として、液滴の生成速度の時間変化を測定した。さらに、得られた生成速度を積分することによって、液滴の生成総数の時間変化を算出した。
結果を図6Bのグラフに示す。図6Bのグラフ中、縦軸は液滴生成速度(Hz)または液滴生成総数を示し、横軸は時間(min)を示している。また、曲線Iは液滴の生成速度を表し、曲線IIは液滴の生成総数を表している。
Then, in the same manner as before, by analyzing the recorded image, the time change of the droplet formation rate was measured with reference to the time point at which the oil phase and the liquid phase intersected at the connection point P. Furthermore, the time change of the total number of droplets produced was calculated by integrating the obtained generation rates.
The results are shown in the graph of FIG. 6B. In the graph of FIG. 6B, the vertical axis represents the droplet generation rate (Hz) or the total number of droplets generated, and the horizontal axis represents time (min). Further, the curve I represents the rate of droplet formation, and the curve II represents the total number of droplets generated.

図6Aのグラフと図6Bのグラフの比較から、第3の液溜mを微細構造空間によって拡張することで、液滴の生成速度が飛躍的に増大し、それに伴って一定時間当たりの液滴の生成総数も大幅に増加することが確認できた。 From the comparison between the graph of FIG. 6A and the graph of FIG. 6B, by expanding the third liquid reservoir m3 by the microstructural space, the rate of droplet formation is dramatically increased, and the liquid per fixed time is accompanied by this. It was confirmed that the total number of drops produced also increased significantly.

1 チップ本体
1a 一方の面
1b 他方の面
2 第1の穴
3 第2の穴
4 第3の穴
5 第1の溝
6 第2の溝
7 第3の溝
8 第1の基板
9 グリッド状の微細な溝
10 第2の基板
11 第1の貫通穴
12 第2の貫通穴
f 微細構造空間
第1の液溜
第2の液溜
第3の液溜
第1の管路
第2の管路
第3の管路
P 連結点
1 Chip body 1a One surface 1b The other surface 2 First hole 3 Second hole 4 Third hole 5 First groove 6 Second groove 7 Third groove 8 First substrate 9 Grid-like Fine groove 10 Second substrate 11 First through hole 12 Second through hole f Microstructure space m 1 First liquid reservoir m 2 Second liquid reservoir m 3 Third liquid reservoir n 1 First Pipeline n 2 Second lineage n 3 Third lineway P Connection point

Claims (3)

気体を吸蔵し得る合成樹脂から形成された板状のチップ本体と、
前記チップ本体の一方の面に密着状態で接合された第1の基板と、を備え、
前記チップ本体の他方の面に、連続相となる液体を貯める第1の液溜と、分散相となる液体を貯める第2の液溜と、液滴を捕集する第3の液溜とが開口し、
前記チップ本体には、それぞれ第1〜第3の液溜の底部からのびて一点で互いに連結する第1〜第3の管路が設けられ、さらに、
前記チップ本体の前記他方の面に密着状態で接合された第2の基板を備え、
前記第2の基板には、それぞれ前記第1および第2の液溜に整合する第1および第2の貫通穴が設けられ、さらに、
前記チップ本体の内部、または前記チップ本体および前記第2の基板間、またはそれらの両方に形成され、前記第3の液溜に連通する閉じた微細構造空間を備えたものであることを特徴とする液滴製造用マイクロ流体チップ。
A plate-shaped chip body made of synthetic resin that can occlude gas,
A first substrate bonded to one surface of the chip body in close contact with the chip body is provided.
On the other surface of the chip body, a first liquid reservoir for storing a liquid to be a continuous phase, a second liquid reservoir for storing a liquid to be a dispersed phase, and a third liquid reservoir for collecting droplets are formed. Open and
The chip main body is provided with first to third pipelines extending from the bottoms of the first to third liquid reservoirs and connecting to each other at one point, and further.
A second substrate is provided, which is closely bonded to the other surface of the chip body.
The second substrate is provided with first and second through holes that match the first and second liquid reservoirs, respectively, and further.
It is characterized by having a closed microstructural space formed inside the chip body, between the chip body and the second substrate, or both of them, and communicating with the third liquid reservoir. Microfluidic chips for droplet production.
前記微細構造空間が、前記チップ本体の前記他方の面上に網目状に形成された微細な溝からなり、前記網目状の微細な溝は、前記第3の液溜の開口縁に接続するが、前記第1および第2の液溜の開口縁および前記他方の面の外縁には達しないように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の液滴製造用マイクロ流体チップ。 The microstructural space is composed of mesh-like fine grooves formed on the other surface of the chip body, and the mesh-like fine grooves are connected to the opening edge of the third liquid reservoir. The microfluidic chip for producing a droplet according to claim 1, wherein the microfluidic chip for producing a droplet is formed so as not to reach the opening edge of the first and second liquid reservoirs and the outer edge of the other surface. 前記網目状の微細な溝は、グリッド状の微細な溝からなっていることを特徴とする請求項2に記載の液滴製造用マイクロ流体チップ。 The microfluidic chip for producing droplets according to claim 2, wherein the mesh-like fine grooves are formed of grid-like fine grooves.
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