JP7036746B2 - マイクロ流体チップ - Google Patents

Description

本発明は、流体が送液される流路構造を有する、マイクロ流体チップに関する。

従来、様々なマイクロ流体チップが知られている。例えば下記の特許文献１に記載の遺伝子検査用マイクロリアクタでは、主流路から分岐された複数の分岐流路に、それぞれ、複数の反応槽が設けられている。ここでは、コンタミネーションを防止するために、検体ごとの試薬類送液系コンポーネントや制御検出コンポーネントが独立に構成されている。各反応槽の上流側及び下流側に逆流防止弁を用いることにより、反応槽間のコンタミネーションが抑制されている。

また、下記の特許文献２では、ガス発生弁を用いることにより、流体の移動を防止することが開示されている。

特開２００６－２１７８１８号公報 特開２００８－２５３２６１号公報

特許文献１や特許文献２に記載のように、複数の反応槽が設けられているマイクロ流体チップでは、反応槽間のコンタミネーションを防止するために、各反応槽ごとに、逆流防止弁やガス発生弁などを用いなければならなかった。そのため、このような送液を制御する弁の数が増加し、構造が複雑になるという問題があった。また、マイクロ流体チップの小型化も困難であった。

本発明の目的は、送液制御用の弁などの数を少なくすることができ、流路構造を簡略化することができ、さらに小型化を効果的に図り得る、マイクロ流体チップを提供することにある。

本発明に係るマイクロ流体チップは、流体が送液される流路構造を有するマイクロ流体チップであって、前記流路構造が、流体が流入される流入口と、流体が流出される流出口とを有する主流路と、前記主流路に接続されており、前記主流路に接続されている側が流入端であり、前記流入端と反対側の端部が流出端である複数の分岐流路と、前記複数の分岐流路の内、隣り合っている少なくとも一対の分岐流路間において、前記主流路に接続されている副分岐流路とを有し、前記副分岐流路の前記主流路に接続されている側が流入端である。本発明に係るマイクロ流体チップでは、好ましくは、前記副分岐流路が、流出端を有していない。

本発明に係るマイクロ流体チップでは、好ましくは、２つ以上の分岐流路の流入端が共有している主流路の内壁面に前記副分岐流路の流入端が開口している。この場合には、分岐流路間のコンタミネーションをより効果的に抑制することができる。

本発明に係るマイクロ流体チップの他の特定の局面では、前記分岐流路及び前記副分岐流路が開口している内壁が、前記分岐流路が延びる方向と直交する方向に位置している内壁である。本発明に係るマイクロ流体チップのさらに特定の局面では、前記主流路の横断面が矩形である。

本発明に係るマイクロ流体チップの別の特定の局面では、隣り合う分岐流路間の全ての位置に、前記副分岐流路が設けられている。この場合には、隣り合う全ての分岐流路間におけるコンタミネーションを効果的に抑制することができる。

本発明に係るマイクロ流体チップのさらに他の特定の局面では、前記副分岐流路の前記主流路に接続されている流入端における流路断面積よりも、流路断面積が大きい部分が前記副分岐流路に設けられている。この場合には、副分岐流路に、流体を確実に導くことができる。また、副分岐流路に導かれた流体が、副分岐流路の外に漏洩し難い。従って、コンタミネーションをより確実に抑制することができる。

本発明に係るマイクロ流体チップのさらに他の特定の局面では、前記複数の分岐流路の前記流出端側に接続されている接続流路をさらに備え、該接続流路が、前記主流路に接続されている。

本発明に係るマイクロ流体チップの別の特定の局面では、前記主流路の流入端と前記流出端とに、流体の移動を封止することができる、封止部が設けられている。

本発明に係るマイクロ流体チップでは、各分岐流路ごとに、送液制御用の弁などを必要としないため、弁などの数を少なくすることができ、かつ流路構造の簡略化を図ることができる。加えて、マイクロ流体チップの小型化も進めることが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態のマイクロ流体チップを示す斜視図である。 図２は、本発明の第１の実施形態のマイクロ流体チップにおける流路構造を説明するための模式的平面図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロ流体チップの流路構造において、流体が複数の分岐流路に充填されている状態を示す模式的平面図である。 図４は、本発明の第１の実施形態のマイクロ流体チップの流路構造における主流路及び副分岐流路を説明するための部分切欠き拡大断面図である。 図５は、本発明の第２の実施形態に係るマイクロ流体チップの流路構造を説明するための模式的平面図である。 図６は、本発明の第３の実施形態に係るマイクロ流体チップの流路構造を説明するための模式的平面図である。 図７は、本発明の第４の実施形態に係るマイクロ流体チップの流路構造を説明するための模式的平面図である。 図８は、本発明の第５の実施形態に係るマイクロ流体チップの流路構造を説明するための模式的平面図である。 図９は、本発明の第６の実施形態に係るマイクロ流体チップの流路構造を説明するための模式的平面図である。 図１０は、本発明の第７の実施形態に係るマイクロ流体チップの流路構造を説明するための模式的平面図である。 図１１は、本発明の第８の実施形態に係るマイクロ流体チップの流路構造を示す模式的平面図である。 図１２は、本発明の第９の実施形態に係るマイクロ流体チップを示す斜視図である。 図１３は、本発明の第９の実施形態に係るマイクロ流体チップを主流路が鉛直方向となるように使用する方法を説明するための斜視図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１は本発明の第１の実施形態に係るマイクロ流体チップを示す斜視図であり、図２はこの流路構造を示す模式的平面図である。

マイクロ流体チップ１は矩形板状のチップ本体２を有する。チップ本体２は、複数の層を積層してなる積層体からなる。この複数の層を構成する材料は、合成樹脂やガラス等の適宜の材料からなる。

チップ本体２内に、図１に破線で示す流路構造３が設けられている。図２に示すように、この流路構造３は流体が搬送される部分であり、流路構造３は主流路４を有する。主流路４の一端に流入口５が、他端に流出口６が設けられている。この流入口５側に、バルブ７が設けられており、流出口６側にバルブ８が設けられている。

バルブ９は、後述する分岐流路１３の接続されている部分よりも、主流路４において、下流側に設けられている。すなわち分岐流路１３が接続されている部分と、バルブ８が設けられている部分との間に、バルブ９が設けられている。

なお、上記バルブ７，８及び９は、主流路４を封止することができる、封止部を構成している。もっとも、バルブ７，８，９に代えて、外部からの操作などにより、主流路４を開閉し得る、他の封止部材を用いてもよい。

主流路４に、複数の分岐流路１１～１３の一端が接続されている。分岐流路１１～１３は、ＰＣＲ反応を行う反応槽として設けられている。分岐流路１１～１３の主流路４に接続されている側とは反対側の端部には、断面積が分岐流路１１～１３に比べて小さい、流路抵抗部１６～１８が設けられている。上記分岐流路１１～１３の一端が流入端であり、主流路４に開口している。分岐流路１１～１３の他端が流出端であり、前記流路抵抗部１６～１８に接続されている。

流路抵抗部１６～１８の下流端は、接続流路１９に接続されている。接続流路１９は、バルブ９よりも下流側において主流路４に接続されている。

隣り合う分岐流路１１，１２間において、主流路４に副分岐流路１４が接続されている。隣り合う分岐流路１２，１３間においても、主流路４に副分岐流路１５が接続されている。副分岐流路１４，１５は、主流路４に接続されている流入端を有するが、副分岐流路１４，１５は気体の流出口を有していない。また、副分岐流路１４，１５の流入端は、主流路４に開口している。

副分岐流路１４は、分岐流路１１，１２間における検体や試薬のコンタミネーションを防止するために設けられている。副分岐流路１５も、隣り合う分岐流路１２，１３間におけるコンタミネーションを抑制するために設けられている。

上記マイクロ流体チップ１では、液状の検体や液状の試薬である流体が送液される。より具体的には、バルブ７，８，９を開いた状態としておき、流入口５から、主流路４に、流体を送液する。送液された流体は、図３に示すように、分岐流路１１，１２，１３内に充填される。この場合、流路抵抗部１６～１８の流路抵抗よりも低い送液圧力で送液が行われる。そのため、流路抵抗部１６～１８に流体は送液されない。

さらに、流入口５側から気体を導入し、主流路４内の流体を流出口６から流出させる。次に、バルブ７と、バルブ９とを閉じる。この状態では、主流路４内には流体は存在しない。分岐流路１１～１３内にのみ流体が充填される。

なお、バルブ９を閉状態とする場合、バルブ８も閉状態としてもよい。

上記のようにして、流体が、分岐流路１１，１２及び１３内に封止される。

ＰＣＲ反応に際しては、ＲＮＡなどが試薬とともに混合された流体が、所定の温度に加熱する工程が繰り返される。それによって、ＲＮＡなどをポリメラーゼし、鎖が延長された核酸を光学的検出手段などを用いて検出する。この場合、分岐流路１１，１２，１３内において反応液としての流体が上記のように繰り返し加熱される。流体が加熱されると、膨張し、分岐流路１１～１３側から、主流路４側に移動しようとする。そのため、分岐流路１１内の流体と、分岐流路１２内の流体との間でコンタミネーションが生じるおそれがある。

しかしながら、マイクロ流体チップ１では、副分岐流路１４が隣り合う分岐流路１１，１２間に設けられている。そのため、加熱により膨張して、主流路４側に移動してきた流体が存在したとしても、副分岐流路１４内に入り、他方側の分岐流路１２や分岐流路１１に至らない。そのため、隣り合う分岐流路１１，１２間における流体間のコンタミネーションが生じ難い。隣り合う分岐流路１２，１３間においても、副分岐流路１５が設けられているため、同様に、コンタミネーションを抑制することができる。

図４は、図２のＡ－Ａ線に沿う部分に相当する部分切欠き拡大断面図である。この断面は、主流路４の横断面である。主流路４は内壁面４ａ～４ｄを有する。本発明においては、好ましくは、複数の分岐流路１１～１３の流入端が共有している内壁面４ａに、副分岐流路１４，１５の流入端が開口している。

副分岐流路１４，１５は、好ましくは、分岐流路１１～１３が接続されている主流路４の同じ内壁に接続されていることが望ましい。特に限定されないが、本実施形態では、主流路４は、矩形の横断面形状を有する。そのため、４つの内壁４ａ～４ｄを有する。この内、内壁４ａに副分岐流路１４が接続されている。そして、破線で示すように、分岐流路１１も上記内壁４ａに接続されている。このように、同じ内壁４ａに、分岐流路１１～１３の流入端及び副分岐流路１４，１５の流入端が開口している場合、分岐流路１１～１３から熱膨張により主流路４に浸入してきた流体が、内壁４ａを伝って、副分岐流路１４に容易に入り込むこととなる。そのため、上記コンタミネーションをより効果的に抑制することができる。もっとも、主流路４における異なる内壁に、分岐流路１１～１３の流入端と、副分岐流路１４，１５の流入端とが開口していてもよい。本実施形態では副分岐流路１４は主流路４の内壁４ａから主流路４に対し遠ざかる方向に、すなわち分岐流路１１や分岐流路１２が延びている方向に延ばされていた。しかしながら、図４に一点鎖線で示す副分岐流路１４Ａを用いてもよい。副分岐流路１４Ａは内壁４ａに連なっており、かつ主流路４の内壁４ａから下方に延ばされている。この場合にも、複数の分岐流路１１～１３の流入端が共有している主流路４の内壁面４ａに向かって、副分岐流路１４Ａが開口している。

また、副分岐流路１４Ａのように、副分岐流路の延びる方向は、分岐流路１１～１３が延びる方向に限定されず、主流路４の深さ方向であってもよい。

さらに、本実施形態では、主流路４は長期流路１１が接続されている部分から分岐流路３が接続されている部分に向かって直線状に延ばされていた。しかしながら、本発明においては、主流路は分岐流路間において曲線状の形状の部分を有していてもよい。従って、副分岐流路の流入端は、この曲線状部分に開口していてもよい。

特に限定されないが、本実施形態では、主流路４の内壁４ａは、分岐流路１１，１２，１３が延びる方向と直交する方向に位置している。従って、隣り合う分岐流路１１，１２間及び隣り合う分岐流路１２，１３間におけるコンタミネーションをより効果的に抑制することができる。

なお、マイクロ流体チップ１では、隣り合う一対の分岐流路１１，１２及び一対の分岐流路１２，１３間のいずれにも、副分岐流路１４，１５が設けられている。もっとも、複数の隣り合う一対の分岐流路間の全ての位置に必ずしも副分岐流路が設けられておらずともよい。少なくとも一対の分岐流路間に副分岐流路が設けられておればよい。好ましくは、本実施形態のように、隣り合う一対の分岐流路間の全ての位置に、副分岐流路１４，１５が設けられていることが望ましい。

副分岐流路１４，１５の主流路４に接続されている流入端における流路断面積よりも、流路断面積が大きい部分が副分岐流路１４，１５に設けられていることが好ましい。そのため、本実施形態では、図２に示されているように、副分岐流路の流路断面積最大部分が、主流路４に接続されている部分とは異なる位置に設けられている。

このように、流入端における流路断面積よりも、流路断面積が大きい部分が副分岐流路１４，１５に設けられていることが望ましい。それによって、加熱膨張により浸入してきた流体をより確実に、副分岐流路１４内に導くことができる。加えて、副分岐流路１４内に導かれた流体が、副分岐流路４外に漏洩し難い。

なお、副分岐流路の流路断面積が大きい部分は、副分岐流路の横断面における幅方向寸法及び深さ方向寸法の少なくとも一方を大きくすることにより構成することができる。

なお、マイクロ流体チップ１では、流路構造の断面形状及び大きさは、流体の搬送に際し、マイクロ効果が生じるような微細な流路をいう。このような流路構造では、流体は、表面張力の影響を強く受け、通常の大寸法の流路を流れる流体とは異なる挙動を示す。

流体が送液される流路の横断面形状及び大きさは、上記のマイクロ効果が生じる流路であれば特に限定はされない。従って、主流路４、分岐流路１１，１２，１３及び副分岐流路１４，１５の横断面は、矩形であってもよく、円形であってもよく、楕円形等であってもよい。また、例えば、流体が送液される流路に流体を流す際、ポンプや重力を用いる場合には、流路抵抗をより一層低下させる観点から、流路の横断面形状がおおむね長方形（正方形を含む）の場合には、小さい方の辺の寸法で、２０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上がさらに好ましい。また、マイクロ流体チップ１をより一層小型化する観点より、５ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がより好ましく、５００μｍ以下がさらに好ましい。

また、流体が送液される流路の横断面形状がおおむね円形の場合には、直径（楕円の場合には、短径）が、２０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上がさらに好ましい。マイクロ流体チップ１をより一層小型化する観点からは、直径（楕円の場合には、短径）が、５ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がより好ましく、５００μｍ以下がさらに好ましい。

一方、例えば、流体が送液される流路に流体を流す際、毛細管現象をより一層有効に活用するときに、流路の横断面形状がおおむね長方形（正方形を含む）の場合には、小さい方の辺の寸法で、５μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましく、２０μｍ以上であることがさらに好ましい。また、小さい方の辺の寸法で、２００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましい。

副分岐流路１４，１５の容積が大きいほど、コンタミネーションを抑制することができる。もっとも、副分岐流路１４，１５における結露による流体の減少を抑制するには、副分岐流路の容積は、５μＬ以下とすることが望ましい。

また、上記副分岐流路における流入端側の流路断面積は、０．０１ｍｍ２～２．０ｍｍ２程度であることが望ましい。その場合には、主流路４側に浸入してきた流体をより確実に副分岐流路１４，１５内に導くことができる。

また、分岐流路１１の主流路４に開口している部分と、分岐流路１２の主流路４に開口している部分との間の距離、すなわち隣り合う分岐流路１１，１２間の主流路４に開口している部分間の距離は、１０．０ｍｍ以下であることが望ましい。その場合には、マイクロ流体チップ１の小型化を図ることができる。

もっとも、分岐流路１１，１２の主流路４に接続されている流入端から、副分岐流路１４が主流路４に接続されている流入端までの距離は、５．０ｍｍ未満であることが好ましい。その場合には、加熱膨張により主流路４に浸入してきた流体を確実に、副分岐流路１４に導くことができる。

また、流体と、流路構造３の壁面との接触角は、２０°以上、１２０°以下であることが好ましい。この範囲内であれば、上記のように、流体を、分岐流路１１～１３に確実に導き、ＰＣＲ反応などを行うことができ、かつコンタミネーションを上記のようにして効果的に抑制することができる。

なお、本発明における主流路及び副分岐流路の形状及び配置形態は特に限定されない。図５～図１０を参照して、第２～第７の実施形態のマイクロ流体チップにおける流路構造を説明する。

図５に示す第２の実施形態では、流路構造２１は、平面形状において、矩形の副分岐流路２２，２３が用いられていることを除いては、図２に示した流路構造３とほぼ同様に構成されている。

また、図６に示す第３の実施形態のマイクロ流体チップにおける流路構造２４では、平面形状が、三角形状の副分岐流路２５，２６が設けられていることを除いては、流路構造３と同様に構成されている。さらに、図７に示す第４の実施形態のマイクロ流体チップの流路構造２７では、分岐流路１１～１３よりも細長い矩形の副分岐流路２８，２９が設けられている。このように、副分岐流路２２，２３，２５，２６，２８，２９に示すように、副分岐流路の平面形状は特に限定されない。

また、図８に示す第５の実施形態のマイクロ流体チップの流路構造３１では、副分岐流路２２の長さ＞副分岐流路２３の長さとされている。さらに、図９に示す第６の実施形態に係るマイクロ流体チップの流路構造３２では、分岐流路１１の長さ＞分岐流路１２の長さ＞分岐流路１３の長さかつ副分岐流路２２の長さ＞副分岐流路２３の長さとされている。流路構造３１，３２に示されているように、複数の分岐流路の長さを異ならせてもよく、複数の副分岐流路の長さを異ならせてもよい。

さらに、図１０に示す第７の実施形態のマイクロ流体チップの流路構造４１に示すように、複数の分岐流路１１，１２が設けられている部分よりも主流路４の上流側あるいは下流側に副分岐流路４２，４３が設けられてもよい。すなわち、隣り合う分岐流路１１，１２間以外の部分に、副分岐流路４２や副分岐流路４３が設けられてもよい。

また、図２では、接続流路１９が設けられていたが、図１１に示す第８の実施形態の流路構造５１のように、接続流路１９が設けられておらず、第１～第３の分岐流路１１～１３の下流側に、バルブ５２～５４が設けられていてもよい。すなわち、反応後の流体を、上記バルブ５２～５４を開き、主流路４に戻さずに、別の流路から排出させてもよい。

図１２に示す第９の実施形態のように、上記複数の分岐流路１１～１３を含む平面が、鉛直方向に直交する方向に、すなわち図１２に示す向きにマイクロ流体チップ１が配置されて用いられてもよい。あるいは、図１３に示すように、複数の分岐流路１１～１３が配置されている面を含む面が、鉛直方向となるように、配置されて、マイクロ流体チップ１が用いられてもよい。

また、本発明に係るマイクロ流体チップにおける流体としては、上記ＰＣＲ反応に用いられる検体や反応液に限らず、流体の加熱が伴う様々な分析方法などに広く用いることができる。

１…マイクロ流体チップ
２…チップ本体
３…流路構造
４…主流路
４ａ～４ｄ…内壁
５…流入口
６…流出口
７～９…バルブ
１１～１３…分岐流路
１４，１５…副分岐流路
１６～１８…流路抵抗部
１９…接続流路
２１，２４，２７，３１，３２，４１，５１…流路構造
２２，２３，２５，２６，２８，２９，４２，４３…副分岐流路
５２～５４…バルブ

Claims (8)

1. 流体が送液される流路構造を有するマイクロ流体チップであって、
   前記流路構造が、流体が流入される流入口と、流体が流出される流出口とを有する主流路と、
   前記主流路に接続されており、前記主流路に接続されている側が流入端であり、前記流入端と反対側の端部が流出端である複数の分岐流路と、
   前記複数の分岐流路の内、隣り合っている少なくとも一対の分岐流路間において、前記主流路に接続されている副分岐流路とを有し、
   前記副分岐流路の前記主流路に接続されている側が流入端であり、
   前記副分岐流路は、流出端を有していない、マイクロ流体チップ。
2. ２つ以上の分岐流路の流入端が共有している主流路の内壁面に前記副分岐流路の流入端が開口している、請求項１に記載のマイクロ流体チップ。
3. 前記主流路の、前記分岐流路及び前記副分岐流路が開口している内壁が、前記分岐流路が延びる方向と直交する方向に位置している内壁である、請求項２に記載のマイクロ流体チップ。
4. 前記主流路の横断面が矩形である、請求項３に記載のマイクロ流体チップ。
5. 隣り合う分岐流路間の全ての位置に、前記副分岐流路が設けられている、請求項１～４のいずれか１項に記載のマイクロ流体チップ。
6. 流体が送液される流路構造を有するマイクロ流体チップであって、
   前記流路構造が、流体が流入される流入口と、流体が流出される流出口とを有する主流路と、
   前記主流路に接続されており、前記主流路に接続されている側が流入端であり、前記流入端と反対側の端部が流出端である複数の分岐流路と、
   前記複数の分岐流路の内、隣り合っている少なくとも一対の分岐流路間において、前記主流路に接続されている副分岐流路とを有し、
   前記副分岐流路の前記主流路に接続されている側が流入端であり、
   前記副分岐流路の前記主流路に接続されている流入端における流路断面積よりも、流路断面積が大きい部分が前記副分岐流路に設けられている、マイクロ流体チップ。
7. 前記複数の分岐流路の前記流出端側に接続されている接続流路をさらに備え、該接続流路が、前記主流路に接続されている、請求項１～６のいずれか１項に記載のマイクロ流体チップ。
8. 前記主流路の流入端と前記流出端とに、流体の移動を封止することができる、封止部が設けられている、請求項１～７のいずれか１項に記載のマイクロ流体チップ。

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