JPWO2007105584A1 - マイクロ流体デバイスおよび微量液体希釈方法 - Google Patents

マイクロ流体デバイスおよび微量液体希釈方法 Download PDF

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Abstract

様々な希釈倍率のマイクロ流体を内部で容易にかつ確実に提供し得る微細流路構造が備えられたマイクロ流体デバイスを提供する。基板２内に設けられた微細流路構造が、第１の混合ユニット１１と、第１の混合ユニット１１の下流側に接続されている第２の混合ユニット２１とを有する。各混合ユニット１１，２１は、第１〜第３の微細流路を有する。一定量の第１のマイクロ流体の体積と等しい容積を有する微細流路からなる第１の秤取部１１ｄの一端が第１の微細流路１１ａに、他端が第２の微細流路１２に設けられた合流部１２ａに開口している。一定量の第２のマイクロ流体の体積に等しい容積を有する微細流路からなる第２の秤取部１３ｄの一端が第３の微細流路１３に接続されており、他端が合流部１２ａに開口している。第１の混合ユニットの第１〜第３の出口ポートのいずれかが、第２の混合ユニット２１の第１または第３の入口ポートに接続されている。

Description

本発明は、マイクロ流体を混合する微細流路構造が基板内に形成されたマイクロ流体デバイスに関し、より詳細には、様々な分析に際しての検体や試薬などを混合したり、希釈したりするのに用いられるマイクロ流体デバイスに関する。
従来、検体を分析したり、様々な物質を化学反応させるに際し、検体や試薬を希釈することが多い。特に、微量の液体の希釈を行う場合には、マイクロプレート及び分注ピペットを用いた操作方法、あるいは自動液体分注ロボット装置を用いた方法が用いられていた。マイクロプレート及び分注ピペットを用いた操作方法では、操作が煩雑であり、かつ熟練した実験者が必要であった。また、実験室外の屋外や、臨床検査に際してのベッドサイド等において、簡便に検体や試薬を混合することが困難であった。
他方、自動液体分注ロボット装置を用いた希釈方法では、装置が大型にならざるを得ず、やはり屋外やベッドサイド等において簡便に利用することはできなかった。
近年、微量の液体を取り扱う分析デバイスとして、マイクロ流体デバイスが注目されている。マイクロ流体デバイスは、例えば、手で容易に持ち運び、取り扱い得る大きさの基板を有する。この基板内に、検体、試薬、希釈液などを搬送する微細流路構造が形成されている。上記微細流路構造には、試薬収納部、検体供給部、希釈液収納部、反応室及びまたは混合部などが適宜設けられている。
上記マイクロ流体デバイスは、通常、平面積が数百ｃｍ２以下の基板を用いて形成されており、基板の厚みは０．５〜１０ｍｍ程度とされている。また、上記微細流路構造における流路の径は、通常、５μｍ〜１ｍｍ程度と非常に細い。ここで流路が平坦である場合には、微細流路の径は平坦流路の断面の狭い方の幅でもって規定される。また、搬送されるマイクロ流体は、空気等により送られ、液滴状のことも多い。
従って、検体や試薬を上記マイクロ流体デバイス内において希釈する場合、非常に幅の細い微細流路をマイクロ流体が搬送されることになるため、液体が送液される通常の回路とは異なり、マイクロ流体の表面張力や微細流路の壁面の濡れ性などが大きく影響する。また、このような微量のマイクロ流体を定量的に秤取することが難しく、そのため、複雑な回路構成が必要となるという問題があった。
下記の特許文献１には、マイクロ流体デバイスを用い、層流中でタンパク質の結晶を生成させる方法が開示されている。また、下記の非特許文献１には、マイクロ流体デバイス内における温度制御を厳格に行い、それによって、微量の液体から結晶を生成する方法が開示されている。
しかしながら、特許文献１や非特許文献１に記載の各方法では、反応場所が非常に小さく、反応を高精度に制御することが可能とされているが、タンパク質溶液の結晶化部位までの導入方法では、デッドボリュームを小さくすることができないという問題があった。
上記のような問題を解決し、単純な構成により、簡単な操作のみで微量な液体を秤取し得る微量液体秤取構造が、下記の特許文献２に開示されている。特許文献２に記載の微量液体秤取構造は、パッシブバルブを使用した微量流体秤取構造である。この微量流体秤取構造は、それぞれ、所定の方向に延長される第１の微細流路及び第２の流路と、第１の微細流路の流路壁に開口する第３の流路と、第２の流路の流路壁に開口して第３の流路の一端と第２の流路とを連結し、第１〜第３の流路よりも細い第４の流路とを有する。第４の流路は、第２の流路及び第３の流路に比べて濡れにくく、あるいは相対的に毛管力が働きにくい性質を有する。そして、第１の微細流路に導入された液体が、第１の微細流路の流路壁に開口している第３の流路の開口部を介して第３の流路内に引き込まれた後、第１の微細流路に残存する上記液体が取り除かれ、第３の流路の容積に応じた体積の液体を秤取することが可能とされている。
米国特許第６４０９８３２号明細書 特開２００４−１６３１０４号公報 「アナリティカル・ケミストリー（AnalyticalChemistry）」（２００２），７４，ｐ．３５０５−３５１２
しかしながら、特許文献２に記載の微量液体秤取構造を備えたマイクロ流体デバイスにおいて、混合比を１０倍以上に大きくと、正確で再現性よい混合ができなくなるという欠点があった。さらに、分析や反応に際しては、検体や試薬を１０倍、１００倍及び１０００倍と累進的に高倍率に希釈する必要のある場合がある。
しかしながら、従来、この種のマイクロ流体デバイスでは、複数の混合ユニットを接続してなる複数段構式の微細流路構造として機能させることができなかった。なぜなら、この種のマイクロ流体デバイスでは、非常に小さな流路内を、非常に少ない量のマイクロ流体が液滴のような形態で搬送され、マイクロ流体の表面張力や流路壁面の濡れ性及び毛管現象の影響を利用して秤取合一を行うため、秤取された複数のマイクロ流体が秤取部から合流部へ押し出されるタイミングが同一であることを前提としていたが、複数の混合ユニットの接続においては、第１の混合ユニットの出力を第２の混合ユニットが利用するという制約上、第２の混合ユニット内で秤取された複数のマイクロ流体が秤取部から合流部へ押し出されるタイミングを合わせることができないので、第１第２の混合ユニットを単純に連結しても、第２の混合ユニットが機能しなかったからである。そのため、様々な希釈倍率の混合溶液を含む希釈系列をマイクロ流体デバイス内に同時構成することは非常に困難であった。このような要望を満たすマイクロ流体デバイスは、現在まで開発されていないのが実情であった。
また、従来の希釈方法としては、希釈対象の溶液に一回に多量のバッファー溶液を添加混合して希釈溶液を調整する方法や溶液を数回に分けて順次希釈していく多段希釈等がある。中でも均一濃度の高希釈倍率溶液を調整するためには、多段階希釈が用いられてきた。このような希釈操作の場合、定量的に溶液を採取・混合することは通常の方法で可能である。これに対して、マイクロ流体デバイス内で高希釈倍率の均一な溶液を調製するためには、マイクロ流体デバイス内で多段希釈方法を実現することが必要であった。このような正確な濃度で多段希釈を行い、最終的に高希釈倍率溶液を得るには、１）希釈対象の溶液とバッファー溶液の正確な秤量、２）希釈対象溶液とバッファー溶液の均一な混合を行う必要があった。しかしながらこれらをマイクロ流体デバイス内で完了させるは非常に難しい課題であった。
本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、複数のマイクロ流体を高精度に秤取し得るだけでなく、該複数のマイクロ流体を混合し、様々な希釈倍率のマイクロ流体を容易にかつ確実に提供することを可能とする微細流路構造が備えられたマイクロ流体デバイスを提供することにある。
本発明に係るマイクロ流体デバイスは、基板と、前記基板内に設けられており、マイクロ流体が搬送される微細流路構造とを備え、前記微細流路構造が、第１の混合ユニットと、第１の混合ユニットの下流側に接続されている第２の混合ユニットとを有する。各混合ユニットは、一定量の第１のマイクロ流体を秤取するために、該一定量の第１のマイクロ流体の体積と等しい容積を有する微細流路からなる第１の秤取部と、一定量の第２のマイクロ流体を秤取するために、前記一定量の第２のマイクロ流体の体積に等しい容積を有する微細流路からなる第２の秤取部と、第１，第２の秤取部で秤取された第１，第２のマイクロ流体が合流される合流部と、前記合流部の下流に連ねられており、前記第１，第２のマイクロ流体を混合する混合部と、前記第１，第２のマイクロ流体の混合により得られた混合マイクロ流体を排出する排出部と、第１〜第３の入口ポート及び第１〜第３の出口ポートと、第１の入口ポートと第１の出口ポートとを結ぶ第１の微細流路と、第２の入口ポートと第２の出口ポートとを結び、前記合流部、前記混合部及び前記排出部を有する第２の微細流路と、第３の入口ポートと第３の出口ポートとを結ぶ第３の微細流路とを備え、前記第１の秤取部の一端が前記第１の微細流路に接続されており、他端が第２の微細流路に設けられた前記合流部に開口しており、前記第２の秤取部の一端が前記第３の微細流路に接続されており、他端が前記第２の微細流路に設けられている前記合流部に開口しており、前記第２の出口ポートが前記排出部に接続されており、前記第１の混合ユニットの第１〜第３の出口ポートのうちのいずれかの出口ポートが、前記第２の混合ユニットの前記第１または第３の入口ポートに接続されていることを特徴とする。
本発明に係るマイクロ流体デバイスのある特定の局面では、前記第１の混合ユニットの前記第２の出口ポートが、前記第２の混合ユニットの前記第１または第３の入口ポートに接続されており、それによって、第１の混合ユニットで混合されたマイクロ流体が第２の混合ユニットにおいて一定量の第１または第２のマイクロ流体として利用される。この場合には、第１の混合ユニットと第２の混合ユニットとが上記のように接続されているので、より高倍率の希釈系列を構成することができる。
また、本発明に係るマイクロ流体デバイスの他の特定の局面では、前記第１の混合ユニットの前記第１の出口ポートが、前記第２の混合ユニットの前記第１の入口ポートに接続されており、前記第１の混合ユニットの前記第３の出口ポートが、前記第２の混合ユニットの前記第３の入口ポートに接続されている。この場合には、第１，第２の混合ユニットが並列に接続されているので、第１，第２の混合ユニットの第１，第２の秤取部を同様に構成することにより、同じ希釈倍率の複数のマイクロ流体を容易に得ることができる。また、第１の混合ユニットと第２の混合ユニットで、希釈倍率を異ならせれば、異なる希釈倍率のマイクロ流体を得ることもできる。
本発明に係るマイクロ流体デバイスでは、第２の混合ユニットの下流側に、少なくとも１つの第３の混合ユニットがさらに接続されていてもよく、それによって、より多くのあるいはより多種類の希釈倍率のマイクロ流体を容易に得ることができる。
本発明に係るマイクロ流体デバイスのさらに他の特定の局面では、前記第１及び／または第２の混合ユニットにおいて、第１の秤取部の出口開口と、前記第２の秤取部の出口開口とが、前記合流部において対向されている。
もっとも、前記第１及び／または第２の混合ユニットにおいて、前記第１の秤取部の出口開口と、前記第２の秤取部の出口開口とが、前記合流部において、マイクロ流体が流れる方向において異なる位置に配置されていてもよい。
好ましくは、前記第１の秤取部の出口開口と前記第２の秤取部の出口開口との前記第２の微細流路におけるマイクロ流体の流れる方向における距離が、前記第１の秤取部から合流部に供給された第１のマイクロ流体と、第２の秤取部から合流部に供給された第２のマイクロ流体との間に気泡を形成しないように、かつ第１，第２の秤取部から異なるタイミングで前記合流部に第１，第２のマイクロ流体が吐出された際に、第１，第２のマイクロ流体が第２の秤取部の出口開口または第１の秤取部の出口開口に接触しないように選ばれている。この場合には、第１，第２の秤取部から異なるタイミングで合流部に第１，第２のマイクロ流体が吐出されたとしても、気泡の噛み込みが生じ難く、合流部において、第１，第２のマイクロ流体が確実に合一される。
好ましくは、前記第１，第２の秤取部の内、合流部において下流側に出口開口が位置している側の秤取部から吐出されたマイクロ流体が、合流部において、該秤取部の出口開口とは反対側の壁面に至らない大きさとなるように、前記合流部における第２の微細流路の幅が、該吐出されたマイクロ流体の上記流路の幅方向に沿う寸法よりも大きくされている。この場合においても、第１の秤取部から吐出された第１のマイクロ流体と、第２の秤取部から合流部に吐出しされた第２のマイクロ流体との間に気泡は噛み込み難い。
本発明に係るマイクロ流体デバイスでは、好ましくは、前記混合部では、流路の幅方向両側の壁面が非対称、及び／または流路の基板高さ方向両側の壁面が非対称とされている。この場合には、混合部において、流路の幅方向両側及び基板高さ方向両側の少なくとも一方において、一方側と他方側においてマイクロ流体の流れる状態が異なるため、マイクロ流体中に渦が発生して、第１，第２のマイクロ流体がより均一に混合される。
本発明に係るマイクロ流体デバイスのさらに別の特定の局面では、前記第２の入口ポートに接続されており、該合流部において第１，第２のマイクロ流体を搬送するためのガスを供給する第１のマイクロポンプ装置と、第１，第２の秤取部において、一定量のマイクロ流体を秤取し、かつ第１，第２の秤取部から前記合流部に第１，第２のマイクロ流体を吐出するために、前記第１，第３の微細流路にそれぞれ接続された第２，第３のマイクロポンプ装置とがさらに備えられている。
第１〜第３のマイクロポンプ装置を駆動することにより、第１，第２の秤取部において第１，第２のマイクロ流体を秤取し、かつ合流部にこれらを吐出することができるとともに、吐出された第１，第２のマイクロ流体を混合部側に搬送することができる。
本発明に係るマイクロ流体デバイスのさらに他の特定の局面では、少なくとも１つの微細流路において、各微細流路内をマイクロ流体が流れ得る状態と、マイクロ流体の搬送が停止される状態とを実現するために、少なくとも１つの微細流路に関連して基板内に設けられた流路開閉装置をさらに備え、該流路開閉装置により、微細流路が開状態とされている際に、前記微細流路内をマイクロ流体が移動し、前記流路開閉装置により微細流路が閉状態とされている際に、マイクロ流体の移動が停止される。従って、上記流路開閉装置を駆動することにより、マイクロ流体を微細流路内に送液したり、送液を停止したりすることができる。好ましくは、前記流路開閉装置が、前記開状態と、前記閉状態との間で移動され得るストッパーと、該ストッパーを前記開状態と前記閉状態との間で移動させるストッパー駆動手段とが備えられている。この場合には、基板内に設けられたストッパー駆動手段を駆動することにより、秤取部手前の流路内のガス圧が上昇し、マイクロ流体が秤取部から混合部へ押し出される。
本発明に係る微量液体希釈方法は、本発明に従って構成されたマイクロ流体デバイスを用いた微量液体希釈方法であり、前記第１の混合ユニットの第１または第２の秤取部に、検体としての第１のマイクロ流体を秤取し、前記第２または第１の秤取部に希釈液としての第２のマイクロ流体を秤取する工程と、前記第１の混合ユニットにおいて、前記検体としての第１のマイクロ流体と、希釈液としての第２のマイクロ流体とを混合し、混合マイクロ流体として第１の検体希釈液を排出する工程と、前記第２の混合ユニットの第１または第２の秤取部に、前記第１の混合ユニットから排出された第１の混合マイクロ流体の少なくとも一部を秤取し、前記第２の混合ユニットの第２または第１の秤取部に第２または第１のマイクロ流体として希釈液を秤取する工程と、前記第２の混合ユニットにおいて、前記第１の検体希釈液と、前記希釈液とを混合して、第２の混合マイクロ流体としての第２の検体希釈液を得、前記第２のマイクロ流体としての前記第２の検体希釈液を、前記第２の混合ユニットの排出部から排出する工程とを備え、それによって、濃度が異なる第１，第２の検体希釈液を得る、微量液体希釈方法である。
本発明に係る微量液体希釈方法のある特定の局面では、前記第１，第２の混合ユニットの後段に、少なくとも１つの第３の混合ユニットを接続し、濃度が異なる少なくとも３つの検体希釈液を得る、請求項１３に記載の微量液体希釈方法。
本発明に係る微量液体希釈方法の他の特定の局面では、第１，第２の混合ユニットの後段に、ｎ−２個（ｎは３以上の自然数）の混合ユニットを接続し、各混合ユニットの排出部から、それぞれ検体希釈液としての混合流体を排出させ、それによって、濃度が異なるｎ種の検体希釈液が得られる。
（発明の効果）
本発明に係るマイクロ流体デバイスでは、基板内に微細流路構造が形成されており、該微細流路構造が、第１の混合ユニットと、第１の混合ユニットの下流側に接続されている第２の混合ユニットとを有し、各混合ユニットにおいて、第１，第２の秤取部から供給される第１，第２のマイクロ流体が合流部において合一され、かつ混合部において混合されるので、各混合ユニットにおいて、第１，第２の秤取部から吐出された第１，第２のマイクロ流体の混合された混合マイクロ流体を取り出すことができる。また、第１の混合ユニットの第１〜第３の出口ポートの内のいずれかの出口ポートが、第２の混合ユニットの第１または第３の入口ポートの一方または双方に接続されているので、第１，第２の混合ユニットからそれぞれ混合されたマイクロ流体を得たり、あるいは各混合ユニットで第１もしくは第２のマイクロ流体により第２または第１のマイクロ流体を希釈してなる混合マイクロ流体として、異なる濃度の混合マイクロ流体を得たりすることができる。従って、単一の基板を用いて構成されたマイクロ流体デバイス内において、複数の希釈されたマイクロ流体や複数種の濃度の希釈されたマイクロ流体を容易にかつ速やかに用意することが可能となる。
特に、第１の混合ユニットの第２の出口ポートが、第２の混合ユニットの第１または第３の入口ポートに接続される場合には、それによって、第１の混合ユニットで混合されたマイクロ流体が、第２の混合ユニットにおいて一定量の第１または第２のマイクロ流体として利用されるので、より高倍率に希釈されたマイクロ流体を第２の混合ユニットにおいて得ることができる。
従来、この種のマイクロ流体デバイスでは、複数の混合ユニットを接続してなる複数段構式の微細流路構造は採用されていなかった。なぜなら、この種のマイクロ流体デバイスでは、非常に小さな流路内を、非常に少ない量のマイクロ流体が液滴のような形態で搬送され、マイクロ流体の表面張力や流路壁面の濡れ性及び毛管現象の影響を利用して秤取合一を行うため、秤取された複数のマイクロ流体が秤取部から合流部へ押し出されるタイミングが同一であることを前提としていたが、複数の混合ユニットの接続においては、第１の混合ユニットの出力を第２の混合ユニットが利用するという制約上、第２の混合ユニット内で秤取された複数のマイクロ流体が秤取部から合流部へ押し出されるタイミングを合わせることができないので、第１第２の混合ユニットを単純に連結しても、第２の混合ユニットが機能しなかったからである。
これに対して、本発明では、複数のマイクロ流体が秤取部から合流部へ押し出されるタイミングが同一でない場合にも混合ユニットとしての機能を発揮しうる工夫を凝らしているので、上記第１，第２の混合ユニットを接続した構造においても、第２の混合ユニットが機能を発揮できる。したがって、複数の混合ユニットの多様な組み合わせが可能となり、それぞれの組み合わせで混合されたマイクロ流体を速やかにかつ正確に搬送することが可能とされている。
よって、本発明によれば、異なる混合比による多段の混合・希釈を必要とする様々な分析や化学反応に用いるのに適しており、様々な濃度のマイクロ流体をあるいは多数のマイクロ流体を迅速にマイクロ流体デバイス内で用意することで、分析や反応に要する操作の自動化及び操作時間の短縮を図ることが可能となる。
図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスの微細流路構造を模式的に示す平面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスの一部を模式的に示す正面断面図である。 図３は、図１に示した実施形態の微細流路構造における第１の混合ユニットを説明するための模式的平面図である。 図４（ａ），（ｂ）は、流路切換装置の一例を説明するための各模式的平面図であり、（ｃ）は、該流路切換装置の変形例を示す模式的平面図である。 図５は、図１に示した実施形態において、第１の秤取部に一定量の第１のマイクロ流体を秤取する工程を説明するための部分切欠拡大平面図である。 図６は、図１に示した実施形態において、第１の秤取部に一定量の第１のマイクロ流体を秤取する工程を説明するための部分切欠拡大平面図である。 図７は、図１に示した実施形態において、第１の秤取部に一定量の第１のマイクロ流体を秤取する工程を説明するための部分切欠拡大平面図である。 図８は、第１の実施形態において、第１，第２の秤取部からマイクロ流体が第２の微細流路に吐出する状態を示す模式的部分切欠平面図である。 図９は、第１の実施形態において、マイクロ流体が混合部を通過する状態を示す部分切欠平面図である。 図１０は、第１の実施形態の変形例における第１，第２の秤取部の位置関係を説明するための模式的平面図である。 図１１は、合流部における混合割合を異ならせるために、第２の秤取部が複数設けられた変形例を示す模式的平面図である。 図１２（ａ）は、第２の微細流路の形状が変形され、それによって合流部における混合率が変化されている他の変形例を示す模式的平面図であり、（ｂ）は、合流部の形状の変形例を説明するための模式的部分切欠平面図である。 図１３は、第１，第２の混合ユニットが接続されている微細流路構造の他の変形例を略図的に示す平面図である。 図１４は、本発明に係るマイクロ流体デバイスの微細流路構造のさらに別の変形例を示す模式的平面図である。 図１５は、図１４に示した微細流路構造の変形例を示す模式的平面図である。 図１６は、本発明のマイクロ流体デバイスの微細流路構造のさらに別の変形例を示し、多数の混合ユニットがマトリックス状に配置されている変形例を示す略図的平面図である。 図１７は、本発明のマイクロ流体デバイスの微細流路構造のさらに他の変形例を示す模式的平面図である。 図１８（ａ），（ｂ）は、混合部の形状の変形例を示す各平面図である。
符号の説明
１…マイクロ流体デバイス
２…基板
３…ベースプレート
４〜６…中間プレート
４ａ…吐出孔
５ａ…開口部
６ａ…貫通孔
７…トッププレート
８…ガス発生室
９…光応答性ガス発生部材
１０…微細流路構造
１１…第１の混合ユニット
１１ａ…第１の微細流路
１１ｂ…ガス供給孔
１１ｃ…マイクロ流体供給孔
１１ｄ…第１の秤取部
１１ｅ…接続微細流路
１１ｆ…開口部
１２…第２の微細流路
１２ａ…合流部
１２ｂ…混合部
１２ｂ１，１２ｂ２…壁面
１２ｃ…排出部
１２ｄ…ガス供給孔
１２ｅ…ガス排出口
１３ａ…第３の微細流路
１３ｂ…ガス供給孔
１３ｃ…液体供給孔
１３ｄ…第２の秤取部
１３ｅ…接続微細流路
１３ｆ…開口部
１４ａ…第１のマイクロ流体
１４ｂ…第２のマイクロ流体
２１…第２の混合ユニット
３１…第３の混合ユニット
４１…粘弾性ストッパー
４２…ストッパー駆動装置
４０…微細流路開閉装置
４３ａ〜４３ｃ…円形部
６２〜６６…流路開閉装置
７１…収納チャンバー
９１，９２…混合ユニット
９３…流路開閉装置
１０４ａ〜１０４ｃ…収納チャンバー
１１１，１２１…混合ユニット
１１１ａ…微細流路
１１１ｄ，１２１ｄ…秤取部
１１３ａ…微細流路
１１３ｄ，１２３ｄ…秤取部
１１２，１２２…微細流路
１３１，１３２…収納チャンバー
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、本発明の位置実施形態に係るマイクロ流体デバイスの微細流路構造を示す模式的平面図であり、図２は、本実施形態のマイクロ流体デバイスの一部を模式的に示す正面断面図である。
図２に示すように、マイクロ流体デバイス１は、基板２を有する。基板２は、透明なベースプレート３と、中間プレート４〜６と、トッププレート７とを積層した構造を有する。ベースプレート３内には、ガス発生室８が設けられている。ガス発生室８は、ベースプレート３の上面に開口しており、かつガス発生室８内には、光の照射により、あるいは加熱によりガスを発生する応答性ガス発生部材９が収納されている。上記ガス発生室８に応答性ガス発生部材９を収納することにより、マイクロ流体を駆動する駆動源としてのマイクロポンプ装置が形成されている。応答性ガス発生部材としては、ガス発生量の制御のしやすさから、光の照射によりガスを発生する光応答ガス発生部材が好適に用いられる。
ベースプレート３が透明性を有するため、基板２の下面側から光を照射することにより、光応答性ガス発生部材９からガスを発生させることができる。このガスは、後述する微細流路においてマイクロ流体を駆動する圧力源となる。
上記光応答性ガス発生部材９については、特に限定されず、光を照射された際に、ガスを発生させる適宜の光応答性組成物を用いることができる。このような光応答性組成物としては、例えば、バインダー樹脂と、光の照射により分解してガスを発生させる気体発生剤とを含む組成物が好適に用いられる。このような気体発生剤としては、例えば、アジド化合物やアゾ化合物、ポリオキシアルキレン樹脂、光酸発生剤と炭酸水素ナトリウムの配合物などを挙げることができる。
中間プレート４には、ガスを吐出するための吐出孔４ａが形成されている。吐出孔４ａは、中間プレート４の下面から上面に貫通しており、その下方開口がガス発生室８に臨んでいる。
中間プレート５には、中間プレート５を貫通する開口部５ａが設けられている。この開口部５ａは、微細流路構造の微細流路の一部を構成している。また、中間プレート６には、開口部５ａに開いた貫通孔６ａが形成されている。貫通孔６ａの上方開口は、トッププレート７の下面に形成された微細流路７ａに開いている。この微細流路７ａは、前述した開口部５ａ及び貫通孔６ａとともに、微細流路構造を形成している。
上記中間プレート４〜６及びトッププレート７は、適宜の合成樹脂シートもしくは合成樹脂からなる。
図２は、上記マイクロ流体デバイス１において、マイクロ流体を駆動するためのガス圧を発生するマイクロポンプ装置が構成されている部分と、微細流路構造の一部とを略図的に示している。マイクロ流体デバイスの微細流路については、前述した特許文献３などに開示されている。
一般に、マイクロ流体デバイス１は、前述したように、手で携帯し得る大きさとされ、平面積が数百ｃｍ２以下、好ましくは１００ｃｍ２以下の小さな基板２を用いて構成されている。また、基板２の厚みは、０．５〜１０ｍｍ程度とされている。そして、基板２内には、上記マイクロ流体を搬送するための駆動部分だけでなく、検体や希釈液としてのマイクロ流体を搬送する様々な微細流路が形成されている。このような微細流路構造は、通常、検体や希釈液を供給する供給部、これらを混合する混合部、これらを反応させる反応部等を含んでいる。上記供給部、混合部及び反応部等は、基板２内において、ある程度の体積を有する空間として形成されており、細い微細流路、例えば微細流路７ａなどに連ねられている。
本実施形態のマイクロ流体デバイス１の特徴は、図１に模式的平面図で示す微細流路構造１０が基板２内に形成されていることにある。微細流路構造１０は、必須の構成として、第１の混合ユニット１１と、第２の混合ユニット２１とを有する。第１の混合ユニット１１の下流側に第２の混合ユニット２１が接続されている。また、本実施形態では、第２の混合ユニット２１の下流に、さらに１つの第３の混合ユニット３１が接続されている。
第１の混合ユニット１１の構成を、図３の模式的拡大平面図を参照してより詳細に説明する。
第１の混合ユニット１１は、第１の微細流路１１ａを有する。第１の微細流路１１ａの一端には、ガス供給孔１１ｂが連ねられている。また、第１の微細流路１１ａの他端は、第１のマイクロ流体供給孔１１ｃが連ねられている。第１のマイクロ流体供給孔１１ｃは、基板１の外部に開口しており、第１のマイクロ流体を基板１の微細流路構造に供給する部分である。
ガス供給孔１１ｂは、前述したマイクロポンプ装置などのガス発生駆動源に接続されており、かつ適宜開閉し得るように構成されている。
第１の微細流路１１ａと平行に第２の微細流路１２が配置されている。第２の微細流路１２では、矢印方向にマイクロ流体が流れる。上流側に合流部１２ａが、下流側に混合部１２ｂが設けられている。混合部１２ｂの下流側に、排出部１２ｃが連ねられている。
また、第２の微細流路１２を挟んで第１の微細流路１１ａとは反対側に、第３の微細流路１３ａが設けられている。第３の微細流路１３ａは、一端がガス供給孔１３ｂに他端が液体供給孔１３ｃに連ねられている。ガス供給孔１３ｂ及び液体供給孔１３ｃは、ガス供給孔１１ｂ及びガス供給孔１１ｃと同様に構成されている。
また、第１の微細流路１１ａから分岐した微細流路からなる第１の秤取部１１ｄが設けられている。第１の秤取部１１ｄの容積は、秤取されるべきマイクロ流体の体積と等しくされている。
同様に、第３の微細流路１３ａから分岐して、一定量の容積を有する微細流路が形成されており、該微細流路により第２の秤取部１３ｄが形成されている。
第２の秤取部１３ｄの容積は、第２の秤取部１３ｄで秤取すべきマイクロ流体の体積に等しくされている。
よって、第１，第２の秤取部１１ｄ，１３ｄの一端は、それぞれ、第１の微細流路１１ａ及び第３の微細流路１３ａに接続されており、他端は、それぞれ、第２の微細流路１２に設けられた合流部１２に開口している。
なお、上記第１，第２の秤取部１１ｄ，１３ｄの容積は、特に限定されないが、ピコリットルからマイクロリットルオーダーの非常に小さい大きさとされるのが普通である。すなわち、前述したように、本発明のマイクロ流体デバイスでは、このような非常に微小な容積のマイクロ流体が微細流路において搬送される。
第２の微細流路１２の上流側には、ガス供給孔１２ｄ及びガス排出口１２ｅが配置されている。ガス供給孔１２ｄ及びガス排出口１２ｅは、前述したガス供給孔１１ｂ及び液体供給孔１１ｃと同様に形成されている。
第１の秤取部１１ｄにおいてマイクロ流体が一定量秤取される構造を、図５〜図７を参照して説明する。
液体供給孔１１ｃからマイクロ流体を注入する。この場合、第１の微細流路１１ａ内は、大気に解放しておく。すなわち、ガス供給孔１１ｂを大気に開放しておけばよい。液体供給孔１１ｃからマイクロ流体を注入するに際しては、マイクロシリンジなどを用い、液体注入孔１１ｃから圧入すればよい。その結果、図５に示すように、マイクロ流体１４が第１の微細流路１１ａ内に送液され、かつ分岐微細流路からなる第１の秤取部１１ｄを満たす。
本実施形態では、第１の秤取部１１ｄの先端側には、第１の秤取部１１を構成している微細流路よりも径の小さな接続微細流路１１ｅが設けられている。接続微細流路１１ｅの径は非常に細く、従って、マイクロ流体１４は、表面張力のためにその注入圧程度では接続微細流路１１ｅを流れることができず、接続微細流路の入口もしくは出口で停止する。
次に、ガス供給孔１１ｂから第１の微細流路１１ａにガスを供給する。この場合、液体供給孔１１ｃは大気に解放しておく。その結果、図６に示すように、第１の秤取部１１ｄ内に一定量のマイクロ流体として、第１のマイクロ流体１４ａが残存することとなる。このように、第１の秤取部１１ｄに、マイクロ流体１４ａを残存させるために、ガスの供給に際しては、第２の流路１２側は閉じておき、大気に解放していないことが望ましい。もっとも、接続微細流路１１ｅが十分に細く、該接続微細流路１１ｅにおいて、毛管反力が働く場合には、第２の微細流路１２側を密閉しておいてもよい。
次に、第１の微細流路１１ａの液体供給孔１１ｃ側の一部を後述の流路開閉装置のバルブ等により閉じ、その状態で、ガス供給孔１１ｂから第１の微細流路１１ａにガスを供給する。その結果、第１の秤取部１１ｄに秤取されていた第１のマイクロ流体１４ａが、図７に示すように、第２の微細流路１２内に吐出される。
第１の秤取部１１ｄに秤取されていた第１のマイクロ流体１４ａの体積は、該第１の秤取部１１ｄの容積と同じであるので、本実施形態によれば、一定量の第１のマイクロ流体１４ａを第２の微細流路１２内に確実に吐出することができる。
上記流路開閉装置としては、微細流路の一部を開いた状態と閉じた状態とを切り換え得る適宜のバルブにより形成することができる。このようなバルブとしては、電磁弁や圧電素子などの駆動素子に、流路を細くした状態と、流路を開いた状態とで移動し得るストッパーを連結した構造などを用いることができる。
また、図４（ａ）に示すように、粘弾性ストッパー４１をガスもしくは液体によるストッパー駆動源４２と組み合わせた流路開閉装置を用いてもよい。ここでは、粘弾性ストッパー４１は、弾性を有し、流路内の圧力の増大により移動し得る適宜の材料、例えばエラストマーまたはゲルなどにより構成することができる。送液されるマイクロ流体が水溶液の場合には、非水溶性粘弾性体が好適に用いられ、有機溶媒の場合には、非有機溶媒溶解性粘弾性体が用いることが望ましい。
図４（ａ）に示すように、開閉される液微細流路１１ａの一部に粘弾性ストッパー４１が収納され得るストッパー流路部４３が形成されている。ストッパー流路部４３は、本実施形態では、３つの円形が部分的に重なり合うように、かつ微細流路１１ａの伸びる方向と直交する方向に並べられた形状を有する。この熱の円形部４３ａ〜４３ｃの内、１つの円形部４３ａが上記第１の微細流路１１ａの途中に設けられており、残りの円形部４３ｂ，４３ｃは第１の微細流路１１ａの側方に配置されている。図４（ａ）は、粘弾性ストッパー４１が、第２，第３の円形部４３ｂ，４３ｃ内に充填されており、この状態では、微細流路１１ａは開状態とされている。
図４（ｂ）に示すように、駆動源４２からガスを発生し、その圧力により、粘弾性体ストッパー４１を側方に移動させる。その結果、粘弾性体ストッパー４１が、第１，第２の円形部４３ａ，４３ｂ側に移動し、第１の円形部４３ａの内面に密着する。そのため、第１の微細流路１１ａは閉状態とされる。
このようにして、第１の微細流路１１ａを開状態から閉状態に切り替えることができる。なお、開状態に再度復帰させるには、例えば、第１の円形部４３ａに、第２の駆動源を連結しておき、第２の駆動源側から再度ガスを供給し、粘弾性ストッパー４１を、図４（ａ）の状態に移動させればよい。
あるいは、図４（ｂ）に示す状態から、ガス駆動源４２に代えて、ガス吸引源を接続し、吸引により、粘弾性ストッパー４１を、図４（ａ）に示す開状態に復帰させてもよい。
図３に戻り、上記のような流路開閉装置を第１の微細流路１１ａの途中に設けることにより、上記のようにして、ガス供給孔１１ｂから供給されるガスの圧力により、第１の秤取部１１ｄに一定量の第１のマイクロ流体１４ａを秤取し、かつ上記のように、第２の微細流路１２に吐出することができる。
同様に、第３の微細流路１３ａにおいても、上記と同様にして、第２の秤取部１３ｄの容積に応じた第２のマイクロ流体を、第２の秤取部１３ｄで秤取し、第２の微細流路１２に吐出することができる。
なお、第２の秤取部１３ｄは、第２のマイクロ流体の体積に応じた容積を有するように形成されており、本実施形態では、図８に略図的部分拡大平面図で示すように、第２の秤取部１３ｄもまた、先端に第２の秤取部１３ｄを構成している微細流路よりも幅の狭い接続微細流路１３ｅを有する。
上記接続微細流路１１ｅ，１３ｅを設けることにより、第１，第２のマイクロ流体を第２の微細流路１２に吐出するに先立ち、第２の微細流路１２側へのマイクロ流体の漏洩を確実に抑制することができる。マイクロ流体が水溶液で、かつ接続微細流路の壁面が親水性であるとき、マイクロ流体は微細流路の出口で止まる。また、マイクロ流体が水溶液で、かつ接続微細流路の壁面が疎水性であるとき、マイクロ流体は微細流路の入口で止まる。更に、マイクロ流体が油性溶液で、かつ接続微細流路の壁面が親水性であるとき、マイクロ流体は微細流路の入口で止まり、また、マイクロ流体が油性溶液で、かつ接続微細流路の壁面が疎水性であるとき、マイクロ流体は微細流路の出口で止まる。
もっとも、上記接続微細流路１１ｅ，１３ｅに代えて、第１，第２の秤取部１１ｄ，１３ｄの第２の流路１２に開口している部分の壁面の濡れ性を低くし、それによって、第１のマイクロ流体１４ａや、第２のマイクロ流体が上記第２の微細流路１２に開口している部分から漏洩することを抑制してもよい。濡れ性を低くする方策としては、既知の部分撥水加工手段をとることができる。
本実施形態では、第２の秤取部１３ｄの第２の微細流路１２に開口している開口部１３ｆと、第１の秤取部１１ｆの第２の微細流路１２に開口している開口部１１ｅとが、第２の微細流路１２におけるマイクロ流体の流れ方向において、異なる位置に配置されている。すなわち、開口部１３ｆと開口部１１ｆとは、図８の距離Ｒだけ隔てられている。なお、距離Ｒは、開口部１３ｆと、開口部１１ｆとの中心間距離である。
第１の秤取部１１ｄの開口部１１ｆと、第２の秤取部１３ｄの開口部１３ｆとは、第２の微細流路１２において、対向するように配置してもよい。しかしながら、両者を対向させて配置し、ほぼ同じタイミングで第１，第２の秤取部１１ｄ，１３ｄから第１，第２のマイクロ流体を第２の微細流路１２に吐出することは非常に困難である。流路開閉装置等を同じタイミングで駆動したとしても、実際には、第１，第２のマイクロ流体の吐出されるタイミングは僅かにずれることがある。
第１，第２のマイクロ流体が吐出されるタイミングが僅かでもずれると、一方のマイクロ流体が他方の秤取部開口部分に付着し、他方の秤取部に秤取されていたマイクロ流体が漏洩したりし、正確な体積比で第１，第２のマイクロ流体を混合することが困難となる。
これに対して、本実施形態では、上記距離Ｒだけ、第１の秤取部１１ｄの開口部１１ｅと、第２の秤取部１３ｄの開口部１３ｆとが隔てられている。従って、第１の秤取部１１ｄからの第１のマイクロ流体１４ａの吐出タイミングと、第２の秤取部１３ｄからの第２のマイクロ流体を吐出するタイミングとが異なっている場合、例えば、下流部に第１のマイクロ流体１４ａを先に吐出した場合、第１のマイクロ流体１４ａが、第２の秤取部１３ｄの開口部１３ｅに付着し難い。そのため、第２の秤取部１３ｄに秤取されているマイクロ流体の漏洩が生じ難い。すなわち、上記距離Ｒは、吐出されたマイクロ流体の他方の秤取部の開口部への接触を防止するのに十分な長さの距離とされていることが望ましい。
もっとも、上記距離Ｒが大きすぎると、図８（ｂ）に略図的に示されているように、第１の秤取部１１ｄから吐出された第１のマイクロ流体１４ａと、第２の秤取部１３ｄから吐出された第２のマイクロ流体１３ｂの液滴とが非常に離れ、間に空気層Ｘが形成される。従って、間に空気の気泡が噛み込み、マイクロ流体１４ａと、マイクロ流体１４ｂとが十分に混合され難いおそれがある。
従って、図８（ａ）に示すように、距離Ｒは、第１のマイクロ流体１４ａ及び第２のマイクロ流体１４ｂ間に気泡を巻き込まない程度近づけられていることが望ましい。
しかしながら、上記距離Ｒが大きくても、第２の微細流路１２の合流部１２ａにおける幅Ｗを十分に大きくすることにより、空気の噛み込みを防止することもできる。すなわち、図８（ｃ）に示されているように、第１のマイクロ流体１４ａの吐出が完了した段階で、第１のマイクロ流体１４ａが、開口部１４ｅとは反対側の第２の微細流路内壁に接しないように、合流部１２ａにおける第２の微細流路１２の幅Ｗが吐出された第１のマイクロ流体１４ａの上記幅Ｗ方向の寸法よりも大きいことが望ましい。その場合には、第１のマイクロ流体１４ａと第２のマイクロ流体１４ｂとの間に空気層が形成されたとしても、第２のマイクロ流体１４ｂが送液される際に、空気が第１のマイクロ流体１４ａと、反対側の流路内壁との間を通り空気が逃がされることになる。従って、空気の噛み込みが生じ難い。
図３に戻り、第２の微細流路１２の上流側に設けられたガス供給孔１２ｄからガスを供給することにより、上記第１，第２のマイクロ流体１４ａ，１４ｂが合一した状態で下流側に流されることになる。そして、図９に示すように、混合部１２ｂにおいては、微細流路の平面形状が、上記第２の微細流路１２ｂの幅方向両側の形状が非対称とされているので、混合マイクロ流体１４ｃが混合されることになる。すなわち、混合マイクロ流体１４ｃ内に上記非対称性により渦が発生し、混合マイクロ流体１４ｃが攪拌され、確実に混合される。ここでは、第２の微細流路１２の一方の内壁１２ｅが、反対側の内壁１２ｆに向かって下流に行くにつれて近づくようにテーパーが付与されている。従って、上記混合マイクロ流体１４内において渦が生じ、攪拌作用により、十分に第１，第２のマイクロ流体が混合される。
よって、本実施形態では、混合ユニット１１内に、あるいは混合ユニット１１の下流側に、大きな混合チャンバーを設ける必要はない。混合チャンバーが必要ないことは、マイクロ流体デバイスの集積化、短時間処理化、相互接続において優位となる。
本実施形態では十分に混合された混合マイクロ流体が、混合部１２ｂの下流側に設けられた排出部１２ｃから排出される。そして、本実施形態では、第１の混合ユニット１１の排出部１２ｃから排出された混合マイクロ流体１４ｃが、第２の混合ユニット２１の第１の秤取部に後述する第１の入口ポートから供給されることになる。すなわち、第１の混合ユニット１１の混合結果が、第２の混合ユニット２１で利用される。マイクロ流体を混合する第１の混合ユニット１１に、第２の混合ユニット２１を直接接続し、多段構成とすることにより、一段の構成に比べて、高希釈倍率のマイクロ流体を得ることができる。
なお、上記実施形態では、第１の秤取部１１ｄに比べて、容積の大きな第２の秤取部１３ｄの開口部が、合流部１２ａにおいて上流側に位置していた。これに対して、図１０に示す変形例のように、第１の秤取部１１ｄを第２の秤取部１３ｄよりも上流側において合流部１２ａに開口するように配置してもよい。この変形例では、上流側の第１の秤取部１１ｄの容積の方が、下流側の第２の秤取部１２ｄの容積よりも大きくなるようにすればよい。
これに対して、図１１に示す他の変形例のように、複数の第２の秤取部１３ｄ，１３ｄを合流部１２ａに接続してもよい。その場合には、第２のマイクロ流体の混合割合を高めることができる。
また、図１２に示す変形例のように、第２の微細流路１２において、第１の秤取部１１ｄが開口している開口部１１ｆの反対側の壁面を該開口部１１ｆ側に突出させ、それによって第１のマイクロ流体１４ａが吐出される部分の第２の微細流路１２の幅を狭くしてもよい。この場合には、第１の秤取部の容積が小さくとも第１のマイクロ流体が合流部の反対側の壁に達するため、第１の秤取部と第２の秤取部の容積比率を小さくしても安定動作をさせることができる。例えば、第１，第２のマイクロ流体が１対１の割合で合流部１２ａにおいて混合するようにすることができる。
さらに、図１２（ｂ）に示す変形例のように、第２の微細流路１２は、マイクロ流体の流れ方向途中に相対的残りの部分よりも幅が狭い細幅部１２ｆを合流部１２ａに設けてもよい。ここでは、合流部１２ａは、マイクロ流体の流れ方向中央に細幅部１２ｆを有する。そして、細幅部１２ｆの上流側において、第１の秤取部１１ｄの開口部１１ｆが開口しており、細幅部１２ｅの下流側において、第２の秤取部１３ｄの開口部１３ｆが開口している。
ここでも、細幅部１２ｆの下流側においては、第２の微細流路１２の幅を、第２の秤取部１３ｄから吐出されるマイクロ流体の液滴の径よりも大きくしておけば、空気の噛み込みを防止しつつ、第１，第２のマイクロ流体を合流部１２ａにおいて合一することができる。すなわち、ガス供給孔１２ｄからのガス圧により、上流側に吐出された第１のマイクロ流体１４ａを下方に移動させるに際し、第１のマイクロ流体１４ａと、第２のマイクロ流体１４ｂとの間に位置している空気が、下流側に逃がされる。従って、第１，第２のマイクロ流体１４ａ，１４ｂが、気泡を噛み込むことなく合一される。ただし、第１のマイクロ流体と第２のマイクロ流体が合一した後、第２の微細流路１２の幅を埋めつくす液滴になることが必要である。
本発明のあるマイクロ流体デバイスは、少なくとも第１，第２の混合ユニットを接続した構造を有する。この場合、混合ユニットが、上述したように第１〜第３の微細流路を有し、第２の微細流路に、上流側から、合流部、混合部及び排出部が構成されている。このような第１，第２の混合ユニットは、様々な形態で接続され得る。
図１３〜図１７を参照して、このような第１の混合ユニットに第２の混合ユニットの接続形態の変形例をそれぞれ説明することとする。
図１３は、図１に示した上記実施形態と同様に、第１，第２の混合ユニットが、第１の混合ユニットにおける混合結果を利用して接続されている構造を模式的に示す平面図である。ここでは、上記実施形態と同様に、第１の混合ユニット１１の後段に第２の混合ユニット２１が接続されている。図１３以下の微細流路構造の図面では、適宜、混合ユニット及び流路開閉装置などを破線で囲まれたブロックとして示すこととする。
図１３に示す微細流路構造６１は、上記実施形態と同様に、第１の混合ユニット１１の下流側に第２の混合ユニット２１が接続されている。ここで、第１の混合ユニット１１は、第１〜第３の入口ポートＡ〜Ｃと、第１〜第３の出口ポートＤ〜Ｆを有するものと表すことができる。すなわち、第１の入口ポートＡと第１の出口ポートＤとの間に第１の微細流路１１ａが接続されている。第１の微細流路１１ａに、第１の秤取部１１ｄの一端が接続されており、第１の秤取部１１ａの他端が第２の微細流路１２に接続されている。第２の入口ポートＢと第２の出口ポートＥとの間に、第２の微細流路１２が接続されている。第３の入口ポートＣと第３の出口ポートＦとの間に、上記第３の微細流路１３が接続されている。第２の出口ポートＥは、排出部に接続されており、混合されたマイクロ流体を外部に排出する部分に相当する。また、第３の出口ポートＦは、流路開閉装置６２に接続されている。
第２の混合ユニット２１の第１の入口ポートＡは、第１の混合ユニット１１の第１の出口ポートＤに接続されており、第２の混合ユニット２１の第２の入口ポートＢは、ガス供給孔に接続されている。第３の入口ポートＣは、上記第１の混合ユニット１１の第２の出口ポートＥに接続されている。従って、第２の混合ユニット２１の第３の入口ポートＣから、第１の混合ユニット１１で混合された混合マイクロ流体が供給され、該マイクロ流体が、第２の混合ユニット１１の第２の秤取部１３ｄに秤取される。
よって、第２の混合ユニット２１では、第１の混合ユニット１１で混合された結果が利用される。よって、第１の秤取部１１ｄから希釈液を供給する構造とした場合、第１，第２の混合ユニット１１，２１を上記のように接続することにより、より高倍率に希釈することができる。
また、上記第２の混合ユニット２１の第３の出口ポートにも、流路開閉装置６３が接続されている。同様に、第２の混合ユニット２１の第１の出口ポートＤにも、流路開閉装置６４が接続されており、第２の出口ポートＥから、高倍率に希釈されたマイクロ流体が吐出され、後段に設けられた測定部や反応部に送液される。
図１４は、上記第１，第２の混合ユニット１１，２１の下流側に、さらに第３の混合ユニット３１を接続した構造を模式的に示す平面図である。このように、第１，第２の混合ユニット１１，２１の下流側に、さらに、１以上の混合ユニット３１を接続してもよい。また、図１４に示す構造では、第１〜第３の混合ユニット１１，２１，３１の各第３の出口ポートＦが、それぞれ、流路開閉装置６２，６３，６５に接続されているが、該出口ポートＦと流路開閉装置との間に分岐流路が形成されており、該分岐流路が、収納チャンバー７１に接続されている。収納チャンバー７１に代えて、反応セルを構成してもよい。
従って、第１〜第３の混合の各第３の出口ポートＦに接続された収納チャンバー７１，７１，７１では、それぞれ、異なる希釈倍率のマイクロ流体が用意される。さらに、第３の混合ユニット３１の排出部に接続されている第２の出口ポートＥにも、同様に、流路開閉装置６６と収納チャンバー７１とが接続されており、該収納チャンバー７１にも異なる希釈倍率のマイクロ流体が用意される。
図１５は、図１４に示した微細流路構造の変形例を示す模式的平面図である。図１４では、上記収納チャンバー７１が、第１〜第３の混合ユニット１１，２１，３１の第３の出口ポートＦと流路開閉装置との間に接続されていたが、図１５では、第１の混合ユニットの第３の入口ポートＣの前段に収納チャンバー８１が接続されており、かつ第１〜第３の混合ユニット１１，２１，３１の第２の出口ポートＥの下流側に、それぞれ、収納チャンバー８２〜８４が接続されている。この収納チャンバー８２〜８４では、各段の混合ユニット１１，２１，３１における混合結果が測定されることになる。
図１４や、図１５に示した微細流路構造を有するマイクロ流体デバイスを用いることにより、本発明の微量液体希釈方法を実施することができる。例えば、図１４に示す微細流路構造では、第１の混合ユニット１１の第１の秤取部１１ｄに第１のマイクロ流体として希釈液を秤取する。他方、第２の秤取部１３ｄに、第２のマイクロ流体として希釈されるべき検体を秤取する。この検体と希釈液とが、第１の混合ユニット１１で混合され、第１の混合ユニット１１の第２の微細流路１２の排出部から第２の出口ポートＥを介して排出される。そして、第２の混合ユニット２１では、第１の秤取部１１ｄに、第１の混合ユニット１１の場合と同様に、第１のマイクロ流体として希釈液が第１の秤取部１１ｄに秤取される。
他方、第２の秤取部１３ｄには、第１の混合ユニット１１の混合結果である上記検体希釈液、すなわち出口ポートＥから排出された第１の混合マイクロ流体としての検体希釈液が秤取される。図１４では、第２の混合ユニット２１の第３の出口ポートＦに収納チャンバー７１が配置されており、該収納チャンバー７１に上記第１の混合マイクロ流体、すなわち第１の検体希釈液が収納される。また、第２の混合ユニット２１で、第１の検体希釈液と希釈液とが混合され、得られた第２の混合マイクロ流体としての検体希釈液が、第２の混合ユニット２１の出口ポートＥから排出され、第３の混合ユニット３１の出口ポートＦを介して接続されたチャンバー７１に供給される。従って、第２の混合ユニット２１及び第３の混合ユニット３１の側方に接続されている各チャンバー７１，７１に、濃度が異なる第１，第２の検体希釈液が供給されることになる。
図１５に示す微細流路構造においては、第１の混合ユニット１１と第２の混合ユニット２１との間に接続された収納チャンバー８２に、第１の検体希釈液が、第２の混合ユニット２１と、第３の混合ユニット３１との間に接続されている収納チャンバー８３に、第２の検体希釈液が提供される。
このように、図１４及び図１５に示した微細流路構造を用いることにより、本発明の微量液体希釈方法を実施し、濃度が異なる複数の検体希釈液を用意することができる。なお、図１４及び図１５では、前述したように、第３の混合ユニット３１がさらに接続されており、従って、濃度の異なる３種類の検体希釈液を提供することができる。
また、後述する実施例のように、第１，第２の混合ユニットの次段に、さらに多くの混合ユニットを接続してもよく、その場合、第１，第２の混合ユニットの下流に、ｎ−２個（ｎは自然数）の混合ユニットを接続した場合、濃度が異なるｎ種類の検体希釈液を用意することができる。
なお、図１４及び図１５の場合とは逆に、第１の秤取部に検体が、第２の秤取部に希釈液が秤取されてもよい。
さらに、図１６は、より多くの混合ユニットがマトリックス状に接続された微細流路構造を示す模式的平面図である。ここでは、第１〜第３の混合ユニット１１，２１，３１は図１４に示した微細流路構造と同様に構成されている。もっとも、各混合ユニット１１，２１，３１の各第３の出口ポートＦには、流路開閉装置と収納チャンバーとが接続されているだけでなく、第３の出口ポートに、さらに、第４，第５の混合ユニットが直列に接続された微細流路構造が接続されている。すなわち、第１〜第３の混合ユニット１１，１２，１３を両方向とした場合、じょう及び列からなるマトリックスの列方向に、第４，第５の混合ユニット９１，９２が、各混合ユニット１１，２１，３１に接続されている。第４，第５の混合ユニットの接続構造は、第１，第２の混合ユニットと同様である。
すなわち、第４，第５の混合ユニット９１，９２は、第５の混合ユニット９２において、第４の混合ユニット９１における混合結果が利用されるように、第１，第２の混合ユニット１１，２１の接続関係と同様に接続されている。そして、第５の混合ユニットの第２の出口ポートＥに流路開閉装置９３及び収納チャンバーが接続されている。また、第４，第５の混合ユニット９１，９２の各第３の出口ポートＦ，Ｆにも、同様に、流路開閉装置９３及び収納チャンバーが接続されている。
従って、図１６に示す微細流路構造では、各混合ユニットにおける第１の秤取部１１ｄと、第２の秤取部１３ｄとから、同じ量のマイクロ流体が吐出されるとすると、マトリックス状に配置された多数の収納チャンバーにおける希釈倍率はそれぞれ以下の通りとなる。なお、希釈倍率とは、例えば、第１の混合ユニット１１の第２の秤取部１３ｄに、原液が秤取され、以下の各混合ユニットにおいて希釈が行われた場合に、混合マイクロ流体中の原液の割合を言うものとする。例えば、収納チャンバー１０１ａでは、当初の原液が用意されるので、希釈倍率は１／１であり、収納チャンバー１０１ｂでは、原液の希釈倍率は１／３となる。すなわち、第１の混合ユニット１１に接続された第４，第５の混合ユニット９１，９２の側方に位置する収納チャンバー１０１ａ〜１０１ｃでは、希釈倍率は、１／１、１／３及び１／３２となる。また、第２の混合ユニット２１に接続された第４，第５の混合ユニットの側方に配置された収納チャンバー１０２ａ〜１０２ｃにおける希釈倍率は、それぞれ、１／３３、１／３４及び１／３５となる。同様に、第３の混合ユニット３１の下方に接続された第４，第５の混合ユニットの側方に配置された収納チャンバー１０３ａ〜１０３ｃでは、希釈倍率は、１／３６、１／３７及び１／３８となる。
また、第３の混合ユニット３１の第２の出口ポートに接続された第４，第５の混合ユニットの側方に配置された収納チャンバー１０４ａ〜１０４ｃでは、希釈倍率は、１／３９、１／３１０及び１／３１１となる。従って、上記のようにマトリックス状に収納チャンバー１０１ａ〜１０４ｃを配置することにより、一連の希釈系列を短時間に自動作製するマイクロ流体デバイスを作製できる。なお、各混合ユニットの混合比の選び方によって、これとは異なる希釈系列も作れることも明らかである。例えば、図13に示したような１対１混合が可能な混合ユニットに置き換えることで、１／２n の希釈系列とすることもできる。このように、多種類の希釈倍率のマイクロ流体を容易に提供することが可能となる。
図１７は、本発明のマイクロ流体デバイスにおける微細流路構造のさらに他の変形例を示す模式的平面図である。上述した実施形態及び変形例では、第１の混合ユニットにおける混合結果が利用されるように第１，第２の混合ユニットが接続されていたが、図１７に示すように、第１の混合ユニット１１１と第２の混合ユニット１２１とが、並列に接続されていてもよい。ここでは、第１の混合ユニット１１１の第１の秤取部１１１ｄ及び第２の混合ユニット１２１の第１の秤取部１２１ｄが、第１の微細流路１１１ａにより共通接続されている。
同様に、第１の混合ユニット１２１の第２の秤取部１１３ｄ及び第２の混合ユニット１２１の第２の秤取部１２３ｄも、第３の微細流路１１３ａにより共通接続されている。そして、第１，第２の混合ユニット１１１，１２１の各第２の微細流路１１２，１２２の下流側に、設けられた排出部に、それぞれ、収納チャンバー１３１，１３２が接続されている。従って、第１，第２の混合ユニット１１１，１２１に接続されている各収納チャンバー１３１，１３２から同希釈倍率のマイクロ流体が得られる。
言い換えれば、第１の混合ユニットの第１，第３の出口ポートＤ，Ｆが、第２の混合ユニット１２１の第１，第３の入口Ａ，Ｃポートにそれぞれ接続されており、各混合ユニット１１１，１２１の第２の出口ポートＥ，Ｅから、同じ希釈倍率のマイクロ流体が吐出されるように構成されている。
また、本発明では、図１７に示した同じ希釈倍率のマイクロ流体が得られる並列接続と、上述した実施形態及び変形例に示したような接続形態の双方が併用されていてもよい。
また、上述した実施形態では、混合部は、第２の微細流路において、束方向両側に位置していく壁面が非対称とされており、一方の壁面が他方の壁面に下流側に向かって近づくようにテーパーがつけられていた。混合部の形状はこのような形状に限定されるものではない。例えば、図１８（ａ）に示すように、混合部１２ｂにおいて、一方の壁面１２ｂ１が、下流側に行くにつれて一担広がり、かつ次に、反対側の壁面１２ｂ２に近づくように直線的に変化し、他方の壁面１２ｂ２もまた、壁面１２ｂ１と異なる部分で外側に膨らみ、しかる後、反対側の壁面１２ｂ１に近づくように形成されていてもよい。
また、図１８（ｂ）に示すように、両壁面１２ｂ１，１２ｂ２の平面形状が、位相が異なるサインカーブのような形状であってもよく、この場合においても、微細流路の幅方向両側の壁面が非対称に配置されることになる。
さらに、幅方向両側の壁面が非対称に配置される構造に代えて、微細流路の上面及び下面に位置する壁面が非対称に配置されていてもよく、また幅方向両側の壁面が非対称に配置された構造と、両面及び下面すなわち基板の厚み方向両側に位置する壁面が非対称に配置された構造とが併用されていてもよい。
いずれにしても、微細流路が幅方向両側及び基板の厚み方向両側の少なくとも一方において非対称とされているので、マイクロ流体が流れる際に、渦が発生し、マイクロ流体が十分に混合される。よって、別途大きな混合チャンバーやコイル状の混合部とを形成する必要がないため、マイクロ流体デバイスの小型化を図ることができる。
上記マイクロ流体デバイスは、例えば物質の分離・分析、生化学若しくは化学反応又はタンパク質結晶化等に用いることができ、用途上、使い捨てあるいは制限された回数のみの使用で交換されることが望ましいが、恒久的に使用しても構わない。この場合、分注機あるいは測定器などの機器と一体化した使用も可能である。
以下本発明に使用可能な材料について述べる。
上記マイクロ流体デバイスの基板材料は、上記流路構造を実現できる限り、その種類を問わず、無機材料有機材料を用いることができる。材料としては、例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ガラス、シリコン、石英、熱可塑性樹脂、光や熱による硬化性樹脂やその他の樹脂、金属、セラミックおよびそれらの組み合わせなどが挙げられる。
本発明で使用される光応答ガス発生材を構成する光応答ガス発生性樹脂組成物としては、熱可塑性樹脂のごときバインダー樹脂を主体とし、光照射によりガスを発生する樹脂組成物であれば特に限定されないが、３３０ｎｍから４１０ｎｍの光照射でガスを発生する樹脂組成物が好ましい。
上記樹脂組成物としてはバインダー樹脂と光照射することにより気体を発生する気体発生剤からなる樹脂組成物であってもよい。
バインダー樹脂としては、ポリエステル、ポリ（メタ）アクリレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエーテル、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド等の熱可塑性樹脂、ポバール、ブチラール等のアセタール樹脂、刺激応答気体発生能をもつポリオキシアルキレン樹脂等を選ぶことができる。
光照射することにより気体を発生する気体発生剤としては、上記気体発生剤としては特に限定されないが、例えば、アゾ化合物、アジド化合物等、ポリオキシアルキレン樹脂、光酸発生剤と炭酸水素ナトリウムの配合物などが用いられ、好ましくは、アゾ化合物、アジド化合物がガス発生効率が高いため好適に用いられる。
上記アゾ化合物としては、例えば、２，２’−アゾビス−（Ｎ−ブチル−２−メチルプロピオンアミド）、２，２’−アゾビス｛２−メチル−Ｎ−［１，１−ビス（ヒドロキシメチル）−２−ヒドロキシエチル］プロピオンアミド｝、２，２’−アゾビス｛２−メチル−Ｎ−［２−（１−ヒドロキシブチル）］プロピオンアミド｝、２，２’−アゾビス［２−メチル−Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）プロピオンアミド］、２，２’−アゾビス［Ｎ−（２−プロペニル）−２−メチルプロピオンアミド］、２，２’−アゾビス（Ｎ−ブチル−２−メチルプロピオンアミド）、２，２’−アゾビス（Ｎ−シクロヘキシル−２−メチルプロピオンアミド）、２，２’−アゾビス［２−（５−メチル−２−イミダゾイリン−２−イル）プロパン］ジハイドロクロライド、２，２’−アゾビス［２−（２−イミダゾイリン−２−イル）プロパン］ジハイドロクロライド、２，２’−アゾビス［２−（２−イミダゾイリン−２−イル）プロパン］ジサルフェイトジハイドロレート、２，２’−アゾビス［２−（３，４，５，６−テトラハイドロピリミジン−２−イル）プロパン］ジハイドロクロライド、２，２’−アゾビス｛２−［１−（２−ヒドロキシエチル）−２−イミダゾイリン−２−イル］プロパン｝ジハイドロクロライド、２，２’−アゾビス［２−（２−イミダゾイリン−２−イル）プロパン］、２，２’−アゾビス（２−メチルプロピオンアミダイン）ハイドロクロライド、２，２’−アゾビス（２−アミノプロパン）ジハイドロクロライド、２，２’−アゾビス［Ｎ−（２−カルボキシアシル）−２−メチル−プロピオンアミダイン］、２，２’−アゾビス｛２−［Ｎ−（２−カルボキシエチル）アミダイン］プロパン｝、２，２’−アゾビス（２−メチルプロピオンアミドオキシム）、ジメチル２，２’−アゾビス（２−メチルプロピオネート）、ジメチル２，２’−アゾビスイソブチレート、４，４’−アゾビス（４−シアンカルボニックアシッド）、４，４’−アゾビス（４−シアノペンタノイックアシッド）、２，２’−アゾビス（２，４，４−トリメチルペンタン）等が挙げられる。なかでも２，２’−アゾビス−（Ｎ−ブチル−２−メチルプロピオンアミド）、２，２’−アゾビス（Ｎ−ブチル−２−メチルプロピオンアミド）、２，２’−アゾビス（Ｎ−シクロヘキシル−２−メチルプロピオンアミド）が好適である。これらのアゾ化合物は、光、熱等による刺激により窒素ガスを発生する。
上記アジド化合物としては、例えば、３−アジドメチル−３−メチルオキセタン、テレフタルアジド、ｐ−ｔｅｒｔ−ブチルベンズアジド；３−アジドメチル−３−メチルオキセタンを開環重合することにより得られるグリシジルアジドポリマーなどのアジド基を有するポリマー等が挙げられる。
光酸発生剤としては、ビス（シクロヘキシルサルフォニル）ジアゾメタン、ビス（ｔ−ブチルサルフォニル）ジアゾメタン、ビス（ｐ−トルエンサルフォニル）ジアゾメタン、トリフェニルサルフォニウム トリフルオロメタンサルフォネート、ジメチル−４−メチルフェニルサルフォニウム トリフルオロメタンサルフォネート、ジフェニル−２，４，６−トリメチルフェニルサルフォニウム ｐ−トルエンサルフォネートといったジアゾジスルホン系、トリフェニルスルホニウム系といったジアゾジスルホン系、トリフェニルスルホニウム系の光酸発生剤等が使用できる。
また、上記光応答ガス発生性樹脂組成物中に応答性を上げる目的で、公知の増感剤が含有されていてもよい。
増感剤として例えば、アセトフェノン類、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンジル、ベンゾイン、ベンゾインエーテル、ベンジルジメチルケタール、ベンゾイルベンジエート、α−アシロキシムエステル、テトラメチルチウラムモノサルファイド、チオキサントン、脂肪族アミン、芳香族基を含むアミン、ピペリジンのように窒素が環系の一部をなしているもの、アリルチオ尿素、Ｏ−トリルチオ尿素、ナトリウムジエチルジチオホスフェート、芳香族スルフィン酸の可溶性塩、Ｎ，Ｎ−ジ置換−ｐ−アミノベンゾニトリル系化合物、トリ−ｎ−ブチルフォスフィン、Ｎ−ニトロソヒドロキシルアミン誘導体、オキサゾリジン化合物、テトラヒドロ−１，３−オキサジン化合物、ホルムアルデヒドかアセトアルデヒドとジアミンの縮合物、アントラセン（又はその誘導体）、キサンチン、Ｎ−フェニルグリシン、フタロシアニン、ナフトシアニン、チオシアニン等のシアニン色素類ポルフィリン（又はその誘導体）等が挙げられる。これらの増感剤は、単独で用いられても良いし、２種類以上が併用されても良い。
光学窓に光照射した際に、ガス発生室内部の光応答ガス発生性樹脂組成物がガスを発生するが、ガスの発生は光照射された光応答ガス発生性樹脂組成物の表面が最も盛んである。従って、ガスが発生しやすく且つ発生したガスが微細流路から容易に排出されるように、ガス発生室内において光応答ガス発生性樹脂組成物と光学窓の間に空気層が形成されているのが好ましい。
又、光応答ガス発生性樹脂組成物の表面は凹凸が形成されていると、表面積が大きくなり、ガスの放出が容易になるので好ましく、更に、ガス発生室内において光応答ガス発生性樹脂組成物と光学窓が多数点で部分的に接触し、多数の接触部と空気層が形成されているのが好ましい。
マイクロ流体デバイスにおいては、種々のサンプル、希釈液、溶離液等を使用するので、ひとつのマイクロ流体デバイスに多数のマイクロポンプが必要になるので、基板に複数のガス発生室が形成されているのが好ましい。又、ガス発生室には光を照射する必要があるので、ガス発生室は基材の一面に形成されるのが好ましい。
本発明における微量液体秤取構造の作成法は、上記微量液体秤取構造を実現できる限り如何なる方法であってもよく、例えば、機械加工、射出成型や圧縮成型に代表される転写技術、ナノインプリントリソグラフィー、キャスト成形、電鋳、ドライエッチング（ＲＩＥ、ＩＥ、ＩＢＥ、プラズマエッチング、レーザーエッチング、レーザーアブレーション、ブラスト加工、放電加工、ＬＩＧＡ、電子ビームエッチング、ＦＡＢ）、ウエットエッチング（化学浸食）、光造形やセラミックス敷詰等の一体成型、各種物質を層状にコート、蒸着、スパッタリング、堆積し、部分的に除去することにより微細構造物を形成するSurface Micro-machining 、１枚以上のシート状物質（フィルム、テープ等）により開口部分を形成して溝を形成する方法、インクジェットやディスペンサーにより流路構成材料を滴下、注入して形成させる方法等が挙げられる。
マイクロ流体デバイスを作成するために、上記方法においてマスクを利用してもよい。マスクは、マイクロ流体デバイスを最終的に作成できる限りにおいてどのようなデザインでもよいし、複数でも構わない。マスクは、通常は流路を平面に射影した形状で設計されるが、貼り合わせる流路構成材の両側に加工を行う場合や、複数の部材を用いて流路を形成する場合などは、複数のマスクを用いたり、一部はマスクを用いずに直接加工することができるため、マスクは必ずしも最終的な流路の形状の射影であるとは限らない。光硬化性樹脂などに用いる電磁波遮蔽用のマスクとしては、水晶あるいはガラスにクロムをコートしたもの、あるいは樹脂のフィルムにレーザーの焼き付けを行ったものなどが挙げられる。
上記マスクは、例えば、コンピュータを用い、適当なソフトウエアにより、上記流路構造の少なくとも一部を描画し、透明な樹脂フィルムに印刷することにより作成することもできる。上記ソフトウエアにより描画された、上記流路構造の少なくとも一部の電子情報が格納された上記マスクまたはマスターチップを作成するために用いるコンピュータ読み取り可能な記録媒体もしくは上記流路構造パターンを生成するプログラムコードならびにその記憶媒体も本発明に含まれる。ここで適当な記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ等の磁気媒体；ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ等の光ディスク、半導体メモリ等を挙げることができる。
又、マイクロ流体デバイスを作成するにあたり、上記方法によって直接チップを製作しても構わないし、これを型としてマイクロ流体デバイス整形しても構わない。当然、さらにこれを型にしてマイクロ流体デバイスを成形することも可能である。
本発明におけるマイクロ流体デバイスは、上部基板と下部基板が貼り合わされた２層構造であってもよい。貼り合わせ法としては、接着剤による接着、プライマーによる樹脂接合、拡散接合、陽極接合、共晶接合、熱融着、超音波接合、レーザー溶融、溶剤・溶解溶媒による貼り合わせ、粘着テープ、接着テープ、圧着、自己吸着剤による結合、物理的な保持、凹凸による組み合わせが挙げられる。また、接続構成を保ちつつ、多層基板の重ね合わせによって実現することもできる。
又、貼り合わせを必要とせず、上記流体分岐部分と独立流路を一体に形成させる方法も可能である。具体的には、光造形法などの一体成型により閉空間を含む構造を形成することが可能である。
かくして作成されるチップの一辺の長さ、形状、厚みに制限はなく、例えば一辺５ｍｍ〜１００ｍｍの任意の値に設定することができる。
本発明に係るマイクロ流体デバイスは、基板と、前記基板内に設けられており、マイクロ流体が搬送される微細流路構造とを備え、前記微細流路構造が、第１の混合ユニットと、第１の混合ユニットの下流側に接続されている第２の混合ユニットとを有する。各混合ユニットは、一定量の第１のマイクロ流体を秤取するために、該一定量の第１のマイクロ流体の体積と等しい容積を有する微細流路からなる第１の秤取部と、一定量の第２のマイクロ流体を秤取するために、前記一定量の第２のマイクロ流体の体積に等しい容積を有する微細流路からなる第２の秤取部と、第１，第２の秤取部で秤取された第１，第２のマイクロ流体が合流される合流部と、前記合流部の下流に連ねられており、前記第１，第２のマイクロ流体を混合する混合部と、前記第１，第２のマイクロ流体の混合により得られた混合マイクロ流体を排出する排出部と、第１〜第３の入口ポート及び第１〜第３の出口ポートと、第１の入口ポートと第１の出口ポートとを結ぶ第１の微細流路と、第２の入口ポートと第２の出口ポートとを結び、前記合流部、前記混合部及び前記排出部を有する第２の微細流路と、第３の入口ポートと第３の出口ポートとを結ぶ第３の微細流路とを備え、前記第１の秤取部の一端が前記第１の微細流路に接続されており、他端が第２の微細流路に設けられた前記合流部に開口しており、前記第２の秤取部の一端が前記第３の微細流路に接続されており、他端が前記第２の微細流路に設けられている前記合流部に開口しており、前記第２の出口ポートが前記排出部に接続されており、前記第１の混合ユニットの第１〜第３の出口ポートのうちのいずれかの出口ポートが、前記第２の混合ユニットの前記第１または第３の入口ポートに接続されており、前記第１の混合ユニットの前記第２の出口ポートが、前記第２の混合ユニットの前記第１または第３の入口ポートに接続されており、それによって、第１の混合ユニットで混合されたマイクロ流体が第２の混合ユニットにおいて一定量の第１または第２のマイクロ流体として利用されることを特徴とする。
第１の混合ユニットと第２の混合ユニットとが上記のように接続されているので、より高倍率の希釈系列を構成することができる。
本発明に係る微量液体希釈方法のある特定の局面では、前記第１，第２の混合ユニットの後段に、少なくとも１つの第３の混合ユニットを接続し、濃度が異なる少なくとも３つの検体希釈液を得る。
図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスの微細流路構造を模式的に示す平面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスの一部を模式的に示す正面断面図である。 図３は、図１に示した実施形態の微細流路構造における第１の混合ユニットを説明するための模式的平面図である。 図４（ａ），（ｂ）は、流路切換装置の一例を説明するための各模式的平面図であり、（ｃ）は、該流路切換装置の変形例を示す模式的平面図である。 図５は、図１に示した実施形態において、第１の秤取部に一定量の第１のマイクロ流体を秤取する工程を説明するための部分切欠拡大平面図である。 図６は、図１に示した実施形態において、第１の秤取部に一定量の第１のマイクロ流体を秤取する工程を説明するための部分切欠拡大平面図である。 図７は、図１に示した実施形態において、第１の秤取部に一定量の第１のマイクロ流体を秤取する工程を説明するための部分切欠拡大平面図である。 図８は、第１の実施形態において、第１，第２の秤取部からマイクロ流体が第２の微細流路に吐出する状態を示す模式的部分切欠平面図である。 図９は、第１の実施形態において、マイクロ流体が混合部を通過する状態を示す部分切欠平面図である。 図１０は、第１の実施形態の変形例における第１，第２の秤取部の位置関係を説明するための模式的平面図である。 図１１は、合流部における混合割合を異ならせるために、第２の秤取部が複数設けられた変形例を示す模式的平面図である。 図１２（ａ）は、第２の微細流路の形状が変形され、それによって合流部における混合率が変化されている他の変形例を示す模式的平面図であり、（ｂ）は、合流部の形状の変形例を説明するための模式的部分切欠平面図である。 図１３は、第１，第２の混合ユニットが接続されている微細流路構造の他の変形例を略図的に示す平面図である。 図１４は、本発明に係るマイクロ流体デバイスの微細流路構造のさらに別の変形例を示す模式的平面図である。 図１５は、図１４に示した微細流路構造の変形例を示す模式的平面図である。 図１６は、本発明のマイクロ流体デバイスの微細流路構造のさらに別の変形例を示し、多数の混合ユニットがマトリックス状に配置されている変形例を示す略図的平面図である。 図１７は、参考例に係る微細流路構造を示す模式的平面図である。 図１８（ａ），（ｂ）は、混合部の形状の変形例を示す各平面図である。
図１７は、参考例を示す模式的平面図である。上述した実施形態及び変形例では、第１の混合ユニットにおける混合結果が利用されるように第１，第２の混合ユニットが接続されていたが、図１７に示す参考例では、第１の混合ユニット１１１と第２の混合ユニット１２１とが、並列に接続されている。ここでは、第１の混合ユニット１１１の第１の秤取部１１１ｄ及び第２の混合ユニット１２１の第１の秤取部１２１ｄが、第１の微細流路１１１ａにより共通接続されている。
本発明では、図１７に示した同じ希釈倍率のマイクロ流体が得られる並列接続と、上述した実施形態及び変形例に示したような接続形態の双方が併用されていてもよい。
本発明に係るマイクロ流体デバイスは、基板と、前記基板内に設けられており、マイクロ流体が搬送される微細流路構造とを備え、前記微細流路構造が、第１の混合ユニットと、第１の混合ユニットの下流側に接続されている第２の混合ユニットとを有する。各混合ユニットは、一定量の第１のマイクロ流体を秤取するために、該一定量の第１のマイクロ流体の体積と等しい容積を有する微細流路からなる第１の秤取部と、一定量の第２のマイクロ流体を秤取するために、前記一定量の第２のマイクロ流体の体積に等しい容積を有する微細流路からなる第２の秤取部と、第１，第２の秤取部で秤取された第１，第２のマイクロ流体が合流される合流部と、前記合流部の下流に連ねられており、前記第１，第２のマイクロ流体を混合する混合部と、前記第１，第２のマイクロ流体の混合により得られた混合マイクロ流体を排出する排出部と、第１〜第３の入口ポート及び第１〜第３の出口ポートと、第１の入口ポートと第１の出口ポートとを結ぶ第１の微細流路と、第２の入口ポートと第２の出口ポートとを結び、前記合流部、前記混合部及び前記排出部を有する第２の微細流路と、第３の入口ポートと第３の出口ポートとを結ぶ第３の微細流路とを備え、前記第１の秤取部の一端が前記第１の微細流路に接続されており、他端が第２の微細流路に設けられた前記合流部に開口しており、前記第２の秤取部の一端が前記第３の微細流路に接続されており、他端が前記第２の微細流路に設けられている前記合流部に開口しており、前記第２の出口ポートが前記排出部に接続されており、前記第１の混合ユニットの第２の出口ポートが、前記第２の混合ユニットの前記第１または第３の入口ポートに接続されており、前記第１の混合ユニットの前記第２の出口ポートが、前記第２の混合ユニットの前記第１または第３の入口ポートに接続されており、それによって、第１の混合ユニットで混合されたマイクロ流体が第２の混合ユニットにおいて一定量の第１または第２のマイクロ流体として利用されることを特徴とする。
本発明に係るマイクロ流体デバイスは、基板と、前記基板内に設けられており、マイクロ流体が搬送される微細流路構造とを備え、前記微細流路構造が、第１の混合ユニットと、第１の混合ユニットの下流側に接続されている第２の混合ユニットとを有する。各混合ユニットは、一定量の第１のマイクロ流体を秤取するために、該一定量の第１のマイクロ流体の体積と等しい容積を有する微細流路からなる第１の秤取部と、一定量の第２のマイクロ流体を秤取するために、前記一定量の第２のマイクロ流体の体積に等しい容積を有する微細流路からなる第２の秤取部と、第１，第２の秤取部で秤取された第１，第２のマイクロ流体が合流される合流部と、前記合流部の下流に連ねられており、前記第１，第２のマイクロ流体を混合する混合部と、前記第１，第２のマイクロ流体の混合により得られた混合マイクロ流体を排出する排出部と、第１〜第３の入口ポート及び第１〜第３の出口ポートと、第１の入口ポートと第１の出口ポートとを結ぶ第１の微細流路と、第２の入口ポートと第２の出口ポートとを結び、前記合流部、前記混合部及び前記排出部を有する第２の微細流路と、第３の入口ポートと第３の出口ポートとを結ぶ第３の微細流路とを備え、前記第１の秤取部の一端が前記第１の微細流路に接続されており、他端が第２の微細流路に設けられた前記合流部に開口しており、前記第２の秤取部の一端が前記第３の微細流路に接続されており、他端が前記第２の微細流路に設けられている前記合流部に開口しており、前記第２の出口ポートが前記排出部に接続されており、前記第１の混合ユニットの前記第２の出口ポートが、前記第２の混合ユニットの前記第１または第３の入口ポートに接続されており、それによって、第１の混合ユニットで混合されたマイクロ流体が第２の混合ユニットにおいて一定量の第１または第２のマイクロ流体として利用されることを特徴とする。
本発明に係る微量液体希釈方法は、本発明に従って構成されたマイクロ流体デバイスを用いた微量液体希釈方法であり、前記第１の混合ユニットの第１または第２の秤取部に、検体を秤取し、前記第２または第１の秤取部に希釈液を秤取する工程と、前記第１の混合ユニットにおいて、前記検体と、前記希釈液とを混合し、第１の検体希釈液を排出する工程と、前記第２の混合ユニットの第１または第２の秤取部に、前記第１の混合ユニットから排出された第１の検体希釈液の少なくとも一部を秤取し、前記第２の混合ユニットの第２または第１の秤取部に希釈液を秤取する工程と、前記第２の混合ユニットにおいて、前記第１の検体希釈液と、前記第２の混合ユニットの第２または第１の秤取部に秤取された前記希釈液とを混合して、第２の検体希釈液を得、前記第２の検体希釈液を、前記第２の混合ユニットの排出部から排出する工程とを備え、それによって、濃度が異なる第１，第２の検体希釈液を得る、微量液体希釈方法である。

Claims (15)

  1. 基板と、
    前記基板内に設けられており、マイクロ流体が搬送される微細流路構造とを備え、
    前記微細流路構造が、第１の混合ユニットと、第１の混合ユニットの下流側に接続されている第２の混合ユニットとを有し、
    各混合ユニットは、
    一定量の第１のマイクロ流体を秤取するために、該一定量の第１のマイクロ流体の体積と等しい容積を有する微細流路からなる第１の秤取部と、
    一定量の第２のマイクロ流体を秤取するために、前記一定量の第２のマイクロ流体の体積に等しい容積を有する微細流路からなる第２の秤取部と、
    第１，第２の秤取部で秤取された第１，第２のマイクロ流体が合流される合流部と、前記合流部の下流に連ねられており、前記第１，第２のマイクロ流体を混合する混合部と、
    前記第１，第２のマイクロ流体の混合により得られた混合マイクロ流体を排出する排出部と、
    第１〜第３の入口ポート及び第１〜第３の出口ポートと、第１の入口ポートと第１の出口ポートとを結ぶ第１の微細流路と、第２の入口ポートと第２の出口ポートとを結び、前記合流部、前記混合部及び前記排出部を有する第２の微細流路と、第３の入口ポートと第３の出口ポートとを結ぶ第３の微細流路とを備え、
    前記第１の秤取部の一端が前記第１の微細流路に接続されており、他端が第２の微細流路に設けられた前記合流部に開口しており、前記第２の秤取部の一端が前記第３の微細流路に接続されており、他端が前記第２の微細流路に設けられている前記合流部に開口しており、前記第２の出口ポートが前記排出部に接続されており、
    前記第１の混合ユニットの第１〜第３の出口ポートのうちのいずれかの出口ポートが、前記第２の混合ユニットの前記第１または第３の入口ポートに接続されている、マイクロ流体デバイス。
  2. 前記第１の混合ユニットの前記第２の出口ポートが、前記第２の混合ユニットの前記第１または第３の入口ポートに接続されており、それによって、第１の混合ユニットで混合されたマイクロ流体が第２の混合ユニットにおいて一定量の第１または第２のマイクロ流体として利用される、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  3. 前記第１の混合ユニットの前記第１の出口ポートが、前記第２の混合ユニットの前記第１の入口ポートに接続されており、前記第１の混合ユニットの前記第３の出口ポートが、前記第２の混合ユニットの前記第３の入口ポートに接続されている、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  4. 前記第２の混合ユニットの下流側に接続された少なくとも１つの第３の混合ユニットをさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
  5. 前記第１及び／または第２の混合ユニットにおいて、第１の秤取部の出口開口と、前記第２の秤取部の出口開口とが、前記合流部において対向されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
  6. 前記第１及び／または第２の混合ユニットにおいて、前記第１の秤取部の出口開口と、前記第２の秤取部の出口開口とが、前記合流部において、マイクロ流体が流れる方向において異なる位置に配置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
  7. 前記第１の秤取部の出口開口と前記第２の秤取部の出口開口との前記合流部におけるマイクロ流体の流れる方向における距離が、前記第１の秤取部から合流部に供給された第１のマイクロ流体と、第２の秤取部から合流部に供給された第２のマイクロ流体との間に気泡を形成しないように、かつ第１，第２の秤取部から異なるタイミングで前記合流部に第１，第２のマイクロ流体が吐出された際に、第１，第２のマイクロ流体が第２の秤取部の出口開口または第１の秤取部の出口開口に接触しないように第１，第２の秤取部の出口間に配置されている、請求項６に記載のマイクロ流体デバイス。
  8. 前記第１，第２の秤取部の内、合流部において下流側に出口開口が位置している側の秤取部から吐出されたマイクロ流体が、合流部において、該秤取部の出口開口とは反対側の壁面に至らない大きさとなるように、前記合流部の幅が、該吐出されたマイクロ流体の液体の大きさよりも大きくされている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
  9. 前記混合部では、流路の幅方向両側の壁面が非対称とされており、及び／または流路の基板高さ方向両側の壁面が非対称とされている、請求項１〜８のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
  10. 前記合流部に接続されており、該合流部において第１，第２のマイクロ流体を搬送するためのガスを供給する第１のマイクロポンプ装置と、前記第１，第２の秤取部にそれぞれ接続されており、第１，第２の秤取部において、一定量のマイクロ流体を秤取し、かつ第１，第２の秤取部から前記合流部に第１，第２のマイクロ流体を吐出するために、前記第１，第２の秤取部に接続された第２，第３のマイクロポンプ装置とをさらに備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
  11. 複数の微細流路において、各微細流路内をマイクロ流体が流れ得る状態と、マイクロ流体の搬送が停止される状態とを実現するために、各微細流路に設けられた流路開閉装置をさらに備え、該流路開閉装置により、微細流路が開状態とされている際に、前記微細流路内をマイクロ流体が移動し、前記流路開閉装置により微細流路が閉状態とされている際に、マイクロ流体の移動が停止される、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
  12. 前記流路開閉装置が、前記開状態と、前記閉状態との間で移動され得るストッパーと、該ストッパーを前記開状態と前記閉状態との間で移動させるストッパー駆動手段とを備える、請求項１１に記載のマイクロ流体デバイス。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスを用いた微量液体希釈方法であって、
    前記第１の混合ユニットの第１または第２の秤取部に、検体としての第１のマイクロ流体を秤取し、前記第２または第１の秤取部に希釈液としての第２のマイクロ流体を秤取する工程と、
    前記第１の混合ユニットにおいて、前記検体としての第１のマイクロ流体と、希釈液としての第２のマイクロ流体とを混合し、混合マイクロ流体として第１の検体希釈液を排出する工程と、
    前記第２の混合ユニットの第１または第２の秤取部に、前記第１の混合ユニットから排出された第１の混合マイクロ流体の少なくとも一部を秤取し、前記第２の混合ユニットの第２または第１の秤取部に第２または第１のマイクロ流体として希釈液を秤取する工程と、
    前記第２の混合ユニットにおいて、前記第１の検体希釈液と、前記希釈液とを混合して、第２の混合マイクロ流体としての第２の検体希釈液を得、前記第２のマイクロ流体としての前記第２の検体希釈液を、前記第２の混合ユニットの排出部から排出する工程とを備え、それによって、濃度が異なる第１，第２の検体希釈液を得る、微量液体希釈方法。
  14. 前記第１，第２の混合ユニットの後段に、少なくとも１つの第３の混合ユニットを接続し、濃度が異なる少なくとも３つの検体希釈液を得る、請求項１３に記載の微量液体希釈方法。
  15. 第１，第２の混合ユニットの後段に、ｎ−２個（ｎは３以上の自然数）の混合ユニットを接続し、各混合ユニットの排出部から、それぞれ検体希釈液としての混合流体を排出させ、それによって、濃度が異なるｎ種の検体希釈液を得る、請求項１３に記載の微量液体希釈方法。
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