JPWO2008053743A1 - マイクロチップ及びそれを用いた分析装置 - Google Patents

マイクロチップ及びそれを用いた分析装置 Download PDF

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Abstract

試料液を採取する注入口14と、注入口14を介して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる少なくとも1つの毛細管キャビティ4と、毛細管キャビティ4と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される毛細管キャビティ4内の試料液を受け取る保持チャンバー5とを備えるマイクロチップであって、注入口14と保持チャンバー5とを連結する毛細管キャビティ4の一側面に、毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティ15,16を有しており、毛細管キャビティ4への気泡の混入を防ぐことができる。

Description

本発明は、生物学的流体を電気化学的、もしくは光学的に分析するマイクロチップに関するものである。
従来、マイクロチップを用いて生物学的流体を電気化学的に分析する方法としては、試料液中の特定の成分を分析するバイオセンサーとして、例えば、血液中のグルコースとセンサー中に担持したグルコースオキシダーゼ等の試薬との反応により得られる電流値を測定することにより、血糖値などを求めるものがある。
また、光学的に分析する方法として液体流路を形成したマイクロチップを用いて分析する方法が知られている。マイクロチップは水平軸を有する回転装置を使って流体の制御をすることが可能であり、遠心力を利用して試料液の計量、細胞質材料の分離、分離された流体の移送分配、液体の混合/攪拌等を行うことができるため、種々の生物化学的な分析を行うことが可能である。
従来の試料液採取方法としては、図12に示す特許文献1の遠心移送式バイオセンサーがある。これは容器310の中に深さの異なる複数のキャビティが形成されている。試料液は入口313から毛細管現象により第1の毛細管キャビティ312内に採取され、次に遠心力を作用させることで、第1の毛細管キャビティ312内の試料液は、濾過材料315と第1の流路314を介して受入キャビティ317に移送され、受入キャビティ317で試薬と反応、および遠心分離させたのちに、芯318の毛細管力によって溶液成分のみを第2の毛細管キャビティ316に採取し、光学的に反応状態を読み取られる。
また、図13に示す特許文献2の遠心移送式バイオセンサーがある。この図13では分配ユニット400の部分を示している。入口ポート409は、上部部分402を経て毛細管キャビティ404aにつながっている。毛細管キャビティ404aは導管部分405aを介して毛細管キャビティ404bにつながっている。以下同様に、導管部分405b,405c,405d,405eを介して毛細管キャビティ404b,404c,404d,404e,404fにつながっている。毛細管キャビティ404fは上部部分403を経て出口ポート410につながっている。上部部分402と導管部分405a〜405eおよび上部部分403には、通気孔406a〜406gが設けられている。入口ポート409から入った試料は、出口ポート410まで毛細管力で移送し、各毛細管キャビティ404a〜404fを試料液で満たした後、このバイオセンサーの回転によって発生する遠心力によって、それぞれの毛細管キャビティ404a〜404f内の試料液を各通気孔406a〜406gの位置で分配し、各バルブ408a〜408fと各連結微小導管407a〜407fを通って、次の処理室(図示省略)へ移送される。
特表平4−504758号公報 特表2004−529333号公報
しかしながら、このような従来の構成では、毛細管キャビティを充填するほどの試料液が与えられなかったり、点着の途中で試料液を注入口から離してしまったりした場合に、注入口付近の表面張力の影響による気泡の混入の問題がある。また、試料液の注入後における取り扱い時にデバイスの向きを変えてしまうことで、毛細管キャビティ内の試料液が動いてしまって気泡が混入したりする可能性がある。
このような気泡の混入が発生すると、不足している試料液を後から追加して吸引させようとしても毛細管キャビティ内の気泡を外部に逃がすことができないため、気泡の部分に試料液を充填することができず、一定量の試料液を採取できないという課題を有している。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、毛細管キャビティ内への気泡の混入を防ぐことができ、試料液の採取が毛細管キャビティを満たすまで何度でもできるマイクロチップを提供することを目的とする。
本発明の請求項1記載のマイクロチップは、試料液を採取する注入口と、前記注入口を介して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる少なくとも1つの毛細管キャビティと、前記毛細管キャビティと連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記毛細管キャビティ内の試料液を受け取る保持チャンバーとを備えるマイクロチップであって、前記注入口と保持チャンバーとを連結する前記毛細管キャビティの一側面に毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティを設けたことを特徴とする。
本発明の請求項2記載のマイクロチップは、試料液を収容する収容室と、前記収容室から毛細管力により一定量の試料液を採取することができる少なくとも1つの毛細管キャビティと、前記毛細管キャビティと連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記毛細管キャビティ内の試料液を受け取る保持チャンバーとを備えるマイクロチップであって、前記収容室と保持チャンバーとを連結する前記毛細管キャビティの一側面に毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティを設けたことを特徴とする。
本発明の請求項3記載のマイクロチップは、請求項1または請求項2において、前記毛細管キャビティおよび前記キャビティの断面形状が矩形形状を有し、前記キャビティの厚み方向の断面寸法が前記毛細管キャビティの断面寸法よりも大きく、前記キャビティが前記毛細管キャビティの片側もしくは両側の側面に形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項4記載のマイクロチップは、請求項1または請求項2において、前記毛細管キャビティの断面形状の一部が円弧形状を有し、前記キャビティの断面形状が矩形形状を有し、前記キャビティの厚み方向の断面寸法が前記毛細管キャビティの断面寸法よりも大きく、前記キャビティが前記毛細管キャビティの片側もしくは両側の側面に形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項5記載のマイクロチップは、請求項3または請求項4において、前記キャビティの厚み方向の断面寸法が前記毛細管キャビティよりも50μm以上大きくなっていることを特徴とする。
本発明の請求項6記載のマイクロチップは、請求項1または請求項2において、前記毛細管キャビティおよび前記キャビティの断面形状の一部が円弧形状を有し、前記キャビティが前記毛細管キャビティの片側もしくは両側の側面に形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項7記載のマイクロチップは、請求項1または請求項2において、前記キャビティの壁面が疎水表面であることを特徴とする。
本発明の請求項8記載のマイクロチップは、試料液を採取する注入口と、前記注入口と連通し前記注入口を介して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第1の毛細管キャビティと、前記第1の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第1の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第1の保持チャンバーと、前記第1の毛細管キャビティと連通し、前記第1の毛細管キャビティを経由して、毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第2の毛細管キャビティと、前記第2の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第2の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第2の保持チャンバーとを備えるマイクロチップであって、前記第1の毛細管キャビティおよび前記第2の毛細管キャビティの一側面に毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティを設け、前記第1の毛細管キャビティと前記第2の毛細管キャビティとの境界部が、前記第1の保持チャンバーおよび前記第2の保持チャンバーよりも内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記境界部の外周側に壁面を有することを特徴とする。
本発明の請求項9記載のマイクロチップは、試料液を採取する注入口と、前記注入口と連通し前記注入口を介して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第1の毛細管キャビティと、前記第1の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第1の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第1の保持チャンバーと、前記第1の毛細管キャビティと連通し前記第1の毛細管キャビティを経由して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第2の毛細管キャビティと、前記第2の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第2の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第2の保持チャンバーと、前記第2の毛細管キャビティから第N(Nは3以上の正の整数)の毛細管キャビティまで順次連通して形成されるN−2個の毛細管キャビティと、前記N−2個の毛細管キャビティの外周端部に連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記N−2個の毛細管キャビティ内の試料液をそれぞれ受け取るN−2個の保持チャンバーとを設け、前記第1の毛細管キャビティ、前記第2の毛細管キャビティ、および前記第2の毛細管キャビティから連続して前記第Nの毛細管キャビティまで形成される前記N−2個の毛細管キャビティの一側面には、毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティをそれぞれ有し、前記第1の毛細管キャビティと前記第2の毛細管キャビティとの境界部が、前記第1の保持チャンバーおよび前記第2の保持チャンバーよりも内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記第2の毛細管キャビティから順次連続して前記第Nの毛細管キャビティまで形成される前記N−2個の毛細管キャビティのN−2個の境界部が、前記第2の保持チャンバーから前記第Nの保持チャンバーまでのN−2個の保持チャンバーよりもそれぞれ内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記第1の境界部から第N−1の境界部までのN−1個の境界部の外周側に壁面を有することを特徴とする。
本発明の請求項10記載のマイクロチップは、試料液を収容する収容室と、前記収容室と連通し前記収容室から毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第4の毛細管キャビティと、前記第4の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第4の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第4の保持チャンバーと、前記第4の毛細管キャビティと連通し前記第4の毛細管キャビティを経由して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第5の毛細管キャビティと、前記第5の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第2の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第5の保持チャンバーとを設け、前記第4の毛細管キャビティおよび前記第5の毛細管キャビティの一側面には、毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティを設け、前記第4の毛細管キャビティと前記第5の毛細管キャビティとの境界部が、前記収容室および前記第4の保持チャンバーよりも内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記境界部の外周側に壁面を有することを特徴とする。
本発明の請求項11記載のマイクロチップは、試料液を収容する収容室と、前記収容室と連通し前記収容室から毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第2の毛細管キャビティと、前記第2の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第2の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第2の保持チャンバーと、前記第2の毛細管キャビティと連通し前記第2の毛細管キャビティを経由して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第3の毛細管キャビティと、前記第3の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第3の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第3の保持チャンバーと、前記第3の毛細管キャビティから第N(Nは3以上の正の整数)の毛細管キャビティまで順次連通して形成されるN−2個の毛細管キャビティと、前記N−2個の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記N−2個の毛細管キャビティ内の試料液をそれぞれ受け取るN−2の保持チャンバーとを設け、前記第2の毛細管キャビティ、前記第3の毛細管キャビティ、および前記第3の毛細管キャビティから連続して前記第Nの毛細管キャビティまで形成される前記N−2個の毛細管キャビティの一側面には、毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティをそれぞれ有し、前記第2の毛細管キャビティと前記第3の毛細管キャビティとの第2の境界部が、前記第2の毛細管キャビティおよび前記第3の毛細管キャビティよりも内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記第3の毛細管キャビティから順次連続して前記第Nの毛細管キャビティまで形成される前記N−2個の毛細管キャビティのN−2の境界部が、前記第3の保持チャンバーから前記第Nの保持チャンバーまでのN−2個の保持チャンバーよりもそれぞれ内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記第2の境界部から第N−1の境界部までのN−1個の境界部の外周側に壁面を有することを特徴とする。
本発明の請求項12記載の分析装置は、請求項1に記載のマイクロチップが装着される分析装置であって、前記マイクロチップをその注入口を軸心側に向けた状態で保持し軸心回りに回転させる回転駆動手段と、前記回転駆動手段によって前記注入口から採取されて前記毛細管キャビティ内に保持されている試料液を前記保持チャンバーに移送させた後に、前記保持チャンバー内の試料液を分析する分析手段とを備え、前記マイクロチップの前記注入口より、前記毛細管キャビティ内が満たされるまで試料液を採取した後、前記回転駆動手段による前記マイクロチップの回転によって発生する遠心力によって前記毛細管キャビティ内の試料液を、前記毛細管キャビティおよび試料液が入っていない前記キャビティを経由して前記保持チャンバーへ移送させるよう構成したことを特徴とする。
本発明の請求項13記載の分析装置は、請求項2に記載のマイクロチップが装着される分析装置であって、前記マイクロチップを軸心回りに回転させる回転駆動手段と、前記回転駆動手段によって前記収容室から採取されて前記毛細管キャビティ内に保持されている試料液を前記保持チャンバーに移送させた後に前記保持チャンバー内の試料液を分析する分析手段とを備え、前記収容室より前記毛細管キャビティ内が満たされるまで試料液を採取した後、前記回転駆動手段による前記マイクロチップの回転によって発生する遠心力によって、前記毛細管キャビティ内の試料液を、前記毛細管キャビティおよび試料液が入っていない前記キャビティを経由して前記保持チャンバーへ移送させるよう構成したことを特徴とする。
本発明のマイクロチップによれば、試料液を採取する毛細管キャビティに気泡が混入するのを防ぐことができるため、毛細管キャビティを満たすまで何度でも試料液を採取することができる。よって、試料液の採取不足による測定エラーをなくすことができるため、マイクロチップの測定精度を向上させることができる。
本発明の実施の形態1におけるマイクロチップの外観図 同実施の形態におけるマイクロチップの分解斜視図 同実施の形態におけるマイクロチップ保持部材への装着時の外観斜視図 同実施の形態における注入口の周辺部を拡大して示す斜視図 同実施の形態における分析装置の構成図 同実施の形態のマイクロチャネル構成を示す平面図 同実施の形態の“試料液注入過程”〜“測定チャンバー充填過程”の説明図 本発明の実施の形態1のマイクロチップにおける毛細管キャビティおよびキャビティの断面形状を示す図 本発明の実施の形態2のマイクロチップの平面図 同実施の形態の“試料液注入過程”〜“測定チャンバー充填過程”の説明図 同実施の形態の“試料液分配過程”を説明する拡大図 従来の遠心移送式バイオセンサーの構成図 従来の遠心移送式バイオセンサーの試料液分配の説明図 図9のA−A′線,C−C′線,D−D′線に沿う断面図
以下、本発明の各実施の形態を図1〜図11と図14に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1〜図8は本発明の実施の形態1を示す。
図1はマイクロチップ3を外観図で示したものである。図2はそのマイクロチップ3の構成を分解斜視図で示したものである。マイクロチップ3は、上部基板1と下部基板2との貼り合わせで構成されており、下部基板2の1つの面には、微細な凹凸形状をもつマイクロチャネル構造が形成されており、試料液の移送や、所定量の液量を保持するなど、それぞれの機能が働くようになっている。
図3はマイクロチップ3がマイクロチップ保持部材101に装着される様子を示した外観斜視図であり、1つのマイクロチップ3がマイクロチップ保持部材101に装着されており、分析装置(図示せず)側の回転駆動手段により、マイクロチップ保持部材101及びマイクロチップ3が軸心11の所定の方向に回転される。
また図4は、マイクロチップ3の注入口14の周辺部を示した拡大図であるが、図4に示すように注入口14は、マイクロチップ本体の一側面より軸心11方向に突出した形状にすることにより、指先などによる点着がしやすくなり、点着時に注入口14以外の位置に指などが接触して血液が付着するのを防ぐという効果がある。
注入口14の周囲におけるマイクロチップ3の一側面には、軸心11側のみが開口し、さらに軸心11より外周方向に向けて窪む凹部12が形成されている。なお、本実施例では、凹部12は、凹部の軸心側における開口部の断面積が、凹部の外周側の開口部における断面積よりも同等以上の大きさになるように、ゆるやかに湾曲した構造になるように形成させることによって、遠心力が発生すると、注入口14の周囲に試料液が付着した試料液は、確実に凹部へ移送され、さらに凹部の一番低い位置へ移送されやすくなり、凹部外へ飛散することなく、収集できるようになっている。
また、この開口されている凹部12の底面から軸心11方向に突出するように、注入口14を有する突起部を形成させることによって、注入口14の周囲に付着した試料液は、凹部内へ移送されるのであるが、移送されたその位置は、凹部内のほぼ底面なので、試料液は凹部内から溢れ出すことはなく安定して収集でき、また、1つの凹部で収集できるという効果も得られる。
図5は、本実施の形態1のマイクロチップ3が装着される分析装置1000の構成を示す模式図である。図5において、本マイクロチップ3は、分析装置1000の回転駆動手段であるモータ102の回転軸上に装着されているマイクロチップ保持部材101の上部へ装着され、モータ102を回転駆動させて、マイクロチップ3が装着されているマイクロチップ保持部材101を軸心周りに回転駆動させることができる。
本分析装置は、その用途に応じて、マイクロチップ3内のチャンバー及び流路の構成により、軸心周りの回転によって発生する遠心力を用いて、マイクロチップ内の液を移送したり、遠心分離したりする遠心分離機にもなりえる。なお、本発明ではマイクロチップ3を分析装置1000に装着しているが、そのマイクロチップの形状は、扇形状や、立方体形状やその他の形状のものでもよい。また、複数個のマイクロチップ3を分析装置1000に同時に装着してもかまわない。
また、本分析装置は、マイクロチップ保持部材101をモータ102によりC方向に回転駆動させながら、レーザー光源103よりレーザー光を、分析装置1000のマイクロチップ保持部材101に装着されているマイクロチップに向けて照射する。レーザー光源103は、トラバースモータ104で駆動される送りねじ105に螺合しており、サーボコントロール回路106が、レーザー光源103を任意の測定箇所に配置できるように、トラバースモータ104を駆動してレーザー光源103を、マイクロチップ保持部材101の径方向に移動できる。
マイクロチップ保持部材101の上部には、レーザー光源103から照射したレーザー光のうち、マイクロチップ保持部材101を透過した透過光の光量を検出するフォトディテクタ(PD)107、フォトディテクタ(PD)107の出力のゲインを調整する調整回路108、調整回路108の出力をデジタル変換するA/D変換器109、A/D変換器109でデジタル変換されたデータを処理する透過光量信号処理回路110、透過光量信号処理回路110で得られたデータを保存するメモリ113、これらを制御するマイクロコンピュータ(CPU)111、そして分析された結果を表示する表示部112を有している。
なお、本実施の形態では、光ディスクの光学スキャン技術は、特に用いていないが、別段、レーザー光源103のマイクロチップ3への照射に関しては、マイクロチップ3に位置情報を記録された領域を設けることによって、トラバースモータ104の駆動だけでなく、レーザー光源103の内部に設けられたトラッキングアクチェータ(図示せず)によって、レーザー光の光路をマイクロチップの面方向に必要応じて併せて駆動して位置制御しながら正確にマイクロチップのトラックをトレースできるような構成してもよい。
次に、本実施の形態1のマイクロチップ3のマイクロチャネル構成、および試料液の移送プロセスについて詳細に説明する。
図6は本実施の形態1のマイクロチップのマイクロチャネル構成を示す平面図である。図7は本実施の形態1の“マイクロチップの試料液注入過程”から“測定チャンバーの充填過程”を説明する図である。また、図8(a)〜図8(d)はそれぞれマイクロチップにおける毛細管キャビティおよびキャビティの断面形状例を示し、図8(a)は同実施の形態の毛細管キャビティ4およびキャビティ15,16の断面形状が矩形形状の場合の断面図、図8(b)は同実施の形態の毛細管キャビティ4およびキャビティ15の断面形状が円弧形状の場合の断面図、図8(c)は同実施の形態の毛細管キャビティ4の断面形状が円弧形状で、キャビティ15の断面形状が矩形形状の場合の断面図、図8(d)は同実施の形態の毛細管キャビティ4およびキャビティ15,16の断面形状が矩形形状で両者の厚みが同じ場合の断面図、図8(e)は同実施の形態の毛細管キャビティ4およびキャビティ15,16の断面形状が矩形形状で、キャビティ15,16の厚みが毛細管キャビティ4より大きい場合の断面図、図8(f)は同実施の形態の毛細管キャビティ4およびキャビティ15の断面形状が円弧形状で、キャビティ15の厚みが毛細管キャビティ4より大きい場合の断面図である。
図6に示すように本実施の形態1のマイクロチップ3のマイクロチャネル構成は、試料液を採取する注入口14と、注入口14に注入された試料液を所定量だけ保持する毛細管キャビティ4と、毛細管キャビティ4内の空気を排出するキャビティ15,16と、分析試薬(図示せず)が保持されている保持チャンバー5と、試料液と分析試薬との混合物を測定する測定チャンバー7と、保持チャンバー5と測定チャンバー7に連通する流路6と、さらに測定チャンバー7と、大気開放孔9を連通させる流路8とで構成されている。ここで本発明では、毛細管キャビティ4、流路6、流路8の深さは50μm〜300μmで形成されているが、毛細管力で試料液が流れるのであれば、この寸法に限定されるものではない。また、保持チャンバー5、測定セル7、キャビティ15,16の深さは、0.3mm〜5mmで形成しているが、これは、サンプル溶液の量や、吸光度を測定する条件(光路長、測定波長、サンプル溶液の反応濃度、試薬の種類等)によって調整可能である。
本実施の形態1では、毛細管力で試料液を流すために、毛細管キャビティ4、流路6、流路8の壁面に親水処理を行っており、親水処理方法としては、プラズマ、コロナ、オゾン、フッ素等の活性ガスを用いた表面処理方法や、界面活性剤や親水性ポリマーによる表面処理が挙げられる。ここで親水性とは、水との接触角が90°未満のことをいい、より好ましくは接触角40°未満である。
次に、図7を用いて試料液の移送プロセスの詳細を説明する。まず、この形態を持つマイクロチップ3に試料液を供給するためには、このマイクロチップ3をマイクロチップ保持部材101から取り外した状態で、マイクロチップ3の一側面より軸心11方向に突出した注入口14に試料液を点着させると、点着直後に、試料液は図7(a)に示すように毛細管現象により毛細管キャビティ4に所定量だけ注入される。
このとき、本発明では、毛細管キャビティ4の側面に毛細管キャビティ4内の空気を排出するキャビティ15,16を設けているため、試料液は毛細管キャビティ4の側面部が先行して流れる毛細流ではなく、毛細管キャビティ4の中央部が先行して流れる毛管流となって毛細管キャビティ4内を充填していく。そのため、注入口14に点着させる試料液が毛細管キャビティ4の充填途中で不足したり、試料液を充填途中で注入口14から離してしまったりした場合でも、再度、注入口から点着することで、試料液は毛細管キャビティ4の中央部が先行して流れるため、毛細管キャビティ内に保持されていた試料液の中央部と接触し、空気をキャビティ15,16のある側面方向に排出しながら充填されるため、気泡が発生せず、毛細管キャビティ4が所定量の試料液を保持できるまで、何度でも点着することが可能となる。
毛細管キャビティ4とキャビティ15,16の構成としては、図8(a)に示すように下部基板に形成された矩形状の毛細管キャビティ4の片側もしくは両側の側面に、厚み方向の断面寸法が毛細管キャビティ4の断面寸法より大きくなるようなキャビティ15,16を設ける構成、図8(b)に示すように下部基板に形成された円弧形状の毛細管キャビティ4の片側もしくは両側の側面に、円弧形状のキャビティ15,16を設ける構成、図8(c)に示すように下部基板に形成された円弧形状の毛細管キャビティ4の片側もしくは両側の側面に、厚み方向の断面寸法が毛細管キャビティ4の断面寸法より大きくなるような矩形状のキャビティ15,16を設ける構成、図8(d)に示すように下部基板に形成された円弧形状の毛細管キャビティ4の片側もしくは両側の側面に、毛細管キャビティ4と厚み方向の断面寸法が同じ矩形状のキャビティ15,16を設け、キャビティ15,16の壁面が疎水表面もしくは疎水処理(疎水性の基準としては、水との接触角が90°以上が望ましいが、70°以上でもよい。)が施されている構成、図8(e)に示すように下部基板に形成された矩形状の毛細管キャビティ4の片側もしくは両側の側面に、厚み方向の断面寸法が毛細管キャビティ4の断面寸法より大きくなるように下部基板および上部基板の両方の基板にキャビティ15,16を設ける構成、図8(f)に示すように下部基板と上部基板の両方の基板に形成された円弧形状の毛細管キャビティ4の片側もしくは両側の側面に、下部基板および上部基板の両方の基板に円弧形状のキャビティ15,16を設ける構成、などが挙げられるが、本発明の毛細管キャビティとキャビティの構成はこれに限定されるものではない。
図8(a),図8(c),図8(e)に示す構成では、キャビティ15,16の厚み方向の断面寸法を毛細管キャビティ4の断面寸法よりも50μm以上大きくすることで、試料液のキャビティ15,16への流入を抑制することができる。キャビティ15,16の厚み方向の断面寸法の上限値としては特に規定はないが、毛細管キャビティの厚み方向の断面寸法を保つために上部基板1に剛性をもたす必要があるため、上部基板1の表面からキャビティ15,16までの距離を0.5〜1mm程度とることが望ましい。また、毛細管キャビティ4に毛細管現象を働かすために親水処理を行う必要があるが、親水処理は毛細管キャビティ4の壁面のみにすることが望ましく、他のキャビティ15,16などの壁面に親水処理をしておくと、キャビティ内への試料液の流入が起こってしまう。
毛細管キャビティ4に試料液が充填された後、マイクロチップ3を分析装置1000に取り付け、分析装置1000の回転駆動手段によってマイクロチップ3を回転させることで、図7(b)に示すように毛細管キャビティ4内の試料液は遠心力によって分析試薬があらかじめ担持されている保持チャンバー5内に移送される。
保持チャンバー5内に流入した試料液は、分析装置1000の回転の加速度による揺動や回転停止中の液の拡散によって、保持チャンバー5内に担持されている分析試薬と混合されるが、保持チャンバー5自体を直接振動させるような外的な力を作用させて混合することも可能である。
次に試薬と試料液との混合が所定のレベルに到達すると、保持チャンバー5内の試料液は、図7(c)に示すように毛細管力で流路6内を通じて測定チャンバー7の入口まで移送される。
次に分析装置の回転で、図7(d)に示すように流路6内の試料液は測定チャンバー7内に移送され、分析装置1000により、試料液と分析試薬との反応状態を吸光度測定などによって測定することにより、その成分の濃度を測定することができる。
(実施の形態2)
図9〜図11は本発明の実施の形態2を示す。
図9は本実施の形態2のマイクロチップのマイクロチャネル構成を示す平面図である。図10は本実施の形態2の“マイクロチップの試料液注入過程”から“測定チャンバーの充填過程”を説明する図である。また、図11は本発明の実施の形態2の“マイクロチップの試料液分配過程”を説明する拡大図である。
なお、本実施の形態2によるマイクロチップの主な構成、および該マイクロチップが装着される分析装置1000の構成については、実施の形態1で説明した内容と同じであるため、ここでは説明を省略する。
図9に示すように本実施の形態2のマイクロチップ3のマイクロチャネル構成は、試料液を採取する注入口14と、注入口14に注入された試料液を所定量だけ保持する第1の毛細管キャビティ17と、第1の毛細管キャビティ17を経由して試料液を所定量だけ保持する第2の毛細管キャビティ19と、第2の毛細管キャビティ19を経由して試料液を所定量だけ保持する第3の毛細管キャビティ21と、毛細管キャビティ17,19内の空気を排出するキャビティ15,16と、第1の毛細管キャビティ17内の試料液を受け取り、固体成分の入った試料液を溶液成分と固体成分とに分離する収容室また第1の保持チャンバーとしての保持チャンバー5と、第2の毛細管キャビティ19内の試料液を受け取り試料液の溶液成分と固体成分の比率を測定する第2の保持チャンバーとしての測定チャンバー7と、第3の毛細管キャビティ21内の試料液と希釈液収容チャンバー23内に注入された希釈液とを受け取り、内部で混合して試料液内の成分測定を行う第3の保持チャンバーとしての測定チャンバー25と、保持チャンバー5内で分離された試料液の溶液成分を流路26を経由して所定量だけ保持する第4の毛細管キャビティ28と、第4の毛細管キャビティ28を経由して、溶液成分を所定量だけ保持する第5の毛細管キャビティ30と、第4の毛細管キャビティ28内の試料液を受け取り、試料液と分析試薬との混合物を測定する第4の保持チャンバーとしての測定チャンバー34と、第5の毛細管キャビティ30内の試料液を受け取り、試料液と分析試薬との混合物を測定する第5の保持チャンバーとしての測定チャンバー38と、第4の毛細管キャビティ28の終端に連通したバルブ31と測定チャンバー34に連通する流路33と、さらに測定チャンバー34と、大気開放孔36を連通させる流路35と、第5の毛細管キャビティ30の終端に連通したバルブ32と測定チャンバー38に連通する流路37と、さらに測定チャンバー38と、大気開放孔40を連通させる流路39とで構成されている。
ここで本発明では、第1の毛細管キャビティ14、第2の毛細管キャビティ19、第3の毛細管キャビティ21、流路24、流路26、第4の毛細管キャビティ28、第5の毛細管キャビティ30、流路33、流路35、流路37、流路39の深さは50μm〜300μmで形成されているが、毛細管力で試料液が流れるのであれば、この寸法に限定されるものではない。また、保持チャンバー5、測定セル7、希釈液収容チャンバー23、キャビティ15,16、測定チャンバー25、バルブ31,32、測定チャンバー36、測定チャンバー38の深さは、0.3mm〜5mmで形成しているが、これは、サンプル溶液の量や、吸光度を測定する条件(光路長、測定波長、サンプル溶液の反応濃度、試薬の種類等)によって調整可能である。
本実施の形態2では、毛細管力で試料液を流すために、第1の毛細管キャビティ14、第2の毛細管キャビティ19、第3の毛細管キャビティ21、流路24、流路26、第4の毛細管キャビティ28、第5の毛細管キャビティ30、流路33、流路35、流路37、流路39の壁面に親水処理を行っており、親水処理方法としては、プラズマ、コロナ、オゾン、フッ素等の活性ガスを用いた表面処理方法や、界面活性剤や親水性ポリマーによる表面処理が挙げられる。ここで親水性とは、水との接触角が90°未満のことをいい、より好ましくは接触角40°未満である。
次に図10を用いて試料液の移送プロセスの詳細を説明する。
まず、この形態を持つマイクロチップ3に試料液を供給するためには、このマイクロチップ3をマイクロチップ保持部材101から取り外した状態で、マイクロチップ3の一側面より軸心11の方向に突出した注入口14に試料液を点着させると、点着直後に、試料液は図10(a)に示すように毛細管現象により第1の毛細管キャビティ17に所定量だけ注入され、次に第1の毛細管キャビティ17を経由して、第2の毛細管キャビティ19に所定量だけ注入され、さらに、第2の毛細管キャビティ19を経由して、第3の毛細管キャビティ21に所定量だけ注入される。
このとき、本発明では、第1の毛細管キャビティ17の両側面、第2の毛細管キャビティ19、および第3の毛細管キャビティ21の内周方向の側面に、それぞれの毛細管キャビティ内の空気を排出するキャビティ15,16を設けているため、試料液は毛細管キャビティの側面部が先行して流れる毛細流ではなく、毛細管キャビティの中央部が先行して流れる毛管流となってそれぞれの毛細管キャビティ内を充填していく。
そのため、注入口14に点着させる試料液がそれぞれの毛細管キャビティの充填途中で不足したり、試料液を充填途中で注入口14から離してしまったりした場合でも、再度、注入口から点着することで、試料液は毛細管キャビティの中央部が先行して流れるため、毛細管キャビティ内に保持されていた試料液の中央部と接触し、空気をキャビティ15,16のある側面方向に排出しながら充填されるため、気泡が発生せず、それぞれの毛細管キャビティが所定量の試料液を保持できるまで、何度でも点着することが可能となる。
第1の毛細管キャビティ17、第2の毛細管キャビティ19、第3の毛細管キャビティ21とキャビティ15,16の構成としては、実施の形態1と同様の構成であるため、説明を省略する。
第1の毛細管キャビティ17、第2の毛細管キャビティ19、および第3の毛細管キャビティ21に試料液が充填された後、注入口22より所定量の希釈液を希釈液収容チャンバー23へ注入し、その後にこのマイクロチップ3を分析装置1000に取り付け、分析装置1000の回転駆動手段によってマイクロチップ3を回転させることで、図10(b)に示すように遠心力によって、注入口14から境界部としての第1の分配位置18の間に保持されていた第1の毛細管キャビティ17内の試料液は、第1の分配位置18で破断し、保持チャンバー5へ移送され、第1の分配位置18から境界部としての第2の分配位置20の間に保持されていた第2の毛細管キャビティ19内の試料液は、第1の分配位置18、および第2の分配位置20で破断し、測定チャンバー7へ移送され、さらに、第2の分配位置20から測定チャンバー25の間に保持されていた第3の毛細管キャビティ21内の試料液は、第2の分配位置20で破断し、測定チャンバー25へ移送される。また、希釈液収容チャンバー23内の希釈液は、遠心力によって流路24を経由して測定チャンバー25に移送される。
ここで本発明では、第1の毛細管キャビティ17と、第2の毛細管キャビティ19との境界部である第1の分配位置18と、第2の毛細管キャビティ19と、第3の毛細管キャビティ21との境界部である第2の分配位置20が、保持チャンバー5、測定チャンバー7、および測定チャンバー25よりも内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有しており、さらに、第1の毛細管キャビティ17、第2の毛細管キャビティ19、および第3の毛細管キャビティ21の側面にキャビティ15,16を設けているため、遠心力によってそれぞれの毛細管キャビティ内の試料液を外周方向へ移送する際に、図11に示すように第1の分配位置18、および第2の分配位置20の最内周位置より試料液に遠心力が働いて、試料液を破断させても毛細管キャビティ間の圧力差やサイフォン効果が発生しにくくなっているため、それぞれの試料液を精度よく分配させることができる。図14(a),図14(b),図14(c)はそれぞれ図9に示したA−A′線,C−C′線,D−D′線に沿った断面図を示す。第1の毛細管キャビティ17と第2の毛細管キャビティ19との境界部としての第1の分配位置18は、保持チャンバー5および第2の保持チャンバーとしての測定チャンバー7よりも内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、外周側に壁面B1を有している。
また、保持チャンバーとしての測定チャンバー7から順次連続して形成された第3の毛細管キャビティ21の境界部としての第2の分配位置20は、保持チャンバー5および第2の保持チャンバーとしての測定チャンバー7よりも内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、外周側に壁面B2を有している。
また、第4の毛細管キャビティ28と第5の毛細管キャビティ30との境界部である第3の分配位置27は、保持チャンバー5および前記第2の保持チャンバーよりも内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有し、第3の分配位置27の外周側に壁面B3を有している。
従来、毛細管キャビティ内に充填された試料液を遠心力によって分配移送する場合には、図13に示すような毛細管キャビティの分配位置のみに通気孔を設けた構成では、遠心力をかけた際に、毛細管キャビティ内に液量や毛細管キャビティの断面寸法の違いによって圧力差が生じたり、サイフォン効果が生じたりする。そのため、分配位置で試料液が破断されるまでの間、どちらかの毛細管キャビティに試料液が引き込まれて所定量より多く流入するため、精度のよい分配移送ができないという課題を有していた。
しかしながら本実施の形態の構成によれば、毛細管キャビティ内の試料液を分配する際に、毛細管キャビティ間の圧力差やサイフォン効果を発生させずに分配できるので、試料液の分配精度を向上させることができる。
また、試料液の分配数は、測定項目の数によって調整することが可能であり、N個の分配が必要な場合は、毛細管キャビティをN個設けて、それぞれの毛細管キャビティに混合
チャンバーや、測定チャンバーなどの保持チャンバーを連通させることができるため、本実施の形態2に記載の内容に限定されるものではない。
さらに本発明では、注入口14に連通する第1の毛細管キャビティ17の1箇所から一方向に向かって連続する毛細管キャビティに試料液を充填させているが、第1の毛細管キャビティ17の2箇所以上から左右の両方向に向かって毛細管キャビティを連続させて試料液を充填させてもよい。
保持チャンバー5、および測定チャンバー7内に流入した試料液は、遠心力によって溶液成分と固体成分に分離される。また、測定チャンバー25内に流入した試料液と希釈液は、分析装置1000の回転の加速度による揺動や回転停止中の液の拡散によって混合されるが、測定チャンバー25自体を直接に振動させるような外的な力を作用させて混合することも可能である。
次に保持チャンバー5内の試料液の分離が所定のレベルに達成すると、マイクロチップ3の回転を停止させ、図10(c)に示すように保持チャンバー5内の溶液成分のみを毛細管力で流路26を経由して、第4の毛細管キャビティ28に所定量だけ充填され、さらに第4の毛細管キャビティ28を経由して、第5の毛細管キャビティ30に所定の量だけ充填される。
第4の毛細管キャビティ28の終端には、厚み方向の断面寸法が第4の毛細管キャビティ28よりも大きなバルブ32が設けられており、第4の毛細管キャビティ28内に流入された試料液の毛細管流はバルブ32で停止する。同様に、第5の毛細管キャビティ30の終端には、厚み方向の断面寸法が第5の毛細管キャビティ30よりも大きなバルブ33が設けられており、第5の毛細管キャビティ30内に流入された試料液の毛細管流はバルブ33で停止する。
このとき、本発明では、第4の毛細管キャビティ28、および第5の毛細管キャビティ30の内周方向の側面に、それぞれの毛細管キャビティ内の空気を排出するキャビティ16を設けているため、試料液は毛細管キャビティの外周側の側面部が先行して流れる毛細流となってそれぞれの毛細管キャビティ内を充填していく。そのため、保持チャンバー5から試料液がそれぞれの毛細管キャビティに充填されていく途中で、空気をキャビティ16のある内周側の側面方向に排出しながら充填されるため、毛細管キャビティ内に気泡が発生せず、それぞれの毛細管キャビティ内を試料液で満たすことが可能となる。
第4の毛細管キャビティ28、第5の毛細管キャビティ30、流路26とキャビティ16の構成としては、実施の形態1と同様の構成であるため、説明を省略する。
第4の毛細管キャビティ28、および第5の毛細管キャビティ30が充填された後、分析装置1000の回転駆動手段によって、マイクロチップ3を回転させることで、図10(d)に示すように遠心力によって、第3の分配位置27から境界部としての第4の分配位置29の間に保持されていた第4の毛細管キャビティ28内の試料液は、第3の分配位置27、および第4の分配位置29で破断し、バルブ32と流路33を経由して測定チャンバー34へ移送され、さらに、第4の分配位置29からバルブ32の間に保持されていた第5の毛細管キャビティ30内の試料液は、第4の分配位置29で破断し、バルブ33と流路37を経由して、測定チャンバー38へ移送される。
ここで本発明では、流路26と、第4の毛細管キャビティ28との境界部である第3の分配位置27と、第4の毛細管キャビティ28と、第5の毛細管キャビティ30との境界部である第4の分配位置29が、測定チャンバー34、および測定チャンバー38よりも内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有しており、さらに、第4の毛細管キャビティ28、および第5の毛細管キャビティ30の側面にキャビティ16を設けているため、遠心力によってそれぞれの毛細管キャビティ内の試料液を外周方向へ移送する際に、第3の分配位置27、および第4の分配位置29の最内周位置より試料液に遠心力が働いて、試料液を破断させても、毛細管キャビティ間の圧力差やサイフォン効果が発生しにくくなっているため、それぞれの試料液を精度よく分配できる。
また、試料液の分配数は、測定項目の数によって調整することが可能であり、N個の分配が必要な場合は、毛細管キャビティをN個設けて、それぞれの毛細管キャビティに混合チャンバーや、測定チャンバーなどの保持チャンバーを連通させることができるため、本実施の形態2に記載の内容に限定されない。
さらに、本発明では、保持チャンバー5の1箇所から一方向に向かって連続する毛細管キャビティに試料液を充填させているが、保持チャンバー5の2箇所以上から左右の両方向に向かって毛細管キャビティを連続させ、試料液を充填させてもよい。
測定チャンバー34、および測定チャンバー38に移送された試料液は、分析装置に取り付けられている測定器(図示せず)により、試料液と分析試薬との反応状態を吸光度測定などによって測定することにより、その成分の濃度を測定できる。
試料液が血液の場合であれば、ヘマトクリット値(血漿と血球の比率)を測定チャンバー7で測定したり、赤血球中に含まれるヘモグロビンの濃度を測定チャンバー25で測定したり、血漿中に含まれるグルコースや、コレステロールなどの脂質成分を保持チャンバー5で分離された血漿を用いて測定できる。
本発明にかかるマイクロチップは、試料液を採取する毛細管キャビティに気泡が混入するのを防ぎ、毛細管キャビティを満たすまで何度でも試料液を採取することができるという効果や、試料液の分配精度を向上させることができるという効果を有し、電気化学式センサーや光学式センサーで生物学的流体の成分測定に使用するマイクロチップにおける試料液の採取方法、分配移送方法等として有用である。
本発明は、生物学的流体を電気化学的、もしくは光学的に分析するマイクロチップに関するものである。
従来、マイクロチップを用いて生物学的流体を電気化学的に分析する方法としては、試料液中の特定の成分を分析するバイオセンサーとして、例えば、血液中のグルコースとセンサー中に担持したグルコースオキシダーゼ等の試薬との反応により得られる電流値を測定することにより、血糖値などを求めるものがある。
また、光学的に分析する方法として液体流路を形成したマイクロチップを用いて分析する方法が知られている。マイクロチップは水平軸を有する回転装置を使って流体の制御をすることが可能であり、遠心力を利用して試料液の計量、細胞質材料の分離、分離された流体の移送分配、液体の混合/攪拌等を行うことができるため、種々の生物化学的な分析を行うことが可能である。
従来の試料液採取方法としては、図12に示す特許文献1の遠心移送式バイオセンサーがある。これは容器310の中に深さの異なる複数のキャビティが形成されている。試料液は入口313から毛細管現象により第1の毛細管キャビティ312内に採取され、次に遠心力を作用させることで、第1の毛細管キャビティ312内の試料液は、濾過材料315と第1の流路314を介して受入キャビティ317に移送され、受入キャビティ317で試薬と反応、および遠心分離させたのちに、芯318の毛細管力によって溶液成分のみを第2の毛細管キャビティ316に採取し、光学的に反応状態を読み取られる。
また、図13に示す特許文献2の遠心移送式バイオセンサーがある。この図13では分配ユニット400の部分を示している。入口ポート409は、上部部分402を経て毛細管キャビティ404aにつながっている。毛細管キャビティ404aは導管部分405aを介して毛細管キャビティ404bにつながっている。以下同様に、導管部分405b,405c,405d,405eを介して毛細管キャビティ404b,404c,404d,404e,404fにつながっている。毛細管キャビティ404fは上部部分403を経て出口ポート410につながっている。上部部分402と導管部分405a〜405eおよび上部部分403には、通気孔406a〜406gが設けられている。入口ポート409から入った試料は、出口ポート410まで毛細管力で移送し、各毛細管キャビティ404a〜404fを試料液で満たした後、このバイオセンサーの回転によって発生する遠心力によって、それぞれの毛細管キャビティ404a〜404f内の試料液を各通気孔406a〜406gの位置で分配し、各バルブ408a〜408fと各連結微小導管407a〜407fを通って、次の処理室(図示省略)へ移送される。
特表平4−504758号公報 特表2004−529333号公報
しかしながら、このような従来の構成では、毛細管キャビティを充填するほどの試料液が与えられなかったり、点着の途中で試料液を注入口から離してしまったりした場合に、注入口付近の表面張力の影響による気泡の混入の問題がある。また、試料液の注入後における取り扱い時にデバイスの向きを変えてしまうことで、毛細管キャビティ内の試料液が動いてしまって気泡が混入したりする可能性がある。
このような気泡の混入が発生すると、不足している試料液を後から追加して吸引させようとしても毛細管キャビティ内の気泡を外部に逃がすことができないため、気泡の部分に試料液を充填することができず、一定量の試料液を採取できないという課題を有している。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、毛細管キャビティ内への気泡の混入を防ぐことができ、試料液の採取が毛細管キャビティを満たすまで何度でもできるマイクロチップを提供することを目的とする。
本発明の請求項1記載のマイクロチップは、試料液を採取する注入口と、前記注入口を介して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる少なくとも1つの毛細管キャビティと、前記毛細管キャビティと連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記毛細管キャビティ内の試料液を受け取る保持チャンバーとを備えるマイクロチップであって、前記注入口と保持チャンバーとを連結する前記毛細管キャビティの一側面に毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティを設けたことを特徴とする。
本発明の請求項2記載のマイクロチップは、試料液を収容する収容室と、前記収容室から毛細管力により一定量の試料液を採取することができる少なくとも1つの毛細管キャビティと、前記毛細管キャビティと連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記毛細管キャビティ内の試料液を受け取る保持チャンバーとを備えるマイクロチップであって、前記収容室と保持チャンバーとを連結する前記毛細管キャビティの一側面に毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティを設けたことを特徴とする。
本発明の請求項3記載のマイクロチップは、請求項1または請求項2において、前記毛細管キャビティおよび前記キャビティの断面形状が矩形形状を有し、前記キャビティの厚み方向の断面寸法が前記毛細管キャビティの断面寸法よりも大きく、前記キャビティが前記毛細管キャビティの片側もしくは両側の側面に形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項4記載のマイクロチップは、請求項1または請求項2において、前記毛細管キャビティの断面形状の一部が円弧形状を有し、前記キャビティの断面形状が矩形形状を有し、前記キャビティの厚み方向の断面寸法が前記毛細管キャビティの断面寸法よりも大きく、前記キャビティが前記毛細管キャビティの片側もしくは両側の側面に形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項5記載のマイクロチップは、請求項3または請求項4において、前記キャビティの厚み方向の断面寸法が前記毛細管キャビティよりも50μm以上大きくなっていることを特徴とする。
本発明の請求項6記載のマイクロチップは、請求項1または請求項2において、前記毛細管キャビティおよび前記キャビティの断面形状の一部が円弧形状を有し、前記キャビティが前記毛細管キャビティの片側もしくは両側の側面に形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項7記載のマイクロチップは、請求項1または請求項2において、前記キャビティの壁面が疎水表面であることを特徴とする。
本発明の請求項8記載のマイクロチップは、試料液を採取する注入口と、前記注入口と連通し前記注入口を介して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第1の毛細管キャビティと、前記第1の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第1の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第1の保持チャンバーと、前記第1の毛細管キャビティと連通し、前記第1の毛細管キャビティを経由して、毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第2の毛細管キャビティと、前記第2の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第2の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第2の保持チャンバーとを備えるマイクロチップであって、前記第1の毛細管キャビティおよび前記第2の毛細管キャビティの一側面に毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティを設け、前記第1の毛細管キャビティと前記第2の毛細管キャビティとの境界部が、前記第1の保持チャンバーおよび前記第2の保持チャンバーよりも内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記境界部の外周側に壁面を有することを特徴とする。
本発明の請求項9記載のマイクロチップは、試料液を採取する注入口と、前記注入口と連通し前記注入口を介して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第1の毛細管キャビティと、前記第1の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第1の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第1の保持チャンバーと、前記第1の毛細管キャビティと連通し前記第1の毛細管キャビティを経由して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第2の毛細管キャビティと、前記第2の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第2の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第2の保持チャンバーと、前記第2の毛細管キャビティから第N(Nは3以上の正の整数)の毛細管キャビティまで順次連通して形成されるN−2個の毛細管キャビティと、前記N−2個の毛細管キャビティの外周端部に連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記N−2個の毛細管キャビティ内の試料液をそれぞれ受け取るN−2個の保持チャンバーとを設け、前記第1の毛細管キャビティ、前記第2の毛細管キャビティ、および前記第2の毛細管キャビティから連続して前記第Nの毛細管キャビティまで形成される前記N−2個の毛細管キャビティの一側面には、毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティをそれぞれ有し、前記第1の毛細管キャビティと前記第2の毛細管キャビティとの境界部が、前記第1の保持チャンバーおよび前記第2の保持チャンバーよりも内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記第2の毛細管キャビティから順次連続して前記第Nの毛細管キャビティまで形成される前記N−2個の毛細管キャビティのN−2個の境界部が、前記第2の保持チャンバーから前記第Nの保持チャンバーまでのN−2個の保持チャンバーよりもそれぞれ内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記第1の境界部から第N−1の境界部までのN−1個の境界部の外周側に壁面を有することを特徴とする。
本発明の請求項10記載のマイクロチップは、試料液を収容する収容室と、前記収容室と連通し前記収容室から毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第4の毛細管キャビティと、前記第4の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第4の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第4の保持チャンバーと、前記第4の毛細管キャビティと連通し前記第4の毛細管キャビティを経由して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第5の毛細管キャビティと、前記第5の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第2の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第5の保持チャンバーとを設け、前記第4の毛細管キャビティおよび前記第5の毛細管キャビティの一側面には、毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティを設け、前記第4の毛細管キャビティと前記第5の毛細管キャビティとの境界部が、前記収容室および前記第4の保持チャンバーよりも内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記境界部の外周側に壁面を有することを特徴とする。
本発明の請求項11記載のマイクロチップは、試料液を収容する収容室と、前記収容室と連通し前記収容室から毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第2の毛細管キャビティと、前記第2の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第2の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第2の保持チャンバーと、前記第2の毛細管キャビティと連通し前記第2の毛細管キャビティを経由して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第3の毛細管キャビティと、前記第3の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第3の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第3の保持チャンバーと、前記第3の毛細管キャビティから第N(Nは3以上の正の整数)の毛細管キャビティまで順次連通して形成されるN−2個の毛細管キャビティと、前記N−2個の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記N−2個の毛細管キャビティ内の試料液をそれぞれ受け取るN−2の保持チャンバーとを設け、前記第2の毛細管キャビティ、前記第3の毛細管キャビティ、および前記第3の毛細管キャビティから連続して前記第Nの毛細管キャビティまで形成される前記N−2個の毛細管キャビティの一側面には、毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティをそれぞれ有し、前記第2の毛細管キャビティと前記第3の毛細管キャビティとの第2の境界部が、前記第2の毛細管キャビティおよび前記第3の毛細管キャビティよりも内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記第3の毛細管キャビティから順次連続して前記第Nの毛細管キャビティまで形成される前記N−2個の毛細管キャビティのN−2の境界部が、前記第3の保持チャンバーから前記第Nの保持チャンバーまでのN−2個の保持チャンバーよりもそれぞれ内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記第2の境界部から第N−1の境界部までのN−1個の境界部の外周側に壁面を有することを特徴とする。
本発明の請求項12記載の分析装置は、請求項1に記載のマイクロチップが装着される分析装置であって、前記マイクロチップをその注入口を軸心側に向けた状態で保持し軸心回りに回転させる回転駆動手段と、前記回転駆動手段によって前記注入口から採取されて前記毛細管キャビティ内に保持されている試料液を前記保持チャンバーに移送させた後に、前記保持チャンバー内の試料液を分析する分析手段とを備え、前記マイクロチップの前記注入口より、前記毛細管キャビティ内が満たされるまで試料液を採取した後、前記回転駆動手段による前記マイクロチップの回転によって発生する遠心力によって前記毛細管キャビティ内の試料液を、前記毛細管キャビティおよび試料液が入っていない前記キャビティを経由して前記保持チャンバーへ移送させるよう構成したことを特徴とする。
本発明の請求項13記載の分析装置は、請求項2に記載のマイクロチップが装着される分析装置であって、前記マイクロチップを軸心回りに回転させる回転駆動手段と、前記回転駆動手段によって前記収容室から採取されて前記毛細管キャビティ内に保持されている試料液を前記保持チャンバーに移送させた後に前記保持チャンバー内の試料液を分析する分析手段とを備え、前記収容室より前記毛細管キャビティ内が満たされるまで試料液を採取した後、前記回転駆動手段による前記マイクロチップの回転によって発生する遠心力によって、前記毛細管キャビティ内の試料液を、前記毛細管キャビティおよび試料液が入っていない前記キャビティを経由して前記保持チャンバーへ移送させるよう構成したことを特徴とする。
本発明のマイクロチップによれば、試料液を採取する毛細管キャビティに気泡が混入するのを防ぐことができるため、毛細管キャビティを満たすまで何度でも試料液を採取することができる。よって、試料液の採取不足による測定エラーをなくすことができるため、マイクロチップの測定精度を向上させることができる。
以下、本発明の各実施の形態を図1〜図11と図14に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1〜図8は本発明の実施の形態1を示す。
図1はマイクロチップ3を外観図で示したものである。図2はそのマイクロチップ3の構成を分解斜視図で示したものである。マイクロチップ3は、上部基板1と下部基板2との貼り合わせで構成されており、下部基板2の1つの面には、微細な凹凸形状をもつマイクロチャネル構造が形成されており、試料液の移送や、所定量の液量を保持するなど、それぞれの機能が働くようになっている。
図3はマイクロチップ3がマイクロチップ保持部材101に装着される様子を示した外観斜視図であり、1つのマイクロチップ3がマイクロチップ保持部材101に装着されており、分析装置(図示せず)側の回転駆動手段により、マイクロチップ保持部材101及びマイクロチップ3が軸心11の所定の方向に回転される。
また図4は、マイクロチップ3の注入口14の周辺部を示した拡大図であるが、図4に示すように注入口14は、マイクロチップ本体の一側面より軸心11方向に突出した形状にすることにより、指先などによる点着がしやすくなり、点着時に注入口14以外の位置に指などが接触して血液が付着するのを防ぐという効果がある。
注入口14の周囲におけるマイクロチップ3の一側面には、軸心11側のみが開口し、さらに軸心11より外周方向に向けて窪む凹部12が形成されている。なお、本実施例では、凹部12は、凹部の軸心側における開口部の断面積が、凹部の外周側の開口部における断面積よりも同等以上の大きさになるように、ゆるやかに湾曲した構造になるように形成させることによって、遠心力が発生すると、注入口14の周囲に試料液が付着した試料液は、確実に凹部へ移送され、さらに凹部の一番低い位置へ移送されやすくなり、凹部外
へ飛散することなく、収集できるようになっている。
また、この開口されている凹部12の底面から軸心11方向に突出するように、注入口14を有する突起部を形成させることによって、注入口14の周囲に付着した試料液は、凹部内へ移送されるのであるが、移送されたその位置は、凹部内のほぼ底面なので、試料液は凹部内から溢れ出すことはなく安定して収集でき、また、1つの凹部で収集できるという効果も得られる。
図5は、本実施の形態1のマイクロチップ3が装着される分析装置1000の構成を示す模式図である。図5において、本マイクロチップ3は、分析装置1000の回転駆動手段であるモータ102の回転軸上に装着されているマイクロチップ保持部材101の上部へ装着され、モータ102を回転駆動させて、マイクロチップ3が装着されているマイクロチップ保持部材101を軸心周りに回転駆動させることができる。
本分析装置は、その用途に応じて、マイクロチップ3内のチャンバー及び流路の構成により、軸心周りの回転によって発生する遠心力を用いて、マイクロチップ内の液を移送したり、遠心分離したりする遠心分離機にもなりえる。なお、本発明ではマイクロチップ3を分析装置1000に装着しているが、そのマイクロチップの形状は、扇形状や、立方体形状やその他の形状のものでもよい。また、複数個のマイクロチップ3を分析装置1000に同時に装着してもかまわない。
また、本分析装置は、マイクロチップ保持部材101をモータ102によりC方向に回転駆動させながら、レーザー光源103よりレーザー光を、分析装置1000のマイクロチップ保持部材101に装着されているマイクロチップに向けて照射する。レーザー光源103は、トラバースモータ104で駆動される送りねじ105に螺合しており、サーボコントロール回路106が、レーザー光源103を任意の測定箇所に配置できるように、トラバースモータ104を駆動してレーザー光源103を、マイクロチップ保持部材101の径方向に移動できる。
マイクロチップ保持部材101の上部には、レーザー光源103から照射したレーザー光のうち、マイクロチップ保持部材101を透過した透過光の光量を検出するフォトディテクタ(PD)107、フォトディテクタ(PD)107の出力のゲインを調整する調整回路108、調整回路108の出力をデジタル変換するA/D変換器109、A/D変換器109でデジタル変換されたデータを処理する透過光量信号処理回路110、透過光量信号処理回路110で得られたデータを保存するメモリ113、これらを制御するマイクロコンピュータ(CPU)111、そして分析された結果を表示する表示部112を有している。
なお、本実施の形態では、光ディスクの光学スキャン技術は、特に用いていないが、別段、レーザー光源103のマイクロチップ3への照射に関しては、マイクロチップ3に位置情報を記録された領域を設けることによって、トラバースモータ104の駆動だけでなく、レーザー光源103の内部に設けられたトラッキングアクチェータ(図示せず)によって、レーザー光の光路をマイクロチップの面方向に必要に応じて併せて駆動して位置制御しながら正確にマイクロチップのトラックをトレースできるような構成にしてもよい。
次に、本実施の形態1のマイクロチップ3のマイクロチャネル構成、および試料液の移送プロセスについて詳細に説明する。
図6は本実施の形態1のマイクロチップのマイクロチャネル構成を示す平面図である。図7は本実施の形態1の“マイクロチップの試料液注入過程”から“測定チャンバーの充填過程”を説明する図である。また、図8(a)〜図8(d)はそれぞれマイクロチップにおける毛細管キャビティおよびキャビティの断面形状例を示し、図8(a)は同実施の形態の毛細管キャビティ4およびキャビティ15,16の断面形状が矩形形状の場合の断面図、図8(b)は同実施の形態の毛細管キャビティ4およびキャビティ15の断面形状が円弧形状の場合の断面図、図8(c)は同実施の形態の毛細管キャビティ4の断面形状が円弧形状で、キャビティ15の断面形状が矩形形状の場合の断面図、図8(d)は同実施の形態の毛細管キャビティ4およびキャビティ15,16の断面形状が矩形形状で両者の厚みが同じ場合の断面図、図8(e)は同実施の形態の毛細管キャビティ4およびキャビティ15,16の断面形状が矩形形状で、キャビティ15,16の厚みが毛細管キャビティ4より大きい場合の断面図、図8(f)は同実施の形態の毛細管キャビティ4およびキャビティ15の断面形状が円弧形状で、キャビティ15の厚みが毛細管キャビティ4より大きい場合の断面図である。
図6に示すように本実施の形態1のマイクロチップ3のマイクロチャネル構成は、試料液を採取する注入口14と、注入口14に注入された試料液を所定量だけ保持する毛細管キャビティ4と、毛細管キャビティ4内の空気を排出するキャビティ15,16と、分析試薬(図示せず)が保持されている保持チャンバー5と、試料液と分析試薬との混合物を測定する測定チャンバー7と、保持チャンバー5と測定チャンバー7に連通する流路6と、さらに測定チャンバー7と、大気開放孔9を連通させる流路8とで構成されている。ここで本発明では、毛細管キャビティ4、流路6、流路8の深さは50μm〜300μmで形成されているが、毛細管力で試料液が流れるのであれば、この寸法に限定されるものではない。また、保持チャンバー5、測定セル7、キャビティ15,16の深さは、0.3mm〜5mmで形成しているが、これは、サンプル溶液の量や、吸光度を測定する条件(光路長、測定波長、サンプル溶液の反応濃度、試薬の種類等)によって調整可能である。
本実施の形態1では、毛細管力で試料液を流すために、毛細管キャビティ4、流路6、流路8の壁面に親水処理を行っており、親水処理方法としては、プラズマ、コロナ、オゾン、フッ素等の活性ガスを用いた表面処理方法や、界面活性剤や親水性ポリマーによる表面処理が挙げられる。ここで親水性とは、水との接触角が90°未満のことをいい、より好ましくは接触角40°未満である。
次に、図7を用いて試料液の移送プロセスの詳細を説明する。まず、この形態を持つマイクロチップ3に試料液を供給するためには、このマイクロチップ3をマイクロチップ保持部材101から取り外した状態で、マイクロチップ3の一側面より軸心11方向に突出した注入口14に試料液を点着させると、点着直後に、試料液は図7(a)に示すように毛細管現象により毛細管キャビティ4に所定量だけ注入される。
このとき、本発明では、毛細管キャビティ4の側面に毛細管キャビティ4内の空気を排出するキャビティ15,16を設けているため、試料液は毛細管キャビティ4の側面部が先行して流れる毛細流ではなく、毛細管キャビティ4の中央部が先行して流れる毛管流となって毛細管キャビティ4内を充填していく。そのため、注入口14に点着させる試料液が毛細管キャビティ4の充填途中で不足したり、試料液を充填途中で注入口14から離してしまったりした場合でも、再度、注入口から点着することで、試料液は毛細管キャビティ4の中央部が先行して流れるため、毛細管キャビティ内に保持されていた試料液の中央部と接触し、空気をキャビティ15,16のある側面方向に排出しながら充填されるため、気泡が発生せず、毛細管キャビティ4が所定量の試料液を保持できるまで、何度でも点着することが可能となる。
毛細管キャビティ4とキャビティ15,16の構成としては、図8(a)に示すように下部基板に形成された矩形状の毛細管キャビティ4の片側もしくは両側の側面に、厚み方向の断面寸法が毛細管キャビティ4の断面寸法より大きくなるようなキャビティ15,16を設ける構成、図8(b)に示すように下部基板に形成された円弧形状の毛細管キャビティ4の片側もしくは両側の側面に、円弧形状のキャビティ15,16を設ける構成、図8(c)に示すように下部基板に形成された円弧形状の毛細管キャビティ4の片側もしくは両側の側面に、厚み方向の断面寸法が毛細管キャビティ4の断面寸法より大きくなるような矩形状のキャビティ15,16を設ける構成、図8(d)に示すように下部基板に形成された円弧形状の毛細管キャビティ4の片側もしくは両側の側面に、毛細管キャビティ4と厚み方向の断面寸法が同じ矩形状のキャビティ15,16を設け、キャビティ15,16の壁面が疎水表面もしくは疎水処理(疎水性の基準としては、水との接触角が90°以上が望ましいが、70°以上でもよい。)が施されている構成、図8(e)に示すように下部基板に形成された矩形状の毛細管キャビティ4の片側もしくは両側の側面に、厚み方向の断面寸法が毛細管キャビティ4の断面寸法より大きくなるように下部基板および上部基板の両方の基板にキャビティ15,16を設ける構成、図8(f)に示すように下部基板と上部基板の両方の基板に形成された円弧形状の毛細管キャビティ4の片側もしくは両側の側面に、下部基板および上部基板の両方の基板に円弧形状のキャビティ15,16を設ける構成、などが挙げられるが、本発明の毛細管キャビティとキャビティの構成はこれに限定されるものではない。
図8(a),図8(c),図8(e)に示す構成では、キャビティ15,16の厚み方向の断面寸法を毛細管キャビティ4の断面寸法よりも50μm以上大きくすることで、試料液のキャビティ15,16への流入を抑制することができる。キャビティ15,16の厚み方向の断面寸法の上限値としては特に規定はないが、毛細管キャビティの厚み方向の断面寸法を保つために上部基板1に剛性をもたす必要があるため、上部基板1の表面からキャビティ15,16までの距離を0.5〜1mm程度とることが望ましい。また、毛細管キャビティ4に毛細管現象を働かすために親水処理を行う必要があるが、親水処理は毛細管キャビティ4の壁面のみにすることが望ましく、他のキャビティ15,16などの壁面に親水処理をしておくと、キャビティ内への試料液の流入が起こってしまう。
毛細管キャビティ4に試料液が充填された後、マイクロチップ3を分析装置1000に取り付け、分析装置1000の回転駆動手段によってマイクロチップ3を回転させることで、図7(b)に示すように毛細管キャビティ4内の試料液は遠心力によって分析試薬があらかじめ担持されている保持チャンバー5内に移送される。
保持チャンバー5内に流入した試料液は、分析装置1000の回転の加速度による揺動や回転停止中の液の拡散によって、保持チャンバー5内に担持されている分析試薬と混合されるが、保持チャンバー5自体を直接振動させるような外的な力を作用させて混合することも可能である。
次に試薬と試料液との混合が所定のレベルに到達すると、保持チャンバー5内の試料液は、図7(c)に示すように毛細管力で流路6内を通じて測定チャンバー7の入口まで移送される。
次に分析装置の回転で、図7(d)に示すように流路6内の試料液は測定チャンバー7内に移送され、分析装置1000により、試料液と分析試薬との反応状態を吸光度測定などによって測定することにより、その成分の濃度を測定することができる。
(実施の形態2)
図9〜図11は本発明の実施の形態2を示す。
図9は本実施の形態2のマイクロチップのマイクロチャネル構成を示す平面図である。図10は本実施の形態2の“マイクロチップの試料液注入過程”から“測定チャンバーの充填過程”を説明する図である。また、図11は本発明の実施の形態2の“マイクロチップの試料液分配過程”を説明する拡大図である。
なお、本実施の形態2によるマイクロチップの主な構成、および該マイクロチップが装着される分析装置1000の構成については、実施の形態1で説明した内容と同じであるため、ここでは説明を省略する。
図9に示すように本実施の形態2のマイクロチップ3のマイクロチャネル構成は、試料液を採取する注入口14と、注入口14に注入された試料液を所定量だけ保持する第1の毛細管キャビティ17と、第1の毛細管キャビティ17を経由して試料液を所定量だけ保持する第2の毛細管キャビティ19と、第2の毛細管キャビティ19を経由して試料液を所定量だけ保持する第3の毛細管キャビティ21と、毛細管キャビティ17,19内の空気を排出するキャビティ15,16と、第1の毛細管キャビティ17内の試料液を受け取り、固体成分の入った試料液を溶液成分と固体成分とに分離する収容室また第1の保持チャンバーとしての保持チャンバー5と、第2の毛細管キャビティ19内の試料液を受け取り試料液の溶液成分と固体成分の比率を測定する第2の保持チャンバーとしての測定チャンバー7と、第3の毛細管キャビティ21内の試料液と希釈液収容チャンバー23内に注入された希釈液とを受け取り、内部で混合して試料液内の成分測定を行う第3の保持チャンバーとしての測定チャンバー25と、保持チャンバー5内で分離された試料液の溶液成分を流路26を経由して所定量だけ保持する第4の毛細管キャビティ28と、第4の毛細管キャビティ28を経由して、溶液成分を所定量だけ保持する第5の毛細管キャビティ30と、第4の毛細管キャビティ28内の試料液を受け取り、試料液と分析試薬との混合物を測定する第4の保持チャンバーとしての測定チャンバー34と、第5の毛細管キャビティ30内の試料液を受け取り、試料液と分析試薬との混合物を測定する第5の保持チャンバーとしての測定チャンバー38と、第4の毛細管キャビティ28の終端に連通したバルブ31と測定チャンバー34に連通する流路33と、さらに測定チャンバー34と、大気開放孔36を連通させる流路35と、第5の毛細管キャビティ30の終端に連通したバルブ32と測定チャンバー38に連通する流路37と、さらに測定チャンバー38と、大気開放孔40を連通させる流路39とで構成されている。
ここで本発明では、第1の毛細管キャビティ14、第2の毛細管キャビティ19、第3の毛細管キャビティ21、流路24、流路26、第4の毛細管キャビティ28、第5の毛細管キャビティ30、流路33、流路35、流路37、流路39の深さは50μm〜300μmで形成されているが、毛細管力で試料液が流れるのであれば、この寸法に限定されるものではない。また、保持チャンバー5、測定セル7、希釈液収容チャンバー23、キャビティ15,16、測定チャンバー25、バルブ31,32、測定チャンバー36、測定チャンバー38の深さは、0.3mm〜5mmで形成しているが、これは、サンプル溶液の量や、吸光度を測定する条件(光路長、測定波長、サンプル溶液の反応濃度、試薬の種類等)によって調整可能である。
本実施の形態2では、毛細管力で試料液を流すために、第1の毛細管キャビティ14、第2の毛細管キャビティ19、第3の毛細管キャビティ21、流路24、流路26、第4の毛細管キャビティ28、第5の毛細管キャビティ30、流路33、流路35、流路37、流路39の壁面に親水処理を行っており、親水処理方法としては、プラズマ、コロナ、オゾン、フッ素等の活性ガスを用いた表面処理方法や、界面活性剤や親水性ポリマーによる表面処理が挙げられる。ここで親水性とは、水との接触角が90°未満のことをいい、より好ましくは接触角40°未満である。
次に図10を用いて試料液の移送プロセスの詳細を説明する。
まず、この形態を持つマイクロチップ3に試料液を供給するためには、このマイクロチップ3をマイクロチップ保持部材101から取り外した状態で、マイクロチップ3の一側面より軸心11の方向に突出した注入口14に試料液を点着させると、点着直後に、試料液は図10(a)に示すように毛細管現象により第1の毛細管キャビティ17に所定量だけ注入され、次に第1の毛細管キャビティ17を経由して、第2の毛細管キャビティ19に所定量だけ注入され、さらに、第2の毛細管キャビティ19を経由して、第3の毛細管キャビティ21に所定量だけ注入される。
このとき、本発明では、第1の毛細管キャビティ17の両側面、第2の毛細管キャビティ19、および第3の毛細管キャビティ21の内周方向の側面に、それぞれの毛細管キャビティ内の空気を排出するキャビティ15,16を設けているため、試料液は毛細管キャビティの側面部が先行して流れる毛細流ではなく、毛細管キャビティの中央部が先行して流れる毛管流となってそれぞれの毛細管キャビティ内を充填していく。
そのため、注入口14に点着させる試料液がそれぞれの毛細管キャビティの充填途中で不足したり、試料液を充填途中で注入口14から離してしまったりした場合でも、再度、注入口から点着することで、試料液は毛細管キャビティの中央部が先行して流れるため、毛細管キャビティ内に保持されていた試料液の中央部と接触し、空気をキャビティ15,16のある側面方向に排出しながら充填されるため、気泡が発生せず、それぞれの毛細管キャビティが所定量の試料液を保持できるまで、何度でも点着することが可能となる。
第1の毛細管キャビティ17、第2の毛細管キャビティ19、第3の毛細管キャビティ21とキャビティ15,16の構成としては、実施の形態1と同様の構成であるため、説明を省略する。
第1の毛細管キャビティ17、第2の毛細管キャビティ19、および第3の毛細管キャビティ21に試料液が充填された後、注入口22より所定量の希釈液を希釈液収容チャンバー23へ注入し、その後にこのマイクロチップ3を分析装置1000に取り付け、分析装置1000の回転駆動手段によってマイクロチップ3を回転させることで、図10(b)に示すように遠心力によって、注入口14から境界部としての第1の分配位置18の間に保持されていた第1の毛細管キャビティ17内の試料液は、第1の分配位置18で破断し、保持チャンバー5へ移送され、第1の分配位置18から境界部としての第2の分配位置20の間に保持されていた第2の毛細管キャビティ19内の試料液は、第1の分配位置18、および第2の分配位置20で破断し、測定チャンバー7へ移送され、さらに、第2の分配位置20から測定チャンバー25の間に保持されていた第3の毛細管キャビティ21内の試料液は、第2の分配位置20で破断し、測定チャンバー25へ移送される。また、希釈液収容チャンバー23内の希釈液は、遠心力によって流路24を経由して測定チャンバー25に移送される。
ここで本発明では、第1の毛細管キャビティ17と、第2の毛細管キャビティ19との境界部である第1の分配位置18と、第2の毛細管キャビティ19と、第3の毛細管キャビティ21との境界部である第2の分配位置20が、保持チャンバー5、測定チャンバー7、および測定チャンバー25よりも内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有しており、さらに、第1の毛細管キャビティ17、第2の毛細管キャビティ19、および第3の毛細管キャビティ21の側面にキャビティ15,16を設けているため、遠心力によってそれぞれの毛細管キャビティ内の試料液を外周方向へ移送する際に、図11に示すように第1の分配位置18、および第2の分配位置20の最内周位置より試料液に遠心力が働いて、試料液を破断させても毛細管キャビティ間の圧力差やサイフォン効果が発生しにくくなっているため、それぞれの試料液を精度よく分配させることができる。図14(a),図14(b),図14(c)はそれぞれ図9に示したA−A′線,C−C′線,D−D′線に沿った断面図を示す。第1の毛細管キャビティ17と第2の毛細管キャビティ19との境界部としての第1の分配位置18は、保持チャンバー5および第2の保持チャンバーとしての測定チャンバー7よりも内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、外周側に壁面B1を有している。
また、保持チャンバーとしての測定チャンバー7から順次連続して形成された第3の毛細管キャビティ21の境界部としての第2の分配位置20は、保持チャンバー5および第2の保持チャンバーとしての測定チャンバー7よりも内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、外周側に壁面B2を有している。
また、第4の毛細管キャビティ28と第5の毛細管キャビティ30との境界部である第3の分配位置27は、保持チャンバー5および前記第2の保持チャンバーよりも内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有し、第3の分配位置27の外周側に壁面B3を有している。
従来、毛細管キャビティ内に充填された試料液を遠心力によって分配移送する場合には、図13に示すような毛細管キャビティの分配位置のみに通気孔を設けた構成では、遠心力をかけた際に、毛細管キャビティ内に液量や毛細管キャビティの断面寸法の違いによって圧力差が生じたり、サイフォン効果が生じたりする。そのため、分配位置で試料液が破断されるまでの間、どちらかの毛細管キャビティに試料液が引き込まれて所定量より多く流入するため、精度のよい分配移送ができないという課題を有していた。
しかしながら本実施の形態の構成によれば、毛細管キャビティ内の試料液を分配する際に、毛細管キャビティ間の圧力差やサイフォン効果を発生させずに分配できるので、試料液の分配精度を向上させることができる。
また、試料液の分配数は、測定項目の数によって調整することが可能であり、N個の分配が必要な場合は、毛細管キャビティをN個設けて、それぞれの毛細管キャビティに混合
チャンバーや、測定チャンバーなどの保持チャンバーを連通させることができるため、本実施の形態2に記載の内容に限定されるものではない。
さらに本発明では、注入口14に連通する第1の毛細管キャビティ17の1箇所から一方向に向かって連続する毛細管キャビティに試料液を充填させているが、第1の毛細管キャビティ17の2箇所以上から左右の両方向に向かって毛細管キャビティを連続させて試料液を充填させてもよい。
保持チャンバー5、および測定チャンバー7内に流入した試料液は、遠心力によって溶液成分と固体成分に分離される。また、測定チャンバー25内に流入した試料液と希釈液は、分析装置1000の回転の加速度による揺動や回転停止中の液の拡散によって混合されるが、測定チャンバー25自体を直接に振動させるような外的な力を作用させて混合することも可能である。
次に保持チャンバー5内の試料液の分離が所定のレベルに達成すると、マイクロチップ3の回転を停止させ、図10(c)に示すように保持チャンバー5内の溶液成分のみを毛細管力で流路26を経由して、第4の毛細管キャビティ28に所定量だけ充填され、さらに第4の毛細管キャビティ28を経由して、第5の毛細管キャビティ30に所定の量だけ充填される。
第4の毛細管キャビティ28の終端には、厚み方向の断面寸法が第4の毛細管キャビティ28よりも大きなバルブ31が設けられており、第4の毛細管キャビティ28内に流入された試料液の毛細管流はバルブ31で停止する。同様に、第5の毛細管キャビティ30の終端には、厚み方向の断面寸法が第5の毛細管キャビティ30よりも大きなバルブ32が設けられており、第5の毛細管キャビティ30内に流入された試料液の毛細管流はバルブ32で停止する。
このとき、本発明では、第4の毛細管キャビティ28、および第5の毛細管キャビティ30の内周方向の側面に、それぞれの毛細管キャビティ内の空気を排出するキャビティ16を設けているため、試料液は毛細管キャビティの外周側の側面部が先行して流れる毛細流となってそれぞれの毛細管キャビティ内を充填していく。そのため、保持チャンバー5から試料液がそれぞれの毛細管キャビティに充填されていく途中で、空気をキャビティ16のある内周側の側面方向に排出しながら充填されるため、毛細管キャビティ内に気泡が発生せず、それぞれの毛細管キャビティ内を試料液で満たすことが可能となる。
第4の毛細管キャビティ28、第5の毛細管キャビティ30、流路26とキャビティ16の構成としては、実施の形態1と同様の構成であるため、説明を省略する。
第4の毛細管キャビティ28、および第5の毛細管キャビティ30が充填された後、分析装置1000の回転駆動手段によって、マイクロチップ3を回転させることで、図10(d)に示すように遠心力によって、第3の分配位置27から境界部としての第4の分配位置29の間に保持されていた第4の毛細管キャビティ28内の試料液は、第3の分配位置27、および第4の分配位置29で破断し、バルブ32と流路33を経由して測定チャンバー34へ移送され、さらに、第4の分配位置29からバルブ32の間に保持されていた第5の毛細管キャビティ30内の試料液は、第4の分配位置29で破断し、バルブ32と流路37を経由して、測定チャンバー38へ移送される。
ここで本発明では、流路26と、第4の毛細管キャビティ28との境界部である第3の分配位置27と、第4の毛細管キャビティ28と、第5の毛細管キャビティ30との境界部である第4の分配位置29が、測定チャンバー34、および測定チャンバー38よりも内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有しており、さらに、第4の毛細管キャビティ28、および第5の毛細管キャビティ30の側面にキャビティ16を設けているため、遠心力によってそれぞれの毛細管キャビティ内の試料液を外周方向へ移送する際に、第3の分配位置27、および第4の分配位置29の最内周位置より試料液に遠心力が働いて、試料液を破断させても、毛細管キャビティ間の圧力差やサイフォン効果が発生しにくくなっているため、それぞれの試料液を精度よく分配できる。
また、試料液の分配数は、測定項目の数によって調整することが可能であり、N個の分配が必要な場合は、毛細管キャビティをN個設けて、それぞれの毛細管キャビティに混合チャンバーや、測定チャンバーなどの保持チャンバーを連通させることができるため、本実施の形態2に記載の内容に限定されない。
さらに、本発明では、保持チャンバー5の1箇所から一方向に向かって連続する毛細管キャビティに試料液を充填させているが、保持チャンバー5の2箇所以上から左右の両方向に向かって毛細管キャビティを連続させ、試料液を充填させてもよい。
測定チャンバー34、および測定チャンバー38に移送された試料液は、分析装置に取り付けられている測定器(図示せず)により、試料液と分析試薬との反応状態を吸光度測定などによって測定することにより、その成分の濃度を測定できる。
試料液が血液の場合であれば、ヘマトクリット値(血漿と血球の比率)を測定チャンバー7で測定したり、赤血球中に含まれるヘモグロビンの濃度を測定チャンバー25で測定したり、血漿中に含まれるグルコースや、コレステロールなどの脂質成分を保持チャンバー5で分離された血漿を用いて測定できる。
本発明にかかるマイクロチップは、試料液を採取する毛細管キャビティに気泡が混入するのを防ぎ、毛細管キャビティを満たすまで何度でも試料液を採取することができるという効果や、試料液の分配精度を向上させることができるという効果を有し、電気化学式センサーや光学式センサーで生物学的流体の成分測定に使用するマイクロチップにおける試料液の採取方法、分配移送方法等として有用である。
本発明の実施の形態1におけるマイクロチップの外観図 同実施の形態におけるマイクロチップの分解斜視図 同実施の形態におけるマイクロチップ保持部材への装着時の外観斜視図 同実施の形態における注入口の周辺部を拡大して示す斜視図 同実施の形態における分析装置の構成図 同実施の形態のマイクロチャネル構成を示す平面図 同実施の形態の“試料液注入過程”〜“測定チャンバー充填過程”の説明図 本発明の実施の形態1のマイクロチップにおける毛細管キャビティおよびキャビティの断面形状を示す図 本発明の実施の形態2のマイクロチップの平面図 同実施の形態の“試料液注入過程”〜“測定チャンバー充填過程”の説明図 同実施の形態の“試料液分配過程”を説明する拡大図 従来の遠心移送式バイオセンサーの構成図 従来の遠心移送式バイオセンサーの試料液分配の説明図 図9のA−A′線,C−C′線,D−D′線に沿う断面図
1 上部基板
2 下部基板
3 マイクロチップ
4 毛細管キャビティ
5 保持チャンバー
6 流路
7 測定セル
8 流路
9 大気開放孔
11 軸心
12 凹部
14 注入口
15 キャビティ
16 キャビティ
17 第1の毛細管キャビティ
18 第1の分配位置
19 第2の毛細管キャビティ
20 第2の分配位置
21 第3の毛細管キャビティ
23 試料液と希釈液収容チャンバー
25 測定チャンバー
26 流路
27 第3の分配位置
28 第4の毛細管キャビティ
29 第4の分配位置
30 第5の毛細管キャビティ
31 バルブ
32 バルブ
33 流路
34 測定チャンバー
35 流路
36 大気開放孔
37 流路
38 測定チャンバー
39 流路
40 大気開放孔40
101 マイクロチップ保持部材
102 モータ
103 レーザー光源
104 トラバースモータ
105 送りねじ
106 サーボコントロール回路
107 フォトディテクタ(PD)
108 調整回路
109 A/D変換器
110 透過光量信号処理回路
111 マイクロコンピュータ(CPU)
112 表示部
113 メモリ
1000 分析装置
B1 壁面

Claims (13)

  1. 試料液を採取する注入口と、前記注入口を介して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる少なくとも1つの毛細管キャビティと、前記毛細管キャビティと連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記毛細管キャビティ内の試料液を受け取る保持チャンバーとを備えるマイクロチップであって、
    前記注入口と保持チャンバーとを連結する前記毛細管キャビティの一側面に毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティを設けた
    マイクロチップ。
  2. 試料液を収容する収容室と、前記収容室から毛細管力により一定量の試料液を採取することができる少なくとも1つの毛細管キャビティと、前記毛細管キャビティと連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記毛細管キャビティ内の試料液を受け取る保持チャンバーとを備えるマイクロチップであって、
    前記収容室と保持チャンバーとを連結する前記毛細管キャビティの一側面に毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティを設けた
    マイクロチップ。
  3. 前記毛細管キャビティおよび前記キャビティの断面形状が矩形形状を有し、前記キャビティの厚み方向の断面寸法が前記毛細管キャビティの断面寸法よりも大きく、前記キャビティが前記毛細管キャビティの片側もしくは両側の側面に形成されていることを特徴とする
    請求項1または請求項2に記載のマイクロチップ。
  4. 前記毛細管キャビティの断面形状の一部が円弧形状を有し、
    前記キャビティの断面形状が矩形形状を有し、
    前記キャビティの厚み方向の断面寸法が前記毛細管キャビティの断面寸法よりも大きく、前記キャビティが前記毛細管キャビティの片側もしくは両側の側面に形成されていることを特徴とする
    請求項1または請求項2に記載のマイクロチップ。
  5. 前記キャビティの厚み方向の断面寸法が前記毛細管キャビティよりも50μm以上大きくなっていることを特徴とする
    請求項3または請求項4に記載のマイクロチップ。
  6. 前記毛細管キャビティおよび前記キャビティの断面形状の一部が円弧形状を有し、
    前記キャビティが前記毛細管キャビティの片側もしくは両側の側面に形成されていることを特徴とする
    請求項1または請求項2に記載のマイクロチップ。
  7. 前記キャビティの壁面が疎水表面であることを特徴とする
    請求項1または請求項2に記載のマイクロチップ。
  8. 試料液を採取する注入口と、前記注入口と連通し前記注入口を介して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第1の毛細管キャビティと、前記第1の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第1の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第1の保持チャンバーと、前記第1の毛細管キャビティと連通し、前記第1の毛細管キャビティを経由して、毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第2の毛細管キャビティと、前記第2の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第2の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第2の保持チャンバーとを備えるマイクロチップであって、
    前記第1の毛細管キャビティおよび前記第2の毛細管キャビティの一側面に毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティを設け、
    前記第1の毛細管キャビティと前記第2の毛細管キャビティとの境界部が、前記第1の保持チャンバーおよび前記第2の保持チャンバーよりも内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記境界部の外周側に壁面を有する
    マイクロチップ。
  9. 試料液を採取する注入口と、
    前記注入口と連通し前記注入口を介して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第1の毛細管キャビティと、
    前記第1の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第1の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第1の保持チャンバーと、
    前記第1の毛細管キャビティと連通し前記第1の毛細管キャビティを経由して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第2の毛細管キャビティと、
    前記第2の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第2の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第2の保持チャンバーと、
    前記第2の毛細管キャビティから第N(Nは3以上の正の整数)の毛細管キャビティまで順次連通して形成されるN−2個の毛細管キャビティと、
    前記N−2個の毛細管キャビティの外周端部に連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記N−2個の毛細管キャビティ内の試料液をそれぞれ受け取るN−2個の保持チャンバーと
    を設け、前記第1の毛細管キャビティ、前記第2の毛細管キャビティ、および前記第2の毛細管キャビティから連続して前記第Nの毛細管キャビティまで形成される前記N−2個の毛細管キャビティの一側面には、毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティをそれぞれ有し、
    前記第1の毛細管キャビティと前記第2の毛細管キャビティとの境界部が、前記第1の保持チャンバーおよび前記第2の保持チャンバーよりも内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、
    前記第2の毛細管キャビティから順次連続して前記第Nの毛細管キャビティまで形成される前記N−2個の毛細管キャビティのN−2個の境界部が、前記第2の保持チャンバーから前記第Nの保持チャンバーまでのN−2個の保持チャンバーよりもそれぞれ内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記第1の境界部から第N−1の境界部までのN−1個の境界部の外周側に壁面を有する
    マイクロチップ。
  10. 試料液を収容する収容室と、
    前記収容室と連通し前記収容室から毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第4の毛細管キャビティと、
    前記第4の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第4の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第4の保持チャンバーと、
    前記第4の毛細管キャビティと連通し前記第4の毛細管キャビティを経由して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第5の毛細管キャビティと、
    前記第5の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第2の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第5の保持チャンバーと
    を設け、前記第4の毛細管キャビティおよび前記第5の毛細管キャビティの一側面には、毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティを設け、
    前記第4の毛細管キャビティと前記第5の毛細管キャビティとの境界部が、前記収容室および前記第4の保持チャンバーよりも内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記境界部の外周側に壁面を有する
    マイクロチップ。
  11. 試料液を収容する収容室と、
    前記収容室と連通し前記収容室から毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第2の毛細管キャビティと、
    前記第2の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第2の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第2の保持チャンバーと、
    前記第2の毛細管キャビティと連通し前記第2の毛細管キャビティを経由して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第3の毛細管キャビティと、
    前記第3の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第3の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第3の保持チャンバーと、
    前記第3の毛細管キャビティから第N(Nは3以上の正の整数)の毛細管キャビティまで順次連通して形成されるN−2個の毛細管キャビティと、
    前記N−2個の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記N−2個の毛細管キャビティ内の試料液をそれぞれ受け取るN−2の保持チャンバーと
    を設け、前記第2の毛細管キャビティ、前記第3の毛細管キャビティ、および前記第3の毛細管キャビティから連続して前記第Nの毛細管キャビティまで形成される前記N−2個の毛細管キャビティの一側面には、毛細管力を発生せず大気と連通するキャビティをそれぞれ有し、
    前記第2の毛細管キャビティと前記第3の毛細管キャビティとの第2の境界部が、前記第2の毛細管キャビティおよび前記第3の毛細管キャビティよりも内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有し、
    前記第3の毛細管キャビティから順次連続して前記第Nの毛細管キャビティまで形成される前記N−2個の毛細管キャビティのN−2の境界部が、前記第3の保持チャンバーから前記第Nの保持チャンバーまでのN−2個の保持チャンバーよりもそれぞれ内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有し、
    前記第2の境界部から第N−1の境界部までのN−1個の境界部の外周側に壁面を有する
    マイクロチップ。
  12. 請求項1に記載のマイクロチップが装着される分析装置であって、
    前記マイクロチップをその注入口を軸心側に向けた状態で保持し軸心回りに回転させる回転駆動手段と、
    前記回転駆動手段によって前記注入口から採取されて前記毛細管キャビティ内に保持されている試料液を前記保持チャンバーに移送させた後に、前記保持チャンバー内の試料液を分析する分析手段とを備え、
    前記マイクロチップの前記注入口より、前記毛細管キャビティ内が満たされるまで試料液を採取した後、前記回転駆動手段による前記マイクロチップの回転によって発生する遠心力によって前記毛細管キャビティ内の試料液を、前記毛細管キャビティおよび試料液が入っていない前記キャビティを経由して前記保持チャンバーへ移送させるよう構成した
    分析装置。
  13. 請求項2に記載のマイクロチップが装着される分析装置であって、
    前記マイクロチップを軸心回りに回転させる回転駆動手段と、
    前記回転駆動手段によって前記収容室から採取されて前記毛細管キャビティ内に保持されている試料液を前記保持チャンバーに移送させた後に前記保持チャンバー内の試料液を分析する分析手段とを備え、
    前記収容室より前記毛細管キャビティ内が満たされるまで試料液を採取した後、前記回転駆動手段による前記マイクロチップの回転によって発生する遠心力によって、前記毛細管キャビティ内の試料液を、前記毛細管キャビティおよび試料液が入っていない前記キャビティを経由して前記保持チャンバーへ移送させるよう構成した
    分析装置。
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