JPWO2008090681A1 - マイクロチップ検査装置及びポンプカートリッジ - Google Patents

Abstract

駆動液の初期充填時においても気泡の混入を抑制することができるマイクロチップ検査装置及びポンプカートリッジを提供する。駆動液タンクから送液ポンプまでの流路に用いる流路部材にガスバリア性の高い部材を用いるので、当該流路に外部から空気が抑制される。このため、駆動液の初期充填時当該流路内を高吸引力で吸引したとしても、気泡の混入を抑制することができる。

Description

本発明は、マイクロチップ検査装置及びポンプカートリッジに関する。

近年、マイクロマシン技術および超微細加工技術を駆使することにより、従来の試料調製、化学分析、化学合成などを行うための装置、手段（例えばポンプ、バルブ、流路、センサなど）を微細化して１チップ上に集積化したマイクロチップを用いたシステムが注目されている。これは、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）とも呼ばれ、マイクロチップ上で試薬と試料（例えば、検査を受ける被験者の尿、唾液、血液を処理して抽出したＤＮＡ処理した抽出溶液など）を合流させ、その反応を検出することにより試料の特性を調べるシステムである。

マイクロチップは、樹脂材料やガラス材料からなる基体に、フォトリソプロセス（パターン像を薬品によってエッチングして溝を作成する方法）や、レーザ光を利用して溝加工を行い、試薬や試料を流すことができる微細な流路と試薬を蓄える液溜部を設けており、さまざまなパターンのマイクロチップが提案されている。

そして、これらマイクロチップを用いて試料の特性を調べる際は、マイクロポンプなどで駆動液をマイクロチップの微細流路に送液し、マイクロチップ内に収容されている試薬や試料を押し出すことにより、試薬と試料とを反応させて被検出部に導き、検出を行う。被検出部では、例えば光学的な検出方法などによって目的物質の検出が行われる。

特許文献１には、精度良い送液制御を行うため、圧電素子の微小な動きにより送液を行うマイクロポンプを用いたマイクロチップ検査装置が記載されている。
特開２００６−２６６９２５号公報

特許文献１に示すような圧電素子を用いるマイクロポンプでは、圧電素子の駆動電圧及び周波数を変えることにより送液量等を制御しているが、ポンプ内に気泡が混入していると、混入した気泡がダンパーとなってポンプ内の駆動液を精度良く送液することができなくなる。

このため、特許文献１では、駆動液タンクに超音波脱泡装置等の駆動液の脱泡を行う装置を設け、駆動液の脱泡を行うことにより、ポンプ内に気泡が混入しないようにしている。

しかしながら、使用時のみにかかわらず、駆動液の初期充填時においても気泡の混入を抑制する必要があるが、特許文献１では、そこまでは考慮されていない。例えば、初期充填のために吸引を行うと、流路部材を透過して流路内に空気が侵入する場合がある。

本発明の目的は駆動液の初期充填時においても気泡の混入を抑制することができるマイクロチップ検査装置及びポンプカートリッジを提供することである。

上記目的は、下記構成により達成できる。

１．セットされたマイクロチップに供給する駆動液を収容する駆動液タンクと、
前記駆動液タンクに収容された駆動液を前記マイクロチップに送液する送液ポンプと、
前記駆動液タンクと前記送液ポンプとの間の流路を構成する流路部材と、
を有し、
前記駆動液タンクは、ガスバリア層を有することを特徴とするマイクロチップ検査装置。

２．セットされたマイクロチップに供給する駆動液を収容する駆動液タンクと、
前記駆動液タンクに収容された駆動液を前記マイクロチップに送液する送液ポンプと、
前記駆動液タンクと前記送液ポンプとの間の流路を構成する流路部材と、
を有し、
前記流路部材は、中間タンクを含み、
前記中間タンクは、ガスバリア層を有することを特徴とするマイクロチップ検査装置。

３．駆動液タンク又は中間タンクは、前記ガスバリア層を樹脂で挟んだシートで構成されていることを特徴とする１又は２に記載のマイクロチップ検査装置。

４．前記ガスバリア層は、アルミから構成されていることを特徴とする１〜３の何れかに記載のマイクロチップ検査装置。

５．セットされたマイクロチップに供給する駆動液を収容する駆動液タンクと、
前記駆動液タンクに収容された駆動液を前記マイクロチップに送液する送液ポンプと、
前記駆動液タンクと前記送液ポンプとの間の流路を構成する流路部材と、
を有し、
前記流路部材は、チューブを含み、
前記チューブは、ガスバリア層を有することを特徴とするマイクロチップ検査装置。

６．前記チューブは、ショア硬度Ａスケールで４５〜６５度であることを特徴とする５に記載のマイクロチップ検査装置。

７．前記駆動液タンク内の駆動液は、溶存酸素濃度が３ｐｐｍ以下に脱気されていることを特徴とする１〜６の何れかに記載のマイクロチップ検査装置。

８．前記駆動液タンク、前記送液ポンプ及び前記流路部材を有するポンプカートリッジと、前記ポンプカートリッジが着脱可能に設けられる装置本体と、を有することを特徴とする１〜７の何れかに記載のマイクロチップ検査装置。

９．マイクロチップに供給する駆動液を収容する駆動液タンクと、
前記駆動液タンクに収容された駆動液を前記マイクロチップに送液する送液ポンプと、
前記駆動液タンクと前記送液ポンプとの間の流路を構成する流路部材と、
を有し、
前記駆動液タンクは、ガスバリア層を有することを特徴とするポンプカートリッジ。

１０．マイクロチップに供給する駆動液を収容する駆動液タンクと、
前記駆動液タンクに収容された駆動液を前記マイクロチップに送液する送液ポンプと、
前記駆動液タンクと前記送液ポンプとの間の流路を構成する流路部材と、
を有し、
前記流路部材は、中間タンクを含み、
前記中間タンクは、ガスバリア層を有することを特徴とするポンプカートリッジ。

１１．駆動液タンク又は中間タンクは、ガスバリア層を樹脂で挟んだシートで構成されていることを特徴とする９又は１０に記載のポンプカートリッジ。

１２．前記ガスバリア層は、アルミから構成されていることを特徴とする９〜１１の何れかに記載のポンプカートリッジ。

１３．マイクロチップに供給する駆動液を収容する駆動液タンクと、
前記駆動液タンクに収容された駆動液を前記マイクロチップに送液する送液ポンプと、
前記駆動液タンクと前記送液ポンプとの間の流路を構成する流路部材と、
を有し、
前記流路部材は、チューブを含み、
前記チューブは、ガスバリア層を有することを特徴とするポンプカートリッジ。

１４．前記チューブは、ショア硬度Ａスケールで４５〜６５度であることを特徴とする１３に記載のポンプカートリッジ。

１５．前記駆動液タンク内の駆動液は、溶存酸素濃度が３ｐｐｍ以下に脱気されていることを特徴とする９〜１４の何れかに記載のポンプカートリッジ。

本発明によれば、駆動液タンクから送液ポンプまでの流路に用いる流路部材にガスバリア性の高い部材を用いるので、当該流路への空気の混入が抑制される。このため、駆動液の初期充填時に当該流路内を高吸引力で吸引したとしても、気泡の混入を抑制することができる。

本実施形態に係るマイクロチップ検査装置を示す図である。

符号の説明

１ 装置本体
２ ポンプカートリッジ
３ マイクロチップ
４ マイクロチップ挿入口
５ 駆動液タンク
６ タンク装着台
７ ジョイント部
８ 電磁弁
９ 中間タンク
１０ フィルタ部
１１ マイクロポンプ
１２ 中間流路部材
１３ ベース基材
１４ 中継基板
Ｃ１、Ｃ２ 接続部
Ｃ３ コネクタ
Ｄ１ 電源部

本発明の実施形態を説明する。なお、本発明を図示の実施形態に基づいて説明するが、本発明は該実施形態に限らない。また、以下の、本発明の実施形態における断定的な説明は、ベストモードを示すものであって、本発明の用語の意義や技術的範囲を限定するものではない。

図１は本実施形態に係るマイクロチップ検査装置を示す図である。

図１において、１は装置本体、２はポンプカートリッジであり、マイクロチップ３は装置本体１のマイクロチップ挿入口４から、矢印Ａの方向に着脱可能になっている。ポンプカートリッジ２は、装置本体１の奥側上部に装着されるように構成され、装置本体１とポンプカートリッジ２は接続部Ｃ１によって液の漏洩がないように接続されている。また装置本体１は、装置の各部に電気を供給するための電源部Ｄ１を有している。ポンプカートリッジ２には、装置本体１に装着された際に電源部Ｄ１と電気的に接続されるコネクタ部Ｃ３を介して電源部Ｄ１から電気が供給される。

また、装置本体１は、マイクロチップ３内の検体と試薬との反応状態等を検出する光発光部４１と、光受光部４２等からなる光検出部を備えている。
（ポンプカートリッジ）
まず、ポンプカートリッジ２の構成について説明する。

ポンプカートリッジ２は、駆動液を収容する袋状の駆動液タンク５と、駆動液タンク５を載置するタンク装着台６と、駆動液タンク５に接続されるジョイント部７を有している。また、ポンプカートリッジ２は、ジョイント部７からの駆動液の送液を制御する電磁弁８、駆動液を一旦貯蔵する伸縮可能な袋状の中間タンク９、駆動液内の不純物を取り除くフィルタ部１０、駆動液を送液する本発明の送液ポンプとしてのマイクロポンプ１１、駆動液をマイクロチップ３に送液するための中間流路部材１２を有している。ジョイント部７、電磁弁８、中間袋９、フィルタ部１０のそれぞれの間は、チューブ等の流路部材により接続されている。さらに、ポンプカートリッジ２は、マイクロポンプ１１を取り付けるベース基材１３と、コネクタＣ３から供給される電気をポンプカートリッジ２の各部に供給する中継基板１４を有している。

本実施形態では、駆動液タンク５をポンプカートリッジ２の上部に配置して、駆動液タンク５から送液される駆動液が、重力の作用により流れ出るようになっている。駆動液タンク５は、蓋Ｆを開いて矢印Ｂの方向に移動させることにより交換することが出来る。また、駆動液タンク５は、図１に示すように駆動液タンク５の液出口が最も低い位置になるように傾けて載置されている。

駆動液タンク５内の駆動液は、下流の流路に気泡が生じないように、脱気した状態であることが好ましい。駆動液の溶存酸素濃度は、３ｐｐｍ以下が好ましく、１．０〜１．５ｐｐｍがさらに好ましい。

駆動液タンク５内の駆動液の残量を検知するために、タンク装着台６には液残量検知センサＳ２を設けられている。液残量検知センサＳ２は、重さを信号情報として出力するロードセルなどである。液残量検知センサＳ２からの出力は、装置本体１が有する不図示の制御部に一旦入力され、装置本体１の不図示の表示部に液残量を表示したり、あるいは不図示の警告ブザーを鳴らしたりして、駆動液タンク５内の駆動液の残量をユーザ（担当者）に知らせる。

ジョイント部７には、駆動液タンク５を着脱可能とするために、駆動液タンク５側にメスジョイント、タンク装着台６側にオスジョイントが設けられている。

電磁弁８は、駆動液タンク５とマイクロポンプ１１を繋ぐ流路の途中にあり、駆動液タンク５より低く、マイクロポンプ１１より高い位置に配置されている。電磁弁８の開閉により、駆動液の通過が制御される。

また、伸縮可能な中間タンク９の近傍には、その内部に収容されている駆動液の液量を検知する液量検知センサＳ１が設けられている。液量検知センサＳ１は、中間タンク９内の液量に応じて変化する袋表面の位置を検知することにより、中間タンク９に収容されている駆動液の液量を検知する。

マイクロポンプ１１は、例えば、フォトリソグラフィー工程により流路が形成されたシリコンウエハ基板をガラス材で被覆することにより構成される。

マイクロポンプ１１は、ポンプ室５２、ポンプ室５２の容積を変化させる圧電素子５１、ポンプ室５２の中間流路部材１２側に位置する第１絞り流路５３、ポンプ室５２のフィルタ部１０側に位置する第２絞り流路５４、等から構成され、ポンプカートリッジ２内で平らに置かれている。第１絞り流路５３及び第２絞り流路５４は絞られた狭い流路となっており、第１絞り流路５３は第２絞り流路５４よりも長い流路となっている。

駆動液を順方向（中間流路部材１２に向かう方向）に送液する場合には、まず、ポンプ室５２の容積を急激に減少させるように圧電素子５１を駆動する。そうすると、短い絞り流路である第２絞り流路５４において乱流が発生し、第２絞り流路５４における流れの抵抗が長い絞り流路である第１絞り流路５３に比べて相対的に大きくなる。これにより、ポンプ室５２内の駆動液は、第１絞り流路５３の方に支配的に押し出され送液される。次に、ポンプ室５２の容積を緩やかに増加させるように圧電素子５１を駆動する。そうすると、ポンプ室５２内の容積増加に伴って駆動液が第１絞り流路５３及び第２絞り流路５４からポンプ室５２へ流れ込む。このとき、第２絞り流路５４の方が第１絞り流路５３と比べて長さが短いので、第２絞り流路５４の方が第１絞り流路５３と比べて流れの抵抗が小さくなり、ポンプ室５２内には第２絞り流路５４の方から支配的に駆動液が流入する。以上の動作を圧電素子５１が繰り返すことにより、駆動液が順方向に送液されることになる。

一方、駆動液を逆方向（フィルタ部１０に向かう方向）に送液する場合には、まず、ポンプ室５２の容積を緩やかに減少させるように圧電素子５１を駆動する。そうすると、第２絞り流路５４の方が第１絞り流路５３と比べて長さが短いので、第２絞り流路５４の方が第１絞り流路５３と比べて流れの抵抗が小さくなる。これにより、ポンプ室５２内の駆動液は、第２絞り流路５４の方に支配的に押し出され送液される。次に、ポンプ室５２の容積を急激に増加させるように圧電素子５１を駆動する。そうすると、ポンプ室５２内の容積増加に伴って駆動液が第１絞り流路５３及び第２絞り流路５４からポンプ室５２へ流れ込む。このとき、短い絞り流路である第２絞り流路５４において乱流が発生し、第２絞り流路５４における流路抵抗が長い絞り流路である第１絞り流路５３に比べて相対的に大きくなる。これにより、ポンプ室５２内には第１絞り流路５３の方から支配的に駆動液が流入する。以上の動作を圧電素子５１が繰り返すことにより、駆動液が逆方向に送液されることになる。

マイクロポンプ１１は、圧電素子５１に与える電圧と駆動回数（周波数）を制御することにより、微量の液を極めて正確に送液することが可能である。

次に、ポンプカートリッジ２の流路について説明する。

ポンプカートリッジ２は、使用に際し予め流路内に駆動液を初期充填する必要がある。初期充填は、例えば、ポンプカートリッジ２の接続部Ｃ１にチューブポンプ等の吸引ポンプを接続し、吸引ポンプにより駆動液タンク５内の駆動液を吸引することにより行われる。

初期充填の際に流路内にガス（空気）が少しでも残留していると、マイクロポンプ１１により精度良く駆動液を送液できなかったり、最悪の場合にはマイクロポンプ１１を駆動しても駆動液の送液ができなくなったりするという事態が生じる。このため、初期充填の際には、例えば−１００ｋＰａという高い吸引力で吸引ポンプを駆動してポンプカートリッジ２の流路にガス（空気）が残留しないようにする必要がある。

このような高吸引力で吸引すると、流路部材を透過して流路にガス（空気）が侵入する可能性がある。このため、ポンプカートリッジ２の流路としては、ガスバリア性の高い流路が必要となる。また、流路を構成するチューブなどが高吸引力により変形しないことも重要である。

駆動液タンク５には、例えばアルミシートの両面にＰＰ（ポリプロピレン）またはＰＥ（ポリエチレン）等の樹脂フィルムを溶着させた多層構造体シートを用いることができる。また、中間タンク９に使用する部材も同様に、アルミシートにＰＰやＰＥ等の樹脂材料を溶着した多層構造体シートを用いることができる。アルミシートは、本発明のガスバリア層に相当する。

アルミシートはガス透過率が低く、アルミシートを樹脂フィルムで挟んだシートを用いることにより、ガス（空気）や水蒸気が駆動液タンク５や中間タンク９内に浸透することを抑制できる。なお、アルミシートではなくアルミ蒸着膜でも構わない。

流路を構成するチューブには、例えば、内層がフッ素樹脂、外層がエチレン−ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）樹脂で形成された多層構造体のチューブを用いることができる。ＥＶＯＨ樹脂層が本発明のガスバリア層として機能する。内層をフッ素樹脂で形成することにより、チューブ内を流れる液体に対する耐薬品性を確保し、外層をＥＶＯＨ樹脂で構成することにより外部からのガスの透過を抑制する。なお、チューブ内を流れる液体にチューブが冒されることがなければ、ガスバリア層のみでチューブを構成してもよい。

また、駆動液タンク５又は中間タンク９のガスバリア層としてＥＶＯＨ樹脂、チューブのガスバリア層としてアルミを用いても構わない。

ガスバリア層に用いることのできる材料としては、他に、ナイロンＭＸＤ６樹脂（三菱ガス化学（株））、シリカ蒸着膜、アルミナ蒸着膜、シリカとアルミナの二元蒸着膜、等を用いることができる。

また、チューブの硬度は、ショアＡスケールで４５〜６５度であることが好ましい。硬度が、４５度より小さいと高吸引力時にチューブが潰れ、６５度より大きいとチューブが曲がりにくくなり設置の自由度が低くなる。従って、チューブの硬度を４５〜６５度に設定すると、高吸引力時にチューブが潰れて変形してしまうことがなく、チューブ内のガス（空気）を確実に排除することが可能となる。

また、部材同士、あるいは部材とチューブとの接続部分は、ガスバリア性接着剤（例えば、マクシーブ（三菱ガス化学（株）））を使用して空気などが入らないよう目止めを行うことが好ましい。

以上説明したように、本実施形態のポンプカートリッジ２は、駆動液タンク５から電磁弁８、中間タンク９、マイクロポンプ１１を経由して中間流路部材１２に至る流路が、外部からの空気の進入を防ぐ高いガスバリア性を有している。このように構成されたポンプカートリッジ２は、流路内を高吸引力で吸引しても、流路を形成する部材を透過して空気が流路内に進入することがなく、気泡が発生せず、マイクロポンプ１１により駆動液を精度良く送液することができる。

また、流路を構成するチューブは、高吸引力で吸引しても潰れて変形しないものを用いているので、流路内の空気を流路の変形なしに確実に排除することができる。さらに、駆動液内に含まれている空気（溶存酸素）を脱気した状態で駆動液を駆動液タンク５に充填しているので、使用時に溶存していた空気が飽和して気泡が発生することが抑制される。

本実施形態では、装置本体１に対してポンプカートリッジ２が着脱可能なマイクロチップ検査装置を例として説明したが、両者が一体となっているマイクロチップ検査装置でもよい。

Claims (15)

1. セットされたマイクロチップに供給する駆動液を収容する駆動液タンクと、
   前記駆動液タンクに収容された駆動液を前記マイクロチップに送液する送液ポンプと、
   前記駆動液タンクと前記送液ポンプとの間の流路を構成する流路部材と、
   を有し、
   前記駆動液タンクは、ガスバリア層を有することを特徴とするマイクロチップ検査装置。
2. セットされたマイクロチップに供給する駆動液を収容する駆動液タンクと、
   前記駆動液タンクに収容された駆動液を前記マイクロチップに送液する送液ポンプと、
   前記駆動液タンクと前記送液ポンプとの間の流路を構成する流路部材と、
   を有し、
   前記流路部材は、中間タンクを含み、
   前記中間タンクは、ガスバリア層を有することを特徴とするマイクロチップ検査装置。
3. 駆動液タンク又は中間タンクは、前記ガスバリア層を樹脂で挟んだシートで構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載のマイクロチップ検査装置。
4. 前記ガスバリア層は、アルミから構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項の何れか１項に記載のマイクロチップ検査装置。
5. セットされたマイクロチップに供給する駆動液を収容する駆動液タンクと、
   前記駆動液タンクに収容された駆動液を前記マイクロチップに送液する送液ポンプと、
   前記駆動液タンクと前記送液ポンプとの間の流路を構成する流路部材と、
   を有し、
   前記流路部材は、チューブを含み、
   前記チューブは、ガスバリア層を有することを特徴とするマイクロチップ検査装置。
6. 前記チューブは、ショア硬度Ａスケールで４５〜６５度であることを特徴とする請求の範囲第５項に記載のマイクロチップ検査装置。
7. 前記駆動液タンク内の駆動液は、溶存酸素濃度が３ｐｐｍ以下に脱気されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第６項の何れか１項に記載のマイクロチップ検査装置。
8. 前記駆動液タンク、前記送液ポンプ及び前記流路部材を有するポンプカートリッジと、前記ポンプカートリッジが着脱可能に設けられる装置本体と、を有することを特徴とする請求の範囲第１項〜第７項の何れか１項に記載のマイクロチップ検査装置。
9. マイクロチップに供給する駆動液を収容する駆動液タンクと、
   前記駆動液タンクに収容された駆動液を前記マイクロチップに送液する送液ポンプと、
   前記駆動液タンクと前記送液ポンプとの間の流路を構成する流路部材と、
   を有し、
   前記駆動液タンクは、ガスバリア層を有することを特徴とするポンプカートリッジ。
10. マイクロチップに供給する駆動液を収容する駆動液タンクと、
    前記駆動液タンクに収容された駆動液を前記マイクロチップに送液する送液ポンプと、
    前記駆動液タンクと前記送液ポンプとの間の流路を構成する流路部材と、
    を有し、
    前記流路部材は、中間タンクを含み、
    前記中間タンクは、ガスバリア層を有することを特徴とするポンプカートリッジ。
11. 駆動液タンク又は中間タンクは、ガスバリア層を樹脂で挟んだシートで構成されていることを特徴とする請求の範囲第９項又は第１０項に記載のポンプカートリッジ。
12. 前記ガスバリア層は、アルミから構成されていることを特徴とする請求の範囲第９項〜第１１項の何れか１項に記載のポンプカートリッジ。
13. マイクロチップに供給する駆動液を収容する駆動液タンクと、
    前記駆動液タンクに収容された駆動液を前記マイクロチップに送液する送液ポンプと、
    前記駆動液タンクと前記送液ポンプとの間の流路を構成する流路部材と、
    を有し、
    前記流路部材は、チューブを含み、
    前記チューブは、ガスバリア層を有することを特徴とするポンプカートリッジ。
14. 前記チューブは、ショア硬度Ａスケールで４５〜６５度であることを特徴とする請求の範囲第１３項に記載のポンプカートリッジ。
15. 前記駆動液タンク内の駆動液は、溶存酸素濃度が３ｐｐｍ以下に脱気されていることを特徴とする請求の範囲第９項〜第１４項の何れか１項に記載のポンプカートリッジ。