WO2007145040A1

WO2007145040A1 - 液漏れ防止機構を備えたマイクロ総合分析システム

Info

Publication number: WO2007145040A1
Application number: PCT/JP2007/059496
Authority: WO
Inventors: Yasuhiro Sando; Kusunoki Higashino; Youichi Aoki; Akihisa Nakajima
Original assignee: Konica Minolta Medical & Graphic, Inc.
Priority date: 2006-06-12
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2007-12-21
Also published as: EP2034317A1; US20100232986A1; JPWO2007145040A1

Abstract

　微細流路が設けられ、試薬収容部よりも微細流路上流側にマイクロポンプへ連通させる流路開口部が設けられた検査チップと、駆動液を収容した駆動液タンクと、一枚のチップの面方向における各位置に複数のマイクロポンプが設けられ、それぞれのマイクロポンプの上流側が駆動液タンクへ連通され、その下流側に検査チップの微細流路へ連通させる流路開口部が設けられたマイクロポンプユニットと、マイクロポンプユニットおよび駆動液タンクが１つの収納体に収納されたシステム装置本体と、を備えたマイクロ総合分析システムであり、検査チップをシステム装置本体に装着した状態で分析が行われ、該検査チップのシステム装置本体からの着脱に対応して、マイクロポンプユニットの流路開口部における圧力の向きを変更させる機構を有する。

Description

明細書

液漏れ防止機構を備えたマイクロ総合分析システム

技術分野

[0001] 本発明は液漏れ防止機構を備えたマイクロ総合分析システムに関する。検体と試薬とを混合して反応させ、該反応を検出する一連の微細流路が設けられた検査チップを用いて検体中の標的物質を分析するシステムである。

背景技術

[0002] 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、センサーなど)を微細化して 1チップ上に集積化したシステムが開発されている (特許文献 1)。これは、 μ -TAS (Micro total Analysis System)、バイオリアクタ、ラブ'オン ·チップ（Lab-on-chips)、バイオチップとも呼ばれ、医療検査'診断分野、環境測定分野、農産製造分野でその応用が期待されている。

[0003] 各種の分析、検査ではこれらの検査用チップにおける分析の定量性、解析の精度、経済性などが重要視される。そのためにはシンプノレな構成で、高い信頼性の送液システムを確立することが課題である。精度が高ぐ信頼性に優れるマイクロ流体制御素子が求められている。これに好適なマイクロポンプシステムおよびその制御方法を本発明者らはすでに提案してレ、る（特許文献 2〜4)。

[0004] ポンプを使用して検查チップの微細流路に送液する場合に、途中で液漏れが発生すると、定量的な送液が困難となるのみならず、円滑な送液もできない。マイクロボンプとチップとの接続部はゴムパッキングであることが多レ、が、その部分が濡れていると両者が接続したときに、特に液漏れが発生しやすい。このような液体の漏れ出しを防止する簡便な機構が必要とされてレ、る。

[0005] 他方、インクジェットによる画像形成装置において、液状物であるインクを収容したインク供給用貯蔵部のその液面と、インクヘッドのインク吐出口との距離を一定に保つ負圧調整機構を有する装置が提案された (特許文献 5)。負圧調整には、インクタンクの上下動、弾性体の付勢などが利用される。力かる機構によりインク消費に基づく負圧の変動を補償して安定な吐出を確保することができる。

特許文献 1 :特開 2004— 28589号公報

特許文献 2：特開 2001— 322099号公報

特許文献 3：特開 2004— 108285号公報

特許文献 4：特開 2004— 270537号公報

特許文献 5 :特開 2006— 27166号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] 上記のミクロ化分析システムを用いる分析においては、検査用チップの他に、例えばマイクロポンプ、検出装置、温度制御装置など、チップの微細流路内での送液、反応およびその検出などを制御するための各種の装置が必要になる。したがって、装置内で液漏れが発生すると分析のみならず各装置の機能にも重大な支障が生じる。本発明は、送液の液漏れを簡便な仕組みで確実に防止する機構を設けることを目的としている。

課題を解決するための手段

[0007] 本発明のマイクロ総合分析システムは、

一連の微細流路が設けられ、微細流路における試薬の収容位置よりも上流側にマイク口ポンプへ連通させる流路開口部が設けられた検査チップと、

試薬を上流側から押して検査チップの微細流路の下流方向へ送液する駆動液を収容した駆動液タンクと、

一枚のチップの面方向における各位置に複数のマイクロポンプが設けられ、それぞれのマイクロポンプの上流側が駆動液タンクへ連通され、その下流側に検查チップの微細流路へ連通させる流路開口部が設けられたマイクロポンプユニットと、該マイクロポンプユニットおよび該駆動液タンクが 1つの収納体に収納されて一体化されたシステム装置本体と、

を備え、検查チップをマイクロポンプユニットに対してこれらの流路開口部が重なるように接続した後、マイクロポンプによって駆動液を検查チップの微細流路へ送液し、試薬を下流側へ押し出すことにより試薬と検体とを合流させて反応させ、該反応を検出することによって検体中の標的物質を分析するマイクロ総合分析システムであつて、

検査チップをシステム装置本体に装着した状態で検体の分析が行われ、該検査チップのシステム装置本体からの着脱に対応して、マイクロポンプユニットの流路開口部における送液圧力の向きを変更させる機構を有することを特徴としている。

[0008] マイクロポンプユニットにおけるすべてのマイクロポンプが 1つの駆動液タンクに連通され、該駆動液タンクに収容された駆動液がそれぞれのマイクロポンプから検查チップの微細流路へ送液されることが好ましレ、。

[0009] 少なくともマイクロポンプユニットの開口部から検查チップが離脱するときに、該チップと接合していたマイクロポンプユニットの流路開口部には、該ポンプの吐出方向とは逆向きの圧力力 Sかかっていることを特徴としている。

[0010] 検查チップの離脱の時のみ、該チップと接合していたマイクロポンプユニットの流路開口部に、ポンプの吐出方向とは逆向きの圧力が負圧として働くことが望ましい。

[0011] 前記の逆向きの圧力または負圧は、駆動液タンク内の水面がチップとの接合部よりも低くすることにより発生させてもよレ、。これは前記駆動液タンクが上下に移動可能であることによる。

[0012] 前記マイクロポンプユニットの流路開口部における圧力の向きの変更は、カートリツジ型の駆動液タンクに付設された負圧発生機構によってもよい。

[0013] 前記負圧発生機構が、弾性体の復元力に基づく付勢によって発生させることが好ましい。

[0014] 好ましくは前記負圧の絶対値が最大 5mmAqである。

[0015] 本発明のマイクロ総合分析システムにおいて好ましく用いられるマイクロポンプは、流路抵抗が差圧に応じて変化する第 1流路と、

差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が第 1流路よりも小さい第 2流路と、第 1流路および第 2流路に接続された加圧室と、

電圧によって駆動され該加圧室の内部圧力を変化させるァクチユエータと、を備えている。

発明の効果 [0016] 本発明のマイクロ総合分析システムは、検査チップをシステム装置本体に装着した状態で検体中の標的物質の分析が行われ、該検查チップのシステム装置本体からの着脱に対応して、マイクロポンプユニットの流路開口部における圧力の向きを変更させる機構を有するために、送液時にはポンプに少し余裕が出て安定した送液ができるようになり、チップの脱離時には液体の漏れ出しという事態の発生を防止できる。

[0017] 液漏れ防止を目的として流路開口部における圧力の向きを変更させる機構ならびに検查チップの微細流路内の各試薬を下流へ送液するためのポンプ機構力簡易かつコンパクトな構造となってレ、る。

図面の簡単な説明

[0018] [図 1]図 1は、本発明のマイクロ総合分析システムの構成を示すシステム概要図である。

[図 2]図 2は、本発明のマイクロ総合分析システムの一実施形態を示した斜視図である。

[図 3]図 3は、図 2のマイクロ総合分析システムにおけるシステム本体の内部構成を示した図である。

[図 4]図 4は、本発明のマイクロ総合分析システムの実施形態における複数のマイクロポンプおよびこれに連通するチップ接続部の流路配置の一例を示した平面図である

[図 5]図 5は、システム装置本体に収容される駆動液タンクの位置が固定されている従来方式を示す。

[図 6]図 6は、駆動液タンクの昇降により、システム装置本体から検查チップを脱離させたときに、水頭差をなくす方式を示す。

[図 7]図 7は、弾性体 (スポンジ、パネ）の付勢に基づく負圧発生機構を駆動液タンクに付設した方式を示す。

[図 8]図 8は、本発明のマイクロ総合分析システムの一実施形態における検査チップの平面図である。

[図 9]図 9は、送液制御部（撥水バルブ）の断面図である。

[図 10]図 10は、図 4のマイクロポンプユニットの断面図である。符号の説明

2 検查チップ

3 システム装置本体

1 1 マイクロポンプユニット

12， 12a〜12i マイクロポンプ

13 チップ接続部

1 開口

15， 15a〜15c 開口

16a ； k通孑し

16b 貫通孔

17 基板

18 基板

19 基板

20, 20a, 20c〜流路

21 圧電素子

22 加圧室

23 第 1流路

24 第 2流路

25 第 1液室

26 第 2液室

31 ポンプ接続部

32a〜32j 開口

33a〜33c 試薬収容部

34a, 34b 端部

35 合流部

36 試薬混合部

37 検体収容部 39 反応部

40 検出部

51 送液制御部（撥水バルブ）

52 送液制御通路

53a, 53b 流路

54 液

61 駆動液タンク

62 収納体

63 チップ揷入口

64 表示部

65 搬送トレィ

66 ぺ/レチェ素子

67 ヒーター

68 光源

69 検出器

発明を実施するための最良の形態

本発明のマイクロ総合分析システムは、図 1に示す構成例のマイクロ総合分析システム 1であり、

一連の微細流路が設けられ、微細流路における試薬の収容位置よりも上流側にマイク口ポンプ 11へ連通させる流路開口部が設けられた検查チップ 2と、

試薬を上流側から押して検查チップ 2の微細流路の下流方向へ送液する駆動液を収容した駆動液タンク 61と、

一枚の検查チップ 2の面方向における各位置に複数のマイクロポンプ 12が設けられ、それぞれのマイクロポンプ 12の上流側が駆動液タンク 61へ連通され、その下流側に検査チップ 2の微細流路へ連通させる流路開口部が設けられたマイクロポンプュニッ卜 11と、

該マイクロポンプユニット 11および該駆動液タンク 61が 1つの収納体に収納されて一体化されたシステム装置本体 3 (図 1には図示せず）と、

を備え、検査チップ 2をマイクロポンプユニット 11に対してこれらの流路開口部が重なるように接続した後、マイクロポンプ 12によって駆動液を検査チップ 2の微細流路へ送液し、試薬を下流側へ押し出すことにより試薬と検体とを合流させて反応させ、該反応を検出することによって検体中の標的物質を分析するマイクロ総合分析システムであって、

検查チップ 2をシステム装置本体 3に装着した状態で検体の分析が行われ、該検查チップ 2のシステム装置本体 3からの着脱に対応して、マイクロポンプユニット 11の流路開口部における送液圧力の向きを変更させる機構を有することを特徴としている。さらに、システム装置本体 3は、

検查チップ 2における反応を検出する検出部 69、検查チップ 2に光を照射する発光部 120を制御する LED制御部 119、検查チップ 2のバルブを制御するバルブ制御部 118、検査チップ 2の温度を制御するヒータ温度制御部 117、ペルチェ温度制御部 1 14、トレイローデイング機構 115、残量検知部 131、マイクロポンプ 12を駆動するポンプ駆動部 130、およびこれらを制御する制御装置 110とを収納体の内部に備えることが望ましい（図 1)。また、データ処理を行うデータ処理部 111、データ処理の結果を表示する表示部 112、外部と通信するための入出力部 113を備えることが望ましい

多数の検体を処理する必要がある場合には、検査チップが別途のシステム装置本体に装着されることにより反応と分析が行われる方式が好ましい。本発明では、システム本体と検查チップ 2とによりマイクロ総合分析システム 1が構成される（図 1)。図 2 はこのマイクロ総合分析システム 1の一例を示した斜視図である。図 3は、このマイク口総合分析システム 1におけるシステム本体の内部構成を示した図である。これら両図を参照しながらマイクロ総合分析システム 1を説明する。システム装置本体 3は、分析のための各装置を収納する筐体状の収納体 62を備えている。この収納体 62の内部には、検查チップ 2に連通させるための流路開口を有するチップ接続部 13と複数のマイクロポンプ（図 2では図示せず）とが設けられたマイクロポンプユニット 11が配置されている。

[0022] さらに収納体 62の内部には、検査チップ 2における反応を検出するための検出処理装置 (LEDなどの光源 68、光電子増倍菅、 CCDカメラといった光学的な検出を行う検出器 69)と、この検出処理装置とマイクロポンプユニット 11とを制御する制御装置 (図示せず）とが設けられている。この制御装置によって、マイクロポンプによる送液の制御、検查チップ 2における反応を検出する検出処理装置の制御の他、加熱'冷却ユニットによる検查チップ 2の温度制御、検查チップ 2における反応の制御、データの収集（測定）および処理などを行う。マイクロポンプの制御は、予め送液順序、流量、タイミングなどに関する諸条件が設定されたプログラムに従って、それに応じた駆動電圧をマイクロポンプに印加することによって行う。

[0023] このマイクロ総合分析システム 1では、検查チップ 2の微細流路の上流側（例えば試薬収容部、検体収容部などの上流側）に設けられた流路開口およびその周囲のチップ面からなるポンプ接続部 31と、マイクロポンプユニット 11のチップ接続部 13とを液密に密着させた状態で検査チップ 2を収納体 62の内部に装着した後に、検査チップ 2において検体中の標的物質が分析される。検査チップ 2は、搬送トレィ 65に載置されてチップ揷入口 63から収納体 62の内部に導入される。し力し、検査チップ 2がマイクロポンプユニット 11に対して加圧された状態で検査チップ 2を収納体 62の内部に固定できるのであれば、必ずしも搬送トレィを用いる必要はない。

[0024] 収納体 62の内部には、所定位置に装着された検査チップ 2を局所的に加熱もしくは冷却するための加熱'冷却ユニット（ペルチェ素子 66、ヒーター 67が設けられている。例えば、検査チップ 2における試薬収容部の領域にペルチェ素子 66を圧接することにより試薬収容部を選択的に冷却し、これによつて試薬の変質などを防止するとともに、反応部を構成する流路の領域にヒーター 67を圧接することにより反応部を選択的に加熱し、これによつて反応部を反応に適した温度にする。

[0025] マイクロポンプユニット 11は 1つの駆動液タンク 61に接続され、マイクロポンプの上流側はこの駆動液タンク 61に連通している。一方、マイクロポンプの下流側は、マイクロポンプユニット 11の片面に設けられた流路開口に連通されており、それぞれのマイク口ポンプに連通した各チップ接続部 13の流路開口と、検查チップ 2のポンプ接続部 31に設けられたそれぞれの流路開口とが連結するように検査チップ 2がマイクロポンプユニット 11に対して接続される。

[0026] マイクロポンプによって、駆動液タンク 61に収容された鉱物油などのオイル系あるレ、は水系の駆動液を、チップ接続部 13を経由して検查チップ 2における各液の収容部に送り出し、駆動液によって各収容部の液を検查チップ 2の下流側へ押し出して送液する。

[0027] 測定試料である検体の前処理、反応および検出の一連の分析工程は、マイクロポンプ、検出処理装置および制御装置とが一体化されたシステム本体 1に、検查チップ 2を装着した状態で行なわれる。好ましくは、試料および試薬類の送液、前処理、混合に基づく所定の反応および光学的測定が、一連の連続的工程として自動的に実施され、測定データが、必要な条件、記録事項とともにファイル内に格納される。図 2 では、分析の結果が収納体 62の表示部 64に表示されるようになっている。

<流路内液体の駆動機構 >

本発明の分析システムにおいて、マイクロポンプユニット 11におけるすべてのマイク口ポンプ 12が 1つの駆動液タンク 61に連通されており、駆動液タンク 61に収容された駆動液がそれぞれのマイクロポンプ 12から検査チップの微細流路へ送液される。そうした駆動液は、試薬、検体液を検査チップ内の微細流路に流して所定の反応部位、検出部位に送り込むための他、これらの液体を検査チップ 2に導入するためにも用いられる。このように、各試薬を送液するためのすべてのマイクロポンプ 12を 1つの検査チップ 2に対して配設し、分析時にこのマイクロポンプ 12のチップ接続部 13 (開口部）と検査チップ 2のポンプ接続部 31 (開口部）とを重ね合わせて互いの流路を連通させるようにしたので、検查チップ 2内の試薬を微細流路の下流へ押し出すポンプ機構をコンパ外な構造とすることができる。

[0028] さらに、複数のマイクロポンプが単一の駆動液タンクを共有し、駆動液タンク 61とチップ状のマイクロポンプユニット 11との接続には特別な配管、引き回しのチップなど必要ないために、検查チップ 2内の試薬を微細流路の下流へ押し出すポンプ機構をコンパクトな構造とすることができる。

[0029] マイクロポンプ 12と検查チップ 2との接続部分は、液漏れが起こらないようにしつかりと接続する必要がある。特に接続部が液体で濡れた状態にあると、チップと接続したときに特に液漏れを起こしやすくなる。分析用マイクロチップにあっては、その接続部は通常、ゴムパッキングであることが多レ、。ところがそうした接続部が液体で濡れた状態でマイクロポンプとチップとが接続すると、液漏れを起こしやすくなる。したがって、マイクロポンプとチップの接続部分が液漏れを起こさないようにし、当該部分が濡れた状況にすることを回避する必要があった。

[0030] このような液漏れを防止する機構として、該検查チップのシステム装置本体からの着脱に対応して、マイクロポンプユニットの流路開口部における圧力の向きを変更させる機構が簡便、かつ確実であり好ましい。すなわち、少なくともマイクロポンプュニットの開口部（チップ接続部 13)から検查チップが離脱させるときは、該チップと接合するマイクロポンプユニットのチップ接続部 13にある流路開口部には、該ポンプの吐出方向とは逆向きの圧力力 Sかかっているようにするようにして、マイクロポンプユニットと検査チップ間の接続部分から液漏れの発生を防止するものである。逆向きの圧力は、ポンプ、吐出口の大きさなどに依存するが、概ね 5mmAqほたは 5mmH O)程

2 度である。

[0031] そうした機構を本発明の分析システム装置本体および駆動液タンクとの連携により実現している。本発明はそのための機構として、駆動液タンクの位置を変える方式と、駆動液タンクに負圧発生機構を付設する方式とを提案する。いずれの方式によつてもよいが、少なくともマイクロポンプユニットの開口部から検査チップが離脱するときに、該チップと接合していたマイクロポンプユニットの流路開口部には、該ポンプの吐出方向とは逆向きの圧力力かかっているようにする必要がある。これは 2以上の検査チップを順次、同じシステム装置本体に装着して次々と分析を行う際 (特に多数の検体を処理する必要がある場合）、検查チップと接続するマイクロポンプの開口部部分が液漏れにより濡れた状態にしないためである。そうした状態による不具合は上記のとおりである。

•従来例

図 5のような構成は、従来の駆動液送出方式によるものである。図 5 (a)は検查チップ 2にマイクロポンプ 12から駆動液を送出している状態を示す断面図、図 5 (b)は検查チップ 2をマイクロポンプ 12から離脱した状態を示す断面図である。

図 5 (a)に示すように検査チップ 2の流路 53はゴムパッキング 91を介してマイクロボンプ 12の吐出側の開口部と連通している。また、検査チップ 2を好ましくは駆動液タンクをマイクロポンプユニットよりも若干高い位置にすることにより、マイクロポンプに対してその送液方向に重力による弱レ、圧力をかけて、ポンプによる円滑な送液を図っている。し力、しながら、駆動液タンク 61内の液面がゴムパッキング 91のチップ接続部 95 の位置より図 5 (b)の矢印で示すように Υ φだけ高い位置にあるために、送液ポンプの停止時には水頭圧（両液面間の高低差に基づく水圧）に基づいて、駆動液は、常に漏れ出ようとする。そのため図 5 (b)に示すように、検查チップが脱離した時に、重力による圧力のために当該接続部から駆動液がマイクロポンプ 12から漏れ出し、チップ接続部 95にあふれてくる。したがって、図 5に示す従来の駆動液送出方式では検查チップ 2が接続されていない場合には防止策を講じない限り、常に液が漏れ出ようとする。

'駆動タンクの上下動方式

図 6は本発明における実施形態の駆動液送出方式の構成を説明するための説明図である。図 6 (a)、図 6 (b)は検査チップ 2をマイクロポンプ 12から離脱した状態を示す断面図である。

マイクロポンプユニット 11の開口部から検査チップ 2が離脱し、ポンプが停止している時、駆動液タンク 61内の液面の位置力マイクロポンプユニット 11のチップ接続部開口部に吐出方向に最大 + 5mmAqまでの圧力力 Sかかる状態にあれば液漏れは生じにくい。当該接続部の開口部ゴムパッキング 91の撥水性特性により、液がジワジワと漏れ出ることがないためである。例えば、図 6 (a)に示すように、駆動液タンク 61内の液面がチップ接続部 95の位置より図 6 (a)の矢印で示すように Y1だけ低い位置にすると駆動液の液面がチップ接続部 95より低い位置にあることとなり水頭圧がゼロまたは、負となる。この場合駆動液は吐出方向と逆方向に流れるために、液が漏れ出ることはない。

図 6 (b)は図示せぬ駆動機構により駆動液タンク 61を紙面上下方向に移動させる例を示している。図中、検查チップ 2を接続した時の駆動液タンク 61内の液面を A、検查チップ 2を外した時の駆動液タンク 61内の液面を Bで示している。検査チップ 2を外した時の駆動液タンク 61内の液面は図 6 (a)で説明したように、チップ接続部 95の位置より Y1だけ低い位置である。検査チップ 2を接続する時は、図示せぬ駆動手段により駆動液タンク 61を上昇させ、駆動液タンク 61内の液面を Aの位置にする。すると、駆動液タンク 61内の液面の位置は逆にチップ接続部 95の位置より Y2だけ高くなり、マイクロポンプ 12の吐出方向に圧力をかけることができる。

[0032] 駆動液の液面を適宜変更することができるように、この構成では、駆動液タンク 61 が上下方向に移動可能な態様としている。その移動は、タンク内駆動液の液面の高さを適宜調整するようにモーターなどで実施される。下方にタンクを下げて停止する液面位置は、ポンプの吐出方向、 + 5mmAq〜― 5mmAqの圧力が生じる範囲となるように設定され、そうした圧力範囲になるように、移動させるタンクの下方位置も決まる。 + 5mmAqよりも大きいと、マイクロポンプのチップ接続部開口部から駆動液が漏れ出す懸念がある。また 5mmAqの圧力よりも小さいと、駆動液の逆流が生じて空気が流路およびポンプ内に混入するおそれがある。実際には、駆動液の使用によるタンク内のその液面位置の変化を考慮し、水面センサー、タンクの重さの計測、吐出回数力液使用量を計算した結果などのデータを元に決定する。あるいは常に負圧となるように予め決められた位置にセットしてもよい。

[0033] このように駆動液タンク 61が上下方向に移動可能である場合には、検査チップ 2を接続している時には、水面を高くしてポンプによる送液を助け、該チップが離脱するときには、水面を低くすることにより、好ましくは負の水頭圧としてポンプ吐出方向への駆動液の移動を抑止することが可能である。なお駆動液消費に伴うタンク内の液水位低下もある力それによる水頭圧の変動は、ポンプの吐出圧力のバラツキ、または上記の圧力範囲内に収まってしまう。

[0034] 図 6 (c)は、マイクロポンプ 12と駆動液タンク 61を一体にした例を示す断面図である。この場合でも、ポンプ停止と検査チップ 2の脱離に連動して機械的な作動様式（図示せず）によりにタンクを所定位置に押し下げる態様であってもよレ、。

[0035] なお、駆動液タンクが相対的に上下方向に移動する別の態様として、マイクロボンプユニットを昇降させて、水頭差を相対的になくしてもよい。 [0036] 上記の機構により、送液時には、ポンプに少し余裕が出て安定した送液ができるようになり、チップ脱離時には液体の漏れ出しという事態の発生を防止できる。

•駆動液タンクに負圧発生機構を設置する方式

前記マイクロポンプユニットのチップ接続部側の流路開口部における圧力の向きの変更は、駆動液タンク 61を昇降させる代わりに負圧発生機構によってもよい。

図 7は駆動液タンクに付設された負圧発生機構の例を説明するための構造図である好ましくは図 7に示すようにカートリッジ型の駆動液タンク 61に付設された負圧発生機構によるものが望ましい。この方式は、例えば図 6に示された、マイクロポンプと駆動液タンクが一体化した型の場合でも好ましレ、。タンク内の液面の位置変位ではなく、駆動液タンクに負圧発生機構を付設することによるものであり、該機構により発生させた負圧に基づき、タンクとポンプとが連通する流路内においてポンプの吐出、送液方向と逆向きの圧力がかかるようにすればよい。

[0037] 前記負圧発生機構として、本来の位置への復帰をしょうとする弾性体の付勢によつて発生させる態様が考えられる。駆動液タンク 61内部に置かれる弾性体としては、スプリングバネ 204、板バネ 203、スポンジ 200などの各種形態のものが使用できる。具体的には図 7 (a)に示すように駆動液タンク 61内にスポンジ 200を詰める（該スポンジ 200が駆動液を吸収しょうとする力により負圧が発生する）か、あるいはパネ（図中ではスプリングバネ 204、板バネ 203)などの力で駆動液が収容されているカートリッジ中袋 201を引っ張る形態が考えられる。このように弾性体の付勢により負圧を発生する限り、その弾性体の種類、形態および適用の態様は特に問わない。このような方式では、モーターといった電気的な動力源を必要としない単純な機構である。した力^て装置本体の簡素化、省電力化、低価格化を図ることができる。

[0038] 駆動液が駆動液タンク 61から送液されるに従レ、、タンク容量の減少に応じて弾性体の位置が変更されることにより、弾性体が元の位置へ戻ろうとする復元力が潜在的に発生する。駆動液の移動が停止されると、その弾性体の復元力の付勢に基づいてそれまでと反対方向への力が働き、負圧が発生することになる。

[0039] 負圧発生機構がカートリッジ型駆動液タンクに付設されている態様を述べたが、力ートリッジ型であることから駆動タンク 61の取り外しは容易である。また、負圧発生機構はこの態様に限定されるものではなレ、。なお、個々のマイクロポンプ 12にカートリツジ型駆動液タンクそれぞれを連通させる形態であってもよい。

[0040] 発生されるべき負圧は、上記タンク昇降方式に準じて— 5mmAqまでの圧力が生じるように設定されることが好ましい。同様に吐出回数力駆動液使用量を計算した結果などのデータを元に、上記の負圧を発生するように弾性体の変位する位置が決定される。

[0041] 上記の負圧発生機構を駆動液タンク 61に付設することにより、送液時には、マイク口ポンプ 12に少し余裕が出て安定した送液ができるようになり、さらに検查チップ 2の脱離時には液体の漏れ出しという事態はなくなる。

<検查チップ >

本発明で用いられる検查チップ 2は、マイクロリアクタとして化学分析、各種検查、試料の処理 ·分離などに利用されるように、各流路エレメントまたは構造部が、機能的に適当な位置に微細加工技術により配設されている。

[0042] 検査チップ 2には、各試薬を収容するための複数の試薬収容部が設けられ、この試薬収容部には所定の反応に用いる試薬類、洗浄液、変性処理液などが収容される。これは、場所や時間を問わず迅速に検査ができるように、予め試薬が収容されていることが望ましいためである。

[0043] 検査チップ 2は、例えば、流路などを構成するための溝を予め基板面に形成した溝形成基板と、この溝形成基板と密着される被覆基板とを用いて作製することができる。溝形成基板には、各構造部と、これらの構造部を連通させる流路が形成されている。このような構造部の具体例としては、各収容部 (試薬収容部、検体収容部など）および廃液貯留部などの液溜部と、弁基部、送液制御部（後述する図 9に示した撥水バルブ）、逆流防止部（逆止弁、能動弁など）、試薬定量部、混合部などの送液を制御するための部位と、反応部と、検出部と、を挙げることができる。被覆基板にもこのような構造部および流路が形成されてレ、てもよレ、。溝形成基板に被覆基板を密着させてこれらの構造部および流路を覆うことにより検查チップが構成される。なお、検查チップ内における反応を光学的に検出する場合には、上記の構造部のうち少なくとも検出部は光透過性の被覆基板を密着させて覆う必要がある。また、 3枚以上の基板を積層させて検査チップ 2を形成することもある。

[0044] 検査チップ 2は、通常は 1以上の成形材料を適宜に組み合わせて作製される。検査チップ 2の成形材料としては、例えば、プラスチック樹脂、各種の無機ガラス、シリコン、セラミックス、金属などが挙げられる。

[0045] 中でも、多数の測定検体、とりわけ汚染、感染のリスクのある臨床検体を対象とするチップに対しては、デイスポーサブルであることが望まれ、さらに多用途対応性、量産性などを具えることが望ましレ、点から、検查チップ 2の成形材料としてプラスチック樹脂を用いることが好ましい。

[0046] 溝形成基板など流路を形成加工する基板では、吸水による流路の変形などが起こりにくぐ微量の検体液が途中でロスすることなく送液されるように疎水性、撥水性のプラスチックが好ましレ、。このような材質には、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンビニノレアノレコール、ポリカーボネート、ポリメチルペンテン、フルォロカーボン、飽和環状ポリオレフィンなどの樹脂が例示される。中でもポリスチレンは、透明性、機械的特性および成型性に優れて微細加工がしゃすぐ溝形成基板の形成材料として好ましい。

[0047] 分析の都合により 100°C近くに加熱する必要がある場合には、耐熱性に優れる榭脂、例えばポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンツイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトンなどが基板の材料として使用される。

[0048] マイクロリアクタとしての検査チップ 2の流路は、基板上に目的に応じて予め設計された流路配置に従って形成される。液が流れる流路は、例えば、幅が数十〜数百 μ m、好ましくは 50〜200 μ m、深さ力 25〜300 μ m、好ましくは 50〜： 100 μ mに形成されるマイクロメーターオーダー幅の微細流路である。流路幅が狭まると流路抵抗が増大し、液の送出などに不具合が生じることがある。流路幅をあまり広くするとマイクロスケール空間の利点が薄まる。検查チップ 2全体の縦横のサイズは典型的には数十 mm、その高さは数 mm程度である。

[0049] 基板の各構造部および流路は、従来の微細加工技術によって形成することができる。典型的にはフォトリソグラフィ技術による感光性樹脂による微細構造の転写が好適であり、その転写構造を利用して、不要部分の除去、必要部分の付加、形状の転写が行われる。例えば、検査チップの構成要素を型どるパターンをフォトリソグラフィ技術により作製し、このパターンを樹脂に転写成形する。マイクロリアクタの微細流路を形成する基本的基板の材料には、サブミクロンの構造も正確に転写でき、機械的特性の良好なプラスチック樹脂が好ましく用いられる。中でもポリスチレン、ポリジメチルシロキサンなどは形状転写性に優れる。必要であれば、射出成形、押し出し成形などによって基板の各構造部および流路を形成する加工も行ってもよい。

[0050] 検查チップの微細流路における上流側、例えば試薬、検体などの各液を収容する収容部の上流側には、別途のマイクロポンプに接続するためのポンプ接続部が設けられる。ポンプ接続部には、上記の収容部に連通する流路開口が設けられており、この流路開口からマイクロポンプによって駆動液が供給され、各収容部の液が下流側へ押し出される。このような流路を通した液体の流通を具体的に図 8で説明する。図 8 は、本発明のマイクロ総合分析システムの一実施形態における検査チップの平面図である。この検査チップ 2には、試薬収容部 33a, 33b,および 33cの計 3つの流路に 3種類の試薬が収容されている。これらの試薬収容部の両端部 (試薬収容部 33aでは上流側の端部 34aおよび下流側の端部 34b)には、図 9に示した構造の送液制御部（撥水バルブ）が設けられ、これら撥水バルブの間の流路に試薬が封入されてレ、る

[0051] 図 9は、送液制御部（撥水バルブ）の断面図である。送液制御部 51は、細径の送液制御通路 52を備えている。送液制御通路 52は、その断面積 (流路に対して垂直な断面の断面積）力上流側の流路 53aおよび下流側の流路 53bの断面積よりも小さくなっている。

[0052] 流路壁がプラスチック樹脂などの疎水性の材質で形成されている場合には、送液制御通路 52に接する液 54は、流路壁との表面張力の差によって、下流側の流路 53 bへ通過することが規制される。

[0053] 下流側の流路 53bへ液 54を流出させる際には、マイクロポンプによって所定圧以上の送液圧力を加え、これによつて表面張力に抗して液 54を送液制御通路 52から下流側の流路 53bへ押し出す。液 54が流路 53bへ流出した後は、液 54の先端部を下流側の流路 53bへ押し出すのに要する送液圧力を維持せずとも液が下流側の流路 53bへ流れていく。すなわち、上流側から下流側への正方向への送液圧力が所定圧力に達するまで送液制御通路 52から先への液の通過が遮断され、所定圧以上の送液圧力が加わることにより液 54は送液制御通路 52を通過する。

[0054] なお、詳細な説明は省略するが、図 8の検查チップ 2の微細流路には、試薬収容部 33a〜33cの両端部以外の位置にも図 9の送液制御部 51が設けられており、例えば、試薬混合部 36と検体収容部 37における合流部 38側の端部などにもこの送液制御部が設けられて、その先の流路への送液開始のタイミングを制御している。

[0055] 図 8の試薬収容部 33a〜33cの上流側には、検查チップ 2の一方の面から外部へ開放された開口 32c〜32eが設けられている。これらの開口 32c〜32eは、検查チップ 2を後述するマイクロポンプユニットのチップ接続部に重ね合わせて接続した際に、マイクロポンプユニットの接続面（チップ接続部）に設けられた流路開口と位置合わせされてマイクロポンプに連通される。

[0056] なお、開口 32a, 32bおよび 32f〜32jも同様に、検査チップ 2とマイクロポンプュニットのチップ接続部との接続によってマイクロポンプに連通される。これらの開口 32a 〜 3 ¾を含むチップ面によってポンプ接続部 31が構成され、ポンプ接続部 31をマイクロポンプユニットの接続面（チップ接続部）に密着させることによって検査チップ 2とマイクロポンプユニット 11とが接続される。ポンプ接続部 31は、必要なシール性を確保して駆動液の漏出を防止するために、ポリテトラフルォロエチレン、シリコーン樹脂などの柔軟性 (弾性、形状追随性)をもつ樹脂によって密着面が形成されることが好ましレ、。このような柔軟性を有する密着面は、例えば検査チップの構成基板自体によるものであってもよく、また、ポンプ接続部における流路開口の周囲に貼着された柔軟性を有する別途の部材によるものであってもよい。

[0057] 流路 33a〜33cに収容された試薬は、開口 32c〜32eに連通するそれぞれ別途のマイクロポンプによって、図 9の送液制御部 51を通過して合流部 35へ流れ込み、その先に続く流路である試薬混合部 36で 3種類の各試薬が混合される。

[0058] 試薬混合部 36で混合された混合試薬は、検体収容部 37に収容された検体と合流部 38で合流する。なお、混合試薬は開口 32bに連通したマイクロポンプによって駆動液で下流へ押し出され、検体は開口 32aに連通したマイクロポンプによって駆動液で下流へ押し出される。混合試薬と検体との混合液は、反応部 39へ収容され加熱などによって反応が開始される。

[0059] 反応後の液は、検出部 40へ送液され、例えば光学的な検出方法などによって標的物質が検出される。なお、開口 32f〜3¾に連通するそれぞれ別途のマイクロポンプによって、これらの開口から先の流路に予め収容された各試薬 (例えば混合試薬と検体との反応を停止させる液、検出対象の物質に対して標識などの必要な処理を行うための液、洗浄液など）を所定のタイミングで下流へ押し出して送液するようにしている。

<マイクロポンプユニット >

図 4は、本発明のマイクロ総合分析システムの一実施形態におけるマイクロポンプユニットの斜視図、図 10はその断面図である。このマイクロポンプユニット 11は、好ましくはシリコン製の基板 17と、その上のガラス製の基板 18と、その上のガラス製の基板 19との 3つの基板から構成されている。基板 17と基板 18、および基板 18と基板 1 9は、それぞれ陽極接合や直接接合あるいは接着剤によって接合されている。なおこれらの基板の材料は例示に過ぎない。

[0060] シリコン製の基板 17と、その上に陽極接合によって貼り合わされたガラス製の基板

18との間の内部空間によってマイクロポンプ 12 (ピエゾポンプ）が構成されている。

[0061] 基板 17は、シリコンウェハをフォトリソグラフィ技術により所定の形状に加工したものである。例えば、シリコン基板面への酸化膜の形成、レジスト塗布、レジストの露光および現像、酸化膜のエッチング、 ICP (高周波誘導結合型プラズマ、 Inductively Cou pled Plasma)などによるシリコンのエッチングなどを含む微細加工によって、加圧室 2 2、第 1流路 23、第 1液室 25、第 2流路 24、および第 2液室 26が形成されている。

[0062] 加圧室 22の位置では、シリコン基板がダイヤフラムに加工され、その外側表面には、チタン酸ジノレコン酸鉛 (PZT)セラミックスなどからなる圧電素子 21が貼着されている。

[0063] このマイクロポンプ 12は、圧電素子 21への制御電圧によって次のように駆動される。印加された所定波形の電圧により圧電素子 21が振動するとともに、加圧室 22の位置におけるシリコンダイヤフラムが振動し、これによつて加圧室 22の体積が増減する。第 1流路 23と第 2流路 24とは、幅および深さが同じで、長さが第 1流路 23よりも第 2 流路 24の方が長くなつている。第 1流路 23では、差圧が大きくなると、流路内で渦を卷くように乱流が発生し、流路抵抗が増加する。一方、第 2流路 24では、流路幅が長レ、ので差圧が大きくなつても層流になり易ぐ第 1流路 23に比べて差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が小さくなる。

[0064] 例えば、圧電素子 21に対する制御電圧を調整することにより、加圧室 22の内部へ向力方向へ素早くシリコンダイヤフラムを変位させて大きい差圧を与えながら加圧室 22の体積を減少させ、次いで加圧室 22からその外側へ向力方向へゆっくりシリコンダイヤフラムを変位させて小さい差圧を与えながら加圧室 22の体積を増加させると、駆動液は図 10において右から左へ向力方向へ逆方向に送液される。

[0065] これとは反対に、加圧室 22からその外側へ向力、う方向へ素早くシリコンダイヤフラムを変位させて大きい差圧を与えながら加圧室 22の体積を増加させ、次いで加圧室 22の内部へ向力う方向へゆっくりシリコンダイヤフラムを変位させて小さい差圧を与えながら加圧室 22の体積を減少させると、駆動液は同図の左から右へ正方向に送液される。

[0066] なお、第 1流路 23と第 2流路 24における、差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合の相違は、必ずしも流路の長さの違いによる必要はなぐ他の形状的な相違に基づくものであってもよい。

[0067] マイクロポンプ 12による流量の制御は、圧電素子 21に印加する電圧を調整することにより行うことができる。圧電素子へ印加する最大電圧は、数ボルトから数十ボルト程度、最大で 100ボルト程度である。駆動電圧の周波数は Ι ΙΚΗζ程度である。

[0068] 圧電素子 21の駆動のための 2つの電極は、図示しないフレキシブル配線と接続される。シリコンダイヤフラムの表面に金電極を形成し、金電極の上に接着剤で圧電素子 21の片方の面を接着することによって、圧電素子 21の片方の電極が金電極と電気的に接続され、その金電極とフレキシブル配線とが接続される。また、圧電素子 21 の他方の面には金メッキが施され、その金メッキ部分にフレキシブル配線を直接に接糸する。 [0069] なお、マイクロポンプ 12を形成する基板としてシリコン基板以外のものを用いてもよく、例えば感光性のガラス基板などを用いてもょレ、。

[0070] また、マイクロポンプとして、上記のピエゾポンプ以外のもの、例えば逆止弁型のポンプなどを設けてもよいが、本発明ではピエゾポンプを用いることが好ましい。

[0071] シリコン製の基板 17の上に積層されるガラス製の基板 18， 19としては、例えば、パィレックス（登録商標）ガラス（Pyrexは Corning Glass Warks社の登録商標）、テンパックスガラス (Tempaxは Schott Glaswerk社の登録商標）などが用いられる。

[0072] 図 10では、開口 15から流路 20を通じてマイクロポンプ 12によって駆動液を供給するようにしてレ、る。基板 19には、流路 20がパターユングされている。一例として、流路 20の寸法および形状は、幅が 150 z m程度、深さが 300 z m程度の断面矩形状である。流路 20の下流側には、図 8の検查チップにおけるポンプ接続部の開口 32a〜 32kに位置合わせすることによりマイクロポンプ 12を検查チップの微細流路に連通させるための開口 15が設けられている。チップ接続部の開口 15は、検査チップの開口との位置合わせを適切に行うために必要であれば、流路 20の幅よりも大きいサイズとしてもよレ、。図 4に示したように、マイクロポンプユニット 11のチップ面における所望の位置に形成された開口 15から駆動液を出すことができるので、検査チップ側において、駆動液を所定位置まで送液するための引き回し用流路を省略または低減することができる。

[0073] 流路 20の上流側は、基板 18の貫通孔 16bを介して、基板 17に設けられた流路を通りマイクロポンプ 12に連通されている。また、マイクロポンプ 12の上流側は、基板 1 7に設けられた流路から基板 18の貫通孔 16aを介して、ガラス製の基板 19に設けられた開口 14に連通されている。この開口 14は不図示の駆動液タンクに接続されている。開口 14は、例えば、シリコーン樹脂のパッキンを介して駆動液タンクに接続される

[0074] なお、このマイクロポンプユニット 11はあくまでも一例であって、フォトリソグラフィ技術などによってマイクロポンプと、流路と、検查チップおよび駆動液タンクと連通させるための接続用開口とを形成した各種のマイクロポンプユニットを作製できる。例えば、マイクロポンプの構造をエッチングにより形成したシリコン基板、感光性ガラス基板などの上にガラス基板を積層し、その上に PDMSを貼り合わせ、さらにその上に、プラスチック、ガラス、シリコン、セラミックスなどからなり流路溝と上記の接続用開口とが形成された基板を貼り合わせることによってマイクロポンプユニットを構成することができる。

[0075] 図 4の例では、マイクロポンプとしてピエゾポンプを用いている。開口 15a， 15b, 15 cはそれぞれ、図 8の検查チップの開口 32c, 32d, 32eと連通される。マイクロポンプ 12によって流路 20、開口 15、開口 32を通じて駆動液を送液して試薬収容部 33に収容された試薬を下流へ押し出す。

<検体および標的物質 >

本発明のマイクロ総合分析システムは、遺伝子または核酸を始めとする各種の生体物質を標的物質とする検査に好適に用いることができる。遺伝子以外の生体物質、例えばタンパク質、酵素などの検查チップについても基本的な構成は、ほぼ同一になるといえる。通常は試薬類、緩衝液類 (希釈、洗浄などに使用する)などを変更すればよぐその場合、送液エレメントの配置、数などは変化するであろう。当業者であれば、例えばィムノアッセィ法のために必要なエレメントなどを検査チップ上に搭載し、若干の流路変更、仕様の変更を含む修正を施すことにより、分析の種類を容易に変更することができる。

[0076] 以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形、変更が可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 一連の微細流路が設けられ、微細流路における試薬の収容位置よりも上流側にマイク口ポンプへ連通させる流路開口部が設けられた検查チップと、

試薬を上流側から押して検查チップの微細流路の下流方向へ送液する駆動液を収容した駆動液タンクと、

一枚のチップの面方向における各位置に複数のマイクロポンプが設けられ、それぞれのマイクロポンプの上流側が駆動液タンクへ連通され、その下流側に検査チップの微細流路へ連通させる流路開口部が設けられたマイクロポンプユニットと、該マイクロポンプユニットおよび該駆動液タンクが 1つの収納体に収納されて一体化されたシステム装置本体と、

を備え、検査チップをマイクロポンプユニットに対してこれらの流路開口部が重なるように接続した後、マイクロポンプによって駆動液を検査チップの微細流路へ送液し、試薬を下流側へ押し出すことにより試薬と検体とを合流させて反応させ、該反応を検出することによって検体中の標的物質を分析するマイクロ総合分析システムであつて、

検査チップをシステム装置本体に装着した状態で検体の分析が行われ、該検查チップのシステム装置本体からの着脱に対応して、マイクロポンプユニットの流路開口部における送液圧力の向きを変更させる機構を有することを特徴とするマイクロ総合分析システム。

[2] マイクロポンプユニットにおけるすべてのマイクロポンプが 1つの駆動液タンクに連通され、該駆動液タンクに収容された駆動液がそれぞれのマイクロポンプから検查チップの微細流路へ送液されることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のマイクロ総合分析システム。

[3] 少なくともマイクロポンプユニットの開口部から検查チップが離脱するときに、該チップと接合していたマイクロポンプユニットの流路開口部には、該ポンプの吐出方向とは逆向きの圧力力 Sかかっていることを特徴とする、請求の範囲第 1項または第 2項に

[4] 検査チップの離脱の時のみ、該チップと接合していたマイクロポンプユニットの流路開口部に、ポンプの吐出方向とは逆向きの圧力が負圧として働くことを特徴とする請求の範囲第 1項〜第 3項のいずれかに記載のマイクロ総合分析システム。

[5] 前記の逆向きの圧力または負圧は、駆動液タンク内の水面がチップとの接合部よりも低くすることにより発生させることを特徴とする、請求の範囲第 3項または第 4項に記載のマイクロ総合分析システム。

[6] 前記駆動液タンクが上下に移動可能であることを特徴とする請求の範囲第 1項〜第

5項のいずれかに記載のマイクロ総合分析システム。

[7] 前記マイクロポンプユニットの流路開口部における圧力の向きの変更は、カートリツジ型の駆動液タンクに付設された負圧発生機構によることを特徴とする、請求の範囲第 1項〜第 4項のいずれかに記載のマイクロ総合分析システム。

[8] 前記負圧発生機構は弾性体の復元力に基づく付勢によって発生させることを特徴とする請求の範囲第 7項に記載のマイクロ総合分析システム。

[9] 前記負圧の絶対値が最大 5mmAqであることを特徴とする請求の範囲第 1項〜第 8 項のいずれかに記載のマイクロ総合分析システム。

[10] 前記マイクロポンプは、

流路抵抗が差圧に応じて変化する第 1流路と、

電圧によって駆動され該加圧室の内部圧力を変化させるァクチユエータと、を備えることを特徴とする請求の範囲第 1項〜第 9項のいずれかに記載のマイクロ総合分析システム。