JP2007021351A - 化学反応用カートリッジおよび化学反応処理システム - Google Patents

化学反応用カートリッジおよび化学反応処理システム Download PDF

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Abstract

【課題】汎用的で多様な処理を可能とした化学反応用カートリッジおよび化学反応処理システムを提供する。
【解決手段】外力を加えた際の変形によって内部の送液を行うことで化学反応を生じさせる化学反応用カートリッジ１０において、外力によって開閉状態が各々切り替え可能とされた複数の流路２２が、カートリッジ１０内部で互いに接続されて形成されている。複数の流路２２が網目状に接続されていてもよい。流路２２の接続点にウェル２１を設けてもよい。ウェル２１の領域に外力を受けたときに、ウェル２１内の液が当該ウェル２１に接続された流路２２を介して押し出されるように送液されてもよい。カートリッジ１０外部からカートリッジ１０内部に試料を受け入れる流路２２ａを備えてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、外力を加えた際の変形によって内部の送液を行うことで化学反応を生じさせる化学反応用カートリッジ、および化学反応用カートリッジを取り扱う化学反応処理システムに関する。
外力を加えた際の変形によって内部の送液を行うことで化学反応を生じさせる化学反応用カートリッジが知られている（特許文献１参照）。また、ウエハ上で液滴をクーロン力や電気泳動で動かす汎用実験システムが知られている（特許文献２参照）。
特開２００５−３７３６８号公報
第３１６６１４４号特許公報
上記の汎用実験システムでは液滴を所定の手順に従って移動させることで、所望の実験を行うことができる。しかし、液滴をウエハ上で外気に晒すため液滴の蒸発が避けられないという不都合がある。また、複数種類の液滴の混合、あるいは液滴への加圧、加熱等、多様な処理が困難であるという問題がある。
本発明の目的は、外力を加えた際の変形によって送液を行う上記カートリッジの原理を用いつつ、汎用的で多様な処理を可能とした化学反応用カートリッジおよび化学反応処理システムを提供することにある。
本発明の化学反応用カートリッジは、外力を加えた際の変形によって内部の送液を行うことで化学反応を生じさせる化学反応用カートリッジにおいて、外力によって開閉状態が各々切り替え可能とされた複数の流路が、カートリッジ内部で互いに接続されて形成されていることを特徴とする。
この化学反応用カートリッジによれば、外力によって開閉状態が各々切り替え可能とされた複数の流路が、カートリッジ内部で互いに接続されているので、カートリッジを多様な用途に適用できる。
前記複数の流路が網目状に接続されていてもよい。
前記流路の接続点にウェルを設けてもよい。
前記ウェルの領域に外力を受けたときに、ウェル内の液が当該ウェルに接続された流路を介して押し出されるように送液されてもよい。
カートリッジ外部からカートリッジ内部に試料を受け入れる導入路を備えてもよい。
外力によって前記カートリッジの外部に液を排出する排出路が形成されていてもよい。
本発明の化学反応処理システムは、外力を加えた際の変形によって内部の送液を行うことで化学反応を生じさせる化学反応用カートリッジを取り扱う化学反応処理システムにおいて、前記カートリッジ内部には、互いに接続された複数の流路が形成され、前記化学反応処理システムは、前記カートリッジに外力を与えて個々の流路の開閉状態を切り替えるアクチュエータを備えることを特徴とする。
この化学反応処理システムによれば、カートリッジに外力を与えて個々の流路の開閉状態を切り替えるアクチュエータを備えるので、カートリッジを多様な用途に適用できる。
前記複数の流路が網目状に接続されていてもよい。
前記流路の接続点にはウェルが設けられ、前記化学反応処理システムは、前記カートリッジに外力を与えて、ウェル内の液を当該ウェルに接続された流路を介して押し出すように送液するアクチュエータを備えてもよい。
前記アクチュエータの動作手順を予め記憶する記憶手段と、記憶された前記動作手順に従って前記アクチュエータを動作させるアクチュエータ制御手段と、を備えてもよい。
この場合には、記憶された動作手順に従ってアクチュエータを動作させるので、複雑な手順であっても、容易に実行できる。
前記カートリッジの状態を検出する検出手段と、前記検出手段により検出結果に応じて、前記カートリッジの状態を制御する状態制御手段と、を備えてもよい。
本発明の化学反応用カートリッジによれば、外力によって開閉状態が各々切り替え可能とされた複数の流路が、カートリッジ内部で互いに接続されているので、カートリッジを多様な用途に適用できる。
本発明の化学反応処理システムによれば、カートリッジに外力を与えて個々の流路の開閉状態を切り替えるアクチュエータを備えるので、カートリッジを多様な用途に適用できる。
以下、図１〜図６を参照して、本発明による化学反応用カートリッジの実施例について説明する。
図１（ａ）は本実施例の化学反応用カートリッジを示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、本実施例の化学反応用カートリッジ１０は、基板１と、基板１に重ね合わされる弾性部材２とを備える。
弾性部材２の裏面（図１（ｂ）において下面）には、その表面（図１（ｂ）において上面）側に凹んだ所定形状の凹部が形成されている。この凹部は、カートリッジ基板１と弾性部材２との間に空間を生み出すことで、マトリクス状に配列されたウェル２１，２１，・・・と、隣り合ったウェル２１を互いに接続する流路２２，２２，・・・とを構成する。
上記凹部以外の領域では、基板１と弾性部材２とは互いに接着されている。このため、凹部に収容された溶液がカートリッジ内で密閉可能とされ、外部への漏れが防止される。またカートリッジ内の溶液が蒸発するおそれがない。
ウェル２１ａに接続された流路２２ａはカートリッジ１０の側面から外部に連通しており、試料等をウェル２１ａに受け入れるための導入路として機能する。ウェル２１ｂに接続された流路２２ｂおよびウェル２１ｃに接続された流路２２ｃも同様である。
また、ウェル２１ｄに接続された流路２２ｄはカートリッジ１０の側面から外部に連通しており、ウェル２１ｄ内部の液を排出する排出路として機能する。
図２はカートリッジ１０と組み合わせて使用される化学反応処理システム５０の構成を示すブロック図である。
図２に示すように、化学反応処理システム５０は、複数のアクチュエータ５１，５１，・・・およびアクチュエータ５３，５３，・・・と、複数のアクチュエータ５１，５１，・・・をそれぞれ独立して駆動する複数の駆動回路５２，５２，・・・と、複数のアクチュエータ５３，５３，・・・をそれぞれ独立して駆動する複数の駆動回路５４，５４，・・・と、駆動回路５２，５２，・・・および駆動回路５４，５４，・・・を制御する制御部５５と、プログラムやデータを格納する格納部５６とを備える。
図３はアクチュエータ５１，５１，・・・およびアクチュエータ５３，５３，・・・により駆動される制御部材の配置を示す図である。図３（ａ）は制御部材の配置を、図３（ｂ）はカートリッジ１０と制御部材との位置関係を、それぞれ示している。
図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、アクチュエータ５１，５１，・・・により駆動される制御部材６１，６１，・・・は、カートリッジ１０のウェル２１，２１，・・・に対応する位置にマトリクス状に配置されている。また、アクチュエータ５３，５３，・・・により駆動される制御部材６３，６３，・・・は、カートリッジ１０の流路２２，２２，・・・に対応する位置に配置されている。図３（ｂ）に示すように、制御部材６３は、その長手方向が、対応する流路２２に直交するような向きに配置される。
次に、化学反応処理システム５０の動作について説明する。
カートリッジ１０を化学反応処理システム５０の所定部位に載置すると、図３（ｂ）に示す位置関係が確保される。このとき、図４（ａ）に示すように、ウェル２１，２１，・・・の上に制御部材６１，６１，・・・が、流路２２，２２，・・・の上に制御部材６３，６３，・・・が、それぞれ位置付けられる。
図４（ｂ）に示すように、対応するアクチュエータ５３により制御部材６３を下方に駆動すると、制御部材６３が対応する流路２２を押し潰し、流路２２が閉塞される。制御部材６３を上方に戻すと弾性部材２の復元力により流路２２の形状が復元し、流路２２が開放される。このように、流路２２はバルブとして機能する。
図４（ｃ）に示すように、対応するアクチュエータ５１により制御部材６１を下方に駆動すると、制御部材６１が対応するウェル２１を押し潰す。制御部材６１を上方に戻すと弾性部材２の復元力により、ウェル２１の形状が復元する。
化学反応処理システム５０では、制御部材６１および制御部材６３を所定の手順で駆動することで、流路２２の開閉およびウェル２１の状態を独立して制御し、種々の操作を実行できる。
図５はカートリッジ１０を用いた操作を例示している。
図５（ａ）では、流路２２ｅ、流路２２ｆおよび流路２２ｇを閉じ、流路２２ｈを開いた状態で、ウェル２１ｅを押し潰している。これにより、流路２２ｈを介してウェル２１ｅからウェル２２ｆに送液している。
図５（ｂ）では、流路２２ｅおよび流路２２ｆを閉じ、流路２２ｇおよび流路２２ｈを開いた状態で、ウェル２１ｅを押し潰している。これにより、流路２２ｇおよび流路２２ｈを介して、ウェル２１ｅからウェル２１ｆおよびウェル２１ｇの２方向に送液している。
図５（ｃ）では、流路２２ｆを閉じ、流路２２ｅ、流路２２ｇおよび流路２２ｈを開いた状態で、ウェル２１ｅを押し潰している。これにより、流路２２ｅ、流路２２ｇおよび流路２２ｈを介して、ウェル２１ｅからウェル２１ｆ、ウェル２１ｇおよびウェル２１ｈの３方向に送液している。
図５（ｄ）では、流路２２ｐおよび流路２２ｑのみを開いた状態で、ウェル２１ｐおよびウェル２１ｑを同時に押し潰している。これにより、ウェル２１ｐ内の液体と、ウェル２１ｑ内の液体とをウェル２１ｒに向けて送り出し、ウェル２１ｒにおいて両者の液体を混合している。
本実施例では、格納部５６に格納されたプログラムに従って制御部材６１および制御部材６３をコンピュータ制御により駆動し、所定の操作を順次実行している。したがって、多数の操作からなる複雑な手順に対しても容易に対応できる。操作の手順はユーザがプログラムあるいはデータを介して、自由にデザインできる。したがって、カートリッジ１０を任意の目的で使用することができ、化学反応処理システム５０は実験用の汎用システムとして好適である。ユーザが所定の試薬等をカートリッジに注入し、所定のプログラムを実行すれば、所望の操作手順が自動的に実行される。
化学反応の種類は限定されず、例えば、種々の物質の検出のための化学反応や所定の生成物、たとえばエポキシ樹脂等の生成を目的とすることもできる。所定の物質を検出するための検出用チップをカートリッジに内蔵することもできる。この場合、検出用チップを内蔵したままの状態で光や電界をカートリッジに与え、各種の前処理や検出を行うこともできる。
カートリッジの目的に応じて、排出路を省略してもよい。カートリッジの密閉状態を保持したまま廃棄することができるため安全性を確保できる。カートリッジを焼却可能な材質（例えば、ＰＤＭＳ）で作成すれば、ウィルス感染等の危険も回避できる。
上記実施例では、カートリッジに対して一方向から制御部材を押し当てているが、両側から挟みこむように制御部材を押し当ててもよい。また、１つのウェルを複数の領域に分割し、領域ごとに制御部材を割り当ててもよい。この場合、送液方向に沿って制御部材の駆動タイミングをずらすことにより、滑らかで確実な送液を行える。
上記実施例では弾性部材２を変形させることで流路を開閉している。しかし、流路にバルブの機構を設け、外力によって機構を駆動してもよい。例えば、図６に示すように、流路２２Ａの途中にシール部材７１を介してスライド部材７を取り付け、このスライド部材７を駆動することで流路２２Ａの開閉を行ってもよい。
流路およびウェルの配置方法は上記実施例に限定されない。また、上記実施例では、流路を２次元的に配置しているが、流路を３次元的に設けてもよい。例えば、基板の両側に弾性部材を設けることで、基板の両面に流路を形成してもよい。必要に応じて基板に形成されたスルーホールを介して、両側の流路を接続することもできる。
熱電対等のセンサ９をカートリッジに設け、制御部５５においてセンサ９からの情報に基づくフィードバック制御を実行してもよい（図２）。フィードバック制御により、例えば、カートリッジの温度を正確に制御可能となる。
制御部材をヒータあるいは加振器として兼用してもよい。また、制御部材によるウェルへの加圧を行ってもよい。また、制御部材に温度センサ等のセンサを設けてもよい。このような機能を付加することで、カートリッジに対する操作手段を多様化できる。
本発明の化学反応用カートリッジおよび化学反応処理システムは、上記実施例に限定されない。本発明は外力を加えた際の変形によって内部の送液を行う化学反応用カートリッジおよび、このようなカートリッジを取り扱うシステムに対し広く適用される。
本実施例の化学反応用カートリッジの構成を示す図であり、（ａ）は本実施例の化学反応用カートリッジを示す平面図、（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉｂ線における断面図。 化学反応処理システムの構成を示すブロック図。 アクチュエータにより駆動される制御部材の配置を示す図であり、（ａ）は制御部材の配置を、（ｂ）はカートリッジと制御部材との位置関係を、それぞれ示す図。 制御部材の機能を示すカートリッジの断面図。 カートリッジを用いた操作の手順を例示する図。 スライド部材により流路の開閉を行う構成を示す図。
符号の説明
９ センサ（検出手段）
１０ 化学反応用カートリッジ
２１ ウェル
２２ 流路
２２ａ 流路（導入路）
２２ｄ 流路（排出路）
５１ アクチュエータ
５３ アクチュエータ
５５ 制御部（アクチュエータ制御手段、状態制御手段）
５６ 格納部（記憶手段）

Claims (11)

  1. 外力を加えた際の変形によって内部の送液を行うことで化学反応を生じさせる化学反応用カートリッジにおいて、
    外力によって開閉状態が各々切り替え可能とされた複数の流路が、カートリッジ内部で互いに接続されて形成されていることを特徴とする化学反応用カートリッジ。
  2. 前記複数の流路が網目状に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の化学反応用カートリッジ。
  3. 前記流路の接続点にウェルを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の化学反応用カートリッジ。
  4. 前記ウェルの領域に外力を受けたときに、ウェル内の液が当該ウェルに接続された流路を介して押し出されるように送液されることを特徴とする請求項３に記載の化学反応用カートリッジ。
  5. カートリッジ外部からカートリッジ内部に試料を受け入れる導入路を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の化学反応用カートリッジ。
  6. 外力によって前記カートリッジの外部に液を排出する排出路が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の化学反応用カートリッジ。
  7. 外力を加えた際の変形によって内部の送液を行うことで化学反応を生じさせる化学反応用カートリッジを取り扱う化学反応処理システムにおいて、
    前記カートリッジ内部には、互いに接続された複数の流路が形成され、
    前記化学反応処理システムは、前記カートリッジに外力を与えて個々の流路の開閉状態を切り替えるアクチュエータを備えることを特徴とする化学反応処理システム。
  8. 前記複数の流路が網目状に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の化学反応処理システム。
  9. 前記流路の接続点にはウェルが設けられ、
    前記化学反応処理システムは、前記カートリッジに外力を与えて、ウェル内の液を当該ウェルに接続された流路を介して押し出すように送液するアクチュエータを備えることを特徴とする請求項７または８に記載の化学反応処理システム。
  10. 前記アクチュエータの動作手順を予め記憶する記憶手段と、
    記憶された前記動作手順に従って前記アクチュエータを動作させるアクチュエータ制御手段と、
    を備えることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の化学反応処理システム。
  11. 前記カートリッジの状態を検出する検出手段と、
    前記検出手段により検出結果に応じて、前記カートリッジの状態を制御する状態制御手段と、
    を備えることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の化学反応処理システム。
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