JP2008122179A - マイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システム - Google Patents

Abstract

【課題】検体あるいは試薬等の液体を所定の分割比で正確に分割して送液することのできる複数に分岐した分割流路を備え、複数の反応を並列に行うことで、分析に要する時間を短縮することのできるマイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システムを提供すること。
【解決手段】分割流路の有する高流路抵抗部の流路抵抗値と、該高流路抵抗部が含まれる分割流路の流量、その他の分割流路の流路の断面積、断面の周長、送液される液体の表面張力との関係が所定の関係を満たすように高流路抵抗部の流路抵抗値を設定することにより、検体あるいは試薬等の液体を所定の分割比で正確に分割して送液することのできる複数に分岐した分割流路を実現することができ、複数の反応を並列に行うことで分析に要する時間を短縮することのできるマイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システムを提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システムに関し、特に、検体あるいは試薬等の液体を所定の分割比で分割して送液するための複数に分岐した分割流路を備えたマイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システムに関する。

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、センサーなど）を微細化して１チップ上に集積化したマイクロ総合分析チップが開発されている。

マイクロ総合分析チップは、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。現実には遺伝子検査に見られるように、煩雑な工程、熟練した手技、機器類の操作が必要とされる場合には、自動化、高速化および簡便化されたマイクロ化分析システムは、コスト、必要試料量、所要時間のみならず、時間および場所を選ばない分析を可能とすることによる恩恵は多大と言える。

このようなマイクロ総合分析チップを用いた分析、検査等においては、検体を複数に分割してその各々を異なる試薬と反応させる、つまり複数の反応を並列に行うことで、分析に要する時間を短縮することが重要である。さらに、定量的な分析、検査等においては、検体と試薬を正確な混合比で混合して反応させることが重要であり、そのためには、検体や試薬を正確な分割比で分割する方法が重要である。

従来のマイクロ総合分析チップにおいては、液体を分割する技術として、所謂２相分配法での反応後の溶液の分離方法が知られており、例えば、並行して流れる２相流の各層の溶解度の違いを利用して溶液に溶解している微小物を分配することにより、２相流を混合することなく分離したままで反応を行わせ、分岐部で各層を層間で分離して分岐部に流す方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

あるいは、流路の内面に処理を施すことで、２相流の界面を安定させたまま分岐部まで送液し、分岐部でそれぞれの液体を安定して分岐させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−２８１２３３号公報 特開２００５−３３１２８６号公報

しかし、特許文献１および２の方法は、共に、２相分配法での反応後の液体を相間で分離するための方法であり、上述したように検体や試薬を正確な分割比で分割することは想定されていない。特に、分割比が１対１以外の場合には、単純に流路を２分割するだけでは不可能であり、新規な方法が必要である。

さらに、マイクロ総合分析チップにおいては、流路の断面寸法が非常に微細なため、流路の内壁面と流体との間の毛管力等の相互作用の影響が大きい。この力は流路の内壁面の表面状態（面荒れや表面への付着物など）の影響を極めて受けやすく、たとえ特許文献２に示したような内面処理を施しても、これらの影響によって分割比のバラツキが生じやすく、分割比１対１を含めて、正確な分割比を実現するには、何らかの新規な対応が必要である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、検体あるいは試薬等の液体を所定の分割比で正確に分割して送液することのできる複数に分岐した分割流路を備え、複数の反応を並列に行うことで、分析に要する時間を短縮することのできるマイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システムを提供することを目的とする。

本発明の目的は、下記構成により達成することができる。

１．液体を送液するための主流路と、
前記主流路から送液された液体を所定の分割比で分割して送液するための複数に分岐された分割流路とを備え、
複数に分岐された前記分割流路の各々は、流路の一部を前後の流路よりも細く絞って流路抵抗を高めた高流路抵抗部を有し、
前記高流路抵抗部のうちの何れかの流路抵抗値をＲ、その高流路抵抗部が含まれる分割流路の流量の値をＱとし、
その他の分割流路の流路の断面積をＳ、断面の周長をＬ、送液される液体の表面張力をσとしたとき、
Ｒ×Ｑ＞σ×Ｌ÷Ｓ
となるように、前記高流路抵抗部のうちの何れかの流路抵抗値Ｒが設定されていることを特徴とするマイクロ総合分析チップ。

２．複数に分岐された前記分割流路の各々は、少なくとも１つの撥水バルブを有し、
前記高流路抵抗部のうちのいずれかの流路抵抗値をＲ、その高流路抵抗部を含む分割流路の流量の値をＱとし、その他の分割流路の有する撥水バルブの液体保持圧力の上限値をＰとしたとき、
Ｒ×Ｑ＞Ｐ
となるように前記高流路抵抗部のうちのいずれかの流路抵抗値Ｒが設定されていることを特徴とする１に記載のマイクロ総合分析チップ。

３．１または２に記載のマイクロ総合分析チップと、
前記マイクロ総合分析チップと接続され、前記マイクロ総合分析チップ内において液体を送液するための送液装置と、
前記マイクロ総合分析チップ上で生成される標的物質を検出する検出部とを備えたことを特徴とするマイクロ総合分析システム。

本発明によれば、分割流路の有する高流路抵抗部の流路抵抗値と、該高流路抵抗部が含まれる分割流路の流量、その他の分割流路の流路の断面積、断面の周長、送液される液体の表面張力との関係が所定の関係を満たすように高流路抵抗部の流路抵抗値を設定することにより、検体あるいは試薬等の液体を所定の分割比で正確に分割して送液することのできる複数に分岐した分割流路を実現することができ、複数の反応を並列に行うことで分析に要する時間を短縮することのできるマイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システムを提供することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。なお、図中、同一あるいは同等の部分には同一の番号を付与し、重複する説明は省略する。

まず、本発明におけるマイクロ総合分析システムについて、図１を用いて説明する。図１は、マイクロ総合分析システムの一例を示す模式図である。

図１において、本発明におけるマイクロ総合分析システムである検査装置１は、本発明におけるマイクロ総合分析チップである検査チップ１００、検査チップ内の送液を行うマイクロポンプユニット２１０、検査チップ内の反応を促進および抑制するための加熱冷却ユニット２３０、検査チップ内の反応によって得られる生成液に含まれる標的物質を検出する検出部２５０、および検査装置内の各部の駆動、制御、検出等を行う駆動制御部２７０等で構成される。ここに、マイクロポンプユニット２１０は、本発明における送液装置として機能する。送液装置としては、その他に空気圧によって送液を行う空気圧ポンプ等も用いることができる。

マイクロポンプユニット２１０は、送液を行うマイクロポンプ２１１、マイクロポンプ２１１と検査チップ１００とを接続するチップ接続部２１３、送液のための駆動液２１６を供給する駆動液タンク２１５および駆動液タンク２１５からマイクロポンプ２１１に駆動液２１６を供給するための駆動液供給部２１７等で構成される。駆動液タンク２１５は、駆動液２１６の補充のために駆動液供給部２１７から取り外して交換可能である。マイクロポンプ２１１上には１個または複数のポンプが形成されており、複数の場合は、各々独立にあるいは連動して駆動可能である。

加熱冷却ユニット２３０は、ペルチエ素子等で構成される冷却部２３１およびヒータ等で構成される加熱部２３３等で構成される。もちろん、加熱部もペルチエ素子で構成してもよい。検出部２５０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）２５１および受光素子（ＰＤ）２５３等で構成され、検査チップ内の反応によって得られる生成液に含まれる標的物質を光学的に検出する。

検査チップ１００は、一般に分析チップ、マイクロリアクタチップなどとも称されるものと同等であり、例えば、樹脂、ガラス、シリコン、セラミックスなどを材料とし、そこに微細加工技術によりその幅および高さが数μｍ〜数百μｍのレベルの微細な流路を形成したものである。検査チップ１００のサイズは、通常、縦横が数十ｍｍ、高さが数ｍｍ程度である。

検査チップ１００とマイクロポンプ２１１とはチップ接続部２１３で接続されて連通され、マイクロポンプ２１１が駆動されることにより、検査チップ１００内の複数の収容部に収容されている各種試薬や検体が、マイクロポンプ２１１からチップ接続部２１３を介して検査チップ１００に流入する駆動液２１６により送液される。

次に、本発明における検査チップ１００の第１の実施の形態について、図２を用いて説明する。図２は、検査チップ１００の第１の実施の形態を示す模式図である。ここでは、検体を２つの流路に分割して、２種類の試薬と別々に反応させて複数項目の分析や検査を行うための流路の構成例について説明する。

図２において、検査チップ１００は、検体貯留部１０１に検体３０１が注入されており、試薬Ａ貯留部１０３および試薬Ｂ貯留部１０５にそれぞれ試薬Ａ３０３および試薬Ｂ３０５が注入されている。検体貯留部１０１、試薬Ａ貯留部１０３および試薬Ｂ貯留部１０５のそれぞれの上流にはマイクロポンプ２１１が接続されるポンプ接続部１０７ａ、１０７ｂおよび１０７ｃが設けられ、マイクロポンプ２１１から送り込まれる駆動液２１６によって、検体３０１、試薬Ａ３０３および試薬Ｂ３０５が下流に送液される。

検体貯留部１０１の下流には検体主流路１１１が設けられ、検体主流路１１１の下流には分岐部１２１が設けられている。本例では分岐部１２１は２分岐として説明するが、３分割以上の多分割でも同様である。分岐部１２１の一方の下流には、第１分割路１２３が設けられ、第１分割路１２３には、流路の断面を前後の流路よりも細く絞って流路抵抗を高めた長さＬ１の第１高流路抵抗部１２３ａが設けられ、同様に、分岐部１２１の他方の下流には第２分割路１２５が設けられ、第２分割路１２５には、長さＬ２の第２高流路抵抗部１２５ａが設けられている。ここに、分岐部１２１、第１分割路１２３および第２分割路１２５は本発明における分割流路として機能する。

なお、上述した「流路抵抗」とは、流路に対して加わる単位圧力あたりの液体の流量の逆数に相当し、流路の入口に所定の圧力をかけて流体を流した時の流量を測定し、圧力を流量で割ることにより求めることができる。詳細は後述する。

試薬Ａ貯留部１０３の下流には試薬Ａ主流路１１３が設けられ、第１分割路１２３と試薬Ａ主流路１１３とは、撥水バルブ１３３よび１３５を介して第１合流部１３１で合流し、第１合流部１３１の下流には第１混合路１４１が設けられ、第１混合路１４１の下流には第１検出部１４３が設けられている。第１合流部１３１で合流した検体３０１と試薬Ａ３０３とは、第１混合路１４１で混合されて第１検出部１４３に注入され、第１検出部１４３で反応して反応生成液が生成され、検出部２５０により反応生成液に含まれる標的物質が光学的に検出される。撥水バルブの詳細については後述する。

同様に、試薬Ｂ貯留部１０５の下流には試薬Ｂ主流路１１５が設けられ、第２分割路１２５と試薬Ｂ主流路１１５とは、撥水バルブ１５３よび１５５を介して第２合流部１５１で合流し、第２合流部１５１の下流には第２混合路１６１が設けられ、第２混合路１６１の下流には第２検出部１６３が設けられている。第２合流部１５３で合流した検体３０１と試薬Ｂ３０５とは、第２混合路１６１で混合されて第２検出部１６３に注入され、第２検出部１６３で反応して反応生成液が生成され、検出部２５０により反応生成液に含まれる標的物質が光学的に検出される。

一例として、試薬Ａ３０３と検体３０１との混合比を３：１、試薬Ｂ３０５と検体３０１の混合比を１：１とし、第１検出部１４３および第２検出部１６３の容積はいずれも４ｎｍ³であるとする。この場合、試薬Ａ３０３の第１検出部１４３への送液量は３ｎｍ³、検体３０１の第１検出部１４３への送液量は１ｎｍ³であり、検体３０１の第２検出部１６３への送液量は２ｎｍ³、試薬Ｂ３０５の第２検出部１６３への送液量は２ｎｍ³である。

これを実現するには、検体３０１を１：２の流量比で分割して送液する必要がある。そのために、第１分割路１２３に長さＬ１の第１高流路抵抗部１２３ａを、第２分割路１２５に長さＬ２の第２高流路抵抗部１２５ａを設け、それぞれの流路抵抗値の比が２：１になるように設定した。具体的には、第１高流路抵抗部１２３ａのＬ１＝５．０ｍｍ、第２高流路抵抗部１２５ａの長さＬ２＝２．５ｍｍとした。第１高流路抵抗部１２３ａおよび第２高流路抵抗部１２５ａの幅はいずれも５０μｍで、深さはいずれも４０μｍである。液体の粘度を１ｍＰａ・ｓ（２０℃の水に相当）とすると、第１高流路抵抗部１２３ａおよび第２高流路抵抗部１２５ａの流路抵抗値は、それぞれ４０×１０¹²（Ｎ・ｓ／ｍ⁵）、２０×１０¹²（Ｎ・ｓ／ｍ⁵）、である。

ここで、「流路抵抗」について詳述すると、「流路抵抗」とは、流路に対して加わる単位圧力あたりの液体の流量の逆数に相当し、流路の入口に所定の圧力をかけて流体を流した時の流量を測定し、圧力を流量で割ることにより求めることができる。特に、上述した例のように細くて長い流路であって、流路内での液体の流れが層流が支配的であるならば、流路抵抗値Ｒは以下の式で算出することができる。

但し、ηは液体の粘度、Ｓは流路の断面積、φは流路の等価直径、Ｌは流路の長さである。また、等価直径φは、幅：ａ、高さ：ｂの長方形断面の場合、以下で表される。

φ＝（ａ×ｂ）／｛（ａ＋ｂ）／２｝・・・（２式）
次に、上述した検査チップ１００の第１の実施の形態における送液の手順について説明する。まず、ポンプ接続部１０７ａ、１０７ｂおよび１０７ｃに接続された３つのマイクロポンプ２１１が同時に２ｋＰａ程度の比較的弱めの圧力で駆動される。このとき、検体３０１、試薬Ａ３０３および試薬Ｂ３０５は、それぞれ下流に送液され、撥水バルブ１３３、１３５、１５３および１５５に達したところで、撥水バルブの撥水性による液体保持力によって送液が停止される。なお、この例での撥水バルブの幅は２５μｍであり、この撥水バルブの液体保持力は約４ｋＰａ程度である。

ここに、撥水バルブとは、疎水性で、幅が狭まった細流路であり、液体を所定の圧力以下で送液した場合には、細流路の撥水力によって液の流れをその場で停止させることができるものである。上述した例では、マイクロポンプ２１１による送液に際して、撥水バルブ１３３と１３５、および撥水バルブ１５３と１５５とを介して検体３０１と試薬Ａ３０３および検体３０１と試薬Ｂ３０５を第１合流部１３１および第２合流部１５１に導くことで、送液のタイミングを一致させることができ、正確な混合比で検体３０１と試薬Ａ３０３および検体３０１と試薬Ｂ３０５を混合することができる。

次に、３つのマイクロポンプ２１１から撥水バルブの液体保持力を超える圧力（例えば１０ｋＰａ以上）が同時に加えられると、検体３０１と試薬Ａ３０３、および検体３０１と試薬Ｂ３０５とは、それぞれ第１合流部１３１および第２合流部１５１で同時に合流し、第１混合路１４１および第２混合路１６１に流れ込んで混合されて第１検出部１４３および第２検出部１６３に注入される。

このとき、検体３０１は分岐部１２１で、第１高流路抵抗部１２３ａと第２高流路抵抗部１２５ａの抵抗値の比の逆数に従い、１：２の分割比で２つに分割されて送液される。試薬Ａ３０３および試薬Ｂ３０５は、マイクロポンプ２１１の送液圧力によって任意の送液量で送液できるので、前述したような所望の送液量で、かつ所望の混合比での混合が可能になる。

なお、流路の断面寸法が数十μｍのオーダーの検査チップの場合、流路の内壁面と液体との間に働く毛管力等の相互作用力が送液に大きな影響を与える。このような相互作用力は、流路の内壁面の荒れや内壁面への付着物等といった流路の表面状態の影響を極めて受けやすい。従って、分岐部で液体を所望の分割比で分割しようとしても、このような相互作用力の影響によって分割比のバラツキが生じやすい。

特に、本実施の形態のように、２分割された第１分割路１２３および第２分割路１２５の下流部の何れにも撥水バルブ１３３および１５３が設けられていて、双方ともに撥水バルブ１３３および１５３で一旦液体を止めた後、所望のタイミングで両方を同時に、所定の分割比で再送液する場合は、撥水バルブ１３３および１５３の特性バラツキによって、どちらか一方の分割路の撥水バルブだけが先に液体を通過させてしまう場合がある。

例えば、検体３０１が撥水バルブ１３３を通過した時に、撥水バルブ１５３の方は、その撥水力による液体保持圧力で検体３０１の先端（以下、メニスカス部と言う）が保持されたままであったとすると、その後は、撥水バルブ１３３の方の第１分割路１２３にばかり検体３０１が流れて、撥水バルブ１５３の方の第２分割路１２５の検体３０１は、いつまでたっても撥水バルブ１５３を超えられないという現象が起こることがある。

上述したような現象を防止する方策として、本発明においては、上述した第１高流路抵抗部１２３ａおよび第２高流路抵抗部１２５ａのいずれかの流路抵抗値、例えば第１高流路抵抗部１２３ａの流路抵抗値をＲとして、第１高流路抵抗部１２３ａを含む第１分割路１２３の検体３０１の流量をＱ、第２分割路１２５に存在する撥水バルブ１５３の液体保持圧力の上限値をＰとしたとき、以下のように設定することによって解決できることを見出した。

Ｒ×Ｑ＞Ｐ・・・（３式）
第２高流路抵抗部１２５ａの側についても同様である。

ここで、Ｒ×Ｑは、第１高流路抵抗部１２３の上流側の端と下流側の端との間の差圧に相当する。液体が流れている時の液体の下流のメニスカス部の圧力は大気圧とほぼ等しいので、これは第１高流路抵抗部１２３ａの上流側の端と大気圧との差圧の値がおよそＲ×Ｑになることを意味する。そうすると、流路のつながりからみて、撥水バルブ１５３が検体３０１のメニスカス部を保持している場合には、撥水バルブ１５３の両端にＲ×Ｑの差圧が加わることになる。したがって、第１高流路抵抗部１２３ａにおけるＲ×Ｑの値が撥水バルブ１５３の液体保持圧力Ｐ以上であれば、上記の問題を解決し、撥水バルブ１５３からも速やかに液体が流れ出して、所望の分割比で送液されるようになる。

具体例として、第１高流路抵抗部１２３ａの流路抵抗値Ｒ＝４０×１０¹²（Ｎ・ｓ／ｍ⁵）であり、第１高流路抵抗部１２３ａが含まれる流路を流れる流量Ｑ＝０．１５×１０^-9（ｍ³／ｓ）である。このとき、Ｒ×Ｑ＝６ｋＰａになり、撥水バルブ１５３の液体保持圧力の上限値Ｐ（＝４ｋＰａ）よりも大きく設定されている。

なお、マイクロポンプ２１１の送液圧力の立ち上がりが遅い場合は、流量Ｑが所定の値に達するのに時間が掛かるために、それまでの間はＲ×Ｑの値が想定値以下になってしまい、所定の値に達するまでは一方の流路にしか送液されないという問題が生じるため、マイクロポンプ２１１の送液の立ち上がり時間はできるだけ短い方が好ましい。

上述した本発明における検査チップ１００の第１の実施の形態によれば、複数に分岐された分割流路の各々の流路抵抗値の比を、前記分割流路の各々に分割して送液される液体の前記所定の分割比の逆数と略同一に設定することにより、検体あるいは試薬等の液体を所定の分割比で正確に分割して送液することのできる複数に分岐した分割流路を実現することができ、複数の反応を並列に行うことで分析に要する時間を短縮することができる。

さらに、上述した本発明における検査チップ１００の第１の実施の形態によれば、分割路に撥水バルブを設けた場合に、高流路抵抗部の流路抵抗値Ｒを（３式）を満たすように設定することで、一方の分割路の撥水バルブだけが先に液体を通過させてしまい、他方の分割路にはいつまでたっても液体が通過しない現象を防止することができるので、検体あるいは試薬等の液体を所定の分割比で正確に分割して送液することのできる複数に分岐した分割流路を実現することができ、複数の反応を並列に行うことで分析に要する時間を短縮することができる。

次に、検査チップ１００の第１の実施の形態における分割流路の第２の例について、図３を用いて説明する。図３は、分割流路の第２の例を説明するための模式図である。図３には、図２のポンプ接続部１０７ａ、検体貯留部１０１、検体主流路１１１、分岐部１２１、第１分割路１２３、第１高流路抵抗部１２３ａ、第２分割路１２５、第２高流路抵抗部１２５ａに相当する部分を示してある。

もし、第１分割路１２３および第２分割路１２５の流路抵抗値を上述したような所定値に設定できるのであれば、「高流路抵抗部」としてわざわざ流路幅を狭くした流路をつける必要もない。そこで、図３に示した例においては、分岐部１２１の下流に第１高流路抵抗部１２３ａおよび第２高流路抵抗部１２５ａを設けず、他の流路と同様の幅で長さを長くした第１分割路１２３および第２分割路１２５を設け、その長さによって流路抵抗値を調整している。

本例では、第１分割路１２３の長さが第２分割路１２５の長さの約２倍となっており、これによって、第１分割路１２３の流路抵抗値を第２分割路１２５の流路抵抗値の約２倍とすることができる。

上述した分割流路の第２の例によれば、分割路を長くして流路抵抗値を所定値に設定することで、高流路抵抗部を用いることなく、図２に示した第１高流路抵抗部１２３ａおよび第２高流路抵抗部１２５ａを用いた例と同様の働きをさせることができ、同様の効果を得ることができる。

続いて、検査チップ１００の第１の実施の形態における分割流路の第３の例について、図４を用いて説明する。図４は、分割流路の第３の例を説明するための模式図である。図４には、検体３０１を１対２対５に３分割するための分割流路の例を示してあり、図示した範囲は、図３と同様、図２のポンプ接続部１０７ａ、検体貯留部１０１、検体主流路１１１、分岐部１２１、第１分割路１２３、第１高流路抵抗部１２３ａ、第２分割路１２５、第２高流路抵抗部１２５ａに相当する部分である。

図４において、検体貯留部１０１の下流には検体主流路１１１が設けられ、検体主流路１１１の下流には分岐部１２１が設けられている。分岐部１２１の下流には同一幅で同一長さの細流路１２９が８本並列に設けられており、８本の細流路１２９の下流は、１本の細流路１２９に接続された第１分割路１２３、２本の細流路１２９に接続された第２分割路１２５および５本の細流路１２９に接続された第３分割路１２７が設けられている。この場合、第１分割路１２３、第２分割路１２５および第３分割路１２７に分割される検体３０１の分割比は、１対２対５となる。

上述した分割流路の第３の例によれば、同一形状の細流路１２９を複数本並列に設け、必要な分割比に応じて細流路１２９を並列接続して分割路とすることで、非常に高精度な分割比を実現することができ、図２および図３に示した例と同等以上の高精度な分析や検査を実現することができる。

次に、図２に示した高流路抵抗部および図４に示した細流路の好ましい形状について、図５を用いて説明する。図５は、高流路抵抗部および細流路の好ましい形状を示す模式図である。

図２に示した高流路抵抗部、および図４に示した細流路等の幅の狭い流路１９９は、前後の流路と同じ深さでもよいし、その部分だけ深さを変えてもよい。深さも浅くすれば、その分流路抵抗が高くなる。

また、高流路抵抗部および細流路の出入口部分は、図５（ａ）に示すように流路の幅に段差があるような形状でもよいが、図５（ａ）の形状では、出入口で液体と流路表面との濡れ性の関係で液体のメニスカス部が保持されやすくなりやすいため、前述の「撥水バルブ」と同様の働きをしてしまう可能性がある。そのため、高流路抵抗部および細流路の出入口部分、特に出口部は、図５（ｂ）に示すように、急激な段差をつけずに傾斜部１９９ａを設けて徐々に幅が変わるような形状や、図５（ｃ）に示すように、傾斜部１９９ａに加えて、更に、傾斜部１９９ａの角部を丸めてなだらかにした曲面部１９９ｂを設けた形状のほうが好ましい。

次に、本発明における検査チップ１００の第２の実施の形態について、図６を用いて説明する。図６は、検査チップ１００の第２の実施の形態を示す模式図である。ここでは、図２に示した第１の実施の形態に対して、撥水バルブ１３３、１３５、１５３および１５５を設けない構成例について説明する。

図２においては、撥水バルブ１３３、１３５、１５３および１５５を設けた場合に、高流路抵抗部の流路抵抗値Ｒと、高流路抵抗部を含む分割路の流量Ｑと、他方の分割路に存在する撥水バルブの液体保持圧力の上限値Ｐとが（３式）の関係を満たすことが必要であることを説明したが、図６のように撥水バルブ１３３、１３５、１５３および１５５を設けない場合においても、流路抵抗Ｒの値は所定値以上が望ましい。

なぜなら、流路の断面寸法が数十μｍのオーダーの検査チップの場合、撥水バルブがあっても無くても、流路の内壁面と液体との間に働く毛管力等の相互作用力の影響で液体の分割比がバラツキやすいことには変わりがないからである。流路の毛管力Ｐｃは、流路断面の断面積をＳ、断面周長をＬ、送液される液体の表面張力をσ、流路の内壁面と送液される液体のメニスカス部との接触角をθとしたとき、以下の式で表すことができる。

Ｐｃ＝（σ・Ｌ／Ｓ）×ｃｏｓθ・・・（４式）
この時、ｃｏｓθは流路の内壁面の荒さや内壁面の付着物等で非常にバラツキやすい。このバラツキがあっても分析や検査に影響のない精度で分割送液するためには、少なくとも高流路抵抗部の両端にかかる差圧Ｐｄが、上述した毛管力Ｐｃの最大値σ・Ｌ／Ｓ以上であることが望ましい。高流路抵抗部の両端にかかる差圧Ｐｄは、上述したように、もう一方の高流路抵抗部の流路抵抗Ｒと流量Ｑの積Ｒ×Ｑにほぼ等しいので、
Ｒ×Ｑ＞σ・Ｌ／Ｓ・・・（５式）
の関係を満たすように、各高流路抵抗部の流路抵抗値Ｒを設定することが望ましい。

図２に示した具体例では、第１高流路抵抗部１２３ａの流路抵抗値Ｒは４０×１０¹²（Ｎ・ｓ／ｍ⁵）であり、第１高流路抵抗部１２３ａが含まれる第１分割路１２３を流れる流量Ｑは０．１５×１０^-9（ｍ³／ｓ）である。このとき、Ｒ×Ｑの値は６ｋＰａになる。第２分割路１２５は、流路断面が幅２００μｍ×深さ２５０μｍ、送液される液体の表面張力σがほぼ水と同じ７３（ｍＮ／ｍ）であるので、毛管力Ｐｃの最大値σ・Ｌ／Ｓの値は約１．３ｋＰａとなり、（５式）の関係が成り立っている。

上述した本発明における検査チップ１００の第２の実施の形態によれば、分割路に撥水バルブを設けない場合において、（５式）を満たすように高流路抵抗部の流路抵抗値Ｒを設定することによって、流路の内壁面と液体との間に働く毛管力等の相互作用力に起因する液体の分割比のバラツキの影響を受けずに安定した分割比で分割送液することができ、複数の反応を並列に行うことで、分析や検査に要する時間を短縮することができる。

次に、上述した検査チップ１００の第１および第２の実施の形態での送液に用いられるマイクロポンプ２１１の一例について、図７を用いて説明する。マイクロポンプ２１１は、アクチュエータを設けた弁室の流出入孔に逆止弁を設けた逆止弁型のポンプなど各種のものが使用できるが、ピエゾポンプを用いることが好適である。図７は、マイクロポンプ２１１の構成例を示す模式図で、図７（ａ）はピエゾポンプの一例を示した断面図、図７（ｂ）はその上面図、図７（ｃ）はピエゾポンプの他の例を示した断面図である。

図７（ａ）および（ｂ）において、マイクロポンプ２１１は、第１液室４０８、第１流路４０６、加圧室４０５、第２流路４０７および第２液室４０９が形成された基板４０２、基板４０２上に積層された上側基板４０１、上側基板４０１上に積層された振動板４０３、振動板４０３の加圧室４０５と対向する側に積層された圧電素子４０４と、圧電素子４０４を駆動するための図示しない駆動部とが設けられている。駆動部と圧電素子４０４の両面上の２つの電極とは、フレキシブルケーブル等による配線で接続されており、該配線を通じて駆動部の駆動回路により圧電素子４０４に駆動電圧を印加する構成となっている。駆動時には、第１液室４０８、第１流路４０６、加圧室４０５、第２流路４０７および第２液室４０９の内部は、駆動液２１６で満たされる。

一例として、基板４０２として、厚さ５００μｍの感光性ガラス基板を用い、深さ１００μｍに達するまでエッチングを行うことにより、第１液室４０８、第１流路４０６、加圧室４０５、第２流路４０７および第２液室４０９を形成している。第１流路４０６は幅を２５μｍ、長さを２０μｍとしている。また、第２流路４０７は幅を２５μｍ、長さを１５０μｍとしている。

ガラス基板である上側基板４０１を基板４０２上に積層することにより、第１液室４０８、第１流路４０６、第２液室４０９および第２流路４０７の上面が形成される。上側基板４０１の加圧室４０５の上面に当たる部分は、エッチングなどにより加工されて貫通している。

上側基板４０１の上面には、厚さ５０μｍの薄板ガラスからなる振動板４０３が積層され、その上に、例えば厚さ５０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックス等からなる圧電素子４０４が積層され貼付されている。駆動部からの駆動電圧により、圧電素子４０４とこれに貼付された振動板４０３が振動し、これにより加圧室４０５の体積が増減する。

第１流路４０６と第２流路４０７とは、幅および深さが同じで、長さが第１流路４０６よりも第２流路４０７の方が長くなっており、第１流路４０６では、差圧が大きくなると流路の出入り口およびその周辺で乱流が発生し、流路抵抗が増加する。一方、第２流路４０７では流路の長さが長いので差圧が大きくなっても層流になり易く、第１流路４０６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。すなわち、差圧の大小によって第１流路４０６と第２流路４０７との液体の流れ易さの関係が変化する。これを利用して、圧電素子４０４に対する駆動電圧波形を制御して送液を行っている。

例えば、圧電素子４０４に対する駆動電圧により、加圧室４０５の内方向へ素早く振動板４０３を変位させて、大きい差圧を与えながら加圧室４０５の体積を減少させ、次いで加圧室４０５から外方向へゆっくり振動板４０３を変位させて、小さい差圧を与えながら加圧室４０５の体積を増加させると、液体は加圧室４０５から第２液室４０９の方向（図７（ａ）のＢ方向）へ送液される。

逆に、加圧室４０５の外方向へ素早く振動板４０３を変位させて、大きい差圧を与えながら加圧室４０５の体積を増加させ、次いで加圧室４０５から内方向へゆっくり振動板４０３を変位させて、小さい差圧を与えながら加圧室４０５の体積を減少させると、液体は加圧室４０５から第１液室４０８の方向（図７（ａ）のＡ方向）へ送液される。

なお、第１流路４０６と第２流路４０７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く、他の形状的な相違に基づくものであってもよい。

上記のように構成されたマイクロポンプ２１１によれば、ポンプの駆動電圧および周波数を変えることによって、所望する液体の送液方向、送液速度を制御できるようになっている。図７（ａ）（ｂ）には図示されていないが、第１液室４０８には駆動液タンク２１５につながるポートが設けられており、第１液室４０８は「リザーバ」の役割を演じ、ポートで駆動液タンク２１５から駆動液２１６の供給を受けている。第２液室４０９はマイクロポンプユニット２１０の流路を形成し、その先にチップ接続部２１３があり、検査チップと繋がる。

図７（ｃ）において、マイクロポンプ２１１は、シリコン基板４７１、圧電素子４０４、基板４７４および図示しないフレキシブル配線で構成される。シリコン基板４７１は、シリコンウエ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り、エッチングにより加圧室４０５、振動板４０３、第１流路４０６、第１液室４０８、第２流路４０７、および第２液室４０９が形成されている。駆動時には、加圧室４０５、第１流路４０６、第２流路４０７、第１液室４０８、および第２液室４０９の内部は、駆動液２１６で満たされる。

基板４７４には、第１液室４０８の上部にポート４７２が、第２液室４０９の上部にポート４７３がそれぞれ設けられており、例えばこのマイクロポンプ２１１を検査チップ１００と別体とする場合には、ポート４７３を介して検査チップ１００のポンプ接続部と連通させることができる。例えば、ポート４７２、４７３が穿孔された基板４７４と、検査チップ１００のポンプ接続部近傍とを上下に重ね合わせることによって、マイクロポンプ２１１を検査チップ１００に接続することができる。

また、上述したように、マイクロポンプ２１１は、シリコンウエ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ため、１枚のシリコン基板上に複数のマイクロポンプ２１１を形成することも可能である。この場合、検査チップ１００と接続するポート４７３の反対側のポート４７２には、駆動液タンク２１５が接続されていることが望ましい。マイクロポンプ２１１が複数個ある場合、それらのポート４７２は、共通の駆動液タンク２１５に接続されていてもよい。

上述したマイクロポンプ２１１は、小型で、マイクロポンプ２１１から検査チップ１００までの配管等によるデッドボリュームが小さく、圧力変動が少ないうえに瞬時に正確な吐出圧力制御が可能なことから、駆動制御部２７０での正確な送液制御が可能である。

以上に述べたように、本発明によれば、複数に分岐された分割流路の各々の流路抵抗値の比を、前記分割流路の各々に分割して送液される液体の前記所定の分割比の逆数と略同一に設定することにより、検体あるいは試薬等の液体を所定の分割比で正確に分割して送液することのできる複数に分岐した分割流路を実現することができ、複数の反応を並列に行うことで分析に要する時間を短縮することのできるマイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システムを提供することができる。

さらに、上述した本発明における検査チップ１００の第１の実施の形態によれば、分割路に撥水バルブを設けた場合に、高流路抵抗部の流路抵抗値Ｒを（３式）を満たすように設定することで、一方の分割路の撥水バルブだけが先に液体を通過させてしまい、他方の分割路にはいつまでたっても液体が通過しない現象を防止することができるので、検体あるいは試薬等の液体を所定の分割比で正確に分割して送液することのできる複数に分岐した分割流路を実現することができ、複数の反応を並列に行うことで分析に要する時間を短縮することのできるマイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システムを提供することができる。

尚、本発明に係るマイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システムを構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

マイクロ総合分析システムの一例を示す模式図である。 検査チップの第１の実施の形態を示す模式図である。 分割流路の第２の例を説明するための模式図である。 分割流路の第３の例を説明するための模式図である。 高流路抵抗部および細流路の好ましい形状を示す模式図である。 検査チップの第２の実施の形態を示す模式図である。 マイクロポンプの構成例を示す模式図である。

符号の説明

１ 検査装置
１００ 検査チップ
１０１ 検体貯留部
１０３ 試薬Ａ貯留部
１０５ 試薬Ｂ貯留部
１０７ａ ポンプ接続部
１０７ｂ ポンプ接続部
１０７ｃ ポンプ接続部
１１１ 検体主流路
１１３ 試薬Ａ主流路
１１５ 試薬Ｂ主流路
１２１ 分岐部
１２３ 第１分割路
１２３ａ 第１高流路抵抗部
１２５ 第２分割路
１２５ａ 第２高流路抵抗部
１２７ 第３分割路
１２９ 細流路
１３１ 第１合流部
１３３ 撥水バルブ
１３５ 撥水バルブ
１４１ 第１混合路
１４３ 第１検出部
１５１ 第２合流部
１５３ 撥水バルブ
１５５ 撥水バルブ
１６１ 第２混合路
１６３ 第２検出部
１９９ 幅の狭い流路
１９９ａ 傾斜部
１９９ｂ 曲面部
２１０ マイクロポンプユニット
２１１ マイクロポンプ
２１３ チップ接続部
２１５ 駆動液タンク
２１６ 駆動液
２１７ 駆動液供給部
２３０ 加熱冷却ユニット
２３１ 冷却部
２３３ 加熱部
２５０ 検出部
２５１ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
２５３ 受光素子（ＰＤ）
２７０ 駆動制御部
３０１ 検体
３０３ 試薬Ａ
３０５ 試薬Ｂ
４０１ 上側基板
４０２ 基板
４０３ 振動板
４０４ 圧電素子
４０５ 加圧室
４０６ 第１流路
４０７ 第２流路
４０８ 第１液室
４０９ 第２液室
４７１ シリコン基板
４７２ ポート
４７３ ポート
４７４ 基板

Claims (3)

1. 液体を送液するための主流路と、
   前記主流路から送液された液体を所定の分割比で分割して送液するための複数に分岐された分割流路とを備え、
   複数に分岐された前記分割流路の各々は、流路の一部を前後の流路よりも細く絞って流路抵抗を高めた高流路抵抗部を有し、
   前記高流路抵抗部のうちの何れかの流路抵抗値をＲ、その高流路抵抗部が含まれる分割流路の流量の値をＱとし、
   その他の分割流路の流路の断面積をＳ、断面の周長をＬ、送液される液体の表面張力をσとしたとき、
   Ｒ×Ｑ＞σ×Ｌ÷Ｓ
   となるように、前記高流路抵抗部のうちの何れかの流路抵抗値Ｒが設定されていることを特徴とするマイクロ総合分析チップ。
2. 複数に分岐された前記分割流路の各々は、少なくとも１つの撥水バルブを有し、
   前記高流路抵抗部のうちのいずれかの流路抵抗値をＲ、その高流路抵抗部を含む分割流路の流量の値をＱとし、その他の分割流路の有する撥水バルブの液体保持圧力の上限値をＰとしたとき、
   Ｒ×Ｑ＞Ｐ
   となるように前記高流路抵抗部のうちのいずれかの流路抵抗値Ｒが設定されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ総合分析チップ。
3. 請求項１または２に記載のマイクロ総合分析チップと、
   前記マイクロ総合分析チップと接続され、前記マイクロ総合分析チップ内において液体を送液するための送液装置と、
   前記マイクロ総合分析チップ上で生成される標的物質を検出する検出部とを備えたことを特徴とするマイクロ総合分析システム。

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